JP4992885B2

JP4992885B2 - プラズマ発生装置

Info

Publication number: JP4992885B2
Application number: JP2008297518A
Authority: JP
Inventors: 秀樹藤田; 己拔篠原
Original assignee: Nissin Ion Equipment Co Ltd
Current assignee: Nissin Ion Equipment Co Ltd
Priority date: 2008-11-21
Filing date: 2008-11-21
Publication date: 2012-08-08
Anticipated expiration: 2028-11-21
Also published as: US20100129272A1; US8840844B2; JP2010123467A; CN101742809A; CN101742809B

Description

この発明は、例えば、基板にイオンビームを照射してイオン注入等の処理を施すイオンビーム照射装置においてイオンビーム照射の際の基板表面の帯電（チャージアップ）を抑制すること等に用いられるＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴。以下同様）型のプラズマ発生装置に関する。

上記のような基板表面の帯電抑制に用いられるプラズマ発生装置の一例として、特許文献１には、真空に排気されると共にガスおよび高周波が導入されるプラズマ室と、当該プラズマ室の一方側（出口側）に設けられていて１以上の孔を有する出口電極とを有していて、プラズマ室内で高周波放電によって、より具体的には電子サイクロトロン共鳴を利用して、上記ガスを電離させてプラズマを生成して、当該プラズマを前記出口電極を通して外部に放出するプラズマ発生装置が記載されている。

プラズマ室内には、上記高周波を放射する棒状のアンテナが、プラズマ室の長手方向に沿って配置されている。プラズマ室内のアンテナ全体は、絶縁物から成るアンテナカバーで覆われている。このアンテナカバーは、プラズマによるスパッタリングによってアンテナからそれを構成する金属粒子が放出されてプラズマを汚染すること（即ち金属汚染あるいはメタルコンタミネーション）が発生するのを防止することが主目的で設けられている。

電子サイクロトロン共鳴条件は、周知のように、例えば高周波の周波数が２．４５ＧＨｚの場合に磁界の強さは８７．５ｍＴである。プラズマ室の外部に設けられた磁石によって、プラズマ室内には、上記電子サイクロトロン共鳴を起こさせる磁界が、上記アンテナを含む領域に当該アンテナに沿う方向に与えられる。

特許第４００１１８５号公報（段落００２０−００３０、図１、図２）

上記従来のプラズマ発生装置においては、アンテナは電子サイクロトロン共鳴条件が成立している場所を貫通しているので、アンテナの近傍で濃いプラズマが生成される。そしてこの濃いプラズマによって、アンテナカバーに大きな熱入力と強いスパッタリングが起こるので、アンテナカバーが消耗する。

アンテナカバーが消耗して仮にそれに穴があくと、プラズマが直接アンテナをスパッタしてアンテナを構成している金属粒子が放出されるので、上述したメタルコンタミネーションが発生する原因になる。従ってアンテナカバーの寿命が、プラズマ発生装置の寿命を決める要因の一つになっている。

そこでこの発明は、アンテナを有するＥＣＲ型のプラズマ発生装置において、プラズマによるアンテナカバーの消耗の課題を解決することを主たる目的としている。

この発明に係るプラズマ発生装置は、基板にイオンビームを照射して処理を施すイオンビーム照射装置においてイオンビーム照射の際の基板表面の帯電を抑制することに用いられる装置であって、真空に排気されると共にガスおよび高周波が導入されるプラズマ室と、当該プラズマ室の一方側に設けられていて１以上の孔を有する出口電極とを有していて、前記プラズマ室内で電子サイクロトロン共鳴を利用して前記ガスを電離させてプラズマを生成して、当該プラズマを前記出口電極を通して外部に放出するプラズマ発生装置において、
前記プラズマ室に隣接して設けられていて真空に排気されるアンテナ室と、
前記アンテナ室内に設けられていて高周波を放射するアンテナと、
絶縁物から成り、前記プラズマ室と前記アンテナ室との間を前記ガスを阻止するように仕切ると共に、前記アンテナから放射された高周波を前記プラズマ室内へ通す仕切り板と、
前記プラズマ室の外部に設けられていて、前記プラズマ室内に、前記電子サイクロトロン共鳴を起こす磁界を、前記出口電極からのプラズマの放出方向と交差する方向に発生させる磁石装置とを備えており、
かつ前記出口電極は、
複数の孔を有する第１出口電極と、
前記第１出口電極よりも前記プラズマの放出方向側に設けられていて、前記第１出口電極の複数の孔に対応する位置に複数の孔を有する第２出口電極と、
前記第１出口電極と第２出口電極との間に設けられていて、両電極の隣り合う孔間を仕切る仕切り壁とを備えている、ことを特徴としている。

このプラズマ発生装置においては、真空に排気されるアンテナ室と、ガスが導入されるプラズマ室とを仕切り板で仕切っているので、プラズマはプラズマ室内でのみ生成され、アンテナ室内では生成されない。従って、アンテナはプラズマに曝されないので、アンテナをプラズマから保護するアンテナカバーが不要になり、プラズマによるアンテナカバーの消耗の課題を解決することができる。

仕切り板はプラズマ室内のプラズマに曝されるけれども、当該仕切り板はプラズマ室の端にあって濃いプラズマからは離れているので、上記従来技術のアンテナカバーに比べて、プラズマによる熱入力およびスパッタリングは小さい。従って仕切り板は、上記従来技術のアンテナカバーに比べて消耗が少なくなり、長寿命になる。

前記アンテナは、前記仕切り板に沿って伸びた形状をしており、前記磁石装置は、前記アンテナが伸びた方向に沿って伸びた構造をしており、前記出口電極は、前記アンテナが伸びた方向に沿って配列された複数の孔を有している、という構造を採用しても良い。前記アンテナを前記仕切り板に当接させていても良い。

前記磁石装置は、前記プラズマ室を挟んで相対向するように配置された第１および第２の磁石と、前記第１および第２の磁石の背面間を接続する接続部、ならびに、前記第１および第２の磁石よりも前記プラズマの放出方向側において前記出口電極の横付近で内側に張り出して相対向する張り出し部を有していて、前記第１および第２の磁石の外側を、前記張り出し部間を除いて囲んでいるヨークとを備えていても良い。

請求項１に記載の発明によれば、真空に排気されるアンテナ室と、ガスが導入されるプラズマ室とを仕切り板で仕切っているので、プラズマはプラズマ室内でのみ生成され、アンテナ室内では生成されない。従って、アンテナはプラズマに曝されないので、アンテナをプラズマから保護するアンテナカバーが不要になり、プラズマによるアンテナカバーの消耗の課題を解決することができる。

仕切り板はプラズマ室内のプラズマに曝されるけれども、当該仕切り板はプラズマ室の端にあって濃いプラズマからは離れているので、上記従来技術のアンテナカバーに比べて、プラズマによる熱入力およびスパッタリングは小さい。従って仕切り板は、上記従来技術のアンテナカバーに比べて消耗が少なくなり、長寿命になる。その結果、当該プラズマ発生装置の寿命を長くすることができる。

また、磁石装置は、出口電極からのプラズマの放出方向と交差する方向に磁界を発生させるので、外部に放出されるプラズマ中の電子は、低エネルギーの電子が主体になり、放出プラズマ中に高エネルギーの電子が含まれるのを防止することができる。その結果、当該プラズマ中の電子を用いてイオンビーム照射に伴う基板の帯電を抑制する際に、基板の負のチャージアップ電圧を小さく抑えることができる。
更に、出口電極は、上記構成をしているので、上記磁石装置が発生させる磁界を利用して、上記プラズマ中のエネルギーの高い電子およびイオンを阻止して、低エネルギーの電子を選択して通過させることができる。その結果、当該低エネルギーの電子を用いてイオンビーム照射に伴う基板の帯電を抑制することができるので、基板の負のチャージアップ電圧をより一層小さく抑えることができる。また、出口電極を通過したイオンが、基板を処理するためのイオンビームのビームラインに流入して、当該イオンビームの測定等に悪影響が生じることを抑制することができる。

請求項２に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、アンテナおよび磁石装置が上記方向に伸びており、かつ出口電極の複数の孔が上記方向に配列されているので、当該方向において幅が広くかつ均一性の良いプラズマを生成しかつ放出することができる。その結果、例えば、上記プラズマ中の電子を用いて、走査されたイオンビームまたはリボン状のイオンビームの照射に伴う基板の帯電を抑制する場合に、当該イオンビームにプラズマを均一性良く供給して、基板の帯電抑制を均一性良く行うことができる。

請求項３に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、アンテナを仕切り板に当接させていて、アンテナをプラズマ室に最大限近づけることができるので、アンテナから放射した高周波を仕切り板を通してプラズマ室内に効率良く導入することができる。その結果、プラズマ室内におけるプラズマの発生効率をより向上させることができる。

また、アンテナと仕切り板との間に電界が生じて両者間で不要な放電が発生するのを防止することができる。その結果、放電によって仕切り板が損傷を受ける等の不具合発生を防止することができる。

更に、アンテナへの伝熱によって仕切り板の熱を逃がして仕切り板を冷却することができる。その結果、仕切り板の温度上昇を抑えて仕切り板の寿命をより長くすることができる。

請求項４に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、磁石装置のヨークが、第１および第２の磁石の外側を、張り出し部間を除いて囲んでいるので、漏れ磁界を、特にプラズマの放出領域への漏れ磁界を少なくすることができる。その結果、外部に放出されるプラズマ中の電子の密度分布が漏れ磁界によって乱されて不均一になることを抑制することができる。その結果、例えば、上記プラズマ中の電子を用いてイオンビーム照射に伴う基板の帯電を抑制する場合に、当該帯電抑制の均一性を高めることができる。

また、ヨークに張り出し部を設けたことによって、当該張り出し部と第１および第２の磁石とで囲まれる領域の磁界が強くなり、プラズマ中の電子が当該磁界を横切るときにガス分子との衝突がより頻繁に起こって電子のエネルギーがより低下するので、外部に放出されるプラズマ中に含まれる低エネルギー電子の割合をより大きくすることができる。その結果、例えば、上記プラズマ中の電子を用いてイオンビーム照射に伴う基板の帯電を抑制する場合に、基板の負のチャージアップ電圧をより小さく抑えることができる。

図１は、この発明に係るプラズマ発生装置の一実施形態を示す断面図である。図２は、図１の線Ａ−Ａに沿う断面図である。

このプラズマ発生装置１０は、後でより詳しく説明するけれども、真空に排気されると共にガス２８および高周波（これは後述する仕切り板５４を通して導入される）が導入されるプラズマ室２０と、プラズマ室２０の一方側（出口側）に設けられていて１以上の孔を有する出口電極８０とを有していて、プラズマ室２０内で電子サイクロトロン共鳴を利用してガス２８を電離させてプラズマ２４を生成して、当該プラズマ２４を出口電極８０を通して外部に放出するものである。

このプラズマ発生装置１０は、更に、プラズマ室２０に隣接して設けられていて真空に排気されるアンテナ室４０と、アンテナ室４０内に設けられていて高周波４８を放射するアンテナ４２と、絶縁物から成り、プラズマ室２０とアンテナ室４０との間をガス２８を阻止するように仕切ると共に、アンテナ４２から放射された高周波４８をプラズマ室２０内へ通す仕切り板５４と、プラズマ室２０の外部に設けられていて、プラズマ室２０内に、上記電子サイクロトロン共鳴を起こす磁界Ｂを、出口電極８０からのプラズマ２４の放出方向（後述するＹ方向）と交差する方向（この例では後述するＺ方向だが、その逆方向でも良い）に発生させる磁石装置６０とを備えている。アンテナ室４０内にはガスを導入しない。

磁石装置６０がプラズマ室２０内に発生させる磁界Ｂの強さは、電子サイクロトロン共鳴条件を成立させるものである。例えば、高周波４８の周波数が２．４５ＧＨｚのマイクロ波の場合は、約８７．５ｍＴである。

磁石装置６０は、例えば、永久磁石でも良いし、永久磁石とヨークとの組み合わせでも良いし、電磁石でも良い。あるいは、後述する構造を採用しても良い。

出口電極８０は、例えば、１枚の電極でも良いし、複数枚の電極でも良い。１枚の電極の場合は、プラズマ室２０を形成する容器（例えば後述する真空容器２２）の一部として当該容器と一体で形成しても良い。出口電極８０の孔は、１以上で任意であり、スリット状の孔でも良い。あるいは、この出口電極８０に後述する構造を採用しても良い。

このプラズマ発生装置１０においては、ガスが導入されることなく真空に排気されるアンテナ室４０と、ガス２８が導入されるプラズマ室とを仕切り板５４で仕切っているので、プラズマ２４はプラズマ室２０内でのみ生成され、アンテナ室４０内では生成されない。従って、アンテナ４２はプラズマ２４に曝されないので、アンテナ４２をプラズマ２４から保護するアンテナカバーが不要になり、プラズマ２４によるアンテナカバーの消耗の課題を解決することができる。

仕切り板５４はプラズマ室２０内のプラズマ２４に曝されるけれども、当該仕切り板５４はプラズマ室２０の端にあって濃いプラズマ２４からは離れているので、前述した従来技術のアンテナカバーに比べて、プラズマ２４による熱入力およびスパッタリングは小さい。従って仕切り板５４は、前述した従来技術のアンテナカバーに比べて消耗が少なくなり、長寿命になる。その結果、当該プラズマ発生装置１０の寿命を長くすることができる。

また、磁石装置６０は、出口電極８０からのプラズマ２４の放出方向と交差する方向に磁界Ｂを発生させるので、外部に放出されるプラズマ２４中の電子は、低エネルギーの電子が主体になり、放出プラズマ２４中に高エネルギーの電子が含まれるのを防止することができる。これは、プラズマ室２０内で生成されるプラズマ２４中の電子には、電子サイクロトロン共鳴によって加速されたエネルギーの高い電子が含まれているけれども、当該電子は、プラズマ２４の放出方向と交差する方向の磁界Ｂに沿って運動するので、プラズマ室の壁面（例えば後述する絶縁物３０）に衝突して消滅することになる。従って、外部に放出されるプラズマ２４中の電子は、ガス分子と衝突を繰り返してエネルギーが低下した低エネルギーの電子が主体になるからである。

その結果、例えば、次に述べる実施形態のように、上記プラズマ２４中の電子によって、イオンビーム２の照射に伴う基板４の帯電を抑制する際に、基板４の負のチャージアップ電圧を小さく抑えることができる。これは、基板４に電子を過剰に供給すると基板４は負にチャージアップするけれども、そのチャージアップ電圧は、電子のエネルギー相当電圧までしか大きくならないからである。

次に、プラズマ発生装置１０のより具体的な実施形態を説明する。

図１、図２に示すプラズマ発生装置１０は、真空容器６内において基板（例えば半導体基板）４にイオンビーム２を照射して、基板４にイオン注入等の処理を施すイオンビーム照射装置（この装置は、イオン注入を行う場合はイオン注入装置と呼ばれる）に用いられている場合の例である。プラズマ発生装置１０は、基板４の上流側近傍に位置する真空容器６の外部に、絶縁物９０を介して取り付けられている。

イオンビーム２の進行方向をＺ方向とし、このＺ方向と実質的に直交する平面内において互いに実質的に直交する２方向をＸ方向（例えば水平方向）およびＹ方向（例えば垂直方向）とすると、この例では、イオンビーム２は、矢印Ｇで示すようにＸ方向に電界または磁界によって往復走査される。基板４は、矢印Ｈで示すようにＹ方向に機械的に往復走査される。両走査の協働（ハイブリッドスキャン）によって、基板４の全面にイオンビーム２を均一性良く照射して均一性の良いイオン注入を行うことができる。

もっとも、イオンビーム２は、走査を経ることなくＸ方向の幅が広いリボン状のイオンビームでも良い。以下においては、プラズマ発生装置１０についての説明を、イオンビーム２がＸ方向に走査される場合を例に説明しているけれども、イオンビーム２が上記リボン状のイオンビームの場合も同様である。

基板４にイオン注入を行う際に、プラズマ発生装置１０から放出したプラズマ２４をイオンビーム２または基板４の近傍に供給して、プラズマ２４中の電子を用いて、イオンビーム照射に伴う正電荷を中和して、基板４の表面の帯電を抑制することができる。

プラズマ発生装置１０は、この実施形態では、イオンビーム２の上記Ｘ方向の走査に対応することができるように、Ｘ方向に長く伸びた構造をしている。それによって、Ｘ方向の幅が広いプラズマ２４を放出して、Ｘ方向に走査されるイオンビーム２付近にプラズマ２４を万遍なく供給して、基板４の表面において帯電を万遍なく抑制することができる。

プラズマ発生装置１０は、真空容器２２を有しており、その内部に、プラズマ室２０とアンテナ室４０とが、仕切り板５４を挟んで、互いに上下に隣接して形成されている。真空容器２２は、Ｘ方向に沿って伸びた（換言すればＸ方向を長辺とする）角筒状をしている。従って、プラズマ室２０およびアンテナ室４０も、Ｘ方向に沿って伸びた形状をしている。

磁石装置６０の近くにある物体は、例えばこの真空容器２２（但しその上蓋２３を除く）、アンテナ４２、出口電極８０等は、磁石装置６０が発生する磁界Ｂを乱さないように、非磁性体で構成されている。真空容器２２の上蓋２３は、この実施形態では、磁石装置６０の後述するヨークの一部を兼ねているので、磁性体（より具体的には強磁性体）で形成されている。磁性体の表面は、高周波損失を減少させるために銀メッキ等で覆っておいても良い。

プラズマ室２０は、出口電極８０側から（即ち出口電極８０を通して）、図示しない真空排気装置によって真空排気されると共に、ガス導入口２６からガス２８が導入される。ガス２８は、例えばキセノンガスであるが、これに限られるものではない。

プラズマ室２０内には、更に、アンテナ４２から放射された高周波４８が、仕切り板５４を通して導入される。この高周波４８と、磁石装置６０が発生させる磁界Ｂとによって、プラズマ室２０内において、電子サイクロトロン共鳴を利用して、ガス２８を電離させてプラズマ２４を生成することができる。

プラズマ室２０を囲む壁面は、できるだけ広く絶縁物で覆っておくのが好ましい。それによって、プラズマ２４によるスパッタリングによって、真空容器２２等からそれを構成する粒子（例えば金属粒子）が放出されてプラズマ２４を汚染するのを抑制することができる。この実施形態では、プラズマ室２０の上面は絶縁物から成る仕切り板５４であるので、プラズマ室２０の側面および下面（出口面）を絶縁物３０および３２でそれぞれ覆っている。両絶縁物３０、３２は、例えば、石英、アルミナ等から成る。

絶縁物３２は、プラズマ２４を通すものであってＸ方向に配列された複数の孔３３を有している。この孔３３は、出口電極８０の後述する孔８３、８５に対応した位置に設けられている。

絶縁物３２の下面側に近接または当接させて、プラズマ電極３４を設けている。このプラズマ電極３４は、プラズマ２４を通すものであって上記孔３３に対応する位置に設けられた複数の孔３５を有している。このプラズマ電極３４は、例えばカーボンから成る。

このプラズマ電極３４は、プラズマ２４と接してプラズマ２４の電位を確保するためのものであり、真空容器２２と同電位にされている。即ち、プラズマ室２０を絶縁物で完全に囲むと、プラズマ２４に接する導体がなくなってプラズマ２４に電位が与えられなくなり、プラズマ２４に電流が流れなくなってプラズマ２４から電子を引き出すことが困難になるけれども、これをプラズマ電極３４によって防止することができる。この作用と、プラズマ２４の上記汚染抑制とを両立させるために、絶縁物３２の孔３３をプラズマ電極３４の孔３５よりも若干大きくして（図５も参照）、プラズマ２４に接するプラズマ電極３４の面積を必要最小限にして、プラズマ電極３４からの金属粒子によるプラズマ２４の汚染を最小限に抑えるようにしている。

もっとも、プラズマ電極３４を設ける代わりに、出口電極８０を絶縁物３２に近接または当接させて配置して、この出口電極８０に上記プラズマ電極３４と同様の作用をさせても良い。

アンテナ室４０は、排気口５０を通して、図示しない真空排気装置（例えばプラズマ室２０を真空排気する真空排気装置と同一の真空排気装置）によって、真空に排気される。排気口５０の入口には、アンテナ４２から放射された高周波４８が漏れ出すのを抑制する金属製のグリッド５２が設けられている。このアンテナ室４０内には、ガスは導入しない。従って、プラズマ室２０とアンテナ室４０との間の差圧は、プラズマ室２０内におけるガス２８の圧力程度であり、これは例えば１０^-3〜１０^-2Ｐａ程度と非常に小さい。

仕切り板５４は、例えば、石英、アルミナ等の絶縁物から成る。この仕切り板５４は、プラズマ室２０内に導入されたガス２８がアンテナ室４０へ漏れるのを阻止する働きをするが、必ずしも完全に（即ち１００％）阻止する必要はない。例えば端部から若干漏れても構わない。要は、アンテナ室４０内でプラズマが生じない程度にガス２８を阻止すれば良い。

また、仕切り板５４は、プラズマ室２０とアンテナ室４０との間の上記差圧や、この実施形態のようにアンテナ４２を当接させている場合はその押圧力に耐える程度の強度は必要であるが、大気圧に耐えるほどの厚さは必要でない。従って、この仕切り板５４を薄くすることができるので、アンテナ４２から放射された高周波４８を低損失でプラズマ室２０へ通すことができる。例えば仕切り板５４の厚さは、１ｍｍ〜３ｍｍ程度でも良い。

アンテナ４２は、この実施形態では、細長い板状をしており、かつ仕切り板５４に沿ってＸ方向に伸びた形状をしている。このアンテナ４２には、図示しない高周波電源（例えばマイクロ波電源）から、インピーダンス整合回路等を経由して、かつ給電導体４４を通して、高周波４８が供給される。給電導体４４が上蓋２３を貫通する部分には絶縁物４６が設けられている。高周波４８は、例えば、周波数が２．４５ＧＨｚのマイクロ波であるが、それに限られるものではない。この高周波４８の周波数に応じてアンテナ４２の長さを決めれば良い。

この実施形態では、アンテナ４２は、２．４５ＧＨｚに対して１／２波長の整数倍（例えば２倍）の長さを有している。これによって、Ｘ方向に沿う広い領域から高周波４８を放射することができるので、プラズマ室２０内にＸ方向において均一性の良いプラズマ２４を生成することができる。

従来型では、アンテナ端が開放されているため、プラズマの高周波吸収条件によって、電界の節の位置が変化し、プラズマの発生場所が不安定になるが、この実施形態では、アンテナ４２の長さを上記のように１／２波長の整数倍にし、アンテナ４２の両端を真空容器２２の上蓋２３に電気的に接続して、電気的に固定端としているので、アンテナ４２の両端を常に高周波電界の節とすることができる。これによって、アンテナ４２の電位分布を安定させることができる。ひいては、プラズマの発生場所が特定できるため、プラズマの取り扱いが容易となる。

アンテナ４２は、この実施形態のように、仕切り板５４に当接させておいても良い。それによって次のような効果が得られる。

即ち、アンテナ４２をプラズマ室２０に最大限近づけることができるので、アンテナ４２から放射した高周波４８を仕切り板５４を通してプラズマ室２０内に効率良く導入することができる。その結果、プラズマ室２０内におけるプラズマ２４の発生効率をより向上させることができる。

また、仮にアンテナ４２と仕切り板５４とが離れていると、両者間がコンデンサのようになって、両者の表面に互いに逆極性の電荷が表れて両者間に電界が生じて、両者間で不要な放電が発生する恐れがあるけれども、アンテナ４２を仕切り板５４に当接させたことによって、アンテナ４２と仕切り板５４との間に電界が生じて両者間で不要な放電が発生するのを防止することができる。その結果、放電によって仕切り板５４が損傷を受ける等の不具合発生を防止することができる。

更に、アンテナ４２への伝熱によって仕切り板５４の熱を逃がして仕切り板５４を冷却することができる。その結果、仕切り板５４の温度上昇を抑えて仕切り板５４の寿命をより長くすることができる。

アンテナ４２がＸ方向に伸びていることに加えて、この実施形態では、磁石装置６０も、アンテナ４２が伸びたＸ方向に沿って伸びた構造をしている。更に出口電極８０は、アンテナ４２が伸びたＸ方向に沿って配列された複数の孔８３、８５を有している。このような構造によって、Ｘ方向において幅が広くかつ均一性の良いプラズマ２４を生成しかつ放出することができる。その結果、前述したように、Ｘ方向に走査されるイオンビーム２（またはＸ方向に幅の広いリボン状のイオンビーム）付近にプラズマ２４を均一性良く供給して、基板４の帯電抑制を均一性良く行うことができる。

磁石装置６０は、この実施形態では、プラズマ室２０をＺ方向において挟んで相対向するように配置された第１および第２の磁石６２および６４と、次のような構造のヨーク７０とを備えている。

両磁石６２、６４は、この実施形態では永久磁石である。各磁石６２、６４は、それぞれ、１本の棒状の永久磁石でも良いし、複数の棒状の永久磁石をＸ方向に沿って並べたものでも良い。両磁石６２、６４が発生させる磁界Ｂの方向は、図示例ではＺ方向（即ちイオンビーム２の進行方向）であるが、それと逆方向でも良い。両磁石６２、６４の内側面には、この実施形態では、磁界の集中を緩和するために、断面半円形の強磁性体から成る磁極６６、６８をそれぞれ設けている。

ヨーク７０は、両磁石６２、６４の背面間を接続する接続部７１と、両磁石６２、６４よりもプラズマ２４の放出方向側（より具体的には第１出口電極８２と第２出口電極８４との間に相当する位置）において出口電極８０の横付近で内側に張り出して相対向する張り出し部７２とを有している。接続部７１および張り出し部７２は強磁性体から成る。前述したように、真空容器２２の上蓋２３は強磁性体から成り、この接続部７１の一部を構成している。

上記ヨーク７０によって、両磁石６２、６４の外側を、張り出し部７２間を除いて囲んでいる。従って、漏れ磁界を、特にプラズマ２４の放出領域への漏れ磁界を少なくすることができる。その結果、外部に放出されるプラズマ２４中の電子の密度分布が漏れ磁界によって乱されて不均一になることを抑制することができる。その結果、上記プラズマ２４中の電子を用いてイオンビーム照射に伴う基板４の帯電を抑制する際に、当該帯電抑制の均一性を高めることができる。

図３は、磁石装置６０による磁界の様子を解析した結果の一例を示す概略図である。上記磁界Ｂを表す磁力線７４の代表的なものを幾つか図示している。この解析から、磁石装置６０の外部への漏れ磁界が非常に少ないことが確かめられた。

また、電子サイクロトロン共鳴条件が成立している領域７６（太線で示す部分）が仕切り板５４から離れていることも確かめられた。当該領域７６付近では濃いプラズマ２４が生成されるが、それが仕切り板５４から離れているので、前述したように、従来技術のアンテナカバーに比べて、プラズマ２４による仕切り板５４への熱入力およびスパッタリングを小さくすることができる。

また、この図３からも分かるように、この磁石装置６０においては、両磁石６２、６４間の磁力線は開いておらず（これはミラー磁場と呼ばれる）、このような磁力線７４がＸ方向に並んでいるので、プラズマ２４中の電子２４ｅは磁力線７４を横切らないと出てこない。磁力線７４を横切るときに、電子２４ｅはラーモア運動によって磁界Ｂに拘束されて移動が遅くなるので、ガス分子との衝突が頻繁に起こる。ガス分子と衝突すれば電子２４ｅのエネルギーは低下する。従って前述したように、外部に放出されるプラズマ２４中の電子は、低エネルギーの電子が主体になる。例えば、エネルギーが１ｅＶ〜１０ｅＶ程度の電子を主体にすることができる。

しかも、ヨーク７０に張り出し部７２を設けたことによって、両側の張り出し部７２と第１および第２の磁石６２および６４とで囲まれる領域７８の磁界が強くなり、電子２４ｅが磁界を横切るときに当該ガス分子との衝突がより頻繁に起こって電子２４ｅのエネルギーがより低下するので、外部に放出されるプラズマ２４中に含まれる低エネルギー電子の割合をより大きくすることができる。その結果、プラズマ２４中の電子２４ｅを用いてイオンビーム照射に伴う基板４の帯電を抑制する際に、基板４の負のチャージアップ電圧をより小さく抑えることができる。

出口電極８０は、この実施形態では、アンテナ４２が伸びた方向であるＸ方向に沿って配列された複数の孔８３を有する第１出口電極８２と、第１出口電極８２よりもプラズマ２４の放出方向側（即ちＹ方向の下側）に設けられていて、第１出口電極８２の複数の孔８３に対応する位置に複数の孔８５を有する第２出口電極８４と、第１出口電極８２と第２出口電極８４との間に設けられていて、両電極８２、８４の隣り合う孔８３、８５間を仕切る仕切り壁８６とを備えている。両電極８２、８４は、真空容器２２およびプラズマ電極３４と同電位にされている。

両電極８２、８４の孔８３、８５は、図４も参照して、この実施形態ではＸ方向に沿って１列に配置されているが、複数列にしても良い。複数列にする場合は、仕切り壁８６と同様の考えで、各列間を仕切る仕切り壁を更に設ければ良い。

出口電極８０を上記構造にしたことによって、エネルギーの高い電子およびイオンを阻止して、低エネルギーの電子を選択して（換言すれば優先的に）通過させることができる。これを図５を参照してより詳しく説明する。

出口電極８０付近には、上記磁石装置６０が発生する磁界Ｂが、弱いけれども存在する。この磁界Ｂは、磁石装置６０が図２、図３に示したような構造のヨーク７０を有していない場合にも存在するし、当該ヨーク７０を有している場合でも上記張り出し部７２を有しているので存在する。この磁界Ｂは、磁石装置６０からＹ方向下側に離れるにつれて弱くなっている。より具体的には、第１出口電極８２付近の方が第２出口電極８４付近よりも磁界Ｂは強くなる。

プラズマ２４中の電子２４ｅやイオン２４ｉがこの出口電極８０に入って来たとき、これらの荷電粒子は磁界Ｂ中で螺旋状にラーモア運動をし、かつそのラーモア半径は、磁石装置６０から遠ざかるにつれて磁界Ｂが弱くなるので大きくなる。

上記電子２４ｅにはエネルギーの異なる電子が含まれているが、上記のように第１出口電極８２付近では磁界Ｂが強くて、エネルギーの大きい電子２４ｅ₁もエネルギーの小さい電子２４ｅ₂も、そのラーモア半径は第１出口電極８２の孔８３の寸法に比べて小さいので孔８３を通過する。しかし、第２出口電極８４付近では磁界Ｂが弱くて両電子２４ｅ₁、２４ｅ₂のラーモア半径は大きくなり、その内、エネルギーの小さい電子２４ｅ₂は、そのラーモア半径が第２出口電極８４の孔８５の寸法に比べて小さいので孔８５を通過することができるけれども、エネルギーの大きい電子２４ｅ₁は、そのラーモア半径が第２出口電極８４の孔８５の寸法よりも大きくなって孔８５を通過することができず、第２出口電極８４の板面等に衝突する。このような作用によって、高エネルギーの電子が第２出口電極８４を通して放出されるのを防止することができる。

イオン２４ｉは、電子２４ｅに比べて質量が非常に大きいので、ラーモア半径は非常に大きいけれども、主として第１出口電極８２付近の強い磁界Ｂによって所定方向に曲げられるので、第２出口電極８４の孔８５を通過することができず、仕切り壁８６や第２出口電極８４の板面に衝突する。

上記のような作用によって、出口電極８０において、エネルギーの高い電子およびイオンを阻止して、低エネルギーの電子を選択して通過させることができる。この場合は、イオンを阻止することができるので、出口電極８０を通して出て来るものは、電子が主体であると言うことができる。第２出口電極８４の孔８５の大きさ（例えば直径Ｄ）によって、通過させる電子２４ｅのエネルギーを調整することができる。例えば、孔８５を小さくすれば通過することのできる電子２４ｅのエネルギーは小さくなり、孔８５を大きくすれば通過することのできる電子２４ｅのエネルギーは大きくなる。

その結果、上記のようにして選択的に通過させた低エネルギーの電子２４ｅを用いてイオンビーム照射に伴う基板４の帯電を抑制する際に、基板４の負のチャージアップ電圧をより一層小さく抑えることができる。

また、プラズマ２４中のイオンが出口電極８０を通過して、上記イオンビーム２のビームラインに流入すると、当該イオンビーム２のビーム電流の測定時にノイズの原因になる等、イオンビーム２の測定等に悪影響が生じる場合があるけれども、それを上記出口電極８０によって防止することができる。

出口電極８０およびそれと同電位部には、図１に示す例のように、直流の引出し電源９２によって、真空容器６の電位を基準にして負の引出し電圧Ｖ_Eを印加するようにしても良い。そのようにすれば、プラズマ室２０で発生させたプラズマ２４から出口電極８０を通して電子２４ｅを引き出しやすくなる。引出し電圧Ｖ_Eの大きさは、例えば、３Ｖ〜２５Ｖ程度にすれば良い。

この発明に係るプラズマ発生装置の一実施形態を示す断面図である。図１の線Ａ−Ａに沿う断面図である。磁石装置による磁界の様子を解析した結果の一例を示す概略図である。出口電極の仕切り壁の一例を示す横断面図である。出口電極付近におけるプラズマ中の電子およびイオンの運動の例を模式的に示す図である。

符号の説明

１０プラズマ発生装置
２０プラズマ室
２４プラズマ
２８ガス
４０アンテナ室
４２アンテナ
４８高周波
５４仕切り板
６０磁石装置
６２、６４磁石
７０ヨーク
８０出口電極
８２第１出口電極
８４第２出口電極
８６仕切り壁

Claims

基板にイオンビームを照射して処理を施すイオンビーム照射装置においてイオンビーム照射の際の基板表面の帯電を抑制することに用いられる装置であって、真空に排気されると共にガスおよび高周波が導入されるプラズマ室と、当該プラズマ室の一方側に設けられていて１以上の孔を有する出口電極とを有していて、前記プラズマ室内で電子サイクロトロン共鳴を利用して前記ガスを電離させてプラズマを生成して、当該プラズマを前記出口電極を通して外部に放出するプラズマ発生装置において、
前記プラズマ室に隣接して設けられていて真空に排気されるアンテナ室と、
前記アンテナ室内に設けられていて高周波を放射するアンテナと、
絶縁物から成り、前記プラズマ室と前記アンテナ室との間を前記ガスを阻止するように仕切ると共に、前記アンテナから放射された高周波を前記プラズマ室内へ通す仕切り板と、
前記プラズマ室の外部に設けられていて、前記プラズマ室内に、前記電子サイクロトロン共鳴を起こす磁界を、前記出口電極からのプラズマの放出方向と交差する方向に発生させる磁石装置とを備えており、
かつ前記出口電極は、
複数の孔を有する第１出口電極と、
前記第１出口電極よりも前記プラズマの放出方向側に設けられていて、前記第１出口電極の複数の孔に対応する位置に複数の孔を有する第２出口電極と、
前記第１出口電極と第２出口電極との間に設けられていて、両電極の隣り合う孔間を仕切る仕切り壁とを備えている、ことを特徴とするプラズマ発生装置。
前記アンテナは、前記仕切り板に沿って伸びた形状をしており、
前記磁石装置は、前記アンテナが伸びた方向に沿って伸びた構造をしており、
前記出口電極は、前記アンテナが伸びた方向に沿って配列された複数の孔を有している請求項１記載のプラズマ発生装置。
前記アンテナを前記仕切り板に当接させている請求項１または２記載のプラズマ発生装置。
前記磁石装置は、
前記プラズマ室を挟んで相対向するように配置された第１および第２の磁石と、
前記第１および第２の磁石の背面間を接続する接続部、ならびに、前記第１および第２の磁石よりも前記プラズマの放出方向側において前記出口電極の横付近で内側に張り出して相対向する張り出し部を有していて、前記第１および第２の磁石の外側を、前記張り出し部間を除いて囲んでいるヨークとを備えている請求項１、２または３記載のプラズマ発生装置。