JP5409470B2 - Neutralizer and ion beam apparatus provided with the same - Google Patents

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Description

本発明は、ニュートラライザおよびこれを備えたイオンビーム装置に係り、特に、半導体デバイスや光学素子の製造等に用いられるニュートラライザおよびこれを備えたイオンビーム装置に関する。   The present invention relates to a neutralizer and an ion beam apparatus including the neutralizer, and more particularly to a neutralizer used for manufacturing a semiconductor device or an optical element, and an ion beam apparatus including the neutralizer.

イオンビームは宇宙開発や観測技術、デバイスの微細加工などの用途に用いられることが多いが、通常電気的中性を保つために電子源(以下、「ニュートラライザ」という。)を併用することが一般的である。   Ion beams are often used for applications such as space development, observation technology, and microfabrication of devices. Usually, an electron source (hereinafter referred to as “neutralizer”) is used together to maintain electrical neutrality. It is common.

ニュートラライザには電子の発生機構によって、熱電子放出型、ホローカソード(中空カソード)型、高周波放電型などが存在するが、ホローカソード型は高密度の電子電流を得られるというメリットがあり、種々の装置で採用されている。   Neutralizers include thermionic emission type, hollow cathode (hollow cathode) type, and high-frequency discharge type, etc., depending on the electron generation mechanism, but the hollow cathode type has the advantage that high-density electron current can be obtained. It is adopted by the device.

図3は、従来のホローカソード型のニュートラライザ(プラズマ着火維持部品有)の電気的配線を示す説明図である(特許文献1参照)。図3の従来のニュートラライザ1は、ガス導入管3と、放電管4とカソード電極6と、第一のキーパ電極7と、第二のキーパ電極8と、引出し電源13と、コンデンサ16と、を主要な構成要素として備えている。また、図4に示すようにキーパ電極7の中心部には電子が引き出されるように電子ビーム放出孔7aが設けられており、ここからイオンビーム33に向けて電子ビーム32が放出される。なお、図3において、7aは電子ビーム放出孔、8aは電子ビーム放出孔、14はキーパ電源、15はカソード電源、16a〜16cはコンデンサ(自己バイアス手段)、である。またこの特許文献1では着火性を向上するための手段として、トリガ電極9とトリガ電源17を、またプラズマを維持するための手段として、高周波誘導コイル5、高周波電源11、マッチングボックス12、ベース2を備えている。   FIG. 3 is an explanatory diagram showing electrical wiring of a conventional hollow cathode type neutralizer (with plasma ignition maintaining component) (see Patent Document 1). The conventional neutralizer 1 of FIG. 3 includes a gas introduction tube 3, a discharge tube 4, a cathode electrode 6, a first keeper electrode 7, a second keeper electrode 8, an extraction power source 13, a capacitor 16, As a major component. As shown in FIG. 4, an electron beam emission hole 7 a is provided at the center of the keeper electrode 7 so that electrons are drawn out, and an electron beam 32 is emitted toward the ion beam 33 therefrom. In FIG. 3, 7a is an electron beam emission hole, 8a is an electron beam emission hole, 14 is a keeper power supply, 15 is a cathode power supply, and 16a to 16c are capacitors (self-biasing means). In Patent Document 1, the trigger electrode 9 and the trigger power source 17 are used as means for improving the ignitability, and the high frequency induction coil 5, the high frequency power source 11, the matching box 12, and the base 2 are used as means for maintaining the plasma. It has.

次に従来のニュートラライザの動作について説明する。始めに放電管4の中に放電用のガスを供給する。次に、トリガ電極9にトリガ電源17から高電圧を印加させ、初期放電を行う。さらにトリガ電源17をオンすると同時に、高周波電源11によって、高周波誘導コイル5に高周波電流を流すと放電管4の中に誘導電界が生じる。初期放電内に存在する電子が、この誘導電界により加速と減速を繰り返し、放電用のガスを励起することで、最終的にプラズマ31が生成する。このように放電管4の内部にプラズマが発生した状態で、引出し電源13によってキーパ電極7とカソード電極6の間に数百Vの電圧を印加すると、電子ビーム放出孔7aから電子ビーム32が引き出され、電子源として機能するようになる。   Next, the operation of the conventional neutralizer will be described. First, a discharge gas is supplied into the discharge tube 4. Next, a high voltage is applied to the trigger electrode 9 from the trigger power source 17 to perform initial discharge. Further, when a high frequency current is passed through the high frequency induction coil 5 by the high frequency power source 11 at the same time as the trigger power source 17 is turned on, an induction electric field is generated in the discharge tube 4. The electrons existing in the initial discharge repeatedly accelerate and decelerate by this induction electric field, and excite the gas for discharge, so that the plasma 31 is finally generated. When a voltage of several hundred volts is applied between the keeper electrode 7 and the cathode electrode 6 by the extraction power supply 13 in a state where plasma is generated inside the discharge tube 4 as described above, the electron beam 32 is extracted from the electron beam emission hole 7a. It will function as an electron source.

尚、使用環境や圧力帯によっては、放電管4の内部にプラズマ31が発生していない状態でも、引出し電源13によってキーパ電極7とカソード電極6の間に数百Vの電圧を印加するだけでプラズマ31が発生・維持することができ、それと同時に電子ビーム放出孔7aから電子ビーム32が引き出され、電子源として機能させることが可能である。そのような場合は初期放電を発生させるのに必要な手段である、トリガ電極9とトリガ電源17、また、プラズマ31を発生・維持するのに必要な手段である、高周波誘導コイル5、高周波電源11、マッチングボックス12、ベース2は不要となり、図4のようにシンプルな構成となる。図3と図4の差異は、プラズマを着火・維持する手段を備えているか否だけであるため、電子ビームの引出しのメカニズム、ひいてはそこで生じる課題は同じである。   Depending on the usage environment and pressure zone, even when the plasma 31 is not generated inside the discharge tube 4, it is only necessary to apply a voltage of several hundred volts between the keeper electrode 7 and the cathode electrode 6 by the extraction power supply 13. The plasma 31 can be generated and maintained, and at the same time, the electron beam 32 is extracted from the electron beam emission hole 7a and can function as an electron source. In such a case, the trigger electrode 9 and the trigger power source 17 which are necessary means for generating the initial discharge, and the high frequency induction coil 5 and the high frequency power source which are necessary means for generating and maintaining the plasma 31 are used. 11, the matching box 12 and the base 2 are not required, and the configuration is simple as shown in FIG. Since the difference between FIG. 3 and FIG. 4 is only whether or not a means for igniting and maintaining the plasma is provided, the mechanism of extraction of the electron beam, and the problem that arises therewith, is the same.

より高い電子電流を引き出そうとした場合、カソード電源15の電圧を上げることにより増倍電子を増やすことで実現される。   When trying to draw a higher electron current, it is realized by increasing the number of multiplied electrons by increasing the voltage of the cathode power supply 15.

このような従来のニュートラライザは、下記のような現象によってニュートラライザの寿命が決まってしまい、頻繁に交換を行う必要がある点で技術課題が生じていた。この点を図4及び図5を用いて説明する。図4は従来型ニュートラライザ(プラズマ着火維持部品無)の断面図と電気配線を示す説明図、図5は従来型ニュートラライザ(プラズマ着火維持部品の有無は問わない)に係る課題点を示す説明図である。   Such a conventional neutralizer has a technical problem in that the lifetime of the neutralizer is determined by the following phenomenon, and it is necessary to frequently replace the neutralizer. This point will be described with reference to FIGS. FIG. 4 is a cross-sectional view of a conventional neutralizer (with no plasma ignition maintenance component) and an explanatory diagram showing electrical wiring, and FIG. 5 is an explanation showing problems with the conventional neutralizer (with or without a plasma ignition maintenance component). FIG.

カソード電極6は負電位のため、放電中はプラズマ31中の正イオンによるスパッタリングが発生する。そのため、カソード電極6は運転時間とともに削れて行き、放電効率が悪化、最終的には放電が維持できなくなる。そのため、寿命を長くするには放電電圧を極力小さくする必要がある。この問題に対し特許文献2ではカソード電極6の内側を電子放出体で覆うことによって、また特許文献3ではカソード電極6の形状を変えることによって放電電圧を低下させ、ひいてはカソード電極6の長寿命化を図っている。   Since the cathode electrode 6 has a negative potential, sputtering occurs due to positive ions in the plasma 31 during discharge. Therefore, the cathode electrode 6 is scraped with the operation time, the discharge efficiency is deteriorated, and finally the discharge cannot be maintained. Therefore, in order to extend the life, it is necessary to make the discharge voltage as small as possible. With respect to this problem, in Patent Document 2, the discharge voltage is lowered by covering the inside of the cathode electrode 6 with an electron emitter, and in Patent Document 3 by changing the shape of the cathode electrode 6, thereby extending the life of the cathode electrode 6. I am trying.

特開2007−242368号公報JP 2007-242368 A 特開2000−130316号公報JP 2000-130316 A 特開昭59−228338号公報JP 59-228338 A

しかし、特許文献1記載のホローカソード型のニュートラライザを用いた場合、スパッタリングにより放出されたカソード材は、スパッタリングと再付着を繰り返し、最終的にはキーパ電極7のカソード電極6に面した側に付着する。付着量が多くなると電子ビーム放出孔7aの周辺の電界強度が弱くなり、電子ビーム32が放出されなくなってしまう(図5)。   However, when the hollow cathode type neutralizer described in Patent Document 1 is used, the cathode material released by sputtering is repeatedly sputtered and reattached, and finally on the side of the keeper electrode 7 facing the cathode electrode 6. Adhere to. When the amount of adhesion increases, the electric field intensity around the electron beam emission hole 7a becomes weak and the electron beam 32 is not emitted (FIG. 5).

また、この部分に付着する膜は一般的には密度の低い、付着力の弱い膜となりやすいため、剥れた膜をきっかけとして異常放電を起こすなど、トラブルが発生しやすい(図5)。   In addition, since the film attached to this portion tends to be a film having a low density and a weak adhesive force, troubles such as abnormal discharge caused by the peeled film are likely to occur (FIG. 5).

また、図3において、キーパ電極7には負の電圧が印加されているため、イオンビーム中の正イオンの一部が引き寄せられスパッタリングが発生する。このスパッタリングは電子ビーム放出孔7aの周辺に特に強く作用し、運転時間に従って電子ビーム放出孔7aの穴径が次第に拡がる。一方、放電管4の内部圧力は、放電用ガスの流量と電子ビーム放出孔7aの穴径の大きさで決まるが、電子ビーム放出孔7aの穴径が拡がると、放電管4内の圧力の低下を引き起こす。放電管内の圧力が所定の値より低くなるとプラズマ31の生成ができなくなり、電子源として動作しなくなる。   In FIG. 3, since a negative voltage is applied to the keeper electrode 7, some of the positive ions in the ion beam are attracted and sputtering occurs. This sputtering acts particularly strongly around the electron beam emission hole 7a, and the hole diameter of the electron beam emission hole 7a gradually expands according to the operation time. On the other hand, the internal pressure of the discharge tube 4 is determined by the flow rate of the discharge gas and the hole diameter of the electron beam emission hole 7a. If the hole diameter of the electron beam emission hole 7a is increased, the pressure in the discharge tube 4 is reduced. Causes a drop. When the pressure in the discharge tube becomes lower than a predetermined value, the plasma 31 cannot be generated and the electron source does not operate.

この問題に対し特許文献1では、第二のキーパ電極8をコンデンサ16を介して設置することで改善を図っている。第二のキーパ電極8は外部から電気的に絶縁されているため、その電位は電子と正イオンの流入量のバランスで決まるある一定の値をとる。この電位は第一のキーパ電極7の電位よりは高くなるため、外部から飛来する正イオンの量とエネルギーは減少し、キーパ電極の磨耗スピードが抑えられることが期待される。   With respect to this problem, Patent Document 1 attempts to improve the problem by installing the second keeper electrode 8 via a capacitor 16. Since the second keeper electrode 8 is electrically insulated from the outside, its potential takes a certain value determined by the balance between the inflow of electrons and positive ions. Since this potential is higher than the potential of the first keeper electrode 7, it is expected that the amount and energy of positive ions flying from the outside are reduced, and the wear speed of the keeper electrode is suppressed.

しかしながらこの方法では電子ビーム32の電流量が小さくなることが予想される。即ち、単位面積当たりの電子電流の値[cm−2s−1]は、プラズマ31の密度と電子温度と、電子ビーム放出孔7a近傍の形状によって定まるコンダクタンスと、電子ビーム放出孔7a近傍に生じる電界強度と、によって決まるが、これに対し特許文献1では、キーパ電極が、第一のキーパ電極と第二のキーパ電極の2枚に増えるためコンダクタンスが小さくなるうえ、プラズマ31と第二のキーパ電極8の距離が大きくなるため、電子ビーム放出孔7a付近の電界強度は小さくなり、結果として電子ビーム32の電流値は減少する。   However, this method is expected to reduce the amount of current of the electron beam 32. That is, the value [cm−2s−1] of the electron current per unit area is determined by the density and electron temperature of the plasma 31, the conductance determined by the shape near the electron beam emission hole 7a, and the electric field generated near the electron beam emission hole 7a. On the other hand, in Patent Document 1, since the number of keeper electrodes is increased to two, ie, the first keeper electrode and the second keeper electrode, the conductance is reduced, and the plasma 31 and the second keeper electrode are used. Since the distance 8 becomes larger, the electric field intensity near the electron beam emission hole 7a becomes smaller, and as a result, the current value of the electron beam 32 decreases.

更に、第二のキーパ電極8の表面には絶えず正イオンが入射しているが、第二のキーパ電極8は電気的に絶縁されているためその電位すなわち電荷の総量を一定に保つために、正イオンと同量の電子が第二のキーパ電極8に電気的に吸い込まれることになる。このことでイオンビーム33に向かって放出される正味の電子電流は更に低下する。このように、キーパ電極の磨耗は抑えることができても、得られる電子ビーム32の電流値が小さくなるため、実用的な効果をあげることが困難であると考えられる。また、特許文献1では、キーパ電極が2枚に増えるため、ニュートラライザが大型化し、小型の装置内に設けることができないという問題点があった。   Further, positive ions are constantly incident on the surface of the second keeper electrode 8, but since the second keeper electrode 8 is electrically insulated, in order to keep its potential, that is, the total amount of charges, constant. The same amount of electrons as positive ions are electrically sucked into the second keeper electrode 8. This further reduces the net electron current emitted towards the ion beam 33. Thus, even if the wear of the keeper electrode can be suppressed, the current value of the obtained electron beam 32 becomes small, so that it is considered difficult to achieve a practical effect. Further, in Patent Document 1, since the number of keeper electrodes is increased to two, there is a problem that the neutralizer is enlarged and cannot be provided in a small apparatus.

本願発明は上記の問題を鑑みてなされたものであり、多くの電子ビームを引き出すことが可能であると共に、長期間に渡って安定して稼動する小型のニュートラライザ及びこれを備えたイオンビーム装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and is capable of extracting a large number of electron beams, and a small neutralizer that operates stably over a long period of time, and an ion beam apparatus including the same. The purpose is to provide.

上記課題を解決するために、請求項1記載の発明は、電子ビームを引出し可能な開口を一方の端部に有する放電管と、前記放電管内にガスを導入するガス導入管と、前記放電管内に配設されたカソード電極と、前記放電管の前記開口側に配設されたキーパ電極と、前記カソード電極に電圧を印加するカソード電源と、前記キーパ電極に電圧を印加するキーパ電源と、
を備えたニュートラライザであって、前記カソード電源と前記キーパ電源とは、前記カソード電極と前記キーパ電極の電圧極性を反転させる反転機構に接続されていることを特徴とするあることを特徴とする。
また、請求項2記載の発明は、請求項1記載のニュートラライザにおいて、前記反転機構は、順方向リレーと逆方向リレーとから構成されることを特徴とする。
また、請求項3記載の発明は、請求項2に記載のニュートラライザにおいて、前記順方向リレーは、第1の順方向リレーと第2の順方向リレーとから構成され、前記逆方向リレーは、第1の逆方向リレーと第2の逆方向リレーとから構成され、前記第1の順方向リレーの入力側と第1の逆方向リレーの入力側とが、前記カソード電源の負極側に接続され、前記第2の順方向リレーの入力側と前記第2の逆方向リレーの入力側とが、前記カソード電源の正極側に接続され、前記第1の順方向リレーの出力側と前記第2の逆方向リレーの出力側とが、前記カソード電極に接続され、前記第2の逆方向リレーの出力側と前記第1の逆方向リレーの出力側とが、前記キーパ電極に接続されていることを特徴とする。
また、請求項4記載の発明は、請求項1記載のニュートラライザにおいて、前記キーパ電極とカソード電極の電圧極性を逆にした状態で放電を行う際、前記反転機構により、前記カソード電極を正極に、前記キーパ電極を負極にすることを特徴とする。
また、請求項5記載の発明は、請求項3記載のニュートラライザにおいて、前記電子ビームを発生する際、前記第1の順方向リレーと第2の順方向リレーとは閉にされ、第1の逆方向リレーと第2の逆方向リレーとは開にされ、前記キーパ電極とカソード電極の電圧極性を逆にした状態で放電を行う際、前記第1の順方向リレーと第2の順方向リレーとは閉から開に切り替えられ、第1の逆方向リレーと第2の逆方向リレーとは開から閉に切り替えられることを特徴とする。
また、請求項6記載の発明は、内部を真空に維持可能な真空チャンバと、前記真空チャンバ内に配設され基体を保持可能な基体保持手段と、前記基体に向けてイオンビームを照射するイオン源と、プラズマ中から電子ビームを引出して前記基体に照射するニュートラライザと、を備えたイオンビーム装置であって、前記ニュートラライザは、請求項1から5のいずれか1項に記載のニュートラライザであることを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to claim 1 is characterized in that a discharge tube having an opening through which an electron beam can be drawn out at one end, a gas introduction tube for introducing a gas into the discharge tube, A cathode electrode disposed on the discharge tube, a keeper electrode disposed on the opening side of the discharge tube, a cathode power source for applying a voltage to the cathode electrode , a keeper power source for applying a voltage to the keeper electrode,
The cathode power supply and the keeper power supply are connected to an inversion mechanism that inverts the voltage polarity of the cathode electrode and the keeper electrode. .
According to a second aspect of the present invention, in the neutralizer according to the first aspect, the reversing mechanism includes a forward relay and a reverse relay .
The invention according to claim 3 is the neutralizer according to claim 2, wherein the forward relay is composed of a first forward relay and a second forward relay, and the reverse relay is The first reverse relay and the second reverse relay are configured, and the input side of the first forward relay and the input side of the first reverse relay are connected to the negative side of the cathode power supply. The input side of the second forward relay and the input side of the second reverse relay are connected to the positive side of the cathode power supply, and the output side of the first forward relay and the second side The output side of the reverse relay is connected to the cathode electrode, and the output side of the second reverse relay and the output side of the first reverse relay are connected to the keeper electrode. Features.
According to a fourth aspect of the present invention, in the neutralizer according to the first aspect, when discharging is performed with the voltage polarity of the keeper electrode and the cathode electrode reversed, the reversing mechanism causes the cathode electrode to be positive. The keeper electrode is a negative electrode.
According to a fifth aspect of the present invention, in the neutralizer according to the third aspect, when the electron beam is generated, the first forward relay and the second forward relay are closed, When the reverse relay and the second reverse relay are opened and discharging is performed with the voltage polarity of the keeper electrode and the cathode electrode reversed, the first forward relay and the second forward relay Is switched from closed to open, and the first reverse relay and the second reverse relay are switched from open to closed.
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a vacuum chamber capable of maintaining the inside thereof in a vacuum, a substrate holding means disposed in the vacuum chamber and capable of holding the substrate, and ions for irradiating an ion beam toward the substrate. source and, an ion beam device including a neutralizer, an irradiated to the substrate is pulled out of the electron beam from the plasma, the neutralizer is neutralizer according to any one of claims 1 5 It is characterized by being.

本発明では、カソード電極とキーパ電極の電圧極性を反転させる反転機構を設けたため、電子源の必要がないタイミング、例として基板搬送を行っている間やイオンビーム33の調整を行っている間に、ニュートラライザのキーパ電極7とカソード電極6の電圧極性を逆にした状態で放電を行う(これ以後、「逆放電」という。)ことが可能となった。このため、キーパ電極7のカソード電極6に面した側は、通常はスパッタされたカソード材34が付着して膜で覆われてしまうが、電圧極性が逆の状態で放電している間はイオンによってスパッタされる。この作用によって、キーパ電極7のカソード電極6に面した側の膜の成長速度を遅くする効果が得られ、電子が放出されなくなるまでの時間を長くすることができる。また、本発明におけるニュートラライザは、使用によって磨耗した部分を再度埋め直すことになるため、ニュートラライザの磨耗スピードを大幅に小さくすることが可能となる。よって、本発明のニュートラライザを備えた装置では、従来のニュートラライザを用いた場合と比較して、ニュートラライザの交換頻度を低くすることができ、それによって従来に比べスループットの向上を図ることができ、また部品交換に伴うランニングコストを下げることも可能となる。   In the present invention, since the reversing mechanism for reversing the voltage polarity of the cathode electrode and the keeper electrode is provided, there is no need for an electron source, for example, while the substrate is being transported or while the ion beam 33 is being adjusted. It is now possible to perform discharge with the voltage polarity of the keeper electrode 7 and the cathode electrode 6 of the neutralizer reversed (hereinafter referred to as “reverse discharge”). For this reason, the side of the keeper electrode 7 facing the cathode electrode 6 is usually covered with a sputtered cathode material 34 and covered with a film, but ions are discharged while the voltage polarity is reversed. Sputtered by By this action, the effect of slowing the growth rate of the film on the side of the keeper electrode 7 facing the cathode electrode 6 can be obtained, and the time until electrons are not emitted can be lengthened. Moreover, since the neutralizer in this invention refills the part which was worn by use again, it becomes possible to reduce the wear speed of a neutralizer significantly. Therefore, in the apparatus equipped with the neutralizer of the present invention, the frequency of replacement of the neutralizer can be lowered compared with the case where the conventional neutralizer is used, thereby improving the throughput compared to the conventional case. In addition, it is possible to reduce the running cost associated with parts replacement.

本発明の実施形態によるニュートラライザ(プラズマ着火維持部品無)の断面、及び電気回路を示す図である。It is a figure which shows the cross section of the neutralizer (without plasma ignition maintenance component) by embodiment of this invention, and an electrical circuit. 本発明の実施形態によるニュートラライザ(プラズマ着火維持部品の有無は問わない)をイオンビームエッチング装置に用いた例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the example which used the neutralizer by the embodiment of this invention (regardless of the presence or absence of a plasma ignition maintenance component) for the ion beam etching apparatus. 従来型のニュートラライザ(プラズマ着火維持部品有、特許文献1)の断面を示す図である。It is a figure which shows the cross section of the conventional neutralizer (Plasma ignition maintenance component existence, patent document 1). 従来型のニュートラライザ(プラズマ着火維持部品無)の断面、及び電気回路を示す図である。It is a figure which shows the cross section and electric circuit of a conventional type neutralizer (without plasma ignition maintenance components). 従来型のニュートラライザ(プラズマ着火維持部品の有無は問わない)で起こる課題を示す図である。It is a figure which shows the subject which arises with the conventional neutralizer (The presence or absence of a plasma ignition maintenance component is not ask | required).

以下に、本発明に係るニュートラライザの運用方法を実施例とともに説明する。   Below, the operation method of the neutralizer which concerns on this invention is demonstrated with an Example.

図1は本発明の実施形態に係るニュートラライザ(プラズマ着火維持部品無)の断面図と電気配線を示す説明図である。なお、図3と同一の部材には、同一の番号を伏した。   FIG. 1 is a cross-sectional view of a neutralizer (with no plasma ignition maintenance component) according to an embodiment of the present invention and an explanatory diagram showing electrical wiring. The same members as those in FIG. 3 are given the same numbers.

図4と図1の比較から分かるように、本発明の特徴的な点は、キーパ電源14、カソード電源15、順方向リレー35、36、逆方向リレー37、38といった電気配線に関わる部品、及びその構成方法にあり、カソード電極6、キーパ電極7、電子ビーム引出孔7a、ガス導入管3、放電管4といった真空内部品は従来型のニュートラライザと全く同じものである。   As can be seen from the comparison between FIG. 4 and FIG. 1, the characteristic features of the present invention are components related to electrical wiring such as the keeper power supply 14, the cathode power supply 15, the forward relays 35 and 36, and the reverse relays 37 and 38, and In the configuration method, the vacuum components such as the cathode electrode 6, the keeper electrode 7, the electron beam extraction hole 7a, the gas introduction tube 3 and the discharge tube 4 are exactly the same as those of the conventional neutralizer.

本実施形態のニュートラライザは、従来のニュートラライザと同様に、ガス導入管3、放電管4、カソード電極6、キーパ電極7、電子ビーム引出孔7aから構成される。   The neutralizer of the present embodiment includes a gas introduction tube 3, a discharge tube 4, a cathode electrode 6, a keeper electrode 7, and an electron beam extraction hole 7a, as in the conventional neutralizer.

放電管4とキーパ電極7は導電性の材料から出来ており、キーパ電源14によって負電位が与えられる。キーパ電極14の表面はイオンに叩かれ、少しずつ真空内に飛散していくため、真空内の汚染を考えるとMo、Tiなどの耐スパッタ性の高い金属が好ましい。   The discharge tube 4 and the keeper electrode 7 are made of a conductive material, and a negative potential is applied by a keeper power source 14. Since the surface of the keeper electrode 14 is struck by ions and gradually scatters into the vacuum, a metal having high sputter resistance such as Mo and Ti is preferable in view of contamination in the vacuum.

カソード電極6は導電性の材料から出来ており、片側が開いた筒型の形状となっている。ホローカソードとはこのように「窪みのある負極」を意味しており、この筒の中で電子がトラップされることで、高いプラズマ密度を得られることが特徴となっている。カソード電極6もイオンによって叩かれ真空内に飛散していくため、Mo、Tiなどの耐スパッタ性の高い金属が好ましい。   The cathode electrode 6 is made of a conductive material and has a cylindrical shape with one side open. The hollow cathode thus means a “negative electrode with a depression”, and is characterized in that a high plasma density can be obtained by trapping electrons in this cylinder. Since the cathode electrode 6 is also struck by ions and scattered in the vacuum, a metal having high sputtering resistance such as Mo and Ti is preferable.

放電管4とキーパ電極7からなる円筒状の容器は気密性が高く作られており、放電用のガスはガス導入管3を通って円筒状の容器に入り、電子ビーム引出孔7aから真空中に放出される。放電管4の内部圧力は、放電用ガスの流量と電子ビーム引出孔7aのコンダクタンスで決まる。本実施形態での電子ビーム引出孔7aは直径約1mmと小さいため、放電管4の内部圧力は数十Paと比較的高く、そのときの平均自由行程も0.1m以下と非常に短くなっている。このように高圧下で放電を行うことにより高密度のプラズマ31が得られ、最大で1アンペア程度の電子ビーム32が得られている。実験からビーム引出孔7aの直径が0.7mmより小さいと電子ビーム32を引き出すことができず、またビーム引出孔7aの直径が2mmより大きいと放電管4の内部圧力が低くなり、プラズマ31を維持することができないことが分かっている。   The cylindrical container composed of the discharge tube 4 and the keeper electrode 7 is made highly airtight, and the discharge gas enters the cylindrical container through the gas introduction tube 3 and is vacuumed from the electron beam extraction hole 7a. To be released. The internal pressure of the discharge tube 4 is determined by the flow rate of the discharge gas and the conductance of the electron beam extraction hole 7a. Since the electron beam extraction hole 7a in this embodiment is as small as about 1 mm in diameter, the internal pressure of the discharge tube 4 is relatively high at several tens of Pa, and the mean free path at that time is also very short at 0.1 m or less. Yes. Thus, by performing discharge under high pressure, a high-density plasma 31 is obtained, and an electron beam 32 of about 1 ampere at most is obtained. From the experiment, if the diameter of the beam extraction hole 7a is smaller than 0.7 mm, the electron beam 32 cannot be extracted, and if the diameter of the beam extraction hole 7a is larger than 2 mm, the internal pressure of the discharge tube 4 is lowered and the plasma 31 is reduced. I know it ca n’t be maintained.

次に引出し電源13について説明する。図1に示されるように、引出し電源13はキーパ電源14とカソード電源15から構成される。キーパ電源14とカソード電源15には、一般的な直流電源を用いた。
カソード電源15はプラズマの着火と放電維持を担うため、比較的高い電圧が必要となる。本実施形態では定格電圧が600ボルトのものを使用した。電流に関しては電子ビームの最大値を考慮して定格電流が1アンペアのものを使用した。またカソード電源15は基本的に電流値で制御するため、電流制御が可能なものを用いている。
キーパ電源14は電子を引き出すために数十ボルトの電圧を維持できれば良い。本実施形態では、定格電圧が50ボルト、定格電流が1アンペアのものを使用した。キーパ電源14は電圧制御が可能なものを用いている。
Next, the drawer power supply 13 will be described. As shown in FIG. 1, the drawer power supply 13 includes a keeper power supply 14 and a cathode power supply 15. As the keeper power source 14 and the cathode power source 15, a general DC power source was used.
Since the cathode power source 15 is responsible for plasma ignition and discharge maintenance, a relatively high voltage is required. In this embodiment, the rated voltage is 600 volts. Regarding the current, a rated current of 1 ampere was used in consideration of the maximum value of the electron beam. Since the cathode power supply 15 is basically controlled by a current value, a cathode power supply capable of current control is used.
The keeper power supply 14 only needs to maintain a voltage of several tens of volts in order to extract electrons. In this embodiment, the rated voltage is 50 volts and the rated current is 1 ampere. The keeper power supply 14 is capable of voltage control.

次に、電子ビーム32を発生させる手順について説明する。
始めに放電用のガス(例えば、Ar)を流し、放電管4内の圧力を所定の圧力(例えば、30Pa)にする。次にキーパ電源14によって、ガス導入管3、放電管4、カソード電極6、キーパ電極7、カソード電源15 (パワーはオフの状態) からなる系全体を負電位に下げておく。系全体の電位を下げておかないと、プラズマ31は発生するものの、電子ビーム32が生成されないためである。なお、本実施形態では径系全体の電位を−30ボルトに設定している。
Next, a procedure for generating the electron beam 32 will be described.
First, a discharge gas (for example, Ar) is flowed, and the pressure in the discharge tube 4 is set to a predetermined pressure (for example, 30 Pa). Next, the entire system including the gas introduction tube 3, the discharge tube 4, the cathode electrode 6, the keeper electrode 7, and the cathode power source 15 (power is in an off state) is lowered to a negative potential by the keeper power source 14. This is because the plasma 31 is generated unless the potential of the entire system is lowered, but the electron beam 32 is not generated. In the present embodiment, the potential of the entire diameter system is set to −30 volts.

電子ビーム32を生成するときは、カソード電源15によってカソード電極6とキーパ電極7との間に数百ボルトの電圧を印加する。このとき生じた電界によって、自由電子が加速し、ガスと衝突・電離を起こすことでプラズマ31が発生する。それと同時に電子放出孔7aから図2に示す真空装置21に向かって電子が引き出され、電子ビーム32が生成される。電子ビーム32を止めたいときは、カソード電源15をオフにすることで、プラズマ31、ひいては電子ビーム32が消失する。   When generating the electron beam 32, a voltage of several hundred volts is applied between the cathode electrode 6 and the keeper electrode 7 by the cathode power supply 15. The free field is accelerated by the electric field generated at this time, and plasma 31 is generated by causing collision and ionization with the gas. At the same time, electrons are extracted from the electron emission hole 7a toward the vacuum device 21 shown in FIG. 2, and an electron beam 32 is generated. When it is desired to stop the electron beam 32, the cathode power supply 15 is turned off so that the plasma 31, and thus the electron beam 32, disappears.

なお、プラズマ31が生成している状態では、カソード電極6には絶えずプラズマ31から正イオンが引き込まれるため、カソード電極6とプラズマ31の間には陰極降下によって非常に大きな電位差が生じる。一方キーパ電極5とプラズマ31の間にも陽極降下によって電位差が生じるが、その値は陰極降下のそれと比べ非常に小さい。結果としてプラズマ31とキーパ電極7はほぼ同じ−30ボルトの電位になり、カソード電極6だけがマイナス数百ボルトと非常に低い電位となる。これから分かるように、プラズマ31の電位は−30ボルト程度とグランドより低くなるため、グランド電位である真空装置21に向かって、電気的に電子が引出される形になり、電子ビーム32が生成されていることが分かる。またプラズマ31の電位に対してカソード電極6の電位はマイナス数百ボルトと低くなるため、カソード電極6は正イオンによるスパッタによって磨耗していく。削られたカソード材はプラズマ内で拡散や再付着を繰り返し、最終的にはイオンに叩かれることのないキーパ電極1の裏側に付着・堆積していくことが分かる。   In the state in which the plasma 31 is generated, positive ions are constantly drawn into the cathode electrode 6 from the plasma 31, so that a very large potential difference is generated between the cathode electrode 6 and the plasma 31 due to the cathode drop. On the other hand, a potential difference also occurs between the keeper electrode 5 and the plasma 31 due to the anode drop, but its value is very small compared to that of the cathode drop. As a result, the plasma 31 and the keeper electrode 7 have substantially the same potential of −30 volts, and only the cathode electrode 6 has a very low potential of minus several hundred volts. As can be seen, since the potential of the plasma 31 is about −30 volts, which is lower than the ground, electrons are extracted toward the vacuum device 21 that is the ground potential, and an electron beam 32 is generated. I understand that Further, since the potential of the cathode electrode 6 is as low as minus several hundred volts with respect to the potential of the plasma 31, the cathode electrode 6 is worn away by sputtering with positive ions. It can be seen that the scraped cathode material repeatedly diffuses and reattaches in the plasma, and eventually adheres and accumulates on the back side of the keeper electrode 1 that is not hit by ions.

次に、本発明における特徴的な構成要素である順方向リレー35、36、逆方向リレー37、38およびその運用方法について、図1を用いて説明する。   Next, forward relays 35 and 36, reverse relays 37 and 38, which are characteristic components in the present invention, and an operation method thereof will be described with reference to FIG.

リレーは一般に用いられている1a接点のものを4つ使用した。1a接点とは通常は接点が開いているが、外部から信号を与えている間だけ接点が閉になるものである。なお、接点には最大で600ボルト、1アンペアの負荷がかかるため、接点容量を満たしたものを選ぶ必要がある。今回リレーを用いたが、カソード電極6とキーパ電極7の電極を反転することが可能な電源構成であるならば、その方法は問わない。
実際の配線は図1のように行った。即ち、カソード電源15の負極側を、順方向リレー35の入力側と逆方向リレー37の入力側へ、またカソード電源15の正極側を、順方向リレー36の入力側と逆方向リレー38の入力側に繋いだ。一方カソード電極6を、順方向リレー35の出力側と逆方向リレー38の出力側へ、またキーパ電極7を、順方向リレー36の出力側と逆方向リレー37の出力側に繋いだ。
Four relays with 1a contacts that are commonly used were used. The contact 1a is normally open, but is closed only while a signal is applied from the outside. Since the contact is loaded with a maximum of 600 volts and 1 ampere, it is necessary to select a contact that satisfies the contact capacity. Although the relay is used this time, the method is not limited as long as the power source configuration can reverse the electrodes of the cathode electrode 6 and the keeper electrode 7.
Actual wiring was performed as shown in FIG. That is, the negative side of the cathode power supply 15 is input to the input side of the forward relay 35 and the reverse relay 37, and the positive side of the cathode power supply 15 is input to the input side of the forward relay 36 and the reverse relay 38. Connected to the side. On the other hand, the cathode electrode 6 was connected to the output side of the forward relay 35 and the reverse relay 38, and the keeper electrode 7 was connected to the output side of the forward relay 36 and the output side of the reverse relay 37.

電子ビーム32を発生するとき(以下、「通常のとき」という)は、順方向リレー35、36を閉、逆方向リレー37、38を開にしておく。この状態での電気配線は図4の従来型と全く同じである。よって放電用ガスを流した状態で、キーパ電源16、カソード電源15の順に電源をオンするとプラズマ31と電子ビーム32が生成し、電子源として動作する。   When the electron beam 32 is generated (hereinafter referred to as “normal time”), the forward relays 35 and 36 are closed and the reverse relays 37 and 38 are opened. The electrical wiring in this state is exactly the same as the conventional type in FIG. Accordingly, when the power supply is turned on in the order of the keeper power supply 16 and the cathode power supply 15 with the discharge gas flowing, the plasma 31 and the electron beam 32 are generated and operate as an electron source.

つぎに逆放電を行う場合は、まずカソード電源15とキーパ電源14をオフにし、プラズマ31と電子ビーム32を一旦消失させる。その後順方向リレー35、36を閉から開へ、逆方向リレー37、38を開から閉へ切り替えた後に、カソード電源15をオンするとプラズマ31が生成される(このときキーパ電源14の状態は問わない)。このときの放電は通常のときとは電極の正負が反転しており、カソード電極6を正極(グランド)に、キーパ電極7を負極(マイナス数百ボルト)としている点が異なる。そのため、この状態ではキーパ電極7のカソード側に堆積していたカソード材34が叩かれ、プラズマ中での拡散・再付着などを繰り返し、最終的には元のカソード電極6の表面に堆積していく。このことにより、キーパ電極7のカソード側に堆積するカソード材34の成長スピードを遅くし、カソード電極6の磨耗スピードも遅くさせることが可能である。   Next, when reverse discharge is performed, first, the cathode power supply 15 and the keeper power supply 14 are turned off, and the plasma 31 and the electron beam 32 are once extinguished. Then, after switching the forward relays 35, 36 from closed to open and the reverse relays 37, 38 from open to closed, when the cathode power supply 15 is turned on, plasma 31 is generated. Absent). The discharge at this time is different from the normal case in that the polarity of the electrode is reversed, and the cathode electrode 6 is set to the positive electrode (ground) and the keeper electrode 7 is set to the negative electrode (minus several hundred volts). Therefore, in this state, the cathode material 34 deposited on the cathode side of the keeper electrode 7 is hit and repeatedly diffused and reattached in the plasma, and finally deposited on the surface of the original cathode electrode 6. Go. As a result, the growth speed of the cathode material 34 deposited on the cathode side of the keeper electrode 7 can be reduced, and the wear speed of the cathode electrode 6 can also be reduced.

比較のために、通常放電を2500分行ったものと、通常放電5分と逆放電5分の繰り返しを合計2500分放電を行ったものを用意し、ニュートラライザの内部の様子を確認した。   For comparison, a sample in which normal discharge was performed for 2500 minutes and a sample in which normal discharge for 5 minutes and reverse discharge for 5 minutes were repeated for a total of 2500 minutes were prepared, and the inside of the neutralizer was confirmed.

カソード電極6に関しては、その様子に大きな差は見られない。すなわち筒の内側はプラズマ31内の正イオンにより削られるため、綺麗な金属面 (本実施例ではSUS材) が露呈した状態が見られた。しかし磨耗の程度について見ると、通常放電だけを行ったものは磨耗が早くカソード電極6の先端が削れて丸みを帯びてきているのに対し、通常放電と逆放電を繰り返したものでは、そのような現象は見られず、磨耗のスピードが減少していると考えられる。   Regarding the cathode electrode 6, there is no significant difference in the state. That is, since the inside of the cylinder was shaved by positive ions in the plasma 31, a clean metal surface (SUS material in this embodiment) was exposed. However, in terms of the degree of wear, the one that was subjected only to normal discharge was worn quickly and the tip of the cathode electrode 6 was shaved and rounded, whereas the one that repeated normal discharge and reverse discharge was This phenomenon is not observed, and the wear speed is thought to be decreasing.

次にキーパ電極7の比較を行う。通常放電だけ行ったものでは、キーパ電極7のカソード側にカソード材34が付着し柱状に成長しており、また付着力が弱いため引っ掻くと剥がれるような状況であった。一方、通常放電と逆放電を繰り返したものでは、キーパ電極7のカソード側にやはりカソード材34が付着しているものの、緻密かつ付着力が高くまたその量も少なくなっていた。   Next, the keeper electrode 7 is compared. In the case where only normal discharge was performed, the cathode material 34 adhered to the cathode side of the keeper electrode 7 and grew in a columnar shape, and because the adhesion was weak, it peeled off when scratched. On the other hand, in the case where the normal discharge and the reverse discharge were repeated, the cathode material 34 was also adhered to the cathode side of the keeper electrode 7, but it was dense and high in adhesion force and its amount was small.

ここで、逆放電で膜質が変化した理由について考察してみる。通常放電のときは、キーパ電極7の電位はプラズマ31の電位より数ボルト低いだけであるため、プラズマ中に拡散したカソード材は殆どエネルギーを持たない状態でキーパ電極7に付着することになる。この状況では表面での拡散が進まないため、密度が低く脆い柱状の結晶が成長していくことになる。ここで通常放電を止め、逆放電に切り替えてみる。キーパ電極7だけがマイナス数百ボルトに落ち込むため、プラズマ中のArイオンによってキーパ電極7が叩かれ始める。そしてキーパ電極7に付着していたカソード材34はスパッタと再付着を繰り返しながら、少しずつ削れて行く。しかし、このときキーパ電極7の表面には高いエネルギーを持った原子が存在しているため、逆放電を止めたときの表面には密度の小さいアモルファス状の強固な膜が形成されることになると考えられる。このように見てみると逆放電には、通常放電で発生する脆い柱状の結晶成長を阻害し、膜質を一度リセットする効果があることが分かる。   Here, the reason why the film quality is changed by the reverse discharge will be considered. During normal discharge, the potential of the keeper electrode 7 is only a few volts lower than the potential of the plasma 31, so that the cathode material diffused into the plasma adheres to the keeper electrode 7 with almost no energy. In this situation, diffusion on the surface does not proceed, and a brittle columnar crystal with a low density grows. Now stop normal discharge and switch to reverse discharge. Since only the keeper electrode 7 drops to minus several hundred volts, the keeper electrode 7 starts to be struck by Ar ions in the plasma. Then, the cathode material 34 adhering to the keeper electrode 7 is scraped little by little while repeating sputtering and reattachment. However, at this time, since atoms having high energy exist on the surface of the keeper electrode 7, an amorphous strong film having a low density is formed on the surface when the reverse discharge is stopped. Conceivable. Thus, it can be seen that reverse discharge has the effect of inhibiting the brittle columnar crystal growth that occurs in normal discharge and resetting the film quality once.

次に電子引出し孔7aを比較してみる、通常放電だけ行ったものでは、電子放出孔7aの穴径が大きくなっていったのに対し、通常放電と逆放電を繰り返したものでは、逆に穴径が小さくなっていた。これは通常放電時には電子放出孔7aに向かってイオンビーム33から正イオンが引き寄せられ、スパッタ現象により穴径が大きくなったのに対し、逆放電を行っている間はキーパ電極7は負極になるため、プラズマ31内のイオンによってスパッタされるが、特に電子放出孔7aの近傍ではスパッタ材34が斜め前方方向にも放出され、これが電子ビーム放出孔7aの内壁に膜として再付着するためと考えられる。   Next, the electron extraction hole 7a is compared. In the case where only the normal discharge is performed, the hole diameter of the electron emission hole 7a is increased, whereas in the case where the normal discharge and the reverse discharge are repeated, on the contrary, The hole diameter was small. This is because, during normal discharge, positive ions are attracted from the ion beam 33 toward the electron emission hole 7a and the hole diameter increases due to the sputtering phenomenon, whereas the keeper electrode 7 becomes a negative electrode during reverse discharge. Therefore, although it is sputtered by ions in the plasma 31, the sputtered material 34 is also emitted obliquely forward in the vicinity of the electron emission hole 7a, and this is considered to be reattached as a film to the inner wall of the electron beam emission hole 7a. It is done.

以上の比較実験から、逆放電を併用するとカソード電極6の磨耗のスピードが遅くなり、その寿命を延ばす効果があるということを確認できた。またキーパ電極7にはついては、カソードに面する側に付着する膜の量が減少し、またその膜質も強固で剥れ難いもの変化することがわかった。さらにキーパ電極の寿命を縮める大きな要因であった電子ビーム放出孔7aの穴径が拡大していく点についても、そのスピードを遅らせることが可能であることわかった。   From the above comparative experiments, it was confirmed that the use of reverse discharge together has the effect of slowing the wear speed of the cathode electrode 6 and extending its life. As for the keeper electrode 7, it was found that the amount of the film adhering to the side facing the cathode is reduced, and the film quality is also strong and difficult to peel off. Further, it has been found that the speed of the electron beam emission hole 7a, which is a major factor for shortening the life of the keeper electrode, can be slowed.

今回は通常放電5分と逆放電5分の繰り返しで評価を行った。これは参考にした装置運用例が、基板の処理時間が5分、基板の搬送などで装置を使用していない時間が5分程度であったためであり、実際には様々な組み合わせが考えられる。   This time, the evaluation was performed by repeating the normal discharge for 5 minutes and the reverse discharge for 5 minutes. This is because the apparatus operation example referred to was that the substrate processing time was 5 minutes and the time during which the apparatus was not used for transporting the substrate was about 5 minutes, and various combinations are actually conceivable.

磨耗のスピードは通常放電と逆放電の比率で決まり、逆放電の比率を増やしていくと磨耗のスピードは遅くなるが、逆放電の比率が大きくなりすぎると、補填の効果が強くなり電子ビーム放出孔7aの穴径が逆に小さくなっていく。本実施例の場合は、逆放電の割り合いをもう少し少なくすると寿命が更に延びると考えられる。   The wear speed is determined by the ratio of normal discharge and reverse discharge. Increasing the reverse discharge ratio decreases the wear speed, but if the reverse discharge ratio increases too much, the compensation effect increases and electron beam emission increases. Conversely, the hole diameter of the hole 7a becomes smaller. In the case of this example, it is considered that the life is further extended if the percentage of reverse discharge is further reduced.

カソード電極6とキーパ電極7、電子放出穴7aの磨耗のスピードは、その材質や形状、放電パワーや圧力といった使用条件、またイオンビーム33の強度によっても変わるため、実際の適応にあたっては、逆放電の割り合いを少しづつ上げて、磨耗の様子を確認しながら最適な比率を求めるのが賢明であると思われる。   The wear speed of the cathode electrode 6, the keeper electrode 7, and the electron emission hole 7 a varies depending on the material and shape, the use conditions such as the discharge power and pressure, and the intensity of the ion beam 33. It seems to be wise to find the optimal ratio by gradually increasing the percentage of, and confirming the state of wear.

次に、本発明のニュートラライザを備えたエッチング装置について説明する。
図2は本実施形態のニュートラライザ(プラズマ着火維持部品の有無は問わない)をイオンビームエッチング装置に用いた例を示す説明図である。イオンビームエッチング装置39は、内部を真空状態で維持することができる真空チャンバ21と、基板Sを保持する半球状のステージ40と、このステージを回転させる回転モータ23と、基板Sに向けてイオンを放出するイオンビームソース41と、基板S上の正電荷を中和するニュートララザ1と、ステージ上の電位を測定する電位センサ42と、を主要な構成要素として備えている。
Next, an etching apparatus provided with the neutralizer of the present invention will be described.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing an example in which the neutralizer (with or without the plasma ignition maintaining component) of this embodiment is used in an ion beam etching apparatus. The ion beam etching apparatus 39 includes a vacuum chamber 21 that can maintain the inside in a vacuum state, a hemispherical stage 40 that holds the substrate S, a rotation motor 23 that rotates the stage, and ions toward the substrate S. Main components are an ion beam source 41 that emits, a neutral laser 1 that neutralizes positive charges on the substrate S, and a potential sensor 42 that measures the potential on the stage.

真空チャンバ21は、内部でエッチングを行う容器である。真空チャンバ21には、図示しない真空ポンプが接続されており、この真空ポンプが真空チャンバ21の内部を排気することで、真空チャンバ21の内部は
10−3 〜 10−6 Pa の高真空状態となる。
ステージ40は、真空チャンバ21の内部に設けられ、基板Sを保持するための部材である。基板Sは、ステージ40の表面に設けられた拘束治具や、静電吸着などの方法によって、ステージ上に保持される。
回転モータ23は、ステージ40を傾けるための装置であり、真空チャンバ21の外部に設けられている。回転モータ23の出力軸は、ステージ38の側面に接続されており、回転モータ23が回転することよって、ステージ40が基板を軸として回転する。これによって、イオンビーム9と基板Sを任意の角度に設定し、エッチング処理を行うことが可能となっている。
The vacuum chamber 21 is a container that performs etching inside. A vacuum pump (not shown) is connected to the vacuum chamber 21, and the vacuum pump exhausts the inside of the vacuum chamber 21 so that the inside of the vacuum chamber 21 is in a high vacuum state of 10 −3 to 10 −6 Pa. Become.
The stage 40 is a member for holding the substrate S provided in the vacuum chamber 21. The substrate S is held on the stage by a restraining jig provided on the surface of the stage 40 or a method such as electrostatic adsorption.
The rotation motor 23 is a device for tilting the stage 40 and is provided outside the vacuum chamber 21. The output shaft of the rotation motor 23 is connected to the side surface of the stage 38, and the rotation of the rotation motor 23 causes the stage 40 to rotate about the substrate. As a result, the ion beam 9 and the substrate S can be set at an arbitrary angle and the etching process can be performed.

イオンビームソース41は、正のイオンを基板Sに向けて照射する装置である。イオンビームソースとしては、公知のものを用いることができる。イオンビームソース41から放出したイオンビーム33は高い運動エネルギーを持ったまま基板Sに衝突し、基板Sの表面のエッチングが進行する。このとき、基板Sはイオンビーム33に含まれる正イオンにより正に帯電する。
ニュートララザ1は、イオンビーム33の照射中に使用する。このニュートラライザ1から照射される電子ビーム32より、正に帯電した基板Sの電荷が中和される。
電位センサ42は、ステージ40上の電位を測定するセンサである。このセンサの値を電子ビーム11にフィードバックさせることで、ステージ38上の電位を一定に保つことができる。例えば、電位センサ42の値が正の場合は、中和が足りないことを意味するため、電子ビーム11の量が増え、中和を強化する。
エッチング処理が完了した後は、イオンビーム33と電子ビーム32を止め、図示しない真空ロボットなどを用いて基板Sを取り出す。
The ion beam source 41 is a device that irradiates positive ions toward the substrate S. A well-known thing can be used as an ion beam source. The ion beam 33 emitted from the ion beam source 41 collides with the substrate S while having high kinetic energy, and etching of the surface of the substrate S proceeds. At this time, the substrate S is positively charged by positive ions contained in the ion beam 33.
The neutral laser 1 is used during irradiation of the ion beam 33. The charges of the positively charged substrate S are neutralized by the electron beam 32 irradiated from the neutralizer 1.
The potential sensor 42 is a sensor that measures the potential on the stage 40. By feeding back the value of the sensor to the electron beam 11, the potential on the stage 38 can be kept constant. For example, when the value of the potential sensor 42 is positive, it means that neutralization is insufficient, so the amount of the electron beam 11 is increased and the neutralization is strengthened.
After the etching process is completed, the ion beam 33 and the electron beam 32 are stopped, and the substrate S is taken out using a vacuum robot (not shown).

また上記実施例では、電子を発生させる手段としてホローカソードを示しているが、これに限定されない。例えば、熱電子放出型電子源や、高周波型の電子源でも可能である。   In the above embodiment, a hollow cathode is shown as means for generating electrons, but the invention is not limited to this. For example, a thermionic emission electron source or a high-frequency electron source is possible.

また上記実施例では、電子を引き出すためにキーパ電源を用いて放電の系全体の電位を下げているが、これに限定されない。例えば、キーパ電極の前に正の電界を与えて電子を引き出す方法においても、本発明の効果は成り立つ。   In the above embodiment, the keeper power supply is used to lower the potential of the entire discharge system in order to extract electrons. However, the present invention is not limited to this. For example, the effect of the present invention is also achieved in a method of extracting electrons by applying a positive electric field in front of the keeper electrode.

ホローカソードの長寿命化を実現しようとした場合、従来技術ではカソード電極6の材質や形状を変更したり、新たな電極を設けるなど構造を変化させることが一般的であったのに対し、本発明では電極の電圧極性を反転させて放電を行いそれを実現した点で、従来技術と相違している。   When trying to extend the life of a hollow cathode, the conventional technology generally changed the material and shape of the cathode electrode 6 or provided a new electrode. The invention differs from the prior art in that discharge is performed by reversing the voltage polarity of the electrodes.

上記のとおり、本発明では、電子源の必要がないタイミング、例として基板搬送を行っている間やイオンビーム33の調整を行っている間に、ニュートラライザのキーパ電極7とカソード電極6の電圧極性を逆にした状態で逆放電を行う。これにより、以下に示すような作用と効果が発現する。   As described above, according to the present invention, the voltage of the keeper electrode 7 and the cathode electrode 6 of the neutralizer is not necessary when the electron source is required, for example, while the substrate is being transported or while the ion beam 33 is being adjusted. Reverse discharge is performed with the polarity reversed. Thereby, the following actions and effects are exhibited.

キーパ電極7のカソード電極6に面した側は、通常はスパッタされたカソード材34が付着して膜で覆われてしまうが、電圧極性が逆の状態で放電している間はイオンによってスパッタされる。この作用によって、キーパ電極7のカソード電極6に面した側の膜の成長速度を遅くする効果が得られ、電子が放出されなくなるまでの時間を長くすることができる。   The side of the keeper electrode 7 facing the cathode electrode 6 is usually covered with a sputtered cathode material 34 and is covered with a film, but is sputtered by ions while discharging with a reverse voltage polarity. The By this action, the effect of slowing the growth rate of the film on the side of the keeper electrode 7 facing the cathode electrode 6 can be obtained, and the time until electrons are not emitted can be lengthened.

カソード電極6は、通常負電位のためスパッタの作用により削れる一方であるが、電圧極性が逆になっている間は上項で発生したカソード材34が再び堆積していくため、実際の削れる速度を遅くすることができる。   The cathode electrode 6 is usually scraped by the action of sputtering because of a negative potential, but while the cathode material 34 generated in the above item is deposited again while the voltage polarity is reversed, the actual scraping speed is reduced. Can slow down.

ニュートラライザのキーパ電極7とカソード電極6の電圧極性を反転してプラズマ31の生成を行うと、キーパ電極7のカソード電極6に面した側では、カソード材34の付着とスパッタが繰り返し行われる。この際に、膜の成長の早い部分がスパッタの速度も速くなるため、付着膜を平坦かつ緻密な構造にする作用が生じる。この作用によって、付着した膜が強固で剥がれにくくなり、膜剥がれによる放電トラブルの発生を抑制することができる。   When the voltage polarity of the keeper electrode 7 and the cathode electrode 6 of the neutralizer is reversed to generate the plasma 31, the cathode material 34 is repeatedly attached and sputtered on the side of the keeper electrode 7 facing the cathode electrode 6. At this time, since the sputter speed is increased at a portion where the film is growing rapidly, an effect of making the attached film flat and dense is produced. By this action, the adhered film is strong and difficult to peel off, and the occurrence of discharge troubles due to the film peeling can be suppressed.

ニュートラライザのキーパ電極7とカソード電極6の電圧極性を反転してプラズマ31の生成を行うと、キーパ電極7とカソード電極6の電圧極性を反転する前に形成されたカソード材34が、キーパ電極7とカソード電極6の電圧極性を反転することにより、スパッタされる。このときスパッタされたカソード材34の大半はプラズマ31やカソード電極6側に向かって放出されるが、電子放出孔7aの近傍では、カソード材34が斜め前方方向にも放出される。この斜め前方に放出したカソード材34が電子ビーム放出孔7aの内壁に膜として再付着する。この作用によって、電子ビーム放出孔7aの内径が広がる速度が抑制され、プラズマ31の生成ができなくなるまでの時間を長くすることができる。   When the voltage polarity of the keeper electrode 7 and the cathode electrode 6 of the neutralizer is reversed to generate the plasma 31, the cathode material 34 formed before inverting the voltage polarity of the keeper electrode 7 and the cathode electrode 6 is replaced with the keeper electrode. 7 and the cathode electrode 6 are reversed by reversing the voltage polarity. At this time, most of the sputtered cathode material 34 is emitted toward the plasma 31 and the cathode electrode 6 side, but in the vicinity of the electron emission hole 7a, the cathode material 34 is also emitted obliquely forward. The cathode material 34 emitted obliquely forward is reattached as a film to the inner wall of the electron beam emission hole 7a. By this action, the speed at which the inner diameter of the electron beam emission hole 7a expands is suppressed, and the time until the plasma 31 cannot be generated can be lengthened.

元々イオンビーム装置に於いては、ニュートラライザの磨耗スピードが速いが故に部品の交換頻度が高く、ひいては装置全体稼働率を上げられないという運用上の問題があった。それに加え近年ではスループットを上げるために、大電流のイオンビームを使用せざるを得ない状況が増えている。イオンビームの電流が大きくなれば、それを中和する電子ビームの電流値も必然的に大きくなるため、ニュートラライザの磨耗は一段と加速する一方であった。このような状況に対し、本発明におけるニュートラライザは、使用によって磨耗した部分を再度埋め直すことになるため、ニュートラライザの磨耗スピードを大幅に小さくすることが可能となる。よって、本発明のニュートラライザを備えた装置では、従来のニュートラライザを用いた場合と比較して、ニュートラライザの交換頻度を低くすることができ、それによって従来に比べスループットの向上を図ることができ、また部品交換に伴うランニングコストを下げることも可能となる。またこれまで磨耗スピードが速く事実上使用が困難であった高電子電流の用途に対しても、本発明を適用することで使用が可能となる。   Originally, in the ion beam apparatus, since the wear speed of the neutralizer is fast, the frequency of replacement of parts is high, and as a result, there is an operational problem that the overall operation rate of the apparatus cannot be increased. In addition, in recent years, in order to increase the throughput, there is an increasing situation in which a large current ion beam must be used. As the ion beam current increases, the electron beam current value that neutralizes the ion beam current inevitably increases, so the wear of the neutralizer is accelerating further. In such a situation, the neutralizer according to the present invention refills the portion worn by use again, so that the wear speed of the neutralizer can be greatly reduced. Therefore, in the apparatus equipped with the neutralizer of the present invention, the frequency of replacement of the neutralizer can be lowered compared with the case where the conventional neutralizer is used, thereby improving the throughput compared to the conventional case. In addition, it is possible to reduce the running cost associated with parts replacement. Moreover, it can be used by applying the present invention to the application of high electron current, which has so far been fast and practically difficult to use.

1 ニュートラライザ
2 ベース
3 ガス導入管
4 放電管
5 高周波誘導コイル
6 カソード電極
7 キーパ電極
7a 電子ビーム放出孔
8 第二のキーパ電極
8a 電子ビーム放出孔
9 トリガ電極
11 高周波電源
12 マッチングボックス
13 引出し電源
14 キーパ電源
15 カソード電源
16 コンデンサ(自己バイアス手段)
16a〜16c コンデンサ(自己バイアス手段)
17 トリガ電源
21 真空チャンバ
23 回転モータ
31 プラズマ
32 電子ビーム
33 イオンビーム
34 カソード材
35 順方向リレー
36 順方向リレー
37 逆方向リレー
38 逆方向リレー
39 イオンビームエッチング装置
40 ステージ
41 イオンビームソース
42 電位センサ
S 基板

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Neutralizer 2 Base 3 Gas introduction tube 4 Discharge tube 5 High frequency induction coil 6 Cathode electrode 7 Keeper electrode 7a Electron beam emission hole 8 Second keeper electrode 8a Electron beam emission hole 9 Trigger electrode 11 High frequency power supply 12 Matching box 13 Drawer power supply 14 Keeper power supply 15 Cathode power supply 16 Capacitor (self-biasing means)
16a to 16c capacitors (self-biasing means)
17 Trigger power supply 21 Vacuum chamber 23 Rotating motor 31 Plasma 32 Electron beam 33 Ion beam 34 Cathode material 35 Forward relay 36 Forward relay 37 Reverse relay 38 Reverse relay 39 Ion beam etching apparatus 40 Stage 41 Ion beam source 42 Potential sensor S substrate

Claims (6)

電子ビームを引出し可能な開口を一方の端部に有する放電管と、
前記放電管内にガスを導入するガス導入管と、
前記放電管内に配設されたカソード電極と、
前記放電管の前記開口側に配設されたキーパ電極と、
前記カソード電極に電圧を印加するカソード電源と、
前記キーパ電極に電圧を印加するキーパ電源と、
を備えたニュートラライザであって、
前記カソード電源と前記キーパ電源とは、前記カソード電極と前記キーパ電極の電圧極性を反転させる反転機構に接続されていることを特徴とするニュートラライザ。
A discharge tube having an opening at one end through which an electron beam can be extracted;
A gas introduction tube for introducing gas into the discharge tube;
A cathode electrode disposed in the discharge tube;
A keeper electrode disposed on the opening side of the discharge tube;
A cathode power source for applying a voltage to the cathode electrode ;
A keeper power source for applying a voltage to the keeper electrode;
A neutralizer comprising:
The neutralizer, wherein the cathode power source and the keeper power source are connected to an inversion mechanism for inverting the voltage polarity of the cathode electrode and the keeper electrode .
前記反転機構は、順方向リレーと逆方向リレーとから構成されることを特徴とする請求項1記載のニュートラライザ。The neutralizer according to claim 1, wherein the reversing mechanism includes a forward relay and a reverse relay. 前記順方向リレーは、第1の順方向リレーと第2の順方向リレーとから構成され、The forward relay is composed of a first forward relay and a second forward relay,
前記逆方向リレーは、第1の逆方向リレーと第2の逆方向リレーとから構成され、The reverse relay is composed of a first reverse relay and a second reverse relay,
前記第1の順方向リレーの入力側と第1の逆方向リレーの入力側とが、前記カソード電源の負極側に接続され、The input side of the first forward relay and the input side of the first reverse relay are connected to the negative side of the cathode power supply;
前記第2の順方向リレーの入力側と前記第2の逆方向リレーの入力側とが、前記カソード電源の正極側に接続され、The input side of the second forward relay and the input side of the second reverse relay are connected to the positive side of the cathode power supply;
前記第1の順方向リレーの出力側と前記第2の逆方向リレーの出力側とが、前記カソード電極に接続され、An output side of the first forward relay and an output side of the second reverse relay are connected to the cathode electrode;
前記第2の逆方向リレーの出力側と前記第1の逆方向リレーの出力側とが、前記キーパ電極に接続されていることを特徴とする請求項2記載のニュートラライザ。The neutralizer according to claim 2, wherein an output side of the second reverse relay and an output side of the first reverse relay are connected to the keeper electrode.
前記キーパ電極とカソード電極の電圧極性を逆にした状態で放電を行う際、前記反転機構により、前記カソード電極を正極に、前記キーパ電極を負極にすることを特徴とする請求項1記載のニュートラライザ。2. The neutral according to claim 1, wherein when discharging is performed in a state in which the voltage polarity of the keeper electrode and the cathode electrode is reversed, the reversing mechanism sets the cathode electrode to a positive electrode and the keeper electrode to a negative electrode. Riser. 前記電子ビームを発生する際、前記第1の順方向リレーと第2の順方向リレーとは閉にされ、第1の逆方向リレーと第2の逆方向リレーとは開にされ、When generating the electron beam, the first forward relay and the second forward relay are closed, the first reverse relay and the second reverse relay are opened,
前記キーパ電極とカソード電極の電圧極性を逆にした状態で放電を行う際、前記第1の順方向リレーと第2の順方向リレーとは閉から開に切り替えられ、第1の逆方向リレーと第2の逆方向リレーとは開から閉に切り替えられることを特徴とする請求項3記載のニュートラライザ。When discharging with the voltage polarity of the keeper electrode and the cathode electrode reversed, the first forward relay and the second forward relay are switched from closed to open, and the first reverse relay and 4. The neutralizer according to claim 3, wherein the second reverse relay is switched from open to closed.
内部を真空に維持可能な真空チャンバと、
前記真空チャンバ内に配設され基体を保持可能な基体保持手段と、
前記基体に向けてイオンビームを照射するイオン源と、
プラズマ中から電子ビームを引出して前記基体に照射するニュートラライザと、を備えたイオンビーム装置であって、
前記ニュートラライザは、請求項1から5のいずれか1項に記載のニュートラライザであることを特徴とするイオンビーム装置。
A vacuum chamber capable of maintaining a vacuum inside;
A substrate holding means disposed in the vacuum chamber and capable of holding the substrate;
An ion source that irradiates an ion beam toward the substrate;
An ion beam apparatus comprising: a neutralizer that extracts an electron beam from plasma and irradiates the substrate;
The ionizer according to claim 1, wherein the neutralizer is a neutralizer according to claim 1.
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