JP5520555B2 - イオン照射方法 - Google Patents

Description

本発明は、イオン源及びイオン照射方法に関する。

イオン源からのイオンビームを処理対象物表面に照射してスパッタ現象によりエッチングする微細加工技術（ＩＯＮ ＢＥＡＭ ＦＩＧＵＲＩＮＧ：ＩＢＦ）は、ビーム径や加工速度等に優れた特徴を持ち、現在、光学レンズ及び金型の形状修正や仕上げ加工等の分野で注目されている。

図２は従来のイオン源１１０の一般的な構成を示している。プラズマを生成する放電室（プラズマ室）１１２にイオンビームを引き出すための引出孔１１４が設けられ、対向して引出電極１２０が設置されている。引出電極１２０との間に生じる電界で放電室１１２内からイオンが引き出され、イオンビームとなる。引き出されたイオンビームは通常、アインツェルレンズ等の静電レンズ１２３によりイオンビームを収束又は発散させて所望のビーム径にしてから処理対象物１２５に照射する。

一般にエッチングレートは高いほど好ましいが、処理対象物を微細に削る場合、加工精度との兼ね合いでエッチングレートをある範囲に収める必要がある。
エッチングレートは、ビーム電流密度を増減することで制御できる。例えば１ｎｍ／ｓで処理対象物１２５をエッチングするには、１ｍＡ／ｃｍ²程度のビーム電流密度が要求される。エッチングレートをその１０分の１の０．１ｎｍ／ｓにするのであれば、ビーム電流密度を０．１ｍＡ／ｃｍ²程度に制御する。

なお、一回当たりあるいは単位時間当たりに処理する領域を例えば０．１ｍｍから１０ｍｍ程度にすると、ビーム電流値としては１０ｎＡから１ｍＡ前後の範囲で可変となることが要求される。
このように加工精度との兼ね合いで、イオンビームの強度を広範囲に渡って可変にする必要があるが、従来のイオン源１１０では、放電室１１２内における放電電力を下げすぎるとプラズマが消えてしまうため、放電電力によるイオンビームの強度の可変範囲は二桁程度が限度であり、放電電力の調節のみでは希望する加工精度が実現できなかった。

そこで、従来では、イオンビームが引き出された後に、一種類あるいは数種類の固定された穴径を持つ絞りを機械的駆動で設置して、ビーム電流の強度の制御に対応してきたが、高エネルギーのイオンビームによって絞りがスパッタされるという問題があった。すなわち、経時的に絞りの穴径が変化し、かつスパッタ粒子によって処理対象物１２５が汚染されていた。また、開口径を任意に設定できないという問題があった。

特開昭６３−６９９６６号公報 特開平１−１９７９５０号公報

本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、絞りを用いずに、イオンビームの強度を従来より広い範囲で可変にできるイオン源及びイオン照射方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために本発明は、真空雰囲気中に導入されたプラズマガスをプラズマ発生装置がプラズマにし、引出電極によって前記プラズマ中のイオンを引出孔から引き出し、前記イオンをイオンビームにして処理対象物に照射するイオン照射方法であって、それぞれ真空排気される第一、第二のプラズマ室のうち、前記引出孔が設けられた前記第二のプラズマ室と接続孔で接続された第一のプラズマ室内に前記プラズマガスを導入し、前記第一のプラズマ室内でプラズマを発生させ、前記プラズマ中のイオンのうち、前記接続孔を通過して前記第二のプラズマ室内に移動したイオンを前記引出電極によって前記引出孔から前記第二のプラズマ室の外部に引き出し、第一のイオンビームを形成する弱イオンビーム動作と、前記第二のプラズマ室内に前記プラズマガスを導入し、前記第二のプラズマ室内でプラズマを発生させ、前記引出電極によって前記引出孔から引き出し、前記第二のイオンビームを形成する強イオンビーム動作とを、選択して行えるイオン照射方法である。
本発明はイオン照射方法であって、前記第一のプラズマ室内では、前記第一のプラズマ室内に導入された前記プラズマガスに電子線を照射して前記プラズマを発生させ、第二のプラズマ室内では、前記第二のプラズマ室内に導入された前記プラズマガスに、前記接続孔を通過した電子線を照射して前記プラズマを発生させるイオン照射方法である。

引出孔を介して外部と接続されたプラズマ室内のイオンの密度を従来より広い範囲で可変とすることができるので、イオンビームの強度を広範囲で制御可能となる。これにより、イオンビームを対象物に応じて最適なビーム径及び電流密度に制御でき、加工効率が向上する。
絞りを用いずにイオンビームの強度を制御できるので、処理対象物が絞りのスパッタ粒子によって汚染される問題が生じない。

本発明のイオン源の第一例を説明するための模式図 従来のイオン源の構造を説明するための模式図 本発明のイオン源の第二例を説明するための模式図 本発明のイオン源の第三例を説明するための模式図

本発明のイオン源の構造を説明する。図１の符号１０ａは本発明のイオン源の第一例の模式図を示している。
イオン源１０ａは、第一、第二のプラズマ室１１ａ、１２ａと、ガス導入部６０ａと、プラズマ生成手段３０ａとを有している。
第一のプラズマ室１１ａと第二のプラズマ室１２ａとの間には絶縁性の主絶縁壁５１ａが配置されている。主絶縁壁５１ａには、径が第一、第二のプラズマ室１１ａ、１２ａ内の径の両方より狭い接続孔１３ａが設けられている。第一のプラズマ室１１ａ内と第二のプラズマ室１２ａ内とは接続孔１３ａを介して接続されている。

図１で、第一、第二のプラズマ室１１ａ、１２ａにはそれぞれ第一、第二の真空排気部６２ａ、６３ａが設けられ、第一、第二のプラズマ室１１ａ、１２ａ内はそれぞれ真空排気されているが、第一、第二の真空排気部６２ａ、６３ａは省略してもよい。
ガス導入部６０ａは、第一、第二のプラズマ室１１ａ、１２ａ内に接続されている。ガス導入部６０ａには制御装置７０ａが接続され、制御装置７０ａから制御信号を受けると、各室１１ａ、１２ａ内のいずれか一方又は両方にプラズマガスを独立に導入可能に構成されている。

第一のプラズマ室１１ａの外側には絶縁性の副絶縁壁５２ａを介して電子発生室５３ａが配置されている。副絶縁壁５２ａには、径が第一のプラズマ室１１ａ内の径と電子発生室５３ａ内の径の両方より狭い貫通孔１６ａが設けられている。第一のプラズマ室１１ａ内と電子発生室５３ａ内とは貫通孔１６ａを介して接続されている。

プラズマ生成手段３０ａは、電子発生装置３１ａと、第一、第二の正電極３２ａ、３３ａとを有している。
電子発生装置３１ａは電子発生室５３ａ内に配置されている。第一、第二の正電極３２ａ、３３ａは円筒形状であり、それぞれ第一、第二のプラズマ室１１ａ、１２ａの側壁部に配置されている。

電子発生室５３ａと第一、第二の正電極３２ａ、３３ａは導体からなり、ここではモリブデンが用いられている。電子発生室５３ａと第一の正電極３２ａとは副絶縁壁５２ａを介して電気的に絶縁されており、第一の正電極３２ａと第二の正電極３３ａとは主絶縁壁５１ａを介して電気的に絶縁されている。

電子発生装置３１ａにはここではタングステン等の金属細線からなる電子発生装置が用いられている。電子発生装置３１ａには電子発生用直流電源４７ａが電気的に接続されている。電子発生用直流電源４７ａには制御装置７０ａが接続され、制御装置７０ａから制御信号を受けると、電子発生装置３１ａに直流電圧を印加可能にされている。

電子発生装置３１ａに直流電圧を印加し直流電流を流すと、発熱した電子発生装置３１ａは真空雰囲気中に電子を放出する。
電子発生室５３ａと第一、第二の正電極３２ａ、３３ａにはそれぞれ電源装置４０ａが電気的に接続されている。電源装置４０ａには制御装置７０ａが接続され、制御装置７０ａから制御信号を受けると、電子発生室５３ａと第一、第二の正電極３２ａ、３３ａとの間の相対的な電位を所定の値に制御できるようにされている。

電源装置４０ａは具体的にはここでは、副直流電源４５ａと第一、第二の可変抵抗４１ａ、４２ａとを有している。副直流電源４５ａの負端子側は電子発生室５３ａに電気的に接続され、正端子側は第一、第二の正電極３２ａ、３３ａにそれぞれ第一、第二の可変抵抗４１ａ、４２ａを介して電気的に接続されている。
本発明の電源装置４０ａはこれに限定されず、電子発生室５３ａと第一の正電極３２ａとにそれぞれ独立に直流電源を電気的に接続してもよい。

電子発生室５３ａに負電圧を、第一、第二の正電極３２ａ、３３ａのいずれか一方又は両方に正電圧を印加し、電子発生装置３１ａに直流電圧を印加すると、電子発生装置３１ａから放出された電子は、電子発生室５３ａと正電圧を印加された正電極との間に形成された電場から電磁力を受け、正電圧を印加された正電極に引かれて、貫通孔１６ａを通り、正電圧を印加された正電極を有するプラズマ室内に入射する。

第二の正電極３３ａには導体からなるプラズマ電極５４ａが電気的に接続されており、プラズマ電極５４ａには主直流電源４３ａが電気的に接続されている。主直流電源４３ａには制御装置７０ａが接続され、制御装置７０ａから制御信号を受けると、プラズマ電極５４ａと、プラズマ電極５４ａに電気的に接続された第二の正電極３３ａとに所定の電位を印加可能にされている。

第二のプラズマ室１２ａの外側にはプラズマ電極５４ａを介して真空槽１５ａが配置されている。真空槽１５ａは接地されており、第二のプラズマ室１２ａとプラズマ電極５４ａの両方とは不図示の絶縁物を介して電気的に絶縁されている。真空槽１５ａには真空槽真空排気部６５ａが設けられ、槽内は真空排気されている。
プラズマ電極５４ａには引出孔１４ａが設けられている。引出孔１４ａは、第二のプラズマ室１２ａ内と外部の真空槽１５ａ内とを接続している。

真空槽１５ａ内にはプラズマ電極５４ａと対向するように引出電極２０ａが配置されている。
引出電極２０ａは、ここでは第一、第二の電極板２１ａ、２２ａを有している。第一、第二の電極板２１ａ、２２ａはどちらもプラズマ電極５４ａと平行に配置されている。第一の電極板２１ａはプラズマ電極５４ａと直接対向するように配置され、第二の電極板２２ａは第一の電極板２１ａをプラズマ電極５４ａとの間に挟むように配置されている。

第一、第二の電極板２１ａ、２２ａは引出用直流電源４８ａを介して電気的に接続されている。引出用直流電源４８ａには制御装置７０ａが接続され、第一、第二の電極板２１ａ、２２ａに所定の電圧を印加可能にされている。
真空槽１５ａ内の放出されたイオンの飛行経路上には、静電レンズ２３ａが配置されている。静電レンズ２３ａとしてここではアインツェルレンズを用いている。

静電レンズ２３ａはイオンの飛行経路上に電場を形成し、イオンビームを収束又は発散させて所望のビーム径にして、真空槽１５ａ内の静電レンズ２３ａの後方に配置された処理対象物２５ａに照射可能にされている。
引出電極２０ａから放出されるイオンビームの強度は、第二のプラズマ室１２ａ内のイオンの密度に比例する。

本発明は、後述するように第一のプラズマ室１１ａ内でプラズマを生成することにより弱イオンビームを、第二のプラズマ室１２ａ内でプラズマを生成することにより強イオンビームを形成するものである。
まず、第一のプラズマ室１１ａ内でプラズマを生成することによる第一のイオンビーム形成方法を説明する。

第一のプラズマ室１１ａ内にプラズマガスを導入し、所定の圧力にする。第二のプラズマ室１２ａ内にはガスを導入してもよいし、導入しなくてもよい。
電子発生室５３ａに負電圧を印加し、第一の正電極３２ａに正電圧を印加する。このとき第二の可変抵抗４２ａの値を例えば無限大にし、第二の正電極３３ａを副直流電源４５ａに対して電気的にフローティングの状態にしておく。

電子発生装置３１ａに、直流電圧を印加し、直流電流を流す。発熱した電子発生装置３１ａは、真空排気された電子発生室５３ａ内に電子を放出する。
放出された電子は、電子発生室５３ａと第一の正電極３２ａとの間に形成された電場から電磁力を受け、第一の正電極３２ａに引かれて、貫通孔１６ａを通って第一のプラズマ室１１ａ内のプラズマガスに照射される。電子線が照射されたプラズマガスは電離され、プラズマ化する。

プラズマ中のイオンは接続孔１３ａを通って第二のプラズマ室１２ａ内に拡散し、充満する。接続孔１３ａを通って拡散しながら移動することにより、第二のプラズマ室１２ａ内のイオンの密度は、第一のプラズマ室１１ａ内のイオンの密度より小さくなる。
なお、第二のプラズマ室１２ａ内にイオンを中和するようなガスを導入していると、第二のプラズマ室１２ａ内のイオンの密度は更に小さくなる。

次いで、引出電極２０ａに所定の電圧を印加して、プラズマ電極５４ａと引出電極２０ａとの間に電場を形成し、第二のプラズマ室１２ａ内から引出孔１４ａを通して外部にイオンを引き出し、イオンビームとして放出する。
次いで、第二のプラズマ室１２ａ内でプラズマを生成することによる第二のイオンビーム形成方法を説明する。

第二のプラズマ室１２ａ内にプラズマガスを導入し、所定の圧力にする。このとき第一のプラズマ室１１ａ内にはプラズマガスを導入しない。
電子発生室５３ａに負電圧を印加し、第二の正電極３３ａに正電圧を印加する。第一の正電極３２ａには、後述するように第一のプラズマ室１１ａ内の放電が維持される程度に、第二の正電極３３ａより低い正電圧を印加する。

電子発生装置３１ａに、直流電圧を印加し、直流電流を流す。発熱した電子発生装置３１ａは、真空排気された電子発生室５３ａ内に電子を放出する。
放出された電子は、電子発生室５３ａと第一の正電極３２ａとの間に形成された電場と、電子発生室５３ａと第二の正電極３３ａとの間に形成された電場との合成電場から電磁力を受け、第二の正電極３３ａに引かれて、貫通孔１６ａを通って第一のプラズマ室１１ａ内に入射し、次いで接続孔１３ａを通って第二のプラズマ室１２ａ内のプラズマガスに照射される。電子線が照射されたプラズマガスは電離され、プラズマ化する。

次いで、引出電極２０ａに所定の電圧を印加して、プラズマ電極５４ａと引出電極２０ａとの間に電場を形成し、第二のプラズマ室１２ａ内から引出孔１４ａを通して外部にイオンを引き出し、イオンビームとして放出する。
第二のプラズマ室１２ａ内で生成する場合と同程度の量のプラズマを、第一のプラズマ室１１ａ内で生成した場合には、生成したプラズマ中のイオンは接続孔１３ａを通って第二のプラズマ室１２ａ内に移動するので、第二のプラズマ室１２ａ内のイオンの密度は第二のプラズマ室１２ａ内で生成する場合よりも小さくなり、従って、第二のプラズマ室１２ａ内で生成する場合よりもイオンビームの強度は小さくなる。

本発明のイオン源のプラズマ生成手段は上述したように電子発生室内に配置された電子発生装置と、各プラズマ室の側壁部に配置された正電極とを有するものに限定されず、各プラズマ室内でそれぞれプラズマを生成できるものであればよい。

図３の符号１０ｂは本発明の第二例であるイオン源の模式図を示している。
第一例と同様に、イオン源１０ｂは、第一、第二のプラズマ室１１ｂ、１２ｂと、ガス導入部６０ｂと、プラズマ生成手段３０ｂとを有している。
第一のプラズマ室１１ｂと第二のプラズマ室１２ｂとの間には絶縁性の主絶縁壁５１ｂが配置されている。主絶縁壁５１ｂには、径が第一、第二のプラズマ室１１ｂ、１２ｂ内の径の両方より狭い接続孔１３ｂが設けられている。第一のプラズマ室１１ｂ内と第二のプラズマ室１２ｂ内とは接続孔１３ｂを介して接続されている。
第一、第二のプラズマ室１１ｂ、１２ｂにはそれぞれ第一、第二の真空排気部６２ｂ、６３ｂが設けられ、第一、第二のプラズマ室１１ｂ、１２ｂ内はそれぞれ真空排気されている。

ガス導入部６０ｂは、第一、第二のプラズマ室１１ｂ、１２ｂ内に接続されている。ガス導入部６０ｂには制御装置７０ｂが接続され、制御装置７０ｂから制御信号を受けると、各室１１ｂ、１２ｂ内のいずれか一方又は両方にプラズマガスを独立に導入可能に構成されている。

プラズマ生成手段３０ｂは、電子発生装置３１ｂと、正電極３３ｂとを有している。電子発生装置３１ｂは第一のプラズマ室１１ｂ内に配置され、正電極３３ｂは第二のプラズマ室１２ｂの側壁に配置されている。
正電極３３ｂは導体からなり、ここではモリブデンが用いられている。

電子発生装置３１ｂにはここではタングステン等の金属細線が用いられている。電子発生装置３１ｂには電子発生用直流電源４７ｂが電気的に接続されている。電子発生用直流電源４７ｂには制御装置７０ｂが接続され、制御装置７０ｂから制御信号を受けると、電子発生装置３１ｂに直流電圧を印加可能にされている。
電子発生装置３１ｂに直流電圧を印加し直流電流を流すと、発熱した電子発生装置３１ｂは真空雰囲気中に電子を放出する。

正電極３３ｂには導体からなるプラズマ電極５４ｂが電気的に接続されており、プラズマ電極５４ｂには主直流電源４３ｂが電気的に接続されている。主直流電源４３ｂには制御装置７０ｂが接続され、制御装置７０ｂから制御信号を受けると、プラズマ電極５４ｂと、プラズマ電極５４ｂと電気的に接続された正電極３３ｂとに所定の電圧を印加可能にされている。

第二のプラズマ室１２ｂの外側にはプラズマ電極５４ｂを介して真空槽１５ｂが配置されている。真空槽１５ｂは接地されており、第二のプラズマ室１２ｂとプラズマ電極５４ｂの両方とは不図示の絶縁物を介して電気的に絶縁されている。真空槽１５ｂには真空槽真空排気部６５ｂが設けられ、槽内は真空排気されている。
プラズマ電極５４ｂには引出孔１４ｂが設けられている。引出孔１４ｂは、第二のプラズマ室１２ｂ内と外部の真空槽１５ｂ内とを接続している。

真空槽１５ｂ内にはプラズマ電極５４ｂと対向するように引出電極２０ｂが配置されている。
引出電極２０ｂには引出用直流電源４８ｂが電気的に接続されている。引出用直流電源４８ｂには制御装置７０ｂが接続され、引出電極２０ｂに所定の直流電圧を印加可能にされている。

後述するように第一、第二のプラズマ室１１ｂ、１２ｂ内のいずれか一方でプラズマを生成したのち、引出電極２０ｂに直流電圧を印加すると、引出孔１４ｂ付近のイオンはプラズマ電極５４ｂと引出電極２０ｂとの間に形成された電場から電磁力を受け、第二のプラズマ室１２ｂ内から外部に引き出され、イオンビームとして放出される。

真空槽１５ｂ内の放出されたイオンの飛行経路上には、静電レンズ２３ｂが配置されている。静電レンズ２３ｂとしてここではアインツェルレンズを用いている。
静電レンズ２３ｂはイオンの飛行経路上に電場を形成し、イオンビームを収束又は発散させて所望のビーム径にして、真空槽１５ｂ内の静電レンズ２３ｂの後方に配置された処理対象物２５ｂに照射可能にされている。

第二例では、第一例と異なり、プラズマ生成手段３０ｂは、ＲＦアンテナ３４ｂを有している。
第一のプラズマ室１１ｂの側壁部には誘電体からなる放電室５５ｂが配置されている。ＲＦアンテナ３４ｂは放電室５５ｂの外側を一巻き以上で巻回するように配置されている。

ＲＦアンテナ３４ｂにはＲＦ用交流電源４６ｂが電気的に接続されている。ＲＦ用交流電源４６ｂには制御装置７０ｂが接続され、制御装置７０ｂから制御信号を受けると、ＲＦアンテナ３４ｂに交流電圧を印加可能にされている。
ＲＦアンテナ３４ｂに交流電圧を印加すると、ＲＦアンテナ３４ｂは放電室５５ｂを介して第一のプラズマ室１１ｂ内に誘導結合プラズマが生成する。

本例は、第一例と同様に、第一のプラズマ室１１ｂ内でプラズマを生成することにより弱イオンビームを、第二のプラズマ室１２ｂ内でプラズマを生成することにより強イオンビームを形成するものである。
まず、第一のプラズマ室１１ｂ内でプラズマを生成することによる第一のイオンビーム形成方法を説明する。

第一のプラズマ室１１ｂ内を真空排気しながら、第一のプラズマ室１１ｂ内にプラズマガスを導入し、所定の圧力にする。このとき第二のプラズマ室１２ｂ内にはガスを導入してもよいし、導入しなくてもよい。
ＲＦアンテナ３４ｂに交流電圧を印加する。このとき電子発生装置３１ｂには直流電圧を印加せず、正電極３３ｂには正電圧を印加しないでおく。

交流電圧を印加されたアンテナ３４ｂは、放電室５５ｂを介して第一のプラズマ室１１ｂ内に電波を放射する。第一のプラズマ室１１ｂ内で電波を受けたプラズマガスは励起し、電離され、プラズマ化する。
プラズマ中のイオンは接続孔１３ｂを通って第二のプラズマ室１２ｂ内に拡散し、充満する。接続孔１３ｂを通って移動することにより、第二のプラズマ室１２ｂ内のイオンの密度は、第一のプラズマ室１１ｂ内のイオンの密度より小さくなる。

なお、第二のプラズマ室１２ｂ内にイオンを中和するようなガスを導入していると、第二のプラズマ室１２ｂ内のイオンの密度は更に小さくなる。
次いで、引出電極２０ｂに所定の電圧を印加して、プラズマ電極５４ｂと引出電極２０ｂとの間に電場を形成し、第二のプラズマ室１２ｂ内から引出孔１４ｂを通して外部にイオンを引き出し、イオンビームとして放出する。
次いで、第二のプラズマ室１２ｂ内でプラズマを生成することによる第二のイオンビーム形成方法を説明する。

第二のプラズマ室１２ｂ内を真空排気しながら、第二のプラズマ室１２ｂ内にプラズマガスを導入し、所定の圧力にする。このとき第一のプラズマ室１１ｂ内にはプラズマガスを導入しない。
正電極３３ｂに正電圧を印加する。このときＲＦアンテナ３４ｂには交流電圧を印加しないでおく。

電子発生装置３１ｂに、直流電圧を印加し、直流電流を流す。発熱した電子発生装置３１ｂは、真空排気された第一のプラズマ室１１ｂ内に電子を放出する。
放出された電子は、正電極３３ｂにより形成された電場から電磁力を受け、正電極３３ｂに引かれて、主絶縁壁５１ｂの接続孔１３ｂを通って第二のプラズマ室１２ｂ内のプラズマガスに照射される。電子線が照射されたプラズマガスは電離され、プラズマ化する。

次いで、引出電極２０ｂに所定の電圧を印加して、プラズマ電極５４ｂと引出電極２０ｂとの間に電場を形成し、第二のプラズマ室１２ｂ内から引出孔１４ｂを通して外部にイオンを引き出し、イオンビームとして放出する。
第一例と同様に、第二のプラズマ室１２ｂ内で生成する場合と同程度の量のプラズマを、第一のプラズマ室１１ｂ内で生成した場合には、プラズマ中のイオンは接続孔１３ｂを通って第二のプラズマ室１２ｂ内に移動するので、第二のプラズマ室１２ｂ内のイオンの密度は第二のプラズマ室１２ｂ内で生成する場合よりも小さくなり、従って、第二のプラズマ室１２ｂ内で生成する場合よりもイオンビームの強度は小さくなる。

図４の符号１０ｃは本発明の第三例であるイオン源の模式図を示している。
第二例と同様に、イオン源１０ｃは、第一、第二のプラズマ室１１ｃ、１２ｃと、ガス導入部６０ｃと、プラズマ生成手段３０ｃとを有している。
第一のプラズマ室１１ｃと第二のプラズマ室１２ｃとの間には絶縁性の主絶縁壁５１ｃが配置されている。主絶縁壁５１ｃには、径が第一、第二のプラズマ室１１ｃ、１２ｃ内の径の両方より狭い接続孔１３ｃが設けられている。第一のプラズマ室１１ｃ内と第二のプラズマ室１２ｃ内とは接続孔１３ｃを介して接続されている。

第一、第二のプラズマ室１１ｃ、１２ｃにはそれぞれ第一、第二の真空排気部６２ｃ、６３ｃが設けられ、各室１１ｃ、１２ｃ内は真空排気されている。
ガス導入部６０ｃは、第一、第二のプラズマ室１１ｃ、１２ｃ内に接続されている。ガス導入部６０ｃには制御装置７０ｃが接続され、制御装置７０ｃから制御信号を受けると、各室１１ｃ、１２ｃ内のいずれか一方又は両方にプラズマガスを独立に導入可能に構成されている。

プラズマ生成手段３０ｃは、第一のＲＦアンテナ３４ｃを有している。
第一のプラズマ室１１ｃの側壁部には誘電体からなる第一の放電室５５ｃが配置されている。第一のＲＦアンテナ３４ｃは第一の放電室５５ｃの外側を一巻き以上で巻回するように配置されている。

第一のＲＦアンテナ３４ｃには第一のＲＦ用交流電源４６ｃが電気的に接続されている。第一のＲＦ用交流電源４６ｃには制御装置７０ｃが接続され、制御装置７０ｃから制御信号を受けると、第一のＲＦアンテナ３４ｃに交流電圧を印加可能にされている。
第一のＲＦアンテナ３４ｃに交流電圧を印加すると、第一のＲＦアンテナ３４ｃは第一の放電室５５ｃを介して第一のプラズマ室１１ｃ内に電波を放射する。

第二のプラズマ室１１ｃには導体からなるプラズマ電極５４ｃが設けられており、プラズマ電極５４ｃには主直流電源４３ｃが電気的に接続されている。主直流電源４３ｃには制御装置７０ｃが接続され、制御装置７０ｃから制御信号を受けると、プラズマ電極５４ｃに所定の電位を印加できるようにされている。
第二のプラズマ室１２ｃの外側にはプラズマ電極５４ｃを介して真空槽１５ｃが配置されている。真空槽１５ｃは接地されており、第二のプラズマ室１２ｃとプラズマ電極５４ｃの両方とは不図示の絶縁物を介して電気的に絶縁されている。真空槽１５ｃには真空槽真空排気部６５ｃが設けられ、槽内は真空排気されている。
プラズマ電極５４ｃには引出孔１４ｃが設けられている。引出孔１４ｃは、第二のプラズマ室１２ｃ内と外部の真空槽１５ｃ内とを接続している。

真空槽１５ｃ内にはプラズマ電極５４ｃと対向するように引出電極２０ｃが配置されている。
引出電極２０ｃには引出用直流電源４８ｃが電気的に接続されている。引出用直流電源４８ｃには制御装置７０ｃが接続され、引出電極２０ｃに所定の直流電圧を印加可能にされている。

後述するように第一、第二のプラズマ室１１ｃ、１２ｃ内のいずれか一方でプラズマを生成したのち、引出電極２０ｃに直流電圧を印加すると、引出孔１４ｃ付近のイオンはプラズマ電極５４ｃと引出電極２０ｃとの間に形成された電場から電磁力を受け、第二のプラズマ室１２ｃ内から外部に引き出され、イオンビームとして放出される。

真空槽１５ｃ内の放出されたイオンの飛行経路上には、静電レンズ２３ｃが配置されている。静電レンズ２３ｃとしてここではアインツェルレンズを用いている。
静電レンズ２３ｃはイオンの飛行経路上に電場を形成し、イオンビームを収束又は発散させて所望のビーム径にして、真空槽１５ｃ内の静電レンズ２３ｃの後方に配置された処理対象物２５ｃに照射可能にされている。

第三例では、第二例と異なり、プラズマ生成手段３０ｃは、第二のＲＦアンテナ３５ｃを有している。
第二のプラズマ室１２ｃの側壁部には誘電体からなる第二の放電室５６ｃが配置されている。第二のＲＦアンテナ３５ｃは第二の放電室５６ｃの外側を一巻き以上で巻回するように配置されている。

第二のＲＦアンテナ３５ｃには第二のＲＦ用交流電源４９ｃが電気的に接続されている。第二のＲＦ用交流電源４９ｃには制御装置７０ｃが接続され、制御装置７０ｃから制御信号を受けると、第二のＲＦアンテナ３５ｃに交流電圧を印加可能にされている。
第二のＲＦアンテナ３５ｃに交流電圧を印加すると、第二のＲＦアンテナ３５ｃは第二のＲＦ放電室５６ｃを介して第二のプラズマ室１２ｃ内に電波を放射する。

本例は、第一、第二例と同様に、第一のプラズマ室１１ｃ内でプラズマを生成することにより弱イオンビームを、第二のプラズマ室１２ｃ内でプラズマを生成することにより強イオンビームを形成するものである。
まず、第一のプラズマ室１１ｃ内でプラズマを生成することによる第一のイオンビーム形成方法を説明する。

第一のプラズマ室１１ｃ内を真空排気しながら、第一のプラズマ室１１ｃ内にプラズマガスを導入し、所定の圧力にする。このとき第二のプラズマ室１２ｃ内を真空排気しておく。第二のプラズマ室１２ｃ内にはガスを導入してもよいし、導入しなくてもよい。
第一のＲＦアンテナ３４ｃに交流電圧を印加する。このとき第二のＲＦアンテナ３５ｃには交流電圧を印加しないでおく。

交流電圧を印加された第一のＲＦアンテナ３４ｃは、第一のＲＦ放電室５５ｃを透過して第一のプラズマ室１１ｃ内に電波を放射する。第一のプラズマ室１１ｃ内で電波を受けたプラズマガスは励起し、電離され、プラズマ化する。
プラズマ中のイオンは接続孔１３ｃを通って第二のプラズマ室１２ｃ内に拡散し、充満する。接続孔１３ｃを通って移動することにより、第二のプラズマ室１２ｃ内のイオンの密度は、第一のプラズマ室１１ｃ内のイオンの密度より小さくなる。

なお、第二のプラズマ室１２ｃ内にイオンを中和するようなガスを導入していると、第二のプラズマ室１２ｃ内のイオンの密度は更に小さくなる。
次いで、引出電極２０ｃに所定の電圧を印加して、プラズマ電極５４ｃと引出電極２０ｃとの間に電場を形成し、第二のプラズマ室１２ｃ内から引出孔１４ｃを通して外部にイオンを引き出し、イオンビームとして放出する。
次いで、第二のプラズマ室１２ｃ内でプラズマを生成することによる第二のイオンビーム形成方法を説明する。

第二のプラズマ室１２ｃ内を真空排気しながら、第二のプラズマ室１２ｃ内にプラズマガスを導入し、所定の圧力にする。このとき第一のプラズマ室１１ｃ内を真空排気しておくが、第一のプラズマ室１１ｃ内にはガスを導入しない。
第二のＲＦアンテナ３５ｃに交流電圧を印加する。このとき第一のＲＦアンテナ３４ｃには交流電圧を印加しないでおく。

交流電圧を印加された第二のＲＦアンテナ３５ｃは、第二のＲＦ放電室５６ｃを透過して第二のプラズマ室１２ｃ内に電波を放射する。第二のプラズマ室１２ｃ内で電波を受けたプラズマガスは励起し、電離され、プラズマ化する。
次いで、引出電極２０ｃに所定の電圧を印加して、プラズマ電極５４ｃと引出電極２０ｃとの間に電場を形成し、第二のプラズマ室１２ｃ内から引出孔１４ｃを通して外部にイオンを引き出し、イオンビームとして放出する。

第一、第二例と同様に、第二のプラズマ室１２ｃ内で生成する場合と同程度の量のプラズマを、第一のプラズマ室１１ｃ内で生成した場合には、プラズマ中のイオンは接続孔１３ｃを通って第二のプラズマ室１２ｃ内に移動するので、第二のプラズマ室１２ｃ内のイオンの密度は第二のプラズマ室１２ｃ内で生成する場合よりも小さくなり、従って、第二のプラズマ室１２ｃ内で生成する場合よりもイオンビームの強度は小さくなる。

本発明におけるプラズマ生成手段は上述したような装置に限定されず、第一、第二のプラズマ室内に熱陰極放電と、冷陰極放電と、ＲＦ放電と、マイクロ波放電とからなる群より選択される少なくとも一つの放電を発生可能に構成され、各室内でそれぞれプラズマを生成できる装置であればよい。
本発明のイオン源は上述したようにプラズマ室を２室有するものに限定されず、一列に並んで配置され、隣り合うプラズマ室内がそれぞれ接続孔で接続された３室以上のプラズマ室を有してもよい。

プラズマ生成を行うプラズマ室が引出孔から離れるほど、プラズマ中のイオンが引出孔が設けられたプラズマ室内まで移動するために接続孔を通過する回数が多くなり、従って引出孔が設けられたプラズマ室内のイオンの密度は小さくなり、放出されるイオンビームの強度は小さくなる。

１０ａ、１０ｂ、１０ｃ……イオン源
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ……第一のプラズマ室
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ……第二のプラズマ室
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ……接続孔
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ……引出孔
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ……引出電極
２３ａ、２３ｂ、２３ｃ……静電レンズ
２５ａ、２５ｂ、２５ｃ……処理対象物
３０ａ、３０ｂ、３０ｃ……プラズマ生成手段
３１ａ、３１ｂ……電子発生装置
６０ａ、６０ｂ、６０ｃ……ガス導入部

Claims (2)

1. 真空雰囲気中に導入されたプラズマガスをプラズマ発生装置がプラズマにし、
   引出電極によって前記プラズマ中のイオンを引出孔から引き出し、前記イオンをイオンビームにして処理対象物に照射するイオン照射方法であって、
   それぞれ真空排気される第一、第二のプラズマ室のうち、前記引出孔が設けられた前記第二のプラズマ室と接続孔で接続された第一のプラズマ室内に前記プラズマガスを導入し、前記第一のプラズマ室内でプラズマを発生させ、
   前記プラズマ中のイオンのうち、前記接続孔を通過して前記第二のプラズマ室内に移動したイオンを前記引出電極によって前記引出孔から前記第二のプラズマ室の外部に引き出し、第一のイオンビームを形成する弱イオンビーム動作と、
   前記第二のプラズマ室内に前記プラズマガスを導入し、前記第二のプラズマ室内でプラズマを発生させ、前記引出電極によって前記引出孔から引き出し、前記第二のイオンビームを形成する強イオンビーム動作とを、選択して行えるイオン照射方法。
2. 前記第一のプラズマ室内では、前記第一のプラズマ室内に導入された前記プラズマガスに電子線を照射して前記プラズマを発生させ、第二のプラズマ室内では、前記第二のプラズマ室内に導入された前記プラズマガスに、前記接続孔を通過した電子線を照射して前記プラズマを発生させる請求項１記載のイオン照射方法。
   

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