JP5754579B2 - イオン源 - Google Patents

Description

本発明は、誘導結合プラズマを発生させ、プラズマ中のイオンを引き出し電極によって引き出して照射するイオン源に関する。

従来のイオン源には、プラズマ発生部として、フィラメントを用いてプラズマを発生させる装置（たとえば特許文献１）や、誘電体チャンバーの外側にコイル状の高周波アンテナを配置して誘電体チャンバー内に誘導結合プラズマを発生させる装置（特許文献２）が知られている。

また、誘導結合プラズマを発生させるプラズマ発生装置として、特許文献３に記載の装置が知られている。特許文献３には、高周波アンテナとして、真空容器の内周よりも短いコの字型あるいは円弧状の導体と、その導体を誘電体により被膜した構造の低インダクタンス内部アンテナとし、低インダクタンス内部アンテナを真空容器の内壁に設置した構成のプラズマ発生装置が示されている。

特開２０１０−１０８６１０ 特開２０１０−６２０５６ 特開２００９−１２３９０６

しかし、特許文献１のようにプラズマの生成にフィラメントを用いる場合、フィラメント材と反応するガスを用いることはできないため、発生させることができるイオン種が限定されてしまう。また、フィラメント材がスパッタされて不純物となってしまうことも問題である。

また、プラズマの生成にコイル状の高周波アンテナを用いる場合、様々なガス種の放電に対応可能であるが、アンテナからの誘導電界を誘電体を介してチャンバー内に導入するため、誘電体が熱的衝撃や機械的衝撃などによって破損する危険性がある。さらにコイル状の高周波アンテナを用いて生成した放電では、高周波電力の印加に伴いアンテナに発生する電圧が大きくなるため、プラズマ電位の揺動が大きくなり、イオンエネルギーにばらつきが生じてしまうという課題がある。このようなイオンエネルギーのばらつきは、腐食性の高いガスを用いた場合に特に顕著であった。

また、特許文献３のプラズマ発生装置に引き出し電極を組み合わせてイオン源を構成した場合も、真空容器の内壁を腐食させないガスを用いる必要があり、発生させることができるイオン種が限定されてしまう問題がある。

そこで本発明の目的は、様々なイオン種を発生させることができ、イオンエネルギーが揃ったイオンを発生させることができるイオン源を実現することである。

第１の発明は、真空容器と、真空容器内に配置され、上部に開口した第１開口部と下部に開口した第２開口部とを有し、第１開口部が真空容器の内壁に接続され、円筒状の金属容器とこの円筒状の金属容器の内壁に被覆された誘電体とから成り、内部において誘導結合プラズマを生成する誘電体容器と、真空容器内でかつ誘電体容器の外部の第２開口部の側に設けられた被処理体を配置するステージに対面し、誘電体容器の第２開口部に配置され、ステージに向けてイオンを加速する引き出し電極と、誘電体容器内に配置され、誘電体容器の内壁面に沿って周回せずに湾曲された線状の導体と導体を被膜する誘電体とからなり、導体の両端が第１開口部を介して真空容器の内壁に接続された低インダクタンス内部アンテナと、真空容器の外部において、低インダクタンス内部アンテナの導体の両端に接続する高周波電源と、所望のイオンを発生させるための金属に対する腐食性の高いガスを、誘電体容器の第１開口部から該誘電体容器の内部に供給する供給管と、真空容器内部を排気する排気管と、を有し、低インダクタンス内部アンテナの導体の長さを誘電体容器の内周の１／２以下であって誘電体容器内において生成される誘導結合プラズマのデバイ長以上とする、ことを特徴とするイオン源である。

低インダクタンス内部アンテナは、単数であってもよいし、複数有していてもよい。低インダクタンス内部アンテナを複数設ける場合、その配列によって生成される誘導結合プラズマの電子密度やエネルギーを制御することも可能であり、プラズマの安定性を高めることも可能である。また、複数設けることで、被処理体の処理面積を広くすることもできる。

低インダクタンス内部アンテナを構成する導体は、導電性を有した材料であれば任意の材料でよく、たとえば、銅、タングステンなどの金属導体や、グラファイトなどの電気伝導性の低い材料などを用いることができる。また、導体を被覆する誘電体は、プラズマに対する耐性、絶縁性、物理的強度、化学的安定性を有した任意の材料用いることができ、たとえば、アルミナ、石英、ジルコニア、窒化アルミニウム、窒化ボロン、イットリアなどである。導体の形状は、コの字型、Ｕ字型または円弧状とするのが簡便で望ましい。

低インダクタンス内部アンテナを構成する導体の長さは、誘電体容器の内壁面の周長の１／２以下とすることが望ましい。よりインダクタンスを低くすることができるためである。さらに望ましいのは、プラズマのデバイ長よりも長く、誘電体容器の内壁面の周長の０．５倍以下であることである。

誘電体容器は、全体が誘電体で構成されたものであってもよいし、ステンレスなどの金属容器の内壁を誘電体で被覆した容器であってもよい。誘電体容器の材料には、石英、アルミナ、窒化アルミニウム、などを用いることができる。

所望のイオンを発生させるためのガスには、ハロゲン系ガス、たとえば塩素、三塩化ボロン、四塩化ケイ素、四塩化炭素、フッ素、四フッ化炭素、ＣＨＦ₃ 、ＣＨ₂ Ｆ₂ 、ｃ−Ｃ₄ Ｆ₈ 、Ｃ₃ Ｆ₆ 、ｃ−Ｃ₅ Ｆ₈ などの金属に対する腐食性の高いガスや、アルゴンなどの希ガス、窒素、酸素、水素など多種多様なガス種を用いることができる。

本発明のイオン源は、真空容器内に誘電体容器を配置し、その誘電体容器内に低インダクタンス内部アンテナを配置した構成である。プラズマは、低インダクタンス内部アンテナによって誘電体容器内で生成するため、金属に対する腐食性を有したガス種を用いることが可能であり、様々なイオン種を発生させることができる。また、低インダクタンス内部アンテナを用いるため、高周波電力を効率的にプラズマ生成に利用することができる。また、高周波電力供給時に低インダクタンス内部アンテナに発生するアンテナ電圧が小さいので、プラズマ電位の揺動を小さく抑えることができ、イオンのエネルギーを揃えることができる。特に、特許文献２のような従来の誘導結合プラズマを用いたイオン源では、金属に対する腐食性の高いガスのイオンを発生させるとプラズマが揺動して不安定となり、イオンエネルギーのばらつきが大きかったが、本発明のイオン源では、そのような金属に対する腐食性の高いガスを用いた場合でも、プラズマの揺動を抑制し、イオンエネルギーのばらつきを小さくすることができる。

実施例１のイオン源の構成について示した図。 実施例１のイオン源を用いた場合のイオンエネルギーの分布を示した図。 比較例のイオン源を用いた場合のイオンエネルギーの分布を示した図。

以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

図１は、実施例１のイオン源の構成を示した図である。イオン源は、低インダクタンス内部アンテナ１０と、低インダクタンス内部アンテナ１０を内部に保持する誘電体容器１１と、誘電体容器１１および引き出し電極１３を内部に保持する真空容器１４と、によって構成されている。

低インダクタンス内部アンテナ１０は、誘電体容器１１の内壁に沿って周回しないようコの字型に曲げられた線状の導体１００と、導体１００を覆う誘電体１０１とによって構成されている。導体１００の両端には、高周波電源１５に接続されており、高周波電力が供給される。導体１００の一方の端は接地してもよいし、接地しなくてもよい。

導体１００の長さは、誘電体容器１１の内周の１／２倍以下とするのが望ましい。より低インダクタンスとすることができるためである。プラズマのデバイ長よりも長く、誘電体容器の内壁面の周長の０．５倍以下であることである。

導体１００はコの字型以外にも、Ｕ字型、円弧状など、誘電体容器１１の内壁に沿って周回しないよう湾曲された形状であれば任意の形状でよい。

導体１００の材料には銅、タングステンなどの金属導体や、グラファイトなどの電気伝導性の低い材料などを用いることができる。誘電体１０１の材料には、プラズマに対する耐性、絶縁性、物理的強度、化学的安定性を有したものを用い、たとえばアルミナ、石英、ジルコニア、窒化アルミニウム、窒化ボロン、イットリアなどである。

このような低インダクタンス内部アンテナ１０は、ループ状、コイル状に誘電体容器１１外部を周回する形状のアンテナに比べてインダクタンスが低い。そのため、低インダクタンス内部アンテナ１０を誘導結合プラズマの生成に用いた場合、高周波電源１５から印加された高周波電力を効率的にプラズマの生成に利用することができる。また、低インダクタンス内部アンテナ１０では、導体１００を誘電体１０１によって被膜しているため、高周波電力印加時に低インダクタンス内部アンテナ１０に発生するアンテナ電圧が小さく、プラズマ電位の揺動を小さく抑えることができる。

誘電体容器１１は、金属チャンバー１２の内壁を溶融石英からなる誘電体１６で覆った容器である。誘電体容器１１は、上下に開口した円筒状の容器であり、底面開口部１１ａ（本発明の第２開口部）には引き出し電極１３が接続されている。誘電体容器１１は真空容器１４の内部に配置されており、上方開口部１１ｂ（本発明の第１開口部）は真空容器１４の内壁に接続されている。低インダクタンス内部アンテナ１０は、この誘電体容器１１の内部に位置し、低インダクタンス内部アンテナ１０の両端は、上方の開口１１ｂを介して真空容器１４の内壁に接続している。そして、低インダクタンス内部アンテナ１０の導体１００の両端は、真空容器１４の外部へと取り出されていて、高周波電源１５に接続されている。

金属チャンバー１２は、誘電体１６を補強し、引き出し電極１３を誘電体容器１１の底面側に保持するためのものであるが、単に誘電体のみからなる誘電体容器１１を用いたり、他の構成の保持具によって引き出し電極１３を保持したりしてもよい。

誘電体容器１１の材料は、石英以外にもアルミナ、窒化アルミニウムなどを用いることができる。また、金属チャンバー１２の材料は、たとえばステンレス、ハステロイ、ニッケルなどの耐腐食性材料である。

また、真空容器１４には、誘電体容器１１の上方開口１１ｂを介して誘電体容器１１内部にガスを供給する供給管１７、および真空容器１４内のガスを排気する排気管１８が接続されている。供給管１７により誘電体容器１１内部に供給するガスは、生成したいイオン種に対応するガスであり、たとえば、ハロゲン系ガス、たとえば、塩素、三塩化ボロン、四塩化ケイ素、四塩化炭素、フッ素、四フッ化炭素、ＣＨＦ₃ 、ＣＨ₂ Ｆ₂ 、ｃ−Ｃ₄ Ｆ₈ 、Ｃ₃ Ｆ₆ 、ｃ−Ｃ₅ Ｆ₈ 、などの金属に対する腐食性の高いガスや、アルゴンなどの希ガス、窒素、酸素、水素など多種多様なガス種を用いることができる。

また、真空容器１４内部で誘電体容器１１外部であって、引き出し電極１３を挟んで低インダクタンス内部アンテナ１０と対向する位置には、被処理体を配置するためのステージ１９が設けられている。

この真空容器１４は、ＭＢＥ装置などの真空容器１４を兼ねるものであってもよい。

次に、実施例１のイオン源の動作について説明する。まず、ステージ１９上に被処理体を配置して真空容器１４を封止し、排気管１８から気体を排出して真空容器１４内部を真空引きする。次に、供給管から誘電体容器１１の内部へ所望のイオンを生成するための原料ガスを導入する。次に、高周波電源１５によって低インダクタンス内部アンテナ１０に高周波電圧を印加し、誘電体容器１１内部に原料ガスの誘導結合プラズマを発生させる。誘導結合プラズマ中のイオンは、引き出し電極１３によって誘電体容器１１外部へと引き出され、ステージ１９上の被処理体に照射される。より詳細には、引き出し電極１３の第１の電極に加速電圧を印加し、引き出し電極１３の第２の電極に第１の電極とは逆符号の電圧を印加してプラズマのシース形状を調整し、さらに引き出し電極１３の第３の電極には第１の電極と同一符号の電圧を印加、または接地電位としてビームの拡がりを調整し、さらに引き出し電極１３の第４の電極は接地電位とすることで、第１の電極による加速電圧で加速されたイオンがステージ１９上の被処理体に照射される。これにより、被処理体表面の全面あるいは一部のエッチングや表面処理、成膜、などを行うことができる。

ここで実施例１のイオン源では、誘導結合プラズマを誘電体容器１１内部で発生させるため、金属に対する腐食性の高いガス（たとえばハロゲン系ガス）のイオンも生成することができ、さまざまな種類のイオン生成に対応することができる。

また、実施例１のイオン源では、誘導結合プラズマの生成に、低インダクタンス内部アンテナ１０を用いている。そのため、高周波電力印加時にアンテナに発生するアンテナ電圧が小さく、プラズマ電位の揺動を小さく抑えることができる。その結果、プラズマからエネルギーの揃ったイオンを引き出すことができる。特に実施例１のイオン源は、金属に対する腐食性の高いガスを用いた場合であっても、生成したガスのイオンエネルギーのばらつきが抑えられている点が、従来の誘導結合プラズマを用いたイオン源に比べて優れている。

図２は、実施例１のイオン源を用いて発生させたイオンエネルギー分布、およびイオン電流値を示した図である。イオン種は塩素、引き出し電極１３の第１の電極に印加する加速電圧は５０Ｖとした。図２のように、イオンエネルギーの分布は６４ｅＶにピークを有した分布であり、プラズマ電位は１４Ｖ程度であるが、高周波の印加によってプラズマ電位が変動し、イオンエネルギーは拡がりを持っている。この幅は、半値幅にして１２ｅＶ程度である。

一方、図３は、比較例のイオン源を用いて発生させたイオンエネルギー分布、およびイオン電流値を示した図である。比較例のイオン源は、従来の誘導結合プラズマによるイオン源であり、誘電体容器の外周に沿ってコイル状の電極を配置した構成のものである。図３のように、比較例のイオン源はピークがなだらかな分布であり、低エネルギー側、高エネルギー側に裾を引いた分布となっている。また、半値幅は２０ｅＶ程度である。

図２、３のイオンエネルギー分布を比較すると、実施例１のイオン源は比較例のイオン源よりもイオンエネルギーの揃ったイオンを生成できることがわかる。

なお、実施例１のイオン源は、低インダクタンス内部アンテナ１０が誘電体容器１１内部に１つ配置されたものであるが、複数配置された構成としてもよい。低インダクタンス内部アンテナ１０を複数配置する場合、その配列によって生成される誘導結合プラズマの電子密度やエネルギーを制御することも可能であり、プラズマの安定性を高めることも可能である。また、複数配置することで、被処理体の処理面積を広くすることもできる。

本発明のイオン源は、非処理基材の表面処理、エッチング、イオン注入などに利用することができる。

１０：低インダクタンス内部アンテナ
１１：誘電体容器
１２：金属チャンバー
１３：引き出し電極
１４：真空容器
１５：高周波電源
１６：誘電体
１７：供給管
１８：排気管
１００：導体
１０１：誘電体

Claims (1)

1. 真空容器と、
   前記真空容器内に配置され、上部に開口した第１開口部と下部に開口した第２開口部とを有し、前記第１開口部が前記真空容器の内壁に接続され、円筒状の金属容器とこの円筒状の金属容器の内壁に被覆された誘電体とから成り、内部において誘導結合プラズマを生成する誘電体容器と、
   前記真空容器内でかつ前記誘電体容器の外部の前記第２開口部の側に設けられた被処理体を配置するステージに対面し、前記誘電体容器の前記第２開口部に配置され、前記ステージに向けてイオンを加速する引き出し電極と、
   前記誘電体容器内に配置され、前記誘電体容器の内壁面に沿って周回せずに湾曲された線状の導体と前記導体を被膜する誘電体とからなり、前記導体の両端が前記第１開口部を介して前記真空容器の内壁に接続された低インダクタンス内部アンテナと、
   前記真空容器の外部において、前記低インダクタンス内部アンテナの前記導体の前記両端に接続する高周波電源と、
   所望のイオンを発生させるための金属に対する腐食性の高いガスを、前記誘電体容器の前記第１開口部から該誘電体容器の内部に供給する供給管と、
   前記真空容器内部を排気する排気管と、
   を有し、
   前記低インダクタンス内部アンテナの導体の長さを前記誘電体容器の内周の１／２以下であって前記誘電体容器内において生成される前記誘導結合プラズマのデバイ長以上とする、
   ことを特徴とするイオン源。

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