JP6652689B1

JP6652689B1 - イオンガン

Info

Publication number: JP6652689B1
Application number: JP2019541492A
Authority: JP
Inventors: 琢巳湯瀬; 寿浩寺澤
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2018-03-22
Filing date: 2019-03-22
Publication date: 2020-02-26
Anticipated expiration: 2039-03-22
Also published as: WO2019182111A1; JPWO2019182111A1; TWI697932B; CN111656481B; TW201941241A; CN111656481A

Abstract

本発明のイオンガンは、アノードと、前記アノードに対向する内面と、前記内面の反対側にある外面と、前記アノードに対応する位置に設けられたスリットと、前記外面の一端から前記スリットの中央に向けて延在しかつ前記スリットの一部を形成する外傾斜面とを有する磁極と、少なくとも前記外面及び前記外傾斜面を被覆し、非磁性材料で構成されたカバーと、を備える。

Description

本発明は、イオンガンに関する。
本願は、２０１８年３月２２日に日本に出願された特願２０１８−０５４７００号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

従来、イオンガンから引き出されたイオンビームを用いたプロセスが多用されており、種々の装置にイオンガンが搭載されている。一般的に、イオンガンは、磁極（陰極）に形成されたスリットとアノード（陽極）との間においてプラズマを生成し、スリットを通じてイオンビームを外部に引き出す構造を有する（例えば、特許文献１参照）。

米国特許出願公開第２０１２／０１８７８４３号明細書

近年では、イオンガンの磁場強度を高めて、被処理体のエッチングレートの向上を図るプロセスが要求されている。しかしながら、このようなプロセスにおいては、プラズマによって磁極が消耗し易くなり、磁極のスリットの間隔（ギャップ）が広がり、放電電流が低下するといった問題がある。また、消耗した磁極を新しい磁極に交換する頻度が増加してしまい、メンテナンス性が劣るといった問題もある。さらに、磁極の消耗に伴って、磁極の材料に起因するコンタミネーションが発生し、イオンガンを用いるプロセスに悪影響を与えてしまうという問題もある。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、磁極に形成されたスリットにおける摩耗を抑制し、磁極の交換頻度の削減によりメンテナンス性を向上させ、かつ、磁極の材料に起因するコンタミネーションの発生を抑制することができるイオンガンを提供することを目的とする。

本発明の一態様に係るイオンガンは、アノードと、前記アノードに対向する内面と、前記内面の反対側にある外面と、前記アノードに対応する位置に設けられたスリットと、前記外面の一端から前記スリットの中央に向けて延在しかつ前記スリットの一部を形成する外傾斜面とを有する磁極と、少なくとも前記外面及び前記外傾斜面を被覆し、非磁性材料で構成されたカバーとを備える。前記カバーは、前記磁極の前記外面を被覆する第１被覆部と、前記第１被覆部に繋がりかつ前記外傾斜面を被覆する第２被覆部と、前記第２被覆部に繋がり、かつ、前記第１被覆部と前記第２被覆部とが繋がる部分とは反対側の部分から前記アノードに向けて延びる第３被覆部と、を備え、前記第２被覆部及び前記第３被覆部が前記スリットに嵌合された状態で、前記カバーは、締結部材により前記磁極に固定されている。

本発明の一態様に係るイオンガンにおいては、前記磁極は、前記外傾斜面の一端から前記内面に向けて延在しかつ前記スリットの一部を形成する互いに平行な垂直面を有し、前記カバーは、前記垂直面を被覆してもよい。

本発明の一態様に係るイオンガンにおいては、前記磁極は、前記内面の一端から前記スリットの中央に向けて延在しかつ前記スリットの一部を形成する内傾斜面を有してもよい。

本発明の一態様に係るイオンガンにおいては、前記カバーを構成する前記非磁性材料は、カーボン、チタニウム、及び銅からなる群から選択される材料で構成されてもよい。特に、前記カバーを構成する前記非磁性材料は、カーボンであることが好ましい。

本発明の上記態様によれば、磁極に形成されたスリットにおける摩耗を抑制し、磁極の交換頻度の削減によりメンテナンス性を向上させ、かつ、磁極の材料に起因するコンタミネーションの発生を抑制することができる。

本発明の実施形態に係るリニアイオンガンの概略構造を示す斜視図である。本発明の実施形態に係るリニアイオンガンの概略構造を示す図であって、図１が示すＡ−Ａ線に沿う断面図である。本発明の実施形態に係るリニアイオンガンの要部を示す拡大断面図である。本発明の実施形態の変形例１に係るリニアイオンガンの要部を示す拡大断面図である。本発明の実施形態の変形例２に係るリニアイオンガンの要部を示す拡大断面図である。本発明の実施形態の変形例３に係るリニアイオンガンの要部を示す拡大断面図である。本発明の実施例を説明する実験結果を示すグラフである。

本発明の実施形態に係るイオンガンについて、図面を参照しながら説明する。本実施形態の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。

（リニアイオンガン）
図１は、本発明の実施形態に係るリニアイオンガン（イオンガン）の概略構造を示す斜視図である。図２は、図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。図３は、本発明の実施形態に係るリニアイオンガンの要部を示す拡大断面図である。

図１に示すように、リニアイオンガン１０は、ヨーク２０と、磁極３０と、アノード４０と、磁石５０と、カバー６０と、絶縁部７０とを備える。
リニアイオンガン１０は、グリッド電極等の引き出し電極を不要とする簡便な構成を有しており、１台の高周波電源を用いてプラズマＰの発生とイオン加速によるイオンビームＢＭの発生とを行うことができる。また、リニアイオンガン１０は、熱フィラメントを有しないので、酸素雰囲気下においても長時間の稼働が可能で、低コスト、高い信頼性を有する。
なお、図１は、リニアイオンガン１０のみを示しているが、リニアイオンガン１０を移動させたり揺動させたりする移動装置がリニアイオンガン１０に接続されてもよい。リニアイオンガン１０を用いる装置に応じて、移動装置の構造は適宜選択される。

図１に示すように、リニアイオンガン１０は、直線部と曲線部とを有するトラック形状の開口１１を有する。開口１１には、後述する磁極３０のスリット３１において磁極３０の表面を覆うカバー６０が配置されている。換言すると、開口１１において、カバー６０が露出している。開口１１の曲線部（コーナー部分）は、平面視において、例えば、２５ｍｍの曲率半径を有する。

（ヨーク）
ヨーク２０は、磁石５０及びアノード４０を囲む鉄製の枠状部材である。ヨーク２０で囲まれた領域は、磁極３０で覆われている。

（磁極）
磁極３０（陰極）は、平面視において、例えば、全長４００ｍｍ×幅ｌ００ｍｍ×高さ１０ｍｍの大きさを有する。磁極３０を構成する材料としては、強磁性体が好ましく用いられ、例えば、ＳＳ４００等の鋼、ＳＵＳ４３０等のステンレス鋼が用いられる。
図３に示すように、磁極３０は、アノード４０に対応する位置に設けられたスリット３１を有する。スリット３１は、開口１１に対応する位置に設けられている。
さらに、磁極３０は、アノード４０に対向する内面３２と、内面３２の反対側にある外面３３と、外傾斜面３５とを有する。外傾斜面３５は、スリット３１に隣接する外面３３の端部３４（一端、上端）からスリット３１の中央に向けて下方斜めに延在する傾斜面であり、スリット３１の一部を形成している。
さらに、本実施形態では、磁極３０は、互いに平行な２つの垂直面３７を有する。垂直面３７は、外傾斜面３５の端部３６（一端、中央端）から内面３２に向けて下方に延在し、スリット３１の一部を形成している。

（アノード）
アノード４０（陽極）は、磁石５０によって生成される磁場に対して略垂直方向に電界を生じさせるように、磁極３０の裏面から離間して配置されている。アノード４０には、不図示の高周波電源が接続されている。
アノード４０を構成する材料としては、非磁性体を用いることが好ましい。
アノード４０は、ヨーク２０の内部において、絶縁部７０に支持されている。

（磁石）
磁石５０は、ＳｍＣｏ（サマリウムコバルト）合金により構成されており、スリット３１の幅方向に磁場を発生させる。また、ＮｄＦｅ（ネオジウム鉄）が磁石５０に用いられてもよい。

ヨーク２０やアノード４０の外周には、冷却水循環装置に接続された不図示の水冷パイプが設けられている。水冷パイプ内を冷却媒体が流動することで、磁極３０やアノード４０の変形が防止され、温度に依存せずにリニアイオンガン１０を安定して駆動することが可能となる。

（カバー）
カバー６０は、磁極３０の外面３３、磁極３０の外傾斜面３５、及びスリット３１内における磁極３０の表面（垂直面３７）を被覆している。
カバー６０は、第１被覆部６１、第２被覆部６２、及び第３被覆部６３を有する。
第１被覆部６１は、磁極３０の外面３３を被覆する。第２被覆部６２は、第１被覆部６１に繋がり、かつ、外傾斜面３５を被覆する。第３被覆部６３は、第２被覆部６２に繋がり、かつ、第１被覆部６１と第２被覆部６２とが繋がる部分Ａとは反対側の部分Ｂから、アノード４０に向けて延びている。第３被覆部６３は、垂直面３７を被覆する。
第２被覆部６２及び第３被覆部６３がスリット３１に嵌合された状態で、カバー６０は不図示の締結部材により磁極３０に固定されている。

カバー６０は、磁極材料に比べてエロージョンし難い材質で構成されていることが望ましい。カバー６０は、非磁性材料で構成されており、具体的に、非磁性材料は、カーボン、チタニウム、及び銅からなる群から選択される。特に、非磁性材料としてカーボンを用いることが最も好ましい。
カバー６０として好適に用いられるカーボンの特性に関し、曲げ強さは、３４ＭＰａ〜７４ＭＰａであることが好ましく、引張強さは、２２ＭＰａ〜４８ＭＰａであることが好ましく、固有抵抗は、１１μΩ・ｍ〜１７．５μΩ・ｍであることが好ましく、ショア硬さは、５３〜８７であることが好ましい。このような特性を備えたカーボンを用いることで、本実施形態に適したカバー６０を形成することができる。

次に、以上のように構成されたリニアイオンガン１０の作用について説明する。
リニアイオンガン１０は、減圧雰囲気が維持されたチャンバ内に配置される。リニアイオンガン１０においては、不図示のガス供給装置からアノード４０と磁極３０との間にＡｒやＯ_２等のガスが供給された状態で、高周波電源によりアノード４０と磁極３０との間に高周波電圧が印加される。これにより、図２に示すように、磁極３０とアノード４０との間にプラズマＰが発生し、開口１１からイオンビームＢＭが引き出される。

本実施形態によれば、開口１１においてスリット３１を構成する外傾斜面３５及び垂直面３７がカバー６０で覆われているので、磁極３０はスリット３１の内部に露出していない。このため、スリット３１内で磁極３０がプラズマに曝されることに起因する磁極３０の消耗が抑制され、磁極３０の消耗に起因するスリット３１の間隔（２つの端部３６の間の距離）の増加を防ぐことができる。この結果、スリット３１において所定の間隔が維持され、放電電流の低下を防止することができる。また、磁極３０の寿命が延び、使用済みの磁極を新しい磁極に交換する頻度が減少し、メンテナンス性を向上することができる。さらに、磁極３０の消耗が抑制されることにより、磁極３０の材料に起因するコンタミネーションの発生を抑制することができ、イオンガンを用いるプロセスに悪影響を与えることがない。

本実施形態においては、カバー６０は、磁極材料に比べてエロージョンし難い材質で構成されており、カーボンで構成されている。カーボンは、一般的な磁極材料と比較して、スパッタ効率が約１／３であるため、カバー６０の材質として好適に用いることができる。

（実施形態の変形例）
次に、図４〜図６を参照し、本発明の実施形態の変形例に係るリニアイオンガンについて説明する。図４〜図６において、上述した実施形態と同一部材には同一符号を付して、その説明は省略または簡略化する。磁極３０におけるスリットの構造の点、或いは、カバー６０の構造の点で、以下に説明する変形例は、上述した実施形態とは相違する。

（変形例１）
図４は、本発明の実施形態の変形例１に係るリニアイオンガンの要部を示す拡大断面図である。
磁極３０は、上述した実施形態において説明した垂直面３７に代えて、内傾斜面３８を有する。内傾斜面３８は、内面３２の端部３９（一端、下端）からスリット３１の中央に向けて上方斜めに延在する傾斜面であり、スリット３１の一部を形成している。内傾斜面３８は、端部３６において外傾斜面３５と繋がっている。

変形例１では、カバー６０は、内傾斜面３８を被覆しておらず、内傾斜面３８は開口１１内に露出している。
具体的に、カバー６０は、第１被覆部６１及び第２被覆部６２を有しており、上述した第３被覆部６３を有していない。第１被覆部６１は、磁極３０の外面３３を被覆する。第２被覆部６２は、第１被覆部６１に繋がり、かつ、外傾斜面３５を被覆する。

本変形例１によれば、開口１１においてスリット３１を構成する外傾斜面３５がカバー６０で覆われているため、外傾斜面３５はスリット３１の内部に露出していない。このため、スリット３１内で外傾斜面３５がプラズマに曝されることに起因する磁極３０の消耗が抑制され、磁極３０の消耗に起因するスリット３１の間隔の増加を防ぐことができる。この結果、スリット３１において所定の間隔が維持され、放電電流の低下を防止することができ、磁極３０の寿命が延びる。従って、上述した実施形態と同様の効果が得られる。

（変形例２）
図５は、本発明の実施形態の変形例２に係るリニアイオンガンの要部を示す拡大断面図である。
変形例２は、内傾斜面３８を備える磁極３０（変形例２、図４参照）に、図３に示すカバー６０（実施形態１、第１被覆部６１、第２被覆部６２、及び第３被覆部６３を備えるカバー６０）を嵌合させた場合を示している。

（変形例３）
図６は、本発明の実施形態の変形例３に係るリニアイオンガンの要部を示す拡大断面図である。
変形例３は、垂直面３７を備える磁極３０（実施形態、図３参照）に、図４に示すカバー６０（変形例１、第１被覆部６１及び第２被覆部６２を備えるカバー６０）を嵌合させた場合を示している。

本変形例２、３のいずれにおいても、開口１１においてスリット３１を構成する外傾斜面３５がカバー６０で覆われているため、外傾斜面３５はスリット３１の内部に露出していない。このため、スリット３１内で外傾斜面３５がプラズマに曝されることに起因する磁極３０の消耗が抑制され、磁極３０の消耗に起因するスリット３１の間隔の増加を防ぐことができる。この結果、スリット３１において所定の間隔が維持され、放電電流の低下を防止することができ、磁極３０の寿命が延びる。従って、上述した実施形態と同様の効果が得られる。

上述した実施形態及び変形例１〜３においては、互いに向かい合うとともに線対称（スリットの中央線に対する線対称）に配置された２つの外傾斜面３５がスリット３１の内部に設けられている。換言すると、この構造では、端部３６を頂点とする互いに向かい合う２つの角部がスリット３１の内部に位置する。
また、図３及び図６においては、互いに向かい合うとともに線対称に配置された２つの垂直面３７がスリット３１の内部に設けられている。この構造では、頂点となる端部３６に垂直面３７が繋がっている。
また、図４及び図５においては、互いに向かい合うとともに線対称に配置された２つの内傾斜面３８がスリット３１の内部に設けられている。この構造では、頂点となる端部３６に内傾斜面３８が繋がっている。

このような線対称の構造では、スリット３１の内部において磁極３０が消耗したとしても、線対称の形状（相似関係）が維持されるので、放電電流が低下せず、かつ、放電電流の安定した推移（経時的変化）が保たれる。
この理由は、仮に、図４、図５、図６でカバーに覆われていない部位が等しく消耗すると考えた場合、上記のような形状の相似関係が保たれるというが明らかである。

形状の相似関係が保たれるということは、スリット３１の内部に発生する磁束密度の状況（変化）がスリット３１の間隔のみに依存することと、ほぼ同義である。このことは、スリット３１の内部における磁極３０の表面形状の変化に起因する磁束分布の変動が生じないことを意味する。

本発明者らは、スリット３１の間隔と、スリット３１の内部における磁極３０の表面形状の変化とについて、双方の寄与度の評価をシミュレーションによって確認した。
その結果、イオン電流の安定化を目的とした場合、スリット３１の間隔の変化よりも、スリット３１の内部における互いに対向する磁極３０の形状の相似関係を保つことが、イオン電流の安定化を実現する上で、支配的な要因であるという結果が得られた。この評価結果は、後述する実施例（実験結果）に整合することが確認された。

次に、図７を参照し、実施例を参照して、本発明の効果をより具体的に説明する。
図７は、従来のリニアイオンガンを示す比較例と、上述した実施形態に係るカバーが適用されたリニアイオンガンを示す実施例とを比較したグラフであって、運転時間の経過に伴う放電電流の経時的変化を示している。図７において、横軸は、リニアイオンガンの運転時間を示しており、縦軸は、放電電流の変化を示している。具体的に、放電電流の変化とは、運転時間が０時間の場合を基準（１、１００％）とした、放電電流の相対的な変化量を意味する。

（比較例）
比較例のリニアイオンガンにおいては、磁極のスリットにカバーが設置されていない構造、即ち、スリットにおいて磁極の構成部材が露出した構造が適用されている。
比較例においては、運転開始の直後から、放電電流は顕著に低下した。その後、運転時間が７．５時間に達するまで、放電電流は徐々に低下した。運転時間が７．５時間を経過した後においても、放電電流が低下する現象は続いた。運転時間が５０時間に達すると、放電電流の変化量は０．７１となり、運転開始前に比べて約２９％だけ放電電流が低下した。また、運転時間が５０時間に達した後、比較例のリニアイオンガンにおける磁極の消耗を確認したところ、本実施形態の磁極３０の端部３６に相当する部分において、消耗を起因とする形状変化が生じていることが確認された。

（実施例）
本実施例のリニアイオンガンにおいては、上述した実施形態（図３）に示す構造が適用されている。
本実施例においては、運転開始から運転時間が１５時間に達するまで、放電電流は安定し、比較例に示すような放電電流の顕著な低下は見られなかった。運転時間が１５時間を経過した後、放電電流は徐々に低下した。放電電流の低下は、運転時間が３５時間に達するまで続いた。その一方、運転時間が３５時間を超えると、放電電流の低下は見られず、放電電流は安定した。運転時間が５０時間に達すると、放電電流の変化量は０．９０となり、運転開始前に比べて約１０％だけ放電電流が低下した。

比較例と実施例とを比較すると、運転時間が５０時間経過した後では、実施例は放電電流の低下を比較例に対して約１９％だけ抑制できることが明らかとなった。即ち、上記実施形態に示すカバー６０を磁極３０に設置する構造は、放電電流の低下の抑制に寄与する。

以上、本発明の好ましい実施形態を説明し、上記で説明してきたが、これらは本発明の例示的なものであり、限定するものとして考慮されるべきではないことを理解すべきである。追加、省略、置換、およびその他の変更は、本発明の範囲から逸脱することなく行うことができる。従って、本発明は、前述の説明によって限定されていると見なされるべきではなく、請求の範囲によって制限されている。

本発明は、磁極に形成されたスリットにおける摩耗を抑制し、磁極の交換頻度の削減によりメンテナンス性を向上させ、かつ、磁極の材料に起因するコンタミネーションの発生を抑制することができるイオンガンに広く適用可能である。

１０リニアイオンガン（イオンガン）、１１開口、２０ヨーク、３０磁極、３１スリット、３２内面、３３外面、３４端部、３５外傾斜面、３６端部、３７垂直面、３８内傾斜面、３９端部、４０アノード、５０磁石、６０カバー、６１第１被覆部、６２第２被覆部、６３第３被覆部、７０絶縁部、ＢＭイオンビーム、Ｐプラズマ。

Claims

イオンガンであって、
アノードと、
前記アノードに対向する内面と、前記内面の反対側にある外面と、前記アノードに対応する位置に設けられたスリットと、前記外面の一端から前記スリットの中央に向けて延在しかつ前記スリットの一部を形成する外傾斜面とを有する磁極と、
少なくとも前記外面及び前記外傾斜面を被覆し、非磁性材料で構成されたカバーと、
を備え、
前記カバーは、
前記磁極の前記外面を被覆する第１被覆部と、
前記第１被覆部に繋がりかつ前記外傾斜面を被覆する第２被覆部と、
前記第２被覆部に繋がり、かつ、前記第１被覆部と前記第２被覆部とが繋がる部分とは反対側の部分から前記アノードに向けて延びる第３被覆部と、
を備え、
前記第２被覆部及び前記第３被覆部が前記スリットに嵌合された状態で、前記カバーは、締結部材により前記磁極に固定されている、
イオンガン。
前記磁極は、前記外傾斜面の一端から前記内面に向けて延在しかつ前記スリットの一部を形成する互いに平行な垂直面を有し、
前記カバーは、前記垂直面を被覆する、
請求項１に記載のイオンガン。
前記磁極は、前記内面の一端から前記スリットの中央に向けて延在しかつ前記スリットの一部を形成する内傾斜面を有する、
請求項１に記載のイオンガン。
前記カバーを構成する前記非磁性材料は、カーボン、チタニウム、及び銅からなる群から選択される、
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のイオンガン。
前記カバーを構成する前記非磁性材料は、カーボンである、
請求項４に記載のイオンガン。