JP6963150B1 - イオンガン及び真空処理装置 - Google Patents

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Abstract

イオンガンは、アノードと、アノードに対向する第１部分及び第２部分を有するカソードと、第１部分と第２部分との間に空間磁場を形成する磁石と、を有する。カソードの第１部分と第２部分との間には、直線部と曲線部とを含む環状の間隙が設けられている。磁石は、曲線部の第１部分と第２部分との間に、間隙の断面中心線よりも内側にボトムを有する磁力線を形成する。

Description

本発明は、イオンガン及び真空処理装置に関する。
イオンガンは、生成したイオンをイオンビームとして射出する装置であり、半導体装置の製造に用いられる真空処理装置などに利用されている。中でも、クローズドドリフトイオンソースと呼ばれるタイプのイオンガンは、イオンビームの射出口が文字通り閉じたループを形成しており大面積化が容易であるという特徴を生かし、様々な分野で利用されている。
クローズドドリフト型のイオンガンは、プラズマの生成とイオンの加速とを同時に行うことができるという利点を有する一方、その構造上、加速したイオンの一部が射出口を構成する磁極に衝突するのを避けられない。そのため、磁極は時間の経過とともに削れていき、徐々に放電安定性が低下し、最終的には放電を維持できなくなる。また、磁極が削れること以外にも、削れた磁極材による処理物の汚染、磁極の発熱、ビームロスによるエッチングレートの低下といった問題も引き起こす。
このような課題を解消する方法として、特許文献１には、射出口の近傍のミラー比を高めたイオンガンが開示されている。また、特許文献２には、耐スパッタ性の高い部材により磁極をコーティングしたイオンガンが開示されている。
米国特許出願公開第２００５／０２４７８８５号明細書 米国特許出願公開第２００４／００１６６４０号明細書
クローズドドリフト型のイオンガンとして、直線部と曲線部の形状を組み合わせた環状の射出口を有するものが知られている。しかしながら、このようなイオンガンにおいて直線部と曲線部とを同じように設計すると、磁極に衝突するイオンの量が直線部では少ないが曲線部で非常に多くなることが、本発明者等の検討により初めて明らかとなった。特許文献１及び特許文献２では、射出口の形状について特段の考慮はなされていなかった。
本発明の目的は、イオンビームの射出効率及び均一性を向上しうるとともに、長期間に渡って安定して稼働しうるイオンガン及びこれを用いた真空処理装置を提供することにある。
本発明の一観点によれば、アノードと、前記アノードに対向する第１部分及び第２部分を有するカソードと、前記第１部分と前記第２部分との間に空間磁場を形成する磁石と、を有し、前記カソードの前記第１部分と前記第２部分との間に、直線部と曲線部とを含む環状の間隙が設けられており、前記磁石は、前記曲線部の前記第１部分と前記第２部分との間に、前記間隙の断面中心線よりも内側にボトムを有する磁力線を形成するイオンガンが提供される。
また、本発明の他の一観点によれば、アノードと、前記アノードに対向する第１部分及び第２部分を有するカソードと、前記第１部分と前記第２部分との間に空間磁場を形成する磁石と、を有し、前記カソードの前記第１部分と前記第２部分との間に、直線部と曲線部とを含む環状の間隙が設けられており、前記第１部分は前記間隙に対して内側に配され、前記第２部分は前記間隙に対して外側に配されており、前記磁石は、前記第１部分及び前記第２部分と前記アノードとの間の空間に、前記第２部分から前記第１部分の方向に向かう磁力線を形成し、前記曲線部において、前記磁力線と前記間隙の断面中心線とが交差する点の磁場ベクトルは、前記断面中心線と直交する面に対して、前記第１部分及び前記第２部分の側に１．５度よりも小さく、前記アノードの側に０度よりも大きい第１の角度で傾斜しているイオンガンが提供される。
また、本発明の更に他の一観点によれば、アノードと、前記アノードに対向する第１部分及び第２部分を有するカソードと、前記第１部分と前記第２部分との間に空間磁場を形成する磁石と、を有し、前記カソードの前記第１部分と前記第２部分との間に直線部と曲線部とを含む環状の間隙が設けられたイオンガンにおいて、前記間隙から射出されるイオンビームを調整するイオンビームの調整方法であって、前記曲線部の前記第１部分と前記第２部分との間に形成される磁力線のボトムの位置を前記間隙の断面中心線よりも内側方向にシフトすることにより、前記間隙から射出されるイオンビームの中心位置を調整するイオンビームの調整方法が提供される。
また、本発明の更に他の一観点によれば、アノードと、前記アノードに対向する第１部分及び第２部分を有するカソードと、前記第１部分と前記第２部分との間に空間磁場を形成する磁石と、を有し、前記カソードの前記第１部分と前記第２部分との間に直線部と曲線部とを含む環状の間隙が設けられており、前記第１部分が前記間隙に対して内側に配され、前記第２部分が前記間隙に対して外側に配されており、前記磁石が前記第１部分及び前記第２部分と前記アノードとの間の空間に前記第２部分から前記第１部分の方向に向かう磁力線を形成するイオンガンにおいて、前記間隙から射出されるイオンビームを調整するイオンビームの調整方法であって、前記曲線部において、前記磁力線と前記間隙の断面中心線とが交差する点の磁場ベクトルを、前記断面中心線と直交する面に対して前記アノードの側に傾斜させることにより、前記間隙から射出されるイオンビームの中心位置を調整するイオンビームの調整方法が提供される。
本発明によれば、イオンビームの射出効率及び均一性を向上することができる。また、磁極へのイオンビームの衝突を抑制することができ、経時変化の低減、メンテナンス周期の改善、ランニングコストの低減といった優れた効果を実現することができる。
図１は、本発明の第１実施形態によるイオンガンの構造を示す斜視図である。 図２は、本発明の第１実施形態によるイオンガンの構造を示す平面図である。 図３Ａは、本発明の第１実施形態によるイオンガンの構造を示す概略断面図（その１）である。 図３Ｂは、本発明の第１実施形態によるイオンガンの構造を示す概略断面図（その２）である。 図４は、本発明の第１実施形態によるイオンガンの射出口の近傍の構造を示す拡大概略断面図である。 図５Ａは、本発明の第１実施形態によるイオンガンの動作を説明する図（その１）である。 図５Ｂは、本発明の第１実施形態によるイオンガンの動作を説明する図（その２）である。 図６は、ミラー磁場により生じる磁気ミラー力を説明する模式図である。 図７Ａは、参考例によるイオンガンの構造及び動作を示す図（その１）である。 図７Ｂは、参考例によるイオンガンの構造及び動作を示す図（その２）である。 図８は、射出口の曲線部に生じる磁気ミラー力を説明する模式図である。 図９は、射出口の曲線部におけるプラズマとアノード及び磁極板との電気的な関係を示す模式図である。 図１０は、射出口の断面中心線上における磁場ベクトルの方向を説明する模式図である。 図１１は、磁極板とアノードとの間の空間における電子の動きを説明する模式図である。 図１２は、磁力線のボトムの位置を変えたときの磁極板の削れ量についてシミュレーションを行った結果を示すグラフである。 図１３は、磁石下の距離と磁力線のボトム位置との関係をシミュレーションにより求めた結果を示すグラフである。 射出口の断面中心線上におけるアノードからの距離と磁力線の傾斜角度との関係をシミュレーションにより求めた結果を示すグラフである。 本発明の第２実施形態による真空処理装置を示す概略図である。
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態によるイオンガンの構造について、図１乃至図３Ｂを用いて説明する。図１は、本実施形態によるイオンガンの構造を示す斜視図である。図２は、本実施形態によるイオンガンの構造を示す平面図である。図３Ａ及び図３Ｂは、本実施形態によるイオンガンの構造を示す概略断面図である。図３Ａは図２のＡ−Ａ′線断面図であり、図３Ｂは図２のＢ−Ｂ′線断面図である。
本実施形態によるイオンガン１０は、図１乃至図３Ｂに示すように、磁極板２０Ａ，２０Ｂと、磁石３２と、ヨーク３４と、アノード４０と、を含み、略直方体形状の外観をなしている。イオンガン１０の一主面には、図１に示すように、イオンビームを射出するための射出口２２が設けられている。
磁極板２０Ａ及び磁極板２０Ｂは、導電性を有する高透磁率の磁性材料からなる板状体である。磁極板２０Ｂは、磁極板２０Ａの外周形状に応じた開口部を有する環状の板状体である。磁極板２０Ａは、磁極板２０Ｂとの間に所定の間隙（ギャップ）を確保するように、磁極板２０Ｂの開口部の内側に配される。磁極板２０Ａ及び磁極板２０Ｂは、所定の間隙を空けて配置することで空間磁場を形成する磁極としての機能を備え得る。また、磁極板２０Ａ及び磁極板２０Ｂは、アノード４０に対向するカソード（陰極）としての機能をも備える。磁極板２０Ａはカソードの第１部分を構成し、磁極板２０Ｂはカソードの第２部分を構成する。
磁極板２０Ａと磁極板２０Ｂとの間の間隙は、磁極板２０Ａの外周及び磁極板２０Ｂの内周に沿った環状の開口部を形成している。このように形成される環状の開口部が、イオンビームの射出口２２を構成している。射出口２２は、例えば図１及び図２に示すように、直線状の直線部２２ａと、半円状の曲線部２２ｂと、を含み得る。なお、射出口２２は、放電を維持するために環状であることが好ましいが、その形状は特に限定されるものではない。例えば、曲線部２２ｂには、真円形状の一部や楕円形状の一部などの任意の形状を適用可能である。曲線形状の曲率は一定でもよいし、変動してもよい。
平面視において射出口２２を中心に見ると、図２に示すように、磁極板２０Ａは環状の射出口２２の内側に位置し、磁極板２０Ｂは環状の射出口２２の外側に位置している。本明細書において、射出口２２の「内側」と表現するときは射出口２２に対して磁極板２０Ａの側であることを示し、射出口２２の「外側」と表現するときは射出口２２に対して磁極板２０Ｂの側であることを示すものとする。
磁極板２０Ａ及び磁極板２０Ｂは、導電性を有する高透磁率の磁性材料であれば特に限定されるものではないが、例えば、ＳＵＳ４３０等の強磁性ステンレス鋼、ＳｍＣｏ合金、ＮｄＦｅ合金等により構成され得る。
磁石３２及びヨーク３４は、図２及び図３に示すように、環状の凹部３６を有する構造体３０を構成している。磁極板２０Ａ及び磁極板２０Ｂは、凹部３６に沿って射出口２２がその上に位置するように、構造体３０の凹部３６が設けられた面の上に接合されている。ヨーク３４は、磁石３２及び磁極板２０Ａ，２０Ｂに磁気的に結合し、磁石３２から発生される磁束を磁極板２０Ａ，２０Ｂに導く磁気導体としての役割を有する。磁石３２及びヨーク３４は、磁極板２０Ａ，２０Ｂ、磁石３２及びヨーク３４によって構成される磁気回路（磁路）の内側に凹部３６が位置するように配される。磁石３２は、ヨーク３４を介して磁極板２０Ａと磁極板２０Ｂとの間に空間磁場を形成する。ヨーク３４及び磁石３２は、磁極板２０Ａ，２０Ｂに電気的に接続され得る。
ヨーク３４は、導電性を有する高透磁率の磁性材料であれば特に限定されるものではないが、例えば、ＳＵＳ４３０等の強磁性ステンレス鋼、ＳｍＣｏ合金、ＮｄＦｅ合金等により構成され得る。磁石３２は、永久磁石でも電磁石でも構わない。磁石３２によって磁極板２０Ａと磁極板２０Ｂとの間に形成される磁場における最大磁束密度は、１０００［Ｇａｕｓｓ］程度であることが好ましい。
ヨーク３４には、構造体３０の外部から凹部３６内に連通するガス導入孔３８が設けられている。なお、図３Ａ及び図３Ｂには構造体３０の底部に設けられた複数のガス導入孔３８を示しているが、ガス導入孔３８の数や配置場所は、特に限定されるものではない。
磁石３２は、射出口２２の直線部２２ａにおいては、図３Ａに示すように、射出口２２の断面中心線２４上に位置している。別の言い方をすると、磁石３２と磁極板２０Ｂとの間の距離は、磁石３２と磁極板２０Ａとの間の距離とほぼ等しくなっている。或いは、磁石３２と磁極板２０Ｂとの間の磁路の長さは、磁石３２と磁極板２０Ａとの間の磁路の長さとほぼ等しくなっている。なお、本明細書において射出口２２の断面中心線２４とは、射出口２２の幅方向の中心を通るイオンビームの射出方向（Ｚ方向）に平行な直線を言うものとする。
また、磁石３２は、射出口２２の曲線部２２ｂにおいては、図３Ｂに示すように、射出口２２の断面中心線２４よりも外側に位置している。別の言い方をすると、磁石３２と磁極板２０Ｂとの間の距離は、磁石３２と磁極板２０Ａとの間の距離よりも近くなっている。或いは、磁石３２と磁極板２０Ｂとの間の磁路の長さは、磁石３２と磁極板２０Ａとの間の磁路の長さよりも短くなっている。
アノード（陽極）４０は、凹部３６の形状に応じた環状の構造体であり、磁極板２０Ａ，２０Ｂ、磁石３２及びヨーク３４から離間して凹部３６の中に収容される。アノード４０は、カソードとしての磁極板２０Ａ，２０Ｂと対向し、磁極板２０Ａ，２０Ｂとともに、磁極板２０Ａ，２０Ｂとアノード４０との間の空間に生じたプラズマ中のイオンを加速する加速電極としての機能を備える。アノード４０は、特に限定されるものではないが、例えば図示しない絶縁体からなるスペーサ等により、構造体３０に固定され得る。アノード４０は、導電性を有していればよく、磁気的な考慮は不要であり、例えば非磁性のステンレス鋼などにより構成され得る。
次に、磁極板２０Ａ，２０Ｂとアノード４０とが対向する部分における具体的な形状について、図４を用いて説明する。図４は、磁極板２０Ａ，２０Ｂとアノード４０とが対向する部分の形状を概念的に示した断面図である。
射出口２２から射出されるイオンビームの特性は、磁極板２０Ａ，２０Ｂの先端部の形状や磁極板２０Ａ，２０Ｂとアノード４０との間の位置関係などにより大きく変化する。そのため、磁極板２０Ａ，２０Ｂの先端部の形状や磁極板２０Ａ，２０Ｂとアノード４０との間の位置関係などは、必要とされるイオンビームの特性に応じて適宜設定されるが、典型的には、例えば図４に示すような関係に設定され得る。
磁極板２０Ａ，２０Ｂの先端部は、例えば図４に示すように、アノード４０に対向する面側の角部が面取りされたテーパ形状に成形され得る。射出口２２の幅をＧ、磁極板２０Ａ，２０Ｂの最薄部の厚さをＴ１、テーパ部の厚さをＴ２、磁極板２０Ａ，２０Ｂとアノード４０との間隔をＳとすると、これらはいずれも数ｍｍ程度のサイズに設定され得る。また、テーパ角度θは４５度程度に設定され得る。なお、磁極板２０Ａ，２０Ｂの先端部の形状や各部のサイズは一例であり、特に限定されるものではない。また、イオンガンによっては、磁極板２０Ａ，２０Ｂのアノード４０とは反対の面側の角部が面取りされることもある。
次に、本実施形態によるイオンガンの動作について、図５Ａ及び図５Ｂを用いて説明する。図５Ａ及び図５Ｂは、本実施形態によるイオンガンの動作を説明する図である。図５Ａは図２のＡ−Ａ′線断面図に対応し、図５Ｂは図２のＢ−Ｂ′線断面図に対応している。なお、図５Ａ及び図５Ｂに示される断面は、射出口２２の幅が最小となる方向にイオンガン１０を切断したときに現れる面であるものとする。
まず、ガス導入孔３８を介して凹部３６にアルゴン（Ａｒ）等の放電用のガスを供給し、イオンガン１０の内部の圧力が０．１Ｐａ程度になるように調整する。使用環境の圧力（例えば、イオンガン１０が設置される真空処理装置のチャンバ内の圧力）が既に０．１Ｐａ程度でありその状態で放電が可能な場合には、ガスの供給動作は省略してもよい。
次に、カソードとしての磁極板２０Ａ，２０Ｂ及びヨーク３４を接地電位（０Ｖ）とし、アノード４０に図示しない電源から例えば１０００Ｖ〜４０００Ｖ程度の電圧を印加する。これにより、アノード４０と磁極板２０Ａ，２０Ｂとの間に電界が生じ、その電界によってイオンガン１０の内部に導入したガスが励起、解離、電離され、プラズマ５０が生成される。
一方、磁石３２のＮ極から出た磁束（磁力線６０）は、ヨーク３４及び磁極板２０Ｂを通り、磁極板２０Ｂの先端から放出される。磁極板２０Ｂの先端から放出された磁力線６０は、斥力で広がった後、磁極板２０Ａへと吸い込まれる。その結果、磁極板２０Ａと磁極板２０Ｂとの間のギャップ空間では、図５Ａ及び図５Ｂに示すように、磁力線６０が上下に凸の形状となる。このような形状の磁場空間は、ミラー磁場と呼ばれる。ミラー磁場は、その中に荷電粒子を閉じ込めるように作用する。
図６は、ミラー磁場により生じる磁気ミラー力を説明する模式図である。図６に示すように、磁力線６０に密の部分と疎の部分とがあると、ミラー磁場の中の荷電粒子は磁力線６０が密の部分から磁力線が疎の部分へと向かう方向に磁気ミラー力６４を受ける。これにより、荷電粒子はミラー磁場の中に閉じ込められる。また、ミラー磁場の中でプラズマ５０を生成すると、磁場がないときと比較して高い密度のプラズマ５０となる。
プラズマ５０中の電子は、磁極板２０Ａ，２０Ｂとアノード４０との間の電界によりアノード４０へと引き込まれる。また、プラズマ５０中の陽イオンは、磁極板２０Ａ，２０Ｂとアノード４０との間の電位差によって加速され、イオンビーム５２となる。
本実施形態によるイオンガン１０は、前述のように、射出口２２の曲線部２２ｂにおいて、磁石３２を射出口２２の断面中心線２４よりも外側に配置していることを１つの特徴としている。本実施形態のイオンガン１０をこのように構成している理由について、参考例によるイオンガンとの比較を交えつつ、以下に説明する。
図７Ａ及び図７Ｂは、参考例によるイオンガンの構造及び動作を示す概略断面図である。図７Ａは図１のＡ−Ａ′線断面図に対応し、図７Ｂは図１のＢ−Ｂ′線断面図に対応している。図７Ａ及び図７Ｂに示す参考例によるイオンガンは、磁石３２の配置が異なるほかは、本実施形態によるイオンガン１０と同様である。すなわち、参考例によるイオンガンにおいて、磁石３２は、アノード４０を挟んで射出口２２と対向する位置に配置されている。すなわち、磁石３２は、射出口２２の直線部２２ａ及び曲線部２２ｂの両方において、射出口２２の断面中心線２４上に位置している。
一般的なイオンガンでは、射出口２２の断面中心線２４に対して磁場が対称となるように磁場設計がなされる。このように磁場設計をすることで、生成されたプラズマ５０の中心が射出口２２の断面中心線２４上に位置するようになり、磁極板２０Ａ，２０Ｂへのイオンビーム５２の衝突を最小化し、ひいてはイオンビーム５２を効率よく射出することができる。この目的のもと磁石３２については、例えば図７Ａ及び図７Ｂに示す参考例によるイオンガンのように、アノード４０を挟んで射出口２２と対向する位置に配置することが多い。
しかしながら、射出口２２の曲線部２２ｂにおいて直線部２２ａと同様の磁場設計を行うと、図７Ｂに示すように、生成したプラズマ５０の中心が射出口２２の断面中心線２４よりも外側にシフトし、磁極板２０Ｂに衝突するイオンビーム５２が増加する。これにより、射出口２２からイオンビーム５２を効率よく射出することができなくなる。
また、磁極板２０Ａ，２０Ｂは衝突するイオンビーム５２によるスパッタリング作用によって時間とともに削れていき、徐々に放電安定性が低下し、最終的には放電を維持できなくなる。そのため、磁極板２０Ａ，２０Ｂは定期的に交換する必要があるが、衝突するイオンビーム５２が増加すると磁極板２０Ａ，２０Ｂが削れる量も多くなり、メンテナンス周期が短くなる。また、磁極板２０Ａ，２０Ｂがスパッタリングされることにより生じるパーティクルは装置汚染の原因となるため、磁極板２０Ａ，２０Ｂに衝突するイオンビーム５２は可能な限り少なくすることが望ましい。
射出口２２の曲線部２２ｂにおいてプラズマ５０の中心が射出口２２の断面中心よりも外側にシフトする原因について、図８及び図９を用いて説明する。図８は、射出口２２の曲線部２２ｂに生じる磁気ミラー力を説明する模式図である。図９は、射出口２２の曲線部２２ｂにおけるプラズマ５０とアノード４０及び磁極板２０Ａ，２０Ｂとの電気的な関係を示す図である。
磁極板２０Ａ，２０Ｂに平行な面（ＸＹ平面）における曲線部２２ｂの磁力線６０の間隔は、図８に示すように、磁極板２０Ａから磁極板２０Ｂの方向に向かって徐々に広がる。すなわち、磁力線６０は、磁極板２０Ａの側（射出口２２よりも内側）で密に、磁極板２０Ｂの側（射出口２２よりも外側）で疎になる。この結果、プラズマ５０は、図７Ｂに示すように、磁気ミラー効果によって外側向きの磁気ミラー力６４を受け、磁極板２０Ｂの側（射出口２２の断面中心線２４よりも外側）にシフトするようになる。
また、曲線部２２ｂにおいて磁極板２０Ａ，２０Ｂがプラズマ５０に接する面積を比較すると、磁極板２０Ａがプラズマ５０に接する面積（電極面積）よりも、磁極板２０Ｂがプラズマ５０に接する面積（電極面積）の方が大きくなる。したがって、プラズマ５０と磁極板２０Ａとの間の抵抗ＲＡとプラズマ５０と磁極板２０Ｂとの間の抵抗ＲＢとを比較すると、磁極板２０Ａよりも電極面積の大きい磁極板２０Ｂの方がプラズマ５０との間の抵抗が小さくなる（ＲＡ＞ＲＢ）。すなわち、磁極板２０Ａよりも磁極板２０Ｂの方がカソードとして強く作用する。その結果、より多くの電流が磁極板２０Ｂの側に流れ、プラズマ５０の生成も磁極板２０Ｂの側で多くなる。
これら２つの作用により、射出口２２の曲線部２２ｂでは、プラズマ５０の中心が射出口２２の断面中心線２４よりも外側にシフトすることになる。
このような観点から、本実施形態によるイオンガン１０では、射出口２２の曲線部２２ｂにおいて磁力線６０のボトム６２が射出口２２の断面中心線２４よりも磁極板２０Ａの側に位置するように磁場設計を行っている（図５Ｂを参照）。すなわち、曲線部２２ｂの磁極板２０Ａと磁極版２０Ｂとの間に形成される磁力線６０のボトム６２の位置を射出口２２の断面中心線２４よりも内側方向にシフトするように、射出口２２から射出されるイオンビーム５２の中心位置を調整する。ここで、本明細書において磁力線６０のボトム６２とは、磁極板２０Ａ，２０Ｂとアノード４０との間の空間における磁力線６０上の点であって、磁力線６０に対する接線の方向が射出口２２に対向するアノード４０の面と平行になる点を意味するものとする。
別の観点から見ると、曲線部２２ｂの磁極板２０Ａ，２０Ｂとアノード４０との間の空間において磁極板２０Ｂから磁極板２０Ａに向かう磁力線６０の方向（磁場ベクトル）が、射出口２２の断面中心線２４と磁力線６０とが交差する点において、断面中心線２４と直交する面６６に対してアノード４０の側に傾斜している（図１０参照）。すなわち、曲線部２２ｂにおいて、磁力線６０と射出口２２の断面中心線２４とが交差する点の磁場ベクトルが、断面中心線２４と直交する面に対してアノード４０の側に傾斜するように、射出口２２から射出されるイオンビーム５２の中心位置を調整する。
図１１は、磁極板２０Ａ，２０Ｂとアノード４０との間の空間における電子の動きを説明する模式図である。プラズマ内では、電離によって絶えず電子とイオンとが生成されている。生成された電子ｅは、磁極板２０Ａ，２０Ｂとアノード４０との間の電位差によってアノード４０に引き寄せられるが、磁界の力（ローレンツ力）も受けるため、磁力線６０に絡まるように磁力線６０に沿って移動し、ボトム６２を中心として往復運動する。往復運動する電子ｅは、ガスとの衝突によって徐々にエネルギーを失っていき、最終的にアノード４０に捕集される。往復運動する間に電子ｅの運動エネルギーが最も高くなるのは、電子ｅが磁力線６０のボトム６２に位置するときである。そのため、電離の発生頻度、つまりプラズマ５０の密度も、磁力線６０のボトム６２の近傍が最も高くなる。したがって、磁力線６０のボトム６２の位置を射出口２２の断面中心線２４からずらすように磁場設計を行えば、それに応じてプラズマ５０やイオンビーム５２の中心をも射出口２２の断面中心線２４からずらすことが可能となる。
したがって、磁気ミラー効果による外側方向へのプラズマ５０の移動を相殺するように磁力線６０のボトム６２の位置を射出口２２の断面中心線２４よりも内側方向へずらすことで、プラズマ５０の中心を射出口２２の断面中心線２４の近傍にシフトすることができる。これにより、射出口２２の曲線部２２ｂにおいても直線部２２ａと同様、イオンビーム５２の磁極板２０Ａ，２０Ｂへの衝突を最小化し、イオンビーム５２を効率よく射出することができる。
なお、磁力線６０は無数に存在するため、磁力線６０のボトム６２も無数に存在する。本発明で重要となるのは、そのメカニズムからも分かるように、プラズマ５０が生成される高さにおける磁力線６０のボトム６２の位置である。多くの場合、プラズマ５０が生成されるのはアノード４０の表面から１ｍｍ程度の高さ付近である。したがって、一例では、磁力線６０のボトム６２の位置は、アノード４０の表面から１ｍｍの高さにおける磁力線６０のボトム６２の位置として定義することができる。
次に、磁力線６０のボトム６２の位置を射出口２２の断面中心線２４から内側にシフトする量について説明する。なお、ボトム６２のシフト量に関する検討は、汎用の磁場解析ソフトウェアであるＥＬＦ／ＭＡＧＩＣと、汎用のプラズマ解析ソフトウェアであるＰＥＧＡＳＵＳを用い、シミュレーションにより行った。シミュレーションの条件は、プラズマ生成用のガスをＡｒ、チャンバ内圧力を０．０７Ｐａ、アノード４０への印加電圧を３０００Ｖとした。
図１２は、磁力線６０のボトム６２の位置を変えたときの磁極板２０Ａ，２０Ｂの削れ量についてシミュレーションを行った結果を示すグラフである。縦軸は、磁極板２０Ａの削れ量と磁極板２０Ｂとの削れ量との比（削れの内外比）を表している。縦軸の値は、磁極板２０Ａの削れ量及び磁極板２０Ｂの削れ量のうち、大きい方の値を小さい方の値で割ったものである。縦軸の値は、磁極板２０Ｂの削れ量が磁極板２０Ａの削れ量よりも大きい場合に正の値を示し、磁極板２０Ａの削れ量が磁極板２０Ｂの削れ量よりも大きい場合に負の値を示すものとする。横軸は、射出口２２の断面中心線から磁力線６０のボトム６２までの距離（磁力線のボトムの位置）を表している。横軸の値は、ボトム６２の位置が射出口２２の断面中心線２４に対して外側方向にシフトしているときのシフト量を正の値、ボトム６２の位置が射出口２２の断面中心に対して内側方向にシフトしているときのシフト量を負の値で示している。
図１２に示すように、磁極板２０Ａ，２０Ｂの削れの内外比は、磁力線６０のボトム６２の位置に対して概ね比例関係にある。削れの内外比は、磁力線６０のボトム６２の位置が外側方向にシフトするほど正方向に大きくなり、磁力線６０のボトム６２の位置が内側方向にシフトするほど負方向に大きくなる。
例えば、射出口２２の曲線部２２ｂにおける磁力線６０のボトム６２が射出口２２の断面中心線２４上に位置している場合（シフト量＝０ｍｍ）、前述のように、プラズマ５０及びイオンビーム５２の中心は射出口２２の断面中心線２４よりも外側方向にシフトする。この場合、磁極板２０Ｂの削れ量は、磁極板２０Ａの削れ量の２．１倍程度であった。
磁極板２０Ａ，２０Ｂの削れ量を均等に、すなわちプラズマ５０及びイオンビーム５２の中心を射出口２２の断面中心線２４の付近にシフトするためには、磁力線６０のボトム６２を射出口２２の断面中心線２４よりも内側方向にシフトすればよい。図１２の例では、磁力線６０のボトム６２の位置を、射出口２２の断面中心よりも０．１ｍｍ〜０．４ｍｍ程度、内側方向にシフトすることが好ましく、射出口２２の断面中心よりも０．２５ｍｍ内側方向にシフトするのが最適であることが分かった。
削れの内外比が均等な位置では、磁極板２０Ａ，２０Ｂの削れの絶対量も小さくなる傾向がある。発明者等の検討では、ボトム６２のシフト量を０．１ｍｍ〜０．４ｍｍに設定することにより、ボトム６２のシフト量を０ｍｍに設定した場合よりも、磁極板２０Ａ，２０Ｂの削れ量を最大で２０％程度低減することができた。このことは、磁極板２０Ａ，２０Ｂの発熱、処理物への汚染、ビームロス等についても最大で２０％程度低減できることを意味している。
また、本発明者等の検討では、ボトム６２のシフト量を０．１ｍｍ〜０．４ｍｍに設定することにより、ボトム６２のシフト量を０ｍｍに設定した場合よりも、削れレートのピーク値を１．３分の１から１．８分の１程度まで低減することができた。このことは、部品の寿命やメンテナンス周期が１．３倍〜１．８倍程度長くなることに相当する。
なお、磁力線６０のボトム６２の位置の適切なシフト量は、イオンガン１０の構造や放電条件などによって変化する。例えば、イオンガン１０のサイズや射出口２２の曲線部２２ｂの曲率が大きくなった場合は、最適なシフト量は上記の値より大きくなると考えられる。磁力線６０のボトム６２の位置のシフト量は、イオンガン１０の構造や放電条件などに応じて適宜設定することが好ましい。
射出口２２の曲線部２２ｂにおいて磁力線６０のボトム６２の位置をシフトする方法は特に限定されるものではないが、一例では本実施形態において説明したように、磁石３２の位置を変える方法が挙げられる。磁力線６０のボトム６２の位置をシフトすることは射出口２２の断面中心線２４に対する磁場の対称性を崩すことであり、磁石３２の場所を移動することが最も直接的な方法であるといえる。
図１３は、磁石下の距離と磁力線のボトム位置との関係をシミュレーションにより求めた結果を示すグラフである。縦軸の「磁石下の距離」は、構造体３０の下面から磁石３２の下面までの距離ｘ（図５Ｂ参照）を表している。横軸の「磁力線のボトムの位置」は、ボトム６２が射出口２２の断面中心線２４上に位置しているときを０とし、断面中心線２４よりも内側の位置をマイナスの符号で表し、断面中心線２４よりも外側の位置をプラスの符号で表している。シミュレーションでは、磁石３２の大きさは変えずに磁石下の距離ｘを変化している。
図１３に示すように、磁石下の距離ｘと磁力線６０のボトム６２の位置とは概ね比例関係にある。磁石下の距離ｘを変化することで、磁極近傍における磁場の内外バランスが変化し、磁力線６０のボトム６２の位置が変化する。磁石下の距離ｘを増加することにより、磁力線６０のボトム６２の位置を射出口２２の内側方向にシフトすることができる。このシミュレーション結果によれば、磁石下の距離ｘをＹにすることで、磁力線６０のボトム６２の位置を０．２５ｍｍ内側にシフトすることができる。Ｙは数十ｍｍ程度のサイズに設定され得る。
図１４は、射出口２２の断面中心線２４上におけるアノード４０からの距離と磁力線６０の傾斜角度との関係をシミュレーションにより求めた結果を示すグラフである。図１４には、磁力線６０のボトム６２の位置を−０．１ｍｍ、−０．４ｍｍ及び−０．５６ｍｍに設定した場合のシミュレーション結果をそれぞれ示している。磁力線６０のボトム６２の位置は、射出口２２の断面中心線２４よりも内側の位置をマイナスの符号で、射出口２２の断面中心線２４よりも外側の位置をプラスの符号で表している。磁力線６０の傾斜角度は、射出口２２の断面中心線２４と直交する面６６（図１０）に平行な場合を０度とし、アノード４０の側に傾斜している場合をマイナスの符号で表し、磁極板２０Ａ，２０Ｂの方向に傾斜している場合をプラスの符号で表している。
図１４に示すように、アノード４０に近い磁力線６０ほど、射出口２２の断面中心線２４と交差する点における磁力線６０のアノード４０方向への傾斜角度は大きくなる。また、磁力線６０のボトム６２の位置のシフト量が内側方向に大きくなるほど、射出口２２の断面中心線２４と交差する点におけるアノード４０方向への傾斜角度は大きくなる。このシミュレーション結果によれば、磁極板２０Ａ，２０Ｂの削れの絶対量や削れレートのピーク値に改善が見られたシフト量−０．１ｍｍから−０．４ｍｍの範囲における磁力線６０の傾斜角度は、１．５度から−３．５度の範囲であることが判った。
すなわち、曲線部２２ｂにおいて、磁力線６０と射出口２２の断面中心線２４とが交差する点の磁場ベクトルは、断面中心線２４と直交する面６６に対して磁極板２０Ａ，２０Ｂの側に０度から１．５度の範囲、アノード４０の側に０度から３．５度の範囲の第１の角度で傾斜していることが望ましい。また、直線部２２ａにおいて、磁力線６０と射出口２２の断面中心線２４とが交差する点の磁場ベクトルは、断面中心線２４と直交する面６６に対して第１の角度よりも小さい第２の角度をなしていることが望ましい。第２の角度の最適値は、磁場ベクトルが面６６に平行となる０度である。
磁場の対称性を崩して磁力線６０のボトム６２の位置をシフトする方法は、磁石３２の位置を移動する方法に限定されるものではない。その他の方法としては、例えば、磁石３２として電磁石を用いる場合にあっては印加電流を制御する方法などが挙げられる。
このように、本実施形態によれば、イオンビームの射出効率及び均一性を向上することができる。また、磁極へのイオンビームの衝突を抑制し、経時変化の低減、メンテナンス周期の改善、ランニングコストの低減といった優れた効果を実現することができる。
［第２実施形態］
本発明の第２実施形態による真空処理装置について、図１５を用いて説明する。図１５は、本実施形態による真空処理装置の概略図である。第１実施形態によるイオンガンと同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。
本実施形態では、第１実施形態によるイオンガン１０を適用した装置の一例として、半導体装置の製造などに用いられる真空処理装置の１つであるイオンビームエッチング装置について説明する。なお、第１実施形態によるイオンガンの適用例は、イオンビームエッチング装置に限定されるものではなく、イオンビームスパッタ装置などの成膜装置であってもよい。また、第１実施形態によるイオンガンの適用例は、真空処理装置に限定されるものでもなく、イオンガンを備えたその他の装置であってもよい。
本実施形態による真空処理装置１００は、図１５に示すように、真空チャンバ１１０と、真空ポンプ１２０と、被処理基板１３２を保持するホルダ１３０と、イオンガン１４０と、を主要な構成要素として備え得る。真空ポンプ１２０は、真空チャンバ１１０に接続されている。ホルダ１３０及びイオンガン１４０は、真空チャンバ１１０の中に設置されている。
真空チャンバ１１０は、内部を真空状態に維持することができる処理室であり、その内部でエッチング、表面改質、表面清浄などの種々の処理を行うことが可能である。
真空ポンプ１２０は、真空チャンバ１１０内の気体を排出し、真空チャンバ１１０内を真空状態にするための排気装置である。真空ポンプ１２０により真空チャンバ１１０内の気体を排出することで、真空チャンバの内部を１０−３〜１０−６Ｐａ程度の高真空状態にすることが可能である。
ホルダ１３０は、例えばＳｉ、Ｇａ、炭素などからなる被処理物（被処理基板１３２）を保持するための部材である。ホルダ１３０は、揺動機構を備えていてもよい。ホルダ１３０が揺動機構を備えることにより、被処理基板１３２に対して面内均一性の高い処理を施すことが可能である。ホルダ１３０は、その他の機能、例えば、被処理基板１３２を加熱する加熱機能などを更に備えていてもよい。
イオンガン１４０は、第１実施形態で説明したイオンガンであって、ホルダ１３０に保持された被処理基板１３２と対向する位置に設置される。イオンガン１４０は、陽イオンのイオンビーム５２を被処理基板１３２に向けて照射する。イオンガン１４０から放出されたイオンビーム５２は、高い運動エネルギーを持ったまま被処理基板１３２に衝突する。これにより、被処理基板１３２の表面に対してエッチングなどの所定の処理を施すことができる。
第１実施形態によるイオンガン１０を用いて真空処理装置１００を構成することにより、均一性の高いイオンビーム５２を被処理基板１３２に照射することが可能となり、処理品質を高めることができる。また、磁極板２０Ａ，２０Ｂへのイオンビーム５２の衝突を低減できることにより、メンテナンス周期を伸ばすことができる。これにより、生産コストを改善し、被処理基板１３２の処理能力を向上することができる。また、また、イオンビーム５２によって磁極板２０Ａ，２０Ｂがスパッタリングされることにより生じるパーティクルによって真空チャンバ１１０の内部や被処理基板１３２が汚染されるのを抑制することができる。
［変形実施形態］
本発明は、上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
例えば、いずれかの実施形態の一部の構成を他の実施形態に追加した例や、他の実施形態の一部の構成と置換した例も、本発明の実施形態である。また、実施形態において特段の説明や図示のない部分に関しては、当該技術分野の周知技術や公知技術を適宜適用可能である。
また、上記実施形態では、射出口２２の直線部２２ａにおいて磁石３２を射出口２２の断面中心線２４上に配置しているが、射出口２２の断面中心線２４に対して磁場が対称となる位置であれば、必ずしも断面中心線２４上に配置する必要はない。
また、上記実施形態では、放電用のガスとしてアルゴンガスを例示したが、放電用のガスはアルゴン等の希ガスに限定されるものではなく、酸素ガスや窒素ガスに代表される反応性ガスであってもよい。放電用のガスは、イオンガン１０の使用目的等に応じて適宜選択することができる。
１０…イオンガン
２０Ａ，２０Ｂ…磁極板
２２…射出口
２２ａ…直線部
２２ｂ…曲線部
２４…断面中心線
３０…構造体
３２…磁石
３４…ヨーク
３６…凹部
３８…ガス導入孔
４０…アノード
４２…磁性板
５０…プラズマ
５２…イオンビーム
６０…磁力線
６２…ボトム
６４…磁気ミラー力
６６…断面中心線と直交する面
１００…真空処理装置
１１０…真空チャンバ
１２０…真空ポンプ
１３０…ホルダ基板
１３２…被処理基板
１４０…イオンガン

Claims (18)

  1. アノードと、
    前記アノードに対向する第１部分及び第２部分を有するカソードと、
    前記第１部分と前記第２部分との間に空間磁場を形成する磁石と、を有し、
    前記カソードの前記第１部分と前記第２部分との間に、直線部と曲線部とを含む環状の間隙が設けられており、
    前記磁石は、前記曲線部の前記第１部分と前記第２部分との間に、前記間隙の断面中心線よりも内側にボトムを有する磁力線を形成する
    ことを特徴とするイオンガン。
  2. 前記磁石は、前記直線部の前記第１部分と前記第２部分との間に、前記間隙の断面中心線に対するボトムの位置が前記曲線部よりも外側である磁力線を形成する
    ことを特徴とする請求項１記載のイオンガン。
  3. 前記磁石は、前記直線部の前記第１部分と前記第２部分との間に、前記断面中心線の上にボトムを有する磁力線を形成する
    ことを特徴とする請求項２記載のイオンガン。
  4. 前記アノードと前記カソードとの間に印加する電界により、前記ボトムの位置にプラズマが生成される
    ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のイオンガン。
  5. 前記ボトムは、前記アノードの表面から１ｍｍの高さである
    ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のイオンガン。
  6. 前記断面中心線と前記ボトムとの間の距離は、０．１ｍｍから０．４ｍｍの範囲である
    ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のイオンガン。
  7. アノードと、
    前記アノードに対向する第１部分及び第２部分を有するカソードと、
    前記第１部分と前記第２部分との間に空間磁場を形成する磁石と、を有し、
    前記カソードの前記第１部分と前記第２部分との間に、直線部と曲線部とを含む環状の間隙が設けられており、
    前記第１部分は前記間隙に対して内側に配され、前記第２部分は前記間隙に対して外側に配されており、
    前記磁石は、前記第１部分及び前記第２部分と前記アノードとの間の空間に、前記第２部分から前記第１部分の方向に向かう磁力線を形成し、
    前記曲線部において、前記磁力線と前記間隙の断面中心線とが交差する点の磁場ベクトルは、前記断面中心線と直交する面に対して、前記第１部分及び前記第２部分の側に１．５度よりも小さく、前記アノードの側に０度よりも大きい第１の角度で傾斜している
    ことを特徴とするイオンガン。
  8. 前記直線部において、前記磁力線と前記間隙の断面中心線とが交差する点の磁場ベクトルは、前記断面中心線と直交する面に対して前記アノードの側における前記第１の角度よりも小さい第２の角度をなしている
    ことを特徴とする請求項７記載のイオンガン。
  9. 前記第１の角度は、前記アノードの側に０度から３．５度の範囲である
    ことを特徴とする請求項７又は８記載のイオンガン。
  10. 前記曲線部において、前記磁力線の磁場ベクトルが前記断面中心線と直交する面と平行になる点は、前記断面中心線よりも前記第２部分の側に位置しており、前記断面中心線からの距離が０．１ｍｍから０．４ｍｍの範囲である
    ことを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項に記載のイオンガン。
  11. 前記磁石は、前記曲線部において、前記間隙の前記断面中心線よりも外側に配置されている
    ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のイオンガン。
  12. 前記磁石は、前記直線部において、前記間隙の断面中心線の上に配置されている
    ことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のイオンガン。
  13. 前記第２部分と前記磁石との間の磁路の厚さは、前記第１部分と前記磁石との間の磁路の厚さよりも小さい
    ことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載のイオンガン。
  14. 前記間隙は、イオンビームを射出するための射出口である
    ことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載のイオンガン。
  15. 前記磁石は、前記磁石と前記第１部分及び前記第２部分とを磁気的に結合するヨークとともに、前記アノードを収容する環状の凹部が設けられた構造体を構成し、
    前記カソードの前記第１部分及び前記第２部分は、前記環状の凹部に沿って前記間隙がその上に位置するように、前記構造体の前記環状の凹部が設けられた面の上に接合されている
    ことを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載のイオンガン。
  16. 真空状態を維持することが可能な処理室と、
    前記処理室の中に配置され、被処理物を保持するホルダと、
    前記処理室の中に配置され、イオンビームを用いて前記被処理物に対して所定の処理を施すための請求項１乃至１５のいずれか１項に記載のイオンガンと
    を有することを特徴とする真空処理装置。
  17. アノードと、前記アノードに対向する第１部分及び第２部分を有するカソードと、前記第１部分と前記第２部分との間に空間磁場を形成する磁石と、を有し、前記カソードの前記第１部分と前記第２部分との間に直線部と曲線部とを含む環状の間隙が設けられたイオンガンにおいて、前記間隙から射出されるイオンビームを調整するイオンビームの調整方法であって、
    前記曲線部の前記第１部分と前記第２部分との間に形成される磁力線のボトムの位置を前記間隙の断面中心線よりも内側方向にシフトすることにより、前記間隙から射出されるイオンビームの中心位置を調整する
    ことを特徴とするイオンビームの調整方法。
  18. アノードと、前記アノードに対向する第１部分及び第２部分を有するカソードと、前記第１部分と前記第２部分との間に空間磁場を形成する磁石と、を有し、前記カソードの前記第１部分と前記第２部分との間に直線部と曲線部とを含む環状の間隙が設けられており、前記第１部分が前記間隙に対して内側に配され、前記第２部分が前記間隙に対して外側に配されており、前記磁石が前記第１部分及び前記第２部分と前記アノードとの間の空間に前記第２部分から前記第１部分の方向に向かう磁力線を形成するイオンガンにおいて、前記間隙から射出されるイオンビームを調整するイオンビームの調整方法であって、
    前記曲線部において、前記磁力線と前記間隙の断面中心線とが交差する点の磁場ベクトルを、前記断面中心線と直交する面に対して前記アノードの側に傾斜させることにより、前記間隙から射出されるイオンビームの中心位置を調整する
    ことを特徴とするイオンビームの調整方法。
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