JPH02114433A - イオン処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （７）技術分野 この発明は、大面積にわｋつて、均一のイオン照射を可
能にするイオン処理装置）；関する。

イオン源は、多様な用途を持っている。イオン源は、イ
オンビームを作り、これを試料に照射して、なんらかの
作用を与えるものである。

たとえばドライエツチング、イオンプランテーション、
イオン蒸着法などの用途に使われる。

イオンを発生させ、増殖させる機構には、多様なものが
ある。本発明は、これらのうち、マイクロ波を利用する
イオン源に関する。

マイクロ波イオン源は、軸方向に直流の磁束を作ってふ
・き、この磁束密度に対する電子のサイクロトロン周波
数に等しいマイクロ波を与え、電子を加速する事により
、イオンを発生させるものである。熱陰極などが不要で
ある。

これは、マイクロ波発生源、放電チャンバ、共鳴用磁場
を発生するコイル、引出し電極、真空装置、ガス供給装
置などを必要とする。

（イ）従来技術 イオンを照射すべき対象が半導体ウェハのように小さい
ものであれば、小さいイオン源ひとつでも十分である。

しかし、対象が広い板材（金属、ガラス、プラスチック
）である場合、イオン照射範囲が狭くてはいけない。

板材の全体を一度に均一照射できることが望ましい。

このようにするには、チャンバ、コイル、マイクロ波発
生源などを単に大きくするだけでは難しい。単に大きく
しただけでは、周辺と中心のイオンビーム密度の差がま
すます大、きくなる。また、大きくすること自体容易な
ことではない。

たとえば、マイクロ波の周波数が２．４５ＧＨｚと決ま
っている場合、これに対して、放電チャンバの磁束密度
は８７５ガウスである。これは一定である。

チャンバを大きくすると、コイルを大きくシ、電流も大
きくしなければならない。

こういうわけで、対象が大きい場合、ひとつのイオン源
を大きくする、ということは、経済性の点でも、ビーム
の均一性の点でも望ましくない。

そこで、同等のイオン源を複数個、横に並べる、という
事が考えられよう。

第４図にこれを示す。これは実際に作られたわけでなく
、提案されたわけでもない。本発明者が思考実験で考え
たものである。

ひとつのイオン源は、マイクロ波放電チャンバ２、磁場
発生コイル３、マイクロ波共鳴グリッド４、加速電極７
、減速電極８とからなる。それぞれは、マイクロ波発生
源（図示せず）から、導波管１１を通して、マイクロ波
の供給を受ける。

第４図には、３つの同等のイオン源を単に並べたものが
示されている。

隣接するコイル３が、互に磁力を及ぼさないように、磁
場シールド１が設けてある。

それぞれの、イオン源でイオンが発生し、加速電極７と
減速電極８とからなる引き出し電極によりイオンビーム
となる。

イオンビームが、３箇所から発生するので、広い範囲を
カバーするイオン処理装置ができたことになる。

（ロ）発明が解決しようとする問題点 第４図に示す多イオン源装置は実在せず、公知でもない
が、このようなものがあったとしても、次のような問題
がある。

イオン照射を受けるべき基板が、ビームト二対して直角
に置かれるわけである。この基板上でのイオンビーム密
度が、第４図（９）に示すように、不均一になってしま
う。

個々のイオン源をＡ、Ｂ、Ｃとする。Ａ、Ｂ。

Ｃの直下では、イオンビーム密度が、十分大きい。

ところが、ＡとＢの中間、ＢとＣの中間ではビーム密度
が小さい。

イオンビーム密度にムラがある。

これは、チャンバのまわりにコイ、ル３があり、コイル
３の部分からイオンビームが出ないので、出射範囲が互
いに離隔している事に起因する。

互いに離れたイオン源からビームが発生するのであるか
ら、基板に当った時に、ビーム密度が不均一になるので
ある。

そうすると、被照射物である基板が、もつと遠くにあれ
ばよい、と考えられよう。もつと遠くであ°れば、ビー
ムが拡散し、基板上での密度が均一に近づくであろう。

ところが、イオン源と、基板の間をあまり離す事ができ
ない理由がある。

この距離を大きくすると、ビーム利用効率が低下する。

さらに、装置が大がかりになり、望ましくない。

イオン源チャンバの出口と、基板との距離は２０〜３０
ｃｍ程度までに収めたい。

このように、イオン源基板間の距離を十分にとる事が難
しいから、第４図のように、単にイオン源を並べただけ
の多イオン源装置では均一で広いビームを得ることがで
きない。

に）構　成 本発明のイオン処理装置は、イオン源の出口に、カスプ
磁場によってイオンを閉じこめる事のできるパケットチ
ャンバを追加し、パケットチャンバの下に、引き出し電
極を設けるようにしている。

イオン源に於て生じたイオンは、乱雑な方向に動くが、
パケットチャンバの中で、熱運動により十分に混合され
る。その後、引き出し電極の作用により、一定の方向へ
飛ぶビームとなる。パケットチャンバで混合しているの
で、ビームは均一な密度のものとなっている。

カスプ磁場というのは、磁化の方向の異なる永久磁石を
多数壁面に並べて生じさせた磁場である。

荷電粒子は、カスプ磁場に閉じこめられ、壁面に衝突せ
ず、空間の中央部を自在シで運動する。壁面）ζ衝突し
ないので、エネルギーを失わず、高温の熱運動を行なう
事ができる。

カスプ磁場で荷電粒子を閉じこめる事は公知であるが、
本発明では、このようなカスブ磁場を持つパケットチャ
ンバを複数のイオン源出口につづいて設け、イオンを熱
運動により混合し、そののち、イオンビーム）Ｃするの
である。

以下、実施例を示す図面によって説明する。

第１図は本発明のイオン処理装置の概略縦断面図（ａ）
と、基板位置に於けるイオンビーム密度分布図である。

第２図は平面図、第３図はパケットチャンバの横断平面
図である。

複数のイオン源Ａ、Ｂ、Ｃが横に並べである。

いずれもマイクロ波イオン源である。導波管１１によっ
て、マイクロ波発生器（図示せず）につながっている。

マイクロ波放電チャンバ２が、真空排気装置（図示せず
）により真空に排気される。ここへ反応性ガス或は不活
性ガスなどが導入され、マイクロ波と磁場の作用によっ
てイオン化される。

マイクロ波放電チャンバ２と導波管１１は仕切板２０に
よって仕切られる。

チャンバ２の反対側は開口しており、ここからイオンが
出てゆく。

マイクロ波放電チャンバ２は円筒形で、周囲に１ＥＣＲ
ＥＣ用磁場発生コイル３が設けられている。

このコイル３は、チャンバの軸方向に直流磁場を発生す
る。その強さは、中心に於て、電子のサイクロトロン周
波数が、マイクロ波の周波数に一致するようになってい
る。

マイクロ波が２．４５ＧＨｚであれば、中心の磁束密度
は８７５ガウスである。電子がサイクロトロン共鳴し、
マイクロ波からエネルギーをいくらでも取り出す事がで
きる。ＥＣＲというのはＥｌｅｃｔｒｏｎ（：ｙｃｌｏ
ｔｒｏｎ　Ｒｅ５ｏｎａｎｃｅという事である。この電
子が、ガス分子に衝突するので、中性のラデイカルやイ
オンを発生するのである。

隣接するコイル３の間で、干渉が起ってはならないので
、磁気シールド１が設けてある。これは強磁性体のケー
スである。

磁気シールド１は、複数のイオン源間の干渉を抑制する
という事の他にもうひとつ重要な役割がある。

それは、イオン源の磁場が、下方に設けられるパケット
チャンバ６に入る事を阻止するという事である。

パケットチャンバ６では、プラズマの自由な運動が起ら
なければならない。このためにも、マイクロ波放電チャ
ンバ２の周りのコイル３は磁気シールド１で囲むことが
有効である。

従来、マイクロ波放電チャンバ２の中はどにあったマイ
クロ波共鳴グリッド４は、チャンバ２の出口に位置して
いる。

このグリッドは、バケットチャンバ内Ｆζ磁界が侵入し
ないように磁性体で作られる。

より重要な事は、マイクロ波放電チャンバ２の出口に、
より広い空間である共通のパケットチャンバ６を設けた
という事である。

パケットチャンバ６はひとつあって、全てのイオン源Ａ
％Ｂ、　Ｃの出口に共通）て接続される。

イオン引き出しのための、加速電極７、減速電極８は、
パケットチャンバ６の出口にζ設けられる。

パケットチャンバ６の四周には、多数のカスプ磁場形成
磁石５が設けられる。

この磁石は、チャンバに向った方向に磁化方向を持つが
、隣接磁石間で磁化の方向が異なるようになっている。

チャンバに向ってＮ極を持つ磁石の端面から出た磁力線
は、円弧を描いて、隣りの磁石のＳ極に入る。

磁力線が磁石の端面で鈍い刃面のような形状を描く。そ
れで、このような磁力線分布のことをカスプ（ｃｕｓｐ
尖端）磁場という。

壁面近くにはこのように強い磁場があるので、荷電粒子
は、磁場に妨げられて、チャンバの壁面に衝突しない。

壁面に衝突すると、荷電粒子は、中和されて電荷を失っ
てしまう。また、熱運動のエネルギーも失ってしまう。

イオンが中性化してはなんにもならない。

ところが、カスプ磁場が存在するので、イオンは、壁面
に当たらず、電荷を失わない。

しかし、Ｎ極、Ｓ極が反対向きになるよう交互に並んで
いるので、磁石から離れると、磁場は急激に減少する。

隣接磁石間でうち消し合うからである。したがって、チ
ャンバ６の中央部では、荷電粒子が自由運動をする事が
できる。殆ど磁場が存在しないからである。

カスプ磁場を形成する磁石は、チャンバ壁に対して直角
な方向に磁化方向を持つ。チャンバの壁に対して平行な
方向に長いが、この方向に対して、磁化が直交する。

強い磁場を小さい磁石によって発生させなければならな
い。このため、ここではＧｏ　−Ｓｍ系の磁石を用いて
いる。

（イ）作　用 各イオン源Ａ、　Ｂ、　Ｃ，・・・に於て、マイクロ波
が与えられ、コイル３によし共鳴磁場が形成される。

真空に引かれたマイクロ波放電チャンバ２に、イオン化
すべきガスが導入される。

このガスの一部が電離し、電子とイオンになる。

電子はマイクロ波の作用により、サイクロトロン軌道半
径を拡げてゆく。つまり運動エネルギーを高めてゆく。

これが、ガス分子に当たり、これをイオン化する。する
と電子が出るので、この電子が同じように、他の分子を
イオン化する。このようにして、イオン化が進行してゆ
く。

マイクロ波共鳴グリッド４は、ここでマイクロ波を反射
する。すると、チャンバ２の中の全体にマイクロ波が存
在し、イオン化の効率がよい。

イオン化されたものは、広いバケットチャンバ６に出て
くる。

マイクロ波の進行方向を２軸、バケットチャンバ６の長
手方向をｙ軸、これに直角な方向をｙ軸とする。

イオンはＺ方向に進んで、バケットチャンバ６に入るが
、未だに方向性がないので、”ｓ　ｙｌ　”方向に熱運
動する事ができる。

もちろん、下に引き出し電極があるので、２方向の速度
がいちばん大きいが、ｘ、ｙ方向の速度をも持っている
。

このため、複数のイオン源Ａ、Ｂ、Ｃ，・・・から出た
イオンは、バケットチャンバ６内で自由に熱運動し、十
分に混合される。壁面にはカスプ磁場があるので、弾ね
返えされる。

このように混合して、バケットチャンバ６内で均一な分
布になってから、加速電極７、減速電極８に；よって引
き出される。これは、２方向に直進して、広い基板（図
示せず）に均一に照射される。

第１図（９）に基板上に於けるイオンビーム密度を示す
。イオン源の位置Ａ％Ｂ１Ｇに対応する部分も、その他
の部分もイオンビーム密度は同一で、均一なビームが得
られているという事が分る。

基板は、バケットチャンバ６の下方に置かれるが、一定
の大きさのものを置きかえて一枚づつ処理する事、もて
きる。その他、幅が広いテープ状の基板を、ｙ方向に動
かしながら、イオン照射するようにする事もできる。こ
のようにすれば、イオン処理の効率を大幅に向上させる
事ができる。

（６）効　果 （１）イオン源として最もよ（用いられるのは、熱陰極
を用いるものである。ところが、これはフィラメントが
損傷を受け、寿命が短く、フィラメントをひんばんに交
換しなければならない。

本発明はマイクロ波によって励起するので、フィラメン
トを使わない。反応性の強いガスであっても、フィラメ
ントがないので寿命が制限されない。イオン源の寿命が
長い。

（２）複数個のイオン源を並べ、これらから発生したイ
オンをバケットチャンバ内で混合してから、引き出し電
極によって引き出す。このため、大面積であってかつ均
一なプラズマを生成できる。

（３）大面積、均一なプラズマからイオンを引き出すの
で、均一な大面積のイオンビームを得る事ができる。

（４）磁気シールドにより、マイクロ波放電チャンバの
磁場がパケットチャンバへ洩れない。パケットチャンバ
内に不要な磁場が存在しないので、安定、均一なプラズ
マを得る事ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のイオン処理装置の縦断面図（ａ）ト、
基板上のイオンビーム密度分布図（ｂ）。 第２図は同じものの平面図。 第３図はパケットチャンバの磁場概略分布図。 第４図はマイクロ波イオン源を単に複数個並べたイオン
処理装置の縦断面図（ａ）と、基板上のイオンビーム密
度分布図（ロ）。 １・・・・・・磁場シールド 発 ２・・・・・・ ３・・・・・・ ４・・・・・・ ５・・・・・・ ６・・・・・・ ７・・・・・・ ８・・・・・・ 明　　者

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 真空に引くことができイオン化すべきガスを導入するマ
   イクロ波放電チャンバ２と、マイクロ波放電チャンバ２
   にマイクロ波を与えるマイクロ波発生器と、マイクロ波
   放電チャンバ２の周りに設けられ電子のサイクロトロン
   周波数が少なくともマイクロ波周波数にほぼ等しくなる
   ような軸方向の磁場を生ずるＥＣＲ放電用磁場発生コイ
   ル３と、ＥＣＲ放電用磁場発生コイル３の外側を囲む磁
   場シールド１とよりなる複数のイオン源Ａ、Ｂ、Ｃ、…
   を同一平面上に出口が並ぶようにし、イオン源Ａ、Ｂ、
   Ｃ、…の出口に共通の真空排気できる空間であるパケッ
   トチャンバ６を設け、パケットチャンバ６の側面には壁
   面に向つて互に異なる磁化方向を持つ多数のカスプ磁場
   形成磁石５が設けてあり、パケットチャンバ６の側面に
   は引き出し電極が設けてある事を特徴とするイオン処理
   装置。