JPH0256833A - イオン処理装置の制御方法 - 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】 （ト）技術分野 この発明は、マイクロ波によってイオンを発生させるＥ
ＣＲ型のイオン処理装置の制御方法に関する。

特に、イオン源の運転を、２以上の段階に分けて、イオ
ン源を安定に、高能率で動作させることのできる制御方
法を提供することが、本発明の目的である。

ここで段階というのは （ａ）　　プラズマを点灯しやすい状態にした段階（ロ
）　プラズマ密度を高めてゆく段階（Ｃ）所望のビーム
プロフィルにする段階などである。

（イ）　マイクロ波を用いるイオン処理装置イオン源は
、イオンを発生し、これをビーム状にして取出すもので
ある。

イオンの発生機構として、いくつかの方法が知られてい
る。

本発明は、マイクロ波を用いるものを対象とする。ＥＣ
Ｒｆｉという事もある。

ＥＣＲ型イオン処理装置の構成を第１図に示す。

真空チャンバ１の中に、ウェハディスク２が公転可能に
設けられる。ウェハディスク２の上には多数枚のウェハ
３が取付けられる。これは固定してもよいのであるが、
この例では、ウェハディスク２に対し、自転可能にウェ
ハ３が取付けられている。

ディスク駆動装置４がウェハディスク２を回転させてい
る。

真空チャンバ１を真空に引くため、コンダクタンスバル
ブ５、ゲートパルプ６、真空ポンプ７が設置されている
。

制御装置８は、イオン処理装置の各構成部を統一的に制
御するものである。

イオン処理というのは、イオンビームエツチング、イオ
ン打ち込み、イオン蒸着、ＥＣＲＣＶＤなどイオンビー
ムによる処理を指す。

このようにイオンを発生させ、ビームにして、対象物に
照射することをイオン処理と広く呼ぶ。

本発明はこのようなイオン処理装置に於て広く適用する
ことができる。

イオン化すべきガスは、対象物や目的によって多様であ
る。Ａｒ、　Ｎ２、Ｃ１２，０２，５ｉＣＪ４、ＣＦ４
、Ｃ３Ｆ’ｓ、Ｃ２Ｆ４、ＢＣｌ３、−−一などのガス
を用いる。

これらのガスをイオン化するのがイオン源である。

イオン源について述べる。

これは、コイル９、イオン源チャンバ１０、マイクロ波
発振器１１、導波管２１などよりなる。

マイクロ波発振器１１は、２．４５ＧＨｚのマイクロ波
を生じる。このマイクロ波は導波管２１を経て、イオン
源チャンバ１０の中に供給される。

ガスボンベ２０から、マスフローコントローラ１２を通
って、イオン源チャンバ１０に、イオン化すべきガスが
供給される。これは対象となるウェハの種類や処理の目
的によって異なる。

コイル９は、イオン源チャンバ１０の内部に軸方向の磁
界を生ずる。この磁界Ｂによるサイクロトロン運動によ
り、電子が気体の分子、原子を励起する。

電子のサイクロトロ７周波数がマイクロ波の周波数にほ
ぼ等しくなるようにしている。

このため、Ｅ　ＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｃｙｃｌｏｔ
ｒｏｎ　Ｒｅ５ｏ−ｎａｎｃｅ　）という。マイクロ波
が２．４５ＧＨｚである場合、磁束密度Ｂはイオン源チ
ャンバの中心で８７５Ｇａｕｓｓである。

共鳴条件下にあるので、電子はマイクロ波からエネルギ
ーを吸収できる。そこで、電子は、気体に衝突し、これ
を励起する。

励起されたものは、中性のラデイカルになる事もあり、
イオンになったりする。

イオン源チャンバ１０の前方には、網目状或は多孔状の
加速電極２２、減速電極２３がある。

これらをあわせて引出し電極系とよぶ。

加速電極２２には、加速電源１５が接続されている。こ
れは、正の電圧（たとえば＋７００Ｖ　）が与えられて
いる。

減速電極２３には、減速電源１４が接続されている。こ
れは負電圧（たとえば−７００Ｖ〜−３００’／）が与
えられている。

引出し電極の多数の穴又は網目をイオンが通過し、ビー
ム状となる。

イオンがそのままウェハ３に当ると、ウエノ旭がチャー
ジアップしてしまうので望ましくない。もしそうなると
、ウェハ上のデバイスを破壊する惧れがあるし、クーロ
ン斥力が強くなって、イオンが排斥されるからである。

そこで、引出し電極につづいて、中性化フィラメント１
８を設けている。これは、フィラメント電源１７によっ
て抵抗加熱され、熱電子を生ずる。

さらにエミッション電源１６により負電圧に保たれる。

イオン流がフィラメント１８を通過するとき、電子に衝
突し、中性の分子、原子に戻る。

中性の原子、分子になったビームがウエノ１３に当たる
事になる。

ビームシャッタ１９は、ビームを通したり、止めたりす
るものである。

制御袋＃８は、ディスク駆動装置４、コンダクタンスバ
ルブ５、ビームシャッタ１９、フィラメント電源１７、
エミッション電源１６、加速電源１５、減速電源１４、
コイル電源１３、マスフローコントローラ１２、マイク
ロ波発振器１１などを制御している。

（つ）従来技術 第２図は、従来のイオン処理装置の制御方法を示す電圧
、電流、流量、圧力などの時間変化を示す図である。

（ａ）　バガス流量Ｑ、（ｂ）は圧力ＰＳＣＣ））は加
速電圧ｖａ１（ｄ）は減速電圧Ｖｄ１（ｅ）はコイル電
流Ｉｃ、（ｆ’）はマイクロ波電力Ｗ１（２）はビーム
電流Ｉｂを表わしている。

イオン処理装置を起動する順序は、このタイムチャート
によると次のようである。

ｔｏでガスを導入する。流量Ｑは徐々に増加させてゆき
、ｔｌで一定量とする。これにともなって、真空チャン
バ内の圧力Ｐが高まってゆく。

ｔｌでコイル電流Ｉｃを流す。以後Ｉｃは一定である。

磁束密度Ｂも一定である。

加速電圧Ｖａ　１減速電圧Ｖｄを高めてゆき、ｔ２で一
定値とする。

ｔ２でマイクロ波発振器を駆動させる。電力Ｗは徐々に
上げてゆく。

マイクロ波がイオン源チャンバ１０に供給されるのでガ
ス分子、原子が次第にイオン化される。

引出し電極に電圧が与えられているから、イオンビーム
が生ずる。

ｔ３でビーム電流Ｉｂが生じ、徐々に増大してゆく。

ｔ４でマイクロ波電力Ｗが一定値に達する。このとき、
ビーム電流Ｉｂも所定の値になる。

そこで、ｔ５でシャッタを開き、イオンビームを通過さ
せるようにする。

このように、従来の制御は、流量、磁場、電圧、電流な
どを０から立上げて、所定の値までもってゆき、以後一
定値に保つというようになっていた。

単純な制御であった。

なお、ビーム電流Ｉｂというのは、加速電源に流れる加
速電流！ａから、減速電源に流れる減速電流Ｉｄを差引
いたものである。たとえば、Ｉａ　＝　５１０ｍＡ。

Ｉｄ　＝　ＩＱ　ｍＡで、Ｉｂ　＝　５００　ｍＡ　テ
ある。

に）　発明が解決しようとする問題点 第１図に示すイオン処理装置を、第２図に示すタイムチ
ャートに従って制御を行なうと、次のような問題がある
。

マイクロ波電力Ｗを次第に増加させて、ビーム電流Ｉｂ
を上げてゆく際、イオン源からのマイクロ波の反射が著
しく大きくなる。このため、イオン源が必要とするマイ
クロ波電力が得られないことがある。

そうすると、反射電力の増加によるインターロックが発
生することが多々ある。

これは、イオン源内のプラズマ発生時に於ける負荷イン
ピーダンスの変化によるものである。

インターロックを避けるためには、イオン源とマイクロ
波発振器間の整合をうまく取る必要がある。

境界におけるマイクロ波の反射率は、透磁率μ、誘電率
εによる。ここでεは複素誘電率である。

イオン源内の誘電率ε、透磁率μは、プラズマ密度によ
って変化する。

たとえば、定常状態のプラズマ密度に対する、６１μの
値に対して、反射率が低くなるようになつていても、そ
れに至るまでの段階に於ては、反射率が大きい、という
ことがある。

つまり、プラズマ密度により、ε、μが変わり、ε、μ
により反射率が変わるから、プラズマ密度によって、最
適プラズマ発生条件が異なることになる。

したがって、第２図に示すように、プラズマ発生条件を
時間に対して固定することは、高密度プラズマを、効率
よく、安定に発生、維持させるという目的に対しては、
不適当な制御方法である。

００　　　目　　　　　　　的 イオン処理装置のイオン源から、高出力イオンビームを
、効率よく安定に引出すため、イオン源内のプラズマの
状態に応じ、最適条件となるように、諸種の制御変数を
時間とともに変化させる制御方法を与えることが本発明
の目的である。

（イ）本発明の方法 本発明の制御方法は、イオン源内のプラズマ発生を段階
的に行うものである。

その段階は、 （１）　　プラズマを点灯させやすい状態で運転する段
階。

（１１）　　プラズマ密度を高めてゆく段階。

Ｇ１１）　　所望スるビームプロフィルにもってゆく段
階。

よりなる。従来はこれをひとつの段階で行なっていたの
で、不整合があったわけである。

第３図に本発明の制御方法を表わすタイムチャートを示
す。

（ａ）はガス流量Ｑ、（ｂ）は圧力Ｐ、（ｃ）は加速電
圧Ｖａ。

（ｄ）は減速電圧Ｖｄ１（ｅ）はコイル電流Ｉｃ１（ｆ
’）はマイクロ波電力Ｗ１（２）はビーム電流Ｉｂであ
る。

横軸は時間ｔを示す。Ｔｏから起動するものとする。Ｔ
１、Ｔ２、−−一、Ｔ５はプラズマ発生、増強などの段
階を示す時刻である。

これらのタイムチャートのうち、圧力Ｐ１減速電圧Ｖｄ
　、コイル電流Ｉｃ、マイクロ被電力Ｗ１ビーム電流１
ｂの変化に注意すべきである。　このうち、前王者は、
独立の制御変数である。

マイクロ波電力Ｗは独立の変数とすることもできるが、
ビーム電流を所定の値にするようフィードバック制御す
るようにすることもできる。

さて、Ｔｏから、ガスをイオン源チャンバ１０に供給し
始める。

これとともに、チャンバ内の圧力Ｐも高まってゆく。Ｔ
１まで圧力Ｐを増大させる。このとき、Ｐは定常状態で
の圧力Ｐｏより高めにする。

イ点〜ロ点は、Ｔ１〜Ｔ３に対応している。このときの
圧力は、例えば３．０〜２．５　Ｘ　１０″Ｔｏｒｒで
ある。定常状態（ハ以後）では例えば２．ＯＸ　１０−
’Ｔｏｒｒである。

Ｔ１で加速電圧、減速電圧を印加し始める。コイル電流
Ｉｃははじめから、所定の値とする（前記の２．４５Ｇ
Ｈｚなら８７５　Ｇａｕｓｓ　）ｏ　コれハ共鳴条件ヲ
満ｆｃす値である。トーチ間はコイル電流Ｉｃをこの値
に設定する。

加速電圧Ｖａは、Ｔ１〜Ｔ２まで徐々に増やし、Ｔ２以
降は一定値とする。

減速電圧Ｖｄは、Ｔ１〜Ｔ２まで増やすが、これは、定
常時の電圧よりも高いものとする（二点）。

Ｔ２で、Ｖａ、　Ｖｄ、　Ｉｃが存在しているので、こ
のときマイクロ波発振器を駆動し始める。ヌ点〜ル点ま
で、マイクロ波電力Ｗを上げてゆく。

これは定常時の電力Ｗｏより大きい値になるまで上げる
（ル点）。

Ｔ２〜Ｔ３は、さきほど述べたプラズマ点灯を容易にす
るための段階である。

これは、プラズマを点灯させやすくするために圧力を過
大にする。イ点〜ロ点で圧力Ｐが高いのは、プラズマ点
灯させやすくするためである。

マイクロ波電力Ｗが同じであれば、圧力Ｐの高い方が点
灯しやすい。

点灯した後、コイル電流が、（トーチ）共鳴条件を満足
しているから、マイクロ波からエネルギーを吸収して、
プラズマ密度が増えてゆく。

Ｔ３〜Ｔ４は、プラズマ密度を高めるための段階である
。

コイル電流を増加させる（チ〜す）。つまり、共鳴条件
を外すのである。この時、シャッタは未だ閉じているの
で、イオンビームになって、激しく減ってゆく、という
ことはない。このため、ブラズマ生成がある程度の速さ
で持続する限り、プラズマ密度は増え続ける。

しかし、マイクロ波電力Ｗは、ル点からヲ点に至るよう
に低下してゆく。これは、プラズマ発生の制御パラメー
タの最適化が実現したため、マイクロ波電力の利用効率
が向上したからである。

ビーム電流は、この間ヨ〜り〜しというように増えてゆ
く。

プラズマ点灯のため、圧力を過大にしていたが、これを
、定常状態の値Ｐｏ（たとえば２．ＯＸ　１０−’　Ｔ
ｏｒｒ　）に、徐々に戻してゆく（口〜ハ）。

Ｔ４でプラズマの密度が十分に高くなる。　ここで制御
変数をしばらく、一定に保つ。圧力Ｐは、定常状態の値
Ｐｏになっている。減速電圧Ｖｄは高い電圧値になって
いる。

コイル電流Ｉｃは、共鳴条件よりも大きい値になってい
る。マイクロ波電力Ｗは利用効率が高いので、比較的低
い値（ヲ〜ワ）になっている。

ビーム電流は、少しずつ増えて、イオン照射を始めても
よい値になる（し〜ソ）。

このような準備が整ってくると、ビームシャッタ１９を
開く。試料にビームが照射される。

次に、減速電圧Ｖｄを下げてゆく（ホ〜へ）。

減速電極は、ビームを拡げて所望のビーム径にするもの
であるが減速電圧を上げると、ビームが引出しやすい。

減速電圧を（ホ点で）下げるのは、所望のビームプロフ
ィルを得るためであるが、こうすると、イオンビームが
引出しにくくなる。

このため、フィードバックがかかつて、マイクロ波電力
が自動的に増加する（ワ〜力）。

このように、Ｔ５〜Ｔ６は、イオンビームのプロフィル
を所望の形状にするための段階である。

Ｔ６以後が定常状態である。

本発明の制御方法は、イオン源の運転を２段階以上にわ
け、各段階ごとに、最適の制御パラメータを決めて、時
間的シテパラメータを変えてゆくものである。

このため、高密度プラズマを安定に、しかも再現性よく
、発生させることができる。

（→効　果 本発明の制御方法は、イオン源の運転を、プラズマ発生
を容易にする状態で運転する段階、プラズマ密度を高め
てゆ（段階、高密度プラズマ源かう引出されたイオンビ
ームのビームプロフィルを所望のものにする段階にわけ
、それぞれの段階で、イオン源パラメータの最適値を変
えてゆくようにしている。

このため、マイクロ波の大部分が反射されて失われる、
ということがない。本発明によれば、高密度プラズマを
安定に、効率よく発生させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はイオン処理装置の全体構成図。 第２図は従来のイオン処理装置制御方法を示すタイムチ
ャート。 第３図は本発明のイオン処理装置制御方法を示すタイム
チャート。 １・・・・・・真空チャンバ ２・・・・・・ウェハディスク ３■−…ウエハ ４・・・・・・ディスク駆動装置 ５゛°°°°°コンダクタンスノ（ルブ６・・・・・・
ゲートパルプ ７・・・・・・真空ポンプ ８・・・・・・制御装置 ９・…・・コイル １０・・・・・・イオン源チャンバ １１・・・・・・マイクロ波発振器 １２・・・・・・マスフローコントローラ１３・・・・
・・コイル電源 １４・・・・・・減速電源 １５・・・・・・加速電源 １６・・・・・・エミッション電源 １７・・・・・・フィラメント電源 １８・・・・・・中性化フィラメント １９・・・・・・ビームシャッタ ２０・・・・・・ガスボンベ ２１・・・・・・導波管 ２２・・・・・・加速電極 ２３・・・・・・減速電極 発 明 者 笹 村 義 孝 中 里 宏 土 屋 昇 小 西 正 志

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 気体を導入しこれをイオン化するためのイオン源チャン
   バ１０と、イオン源チャンバ１０内に磁界を与えるため
   のコイル９と、コイル磁界によつて決まる電子のサイク
   ロトロン周波数に近い周波数のマイクロ波をイオン源チ
   ャンバ１０に与えるマイクロ波発振器１１と、イオンを
   引出すためイオン源チャンバ１０に続いて設けられる多
   数の開口を有する加速電極２２、減速電極２３と、これ
   ら電極に電圧を印加する加速電減１５、減速電源１４と
   、イオンビームを通過或は遮断するためのビームシャッ
   タ１９と、真空チャンバ１と、各電源、マイクロ波発振
   器、ガス流量などを制御するための制御装置よりなり、
   マイクロ波によつてプラズマを発生せしめイオンビーム
   として、或はイオンビームを中性化してウェハに照射す
   るイオン処理装置において、イオン源内に充分な密度の
   プラズマを発生させるため、イオン源の運転をプラズマ
   点灯が容易になされるような状態で運転する段階と、点
   灯した後プラズマ密度を高めてゆくための段階と、高密
   度プラズマ源から引出されたイオンビームのビームプロ
   フィルを所望のものにする段階とに分け、プラズマ点灯
   を容易にする段階では、圧力Ｐを定常状態での圧力Ｐ＿
   ０より高く設定し、マイクロ波電力Ｗは定常状態の値よ
   りも高い値まで徐々に増やし、コイル電流Ｉｃは共鳴条
   件を満す値とし、プラズマ密度を高める段階では、コイ
   ル電流Ｉｃを共鳴条件を満す値より大きくしてゆき、圧
   力Ｐを定常状態の圧力Ｐ＿０まで下げ、マイクロ波電力
   Ｗを下げてゆくこととし、ビームシャッタを開いた後、
   イオンビームのプロフィルを所望のものにする段階では
   減速電圧Ｖｄを定常状態の値にまで下げるようにした事
   を特徴とするイオン処理装置の制御方法。