JPH03207859A - イオン源装置およびイオンビーム処理装置 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、イオン源装置およびこれを用いたイオンビー
ム処理装置に係り、特に、極低エネルギから高エネルギ
にわたるイオンを、高電流密度で引き出すことのできる
イオン源装置およびイオンビーム処理装置に関する。

［従来の技術］ イオンを固体表面に照射して、成膜、エッチング等を行
う技術が、種々開発され．ている。

これらの技術において、使用される照射イオンのエネル
ギは，目的に応じ、最適な範囲がある。

一例を挙げれば、デポジション現象を目的とするときは
約５００ｅＶ以下、スパッタリング現象を目的とすると
きは約５０ｅＶ以上、イオン打込み現象を目的とすると
きは約５００ｅＶ以上といわれている。

また、工業的に使用するには、一定値以上の照射イオン
ビーム電流密度が必要であり，イオンビーム電流密度が
低すぎると、成膜等に長時間を栗し、工業的には使用で
きない。

従来のイオン源装置としては、例えば、特開平１−１３
２０３３号公報に記載された技術がある。

上記従来技術は、所定のイオンビーム電流密度のイオン
ビームを，広範囲のエネルギにわたって得るため、複数
枚の電極を、プラズマ電極、引出し電極として備え、目
的とするイオンエネルギに応じ、これらの電極を必要な
電源に接続して、使用している。

上記従来技術は、イオン注入処理、表面改質処理等につ
いて用いられる．スパッタリングまたはイオン打込みを
目的とする場合に必要とされるイオンエネルギの範囲に
おいては，そのまま利用できる。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、上記従来技術の構造では，一定値以上のイオン
ビーム電流密度で、極低エネルギのイオンを得るには，
プラズマ電極と引出し電極との間隔を，非常に狭くする
必要がある。ところが、電極間隔を狭くすると、電極間
に、導電性薄膜などが不純物として付着しやすくなり、
短絡などが発生することがある。

従って、上記従来技術は、プラズマ電極と引出し電極と
の間隙を狭くすることに限界がある，このため、薄膜形
成等のデポジションを目的とする場合には、一定値以上
のイオンビーム電流密度で、極低エネルギのイオンビー
ムを得ることが困難であるという問題がある。

本発明は、上記問題を解決することを目的としており、
一定値以上のイオンビ〒ム電流密度をもち、極低エネル
ギから高エネルギにわたるイオンビームを照射しうる，
イオン源装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的は，プラズマ電極の電位を、引出すイオンエネ
ルギの大きさに応じて、正電位、接地電位または負電位
に設定することにまり達威できる。

具体的には、プラズマ電極および引出し電極と、上記プ
ラズマ電極および引出し電極のそれぞれに電位を付与す
る手段とを含み、上記電位を付与する手段により、引出
すイオンのエネルギに応じて、イオンビーム引出しの電
位差とその距離とを変えて、必要とする電流密度をもつ
イオンビームを引出すことにより達成できる。

［作　用］ イオンが，電極間で加速される場合について、電流密度
を考える， 高真空、すなわち、イオンが他の粒子と無衝突であると
いう条件においては、イオンビーム電流密度Ｊは、次の
式（１）で表わすことができる。

■１ Ｊ＝Ｋ　　・ ｄ２ ここで、■はイオンビーム引出し電圧、すなわち電極間
の電位差であり、ｄはイオンビーム引出し距離、すなわ
ち電極間の距離であり、また、Ｋは電荷キャリア等で定
まる定数である。

高エネルギイオンビームを照射する場合について説明す
る。

この場合、目的とするイオンが、高エネルギであるため
、イオンビーム引出し電圧Ｖである、プラズマ電極と引
出し電極との電位差を大きくする必要がある。そのため
、プラズマ電極の電位を、正電位とし、引出し電極の電
位を、負電位とする。

また、イオンビーム引出し距離ｄは、上記２つの電極の
電極間距離となる。

従って、高エネルギーイオンビームの場合は、イオンビ
ーム引出し電圧Ｖを十分大きくするので、（１）式によ
り、電極間距離ｄを十分大きくとることができる。

このように、高エネルギイオンビームを照射する場合は
、上記イオンビーム引出し電圧Ｖとイオンビーム引出し
距離ｄ　（電極間距ｔｌｉ）とを、適宜選択することに
より、導電位薄膜などの不純物による電極間の短絡を防
止し、所定のイオンビーム電流密度が得られる。

次に、低エネルギイオンを照射する場合の作用について
説明する。

この場合、目的とするイオンは、低エネルギであるため
、イオンビーム引出し電圧Ｖを小さくする。

すなわち、プラズマ電極の電位を、接地電位または負電
位とし、引出し電極を，接地電位または負電位とする。

このとき，イオンビームの被照射体である基板の電位は
、接地電位としているため、引出し電極の電位を、負電
位としても、プラズマ電極と引出し電極との間で加速さ
れたイオンは、引出し電極と基板との間で、引出し電極
の電位と接地電位との差に相当する電位差で、減速され
る。

つまり、イオンビーム引出し電圧■は、引出し電極の電
位にかかわらず、プラズマ電位と上記プラズマ電極の電
位との差となる。

また、イオンビーム引出し距離は、次のようになる。

プラズマ電極は、プラズマ中において異質の物体であり
、プラズマ電極の周りには、プラズマとは性質を異にし
た空間電荷層であるシースが形成される。

すなわち、イオンビーム引出し距離は、ブラズマ電極の
まわりの、シースの厚さとなる。このシースの厚さは、
非常に薄く、プラズマの条件により異なるが、大体０．
５ｍ程度となる。

従って、低エネルギイオンを照射する場合は、上記の各
電極電位にすることにより、イオンビーム引出し距離ｄ
は十分小さな値となり．イオンビーム引出し電圧Ｖも小
さな値であり、（１）式より、イオンビーム電流密度Ｊ
を十分大きくして，引出されるイオンのエネルギは、極
低電圧による低エネルギが得られる。

［実施例コ 次に、本発明の実施例について，図面を参照して説明す
る。

第１図は、本発明のイオン源装置の第１の実施例を示す
回路図である。

イオンビーム引出し側が開放となっているプラズマ室１
内部に、フィラメント８を設け、このフィラメント８に
は、フィラメント電源１０が接続されている。

また、プラズマ室１の壁は、アーク電源６が接続されて
いる。

プラズマ室１の同図における左側は、開放に２っており
、プラズマ電極２が、プラズマ室１にヵ接して設けられ
ている。さらに、プラズマ電極二の左側には、引出し電
極３が所定の距１１ｄｌを陶でて，設けられている。上
記２つの電極２，；ｌ；は、円形孔やスリット等が，多
く設けられている。

プラズマ電極２は、電源切換スイッチ１１ａ，１ｌｂ，
１１．ｃにより、それぞれ、正電位用プ５ズマ電極電源
４ａ、負電位用プラズマ電極電需４ｂに接続され，また
は接地されている。

引出し電極３は、電源切換スイッチ１１ｄ，１　１．　
ｅにより、引出し電極電源５に接続され、または、接地
されている。

次に、本実施例の作用について説明する。

プラズマ室１を、図示しない真空排気装置により真空と
する。その後、目的とするイオンを含むガスを、図示し
ないガス供給管により、プラズマ室１に導入する。フィ
ラ声ント８からの熱電子放出をトリガーに，高周波放電
を行い、プラズマ室１にプラズマ７を形或する。上記プ
ラズマ７から、百的とするイオンを引出す。

この際、以下に示すように，目的とするイオンのエネル
ギに対応して、プラズマ電極２と、引出し電極３とを、
それぞれの電源４ａ，４ｂ等に、電源切換スイッチｌｌ
ａ−ｅにより、接続する。

高エネルギイオンを引出す場合は、電源切換スイッチｌ
ｌａにより、プラズマ電極２を，正電位用プラズマ電極
電源４ａに接続し、正の電位■２とする。引出し電極３
は、電源切換スイッチ１１ｃにより、引出し電極電源５
に接続し、負の電位Ｖ８とする。

イオンビームに与えられる電位差は、アーク電圧ｖＡに
ほぼ等しいプラズマ電位と，プラズマ電極２と引出し電
極３との電位差（Ｖ＝Ｖいーｖ，）との和となる。従っ
て、イオンビームは、（Ｖ，−Ｖ．．＋ＶＡ）の電位差
によるエネルギを得る。

ここで、具体的に数値を代入し、イオンビーム電流密度
Ｊと、イオンエネルギを検討する。

例えば、電極間距Ｉｆ　ｄ　］．．　＝　５　町、プラ
ズマ電極電位Ｖｐ　”　１　０ＫＶ、引出し電極電位ｖ
ｓ＝−２００Ｖ、アーク電圧ＶＡ＝７０Ｖとする。

この場合、イオンエネルギは約１．ＯＫｅＶとなり、イ
オンビーム電流密度は、イオン種にもよるが、上記の（
１）式により、５ｍＡ／ｃｄ程度となる。

上記イオンエネルギの値は、スパッタリング現象やイオ
ン打込み現象を利用する場合に適した値であり、また、
上記イオンビーム電流密度は、工業的利用において、十
分な電流密度である。

次に、極低エネルギイオンを引出す場合の作用について
、説明する。

これは、本実施例において、工業的に利用できるイオン
ビーム電流密度で、極低エネルギイオンを得る一例であ
る。

電源切換スイッチｌｌｃまたはｌｌｂを接続することに
より、プラズマ電極２の電位を、接地電位または負電位
とする。引出し，電極３の電位は，電源切換スイッチ１
　１．　ｄを接続することにより、接地電位とする。

ここで、具体的に数値を代入し、イオンビーム電流密度
Ｊと、イオンエネルギを検討する。

例えば、プラズマ電極電位Ｖ　ｐ　＝Ｏ　Ｖ　．引出し
電極電位Ｖｇ＝ＯＶ，７−ク電圧ＶＡ＝１００Ｖとする
。この場合のイオン引出し距離は、プラズマ電極２と引
出し電極３との間の距１ｄｌではなく，シース厚さｄ２
となる。その理由は、プラズマ電極２と引出し電極３と
の間には、電位差がなく，イオンは加速されることはな
いが、一方、シースにおいては、電位差１００Ｖが生じ
、イオンが加速されるからである。

従って、シース厚さを０．５園程度とすれば、（１）式
により，イオンビーム電流密度は約０．５＋ｍＡ／ｃＩ
ｉ、イオンエネルギは約１００ｅＶとなる。

上記イオンビーム電流密度は，イオンビームの工業的利
用には十分な値であり．１００ｅＶのイオンエネルギは
、デポジション現象を利用することに適している。

さらに低いイオンエネルギビームを引出す場合の作用に
ついて説明する。

電源切換スイッチｌｌｂを入れて、プラズマ電極２を、
負電位用プラズマ電極電源４ｂに接続する。例えば、プ
ラズマ電極電位ｖｐ＝−５０ｖ、アーク電圧ＶＡ＝１０
０Ｖとする。また、引出し電極３の電位は、電源切換ス
イッチｌｌｄにより、接地電位とする。

引出し距離はシース厚さとなり、イオンはアーク電圧Ｖ
．＝１００Ｖにより加速される。

シースで、イオンは加速され、約１００ｅＶのエネルギ
を得るが、プラズマ電極電位■２は−５０Ｖなので、接
地電位となっている被照射体とプラズマ電極との間で、
イオンは減速され、被照射体に照射するイオンエネルギ
は５０ｅＶとなり、極低エネルギのイオンを得ることが
可能となる。

このときの，イオンビーム電流密度は、（１）式より、
約０．５＋＋＋Ａ／ａ！となり、工業的に利用できる値
となる。

上記のように、本実施例の装置によれば，１台で，１０
ＫｅＶから、数十ｅＶまでの広範囲にわたるイオンエネ
ルギを得ることができる。

従って、１台の装置で，イオン打込み、スパンタリング
、デポジション等の各種の処理に必要な種々のエネルギ
をもつイオンビームを、工業的に使用できるイオンビー
ム電流密度で、引出すことができる。

また，電源切換スイッチを、自動的に連続して切換える
ことにより、プラズマ電極電位を、正電位から負電位へ
と段階的に変化させ、引出し電極電位を、接地電位から
負電位へと段階的に変化させることにより、イオンビー
ムのエネルギを適宜の値に、変化させることができ，る
。また、正電位から負電位の間で、連続可変としてもよ
い。

次に、上記例と比較のため，電源切換スイッチ１１ａを
入れ、プラズマ電極２を正電位用プラズマ電極電源と接
続し、ならびに、電源切換スイッチｌｌｄを入れ、引出
し電極３を接地電位として、極低エネルギイオンを引出
す場合について考える。

この場合、プラズマ電極電位■２を、５０Ｖとすると、
イオンビームに与えられる電位差は，約７０Ｖであるプ
ラズマ電位と、プラズマ電極電位Ｖ，の和であり、約１
２０Ｖとなる。

また、電極間距離ｄｌ＝５ｍなので、（１）式より、イ
オンビーム電流密度は１μＡ／ｄ程度となる。

イオンエネルギは、約１２０ｅＶであり、目的とする、
極低エネルギイオンが得られるが，イオンビーム電流密
度が低すぎるため、このままでは、工業的に利用できな
い。

イオンビーム電流密度を上げるため、電極間距Ｊｌｌｄ
ｌを狭めても、不純物による短絡等を考慮すると、その
距離には限界がある。従って、工業的に狭められる最小
の距離としても、得られるイオンビーム電流密度は、高
々１０μＡ／ｃＪ程度であり、工業的に或膜処理などを
行うには低すぎる。

さらに低いイオンエネルギを目的とすると、イオンビー
ム電流密度は、（１）式に従い，さらに低くなり、工業
的に利用できない。

なお，請求の範囲との対応については，上記実施例の電
源切換スイッチｌｌａ，ｌｌｂ，ｌｌｃ，１　１．　ｄ
　，　］．　１　ｅ、正電位用プラズマ電極電源４ａ、
負電位用プラズマ電極電源４ｂ、引出し電極電源５のこ
とを、全体として、電位を付与する手段と総括的に呼称
した。

次に、本発明の第２の実施例について、図面を参照して
説明する。

第２図は、本発明のイオンビーム処理装置の一実施例を
示す説明図である。

真空室１２ａ内には、図示しないモータなどにより、例
えば、矢印１８ａ方向に回転可能な基板ホルダ１７ａが
設けられている。真空室１２ａには、排気装置１３ａが
設けられて，いる。

また、基板ホルダ１７ａに向うイオンビーム１９ｃを生
成するイオン源２０が、真空室１２ａの外周の一部に設
けられている。イオン源装置２０には、イオンビームを
引出すための、プラズマ電極２ｂ、引出し電極３ｂ、電
位付与手段２１が設けられており、引出されたイオンビ
ームは、基板ホルダ１７ａ上にある基板に照射される。

このイオン源装［２０は、第１図に示す、実施例１のイ
オン源装置と，例えば、同し７構造であるので、フィラ
メント、フィラメント電極、電源切換スイッチ、プラズ
マ電極電位等は、省略し、図示していない。

本実施例のイオンビーム処理装置を、例えば、エッチン
グ装置として用いる場合は、次のようにする。イオン源
装置２０のプラズマ電極２ｂおよび引出し電極３ｂにつ
いて、高エネルギイオンビームを引出すように、電位付
与手段２ｌにより電位を付与する。基板ホルダ１７ａは
、イオンビーム１９ｃに対し、垂直なるように配置して
おく。

これにより、基板上の膜を，高エネルギイオンで、エッ
チングできる。

また、或膜装置として用いる場合は、イオン源装！２０
のプラズマ電極２ｂおよび引出し電極３ｂについて、低
エネルギイオンビームを引出すように，電位付与手段２
１により電位を付与する。

基板ホルダ１７ａは、イオンビーム１９ｃに対し，破線
で示すように、傾けて配置する。これにより，基板上に
、目的とする或膜が可能となる。

上記のように，イオンのエネルギと、基板ホルダ１７ａ
の傾きとを，目的に応じ、変化させることにより、１台
の装置で、イオン打込み、スパッタリング、デポジショ
ン等の処理が行える．また、基板を、一旦、基板ホルダ
にセットすれば，切り外すことなく、イオン打込み、ス
パッタリング，デポジション等の連続処理を行なうこと
ができ、作業効率が向上する。

次に、本発明の第３の実施例について、図面を用いて説
明する． 第３図は、本発明のイオンビーム処理装置の一実施例を
示す説明図である。

真空室１２内には，図示しないモーター等により、例え
ば、矢印１８方向に回転可能な、基板ホルダ】７が設け
られている。また、図において下部には、スパッタター
ゲット１４が設けられており、スパッタ用イオン源１５
から、引出されたイオンビーム１．　９　ｂが照射され
る。

アシストイオン源装［１６には、イオンビームを引出す
ための，プラズマ電極２８、引出し電極３ａ、電位付与
手段２１ａが設けられており、弓出されたイオンビーム
１９ａは、基板ホルダ１７上の基板に照射される。この
アシストイオン源装Ｗｌ１６は、第１図に示す実施例ｌ
のイオン源装置と、同じ構造であるので、フィラメント
、フィラメント電極、電源切換スイッチ等は、省略し、
図示していない。

本実施例のイオンビーム処理装置を，成膜装置として用
いる場合は、大別して、次の２通りの方法がある。

１つの方法は一第３図中の破線■の位霞に，基板ホルダ
ｌ７を固定し、スパッタ用イオン源ｌ８のみを用いて、
成膜を゛行う方法である。この場合は、アシストイオン
源装置１６は使用せず、通常のスパッタリング機構とな
る。

他の１つの方法は、同図の破線■の位置、すなわち、同
図の破線のと■の中間のいずれかの位置に，基板ホルダ
をセットして、２つのイオンビーム１９ａ，１９ｂを同
時、または交互に．基板に照射して、或膜を行う方法で
ある。この場合は、アシストイオン源装置１６から引出
されるイオンのエネルギは，広い範囲で変化できるので
、イオンビーム１９ａのエネルギを目的に応じ変化させ
ることにより、膜応力制御、反応成膜など，従来のスパ
ッタ装置では不可能な成膜プロセスが可能となる。これ
により、従来にない電子回路素子が得られる。

また、本実施例のイオンビーム処理装置は、エッチング
装置としても、用いることができる。

この場合は、イオンビーム１９ａと垂直になる破線■の
位置に、基板ホルダ１７を固定する。このとき、スバッ
タ用イオン源１５．は、使用しない。

アシストイオン源装置１６から、高エネルギのイオンビ
ームを引出すことにより、基板のエッチングが可能とな
る。

［発明の効果］ 本発明によれば、１台のイオン源装置で、高エネルギか
ら極低エネルギに至る広範囲のイオンエネルギを引出す
ことができる。従って，１台のイオン源装置を搭載する
ことによりイオン注入、表面改質から薄膜形成、結晶或
長等を行うことができ、多目的イオンビーム処理装置が
得られる。

また、イオン源装置の電極構造が、従来のものに比べ、
簡易なので、保守・点検が容易である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のイオン源装置の一実施例を示す回路図
、第２図は本発明のイオンビーム処理装置の一例を示す
説明図、第３図は本発明のイオンビーム処理装置の一例
を示す説明図である。 １・・・プラズマ室、２．２ａ，２ｂ・・プラズマ電極
、３，３ａ，３ｂ・・・引き出し電極、４ａ・・・正電
位用プラズマ電極電源、４ｂ・・・負電位用プラズマ電
極電源、５・・・引き出し電極電源、６・・・アーク電
源、７・・・プラズマ、８・・・フィラメント、９・・
・シース、１　０　・・フィラメント電源．ｌｌａ，ｌ
ｌｂ，１１ｃ，ｌｉｅ・・・電源切換スイッチ、１２，
１２ａ・・真空室、１３．１３ａ・・・排気装置、１４
・・・スパッタターゲット、１５・・・スパッタ用イオ
ン源、１６・・・アシストイオン源装置、１７．１７ａ
・・・基板ホルダ、１８．１８ａ・・・基板ホルダの回
転方向、１　９　ａ　，　１　９　ｂ　，　１　９　ｃ
−イオンビーム，２ｏ・・・イオン源装置、２１．’，
２１ａ・・電位付与手段、 ｄ １・・・電極間距離、 ｄ２・・シース厚さ。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. １．　プラズマ電極を含む複数枚の電極を有するイオン
   源装置において、プラズマ電極の電位を、引出すイオン
   エネルギの大きさに応じて、正電位、接地電位または負
   電位に設定することを特徴とするイオン源装置。
2. ２．　プラズマを生成して、イオンを引出すイオン源装
   置において、プラズマ電極および引出し電極と、上記プ
   ラズマ電極および引出し電極のそれぞれに電位を付与す
   る手段とを含み、上記電位を付与する手段により、引出
   すイオンのエネルギに応じて、イオンビーム引出しの電
   位差とその距離とを変えて、必要とする電流密度をもつ
   イオンビームを引出すことを特徴とするイオン源装置。
3. ３．　プラズマを生成して、イオンを引出すイオン源装
   置において、プラズマ電極および引出し電極と、上記プ
   ラズマ電極の電位を、正電位、接地電位もしくは負電位
   に変化させる手段と、上記引出し電極の電位を、接地電
   位もしくは負電位に変化させる手段とを含むことを特徴
   とするイオン源装置。
4. ４．　請求項１、２または３記載のイオン源装置を備え
   たイオンビーム処理装置。
5. ５．　請求項４記載のイオンビーム処理装置を運転する
   に際し、 デポジションを目的とする湯合は、少なくとも、プラズ
   マ電極の電位を、負電位または接地電位とし、 スパッタリング、またはイオン打ち込みを目的とする場
   合は、少なくとも、プラズマ電極の電位を、正電位とす
   る ことを特徴とするイオンビーム処理装置の運転方法。
6. ６．　プラズマ電極と引出し電極とをイオンビーム引出
   し側開口部に配置するイオン源装置を用いて、プラズマ
   を生成して、イオンビームを引出す際に、 高いイオンビームエネルギが必要なときは、プラズマ電
   極電位を、正電位とし、かつ、引出電極の電位を、接地
   電位または負電位とし、低いイオンビームエネルギが必
   要なときは、プラズマ電極の電位を、接地電位または負
   電位とし、かつ、引出し電極の電位を接地電位または負
   電位とする ことを特徴とするイオンビーム処理装置の使用方法。
7. ７．　請求項５記載の運転方法を使用して、イオンビー
   ム処理装置を運転することにより形成された膜、エッチ
   ング層または表面改質層を含む電子回路素子。
8. ８．　プラズマ室を有し、該プラズマ室内に生成したプ
   ラズマからイオンビームを引出して放射するイオン源装
   置において、該プラズマ室のイオンビーム引出し側開口
   面に、シースを形成する手段を設け、該シースによりイ
   オンを引出すことを特徴とするイオン源装置。