JPH03215665A - イオン源 - 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〕 本発明はイオン源に係り、特に大口径でビーム均一性に
すぐれたイオンビームを生成するイオン源に関する。

〔従来の技術〕

近年、超微細加工が要求される機能性薄膜あるいは半導
体の生成及び加工を行うための、ミリング装置やイオン
打込み装置等のイオンビーム加工装置において、使用す
るガス種として、従来のＡｒガス等の不活性ガスから０
■等の活性ガスに対するニーズが高まっている。しかし
、従来のフィラメントから熱電子放出によってアーク放
電を維持してプラズマを生成するものにおいては、上記
フィラメントが活性ガスにより激しく消耗し、頻繁にフ
ィラメントを交換しなければならないという問題があっ
た。

この点、高周波放電やマイクロ波放電を用いてプラズマ
を作るようにすれば、フィラメントが不要であるから上
記の問題を解消することができる。

しかし、高周波放電で生成したプラズマからのイオンビ
ームの平均エネルギーは、引き出し電位よりも数１００
ｅｖも高くなり、エネルギー幅もかなり大きいことが知
られている。このため高周波放電によるプラズマからＩ
ＫｅＶ以下のイオンビームを引き出すとき，ほぼ同程度
の密度のアーク放電やマイクロ波放電によって生成した
プラズマから引き出す場合に比べて引き出すイオンビー
ムの量が少なくなることが報告されている。

これに対してマイクロ波を用いたイオン源では、エネル
ギー幅が小さく、高周波を用いたイオン源で見られた過
剰エネルギーも無いため、質量分離を行うイオン打込み
装置用のイオン源として好適であるが、生成されたプラ
ズマ密度分布の均一性は決して良くない。特にイオン源
の大口径化を図る場合、マイクロ波電力を生成室に注入
するためにインピーダンスマッチングをとる必要から、
導波管の寸法に制約があるため、イオン源内でのプラズ
マ密度の差が顕著になり、大面積にわたって均一なビー
ムを引き出すことができなくなる。

そこで、特開昭６２−７６１３７号公報にあるように、
高周波又はマイクロ波によるプラズマ生成室のビーム引
き出し手段側にプラズマ拡張室を形成することによって
，高周波又はマイクロ波によるプラズマのエネルギーを
下げて、イオン源の大面積化を図ることが考えられてい
る。

また、特開昭６２−９３８３４号公報にあるように，電
子発生室とプラズマ発生室とを別個に設けて、この電子
発生室には高周波電力供給部並びに電子軌道を回転軌道
とする磁界印加手段を設け、この電子発生室内で高周波
又はマイクロ波で発生したプラズマから，電気的に電子
を引き出して，これによりプラズマ発生室内でアーク放
電を起こさせることにより、フィラメントレスイオン源
を実現する方法も考えられている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記の従来技術では、プラズマ密度の均
一性及び引き出されたイオンビームの均一性については
十分な配慮がされておらず、イオン源の大面積化には限
界があった。

即ち、プラズマ生成室から拡散してきたプラズマは、磁
界がない場合、荷電粒子自身の熱運動と衝突によって拡
がるだけである。そのため、拡張室内において、プラズ
マ生成室に近い中心付近は密度の濃いプラズマが出来る
が、周辺に行くにしたがってプラズマ密度は減少する。

プラズマ拡張室からイオンビームを引き出す場合、イオ
ンビームの量は引き出される面のプラズマ密度に依存す
る。よって、このイオン源からイオンビームを弓き出し
て、エッチング等の加工を施す場合、エッチング面全体
にわたって均一なエッチング速度を得ることが難しくな
る。特に、スループット向上のために、大面積にわたっ
てエッチングするために、イオン源を大型化すると、上
述のようなイオン源内でのプラズマ密度分布の差が顕著
になり、大面積にわたって均一な加工を施すことが出来
なくなるという問題があった。

本発明の目的は高周波イオン源及びマイクロ波イオン源
の拡張室内でのプラズマ密度の均一化を図ることにあり
、従来限界とされていた高周波及びマイクロ波イオン源
の大面積を実現することより、従来のフィラメントタイ
プのイオン源と同等以上の大口径でビーム均一性のすぐ
れたフィラメントレスイオン源を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は以下のような手段によって達成することがで
きる。

（１）　　プラズマ生成室と、これに連続して設けられ
た拡張室とを備えたイオン源において、前記拡張室の内
部空間に、軸心に対して放射状の磁界を形成してなるこ
とを特徴とするイオン源。

（２）　　プラズマ生成室と、これに連続して設けられ
た拡張室とを備えたイオン源において、前記拡張室は前
記生成室に連らなるバックプレートと該拡張室の側壁と
の間の内部空間に、該生成室及び該拡張室を結ぶ中心線
に対して放射状の磁力線を発生する構造であることを特
徴とするイオン源。

（３）　　プラズマ生成室と、これに連続して設けられ
た拡張室とを備えたイオン源において、前記拡張室は前
記生成室に連らなるバックプレートと該拡張室の側壁と
にそれぞれ永久磁石を配置し、該バックプレートに配置
した永久磁石と該側壁に配置した永久磁石とは極性が逆
であることを特徴とするイオン源。

（４）　　プラズマ生成室と、これに連続して設けられ
た拡張室とを備えたイオン源において、前記プラズマ生
成室の側壁にプラズマ領域を制限する磁気的手段を設け
ると共に、該生成室に導入ガスを供給してマイクロ波放
電によってプラズマを生成し、このプラズマを拡張する
前記拡張室には、該生成室に連らなるバックプレートと
該拡張室の側壁とにそれぞれ永久磁石を配置し、該バッ
クプレートに配置した永久磁石と該拡張室側壁に配置し
た永久磁石とは極性を逆にしたことを特徴とするイオン
源。

（５）　　プラズマ生成室と、これに連続して設けられ
た拡張室とを備えたイオン源において、前記プラズマ生
成室の側壁にプラズマ領域を制限する磁気的手段を設け
ると共に、該生成室に導入ガスを供給して高周波放電に
よってプラズマを生成し、このプラズマを拡張する前記
拡張室には、該生成室に連らなるバックプレートと該拡
張室の側壁とにそれぞれ永久磁石を配置し、該バックプ
レートに配置した永久磁石と該拡張室側壁に配置した永
久磁石とは極性を逆にしたことを特徴とするイオン源。

〔作用〕

上記のような構成によれば、拡張室の中心に対して半径
方向の放線状に発生する磁力線によって、プラズマ生成
室から拡散してきて、プラズマ拡張室内で中心付近に片
寄りがちなプラズマを半径方向に拡げて、ビーム引き出
し面全体にわたってプラズマ密度を均一化できる。これ
により、プラズマ生成室の大きさに比べて、プラズマ拡
張室の大きさを十分大きくしても、ビーム引き出し面全
体にわたって均一なイオンビームを引き出すことが可能
となる。

一例として、拡張室タイプのイオン源で、拡張室側壁に
第４図（ｂ）に示すようなカスプ磁界を生じさせる永久
磁石を配置した場合、この磁界は、拡張室側壁周方向に
配置した磁石の極性が交互に異なるように配置すること
によって形成され、また、拡張室バックプレートにも、
永久磁石が配置されているが、この磁石についても、バ
ックプレート内で互いに隣り合う磁石と極性が異なるよ
うに配置されている。このような磁石配置により、各磁
石の形成する磁界は、ほとんどが隣り合う磁石と閉じた
磁界を形成して、それ以外の磁石と殆ど磁界を形成しな
い。これに対して本発明の構成例ではプラズマ拡張室側
壁に配置した永久磁石の極性をすべてそろえて配置し、
拡張室バックプレートの永久磁石は、拡張室側壁に配置
した永久磁石と極性を逆にしたので、例えば、拡張室側
壁の磁石の壁に接する側をすべてＳ極とした場合、拡張
室バックプレートの永久磁石は、バックプレートに接す
る側をすべてＮ極として配置することによって、永久磁
石の形成する磁界は、拡張室の各壁面近傍だけで閉じる
磁界ではなく、プラズマ生成室からプラズマ拡張室にか
けて、中心から半径方向に拡がる磁界を形成する。

また、プラズマの閉じ込め効率に関してもプラズマ拡張
室壁面に衝突して消滅してしまうプラズマに対して、上
記プラズマ拡張磁界は、側壁と平行成分を持つので、上
記磁界で閉じ込めることが可能であり、前述のカスプ磁
界によるものと変わらないと言える。

〔実施例〕

以下，本発明の実施例を図面により説明する。

第１図は、本発明の一実施例を示す縦断面である。第１
図において、プラズマ生成室２は円筒状のプラズマ生成
室側壁４と左端を封じているマイクロ波透過窓６で形成
されている。このプラズマ生成室２の右側に連結された
プラズマ拡張室８は、円筒状のプラズマ拡張室側壁１０
とビーム引き出し電極１２から成る。このプラズマ拡張
室８のビ−ム引き出し側には，絶縁物１４を介して真空
容器１６が連結されて、処理室１８を形成している．こ
れら全体は、真空容器１６の排気口２０から、図示して
いない排気装置によって排気されて内部が真空に保たれ
ている。処理室１８の内部には，水冷されながら自転し
ている基板ホルダ２２があり、該基板ホルダ２２上に被
加工物である基板２４が配置されている。プラズマ拡張
室側壁１０及びビーム引き出し電極１２のプラズマ拡張
室８側の電極にイオンビーム引き出し電圧Ｖａ印加する
ことによって、プラズマ拡張室８からイオンビーム２６
を引き出す。プラズマ生成室２内には、ガス導入口２８
を通して、ガスが供給される。また、プラズマ生成室２
には、マイクロ波透過窓６を介して連絡された導波管３
０を通してマイクロ波が導入される。

プラズマ生成室２の側壁４には、永久磁石３２が配置さ
れていて．第２図（．）に示すような磁界３４を形成す
る．これは、プラズマ生成室２内に導入されたマイクロ
波の周波数である２．４５ＧＨｚで電子サイクロトロン
共鳴（Ｅ　Ｃ　Ｒ）を起こす為に必要な８７５ガウス以
上の磁界を形成するためのものである。

さらにプラズマ拡張室８の側壁１０及び拡張室８のバッ
クプレート３６にもそれぞれ永久磁石３８Ａ，３８Ｂが
配置されている。第１図における、断面Ｉ−Ｉを第２図
（ｂ）に断面ｎ−ｎを第２図（Ｑ）に示した。このよう
な磁石配置により、第２図（ａ）に示すような、プラズ
マ生成室２から拡張室８にかけて、中心から半径方向に
拡がる磁界４０を形成する。

ここで、永久磁石を配置してカスプ磁界を形成した例を
第３図及び第４図に示す。第３図における断面Ｉ−Ｉを
第４図（ｂ）に断面ｎ−ｎを第４図（ｃ）に示した。第
４図（ｂ）で示したように、この例では、プラズマ拡張
室側壁１０に配置した永久磁石４２は、Ｎ極とＳ極が交
互に配置されてカスプ磁界を形成している。また、第４
図（ｃ）に示したように、プラズマ拡張室８のバックプ
レート３６に配置した永久磁石４４もＮ極とＳ極をペア
にして配置して、バックプレート３６表面で閉じた磁界
を形成するようにしている。

プラズマ生成室２内の中心付近にＥＣＲ条件用の８７５
ガウスの磁界を、永久磁石で形成するためには、残留磁
束密度が１２０００ガウスのネオジウム系の磁石を２段
重ねにしたり、ヨーク材を用いる等の工夫をしても、生
成室２の径はφ１００Ｉｍ程度が限界である。ところで
、第３図に示すような装置において、プラズマ生成室２
から拡張したプラズマがプラズマ拡張室８内で、半径方
向にほぼ均一なプラズマ密度を持つ範囲は、プラズマ拡
張室８の長さ、つまりバックプレート３６からビーム引
き出し電極１２までの距離と同程度の半径を円とする領
域である。これはこの例ではプラズマの拡散において、
磁界の影響はほとんどないので、拡散はプラズマ自身の
熱運動と衝突によっておこるためである。これらは、方
向に指向性はなく、すべての方向に等方的である。従っ
て、プラズマ生成室２から拡散したプラズマは、プラズ
マ拡張室８において、ビーム引き出し電極１２付近まで
拡散する間に、それと同程度の距離だけ半径方向にもほ
ぼ均一に拡散しているが、それより広い領域では、プラ
ズマ密度は急激に減少してしまう。

現在は、フィラメントタイプのイオン源では、約φ６０
０ｍｎの大口径イオン源が作られているが、これと同程
度の大ロイオン源をこのような拡張室タイプの装置で実
現しようとした場合、プラズマ拡張室８の長さは３００
■程度必要となり、イオン源が非常に大型化するうえに
、プラズマ生成室２との体積比が約５０倍以上にもなり
、プラズマ拡張室８でのプラズマ密度が、プラズマ生成
室２のプラズマ密度の１／５０以下となってしまい、必
要なイオンビームが得られなくなる。

これに対して、プラズマ生成室２を大きくすることも考
えられるが、永久磁石によってＥＣＲ条件の磁界を形成
するためには、前述のように径φ１００ＩＩＩＩ１、長
さ２００ｆｆＩＩ＋程度が限界であり、これ以上大きく
すると、ＥＣＲ条件が満足されないために、マイクロ波
によるプラズマの生成効率が急激に悪くなってしまう。

また、コイルによる方法では，プラズマ生成室の大型化
に伴ってコイルも大型化するために、装置として複雑化
する上に、大型コイル電源も必要になってくる。

従って、従来は、約φ２００ｍｍの口径が限界であった
。

以上の問題に対して、本発明の実施例第１図のようにプ
ラズマ拡張室８において，中心から半径方向に拡がる磁
界を形成することによって、むやみにプラズマ拡張室８
を大きくすることなく、フィラメントレスタイプの大口
径イオン源から均一なイオンビームを引き出すことがで
きる。一般に、マイクロ波によるプラズマの密度は、ア
ーク放電によるものに比べて、１桁程度高いので、プラ
ズマ拡張室８の低積をプラズマ生成室２の１０倍程度と
すると、従来のフィラメントタイプと同等の径φ６００
ｍｍの大口径イオン源を得るためには、拡張室８の長さ
は、６０ｍｍ程度となる。

磁界がある場合のプラズマの動きは、磁界に束縛された
運動が支配的になるので、永久磁石３８Ａ，３８Ｂがプ
ラズマ拡張室８内で形成する磁界のプラズマ生成室２か
らビーム引き出し電極１２方向の成分と、これに垂直な
方向の成分の比が、拡張室８の長さ６０国と半径３００
ｍｍの比に相当する約１＝５となるように、永久磁石３
８Ａ，３８Ｂを配置することによって、約φ６ｏＯｍＩ
１の大口径イオン源からでも、均一なイオンビームを引
き出すことができる。つまり、従来の約１０倍に相当す
る大面積にわたって、均一なイオンビームを引き出すこ
とが可能となる。

また、フィラメントレスイオン源の大口径化として、特
開昭６２−７６１３７号公報の第７図にもあるように、
プラズマ発生室の複数化も考えられるが、装置が非常に
複雑化するうえに、高周波やマイクロ波の相互干渉によ
りマッチングがうまくとれないために、実用化は難しい
のが現状である。

〔発明の効果〕

上述のとおり本発明によれば、プラズマ生成室で生成さ
れたプラズマを、プラズマ拡張室において大面積にわた
って均一化できるので、（イ）従来のフィラメントタイ
プの大口径イオン源の高周波やマイクロ波によるフィラ
メントレス化を図っても、従来と同等以上の均一イオン
ビームを引き出すことができる。

（口）　　フィラメントレス化により０２等の活性ガス
の使用が可能となり、加工効率が飛躍的に向上する。

（ハ）　さらにイオン源の大口径化が出来る。

（二）　フィラメントレスにより、メンテナンス周期が
長くなり、生産性が向上する。

等の効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す縦断面図、第２図は本
実施例の要部を説明するもので、（ａ）は縦断面図、（
ｂ）は第１図のＩ−１線断面図、（ｃ）は第１図の■−
■線断面図、第３図は比較例を示す縦断面図，第４図は
比較例の要部を説明するもので、（ａ）は縦断面図、（
ｂ）は第３図のＩ−Ｉ線断面図、（ｃ）は第３図のｎ−
ｎ線断面図である。 ２・・・・・・プラズマ生成室、４・・・・・・生成室
側壁、６・・・・・・マイクロ波透過窓、８・・・・・
・プラズマ拡張室、１０・・・拡張室側壁、１２・・・
・・・ビーム引き出し電極、２６・・・イオンビーム、
２８・・・ガス導入口、３ｏ・・・導波管、３２・・・
永久磁石、３４・・・磁界、３６・・・バックプレート
、３８Ａ，３８Ｂ・・・永久磁石、４０・・・磁界。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. １．　プラズマ生成室と、これに連続して設けられた拡
   張室とを備えたイオン源において、 前記拡張室の内部空間に、軸心に対して放射状の磁界を
   形成してなることを特徴とするイオン源。
2. ２．　プラズマ生成室と、これに連続して設けられた拡
   張室とを備えたイオン源において、 前記拡張室は前記生成室に連らなるバックプレートと該
   拡張室の側壁との間の内部空間に、該生成室及び該拡張
   室を結ぶ中心線に対して放射状の磁力線を発生する構造
   であることを特徴とするイオン源。
3. ３．　プラズマ生成室と、これに連続して設けられた拡
   張室とを備えたイオン源において、 前記拡張室は前記生成室に連らなるバックプレートと該
   拡張室の側壁とにそれぞれ永久磁石を配置し、該バック
   プレートに配置した永久磁石と該側壁に配置した永久磁
   石とは極性が逆であることを特徴とするイオン源。
4. ４．　プラズマ生成室と、これに連続して設けられた拡
   張室とを備えたイオン源において、 前記プラズマ生成室の側壁にプラズマ領域を制限する磁
   気的手段を設けると共に、該生成室に導入ガスを供給し
   てマイクロ波放電によってプラズマを生成し、このプラ
   ズマを拡張する前記拡張室には、該生成室につらなるバ
   ックプレートと該拡張室の側壁とにそれぞれ永久磁石を
   配置し、該バックプレートに配置した永久磁石と該拡張
   室側壁に配置した永久磁石とは極性を逆にしたことを特
   徴とするイオン源。
5. ５．　プラズマ生成室と、これに連続して設けられた拡
   張室とを備えたイオン源において、 前記プラズマ生成室の側壁にプラズマ領域を制限する磁
   気的手段を設けると共に、該生成室に導入ガスを供給し
   て高周波放電によってプラズマを生成し、このプラズマ
   を拡張する前記拡張室には、該生成室につらなるバック
   プレートと該拡張室の側壁とにそれぞれ永久磁石を配置
   し、該バックプレートに配置した永久磁石と該拡張室側
   壁に配置した永久磁石とは極性を逆にしたことを特徴と
   するイオン源。