JPH04351838A - イオンビーム装置の中性化器 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、イオンビームミリング
（エッチング）装置，イオンビームスパッタ装置等の中
性化器の改良に係り、特に、反応性ガスあるいは化合物
ガスを用いる反応性イオンビームエッチング装置に好適
な中性化器に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、機能性薄膜の形成やその微細加工
にイオンビームスパッタ装置やイオンビームミリング装
置が用いられている。これらの装置では、イオンビーム
の照射による絶縁性のターゲットや被処理基板の帯電を
防ぐために、イオンの電荷を中和する電子を供給する中
性化器が備えられている。一方、イオンビームによる物
理的なミリング作用のほかに、化学的な（一般に反応性
イオンビームエッチングと呼ばれる）エッチング作用に
よって微細加工の速度や選択性を上げるために、アルゴ
ンなどの不活性ガスのほかに化学的に活性なガスや化合
物ガスを用いることが多くなってきている。従来はイオ
ン源と中性化器の両方に、活性ガスに対して消耗の激し
い熱フィラメントが用いられており、装置の寿命はこの
熱フィラメントの寿命で制限されていたが、近年は熱フ
ィラメントを持たないマイクロ波イオン源を用いること
によってイオン源寿命の問題は解決されている。中性化
器については、ジャーナル・オブ・バキューム・サイエ
ンス・アンド・テクノロジー１５（１９７８年）第１０
９３頁から第１０９５頁（Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃ
ｈｎｏｌ．，１５，ｐｐ１０９３−１０９５）に述べら
れているように、ホロカソード内に生成したプラズマか
ら中性化電子を引出す方式が従来から知られていたが、
フィラメントレス化を図るために、図４に示すようなマ
イクロ波放電または高周波放電によって生成したプラズ
マから電子を供給する方式が、特開昭６３−１５７８８
７号公報に開示されている。

【０００３】図４（ａ）は従来技術による中性化器を備
えたイオンビームエッチング装置の構成を示す断面図で
ある。同図において、１はプラズマ生成室、２はイオン
引出し電極、３は磁場発生手段、４はマイクロ波を供給
する導波管、５はガス導入口であり、これらでマイクロ
波イオン源が構成されている。ガス導入口５から導入さ
れたガスは、マイクロ波の電場と磁場発生手段３の磁場
との相互作用によりプラズマ化される。イオン引出し電
極２に所望の電圧を印加することにより、プラズマ生成
室１からイオンビームが引出され、加工室６内の被加工
物７に照射される。その際に、被加工物７が帯電するの
を防ぐために中性化器８から電子９が供給される。１０
は中性化器にガスを導入するためのボンベ、１１は電子
９を引出すための電源である。

【０００４】図４（ｂ）は中性化器８の構造を示す断面
図である。中性化器８は内部にプラズマを発生させるた
めの放電室である中性化器容器１２，永久磁石１３，電
子を引出すための引出し電極１４からなり、絶縁物を介
して加工室６に固定されている。容器１２の一端には直
径２ｍｍの小孔が開けてあり、他端にはガス供給管１５
と、マイクロ波電力を供給する導波管１６が接続されて
いる。電子引出し電極１４には直流電源１７が接続され
ている。ガス供給管１５から容器１２に供給されたガス
は有磁場マイクロ波放電によってプラズマ化される。容
器１２が電子引出し電極１４に対して負となるように直
流電圧を印加すると、中性化器８から電子９が引出され
る。

【０００５】この技術によって中性化器のフィラメント
レス化が可能になり、活性ガスを使用しても長時間にわ
たって保守不要な中性化器が得られていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術の中性化
器では、導波管１６によってマイクロ波を供給するため
に、従来のホローカソード式の中性化器（直径５ｃｍ程
度）に比べて大型にならざるを得なかった。これは、工
業的に広く利用される発振周波数２．４５ＧＨｚ　のマ
グネトロンを使用すると、矩形導波管の長辺または円形
導波管の直径が７ｃｍ以上（効率よく伝送するためには
１０ｃｍ程度）必要であるため、中性化器の直径も１０
ｃｍ以下程度にするのは困難であることによる。そのた
め、中性化器が大型になりイオン引出し電極の近傍に設
置することが難しくなり、空間電荷効果によるイオンビ
ームの発散が大きくなって加工精度が低下するという問
題があった。

【０００７】また、従来技術による中性化器を小型化す
ると、供給し得る中性化電子の量が減少するという問題
があった。これは、中性化器から電子を引出すと、プラ
ズマの電気的中性を維持するために、引出された電子と
ほぼ同量のイオンが放電室内壁に流れ込む必要があるこ
と、すなわち、中性化器を小型化すると引出し得る電子
電流は、放電室内壁とプラズマの間のイオンシースを流
れるイオン飽和電流密度と放電室の内表面積の積で制限
されるためである。

【０００８】例えば、発明者等の行った実験によれば、
直径６ｃｍ，高さ３ｃｍの放電室をもつ従来技術の中性
化器（放電室内壁のイオンが流れ込む面積約６０ｃｍ２
）でアルゴンを用いた場合、引出せる中性化電子の量は
最大７４０ｍＡであった。このときのプラズマ密度，電
子温度はそれぞれ、３×１０１１／ｃｍ３，２ｅＶであ
り、イオン飽和電流密度は２０ｍＡ／ｃｍ２であった。 放電室内壁の面積が６０ｃｍ２であることから、この中
性化器から電子を引出したときにプラズマの電気的中性
を保つために放電室内壁に流れ込むイオン電流は最大１
．２Ａ　程度である。従って、引出せる電子の量も最大
１．２Ａ　程度と推定される。それに対して、実際に引
出せる電子の量が少ないのは放電室内でのプラズマ密度
の不均一や、永久磁石の作る磁力線の分布によってイオ
ンが流れ込む部分の面積が少なくなるためである。発明
者等が放電室の大きさが異なるいくつかの中性化器につ
いて実験した結果、実際に引出せる電子電流は、イオン
飽和電流密度と放電室の内表面積の積から期待される値
の５０％から６０％程度であった。

【０００９】これらの結果から、放電室の直径が２ｃｍ
，高さが１ｃｍ程度の小型の中性化器（放電室内壁のイ
オンが流れ込む面積は１０ｃｍ２程度になる）を作り、
従来と同程度のプラズマを生成したとしても、引出せる
電子電流は高々１２０ｍＡ程度しか期待できない。一方
、イオンビームミリング装置等ではイオン源の大口径化
，大電流化が進んでおり、イオンビーム電流３５０ｍＡ
程度の大口径マイクロ波イオン源（ビーム径２０ｃｍ）
が開発されている。そのため、従来技術の中性化器を小
型化すると、大電流のイオンビームを充分中性化出来な
いという問題があった。

【００１０】さらに、従来技術の中性化器でＣＦ４　の
ような化合物ガスを使用すると、電気絶縁性の分解生成
物が放電室の内壁に付着してイオンが流入すべき面積が
次第に減少するために中性化器の動作が不安定となり、
中性化電子の量が時間の経過に応じて減少するという問
題があった。そのため、定期的に分解して内部を洗浄す
る必要があり、長期間保守不要なフィラメントを持たな
い中性化器の目的が充分達成されていなかった。

【００１１】本発明の目的は、小型で十分な中性化電子
を供給できる、フィラメントを持たない中性化器を提供
することにある。

【００１２】本発明の他の目的は、化合物ガスを使用し
ても長時間安定に中性化電子を供給できる、フィラメン
トを持たない中性化器を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、同軸構造の小型の放電室に同軸線によって２．４５
ＧＨｚのマイクロ波を供給したものである。また、この
目的を達成するために、放電室の内壁にイオンシースの
厚さ以上の凹凸を設けてその内表面積を実効的に増加さ
せたものである。

【００１４】上記他の目的を達成するために、放電室の
内壁に局所的に高温となる微小な突起を多数設けたもの
である。

【００１５】

【作用】本発明では、中性化器の放電室を同軸構造とし
、同軸線によってマイクロ波を供給した。同軸構造では
マイクロ波の遮断周波数はないので、２．４５ＧＨｚ　
のマイクロ波に対して放電室の内径が制限されることは
なく小型の中性化器を構成できる。また、放電室内壁に
イオンシースの厚さ以上の凹凸を設けてそのイオンが流
れ込むべき内表面積を実効的に増加させたので、小型で
あっても、中性化電子の量が放電室内壁に流入するイオ
ンの量によって制限されず、十分な量の中性化電子を供
給することが出来る。

【００１６】また、放電室内壁に微小な突起を多数設け
たので、微小突起はマイクロ波放電によって高温に維持
され、化合物ガスの分解生成物が付着することがない。 そのため、イオンが流入すべき面積が時間とともに減少
することがなく、長時間に渡って安定な動作を実現でき
る。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面にもとづき説明
する。

【００１８】図１（ａ）は、本発明の中性化器を備えた
エッチング装置の構成を示す断面図である。図において
、１はマイクロ波放電室、３はソレノイドコイル、５は
ガス導入口、４は矩形導波管、１８は真空封止を兼ねる
石英ガラス製のマイクロ波導入窓である。２は二枚の多
孔電極からなるイオン引出し電極であり、一枚はマイク
ロ波放電室１と同電位であり加速電源１９に、他の一枚
は減速電源２０に接続されている。また２１は絶縁物で
ある。加工室６は図示しない真空排気手段と連通してお
り、内部に基板ホルダー２２と被処理基板７が設置され
ている。また、２３は本発明の中性化器であり、２４は
中性化器のガス導入口、２５はマイクロ波電力を供給す
る同軸線、２６は電源であり、必要に応じて中性化器２
３に接地電位に対して負の電位を与える。２７は絶縁物
である。

【００１９】次に図１（ｂ）を用いて中性化器２３の構
造を説明する。同図において、２８は中性化器放電室、
２９は永久磁石、２４はガス導入口である。中性化器放
電室２３の内径と長さはともに２ｃｍであり、内壁には
幅１ｍｍ深さ１ｍｍの溝加工３０が施されている。これ
によってその内表面積は約３０ｃｍ２　になっている（
溝加工３０がない場合は約１６ｃｍ２　）。同軸構造の
外導体となる中性化器放電室２８の一端にはＮ型の同軸
コネクタ付きのフランジ３１が取り付けられており、真
空を封止する絶縁物３２，内導体であるアンテナ３３と
一体になっている。この同軸コネクタ３１に図示しない
同軸線が接続されて、２．４５ＧＨｚ　のマイクロ波が
中性化器放電室２８内に供給される。また、永久磁石２
９によって、中性化器放電室２８内にはマイクロ波の入
射方向と平行に、磁束密度が８７５Ｇ程度の磁場が形成
されている。放電室の他端には直径１ｍｍの小孔３４が
開けられている。また、外部への磁束の漏れを防ぐため
に磁性材３５が取り付けられている。磁性材３５には中
性化器放電室２８の小孔３４と連通するテーパ付きの小
孔３６が開けられている。中性化器は、通常イオンビー
ム３７が通る領域から３ｃｍ程度離れて設置されている
。

【００２０】次に本実施例の動作を説明する。イオン源
の動作は次のようにして行った。図示しない真空排気手
段でマイクロ波放電室１，加工室６、および中性化器２
３の内部を１×１０−６Ｔｏｒｒ程度まで真空排気する
。次に、ソレノイドコイル３により９００Ｇ程度の磁場
をかけたマイクロ波放電室１にガス導入口５からアルゴ
ンガスを供給し、２．４５ＧＨｚ　のマイクロ波を導入
する。 この時、加工室６内のガス圧は１×１０−４Ｔｏｒｒ程
度になっている。マイクロ波放電室１に導入されたガス
は、マイクロ波の電場とソレノイドコイル３の磁場の相
互作用で効率よくプラズマ化される。このようにして生
成されたプラズマ３８からイオン引出し電極２に所定の
電位を与えることによってイオンビーム３７を引出し被
処理基板７に照射する。発明者等の行った実験では、エ
ネルギ８００ｅＶで３００ｍＡのイオンビームを引出し
た。このとき、イオンビーム３７が通過する領域にはビ
ームプラズマ３９が存在しており、その空間電位は１５
Ｖ程度になっている。

【００２１】次に、中性化器２３の動作を説明する。中
性化器２３のガス導入口２４からアルゴンガスを導入す
る。発明者らの行った実験では、そのガス流量を約１ｓ
ｃｃｍとした。この時、ガス流量が少ないため加工室６
のガス圧はほとんど影響を受けない。次に、同軸コネク
タ３１から２．４５ＧＨｚ　のマイクロ波を供給すると
、マイクロ波の電場と永久磁石２９の磁場との相互作用
により、効率よくマイクロ波の電力が吸収され、中性化
器プラズマ４０が生成される。この時、マイクロ波の入
射電力１００Ｗに対して、反射電力は３０Ｗ以下であっ
た。 ここで、電源２６によって中性化器放電室２８に−３０
Ｖ程度の電位を与えると、中性化器プラズマ４０中の電
子４１は、アルゴンの電離電圧以上のエネルギを得て小
孔３４から噴出し、イオン４２は中性化器放電室２８に
流れ込む。このとき、中性化器プラズマ４０は中性化器
放電室２８に対して１０Ｖ程度高い電位になっており、
その電位差はイオンシース４３にかかっている。イオン
シース４３の厚さはプラズマのデバイ長程度であり、典
型的には０．１ｍｍ　程度である。本実施例では、中性
化器放電室２８の内壁にイオンシース４３の厚さ以上の
幅１ｍｍ深さ１ｍｍの溝加工３０を施したため、イオン
が流れ込む面積は溝加工３０がない場合に比べ実効的に
約二倍（２０ｃｍ２）になっている。中性化器放電室２
８の内部は１０−２Ｔｏｒｒ台の比較的高いガス圧にな
っているために、アルゴン原子４４も電子４１と同様に
ガス圧１×１０−４Ｔｏｒｒ程度の加工室６に噴出する
。小孔３４の近くでは噴出したアルゴン原子４４の流速
密度が高いために、同時に噴出する電子４１によって衝
突電離されビームプラズマが生成される。このビームプ
ラズマが生成される原理は従来のホロカソード式の中性
化器の場合と同様であり、プラズマブリッジ４５と呼ば
れている。プラズマブリッジ４５が形成されると、イオ
ンビーム３７が通過する領域のビームプラズマ３９を陽
極，中性化器プラズマ４０を陰極としてただちに直流放
電が始まり、中性化器プラズマ４０内の電子４１は空間
電荷制限を受けずに流出することが出来る。また、小孔
３４部に存在する図示しない電気二重層には数アンペア
の電子電流が流れることができるため、中性化器２３か
ら引出せる電子電流を制限するのは中性化器放電室２８
内壁に流入し得るイオンの量である。発明者等の行った
実験では、本実施例の中性化器で凹凸の溝加工３０がな
い場合に引出せる電流が１６０ｍＡであったのに対して
、凹凸の溝加工３０がある場合には３００ｍＡ以上の電
流を引出すことができた。また、本実施例の中性化器２
３でアルゴンガスおよび酸素ガスを用いて１２０時間の
連続運転を行った後も中性化効率の低下などの現象は見
られず、保守不要であった。

【００２２】本実施例によれば、大電流のイオンビーム
を完全に中性化できる長寿命の中性化器を小型化できる
という効果がある。さらに、中性化器のガス消費量が少
なく、加工室のガス圧にほとんど影響を与えないため、
真空排気系の容量を大きくする必要がない。

【００２３】次に、図２を用いて本発明の他の実施例を
説明する。本実施例は、凹凸の溝加工の代わりに微小な
突起を設けた以外は図１（ｂ）に示した実施例と同じで
ある。図２は、中性化器放電室２８の内壁に微小な突起
を設けるために、めねじ状の加工４７を施したものであ
る。発明者等は、内径２０ｍｍ，高さ１０ｍｍの中性化
器放電室２８に、山の高さ１ｍｍ，ピッチ１ｍｍのねじ
を切り実験を行った。本実施例では、図１に示した実施
例と同様に処理室のガス圧が１×１０−４Ｔｏｒｒとな
るようにイオン源のガス導入口からＣＦ４　ガスを導入
した後、３００Ｗのマイクロ波電力を供給してＣＦ４　
プラズマを生成した。ＣＦ４　イオンビームは、エネル
ギ８００ｅＶで２７０ｍＡ引出した。次に中性化器２３
のガス導入口２４から流量約１ｓｃｃｍのＣＦ４　ガス
を導入した後に１００Ｗのマイクロ波電力を供給してＣ
Ｆ４　プラズマ４８を生成し、電源４１によって中性化
器２３に−３０Ｖの電圧を印加して、イオンビーム電流
と同量の２７０ｍＡの電子電流を引出した。この時、中
性化器放電室２８内の微小な突起４８にはマイクロ波放
電の強い電場が集中するために常に３００℃程度の高温
に維持される。そのために、この微小な突起４８には、
電気絶縁性のＣＦ４　ガスの分解生成物が付着すること
はない。すなわち、時間の経過に従って、中性化器放電
室２８内壁が絶縁性の分解生成物によって覆われ、中性
化器プラズマ４１内のイオン４２が流入すべき面積が徐
々に減少することがない。 そのため、中性化器２３から引出せる電流が減少するこ
とはない。

【００２４】図３は本実施例の中性化器によるＣＦ４　
ガスを用いたときの中性化率の時間変化を示したもので
ある。縦軸の中性化率は、中性化器の電源に流れる中性
化電流の値をイオンビーム電流の値（一定値）で割った
ものである。ここで、イオンビーム電流は２００ｍＡ一
定（エネルギ８００ｅＶ）とした。また、中性化器のガ
ス流量は約１ｓｃｃｍ、マイクロ波電力は８０Ｗ、中性
化器の電位−２０Ｖとして、２００ｍＡの中性化電流を
流して（中性化率１００％）その後の時間変化を記録し
た。中性化率は、初めの一時間程度は僅かに減少して９
０％程度になるがその後はほぼ一定になる。さらに、三
時間の連続運転の後に中性化器の動作を停止した後再び
動作を開始すると、中性化率の初期的は変動はほとんど
見られず一定であった。発明者等は、その後、三十時間
以上にわたって中性化率の変動が見られないことを確認
している。また、比較のために中性化器放電室２８内壁
に微細な突起４８を設けない場合の中性化率の時間変化
も、同時に図３に示した。動作開始時の条件は同じであ
るが、時間の経過とともに、絶縁性のＣＦ４　の分解生
成物が中性化器放電室２８内壁に付着し、三時間後には
中性化率は６０％程度まで減少した。一般には、マイク
ロ波電力の投入や中性化器２３のバイアス電圧の増加に
よってある程度中性化率を上げることができるが、この
場合はその制御範囲を越えており、長時間にわたって安
定な動作は実現できない。

【００２５】このように、本実施例によれば、ＣＦ４　
等の化合物ガスを使用しても長時間安定に動作し、長期
間にわたって保守不要な中性化器を構成できる。

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば、中性化器放電室を同軸
構造として同軸線によってマイクロ波を供給し、さらに
、放電室の内壁にその幅及び深さがイオンシースの厚さ
以上の微小な凹凸を設けてその内表面積を実効的に増加
させたので、小型であっても引出し得る中性化電子の量
が、中性化器放電室の内壁に流れ込むイオンの量で制限
されることがない。そのため、大電流のイオンビームを
完全に中性化できるフィラメントのない中性化器を小型
化することができ、イオンビームの発散を小さくするこ
とができる。

【００２７】また、中性化器放電室の内壁にマイクロ波
放電によって常に高温に維持される微細な突起を多数設
けたので、突起部には絶縁性のＣＦ４　ガスの分解生成
物が付着することがない。そのため、中性化器の動作が
長時間安定になり、長期間にわたって保守の必要がなく
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の中性化器とエッチング装置の実施例を
示す縦断面図。

【図２】本発明の中性化器の第二の実施例の構成を示す
断面図。

【図３】本発明の第二の実施例の中性化器の中性化率の
時間変化を示した説明図。

【図４】従来の中性化器とエッチング装置の構成を示す
断面図。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】マイクロ波放電によって内部にプラズマを
   生成する放電室と、前記放電室内にマイクロ波電力を供
   給する手段と、前記放電室内に電子サイクロトロン共鳴
   を起こすための磁場発生手段と、ガス導入手段と、前記
   放電室に負の電位を与える電源からなり、前記放電室内
   のプラズマから電子を噴出させてイオンビームの照射に
   よる被加工物の帯電を防ぐイオンビーム装置の中性化器
   において、前記放電室の内壁に凹凸を設けることにより
   その内表面積を増加させたことを特徴とするイオンビー
   ム装置の中性化器。
2. 【請求項２】請求項１において、前記放電室の内壁に、
   凹凸のかわりに、マイクロ波放電によって局所的に高温
   となる微小な突起を多数設けたイオンビーム装置の中性
   化器。
3. 【請求項３】請求項１または２において、前記放電室の
   内壁に設ける凹凸または微小な突起の高さあるいはピッ
   チは、０．１ｍｍ　以上であるイオンビーム装置の中性
   化器。
4. 【請求項４】請求項１または２において、前記放電室は
   同軸構造をなし、前記マイクロ波の供給手段は同軸線で
   あるイオンビーム装置の中性化器。