JPH05234562A - イオンビーム中性化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ２次電子放出電極やフィラメントを用いるこ
となく十分に低エネルギーのプラズマや電子を供給で
き、さらにターゲットやイオンビーム等の汚染を抑止で
きるメンテナンスフリーのイオンビーム中性化装置を提
供する。 【構成】 磁場を配したマイクロ波放電室内にソースガ
スを導入してマイクロ波放電によりプラズマを生成し、
プラズマまたはプラズマ内の電子をイオンビーム側に導
いてイオンビームを中和する。また、ファラデーケージ
を組合せてイオンビーム電流を正確に計測し、試料ディ
スク電流、またはワークの帯電電位をマイクロ波電源に
フィードバックしてイオンビームを自動的に完全に中和
する。さらに、プラズマ源の放電室から生ガスを排気し
て、ワ−クが生ガスにより汚染されることを防止する

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はイオン打込装置、イオン
エッチング装置等に関わり、とくにイオンビームを電気
的に中性化してターゲットの帯電及び帯電による損傷を
防止するイオンビーム中性化装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】イオンビームに電気的に中性化する方法
や装置に関しては、従来から多くの提案がなされてい
る。古典的には、イオンビームによって低圧ガスを電離
して得られる低エネルギー電子によりイオンビームの正
イオンを中和する方法（ガスとイオン間での直接的電荷
交換も含まれる）や、プラズマブリッジにより発生させ
たプラズマによってイオンビームを中性化する方法等が
行なわれていた。

【０００３】上記低エネルギー電子の供給方法として、
特願昭６１−４７０４８号公報には２次電子を利用する
方法が、また、特願平２−１５９３８号公報には電子を
減速して低エネルギー化する方法等が開示されている。
ターゲットの中性化にも上記と同様の方法が利用されて
いる。特願昭６３−４１９３０号公報には、とくにター
ゲットが帯電により損傷を蒙りやすい場合に対して電子
のエネルギーを低める方法が開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記２次電子を利用す
る方法においては、放出される２次電子の量が２次電子
放出電極（ダイノード）の表面状態に依存し、この表面
状態がイオンビームによるスパッタ等汚染により大変不
安定であるという問題があった。また、電子源にフィラ
メントを用いるのでフィラメント自体が汚染物質となる
場合があり、さらにフィラメント寿命が比較的短いため
これを定期的に交換しなければならないという保守上の
問題もあった。

【０００５】また、電子を減速して低エネルギー化する
方法においては、電子が自らの空間電荷によって拡散す
るので目的領域に低エネルギー電子を集中させることが
困難という問題があった。さらに、上記電子によるイオ
ンの中性化度をモニタして電子の供給量を適切に制御す
る機能が不十分という問題もあった。上記プラズマブリ
ッジを用いる方法には、イオン粒子の中性化その他の影
響によりイオン電流が正確に測定できないという問題が
あった。

【０００６】さらに、ターゲットがプラズマやそのソー
スガスによって汚染されたり、イオンビームがプラズマ
のソースガスによって汚染されたり、また、ソースガス
により真空度が低下する等の原因により、イオン電流が
正確に測定できないという問題があった。本発明の目的
は、２次電子放出電極やフィラメントを用いることなく
十分に低エネルギーのプラズマや電子を供給でき、さら
にターゲットやイオンビーム等の汚染を抑止できるメン
テナンスフリーで長寿命のイオンビーム中性化装置を提
供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、ソ−スガスをマイクロ波放電によりプラズマ化する
プラズマ発生源をイオン打込装置やエッチング装置等の
イオンビーム装置に結合するようにする。このため、プ
ラズマ出射孔、または電子出射孔を備えた放電室と、上
記放電室にソ−スガスを供給する手段と、上記放電室に
マイクロ波を導入する手段と、上記放電室内に上記プラ
ズマや電子の出射方向と同軸方向に磁界を発生する手段
とにより、上記プラズマ発生源を構成するようにする。

【０００８】さらに、上記電子出射孔の前部に第２の電
子出射孔を設け、上記放電室の電子出射孔と第２の電子
出射孔間に上記電子の加速電界を印加するようにする。
また、上記イオンビーム装置の試料台に流れるイオンビ
ーム電流、または上記試料台に載置した試料の表面電位
により上記マイクロ波出力を制御するようにする。さら
に、上記イオンビーム装置の試料に対するイオン照射部
にファラデーケージを設け、前記プラズマや電子が上記
イオンビーム電流または同電位に対して影響しないよう
にする。

【０００９】さらに、上記ファラデーケージに上記イオ
ンビームと同軸方向に磁界を発生する手段、または多極
ラインカスプ磁場装置を設けるようにする。さらに、上
記放電室に排気装置を連結するようにする。また、上記
プラズマ発生源を上記イオンビーム装置の試料台より見
えない方向に配置するようにする。また、上記ソ−スガ
スに高純度不活性ガスを用いるようにする。

【００１０】

【作用】上記プラズマ発生源は、例えば２.４５ＧＨｚ
のマイクロ波と約８７５ガウスの電磁石または永久磁石
の磁場により形成される電子サイクロトロン共鳴により
ソ−スガスを高密度プラズマ化する。上記プラズマは上
記プラズマ発生源の放電室のプラズマ出射孔よりイオン
ビーム側に拡散して出射する。また、上記プラズマ内の
電子は上記放電室の電子出射孔部に設けた電界に引かれ
てイオンビーム側に出射する。

【００１１】また、上記ファラデーケージ内のイオンビ
ームと同軸方向の磁場はその内部に供給されたプラズマ
を閉じ込め、イオンビーム電流やターゲットの帯電電位
がプラズマにより影響を受けることを防止する。また、
上記イオンビーム電流やターゲットの帯電電位をマイク
ロ波源にフィードバックしてマイクロ波出力を制御する
ことにより、上記イオンビームの中性化が自動的に行な
われる。また、ファラデーケージ外壁に設けた多極ライ
ンカスプ磁場はプラズマ損失を低減する。

【００１２】また、上記放電室に連結した排気装置はプ
ラズマ化されなかったソ−スガスを放電室内磁場に対し
て直角方向に排気するので、イオンビ−ム装置にはプラ
ズマのみが放出されその真空度低下やタ−ゲットの汚染
等を防止する。また、上記プラズマ発生源を上記イオン
ビーム装置の試料台より見えない方向に配置することに
より、汚染物質が放電室からイオンビーム装置側に洩れ
出る危険性を低減する。また、上記ソ−スガスに高純度
不活性ガスを用いることにより、プラズマ内の正イオン
とイオンビームの衝突によりエネルギーを得たプラズマ
イオンがターゲットに打込まれてターゲットを損傷する
危険性が低減される。

【０００１３】

【実施例】本発明では、マイクロ波プラズマ、または
マイクロ波プラズマから引き出した電子によりイオン
ビームを中性化する。まず、図８により本発明の適用例
を説明し、次いで上記およびの方法を図１〜７を用
いて順次説明する。図８は例えば特願昭６３−２３９３
１０号公報に記載のイオン打込装置に、本発明のイオン
ビーム中性化装置を適用した場合であり、エッチング装
置やスパッタリング装置等へ適用することもできる。

【０００１４】イオン源３０から放出され加速されたイ
オンビーム３１は電磁石３２内の分析管３３にて質量分
離され、必要なイオンのみが質量分離スリット３４を通
り抜けて打込室３５内の回転円板３６上のウェハ２７に
打込まれる。本発明のイオンビーム中性化装置２８は、
半導体ウェハ２７の直前に設けられ、マイクロ波プラ
ズマ、またはマイクロ波プラズマから引き出した電子
によりイオンビーム２９を中性化してウェハ２７の帯電
を抑制する。

【０００１５】図１は上記マイクロ波プラズマによる本
発明のイオンビーム中性化装置実施例の部分断面図であ
る。図１において、プラテン１上に装着された試料、ワ
−ク（例えば半導体ウェハ）２にイオンビーム３が照射
され、イオン打込み、エッチング、スパッタリング等の
処理がなされる。

【０００１６】イオンビーム３にはプラズマ源４からプ
ラズマ１６が供給され、その中に含まれる高密度の低エ
ネルギー電子がイオンビーム３を中性化する。ワーク２
には上記中性化されたイオンビームが照射されるのでワ
ーク２が帯電により破損されることが防止される。プラ
ズマ源４の放電室５にはソースガス制御装置９よりソー
スガスが供給され、また、ソレノイドコイル１１により
形成される磁場と、マイクロ波６の照射により上記ソー
スガスは電子サイクロトロン共鳴状態となり高密度のプ
ラズマ１４が形成される。

【０００１７】プラズマ１４は放電室５のプラズマ出射
孔１５より出射してプラズマ１６となる。プラズマ１６
は電界により加速されることがないので、その中に含ま
れる電子のエネルギは例えば数ｅＶ以下という低レベル
になり、イオンビーム３を効果的に中性化する。また、
プラズマ１６中ではソースガスの正イオン量と上記電子
による空間電荷量が略釣り合うので、電子間の反発力に
よる電子の拡散が抑止されプラズマをイオンビーム３の
照射範囲に閉じ込めることができる。

【０００１８】また未だよく解明されてはいないもの
の、上記ソースガスの正イオンによりワ−ク２が汚染さ
れる懸念が存在する。代表的なワ−ク２である半導体ウ
エハに最も大きな損傷を与えるのは重金属類である。し
たがって、本発明では上記ソースガスに重金属成分を含
まないもの、例えば高純度の不活性ガスを用いるように
する。さらに、放電室５をボロンナイトライト材等の上
記重金属成分を含まない材料により構成し、放電室５か
らの重金属放出を防止する。また、ワーク２はプラズマ
源が見えない位置に置くようにし、放電室５からの予期
せぬ重金属がワーク２に到達しにくいようにしている。

【０００１９】マイクロ波６はマイクロ波電源７により
発生され導波管８や同軸ケーブル等により放電室５内に
導かれる。また、上記磁場はソレノイドコイル１１をコ
イル電源１２により励磁したり、また、永久磁石により
マイクロ波６の進行方向に形成される。マイクロ波６に
より電離されたソースガスの電子は上記磁場によりＥＣ
Ｒ（Electron Cyclotron Resonance)を発生し、電離を
促進する。このため、例えばマイクロ波６の周波数を
２.４５ＧＨｚ、放電室５内磁場を略８７５ガウスに設
定する。

【０００２０】図２は上記図１の放電室５内のプラズマ
１４から電子のみを取り出すようにした本発明実施例の
部分断面図である。図２においては、図１におけるプラ
ズマ出射孔１５を格子状に電子出射孔１５１に替え、さ
らに、もう一つの格子状に電子出射孔１５２を設けて両
者の間に電界を形成して電子をイオンビーム３の方向に
引きだすようにしている。図２の構成により、イオンビ
ーム３には電子１６１のみが供給されるので、上記ソー
スガスの正イオンによるワ−ク２汚染の懸念は解消され
る。また、上記電子出射孔１５１と同１５２間の電界を
調整することにより供給される電子１６１のエネルギレ
ベルを自由に設定できるという利点が得られる。

【０００２１】図３および図４はそれぞれ図１および図
２の装置にファラデーケージ１７を組合せ、イオンビー
ム電流を計測すると同時に、イオンビーム電流をマイク
ロ波電源７にフィ−ドバックしてプラズマ１６や電子１
６１の量を制御するようにした本発明の他の実施例の構
成図である。便宜上、図３と図４に関する説明を並行し
て進めるようにする。

【０００２２】図３においては、プラズマ１６はプラズ
マ出射孔１５と連結されたファラデーケージ１７のプラ
ズマ導入孔よりイオンビーム３内に導入される。また図
４においては、電子１６１がファラデーケージ１７の格
子部よりイオンビーム３内に導入される。図４では上記
ファラデーケージ１７の格子部が図２の電子出射孔１５
２を兼ねている。

【０００２３】ファラデーケージ１７内にイオンビーム
３と同軸方向の磁場を形成するために、その外周部に永
久磁石２２とその磁路２１を設け、プラズマ１６や電子
１６１をイオンビーム照射空間内に閉じ込めるようす
る。なお、ファラデーゲージ１７の外周部に多極ライン
カスプ磁場を形成してプラズマ１６や電子１６１の損失
を抑えることができる。

【０００２４】また、イオンビーム３の導入部には負電
圧を印加したサプレッサ電極１８を設け、イオンビーム
３内に含まれる電子が入射されることを阻止するように
する。なお、サプレッサ電極１８の上部に設けた接地電
極２０は、イオンビーム３を制限すると同時にサプレッ
サ電極１８へイオンビーム３が照射されることを防止す
る。

【０００２５】原理的に放電室５内で作られたプラズマ
による電流は放電室５とワーク２間で形成される電流路
を流れるので、電流計２３により検出することができ
る。なお、イオンビーム３による電流成分も上記電流計
２３を通過し、このイオンビーム電流と上記プラズマ電
流互いに逆向きになるので、イオンビーム電流がプラズ
マ内の電子により完全に中和されているときには電流計
２３の指示値はゼロになる。また、上記イオンビーム電
流は図示のように電流計２４により分離して検出するこ
とができる。

【０００２６】したがって本発明では、電流計２３の出
力をマイクロ波電源７へフィードバックして電流計２３
の出力がゼロになるようにプラズマ１６の密度を制御す
ることにより、イオンビームを完全に中性化することが
できる。また実際には目的や装置の特性に応じて、上記
電流計２３の出力を上記ゼロから適宜ずらせることも行
なわれる。

【０００２７】一般的に上記ソースガスの電離は前述の
ＥＣＲを利用して行なわれるので、このときに得られる
上記プラズマ密度はマイクロ波強度と磁界強度の双方に
比例する。したがって、電流計２３の指示値を上記磁界
強度にフィードバックしても同様の効果が得られるよう
に思われるが、磁界強度の制御に応じてＥＣＲの共振周
波数も敏感に変化し動作が不安定になるという問題が発
生する。すなわち、共振周波数の上側と下側では共振特
性の勾配（利得）が反転し、例えば上側で安定であれば
下側では不安定になるので、共振周波数近傍で十分なフ
ィードバックを施すことができない。これに対して、電
流計２３の出力をマイクロ波電源７へフィードバックす
る場合には共振周波数の変動が少ないので安定な動作を
得ることができるのである。

【０００２８】図５は上記電流計２３の出力の代わりに
ワ−ク２の表面電位をマイクロ波電源７へフィードバッ
クする場合であり、ワ−ク２が半導体ウエハの場合等に
適用することができる。一般に半導体ウエハの表面には
酸化シリコン膜等により絶縁された素子領域が存在する
ので、この部分がイオンビ−ム照射により帯電する。イ
オンビ−ム３が完全に中和されている場合には上記帯電
量はゼロになる。したがってウエハの表面電位を検出し
てマイクロ波電源７へフィードバックすることにより、
同様にイオンビームを完全に中性化することができる。

【０００２９】図５において、回転円板４０を回転して
その上に載置された複数のウエハ４１を順次イオンビ−
ム３の照射位置に移動する。イオンビ−ム３の照射が完
了したウエハ４１は電位計４２により表面電位を検出さ
れ、マイクロ波電源にフィードバックされる。

【０００３０】図６および図７は、上記図１〜５の装置
をさらに改良する本発明実施例の断面図である。図１〜
５においては放電室５から供給されるプラズマ１６内に
若干のプラズマ化されなかった生ガスが混入し、これが
ワ−ク２に付着して有害な汚染の原因になることがあ
る。図６と図７においては、上記プラズマ化されなかっ
た生ガスを排気管２６を経由して排気装置２７により排
気する。この際、プラズマ１４はソレノイドコイル１
１、２５により形成される磁場内に閉じかめられるので
プラズマ化されなかった生ガスのみが排気される。

【０００３１】

【発明の効果】本発明の効果を要約すると次ぎのように
なる。 （１）イオンビームの中性化に必要な電子を電子サイク
ロトロン共鳴を利用したプラズマより取り出すので、電
子を安定に供給することができる。 （２）上記プラズマ中では、電子とイオンの共存して互
いの空間電荷を相殺するので、高密度の低エネルギー電
子を供給してイオンビームを効率的に中性化することが
できる。

【０００３２】（３）電子のエネルギーが高々数ｅＶと
十分低いので、半導体ウェハ等の耐電圧の低いワークを
損傷させる危険が少ない。 （４）従来装置のようにフィラメントを用いた電子源を
用いないので、フィラメントにより半導体ウエハ等のワ
−クが汚染されることがなく、また、フィラメント交換
が不必要になるので装置を長寿命化し、クリーンにし、
メインテナンスフリ−にすることができる。 （５）プラズマのソースガスとして高純度の不活性ガス
を用いるので、ソ−スガスによる汚染、とくに重金属汚
染を防止することができる。

【０００３３】（６）プラズマ源をファラデーケージと
組合せることによりイオンビームを正確に計測すること
ができる。 （７）ワークに流入する電流値、またはワークの帯電電
位をマイクロ波電源にフィードバックすることにより、
イオンビームを自動的に完全に中和することができる。 （８）ファラデーケージ内に適当な磁場を設けることに
より、プラズマ、または電子をワ−ク上に閉じ込めるこ
とができる。 （９）プラズマ源の放電室より生ガスを排気すれことに
よにり、生ガスがワ−ク側に洩れ出ることを防止してワ
−クの汚染を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明におけるプラズマによりイオンビームを
中性化する装置の実施例の構成図である

【図２】本発明におけるプラズマ内の電子によりイオン
ビームを中性化する装置の実施例の構成図である。

【図３】図１の装置をイオンビーム電流計測用ファラデ
ーケージと組合せた本発明実施例の断面図である。

【図４】図２の装置をイオンビーム電流計測用ファラデ
ーケージと組合せた本発明実施例の断面図である。

【図５】図２の装置に半導体ウエハの表面電位計を設け
た本発明実施例の断面図である。

【図６】図１の装置にプラズマ内の生ガス排気装置を設
けた本発明実施例の断面図である。

【図７】図２の装置にプラズマ内の生ガス排気装置を設
けた本発明実施例の断面図である。

【図８】本発明によるイオンビーム中性化装置のイオン
打込装置への適用例を示す断面図である。

【符号の説明】

１ プラテン ２ ワーク（ウェハ等） ３、３１ イオンビーム ４ プラズマ源 ５ 放電室 ６ マイクロ波 ７ マイクロ波電源 ８ 導波管 ９ ソ−スガス源 １１、２５ ソレノイドコイル １２ コイル電源 １４，１６ プラズマ １５ プラズマ出射孔 １５１、１５２ 電子出射孔 １７ ファラデ−ケ−ジ １８ サプレッサ電極 ２０ 接地電極 ２１ 磁路 ２２ 永久磁石 ２３、２４ 電流計 ２６ 排気管 ２７ 排気装置 ３０ イオン源 ３２ 電磁石 ３３ 分析管 ３４ 質量分離スリット ３５ 打込室 ３６、４０ 回転円板 ４１ 半導体ウエハ ４２ 表面電位計

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 イオンビーム装置のイオンビーム中性化
   装置において、マイクロ波放電によりソ−スガスをプラ
   ズマ化するプラズマ発生源と、上記プラズマ発生源のプ
   ラズマを上記イオンビーム装置に供給する手段とを備え
   たことを特徴とするイオンビーム中性化装置。
2. 【請求項２】 請求項１において、プラズマ出射孔を備
   えた放電室と、上記放電室にソ−スガスを供給する手段
   と、上記放電室にマイクロ波を導入する手段と、上記放
   電室内に上記プラズマの出射方向と同軸方向に磁界を発
   生する手段とにより、上記プラズマ発生源を構成するよ
   うにしたことを特徴とするイオンビーム中性化装置。
3. 【請求項３】 イオンビーム装置のイオンビーム中性化
   装置において、マイクロ波放電によりソ−スガスをプラ
   ズマ化するプラズマ発生源と、上記プラズマ発生源内の
   電子を上記イオンビーム装置に供給する手段とを備えた
   ことを特徴とするイオンビーム中性化装置。
4. 【請求項４】 請求項３において、電子出射孔を備えた
   放電室と、上記放電室にソ−スガスを供給する手段と、
   上記放電室にマイクロ波を導入する手段と、上記放電室
   内に上記電子の出射方向と同軸方向に磁界を発生する手
   段とにより、上記プラズマ発生源を構成するようにした
   ことを特徴とするイオンビーム中性化装置。
5. 【請求項５】 請求項４において、上記放電室の電子出
   射孔の前部に第２の電子出射孔を設け、さらに上記放電
   室の電子出射孔と第２の電子出射孔間に上記電子の加速
   電界を印加する手段を設けたことを特徴とするイオンビ
   ーム中性化装置。
6. 【請求項６】 請求項１ないし５のいずれかにおいて、
   上記イオンビーム装置の試料台に流れるイオンビーム電
   流を計測する電流計と、上記電流計の出力により上記マ
   イクロ波の発生手段を制御する手段を設けたことを特徴
   とするイオンビーム中性化装置。
7. 【請求項７】 請求項１ないし５のいずれかにおいて、
   上記イオンビーム装置の試料台に載置した試料の表面電
   位を計測する電位計と、上記電位計の出力により上記マ
   イクロ波の発生手段を制御する手段を設けたことを特徴
   とするイオンビーム中性化装置。
8. 【請求項８】 請求項６または７において、上記イオン
   ビーム装置の試料に対するイオン照射部にファラデーケ
   ージを設け、前記プラズマが上記イオンビーム電流また
   は同電位に対して影響しないようにしたことを特徴とす
   るイオンビーム中性化装置。
9. 【請求項９】 請求項８において、上記ファラデーケー
   ジに上記イオンビームと同軸方向に磁界を発生する手段
   を設けたことを特徴とするイオンビーム中性化装置。
10. 【請求項１０】 請求項８において、上記ファラデーケ
    ージに多極ラインカスプ磁場装置を設けたことを特徴と
    するイオンビーム中性化装置。
11. 【請求項１１】 請求項２ないし１０のいずれかにおい
    て、上記放電室に連結された排気装置を設けたことを特
    徴とするイオンビーム中性化装置。
12. 【請求項１２】 請求項１ないし１１のいずれかにおい
    て、上記プラズマ発生源を上記イオンビーム装置の試料
    台より見えない方向に配置するようにしたことを特徴と
    するイオンビーム中性化装置。
13. 【請求項１３】 請求項１ないし１２のいずれかにおい
    て、上記ソ−スガスを高純度不活性ガスとしたことを特
    徴とするイオンビーム中性化装置。