JPH0564407B2 - - Google Patents

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JPH0564407B2
JPH0564407B2 JP60214627A JP21462785A JPH0564407B2 JP H0564407 B2 JPH0564407 B2 JP H0564407B2 JP 60214627 A JP60214627 A JP 60214627A JP 21462785 A JP21462785 A JP 21462785A JP H0564407 B2 JPH0564407 B2 JP H0564407B2
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plasma
generation chamber
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plasma generation
chamber
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    • H01J37/02—Details
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    • H01J37/08—Ion sources; Ion guns

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  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明はイオンビームを生成するイオン源の改
良に関する。
〔発明の背景〕
近年、微細化を要求される機能性薄膜ま半導体
や生成および加工を行なうエツチング装置やスパ
ツタ装置にイオンビームを用いることが多くなつ
てきた。
このようなイオンビームを生成するイオン源に
は、フイラメントからの熱電子放出によつてアー
ク放電を維持し所望のガスのプラズマを作るもの
が多い。しかし、エツチング等の用途には反応性
の強いガスのプラズマを生成する必要があるた
め、フイラメントの消耗が激しく頻繁にフイラメ
ントを交換しなければならなかつた。
この問題点を除くには、高周波放電やマイクロ
波放電を用いてプラズマを作ることにより、フイ
ラメントを無くすことが必要で、これによりイオ
ン源を長時間稼働させることができる。
高周波放電を用いたイオン源については、古く
から研究か行なわれており、例えば「エネルギー
アノマリーズ オブザーブド イン イオン ビ
ーム プロデユースド バイ アールエフ ソー
シーズ（Energy Anomalies observed in Ion
Bean Produced by rf Sources）」〔シージエー
コツク その他、レビユー オブ サイエンテ
イフイツク インストルメンツ （C.J.Cook et.
al.、Rev.Sci.Instrum.）25、1962〕で報告されて
いる。この報告にもあるように、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
ギは、引き出し電位よりも数100eVも高くなり
〔エスセスエネルギー（excess energy）と呼ば
れる〕、エネルギー幅もかなり大きいことが知ら
れている。
一方、本発明者等の実験によれば、上述のよう
な高周波放電によるプラズマから1KeV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つて生成したプ
ラズマから引き出す場合に比べて、引き出せるイ
オンビームの量が少なくなる。
またマイクロ波を用いたイオン源については、
例えば、「マイクロウエーブ イオン ソース
（Mierowave Ion Source）」〔エヌ サクドーそ
の他、レビユー オブ サイエンテイフイツクイ
ンストルメンツ（N.Sakudo、et.al.、Rev.Sci.
Instrum.）Vol.48、No.７，July、1977〕で詳しく
説明されている。このイオン源はエネルギ幅が小
さく、高周波放電を用いたイオン源で見られた過
剰エネルギも無いため、質量分離を行なうイオン
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については必ずしも均
一性は良くない。エツチング用途として数100eV
程度のイオンビームを引き出すとき、プラズマ密
度の分布にほぼ比例したイオンビーム強度の分布
となるため、同イオン源を用いたエツチング装置
では、大面積にわたつて均一なエツチング速度を
得るのが難しい。また大口径のビームを得るため
には、プラズマ生成室を大きくすることも考えら
れるが、そのような場合、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ツチングを
とる必要があり、導波管や生成室の寸法を決める
のに制約があり、また磁界を発生させる円筒オイ
ルの大きさにも実用上の制約がある。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、大面積のイオンビームを引き
出すことのできるイオン源を提供するにある。
〔発明の概要〕
本発明は、高周波放電あるいはマイクロ波放電
によつて生成されたプラズマが、磁気的手段によ
つて壁から離れた所で維持されるプラズマ拡張室
を、プラズマ生成室のイオンビーム引き出し側に
形成したことを特徴とする。
〔発明の実施例〕
以下本発明の実施例を図面によつて説明する。
第１図はイオン源の縦断面図で、プラズマ生成
室１は円筒状のプラズマ生成室側壁１５と上端を
封じているバツクプレート２１で形成されてい
る。このプラズマ生成室１下方に形成したプラズ
マ拡張室２は、上端がプラズマ生成室１に連結さ
れ、円筒状の拡張室側壁１６とビーム引き出し電
極４からなる。このプラズマ拡張室２の下方に
は、絶縁物９を介して真空容器１７が連結されて
いる。これら全体は、真空容器１７の排気口１８
から排気されて内部が真空に成されている。
プラズマ生成室１内には、絶縁物９を介してバ
ツクプレート２１へ永久磁石１０が固定されてお
り、第２図に示すよう複数個配置した永久磁石１
０はカプス磁界１９を形成し、これによつてプラ
ズマ領域２０を形成している。これら永久磁石１
０の背後には、絶縁物９によつてプラズマ生成室
側壁１５へ支持した３ターンの高周波コイル１１
が配置されている。バツクプレート２１を電気的
に絶縁した状態で機密に貫通した導入端子１２に
は高周波電力が供給される。またバツクプレート
２１にはガス導入口８があり、ここからガスが導
入される。
一方、プラズマ拡張室側壁１６の外周には、第
３図に示すようにカスプ磁界１９を生じさせる永
久磁石１０が配置され、プラズマ領域２０が形成
されている。このプラズマ領域２０は第２のプラ
ズマ領域２０より大きな面積となつている。
真空容器１７内には、水冷されながら自転して
いるホルダ６があり、このホルダ６上に被加工物
５が配置されている。
プラズマ生成室１を５×10-6Torr程度の真空
に排気した後、ガス導入口８から反応性ガスを供
給し、真空容器１７側で１×10-4〜５×
10-4Torr程度の真空にする。次いで、プラズマ
生成室１内の図示を省略した放電ギヤツプを放電
させながら高周波コイル１１に13.56MHzの高周
波電力を加え、プラズマ生成室１に反応性ガスの
プラズマを生成する。プラズマが安定すれば放電
ギヤツプの放電は必要ない。このようにして生成
されたプラズマは、プラズマ生成室側壁１５に向
かつて拡散しようとするが、永久磁石１０による
カプス磁界１９によつてプラズマ生成室１の中央
のプラズマ領域２０に制限される。このため高周
波コイル１１で絶縁破壊を起こすこともなく高密
度のプラズマが得られる。第１図の装置によつて
O2ガスのプラズマを生成したところ、プラズマ
中のイオン密度は約１×1011（cm-3）となり、そ
こから直接500eVのO2イオンビームを退き出した
ところ、0.65ｍＡ／cm2のイオンビーム電流密度が
得られた。この値は、アーク放電を用いたイオン
源の場合とほぼ同じであるが、プラズマ中のイオ
ン密度は約３倍に達している。高周波放電を用い
たイオン源において、高密度のプラズマが生成さ
れながら十分なイオンビームの引き出しができな
い理由は、次のように考えられる。
つまり、第１１図はプラズマ生成室１での単位
面積当りの各エネルギーのイオンの個数を示して
おり、同図イのようにイオンの平均エネルギーが
高いばかりでなくエネルギー幅も数100eVに達し
ている。500〜800eV程度の比較的低いエネルギ
ーのイオンを引き出す場合は、ある程度以上の高
いエネルギーのイオンを引き出すことができな
い。
そこで第１図に示すように、プラズマ生成室１
の下方にプラズマ拡散室２を形成しているが、こ
の例では後者は前者の５倍の体積を有している。
このプラズマ拡散室２は、プラズマ生成室１で生
成されて拡散するプラズマを膨張させるためのも
のである。従つて、プラズマ生成室１内のプラズ
マは急速にプラズマ拡張室２へ拡散し、プラズマ
中のイオンのエネルギー分布は第１１のロに示す
ように、エネルギーの平均値もエネルギー幅も共
にイより小さくなつている。
この現象は、気体の断熱膨張との類推で考える
と理解し易い。拡張室２でのプラズマのイオン密
度は従来の1/8程度に下つたが、引き出されない
高エネルギーのイオンが減つたため、プラズマ拡
張室２が無い場合の約２倍のイオンビーム７を引
き出すことができた。尚、プラズマ拡張室２で
は、永久磁石１０の作るカスプ磁界１９によつて
プラズマを閉じ込めているため、プラズマ拡張室
側壁１６でのプラズマの消失は、プラズマ生成室
１から拡散して来る量の５〜10％にとどまつてい
る。
本実施例によれば、高周波数放電で生成される
プラズマ中のイオンのエネルギーをプラズマ拡張
室２で減少させることにより、プラズマを拡張さ
せない場合では引き出せなかつたプラズマ生成室
１の高エネルギーイオンでもプラズマ拡張室２で
引き出すことができ、大面積のイオンビームを得
ると共に効率良くイオンビームを引き出すことが
できる。
第４図は本発明の他の実施例によるイオン源を
示す縦断面図である。
この実施例はプラズマ生成室１でのプラズマ生
成法が先の例と異なる。プラズマ生成室側壁１５
の外周には円筒コイル１４が配置され、円筒の軸
方向に直流の磁界が印加される。
先の例と同様に、真空にしたプラズマ生成室１
へ導入口８から反応性ガスを導入すると共に、導
波管１３を通じて2.45GHzのマイクロ波を注入す
る。印加する磁界の強度は、発生するプラズマの
電子サイクロトロン共鳴（ECR）の周波数が注
入するマイクロ波の周波数にほぼ等しくなるよう
に設定するか、あるは印加する磁界強度を高めに
設定する。上述したようにプラズマとマイクロ波
の共鳴現象を利用して、導入ガスを電離して高密
度のプラズマを生成する。例えばO2ガスを導入
した場合、0.5〜1.0×1012（cm-3）のプラズマ密度
が得られたが、プラズマ密度の均一性については
第１２図に一例を示すように必ずしも良くない。
プラズマ生成室１から直接イオンビームを引き出
すと、引き出されたイオンビームの強度分布にも
不均一性を生じてしまうので、第１図の実施例と
同様にプラズマ拡散室２を形成した。この結果、
プラズマの拡散によりプラズマ拡張室２でのプラ
ズマ密度分布は、第１３図に示すように相当均一
になり、そこから引き出されるイオンビーム強度
分布も広い面積にわたつて均一となる。尚、プラ
ズマ拡張室２おけるプラズマ損失は、先の実施例
と同じ理由で小さい。
この実施例によれば、プラズマ生成室１でのプ
ラズマ密度の不均一をプラズマ拡張室２を形成す
ることによつて均一化でき、広い面積にわたつて
均一な強度のイオンビームを引き出せる効果があ
る。
第５図および第６図は第４図の−線断面図
および−線断面図で、第６図の永久磁石１０
によつて先の実施例と同様にカスプ磁石１９を形
成しているが、いずれの実施例においてもプラズ
マ拡散室２の径が小さい場合は、円筒コイルを用
いることもでき、結局、プラズマ拡散室側壁１６
からプラズマを離す磁気的手段があれば良い。
第７図は高周波放電によつて更に大面積のイオ
ンビームを引き出すようにしたイオン源を示して
いる。第８図から分かるようにプラズマ生成室１
のプラズマ領域より大面積のプラズマ領域を有す
るドーナツ状円筒形のプラズマ拡散室２は内外周
にカスプ磁界を生ずる永久磁石１０多数配置して
いる。プラズマ拡張室２のほぼ対称な位置に２個
のプラズマ生成室１を構成している。第１図の実
施例で説明したのと同じ機構によつてプラズマ生
成室１にはドーナツ状のプラズマが生成される。
イオンビーム引き出し電極４に所定の電位を与え
ることにより、このプラズマから中空のイオンビ
ーム７を引き出すことができる。
本実施例によれば、直径800mm程度のイオンビ
ームを引き出すことができ、直径４インチの被加
工物を16個一度にエツチングすることができる。
尚、この実施例では２個のプラズマ生成室１を設
けたが、その数を増やすことも可能であり、その
場合、プラズマ拡張室２におけるプラズマ密度の
均一性は向上する。
第９図に示すイオン源は、マイクロ波放電によ
るプラズマ生成において、第７図と同じ考えを適
用したものであり、同等物に同一符号をつけ詳細
な説明を省略する。
この例でもプラズマ拡張室２をドーナツ状円筒
形にしてプラズマ領域２０の面積を大きくし、そ
の内側と外側に図示の如くカスプ磁界用の永久磁
石１０を配置している。プラズマ生成室１は、こ
のプラズマ拡張室２上に対称に形成されている。
この実施例によれば、第４図の実施例と同様に
大面積のイオンビームを均一な強度で引き出すこ
とができる。
上述した各実施例において、導入ガスは反応性
ガスを用いたが、不活性ガスであつても良い。
〔発明の効果〕
以上説明したように本発明は、プラズマ生成室
のイオンビーム引き出し側に、磁気的手段によつ
てプラズマを壁から引き離すプラズマ拡張室を設
けたため、高周波放電によつてプラズマを生成す
るイオン源では、イオンエネルギーを減少させて
効率良く、また大面積のイオンビームを引き出す
ことができる。またマイクロ波放電によつてプラ
ズマを生成するイオン源にあつては、同じ構成に
よつて、大面積で均一な強度のイオンビームを引
き出すことができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の一実施例によるイオン源の縦
断面図、第２図および第３図は第１図の−線
断面図および−線断面図、第４図は本発明の
他の実施例によるイオン源の縦断面図、第５図お
よび第６図は第４図の−線断面図および−
線断面図、第７図は本発明の更に異なる実施例
によるイオン源の縦断面図、第８図は第７図の平
面図、第９図は本発明の更に異なる実施例による
イオン源の縦断面図、第１０図は第９図の平面
図、第１１図はエネルギー別のイオン個数を示す
特性図、第１２図および第１３図はプラズマ密度
分布を示す特性図である。 １……プラズマ生成室、２……プラズマ拡張
室、４……ビーム引き出し電極、８……ガス導入
口、１０……永久磁石、２０……プラズマ領域。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 第１の磁気的手段によつてプラズマ領域を制
    限したプラズマ生成室へ導入ガスを供給し、高周
    波放電によつて上記プラズマ生成室内にプラズマ
    を生成し、上記プラズマ生成室からビーム引き出
    し手段によつてイオンビームを引き出すように構
    成したイオン源において、上記プラズマ生成室の
    上記ビーム引き出し手段側にプラズマ拡張室を形
    成し、第２の磁気的手段によつて上記プラズマ拡
    張室内に上記プラズマ領域より大きな面積のプラ
    ズマ領域を形成したことを特徴とするイオン源。 ２ 上記特許請求の範囲第１項記載のものにおい
    て、上記高周波放電は、上記プリズマ領域外の上
    記プリズマ生成室内に配置した高周波コイルへ高
    周波電力を供給して生じさせるようにしたことを
    特徴とするイオン源。 ３ 第１の磁気的手段によつてプラズマ領域を制
    限したプラズマ生成室へ導入ガスを供給し、マイ
    クロ波放電によつて上記プラズマ生成室内にプラ
    ズマを生成し、上記プラズマ生成室からビーム引
    き出し手段によつてイオンビームを引き出すよう
    構成したイオン源において、上記プラズマ生成室
    の上記ビーム引き出し手段側にプラズマ拡張室を
    形成し、第２の磁気的手段によつて上記プラズマ
    拡張室内に上記プラズマ領域より大きな面積のプ
    ラズマ領域を形成したことを特徴とするイオン
    源。
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