JPH0644007Y2 - イオン処理装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 （ア）技術分野 この考案はマイクロ波と磁界とを用いてプラズマを発生
させ、これをイオンビームとして取り出すイオン源に於
て、イオンビーム電流の均一性を高める事のできるイオ
ン処理装置に関する。

（イ）従来技術 第４図に従来例にかかるECR型イオン源の略構成図を示
す。

円筒形のイオン源チヤンバ１の周囲にコイル２がある。
コイル２によりイオン源チヤンバ１の軸方向に磁場Ｂが
生ずる。マイクロ波発振器５から生じたマイクロ波が導
波管３を伝搬し、誘電体３を通つてイオン源チヤンバ１
の中へ入る。

イオン源チヤンバ１はいつたん真空に引かれた後、ガス
導入系９からイオン化すべきガスが導入される。

磁場Ｂによつて、電子はqB/2πｍの周波数のサイクロト
ロン運動をする。これをサイクロトロン周波数という。
これとマイクロ波の周波数とをほぼ等しくしておく。

すると、電子は共鳴してマイクロ波からエネルギーを吸
収でき、運動エネルギーを得る。この電子がガス分子に
衝突し、プラズマを作る。プラズマ中の電子は同じよう
な運動をして、他の分子を励起する。

こうして、フイラメントなどがないのに、プラズマを作
る事ができる。熱陰極を用いないから、ECR型イオン源
は長寿命である。

プラズマは、引出電極７によつて引出されてイオンビー
ムとなる。イオン源は、反応性イオンビームエツチング
（RIBE）、CVD、イオンインプランテーシヨン、イオン
蒸着など多くの用途を持つている。

（ウ）考案が解決しようとする問題点 コイル２には、直流電流６により、一定の直流が流れて
いる。第５図に電流値を示すが、Ｉ＝I_cで一定である。
当然、磁界は時間的に変動しない。

電子のサイクロトロン周波数f_sと、マイクロ波の周波数
f_mとを同一にすると、共鳴吸収が起る。

ところが、f_mは一つの値であるが、f_sは空間的に変動
し、ひとつの値ではない。場所により磁束密度Ｂが異な
るからである。

円筒形の空心コイルに電流を流すと、内部に磁場が生ず
る。コイルの直径をＤ、長さをＬとし、細長比をL/Dで
定義する。

細長比L/Dが無限大であれば、コイルの内部の磁束密度
は一定で、μ₀nIで与えられる。μ₀は真空の透磁率、ｎ
は単位長さあたりの巻き数、Ｉはコイル電流である。こ
れをB₀と書く。

ところが、L/Dが小さい時、コイル内部の磁束密度Ｂは
一様でない。コイル中心を原点とした円筒座標を（ｒ、
θ、ｚ）で定義すると、Ｂはｒとｚの函数Ｂ（ｒ、ｚ）
となる。

コイルの半径をａとする。2a＝Ｌである。

コイルの内壁ｒａでは、ＢはほぼB₀に等しくなる。

ところが、中心部ｒ０では、Ｂはもつと小さくなる。
これは、コイルを見込む立体角が減少するからである。

ｚ方向にも変化する。コイルの中心でｚ＝０とする。ｚ
＝０でＢは最も大きい。|z|の値が増大するに従つてＢ
は小さくなつてゆく。

このようにＢは（ｒ、ｚ）により変化し、一定の値では
ない。

L/Dを無限大にするという事は、直径Ｄを狭くするとい
う事である。こうするとチヤンバが狭くなり役に立たな
い。

実際、細長比L/Dはかなり小さい。たとえば、Ｄが315m
m、Ｌが175mmのコイルを使う。このようにL/Dが小さい
と、Ｂの空間的不均一性は著しい。

サイクロトロン共鳴はf_s＝f_mとなつて起こるのである。
このような領域を共鳴領域と呼ぶことにする。共鳴領域
はコイルの内部の僅かな部分だけである。大部分は非共
鳴領域なのである。

多くの場合、中心軸線上（ｒ＝０）で、中心近傍（ｚ
０）の磁束密度がf_s＝f_mを満たすようにしている。

すると、共鳴領域が中心近傍のみに存在するということ
になる。周辺部は非共鳴領域である。

プラズマの生成は電子のエネルギー吸収に比例するの
で、中心部のみプラズマ生成密度が高くなる。

このような不均一なプラズマを引出電極７によつて引出
し、イオンビームとするが、このイオンビームは中心で
高密度、周辺で低密度となる。

このような不均一なビームを使うと、イオン処理が不均
一になつてしまう。対象となる試料基板が大面積である
とき、これは重大な問題となる。

（エ）目的 マイクロ波と磁場とを用いたイオン源に於て、共鳴領域
を時間的に移動させる事によつて、イオン源チヤンバ内
でのプラズマ生成密度を均一にできるものを提供するこ
とが本考案の目的である。

（オ）構成 コイルの長さが有限であるので、イオン源チヤンバ１の
内部での磁場強度は、第６図に示すように、ア、イ、
ウ、エ、オの順に大きいようにする。

たとえば、ウを共鳴領域にするような磁場を考えると、
アに於ては磁場は大きくなりすぎる。つまりf_s＞f_mであ
る。コイル電流をより小さくすると、アを共鳴領域とす
ることができる。

反対に、オにおいては磁場が小さすぎ、f_s＜f_mである。
コイル電流をより大きくすると、オを共鳴領域とするこ
とができる。

そこで、本考案においては、コイル電流を周期的に増減
して、ア〜オの全ての領域が、継続的に、共鳴領域にな
るようにする。

第１図は本考案のイオン処理装置の概略構成図である。

イオン源チヤンバ１は円筒形の空間であつて、真空排気
装置（図示せず）によつて真空に引くことができる。ま
た、イオンにすべきガスをガス導入系９から内部へ導入
し、これをプラズマとする。

コイル２は、イオン源チヤンバ１の外周に設けられ軸方
向に共鳴用の磁力線８を生ずる。

コイル２の電流Ｉは一定電流I_cと変動電流I_dsin（Ω
ｔ）との和よりなる。この点が従来の構成と異なつてい
る。

このため、コイル電源は直流電源６とバイアス電源10を
直列につないだものになつている。

マイクロ波発振器５は、例えば2.45GHzのマイクロ波を
生ずる。このマイクロ波は導波管３を伝搬し、誘電体４
を通つてイオン源チヤンバ１の中へ導入される。電子は
サイクロトロン運動しマイクロ波を吸収して加速され
る。

イオン源チヤンバ１の中で導入されたガス分子が、電子
との衝突によつて励起される。これはイオンと電子に分
離してプラズマとなる。電子はさらにマイクロ波と磁場
の作用で加速され、他のガス分子を励起してプラズマと
する。

生成したプラズマのうち、イオンは、引出電極７によつ
て引出される。

（カ）作用 コイル２の電流Ｉは、一定電流I_cと、変動電流I_dsinΩ
ｔの和であるので Ｉ＝I_c＋I_dsin（Ωｔ） （１） と書くことができる。第２図にコイル電流の波形を示
す。これはI_cの上下にΩ/2πの周波数で変動する電流を
示す。最小値をI_min、最大値をI_maxとすると、 I_min＝I_c−I_d （２） I_max＝I_c＋I_d （３） である。

たとえば、I_c＝174A、I_d＝25Aとすると、I_min＝149A、I
_max＝199Aとなる。

このように電流が変化すると、磁場Ｂも比例して変化す
る。第６図のように、ある電流に対し、磁場の強さがア
〜オのように弱くなつていく。すると、電流を弱くする
と共鳴領域はウ→イ→アと推移する。電流を強くする
と、共鳴領域はウ→エ→オと変化する。

このような変化を（１）式の１サイクルで２回行う事に
する。

第２図の電流波形のI_minからI_maxまで〜の点を取
る。

（１）電流値がにある時、電流は最小である。磁場Ｂ
も全体的に小さくなり、アの部分のみでf_s＝f_mとなる。
第３図にこのときの共鳴領域を示す。

（２）電流値がにある時、電流は最小値より少し大き
い。アの部分はＢが大きくなりすぎ、イの部分でf_s＝f_m
となる。第３図に示すようにイが共鳴領域になる。

（３）電流値がにある時、電流はIc近傍になる。ア、
イでは磁場Ｂが大きすぎ、エ、オでは小さすぎる。ウが
共鳴領域になる。

（４）電流値がさらに増大してにある時、エが共鳴領
域になる。

（５）電流値が最大値になり、にある時、オが共鳴領
域になる。

このように、第３図（１）〜（５）に示すように、電流
Ｉが増えるに従つて共鳴領域がア→オへと推移する。Ｉ
が減る時は、共鳴領域がオ→アへと推移する。

Ic、Idの値は、イオン源チヤンバの中で最も磁場の強く
なる所（ア）と、弱くなる所（オ）とがカバーできるよ
うに設定する。

バイアス電源10の変動の周波数Ω/2πは、処理時間が短
かいほど高くしなければならない。また、Ω/2πが高い
ほど、イオン処理の基板内での均一性が向上する。

たとえば、処理時間が10秒のイオン処理であれば、変動
周波数は20Hz以上にするのがよい。

プラズマ生成密度は、どの時刻においても不均一である
が、時間的に平均するとチヤンバ内でほぼ均一になる。

従つて、イオンビームも断面内でほぼ均一になる。

（キ）効果 イオン源チヤンバ内で、共鳴領域が時間的に推移するの
で、共鳴することによつて生ずるプラズマの密度がイオ
ン源チヤンバ内でほぼ均一になる。均一なプラズマから
イオンビームを引出した場合、これは均一な密度をもつ
イオンビームとなる。イオン処理の効果が試料基板内で
一様になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案のイオン処理装置の概略構成図。 第２図は本考案のイオン処理装置のコイル電流の時間的
な変化を示す波形図。 第３図は本考案のイオン処理装置のイオン源チヤンバ内
に於て共鳴領域が時間的に推移してゆくことを示す図。 第４図は従来例に係るイオン処理装置の概略構成図。 第５図は従来例のイオン処理装置のコイル電流波形図。 第６図はコイルによつて生ずるイオン源チヤンバ内の磁
場の強さの順序を説明するための図。 １……イオン源チヤンバ ２……コイル ３……導波管 ４……誘電体 ５……マイクロ波発振器 ６……直流電流 ７……引出電極 ８……磁力線 ９……ガス導入系 10……バイアス電源

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】真空に引く事ができガスを導入してこれを
   プラズマにする空間を与える円筒形のイオン源チヤンバ
   １と、イオン源チヤンバ１の円筒の外周に設けられ軸方
   向の磁場を生ずるコイル２と、前記磁場に対する電子の
   サイクロトロン周波数にほぼ等しい周波数のマイクロ波
   を生ずるマイクロ波発振器５と、マイクロ波をイオン源
   チヤンバ１へ導く導波管３と、導波管３とイオン源チヤ
   ンバ１の窓の間に設けられる誘電体４と、イオン源チヤ
   ンバ１の出口側に設けられプラズマからイオンビームを
   引出すための引出電極７とよりなり、コイル電流Ｉが一
   定電流Icと変動電流I_dsinΩｔの和として与えられ、コ
   イルによる磁場が変動し、共鳴領域がイオン源チヤンバ
   内で周期的に推移してゆくようにした事を特徴とするイ
   オン処理装置。