JPH07105893A

JPH07105893A - イオンビーム処理装置および加工法

Info

Publication number: JPH07105893A
Application number: JP5246519A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Hiyoshi; 康夫日良; Toru Otsubo; 徹大坪; Takako Okawa; 貴子大川; Tamaki Toba; 環鳥羽; Seitaro Oishi; 鉦太郎大石; Isao Hashimoto; 橋本　　勲
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-10-01
Filing date: 1993-10-01
Publication date: 1995-04-21

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】広範囲な真空度において、均一なイオンビーム
を引き出すことのできるイオン源およびこれを備えた処
理装置を提供する。【構成】本発明のイオン源は、２つの開口部を有するプ
ラズマ生成室１５と、プラズマ生成室の一方の開口部に
接続され、プラズマ生成室内の空間にマイクロ波を放射
する導波管１０と、プラズマ生成室内の空間に指示され
た強度の磁界を発生させる可変磁界発生手段５３と、プ
ラズマ生成室の他方の開口部に配置され、プラズマ生成
室からイオンビームを引き出す電極５とを有する。導波
管の前記プラズマ生成室側の端部は、複数のスリットが
設けられたスリット板で覆われている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、マイクロ波を用いてプ
ラズマを生成し、このプラズマからイオンを引き出すイ
オン源を備えたイオンミリング装置およびイオンビーム
成膜装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、微細化を要求される機能性薄膜や
半導体の生成及び加工を行うエッチング装置やスパッタ
成膜装置にイオンビームを用いることが多くなってきて
いる。イオンビームを生成するイオン源には、フィラメ
ントからの熱電子を用いるものや、高周波放電を用いる
もの、マイクロ波を用いるものなどが知られている。

【０００３】フィラメントからの熱電子放出によって所
望のガスのプラズマを生成するイオン源は、従来から多
く用いられている。イオン源にフィラメントを用いてい
る従来のイオンミリング装置の動作を図２を用いて説明
する。フィラメント１０１より放出された熱電子によっ
て、ガス導入口（図示せず）より導入されたエッチング
ガスが放電により電離してプラズマ１０２を形成する。
このプラズマ１０２は、コイル１０３で形成された磁界
１０４によって増殖する。イオン引き出し電極１０５
は、プラズマ１０２中のイオンを加速し、イオンビーム
１０６を引き出す。イオンビーム１０６は、被加工物で
ある試料１０７に照射されて、イオンミリング加工が進
行する。

【０００４】また、イオン源にフィラメントを用いてい
る従来のイオンミリング装置には、図３のように、磁界
１０４の形成に複数の永久磁石１０８を用い、多極磁界
によりプラズマの増殖を行うタイプの装置もある。

【０００５】しかしながら、図２および図３に示したよ
うな、フィラメントを用いたイオン源は、フッソ系、塩
素系等の反応性プラズマを生成した場合には、生成した
反応性プラズマによってフィラメントが腐食されるた
め、フィラメントの消耗が激しく頻繁にフィラメントを
交換しなければならないといういう問題がある。そのた
め、フィラメントを用いたイオン源は、反応性プラズマ
を用いる装置には適していない。

【０００６】一方、高周波放電によりプラズマを発生さ
せる装置は、古くから研究され、スパッタ装置等に広く
用いられている。しかしながら、高周波放電によって生
成したプラズマから効率よくイオンビームを引き出すこ
とは、困難であるため、高周波放電を用いて効率のよい
イオン源を構成することはできないという問題がある。
高周波放電によって生成したプラズマから、効率よくイ
オンビームを引きだすことができないのは、次のような
理由による。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１
００ｅＶも高くなること、および、イオンビームのエネ
ルギー幅が大きくなってしまう。そのため、高周波放電
によって生成したプラズマからイオンビームを引き出そ
うとした場合には、そのイオンビーム量は、これと同程
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せるイオンビーム量に比較して、
極端に少なくなる。

【０００７】一方、マイクロ波を用いたイオン源に関し
ても、従来より研究が進んでいる。マイクロ波を用いた
イオン源は、石英板を介してマイクロ波をプラズマ生成
室に導入するため、反応性プラズマを生成しても腐食さ
れる恐れはない。また、例えば「マイクロウェーブイ
オンソース」（ＭｉｃｒｏｗａｖｅＩｏｎＳｏｕ
ｒｃｅ）Ｎ．Ｓａｋｕｄｏ、ｅｔａｌ、Ｒｅｖ．Ｓ
ｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．）Ｖｏｌ．４８、Ｎｏ．７、Ｊ
ｕｌｙ、１９７７）に記載されているように、エネルギ
ー幅が小さく、高周波放電を用いたイオン源で見られる
過剰エネルギーが無いため、効率よくイオンビームを引
き出すことが出来る。

【０００８】マイクロ波によりプラズマを発生させる方
法には、電子が磁場と垂直な平面を回転するサイクロト
ロン周波数とマイクロ波の周波数を一致させて共鳴状態
にして電子にエネルギーを供給する方法と、マイクロ波
を空洞共振器に放射してマイクロ波の振幅を大きくし、
電界強度を強めて電子にエネルギーを供給する方法の２
つがある。前者は、特開昭５６−１３４８０号公報に示
されたもので、ＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonanc
e）法と呼ばれている。後者は、特開昭５６−９６８４
１号公報や、特開昭６３−１０３０８８号公報に示され
ている。

【０００９】図４、図５は上記のＥＣＲ法によるマイク
ロ波イオン源を用いたイオンミリング装置の概略図を示
したものである。図４、図５において、マイクロ波発振
器（図示せず）で発振された一般的には２．４５ＧＨｚ
のマイクロ波１１９は、コイル１１３や永久磁石１１８
によって生じた８７．５ｍＴ以上の磁界とＥＣＲ共鳴し
て、ガスを電離しプラズマ１１２を生成する。プラズマ
１１２中のイオンは、引出電極１１５によって引き出さ
れてイオンビーム１１６を形成し、試料１１７に照射さ
れて加工が行われる。

【００１０】また、図５に示した装置は、大口径なイオ
ンビームを得るために、プラズマ生成室を円錐状にして
加工室側に末広がりの構造にしている。また、この他に
も、大口径なイオンビームを得るために、プラズマ生成
室を大きくする方法や、特開昭６２−７６１３７号公報
に開示されている装置が知られている。

【００１１】特開昭６２−７６１３７号公報に開示され
ている装置は、図６に示すように、プラズマ発生室１２
１とプラズマ増殖室（拡張室）１２２とを設けて、プラ
ズマ発生室１２１で生成したプラズマを増殖室１２２で
広げて、プラズマの大口径化を図ろうというするもので
ある。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上述のようにマイクロ
波を用いたイオン源は、反応性プラズマの生成および高
効率なイオンビームの引き出しが可能であるが、次のよ
うな問題がある。

【００１３】図４、図５に記載した従来のマイクロ波を
用いたイオン源は、生成されるプラズマの密度がプラズ
マ生成室の中央部で高く、周辺部で低くなる。このよう
なプラズマからイオンビームを引き出すと、イオンビー
ムの強度分布はビームの中央部で高く、周辺部で低くな
り、強度のバラツキが大きい。そのため、イオンミリン
グを行った場合には、強度の大きいイオンビームが照射
される被加工物の中央部分では、処理速度が速く、強度
の小さいイオンビームが照射される被加工物の周辺部分
では、処理速度が遅くなるという問題が生じる。

【００１４】また、このイオンビームの強度分布のバラ
ツキは、プラズマの大口径化を図った場合にも解決され
ない。また、図５の方法は、マイクロ波電力をプラズマ
生成室に注入するためのインピーダンスマッチングを取
るのが難しくなり、広範囲の真空度で高密度で均一なプ
ラズマを生成させることが出来ないという問題点があ
る。

【００１５】さらに、特開昭６３−１０３０８８号公報
に記載されているマイクロ波を用いたイオン源は、マイ
クロ波を空洞共振器に放射してマイクロ波の振幅を大き
くし、電界強度を強めて電子にエネルギーを供給する方
法を用いているが、この方法でプラズマを生成するため
には、真空度を１０~²Ｔｏｒｒ以下の低真空度にする必
要がある。そのため、１０~²Ｔｏｒｒよりも高真空で処
理を行う必要がある場合には、安定にプラズマを発生さ
せることができなかった。

【００１６】本発明の第１の目的は、マイクロ波を用い
たイオン源を用い、強度分布が均一なイオンビーム処理
装置を提供することを目的とする。

【００１７】本発明の第２の目的は、マイクロ波を用い
たイオン源を用い、広範囲の真空度において安定にイオ
ンビームを引き出すことができるイオンビーム処理装置
を提供することを目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記第１の目的を達成す
るために、本発明の第１の態様では、２つの開口部を有
するプラズマ生成室と、前記プラズマ生成室の一方の開
口部に接続され、前記プラズマ生成室内の空間にマイク
ロ波を導く導波管と、前記プラズマ生成室内の空間に指
示された強度の磁界を発生させる可変磁界発生手段と、
前記プラズマ生成室の他方の開口部に配置され、前記プ
ラズマ生成室からイオンビームを引き出す電極とを有す
るイオン源において、前記導波管の前記プラズマ生成室
側の端部に、複数のスリットが設けられたスリット板を
配置する。

【００１９】また、上記第２の目的を達成するための、
本発明の第２の態様では、２つの開口部を有するプラズ
マ生成室と、前記プラズマ生成室の一方の開口部に接続
され、前記プラズマ生成室内の空間にマイクロ波を導く
導波管と、前記プラズマ生成室内の空間に指示された強
度の磁界を発生させる可変磁界発生手段と、前記プラズ
マ生成室の他方の開口部に配置され、前記プラズマ生成
室からイオンビームを引き出す電極とを有するイオン源
において、前記プラズマ生成室内のプラズマ密度を検出
する検出手段と、前記検出手段の検出結果を用いて前記
可変磁界発生手段に磁束密度を指示する制御手段とをさ
らに配置し、前記制御手段は、前記検出手段の検出結果
と、予め定めたプラズマ密度の範囲とを比較し、前記検
出結果が予め定めたプラズマ密度の範囲からはずれてい
る場合、前記可変磁界発生手段に磁束密度の増加および
減少のうち少なくとも何れか一方を指示する構成にす
る。

【００２０】そして、上述の本発明のイオン源をイオン
ビーム処理装置に搭載することにより、上記第１または
第２の目的が達成される。

【００２１】

【作用】一般に、導波管内をマイクロ波が進行する場
合、導波管の表面には、電場、磁場に対応した電流が流
れる。従ってこの電流を横切るように導波管の一部にス
リットを設けると、スリットの両端に電荷がたまり、こ
れがマイクロ波の進行に伴って変化することからスリッ
ト両端間の電界が変化しスリットを通って導波管の外部
にマイクロ波が放出される。

【００２２】本発明の第１の態様のスリット板を備えた
イオン源ではこの原理を用いて、マイクロ波がプラズマ
生成室内に複数の場所から放射供給されるように構成し
たことにより、プラズマ生成室内全体に均一な強度でマ
イクロ波を供給するものである。

【００２３】すなわち、本発明では、プラズマ生成室に
接続された導波管は、プラズマ生成室にマイクロ波を放
射供給する。このとき、導波管の端部は、複数のスリッ
トが設けられたスリット板で覆われているため、上記原
理により、各スリットが放射の中心となって、複数の放
射中心からプラズマ生成室にマイクロ波が供給される。
これに対して、従来のマイクロ波励起方式のイオン源に
おいては、直接、導波路からマイクロ波をプラズマ生成
室に放射する構成となっている。このためプラズマ生成
室内に供給されるマイクロ波の強度は、導波管が接続さ
れている部分が最も高くなり、その中でも、導波管のモ
ードによる電界磁界の強度分布に応じてマイクロ波の強
度分布が生じてしまう。本発明では、複数のスリットを
設けることにより、放射中心を増やすことにより、均一
な強度分布のマイクロ波を生成室内に供給することがで
きる。

【００２４】プラズマ生成室内に供給されたマイクロ波
は、可変磁界発生手段から発生している磁界と、電子サ
イクロトロン共鳴（ＥＣＲ）し、プラズマを生成する。
マイクロ波の強度分布は、均一であるので、均一な密度
分布のプラズマが生成される。プラズマ生成室の開口
部に配置されている電極は、プラズマ中のイオンを加速
し、イオンビームを引き出す。上述のようにプラズマ
は、密度分布が均一であるため、引き出されたイオンビ
ームは、強度分布が均一である。従って、このイオン源
を用いてイオンミリング処理を行う場合には、処理対象
物全面を均一な処理速度でミリングすることができる。

【００２５】また、電子サイクロトロン共鳴でプラズマ
を発生させる方法は、空胴共振器で電界強度を強めてプ
ラズマを発生させる方法と比べて、プラズマを生成可能
な真空度の幅が大きい。よって、生成室内の密度分布が
均一で、かつ、幅広い真空度においてプラズマを安定に
発生させることができる。

【００２６】また、本発明の第２の態様の制御手段を備
えたイオン源では、検出手段は、プラズマ生成室のプラ
ズマ密度を検出する。制御手段は、プラズマ密度が予め
定めた範囲からはずれている場合、プラズマ生成室に加
える磁界の強度を調節することにより、外れたプラズマ
密度を予め定めた範囲内に戻す。磁界強度とプラズマ密
度との関係は、常に一定の関係を示さないため、プラズ
マ密度を高めるために磁束密度を高めた方が良い場合
と、低くした方が良い場合とがある。従って、制御手段
は、磁束密度の増加および減少のうち少なくともいずれ
か一方を指示する。

【００２７】このように、プラズマ密度を一定の範囲内
にたもつことにより、処理中に真空度が変化した場合
や、雰囲気が汚染された場合であっても、一定の範囲内
のプラズマ密度で安定にプラズマを生成することができ
る。したがって、このようなイオン源を処理装置に用い
ることにより、処理対象物に強度分布が均一なイオンビ
ームを長時間安定に照射することができるので、均一な
処理が可能になる。また、イオンビームスパッタ成膜処
理を行う場合には、膜厚分布を均一にすることができ
る。

【００２８】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を用いて説明
する。

【００２９】まず、本発明の第１の実施例のイオンミリ
ング装置について、図１を用いて説明する。

【００３０】図１のイオンミリング装置は、図１のよう
に、円筒形のプラズマ生成室１５と、処理室１８とを備
えている。プラズマ生成室１５の一方の開口部には、処
理室１８が連結され、他方の開口部は、石英板２０を介
して、円筒形の空胴共振器１３が接続されている。空胴
共振器１３の直径は、プラズマ生成室１５の直径とほぼ
等しい。

【００３１】空胴共振器１３は、ＴＥ₀₁またはＴＭ₀₁モ
ードのマイクロ波共振型円形空胴共振器である。空胴共
振器１３には、導波管１０が接続され、導波管１０を通
してマグネトロンマイクロ波発振器１４からマイクロ波
（周波数：２．４５ＧＨｚ）９が供給される。空胴共振
器１３のプラズマ生成室１５側の端部は、４本のスリッ
ト１６が設けられたスリット板５１に覆われている。ス
リット板５１は、石英板２０により覆われているため、
空胴共振器１３は、真空に封止された構造となってい
る。マイクロ波９は、空胴共振器１３から石英板２０を
介してプラズマ生成室１５内に供給される。

【００３２】スリット板５１の４本のスリット１６は、
図７に示すように、空胴共振器１３のモードパターンに
合わせて、マイクロ波の電界に対して直交するように、
円弧状に配置されている。各スリット１６の長手方向の
長さは、スリット１６からのマイクロ波の放射の効率を
良くするために、マイクロ波の１／２波長以上になるよ
うに設けられている。具体的には、本実施例では、２．
４５ＧＨｚのマイクロ波を用いているため、スリット１
６の長さを６０ｃｍ以上の寸法にした。また、スリット
板５１および空胴共振器１３は、ともにアルミニウム製
である。

【００３３】空胴共振器１３の外側には、それを取りま
くようにソレノイドコイル３が配置されている。また、
プラズマ生成室１５の外側には、それを取り巻くように
放射状に永久磁石８が配置され、さらにその外側にコイ
ル５３が配置されており、プラズマ生成室１５内にカス
プ磁界を形成する。コイル５３には、電源２９が接続さ
れ、コイル電流を供給する。

【００３４】また、プラズマ生成室１５内の壁面付近に
は、磁束密度を測定するための磁束密度センサ２７が配
置されている。またプラズマ生成室１５には、プラズマ
密度を測定するためのプラズマ密度センサ５４が配置さ
れている。プラズマ密度センサ５４には、磁束密度制御
装置２８が接続されている。磁束密度制御装置２８は、
プラズマ生成室内のプラズマ密度をモニターし、所定の
磁束密度になるように、電源２９がコイル５３に対して
供給するコイル電流を制御する。本実施例では、磁束密
度センサ２７として、Ｎ型ゲルマニウムでできたホール
素子（通称ゲルマニウムホール発生器、磁界が加わると
電圧を発生する）を用い、プラズマ密度センサ５４とし
てラングミアプローブを用いている。また、磁束密度セ
ンサとして、探りコイルと高利得の増幅器を用いた積分
器を内蔵したエレクトロニック磁束密度装置を用いるこ
ともできる。この場合には、センサ部分のみをプラズマ
生成室に配置する。

【００３５】プラズマ生成室１５には、ガス供給管１７
が接続されている。ガス供給管１７には図示していない
が、ガス供給源および流量計（マスフローコントロー
ラ）が接続されており、プラズマ生成室１５内に所定量
のエッチングガスを供給する。

【００３６】プラズマ生成室１５と処理室１８とを連結
する部分には、プラズマ生成室１５内のプラズマ中のイ
オンを加速し、イオンビームを処理室１８に引き出すた
めのイオン引き出し電極５が配置されている。

【００３７】処理室１８内には、被加工物である試料７
を保持する試料ホルダ１９が配置されている。試料ホル
ダ１９には、試料７を水冷するための水冷装置と、試料
ホルダ１９を自転させるモータが内蔵されている。ま
た、試料ホルダ１９には、試料ホルダ１９の向きを傾斜
させた状態で保持するための装置（図示せず）が取り付
けられている。試料７とイオン引き出し電極５の間に
は、引き出されたイオンビーム６および試料７に対して
電子を供給するための電子発生装置２１が設置されてお
り、試料７がイオンビームの照射によって帯電するのを
防止する工夫がなされている。

【００３８】次に、本実施例のイオンミリング装置を用
いてイオンミリングを行う場合の動作について説明す
る。

【００３９】プラズマ生成室１５および処理室１８を５
×１０~⁶Ｔｏｒｒ程度の真空に排気した後、ガス供給管
１７から反応性ガス、本実施例ではＣＨＦ₃を供給し、
プラズマ生成室１５を１×１０~⁴〜５×１０~⁴Ｔｏｒｒ
程度の真空度にする。次に、マグネトロン発振器１４に
おいてマイクロ波を発振させる。発振器１４から発振さ
れたマイクロ波９は、導波管１０を伝搬し、空胴共振器
１３でＴＥ₀₁またはＴＭ₀₁モードを励振することによ
り、増幅されるとともに、空胴共振器１３の口径いっぱ
いに広がる。空胴共振器１３に取り付けられたスリット
板５１の４本のスリット１６の両端には、それぞれ電荷
がたまり、この電荷の変化に応じて４本のスリット１６
から、それぞれ、マイクロ波９が空胴共振器１３の外部
に向かって放出される。スリットから放出されたマイク
ロ波９は、石英板２０を通過してプラズマ生成室１５内
に供給される。マイクロ波９は、４本のスリット１６か
らそれぞれ広がりながらプラズマ生成室１５内の空間を
進行するため、プラズマ生成室１５内の空間全体に渡っ
て均一に広がる。

【００４０】一方、プラズマ生成室１５内には、永久磁
石８およびコイル３、５３によって８７．５ｍＴ以上の
磁界を生じさせる。プラズマ生成室１５内に供給された
マイクロ波９は、永久磁石８およびコイル３、５３が発
生させている電子サイクロトロン共鳴することにより、
ＣＨＦ₃のプラズマを生成する。

【００４１】このとき、磁界の強度は、磁束密度センサ
２７によって測定されている。また、プラズマ密度は、
プラズマ密度センサ５４によって測定されている。磁束
密度制御装置２８は、プラズマ密度センサ５４が測定し
たプラズマ密度ａを取り込んで、このプラズマ密度ａが
予め定めた範囲であるＡ_H＞ａ＞Ａ_Lに入るように、ソレ
ノイドコイル５３に流す電流値を制御する。すなわち、
磁束密度制御装置２８は、プラズマ密度ａが所定の値の
範囲外にずれた場合、ソレノイドコイル５３に流す電流
値を増加または減少させることにより、プラズマ生成室
１５内の磁束密度を変化させて、プラズマ密度の時間的
均一性を保つ。ここで、Ａ_Hは、予め定めたプラズマ密
度の上限値、Ａ_Lは、予め定めたプラズマ密度の下限値
である。Ａ_H、Ａ_Lは、試料７の加工に必要とされるイオ
ン電流密度の大きさ、許容できるイオン電流密度のばら
つき、ならびに、プラズマ生成室の形状や大きさによっ
て異なるので、予め計算または実験によってＡ_H、Ａ_Lを
求めておき、この値を用いる。

【００４２】プラズマ生成室１５のプラズマ密度が、上
述の所定の範囲からはずれた場合に、再び所定の範囲内
に戻すためには磁束密度を高めるのが有効な場合と低下
させるのが有効な場合とがある。短時間でこれを達成す
るには、まず、両方向に微小量変化させ（すなわち、微
小量増加および減少方向にコイル電流を変化させ）プラ
ズマ密度を測定し、プラズマ密度を測定しプラズマ密度
が安定化する電流値の変化方向を求め、続いてこの求め
た方向に電流値を変化させてプラズマ密度の安定化を図
る。

【００４３】この場合の磁束密度制御装置２８の動作を
図１２を用いて、さらに具体的に説明する。磁束密度制
御装置２８内には、図示していないが、メモリと演算装
置とが内蔵されている。メモリには、図１２のフローチ
ャートに示したようなプログラムが格納されている。演
算装置は、メモリ内のプログラムを読み込んでこれに従
って次のように動作する。まず、磁束密度制御装置２８
は、ステップ２０１で定期的にプラズマ密度センサ５４
からプラズマ密度ａ１を取り込む。そして、次のステッ
プ２０２で、取り込んだプラズマ密度ａ１と、上述のプ
ラズマ密度の上限値Ａ_Hと比較し、ａ１＜Ａ_Hであるかど
うかを調べる。そして、ａ１＜Ａ_Hである場合には、ス
テップ２０３に移り、ａ１と上述の下限値Ａ_Lとを比較
し、Ａ_L＜ａ１である場合には、プラズマ密度ａ１が所
定の範囲内であるため、ステップ２０１に戻る。

【００４４】ステップ２０２で、プラズマ密度ａ１が上
限値Ａ_Hを超えている場合には、ステップ２１２に進
む。ステップ２１２からステップ２１７は、プラズマ密
度を所定の範囲内に戻すためには、プラズマ生成室１５
の磁束密度を増加させればよいのか減少させればよいの
かを求めるためのステップである。すなわちステップ２
１２では、プラズマ生成室１５内の磁束密度ｐを磁束密
度センサ２７から取込み、この磁束密度ｐが予め定めた
微小量ｂだけ増加してｐ＋ｂとなるまで、電源２９がコ
イル５３に供給するコイル電流を増加させる。そしてス
テップ２１３で、磁束密度ｐ＋ｂの状態におけるプラズ
マ密度ａ４をプラズマ密度センサ５４から取り込む。つ
ぎのステップ２１４では、プラズマ生成室１５内の磁束
密度をステップ２１２で取り込んだ先の磁束密度ｐから
予め定めた微小量ｂだけ減少させ、ｐ−ｂとなるまで、
電源２９がコイル５３に供給するコイル電流を減少させ
る。そして、ステップ２１５で、磁束密度ｐ−ｂの状態
におけるプラズマ密度ａ５をプラズマ密度センサ５４か
ら取り込む。

【００４５】そして、ステップ２１６において、プラズ
マ密度ａ４をプラズマ密度ａ１と比較し、ａ４＜ａ１で
ある場合には、磁束密度を増加させることにより上限値
Ａ_Hより大きいプラズマ密度ａ１を小さくすることがで
きると判断してステップ２０９に進む。ステップ２０９
では、Ａ_L＜ａ１＜Ａ_Hとなるまで、プラズマ密度をモニ
タしながら、電源２９がコイル５３に供給するコイル電
流を増加させ、その後ステップ２０１に戻る。ステップ
２１６で、ａ４＜ａ１ではない場合には、さらに、ａ５
とａ１とを比較し、ａ５＜ａ１である場合には、磁束密
度を減少させることによりプラズマ密度ａ１を小さくす
ることができると判断して、ステップ２１１に進む。ス
テップ２１１では、Ａ_L＜ａ１＜Ａ_Hとなるまで、プラズ
マ密度をモニタしながら、電源２９がコイル５３に供給
するコイル電流を減少させ、その後ステップ２０１に戻
る。ステップ２１７で、ａ５＜ａ１ではない場合には、
ステップ２１２に戻り、再度、磁束密度を変化させてプ
ラズマ密度を測定する。

【００４６】先のステップ２０３で、プラズマ密度ａ１
が、下限値Ａ_L小さい場合には、ステップ２０４からス
テップ２０８、および、ステップ２１０に進み、上述の
ステップ２１２からステップ２１７と同様に、磁束密度
ｐを微小量変化させてプラズマ密度ａ２、ａ３をそれぞ
れ測定する。そして、ステップ２０８、２１０で、ａ
２、ａ３をａ１と比較することにより、プラズマ密度ａ
１を増加させるためには、磁束密度を増加させればよい
か、減少させればよいかを判断する。この結果に応じて
ステップ２０９またはステップ２１１に進んで、Ａ_L＜
ａ１＜Ａ_Hとなるまで、磁束密度を増加または減少させ
る。

【００４７】このようにすることにより、イオンミリン
グ中に生じる真空度の変化、ガス雰囲気の変化、ガス流
量の変化によって、プラズマ密度の不安定性が生じ、所
定の範囲から外れてしまっても、短時間で所定の範囲内
に戻すことができる。よって、イオン電流密度の長時間
安定化が図られ、精度の高い、均一な加工が可能とな
る。

【００４８】なお、本実施例では、磁束密度を測定する
ための磁束密度センサ２７は、ステップ２０４、２０
６、２１２、２１４において磁束密度の変化をモニタす
るためにのみ用いられ、プラズマ制御の副次的役目を果
たしている。しかしながら、ステップ２０４、２０６、
２１２、２１４において、磁束密度を微小量だけ増加ま
たは減少させる際に、予め定められた量だけコイル電流
を増加または減少させることにより、磁束密度を増加ま
たは減少させることも可能である。このような構成を用
いた場合には、磁束密度センサ２７を配置せずに省略す
る構成にすることも可能である。

【００４９】プラズマ生成室１５内に供給されたマイク
ロ波９は、永久磁石８およびコイル３、５３の８７．５
ｍＴ以上の磁界と、電子サイクロトロン共鳴することに
より、ＣＨＦ₃のプラズマを生成する。マイクロ波９
は、プラズマ生成室１５全体に均一に広がっているの
で、プラズマの密度は、プラズマ生成室１５全体で均一
である。また、プラズマ密度は、磁束密度制御装置２８
により制御されているので、時間経過に伴う変化が小さ
く、安定である。

【００５０】プラズマ中の主に陽イオンは、イオン引き
出し電極５の電界により加速されて、プラズマ生成室１
５の口径とほぼ等しい口径のイオンビーム６がプラズマ
生成室１５から引き出される。プラズマ生成室１５のプ
ラズマは、空間的に均一な密度であるので、イオンビー
ム６のイオン電流密度も、口径方向について均一であ
る。

【００５１】引き出されたイオンビーム６は、処理室１
８内の試料７に衝突し、試料７をミリング加工する。試
料７は、試料ホルダ１９内の水冷装置とモータにより、
水冷されながら自転している。イオンビーム６のイオン
電流密度は、口径方向について均一であるため、試料７
の加工速度は、試料全体で均一となる。また、プラズマ
生成室１５内のプラズマ密度は常時制御されているた
め、真空度や清浄度が加工中に変化しても、プラズマ密
度は変化せず、加工中のイオン電流密度の経時変化は極
めて少ない。したがって、高い精度で加工を行うことが
できる。

【００５２】本実施例のイオンミリング装置において、
試料７に入射するイオン電流密度の分布を測定した。そ
の結果を図９に示す。また、比較のために、図５の従来
型イオン源のイオンビームについて、イオン電流密度の
分布の測定結果を同時に示した。引き出し電極５、１１
５の直径はいずれも２００ｍｍである。また、導波路１
０、１１０には、等しいエネルギーのマイクロ波を供給
した。

【００５３】図９からわかるように、本実施例のイオン
ミリング装置で得られたイオンビームは、イオンビーム
の径方向について、イオン電流密度のバラツキがなく、
一定であるのに対し、図５の従来のイオン源では、イオ
ンビームの中心部でイオン電流密度が最も大きく、中心
から遠ざかるにつれ次第に小さくなる。また、本実施例
のイオンミリング装置でえられたイオンビームの電流密
度は、図５の従来のイオン源のイオンビームの電流密度
の約２倍の大きさが得られている。このことから、本実
施例のイオンミリング装置では、イオン電流密度のバラ
ツキが小さく、しかも、マイクロ波から高い効率でイオ
ンビームを得ることができることがわかる。

【００５４】また、図１０は、本実施例のイオンビーム
ミリング装置（図８）において、エッチングガスとして
ＣＨＦ₃を用いたときの真空度とイオン電流密度の関係
を示した測定結果である。本実施例では、上述のように
プラズマ密度の検出結果に応じてコイル５３へ印加する
電流値を変化させて磁束密度を変化させている。比較例
として、図５の従来のイオン源を用いて磁界強度を８０
ｍＴにした場合のイオン電流密度を測定した。

【００５５】その結果、図１０に示すように、本実施例
のイオンミリング装置では、磁界を６０〜１５０ｍＴの
範囲で変化することにより、５×１０~⁴〜５×１０~⁵Ｔ
ｏｒｒの範囲において、常に安定にプラズマを発生させ
ることが可能であった。そして、この安定なプラズマか
ら、１ｍＡ程度の高密度イオンビームを引き出すことが
できた。これに対し、図５の従来のイオン源においては
プラズマの不安定な領域が存在した。即ち、真空度が６
〜９×１０~⁴Ｔｏｒｒ及び２〜４×１０~⁴Ｔｏｒｒの範
囲でマイクロ波の吸収が起こらずプラズマが不安定とな
り、イオンビームを安定して引き出すことが出来なかっ
た。このことから、本実施例のイオンミリング装置のイ
オン源では、加工中に真空度が変化したり清浄度が低下
した場合にも、ほぼ一定のイオン電流密度のイオンビー
ムを試料に照射することができることがわかった。した
がって、長時間に渡ってほぼ一定の加工速度で安定に加
工をおこなうことができ、高い精度で加工された試料を
得ることができる。

【００５６】また、本実施例では、径の細い導波管１０
の先に、空胴共振器１３を取り付けることにより、マイ
クロ波９をプラズマ生成室１５と等しい口径まで広げる
構成を用いている。これにより、マイクロ波発振器１４
とプラズマ生成室１５との間で導波管１０を引き回す際
に、径の細い導波管１０を引き回せばよく、導波管１０
の配設を容易に行うことができる。また、空胴共振器１
３を配置することにより、マイクロ波９の振幅が増幅さ
れるので、マイクロ波発振器１４からのマイクロ波９を
効率よくプラズマ生成室１５に供給することができる。
これにより、出力の小さなマイクロ波発振器１４を用い
て、大口径で大イオン電流密度のイオンビームを得るこ
とが可能になる。

【００５７】しかしながら、空胴共振器１３を必ず用い
なければならないというわけではなく、大口径の導波管
の端部に、スリット板５１と同様なスリット板を取り付
け、直接プラズマ生成室１５に接続する構成にすること
ももちろん可能である。この場合にも、本実施例と同様
に、スリット板の複数のスリットからそれぞれマイクロ
波が広がりながらプラズマ生成室に供給されるため、均
一な密度のプラズマが得られ、これから、イオン電流密
度が均一なイオンビームが得られる。また、磁束密度を
制御することによりプラズマ密度を制御していることか
ら、イオン電流密度の時間変化は極めて小さく、本実施
例と同様な。従って、空胴共振器１３を用いるかどうか
は、必要なイオンビームの口径や配設可能な導波管の太
さによって定めればよい。

【００５８】また、スリット板１６のスリットの個数お
よび形状は、必要に応じて、即ち空胴共振器や導波管の
大きさに応じて、スリット数を増やしたり、形状や配置
を変えることができる。その配置は、幾何学的に考えて
プラズマ生成室に対してより均一にマイクロ波が供給さ
れるように配置する。また、スリットは、空胴共振器１
３（空胴共振器１３を用いない場合には導波管１０）の
モードの電界と直交するように配置することにより、効
率よくスリットからマイクロ波を放射させることができ
る。

【００５９】次に、本発明の第２の実施例のイオンミリ
ング装置について図８を用いて説明する。

【００６０】本実施例のイオンミリング装置は、第１の
実施例のイオンミリング装置とほぼ同様の構成である
が、空胴共振器１３と導波管１０との間に、さらに空胴
共振器６３を配置したものである。空胴共振器６３と空
胴共振器１３との間には、２本のスリット６６が設けら
れたスリット板６１が配置されている。空胴共振器６３
は、空胴共振器１３と同じくＴＥ₀₁またはＴＭ₀₁モード
の円形空胴共振器である。空胴共振器６３およびスリッ
ト板６１は、アルミニウム製である。２本のスリット６
６は、空胴共振器６３の電界に直交するように、同一円
上に配置された２本の円弧状スリットである。

【００６１】マイクロ波発振器１４で発振されたマイク
ロ波９は、導波管１０を伝搬して、空胴共振器６３に入
り、２本のスリット６６から空胴共振器１３に放射され
る。空胴共振器１３に伝わったマイクロ波９は、４本の
スリット１６からプラズマ生成室に放射される。他の構
成および動作は、第１の実施例と同様であるので、説明
を省略する。

【００６２】本実施例では、２段階の空胴共振器６３、
１３およびスリット６６、１６を配置したことにより、
プラズマ生成室１５に対してより均一なマイクロ波が供
給される。これにより、プラズマ生成室には更に均一性
に優れたプラズマが生成され、イオン電流密度の均一な
イオンビームが引き出される。

【００６３】このように、本実施例のイオンミリング装
置では、２段の空胴共振器６３、１３を配置し、スリッ
ト６６、１６よりマイクロ波を供給する構成を用いてい
ることから、従来のマイクロ波供給方式に比較して、プ
ラズマ生成室にはより均一なプラズマが生成され、よっ
て電極から引き出されるイオン電流密度は試料面に対し
て均一な分布となる。また磁場を常時モニターしてプラ
ズマ密度を均一化しているため、加工中のイオン電流密
度の変化は極めて少ない。

【００６４】第１、第２の実施例に用いるエッチングガ
スとしては、フッ素を含有した化合物が特に有効であ
る。具体例としては、先に示したＣＨＦ₃以外にＡｒ、
Ｈｅ、Ｘｅ等の希ガス、ＣＦ₄、ＣＨ₂Ｆ₂、ＳＦ₆、ＣＨ
₃Ｆ、ＮＦ₃等のフッ素含有化合物、Ｃｌ₂、ＣＣｌ₄、Ｃ
ＣｌＦ₃等の塩素含有化合物、ＣＨ₃Ｂｒ等の臭素含有化
合物がある。このうち、理由は明らかではないが発明者
らの実験によれば、例えばＣＨＦ₃、ＣＨ₂Ｆ₂、ＣＨ₃Ｆ
等の炭素、水素、フッ素を同時に含有したガスは、本発
明のプラズマ生成室において、従来装置に比較して濃度
の高い活性イオンを生成するため、加工効率が特に高く
なり、有機物、金属、セラミック、誘電体、半導体等の
薄膜及び結晶体の加工に有効である。

【００６５】本発明の第３の実施例のイオンビームスパ
ッタ装置について図１１を用いて説明する。

【００６６】本実施例のイオンビームスパッタ装置は、
図８に示したイオンミリング装置とほぼ同様の構成であ
るが、処理室１８には、試料ホルダ１９の他に、膜２６
を付着させるため基板２２を保持するための基板ホルダ
２３が配置されている。試料ホルダ１９には、スパッタ
ターゲット２５が保持されている。また、基板ホルダ２
３には、基板２２が保持されている。基板２２は、膜２
６を付着させる面を、ターゲット２５からスパッタ粒子
２４が飛散する方向に向けて配置されている。また、タ
ーゲット２５は、法線方向とイオンビーム６の方向とが
９０度以下の角度で交差するように保持されている。

【００６７】イオン引き出し電極５から引き出されたイ
オンビーム６は、成膜すべき化合物物質で構成されるタ
ーゲット２５に入射して該ターゲット化合物をスパッタ
する。ターゲット２５から飛散したスパッタ粒子２４
は、基板２２上に入射し、ターゲット化合物で構成され
る膜２６が成膜される。

【００６８】本実施例のイオンビームスパッタ装置で
は、先に述べた様にイオンビームの分布が均一でかつ電
流密度が高いため基板上には均一膜厚の薄膜が短時間で
生成させることが出来る。また、プラズマ密度の時間変
化を一定範囲内に制御しているため、イオンビームの電
流密度の時間変化が小さく、従って、成膜速度の時間変
化を小さく抑えることができ、膜構造が厚さ方向で均一
な薄膜を形成することができる。

【００６９】本発明の各実施例の装置では、上述のよう
に導波管１０に接続した空胴共振器に設けた複数のスリ
ット１６から増幅したマイクロ波がプラズマ生成室に放
射供給することにより、プラズマ生成室内に均一なプラ
ズマを生成し、さらに、磁束密度を制御することにより
プラズマ密度の時間変化を一定範囲に制御する。これに
より、高密度、均一なイオンビームを引き出すことがで
きる。よって、イオンミリング装置や成膜装置のみなら
ず、この技術をイオンビームを用いた他の処理装置、例
えばイオン注入処理装置等への応用することももちろん
可能である。

【００７０】

【発明の効果】上述のように、本発明のイオン源では、
マイクロ波と磁界との電子サイクロトロン共鳴によりプ
ラズマを生成するプラズマ生成室に、複数のスリットを
介してマイクロ波を供給するため、広範囲の真空度で、
均一な密度のプラズマを生成することができる。また、
磁束密度制御することにより広範囲の真空度で安定にプ
ラズマを発生させることができ、イオン電流密度が均一
な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】

【図１】本発明の第１の実施例のイオンミリング装置の
構成を示すブロック図。

【図２】従来のイオン源の構成を示すブロック図。

【図３】従来のイオン源の構成を示すブロック図。

【図４】従来のイオン源の構成を示すブロック図。

【図５】従来のイオン源の構成を示すブロック図。

【図６】従来のイオン源の構成を示すブロック図。

【図７】図１のイオンミリング装置のスリット板５１の
上面図。

【図８】本発明の第２の実施例のイオンミリング装置の
構成を示すブロック図。

【図９】図１のイオンミリング装置で得られたイオン電
流密度の分布を示すグラフ。

【図１０】図１のイオンミリング装置で得られたイオン
電流密度と真空度との関係を示すグラフ。

【図１１】本発明の第３の実施例のスパッタ装置の構成
を示すブロック図。

【図１２】図１のイオンミリング装置の磁束密度制御装
置２８の動作を示すフローチャート。

【符号の説明】

３、５３、１０３…コイル、５、１０５、１０５、１１
５…引き出し電極、６、１１６…イオンビーム、７、１
０７、１１７…試料、８、１０８、１１８、１２８…永
久磁石、９、１１９…マイクロ波、１４…マイクロ波発
振器、１５…プラズマ生成室、１３、６３…空胴共振
器、１６…スリット、１７…ガス供給管、１８…処理
室、１９…試料ホルダー、２０…石英板、２４…スパッ
タ粒子、２６…膜、２７…磁束密度センサー、２８…磁
束密度制御装置、２９…コイル電源、５１…スリット
板、５４…プラズマ密度センサ、１０１…フィラメン
ト、１０２…プラズマ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者鳥羽環神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者大石鉦太郎茨城県日立市国分町一丁目１番１号株式会社日立製作所国分工場内 (72)発明者橋本勲茨城県日立市国分町一丁目１番１号株式会社日立製作所国分工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２つの開口部を有するプラズマ生成室と、
前記プラズマ生成室の一方の開口部に接続され、前記プ
ラズマ生成室内の空間にマイクロ波を放射する導波管
と、前記プラズマ生成室内の空間に指示された強度の磁
界を発生させる可変磁界発生手段と、前記プラズマ生成
室の他方の開口部に配置され、前記プラズマ生成室から
イオンビームを引き出す電極とを有し、前記導波管の前記プラズマ生成室側の端部には、複数の
スリットが設けられたスリット板が配置されていること
を特徴とするイオン源。
【請求項２】２つの開口部を有するプラズマ生成室と、
前記プラズマ生成室の一方の開口部に接続され、前記プ
ラズマ生成室内の空間にマイクロ波を放射する導波管
と、前記プラズマ生成室内の空間に指示された強度の磁
界を発生させる可変磁界発生手段と、前記プラズマ生成
室の他方の開口部に配置され、前記プラズマ生成室から
イオンビームを引き出す電極とを有するイオン源であっ
て、前記プラズマ生成室内のプラズマ密度を検出する検出手
段と、前記検出手段の検出結果を用いて前記可変磁界発
生手段に磁束密度を指示する制御手段とを有し、前記制御手段は、前記検出手段の検出結果と、予め定め
たプラズマ密度の範囲とを比較し、前記検出結果が予め
定めたプラズマ密度の範囲からはずれている場合、前記
可変磁界発生手段に磁束密度の増加および減少のうち少
なくとも何れか一方を指示することを特徴とするイオン
源。
【請求項３】請求項１において、前記プラズマ生成室内
のプラズマ密度を検出する検出手段と、前記検出手段の
検出結果を用いて前記可変磁界発生手段に磁束密度を指
示する制御手段とを有し、前記制御手段は、前記検出手段の検出結果と、予め定め
たプラズマ密度の範囲とを比較し、前記検出結果が予め
定めたプラズマ密度の範囲からはずれている場合、前記
可変磁界発生手段に磁束密度の増加および減少のうち少
なくとも何れか一方を指示することを特徴とするイオン
源。
【請求項４】請求項３において、前記検出結果が予め定
めたプラズマ密度の範囲からはずれている場合、前記制
御手段は、前記可変磁界発生手段に磁束密度の増加およ
び減少を指示して、この時の前記検出手段の検出結果か
ら、磁束密度の増加および減少のうち何れの場合にプラ
ズマ密度が前記予め定めたプラズマ密度の範囲に近づく
かを検出し、検出した磁束密度の増加または減少を前記
可変磁界発生手段に指示することを特徴とするイオン
源。
【請求項５】請求項１または３において、前記導波管の
前記プラズマ生成室側の端部には、空胴共振器がさらに
配置され、前記導波管は、前記空洞共振器を介して前記
プラズマ生成室の開口部に接続され、前記スリット板
は、前記空胴共振器と前記プラズマ生成室が接続される
部分に配置されて、前記空胴共振器の端部を覆うことを
特徴とするイオン源。
【請求項６】請求項５において、前記空洞共振器と前記
導波管の間には、さらに、第２の空胴共振器が配置さ
れ、前記第２の空胴共振器の前記空胴共振器側の端部
は、複数のスリットが設けられた第２のスリット板で覆
われ、前記スリット板のスリットの数は、前記第２のス
リット板のスリットの数より多いことを特徴とするイオ
ン源。
【請求項７】請求項１または３において、前記スリット
の長さは、前記導波管を伝搬するマイクロ波の波長の１
／２以上の長さであることを特徴とするイオン源。
【請求項８】請求項７において、前記スリットは、長手
方向が前記導波管の電界に対して直交するように配置さ
れていることを特徴とするイオン源。
【請求項９】イオン源と、前記イオン源から引き出され
たイオンビームを対象物に照射するための処理室と、前
記処理室内に配置されて前記対象物を保持する対象物保
持手段とを有するイオン源を備えた処理装置において、前記イオン源は、２つの開口部を有するプラズマ生成室
と、前記プラズマ生成室の一方の開口部に接続され、前
記プラズマ生成室内の空間にマイクロ波を導く導波管
と、前記プラズマ生成室内の空間に指示された強度の磁
界を発生させる可変磁界発生手段と、前記プラズマ生成
室の他方の開口部に配置され、前記プラズマ生成室から
イオンビームを引き出す電極と、前記プラズマ生成室内の磁界のプラズマ密度を検出する
検出手段と、前記検出手段の検出結果を用いて前記可変
磁界発生手段に磁束密度を指示する制御手段とを有し、前記制御手段は、前記検出手段の検出結果と、予め定め
たプラズマ密度の範囲とを比較し、前記検出結果が予め
定めたプラズマ密度の範囲からはずれている場合、前記
可変磁界発生手段に磁束密度の増加および減少のうち少
なくとも何れか一方を指示することを特徴とするイオン
源を備えた処理装置。
【請求項１０】請求項９において、前記処理室内には、
前記対象物保持手段に保持された対象物から飛散した粒
子を堆積させる基板を保持するための基板保持手段が配
置されていることを特徴とするイオン源を備えた処理装
置。
【請求項１１】プラズマ生成室と、試料を配置するため
の処理室と、前記プラズマ生成室内の空間にマイクロ波
を放射する導波管と、前記プラズマ生成室内の空間に指
示された強度の磁界を発生させる可変磁界発生手段と、
前記プラズマ生成室から前記処理室にイオンビームを引
き出す電極とを有するイオンビーム処理装置を用いた試
料の加工方法であって、前記プラズマ生成室内に、炭素、水素、フッ素を同時に
含んだガスを導入してプラズマを発生させ、前記プラズマ生成室内のプラズマ密度を検出し、前記プラズマ密度が、予め定めたプラズマ密度の範囲か
らはずれている場合、前記可変磁界発生手段に磁束密度
の増加および減少のうち少なくとも何れか一方を指示こ
とを特徴とするイオンビーム処理装置を用いた試料の加
工方法。