JPS5946748A - イオンシヤワ装置 - Google Patents

イオンシヤワ装置

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JPS5946748A
JPS5946748A JP15684282A JP15684282A JPS5946748A JP S5946748 A JPS5946748 A JP S5946748A JP 15684282 A JP15684282 A JP 15684282A JP 15684282 A JP15684282 A JP 15684282A JP S5946748 A JPS5946748 A JP S5946748A
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松尾 誠太郎
Toshiro Ono
俊郎 小野
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32Gas-filled discharge tubes

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)
  • Drying Of Semiconductors (AREA)

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】 本発明は、半導体装置製造工程における微細なパターン
形成のためのエツチングに用いるイオンジャワ装置に関
するものである。
この種イオンジャワ装置は、プラズマを発生させてイオ
ン企生成するプラズマ室と、このプラズマ室の構成面の
一部に設けられ、プラズマ室からイオンを引出してジャ
ワ状イオンビームを形成するイオン引出し電極と、その
ジャワ状−rオンビームを試料表面に照射するようにし
た試料室とを有する。かかるイオンジャワ装置は、イオ
ンエツチング法、反応性イオンエツチング法として半導
体装置の製造工程に広く用いられている。
第1eは、=れまで広く用いられているイオンジャワ装
置のtrI、’j構成概略示すものである。かがる装置
は例えは「Ion Milling for Sem1
conductorPrOduc目on P’roce
sses J (L、D、Bollinger;5ol
idState  ’I’echnologV、No’
v、、P、AAへηθ(/り77))に詳細1に示され
ている。あ/ [fl+において、/はプラズマ室、2
は試fI室、3は熱電子陰極、夕は陽極、3はエツチン
グガスの導入口、6および7は、2枚構成の−rオン引
出し電極系、gは試料台、9は試料、10はプラズマ、
//はジャワ状イオンビーム、/、2はソレノイド磁石
、/3はマスクを示している。
イオン源が動作する時、エツチングガスがガス導入口3
を通ってプラズマ室/に供給され、このエツチングガス
は熱電子陰極3がら陽極グに加速された電子によってイ
オン化される。ここで、ソレノイド磁石/コによりイオ
ン化効率を高める。プラズマ10の中のイオン化された
ごツチングガスは上部のイオンリ+41jL電極6と下
部のイオン引出し電極7との間に印加ぎれたg7圧によ
って試料−室一にす1出され、ジャワ状イオンビーム/
/として、マスク/、?を介して、試料台gの上の試料
りに衝突し、試料9を物理的または物理化学的にエツチ
ングする。マスク/3はジャワ状イオンビームと容易に
反応しないような材料から選択される。
この私装置のプラズマ室/がら試F:を室コへ1711
8されるイオン電流の電流密度(J)と、2枚のイオン
引出し電極6と7との間に印加されブこ電圧(V)との
関係はチャイルドの法則によって次式のように近似され
る。
T OCy 3/2. i ま ただし、lは2枚の電極乙と7との間の粗部Cを示す。
第1図に示したイオンジャワ装置においては、一枚の電
極6および7の全体の直径は得ようとするジャワ状イオ
ンビームの直径と同等かもしくはこれ以上とし、通常は
り〜/θインチの大きさである。さらにこのように大き
い直径を有する2枚の電極乙と7との間隔lを全面にわ
たって一定とみなせるようにする刀:めに、かかる電極
のに4haは1〜.? mrnとしている。このため、
実用的なエツチング速度を得るための電流密度Jを得よ
うとすると、一枚の電%乙と7との間に印加する電圧■
を大きくする必要があった。
第1図に示すイオンジャワ装置に、導入ロタより弗化炭
素ガス(C2F61 C4F8など)を導入して5i0
2膜をエツチングした賜金、Ω枚の1ロおよび7に1o
oo vの電圧を印加した時5i02膜のエツチング速
度および5102膜のエツチング速度と3.のエツチン
グ速度との比は比較的大きい値が得られた。しかし、2
枚の電極乙と7との間に印加する電圧を夕OOv以下に
すると、5i02膜のエツチング速度およびS 102
膜と(tlJ材判とのエツチング速度比が小さくなり、
実用的な値は得られなかった。このように高電圧により
イオンを引き出してエツチングすることはエツチング速
度およびエツチング速度比の点では有利であるが、高電
圧により引出されたイオンはエツチング表面の結晶性に
損傷を与えて欠陥層を形成するので、半導体装置として
の機能を劣下させる。従って、一枚の電極を有するイオ
ンジャワ装置には使用範囲が限定されるという欠点があ
った。
第一図は、このような欠点を補うために提案された上部
の引出し電極を省略した一枚電極によるイオンジャワ装
置のイオン源部分の構成概略を示すものである。これは
、例えば−「Low EnergyIon Beam 
EtchingJ (J、M、E、Harper et
 al;J。
Electrochem、Soc、、 vol 、 1
2g、 Nook、 P−/θ77〜10g3(19g
/))にも詳細に示されている。図中の参照番号のうち
、第1図と同じ番号は同様の個所を示す。本例では上部
の引出し電極乙を省略する。/グはプラズマシース、/
!はシース界面である。本装置では、シース界面/3が
第1図における上側のイオン引出し電極乙に、またプラ
ズマシース//Iの厚さが第1図における一枚の電極乙
と7との間隔lに相当する。プラズマシース/lIの厚
さは引出し電極7に印加する電圧に依存するが、例えば
印加電圧lθθVで0J〜θ。2門程度である。このた
め、チャイルドの法則によって低電圧でも大きな電流密
度が得られるという利点を有していた。
しかし、第一図に示したイオンジャワ装置では、引出し
電極7に電圧を印加するとそれによって生ずる電界はプ
ラズマ室/内全体に及び、プラズマを生成するための熱
電子陰極3および陽極りによる放電用電界を大幅に乱し
、プラズマ生成を安定に実現できない。さらにまた、バ
ージエンの法則によれば、引出し電極7とプラズマ室/
の壁面のある特定部分との間に火花(スパーク)放電が
生じるため、引出しWJ、Fi!7にioo〜、2oo
 v以上の高電圧を印加して安定にイオンビームを形成
することはできない。このため、第1図のような一枚電
極の場合に比較して、’ ioθ〜soo v以下の電
圧で電流密度が増加したとしても、実用的なエツチング
速度および他の材料との良好な工゛ンチンク゛速度比は
得られない。
さらに加えて、本装置では、方向性の高し1ジヤワ状イ
オンビーム//を形成するためにり1出し電極7のアパ
ーチャの大きさをプラズマシースの厚さくOJ〜O,a
能)と同程度にしている。このため、引出し電極7に微
細・高精度な加工を施すことが要求され、これが実用上
の障害となっていたOさらに、このような微細なアパー
チャを構成するリムもアパーチャの大きさと同等かそれ
以下にするので、熱的な損傷を受けやすく、大電流を引
き出せないという欠点があった。
そこで、本発明の目的は、これらの欠点を除、去し、印
加電圧に制限されず、高電流のイオンが安定に得られる
イオンジャワ装置を提供することにある0 本発明の他の目的は、半導体装置を構成する種々の材料
に対して、実用的なエツチング速度およびエツチング選
択性を、材料に物理的損傷を与えずに、実現してエツチ
ングを行うのに供することのできるイオンジャワ装置を
提供することにある。
かかる目的を達成するために、本発明イオンジャワ装置
は、プラズマを発生させてイオンを生成するプラズマ室
と、このプラズマ室の構成面の一部に設けられ、プラズ
マ室からイオンを引出してジャワ状イオンビームを形成
する1つのイオン引出しIliと、そのジャワ状イオン
ビームを試料表面に照射するようにした試料室と、プラ
ズマ室内においてイオン引出し電極の近くであり、しか
もイオン引出し電極上に生ずるプラズマシースの厚さよ
りも離れた位置に、プラズマが通過可能であり、しかも
イオン引出し電極によって発生する電界がプラズマ室の
他の領域にほとんど及ばない構成のシールド電極とを具
備する。
ここで、上述のプラズマは、熱電子陰極を用いた放電、
あるいはマイクロ波による電子サイクロトロン共鳴によ
り発生させることができる。
上述のイオン引出し電極は炭素またはシリコンで形成す
るのが好適である。
以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。
第3図は本発明の基本構成例であり、ここ゛C1第1図
または第2図と同様の部分には同一符号を付す。すなわ
ち、lはプラズマ室、λは試料室、7は7つのイオン引
出し電極、gは試料台、9は試料、10はプラズマ、/
/はジャワ状イオンビーム、/グはプラズマシース、/
3はシース界面である。本発明では、プラズマ室/内に
おいて、イオン引出し電極りの近くであり、しかもこの
電極り上に生ずるプラズマシース/qのj7さよりも離
れたイ11m、ニ、プラズマ10が通過可能であって、
しかもイ詞ンリ1出し電極7によって発生する電界がプ
ラズマ室/の他の領域にほとんど及ばない構成のシール
ド電極2ノをプラズマ室lと同電位に配設する。
このような構成のイオンジャワ装置を動作させるにあた
っては、プラズマ室/の中に生成されたプラズマ10か
ら7枚のイオンぢ1出し電極7によってイオンが引き出
され、試料室−の中の試料台gの上の試料ワにジャワ状
イオンビーム/lが照射される。ここで、プラズマ10
からイオンを引き出すにあたって、引出し電極7を接地
14位とし、ブラズマ室/に正の電圧を印加するか、あ
るいはプラズマ室/を接地電位として引出し電極7に負
の電圧を印加する。このときプラズマシース/11.と
、9−ス界面/3が形成され、シース界面/Sと引出し
電極りの両者によって2枚電極のイオンジャワ装置と同
じ原理でジャワ状イオンビーム//を得ることができる
この場合、プラズマ室/と引出し電極りとの間に′電圧
を印加したことによって生ずる電界が、たとえプラズマ
10が生成されていない場合でも、シールド電極2/お
よび引出し電極7の間の領域にのみ限定されて、プラズ
マ室/の他の部分には及ばないことが必要である。
更にまた、バージエンの法則によれば、平等電界ギャッ
プにおいて火花放電の起きる電圧(火花電圧)はガス種
、ガス圧力およびギャップ間隔により異なる。例えば、
Arガス/ ×1O−3Torr 、ギャップ間隔/θ
OCmにおける火花電圧は約λθOVである。火花放電
の生じるギャップ間隔および火花電圧はすでに電子やイ
オンが存在する場合やプラズマ中の発光による紫外線照
射、加熱により著しく小さくなって、火花放電を発生し
やすくなることが知られている。ここで、種々の形状の
イ目対する電極間隔は、等電位面に対して垂直の電気力
線の長さでほぼ規定できる。
以上の考察から、イオンジャワ装置においでは、プラズ
マ/θが引出し電極りの方向に自由に移動でき、かつ、
引出し電極7からシールド電極コ/に至る電気力線の長
さがバージエンの法則によるギャップ間隔よりも充分短
かくなるようにシールド1u極コ/の格子の形状、寸法
およびシールド′fK 極、2/と引出し電極7との間
隔を定めることが重要である。
ここで、当然のことながら、引出し電極7のイオン引出
し特性に影響を与えないように、シールド1極コ/と引
出し電極7との間隔はプラズマシース/りの厚さより十
分大きいことが必要である。
第り図は本発明の一実施例におけるイオン源部の構成を
示す。このイオンジャワ装置では、熱tU子陰極により
プラズマを生成する。ここで、第1図および第3図と同
様の個所には同−参照番号をトjす。すなわち、/はプ
ラズマ室、−は試料糸、3は熱電子陰極、夕は陽極、左
はガス導入口、クハ引出し電極、/2はソレノイド磁石
1.2/はシールド電極である。更に、〃は電極りと、
2/との間に設けた絶縁スペーサである。
かかるイメン源を動作させるにあたっては、−例として
、Arガスをガスン〃入口5からプラズマ室lに導入し
て八〇×/θ−’ Torrとし、熱電子陰極3にコ/
Aの直流電流を供給し、陽極夕に/9Vの直流電圧を印
加してプラズマを生成した。このとき、ソレノイド磁石
/、2に八(1)Aの直流電流を流してイオン化効率を
高めた0イオン引出し電極7は接地電位とし、絶縁スペ
ーサココを介して、プラズマ室lに直流′iVL圧を印
加した。イオン引出し電極7は直径 yのモリブテン板
(O,!rmm厚さ)となし、このモリブデン板には直
径3鮎のアパーチャをl闘間隔で格子状に形成しておい
た0シールド電極2/としては、rb、荏/anのモリ
ブデン線により3賃羅角の正方格子を形成したものを用
い、イオン引出し電極7との間隔を20 v+mとした
0また、シールド1u極コ/はプラズマ室/と同電位に
なるようにした。
実験では、プラズマ室/に1ooovの電圧を印加して
もイオン源は正常に動作し、安定してジャワ状イオンビ
ームを杉威できた。また、左θθVの電圧を印加した場
合、プラズマシースの厚さは約す匠rmだった。このた
め、引出し電極に3朋のアパーチャを形成してもシース
界面と引/−(:Is、 L電極7とは平行な二面を形
成し、方向性の高いジャワ状イオンビームを形成できた
81¥S図は本発明の他の実施例におけるイオン源部の
構成を示す。このイオンジャワ装置では、マイクロ波に
よる電子ザイクロトロン共鳴ヲ用いてプラズマを生成す
る。ここで、第3図と同様の部分には同−符@をイζ]
すことにする。Tなわち、/はプラズマ室、コは試料室
、Sはガス導入し1.7は引出し電極である。電子サイ
クロトロン共鳴を用いてプラズマを生成する構成として
は、例えば、特願昭界−6/グO?号に詳細に示された
装置を用いるものとし、ここで、/λはソレノイド磁石
1.!3は高透磁率材料、評は絶縁スペーサ、コSおよ
び、26け絶縁体、u7はマイクロ波導入窓1.!gは
矩形導波管1.29はマイクロ波結合窓、3θはマイク
ロ波反射板を兼ねたシールド電極、3/は冷却水の給水
口、3.2は排水口である。
かかるイオン源を動作させるにあたっては、−例として
、02F6ガスをガス導入口Sからプラズマ室/に導入
し、l×10TOrrのガス圧とし、周波数4゜/I左
GH7,+パワーコθOWのマイクロ波を矩形導波管3
g1マイクロ波導入窓、27およびマイクロ波結合窓、
29を介してプラズマ室lに導入し、それと同時にプラ
ズマ室lの内部において少なくとも一部で電子ヴイクロ
トロン共鳴条件を満たすg7左Gaussの磁界をソレ
ノイド磁石により与えた。また、プラズマが発生しプラ
ズマ室lが加熱されることを防ぐために給水口3/およ
び排水口32の間に冷却水を流した。ソレノイド磁石/
コの上部と外周を取り囲んで高透磁率材料ユ3を配置し
て、プラズマ室lの中に引出し電極りの方向に弱くなる
発散磁界を形成して、プラズマ室/の中のイオンが引出
し電極7の方向に移動し易くする。また、プラズマ室l
はマイクロ波電力をプラズマに効率良く吸収させるため
にマイクロ波空胴共振器の条件を満たすように、例えば
、内のり寸法で高さ、20θff1lIls直径/70
話(’TE413)とした。マイクロ波反射板を兼ねた
シールド電極3θによって、マイクロ波を反射しマイク
ロ波空胴共S器の高さを決めるとともに、プラズマ室/
の終焔に絶縁スペーサ一りを介して配置された引出し電
極りによる電界がプラズマ室/の内部に及ぶのを防止す
る。マイクロ波反射板を兼ねたシールド電極30は、例
えば、周期〃朋、太さ2市角の正方格子ステンレス板と
し、イオン引斗宛極7は厚さO,S門で直径/gOTl
rnのステンレス板であり、このステンレス板の全面に
直径、21R111周期コ。t xiのアパーチャをあ
けたものとした。また、マイクロ波反射板を兼ねたシー
ルド電極30と引出し電極7との間隔は例えば30 r
amとし、引出し電極りを接地電位にし、プラズマ室/
に直流電圧を印加した。
第A図は第左図に示したイオンジャワ装置によるイオン
電流特性の実験結果を示している。マイクロ波反射板を
兼ねたシールド電極30は安定なプラズマ生成や火花放
電防止に有効であり、1000Vの電圧を印加しても安
定してジャワ状イオンビームが形成された。イオン電流
密度は、印加電H】の増加にともなって、はぼ直線的に
増加し、印加電圧tioo vにおいて1rnA/C請
、10θθVにおいてJ mA /r、Aが安定して得
られた。引出し電極7は剛性高く構成されているため、
このように大きい電流密度でイオンを引き出しても、引
出しN極りがイオン衝撃による加熱で変形すうことはな
かった。
第7図は本発明における5i02選択エツチングの実験
例であって、第S図に示したイオンジャワ装置による各
種材料のエツチング速度の測定結果を示すものである。
エツチング速度を抑制したいSlのエツチング速度の印
加電圧依存性は非常に小さく、印加電圧/θoo vで
も約/30 (A/m+nであった。これに対して、5
102膜のエツチング速度は印加電圧の増加が大きく寄
与する。エツチング速度はグθθ■で1000 A/m
in 、 1000 Vで、27θA/minときわめ
て能率のよい値を示した。エツチングの選択性を示す5
i02膜のエツチング速度とslのエツチング速度の比
は印加電圧100 Vで約3であったが、yoo vで
70.1000 Vで/ざと非常ニ大きくなった。5i
02膜のエツチングマスクとして用いるPMMA (ポ
リメチルメタクリレート)レジストのエツチング速度は
J□z 膜とSiの特性の中間的な特性を示した。印加
電圧りOOVでは5IO2膜とのエツチング速度比は約
−と実用的な値であった。
本発明の実施例においては、7枚で構成する引出し電極
材料として、炭素またはシリコンを使うことがエツチン
グすべき試料の金属汚染防止に有効である。これは、引
出し電極りに入射したイオンがこの電極りをスパッタし
、これが試料表面についたとしても同系の材料からなる
半導体装置においては表面の汚染につながらないからで
あり、これら材料はエツチングすべき試料の金属汚染防
止のために非常に有効である。これらの材料は耐熱性は
高いが、脆弱であるため、薄板で、しがも微細なアパー
チャを形成する必要のあった従来のイオンジャワ装置に
は使用できず、本発明によってはじめて容易に使用でき
るようになった。
以上説明したように、本発明によれば、プラズマ室に生
成されたイオンを7枚のイオン引出し電極で加速して試
料室に引き出すイオンジャワ装置において、パージエン
の法則で規定される距離よりも充分小さく、かつ7枚の
イオン引出し電極上に生じるプラズマシースの厚さより
も充分大きい距離でかかるイオン引出し電極のプラズマ
室側にシールド電極を配設することにより、1枚のイオ
ン引出し電極に印加する電圧を高範囲に設定でき、しか
もまた安定に大きな電流密度が得られる。このため、本
発明イオンジャワ装置を半導体装置の製造に適用した場
合、基板に与える物理的損傷の許される範囲において自
由にイオンエネルギーを選択することができる。しかも
、本発明イオンジャワ装置は、半導体装置製造の分野だ
けでなく、従来この種装置によっては処理速度が遅く、
化学液等による処理に頼らざるを得なかった他の分野、
研摩、表面改質などに対しても実用的な処理速度をもっ
て適用できるなどの利点がある。
なお、本発明は、イオン化のためのプラズマ生成にあた
って高周波放電など他の方法を用いるイオンジャワ装置
にも適用できることは明らかである。更にまた、本発明
はエツチングのためだけでなく、イオンビーム付着によ
る膜形成を目的としたイオンビーム装置としても適用で
きること明らかである。
【図面の簡単な説明】
第11ズは従来の2枚電極からなるイオンジャワ装置の
構成の概略を示す線図、第一図は従来の単枚電極からな
るイオンジャワ装置のイ剖ン源の構成の概略を示す8図
、第3図は本発明イオンジャワ装置の基本構成の概略を
示す線図、第グ図は本発明の一実施例として熱電子陰極
を用いたイオンジャワ装置の構成の概略を示す線図、第
S図は本発明の他の実施例としてマイクロ波によるi1
χ子サイクロトロン共鳴放電を用いたイオンジャワY 
fiTの構成、の概略を示す断面図、第6図は本発明イ
オンジャワ装置におけるイオン電流特性の実験結果を示
す特性曲線図、第7図は本発明イオンジャワ装置のエツ
ヂング特性の実験結果を示寸特性曲線図である。 /・・・プラズマ室、 λ・・・試料室、 3・・・熱電子陰極、 q・・・(髄fi′11、 夕・・・ガス導入口、 乙・・・上部イオン引出し電極− 7・・・下部イオン引出し電極1 ざ・・・試料台、 ?・・・試料、 /θ・・・プラズマ、 //・・・ジャワ状イオンビーム、 /λ・・・ソレノイドm石、 特 /3・・・マスク、 /り・・・プラズマシース、      伏/り・・・
シース界面1 .2)・・・シールド電極1 .2ユ・・・絶縁スペーサ2 .23・・・高透磁率材料1 .2グ・・・絶縁スペーサ、 J、ム・・・絶縁体1 .27・・・マイクロ波導入窓、 −g・・・矩形導波管、 2り・・・マイクロ波結合窓、 3θ・・・マイクロ波反射板を兼ねた シールド電極、 3/・・・冷却水の給水口、 J2・・・排水口。 許出願人  日本電信電話公社 1理。 ガス 羽ト詐 第2図 第5図 第6図 0     200   400   600   8
00    +000印加電圧〔■〕

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 /)プラズマを発生させてイオンを生成するプラズマ室
    と、該プラズマ室の描成面の一部に設けられ、前記プラ
    ズマ室からイオンをり[出してジャワ状イオンビームを
    形成する7つのイオンク1出し電極と、前記ジャワ状イ
    オンビームを試料表面に照射するようにした試料室と、
    前記プラズマ室内において前記イオン引出し電極の近く
    であり、しかも前記イオン引出し箪極上に生ずるプラズ
    マシースのI’Xさよりも離れた位置に、前記プラズマ
    が通過可能であり、しかも前HC1イオン引出し電極に
    よって発生する電界が前記プラズマ室の他の領域にほと
    んど及ばない構成のシールド電極とを具備したことを特
    徴とするイオンジャワ装置。 2、特許請求の範囲第1項記載のイオンジャワ装置にお
    いて、前記プラズマ室において熱電子陰極を用いた放電
    により前記プラズマを発4三させるようにしたことを特
    徴とするイ号ンシーV゛ワ装置0 3)特許請求の範囲第1項記載のイオンシャ17装雷に
    おいて、前記プラズマ室において、マイクロ波による電
    子サイクロトロン共@1.こより前記プラズマを発生さ
    せるようにしたことを特徴とするイオンジャワ装置。 <z)  特許請求の範囲第1項記載のイオンジャワ防
    雪において、前記イオン引出し電極を炊米またはシリコ
    ンで形成したことを特徴とするイオユ・ジャワ装置。
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