JPS5963729A - イオンシヤワ装置 - Google Patents

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、半導体装置製造における微細なパターン形成
のためのエツチングの工程に適合するイオンジャワ装置
に関するものである。

プラズマを発生させてイオンを生成するプラズマ室から
、このプラズマ室構成面の一部に設けられたイオン引出
し電極によりジャワ状イオンビームを引出して、試料室
内におかれた試料表面に照射するイオンジャワ装置は、
反応性イオンシャツエツチング法として半導体装置製造
に用いられている。

第１図は、このようなイオンジャワ装置のうち、マイク
ロ波による電子サイクロトロン共鳴によりプラズマを発
生するイオンジャワ装置のイオン源部の構成概略を示す
ものである。本装置の構成は、たとえば特願昭５６−６
１４０９号にも詳細に示されている。ここで、１はプラ
ズマ室、２は試料室、６は浮遊′電極板を有するイオン
引出し電極、４はマイクロ波導入窓、５は矩形導波管、
６は磁気コイル、８は絶縁体、１５は高透磁率材料、１
６はガス導入口、２１はマイクロ波反射板、２２はマイ
クロ波結合窓、２４は絶縁スペーサ、２５はプラズマ輸
送室である。

イオン源が動作するとき、ガスがガス導入口１６よりプ
ラズマ室１に導入され、矩形導波管５．マイクロ波導入
窓４およびマイクロ波結合窓２２を介してマイクロ波が
プラズマ室１に導入される。

それと同賄にプラズマ室１の内部において、少なくとも
一部で電子サイクロトロン共鳴条件を７ｉ・ｉたる。マ
イクロ波電力をプラズマに効率良く吸収させるようにす
るために、プラズマ室は、マイクロ波は反射するが、プ
ラズマはプラズマ輸送室２５の方向に自由に移動できる
形状および寸法のマイクロ波反射板２１　を設けた空胴
共振器構造となっている。

プラズマ室１およびプラズマ輸送室２５から試料室２に
ジャワ状イオンビームを引き出す際に、！ プラズマ室１には正の電圧を印加し、浮遊電極板を有す
るイオン引出し電極６のうち、イオン引出し電極６Ｂを
接地電圧、イオン引出し電極６Ａを浮遊の状態とする。

イオン引出し電極６Ａを浮遊の状態とするために絶縁ス
ペーサ２４が設けられ、プラズマ室１に電圧を印加する
ために絶縁体８が設けられている。イオン引出し電極３
Ａを浮遊の状態にすることにより、プラズマ中のｄノ１
子のエネルギーに応じて自己整合的に負電位が生じて入
射電子数が著しく減少し、イオン引出し電極６Ａおよび
イオン引出し電極３Ｂが加熱されるのを防ぐとともに、
異常放電を抑制する。さらに、高透磁率材料１５を磁気
コイル６の上部と外周に配置して、プラズマ室１に、イ
オン引出し電極６Ｂの方向に弱くなる発散磁界を発生さ
せることによりイオンの引出し効率を上げることができ
る。

この種イオンジャワ装置のプラズマ室１から試料室２へ
引出すイオン電流の電流密度（Ｊ）と、イオン引出し電
極とプラズマ室との間に印加される電圧（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。

Ｊ■ｖｓＡ・、ｉ−ま ただし、ｌはイオン引出し電極６の２枚の電極６Ａと６
Ｂとの間隔を示す。第１図に示すイオンジャワ装置では
、これら２枚の電極３Ａおよび６Ｂの直径を、得ようと
するジャワ状イオンビームの直径と同等か、もしくはそ
れ以上となし、通常は４〜１０インチの大きさとしてい
る。このように大きい直径を有する２枚の電極の間隔を
全面にわたって一定とみなせるようにするために、熱縫
形などを考慮して、２枚の電極の間隔は１〜３１１Ｉ１
１としている。このため、実用的なエツチング速度を与
える電流密度を得ようとすると、印加電圧を大ならしめ
る必要力匁あった。しかし、大眠圧により加速された高
エネルギー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、とくに半導体装置製造にお
いては適用範囲が大きく制限される欠点があった。さら
にまた、２枚の電極を決められた位置に正確に固定する
などの煩雑な作業を必要とする欠点もあった。

そこで、本発明の目的は、上述した欠点を解決し、電極
の損傷を防止し、かつ印加電圧に制限されることなく高
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。

かかる目的を達成するために、本発明では、プラズマ室
において生成されたイオンをプラズマから引き出してジ
ャワ状イオンビームを形成するイオン引出し電極を単枚
の構成とし、その単枚のイオン引出し電極のプラズマと
接する面に、イオン引出し電極と密着して絶縁体を設け
る。

以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第２図は本発明イオンジャワ装置の一実施例を示し、こ
こではイオンシャツ装置のイオン源部分の概略を示す。

第２図において、第１図と同様の個所には同一の符号を
付すことにする。図中、６０はプラズマと接する而に絶
縁体を配置した単枚のイオン引出し電極である。イオン
源が動作する時、Ｃ！ＦＩＩ　やＣ，Ｆ８　　などのエ
ツチングガスなガス導入口１６から導入し、プラズマ室
１の圧力を５Ｘ１０−’”−５Ｘ　１Ｏ−３Ｔｏｒｒの
圧力とし、２．４５　ＧＨｚ　（ＴＥ、。モード）のマ
イクロ波を矩形導波管５からプラズマ室１に導入する。

それと同時に、磁気コイル乙によってプラズマ室１の少
なくとも一部で電子サイクロトロン共鳴条件（８７５Ｇ
ａｕｓｓ　）を満たす磁界を与えてプラズマを発生させ
る。マイクロ波反射板２１は、プラズマがイオン引出し
電極６０の方向に自由に移動できるが、マイクロ波は反
射して通過することのできない反射器であって、この例
では、周期間隔２Ｑｚｚで太さ２鴎角の正方格子の金属
板を用いる。プラズマ室１はマイクロ波がプラズマに勃
率よく吸収されるように内のり寸法で直径１５０イクロ
波空胴共振器構造とする。プラズマｙＪ・らイオンを引
出すために、プラズマ室１に正の磁比を印加し、イオン
引出し電極６０を接地電圧とする。

イオン引出し電極６０に、′醇体部制、例えば厚さ帆５
ｍ７１で直径１．５０ｍのステンレス板に周期間隔２．
５門で直径２群の１パーチヤ３１　をあけてなる導体板
３０Ａと、この導体板６０Ａのプラズマに接する側面に
ポリイミドをスプレー塗布・乾燥・熱処理して得られた
厚さ帆３ｗｎのポリイミド膜からなる絶縁体３０Ｂとか
ら構成することができる。絶縁体６０Ｂはプラズマと導
体板３０Ａを電気的に絶縁するとともに、等測的に浮遊
の状態であり、プラズマ中の電子のエネルギーに応じて
自己整合的に負電位が生じる。このため１本発明のイオ
ンシャツ装置□におけるイオン引出し電極６０は単枚の
電極ではあるが、従来の２枚電極と同じ効果を奏する。

したがって、プラズマ中の高エネルギー電子がイオン引
出し電極３０に流入して電極が局部的に加熱されるなど
の不都合がなく、安定してジャワ状イオンビームな得る
ことができる。なお、上述のアパーチャ３１は間隙を意
味し、その形状としては、丸孔、楕円孔、方形孔、長方
形孔など各種形状の孔とすることができる。かかるアパ
ーチャ６１の寸法とは、間隙の長さ、すなわち円の直径
、楕円の短径あるいは一番短い辺の長さを意味するもの
とする。

第２図に示した本発明イオンシャツ装置のイオン引出し
電極近傍の詳細を第６図により説明する。

ここで、第２図と同様の個所には同一符号を付しである
。図中、４０はプラズマ、４１はプラズマシース、４２
はシース界面、４６はジャワ状イオンビームである。

まず、第３図により本発明の八本的作用・効果について
説明する。プラズマ４０中のイオンはシース界面４２に
到達し、この界面４２と垂直な方向をなしてプラズマシ
ース４１　に流入し、プラズマシース４１　の電界分布
および強度に応じて方向性とエネルギーが付与される。

プラズマシース４１の厚さが、イオン引出し電極６０の
アパーチャ６１の大きさに比べて小さい場合、すなわち
印加電圧が小さい場合には、シース界面４２の形状はア
ノーーテヤ６１の方向に凸の形状（プラズマ４０の方向
′に凹の形状）をなす。

印加電圧を高くしてプラズマシース、４１の厚さを大き
くするか、または相対的にアパーチャ６１０寸法を小さ
くすると、絶縁体３０Ｂの上では電子のエネルギーに応
じて自己整合的に生じるシース厚さとなり、他方、アパ
ーチャ６１の部分ではプラズマ室（プラズマ４０）と導
体板３０Ａに印加された電圧によって規定されるシース
厚さとなり、この時のシース界面４２の形状は第３図の
ようにプラズマ４０の方向に凸の形状となる。この状態
では、イオンの収束効果により、イオンの引出し効率お
よび方向性を向上させることができる。さらにまた、そ
の結果、引出し電極６０に入射するイオン数が減少する
こと、および入射したとしても絶縁体６０Ｂの上のプラ
ズマシース４１の部分には電子の流入により自己整合的
に定まる低い電圧しか生じなく、入射イオンのエネルギ
ーが小さいことなどのためにイオン引出し電極６０のイ
オン衡撃による損傷を最小にすることができる。

一方、絶縁体３０Ｂのない導体板３０Ａだけの単枚のイ
オン引出し電極の場合には、導体板６０Ａのプラズマに
接する全ての部分においてプラズマに電界が及ぶ。この
ため、シース４１　の厚さがアパーチャ６１の大きさよ
りも充分に大きい場合でも、シース界面４２の形状はせ
いぜい導体板５０Ａのなす平面と平行にしか成り得ない
。従って、イオンの収束効果を期待することはできない
ばかりでなく、導体板３０Ａには、プラズマ室（プラズ
マ４０）と導体板３０Ａに印加した電圧によって加速さ
れた高いエネルギーを持つイオンが入射して導体板３０
Ａが損傷を受けることとなる。

本発明では、引出し電極６０の導体板！ＯＡ上に絶縁体
３０Ｂを配置することによって高エネルギーを持つイオ
ンが導体板３０Ａ上に入射することを防止し、かつ、プ
ラズマシース４１によるイオンの収束効果を期待できる
。これらの効果は、絶縁体３０Ｂ上に入射する電子のエ
ネルギーに応じて自己整合的に生じるシース４１　の厚
さ、導体板３０Ａに印加する電圧によって形成されるシ
ース４１　の厚さ、導体板６ＯＡの厚さ、アパーチャ３
１の寸法等により異なる。このような異なる状態に対し
ては、絶縁体３０Ｂの被覆形状を変えることにより本発
明の効果を有効に発揮できる。

例えば、第４図の例においては、絶縁体３０Ｂ上に生じ
るシース４１の厚さおよび導体板３０Ａに印加する電圧
によって形成されるシース４１の厚さが、イオン引出し
電極６０のアパーチャ６１の寸法に比較して小さい場合
に相当しており、この場合は、導体板６０Ａの側面と上
部を覆う形態で絶縁体６０Ｂを形成することが効果的で
ある。

さらに、第５図は第４図とは逆の場合に相当しており、
この場合には、高エネルギーを持つイオンが導体板３０
Ａに入射しない範囲で、導体板３０Ａの幅よりも狭く、
導体板！ＯＡの上部に絶縁体３０Ｂを形成することが効
果的である。

第６図は本発明の効果を示すイオン電流特性の測定結果
を示す図である。ここで、ガスはＣ，Ｆ６１０　ｅｃ／
ｍｉｎ、ガス圧は２．ＯＸ　１０−”　Ｔｏｒｒ　　と
した。曲線Ａは２枚の電極を１．５Ｈの間隔で配置し、
プラズマに接する側の電極を浮遊゛の状態とした従来の
イオンジャワ装置による場合で、マイクロ波電力は３０
０Ｗとした。曲線Ｂは本発明の実施例による場合であり
、単枚の電極導体３０Ａのプラズマと接する面に０．３
１１１１厚さでポリイミド膜の絶縁体３０Ｂを形成した
。この場合のマイクロ波電力は２５０　Ｗとした。図か
らも明らかなように、曲線Ｂにおいては、曲線Ａよりも
低いマイクロ波電力にもかかわらず、大幅にイオン電流
が増大しており、３００Ｖと低い電圧でも１ｍａｉｌと
実用的な値が得られている。これは、前述のチャイルド
の法則における２枚の電極の間隔を、この場合にはシー
ス厚として近似できるためであり、２枚電極の間隔を極
端に小さくした場合に相当すること、およびシース形状
に起因するイオンの収束効果によって得られたものであ
る。また、曲線において、２．５帖雇以上の大きなイオ
ン電流密度を得るような条件においても、電極に損傷は
観察されなかった。

さらに、絶縁体を有するイオン引出し電極を用いる場合
には、シールド電極との組合せが効果的であり、それに
よって信頼性を著しく高めることができる。絶縁体を有
するイオン引出し電極の絶′縁体にピンホールなどの欠
陥が発生し、イオン引出し電極の電界がプラズマ室に及
ぶと、異常放電（火花放電）の原因となるとともに、プ
ラズマの発生が不安定になり、信頼性が低下する。「放
電ハンドブック」（電気学会発行、第９９頁）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（パ
ーＶｓンの法則）はＡｒガスＩ　Ｘ　１０−”　Ｔｏｒ
ｒ　。

ギャップ間隔１００備において約２００ｖである。つま
り、この火花電圧以上の電圧では火花放電が生じ、安定
して電圧な印加できないことを意味する。

火花放電の生じるギャップ間隔および火花電圧はガス種
およびガス圧力により異なるが、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や
加熱により一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
相対する電極間隔は、等電位面に対して乗員の電気力線
の長さでほぼ規定できる。

す、上のことから、本発明イオンジャワ装置においては
、プラズマ室のプラズマが引出し電極の方向に自由に移
動でき、しかも引出し′磁極からシールド磁極に至る゛
電気力線の長さが、パージエンの法則におけるギャップ
間隔よりも充分短かくなるようにシールド電極の形状２
寸法およびシールド屯極と引出し電極との間隔を定め、
イオン引出し電極の電界がほとんどイオン引出し電極と
シールド電極との間に局在するようにシールド電極を配
置することが信頼性向上のために効果的である。

つまり、たとえ絶縁体にピンホールなどの欠陥が発生し
、引出し電極の一部がプラズマに露出したとしても異常
放電や電界のプラズマ室への悪影響を防止して安定なジ
ャワ状イオンビームを得ることができる。

第７図はカウフマン形イオン源として知られている熱電
子陰極を用いた放電によりプラズマを生成するイオン源
部分に本発明を適用した実施例をは磁気コイル、１６は
ガス導入口、２４は絶縁スペーサ、６０は導体３０Ａと
絶縁体３１）Ｂとから成るイオン引出し電極、５０はプ
ラズマ室１に配置した熱電子陰極、５１は陽極、６ｏは
シールド屯極である。イオン引出し電極６ｏは、例えば
厚さ帆５間で直径１００ｍのモリブデン板に周期間隔４
闘および直径３朋のアパーチャ６１　をあけてなる導体
板３０Ａと、厚さ帆３Ｍのポリイミド膜による絶縁体３
０Ｂとから構成した。シールド電極６ｏは、例えば直径
ＩＭのモリブデン線を用いて５Ｍ角の正方格子として構
成し、イオン引出し電極６ｏとの間隔を２０Ｂとして配
置した。また、シールド電極６゜はプラズマ室１と同電
位になるようにした。実験ではＡｒガスをガス導入口１
６がらプラズマ室１に導入し、このプラズマ室１の圧力
を１．ＯＸＩＦ’　Ｔｏｒｒとして、熱電子陰極５０に
２１　Ａの直流電流、および陽極５１に１９　Ｖの直流
電圧を印加してプラズマを発生させるとともに、磁気コ
イル６に１．ＯＡの直流電流を加えてイオン化効率を高
めた。ジャワ状イオンビームは、引出し電極６０を接地
電圧として、プラズマ室１に正の直流電圧を印加して、
形成した。この実験の結果、１００ＯＶの電圧を印加し
ても安定してジャワ状イオンビームを形成することがで
きた。

また、マイ先口波による電子サイクロトロン共鳴により
プラズマを生成するイオン源を有する本発明イオンジャ
ワ装置では、第２図に示すように、イオン引出し電極６
０と３０顛離れたプラズマ室１に設けられたマイクロ波
反射板２１がシールド電極をも兼ねており、プラズマ室
１とイオン引出し電極３０との間に１０００　Ｖの電圧
を印加して安定なジャワ状イオンビームを形成すること
ができた。

す、上の本発明の実施例においては、イオン引出し電極
６０を構成する導体板５０Ａとしてステンレス、モリブ
デン、および絶縁体３０Ｂとしてポリイミド膜を用いた
場合についてのみ示したが、これら材料にのみ限られず
に、他の材料をも使用できる。例えば、導体板３０Ａと
しては、カーボン、シリコンを・、また、絶縁体３０Ｂ
としてはアルミナ。

二酸化ケイ素などをより有効に用いることができる。こ
れらの材料は高融点材料であり、プラズマにさらされて
商温になっても安定であり、しかも加えて１１、半導体
装置はこれらの材料で構成されるから、仮にこれら材料
がイオン衝撃でスパッタされて半導体装置表面に付着し
たとしても汚染源とはならない利点がある。第２図に示
した実施例において、導体板３０Ａとしてカーボン、絶
縁体３０Ｂとして二酸化ケイ素の組み合せでイオン引出
し゛小極６０を構成した実験例において、エツチング表
面の汚染もなく半導体装置構成材料をエツチング１−る
ことかできた。

さらに、本発明の上述した実施例においては、ステンレ
ス板、モリブデン板のプラズマに接する面全体にポリイ
ミド膜を形成したが、イオン引出し電極をシールド電極
と組合わせて用いる場合には絶縁体を部分的に形成して
もよい。このことは、たとえば、部分的に大電流を取り
出したい場合やイオン源の内側の外周部分での電流密度
分布を改善して実効イオン源寸法を大きくしたい場合な
どには効果的である。

なお、イオン引出し電極６０を構成する導体部材として
は、上述したようにアパーチャをもつ導体板のみでなく
、例えば適当なアパーチャをもつメツシュの形態の部材
、例えばモリブデン線により正方格子状アパーチャを形
成したシラシュ部材とすることもできる。

以上説明したように、本発明ではイオンジャワ装置のイ
オン引出し電極において、イオン引出し電極を導体部材
およびこの導体部材のプラズマと接する面に密着して設
けた絶縁体で構成することによって、イオン引出し電極
の電子、イオンによる損傷を最小にし、しかも引出すイ
オン電流を増大させることができる利点がある。さらに
また、前述のイオン引出し電極とシールド電極とを組み
合せることにより、安定してジャワ状イオンビームを形
成できる利点が゛ある。

本発明によれば、エツチング表ｍｌの結晶性が乱された
欠陥層を生じさせないように低エネルギーで大きいイオ
ン電流を安定しで得る必要のある半オンジャワ装置を提
供することができる。

なお、本発明はエツチングのためのイオンジャワ形成の
みならず、イオンく−ム付着による膜形成を目的とした
イオンビーム装置にも適用できることは明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のイオンシャツ装置の構成例を示す線図、
第２図は本発明イオンシャツ装置の一実施例におけるイ
オン源部分の構成概略を示す線図、第６図、第４図およ
び第５″図は第２図示のイオン引出し電極の３例を示す
拡大図、第６図は本発明の実施例に基くイオン電流特性
の測定結果を示す特性曲線図、第７図は本発明イオンシ
ャ装置の他の実施例におけるイオン源部分の構成概略を
示す線図である。 １　・・・プラズマ室、 ２　・・・試料呈、 ３　・・・浮遊電極板を有するイオン引出し電極、３Ａ
、５Ｂ・・・電極、 ４　・・・マイクロ波導入窓、 ５　・・・矩形導波管、 ６　・・・磁気コイル、 ８　・・・絶縁体、 １５　・・・高透磁率材料、 １６　　・・・　ガス導入口、 ２１　　・・・マイクロ波反射板、 ２２　　・・・マイクロ波結合窓、 ２４　　・・・絶縁スペーサ、 ２５　　・・・プラズマ輸送室、 ６０　　・・・絶縁体を有するイオン引出し電極、３０
Ａ・・・導体板（導体部材）、 ３０Ｂ・・・絶縁体、 ６１　　・・・アパーチャ、 ４０　・・・ブラダ７． ４１　　・・・プラズマシース、 ４２　　・・・シース界面、 ４６　　・・・ンヤワ状イオンビーム、５０　　・・・
熱電子陰極、 ５１　　・・・陽極、 ６０　　・・・シールド電極。 特許出願人　　日本電信電話公社 第１図 ら 第２図 第３図 第４図 第６図 ２００　　　４００　　　６００　　　８ｏｏ　　　１
０００イオン用土し電圧

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）プラズマを発生させてイオンを生成するプラズマ室
   と、該プラズマ室の構成面の一部に設けられ、前記プラ
   ズマ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、ｍｌ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を有するイオ
   ンジャワ装置Ｃ二おいて、前記イオン引出し電極は該イ
   オン引出し電極の前記プラズマに接する側に密着して絶
   縁体をイラすることを特徴とするイオンジャワ装置。 ２）プラズマを発生させてイオンを生成するプラズマ室
   と、該プラズマ室の構成面の一部に設けられ、前記プラ
   ズマ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、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を有するイオン
   ジャワ装置において、前記イオン引出しトに極は、該イ
   オン引出し電極の前記プラズマに接する側に密着して絶
   縁体を有し、および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、かつ当該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離れた位置に前記プ
   ラズマが通過可能であり、しかも前記イオン引出し電極
   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
   とんど及はない構成のシールド電極を有することを特徴
   とするイオンジャワ装置。