JPS6276137A - イオン源 - Google Patents

イオン源

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JPS6276137A
JPS6276137A JP60214627A JP21462785A JPS6276137A JP S6276137 A JPS6276137 A JP S6276137A JP 60214627 A JP60214627 A JP 60214627A JP 21462785 A JP21462785 A JP 21462785A JP S6276137 A JPS6276137 A JP S6276137A
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expansion chamber
ion
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康則 大野
Tomoe Kurosawa
黒沢　巴
Tadashi Sato
忠 佐藤
Yukio Kurosawa
黒沢　幸夫
Yoshimi Hakamata
袴田　好美
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  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
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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】 〔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や半導体の生成お
よび加工を行なうエツチング装ｆ４やスパッタ装置にイ
オンビームを用いることが多くなってきた。
このようなイオンビームを生成するイオン源には、フィ
ラメントからの熱成子枚出によっ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カ多い。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、フィラメントの消耗が激しく＠繁
にフィラメントを交換しなければならなかった。
この問題点を除くには、高周波放電やマイクロ彼放逍を
用いてプラズマを作ることにより、フィラメントを無ぐ
すことが必要で、これによりイオン源を長時間稼動させ
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
が行なわ几ており、例えば「エネルギーアノマリーズ　
オプザーブド　イ／　イオン　ビーム　プロデユースト
　パイアールエフ　ノー／−ズ（Ｅｎｅｒｇｙ　Ａｎｏ
ｍａＸｌｉｅｓ　０ｂｓｅｒｖｅｄ　ｉｎ　■ｏｎＢｅ
ａｍｓ　ＰｒｏｄｕＸｃｅｄ　ｂｙ　ｒｆ　５ｏｕｒｃ
ｅｓ　）　Ｊ　Ｃシージエー　コック　その他、レビュ
ー　オプ　サイエンティフィック　イ／ストルメ／ツ　
（Ｃ，Ｊ。
Ｃｏｏｋ　ｅｔ、　ａｌ、　、　　Ｒｅｖ、　Ｓｃｉ、
　Ｉｎｓｔｒｕｍ、　）　２Ｌ　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〔ニスセスエネ
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ＩＫｅＶ以下のイオンビームを
引き出すとき、はぼ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、
「マイクロウェーブ　イオン　ソース（Ｍｉｅｒｏｗａ
ｖｅ　Ｉｏｎ　５ｏｕｒｃｅ　）Ｊ　（エヌ　サクドー
その他、レビュー　オプ　サイエンティフィックインス
トルメ／ツ（Ｎ、　５ａｋｕｄｏ、　ｅｔ、　ａｔ、　
、　Ｒｅｖ、　Ｓｃｉ。
Ｉｎｓｔｒｕｍ−）■ｏ１．４８．　Ｎｏ、　７．　Ｊ
ｕｌ）ｙ、　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、高周波数’１ｔ　′
に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１
００ｅＶ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だ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
積にわたっ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
犬さ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ヌマ
ッ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コイル
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、高周波数′成あるいはマイクロ波放心によっ
て生成されたプラズマが、磁気的手段によって壁からな
れた所で維持されるプラズマ拡張室を、プラズマ生成室
のイオノ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って説明する。
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ッ
クプレート２１で形成されている。
このプラズマ生成室１の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、Ｘ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を介してバックプレ
ート２１へ永久磁石１０が固定されており、第２図て示
すよう複数個配置した永久磁石１０はカブス磁界１９を
形成し、これによってプラズマ領域２０を形成している
。これら永久磁石１０の背後には、絶縁物９によってプ
ラズマ生成室ＩＩＩ壁１５へ支持した３ター／の高周波
コイル１１が配置されている。パックプレート２１を電
気的に絶縁した状態で気密に貫通した導入端子１２には
高同波成力が供給される。またバックプレート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と生じさせる永久磁石１０が配
置され、プラズマ′項域２０が形成されている。このプ
ラズマ領域２０（−１第２図のプラズマ領域２０より大
きな面積となっている。
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カニ６己置さ
れている。
プラズマ生成室１を５ｘｌＯ’Ｔｏｒｒ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１ｘｌＯ’　〜５Ｘ１０　’Ｔｏｒｒ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
略した放心ギャップを放電させながら高周波コイル１１
に１３．５６ＭＨ２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
定すれば放電ギャップラズマは、プラズマ生成室側壁１
５に向かって拡散しようとするが、永久磁石１０による
カプス磁界１９によってプラズマ生成室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図の装置によって０．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ＩＸＩ　Ｏ”
（ｃｒｒＬ’　）となり、そこから直接５００　ｅｖの
Ｏ，イオンビームを引さ出したところ、０、６５　ｍＡ
／−のイオンビーム電流密度が得られた。
この値は、アーク放１Ｋ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。高周波コイルを用いたイオン源において、高ぞ
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１００　ｅＶに達している。５００〜
８００　ｅＶ程度の比較的低いエネルギーのイオン金利
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
プラズマ拡張室２金形成しているが、この例では後者は
前者の５倍の偉績を有している。
このプラズマ拡張室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だめのものである。従
って、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図の（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）より小さくなっている
。
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程度に下ったが、引き出されない高エネルギーのイオ
ンが減ったため、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。面、プラズ
マ拡ジ長室２では、永久磁石１０の作るカスプ磁界１９
によっ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％にとどまっている。
本実施例によれば、高周波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
なかったプラズマ生成室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、Ｘ空１でしたプラズマ生成室１へ・４
導入口８から反応性ガスを導入すると共に、導波管１３
全通じて′２．．４５　ＧＨｚ　　のマイクロ波全注入
する。印加する磁界の強度は、発生するプラズマの成子
サイクロゝ＜共鳴（Ｅ　ＣＲ）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
るいは印加する磁界強度を高めに設定する。上述し、た
より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０□ガスを導入Ｌｔｔ（Ｊ、０．５〜１．ＯＸ１０”
　（ｃｍ　”　）　　（７）　クラ、＜　７　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張
室２を形成した。この結果、プラズマの砿敗によりプラ
ズマ拡張室２でのプラズマ密ｊ１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って均一となる。尚、
プラズマ拡張室２に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って
均一化でき、広い面積にわたっ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ｖ−Ｖ線断面図およびＶ
Ｔ−ＶＩ線断面図で、第６図の永久磁石１０によって先
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張室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
マ拡張室側壁１６からプラズマを離す磁気的手段があれ
ば良い。
第７図は高周波数′鷹によっ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
大面積のプラズマ項域を有するドーナツ状円筒形のプラ
ズマ拡張室２は内外周にカスプ磁界を生ずる永久磁石１
ｏを多数配置している。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
の実膚例で説明したのと同じ機＋４によってプラズマ生
成室ｌ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′１１に所定の戒位を与えること
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８００顛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炉できる。尚、この％　！＠
ｔｌＪ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、マイクロ波数ゼによるプラズ
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？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２つ形成されている。
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、不活性ガスであっても良い。
〔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、磁気的手段によってプラズマを壁
から引き離すプラズマ拡張室を設けたため、高周波放電
によってプラズマを生成するイオン源では、イオノエネ
ルギー全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ｔｔによ
ってプラズマを生成するイオン妹にあっては、同じ構成
によって、大面積で均一な強度のイオンビームヲ引き出
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別１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ｆｆ−Ｉ’［線断面図
およびＦＩＴ　−ＩＩＩ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ｖ−Ｖ線１析面図および■−■線）析面図
、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１１！４＋、
８・・・・・・ガス導入口、１０・・・・・・永久磁石
、２０・・・・・・プラズマ領域。 第１図 Ｂ 第３図 第４図 ！８ 第５図　　　　　　第６図 第７図 ｅｊ 第８図 第９図 第１０図 第１１図 工半ルゼー 第１２図 第１３図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、第１の磁気的手段によっ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、高周波放電によっ
    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ってイオンビー
    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の磁気的手段によって上記プラズマ
    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の磁気的手段によっ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
    よっ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ってイオン
    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の磁気的手段によって上記プラズ
    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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