JP4987416B2 - 中性粒子ビーム発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、中性粒子ビーム発生装置に関する。

半導体磁気ヘッドなどの製造工程において微細な表面形状をドライな環境で製作する手法の一つとして、イオンミリングイオンビームエッチング技術が知られている。この技術では、イオン粒子を加速して被加工物の表面に照射しイオン衝突時の衝撃によって表面を構成する粒子を叩き出して、表面形状を改変するも。この技術は、化学反応を利用するＲＩＥ（反応性イオンエッチング技術）と比較して被加工物に対する選択性が少ないという特徴がある。

このように電荷を有する粒子を衝突させると、絶縁物表面に電荷が蓄積しやすくその結果被加工物に静電気に起因する損傷を与える可能性がある。このため、粒子自体を電気的に中和して照射する中性粒子ビーム発生装置が開発されている（例えば、特許文献１、２参照）。

しかし、これらの文献で得られる中性ビームの中には、中性化していないイオンビームが含まれる。このため、中性化した後に、中性化していないイオンビームを除去することが試みられている（例えば、特許文献３参照）。
特開昭６３−３１８０５８号公報 特開２００６−１９０６１７号公報 特開平７−１９３０４７号公報

上記文献に記載の方法では、中性化した粒子ビームに含まれるイオンビームを除去する。しかし、現実には、イオンビームには、１価のイオンに限られず、２価以上の多価のイオン、残留不純物ガスによるイオンが含まれる。このため、中性化されたビームでエネルギーの異なるものが混在する。

すなわち、本発明は、上記問題に鑑みなされたものであり、その目的は、エネルギーが同じである中性化ビームを発生する中性粒子ビーム発生装置を提供することにある。

すなわち、本発明は、以下のとおりである。

本発明の中性粒子ビーム発生装置は、プラズマを生成し、イオン粒子を放出するイオン源と、イオンビームをパルス化するパルス化手段と前記イオンビームから多価イオン粒子を除去する多価イオン粒子除去手段と、イオン粒子を中性化して中性粒子を生成する中性粒子生成手段と、前記中性粒子生成手段により生成された中性粒子に含まれる他の粒子を除去する除去手段と、前記他の粒子が除去された中性粒子ビームが照射される処理手段とを備える。

本発明では、イオン粒子を中性化する前に、多価のイオン粒子や不純物イオンを除去する。中性化した粒子の中に含まれる、中性化していない粒子も除去できる。この結果、エネルギーが同じ中性粒子ビームを発生することができる。

また、上記パルス化手段は、２組のディフレクタで構成されていてもよい。このように構成することにより、高品質のビームを生成することができる。

本発明は、エネルギーが同じ中性粒子ビームを発生することができる中性粒子ビーム発生装置を提供する。

以下に、図面を用いて本発明を詳細に説明する。図１は、本発明の中性粒子ビーム発生装置の全体構成を示す模式図である。

図１に示すように、中性粒子ビーム発生装置は、石英ガラス、セラミック、金属などから構成される真空容器１を備えている。この真空容器の内部には、プラズマを生成し、イオンを放出するするイオン源２とこのイオン粒子を中性化する中性粒子生成手段５と、中性粒子ビームが照射される処理手段７とを備える。本発明の中性粒子ビーム発生装置の中性化の機構を図２を参照しながら説明する。

イオン源２内にガス供給源９からガス供給管を通じて、ガスを供給する。使用するガスとしては、ネオン（Ｎｅ）、ヘリウム（Ｈｅ）、アルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）などである。イオン源２内を所定のガス圧に設定された状態で、電力を印加して、プラズマを発生させる。イオン粒子を含むプラズマは、イオン源２において、加速される。この状態では、イオン粒子には、一価のイオン粒子のみならず、二価以上の多価イオンが含まれている。例えば、Ｎｅをイオン化する場合には、一価のネオン（Ｎｅ＋）が約９０％得られるが、二価の（Ｎｅ＋＋）も、約１０％得られる。また、酸素、窒素などの微量残留物もイオン化される。

イオン源２において、かける電圧を制御することで、粒子の速度を制限することができる。例えば、５００Ｖ〜３０００Ｖの範囲で電圧をかけると、一価の場合０．５ｋｅＶ〜３ｋｅＶ、二価の場合１．０ｋｅＶ〜６ｋｅＶの低速エネルギーをもつビームが同時に生成される。３ｋｅＶ以下の一価の低速ビームを用いれば、入射粒子と標的粒子とが衝突する際の相互作用で形成する軌道が最隣接原子間距離と同程度になる。この結果、絶縁体表面の原子第１層〜第３層にあるきわめて表面にある原子を処理することができる。

これらのイオン粒子を含むイオンビームは、第１のディフレクタなどのパルス化手段を経て、パルス化される。パルス化することにより極めて少量（表面原子数の１／１００００以下）の照射を制御することが可能となる。多価のイオン粒子、微量残留物のイオン粒子も、同時にパルス化される。価数が異なる、あるいは元素が異なれば、イオン粒子の有するエネルギーは異なり、イオンビームの速度が異なるので、例えば多価のイオンは、一価のイオンより大きな速度を有する。

上記第１のディフレクタは、図３に示すように２組のディフレクタ３Ａ、３Ｂで構成するとさらに、好ましい。図４は、１組のディフレクタと２組のディフレクタを用いた場合の電場のオン、オフによるビームが曲げられる方向を説明する図である。この図において、矢印はビームが曲げられる方向を示し、円は、パルス化手段３と多価イオン除去装置４との間に設けられたコリメータ１０を示している。図４（ａ）に示すように、１組のディフレクタを用いると、電場をオンにすると、ビームは曲げられてコリメータ１０を通過する。一方、電場をオフにした場合にも、ビームが元の位置に戻る過程でコリメータ１０を通過する。このため、ビームはオン・オフ時に２度コリメータを通過する。このため、ビームにわずかな時間差を生じるとともに、エネルギー幅を作ることになる。２組のディフレクタを用いると、以下に説明するように、単一のビームが生成される。ディフレクタ３Ａで電場をオンにすると、ビームは１の状態になる。次にディフレクタ３Ｂにおいて電場をオンにすると、ビームは２の状態になり、ビームをコリメータの穴からはずす。次に、ディフレクタ３Ａにおいて電場をオフとすると、ビームは３の状態になる。次に、ディフレクタ３Ｂにおいて電場をオフとすると、ビームは４の状態になり、最初の位置に戻る。この結果、ビームはオン時に１度だけコリメータを通過するので、質の良いビームを生成することができる。この工程を、パルス的に電場をかけて繰り返す。

次に、これらの速度の異なるイオンビームは、多価イオン粒子除去手段４である第２のディフレクタを通過する。一価のイオンと二価のイオンとでは、二価のイオンのほうが速度が速いので、二価のイオンが通過する瞬間に、ディフレクタにパルス状の電場をかけることで、二価のイオンを除去することができる。二価のイオンに遅れて通過する一価のイオンが第２のディフレクタを通過する際には、電場をかけない。この結果、多価イオンが除去されたイオンビームが得られる。

前記第１のディフレクタと第２のディフレクタとの２段のディフレクタを通過する時間差は、通常１μ秒程度である。この程度の時間差であれば、遅延電子回路を用いれば十分にパルス電場のオン・オフが可能である。

次に、中性粒子生成手段５において、イオン粒子を中性化する。中性化する方法は、気体を用いる電荷交換反応によってもよいし、キャピラリを用いてもよい。

中性化された粒子は、除去手段６を通過させる。これにより、残存する中性化されなかったイオンビームなどが除去され、エネルギーがそろった中性化された原子ビームを得ることができる。除去手段６としては、電場をかける、磁場をかけるなどの公知の除去手段を用いることができる。

上記で得られた中性粒子ビームは、処理手段７内に設けられた被処理物８に照射することで、目的とする処理を行うことができる。本発明の中性粒子ビーム発生装置を用いると、高精度のエッチングや成膜加工を行うことができる。

図１は、本発明の中性粒子ビーム発生装置の全体構成を示す模式図である。 図２は、本発明の中性粒子ビーム発生装置による中性化のプロセスを説明する図である。 図３は、本発明の中性粒子ビーム発生装置のパルス化手段として２組のディフレクタを用いる場合を説明する図である。 １組のディフレクタと２組のディフレクタを用いた場合の電場のオン、オフによるビームが曲げられる方向を説明する図である。

符号の説明

１ 真空容器
２ イオン源
３ パルス化手段
４ 多価イオン除去装置
５ 中性粒子生成手段
６ 除去手段
７ 処理手段
８ 被処理物
９ ガス供給源

Claims (1)

1. プラズマを生成し、イオン粒子を放出するイオン源と、
   イオンビームをパルス化するパルス化手段と、
   前記イオンビームから多価イオン粒子を除去する多価イオン粒子除去手段と、
   イオン粒子を中性化して中性粒子を生成する中性粒子生成手段と、
   前記中性粒子生成手段により生成された中性粒子に含まれる他の粒子を除去する除去手段と、
   前記他の粒子が除去された中性粒子ビームが照射される処理手段と
   を備え、
   前記パルス化手段は、２組のディフレクタで構成されており、
   パルス的に電場をかけながら、まず１組目のディフレクタの電場をオンさせ、次に２組目のディフレクタの電場をオンさせ、次に前記１組目のディフレクタの電場をオフさせ、次に前記２組目のディフレクタの電場をオフさせて、イオンビームをパルス化する中性粒子ビーム発生装置。

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