JPH05205682A - イオン源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 腐食性ガスの放電によるプラズマからも効率
良くイオンビームを引き出すことができるイオン源装置
を提供する。 【構成】 放電プラズマから正イオンビームと負イオン
ビームを各々独立に引き出す第１、第２放電プラズマ発
生室を各々１個以上設け、それらの各イオンビームがも
つ電荷によって空間電荷を中和する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、放電を利用してプラズ
マからイオンビームを発生させるイオン源装置に係わ
り、特に、イオンによる空間電荷を中和させてフィラメ
ントの劣化防止と装置寿命の向上を図ったイオン源装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】放電を利用したプラズマからイオンビー
ムを発生させるイオン源装置としては、例えば特開昭６
３−３０１４５５号公報で開示されているようなイオン
源装置が従来から知られている。

【０００３】図４は、このような従来のイオン源装置を
説明するための図であり、図中、１４はいわゆるバケッ
ト型のイオン源であり、アークチャンバー１５内にガス
を導入して、アノード兼用のアークチャンバー１５とフ
ィラメント１６間でアーク放電を生じさせて、アークチ
ャンバー１５内にプラズマを生成させ、このプラズマか
ら引き出し電極系１８によって電界の作用でイオンビー
ム１９を引き出すようになっている。

【０００４】又、真空容器２０内に収納された被照射物
２２に、イオン源１４から引き出したイオンビーム１９
を照射し、該被照射物３０にイオン注入したり、その表
面に薄膜を形成したりすることが行われる。

【０００５】なお、１７はプラズマ閉じ込め用の多極磁
場を発生させるための磁石、２１は被照射物２２を保持
するホルダ、２３は電子ビーム、２４は平均値指示形の
電流計、２５は直流電圧源、２６は高周波電源２６a と
可変電圧電源２６b からなる引き出し電圧電源である。

【０００６】このような従来のイオン源装置において
は、直流や高周波放電によって生じたプラズマから正イ
オンや負イオンを引き出し、電極によって引き出す構造
になっている。又、引き出されるイオンビーム１９の量
は、イオン源装置の大きさと引き出し電極のイオン透過
率に関係し、そのエネルギーは引き出し電極とプラズマ
電位の差、即ち、引き出し電極に印加される電圧に関係
している。

【０００７】又、プラズマから引き出されるイオンビー
ムの絶対量は、イオン源装置の大きさに大きく依存して
いるが、イオンビームの引き出し効率を向上させるため
には、引き出し電極の透過率を向上させること、及びイ
オンビームを引き出した空間における電荷を中和させる
ことが極めて重要である。何故なら、イオンビームを引
き出す空間に引き出そうとするイオンと同符号の電荷が
存在していると、その空間電荷とイオンビームの間のク
ーロン力による反発によって、イオンビームの引き出し
量は制限を受けるからである。

【０００８】一方、引き出し電極のイオン透過率は、電
極に多数の細孔を有する形状の電極の場合には６０％程
度が限界であり、金網を用いた電極の場合には９０％程
度が限界である。又、これ以上、引き出し電極のイオン
透過率を向上させることは、機械構造的に無理である。

【０００９】このような理由により、次には空間電荷の
中和が必要となってくる。更に、空間電荷を中和しない
と、引き出し電極の透過率から理論的に推定されるイオ
ン引き出し量は得られないことが一般的に知られてい
た。従って、空間電荷を中和するため、例えば正イオン
ビームをプラズマから効率良く引き出す場合には、該イ
オンビームを引き出す先の空間に、熱電子を放出するフ
ィラメントを設置するようなことが行われていた。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ような従来のイオン源装置においては、熱フィラメント
で空間電荷の中和を行うような装置構造にすると、ハロ
ゲンガスのような腐食性ガスのプラズマからイオンビー
ムを引き出す場合、熱フィラメントが腐食して使用に耐
えられなくなるという欠点があった。従って、このよう
な装置構造のイオン源装置では、腐食性ガスのプラズマ
から効率的なイオン引き出しを行うことができなかっ
た。

【００１１】又、アルゴンやクリプトン等のような不活
性ガスのプラズマからイオンを引き出す場合にも、該プ
ラズマから引き出されたイオンビームが熱フィラメント
に衝突して物理的スパッタリングが生じていた。このた
め、フィラメントが劣化し易く、フィラメントの交換は
必ず行わなければならなかった。

【００１２】本発明は、かかる状況に鑑み、上記従来の
欠点等を解消せんとしてなされたものであり、ハロゲン
ガスのような腐食性ガスの放電によるプラズマからであ
ってもイオンビームを効率良く引き出すことができる、
イオン源装置を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、イオン源装置
において、正イオンビームを前記プラズマから引き出す
第１放電プラズマ発生室と、負イオンビームを前記プラ
ズマから引き出す第２放電プラズマ発生室とを、各々１
個以上設け、前記プラズマから引き出した各イオンビー
ムがもつ電荷によって空間電荷を中和することにより、
前記課題を解決したものである。

【００１４】

【作用】本発明は、次のように作用する。即ち、放電プ
ラズマから正、負のイオンビームをそれぞれ独立に引き
出すために第１、第２の放電プラズマ発生室が各々１個
以上設けられ、これらのプラズマ発生室で放電プラズマ
から引き出された各イオンビームがイオンビーム混合室
に導かれ、ここで各イオンビームがもつ電荷によって空
間電荷が中和される。

【００１５】このため、ハロゲンガスのような腐食性ガ
スの放電によるプラズマからであってもイオンビームを
効率良く引き出せるうえ、従来の熱フィラメントによる
電子を用いた正の空間電荷中和方式において発生したフ
ィラメントの劣化現象も回避できる。

【００１６】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。

【００１７】図１は、本実施例の構成断面図であり、放
電プラズマ発生室として電子サイクロトロン共鳴（以下
ＥＣＲと称する）を利用したマイクロ波プラズマ発生室
を用いている。

【００１８】この図において、１は正イオンビームを放
電プラズマから引き出す第１放電プラズマ発生室であ
り、１′は負イオンビームを放電プラズマから引き出す
第２放電プラズマ発生室である。なお、これらの放電プ
ラズマ発生室１、１′は、マイクロ波以外にラジオ波や
直流電界等を用いてガスをプラズマ化するような構造に
してもよい。

【００１９】又、２、２′はＥＣＲ用の電磁石、３、
３′はイオン引き出し電極、４、４′は電源、５は電磁
石、６はイオンビーム混合室、７は正イオンビーム、８
は負イオンビーム、９、９′はマイクロ波導入口、１２
は真空排気系、１３、１３′は圧力調整弁である。

【００２０】このような構成からなる本実施例におい
て、イオン引き出し電極３には放電プラズマに対して負
電位となるように電源４から所定の電圧が印加され、該
放電プラズマから正イオンが引き出される。

【００２１】又、イオン引き出し電極３′には放電プラ
ズマに対して正電位となるように電源４′から所定の電
圧が印加され、該放電プラズマから負イオンが引き出さ
れる。なお、イオン引き出し電極３′によって、第２プ
ラズマ発生室１′内の放電プラズマから当然のことなが
ら電子も引き出される。

【００２２】又、本実施例において、正イオンビーム７
と負イオンビーム８を各々一種類ずつ引き出すような装
置構造になっているが、本発明はこれに限定されるもの
でなく、第１放電プラズマ発生室１と第２放電プラズマ
発生室１′とを各々複数個設けてイオン源を各々複数個
としてもよい。

【００２３】ところで、通常の場合、放電プラズマ内で
のイオン種は正イオンが大多数であるため、正イオンと
負イオンの量を同一にして正負の電荷により空間電荷を
中和しようとすると、放電プラズマ発生室の大きさが等
しい場合、負イオンビーム源の個数を正イオンビーム源
の個数よりも多くする必要がある。しかし、正イオンビ
ーム源の大きさを負イオンビーム源に比して小さくして
正負のイオンビーム量を調節したり、各イオンビーム源
の間に圧力差を生じさせ、プラズマ発生条件を正負のイ
オンビーム源で変えて正負のイオンビーム量を調節する
ことにより、正イオンビーム源と負イオンビーム源の個
数を同一としたままで放電プラズマから引き出される正
イオンビーム量と負イオンビーム量を同一にすることが
できる。

【００２４】本実施例の場合、各イオンビーム源の間に
圧力差を生じさせる方法を採用したものであり、正負イ
オンビーム源のプラズマ毎に各イオンビームの生成圧力
を変化させて正負イオンビーム量を調節するようになっ
ている。又、このような調節によって、放電プラズマか
ら等量引き出された正イオンビームと負イオンビーム
は、電磁石５によってそれぞれの軌道を曲げられ、イオ
ンビームの使用目標方向に導かれる。

【００２５】更に、本実施例において空間電荷を中和す
る際、使用されるガスとしては負イオンを生成し易いハ
ロゲンガスの方が好ましい。従って、本実施例は、前記
従来例のイオン源等の場合とは逆に、化学的に活性で反
応性の高いガスのイオンビームを生成するのに適してい
る。

【００２６】なお、本実施例においては、圧力調節弁１
３、１３′を介して１個の真空排気系１２で共通に排気
するようになっているため、個別に排気系を設ける場合
よりも装置を安価に製作できる。

【００２７】図２は、上述のような本実施例を用いて正
イオンビームの引き出し量を測定した結果の一例を示す
特性曲線図であり、横軸は引き出し電圧３に電源４から
印加される電圧の大きさ（Ｖ）を示し、縦軸にはイオン
電流の大きさ（Ｉ）を示している。又、正イオンだけを
放電プラズマから引き出した場合の正イオン電流量変化
を点線の特性曲線で示し、正イオンと負イオンを同時に
引き出した場合のイオン電流量変化を実線の特性曲線で
示している。

【００２８】この図から明らかなように、正イオンだけ
を放電プラズマから引き出した場合には、引き出し電極
の電位が上昇してゆくと、電流はあるところでピークを
持ち、一旦低下した後に再度上昇してゆく。この低下の
原因が空間電荷の影響である。正イオンと負イオンを同
時に引き出した場合には、引き出し電極電圧の上昇と共
に正イオン電流が上昇することが分る。但し、引出し電
流は飽和傾向にある。この理由はプラズマの密度と関係
があり、密度を増せば引出し電流密度を向上することが
できる。従って、図１で示したように、正イオンと負イ
オンを別々の放電プラズマ発生室１、１′から同時に１
つのイオンビーム混合室６内に引き出すと、正イオンビ
ームと負イオンビームが各々持っている電荷によって空
間電荷が中和され、その結果、放電プラズマから引き出
されるイオンビームの量を増大させることができる。

【００２９】図３は、上述のような本発明実施例を応用
したドライエッチング装置を示す本発明の使用例構成断
面図であり、図中、図１と同一記号は同一意味をもたせ
て使用し、ここでの重複説明は省略する。又、１０は基
板、１１は基板１０を保持する基板ホルダである。

【００３０】このような構成からなるドライエッチング
装置において、本発明に係るイオン源装置は、上述のよ
うに正負両方のイオンビームを発生するため、イオンビ
ーム自体は電気的に中性となる。従って、基板１０とし
て導電性基板と絶縁性基板のいずれも用いることができ
る。

【００３１】ところで、異方性加工を目的とするドライ
エッチング装置の場合、従来は、異方性を実現するため
のエッチャントに主として正イオンを用いていた。この
ため、絶縁性基板をエッチングする場合には、該基板に
イオンビームが入射する量が基板内でばらつくと、基板
上での電荷に偏りが生じ、その結果、基板内に電流が流
れて被加工物にダメージを与えることがあった。又、チ
ャージアップしたエッチングパターンの上に生ずる電界
の形状によっては、被加工物の加工寸法精度を悪化させ
ることもあった。

【００３２】これに対し、図３のような構成からなる本
発明の使用例においては、被加工物にダメージを与えた
り、加工寸法精度を悪化させたりすることはなく、良好
な加工形状が得られた。

【００３３】なお、図１で詳述した本発明の実施例は、
図３のようなドライエッチング装置だけでなく、例えば
スパッタリング装置等にも応用可能である。又、スパッ
タリング装置に応用した場合、スパッタするイオンビー
ムを電気的に中性にすることができるため、絶縁物をス
パッタリングする場合に本発明が特に有効となる。

【００３４】

【発明の効果】以上詳しく説明したような本発明によれ
ば、正イオンビームと負イオンビームを各々独立に発生
させ、それらのイオンビームがもつ電荷によっ空間電荷
を中和するような構成であるため、ハロゲンガスのよう
な腐食性ガスの放電によるプラズマからであっても、イ
オンビームを効率良く引き出せる利点がある。

【００３５】又、前記従来例のように、熱フィラメント
による電子を用い正の空間電荷を中和する場合に発生す
るフィラメントの劣化現象も生ぜず、フィラメントの劣
化防止と装置寿命の向上も達成できる利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明実施例の構成断面図である。

【図２】図２は、本発明実施例における特性曲線図であ
る。

【図３】図３は、本発明の使用例構成断面図である。

【図４】図４は、従来例の説明図である。

【符号の説明】

１、１′…放電プラズマ発生室、 ２、２′、５…電磁石、 ３、３′…イオン引き出し電極、 ４、４′…電源、 ６…イオンビーム混合室、 ７、８、１９…イオンビーム、 １０…基板、 １１…基板ホルダ、 １２…真空排気系、 １４…イオン源、 ２２…被照射物。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】放電によって生じたプラズマからイオンビ
   ームを発生させるイオン源装置において、 正イオンビームを前記プラズマから引き出す第１放電プ
   ラズマ発生室と、負イオンビームを前記プラズマから引
   き出す第２放電プラズマ発生室とを、各々１個以上設
   け、 前記プラズマから引き出した各イオンビームがもつ電荷
   によって空間電荷を中和することを特徴とするイオン源
   装置。