JPH0776433B2

JPH0776433B2 - イオン源

Info

Publication number: JPH0776433B2
Application number: JP2010239A
Authority: JP
Inventors: 光浩亀井
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1990-01-19
Filing date: 1990-01-19
Publication date: 1995-08-16
Anticipated expiration: 2010-08-16
Also published as: JPH03215665A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明はイオン源に係り、特に大口径でビーム均一性に
すぐれたイオンビームを生成するイオン源に関する。

〔従来の技術〕

近年、超微細加工が要求される機能性薄膜あるいは半導
体の生成及び加工を行うための、ミリング装置やイオン
打込み装置等のイオンビーム加工装置において、使用す
るガス種として、従来のArガス等の不活性ガスからO₂等
の活性ガスに対するニーズが高まっている。しかし、従
来のフィラメントから熱電子放出によってアーク放電を
維持してプラズマを生成するものにおいては、上記フィ
ラメントが活性ガスにより激しく消耗し、頻繁にフィラ
メントを交換しなければならないという問題があった。

この点、高周波放電やマイクロ波放電を用いてプラズマ
を作るようにすれば、フィラメントが不要であるから上
記の問題を解消することができる。しかし、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
ーは、引き出し電位よりも数100evも高くなり、エネル
ギー幅もかなり大きいことが知られている。このため高
周波放電によるプラズマから1KeV以下のイオンビームを
引き出すとき、ほ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
比べて引き出すイオンビームの量が少なくなることが報
告されている。

これに対してマイクロ波を用いたイオン源では、エネル
ギー幅が小さく、高周波を用いたイオン源で見られた過
剰エネルギーも無いため、質量分離を行うイオン打込み
装置用のイオン源として好適であるが、生成されたプラ
ズマ密度分布の均一性は決して良くない。特にイオン源
の大口径化を図る場合、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スマッチングをとる必要から、
導波管の寸法に制約があるため、イオン源内でのプラズ
マ密度の差が顕著になり、大面積にわたって均一なビー
ムを引き出すことができなくなる。

そこで、特開昭62−76137号公報にあるように、高周波
又はマイクロ波によるプラズマ生成室のビーム引き出し
手段側にプラズマ拡張室を形成することによって、高周
波又はマイクロ波によるプラズマのエネルギーを下げ
て、イオン源の大面積化を図ることが考えられている。

また、特開昭62−93834号公報にあるように、電子発生
室とプラズマ発生室とを別個に設けて、この電子発生室
には高周波電力供給部並びに電子軌道を回転軌道とする
磁界印加手段を設け、この電子発生室内で高周波又はマ
イクロ波で発生したプラズマから、電気的に電子を引き
出して、これによりプラズマ発生室内でアーク放電を起
こさせることにより、フィラメントレスイオン源を実現
する方法も考えられている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記の従来技術では、プラズマ密度の均
一性及び引き出されたイオンビームの均一性については
十分な配慮がされておらず、イオン源の大面積化には限
界があった。

即ち、プラズマ生成室から拡散してきたプラズマは、磁
界がない場合、荷電粒子自身の熱運動と衝突によって拡
がるだけである。そのため、拡張室内において、プラズ
マ生成室に近い中心付近は密度の濃いプラズマが出来る
が、周辺に行くにしたがってプラズマ密度は減少する。
プラズマ拡張室からイオンビームを引き出す場合、イオ
ンビームの量は引き出される面のプラズマ密度に依存す
る。よって、このイオン源からイオンビームを引き出し
て、エッチング等の加工を施す場合、エッチング面全体
にわたって均一なエッチング速度を得ることが難しくな
る。特に、スループット向上のために、大面積にわたっ
てエッチングするために、イオン源を大型化すると、上
述のようなイオン源内でのプラズマ密度分布の差が顕著
になり、大面積にわたって均一な加工を施すことが出来
なくなるという問題があった。

本発明の目的は高周波イオン源及びマイクロ波イオン源
の拡張室内でのプラズマ密度の均一化を図ることにあ
り、従来限界とされていた高周波及びマイクロ波イオン
源の大面積を実現することより、従来のフィラメントタ
イプのイオン源と同等以上の大口径でビーム均一性のす
ぐれたフィラメントレスイオン源を提供することにあ
る。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために本発明のイオン源は、筒状の
側壁を有するプラズマ生成室と、前記プラズマ生成室の
筒径より拡径された同一軸心の筒状の側壁を有し、前記
プラズマ生成室の一端に連続して設けられたプラズマ拡
張室と、前記プラズマ拡張室側壁と前記プラズマ生成室
側壁との間を閉塞するバックプレートとを備えたイオン
源において、前記プラズマ拡張室側壁には、極性を全て
揃えた永久磁石を配置し、前記バックプレートには、前
記プラズマ拡張室側壁の永久磁石と逆の極性の永久磁石
を配置することにより、前記バックプレートと前記プラ
ズマ拡張室側壁との間に、軸心から半径方向に拡がる磁
界が形成されることを特徴とするものである。

（作用）上記構成によれば、プラズマ拡張室の側壁に配置した永
久磁石の極性をすべてそろえて配置し、バックプレート
の永久磁石は、拡張室側壁に配置した永久磁石と極性を
逆にしたので、永久磁石の形成する磁界は、拡張室の各
壁面近傍だけで閉じる磁界ではなく、プラズマ生成室か
らプラズマ拡張室にかけて、中心から半径方向に拡がる
磁界を形成する。そのため、プラズマ生成室からプラズ
マ拡張室へ導入されたプラズマは、拡張室の中心に対し
て半径方向へ放射状に発生する磁力線によって拡散し、
プラズマ拡張室内で中心付近に片寄りがちなプラズマを
半径方向に拡げて、ビーム引き出し面全体にわたってプ
ラズマ密度を均一化できる。これにより、プラズマ生成
室の大きさに比べて、プラズマ拡張室の大きさを十分大
きくしても、ビーム引き出し面全体にわたって均一なイ
オンビームを引き出すことが可能となる。

一例として、拡張室タイプのイオン源で、拡張室側壁に
第４図（ｂ）に示すようなカスプ磁界を生じさせる永久
磁石を配置した場合、この磁界は、拡張室側壁周方向に
配置した磁石の極性が交互に異なるように配置すること
によって形成され、また、拡張室バックプレートにも、
永久磁石が配置されているが、この磁石についても、バ
ックプレート内で互いに隣り合う磁石と極性が異なるよ
うに配置されている。このような磁石配置により、各磁
石の形成する磁界は、ほとんどが隣り合う磁石と閉じた
磁界を形成して、それ以外の磁石と殆ど磁界を形成しな
い。これに対して本発明の構成例ではプラズマ拡張室側
壁に配置した永久磁石の極性をすべてそろえて配置し、
拡張室バックプレートの永久磁石は、拡張室側壁に配置
した永久磁石と極性を逆にしたので、例えば、拡張室側
壁の磁石の壁に接する側をすべてＳ極とした場合、拡張
室バックプレートの永久磁石は、バックプレートに接す
る側をすべてＮ極として配置することによって、永久磁
石の形成する磁界は、拡張室の各壁面近傍だけで閉じる
磁界ではなく、プラズマ生成室からプラズマ拡張室にか
けて、中心から半径方向に拡がる磁界を形成する。

また、プラズマの閉じ込め効率に関してもプラズマ拡張
室壁面に衝突して消滅してしまうプラズマに対して、上
記プラズマ拡張磁界は、側壁と平行成分を持つので、上
記磁界で閉じ込めることが可能であり、前述のカスプ磁
界によるものと変わらないと言える。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面により説明する。第１図
は、本発明の一実施例を示す縦断面である。第１図にお
いて、プラズマ生成室２は円筒状のプラズマ生成室側壁
４と左端を封じているマイクロ波透過窓６で形成されて
いる。このプラズマ生成室２の右側に連結されたプラズ
マ拡張室８は、円筒状のプラズマ拡張室側壁10とビーム
引き出し電極12から成る。このプラズマ拡張室８のビー
ム引き出し側には、絶縁物14を介して真空容器16が連結
されて、処理室18を形成している。

これら全体は、真空容器16の排気口20から、図示してい
ない排気装置によって排気されて内部が真空に保たれて
いる。処理室18の内部には、水冷されながら自転してい
る基板ホルダ22があり、該基板ホルダ22上に被加工物で
ある基板24が配置されている。プラズマ拡張室側壁10及
びビーム引き出し電極12のプラズマ拡張室８側の電極に
イオンビーム引き出し電圧Va印加することによって、プ
ラズマ拡張室８からイオンビーム26を引き出す。プラズ
マ生成室２内には、ガス導入口28を通して、ガスが供給
される。また、プラズマ生成室２には、マイクロ波透過
窓６を介して連絡された導波管30を通してマイクロ波が
導入される。

プラズマ生成室２の側壁４には、永久磁石32が配置され
ていて、第２図（ａ）に示すような磁界34を形成する。
これは、プラズマ生成室２内に導入されたマイクロ波の
周波数である2.45GHzで電子サイクロトロン共鳴（ECR）
を起こす為に必要な875ガウス以上の磁界を形成するた
めのものである。

さらにプラズマ拡張室８の側壁10及び拡張室８のバック
プレート36にもそれぞれ永久磁石38A,38Bが配置されて
いる。第１図における、断面Ｉ−Ｉを第２図（ｂ）に断
面II−IIを第２図（ｃ）に示した。このような磁石配置
により、第２図（ａ）に示すような、プラズマ生成室２
から拡張室８にかけて、中心から半径方向に拡がる磁界
40を形成する。

ここで、永久磁石を配置してカスプ磁界を形成した例を
第３図及び第４図に示す。第３図における断面Ｉ−Ｉを
第４図（ｂ）に断面II−IIを第４図（ｃ）に示した。第
４図（ｂ）で示したように、この例では、プラズマ拡張
室側壁10に配置した永久磁石42は、Ｎ極とＳ極が交互に
配置されてカスプ磁界を形成している。また、第４図
（ｃ）に示したように、プラズマ拡張室８のバックプレ
ート36に配置した永久磁石44もＮ極とＳ極をペアにして
配置して、バックプレート36表面で閉じた磁界を形成す
るようにしている。

プラズマ生成室２内の中心付近にECR条件用の875ガウス
の磁界を、永久磁石で形成するためには、残留磁束密度
が12000ガウスのネオジウム系の磁石を２段重ねにした
り、ヨーク材を用いる等の工夫をしても、生成室２の径
はφ100mm程度が限界である。ところで、第３図に示す
ような装置において、プラズマ生成室２から拡張したプ
ラズマがプラズマ拡張室８内で、半径方向にほぼ均一な
プラズマ密度を持つ範囲は、プラズマ拡張室８の長さ、
つまりバックプレート36からビーム引き出し電極12まで
の距離と同程度の半径を円とする領域である。これはこ
の例ではプラズマの拡散において、磁界の影響はほとん
どないので、拡散はプラズマ自身の熱運動と衝突によっ
ておこるためである。これらは、方向に指向性はなく、
すべての方向に等方的である。従って、プラズマ生成室
２から拡散したプラズマは、プラズマ拡張室８におい
て、ビーム引き出し電極12付近まで拡散する間に、それ
と同程度の距離だけ半径方向にもほぼ均一に拡散してい
るが、それより広い領域では、プラズマ密度は急激に減
少してしまう。

現在は、フィラメントタイプのイオン源では、約φ600m
mの大口径イオン源が作られているが、これと同程度の
大口イオン源をこのような拡張室タイプの装置で実現し
ようとした場合、プラズマ拡張室８の長さは300mm程度
必要となり、イオン源が非常に大型化するうえに、プラ
ズマ生成室２との体積比が約50倍以上にもなり、プラズ
マ拡張室８でのプラズマ密度が、プラズマ生成室２のプ
ラズマ密度の1/50以下となってしまい、必要なイオンビ
ームが得られなくなる。

これに対して、プラズマ生成室２を大きくすることも考
えられるが、永久磁石によってECR条件の磁界を形成す
るためには、前述のように径φ100mm、長さ200mm程度が
限界であり、これ以上大きくすると、ECR条件が満足さ
れないために、マイクロ波によるプラズマの生成効率が
急激に悪くなってしまう。また、コイルによる方法で
は、プラズマ生成室の大型化に伴ってコイルも大型化す
るために、装置として複雑化する上に、大型コイル電源
も必要になってくる。

従って、従来は、約φ200mmの口径が限界であった。

以上の問題に対して、本発明の実施例第１図のようにプ
ラズマ拡張室８において、中心から半径方向に拡がる磁
界を形成することによって、むやみにプラズマ拡張室８
を大きくすることなく、フィラメントレスタイプの大口
径イオン源から均一なイオンビームを引き出すことがで
きる。一般に、マイクロ波によるプラズマの密度は、ア
ーク放電によるものに比べて、１桁程度高いので、プラ
ズマ拡張室８の低積をプラズマ生成室２の10倍程度とす
ると、従来のフィラメントタイプと同等の径φ600mmの
大口径イオン源を得るためには、拡張室８の長さは、60
mm程度となる。

磁界がある場合のプラズマの動きは、磁界に束縛された
運動が支配的になるので、永久磁石38A,38Bがプラズマ
拡張室８内で形成する磁界のプラズマ生成室２からビー
ム引き出し電極12方向の成分と、これに垂直な方向の成
分の比が、拡張室８の長さ60mmと半径300mmの比に相当
する約1:5となるように、永久磁石38A,38Bを配置するこ
とによって、約φ600mmの大口径イオン源からでも、均
一なイオンビームを引き出すことができる。つまり、従
来の約10倍に相当する大面積にわたって、均一なイオン
ビームを引き出すことが可能となる。

また、フィラメントレスイオン源の大口径化として、特
開昭62−76137号公報の第７図にもあるように、プラズ
マ発生室の複数化も考えられるが、装置が非常に複雑化
するうえに、高周波やマイクロ波の相互干渉によりマッ
チングがうまくとれないために、実用化は難しいのが現
状である。

〔発明の効果〕

上述のとおり本発明によれば、プラズマ生成室に連続し
てプラズマ拡張室を設けたことにより、高周波やマイク
ロ波の導波管により制約を受けるプラズマ生成室で生成
されたプラズマを、プラズマ拡張室において大面積化
し、かつ、密度分布を均一化できるので、（イ）従来のフィラメントタイプの大口径イオン源の高
周波やマイクロ波によるフィラメントレス化を図って
も、従来と同等以上の均一イオンビームを引き出すこと
ができる。

（ロ）フィラメントレス化によりO₂等の活性ガスの使用
が可能となり、加工効率が飛躍的に向上する。

（ハ）さらにイオン源の大口径化が出来る。

（ニ）フィラメントレスにより、メンテナンス周期が長
くなり、生産性が向上する。

（ホ）イオン源が大面積でかつ均一な密度分布なので、
大面積にわたって均一な加工処理を施すことができる。

等の効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す縦断面図、第２図は本
実施例の要部を説明するもので、（ａ）は縦断面図、
（ｂ）は第１図のＩ−Ｉ線断面図、（ｃ）は第１図のII
−II線断面図、第３図は比較例を示す縦断面図、第４図
は比較例の要部を説明するもので、（ａ）は縦断面図、
（ｂ）は第３図のＩ−Ｉ線断面図、（ｃ）は第３図のII
−II線断面図である。２……プラズマ生成室、４……生成室側壁、６……マイ
クロ波透過窓、８……プラズマ拡張室、10……拡張室側
壁、12……ビーム引き出し電極、26……イオンビーム、
28……ガス導入口、30……導波管、32……永久磁石、34
……磁界、36……バックプレート、38A,38B……永久磁
石、40……磁界。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｊ 27/18 37/08 37/317 Ｄ 9172−5ＥＨ０１Ｌ 21/203 Ｍ 8719−4Ｍ 21/3065

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】筒状の側壁を有するプラズマ生成室と、前
記プラズマ生成室の筒径より拡径された同一軸心の筒状
の側壁を有し、前記プラズマ生成室の一端に連続して設
けられたプラズマ拡張室と、前記プラズマ拡張室側壁と
前記プラズマ生成室側壁との間を閉塞するバックプレー
トとを備えたイオン源において、前記プラズマ拡張室側壁には、極性を全て揃えた永久磁
石を配置し、前記バックプレートには、前記プラズマ拡
張室側壁の永久磁石と逆の極性の永久磁石を配置するこ
とにより、前記バックプレートと前記プラズマ拡張室側
壁との間に、軸心から半径方向に拡がる磁界が形成され
ることを特徴とするイオン源。
【請求項２】前記プラズマ生成室は、前記プラズマ拡張
室とは反対側に、マイクロ波もしくは高周波を内部に導
入する導入口を有するとともに、内部に形成したプラズ
マを閉じ込め保持するための磁気的手段を側壁に有して
いる請求項１記載のイオン源。
【請求項３】前記プラズマ拡張室は、前記プラズマ生成
室及び前記バックプレートとは反対側に、前記プラズマ
生成室から内部へ導かれたプラズマから、イオンビーム
を引出すビーム引出し電極を備えている請求項１記載の
イオン源。