JPH09223594A

JPH09223594A - ビーム源及び微細加工方法

Info

Publication number: JPH09223594A
Application number: JP8054056A
Authority: JP
Inventors: Masaki Hatakeyama; 雅規畠山; Katsunori Ichiki; 克則一木; Yasushi Taima; 康當間
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1996-02-16
Filing date: 1996-02-16
Publication date: 1997-08-26

Abstract

(57)【要約】【課題】高真空中で利用が可能で、低エネルギーの高
速原子線源とプラズマジェットを多量に取出すことがで
きるビーム源及びそのビーム源を用いた微細加工方法を
提供する。【解決手段】放電容器２１と、プラズマ発生機構２
４，２５と、ガス導入機構２２と、プラズマ発生機構に
より発生されたプラズマ２７を、ジェットビームとして
放出するプラズマジェットノズル２３とを備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、低エネルギーの活
性粒子ビームを発生させるビーム源と、高真空中におい
て、該エネルギービーム源を用いた低ダメージの微細加
工方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来技術として、従来の高速原子線源に
ついて説明する。常温の大気中で熱運動をしている原子
・分子は、おおむね０.０５ｅＶ前後の運動エネルギー
を有している。これに比べてはるかに大きな運動エネル
ギーで飛翔する原子・分子を、高速原子と呼び、方向性
を持ったビーム状に放射される場合に、高速原子線とい
う。

【０００３】従来発表されている、気体原子の高速原子
線を発生する高速原子線源のうち、運動エネルギーが
０．５ｅＶ〜１０ｋｅＶのアルゴン原子を放出する高速
原子線源の構造の一例を図３に示す。主な構成は、円筒
形陰極１、ドーナッツ状陽極２、高電圧電源３、ガス導
入パイプ４、アルゴンガス・プラズマ６、高速原子放出
孔７、高速原子線８等で構成されている。

【０００４】高速原子線源の電源と放電安定化抵抗（図
示しない）以外の構成要素を真空容器に入れ、十分に排
気した後、ガス導入パイプ４からアルゴンガスを円筒形
陰極１の内部に注入する。ここで直流高電圧電源によっ
て、陽極が正電位、陰極が、負電位となるように、直流
電圧を印加する。これで陰極・陽極間に放電が起き、プ
ラズマが発生し、アルゴンイオンと電子が生成される。
更に、この放電において、円筒形陰極の底面１ａから放
出する電子は、陽極２に向かって放出され、陽極２の中
央の孔を通過して、円筒形陰極の反対側の底面に達し、
ここで速度を失って反転し、改めて陽極２に向かって加
速され始める。この様に電子は陽極２の中央の孔を介し
て、円筒形陰極の両方の底面の間を高周波振動し、その
あいだに、アルゴンガスに衝突して、多数のアルゴンイ
オンを発生する。

【０００５】こうして発生したアルゴンイオンは、円筒
形陰極の底面１ａに向かって加速され、十分な運動エネ
ルギーを得るにいたる。この運動エネルギーは、陽極と
陰極との間の放電維持電圧が、例えば１ｋＶの時は１ｋ
ｅＶ程度の値となる。円筒形陰極の底面１ａ近傍の空間
は高周波振動をする電子の折り返し点であって、低エネ
ルギーの電子が多数存在する空間である。この空間に入
射したアルゴンイオンは電子と衝突・再結合してアルゴ
ン原子に戻る。イオンと電子の衝突において、電子の質
量がアルゴンイオンに比べて無視できるほど小さいため
に、アルゴンイオンの運動エネルギーはほとんど損失せ
ずに、そのまま原子に受け継がれて高速原子となる。従
って、この場合の高速原子の運動エネルギーは，１ｋｅ
Ｖ程度となる。このアルゴン高速原子は、円筒形陰極の
一方の端面に開けられた放出孔から高速原子となって放
出されるのである。

【０００６】次に、従来のプラズマジェット発生装置の
例を図４に示す。このプラズマジェット発生装置は、ガ
ス導入部１１、陰極１２、陽極１３、直流高圧電源１４
より構成される。図から諒解されるように、導入された
ガス１５が、陽極１３と陰極１２の間で起こるアーク放
電によりプラズマ１７が生成され、そのプラズマ１７が
陽極に設けてあるノズル１３ａよりプラズマジェットと
して放出される。また、過度の加熱を押さえるために、
冷却水１６を流し水冷を電極部分に行う場合もある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述した高速原子線又
はプラズマジェットの生成方法において、従来の高速原
子線源では、高ビーム密度のプロセスを行う場合では、
約１ｋＶ以上の高電圧放電を行うことによって、放電電
流が高く、高エネルギー高密度の高速原子線が得られる
ものであった。しかしながら、例えば、低エネルギーの
放電を行うと、低い放電電流値しか得られず、何らかの
方策を行う必要が生じる。これは、マグネットによる磁
場を用いた場合でも、同様であり、直流放電の有する特
性でもある。従って、放電電流が低いことは、生成され
るイオンの生成量が低いことを意味し、放出される高速
原子線量が低いことを意味する。

【０００８】また、従来のプラズマジェット発生装置で
は、アーク放電を用いているために、微細加工などの、
不純物による汚染の影響を嫌うプロセスには、大きな問
題となる。アーク放電によって、電極の極度の加熱やス
パッタ粒子の放出により、電極材料の粒子が不純物とし
て、多量に発生する。また、通常、低真空圧力程度で使
用することが多いため、プラズマジェット放出ノズルが
先細ノズルであったり、パイプ状、又は円筒孔状であっ
たりする。しかしながら、微細加工を行う高真空中で
は、この様なノズルでは、プラズマや活性ラジカル粒子
の輸送効率が著しく落ちてしまうという問題がある。

【０００９】本発明は上述した事情に鑑みて為されたも
ので、高真空中での利用が可能で、低エネルギーの高速
原子線とプラズマジェットを多量に取出すことができる
ビーム源及びそのビーム源を用いた微細加工方法を提供
することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明のビーム源は、放
電容器と、プラズマ発生機構と、ガス導入機構と、前記
プラズマ発生機構により発生されたプラズマを、ジェッ
トビームとして放出するプラズマジェットノズルとを備
えたことを特徴とする。

【００１１】又、前記プラズマジェットノズルが、超音
速ノズル又は極超音速ノズルであることを特徴とする。

【００１２】又、前記プラズマジェットノズルが、導電
材料からなり、プラズマ生成部より上流部に、電極を備
え、該電極と該プラズマジェットノズルを含む下流側電
極間に、直流電圧、パルス電圧、又は高周波電圧を印加
し、電気的に加速されたエネルギービームとプラズマジ
ェットとを同時又は交互に放出することを特徴とする。

【００１３】又、前記電極及びプラズマジェットノズル
を含む下流側電極が、相対向する平板構造に作製されて
いることを特徴とする。

【００１４】又、前記プラズマ発生機構が、誘導結合型
高周波放電機構を用いたものであることを特徴とする。

【００１５】又、請求項１乃至５のいずれかに記載のビ
ーム源を用いて、高真空中にて、微細加工を行うことを
特徴とする。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明では、プラズマ発生機構
と、放電容器と、ガス導入機構と、プラズマジェット放
出用ノズルと、電極とからなるビーム源と、該ビーム源
より放出されたビームが、高真空の容器中に設置されて
いる試料に到達して、微細加工を行う微細加工方法につ
いてのものである。通常のプラズマジェット発生と異な
り、アーク放電プラズマではなく、低エネルギー・高密
度プラズマを得るために、誘電結合型高周波放電、ＥＣ
Ｒ放電、ヘリコン波放電、高電圧直流放電等のプラズマ
発生機構を用いる。そして、プラズマジェット放出用の
超音速ノズル、または、極超音速ノズルを用いること
で、生成されたプラズマやラジカル粒子を、圧力１０^-3
Torr以下の高真空中にて、効率よく試料表面まで到達さ
せることができる。

【００１７】又、高周波電界によって生成された高密度
プラズマの上流に電極を配置し、下流にプラズマジェッ
ト放出用超音速ノズルを有する電極を配置し、該上流・
下流電極間に、直流電圧を印加することにより、プラズ
マジェット放出用ノズルからは、プラズマジェットと、
印加電圧に対応したエネルギーを有する高速原子線とを
放出することができる。このため、高真空中の試料表面
には、プラズマジェットと高速原子線の両方を照射して
微細加工プロセスを行うことができる。

【００１８】放電容器には、ガス導入用のパイプと、プ
ラズマジェット及び高速原子線放出用の超音速ノズルま
たは極超音速ノズルが取り付けられている。生成された
プラズマは、ラバルノズルや円錐ノズル等の超音速ノズ
ルまたは極超音速ノズルによって、効率よく、高真空中
の、試料表面上へ輸送される。このとき、高真空中で、
非圧縮性流体や低真空中でのプラズマジェット用ノズル
のように、先細ノズルやパイプ状ノズルを用いると、大
変効率の悪いプラズマ輸送を行うことになる。何故なら
ばノズル出口における圧力差が著しいため、パイプ状ノ
ズルや先細ノズル出口からのプラズマの噴流が、大変広
領域に広がってしまい、プラズマジェットの極一部し
か、試料に到達できなくなるためである。

【００１９】上述したように、高真空中においては、流
体輸送の効率化と同じで、超音速ノズルや極超音速ノズ
ルによって、プラズマ中のイオン、ラジカル粒子等を、
加速し、速度ベクトルを揃えることができ、かつ、ノズ
ル出口における、圧力差を小さくすることができるの
で、ノズル下流において、先細ノズルやパイプ状ノズル
のように、広い領域にプラズマやラジカル粒子が拡散す
ることがなくなり、効率よく、プラズマやラジカル粒子
を試料表面に輸送できる。

【００２０】また、上述の構成に加えて、プラズマ生成
部の上流部に板状電極を配し、該電極と平行に、超音速
ノズルを有する電極を相対向配置して、両電極間に、直
流電圧を印加する。すると、プラズマジェットを効率的
に放出するのみでなく、印加電圧に応じたエネルギーを
有する高速原子線をも同時に、ノズルから放出すること
ができる。この直流電圧は、パルス状で与えると、パル
スの直流電圧印加時間中に、高速原子線が放出される。

【００２１】この場合の高速原子線は、プラズマ中のイ
オンが下流電極の方向に印加電圧に基づく電界に従って
加速し、ノズル中において、残留ガス粒子と電荷交換を
行って、高速の中性粒子となり、高速原子線として、ノ
ズル出口から放出されるのである。即ち、プラズマ発生
機構が単独に機能を発揮するので、高速原子線エネルギ
ーを決定する直流電圧は、低電圧でも低エネルギーの高
速原子線を供給することができる。従って、低エネルギ
ーから高エネルギーの高速原子線を、直流電圧の選定に
よって発生することができる。低エネルギーの高速原子
線と反応性の高いプラズマジェットを同時に試料表面に
与えて、微細加工を行うと、従来の直流放電型高速原子
線のみの微細加工では困難であった、低エネルギー・低
ダメージの微細加工が可能となる。また、プラズマジェ
ットによる高反応性を利用した高速加工も可能となる。

【００２２】

【実施例】図１は、本発明の第１実施例のビーム源を示
す。セラミック等の絶縁性材料からなる放電容器２１
に、ガス導入パイプ２２とプラズマジェット用超音速ノ
ズル２３が配置されている。例えば、円筒状容器の内径
が、１０ｍｍから２００ｍｍ程度である。放電容器２１
内でグロー放電を起すには、誘導結合型高周波電源２４
を用いて、容器近傍に、コイル２５を巻き、該コイル
に、整合器を介して、高周波（ＲＦ）電流を与えると、
放電容器２１内に高密度プラズマ２７を発生することが
できる。例えば、ガス導入パイプ２２に塩素ガス２６を
導入し、内径６０ｍｍで長さ１００ｍｍの放電管２１
に、ノズルスロート部孔径が１０〜２０ｍｍで、ノズル
出口穴径が３０〜５０ｍｍのノズル２２を用いる。グロ
ー放電には、水冷可能な銅管を１から３ターンほど巻い
たコイル２５を用いる。該コイルに、高周波電流を流す
ことにより、塩素ガス粒子の高密度プラズマ２７を生成
する。発生した塩素プラズマ２７は、超音速ノズル２３
によって、約１０^-3Torr以下の高真空度状態にある、真
空容器内部に設置された試料をプラズマジェット２８と
して照射し、微細加工が行われる。

【００２３】図２は、本発明の第２実施例のビーム源を
示す。セラミックなどの絶縁物の放電管内に、ガス通過
孔のある板状電極２９と超音速ノズル２３が配置され、
該ノズル２３は、導電性の電極材料でできている下流側
電極３０の一部となっている。上流側電極２９と超音速
ノズルを含む下流側電極３０間で、高密度プラズマ２７
を発生するように、放電管２１に１から３ターンのコイ
ル２５が設置されている。該コイル２５に１３.５６Ｍ
ＨｚのＲＦ高周波電圧を印加して、高密度プラズマ２７
が生成される。ガス２６としては、不活性ガスのアルゴ
ンや、化学反応を用いた加工を行う場合には、塩素やフ
ッ素含有ガスなどの反応性ガスを用いる。

【００２４】このとき、図示するように、上流側電極２
９とノズルを含む下流側電極３０間に直流電圧を印加す
ると、ノズルからプラズマジェット２８が放出されるだ
けでなく、印加電圧に応じたエネルギーを持つ、高速原
子線３１もノズル孔２３より放出される。従って、低エ
ネルギーでも高密度プラズマが得られるので、低エネル
ギー高速原子線を多量に放出することができ、かつ、反
応性の高いプラズマジェットを放出できるので、高真空
中で、試料に高速原子線とプラズマジェットを照射する
効率的な加工が可能となる。上流側電極と下流側電極と
の間に、パルス状の電圧を印加することにより、高速原
子線を間欠的に噴射することができる。

【００２５】試料としては、Ｓｉ、ＳｉＯ₂、ＧａＡｓ
などの半導体材料、ガラス・セラミックス、金属などを
加工することができる。従来の高速原子線のみの加工に
比べ、プラズマジェット加工を併用することができるの
で大変効率的となる。また、低エネルギーで、高異方性
の加工が、可能となるため、ＬＳＩなどの絶縁性薄膜の
高アスペクト比のエッチングなどに有効である。

【００２６】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明を用いる
と、下記のような優れた効果が期待できる。即ち、従来
の直流放電型高速原子線源による微細加工では、低エネ
ルギーでの放電時に、高密度プラズマが得られにくく、
高密度の低エネルギー高速原子線を発生することが困難
であった。また、低真空中でのプラズマジェットで用い
るアーク放電や先細ノズルを用いると、電極材料の加熱
やスパッターによる汚染が問題となったり、高真空中で
の加工を行う場合には、プラズマジェットの輸送効率が
著しく悪い。

【００２７】本発明では、この様な問題を解決し、高真
空中における半導体材料や絶縁物などの微細加工を効率
よく行えるビーム源を提供するもので、電極材料のスパ
ッター粒子の放出による汚染を減少させるため、高密度
のグロー放電を用いる。また、プラズマジェットの輸送
効率をあげるため、超音速ノズルや極超音速ノズルを用
いる。さらに、放電管内部に、プラズマ上流部に電極を
配し、プラズマ下流部に超音速ノズルを配した電極を用
いて、両電極間に、直流電圧を印加することにより、低
エネルギーから高エネルギーまでエネルギー制御可能な
高速原子線を多量に放出することができる。この場合
は、プラズマジェットと高速原子線の両方を放出できる
ので、反応性が高く、異方性に優れる低ダメージの加工
を実現することができる。例えば、半導体素子又はＬＳ
Ｉの加工、量子効果素子、量子効果を用いたレーザ素
子、発光素子・光学レンズ素子の作製に有効となるな
ど、本発明の学術的・産業的意義は大変大きく、有意義
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例のビーム源の説明図。

【図２】本発明の第２実施例のビーム源の説明図。

【図３】従来の高速原子線源の説明図。

【図４】従来のプラズマジェット発生装置の説明図。

【符号の説明】

２１放電容器（放電管）２２ガス導入孔２３超音速ノズル２４高周波電源２５コイル２６ガス２７プラズマ２８プラズマジェットノズル２９板状（上流側）電極３０下流側電極３１高速原子線３２直流電源

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】放電容器と、プラズマ発生機構と、ガス
導入機構と、前記プラズマ発生機構により発生されたプ
ラズマを、ジェットビームとして放出するプラズマジェ
ットノズルとを備えたことを特徴とするビーム源。
【請求項２】前記プラズマジェットノズルが、超音速
ノズル又は極超音速ノズルであることを特徴とする請求
項１に記載のビーム源。
【請求項３】前記プラズマジェットノズルが、導電材
料からなり、プラズマ生成部より上流部に、電極を備
え、該電極と該プラズマジェットノズルを含む下流側電
極間に、直流電圧、パルス電圧、又は高周波電圧を印加
し、電気的に加速されたエネルギービームとプラズマジ
ェットとを同時又は交互に放出することを特徴とする請
求項１又は２に記載のビーム源。
【請求項４】前記電極及びプラズマジェットノズルを
含む下流側電極が、相対向する平板構造に作製されてい
ることを特徴とする請求項３に記載のビーム源。
【請求項５】前記プラズマ発生機構が、誘導結合型高
周波放電機構を用いたものであることを特徴とする請求
項１乃至４のいずれかに記載のビーム源。
【請求項６】請求項１乃至５のいずれかに記載のビー
ム源を用いて、高真空中にて、微細加工を行うことを特
徴とする微細加工方法。