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WO2001006534A1 - Source de faisceaux - Google Patents

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WO2001006534A1
WO2001006534A1 PCT/JP2000/004744 JP0004744W WO0106534A1 WO 2001006534 A1 WO2001006534 A1 WO 2001006534A1 JP 0004744 W JP0004744 W JP 0004744W WO 0106534 A1 WO0106534 A1 WO 0106534A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
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electrode
electrodes
discharge tube
plasma
gas
Prior art date
Application number
PCT/JP2000/004744
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Masahiro Hatakeyama
Katsunori Ichiki
Kenji Watanabe
Tohru Satake
Original Assignee
Ebara Corporation
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ebara Corporation filed Critical Ebara Corporation
Priority to EP00946335A priority Critical patent/EP1220272A4/en
Priority to US10/030,087 priority patent/US6949735B1/en
Publication of WO2001006534A1 publication Critical patent/WO2001006534A1/ja

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32192—Microwave generated discharge
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J27/00—Ion beam tubes
    • H01J27/02—Ion sources; Ion guns
    • H01J27/16—Ion sources; Ion guns using high-frequency excitation, e.g. microwave excitation
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    • H01J37/08—Ion sources; Ion guns
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    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32082—Radio frequency generated discharge
    • H01J37/321—Radio frequency generated discharge the radio frequency energy being inductively coupled to the plasma
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H3/00—Production or acceleration of neutral particle beams, e.g. molecular or atomic beams

Definitions

  • the present invention relates to a beam source for generating a highly directional and high density ion beam or a neutral particle beam from a high density plasma.
  • a beam source having a gas supply nozzle for supplying gas into the discharge tube on the upstream side, a beam emission electrode having a plurality of beam emission holes on the downstream side of the discharge tube, and a plurality of electrodes in the discharge tube It is.
  • the type of voltage applied to these electrodes is a combination of high frequency voltage, DC voltage, and ground voltage.
  • the beam source is relatively small, and is placed on a manifold or the like to irradiate an arbitrary irradiated portion with a beam, thereby forming a film locally on an irradiated object, etching, bonding, bonding, and the like. Processing Can be.
  • a gas introduction nozzle is provided on the upstream side of the cylindrical discharge tube, and a beam emission electrode (cathode electrode) having a plurality of beam emission holes is provided on the downstream side, and an anode electrode is provided on the upstream side in the discharge tube.
  • the beam source is provided with a mechanism for applying a DC voltage between the anode electrode and the cathode electrode, and an inductively coupled plasma generation mechanism for converting gas between both electrodes in the discharge tube into plasma.
  • the neutral particle beam source having such a configuration, high-density plasma is generated from the gas introduced into the discharge tube by the inductively-coupled high-frequency plasma generation mechanism, and positive ions in the plasma are generated by the two parallel plate-like electrodes. It accelerates to the cathode electrode side, performs charge exchange in the fast atom emission holes of the cathode electrode on the downstream side, and emits a neutral particle beam.
  • this neutral particle beam source unlike the direct current discharge type beam source described above, since it has a plasma generation unit and an acceleration voltage unit, it is possible to generate low-energy and high-density plasma.
  • the voltage arbitrarily applied between the two electrodes can be applied from a low voltage to a high voltage, so that a neutral particle beam at an arbitrary energy level from a low energy to a high energy can be generated. it can.
  • the cathode and anode are of the parallel plate type, the directivity (straightness) is high, and neutral particles with a relatively high neutralization rate are controlled by controlling the length of the holes in the fast atom emission holes. A beam can be generated.
  • the above-mentioned beam sources are not necessarily sufficient as a beam source for forming a high-density plasma and efficiently extracting an energy beam such as a highly directional and high-density ion beam or a neutral particle beam from the plasma. It was not something. Disclosure of the invention
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and has as its object to provide a beam source that can generate an energy beam with high efficiency, high directivity, a relatively large diameter, and high density. Aim.
  • the beam source of the present invention includes a gas introduction port for introducing a gas into a discharge tube, and three electrodes disposed in the discharge tube on the downstream side of the gas introduction port.
  • a voltage applying means for accelerating the beam between the electrodes and emitting the beam from the beam emitting electrode on the downstream side is provided.
  • high-density plasma is formed by the plasma forming means from the gas introduced into the discharge tube between the two electrodes on the upstream side. Since the middle electrode has a large number of openings and is a thin mesh electrode, the high-density plasma formed on the upstream side of the electrode is efficiently introduced between the two downstream electrodes. Is done.
  • the two electrodes on the downstream side are parallel plate electrodes, and the charged particles are accelerated by the voltage applied therebetween, and are emitted through the electrodes having a large number of beam emission holes arranged downstream of the discharge tube. It is.
  • the two electrodes on the upstream side have the same potential.
  • the potential of the downstream electrode is the same as that of the chamber from which the beam is emitted.
  • the The potential of the Kursa can be stabilized and controlled to an arbitrary potential.
  • the potential of the downstream electrode is the same as that of the chamber from which the beam is emitted, the ions accelerated between the two electrodes on the downstream side are directly ion beam or neutral particle beam into the beam emission chamber. Can be emitted as an energy beam.
  • the mesh electrode is made of a thin conductive material, has a large number of openings, and has an opening ratio of 85% or less.
  • a beam of charged particles can be easily formed between two electrodes on the downstream side from high-density plasma having a relatively short sheath length.
  • the distance between the two electrodes on the downstream side is preferably 5 mm or more, and more preferably 10 to 30 mm. As a result, a relatively low-energy beam suitable for fine processing can be efficiently extracted from the high-density plasma.
  • the ratio of the diameter of the beam emission hole to the length of the hole of the beam emission electrode on the downstream side is 2 or more. This allows the beam accelerated between the two electrodes on the downstream side to be emitted without impairing high directivity and high density.
  • the voltage applying means may be a means for applying a pulsed positive or negative voltage, and may irradiate positive ions and negative ions or positive ions and electrons alternately. This causes a problem of charge-up on the surface when processing insulators such as glass and ceramic materials. However, the amount of charge-up is kept small by alternately irradiating positive ions and negative ions (electrons). However, high-precision etching and film formation can be performed.
  • Figure 1 is a diagram showing a first beam source embodiment configuration of c
  • Figure 2 is a diagram showing an overall structure present invention microfabricated apparatus using a beam source.
  • FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the electron density of the plasma and the sheath length.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of the shape of a mesh electrode.
  • FIG. 4A shows a thin metal plate provided with a rectangular opening
  • FIG. 4B shows a structure formed by weaving a metal wire.
  • C is a thin plate made of a conductive material such as silicon or graphite and provided with a circular opening.
  • FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the opening ratio of the method and the processing shape of the irradiation target.
  • FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the distance between the mesh electrode and the beam emitting electrode and the processing speed of the irradiation target.
  • FIG. 7 is a diagram showing a configuration example of the acceleration voltage applying means.
  • FIG. 8 is a time chart showing an example in which positive and negative acceleration voltages are applied in a pulsed manner.
  • FIG. 9 is a diagram showing a configuration of a beam source according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows an overall configuration of a processing apparatus using a beam source according to an embodiment of the present invention.
  • the beam source 10 is composed of a discharge tube 11 and plasma forming means (specifically, a coil 20 or the like) arranged outside the discharge tube 11.
  • the gas introduced from a gas introduction port 12 is supplied to the plasma Plasma is formed by the forming means.
  • the interior of the chamber 15 and the discharge tube 11 are evacuated to a high vacuum by an evening molecular pump 18 and a low speed pump 19.
  • the discharge tube 11 An inductively coupled coil 20 is provided, to which high frequency power of, for example, 13.56 MHz is supplied from a high frequency power supply 21 through a matching box 22 and gas introduced into a discharge tube 11 is provided.
  • the coil 20 is, for example, a coil of a water-cooled pipe, and a coil having an outer diameter of about 8 mm ⁇ is wound about two turns.
  • charged particles such as cations or anions are accelerated from the formed plasma, and are converted into an energy beam such as an ion beam or a neutral particle beam from the electrode 14 on the downstream side into the beam emission chamber 15. discharge.
  • Gases such as SFG, CHF 3, CF, C 12, Ar, 02, N 2 , and F 8 are introduced into the discharge tube 11 by a gas introduction pipe 13.
  • An energy beam such as an ion beam or a neutral particle beam of an element or a molecule is formed. The formed beam travels straight through the chamber 15 and irradiates the sample 17 placed on the sample stage 16.
  • FIG. 2 shows the configuration of the beam source according to the first embodiment of the present invention.
  • the cylindrical discharge tube 11 is made of quartz glass or a ceramic tube, etc., and has an inlet port 12 for introducing gas into the discharge tube at an upper end thereof, and a discharge tube formed at the lower end thereof.
  • the structure is closed by a beam emitting electrode 14 having a large number of beam emitting holes for emitting a beam.
  • an upstream electrode 23 having a large number of openings through which gas flows from the upstream side, and a mesh electrode 24 having a large number of openings in a thin plate are arranged. Further, there is provided a means for plasma-forming the gas introduced between the upstream electrode 23 and the intermediate mesh electrode 24.
  • This means is a high-frequency coil 20 for forming an inductively-coupled plasma in this embodiment.
  • a high-frequency current of, for example, 13.56 MHz from a power supply 21
  • the inside of the discharge tube is increased.
  • a high-frequency magnetic field is formed in the Turn into plasma.
  • the plasma generating means in addition to using the above-described ICP generating coil, an ECR, a helicon wave plasma coil, an electromagnetic coil, a microwave, or the like may be used. Further, the frequency range to be used is not limited to 13.56 MHz, but may be a range of 1 MHz to 20 GHz.
  • a magnetic field due to the high-frequency current is formed in the plasma chamber 25 between the electrodes 23 and 24, and the magnetic field is introduced from the gas introduction port 12.
  • a high-density plasma having an electron density of 10 1 ′ to 10 12 / c in 3 is formed.
  • the upstream electrode 23 and the mesh electrode 24 are electrically connected by a wiring 26 and are kept at substantially the same potential.
  • the potential of the plasma formed in the plasma chamber 25 between the electrodes 23 and 24 is substantially equal to the potential applied to the upstream electrode 23 and the mesh electrode 24.
  • the gas to be introduced is SF 6 and the input high-frequency power is about 150 W.
  • the diameter of the discharge tube 11 is 5 Omm0. In addition, the diameter of the discharge tube 11 can be l O to 3 OO mm0.
  • a wiring 27 is provided between the wiring 26 connecting the upstream electrode 23 and the mesh electrode 24 and the beam emitting electrode 14 on the downstream side, and an accelerating voltage applying means 28 is connected.
  • the accelerating voltage applying means 28 is a positive high voltage, and applies accelerating energy toward the beam emitting electrode 14 to positive ions existing near the mesh electrode 24. That is, a potential difference is given between the plasma potential of the plasma formed in the plasma chamber 25 and the beam emission electrode 14 by the acceleration voltage applying means 28. Then, in such a state, charged particles such as positive and negative ions and electrons leaking from the mesh electrode 24 to the acceleration space side are accelerated toward the beam emitting electrode 14.
  • the distance between the mesh electrode 24 and the beam emission electrode 14 can be arbitrarily set.
  • the acceleration distance can be arbitrarily set, and a beam having high directivity, high density, and a controllable energy level can be formed.
  • Figure 3 shows the relationship between plasma electron density and sheath length.
  • the sheath length tends to increase as the plasma potential (applied voltage) increases, and the sheath length tends to increase as the electron density decreases.
  • the sheath length greatly affects the beam directivity. A longer sheath length can generate a beam with high directivity in principle.
  • the electron temperature is 1.4 eV.
  • the DC discharge method described in the prior art usually 1 0 9 ⁇ 1 0 1 Q / cm 3 approximately in the electron density, in many cases the plasma potential is used in 5 0 0 V to about 5 k V. In such a case, a sheath length of about 10 mm or more can be easily obtained.
  • RF radio frequency
  • the obtained sheath length is about 0.1 to 3 mm.
  • the diameter of the beam emission hole is usually about 1 mm ⁇ . Therefore, when the sheath length, that is, the acceleration distance is only about 0.1 to 3 mm, distortion of the electric field of the sheath length due to the effect of the beam emission hole greatly affects the directivity. High acceleration becomes difficult.
  • the present invention employs an electrode structure that enables high-directional beam emission even when high-density plasma is used. That is, in the present invention, as shown in FIG. 2, by employing a mesh electrode 24 for partitioning the plasma chamber 25 and maintaining a proper distance between the mesh electrode 24 and the beam emission electrode, This problem has been solved.
  • a cross mesh having a line width of 0.3 mm, a line distance of 0.8 mm, and a thickness of 0.3 mm is employed.
  • the electrode is a metal electrode as shown in Fig. 4A and Fig. 4C or an opening in a conductive thin plate such as graphite or a braided metal wire as shown in Fig. 4B. But either is good.
  • the shape of the mesh electrode greatly affects the characteristics of the beam obtained and the processing characteristics of the object to be irradiated.
  • the mesh electrode 24 has a thickness of 1 mm or less, preferably about 0. .
  • the shape of the opening pattern is generally, for example, a checkerboard shape as shown in the figure, but is not limited to this.
  • the aspect ratio of the mesh holes is 1 or less. On the other hand, if the thickness is too large, the amount of ion deactivation increases, and the efficiency decreases.
  • the beam amount, directivity, and processing speed have the following relationship with the mesh opening ratio. That is, as the aperture ratio of the mesh increases, the beam amount increases, the directivity decreases, and the processing speed increases.
  • Mesh When the aperture ratio is small, the beam amount is small, the directivity is high, and the processing speed is low. Also, as shown in Fig. 5, when the opening ratio of the mesh is small, the processing shape of the object to be irradiated with the beam becomes oblique as shown in Fig. 5A, and the opening ratio of the mesh opening is appropriate. As shown in FIG. 5B, proper anisotropic etching can be performed, and when the opening ratio of the mesh is increased, isotropic etching is performed as shown in FIG. 5C.
  • the distance between the mesh electrode and the beam emission electrode is low.
  • the appropriate distance L exists.
  • the horizontal axis represents the distance between the mesh electrode and the beam emission electrode
  • the vertical axis represents the processing speed of the irradiated object.
  • L about 10 to 30 mm, it is possible to generate a beam having good workability with respect to the irradiation target. If the distance L is too small, sufficient acceleration cannot be performed in the acceleration space. Therefore, the distance L is preferably at least 5 mm. It should be noted that, even under the same conditions, the processing speed varies depending on the distance L between the mesh electrode and the beam emitting electrode.
  • the characteristics of the emitted beam greatly vary depending on the length of the beam emission hole 14a of the beam emission electrode 14. Therefore, it is necessary to select the length of the beam emission hole according to the purpose of use. Electrons, ions, radicals, neutral particles with low neutralization rate, etc. can be emitted up to about 1 to 5 times the hole diameter, and the beam spreads greatly downstream of the beam emission hole. When the hole length is 5 to 10 times the hole diameter, the beam directivity is improved, and the irradiation region of radicals and electron beams can be localized. In addition, the neutralization rate of the neutral beam is about 30% to 70%.
  • the beam emitting electrode preferably has a plate thickness of 2 mm, and the beam emitting hole preferably has a ratio of the hole diameter to the hole length of 2 or more.
  • the acceleration voltage applying means 28 By setting the acceleration voltage applying means 28 to a negative high voltage, the potential of the plasma formed in the plasma chamber 25 becomes a negative high potential.
  • the beam emission electrode 14 By setting the beam emission electrode 14 to the ground potential, it becomes possible to accelerate a negative ion formed by plasma and emit a negative ion beam.
  • the gas in this case, ⁇ 2, C 12, SF «, CHF 3, it is preferable to use a C 4 negative ions have Chasse product gas FB like. When high-density plasma is generated by high-frequency inductive coupling using these gases, a large number of negative ions are generated in the plasma, and a beam of negative ions can be easily formed.
  • a positive ion beam that can be anisotropically processed at an accelerating voltage +50 V to 11 kV is generated using SF gas, and the processing speed is higher than that of the silicon substrate. It is 50 OA / min or more, and a negative ion beam is generated at an acceleration voltage of 50 V to 11 kV.
  • FIG. 7A by connecting the accelerating voltage applying means so that the positive and negative voltages can be switched, it is possible to alternately generate negative ion and positive ion beams to irradiate the workpiece. it can.
  • the acceleration voltage variable By making the acceleration voltage variable, it is possible to irradiate beams of different energy levels at different times.
  • positive and negative acceleration voltages may be applied in a pulsed manner.
  • the positive ion beam and the negative ion beam can be irradiated alternately in a pulsed manner.
  • a gas that does not easily produce negative ions eg, argon gas
  • a beam of electrons and positive ions can be emitted alternately.
  • +300 V is applied for 20 ms
  • —50 V is applied for 5 ms
  • the beam source emits a positive ion beam with energy of +300 eV for 20 ms, and then a negative ion beam (or electron) with energy of -50 eV for 5 ms. This is repeated.
  • insulators such as glass and ceramic materials
  • Etching and film formation can be performed. As described above, the energy can be changed in a pulsed manner.
  • pulses having different energies can be irradiated in a pulsed manner even with the same charge (eg, positive ions).
  • charge e.g, positive ions
  • pulses having different energies can be irradiated in a pulsed manner even with the same charge (eg, positive ions).
  • a positive ion beam of I ke V and a positive ion beam of 10 e V can be irradiated alternately.
  • FIG. 9 shows a beam source according to the second embodiment of the present invention.
  • the upstream electrode 30 is not a flat plate as shown in FIG. 2, but is partially cylindrical.
  • the contact area with the plasma formed in the plasma chamber 25 increases, and the reaction amount of the charged particles on the electrode surface increases. And the plasma potential can be stabilized.
  • Other configurations are the same as those of the beam source shown in FIG. 2, and the operation is also the same.
  • a radical beam of a reactive gas particle having a film forming property or a low energy neutral particle beam is used.
  • methane gas as a source gas for an energy beam source
  • a radical beam containing carbon (C) is formed, and graphite, diamond-like liquid, and the like suitable for an adhesive are generated.
  • a gas supplied to the energy beam source in addition to the methane gas described above, a gas containing a metal such as tungsten fluoride, aluminum chloride, or titanium chloride, or a gas containing C or C—H such as methane described above.
  • a carbon-based or hydrocarbon-based gas may be used. Accordingly, a tungsten film, an aluminum film, a titanium film, a graphite film, a diamond-like carbon film, a hydrocarbon-containing polymer film, and the like can be formed on the irradiation target (see the above-described embodiment).
  • the upstream electrode, the method electrode, and the beam emission electrode are arranged in a parallel plate shape in a cylindrical discharge tube.
  • the discharge tube does not necessarily have to be cylindrical, and may be elliptical or
  • the downstream mesh electrode and the beam emission electrode may be arranged in a parallel plate shape, and the upstream electrode may not necessarily be in a parallel plate shape.
  • the present invention it is possible to efficiently generate a highly directional and high-density beam from high-density plasma.
  • This makes it possible to provide a beam source capable of irradiating an energy beam such as an ion beam or a neutral particle beam, which is suitable for fine processing of a semiconductor, a high-density recording medium, a micromachine, or the like.
  • an energy beam such as a neutral particle beam or an ion beam having a high straightness, a relatively large diameter and a high density. Therefore, it can be suitably used as a source of processing energy such as film formation or etching in the field of information storage media such as semiconductor integrated circuits and hard disks, or in the field of micromachining such as micromachining.

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Description

明 細 書 ビーム源 技術分野
本発明は、 高密度プラズマから高指向性で且つ高密度のィオンビーム 又は中性粒子ビーム等を発生するビーム源に関する。 背景技術
近年、 半導体集積回路、 ハー ドディスク等の情報記憶媒体、 或いはマ ィクロマシーン等の分野において、 その加工パターンが著しく微細化さ れている。 係る分野の加工においては、 成膜又はエッチングなどの加工 技術に、 直進性が高く （高指向性であり） 、 且つ比較的大口径で高密度 の中性粒子ビーム又はィォンビーム等のエネルギービームの照射が要請 されている。 係る用途に適したビーム源として、 既に本発明者等により 以下の構成のビーム源が開示されている。
第 1に、 放電管内にガスを供給するガス供給ノズルを上流側に備え、 放電管の下流側に複数のビーム放出孔を有するビーム放出電極を備え、 放電管内に複数の電極を備えたビーム源である。 そして、 これらの電極 に印加する電圧の種類が、 高周波電圧、 直流電圧、 アース電圧の組合せ. 及び放電管内に導入されるガスの種類を変化させることで、 正イオン、 負イオン、 中性粒子、 ラジカル粒子等の異なったエネルギー状態のビ一 ムを生成するものである。 係る構成のビーム源によれば、 比較的小型で マニュビレー夕等に載置して、 任意の照射部位にビームを照射して、 被 照射物上の局所の成膜、 エッチング、 接合、 接着などの加工を行うこと ができる。
第 2に、 同様に円筒形の放電管の上流側にガス導入ノズルと、 下流側 に複数のビーム放出孔を有するビーム放出電極 （陰極電極） とを備え、 放電管内の上流側に陽極電極を配置し、 その陽極電極と陰極電極間に直 流電圧を印加する機構と、 放電管内の両電極間のガスをプラズマ化する 誘導結合型プラズマ発生機構とを備えたビーム源である。 係る構成の中 性粒子ビーム源によれば、 誘導結合型高周波プラズマ発生機構によって、 放電管内に導入されたガスから高密度プラズマが生成され、 2枚の平行 平板状電極によってプラズマ中の正イオンを陰極電極側に加速し、 下流 側の陰極電極の高速原子放出孔中で電荷交換を行い、 中性粒子ビームを 放出するものである。
この中性粒子ビーム源によれば、 上述した直流放電型のビーム源と異 なり、 プラズマ生成部と加速電圧部とを備えているので、 低エネルギー で且つ高密度プラズマの発生が可能である。 そして 2枚の電極間に任意 に印加する電圧は、 低電圧から高電圧まで印加可能であるため、 低エネ ルギ一から高エネルギーまでの任意のエネルギーレベルの中性粒子ビー ムを発生することができる。 そして、 陰極及び陽極が平行平板型である ため、 指向性 （直進性） が高く、 高速原子放出孔中での孔の長さのコン トロールによ り比較的中性化率の高い中性粒子ビームを発生することが できる。
しかしながら、 高密度プラズマを形成し、 そのプラズマから効率よく . 高指向性で且つ高密度のイオンビーム又は中性粒子ビーム等のエネルギ —ビームを取り出すビーム源としては、 上述したビーム源は必ずしも十 分なものではなかった。 発明の開示
本発明は、 上記事情に鑑みて為されたもので、 効率よ く、 指向性が高 く、 比較的大口径で且つ高密度のエネルギービームを発生することがで きるビーム源を提供することを目的とする。
本発明のビーム源は、 放電管内にガスを導入するガス導入ポー ト と、 該ガス導入ポー 卜の下流側の前記放電管内に配置された 3枚の電極を備 え、 上流側の電極は前記ガスを流通させる多数の開口を有した電極であ り、 中間の電極はメ ッシュ状の電極であり、 下流側の電極は多数のビー ム放出孔を有したビーム放出電極であり、 前記上流側の 2枚の電極間の 前記放電管の外部には、 前記放電管内に導入されたガスをプラズマ化す る手段を備え、 前記下流側の 2枚の電極は平行平板状に配置されており、 該電極間にビームを加速して前記下流側のビーム放出電極から放出する ための電圧印加手段を備えたことを特徴とする。
上述した本発明によれば、 上流側の 2枚の電極間で放電管内に導入さ れたガスからプラズマ形成手段によ り高密度プラズマが形成される。 中 間の電極が多数の開口を有して且つ厚さが薄いメ ッシュ電極であること から、 当該電極の上流側に形成された高密度プラズマが効率よく下流側 の 2枚の電極間に導入される。 そして、 下流側の 2枚の電極が平行平板 電極であり、 その間に印加された電圧によ り荷電粒子が加速され、 放電 管下流側に配置された多数のビーム放出孔を有する電極を通して放出さ れる。 これにより、 効率的に高密度プラズマからイオンビームが取り出 され、 指向性が高く且つ高密度で、 比較的大口径のビームが生成される, 又、 前記上流側の 2枚の電極が同電位であり、 前記下流側の電極の電 位はビームが放出されるチャンバと同電位であることを特徴とする。 上 流側の 2枚の電極を同電位とすることで、 この電極間に形成されるブラ ズマの電位を安定化させ、 且つ任意の電位に制御することができる。 又、 下流側の電極の電位はビームが放出されるチヤンバと同電位であること から、 下流側の 2枚の電極間で加速されたイオンをそのままビーム放出 チャンバ内にイオンビーム或いは中性粒子ビーム等のエネルギービーム として放出することができる。
又、 前記メ ッシュ状の電極は、 薄板の導電材からなり、 多数の開口を 有し、 該開口部の開口率が 8 5 %以下であることが好ま しい。 これによ り、 上述したように、 シース長が比較的短い高密度プラズマから容易に 下流側の 2枚の電極間に荷電粒子のビームを形成することができる。 又、 前記下流側の 2枚の電極間の距離が 5 m m以上であり、 好ま しく は 1 0乃至 3 0 m mであることことが好ましい。 これにより、 微細加工 に好適な比較的低エネルギーのビームを高密度プラズマから効率的に取 り出すことができる。
又、 前記下流側のビーム放出電極のビーム放出孔は、 その孔径と孔の 長さの比が 2以上であることことが好ましい。 これによ り、 下流側の 2 枚の電極間で加速されたビームを、 高指向性、 高密度性を損なうことな く、 放出することができる。
前記電圧印加手段は、 パルス状の正負の電圧の印加手段であり、 正ィ オンと負イオン、 又は正イオンと電子を交互に照射するものとしてもよ い。 これによ り、 ガラスやセラ ミ ック材料等の絶縁物の加工に際しては- 表面にチャージアップという問題が生じるが、 正イオンと負イオン （電 子） の交互照射によりチャージアップ量を小さく保ちながら、 高精度の エツチングゃ成膜加工が可能となる。 図面の簡単な説明 図 1はビーム源を用いた微細加工装置の全体的な構成を示す図である c 図 2は本発明の第 1の実施の形態のビーム源の構成を示す図である。 図 3はブラズマの電子密度とシース長の関係を示す図である。
図 4はメ ツシュ電極の形状例を示す図であり、 図 4 Aは金属薄板に角 形の開口を設けたものであり、 図 4 Bは金属線を編んで構成したもので あり、 図 4 Cはシリコン又はグラフアイ ト等の導電性材料の薄板に円形 の開口を設けたものである。
図 5はメ 'ソシュの開口割合と被照射体の加工形状との関係を示す図で ある。
図 6はメ ヅシュ電極とビーム放出電極間の距離と被照射体の加工速度 との関係を示す図である。
図 7は加速電圧印加手段の構成例を示す図である。
図 8は正負の加速電圧をパルス的に与える例を示すタイムチャー トで ある。
図 9は本発明の第 2の実施の形態のビーム源の構成を示す図である。 発明を実施するための最良の形態
以下、 本発明の実施の形態について、 添付図面を参照しながら説明す る。
図 1は、 本発明の実施の形態のビーム源を用いた加工装置の全体的な 構成を示す。 ビーム源 1 0は、 放電管 1 1 とその外部に配置されたブラ ズマ形成手段 （具体的にはコイル 2 0等） により構成され、 ガス導入ポ —ト 1 2から導入されるガスを該プラズマ形成手段によりプラズマ化す る。 チャンバ 1 5及び放電管 1 1内は夕一ボ分子ポンプ 1 8及びロー夕 リポンプ 1 9 により高真空に排気される。 放電管 1 1には、 その外周に 誘導結合型のコィル 2 0を備え、 これに高周波電源 2 1から例えば 1 3 . 5 6 M H zの高周波電力がマツチングボックス 2 2を介して供給され、 放電管 1 1内に導入されたガスをプラズマ状態とする。 このコイル 2 0 は例えば水冷パイプのコイルであり、 8 m m ø程度の外径を有するコィ ルが 2ターン程度巻回されている。
放電管内では該形成されたプラズマ中から陽イオン又は陰イオン等の 荷電粒子を加速して、 下流側の電極 1 4からビーム放出チャンバ 1 5内 にイオンビーム又は中性粒子ビーム等のエネルギービームとして放出す る。 放電管 1 1内には、 ガス導入パイプ 1 3により、 S F G , C H F 3 , C F , C 1 2 , A r , 0 2 , N 2 , F 8等のガスが導入され、 これらの ガスからそれぞれの元素又は分子のィォンビーム又は中性粒子ビーム等 のエネルギービームが形成される。 形成されたビームは、 チャンバ 1 5 内を直進して、 試料台 1 6に載置された試料 1 7に照射される。
図 2は、 本発明の第 1の実施の形態のビーム源の構成を示す。 円筒状 の放電管 1 1は、 石英ガラス又はセラ ミ ック管等により構成され、 その 上端部に放電管内にガスを導入する導入ポート 1 2 と、 その下端部に放 電管内で形成されたビームを放出する多数のビーム放出孔を備えたビー ム放出電極 1 4とで閉塞された構造となっている。 放電管 1 1内には、 上流側からガスを流通させる多数の開口を有する上流側電極 2 3 と、 薄 板に多数の開口を有するメ ツシュ電極 2 4 とが配置されている。 そして 上流側電極 2 3 と中間のメ ッシュ電極 2 4 との間に導入されたガスをプ ラズマ化するための手段を備えている。 この手段は、 この実施例では誘 導結合型のプラズマを形成するための高周波コィル 2 0であり、 電源 2 1から例えば 1 3 . 5 6 M H zの高周波電流を供給することで、 放電管 内部に高周波磁界が形成され、 導入されたガスがこれにより励起されて プラズマ化する。 尚、 プラズマ発生手段としては上述した I C P発生用 コイルを用いることのほかに、 E C R、 ヘリコン波プラズマ用コイル、 電磁コイル、 マイクロ波等を用いてもよい。 又、 使用する周波数領域も、 1 3. 5 6 MH zに限らず、 1 MH z〜 2 0 G H zの領域を用いてもよ い。
コイル 2 0に高周波電流を供給することによ り、 電極 2 3 , 2 4間の プラズマ室 2 5内には、 高周波電流による磁場が形成され、 これがガス 導入ポー ト 1 2から導入されたガス Gと結合して電子密度 1 01 '〜 1 0 12/ c in3の高密度プラズマが形成される。 図示するように上流側電極 2 3とメ ツシュ電極 2 4とは配線 2 6によ り電気的に接続され、 略同一電 位に保たれる。 これによ り、 電極 2 3 , 2 4間のプラズマ室 2 5に形成 されるプラズマの電位は、 上流側電極 2 3とメ ッシュ電極 2 4とに印加 される電位と同程度となる。 一例として、 導入されるガスは S F 6であり 入力される高周波電力は 1 5 0 W程度である。 尚、 放電管 1 1の径は、 5 O mm0である。 また、 放電管 1 1の径は l O〜 3 O O mm0が可能 である。
上流側電極 2 3とメ ッシュ電極 2 4とを接続する配線 2 6と、 下流側 のビーム放出電極 1 4との間には配線 2 7が設けられ、 加速電圧付与手 段 2 8が接続されている。 図 2に示す例では、 この加速電圧付与手段 2 8は、 正の高電圧であり、 メ ッシュ電極 2 4付近に存在する正イオンに 対してビーム放出電極 1 4に向かう加速エネルギーを付与する。 即ち、 プラズマ室 2 5に形成されたプラズマのプラズマ電位とビーム放出電極 1 4との間には加速電圧付与手段 2 8により電位差が与えられる。 そし てこのような状態で、 メ ッシュ電極 2 4から加速空間側に漏れ出た正負 のィオンや電子等の荷電粒子が、 ビーム放出電極 1 4に向けて加速され て、 ビーム放出電極 1 4の放出孔 1 4 aを通過して、 ビーム Bとして外 部に放出される。 ここで、 図 2に示すビーム源の構成によれば、 メ ッシ ュ電極 2 4とビーム放出電極 1 4との間の距離を任意に設定することが できる。 これにより、 高密度プラズマを用いたときでも、 加速距離を任 意に設定することが可能となり、 高指向性、 高密度で、 且つエネルギー レベルの制御可能なビームを形成することができる。
図 3は、 プラズマの電子密度とシース長との関係を示す。 図示するよ うにプラズマ電位 （印加電圧） が高いほど、 シース長が長く なり、 又、 電子密度が低いほどシース長が長くなる傾向にある。 プラズマシースに よるイオンの加速を利用するビーム発生方式では、 このシース長がビー ムの指向性に大きく影響する。 シース長が長い方が、 原理的に指向性の 高いビームの発生が可能である。 尚、 図 3においては電子温度は、 1. 4 e Vの場合である。
従来の技術において説明した直流放電方式では、 通常 1 09〜 1 01 Q/ c m3程度の電子密度で、 プラズマ電位が 5 0 0 V〜 5 k V程度で使用さ れる場合が多い。 このような場合には、 シース長は 1 0 mm程度以上を 容易に得ることができる。 一方で高周波 （R F ) 放電等を用いた高密度 プラズマの形成では、 1 0 〜 1 0 12/c m3の電子密度を得ることがで きるので、 加速されるイオン量が多く得られ、 即ち、 高密度ビームが得 られる。 しかしながら、 ビームの加速電圧は、 5 0 0 V程度以下の低ェ ネルギ一ビームが要請される場合が多く、 そのシースの電位差を用いる 場合には、 得られるシース長は 0. l〜 3 mm程度となる。 一方でビー ムの放出孔は、 通常 1 mm ø程度が用いられる。 従って、 シース長即ち 加速距離が 0. 1〜 3 mm程度しかない場合では、 ビーム放出孔の影響 によるシース長の電界の歪みが大き く影響を及ぼすことになり、 指向性 の高い加速が困難となる。 一方で上述した直流放電等によって形成され るプラズマにおいては、 シース長が長い場合、 例えば 1 0〜 3 0 m m程 度であればビーム放出孔によるシース長の電界の歪みの影響は小さ くな り、 指向性の高いビーム放出が可能となる。
本発明においては、 高密度プラズマを用いた場合でも、 高い指向性の ビーム放出を可能とする電極構造を採用している。 即ち、 本発明では図 2に示すように、 プラズマ室 2 5を区画するメ ッシュ電極 2 4の採用と- メ ッシュ電極 2 4 とビーム放出電極間の距離を適当量に保持することに より、 係る問題点を解決している。 この実施例では、 一例として線幅 0 3 m mで線間距離 0 . 8 m m、 厚さ 0 . 3 m mのクロスメ ッシュが採用 されている。
図 4 A、 図 4 B、 図 4 Cは、 メ ッシュ電極の形状例を示す。 メ 'ソ シュ 電極は、 図 4 A及び図 4 Cに示すような金属又はグラフアイ ト等の導電 薄板に開口を設けたものでも、 図 4 Bに示すような金属線を編んで構成 したものでもどちらでもよい。 メ ッシュ電極の形状によって、 得られる ビームの特性やビームの被照射体の加工特性に大きな影響を与える。 メ ヅシュ電極 2 4は、 厚さが 1 ミ リ以下、 好ましくは 0 . ；! 〜 0 . 5 m m 程度であり、 多数のメ ッシュ状の開口を有しその開口率が 8 5 %以下で ある。 開口パターンの形状としては、 例えば図示するような碁盤状にな つているものが一般的であるが、 これに限定するものではない。 尚、 メ ッシュ孔のアスペク ト比は 1以下である。 又、 厚さが厚すぎるとイオン の失活量が多くなるので、 効率が低下する。
メ ッシュの開口割合の大小に対して、 ビーム量、 指向性、 加工速度は 次の関係にある。 即ち、 メ ッシュの開口割合が大きいほど、 ビーム量は 多くなり指向性は低下し、 加工速度は早くなる。 これに対してメ ッシュ の開口割合が小さくなると、 ビーム量は少なくなり、 指向性は高くなり、 加工速度は遅くなる。 又、 ビームの被照射体の加工形状は、 図 5に示す ように、 メ ッシュの開口割合が小さいと図 5 Aに示すように斜形状とな り、 メ 'メシュの開口割合が適切であると図 5 Bに示すように適正な異方 性のェ 'ソチングが可能となり、 メ ッシュの開口割合が大きくなると図 5 Cに示すように等方性のエッチングとなる。
同様に、 成膜ゃェッチング等の微細加工に際して加工性の良好な比較 的低エネルギーのビームの場合、 即ち、 1 k V以下の加速電圧の時、 メ ッシュ電極とビーム放出電極との間には、 適切な距離 Lが存在する。 図 6は、 横軸にメ ッシュ電極とビーム放出電極間の距離であり、 縦軸は被 照射体の加工速度を示す。 図 6に示すように、 L = 1 0 ~ 3 0 m m程度 を用いることで、 被照射体に対する加工性の良好なビームを生成するこ とができる。 又、 この距離 Lは小さすぎると、 加速空間で十分な加速が できないため、 少なく とも 5 m m以上あることが好ましい。 尚、 同一条 件においても、 メ ッシュ電極とビーム放出電極間の距離 Lにより加工速 度が異なって く ることは勿論である。
又、 ビーム放出電極 1 4のビーム放出孔 1 4 aの長さにより、 放出さ れるビームの特性が大きく異なる。 このため、 ビーム放出孔の長さも使 用目的に応じて、 選択する必要がある。 孔径の 1〜 5倍程度までは、 電 子 · イオン · ラジカル · 低中性化率の中性粒子等を放出でき、 ビーム放 出孔の下流において、 ビームの広がりが大きい。 また、 孔の長さが、 孔 径の 5倍〜 1 0倍では、 ビームの指向性が良くなり、 ラジカルや電子線 の照射領域を局所にすることが可能となる。 また、 中性粒子ビームの中 性化率もおおよそ 3 0 %〜 7 0 %程度が得られる。 孔長が、 孔径の 1 0 倍以上になると、 より指向性の高いビームが得られ、 中性化率が、 約 7 0 %以上の中性粒子ビームが得られる。 この実施例の場合は、 ビーム放 出電極の板厚が 2 mmであり、 そのビーム放出孔は、 その孔径と孔の長 さの比が、 2以上であることが好ましい。
加速電圧付与手段 2 8を負の高電圧とすることで、 プラズマ室 2 5に 形成されるプラズマの電位は負の高電位となる。 そして、 ビーム放出電 極 1 4を接地電位にしておく ことで、 プラズマで形成された負ィオンを 加速して負イオンビームの放出を行うことが可能となる。 この場合のガ スとしては、 〇 2, C 12, S F «, C H F 3, C 4 F B等の負イオンを生成 しゃすいガスを用いることが好ましい。 これらのガスを用いて高周波誘 導結合等によ り高密度プラズマを発生すると、 プラズマ中に多数の負ィ オンが発生し、 負イオンのビームを容易に形成することができる。 上述 の諸元のビーム源において、 S F ガスを用いて、 加速電圧 + 5 0 V〜十 1 k Vで異方性加工が可能な正ィォンビームが発生し、 その加工速度は、 シリコン基板に対して 5 0 O A/m i n以上であり、 加速電圧一 5 0 V 〜一 1 kVで負イオンビームが発生する。
又、 図 7 Aに示すように加速電圧印加手段を正及び負の電圧を切替可 能に接続することで、 負イオンと正イオンのビームを交互に生成して被 加工体に照射することができる。 そして加速電圧を可変電圧とすること により、 異なるエネルギーレベルのビームを時間を変えて照射すること ができる。 又、 図 7 Bに示すように正負の加速電圧をパルス的に与える ようにしてもよい。 これにより、 正イオンのビームと負イオンのビーム とをパルス的に交互に照射することができる。 負ィオンが生成されにく いガス （例えば、 アルゴンガス） を用いるときには、 電子と正イオンの ビームを交互に放出することが可能となる。 例えば、 図 8に示すように、 + 3 0 0 Vを 2 0 m s与え、 — 5 0 Vを 5 ms与え、 これを繰り返す。 ビーム源からは + 3 0 0 e Vのエネルギーの正イオンビームが 2 0 m s の間放出され、 次に— 5 0 e Vのエネルギーの負イオンビーム （又は電 子） が 5 m sの間放出され、 これが繰りかえされる。 ガラスやセラ ミ ヅ ク材料等の絶縁物の加工に際しては、 表面にチャージアップという問題 が生じるが、 正イオンと負イオン （又は電子） の交互照射によりチヤ一 ジァップ量を小さく保ちながら、 高精度のエッチングや成膜加工が可能 となる。 このように、 エネルギーをパルス的に変化させることが可能で あり、 上記の正負イオン照射に限らず、 同電荷 （例えば正イオン） でも パルス的にエネルギーの異なるビームをパルス的に照射することが可能 となる。 例えば、 I k e Vの正イオンと、 1 0 e Vの正イオンのビーム を交互に照射することができる。
図 9は、 本発明の第 2の実施の形態のビーム源を示す。 この場合は、 上流側電極 3 0が図 2に示すような平板状ではなく、 一部が円筒状とな つている。 このように上流側電極 3 0の表面積が大きく してあることに より、 プラズマ室 2 5に形成されるプラズマとの接触面積が増加し、 荷 電粒子の電極表面での反応量を多くすることができ、 プラズマ電位を安 定化させることができる。 その他の構成は、 図 2に示すビーム源と同様 であり、 その動作も同様である。
上述したビーム源から放出されるエネルギービームの利用形態例につ いて簡単に説明する。 エネルギービームの一例としては、 成膜性を有す る反応性ガス粒子のラジカルビーム、 或いは低エネルギーの中性粒子ビ —ムが用いられる。 例えば、 エネルギービーム源の原料ガスとしてメタ ンガスを用いることによ り、 炭素 （ C ) を含むラジカルビームが形成さ れ、 接着材として好適なグラフアイ ト、 ダイアモン ドライク力一ボン等 が生成される。 又、 エネルギービーム源に供給するガスとしては、 上述したメタンガ スの他にフ ッ化タングステン、 塩化アルミ、 塩化チタン等の金属を含有 するガス、 或いは上述したメタン等の C又は C — Hを含有する炭素系又 は炭化水素系ガスなども用いることができる。 これによ り、 タングステ ン膜、 アルミ膜、 チタン膜、 グラフアイ ト膜、 ダイアモン ドライクカー ボン膜、 炭化水素含有高分子膜等を被照射体に成膜させることができる ( 尚、 上記実施の形態においては、 円筒状の放電管内に上流側電極とメ 'ソシュ電極とビーム放出電極とを平行平板状に配置する例について説明 したが、 放電管は必ずしも円筒状である必要はなく、 楕円状又は角柱状 であってもよい。 又、 下流側のメ ッシュ電極とビーム放出電極とが平行 平板状に配置されていればよく、 上流側電極は必ずしもこれらと平行平 板状でなくてもよい。
以上説明したように本発明によれば、 高密度プラズマから高指向性で 且つ高密度のビームの生成を効率的に行うことができる。 これによ り、 半導体、 高密度記録媒体、 マイクロマシン等の微細加工に好適な、 ィォ ンビーム又は中性粒子ビーム等のエネルギービームを照射可能なビーム 源を提供できる。 産業上の利用の可能性
本発明によれば、 直進性が高く、 比較的大口径で高密度の中性粒子ビ —ム又はイオンビーム等のエネルギービームを形成できる。 従って、 半 導体集積回路、 ハードディスク等の情報記憶媒体、 或いはマイクロマシ —ニング等の微細加工分野において、 成膜又はエッチング等の加工エネ ルギ一源として好適に利用可能である。

Claims

請求の範囲
1 . 放電管内にガスを導入するガス導入ポート と、 該ガス導入ポー トの 下流側の前記放電管内に配置された 3枚の電極を備え、 上流側の電極は 前記ガスを流通させる多数の開口を有した電極であり、 中間の電極はメ ッシュ状の電極であり、 下流側の電極は多数のビーム放出孔を有したビ ーム放出電極であり、 前記上流側の 2枚の電極間の前記放電管の外部に は、 前記放電管内に導入されたガスをプラズマ化する手段を備え、 前記 下流側の 2枚の電極は平行平板状に配置されており、 該電極間にビーム を加速して前記下流側のビーム放出電極から放出するための電圧印加手 段を備えたことを特徴とするビーム源。
2 . 前記上流側の 2枚の電極が同電位であり、 前記下流側のビーム放出 電極の電位はビームが放出されるチヤンバと同電位であることを特徴と する請求項 1 に記載のビーム源。
3 . 前記下流側の 2枚の電極間の距離が 5 m m以上であり、 好ましくは 1 0乃至 3 0 m mであることを特徴とする請求項 1 に記載のビーム源。
4 . 前記下流側のビーム放出電極のビーム放出孔は、 その孔径と孔の長 さの比が 2以上であることを特徴とする請求項 1に記載のビーム源。
5 . 前記電圧印加手段は、 パルス状の正負の電圧の印加手段であり、 正 イオンと負イオン、 又は正イオンと電子を交互に照射するものであるこ とを特徴とする請求項 1 に記載のビーム源。
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