JP5327657B2

JP5327657B2 - プラズマ発生装置

Info

Publication number: JP5327657B2
Application number: JP2011155365A
Authority: JP
Inventors: 秀樹藤田; 哲也井合
Original assignee: Nissin Ion Equipment Co Ltd
Current assignee: Nissin Ion Equipment Co Ltd
Priority date: 2010-08-24
Filing date: 2011-07-14
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2031-07-14
Also published as: TW201209878A; KR101307111B1; US8569955B2; US20120049738A1; TWI449079B; KR20120022547A; JP2012069509A

Description

この発明は、例えば、基板にイオンビームを照射してイオン注入等の処理を施すイオンビーム照射装置においてイオンビーム照射の際の基板表面の帯電（チャージアップ）を抑制すること等に用いられる高周波放電型のプラズマ発生装置に関する。

上記のような基板表面の帯電抑制に用いられる高周波放電型のプラズマ発生装置の一例として、特許文献１には、プラズマ生成容器内で高周波放電によってガスを電離させてプラズマを生成して、電子放出孔を通して当該プラズマより電子を外部に放出する装置であって、プラズマ生成容器の内壁およびアンテナは、プラズマのスパッタリングによる金属汚染およびアンテナにその導電性スパッタ物が付着することを防止するために、絶縁物で覆っているプラズマ発生装置が記載されている。

特開２００２−３２４５１１号公報（段落００３１−００３８、図１）

上記プラズマ生成容器１２の内壁の絶縁物は、プラズマによるスパッタリングによってプラズマ生成容器１２の内壁からそれを構成する金属粒子が放出されてプラズマを汚染すること（即ち金属汚染）が発生するのを防止することが主目的で設けられている。また、前記絶縁物の材質は、アルミナ等の絶縁物が使用される。プラズマ生成容器１２とターゲットチャンバー８との間には、直流電源３６が接続されている。直流電源３６を流れる電流をＰＦＧ電流と呼び、当該電子がプラズマ放出孔１４を通して外部に放出する量である。

ところが、上記のようなプラズマ発生装置を長時間（例えば数百時間〜数千時間程度）運転すると、ＰＦＧ電流が減少し使用できない状態となることが分かった。

上記のように、ＰＦＧ電流が減少し、基板のチャージアップの中和が十分でなくなると、プラズマ発生装置を取り外し、プラズマ放出孔１４付近上の堆積した絶縁物を除去しなければならず、メンテナンスのために長時間イオンビーム照射装置を停止しなければならなかった。

そこでこの発明は、高周波放電型のプラズマ発生装置において、ＰＦＧ電流の減少を防止することを主たる目的としている。

この発明に係るプラズマ発生装置の一つは、プラズマ生成容器内で高周波放電によってガスを電離させてプラズマを生成して、電子放出孔を通して当該プラズマより電子を外部に放出する装置であって、プラズマ生成容器内に設けられていて高周波を放射するアンテナと前記アンテナ全体を覆うものであって絶縁物から成るアンテナカバーとを備えており、前記電子放出孔のあるプラズマ電極材質が導電性材料であるプラズマ発生装置において、前記プラズマ電極と前記アンテナとの間にあり、筒状の枠体領域に枠体の内側または内側と外側に電子の流れを遮る方向の長さにおいて、枠体の厚みと異なる突起部がある枠カバーをもっており、前記枠カバーの突起部が電子放出孔がある前記プラズマ電極の周辺に影をつくり、プラズマスパッタによるアルミナ等の絶縁物が堆積しにくくしていることを特徴としている。

プラズマ電極は、プラズマと接してプラズマの電位を確保するためのものであり、プラズマ生成容器と同電位にされている。即ち、プラズマ生成容器内面を絶縁物で完全に囲むと、プラズマに接する導体がなくなって、プラズマに電流が流れなくなりプラズマから電子を引き出すことが困難になるけれども、これをプラズマ電極によって防止することができる。

プラズマは良導体であり、プラズマ自身は準中性を保つ性質があり、そのため、プラズマから損失する電子電流とイオン電流は常に等しくなる。ＰＦＧから引き出された電子電流（ＰＦＧ電流）はプラズマの電子が減少するため、同じイオンが損失する必要がある。

プラズマ中でイオンが再結合により電子を得ても、プラズマから出た電子電流の埋め合わせにはならない。イオンは壁と衝突して壁から電子を得ることで初めてイオン電流が流れる。

そのときイオンは壁で電子と再結合し中性ガスに戻る。この電子はＰＦＧ電源により導電性の壁を通して供給される。ＰＦＧ電源もＰＦＧから電子を引き出し、真空容器に流れ込んだ電子と同じ量の電子をＰＦＧプラズマにイオンを介して供給し、電源から流れ出た電流と帰還電流が同じになっている。

このようにＰＦＧ電流が流れるためには、導体壁がプラズマと接していなければならない。もしプラズマ電極がプラズマ生成容器の内壁の絶縁物であるアルミナのスパッタ等により表面が絶縁化するとＰＦＧ電流が流れなくなる。

そこでこの発明は、高周波放電型のプラズマ発生装置において、枠カバーに突起部を設けることで、電子放出孔のあるプラズマ電極に影を作り、アルミナのスパッタによる絶縁化しない部分を確保し、ＰＦＧ電流の減少を防止するものである。

上記枠カバーは導電性をもっているものであれば良いが、例えばカーボン製である。このため、それ自身も電極となり、導電性壁の面積を増加させ、ＰＦＧ電流を増加させることが出来る。プラズマ電極と枠カバーの全面が絶縁化するまでＰＦＧ電流が流れる。そのため、単にプラズマ電極だけの絶縁化を防止するだけでなく、ＰＦＧ電流を増加させ、より長寿命化できる。カーボンは、耐プラズマ性に強いパイロリティックグラファイトであっても良い。

この原理からすれば、プラズマと接触させる面積を増加させるためだけであるなら、例えば、プラズマ電極の位置はプラズマの端でもプラズマと接っていればどこの位置であっても良い。

プラズマ電極とアンテナとの間にあり、筒状の枠体領域に枠体の内側または内側と外側に厚みの異なる突起部がない枠カバーであっても、導電性材料であるプラズマ電極自身が突起付き構造でも良い。この構造により、プラズマ電極がプラズマと接しているため、ＰＦＧ電流が流れることになる。

プラズマ電極とアンテナとの間にあり、筒状の枠体領域に枠体の内側または内側と外側に厚みの異なる突起部がない枠カバーであっても、筒状の枠体領域に枠体の内側に凹形状の窪みのある枠カバーをもっていても良い。枠カバーの内側の凹部分は、プラズマのスパッタリングにより絶縁化しにくく、枠カバーの内側の凹部分とプラズマとが接しているため、ＰＦＧ電流が流れることになる。

上記枠カバーの材質は、カーボン製であっても良い。導電性壁の面積を増加させ、ＰＦＧ電流を増加させることが出来る。

請求項１に記載の発明によれば、電子放出孔があるプラズマ電極上に影をつくり、プラズマスパッタによるアルミナ絶縁物が堆積しにくく、ＰＦＧ電流の減少を防止するため、プラズマ発生装置を長時間使用することができる。

請求項２に記載の発明によれば、枠カバーは導電性をもっているカーボン製であるため、それ自身も電極となり、導電性壁の面積を増加させ、ＰＦＧ電流を増加させることが出来、プラズマ電極と枠カバーの全面が絶縁化するまでＰＦＧ電流が流れ、プラズマ発生装置を長時間使用することができる。

請求項３に記載の発明によれば、突起部のない枠カバーであっても、突起付き構造をしているプラズマ電極であるので、ＰＦＧ電流の減少を防止するため、プラズマ発生装置を長時間使用することができる。

この発明に係るプラズマ発生装置の一実施形態を示す断面図である。図１の線Ａ−Ａに沿う断面図である。考案前と本考案実施後のＰＦＧ電流の変化を示す。突起部をもった枠カバーの形状例外部に凸形状した突起をもった枠カバーの形状例突起構造を持つプラズマ電極の形状例内側に凹形状の窪みをもっている枠カバーの形状例他の一実施形態によるプラズマ発生装置の断面図である。

図１および図２を参照して、このプラズマ発生装置１０は、ターゲットチャンバー８内において基板（例えば半導体基板）４にイオンビーム２を照射して、基板４にイオン注入等の処理を施すイオンビーム照射装置（この装置は、イオン注入を行う場合はイオン注入装置と呼ばれる）に用いられている場合の例である。プラズマ発生装置１０は、基板４の上流側近傍に位置するターゲットチャンバー８の外部に、絶縁物５４を介して取り付けられている。

この例では、イオンビーム２は、Ｘ方向（例えば水平方向）に電界または磁界によって往復走査される。基板４は、ホルダ６に保持されていて、Ｘ方向と交差するＹ方向（例えば垂直方向）に機械的に往復走査される。両走査の協働（ハイブリッドスキャン）によって、基板４の全面にイオンビーム２を均一性良く照射して均一性の良いイオン注入を行うことができる。

その際、プラズマ発生装置１０から放出したプラズマからの電子をイオンビーム２または基板４の近傍に供給して、イオンビーム照射に伴う正電荷を中和して、基板４の表面の帯電を抑制することができる。

プラズマ発生装置１０は、この実施形態では、イオンビーム２の上記Ｘ方向の走査に対応することができるように、Ｘ方向に長く伸びた構造をしている。それによって、Ｘ方向の幅が広いプラズマからの電子を放出して、Ｘ方向に走査されるイオンビーム２付近に電子を万遍なく供給して、基板４の表面において帯電を万遍なく抑制することができる。

このプラズマ発生装置１０は、Ｘ方向に沿って長く伸びた筒状（具体的には半円筒状）のプラズマ生成容器１２を有している。このプラズマ生成容器１２は、後述する磁石５０による磁界５２を乱さないために、非磁性体で構成されている。プラズマ電極１６も同様である。

プラズマ生成容器１２の一方（図１中の左側）の端面に、ガス導入管２２が接続されており、そこからガス２４がプラズマ生成容器１２内に導入される。ガス２４は、例えばキセノンガスである。

プラズマ生成容器１２は、その一部に、具体的にはその下側（イオンビーム２に面する側）の側面に、開口部１４を有しており、そこに、プラズマ生成容器１２内で生成されたプラズマからの電子を外部に取り出す電子放出孔１８を有するプラズマ電極１６が設けられている。電子放出孔１８は、この実施形態ではＸ方向に並設された複数の孔（例えば円形の孔または長円形の孔）であるが、Ｘ方向に伸びたスリットでも良い。プラズマ電極１６は、プラズマ生成容器１２と電気的に接続されていてそれと同電位にある。

プラズマ生成容器１２内に、その長手方向の軸に沿って、即ちＸ方向に沿って、真っ直ぐな棒状のアンテナ２６が設けられている。このアンテナ２６のプラズマ生成容器１２内での長さは、プラズマ生成容器１２内の軸方向の長さの例えば８０％〜１００％程度である。アンテナ２６は、具体的には、プラズマ生成容器１２の他方（図１中の右側）の端面からプラズマ生成容器１２内に挿入されている。アンテナ２６は、例えばタングステンから成る。アンテナ２６とプラズマ生成容器１２との間は、アンテナカバー４２やその他の絶縁物（図示省略）によって電気的に絶縁されている。

アンテナ２６には、ＰＦＧ電源３０から、インピーダンス整合回路３２および同軸ケーブル３４を経由して、高周波２８が供給される。高周波２８は、例えば１３．５６ＭＨｚ程度の高周波でも良いし、例えば２．４５ＧＨｚ程度のマイクロ波でも良い。即ちこの明細書では、高周波はマイクロ波を含む広い概念である。同軸ケーブル３４の中心導体３６はアンテナ２６に、外周導体３８はプラズマ生成容器１２に、それぞれ電気的に接続されている。

上記構成によって外部からアンテナ２６に供給される高周波２８を当該アンテナ２６からプラズマ生成容器１２内に放射して、プラズマ生成容器１２内で高周波放電によって上記ガス２４を電離させてプラズマ２０を生成することができる。そしてこのプラズマ２０からの電子を、上記電子放出孔１８を通してターゲットチャンバー８内へ取り出すことができる。

プラズマ生成容器１２およびそれと同電位のプラズマ電極１６には、この実施形態のように、直流の引出し電源５６によって、ターゲットチャンバー８の電位を基準にして負の引出し電圧Ｖ_Eを印加するようにしても良い。そのようにすれば、電子放出孔１８から電子が放出されやすくなる。

ターゲットチャンバー８の電位を基準にしてリフレクタ７０には、電源５７によって、負のリフレクタ電圧Ｖ_Rを印加しても良い。電子放出孔１８から放出されたプラズマ中の電子がリフレクタ７０で反射され、イオンビーム２に電子が捕獲されやすくしている。

プラズマ生成容器１２内に位置するアンテナ２６の全体は、絶縁物から成るアンテナカバー４２で覆われている。アンテナカバー４２は、石英やアルミナ等のセラミックから成る。これによって、プラズマ２０によるスパッタリングによって、アンテナ２６からそれを構成する金属粒子が放出されて金属汚染が発生するのを防止することができる。

プラズマ生成容器１２の内壁（即ち開口部１４を除く内壁）も、この実施形態のように、絶縁物４８で覆っておくのが好ましい。プラズマ電極１６を設けずに電子放出孔１８をプラズマ生成容器１２の側面に設ける場合は、電子放出孔１８を除くプラズマ生成容器１２の内壁を絶縁物４８で覆っておくのが好ましい。それによって、プラズマ２０によるスパッタリングによって、プラズマ生成容器１２からそれを構成する金属粒子が放出されて金属汚染が発生するのを防止することができる。

プラズマ生成容器１２内であり、プラズマ電極１６の周辺を覆うように突起部６２がある枠カバー６０が設置してある。これは、プラズマ電極１６の表面にプラズマ２０によるスパッタリングによって絶縁物が堆積することを防止し、導通を確保する。プラズマ電極１６上に絶縁物が堆積した場合、プラズマ２０に接する導体がなくなってプラズマ２０に電位が与えられなくなり、プラズマ２０に電流が流れなくなり、プラズマ２０から電子を引き出すことが困難になる。

上記枠カバー６０の材質は、カーボン製である。枠カバー６０の材質がカーボン製であるので、導電性壁の面積を増加させ、ＰＦＧ電流を増加させることが出来る。

図３は、本考案の突起部６２がある枠カバー６０を設置した場合と突起部６２がない枠カバー６０を設置した場合のＰＦＧ電流の変化を示す。突起部６２がある枠カバー６０を設置した方がＰＦＧ電流が多くとれ、長寿命化したことを示している。

図４は、突起部６２がある枠カバー６０の形状例を示す。プラズマ電極１６の周辺が突起により影ができれば良いため、色々な形状の突起が考えられる。図（Ａ）は、突起部６２がある枠カバー６０の一実施例の上面図と断面図を示す。突起部６２は実質的に矩形の横断面を有し、実質的に矩形の空間が形成される。図（Ｂ）は、突起部６２がある枠カバー６０の他の実施例の上面図と断面図を示す。突起部６２は実質的に斜角をつけられた形状を有する。突起部６２で形成される空間は実質的に矩形で傾斜している。図（Ｃ）は、突起部６２がある枠カバー６０の他の実施例の上面図と断面図を示す。突起部６２は、斜め上方へ突出している形状であり、突起部６２で形成される空間は、実質的に矩形でそして上方へ突出している。図（Ｄ）は、突起部６２がある枠カバー６０の他の実施例の上面図と断面図を示す。突起部６２は実質的に矩形の横断面を有する。そして、突起部６２で形成される空間は実質的に円形状である。図（Ｅ）は、突起部６２がある枠カバー６０の他の実施例の上面図と断面図を示す。上面と四面ある側面がそれぞれ分離した形態をしている。突起部６２は実質的に矩形の横断面を有し、実質的に矩形の空間が形成される。

図５は、突起部６２がある枠カバー６０の中央部を外部に凸形状にした形状の例である。枠カバー６０のバネ性により突起部６２がある枠カバー６０とプラズマ生成容器１２との電気的接触を保つことができ、またプラズマ電極１６とも同電位である。プラズマ２０が導体壁と接しているため、ＰＦＧ電流が流れることになる。

図６は、突起部を持つプラズマ電極の形状例を示している。プラズマ電極の材質をカーボン製とし、２枚構造としたものである。プラズマ電極Ａの突起によりプラズマ電極Ｂ上に影をつくり、プラズマスパッタによるアルミナ等の絶縁物が堆積しにくくしている。この構造より、プラズマ２０がプラズマ電極Ｂと接触するようにしているため、ＰＦＧ電流が流れることになる。

図７は、枠カバー６０の内側に凹形状の窪み７１をもっている形状例を示す。枠カバー６０の内側の凹部分７１は、プラズマ２０のスパッタリングにより絶縁化しにくく、枠カバー６０の内側の凹部分７１とプラズマ２０とが接しているため、ＰＦＧ電流が流れることになる。

図８は、他の典型的な一実施例を示す。図８において、プラズマ発生装置１０は、ターゲットチャンバー８内において基板（例えば半導体基板）４にイオンビーム２を照射して、基板４にイオン注入等の処理を施すイオンビーム照射装置（この装置は、イオン注入を行う場合はイオン注入装置と呼ばれる）に用いられている場合の例である。図８は図１と実質的に類似している。このように、実質的に類似した要素の説明を明確にするため用いられる。図１と図８を比較した場合の実施形態の異なる点は、図１では、突起部６２が枠カバー６０にあり、図８の実施例では、突起部６２が枠カバー６０にないということである。

プラズマ生成容器１２の外部には、この実施形態のように、プラズマ生成容器１２内に、プラズマ生成容器１２の軸に沿う方向の磁界５２を発生させる磁石５０を設けておいても良い。この磁石５０は、この例では、プラズマ生成容器１２に沿う半円筒形をしている。この磁石５０は、典型的には永久磁石である。この磁石５０を設けておくと、それが発生する磁界５２によって電子を捕捉して、プラズマ生成容器１２内におけるプラズマ２０の生成および維持を促進することができるので、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）により高密度のプラズマ２０の発生が可能になる。

なお、プラズマ発生装置１０の各部の構造を上に詳述したけれども、その構造はあくまでも例であり、この発明は上に詳述した構造に限定されるものではない。

１０プラズマ発生装置
１２プラズマ生成容器
１６プラズマ電極
１８電子放出孔
２０プラズマ
２４ガス
２６アンテナ
２８高周波
３０ＰＦＧ電源
４２アンテナカバー
６０枠カバー
６２突起部
７０リフレクター
７１凹形状の窪み

Claims

プラズマ生成容器内で高周波放電によってガスを電離させてプラズマを生成して、電子放出孔を通して当該プラズマより電子を外部に放出する装置であって、プラズマ生成容器内に設けられていて高周波を放射するアンテナと前記アンテナ全体を覆うものであって絶縁物から成るアンテナカバーとを備えており、前記電子放出孔のあるプラズマ電極材質が導電性材料であるプラズマ発生装置において、前記プラズマ電極と前記アンテナとの間にあり、筒状の枠体領域に枠体の内側または内側と外側に電子の流れを遮る方向の長さにおいて、枠体の厚みと異なる突起部がある枠カバーをもっており、前記枠カバーの突起部が電子放出孔がある前記プラズマ電極の周辺に影をつくり、プラズマスパッタによるアルミナ等の絶縁物が堆積しにくくしていることを特徴とするプラズマ発生装置。
前記枠カバーの材質はカーボン製である請求項１記載のプラズマ発生装置。
プラズマ生成容器内で高周波放電によってガスを電離させてプラズマを生成して、電子放出孔を通して当該プラズマより電子を外部に放出する装置であって、プラズマ生成容器内に設けられていて高周波を放射するアンテナと前記アンテナ全体を覆うものであって絶縁物から成るアンテナカバーとを備えており、前記電子放出孔のあるプラズマ電極材質が導電性材料であるプラズマ発生装置において、前記プラズマ電極は、第１のプラズマ電極と第２のプラズマ電極の２枚で構成され、プラズマ側の第１プラズマ電極が突起付き構造をしており、前記第１プラズマ電極の突起により前記第２のプラズマ電極上に影をつくり、プラズマスパッタによるアルミナ等の絶縁物が堆積しにくくしていることを特徴とするプラズマ発生装置。