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JPS5813626B2 - ion shower device - Google Patents
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JPS5813626B2 - ion shower device - Google Patents

ion shower device

Info

Publication number
JPS5813626B2
JPS5813626B2 JP6140981A JP6140981A JPS5813626B2 JP S5813626 B2 JPS5813626 B2 JP S5813626B2 JP 6140981 A JP6140981 A JP 6140981A JP 6140981 A JP6140981 A JP 6140981A JP S5813626 B2 JPS5813626 B2 JP S5813626B2
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JP
Japan
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ion
plasma
chamber
microwave
ion extraction
Prior art date
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Expired
Application number
JP6140981A
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Japanese (ja)
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JPS57177975A (en
Inventor
安達吉夫
松尾誠太郎
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NTT Inc
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Publication date
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、イオン衝撃の物理的および化学的効果を利用
して材料表面をエッチングするのに用いて好適なイオン
シャワ装置に関するものであり、特に半導体集積回路や
光集積回路などの各種デバイスの製造工程において微細
なパターンを形成するためのエッチングの工程に適合す
るイオンシャワ装置に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to an ion shower device suitable for use in etching the surface of a material by utilizing the physical and chemical effects of ion bombardment, and particularly relates to an ion shower device suitable for etching the surface of a material by utilizing the physical and chemical effects of ion bombardment. The present invention relates to an ion shower device suitable for etching processes for forming fine patterns in the manufacturing process of various devices such as circuits.

従来のこの種の装置はカウフマン形のイオン源として知
られ、イオン化室、グリッド状イオン引出し電極系およ
び試料室を有し、イオン化室の内部には熱電子を放出さ
せるための熱フィラメントを配置し、イオン化室側壁を
陽極、熱フィラメントを陰極とした直流放電によってプ
ラズマを発生させてイオン化を行っていた。
This type of conventional device is known as a Kaufmann-type ion source, and has an ionization chamber, a grid-like ion extraction electrode system, and a sample chamber, and a hot filament for emitting thermoelectrons is placed inside the ionization chamber. Ionization was performed by generating plasma by direct current discharge with the side wall of the ionization chamber as the anode and the hot filament as the cathode.

このように、従来装置では熱フィラメントを用いてイオ
ンを生成するように構成されていたので、イオンの種類
、すなわちイオン化室に導入するガスの種類としては、
アルゴンなどの不活性ガスに限定されていた。
As described above, since the conventional device was configured to generate ions using a hot filament, the type of ions, that is, the type of gas introduced into the ionization chamber,
It was limited to inert gases such as argon.

すなわち、プラズマエッチングや反応性スバツタエツチ
ングなど化学的反応を利用したドライエッチング法で用
いられるフレオンガスや四塩化炭素、酸素ガスなどの反
応性ガスをイオン化室に導入して、それらのガスをイオ
ン化しようとすると、熱フィラメントの断線や熱電子放
出量の変動を引起すなどの問題を生じ、安定にシャワ状
イオンビームを形成することができなかった。
In other words, reactive gases such as freon gas, carbon tetrachloride, and oxygen gas used in dry etching methods that utilize chemical reactions such as plasma etching and reactive sputter etching are introduced into the ionization chamber and these gases are ionized. This would cause problems such as breakage of the hot filament and fluctuations in the amount of thermionic emissions, making it impossible to stably form a shower-shaped ion beam.

このため、上述した従来装置には、反応性ガスによるエ
ッチング、すなわちイオン衝撃の化学的作用を利用した
エッチング法には適用困難であるという欠点があった。
For this reason, the conventional apparatus described above has the drawback that it is difficult to apply to etching using a reactive gas, that is, an etching method that utilizes the chemical action of ion bombardment.

このような欠点を解決するために、本願人は、特願昭5
4−48535号において、マイクロ波による電子サイ
クロトロン共鳴を用いた放電により低ガス圧( 1 0
−’Torr程度以下)状態で、かつ熱フィラメントを
用いないでプラズマを発生させ、ガスの種類に制限され
ずにイオンを生成し、イオンシャツを安定に形成できる
イオンシャツ装置を先に提案した。
In order to solve these drawbacks, the applicant filed a patent application filed in 1973.
No. 4-48535, low gas pressure (10
We have previously proposed an ion shirt device that can generate plasma without using a hot filament, generate ions without being restricted by the type of gas, and stably form an ion shirt.

第1図はかかるイオンシャワ装置の基本構成を示す。FIG. 1 shows the basic configuration of such an ion shower device.

ここに、1はプラズマ発生室、2は試料室、3はイオン
引出し電極である。
Here, 1 is a plasma generation chamber, 2 is a sample chamber, and 3 is an ion extraction electrode.

4はプラズマ発生室1の上部に設けたマイクロ波導入用
窓であって、例えば石英ガラス板により構成することが
できる。
Reference numeral 4 denotes a microwave introduction window provided in the upper part of the plasma generation chamber 1, and can be made of, for example, a quartz glass plate.

5はマイクロ波導入用窓4に取付けたマイクロ波導入の
ための矩形導波管であり、図示を省略した整合器、マイ
クロ波電力計、アイソレータ等を経てマイクロ波源に接
続されている。
Reference numeral 5 denotes a rectangular waveguide for introducing microwaves attached to the microwave introduction window 4, and is connected to a microwave source via a matching box, a microwave power meter, an isolator, etc. (not shown).

マイクロ波源としては、例えば2.4 5 GHzのマ
グネトロンを用いることができる。
As a microwave source, for example, a 2.4 5 GHz magnetron can be used.

6はプラズマ発生室1内においてマイクロ波電子サイク
ロトロン共鳴放電を引起すのに必要な磁界発生用の磁気
コイルである。
Reference numeral 6 denotes a magnetic coil for generating a magnetic field necessary to cause a microwave electron cyclotron resonance discharge in the plasma generation chamber 1.

本例では、製作の都合により磁気コイル6を2個のコイ
ルで構成したが、単一のコイルでもよい。
In this example, the magnetic coil 6 is composed of two coils due to manufacturing convenience, but it may be a single coil.

ここでイオン引出しの効果を高めるために、磁気コイル
6は磁界強度がプラズマ発生室1の中央部からイオン引
出し電極3に向かって弱くなる、いわゆる発散磁界を形
成するような構成とする。
In order to enhance the ion extraction effect, the magnetic coil 6 is configured to form a so-called divergent magnetic field in which the magnetic field strength decreases from the center of the plasma generation chamber 1 toward the ion extraction electrode 3.

周波数2.4 5 GHzのマイクロ波に対しては、磁
束密度強度が875ガウスの条件で電子サイクロトロン
共鳴が引起される。
For microwaves with a frequency of 2.45 GHz, electron cyclotron resonance is induced under the condition that the magnetic flux density intensity is 875 Gauss.

矩形導波管5から導入されたプラズマ発生室1内のマイ
クロ波の電界強度を高めてマイクロ波電力をプラズマに
効率よく吸収させるためには、プラズマ発生室1はマイ
クロ波空胴共振器の条件を満足するような形状寸法とす
るのが好適である。
In order to increase the electric field strength of the microwave introduced into the plasma generation chamber 1 from the rectangular waveguide 5 and to efficiently absorb the microwave power into the plasma, the plasma generation chamber 1 must meet the conditions of a microwave cavity resonator. It is preferable that the shape and dimensions satisfy the following.

第1図における励起では矩形導波管5を伝播するマイク
ロ波のモードをTE1oとし、このモードによって励起
するように好適な円形空胴共振器のTEHnモード(n
は正の整数)を利用するのが好都合であるので、一例と
して、n−3とし、直径20cm、高さ20cmの内の
り寸法の形状を採用した。
In the excitation shown in FIG. 1, the mode of the microwave propagating in the rectangular waveguide 5 is TE1o, and the TEHn mode (n
Since it is convenient to use positive integers), as an example, n-3 was used, and a shape with inner dimensions of 20 cm in diameter and 20 cm in height was adopted.

プラズマ発生室1は給水口7Aから冷却水通路78に冷
却水を導き、更に排水口7Cから冷却水を排出するよう
にした水冷方式により冷却して、プラズマによって温度
が上昇するのを防止している。
The plasma generation chamber 1 is cooled by a water cooling system in which cooling water is introduced from the water supply port 7A to the cooling water passage 78, and the cooling water is further discharged from the drain port 7C to prevent the temperature from rising due to plasma. There is.

イオン引出し電極3は、例えば直径150mmの領域に
直径2mmの穴を多数あけた0.5mm程度の厚さの3
枚または2枚の金属板からなる。
The ion extraction electrode 3 is, for example, a electrode 3 with a thickness of about 0.5 mm, which has many holes with a diameter of 2 mm in an area of 150 mm in diameter.
Consists of one or two metal plates.

プラズマ発生室1はそれぞれ電気絶縁体8Aおよび8B
によって試料室2および矩形導波管5から電気的に絶縁
されており、プラズマ発生室1全体にイオン引出し用の
直流電源9の出力が印加されるようになっている。
Plasma generation chamber 1 has electric insulators 8A and 8B, respectively.
It is electrically insulated from the sample chamber 2 and the rectangular waveguide 5 by the plasma generation chamber 1, and the output of a DC power supply 9 for ion extraction is applied to the entire plasma generation chamber 1.

第1図示のように、イオン引出し電極3が2枚の電極3
Aおよび3Bから構成されている場合について説明する
と、第1図において、上側の電極板3Aはその周辺がプ
ラズマ発生室1と電気的に接触しており、イオン引出し
電極としての役割のほか、プラズマ発生室1のマイクロ
波空胴共振器として作用するためのマイクロ波反射面の
役割を果たす。
As shown in the first diagram, the ion extraction electrode 3 has two electrodes 3.
To explain the case where the upper electrode plate 3A is composed of A and 3B, in FIG. It serves as a microwave reflecting surface to act as a microwave cavity resonator for the generation chamber 1.

イオン引出し電極3の下側の電極板3Bは試料室2と同
電位、すなわち接地電位またはO〜300Vの負電位と
する。
The lower electrode plate 3B of the ion extraction electrode 3 is at the same potential as the sample chamber 2, that is, the ground potential or a negative potential of 0 to 300V.

2枚の電極板3Aおよび3Bの間に直流電源9の電圧が
印加されており(下側の電極3Bが接地電位のとき)、
電極間の電界によってプラズマ発生室1内のイオンが試
料室2の方向に引出されて加速される。
The voltage of the DC power supply 9 is applied between the two electrode plates 3A and 3B (when the lower electrode 3B is at ground potential),
Ions in the plasma generation chamber 1 are drawn out toward the sample chamber 2 and accelerated by the electric field between the electrodes.

2枚の電極板3Aと3Bとの間隔は1〜2mm程度の値
とするのが好適であり、直流電源9としては、最大20
00V程度の出力電圧の得られるものを用いることがで
きる。
The distance between the two electrode plates 3A and 3B is preferably about 1 to 2 mm, and the DC power source 9 has a maximum of 20 mm.
A device that can provide an output voltage of about 00V can be used.

以上のような構成によって直径150mmの大口径のイ
オンシャワ10を形成することができる。
With the above configuration, a large diameter ion shower 10 with a diameter of 150 mm can be formed.

イオン照射すべき試料11は試料台12に載置されてお
り、試料台12は斜めイオン照射などにも応用できるよ
うに、傾斜できるようになっている。
A sample 11 to be irradiated with ions is placed on a sample stage 12, and the sample stage 12 can be tilted so as to be applicable to oblique ion irradiation.

13はイオンシャツを遮断できるように設けたシャツタ
であり、14はシャツタに取付けられたイオン電流密度
測定用のファラデーゲージである。
13 is a shirt shirt provided to cut off the ion shirt, and 14 is a Faraday gauge for measuring ion current density attached to the shirt shirt.

15は磁界分布の補正、磁気コイル6の能率を高めるた
めの高透磁率材料であり、この例では軟鉄を用いている
Reference numeral 15 denotes a high magnetic permeability material for correcting the magnetic field distribution and increasing the efficiency of the magnetic coil 6, and soft iron is used in this example.

ガス導入系は2系統を有し、プラズマ発生室1に直接ガ
スを導く第1ガス導入系16と、試料室2にガスを導,
くことのできる補助的な第2ガス導入系17とからなる
The gas introduction system has two systems, a first gas introduction system 16 that directly leads gas to the plasma generation chamber 1, and a first gas introduction system 16 that leads gas to the sample chamber 2.
It consists of an auxiliary second gas introduction system 17 that can be

排気系18はこの例では油拡散ポンプ(排気能力: 1
20 0 A/sec)および油回転ポンプ(排気能
力: 5 0 0 l/min)により構成している。
In this example, the exhaust system 18 is an oil diffusion pump (exhaust capacity: 1
200 A/sec) and an oil rotary pump (exhaust capacity: 500 l/min).


」このような構成および作用を有するイオンシ
ャツ装置は、ガスの種類に関係なくきわめて安定にイオ
ンシャツを形成でき、さらに反応性ガスを用いたエッチ
ング、すなわち反応性イオンシャツエッチングに用いて
きわめてすぐれた効果を持つことは特願昭54−485
35号において述べた通りである。

” The ion shirt device with this structure and function can form an ion shirt extremely stably regardless of the type of gas, and is also extremely effective when used for etching using reactive gases, that is, reactive ion shirt etching. The fact that it has an effect requires a patent application of 1974-485.
As stated in No. 35.

しかしながら、その後の検討により、次のような問題点
を解決すればより一層の効果を発輝できることが明らか
になった。
However, subsequent studies revealed that even greater effects could be achieved by solving the following problems.

すなわち、 (1)エッチングに適用した場
合の各種材料のエッチング特性を大幅に制御したい場合
、イオンエネルギ、すなわちイオン引出し電圧を100
0V以下の例えば500v程度の低電圧のイオン引出し
条件でイオンシャツを形成することが必要となる。
That is, (1) If you want to greatly control the etching characteristics of various materials when applied to etching, the ion energy, that is, the ion extraction voltage, should be set to 100
It is necessary to form the ion shirt under ion extraction conditions of a low voltage of 0V or less, for example about 500V.

しかし、イオン引出し電圧を低くすると、引出すイオン
の量(イオン電流密度)が減少し、エッチングの能率が
低下する。
However, when the ion extraction voltage is lowered, the amount of ions extracted (ion current density) decreases, and the etching efficiency decreases.

(2)マイクロ波電界および高エネルギー電子の作用に
よってイオン引出し電極が局部的に加熱され、異常放電
の原因となる場合がある。
(2) The ion extraction electrode may be locally heated by the action of the microwave electric field and high-energy electrons, causing abnormal discharge.

(3)試料室内部に空間正電荷を生じたり、試料面が正
に帯電することによって、安定なイオンシャツが得られ
ないことも起りうる。
(3) A stable ion shirt may not be obtained due to a positive spatial charge being generated inside the sample chamber or the surface of the sample becoming positively charged.

そこで、本発明の目的は、上述の問題点を解決すること
のできるイオンシャツ装置を提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION Therefore, an object of the present invention is to provide an ion shirt device that can solve the above-mentioned problems.

そのために、本発明では、プラズマ室内にプラズマは通
過できるがマイクロ波を反射するマイクロ波反射板を設
け、プラズマ側のイオン引出し電極板を浮遊電位とし、
磁界分布を最適化することにより、電極の局部加熱を生
ずることなく低電圧イオン引出し時のイオン電流を増加
させる。
To this end, in the present invention, a microwave reflector plate is provided in the plasma chamber that allows plasma to pass through but reflects microwaves, and the ion extraction electrode plate on the plasma side is set to a floating potential.
By optimizing the magnetic field distribution, the ion current during low voltage ion extraction is increased without causing local heating of the electrode.

また、イオン引出し用電源としてバイアス電位を発生す
る高周波電源回路を用いることによってイオンとともに
電子を引出して試料室内の帯電を防止するようにする。
Further, by using a high frequency power supply circuit that generates a bias potential as a power supply for ion extraction, electrons are extracted together with ions to prevent charging in the sample chamber.

以下に図面を参照して本発明を詳細に説明する。The present invention will be described in detail below with reference to the drawings.

第2図は本発明によるイオンシャツ装置の構成の一例を
示す。
FIG. 2 shows an example of the configuration of the ion shirt device according to the present invention.

ここでは第1図示の装置のうちの上部半分に相当する部
分を詳細に示す。
Here, a portion corresponding to the upper half of the apparatus shown in the first figure is shown in detail.

本発明装置では、プラズマの存在する領域、すなわちプ
ラズマ室はプラズマ発生室1とプラズマ輸送室25とか
らなり、それら両室はマイクロ波反射板21で分離され
ている。
In the apparatus of the present invention, the region where plasma exists, that is, the plasma chamber, consists of a plasma generation chamber 1 and a plasma transport chamber 25, and these two chambers are separated by a microwave reflecting plate 21.

マイクロ波反射板21は、プラズマ発生室1内のプラズ
マがイオン引出し電極23を構成する電極板23Aおよ
び23Bの方向に自由に移動できるが、マイクロ波は反
射して通過することができないようにする反射器であり
、この例では周期間隔2 0 mm,太さ2mm角の正
方格子の金属板を用いている。
The microwave reflecting plate 21 allows the plasma in the plasma generation chamber 1 to move freely in the direction of the electrode plates 23A and 23B forming the ion extraction electrode 23, but prevents the microwave from passing through because it is reflected. The reflector is a square lattice metal plate with a periodic interval of 20 mm and a thickness of 2 mm square.

プラズマ発生室1のマイクロ波空胴共振器条件として円
形空胴共振モードTE1、2を採用している。
Circular cavity resonance modes TE1 and TE2 are adopted as the microwave cavity resonator conditions of the plasma generation chamber 1.

プラズマ発生室1の内のり寸法は、直径150mmとし
ており、このとき高さ寸法は140mmと計算されるが
、プラズマの発生によるマイクロ波の波長の変化を補正
して、高さ130mmを採用している。
The inner dimensions of the plasma generation chamber 1 are 150 mm in diameter, and the height is calculated to be 140 mm, but the height is 130 mm after correcting the change in microwave wavelength due to plasma generation. .

また、マイクロ波導入窓4の直下の穴22はマイクロ波
結合窓であり、矩形導波管5を伝播してきたマイクロ波
(TEIOモード)が空胴共振モードT E 1 1
2に効率よく変換されるような整合器としての役割を果
すように、矩形導波管5の内のり寸法96mm×27m
mに対して、7 0mm× 4 0mmの矩形穴とした
Further, the hole 22 directly below the microwave introduction window 4 is a microwave coupling window, and the microwave (TEIO mode) propagating through the rectangular waveguide 5 is connected to the cavity resonance mode T E 1 1
The inner dimensions of the rectangular waveguide 5 are 96 mm x 27 m in order to function as a matching device that efficiently converts
m, a rectangular hole of 70 mm x 40 mm was used.

以上のような構成によってイオン引出し電極23(シャ
ツ径130mm)のうち、プラズマに接する電極板23
Aはマイクロ波反射面としての役割りから解放されるの
で、イオン引出しの観点のみから自由に構成することが
できる。
With the above configuration, the electrode plate 23 in contact with the plasma of the ion extraction electrode 23 (shirt diameter 130 mm)
Since A is freed from its role as a microwave reflecting surface, it can be configured freely only from the viewpoint of ion extraction.

本発明では、この利点を用いて、電子サイクロトロン共
鳴プラズマに特徴的な高エネルギー電子がイオン引出し
電極板23Aに流入して電極が局部的に加熱されたり、
イオン引出し電極23に異常放電を生ずるなどの問題を
解決することができる。
In the present invention, using this advantage, high-energy electrons characteristic of electron cyclotron resonance plasma flow into the ion extraction electrode plate 23A to locally heat the electrode,
Problems such as abnormal discharge occurring in the ion extraction electrode 23 can be solved.

すなわち、イオン引出し電極板23Aを浮遊の状態に設
定することにより、プラズマ中の電子のエネルギーに応
じて自己整合的に負電位を生じて入射電子数が著しく減
少し、以てこのような問題が解決される。
That is, by setting the ion extraction electrode plate 23A in a floating state, a negative potential is generated in a self-aligned manner according to the energy of electrons in the plasma, and the number of incident electrons is significantly reduced, thereby solving this problem. resolved.

24はこの目的のための絶縁スペーサである。24 is an insulating spacer for this purpose.

イオン引出し電極板23Bはこれまでと同様に接地電位
または0〜300Vの負電位とすることができる。
The ion extraction electrode plate 23B can be set to the ground potential or a negative potential of 0 to 300V as before.

一般に、電子サイクロトロン共鳴によって高い運動エネ
ルギを得た電子は出力線に沿って磁界強度の弱くなる方
向に加速されるが、上に述べたような電気的に浮遊の状
態にして壁面電流を遮断している場合には、電子の流入
を抑制し、正のイオンの入射数を増すような静電界がプ
ラズマ中に誘起され、電子だけでなくイオンも能率よく
磁界の発散方向に輸送される。
Generally, electrons that have gained high kinetic energy due to electron cyclotron resonance are accelerated along the output line in the direction of weakening magnetic field strength. In this case, an electrostatic field is induced in the plasma that suppresses the inflow of electrons and increases the number of incident positive ions, and not only electrons but also ions are efficiently transported in the direction of divergence of the magnetic field.

この事実に基いて、プラズマ発生室1の内部の磁界分布
をイオン引出しの能率向上の観点から構成することがで
きる。
Based on this fact, the magnetic field distribution inside the plasma generation chamber 1 can be configured from the viewpoint of improving the efficiency of ion extraction.

第3図A,Bはプラズマ発生室1の磁界分布構成の例を
示すもので、両者とも電極方向に礎界強度が弱くなる発
散構成である。
3A and 3B show examples of magnetic field distribution configurations in the plasma generation chamber 1, and both have a diverging configuration in which the base field strength becomes weaker in the direction of the electrodes.

第3図Aは第1図に示した先の提案に係るイオンシャツ
装置の場合であり、磁界分布を補正するための高透磁率
材料15は磁気コイル6の上部、外周および下部を取り
囲んで配置されており、電子サイクロトロン共鳴条件を
厳密に.満たす領域、すなわち、特に高エネルギの電子
を発生する領域31Aおよび31Bをそれぞれ通過する
佛力線はイオン引出し電極3を通過せず、プラズマ発生
室1の側壁1Aを通過しており、また、その部分では磁
界強度が徐々に強くなる収束磁界となっている。
FIG. 3A shows the case of the ion shirt device according to the previous proposal shown in FIG. The electron cyclotron resonance conditions are strictly controlled. The lines of force that pass through the regions 31A and 31B that generate particularly high-energy electrons do not pass through the ion extraction electrode 3, but through the side wall 1A of the plasma generation chamber 1; In some parts, the magnetic field strength becomes a converging magnetic field that gradually becomes stronger.

このため、その方向への電子の加速効果はない。Therefore, there is no effect of accelerating electrons in that direction.

このような理由によって、高エネルギ電子の引起す直接
的問題点、すなわち電極の局部加熱、異常放電等の問題
を避けることができたが、低電圧のイオン引出し時のイ
オン電流を大きくとることはできなかった。
For these reasons, we were able to avoid direct problems caused by high-energy electrons, such as local heating of the electrode and abnormal discharge, but it is not possible to increase the ion current during low-voltage ion extraction. could not.

第3図Bは本発明イオンシャツ装置における磁界分布を
示すもので、高透磁率材料15は磁気コイルの上部およ
び外周を取り囲んで佛気コイル6の周辺に配置され、磁
気コイル6の下部には配置されておらず、プラズマ発生
室1の内部全領域においてイオン引出し電極23の方向
に磁界強度がなだらかに弱くなる磁界分布となるように
なっており、電子サイクロトロン共鳴条件を満たす領域
32を通過する磁力線はイオン引出し電極23に向かっ
ている。
FIG. 3B shows the magnetic field distribution in the ion shirt device of the present invention, in which the high magnetic permeability material 15 is placed around the magnetic coil 6, surrounding the upper part and outer periphery of the magnetic coil, and the lower part of the magnetic coil 6 is placed around the magnetic coil 6. The magnetic field distribution is such that the magnetic field strength gradually weakens in the direction of the ion extraction electrode 23 in the entire interior area of the plasma generation chamber 1, and passes through a region 32 that satisfies the electron cyclotron resonance condition. The magnetic lines of force are directed toward the ion extraction electrode 23.

高エネルギ電子は磁力線に沿ってイオン引出し電極23
方向に向かうが、すでに述べたように、浮遊電極23A
の使用によって問題を生じることがなく、しかも上述し
たイオンの加速効果によってきわめて能率よくイオンが
イオン引出し電極23の方向に移動し、引出されるイオ
ンの量を著しく増加させる効果をも発輝できる。
High-energy electrons are sent to the ion extraction electrode 23 along the magnetic field lines.
However, as already mentioned, the floating electrode 23A
The use of this method does not cause any problems, and the ion acceleration effect described above allows ions to move in the direction of the ion extraction electrode 23 very efficiently, resulting in the effect of significantly increasing the amount of ions extracted.

第4図はイオン引出し特性の向上を実際に測定した結果
を示すものであり、イオン引出し電圧とイオン電流密度
との関係を求めたものである。
FIG. 4 shows the results of actually measuring the improvement in ion extraction characteristics, and shows the relationship between ion extraction voltage and ion current density.

ここで、ガスとしてはC4F8を用い、マイクロ波出力
は200Wとした。
Here, C4F8 was used as the gas, and the microwave output was 200W.

破線■で示す第1図示の先提案に係る装置では、300
Wの条件を用いた。
In the device according to the previous proposal shown in the first diagram indicated by the broken line ■, 300
W conditions were used.

すなわち、この場合には、プラズマ発生室1が大きいの
で、その分を考慮して、マイクロ波出力を大きくして本
発明の結果と比較した。
That is, in this case, since the plasma generation chamber 1 is large, the microwave output was increased in consideration of this and the results were compared with the results of the present invention.

本発明装置による測定結果は一点鎖線■で示した。The measurement results obtained by the apparatus of the present invention are indicated by a dashed line (■).

これからわかるように、本発明によれは′、イオン引出
し電圧300〜1000Vの領域で、第1図示の装置に
比べて、約3倍の0.5〜1.2mA/cm’ときわめ
て大きいイオン引出し特性の向上を実現できた。
As can be seen, the present invention has an extremely large ion extraction rate of 0.5 to 1.2 mA/cm, which is about three times that of the device shown in Figure 1, in the ion extraction voltage range of 300 to 1000 V. We were able to improve the characteristics.

ここでO〜200V程度の非常に低い電圧のイオン引出
しでは高エネルギ電子がイオン引出し電極の引出し穴部
から流出するなどの影響があるので、これまでの装置の
場合に比較して特異な傾向を示しているが、このような
特性はすでに述べた磁界分布構成の考え方が正当なもの
であることを保証するものである。
Here, when extracting ions at a very low voltage of about 0 to 200 V, there is an effect such as high-energy electrons flowing out from the extraction hole of the ion extraction electrode, so there is a peculiar tendency compared to the case of conventional devices. However, such characteristics ensure that the concept of magnetic field distribution configuration described above is valid.

一方、以上のようにしてイオンシャワを形成し、そのイ
オンシャツを試料に照射してエッチングを行う場合、試
料室2内に正電荷のみが送り込まれるので、試料が帯電
したり、正の空間電荷が生じて異常放電を生じたりする
場合がある。
On the other hand, when an ion shower is formed as described above and etching is performed by irradiating the sample with the ion shirt, only positive charges are sent into the sample chamber 2, so the sample may become charged or a positive space charge may occur. may occur, resulting in abnormal discharge.

通常は、空間中の正電荷が試料台12からの2次電子放
出によって中和され、あるいはイオンの電荷が試料室2
内の中性分子と電荷の交換を行い、新たに生じた運動エ
ネルギをほとんど持たないイオンが試料室2の壁面方向
に拡散してその電荷を壁面に輸送し、ここでその電荷が
消滅するなどによって、大きい問題とならない場合が多
い。
Normally, positive charges in space are neutralized by secondary electron emission from the sample stage 12, or ion charges are removed from the sample chamber 12.
The newly generated ions, which have almost no kinetic energy, diffuse toward the wall of the sample chamber 2 and transport the charge to the wall, where the charge disappears. In many cases, this is not a major problem.

しかし、試料11が絶縁物でかつ面積が大きい場合、試
料台12からの2次電子の放出量が減少して安定したエ
ッチングを実現できない場合がある。
However, if the sample 11 is an insulator and has a large area, the amount of secondary electrons emitted from the sample stage 12 may decrease, making it impossible to achieve stable etching.

この場合の解決策として、従来のカウフマン形イオン源
を用いた装置と同様に熱電子放出用の熱フィラメントを
用いることも考えられるが、反応性ガスを用いる場合に
は安定な動作が期待できない。
As a solution to this case, it may be possible to use a hot filament for thermionic emission, similar to devices using conventional Kauffman type ion sources, but stable operation cannot be expected when using a reactive gas.

そこで、イオンシャツ源そのものからイオンだけでなく
電子をも引出すことが有効である。
Therefore, it is effective to extract not only ions but also electrons from the ion shirt source itself.

イオン引出し電極に印加する電圧が十分小さい場合はす
でに述べたように電子が流出することを利用して、第5
図Aに示すように、十分速い周期(例えば1 0 0
kHz以上)で短時間だけ出力電圧が例えば50V以下
となるような出力電圧の得られる電源をイオン引出し電
源9として用いることによって解決することができる。
If the voltage applied to the ion extraction electrode is sufficiently small, the fifth
As shown in Figure A, a sufficiently fast period (e.g. 1 0 0
This problem can be solved by using as the ion extraction power source 9 a power source that can provide an output voltage of, for example, 50 V or less for a short period of time (at kHz or higher).

あるいはこれを変形して、第5図Bに示すように、高周
波電圧が正方向にバイアスされた電圧を用いることもで
きる。
Alternatively, this can be modified to use a voltage in which the high frequency voltage is biased in the positive direction, as shown in FIG. 5B.

第5図Bに示した出力波形の電源は通常の高周波電源を
用いて第6図に示すように構成することができる。
The power supply having the output waveform shown in FIG. 5B can be configured as shown in FIG. 6 using a normal high frequency power supply.

ここで、61は高周波電源、62は整合回路、63はコ
ンデンサ、64は整流器、65は出力端子であり、この
出力端子65をプラズマ発生室1に接続するものとする
Here, 61 is a high frequency power supply, 62 is a matching circuit, 63 is a capacitor, 64 is a rectifier, and 65 is an output terminal, and this output terminal 65 is connected to the plasma generation chamber 1.

以上説明したように、本発明では、プラズマ室内にプラ
ズマは通過できるがマイクロ波を反射するマイクロ波反
射板を設け、プラズマに接するイオン引出し電極板部を
浮遊電位とし、プラズマがイオン引出し電極方向に向か
って加速されるような磁界分布を構成したので、イオン
引出し電圧が300〜1000Vの低い場合でも安定に
大イオン電流を得ることができ、従って、各種のガスを
用いてきわめて能率よくエッチングを行うことができる
As explained above, in the present invention, a microwave reflection plate is provided in the plasma chamber that allows plasma to pass through but reflects microwaves, and the ion extraction electrode plate portion in contact with the plasma is set to a floating potential, so that the plasma is directed toward the ion extraction electrode. Since we have configured a magnetic field distribution that accelerates the ions, a large ion current can be stably obtained even when the ion extraction voltage is as low as 300 to 1000 V. Therefore, etching can be performed extremely efficiently using various gases. be able to.

本発明によれば、低エネルギかつ大電流のイオンシャツ
が得られるので、エッチング特性の制御性が大幅に向上
するとともに、イオンシャツ照射時の試料表面の損傷を
生じることがなく、かつ能率のよい加工を実現できるな
どの利点がある。
According to the present invention, since an ion shirt with low energy and high current can be obtained, the controllability of etching characteristics is greatly improved, the sample surface is not damaged during ion shirt irradiation, and the efficiency is high. It has advantages such as being able to perform processing.

また、本発明によれば、引出し電源の電圧波形を適切に
制御してイオン引出し電極からイオンだけでなく周期的
に電子をも取出すことによって、試料の条件に依存せず
きわめて安定にエッチングすることができるという利点
がある。
Furthermore, according to the present invention, by appropriately controlling the voltage waveform of the extraction power source and periodically extracting not only ions but also electrons from the ion extraction electrode, it is possible to perform extremely stable etching independent of the sample conditions. It has the advantage of being able to

なお、本発明イオンシャワ装置はイオンビームデポジシ
ョンなど薄膜形成にもそのまま応用できることは明らか
である。
It is clear that the ion shower apparatus of the present invention can be directly applied to thin film formation such as ion beam deposition.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明者の先に提案したイオンシャワ装置の基
本構成を示す断面図、第2図は本発明イオンシャワ装置
の一実施例を示す断面図、第3図AおよびBは磁力線の
状態の説明図、第4図は本発明イオンシャツ装置の効果
を示す特性図、第5図AおよびBはイオン引出し電源の
電圧波形の2例を示す信号波形図、第6図は高周波電源
を用いたイオン引出し電源の構成の一実施例を示すブロ
ック図である。 1・・・・・・プラズマ発生室、1A・・・・・・側壁
、2・・・・・・試料室、3・・・・・・イオン引出し
電極、3A・・・・・・上側電極、3B・・・・・・下
側電極、4・・・・・・マイクロ波導入窓、5・・・・
・・矩形導波管、6・・・・・・磁気コイル、γA・・
・・・・給水口、IB・・・・・・冷却水通路、γC・
・・・・・排水口、8A,8B・・・・・・絶縁体、9
・・・・・・イオン引出し電源、10・・・・・・イオ
ンシャワ、11・・・・・・試料、12・・・・・・試
料台、13・・・・・・シャツタ、14・・・・・・フ
ァラデーゲージ、15・・・・・・高透磁率材料、16
・・・・・・第1ガス導入系、17・・・・・・第2ガ
ス導入系、18・・・・・・排気系、21・・・・・・
マイクロ波反射板、22・・・・・・マイクロ波結合窓
、23・・・・・・浮遊電極板を有するイオン引出し電
極、23A,23B・・・・・・電極板、24・・・・
・・絶縁スペーサ、25・・・・・・プラズマ輸送室、
31・・・・・・高エネルギ電子発生領域、61・・・
・・・高周波電源、62・・・・・・整合回路、63・
・・・・・コンデンサ、64・・・・・・整流器、65
・・・・・・出力端子。
Fig. 1 is a cross-sectional view showing the basic configuration of the ion shower device previously proposed by the present inventor, Fig. 2 is a cross-sectional view showing an embodiment of the ion shower device of the present invention, and Fig. 3 A and B are cross-sectional views of the magnetic field lines. Figure 4 is a characteristic diagram showing the effects of the ion shirt device of the present invention, Figures 5A and B are signal waveform diagrams showing two examples of voltage waveforms of the ion extraction power supply, and Figure 6 is a diagram showing the high frequency power supply. FIG. 2 is a block diagram showing an example of the configuration of the ion extraction power source used. 1...Plasma generation chamber, 1A...Side wall, 2...Sample chamber, 3...Ion extraction electrode, 3A...Upper electrode , 3B...Lower electrode, 4...Microwave introduction window, 5...
...Rectangular waveguide, 6...Magnetic coil, γA...
...Water supply port, IB...Cooling water passage, γC・
...Drain port, 8A, 8B...Insulator, 9
...Ion extraction power supply, 10...Ion shower, 11...Sample, 12...Sample stand, 13...Shaft, 14. ...Faraday gauge, 15 ...High magnetic permeability material, 16
......First gas introduction system, 17...Second gas introduction system, 18...Exhaust system, 21...
Microwave reflecting plate, 22...Microwave coupling window, 23...Ion extraction electrode with floating electrode plate, 23A, 23B...Electrode plate, 24...
...Insulating spacer, 25...Plasma transport chamber,
31... High energy electron generation area, 61...
...High frequency power supply, 62...Matching circuit, 63.
... Capacitor, 64 ... Rectifier, 65
...Output terminal.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 プラズマを発生させてイオンを生成するプラズマ室
と、該プラズマ室の構成面の一部に設けられ前記プラズ
マからイオンを引出してシャワ状イオンビームを形成す
るイオン引出し電極と、前記シャワ状イオンビームを試
料表面に照射するようにした試料室とを有するイオンシ
ャワ装置において、前記プラズマを電子サイクロトロン
共鳴条件を用いたマイクロ波放電により生成し、前記プ
ラズマ室はマイクロ波導入窓を有するプラズマ発生室と
イオン引出し電極を有するプラズマ輸送室とを有し、前
記プラズマ発生室と前記プラズマ輸送室とをマイクロ波
反射板によって分離したことを特徴とするイオンシャツ
装置。 2 特許請求の範囲第1項記載のイオンシャツ装置にお
いて、前記プラズマ室のうちマイクロ波導入窓とマイク
ロ波反射板とで限界された前記プラズマ発生室の形状お
よび寸法を、マイクロ波空胴共振器の条件を満すように
定めたことを特徴とするイオンシャツ装置。 3 特許請求の範囲第1項または第2項記載のイオンシ
ャツ装置において、磁界強度が前記プラズマ室のマイク
ロ波導入窓近傍から前記イオン引出し電極方向に近定の
勾配で弱くなる発散磁界を形成するようにしたことを特
徴とするイオンシャツ装置。 4 特許請求の範囲第1項ないし第3項のいずれかの項
に記載のイオンシャツ装置において、前記イオン引出し
電極のうちプラズマに接する電極板を電気的に浮遊状態
にしたことを特徴とするイオンシャワ装置。 5 特許請求の範囲第1項ないし第4項のいずれかの項
に記載のイオンシャワ装置において、バイアス発生回路
を付加した高周波電源によりイオン引出し用電源を構成
し、該イオン引出し用電源の出力を前記プラズマ発生室
に印加するようにしたことを特徴とするイオンシャツ装
置。
[Scope of Claims] 1. A plasma chamber that generates plasma to generate ions, and an ion extraction electrode that is provided on a part of the constituent surface of the plasma chamber and that extracts ions from the plasma to form a shower-shaped ion beam. , an ion shower apparatus having a sample chamber configured to irradiate the sample surface with the shower-shaped ion beam, wherein the plasma is generated by microwave discharge using electron cyclotron resonance conditions, and the plasma chamber has a microwave introduction window. What is claimed is: 1. An ion shirt device comprising: a plasma generation chamber having an ion extraction electrode; and a plasma transport chamber having an ion extraction electrode, the plasma generation chamber and the plasma transport chamber being separated by a microwave reflector. 2. In the ion shirt device according to claim 1, the shape and dimensions of the plasma generation chamber, which is limited by the microwave introduction window and the microwave reflection plate, are determined by the microwave cavity resonator. An ion shirt device characterized by satisfying the following conditions. 3. In the ion shirt device according to claim 1 or 2, a diverging magnetic field is formed in which the magnetic field strength weakens with a near-determined gradient from near the microwave introduction window of the plasma chamber toward the ion extraction electrode. An ion shirt device characterized by: 4. The ion shirt device according to any one of claims 1 to 3, wherein an electrode plate of the ion extraction electrode that is in contact with the plasma is electrically suspended. shower equipment. 5. In the ion shower device according to any one of claims 1 to 4, the ion extraction power source is constituted by a high frequency power source added with a bias generation circuit, and the output of the ion extraction power source is An ion shirt device characterized in that a voltage is applied to the plasma generation chamber.
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