JPS5813626B2 - イオンシヤワ装置 - Google Patents

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。

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。

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。

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。

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。

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。

第１図はかかるイオンシャワ装置の基本構成を示す。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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
。

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
。

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。

」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。

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。

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。

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。

（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。

（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。

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。

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。

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。

以下に図面を参照して本発明を詳細に説明する。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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
。

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。

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。

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。

２４はこの目的のための絶縁スペーサである。

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。

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。

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。

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。

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。

このため、その方向への電子の加速効果はない。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

本発明装置による測定結果は一点鎖線■で示した。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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
。

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
。

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。

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。

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。

【図面の簡単な説明】

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。

Claims (1)

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。