(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
放電容器と、
前記放電容器外に設けられ、前記放電容器内に軸心が位置するコイルと、
前記コイルに高周波電力を供給する高周波電源と、
前記放電容器内であって前記コイルの前記軸心上に設けられ、少なくとも一部が前記コイル内に位置する中心電極と、
前記中心電極を囲むように前記放電容器内に設けられ、少なくとも一部が前記コイル内に位置し、前記中心電極に印加される電圧よりも高い電圧が印加される外周電極と、を備え、
前記高周波電源は、前記中心電極及び前記外周電極にも高周波電力を供給することを特徴とするイオン源。
【請求項２】
前記外周電極は複数設けられていることを特徴とする請求項１に記載のイオン源。
【請求項３】
前記複数の外周電極は、前記中心電極を中心とする円周上において等間隔に配置されていることを特徴とする請求項２に記載のイオン源。
【請求項４】
前記高周波電源から供給される電力のうち、前記中心電極に供給される電力及び前記外周電極に供給される電力の少なくとも一方を変更可能な電力分配器を備えることを特徴とする請求項１に記載のイオン源。
【請求項５】
前記中心電極及び前記外周電極の少なくとも一方を冷却する冷却手段を備え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イオン源。
【請求項６】
前記冷却手段は、前記中心電極及び前記外周電極の少なくとも一方の内部に冷却媒体の流路を有することを特徴とする請求項５に記載のイオン源。
【請求項７】
前記中心電極及び前記外周電極の少なくとも一方は、前記放電容器に移動可能に支持される基端部と、前記基端部から前記コイルの軸方向に延びる他端部とを有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のイオン源。
【請求項８】
前記中心電極及び前記外周電極の少なくとも一方は、前記放電容器に着脱可能に構成されていることを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれかに記載のイオン源。
【請求項９】
前記中心電極及び前記外周電極の少なくとも一方は、外周を覆う絶縁部材を備えることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のイオン源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン源に関する。
【背景技術】
【０００２】
放電容器内に生成されたプラズマからイオン粒子を引出してイオンビームを出射するイオン源が知られている。このようなイオン源は、イオンビームエッチング装置（イオンミリング装置ともいう。）等のイオンビーム処理装置に用いられる。イオンビームエッチング装置を用いると、イオン源から出射されたイオンビームを基板の表面に照射することにより、その基板をエッチングすることができる。
【０００３】
このようなイオンビーム処理装置は、放電容器内から出射されるイオンビームの強度が均一であることが求められる。イオンビームの強度分布を均一化する方法として、放電容器内におけるプラズマ分布を制御する方法や、放電容器からイオンビームを引出す際にプラズマ分布を均一化する方法等が考えられる。
【０００４】
例えば、特許文献１に開示されるイオンビーム処理装置では、放電容器の上面及び側面に沿うような補助電極を設け、放電容器内で生成されたプラズマに対し電界を与えることにより、放電容器内のプラズマ分布を制御している。
【特許文献１】特開２００２−２１６６５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述のイオンビーム処理装置では、既に生成されたプラズマを制御するため、プラズマ密度を均一にするには限界があった。さらに、補助電極が上面及び側面に沿うように設けられているため、放電容器中央部のプラズマ密度を制御することは困難であった。
【０００６】
そこで、本発明は、放電容器内におけるプラズマ密度分布を均一化できるイオン源を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の課題を解決するため、本発明は、放電容器と、前記放電容器外に設けられ、前記放電容器内に軸心が位置するコイルと、前記コイルに高周波電力を供給する高周波電源と、前記放電容器内であって前記コイルの前記軸心上に設けられ、少なくとも一部が前記コイル内に位置する中心電極と、前記中心電極を囲むように前記放電容器内に設けられ、少なくとも一部が前記コイル内に位置し、前記中心電極に印加される電圧よりも高い電圧が印加される外周電極と、を備え、前記高周波電源は、前記中心電極及び前記外周電極にも高周波電力を供給するイオン源を提供している。
【０００８】
このようなイオン源によれば、中心電極をコイルの軸心上に配置することにより、最も電界が密になる空間を占有してコイルの軸心付近に電子が集中することを防ぐことができる。さらに、中心電極及び外周電極の少なくとも一部はコイル内に位置しているので、中心電極と外周電極との間に電界を発生させて放電を起こし、プラズマを発生させることができる。また、中心電極よりも外周電極に印加される電圧の方が高いので、中心電極から外周電極へ向かう放射状の電磁界が発生し、コイルの軸心付近の電子を外周電極側へと移動させることができる。よって、放電容器内のプラズマ密度を均一にすることができる。また、中心電極及び外周電極に高周波電力を供給するための電源を別途用意する必要がなく、部品点数の増加を防止することができる。
【０００９】
また、前記外周電極は複数設けられていることが好ましい。
【００１０】
このようなイオン源によれば、放電容器内のプラズマ密度の分布偏りに応じて、放電を制御することで、各電極間に発生する電界を調整し、放電容器内のプラズマ密度を均一にすることができる。
【００１１】
また、前記複数の外周電極は、前記中心電極を中心とする円周上において等間隔に配置されていることが好ましい。
【００１２】
このようなイオン源によれば、複数の外周電極は、中心電極を中心とする円周上において等間隔に配置されているので、各外周電極と中心電極との距離が等しく、さらに、各外周電極間の距離がそれぞれ等しいため、各外周電極の磁界特性は等しくなる。よって、放電容器内のプラズマ密度を均一にするための電力の調整が容易となる。
【００１５】
また、前記高周波電源から供給される電力のうち、前記中心電極に供給される電力及び前記外周電極に供給される電力の少なくとも一方を変更可能な電力分配器を備えることが好ましい。
【００１６】
このようなイオン源によれば、高周波電源から供給される電力のうち、中心電極に供給される電力及び外周電極に供給される電力の少なくとも一方を変更可能な電力分配器を備えるので、放電容器内のプラズマ密度分布に応じて、中心電極及び外周電極に供給される電力を最適な値に制御することができる。
【００１７】
また、前記中心電極及び前記外周電極の少なくとも一方を冷却する冷却手段を備えることが好ましい。
【００１８】
このようなイオン源によれば、中心電極及び外周電極の温度上昇による放電特性の変化を抑制することができる。よって、放電容器内におけるプラズマ密度が経時変化することなく、均一に維持することができる。
【００１９】
また、前記冷却手段は、前記中心電極及び前記外周電極の少なくとも一方の内部に冷却媒体の流路を有することが好ましい。
【００２０】
このようなイオン源によれば、中心電極及び外周電極は自身の内部に冷却媒体を流すことにより冷却されるため、効果的に中心電極及び外周電極を冷却できると共に、装置の大型化を抑制することができる。
【００２１】
また、前記中心電極及び前記外周電極の少なくとも一方は、前記放電容器に移動可能に支持される基端部と、前記基端部から前記コイルの軸方向に延びる他端部とを有することが好ましい。
【００２２】
このようなイオン源によれば、基端部を放電容器に対し移動させることにより、コイル内に位置する電極の長さを変更することができる。よって、簡易な構成によって、中心電極及び外周電極が延出する方向における放電量を調整することができる。
【００２３】
また、前記中心電極及び前記外周電極の少なくとも一方は、前記放電容器に対し着脱可能に構成されていることが好ましい。
【００２４】
このようなイオン源によれば、中心電極及び外周電極は放電容器に対し着脱可能に構成されているため、要求されるプラズマ密度に応じて最適な外径を有する中心電極及び外周電極を装着することができる。つまり、異なる外径を有する中心電極及び外周電極を用いることにより、放電容器のうちプラズマを発生させない領域を調整し、放電容器内のプラズマ密度を調整することができる。
【００２５】
また、前記中心電極及び前記外周電極の少なくとも一方は、外周を覆う絶縁部材を備えることが好ましい。
【００２６】
このようなイオン源によれば、中心電極及び外周電極の外周は絶縁部材によって覆われているため、放電容器内のプラズマと反応したり、電極が腐食して生成される飛散物によって放電容器内が汚染されたりすることを防止することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、放電容器内におけるプラズマ密度分布を均一化できるイオン源を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明の実施の形態に係るイオン源について、図１乃至図３に基づき説明する。図１に示されるイオンビームエッチング装置１は、イオンビームＢを発生させるイオン源２と、イオンビームＢが照射される基板５を収容するチャンバ３とを備える。イオン源２には、プラズマを生成するためのアルゴンガスを供給するガス供給源４が接続されている。イオンビームＢはチャンバ３内を進行し、基板５をエッチングする。基板５としては、例えば、薄膜磁気ヘッド等の基板が挙げられ、この場合、薄膜磁気ヘッドのスライダ等をエッチングする。基板５は、接地された基板ホルダ３１によって支持されている。
【００２９】
チャンバ３内には、イオンビームＢを中和するためのニュートライザ３２が設置されている。例えばイオンビームＢがＡｒ＋等の陽イオンの場合には、ニュートライザ３２から電子が放出され、チャンバ３内の空間電荷が中和される。また、チャンバ３には、チャンバ３内を所定の圧力に維持するための真空ポンプ３３が接続されている。
【００３０】
図２に示されるイオン源２は、真空容器２０と、開口２１ａが形成された放電容器２１と、放電容器２１外に設けられたコイル２２と、コイル２２に高周波電力を供給する高周波電源６１と、放電容器２１内に生成されたプラズマ中のイオンを開口２１ａから引出してイオンビームＢを発生させる引出電極２５と、を備えている。真空容器２０は、チャンバ３（図１）を介して真空ポンプ３３と接続され、ステンレス等によって形成されている。
【００３１】
放電容器２１は、真空容器２０内に配置されている。放電容器２１は、石英やアルミニウム酸化物等の誘電体材料によって、図の下方に開口部２１ａを有する円筒状に形成されている。図２における放電容器２１の上面には、ガス供給装置４から放電容器２１内へとガスを供給する供給管４１が接続される供給口２１ｂと、後述の中心電極２３及び外周電極２４を保持する中心保持部２１Ａ及び外周保持部２１Ｂとが設けられている。
【００３２】
コイル２２は、真空容器２０内であって、放電容器２１外に設けられている。コイル２２は、放電容器２１内に軸心が位置するように設けられている。コイル２２には、整合器６２を介して高周波電源６１が接続されている。高周波電源６１は、例えば高周波電源又は高周波アンプである。高周波電源６１の周波数は、数ＭＨｚ〜十数ＭＨｚ（例えば、２〜１３．５ＭＨｚ）であって、本実施の形態では、約４ＭＨｚである。高周波電源６１は、放電容器２１の容量及び形状に応じて、例えば２００〜２０００Ｗの電力をコイル２２に印加する。
【００３３】
また、図３に示されるように、放電容器２１内には、コイル２２の軸心上に位置する中心電極２３と、中心電極２３を囲むように配置される複数の外周電極２４が設けられている。図２に示されるように、中心電極２３及び外周電極２４は、その一部がコイル２２内に位置するように設けられている。なお、図３において引出電極２５は省略されている。
【００３４】
中心電極２３は、基端部２３Ａと、基端部２３Ａからコイル２２の軸方向に延びる他端部２３Ｂとを有し、円柱状に形成されている。基端部２３Ａは、放電容器２１の上面に設けられた中央保持部２１Ａによって、中心電極２３の軸方向に沿って移動可能に支持されている。また、基端部２３Ａを中央保持部２１Ａから取外すことにより、中心電極２３は放電容器２１に対し着脱可能に構成されている。中心電極２３は、内部に自身を冷却するための冷却媒体の流路（図示なし）が形成され、外周は絶縁部材によって覆われている。
【００３５】
中心電極２３は、整合器６２及び電力分配器６３を介して高周波電源６１に接続されている。整合器６２は、高周波電源６１から供給される電力を調整する。電力分配器６３は、可変コンデンサであって、高周波電源６１から供給される電力をコイル２２、中心電極２３及び外周電極２４間で分配する。具体的には、電力分配器６３は、中心電極２３及び外周電極２４に印加される電圧を変更している。
【００３６】
図３に示されるように、外周電極２４は複数設けられており、中心電極２３を中心とする円周上において等間隔に配置されている。外周電極２４は、図２に示されるように、中心電極２３と同様に、基端部２４Ａと、基端部２４Ａからコイル２２の軸方向に延びる他端部２４Ｂとを有し、円筒状に形成されている。基端部２４Ａは、放電容器２１の上面に設けられた外周保持部２１Ｂによって、外周電極２４の軸方向に沿って移動可能に支持されている。また、基端部２４Ａを外周保持部２１Ｂから取外すことにより、外周電極２４は放電容器２１に対し着脱可能に構成されている。また、外周電極２４は、内部に自身を冷却するための冷却媒体の流路（図示なし）が形成され、外周は絶縁部材によって覆われている。
【００３７】
外周電極２４は、整合器６２、電力分配器６３に加え、インダクタ６４を介して高周波電源６１と接続されている。インダクタ６４は、外周電極２４に所定の抵抗を与えることにより、高周波電源６１からコイル２２に供給される高周波電力の下限値を規定している。
【００３８】
上記の構成により、高周波電源６１は、整合器６２、電力分配器６３及びインダクタ６４によって、コイル２２、中心電極２３及び外周電極２４に所定の高周波電力を供給することができる。なお、本実施の形態では、中心電極２３に印加される電圧は、外周電極２４に印加される電圧よりも低くなっている。
【００３９】
引出電極２５は、スクリーングリッド２６、加速グリッド２７及び減速グリッド２８を有する。スクリーングリッド２６、加速グリッド２７及び減速グリッド２８は、放電容器２１の内側から外側に向けて順に配置される。スクリーングリッド２６、加速グリッド２７及び減速グリッド２８は、それぞれ複数の穴が形成された金属板である。
【００４０】
スクリーングリッド２６は、プラズマと加速グリッド２７とを分離している。スクリーングリッド２６には、プラスの高電圧を連続的に印加するための直流電源６５が接続されている。スクリーングリッド２６に印加される電圧は、例えば４００〜１５００Ｖである。スクリーングリッド２６に印加される電圧は、イオンビームＢのイオンビームエネルギーを決定する。
【００４１】
加速グリッド２７には、マイナスの高電圧を連続的に印加するための直流電源６６が接続されている。加速グリッド２７に印加される電圧は、−２００〜−１０００Ｖである。また、減速グリッド２８は接地されている。引出電極２５は、加速グリッド２７と減速グリッド２８との電位差を調整することにより、レンズ効果を用いてイオンビームＢのイオンビーム径を所定の数値範囲内に制御することができる。
【００４２】
上記の構成により、次のようにしてイオン源２はイオンビームＢを出射する。まず、真空ポンプ３３（図１）によって、放電容器２１内を約１０−５Ｐａ程度の圧力に減圧し、イオンガス供給源４からＡｒガス等のガスを放電容器２１内に導入する。続いて、高周波電源６１からコイル２２に高周波電力を供給することによって、放電容器２１内に電磁界を発生させ、放電容器２１内にプラズマを生成させる。このプラズマ中のＡｒ＋等のイオンを、引出電極２５によりイオンビームＢとして引出す。
【００４３】
高周波電源６１からコイル２２に高周波電力を供給する際、つまり、放電容器２１内にプラズマを生成させる際には、中心電極２３及び外周電極２４にも高周波電力が供給される。このとき、中心電極２３よりも外周電極２４に印加される電圧の方が高いので、中心電極２３から外周電極２４へ向かう放射状の電磁界が発生し、コイル２２の軸心付近の電子を外周電極２４側へと移動させる。つまり、中心電極２３をコイル２２の軸心上に配置することにより、最も電界が密になる空間を占有して、コイル２２の軸心付近に電子が集中することを防ぐことができる。さらに、中心電極２３及び外周電極２４の少なくとも一部はコイル内に位置しているので、中心電極２３と外周電極２４との間で電磁界を発生させ、電子を外周電極２４側へと移動させ、放電を起こすことができる。よって、放電容器２１内のプラズマ密度（電子密度）を均一にすることができる。
【００４４】
また、複数の外周電極２４を設けたため、放電容器２１内のプラズマ密度（電子密度）の分布偏りに応じて、放電を制御することで、各電極間に発生する電磁界を調整し、放電容器２１内のプラズマ密度（電子密度）を均一にすることができる。
【００４５】
また、複数の外周電極２４は、中心電極２３を中心とする円周上において等間隔に配置されているので、各外周電極２４と中心電極２３との距離が等しく、さらに、各外周電極２４間の距離がそれぞれ等しいため、各外周電極２４の磁界特性は等しくなる。よって、放電容器２１内のプラズマ密度を均一にするための電力の調整が容易となる。
【００４６】
また、中心電極２３及び外周電極２４は高周波電源６１に接続されているため、中心電極２３及び外周電極２４に高周波電力を供給するための電源を別途用意する必要がなく、装置の大型化を抑制することができる。
【００４７】
また、電力分配器６３によって、高周波電源６１から供給される電力のうち、中心電極２３及び外周電極２４に供給される電力を変更可能であるため、放電容器２１内のプラズマ密度（電子密度）分布に応じて、中心電極２３及び外周電極２４に供給される電力を最適な値に制御することができる。
【００４８】
また、中心電極２３及び外周電極２４は、自身の内部に冷却媒体を流すことにより冷却されるため、中心電極２３及び外周電極２４の温度上昇による放電特性の変化を抑制することができる。よって、放電容器２１内におけるプラズマ密度が経時変化することなく、均一に維持することができる。また、効果的に中心電極２３及び外周電極２４を冷却できると共に、部品点数の増加を抑制することができる。
【００４９】
また、中心電極２３及び外周電極２４は、基端部２３Ａ及び２４Ａを放電容器２１に対して移動させることにより、コイル２２内に位置する両電極の長さを変更することができる。よって、簡易な構成によって、中心電極２３及び外周電極２４が延出する方向において放電量を調整することができる。
【００５０】
また、中心電極２３及び外周電極２４は放電容器２１に対し着脱可能に構成されているため、要求されるプラズマ密度に応じて最適な外径を有する中心電極２３及び外周電極２４を装着することができる。つまり、異なる外径の中心電極及び外周電極を用いて、放電容器２１のうちプラズマを発生させない領域を調整し、放電容器２１内のプラズマ密度（電子密度）を調整することができる。
【００５１】
また、中心電極２３及び外周電極２４の外周は絶縁部材によって覆われているため、放電容器２１内のプラズマと反応したり、中心電極２３及び外周電極２４が腐食して生成される飛散物によって放電容器２１内が汚染されたりすることを防止することができる。
【００５２】
本発明によるイオン源は、上述した実施の形態に限定されず、種々の変形や改良が可能である。例えば、図４（ａ）及び（ｂ）に示されるように、全ての外周電極２４に接続される環状のフランジ１２４を設けてもよい。このような構成によれば、全ての外周電極２４が接続されることにより、フランジ１２４から均一な電磁界を発生し、放電の偏りをより防止することができる。なお、図４（ｂ）において引出電極２５は省略されている。
【００５３】
また、図５（ａ）に示されるようなフランジ２２４を設けてもよい。フランジ２２４は、環状のフランジ底部２２４Ａと、フランジ底部２２４Ａの周縁に設けられ放電容器２１と同軸的に配置されたフランジ壁部２２４Ｂとを備えている。上述したフランジ１２４と比較して、放電容器２１の内周に沿うように設けられたフランジ筒壁２２４Ｂを設けたことにより、さらに放電の偏りを防止することができる。また、図５（ｂ）に示されるように、フランジ壁部３２４Ｂを有するフランジ３２４を設けてもよい。フランジ壁部３２４Ｂは、コイル２２の位置する範囲を覆うように設けてもよい。このような構成によれば、低圧下であっても安定した放電を行うことができる。
【００５４】
また、上述した実施の形態では、中心電極２３と外周電極２４の長さを同一としたが、中心電極及び外周電極の長さはこれに限定されない。例えば、図６（ａ）に示されるように、中心電極２３よりも短い外周電極４２４を設けてもよいし、図６（ｂ）に示されるように、外周電極２４よりも短い中心電極４２３を設けてもよい。
【００５５】
また、上述した実施の形態によれば、引出電極２５を３枚構成としたが、減速グリッド２８を設けない２枚構成としてもよい。
【００５６】
また、上述した実施の形態によれば、中心電極２３の外周及び外周電極２４の外周の両方に、絶縁部材を設ける構成としたが、本発明はこれに限定されない。例えば、中心電極及び外周電極の材質によっては、中心電極の外周又は外周電極の外周のいずれか一方に絶縁部材を設ける構成としてもよいし、また、中心電極の外周及び外周電極の外周の両方に絶縁部材を設けない構成としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明は、エッチング装置やスパッタリング装置等のイオンビーム照射装置に好適に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の実施の形態に係るイオン源を備えたイオンビームエッチング装置を示す説明図。
【図２】本発明の実施の形態に係るイオン源を示す説明図。
【図３】図２に示されるイオン源を矢印IIIから視た底面図。
【図４】本発明の実施の形態に係るイオン源の外周電極の変形例を示す（ａ）説明図、（ｂ）図４（ａ）に示されるイオン源を矢印Ivbから視た底面図。
【図５】本発明の実施の形態に係るイオン源の外周電極の別の変形例を示す説明図。
【図６】本発明の実施の形態に係るイオン源の中心電極及び外周電極の変形例を示す説明図。
【符号の説明】
【００５９】
１          イオンビームエッチング装置
２          イオン源
３          チャンバ
４          ガス供給源
５          基板
２０        真空容器
２１        放電容器
２１ａ      開口
２２        コイル
２３、４２３          中心電極
２３Ａ      基端部
２３Ｂ      他端部
２４、４２４          外周電極
２４Ａ      基端部
２４Ｂ      他端部
２５        引出電極          
２６        スクリーングリッド
２７        加速グリッド
２８        減速グリッド
３１        基板ホルダ
３２        ニュートライザ
３３        真空ポンプ
６１        高周波電源
６２        整合器
６３        電力分配器
６４        インダクタ
６５、６６          直流電源
１２４、２２４、３２４          フランジ
２２４Ａ          フランジ底部
２２４Ｂ、３２４Ｂ          フランジ壁部
【図１】
0004683036.tif 000002
【図２】
0004683036.tif 000003
【図３】
0004683036.tif 000004
【図４】
0004683036.tif 000005
【図５】
0004683036.tif 000006
【図６】
0004683036.tif 000007