(57)【要約】【課題】  効率的に高エネルギーのプラズマや多価イオンを生成させることができるＥＣＲ装置を提供する。【解決手段】  金属円筒状のチャンバ１２の側方に配置された電磁石２０，２１と、チャンバ１２内にマイクロ波を導くアンテナ２６とを備える。共振器としてのチャンバ１２の中心軸方向両側に、マイクロ波のＴＥ０１モードの管内波長のｎ／２（ｎは自然数）倍の間隔を隔てて、マイクロ波を遮蔽する遮蔽部材２２，２３を設ける。チャンバ１２内の中心軸方向でマイクロ波によるＴＥ０１モードでの電界強度の値がほぼ最大となる位置に、アンテナ２６を設置する。チャンバ１２内での電磁石２０，２１による外部磁界の磁力線の向きと、チャンバ１２内のマイクロ波によるＴＥ０１モードの電界の向きがほぼ直交する位置であって、チャンバ１２内のＴＥ０１モードでの電界強度の値がほぼ最大となる位置で、チャンバ１２内での外部磁界の強さがＥＣＲ条件にほぼ合致するように、電磁石２０，２１を設定する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属円筒状のチャンバと、このチャンバの側方に配置され上記チャンバ内に磁場を形成する磁石と、上記チャンバ内にマイクロ波を導くアンテナとを備え、上記チャンバを共振器としてそのチャンバ内に電子サイクロトロン共鳴によるプラズマを発生させるＥＣＲ装置において、
上記チャンバ内で上記チャンバの中心軸方向両側に上記マイクロ波のＴＥ０１モードの管内波長のｎ／２（ｎは自然数）倍の間隔を隔てて、上記マイクロ波を遮蔽する遮蔽部材を設け、上記チャンバ内のマイクロ波の電磁界モードのうち、上記チャンバ中心軸方向のＴＥ０１モードの電界強度の定在波の分布の中で、電界強度がほぼ最大となる位置に上記アンテナを設置し、上記チャンバ内での上記磁石による外部磁界の磁力線の向きと上記チャンバ内の上記マイクロ波によるＴＥ０１モードの電界の向きがほぼ直交する位置であって、上記チャンバ内のＴＥ０１モードでの電界強度の値がほぼ最大となる位置で、上記磁石による上記チャンバ内での外部磁界の強さがＥＣＲ条件にほぼ合致するように上記磁石を設定したことを特徴とするＥＣＲ装置。
【請求項２】
上記アンテナの位置は、上記遮蔽部材の一方から他方の遮蔽部材側に向かって、上記マイクロ波の管内波長の１／４の長さの箇所であることを特徴とする請求項１記載のＥＣＲ装置。
【請求項３】
上記遮蔽部材は、円板状に形成され上記チャンバ内壁とはわずかの隙間を空けて位置していることを特徴とする請求項１記載のＥＣＲ装置。
【請求項４】
上記遮蔽部材のうち、一方の遮蔽部材は固定され、他方の遮蔽部材は上記チャンバの中心軸方向に位置調整可能に設けられていることを特徴とする請求項１，２または３記載のＥＣＲ装置。
【請求項５】
上記遮蔽部材のうち、固定された遮蔽部材には、上記チャンバ内のイオンを引き出して加速させる引き出し電極を備えることを特徴とする請求項４記載のＥＣＲ装置。
【請求項６】
上記磁石は、上記チャンバの外周で所定間隔を隔てて嵌合した一対の電磁石から成り、さらにその一対の電磁石間には、同様に環状の電磁石が設けられ、上記チャンバ外側面には所定間隔で永久磁石を設けたことを特徴とする請求項１，２，３，４または５記載のＥＣＲ装置。
【請求項７】
上記磁石は、上記チャンバの一方の側方に設けられた永久磁石であり、この永久磁石に上記遮蔽部材の一方が設けられたことを特徴とする請求項１，２または３記載のＥＣＲ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、各種半導体集積回路等の半導体微細素子の製造工程中で用いられるイオン注入や、種々のプラズマ処理等を行う際に、プラズマを作る装置として用いられるＥＣＲ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１にあるように、イオン源として、または反応性ガスをプラズマ化してドライエッチングやＣＶＤを行うためのプラズマ発生装置がある。このプラズマ発生装置のプラズマ発生方法は、電磁石を用いて磁場を形成し、この磁場中にマイクロ波を放射し、電子サイクロトロン共鳴（以下、ＥＣＲという）を利用してプラズマを発生させるものである。ここで用いられるマイクロ波は、一般に２．４５ＧＨｚの工業用周波数であり、この周波数のマイクロ波を用いた場合のＥＣＲ条件を満たす磁場の強さは、８７５Gaussである。
【０００３】
さらに特許文献１、２では、導波管内で発生するマイクロ波のモードがＴＥ１１モードを基本として、チャンバ内にプラズマを発生させ、ＥＣＲ条件を満たすようにしている。
【０００４】
【特許文献１】特開平１−１９７９９９号公報
【特許文献２】特開平４−３５５９１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来の技術の装置において、より高エネルギーのイオンビームやプラズマを得ようとすると、より高電圧の加速用電極が必要であったり、より高出力の電磁石を必要とするなど、エネルギー効率が良くないものであった。高エネルギーのイオンビームを得るには、高電圧で加速するか、多価のイオンを含むイオンビームを引き出せばよいが、高電圧を印可するものはエネルギー効率が悪く、多価のイオンを効率的に生成することが求められている。
【０００６】
また、通常真空チャンバ内で所望のモードを立てる場合、モード変換器によって外部で特定モードを作り、石英窓等を通してそのモードのマイクロ波を導入するということが行われていた。しかしながら、所定の電磁界モードを別の場所で立てて導入することにより、変換時及び導入時の損失があった。
【０００７】
この発明は、上記従来の技術に鑑みなされたもので、効率的に高エネルギーのプラズマや多価イオンを生成させることができるＥＣＲ装置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】
【０００８】
この発明は、金属円筒状のチャンバと、このチャンバの側方に配置され上記チャンバ内に磁場を形成する磁石と、上記チャンバ内にマイクロ波を導くアンテナとを備え、上記チャンバを共振器としてそのチャンバ内に電子サイクロトロン共鳴によるプラズマを発生させるＥＣＲ装置であって上記チャンバ内で上記チャンバの中心軸方向両側に上記マイクロ波のＴＥ０１モードの管内波長のｎ／２（ｎは自然数）倍の間隔を隔てて、上記マイクロ波を遮蔽する遮蔽部材を設け、上記チャンバ内のマイクロ波の電磁界モードのうち、上記チャンバ中心軸方向のＴＥ０１モードの電界強度の定在波の分布の中で、電界強度がほぼ最大となる位置に上記アンテナを設置し、上記チャンバ内での上記磁石による外部磁界の磁力線の向きと上記チャンバ内の上記マイクロ波によるＴＥ０１モードの電界の向きがほぼ直交する位置であって、上記チャンバ内のＴＥ０１モードでの電界強度の値がほぼ最大となる位置で、上記磁石による上記チャンバ内での外部磁界の強さがＥＣＲ条件にほぼ合致するように上記磁石を設定したＥＣＲ装置である。
【０００９】
上記アンテナの位置は、上記遮蔽部材の一方から他方の遮蔽部材側に向かって、上記マイクロ波の管内波長の１／４の長さの箇所が好ましい。また、上記遮蔽部材は、円板状に形成され上記チャンバ内壁とはわずかの隙間を空けて位置している。上記遮蔽部材のうちの一方の遮蔽部材は固定され、他方の遮蔽部材は上記チャンバの中心軸方向に位置調整可能に設けられている。上記遮蔽部材のうち、固定された遮蔽部材には、上記チャンバ内のイオンを引き出して加速させる引き出し電極を備えるものである。
【００１０】
上記磁石は、上記チャンバの外周で所定間隔を隔てて嵌合した一対の電磁石から成り、さらにその一対の電磁石間には、同様に環状の電磁石が設けられ、上記チャンバ外側面には所定間隔で永久磁石を設けたものである。
【００１１】
または、上記磁石は、上記チャンバの一方の側方に設けられた永久磁石であり、この永久磁石に上記遮蔽部材の一方が設けられたものである。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、真空チャンバ自体を共振器としてＴＥ０１モードの電磁界モードを単独でチャンバ内に立てることができ、マイクロ波によるＴＥ０１モードの電界の強さがほぼ最大となる位置で、外部磁界によるＥＣＲゾーンの磁力線の方向と、マイクロ波によるＴＥ０１モードの電界の向きが直交することにより、高効率に高エネルギーの荷電粒子を発生させることができる。
【００１３】
また、この発明はチャンバ内にアンテナを導入して直接ＴＥ０１モードをチャンバ内で励振させ、マイクロ波とプラズマを直接カップリングするようにしているので、損失が極めて少なく、この点からも効率的である。
【００１４】
これにより、高密度なプラズマや多価イオンを効率よく発生させることができ、装置の小型化や省エネルギー化にも寄与するものである。そして、各種半導体集積回路等の半導体微細素子の製造工程中で用いられるイオン注入や、種々のプラズマ処理等を行う場合において、高効率にプラズマや荷電粒子を発生させることができる。さらに、これにより得られるプラズマや多価イオンは、原子核物理分野における加速器のイオン源、生化学や医学分野におけるイオン源としても利用できるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、この発明の実施の形態について図面を基にして説明する。この実施形態のＥＣＲ装置は、従来と同様に、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波を利用したＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）装置である。この実施形態のＥＣＲ装置１０は、図１〜図３に示すように、アルミニウム等の非磁性体の導体により形成された円筒状のチャンバ１２と、このチャンバ１２内にＥＣＲプラズマを発生させるための磁界を形成する一対の電磁石２０，２１を備える。一対の電磁石２０，２１は、各々チャンバ１２の側面の円周方向に環状に巻かれている。
【００１６】
チャンバ１２は、細長い円筒状に形成され、後述するマイクロ波の空洞共振器としても機能する。チャンバ１２の内部は密閉され、図示しない真空ポンプに接続されて、真空に近い状態で所定の原子のプラズマやイオンを生成する。電磁石２０，２１は、チャンバ１２の両端部にほぼ位置して設けられている。チャンバ１２の一端部１２ａには、真空ポンプとの接続部等が設けられている。また他端部１２ｂには、生成したイオンを引き出して加速する引出部１６が設けられ、他端部１２ｂの内部には、イオンを加速させる引出電極１８が設けられている。
【００１７】
一対の電磁石２０，２１に対応するチャンバ１２内の所定箇所には、チャンバ１２内での上記マイクロ波の管内波長のｎ／２（ｎは自然数）倍の間隔を隔てて、マイクロ波の遮蔽部材である遮蔽板２２，２３が設けられている。遮蔽板２２，２３は金属製の円板で、円筒状のチャンバ１２の内壁とはわずかの隙間を空けて位置している。遮蔽板２２は、引出電極１８のチャンバ内側先端部に取り付けられ、引出電極１８の先端部開口に対応した開口を有し固定されている。遮蔽板２３は、チャンバ１２内で位置調整可能に設けられている。
【００１８】
チャンバ１２の引出電極１８に近い位置の側面には、マイクロ波をチャンバ１２内に放射するアンテナ２６が取り付けられている。アンテナ２６の位置は、遮蔽板２２からマイクロ波の管内波長の１／４の長さ離れた位置に固定されている。このアンテナ２６の位置は、チャンバ１２内のマイクロ波の電磁界モードのうち、ＴＥ０１モードでの電界強度の値がほぼ最大となる位置である。アンテナ２６の先端部２６ａは、図３（ａ）に示すようにチャンバ１２の半径に延出し円周方向に湾曲して折れている。
【００１９】
また、一対の電磁石２０，２１間には、環状の補助電磁石２８が設けられている。さらに、チャンバ１２の外側面には、図１の仮想線で示すように、所定間隔で永久磁石３０が設けられている。
【００２０】
この実施形態によるＥＣＲ装置１０は、一対の電磁石２０，２１により形成されるチャンバ１２内のチャンバ中心軸方向（以下、ｚ軸方向という）の磁束密度が、図４の（１）の波形に示すような強さとなっている。また、補助電磁石２８にも電流を流した場合のチャンバ１２内の磁束密度は、図４（２）に示すグラフの形となる。チャンバ１２内の磁束密度が最低となる位置は、チャンバ１２内での外部磁界の強さがＥＣＲ条件にほぼ合致する位置である。そして、チャンバ１２内での各磁石２０，２１，２８等による外部磁界の磁力線の向きと、チャンバ１２内のマイクロ波によるＴＥ０１モードの電界の向きがほぼ直交する位置であって、チャンバ１２内のｚ軸方向のマイクロ波のＴＥ０１モードでの電界強度の値がほぼ最大となる位置である。
【００２１】
この実施形態のＥＣＲ装置１０の動作は、先ず、チャンバ１２内を真空ポンプにより真空引きし、所定のガス供給装置よりＡｒガス等を注入する。そして、マイクロ波電力供給装置よりマイクロ波をアンテナ２６に供給すると、アンテナ２６からマイクロ波が放射される。放射された２．４５ＧＨｚのマイクロ波により、チャンバ１２内のマイクロ波の電磁界分布モードは、図５に示すＴＥ０１モードである。また、このときのチャンバ１２内の電界の強さは、図２（ｂ）に示すような分布波形を呈している。そして、電磁石２０、２１等による磁界のＥＣＲ条件である８７５Gaussの強さの位置が、図４の波形の谷間の部分であり、この位置は、チャンバ１２内のマイクロ波の電磁界モードのうちＴＥ０１モードでの電界強度の値がほぼ最大となる位置である。
【００２２】
チャンバ１２内で成り立ち得るマイクロ波の電磁界モードは、図５に示すようなＴＥモードやＴＭモードがある。この各モードにおいて、図６、図７に示すように、下記の式（１）により、チャンバ１２の内径によるマイクロ波の管内波長λｇが決定され、
１／λ２＝１／λｇ２＋１／λｃ２    （１）
である。ここで、λは自由空間波長、λｃは遮断波長である。
λｃは、λｃ＝２πａ／χ    （２）
χは、ＴＥモードおよびＴＭの固有値である。また、チャンバ１２内でマイクロ波の定在波が安定に形成されるチャンバ１２の長さｌは、
ｌ＝ｓλｇ／２（ｓは自然数）    （３）
である。図７は、チャンバ１２の半径ａと管内波長λｇとの関係を各モード毎に示すグラフである。図７からわかるように、チャンバ１２が一定の半径以下となると、マイクロ波の管内波長λｇが急激に長くなり、実質的に所望のモードを形成することができなくなる。この実施形態では、半径ａを８０ｍｍ程度とすることにより、そのチャンバ１２内で立ち得る電磁界モードは、ＴＥ０１モード、ＴＭ１１モード、ＴＥ１１モード、ＴＥ２１モード、ＴＭ０１モードである。
【００２３】
そして、マイクロ波による電磁界モードがチャンバ１２内にＴＥ０１モードが単体で立つのは、遮蔽部材２２，２３の間隔がマイクロ波のＴＥ０１モードの管内波長のｎ／２（ｎは自然数）倍の間隔に設定されており、他のモードとの波長の違いによりＴＥ０１モードが優勢となるためと、遮蔽部材２２，２３がチャンバ１２の内壁から僅かに離れて位置しているため、ＴＭモードを打ち消すためである。
【００２４】
チャンバ１２内の電界の強さを測定した結果、チャンバ１２の円筒の中心軸方向（ｚ軸方向）に図８に示す結果が得られ、１点鎖線に示す理論値にほぼ沿った位置に、黒丸印の折れ線に示すように、電界の強さのピーク値が得られ、ＴＥ０１モードが単体で立っていることが確かめられた。また、遮蔽板２２，２３の間隔を、マイクロ波の管内波長のｎ／２（ｎは自然数）倍の間隔から外した場合は、図８の黒三角の折れ線で示すように、電界強度のピーク値が低いものとなった。なお、図８において、点線（１）は固定遮蔽板２２及び引出電極１８の位置、（２）はアンテナ２６の位置、（３）は可動式の遮蔽板２３の位置であって、固定遮蔽板２２との間隔をマイクロ波の管内波長のｎ／２（ｎは自然数）倍の位置、（４）は可動式の遮蔽板２３の位置を、固定遮蔽板２２に対してマイクロ波の管内波長のｎ／２（ｎは自然数）倍から外した間隔にした位置である。
【００２５】
また、チャンバ１２内の円周方向（ｚ軸と直交するｘ−ｙ軸方向）の電界の強さは、図３（ｂ）、（ｃ）に示すように、チャンバ１２内のマイクロ波の電磁界モードのうちＴＥ０１モードでの電界強度の値がほぼ最大となる位置で、各々チャンバ１２内で環状にピーク値の範囲が形成されていることが分かる。
【００２６】
この実施形態のＥＣＲ装置１０は、一対の遮蔽板２２，２３の間隔を、マイクロ波の管内波長のｎ／２（ｎは自然数）倍の間隔とし、チャンバ１２内での電磁石２０，２１等による外部磁界の磁力線の向きと、チャンバ１２内のマイクロ波によるＴＥ０１モードの電界の向きがほぼ直交する位置であって、チャンバ１２内のマイクロ波の電磁界モードのうちＴＥ０１モードでのｚ軸方向における電界強度の値がほぼ最大となる位置で、電磁石２０，２１等によるチャンバ１２内での外部磁界の強さがＥＣＲ条件にほぼ合致するように電磁石２０，２１等を設定したので、効率よくプラズマにマイクロ波の電力が投入される。これにより、効率的に高エネルギーのプラズマや多価イオンを形成することができる。また、チャンバ１２自体が共振器となるため、チャンバ１２内の電界強度が高く、これによっても生成するプラズマをより高エネルギーのものにすることができ、より低圧力での放電維持が可能となる。さらに、アンテナ２６のチャンバ１２内での突出位置が、一方の遮蔽板２２から、マイクロ波の管内波長の４分の１の長さを空けた位置としたので、マイクロ波をＴＥ０１モードで効率よくチャンバ１２内へ放射することができる。
【００２７】
なお、この発明のＥＣＲ装置は、上記実施形態に限定されるものではなく、図９に示しようなＥＣＲを利用したエッチング等のプラズマ処理装置に利用することもできる。このプラズマ処理装置４０は、真空チャンバ１２の上方にリング状の永久磁石４１，４２を同心状に配置し、環状の外側永久磁石４１から内側の永久磁石４２に向かって磁束が走る構造としている。この場合、チャンバ１２内のマイクロ波遮蔽板４３から、マイクロ波の管内波長のほぼ１／４波長分離れた位置に、永久磁石４１，４２と同心の曲面形状のＥＣＲゾーンＲが形成される。そしてこの位置は、チャンバ１２内のマイクロ波の電磁界モードのうちＴＥ０１モードでの電界強度Ｅの値がほぼ最大となる位置であり、アンテナ２６が設置された位置である。また他方のマイクロ波遮蔽部材４４上には、プラズマによりエッチング等が成される基板４６が載置されている。
【００２８】
図９に示すＥＣＲ装置においても、チャンバ１２内のマイクロ波の電磁界モードのうちＴＥ０１モードでのｚ軸方向における電界強度の値がほぼ最大となる位置で、チャンバ１２内での磁石４１，４２による磁界の磁力線の向きとチャンバ１２内のマイクロ波によるＴＥ０１モードの電界の向きがほぼ直交し、磁石４１，４２によるチャンバ１２内での磁界の強さがＥＣＲ条件にほぼ合致するように磁石４１，４２を設定することにより、効率よく高エネルギーのプラズマや多価イオンを形成することができる。
【００２９】
またこの発明の電磁石や永久磁石の数や位置も、適宜設定可能なものであり、マイクロ波の周波数、発生させるプラズマやイオンの種類も適宜選択できる。また、アンテナの形状も上記実施形態の他、直線状やＬ字状のロッドアンテナ、ダイポールアンテナ、ループアンテナ等適宜選択し得る。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】この発明の一実施形態のＥＣＲ装置の側面図である。
【図２】この発明の一実施形態のＥＣＲ装置のｚ軸方向の中心軸を含む方向の縦断面図（ａ）、チャンバ内のマイクロ波の電界強度を示す図（ｂ）である。
【図３】この発明の一実施形態のＥＣＲ装置のチャンバのｚ軸方向と直交する面の断面図（ａ）と、この断面におけるマイクロ波のｘ軸方向およびｙ軸方向の電界の強さの測定値を示すグラフ（ｂ）、（ｃ）である。
【図４】この発明の一実施形態のＥＣＲ装置のチャンバ内の磁束密度を示すグラフである。
【図５】この発明の一実施形態のＥＣＲ装置のチャンバ内に形成される電磁界モードを示すグラフである。
【図６】この発明の一実施形態のＥＣＲ装置の、チャンバ径と長さの関係を示す略図である。
【図７】この発明の一実施形態のＥＣＲ装置の、チャンバ径と管内波長の関係を示すグラフである。
【図８】この発明の一実施形態のＥＣＲ装置の、チャンバ内でのｚ軸方向の電界の強さの測定値を示すグラフである。
【図９】この発明の他の実施形態のＥＣＲ装置の断面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１０  ＥＣＲ装置
１２  チャンバ
１６  引出部
１８  引出電極
２０，２１  電磁石
２２，２３  遮蔽部材
２６  アンテナ
２８  補助電磁石
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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