(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理物を保持する保持部と、
真空チャンバ内にプラズマを生成するプラズマ生成部と、
前記被処理物と前記プラズマ生成部との間に配置されたオリフィス電極と、
前記真空チャンバ内に前記オリフィス電極に対して上流側に配置されたグリッド電極と、
誘電体を介して前記オリフィス電極と前記グリッド電極との間に電圧を印加することで、前記プラズマ生成部により生成されたプラズマから正イオンを引き出して前記オリフィス電極に形成されたオリフィスを通過させる電圧印加部とを備えたことを特徴とする中性粒子ビーム処理装置。
【請求項２】
被処理物を保持する保持部と、
真空チャンバ内に配置されたオリフィス電極と、
前記真空チャンバ内に前記オリフィス電極に対して上流側に配置されたグリッド電極と、
誘電体を介して前記オリフィス電極と前記グリッド電極との間に高周波電圧を印加することで前記オリフィス電極と前記グリッド電極との間にプラズマを生成すると共に、該生成されたプラズマから正イオンを引き出して前記オリフィス電極に形成されたオリフィスを通過させる電圧印加部とを備えたことを特徴とする中性粒子ビーム処理装置。
【請求項３】
前記誘電体は前記オリフィス電極の表面を被覆する誘電膜であることを特徴とする請求項１又は２に記載の中性粒子ビーム処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、中性粒子ビーム処理装置、特に高密度プラズマから高指向性で且つ高密度の中性粒子ビームを生成し、被処理物を加工する中性粒子ビーム処理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体集積回路、ハードディスク等の情報記憶媒体、あるいはマイクロマシーン等の分野において、その加工パターンが著しく微細化されている。かかる分野の加工においては、直進性が高く（高指向性であり）、且つ比較的大口径で高密度のイオンビーム等のエネルギービームを照射して被処理物の成膜又はエッチングなどを施す技術が注目されている。
【０００３】
このようなエネルギービームのビーム源としては、正イオン、負イオン、ラジカル粒子等の各種のビームを生成するものが知られている。このような正イオン、負イオン、ラジカル粒子等のビームをビーム源から被処理物の任意の部位に照射することで、被処理物の局所的な成膜やエッチング、表面改質、接合、接着などを行うことができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
正イオンや負イオンなどの荷電粒子を被処理物に照射するビーム源においては、被処理物に電荷が蓄積するため絶縁物を処理することができない（チャージアップ現象）。また、空間電荷効果でイオンビームが発散してしまうため微細な加工をすることができない。
【０００５】
これを防ぐためにイオンビームに電子を注ぎ込むことで電荷を中和することも考えられているが、この方法では全体的な電荷のバランスは取れるものの、局所的には電荷のアンバランスが生じており、やはり微細な加工をすることができない。
【０００６】
また、プラズマ源からイオンを引き出して被処理物に照射する場合において、プラズマから発生する紫外線などの放射光が被処理物に照射されると被処理物に悪影響を与えることとなるので、プラズマから放出される紫外線などの放射光を遮蔽する必要がある。
【０００７】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、安価且つコンパクトな構成で大口径のビームを被処理物に照射することができると共に高い中性化率を得ることができ、チャージフリー且つダメージフリーな中性粒子ビーム処理装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このような従来技術における問題点を解決するために、本発明の一態様は、被処理物を保持する保持部と、真空チャンバ内にプラズマを生成するプラズマ生成部と、前記被処理物と前記プラズマ生成部との間に配置されたオリフィス電極と、前記真空チャンバ内に上記オリフィス電極に対して上流側に配置されたグリッド電極と、誘電体を介して前記オリフィス電極と前記グリッド電極との間に電圧を印加することで、前記プラズマ生成部により生成されたプラズマから正イオンを引き出して前記オリフィス電極に形成されたオリフィスを通過させる電圧印加部とを備えたことを特徴とする中性粒子ビーム処理装置である。
【０００９】
このような構成により、電荷を持たず大きな並進運動エネルギーを持つ中性粒子線によって被処理物を加工することが可能となるので、チャージアップ量を小さく保ちつつ高精度のエッチングや成膜加工が可能となる。特に、正イオンを中性化する手段としてオリフィス電極を用いることによって高い中性化率が得られるので、装置を大型化せずに安価にビームを大口径化することが可能となる。更に、生成されたプラズマと被処理物とはオリフィス電極によって遮断されるので、プラズマから発生する放射光は被処理物に照射されず、被処理物に損傷を与えるような紫外線などの被処理物への影響を低減することができる。
【００１０】
本発明の他の一態様は、被処理物を保持する保持部と、真空チャンバ内に配置されたオリフィス電極と、前記真空チャンバ内に前記オリフィス電極に対して上流側に配置されたグリッド電極と、誘電体を介して前記オリフィス電極と前記グリッド電極との間に高周波電圧を印加することで前記オリフィス電極と前記グリッド電極との間にプラズマを生成すると共に、該生成されたプラズマから正イオンを引き出して前記オリフィス電極に形成されたオリフィスを通過させる電圧印加部とを備えたことを特徴とする中性粒子ビーム処理装置である。
【００１１】
このように、オリフィス電極は正イオンを中性化する手段としてだけでなく、プラズマを生成する手段としても利用することができる。従って、上記のように構成した場合には、オリフィス電極による高い中性化率を得ることができるだけでなく、プラズマを生成するためのプラズマ生成部を別に設ける必要がなくなり、装置をよりコンパクトにして安価にビームを大口径化することが可能となる。
【００１２】
また、本発明の好ましい一態様においては、前記誘電体が前記オリフィス電極の表面を被覆する誘電膜であることを特徴とする。このようにオリフィス電極の表面に誘電体を形成すると、オリフィス電極の誘電膜には通常よりも多くの電子がオリフィス電極の表面と弱い結合エネルギーで帯電しているため、オリフィスの内部を通過する正イオンがこれらの電子と再結合する確率が高くなり、正イオンの中性化率を更に高めることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る中性粒子ビーム処理装置の第１の実施形態について図１乃至図３を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施形態における中性粒子ビーム処理装置の全体構成を示す図である。
【００１４】
図１に示すように、中性粒子ビーム処理装置は、中性粒子ビームを生成するビーム生成室１と半導体基板、ガラス、有機物、セラミックスなどの被処理物Ｘの加工を行う処理室２とを有する円筒状の真空チャンバ３を備えている。この真空チャンバ３は金属で形成されたメタルチャンバであり、その内部の上流側に導電体で形成された薄板グリッド状のグリッド電極４を備えている。真空チャンバ３とグリッド電極４とは電気的に接続されており、これらは接地電位とされている。なお、グリッド電極４はメッシュ網やパンチングメタルなどであってもよい。
【００１５】
ビーム生成室１の上部には、真空チャンバ３内にガスを導入するガス導入ポート１１が設けられており、このガス導入ポート１１はガス供給配管１２を介してガス供給源１３に接続されている。このガス供給源１３からはＳＦ６，ＣＨＦ３，ＣＦ４，Ｃｌ２，Ａｒ，Ｏ２，Ｎ２，Ｃ４Ｆ８等などのガスが真空チャンバ３内に供給される。
【００１６】
処理室２には、被処理物Ｘを保持する保持部２０が配置されており、この保持部２０の上面に被処理物Ｘが載置されている。処理室２にはガスを排出するためのガス排出ポート２１が設けられており、このガス排出ポート２１はガス排出配管２２を介して真空ポンプ２３に接続されている。この真空ポンプ２３によって処理室２は所定の圧力に維持される。
【００１７】
ビーム生成室１の下端には、アルミニウムなどの導電体で形成されたオリフィス板（オリフィス電極）５が配置されており、オリフィス電極５には、交流電源（電圧印加部）１００が接続されている。なお、真空チャンバ３とオリフィス電極５とは絶縁物（図示せず）によって電気的に絶縁されている。
【００１８】
図２は、オリフィス電極５の斜視図（図２（ａ））と部分縦断面図（図２（ｂ））である。図２に示すように、オリフィス電極５には多数のオリフィス５ａが形成されている。また、図２（ｂ）に示すように、オリフィス電極５の表面は誘電膜（誘電体）５ｂで覆われている。この誘電膜５ｂとしては、例えばアルミ酸化膜などを用いることができ、その他にも窒化膜や酸化膜を形成したシリコンや導電体材料に絶縁膜を溶射したものなどを用いることができる。
【００１９】
次に、本実施形態における中性粒子ビーム処理装置の動作について説明する。図３は、本実施形態におけるプラズマ電位とオリフィス電極電位の変化を示すグラフある。図３においてＴは周期を示している。
【００２０】
まず、真空ポンプ２３を作動させることにより、真空チャンバ３内を真空排気した後に、ガス供給源１３からＳＦ６，ＣＨＦ３，ＣＦ４，Ｃｌ２，Ａｒ，Ｏ２，Ｎ２，Ｃ４Ｆ８等などのガスを真空チャンバ３の内部に導入する。そして、１３．５６ＭＨｚの高周波電圧を交流電源１００によってオリフィス電極５に印加する。この高周波電圧の印加によってビーム生成室１内には高周波電界が形成される。真空チャンバ３内に導入されたガスは、この高周波電界によって加速された電子により電離され、ビーム生成室１内に高密度プラズマが生成される。このときに形成されるプラズマは、主として正イオンと加熱された電子とからなるプラズマである。
【００２１】
このとき、イオンより移動速度が１０００倍大きい電子が先に陰極に到達して陰極が負に帯電する。この電位によって正イオンが引き寄せられる。ここで、オリフィス電極５は誘電膜５ｂによって絶縁されているため、オリフィス電極５の誘電膜５ｂの表面には電子が帯電する状態となる。従って、高周波電界の数サイクル後には定常状態となり、オリフィス電極５に過剰な電子が流入するのが抑えられ、オリフィス電極５の上流側にいわゆるシースが生じる。正イオンは、このシースの平均的な電位（自己バイアス）によって加速される。
【００２２】
そして、シースによって加速された正イオン６（図２（ｂ）参照）は、オリフィス電極５に形成されたオリフィス５ａに入っていく。このとき、オリフィス電極５のオリフィス５ａの内部を通過する正イオン６は、主として、オリフィス５ａの周壁の固体表面近傍において中性化されるか、オリフィス５ａの内部に残留しているガスとの電荷交換によって中性化されるか、あるいは、オリフィス電極５の誘電膜５ｂに帯電した電子と再結合することによって中性化され、中性粒子７となる。この場合において、オリフィス電極５の表面には誘電膜５ｂが形成されているため通常よりも多くの電子が帯電しており、オリフィス５ａの内部を通過する正イオン６がこれらの電子と再結合する確率が高くなる。従って、正イオン６の中性化率を高めることができる。
【００２３】
オリフィス５ａの通過中に中性化された正イオン６（中性粒子７）は、エネルギービームとして処理室２の内部に放射される。この中性粒子７は、処理室２の内部を直進して保持部２０に載置された被処理物Ｘに照射され、この中性粒子７によってエッチング、クリーニング、窒化処理や酸化処理などの表面改質、成膜などの処理を行うことが可能となる。
【００２４】
この場合において、オリフィス電極は、正イオンを中性化する手段としてだけではなく、プラズマから発生する放射光が被処理物に照射されるのを防止する手段としても機能する。即ち、プラズマが生成されるビーム生成室１と被処理物Ｘとはオリフィス電極５によって遮断されているので、プラズマから発生する放射光は被処理物Ｘに照射されず、被処理物Ｘに損傷を与えるような紫外線などの被処理物Ｘへの影響を低減することができる。
【００２５】
ガラスやセラミック材料等の絶縁物の加工に際しては、表面にチャージアップという問題が生じるが、このように中性化された中性粒子を照射することによりチャージアップ量を小さく保ちながら、高精度のエッチングや成膜加工が可能となる。なお、被処理物の処理の内容に応じてガスの種類を使い分ければよく、ドライエッチングでは被処理物の違いに応じて酸素やハロゲンガスなどを使い分けることができる。
【００２６】
次に、本発明に係る中性粒子ビーム処理装置の第２の実施形態について図４及び図５を参照して詳細に説明する。なお、上述の第１の実施形態における部材又は要素と同一の作用又は機能を有する部材又は要素には同一の符号を付し、特に説明しない部分については第１の実施形態と同様である。図４は、本発明の第２の実施形態における中性粒子ビーム処理装置の全体構成を示す図である。
【００２７】
第１の実施形態における真空チャンバはメタルチャンバであったが、本実施形態における真空チャンバ３０は、ビーム生成室１側が石英ガラス又はセラミックなどにより構成され、処理室２側が金属製のメタルチャンバなどにより構成されている。また、ビーム生成室１の外周には誘導結合型のコイル１０が配置されている。このコイル１０は、例えば水冷パイプのコイルであり、８ｍｍφ程度の外径を有するコイルが２ターン程度ビーム生成室１に巻回されている。このコイル１０は、高周波電源１０２に接続されており、例えば、１３．５６ＭＨｚの高周波電圧がコイル１０に印加される。これらのコイル１０及び高周波電源１０２によってプラズマ生成部が構成されている。即ち、コイル１０に高周波電流を流すことで誘導磁場を生じさせ、その変位電流によりガス中の原子・分子が電離されプラズマが生成する。
【００２８】
また、オリフィス電極５には、低周波電源１０３（電圧印加部）が接続されており、例えば、４００ｋＨｚの低周波電圧が誘電膜で覆われた誘電体で形成されたオリフィス電極５に印加される。また、コイル１０の上流側には、導電体で形成された薄板グリッド状のグリッド電極４０が配置されており、このグリッド電極４０は接地電位とされる。
【００２９】
次に、本実施形態における中性粒子ビーム処理装置の動作について説明する。図５は、本実施形態における動作状態を示すタイムチャートである。図５において、Ｖａはコイル１０の電位、Ｖｂはオリフィス電極５の電位をそれぞれ示している。なお、図５のタイムチャートは模式的なものであって、例えば図示されている周期は実際の周期とは異なる。
【００３０】
まず、真空ポンプ２３を作動させることにより、真空チャンバ３０内を真空排気した後に、ガス供給源１３からガスを真空チャンバ３０の内部に導入する。そして、図５に示すように、高周波電源１０２により１３．５６ＭＨｚの高周波電圧をコイル１０に印加する。この高周波電圧の印加によってビーム生成室１内には高周波電界が形成される。真空チャンバ３０内に導入されたガスは、この高周波電界によって加速された電子により電離され、ビーム生成室１内に高密度プラズマが生成される。
【００３１】
また、高周波電源１０２による高周波電圧の印加と同時に、低周波電源１０３により４００ｋＨｚの低周波電圧をグリッド電極４０とオリフィス電極５との間に印加する。オリフィス電極５に正電圧が印加されているとき（例えば図５のＡで示す部分）には、生成されたプラズマ中の電子がオリフィス電極５に引き寄せられ、オリフィス電極の表面は電子で帯電される。一方、オリフィス電極５に負電圧が印加されているとき（例えば図５のＢで示す部分）には、正イオンがオリフィス電極５に引き寄せられ、オリフィス電極５に形成されたオリフィス５ａを通過する。オリフィス電極５のオリフィス５ａの内部を通過する正イオンは、上述の第１の実施形態と同様に中性化されて中性粒子となり、エネルギービームとして処理室２の内部に放射される。この中性粒子は、処理室２の内部を直進して保持部２０に載置された被処理物Ｘに照射される。
【００３２】
なお、上述した実施形態においては、ＩＣＰ型コイルを用いてプラズマを生成した例を説明したが、ＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）、ヘリコン波プラズマ用コイル、マイクロ波等を用いてプラズマを生成することとしてもよい。また、高周波の周波数領域も、１３．５６ＭＨｚに限られるものではなく、１ＭＨｚ〜２０ＧＨｚの領域を用いてもよい。また、低周波の周波数領域も、４００ｋＨｚに限られるものではない。例えば、図６に示すように、矩形状の電圧をオリフィス電極５に印加することとしてもよい。
【００３３】
また、上述した実施形態においては、オリフィス電極に誘電膜が形成された例について述べたが、誘電体としてブロッキングコンデンサを図１の交流電源１００とオリフィス電極５との間、あるいは、図４の低周波電源１０３とオリフィス電極５との間に挿入することとしてもよい。
【００３４】
これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。
【００３５】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、電荷を持たず大きな並進運動エネルギーを持つ中性粒子線によって被処理物を加工することが可能となるので、チャージアップ量を小さく保ちつつ高精度のエッチングや成膜加工が可能となる。特に、正イオンを中性化する手段としてオリフィス電極を用いることによって高い中性化率が得られるので、装置を大型化せずに安価にビームを大口径化することが可能となる。更に、生成されたプラズマと被処理物とはオリフィス電極によって遮断されるので、プラズマから発生する放射光は被処理物に照射されず、被処理物に損傷を与えるような紫外線などの被処理物への影響を低減することができる。
【００３６】
また、オリフィス電極の表面に誘電体を形成すると、オリフィス電極の誘電膜には通常よりも多くの電子が帯電しているため、オリフィスの内部を通過する正イオンがこれらの電子と再結合する確率が高くなり、正イオンの中性化率を更に高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態における中性粒子ビーム処理装置の全体構成を示す図である。
【図２】図１に示すオリフィス電極を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施形態におけるプラズマ電位とオリフィス電極電位の変化を示すグラフである。
【図４】本発明の第２の実施形態における中性粒子ビーム処理装置の全体構成を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施形態における動作状態を示すタイムチャートである。
【図６】オリフィス電極に印加する電圧の一例を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
Ｘ    被処理物
１    ビーム生成室
２    処理室
３、３０    真空チャンバ
４、４０    グリッド電極
５    オリフィス板（オリフィス電極）
５ａ  オリフィス
５ｂ  誘電膜
６    正イオン
７    中性粒子
１０    コイル
１１    ガス導入ポート
１２    ガス供給配管
１３    ガス供給源
２０    保持部
２１    ガス排出ポート
２２    ガス排出配管
２３    真空ポンプ
１００    交流電源（電圧印加部）
１０２    高周波電源
１０３    低周波電源（電圧印加部）
【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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