(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空チャンバと、前記真空チャンバ内にガスを供給するガス供給源と、前記真空チャンバの外に配置され、高周波電圧の印加と印加の停止とを交互に繰り返すことにより、プラズマ中で正イオンおよび負イオンを生成するプラズマ生成手段と、前記真空チャンバ内に配置され、該プラズマ生成手段により生成されるプラズマを内包して対向する一対の電極と、前記一対の電極の少なくとも一方に電圧を印加するバイポーラ電源と、前記高周波電圧の印加のタイミングと前記バイポーラ電源による電圧印加のタイミングとを同期させる変調装置とを具備し、前記高周波電圧の印加が停止されている期間に、前記一対の電極に電圧を印加することにより、前記プラズマ生成手段により生成された正イオンまたは負イオンの加速を行い、正イオンが加速される場合は、該正イオンが前記一対の電極間のプラズマ中の下流領域を被処理物側に向けて飛行する間に、前記プラズマ中の電子が付着することにより、また残留ガスとの電荷交換により、また負イオンとの電荷交換により前記正イオンが中性化されて中性粒子となり、負イオンが加速される場合は、該負イオンが前記一対の電極間のプラズマ中の下流領域を被処理物側に向けて飛行する間に、電子衝突による電子離脱により、また残留ガスとの電荷交換により、また正イオンとの電荷交換により、さらに放射光による電子離脱により前記負イオンが中性化されて中性粒子となり、該加速された中性粒子が、前記一対の電極のうち被処理物側の電極であるメッシュ電極を通過して被処理物に照射されることを特徴とする中性粒子ビーム処理装置。
【請求項２】
前記プラズマ生成手段は、誘導結合型のコイルへの高周波電圧の印加と印加の停止とを交互に繰り返すことにより、プラズマ中で正イオンおよび負イオンを生成することを特徴とする請求項１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に係り、特に高密度プラズマから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中性粒子ビーム又は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、中性粒子、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、中性粒子、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】
半導体集積回路用の極めて薄いシリコン酸化膜などに荷電粒子を照射すると、照射対象を絶縁破壊してしまうことがあるが、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は照射対象に損傷を与えにくい。従って、このような中性粒子線を微細加工に応用することが期待されている。
【０００５】
このような中性粒子のビーム源として、プラズマから負イオンビームを生成し、この負イオンビームから電子衝撃により電子を脱離して中性化を行うビーム源が知られている。この中性粒子ビーム源はフィラメントが設置された中性化室を備えており、この中性化室にはフィラメントから発生した熱電子がトラップされて高エネルギーを持つ電子雲が形成されている。負イオンビームは、予め静電レンズで集束された状態で中性化室に導入され、中性化室の電子雲を通過する際に電子が脱離されることによって中性化される。
【０００６】
また、光子の照射によって負イオンビームの電子を脱離して中性化を行う中性粒子ビーム源も知られている。この中性粒子ビーム源においては、負イオンビームに光子を衝突させることで中性化に必要な電子親和力以上のエネルギーを与えており、負イオンのエネルギーに依存しない高い中性化率を得ることができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述した電子衝撃により負イオンの中性化を行う場合には、高い中性化率を得るために高密度の電子雲を形成する必要がある。しかしながら、高密度の電子雲は非常に狭い空間にしか形成することができないためビーム源を大口径化できない。
【０００８】
また、光子の照射によって負イオンの中性化を行う場合においては、大口径のビームを作るために大きな光源と光学系が必要となり装置が大型化してしまう。また、光源から放射される光のうちのごくわずかしか中性化に寄与せず、残りは熱損失となってしまう。高い中性化率を得るためには光源の輝度を上げる必要があるが、光源の輝度を上げた場合には、冷却機構を設けるなどの措置が必要となり、装置が大型化するだけでなく設備コストも高くなってしまう。
【０００９】
更に、中性粒子ビーム源内の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電磁波を遮蔽する必要がある。
【００１０】
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、被処理物に損傷を与えることなく、高精度のエッチング又は成膜等の加工を行うことができる中性粒子ビーム処理装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【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、真空チャンバと、前記真空チャンバ内にガスを供給するガス供給源と、前記真空チャンバの外に配置され、高周波電圧の印加と印加の停止とを交互に繰り返すことにより、プラズマ中で正イオンおよび負イオンを生成するプラズマ生成手段と、前記真空チャンバ内に配置され、該プラズマ生成手段により生成されるプラズマを内包して対向する一対の電極と、前記一対の電極の少なくとも一方に電圧を印加するバイポーラ電源と、前記高周波電圧の印加のタイミングと前記バイポーラ電源による電圧印加のタイミングとを同期させる変調装置とを具備し、前記高周波電圧の印加が停止されている期間に、前記一対の電極に電圧を印加することにより、前記プラズマ生成手段により生成された正イオンまたは負イオンの加速を行い、正イオンが加速される場合は、該正イオンが前記一対の電極間のプラズマ中の下流領域を被処理物側に向けて飛行する間に、前記プラズマ中の電子が付着することにより、また残留ガスとの電荷交換により、また負イオンとの電荷交換により前記正イオンが中性化されて中性粒子となり、負イオンが加速される場合は、該負イオンが前記一対の電極間のプラズマ中の下流領域を被処理物側に向けて飛行する間に、電子衝突による電子離脱により、また残留ガスとの電荷交換により、また正イオンとの電荷交換により、さらに放射光による電子離脱により前記負イオンが中性化されて中性粒子となり、該加速された中性粒子が、前記一対の電極のうち被処理物側の電極であるメッシュ電極を通過して被処理物に照射されることを特徴とする中性粒子ビーム処理装置である。
【００１２】
上記本発明によれば、プラズマ中で正イオンおよび負イオンを生成するプラズマ生成手段により、正イオンおよび負イオンが生成される。そして、生成されたプラズマを内包するように対向する一対の電極と、該一対の電極の少なくとも一方に電圧を印加するバイポーラ電源と、上記高周波電圧の印加のタイミングと前記バイポーラ電源による電圧印加のタイミングとを同期させる変調装置とを具備することから、正イオンまたは負イオンを被処理物側に加速することができる。加速された正イオンまたは負イオンはプラズマ中を飛行する間に中性化されて中性粒子となる。当該中性粒子は運動エネルギーを有しているので、被処理物側の電極を通過して、表面処理を施すべき被処理物に照射される。従って、大口径の高密度プラズマを容易に形成でき、これから大口径の中性粒子ビームが容易に得られる。このような中性粒子を用いた加工装置においては、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加工や成膜加工が可能となる。
【００１３】
ここで、前記プラズマ生成手段は高周波電界の印加と印加の停止を交互に繰り返し、該高周波電界の印加が停止されている期間に該プラズマ生成手段によって生成された正イオンまたは負イオンの引き出しと所定方向への加速を行う。
これにより、プラズマ生成手段で高周波電界の印加と印加の停止を交互に繰り返すことで、プラズマ中に正イオンのみならず負イオンを多量に生成することができる。そして、高周波電界の印加が停止されている期間に前記プラズマ生成手段によって生成された正イオンまたは負イオンを複数の電極間に印加された電圧に基づく電界に従って加速することで、プラズマ中の正イオンまたは負イオンを被処理物に向けてドリフトさせることができる。
【００１４】
また、前記被処理物側の電極は、メッシュ電極である。
これにより、効率的に正イオンおよび負イオンから中性化された中性粒子ビームを被処理物に照射することができる。即ち、複雑な機構を要することなく大口径対応の中性粒子ビームを取り出せる。
【００１５】
また、前記プラズマ生成手段により生成されるプラズマ中の下流領域は、該プラズマ中の正イオンおよび負イオンが前記被処理物側に向けて飛行する間に中性化されて中性粒子となるドリフト空間を形成する。
これにより、複雑なイオンの中性化のための機構を要することなく、プラズマ生成手段により形成された大口径のプラズマから、そのままの口径で中性粒子ビームを形成できる。
【００１６】
【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。
【００１７】
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、石英ガラス又はセラミック管又は金属管などにより構成されている。
【００１８】
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の外周に巻回されている。このコイル１０は、マッチングボックス１００を介して高周波電源１０１に接続されており、例えば、１３．５６ＭＨｚの高周波電圧がコイル１０に供給される。これらのコイル１０、マッチングボックス１００、高周波電源１０１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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
ビーム生成室１の上端には、グラファイトなどの導電体で形成された電極５が配置されており、この電極５はバイポーラ電源１０２（電圧印加部）に接続されている。ビーム生成室１の下端には同様に導電体で形成された薄板メッシュ状のメッシュ電極６が配置されている。このメッシュ電極６は接地電位とされる。この電極５，６は誘導結合型のコイル１０により形成されるプラズマ形成領域７を挟んで対向する位置に配置されている。即ち、一対の電極５，６間には、前記プラズマ生成手段によりプラズマが生成される空間と、該プラズマ中の正イオンおよび／または負イオンが前記被処理物側に向けて飛行する間に中性化されて中性粒子となるドリフト空間７ａとを備える。従って、プラズマ中の正イオンおよび負イオンは電極５，６間に接続されたバイポーラ電源１０２（電圧印加部）の電圧により加速されて、ドリフト空間７ａを被処理物Ｘ側に向けて飛行する。
【００２２】
コイル１０に接続される高周波電源１０１とバイポーラ電源１０２とにはそれぞれ変調装置１０３，１０４が接続されている。高周波電源１０１とバイポーラ電源１０２とは変調装置１０３，１０４を介して互いに接続されており、変調装置１０３，１０４間の同期信号によって、高周波電源１０１による電圧印加のタイミングとバイポーラ電源１０２による電圧印加のタイミングとが同期される。
【００２３】
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２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２において、Ｖａはコイル１０に印加する電圧、Ｔｅはビーム生成室１内の電子温度、ｎｅはビーム生成室１内の電子密度、ｎｉ−はビーム生成室１内の負イオン密度、Ｖｂは電極５の電位をそれぞれ示している。
【００２４】
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内を真空排気する。所定の真空度に到達した後に、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、図２に示すように、１３．５６ＭＨｚの高周波電圧を高周波電源１０１によって１０μ秒間コイル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。
【００２５】
そして、高周波電源１０１による高周波電圧の印加を１００μ秒間停止する。高周波電源１０１による高周波電圧の印加の停止後は、再び高周波電源１０１による１０μ秒間の高周波電圧の印加によってビーム生成室１内においてプラズマ中の電子が加熱され、上述したサイクルが繰り返される。即ち、このプラズマ生成手段は高周波電圧の印加（１０μ秒間）と印加の停止（１００μ秒間）を交互に繰り返す。この高周波電圧の印加停止時間（１００μ秒間）は、プラズマ中の電子が残留している処理ガスに付着することによって負イオンが生成されるのに要する時間よりも十分に長く、且つプラズマ中の電子密度が低下してプラズマが消滅するよりも十分に短い時間である。高周波電圧の印加時間（１０μ秒間）は、この高周波電圧の印加を停止している間に低下したプラズマ中の電子のエネルギーを回復させるのに十分な時間である。
【００２６】
この高周波電圧の印加によるプラズマ中の電子のエネルギーを高めた後の高周波電圧の印加停止により、プラズマ中の電子が残留している処理ガスに付着することによって負イオンが生成される。このサイクルを繰り返すことによって、負イオンを効率よく且つ継続して生成することができる。即ち、通常のプラズマは正イオンと電子とからなる場合が多いが、正イオンと共に負イオンが共存した状態のプラズマを効率的に形成することができる。ここで、図２に示す実施形態では、高周波電圧の印加停止時間を１００μ秒に設定する例について述べたが、５０μ秒乃至１００μ秒に設定することで、プラズマ中に正イオンのみならず負イオンを多量に生成することができる。
【００２７】
高周波電源１０１による電圧の印加の停止から５０μ秒後に、バイポーラ電源１０２によって＋１００Ｖの直流パルス電圧を電極５に５０μ秒間印加する。この直流電圧の印加によって、電極６の電位が電極５の電位よりも低くなり、プラズマ７を横断するように対向して配置された電極５とメッシュ電極６との間には、電極５を陽極、メッシュ電極６を陰極とした電位差が生じる。従って、プラズマ７中の正イオンは、下流側に進行して被処理物Ｘに向けてドリフト空間７ａを飛行する。逆にバイポーラ電源１０２によって−１００Ｖの直流電圧を電極５に５０μ秒間印加すると、電極６の電位が電極５の電位よりも高くなり、プラズマ７を横断するように対向して配置された電極５とメッシュ電極６との間には、電極５を陰極、メッシュ電極６を陽極とした電位差が生じる。従って、プラズマ７中の負イオンは、下流側に進行して被処理物Ｘに向けてドリフト空間７ａを飛行する。
【００２８】
図３は、プラズマ領域下流側における正負イオンの中性化を模式的に示す。図は電極５，６間の電位分布を示し、プラズマ中で電位が緩やかに変化していることを示している。プラズマ７中の下流領域（ドリフト空間）７ａに到達した正イオン８は、プラズマ中の電子を付着し、また残留ガスとの電荷交換により、また負イオンとの電荷交換により中性化されて、中性粒子４となる。負イオン９は、電子衝突による電子脱離により、また残留ガスとの電荷交換により、また正イオンとの電荷交換により中性化され、中性粒子４となる。更に負イオン９は放射光（ｈν）により電子脱離を起こし中性粒子４となる。
【００２９】
負イオン９または正イオン８が中性化された中性粒子４は、メッシュ電極６を通過して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４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４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。
【００３０】
なお、一部の荷電粒子も電極６のメッシュを通過する場合があるが、このような荷電粒子が被処理物Ｘに照射されることを防止するために、電極６の下流側にディフレクタや電子トラップ等の荷電粒子除去手段を設けることとしてもよい。ディフレクタは、真空チャンバ３の径方向に電圧を印加することによって荷電粒子の進行方向を変化させて、荷電粒子の被処理物Ｘへの照射を防止するものである。また、電子トラップは、径方向に磁界を形成することによって荷電粒子の進行方向を変化させて、荷電粒子の被処理物Ｘへの照射を防止するものである。
【００３１】
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。
【００３２】
本実施形態では、プラズマの負イオンを中性化した中性粒子を照射することができるように、Ｏ２，Ｃｌ２，ＳＦ６，ＣＨＦ３，Ｃ４Ｆ８などの負イオンを生成しやすいガスをビーム生成室１に導入することが好ましい。これらのガスを用いて上述した高周波誘導結合（ＩＣＰ）などにより高密度プラズマを発生させた後に高周波電界の印加を停止すると、プラズマ中に多数の負イオンが発生し、負イオンを加速し、特別の中性化手段を設けることなく、プラズマ領域の後流側において容易に中性化することができる。
【００３３】
本実施形態では、バイポーラ電源１０２を上流側の電極５に配置した例を説明したが、メッシュ電極６にバイポーラ電源１０２を配置することもできる。また、バイポーラ電源１０２は、上流側および下流側の電極５，６の両方に接続し、両方を制御するようにしてもよい。
【００３４】
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、ＩＣＰ型コイルの高周波電圧の周波数領域も、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。
【００３５】
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。
【００３６】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、プラズマ中に正イオンおよび負イオンを生成し、その後流側で中性化することができるので、容易に正イオンまたは負イオンを中性化した中性粒子ビームを得ることができる。そして、プラズマの生成は誘導結合コイル等を用いることで大口径のものが容易に得られ、且つその後流側で容易にイオンの中性化ができるので、複雑な機構の中性化手段を備えることなく、そのまま大口径の中性粒子ビームが得られる。従って、装置を大型化せずに安価に中性粒子ビームを大口径化することが可能となる。このような中性粒子を用いた加工においては、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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明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】本発明の実施形態における上記装置の動作状態を示すタイムチャートである。
【図３】プラズマ領域の後流側における正イオンまたは負イオンの中性化を模式的に示した図である。
【符号の説明】
Ｘ    被処理物
１    ビーム生成室
２    処理室
３    真空チャンバ
４    中性粒子
５，６  電極
８    正イオン
９    負イオン
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    マッチングボックス
１０１    高周波電源
１０２    バイポーラ電源（電圧印加部）
１０３，１０４    変調装置
【図１】
0004073173.tif 000002
【図２】
0004073173.tif 000003
【図３】
0004073173.tif 000004