JP2625946B2 - イオン処理装置の制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （ア）技術分野 この発明は、マイクロ波によつてイオンを発生させる
ECR型のイオン処理装置の制御方法に関する。

特に、イオン源の運転を、２以上の段階に分けて、イ
オン源を安定に、高能率で動作させることのできる制御
方法を提供することが、本発明の目的である。

ここで段階というのは （ａ）プラズマを点灯しやすい状態にした段階 （ｂ）プラズマ密度を高めてゆく段階 （ｃ）所望のビームプロフイルにする段階 などである。

（イ）マイクロ波を用いるイオン処理装置 イオン源は、イオンを発生し、これをビーム状にして
取出すものである。

イオンの発生機構として、いくつかの方法が知られて
いる。

本発明は、マイクロ波を用いるものを対象とする。EC
R型という事もある。

ECR型イオン処理装置の構成を第１図に示す。

真空チヤンバ１の中に、ウエハデイスク２が公転可能
に設けられる。ウエハデイスク２の上には多数枚のウエ
ハ３が取付けられる。これは固定してもよいのである
が、この例では、ウエハデイスク２に対し、自転可能に
ウエハ３が取付けられている。

デイスク駆動装置４がウエハデイスク２を回転させて
いる。

真空チヤンバ１を真空に引くため、コンダクタンスバ
ルブ５、ゲートバルブ６、真空ポンプ７が設置されてい
る。

制御装置８は、イオン処理装置の各構成部を統一的に
制御するものである。

イオン処理というのは、イオンビームエツチング、イ
オン打ち込み、イオン蒸着、ECR CVDなどイオンビーム
による処理を指す。

このようにイオンを発生させ、ビームにして、対象物
に照射することをイオン処理と広く呼ぶ。

本発明はこのようなイオン処理装置に於て広く適用す
ることができる。

イオン化すべきガスは、対象物や目的によつて多様で
ある。Ar、N₂、Cl₂、O₂、SiCl₄、CF₄、C₃F₈、C₂F₄、BCl
₃、…などのガスを用いる。

これらのガスをイオン化するのがイオン源である。

イオン源について述べる。

これは、コイル９、イオン源チヤンバ10、マイクロ波
発振器11、導波管21などよりなる。

マイクロ波発振器11は、2.45GHzのマイクロ波を生じ
る。このマイクロ波は導波管21を経て、イオン源チヤン
バ10の中に供給される。

ガスボンベ20から、マスフローコントローラ12を通つ
て、イオン源チヤンバ10に、イオン化すべきガスが供給
される。これは対象となるウエハの種類や処理の目的に
よつて異なる。

コイル９は、イオン源チヤンバ10の内部に軸方向の磁
界を生ずる。この磁界Ｂによるサイクロトロン運動によ
り、電子が気体の分子、原子を励起する。

電子のサイクロトロン周波数がマイクロ波の周波数に
ほぼ等しくなるようにしている。

このため、ECR（Electron Cyclotron Resonance）と
いう。マイクロ波が2.45GHzである場合、磁束密度Ｂは
イオン源チヤンバの中心で875Gaussである。

共鳴条件下にあるので、電子はマイクロ波からエネル
ギーを吸収できる。そこで、電子は、気体に衝突し、こ
れを励起する。

励起されたものは、中性のラデイカルになる事もあ
り、イオンになつたりする。

イオン源チヤンバ10の前方には、網目状或は多孔状の
加速電極22、減速電極23がある。

これらをあわせて引出し電極糸とよぶ。

加速電極22には、加速電源15が接続されている。これ
は、正の電圧（たとえば＋700V）が与えられている。

減速電極23には、減速電源14が接続されている。これ
は負電圧（たとえば−700V〜−300V）が与えられてい
る。

引出し電極の多数の穴又は網目をイオンが通過し、ビ
ーム状となる。

イオンがそのままウエハ３に当ると、ウエハがチヤー
ジアツプしてしまうので望ましくない。もしそうなる
と、ウエハ上のデバイスを破壊する惧れがあるし、クー
ロン斥力が強くなつて、イオンが排斥されるからであ
る。

そこで、引出し電極につづいて、中性化フイラメント
18を設けている。これは、フイラメント電源17によつて
抵抗加熱され、熱電子を生ずる。さらにエミツシヨン電
源16により負電圧に保たれる。

イオン流がフイラメント18を通過するとき、電子に衝
突し、中性の分子、原子に戻る。

中性の原子、分子になつたビームがウエハ３に当たる
事になる。

ビームシヤツタ19は、ビームを通したり、止めたりす
るものである。

制御装置８は、デイスク駆動装置４、コンダクタンス
バルブ５、ビームシヤツタ19、フイラメント電源17、エ
ミツシヨン電源16、加速電源15、減速電源14、コイル電
源13、マスフローコントローラ12、マイクロ波発振器11
などを制御している。

（ウ）従来技術 第２図は、従来のイオン処理装置の制御方法を示す電
圧、電流、流量、圧力などの時間変化を示す図である。

（ａ）はガス流量Ｑ、（ｂ）は圧力Ｐ、（ｃ）は加速
電圧Va、（ｄ）は減速電圧Vd、（ｅ）はコイル電流Ic、
（ｆ）はマイクロ波電力Ｗ、（ｇ）はビーム電流Ibを表
わしている。

イオン処理装置を起動する順序は、このタイムチヤー
トによると次のようである。

t₀でガスを導入する。流量Ｑは徐々に増加させてゆ
き、t₁で一定量とする。これにともなつて、真空チヤン
バ内の圧力Ｐが高まつてゆく。

t₁でコイル電流Icを流す。以後Icは一定である。磁束
密度Ｂも一定である。

加速電源Va、減速電圧Vdを高めてゆき、t₂で一定値と
する。

t₂でマイクロ波発振器を駆動させる。電力Ｗは徐々に
上げてゆく。

マイクロ波がイオン源チヤンバ10に供給されるのでガ
ス分子、原子が次第にイオン化される。引出し電極に電
圧が与えられているから、イオンビームが生ずる。

t₃でビーム電流Ibが生じ、徐々に増大してゆく。

t₄でマイクロ波電力Ｗが一定値に達する。このとき、
ビーム電流Ibも所定の値になる。

そこで、t₅でシヤツタを開き、イオンビームを通過さ
せるようにする。

このように、従来の制御は、流量、磁場、電圧、電流
などを０から立上げて、所定の値までもつてゆき、以後
一定値に保つというようになつていた。単純な制御であ
つた。

なお、ビーム電流Ibというのは、加速電源に流れる加
速電流Iaから、減速電源に流れる減速電流Idを差引いた
ものである。たとえば、Ia＝510mA、Id＝10mAで、Ib＝5
00mAである。

（エ）発明が解決しようとする問題点 第１図に示すイオン処理装置を、第２図に示すタイム
チヤートに従つて制御を行なうと、次のような問題があ
る。

マイクロ波電力Ｗを次第に増加させて、ビーム電流Ib
を上げてゆく際、イオン源からのマイクロ波の反射が著
しく大きくなる。このため、イオン源が必要とするマイ
クロ波電力が得られないことがある。

そうすると、反射電力の増加によるインターロツクが
発生することが多々ある。

これは、イオン源内のプラズマ発生時に於ける負荷イ
ンピーダンスの変化によるものである。

インターロツクを避けるためには、イオン源とマイク
ロ波発振器間の整合をうまく取る必要がある。

境界におけるマイクロ波の反射率は、透磁率μ、誘電
率εによる。ここでεは複素誘電率である。

イオン源内の誘電率ε、透磁率μは、プラズマ密度に
よつて変化する。

たとえば、定常状態のプラズマ密度に対する、ε、μ
の値に対して、反射率が低くなるようになつていても、
それに至るまでの段階に於ては、反射率が大きい、とい
うことがある。

つまり、プラズマ密度により、ε、μが変わり、ε、
μにより反射率が変わるから、プラズマ密度によつて、
最適プラズマ発生条件が異なることになる。

したがつて、第２図に示すように、プラズマ発生条件
を時間に対して固定することは、高密度プラズマを、効
率よく、安定に発生、維持させるという目的に対して
は、不適当な制御方法である。

（オ）目的 イオン処理装置のイオン源から、高出力イオンビーム
を、効率よく安定に引出すため、イオン源内のプラズマ
の状態に応じ、最適条件となるように、諸種の制御変数
を時間とともに変化させる制御方法を与えることが本発
明の目的である。

（カ）本発明の方法 本発明の制御方法は、イオン源内のプラズマ発生を段
階的に行うものである。

その段階は、 （ｉ）プラズマを点灯させやすい状態で運転する段階。

（ii）プラズマ密度を高めてゆく段階。

（iii）所望するビームプロフイルにもつてゆく段階。

よりなる。従来はこれをひとつの段階で行なつていたの
で、不整合があつたわけである。

第３図に本発明の制御方法を表わすタイムチヤートを
示す。

（ａ）はガス流量Ｑ、（ｂ）は圧力Ｐ、（ｃ）は加速
電圧Va、（ｄ）は減速電圧Vd、（ｅ）はコイル電流Ic、
（ｆ）はマイクロ波電力Ｗ、（ｇ）はビーム電流Ibであ
る。

横軸は時間ｔを示す。T₀から起動するものとする。
T₁、T₂、…、T₅はプラズマ発生、増強などの段階を示す
時刻である。

これらのタイムチヤートのうち、圧力Ｐ、減速電圧V
d、コイル電流Ic、マイクロ波電力Ｗ、ビーム電流Ibの
変化に注意すべきである。このうち、前三者は、独立の
制御変数である。

マイクロ波電力Ｗは独立の変数とすることもできる
が、ビーム電流を所定の値にするようフイードバツク制
御するようにすることもできる。

さて、T₀から、ガスをイオン源チヤンバ10に供給し始
める。

これとともに、チヤンバ内の圧力Ｐも高まつてゆく。
T₁まで圧力Ｐを増大させる。このとき、Ｐは定常状態で
の圧力P₀より高めにする。

イ点〜ロ点は、T₁〜T₃に対応している。このときの圧
力は、例えば3.0〜2.5×10^-4Torrである。定常状態（ハ
以後）では例えば2.0×10^-4Torrである。

T₁で加速電圧、減速電圧を印加し始める。コイル電流
Icははじめから、所定の値とする（前記の2.45GHzなら8
75Gauss）。これは共鳴条件を満たす値である。ト〜チ
間はコイル電流Icをこの値に設定する。

加速電圧Vaは、T₁〜T₂まで徐々に増やし、T₂以降は一
定値とする。

減速電圧Vdは、T₁〜T₂まで増やすが、これは、定常時
の電圧よりも高いものとする（ニ点）。

T₂で、Va、Vd、Icが存在しているので、このときマイ
クロ波発振器を駆動し始める。ヌ点〜ル点まで、マイク
ロ波電力Ｗを上げてゆく。

これは定常時の電力W₀より大きい値になるまで上げる
（ル点）。

T₂〜T₃は、さきほど述べたプラズマ点灯を容易にする
ための段階である。

これは、プラズマを点灯させやすくするために圧力を
過大にする。イ点〜ロ点で圧力Ｐが高いのは、プラズマ
点灯させやすくするためである。

マイクロ波電力Ｗが同じであれば、圧力Ｐの高い方が
点灯しやすい。

点灯した後、コイル電流が、（ト〜チ）共鳴条件を満
足しているから、マイクロ波からエネルギーを吸収し
て、プラズマ密度が増えてゆく。

T₃〜T₄は、プラズマ密度を高めるための段階である。

コイル電流を増加させる（チ〜リ）。つまり、共鳴条
件を外すのである。この時、シヤツタは未だ閉じている
ので、イオンビームになつて、激しく減つてゆく、とい
うことはない。このため、プラズマ生成がある程度の速
さで持続する限り、プラズマ密度は増え続ける。

しかし、マイクロ波電力Ｗは、ル点からヲ点に至るよ
うに低下してゆく。これは、プラズマ発生の制御パラメ
ータの最適化が実現したため、マイクロ波電力の利用効
率が向上したからである。

ビーム電流は、この間ヨ〜タ〜レというように増えて
ゆく。

プラズマ点灯のため、圧力を過大にしていたが、これ
を、定常状態の値P₀（たとえば2.0×10^-4Torr）に、徐
々に戻してゆく（ロ〜ハ）。

T₄でプラズマの密度が十分に高くなる。ここで制御変
数をしばらく、一定に保つ。圧力Ｐは、定常状態の値P₀
になつている。減速電圧Vdは高い電圧値になつている。

コイル電流Icは、共鳴条件よりも大きい値になつてい
る。マイクロ波電力Ｗは利用効率が高いので、比較的低
い値（ヲ〜ワ）になつている。

ビーム電流は、少しずつ増えて、イオン照射を始めて
もよい値になる（レ〜ソ）。

このような準備が整つてくると、ビームシヤツタ19を
開く。試料にビームが照射される。

次に、減速電圧Vdを下げてゆく（ホ〜ヘ）。

減速電極は、ビームを拡げて所望のビーム径にするも
のであるが減速電圧を上げると、ビームが引出しやす
い。

減速電圧を（ホ点で）下げるのは、所望のビームプロ
フイルを得るためであるが、こうすると、イオンビーム
が引出しにくくなる。

このため、フイードバツクがかかつて、マイクロ波電
力が自動的に増加する（ワ〜カ）。

このように、T₅〜T₆は、イオンビームのプロフイルを
所望の形状にするための段階である。

T₆以後が定常状態である。

本発明の制御方法は、イオン源の運転を２段階以上に
わけ、各段階ごとに、最適の制御パラメータを決めて、
時間的にパラメータを変えてゆくものである。

このため、高密度プラズマを安定に、しかも再現性よ
く、発生させることができる。

（キ）効果 本発明の制御方法は、イオン源の運転を、プラズマ発
生を容易にする状態で運転する段階、プラズマ密度を高
めてゆく段階、高密度プラズマ源から引出されたイオン
ビームのビームプロフイルを所望のものにする段階にわ
け、それぞれの段階で、イオン源パラメータの最適値を
変えてゆくようにしている。

このため、マイクロ波の大部分が反射されて失われ
る。ということがない。本発明によれば、高密度プラズ
マを安定に、効率よく発生させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はイオン処理装置の全体構成図。 第２図は従来のイオン処理装置制御方法を示すタイムチ
ヤート。 第３図は本発明のイオン処理装置制御方法を示すタイム
チヤート。 １……真空チヤンバ ２……ウエハデイスク ３……ウエハ ４……デイスク駆動装置 ５……コンダクタンスバルブ ６……ゲートバルブ ７……真空ポンプ ８……制御装置 ９……コイル 10……イオン源チヤンバ 11……マイクロ波発振器 12……マスフローコントローラ 13……コイル電源 14……減速電源 15……加速電源 16……エミツシヨン電源 17……フイラメント電源 18……中性化フイラメント 19……ビームシヤツタ 20……ガスボンベ 21……導波管 22……加速電極 23……減速電極

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】気体を導入しこれをイオン化するためのイ
   オン源チャンバ10と、イオン源チャンバ10内に磁界を与
   えるためのコイル９と、コイル磁界によつて決まる電子
   のサイクロトロン周波数に近い周波数のマイクロ波をイ
   オン源チャンバ10に与えるマイクロ波発振器11と、イオ
   ンを引出すためイオン源チャンバ10に続いて設けられる
   多数の開口を有する加速電極22、減速電極23と、これら
   電極に電圧を印加する加速電源15、減速電源14と、イオ
   ンビームを通過或は遮断するためのビームシヤツタ19
   と、真空チャンバ１と、各電源、マイクロ波発振器、ガ
   ス流量などを制御するための制御装置よりなり、マイク
   ロ波によつてプラズマを発生せしめイオンビームとし
   て、或はイオンビームを中性化してウエハに照射するイ
   オン処理装置において、イオン源内に充分な密度のプラ
   ズマを発生させるため、イオン源の運転をプラズマ点灯
   が容易になされるような状態で運転する段階と、点灯し
   た後プラズマ密度を高めてゆくための段階と、高密度プ
   ラズマ源から引出されたイオンビームのビームプロフイ
   ルを所望のものにする段階とに分け、プラズマ点灯を容
   易にする段階では、圧力Ｐを定常状態での圧力P₀より高
   く設定し、マイクロ波電力Ｗは定常状態の値よりも高い
   値まで徐々に増やし、コイル電流Icは共鳴条件を満す値
   とし、プラズマ密度を高める段階では、コイル電流Icを
   共鳴条件を満す値より大きくしてゆき、圧力Ｐを定常状
   態の圧力P₀まで下げ、マイクロ波電力Ｗを下げてゆくこ
   ととし、ビームシヤツタを開いた後、イオンビームのプ
   ロフイルを所望のものにする段階では減速電圧Vdを定常
   状態の値にまで下げるようにした事を特徴とするイオン
   処理装置の制御方法。