JPH0135465B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔技術分野〕 本発明は、基板のイオン・ビーム衝撃を用いた
集積回路製造技術に係り、更に具体的に云えば、
種々の集積回路製造方法のための低エネルギ及び
高強度のイオン・ビームを発生する装置に係る。

〔従来技術〕

イオン衝撃を用いた基板表面の処理は、当技術
分野に於て周知である。ターゲツトから原子の粒
子をスパツタリングするための基板の高エネル
ギ・イオン衝撃は、基板表面を食刻するために、
従来有利に用いられている。又、付着処理に於て
も、スパツタリングされた粒子が、回路素子を形
成するために、マスクを経て付着され得る。

これらの周知の方法に於て用いられている典型
的なイオン・ビームは、基板表面を高い運動エネ
ルギで衝撃するのでターゲツト表面に望ましくな
い空間電荷を生ぜしめる、高エネルギ及び低密度
のビームである。通常の基板のイオン衝撃を防害
する空間電荷を中和するために、従来に於て種々
の技術が用いられている。それらの技術に於て
は、望ましくない空間電荷を中和するために、中
和電子がイオン・ビームに加えられている。

従来の大電流イオン・ビーム発生装置は、典型
的には、該発生装置からイオンを引出すために加
速格子を用いている。それらの格子は、プラズマ
のシースの境界に於けるイオンをターゲツトに向
かつて加速させる静電荷を維持する。しかしなが
ら、格子目体も、エスケープするイオンによるス
パツタリングにさらされる。その結果、格子が損
傷され、基板汚染源である不純物がイオン流に加
えられる。格子は、典型的には、イオンのみを加
速させる電位に維持される。イオン・ビームを中
和させるために用いられ得る自由な帯電粒子、即
ち正イオン・ビームの場合には電子、が加速後の
イオンに加えられねばならない。

イオン・ビームを発生させるために加速格子を
用いた場合には又、周知の如く、イオン・ビーム
電流の容量が制限される。米国特許第4259145号
の明細書に記載されている如く、加速格子の数を
１つに制限しそして加速格子の厚さを減少させる
ことにより、上記の電流に関する制限は部分的に
補われ得る。しかしながら、その結果、極めて薄
く従つてもろいスクリーン格子が形成される。

更に、より高エネルギのイオン・ビームは、基
板を衝撃する前に該基板から薄い酸化物層を除去
することが望まれる、基板の清浄化の如き或る種
の処理に於て、もう１つの欠点を有している。よ
り高エネルギのビームは、酸化物除去処理工程中
に、下の材料に望ましくない過度の損傷を与え
る。

他の周知のイオン・ビーム発生技術には、低エ
ネルギのイオン・ビームを発生させるためにプラ
ズマ・ダイオードを用いる方法がある。この技術
は、プラズマ・ダイオードが、衝撃されている表
面に極めて近接して配置されているという欠点を
有している。プラズマを維持する高エネルギ電子
は、処理されている表面と相互に作用し得る。更
に、存在するイオンの軌道が、シースの局部的表
面の変動によつて影響され、イオン・ビーム方向
の制御が困難である。

〔本発明の概要〕

本発明の目的は、自己中和されており、加速格
子を用いずに制御されたビーム幅を有している、
電子素子基板を処理するための高強度及び低エネ
ルギのイオン・ビームを発生する装置を提供する
ことである。

上記目的は、本発明によるホール（Hall）電
流イオン源によつて達成される。低エネルギ及び
高強度のイオン・ビームがホール電流イオン源を
用いて形成される。得られたビームは、或る種の
処理工程に於て基板から酸化物を除去するため
に、又或る種の基板上に反応性食刻及び直接的付
着を施すために用いられる。本発明によるホール
電流イオン源は、イオン・ビームを適用する特定
の処理に応じて、発散型イオン・ビーム又は収斂
型イオン・ビームのいずれかを生じる。

電子素子基板の表面を処理するために用いられ
るに適した、発生されるイオン・ビームが直接的
に制御される、ホール電流イオン源が得られる。
このイオン源は、低エネルギ及び高強度のイオン
を放出するために一方の端部が開放されている、
プラズマ室を含む。上記プラズマ室内に、第１及
び第２磁極片が配置されている。それらの磁極片
は、ガスの分子と、プラズマ室の陽極部材及び陰
極部材により発生された高エネルギ電子との衝突
を増加させる。それらの磁極片の磁界は又、イオ
ンを加速させる静電界を生ぜしめる電子の流れと
相互に作用する。更に、それらの磁極片は、発散
型イオン・ビーム又は収斂型イオン・ビームのい
ずれかを形成するために、相互に鋭角に配置され
ている。

本発明による装置は、イオン・ビームをプラズ
マ室の外側へ加速させるための静電界を設けるた
めに、加速格子を必要とせず、従つて格子を有す
る加速装置に固有の欠点を有していない。イオン
の加速は、イオン源の出口開口の外部に陰極素子
が存在することにより、イオン源の出口開口の近
傍で行われる。両磁極片間の磁力線は、加速領域
に於ける略等しい電位の線を表わしている。従つ
て、両磁極片を相互に或る角度に選択的に配置す
ることにより、両磁極片間の磁力線は、上記外部
陰極の影響の下で加速されたイオンのために制御
された軌道を設定する。

〔本発明の実施例〕

第１ａ図は、従来技術によるホール電流イオン
源を示す。そのイオン源は、内側の磁極片４ｂ
と、該磁極片４ｂを周囲に於て封入している外側
の磁極片４ａとを有する。それらの磁極片は、一
実施例に於ては、１つ以上の磁石６により偏向さ
れた軟鉄の如き透磁性材料である。仕切部材８
は、イオン源の一方の端部を封じており、外側の
磁極片４ａにより限定されたプラズマ室にアルゴ
ンの如きイオン化されるガス１２が導入され得る
様に、開口１４を有している。上記イオン源の他
方の端部は、プラズマ室内に形成されたイオンが
放出され得る様に、開放されている。

周囲に延びる磁極片４ａにより形成されている
プラズマ室内に、周囲に延びる陽極１６が配置さ
れている。イオン源の外部から陽極１６に電位が
供給され得る様に、該陽極１６に電気的接続が設
けられている。

陽極１６とともに、陰極１０が、該陽極１６か
らイオン源の出口開口の方へ離れて配置されてい
る。陰極１０は、陽極１６に供給される電位より
も負の電位の外部の源に接続されている。

磁極片４ｂ及び４ａは、第１ａ図に示されてい
る如く、磁力線１８を生じる。イオン源の出口端
部の近傍の磁力線は、両磁極間に弧状に延びてい
る。

第２図は、第１ａ図のホール電流イオン源内の
電位のプロフイルを示している。陽極は正の電位
Vaに配置され、陰極は陽極電位に関して0Vの電
位に配置されている。陽極電位Vaは典型的には
50Vである。プラズマは後述される如くイオン源
内に形成され、陽極近傍のイオン発生領域内に於
て陽極電位よりも僅かに正の電位を有している。

イオン源の出口平面近傍に於ける電位の低下が
第２図に示されている。イオン加速領域を与える
上記電位の低下は、陰極１０の電位又は陰極１０
よりも数百ボルト迄負の電位に維持され得る外部
の陰極即ちフイラメント２０によつて与えられ
る。磁極片４ａ及び４ｂによる磁界と、フイラメ
ント２０により生じる電子の流れとの協働作用が
イオン源から放出されてイオン・ビーム２２を形
成するイオンに必要とされる軌道を生ぜしめる。
放出されるイオンの軌道を制御するために、磁力
線の形状が用いられ得る。プラズマ室内に於て、
磁力線は略放射状に形成され、加速は軸方向に行
われる傾向がある。プラズマ室の出口端部近傍に
於ける弧状の縁端部に磁界は、より発散するイオ
ンの軌道を生じる。

内部陰極１０から放出された電子が陽極１６に
向かつて移動するときに、イオン源内にイオンが
発生する。その結果得られたプラズマは、イオ
ン、低エネルギの二次電子、及び少量の高エネル
ギの一次電子を含む。第１ａ図のイオン源内に形
成された磁界は移動する電子の径路の長さを増加
させ、それによつて電子とガスの分子との衝突を
増加させて、プラズマのイオン含有量も増す。
又、ガスの分子と陰極１０により放出された電子
との間の衝突の結果、低エネルギの二次電子が生
じる。イオン源内の圧力は典型的には１ミリトル
に低く保たれる。典型的には陽極１６よりも数ボ
ルトだけ正であるプラズマ電位を用いた場合に
は、陰極への電子のエスケープ速度は、放電電流
及びイオン・ビームの流れと一致する速度であ
る。多くの適用例に於て、陰極は陽極よりも略30
乃至50Vだけ負の電位に維持される。

ホール電流イオン源内のプラズマの伝導率は、
磁力線を横切る方向よりも磁力線に沿つた方向に
於て、より大きい。従つて、極めて近似的に、加
速領域内の磁力線が等電位線を示し、従つて加速
されたイオンの軌道を決定する。

イオン・ビーム２２に於ける局部的なプラズマ
電位は陰極２０によつて決定される。陽極１６の
近傍のプラズマと陰極２０との間に形成される静
電界は磁界に対して垂直であり、イオンは上記静
電界の影響の下でイオン源から軸方向にエスケー
プする。フイラメント２０は又、陽極１６に向か
つて移動する電子を放出する。それらの電子が陽
極１６に向かつて移動するとき、磁界との相互作
用がフイラメント２０により放出された電子に方
位角方向の運動を与える。プラズマ中に入るそれ
らの電子の方位角方向の運動がホール電流を構成
する。フイラメント２０から陽極１６への電子の
流れは、それら両者間の電圧源に更に電流負荷を
加え、それによつて加速プロセスの効率を低下さ
せる。その効率の低下により更に電力を必要とす
ることは、スパツタリング及び付着の適用例に於
ては殆ど大きな問題ではない。更に、ホール電流
型のイオン源は、他の型のイオン発生装置の場合
よりも大きなエネルギの拡がりを有するイオンを
発生する。しかしながら、後述する幾つかの適用
例に於ては、このエネルギの拡がりは問題になら
ない。陰極２０は又、イオン・ビームに中和電子
を供給する。

第１ａ図のイオン源は２つの陰極１０及び２０
を用いているが、ホール電流イオン源を単一の電
極２０だけで動作させることも可能である。この
種の動作に於ては、陽極１６よりもイオン化電位
以上の電位だけ負の陰極２０からイオンが発生さ
れる。

イオン源の出口開口からのイオンの放出に付随
して、外側の磁極片４ａ及び内側の磁極片４ｂの
表面２４との衝突が生じる。それらの表面との衝
突の結果、高エネルギ・イオンの損失及び汚染粒
子のスパツタリングの両方が生じる。当業者に周
知の如く、それらの衝突及びその結果生じる表面
２４のスパツタリングは、第１ｂ図に示されてい
る如く、もう１組の電極９ａを用いることによつ
て減少され得る。電極９ａは非磁性であり、従つ
て磁界に影響を与えない。しかしながら、電極９
ａは表面２４から離れたプラズマ室の容積の一部
にイオンの発生を限定する様に働く。従つて、電
極９ａが用いられた場合には、イオンが軸方向に
加速されるときに表面２４と衝突する確率が著し
く低下する。電極９ａは、典型的には、高エネル
ギ電子が迅速にエスケープしない様に、陰極１０
の電位に近い電位で動作される。

上記ホール電流イオン源は、種々の工業的適用
例に於て、高密度及び低エネルギのイオン・ビー
ムを提供し得る。ホール電流イオン源は清浄化処
理に用いられることが出来、それによつて被処理
体の表面から酸化物及び他の材料の薄い層が下の
表面を殆どスパツタリングすることなく除去され
得る。更に、ホール電流イオン源は出口開口に格
子を必要としないので、イオン・ビームの汚染が
最少レベルに保たれる。従つて、ホール電流イオ
ン源からのイオン・ビームに含まれる汚染が少な
いので、上記イオン源は他のイオン・ビームに電
子を導入する中和装置として有利に用いられ得
る。

当業者に周知の反応性食刻技術に於ても、特定
の反応種の粒子がイオン・ビーム内に含まれる
と、特定の化合物が生じる。従つて、表面を衝撃
又はスパツタリングする高い運動エネルギのイオ
ンでなく、表面と反応して該表面を選択的に処理
する低い運動エネルギのイオンを用いることによ
つて、粒子が除去される。ホール電流イオン源を
用いることによつて、物理的スパツタリングを生
じず、より選択的な反応性食刻が行われることを
可能にする、低エネルギ・イオンの高密度のビー
ムが得られる。更に、ホール電流イオン源は、入
射イオン・ビームにより材料が基板上に付着され
る、直接的付着技術に於ても有用である。従来の
方法に於て得られた付着速度は遅く、それは先に
付着された材料が余分なスパツタリングにより除
去されない様に入射イオンの運動エネルギを低く
する必要があつたためである。ホール電流イオン
源は、低エネルギ・イオンの高密度の流れを加速
することが出来、入射イオンの運動エネルギを適
切に制していない他の技術に関連するスパツタリ
ングによる除去を防ぐ。

これらの技術を用いたホール電流型イオン源の
使用を容易にする、本発明の一実施例による装置
が第３図に示されている。第３図は、ホール電流
イオン源からのイオン・ビームを特定のターゲツ
ト２８上に焦結させるための配置を有する装置を
示している。前述の場合と同様に、ホール電流イ
オン源は磁極片４ａ及び４ｂを含む。しかしなが
ら、この場合の磁極片４ａ及び４ｂは円錐形を成
しており、ターゲツトの基板と一致する点に収斂
する。従つて、その収斂点は第３図のホール電流
イオン源のための焦点である。イオン・ビームの
収斂は、共通の頂点を有する円錐形の磁極片によ
り生じた円形の磁力線から生じる。陽極１６の近
傍のプラズマと陰極２０とに間に生じる通常の静
電界は、上記の円形の磁力線と協働して、イオ
ン・ビームを磁極片４ａ及び４ｂの頂点に焦結さ
せる。

前述のイオン源の場合と同様に、イオン化され
るガス１２をイオン源に導入するための開口１４
が設けられている。陰極１０及び陽極１６は、磁
力線１８の影響の下でガスの分子とのイオンの衝
突を生じる、必要な電子の流れを供給する。又、
前述のイオン源の場合と同様に、ホール電流イオ
ン源内のプラズマの伝導率は、磁力線を横切る方
向よりも磁力線に沿つた方向に於て相当に大き
い。従つと、極めて近似的に、加速領域内の磁力
線が等電位線を示し、従つて加速されたイオンの
軌道を決定し得る。磁界はイオンの軌道を或る程
度偏向させるが、その影響は通常少ない。磁界強
度の大きさを減少させることによつて、外部陰極
からイオンの加速される径路と反対の方向に電子
がより多く放散される結果、加速効率が低下する
が、イオンの軌道に与える二次的影響も又低下す
る。更に、磁極片４ａ及び４ｂにより表わされて
いる円錐の切頭部分は、イオンの軌道を理想的な
収斂、即ち磁極片の幾何学的収斂点に於ける収斂
からそらす様に影響を与える。切頭部分が放出さ
れるイオンに軌道に与える二次的影響は勿論、該
切頭部分の近傍に於てイオンが横切る縁端部の磁
界の拡がりに依存する。上記切頭部分がイオンに
軌道に与える二次的影響を更に減少させるために
は、第３の陰極２６が陰極１０及び２０の間に挿
入される。従つて、陰極２６とイオン源の出口開
口との間の領域は、イオンのための等電位ドリフ
ト空間となり、陰極２０から必要とされる電子放
出の流れを減少させる。陰極２０は、イオン・ビ
ームのための中和粒子の源として然るべき位置に
残され得る。陰極２０が除かれてても、陰極２０
及び２６間の極界の強度及び拡がりが余大きくな
ければ、中和は陰極２６によつて達成され得る。

第４図は、発散型イオン・ビームを生じる、本
発明の他の実施例を示している。第４図に示され
ている構成に於ては、出口開口が発散型の磁極片
４ａ及び４ｂによつて限定されている。イオンの
発生及びそれらの軌道の制御は第３図の実施例の
場合と同様である。発散型イオン・ビームは、広
い表面積におよぶ必要がある、清浄化及び付着の
適用例に望ましい。収斂型イオン・ビームは、強
いイオン・ビームから小さなターゲツト領域上に
スパツタリングが行われる付着の適用例により適
している。小さなターゲツト領域は、固定した寸
法及び体積の減少並びに近接した間隔及び速い付
着速度の使用を可能にする。

第５ａ図は、第３の範畴のイオン・ビームのお
よぶ範囲が得られる、本発明の更に他の実施例を
示している。円錐として構成された内側の磁極片
４ｂを用いることにより、イオン電流密度の均一
性が低下するという犠牲を伴うが、より完全にカ
バーするイオン・ビームの範囲を得ることが可能
である。イオン源の出口開口離れた或る距離に於
て、イオン・ビームはイオン源の軸を含む様に充
分に拡がる。しかしながら、軸の近傍がより広く
カバーされ得る代りに、拡大されたイオン・ビー
ムの均一性は低下する。

第５ｂ図は、イオンが磁極片４ａ及び４ｂと衝
突することによつて生じるスパツタリングによる
損傷を減少させるために更にもう１組の電極９ｂ
を用いている、第５ａ図のホール電流イオン源を
示している。更に設けられたそれらの電極が、本
明細書に記載されているいずれの実施例に於ても
用いられ得ることは勿論である。

以上に於て、ホール電流イオン源の多くの適用
例、並びに製造方法に於けるホール電流イオン源
からのイオン・ビームの発生及び使用を容易にす
るホール電流イオン源の幾つかの構成について述
べたが、本発明による更に他の実施例も実現され
得ることは当業者に容易に理解されよう。

【図面の簡単な説明】

第１ａ図は従来のホール電流イオン源を示す断
面図、第１ｂ図はスパツタリングによる損傷を減
少させるための電極を更に有している第１ａ図の
ホール電流イオン源を示す断面図、第２図は第１
ａ図のホール電流イオン源内の電位分布を示すグ
ラフ、第３図は収斂型イオン・ビームを生じる本
発明の一実施例によるホール電流イオン源を示す
断面図、第４図は発散型イオン・ビームを生じる
本発明の他の実施例によるホール電流イオン源を
示す断面図、第５ａ図は発散型イオン・ビームを
生じる本発明の更に他の実施例によるホール電流
イオン源を示す断面図、第５ｂ図はスパツタリン
グによる損傷を減少させるための電極を更に有し
ている第５ａ図のホール電流イオン源を示す断面
図である。 ４ａ……外側の磁極片、４ｂ……内側の磁極
片、６……磁石、８……仕切部材、９ａ，９ｂ…
…スパツタリングによる損傷を減少させるための
電極、１０，２０，２６……陰極（フイラメン
ト）、１２……イオン化されるガス、１４……開
口、１６……陽極、１８……磁力線、２２……イ
オン・ビーム、２４……両磁極片の表面、２８…
…ターゲツト。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 一方の端部がイオン化されるガスを受取り、
   他方の端部がイオンを放出するために解放されて
   おり、各々異なる電位に接続される内部陽極及び
   外部陰極を設けたプラズマ室と、 上記プラズマ室の内側周囲表面を構成する内側
   表面を有している第一磁極片と、 上記プラズマ室の中央を長手方向軸に沿つて伸
   びる第二磁極片とを有し、 上記両磁極片は上記プラズマ室内にイオンの発
   生を増加させるための内部磁界を形成し、 上記第一磁極片は、上記イオンが上記プラズマ
   室から所定のビーム・パターンで放出される様
   に、上記第二磁極片との間に鋭角を形成してい
   る、 イオン発生装置。