JPH05234904A

JPH05234904A - イオンビーム照射装置

Info

Publication number: JPH05234904A
Application number: JP4037389A
Authority: JP
Inventors: Hideo Hirayama; 秀雄平山; Michihiro Aise; 路博合瀬
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1992-02-25
Filing date: 1992-02-25
Publication date: 1993-09-10

Abstract

(57)【要約】【目的】イオンビームの集束性低下を招くことなく、
低エネルギービームと高エネルギービームとを確実に分
離することができ、イオンビームを被処理基板上で集束
させて照射することのできるイオンビーム照射装置を提
供すること。【構成】真空容器１０内に配置されたイオン１１源
と、イオン源１１から放出されたイオンを引出すイオン
ビーム引出し電極１２と、引出し電極１２により引出さ
れたイオンビームから所定のイオン種を選択する分析マ
グネット１３と、分析マグネット１３により選択された
イオンビームを減速する減速電極１４とを備えたイオン
ビーム照射装置において、減速電極１４の後段に、低エ
ネルギービームを反射し高エネルギービームを通過させ
る電界反射型レンズ２０を設け、このレンズ２０を介し
て得られる低エネルギー又は高エネルギーのイオンビー
ムを被処理基板３０に照射することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被処理基板に所定のイ
オンビームを照射して、成膜，エッチング，イオン注入
等の処理を行うイオンビーム照射装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、被処理基板に薄膜構成材料種を含
むイオンビームを照射して、該基板上に薄膜を堆積する
方法が提案されている。この方法で用いられるイオンビ
ーム照射装置は、一般に図１０に示すように構成されて
いる。

【０００３】プラズマイオン源１の直ぐ後ろに加速・減
速電極（イオンビーム引出し電極）２が配置され、ここ
でプラズマからビームを引出す。続いて、磁場型質量分
析分光器（分析マグネット）３により、所望のイオン種
のみを取出し、基板直前で減速電極４により減速して被
処理基板５に照射する。電位的には基板５をアースと
し、イオン源１を正のプラズマ電位とする場合が普通で
ある。

【０００４】分析マグネット３は、運動エネルギーが１
０ｋＶ以下のビームに対しては寸法が大きくなってしま
い実用的でないことから通常、ビームエネルギーは１０
ｋＶ以上に加速して使用する。このため、引出し電極２
から基板直前の減速電極４までの長いラインに渡って、
ビームは高いエネルギーを持った状況にある。この間に
電荷を持ったイオンビームが雰囲気中の中性粒子と電荷
交換したり、或いはビームの一部が側壁やスリットに衝
突して中性化すると、基板直前での電場による減速はな
されず、高いエネルギーを持ったままイオンビームが基
板５に叩き込まれる。

【０００５】このような高エネルギー粒子は基板や堆積
した膜中に欠陥を導入したり、基板や堆積した膜をスパ
ッタする等の問題を引き起こす原因となる。電荷交換の
断面積はビームエネルギーが数百ｅＶ以上になると特に
大きくなるので、エネルギーの高い間の真空度は重要な
ポイントとなる。

【０００６】なお、イオンビームが雰囲気中のガスと電
荷交換して中性化する様子は、雰囲気の真空度で決定さ
れる平均自由行程から見積ることができる。図１１はビ
ーム長を１ｍとした場合の真空度と中性化の割合を示し
たもので、横軸は真空度、縦軸はイオンビーム量と中性
化した粒子量の比を表している。例えば、１０^-6Torrで
はおおよそ０．０１％が中性化するので、極僅かである
が引出したビームの一部が高速のまま基板に照射される
ことになる。

【０００７】従来、これらの問題に対しての対策とし
て、ビームラインの真空度を極力上げる努力がなされて
いる。即ち、大型のポンプを使って差動排気したり、ビ
ームラインの側壁を液体窒素で冷却して雰囲気中のガス
をトラップする等の方式が取られている。また、図１０
に示すように偏向レンズ６を設け、イオンビームの軌道
を減速電極４の直前で曲げて、高エネルギーの中性粒子
とイオンビームを分離する対策も取られている。さら
に、減速電極系に３００ガウス程度の磁場をイオンビー
ムの進行方向に対し垂直に与えて、発生した高エネルギ
ーの２次電子をドリフトさせる試みもなされている。

【０００８】しかしながら、これらの方法はいずれも減
速電極の前段での処理であるため、偏向電極から減速電
極までの間で電荷交換した中性粒子の影響は避けること
ができない。逆に、偏向レンズを減速電極の後段に設置
すると、減速されたビームは空間電荷効果により広がる
と共に、エネルギー分布もより不均一となるため、ビー
ムの集束性が悪くなる。このため、十分な成膜速度を得
ることができないばかりか、超高真空の雰囲気であって
も膜中への不純物の混入は多くなる等の不都合が生じ
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来のイ
オンビーム照射装置においては、中性化したイオンビー
ムが減速されずに被処理基板に照射され、低エネルギー
ビームのイオンと共に高エネルギーの粒子が基板に叩き
込まれる。これを防止するために減速電極の前段又は後
段に偏向レンズを設けても、減速電極の前段では偏向レ
ンズから減速電極までの間で中性化したビームに対して
は効果がなく、また減速レンズの後段ではビームの集束
性が悪くなる問題があった。つまり、イオンビームの集
束性を維持し、低エネルギービームと高エネルギービー
ムを確実に分離して被処理基板に照射することは困難で
あった。

【００１０】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、イオンビームの集束性
の低下を招くことなく、低エネルギービームと高エネル
ギービームとを確実に分離することができ、面光源であ
るイオンビームを被処理基板上で集束させて照射するこ
とのできるイオンビーム照射装置を提供することにあ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の骨子は、電界反
射型のレンズを用いることにより、減速された低エネル
ギーのイオンビームと減速されなかった高エネルギーの
ビームとを分離して取出すことにある。

【００１２】即ち本発明は、真空容器内に配置されたイ
オン源と、このイオン源から放出されたイオンを引出す
イオンビーム引出し電極と、この引出し電極により引出
されたイオンビームから所定のイオン種を選択する分析
マグネットと、この分析マグネットにより選択されたイ
オンビームを減速する減速電極とを備えたイオンビーム
照射装置において、減速電極の後段に、低エネルギービ
ームを反射し高エネルギービームを通過させる電界反射
型のレンズを設け、このレンズを介して得られる低エネ
ルギー又は高エネルギーのビームを被処理基板に照射す
ることを特徴とする。

【００１３】

【作用】本発明によれば、減速電極の後段に電界反射型
のレンズを設けているので、減速レンズを介して得られ
るイオンビームを、減速された本来のイオンビーム（低
エネルギービーム）と中性化した高速のビーム（高エネ
ルギービーム）とに分離することができる。即ち、減速
されたビームはレンズにおける電界により反射される
が、高速のビームはレンズを通過することになり、この
反射と通過を利用することにより、低エネルギービーム
と高エネルギービームとを分離することができる。

【００１４】従って、ビームラインで中性化したイオン
ビームが減速されずに被処理基板に照射され、高いエネ
ルギーを持ったまま基板に叩き込まれる等の不都合を防
止することができる。また、偏向レンズを用いる方法と
は異なり、ビームの集束性が悪くなる問題もない。ま
た、低エネルギービームと高エネルギービームを分離す
ることができることから、高エネルギービームのみを取
出して被処理基板に照射することも可能となる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の詳細を図示の実施例によって
説明する。（実施例１）

【００１６】図１は、本発明の第１の実施例に係わるイ
オンビーム照射装置を示す概略構成図である。図中１０
は真空容器であり、この容器１０内にはイオン源１１が
設置されている。イオン源１１から放出されたイオン
は、加速・減速電極（イオン引出し電極）１２により引
出され、ビームの広がりが平行ビームに修正される。引
出されたイオンビームは、磁場型質量分析分光器（分析
マグネット）１３により所望のイオン種が選択され、選
択されたイオンビームのみが減速電極１４を通して取出
される。

【００１７】ここまでの基本構成は従来装置と同様であ
るが、本実施例ではこれに加え、減速電極１４の後方の
成膜室内に電界反射型レンズ２０を設置している。そし
て、このレンズ２０により低エネルギービームのみを反
射して被処理基板３０に照射するものとなっている。な
お、図中１５は真空容器１０に接続されたビームライ
ン、１６はビームラインの終端部側壁周辺に配置された
ファラデーカップ、１７は被処理基板３０に金属分子等
を供給するためのクヌッセンセル、１８は基板３０及び
クヌッセンセル１７等を収容した成膜室、１９はイオン
源１１にガスを供給するためのＡｒガスボンベを示して
いる。また、図には示さないが、各電極には従来装置と
同様に所定の電圧が印加されるものとなっている。

【００１８】電界反射型レンズ２０の具体的構造と使用
する材料について、図２を用いて説明する。図中の２枚
の同心円状の曲面レンズ２１，２２がレンズ系を構成し
ている。曲面レンズ２１，２２は絶縁材２３により電気
的に分離され、支持体２４に固定されている。この支持
体２４はＸ−Ｙステージ２５に接続されて、２次元方向
に移動可能となっている。曲面レンズ２１は接地電位と
し、曲面レンズ２２は正の電位とする。これら曲面レン
ズ２１，２２の材料はスパッタ収量，２次電子放出率が
小さく、しかも蒸気圧の低い材料が良く、加工し易いこ
とも考慮にいれると、例えばグラファイトが適切であ
る。

【００１９】曲面レンズ２１，２２は反射しようとする
イオンビームエネルギーよりも大きなエネルギーを持つ
イオンや粒子が通過できるように中央付近に穴を開けて
おくか、或いは耐蝕性の高いステンレス鋼製のメッシュ
状電極とするとよい。穴の場合には、穴の大きさを一様
とせずにテーパを付けて、通過ビームとの接触面積をで
きるだけ小さくすることが望ましい。これは、接触面が
小さいほど、２次電子の放出による電場の乱れが少な
く、また表面の汚れに起因する電場の乱れも避けられる
ためである。

【００２０】曲面レンズ２１，２２間の電界強度は、反
射しようとするイオンビームのエネルギーによって決定
する。電界強度の値はレンズ２１，２２間の距離と曲面
レンズ２２の電位によって決定されるので、これらの値
には自由度を持たせることが望ましい。例えば、大きめ
の電源を用意して印加電位を自由に変えたり、レンズ２
１，２２間の距離を真空容器の外から操作して変更でき
るような機構が付加されていることが望ましい。

【００２１】電界反射型レンズ２０の焦点は曲面レンズ
２１，２２の曲率半径に依存する。半径の不均一は焦点
のボケと電場の乱れの原因となるので、加工精度はでき
るだけ高く取る。電界反射型レンズ自体はレンズの中心
とイオンビームの中心とをずらして反射ビームが入射ビ
ームから外れたところに焦点を結ぶように設置する。こ
れにより図３に示すように、低エネルギーのビームはレ
ンズ２０で反射し、高エネルギーのビームはレンズ２０
を通過するようにする。

【００２２】通常、１０ｋｅＶ以上の電界で引出された
イオンビームは分析マグネット１３で所定のイオン種が
選択された後、基板直前まで導かれ、ここで減速電極１
４の電界によって減速される。減速されたビームは電界
反射型レンズ２０の曲面レンズ２１のアース電位に向か
って進み、この曲面レンズ２１とその後方の曲面レンズ
２２による電界によって、反射される。反射におけるイ
オンビーム軌道のおおよそは簡単な近軸軌道計算によっ
て求められる。

【００２３】下記に示す（表１）は、電界反射型レンズ
２０に向かって集束するＡｒ⁺ イオンビームの速度と集
束の立体角及び電界強度，焦点距離の関係をまとめたも
のである。この表のように反射ビームの集束点は反射電
界への入射ビームの集束性に依存する。エネルギーが反
射電界よりも大きいものは単に軌道が曲げられる程度
で、基本的には反射されずに曲面レンズ２２を通過して
いくことになる。

【００２４】

【表１】

【００２５】次に、本実施例装置を用いて実際に成膜し
た例について述べる。成膜室１８内の真空度を１×１０
^-11 Torrにし、Ａｌ分子線とＮ₂ ⁺ イオンビームを併用
してＳｉ基板上にＡｌＮを成膜し、膜質と成膜条件の関
係を検討した。プラズマフィラメント型のイオン源１１
に流量２．０sccmのＡｒガスを供給してプラズマを生起
し、引出し電極１２により、イオンを引き出した後、分
析マグネット１３でＡｒ₂ ⁺ を選択し、減速電極１４に
より減速し、さらに反射型レンズ２０で低エネルギーの
ビームだけを反射し、基板３０上に集束して照射する。
反射型レンズ２０の後方にも基板３０′をセットし、反
射型レンズ２０を通り抜けた粒子が基板３０′に入射す
るようにしてある。

【００２６】アルミニウムを５cc入れたクヌッセンセル
１７を１０００℃に加熱して、Ａｌ分子線を同時に基板
３０及び３０′に照射する。プラズマの電位は１００
Ｖ、基板３０，３０′及び電界反射型レンズ２０の曲面
レンズ２１の電位はアース、曲面レンズ２２は１００Ｖ
となっている。このようにして４５分間成膜した後の基
板３０及び３０′について、表面からの深さ方向のオー
ジェ分析の結果を図４及び図５に示す。

【００２７】図４は、反射型レンズ２０の後方の基板３
０′におけるオージェ分析結果であり、（ａ）の各点
Ａ，Ｂ，ＣにおけるＡｌ，Ｎの膜厚方向における量を
（ｂ）に示している。同様に、図５は反射型レンズ２０
の前方の基板３０におけるオージェ分析結果であり、
（ａ）の各点Ａ′，Ｂ′におけるＡｌ，Ｎの膜厚方向に
おける量を（ｂ）に示している。これらの図から明らか
なように、反射型レンズ２０の後方の基板３０′ではビ
ームライン内径にほぼ相当する大きさの領域ではＡｌの
堆積が見られず、Ｎ₂が数１０ｎｍの深さまで侵入して
いることが分かる。これは、高いエネルギーを持った粒
子がＡｌ，Ｓｉをスパッタすると共に、基板内部に注入
されているからである。これに対し、反射型レンズ２０
で反射されたビームにより成膜されたものはＡｌとＮが
ほぼ１：１の割合で存在していることが分かる。

【００２８】このように本実施例によれば、減速電極１
４の後段に図２に示す構造の電界反射型レンズ２０を設
置しているので、減速電極１４にて減速された低エネル
ギーのイオンビームのみを反射して被処理基板３０に照
射させることができる。このため、ビームラインで中性
化したイオンビームが減速されずに高いエネルギーを持
ったまま基板３０に叩き込まれる等の不都合を防止する
ことができ、良質の薄膜を製造することが可能となる。
また、偏向レンズを用いる方法とは異なり、ビームの集
束性が悪くなる問題もなく、基板３０に低エネルギーの
イオンビームを集束して照射することができる。（実施例２）

【００２９】実施例１の装置を改良し、減速電極１４の
手前でビームラインを５度曲げて、高速の中性粒子の侵
入を避け、成膜を行った。反射型レンズ２０の手前と後
方の基板上に堆積した膜の電気抵抗分布を測定した結果
を、図６に示す。図中○印はは手前に配置したもの、□
は後方に配置したものを示している。

【００３０】両者を比較すると、後方に設置した基板３
０′の膜の抵抗は前方に設置した基板３０の膜より低
く、また、抵抗の大きい領域が前方の膜に比べ広いこと
が分かる。これは、反射電界により反射されたビームは
通過するビームよりも、エネルギー半値幅が小さく、さ
らにビームの断面径が小さいことに起因していると思わ
れる。このように反射電界を使用した方が従来のビーム
ラインを曲げる方法よりも優れた性質を持つ膜の作成が
可能であることが分かる。（実施例３）

【００３１】実施例２における装置のビームのエネルギ
ー分布を、同軸円筒型静電分光器を用いて測定した。１
００Ｖのプラズマ電位からＡｒ₂ ⁺ を引出し減速して、
中心径５ｃｍ、電極幅１ｃｍ、入口及び出口のスリット
径１ｍｍ、出口にはファラデーカップをセットし、電界
強度９０Ｖ／ｃｍから１１０Ｖ／ｃｍに変えて分析を行
った。その結果を、図７に示す。反射電界レンズ２０の
後方と前方を比較すると、エネルギーに大きな差が認め
られ、反射電界レンズ２０の前方の方が小さいことが分
かる。（実施例４）この実施例は、先の第１〜第３の実施例と
は異なり、イオンビームライン側壁の形状を工夫し、高
エネルギービームの影響をなくしたものである。

【００３２】図８は、基板３０からビームラインへの方
向に、スリットにより制限された立体角αとこの立体角
に含まれる領域Ａを示している。いま、領域Ａ内のビー
ムライン側壁に侵入するイオンビームは側壁で電荷を失
い中性化し、反射して基板に直接侵入する可能性が高
い。これを避けるための手段として、次のような構成を
採用した。

【００３３】(1) ビームラインを２重構造とし、内側を
多孔質状或いはメッシュ状の電極とし、その外側の電極
とでレンズを形成して、メッシュ状電極を通過したイオ
ンビームの軌道を偏向し、領域Ａの外側で反射させる。 (2) 内側の電極表面に凹凸を作り、乱反射して基板に侵
入する確率を減少せしめる。 (3) 反射させた後に、(1) のように軌道偏向する方法に
よって、基板への侵入を避ける。

【００３４】ビームラインの２つの電極の電位は、ビー
ム軌道を偏向するための重要なパラメータである。その
値は、侵入するイオンビームの運動エネルギー，侵入す
る角度，侵入位置に依存する。これらの値は、成膜中の
様々な条件によって随時変わるので、電極の電位は可変
できるものとする。最適な条件を見出すためには、図中
のＢで示したように領域Ａから外れたところの電極のイ
オン電流をモニタし、この値が最大になるように調整す
る。内側のレンズの材料はスパッタ収率の低いこと、２
次電子放出率が小さいこと、さらに蒸気圧が低く加工性
の良いものがよく、例えばグラファイトが適当である。
図９は、本実施例に係わるイオンビーム照射装置を示す
概略構成図である。なお、図１と同一部分には同一符号
を付して、その詳しい説明は省略する。

【００３５】分析マグネット１３の出口から減速電極１
４までのビームライン１５の側壁を２重構造とし、内側
にステンレス鋼製のメッシュ電極４１を設置した。外側
の側壁の減速電極１４に近いところには、ファラデーカ
ップ１６を設置した。また、基板３０の直前にシャッタ
４２を設置した。

【００３６】上記の装置を用い、３インチのシリコン基
板３０上にＺｎＯ：Ｚｎ半導体蛍光体を厚さ５μｍ塗布
し、これを基板ホルダーに備え付け、ビーム観察に用い
た。プラズマフィラメント型のイオン源１１のプラズマ
電位を８０Ｖとし、イオン源１１から−２０ｋＶでイオ
ンを引き出し、分析マグネット１３によりＡｒ₂ ⁺ を選
択して基板３０に導いた。基板直前のシャッタ４２に流
れ込む電流は４０μＡであった。

【００３７】基板３０の電位を１００Ｖとし、基本的に
は８０ｅＶのイオンビームは反射され基板３０には到達
しないようにして、基板表面の蛍光体の発光を観察し
た。２重構造としたビームライン１５の外側の側壁の電
位を種々変え、そのときの側壁の端にあるファラデーカ
ップ１６に流れ込むイオン電流と基板３０上の蛍光体の
発光を定性的に下記（表２）にまとめた。

【００３８】

【表２】

【００３９】この表が示すように、外側の電位を偏向す
ると発光強度とファラデーカップ１６に流れ込む電流が
変化し、ファラデーカップ１６に流れ込む電流が小さい
ほど発光強度が強くなる傾向が認められた。即ち、２重
構造の電位を適切に設定することによって、ビームライ
ン１５の側壁で中和されて生じる中性粒子や発生する２
次電子の基板３０への侵入を抑えることが可能となって
いることが分かる。

【００４０】このように本実施例によれば、ビームライ
ン１５の側壁に衝突して発生する高速の２次電子や側壁
での中性化により発生する高速中性粒子の基板３０への
侵入を十分に抑えることができ、エネルギー分布の半値
幅の小さな質の良いイオンビームの照射が可能となる。

【００４１】なお、本発明は上述した各実施例に限定さ
れるものではない。実施例では、イオンビームを成膜に
用いたが、エッチングやイオン注入に用いることもでき
る。また、実施例では電界反射型レンズを反射して減速
されたイオンビームを利用したが、逆に電界反射型レン
ズを通過したイオンビームを利用することも可能であ
る。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変
形して実施することができる。

【００４２】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、減
速電極の後段に電界反射型レンズを設置することによ
り、減速された低エネルギーのイオンビームと減速され
なかった高エネルギーのイオンビームとを分離して取出
すことができ、イオンビームの集束性の低下を招くこと
なく、低エネルギービームと高エネルギービームとを確
実に分離し、いずれかのイオンビームを面光源であるイ
オンビームを被処理基板上で集束させて照射することが
可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係わるイオンビーム照
射装置を示す概略構成図、

【図２】第１の実施例に用いた電界反射型レンズの具体
的構成を示す斜視図、

【図３】電界反射型レンズによるビームの偏向状態を示
す模式図、

【図４】第１の実施例における薄膜の組成分析結果を示
す特性図、

【図５】第１の実施例における薄膜の組成分析結果を示
す特性図、

【図６】第２の実施例における薄膜の電気抵抗分布を示
す特性図、

【図７】第３の実施例におけるビームエネルギー分布を
示す特性図、

【図８】第４の実施例におけるビームラインの構成を示
す断面図、

【図９】第４の実施例に係わるイオンビーム照射装置を
示す概略構成図、

【図１０】従来のイオンビーム照射装置を示す概略構成
図、

【図１１】ビームラインにおける真空度と中性化の割合
を示す特性図。

【符号の説明】

１０…真空容器、１１…イオン源、１２…イオン引出し電極、１３…磁場型質量分析分光器（分析マグネット）、１４…減速電極、１５…ビームライン、１６…ファラデーカップ、１７…クヌッセンセル、１８…成膜室、１９…Ａｒガスボンベ、２０…電界反射型レンズ、２１，２２…曲面レンズ、２３…絶縁材、２４…支持体、２５…Ｘ−Ｙステージ、３０…被処理基板。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 21/302 Ｄ 7353−4Ｍ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空容器内に配置されたイオン源と、この
イオン源から放出されたイオンを引出すイオンビーム引
出し電極と、この引出し電極により引出されたイオンビ
ームから所定のイオン種を選択する分析マグネットと、
この分析マグネットにより選択されたイオンビームを減
速する減速電極と、この減速電極を通して得られるイオ
ンビームのうち、低エネルギービームを反射し高エネル
ギービームを通過させる電界反射型レンズとを具備して
なり、前記電界反射型レンズを介して得られる低エネルギービ
ーム又は高エネルギービームを被処理基板に照射するこ
とを特徴とするイオンビーム照射装置。
【請求項２】前記イオンビームが輸送されるビームライ
ンの側壁を、該側壁に侵入したイオンビームが乱反射す
るように、メッシュ状，多孔質状又は凹凸状に加工して
なることを特徴とする請求項１記載のイオンビーム照射
装置。