荷電粒子引出照射機構
【課題】照射されるイオンに金属不純物の混入することのない荷電粒子引出照射機構を提供する。
【解決手段】誘導結合プラズマ型のプラズマ発生手段により、プラズマ生成室２００内に誘導結合プラズマを励起し、被処理体１２０にイオンでプラズマ処理を施す荷電粒子引出照射機構１であって、誘導結合プラズマから被処理体に向けて、誘導結合プラズマを引出し制御する複数の多孔電極１０、２０、３０、４０が、相互に離隔して平行に配置されており、かつ、全ての多孔電極がカーボン材料で構成されている。
【解決手段】誘導結合プラズマ型のプラズマ発生手段により、プラズマ生成室２００内に誘導結合プラズマを励起し、被処理体１２０にイオンでプラズマ処理を施す荷電粒子引出照射機構１であって、誘導結合プラズマから被処理体に向けて、誘導結合プラズマを引出し制御する複数の多孔電極１０、２０、３０、４０が、相互に離隔して平行に配置されており、かつ、全ての多孔電極がカーボン材料で構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被処理体に対して荷電粒子を照射する荷電粒子引出照射機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、半導体素子、集積回路、太陽電池等に用いられる基板の微細加工においては、被処理体として基板自体又は基板上に所望の被膜が配された物品の表面に対して、イオン源からイオンビームを照射する装置が用いられている。
【０００３】
イオンビームを照射する装置においては、プラズマ生成室で生成されたイオンを、多孔電極によってイオンビームとして引き出し、イオンビーム輸送部に導いている。
【０００４】
多孔電極はタングステン、モリブデン、チタン、ＳＵＳ等の融点の高い金属材料で形成されているが、イオンビームの通過に際し、電極にビームが衝突した場合、不純物としてのスパッタ粒子が発生しやすく、照射されるイオンにこれら不純物が混入する恐れがあるという問題があった（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−３６３５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、このような従来の実情に鑑みてなされたものであり、誘導結合プラズマ型のプラズマ発生手段により、プラズマ発生室内に誘導結合プラズマを励起し、プラズマ処理室内の被処理体にイオンでプラズマ処理を施す荷電粒子引出照射機構において、誘導結合プラズマを引出し制御する、複数の多孔電極をカーボンまたはシリコン材料で形成することで、照射されるイオンに金属不純物の混入することのない荷電粒子引出照射機構を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するために、請求項１記載の荷電粒子引出照射機構は、減圧雰囲気に保たれる第一内部空間を有し、前記第一内部空間内に被処理体を収容してプラズマ処理を施す処理室と、減圧雰囲気に保たれる第二内部空間を有し、前記第一内部空間に連通する第二内部空間内に原料ガスを供給する手段を有し、前記原料ガスからなるプラズマを発生させる生成室と、前記生成室の一部壁を構成する誘電体壁と、前記生成室外の前記誘電体壁に対応する部分に面して配置された高周波導入コイルと、を備え、前記高周波導入コイルに高周波電力を供給することにより、前記生成室内に誘導結合プラズマを励起し、前記被処理体に対してイオンを用いてプラズマ処理を施す荷電粒子引出照射機構であって、前記第一内部空間には、前記第二空間内の前記誘導結合プラズマから前記被処理体に向けて、前記誘導結合プラズマを引出し制御する複数の多孔電極が、相互に離隔して平行に配置されており、かつ、全ての多孔電極がカーボンまたはシリコン材料からなる、ことを特徴とする。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記多孔電極はそれぞれ、前記誘導結合プラズマから前記被処理体に向けて順に、プラズマの電位安定機能を有する第一電極、プラズマの引き出しおよび加速機能を有する第二電極、プラズマの逆流防止機能を有する第三電極、電位基準形成機能を有する第四電極、として配置されている、ことを特徴とする。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２において、前記複数の多孔電極の熱膨張率がα以上β以下である、ことを特徴とする。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項において、前記多孔電極は荷電粒子を通過させる貫通小孔を有し、前記第一電極、前記第二電極、前記第三電極および前記第四電極を構成する貫通小孔は各々、共通の中心軸に沿って配されている、ことを特徴とする。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか１項において、前記第一電極、前記第二電極、前記第三電極を構成する貫通小孔が、荷電粒子の通過下流側に向かって順に拡径し、前記第三電極と前記第四電極を構成する貫通小孔が、同径とされている、ことを特徴とする。
【００１２】
請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれか１項において、前記第一電極の貫通小孔が、荷電粒子通過下流側に向かってテーパ状に拡径している、ことを特徴とする。
【００１３】
請求項７に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれか１項において、前記第一電極の貫通小孔が、荷電粒子通過下流側に向かって同径の筒体部と、荷電粒子通過下流側に向かって拡径したテーパ部とから構成されている、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、誘導結合プラズマ型のプラズマ発生手段により、プラズマ発生室内に誘導結合プラズマを励起し、被処理体にイオンでプラズマ処理を施す荷電粒子引出照射機構において、誘導結合プラズマを引出し制御する、複数の多孔電極をカーボンで形成することで、照射されるイオンに金属不純物の混入することがない荷電粒子引出照射機構を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る荷電粒子引出照射機構を示す概略断面図。
【図２】多孔電極の基本構成を表す概略断面図（ａ）、および、電極間の電位を示すグラフ（ｂ）。
【図３】多孔電極における貫通小孔の中心軸からのずれ量とイオンビーム通過効率の関係を示すグラフ（ａ）、および、電極中央部（軸）からの距離と電位勾配の関係を示すグラフ（ｂ）。
【図４】電極材料の熱膨張率の温度依存性を示すグラフ。
【図５】各多孔電極間における貫通小孔の関係および貫通小孔の断面形状を示す概略断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
次に図面を参照しながら、本発明の実施の形態の具体例としての実施例を説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
また、以下の図面を使用した説明において、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきであり、理解の容易のために説明に必要な部材以外の図示は適宜省略されている。なお、以後の説明の理解を容易にするために、図面において、イオンビームの照射方向をＺ軸方向、イオンビームの照射方向と直交する方向をＸ軸方向及びＹ軸方向とする。
【００１７】
（１）荷電粒子引出照射機構の概略構成
図１は、本発明に係る荷電粒子引出照射機構の概略断面図である。荷電粒子引出照射機構１は、第一内部空間内に被処理体１２０を支持する被処理体支持台１１０が配置されているプラズマ処理室１００と、第二内部空間内にプラズマ原料ガスを供給するプラズマ原料ガス供給手段と、プラズマ原料ガスからなるプラズマを発生させ、プラズマを空間的に均一に保持する内部空間とから構成されるプラズマ生成室２００が、第一電極（プラズマ電位安定電極）１０、第二電極（引出し・加速電極）２０、第三電極（抑制電極）３０、第四電極（接地電極）４０から構成される複数の多孔電極により、連通するように分離されて構成されている。プラズマ生成室２００は、その上部に誘電体壁３００を備え、誘電体壁３００の大気側にプラズマ生成手段を備えている。プラズマ生成室２００及びプラズマ処理室１００は、高真空に真空引きできる真空ポンプ等の排気装置（不図示）が接続され、所定の真空雰囲気に設定、維持されている。また、プラズマ生成室２００とプラズマ処理室１００とは、絶縁体によって絶縁して連結されている。
【００１８】
プラズマ生成手段は、プラズマ生成室２００の大気側一部壁を構成する誘電体壁３００と、高周波導入コイル３１０と、永久磁石３２０とから構成されている。誘電体壁３００は石英等の誘電体で形成されて、プラズマ生成室２００の天井を形成している。誘電体壁３００の下側部分には、プラズマ原料ガスのガス流路及びガス吐出孔が形成されたプラズマ原料ガス供給手段が配置され、プラズマガス流路に連通するプラズマ供給菅２１０は、誘電体壁３００からその外部へ貫通し、プラズマ原料ガス供給系（不図示）に接続されている。誘電体壁３００上部に面して配置された高周波誘導コイル３１０には高周波電源が接続され、高周波電源からは誘導電界形成用の高周波電力が供給される。
【００１９】
プラズマ処理室１００には、プラズマ生成室２００と複数の多孔電極を挟んで対抗するように、被処理体である基板や一定のテクスチャーが形成された基体等を載置して支持するための被処理体支持台１１０が配置されている。被処理体支持台１１０は導電性材料で構成され、被処理体１２０を固定保持するための、例えば静電チャック等の固定手段を備えている。
【００２０】
（２）多孔電極の構成
図２（ａ）は、４枚電極方式の多孔電極の基本構成図を示す。４枚の多孔電極は、プラズマ生成室２００やプラズマ処理室１００の内側面の形状に合わせた板状の電極であり、荷電粒子としてのイオンをイオン源から引き出し、イオンビームとして照射するために、Ｚ軸方向に多数の貫通小孔が形成され、イオン源の出口部からＺ軸方向に、第一電極（プラズマ電位安定電極）１０、第二電極（引出し・加速電極）２０、第三電極（抑制電極）３０、第四電極（接地電極）４０の順に配置されている。イオンビームは、イオン源のプラズマ生成室２００から、イオン源の出口部に配置された第一電極（プラズマ電位安定電極）１０、第二電極（引出し・加速電極）２０、第三電極（抑制電極）３０、第四電極（接地電極）４０によって引き出し、加速されて、イオンビーム輸送部に導かれる。
【００２１】
図２（ｂ）に、４枚電極方式における各電極間の電位を示す。第一電極（プラズマ電位安定電極）１０と第二電極（引出し・加速電極）２０には、加速電圧を決めるバイアス電位Ｖｐを印加する電源５０及び電源６０が接続され、第二電極（引出し・加速電極）２０にはＶｐに対して負のバイアス電位Ｖｅを印加する電源６０が接続され、第三電極（抑制電極）３０には負電位Ｖｓを印加する電源７０が接続されている。第四電極（接地電極）４０は接地されている。第一電極（プラズマ電位安定電極）１０に印加されるバイアス電位Ｖｐと、第二電極（引出し・加速電極）２０に印加されるバイアス電位Ｖｅとは、電源６０の分だけ第二電極（引出し・加速電極）２０が低くバイアスされ、さらに第三電極（抑制電極）３０は、負電位Ｖｓを印加されているため、イオン源の出口部から引き出されたイオンビームは、上記電極系内の電位勾配によって引き出し、加速される。また、第三電極（抑制電極）３０は、第四電極（接地電極）４０に対して、負電位にバイアスされていることから、プラスに帯電したイオン源、第一電極（プラズマ電位安定電極）１０に、エネルギーを持った電子が吸引され、加熱されないように電子を跳ね返している。
なお、本実施例は、陽イオンを引き出し、加速、輸送する場合の各電極間のバイアス電位関係を説明したが、陰イオン源に対してはバイアス電圧の正負を反対にかければよい。
【００２２】
本発明に係る荷電粒子引出照射機構１の多孔電極である第一電極（プラズマ電位安定電極）１０、第二電極（引出し・加速電極）２０、第三電極（抑制電極）３０、第四電極（接地電極）４０は、各電極が相互に離隔して平行に配置されている。また、各々の多孔電極には、イオンビームを通過させるため、互いに連通し、その中心軸を共有するように、多数の貫通小孔が形成されている。
【００２３】
荷電粒子引出照射機構１は、イオンの引き出し、加速のために、一定のバイアス電圧が印加された多孔電極を備えているが、電極には、導電性をはじめ高純度性、化学的安定性などの特性が必要とされており、従来は、主としてタングステン、モリブデン、チタン、ＳＵＳ等の融点の高い金属材料が用いられていた。一方、金属材料からなる電極は、化学的安定性が不十分であるうえに、材質純度を高めるには一定の限界があり、イオンビームにより、金属中の不純物が、スパッタとして発生しやすい。
【００２４】
本発明に係る荷電粒子引出照射機構１の多孔電極である第一電極（プラズマ電位安定電極）１０、第二電極（引出し・加速電極）２０、第三電極（抑制電極）３０、第四電極（接地電極）４０はカーボン材料、もしくは膨張率が少なく、導電性のある材料、たとえばカーボン繊維にアルミを含浸させた複合材料、カーボンを主体とした複合材、カーボンコンポジット材、グラッシーカーボン、低抵抗シリコン材料、ＳｉＣ、シリコンを主体とした複合材などで形成されているために、イオンビームの衝突による不純物スパッタの発生がない。
【００２５】
次に、図３（ａ）、（ｂ）を参照しながら、多孔電極に使用するカーボンまたはシリコン材料について説明する。プラズマ生成室２００の内壁の表面温度は５０℃〜５００℃の高温になることから、プラズマ生成室２００の出口部に面して配置された多孔電極は、この高温のプラズマに曝されるため、プラズマからの輻射熱により表面温度が上昇する。プラズマの温度はその生成方法や生成条件に依存するが、プラズマに面する第一電極１０が最も高温となり、高温となった多孔電極は熱膨張しやすい。一方、第一電極１０を除く、第二電極２０、第三電極３０、第四電極４０は、第一電極１０に比較してプラズマからの輻射熱の影響を受けにくい。
【００２６】
例えば、プラズマとしてボロンイオン等の陽イオンを生成、照射する場合は、プラズマ生成室２００の出口部に面して配置された第一電極１０は、５０℃〜５００℃の表面温度になるが、第二電極２０、第三電極３０、第四電極４０のそれぞれの表面温度は３０℃〜３００℃に留まる。
【００２７】
このように、各電極間の表面温度に差が発生した場合、それぞれの電極の熱膨張が異なり、或いは、熱膨張に差が発生し、高温となった各電極は外周部で固定されているため、各電極表面に平行なＸ軸方向、Ｙ軸方向に伸びることができず、Ｚ軸方向に変形する。その結果、電極中央部と外周部とでは、電極間距離に差が発生し、電極間の電位勾配が不均一となってしまうとともに、各電極間のＺ軸方向の貫通小孔の中心軸がＺ軸方向に一致しなくなる。
【００２８】
図３（ａ）には、各電極間における貫通小孔の中心軸のずれに対する、通過するイオンビームの通過効率の実験例を示す。イオンとしてＰ３１を含むイオンを使用し、多孔電極の貫通小孔径は、第一電極１０、第二電極２０、第三電極３０、第四電極４０の順に、それぞれ、φ２．０ｍｍ、φ２．５ｍｍ、φ３．０ｍｍ、φ３．０ｍｍに穿設した。イオンビームの通過効率としては、被処理体の処理効率の観点から、２０％以上が望まれ、各電極間における貫通小孔の中心軸のずれは３００μｍ以下に維持する必要がある。
【００２９】
図３（ｂ）には、電極間距離と電位勾配の関係を示す。電位勾配の差が中央部と外周部との間で、０．１ｋｖ／ｍｍ以上発生すると、被処理体における照射イオンの分布均一性に影響が発生する。
【００３０】
図４には、電極材料の熱膨張率の温度依存性を示す。多孔電極の材料として、モリブデンを使用した場合の熱膨張率は、常温付近では２ｐｐｍ／℃に近いが、５０℃以上の高温領域では６ｐｐｍ／℃程度まで上昇する。一方、カーボンまたはシリコン材料の場合は、５０℃〜５００℃の全温度領域で、０ｐｐｍ／℃〜２ｐｐｍ／℃の低い値を有している。
【００３１】
大きさがφ３００ｍｍ、板厚が２ｍｍ、形成される多数の貫通小孔の間隔が４ｍｍの多孔電極において、熱膨張率が５×１０−６／℃以下であれば、第一電極１０における貫通小孔と、第二電極２０、第三電極３０、第四電極４０における貫通小孔との、中心軸のずれは３００μｍ以下に維持され、イオンビームの通過を均一に維持することができた。多孔電極の材料としては、導電性、高純度性、化学的安定性などの特性に優れた、カーボン板材であり、熱膨張率として５×１０−６／℃以下の材料が好適である。
【００３２】
ただし、多孔電極に必要な機械的特性や耐熱特性上、一定の耐熱衝撃性が要求され、耐熱衝撃性はカーボンまたはシリコン材料のヤング率及び熱膨張率に反比例するので、多孔電極としての機能を維持する弾性は考慮する必要がある。
【００３３】
したがって、多孔電極材料として、熱膨張率が５×１０−６／℃以下であるカーボンまたはシリコン材料を用いることで、各電極間における貫通小孔の中心軸のずれを抑制し、貫通小孔にイオンビームが偏って当り、イオン通過効率が低下したり、貫通小孔の摩耗や付着する堆積物の増大を防止することができる。
【００３４】
多孔電極を形成するカーボン材料として、ガラス状カーボン板材を使用した。ガラス状カーボン板材は、三次元網目状のガラス質構造を呈していることから、貫通小孔をイオンビームが通過する際に、組織からパーティクルが脱落することがなく、多孔電極材として好適である。本実施の形態における多孔電極の多数の貫通小孔を穿設する方法としては、ドリル等を用いて研削により形成する機械加工方法や、金属や黒鉛材料からなる針状電極を用いた放電加工方法を用いることができるが、ガラス状カーボン板は、硬質でありながら破損しやすいガラス性質状を呈していることから、高精度で均質なイオンビーム通過が保証される貫通小孔を穿設する場合は、放電加工による穿設が好適である。
【００３５】
具体的には、銅等の金属あるいは高密度黒鉛材料からなる針状電極を用い、加工液を介して加工対象物であるカーボン板との間の放電の作用により、カーボン板の表面層を除去する加工方法であり、加工液中に針状電極と加工対象物であるカーボン板とを対向させ、高周波パルス電源を用いて電圧を与える毎にその隙間にスパークを発生させて、カーボン板の表面層を少しずつ除去しながら、貫通小孔を形成していく。
【００３６】
多孔電極の多数の貫通小孔を放電加工によって穿設した場合、内面が平滑性に優れ加工精度の高い貫通小孔を形成することができることから、イオンビームの高精度の通過を維持できる。
なお、多孔電極としては、全体がカーボンで形成されているガラス状カーボン板に限定されず、貫通小孔を含む表層部がカーボン薄膜で被覆された状態であれば、内部の支持部としては、一定の熱的特性、化学的特性及び機械的特性があれば良い。
【００３７】
図５（ａ）、（ｂ）を参照しながら、イオンビームを通過させる多孔電極の貫通小孔について具体的に説明する。多孔電極には、多数の貫通小孔が形成されている。各電極間のＺ軸方向のそれぞれ対応する貫通小孔の中心軸は一致して形成され、イオン源から引き出されたイオンは、各電極の貫通小孔を通過しながら、イオンビームとして加速され、輸送される。イオン源から引き出されたイオンビームは、多孔電極間内では静電レンズ作用でその発散が抑制されているが、複数の多孔電極の貫通小孔を通過することで、ビームエネルギーが小さくなり、空間電荷によりビームが広がりビーム損失が発生しやすい。本発明に係る多孔電極は、第一電極１０、第二電極２０、第三電極３０を構成する貫通小孔の孔径を、荷電粒子の通過下流側に向かって順に拡径し、第三電極３０と第四電極４０を構成する貫通小孔は、同一孔径として形成し、空間電荷効果によるビーム損失を抑制している。
【００３８】
本実施例においては、第一電極１０のイオン源の出口側の孔径を２．０ｍｍ、第二電極２０の孔径を２．５ｍｍ、第三電極３０の孔径を３．０ｍｍの円形に形成した。第三電極３０と第四電極４０の孔径は、それぞれ３．０ｍｍの同一孔径に形成した。貫通小孔の孔形状としては、円形に限定されず、他の形状、例えば矩形や多角形等に形成しても良い。
また、各多孔電極の孔径は、通過させるイオンの種類、被処理体の面積、多孔電極へのバイアス電圧印加条件等によって、適宜選択される。
【００３９】
なお、各多孔電極に形成した貫通小孔のイオン流入側及び流出側の孔の角部位２１、３１、４１は、Ｒ形状又はＣ面形状等の面取り形状としても良い。面取り形状は、貫通小孔の孔径により、適宜設定することができるが、孔径の５％〜３０％が好適である。各多孔電極における貫通小孔の穿設間隔は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向ともに、被処理体１２０の面積に対応して適宜設定することができる。
【００４０】
第一電極１０の貫通小孔は、荷電粒子通過下流側に向かってテーパ状に拡径している。均一な電流密度を得るため、より低い電圧でイオンを引き出すには、イオン源の出口に接する第一電極を極力薄くすることが望ましい。しかるに、プラズマ生成室の下部に設けられる第一電極の強度及びイオンの衝突による摩耗を考慮した場合は、電極としての板厚にも一定の制限が発生する。電極の板厚としては１ｍｍ〜５ｍｍの厚さが必要であり、貫通小孔をＺ軸方向に筒体状に形成すると、より低い電圧でのより均一な電流密度のイオンを引き出すことが困難になる。
【００４１】
本発明における第一電極１０の貫通小孔は、その断面形状をＺ軸方向下流側に向かってテーパ状１１に拡径して形成することで、電極としての強度を確保し、均一な電流密度のイオンを低エネルギーで引き出すことができる。なお、テーパ形状１１のテーパ角度は、貫通小孔のイオン導入側孔径、電極板厚及びバイアス印加電圧等によって適宜設定される。
【００４２】
また、図５（ｂ）には第一電極の貫通小孔の他の断面形状を示す。第一電極１０の貫通小孔は、イオン源の出口側から、Ｚ軸方向に向かって同一径の筒体部１２と、荷電粒子通過下流側に向かって拡径したテーパ部１１とから構成されている形状とすることもできる。円筒部のＺ軸方向の厚みは、薄いほうが、イオン源からのイオンの引き出し効率は高いが、特に円筒部が形成されていないエッジ状の場合は、イオン引き出し時にイオンの衝突で削れやすく、安定した引き出し孔を維持することが困難になる。
【００４３】
本実施例では、貫通小孔のイオン源の出口側の孔径を２．０ｍｍとした円筒として形成し、筒体部１２に続き、イオンの通過下流側に向かって、テーパ状に拡径して形成した。筒体部１２のＺ軸方向の厚みは、電極板の板厚に対して、１０％〜５０％が好ましく、更には、１０％〜３０％が好適である。
なお、ガラス状カーボン板材の板厚は、荷電粒子引出照射機構のプラズマ生成室２００及びプラズマ処理室１００の内側面積と、カーボン板材の弾性率等機械的特性を考慮して適宜設定される。
【００４４】
（３）荷電粒子引出照射機構の動作・作用
以下、本発明に係る荷電粒子引出照射機構の動作について説明する。
真空ポンプで一定の減圧雰囲気に保たれたプラズマ発生室に、被処理体に注入する不純物原子を含んだガスを導入する。そして、プラズマ発生手段を用いてプラズマを励起することにより、不純物原子をイオン化させる。
イオンは、半導体に使用されるドーピングガス、リン（Ｐ）を含む例えばＰＨ３ 、ＰＦ３ 、ＰＦ５ 、ＰＣ１３ 、ＰＣ１５ 、ＰＯＣ１３ などのガス、又はリン（Ｐ）を含む固体試料、液体試料をプラズマ化したときに生成されるＰ＋ 、Ｐ２＋、ＰＨ＋ などからなる陽イオン、もしくは分子イオン、または、ヒ素（Ａｓ）を含むＡｓＨ３ 、ＡｓＦ３ 、ＡｓＦ５ 、ＡｓＣ１３ 、ＡｓＣ１５ などから生成されるイオン又は分子イオン、同様にヒ素型構造を持つアンチモン（Ｓｂ）やビスマス（Ｂｉ）も含むガス又は固体試料、液体試料であって、ＳｂＨ３ 、ホウ素（Ｂ）を含むＢ２Ｈ６、ＢＦ３ 、ＢＣ１３ 、ＢＢｒ３ ガスから生成されるＢ＋ 、Ｂ２＋、Ｂ＋＋、ＢＨ＋ などのイオンである。
本発明に係る荷電粒子引出照射機構では、これらのイオンを質量分離せずにプラズマの圧力、投入電力、ガス量、永久磁石、電磁石等でプラズマ状態をコントロールすることで、イオンの比、例えばＰ＋ とＰ２＋との比を変えて荷電粒子を複数の多極電極で引き出し、加速する。
【００４５】
プラズマ生成室２００に励起されたイオンは、プラズマ発生室２００とプラズマ処理室１００の間に配置された多極電極で引き出し、加速されるが、イオン源の出口側に面して配置された第一電極（プラズマ電位安定電極）１０には、電源 及び電源 が接続されており、バイアス電位Ｖｐが印加される。低い電圧でビームを引き出すには、第一電極（プラズマ電極）の板厚を薄くする必要があるが、バイアス電位Ｖｐは比較的高い電圧、例えば３ｋｖが印加され、高い電圧での初期引き出しをし、かつ貫通小孔は、荷電粒子通過下流側に向かってテーパ状に拡径することで、電極の板厚を２ｍｍ〜５ｍｍとしている。
【００４６】
第二電極（引出し・加速電極）２０には電源６０が接続され、Ｖｐに対して負のバイアス電位Ｖｅが印加されるが、第一電極（プラズマ電極）１０から見た場合は負電位として設定されているために、プラズマ生成室内２００の陽イオンは、この第二電極（引出し・加速電極）２０に向かって、プラズマ側から引き出される。この第二電極（引出し・加速電極）２０に印加されるバイアス電位を調整することで、イオンの引き出し量、イオンビームの密度、イオンビームの集束と発散をコントロールすることができる。第二電極（引出し・加速電極２０の貫通小孔の孔径は、第一電極（プラズマ電極）の貫通小孔の孔径よりも拡径して形成されているため、空間電荷効果によるビーム損失を抑制している。
【００４７】
第三電極（抑制電極）３０には電源７０が接続され、負電位Ｖｓ、例えば−２ｋｖが印加され、第二電極（引出し・加速電極）２０と同様の引き出し効果を備えるとともに、第三電極（抑制電極）３０の下流側には接地された第四電極（接地電極）４０が配置されているために、プラスに帯電したイオン源、第一電極（プラズマ電極）１０に、エネルギーを持った電子が吸引され、加熱されないように電子を跳ね返している。なお、第三電極（抑制電極）３０の貫通小孔の孔径も、第二電極（引出し・加速電極）２０の貫通小孔の孔径よりも拡径して形成されているため、空間電荷効果によるビーム損失を抑制している。
【００４８】
第一電極（プラズマ電位安定電極）１０、第二電極（引出し・加速電極）２０、第三電極（抑制電極）３０、第四電極（接地電極）４０から構成される複数の多孔電極により、引き出し、加速されたイオンビームは、プラズマ処理室１００内で被処理体支持台１１０に支持された被処理体である基板や一定のテクスチャーが形成された基体等に注入される。
【００４９】
（４）作用・効果
本発に係る荷電粒子引出照射機構においては、多孔電極である第一電極（プラズマ電位安定電極）１０、第二電極（引出し・加速電極）２０、第三電極（抑制電極）３０、第四電極（接地電極）４０はカーボン材料で形成されているために、イオンビームの衝突による不純物スパッタの発生がなく、被処理体１２０に注入されるイオンを高純度に維持することができる。
【００５０】
また、多孔電極材料として、熱膨張率が５×１０−６／℃以下であるカーボンまたはシリコン材料を用いることで、各電極間における貫通小孔の中心軸のずれを抑制し、貫通小孔にイオンビームが偏って当り、イオン通過効率が低下したり、貫通小孔の摩耗や付着する堆積物の増大を防止することができる。
【００５１】
更に、イオン源から引き出されたイオンビームは、多孔電極間内では静電レンズ作用でその発散が抑制されているが、複数の多孔電極の貫通小孔を通過することで、ビームエネルギーが小さくなり、空間電荷によりビームが広がりビーム損失が発生しやすい。本発明に係る荷電粒子引出照射機構１における多孔電極は、第一電極（プラズマ電位安定電極）１０、第二電極（引出し・加速電極）２０、第三電極（抑制電極）３０を構成する貫通小孔の孔径を、荷電粒子の通過下流側に向かって順に拡径し、第三電極（抑制電極）３０と第四電極（接地電極）４０を構成する貫通小孔は、同一孔径として形成し、空間電荷効果によるビーム損失を抑制している。
【００５２】
また、第一電極（プラズマ電位安定電極）１０の貫通小孔は、その断面形状をＺ軸方向下流側に向かってテーパ状に拡径して形成することで、電極としての強度と均一な電流密度のイオンを低エネルギーで引き出すことができる。更に、第一電極（プラズマ電位安定電極）１０の貫通小孔を、イオン源の出口側から、Ｚ軸方向に向かって同一径の筒体部１２と、荷電粒子通過下流側に向かって拡径したテーパ部１１とから構成されている形状とすることで、イオン引き出し時にイオンの衝突による貫通小孔入口部の削れによる孔径の変化を抑制し、高いイオンの引き出し効率を安定して維持することができる。
【００５３】
以上、本発明の実施形態を詳述したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内で、種々の変更を行うことが可能である。
【符号の説明】
【００５４】
１ 荷電粒子引出照射機構、１０ 第一電極（プラズマ電位安定電極）、１１ 第一電極貫通小孔テーパ部、１２ 第一電極貫通小孔円筒部、２１、３１、４１ 貫通小孔角部位、２０ 第二電極（引出し・加速電極）、３０ 第三電極（抑制電極）、４０ 第四電極（接地電極）、５０、６０、７０ 電源、１００ プラズマ処理室、１１０ 被処理体支持台、１２０ 被処理体、２００ プラズマ生成室、２１０ 原料ガス供給菅、２５０ プラズマ、３００ 誘電体壁、３１０ 高周波導入コイル、３２０ 永久磁石。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被処理体に対して荷電粒子を照射する荷電粒子引出照射機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、半導体素子、集積回路、太陽電池等に用いられる基板の微細加工においては、被処理体として基板自体又は基板上に所望の被膜が配された物品の表面に対して、イオン源からイオンビームを照射する装置が用いられている。
【０００３】
イオンビームを照射する装置においては、プラズマ生成室で生成されたイオンを、多孔電極によってイオンビームとして引き出し、イオンビーム輸送部に導いている。
【０００４】
多孔電極はタングステン、モリブデン、チタン、ＳＵＳ等の融点の高い金属材料で形成されているが、イオンビームの通過に際し、電極にビームが衝突した場合、不純物としてのスパッタ粒子が発生しやすく、照射されるイオンにこれら不純物が混入する恐れがあるという問題があった（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−３６３５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、このような従来の実情に鑑みてなされたものであり、誘導結合プラズマ型のプラズマ発生手段により、プラズマ発生室内に誘導結合プラズマを励起し、プラズマ処理室内の被処理体にイオンでプラズマ処理を施す荷電粒子引出照射機構において、誘導結合プラズマを引出し制御する、複数の多孔電極をカーボンまたはシリコン材料で形成することで、照射されるイオンに金属不純物の混入することのない荷電粒子引出照射機構を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するために、請求項１記載の荷電粒子引出照射機構は、減圧雰囲気に保たれる第一内部空間を有し、前記第一内部空間内に被処理体を収容してプラズマ処理を施す処理室と、減圧雰囲気に保たれる第二内部空間を有し、前記第一内部空間に連通する第二内部空間内に原料ガスを供給する手段を有し、前記原料ガスからなるプラズマを発生させる生成室と、前記生成室の一部壁を構成する誘電体壁と、前記生成室外の前記誘電体壁に対応する部分に面して配置された高周波導入コイルと、を備え、前記高周波導入コイルに高周波電力を供給することにより、前記生成室内に誘導結合プラズマを励起し、前記被処理体に対してイオンを用いてプラズマ処理を施す荷電粒子引出照射機構であって、前記第一内部空間には、前記第二空間内の前記誘導結合プラズマから前記被処理体に向けて、前記誘導結合プラズマを引出し制御する複数の多孔電極が、相互に離隔して平行に配置されており、かつ、全ての多孔電極がカーボンまたはシリコン材料からなる、ことを特徴とする。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記多孔電極はそれぞれ、前記誘導結合プラズマから前記被処理体に向けて順に、プラズマの電位安定機能を有する第一電極、プラズマの引き出しおよび加速機能を有する第二電極、プラズマの逆流防止機能を有する第三電極、電位基準形成機能を有する第四電極、として配置されている、ことを特徴とする。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２において、前記複数の多孔電極の熱膨張率がα以上β以下である、ことを特徴とする。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項において、前記多孔電極は荷電粒子を通過させる貫通小孔を有し、前記第一電極、前記第二電極、前記第三電極および前記第四電極を構成する貫通小孔は各々、共通の中心軸に沿って配されている、ことを特徴とする。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか１項において、前記第一電極、前記第二電極、前記第三電極を構成する貫通小孔が、荷電粒子の通過下流側に向かって順に拡径し、前記第三電極と前記第四電極を構成する貫通小孔が、同径とされている、ことを特徴とする。
【００１２】
請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれか１項において、前記第一電極の貫通小孔が、荷電粒子通過下流側に向かってテーパ状に拡径している、ことを特徴とする。
【００１３】
請求項７に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれか１項において、前記第一電極の貫通小孔が、荷電粒子通過下流側に向かって同径の筒体部と、荷電粒子通過下流側に向かって拡径したテーパ部とから構成されている、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、誘導結合プラズマ型のプラズマ発生手段により、プラズマ発生室内に誘導結合プラズマを励起し、被処理体にイオンでプラズマ処理を施す荷電粒子引出照射機構において、誘導結合プラズマを引出し制御する、複数の多孔電極をカーボンで形成することで、照射されるイオンに金属不純物の混入することがない荷電粒子引出照射機構を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る荷電粒子引出照射機構を示す概略断面図。
【図２】多孔電極の基本構成を表す概略断面図（ａ）、および、電極間の電位を示すグラフ（ｂ）。
【図３】多孔電極における貫通小孔の中心軸からのずれ量とイオンビーム通過効率の関係を示すグラフ（ａ）、および、電極中央部（軸）からの距離と電位勾配の関係を示すグラフ（ｂ）。
【図４】電極材料の熱膨張率の温度依存性を示すグラフ。
【図５】各多孔電極間における貫通小孔の関係および貫通小孔の断面形状を示す概略断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
次に図面を参照しながら、本発明の実施の形態の具体例としての実施例を説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
また、以下の図面を使用した説明において、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきであり、理解の容易のために説明に必要な部材以外の図示は適宜省略されている。なお、以後の説明の理解を容易にするために、図面において、イオンビームの照射方向をＺ軸方向、イオンビームの照射方向と直交する方向をＸ軸方向及びＹ軸方向とする。
【００１７】
（１）荷電粒子引出照射機構の概略構成
図１は、本発明に係る荷電粒子引出照射機構の概略断面図である。荷電粒子引出照射機構１は、第一内部空間内に被処理体１２０を支持する被処理体支持台１１０が配置されているプラズマ処理室１００と、第二内部空間内にプラズマ原料ガスを供給するプラズマ原料ガス供給手段と、プラズマ原料ガスからなるプラズマを発生させ、プラズマを空間的に均一に保持する内部空間とから構成されるプラズマ生成室２００が、第一電極（プラズマ電位安定電極）１０、第二電極（引出し・加速電極）２０、第三電極（抑制電極）３０、第四電極（接地電極）４０から構成される複数の多孔電極により、連通するように分離されて構成されている。プラズマ生成室２００は、その上部に誘電体壁３００を備え、誘電体壁３００の大気側にプラズマ生成手段を備えている。プラズマ生成室２００及びプラズマ処理室１００は、高真空に真空引きできる真空ポンプ等の排気装置（不図示）が接続され、所定の真空雰囲気に設定、維持されている。また、プラズマ生成室２００とプラズマ処理室１００とは、絶縁体によって絶縁して連結されている。
【００１８】
プラズマ生成手段は、プラズマ生成室２００の大気側一部壁を構成する誘電体壁３００と、高周波導入コイル３１０と、永久磁石３２０とから構成されている。誘電体壁３００は石英等の誘電体で形成されて、プラズマ生成室２００の天井を形成している。誘電体壁３００の下側部分には、プラズマ原料ガスのガス流路及びガス吐出孔が形成されたプラズマ原料ガス供給手段が配置され、プラズマガス流路に連通するプラズマ供給菅２１０は、誘電体壁３００からその外部へ貫通し、プラズマ原料ガス供給系（不図示）に接続されている。誘電体壁３００上部に面して配置された高周波誘導コイル３１０には高周波電源が接続され、高周波電源からは誘導電界形成用の高周波電力が供給される。
【００１９】
プラズマ処理室１００には、プラズマ生成室２００と複数の多孔電極を挟んで対抗するように、被処理体である基板や一定のテクスチャーが形成された基体等を載置して支持するための被処理体支持台１１０が配置されている。被処理体支持台１１０は導電性材料で構成され、被処理体１２０を固定保持するための、例えば静電チャック等の固定手段を備えている。
【００２０】
（２）多孔電極の構成
図２（ａ）は、４枚電極方式の多孔電極の基本構成図を示す。４枚の多孔電極は、プラズマ生成室２００やプラズマ処理室１００の内側面の形状に合わせた板状の電極であり、荷電粒子としてのイオンをイオン源から引き出し、イオンビームとして照射するために、Ｚ軸方向に多数の貫通小孔が形成され、イオン源の出口部からＺ軸方向に、第一電極（プラズマ電位安定電極）１０、第二電極（引出し・加速電極）２０、第三電極（抑制電極）３０、第四電極（接地電極）４０の順に配置されている。イオンビームは、イオン源のプラズマ生成室２００から、イオン源の出口部に配置された第一電極（プラズマ電位安定電極）１０、第二電極（引出し・加速電極）２０、第三電極（抑制電極）３０、第四電極（接地電極）４０によって引き出し、加速されて、イオンビーム輸送部に導かれる。
【００２１】
図２（ｂ）に、４枚電極方式における各電極間の電位を示す。第一電極（プラズマ電位安定電極）１０と第二電極（引出し・加速電極）２０には、加速電圧を決めるバイアス電位Ｖｐを印加する電源５０及び電源６０が接続され、第二電極（引出し・加速電極）２０にはＶｐに対して負のバイアス電位Ｖｅを印加する電源６０が接続され、第三電極（抑制電極）３０には負電位Ｖｓを印加する電源７０が接続されている。第四電極（接地電極）４０は接地されている。第一電極（プラズマ電位安定電極）１０に印加されるバイアス電位Ｖｐと、第二電極（引出し・加速電極）２０に印加されるバイアス電位Ｖｅとは、電源６０の分だけ第二電極（引出し・加速電極）２０が低くバイアスされ、さらに第三電極（抑制電極）３０は、負電位Ｖｓを印加されているため、イオン源の出口部から引き出されたイオンビームは、上記電極系内の電位勾配によって引き出し、加速される。また、第三電極（抑制電極）３０は、第四電極（接地電極）４０に対して、負電位にバイアスされていることから、プラスに帯電したイオン源、第一電極（プラズマ電位安定電極）１０に、エネルギーを持った電子が吸引され、加熱されないように電子を跳ね返している。
なお、本実施例は、陽イオンを引き出し、加速、輸送する場合の各電極間のバイアス電位関係を説明したが、陰イオン源に対してはバイアス電圧の正負を反対にかければよい。
【００２２】
本発明に係る荷電粒子引出照射機構１の多孔電極である第一電極（プラズマ電位安定電極）１０、第二電極（引出し・加速電極）２０、第三電極（抑制電極）３０、第四電極（接地電極）４０は、各電極が相互に離隔して平行に配置されている。また、各々の多孔電極には、イオンビームを通過させるため、互いに連通し、その中心軸を共有するように、多数の貫通小孔が形成されている。
【００２３】
荷電粒子引出照射機構１は、イオンの引き出し、加速のために、一定のバイアス電圧が印加された多孔電極を備えているが、電極には、導電性をはじめ高純度性、化学的安定性などの特性が必要とされており、従来は、主としてタングステン、モリブデン、チタン、ＳＵＳ等の融点の高い金属材料が用いられていた。一方、金属材料からなる電極は、化学的安定性が不十分であるうえに、材質純度を高めるには一定の限界があり、イオンビームにより、金属中の不純物が、スパッタとして発生しやすい。
【００２４】
本発明に係る荷電粒子引出照射機構１の多孔電極である第一電極（プラズマ電位安定電極）１０、第二電極（引出し・加速電極）２０、第三電極（抑制電極）３０、第四電極（接地電極）４０はカーボン材料、もしくは膨張率が少なく、導電性のある材料、たとえばカーボン繊維にアルミを含浸させた複合材料、カーボンを主体とした複合材、カーボンコンポジット材、グラッシーカーボン、低抵抗シリコン材料、ＳｉＣ、シリコンを主体とした複合材などで形成されているために、イオンビームの衝突による不純物スパッタの発生がない。
【００２５】
次に、図３（ａ）、（ｂ）を参照しながら、多孔電極に使用するカーボンまたはシリコン材料について説明する。プラズマ生成室２００の内壁の表面温度は５０℃〜５００℃の高温になることから、プラズマ生成室２００の出口部に面して配置された多孔電極は、この高温のプラズマに曝されるため、プラズマからの輻射熱により表面温度が上昇する。プラズマの温度はその生成方法や生成条件に依存するが、プラズマに面する第一電極１０が最も高温となり、高温となった多孔電極は熱膨張しやすい。一方、第一電極１０を除く、第二電極２０、第三電極３０、第四電極４０は、第一電極１０に比較してプラズマからの輻射熱の影響を受けにくい。
【００２６】
例えば、プラズマとしてボロンイオン等の陽イオンを生成、照射する場合は、プラズマ生成室２００の出口部に面して配置された第一電極１０は、５０℃〜５００℃の表面温度になるが、第二電極２０、第三電極３０、第四電極４０のそれぞれの表面温度は３０℃〜３００℃に留まる。
【００２７】
このように、各電極間の表面温度に差が発生した場合、それぞれの電極の熱膨張が異なり、或いは、熱膨張に差が発生し、高温となった各電極は外周部で固定されているため、各電極表面に平行なＸ軸方向、Ｙ軸方向に伸びることができず、Ｚ軸方向に変形する。その結果、電極中央部と外周部とでは、電極間距離に差が発生し、電極間の電位勾配が不均一となってしまうとともに、各電極間のＺ軸方向の貫通小孔の中心軸がＺ軸方向に一致しなくなる。
【００２８】
図３（ａ）には、各電極間における貫通小孔の中心軸のずれに対する、通過するイオンビームの通過効率の実験例を示す。イオンとしてＰ３１を含むイオンを使用し、多孔電極の貫通小孔径は、第一電極１０、第二電極２０、第三電極３０、第四電極４０の順に、それぞれ、φ２．０ｍｍ、φ２．５ｍｍ、φ３．０ｍｍ、φ３．０ｍｍに穿設した。イオンビームの通過効率としては、被処理体の処理効率の観点から、２０％以上が望まれ、各電極間における貫通小孔の中心軸のずれは３００μｍ以下に維持する必要がある。
【００２９】
図３（ｂ）には、電極間距離と電位勾配の関係を示す。電位勾配の差が中央部と外周部との間で、０．１ｋｖ／ｍｍ以上発生すると、被処理体における照射イオンの分布均一性に影響が発生する。
【００３０】
図４には、電極材料の熱膨張率の温度依存性を示す。多孔電極の材料として、モリブデンを使用した場合の熱膨張率は、常温付近では２ｐｐｍ／℃に近いが、５０℃以上の高温領域では６ｐｐｍ／℃程度まで上昇する。一方、カーボンまたはシリコン材料の場合は、５０℃〜５００℃の全温度領域で、０ｐｐｍ／℃〜２ｐｐｍ／℃の低い値を有している。
【００３１】
大きさがφ３００ｍｍ、板厚が２ｍｍ、形成される多数の貫通小孔の間隔が４ｍｍの多孔電極において、熱膨張率が５×１０−６／℃以下であれば、第一電極１０における貫通小孔と、第二電極２０、第三電極３０、第四電極４０における貫通小孔との、中心軸のずれは３００μｍ以下に維持され、イオンビームの通過を均一に維持することができた。多孔電極の材料としては、導電性、高純度性、化学的安定性などの特性に優れた、カーボン板材であり、熱膨張率として５×１０−６／℃以下の材料が好適である。
【００３２】
ただし、多孔電極に必要な機械的特性や耐熱特性上、一定の耐熱衝撃性が要求され、耐熱衝撃性はカーボンまたはシリコン材料のヤング率及び熱膨張率に反比例するので、多孔電極としての機能を維持する弾性は考慮する必要がある。
【００３３】
したがって、多孔電極材料として、熱膨張率が５×１０−６／℃以下であるカーボンまたはシリコン材料を用いることで、各電極間における貫通小孔の中心軸のずれを抑制し、貫通小孔にイオンビームが偏って当り、イオン通過効率が低下したり、貫通小孔の摩耗や付着する堆積物の増大を防止することができる。
【００３４】
多孔電極を形成するカーボン材料として、ガラス状カーボン板材を使用した。ガラス状カーボン板材は、三次元網目状のガラス質構造を呈していることから、貫通小孔をイオンビームが通過する際に、組織からパーティクルが脱落することがなく、多孔電極材として好適である。本実施の形態における多孔電極の多数の貫通小孔を穿設する方法としては、ドリル等を用いて研削により形成する機械加工方法や、金属や黒鉛材料からなる針状電極を用いた放電加工方法を用いることができるが、ガラス状カーボン板は、硬質でありながら破損しやすいガラス性質状を呈していることから、高精度で均質なイオンビーム通過が保証される貫通小孔を穿設する場合は、放電加工による穿設が好適である。
【００３５】
具体的には、銅等の金属あるいは高密度黒鉛材料からなる針状電極を用い、加工液を介して加工対象物であるカーボン板との間の放電の作用により、カーボン板の表面層を除去する加工方法であり、加工液中に針状電極と加工対象物であるカーボン板とを対向させ、高周波パルス電源を用いて電圧を与える毎にその隙間にスパークを発生させて、カーボン板の表面層を少しずつ除去しながら、貫通小孔を形成していく。
【００３６】
多孔電極の多数の貫通小孔を放電加工によって穿設した場合、内面が平滑性に優れ加工精度の高い貫通小孔を形成することができることから、イオンビームの高精度の通過を維持できる。
なお、多孔電極としては、全体がカーボンで形成されているガラス状カーボン板に限定されず、貫通小孔を含む表層部がカーボン薄膜で被覆された状態であれば、内部の支持部としては、一定の熱的特性、化学的特性及び機械的特性があれば良い。
【００３７】
図５（ａ）、（ｂ）を参照しながら、イオンビームを通過させる多孔電極の貫通小孔について具体的に説明する。多孔電極には、多数の貫通小孔が形成されている。各電極間のＺ軸方向のそれぞれ対応する貫通小孔の中心軸は一致して形成され、イオン源から引き出されたイオンは、各電極の貫通小孔を通過しながら、イオンビームとして加速され、輸送される。イオン源から引き出されたイオンビームは、多孔電極間内では静電レンズ作用でその発散が抑制されているが、複数の多孔電極の貫通小孔を通過することで、ビームエネルギーが小さくなり、空間電荷によりビームが広がりビーム損失が発生しやすい。本発明に係る多孔電極は、第一電極１０、第二電極２０、第三電極３０を構成する貫通小孔の孔径を、荷電粒子の通過下流側に向かって順に拡径し、第三電極３０と第四電極４０を構成する貫通小孔は、同一孔径として形成し、空間電荷効果によるビーム損失を抑制している。
【００３８】
本実施例においては、第一電極１０のイオン源の出口側の孔径を２．０ｍｍ、第二電極２０の孔径を２．５ｍｍ、第三電極３０の孔径を３．０ｍｍの円形に形成した。第三電極３０と第四電極４０の孔径は、それぞれ３．０ｍｍの同一孔径に形成した。貫通小孔の孔形状としては、円形に限定されず、他の形状、例えば矩形や多角形等に形成しても良い。
また、各多孔電極の孔径は、通過させるイオンの種類、被処理体の面積、多孔電極へのバイアス電圧印加条件等によって、適宜選択される。
【００３９】
なお、各多孔電極に形成した貫通小孔のイオン流入側及び流出側の孔の角部位２１、３１、４１は、Ｒ形状又はＣ面形状等の面取り形状としても良い。面取り形状は、貫通小孔の孔径により、適宜設定することができるが、孔径の５％〜３０％が好適である。各多孔電極における貫通小孔の穿設間隔は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向ともに、被処理体１２０の面積に対応して適宜設定することができる。
【００４０】
第一電極１０の貫通小孔は、荷電粒子通過下流側に向かってテーパ状に拡径している。均一な電流密度を得るため、より低い電圧でイオンを引き出すには、イオン源の出口に接する第一電極を極力薄くすることが望ましい。しかるに、プラズマ生成室の下部に設けられる第一電極の強度及びイオンの衝突による摩耗を考慮した場合は、電極としての板厚にも一定の制限が発生する。電極の板厚としては１ｍｍ〜５ｍｍの厚さが必要であり、貫通小孔をＺ軸方向に筒体状に形成すると、より低い電圧でのより均一な電流密度のイオンを引き出すことが困難になる。
【００４１】
本発明における第一電極１０の貫通小孔は、その断面形状をＺ軸方向下流側に向かってテーパ状１１に拡径して形成することで、電極としての強度を確保し、均一な電流密度のイオンを低エネルギーで引き出すことができる。なお、テーパ形状１１のテーパ角度は、貫通小孔のイオン導入側孔径、電極板厚及びバイアス印加電圧等によって適宜設定される。
【００４２】
また、図５（ｂ）には第一電極の貫通小孔の他の断面形状を示す。第一電極１０の貫通小孔は、イオン源の出口側から、Ｚ軸方向に向かって同一径の筒体部１２と、荷電粒子通過下流側に向かって拡径したテーパ部１１とから構成されている形状とすることもできる。円筒部のＺ軸方向の厚みは、薄いほうが、イオン源からのイオンの引き出し効率は高いが、特に円筒部が形成されていないエッジ状の場合は、イオン引き出し時にイオンの衝突で削れやすく、安定した引き出し孔を維持することが困難になる。
【００４３】
本実施例では、貫通小孔のイオン源の出口側の孔径を２．０ｍｍとした円筒として形成し、筒体部１２に続き、イオンの通過下流側に向かって、テーパ状に拡径して形成した。筒体部１２のＺ軸方向の厚みは、電極板の板厚に対して、１０％〜５０％が好ましく、更には、１０％〜３０％が好適である。
なお、ガラス状カーボン板材の板厚は、荷電粒子引出照射機構のプラズマ生成室２００及びプラズマ処理室１００の内側面積と、カーボン板材の弾性率等機械的特性を考慮して適宜設定される。
【００４４】
（３）荷電粒子引出照射機構の動作・作用
以下、本発明に係る荷電粒子引出照射機構の動作について説明する。
真空ポンプで一定の減圧雰囲気に保たれたプラズマ発生室に、被処理体に注入する不純物原子を含んだガスを導入する。そして、プラズマ発生手段を用いてプラズマを励起することにより、不純物原子をイオン化させる。
イオンは、半導体に使用されるドーピングガス、リン（Ｐ）を含む例えばＰＨ３ 、ＰＦ３ 、ＰＦ５ 、ＰＣ１３ 、ＰＣ１５ 、ＰＯＣ１３ などのガス、又はリン（Ｐ）を含む固体試料、液体試料をプラズマ化したときに生成されるＰ＋ 、Ｐ２＋、ＰＨ＋ などからなる陽イオン、もしくは分子イオン、または、ヒ素（Ａｓ）を含むＡｓＨ３ 、ＡｓＦ３ 、ＡｓＦ５ 、ＡｓＣ１３ 、ＡｓＣ１５ などから生成されるイオン又は分子イオン、同様にヒ素型構造を持つアンチモン（Ｓｂ）やビスマス（Ｂｉ）も含むガス又は固体試料、液体試料であって、ＳｂＨ３ 、ホウ素（Ｂ）を含むＢ２Ｈ６、ＢＦ３ 、ＢＣ１３ 、ＢＢｒ３ ガスから生成されるＢ＋ 、Ｂ２＋、Ｂ＋＋、ＢＨ＋ などのイオンである。
本発明に係る荷電粒子引出照射機構では、これらのイオンを質量分離せずにプラズマの圧力、投入電力、ガス量、永久磁石、電磁石等でプラズマ状態をコントロールすることで、イオンの比、例えばＰ＋ とＰ２＋との比を変えて荷電粒子を複数の多極電極で引き出し、加速する。
【００４５】
プラズマ生成室２００に励起されたイオンは、プラズマ発生室２００とプラズマ処理室１００の間に配置された多極電極で引き出し、加速されるが、イオン源の出口側に面して配置された第一電極（プラズマ電位安定電極）１０には、電源 及び電源 が接続されており、バイアス電位Ｖｐが印加される。低い電圧でビームを引き出すには、第一電極（プラズマ電極）の板厚を薄くする必要があるが、バイアス電位Ｖｐは比較的高い電圧、例えば３ｋｖが印加され、高い電圧での初期引き出しをし、かつ貫通小孔は、荷電粒子通過下流側に向かってテーパ状に拡径することで、電極の板厚を２ｍｍ〜５ｍｍとしている。
【００４６】
第二電極（引出し・加速電極）２０には電源６０が接続され、Ｖｐに対して負のバイアス電位Ｖｅが印加されるが、第一電極（プラズマ電極）１０から見た場合は負電位として設定されているために、プラズマ生成室内２００の陽イオンは、この第二電極（引出し・加速電極）２０に向かって、プラズマ側から引き出される。この第二電極（引出し・加速電極）２０に印加されるバイアス電位を調整することで、イオンの引き出し量、イオンビームの密度、イオンビームの集束と発散をコントロールすることができる。第二電極（引出し・加速電極２０の貫通小孔の孔径は、第一電極（プラズマ電極）の貫通小孔の孔径よりも拡径して形成されているため、空間電荷効果によるビーム損失を抑制している。
【００４７】
第三電極（抑制電極）３０には電源７０が接続され、負電位Ｖｓ、例えば−２ｋｖが印加され、第二電極（引出し・加速電極）２０と同様の引き出し効果を備えるとともに、第三電極（抑制電極）３０の下流側には接地された第四電極（接地電極）４０が配置されているために、プラスに帯電したイオン源、第一電極（プラズマ電極）１０に、エネルギーを持った電子が吸引され、加熱されないように電子を跳ね返している。なお、第三電極（抑制電極）３０の貫通小孔の孔径も、第二電極（引出し・加速電極）２０の貫通小孔の孔径よりも拡径して形成されているため、空間電荷効果によるビーム損失を抑制している。
【００４８】
第一電極（プラズマ電位安定電極）１０、第二電極（引出し・加速電極）２０、第三電極（抑制電極）３０、第四電極（接地電極）４０から構成される複数の多孔電極により、引き出し、加速されたイオンビームは、プラズマ処理室１００内で被処理体支持台１１０に支持された被処理体である基板や一定のテクスチャーが形成された基体等に注入される。
【００４９】
（４）作用・効果
本発に係る荷電粒子引出照射機構においては、多孔電極である第一電極（プラズマ電位安定電極）１０、第二電極（引出し・加速電極）２０、第三電極（抑制電極）３０、第四電極（接地電極）４０はカーボン材料で形成されているために、イオンビームの衝突による不純物スパッタの発生がなく、被処理体１２０に注入されるイオンを高純度に維持することができる。
【００５０】
また、多孔電極材料として、熱膨張率が５×１０−６／℃以下であるカーボンまたはシリコン材料を用いることで、各電極間における貫通小孔の中心軸のずれを抑制し、貫通小孔にイオンビームが偏って当り、イオン通過効率が低下したり、貫通小孔の摩耗や付着する堆積物の増大を防止することができる。
【００５１】
更に、イオン源から引き出されたイオンビームは、多孔電極間内では静電レンズ作用でその発散が抑制されているが、複数の多孔電極の貫通小孔を通過することで、ビームエネルギーが小さくなり、空間電荷によりビームが広がりビーム損失が発生しやすい。本発明に係る荷電粒子引出照射機構１における多孔電極は、第一電極（プラズマ電位安定電極）１０、第二電極（引出し・加速電極）２０、第三電極（抑制電極）３０を構成する貫通小孔の孔径を、荷電粒子の通過下流側に向かって順に拡径し、第三電極（抑制電極）３０と第四電極（接地電極）４０を構成する貫通小孔は、同一孔径として形成し、空間電荷効果によるビーム損失を抑制している。
【００５２】
また、第一電極（プラズマ電位安定電極）１０の貫通小孔は、その断面形状をＺ軸方向下流側に向かってテーパ状に拡径して形成することで、電極としての強度と均一な電流密度のイオンを低エネルギーで引き出すことができる。更に、第一電極（プラズマ電位安定電極）１０の貫通小孔を、イオン源の出口側から、Ｚ軸方向に向かって同一径の筒体部１２と、荷電粒子通過下流側に向かって拡径したテーパ部１１とから構成されている形状とすることで、イオン引き出し時にイオンの衝突による貫通小孔入口部の削れによる孔径の変化を抑制し、高いイオンの引き出し効率を安定して維持することができる。
【００５３】
以上、本発明の実施形態を詳述したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内で、種々の変更を行うことが可能である。
【符号の説明】
【００５４】
１ 荷電粒子引出照射機構、１０ 第一電極（プラズマ電位安定電極）、１１ 第一電極貫通小孔テーパ部、１２ 第一電極貫通小孔円筒部、２１、３１、４１ 貫通小孔角部位、２０ 第二電極（引出し・加速電極）、３０ 第三電極（抑制電極）、４０ 第四電極（接地電極）、５０、６０、７０ 電源、１００ プラズマ処理室、１１０ 被処理体支持台、１２０ 被処理体、２００ プラズマ生成室、２１０ 原料ガス供給菅、２５０ プラズマ、３００ 誘電体壁、３１０ 高周波導入コイル、３２０ 永久磁石。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
減圧雰囲気に保たれる第一内部空間を有し、前記第一内部空間内に被処理体を収容してプラズマ処理を施す処理室と、
減圧雰囲気に保たれる第二内部空間を有し、前記第一内部空間に連通する第二内部空間内に原料ガスを供給する手段を有し、前記原料ガスからなるプラズマを発生させる生成室と、
前記生成室の一部壁を構成する誘電体壁と、
前記生成室外の前記誘電体壁に対応する部分に面して配置された高周波導入コイルと、
を備え、前記高周波導入コイルに高周波電力を供給することにより、前記生成室内に誘導結合プラズマを励起し、前記被処理体に対してイオンを用いてプラズマ処理を施す荷電粒子引出照射機構であって、
前記第一内部空間には、前記第二空間内の前記誘導結合プラズマから前記被処理体に向けて、前記誘導結合プラズマを引出し制御する複数の多孔電極が、相互に離隔して平行に配置されており、かつ、全ての多孔電極がカーボンまたはシリコン材料からなる、
ことを特徴とする荷電粒子引出照射機構。
【請求項２】
前記多孔電極はそれぞれ、前記誘導結合プラズマから前記被処理体に向けて順に、プラズマの電位安定機能を有する第一電極、プラズマの引き出しおよび加速機能を有する第二電極、プラズマの逆流防止機能を有する第三電極、電位基準形成機能を有する第四電極、として配置されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子引出照射機構。
【請求項３】
前記複数の多孔電極の熱膨張率が５×１０−６／℃以下である、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の荷電粒子引出照射機構。
【請求項４】
前記多孔電極は荷電粒子を通過させる貫通小孔を有し、
前記第一電極、前記第二電極、前記第三電極および前記第四電極を構成する貫通小孔は各々、共通の中心軸に沿って配されている、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の荷電粒子引出照射機構。
【請求項５】
前記第一電極、前記第二電極、前記第三電極を構成する貫通小孔が、荷電粒子の通過下流側に向かって順に拡径し、前記第三電極と前記第四電極を構成する貫通小孔が、同径とされている、
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の荷電粒子引出照射機構。
【請求項６】
前記第一電極の貫通小孔が、荷電粒子通過下流側に向かってテーパ状に拡径している、
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の荷電粒子引出照射機構。
【請求項７】
前記第一電極の貫通小孔が、荷電粒子通過下流側に向かって同径の筒体部と、荷電粒子通過下流側に向かって拡径したテーパ部とから構成されている、
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の荷電粒子引出照射機構。
【請求項１】
減圧雰囲気に保たれる第一内部空間を有し、前記第一内部空間内に被処理体を収容してプラズマ処理を施す処理室と、
減圧雰囲気に保たれる第二内部空間を有し、前記第一内部空間に連通する第二内部空間内に原料ガスを供給する手段を有し、前記原料ガスからなるプラズマを発生させる生成室と、
前記生成室の一部壁を構成する誘電体壁と、
前記生成室外の前記誘電体壁に対応する部分に面して配置された高周波導入コイルと、
を備え、前記高周波導入コイルに高周波電力を供給することにより、前記生成室内に誘導結合プラズマを励起し、前記被処理体に対してイオンを用いてプラズマ処理を施す荷電粒子引出照射機構であって、
前記第一内部空間には、前記第二空間内の前記誘導結合プラズマから前記被処理体に向けて、前記誘導結合プラズマを引出し制御する複数の多孔電極が、相互に離隔して平行に配置されており、かつ、全ての多孔電極がカーボンまたはシリコン材料からなる、
ことを特徴とする荷電粒子引出照射機構。
【請求項２】
前記多孔電極はそれぞれ、前記誘導結合プラズマから前記被処理体に向けて順に、プラズマの電位安定機能を有する第一電極、プラズマの引き出しおよび加速機能を有する第二電極、プラズマの逆流防止機能を有する第三電極、電位基準形成機能を有する第四電極、として配置されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子引出照射機構。
【請求項３】
前記複数の多孔電極の熱膨張率が５×１０−６／℃以下である、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の荷電粒子引出照射機構。
【請求項４】
前記多孔電極は荷電粒子を通過させる貫通小孔を有し、
前記第一電極、前記第二電極、前記第三電極および前記第四電極を構成する貫通小孔は各々、共通の中心軸に沿って配されている、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の荷電粒子引出照射機構。
【請求項５】
前記第一電極、前記第二電極、前記第三電極を構成する貫通小孔が、荷電粒子の通過下流側に向かって順に拡径し、前記第三電極と前記第四電極を構成する貫通小孔が、同径とされている、
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の荷電粒子引出照射機構。
【請求項６】
前記第一電極の貫通小孔が、荷電粒子通過下流側に向かってテーパ状に拡径している、
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の荷電粒子引出照射機構。
【請求項７】
前記第一電極の貫通小孔が、荷電粒子通過下流側に向かって同径の筒体部と、荷電粒子通過下流側に向かって拡径したテーパ部とから構成されている、
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の荷電粒子引出照射機構。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−１１５０１２（Ｐ２０１３−１１５０１２Ａ）
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２６２８６９（Ｐ２０１１−２６２８６９）
【出願日】平成２３年１１月３０日（２０１１．１１．３０）
【出願人】（０００２３１４６４）株式会社アルバック (1,740)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月３０日（２０１１．１１．３０）
【出願人】（０００２３１４６４）株式会社アルバック (1,740)
【Ｆターム（参考）】
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