DE69622463T2

DE69622463T2 - Ionenstrahl-Bearbeitungsapparat

Info

Publication number: DE69622463T2
Application number: DE69622463T
Authority: DE
Inventors: Satoshi Ichimura; Kenzo Kobayashi; Shotaro Ohishi; Hisao Oonuki; Tadashi Sato
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-04-28
Filing date: 1996-04-26
Publication date: 2003-05-08
Anticipated expiration: 2016-04-27
Also published as: EP0740327B1; KR100388594B1; JPH08296069A; DE69622463D1; EP1132946A1; EP0740327A3; US5750987A; EP0740327A2; JP3123735B2; KR960039136A

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Ionenstrahl-Bearbeitungsvorrichtung, die zur Bearbeitung durch Ionenstrahlen und zu anderen Zwecken verwendet wird, insbesondere eine Verbesserung an einer Ionenstrahl-Bearbeitungsvorrichtung, die dazu geeignet ist, die Neutralisationsfunktion eines Ionenstrahls zu verbessern und den Strom und den Öffnungsdurchmesser zu erhöhen.
Bekannte Technik zu einer derartigen Ionenstrahl-Bearbeitungsvorrichtung ist z. B. als Ätzvorrichtung in der japanischen Patentanmeldungs-Offenlegung 63-157887 offenbart.
Gemäß dieser bekannten Technik wird ein Plasma durch Mikrowellenentladung in einer Neutralisationseinrichtung erzeugt, die sich nahe an einem Ionenstrahl befindet und die diesen dadurch neutralisiert, dass sie ihm über eine feine Öffnung Elektronen aus diesem Plasma zuführt. Im Ergebnis kann diese Ionenstrahl-Bearbeitungsvorrichtung, im Vergleich mit der Neutralisierung eines Ionenstrahls unter. Verwendung einer Hohlkathode mit einer eingebauten, thermische Ionen entladenden Wendel, für viele Stunden arbeiten, insbesondere dann, wenn ein reaktives Gas verwendet wird, und sie ist zur Neutralisierung eines reaktiven Ionenstrahls geeignet. Da keine Wendel verwendet wird, verschmutzt kein Schwermetall wie Wolfram ein zu verarbeitendes Objekt, und es ist saubere Ionenstrahlbearbeitung möglich.
JP-A-4351838 offenbart eine Ionenstrahlvorrichtung mit einer Neutralisiereinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In ähnlicher Weise wie bei der Neutralisationseinrichtung gemäß JP-A-5234562 wird der Ionenstrahl dadurch neutralisiert, dass benachbart zum Ionenstrahl ein Neutralisationsplasma erzeugt wird.
EP-A-443154 ergibt eine Neutralstrahl-Ätzvorrichtung an, die zur Oberflächenbehandlung mikroelektronischer Bauteile verwendet wird und EP-A-367568 beschreibt die Verwendung eines. Plasmas bei einem Veraschungsprozess zum Beschleunigen des Prozesses ohne Erhöhung dessen Verunreinigungsgrads.
Bei einer Ionenstrahl-Bearbeitungsvorrichtung ist es, um zu bearbeitende Objekte größer zu machen und die Verarbeitungszeit verkürzen zu können, eine Erhöhung des Stroms und des Öffnungsdurchmessers dieser Ionenstrahl-Bearbeitungsvorrichtung erforderlich. Jedoch besteht bei der Ionenstrahl-Bearbeitungsvorrichtung gemäß der oben genannten bekannten Technik aus dem folgenden Grund eine Beschränkung hinsichtlich einer Erhöhung des Stroms und des Öffnungsdurchmessers.
Wenn nämlich bei der bekannten Technik der Strom eines Ionenstrahls erhöht wird, ist es erforderlich, auch den von der Neutralisationseinrichtung zugeführten Strom zum Neutralisieren desselben zu erhöhen. Das Neutralisiersystem zum Zuführen von Elektronen vom Plasma in der Neutralisationseinrichtung muss einen Ionenstrom sammeln, der dem in der Neutralisationseinrichtung gelieferten Elektronenstrom entspricht. Jedoch bedeutet eine Erhöhung des zuzuführenden Elektronenstroms eine Erhöhung eines in der Neutralisationseinrichtung gesammelten Ionenstroms. Ferner ist es zum Erzeugen eines Plasmas höherer Dichte in der Neutralisationseinrichtung erforderlich, die zuzuführende Mikrowellenleistung zu erhöhen, so dass die Elektronentemperatur zunimmt und das Plasmapotenzial in der Neutralisationseinrichtung ansteigt. Dies bedeutet eine Erhöhung der Stoßenergie gesammelter Ionen in Bezug auf die Innenwand der Neutralisationseinrichtung.
Wenn der Ionenstrom und die Ionenenergie beim Zusammenstoß mit der Innenwand der Neutralisationseinrichtung auf diese Weise ansteigen, haften durch Ionenimpuls von der Innenwand der Neutralisationseinrichtung abgesputterte leitende Teilchen am Mikrowellen-Einlassfenster an, so dass ein Problem dahingehend entsteht, dass nicht nur die Mikrowellen nicht zufriedenstellend zugeführt werden kann, sondern auch die Plasmaerzeugung nachteilig beeinflusst wird und die Bearbeitungszeit zunimmt.
Um eine große Menge an Elektronen in die Bearbeitungskammer einzuführen, ist es erforderlich, die Neutralisationseinrichtung auf ein hohes negatives Potenzial gegenüber der Bearbeitungskammer herabzusetzen. Daher tritt ein Problem dahingehend auf, dass das Strahlplasmapotenzial gestört wird und der Ionenstrahl divergiert, da die Elektronenenergie nach der Extraktion aus der Neutralisationseinrichtung erhöht ist.
Ferner tritt ein Problem dahingehend auf, dass die Gleichmäßigkeit der Neutralisation schlechter wird, da der Ort (Auslass) zum Zuführen von Elektronen zum Ionenstrahl lokalisiert wird, wenn der Öffnungsdurchmesser des Ionenstrahls zunimmt.
Daher ist es beim bekannten Neutralisationssystem schwierig, einen gleichmäßigen Ionenstrahl mit großem Strom und großem Öffnungsdurchmesser wie von 300 mA oder mehr für den Ionenstrahlstrom und 200 mm oder mehr für den Ionenstrahldurchmesser zu erzielen, stabil für viele Stunden zu neutralisieren und ferner einen Ionenstrahl mit geringer Divergenz zu erhalten.

Zusammenfassung dar Erfindung

Angesichts der obigen Probleme im Stand der Technik ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Ionenstrahl-Bearbeitungsvorrichtung zum gleichmäßigen Neutralisieren eines Ionenstrahls mit großem Strom und großem Öffnungsdurchmesser zu schaffen und einen Ionenstrahlprozess mit kleiner Divergenz zu realisieren, und es ist eine andere Aufgabe, eine Ionenstrahl-Bearbeitungsvorrichtung zum Verringern der Abnutzung der Ionen-Extraktionselektrode und zum Verhindern des Ausleckens von Mikrowellen zu schaffen.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ionenstrahl-Bearbeitungsvorrichtung mit Folgendem versehen ist: einer Ionenquelle mit einer Ionen-Extraktionselektrode zum Erzeugen eines Plasmas und zum Extrahieren von Ionen aus dem Plasma, einer mit der Ionenquelle verbundenen Bearbeitungskammer zum Bearbeiten eines Objekts durch den extrahierten Ionenstrahl, und einer Neutralisationseinrichtung zum elektrischen Neutralisieren des zu der Bearbeitungskammer zugeführten Ionenstrahls, wobei die Neutralisationseinrichtung zwischen der Ionenquelle und der Bearbeitungskammer längs der Strahlachse angebracht ist, die Folgendes aufweist: eine Zylinderelektrode, die eine Raumkammer bildet, die den durch die Ionen-Extraktionselektrode extrahierten Ionenstrahl umgibt, eine Einrichtung zum Erzeugen von Mikrowellenplasma in der Raumkammer der Zylinderelektrode und eine Einrichtung zum Halten der Zylinderelektrode auf einem bezüglich der Bearbeitungskammer negativen Potenzial.
Wie oben angegeben, verfügt die Erfindung über eine Ionenquelle mit einer Ionen-Extraktionselektrode zum Erzeugen eines Plasmas und zum Extrahieren von Ionen aus dem Plasma, eine mit der Ionenquelle verbundene Bearbeitungskammer zum Bearbeiten eines durch den extrahierten Ionenstrahl zu bearbeitenden Objekts und eine Neutralisationseinrichtung zum elektrischen Neutralisieren des Ionenstrahls in der Bearbeitungskammer, wobei die Ionenquelle gegenüber der Bearbeitungskammer auf positives Potenzial gelegt wird, wenn sie mit dem positiven (+) Pol der Gleichspannungsquelle verbunden ist, wobei dann, wenn die Ionen-Extraktionselektrode auf ein negatives Potenzial gelegt ist, Ionen aus dem in der Plasmaerzeugungskammer erzeugten Plasma in die Neutralisationseinrichtung und die Bearbeitungskammer als Ionenstrahl durch die Ionen-Extraktionselektrode extrahiert werden. Wenn der Ionenstrahl extrahiert wird, wird er durch die Neutralisationseinrichtung elektrisch neutralisiert, und wenn der neutralisierte Ionenstrahl auf ein zu bearbeitendes Objekt gestrahlt wird, wird der gewünschte Prozess ausgeführt.
Wenn von der Neutralisationseinrichtung ein Plasma zum Neutralisieren des Ionenstrahls erzeugt wird, können Ionen im Neutralisationsplasma an der Zylinderelektrode gesammelt werden, da diese auf ein negatives Potenzial in Bezug auf die Bearbeitungskammer gelegt ist. Der angesammelten Ionenladung entsprechende Elektronen können gleichmäßig zum Ionenstrahl geführt werden. Da Elektronen auf diese Weise dem Ionenstrahl zugeführt werden, ist eine Konvergenz desselben durch die Raumladung verhindert, und der Ionenstrahl kann sicher elektrisch neutralisiert werden.
In diesem Fall kann das Ionensammelgebiet leicht aufgeweitet werden, da Ionen an der Zylinderelektrode gesammelt werden. Im Ergebnis kann, alleine durch Erzeugen eines Neutralisationsplasmas geringer Dichte, aus dem Plasma sicher ein ausreichendes Volumen an Ionen gesammelt werden, und dem Ionenstrahl kann gleichzeitig ein ausreichendes Volumen an Elektronen zugeführt werden. In diesem Fall kann mit einer kleinen Menge elektrischer Energie der zugeführten Mikrowelle ein Neutralisationsplasma mit geringer Dichte erzeugt werden, so dass das oben genannte Neutralisationsplasma ein ruhiges Plasma bei niedriger Elektronentemperatur wird, weswegen die Energie der von dort zugeführten Elektronen klein ist und eine Divergenz des Strahls so weit wie möglich unterdrückt werden kann.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Längsschnitt des Gesamtaufbaus, der die erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ionenstrahl-Bearbeitungsvorrichtung zeigt.
Fig. 2 ist eine Schnittansicht entlang der Linie I-I in der Fig. 1.
Fig. 3 ist eine vergrößerte Schnittansicht (a) zum Veranschaulichen des wesentlichen Abschnitts in der Fig. 1 sowie eine Darstellung (b), die die Raumpotenzialverteilung zeigt.
Fig. 4 ist ein Längsschnitt, der eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ionensträhl-Bearbeitungsvorrichtung zeigt.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 4 beschrieben. Die Fig. 1 ist ein Längsschnitt des Gesamtaufbaus, der die erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ionenstrahl-Bearbeitungsvorrichtung zeigt, und die Fig. 2 ist eine Schnittansicht entlang der in der Fig. 1 dargestellten Linie I-I, und die Fig. 3 ist eine Schnittansicht des wesentlichen Abschnitts der in der Fig. 1 dargestellten Bearbeitungsvorrichtung.
Die Ionenstrahl-Bearbeitungsvorrichtung der in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsform verfügt über eine Ionenquelle zum Erzeugen eines Plasmas durch Mikrowellenentladung, und eine Plasma-Erzeugungskammer 1 der Ionenquelle ist durch eine Erzeugungskammerwand 2 unterteilt, und ein Wellenleiter 4 und eine Gaszuführleitung 21 sind jeweils mit der Erzeugungskammerwand 2 verbunden. Die Plasma-Erzeugungskammer 1 ist so strukturiert, dass ihr Innendurchmesser in der in der Fig. 1 dargestellten horizontalen Richtung 400 mm beträgt und die Tiefe in der vertikalen Richtung 200 mm beträgt, und sie ist durch die Erzeugungskammerwand 2 aus einem unmagnetischen Material wie rostfreiem Stahl unterteilt, wobei ihr unteres Ende offen ist. Der Wellenleiter 4 ist mit der Mitte der Oberseite der Plasma-Erzeugungskammer 1 verbunden, und er liefert eine Mikrowelle mit einer Frequenz von 2,45 GHz in diese. Ein Mikrowellen-Einführfenster 20 ist luftdicht am Wellenleiter 4 befestigt. Die Gaseinlassleitung 21 wird dazu verwendet, ein spezielles, zur Plasmaerzeugung erforderliches Gas, z. B. Schwefelhexafluorid, der Plasma-Erzeugungskammer 1 zuzuführen.
Am Umfang der Erzeugungskammerwand 2 ist eine Permanentmagnetfolge 5 angeordnet. Diese Permanentmagnetfolge 5 verfügt über einen ersten Permanentmagnetabschnitt, der an einem Ort auf der Seite des Wellenleiters 4 so angebracht ist, dass er diesen umgibt, und einen zweiten Magnetabschnitt, der so angeordnet ist, dass er den ersten Permanentmagnetabschnitt an der Oberseite der Erzeugungskammerwand 2 umgibt, und einen dritten Permanentmagnetabschnitt, der am oberen Teil der Umfangsfläche der Seite der Erzeugungskammerwand 2 so angeordnet ist, dass er die Umfangsfläche umgibt, und einen vierten Permanentmagnetabschnitt, der darunter angeordnet ist, und in der Plasma-Erzeugungskammer 1 wird durch den ersten bis vierten Permanentmagnetabschnitt ein statisches Magnetfeld (durch gestrichelte Linien dargestellt) mit einem Magnetfeld zur Elektronen-Zyklotronresonanz erzeugt.
Ferner ist an der Öffnung der Erzeugungskammerwand 2 eine Siebelektrode 3 mit einer Vielzahl von Löchern, die mit einem vorbestimmten Intervall angeordnet und mit vorbestimmter Größe ausgebildet sind, befestigt, und unter der Siebelektrode 3 ist eine Ionen-Extraktionselektrode 6 mit denselben Löchern wie denen in der Schirmelektrode 3 unter dieser befestigt, wobei diese Ionen-Extraktionselektrode 6 nur Ionen aus dem in der Plasma-Erzeugungskammer 1 erzeugten Plasma nach unten extrahiert. Die Gebiete, in denen die Vielzahl von Löchern der Ionen-Extraktionselektrode 6 und der Siebelektrode 3 verteilt sind, weisen einen Durchmesser von 300 mm auf.
Mit dem unteren Teil der Plasma-Erzeugungskammer 1 über eine Neutralisationseinrichtung, die später beschrieben wird, eine Bearbeitungskammer 23 verbunden. Die Bearbeitungskammer 23 ist ein Raum zum Bearbeiten eines durch einen Ionenstrahl zu bearbeitenden Objekts 17, und sie ist durch eine Bearbeitungskammerwand 15 aus unmagnetischem Material aus rostfreiem Stahl unterteilt. Das zu bearbeitende Objekt 17 wird auf einem Halter 16 gehalten.
Andererseits verfügt die Neutralisationseinrichtung über eine Zylinderelektrode 8, die zwischen der Erzeugungskämmerwand 2 und der Bearbeitungskammerwand 15 angeschlossen ist und einen Wellenleiter 12, der rechtwinklig zur Achsenrichtung am Umfang der Zylinderelektrode 8 befestigt ist.
Die Zylinderelektrode 8 ist ein Zylinder aus unmagnetischem rostfreiem Stahl mit z. B. einem Innendurchmesser von 400 mm und einer Tiefe (Höhe) von ungefähr 100 mm, und ein an einem Ende in der Achsenrichtung ausgebildeter Flanschabschnitt 8a ist mit einem Flanschabschnitt 2a am unteren Ende der Erzeugungskammerwand 2 über einen isolierenden Abstandshalter 7 verbunden, und ein am anderen Ende in der Achsenrichtung ausgebildet Flanschabschnitt 8b ist über einen isolierenden Abstandshalter 14 mit der Bearbeitungskammerwand 15 verbunden.
Die Zylinderelektrode 8 umgibt einen Ionenstrahl, der durch die Ionen-Extraktionselektrode 6 aus dem Plasma in der Plasma-Erzeugungskammer 1 extrahiert wird und zwei Sätze von Permanentmagnetfolgen 9 sind am Umfang entlang der Achsenrichtung (vertikale Richtung) mit voneinander verschiedenen Polaritäten angeordnet. Die Permanentmagnetfolgen 9 werden dazu verwenden, ein Multiring-Cusp-Magnetfeld 10 mit einem Magnetfeld für Elektronen-Zyklotronresonanz in einem Vakuumbehälter, wie der Zylinderelektrode 8, zu erzeugen. Die Permanentmagnetfolgen 9 bestehen z. B. aus Samariumkobalt (magnetische Restflussdichte von ungefähr 11000 G) mit einer Dickenweite von 6 mm und einer Länge von 20 mm in der Magnetisierungsrichtung. Bei diesem Beispiel ist jede derselben integriert. Jedoch können sie selbstverständlich abhängig von der Herstellung in der Umfangsrichtung unterteilt sein.
Der Wellenleiter 12 ist am Umfang der Zylinderelektrode 8 rechtwinklig zur Achsenrichtung befestigt. Der Wellenleiter 12 ist zwischen den zwei Sätzen von Permanentmagnetfolgen 9 am Umfang der Zylinderelektrode 8 angeordnet, und er führt eine Mikrowelle mit einer Frequenz von 2,45 GHz vom Ort zwischen benachbarten Magnetpolen des Multiring-Cusp-Magnetfelds 10 in der Zylinderelektrode 8 ein. Die Permanentmagnetfolge 9 erzeugen das Multiring-Cusp-Magnetfeld 10, und sie erzeugen ein Magnetfeld 11 für Elektronen-Zyklotronresonanz entsprechend der Frequenz der Mikrowelle, wie es in der Fig. 3 dargestellt ist.
Der Wellenleiter 12 ist mit einem Mikrowellen-Einführfenster 13 aus Quarz oder Aluminiumoxid versehen, um eine Mikrowelle einzuführen, wobei gleichzeitig Luftdichtigkeit erhalten bleibt, wie zum Wellenleiter 4. Die Größe des Wellenleiters 12 ist dieselbe wie die des Wellenleiters 4, wie 27 mm Breite und 96 mm Tiefe, wie in der Fig. 1 dargestellt.
Ferner ist der negative (-) Pol einer Gleichspannungsquelle 18 mit der Zylinderelektrode 8 verbunden, und ihr positiver (+) Pol ist gleichzeitig mit der Bearbeitungskammerwand. 15 verbunden, so dass sich die Zylinderelektrode 8 auf negativem Potenzial gegenüber der Verarbeitungskammer 23 befindet.
Das heißt, dass zwischen der Plasma-Erzeugungskammer 1 mit der Ionen-Extraktionselektrode 6 und der Bearbeitungskammer 23 entlang der Achsenrichtung eine Neutralisationseinrichtung angebracht ist, die so strukturiert ist, dass sie Folgendes aufweist: die Zylinderelektrode 8, die eine einen durch die Ionen-Extraktionselektrode 6 extrahierten Ionenstrahl umgebende Raumkammer bildet, eine Erzeugungseinrichtung mit dem Wellenleiter 12 und den Permanentmagnetfolgen 9 zum Erzeugen eines Mikrowellenplasmas in der Raumkammer der Zylinderelektrode, und die Gleichspannungsquelle 18 zum Absenken der Zylinderelektrode 8 auf ein negatives Potenzial gegenüber der Bearbeitungskammer 23.
Der negative (-) Pol der Gleichspannungsquelle 19 ist mit der Bearbeitungskammerwand 15 verbunden, und ihr positiver (+) Pol ist gleichzeitig mit der Erzeugungskammerwand 2 verbunden. Der Abstandshalter 7 besteht aus Aluminiumoxid mit einer Dicke von ungefähr 10 mm, und der Abstandshalter 14 besteht aus Fluorkautschuk, dessen Dicke nach der Kompression ungefähr 1 mm beträgt.
Da die Ionenstrahl-Bearbeitungsvorrichtung bei dieser Ausführungsform den oben genannten Aufbau aufweise, wird als Nächstes ihr Betrieb erläutert.
Zunächst wird die Bearbeitungskammer 23 unter Verwendung einer in der Zeichnung nicht dargestellten Vakuumpumpe in der Richtung des Pfeils auf 1 · 10&supmin;&sup6; Torr oder weniger evakuiert. Als Nächstes wird der Plasma-Erzeugungskammer 1 über die Gaseinlassleitung 21 ein spezielles Gas, wie Schwefelhexafluorid, zugeführt, um den Druck in der Plasma-Erzeugungskammer 1 auf 5 · 10&supmin;&sup5; bis 5 · 10&supmin;&sup4; Torr zu erhöhen, und dann wird durch den Wellenleiter 4 eine Mikrowelle von 2,45 GHz eingeleitet.
Durch diese Vorgehensweise wird das zugeführte Gas durch die Mikrowelle in der Plasma-Erzeugungskammer 1 in ein. Plasma umgewandelt. An einem Ort mit eine Stärke des Magnetfelds, bei der die Elektronenzyklotronresonanz-Frequenz im Plasma mit der Frequenz der Mikrowelle übereinstimmt, ungefähr 875 Gauss bei diesem Beispiel, wird die Mikrowelle durch Elektronen im Plasma wirkungsvoll absorbiert, und dadurch erzeugte Elektronen hoher Energie ionisieren das Gas, und es kann ein Plasma hoher Dichte erzeugt werden.
Wenn in diesem Fall die Erzeugungskammerwand 2 der Ionenquelle dadurch auf ein positives Potenzial gegenüber der Bearbeitungskammer 23 gelegt wird, dass sie mit dem positiven (+) Pol der Gleichspannungsquelle 19 verbunden wird, und wenn darüber hinaus die Ionen-Extraktionselektrode 6 auf ein negatives Potenzial gelegt wird, werden nur Ionen aus dem Plasma hoher Dichte in der Plasma-Erzeugungskammer 1 als Ionenstrahl in die Neutralisationseinrichtung und die Bearbeitungskammer 23 durch die Ionen-Extraktionselektrode 6 extrahiert. Wenn der Ionenstrahl extrahier wird, wird er durch die Neutralisationseinrichtung mit der Zylinderelektrode 8, dem Wellenleiter 12, den Permanentmagnetfolgen 9 und der Gleichspannungsquelle 18 elektrisch neutralisiert, und wenn der neutralisierte Ionenstrahl auf das zu bearbeitende Objekt 17 gestrahlt wird, wird der gewünschte Prozess ausgeführt.
Die an die Ionenquelle angelegte Spannung beträgt ungefähr 200 bis 5000 V, und die an die Ionen-Extraktionselektrode 6 angelegte Spannung beträgt ungefähr -50 bis -1000 V. Als Nächstes wird der Neutralisierungsvorgang durch die Neutralisationseinrichtung erläutert.
Wenn durch die Ionen-Extraktionselektrode 6 ein Ionenstrahl extrahiert wird, tritt, da eine Mikrowelle mit einer Frequenz von 2,45 GHz durch den Wellenleiter 12 eingeführt wird und durch die Permanentmagnetfolgen 9 das Multiring- Cusp-Magnetfeld 10 erzeugt wird und auch das Magnetfeld 11 für Elektronen-Zyklotronresonanz erzeugt wird, am Ort desselben innerhalb der Zylinderelektrode 8 die Mikrowelle mit Elektronen in Resonanz und wird durch diese absorbiert, und demgemäß werden um die Zylinderelektrode 8 herum Elektronen hoher Energie erzeugt.
Die Elektronen hoher Energie ionisieren Gas in der Raumkammer der Zylinderelektrode 8. In diesem Fall ionisieren jedoch, wie es in der Fig. 2 dargestellt ist, die Elektronen hoher Energie Gas dadurch, dass sie zwischen benachbarten Magnetpolen des Multiring-Cusp-Magnetfelds 10 entlang den Magnetkraftlinien in der Umfangsrichtung, wie durch den Pfeil dargestellt, durch den Driftvorgang des Magnetfeldgradienten umkehren, so dass entlang dem Umfang der Zylinderelektrode 8 ein gleichmäßig neutralisiertes Plasma erzeugt werden kann.
Darüber hinaus ist das Neutralisationsplasma verdickt, wie es durch den schraffierten Teil in der Fig. 3(a) dargestellt ist, und der Verschlusszustand des Plasmas ist zufriedenstellend, so dass es in Kontakt mit der Zylinderelektrode 8 und dem Ionenstrahl erzeugt wird. Daher wird das Neutralisationsplasma an der Front einer durch den Wellenleiter 12 in die Raumkammer der Zylinderelektrode 8 eingeführten Mikrowelle erzeugt, so dass die eingeführte Mikrowelle den Ort des Magnetfelds für Elektronen-Zyklotronresonanz erreichen kann, da die zugehörige Ausbreitungsrichtung gebrochen ist, wie es in der Fig. 3(a) dargestellt ist, und die Elektronen können die Mikrowelle effizient absorbieren. Wenn das Neutralisationsplasma auf diese Weise erzeugt wird, wird die Zylinderelektrode 8 durch die Gleichspannungsquelle 18 auf ein negatives Potenzial gegenüber der Bearbeitungskammer 23 gelegt, so dass Ionen 23 im Neutralisationsplasma an der Zylinderelektrode 8 gesammelt werden können. Der angesammelten Ionenladung entsprechende Elektronen 24 werden gleichmäßig zu einem Ionenstrahl 25 geliefert.
Im Ergebnis werden die extrahierten Ionen 23 an der Zylinderelektrode 8 gesammelt, und der angesammelten Ionenladung entsprechende Elektronen 24 werden dem Ionenstrahl 25 zugeführt, so dass dieser an Divergenz dadurch, dass er eine Raumladung aufweist, geändert werden kann und er sicher elektrisch neutralisiert werden kann.
Daher kann das Ionensammelgebiet aufgeweitet werden, wenn die Zylinderelektrode 8 zwischen der Plasma-Erzeugungskammer 1 und der Bearbeitungskammer 23 angebracht wird und Ionen an der Zylinderelektrode 8 gesammelt werden. Im Ergebnis kann alleine durch Erzeugen eines Neutralisationsplasmas geringer Dichte eine ausreichende Menge an Ionen sicher aus diesem Plasma angesammelt werden und dem Ionenstrahl 25 kann gleichzeitig eine ausreichende Menge an Elektronen zugeführt werden. In diesem Fall kann bei kleiner Energiemenge einer zugeführten Mikrowelle ein Neutralisationsplasma geringer Dichte erzeugt werden, so dass ein ruhiges Plasma bei niedriger Elektronentemperatur wird, weswegen Elektronen niedriger Energie zugeführt werden kann und eine Divergenz des Strahls so stark wie möglich unterdrückt werden kann.
Es ist wünschenswert, als das oben genannte Plasma niedriger Dichte ein Plasma unter einer Abschaltdichte zu erzeugen, so dass das Mikrowellen-Einführfenster 13 des Wellenleiters 12 vom Plasma getrennt werden kann und demgemäß verhindert werden kann, dass dann von der Bearbeitungskammer 23 emittierte Teilchen anhaften. Ferner ist der Wellenleiter 12 bei der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform an einem Ort rechtwinklig zur Achsenrichtung am Umfang der Zylinderelektrode 8 befestigt, so dass von der Bearbeitungskammer 23 emittierte leitende Teilchen nicht an der Oberfläche des Mikrowellen-Einführfensters 13 anhaften und ein Bearbeitungsvorgang wie Ätzen über viele Stunden selbst dann ausgeführt werden kann, wenn das zu bearbeitende Objekt. 17 leitende ist.
Ferner erzeugten, wie oben angegeben, die Permanentmagnetfolgen in der Zylinderelektrode 8 das Multiring-Cusp-Magnetfeld 10, und Ionisierungsvorgänge ausführende Elektronen hoher Energie werden durch den Driftvorgang des Magnetfeldgradienten entlang der Umfangsrichtung der Zylinderelektrode 8 umgelenkt, wobei sie sich zwischen benachbarten Magnetpolen entlang den Magnetkraftlinien vor und zurück bewegen und Plasma durch Gasionisierung erzeugen, so dass selbst dann, wenn die Mikrowelle von einem lokalen Abschnitt an der Zylinderelektrode 8 eingeführt wird, am Ring sicher ein gleichmäßiges Plasma erzeugt werden kann und darüber hinaus die Elektronenbahn geschlossen ist und der Einschlussverlust gering ist, weswegen der Wirkungsgrad der Plasmaerzeugung erhöht werden kann. Ferner wird die Mikrowelle durch den Wellenleiter 12 vom Ort zwischen den Magnetpolen des Multiring-Cusp-Magnetfelds 10 in die Zylinderelektrode 8 eingeleitet, so dass sie den Ort des Magnetfelds für Elektronen- Zyklotronresonanz erreichen kann, da die Ausbreitungsrichtung gebrochen wird und der Absorptionswirkungsgrad für die Mikrowelle wird zufriedenstellend.
Ferner werden bei dieser Ausführungsform auch die folgenden Effekte im Betrieb erzeugt. Es sind nämlich die Zylinderelektrode 8, die Permanentmagnetfolge 9 und der Wellenleiter 13 am Ort unmittelbar nach dem Extrahieren des Strahls durch die Ionen-Extraktionselektrode 6 in der Ionenstrahl-Extrahierrichtung angeordnet. Daher zeigt die Ausführungsform im Vergleich zum Fall, bei dem sie auf der stromabwärtigen Seite des Orts, z. B. in der Nachbarschaft des zu bearbeitenden Objekts 17, angeordnet sind, solche Effekte, dass (1) es einfacher ist, eine Strahldivergenz zu unterdrücken und (2) das zu bearbeitende Objekt 17 nicht dem Neutralisationsplasma ausgesetzt wird und (3) die Nachbarschaft des zu bearbeitenden Objekts leicht abgepumpt werden kann und die Leitung für den Abpumpvorgang hoch gemacht werden kann.
Die Fig. 3(a) zeigt, dass ein Raumpotenzial mit einem Spitzenwert im Dickenabschnitt des Neutralisationsplasma erzeugt wird und das Raumpotenzial auf dem Potenzial der Bearbeitungskammer 23 beruht. Das Raumpotenzial nimmt in der radialen Richtung der Zylinderelektrode 8 im Gebiet ab, durch das der Ionenstrahl 25 läuft, und es ist ersichtlich, dass am Ionenstrahl ein konvergierender Effekt einer elektrostatischen Linse erzeugt wird. Der Verteilungszustand des Raumpotenzials kann dadurch kontrolliert werden, dass die Energie der zugeführten Mikrowelle und die angelegte Spannung geändert werden, so dass der Konvergenz- und der Divergenzeffekt für den Strahl leicht kontrolliert werden können.
Die Fig. 4 zeigt eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ionenstrahl-Bearbeitungsvorrichtung.
Bei der oben genannten, ersten Ausführungsform wird die Ionen-Extraktionselektrode 6 auf ein negatives Potenzial von minus (-) einigen hundert V gegenüber der Bearbeitungskammer 23 gelegt, um zu verhindern, dass Elektronen im Neutralisationsplasma zur Ionenquelle zurück strömen. Wenn jedoch die Ionen-Extraktionselektrode 6 auf ein derartiges hohes negatives Potenzial gelegt wird, stoßen Ionen im Neutralisationsplasma mit einer Energie über dem Schwellenwert für Sputtervorgänge auf die Ionen-Extraktionselektrode 6, und es besteht die Möglichkeit, dass diese abgenutzt wird.
Wenn das Neutralisationsplasma erzeugt wird, führt der Wellenleiter 12 die Mikrowelle am Ort nahe der Ionenquelle zu, so dass die Möglichkeit besteht, dass die Mikrowelle durch den isoierenden Abstandshalter 7 nach außen ausleckt, der für eine elektrische Isolierung zwischen der Ionenquelle und der Zylinderelektrode 7 sorgt. In diesem Fall leckt die Mikrowelle auch den durch isolierenden Abstandshalter 14 aus. Jedoch ist der isolierende Abstandshalter 14 ausreichend dünn im Vergleich zum isolierenden Abstandshalter 7, so dass die Ausleckung extrem gering ist.
Diese Ausführungsform ist so beschaffen, dass die obigen zwei Problem gelöst werden.
Das heißt, dass der Unterschied dieser Ausführungsform gegenüber der ersten Ausführungsform darin besteht, dass die Zylinderelektrode 8 innerhalb der Bearbeitungskammerwand 15 angeordnet ist. Genauer gesagt, ist in diesem Fall in der Bearbeitungskammerwand 15 der Flanschabschnitt 15a an ihrer Oberseite mit dem Flanschabschnitt 2a der Erzeugungskammerwand 2 über den isolierenden Abstandshalter 7 verbunden. Die Zylinderelektrode 8 ist am Innenumfang der Bearbeitungskammerwand 15 auf der Seite des Flanschabschnitts 15a installiert, so dass die Zylinderelektrode 8 zwischen der Ionenquelle und der Bearbeitungskammer 23 installiert ist. Der negative (-) Pol der Gleichspannungsquelle 18 ist mit der Zylinderelektrode 8 verbunden und auf negatives Potenzial gegenüber der Bearbeitungskammer 23 gelegt. Der Wellenleiter 12 ist am Außenumfang der Bearbeitungskammerwand 15 auf der Seite des Flanschabschnitts 15a befestigt, um die Mikrowelle in der Innere der Zylinderelektrode 8 einzuleiten. An Orten zu beiden Seiten des Wellenleiters 12 am Außenumfang der Bearbeitungskammerwand 15 sind die Permanentmagnetfolgen 9 in der Außenrichtung so angeordnet, dass die Magnetpole voneinander verschieden sind.
Gemäß dieser Ausführungsform ist eine Schutzelektrode 22 anschließend an die Ionen-Extraktionselektrode 6 angeordnet und innerhalb der Zylinderelektrode 8 installiert. Die Schutzelektrode 22 verfügt über eine Vielzahl von Löchern, auf dieselbe Weise wie die Ionen-Extraktionselektrode 6, sie ist über einen Halter 23 am Inneren des Flanschabschnitts 15a der Bearbeitungskammerwand 15 befestigt, und sie steht in der Umfangsrichtung elektrisch in engem Kontakt mit der Bearbeitungskammerwand 15. In diesem Fall bedeutet "elektrisch in engem Kontakt mit", dass der Abstand zwischen ihnen ausreichend kurz im Vergleich zur Wellenlänge vom Wellenleiter 12 zugeführten Mikrowelle ist und sie elektrisch in Kontakt miteinander stehen.
Gemäß dieser Ausführungsform ist die Schutzelektrode 22 anschließend an die Ionen-Extraktionselektrode 6 und innerhalb der Zylinderelektrode 8 angeordnet, so dass zwar Ionen des Neutralisationsplasma versuchen, auf die Ionen-Extraktionselektrode 6 zu stoßen, sie jedoch zuvor auf die Schutzelektrode 22 stoßen, wodurch die Ionen-Extraktionselektrode 6 sicher gegen Abnutzung geschützt werden kann. Ferner liegt die Schutzelektrode 22 auf demselben Potenzial wie die Bearbeitungskammer 23, so dass sie selbst dann, wenn Ionen auf sie stoßen, nur wenig gesputtert wird. Die Schutzelektrode 22 steht in der Umfangsrichtung elektrisch in engem Kontakt mit der Bearbeitungskammer 23, so dass verhindert werden kann, dass die Mikrowelle zwischen der Ionenquelle und der Bearbeitungskammer 23 nach außen ausleckt.
Bei diesem Beispiel steht die Schutzelektrode 22 in der Unfangsrichtung elektrisch in engem Kontakt, mit der Bearbeitungskammer 23. Jedoch kann selbst dann, wenn die Schutzelektrode 22 elektrisch in engem Kontakt mit der Zylinderelektrode 8 steht, wie bei der oben genannten ersten Ausführungsform beschrieben, die Ionen-Extraktionselektrode 6 gegen Abnutzung geschützt werden, und es kann auf dieselbe Weise verhindert werden, dass die Mikrowelle zwischen der Ionenquelle und der Zylinderelektrode 8 nach außen ausleckt.
Bei jeder in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Ausführungsform ist ein solches Beispiel dargestellt, bei dem ein Wellenleiter 12 an der Zylinderelektrode 8 angebracht ist. Wenn jedoch mehrere Wellenleiter angebracht werden, kann ein Ionenstrahl mit großem Öffnungsdurchmesser und großem Strom neutralisiert werden und es können ein größerer Öffnungsdurchmesser und ein größerer Strom realisiert werden. Es ist ein Beispiel dargestellt, bei dem die Permanentfolge 9 und der Wellenleiter 12 als Einrichtungen zum Erzeugen von Plasma in der Zylinderelektrode 8 verwendet werden. Da jedoch ein Plasma durch Anbringen einer Antenne entlang der Zylinderelektrode 8 erzeugt werden kann, kann dafür die Maßnahme einer Antenne verwendet werden.
Ferner ist zum Erzeugen eines Multiring-Cusp-Magnetfelds innerhalb der Zylinderelektrode 8 ein Beispiel dargestellt, bei die Permanentmagnetfolge 9 am Außenumfang der Zylinderelektrode 8 angeordnet sind. Selbst wenn sie am Innenumfang angeordnet sind, wird jedoch ein Betriebseffekt erzielt, der derselbe wie der der bei der oben genannten Ausführungsform ist. Insbesondere dann, wenn sie am Innenumfang angeordnet sind, kann ein Multiring-Cusp-Magnetfeld mit vergleichsweise starker Intensität erzeugt werden, so dass der Vorteil besteht, dass der Plasmaeinschluss-Zustand zufriedenstellend ist und ein Neutralisationsplasma viel einfacher erzeugt werden kann.
Wie oben angegeben, ist, gemäß der Erfindung, die Ionensträhl-Bearbeitungsvorrichtung so strukturiert, dass das Ionensammelgebiet dadurch aufgeweitet werden kann, dass die Zylinderelektrode 8 Ionen ansammeln kann. Daher kann alleine durch Erzeugen eines Neutralisationsplasmas geringer Dichte eine ausreichende Menge an Ionen sicher aus diesem Plasma gesammelt werden und einem Ionenstrahl kann gleichzeitig eine ausreichende Menge an Elektronen zugeführt werden, und es reicht eine nur kleine Energiemenge einer zugeführten Mikrowelle aus, und die Energie von Elektronen ist viel kleiner, und eines Divergenz des Strahls kann so weit wie möglich unterdrückt werden, und darüber hinaus wird das Neutralisationsplasma in einer den Ionenstrahl umgebenden Ringform erzeugt, und Elektronen können von dort in der Umfangsrichtung gleichmäßig zugeführt werden. Im Ergebnis kann der Effekt erzeugt werden, dass die Ionenstrahl-Bearbeitungsvorrichtung leicht und sicher auf einen großen Strom und einen großen Öffnungsdurchmesser reagieren kann.
Wenn die Ionenstrahl-Bearbeitungsvorrichtung so strukturiert ist, dass die Schutzelektrode an einem Ort auf der Seite der Ionen-Extraktionselektrode installiert ist und Ionen im Neutralisationsplasma durch die Schutzelektrode gesammelt werden, bevor sie auf die Ionen-Extraktionselektrode stoßen, wird der Effekt erzeugt, dass Abnutzung der Ionen-Extraktionselektrode sicher herabgesetzt wird. Ferner wird die Schutzelektrode in der Umfangsrichtung elektrisch eng festgehalten, so dass der Effekt erzeugt wird, dass ein Auslecken der Mikrowelle vom Ort zwischen der Bearbeitungskammer und der Ionenquelle verhindert ist.

Claims

1. Ionenstrahl-Bearbeitungsvorrichtung mit:

einer Ionenquelle (1) mit einer Ionen-Extraktionselektrode (6) zum Erzeugen eines Plasmas und zum Extrahieren von Ionen aus dem Plasma,

einer mit der Ionenquelle verbundenen Bearbeitungskammer (23) zum Bearbeiten eines Objekts (17) durch den extrahierten Ionenstrahl, und

einer Neutralisationseinrichtung zum elektrischen Neutralisieren des zu der Bearbeitungskammer (23) zugeführten Ionenstrahls,

dadurch gekennzeichnet, daß die Neutralisationseinrichtung zwischen der Ionenquelle (1) und der Bearbeitungskammer (23) längs der Strahlachse angebracht ist, und aufweist:

eine Zylinderelektrode (8), die eine Raumkammer bildet, die den durch die Ionen-Extraktionselektrode (6) extrahierten Ionenstrahl umgibt,

eine Einrichtung zum Erzeugen von Mikrowellenplasma in der Raumkammer der Zylinderelektrode (8), und

eine Einrichtung (18) zum Halten der Zylinderelektrode (8) auf einem bezüglich der Bearbeitungskammer (23) negativen Potential.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung zur Erzeugung des Mikrowellenplasmas einen Mikrowellen-Einführabschnitt (12) zum Einführen einer Mikrowelle in die Raumkammer der Zylinderelektrode (8) und einen Abschnitt (9) zur Erzeugung eines statischen Magnetfelds zum Bilden eines Multiring- Cusp-Magnetfelds (10) und zum Erzeugen eines elektronischen Zyklotronresonanz-Magnetfelds entsprechend der Frequenz der Mikrowelle aus dem Mikrowellen-Einführabschnitt (12) aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, mit einer Schutzelektrode (22), die der Ionen-Extraktionselektrode (6) an der Seite der Raumkammer der Zylinderelektrode (8) benachbart ist, und in Umfangsrichtung die Bearbeitungskammer (23) oder die Zylinderelektrode (8) kontaktiert und auf das gleiche Potential gelegt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Abschnitt zum Erzeugen des statischen Magnetfelds in einem Permanentmagnet (9) besteht, der am Außen- oder Innenumfang der Zylinderelektrode (8) angebracht ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der Mikrowellen-Einführabschnitt (12) eine Mikrowelle von zwischen den benachbarten Magnetpolen des Multiring-Cusp-Magnetfelds (10) oder des statischen Magnetfelds einführt.

6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Zylinderelektrode (8) in die Bearbeitungskammer (23) entlang deren Innenwand verläuft.