JP2001296398A

JP2001296398A - 中性ビーム処理装置及びその方法

Info

Publication number: JP2001296398A
Application number: JP2000113519A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Ichimura; 智市村; Kazutoshi Tsuchiya; 一俊土屋; Tadashi Sato; 忠佐藤; Yoshihiko Nagamine; 嘉彦長峯; Yoshiya Higuchi; 佳也樋口
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-04-14
Filing date: 2000-04-14
Publication date: 2001-10-26
Also published as: US20020033446A1

Abstract

(57)【要約】【課題】中性ビームの発散を小さく、エネルギーのば
らつきを小さくしながら、中性ビームを大口径化および
大容量化すること。【解決手段】プラズマ生成室１から引き出したイオン
ビームを中性化室１１で中性化して中性ビームに変換
し、この中性ビームを処理室２３内の被処理物１７に照
射するに際して、中性ビームから荷電粒子を分離する荷
電粒子分離手段として多孔電極３２と永久磁石列３１を
配置し、中性化室壁８に対して永久磁石列３１を同電位
に設定し、多孔電極２２を正電位に設定し、永久磁石列
９の発生する電子サイクロトロン磁場と導波管１２から
導入されるマイクロ波の相互作用によって中性化室１１
内にプラズマを発生させて、中性化室１１内において平
坦な空間電位を形成する。イオンビームが平坦な空間電
位で変換されることにより形成される中性ビームは発散
が小さく、エネルギーのばらつきが小さくなり、中性ビ
ームの大口径化および大容量化が可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、中性ビーム処理装
置及びその方法に係り、特に、中性ビームを被処理物に
照射してエッチング処理などを行うに好適な中性ビーム
処理装置及びその方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】中性ビームを利用した処理装置として、
基板などの被処理物に中性ビームを照射してエッチング
などの処理を施す中性ビーム処理装置がある。従来、こ
の種の中性ビーム処理装置としては、例えば、特開平７
−１９３０４７号公報に記載されているものが知られて
いる。この中性ビーム処理装置においては、イオン源か
ら引出されたイオンビームを中性ビームに変換し、中性
ビームのみを被処理物に照射するに際して、イオンビー
ムの一部が中性ガスとの荷電交換反応によって得られた
中性ビームと荷電粒子とを分離する荷電粒子分離手段と
してリターディング電極を用いた構成が採用されてい
る。このリターディング電極は、中性ビームを通過させ
るための小さな孔が多数開口している多孔電極であり、
この多孔電極に所定の電位を印加することにより、荷電
粒子であるイオンまたは電子を静電的に反発除去する一
方、電荷を持たない中性ビームを通過させることができ
る。

【０００３】一方、前記公報には、他の荷電粒子分離手
段として、荷電粒子のうちの電子を、被処理物の側面に
配置された永久磁石によって表面上に横磁場を加えるこ
とで磁気的に中性ビームから分離除去し、荷電粒子のう
ちのイオンを、被処理物を保持する支持台に正電位を印
加することで静電的に中性ビームから分離除去するもの
が開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、中性ビーム
処理装置においては、処理すべき被処理物を大型化し、
かつ処理時間の短縮を図ることから、被処理物に照射さ
れる中性ビームを大口径化、大容量化することが要請さ
れている。しかも、この大口径化、大容量化にあたって
は、中性ビームの品質を良質にすることが求められてい
る。すなわち、中性ビームの発散が小さいこと、エネル
ギーのばらつきが小さいことが求められている。

【０００５】しかし、上記従来技術のものは、以下に述
べる理由から、中性ビームの発散を小さく、エネルギー
のばらつきを小さくしながら、中性ビームを大口径化、
大容量化するには限界がある。

【０００６】具体的には、上記従来技術のうち前者につ
いては、被処理物に照射される中性ビームの品質を良質
なものとするためには、リターディング電極を少なくと
も、以下に説明するように、３枚の多孔電極で構成する
必要がある。すなわち、中性ビームの発散を小さく、エ
ネルギーのばらつきを小さくするための基準電極と、イ
オンを除去するために、基準電極に対して正電位が与え
られるイオン除去電極と、電子を除去するために、基準
電極に対して負電位が与えられる電子除去電極とで構成
する必要がある。

【０００７】基準電極は、３枚の多孔電極のうちイオン
源側に配置されて所定の電位が印加され、基準電極と引
出電極との間の空間電位を規定するようになっている。
この空間電位に勾配が生じると、例えば、基準電極がな
い状態で、基準電極より電位の高い正電位のイオン除去
電極と引出電極とによって空間電位を規定すると、引出
電極とイオン除去電極との間の空間電位に勾配（ポテン
シャル壁）が生じ、中性ビームに変換される前のイオン
ビームの発散が大きくなるとともにエネルギーのばらつ
きが大きくなる。このため、イオンビームが中性ビーム
に変換される中性化領域における空間電位を平坦化する
ために、イオン除去電極よりもイオン源側に基準電極を
設け、この基準電極にイオン除去電極よりも電位の低い
所定の電位を設定することで、中性化領域における空間
電位を平坦化する構成が採用されている。この基準電極
を設けて空間電位を平坦化することで、中性ビームの発
散を小さく、エネルギーのばらつきを小さくすることが
できる。

【０００８】しかし、リターディング電極を構成する電
極の枚数が多いほど、中性ビームが電極に衝突する確率
が高くなるため、リターディング電極を通過して被処理
物に照射される中性ビームの量が減少するという問題点
が生じる。

【０００９】また、複数の電極上に多数開口された孔同
士を相互に所定の位置に保つことは、リターディング電
極を大口径化するほど困難になるとともに、中性ビーム
の透過率が低下し、出力の低下を招くことになる。さら
に、中性化領域における空間電位を平坦化するという作
用上、基準電極は中性化されなかったイオンビームによ
って必然的に衝撃を受けるので、損耗が激しくなる。

【００１０】一方、従来技術のうち後者のものは、被処
理物の側面に配置された永久磁石によって被処理物表面
上に平行磁場を加えることで電子を磁気的に中性ビーム
から分離除去し、被処理物に正電位を印加することでイ
オンを静電的に中性ビームから分離除去するようにして
いるため、前者のように、中性ビームがリターディング
電極に衝突することによって、被処理物に照射される中
性ビームの量が減少するようなことはない。

【００１１】しかし、被処理物に印加した正電位によっ
て中性化領域の空間電位に勾配が生じるため、中性ビー
ムに変換される前のイオンビームの発散およびエネルギ
ーのばらつきが大きくなり、結果として、イオンビーム
の変換によって得られた中性ビームの発散およびエネル
ギーのばらつきが大きくなる。

【００１２】また、被処理物の大型化に際して、電子を
分離するのに必要な磁場を被処理物の中心部で形成する
ためには、被処理物の側面に配置される永久磁石が巨大
なものとなり、しかも、被処理物の中心部と端部とで
は、磁場強度の差が顕著となり、荷電粒子に対する影響
が不均一になることから、中性ビーム処理装置の大口径
化には限界がある。また被処理物の表面に磁場を形成す
るので、磁性素子のように、磁場の影響を受けやすい被
処理物の処理に適さない、被処理物に所定の正電位を印
加することでイオンを反発除去することから、表面が絶
縁物である被処理物の処理には適さない、という問題点
もある。

【００１３】このように、従来技術においては、被処理
物に照射される中性ビームの発散を小さく、エネルギー
のばらつきを小さくしながら、中性ビームを大口径化、
大容量化するには限界がある。

【００１４】本発明の目的は、中性ビームの発散を小さ
く、エネルギーのばらつきを小さくしながら、中性ビー
ムを大口径化および大容量化することができる中性ビー
ム処理装置及びその方法を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
には、本発明は、イオン源と、該イオン源からイオンを
引き出してイオンビームとするイオン引出し電極と、該
イオン引出し電極により引き出されたイオンビームを中
性ガスの雰囲気中で中性化して中性ビームに変換する中
性化室と、該中性化室内の中性ビームから荷電粒子を分
離して中性ビームを通過させる荷電粒子分離手段と、前
記中性化室に隣接して配置されて前記荷電粒子分離手段
を通過した中性ビームの伝播路上に被処理物を収納する
処理室とを備え、前記荷電粒子分離手段は、前記中性化
室を画成する中性化室壁に対して正電位が与えられて前
記中性ビームを通過させる複数の孔を有する多孔電極
と、該多孔電極に隣接して分散配置されて前記多孔電極
近傍に多極磁場を形成する複数の磁石列とから構成され
てなる中性ビーム処理装置を構成したものである。

【００１６】また、本発明は、イオン源と、該イオン源
からイオンを引き出してイオンビームとするイオン引出
し電極と、該イオン引出し電極により引き出されたイオ
ンビームを中性ガスの雰囲気中で中性化して中性ビーム
に変換する中性化室と、該中性化室内の中性ビームから
荷電粒子を分離して中性ビームを通過させる荷電粒子分
離手段と、前記中性化室に隣接して配置されて前記荷電
粒子分離手段を通過した中性ビームの伝播路上に被処理
物を収納する処理室とを備え、前記荷電粒子分離手段
は、前記中性化室を画成する中性化室壁に対して正電位
が与えられて前記中性ビームを通過させる複数の孔を有
する多孔電極と、該多孔電極に隣接して分散配置されて
前記多孔電極近傍に多極磁場を形成する複数の磁石列
と、前記中性化室内において前記多極磁場の磁極部に配
置され、前記多孔電極に対して負電位が与えられる導電
体部材とから構成されてなる中性ビーム処理装置を構成
したものである。

【００１７】前記中性ビーム処理装置を構成するに際し
ては、以下の要素を付加することができる。

【００１８】（１）前記複数の磁石列が、前記導電体部
材を兼ねてなる。

【００１９】（２）前記複数の磁石列が、前記多孔電極
を間にして前記導電体部材と相対向して配置されてな
る。

【００２０】（３）前記中性化室を画成する中性化室壁
と前記導電体部材との間に電位差を与える電位差調整手
段を備えてなる。

【００２１】（４）前記中性化室内に電子を供給または
発生させる電子補充手段を備えてなる。

【００２２】また、本発明は、イオン源からイオンを引
き出してイオンビームとし、このイオンビームを中性化
室内で中性ビームに変換し、前記中性化室を画成する中
性化室壁に対して正電位が与えられた多孔電極を前記中
性化室の出口側に配置して前記中性ビームに混在する荷
電粒子の中からイオンを分離除去し、複数の磁石を前記
多孔電極の近傍に配置して前記多孔電極の近傍に多極磁
場を形成し、この多極磁場により、前記中性ビームに混
在する荷電粒子の中から電子を分離除去し、前記多孔電
極を通過した中性ビームを処理室内の被処理物に照射す
る中性ビーム処理方法を採用したものである。

【００２３】さらに、本発明は、イオン源からイオンを
引き出してイオンビームとして中性化室に導入し、該中
性化室を画成する中性化室壁に対して正電位が与えられ
た多孔電極を前記中性化室の出口側に配置し、また、複
数の磁石を前記多孔電極の近傍に配置して前記多孔電極
の近傍に多極磁場を形成し、更に、前記中性化室内にお
いて前記多極磁場の磁極部に、前記多孔電極に対して負
電位が与えられる導電体部材を配置することにより前記
中性化室内の広範囲に平坦な空間電位領域を形成して、
該平坦な空間電位領域において前記イオンビームを中性
ビームに変換し、該中性ビームに混在する荷電粒子の中
からイオンを前記多孔電極により分離除去し、電子を前
記多極磁場により分離除去して、前記多孔電極を通過し
た中性ビームを処理室内の被処理物に照射する中性ビー
ム処理方法を採用したものである。

【００２４】前記した手段によれば、中性ビームに混在
する荷電粒子のうちイオンを多孔電極によって中性ビー
ムから分離除去し、電子を複数の磁石列によって形成さ
れる多極磁場によって中性ビームから分離除去するよう
にしているため、荷電粒子分離手段として複数の電極を
用いるものよりも中性ビームの透過率を高めることがで
きるとともに、中性ビームの量が減少するのを防止する
ことができ、中性ビームの大容量化が可能になる。さら
に、多孔電極の大型化に合わせて磁石列の数を増やすこ
とで中性ビームの大口径化が可能になる。また多孔電極
はイオンを反発する正電位が与えられているので、イオ
ンビームの衝突による損耗を避けることができる。さら
に荷電粒子分離手段として導電体部材を設けることで、
磁石列がイオンビームに照射されるのを防止することが
でき、磁石列の加熱による減磁をなくすことができる。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図面
に基づいて説明する。図１（ａ）は、本発明の一実施形
態を示す中性ビーム処理装置の全体構成を示す縦断面
図、（ｂ）は図１に示す装置の空間電位の特性図であ
る。

【００２６】図１において、中性ビーム処理装置は、マ
イクロ波放電によってプラズマを生成するイオン源を備
えており、このイオン源は、プラズマ生成室１が生成室
壁２によって画成され、生成室壁２に導波管４とガス導
入管３７がそれぞれ接続されている。プラズマ生成室１
は、図１において縦方向である内径がφ３５０ｍｍ、横
方向である奥行きが１５０ｍｍの大きさを成しており、
例えば、ステンレスのような非磁性材を用いた生成室壁
２によりほぼ碗形状に形成され、右側が開口されてい
る。生成室壁２の左側中央部に導波管４が接続されてお
り、この導波管４内にはプラズマ生成室１内の気密を保
つためにマイクロ波導入窓６が取付けられている。この
導波管４にはマイクロ波発生器（図示省略）が接続され
ており、マイクロ波発生器から周波数２．４５ＧＨｚの
マイクロ波が導波管４、マイクロ波導入窓６を介してプ
ラズマ生成室１内に導入されるようになっている。導波
管４よりも下側の生成室壁２にはガス導入管３７が設け
られており、プラズマ生成室１には、プラズマ生成に必
要な特定のガス、例えば、アルゴンなどのガスがガス導
入管３７を介して導入されるようになっている。

【００２７】また生成室壁２の外周側には、永久磁石列
５が配列されており、永久磁石列５は、プラズマ生成室
１内に電子サイクロトロン共鳴磁場を有する静磁場を発
生し得るようになっている。さらに、生成室壁２の底部
側は直流電源３６に接続されており、生成室壁２には、
例えば、６００Ｖ〜１０００Ｖの直流電圧が印加されて
いる。

【００２８】さらに、生成室壁２の開口側にはフランジ
部が形成されているとともに、生成室壁２の開口側に
は、プラズマ生成室１内のイオンを引出してイオンビー
ムとするイオン引出電極が取付けられている。このイオ
ン引出電極はスクリーン電極３ａ、加速電極３ｂ、減速
電極３ｃから構成されており、スクリーン電極３ａがプ
ラズマ生成室１側に配置され、その右側に加速電極３ｂ
が配置され、加速電極３ｂの右側に減速電極３ｃが配置
されている。そして各スクリーン電極３ａ、加速電極３
ｂおよび減速電極３ｃには互いに所定の間隔を持つとと
もに所定の大きさの孔が複数個形成されている。なお、
本実施形態において、イオン引出電極の複数の孔が分布
している領域はφ３００ｍｍの大きさを成している。ま
た生成室壁２には、直流電源３６の＋極が接続され、直
流電源３６の−極が処理室壁１５に接続されているた
め、生成室壁２には処理室壁１５に対して正電位が与え
られている。

【００２９】上記構成によるプラズマ生成室１の開口側
には、中性化室１１が接続されている。この中性化室１
１はほぼ筒状に形成され、周囲が中性化室壁８によって
画成されおり、この中性化室壁８には導波管１２とガス
導入管３８がそれぞれ接続されている。

【００３０】中性化室壁８は、例えば、内径が４００ｍ
ｍ、奥行きが３５０ｍｍの筒体として、非磁性ステンレ
スを用いて構成されており、軸方向左端に形成されたフ
ランジ部が、生成室壁２の右端に形成されたフランジ部
と絶縁スペーサ７を介して接続されているとともに、軸
方向右端に形成されたフランジ部が処理室壁１５に接続
されて処理室壁１５とともに接地されている。この中性
化室壁１８は、プラズマ生成室１から引出されたイオン
ビームを取り囲むものであり、この外周部には軸方向
（左右方向）に沿って２組の永久磁石列９が、その極性
が互いに異なるようにして配置されている。各永久磁石
列９は、中性化室１１内に電子サイクロトロン共鳴磁場
を有するマルチリングカプス磁場を形成するためのもの
であり、この永久磁石列９は、例えば、サマリウムコバ
ルト（残留磁束密度約１．１Ｔ）製で、厚み幅が８ｍ
ｍ、磁化方向長さが１２ｍｍである。

【００３１】また中性化室壁８の外周部にはその軸方向
と直交し得る方向に導波管１２が取り付けられいる。導
波管１２は、中性化室壁８の外周部において、２組の永
久磁石列９の間に配置され、中性化室壁８内においてマ
ルチリングカプス磁場の隣合う磁極間から周波数２．４
５ＧＨｚのマイクロ波を導入するようになっている。永
久磁石列９は、マルチリングカプス磁場を形成するとと
もに、マイクロ波の周波数に対応する電子サイクロトロ
ン共鳴磁場を発生するようになっている。さらに、この
導波管１２には、導波管４と同様に、マイクロ波を導入
するとともに、中性化室１１内の気密を保持するため
に、石英やアルミナなどからなるマイクロ波導入窓１３
が設けられている。

【００３２】そして、中性化室壁８の右側開口部には、
中性化室１１と処理室２３の１要素として、中性化室１
１と処理室２３を区画する多孔電極３２が取り付けられ
ており、この多孔電極３２には、中性ビームの通路し
て、互いに所定の間隔を有するとともに所定の大きさの
孔が複数個形成されている。この多孔電極３２には直流
電源３３の＋極が接続され、多孔電極３２には、例え
ば、７００Ｖの直流電圧が印加されている。したがっ
て、多孔電極３２には、処理室壁１５と同電位にある中
性化室壁８に対して正電位が与えられている。なお、本
実施形態においては、多孔電極３２の複数の孔が分布し
ている領域はφ３５０ｍｍの大きさを成している。

【００３３】多孔電極３２に隣接して、磁性体として複
数の永久磁石列３１が配設されている。各永久磁石列３
１は、多孔電極２の表面に対して極を垂直に、隣合う永
久磁石列の極性が相互に異なるようにして配置され、例
えば、絶縁部材を用いて多孔電極３２に固定されてい
る。そして複数の永久磁石列３１によって、中性化室１
１内の多孔電極３２近傍には多極磁場３０が形成されて
いる。この永久磁石列３１は、導電体であるサマリウム
コバルト（残留磁束密度約１．１Ｔ）製で、厚み幅が４
ｍｍ、磁化方向長さが８ｍｍであり、相互に隣接する永
久磁石列の間隔が５０〜６０ｍｍとなるように配置され
ている。これにより形成される多極磁場３０の磁場強度
は、図２（ａ）に示す線分ｃｄ上において、最大値が１
０ｍＴ程度であり、その最大値のところ（多極磁場３０
の磁力線を示す線分と多孔電極３２とのほぼ中間地点）
から遠ざかることで急速に減少し、多孔電極３２から５
０ｍｍ離れたところで３ｍＴ程度となり、８０ｍｍ離れ
たところで１ｍＴ程度となっている。なお、多極磁場３
０として代表的に図示した磁力線は、線分ｃｄ上におい
て、１〜３ｍＴ程度の磁場強度を有したものであり、ま
た永久磁石列３１は導電体部材（線材）を介して中性化
室壁８に接続されて中性化室壁８と同電位に接地されて
いる。

【００３４】中性化室１１の右側には、処理室２３が接
続されている。この処理室２３は、基板などの被処理物
１７を収納するとともに、多孔電極３２を通過した中性
ビームによって被処理物１７を処理するための空間であ
り、例えば、ステンレスのような非磁性材を用いて構成
された処理室壁１５によって画成されている。この処理
室壁１５には、アルゴンやハロゲンガスなど特定のガス
を処理室２３に導入するためのガス導入管３９が接続さ
れている。また被処理物１７は多孔電極３２を通過した
中性ビームの伝播路上に、中性ビームとほぼ直交する位
置に配置され、支持台１６上に支持されている。この支
持台１６は処理室壁１５と同様に接地されている。

【００３５】本実施形態における中性ビーム処理装置
は、以上のように構成されており、次にその作用につい
て説明する。まず、処理室２３に対しては、真空ポンプ
（図示省略）を用いて、矢印にて示すように、処理室２
３内を排気することにより、処理室２３内の圧力を１×
１０^−４Ｐａ以下にする。次いで、プラズマ生成室１内
にガス導入管３７、３８または３９から、アルゴンなど
のガスを供給し、プラズマ生成室１内の圧力を３×１０
^−２Ｐａ〜３×１０^−１Ｐａとしたところで、導波管４
から２．４５ＧＨｚのマイクロ波を導入する。

【００３６】これにより、プラズマ生成室１内では、供
給されたガスがマイクロ波によりプラズマ化されるが、
プラズマ中の電子のサイクロトロン共鳴周波数とマイク
ロ波の周波数とが一致する磁場強度、例えば、約８７．
５ｍＴの領域において、マイクロ波が効率的にプラズマ
中の電子に吸収されることとなり、そのために生じた高
エネルギー電子がガスを電離することにより、高密度の
プラズマが生成される。

【００３７】このとき、中性化室壁８に対して、イオン
源の生成室壁２とスクリーン電極３ａを直流電源３６に
よって正電位に設定し、加速電極３ｂを負電位に設定す
ると、プラズマ生成室１内の高密度プラズマからイオン
のみがイオンビームとして中性化室１１内に引き出され
る。なお、減速電極３ｃは中性化室壁８と同じく接地電
位に設定する。

【００３８】イオンビームが中性化室１１内に引き出さ
れると、中性化室１１内において、後述する中性化作用
により、イオンビームの一部が中性ビームに変換され
る。そしてこの中性ビームは、後述する荷電粒子分離作
用によって、中性ビームに混在する電子およびイオンが
電子ビームから分離され、中性ビームのみが多孔電極３
２を通過して処理室２３内に導入され、この中性ビーム
が支持台３６上の被処理物１７に照射されることによ
り、中性ビームエッチング処理など、被処理物１７に対
して所望の中性ビーム処理を行うことができる。その
際、ガス導入管３９からは、所望の中性ビーム処理に応
じて、例えば、中性ビームエッチング処理であればハロ
ゲンガスなどの特定ガスを導入することにより処理効果
を高めることができる。

【００３９】次に、中性化室１１におけるイオンビーム
の中性化作用について説明する。ガス導入管３８からア
ルゴンなどの特定ガスを中性化室１１に供給することに
より、中性化室１１内の圧力を３×１０^−２Ｐａ〜３×
１０^−１Ｐａとしたところで、中性化室１１内にイオン
ビームが導入されると、イオンビームの一部が中性ガス
（特定ガスによる中性の粒子）と荷電交換反応すること
により、中性ビームに変換される。

【００４０】ここで、イオンビームを中性ビームに変換
するに際して、永久磁石列３１を中性化室壁８とともに
接地することなく、多孔電極３２と同電位、すなわち中
性化室壁８に対して正電位に設定した場合を仮定する
と、図１（ａ）における線分ａｂ上の空間電位として、
減速電極３ｃと多孔電極３２との間の中性化室１１内に
おける空間電位は減速電極３ｃと多孔電極３２の電位に
よって規定される。このため、図１（ｂ）の点線（II）
によって示すように、中性化室１１内においては多孔電
極３２に向かって電位が上昇する空間電位が形成される
ことになる。この場合、イオンビームが中性化室壁８に
衝突することにより２次電子が発生し、中性化室１１に
２次電子が供給されたとしても、この電子は、正電位に
設定された永久磁石列３１の磁極に容易に吸収され、中
性化室１１内に長く滞在できなくなる。したがって、相
対的に正電荷を有するイオンビームと、このイオンビー
ムと中性ガスとの荷電交換によって生じた低速イオンが
中性化室１１内に多く存在することになる。この結果、
勾配を有する空間電位の領域を通過するイオンビーム
は、ポテンシャル壁の影響を受けて発散し、さらに減速
されて運動エネルギーが減少する。このイオンビームが
中性化室１１において中性ガスとの荷電交換反応によっ
て中性ビームに変換されても、変換後の中性ビームは発
散が大きく、エネルギーのばらつきが大きくなる。

【００４１】一方、本実施形態においては、永久磁石列
３１を中性化室壁８と同電位、すなわち中性化室壁８と
ともに接地しているため、減速電極３ｃと永久磁石列３
１との間の空間電位を減速電極３ｃと中性化室壁８の電
位で規定することができる。したがって、イオンビーム
が中性化室壁８に衝突することにより２次電子が発生
し、２次電子が中性化室１１に供給されると、この２次
電子が永久磁石列３１の磁極で容易に吸収されることは
なく、むしろ、永久磁石列３１の磁極の有するミラー効
果により反射されることになる。このため、図２におい
て、電子が容易に動ける領域であって、中性化室１１の
径方向および軸方向の広い空間領域Ａにおいて、電子は
イオンビームおよびイオンビームの中性化の過程で生じ
た低速イオンともにプラズマを形成することが可能にな
る。このプラズマが形成されることによって、中性化室
１１の径方向および軸方向の広い空間領域Ａに渡って、
図１（ｂ）において、実線（Ｉ）に示したように、中性
化室壁８に近い電位として、空間電位が平坦化される。
この結果、広い空間領域Ａを通過するイオンビームは発
散せず、しかも減速されて運動エネルギーを減少するこ
ともないので、広い空間領域Ａにおいて形成された中性
ビームを大口径の領域に渡って発散が小さく、かつ、エ
ネルギーのばらつきが小さいものとすることができる。

【００４２】なお、空間領域Ａにプラズマを形成して中
性化室１１内の空間電位を平坦化するに際して、中性化
室壁８にイオンビームが衝突することにより生じた２次
電子を用いるものについて述べたが、これは、イオンビ
ームの量が比較的少ない場合にのみ有効である。すなわ
ち、より大電流のイオンビームを中性化室１１内に導入
し、このイオンビームを中性化することで、より大容量
の中性ビームを得ようとする場合には、２次電子のよう
に、副次的に発生する電子のみではイオンビームの有す
る正電荷を中和し、空間電位を平坦化するのには限界が
生じる。

【００４３】そこで、本実施形態においては、前述した
ように、中性化室１１内に電子またはプラズマを供給ま
たは発生させる電子補充手段として、導波管１２、ガス
導入管３８、永久磁石列９を配設し、中性化室１１内に
電子サイクロトロン共鳴磁場を有するマルチリングカプ
ス磁場を形成するとともに、導波管１２から中性化室１
１内にマイクロ波を導入し、マイクロ波と電子サイクロ
トロン共鳴磁場との相互作用によって中性化室１１内に
プラズマを発生させることとしている。このプラズマの
密度は導入するマイクロ波の強度によって調整すること
ができるので、中性化室１１に導入されるイオンビーム
が大電流であっても、この大電流に応じた所定の密度の
プラズマを形成することにより、中性化室１１の径方向
および軸方向の広い空間領域Ａに渡って、図１（ｂ）に
実線（Ｉ）で示したように、中性化室壁８に近い電位と
して確実に空間電位を平坦化することができる。したが
って、空間領域Ａを通過するイオンビームは発散せず、
減速されて運動エネルギーが減少することもないので、
空間領域Ａにおいて大電流のイオンビームが中性化され
て形成された大容量の中性ビームを、大口径の領域に渡
って発散が小さく、かつ、エネルギーのばらつきが小さ
いものとすることができる。

【００４４】次に、図２を用いて、本発明に係る荷電粒
子分離手段の作用を説明する。本実施形態においては、
中性化室壁８に対して正電位が与えられる多孔電極３２
と、多孔電極３２近傍に多極磁場３０を形成する複数の
磁石列３１によって荷電粒子分離手段が構成されてい
る。

【００４５】荷電粒子分離手段を用いてイオンビームお
よび低速イオンを分離するに際して、本実施形態では、
多孔電極３２には、中性化室壁８に対して、イオン源の
生成室壁２およびスクリーン電極３ａに設定されている
正電位よりも高電位となる正電位が電源３３によって設
定されている。その一方で、永久磁石列３１は中性化室
壁８と同電位（接地電位）に設定されている。これらの
電位設定により、図２（ａ）の線分ｃｄで示した多孔電
極３２近傍においては、図２（ｂ）の実線によって示し
たように、多孔電極３２に向かって上昇する空間電位が
形成される。

【００４６】永久磁石列３１と多孔電極３２との間の空
間電位として電位が急激に高くなる空間電位が形成され
ることにより、イオンビームおよび低速イオンを含むイ
オン２５は、空間電位によるポテンシャル壁によって多
孔電極３２に到達する前に中性室壁１１の内側に跳ね返
されるので、多孔電極３２を通過して処理室２３に入射
することができない。

【００４７】一方、磁場によるラーマ半径の小さい電子
２４は、永久磁石列３１によって多孔電極３２近傍に形
成された多極磁場３０を横切って多孔電極３２に到達す
ることはできず、多極磁場３０の磁力線に沿って永久磁
石列３１の磁極に衝突して消滅するか、あるいはミラー
効果によって反射されるため、多孔電極３２を通過して
処理室２３内に入射することができない。

【００４８】これら荷電粒子に対して、中性ビーム２９
は磁場によっても空間電位によってもその軌道を曲げら
れることはなく、容易に多孔電極３２に到達することが
でき、確率的に多孔電極３２の孔を通過して処理室２３
内に入射し、被処理物１７に照射される。

【００４９】このように、本実施形態における荷電粒子
分離手段は、１枚の多孔電極３２のみを使用しているの
で、複数の多孔電極からなるリターディング電極を用い
た従来のものに比較して、大口径化に際して、複数の電
極上に多数開口された孔同士を所定の配置に保つ困難が
なく、容易に大口径が可能になる。また、電極の枚数が
少なく、中性ビームが電極に衝突する確率が小さいの
で、電極を通過して被処理物１７に照射される中性ビー
ムの減少量を小さくすることができる。すなわち、中性
ビームの透過率の向上を図ることができる。また多孔電
極３２はイオンを反発する正電位が与えられているの
で、イオンビームの衝突による損耗を避けることができ
る。

【００５０】さらに、被処理物１７の側面に配置された
永久磁石によって被処理物表面上に平行磁場を与えるこ
とで電子を磁気的に分離除去するようにした従来例に比
較して、本実施形態においては、中性化室１１内に多極
磁場３０を形成する永久磁石列３１を使用しているの
で、永久磁石を大型化することなく、永久磁石列３１の
列数を増やすことで容易に大口径化が可能になる。また
永久磁石列３１の形成する多極磁場３０は、永久磁石列
３１から離れるにしたがって急峻に磁場強度が減衰する
ため、処理室２３内において永久磁石列３１から離れた
位置に被処理物１７を配置することにより、被処理物１
７に対する磁場の影響を無くすことができる。したがっ
て、磁性素子のように、磁場の影響を受けやすい被処理
物であっても確実に中性ビーム処理を施すことができ
る。またイオンを多孔電極３０によって反発除去してい
るので、被処理物１７に正電位を与えてイオンを反発除
去する従来のものに比較して、被処理物が絶縁物の場合
であっても確実に中性ビーム処理を施すことができる。

【００５１】本実施形態によれば、中性化室１１内にお
いて発散およびエネルギーのばらつきが小さく、しかも
大口径で大容量の中性ビームを形成することができる。
さらに、荷電粒子分離手段によって大口径の領域に渡っ
て確実に荷電粒子を分離除去した中性ビームを被処理物
１７に対して照射できるので、被処理物１７に対してエ
ネルギーのばらつきが小さく、しかも大口径で大容量の
中性ビーム処理を施すことができる。

【００５２】なお、本実施形態において、永久磁石列３
１を直接中性化室壁８に接続する代わりに、永久磁石列
３１と中性化室壁８とを直流電源を介して接続し、中性
化室壁８に対して、永久磁石列３１に、直流電源の出力
電圧に応じた負電位を設定することができる。

【００５３】次に、本発明の他の実施形態を図３および
図４にしたがって説明する。図３（ａ）は本発明の他の
実施形態を示す中性ビーム処置装置の縦断面図、（ｂ）
は図３に示す装置の空間電位特性図、図４は、図３に示
す装置の要部拡大断面図である。

【００５４】本実施形態は、荷電粒子分離手段を多孔電
極３２、永久磁石列３１、導電体部材４０で構成し、永
久磁石列３１を処理室２３内に配置し、多孔電極３２を
間にして、各永久磁石列３１に相対向して複数の導電体
部材４０を中性化室１１内に配置し、各導電体部材４０
を直流電源３５に接続し、中性化室壁８と処理室壁１５
との間に絶縁スペーサ１４を挿入し、処理室壁１５を支
持台１６とともに接地し、生成室壁２に直流電源３６に
よって、例えば−５０Ｖの電圧を印加し、中性化室壁８
に、直流電源３４によって、例えば−６５０Ｖの電圧を
印加し、各導電体部材４０に対して直流電源３５によっ
て０〜＋３０Ｖの直流電圧を印加し、前記実施形態によ
る３つの課題を解消したものである。

【００５５】具体的には、前記実施形態では、以下に示
す３つの課題が生じる。

【００５６】（１）永久磁石列３１が中性化室１１の内
部に配設されているので、イオンビームや中性ビームの
衝突によって永久磁石列３１が加熱され、加熱の程度に
よっては永久磁石列３１が減磁することがある。

【００５７】（２）中性化室壁８が処理室壁１５と同電
位となっているため、イオンビームを反発除去するため
に、中性化室壁８に対して正電位が与えられている多孔
電極３２は、処理室壁１５に対しても正電位となってい
る。このため、中性ビームが被処理物１５に照射される
ことにより発生する２次電子が、多孔電極３２に静電的
に吸い寄せられることにより、被処理物１７の表面が絶
縁物である場合には、絶縁物の表面に正の電荷が残留
し、被処理物１７の表面が処理室壁１５に対して大きく
正電位に帯電することが生じ得る。

【００５８】（３）中性ビームの発生量として高精度な
制御が要求される用途に使用される場合、例えば、中性
ビームエッチング処理における被処理物の加工形状の最
適化などがこれに相当するが、中性ビーム発散量を制御
可能なパラメータとしては、中性化室１１内にプラズマ
を発生させる目的で導波管１２から導入されるマイクロ
波の強度のみである。そのため、要求される制御の精度
によっては対応が困難となる。

【００５９】これに対して、本実施形態においては、永
久磁石列３１が処理室２３内に配置され、中性化室壁８
が絶縁スペーサ１４を介して処理室壁１５に接続され、
中性化室壁８が直流電源３４によって処理室壁１５に対
して負電位に設定されている一方、多孔電極３２は処理
室壁１５と同電位に接地されている。さらに、永久磁石
列３１により中性化室１１内に形成された多極磁場３０
の磁極部分に導電部材４０が配設され、導電体部材４０
の電位が、電位差調整手段としての直流電源３５によっ
て中性化室壁８に対して可変になっている。

【００６０】このため、本実施形態によれば、永久磁石
列３１が処理室２３内に配置されることにより、永久磁
石列３１がイオンビームに照射されることはなく、しか
も、多孔電極３２の影にあることによって中性ビームに
照射されることもないので、永久磁石列３１の加熱によ
る減磁を無くすことができる。

【００６１】また、本実施形態によれば、多孔電極３２
が処理室壁１５と同電位に接地されているので、中性ビ
ームが被処理物１７に照射されることによって発生する
２次電子は、多孔電極３２に静電的に吸い寄せられるこ
となく、被処理物１７の表面に戻ることができ、被処理
物１７の表面が絶縁物であっても、処理室壁１５に対し
て大きく正電位に帯電することを防止することができ
る。なお、本実施形態においては、多孔電極３２を処理
室壁１５と同電位として説明したが、両者は概略同電位
であれば同様の効果が得られる。

【００６２】さらに、本実施形態においては、永久磁石
列３１により中性化室１７内に形成された多極磁場３０
の磁極部分に導電体部材４０が配設され、導電体部材４
０の電位が直流電源３５によって中性化室壁８に対して
可変になるように構成されているため、中性化室１１内
における空間電位の傾きを調整することができる。

【００６３】例えば、直流電源３５の両端電圧を０Ｖと
すれば、図３（ａ）における線分ａｂ上の空間電位とし
て、図３（ｂ）の実線（Ｉ）によって示したように、中
性化子壁８に近い電位として、中性化室１１内の広い空
間領域Ａに渡って空間電位を平坦化することができる。

【００６４】これに対して、直流電源３５の両端に、電
圧、例えば＋３０Ｖを発生させ、中性化室壁８に対して
導電体部材４０に若干の正電位を与えたときには、図３
（ｂ）の点線（II）に示したように、中性化室１１の広
い空間領域Ａにおいて多孔電極３２に向かって電位が若
干上昇する空間電位を形成することができる。このよう
な空間電位の中を通過するイオンビームは若干発散し、
したがって、イオンビームが変換されて形成される中性
ビームを若干発散したものとすることができる。したが
って、直流電源３５の出力電圧を制御することにより、
所望の発散程度を有する中性ビームを容易に得ることが
できる。

【００６５】本実施形態においては、図４に示すよう
に、中性ビーム２９から電子２４を分離するに際して、
複数の永久磁石列３１を多孔電極３２の近傍に配置して
多孔電極３２の近傍に多極磁場３０を形成し、多孔電極
３２に対して負電位が与えられた導電体部材４０を、多
孔電極３２を間にして各永久磁石列３１に相対向させて
配置し、導電体部材４０に中性化室壁８よりもわずかに
高い電位を与えているので、多極磁場３０と導電体部材
４０により、中性ビーム２９に混在する荷電粒子の中か
ら電子２４を分離除去することができる本実施形態によ
れば、中性化室１１内において発散およびエネルギーの
ばらつきが小さく、しかも大口径で大容量の中性ビーム
を形成することができる。またさらに、荷電粒子分離手
段によって大口径の領域に渡って確実に荷電粒子を分離
除去した中性ビームを被処理物１７に対して照射できる
ので、被処理物１７に対して発散およびエネルギーのば
らつきが小さく、しかも大口径で大容量の中性ビーム処
理を施すことができる。

【００６６】なお、前記実施形態においては、中性化室
１１を画成する中性化室壁８として真空容器を兼ねるも
のについて述べたが、中性化室壁８としては真空容器を
兼ねる必要はなく、真空容器内部に置かれた電極状のも
のであってもよい。また中性化室１１内にプラズマを発
生する手段として、永久磁石列９、導波管１２を用いて
マイクロ波プラズマを発生させるものについて述べた
が、中性化室１１内に高周波プラズマを発生する手段
や、あるいは電子銃などにより中性化室１１内に電子を
供給する手段を用いても、本発明における中性化室１１
内での空間電荷平坦化の作用効果として前記実施形態と
同様なものが得られる。

【００６７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
中性ビームに混在する荷電粒子のうちイオンを多孔電極
によって中性ビームから分離除去し、電子を複数の磁石
列によって形成される多極磁場によって中性ビームから
分離除去するようにしているため、荷電粒子分離手段と
して複数の電極を用いるものよりも中性ビームの透過率
を高めることができるとともに、中性ビームの量が減少
するのを防止することができ、中性ビームの大容量化が
可能になり、さらに、多孔電極の大型化に合わせて磁石
列の数を増やすことで中性ビームの大口径化が可能にな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は、本発明の一実施形態を示す中性ビー
ム処理装置の縦断面図、（ｂ）は、（ａ）に示す装置の
空間電位の特性図である。

【図２】（ａ）は、荷電粒子分離手段の要部拡大断面
図、（ｂ）は、（ａ）に示す荷電粒子分離手段近傍にお
ける空間電位の特性図である。

【図３】（ａ）本発明の他の実施形態を示す中性ビーム
処理装置の縦断面図、（ｂ）は、（ａ）に示す装置の空
間電位特性図である。

【図４】図３に示す装置の要部拡大断面図である。

【符号の説明】

１プラズマ生成室２生成室壁３ａスクリーン電極３ｂ加速電極３ｃ減速電極４導波管５永久磁石列８中性化室壁９永久磁石列１１処理室１２導波管１５処理室壁１７被処理物２３処理室３０多極磁場３１永久磁石列３２多孔電極３３、３４、３５、３６直流電源３７、３８、３９ガス導入管４０導電体部材

フロントページの続き (72)発明者佐藤忠茨城県日立市大みか町七丁目２番１号株式会社日立製作所電力・電機開発研究所内 (72)発明者長峯嘉彦茨城県日立市大みか町七丁目２番１号株式会社日立製作所電力・電機開発研究所内 (72)発明者樋口佳也茨城県日立市大みか町七丁目２番１号株式会社日立製作所電力・電機開発研究所内Ｆターム(参考） 5C030 DD10 DE10 DG09 5F004 AA01 AA06 BA03 BA16 BA20 BB07 BB14 BD04 CA03 DA23

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】イオン源と、該イオン源からイオンを引
き出してイオンビームとするイオン引出し電極と、該イ
オン引出し電極により引き出されたイオンビームを中性
ガスの雰囲気中で中性化して中性ビームに変換する中性
化室と、該中性化室内の中性ビームから荷電粒子を分離
して中性ビームを通過させる荷電粒子分離手段と、前記
中性化室に隣接して配置されて前記荷電粒子分離手段を
通過した中性ビームの伝播路上に被処理物を収納する処
理室とを備え、前記荷電粒子分離手段は、前記中性化室
を画成する中性化室壁に対して正電位が与えられて前記
中性ビームを通過させる複数の孔を有する多孔電極と、
該多孔電極に隣接して分散配置されて前記多孔電極近傍
に多極磁場を形成する複数の磁石列とから構成されてな
る中性ビーム処理装置。
【請求項２】イオン源と、該イオン源からイオンを引
き出してイオンビームとするイオン引出し電極と、該イ
オン引出し電極により引き出されたイオンビームを中性
ガスの雰囲気中で中性化して中性ビームに変換する中性
化室と、該中性化室内の中性ビームから荷電粒子を分離
して中性ビームを通過させる荷電粒子分離手段と、前記
中性化室に隣接して配置されて前記荷電粒子分離手段を
通過した中性ビームの伝播路上に被処理物を収納する処
理室とを備え、前記荷電粒子分離手段は、前記中性化室
を画成する中性化室壁に対して正電位が与えられて前記
中性ビームを通過させる複数の孔を有する多孔電極と、
該多孔電極に隣接して分散配置されて前記多孔電極近傍
に多極磁場を形成する複数の磁石列と、前記中性化室内
において前記多極磁場の磁極部に配置され、前記多孔電
極に対して負電位が与えられる導電体部材とから構成さ
れてなる中性ビーム処理装置。
【請求項３】前記複数の磁石列が、前記導電体部材を
兼ねてなる請求項２に記載の中性ビーム処理装置。
【請求項４】前記複数の磁石列が、前記多孔電極を間
にして前記導電体部材と相対向して配置されてなる請求
項２に記載の中性ビーム処理装置。
【請求項５】前記中性化室を画成する中性化室壁と前
記導電体部材との間に電位差を与える電位差調整手段を
備えてなる請求項２、３または４のうちいずれか１項に
記載の中性ビーム処理装置。
【請求項６】前記中性化室内に電子を供給または発生
させる電子補充手段を備えてなる請求項１、２、３、４
または５のうちいずれか１項に記載の中性ビーム処理装
置。
【請求項７】イオン源からイオンを引き出してイオン
ビームとし、このイオンビームを中性化室内で中性ビー
ムに変換し、前記中性化室を画成する中性化室壁に対し
て正電位が与えられた多孔電極を前記中性化室の出口側
に配置して前記中性ビームに混在する荷電粒子の中から
イオンを分離除去し、複数の磁石を前記多孔電極の近傍
に配置して前記多孔電極の近傍に多極磁場を形成し、こ
の多極磁場により、前記中性ビームに混在する荷電粒子
の中から電子を分離除去し、前記多孔電極を通過した中
性ビームを処理室内の被処理物に照射する中性ビーム処
理方法。
【請求項８】イオン源からイオンを引き出してイオン
ビームとして中性化室に導入し、該中性化室を画成する
中性化室壁に対して正電位が与えられた多孔電極を前記
中性化室の出口側に配置し、また、複数の磁石を前記多
孔電極の近傍に配置して前記多孔電極の近傍に多極磁場
を形成し、更に、前記中性化室内において前記多極磁場
の磁極部に、前記多孔電極に対して負電位が与えられる
導電体部材を配置することにより前記中性化室内の広範
囲に平坦な空間電位領域を形成して、該平坦な空間電位
領域において前記イオンビームを中性ビームに変換し、
該中性ビームに混在する荷電粒子の中からイオンを前記
多孔電極により分離除去し、電子を前記多極磁場により
分離除去して、前記多孔電極を通過した中性ビームを処
理室内の被処理物に照射する中性ビーム処理方法。