CN1896315B - 离子束蚀刻方法和离子束蚀刻装置 - Google Patents

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Abstract

根据实施方式的离子束蚀刻方法，包括由惰性气体冷却引出电极(E)的冷却工序(S52)，和用由引出电极(E)所引出的离子束(IB)蚀刻被加工物(W)的蚀刻工序(S54)。

Description

离子束蚀刻方法和离子束蚀刻装置
技术领域
本发明涉及离子束蚀刻方法和离子束蚀刻装置。
背景技术
已知一种离子束蚀刻方法，其通过向被加工物的表面照射离子束来对该被加工物实施蚀刻(例如，参照日本特表2002-510428号公报)。这种离子束是，通过把在离子源的放电容器内所生成的等离子体中的离子，用引出电极引出而获得的。
但是，如果为了引出离子束而在引出电极上施加电压，则存在着引出电极因放电容器内所生成的等离子体的热量而发生变形的危险。例如，在用由三个金属板组成的引出电极的场合，由于从等离子体供给到各金属板的热量相互不同，所以各金属板的变形量不同。因而，在各金属板上所形成的引出孔的中心位置相互错开。如果用这种引出电极引出离子束，则产生如下问题：(1)因为离子束的出射方向不是成为一定方向，故离子束强度的径向分布变得不均一；(2)离子束的引出效率降低。
发明内容
因此本发明目的在于提供一种离子束蚀刻方法和离子束蚀刻装置，其能够抑制引出电极的由于热量所产生的变形。
为了解决上述课题，本发明的离子束蚀刻方法包括：用由引出电极所引出的离子束蚀刻被加工物的蚀刻工序；和由惰性气体冷却前述引出电极的冷却工序。在这里，冷却工序可以在实施蚀刻工序之后实施，也可以在蚀刻工序之前实施。
在本发明的离子束蚀刻方法中，通过实施冷却工序可以抑制引出电极的由于热量所产生的变形。
例如，在蚀刻工序之前实施冷却工序的场合，可以预先在冷却工序中抑制引出电极的变形。因此，在冷却工序之后的蚀刻工序中，可以用变形受到抑制的引出电极引出离子束。因此，可以使离子束强度的径向分布均一化，同时可以提高离子束的引出效率。
又例如，在蚀刻工序之后实施冷却工序的场合，即使在蚀刻工序中引出电极的温度得到上升，也可以通过实施冷却工序来抑制引出电极的变形。
此外，优选在前述冷却工序中搬送前述被加工物。另外，可以从冷却工序之前开始被加工物的搬送，也可以在冷却工序之后继续被加工物的搬送。
在此情况下，在冷却工序中并行地进行引出电极的冷却和被加工物的搬送。因而，可以缩短离子束蚀刻方法的整个工序的处理时间。
此外，优选为，前述冷却工序在前述蚀刻工序之前实施，上述离子束蚀刻方法在前述冷却工序之前，还包括用前述引出电极预先引出离子束的预热运转工序。
在此情况下，可以通过预热运转工序确认是否可以得到想要的离子束。此外，即使在预热运转工序中引出电极的温度得到上升，也可以通过实施冷却工序来抑制引出电极的变形。
此外，前述惰性气体优选与在前述蚀刻工序中用于生成前述离子束中的离子的离子生成用气体相同。由此，可以简便地冷却引出电极。
此外，在前述冷却工序中，优选使前述惰性气体的流量大于前述离子生成用气体的流量。由此，可以高效地冷却引出电极。
另外，优选为：在前述冷却工序中搬送前述被加工物；在前述蚀刻工序之前实施前述冷却工序；上述离子束蚀刻方法，在前述冷却工序之前，还包括用前述引出电极预先引出离子束的预热运转工序。另外，可以从冷却工序之前开始被加工物的搬送，也可以在冷却工序之后继续被加工物的搬送。
此时，在冷却工序中并行地进行引出电极的冷却和被加工物的搬送。因此，可以缩短离子束蚀刻方法的整个工序的处理时间。另外，可以通过预热运转工序确认是否可以得到想要的离子束。另外，即使在预热运转工序中引出电极的温度得到上升，也可以通过冷却工序来抑制引出电极的变形。
本发明的离子束蚀刻装置备有离子源，用来从前述离子源引出离子束的引出电极，以及用来冷却前述引出电极的冷却机构。
在本发明的离子束蚀刻装置中，可以通过冷却机构抑制引出电极的由于热量所产生的变形。因此，使离子束强度的径向分布均一化的同时，也提高了离子束的引出效率。
附图说明
图1是表示实施方式有关的离子束蚀刻装置的构成的示意图。
图2是表示图1中所示的离子束蚀刻装置的主要部分的构成的示意图。
图3是表示用来实施实施方式有关的离子束蚀刻方法的顺序的流程图。
图4是表示用来实施根据实施方式的离子束蚀刻方法的顺序的流程图。
图5是表示用来实施根据实施方式的离子束蚀刻方法的顺序的流程图。
图6是示意地表示从供电装置供给到线圈的RF电力值与时间的关系的曲线图。
具体实施方式
下面，参照附图详细的说明本发明的实施方式。另外，在附图的说明中，对同一或等同的要素用同一符号，省略重复说明。
图1是表示实施方式有关的离子束蚀刻装置(也称作离子铣削装置)的构成的示意图。图2是表示图1中所示的离子束蚀刻装置的主要部分的构成的示意图。
图1中所示的离子束蚀刻装置100可良好地适用于HDD用的薄膜磁头(例如GMR磁头、TMR磁头)的制造中。特别是，可良好地适用于规定薄膜磁头的浮动高度的ABS面或倒棱部的加工中。离子束蚀刻装置100备有离子源40，和用来从离子源40引出离子束IB的引出电极E。离子束IB在蚀刻室30内行进，蚀刻被收容于蚀刻室30内的衬底W(被加工物)。引出电极E由例如钼(Mo)构成，其被配置在蚀刻室30与离子源40之间。衬底W是例如硅晶片。离子束IB包括例如Ar+等阳离子。此外，离子束IB不限于阳离子。
在蚀刻室30内设置有用来中和离子束IB的中和器34。在例如离子束IB为Ar+等阳离子的场合，从中和器34放出电子e-。由该电子e-，例如，可以抑制在蚀刻室30内的空间充满正电荷，并且可以抑制衬底W的带电等.其结果，可以提高离子束IB的引出效率，同时可以抑制离子束IB在径向上的发散.
此外，在蚀刻室30内设置有可以根据需要而阻断离子束IB的闸门32。闸门32配置在衬底W与引出电极E之间。作为闸门32，例如可以用机械式闸门或静电式闸门等。进一步，在蚀刻室30内设置有用来将衬底W保持在规定的位置上的托盘架(tray holder)36。托盘架36优选由被冷机(未画出)所冷却的冷却水来冷却。
此外，在本实施方式中，蚀刻室30经由连接部52连接于输送室20。此外，输送室20经由连接部50连接于样品出入室10。衬底W从样品出入室10经由输送室20被导入至蚀刻室30中。
例如，转子泵RP以及涡轮分子泵TP分别连接于样品出入室10、输送室20和蚀刻室30。另外，也可以用干泵来代替转子泵RP。通过转子泵RP和涡轮分子泵TP等，蚀刻室30内部维持规定的压力(例如0.05Pa)。
输送室20内配置有，例如，安装在旋转轴22上的机器人手臂24。机器人手臂24的前端可以保持用来收容衬底W的托盘26。托盘26上优选设置有未图示的夹紧部。衬底W由该夹紧部而被固定于托盘26。另外，在托盘26中也可以收容多个衬底W。机器人手臂24在长度方向上伸缩自如。因此，机器人手臂24可以把置于样品出入室10内的托盘26搬送到蚀刻室30内。
离子源40备有放电容器42和线圈44，线圈44设置在放电容器42的外部，其用来在放电容器42内生成等离子体。放电容器42优选由例如以石英或铝氧化物等电介质材料为主要成分的材料组成。
在线圈44的一端经由例如阻抗适配器46连接有供电装置48。线圈44的另一端例如被接地。供电装置48是，例如高频电源或高频放大器。在此情况下，供电装置48的频率优选为几MHz～十几MHz(例如，2～13.5MHz)。在一实施例中，供电装置48的频率为例如4MHz。优选供电装置48根据放电容器42的容量和形状，在线圈44上施加例如200～2000W的电力。
放电容器42上形成有用来导入例如惰性气体的开口43。配管P1的一端连接于开口43。配管P1的另一端经由气体箱GB连接于气体供给源G1。气体供给源G1将惰性气体供给到放电容器42内。作为惰性气体可以合适地使用例如Ar气体、He气体等稀有气体。从传热率的观点出发优选使用He气体，从成本的观点考虑优选使用Ar气体。气体箱GB从上游侧依次具有阀V1、质量流量控制器MFC1和阀V2。由质量流量控制器MFC1可以调整供给到放电容器42内的惰性气体的流量。
从气体供给源G1所供给的惰性气体，优选是用来在放电容器42内生成等离子体P的离子生成用气体的同时，也是用来冷却引出电极E的冷却用气体。由此，可以简便地冷却引出电极E。另外，也可以是如下情况：从气体供给源G1所供给的惰性气体是冷却用气体，从与气体供给源G1不同的气体供给源所供给的惰性气体是离子生成用气体。
此外，在托盘架36上，例如，形成有供给用来冷却衬底W的衬底冷却用气体的开口33.开口33优选形成在托盘架36的表面36a.另外，通过使开口33的朝向(角度)倾斜，也可以在托盘架36的侧面形成开口33.作为这种衬底冷却用气体，可以合适地使用He气体等稀有气体.配管P2的一端连接于开口33.配管P2的另一端经由气体箱GB连接于气体供给源G2.气体箱GB从上游侧依次具有阀V3、质量流量控制器MFC2和阀V4.由质量流量控制器MFC2可以调整衬底冷却用气体的流量.由该衬底冷却用气体可以抑制蚀刻中的衬底W的温度的上升.
具体地说，例如，衬底冷却用气体接触托盘26，经由托盘26冷却衬底W。托盘架36和托盘26也可以具有使衬底冷却用气体直接接触到衬底W的结构。作为这种结构可以举出，例如；在托盘26的底面部形成有成为气体流路的孔的结构；托盘架36的表面36a为包围托盘26的周围的大致环状，向托盘26的中心从表面36a供给衬底冷却用气体的结构等等。
引出电极E优选包括帘栅极E1、加速栅极E2和减速栅极E3。引出电极E也可以没有减速栅极E3。帘栅极E1、加速栅极E2和减速栅极E3从放电容器42的内侧依次向外侧配置。帘栅极E1、加速栅极E2和减速栅极E3是，例如，分别形成有多个(例如一万个以下)引出孔的金属板。帘栅极E1的引出孔的中心位置、加速栅极E2的引出孔的中心位置、以及减速栅极E3的引出孔的中心位置，优选设计成从金属板的厚度方向看时相互重合。
帘栅极E1可以分离等离子体P与加速栅极E2。帘栅极E1与用来连续地施加正的高电压的电源60连接。施加在帘栅极E1的电压为例如2kV。施加在帘栅极E1的电压决定离子束IB的离子束能量。
加速栅极E2也称作抑制电极。加速栅极E2与例如用来连续地施加负的高电压的电源62连接。施加在加速栅极E2的电压为例如一600～-800V。减速栅极E3也称作接地电极，被接地。通过调整加速栅极E2与减速栅极E3的电位差，可以用透镜效应把离子束IB的离子束直径控制在规定的数值范围内。
又例如，如下所述地，离子束IB从离子源40出射。首先，把放电容器42内减压到例如10-5Pa左右的压力，从气体供给源G1把Ar气体等惰性气体引入到放电容器42内。接着，通过从供电装置48向线圈44供电，在放电容器42内生成等离子体P。由引出电极E把该等离子体P中的Ar+等的离子以离子束IB引出。
在这里，等离子体P中的Ar+等的离子撞击在引出电极E上，致使引出电极E的温度上升。此外，向引出电极E施加电压也会导致引出电极E的温度的上升。因而，如果进行蚀刻，则引出电极E的温度必然上升。
但是，在离子束蚀刻装置100中，可以用从气体供给源G1和气体箱GB(冷却机构)所供给的惰性气体来冷却引出电极E。通过进行引出电极E的冷却，可以抑制引出电极E的温度上升。其结果，可以抑制引出电极E的由于热量所产生的变形。由此，可以将帘栅极E1、加速栅极E2和减速栅极E3的各引出孔的中心的相对错位抑制在规定的范围内。因而，可以使离子束强度的径向分布均一化的同时，提高离子束IB的引出效率。另外，也可以冷却引出电极的同时冷却托盘架36等单元。
如果使离子束强度的径向分布均一化，则可以使衬底W的蚀刻量(蚀刻深度)的面内分布均一化，所以，可以进行高精度且再现性优良的蚀刻。另一方面，如果离子束IB的引出效率提高，则可以缩短蚀刻时间，并且可以减小从供电装置48供给到线圈44的电力值的历时变动。
图3～图5是表示用来实施根据实施方式的离子束蚀刻方法的顺序的流程图。图4是继图3之后的流程图，图5是继图4之后的流程图。可以用上述离子束蚀刻装置100很好地实施根据本实施方式的离子束蚀刻方法。
下面，参照图1～图5就根据本实施方式的离子束蚀刻方法进行说明。根据本实施方式的离子束蚀刻方法包括：由惰性气体冷却引出电极E的冷却工序S52；用由引出电极E所引出的离子束IB蚀刻衬底W的蚀刻工序S54(参照图4)。
在本实施方式中，在实施冷却工序S52后实施蚀刻工序S54。此外，优选在冷却工序S52之前实施用引出电极E预先引出离子束IB的预热运转工序S50(参照图3)。通过预热运转工序S50可以确认是否可以得到想要的离子束IB。另外，也可以不实施预热运转工序S50。
更具体地说，根据本实施方式的离子束蚀刻方法可以通过依次经过下述工序S1～工序S29而很好地实施。下面，就作为供给给放电容器42的惰性气体用例如Ar气体的情况进行说明。在此情况下，Ar气体发挥作为离子生成用气体(用来在放电容器42内生成等离子体P)和冷却用气体(用来冷却引出电极E)的功能。
在工序S1中，把收容了衬底W的托盘26送入样品出入室10内。此时，样品出入室10是VENT(通大气的)状态。此外，输送室20和蚀刻室30内的压力被设定在规定的真空度。
在工序S2中，用转子泵RP和涡轮分子泵TP进行样品出入室10内的抽真空。在这里，优选首先由转子泵RP进行粗抽吸，在样品出入室10内的压力成为几Pa的时刻切换成涡轮分子泵TP进行抽真空。由此，可以使样品出入室10内达到高真空度(例如1×10-5～1×10-4Pa)。
在工序S3中，判断样品出入室10内是否达到了可以搬送托盘26的规定的真空度。其结果，当判断出达到规定的真空度时，在工序S4中，从气体供给源G1向放电容器42内导入规定流量的Ar气体。Ar气体的流量通过气体箱GB进行控制。此时，优选在蚀刻室30内有从中和器34出射的电子e-。另一方面，当判断出未达到规定的真空度时，返回到工序S2，进行样品出入室10内的抽真空。
工序S4之后实施预热运转工序S50。预热运转工序S50优选包括工序S5、工序S6和工序S7。在工序S5中，用供电装置48向线圈44供给RF电力。由此，在放电容器42内生成含有Ar+、电子以及中性的Ar原子等的活性种的等离子体P。这里，优选逐渐增加RF电力的值。因活性种的撞击，放电容器42和引出电极E被加热，同时放电容器42的内表面被净化。特别是，帘栅极E1的温度上升显著高于加速栅极E2和减速栅极E3的温度上升。
在工序S6中，用电源60、62给引出电极E施加电压。由此，从引出电极E出射离子束IB。此时，闸门32成为关闭状态，所以离子束IB被闸门32阻断。
在工序S7中，判断离子束IB的预热运转是否已结束。其结果，当判断出预热运转结束时，在工序S8中切断向引出电极E施加的电压。离子束IB的照射时间为例如5分钟左右。如果预热运转已结束，则离子束IB的照射稳定。另一方面，当判断出预热运转未结束时，返回到工序S5，继续向线圈44供给RF电力。
在工序S9中切断向线圈44的RF电力的供给。由此停止离子束IB的照射。然后，停止从中和器34的电子e-的出射。在工序S10中打开闸门32。
工序S10之后实施冷却工序S52.冷却工序S52优选包括工序S11、工序S12和工序S13.在工序S11中，优选使从气体供给源G1向放电容器42内供给的Ar气体的流量大于在工序S4中的Ar气体的流量，更优选使其最大(例如300sccm).此时，优选使蚀刻室30内的压力为预热运转时的100倍以上.Ar气体的流量由气体箱GB来控制.
在工序S12中搬送托盘26。托盘26由机器人手臂24从样品出入室10内搬送到蚀刻室30内的托盘架36的表面36a上的原点位置，并被固定在原点位置。衬底W与托盘26一起被搬送。
在工序S13中，通过使托盘架36旋转和倾斜把托盘26设置在规定位置。由此调整离子束IB相对于衬底W的入射角。
在工序S14中停止Ar气体的供给。在工序S15中进行蚀刻室30内的抽真空。在工序S16中判断是否已达到规定的真空度。其结果，当判断出达到规定的真空度时，在工序S17中，与工序S4同样地从气体供给源G1向放电容器42内引入规定流量的Ar气体。另一方面，当判断出未达到规定的真空度时，返回到工序S15，进行蚀刻室30内的抽真空。此时，优选在蚀刻室30内有从中和器34出射的电子e-。此外，由于蚀刻室30与放电容器42由引出电极E的孔相连接，所以，如果进行蚀刻室30内的抽真空，则放电容器42内也成为与蚀刻室30内等同的真空度。
工序S17之后实施蚀刻工序S54。蚀刻工序S54优选包括工序S18、工序S19和工序S20。在工序S18中，与工序S5同样地从供电装置48向线圈44供给RF电力。由此，在放电容器42内生成等离子体P。在这里，优选逐渐增加RF电力。由于该等离子体P，放电容器42和引出电极E被加热。此外，为了在蚀刻中抑制衬底W的温度上升，优选使由冷机冷却的冷却水和热交换的He气体在衬底W与托盘26之间流动。在工序S19中，与工序S6同样地，用电源60、62向引出电极E施加电压。由此，从引出电极E出射离子束IB，使离子束IB轰击衬底W从而开始蚀刻。
在工序S20中判断是否经过了规定的蚀刻时间。其结果，当判断出经过了规定的蚀刻时间时，在工序S21中切断施加在引出电极E的电压。另一方面，当判断出未经过规定的蚀刻时间时，返回到工序S18，继续向线圈44供给RF电力。
在工序S22中切断向线圈44供给的RF电力。由此停止离子束IB的照射。然后，停止从中和器34的电子e-的出射。
在工序S23中停止Ar气体的供给。在工序S24中关闭闸门32。在工序S25中，通过使托盘架36旋转和倾斜使托盘26回到原点位置。在工序S26中搬送托盘26。托盘26由机器人手臂24从托盘架36的表面36a上的原点位置搬送到样品出入室10内。
在工序S27中，进行样品出入室10的VENT。在工序S28里判断是否已结束了VENT。其结果，当判断出已结束VENT时，从样品出入室10取出托盘26。另一方面，当判断出未结束VENT时，返回到工序S27，进行样品出入室10的VENT。
如以上说明所述，根据本实施例的离子束蚀刻方法包括冷却工序S52，所以可以抑制引出电极E的由于热量所发生的变形。具体地说，例如，即使在预热运转工序S50中引出电极E的温度上升，也可以通过实施冷却工序S52使引出电极E的温度降低。因而，可以抑制引出电极E的由于热量所发生的变形。
此外，由于预先在冷却工序S52中缓和了引出电极E的变形，所以在冷却工序S52后的蚀刻工序S54中，可以用变形得到缓和的引出电极E引出离子束IB。因此，可以使蚀刻工序S54中的离子束强度的径向分布均一化的同时，提高离子束IB的引出效率。
图6是示意地表示从供电装置48向线圈44供给的RF电力的值与时间的关系的曲线图.如曲线图中所示，在时刻t1开始蚀刻，在时刻t2停止蚀刻。在此情况下，在时刻t1～时刻t2间引出电极E的温度上升。如果引出电极E的温度上升，则有离子束IB的引出效率降低的倾向，所以为了维持引出效率，就有必要增加RF电力的值。在根据本实施方式的离子束蚀刻方法中，在时刻t2～时刻t3间切断RF电力，冷却引出电极E。由此，引出电极E的由于热量所产生的变形得到缓和。
然后，在时刻t3开始下一次蚀刻，在时刻t4停止蚀刻。在这里，由于在时刻t2～时刻t3间引出电极E被冷却，所以在时刻t3，抑制了引出电极E的由于热量所发生的变形。由此，即时在时刻t3～时刻t4间也可以施加与在时刻t1～时刻t2间同样的RF电力。因而，通过在时刻t2～时刻t3间进行引出电极E的冷却，可以抑制RF电力的值的历时变动。由此，可以进行高精度且再现性良好的蚀刻。
此外，在本实施方式中，由于在冷却工序S52中搬送衬底W，所以并行地进行衬底W的搬送和引出电极E的冷却。因而，缩短了离子束蚀刻方法的整个工序的处理时间。此外，优选使工序S11中的Ar气体的流量大于工序S4和工序S17中的Ar气体的流量。由此，可以有效地冷却引出电极E。特别是，优选使工序S11中的Ar气体的流量最大。
此外，虽然根据本实施方式的离子束蚀刻方法也可以良好地适用于进行深蚀刻的场合，但是，在进行浅的蚀刻的场合特别有效。又例如，在加工薄膜磁头的ABS面时，浅蚀刻称作“shallow etching”，深蚀刻称作“cavity etching”。
以上就本发明的最佳实施方式进行了详细说明，但是本发明不限定于上述实施方式。
例如，也可以在蚀刻工序S54之后实施冷却工序S52。在此情况下，即使在蚀刻工序S54中引出电极E由于热量而发生了变形，通过实施冷却工序S52，引出电极E的变形也可以受到抑制。
此外，也可以在冷却工序S52中搬送衬底W。例如，也可以在预热运转工序S50与冷却工序S52之间搬送衬底W。
此外，作为用来冷却引出电极E的惰性气体，也可以使用与用来在放电容器42内生成等离子体P的离子生成用气体不同的惰性气体。例如，也可以用He气体冷却引出电极E，作为离子生成用气体使用Ar气体。
本发明提供可以抑制引出电极的由于热量发生的变形的离子束蚀刻方法和离子束蚀刻装置。

Claims (6)

1.一种离子束蚀刻方法，其特征在于，包括：
蚀刻工序，用由引出电极引出放电容器内生成的等离子体中的离子而获得的离子束蚀刻被加工物；
冷却工序，由惰性气体冷却所述引出电极，
所述冷却工序在不生成所述等离子体的状态下进行，
在所述蚀刻工序之前实施所述冷却工序，
在所述冷却工序之前，还包括用所述引出电极预先引出离子束的预热运转工序。
2.如权利要求1中所述的离子束蚀刻方法，其特征在于，
在所述冷却工序中搬送所述被加工物。
3.如权利要求1中所述的离子束蚀刻方法，其特征在于，
所述惰性气体与在所述蚀刻工序中用来生成所述离子束中的离子的离子生成用气体相同。
4.如权利要求3中所述的离子束蚀刻方法，其特征在于，
在所述冷却工序中，使所述惰性气体的流量大于在所述蚀刻工序中的所述离子生成用气体的流量。
5.如权利要求1中所述的离子束蚀刻方法，其特征在于，
在所述冷却工序中搬送所述被加工物，
在所述蚀刻工序之前实施所述冷却工序，
在所述冷却工序之前，还包括用所述引出电极预先引出离子束的预热运转工序。
6.一种离子束蚀刻装置，其特征在于，具备：
离子源，其具备放电容器和在所述放电容器内生成等离子体的线圈，该线圈设置在所述放电容器的外部；
用来从所述离子源引出离子束的引出电极；
供给惰性气体来冷却所述引出电极的气体供给源以及气体箱。
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