JP2004327543A

JP2004327543A - イオンビーム装置

Info

Publication number: JP2004327543A
Application number: JP2003117252A
Authority: JP
Inventors: Masayasu Suzuki; 正康鈴木; Masahiro Ueda; 雅弘上田; Masaru Kitahara; 大北原
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2003-04-22
Filing date: 2003-04-22
Publication date: 2004-11-18
Anticipated expiration: 2023-04-22
Also published as: JP4063136B2

Abstract

【課題】スパッタリング粒子による基板の汚染を防止することができるイオンビーム装置の提供。
【解決手段】グリッドＧにより加速されてイオンビーム源１から引き出されたイオンビーム束ＩＢは、発散角αで真空チャンバ２内に引き出される。イオンビーム束ＩＢは真空チャンバ２内に配置された基板Ｓに照射され、基板Ｓがエッチング処理される。真空チャンバ２の天板２ａおよび側壁２ｂは複数のバッフル８ａ，８ｂが設けられており、基板Ｓを外れたイオンビーム束ＩＢはこれらのバッフル８ａ，８ｂに入射する。バッフル８ａ，８ｂにイオンビームＩＢが入射するとそれらからスパッタリング粒子４０，４２ａ，４２ｂが放出されるが、スパッタリング粒子４０，４２ａ，４２ｂは基板Ｓに入射しないため、基板がスパッタリング粒子４０，４２ａ，４２ｂで汚染されるのを防止できる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、イオンビームを利用して基板の処理を行うプラズマ処理装置、イオンビームエッチング装置、イオンビームスパッタリング装置等のイオンビーム装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
イオンビーム装置では、イオン源から引き出されたイオンビームを利用してエッチングやスパッタリングを行っている。例えば、イオンビームエッチング装置であれば、ビーム束を基板に照射して所定のエッチング加工を基板に施している（例えば、特許文献１参照）。また、スパッタリング装置であれば、ビーム束をターゲットに照射し、ターゲットから放出されるスパッタリング粒子を基板上に堆積させて膜を形成している。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−１５８２１１号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、イオン源から引き出されたイオンビームの全てを基板やターゲットに入射させるのは困難であり、基板やターゲットを外れたイオンビームが真空チャンバの壁面に入射するのは避けられないのが実情であった。真空チャンバ壁面にイオンビームが入射すると、チャンバ壁面がイオンビームによってスパッタされてそのスパッタリング粒子が基板上に蒸着する。蒸着したスパッタリング粒子は、混入物として基板上に形成されているデバイスや蒸着膜に対して悪影響をおよぼすおそれがあった。
【０００５】
本発明は、チャンバ壁面がイオンビームでスパッタされ、そのスパッタリング粒子による基板の汚染を防止できるイオンビーム装置を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
（１）請求項１による発明は、イオン源から真空チャンバへと引き出されたイオンビーム束を利用して基板を処理するイオンビーム装置において、
イオン源から引き出されて基板に入射しないイオンビーム束により生成されたスパッタリング粒子が、基板に入射しないように阻止する阻止手段を設けたことを特徴とする。
（２）請求項２の発明は、請求項１に記載のイオンビーム装置において、阻止手段は真空チャンバの壁面に沿って設けた複数のバッフルを有し、バッフルに入射するイオンビーム束によりそのバッフルから放出されるスパッタリング粒子が基板へ入射しないように、バッフルの形状を定めたものである。
（３）請求項３の発明は、請求項２に記載のイオンビーム装置において、複数のバッフルの各々の形状が、イオンビーム束の入射角が７０ｄｅｇから９０ｄｅｇの間となるように定められている。
（４）請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載のイオンビーム装置において、阻止手段を真空チャンバに対して着脱自在に設けたものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１、２は本発明によるイオンビーム装置の一実施の形態を示す図であり、イオンビームエッチング装置の概略構成を示す図である。図１は装置を正面から見た縦断面図であり、図２は側面から見た縦断面図である。イオンビームエッチング装置は、エッチング対象である基板Ｓが配設される真空チャンバ２とイオンビーム源１とを備えている。
【０００８】
真空チャンバ２はステンレス材やアルミ材で形成され、その内部は真空ポンプ（不図示）により真空引きされる。イオンビームエッチングの場合のプロセス圧力は、５×１０^−３Ｐａ〜１×１０^−１Ｐａ程度である。図１に示すイオンビーム源１では、プラズマ室３内に誘導結合プラズマ励起法によりプラズマＰを生成し、荷電粒子引き出し用の多孔引出電極であるグリッドＧによりプラズマＰから荷電粒子を引き出してイオンビーム束ＩＢを形成している。
【０００９】
イオンビーム源１は円筒形のプラズマ形成空間を有するプラズマ室３と、アンテナコイル４と、高周波電源５とを備えており、誘導結合プラズマ励起法によりプラズマを生成する。プラズマ室３の底面部分はセラミック等を使用した誘電体窓３ａを具備している。アンテナコイル４は誘電体窓３ａの外側に面して設けられており、アンテナコイル４により形成された高周波磁界は誘電体窓３ａを通してプラズマ室３内へ磁界を形成する。
【００１０】
プラズマ室３内にガス供給装置７からプラズマ生成用ガス（例えばアルゴンガス）を供給してアンテナコイル４により高周波磁界を形成すると、プラズマ室３内にプラズマＰが生成される。グリッドＧにより引き出されたイオンビーム束ＩＢは、外側に広がるような発散角αを有している。基板Ｓは基板ホルダ６に装着されており、イオンビーム束ＩＢに対して所定の角度βで配置されている。なお、図２では基板ホルダ６の図示を省略した。図１に示すように、基板ホルダ６はイオンビーム束ＩＢの中心から所定距離ｃだけオフセットして配置され、軸ｊ（図２参照）を回転軸として回転する。
【００１１】
真空チャンバ２の内部には、天板２ａの内壁に沿ってバッフル８ａが設けられ、側壁２ｂの内壁に沿ってバッフル８ｂが設けられている。バッフル８ａ，８ｂはステンレス板により形成されている。
【００１２】
《バッフル８の機能の説明》
まず、図１，２の装置で従来のようにバッフル８ａ，８ｂを設けなかった場合について説明する。図３，４は図１，２の装置からバッフル８ａ，８ｂを除いたときの正面断面図および側面断面図である。イオンビーム源１から引き出された発散角αのイオンビーム束ＩＢは、角度βで配設された基板Ｓに入射する。基板Ｓに対するイオンビーム束ＩＢの入射角は９０−β（ｄｅｇ）であり、基板表面はイオンビーム束ＩＢ中の荷電粒子によってエッチングされる。上述したように基板Ｓはビーム中心軸から距離ｃだけオフセットされるとともに軸ｊに関して回転され、基板ｓの表面全体が均一にエッチングされるようにする。
【００１３】
図５は図３のＶ−Ｖ断面図である。図５において、破線１０はイオンビーム束ＩＢがイオンビーム源１から出射される際のビーム束断面を表しており、その口径をＤ１とする。また、ハッチングを施した領域１１は、真空チャンバ２の天板２ａ（図３参照）の内表面位置におけるイオンビーム束ＩＢのビーム束断面を表しており、その口径をＤ２とする。イオンビーム束ＩＢは発散角αを有しているので、Ｄ２＞Ｄ１となっている。なお、図１では破線で囲まれた領域１１の全体にハッチングを施したが、実際には基板Ｓがイオンビーム束ＩＢ中にあるので、天板内壁において基板Ｓの影となる部分にはイオンビーム束ＩＢは入射しない。
【００１４】
また、天板位置におけるビーム束断面１１は、その一部が真空チャンバ２の側壁２ｂの外側にまで広がっているので、イオンビーム束ＩＢの一部が側壁２ｂに直接入射することになる。他の側壁２ｃ〜２ｅに関しては、ビーム束断面１１は側壁２ｃ〜２ｅの内側にあるので、イオンビーム束ＩＢがそれらの側壁２ｃ〜２ｅに直接入射することはない。図３において、天板２ａの範囲Ａおよび側壁２ｂの範囲Ｂは、それぞれイオンビーム束ＩＢのビーム照射領域を示している。
【００１５】
イオンビーム束ＩＢが真空チャンバ２の内壁面に入射すると、内壁が荷電粒子によりスパッタリングされて、図３に示すように内壁からスパッタリング粒子１２ａ，１２ｂが放出される。スパッタリング粒子１２ａ，１２ｂは荷電粒子が入射した部位からあらゆる方向に放出されるが、その放出量は荷電粒子の入射角度およびスパッタリング粒子１２ａ，１２ｂの放出角度に依存している。
【００１６】
図６はスパッタリング粒子の放出角度分布の一例を示す図であり、（ａ）は荷電粒子が垂直入射した場合の分布を示し、（ｂ）は荷電粒子が斜入射した場合の分布を示す。図６はターゲットにＭｏ（モリブデン）を用いた場合を示しており、放出点２０を原点とする動径方向の距離の大きさが放出量を表している。
【００１７】
図６（ａ）の分布２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄは入射粒子のエネルギーがそれぞれ異なるものを示しており、分布２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄの順に入射エネルギーが高くなっている。Ｍｏの場合には法線方向からの角度（放出角度）θ２が４０〜５０（ｄｅｇ）の付近に分布のピークがあるが、一般的に、垂直入射の場合にはｃｏｓθ２に近い分布を有するものが多い。図３の天板２ａに入射する荷電粒子の入射角はほぼ０（ｄｅｇ）なので、スパッタリング粒子１２ａの放出角度分布は、図６（ａ）に示すようなｃｏｓθ２に近い分布を有している。図３の領域Ａに関しては、ｃｏｓθ２の分布で図示した。
【００１８】
一方、図６（ｂ）に示すように右斜め方向２２から入射角θ１で荷電粒子が入射した場合、分布２３は法線に関して反対側の左斜め方向にピークを有している。この場合、完全とは言えないが、ほぼ鏡面反射に近い方向に分布のピークが形成される。図３に示すように、側壁２ｂに入射するイオンビーム束ＩＢの入射角は９０−α（ｄｅｇ）以上なので、側壁２ｂから放出されるスパッタリング粒子１２ｂの放出角度分布は図６（ｂ）と同様になり、斜め上方にピークを有する分布となる。これを図６（ａ）の垂直入射の場合の分布と比較すると、斜入射の方が放出方向の偏りが顕著になっている。この偏りは入射角θ１が大きくなるほど著しくなり、図６（ｂ）のようにθ１≧６０（ｄｅｇ）の場合には、所定方向２４に放出されるとみなしても良い。
【００１９】
ところで、真空チャンバ２の壁面からスパッタリング粒子１２ａ，１２ｂが放出されたときに、それらの放出角度方向に基板Ｓの表面が露出していると、基板表面にスパッタリング粒子１２ａ，１２ｂが入射して堆積する。これは、スパッタ成膜装置におけるスパッタ蒸着と同様のメカニズムであり、イオンビーム束ＩＢが基板Ｓから外れて真空チャンバ２の壁面に入射する場合には避けられない現象である。
【００２０】
図３〜５に示すような装置でシリコン基板のエッチングを行い、エッチング後のシリコン基板に含まれている元素をＸＲＦ装置（蛍光Ｘ線分析装置）で計測すると、図７に示すような蛍光Ｘ線スペクトルが得られる。図７の５〜８（ｋｅＶ）付近のピーク３１，３２，３３はそれぞれＣｒ，Ｆｅ，Ｎｉに関するピークであり、チャンバ２に用いられているステンレス材の成分が混入していることがわかる。なお、１７（ｋｅＶ）付近のピーク３４は、グリッドＧに用いられているＭｏに関するものである。Ｃｒ，Ｆｅ，Ｎｉのような重金属が基板Ｓに混入すると、基板Ｓに形成されているデバイスに悪影響を与える。また、イオンビームスパッタ装置であれば、形成された蒸着膜の膜質低下の原因となる。
【００２１】
そこで、本実施の形態ではバッフル８ａ，８ｂを真空チャンバ２の内部に設けて、チャンバ内壁にイオンビーム束ＩＢが入射するのを阻止したり、チャンバ内壁からのスパッタリング粒子が基板Ｓに入射するのを阻止したりするとともに、バッフル８ａ，８ｂにイオンビーム束ＩＢが入射して放出されるスパッタリング粒子の放出角度を制御して、スパッタリング粒子が基板Ｓに入射するのを極端に低減させた。図８（ａ）は天板２ａに設けられたバッフル８ａを説明する図であり、図１に示したバッフル８ａの一部を拡大して示したものである。
【００２２】
イオンビーム束ＩＢは発散角αを有しているので、鉛直方向（図示上下方向）に対して角度０（ｄｅｇ）〜±α（ｄｅｇ）の範囲から飛来する。そのため、バッフル８ａから放出されるスパッタリング粒子４０の放出角度が狭い範囲に収まり、かつ、スパッタリング粒子４０が基板Ｓ方向に放出されないようにバッフル８ａの角度β１を設定する。スパッタリング粒子４０の放出角度が狭い範囲に収まるようにするには、すなわち、スパッタリング粒子４０の放出角度の制御性を向上させるためには、イオンビーム束ＩＢの各バッフル８ａに対する入射角θ１が６０（ｄｅｇ）以上となるように設定するのが好ましい。
【００２３】
また、バッフル８ａにイオンビーム束ＩＢが入射した場合、放出されるスパッタリング粒子４０の放出量は入射角θ１に依存している。図９は、基板Ｓをエッチングしたときの入射角とエッチング速度との関係を示す図である。図９では、４種類の基板材料（Ｓｉ、ＳｉＯ２、アルミナ、ＮｉＦｅ）に対するデータを示した。真空チャンバ２の材料として用いられているステンレス材の場合にはＮｉＦｅに近い性質を有しており、エッチング速度は入射角度θ１が４５（ｄｅｇ）付近でピークとなり、６０〜７０（ｄｅｇ）を越えるとエッチング速度の低下がより顕著になる。
【００２４】
エッチング速度が小さくなるということは、バッフル８ａから放出されるスパッタリング粒子４０の放出量が小さくなることを意味している。図９に示すように、角度が７０（ｄｅｇ）以上となると材質によらずエッチング速度が急激に小さくなる。よって、好ましい放出角度でより少ない放出量を達成しようとした場合、バッフル８ａの角度β１を７０（ｄｅｇ）以上で９０（ｄｅｇ）より小さくなるように設定するのが好ましい。
【００２５】
バッフル８ａの長さＬ１やピッチＰ１については、例えば、イオンビーム束ＩＢが天板２ａに直接入射しないように設定する。また、バッフル８ａの端面８０は図８（ｂ）に示すように面が鉛直方向に沿うように形成される。例えば、バッフル８ａの端面形状を図８（ｂ）の二点鎖線で示すような一般的な形状とすると、端面８１にイオンビーム束ＩＢが入射して、基板方向にスパッタリング粒子４１が放出されることになり、不純物混入の原因となる。そのため、バッフル８ａの板厚ｔ１は薄い方が良く、先端形状も図８（ｂ）のように鋭角的にするのが好ましい。
【００２６】
図１０は側壁２ｂに設けられたバッフル８ｂの拡大図であり、（ａ）は第１の例で、（ｂ）は第２の例である。第１の例のバッフル８ｂでは、発散角αのイオンビーム束ＩＢがチャンバ側壁２ｂに直接入射しないように角度β２、長さＬ２、ピッチＰ２が設定されている。さらに、バッフル８ａと同じように放出されるスパッタリング粒子が少なくなるように、角度β２はイオンビーム束ＩＢの入射角が７０（ｄｅｇ）以上となるように設定するのが好ましい。イオンビーム束ＩＢがバッフル８ｂの裏面（下側の面）に入射して放出されるスパッタリング粒子４２ａは、チャンバ側壁２ｂ方向に放出されて壁面に付着する。また、バッフル８ｂの先端は鋭角に形成され、端面８２から放出されるスパッタリング粒子４２ｂは隣接するバッフル８ｂの上面に入射して付着する。そのため、バッフル８ｂから放出されるスパッタリング粒子４２ａ，４２ｂが基板Ｓに付着することはない。
【００２７】
図１０（ｂ）に示す第２の例のバッフル８ｂでは角度β２がより小さく設定されており、イオンビーム束ＩＢがチャンバ側壁２ｂに入射する場合がある。しかし、イオンビーム束ＩＢの入射角は９０−α（ｄｅｇ）であって９０（ｄｅｇ）に近い値であるため、側壁２ｂから放出されるスパッタリング粒子４３ａは斜め上方に偏って放出されてバッフル８ｂの裏面に入射する。また、バッフル８ｂの裏面にイオンビーム束ＩＢが入射して放出されるスパッタリング粒子４３ｂは、チャンバ側壁２ｂに入射して付着する。よって、側壁２ｂやバッフル８ｂから放出されるスパッタリング粒子４３ａ，４３ｂは基板Ｓに付着することがない。
【００２８】
上述した実施の形態ではバッフル８ａ，８ｂを真空チャンバ２の天板２ａおよび側壁２ｂに固設するようにしたが、図１１に示すようなバッフルアッセンブリ１８ａ，１８ｂを真空チャンバ２内部に着脱可能に設けてもよい。バッフルアッセンブリ１８ａ，１８ｂは、複数のバッフル８ａを支持板５０に、複数のバッフル８ｂを支持板５１にそれぞれ溶接等により固設したものである。なお、バッフルアッセンブリ１８ａでは中間部分のバッフル８ａの図示を省略した。バッフルアッセンブリ１８ａ，１８ｂはボルト等によって天板２ａおよび側壁２ｂの壁面に固定される。
【００２９】
バッフル８ａ，８ｂには上述したようにスパッタリング粒子が付着して膜が形成されるが、付着量が多くなると膜がバッフル表面から剥離して汚染の原因となる。そのため、バッフル８ａ，８ｂは定期的にクリーニングする必要がある。図１１のようなバッフルアッセンブリ１８ａ，１８ｂにした場合、チャンバ２から外すことができるのでクリーニングが容易に行え、メンテナンス性が向上する。また、ステンレスやアルミやシリコンやセラミックス等で形成した数種類のバッフルアッセンブリ１８ａ，１８ｂを用意しておき、プロセスに応じてそれらを使い分けることも可能となる。
【００３０】
上述したように、バッフル８ａ，８ｂの形状はイオンビーム束ＩＢの方向（発散角α）を考慮して設定されるが、さらに、イオンビーム引き出し口から基板Ｓおよび天板８ａまでの距離Ｌａ、Ｌｂ（図２参照）を考慮して、バッフル８ａ，８ｂの設置領域やバッフルアッセンブリ１８ａ，１８ｂの大きさは設定される。バッフルアッセンブリ１８ａ，１８ｂは真空チャンバ２の壁面に密着して設けられても良いし、離れていても良い。
【００３１】
また、真空チャンバ２の形状は、上述したような矩形箱形に限らず円筒形であっても良い。その場合、バッフル８ｂ，８ｂは真空チャンバ２の形状に応じた形状とすれば良く、例えば、バッフル８ｂを壁面に沿って弧を描くような形状とし、バッフル８ａを円筒形チャンバやビームの軸に関して回転対称な形状としても良い。
【００３２】
上述した実施の形態ではイオンビームエッチング装置を例に説明したが、イオンビームエッチング装置に限らずイオンビームスパッタリング装置のようにイオンビームを利用した装置であれば本発明を適用することができる。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、イオンビーム束が入射して真空チャンバの壁面やバッフルから放出されるスパッタリング粒子が基板に入射しないため、スパッタリング粒子による基板の汚染を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるイオンビーム装置の一実施の形態を示す図であり、イオンビームエッチング装置１の概略構成を示す断面図である。
【図２】イオンビームエッチング装置１を側方から見た断面図である。
【図３】バッフル８ａ，８ｂが外されたイオンビームエッチング装置１の正面断面図である。
【図４】バッフル８ａ，８ｂが外されたイオンビームエッチング装置１の側面断面図である。
【図５】図３のＶ−Ｖ断面図である。
【図６】スパッタリング粒子の放出角度分布を示す図であり、（ａ）は垂直入射の場合、（ｂ）は斜入射の場合を示す。
【図７】エッチング後のシリコン基板に含まれている元素の分析結果を示す図であり、ＸＲＦ測定による蛍光Ｘ線スペクトルを示したものである。
【図８】バッフル８ａから放出されるスパッタリング粒子４０，４１を示す図であり、（ａ）はスパッタリング粒子４０の放出角度を示し、（ｂ）はスパッタリング粒子４１の放出角度を示している。
【図９】イオンビーム束ＩＢの入射角とエッチング速度との関係を示す図である。
【図１０】バッフル８ｂの拡大図であり、（ａ）は第１の例を、（ｂ）は第２の例を示す図である。
【図１１】バッフルアッセンブリ１８ａ，１８ｂを示す斜視図である。
【符号の説明】
１イオンビーム源
２真空チャンバ
２ａ天板
２ｂ〜２ｅ側壁
８ａ，８ｂバッフル
１２ａ，１２ｂ，４０，４１，４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂスパッタリング粒子
１８ａ，１８ｂバッフルアッセンブリ
Ａ，Ｂビーム照射領域
ＩＢイオンビーム束
Ｇグリッド
Ｐプラズマ
Ｓ基板
α 発散角

Claims

イオン源から真空チャンバへと引き出されたイオンビーム束を利用して基板を処理するイオンビーム装置において、
前記イオン源から引き出されて前記基板に入射しないイオンビーム束により生成されたスパッタリング粒子が、前記基板に入射しないように阻止する阻止手段を設けたことを特徴とするイオンビーム装置。
請求項１に記載のイオンビーム装置において、
前記阻止手段は前記真空チャンバの壁面に沿って設けた複数のバッフルを有し、前記バッフルに入射する前記イオンビーム束によりそのバッフルから放出されるスパッタリング粒子が前記基板へ入射しないように、前記バッフルの形状を定めたことを特徴とするイオンビーム装置。
請求項２に記載のイオンビーム装置において、
前記複数のバッフルの各々の形状が、前記イオンビーム束の入射角が７０ｄｅｇから９０ｄｅｇの間となるように定められていることを特徴とするイオンビーム装置。
請求項１〜３のいずれかに記載のイオンビーム装置において、
前記阻止手段を前記真空チャンバに対して着脱自在に設けたことを特徴とするイオンビーム装置。