JP2007324058A

JP2007324058A - イオンビーム処理装置及びイオンビーム処理方法

Info

Publication number: JP2007324058A
Application number: JP2006155218A
Authority: JP
Inventors: Katsumi Umeda; 克己梅田
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2006-06-02
Filing date: 2006-06-02
Publication date: 2007-12-13

Abstract

【課題】装置を大型化することなく均一なＡｒイオンビームを照射する。
【解決手段】第１可変電源１２により第１電極１１に個別に電圧を印加し、処理チャンバ１の第１電極１１の部位でＡｒイオンビームを所望の状態に広げ、第２可変電源１４により第２電極１３に個別に電圧を印加し、第１電極１１で広げられたＡｒイオンビームをウエハ５に対して垂直な方向に入射する状態に制御し、ビームパス内に作り出された電界レンズ効果によりＡｒイオンの強度を均一にした状態でＡｒイオンをウエハ５に照射する。
【選択図】図１

Description

本発明は、イオンビーム処理装置及びイオンビーム処理方法に関し、イオンビームの照射の均一化を企図したものである。

半導体の製造には、イオンミリングやスパッタエッチング等のイオンの衝突による物理的作用を利用して配線や素子の加工を行うイオンビーム処理装置が用いられている。イオンビーム処理装置は、加工に異方性が得られる点や、制御の容易な点等から半導体装置の製造に広く用いられている。

半導体ウエハを被処理部材とするイオンミリング装置では、ステージ上にウエハを載置し、イオン発生源によって生成したイオン（例えば、Ａｒイオン）を高電圧によって加速し、ターゲットであるウエハの表面に衝突させる。イオンをウエハの表面に衝突させることにより、レジスト膜以外の場所のターゲットの表面を削り取り、所望の素子等の形状に加工している。

薄膜微細加工による半導体集積回路やマイクロマシン等のデバイスの作成においては、一枚のウエハ内に多数の素子を作成するためにウエハ面内で均一な状態にイオン照射を行うことが重要である。ウエハ面内でイオン照射の均一性が悪いと素子の特性がばらついて品質低下の要因となってしまう。

このため、従来から、処理室内部のプラズマエネルギーの分布を測定してウエハの中心位置とプラズマエネルギーの最大値を示す位置とを一致させてエッチング分布の均一性を図る技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、真空容器内に磁界を発生させるための手段を真空容器の周囲に備え、真空容器内に磁界を発生させてプラズマを封じ込める技術が知られている（例えば、特許文献２参照）。更に、大きな系のイオン源を用いて中心部の比較的均一性の高い部分のイオンビームをウエハに照射させることも考えられている。

しかし、特許文献１の技術では、プラズマのエネルギー分布を測定する装置やプラズマエネルギーの位置を制御する装置が必要になり、装置が複雑になり大型化とコスト高に繋がってしまう。また、特許文献２の技術では、真空容器に敷設される機器が必要となり、装置が大型化してしまう。

特開平７−２９８７７号公報特開平６−３７０５４号公報

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、装置を大型化することなく均一なイオンビームを照射することができるイオンビーム処理装置及びイオンビーム処理方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための請求項１に係る本発明のイオンビーム処理装置は、圧力制御される処理室内で被処理部材に対してイオン源からのイオンビームを照射して処理を行うイオンビーム処理装置において、イオンビームを広げて被処理部材に照射させるイオンビーム分布制御手段をイオン源と被処理部材との間に備えたことを特徴とする。
請求項１に係る本発明では、イオンビーム分布制御手段によりイオンビームを広げて被処理部材に照射させることで、イオン源を大きくしたり装置を大型化することなく均一性の高い中央部分のイオンビームを被処理部材に照射することができる。即ち、被処理部材の大きさが変わらない場合にはイオン源を小型化することができると共に、イオン源の大きさが変わらない場合には処理できる被処理部材を大きくしたり多数の被処理部材の処理を行うことができる。

また、請求項２に係る本発明のイオンビーム処理装置は、請求項１に記載のイオンビーム処理装置において、イオンビーム分布制御手段は、イオンビームパスの周囲の周方向に複数設けられた電極と、複数の電極の電圧をそれぞれ独立して制御する電圧制御手段であることを特徴とする。
請求項２に係る本発明では、電圧制御手段により複数の電極の電圧をそれぞれ独立して制御することでイオンビームの拡がりを任意の形状に広げることができ、イオン源からのイオンビームの形状に拘わらず均一性の高い中央部分のイオンビームを被処理部材に照射することができる。

また、請求項３に係る本発明のイオンビーム処理装置は、請求項２に記載のイオンビーム処理装置において、イオンビーム分布制御手段は、電荷の空間分布を制御するための四極子の電極であることを特徴とする。
請求項３に係る本発明では、四極子の電極によりイオンビームの拡がりを任意の形状に広げることができる。

また、請求項４に係る本発明のイオンビーム処理装置は、請求項３に記載のイオンビーム処理装置において、電圧制御手段は、四極子の電極にそれぞれ備えられ各電極の印加電圧を個別に制御する個別電源であることを特徴とする。
請求項４に係る本発明では、個別電源により四極子の各電極の印加電圧を個別に制御してイオンビームの拡がりを任意の形状に広げることができる。

また、請求項５に係る本発明のイオンビーム処理装置は、請求項１〜請求項４のいずれかに記載のイオンビーム処理装置において、イオンビーム分布制御手段は、イオンビームパスに沿って複数箇所に設けられ、イオン源に近いイオンビーム分布制御手段によりイオンビームが広げられると共に、被処理部材に近いイオンビーム分布手段によりイオンビームが所定の入射角に制御されることを特徴とする。
請求項５に係る本発明では、イオン源と被処理部材との距離に拘わらずイオンビームの均一化を図ることができる。

また、請求項６に係る本発明のイオンビーム処理装置は、請求項１〜請求項５のいずれかに記載のイオンビーム処理装置において、イオンビームを照射する処理はイオンミリングであることを特徴とする。
請求項６に係る本発明では、イオンミリングによる被処理部材へのイオンビームを均一化することができる。

上記目的を達成するための請求項７に係る本発明のイオンビーム処理方法は、処理室内で被処理部材に対してイオンビームを照射して処理を行うイオンビーム処理方法において、イオンビームパスに交差する面内でイオンビームの分布を広げて被処理部材にイオンビームを照射することを特徴とする。
請求項７に係る本発明では、イオンビームパスに交差する面内でイオンビームを広げて被処理部材に照射させることで、イオン源を大きくしたり装置を大型化することなく均一性の高い中央部分のイオンビームを被処理部材に照射することができる。

また、請求項８に係る本発明のイオンビーム処理方法は、請求項７に記載のイオンビーム処理方法において、イオンビームの分布を広げると共にイオンビームパスの後側で被処理部材に対して所定の入射角となるようにイオンビームを制御することを特徴とする。
請求項８に係る本発明では、イオン源と被処理部材との距離に拘わらずイオンビームの均一化を図ることができる。

図１には本発明の一実施形態例に係るイオンビーム処理装置としてのイオンミリング装置の概略構成、図２には図１中のＩＩ−ＩＩ線矢視、図３には図１中のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視を示してある。

図に示すように、処理室としての処理チャンバ１にはイオン源チャンバ２が接続され、処理チャンバ１とイオン源チャンバ２の間にはイオン引き出し用の加速電極３が設けられ、加速電極３には加速電源１０が接続されている。加速電極３と反対側（下側）における処理チャンバ１には処理ステージ４が設けられ、処理ステージ４には被処理部材としてのウエハ５が載置保持される。

イオン源チャンバ２にはフィラメント６が設けられ、イオン源チャンバ２にはガス供給路７が接続され、ガス供給路７から、例えば、Ａｒガスがイオン源チャンバ２に供給される。フィラメント６には電源８が接続され、フィラメント６に電力が供給されることでＡｒガスがイオン化（例えば、＋イオン）され、加速電極３により加速されて処理チャンバ１にＡｒイオン（Ａｒイオンビーム）が送られる。処理チャンバ１には真空ポンプ９が接続され、真空ポンプ９の駆動により処理チャンバ１及びイオン源チャンバ２の内部が所定の真空状態に減圧される。

処理チャンバ１内の上方には電極（イオン源に近いイオンビーム分布制御手段）としての第１電極１１が設けられ、第１電極１１には電圧制御手段としての第１可変電源１２が接続されている。第１電極１１は、図２に示すように、Ａｒイオンの周囲の周方向に複数（４個：四極子、第１電極１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ）設けられている。

第１電極１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄには第１可変電源１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄがそれぞれ接続され（個別電源）、第１可変電源１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄは個別に印加電圧（例えば、−側の電圧）が制御される。第１電極１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄで囲まれる領域をイオンビームとしてのＡｒイオンビーム（＋イオン）が通過することにより、個別に印加電圧が制御（−側）された第１電極１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄに引き寄せられて所望の状態にＡｒイオンビームが広げられる。

また、第１電極１１と処理ステージ４の間における処理チャンバ１内には電極（被処理部材に近いイオンビーム分布制御手段）としての第２電極１３が設けられ、第２電極１３には電圧制御手段としての第２可変電源１４が接続されている。第２電極１３は、図３に示すように、第１電極１１（図１、図２参照）で広げられたＡｒイオンの周囲の周方向に複数（４個：四極子、第２電極１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ）設けられている。

第２電極１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄには第２可変電源１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄがそれぞれ接続され（個別電源）、第２可変電源１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄは個別に印加電圧（例えば、−側の電圧）が制御される。第２電極１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄで囲まれる領域を広げられたＡｒイオンビーム（＋イオン）が通過することにより、個別に印加電圧が制御（＋側）された第２電極１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄとの間で反発しウエハ５（図１参照）に対して垂直な方向に入射する状態（広がりを平行に戻す状態）にＡｒイオンビームが制御される。

加速されるＡｒイオン（＋イオン）の状態に応じて、例えば、図２に示すように、対向する第１電極１１ａ、１１ｃに印加する−側の電圧を高くすると共に、対向する第１電極１１ｂ、１１ｄに印加する−側の電圧を相対的に低くする。これにより、Ａｒイオンは主に第１電極１１ａ、１１ｃに引かれて楕円状態に広げられる。イオン源チャンバ２からのＡｒイオンビームの状態を検出し、形状の変形を打ち消す状態にそれぞれの第１電極１１の印加状態を制御（第１可変電源１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄを個別に制御）することで、Ａｒイオンビームを所望の状態（例えば、真円に近い状態）で広げることができる。

Ａｒイオンビームの広がりは、ウエハ５の径を基準にしてウエハ５の直径以上の状態になるように設定することができる。これにより、ウエハ５の径よりも小さな径のイオン源を用いることが可能になる。また、同じイオン源であれば大径のウエハの処理に適用することが可能になる。更に、広い範囲でＡｒイオンビームを発生させることができるので、枚葉式の装置に限らず、バッチ式の処理装置に適用することも可能になる。この場合、処理ステージを回転自在にすることが好ましい。

そして、図３に示すように、楕円状態に広げられたＡｒイオン（＋イオン）に対して、対向する第２電極１３ａ、１３ｃに印加する＋側の電圧を高くすると共に、対向する第２電極１３ｂ、１３ｄに印加する＋側の電圧を相対的に低くする。これにより、Ａｒイオンは主に第２電極１３ａ、１３ｃの部位で反発してウエハ５（図１参照）に対して垂直な方向に入射する状態にされる。また、Ａｒイオンビームの中心とウエハ５（図１参照）の中心とを一致させることができる。

第１電極１１を通過したＡｒイオンビームの状態を検出し、広がりを整える状態、中心位置を調整する状態にそれぞれの第２電極１１の印加状態を制御（第２可変電源１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄを個別に制御）することで、Ａｒイオンビームをウエハ５（図１参照）に対して垂直な方向に入射する状態で中心位置を一致させる状態に制御することができる。

第２電極１３での制御は、広げられたＡｒイオンビームの中心位置とウエハ５の中心位置を一致させると同時に、Ａｒイオンビームの中心部と周辺部とのイオン密度分布を調整するために行われる。このため、ウエハ５に対して均一な強度のＡｒイオンビームを照射することが可能になる。また、個別電源により各電極の印加電圧を制御することにより、加速電極３、Ａｒイオンビームの電力、処理チャンバ１の減圧状態（真空状態）等のパラメータに起因してＡｒイオンビームの強度が変化しても、変化に追従して常に均一な状態にＡｒイオンビームを制御することが可能になる。

尚、第１電極１１、第２電極１３に印加する電圧の極は互いに逆極の組み合わせだけに限られるものではなく、Ａｒイオンの正負（＋、−）に応じて、第１電極１１でＡｒイオンビームを広げると共に広げられたＡｒＡｒイオンビームを第２電極１３で平行な状態に戻すように制御する極に電圧を印加するものであれば、任意の極側の電圧を印加することが可能である。

また、第１電極１１、第２電極１３として四極子の電極を例に挙げて説明したが、周方向の分割数は４個に限定されず、八極子等任意の数に分割した電極を用いることが可能である。また、Ａｒイオンビームパスに沿って第１電極１１、第２電極１３を設けたが、更に別の電極をＡｒイオンビームパスに沿って設けることも可能であり、イオン源からウエハ５までの距離に応じて任意の箇所に電極を設けることが可能である。更に、第１電極１１だけを備え、小さなイオン源を用いて大きなウエハに対してＡｒイオンビームを照射できるようにしたり、Ａｒイオンビームを広げて中心近傍の均一なＡｒイオンを照射できるようにすることも可能である。

イオンミリング装置によるミリング方法を説明する。

ウエハ５を処理ステージ４にセットした後、処理チャンバ１及びイオン源チャンバ２が真空ポンプ９により所定の真空状態に減圧される。ガス供給路７からイオン源チャンバ２にＡｒガスを導入し、電源８に電力を供給してフィラメント６を加熱してＡｒイオンを形成する。加速電極３によりＡｒイオンが加速されてウエハ５に向けて処理チャンバ１にＡｒＡｒイオンビームが照射される。

第１可変電源１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄにより第１電極１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄに電圧が個別に印加され、処理チャンバ１の第１電極１１の部位でＡｒイオンビームが所望の状態に広げられる。更に、第２可変電源１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄにより第２電極１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄに個別に電圧が印加され、第１電極１１で広げられたＡｒイオンビームがウエハ５に対して垂直な方向に入射する状態に制御される。これにより、ビームパス内に作り出された電界レンズ効果によりＡｒイオンの強度が均一にされた状態でＡｒイオンがウエハ５に照射され、ミリング加工が行われる。

尚、電界レンズ効果のみによらず、磁界レンズ効果を組み合わせたり磁界レンズ効果を単独で用いてＡｒイオンの強度を均一化することも可能である。

ウエハ５の径を基準にしてウエハ５の直径以上の状態になるようにＡｒイオンビームの広がりを設定することで、ウエハ５の径よりも小さな径のイオン源を用いることが可能になる。このため、イオン源を小さくすることができ、イオンミリング装置の小型化を図ることが可能になる。また、イオン源を小さくしない場合には、大径のウエハの処理に適用することが可能になる。

第２電極１３での制御は、広げられたＡｒイオンビームの中心位置とウエハ５の中心位置を一致させると同時に、Ａｒイオンビームの中心部と周辺部とのイオン密度分布を調整するために行われているため、ウエハ５に対して均一な強度のＡｒイオンビームを照射することが可能になる。また、個別電源により各電極の印加電圧を制御することにより、イオンミリング装置のプロセスパラメータに起因してＡｒイオンビームの強度が変化しても、即ち、プロセスパラメータを変更しても、変化に追従して再現性良く常に均一な状態にＡｒイオンビームを制御することが可能になる。

例えば、直径８０ｍｍのイオン源を用いて直径１００ｍｍのウエハ５をミリングした場合であっても面内のＡｒイオンビームの強度の均一性を±８％以内に抑えることができる。

従って、上述したイオンミリング処理装置及びイオンミリング処理方法を用いることで、装置を大型化することなく均一なＡｒイオンビームを照射することができる。

Ａｒイオンビーム処理装置としては、半導体製造装置として利用される、ＲＩＥ（反応成イオンエッチング装置）、真空中でイオン照射を行う装置全般に対して適用することが可能である。また、上述したイオンミリング装置は、半導体、液晶表示体、ＭＥＭＳ等の薄膜微細加工技術の分野で適用が可能である。

本発明の一実施形態例に係るイオンミリング装置の概略構成図である。図１中のＩＩ−ＩＩ線矢視図である。図１中のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視図である。

符号の説明

１処理チャンバ、２イオン源チャンバ、３加速電極、４処理ステージ、５ウエハ、６フィラメント、７ガス供給路、８電源、９真空ポンプ、１０加速電源、１１第１電極、１２第１可変電源、１３第２電極、１４第２可変電源

Claims

圧力制御される処理室内で被処理部材に対してイオン源からのイオンビームを照射して処理を行うイオンビーム処理装置において、
イオンビームを広げて被処理部材に照射させるイオンビーム分布制御手段をイオン源と被処理部材との間に備えた
ことを特徴とするイオンビーム処理装置。
請求項１に記載のイオンビーム処理装置において、
イオンビーム分布制御手段は、イオンビームパスの周囲の周方向に複数設けられた電極と、複数の電極の電圧をそれぞれ独立して制御する電圧制御手段である
ことを特徴とするイオンビーム処理装置。
請求項２に記載のイオンビーム処理装置において、
イオンビーム分布制御手段は、電荷の空間分布を制御するための四極子の電極である
ことを特徴とするイオンビーム処理装置。
請求項３に記載のイオンビーム処理装置において、
電圧制御手段は、四極子の電極にそれぞれ備えられ各電極の印加電圧を個別に制御する個別電源である
ことを特徴とするイオンビーム処理装置。
請求項１〜請求項４のいずれかに記載のイオンビーム処理装置において、
イオンビーム分布制御手段は、イオンビームパスに沿って複数箇所に設けられ、イオン源に近いイオンビーム分布制御手段によりイオンビームが広げられると共に、被処理部材に近いイオンビーム分布手段によりイオンビームが所定の入射角に制御される
ことを特徴とするイオンビーム処理装置。
請求項１〜請求項５のいずれかに記載のイオンビーム処理装置において、
イオンビームを照射する処理はイオンミリングである
ことを特徴とするイオンビーム処理装置。
処理室内で被処理部材に対してイオンビームを照射して処理を行うイオンビーム処理方法において、
イオンビームパスに交差する面内でイオンビームの分布を広げて被処理部材にイオンビームを照射する
ことを特徴とするイオンビーム処理方法。
請求項７に記載のイオンビーム処理方法において、
イオンビームの分布を広げると共にイオンビームパスの後側で被処理部材に対して所定の入射角となるようにイオンビームを制御する
ことを特徴とするイオンビーム処理方法。