JP2009070749A - 超小型イオン源装置および集積型超小型イオン源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超小型のイオン源を用いることによりイオン源を駆動するための不要な電力を削減し、異なるプロセスを同一の真空装置で同時に行うことを可能とし、多品種・少量のＭＥＭＳ製品の製造を簡便・安価に行える経済性に優れた超小型イオン源装置および集積型超小型イオン源装置を提供する
【解決手段】対向する二つのカソード電極６，７が、どちらかまたは両方にイオン引き出し用のメッシュ状の孔をシリコン基板１，３上に有している。アノード電極８が、各カソード電極６，７の中間部に配置され、中心部に開口があるシリコン基板２を有する。絶縁性のパイレックスガラス基板４，５が、各カソード電極６，７とアノード電極８間を絶縁する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＭＥＭＳマイクロマシニングに適した超小型イオン源装置および集積型超小型イオン源装置に関するものである。

従来、ＭＥＭＳマイクロマシニングは、半導体微細加工技術を用いて為されてきた。この技術では、写真食刻技術が用いられ、まず、試料表面にレジストと呼ばれる感光性樹脂薄膜を形成し、しかる後にこの感光性樹脂を所望のパターンに露光し、エッチングを行いレジストパターンを形成する。その後、レジストパターンをマスクとした試料表面エッチングまたは、試料表面への部分的薄膜形成等を行うものであった。

しかし、このような写真食刻を用いる半導体微細加工技術のうち、プラズマやイオンを用いるドライ加工技術（例えば、特許文献１または２参照）によるエッチングや薄膜形成では、量産化のため大型のイオン源装置やプラズマ発生装置といった高真空で大型の加工装置を必要とする上、本来は不要な部分もイオンビームやプラズマに曝されることにより、イオン源を駆動するための電力も無駄になるものが多く、少品種・超大量生産のＬＳＩ製造に適するものの、多品種・少量のＭＥＭＳを製造するには経済的には引き合わないという欠点があった。

特開２００１−３２２９００号公報 特開２０００−６３１９９号公報

本発明の目的は、超小型のイオン源を用いることによりイオン源を駆動するための不要な電力を削減することと、このような超小型のイオン源多数をシリコン基板を用いてマイクロマシニング技術により同時に製造し、それぞれをガス種、ガス圧、放電電圧などの駆動条件を独立に駆動させることにより、異なるプロセスを同一の真空装置で同時に行うことを可能とする、多品種・少量のＭＥＭＳ製品の製造を簡便・安価に行える経済性に優れた超小型イオン源装置および集積型超小型イオン源装置を提供することにある。

本発明に係る超小型イオン源装置は、低気圧にてプラズマ放電を発生する一組のアノード電極およびカソード電極からなるプラズマ発生用電極を有する、イオン加工用の超小型イオン源であって、どちらかまたは両方にイオン引き出し用のメッシュ状の孔をシリコン基板上に有している、対向する二つのカソード電極と、各カソード電極の中間部に配置され、中心部に開口があるシリコン基板を有するアノード電極と、各カソード電極とアノード電極間を絶縁する絶縁基板とを、有することを特徴とする。

本発明に係る超小型イオン源装置で、各カソード電極は、シリコン基板にイオン引き出し用のメッシュ状の穴をシリコンエッチングにより形成し、しかる後に導電性金属薄膜をその表面に形成して形成され、前記アノード電極は、各カソード電極の中間部にシリコン基板のエッチングにより孔を形成し、その周辺に導電性薄膜を形成することにより形成されていることが好ましい。

本発明に係る集積型超小型イオン源装置は、本発明に係る超小型イオン源装置をシリコン基板上に同時に多数形成して、各超小型イオン源装置の電極間電圧、ガス供給手段により各超小型イオン源装置に供給する放電電圧、ガス種、ガス圧をそれぞれ独立に制御することを、特徴とする。

本発明によれば、シリコン基板と絶縁性基板とを用いてプラズマ発生用電極として対向するイオン引き出し用開口を有する二つのカソード電極と、該二つのカソード電極の中間部に孔を有するアノード電極とを配置した構造の超小型イオン源をシリコン基板上に多数形成し、それぞれを独立のガス種、放電電圧などの独立した条件で各イオン源を駆動させてＭＥＭＳ部品をエッチング、薄膜形成、イオン注入、表面修飾などの加工を実施することにより、従来のイオン源に比べて極めて安価な超小型イオン源装置を用いて、エネルギーの無駄なく、低価格でＭＥＭＳ製品を製造することができる。

また、本発明によれば、シリコン基板と絶縁性基板とを用いてプラズマ発生用電極として対向するイオン引き出し用開口を有する二つのカソード電極と、該二つのカソード電極の中間部に孔を有するアノード電極とを配置した構造の超小型イオン源をシリコン基板上にマイクロマシニング技術により同時に多数形成し、また、該カソード電極とアノード電極間をソーダガラスのような絶縁性基板を用いて電極間距離を正確に保持することにより、簡便に安価に超子小型イオン源を多数作製することができる。これにより、従来は困難であった、数十個および数百個以上のイオン源を用いた多品種・少量ＭＥＭＳ用加工装置が得られる。

また、本発明によれば、シリコン基板と絶縁性基板とを用いてプラズマ発生用電極として対向するイオン引き出し用開口を有する二つのカソード電極と、該二つのカソード電極の中間部に孔を有するアノード電極とを配置した構造の超小型イオン源をシリコン基板上にマイクロマシニング技術を用いて多数形成し、それぞれを独立のガス種、放電電圧などの独立した条件で各イオン源を駆動させることにより、必要な部分のみを目的の加工に適するイオン源駆動条件で独立に駆動させることが可能となり、多品種・少量のＭＥＭＳ製品を同一基板上で同時に加工することができる超小型イオン源装置が得られる。

また、本発明は、前記ガス供給手段が水素ガス、希ガス、ハロゲンガス、酸素ガス、窒素ガス、あるいはＣＦ４ガス等のハロゲン含有ガスの少なくとも一種類のガスを供給することを特徴とする集積型超小型イオン源装置を提供する。

本発明により、シリコン基板を用いたマイクロマシニングにより多数のイオン源を同時に多数作製することができるので、格段に経済性に優れた超小型イオン源装置および集積型超小型イオン源装置が得られる。

しかも、これらの超小型イオン源は、シリコン基板上に多数個を形成し、それぞれをガス種、ガス圧、放電電圧などを独立に制御することができ、さらに個々の該超小型イオン源をそれぞれ切り離すことで独立させ、それぞれをロボットのような機械的な３次元駆動装置により角度、被加工物との距離などの幾何学的な配置を独立に制御することにより、従来に比し、格段にＭＥＭＳ加工の自由度を高めることができ、高機能なＭＥＭＳを格段に経済的に作製することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の実施の形態の超小型イオン源装置の構成を示す要部断面図である。図１に示すように、超小型イオン源装置は、カソード電極６を構成するためのシリコン基板１と、アノード電極８を構成するためのシリコン基板２と、もう一つのカソード電極７を構成するためのシリコン基板３と、カソード電極６とアノード電極８間を絶縁し放電空間を確保するための絶縁性であるところのパイレックス（登録商標）ガラス基板４と、もう一つのカソード電極７とアノード電極８間を絶縁し放電空間を確保するための絶縁性であるところのもう一つのパイレックスガラス基板５と、カソード電極６と、メッシュ状の開口があるもう一つのカソード電極７と、アノード電極８と、ガス導入口９とを有している。

二つの接地したカソード電極６，７とアノード電極８間に直流電力を供給し、カソード電極６，７とアノード電極８間にプラズマ放電を生起する構成としている。各々の電極間に，直径1mmの貫通孔を持つ厚さ2mmのパイレックスガラス基板４，５を挟むことにより，三極管構造を構成している。これらの電極は、いずれもアルミニウム薄膜を蒸着し、カソード電極６，７、アノード電極８としている。

プラズマを発生させるためにＡｒなどのガスをガス導入口９から導入し、カソード電極６、７とアノード電極８間に直流電源１０により直流電圧を印加する。直流電圧を増加させていくと、ある電圧で放電が起こりプラズマが発生する。プラズマ中の電子は、カソードからアノードに向けて加速されるが、ドーナッツ状のアノード電極８を通り抜け、もう一方のカソード電極６または７に近づくが、カソード電位により反射され、再び中央のドーナッツ状のアノード電極８に向け加速される。プラズマ中の電子は、このようにアノード電極８を中心として振動する。この振動により、安定な放電電流を確保するのみならず、放電電流の増加が可能であり、大容量のイオンビーム電流を発生させることができる。

図２乃至図４は、本発明にかかわる超小型イオン源のマイクロマシニング技術を用いた作製例である。図２は、カソード電極６の作製例である。図３は、もう一つのカソード電極７の作製例である。図４は、アノード電極８の作製例である。カソード電極６は、シリコン基板１にアルミニウム薄膜をスッパッタ蒸着などにより形成して形成される。もう一つのイオンビーム引き出し口をもつカソード電極７は、シリコン基板３を用いて熱酸化により酸化シリコン膜１１を形成した後、レジスト１２をパターニングし、所望のメッシュ状微小開口にしてパターニングされたレジスト１２をマスクとして酸化シリコン膜１１を希フッ酸液でエッチングを行い、さらにＴＭＡＨと呼ばれるエッチング液でシリコン基板３をエッチングした後に、アルミニウム薄膜をスパッタ蒸着などにより形成して形成される。アノード電極８は、シリコン基板２をサンドブラスト法により直径１mmに穴あけを行い、この穴部にアルミニウム薄膜をスパッタ蒸着などにより形成してドーナッツ状に形成される。

図５は、本発明を実施したところの超小型イオン源装置のイオンビーム電流特性実験を示すものである。実験は、図１のような構成で図２乃至図４のような方法で作製された本発明であるところの超小型イオン源装置に、Ａｒガスを1.11Ｐａから5.0Ｐａで導入し、それぞれガス圧を保持しながら直流電源１０により電圧を印加しつつ、カソード電極７の直近に設置されたファラデーカップによりイオンビーム電流を測定したものである。例えば、Ａｒガス圧0.25Ｐａの場合は、電圧320Ｖ付近からイオンビーム電流が観測され、350Ｖではイオンビーム電流約２μＡ、380Ｖでは同３μＡが観測され、本発明による超小型イオン源装置がその大きさに比し大きなイオンビーム電流を発生していることを示す。
図２乃至図４で示すように、本発明にかかわる超小型イオン源装置は、マイクロマシニングにより作製するので、シリコン基板を用いて多数を同時に作製することができ、安価で信頼性にも優れたものとなる。

本発明の実施の形態の超小型イオン源装置の構成を示す要部断面図である。 本発明の実施の形態の超小型イオン源装置の、一方のカソード電極の作製法を示す要部断面図である。 本発明の実施の形態の超小型イオン源装置の、もう一つのカソード電極の作製法を示す要部断面図である。 本発明の実施の形態の超小型イオン源装置の、アノード電極の作製法を示す要部断面図である。 本発明の実施の形態の超小型イオン源装置の、イオンビーム電流特性実験結果を示すグラフである。

符号の説明

１，２，３ シリコン基板
４，５ パイレックスガラス基板
６，７ カソード電極
８ アノード電極
９ ガス導入口
１０ 直流電源
１１ 酸化シリコン膜
１２ レジスト

Claims (4)

1. 低気圧にてプラズマ放電を発生する一組のアノード電極およびカソード電極からなるプラズマ発生用電極を有する、イオン加工用の超小型イオン源であって、
   どちらかまたは両方にイオン引き出し用のメッシュ状の孔をシリコン基板上に有している、対向する二つのカソード電極と、
   各カソード電極の中間部に配置され、中心部に開口があるシリコン基板を有するアノード電極と、
   各カソード電極とアノード電極間を絶縁する絶縁基板とを、
   有することを特徴とする超小型イオン源装置。
2. 各カソード電極は、シリコン基板にイオン引き出し用のメッシュ状の穴をシリコンエッチングにより形成し、しかる後に導電性金属薄膜をその表面に形成して形成され、
   前記アノード電極は、各カソード電極の中間部にシリコン基板のエッチングにより孔を形成し、その周辺に導電性薄膜を形成することにより形成されていることを、
   特徴とする請求項１記載の超小型イオン源装置。
3. 請求項１または２記載の超小型イオン源装置をシリコン基板上に同時に多数形成して、各超小型イオン源装置の電極間電圧、ガス供給手段により各超小型イオン源装置に供給する放電電圧、ガス種、ガス圧をそれぞれ独立に制御することを、特徴とする集積型超小型イオン源装置。
4. 前記ガス供給手段が水素ガス、希ガス、ハロゲンガス、酸素ガス、窒素ガス、あるいはハロゲン含有ガスの少なくとも一種類のガスを供給することを、特徴とする請求項３記載の集積型超小型イオン源装置。