JP2019021439A - イオンビーム照射装置及びイオンビーム照射方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シャッタを必要とすることなく、生産性の高いイオンビーム照射装置を提供する。【解決手段】真空に排気される真空容器２と、真空容器２内で基板を保持する基板ホルダ３と、基板ホルダ３に保持された基板Ｗに対してイオンビームＩＢを照射するイオンビーム照射部７と、基板ホルダ３を基板ＷにイオンビームＩＢが照射される照射位置３Ｑ及び基板ＷにイオンビームＩＢが照射されない退避位置３Ｐの間で回転させるホルダ回動機構６と、を備えている。そして、ホルダ回動機構６は、照射位置３Ｑにある基板ホルダ３をイオンビームＩＢに沿って回動させることにより退避位置３Ｐにする。【選択図】図３

Description

本発明は、例えばイオンミリング装置、イオン注入装置等のように、真空雰囲気中で基板にイオンビームを照射することによって基板に処理を施すイオンビーム照射装置及びイオンビーム照射方法に関するものである。

この種のイオンビーム照射装置としては、特許文献１に示すように、真空容器中で基板を保持する基板ホルダと、当該基板ホルダに保持された基板にイオンビームを照射するイオン源と、基板ホルダの前方に設けられて、イオンビームを遮断する遮断位置及びイオンビームを遮断しない開放位置の間を移動するシャッタとを備えたものがある。このイオンビーム照射装置において、基板への処理を開始する場合にはシャッタを開放位置に移動させ、基板への処理を停止する場合にはシャッタを遮断位置に移動させる。そして、シャッタを閉塞位置に移動させた状態で、処理済みの基板が真空容器から搬出されるとともに、処理前の基板が真空容器に搬入される。

しかしながら、シャッタを設ける構成では、真空容器から基板を搬出する前にシャッタを閉塞位置に移動させる必要がある。そうすると、処理済みの基板を搬出する前にシャッタの移動を待つ時間が必要となり、生産性の高いイオンビーム照射装置を提供することが難しい。また、真空容器内にシャッタを設けるスペースが必要となるだけでなく、シャッタの開放位置を基板処理の障害にならない位置にする必要があるため、基板処理を行う領域が制約される恐れもある。さらに、シャッタ及びこのシャッタを移動させる駆動機構を設けることから、装置コストの上で不利となってしまう。

特許第５６４９４２８号公報

そこで本発明は、上記問題点を解決すべくなされたものであり、シャッタを必要とすることなく、生産性の高いイオンビーム照射装置を提供することをその主たる課題とするものである。

すなわち本発明に係るイオンビーム照射装置は、真空に排気される真空容器と、前記真空容器内で基板を保持する基板ホルダと、前記基板ホルダに保持された基板に対してイオンビームを照射するイオンビーム照射部と、前記基板ホルダを前記基板に前記イオンビームが照射される照射位置及び前記基板に前記イオンビームが照射されない退避位置の間で回動させるホルダ回動機構とを備え、前記ホルダ回動機構は、前記照射位置にある基板ホルダを前記イオンビームに沿って回動させることにより前記退避位置にするものであることを特徴とする。

このようなイオンビーム照射装置であれば、照射位置にある基板ホルダを、イオンビームに沿って回動させることにより、基板にイオンビームが照射されない退避位置にしているので、シャッタが遮断位置に移動することを待たずに基板をイオンビームが照射されない位置に移動させることができ、生産性を向上することができる。また、シャッタを不要にすることができ、装置コストの観点で有利となる。

イオンビーム照射装置の生産性をさらに向上させるためには、前記退避位置は、基板搬送機構との間で基板の受け渡しを行うための受け渡し位置であることが望ましい。
この構成であれば、基板にイオンビームが照射されない状態にした後に基板ホルダを移動させる必要が無く、基板の搬出までの時間及び基板を搬入してから基板を処理する照射位置に移動するまでの時間を短縮することができる。

本発明のイオンビーム照射装置は、前記照射位置にある基板ホルダを所定の移動方向に沿って往復移動させる往復移動機構を備えたものが考えられる。この構成において、基板全体がイオンビームを横切るように往復移動させると、基板にイオンビームが照射されていない時間が生じてイオンビームを有効に利用することができない。また、基板の処理時間も長くなってしまう。
そのため、イオンビームを有効に活用するとともに、基板の処理時間を短縮するためには、前記往復移動機構は、前記基板ホルダに保持された基板全体が前記イオンビームを横切らないように往復移動させるものであることが望ましい。

照射位置にある基板ホルダをイオンビームに沿って回動させることにより退避位置にすると、基板に照射されるイオンビームの照射角度が変わってしまい、基板処理に悪影響が生じる恐れがある。
ここで、イオンビームのビーム電流密度は基板ホルダの往復方向において外側に行くほど小さくなるため、折り返し地点又はその近傍で基板に照射されるイオンビームのビーム電流密度は、中央地点で基板に照射されるイオンビームのビーム電流密度よりも小さくなる。
この点に着目して、基板処理への悪影響を可及的に低減するためには、前記ホルダ回動機構は、前記往復移動機構における往復移動の折り返し地点又はその近傍において前記基板ホルダを前記退避位置に回動するものであることが望ましい。

本発明のイオンビーム照射装置は、前記基板ホルダを前記基板ホルダに保持された基板の中心部周りに回転させる基板回転機構を備えたものが考えられる。
この構成において、ホルダ回動機構により基板ホルダを照射位置から退避位置に回動する間に基板を中心部周りに回転させない場合には、基板の一部分にのみイオンビームが照射されて局所的に処理されてしまう恐れがある。
この問題を好適に解決するためには、前記基板回転機構は、前記ホルダ回動機構により前記基板ホルダが前記照射位置から前記退避位置に回動する間において、前記基板ホルダを前記基板の中心部周りに回転させるものであることが望ましい。
この構成であれば、基板の一部分にのみイオンビームが照射されて基板が局所的に処理されてしまうことを緩和することができる。

本発明に係るイオンビーム照射方法は、真空に排気される真空容器と、前記真空容器内で基板を保持する基板ホルダと、前記基板ホルダに保持された基板に対してイオンビームを照射するイオンビーム照射部と、前記基板ホルダを基板に前記イオンビームが照射される照射位置及び前記基板に前記イオンビームが照射されない退避位置の間で回動させるホルダ回動機構とを備えるイオンビーム照射装置を用いたイオンビーム照射方法であって、前記ホルダ回動機構により、前記照射位置にある基板ホルダを前記イオンビームに沿って回動させることにより前記退避位置にすることを特徴とする。

このように構成した本発明によれば、照射位置にある基板ホルダを、イオンビームに沿って回動させることにより、基板にイオンビームが照射されない退避位置にしているので、シャッタが遮断位置に移動することを待たずに基板をイオンビームが照射されない位置に移動させることができ、生産性を向上することができる。また、シャッタを不要にすることができ、装置コストの観点で有利となる。

本実施形態のイオンビーム照射装置の構成を模式的に示す側面図である。 同実施形態のイオンビーム照射装置の構成を模式的に示す平面図である。 同実施形態のホルダ回動機構による基板ホルダの動きを示す模式図である。 変形実施形態のイオンビーム照射装置の構成を模式的に示す平面図である。

以下に、本発明に係るイオンビーム照射装置の一実施形態について、図面を参照して説明する。なお、方向の理解を容易にするために、各図中において、１点で互いに直交するＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向を図示している。例えば、Ｙ方向及びＺ方向は水平方向であり、Ｘ方向は鉛直方向である。イオンビームは、この例ではＺ方向に進行する。

＜装置構成＞
本実施形態のイオンビーム照射装置１００は、図１及び図２に示すように、真空雰囲気中で基板ＷにイオンビームＩＢを照射して処理する装置である。この基板Ｗは、例えばシリコンウェーハ等の半導体基板、半導体基板の表面に磁性体膜等の膜が形成された基板等であるが、これに限られるものではない。また、基板Ｗの形状は、例えば円形（円周の一部分にオリエンテーションフラットやノッチを有するものもこれに含むものとする）であるが、これに限られるものではない。

具体的にイオンビーム照射装置１００は、図示しない真空排気装置によって真空に排気される真空容器２と、この真空容器２内で基板Ｗを保持する基板ホルダ３と、基板ホルダ３を回転させる基板回転機構４と、基板ホルダ３及び基板回転機構４を往復移動させる往復移動機構５と、基板ホルダ３を回動させるホルダ回動機構６と、基板ＷにイオンビームＩＢを照射するイオンビーム照射部７と、各機構４〜６を制御する制御装置８とを備えている。なお、図２では各機構４〜６の図示を省略している。

基板ホルダ３は、例えば静電チャックを備えるものであり、真空容器２内において基板回転機構４により回転可能に設けられるとともに、往復移動機構５により往復移動可能に設けられている。また、本実施形態の基板ホルダ３は、イオンビームＩＢに対する基板Ｗのチルト角（傾き角）φを変更するチルト機構９により傾斜可能に設けられている。

基板回転機構４は、基板ホルダ３を回転させることにより、基板ホルダ３に保持された基板Ｗをその中心部Ｗａの周りに回転させるものである。この基板回転機構４は、基板Ｗの中心部Ｗａの周りに時計回り又は反時計回りに連続回転させるものである。図１には、回転方向Ｃの一例を示しているが、これと逆方向であっても良い。

往復移動機構５は、基板ホルダ３、基板回転機構４及びチルト機構９を所定の移動方向Ｄ（図１及び図２においてＹ方向）に沿って機械的に往復移動させることにより、基板ホルダ３に保持された基板Ｗを移動方向Ｄに沿って往復移動させるものである。この往復移動機構５による基板Ｗの往路及び復路は直線移動であり、また、往路及び復路は互いに重複するように構成されている。なお、往復移動機構５は、真空容器２外に設けられたアクチュエータ５１と、基板ホルダ３及び基板回転機構４等に連結されるとともに前記アクチュエータ５１により駆動される駆動軸５２とを備えている。アクチュエータ５１は、この例では真空容器２外に設けているが、これに限られるものではない。

ホルダ回動機構６は、基板ホルダ３を、基板Ｗにイオンビームが照射される照射位置３Ｑ及び基板Ｗにイオンビームが照射されない退避位置３Ｐの間で回動させるものである。本実施形態のホルダ回動機構６は、基板ホルダ３とともに少なくとも基板回転機構４及びチルト機構９を回動させる構成としてある。この例では、ホルダ回動機構６は、往復移動機構５により往復移動される構成であるが、ホルダ回動機構６が往復移動機構５を支持しており、基板ホルダ３とともに往復移動機構５を回動させる構成としても良い。

ここで、図３に示すように、照射位置３Ｑは、横方向から照射されるイオンビームＩＢが基板Ｗに照射される起立した位置である。一方、退避位置３Ｐは、イオンビームＩＢの通過領域から退避した位置であり、イオンビームＩＢからＸ方向下側に退避した位置である。また、退避位置３Ｐは、照射位置３ＱからイオンビームＩＢに沿って後方に回動した位置、つまり、照射位置３Ｑからイオンビーム照射部７から離れる方向に回動した位置である。基板ホルダ３の照射位置３Ｑ及び退避位置３Ｐの回動中心軸Ｌは、イオンビームＩＢの下方であって、Ｙ方向に平行な軸である。なお、本実施形態の退避位置３Ｐは、基板ホルダ３に保持された基板Ｗが水平状態となる位置であるが、これに限られない。

また、退避位置３Ｐは、基板搬送機構１０との間で基板Ｗの受け渡しを行うための受け渡し位置としてある。基板搬送機構１０は、真空容器２の処理室Ｓ１に隣接する真空予備室Ｓ２に設けられた搬送ロボットである（図１等参照）。なお、処理室Ｓ１と真空予備室Ｓ２とは、真空弁（ゲートバルブ）１１により仕切られている。

イオンビーム照射部７は、照射位置３Ｑにある基板ホルダ３に保持された基板Ｗに対してイオンビームＩＢを照射するものである。このイオンビーム照射部７は、断面が長方形状をなすイオンビームＩＢを照射するものであり、イオン源７０を用いて構成されている。このイオン源７０は、プラズマ７３を生成するプラズマ生成部７１と、プラズマ７３から電界の作用でイオンビームＩＢを引き出す引出電極系７２とを有している。イオン源７０は、その引出電極系７２と共に、真空容器２の内部に配置しても良いし、真空容器２の外部に配置しても良い。

本実施形態では、イオン源７０からのイオンビームＩＢの引き出し方向は、重力方向Ｇと交差する方向（例えば、図１に示す例のように実質的に直交する方向、または斜めの方向）にするのが好ましい。具体的には、イオン源７０のビーム引き出し口Ｈと基板Ｗとが水平方向において互いに対向している。このようにすると、イオン源７０の真下に基板Ｗを配置せずに済み、イオン源７０内部の堆積物の剥離片等の異物（ゴミ）がイオン源７０から落下しても基板Ｗに混入しにくくなる。その結果、異物混入による基板Ｗの処理不良の発生を抑制することができる。

なお、イオン源７０は、（ａ）多極磁界（カスプ磁界）を用いてプラズマ７３の閉じ込め等を行う、いわゆるバケット型イオン源（多極磁界型イオン源とも呼ばれる）でも良いし、（ｂ）高周波放電によってプラズマ７３を生成する高周波イオン源でも良いし、（ｃ）陰極と反射電極とを対向させ、かつ両者を結ぶ軸に沿う方向に磁界を印加してプラズマ７３を生成する、いわゆるバーナス型イオン源でも良い。また、引出電極系７２を構成する電極の数は、特定のものに限定されない。また、引出電極系７２を構成する電極には、必要に応じて冷却パイプを設けても良いし、設けなくても良い。

このイオン源７０により基板Ｗに照射されるイオンビームＩＢは、その長手方向が移動方向Ｄと直交するように基板Ｗに向かって照射される。本実施形態のイオンビームＩＢは、移動方向Ｄに直交する長手方向（Ｘ方向）の寸法が、基板ＷにおけるＸ方向の寸法よりも大きい。イオンビームＩＢにおける移動方向Ｄ（Ｙ方向）の寸法は、基板ＷにおけるＹ方向の寸法よりも小さいものであっても良いし、大きいものであっても良い。なお、この断面長方形状のイオンビームＩＢは、イオン源７０の長方形状をなすビーム引き出し口Ｈ（引出電極系７２のビーム引き出し領域）から射出されることにより形成される。

そして、制御装置８は、往復移動機構５を制御して、図２に示すように、基板ホルダ３に保持された基板Ｗ全体がイオンビームＩＢを横切らないように、つまり、基板Ｗ全体がイオンビームＩＢから移動方向Ｄの両側にはみ出さないように往復移動させる。

この往復移動中において、制御装置８は、基板回転機構４を制御して、基板Ｗを往復移動中に１又は複数回連続回転させるものである。ここで、往復移動中における基板回転機構４による基板Ｗの回転速度は一定であるが、処理内容等に応じて可変としても良い。なお、往路移動中の基板Ｗの回転数と復路移動中の基板Ｗの回転数とは、同じであっても良いし、異なっていても良い。なお、制御装置８は、チルト機構９を制御して基板Ｗのチルト角φを制御する機能も有する。

さらに、制御装置８は、基板ＷへのイオンビームＩＢによる処理が終了すると、図１及び図３に示すように、ホルダ回動機構６を制御して、起立状態とされた基板ＷにイオンビームＩＢが照射されている状態（基板ホルダ３は照射位置３Ｑにある状態）で、基板ホルダ３をイオンビームＩＢに沿って後方に回動させることにより、基板ホルダ３を基板ＷにイオンビームＩＢが照射されない退避位置３Ｐにする。本実施形態では、制御装置８は、往復移動機構５における往復移動の折り返し地点又はその近傍において、ホルダ回動機構６を制御して、基板ホルダ３を基板ＷにイオンビームＩＢが照射されない退避位置３Ｐに回動する。

このとき、制御装置８は、ホルダ回動機構６により基板ホルダ３が照射位置３Ｑから退避位置３Ｐに回動する間において、基板回転機構４を制御して、基板ホルダ３を基板Ｗの中心部Ｗａ周りに回転させる。

このようにして基板ホルダ３が退避位置３Ｐに移動されると、制御装置８は、真空弁１１を開き、真空予備室Ｓ２の基板搬送機構１０を制御して、基板ホルダ３に保持された処理済みの基板Ｗを処理室Ｓ１から搬出するとともに、処理前の基板Ｗを基板ホルダ３上に載置した後に、真空弁１１を閉める。その後、制御装置８は、ホルダ回動機構６を制御して、基板ホルダ３を照射位置３Ｑにするとともに、上述したように、往復移動機構５及び基板回転機構４を制御して基板処理を開始する。

＜本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態のイオンビーム照射装置１００によれば、照射位置３Ｑにある基板ホルダ３を、イオンビームＩＢに沿って回動させることにより、基板ＷにイオンビームＩＢが照射されない退避位置３Ｐにしているので、シャッタが遮断位置に移動することを待たずに基板ＷをイオンビームＩＢが照射されない位置に移動させることができ、生産性を向上することができる。また、シャッタを不要にすることができ、装置コストの観点で有利となる。

基板ホルダ３の退避位置３Ｐが基板搬送機構１０との間で基板Ｗの受け渡しを行うための受け渡し位置であるので、基板ＷにイオンビームＩＢが照射されない状態にした後に基板ホルダ３を移動させる必要が無く、基板Ｗの搬出までの時間及び基板Ｗを搬入してから基板Ｗを処理する照射位置３Ｑに移動するまでの時間を短縮することができる。

さらに、往復移動機構５は、基板ホルダ３に保持された基板Ｗ全体がイオンビームＩＢを横切らないように往復移動させるので、イオンビームＩＢを有効に活用するとともに、基板Ｗの処理時間を短縮することができる。

ここで、基板回転機構４が往復移動中に基板Ｗを回転させているので、基板Ｗの全面にイオンビームＩＢを照射して、当該基板Ｗに処理を施すことができる。例えば、基板Ｗにその表面を削る等のイオンミリング加工を施すことができる。また、基板Ｗにイオン注入を行うこともできる。イオンビームＩＢの種類は、基板Ｗに施す処理内容に応じて選定すれば良い。例えば、イオンミリングを行う場合は、イオンビームＩＢとして、例えばアルゴンイオンビームのような不活性ガスイオンビーム等を用いれば良い。イオン注入を行う場合は、イオンビームＩＢとして、所望のドーパントを含むイオンビームを用いれば良い。

ホルダ回動機構６が往復移動の折り返し地点又はその近傍において基板ホルダ３を退避位置３Ｐに回動するので、この回動中に基板Ｗに照射されるイオンビームＩＢのビーム電流密度を小さくすることができ、イオンビーム照射中に基板Ｗへの照射角度を変更することにより生じる基板処理への悪影響を可及的に低減することができる。

基板回転機構４が、基板ホルダ３の退避位置３Ｐへの回動中に基板ホルダ３を基板Ｗの中心部Ｗａ周りに回転させるので、イオンビームＩＢの照射角度の変化によって基板Ｗが局所的に処理されてしまうことを緩和することができる。

次に、本発明に係るイオンビーム照射方法の実施形態を説明すると、上記のようなイオンビーム照射装置１００を用いて、イオンビームＩＢの照射領域内で基板Ｗを上記のように回転および往復移動させて、基板Ｗの全面にイオンビームＩＢを照射する方法を採用しても良い。なお、この方法の場合は、上記制御装置８を用いる必要はないので、それを備えている必要はない。

このイオンビーム照射方法の場合も、起立状態とされた基板ＷにイオンビームＩＢが照射されている状態で、基板ホルダ３をイオンビームＩＢに沿って後方に回転させることにより、基板ホルダ３を基板ＷにイオンビームＩＢが照射されない退避位置３Ｐにするので、上記イオンビーム照射装置１００の場合と同様に、シャッタを必要とすることなく、基板処理の効率を向上することができる。

＜その他の変形実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
例えば、イオンビーム照射部７の構成としては、イオン源７０と、当該イオン源７０から引き出したイオンビームＩＢを電場および／または磁場で拡大し、更に必要に応じて平行化する構成のイオン光学要素とを備えるものでも良い。

前記実施形態では、イオン源７０からのイオンビームＩＢの引き出し方向は、重力方向Ｇと交差する方向であったが、前記引き出し方向を重力方向と同じ方向であっても良い。この場合、基板が横倒し状態となる基板ホルダの位置が照射位置となり、基板が起立状態となる基板ホルダの位置が退避位置となる。

往復移動機構５による基板Ｗ等の往復移動は、直線状以外でも良い。直線状以外では、例えば、基板Ｗを保持するホルダをアームの一端部で支持し、当該アームの他端部に可逆転式の回転駆動源を連結して、当該アーム（スイングアームとも呼ばれる）を所定角度範囲内において往復で旋回させる（スイングさせる）方式によって基板Ｗ等を往復移動しても良い。

前記実施形態ではイオンビームＩＢから基板の一部がはみ出すように往復移動させる構成であったが、図４に示すように、イオンビームＩＢから基板Ｗははみ出さないように往復移動させる構成であっても良い。この場合、基板Ｗ全体には常にイオンビームＩＢが照射されることになる。

前記実施形態では、ホルダ回動機構６による基板ホルダ３の退避位置が基板の受け渡し位置としてあったが、前記退避位置と受け渡し位置とが互いに異なる位置であっても良い。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００・・・イオンビーム照射装置
Ｗ ・・・基板
２ ・・・真空容器
３ ・・・基板ホルダ
３Ｐ ・・・退避位置（受け渡し位置）
３Ｑ ・・・照射位置
４ ・・・回転機構
５ ・・・往復移動機構
６ ・・・ホルダ回動機構
７ ・・・イオンビーム照射部
ＩＢ ・・・イオンビーム
８ ・・・制御装置
１０ ・・・基板搬送機構

Claims (6)

1. 真空に排気される真空容器と、
   前記真空容器内で基板を保持する基板ホルダと、
   前記基板ホルダに保持された基板に対してイオンビームを照射するイオンビーム照射部と、
   前記基板ホルダを前記基板に前記イオンビームが照射される照射位置及び前記基板に前記イオンビームが照射されない退避位置の間で回動させるホルダ回動機構とを備え、
   前記ホルダ回動機構は、前記照射位置にある基板ホルダを前記イオンビームに沿って回動させることにより前記退避位置にするものである、イオンビーム照射装置。
2. 前記退避位置は、基板搬送機構との間で基板の受け渡しを行うための受け渡し位置である、請求項１記載のイオンビーム照射装置。
3. 前記照射位置にある基板ホルダを所定の移動方向に沿って往復移動させる往復移動機構を備え、
   前記往復移動機構は、前記基板ホルダに保持された基板全体が前記イオンビームを横切らないように往復移動させるものである、請求項１又は２記載のイオンビーム照射装置。
4. 前記ホルダ回動機構は、前記往復移動機構における往復移動の折り返し地点又はその近傍において前記基板ホルダを前記退避位置に回動するものである、請求項３記載のイオンビーム照射装置。
5. 前記基板ホルダを前記基板ホルダに保持された基板の中心部周りに回転させる基板回転機構を備え、
   前記基板回転機構は、前記ホルダ回動機構により前記基板ホルダが前記照射位置から前記退避位置に回動する間において、前記基板ホルダを前記基板の中心部周りに回転させるものである、請求項１乃至４の何れか一項に記載のイオンビーム照射装置。
6. 真空に排気される真空容器と、前記真空容器内で基板を保持する基板ホルダと、前記基板ホルダに保持された基板に対してイオンビームを照射するイオンビーム照射部と、前記基板ホルダを基板に前記イオンビームが照射される照射位置及び前記基板に前記イオンビームが照射されない退避位置の間で回動させるホルダ回動機構とを備えるイオンビーム照射装置を用いたイオンビーム照射方法であって、
   前記ホルダ回動機構により、前記照射位置にある基板ホルダを前記イオンビームに沿って回動させることにより前記退避位置にする、イオンビーム照射方法。