JP2919899B2

JP2919899B2 - 終点検出方法およびその装置

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Publication number: JP2919899B2
Application number: JP2048565A
Authority: JP
Inventors: 康則大野; 尚伊賀; 巴黒沢; 健一夏井
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1990-02-28
Filing date: 1990-02-28
Publication date: 1999-07-19
Anticipated expiration: 2014-07-19
Also published as: JPH03253586A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、イオンミリング装置やイオンビームエッチ
ング装置を用いて、薄膜のエッチングを行なう際の、薄
膜のエッチングの完了を検出する方法およびその装置に
関する。

［従来の技術］半導体集積回路や、各種薄膜デバイスは、複雑な形状
の薄膜を積層して構成されている。これらデバイスは、
まず、全面に成膜を行ない、不要部分をエッチングによ
り除去する、という過程を繰返すことで形成される。

近年、半導体集積回路の微細化、各種薄膜デバイスの
高性能化に伴ない、イオンビームを用いた、薄膜のエッ
チングが普及しはじめている。

正確な寸法でデバイスを作るためには、薄膜のエッチ
ングを行なうに際し、所定パターンの薄膜が得られた
ら、イオンビームの照射をすみやかに停止し、下層の膜
が刻れるのを極力小さくする必要がある。このように、
エッチングの完了を検出することを、通常、終点検出と
呼んでいる。

半導体デバイスの反応性イオンエッチング（RIE）を
対象とした、従来の検出装置としては、処理中に発生す
るプラズマから放出される光を分光分析し、そのスペク
トルから、終点を検出する方法が用いられる。この方法
を実現するため、特開昭55−157233号、特開昭56−1258
41号、特開昭57−120674号等の公報に記載されているよ
うな、多くの工夫がなされている。

本発明が対象としているイオンビーム処理の際の終点
検出方法としては、ジャーナル・オブ・バキューム・ア
ンド・テクノロジー、Ｉ−２（２）（1984年）第481頁
から第484頁（J.Vac.Sci.Technol.A2（２）（1984）pp4
81−484において論じられている。

この論文で報告されている方法は、イオンビーム照射
によるスパッタリングで誘起される発光を分光分析し、
特定波長の光の強度から終点を検出するものである。ア
ルミナ上の銅薄膜、シリコン上のアルミニウム薄膜のエ
ッチングやイオンミリングを行なう際に、良好な終点検
出ができることが報告されている。

また、ジャーナル・オブ・サイエンス・アンド・テク
ノロジー,16（３）（1979年）第913頁から第917頁（J.V
ac.Sci.Technol.16（３）（1976）pp913−917では、エ
ッチングの間に、被加工物から放出される２次イオンを
質量分析によりモニタすることにより終点を検出する方
法が報告されている。

［発明が解決しようとする課題］反応性イオンエッチングを行なう際に発生する光は、
薄膜の元素からの光に限定される。また、半導体デバイ
スの作成に用いられるパターンとなる薄膜の種類は限ら
れている。従って、上記の光を分光分析することによ
り、被加工物である薄膜の材質を検出することができ
る。すなわち、上記分光分析の結果より、高感度で、終
点を検出できる。

これに対し、イオンミリングにより半導体デバイスを
作成する際は、イオンビームにより、主として物理的
に、上記薄膜のみならず、マスク等の材質が削られる。
その結果、イオンミリングを行なう際に発生する光は、
上記薄膜の元素からの光のみならず、マスク等の元素か
らの光もある。

従って、上記薄膜と明確な区別ができるスペクトル線
を持たない材質もエッチングされるイオンミリングにお
いては、従来技術の分光分析による終点検出法は使用で
きない。また、スパッタリングの際に、発生する光を分
光分析する場合も、上記と同様の問題がある。

一方、スパッタリングの際に生ずる２次イオンの質量
を分析すれば、スパッタリングにより放出される粒子の
種類を容易に同定できる。このため、これをイオンミリ
ングの終点検出に利用することが考えられる。

しかし、イオンミリングが行なわれる加工室は、各種
の粒子がイオンビームにより放出されているので、加工
室内のガス圧は、１×10^-4Torrの程度と比較的高く、イ
オンが中性化され易い。さらに、通常のイオンミリング
では、削り取られる面積は、試料の全面積に対して、か
なり小さいため、測定される２次イオンは極めて少な
い。従って、上記の２次イオンの質量を分析する方式で
は、実用レベルでの終点検出は行なえないという問題が
ある。

本発明の目的は、任意の材質からなる被加工物である
試料をエッチングする際、放出される２次イオンの同定
を容易にし、そのエッチングの完了、すなわち終点を正
確に検出する方法および、それを実現するための装置を
提供することにある。

［課題を解決するための手段］上記目的は、被加工物から放出された粒子を含む採取
粒子をイオン化し、上記イオン化された粒子を、該粒子のエネルギー分析
を行なうことにより、所定のエネルギー範囲の粒子とそ
の他の粒子とに分離し、上記分離された所定のエネルギー範囲の粒子の種類
を、質量分析することにより同定し、上記同定された粒子のうち、少なくとも１種類の粒子
数の時間的変化を調べ、エッチングの完了を検出することにより達成できる。

また、上記の質量分析を行なう粒子は、イオン化され
た目的とする被加工物から放出された粒子の一部でもよ
い。

また、上記エッチングの完了を検出するには、スパッタ粒子を含む採取粒子をイオン化するイオン化
装置と、上記イオン化された粒子のなかで、目的とするエネル
ギーをもつ粒子を、他の粒子から分離するエネルギー分
析装置と、上記の分離された粒子を同定する質量分析装置とを含
む終点検出装置により達成できる。

また、上記終点検出装置は、時刻ｔ＝t_nにおける質量スペクトルの特性量と、ｔ＝
t_n-1以前の質量スペクトルの特性量との間に、変化が有
るか否かを判定するデータ処理装置と、各粒子採取時間のデータを保存し、必要により、所定
時間内の質量スペクトルの特性量の平均を算出する記憶
装置とを含んでもよい。

［作用］イオンビームが、目的とする被加工物やマスクに照射
されると、スパッタリングにより、被加工物等から粒子
が放出される。

この粒子は、そのほとんどが中性粒子である。そこ
で、質量分析の試料とするため、イオン化装置によりイ
オン化する。このとき、浮遊粒子等のノイズとなる粒子
もイオン化される。

このため、これらのイオン化された粒子をエネルギー
分析装置を用いて、質量分析の試料とするイオンと、そ
うでないイオンとに分離する。

次に、質量分析装置を用いて、試料となる分離された
イオンを同定する。

その結果、エッチングの目的とするパターンとなる薄
膜がエッチングされている間は、パターンとなる薄膜の
スペクトル線が強く出る。一方、パターンとなる薄膜の
エッチングが終りに近付くと、パターンとなる薄膜のス
ペクトル線は弱まり、パターンとなる薄膜の下の薄膜の
スペクトル線が、強くなってくる。

その結果を、所定時間内の質量スペクトルの特性量の
平均を算出する記憶装置から取りだしたデータと比較
し、時刻ｔ＝t_nにおける質量スペクトルの特性量と、ｔ
＝t_n-1以前の質量スペクトルの特性量との間に、変化が
有るか否かを判定する。

以上により、エッチングの目的とするパターンとなる
薄膜のエッチングが終了したことを検出する。

［実施例］次に、図面により、本発明の各種実施例を説明する。

第１図と第２図は、本発明の第１の実施例を示す。

第１図（ａ）は第１の実施例の装置の構造を示す説明
図、第１図（ｂ）は上記装置を用いて終点を検出する場
合を示す薄膜の縦断面図、第１図（ｃ）は、分析結果の
判定手段のハードウエア構成図、第２図（ａ）は本実施
例の装置の基本的な動作を示すフロー図、第２図（ｂ）
は分析結果判定のフロー図、第２図（ｃ）は分析結果の
信号量平均値の時間変化を示す説明図のである。

イオンミリング装置を備えている本実施例に係る終点
検出装置は、第１図（ａ）に示すように、基本的に、イ
オンビーム30を発生するイオン発生装置２と、基板ホル
ダ４と、スパッタ粒子31を検出する粒子検出装置８と、
検出した粒子を分析することにより被加工物５の加工が
終了したか否かを判定する分析結果判定装置24と、質量
分析器制御装置14とを備えて構成される。

真空容器である加工室１には、イオン発生装置（イオ
ン源）２、基板ホルダ４、被加工物（基板）５が、従来
からある装置と同様に配置され、また、粒子検出装置８
も、加工室１の中に置かれ、スパッタ粒子を取入れ易い
ように、被加工物５の近くに配置される。

粒子検出装置８は、スパッタ粒子を取入れる粒子取入
口10、上記スパッタ粒子をイオン化するイオン化装置1
1、上記イオン化されたスパッタ粒子のエネルギーを分
析するエネルギー分析装置12、および上記エネルギーを
分析された粒子の質量を分析する質量分析装置13を有す
る。

分析結果判定装置24と質量分析器制御装置14とは、加
工室１の外に配置される。分析結果判定装置24は、質量
分析制御装置14から送られてきた分析結果を受け取り、
質量スペクトルの抽出を行なうデータ処理装置20と、そ
の抽出した結果を記憶する記憶装置21と、必要に応じ
て、それらの結果を表示する表示装置22からなる。

また、データ処理装置20は、イオン発生装置電源３
に、信号を送ることができるように、接続されている。

また、加工室１および粒子検出装置８の中の気体を排
気するために、排気装置６が加工室１の外側に配置され
る。

次に、第１図（ｂ）に示す三つの断面図は、上から順
に、エッチング開始時の薄膜の断面図、エッチング中の
薄膜の断面図、エッチング終了時の薄膜の断面図であ
る。各断面図においては、最下層に、下部薄膜42があ
り、その上にエッチングの対象となる上部薄膜41があ
り、さらにその上にマスク40がある。

次に、第１図（ｃ）を参照して、分析結果を判定する
手段のハードウエアの構成について説明する。

同図において、破線で囲んだ内側が、上記分析結果判
定手段のハードウエアの構成であり、外側には、この分
析結果判定手段と信号を授受する質量分析器制御装置1
4、および、分析結果判定手段からの信号で作動が停止
するイオン発生装置電源３が配置される。

同図に示すA/D変換器410と、データ収録装置420と、
コンピュータ430の３つは、第１図（ａ）に示すデータ
処理装置20の中にふくまれる。また、記憶装置21は、コ
ンピュータ430と接続される。また、表示装置22は、コ
ンピュータ430と接続され、表示するための信号を受け
取る。さらに、手入力装置440および出力装置470がコン
ピュータ430に接続されている。

次に、本実施例の装置を用いて、イオンビームでエッ
チングを行ない、終点を検出する場合の作用について説
明する。

第１図（ｂ）に示す下部薄膜42上に成膜された上部薄
膜41の一部を、マスク40を用いて、イオンビーム30でエ
ッチングする場合について、まず、第１図および第２図
により、説明する。

第１図（ａ）の装置において、加工室１内の気体を排
気装置６により排気し、加工室１内を真空とする。つぎ
に、イオン発生装置２で発生したイオンビーム30を、マ
スクをかけた被加工物５に照射する。この作用が、第２
図（ａ）における時間ｔ＝t₀のイオンミリング開始800
に相当する。

この粒子検出装置８は、排気装置６により、１×10^-5
Torr以上の高真空に保たれているので、内部のイオンが
中性化されることは少なく、粒子検出が難しくなるよう
なことはない。

その後、イオンビーム照射を続けると、マスク40およ
び上部薄膜41が、スパッタリングにより削られ、スパッ
タ粒子31が放出される。そこで、適当なサンプリング時
間（ｔ＝t₁，…，t_n-1，t_n…）で、放出されたスパッタ
粒子31、および浮遊している粒子を、粒子検出装置８の
粒子取入口10から取込む。

次に、時刻ｔ＝t_nに採取されたスパッタ粒子31および
浮遊粒子に注目して、本実施例の作用を考える。

まず、時間ｔ＝t_nでスパッタ粒子31等を採取する。こ
の作用が、第２図（ａ）における、時間ｔ＝t_nのスパッ
タ粒子等の採取801に相当する。

次に、それら採取した粒子を、イオン化装置11でイオ
ン化する。この作用が、第２図（ａ）における、採取し
た粒子のイオン化802に相当する。

ここで、これらのイオン化された粒子のうち、薄膜か
らのスパッタ粒子31は、ほぼ特定のエネルギー範囲に分
布していることが知られている。そこで、これを利用し
て、エネルギー分析装置12により、スパッタ粒子31のイ
オンと、浮遊粒子のイオンとに分離し、薄膜からのスパ
ッタ粒子31のイオンのみを質量分析装置13により、質量
分析する。

次に、上記に記載したように、エネルギー分析装置12
により、特定エネルギーのイオンのみを通過させる。こ
の作用が、第２図（ａ）における、特定エネルギー範囲
の粒子の分離803に相当する。なお、この作用は、同図8
03に示すように、時間ｔ＝t_nにおいて採取した粒子のう
ち、エネルギーがE₁〜E₂の間のイオンのみを通過させる
ものであり、例えば、フィルタのような機能をする。

この結果、スパッタ粒子31のイオンのみを選択的に質
量分析装置13で分析できる。この作用が、第２図（ａ）
における、時間ｔ＝t_nにおいて採取した粒子のうち、分
離した粒子の質量分析804に相当する。

質量分析の結果は、質量分析器制御装置14からデータ
処理装置20に送られ、質量スペクトルの特性量（質量と
スペクトル強度）の抽出を行なう。

その分析の結果得られた質量スペクトルの中で、マス
ク材のスペクトル線は常に検出される。一方、エッチン
グ時間の経過に伴って、上部薄膜41の材質のスペクトル
強度は減少し、下部薄膜42の材質のスペクトル強度は増
加する。

これらの結果は、記憶装置21に収納され、必要に応じ
て、表示装置22に表示される。

データ処理装置20では、時刻ｔ＝t_nにおける質量スペ
クトルの特性量と、ｔ＝t_n-1以前の特性量との間に、有
意な変化が有るか否かを判定する。この作用が、第２図
（ａ）における、時間ｔ＝t_nと時間ｔ＝t_n-1以前との両
方の質量スペクトル特性量を比較し、両方の特性量に差
があるか否かを判定する処理806に相当する。

有意な変化がある場合は、上部薄膜41に開けられた穴
は、下部薄膜42にほぼ到達したと判定し、エッチングの
終点とみなし、所定時間後イオンビームの照射を停止す
る807。

なお、所定時間経過後、イオンビーム照射を停止する
ための制御信号を、イオン発生装置電源３に出すのは、
エッチング残りを防ぐためである。

一方、有意な変化がない場合は、イオンビームの照射
を続け、次のサンプリング時刻ｔ＝t_n+1において、上述
と同じ粒子検出およびデータ処理を行なう。

さらに詳細に、分析結果判定の処理の流れを示すと第
２図（ｂ）のようになる。

上部薄膜の質量スペクトル特性量Ａと、下部薄膜の質
量スペクトル特性量Ｂとが、質量分析器制御装置14に入
力される（処理900、以下「処理」は略す）と同時に、
判定基準ε₀と、雑音レベルε₁、ε₂も、質量分析器制
御装置14に入力される（901）。

ここで、それぞれの粒子に対応して信号量の時間変化
はピーク値をもつが、このピーク値のε₀倍をエッチン
グの終点と考え、このε₀を判定基準という。例えば、
ピーク値を１とした場合、ε₀＝0.1を設定する。

次に、測定タイミングを待ち（902）、指令がくる
と、時間ｔ＝t_nでの質量スペクトル特性量データをデー
タ処理装置20に取り込む（903）。

そして、上記Ａをφ_n、上記Ｂをψ_nとする信号量抽出
処理を行なう（904）。また、上部薄膜の質量スペクト
ル特性量についての信号量をφ、下部薄膜の質量スペク
トルの特性量についての信号量をψとする。

次に、記憶装置21に保存されている保存データの呼び
出しを行なう（905）。この時に呼び出すデータは、時
間t_n-1からt_n-N+1までのφおよびψの値である。

同時に、φ_n-1からφ_n-N+1までの平均値_n-1−（φ
_n-1＋…＋φ_n-N+1）／（Ｎ−１）、および、φの平均値
の時間変化のピーク値η_min、すなわち平均値_n-1、
_n-2、…、_n-N+1のうち最小のものを求める。ψについ
ても同様に、平均値_n-1、および、ピーク値ζ_maxをも
とめる。ηは上部薄膜についての信号量の時間変化であ
るため、時間経過とともに、その量は減少し、ある時点
で負のピーク値をとり、その後、零に近づく。一方、ζ
は、下部薄膜についての信号量の時間変化であるため、
時間経過とともに、その量は増加し、ある時点で正のピ
ーク値をとり、その後、零に近づく。

上記の事柄を図で示すと、第２図（ｃ）のようにな
る。

同図において、縦軸は信号量の時間変化を表わし、横
軸は時間を表わす。

なお、上記のように、所定時間内の複数の信号量の平
均値を求めるのは、ランダムな雑音を除くためである。

次に、φについて、φ_nからφ_n-N+1までの平均値_n
＝（φ_n＋φ_n-1＋…＋φ_n-N+1）/Nを求める。

また、ψについても同様に、平均値_nを求める（90
6）。

次に、上記で求めた平均値_nと平均値_n-1との差
η、すなわち、前後する測定時間での時間変化量を算出
する（907）。ψについても、同様におこなう（907）。

次に、すでに求めているη_minと、上記ηとの絶対値
を比較する（908）。ζ_maxとζとについても同様に行な
う（908）。

ηとζとの絶対値が、それぞれη_minとζ_maxの絶対値
より大きい場合は、新たに、ηとζとをピーク値η_min
とζ_maxとして更新する（910）。

一方、ηとζとの絶対値が、それぞれη_minとζ_maxの
絶対値より小さい場合は、基準を満足するか否か判断す
る（909）。

ここで基準とは、 η＜−ε₁（ε₁はηについて予め定めた値） ζ＞ε₂（ε₂はζについて予め定めた値）｜η｜＜（ε₀×｜η_min｜）（ただし、ε₀は上述し
たように、判定基準を示す） ζ＜（ε₀×ζ_max）を言う。

上記〜の全てを満足するときは、エッチングは終
了したと判断し、一定時間経過後、イオンビームは停止
される（912）。一定時間経過後、イオンビームを停止
するのは、エッチ残りの発生を防止するためである。

上記〜のいずれか１つでも満足しないときは、保
存データが更新される（911）。そして、つぎの測定タ
イミングを待つ（902）。

以上述べた方法で終点を検出することにより、過剰な
エッチングが起ったり、エッチ残りを生じたりすること
を減少できる。

次に、本発明の第２の実施例を、第3,4,5図を用いて
説明する。

第３図は装置を示す斜視図、第４図（ａ）はイオン化
装置の内部を示す拡大図、第４図（ｂ）はエネルギ分析
装置の内部を示す拡大図、第５図は実験結果を示すグラ
フである。

本実施例の装置は、第３図において、真空容器である
加工室101と、イオンビームを発生させるためのイオン
源102と、基板ホルダ104と、粒子検出装置108と、図示
していない排気装置と接続されている加工室１のための
排気口161と、大気側に置かれた質量分析器制御装置11
4、データ処理装置120等からなり、その各装置と配置は
第１の実施例とほぼ同様である。

粒子検出装置108は、気密を保って連結された粒子取
入口110、イオン化装置111、エネルギー分析装置112、
質量分析装置113から構成され、粒子検出装置108全体
を、補助排気装置（図では示していない）で、高真空に
保っており、加工室101用の排気口161とは異なる排気口
162を持っている。

イオン化装置111の内部には、第４図（ａ）に示すよ
うに、熱電子を発生させるためのフィラメント140、発
生した電子ビームを同図で上方に走らせるための電極14
1が配置され、図示していないが、フィラメント140に通
電するための直流電源と電極141とに電位を与えるため
の直流電源が結線されている。

エネルギー分析装置112の内部には、第４図（ｂ）に
示すように、イオン取入口32とイオン放出口143の間
に、ボックス142、外側球状電極144、内側球状電極145
が、互いに電気的に絶縁されて配置されている。２つの
球状電極144、145の間に電圧を印加するための直流電
源、およびボックスと２つの電極とをバイアスするため
の直流電源150が結線されている。

次に、本実施例に係る装置による終点検出の手順を説
明する。

基本的な終点検出の手順を、第２図の流れ図により示
す。

まず、加工室101内の気体を１×10^-6Torr程度まで排
気する。イオン源102にアルゴンガスを供給しながら、
アルゴンイオンビーム130を発生させる。イオンビーム
のエネルギーは600電子ボルトに設定し、被加工物105と
しては、ガラス基板（100×100×1mm）に、シリコンを
約１μｍ成膜し、更にアルミニウムを約0.5μｍ成膜し
た後、ホトレジストのマスクをかけたものを用いた。

マスクをかけない部分、すなわちイオンビームでエッ
チングする部分は、全体の約５％とする。

アルゴンイオンビーム130を被加工物105に照射する
と、ホトレジストおよびアルミニウムのスパッタ粒子13
1が放出される。

スパッタ粒子と加工室内に浮遊している粒子とが粒子
取入口110から、内部を約８×^-610Torrに維持した粒子
検出装置108に採取される。

採取された粒子は、通電したフィラメント140から放
出される電極141に向う電子の衝突によってイオン化さ
れる。

イオン化した粒子は、スパッタ粒子131のみでなく、
浮遊の粒子を含んでいるため、正しく終点検出を行なう
には、スパッタ粒子131のみを選択的に分離する必要が
ある。

スパッタ粒子131の分離は、スパッタ粒子131のエネル
ギーが、10電子ボルト前後に多く分布することを利用し
て行なう。

第５図（ａ）は、シリコン基板に600電子ボルト程度
のアルゴンイオンを照射した時の、イオン化された粒子
のエネルギー分布を示している（ただし、数キロ電子ボ
ルトのイオンを照射しても、同様の分布をする）。

グラフにあらわれた２つのピークのうち、10数電子ボ
ルト付近の分布はスパッタ粒子によるものであり、零電
子ボルト付近の分布は浮遊粒子によるものである。従っ
て、エネルギー分析装置12においては、10数電子ボルト
付近の粒子を通過させることにより、スパッタ粒子131
を浮遊粒子から分離できる。

具体的には、外側半球電極144と内側半球電極145との
間に電位差を与えることにより、均一な電界を発生さ
せ、与えられる電位差に応じて、特定のエネルギーをも
つイオンのみが円軌道を描いて通過できるようにする。
また、イオン放出口143をある程度広くしておけば、あ
るエネルギー範囲の粒子をすべて通過させることができ
る。（代表的イオン電流は20nA。）エネルギー分析装置112で分離されたスパッタ粒子の
質量スペクトルは、四重極質量分析装置（質量数１〜36
0原子質量単位）で、測定される。例えば、サンプリン
グ時刻ｔ＝t_nに得られた質量スペクトルのデータは、デ
ータ処理装置120に送られ、予め設定したスペクトルの
信号レベルよりも大きいものについて、その特性量（質
量／電荷比と信号強度）をデータとして、記憶装置121
に転送し、記憶する。

更に、データ処理装置120に、サンプリング時刻ｔ＝
_n-1以前のデータ（通常５〜10サンプル程度）を読み出
し、スペクトルの特性量に有意な差が有るか否かを判定
する。差が有る場合は、予め定めた時間の後、イオンビ
ームの照射を停止するように、イオン源電源103に制御
信号を送る。差が無い場合は、イオンビーム照射を継続
して、時刻ｔ＝t_n+1に同様の測定を行なう。

第５図（ｂ）は、上記の被加工物105をエッチングし
た時の、エッチング時間とアルミニウムとシリコンの質
量スペクトルの信号強度の変化を示している。ただし、
終点を検出しても、イオンビームを照射し続けて、デー
タをとった。

エッチング時間が11分程度経過後、スパッタ粒子のう
ち、アルミニウムが減り、シリコンが増える。この時点
で、アルミニウム膜にシリコン膜に達するパターンを刻
ることができたと考えられる。これを終点と考える。

本実施例によれば、イオン化したスパッタ粒子の質量
分析を行なうことにより、任意の材質からなる被加工物
のエッチングの完了（終点）を検出できるという効果は
もちろん、加工室101と粒子検出装置108の排気口を、そ
れぞれ別にしているので、加工室101と粒子検出装置108
の粒子が混合することを防止でき、より正確な終点検出
ができる。

なお、本実施例では、イオン化装置111で、熱電子衝
撃で粒子をイオン化させているが、レーザー光を粒子に
照射してイオン化しても良い。この方法は、反応性の強
いエッチングを行なっているため、フィラメントの消耗
の激しい場合に有効である。

また、本実施例では、粒子検出装置108は固定されて
いるが、上記粒子検出装置108全体を真空中で移動でき
るような機構を設けても良い。被加工物の加工すべきパ
ターンによっては、スパッタ粒子の飛散し易い方向や場
所ができることもあり、粒子検出装置108を、スパッタ
粒子を採取し易い位置に移動すれば、より高感度の終点
検出ができる。

次に、本発明の第３の実施例を、第６図を用いて説明
する。

第６図は、第３実施例を示す斜視図であり、平行平板
型の反応性イオンエッチングの終点検出を行なう装置で
ある。

本装置は、真空容器である加工室201の中に、ほぼ平
行に配置された高周波電極250,251と、粒子検出装置208
が設けられ、排気装置（図示していない）で、真空排気
される。高周波電極250には、接地電位を与え、被加工
物205を取付けた高周波電極251には、図示していないマ
ッチングボックスを経て、高周波電源252が接続されて
いる。粒子検出装置208は、第3,4図の実施例と同様のイ
オン化装置211、エネルギー分析装置212、質量分析装置
213からなっている。また、質量分析器制御装置214に
は、データ処理装置220、記憶装置222が接続されてい
る。

また、被加工物205としては、第3,4図の実施例と同じ
で、ガラス基板上にシリコン膜、さらに、アルミニウム
膜を成膜し、フォトレジストのマスクをかけたものを用
いた。

加工室201を１×10^-6Torr程度の真空にした後、アル
ゴンガスを供給し、13.56MHzの高周波電力300ワットを
高周波電極251に供給すると、高周波電極間にアルゴン
のプラズマが生成される。なお、通常のエッチングで
は、反応性のガスを用いることが多い。

また、高周波電極251の近傍には、イオンシースと呼
ばれる電位差が生じる。その結果、プラズマ中のアルゴ
ンイオンは、イオンシースで加速され、被加工物205に
衝突する。その際、被加工物である薄膜にスパッタリン
グ現象が起り、エッチングが進行する。

スパッタリングにより発生する粒子の質量を分析し、
粒子の種類の時間的な変化から、終点を検出するのは、
第3,4図の実施例で説明したのと同様である。

ただし、本実施例では加工室のガス圧がやや高いの
で、粒子検出装置208内の圧力を１×10^-5Torr程度にす
るため、粒子取入口210を小さくした。そのため、スパ
ッタ粒子231の採取量が少なくなった。

この結果、本実施例の場合、エッチング時間と、アル
ミニウムとシリコンのスペクトル信号強度とは、第６図
（ｂ）に示すように、第５図（ｂ）の結果と類似はして
いるが、信号に対して雑音のやや多い結果となった。し
かし、これも終点検出の判定を妨げるほどのものではな
かった。

本実施例によれば、第3,4図の実施例と同様に、任意
の材質からなる被加工物のエッチングの完了を検出でき
るという効果がある。

第3,4図で説明した第２の実施例、および第６図で説
明した第３の実施例においては、質量分析装置として、
四重極質量分析装置を用いたが、磁場偏向型の質量分析
装置を用いても良い。

ここで、第７図に、磁場偏向型質量分析器の一例を斜
視図で示す。

この装置には、一様な磁場（約1000ガウス）を発生さ
せるための永久磁石362と継鉄361、アパーチャ360、偏
向管363、コレクタ364、ケース365が配置されている。
偏向管363、ケース365には直流電源が、コレクタ364に
は電流計が結線されている。

偏向管363には、約1000ガウスの磁場がかかっている
ため、アパーチャ360から偏向管363に入ってきたイオン
のうち、特定の質量をもつイオンのみが円軌道を描き、
コレクタ364に流入し、電流として検出される。この円
軌道の半径は、イオンのラーモア半径として知られてい
る。

また、偏向管363、ケース365の電位を調整することに
より、偏向管を通過するイオンのエネルギーを変えなが
ら、コレクタ364のイオン電流を調べると、イオンの通
過エネルギーに対応した質量のイオン電流が検出でき、
質量スペクトルが得られる。

この装置は、分解能についてはやや低いが、小型で安
価であるという利点がある。

また、これまで述べた実施例では、エネルギー分析装
置12として、球面状電極を用いた静電型エネルギー分析
器を用いているが、円筒状電極や平行平板電極を用いた
静電型エネルギー分析器を用いても良い。

上記実施例により、イオンミリング装置の終点検出が
容易となり、例えば、磁気ディスク装置用の薄膜磁気ヘ
ッドの高性能化が達成できる。また、半導体デバイスの
配線材料は、エッチング時に選択比の確保ができる材料
のみが使用されているが、本実施例の技術を適用するこ
とにより、配線材料における選択比の制約を除くことが
でき、より高速動作できるデバイスを形成できる。

第８図には、第４の実施例である、薄膜磁気ヘッドの
製造工程の概略を示す。

薄膜磁気ヘッドは、一般に、下部磁性体、絶縁膜、コ
イル、絶縁物上部磁性体を積層した構造をしている。

図中上段に示す工程600は、パーマロイ等の磁性膜を
マグネトロンスパッタによな成膜する工程である。

次の工程610では、磁性膜の上にホトレジストを塗布
し、露光することによりパターニングし、イオンビーム
を照射し、不要な磁性膜を除去する。ここで、不要な磁
性膜の除去が完了したことは、本発明に係る終点検出装
置700を用いて、自動的に検出する。

このように終点検出装置700を用いることにより、目
視による方法に比較して、形成された膜の寸法ずれが小
さくなった。

工程620と次の工程610は、磁気ヘッドギャップ部のア
ルミナ絶縁膜の形成工程である。

工程630と次の工程610は、銅の導体コイルを形成する
工程である。

工程640は、コイルを電気的に絶縁するための絶縁物
コーティング工程、工程650はギャップ深さを制御する
ためのパターニング工程である。同図の下段に示す工程
600と次の工程610は、上部磁性体を形成するための工程
である。

本実施例では、イオンミリングの工程610において、
本発明に係る終点検出装置700を用いているため、薄膜
磁気ヘッドの寸法精度が向上し、信号／雑音比、高周波
特性等のヘッドの特性が向上する。

［発明の効果］本発明によれば、イオンあるいはイオンビームを被加
工物に照射してエッチングを行なう際、被加工物から放
出される粒子をイオン化し、エネルギー分析によりスパ
ッタ粒子のみを分離し、それを質量分析することで、ス
パッタ粒子の種類を同定できるので、各材質のスパッタ
粒子数の時間的な変化から、ほぼ任意の材質からなる被
加工物におけるエッチングの完了を検出できるという効
果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図と第２図は第１の実施例を示し、第１図（ａ）は
装置構成を示す断面図、同図（ｂ）は終点検出の原理を
示す説明図、同図（ｃ）は分析結果判定手段のはハード
構成図、第２図（ａ）は本実施例の装置の基本的な動作
を示すフロー図、第３〜５図は第２の実施例を示し、第
３図は装置を示す斜視図、第４図（ａ）はイオン化装置
の内部を示す拡大図、第４図（ｂ）はエネルギ分析装置
の内部を示す拡大図、第５図は実験結果を示すグラフ、
第６図は第３の実施例を示す斜視図、第７図は本実施例
を実施するのに用いられる質量分析装置の１例を示す斜
視図、第８図は第４の実施例をである薄膜磁気ヘッドの
製造工程の概略図である。 1,101……加工室、２……イオン発生装置、３……イオ
ン発生装置電源、4,104……基板ホルダ、５……被加工
物、8,108,208……粒子検出装置、10,110,210……粒子
取入口、11,111,211……イオン化装置、12,112,212……
エネルギー分析装置、13,113,213……質量分析装置、1
4,114,214……質量分析器制御装置、20,120……データ
処理装置、21,121……記憶装置、22,122……表示装置、
24……分析結果判定装置、31,131,231……スパッタ粒
子、201……加工室 250,251……高周波電極。

フロントページの続き (72)発明者夏井健一茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内 (56)参考文献特開昭59−96643（ＪＰ，Ａ) 特開昭49−42393（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−251626（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C23F 4/00 - 4/04 H01L 21/3065 G01N 27/62 H01J 49/00 - 49/48

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】粒子を照射して被加工物のエッチングを行
なう際の、被加工物のエッチングの完了を検出する終点
検出方法において、被加工物から放出された粒子を含む採取粒子をイオン化
し、上記イオン化された粒子を、該粒子のエネルギー分析を
行なうことにより、所定のエネルギー範囲の粒子とその
他の粒子とに分離し、上記分離された所定のエネルギー範囲の粒子の種類を、
質量分析することにより同定し、上記同定された粒子のうち、少なくとも１種類の粒子数
の時間的変化を調べ、エッチングの完了を検出すること
を特徴とする終点検出方法。
【請求項２】上記粒子数の時間的変化を、上記同定され
た粒子のうち、被加工物の、エッチングにより除去され
るべき部分から放出される粒子と、それとは異なる粒子
であって、前記除去されるべき部分の除去に伴って現わ
れる部分から放出される粒子とについてそれぞれ調べ、
両者の粒子数の時間的変化を比較して、エッチングの完
了を検出することを特徴とする請求項１に記載の終点検出方法。
【請求項３】被加工物をイオンミリングする際の、イオ
ンミリングの終点を検出する方法において、被加工物の近傍から粒子を採取して、当該採取した粒子
をイオン化し、上記イオン化された粒子のうち、特定のエネルギ範囲に
含まれるエネルギを持つ粒子を分離し、前記分離された粒子のうち、除去すべき層から放出され
る第１の粒子と、除去すべき層の除去に伴って現われる
層から放出される第２の粒子とを同定し、前記第１の粒子と第２の粒子の粒子数の時間的変化に基
づいて、終点を検出することを特徴とする終点検出方法。
【請求項４】被加工物に粒子を照射してエッチングを行
なう際の、エッチングの完了を検出する終点検出装置に
おいて、スパッタ粒子を含む採取粒子をイオン化するイオン化装
置と、上記イオン化された粒子のなかで、目的とするエネルギ
ーをもつ粒子を、他の粒子から分離するエネルギー分析
装置と、上記の分離された粒子を同定する質量分析装置と、を含
むことを特徴とする終点検出装置。
【請求項５】上記終点検出装置は、質量分析した各粒子のデータを保存する記憶装置と、所定時間内の質量スペクトルの特性量の平均値を算出
し、時刻ｔ＝t_nまでの質量スペクトルの特性量の平均値
と、ｔ＝t_n-1までの質量スペクトルの特性量の平均値と
の間に、変化が有るか否かを判定するデータ処理装置
と、を含む請求項４記載の終点検出装置。
【請求項６】上記エネルギー分析装置は、外面が球面の４分の１を構成する形状を有する内側電極
と、上記内側電極に対して空間を隔てて同心状に配置され、
内面が上記球面より半径の大きい球面の４分の１を構成
する形状を有する外側電極と、これらを囲む容器と、上記内側電極と外側電極間の空間内に、イオンを案内す
る案内部と、上記２つの電極の間に電圧を印加するための直流電源、
および、上記容器と２つの電極とをバイアスするための
直流電源とを有することを特徴とする請求項４および５のいずれか一項に記載の
終点検出装置。