JP4517150B2 - プラズマ発生用電極の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、荷電粒子を取扱う系たとえば電子顕微鏡、イオンビーム照射による加工機のほか半導体素子等の製造工程におけるエッチングやスパッタ蒸着による成膜等に用いられるプラズマ発生装置における電極の製造方法に関する。

荷電粒子を取扱う系たとえば電子顕微鏡、イオンビーム照射による加工機等にあっては、ハードウエアを構成する部材は、荷電粒子の照射による電荷の蓄積によって種々の弊害たとえば荷電粒子軌道のずれや静電破壊を惹起することがある。而して、従来、エッチングやスパッタ蒸着による成膜等に用いられるプラズマ発生装置における電極等には金属たとえばチタン、鉄などを用いている（たとえば、特許文献１参照）。これらプラズマ発生装置にあっては、電極対間に高い電圧が印加されるとともに電流（イオン、電子）を流す必要があるためである。一般に、プラズマを発生させるには、電極対間隔を小さくするか印加電圧を高くする。
特開２００１−２３７２１６号公報

上記従来技術におけるように、プラズマ発生装置用電極に金属材料を用い接地をとるようにすると電荷の蓄積に起因する問題は解決されるものの、金属材料はプラズマ中に曝露されると表面に酸化膜を形成し、電極としての機能を喪失してくる。而して、電極への印加電圧をさらに高くしないとプラズマを発生しなくなることがある。また、電極の表面性状の変化によってプラズマ発生条件も変ってくるとともに、プラズマ発生中も不安定な状態となる。

一般に、寸法精度が１.０μｍ未満のサブミクロンオーダとなる精密加工には、イオンビーム照射による加工法が適用される。処で、プラズマ発生装置における電極対間隔を２０μｍ〜５０μｍといったレベルに小さくしようとする場合、電極が金属材料である場合は、イオンビーム照射による加工によって表面が粗くなり、寸法精度に限界がある。また、電極がたとえば銅である場合は、イオンビーム照射による加工に７時間以上を要する。

本発明は、荷電粒子を取扱う系たとえば電子顕微鏡、イオンビーム照射による加工機或はエッチングやスパッタ蒸着による成膜等に用いられるプラズマ発生装置における電極の製造方法であって、たとえばイオンビーム照射或はレーザビーム照射による加工法によって高い寸法精度下に加工ができるとともに、荷電粒子の照射によっても電荷が蓄積されないプラズマ発生用電極の製造方法を提供することを目的としている。また、本発明の他の目的は、エッチングやスパッタ蒸着による成膜等に用いられるプラズマ発生装置における電極の製造方法であって、たとえばイオンビーム照射による加工法によって高い寸法精度下に加工ができるとともに荷電粒子の照射によっても電荷が蓄積されないという特性と併せ、ガスとして四塩化炭素（ＣＣｌ_４）といった腐食性ガスや大気を用いても電極表面に変質を招くことなく安定したプラズマ発生が可能なプラズマ発生装置用電極の製造方法を提供することである。

上記課題を解決するための本発明は、エッチングやスパッタ蒸着による成膜時に用いられるプラズマ発生用電極の製造方法であって、モル％で、（５〜２０）ＢａＯ・（５〜２０）Ｆｅ _２ Ｏ _３ ・残部：Ｖ _２ Ｏ _５ からなる組成物を融解、冷却して得られるガラスに３００℃〜５００℃の温度域で１０分間〜１８０分間の熱処理を施して得られる、電気伝導度が１×１０ ^−１ Ｓ／ｃｍ〜１×１０ ^−８ Ｓ／ｃｍの導電性バナジン酸塩ガラスを素材とし、イオンビーム照射又はレーザビーム加工を施してプラズマ発生用電極とすることを特徴とするプラズマ発生用電極の製造方法である。

本発明のプラズマ発生用電極の製造方法によって得られた電極によれば、荷電粒子を取扱う系たとえば電子顕微鏡といった光学機器、イオンビーム照射による加工機、エッチングやスパッタ蒸着による成膜等に用いられるプラズマ発生装置の電極として電荷の蓄積を招くことなく従って、荷電粒子の軌道のずれを生じることなく安定した稼動状態を得ることができる。また、エッチングやスパッタ蒸着による成膜等に用いられるプラズマ発生装置における電極にあっては、耐腐食性に優れているからガスとして四塩化炭素（ＣＣｌ_４）といった腐食性ガスや大気を用いても電極表面に変質を招くことなく安定したプラズマ発生が可能なプラズマ発生装置用電極を提供することができる。さらに、導電性ガラスわけても導電性バナジン酸塩ガラスは、イオンビーム照射による精密加工性に優れているから１.０μｍ未満のいわゆるサブミクロンオーダの高い寸法精度の部材を提供することができる。

特に、本発明のプラズマ発生用電極の製造方法によるエッチングやスパッタ蒸着による成膜等に用いられるプラズマ発生装置用電極を用いるときは、イオンビーム照射によるサブミクロンオーダの微細加工が可能である処から２０μｍ〜５０μｍといった小さな電極対間隔の装置が可能であり、低い印加電圧で安定したプラズマ発生が可能となる。また、導電性ガラスわけても導電性バナジン酸塩ガラスは、耐腐食性に優れているからガスとして四塩化炭素（ＣＣｌ_４）といった腐食性ガスや大気を用いても電極表面に変質を生起することなく、電極の寸法精度や表面性状に経時劣化を招き難い。

本発明で対象とする荷電粒子を取扱う光学系機器等にあって、光学系機器を構成する部材として、電荷の蓄積を生ぜしめることなく高い寸法精度を有する部材を得るには、電荷の蓄積を接地によりディスチャージできる導電性を有する材料であって、サブミクロンオーダといった高い寸法精度の加工たとえばイオンビーム照射による高能率の微細加工が可能であることが必要である。

これらの条件を満足するためには、イオンビーム照射による加工を部材に施す場合、照射イオン原子たとえばＧａの原子量よりも小さな原子量の原子であって、照射イオンエネルギーよりも低い結合エネルギーの原子をその組成中に有せしめることが可能な材料であることが必要である。即ち、加工対象に照射されるイオンビームの原子量よりも小さな原子量の成分を加工対象（基材）中に含有せしめておくことによって加工能率を大きく向上させることができる。

たとえば原子量：６９.７２３のＧａイオンを原子量：６３.５４６の銅（Ｃｕ）基材に照射して加工を施す場合、Ｇａイオンを現実的な加速電圧である３０ｋＶで加速して１０μｍの立方形キャビティを穿設するのに数時間〜１０時間を要する。処が、銅（Ｃｕ）にＧａよりも小さな原子量：３０.９７３７の燐（Ｐ）を添加して燐青銅とすると、燐青銅には原子量：１１８の錫（Ｓｎ）が含まれているにも拘らず、イオンビーム照射による加工能率（through put）は銅（Ｃｕ）の場合の２０倍〜３０倍になる。発明者らは、Ｇａのイオンと燐（Ｐ）の衝突によって燐（Ｐ）が弾き飛ばされて燐青銅を高能率下に加工するものと考えている。このように、イオンビームのイオンの原子量よりも小さな原子量の元素（イオンのエネルギーを十分に得て剥離しやすい元素）を成分として基材に含有せしめておくことによって、イオンビームによる高能率下での加工が可能となる。本発明においては、原子量：６９.７２３のＧａイオンよりも小さな原子量：５０.９４１５のバナジウム（Ｖ）を主成分とする導電性バナジン酸塩ガラスを用いている。

次に、イオンビーム照射による加工に際して、加工対象である材料に電荷を蓄積することなく加工の途次において静電破壊等を招くことがないようにすることが必要である。本発明は、発明者の１人が開発した酸化バナジウム（Ｖ_２Ｏ_５）を主成分とする導電性バナジン酸塩ガラスを基材とすることによって、イオンビーム照射の進行に伴う帯電に起因する加工能率および加工寸法精度の低下を抑止することができる。本発明においては、１.０×１０^−１Ｓ／ｃｍ〜１.０×１０^−８Ｓ／ｃｍ〜といった電気伝導度を有する導電性ガラスを用いる。このような電気特性をもつ導電性ガラスとして、（５〜２０）ＢａＯ・（５〜２０）Ｆｅ_２Ｏ_３・残部：Ｖ_２Ｏ_５からなる導電性ガラスを基材とすることができる。良好な導電性をガラスに付与すべく、上記組成物を融解・冷却して得られるガラスに３００℃〜５００℃の温度域で１０分間〜１８０分間の熱処理を施す。たとえば４６０℃で３０分間の熱処理を施す。そうすることによって、４.０×１０^−２Ｓ／ｃｍといった優れた導電性を有するガラスを得ることができる。この導電性ガラスを用いることによって、イオンビーム照射による部材の加工ならびに、部材として荷電粒子を取扱う系の構成要素として用いる場合も電荷の蓄積に起因する静電破壊を惹起することなく従って、マイクロクラックの発生がなく加工能率も高い。

また、本発明のプラズマ発生用電極の製造方法にあっては、その材料（基材）の調達が簡単であることが好ましい。本発明で用いる導電性ガラスわけても導電性バナジン酸塩ガラスは、その調達がきわめて容易である。

１５ＢａＯ・７０Ｖ_２Ｏ_５・１５Ｆｅ_２Ｏ_３からなる組成物を融解・冷却して得られたガラスに４３０℃で６０分間の熱処理を施した。４.０×１０^−２Ｓ／ｃｍの電気伝導度をもつガラスであった。この導電性ガラスを基材として、Ｇａイオンを３０ｋＶで加速し、ビーム枠：１０μｍ×１００μｍ、ビーム電流：１μＡ〜１００μＡの条件でイオンビームを照射し、１００μｍ（幅）×１０００μｍ（長さ）×２μｍ（深さ）の溝を穿設した。

（比較例１）
比較のために、基材を通常のガラス、燐青銅、銅とし、他は実施例１におけると同一として、本発明によるものと加工時間を比較した。その結果を表１に示す。

表１から明らかなように、本発明によるときはイオンビーム照射の進行に伴う静電破壊がなくしかも、約１.４倍の加工能率下での加工が可能である。

１５ＢａＯ・７０Ｖ_２Ｏ_５・１５Ｆｅ_２Ｏ_３からなる組成物を融解・冷却して得られたガラスに４３０℃で６０分間の熱処理を施した。４.０×１０^−２Ｓ／ｃｍの電気伝導度をもつガラスであった。この導電性ガラスを基材として、Ｇａイオンを３０ｋＶで加速し、ビーム枠：０.５μｍ×０.５μｍ、ビーム電流：１ｎＡ〜１μＡの条件でイオンビームを照射し、１００μｍ（幅）×１０００μｍ（長さ）×２μｍ（深さ）の溝を穿設した。

（比較例２）
比較のために、基材を通常のガラス、燐青銅、銅とし、他は実施例１におけると同一として、本発明によるものと加工時間を比較した。その結果を表２に示す。

表２から明らかなように、本発明によれば、高い寸法精度を維持して静電破壊の虞なくイオンビーム照射による加工を遂行することができる。このように、ビーム枠を０.５μｍ×０.５μｍと同一にしても実施例２と比較例２とでは、基材の相異によってイオンビーム照射の進行に伴ってビームと基材にずれを生じて微細な寸法・形状の加工が困難となる。通常のガラスを用いる場合も、イオンビーム照射の継続でガラスに蓄積される荷電粒子の作用によって加工性が低下するとともにイオンビームの位置をずらしてしまう現象を生ずるものと考えられる。また、レーザビーム照射による加工を行う場合、通常ガラスのような導電性の低い材料が加工対象である場合、熱が材料に蓄積されてコーナ部が溶融・変形する、いわゆる「だれ」を生じて形状・寸法を損なうが、導電性ガラスを用いる場合は、このような形状・寸法の劣化がない。

実施例２において得られるキャビティの表面粗さを従来技術と本発明において比較した結果を、表３に示す。表面粗さは、図１に示すように、表面の凹凸の最大山高さと最大谷深さの範囲で定義した。

１５ＢａＯ・７０Ｖ_２Ｏ_５・１５Ｆｅ_２Ｏ_３からなる組成物を融解・冷却して得られたガラスに４３０℃で６０分間の熱処理を施した。４.０×１０^−２Ｓ／ｃｍの電気伝導度をもつガラスであった。この導電性ガラスを基材として、図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すプロセスで図３に示す、エッチングやスパッタ蒸着による成膜等に用いられるプラズマ発生装置用電極を作製した。即ち、Ｇａイオンを３０ｋＶで加速し、ビーム枠：０.５μｍ×０.５μｍ、ビーム電流：１ｎＡ〜１μＡの条件でイオンビームを照射し、図２（ａ）に示す導電性バナジン酸塩ガラス基材１を図２（ｂ）に示すように白抜き部分を除去して電極対２を形成する。最後に、高抵抗部分４を形成して図３に示すプラズマ発生装置用電極とする。図３において、電極対間隔３の寸法ａ＝０.２μｍ、電極の幅ｂ＝３μｍ、高さｃ＝１.５μｍである。高抵抗部分４を形成するには、たとえば、当該部分に酸素イオンとシリコンイオンをイオン打ち込みして二酸化珪素を形成する。こうして、高抵抗化部分４を形成することができる。

本発明の部材は、上記実施例に示したものに限定されるものではなく、図４に示すねじ等も含まれる。

本発明のプラズマ発生用電極の製造方法によって得られるプラズマ発生用電極は、イオンビーム照射による加工に適しており、従って、きわめて微細な精密加工が可能であってプラズマ発生装置の部材・電極や荷電粒子の取扱いによって電荷が蓄積することが好ましくない系で使用される部品や処理対象部材であって、高度の寸法精度が要求される部材の製造方法として応用範囲がある。

本発明の一実施例と比較例における加工部分の表面粗さを比較するための、表面粗さを定義する模式図 本発明の他の実施例に係るプラズマ発生用電極を、導電性ガラスを素材として加工・製作するときのプロセスを示す模式図 本発明の他の実施例に係るプラズマ発生用電極を示す模式図 本発明によって作製された導電性ガラス製のねじを示す正面図

１ 導電性ガラス基材
２ 電極対
３ 電極対間隔
４ 絶縁化部分
５ イオンビーム照射による切除部分

Claims (1)

1. エッチングやスパッタ蒸着による成膜時に用いられるプラズマ発生用電極の製造方法であって、モル％で、（５〜２０）ＢａＯ・（５〜２０）Ｆｅ _２ Ｏ _３ ・残部：Ｖ _２ Ｏ _５ からなる組成物を融解、冷却して得られるガラスに３００℃〜５００℃の温度域で１０分間〜１８０分間の熱処理を施して得られる、電気伝導度が１×１０ ^−１ Ｓ／ｃｍ〜１×１０ ^−８ Ｓ／ｃｍの導電性バナジン酸塩ガラスを素材とし、イオンビーム照射又はレーザビーム加工を施してプラズマ発生用電極とすることを特徴とするプラズマ発生用電極の製造方法。

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