JP4636862B2 - Gas cluster ion beam irradiation system - Google Patents
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Description
本発明は、ガスクラスターイオンビームを照射して表面加工を行う装置に関するものである。 The present invention relates to an apparatus for performing surface processing by irradiating a gas cluster ion beam.
半導体装置の配線微細化や磁気記録装置の記録密度向上に伴い、半導体装置や磁気ヘッドの製造方法としてガスクラスターイオンビームが注目されるようになってきた。ガスクラスターは、気体原子または分子(以後、モノマーという)が数百〜数千個の塊になったものである。ガスクラスターを構成する多数の気体原子又は分子は、互いに化学結合を形成せず、単に凝集して一つの塊をなすにすぎない。その発生方法は、特許文献1に述べられている。イオン化されたガスクラスターイオンは加速電圧により加速され、ワークに照射される。ガスクラスターイオンがワークに衝突すると、入射エネルギーはガスクラスターイオンを構成する個々の原子に分配されるので、モノマーイオンビームに比べて高密度、低エネルギーでの照射が可能となる。
With the miniaturization of the wiring of a semiconductor device and the improvement of the recording density of a magnetic recording device, a gas cluster ion beam has attracted attention as a method for manufacturing a semiconductor device and a magnetic head. A gas cluster is a cluster of hundreds to thousands of gas atoms or molecules (hereinafter referred to as monomers). A large number of gas atoms or molecules constituting a gas cluster do not form chemical bonds with each other, but merely aggregate to form a single mass. The generation method is described in
上記のようにして発生させたガスクラスターイオンビームは、従来のモノマーイオンビームとは異なった特徴を持つことが非特許文献1に示されている。例えば、従来のモノマーイオンビームをワーク表面に垂直に照射すると表面荒れが発生するのに対し、ガスクラスターイオンビームをワーク表面に垂直に照射するとラテラルスパッタ効果により、凹凸面の平坦化が可能である。ガスクラスターイオンビームを用いると、平均表面粗さを1nm以下まで低減することが容易である。また、ガスクラスターイオンは大きな質量を持つため、同じ加速電圧を与えてもモノマーイオンに比べ、低速での照射が可能である。そのため、モノマーイオンを用いるプロセスに比べて、加工損傷深さを小さくすることができる。さらに、ガスクラスターイオンを構成する原子が多重衝突することに起因する非線形効果により、モノマーイオンビームプロセスに比べて約1桁高いスパッタ率が得られる。
Non-Patent
平坦化技術としては、化学的機械的研磨(CMP)等の研磨技術の他、イオンビームを用いる方法として特許文献2で述べられているように、従来のモノマーイオンビームを斜めから照射する方法が知られている。特許文献2の方法によれば、モノマーイオンを斜めから照射することにより、突起を選択的にエッチングできるとされている。
As a planarization technique, there is a conventional method of irradiating a monomer ion beam obliquely as described in
磁気ディスク記録装置(HDD)の記録密度は、年率60〜100%で増加しており、今後もその傾向は続くとされている。それに伴い、磁気ヘッド浮上面と磁気ディスク間の距離(ヘッド浮上量)は小さくなってきており、磁気ヘッド浮上面の表面粗さと加工損傷深さの低減が必須である。将来的には、表面粗さや加工損傷深さは1nm程度までに抑制する必要がある。 The recording density of magnetic disk recording devices (HDD) is increasing at an annual rate of 60 to 100%, and this trend is said to continue in the future. Along with this, the distance between the magnetic head flying surface and the magnetic disk (head flying height) is becoming smaller, and it is essential to reduce the surface roughness and the processing damage depth of the magnetic head flying surface. In the future, it is necessary to suppress the surface roughness and the processing damage depth to about 1 nm.
現在、磁気ヘッド浮上面の平坦化加工プロセスで用いられている研磨では、加工損傷が発生する。スラリーや砥粒径、研磨方法等の改善により、加工損傷深さは低減されてきたものの、その値は一般に5〜10nm程度と推定されている。 Currently, processing damage occurs in the polishing used in the flattening process of the air bearing surface of the magnetic head. Although the depth of processing damage has been reduced by improving the slurry, abrasive grain size, polishing method, etc., the value is generally estimated to be about 5 to 10 nm.
モノマーイオンビームを用いて加工を行った場合も、加工損傷は発生する。モノマーイオンビームを用いて高いスパッタレートで加工するには、高エネルギーのイオンを照射する必要がある。これにより、1次イオンの打ち込み(侵入)が発生する。モノマーイオンビームの斜め照射によって1次イオン侵入深さは多少低減できるが、衝突カスケード現象(collision cascade phenomenon)によってスパッタリングが進行するため、1次イオンの侵入を防止することは不可能である。例えば、材料表面に照射されたイオンの挙動を求めるシミュレーション(TRIM,copyrighted by IBM)によれば、Arイオンビームを400eVでNiFeに照射する場合、表面に対して垂直に照射すると、最大で深さ約30nmまで打ち込まれる。同じイオンビームをNiFe表面の法線方向に対して85°の方向から照射した場合でも、約21nmまで打ち込まれるものもあり、照射角の効果は限定的である。
さらに、モノマーイオンビームを用いたスパッタの問題点として、被スパッタ材料原子のミキシングがある。照射するイオンのエネルギーを低減したり、斜め照射を行うことで、ミキシング層深さを低減することができる。照射表面の法線に対して60°の方向から、1次イオンを500eVで照射した場合のミキシング層深さは2〜5nm程度と推定される。
ミキシングは、ガスクラスターイオンビームを用いても防止することはできない。クラスターサイズ2,000程度のArガスクラスターイオンビームを10keVで照射した場合、ミキシング層の厚さは約10nmとなることが実験的に確認された。
Processing damage also occurs when processing is performed using a monomer ion beam. In order to perform processing at a high sputtering rate using a monomer ion beam, it is necessary to irradiate with high energy ions. Thereby, implantation (intrusion) of primary ions occurs. Although the primary ion penetration depth can be somewhat reduced by the oblique irradiation of the monomer ion beam, it is impossible to prevent the primary ion penetration because the sputtering proceeds due to the collision cascade phenomenon. For example, according to a simulation (TRIM, copied by IBM) for determining the behavior of ions irradiated on a material surface, when ArFe is irradiated with Ni ion at 400 eV, the maximum depth is obtained when irradiated perpendicularly to the surface. Implanted to about 30 nm. Even when the same ion beam is irradiated from a direction of 85 ° with respect to the normal direction of the NiFe surface, there are those that are implanted to about 21 nm, and the effect of the irradiation angle is limited.
Further, as a problem of sputtering using a monomer ion beam, there is mixing of atoms to be sputtered. The depth of the mixing layer can be reduced by reducing the energy of ions to be irradiated or performing oblique irradiation. The mixing layer depth is estimated to be about 2 to 5 nm when primary ions are irradiated at 500 eV from a direction of 60 ° with respect to the normal of the irradiated surface.
Mixing cannot be prevented using a gas cluster ion beam. It was experimentally confirmed that when the Ar gas cluster ion beam having a cluster size of about 2,000 was irradiated at 10 keV, the thickness of the mixing layer was about 10 nm.
さらに、磁気ヘッド浮上面をモノマーイオンビームの斜め照射で加工する場合に特有の水平方向のミキシングがある。磁気ヘッド浮上面には金属や金属酸化物等の極薄膜で構成された多層積層膜の断面が露出している。モノマーイオンビームを斜めから照射した場合は、衝突カスケードによってノックオン原子(knock on atom,反跳原子)が隣り合った層に移動して、水平方向のミキシングが起こる。これによって、最表面層では、所望の磁気特性を失うことになり、磁気ヘッド製造上の課題である。
上述のいかなる方法を用いても、加工損傷層深さを1nm程度に抑制するのは困難である。モノマーイオンビームであっても、ガスクラスターイオンビームであっても、照射するイオンビームのエネルギーを低下させることによって、加工損傷深さをある程度まで小さくすることは可能である。しかし、モノマーイオンビームの場合には、数10eV程度の低エネルギー且つ大電流のモノマーイオンビームを得ることは、空間電荷効果により技術的に困難である。一方、数千個の原子の集合体をイオン化したガスクラスターイオンビームでは、原子1個あたりのエネルギーを数10eV程度にすることは容易であるが、2〜10nm程度の加工損傷が形成される。すなわち、従来の研磨技術やイオンビーム技術では、加工損傷深さが1nmレベルに抑制された磁気ヘッド浮上面を得るのは困難である。
Furthermore, there is a horizontal mixing characteristic when the magnetic head air bearing surface is processed by oblique irradiation of a monomer ion beam. On the air bearing surface of the magnetic head, a cross section of a multilayer laminated film composed of an extremely thin film such as metal or metal oxide is exposed. When the monomer ion beam is irradiated obliquely, knock-on atoms (recoil atoms) move to adjacent layers by the collision cascade, and horizontal mixing occurs. As a result, the desired magnetic properties are lost in the outermost surface layer, which is a problem in manufacturing the magnetic head.
It is difficult to suppress the depth of the processing damaged layer to about 1 nm using any of the methods described above. Whether it is a monomer ion beam or a gas cluster ion beam, the processing damage depth can be reduced to some extent by reducing the energy of the ion beam to be irradiated. However, in the case of a monomer ion beam, it is technically difficult to obtain a monomer ion beam having a low energy of about several tens eV and a large current due to the space charge effect. On the other hand, in a gas cluster ion beam obtained by ionizing an aggregate of several thousand atoms, it is easy to set the energy per atom to several tens eV, but processing damage of about 2 to 10 nm is formed. That is, it is difficult to obtain a magnetic head air bearing surface in which the processing damage depth is suppressed to the 1 nm level by the conventional polishing technique or ion beam technique.
上記課題を解決するために、本発明では、ワークの加工面の法線に対する角度(照射角)を50°以上90°以下に調整するための照射角調整機構と、イオンの運動エネルギーを所望の値に調整するためのイオン加速機構と、ワークの加工面の法線方向を回転軸としてワークを回転させるためのワーク回転機構を有するガスクラスターイオンビーム照射装置を提供する。
また、ワークの加工面の法線に対する角度(照射角:θ°)を調整するための照射角調整機構と、イオンの運動エネルギー(Ea)を所望の値に調整するためのイオン加速機構とクラスターサイズ(N)の調整機構とワークの加工面の法線方向を回転軸としてワークを回転させるためのワーク回転機構を有するガスクラスターイオンビーム照射装置であって、前記、θ、Ea、Nの関係が0.02eV≦(Ea/N)×cos2θ≦0.5eVとなるように制御する装置である。
In order to solve the above problems, in the present invention, an irradiation angle adjusting mechanism for adjusting an angle (irradiation angle) with respect to a normal line of a work surface of a workpiece to 50 ° or more and 90 ° or less, and a desired kinetic energy of ions Provided is a gas cluster ion beam irradiation apparatus having an ion acceleration mechanism for adjusting a value and a workpiece rotation mechanism for rotating the workpiece with the normal direction of the processed surface of the workpiece as a rotation axis.
Also, an irradiation angle adjusting mechanism for adjusting an angle (irradiation angle: θ °) with respect to the normal of the work surface of the workpiece, and an ion accelerating mechanism for adjusting ion kinetic energy (E a ) to a desired value, A gas cluster ion beam irradiation apparatus having a cluster size (N) adjustment mechanism and a workpiece rotation mechanism for rotating a workpiece with the normal direction of the work surface of the workpiece as a rotation axis, wherein θ, E a , N Is controlled so that 0.02 eV ≦ (E a / N) × cos 2 θ ≦ 0.5 eV.
本発明により、従来のモノマーイオンビームと比べて1桁高いスパッタ率が得られるというガスクラスターイオンビームの特長を生かしつつ、ワーク加工面に対して垂直方向へのエネルギー成分を低減することで、モノマーイオンビームでは実現し得ない低損傷での平坦化加工が可能となる。具体的には、従来のモノマーイオンビームでは斜めから照射しても、1次イオンの侵入が避けられなかったが、ガスクラスターイオンビームでは本質的に1次イオンの侵入を抑制することができる。さらに、ガスクラスターイオンビームのスパッタリングは、衝突カスケードやノックオン現象(イオン照射された物質における反跳ミキシング)によらず、ガスクラスターイオンの衝突地点が局所的に高温高圧になることに起因しているため、斜めからガスクラスターイオンを入射させることにより、高温領域が浅くなるため、ミキシング深さを低減することができる。さらに、本発明によれば、ガスクラスターイオンビームの照射角を適正値にすることにより、水平方向のミキシングも防止することができる。また、ワーク加工面に存在する突起に対しては、ワーク加工面に対する場合よりは小さな照射角となり、スパッタ率が大きくなるため、従来のモノマーイオンビームに比べて高いスパッタ率で、突起部を選択的に平坦化することができる。また、ガスクラスターイオンビームをワーク加工面の法線方向に対して斜め方向から照射しながら、ワークをワーク加工面の法線方向を回転軸として回転させることによって、ある突起が別な突起の陰になることにより加工が進まない現象を防止できる。 The present invention makes it possible to reduce the energy component in the direction perpendicular to the workpiece processing surface while taking advantage of the gas cluster ion beam that provides a sputtering rate one order of magnitude higher than that of conventional monomer ion beams. Flattening with low damage that cannot be realized with an ion beam is possible. Specifically, intrusion of primary ions cannot be avoided even if irradiation is performed obliquely with a conventional monomer ion beam, but invasion of primary ions can be essentially suppressed with a gas cluster ion beam. Furthermore, gas cluster ion beam sputtering is caused by the high temperature and high pressure of the gas cluster ion collision point regardless of the collision cascade and knock-on phenomenon (recoil mixing in the irradiated material). Therefore, since the high temperature region becomes shallow by making the gas cluster ions enter obliquely, the mixing depth can be reduced. Furthermore, according to the present invention, horizontal mixing can be prevented by setting the irradiation angle of the gas cluster ion beam to an appropriate value. In addition, the projections on the workpiece machining surface have a smaller irradiation angle than the workpiece machining surface, and the sputtering rate increases, so the projection is selected with a higher sputtering rate than conventional monomer ion beams. Can be flattened. In addition, by irradiating a gas cluster ion beam obliquely with respect to the normal direction of the workpiece processing surface, the workpiece is rotated about the normal direction of the workpiece processing surface as the rotation axis, so that one projection is shaded by another projection. This prevents the phenomenon that machining does not proceed.
以下、図面を用いて実施例を示す。 Examples will be described below with reference to the drawings.
図1は、本発明の第1の実施例の説明図である。配管1に接続されたノズル2から高圧のArガスをクラスター発生チャンバー3に噴出させると、電荷を持たない中性のガスクラスタービームが発生する。クラスター発生チャンバー3は、図示されていない真空ポンプにより、クラスターが生成する圧力以下に排気されている。さらにスキマー4によりガスクラスタービームの中心部分が抽出され、イオン化チャンバー5に導入される。イオン化チャンバーも、図示されていない真空ポンプにより、イオン化及びイオンビームの輸送に支障がない圧力以下に排気されている。この圧力は、ガスクラスターイオンのサイズとエネルギーに依存するが、サイズ2000のガスクラスターイオンを20keVで照射する場合、2.5×10−5Torr(≒3.3×10−3Pa)以下である。イオン化チャンバー5に設置されたイオン源6(EIイオン源として知られる)中に入ったクラスターは、フィラメント7から発生する熱電子との衝突により電離して1価のガスクラスターイオンとなり、更に電極8、9、10でイオン源6からガスクラスターイオンビーム17として引き出される。ガスクラスターイオンは、上記電極8、9、10からなるイオン加速機構により、所定の運動エネルギーを持つように加速される。加速されたガスクラスターイオンは、照射チャンバー13まで輸送され、ワークホルダー14に固定されたワーク15に照射される。図示されていないが、ワークホルダー14は、加工表面の法線16に対する角度(照射角:θ)を50°以上90°以下の所望の角度に調整するための照射角調整機構と、前記法線を中心軸として回転させるための回転機構を備えている。
FIG. 1 is an explanatory diagram of a first embodiment of the present invention. When high-pressure Ar gas is ejected from the
上記イオン源6では、図示していない電源によりフィラメント7が赤熱する程度の電流を流し、そこで発生した熱電子にArの電離電圧(15.7eV)以上に加速して中性のガスクラスターに衝突させることで、ガスクラスターイオンを発生させる。
In the
また、上記イオン加速機構は、電極8、9、10で構成されている。電極8はイオン源6と等電位であり、正の高電圧、例えば20kVが印加され、電極9には負の高電圧、例えば−20kVが印加され、電極10は接地電極となっている。この場合、電極8に印加する電圧がガスクラスターイオンの加速電圧となる。このような構成とすることにより、20keVの照射エネルギーを持つガスクラスターイオンビームを得ることができる。
The ion acceleration mechanism is composed of
ガスクラスターイオンビームの軌道上に、ビームに対して垂直な磁界を発生させる磁石11を設置する。この磁界を通過するときに、ビーム中に含まれるモノマーイオンは、ローレンツ力の影響を強く受け、初期の軌道から逸れる。このモノマーイオンは、ガスクラスターをイオン化した際などに発生したものである。ガスクラスターイオンもローレンツ力の影響を受けるが、質量電荷比(m/z,mは質量数,zは電荷数)が大きいため、その影響は軽微である。即ち、磁石11はアルファフィルタ(alfa filter)等として知られるエネルギーフィルタとして働き、ワーク15(被加工物)の質量電荷比の小さい(加速され易い)モノマーイオンによる照射を防ぐが、所望される1価のガスクラスターイオンの質量電荷比付近(例えば、m/z≧1,000)におけるそのエネルギー分解能を下げることにより、ワーク15を1価のガスクラスターイオンで照射させる。従って、イオン化チャンバー5と照射チャンバー13の間に適切な穴径を持つアパーチャーを設けると、ガスクラスターイオンのみがアパーチャーを通過し、モノマーイオンがワークに照射されることが防止される。
A
さらに、イオン源6からワーク15に至るガスクラスターイオンビーム17の軌道付近には、ニュートラライザー12が設置される。このニュートラライザー12は、ワーク15及びワークホルダー14が正電荷を有するガスクラスターイオンビーム17で照射されて正に帯電することにより、それ以降、ガスクラスターイオンビーム17が帯電したワーク15に到達し難くなる問題を解決するものである。ニュートラライザー12は、図示されていない電源を接続したフィラメントに、これが赤熱する程度の電流を流し、このフィラメントから発生した熱電子(負電荷)でワーク15及びワークホルダー14を照射することにより、これらが正に帯電することを防止する。ニュートラライザー12から発生した熱電子は概ねガスクラスターイオンビーム17と同様な軌道に沿ってワーク15に到達する。
Further, a
図2は、照射チャンバー13で、照射角調整機構及び回転機構を有するワークホルダー14に固定されたワーク15を、ワーク表面の法線16を軸として回転させながら、照射角θを50°以上90°以下に調整して、ガスクラスターイオンビーム17を照射している状態の拡大図を示す。図2において、ワークホルダー14の回転機構、及び照射角調整機構は図示されていない。さらに、図3には、ワーク15の照射表面18付近の拡大図を示す。図3に示すように、本発明によるガスクラスターイオンビーム照射装置で照射することによって、ワーク表面18上に点在する突起19の表面への照射角(θ')は、ワーク表面18への照射角(θ)より小さくなる。この照射角θ,θ'は、ワーク15及びその突起19の夫々の表面に対する法線16,20に対するガスクラスターイオンビーム17の入射方向のずれとして定義され、その値が小さいほど、ガスクラスターイオンビーム17は当該表面に垂直に近い状態で入射する。そのため、突起19の表面がガスクラスターイオンビーム17によりエッチングされる度合い(エッチレート)は、ワーク表面18のエッチレートよりも大きくなる。そのため、突起19は選択的にエッチングされて除去され、その結果、ワーク表面18の平坦化が進行する。また、ワークホルダー14をワーク表面18の法線16を回転軸として回転させているため、ワーク表面18に対してガスクラスターイオンビーム17の入射方向を固定している(ワーク表面18を回転させない)ときには、ガスクラスターイオンビーム17の入射方向から見て突起19の陰になり、エッチングが進まない他の突起(図示されず)もエッチングすることができ、ワーク表面18全域の平坦化の進行を速めることができる。
FIG. 2 shows an irradiation angle θ of 50 ° or more while rotating a
図4には、膜厚50nmのNiFe膜が形成された試料における元素の含有量を、二次イオン質量分析計(以下、SIMSと記す)を用いて、NiFe膜の表面からの深さ方向に沿って測定した結果が示される。SIMSは、NiFe膜をその表面に照射される一次イオン(ガリウム(Ga)やセシウム(Cs)等が用いられる)で掘りながら、掘削された深さに存在する元素をイオン化し、これを二次イオンとして同定する。図4(a)は上記NiFe膜をAr(アルゴン)のガスクラスターイオンビームで、図4(b)は上記NiFe膜をArのモノマーイオンビームで、照射エネルギー20keV、ドーズ量(イオンビームの進行方向に直交する単位断面積当たりのイオン量)5×1015ions/cm2の条件で夫々照射した試料におけるNi、Fe、Arの各元素の含有量(任意単位)を、当該NiFe膜の表面からの深さ方向に沿って測定した所謂「深さプロファイル」として示す。一方、図4(c)は、斯様なイオンビームのいずれにも照射されない上記NiFe膜におけるNi、Fe、Arの各々の深さプロファイルを示す。Arのガスクラスターイオンにもモノマーイオンにも照射されないNiFe膜の深さプロファイル(図4(c))にて、その深さ(厚さ:0〜50nm)の全域に亘り検出されたArは、ニッケル(Ni)及び鉄(Fe)を含むスパッタリング・ターゲットをArのイオンでスパッタしながらNi原子やFe原子を試料表面に堆積する工程(NiFe膜の形成工程)で、このNiFe膜に取り込まれたものである。 FIG. 4 shows the content of elements in a sample having a 50 nm thick NiFe film formed in the depth direction from the surface of the NiFe film using a secondary ion mass spectrometer (hereinafter referred to as SIMS). The results measured along are shown. SIMS ionizes elements existing at the excavated depth while digging the NiFe film with primary ions (gallium (Ga), cesium (Cs), etc. are used) irradiated on its surface, and this is secondary Identify as an ion. 4A shows the NiFe film with an Ar (argon) gas cluster ion beam, and FIG. 4B shows the NiFe film with an Ar monomer ion beam. The irradiation energy is 20 keV and the dose (the direction of travel of the ion beam). The content (arbitrary unit) of each element of Ni, Fe, and Ar in the sample irradiated under the condition of 5 × 10 15 ions / cm 2 , which is orthogonal to the unit cross-sectional area orthogonal to the surface of the NiFe film It is shown as a so-called “depth profile” measured along the depth direction. On the other hand, FIG. 4C shows the depth profile of each of Ni, Fe, and Ar in the NiFe film that is not irradiated with any of such ion beams. Ar detected in the depth profile (thickness: 0 to 50 nm) in the depth profile (FIG. 4C) of the NiFe film that is not irradiated with Ar gas cluster ions or monomer ions, A sputtering target containing nickel (Ni) and iron (Fe) was sputtered with Ar ions while depositing Ni atoms and Fe atoms on the sample surface (NiFe film forming process), and was incorporated into this NiFe film. Is.
Arのモノマーイオンビームで照射されたNiFe膜では、図4(b)に示すように、その厚さ(50nm)全域に亘り、任意単位にして5,000〜50,000のArイオンが検出されたが、Arのガスクラスターイオンビームで照射されたNiFe膜では、図4(a)に示すように、任意単位にして最大でも100程度のArイオンが検出されたに過ぎず、その値は図4(c)に示されたArイオンと略同程度である。従って、Arのモノマーイオンビームで照射されたNiFe膜では、図4(b)に示されるように、その厚さ(50nm)全体に亘りArが打ち込まれているのに対し、Arのガスクラスターイオンビームで照射されたNiFe膜では、図4(a)に示されるように、Arの侵入がほぼ抑制されている。 In the NiFe film irradiated with the Ar monomer ion beam, Ar ions of 5,000 to 50,000 as arbitrary units are detected over the entire thickness (50 nm) as shown in FIG. 4B. However, in the NiFe film irradiated with the Ar gas cluster ion beam, as shown in FIG. 4A, only about 100 Ar ions were detected in an arbitrary unit, and the values thereof were It is approximately the same as the Ar ion shown in 4 (c). Therefore, in the NiFe film irradiated with the Ar monomer ion beam, Ar is implanted over the entire thickness (50 nm) as shown in FIG. In the NiFe film irradiated with the beam, as shown in FIG. 4A, the penetration of Ar is substantially suppressed.
図5の(a)及び(b)には、照射エネルギー20keV、ドーズ量1×1015ions/cm2でアルゴン原子のガスクラスターイオンビームが照射された膜厚50nmのNiFe膜におけるNi、Fe、Oの深さプロファイルが示される。図5(a)の深さプロファイルを示すNiFe膜には照射角0°で、図5(b)の深さプロファイルを示すNiFe膜には照射角60°で、ガスクラスターイオンビームが夫々照射されている。図5(c)にはガスクラスターイオンビーム照射前のNiFe膜のNi、Fe、Oの深さプロファイルを示す。図5(c)に示すように、照射前の膜には自然酸化膜24が形成されている。図5(a)に示すように照射角0°で照射した場合は、表面の自然酸化膜とNiFe膜のミキシング層22が形成され、組成ずれも見られる。このミキシング層は表面の自然酸化膜に含まれる酸素原子や表面に吸着している水分子等の酸素原子が、ガスクラスターイオンの衝突に伴って、NiFe膜中に侵入したものである。それに対し、図5(b)に示すように照射角60°で照射した場合は、図5(c)と比較して、ミキシングによる酸化膜厚の増加もなく、組成ずれも抑制されており、加工損傷が1nm以下で加工することができた。図5(b)の酸化膜23(膜厚は約1nm)は自然酸化膜である。また、図5(b)のサンプルの表面粗さRaは、照射前が0.5nmであったが、加工後は0.3nmに低減することができた。
照射角が50°より小さい場合、0°から照射角を増加させるのに従って、加工面の表面粗さが増加し、及び図5(a)に示したものと同様の加工損傷深さが増加する。
同様の加工は、照射するガスクラスターイオンのサイズ(N)と照射エネルギー(Ea)と照射角(θ)の関係は、0.02eV≦(Ea/N)×cos2θ≦0.5eVとすることによっても、実現できる。ここで、ガスクラスターイオンの照射エネルギーEaとは、加速電圧に電荷素量を乗じたものである。クラスターサイズは、図1に示す装置の場合、ノズル2の1次側の圧力、フィラメント7に流す電流及びフィラメント7から発せられた熱電子のエネルギーによって決まる。(Ea/N)×cos2θの値がこれより小さいと、ガスクラスターイオンの照射エネルギーが小さすぎて、加工が進まない。また、これより大きいと、高いエッチレートが得られるものの、図5(a)に示したものと同様に、膜表面に2〜10nm程度の加工損傷が残る。
ところで、実際のビームに含まれるガスクラスターイオンのサイズは、単分散ではなく、分布を持っている。その場合のサイズNは、平均値や最頻値等、その分布の特徴的な数値とする。
このように、本発明のガスクラスターイオンビーム照射装置を用いると、1次イオンの侵入を防止でき、ミキシングや組成ずれ等の加工損傷が生じる深さを1nm以下の加工面を得ることができる。
上記実施例のガスクラスターイオンビーム照射装置において、クラスターサイズ、加速電圧(照射エネルギー)、照射角及びワークホルダー14の回転速度等は、真空を破らずに外部から制御できるようにすることで、加工プロセスを複数のステップで構成することが可能である。すなわち、加工前の表面粗さが大きい場合や、加工量が多い場合などは、照射エネルギーや照射角等を上記範囲にこだわらずに、例えばサイズ2000のクラスターイオンを照射エネルギー20keV、照射角45°で照射することなどにより、粗加工を行い、表面粗さRaが1nm以下、または残加工量が10nm以下までになってから、上記範囲の照射エネルギー、照射角等に調整して仕上げ加工を行う機能を有するガスクラスターイオンビーム照射装置である。粗加工から仕上げ加工にいたるまでに、加速電圧や照射角等の調整をきめ細かく行い、ステップ数を3つ以上にする機能を有していてもよい。
ところで、上記実施例では、クラスター発生チャンバー7、イオン化チャンバー5、照射チャンバー13の3つのチャンバーからなるシステムを示したが、クラスター発生機構、イオン化機構、イオン加速機構を備えていれば、チャンバーの構成は他の形態であっても構わない。クラスターの発生機構も、ノズル2を通じて高圧のArガスを真空中に噴出するものとしたが、他の方法で発生させても良い。使用するガスもArに限定するものではない。特に、Cl2やSF6等で構成されるガスクラスターイオンを、これらのガスとの反応性を持つ材料に照射した場合は、化学反応による加工速度の増加が期待できる。また、ガスクラスターのイオン化は、フィラメントから発せられる熱電子の衝撃によって起こるとしたが、真空紫外光やX線等による光電離等であっても良い。電子付着等によって負イオンを発生させても構わない。イオン加速機構も、上記以外の構成(電極の枚数や印加する高電圧の極性等)であっても構わない。また、ガスクラスターイオンビーム中に含まれるモノマーイオンが十分少ない等の場合には、磁石11を設置しなくても良い。さらに、ニュートラライザー12は、フィラメントから電子を供給するタイプのものを示したが、プラズマを電子源とするもの等、方式は問わない。また、ワークが接地されていたり、帯電量がビームのエネルギーに比べて十分小さい等、ガスクラスターイオンビームを照射したことによる帯電が問題にならない場合にはニュートラライザー12そのものを備えていなくても構わない。
5A and 5B, Ni, Fe, and Ni in a 50 nm-thick NiFe film irradiated with a gas cluster ion beam of argon atoms at an irradiation energy of 20 keV and a dose of 1 × 10 15 ions / cm 2 are shown. The depth profile of O is shown. The NiFe film showing the depth profile in FIG. 5A is irradiated with a gas cluster ion beam at an irradiation angle of 0 °, and the NiFe film showing the depth profile in FIG. 5B at an irradiation angle of 60 °. ing. FIG. 5C shows the Ni, Fe, and O depth profiles of the NiFe film before irradiation with the gas cluster ion beam. As shown in FIG. 5C, a
When the irradiation angle is smaller than 50 °, the surface roughness of the processed surface increases as the irradiation angle is increased from 0 °, and the processing damage depth similar to that shown in FIG. 5A increases. .
In the same processing, the relationship between the size (N) of the gas cluster ion to be irradiated, the irradiation energy (E a ), and the irradiation angle (θ) is 0.02 eV ≦ (E a / N) × cos 2 θ ≦ 0.5 eV. This can also be realized. Here, the irradiation energy E a of the gas cluster ion, multiplied by the elementary charge acceleration voltage. In the case of the apparatus shown in FIG. 1, the cluster size is determined by the pressure on the primary side of the
By the way, the size of gas cluster ions contained in an actual beam is not monodispersed but has a distribution. In this case, the size N is a characteristic numerical value of the distribution such as an average value or a mode value.
As described above, when the gas cluster ion beam irradiation apparatus of the present invention is used, it is possible to prevent intrusion of primary ions and to obtain a processed surface having a depth of 1 nm or less that causes processing damage such as mixing and composition shift.
In the gas cluster ion beam irradiation apparatus of the above embodiment, the cluster size, acceleration voltage (irradiation energy), irradiation angle, rotation speed of the
By the way, in the said Example, although the system which consists of three chambers, the
本発明は、加工損傷をナノメートルレベルに低減することを目的としている。半導体デバイスや磁気ヘッド、磁気ディスク等の磁性デバイス、また液晶ディスプレイをはじめとする表示デバイス、光デバイスの高性能化に伴って、低加工損傷で加工する必要が増加する。これらのデバイスにおいて、加工損傷を抑制しつつ、平坦化を行う工程に適用することができる。 The present invention aims to reduce processing damage to the nanometer level. As the performance of semiconductor devices, magnetic heads, magnetic disks, and other magnetic devices, liquid crystal displays and other display devices, and optical devices increases, the need for processing with low processing damage increases. In these devices, the present invention can be applied to a flattening process while suppressing processing damage.
1…ガス配管、2…ノズル、3…クラスター発生チャンバー、4…スキマー、 5…イオン化チャンバー、6…イオン源、7…フィラメント、8,9,10…電極、11…磁石、12…ニュートラライザー、13…照射チャンバー、14…ワークホルダー、15…ワーク、16…ワーク表面の法線、17…ガスクラスターイオンビーム、18…ワーク表面、19…ワーク表面の突起、20…ワーク表面に生じた突起の表面の法線、22…ミキシング層、23,24…自然酸化膜。
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