JP5105729B2 - ガスクラスターイオンビームによる加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガスクラスターイオンビーム装置に関し、特に、スキマーとイオン化器間における異常放電の防止機構を有するガスクラスターイオンビーム装置に関する。

ガスクラスターイオンビーム装置は、気体分子の凝集により生じたクラスターをイオン化、加速して、被加工面へ照射する装置である。

図６に従来の一般的なガスクラスターイオンビーム装置の構成を示す。クラスター生成室２内をクラスター生成室排気系３とプロセス室排気系１６とを用いた差動排気によって減圧し、クラスター生成室２内に設置されたノズル１を通してクラスター生成室２内に気体を導入すると、その気体が断熱膨張による冷却によって凝集し、ビーム状のクラスターが形成される。クラスター生成室２とプロセス室１５とを隔てる隔壁には、このクラスタービームからクラスターを形成していない気体分子を衝撃波を起こすことなく分離し、さらにプロセス室１５内の圧力を低くするために用いられるスキマー４が構成されている。ノズル１、クラスター生成室２、およびスキマー４は接地されており、それらの電位は０Ｖである。

スキマー４により分離されたクラスターはプロセス室１５内に導入され、イオン化器５によってイオン化される。イオン化器１０６では電子源１０７の熱フィラメントやプラズマから電子を引き出しクラスターに衝突させ、これによりクラスターをイオン化する。

電子との衝突によりイオン化されて正に帯電したクラスターは、イオン化器５とステージ９上の基板８との間に設置され、イオン化器５よりも低い電圧が印加された電極群７によって引き出される。イオン化器５はイオン化器電源１２によってプラス電位に保たれ、電極群７の各電極は電極群電源１３によってマイナス電位に保たれている。つまり、クラスターイオンビームをイオン化器５から引き出して基板８へ輸送するために、イオン化器５は電極群７よりも数十ｋＶ程度高い電位に保たれている必要がある。このようなイオン化器に印加する電圧に関して、特許文献１においては３０ｋＶまで印加することが示されており、特許文献２においては１５０ｋＶまで印加することが示されている。このとき、接地されているスキマー４とイオン化器５との間には、電極群７とイオン化器５との間の電位差よりもさらに大きな電位差が発生している。前述のようにイオン化器５から引き出されたクラスターは、後段の電極群７によって、加速、ビームの集束およびクラスターサイズの分離が行われた後、基板８へ照射される。一般にこのクラスターイオンの基板８への照射エネルギーはスキマー４とイオン化器５の間の電位差に等しい。

このようにイオン化されたクラスターを照射するプロセスでは、従来のイオンビーム技術にはないこのプロセス特有の特徴を生かした効果が得られる。例えば、少ない電流で大量の原子を照射するため大きな加工速度が得られること、照射面に対して平行なスパッタリングであるラテラルスパッタ効果により照射面を超平坦面に形成できること、一原子あたりのエネルギーが小さいため被加工面への照射ダメージが少ないこと、等の効果を得ることができる。そのため、このプロセスは、エッチング、表面平坦化加工、クリーニング、表面改質、イオン注入、成膜など、多くの用途において応用が期待されている。
特表２００３−５０５８６７号公報 特開平９−４１１３８号公報 I. Yamada et al, Material Science and Engneering, R34（2001） P.231-295

しかしながら、上述した従来技術では、ビーム状の局所的に高濃度の気体がスキマーからプロセス室へ導入されること、スキマーは接地されて０Ｖの電位である一方でイオン化器はクラスターイオンを加速するために数十ｋＶの電位に保たれていること、さらに、スキマーやイオン化器が導体で作製されていることから、スキマーとイオン化器との間では直流の電位差による異常放電が生じやすいという欠点があった。なお、異常放電の発生は、スキマー側へ漏れ出たクラスターイオンが、スキマーとイオン化器の間の大きな電位差でスキマーやその周辺の構造物に引き寄せられ衝突し、その衝撃により二次電子が発生することが原因と考えられる。

また、非特許文献１においては、ノズル、スキマー、イオン化器に数十ｋＶの電位を印加し同電位とすることで、スキマーとイオン化器間の放電を防止することが可能であることが開示されている。しかし、この場合はプロセスガスの配管およびクラスター生成室とクラスター生成室排気系の間での絶縁が必要となったり、スキマーとイオン化器の間以外の別の箇所で異常放電が起こりやすくなるといった問題があった。

本発明は、上記の課題を鑑み、ガス流量、圧力などのプロセス条件や、スキマーやイオン化器などのチャンバー構造を大きく変更することなくスキマーとイオン化器との間の異常放電を容易に防止することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、
ノズルからガスを導入させてガスクラスターを生成させるクラスター生成室と、前記クラスター生成室から前記ガスクラスターをスキマーを通してイオン化器に導入してイオン化し、前記イオン化されたガスクラスターを電極群によって加速させて被処理物に照射することにより被処理物を加工する加工方法において、
前記スキマーを接地し、
前記イオン化器の電位が0KV以上10KV以下となるように、前記スキマーとの距離が20ｍｍ以下である前記イオン化器を接地するか又は該イオン化器に電圧を印加し、
前記電極群の電極及び前記被処理物に、前記スキマーと前記イオン化器の電位差よりも、前記イオン化器と前記被処理物または前記イオン化器と前記電極群の電極の電位差の方が大きくなるようにそれぞれの電位を設定して、前記ガスクラスターを加速させて前記被処理物に照射し、前記被処理物を加工することを特徴とする。

本発明によれば、スキマーとイオン化器の間の電位差が小さくなるので、スキマーとイオン化器の間での異常放電を防止することができる。また、スキマーとイオン化器の間の電位差が小さいことで、これらの距離を近づけることが可能となるので、イオンビームの強度を増加でき、処理速度を向上させることができる。

次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。但し、図６に示した装置の構成部品と同一のものには同一符号を用いて説明する。

図１は本発明のガスクラスターイオンビーム装置の一実施形態を示す概略図である。

本実施形態のガスクラスターイオンビーム装置も、図６に示した従来の構成と同様に、隔壁１８で隔てられたクラスター生成室２とプロセス室１５とを有している。クラスター生成室２およびプロセス室１５にはクラスター生成室排気系３とプロセス室排気系１６がそれぞれ設けられており、各々の内部を真空排気することができるようになっている。

クラスター生成室２内にはガスクラスター生成用の気体を導入するノズル１が配置されており、隔壁１８には、ノズル１から導入された気体の流れ（ガスクラスターイオンビーム）の中心にあたる位置に小孔を有するスキマー４が設けられている。

プロセス室９内には、ガスクラスターイオンビームの進行経路に沿って順に、ガスクラスターに電子源６により電子を衝突させてガスクラスターを正イオン化するイオン化器５、ガスクラスターイオンを輸送する電極群７、被処理物である基板８を保持するステージ９が配置されている。電極群７は、所定のバイアス電圧を印加された複数の電極で構成され、それらによって発生させた電界によって、ガスクラスターイオンを基板８側へと加速させて輸送する働きを有している。

ステージ９は、ステージ９上に保持された基板８の外周側にステージ電極１０を備えている。また、ステージ９の裏面（基板８の保持面とは反対側面）に、ステージ９の電位を独立して制御するための碍子が設けられている。

ステージ９はステージ電源１４により負の電位に設定されており、このステージ９を介してステージ９上の基板８も負の電位となる。したがって、基板８は、イオン化器５の電子源６で正電位にイオン化されたクラスターイオンの電位とは逆極性の電位とされている。また、イオン化器５はイオン化器電源１２によってプラス電位に保たれ、電極群７は電極群電源１３によってイオン化器５の電位よりも低い電位に設定されている。なお、ノズル１、クラスター生成室２、およびスキマー４は接地されており、それらの電位は０Ｖである。

本発明について更に詳しく述べる。

例えば、図６に示した従来例であれば照射エネルギー５０ｋＶで基板８へガスクラスターイオンを照射させる場合、スキマー４及び隔壁１８の電位は０Ｖ、イオン化器５の電位は５０ｋＶとなり、スキマー４とイオン化器５の間の電位差は照射エネルギーと等しい５０ｋＶである。一方でノズル１から０．５ＭＰａのプロセスガスを導入するとプロセス室の圧力は２．０×１０^-2Ｐａとなる。表１に、この圧力でのイオン化器とスキマーの間の電圧とこの間で放電が開始される距離との相関を示した。表から分かるように、イオン化器５とスキマー４の間の電圧が例えば５０ｋＶでは、スキマー４とイオン化器５との距離が４４ｍｍ以下になると、これらの間に放電が生じて適切な表面処理プロセスを実施することができない。

そこで、図６に示したような、スキマー４とイオン化器５の間の電位差がクラスターイオンビームの基板８への照射エネルギーと等しい従来構成に対し、本実施形態では、ステージ９を介して基板８の電位を設定可能にするとともに、イオン化器５の電位を基板８へのクラスターイオンの照射エネルギーよりも小さくした。例えば照射エネルギー５０ｋＶで基板８に照射させる場合にはスキマー４、イオン化器５、電極群７、被照射基板８の電位をそれぞれ０ｋＶ、１０ｋＶ、−１０〜１０ｋＶ、−４０ｋＶとすることでスキマー４とイオン化器５の間の電位差を照射エネルギーよりも小さい１０ｋＶにし、電極群７の電位をイオン化器５よりもさらに低くして、基板８にクラスターイオンビームを照射した。このように本装置はイオン化器５と基板８の電位差が基板８へのクラスターイオンの照射エネルギーに相当する装置である。このため、図６の従来例と同等の照射エネルギーを照射する場合でも、図６の従来例より基板８の電位をさらに低くすることでイオン化器５の電位も下げることができ、スキマー４とイオン化器５の間の電位差をゼロに近づけることができる。

本実施形態によれば、このように図６の従来構成に比べてスキマー４とイオン化器５の間の電位差が小さくなるので、スキマー４とイオン化器５の間での異常放電を抑制することが可能となる。また、表１から分かるように、スキマー４とイオン化器５の間の電圧が小さくなると、これらの距離を近づけることができる。例えば、スキマー４とイオン化器５の間の電圧が５０ｋＶでは、スキマー４とイオン化器５との距離が４４ｍｍ以下になると、これらの間に放電が生じるが、スキマー４とイオン化器５の間の電圧が１０ｋＶの場合は、スキマー４とイオン化器５との距離が１６ｍｍより長ければ、異常放電は起こらない。このようにスキマー４とイオン化器５の間の距離が短い方が中性クラスターのイオン化の効率が高くなり、大きなビーム電流のクラスターイオンビームを得ることができるので、被照射基板に対する処理速度が向上する。

（第１実施例）
本実施例はスキマー４とイオン化器５の電位差を小さくすることで異常放電を防止するものである。

図１を参照すると、クラスター生成室２とプロセス室１５はステンレス鋼製の壁部材で囲まれて形成されており、クラスター生成室２とプロセス室１５は排気系３，１６によってそれぞれ真空に保持されている。アルミニウムで作製されたノズル１から０．５ＭＰａの圧力に保たれたＡｒをプロセスガスとしてクラスター生成室２内に導入することで、ビーム状のクラスターが生成される。ニッケルで作製されたスキマー４によって分離されたクラスターは、ステンレス鋼製の隔壁１８を挟んでクラスター生成室２に隣接したプロセス室１５内に導入され、ステンレス鋼製の外枠を有するイオン化器５でイオン化される。このとき、クラスター生成室２内の圧力は１．５Ｐａ、プロセス室１５内の圧力は２．０×１０^-2Ｐａとした。また、スキマー４とイオン化器５の間の距離は２０ｍｍとした。

なお、クラスター生成室２およびプロセス室１５の壁部材、スキマー４、隔壁１８、およびイオン化器５の外枠を構成するそれぞれの素材は、特に断りが無い限り、後述する各実施例においても同じである。

本実施例では、ノズル１、クラスター生成室２、スキマー４および隔壁１８は接地されており電位は０Ｖであり、イオン化器５の電位は１０ｋＶに設定した。電極群７は、電極群電源１３によって−１０〜１０ｋＶの電位に保たれており、また、ステージ電源１４によってステージ９に−４０ｋＶの電圧を印加することで、ステージ９上の基板８がステージ９と同電位の−４０ｋＶとなっている。

したがって、上述したようにイオン化され正に帯電したクラスターは、電極群電源１３によって−１０〜１０ｋＶの電位を印加された電極群７よって引き出され、ステージ９と同電位の−４０ｋＶに保たれた基板８へ照射される。

このとき、イオン化器５の電位が１０ｋＶで、基板８の電位が−４０ｋＶであるので、基板８に照射されるクラスターイオンの照射エネルギーは５０ｋＶである。

図６に示したような従来例であれば、照射エネルギーが５０ｋＶの場合にはスキマー４とイオン化器５の電位差も５０ｋＶとなり、両者の距離が４４ｍｍより長くなければスキマー４とイオン化器５の間で放電が起こり（表１参照）、基板８に対して表面処理プロセスを実施することができない。

これに対し、本実施例では、照射エネルギーが５０ｋＶであっても、表１のようにスキマー４とイオン化器５の間の電圧が１０ｋＶの場合は両者の距離が１６ｍｍ以下でなければスキマー４とイオン化器５の間で放電が起こらないので、問題なく表面処理プロセスを実施することができた。

ここで、スキマーとイオン化器の間の距離とビーム電流値との相関を図２に示す。図２から、スキマーとイオン化器の間の距離を短くするとビーム電流が増加することがわかる。図６の従来例では５０ｍｍであったスキマー４とイオン化器５の間の距離を本実施例では２０ｍｍにすることができ、その結果、従来例よりも増加したビーム電流６６μＡが得られ、処理速度の向上が可能となった。

（第２実施例）
本実施例は、スキマー４とイオン化器５を同電位にして異常放電を防止する手法である。電位を除く構造は第１実施例と同様である。図３に示すように、ノズル１、クラスター生成室２、スキマー４、隔壁１８およびイオン化器５は接地されていて電位は等しい。

第１実施例と同条件でプロセスガスとして０．５ＭＰａの圧力に保たれたＡｒをノズル１よりクラスター生成室２へ導入し、この時のクラスター生成室、プロセス室１５の各圧力は第１実施例と同様にそれぞれ、１．５Ｐａ、２．０×１０^-2Ｐａとした。

本実施例では、イオン化器５の電位は０ｋＶに設定した。電極群７は、電極群電源１３によって−２０〜０ｋＶの電位に保たれており、また、ステージ電源１４によってステージ９に−５０ｋＶの電圧を印加することで、ステージ９上の基板８がステージ９と同電位の−５０ｋＶとなっている。

接地電位であるイオン化器５に対して、−２０〜０ｋＶの電位を印加された電極群７によりクラスターイオンが引き出され、−５０ｋＶに保たれた基板８に照射される。イオン化器５の電位が０ｋＶで、基板８の電位が−５０ｋＶであるので、基板８に照射されるクラスターイオンの照射エネルギーは５０ｋＶである。

図６に示したような従来例であれば、照射エネルギーが５０ｋＶの場合にはスキマー４とイオン化器５の電位差も５０ｋＶとなり、両者の距離が４４ｍｍより長くなければスキマー４とイオン化器５の間で放電が起こり（表１参照）、基板８に対して表面処理プロセスを実施することができない。

これに対し、本実施例においては、スキマー４とイオン化器５が同電位であるため両者の距離に関係なく放電が起こらず、安定した表面処理プロセスを行うことが可能となった。

（第３実施例）
本実施例は図４に示すように、各々接地され同電位となったスキマー４とイオン化器５を一体の構成部品として作成したものである。つまり、スキマー４とイオン化器５が同電位であるため、プロセス室１５の隔壁１８におけるスキマー４近傍にイオン化器５を直接取り付けた構造である。

第１実施例と同条件でプロセスガスとして０．５ＭＰａの圧力に保たれたＡｒをノズル１よりクラスター生成室２へ導入し、この時のクラスター生成室、プロセス室１５の各圧力は第１実施例と同様にそれぞれ、１．５Ｐａ、２．０×１０^-2Ｐａとした。

本実施例では、ノズル１、クラスター生成室２、スキマー４、隔壁１８及びイオン化器５は第２実施例と同様に接地されており電位は０Ｖである。電極群７は、電極群電源１３によって−２０〜０ｋＶの電位に保たれており、また、ステージ電源１４によってステージ９に−５０ｋＶの電圧を印加することで、ステージ９上の基板８がステージ９と同電位の−５０ｋＶとなっている。

第２実施例と同様、接地電位であるイオン化器５に対して、−２０〜０ｋＶの電位を印加された電極群７によりクラスターイオンが引き出され、−５０ｋＶに保たれた基板８に照射される。イオン化器５の電位が０ｋＶで、基板８の電位が−５０ｋＶであるので、基板８に照射されるクラスターイオンの照射エネルギーは５０ｋＶである。

図２に示したようにスキマー４とイオン化器５の間の距離が短い方が中性クラスターのイオン化の効率が高く、本実施例のようにスキマー４とイオン化器５を一体とすることで、第２実施例よりも更に増加したビーム電流７３μＡが得られ、処理速度の向上が可能となった。

（第４実施例）
本実施例はクラスターをイオン化し、加速した後でクラスターイオンビームの中性化を行い中性クラスターを基板に照射するものである。図５に示すように、基本的に第２実施例と同様であるが、第２実施例のようなステージ電極１０及び碍子１１を備えておらずステージ９が接地されている点、電極群７と基板８の間に、クラスターイオンの中性化を行うために加速後のクラスターイオンに熱電子を照射する熱フィラメント１７が設けられている点で第２実施例とは異なっている。

第１実施例と同条件でプロセスガスとして０．５ＭＰａの圧力に保たれたＡｒをノズル１よりクラスター生成室２へ導入し、この時のクラスター生成室、プロセス室１５の各圧力は第１実施例と同様にそれぞれ、１．５Ｐａ、２．０×１０^-2Ｐａとした。

本実施例では、ノズル１、クラスター生成室２、スキマー４および隔壁１８は第２実施例と同様に接地されており電位は０ｋＶである。電極群７は、電極群電源１３によって−５０〜０ｋＶの電位に保たれており、また、基板８はステージ９を介して接地されている。

第２実施例と同様、接地電位であるイオン化器５に対して、−５０〜０ｋＶの電位を印加された電極群７によりクラスターイオンが引き出される。加速後のクラスターイオンは、タングステンを用いた熱フィラメント１７（ニュートラライザー）による熱電子を照射され、中性化される。そして、中性化されたクラスターイオンが、接地電位に保たれた基板８に照射される。

本実施例によれば、上述のようにステージ９に電位を印加することなくクラスターイオンの照射が可能となり、また、第２実施例と同様に、スキマー４とイオン化器５が同電位であるため両者の距離に関係なく放電が起こらず、安定した表面処理プロセスが可能となった。

本発明の第１実施例によるガスクラスターイオンビーム装置の断面図である。 スキマーとイオン化器の間の距離とビーム電流との相関を示すがラフである。 本発明の第２実施例によるガスクラスターイオンビーム装置の断面図である。 本発明の第３実施例によるガスクラスターイオンビーム装置の断面図である。 本発明の第４実施例によるガスクラスターイオンビーム装置の断面図である。 従来の一般的なガスクラスターイオンビーム装置の断面図である。

符号の説明

１ ノズル
２ クラスター生成室
４ スキマー
５ イオン化器
７ 電極群
８ 基板
１５ プロセス室
１８ 隔壁

Claims (4)

1. ノズルからガスを導入させてガスクラスターを生成させるクラスター生成室と、前記クラスター生成室から前記ガスクラスターをスキマーを通してイオン化器に導入してイオン化し、前記イオン化されたガスクラスターを電極群によって加速させて被処理物に照射することにより被処理物を加工する加工方法において、
   前記スキマーを接地し、
   前記イオン化器の電位が0KV以上10KV以下となるように、前記スキマーとの距離が20ｍｍ以下である前記イオン化器を接地するか又は該イオン化器に電圧を印加し、
   前記電極群の電極及び前記被処理物に、前記スキマーと前記イオン化器の電位差よりも、前記イオン化器と前記被処理物または前記イオン化器と前記電極群の電極の電位差の方が大きくなるようにそれぞれの電位を設定して、前記ガスクラスターを加速させて前記被処理物に照射し、前記被処理物を加工することを特徴とする被処理物の加工方法。
2. 前記被処理物の電位が、前記被処理物に照射されるガスクラスターとは逆極性の電位に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の被処理物の加工方法。
3. 前記被処理物に照射されるガスクラスターは正に帯電していることを特徴とする請求項２に記載の被処理物の加工方法。
4. 前記電極群による加速後のガスクラスターを中性化して前記被処理物に照射することを特徴とする請求項１乃至３いずれか一項に記載の被処理物の加工方法。

Images