JP5125447B2 - イオンビーム処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、高周波誘導結合プラズマを用いるイオンビーム処理装置に関する。

高周波誘導結合プラズマを用いるイオンビーム処理装置においては、プラズマ室の外部に配置された平面コイル状のアンテナコイルに高周波（ＲＦ）電流を流してプラズマ室側に交番磁界を発生させる。発生した交番磁界を打ち消す方向に電流が流れようとするため、プラズマ室に設けられた誘電体板を介してプラズマ室側に誘導電界が誘起される。この誘導電界により電子が加速される、すなわち誘導結合することにより、加速された電子がプラズマ室内のガスを電離して放電が発生し、誘導結合プラズマが生成される。

プラズマ室内で生成された誘導結合プラズマ中の荷電粒子を利用し、試料室の被処理物にエッチング、スパッタリング、堆積等の処理を行うことが可能である。例えば、エッチング処理においては、引出電極に電圧を印加してプラズマ中のイオンを引き出して加速し、加速されたイオンを衝突させることにより被処理物をエッチングする。

アンテナコイルとプラズマの誘導結合が低減しないように、アンテナコイルは、プラズマ室の圧力隔壁である誘電体窓の大気圧側において近傍に配置される。誘電体窓のプラズマ生成空間側の面を、プラズマによる汚染から保護するために、誘電体窓とプラズマ生成空間の間に誘電体板が設置される。

アンテナコイルとプラズマは、誘導結合成分のみではなく容量結合成分も同時に含む結合となっている。アンテナにＲＦ電流を流すことにより生じるＲＦ電圧は、プラズマ中の荷電粒子と容量結合し、荷電粒子はアンテナに向かって加速される。プラズマに曝された誘電体板表面が加速されたイオンによってスパッタリングされ、スパッタリングされた誘電体はプラズマ室内壁や引出電極表面に付着する。

引出電極に付着した誘電体は絶縁材料である。そのため、引出電極に印加された直流電圧により付着した誘電体がチャージアップして静電破壊を起こし、引出電極近傍でアーク放電が発生する。

誘電体板のスパッタリングを抑制する手段として、アンテナコイルと誘電体窓の間にシールド電極を配置しているものがある（例えば、特許文献１参照。）。この従来技術においては、シールド電極は、中心ハブから放射状に延在する複数の細い導体からなり、電気的に浮動または接地することにより、アンテナコイルとプラズマとの容量結合成分を制御することができるとしている。
特表２００４−５００７０３号公報

従来技術においては、シールド電極の接地により誘電体板のスパッタリングが抑制される一方で、容量結合成分の低下により、放電が発生しにくくなることを課題として挙げている。先に述べたように、容量結合成分はプラズマの発生にも寄与しているため、誘導結合成分のみでは放電が発生しにくくなる場合がある。この場合、容量結合成分ありの場合と比較して、ＲＦ電流を増加させる必要が生じる。このため、放電開始時はシールド電極を電気的に浮動とすることで容量結合成分を残し、放電発生のし易さを維持している。放電開始後はシールド電極を接地することでアンテナコイルの電位を静電遮蔽し、容量結合成分を低減することにより、誘電体板のスパッタリングを抑制している。

ここで、シールド電極の電位制御を必要とする背景として、シールド電極の設置位置が挙げられる。従来技術においては、アンテナコイルと誘電体窓の間にシールド電極を設置しているため、アンテナコイルとシールド電極の接触を避け、かつ、アンテナコイルとシールド電極間での放電を回避するため、アンテナコイルとシールド電極間に間隙を設ける必要がある。間隙により、アンテナコイルとプラズマとの距離が離れ、誘導結合が弱まるため、アンテナコイルと誘電体窓が近接している場合と比較し、放電が発生しにくくなる。

上記問題点を鑑み、本発明は、簡便な構造で誘電体板のスパッタリングを抑制し、異常放電の抑制可能なイオンビーム処理装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の態様は、（イ）プラズマ生成空間を規定するプラズマ室と、（ロ）プラズマ生成空間にプラズマを生成するための誘導電磁界を誘起するアンテナコイルと、（ハ）アンテナコイルとプラズマ生成空間との間に、プラズマ室と大気との圧力隔壁として設けられた誘電体窓と、（ニ）誘電体窓とプラズマ生成空間の間に配置される誘電体板と、（ホ）プラズマ生成空間を挟んでアンテナコイルに対向する位置に配置され、プラズマ中のイオンを加速するための多孔引出電極と、（ヘ）誘電体窓と誘電体板の間に配置され、一端が接地されたシールド電極を備えるイオンビーム処理装置であることを要旨とする。

本発明においては、圧力隔壁である誘電体窓と誘電体板の間にシールド電極を設置することにより、アンテナコイルと誘電体窓間に間隙を設ける必要がない。アンテナコイルを誘電体窓に近接して設置することにより、アンテナコイルとプラズマが効率良く誘導結合し、シールド電極を接地して容量結合成分を低減した場合でも、ＲＦ電流を増加させることなく放電を発生させることが可能となる。シールド電極を接地した状態でもプラズマの発生のし易さが変わらないため、シールド電極の電位制御を行う必要がなく、より簡便な構造で誘電体板のスパッタリングを抑制できる。

本発明によれば、簡便な構造で誘電体板のスパッタリングを抑制し、アーク放電の抑制可能なイオンビーム処理装置を提供することができる。

以下図面を参照して、本発明の形態について説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号が付してある。但し、図面は模式的なものであり、装置やシステムの構成等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な構成は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また図面相互間においても互いの構成等が異なる部分が含まれていることは勿論である。

又、以下に示す本発明の実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

本発明の実施の形態に係るイオンビーム処理装置は、図１に示すように、プラズマ生成空間を規定するプラズマ室１０、及びプラズマ室１０で生成されたプラズマＰＬを用いて試料である基板５０に処理を実施する試料室４０等を備える。アンテナコイル１２が、プラズマ室１０の外部に配置される。アンテナコイル１２で発生した交番磁界（誘導電界）から誘起されてプラズマＰＬが、プラズマ室１０内に生成される。アンテナコイル１２は、整合器を介して高周波（ＲＦ）電源１６に接続される。

プラズマ室１０は、アンテナコイル１２と対向する誘電体窓２２と、誘電体窓２２とプラズマＰＬの間に配置される誘電体板２４と、誘電体窓２２と誘電体板２４の間に配置されるシールド電極２０等を備える。更に、プラズマ室１０には、プラズマＰＬの中からイオンビームＩＢを引き出す多孔引出電極３０がプラズマＰＬと基板５０の間に配置される。多孔引出電極３０は、プラズマＰＬ側から基板５０側に向かって配置された第１グリッド３２、第２グリッド３４、及び第３グリッド３６を備える。

試料室４０には、試料（被処理物）である半導体や誘電体等の基板５０が基板ホルダ４２上に載置される。試料室４０及びプラズマ室１０は、排気配管４４に接続された真空ポンプ（図示省略）等により真空排気される。

図２に示すように、アンテナコイル１２の一端に、図１に示したＲＦ電源１６から整合器１４を介してＲＦ電流が供給される。アンテナコイル１２の他端は、接地配線に接続される。シールド電極２０は、接地配線に接続される。多孔引出電極３０の第１グリッド３２には、正電圧Ｖｇａが印加される。第２グリッド３４には、負電圧Ｖｇｂが印加される。第３グリッド３６は、接地配線に接続される。また、プラズマ室１０の本体も、接地配線に接続されている。なお、誘電体窓２２は、Ｏリング等のガスケット４６によりプラズマ室１０を真空保持する。

図３及び図４に示すように、シールド電極２０は、絶縁膜６の表面に設けられた複数の第１導電配線２、及び第２導電配線４を含む。複数の第１導電配線２のそれぞれは、略平行に配置されたストライプ状の互いに孤立した配線である。第２導電配線４は、複数の第１導電配線２の全てと一箇所で接続されたストライプ状の配線である。第２導電配線４の一端に接地配線に接続される接続端子３が設けられる。なお、図４では、シールド電極２０と、誘電体窓２２及び誘電体板２４とを離間して示しているが、プラズマ室１０に実装する場合は、互いに密着して配置される。

第１及び第２導電配線２、４の配線パターンは、絶縁膜６の表面に平行な面においてアンテナコイル１２と平行にならないように櫛状に形成される。そのため、第１及び第２導電配線２、４は、アンテナコイル１２に印加される高周波電流により誘起される電界に対して平行でなく、且つ渦電流ループ回路を形成しない。その結果、第１及び第２導電配線２、４が加熱されて損傷することを防止することができる。

また、アンテナコイル１２が、第１及び第２導電配線２、４の配線パターン内に含まれるように形成される。逆に言えば、第１及び第２導電配線２、４の配線パターンが占める領域は、アンテナコイル１２がなす領域よりも広い。そのため、第１及び第２導電配線２、４により、アンテナコイル１２の電界を静電遮蔽することができ、アンテナコイル１２とプラズマＰＬとの容量結合成分を低減することが可能となる。なお、第１及び第２導電配線２、４は、直線ストライプ状で説明したが、限定されない。例えば、円弧状、蛇行形状、あるいは折れ線形状であってもよい。また、図４に示したように、第１及び第２導電配線２、４が誘電体板２４と対向するようにシールド電極２０を配置しているが、逆の配置であってもよい。

第１及び第２導電配線２、４として、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、及び金（Ａｕ）等の金属等の導電性材料、これらの導電性材料の組み合わせからなる複合材料、又はこれらの導電性材料と他の材料との組み合わせからなる複合材料等の薄膜、あるいは箔が用いられる。絶縁膜６として、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素系樹脂、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、シリコン樹脂、及びエポキシ樹脂等の高分子フィルムが用いられる。絶縁膜６は、アンテナコイル１２とプラズマＰＬとの誘導結合を弱めないように、例えば、約２０μｍ〜約５０μｍと厚さは無視できるほど十分に薄くするのが望ましい。

例えば、シールド電極２０は、フォトリソグラフィ及びエッチング等により、絶縁膜６としての高分子フィルムの表面に形成された金属箔（導電性薄膜）をパターニングして作製することができる。又は、金属箔（導電性薄膜）を接着剤により、絶縁膜６としての高分子フィルム表面に貼り付けて作製してもよい。

あるいは、Ａｌ、Ａｇ、カーボン（Ｃ）、Ｃｕ等の導電体、又はこれらの複合材料の導電ペーストをシルク印刷等によりパターニングして焼成してシールド電極２０を形成してもよい。例えば、導電ペーストとして、Ａｇ、又は銀カーボン（Ａｇ／Ｃ）をエポキシ等の溶剤と混ぜた材料が用いられ、約７０℃〜約２００℃の低温で焼成可能である。したがって、アンテナコイル１２に印加する高周波電流の周波数の変更やアンテナコイル１２の形状変更が生じた場合でも、シールド電極２０の仕様の変更を容易に行うことができる。

誘電体窓２２及び誘電体板２４として、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、石英、及び窒化ボロン（ＢＮ）等の誘電体が用いられる。誘電体窓２２はプラズマ室１０の圧力隔壁のため機械的強度が必要であり、アンテナコイル直径以上の径で、約１０ｍｍ〜約２０ｍｍの厚さが必要となる。誘電体板２４は、アンテナコイルとプラズマの誘導結合を弱めないよう、約１ｍｍ〜約２ｍｍの厚さが望ましい。誘電体板２４はプラズマＰＬからの誘電体窓２２の汚染を防止するために用いられ、適度に取り外して洗浄される。メンテナンスに際しては、誘電体窓２２及びシールド電極２０は取り外す必要は無い。

シールド電極２０は、アンテナコイル１２に対して誘電体窓２２を挟んで配置されるため、アンテナコイル１２と誘電体窓２２間では放電は発生しない。したがって、アンテナコイル１２を誘電体窓２２に接触させて配置しても差し支えない。

例えば、図５にシールド電極を使用しないイオンビーム処理装置を比較例として示す。プラズマ室１０に導入配管（図示省略）から導入されたアルゴン（Ａｒ）等のガスがプラズマＰＬ中でイオン化される。プラズマＰＬ中のイオンは、アンテナコイルとプラズマとの容量結合により、アンテナコイル電位Ｖｃとプラズマ電位Ｖｐとの電位差により加速され、誘電体板２４をスパッタリングする。スパッタリングされた誘電体６２はプラズマ室１０の内壁や引出電極３０、特にプラズマＰＬに面する第１グリッド３２の表面に付着する。第１グリッド３２表面に付着した誘電体膜６４は絶縁材料であり、第１及び第２グリッド３２、３４間に印加された直流電圧Ｖｇａ、Ｖｇｂによりチャージアップして静電破壊する。その結果、引出電極３０の近傍でアーク放電が発生する。

一方、本発明の実施の形態では、図２に示したように、誘電体窓２２と誘電体板２４の間にシールド電極２０が配置されている。シールド電極２０は接地されている。そのため、アンテナコイル１２の電界を静電遮蔽することができ、アンテナコイル１２とプラズマＰＬとの容量結合成分を低減することが可能となる。その結果、プラズマＰＬ中のイオンによる誘電体板２４のスパッタリングを抑制することができる。スパッタリングされた誘電体６２はプラズマ室１０の内壁や引出電極３０、特にプラズマＰＬに面する第１グリッド３２の表面に付着するが、スパッタリング抑制により、第１グリッド３２表面に付着する誘電体膜量が低減されるため、グリッドに印加される直流電圧により引出し電極３０の近傍で発生するアーク放電を低減することが可能となる。

なお、図３及び図４に示すように絶縁膜６を用いないで、図６及び図７に示すように、第１導電配線２と、接続端子３を有する第２導電配線４とをパターニングして作製し、誘電体窓２２に接着剤で直接貼り付ける等により固定してシールド電極２０ａとしてもよい。あるいは、導電ペーストをシルク印刷等によりパターニングして焼成してシールド電極２０ａを誘電体窓２２に固定してもよい。シールド電極２０ａを誘電体窓２２に直接的に固定することにより、誘電体板２４のメンテナンス時にシールド電極２０ａが固定されたまま誘電体板２４のメンテナンスができる。

また、図８及び図９に示すように、第１導電配線２と、接続端子３を有する第２導電配線４とをパターニングして作製し、誘電体板２４に接着剤で直接貼り付ける等により固定してシールド電極２０ｂとしてもよい。あるいは、導電ペーストをシルク印刷等によりパターニングして焼成してシールド電極２０ｂを誘電体板２４に固定してもよい。シールド電極２０ｂを誘電体板２４に直接的に固定することにより、最適なパターンのシールド電極を得ることができる。例えば、アンテナコイル１２に印加する高周波電流の周波数の変更やアンテナコイル１２の形状変更が生じた場合でも、誘電体板２４を交換することによりシールド電極２０ｂの変更を行うことができる。

図３から図９に示す本発明による実施例においては、アンテナコイルと誘電体窓の間にシールド電極を設置する場合と比較し、シールド電極を変更する際にアンテナコイル１２の着脱が不要となる。その結果、アンテナコイルの取付け位置ずれが生じることがなく、図１に示した、基板５０に対する処理の均一性や処理速度等のイオンビーム処理装置の性能の安定化が実現できる。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は本発明の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

本発明の実施の形態に係るイオンビーム処理装置の構成の一例を示す概略図である。 本発明の実施の形態に係るイオンビーム処理装置のプラズマ室の構成の一例を示す概略図である。 本発明の実施の形態に係るイオンビーム処理装置のシールド電極の一例を示す概略平面図である。 図３に示したシールド電極のＡ−Ａ線に沿った断面を示す概略図である。 比較例によるイオンビーム装置のプラズマ室の一例を示す概略図である。 本発明の実施の形態に係るイオンビーム装置のシールド電極の他の例を示す概略平面図である。 図６に示したシールド電極のＢ−Ｂ線に沿った断面を示す概略図である。 本発明の実施の形態に係るイオンビーム装置のシールド電極の更に他の例を示す概略平面図である。 図８に示したシールド電極のＣ−Ｃ線に沿った断面を示す概略図である。

符号の説明

２…第１導電配線
４…第２導電配線
６…絶縁膜
１０…プラズマ室
１２…アンテナコイル
２０…シールド電極
２２…誘電体窓
２４…誘電体板

Claims (11)

1. プラズマ生成空間を規定するプラズマ室と、
   前記プラズマ生成空間にプラズマを生成するための誘導電磁界を誘起するアンテナコイルと、
   前記アンテナコイルと前記プラズマ生成空間との間に、前記プラズマ室と大気との圧力隔壁として設けられた誘電体窓と、
   前記誘電体窓と前記プラズマ生成空間の間に配置される誘電体板と、
   前記プラズマ生成空間を挟んで前記アンテナコイルに対向する位置に配置され、前記プラズマ中のイオンを加速するための多孔引出電極と、
   前記誘電体窓と前記誘電体板の間に配置され、一端が接地されたシールド電極と、
   を備えることを特徴とするイオンビーム処理装置。
2. 前記シールド電極はシールド電極配線を含み、前記シールド電極配線は、互いに孤立した複数の第１導電配線と、該複数の第１導電配線のそれぞれと一箇所の接続箇所を持つ第２導電配線とを備え、前記第２導電配線の一端は接地されていることを特徴とする請求項１に記載のイオンビーム処理装置。
3. 前記シールド電極配線が、前記誘電体窓の前記誘電体板に対向する表面に固定された導電性薄膜のパターンからなることを特徴とする請求項２に記載のイオンビーム処理装置。
4. 前記シールド電極配線が、前記誘電体板の前記誘電体窓に対向する表面に固定された導電性薄膜のパターンからなることを特徴とする請求項２に記載のイオンビーム処理装置。
5. 前記シールド電極配線が、高分子フィルムと該高分子フィルム上の導電性薄膜のパターンからなることを特徴とする請求項２に記載のイオンビーム処理装置。
6. 前記導電性薄膜のパターンが、接着剤で前記誘電体窓に貼り付けられたことを特徴とする請求項３に記載のイオンビーム処理装置。
7. 前記導電性薄膜のパターンが、接着剤で前記誘電体板に貼り付けられたことを特徴とする請求項４に記載のイオンビーム処理装置。
8. 前記第１及び第２導電配線が、導電性ペーストの焼成物であることを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載のイオンビーム処理装置。
9. 前記第１及び第２導電配線が、前記アンテナコイルから誘導される誘導電界に対して平行とならないパターンをなすことを特徴とする請求項２〜８のいずれか１項に記載のイオンビーム処理装置。
10. 前記第１及び第２導電配線がなす配線パターンが占める領域は、前記アンテナコイルがなす領域よりも広いことを特徴とする請求項２〜９のいずれか１項に記載のイオンビーム処理装置。
11. 前記多孔引出電極が、２枚以上であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載のイオンビーム処理装置。

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