JP5195171B2

JP5195171B2 - イオンビーム処理装置

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Publication number: JP5195171B2
Application number: JP2008222076A
Authority: JP
Inventors: 智子上野
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2008-08-29
Filing date: 2008-08-29
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2028-08-29
Also published as: JP2010056028A

Description

本発明は、イオン引出電極を有するイオンビーム処理装置に関する。

エッチング、スパッタリング、堆積等の処理を行うイオンビーム処理装置においては、プラズマ室内で生成されたプラズマ中の荷電粒子が利用される。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プラズマ室から試料室に向かう方向に加速する。加速されたイオンを、試料室に配置された被処理物に衝突させることにより被処理物をエッチングする。

引出電極は、複数のグリッドを有する。複数のグリッドのそれぞれには、イオンビームを通過させるため、互いに連通した複数の貫通孔が設けられる。引出電極が２枚のグリッドを有する場合、プラズマ側のグリッドに正電圧を、試料室側のグリッドに負電圧を印加する。また、引出電極が３枚のグリッドを有する場合、プラズマ側のグリッドに正電圧を、中間のグリッドに負電圧を印加し、試料室側のグリッドは接地される。

プラズマ中のイオンは、引出電極のグリッド間の電位勾配により加速される。イオンの被処理物への入射エネルギーは速度に比例するため、加速されたイオンの入射エネルギー分布を均一にするためには、グリッド間の距離を一定に保つ必要がある。このため、引出電極は、スペーサを複数のグリッドで挟んで組み立てられる。通常スペーサは、イオンビームの通過を阻害しないように、グリッドの外周部に配置され固定される。また、グリッドには、数百Ｖの加速電圧が印加されるため、スペーサには絶縁耐圧の高い材料が用いられる。

引出電極はプラズマに曝されるため、プラズマからの輻射熱によりグリッドの温度が上昇する。プラズマの温度は生成方法や生成条件に依存するが、プラズマに面するグリッドが最も高温となり、１００℃以上になる場合もある。高温となったグリッドは熱膨張する。グリッドは外周部で固定されているため、グリッド表面に平行な方向に伸びることができず、グリッド表面に直交する方向に弓なりに変形する。プラズマに面するグリッドは、最も高温となり、変形量も大きくなる。

引出電極の外周部では、グリッド間にスペーサが挟まれているためグリッド間距離は変化しない。しかし、引出電極の中央部では、プラズマに面するグリッドが弓なりに変形し、グリッド間距離が変化してしまう。そのため、グリッド間の電位勾配が不均一となり、引出電極より引き出されるイオンビームの入射エネルギー分布が変化してしまう。イオンビームの入射エネルギー分布の変化により、エッチング処理においては、エッチング分布の悪化や、エッチング速度の変化等の性能劣化を引き起こしてしまう。

上記問題点を鑑み、本発明は、イオンビームの入射エネルギー分布の変化を抑制することが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）プラズマの生成空間を規定するプラズマ室と、（ロ）複数の第１貫通孔を有する第１グリッド、第１グリッドを挟んで生成空間の反対側に配置され、複数の第１貫通孔のそれぞれに連通する複数の第２貫通孔を有する第２グリッド、第１及び第２グリッド間に配置され、複数の第１貫通孔の中の第１連通孔及び複数の第２貫通孔の中の第２連通孔にそれぞれ嵌合するように両側に突出した第１突起部とを有する第１スペーサを備え、生成空間に面し、プラズマ中のイオンを引き出す引出電極と、（ハ）引出電極に面し、生成空間から引き出されたイオンにより処理される被処理物を載置する基板台と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。

本発明によれば、イオンビームの入射エネルギー分布の変化を抑制することが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、プラズマを生成するプラズマ空間を規定するプラズマ室２０、及びプラズマ室２０で生成されたプラズマＰＬを用いて被処理物である基板３０に処理を実施する処理室２４等を備える。プラズマ源２２が、プラズマ室２０の外部に配置される。プラズマ源２２により誘起されてプラズマＰＬが、プラズマ室２０内に生成される。

プラズマ室２０には、プラズマＰＬの中からイオンを引き出して加速しイオンビームＩＢとする引出電極１０がプラズマＰＬと基板３０の間に配置される。引出電極１０は、円形であり、プラズマＰＬに面する第１グリッド１２、第１グリッド１２を挟んでプラズマ空間の反対側に配置された第２グリッド１４、及び第２グリッド１４を挟んで第１グリッド１２の反対側に配置された第３グリッド１６を備える。なお、引出電極１０の形状は、円形に限定されず、例えば、矩形や多角形であってもよい。

第１グリッド１２には、正電圧Ｖｇａが印加される。第２グリッド１４には、負電圧Ｖｇｂが印加される。第３グリッド１６は、接地配線に接続される。

処理室２４には、被処理物である半導体や誘電体等の基板３０が基板台２６上に載置される。処理室２４及びプラズマ室２０は、排気配管２８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及び図３に示すように、引出電極１０の第１グリッド１２は、複数の第１貫通孔６ａ、及び第１グリッド１２の外周に沿って設けられた複数の貫通孔８ａを有する。第２グリッド１４は、複数の第１貫通孔６ａのそれぞれに連通するように設けられた複数の第２貫通孔６ｂ、及び複数の貫通孔８ａのそれぞれに連通するように設けられた複数の貫通孔８ｂを有する。第３グリッド１６は、複数の第２貫通孔６ｂのそれぞれに連通するように設けられた複数の第３貫通孔６ｃ、及び複数の貫通孔８ｂのそれぞれに連通するように設けられた複数の貫通孔８ｃを有する。

例えば、第１〜第３グリッド１２、１４、１６それぞれの幅Ｗｇは、１ｍｍ〜５ｍｍである。第１及び第２グリッド１２、１４間の間隔Ｗｓは、１ｍｍ〜１０ｍｍである。なお、第２及び第３グリッド１４、１６間の間隔は、実質的に間隔Ｗｓと同じである。また、第１〜第３貫通孔６ａ、６ｂ、６ｃそれぞれの直径Ｄｈは、１ｍｍ〜１０ｍｍである。

スペーサ（第１スペーサ）２が、第１及び第２グリッド１２、１４の間に配置される。図４及び図５に示すように、スペーサ２は、円板状の基体（第１基体）５０と、基体５０から両側に突出した突起部（第１突起部）５２、５４を有する。なお、基体５０の形状は、円板状に限定されず、例えば、矩形や多角形であってもよい。

基体５０の第１グリッド１２側の面に設けられた突起部５２は、複数の第１貫通孔６ａの中の第１連通孔６Ａに嵌合する。基体５０の第２グリッド１４側の面に設けられた突起部５４は、複数の第２貫通孔６ｂの中の第２連通孔６Ｂに嵌合する。

スペーサ２の基体５０の厚さＷａは、第１及び第２グリッド１２、１４間の間隔Ｗｓと略同一である。突起部５２、５４それぞれの直径Ｄｐ、Ｄｑは、第１及び第２連通孔６Ａ、６Ｂの直径Ｄｈと略同一である。突起部５２、５４それぞれの高さＷｂ、Ｗｃは、第１及び第２グリッド１２、１４の厚さＷｇ以下とすることが望ましい。特に、突起部５２の高さＷｂが第１グリッド１２の厚さＷｇを超えると、後述するように、誘電体であるスペーサがチャージアップすることにより、プラズマ空間から見込んだ引出電極１０の面内に電位の特異点が生じ、引き出されるイオンビームの分布が不均一になる可能性があるためである。また、スペーサ２は、第１連通孔６Ａ以外の第１貫通孔６ａを塞がない程度の寸法にすることが望ましい。塞がれる第１貫通孔６ａが増えると、イオンビームが引き出されない孔が増えることにより、被処理物のエッチング分布に影響を及ぼす可能性があるためである。

図３に示したように、第１〜第３グリッド１２、１４、１６それぞれの貫通孔８ａ、８ｂ、８ｃに連通する貫通孔８ｄ、８ｅを有する組立用スペーサ４が、第１及び第２グリッド１２、１４の間、並びに第２及び第３グリッド１４、１６の間に配置される。組立用スペーサ４の厚さは、第１及び第２グリッド１２、１４間の間隔Ｗｓと略同一である。また、貫通孔８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅそれぞれの直径は、略同一である。したがって、貫通孔８ａ、８ｄ、８ｂ、８ｃ、８ｅは、一連の組立用貫通孔８を形成する。

スペーサ２、４として、セラミックス等の絶縁耐圧が高い誘電体材料が用いられる。第１〜第３グリッド１２、１４、１６として、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）等の金属が用いられる。また、プラズマ源２２として、誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ）、電子サイクロトロン共鳴プラズマ（ＥＣＲ）、ヘリコン波励起プラズマ（ＨＷＰ）、マイクロ波励起表面波プラズマ（ＳＷＰ）等のプラズマ源が使用可能である。

図６に示すように、引出電極１０の外周に沿って設けられた複数の組立用貫通孔８に、絶縁性の円筒状部品４０、ボルト４１及びナット４２を締結して第１〜第３グリッド１２、１４、１６を固定し、引出電極１０が組み立てられる。金属等の導電性のボルト４１及びナット４２を用いる場合、ボルト４１と第１グリッド１２の間に絶縁座金４４が挿入される。

図１に示したプラズマ室２０にプラズマ源２２によりプラズマＰＬが生成されると、プラズマの輻射熱により引出電極１０の温度が上昇する。プラズマＰＬに近いほどグリッド温度は高くなり、例えば、プラズマＰＬに接する第１グリッド１２では、１００℃以上になる場合もある。従来の引出電極においては、引出電極の外周でボルト及びナットを締結して第１〜第３グリッドを固定している。そのため、第１グリッドは、第２及び第３グリッドに比べて加熱により引出電極表面に直交する方向に弓なりに変形し、引出電極中央部での第１及び第２グリッド間の距離が変化する。その結果、第１及び第２グリッド間の電位勾配が不均一となり、引出電極より引き出されるイオンビームの被処理物への入射エネルギー分布が変化してしまう。

本発明の実施の形態に係る引出電極１０では、第１及び第２連通孔６Ａ、６Ｂに嵌合した突起部５２、５４を有するスペーサ２が第１及び第２グリッド１２、１４間に配置される。スペーサ２の基体５０の厚さＷａは、第１及び第２グリッド１２、１４間の間隔Ｗｓと略同一である。第１グリッド１２がプラズマの輻射により加熱されても、第１及び第２連通孔６Ａ、６Ｂに嵌合した突起部５２、５４により、第１グリッド１２の変形が抑制され、第１及び第２グリッド１２、１４間の間隔Ｗｓはほとんど変化しない。スペーサ２には高絶縁耐圧を有する誘電体が用いられているので、第１及び第２グリッド１２、１４間に形成される電位勾配に影響を与えない。また、第１連通孔６Ａがスペーサ２により塞がれるが、一般にイオンビームは発散角を持つため、第１連通孔６Ａの周囲の複数の第１貫通孔６ａを経由したイオンビームの発散により、第１連通孔６Ａに対応する被処理物位置にもイオンビームが入射し、エッチング分布には影響しない。このように、本発明の実施の形態によれば、基板３０表面に供給されるイオンビームの入射エネルギー分布の変化を抑制することが可能となり、且つ、実施の形態に係る引出電極１０によるエッチング分布への影響もない。

なお、スペーサ２は、引出電極１０の面内の中央部に配置するのが好ましい。スペーサ２を中央部に配置すれば、第１グリッド１２の変形を効果的に抑制することが可能である。第１グリッド１２の変形をさらに効果的に抑制するために、複数のスペーサを引出電極１０の面内に適切な間隔で配置してもよい。

また、引出電極１０においては、第１及び第２グリッド１２、１４間にスペーサ２が配置されている。しかし、図７に示すように、第２及び第３グリッド１４、１６間にスペーサ(第２スペーサ)２ａを更に配置した引出電極１０ａを用いてもよい。スペーサ２ａは、基体（第２基体）５０ａ、及び突起部（第２突起部）５２ａ、５４ａを有する。基体５０ａは、第２及び第３グリッド１４、１６の対向する面に挟まれる。基体５０ａの第２グリッド１４側の面に設けられた突起部５２ａは、第２連通孔６Ｂに嵌合する。基体５０ａの第３グリッド１６側の面に設けられた突起部５４ａは、第２連通孔６Ｂに連通する複数の第３貫通孔６ｃの中の第３連通孔６Ｃに嵌合する。

基体５０ａの厚さは第２及び第３グリッド１４、１６間の間隔と略同一とする。また、スペーサ２、２ａの突起部５４、５２ａの高さは、第２連通孔６Ｂ内で干渉しないように、例えば第２グリッド１４の厚さの２分の１未満である。したがって、プラズマの輻射により引出電極１０ａの温度が上昇しても、第１及び第２グリッド１２、１４、並びに、第２及び第３グリッド１４、１６間の間隔はほぼ一定に保たれる。その結果、基板３０表面に供給されるイオンビームの入射エネルギー分布の変化をより効果的に抑制することが可能となる。

(変形例)
本発明の実施の形態の変形例に係る引出電極１０ｂは、図８及び図９に示すように、第１グリッド１２の中央部において、スペーサ２ｂが、第１及び第２グリッド１２、１４の間に配置される。スペーサ２ｂは、基体５０ｂ、及び突起部５２ｂ、５４ｂを有する。また、第１グリッド１２側には、突起部５２ｂの表面及び側面を覆い基体５０ｂの表面の少なくとも一部に延在する導電膜５６が設けられる。導電膜５６は、第１グリッド１２と電気的に接続される。基体５０ｂは、第１及び第２グリッド１２、１４の対向する面に挟まれて配置される。突起部５２ｂは、第２連通孔６Ｂに嵌合する。突起部５４ｂは、第２連通孔６Ｂに連通する複数の第３貫通孔６ｃの中の第３連通孔６Ｃに嵌合する。

本発明の実施の形態の変形例では、スペーサ２ｂが、突起部５２ｂから基体５０ｂの表面の少なくとも一部に延在し、第１グリッド１２と電気的に接続された導電膜５６を有する点が実施の形態と異なる。他の構成は、実施の形態と同様であるので、重複する記載は省略する。

実施の形態の変形例に係る引出電極１０ｂでは、第１グリッド１２の中央部において、第１及び第２連通孔６Ａ、６Ｂに嵌合した突起部５２ｂ、５４ｂを有するスペーサ２ｂが第１及び第２グリッド１２、１４間に配置される。スペーサ２ｂの基体５０ｂの厚さは、第１及び第２グリッド１２、１４間の間隔と略同一である。第１グリッド１２がプラズマの輻射により加熱されても、第１及び第２連通孔６Ａ、６Ｂに嵌合した突起部５２ｂ、５４ｂにより、第１グリッド１２の変形が抑制され、第１及び第２グリッド１２、１４間の間隔はほとんど変化しない。また、スペーサ２ｂでは、導電膜５６が第１グリッド１２に電気的に接続されている。プラズマ側から第１グリッド１２を見込んだ場合、第１グリッド１２面内の電位分布は一様になり、電位の特異点が生じない。したがって、引出電極１０ｂで引き出されるイオンビームの軌道は、スペーサ２ｂにより影響されない。このように、実施の形態の変形例によれば、基板３０表面に供給されるイオンビームの入射エネルギー分布の変化を効果的に抑制することが可能となる。

なお、図１０に示すように、第２及び第３グリッド１４、１６間にスペーサ２ｃを更に配置した引出電極１０ｃを用いてもよい。スペーサ２ｃは、基体５０ｃ、及び突起部５２ｃ、５４ｃを有する。また、第３グリッド１６側には、突起部５４ｃの表面及び側面を覆い基体５０ｃの表面の少なくとも一部に延在する導電膜５６ａが設けられる。導電膜５６ａは、第３グリッド１６と電気的に接続される。基体５０ｃは、第２及び第３グリッド１４、１６の対向する面に挟まれて配置される。突起部５２ｃは、第２連通孔６Ｂに嵌合する。突起部５４ｃは、第２連通孔６Ｂに連通する複数の第３貫通孔６ｃの中の第３連通孔６Ｃに嵌合する。

基体５０ｃの厚さは第２及び第３グリッド１４、１６間の間隔と略同一とする。また、スペーサ２ｂ、２ｃの突起部５４ｂ、５２ｃの高さは、第２連通孔６Ｂ内で干渉しないように、第２グリッド１４の厚さの２分の１未満である。したがって、プラズマの輻射により引出電極１０ｃが加熱されても、第１及び第２グリッド１２、１４、並びに、第２及び第３グリッド１４、１６間の間隔はほぼ一定に保たれる。その結果、基板３０表面に供給されるイオンビームの入射エネルギー分布の変化をより効果的に抑制することが可能となる。

（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引出電極の一例を示す概略平面図である。図２に示した引出電極のＡ−Ａ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引出電極のスペーサの一例を示す概略平面図である。図４に示したスペーサの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引出電極の組立の一例を示す概略断面図である。本発明の実施の形態に係る引出電極の他の例を示す概略断面図である。本発明の実施の形態の変形例に係る引出電極の一例を示す概略断面図である。本発明の実施の形態の変形例に係る引出電極のスペーサの一例を示す概略断面図である。本発明の実施の形態の変形例に係る引出電極の他の例を示す概略断面図である。

符号の説明

２…スペーサ
６Ａ…第１連通孔
６Ｂ…第２連通孔
６Ｃ…第３連通孔
６ａ…第１貫通孔
６ｂ…第２貫通孔
６ｃ…第３貫通孔
１０…引出電極
１２…第１グリッド
１４…第２グリッド
１６…第３グリッド
２０…プラズマ室
２６…基板台
３０…基板
５０…基体
５２、５４…突起部

Claims

プラズマの生成空間を規定するプラズマ室と、
複数の第１貫通孔を有する第１グリッド、前記第１グリッドを挟んで前記生成空間の反対側に配置され、前記複数の第１貫通孔のそれぞれに連通する複数の第２貫通孔を有する第２グリッド、前記第１及び第２グリッド間に配置され、前記複数の第１貫通孔の中の第１連通孔及び前記複数の第２貫通孔の中の第２連通孔にそれぞれ嵌合するように両側に突出した第１突起部を有する第１スペーサを備え、前記生成空間に面し、前記プラズマ中のイオンを引き出す引出電極と、
前記引出電極に面し、前記生成空間から引き出された前記イオンにより処理される被処理物を載置する基板台
とを備え、
前記第１及び第２グリッドは、外周が互いに固定され、
前記第１スペーサは、前記第１及び第２グリッドの外周の互いに固定された位置から内側に配置される
ことを特徴とするイオンビーム処理装置。
前記第１スペーサが、前記第１グリッド側の表面において前記第１突起部から前記第１スペーサの表面の一部に延在し、前記第１グリッドと電気的に接続された導電膜を有す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。
前記第１スペーサが、前記引出電極の面内の中央部に配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載のイオンビーム処理装置。
前記引出電極が、
前記第２グリッドを挟んで前記第１グリッドの反対側に配置され、前記複数の第２貫通孔に連通するように設けられた複数の第３貫通孔を有する第３グリッドと、
前記第２及び第３グリッドの間に配置され、前記第２連通孔及び前記複数の第３貫通孔の中の第３連通孔にそれぞれ嵌合するように両側に突出した第２突起部を有する第２スペーサ
とを更に備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のイオンビーム処理装置。
前記第２スペーサが、前記第３グリッド側の表面において前記第２突起部から前記第２スペーサの表面の一部に延在し、前記第３グリッドと電気的に接続された導電膜を有する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。