JP5216918B2 - イオンビーム発生装置、基板処理装置及び電子デバイスの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、イオンビーム発生装置、及び該イオンビーム装置を対向して設けた基板処理装置、及びこれらを用いた電子デバイスの製造方法に関する。
半導体基板や磁気ディスク基板の微細化に伴い、より高精度かつ均一に微細加工や表面の平坦化加工を行う技術が求められている。特許文献１には、高精度な表面加工を行なうために、加速用グリッドを半導体表面に対して斜めに設けた半導体加工装置が開示されている。また、特許文献２には、基板の両面を平坦化するため、プラズマ発生源と、複数の電極板を有しこれら電極板に前記プラズマ発生源のイオンが通過するための複数の貫通孔が形成された引き出し電極部と、を含み、該引き出し電極部は、前記複数の電極板におけるこれら電極板を横切る所定の基準面の一方側の部分を含みこれらの部分が前記基準面における前記引き出し電極部よりも前記プラズマ発生源から離間する側の所定の照射対象領域に対向するように前記基準面に対して傾斜した第１の電極部と、前記複数の電極板における前記基準面の他方側の部分を含みこれらの部分が前記照射対象領域に対向するように前記基準面に対して傾斜した第２の電極部と、を有することを特徴とするイオンガンが開示されている。
しかしながら、特許文献１に係る半導体加工装置では、基板上の各位置と引き出し電極との距離が異なるので、基板処理における高精度な均一性を得ることができないという問題が発生していた。これに対して、特許文献２に係るイオンガンのように、基板を回転させることも可能であるが、コンパクト化が求められている装置、特に基板の両面に成膜する装置では、装置の制約上、基板を回転する機構を設けることができない。
そこで、本発明は、基板を回転させる機構を設けることなく、高精度な均一性を得ることができるイオンビーム発生装置を提供することを目的とする。
本発明のイオンビーム発生装置は、
プラズマを発生するための放電槽と、
被照射面に対して傾斜して配置された傾斜部を有し、前記放電槽で発生されたイオンを引き出す引出し電極と、
前記引出し電極部を回転させる回転駆動部と、
を備えることを特徴とする。
プラズマを発生するための放電槽と、
被照射面に対して傾斜して配置された傾斜部を有し、前記放電槽で発生されたイオンを引き出す引出し電極と、
前記引出し電極部を回転させる回転駆動部と、
を備えることを特徴とする。
また、本発明の基板処理装置は、
基板を保持する基板ホルダを有し、
前記基板の両面に対して、対向して前記本発明のイオンビーム発生装置が設けられていることを特徴とする。
基板を保持する基板ホルダを有し、
前記基板の両面に対して、対向して前記本発明のイオンビーム発生装置が設けられていることを特徴とする。
さらに、本発明の電子デバイスの製造方法は、
プラズマを発生するための放電槽と、
被照射面に対して傾斜して配置された傾斜部を有し、かつ前記放電槽で発生されたイオンを引き出す引出し電極と、
前記引出し電極部を回転させる回転駆動部と、
を備えたイオンビーム発生装置を用いた電子デバイスの製造方法であって、
前記引出し電極の傾斜部に対して、基板の表面を傾斜させて配置する基板配置工程と、 前記引出し電極の傾斜部からイオンを引き出して前記基板に照射する照射工程と、
前記引出し電極を回転させる回転工程とを含むことを特徴とする。
プラズマを発生するための放電槽と、
被照射面に対して傾斜して配置された傾斜部を有し、かつ前記放電槽で発生されたイオンを引き出す引出し電極と、
前記引出し電極部を回転させる回転駆動部と、
を備えたイオンビーム発生装置を用いた電子デバイスの製造方法であって、
前記引出し電極の傾斜部に対して、基板の表面を傾斜させて配置する基板配置工程と、 前記引出し電極の傾斜部からイオンを引き出して前記基板に照射する照射工程と、
前記引出し電極を回転させる回転工程とを含むことを特徴とする。
本発明によれば、基板を回転させる機構を設けることなく、基板処理における高精度な均一性を得るとともに、消費電力を低減可能なイオンビーム発生装置を提供することができる。よって、本発明によれば、電子デバイスの製造において、イオンビームを用いた基板の表面処理を良好に行うことができる。
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明するが、本発明は本実施形態に限定されるものではない。
図１を参照して、本発明の基板処理装置の一実施形態について説明する。図１は、本例の基板処理装置を上から観た構成を示すブロック図である。
図１に示すように、基板処理装置１００は、概ね、基板（ウエハ）Ｗと、基板Ｗを挟んで対向配置された第１及び第２のイオンビーム発生装置１ａ，１ｂと、制御部１０１と、カウンタ１０３と、コンピュータインターフェース１０５と、を備えている。
本例における基板Ｗはハードディスク等の磁気記録媒体用基板であり、一般的には略円板状の基板の中心部に開口部が形成されている。基板Ｗは、例えば図２に示されるような基板キャリアにより、鉛直方向に沿って起立した姿勢で保持されている。
ここで図２を参照して基板搬送装置（キャリア）の一構成例を説明する。図２（ａ）及び（ｂ）はキャリアの構造を示す模式的正面図及び側面図である。図２に示すように、キャリアは、２つの基板ホルダ２０と、基板ホルダ２０を鉛直方向（縦向き）に保持し搬送路上を移動するスライダ部材１０とから構成される。スライダ部材１０及び基板ホルダ２０には、通常軽量のＡｌ（Ａ５０５２）等が用いられる。
基板ホルダ２０は、中央部に基板Ｗが挿入される円形の開口２０ａを有し、下部側ではその幅が２段階に縮小する形状となっている。開口２０ａの周囲に３カ所にインコネル製のＬ字型バネ部材２１，２２，２３が取り付けられ、このうち、バネ部材（可動バネ部材）２３は下方に押し下げられる構成となっている。バネ部材２１，２２，２３の先端部には、基板の外周端面を把持するためのＶ字型の溝が形成され、開口２０ａ内に突出している。ここで、バネ部材２１，２２，２３の取り付け方向は、回転対称的に取り付けられている。また、２つのバネ部材２１，２２の支持爪は、基板ホルダ開口中心を通る鉛直線に対し対称な位置に配置され、可動バネ部材２３の支持爪は、この鉛直線上に配置される。このように配置することにより、基板Ｗをキャリアに装着する際に、何らかの原因で基板ホルダ２０の開口中心と装着される基板Ｗの中心とが若干ずれた場合でも、基板Ｗが回転する方向に力が加わるため、より均等に３本の支持爪で基板Ｗを保持することができ、また熱膨張があった場合に増長されるずれを解消することができる。基板ホルダ２０の中間部２０ｂは、スライダ部材１０内部に取り付けられたアルミナ等の絶縁部材１１ａ，１１ｂによりその側端面が保持される。また、バネ部材２３の先端部２０ｃは、基板バイアス印加用接点との接触部となる。
スライダ部材１０は、図２（ｂ）に示すように、中央部にくぼみ１０ｂが形成されたコの字型の断面形状を有し、上部の肉厚部１０ａには、基板ホルダ２０の中間部２０ｂを保持するためのスリット状の溝がくぼみ部１０ｂに貫通して形成されている。スリット状溝内の両端には１対の絶縁部材１１ａ，１１ｂが配置され、スライダ部材１０の端部側の絶縁部材１１ａは溝内に固定され、スライダ部材１０の中央側の絶縁部材１１ｂは左右に移動可能に配置されている。さらに、可動絶縁部材１１ｂをスライダ部材１０の端部側に付勢するように板バネ１２が取り付けられている。このように、スライダ部材の溝内に基板ホルダ２０を差し込み、ネジ１３を締め付けることにより、基板ホルダはキャリア外側に押しつけられ強固に固定される。
また、スライダ部材１０の底部には、上述したように、多数の磁石１４が着磁方向を交互に逆にして取り付けられ、スライダ部材１０は、搬送路に沿って配置される回転磁石２４との相互作用により移動する。尚、搬送路からスライダの離脱を防止するためのガイドローラ２５や、倒れを防止するためのローラ２６が所定の間隔を開けて搬送路に取り付けられている。
再び図１に戻り、基板Ｗの両面に臨むように、基板Ｗを挟んで第１のイオンビーム発生装置１ａと第２のイオンビーム発生装置１ｂとが対向配置されている。即ち、第１のイオンビーム発生装置１ａ及び第２のイオンビーム発生装置１ｂの各々は、それらの間の領域にイオンビームを照射するように配置されており、該領域に開口部を有する基板Ｗを保持する基板キャリアが配置される。
第１のイオンビーム発生装置１ａは、ＲＦ（高周波）電極５ａと、プラズマを発生するための放電槽２ａと、プラズマ中のイオンの引き出し機構としての引出し電極７ａ（基板側から電極７１ａ、７２ａ、７３ａ）と、を備えている。電極７１ａ，７２ａ，７３ａは、それぞれ独立に制御可能なように電圧源８１ａ，８２ａ，８３ａと接続されている。引出し電極７ａの近傍には、中和器９ａが設置されている。中和器９ａは、イオンビーム発生装置１ａにより発射されたイオンビームを中和するため、電子を照射できるように構成されている。
放電槽２ａ内には、不図示のガス導入手段よりアルゴン（Ａｒ）等の処理ガスが供給される。ガス導入手段より放電槽２ａ内へＡｒが供給され、ＲＦソース源８４ａから電極５ａへＲＦパワーを印加して、プラズマが生成される。プラズマ中のイオンは、引出し電極７ａにより引き出されて、基板Ｗにエッチング処理を施す。
第２のイオンビーム発生装置１ｂについても、上記イオンビーム発生装置１ａと同様に構成されているので、説明を省略する。
制御部１０１は、イオンビーム発生装置１ａの電圧源８ａ及びイオンビーム発生装置１ｂの電圧源８ｂと接続されており、それぞれの電圧源８ａ，８ｂを制御している。
コンピュータインターフェース１０５は、制御部１０１及びカウンタ１０３と接続されており、装置使用者により、クリーニング条件（処理時間等）が入力可能に構成されている。
次に、図３および図４を参照して、イオンビーム発生装置１（１ａ，１ｂ）について詳細に説明する。
図３は、本発明のイオンビーム発生装置の一実施形態の詳細構造を示す概略断面図である。また、図４は、引出し電極部の一例の形状を説明する上面図及び側面図である。尚、第１及び第２のイオンビーム発生装置１ａ，１ｂの構造は共通するので、適宜ａ，ｂの枝符号を省略して説明する。
図３に示すように、イオンビーム発生装置１は、プラズマ・ボリュームを閉じ込める放電槽２を備えている。この放電槽２の圧力は、通常、約１×１０-4Ｐａ（１×１０-5ｍｂａｒ）から約１×１０-2Ｐａ（１×１０-3ｍｂａｒ）の範囲に維持される。放電槽２は、プラズマ閉じ込め容器３によって区画され、その周辺には、プラズマが形成された結果、放電槽２内に放出されるイオンをトラップする多極磁気手段４が配置されている。この磁気手段４は、通常、複数の棒状の永久磁石を備えている。また、極性が交互に変わる複数の比較的長い棒磁石を使用して、Ｎ、Ｓサイクルが１つの軸に沿ってのみ発生する構成でも良い。また、より短い磁石をＮ、Ｓサイクルが直交した２つの軸がなす平面上に広がるように配置したチェッカーボード構成でもよい。
ＲＦコイル手段（ＲＦ電極）５によって、ＲＦパワーがプラズマ閉じ込め容器３の後壁に付与され、誘電ＲＦパワー・カップリング・ウィンドウ６を経由して放電槽２に供給される。
図３に示すようにプラズマ閉じ込め容器３の前壁には、放電槽２内に形成されたプラズマからイオンを引出し、イオンビームの形でプラズマ閉じ込め容器３から出てくるイオンを加速する引出し電極７が配置されている。図４に示すように引出し電極７は、基板Ｗの被照射面に対して斜めにイオンビームが入射する平板グリッド構造を有する第１傾斜部７４、第２傾斜部７５、第３傾斜部７６、第４傾斜部７７と、基板Ｗの被照射面に対して略平行に対向して設けられた平坦部７８と、を有している。グリッド構造とは、イオンビームが照射される多数の微細孔が形成された構造をいう。
引出し電極７の平坦部７８は、シャフト（回転支持部材）３１の一端と接続され、シャフト３１の他端は放電槽２の外部にある回転機構（回転駆動部）３０に接続されている。シャフト３１は、大気側と真空側（放電槽２内部）とを仕切ながら回転可能な回転シール部３３を介して、引出し電極７と回転機構３０及び引出し電極７への電圧印加機構８０を連結している。本例では、回転動力伝達部（例えば回転ギア）３２を介して回転機構（例えば、駆動モータ等）３０の駆動により、引出し電極７は回転可能になっている。電圧印加機構８０には引出し電極７に電圧を供給する電源８１，８２，８３が接続され、引出し電極７１，７２，７３へ各々独立に電圧を印加している。引出し電極７の回転軸は、基板Ｗの中心を通るように配置されている。
また、図３に示すように第１傾斜部７４と第２傾斜部７５は、回転軸Ｏに対して、対称に構成されている。同様に第３傾斜部７６と、第４傾斜部７７とも、互いに回転軸Ｏに対して対称に構成されている。つまり、図４に示すように第１傾斜部７４、第２傾斜部７５、第３傾斜部７６、及び第４傾斜部７７は、基板Ｗの被照射面を向くように傾斜して形成されており、回転軸Ｏに対して、互いに対称に構成されている。基板Ｗへのイオンビームの入射角度θ（基板Ｗの垂線とイオンビームとの角度をθとする。）は、９０°よりも小さいことが好ましく、６０°以上８５°以下がより好ましい。
尚、本例では平坦部７８は、イオンビームが照射されない非照射部となっているが、これに限定されず、イオンビームを照射できるようにグリッド構造を有するようにしてもよい。また本例では引出し電極７は、正方形の平坦部７８の周囲に４つの傾斜部７４，７５，７６，７８を配置したが、これに限定されず、多角形の平坦部の周囲に複数の傾斜部を設けてもよい。また、図５に示すように円形の平坦部７５の周囲に円錐状の傾斜部７４を形成するようにしてもよい。
次に、図６及び図７を参照して、引出し電極の回転軸に対して、非対称に構成された引出し電極の形状を説明する。
図６は、引出し電極の形状を説明する断面図である。図７は引出し電極の形状を説明する上面図及び側面図である。図６に示すように第１傾斜部７４と第３傾斜部７６は回転軸に対して、非対称に形成されている。この場合、引出し電極７の回転軸は、基板Ｗの中心を通るように配置されている。また、図７に示すように、第２傾斜部７５と第４傾斜部７７は、イオンビームが照射されない非照射面となっている。以上により、基板に対して、第１傾斜部７４と第３傾斜部７６の異なる角度からイオンビームを入射させることができる。さらに、回転機構３０により、引出し電極７を回転させることにより、異なる角度からイオンビームを入射させながらも、高精度な均一な処理を実現することができる。
また、回転軸に対して非対称に構成された引出し電極の他の例としては、図８に示す形状でもよい。即ち、第１傾斜部７４と第２傾斜部７５は、回転軸Ｏに対して、非対称に形成されている。同様に第３傾斜部７６と第４傾斜部７７は、回転軸Ｏに対して、非対称に形成されている。つまり、向かい合う傾斜部同士は回転軸Ｏに対して対称に構成されているが、隣接する傾斜部同士は回転軸に対して非対称に構成されている。この場合、引出し電極７の回転軸Ｏは、基板Ｗの中心を通るように配置されている。このように回転軸に対して非対称な引出し電極も、回転させることにより、均一な基板処理を実現することができる。
また、図９に示すように、基板Ｗを向くように形成された複数の傾斜面７４が、回転軸に向かって隣接する面ごとに連続して傾斜角度が大きくなるように形成してもよい。
図１０は、プラズマ閉じ込め容器３の開口外周部と引出し電極７との位置関係を説明する図である。本例では容器３及び第１の引出し電極７１は正の同一電位、第２の引出し電極７２は負の電位、第３の引出し電極は７３は接地電位としている。第１の引出し電極７１と閉じ込め容器３の隙間には第２の引出し電極７２がプラズマに対向して配置されている。第２の引出し電極７２は負の電位を有しており、プラズマから第２の電極７２に向かって放出される電子はこの電位によりプラズマ側へ跳ね返される。プラズマの漏洩は電子の漏洩とそれに続き引き起こされる、漏洩電子によるガス分子のイオン化により発生する。本例では第２の引出し電極７２で電子を跳ね返すように構成するためプラズマ引出し電極７２と容器３の隙間からの放電の漏洩を抑制できる。尚、容器３の側壁と第２の引出し電極７２との距離Ｌはできるだけ小さい（例えば５ｍｍ以下）ことが好ましく、ソースプラズマの壁シースより短くなるように構成されている。こうすることで、引出し電極７を回転するに当たり、引出し電極７の外周部と容器３の開口外周部と摺動することなく、かつプラズマ閉じ込め部から被処理面側へのプラズマの漏洩を防止することができる。
図１１及び図１２を参照して、イオンビーム発生装置の消費電力を低減する変形例について説明する。
図１１は、本発明の基板処理装置の一実施形態のイオンビーム発生装置１ａ，１ｂの詳細構成を説明する断面図である。図１２は、図１１のＸ−Ｘ線における断面図である。図１１では図３と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。また、引出し電極７は図３に示すように３つの電極７１、７２、７３から構成されるが、図１１では説明の簡略化のため省略して一つの電極で示した。また、各部材の符号の枝番ａ，ｂは省略した。
図１１に示すように、シャフト３１の周囲には、環状の絶縁体ブロック３４が配置されている。また、図１２に示すように絶縁体ブロック３４は、シャフト３１を中心として、同軸上に形成されている。さらにプラズマ閉じ込め容器３の内壁も、同様にシャフト３１を中心として、同軸上に形成されている。そのため、放電領域もシャフト３１を中心として点対称に形成されているので、均一なプラズマ空間を形成している。
本例では、イオンを照射するグリッド部が引出し電極７の一部のみに配置され、他の部分に配置されていない。特にイオンビームを高角度で被処理基板Ｗに入射させる場合には、図１１に示すように外周部のみにグリッドが配置される。一方で、イオンソースの小型化を図るため、プラズマ発生源は単一で構成されることが望まれる。このような場合、グリッド部付近以外で生成されたプラズマは基板処理に寄与しない。このように不要な部分にプラズマを発生させるのはＲＦコイル手段５に電力を供給する電源の大型化や省電力の観点から望ましくない。これに対し図１１，１２で示すようにグリッド部付近以外に絶縁体ブロック３４を配置することで、放電領域３５を必要な部分にのみ形成し、不要な電力の消費を抑えることができ、さらには同一電力でも高い処理速度を達成することができる。
図１３は、イオンビームの消費電力を低減する別の実施形態を示す。本例ではシャフト３１の周囲のプラズマ閉じ込め容器３と引出し電極７の隙間３６は、異常放電や、別の空間からプラズマの進入を防ぐことが出来るように十分狭く構成されている。この隙間は発生するプラズマの壁シース厚み以下とすると良い。一方容器３の外周のグリッド７４、７６近傍は放電を起こしたりプラズマが拡散するために十分な空間３５を確保している。このようにするとＲＦコイル手段５に印加したＲＦ電力は放電槽外周部の空間に集約的に供給され他の部分では消費されない。これにより前記図１１，図１２の例と同様に消費電力を低減することができる。
図１４は、本発明のイオンビーム発生装置の回転機構３０及び電圧印加機構８０の詳細構成を説明する側断面図である。尚、図１４においても図３と同様に、各部材の符号の枝番を省略する。
回転機構３０は、駆動モータ（不図示）と、駆動モータの回転力をシャフト３１に伝達する回転ギア３２から構成されている。シャフト３１の内部には、シャフト３１と共に回転し、且つ３つの引出し電極７１、７２、７３へそれぞれ外部電力を供給するための３つの電力導入部３７、３８、３９が設けられている。３つの電力導入部３７、３８、３９の端部は、固定して設けられた摺動部４２，４３，４４を介して、外部電源８２、８１と接続されている。つまり、シャフト３１の内部には、電力導入部３７、３８、３９と摺動部４２，４３，４４とからなる回転電力導入機構が設けられている。このように回転している電力導入部３７、３８、３９と、摺動部４２，４３，４４が摺動することで、外部電力を引出し電極７１，７２，７３へ供給することができる。尚、本例では引出し電極７１は接地電位としている。また、シャフト３１と３つの回転電力導入部３７、３８、３９の間には、互いに接触しないように絶縁体４５、４６，４７が設けられている。
シャフト３１の引出し電極７側の端部付近には、回転するシャフト３１と固定されたプラズマ閉じ込め容器３との間で、プラズマ閉じ込め容器３の真空を維持する為の回転シール機構３３が設置されている。図１４には２つのＯリングを介して真空を維持する回転シール機構が記されている。
尚、本例では引出し電極７に直流電圧を印加しているが、直流パルスや高周波電圧を印加することもできる。
次に図１５を参照して、基板Ｗに対して傾斜して配置した引出し電極７を回転させる理由を説明する。図１５（ａ）に示すように、基板Ｗの表面に対する垂線に対するイオンビームの角度を入射角度θ、基板Ｗ上の各点をＡ，Ｂ，Ｃと規定する。Ａは基板Ｗの表面の紙面左端、Ｂは基板Ｗの表面の中央部、Ｃは基板Ｗの表面の紙面右端である。引出し電極７を回転させずにイオンビームを入射させた時の各点におけるイオン入射頻度を図１５（ｂ）に、引出し電極を回転させた場合各点におけるイオン入射頻度を図１５（ｃ）に示す。図１５（ｂ）に示すように、基板Ｗ上の各点において、それぞれイオンビームの入射頻度が異なっていることが分かる。即ち、イオンビームが斜め入射する場合、基板Ｗの表面の各点において、それぞれ処理にバラツキが生じ、均一な処理ができない。そこで、引出し電極７を回転させることにより、図１５（ｃ）に示すように、均一な基板処理をすることができる。
次に、図１を参照して、本例の基板処理装置１００の作用について説明する。
第１のイオンビーム発生装置１ａから基板Ｗの一方の表面（被処理面）にイオンビームが照射されて、基板Ｗの一方の被処理面が処理される。同様に、第２のイオンビーム発生装置１ｂから基板Ｗの他方の被処理面にイオンビームが照射されて、基板Ｗの他方の処理面が処理される。
本実施形態の基板処理装置１００では、第１、第２のイオンビーム発生装置１ａ，１ｂには各々基板Ｗの各被処理面にイオンが傾斜して入射するように引出し電極７ａ，７ｂが傾斜して構成され、且つ引出し電極７ａ，７ｂを回転する回転機構３０ａ，３０ｂにより回転するように構成されている。基板Ｗは静止した状態で配置し（基板配置工程）、引出し電極７ａ，７ｂを回転させながら（回転工程）、基板Ｗに対して斜めにイオンビームを入射させる（照射工程）ことにより、イオンビームが基板Ｗへ入射する際の基板内各位置での入射角分散の時間平均を一定とすることができると共に、均一な基板処理を実現できる。
次に本発明に係るイオンビームの入射角を傾斜させることの効果について説明する。
イオンビームを入射させて基板に表面処理を施す例としては、例えばエッチング処理であり、基板上に堆積させた膜の所定形状への加工及び全面加工、基板上に形成された凹凸面の平坦化加工などが挙げられる。
図１６はイオンビームを入射させて基板上に堆積された膜を所定の形状に微細加工する工程を模式的に示す断面図である。先ず、図１６（ａ），（ｃ）に示すように、被処理基板Ｗ上にスパッタ法やＣＶＤ法などで堆積させた被処理膜２０１にフォトレジスト２０２を所定の形状にリソグラフィーで形成し、これをマスクとしてイオンビーム発生装置よりイオンビーム２０３、２０６を照射し被処理膜２０１を加工する。半導体基板の加工のような微細加工を要求される用途では、素子の性能確保のため、設計したパターン通り、即ちよりマスクに合わせた垂直加工が望まれる。
この際、イオンビーム発生装置ではプラズマ源に所定のガスを導入し発生させたイオンを引出し電極にて加速し、このイオンビームを基板に照射させてエッチング加工を行う。この時、Ａｒ、Ｈｅ等の不活性ガスを用いた場合や、被処理材料が所謂難ドライエッチング材で、被処理材とプラズマで発生させた活性種との化学反応により揮発性生成物を形成しない場合、基板処理面よりスパッタリングにより付着性の粒子２０４が飛散する。粒子の飛散方向は例えば一般的なスパッタリング理論によれば、放出角のコサインに比例した分布といったようにある分布をもって飛散するため、一部は加工体側面方向に飛散した後に付着し、エッチングの垂直な進行を阻害しパターン側面堆積膜２０５を形成する。この堆積膜２０５によりパターン側壁は図１６（ｂ）のようにテーパー形状を呈する。実際にこのような垂直入射でエッチングを行った場合、概略７５°以上のテーパー角を得ることができない。テーパーのついた側壁へ基板に対してイオンビームを垂直な方向から入射させた場合（イオン入射角０°）、前記側壁面のイオン入射角は非常に大きくなる。例えば前記の側壁のテーパー角が７５°の場合、文献”Ｒ．Ｅ．Ｌｅｅ：Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．，１６，１６４（１９７９）”の図２に従えば、側壁へのイオン入射角は７５°となる。よって、イオン入射角が０°の基板に平行な被エッチング面に対して、側壁のエッチング速度は極端に低下することとなる。尚、テーパー角とは、側壁と基板表面とのなす角度を言い、イオン入射角とは、入射するイオンビームが入射面に対して直交する方向から傾斜する角度を言い、例えば、被エッチング面に対して垂直に入射する場合が０°である。
これに対し、傾斜したイオンビーム２０６を、例えば１５°傾けて照射した場合（図１６（ｃ））、イオンビームは例えば７５°のテーパー角を持つ側面に対しては、イオン入射角が６０°で照射される。また、被エッチング面（基板表面）に対してはイオン入射角が１５°で照射される。よって、前記文献によれば、イオンビームが傾斜していない場合に比べて、そのエッチング速度の差は著しく低下する。よって、図１６（ｄ）に示したように、被処理膜２０１の側壁もエッチングが進行しより垂直なエッチング側面が得られる。
本発明のイオンビーム発生装置は、イオンビームを傾斜させ、引出し電極を回転させることによって、イオンビームを均一に基板Ｗに入射させるため、均一に効率良く基板の表面処理を行うことができる。
図１７は、斜め入射のイオンビーム発生装置及び垂直入射のイオンビーム発生装置を用いて、基板表面の凹凸面を平坦化する加工例を示す。
図１７（ａ）に示すように、被処理基板Ｗ上に予め被加工層２０８を成膜した後、リソグラフィー法を用いてエッチング加工等により微細加工処理を行う。エッチング加工は、例えば前記図１６（ｃ）、（ｄ）のような斜め入射イオンビームによって行われる。このエッチング加工された層２０８の上に、例えばスパッタリング法などを用いて埋め込み成膜を行ない埋め込み層２０９を形成する。スパッタリング等で成膜を行った場合、埋め込み層２０９の表面には、図１７（ａ）に示した様にパターンが存在する部分と存在しない部分で段差が発生する。これはスパッタリング粒子が基板面に均等に入射するため、基板上各部の成膜される膜の体積が等しいことによるものである。一部の半導体加工や磁気ディスク加工においては、素子の性能確保や次の工程の便宜のため、このような凹凸表面を平坦にすることが望まれる。
図１７（ｂ）、（ｃ）は前記凹凸表面にイオンビーム２０３を垂直に入射させた場合の表面形状の変化を示す。この場合には基板Ｗに平行な面は一様に加工されるが、テーパー部分はイオンビームの入射角が非常に大きいためエッチングの進行が抑制された形状を呈する。但しイオンビームは凸部の角部を選択的にエッチングする効果があるため、凸部の形状は丸みを帯びるが、十分な平坦化の効果を得ることができない。
一方、図１７（ｄ）、（ｅ）に示す様に段差側壁面に対して概垂直に、即ち基板面に対して傾斜してイオンビーム２０６を入射させた場合、段差側壁を基板に平行な面に比べ、大幅に早いエッチング速度でエッチングすることができる。これによって凸部の幅のみが次第に狭くなり最終的に凸部が消失し平坦面を得ることができる。例えば段差の側壁が７５°のテーパーを持つ場合、イオンビーム２０６を６０°傾けて入射させれば、段差の側壁面にはイオン入射角１５°でイオンビームが照射される。この時、基板Ｗに平行な面へのイオンビームの入射角は６０°となり前記文献によれば段差面が大幅に早いエッチング速度でエッチングされる。
本発明のイオンビーム発生装置は、イオンビーム照射面を傾斜させ、引出し電極を回転させることで傾斜させて基板Ｗに入射させるイオンビームを均一化しているため、均一に効率良く基板の表面処理を行うことができる。
従来、イオンビームを対向して配置し、基板の両面を同時に処理する装置においては、イオン入射角分散の時間的平均値の均一化を図るため、基板回転機構を設ける場合があった。しかしながら、その機構によりイオンビームの入射が阻害される部分が発生したり、又は特開２００８−１１７７５３号公報の図５のように基板外周部に摺動部分を設けることが必要となっていた。基板外周部に摺動部を設けることは、基板上に不要なパーティクルを付着させ歩留まりを著しく阻害せしめることに繋がる。また、他にもイオンビームを阻害させることなく、また基板部に摺動部を持たせずに基板を回転させるためには非常に大きな構造を必要としていた。本発明のイオンビーム発生装置においては、引出し電極の回転によって、基板表面へのイオンビームの偏りを防止しているため、上記のような、基板の回転機構等を設けてイオン入射角分散の時間的平均値の均一化を図る必要がない。
以上説明したように、本例の基板処理装置１００においては、対向するイオンビーム発生装置１ａ，１ｂにおいて、イオンビーム照射面を傾斜させ、引出し電極を回転させることにより、よりパターン精度の高いエッチング加工や凹凸面の平坦化を行うための小型でパーティクルの発生を押さえた均一な傾斜イオンビーム発生装置を構成することができる。
本発明のイオンビーム発生装置は、上記したように、電子デバイスの製造工程において、基板表面をエッチングして微細加工や平坦化を施す場合に好ましく適用される。
図１８は、本発明のイオンビーム発生装置を備えた基板処理装置を磁気記録媒体の製造に用いた場合の、製造装置であって、ディスクリートトラックメディア加工成膜装置の概略構成図である。本例の製造装置は、図１８に示すように、複数の真空排気可能なチャンバ１１１乃至１２１が無端の方形状に接続配置されたインライン式の製造装置である。そして、各チャンバ１１１乃至１２１内には、隣接する真空室に基板を搬送するための搬送路が形成され、基板は製造装置内を周回するうちに順次各真空室内での処理が行われる。また、基板は方向転換チャンバ１５１乃至１５４において搬送方向が転換され、チャンバ間を直線状に搬送されてきた基板の搬送方向を９０°回転し、次のチャンバに引き渡す。また、基板はロードロックチャンバ１４５により製造装置内に導入され、処理が終了すると、アンロードロックチャンバ１４６により製造装置から搬出される。尚、チャンバ１２１のように、同じ処理を実行可能なチャンバを複数個連続して配置し、同じ処理を複数回に分けて実施させてもよい。これにより、時間がかかる処理もタクトタイムを伸ばすことなく実施できる。図１８の装置では、チャンバ１２１のみ複数個配置しているが、他のチャンバを複数個配置してもよい。
図１９，図２０は、本例の製造装置により積層体の処理を行う工程を模式的に示した断面図である。図１９（ａ）は、本例の製造装置によって処理を行う積層体の断面図である。尚、本例では、基板３０１の両面に積層体が形成されているが、図１９、図２０では、便宜上、図面及び説明を簡便化するために、基板３０１の片面に形成された積層体の処理に着目し、もう一方の面に形成された積層体及び該積層体への処理は省略する。
積層体は、図１９（ａ）に示すように、ＤＴＭ（Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｔｒａｃｋ Ｍｅｄｉａ）に加工途中のものであり、基板３０１と、軟磁性層３０２と、下地層３０３と、記録磁性層３０４と、マスク３０５と、レジスト層３０６とを備えている。係る積層体を図１８に示す製造装置に導入する。基板３０１としては、例えば直径２．５インチ（６５ｍｍ）のガラス基板やアルミニウム基板を用いることができる。尚、軟磁性層３０２、下地層３０３、記録磁性層３０４、マスク３０５、レジスト層３０６は、基板３０１の対向する両面に形成されているが、上述のように図面及び説明の簡便化のために、基板３０１の片面に形成された積層体は省略している。
軟磁性層３０２は、記録磁性層２０４のヨークとしての役割を果たす層であり、Ｆｅ合金やＣｏ合金などの軟磁性材料を含んでいる。下地層３０３は、記録磁性層３０４の容易軸を垂直配向（積層体３００の積層方向）させるための層であり、ＲｕとＴａの積層体等を含んでいる。この記録磁性層３０４は、基板３０１に対して垂直方向に磁化される層であり、Ｃｏ合金などを含んでいる。
また、マスク３０５は、記録磁性層３０４に溝を形成するためのものであり、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）などを用いることができる。レジスト層３０６は、記録磁性層３０４に溝パターンを転写させるための層である。本例では、ナノインプリント法により溝パターンをレジスト層に転写し、この状態で図１８に示す製造装置に導入する。尚、ナノインプリント法によらず、露光、現像により溝パターンを転写してもよい。
図１８に示す製造装置では、第１チャンバ１１１で反応性イオンエッチングによりレジスト層３０６の溝を除去し、次に第２チャンバ１１２で溝に露出したマスク３０５を反応性イオンエッチングにより除去する。この時の積層体３００の断面を図１９（ｂ）に示す。その後、第３チャンバ１１３で溝に露出した記録磁性層３０４をイオンビームエッチングにより除去し、記録磁性層３０４を図１９（ｃ）に示すように各トラックが径方向で離間した凹凸パターンとして形成する。例えば、この時のピッチ（溝幅＋トラック幅）は７０乃至１００ｎｍ、溝幅は２０乃至５０ｎｍ、記録磁性層２０４の厚さは４乃至２０ｎｍである。第３チャンバ１１３において、本発明のイオンビーム発生装置を用いたイオンビーム加工を行うことでパターン精度が高く基板内での均一性に優れたエッチング加工をすることができる。
このようにして、記録磁性層３０４を凹凸パターンで形成する工程を実施する。その後、第４チャンバ１１４、第５チャンバ１１５にて、記録磁性層３０４の表面に残ったマスク３０５を反応性イオンエッチングにより除去する。これにより、図１９（ｄ）に示すように記録磁性層３０４が露出した状態とする。
次に、図２０（ｅ）乃至（ｈ）を用いて、記録磁性層３０４の凹部に非磁性材料からなる埋め込み層を成膜して充填する工程、余剰の埋め込み層をエッチングにより除去するエッチング工程について説明する。
図１９（ｄ）に示すように、積層体の記録磁性層３０４を露出させた後、埋め込み層形成用チャンバ１１７において、図２０（ｅ）に示すように、記録磁性層３０４の凹部である溝３０７の表面に埋め込み層３０９を成膜する。尚、埋め込み層形成用チャンバ１１７が、非磁性導電層上に非磁性材料からなる埋め込み層３０９を成膜・充填する第２の成膜チャンバとして機能する。埋め込み層３０９は、記録磁性層３０４への記録や読み出しに影響を与えない非磁性材料であって、例えば、Ｃｒ，Ｔｉやこれらの合金（例えば、ＣｒＴｉ）などを用いることができる。非磁性材料は、強磁性材料を含んでいる場合であっても、他の反磁性材料や非磁性材料を含むなどして全体として強磁性材料としての性質を失っているものであればよい。
埋め込み層３０９の成膜方法は特に限定されないが、本例では、積層体にバイアス電圧を印加し、ＲＦ−スパッタを行う。このようにバイアス電圧を印加することで、スパッタされた粒子を溝３０７内に引き込み、ボイドの発生を防止する。バイアス電圧として、例えば、直流電圧、交流電圧、直流のパルス電圧を印加することができる。また、圧力条件は特に限定されないが、例えば３乃至１０Ｐａの比較的高圧力の条件下であると、埋め込み性が良好である。また、イオン化率の高いＲＦ−スパッタを行うことで、溝３０７に比べて埋め込み材料が積層しやすい凸部３０８を、イオン化された放電用ガスにより成膜と同時にエッチングすることができる。よって、溝３０７及び凸部３０８に積層される膜厚の差を抑制することができる。尚、コリメートスパッタリングや低圧遠隔スパッタリングを用いて、凹部である溝３０７に埋め込み材料を積層させてもよい。
尚、図示しないが、埋め込み層３０９成膜前にエッチングストップ層を成膜しても良い。エッチングストップ層は上層の埋め込み層３０９に対して後述する平坦化の条件でエッチング速度が埋め込み層３０９より低い材料を選択すると良い。これにより平坦化の際のエッチングの進み過ぎによる記録磁性層３０４へのダメージを抑制する機能を付与することができる。また、エッチングストップ層として非磁性の金属材料を選択すると、後工程の埋め込み層３０９成膜時のバイアス電圧を有効に機能させることができ前記ボイドの発生を効果的に抑制できる。
図１８中にはエッチングストップ層成膜チャンバ１１６を含めて図示している。
埋め込み成膜を行った後の表面は図２０（ｅ）に示すように微細な凹凸上は概ね埋め込まれるが、前記のように平坦な面に比べ低くなる。微細な凹凸上は埋め込み層の膜厚が十分でない場合微小な凹凸が残ることがある。
次に、第１のエッチングチャンバ１１８において、図２０（ｆ）に示すように、記録磁性層３０４上に若干埋め込み層３０９を残し、埋め込み層３０９を除去する。本例では、Ａｒガスなどの不活性ガスをイオン源としたイオンビームエッチングにより埋め込み層３０９を除去する。
この時、本発明のイオンビーム発生装置を用い傾斜したイオンビームを照射することで、表面に形成された段差を効果的に平坦化する。イオンビームの傾斜角は単一、複数の組み合わせ、或いは垂直入射を組み合わせても良く、表面の段差に応じてグリッド形状を選択し最適化を図ることが出来る。また、引出し電極を回転させることでイオンビームの入射角分散を基板内で均一化できるため、非常に高精度に平坦化が可能である。
第１のエッチングチャンバ１１８は、図１に例示した本発明のイオンビーム発生装置１ａ、１ｂを備えている。この第１のエッチングチャンバ１１８は、埋め込み層３０９の一部をイオンビームエッチングにより除去するためのチャンバである。尚、具体的なエッチング条件としては、例えば、チャンバ圧力を１．０×１０-1Ｐａ以下、引出し電極７１ａ，７１ｂの電圧Ｖ１，ＶＢ１を＋５００Ｖ以上、引出し電極７２ａ，７２ｂの電圧Ｖ２，ＶＢ３を−５００Ｖ乃至−２０００Ｖ、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）放電でのＲＦパワーを２００Ｗ程度とする。
平坦化された後もイオンビームエッチングを継続することにより、図２０（ｇ）に示すように、残された埋め込み層３０９を完全に除去する。
図１８には前記の図示しないエッチングストップ層を除去するための第２のエッチングチャンバ１１９も記載した。尚このエッチングチャンバ１１９は反応性ガスによるＩＣＰプラズマを用い、キャリアにＤＣ、ＲＦ、ＤＣパルス等のバイアスを印加する機構等により構成される。
次に、図２０（ｈ）に示すように、平坦化された表面にＤＬＣ層３１０を成膜する。本例では、この成膜は加熱チャンバ１２０或いは冷却チャンバにおいてＤＬＣの形成に必要な温度に調整した後、保護膜形成チャンバ１２１にて行う。成膜条件は、例えば、平行平板ＣＶＤにて、高周波電力を２０００Ｗ、パルス−ＤＣバイアスを−２５０Ｖ、基板温度を１５０乃至２００℃、チャンバ圧力を３．０Ｐａ程度とし、ガスはＣ2Ｈ4、流量２５０ｓｃｃｍとすることができる。ＩＣＰ−ＣＶＤなどでも良い。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。
例えば、マスク３０５がカーボンであれば、エッチングストップ層を形成する代わりに、マスク３０５を残しておく方法でもよい。しかしながら、この場合、レジスト層３０６を除去するためのエッチングと、余剰の埋め込み層３０９を除去するためのエッチングの、２度のエッチングによりマスク３０５の厚さがばらばらになってしまうおそれがある。よって、上記実施形態のようにマスク３０５を取り去り、エッチングストップ層を形成しなおす方が好ましい。この場合、溝３０７の底面や壁面にもエッチングストップ層を形成することができ、エッチングストップ層に導電性材料を用いれば、上述したようにバイアス電圧をかけ易くなるので好ましい。
また、ＤＴＭの場合について説明したが、これに限定されない。例えば、記録磁性層３０４が点在するＢＰＭの凹凸パターンに埋め込み層２０８を形成する場合にも本発明を適用できる。
本発明は、例示した基板処理装置（マグネトロンスパッタリング装置）のみならず、ドライエッチング装置、プラズマアッシャ装置、ＣＶＤ装置及び液晶ディスプレイ製造装置等のプラズマ処理装置に応用して適用可能である。
また、本発明のイオンビーム発生装置を製造に用いることが可能な電子デバイスとしては、半導体、磁気記録媒体などが挙げられる。
１，１ａ，１ｂ：イオンビーム発生装置、２，２ａ，２ｂ：放電槽、７，７１，７２，７３：引出し電極、２０：基板ホルダ、３０：回転機構（回転駆動部）、３１：シャフト（回転支持部材）、３４：絶縁体ブロック、７４，７５，７６，７７：傾斜部
Claims (8)
- プラズマを発生するための放電槽と、
被照射面に対して傾斜して配置された傾斜部を有し、かつ前記放電槽で発生されたイオンを引き出す引出し電極と、
前記引出し電極部を回転させる回転駆動部と、
を備えることを特徴とするイオンビーム発生装置。 - 前記回転駆動部と前記引出し電極とを連結するための回転支持部材を有し、
前記放電槽の内部には前記回転支持部材の周囲に設けられた絶縁体ブロック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発生装置。 - 前記回転支持部材は、回転しながら前記引出し電極へ外部電力を供給するための回転電力導入機構を有することを特徴とする請求項２に記載のイオンビーム発生装置。
- 前記引出し電極は、該引出し電極の回転軸に対して、対称に構成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発生装置。
- 前記引出し電極は、該引出し電極の回転軸に対して、非対称に構成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発生装置。
- 前記引出し電極は、被照射面に対して対向して設けられ、かつイオンが照射されない非照射部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発生装置。
- 基板を保持する基板ホルダを有し、
前記基板の両面に対して、対向して請求項１に記載のイオンビーム発生装置が設けられていることを特徴とする基板処理装置。 - プラズマを発生するための放電槽と、
被照射面に対して傾斜して配置された傾斜部を有し、かつ前記放電槽で発生されたイオンを引き出す引出し電極と、
前記引出し電極部を回転させる回転駆動部と、
を備えたイオンビーム発生装置を用いた電子デバイスの製造方法であって、
前記引出し電極の傾斜部に対して、基板の表面を傾斜させて配置する基板配置工程と、 前記引出し電極の傾斜部からイオンを引き出して前記基板に照射する照射工程と、
前記引出し電極を回転させる回転工程とを含むことを特徴とする電子デバイスの製造方法。
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