JP6053819B2 - 磁気抵抗効果素子の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は磁気抵抗効果素子の製造方法において、磁気抵抗効果素子を素子分離する工程において該磁気抵抗効果素子の側面に付着した再付着膜を効果的に除去する工程を有する製造方法、及び、該製造方法を利用したデバイスの製造方法に関する。
ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）は磁気抵抗効果（ＴＭＲ：Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）を利用したＴＭＲ素子を有する不揮発性メモリで、ＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）並みの集積密度とＳＲＡＭ（Ｓｔａｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）並みの高速性を持ち、且つ無制限にデータが書き換えられる画期的な次世代メモリとして世界から注目されている。
ＴＭＲ素子は、基本的には上部電極と下部電極との間に、磁化固定層（以下、「ピン層」ともいう）と磁化自由層（以下、「フリー層」ともいう）とに挟まれたトンネルバリア層を有する磁化抵抗効果膜を備え、例えば、信号の読み出しと書き込みに使うワード線とビット線の交点に設置される。そして、ＴＭＲ素子の上部電極及び下部電極をそれぞれ配線に接続することでメモリセルとして使われる。
ＴＭＲ素子は、下部電極から上部電極へとＴＭＲ素子内に電流を垂直に流し、強磁性層である磁化自由層の磁化の向きを自由に変えることにより、絶縁層に流れる電流の電気抵抗値の高低を「０」、「１」と変化させ、メタル配線と情報を交換することで読み出し、書き込みを行う。
ＴＭＲ素子の加工方法の一つとしてイオンビームエッチング（以下「ＩＢＥ」ともいう）技術が用いられている。ＩＢＥは放電部に電力を投入してプラズマを形成し、グリッドに電圧を印加することによってプラズマからイオンを引き出すことでイオンビームを形成する。該イオンビームは基板に入射し、基板上の材質を、主として物理的にエッチングしていく。
ＴＭＲ素子の製造方法では、先ず基板上に成膜された磁気抵抗効果膜をＩＢＥや反応性イオンエッチング（以下「ＲＩＥ」ともいう）、反応性ＩＢＥなどの種々のエッチング方法によって加工し、個々のＴＭＲ素子に素子分離する。この磁気抵抗効果膜をパターンに沿って加工する際、一部の被エッチング材は物理的にエッチングされ、基板上から飛散する。この飛散した被エッチング材のうち一部は、ＴＭＲ素子の側壁に再度付着して堆積する。そしてこの再付着膜がトンネルバリア層の側壁に付着した場合、再付着膜によって磁化固定層と磁化自由層とがショートしてしまい、ＴＭＲ素子としての機能が失われてしまう。
特許文献１には、ＴＭＲ素子の素子分離に際し、エッチングによって露出する側壁に段階的に絶縁層を形成することによって、再付着膜が付着する前に該側面に絶縁層を形成して再付着膜によるＴＭＲ素子のショートを防止する技術が開示されている。
特開２００８−２１８８２９号公報
しかしながら、ＴＭＲ素子の素子分離工程において、側壁に段階的に絶縁層を形成するには、絶縁材料を積層し、パターニングする工程が複数回必要であり、製造工程が煩雑になり、製造コストも上昇してしまう。
本発明の課題は、素子分離工程でＴＭＲ素子の側壁に付着した再付着膜を効率良く除去することで、ショートの発生を抑制可能なＴＭＲ素子の製造方法を提供することにある。また、係る製造方法に用いられるイオンビームエッチング方法を利用して、その他のデバイスの製造方法を提供することにある。
本発明の第１は、２つの強磁性層と、前記２つの強磁性層の間に位置するトンネルバリア層とを有する磁気抵抗効果素子の製造方法であって、
前記トンネルバリア層が素子分離された基板を用意する工程と、
前記基板を、グリッドから引き出されたイオンビームによってイオンビームエッチングするイオンビームエッチング工程と、を有し、
前記イオンビームエッチング工程は、
前記基板を前記グリッドに対して傾けて位置させ、
前記基板上に形成されたパターン溝が延在する方向側からイオンビームが入射する際の前記グリッドに対する前記基板の傾斜角度を、他の方向側からイオンビームが入射する際の前記グリッドに対する前記基板の傾斜角度よりも大きくし、
前記基板をその面内方向に回転させ、
前記基板の回転速度を、前記パターン溝が延在する方向側からイオンビームが入射する際に、前記他の方向側からイオンビームが入射する際よりも遅くすることで、
前記パターン溝が延在する方向側から入射するイオンビームのエネルギー量が、他の方向側から入射するイオンビームのエネルギー量よりも大きいことを特徴とする。
本発明の第２は、２つの強磁性層と、前記２つの強磁性層の間に位置するトンネルバリア層とを有する磁気抵抗効果素子の製造方法であって、
前記トンネルバリア層が素子分離された基板を用意する工程と、
前記基板を、グリッドから引き出されたイオンビームによってイオンビームエッチングするイオンビームエッチング工程と、を有し、
前記イオンビームエッチング工程は、
前記基板を前記グリッドに対して傾けて位置させ、
前記基板をその面内方向に回転させ、
前記基板の回転は、回転及び回転の停止を繰り返し、前記基板上に形成されたパターン溝が延在する方向側からイオンビームが入射する際に、前記基板の回転を停止し、
前記グリッドは引き出し電極、加速電極及び接地電極を備え、前記加速電極の電圧を、前記パターン溝が延在する方向側からイオンビームが入射する際に前記引き出し電極の電圧よりも低くし、他の方向側からイオンビームが入射する際には前記引き出し電極の電圧よりも高くすることで、
前記パターン溝が延在する方向側から入射するイオンビームのエネルギー量が、他の方向側から入射するイオンビームのエネルギー量よりも大きいことを特徴とする。
本発明においては、素子分離工程においてＴＭＲ素子の側壁に付着した再付着膜をＩＢＥの斜め入射によって除去する工程において、加工が容易な方向と加工が困難な方向でのイオンビームのエネルギー量を異ならせることを要旨とする。本発明によれば、効率よく再付着膜を除去することで、ショートが抑制された微細パターンのＴＭＲ素子を提供することが可能となる。また、ＩＢＥ工程によって側壁に膜が付着することで不都合が生じるデバイスにおいて、同様の再付着膜を除去する工程を加えることにより、良好な素子特性を有するデバイスを提供することが可能となる。
本発明において再付着膜除去のためのＩＢＥ工程に用いるＩＢＥ装置の一例の構成を示す概略断面図である。 本発明により製造するＴＭＲ素子の構成を模式的に示す斜視図である。 ＴＭＲ素子の製造工程における、素子分離工程及び再付着膜除去のためのＩＢＥ工程を模式的に示した断面図である。 本発明の製造方法を適用可能な基板の一例の平面模式図である。 パターン溝が延在する方向側からのイオンビームと、他の方向側からのイオンビームとを示す基板の平面模式図である。 基板にイオンビームが入射する様子を模式的に示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係る制御装置の構成を示すブロック図である。 ＩＢＥ装置のグリッドと基板の位置関係及び基板の位相を説明するための斜視図である。 本発明の第１の実施形態のＩＢＥ工程において、基板を連続回転させる場合の、イオンビーム照射量、基板回転位相、基板回転速度を示す図である。 本発明の第１の実施形態のＩＢＥ工程において、基板を異なる２つの回転速度で連続回転させる場合の、イオンビーム照射量、基板回転位相、基板回転速度を示す図である。 本発明において、パターン溝が延在する方向側からイオンビームが入射した様子の一例を示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態のＩＢＥ工程において、基板を非連続で回転させる場合の、イオンビーム照射量、基板回転速度、回転停止時間を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第３の実施形態のＩＢＥ工程において、基板を等速度で連続回転させる場合の、ＲＦアンテナへの供給電力、基板回転位相、基板回転速度を示す図である。 本発明の第３の実施形態のＩＢＥ工程において、基板を非連続で回転させる場合の、ＲＦアンテナへの供給電力、基板回転位相、回転停止時間を示す図である。 本発明の第４の実施形態に係る制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第４の実施形態のＩＢＥ工程において、基板を等速度で連続回転させる場合の、第１電極への印加電圧、基板回転位相、基板回転速度を示す図である。 本発明の第４の実施形態のＩＢＥ工程において、基板を非連続で回転させる場合の、第１電極への印加電圧、基板回転位相、回転停止時間を示す図である。 本発明が適用可能な基板の表面形状を模式的に示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の部分拡大図、（ｃ）は（ｂ）の断面図である。 本発明が適用可能な基板の表面形状を模式的に示す断面図である。 本発明が適用可能な基板上のＴＭＲ素子の配列とパターン溝が延在する方向を示す図である。 本発明の第５の実施形態のＩＢＥ工程において、基板を連続で回転させる場合の、イオンビーム照射量、基板回転位相、基板回転速度、基板傾斜角度を示す図である。 本発明の第６の実施形態のＩＢＥ工程において、基板を非連続で回転させる場合の、イオンビーム照射量、基板回転位相、回転停止時間を示す図である。 本発明の第７の実施形態のＩＢＥ工程において、基板を非連続で回転させる場合の、第１電極印加電圧、基板回転位相、回転停止時間、第２電極印加電圧を示す図である。 本発明を適用可能なＴＭＲ素子の構成例を模式的に示す断面図である。
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ず、その要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。尚、以下で説明する図面において、同機能を有するものは同一符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
（第１の実施形態）
図１は本発明において再付着膜除去のためのＩＢＥ工程に用いるＩＢＥ装置１００の一例の構成を示す概略断面図である。ＩＢＥ装置１００は処理空間１とプラズマ源としてのプラズマ生成部２で構成されている。処理空間１には排気ポンプ３が設置されている。プラズマ生成部２にはベルジャ４、ガス導入部５、ＲＦアンテナ６、整合器７、電磁石８が設置されており、処理空間１との境界にはグリッド９が設置されている。
グリッド９は複数枚の電極から構成される。本発明では例えば図１に示すような３枚の電極によってグリッド９が構成されている。ベルジャ４側から順に引き出し電極としての第１電極９ａ、加速電極としての第２電極９ｂ、接地電極である第３電極９ｃとなっている。第１電極９ａには正の電圧が、第２電極９ｂには負の電圧が印加されることで、電位差によってイオンが加速される。第３電極９ｃは接地されている。第２電極９ｂと第３電極９ｃとの電位差を制御することにより、静電レンズ効果を用いてイオンビームの径を所定の数値範囲内に制御することができる。イオンビームはニュートラライザー１３により中和される。
グリッド９の材質としてモリブデンやチタン、炭化チタン、パイロリティックグラファイトが挙げられる。またグリッド９をこれ以外の材質で形成し、その表面にモリブデンやチタン、炭化チタンをコーティングしたものでも良い。プロセスガスに反応性ガスを用いる場合は、グリッド９はプロセスガスに対して耐性を持つ材質が好ましい。
処理空間１内には基板ホルダ１０があり、該基板ホルダ１０には不図示の静電吸着（ＥＳＣ：Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ｃｈｕｃｋ）電極が接続される。このＥＳＣ電極によって、基板ホルダ１０に載置された基板１１が静電吸着により固定される。また、他の基板固定手段としては、クランプ支持など種々の固定手段を用いることができる。ガス導入部５からプロセスガスを導入し、ＲＦアンテナ６に高周波を印加することでプラズマ生成部２内にエッチングガスのプラズマを発生させることができる。そしてグリッド９に直流電圧を印加し、プラズマ生成部２内のイオンをビームとして引き出し、基板１１に照射することで基板１１の処理が行われる。引き出されたイオンビームは、ニュートラライザー１３により電気的に中和され、基板１１に照射される。
基板ホルダ１０は、基板１１をその面内方向に回転（自転）することができる。基板ホルダ１０は、基板の回転速度、基板の回転回数、及びグリッド９に対する基板ホルダ１０の傾きを制御するための回転制御手段と基板の回転位置を検出する手段を備えている。また、該基板ホルダ１０には基板１１の回転開始位置を検出できる手段が備わっていてもよい。本実施形態では、基板ホルダ１０には位置検出手段としての位置センサ１４が設けられており、基板１１の回転位置を検出することができる。位置センサ１４として、ロータリーエンコーダを用いている。位置センサ１４としては、上述のロータリーエンコーダのように回転する基板１１の回転位置を検出できるものであればいずれの構成を用いても良い。
尚、本実施形態では、位置センサ１４等のセンサによって基板１１や基板ホルダ１０の回転位置を直接検出することによって基板ホルダ１０に保持された基板１１の回転位置を検出しているが、基板１１の回転位置を検出できればいずれの構成を用いても良い。例えば、基板ホルダ１０の回転速度や回転時間から計算により求めるなど、基板１１の回転位置を間接的に求めても良い。
基板１１の回転開始位置は、基板１１のオリフラやノッチを検出することで求められる。もしくは基板１１に付されたアライメントマークやパターンの配列を検出することで回転開始位置をより精度よく求めることができる。前述した位置センサ１４を基板１１の回転開始位置センサとして使用しても良いし、位置センサ１４とは別にアライメントマークやパターン配列を検出するための検出手段を設けてもよい。該検出手段としては、原子間力顕微鏡、光学測定又は走査型電子顕微鏡などを不図示の搬送経路に設けてもよいし、該測定器を搭載した測定装置を設けて、ＩＢＥ装置１００に隣接して設けてもよい。
基板１１は、基板ホルダ１０の載置面上に水平状態を保って保持されている。基板１１の材料としては、例えば、円板状のシリコンウェハを用いるが、これに限定されるものではない。基板ホルダ１０は、イオンビームに対して任意に傾斜することができ、基板１１に対するイオンビームの入射角度を調整することができる。
本発明により製造されるＴＭＲ素子４０の基本構成は、図２に示すように、上部電極４６と下部電極４１との間に、基本構造となるトンネルバリア層４４を強磁性層である磁化固定層４５と磁化自由層４３とで挟持した磁気抵抗効果膜と、反強磁性層４２とを配置してなる。図１のＴＭＲ素子４０は、磁化固定層４５が上部に位置するトップピン構造である。
図２のＴＭＲ素子４０の製造は、先ず、図３（ａ）に示すように、基板１１上に下部電極４１、反強磁性層４２、磁化自由層４３、トンネルバリア層４４、磁化固定層４５、上部電極４６を複数のＴＭＲ素子に対して共通に積層し、個々のＴＭＲ素子４０となる領域を保護するフォトレジスト４８を形成する。その後、ＩＢＥやＲＩＥによってエッチングを行い、図３（ｂ）に示すように、パターン溝４９を形成し、ＴＭＲ素子４０を素子分離する。ここで、素子分離の際のエッチングで除去された材料が、ＴＭＲ素子４０の側壁に付着し、再付着膜５０が形成される。
再付着膜５０は、ＩＢＥで除去（トリミング）することができるが、この時、イオンビームの基板１１への入射角度は、より基板１１の表面に平行な角度に近づけて行う必要がある。ＩＢＥにおいて、基板１１に対して斜め方向からイオンビームを入射させる場合、基板１１を回転させながら行うが、基板１１の回転位相によっては、図３（ｃ）の如く、隣接するＴＭＲ素子４０によってイオンビーム５１が妨げられて再付着膜５０を除去しにくい方向がある。一方、図３（ｃ）の紙面に直交する方向からイオンビーム５１が入射する場合に、パターン溝４９を遮る部材がなければ、再付着膜５０は良好にエッチング除去することが可能である。
本発明は、このようなイオンビーム５１の入射する方向によって、再付着膜５０のエッチング除去の効率が異なる状況に鑑み、再付着膜５０のエッチング除去が容易な方向において優先的にエッチングを行うことによって、効率良くより短時間で再付着膜５０を除去してＴＭＲ素子を製造することに特徴を有する。
図４は本発明を適用可能な基板１１の一例である。図４は基板１１に形成されたＴＭＲ素子４０のパターンを模式的に拡大して示している。基板１１上に多数のＴＭＲ素子４０が形成されている。ＴＭＲ素子４０は２方向のパターン溝４９に沿って配列している。本実施形態は図１の基板ホルダ１０に載置した基板１１をグリッド９に対して傾けて位置させ、基板ホルダ１０の回転速度を変化させながらＩＢＥを行うことで、該ＩＢＥ工程におけるパターン溝４９が延在する方向１０２ａ，１０２ｂの側からのイオンビーム照射量を、他の方向の側からのイオンビーム照射量よりも多くすることを特徴とする。
パターン溝４９が延在する方向１０２ａ，１０２ｂの側からのイオンビーム照射量と、他の方向の側からのイオンビーム照射量との比較について、図５を用いて説明する。
先ずグリッド９より引き出されたイオンビーム５１を基板１１の表面に投影させた線分を考える。次に、該投影された線分をパターン溝４９が延在する方向１０２ａ，１０２ｂと、その中間方向である１０３ａ，１０３ｂの成分に分解し、該投影された線分の成分は方向１０２ａ，１０２と方向１０３ａ，１０３ｂのどちらが大きいかを比較して行うことができる。
本実施形態では図５に示すように、基板１１上の角度を設定しているため、０°から１８０°に向かう方向と１８０°から０°に向かう方向、及び９０°から２７０°に向かう方向と２７０°から９０°に向かう方向とがパターン溝４９が延在する方向１０２ａ，１０２ｂである。そして方向１０２ａ，１０２ｂの中間である、４５°から２２５°に向かう方向と２２５°から４５°に向かう方向及び１３５°から３１５°に向かう方向と３１５°から１３５°に向かう方向が方向１０３ａ，１０３ｂとなる。
基板１１が図５に示す状態において、角度１００°の方向から入射したイオンビーム５１ａと、角度１２０°の方向から入射したイオンビーム５１ｂとを考える。
イオンビーム５１ａは方向１０２ａに対して成す角度が１０°であり、方向１０３ｂに対して成す角度が３５°である。イオンビーム５１ａの、方向１０２ａの成分と方向１０３ｂの成分とを比較すると、ｃｏｓ１０°：ｃｏｓ３５°はほぼ０．９８：０．８２であり、方向１０２ａの成分の方が大きい。
一方でイオンビーム５１ｂは方向１０２ａに対して成す角度が３０°であり、方向１０３ｂに対して成す角度が１５°である。イオンビーム５１ｂの、方向１０２ａの成分と方向１０３ｂの成分とを比較すると、ｃｏｓ３０°：ｃｏｓ１５°はほぼ０．８７：０．９７であり、方向１０３ｂの成分の方が大きい。
従って、イオンビーム５１ａはパターン溝４９が延在する方向１０２ａ側から入射するイオンビームであり、イオンビーム５１ｂはその中間方向１０３ｂ側から入射するイオンビームであると言える。
尚、上記例では比較を容易とするために、イオンビーム５１ａとイオンビーム５１ｂの方向１０２ａ成分と方向１０３ｂ成分のｃｏｓ関数で比較を行ったが、各イオンビームを方向１０２ａと方向１０３ｂのベクトル成分に分解して比較を行ってもよい。
パターン溝４９が延在する方向１０２ａ，１０２ｂの側から入射するイオンビームは、方向１０３ａ，１０３ｂの側から入射するイオンビームに比べてＴＭＲ素子４０の側壁の再付着膜５０のトリミングに寄与し易い。
イオンビームの基板１１上への投影について具体的に図６を用いて説明する。図６（ａ）は基板１１の一部を拡大した様子を示しており、ＴＭＲ素子４０が形成されている。この時のパターン溝４９が延在する方向１０２ａ，１０２ｂを同じく図６（ａ）に示す。尚、図６においては、ＴＭＲ素子４０は基板１１の表面に占める底面で示した。
一方、図６（ａ）と同様の基板１１に対してイオンビーム５１が入射した時の様子を図６（ｂ）に示す。この時、イオンビーム５１を基板１１の上に投影させた線分が５１ｃである。この線分５１ｃにおいて、パターン溝４９が延在する方向１０２ａ、１０２ｂとその中間方向（図５の１０３ａ，１０３ｂ）との成分の比較を行うことでイオンビーム５１の入射方向を確認することができる。
また、グリッド９に対して基板１１を傾けて位置させるとは、具体的には、グリッド９の中心法線に対して基板１１の中心法線が所定の角度をもって交わる位置にグリッド９と基板１１を位置させることをいう。即ち、グリッド９と基板１１が平行にある時に、グリッド９の中心法線と基板ホルダ１０の中心法線とがなす角度を０°とし、グリッド９の中心法線と基板１１の中心法線が垂直に交わる角度を９０°とした場合、グリッド９に対する基板１１の角度を０°から９０°（０°及び９０°は含まない）の範囲に設定することをいう。設定される角度は、ＴＭＲ素子４０の側壁への再付着膜除去を効率的に行うために３０°〜７０°に設定されることが好ましい。
本発明では、上述のようにグリッド９と基板１１が平行な状態において、グリッド９に対する基板１１の傾斜角度を０°としている。そして基板１１は面内の中心点に対して対称であり、中心点を軸に回転しているため、傾斜角度が０°の状態から所定の角度だけ傾けた場合、その角度は全ての傾斜方向において等価である。即ち、傾斜角度が０°の状態において、ある方向を＋とし、反対の方向を−と定義して＋３０°傾斜させたとしても、それは−３０°の傾斜と等価である。このため本願明細書では原則として角度を正の値として記載する。
グリッド９の中心法線とは、円形を有するグリッド９の中心点から、垂直方向に延びる線を言う。中心点は、グリッド９の領域のうち基板１１に実際に照射されているイオンビーム５１を引き出している実効領域の中心を指す。
通常、グリッド９の中心と実効領域の中心は略一致する。そして基板１１の中心法線がグリッド９の中心法線と交差する位置に基板１１が載置される。グリッド９が円形では無く、例えば正六角形や正八角形の形を有する場合は、それぞれの対向する対角線同士を結ぶことで得られる中心の交点が中心点となる。正五角形や正七角形の場合は、それぞれの頂点から対向する辺に向かう垂線同士の交点が中心点となる。また、グリッド９の中心法線に対して基板１１をずらして配置する場合は、基板１１のずれ量に併せてグリッド９の中心点もずれることになる。
換言すると、本発明におけるグリッド９の中心法線は、グリッド９により引き出されるイオンビーム５１の進行方向に沿った線分である。
尚、上述したグリッド９の中心点や基板１１の中心点は、基板１１の処理工程において影響がほぼ無い範囲において微差を有していても良い。
また、パターン溝４９が延在する方向１０２ａ，１０２ｂからイオンビーム５１を優先的に照射することで、パターン溝４９を加工する際に、パターン溝４９を形成している素子の影の影響を軽減することができる。これにより、ＴＭＲ素子４０の側壁に存在する再付着膜５０のうち、パターン溝４９の底部付近に存在する部分を効率的に除去しながら再付着膜５０を除去することが可能となる。
次に、図７を参照して、本実施形態のＩＢＥ装置１００に備えられ、上述の各構成要素を制御する制御装置２０について説明する。図７は本実施形態における制御装置の構成を示すブロック図である。
図７に示すように、本実施形態の制御装置２０は、例えば、一般的なコンピュータと各種のドライバを備える。即ち、制御装置２０は、種々の演算、制御、判別などの処理動作を実行するＣＰＵ（不図示）と、このＣＰＵによって実行される様々な制御プログラムなどを格納するＲＯＭやＨＤＤ（不図示）などを有する。また、制御装置２０は、上記ＣＰＵの処理動作中のデータや入力データなどを一時的に格納するＲＡＭ、フラッシュメモリまたはＳＲＡＭ等の不揮発性メモリなど（不図示）を有する。このような構成において、制御装置２０は、上記ＲＯＭなどに格納された所定のプログラム又は上位装置の指令に従ってＩＢＥを実行する。その指令に従って放電時間、放電電力、グリッド９への印加電圧、プロセス圧力、及び基板ホルダ１０の回転及び傾斜などの各種プロセス条件がコントロールされる。また、ＩＢＥ装置１００内の圧力を計測する圧力計（不図示）や、基板１１の回転位置を検出する位置検出手段としての位置センサ１４などのセンサの出力値も取得可能であり、装置の状態に応じた制御も可能である。
また、制御装置２０は、位置センサ１４の検出した回転位置に応じて、基板１１の回転速度を制御する回転制御手段としてホルダ回転制御部２１を備える。ホルダ回転制御部２１は、目標速度算出部２１ａと、駆動信号生成部２１ｂと、を備え、基板１１の回転位置とイオンビーム５１の入射方向との位置関係に基づいて、基板１１の回転位置に応じて基板ホルダ１０の回転部の回転を制御して基板１１の回転速度を制御する機能を有する。制御装置２０は、位置センサ１４から、基板１１の回転位置に関する情報を受信するように構成されている。制御装置２０が上記回転位置に関する情報を受信すると、目標速度算出部２１ａは、基板１１の回転位置を検知する位置センサ１４から出力される基板１１の現在の回転位置の値に基づいて、当該位置における目標回転速度を算出する。この目標回転速度の値は、例えば、基板１１の回転位置と、目標回転速度との対応関係を予めマップとして保持しておくことで、演算可能である。駆動信号生成部２１ｂは、目標速度算出部２１ａにより算出された目標回転速度に基づき、当該目標回転速度とするための駆動信号を生成し、回転駆動機構２２に出力する。制御装置２０は、駆動信号生成部２１ｂにて生成された上記駆動信号を回転駆動機構２２に送信するように構成されている。
尚、図７の例では、回転駆動機構２２は、基板ホルダ１０を駆動するモータなどのホルダ回転駆動部２２ｂと、目標値と位置センサ１４から出力される実値（回転位置や回転速度）との偏差に基づきホルダ回転駆動部２２ｂの操作値を決定するフィードバック制御部２２ａと、を備え、サーボ機構により基板ホルダ１０を駆動する。しかし、フィードバック制御部２２ａは本発明の必須の構成ではなく、モータもＤＣモータ、ＡＣモータのいずれであってもよい。回転駆動機構２２は、制御装置２０から受信した駆動信号に基づいて、ホルダ回転駆動部２２ｂを駆動し、基板ホルダ１０を回転させる。
次に、図１に示す本実施形態のＩＢＥ装置１００の制御及び、この装置を用いて実施するＩＢＥ方法について説明する。
本実施形態にかかるＩＢＥ装置１００で処理する基板は、図４に示すような、例えば平面視において長方形のパターンが一定の間隔をもって、行方向及び列方向に整列して形成されたものを用意する。基板１１を、不図示の搬送手段、例えば隣接する真空搬送チャンバに備えられたハンドリング・ロボットにより、基板搬送口１６を通じて処理空間１内の基板ホルダ１０に載置する。基板搬送口１６は不図示のゲートバルブを有し、該ゲートバルブは処理空間１と隣接する真空搬送チャンバの雰囲気が混合しないように隔離する構造となっている。載置された基板１１は、ノッチやオリフラを用いて基板１１の回転開始位置が検出される。または基板１１に付されたアライメントマークを光学カメラ等で読み取ることで回転開始位置を検出する。回転開始位置は、基板１１を基板ホルダ１０に載置する前に検出しても良いし、基板１１を基板ホルダ１０に載置した後に検出しても良い。基板１１の回転開始位置を検出した結果に基づき、その後のＩＢＥにおけるグリッド９と基板１１の位置関係に応じた基板１１の回転速度の制御が行われる。
次に、プラズマ生成部２の内部にガス導入部５からＡｒ等の希ガスを放電用ガスを導入する。反応性ＩＢＥを行う場合には、プラズマ生成部２の内部にアルコールガス、炭化水素ガスまたは酸化炭素ガス等を希ガスと併せて導入する。
その後、放電用電源１２から高周波電力を供給し、プラズマ生成部２で放電を行う。そして、グリッド９に電圧を印加し、プラズマ生成部２よりイオンを引き出してイオンビーム５１を形成する。グリッド９により引き出されたイオンビーム５１はニュートラライザー１３により中和され、電気的に中性となる。中和されたイオンビーム５１は基板ホルダ１０上の基板１１に照射され、ＩＢＥが行われる。或いは、ニュートラライザー１３は、基板１１が電気的に中性となるように、基板１１に向けて電子を放出する。
基板ホルダ１０に基板１１が載置した後、ＥＳＣ電極を動作させることで、基板１１は静電吸着によって固定される。基板ホルダ１０に載置された基板１１は、ＴＭＲ素子４０の側壁の再付着膜５０の除去に適した傾斜、例えばグリッド９に対して６０°に傾斜する。傾斜角度は、基板のパターンの形状やサイズ、パターン溝の幅等を考慮することにより所定の角度に決定される。
基板１１を載置した基板ホルダ１０がグリッド９に対して傾斜した後、基板ホルダ１０は基板１１の面内方向に回転を開始する。位置センサ１４が基板１１の回転位置を検出し、該検出された回転位置に応じたホルダ回転制御部２１の制御により、位置センサ１４が検出した回転位置に応じて、基板１１の回転速度を制御する。
以下に、基板１１の回転速度の制御についてさらに詳しく説明する。図８は、本実施形態のグリッド９と基板１１の位置関係及び基板１１の位相を説明するための図である。また図９、図１０は、本実施形態に係るＩＢＥ工程における基板の回転速度の制御マップを示す説明図である。
図８乃至図１０を用いて本実施形態におけるグリッド９と基板１１の回転位置関係を説明する。図８は基板１１上に形成されたＴＭＲ素子４０に対してイオンビーム５１が照射される様子を模式的に示した図である。基板１１は回転可能な基板ホルダ１０の上に載置され、ＩＢＥ工程中に、基板ホルダ１０をグリッド９に対して傾斜させる。本発明では図８に示すように、基板１１の回転位相（回転角θ）は、ノッチ１５を基点として考えて０°とする。そしてノッチ１５から基板１１の中心を通って、ノッチ１５の反対側の位置１８０°と定義する。また０°から反時計回りに９０°及び２７０°を定義する。
本実施形態に係る装置を用いたＩＢＥ工程の一例では図９、及び下記式（１）に示すように、基板１１の回転位相θに対し、基板１１の回転速度ωが正弦波となるように、回転速度を制御する。
式（１） ω＝Ａｓｉｎ（４（θ−α））＋Ｂ
式（２） Ａ＝ａ×Ｂ
即ち、本発明の回転制御手段としてのホルダ回転制御部２１は、上記式（１）に基づいて、基板１１の回転角θの４倍周期の正弦波関数として回転速度ωを算出する。ここで、Ａは回転速度の振幅であり、式（２）に示すように、基準速度Ｂに変動率ａを乗じたものである。αは位相差であり、変動率ａと位相差αを変えることによって、基板面内のイオンビーム入射角毎のエッチング量及びテーパ角度の分布を最適化することができる。尚、基板１１の回転位相の範囲は０°≦θ＜３６０°である。
図９の例では、基準速度Ｂをω0に設定し、変動率ａを０以上の任意の数値とし、位相差αを２２．５°とした時の基板回転位相に対する基板回転速度ωを示している。この場合、基板１１のノッチ１５が０°、９０°、１８０°、２７０°の位置にある時に基板回転数（回転速度）が最も遅くなることを意味する。
ここで、回転速度を回転位相によって変化させることによる具体的な作用及び効果を説明する。
本実施形態では、ＴＭＲ素子４０が、基板１１の０°から１８０°に向かう方向及び９０°から２７０°に向かう方向に並んで形成されている状態を考える。
本実施形態においては、基板１１の回転速度を、パターン溝４９が延在する方向側からイオンビーム５１が入射する際に、他の方向側からイオンビーム５１が入射する際よりも遅くする。
具体的には、基板回転位置がグリッド９に対して、グリッド９の中心法線を基板１１表面に投影させた線分がパターン溝４９が延在する方向、例えば、ノッチ１５のある０°から１８０°に向かう方向に平行である場合には、基板の回転速度を遅くする。また、グリッド９の中心法線を基板１１表面に投影させた線分がもう一方のパターン溝４９が延在する方向である９０°から２７０°に向かう方向に平行である場合にも、回転速度を遅くする。
前記したように、再付着膜５０のエッチングによる除去は、イオンビーム５１がパターン溝４９が延在する方向側から入射する場合に効率よく行うことができ、他の方向側から入射する場合には、再付着膜５０が隣接するＴＭＲ素子４０の影になって効率よく行うことができない場合がある。本例では、再付着膜５０のエッチング除去を効率よく行うことができる方向からイオンビーム５１が入射する際の基板１１の回転速度を他の方向からイオンビーム５１が入射する際よりも遅くすることで、効率よく行う方向から入射するイオンビーム５１のエネルギー量を他の方向から入射するイオンビーム５１のエネルギー量よりも大きくし、基板１１が等速度で回転する場合よりも低エネルギー、短時間で再付着膜５０の除去を行うことができる。
パターン溝４９が延在する方向が複数で、その方向によって再付着膜５０のエッチング量に差が見られる場合は、各方向におけるエッチング量をさらに異ならせてもよい。例えば基板１１上に形成されたＴＭＲ素子４０の底面の形状が、０°から１８０°に向かう方向に長辺を有し、９０°から２７０°に向かう方向に短辺を有し、長辺側の側壁が短辺側の側壁に比べてエッチングされ難い場合を考える。この場合、イオンビーム５１が０°から１８０°に向かう方向及び１８０°から０°に向かう方向に入射する時の基板１１の回転速度を、９０°から２７０°に向かう方向及び２７０°から９０°に向かう方向に入射する時の基板１１の回転速度よりも遅く回転させることでエッチング量の調整を行うことができる。
本実施形態では、図９に示す制御マップを図７の制御装置２０が有するＲＯＭ等のメモリに予め格納しておけば良い。このように、上記制御マップを予めメモリに格納しておくことによって、目標速度算出部２１ａは、位置センサ１４から基板１１の回転位置に関する情報を受信すると、上記メモリに格納された図９に示す制御マップを参照し、現在の基板１１の回転角θに対応する回転速度を抽出し、目標回転速度を取得し、該取得された目標回転速度を駆動信号生成部２１ｂに出力する。従って、基板１１が回転角θが０°、９０°、１８０°、２７０°において、パターン溝４９が延在する方向側からイオンビーム５１が入射する時には基板１１の回転速度を最も遅く制御でき、且つ回転角θが４５°、１３５°、２２５°、３１５°といったパターン溝４９が延在しない方向側からイオンビーム５１が入射する時には基板１１の回転速度を最も速く制御することができる。
基板ホルダ１０の回転速度の変化は、図９に示す正弦関数のように連続的に変化しなくても良い。例えば図１０に示すように、基板１１の回転角θが０°〜２２．５°、６７．５°〜１１２．５°、１５７．５°〜２０２．５°、２４７．５°〜２９２．５°、３３７．５°〜３６０°の範囲で基板の回転速度を第１の速度とし、回転角θが２２．５°〜６７．５°、１１２．５°〜１５７．５°、２０２．５°〜２４７．５°、２９２．５°〜３３７．５°の範囲で基板の回転速度を第１の速度よりも速い第２の速度とする、２つの値を用いた回転速度変化でも良い。
また基板１１の回転角θが０°、９０°、１８０°、２７０°で基板１１の回転速度が最も遅くなり、回転角θが４５°、１３５°、２２５°、３１５°で基板１１の回転速度が最も速くなるように段階的に回転速度を変化させても良い。
図１１に、パターン溝４９が延在する方向側からイオンビーム５１を照射した様子の一例を示す。配列されたパターンの最外周に位置するパターンは、内側のパターンよりもエッチングされやすい。パターン形状の均一性をさらに向上させるために、パターンの最外周にダミーパターンを形成してもよい。
（第２の実施形態）
上述のように、第１の実施形態では、パターン溝４９が延在する方向側からのイオンビーム照射量が多くなるように基板ホルダ１０の回転速度を遅くする制御をしているが、該基板ホルダ１０の回転方式を、連続回転としても良いし、非連続パルス回転としてもよい。本実施形態では、該非連続パルス回転の形態について説明する。
図１２は、本実施形態に係る、非連続で基板ホルダ１０を回転する場合について、基板回転の回転停止時間を制御する場合の説明図である。
基板ホルダ１０の回転を連続的に行う場合は、ホルダ回転制御部２１は、図９に示すように、式（１）に従って基板１１が一回転（１周期）する間に該基板１１の回転速度（角速度ω）を４周期変調させるように、基板１１の回転速度を連続的に変化させるように駆動信号を生成する。即ち、ホルダ回転制御部２１は、基板１１が連続的に回転するように基板ホルダ１０の回転を制御する。尚、図９において、ｆ0は、グリッド９からのイオンビームの基準照射量であり、ω0は基準角速度である。
一方、基板１１（基板ホルダ１０）の回転を非連続的（クロック状）に行う場合は、ホルダ回転制御部２１は、回転停止時間ｓを図１２に示すように制御する。即ち、ホルダ回転制御部２１は、例えば、基板１１が所定の複数の回転角θでその回転を停止し、それ以外の回転角θでは一定の角速度（回転速度）で基板ホルダ１０の回転部が回転するように該基板ホルダ１０の回転を制御する。このような制御により、基板１１が非連続的に回転するように基板１１の回転速度は制御される。尚、基板ホルダ１０の回転部の回転速度は上述のように一定であって良いし、変化させても良い。ここで、縦軸に回転速度（角速度ω）を、横軸に時間ｔをとる場合の、角速度が０になっている時間を、「回転停止時間ｓ」と呼ぶことにする。即ち、回転停止時間ｓとは、基板ホルダ１０を非連続に回転させる場合の、基板ホルダ１０が回転を停止している時間を指す。図１２中のｓ0は、基準回転停止時間である。
本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、グリッド９に対して基板ホルダ１０に載置した基板１１を傾けて位置させること及びパターン溝４９が延在する方向側からのイオンビーム照射量を多くすることが本質的な特徴である。上述のように、パターン溝４９が延在する方向側からイオンビーム５１が入射するように基板１１が位置した際の該基板１１の回転停止時間を長くすることで、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。本実施形態では、基板１１（基板ホルダ１０）を１回転させる間に、パターン溝４９が延在する方向側からイオンビーム５１が入射する場合（基板１１の回転位置が０°、９０°、１８０°、２７０°）の回転停止時間を長くするために、回転停止時間を正弦的に４周期変調させている。一方、パターン溝４９が延在しない方向側からイオンビーム５１が入射する場合の基板１１の回転停止時間を短くすることで、ＩＢＥ工程におけるパターン溝４９が延在する方向側から入射するイオンビーム５１のエネルギー量をパターン溝４９が延在しない方向側からのイオンビーム５１のエネルギー量よりも大きくしている。また、長辺方向と短辺方向のパターン溝４９にエッチング量の差が見られる場合、例えば、長辺側のパターン溝４９は浅く、短辺側のパターン溝４９が深いなどの形状差が生じる場合は、長辺側の回転停止時間をさらに長くし、イオンビーム照射量を増やすことで、パターン溝４９の深さが均一になり、微細パターンの形状を均一に加工することができる。形状の均一性を良好にするためには、基板１１を中心として対称な回転位置（例えば１３５°と３１５°）の回転停止時間を等しくすることが好ましい。
（第３の実施形態）
第１及び第２の実施形態では、基板ホルダ１０の回転速度を制御する形態について説明したが、本実施形態では、図１に示したＩＢＥ装置１００の放電用電源１２からＲＦアンテナ６に供給される電力を制御することによって、基板１１へのイオンビーム照射量を制御し、ＴＭＲ素子４０の側壁の再付着膜５０を除去する。ＩＢＥ工程において、イオンビーム照射量はプラズマ生成部２において形成されるプラズマのプラズマ密度と関係する。従ってＲＦアンテナ６に供給される電力を変化させることで、プラズマ生成部２のプラズマ密度を変化させることが可能となる。これにより基板１１の回転位相に応じてイオンビーム照射量を変化させることができる。
本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、グリッド９に対して基板ホルダ１０に載置した基板１１を傾けて位置させること及び、ＩＢＥ工程におけるパターン溝４９が延在する方向側から基板１１に入射するイオンビーム５１のエネルギー量を、他の方向側から基板１１に入射するイオンビーム５１のエネルギー量よりも大きくすることが本質的な特徴である。
図１３は、本実施形態に係る制御装置２０のブロック図である。本実施形態では、制御装置２０は、位置センサ１４の検出した回転位置に応じて、プラズマ生成手段へのパワー（電力）を制御する電力制御手段としてのパワー制御部２３を備える。パワー制御部２３は、目標パワー算出部２３ａと、出力信号生成部２３ｂと、を備え、基板１１の回転位置とイオンビーム５１の入射方向との位置関係に基づいて、プラズマ生成手段へのパワー（電力）を制御する機能を有する。
制御装置２０は、位置センサ１４から、基板ホルダ１０の回転位置に関する情報を受信するように構成されている。制御装置２０が上記回転位置に関する情報を受信すると、目標パワー算出部２３ａは、基板ホルダ１０の回転位置を検知する位置センサ１４から入力される基板ホルダ１０の現在の回転位置の値に基づいて、当該位置における目標パワー（目標電力）を算出する。この目標パワーの値は、例えば、基板ホルダ１０の回転位置と、目標パワーと、の対応関係を予めマップとして制御装置２０が備えるメモリ等に保持しておくことで、演算可能である。出力信号生成部２３ｂは、目標パワー算出部２３ａにより算出された目標パワーに基づき、当該目標パワーとするための出力信号を生成し、放出用電源１２に出力する。制御装置２０は、出力信号生成部２３ｂにて生成された上記出力信号を電源１２に送信するように構成されている。
尚、図１３の例では、電源１２は、プラズマ生成手段としてのＲＦアンテナ６に電力を供給するパワー出力部１２ｂと、目標値と位置センサ１４から出力される実値（回転位置や回転速度）との偏差に基づきパワー出力部１２ｂの操作値を決定するフィードバック制御部１２ａと、を備える。しかし、フィードバック制御部１２ａは本発明の必須の構成ではない。
本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、基板ホルダ１０の回転方式は、連続回転であっても良いし、非連続パルス回転であっても良い。
図１４は、本実施形態に係る、プラズマ生成手段への供給電力を制御する場合の、連続で基板１１（基板ホルダ１０）を回転する場合についての基板１１の回転速度の制御マップであり、図１５は、本実施形態に係る、プラズマ生成手段への供給電力を制御する場合の、非連続で基板１１（基板ホルダ１０）を回転する場合についての説明図である。非連続で基板１１を回転する場合についてはプラズマ生成手段への供給電力を一定とし、回転停止時間を変化させることで回転角θに応じたイオンビーム照射量の制御を行っても良い。
図１４に係る実施形態では、パワー制御部２３は、前記式（１）と同様の４倍周期正弦波関数を用いて、基板１１の回転角θに応じた放電用パワーを算出することができる。即ち、パワー制御部２３は、基板１１（基板ホルダ１０）が１回転する間に、プラズマ生成手段への供給電力を４周期変調させるように出力信号を生成する。この時、プラズマ生成手段への供給電力は滑らかに連続的に変化させても良いし、幅を持たせて段階的に変化させても良い。パワー制御部２３は、図１４、図１５に示すように、パターン溝４９が延在する方向側からイオンビーム５１が入射する回転角θ＝０°、９０°、１８０°、２７０°の時に供給されるパワー（電力）を最大値にすることにより、基板１１へのイオンビーム照射量が最大になり、上記の回転角以外の時、パワーを小さくすることにより、基板１１へのイオンビーム照射量が少なくなるように、放電用電源１２を制御すれば良い。
このように本実施形態では、基板ホルダ１０に載置した基板１１をグリッド９に対して傾けて位置させること及びパターン溝４９が延在する方向側からのイオンビーム照射量が大きくなるように、ＲＦアンテナ６への供給電力を制御することで本発明の効果を得ることができる。また、形状の均一性を良好にするためには、基板１１を中心として対称な回転位置（例えば１３５°と３１５°）における印加電圧を等しくすることが好ましい。
（第４の実施形態）
第３の実施形態では、プラズマ生成手段であるＲＦアンテナ６への供給電力を制御することによってＴＭＲ素子４０の側壁の再付着膜５０を効率的に除去する方法について述べたが、本実施形態ではビーム引き出し電圧を変化させることで、再付着膜５０の除去を行う。ＩＢＥ工程では、プラズマ生成部２においてプラズマが形成された後にグリッド９に印加された電圧によって、プラズマ生成部２のイオンが引き出されてビームが形成される。ここでプラズマ生成部２から引き出されたイオンビーム５１のエネルギー量はビーム引き出し電圧に依存するため、該電圧を基板１１の回転位相に併せて変化させることで、微細パターンの溝の加工行う。
以下に図１を用いて本実施形態におけるビーム引き出し電圧について説明する。
通常、基板ホルダ１０及び第３電極９ｃは接地電位となっている。このため、イオンビーム中の各イオンのエネルギー量は第１電極９ａに印加された正の電圧によって決定される。従って、本実施形態においては、第１電極９ａに印加された電圧がビーム引き出し電圧となる。以下、この第１電極９ａに印加された電圧を変化させることによって、ビーム引き出し電圧を変化させた場合の実施の形態を説明する。
本実施形態においても、先の実施形態と同様に、ビーム引き出し電圧を変化させることで、ＩＢＥ工程におけるパターン溝４９が延在する方向側から基板１１に入射するイオンビーム５１のエネルギー量を、他の方向側から基板に入射するイオンビーム５１のエネルギー量よりも大きくすることが本質的な特徴である。
図１６は本実施形態にかかる制御装置２０のブロック図である。本実施形態では、制御装置２０は、位置センサ１４の検出した回転位置に応じて、第１電極９ａに印加する電圧（ビーム引き出し電圧）を制御する電圧制御手段としての印加電圧制御部２４を備える。印加電圧制御部２４は、目標電圧算出部２４ａと、出力信号生成部２４ｂと、を備え、基板１１の回転位相とイオンビーム５１の入射方向との位置関係に基づいて、第１電極９ａへの印加電圧を制御する機能を有する。
制御装置２０は、位置センサ１４から、基板ホルダ１０の回転位置に関する情報を受信するように構成されている。制御装置２０が上記回転位置に関する情報を受信すると、目標電圧算出部２４ａは、基板ホルダ１０の回転位相を検知する位置センサ１４から入力する基板ホルダ１０の現在の回転位相の値に基づいて、当該位置における目標電圧を算出する。この目標電圧の値は、例えば、基板ホルダ１０の回転位置と、目標電圧と、の対応関係を予めマップとして制御装置２０が備えるメモリ等に保持しておくことで、演算可能である。出力信号生成部２４ｂは、目標電圧算出部２４ａにより算出された目標パワーに基づき、当該目標電圧とするための出力信号を生成し、第１電極用電源１７に出力する。制御装置２０は、出力信号生成部２４ｂにて生成された上記出力信号を第１電極用電源１７に送信するように構成されている。
尚、図１６の例では、第１電極用電源１７は、第１電極９ａに電圧を印加する印加電圧出力部１７ｂと、目標値と位置センサ１４から出力される実値（回転位置や回転速度）との偏差に基づき印加電圧出力部１７ｂの操作値を決定するフィードバック制御部１７ａと、を備える。しかし、フィードバック制御部１７ａは本発明の必須の構成ではない。
本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、基板ホルダ１０の回転方式は、連続回転であっても良いし、第２の実施形態と同様に、非連続パルス回転であっても良い。
図１７は、本実施形態に係る、ビーム引き出し電圧（即ち、第１電極９ａへの印加電圧）を制御する場合の、等速度で基板１１（基板ホルダ１０）を連続回転する場合についての説明図であり、図１８は、本実施形態に係る、ビーム引き出し電圧（即ち、第１電極９ａへの印加電圧）を制御する場合の、非連続で基板１１（基板ホルダ１０）を回転する場合についての説明図である。非連続で基板を回転する場合については第１電極９ａへの印加電圧を一定とし、回転停止時間を変化させることで回転角θに応じたイオンビーム照射量の制御を行っても良い。
図１７、図１８に係る実施形態では、印加電圧制御部２４は、前記式（１）と同様の４倍周期正弦波関数を用いて、基板１１の回転角θに応じた印加電圧を算出することができる。即ち、印加電圧制御部２４は、基板１１（基板ホルダ１０）が１回転（１周期）する間に、ビーム引き出し電圧を４周期変調させるように出力信号を生成する。この時、ビーム引き出し電圧は滑らかに連続的に変化させても良いし、幅を持たせて段階的に変化させても良い。例えば、印加電圧制御部２４は、図１７、図１８に示すように、第１の状態である回転角θ＝０°、９０°、１８０°、２７０°の時に第１電極９ａへ印加される電圧を最大値にすることによりイオンビーム５１のエネルギー量が最大になり、パターン溝４９が延在する方向側からのイオンビーム照射量が多くなる。パターン溝４９が延在しない方向側からイオンビーム５１が入射する際の電圧を小さくすることによりイオンビーム５１のエネルギー量が小さくなるように、第１電極用電源１７を制御すれば良い。イオンビーム５１のエネルギー量を小さくするにあたっては、第１電極９ａに印加する電圧をゼロとし、基板１１へのイオンビーム５１の照射を停止してもよい。
このように本実施形態では、基板ホルダ１０に載置した基板１１をグリッド９に対して傾けて位置させること及びパターン溝４９が延在する方向側からのイオンビーム照射量が多くなるように、第１電極用電源１７の印加電圧を印加電圧制御部２４によって制御することで、本発明の効果を得ることができる。また、形状の均一性を良好にするためには、基板１１を中心として対称な回転位置（例えば１３５°と３１５°）における供給電力を等しくすることが好ましい。
本実施形態においては、第１電極９ａに印加する電圧を変化させることでビーム引き出し電圧を変化させたが、他の方法でビーム引き出し電圧を変化させても良い。例えば第３電極９ｃに第１電極９ａより低い正の電圧を印加し、第３電極９ｃに印加する電圧を変化させることでビーム引き出し電圧を変化させても良い。また基板ホルダ１０に印加する電圧を変化させることで、基板１１にイオンビーム５１が入射する際のエネルギー量を変化させても良い。
また、本実施形態において、グリッド９は必ず３枚の電極から構成されている必要は無い。これは、上述したように本実施形態の本質は、イオンビーム５１のエネルギー量を、基板１１の回転位相に応じて変化させることにあるからである。
以上の本発明の実施形態では、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
本発明において、基板１１上に形成されるＴＭＲ素子４０の配列は、例示した直方体形状のパターンを縦横の両端を揃えてパターン溝４９が直交するように配列するだけでなく、図１９（ａ），（ｂ）に示すようなラインアンドスペース形状でもよい。図１９（ｂ）は図１９（ａ）中の３１で示す領域の拡大図である。また、図１９（ｃ）は図１９（ｂ）中のＡ−Ａ’断面図である。また、図１９中、１９はオリフラ、３２は稜線、３３は谷線であり、谷線３３が本発明に係るパターン溝４９に相当する。さらに、図１９中、３４は基板１１の表面、３５は裏面である。本発明が適用される基板１１の表面の断面形状については、図１９（ｃ）に示す正弦波形の他に、図２０（ａ）に示す矩形波形、図２０（ｂ）に示す三角波形、図２０（ｃ）に示す台形波形などにも適用可能である。本発明は、このようなパターン溝４９が形成された後の基板１１に対して本発明を用いることで、パターンの側壁に付着した再付着膜を効率的に除去することが可能である。
また図２１に示すように、直方体形状のパターンを斜め方向に配列したものにも適用可能である。この場合、図２１に示すように、パターン溝４９が延在する方向１０２ａ，１０２ｂも互いに斜めに交わる。
本発明は、例示したＭＲＡＭ用のＴＭＲ素子のみならず、ＨＤＤ用磁気ヘッド、ＨＤＤ用磁気記録媒体、磁気センサ、発行素子、圧電素子、相変化素子、抵抗変化素子など、様々なデバイスに対して利用可能である。これらのデバイスに対して所定のパターンを形成後に、その側壁に付着した再付着膜を、パターン溝に沿った方向側からイオンビーム５１により効率的に除去できるからである。
上述した本発明に係る各実施形態において、その本質とするところは、前記基板１１上に形成されたパターン溝４９が延在する方向側から入射するイオンビーム５１のエネルギー量が、他の方向側から入射するイオンビーム５１のエネルギー量よりも大きくなるようにＩＢＥを行うことである。上述した各実施形態を用いることにより、各方向から入射するイオンビーム５１のエネルギー量を変化させることができる。
（第５の実施形態）
本実施形態では、第１の実施形態における基板１１の回転速度にあわせて、グリッド９に対する基板１１の傾斜角度を変化させる。以下で本実施形態の詳細について図２２を用いて説明する。
図２２は基板１１の回転速度が、その回転位置に応じて変化している様子を示している。加えて、グリッド９に対する基板１１の傾斜角度φが４０°を基準として、２０°〜６０°の範囲で変化している。φは好ましくは、基板１１の回転速度が最も遅くなる状態で最も大きくなり、基板１１の回転速度が最も速くなる状態で最も小さくなる。このような制御を行うことで、基板１１のパターン溝４９に延在する方向側からイオンビーム５１が入射する際は、ＴＭＲ素子４０の側壁についた再付着膜５０などを効率的に除去し、一方のイオンビーム５１が入射し難い状態においてはイオンビーム５１を基板１１の表面に対して垂直に近い角度から入射させることで隣接するＴＭＲ素子４０に妨げられることなく、再付着膜５０のエッチングを行うことが可能となる。
（第６の実施形態）
上述した実施形態では、基板１１の回転位相に対して、基板１１に入射するイオンビーム５１のエネルギー量が正弦関数で変化する場合を主に示した。これに対して本実施形態では、パターン溝４９が延在する方向からイオンビーム５１が入射する状態でのみ基板回転を停止させる。
図２３は基板１１の回転停止時間が、回転位置に応じて変化している様子を示す。パターン溝４９が延在する方向である０°、９０°、１８０°、２７０°の方向側からイオンビーム５１が入射する時のみ基板回転が停止し、一定時間イオンビーム５１を照射した後にまた回転を行う。実際の素子分離後のＴＭＲ素子４０の側壁は基板１１に対して一定の傾斜角を有し、また基板１１に入射するイオンビーム５１にも発散が存在するため、本実施形態を実施した場合にも、ＴＭＲ素子４０の側壁の再付着膜５０に対してイオンビーム５１が照射される。
パターン溝４９が延在する方向側からイオンビーム５１が入射する時のみ基板１１の回転を停止させることに加え、第３の実施形態や第４の実施形態で述べたような、イオンビーム照射量やイオンビーム電圧の変化を組み合わせてもよい。この場合、パターン溝４９が延在する方向側からイオンビーム５１が入射する時のみ、基板１１に入射するイオンビーム５１のエネルギー量を大きくし、それ以外の場合はイオンビーム５１のエネルギー量を小さくする。
（第７の実施形態）
図２４を用いて本実施形態に係る発明を説明する。図２３は基板１１の回転停止時間が回転位置に応じて変化し、さらにグリッド９における第２電極９ｂに印加される電圧も変化させている様子を示している。第６の実施形態では、パターン溝４９が延在する方向側からイオンビーム５１が入射する時のみ基板１１の回転を停止させて基板１１にイオンビーム５１を照射したが、本実施形態ではこれに加え、パターン溝４９が延在しない方向側からイオンビーム５１が入射する時には、基板１１へのイオンビーム５１の入射を抑制している点を特徴とする。
本実施形態ではグリッド９の第２電極９ｂの電圧を制御することで基板１１へのイオンビーム照射量の制御を行う。プラズマ生成部２で生成された正イオンは、第１電極９ａと第２電極９ｂとの間に形成された電位差によって加速されて基板１１に向かう。第１電極９ａの電圧が第２電極９ｂの電圧よりも低い場合、正イオンは第２電極９ｂから第１電極９ａに向かう方向に力を受けるため、グリッド９の通過が制限される。
本実施形態はこの作用を利用し、パターン溝４９が延在する方向側からイオンビーム５１が入射する時には第２電極９ｂの電圧を第１電極９ａよりも低くしてイオンを基板１１に向けて加速し、パターン溝４９が延在しない方向側からイオンビーム５１が入射する時には第２電極９ｂの電圧を第１電極９ａよりも高くしてイオンをプラズマ生成部２に閉じ込める。
本実施形態によれば、ＴＭＲ素子４０の側壁に形成された再付着膜５０に入射し難いイオンビーム５１を基板１１に照射しないため、ＩＢＥ工程におけるＴＭＲ素子の形状や寸法精度の劣化を低減することが可能となる。
上述した実施形態では、全て基板１１上に形成されたＴＭＲ素子４０の底面形状を模式的に長方形としたが、楕円形であっても本発明を実施することで本発明の効果が得られることは言うまでもない。以上の本発明の一実施形態では、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
尚、第３の実施形態における基板１１に入射するイオンビーム５１のエネルギー量については、第１電極９ａに流れる電流を見ることで確認できる。プラズマ生成部２で生成されたプラズマのうち一部は第１電極９ａに流入し、第１電極９ａに電流が流れる。第１電極９ａに流れる電流はプラズマ生成部２で生成されるプラズマの量に比例するため、第１電極９ａに流れる電流を見ることで基板１１に入射するイオンビーム５１のエネルギー量を見ることができる。
いずれの実施形態もＩＢＥ工程におけるイオンビーム５１のエネルギー量は、基板１１にイオンビーム５１を照射している時間Ｔと、第１電極９ａに印加している電圧Ｖと、第１電極９ａに流れる電流Ｉの積である電力Ｗ＝Ｖ・Ｉ・Ｔを求めることで計ることができる。
またパターン溝４９が延在している方向側から基板１１に入射するイオンビーム５１のエネルギー量と、パターン溝４９が延在しない方向（パターン溝４９が延在している方向の中間方向）の側から基板１１に入射するイオンビーム５１のエネルギー量についても電力Ｗを求めることで比較できる。行方向及び列方向に配列された図４に示すパターンの場合、イオンビーム５１の入射方向が基板位相の０°〜２２．５°、６７．５°〜１１２．５°、１５７．５°〜２０２．５°、２４７．５°〜２９２．５°、３３７．５°〜３６０°の方向に位置する場合のＩＢＥ工程における電力の合計と、２２．５°〜６７．５°、１１２．５°〜１５７．５°、２０２．５°〜２４７．５°、２９２．５°〜３３７．５°の方向に位置する場合のＩＢＥ工程における電力の合計を求めることで比較可能である。
本発明に係る製造方法を適用可能なＴＭＲ素子の積層構造の一例を、図２５を用いて説明する。図２５は膜厚方向に強磁性層が磁化しているＰ−ＴＭＲ素子８０の積層構造の模式図を示している。Ｐ−ＴＭＲ素子は、先ず、基板８１の上に、バッファー層８２，８３としてＲｕＣｏＦｅ層、Ｔａ層を成膜する。その上に、フリー層８４として強磁性層であるＣｏＦｅＢ層を成膜し、トンネルバリア層８５としてのＭｇＯ層を形成する。トンネルバリア層８５は高いＭＲ比を得るためにＭｇＯが好適である。その他、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）の少なくとも１つまたは２つ以上を含有する酸化物でも良い。その上に第１のリファレンス層８６として強磁性層であるＣｏＦｅ層、第２のリファレンス層８７として強磁性層であるＣｏＦｅＢ層、配向分離層８８としてＴａ層、第３のリファレンス層８９を成膜した。第３のリファレンス層８９はＣｏとＰｄの積層構造からなり、本実施例ではＣｏ／Ｐｄが交互に各々４層積層された後、Ｃｏが成膜されている。
次に非磁性中間層９０としてＲｕ層、第４のリファレンス層９１、キャップ層９２としてＴａ層を成膜した。第４のリファレンス層９１はＣｏ／Ｐｄの積層構造からなり、ＣｏとＰｄが交互に各々１４層積層されている。
１：処理空間
２：プラズマ生成部
３：排気ポンプ
４：ベルジャ
５：ガス導入部
６：ＲＦアンテナ
７：整合器
８：電磁石
９：グリッド
９ａ：第１電極
９ｂ：第２電極
９ｃ：第３電極
１０：基板ホルダ
１１：基板
１２：放電用電源
１２ａ：フィードバック制御部
１２ｂ：パワー出力部
１３：ニュートラライザー
１４：位置センサ
１５：ノッチ
１６：基板搬入口
１７：第１電極用電源
１７ａ：フィードバック制御部
１７ｂ：印加電圧出力部
１８：第２電極用電源
１９：オリフラ
２０：制御装置
２１：ホルダ回転制御部
２１ａ：目標速度算出部
２１ｂ：駆動信号生成部
２２：回転駆動機構
２２ａ：フィードバック制御部
２２ｂ：ホルダ回転駆動部
２３：パワー制御部
２３ａ：目標パワー算出部
２３ｂ：出力信号生成部
２４：印加電圧制御部
２４ａ：目標電圧算出部
２４ｂ：出力信号生成部
３２：稜線
３３：谷線
３４：基板の表面
３５：基板の裏面
４０：ＴＭＲ素子
４１：下部電極
４２：反強磁性層
４３：磁化自由層（フリー層）
４４：トンネルバリア層
４５：磁化固定層（ピン層）
４６：上部電極
４８：フォトレジスト
４９：パターン溝
５０：再付着膜
５１：イオンビーム
５１ｃ：イオンビームを基板に投影させた線分
８０：Ｐ−ＴＭＲ素子
８１：基板
８２，８３：バッファー層
８４：フリー層（強磁性層）
８５：トンネルバリア層
８６：第１のリファレンス層（強磁性層）
８７：第２のリファレンス層（強磁性層）
８８：配向分離層
８９：第３のリファレンス層
９０：非磁性中間層
９１：第４のリファレンス層
９２：キャップ層
１００：イオンビームエッチング装置
１０２ａ，１０２ｂ：パターン溝が延在する方向
１０３ａ，１０３ｂ：パターン溝が延在しない方向（パターン溝が延在する方向の中間方向）

Claims (3)

  1. ２つの強磁性層と、前記２つの強磁性層の間に位置するトンネルバリア層とを有する磁気抵抗効果素子の製造方法であって、
    前記トンネルバリア層が素子分離された基板を用意する工程と、
    前記基板を、グリッドから引き出されたイオンビームによってイオンビームエッチングするイオンビームエッチング工程と、を有し、
    前記イオンビームエッチング工程は、
    前記基板を前記グリッドに対して傾けて位置させ、
    前記基板上に形成されたパターン溝が延在する方向側からイオンビームが入射する際の前記グリッドに対する前記基板の傾斜角度を、他の方向側からイオンビームが入射する際の前記グリッドに対する前記基板の傾斜角度よりも大きくし、
    前記基板をその面内方向に回転させ、
    前記基板の回転速度を、前記パターン溝が延在する方向側からイオンビームが入射する際に、前記他の方向側からイオンビームが入射する際よりも遅くすることで、
    前記パターン溝が延在する方向側から入射するイオンビームのエネルギー量が、前記他の方向側から入射するイオンビームのエネルギー量よりも大きいことを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法。
  2. ２つの強磁性層と、前記２つの強磁性層の間に位置するトンネルバリア層とを有する磁気抵抗効果素子の製造方法であって、
    前記トンネルバリア層が素子分離された基板を用意する工程と、
    前記基板を、グリッドから引き出されたイオンビームによってイオンビームエッチングするイオンビームエッチング工程と、を有し、
    前記イオンビームエッチング工程は、
    前記基板を前記グリッドに対して傾けて位置させ、
    前記基板をその面内方向に回転させ、
    前記基板の回転は、回転及び回転の停止を繰り返し、前記基板上に形成されたパターン溝が延在する方向側からイオンビームが入射する際に、前記基板の回転を停止し、
    前記グリッドは引き出し電極、加速電極及び接地電極を備え、前記加速電極の電圧を、前記パターン溝が延在する方向側からイオンビームが入射する際に前記引き出し電極の電圧よりも低くし、他の方向側からイオンビームが入射する際には前記引き出し電極の電圧よりも高くすることで、
    前記パターン溝が延在する方向側から入射するイオンビームのエネルギー量が、前記他の方向側から入射するイオンビームのエネルギー量よりも大きいことを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法。
  3. 前記基板は、前記グリッドと前記基板が平行である状態に対して３０°〜７０°の傾きをもって回転させることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
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