JPH0132627B2 - - Google Patents

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JPH0132627B2
JPH0132627B2 JP58126848A JP12684883A JPH0132627B2 JP H0132627 B2 JPH0132627 B2 JP H0132627B2 JP 58126848 A JP58126848 A JP 58126848A JP 12684883 A JP12684883 A JP 12684883A JP H0132627 B2 JPH0132627 B2 JP H0132627B2
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grid
ion
ion beam
insulator
plasma
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Takahisa Masuzawa
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TOKYO DAIGAKU
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Description

【発明の詳細な説明】
本発明は、イオンビーム加工装置におけるイオ
ン引き出しグリツドの改良に係り、更に詳しくは
低い加速電圧で高いビーム電流密度を得ることが
できるイオン引き出しグリツドに関するものであ
る。 従来、集積回路の微細パターンの形成方法とし
て反応性エツチング方法が広く用いられていた。
しかし、集積回路の集積度を高めることが強く要
請されており、反応性エツチング方法では微細パ
ターンの形成方法としては限界に達している。そ
こで、更により微細なパターンや微細な形状の形
成方法としてイオンビーム加工法が開発されてい
る。このイオンビーム加工法はイオン源から引き
出された高エネルギ（10eV以上）のビーム状の
イオンを用いて微細パターンの形成、薄膜形成又
は表面の変質などに広く用いられ、粒子間の相互
作用を加工原理としているから数10Å程度の微細
パターンの形成が可能である。 イオンビーム加工法で利用されるイオン源とし
ては種々のイオン源があげられるが、10eV〜
500eV程度のエネルギー領域のイオンビームを放
出でき薄膜形成や微細パターンの形成などのスパ
ツタリングに用いられるイオン源としてはカウフ
マン型イオン源がある。このカウフマン型イオン
源はスパツタリングに好適なエネルギー領域のイ
オンビームを簡単な制御装置を用いて取り出すこ
とができ、しかも加工のし易さ、再現性等におい
て種々の長所を有しているが、低い加速電圧で高
いビーム電流密度が得られず長時間の加工時間を
必要とする欠点がある。一方加速電圧を高くして
高いビーム電流を得ようとすると、ビーム電流密
度は増加するがイオンビームのエネルギーが高く
なりすぎてマスクの破損等の種々の弊害が発生す
る欠点がある。このような欠点を除去するため、
スパツタリングに好適なエネルギー領域のイオン
ビームを引き出すことができ、しかも低い加速電
圧で高いビーム電流密度が得られるイオン源の開
発が強く要請されている。 第１図は従来のカウフマン型イオン源を用いた
イオンビーム加工装置の構成を示す断面図であ
る。このイオン加工装置は大別してプラズマイオ
ンを発生させるプラズマ発生室１、発生したイオ
ンをイオンビームとして引き出すイオン引き出し
グリツド２と被加工物にイオンビームを照射する
加工室３とから構成されている。プラズマ発生室
１は陰極４を中心に配設した円筒形をしたシール
壁５でシールされていて、このシール壁５の内側
には円筒形をした陽極６が配置され、シール壁５
の外側には縦方向に磁界を発生させ陰極４から放
射される電子をサイクロトロン運動させる電磁石
７が並置されている。陰極４と陽極６との間には
グロー放電させるために40〜50Vのアノード電源
８が陽極６側が正極になるように接続されてい
る。イオン引き出しグリツド２は、多数の孔が形
成されていて周囲壁５の電位と等しい電位にあり
プラズマ境界を形成するためのスクリーングリツ
ド９と、プラズマ境界から熱運動により出てくる
イオンを加速するための多数の孔が形成されてい
る加速グリツド１０とから構成されている。スク
リーングリツド９と加速グリツド１０は所定の距
離だけ離間して双方に形成されている孔が相互に
一致するように配置され、これらの間にはスクリ
ーングリツド９に対して加速グリツド１０が負極
になる向きに加速用電源１１が接続されている。
また、加速グリツド１０には加工室側からの電子
の逆流を防止するためターゲツト電位に対して加
速グリツド１０が負極になるようにサプレツサ電
源１２が接続されている。加工室３は試料をホー
ルドするためのターゲツトホルダ１３が配置され
ていて、この上に試料１４が載置され、試料１４
の上にマスク１５が載置されている。 次にプラズマを発生させ試料にイオンビームを
照射するプロセスについて説明する。まず、真空
装置（図示せず）により開口１６を介して装置内
部を10-6〜10-7Torrまで排気してから開口１７
を介してArガスを封入する。陰極４から熱電子
放出された電子は電磁石７の作る磁界によりサイ
クロトロン運動をおこしながら陽極に入射する。
その途中において陰極４と陽極６との間の電界に
より加速され、Ar原子と衝突してAr+イオンが
電離され、グロー放電がおこり低電離プラズマが
発生する。発生したプラズマと周囲壁及びスクリ
ーングリツド９との間に薄いさやのようなイオン
シースが形成され、このイオンシースによりプラ
ズマ境界が形成される。プラズマ境界から熱運動
により放出されるイオンはプラズマ電位と加速グ
リツド電位の差である総加速電圧（実際にはプラ
ズマ電位と加速電源電圧からサプレツサ電圧を引
いた値）により加速されイオンビームとして引き
出される。そして、加工室３内の試料に対してイ
オンシヤワーのようにして照射され、マスク１５
により覆われていない部分は直接イオンビームが
照射されて試料自体がエツチングされマスク形状
をした微細パターンが形成される。 このカウフマン型イオンビーム加工装置におい
て得られる最大電流密度Ｊ（Ａ／cm2）は下記の式
で表わされる。 Ｊ＝ｎπε0／９（2q／Mi）1/2（ds／le）2VT 3/2……
(1) ここで、ｎ：グリツドの孔の密度、 ｑ：イオンの電荷 Mi：イオンの質量 ds：グリツドの孔の径 VT：最大加速電圧 le：（lg＋ds2／４）1/2 lg：スクリーングリツドと加速グリ
ツドとの距離 (1)式より理解されるように、最大ビーム電流密
度Ｊを大きくするには、まず第１に、グリツドの
穴の密度（単位面積当りの孔の個数）ｎを大きく
する方法があげられる。しかし、グリツドは一定
の機械的強度、耐熱性及び放出されるイオンビー
ムによりスパツタリングされない耐久性を具えて
いなければならず、使用できる材料はおのずと限
定される。従来これらの特性を具えるものとして
炭素から造られているグリツドが用いられている
が、より小径の孔を多数形成して穴の密度を大き
くすることは加工製作上より限界がある。特に２
枚のグリツドを用いて孔の位置が相互に一致する
ように配置しているから孔の径を小さくすること
は非常に困難なものといわざるを得ない。 第２に、スクリーングリツド９と加速グリツド
１０との間隔lgを小さくする方法が考えられる
が、グリツド間の絶縁破壊を防止するには一定の
距離だけ離間して配置しなければならず限界があ
る。 第３の方法として加速電圧を大きくする方法が
あるが、前述したようにイオンビームの加速エネ
ルギーが高くなりすぎマスク自体がスパツタリン
グされてしまい汚染等の弊害が生じてしまう。 このように従来のカウフマン型イオン源におい
て用いられているイオン引き出しグリツドでは高
いビーム電流密度を得ることができず、スパツタ
リング加工に長時間必要となる欠点がある。ま
た、２枚のグリツドを用いて孔の位置が各々一致
するように配設する構成になつているから、部品
加工上及び実装上高い精度が要求されるばかりで
なく、グリツドを構成する材料が限定される欠点
もある。このような欠点を解消する方法としてス
クリーングリツドを取り除き加速グリツド１枚で
構成されるイオン引き出しグリツドが提案されて
いるが、この方法ではビームの放散角が大きくな
る欠点があるばかりでなく、グリツド自体が加工
されてしまいグリツドの寿命が短くなる欠点があ
り、試料を汚染する問題点も生ずる。 本発明の目的はスパツタリングに好適なエネル
ギー領域のイオンビームを取り出す際低い加速電
圧でも高いビーム電流密度が得られると共に、イ
オンビームの放散角が小さくイオンビームを有効
に被加工物に照射し得るイオンビーム加工装置を
提供することにある。 本発明はプラズマイオンを発生するプラズマ発
生室と、発生したイオンをイオンビームとして引
き出すイオン引き出しグリツドと、引き出された
イオンビームを被加工物に照射する加工室とを具
えたイオンビーム加工装置において、前記イオン
引き出しグリツドを、前記プラズマ発生室側が絶
縁体より成り加工室側が導体より成り、これら絶
縁体及び導体を貫通して形成された多数の孔を有
する一体のグリツドで構成し、前記導体部をプラ
ズマ電位に対して負の電位点に接続したことを特
徴とするものである。 以下添附図面について本発明の具体的実施の態
様を詳細に説明する。第２図は本発明に係るイオ
ンビーム加工装置の一例の構成を示す断面図であ
る。本発明に係るイオンビーム加工装置はプラズ
マ発生室２１、イオン引き出しグリツド２２及び
加工室２３から構成され、プラズマ発生室２１と
加工室２３は第１図で示した従来の装置をそのま
ま適用できるため説明は省略しイオン引き出しグ
リツド２２について説明する。尚、第１図に示す
装置と同じ部分には同じ符号を付けて示した。イ
オン引き出しグリツド２２はプラズマ発生室２１
側が厚さの厚い絶縁材料でできている絶縁体２４
と加工室２３側が薄い導電材料でできている導体
層２５とから一体的に構成され、これら絶縁体お
よび導体層を貫通して形成された多数の孔２６が
形成されている。絶縁体２４はプラズマ境界の形
状を制御すると共に、イオンが直接導体層２５に
流入するのを防止している。よつて、第１図で説
明したスクリーングリツドと同等の機能を果して
いる。孔２６の密度（単位面積当りの孔の個数）
が大きい程ビーム電流密度が大きくなるので小さ
い径の孔を多数形成することが望ましい。また、
この絶縁体２４の材料は電気絶縁性を有していれ
ば多くのものを使用できるが、若干の発熱を伴な
うため耐熱性を有していて熱変形の小さい絶縁体
が好適である。導体層２５はグリツド下部で加速
電位を与えるためのものであり、機械的強度は要
求されず、また絶縁体２４によりイオンが直接に
入射しないように構成されているから、スパツタ
リングに対する耐久性も要求されず、導電性を具
えているだけで良いので種々の材料を使用でき
る。第３図は引き出しグリツド近傍におけるプラ
ズマ境界２７の形状を示す線図である。プラズマ
の発生に伴ない絶縁体２４の表面にはプラズマ源
からイオンが入射し、絶縁体２４の表面はほぼ陰
極のフイラメント電位にほぼ等しい電位になる。
これにより絶縁体２４の上方のイオンシースの巾
が孔２６の上方のイオンシースの巾より小さくな
り、第３図に示すように各孔２６の上方において
陰極方向に凹形をしたプラズマ境界が形成され
る。この凹形をしたプラズマ境界２７は第１図で
示した二枚グリツドで形成されるプラズマ境界と
同等の形状をしている。従つて、絶縁体２４を形
成することによりスクリーングリツドを２枚設け
る場合と全く同一の効果を発揮できる。これによ
り導体層２５の側面を通りグリツドに流入するイ
オン電流は減少し従来のイオン引き出しグリツド
に比べ総電流が同一であつてもより大きいイオン
電流密度を得ることができ、また、グリツドのス
パツタリングによる損耗が妨げると共に、グリツ
ド部における発熱量も減少する。更に、絶縁体表
面の電位がフイラメント電位に等しいことは入射
するイオンのエネルギーも絶縁体２４の表面電
位、即ち陰極のフイラメント電位に等しくなる。
ここで、重要なことは導体層２５の厚さと絶縁体
２４の厚さである。導体層２５の厚さが厚いとそ
の側面を通してグリツドに流入する電流が大きく
なりグリツド部における発熱の原因になるばかり
でなく、引き出されるイオンビームの発散角を大
きくする弊害も生ずる。よつて導体層２５の厚さ
は薄くすることが望ましい。また、絶縁体２４の
厚さが薄いと絶縁体２４の内外における電位分布
が複雑になりビームの発散角が大きくなる不都合
を生じてしまう。よつて絶縁体２４はある程度の
厚さを有することが望ましい。絶縁体２４が厚い
場合、孔２６の側面にイオンが飛来して、孔２６
の側面も正極の表面電位と同電位となり静電レン
ズ効果により引き出されるイオンビームが絞り込
まれ、ビームの指向性が一層改善される。この場
合絶縁体２４の厚さは孔２６の径との関係より定
められるべきであり、少なくとも開口径の20％以
上あることが望ましい。 尚、充分なイオン電流を得るには、加工室側の
プラズマ電位を中和より充分下げる必要が生ずる
場合もある。この場合にはイオン引き出しグリツ
ド２２の下方の加工室２３内に通常の熱線フイラ
メントを配置して熱電子を充分放出することによ
り達成できる。 次にカウフマン型イオンビーム加工装置におい
て本発明に係るイオン引き出しグリツドを用いた
場合の性能結果について従来のイオン引き出しグ
リツドを使用した場合と比較して説明する。尚、
本発明と従来例との比較実験は、イオン引き出し
グリツド、加速電圧及びサブレツサ電圧のみ相違
し、これら以外は同一条件とした。 （実験条件） (i) 本発明に係るグリツド １ 孔径 0.4mm ２ 孔ピツチ 0.6mm ３ 絶縁体 アルミナ（Kyocera A0479）
ｔ＝0.25mm ４ 導体層 ニツケルメツキ ｔ＝0.01mm (ii) 従来例（２枚グリツド方式）のグリツド １ 孔径 1.0mm ２ 孔ピツチ 1.5mm ３ グリツド間隔 0.6mm （測定方法） (i) 最大電流密度 プローブ径３mmのフアラデイカツプを用いて
測定した。測定位置は本発明の装置ではグリツ
ドから８cmの位置で、従来の装置では加速グリ
ツドから10cmの位置で測定した。この位置の相
違は理論的に従来装置の方が約1.56倍小さく測
定されるので比較する場合は従来装置の数値を
1.56倍して比較する。 (ii) 電流密度分布 フアラデイカツプを用いて中心及び横方向に
各々２cm、４cmの５点の電流密度を測定し、ビ
ームプロフイールを求めた。 (iii) ビーム発散角 ビーム発散角αは次の(2)式より求めた。 α＝tan-1〔（R〓−R〓）／Ｌ〕 ……(2) R〓：全ビームの95％のビームが通る半径 R〓：イオン源の半径 Ｌ：イオン源からフアラデイカツプまでの距離 (iv) 総電流 総電流はビームプロフイールを積分すること
により求めた。
【表】
【表】 ＊ 註：−熱線フイラメントを用いて熱電子
を十分放射している。
（実験結果） 表１に最大電流密度、総電流及びビーム発散半
角に関する実験結果を、表２にグリツドを通過直
後の位置における最大電流密度をそれぞれ示す。
尚、従来例で用いた加速電圧は本発明で用いた加
速電圧より高いためビーム発散半角を除き直接数
値を比較できないが、前述した(1)式に基けばビー
ム電流は加速電圧の3/2乗に比例することが明ら
かである。よつて、(1)式に基き補正した数値を用
いて比較検討する。 (i) 最大電流密度 正味の加速電圧Voが120Vの場合は、従来例
に比べほぼ４〜６倍増加しており、Vo＝200V
の場合では従来例に比べ2.6〜3.3倍増加してい
る。又、グリツドを通過した直後の最大電流密
度も同様に本発明に係るイオン引き出しグリツ
ドを用いると、従来例に比べVo＝120Vの場合
は、ほぼ4.5〜6.2倍増加し、Vo＝200Vの場合
には2.4〜3.3倍増加している。 この結果は、Vo＝120Vと比較的低い加速電
圧の場合は(1)式に示す理論値とほぼ一致し、
Vo＝200Vの場合は理論値より低い値になつて
いる。 (ii) 総電流 Vo＝120Vの場合は従来例に比べ、2.8〜４倍
増加し、Vo＝200Vの場合は１〜２倍増加して
いる。 (iii) 発散半角 本発明に係るイオン引き出しグリツドを用い
た場合ビーム電流の大小に拘わらずほぼ一定の
値を示すが、従来例においてはビーム電流が大
きくなるに従い発散半角が大きくなる傾向にあ
る。そして、本発明によれば従来例に比べて約
３度程度改善することができる。この結果はイ
オンビームの発散性を改善してイオンビームの
指向性を一層高めることができることを意味す
る。 (iv) ビームプロフイール 第４図にビームプロフイールを示す。縦軸は
ビーム電流密度を示し、横軸は中心からの距離
を示す。実線Ａで示す従来例は正味の加速電圧
が450V、ビーム電流が44.6ｍＡであり、破線
Ｂで示す本発明の装置では加速電圧が200Vビ
ーム電流が44.9ｍＡである。第４図より明らか
なように本発明のビーム電流密度分布は従来例
に比べ急激な立ち上がりを示し、発散性が小さ
く指向性に富んでいるのが理解できる。この傾
向はビーム電流及び加速電圧が変化しても同様
である。 尚、本発明において正味の加速電圧Voが
150Vの場合には従来例に対する最大電流密度
及び総電流の増加率がほぼ理論と一致している
が、Vo＝200Vの場合に若干増加率が小さいこ
とはプラズマ発生室からグリツドにより引き出
されるイオン量に対するプラズマイオンの生成
量が対応して生成されていないためこのような
結果になつたものと推定される。 第５図は本発明によるイオン引き出しグリツド
の他の例を示す断面図である。前例のグリツドは
絶縁体板上に導体層を被着して形成したが、本例
では導体板上に絶縁体層を被着して形成する。即
ち、第５図に示すように、本例のイオン引き出し
グリツド３０は、例えば厚さ0.1mmのステンレス
板より成る導体３１に直径が約0.2mmの孔５２を
従来例（直径１mmの孔が形成されている）に比べ
6.25倍の開口密度で形成した後、一方の表面に例
えば厚さ3μｍのSiO2より成る絶縁体層３２を真
空蒸着して形成した。このイオン引き出しグリツ
ド３０を用いたところ、ビームプロフアイルの平
行度、ビーム電流密度、寿命、ターゲツトの汚染
防止などの点において従来のイオン引き出しグリ
ツドに比べて著しい効果の向上が見られた。即
ち、ビームプロフアイルは従来のものに比べて急
峻となると共に、ビーム電流密度もVo＝120Vに
おいて1.6ｍＡ／cm2の値が得られた。ただし、本
例のように薄い絶縁体層を用いる場合には、その
耐久性が問題となる場合もあるので、CVDのよ
うな比較的残留応力の少ない方法で絶縁体層を形
成したり、導体の熱膨脹率に近い膨脹率を有する
絶縁材料を用いたり、Si基板を用いて一方の表面
を熱酸化し、他方の表面にＢ又はＰをドーブして
応力剥離しにくい構造とするなどの処理を講ずる
のが好適である。 以上説明したように本発明によれば、イオン引
き出しグリツドに形成されている絶縁体がスクリ
ーングリツドとしての機能を果すから、スクリー
ングリツドと加速グリツドとを一体的に形成した
ものと等価になる。これによりイオン引き出しグ
リツドに形成すべき小孔の開口密度を増加するこ
とができ、低電位プラズマを低い加電圧で高いビ
ーム電流密度のイオンビームとして取り出すこと
が可能になり、マスク等に損傷を与えることなく
加工速度を高めることが可能になる。またイオン
引き出しグリツドを一体物で構成できるから、絶
縁体基板に加速グリツドを構成する導体層を蒸
着、メツキ等の方法により一体的に製作すること
が可能になり、イオン引き出しグリツド自体の製
作及びその装着がより一層容易になる。さらに
は、加速グリツドを構成する導体が直接プラズマ
イオンと接触しにくい構成になつているからイオ
ン引き出しグリツドを構成する材料の選択性の範
囲が広くなる。また、絶縁体層の厚さを大きくし
て孔の孔径に対して少なくとも20％以上の厚さに
することにより引き出されるイオンビームの指向
性を一層高めることが可能になり、グリツドから
被加工物までの距離を大きくとらなければならな
い加工室構造をした装置に使用しても効率よく被
加工物にイオンビームを照射することができる。 尚、本発明を適用できるイオンビーム加工装置
のイオン源はカウフマン型イオン源に限定され
ず、矩形導波管とマイクロ波を用いてプラズマを
発生させるイオン源にも適用でき、封入ガムも
Ar等の不活性ガスに限定されず活性ガスを用い
るリアクテイブエツチングにも適用できる。更
に、本発明はエツチングだけでなくスパツタデポ
ジシヨンによる薄膜や表面クリーニング装置等に
も適用できることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
第１図は従来のカウフマン型イオン源を用いた
イオンビーム加工装置の構成を示す断面図、第２
図は本発明に係るイオン引き出しグリツドを用い
たイオンビーム加工装置の一例の構成を示す断面
図、第３図は本発明に係るイオン引き出しグリツ
ド及びプラズマ境界の形状を示す断面図、第４図
はビーム電流密度分布を示す線図、第５図は本発
明によるイオン引き出しグリツドの変形例の構成
を示す断面図である。 １……プラズマ発生室、２……イオン引き出し
グリツド、３……加工室、４……陰極、５……シ
ール壁、６……陽極、７……電磁石、８……アノ
ード電源、１１……加速用電源、１３……ターゲ
ツトホルダ、１４……試料、１５……マスク、１
６，１７……開口、２１……プラズマ発生室、２
２……イオン引き出しグリツド、２３……加工
室、２４……絶縁体、２５……導体層、２６……
孔、２７……プラズマ境界、３０……イオン引き
出しグリツド、３１……導体、３２……絶縁体
層、３３……孔。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ プラズマイオンを発生するプラズマ発生室
    と、発生したイオンをイオンビームとして引き出
    すイオン引き出しグリツドと、引き出されたイオ
    ンビームを被加工物に照射する加工室とを具えた
    イオンビーム加工装置において、前記イオン引き
    出しグリツドを、前記プラズマ発生室側が絶縁体
    より成り加工室側が導体より成り、これら絶縁体
    及び導体を貫通して形成された多数の孔を有する
    一体のグリツドで構成し、前記導体部をプラズマ
    電位に対して負の電位点に接続したことを特徴と
    するイオンビーム加工装置。 ２ 前記グリツドの絶縁体の厚さを導体の厚さよ
    りも厚くしたことを特徴とする特許請求の範囲第
    １項記載のイオンビーム加工装置。 ３ 前記グリツドの絶縁体の厚さをグリツドの孔
    径の20％以上の厚さにしたことを特徴とする特許
    請求の範囲第１項又は第２項記載のイオンビーム
    加工装置。
JP58126848A 1983-07-14 1983-07-14 イオンビ−ム加工装置 Granted JPS6020440A (ja)

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