JPH062166A

JPH062166A - イオンビームエッチング装置

Info

Publication number: JPH062166A
Application number: JP15776992A
Authority: JP
Inventors: Takashi Iga; 尚伊賀; Yasunori Ono; 康則大野; Kenichi Natsui; 健一夏井
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-06-17
Filing date: 1992-06-17
Publication date: 1994-01-11
Anticipated expiration: 2018-04-28
Also published as: JP3401801B2

Abstract

(57)【要約】【構成】加工室９内に導体のメッシュで構成した筒状の
電子反射グリッド２２を配置し、電源２３によって負の
電位を与える。ここで、電子反射グリッド２２の内径は
イオンビーム８の有効径より大きい。中性化器１２から
引出された高速の電子１４は負電位の電子反射グリッド
２２で反射されるため、直接加工室９の内壁に流入する
ことが抑制され、基板１１に流入する高速の電子１４を
増加させる。【効果】中性化器から引出された高速電子の、基板上で
のイオンビーム電流の中性化に寄与する割合を増加させ
ることができる。大容量イオン源のイオンビーム中性化
が可能となり、イオンビームエッチング装置の生産性を
向上させ製品のコストを低減することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、イオンビームエッチン
グ（ミリング）装置の改良に係り、特に、イオンビーム
の照射による基板の帯電を防止する機構に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、薄膜磁気ヘッドやGaAsLSI の配
線、あるいは光導波路の微細加工等にイオンビームエッ
チング装置が用いられている。これらの装置では、基板
が絶縁物の場合や電気的に絶縁されている場合に、基板
に電子を供給してイオンビーム照射による基板の帯電を
防止する中性化器と呼ばれる機構が備えられている。従
来、中性化器として最も一般的なものは、イオンビーム
中に浸した熱フィラメントであり、簡単な構成で大量の
電子を供給することができた。しかし、一般にイオンビ
ームエッチング技術では加工速度や選択比を高くして加
工精度を向上させるために、化学的に活性なガスや化合
物ガスが使用されることが多い。ところが、熱フィラメ
ントはこれらの活性ガス中では消耗が激しく頻繁に装置
の真空を破って交換する必要があるため、稼働率を低下
させる主な要因となっていた。さらには、熱フィラメン
トはイオンビームによってスパッタされて不純物の発生
源となるため、プロセス上好ましくないものであった。
これらの問題に対して、マイクロ波放電または高周波放
電を利用したプラズマ源から電子を引き出すことにより
活性ガスに対して寿命が長く不純物の発生が少ない中性
化器が考案され、特開昭63−157887号公報に開示されて
いる。

【０００３】図７は従来技術による中性化器を備えたイ
オンビームエッチング装置の構成を示す断面図である。
同図において、１はプラズマ生成室、２はイオン引出し
電極、３は磁場発生手段、４はマイクロ波を供給する導
波管、５は真空封止を兼ねるマイクロ波導入窓、６はガ
ス導入口であり、これらでマイクロ波イオン源が構成さ
れている。ガス導入口６からガスを導入すると、マイク
ロ波の電場と磁場発生手段３の磁場との相互作用により
イオン源プラズマ７が生成される。イオン引出し電極２
に所望の電圧を印加することにより、イオン源プラズマ
７からイオンビーム８が引出され、加工室９内の基板ホ
ルダ１０上の基板１１に照射される。その際に、基板１
１がイオンの電荷により正に帯電するのを防ぐために中
性化器１２の電子放出孔１３から電子１４が供給され
る。本従来例では、中性化器１２もイオン源と同様にマ
イクロ波放電によって内部にプラズマが生成されてい
る。１５は中性化器にガスを導入するためのガス導入
口、１６はマイクロ波を供給する同軸ケーブル、１７は
電子を引出すための電源である。また、イオンビーム８
が通過する領域にはビームプラズマ１８が存在してい
る。

【０００４】この技術によって中性化器のフィラメント
レス化が可能になり、活性ガスを使用しても長時間にわ
たって保守不要な中性化器が得られていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述のようにフィラメ
ントのない中性化器を用いることにより、イオンビーム
エッチング装置のメンテナンスサイクルが延び、装置の
稼働率は大幅に向上した。しかし、従来技術の中性化器
１２のようにプラズマを電子源とするものでは熱フィラ
メントに比べて電子放出容量が一桁少ないことと、中性
化器１２から引出された電子１４のうち基板１１の中性
化に寄与する割合が小さいため、大容量イオン源のイオ
ンビームを十分中性化することはできなかった。具体的
には、ビーム径１５０mm、イオン電流１５０ｍＡ程度の
イオンビームの中性化には有効であったが、ビーム径２
００mm、イオン電流３００ｍＡ程度になると容量不足と
なった。その結果、ビーム電流の径方向分布を考慮する
と、処理できる基板のサイズは最大でも３″φであっ
た。一般に、薄膜素子の生産効率を上げコスト低下をは
かるためには基板サイズを大きくして一枚の基板からと
れる素子を増やすことが効果的であり、基板サイズが限
定されることは大きな障害となっていた。

【０００６】ここで、従来の中性化器１２から引出され
た電子１４のうち基板１１の中性化に寄与する割合が小
さい理由を図８を用いて説明する。図８は、図７の中性
化器１２，イオンビームプラズマ１８，加工室９の電位
関係を模式的に示したものであり、横軸は電子の進行方
向に沿った位置に相当し、縦軸は接地に対する電位であ
る。通常の動作中には、中性化器１２内のプラズマから
電子１４を引き出すためにその電位Ｖ_Nは−２０Ｖ程度
になっており、中性化器１２内のプラズマの電位Ｖ_Pは
中性化器電位Ｖ_Pよりもプラズマの空間電位（約５Ｖ）
の分だけ高く、−１５Ｖ程度になる。また、ビームプラ
ズマ１７の電位Ｖ_BPは通常１５Ｖ程度である。中性化器
１２内の電子は中性化器プラズマの電位Ｖ_Pとビームプ
ラズマ１６の電位Ｖ_BPの差（この場合約３０Ｖ）で引出
されて加速される。この時、ビームプラズマ１８中で高
速の電子１４がガス分子と衝突すると生成される低速の
電子はビームプラズマ１８の電位が周囲より高いためそ
こに捕獲される。しかし、ビームプラズマ１８中で非弾
性衝突によってエネルギを失わなかった高速の電子１４
は、ビームプラズマ１８と加工室９の間の電位差（約１
５Ｖ）で減速されるが、元のエネルギが高いためにこの
電位障壁を越えて加工室９の内壁に流入してしまう。す
なわち、図７に示した従来装置で大電流イオン源のイオ
ンビームを十分中性化できないのは、中性化器１２から
引出された高速の電子１４のうち基板１１に流入して中
性化に寄与するものの割合が、直接加工室９の内壁に流
入するものに比べて少なく、高速の電子１４の利用効率
が低いためであった。

【０００７】発明者等が従来装置を用いて行った実験に
よると、引出し電圧２０Ｖで中性化器１２から引出した
電流は１２０ｍＡであったが、その内、基板１１に流入
して中性化に寄与したのは高々３０ｍＡであり、効率は
２５％であった。また、引出し電圧を下げれば効率は高
くなるが、中性化器１２から引出される電子１４自体が
減少するために結果的に基板１１に流入して基板の中性
化に寄与する電流は増加しなかった。また、この効率を
高めるために、中性化器１２の電子引出し孔を直接基板
１１に向けると、高速の電子１４が基板１１及び基板ホ
ルダー１０の中性化器１２に近い部分に流れ込みやす
く、基板１１面内で均一な中性化が行われず、実用的で
なかった。さらに、中性化器から引出せる電子を増加さ
せるためには、中性化器を複数個設けることが考えられ
るが、このようにするとガス流量が多くなり、加工精度
が低下してしまう。

【０００８】このように、従来技術では中性化器から引
出した電子の基板の中性化に寄与する効率が低く、大容
量イオン源のイオンビームを十分中性化することができ
なかった。そのため、活性ガスに対する寿命が長く不純
物の発生が少ないイオンビームエッチング装置は、メン
テナンスサイクルは延長されたにもかかわらず、基板の
大きさまたは数量が制限され、従来のイオンビームエッ
チング装置に比べて生産性が低いという問題があった。

【０００９】本発明の目的は、中性化器から引出した電
子の利用効率を高め、簡単な構成で活性ガスに対する寿
命が長く不純物の発生が少ない、大容量のイオンビーム
エッチング装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は中性化器から引き出された高速の電子をビ
ームプラズマ中に閉じ込めることにより直接加工室内壁
に流れ込むことを防止して、高速の電子が基板に流入す
る割合を増加させる電気的または磁気的手段を設けた。

【００１１】

【作用】本発明では、中性化器から引き出された高速の
電子が直接加工室内壁に流れ込まないように反射してビ
ームプラズマ中に閉じ込める作用をもつ電気的または磁
気的手段を設けたので、中性化器から引き出された電子
が基板に流れ込む割合を相対的に高めるように作用す
る。そのため、基板に流れ込む中性化電子が増加する。
すなわち、中性化器から引出される電子の利用効率を上
げることができ、大容量イオン源のイオンビームを十分
中性化することが可能になり、イオンビームエッチング
装置の処理能力を向上させることができる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。

【００１３】図１は、本発明のイオンビームエッチング
装置の構成を示す断面図である。図において、１はマイ
クロ波放電室、３は磁場発生手段、４は導波管、５は真
空封止を兼ねる石英ガラス製のマイクロ波導入窓、６は
ガス導入口である。２は２枚の多孔電極からなるイオン
引出し電極系（ビーム径２００mm）であり、マイクロ波
放電室１側のイオン引出し電極２ａはマイクロ波放電室
１と同電位であり、加速電源１９に接続され、正の電位
が与えられる。また、加工室９側のイオン引出し電極２
ｂは、絶縁物２１でイオン引出し電極２ａおよび加工室
９とは電気的に絶縁されており、減速電源２０によって
負の電位が与えられる。加工室９は図示しない真空排気
手段と連通しており、内部には基板ホルダ１０と基板１
１が設置されている。また、１２は中性化器であり、マ
イクロ波放電によって内部に生成されたプラズマから電
源１７により電子１４が引出される。ここで、１６は中
性化器にマイクロ波電力を供給する同軸ケーブル、１５
はガスを供給するガス導入口である。さらに、本実施例
では、イオン引出し電極系６と被処理基板の間に、内径
がイオン引出し電極系２の有効径以上である電子反射グ
リッド２２が備えられている。発明者等の実験では、図
２に示すような、線番＃４９（線径０.０３mm）、メッ
シュ３（空間４.３７mm ）のステンレス平織金網と補強
材を用いて電子反射グリッド２２を構成して使用した。
電子反射グリッド２２は電源２３により必要に応じて負
の電位を与えることができる。

【００１４】次に、本実施例の動作を説明する。イオン
源の動作は次のようにして行った。図示しない真空排気
手段でマイクロ波放電室１，加工室９、および中性化器
１２の内部を１×１０^-6Torr程度まで真空排気する。次
に、磁場発生手段３により９００Ｇ程度の磁場をかけた
マイクロ波放電室１にガス導入口６からＣＨＦ₃ガスを
供給し、２.４５ＧＨｚのマイクロ波を導入した。この
時、加工室９内のガス圧は１×１０^-4Torrになってい
る。マイクロ波放電室１に導入されたガスは、マイクロ
波の電場と磁場発生手段３の磁場の相互作用で効率良く
プラズマ化される。このようにして生成されたイオン源
プラズマ７からイオン引出し電極系２に所望の電位を与
えることによってイオンビーム８を加工室９内に引出
し、基板１１に照射する。発明者等の実験では、イオン
引出し電極２ａに８００Ｖ、イオン引出し電極２ｂに−
２００Ｖの電圧を印加して、２８０ｍＡ(０.９ｍＡ/c
m²）のイオンビームを引出した。このとき、イオンビー
ム８が通過する領域にはビームプラズマ１８が存在す
る。

【００１５】ここで、発明者らが基板の中性化効果を模
擬するために基板１１の位置に直径６″のファラデープ
レートを置き、電子反射グリッド２２を接地した状態
で、イオンビーム８の入射による電流を電流計で測定し
たところ、７２ｍＡであった。また、高インピーダンス
の高電圧プローブを用いて、ファラデープレートをフロ
ーティングとしてその電位を測定したところ、約９０Ｖ
になっていた。ここで、中性化器１２にガス導入口１５
からＣＨＦ₃ガスを導入し同軸ケーブル１６からマイク
ロ波を供給すると中性化器１２内にプラズマが生成され
る。電子引出し電源１７により中性化器１２に−２０Ｖ
のバイアス電圧を印加すると、高速の電子１４が中性化
器１２から引出され、その一部がファラデープレートに
流入してイオン電流を相殺する。この時、中性化器１２
から引出された電子電流は１２０ｍＡであったが、ファ
ラデープレートに流入したのはその内の３０％程度であ
り、イオン電流を完全には相殺できなかった。また、フ
ァラデープレート電位の測定でも、５０Ｖまで減少した
だけであった。一方、接地電位としていた電子反射グリ
ッド２２に流れ込む電子電流を測定したところ６５ｍＡ
であった。これらの結果は、中性化器１２から引出され
た高速の電子１４の大部分は基板１１以外の接地電位の
部分に流れ込んでしまう事を示している。

【００１６】以上の結果は電子反射グリッド２２を接地
電位としていたため、電子反射グリッド２２がない従来
装置での結果とほとんど変わらない。しかし、本実施例
では、電子反射グリッド２２に電源２３によって負の電
位を与えることにより、中性化器１２から引出された電
子１４のうち、基板１１に入る割合を増加させることが
できる。発明者等の実験では、図３に示したように、電
子反射グリッド２２に−１５Ｖの電位を与えたところ、
電子反射グリッド２２に流れ込む電子電流は８ｍＡまで
減少した（ここでの電流にはビームプラズマ１８からの
イオン電流も含まれるが、中性化器１２からの電子電流
に比べるとその量は少ないので無視できる）。同時に、
ファラデープレートに流れ込む電流は−１２ｍＡになっ
ており、ファラデープレート電位も−５Ｖまで減少して
いた。これは、中性化器１２から引出された高速の電子
１４が負電位の電子反射グリッド２２によって反射され
るためにビームプラズマ１８中に捕らえられて、ファラ
デープレートに流入する割合が相対的に増加してイオン
電流以上の電子電流が流れ込んだためである。また、フ
ァラデープレート電位が負になるということは、ビーム
プラズマ１８中で生成された低速の電子以外の高速の電
子が多く流れ込んだことを示している。

【００１７】本実施例によれば、中性化器から引出され
た高速の電子をビームプラズマ中に閉じ込めることによ
って接地電位の加工室内壁への流入を防止し、基板に流
入する高速電子の量を相対的に増加させることができ
る。その結果、イオンビームエッチング装置で大容量イ
オン源を用いて大型基板を処理することが可能となり、
生産効率の向上とコスト低減が可能となる。

【００１８】また、本実施例で、電子反射グリッド２２
に電源２３によって負電位を印加するかわりに電子反射
グリッド２２をフローティング電位としても、高速の電
子１４の流入により自動的にある一定の負電位になるこ
とから、上記と近い効果が得られる。

【００１９】次に、図４を用いて、本発明の第２の実施
例を説明する。本実施例では中性化器から引出された高
速の電子をビームプラズマ内に閉じ込める機構以外は第
１の実施例と同じであり説明は省略する。本実施例で
は、第１の実施例の電子反射グリッド２２の代わりに、
イオンビーム８の側面を囲む多極磁場を発生させる磁石
列２４を備えている。ここで、磁石列２４の構造は、図
５に示したように円筒の側面にＮ極，Ｓ極が交互に内側
を向くようにＳｍ−Ｃｏ磁石２５を配列し、円筒の底面
に当る部分のリング状の非磁性体から成る固定具２６に
取り付けたものである。このような磁石配置によって形
成される磁場配位は多極ラインカスプ磁場とよばれ、磁
石から円筒の中心に向かって数cm離れると磁束密度は地
磁気程度まで急速に減衰する。図６は、図５の磁石列２
４を中心軸方向から見たものであり、２７は多極ライン
カスプ磁場の磁力線（内側のみ）を、２８は中央部のビ
ームプラズマ１８が存在する無地場領域を示している。
ここで、イオンビーム８は無磁場領域２８を通過するた
め、イオンビーム８の軌道は磁場の影響をほとんど受け
ない。また、中性化器１２の電子放出孔１３はこの無磁
場領域２８内にある。中性化器１２から引出された高速
の電子１４は無磁場領域２８ではほとんど進行方向を曲
げられないが、多極ラインカスプ磁場に近づくと強い磁
場でその軌道が曲げられ、ほとんど無秩序に反射され
る。電子は最終的には磁石２５の磁極または基板１１に
入り消滅するが、それまでは多極ラインカスプ磁場で囲
まれたビームプラズマ１８中に閉じ込められる。その結
果、反射を繰り返して飛行する間に基板１１に入射する
確率が相対的に高くなる。

【００２０】すなわち、本実施例によっても、第１の実
施例と同様に、中性化器から引出された高速の電子をビ
ームプラズマ中に閉じ込めることによって接地電位の加
工室内壁への流入を防止し、基板に流入する高速電子を
増加させることができるという効果がある。

【００２１】また、本実施例で磁石２５および磁石２５
を支持する固定具２６等をフローティング電位にする
と、高速の電子１４の入射により自動的に負電位になる
ので、その部分での高速の電子１４の損失を抑制するこ
とができ、さらに効果的である。

【００２２】

【発明の効果】本発明によれば、電気的または磁気的手
段により中性化器から引出された高速の電子が直接加工
室内壁に流入して損失することを抑制し、基板に流入す
る割合を相対的に増加させることができる。その結果、
イオンビームエッチング装置で大容量イオン源を用いて
複数枚の基板あるいは大型の基板を処理することが可能
となり、生産効率の向上とコスト低減が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のイオンビームエッチング装置の実施例
の構成を示す縦断面図。

【図２】本発明の電子反射グリッドの斜視図。

【図３】基板位置に置いたファラデープレート電流と本
発明の電子反射グリッドに流れる電流の、電子反射グリ
ッド電位依存性を示す説明図。

【図４】本発明のイオンビームエッチング装置の他の実
施例の構成を示す縦断面図。

【図５】本発明の磁気的電子閉じ込め手段の斜視図。

【図６】図５の磁気的電子閉じ込め手段の横断面図。

【図７】従来のイオンビームエッチング装置の構成を示
す縦断面図。

【図８】従来のイオンビームエッチング装置の中性化器
から引出された電子の進行方向に対する電位分布図。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】イオン源と加工室から構成され、前記イオ
ン源とは別のプラズマ源であって前記加工室内に保持さ
れた基板に電子を供給する中性化器を備え、前記イオン
源から引出されたイオンビームと前記中性化器から引出
された電子を同時に前記基板に照射することにより、前
記基板の帯電を防止しつつ微細加工するイオンビームエ
ッチング装置において、前記中性化器から引出された電子を、前記イオン源から
引出された前記イオンビームが通過する空間領域および
その近傍に閉じ込める電気的手段を設けたことを特徴と
するイオンビームエッチング装置。
【請求項２】請求項１において、前記電気的手段は、前記イオンビームの進行方向と略平
行であって前記イオンビームが通過する空間領域および
その近傍の外側面を囲む導電性の筒状体と、前記筒状体
に負の電位を与える電源からなるイオンビームエッチン
グ装置。
【請求項３】請求項１において、前記電気的手段は、前記イオンビームの進行方向と略平
行であって前記イオンビームが通過する空間領域および
その近傍の外側面を囲むフローティング電位の筒状体で
あるイオンビームエッチング装置。
【請求項４】請求項２または３において、前記筒状体は、空間が１０mm以下のメッシュで構成され
るイオンビームエッチング装置。
【請求項５】イオン源と加工室から構成され、前記イオ
ン源とは別のプラズマ源であって前記加工室内に保持さ
れた基板に電子を供給する中性化器を備え、前記イオン
源から引出されたイオンビームと前記中性化器から引出
された電子を同時に前記基板に照射することにより、前
記基板の帯電を防止しつつ微細加工するイオンビームエ
ッチング装置において、前記中性化器から引出された電子を、前記イオン源から
引出された前記イオンビームが通過する空間領域および
その近傍に閉じ込める磁気的手段を設けたことを特徴と
するイオンビームエッチング装置。
【請求項６】請求項５において、前記磁気的手段は、前記イオンビームの進行方向と略平
行であって前記イオンビームが通過する空間領域および
その近傍の外側面を囲む多極カスプ磁場を形成する複数
の永久磁石と前記永久磁石を空間に保持する支持体から
成ることを特徴とするイオンビームエッチング装置。
【請求項７】請求項６において、前記永久磁石と前記永久磁石を空間に保持する支持体を
フローティング電位としたイオンビームエッチング装
置。
【請求項８】請求項６において、前記中性化器の電子が引出される小孔は、前記複数の永
久磁石によって形成される多極カスプ磁場によって囲ま
れる空間内にあるイオンビームエッチング装置。