JPH09182978A

JPH09182978A - 加工用治具とこれを用いたイオンビーム加工装置

Info

Publication number: JPH09182978A
Application number: JP34224995A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Mishima; 和彦三嶋
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1995-12-28
Filing date: 1995-12-28
Publication date: 1997-07-15
Anticipated expiration: 2015-12-28
Also published as: JP3347564B2

Abstract

(57)【要約】【課題】載置台に備える冷却手段からの冷気を速やかに
伝達し、被加工物の加工面上に被覆するレジスト膜の剥
離を防止するとともに、イオンビームによる摩耗が少な
く繰り返し使用可能な加工用治具を提供するとともに、
これを備えたイオンビーム加工装置を用いて被加工物を
高精度に加工する。【解決手段】加工用治具を熱伝導率が２０Ｗ／ｍｋ以上
で、かつＡｒイオンビームによるエッチング速度が１．
２μｍ／ｈｒ以下であるセラミックスにより形成する。
また、上記加工用治具を用いてイオンビーム加工装置を
構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、イオンビームを照
射して所定形状に加工を施す被加工物を保持する加工用
治具と、これを用いて被加工物を載置台上に配置し、イ
オンビーム照射により所定形状に加工するためのイオン
ビーム加工装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体ウエハや薄膜磁気ヘッドの
加工工程においては、イオンビームを照射して所定形状
に加工を施すイオンビーム加工装置が使用されている。

【０００３】このイオンビーム加工装置の概略は図８に
示すように、チャッバー室２１内において、上下に電極
１２ａ、１２ｂを、左右にマグネット１３ａ、１３ｂを
それぞれ配設してなるイオンビーム発生部１４と、被加
工物３０を固定する載置台１６を内設してなる加工部１
５を備えてなり、上記チャンバー室２１には室内を真空
状態とするための排気口２２を備えたものがあった。な
お、加工部１５の載置台１６にはイオンビームの衝突に
より被加工物３０が高温に加熱されることを防ぐために
冷却水を循環させるようになっている。

【０００４】また、上記イオンビーム加工装置２５によ
り被加工物３０に加工を施す場合、載置台１６がイオン
ビームによって摩耗することを防ぐために、図７に示す
ようなステンレスからなる角板状の加工用治具１０１が
使用されていた。

【０００５】例えば、上記イオンビーム加工装置２５を
用い、被加工物３０として小基板が薄膜磁気ヘッドをな
す短冊状基板にパターン加工やスライダー面加工を施す
場合、加工用治具１０１の載置面１０１ａにレジスト膜
（不図示）を被覆したＡｌ₂Ｏ₃−ＴｉＣ系セラミック
スからなる短冊状基板をワックス（ＷＡＸ）または接着
剤にて貼り付けたあと、上記被加工物３０を保持した加
工治具１０１を試料室１５の載置台１６上に固定すると
ともに、載置台１６に冷却水を循環させるようになって
いた。そして、チャンバー室２１内を１０^-2〜１０^-4ｔ
ｏｒｒの真空状態としたあと、イオンビーム発生部１４
にＡｒガスを供給し、マグネット１３ａ、１３ｂにより
磁界を、上下電極１２ａ、１２ｂにより電界をそれぞれ
形成してＡｒイオンビームの軌道をコントロールすると
ともに、引き出し電極１１と載置台１６との間に電圧を
印加することにより上記Ａｒイオンビームを載置台１６
上の被加工物３０に衝突させて加工するようになってい
た。

【０００６】

【発明が解決使用しようとする課題】ところが、上記ス
テンレス製の加工用治具１０１は、被加工物３０である
Ａｌ₂Ｏ₃−ＴｉＣ系セラミック製の短冊状基板に比べ
大きく摩耗してしまうことから再使用することができな
かった。しかも、ステンレスは熱伝導率が１６Ｗ／ｍｋ
程度と低いために、載置台１６に循環させてある冷却水
の冷気を速やかに伝達し、被加工物３０の加工面を十分
に冷却することができなかった。その為、Ａｒイオンビ
ームが衝突することに伴って発生する熱により被加工物
３０に被覆したレジスト膜が剥離してしまうために所定
形状に加工することができないといった課題があった。

【０００７】また、冷気の伝達効率を高めるために加工
用治具１０１の肉厚を薄くしようとするとステンレスは
硬度が小さいために加工用治具１０１の平坦度が低下し
てしまい、薄膜磁気ヘッドの加工に要求されているサブ
ミクロンオーダーの高精度に加工することができなかっ
た。

【０００８】また、近年、加工速度を向上させるために
Ｆ、Ｃｌ、Ｉなどのハロゲン系腐食性ガスを使用したＲ
ＩＥ装置も提案されているが、上記加工用治具１０１を
なすステンレスは、上記腐食性ガスによっても大きく腐
食を受けて摩耗することから加工精度を悪化させる恐れ
もあった。

【０００９】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明は上記課
題に鑑み、イオンビームを照射して所定形状に加工を施
す被加工物を保持する加工用治具を、熱伝導率が２０Ｗ
／ｍｋ以上で、かつＡｒイオンビームによるエッチング
速度が１．２μｍ／ｈｒ以下であるセラミックスにより
形成したものである。

【００１０】また、本発明は、イオンビーム加工装置に
おいて、載置台に被加工物を保持した上記加工用治具を
配置し、イオンビームを照射することにより上記被加工
物を所定形状に加工するようにしたものである。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明について説明する。

【００１２】図１（ａ）は本発明に係る加工用治具１を
示す斜視図で、図１（ｂ）は上記加工用治具１のＡ部を
拡大した斜視図である。

【００１３】図１（ａ），（ｂ）に示すように、本発明
に係る加工用治具１は、８０ｍｍ×８０ｍｍ×２ｍｍ程
度の寸法に形成した角板状体２をしたもので、載置面２
ａには凸壁部３を等間隔で複数個突設してあり、上記角
板状体２を熱伝導率が２０Ｗ／ｍｋ以上で、かつＡｒイ
オンビームによるエッチング速度が１．２μｍ／ｈｒ以
下であるセラミックスにより形成してある。

【００１４】また、載置面２ａに保持する被加工物の加
工精度は加工用治具１の寸法精度に大きく影響を受ける
ため、載置面２ａの平坦度は１μｍ以下とし、かつ上下
面の平行度は５μｍ以下としてある。

【００１５】また、図２に被加工物３０として小基板が
薄膜磁気ヘッドをなす短冊状基板を保持した状態を示す
ように、加工面にレジスト膜（不図示）を被覆したＡｌ
₂Ｏ₃−ＴｉＣ系セラミックスからなる短冊状基板を載
置面２ａの凸壁部３間に配置して位置決めし、ワックス
（ＷＡＸ）でもって載置面２ａに直接貼り付けて固定し
てある。

【００１６】なお、図１（ａ），（ｂ）には角板状をし
た加工用治具１を示したが、円板状などどのような形状
をした板状体であっても構わない。また、図１（ａ），
（ｂ）に示す加工用治具１には凸壁部３を突設したもの
を示したが、他の構造として図３に示すような角板状体
２の表面に被加工物３０を保持するための凹溝４を複数
個並列に刻設し、該凹溝４の底面を載置面２ａとしたも
のでも良く、さらに、図示していないが被加工物３０は
基本的にワックス（ＷＡＸ）または接着剤でもって張り
付けて保持するため、載置面２ａを平坦面としたもので
あっても構わない。

【００１７】次に、図２に示す被加工物３０を保持した
加工用治具１を載置台１６に配置してなる本発明に係る
イオンビーム加工装置２０を図４に示す。なお、従来例
と同一部分については同一符号で示す。

【００１８】本発明に係るイオンビーム加工装置２０
は、チャンバー室２１内に上下に電界を形成するための
電極１２ａ、１２ｂと、左右に磁界を形成するためのマ
グネット１３ａ、１３ｂとそれぞれ配設してなるイオン
ビーム発生部１４と、被加工物３０を固定するための載
置台１６を内設してなる加工部１５とを備えてなり、チ
ャンバー室２１内を真空ポンプ（不図示）によって真空
状態とするための排気口２２を各々設けてある。そし
て、上記載置台１６上には被加工物３０であるＡｌ₂Ｏ
₃−ＴｉＣ系セラミック製の短冊状基板を保持した加工
用治具１を配置してある。なお、加工部１５の載置台１
６にはイオンビームの衝突により被加工物３０が高温に
加熱されることを防ぐために冷却水を循環させてある。

【００１９】このイオンビーム加工装置２０を用いて被
加工物３０に加工を施すには、載置台１６に冷却水を循
環させるとともに、チャンバー室２１内を真空ポンプで
もって吸引して１０^-2〜１０^-4ｔｏｒｒの真空状態とす
る。次に、イオンビーム発生部１４にイオンビーム源と
してＡｒガスを供給し、マグネット１３ａ、１３ｂ間で
磁界を、電極１２ａ、１２ｂ間で電界をそれぞれ形成し
てＡｒイオンビームの軌道をコントロールするととも
に、引き出し電極１１と載置台１６との間に電圧を印加
することで上記Ａｒイオンビームを載置台１６上の被加
工物３０と衝突させ、所定形状に加工するようにしてあ
る。

【００２０】この時、被加工物３０を保持する加工用治
具１は熱伝導率が２０Ｗ／ｍｋ以上で、かつＡｒイオン
ビームによるエッチング速度が１．２μｍ／ｈｒ以下で
あるセラミックスにより形成してあることから、載置台
１６に循環させてある冷却水の冷気を被加工物３０に効
率良く伝達し、Ａｒイオンビームが衝突することにより
被加工物３０の加工面が高温に加熱されることを防ぎ、
レジスト膜の剥離を防止することができる。しかも、Ａ
ｒイオンビームに対するエッチング速度が１．２μｍ／
ｈｒ以下と被加工物３０を構成するＡｌ₂Ｏ₃−ＴｉＣ
系セラミックスと同程度であるために摩耗され難く繰り
返し使用することができる。その為、この加工用治具１
を使用したイオンビーム加工装置を用いれば、被加工物
３０をサブミクロンオーダーの高精度に加工することが
できる。

【００２１】ところで、上記加工用治具１を構成するセ
ラミックスの特性として、熱伝導率を２０Ｗ／ｍｋ以上
で、かつＡｒイオンビームによるエッチング速度が１．
２μｍ／ｈｒ以下としたのは、熱伝導率が２０Ｗ／ｍｋ
未満であると、載置台１６からの冷気を効率良く被加工
物３０に伝達することができないために、被加工物３０
の加工面を十分に冷却することができず、その結果、加
工面に被覆するレジスト膜が剥離してしまうからであ
る。

【００２２】また、Ａｒイオンビームによるエッチング
速度が１．２μｍ／ｈｒより大きいと、被加工物３０を
構成するＡｌ₂Ｏ₃−ＴｉＣ系セラミックスよりも先に
大きく摩耗してしまうために寿命が短く、１回の加工に
より使用不可となってしまうからである。

【００２３】なお、本発明におけるエッチング速度は真
空雰囲気の状態において１ｋｅＶのＡｒイオンビームを
照射した時の値を基準としてある。また、この種のイオ
ンビーム加工装置２０のイオンビーム源としてＡｒ以外
の元素イオンビームを照射することもあるが、他の元素
イオンビームを用いた場合においても摩耗度合が大きく
変化することはないために上記基準を適用してある。

【００２４】従って、照射する元素イオンビームの異な
るイオンビーム加工装置２０においても上記加工用治具
１を好適に使用することができ、被加工物３０をサブミ
クロンオーダーの高い精度に加工することができるとと
もに、繰り返し使用することが可能である。

【００２５】さらに、セラミックスは非常に高い寸法精
度に加工することができるとともに剛性が高いため、加
工用治具１の肉厚を薄くしても載置面２ａの平坦度や上
下面の平行度が大きく損なわれることがない。その為、
被加工物３０の冷却効率をより一層高めることが可能と
なる。

【００２６】このようなセラミックスとしては、アルミ
ナセラミックス、サファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）、窒化アル
ニミウム質セラミックス（ＡｌＮ）、炭化珪素質セラミ
ックス（ＳｉＣ）、Ａｌ₂Ｏ₃−ＴｉＣ系セラミックス
を使用することができる。

【００２７】図５に上記セラミックスとステンレスのＡ
ｒイオンビームによるエッチング速度を示すように、従
来の加工用治具１０１を構成するステンレスは、Ａｒイ
オンビーム対するエッチング速度が１．９μｍ／ｈｒと
大きく摩耗し易いのに対し、窒化アルニミウム質セラミ
ックス（ＡｌＮ）や炭化珪素質セラミックス（ＳｉＣ）
のエッチング速度は１．０μｍ／ｈｒ程度とステンレス
の１／２程度の摩耗で済み、さらにアルミナセラミック
ス、サファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）、Ａｌ₂Ｏ₃−ＴｉＣ系
セラミックスについては、エッチング速度が０．８μｍ
／ｈｒ程度と大幅に摩耗速度を低減できることが判る。
また、図６には各々の熱伝導率を示すように、ステンレ
スの熱伝導率は１６Ｗ／ｍｋ程度と小さいのに対し、ア
ルミナセラミックス、サファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）、Ａｌ
₂Ｏ₃−ＴｉＣ系セラミックスは２５〜４２Ｗ／ｍｋと
大きく、さらに炭化珪素質セラミックス（ＳｉＣ）では
６３Ｗ／ｍｋ、窒化アルニミウム質セラミックス（Ａｌ
Ｎ）にあっては８０〜１７０Ｗ／ｍｋと非常に優れた熱
伝導率を有しており、載置台１６に備える冷却手段から
の冷気を効率良く伝え、被加工物３０の加工面を充分に
冷却することができる。

【００２８】また、上記セラミックスは、Ｆ、Ｃｌ、Ｉ
などのハロゲン系腐食性ガスに対しても腐食され難いた
め、加工速度を向上させるために上記ハロゲン系腐食性
ガスを用いたＲＩＥ装置に用いたとしても再使用が可能
である。

【００２９】一方、これらのセラミックスを得るには、
アルミナセラミックスの場合、主原料として９０重量％
以上、好ましくは９９．５重量％以上のＡｌ₂Ｏ₃に対
し、焼結助剤としてＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｉＯ₂を合計で
１０重量％以下の範囲で添加し、大気雰囲気中にて焼成
したものを使用すれば良い。ただし、ＳｉＯ₂はイオン
ビームにより摩耗され易いために添加しない方が良い
が、入れても５重量％以下の範囲で含有させたものを使
用することが望ましい。

【００３０】炭化珪素質セラミックスにあっては主原料
として９０〜９８重量％のＳｉＣに対し、焼結助剤とし
てＡｌ₂Ｏ₃を１〜７重量％とＹ₂Ｏ₃、ＣｅＯ₂を合
計で１〜５重量％の範囲でそれぞれ添加し、真空中また
は不活性ガス雰囲気中で焼成したものを用いれば良い。
このように、上記範囲で焼結助剤をそれぞれ添加するこ
とにより焼結性を高め靱性を向上させることができる。

【００３１】窒化アルミニウム質セラミックスにあって
は、主原料としてＡｌＮを９１〜９９重量％に対し、焼
結助剤としてＥｒ₂Ｏ₃、Ｙ₂Ｏ₃などの希土類酸化物
を合計で１〜９重量％の範囲で添加し、真空中または不
活性ガス雰囲気中で１７００〜１９００℃程度の焼成温
度で焼成したもの、あるいは純度９９．９％以上のＡｌ
Ｎのみを真空中または不活性ガス雰囲気中で２０００℃
程度の焼成温度で焼成したものを使用すれば良い。

【００３２】Ａｌ₂Ｏ₃−ＴｉＣ系セラミックスにあっ
ては、Ａｌ₂Ｏ₃を５０〜８０重量％と、ＴｉＣを２０
〜５０重量％の範囲で添加混合して所定形状に成形した
あとホットプレスにより焼成し、さらにＨＩＰ処理を施
したものを用いれば良い。なお、焼結性を高めるために
Ａｌ₂Ｏ₃とＴｉＣの合計１００重量％に対し、焼結助
剤としてＴｉＯ₂、ＭｇＯ、ＳｉＯ₂、ＣａＯ、ＺｒＯ
₂、Ｙｂ₂Ｏ₃のうち１種以上を１０重量％以下の範囲
で含有してもよく、さらには上記成分以外に希土類酸化
物や不可避不純物を合計５重量％以下の範囲で含有して
も良い。

【００３３】なお、サファイアについてはＥＦＧ法、Ｃ
Ｚ法、ベルヌイ法などにより製造すれば良く、例えば、
ＥＦＧ法により形成する場合、高純度アルミナを不活性
雰囲気中で溶融し、このアルミナ溶液に単結晶育成モリ
ブデンダイを接触させ、上記モリブデンダイを引き上げ
ることによりサファイアを製造することができる。

【００３４】また、上記加工用治具１を構成するセラミ
ックスとして、半導電性または導電性を有するセラミッ
クスを使用しても良い。

【００３５】即ち、被加工物３０はイオンビームが照射
されることにより帯電し易く、その結果、イオンビーム
の軌道が乱されて加工精度が悪化する恐れがあるととも
に、被加工物３０が薄膜磁気ヘッドや半導体装置などで
ある場合、微細な回路パターンの絶縁破壊等を生じる恐
れがあるからで、加工用治具１を体積固有抵抗値が１０
⁷Ω・ｃｍ以下の半導電性または導電性を有するセラミ
ックスにより形成することで被加工物３０に帯電する静
電気を速やかに逃がしてイオンビームの軌道の乱れおよ
び微細な回路パターンの絶縁破壊を防止することができ
る。

【００３６】前記セラミックスにおいてＡｌ₂Ｏ₃−Ｔ
ｉＣ系セラミックスは体積固有抵抗値が２〜５×１０^-2
Ω・ｃｍとそれ自体が導電性を有しており、炭化珪素質
セラミックスにおいても１０³〜８×１０⁴Ω・ｃｍの
体積固有抵抗値を有し半導電性を有しているため、被加
工物３０に帯電する静電気を効率良く逃がすことができ
る。

【００３７】また、絶縁性を有するアルミナセラミック
スや窒化アルミニウム質セラミックスにおいては、Ｔ
ｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕなどの金属やそ
の酸化物を０．１〜１０重量％の範囲で添加することに
より半導電性または導電性を持たせることができる。

【００３８】

【実施例】本発明に係る加工用治具１と従来の加工用治
具１０１を試作し、これらを用いて加工を行った時の加
工用治具１、１０１の寿命および被加工物３０に被覆し
たレジスト膜の剥離の有無について測定を行った。

【００３９】被加工物３０としては、小基板が薄膜磁気
ヘッドをなすＡｌ₂Ｏ₃−ＴｉＣ系セラミック製の短冊
状基板を用い、この加工面にレジスト膜を被覆してスラ
イダー面加工を行った。

【００４０】加工用治具１、１０１の寿命については、
２μｍ以上摩耗した時を寿命とし、寿命となるまでの間
に１０回以上使用することができたものを○、できなか
ったものを×とし、また、レジスト膜の剥離についても
剥離しなかったものを○、剥離したものを×とし、両者
を満足したものを優れたものとした。

【００４１】加工用治具１、１０１を構成する材質およ
びその結果は表１に示す通りである。

【００４２】

【表１】

【００４３】この結果、従来のステンレス製の加工用治
具１０１は図５に見られるようにＡｒイオンビームに対
するエッチング速度が１．２μｍ／ｈｒより大きいため
に短期間で摩耗し、その結果、１０回以上使用すること
ができなかった。しかも、ステンレス製の加工用治具１
０１は図６に見られるように熱伝導率が１６Ｗ／ｍｋ程
度と小さいために表１に示すように一部のレジスト膜が
剥離した。

【００４４】これに対し、本発明に係るアルミナセラミ
ックス、炭化珪素質セラミックス、、Ａｌ₂Ｏ₃−Ｔｉ
Ｃ系セラミックス、窒化アルミニウム質セラミックス、
およびサファイアからなる加工用治具１は、図５および
図６のようにＡｒイオンビームに対するエッチング速度
が１．２μｍ／ｈｒ以下で、かつ２０Ｗ／ｍｋ以上の熱
伝導率を有しているため、Ａｒイオンビームによる摩耗
が少なく、その結果、表１に示すように１０回以上繰り
返し使用が可能で、また、レジスト膜の剥離も全くなく
優れたものであった。

【００４５】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、加工用
治具を熱伝導率が２０Ｗ／ｍｋ以上で、かつＡｒイオン
ビームによるエッチング速度が１．２μｍ／ｈｒ以下で
あるセラミックスにより形成したことにより、高い寸法
精度を維持したまま肉厚を薄くすることができるととも
に、高い熱伝導率を有しているため、載置台を備えた冷
却手段からの冷気を効率良く被加工物に伝達し、イオン
ビームが照射されることに伴い加工面が高温に加熱させ
ることを防止してレジスト膜の剥離を防ぐことができる
とともに、Ａｒイオンなどのイオンビームに対して摩耗
し難いため、繰り返し使用可能な加工用治具を提供する
ことができる。

【００４６】さらに、上記加工用治具を構成するセラミ
ックスとして半導電性または導電性をもたせることによ
り、イオンビームが照射されることに伴い被加工物の加
工面に帯電する静電気を効率良く逃がすことができるた
め、この静電気の帯電によるイオンビームの軌道の乱れ
や微細な回路パターンの絶縁破壊等の不都合を防ぐこと
ができる。

【００４７】また、本発明はイオンビーム加工装置の載
置台に上記加工用治具を介して被加工物を配置し、該被
加工物にイオンビームを照射して所定形状に加工するよ
うにしてあるため、被加工物の加工面上に被覆するレジ
スト膜の剥離を生じることがなく、サブミクロンオーダ
ーの高精度に加工を施すことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明に係る加工用治具を示す斜視図
であり、（ｂ）はそのＡ部を拡大した斜視図である。

【図２】本発明に係る加工用治具を用いて被加工物を保
持した状態を示す斜視図である。

【図３】本発明に係る他の加工用治具を示す斜視図であ
る。

【図４】本発明に係るイオンビーム加工装置を示す概略
図である。

【図５】本発明および従来の加工用治具を構成する材質
のＡｒイオンビーム照射による摩耗度合いを示すグラフ
である。

【図６】本発明および従来の加工用治具を構成する材質
の熱伝導率を示すグラフである。

【図７】従来の加工用治具により被加工物を保持した状
態を示す斜視図である。

【図８】従来のイオンビーム加工装置を示す概略図であ
る。

【符号の説明】１：加工用治具、２：角板状体、３：凸壁部、 1
1：引き出し電極、12ａ，12b ：電極、 13ａ，13b ：
マグネット、 14：イオンビーム発生部15：加工部、
16：載置台、20：イオン加工装置、 21：チャンバー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】イオンビームを照射して所定形状に加工を
施す被加工物を保持するための治具であって、該治具を
熱伝導率が２０Ｗ／ｍｋ以上で、かつＡｒイオンビーム
によるエッチング速度が１．２μｍ／ｈｒ以下であるセ
ラミックスにより形成してなる加工用治具。
【請求項２】載置台に被加工物を配置し、該被加工物に
イオンビームを照射して所定形状に加工を施すイオンビ
ーム加工装置において、上記被加工物を保持すべく熱伝
導率が２０Ｗ／ｍｋ以上で、かつＡｒイオンビームによ
るエッチング速度が１．２μｍ／ｈｒ以下であるセラミ
ック製の加工用治具を具備してなるイオンビーム加工装
置。