WO2017188132A1 - イオンビーム照射装置及びイオンビーム照射方法 - Google Patents

イオンビーム照射装置及びイオンビーム照射方法 Download PDF

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宏 稲実
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Definitions

  • the present invention relates to an ion beam irradiation apparatus and an ion beam irradiation method for processing a substrate by irradiating the substrate with an ion beam in a vacuum atmosphere, such as an ion milling apparatus and an ion implantation apparatus.
  • an ion source that extracts an ion beam having a rectangular shape with a long side dimension larger than a substrate and a short side dimension smaller than the substrate, and the substrate is an ion beam
  • the substrate is moved out of the ion beam irradiation region every time the substrate is reciprocated, the processing efficiency of the substrate is lowered and the time required for the substrate processing is increased.
  • the effective beam current density irradiated onto the substrate is lowered.
  • I is a beam current having a length corresponding to the substrate diameter length in the ion beam
  • L is a substrate scan length (amount of movement of the substrate)
  • D is a substrate diameter
  • BW is an ion beam. Width.
  • L since the substrate crosses the ion beam irradiation region, L> BW + D. If L does not satisfy this condition, it is difficult to obtain uniformity of substrate processing.
  • the effective beam current density ie decreases as the scan length L increases.
  • the processing time of the substrate is proportional to the effective beam current density ie, it is disadvantageous if the scan length L is large.
  • the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and its main object is to reduce the time required for processing a substrate.
  • an ion beam irradiation apparatus includes a vacuum container that is evacuated to a vacuum, a substrate holder that holds a substrate in the vacuum container, and a central portion of the substrate that is held by the substrate holder.
  • a rotating mechanism that rotates, a reciprocating mechanism that reciprocates the substrate holder and the rotating mechanism along a predetermined moving direction, and an ion beam irradiation unit that irradiates an ion beam onto the substrate held by the substrate holder;
  • a control device for controlling the rotating mechanism and the reciprocating mechanism, and the ion beam is formed in a central region where a beam current density is a predetermined value or more along the moving direction and on both sides of the central region.
  • a peripheral region having a beam current density less than the predetermined value, and a dimension in a direction perpendicular to the moving direction in the central region is The control device reciprocates the substrate held by the substrate holder so that a part of the substrate overlaps the beam irradiation range at both ends of the reciprocation. And the substrate is continuously rotated during the reciprocating movement.
  • the substrate held by the substrate holder is reciprocated so that a part of the substrate overlaps the beam irradiation range even at both ends of the reciprocation, so that the substrate is placed in the ion beam irradiation region.
  • the time required for processing the substrate can be shortened.
  • the moving distance of the substrate can be reduced.
  • the effective beam current density to the substrate can be increased, and this also shortens the time required for processing the substrate.
  • the dimension in the moving direction in the central region of the ion beam may be larger than the dimension in the moving direction in the substrate when the substrate tilt angle is 0 degree.
  • the ion source does not increase in size.
  • the thermal deformation of the extraction electrode system of the ion source increases, so that the beam control is performed. Becomes difficult.
  • it is desirable that the dimension in the movement direction in the central region is smaller than the dimension in the movement direction on the substrate.
  • the amount of movement of the substrate may be set so that the substrate is increased at both ends of the reciprocating movement so that a part of the substrate overlaps the beam irradiation range.
  • the current density becomes small and the processing capacity (productivity) of the apparatus becomes low. Therefore, when the movement direction is the left-right direction, the substrate end distance between the right end of the substrate when the substrate moves to the leftmost side and the left end of the substrate when the substrate moves to the rightmost side Is preferably the same as or smaller than the dimension in the moving direction in the central region (excluding zero).
  • the substrate edge distance is smaller than the dimension in the moving direction in the central region of the ion beam, a part of the substrate is always included in the central region where the beam current density is large. It is difficult to uniformly irradiate the ion beam.
  • the portion irradiated with the ion beam in the peripheral region may be corrected and darkened by irradiating the ion beam in the central region, but the portion irradiated with the ion beam in the central region (dark portion) Since it cannot be thinned by correction, it is difficult to control the uniformity of ion beam irradiation.
  • it is desirable that the substrate edge distance is the same as the dimension in the moving direction in the central region.
  • the substrate can be irradiated with an ion beam if the longitudinal direction of the central region intersects the moving direction of the substrate.
  • the longitudinal direction of the central region and the moving direction of the substrate intersect at an angle other than a right angle, the moving amount of the substrate becomes large, and the length of the ion beam needs to be increased. Therefore, it is desirable that the irradiation shape of the central region is rectangular, and the longitudinal direction thereof is orthogonal to the moving direction.
  • the control device controls the reciprocating mechanism based on a control waveform in which the position of the substrate is a continuous function of time.
  • a control waveform a substantial triangular wave in which the apex of the triangular wave is blunted or a sine wave can be considered. With this configuration, the beam current density distribution on the substrate can be averaged more effectively.
  • an ion beam irradiation method is a method of irradiating a substrate with an ion beam in a vacuum atmosphere, wherein a vacuum container evacuated to a vacuum, a substrate holder for holding the substrate in the vacuum container, A rotation mechanism that rotates the substrate holder around a central portion of the substrate held by the substrate holder; a reciprocation mechanism that reciprocates the substrate holder and the rotation mechanism along a predetermined movement direction; and The held substrate has a central region in which the beam current density is equal to or greater than a predetermined value along the moving direction and a peripheral region formed on both sides of the central region and having a beam current density less than the predetermined value.
  • An ion beam that irradiates an ion beam having a dimension in a direction perpendicular to the movement direction in the central region is larger than a dimension in a direction perpendicular to the movement direction in the substrate.
  • the substrate held by the substrate holder is reciprocated so that a part of the substrate overlaps the beam irradiation range at both ends of the reciprocating movement, and the substrate is The ion beam is irradiated while being continuously rotated during the reciprocating movement.
  • the substrate is reciprocated so that a part of the substrate overlaps the beam irradiation range at both ends of the reciprocating movement, and the substrate is continuously rotated during the reciprocating movement.
  • the time required can be shortened.
  • the X direction, the Y direction, and the Z direction that are orthogonal to each other at one point are illustrated.
  • the X direction and the Z direction are horizontal directions
  • the Y direction is a vertical direction.
  • the ion beam travels in the Z direction in this example.
  • the ion beam irradiation apparatus 100 of the present embodiment is an apparatus that performs processing by irradiating a substrate W with an ion beam IB in a vacuum atmosphere.
  • the substrate W is, for example, a semiconductor substrate such as a silicon wafer, or a substrate in which a film such as a magnetic film is formed on the surface of the semiconductor substrate, but is not limited thereto.
  • the shape of the substrate W is, for example, a circle (including an orientation flat or a notch in a part of the circumference), but is not limited thereto.
  • the ion beam irradiation apparatus 100 includes a vacuum vessel 2 that is evacuated to vacuum by a vacuum evacuation device (not shown), a substrate holder 3 that holds the substrate W in the vacuum vessel 2, and a rotation that rotates the substrate holder 3.
  • a mechanism 4 a reciprocating mechanism 5 that reciprocates the substrate holder 3 and the rotating mechanism 4, an ion beam irradiation unit 6 that irradiates the substrate W with the ion beam IB, and a control device that controls the rotating mechanism 4 and the reciprocating mechanism 5. 7.
  • the substrate holder 3 is provided with, for example, an electrostatic chuck, and is provided in the vacuum vessel 2 so as to be rotatable by the rotating mechanism 4 and to be reciprocated by the reciprocating mechanism 5. Further, the substrate holder 3 of the present embodiment is provided so as to be tiltable by a tilt mechanism 8 that changes the tilt angle (tilt angle) ⁇ of the substrate W with respect to the ion beam IB.
  • the saddle rotation mechanism 4 rotates the substrate holder 3 to rotate the substrate W held by the substrate holder 3 around its central portion Wa.
  • the rotation mechanism 4 is for continuously rotating clockwise or counterclockwise around the central portion Wa of the substrate W.
  • FIG. 1 shows an example of the rotation direction C, it may be in the opposite direction.
  • the reciprocating mechanism 5 is held by the substrate holder 3 by mechanically reciprocating the substrate holder 3, the rotating mechanism 4 and the tilt mechanism 8 along a predetermined moving direction D (X direction in FIG. 1 and the like).
  • the substrate W is reciprocated along the movement direction D.
  • the forward path and the backward path of the substrate W by the reciprocating mechanism 5 are linear movements, and the forward path and the backward path are configured to overlap each other.
  • the reciprocating mechanism 5 includes an actuator 51 provided outside the vacuum vessel 2, and a drive shaft 52 that is connected to the substrate holder 3, the rotation mechanism 4, and the like and is driven by the actuator 51.
  • the actuator 51 is provided outside the vacuum vessel 2 in this example, but is not limited to this.
  • the ion beam irradiation unit 6 irradiates the substrate W held by the substrate holder 3 with the ion beam IB.
  • the ion beam irradiation unit 6 irradiates an ion beam IB having a rectangular cross section, and is configured using an ion source 60.
  • the ion source 60 includes a plasma generation unit 61 that generates a plasma 63 and an extraction electrode system 62 that extracts an ion beam IB from the plasma 63 by the action of an electric field.
  • the ion source 60 may be disposed inside the vacuum container 2 together with the extraction electrode system 62 or may be disposed outside the vacuum container 2.
  • the extraction direction of the ion beam IB from the ion source 60 is a direction that intersects with the gravity direction G (for example, a direction that is substantially orthogonal or oblique as in the example shown in FIG. 1). Is preferred.
  • the beam outlet H of the ion source 60 and the substrate W face each other in the horizontal direction. In this way, it is not necessary to dispose the substrate W directly under the ion source 60, and even if foreign matter (dust) such as a peeled piece of deposits inside the ion source 60 falls from the ion source 60, it is mixed into the substrate W. It becomes difficult. As a result, it is possible to suppress the occurrence of processing defects on the substrate W due to contamination.
  • the ion source 60 may be (a) a so-called bucket ion source (also called a multipolar magnetic field ion source) that confines the plasma 63 using a multipolar magnetic field (cusp magnetic field), or (b) A high-frequency ion source that generates plasma 63 by high-frequency discharge may be used, or (c) a so-called Bernas type in which plasma 63 is generated by applying a magnetic field in a direction along an axis connecting the cathode and the reflective electrode. An ion source may be used.
  • the number of electrodes constituting the extraction electrode system 62 is not limited to a specific one. Further, a cooling pipe may or may not be provided on the electrodes constituting the extraction electrode system 62 as required.
  • the ion beam IB irradiated to the substrate W by the ion source 60 is irradiated toward the substrate W so that the longitudinal direction thereof is orthogonal to the movement direction D, as shown in FIGS.
  • the ion beam IB is formed in the irradiation region along the moving direction D (X direction) in the central region IBx having a beam current density equal to or higher than a predetermined value, and on both sides of the central region IBx.
  • a peripheral region IBy that is less than a predetermined value.
  • the ion beam IB having a rectangular cross section is formed by being emitted from a beam extraction port H (beam extraction region of the extraction electrode system 62) having a rectangular shape of the ion source 60.
  • the predetermined value may be a beam current density of a predetermined ratio such as 50% with respect to the peak value of the beam current density. Further, the predetermined value may be set so that a portion of the beam extraction opening H of the ion source 60 extending from both ends in the X direction outward in the X direction or an outer edge portion of the irradiation region is set as the peripheral region IBy.
  • the central region IBx is a region where the beam current density distribution is substantially uniform or regularly changes in the ion beam IB.
  • the central region IBx has a rectangular irradiation shape, the dimension in the longitudinal direction (Y direction) orthogonal to the movement direction D is larger than the dimension in the Y direction on the substrate W, and the movement direction D (X direction). ) Is smaller than the dimension in the X direction of the substrate W at the substrate tilt angle of 0 degree.
  • each peripheral region IBy is a non-uniform region at the base of the beam current density distribution in the ion beam IB.
  • Each peripheral region IBy has a rectangular irradiation shape like the central region IBx.
  • the Y-direction dimension is larger than the Y-direction dimension of the substrate W, and the X-direction dimension is that of the substrate W. It is smaller than the dimension in the X direction at the substrate tilt angle of 0 degree.
  • the dimension in the X direction in each peripheral region IBy is smaller than the dimension in the X direction in the central region IBx, but is not limited thereto.
  • the control device 7 controls the rotating mechanism 4 and the reciprocating mechanism 5 to reciprocate the substrate W held by the substrate holder 3 so that a part of the substrate W overlaps the beam irradiation range at both ends of the reciprocating movement. In addition, the substrate W is continuously rotated during the reciprocating movement. Note that the control device 7 also has a function of controlling the tilt angle ⁇ of the substrate W by controlling the tilt mechanism 8.
  • the control device 7 determines that the right end of the substrate W when the substrate W moves to the leftmost side and the substrate W The substrate W is reciprocated so that the substrate end distance R from the left end of the substrate W when moved to the rightmost side is the same as or smaller than the dimension in the X direction in the central region IBx.
  • the control device 7 reciprocates the substrate W so that the substrate end distance R is the same as the dimension in the X direction in the central region IBx.
  • substrate W shown with a broken line in FIG. 3 is located in the leftmost side during reciprocation, and the board
  • the control device 7 controls the reciprocation mechanism 5 based on a control waveform in which the position of the substrate W is a continuous function of time.
  • a control waveform in which the position of the substrate W is a continuous function of time.
  • it may be a substantial triangular wave in which the apex of the triangular wave is blunted or a sine wave. If a substantial triangular wave is used as the control waveform, most of the reciprocating movement of the substrate W may be moved at a constant speed, so that the control becomes easy.
  • control device 7 is configured to continuously rotate the substrate W one or more times during reciprocal movement, that is, while the substrate W crosses the central region IBx from the right to the left, and during the backward movement, that is, The substrate W is continuously rotated one or more times while crossing the central region IBx from left to right.
  • the rotation speed of the substrate W by the rotation mechanism 4 during the reciprocating movement is constant, but may be variable according to the processing content. Note that the number of rotations of the substrate W during forward movement and the number of rotations of the substrate W during backward movement may be the same or different.
  • the dimension in the short side direction (X direction) of the ion beam IB is larger than the dimension in the X direction of the substrate W.
  • the dimension in the X direction of the ion beam IB is It may be smaller than the dimension.
  • FIG. 6 shows the relationship between the uniformity of the milling rate on the substrate surface using the ion beam IB shown in FIG. 5 and the number of rotations of the substrate.
  • FIG. 5 shows a distribution model of the normalized current density in the short side direction of the ion beam IB.
  • the movement amount of the substrate W was set so that the substrate end distance R was 100 mm.
  • the distance between the extraction electrode system 62 of the ion source 60 and the substrate W is 400 mm.
  • the uniformity of the milling rate on the substrate surface is improved as the number of rotations in one reciprocation increases. It can also be seen that the uniformity of the milling rate is further improved when the number of revolutions in one reciprocating movement is an even number, that is, when the number of revolutions in the forward movement is the same as the number of revolutions in the backward movement. Further, FIG. 6 shows that the uniformity of the milling rate due to the rotation of the substrate W is further improved when the tilt angle (tilt angle ⁇ ) of the substrate W is 45 degrees than when the tilt angle ⁇ is 0 degrees.
  • the substrate W can be processed by irradiating the entire surface of the substrate W with the ion beam IB.
  • ion milling such as cutting the surface of the substrate W can be performed.
  • ion implantation can be performed on the substrate W.
  • the type of the ion beam IB may be selected according to the content of processing performed on the substrate W.
  • an inert gas ion beam such as an argon ion beam may be used as the ion beam IB.
  • an ion beam containing a desired dopant may be used as the ion beam IB.
  • the substrate W is reciprocated so that a part of the substrate W overlaps the beam irradiation range even at both ends of the reciprocation, so that the substrate W is irradiated in the irradiation region of the ion beam IB.
  • the time required for processing the substrate W can be shortened and the processing efficiency of the substrate W can be improved.
  • the moving distance of the substrate W can be reduced.
  • the effective beam current density to the substrate W can be increased, and this also shortens the time required for processing the substrate W.
  • the substrate W held by the substrate holder 3 is reciprocated so that a part of the substrate W overlaps the beam irradiation range at both ends of the reciprocation, and the substrate W is continuously moved during the reciprocation. Since the ion beam IB is rotated and irradiated, as in the case of the ion beam irradiation apparatus 100, the time required for the processing of the substrate W can be shortened with respect to both the reciprocation and rotation of the substrate W. The efficiency can be improved as compared to the case of the conventional substrate movement outside the beam and step rotation.
  • an ion optical element having a configuration in which the ion source 60 and the ion beam IB extracted from the ion source 60 are expanded by an electric field and / or a magnetic field and further collimated as necessary. May be provided.
  • the reciprocating movement of the substrate W or the like by the reciprocating moving mechanism 5 may be other than a linear shape.
  • a holder for holding the substrate W is supported by one end of the arm, and a reversible rotational drive source is connected to the other end of the arm so that the arm (also called a swing arm) is connected.
  • the substrate W or the like may be reciprocated by a method of reciprocating (swinging) within a predetermined angle range.

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Abstract

基板（Ｗ）を保持する基板ホルダ（３）と、基板ホルダ（３）を保持された基板（Ｗ）の中心部（Ｗａ）周りに回転させる回転機構（４）と、基板ホルダ（３）及び回転機構（４）を移動方向（Ｄ）に沿って往復移動させる往復移動機構（５）と、基板（Ｗ）に対してイオンビーム（ＩＢ）を照射するイオンビーム照射部（６）とを備え、イオンビーム（ＩＢ）は、移動方向（Ｄ）に沿ってビーム電流密度が所定値以上である中央領域（ＩＢｘ）とビーム電流密度が所定値未満である周辺領域（ＩＢｙ）とを有し、中央領域（ＩＢｘ）における移動方向（Ｄ）に直交する方向の寸法が、基板（Ｗ）における移動方向（Ｄ）に直交する方向の寸法よりも大きいものであり、制御装置（７）が、基板ホルダ（３）に保持された基板（Ｗ）を前記往復移動の両端でも基板（Ｗ）の一部がビーム照射範囲に重なるように往復移動させるとともに、基板（Ｗ）を往復移動中に連続回転させるものである。

Description

イオンビーム照射装置及びイオンビーム照射方法
  本発明は、例えばイオンミリング装置、イオン注入装置等のように、真空雰囲気中で基板にイオンビームを照射することによって基板に処理を施すイオンビーム照射装置及びイオンビーム照射方法に関するものである。
  この種のイオンビーム照射装置としては、特許文献１に示すように、長辺寸法が基板よりも大きく短辺寸法が基板よりも小さい断面長方形状のイオンビームを引き出すイオン源と、基板がイオンビームの照射領域を横切るように基板をイオンビームの短辺方向に往復移動させる往復移動機構と、基板がイオンビームの照射領域外にあるときに基板をその中心部周りにステップ回転させる回転機構とを備えたものがある。
  しかしながら、基板の往復移動毎に、基板をイオンビームの照射領域外に移動させているので、基板の処理効率が低下し、基板処理に要する時間が長くなってしまう。
  また、基板をイオンビームの照射領域外で回転させるため、基板を回転させる度に基板をイオンビームの照射領域外に移動させる必要があり、それによって往復移動回数が多くなってしまい、これによっても基板処理に要する時間が長くなってしまう。
  さらに、基板をイオンビームの照射領域外から照射領域を横切って再び照射領域外に移動（スキャン）させると、基板に照射される実効ビーム電流密度が低下してしまう。
  具体的には、図７に示すように、１スキャン当たりの実効ビーム電流密度ｉｅは、ｉｅ＝Ｉ／（Ｌ×Ｄ）となる。ここで、Ｉは、イオンビームにおける基板直径長さに相当する長さのビーム電流であり、Ｌは基板スキャン長さ（基板の移動量）であり、Ｄは基板直径であり、ＢＷはイオンビームの幅である。また、基板がイオンビームの照射領域を横切ることから、Ｌ＞ＢＷ＋Ｄである。Ｌがこの条件を満足しない場合には、基板処理の均一性を得ることは難しい。上記の式から明らかなように、実効ビーム電流密度ｉｅは、スキャン長さＬが大きくなるに連れて小さくなる。また、基板の処理時間は実効ビーム電流密度ｉｅに比例するからスキャン長さＬが大きいと不利となってしまう。
特表２０１０－５３９６７４号公報
  そこで本発明は、上記問題点を解決すべくなされたものであり、基板の処理に要する時間を短縮することをその主たる課題とするものである。
  すなわち本発明に係るイオンビーム照射装置は、真空に排気される真空容器と、前記真空容器内で基板を保持する基板ホルダと、前記基板ホルダを前記基板ホルダに保持された基板の中心部周りに回転させる回転機構と、前記基板ホルダ及び前記回転機構を所定の移動方向に沿って往復移動させる往復移動機構と、前記基板ホルダに保持された基板に対してイオンビームを照射するイオンビーム照射部と、前記回転機構及び前記往復移動機構を制御する制御装置とを備え、前記イオンビームは、前記移動方向に沿ってビーム電流密度が所定値以上である中央領域と当該中央領域の両側に形成されてビーム電流密度が前記所定値未満である周辺領域とを有し、前記中央領域における前記移動方向に直交する方向の寸法が、前記基板における前記移動方向に直交する方向の寸法よりも大きいものであり、前記制御装置は、前記基板ホルダに保持された基板を前記往復移動の両端でも基板の一部がビーム照射範囲に重なるように往復移動させるとともに、前記基板を往復移動中に連続回転させるものであることを特徴とする。
  このようなイオンビーム照射装置であれば、基板ホルダに保持された基板を前記往復移動の両端でも基板の一部がビーム照射範囲に重なるように往復移動させるので、基板をイオンビームの照射領域の外側に移動させる場合に比べて、基板の処理に要する時間を短縮することができる。
  ここで、基板ホルダに保持された基板を前記往復移動の両端でも基板の一部がビーム照射範囲に重なるように往復移動させることにより、基板の移動距離を小さくすることができ、その結果、基板への実効ビーム電流密度を大きくすることができ、これによっても基板の処理に要する時間を短縮することができる。
  本発明ではイオンビームの中央領域における移動方向の寸法が、基板傾斜角が０度の場合において基板における移動方向の寸法よりも大きい場合も考えられる。ところが、最近のようにシリコンウエハ等の基板の直径が３００ｍｍになってくるとこの構成では、イオン源が大型化していまい、イオン源の例えば引出電極系の熱変形が大きくなることにより、ビームコントロールが難しくなってしまう。また、そのイオン源を安価に製作することは難しい。
  この問題を好適に解決するためには、前記中央領域における前記移動方向の寸法は、前記基板における前記移動方向の寸法よりも小さいことが望ましい。
  基板の移動量は、当該基板を前記往復移動の両端でも基板の一部がビーム照射範囲に重なる程度において大きくなるように設定しても構わないが、その移動量が大きいと、基板に対する実効ビーム電流密度が小さくなってしまい、装置の処理能力（生産性）が低くなることが懸念される。
  そのため、前記移動方向を左右方向とした場合に、前記基板が最も左側に移動した際の前記基板の右側端と、前記基板が最も右側に移動した際の前記基板の左側端との基板端距離が、前記中央領域における前記移動方向の寸法と同じか、それよりも小さい（ゼロは含まない。）ことが望ましい。
  ここで、前記基板端距離が、イオンビームの中央領域における移動方向の寸法よりも小さいものであると、常に基板の一部がビーム電流密度の大きい中央領域に含まれることになってしまい、基板に均一にイオンビームを照射することが難しくなる。周辺領域においてイオンビームが照射される部分（薄い部分）は、中央領域においてイオンビームを照射して補正して濃くすれば良いが、中央領域においてイオンビームが照射される部分（濃い部分）は、補正により薄くすることはできないので、イオンビームの照射量の均一性のコントロールが難しい。
  この問題を好適に解決するためには、前記基板端距離は、前記中央領域における前記移動方向の寸法と同じであることが望ましい。
  中央領域の照射形状が長方形状をなすものの場合、その中央領域の長手方向は、基板の移動方向と交差していれば、基板にイオンビームを照射することができる。
  しかしながら、中央領域の長手方向と基板の移動方向とが直角以外の角度で交差する場合には、基板の移動量が大きくなってしまい、また、イオンビームの長さも長くする必要が生じてしまう。
  そのため、前記中央領域の照射形状は長方形状をなすものであり、その長手方向は、前記移動方向と直交していることが望ましい。
  前記制御装置は、前記基板の位置が時間の連続関数である制御波形に基づいて前記往復移動機構を制御することが望ましい。ここで、制御波形としては、三角波の頂点を鈍らせた実質的な三角波や、正弦波が考えられる。
この構成であれば、基板上におけるビーム電流密度分布をより効果的に平均化することができる。
  また、本発明に係るイオンビーム照射方法は、真空雰囲気中で基板にイオンビームを照射する方法であって、真空に排気される真空容器と、前記真空容器内で基板を保持する基板ホルダと、前記基板ホルダを前記基板ホルダに保持された基板の中心部周りに回転させる回転機構と、前記基板ホルダ及び前記回転機構を所定の移動方向に沿って往復移動させる往復移動機構と、前記基板ホルダに保持された基板に対して、前記移動方向に沿ってビーム電流密度が所定値以上である中央領域と当該中央領域の両側に形成されてビーム電流密度が前記所定値未満である周辺領域とを有し、前記中央領域における前記移動方向に直交する方向の寸法が、前記基板における前記移動方向に直交する方向の寸法よりも大きいイオンビームを照射するイオンビーム照射部とを備えたイオンビーム照射装置を用いて、前記基板ホルダに保持された基板を前記往復移動の両端でも基板の一部がビーム照射範囲に重なるように往復移動させるとともに、前記基板を往復移動中に連続回転させて、前記イオンビームを照射することを特徴とする。
  このように構成した本発明によれば、基板を前記往復移動の両端でも基板の一部がビーム照射範囲に重なるように往復移動させるとともに基板を往復移動中に連続回転させるので、基板の処理に要する時間を短縮することができる。
本実施形態のイオンビーム照射装置の構成を模式的に示す断面図である。 同実施形態のＺＸ平面におけるイオンビームと基板の移動量との関係を示す模式図である。 同実施形態のＸＹ平面におけるイオンビームと基板の移動量との関係を示す模式図である。 同実施形態の制御波形の一例を示す図である。 イオンビームの短辺方向における規格化した電流密度の分布モデルである。 基板表面のミリングレートの均一性と基板回転数との関係を示すシミュレーション結果である。 従来の１スキャン当たりの実効ビーム電流密度を説明するための模式図である。
  以下に、本発明に係るイオンビーム照射装置の一実施形態について、図面を参照して説明する。なお、方向の理解を容易にするために、各図中において、１点で互いに直交するＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向を図示している。例えば、Ｘ方向及びＺ方向は水平方向であり、Ｙ方向は鉛直方向である。イオンビームは、この例ではＺ方向に進行する。
  ＜装置構成＞
  本実施形態のイオンビーム照射装置１００は、図１に示すように、真空雰囲気中で基板ＷにイオンビームＩＢを照射して処理する装置である。この基板Ｗは、例えばシリコンウエハ等の半導体基板、半導体基板の表面に磁性体膜等の膜が形成された基板等であるが、これに限られるものではない。また、基板Ｗの形状は、例えば円形（円周の一部分にオリエンテーションフラットやノッチを有するものもこれに含むものとする）であるが、これに限られるものではない。
  具体的にイオンビーム照射装置１００は、図示しない真空排気装置によって真空に排気される真空容器２と、この真空容器２内で基板Ｗを保持する基板ホルダ３と、この基板ホルダ３を回転させる回転機構４と、基板ホルダ３及び回転機構４を往復移動させる往復移動機構５と、基板ＷにイオンビームＩＢを照射するイオンビーム照射部６と、回転機構４及び往復移動機構５を制御する制御装置７とを備えている。
  基板ホルダ３は、例えば静電チャックを備えるものであり、真空容器２内において回転機構４により回転可能に設けられるとともに、往復移動機構５により往復移動可能に設けられている。また、本実施形態の基板ホルダ３は、イオンビームＩＢに対する基板Ｗのチルト角（傾き角）φを変更するチルト機構８により傾斜可能に設けられている。
  回転機構４は、基板ホルダ３を回転させることにより、基板ホルダ３に保持された基板Ｗをその中心部Ｗａの周りに回転させるものである。この回転機構４は、基板Ｗの中心部Ｗａの周りに時計回り又は反時計回りに連続回転させるものである。図１には、回転方向Ｃの一例を示しているが、これと逆方向であっても良い。
  往復移動機構５は、基板ホルダ３、回転機構４及びチルト機構８を所定の移動方向Ｄ（図1等においてＸ方向）に沿って機械的に往復移動させることにより、基板ホルダ３に保持された基板Ｗを移動方向Ｄに沿って往復移動させるものである。この往復移動機構５による基板Ｗの往路及び復路は直線移動であり、また、往路及び復路は互いに重複するように構成されている。なお、往復移動機構５は、真空容器２外に設けられたアクチュエータ５１と、基板ホルダ３及び回転機構４等に連結されるとともに前記アクチュエータ５１により駆動される駆動軸５２とを備えている。アクチュエータ５１は、この例では真空容器２外に設けているが、これに限られるものではない。
  イオンビーム照射部６は、基板ホルダ３に保持された基板Ｗに対してイオンビームＩＢを照射するものである。このイオンビーム照射部６は、断面が長方形状をなすイオンビームＩＢを照射するものであり、イオン源６０を用いて構成されている。このイオン源６０は、プラズマ６３を生成するプラズマ生成部６１と、プラズマ６３から電界の作用でイオンビームＩＢを引き出す引出電極系６２とを有している。イオン源６０は、その引出電極系６２と共に、真空容器２の内部に配置しても良いし、真空容器２の外部に配置しても良い。
  本実施形態では、イオン源６０からのイオンビームＩＢの引き出し方向は、重力方向Ｇと交差する方向（例えば、図１に示す例のように実質的に直交する方向、または斜めの方向）にするのが好ましい。具体的には、イオン源６０のビーム引き出し口Ｈと基板Ｗとが水平方向において互いに対向している。このようにすると、イオン源６０の真下に基板Ｗを配置せずに済み、イオン源６０内部の堆積物の剥離片等の異物（ゴミ）がイオン源６０から落下しても基板Ｗに混入しにくくなる。その結果、異物混入による基板Ｗの処理不良の発生を抑制することができる。
  なお、イオン源６０は、（ａ）多極磁界（カスプ磁界）を用いてプラズマ６３の閉じ込め等を行う、いわゆるバケット型イオン源（多極磁界型イオン源とも呼ばれる）でも良いし、（ｂ）高周波放電によってプラズマ６３を生成する高周波イオン源でも良いし、（ｃ）陰極と反射電極とを対向させ、かつ両者を結ぶ軸に沿う方向に磁界を印加してプラズマ６３を生成する、いわゆるバーナス型イオン源でも良い。また、引出電極系６２を構成する電極の数は、特定のものに限定されない。また、引出電極系６２を構成する電極には、必要に応じて冷却パイプを設けても良いし、設けなくても良い。
  このイオン源６０により基板Ｗに照射されるイオンビームＩＢは、図２及び図３に示すように、その長手方向が移動方向Ｄと直交するように基板Ｗに向かって照射される。そして、イオンビームＩＢは、その照射領域において、移動方向Ｄ（Ｘ方向）に沿ってビーム電流密度が所定値以上である中央領域ＩＢｘと、この中央領域ＩＢｘの両側に形成されてビーム電流密度が所定値未満である周辺領域ＩＢｙとを有している。この断面長方形状のイオンビームＩＢは、イオン源６０の長方形状をなすビーム引き出し口Ｈ（引出電極系６２のビーム引き出し領域）から射出されることにより形成される。
  前記所定値は、ビーム電流密度のピーク値に対して例えば５０％などの所定割合のビーム電流密度としても良い。また、前記所定値は、イオン源６０のビーム引き出し口ＨのＸ方向両端からＸ方向外側に拡がった部分、又は、照射領域の外縁部分を周辺領域ＩＢｙとするように設定しても良い。
  中央領域ＩＢｘは、イオンビームＩＢにおいてビーム電流密度分布が実質的に均一な領域又は規則的に変化する領域である。中央領域ＩＢｘは、その照射形状が長方形状をなすものであり、移動方向Ｄに直交する長手方向（Ｙ方向）の寸法が、基板ＷにおけるＹ方向の寸法よりも大きく、移動方向Ｄ（Ｘ方向）の寸法が、基板Ｗの基板傾斜角０度におけるＸ方向の寸法よりも小さいものである。
  また、各周辺領域ＩＢｙは、イオンビームＩＢにおいてビーム電流密度分布の裾野部分の不均一な領域である。各周辺領域ＩＢｙは、中央領域ＩＢｘと同様に、照射形状が長方形状をなすものであり、Ｙ方向の寸法が、基板ＷにおけるＹ方向の寸法よりも大きく、Ｘ方向の寸法が、基板Ｗの基板傾斜角０度におけるＸ方向の寸法よりも小さいものである。本実施形態では、各周辺領域ＩＢｙにおけるＸ方向の寸法は、中央領域ＩＢｘにおけるＸ方向の寸法よりも小さいものとされているが、これに限られない。
  そして、制御装置７は、回転機構４及び往復移動機構５を制御して、基板ホルダ３に保持された基板Ｗを往復移動の両端でも基板Ｗの一部がビーム照射範囲に重なるように往復移動させるとともに、基板Ｗを往復移動中に連続回転させるものである。なお、制御装置７は、チルト機構８を制御して基板Ｗのチルト角φを制御する機能も有する。
  具体的に制御装置７は、図３に示すように、移動方向Ｄ（Ｘ方向）を左右方向とした場合に、基板Ｗが最も左側に移動した際の基板Ｗの右側端と、基板Ｗが最も右側に移動した際の基板Ｗの左側端との基板端距離Ｒが、中央領域ＩＢｘにおけるＸ方向の寸法と同じか、それよりも小さくなるように、基板Ｗを往復移動させる。本実施形態では、制御装置７は、基板端距離Ｒが、中央領域ＩＢｘにおけるＸ方向の寸法と同じとなるように、基板Ｗを往復移動させる。なお、図３中に破線で示す基板Ｗは、往復移動中において最も左側に位置し、２点鎖線で示す基板Ｗは、往復移動中において最も右側に位置している場合の例を示している。
  この往復移動において、制御装置７は、基板Ｗの位置が時間の連続関数である制御波形に基づいて往復移動機構５を制御する。例えば、図４に示すように、三角波の頂点を鈍らせた実質的な三角波であっても良いし、正弦波であっても良い。制御波形として実質的な三角波を用いたものであれば、基板Ｗの往復移動の大部分を等速移動させればよいので、制御が容易となる。
  また、制御装置７は、往復移動において往路移動中、つまり、基板Ｗが中央領域ＩＢｘを右から左に横切る途中で基板Ｗを１又は複数回連続回転させるものであり、復路移動中、つまり、基板Ｗが中央領域ＩＢｘを左から右に横切る途中で１又は複数回連続回転させるものである。ここで、往復移動中における回転機構４による基板Ｗの回転速度は一定であるが、処理内容等に応じて可変としても良い。なお、往路移動中の基板Ｗの回転数と復路移動中の基板Ｗの回転数とは、同じであっても良いし、異なっていても良い。
  上記では、イオンビームＩＢの短辺方向（Ｘ方向）の寸法が、基板ＷのＸ方向の寸法よりも大きいものであったが、イオンビームＩＢのＸ方向の寸法が、基板ＷのＸ方向の寸法よりも小さいものであっても良い。
  次に、図５に示すイオンビームＩＢを用いた基板表面のミリングレートの均一性と基板回転数との関係を図６に示す。図５は、イオンビームＩＢの短辺方向における規格化した電流密度の分布モデルを示している。このイオンビームＩＢにおいて、基板Ｗの移動量は、基板端距離Ｒが１００ｍｍとなるように設定した。なお、イオン源６０の引出電極系６２と基板Ｗとの距離は４００ｍｍである。
  図６のシミュレーション結果に示すように、１回の往復移動における回転数が増えるに連れて、基板表面のミリングレートの均一性が改善されていることが分かる。また、１回の往復移動における回転数が偶数、つまり、往路移動の回転数及び復路移動の回転数が同じ場合の方がミリングレートの均一性がより改善されることが分かる。さらに図６から、基板Ｗの傾斜角（チルト角φ）が０度の場合よりも４５度の場合の方が、基板Ｗの回転によるミリングレートの均一性がより改善されることが分かる。
  ＜本実施形態の効果＞
  このように構成した本実施形態のイオンビーム照射装置１００によれば、基板Ｗの全面にイオンビームＩＢを照射して、当該基板Ｗに処理を施すことができる。例えば、基板Ｗにその表面を削る等のイオンミリング加工を施すことができる。また、基板Ｗにイオン注入を行うこともできる。イオンビームＩＢの種類は、基板Ｗに施す処理内容に応じて選定すれば良い。例えば、イオンミリングを行う場合は、イオンビームＩＢとして、例えばアルゴンイオンビームのような不活性ガスイオンビーム等を用いれば良い。イオン注入を行う場合は、イオンビームＩＢとして、所望のドーパントを含むイオンビームを用いれば良い。
  特に本実施形態のイオンビーム照射装置１００によれば、基板Ｗを往復移動の両端でも基板Ｗの一部がビーム照射範囲に重なるように往復移動させるので、基板ＷをイオンビームＩＢの照射領域の外側に移動させるとともにステップ回転を行う場合に比べて、基板Ｗの処理に要する時間を短縮して基板Ｗの処理効率を向上させることができる。
  ここで、基板Ｗを往復移動の両端でも基板Ｗの一部がビーム照射範囲に重なるように往復移動させることにより、基板Ｗの移動距離を小さくすることができる。その結果、基板Ｗへの実効ビーム電流密度を大きくすることができ、これによっても基板Ｗの処理に要する時間を短縮することができる。
  次に、本発明に係るイオンビーム照射方法の実施形態を説明すると、上記のようなイオンビーム照射装置１００を用いて（但し、この方法の場合は、上記制御装置７を用いる必要はないので、それを備えている必要はない）、イオンビームＩＢの照射領域内で基板Ｗを上記のように回転および往復移動させて、基板Ｗの全面にイオンビームＩＢを照射する方法を採用しても良い。
  このイオンビーム照射方法の場合も、基板ホルダ３に保持された基板Ｗを往復移動の両端でも基板Ｗの一部がビーム照射範囲に重なるように往復移動させるとともに、基板Ｗを往復移動中に連続回転させて、イオンビームＩＢを照射するので、上記イオンビーム照射装置１００の場合と同様に、基板Ｗの往復移動及び回転の両方に関して、基板Ｗの処理に要する時間を短縮して基板Ｗの処理効率を従来例の基板のビーム外移動とステップ回転の場合に比べて向上させることができる。
  ＜その他の変形実施形態＞
  なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
例えば、イオンビーム照射部６の構成としては、イオン源６０と、当該イオン源６０から引き出したイオンビームＩＢを電場および／または磁場で拡大し、更に必要に応じて平行化する構成のイオン光学要素とを備えるものでも良い。
  往復移動機構５による基板Ｗ等の往復移動は、直線状以外でも良い。直線状以外では、例えば、基板Ｗを保持するホルダをアームの一端部で支持し、当該アームの他端部に可逆転式の回転駆動源を連結して、当該アーム（スイングアームとも呼ばれる）を所定角度範囲内において往復で旋回させる（スイングさせる）方式によって基板Ｗ等を往復移動しても良い。
  その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。
１００・・・イオンビーム照射装置
Ｗ・・・基板
Ｗａ・・・中心部
２・・・真空容器
３・・・基板ホルダ
４・・・回転機構
５・・・往復移動機構
６・・・イオンビーム照射部
ＩＢ・・・イオンビーム
ＩＢｘ・・・中央領域
ＩＢｙ・・・周辺領域
７・・・制御装置

Claims (6)

  1.   真空に排気される真空容器と、
      前記真空容器内で基板を保持する基板ホルダと、
      前記基板ホルダを前記基板ホルダに保持された基板の中心部周りに回転させる回転機構と、
      前記基板ホルダ及び前記回転機構を所定の移動方向に沿って往復移動させる往復移動機構と、
      前記基板ホルダに保持された基板に対してイオンビームを照射するイオンビーム照射部と、
      前記回転機構及び前記往復移動機構を制御する制御装置とを備え、
      前記イオンビームは、前記移動方向に沿ってビーム電流密度が所定値以上である中央領域と当該中央領域の両側に形成されてビーム電流密度が前記所定値未満である周辺領域とを有し、前記中央領域における前記移動方向に直交する方向の寸法が、前記基板における前記移動方向に直交する方向の寸法よりも大きいものであり、
      前記制御装置は、前記基板ホルダに保持された基板を前記往復移動の両端でも基板の一部がビーム照射範囲に重なるように往復移動させるとともに、前記基板を往復移動中に連続回転させるものであるイオンビーム照射装置。
  2.   前記中央領域における前記移動方向の寸法は、前記基板における前記移動方向の寸法よりも小さい請求項１記載のイオンビーム照射装置。
  3.   前記移動方向を左右方向とした場合に、前記基板が最も左側に移動した際の前記基板の右側端と、前記基板が最も右側に移動した際の前記基板の左側端との基板端距離が、前記中央領域における前記移動方向の寸法と同じか、それよりも小さい請求項１又は２記載のイオンビーム照射装置。
  4.   前記中央領域の照射形状は長方形状をなすものであり、その長手方向は前記移動方向と直交している請求項１、２又は３記載のイオンビーム照射装置。
  5.   前記制御装置は、前記基板の位置が時間の連続関数である制御波形に基づいて前記往復移動機構を制御する請求項１、２、３又は４記載のイオンビーム照射装置。
  6.   真空雰囲気中で基板にイオンビームを照射する方法であって、
      真空に排気される真空容器と、前記真空容器内で基板を保持する基板ホルダと、前記基板ホルダを前記基板ホルダに保持された基板の中心部周りに回転させる回転機構と、前記基板ホルダ及び前記回転機構を所定の移動方向に沿って往復移動させる往復移動機構と、前記基板ホルダに保持された基板に対して、前記移動方向に沿ってビーム電流密度が所定値以上である中央領域と当該中央領域の両側に形成されてビーム電流密度が前記所定値未満である周辺領域とを有し、前記中央領域における前記移動方向に直交する方向の寸法が、前記基板における前記移動方向に直交する方向の寸法よりも大きいイオンビームを照射するイオンビーム照射部とを備えたイオンビーム照射装置を用いて、
      前記基板ホルダに保持された基板を前記往復移動の両端でも基板の一部がビーム照射範囲に重なるように往復移動させるとともに、前記基板を往復移動中に連続回転させて、前記イオンビームを照射するイオンビーム照射方法。
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