JP2010056336A

JP2010056336A - イオン照射装置

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Publication number: JP2010056336A
Application number: JP2008220379A
Authority: JP
Inventors: Takumi Yuse; 琢巳湯瀬; Noriyasu Sasaki; 徳康佐々木
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2008-08-28
Filing date: 2008-08-28
Publication date: 2010-03-11
Anticipated expiration: 2028-08-28
Also published as: JP5285998B2

Abstract

【要約】
【課題】大面積の処理対象物にイオンを均一に照射するための技術を提供する。
【解決手段】
イオン化室１１内で生成されたイオンは、第一〜第三の電極板１７〜１９に形成されたイオン通過路１２を通り、イオン化室１１から処理室３０に放出される。第一〜第三の電極板１７〜１９は中心が処理対象物３３の回転軸線２４から離間して配置され、イオン通過路１２は、回転軸線を通る直線で挟まれた中央領域に配置されており、略垂直に入射するイオンは、処理対象物３３のどの位置でも略等しい時間照射され、処理対象物３３表面に均一にイオンが照射される。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体や電子部品等の製造過程あるいは構造材料等の表面改質において用いられるイオン源に関するものである。この発明は、イオン照射装置を用いてイオンを物質表面に均一に照射する技術と、その技術で用いられるイオン照射装置に関する。

従来より、エッチングや表面分析にはイオン照射装置が用いられている。
図１４の符号１００は、従来技術のイオン照射装置の一例を示している。イオン照射装置１００は、イオン化室１１１を有している。イオン化室１１１には、開口部が形成されていて、開口部には、電極装置１１６が配置されている。

イオン化室１１１は、ガス導入装置１０９が接続されており、ガス導入装置１０９を動作し、イオン化室１１１内に処理ガスを導入する。イオン化室１１１には、高周波コイル１１３が取り付けられている。高周波コイル１１３に交流電圧を印加すると、イオン化室１１１内部でプラズマが発生し、処理ガスのイオンが生成される。

電極装置１１６は、電極板１１７を１又は複数枚有している。電極板１１７には孔１２０が複数形成され、電極板１１７は孔１２０が重なるように配置されている。電極板１１７には、不図示の電源から加速電圧が印加され、イオン化室１１１内で生成されたイオンは、孔１２０を通る際に加速され、イオン化室１１１外に照射される。

図１５は、電極板１１７上の孔１２０を説明するための平面図であり、照射面積を広くするために、通常、孔１２０は電極板１１７の全体に配置されている。
特開２００５−２６８２３５号公報特開２００７−１６５１０７号公報

従来のイオン照射装置では、イオン照射装置の大きさにより均一に引き出される領域が決まっていたため、イオン照射装置の大きさより広い領域に均一に照射することが困難であった。

引き出し電極の形状を凸面にすることにより均一に照射できる領域を広くすることが提案されている。しかし、この方法では引き出し電極と基板間の距離を長くしなければならないために、チャンバーの小型化が困難であった。

上記課題を解決するために、本発明は、イオン化室と、前記イオン化室内に導入された処理ガスをイオン化するイオン生成装置と、生成されたイオンを前記イオン化室から外部に放出させる電極装置と、処理対象物と前記電極装置とを一の回転軸線を中心にして相対的に回転させる回転装置とを有し、前記処理対象物に対して前記イオン室内で生成された前記イオンを照射するイオン照射装置であって、前記電極装置は、前記イオン化室内の前記イオンのエネルギーを決める電圧が印加される第一の電極と、前記イオンを吸引する極性の電圧が印加される第二の電極と、前記第一、第二の電極を貫通し前記イオン化室の外部に前記イオンを通過させる複数のイオン通過路とを有し、前記第一の電極は、前記第一の電極の中心が前記回転軸線から離間して配置され、前記第一の電極表面は、当該表面が位置する平面内で、前記回転軸線を通る二直線によって、前記二直線で挟まれた中央領域と、前記中央領域の両側に位置する端部領域とに区分けされ、前記イオン通過路は、前記中央領域に配置されたイオン照射装置である。
本発明はイオン照射装置であって、前記第一の電極表面は、前記回転軸線を中心とする大円と小円で、前記回転軸線に近い方から中心領域と中間領域と外周領域に区分けされ、前記イオン通過路は、前記中央領域内であって且つ前記中間領域内であるイオン通過領域に配置されたイオン照射装置である。
本発明はイオン照射装置であって、前記回転軸線を中心とする円の円周方向の前記イオン通過路の個数は、前記回転軸線に近い円上の個数よりも、遠い円上の個数の方が多くなるように配置されたイオン照射装置である。
本発明はイオン照射装置であって、前記イオン通過路の端部であって、前記第一の電極上に位置する入口孔は、同一面積であって、隣接する前記入口孔の中心間は、互いに等距離に配置されたイオン照射装置である。
本発明はイオン照射装置であって、前記イオン化室内には、前記第一の電極と離間して配置された邪魔板が、前記イオン通過領域の一部と対面する位置に配置されたイオン照射装置である。
本発明はイオン照射装置であって、前記邪魔板は、誘電体で構成されたイオン照射装置である。

装置を大型化せずに、大面積の処理対象物を均一に表面処理することができる。

図１の符号５０は、真空処理装置の一例を示している。
この真空処理装置５０は、イオン照射装置１０と処理装置３０を有している。
イオン照射装置１０と処理装置３０はイオン化室１１と処理室３１をそれぞれ有しており、イオン化室１１と、処理室３１には、それぞれ開口部が形成されている。

イオン化室１１は処理室３１の上方に位置しており、イオン化室１１の開口と、処理室３１の開口が重なって、イオン化室１１の内部と処理室３１の内部が接続されるように、イオン化室１１と処理室３１とが気密に連結されている。
イオン化室１１の開口には、電極装置１６が配置されている。

イオン化室１１と処理室３１のいずれか一方又は両方には真空排気系８が接続されている。イオン化室１１には、処理ガスが配置されたガス導入系９が接続されており、真空排気系８を動作させ、イオン化室１１と処理室３１を真空雰囲気にした後、ガス導入系９を動作し、イオン化室１１内にＡｒガス等の処理ガスを導入すると、イオン化室１１内に所望圧力の処理ガス雰囲気が形成される。

イオン化室１１の周囲には高周波コイル１３が巻き回されている。高周波コイル１３には、高周波電源１５が接続されている。イオン化室１１は石英、アルミナ、窒化アルミニウム等の誘電体で構成されており、高周波電源１５を起動して高周波コイル１３に交流電圧を印加すると、イオン化室１１内部に交番磁界が形成され、交番磁界により、イオン化室１１内で処理ガスのイオンが生成される。

イオン化室１１の内部の、交番磁界が形成される領域には、邪魔板２５が第一の電極板１７と平行に離間して配置されている。この邪魔板２５は、石英、アルミナ、窒化アルミニウム等の誘電体で構成されており、イオン化室１１の略中央に位置する。

イオン化室１１内部に邪魔板２５が無いと、イオン化室１１の中央でイオン生成量が多くなるが、邪魔板２５により、イオン化室１１中央での邪魔板２５と第一の電極板１７の間におけるイオン生成が制御され、その結果、第一の電極板１７から引き出されるイオン分布を制御することが可能となる。

電極装置１６は、イオン化室１１を処理室３１に接続するイオン通過路１２を複数有しており、イオン通過路１２を通って、イオン化室１１内部で生成されたイオンが処理室３１へ移動可能になっている。

電極装置１６は複数の電極板（第一〜第三の電極板１７〜１９）を有している。
第一〜第三の電極板１７〜１９は、イオン化室１１の内部側から処理室３１の内部側に向かって、記載した順序で互いに離間して平行に配置されている。
第一の電極板１７には、イオン通過路１２の入口となる貫通孔（入口孔２０）がイオン通過路１２と同数形成されている。

この入口孔２０の中心を通り、第一の電極板１７と垂直な線分を孔中心軸線とすると、第二、第三の電極板１８、１９の孔中心軸線が交差する場所には、それぞれ貫通孔が形成され、同一の孔中心軸線上に位置する第一の電極板１７〜第三の電極板１９の貫通孔によってイオン通過路１２が構成されている。

従って、イオン化室１１から入口孔２０に入り込んだイオンは、他の電極板（第二、第三の電極板１８、１９）に衝突せずに、イオン通過路１２内を飛行する。
隣接する電極板１７〜１９間には絶縁性の碍子６が配置されており、第一〜第三の電極板１７〜１９は碍子６によって離間し、互いに絶縁されおり、各電極板１７〜１９には電圧を個別に印加できる。

ここでは、第一の電極板１７と第二の電極板１８に正電圧電源５と負電圧電源３がそれぞれ接続されている。第三の電極板１９はイオン化室１１及び処理室３１と同じ接地電位に接続されている。イオン化室１１で生成されるイオンは正のイオンである（例えばＡｒ⁺）。

第一の電極板１７は、正電圧電源５により接地電位に対して正の電圧が印加され、イオン化室１１内部のイオンは第一の電極板１７から反発力を受けるので、イオンはイオン化室１１内部に閉じ込められ、イオン化室１１内部から拡散により漏洩しない。

第二の電極板１８には負電圧電源３により接地電位に対して負の電圧が印加されている。第二の電極板１８が形成する電界は、第一の電極板１７の入口孔２０を通ってイオン化室１１内部に漏洩し、イオン化室１１内部で生成されたイオンをイオン通過路１２内に引き寄せ、加速させる。

イオンの加速エネルギーは第一、第二の電極板１７、１８の電位差が大きい程大きくなる。第一の電極板１７の印加電圧を変えると、第一、第二の電極板１７、１８間の電位差が変るから、第一の電極板１７の印加電圧がイオンの加速エネルギーを決定する。

加速されたイオンはイオン通過路１２を通過して処理室３１に導入される。尚、第三の電極板１９は、第二の電極板１８が作る電界が処理室３１に漏洩するのを防ぐ役割をしている。

処理室３１内部の底面には試料ホルダー３２が配置されている。試料ホルダー３２の一面（載置面）に、一又は複数の処理対象物３３を予め保持させておく。
ここでは、処理対象物３３は板状であって、載置面は第一〜第三の電極板１７〜１９と平行な平面内に位置し、処理対象物３３は第一〜第三の電極板１７〜１９に対して平行に保持される。

試料ホルダー３２は処理室３１外部に配置された回転装置３５に接続され、回転装置３５により、載置面を垂直に通る回転軸線２４を中心として回転できるように構成されている。従って、試料ホルダー３２と処理対象物３３は、第一〜第三の電極板１７〜１９と平行な平面内で回転軸線２４を中心として回転する。ここでは、回転軸線２４は処理対象物３３と試料ホルダー３２の中心を通る。

処理対象物３３は、回転移動により一部又は全部が、イオン通過路１２が配置された領域と対面し、対面した部分にイオンがビーム状に照射され、表面処理される。

イオン通過路１２は、所定領域内に密集して配置されている。図２は、第一の電極板１７上の入口孔２０の配置状態を説明するための平面図であり、同図の符号ｄ₁は、第一の電極板１７の表面が位置する平面内で回転軸線２４を通り、１８０°未満の角度で交差する二直線ｂ₁とｂ₂の間の領域（中央領域）を示している。

入口孔２０は、中央領域ｄ₁の両側の端部領域ｅ₁とｅ₂には配置されておらず、従って、イオン通過路１２は中央領域ｄ₁に位置し、中央領域ｄ₁を通過したイオンが処理対象物３３に照射される。
各入口孔２０は同じ形状同じ大きさであり、入口孔２０の中心間の距離を一定にして配置されている。従って、隣接する入口孔２０の中心間は、互いに等距離になっている。

入口孔２０の大きさが無視できる程小さい場合、回転軸線２４を中心とする同心円と交差する入口孔２０の個数は、半径が小さい同心円上の個数よりも半径が大きな同心円上の個数が多くなるように設定されており、入口孔２０の大きさが、同心円の半径と比べて無視できない程の大きさの場合、少なくとも、入口孔２０の大きさの２倍以上離れた同心円間では、半径が小さい同心円上の個数よりも半径が大きな同心円上の個数が多くなるように設定されている。

その結果、回転軸線２４を中心にイオン化室１１と処理対象物３３とが相対的に回転した場合、処理対象物３３表面上に垂直もしくは垂直に近い角度で入射するイオンが、処理対象物３３のどの位置でも、略同じ時間だけ照射され、その結果、処理対象物３３表面に均一にイオンが照射されるようになる。

イオン通過路１２を通過したイオンのうち、処理対象物３３に大きな角度で斜め入射するイオンの量が大きい場合、処理対象物３３表面のうちの回転軸線２４から離間した位置では、断続的にイオンが照射されるのに対し、回転軸線２４付近の場所では、回転軸線２４を中間にして、反対位置にあるイオン通過路１２からもイオンが照射されるため、大きな角度で斜め入射するイオンは途切れることなく照射される。

従って、回転軸線２４に近い場所では、垂直又は垂直に近い角度で入射するイオンと、大きな角度で斜め入射するイオンの両方が照射されてしまう。

本発明のイオン照射装置１０では、第一の電極板１７上の入口孔２０は、回転軸線２４を中心とする小さな半径ｒ₁の小円ａ₁と、小円ａ₁の半径ｒ₁よりも大きな半径ｒ₂の大円ａ₂の間の中間領域ｄ₂に配置されており、小円ａ₁よりも内側の中心領域には、入口孔は配置されておらず、その結果、回転軸線２４付近の場所では、垂直又は垂直に近い角度で入射するイオンは到達せず、大きな角度で斜め入射するイオンだけが照射されるようになっている。

第一の電極１７表面の、中央領域ｄ₁であって且つ中間領域ｄ₂の部分をイオン通過領域ｄ₂と呼ぶと、イオン通過領域ｄ₂を構成する入口孔２０は、イオン通過領域ｄ₂に配置されている。

図３はイオン化室１１の断面図であって、邪魔板２５はイオン通過領域ｄ₂の少なくとも一部を覆っている。ここでは、邪魔板２５はイオン通過領域ｄ₂の回転軸線２４に近い側を覆っており、回転軸線２４に近い側のイオン通過路１２のイオン放出量を抑制している。

以上は、入口孔２０をイオン通過領域ｄ₂だけに配置する場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、処理対象物３３の回転軸線２４付近の面内分布のばらつきが問題にならない程度であれば、図４に示すように、小円ａ₁の内側の中心領域にも入口孔２０を配置してもよい。

以上は、電極板１７〜１９が３枚の場合について説明したが、電極板１７〜１９の枚数は２枚以上であれば特に限定されない。
入口孔２０の平面形状は特に限定されず、円形（真円、楕円含む）であってもよいし、多角形であってもよい。

中央領域ｄ₁を構成する二直線ｂ₁、ｂ₂の交わり角度は特に限定されないが、実験によると４５°以下が良好であり、４０°の場合が最適であった。
イオン生成方法も特に限定されず、イオン化室１１内部にフィラメントを配置し、フィラメントに通電してプラズマを発生させてもよい。処理ガスの種類は特に限定されず、Ａｒ、Ｘｅ、Ｎｅ等種々のものを用いることができる。

本発明のイオン照射装置１０は、エッチング、表面クリーニング処理、表面分析等種々の用途に用いることができる。例えば、処理ガスがＡｒであり、処理対象物３３表面にＣｕ、ＳｉＯ₂等が露出する場合は、処理対象物３３表面がエッチングされる。

イオン照射条件の一例を述べると、例えば、処理対象物３３が直径３００ｍｍの基板の場合、基板中心からイオン源（イオン化室１１）中心のオフセット量７０〜１００ｍｍ、邪魔板２５の直径が８０〜１００ｍｍ、邪魔板２５中心からイオン化室１１中心までの距離が−２０〜２０ｍｍ、邪魔板２５と第一の電極板１７との距離が０〜４０ｍｍである。

イオン化室１１内部に邪魔板２５以外の誘電体の板（円盤）を配置する場合、その円盤の直径は２０〜４０ｍｍ、円盤中心からイオン化室１１中心までの距離は−７０〜−５０ｍｍ、円盤と第一の電極板１７との距離は０〜１０ｍｍである。イオン照射装置１０から処理対象物３３までの距離（Ｔ／Ｓ）は２５０〜３００ｍｍである。

ＳｉＯ₂ウェハからなる処理対象物をＡｒガスを用いてエッチングし、処理対象物表面のエッチング深さの面内分布を調べた。尚、エッチング速度は平均０．５ｎｍ毎秒、第一の電極板１７への印加電圧は２．０ｋｖまたは３．０ｋｖ、電流は２５０ｍＡ、３５０ｍＡ、または４５０ｍＡ。処理ガス流量は１５sccm、２５sccm、３５sccm、第一〜第三の電極板１７〜１９は直径１６０ｍｍの円盤状であって、材質はモリブデンであり、二直線ｂ₁、ｂ₂の交差角度は４０°とした。邪魔板２５は円盤状のものを用いた。

図５〜図１１は面内分布を示すグラフであり、縦軸は相対エッチング量、横軸はウェハ上の回転軸線２４からの位置（単位ｍｍ）を示す。
図５の符号ｇは中心領域ｄ₁にも入口孔２０を配置した場合（図４）であり、回転中心から１５０ｍｍと広い範囲がエッチングされており、直径が電極板１７〜１９の二倍以上の広い範囲にエッチング可能なことがわかる。

図６〜図１１は中心領域に入口孔２０を配置しない場合（図２）の面内分布であり、図６の符号ｈ₁〜ｈ₃は邪魔板２５の直径が１２０ｍｍ、５０ｍｍ、１００ｍｍ、オフセットが−２０ｍｍ、−３０ｍｍ、−３０ｍｍの場合をそれぞれ示す。

尚、オフセットは、イオン化室１１中心から邪魔板２５中心までの距離であって、邪魔板２５が回転軸線２４に近い方を−、遠い方を＋として表記する。
図６を見ると、邪魔板２５が５０ｍｍと小さすぎる場合、面内分布が不均一になり、また、オフセットが変ると面内分布も変る。従って、邪魔板２５の大きさや位置を変えることで、面内分布を改善可能なことがわかる。

図７、図８は直径８０ｍｍの邪魔板２５を用いた場合であり、図７、図８の符号ｉ₁、ｊ₁は、オフセットが−１０ｍｍであって、図１２に示すように、邪魔板２５外周の一部に幅１０ｍｍの誘電体からなる板４０を取り付けた場合である。

図７の符号ｉ₂はオフセットが−１０ｍｍであって、板４０を取り付けなかった場合であり、図８の符号ｊ₂は、オフセットがゼロであって、図１３に示すように、板４０に加え直径３０ｍｍの誘電体からなる円盤４２を邪魔板２５と離間して配置した場合である。図７、８から円盤４２による効果は、板４０よりも小さいことがわかる。

図９は直径１００ｍｍの邪魔板２５を用いた場合であり、同図の符号ｋ₁〜ｋ₃はオフセットがゼロ、−１０ｍｍ、１０ｍｍの場合を示す。
図９から邪魔板２５がイオン化室１１の略中央に位置する場合が、均一な部分が多く（ウェハ回転中心からの位置−１５０ｍｍ〜−６０ｍｍの範囲）、均一度が±１０％となった。

図１０の符号ｌ₁〜ｌ₃は、邪魔板２５のみの場合と、邪魔板２５に幅１０ｍｍの板４０を取り付けた場合と、邪魔板２５に幅５ｍｍの板４０を取り付けた場合であり、それぞれ均一度は±１４％程度であった。板４０の幅を５ｍｍ変えることで、面内分布が変わっており、邪魔板２５の大きさ（幅）は５ｍｍ以下の精度で制御が必要なことがわかる。

図５と図６〜１０から、入口孔２０をイオン通過領域ｄ₂だけに配置する方が面内分布が改善されることがわかる。以上のことから、邪魔板２５の大きさや配置を変えることで、面内分布を変更可能なことがわかる。

図１１は邪魔板２５の大きさや配置を変えて面内分布を均一にした場合のグラフであり、同図の符号ｆ₁は一の直線に沿った水平方向に調べた面内分布を、同図の符号ｆ₂は水平方向と直交する方向に調べた面内分布を示し、エッチング量の面内分布は±５％、エリプソ測定により入りうる誤差は約３％、エッチング量最小相対値は０．９１であった。

本発明のイオン照射装置を用いた真空処理装置の一例第一の電極板の一例を説明する平面図電極板の位置を説明する断面図第一の電極板の他の例を説明する平面図中央領域に入口孔を配置した場合の面内分布を説明するグラフ邪魔板の直径とオフセットを変更した場合の面内分布を説明するグラフ板を取り付けた場合の面内分布を説明するグラフ円盤を配置した場合の面内分布を説明するグラフオフセットを変更した場合の面内分布を説明するグラフ板の幅を変更した場合の面内分布を説明するグラフ面内分布を均一にした場合のグラフ邪魔板に板を取り付けた状態を示す平面図邪魔板に加え円盤を配置した状態を示す平面図従来技術のイオン照射装置を説明する断面図従来技術の電極板を説明する平面図

符号の説明

１０……イオン照射装置
１２……イオン通過路
１６……電極装置
１７……第一の電極
１８……第二の電極
２０……入口孔
２５……邪魔板
３２……試料ホルダー
３３……処理対象物
３５……回転装置

Claims

イオン化室と、
前記イオン化室内に導入された処理ガスをイオン化するイオン生成装置と、
生成されたイオンを前記イオン化室から外部に放出させる電極装置と、
処理対象物と前記電極装置とを一の回転軸線を中心にして相対的に回転させる回転装置とを有し、
前記処理対象物に対して前記イオン室内で生成された前記イオンを照射するイオン照射装置であって、
前記電極装置は、前記イオン化室内の前記イオンのエネルギーを決める電圧が印加される第一の電極と、
前記イオンを吸引する極性の電圧が印加される第二の電極と、
前記第一、第二の電極を貫通し前記イオン化室の外部に前記イオンを通過させる複数のイオン通過路とを有し、
前記第一の電極は、前記第一の電極の中心が前記回転軸線から離間して配置され、
前記第一の電極表面は、当該表面が位置する平面内で、前記回転軸線を通る二直線によって、前記二直線で挟まれた中央領域と、前記中央領域の両側に位置する端部領域とに区分けされ、
前記イオン通過路は、前記中央領域に配置されたイオン照射装置。
前記第一の電極表面は、前記回転軸線を中心とする大円と小円で、前記回転軸線に近い方から中心領域と中間領域と外周領域に区分けされ、
前記イオン通過路は、前記中央領域内であって且つ前記中間領域内であるイオン通過領域に配置された請求項１記載のイオン照射装置。
前記回転軸線を中心とする円の円周方向の前記イオン通過路の個数は、前記回転軸線に近い円上の個数よりも、遠い円上の個数の方が多くなるように配置された請求項２記載のイオン照射装置。
前記イオン通過路の端部であって、前記第一の電極上に位置する入口孔は、同一面積であって、隣接する前記入口孔の中心間は、互いに等距離に配置された請求項２記載のイオン照射装置。
前記イオン化室内には、前記第一の電極と離間して配置された邪魔板が、前記イオン通過領域の一部と対面する位置に配置された請求項２乃至請求項４のいずれか１項記載のイオン照射装置。
前記邪魔板は、誘電体で構成された請求項５記載のイオン照射装置。