JP3641716B2 - イオンビーム加工装置およびその方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、イオンビーム加工装置およびその方法に係り、特に、シリコン基板などに対してイオンビームミリング、イオンビームスパッタなどの加工を施すに好適なイオンビーム加工装置およびその方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
イオンビーム加工装置としては、Ａｒガスなどを導入してプラズマを生成するイオン源と、真空の雰囲気中で基板を保持するとともに基板に対してイオンビームによる処理を施す処理室と、イオン源と処理室とを結ぶイオンビーム伝送路にイオン源で生成されたイオンビームとして引き出して処理室内の基板に向けてイオンビームを照射するイオン源電源と、処理室内を真空排気する真空排気装置を備えたものが知られている。
【０００３】
従来、この種のイオンビーム加工装置においては、基板を保持する基板ホルダとイオン源電源との間に、シャッタ板を開閉自在に配置し、イオン源電源によって引き出されたイオンビームがミリング処理の前後で直接基板に照射されるのを防止するようにした構成が採用されている。
【０００４】
また、引き出されたイオンビームで基板に対してミリング処理を行うと、イオンビームのプラス電荷により基板面が大きくプラスに帯電する。このため、基板面がプラスに帯電されたままになると、基板面でのチャージアップによる素子の静電破壊（ＥＣＤ；Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｓｔａｔｉｃ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｄａｍａｇｅ）が生じる。この帯電による素子の静電破壊を防止するために、イオン源とシャッタ板との間には、中和器と呼ばれる電子供給装置が設けられている。
【０００５】
この中和器としては、フィラメントに電圧を印加して、フィラメントを赤熱させることによって熱電子を放出させるフィラメント型中和器や、マイクロ波をイオン源電源とシャッタ板との間に導入してプラズマを生成し、生成されたプラズマから電子を供給するマイクロ中波器が知られている。
【０００６】
ところで、近年、コンピュータに用いられるハードディスクの大容量化が進み、これに伴い読み取りおよび書き込みを行う磁気ヘッドの微細化、薄膜化が急速に伸長してきている。磁気ヘッドに用いられる素子は、ＭＲ（Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）ヘッドからＧＭＲ（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）ヘッドに移行しているが、この先は、更なる大容量化に伴い、より高感度のＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）ヘッドに移行することが予想される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来のイオンビーム加工装置では、プラスの電荷を有するイオンビームとマイナスの電荷を有する中和電子との量的バランスについてはあまり重視されていなかった。このため、素子の微細化、薄膜化に伴い、基板面でのチャージアップによる素子の静電破壊が大きな課題となってきている。特に、シャッタ板の開閉時には、シャッタ板の開閉動作に伴って中和電子がシャッタ板に引き込まれ、基板面電位は中和不足となってプラスに帯電し、素子破壊が生じやすくなり、微細化、薄膜化した素子の加工を難しくしている。
【０００８】
そこで、本願出願人は、シャッタ板開閉時の中和不足を解決するために、シャッタ板開閉時にシャッタ板に電圧を印加する方法を提案している（特願平２０００−２６０１６０号）。この場合、シャッタ板開閉時の中和不足を解決するために、シャッタ板に電圧を印加するための電源が必要となる。
【０００９】
本発明の課題は、シャッタ板の開閉時に加工対象表面での急激な電位の変化を抑えることができるイオンビーム加工装置およびその方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明は、ガスを導入してプラズマを生成するイオン源と、真空の雰囲気中で加工対象に対してイオンビームによる処理を施す処理室と、前記イオン源と前記処理室とを結ぶイオンビーム伝送路に前記イオン源で生成されたプラズマをイオンビームとして引き出して前記処理室内の加工対象に向けてイオンビームを照射するイオン源電源と、前記イオンビームを中和する中和器と、前記加工対象よりも前記イオン源側の位置に開閉自在に配置されて閉時に前記加工対象を前記イオンビームから遮蔽するシャッタ板と、前記シャッタ板の開閉時に前記イオン源電源から引き出されるイオンビームの量を制御するイオンビーム制御手段とを備えてなるイオンビーム加工装置を構成したものである。
【００１１】
前記イオンビーム加工装置を構成するに際しては、イオンビーム制御手段の代わりに、シャッタ板の開閉時にイオンビーム電流量を制御する電流量制御手段あるいはシャッタ板の開閉時にイオン源電源の電圧を制御する電圧制御手段を設けることができる。この場合、イオンビーム制御手段はシャッタ板の開閉時にイオンビームの量を減量制御することが望ましく、電流量制御手段はシャッタ板の開閉時にイオンビーム電流量を減量制御するのが望ましく、また電圧制御手段は、シャッタ板の開閉時に電圧を低く制御することが望ましい。
【００１２】
また、イオンビーム制御手段、電流量制御手段あるいは電圧制御手段を用いる代わりに、シャッタ板の開閉時に、中和器の中和量を制御すること、例えば、中和能力を高める制御を行うことも可能である。さらに、シャッタ板の開閉時に中和能力を高めるとともに、イオンビームの量を減らす制御を行ったり、あるいはイオン源電源の電圧を低下させる制御を行ったりすることも可能である。
【００１３】
前記各イオンビーム加工装置を構成するに際しては、以下の要素を付加することができる。
【００１４】
（１）前記中和器は、電源に接続されたフィラメントから熱電子を放出して前記イオンビームを中和するフィラメント型中和器で構成されてなる。
【００１５】
（２）前記中和器は、磁場中にマイクロ波を照射してプラズマを生成し、生成されたプラズマ中の電子により前記イオンビームを中和するマイクロ波中和器で構成されてなる。
【００１６】
また、本発明は、加工対象に対してイオンビームによる加工処理を施すとともに前記イオンビームを中和するに際して、以下の処理方法を採用することができる。
【００１７】
（１）前記加工対象に対する加工処理前後は前記加工対象をシャッタ板で遮蔽して前記イオンビームが前記加工対象に照射されるのを阻止し、前記加工対象に対する加工処理を開始する過程または加工処理を終了する過程では前記シャッタ板を前記イオンビームの照射領域内から照射領域外に退避させながらあるいは前記シャッタ板を前記イオンビームの照射領域外から照射領域内に移動させながら前記加工対象に対する前記イオンビームの照射量を制限し、前記シャッタ板を前記イオンビームの照射領域外に退避させた後の加工処理時には前記イオンビームに対する制限を解除し、制限の解除されたイオンビームを前記加工対象に照射する。
【００１８】
（２）前記加工対象に対する加工処理前後は前記加工対象をシャッタ板で遮蔽して前記イオンビームが前記加工対象に照射されるのを阻止し、前記シャッタ板を前記イオンビームの照射領域内と照射領域外に亘って移動させる過程では前記加工対象に対する前記イオンビームの照射量を制限し、前記シャッタ板を前記イオンビームの照射領域外に退避させた後の加工処理時には前記イオンビームに対する制限を解除し、制限の解除されたイオンビームを前記加工対象に照射する。
【００１９】
（３）前記加工対象に対する加工処理前後は前記加工対象をシャッタ板で遮蔽して前記イオンビームが前記加工対象に照射されるのを阻止し、前記シャッタ板を前記イオンビームの照射領域内と照射領域外に亘って移動させる過程では前記イオンビームを中和する中和能力を高くし、前記シャッタ板を前記イオンビームの照射領域外に退避させた後の加工処理時には前記中和能力を加工処理時の中和能力に戻した状態で前記イオンビームを前記加工対象に照射する。
【００２０】
前記した手段によれば、シャッタ板の開閉時に、イオンビームの量を制御したり、イオンビーム電流量を制御したりあるいはイオン源電源の電圧を制御したり、また中和量を制御したりするようにしているため、シャッタ板の開閉時にプラスの電荷を有するイオンビームとマイナスの電荷を有する中和電子の量的バランスが崩れても、シャッタ板開閉時に加工対象表面での急激な電位の変化（チャージアップ）を抑制することができ、加工対象（素子）の静電破壊を抑制し、微細化、薄膜化した素子の加工が可能になる。
【００２１】
また、加工対象に対する加工処理を開始する過程または加工処理を終了する過程ではシャッタ板をイオンビームの照射領域内から照射領域外に対比させながらあるいはシャッタ板をイオンビームの照射領域外から照射領域内に移動させながら加工対象に対するイオンビームの照射量を制限したり、シャッタ板をイオンビームの照射領域内と照射領域外に渡って移動させる過程で加工対象に対するイオンビームの照射量を制限したり、あるいはイオンビームを中和する中和能力を高くしたりしているため、シャッタ板の開閉に伴って、プラスの電荷を有するイオンビームとマイナスの電荷を有する中和電子の量的バランスが崩れた場合でも、シャッタ板開閉時における加工対象表面での急激な電位変化（チャージアップ）を抑制することができ、加工対象（素子）の静電破壊を抑制し、微細化、薄膜化した素子の加工が可能になる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態を示すイオンビーム加工装置の全体構成図である。図１において、イオンビーム加工装置はイオン源１０、イオン源電源１２、マイクロ波中和器１４、処理室１６などを備えて構成されている。
【００２３】
イオン源１０は、ほぼ円筒状に形成されたイオン源チャンバ１８を備えており、イオン源チャンバ１８の一端は閉塞され、他端は開口され、閉塞面にガス導入口２０が形成され、開口端側には加速電極２２、減速電極２４、第３電極２６が配置されている。さらにイオン源チャンバ１８内にはフィラメント２８が収容されており、フィラメント２８の両端はイオン源チャンバ１８外部に引き出されて電源３０に接続されている。イオン源チャンバ１８は電源３２を介して電圧可変の電源３４に接続されている。イオン源チャンバ１８内には、ガス導入口２０からＡｒなどのガスが導入されるようになっており、導入されたＡｒガスはフィラメント２８から発生する熱電子によってプラズマ化される。
【００２４】
すなわち、イオン源１０はガス導入口２０からＡｒガスを導入してプラズマを生成するように構成されており、生成されたプラズマはイオン源電源１２によってイオンビーム（プラスの電荷を有するＡｒによるビーム）ＩＢとしてイオンビーム伝送管３６内に引き出され、処理室１６内の基板３８に向けて照射されるようになっている。
【００２５】
イオン源電源１２を構成する加速電極２２、減速電極２４、第３電極２６のうち加速電極２２は抵抗４０を介して電源３４のプラス端子に接続され、減速電極２４は電源４２のマイナス端子に接続され、第３電極２６はイオンビーム伝送管３６とともに電源４４のマイナス端子に接続されている。電源４４は中和器電源として構成され、第３電極２６とイオンビーム伝送管３６にマイナスの電圧を印加するように構成されている。そして各電源３０、３４、４２、４４はそれぞれ電源コントローラ４６に接続され、電源コントローラ４６からの指令によって出力電圧が調整されるようになっている。
【００２６】
イオンビーム伝送管３６は、イオン源１０と処理室１６とを結ぶイオンビーム伝送路としてほぼ筒状に形成されており、イオンビーム伝送管３６の一端は絶縁部材４８を介してイオン源チャンバ１８に連結され、イオンビーム伝送管３６の他端は処理室４６の一端に接続されている。またイオンビーム伝送管３６の内周側にはマイクロ波導入口５０が形成されており、外周面にはマイクロ波中和器１４が連結されている。
【００２７】
マイクロ波中和器１４は、導波管５２、石英窓５４、マイクロ波発振器５６、リング５８、永久磁石６０を備えて構成されており、リング５８がイオンビーム伝送管３６の外周面に固定されている。リング５８はイオンビーム伝送管３６の外周面に沿って配置されており、このリング５８には２組の永久磁石６０が複数個リング状に配置されている。そして各永久磁石６０によってリング５８の内周側にはＥＣＲ磁場が形成されている。またマイクロ波導入口５０には導波管５２が接続されており、導波管５２の管路途中には石英窓５４が挿入され、導波管５２の端部にはマイクロ波発振器５６が接続されている。マイクロ波発振器５６は、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発振し、このマイクロ波を石英窓５４を通じて導波管５２内を伝播させ、マイクロ波導入口５０からイオンビーム伝送管３６内にマイクロ波を照射するようになっている。ＥＣＲ磁場が形成されている中にマイクロ波が照射されると、ＥＣＲ磁場とマイクロ波によりプラズマが生成される。そしてイオンビーム伝送管３６にマイナスの電位が印加されることにより、プラズマ中のプラスイオンがイオンビーム伝送管３６側に引き込まれてプラズマが電子過剰となり、このプラズマから供給された電子ｅ−がイオンビームＩＢを中和することになる。すなわち、電子ｅ−はイオンビーム伝送管３６内を伝送する過程でイオンビームＩＢを中和するとともに、基板３８の表面に帯電されたプラス電荷を中和するようになっている。
【００２８】
一方、処理室１６内には、基板３８とシャッタ板６２が収納されており、処理室１６は真空排気装置（図示省略）に接続されて真空の雰囲気に保たれている。基板３６は、例えば、円盤状のシリコン基板で構成されており、円盤状の基板保持装置６４に回転自在に保持されている。この基板３８はイオンビームＩＢの伝送方向に対して所定角度傾斜した状態で基板保持装置６４に保持されている。
【００２９】
シャッタ板６２は、ミリング処理前後のイオン源立ち上げ時や中和器電源立ち上げ時において、イオン源１０から照射されるイオンビームＩＢおよびマイクロ波中和器１４からの中和電子ｅ−が基板３８に照射されるのを防止するために、マイクロ波中和器１４と基板保持装置６４との間の領域に開閉自在に配置されている。シャッタ板６２は円盤状に形成され、閉時に（イオンビーム伝送管３６の端部側を閉じるとき）、イオンビームＩＢおよび中和電子ｅ−を遮蔽し、これらが基板３８に照射されるのを防止する遮蔽板として構成されている。この遮蔽板６２の端部はアーム６６を介して駆動コントローラ６８に接続されており、シャッタ駆動コントローラ６８の駆動にしたがって、基板３８に対するイオンビーム加工処理以外のときには、イオンビーム照射領域内から照射領域外に退避されるようになっている。
【００３０】
すなわち、基板３８に対する加工処理を開始する過程ではシャッタ板６２をイオンビームの照射領域内から照射領域外に退避させたり、基板３８に対する加工処理を終了する過程ではシャッタ板６２をイオンビームの照射領域外から照射領域内に移動させたりする制御がシャッタ駆動コントローラ６８によって行われるようになっている。
【００３１】
シャッタ駆動コントローラ６８は、図２に示すように、アーム６６の端部を揺動自在に保持する軸７０を連結部材７２を介して駆動するモータ７４、遮蔽板７６、光センサ７８などを備えて構成されており、コントローラ本体が処理室１６の壁面に固定され、シャッタ駆動コントローラ６８は装置コントローラ８０に接続されている。光センサ７８は受光素子と発光素子を備え、受光素子と発光素子との間には遮蔽板７６が回転自在に配置されている。遮蔽板７６は軸７０とともに回動し、シャッタ板６２が閉時の位置にあるときに受光素子と発光素子とを結ぶ光伝送路を遮蔽し、シャッタ板６２が閉時の位置から開時の位置に移動したときには受光素子と発光素子とを結ぶ光伝送路から外れるように構成されている。
【００３２】
また光センサ７８の出力信号は遮蔽板７６および軸７０の位置情報とともに装置コントローラ８０に転送されるようになっている。装置コントローラ８０は、例えば、ＣＰＵを有するマイクロコンピュータなどで構成されており、基板３８に対する加工指令を基にシャッタ駆動コントローラ６８に駆動指令を与えてシャッタ板６２を開閉動作するようになっている。さらに装置コントローラ８０はシャッタ板６２の開閉動作のタイミングに合わせて電源電圧を制御するための指令を電源コントローラ４６に出力するようになっている。
【００３３】
次に、本実施形態におけるイオンビーム加工装置の作用を図３にしたがって説明する。まず、ミリング開始前は、装置コントローラ８０からの指令によりシャッタ板６２は閉時における位置にあり、イオンビームＩＢおよび中和電子ｅ−はシャッタ板６２によって遮蔽され、イオンビームＩＢおよび中和電子ｅ−が基板３８に照射されるのが阻止されている。
【００３４】
次に、基板３８に対するミリング処理の開始が指令されると、この指令と同時に、シャッタ板６２は開けられ、シャッタ板６２はイオンビーム照射領域内から照射領域外に退避させられる。そしてシャッタ板６２がイオンビームの照射領域外に退避させられた後のミリング処理時（加工処理時）にはイオン源１０からのイオンビームＩＢが基板３８に向けて照射されるとともに中和電子ｅ−が照射され、イオンビームＩＢによって基板３８にミリング加工処理が施されるとともに、基板３８の表面に帯電したプラス電荷が中和電子ｅ−によって中和される。これにより基板３８の表面には微細化、薄膜化した素子の加工が施される。
【００３５】
そして基板３８に対するミリング処理が終了すると、シャッタ板６２は再び閉じられ、シャッタ板６２はイオンビーム照射領域外からイオンビーム照射領域内に移動する。
【００３６】
ところで、シャッタ板６２が開閉動作するときには、イオンビームＩＢと中和電子ｅ−の量的バランスが崩れ、シャッタ板６２の開閉動作に合わせて中和電子ｅ−がシャッタ板６２に流れ込み、イオンビームＩＢの照射量を一定のままにしておくと、基板３８表面の電位が中和不足になる。例えば、図３（ａ）に示すように、シャッタ板６２が閉から開になるときには、シャッタ板６２がイオンビームＩＢの伝送路の途中にあってマイクロ波中和器１４から供給される中和電子ｅ−の一部がシャッタ板６２に流れ込んでしまい、基板３８の表面上では中和電子ｅ−が不足し、パルス状にプラスに帯電する。この状態が継続されると、帯電により基板３８の表面で静電破壊が発生する。
【００３７】
そこで、本実施形態においては、シャッタ板６２を開閉動作させる過程では、イオンビームＩＢの照射量を制限するために、例えば、電源３４の電源電圧を６００Ｖから２００Ｖへと階段状に変化させて、イオンビームＩＢの量を減量するための制御を行うこととしている。電源３４の電源電圧が低下するとイオンビーム電流量が減少する制御が行われるとともに電圧を低下させる制御が行われたことになってイオンビーム電流量が低下し、イオンビームＩＢの照射量が低減される。これにより、図３（ｂ）に示すように、基板３８表面の電位が中和不足になるのを抑制することができ、すなわち、基板３８の表面のチャージアップを抑制することができ、基板３８が微細化、薄膜化した素子で構成された場合でも、基板３８に対するミリング処理を高精度に行うことができる。なお、この場合、電源３４、電源コントローラ４６はイオンビーム制御手段、電流量制御手段または電圧制御手段に構成することになる。
【００３８】
また、電源３４の電源電圧の代わりに、電源３０、４２の電源電圧を変化させてイオンビームＩＢの照射量を低下させることもできる。またシャッタ板６２の開閉動作を行うときにイオンビームＩＢの照射量を一定にした状態で、中和能力を高める制御を行うこともできる。さらに、イオンビームＩＢの照射量を制限する制御と中和電子ｅ−に対する中和能力を高める制御をともに実行することも可能である。
【００３９】
また、本実施形態では、中和器としてマイクロ波中和器１４を用いたものについて述べたが、中和器として、電源に接続されたフィラメントから熱電子を放出してイオンビームを中和するフィラメント型中和器を用いることもできる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、シャッタ板の開閉時にプラスの電荷を有するイオンビームとマイナスの電荷を有する中和電子の量的バランスが崩れても、シャッタ板開閉時に加工対象表面での急激な電位の変化を抑制することができ、加工対象の静電破壊を抑制し、微細化、薄膜化した素子の加工が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示すイオンビーム加工装置の全体構成図である。
【図２】シャッタ板とシャッタ駆動コントローラの構成説明図である。
【図３】図１に示す装置の作用を説明するためのタイムチャートである。
【符号の説明】
１０ イオン源
１２ イオン源電源
１４ マイクロ波中和器
１６ 処理室
１８ イオン源チャンバ
２０ ガス導入口
２２ 加速電極
２４ 減速電極
２６ 第３電極
２８ フィラメント
３０、３２、３４、４２、４４ 電源
３６ イオンビーム伝送管
３８ 基板
４６ 電源コントローラ
５０ マイクロ波導入口
５２ 導波管
５４ 石英窓
５６ マイクロ波発振器
５８ リング
６０ 永久磁石
６２ シャッタ板
６４ 基板保持装置
６８ シャッタ駆動コントローラ
【発明の属する技術分野】
本発明は、イオンビーム加工装置およびその方法に係り、特に、シリコン基板などに対してイオンビームミリング、イオンビームスパッタなどの加工を施すに好適なイオンビーム加工装置およびその方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
イオンビーム加工装置としては、Ａｒガスなどを導入してプラズマを生成するイオン源と、真空の雰囲気中で基板を保持するとともに基板に対してイオンビームによる処理を施す処理室と、イオン源と処理室とを結ぶイオンビーム伝送路にイオン源で生成されたイオンビームとして引き出して処理室内の基板に向けてイオンビームを照射するイオン源電源と、処理室内を真空排気する真空排気装置を備えたものが知られている。
【０００３】
従来、この種のイオンビーム加工装置においては、基板を保持する基板ホルダとイオン源電源との間に、シャッタ板を開閉自在に配置し、イオン源電源によって引き出されたイオンビームがミリング処理の前後で直接基板に照射されるのを防止するようにした構成が採用されている。
【０００４】
また、引き出されたイオンビームで基板に対してミリング処理を行うと、イオンビームのプラス電荷により基板面が大きくプラスに帯電する。このため、基板面がプラスに帯電されたままになると、基板面でのチャージアップによる素子の静電破壊（ＥＣＤ；Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｓｔａｔｉｃ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｄａｍａｇｅ）が生じる。この帯電による素子の静電破壊を防止するために、イオン源とシャッタ板との間には、中和器と呼ばれる電子供給装置が設けられている。
【０００５】
この中和器としては、フィラメントに電圧を印加して、フィラメントを赤熱させることによって熱電子を放出させるフィラメント型中和器や、マイクロ波をイオン源電源とシャッタ板との間に導入してプラズマを生成し、生成されたプラズマから電子を供給するマイクロ中波器が知られている。
【０００６】
ところで、近年、コンピュータに用いられるハードディスクの大容量化が進み、これに伴い読み取りおよび書き込みを行う磁気ヘッドの微細化、薄膜化が急速に伸長してきている。磁気ヘッドに用いられる素子は、ＭＲ（Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）ヘッドからＧＭＲ（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）ヘッドに移行しているが、この先は、更なる大容量化に伴い、より高感度のＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）ヘッドに移行することが予想される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来のイオンビーム加工装置では、プラスの電荷を有するイオンビームとマイナスの電荷を有する中和電子との量的バランスについてはあまり重視されていなかった。このため、素子の微細化、薄膜化に伴い、基板面でのチャージアップによる素子の静電破壊が大きな課題となってきている。特に、シャッタ板の開閉時には、シャッタ板の開閉動作に伴って中和電子がシャッタ板に引き込まれ、基板面電位は中和不足となってプラスに帯電し、素子破壊が生じやすくなり、微細化、薄膜化した素子の加工を難しくしている。
【０００８】
そこで、本願出願人は、シャッタ板開閉時の中和不足を解決するために、シャッタ板開閉時にシャッタ板に電圧を印加する方法を提案している（特願平２０００−２６０１６０号）。この場合、シャッタ板開閉時の中和不足を解決するために、シャッタ板に電圧を印加するための電源が必要となる。
【０００９】
本発明の課題は、シャッタ板の開閉時に加工対象表面での急激な電位の変化を抑えることができるイオンビーム加工装置およびその方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明は、ガスを導入してプラズマを生成するイオン源と、真空の雰囲気中で加工対象に対してイオンビームによる処理を施す処理室と、前記イオン源と前記処理室とを結ぶイオンビーム伝送路に前記イオン源で生成されたプラズマをイオンビームとして引き出して前記処理室内の加工対象に向けてイオンビームを照射するイオン源電源と、前記イオンビームを中和する中和器と、前記加工対象よりも前記イオン源側の位置に開閉自在に配置されて閉時に前記加工対象を前記イオンビームから遮蔽するシャッタ板と、前記シャッタ板の開閉時に前記イオン源電源から引き出されるイオンビームの量を制御するイオンビーム制御手段とを備えてなるイオンビーム加工装置を構成したものである。
【００１１】
前記イオンビーム加工装置を構成するに際しては、イオンビーム制御手段の代わりに、シャッタ板の開閉時にイオンビーム電流量を制御する電流量制御手段あるいはシャッタ板の開閉時にイオン源電源の電圧を制御する電圧制御手段を設けることができる。この場合、イオンビーム制御手段はシャッタ板の開閉時にイオンビームの量を減量制御することが望ましく、電流量制御手段はシャッタ板の開閉時にイオンビーム電流量を減量制御するのが望ましく、また電圧制御手段は、シャッタ板の開閉時に電圧を低く制御することが望ましい。
【００１２】
また、イオンビーム制御手段、電流量制御手段あるいは電圧制御手段を用いる代わりに、シャッタ板の開閉時に、中和器の中和量を制御すること、例えば、中和能力を高める制御を行うことも可能である。さらに、シャッタ板の開閉時に中和能力を高めるとともに、イオンビームの量を減らす制御を行ったり、あるいはイオン源電源の電圧を低下させる制御を行ったりすることも可能である。
【００１３】
前記各イオンビーム加工装置を構成するに際しては、以下の要素を付加することができる。
【００１４】
（１）前記中和器は、電源に接続されたフィラメントから熱電子を放出して前記イオンビームを中和するフィラメント型中和器で構成されてなる。
【００１５】
（２）前記中和器は、磁場中にマイクロ波を照射してプラズマを生成し、生成されたプラズマ中の電子により前記イオンビームを中和するマイクロ波中和器で構成されてなる。
【００１６】
また、本発明は、加工対象に対してイオンビームによる加工処理を施すとともに前記イオンビームを中和するに際して、以下の処理方法を採用することができる。
【００１７】
（１）前記加工対象に対する加工処理前後は前記加工対象をシャッタ板で遮蔽して前記イオンビームが前記加工対象に照射されるのを阻止し、前記加工対象に対する加工処理を開始する過程または加工処理を終了する過程では前記シャッタ板を前記イオンビームの照射領域内から照射領域外に退避させながらあるいは前記シャッタ板を前記イオンビームの照射領域外から照射領域内に移動させながら前記加工対象に対する前記イオンビームの照射量を制限し、前記シャッタ板を前記イオンビームの照射領域外に退避させた後の加工処理時には前記イオンビームに対する制限を解除し、制限の解除されたイオンビームを前記加工対象に照射する。
【００１８】
（２）前記加工対象に対する加工処理前後は前記加工対象をシャッタ板で遮蔽して前記イオンビームが前記加工対象に照射されるのを阻止し、前記シャッタ板を前記イオンビームの照射領域内と照射領域外に亘って移動させる過程では前記加工対象に対する前記イオンビームの照射量を制限し、前記シャッタ板を前記イオンビームの照射領域外に退避させた後の加工処理時には前記イオンビームに対する制限を解除し、制限の解除されたイオンビームを前記加工対象に照射する。
【００１９】
（３）前記加工対象に対する加工処理前後は前記加工対象をシャッタ板で遮蔽して前記イオンビームが前記加工対象に照射されるのを阻止し、前記シャッタ板を前記イオンビームの照射領域内と照射領域外に亘って移動させる過程では前記イオンビームを中和する中和能力を高くし、前記シャッタ板を前記イオンビームの照射領域外に退避させた後の加工処理時には前記中和能力を加工処理時の中和能力に戻した状態で前記イオンビームを前記加工対象に照射する。
【００２０】
前記した手段によれば、シャッタ板の開閉時に、イオンビームの量を制御したり、イオンビーム電流量を制御したりあるいはイオン源電源の電圧を制御したり、また中和量を制御したりするようにしているため、シャッタ板の開閉時にプラスの電荷を有するイオンビームとマイナスの電荷を有する中和電子の量的バランスが崩れても、シャッタ板開閉時に加工対象表面での急激な電位の変化（チャージアップ）を抑制することができ、加工対象（素子）の静電破壊を抑制し、微細化、薄膜化した素子の加工が可能になる。
【００２１】
また、加工対象に対する加工処理を開始する過程または加工処理を終了する過程ではシャッタ板をイオンビームの照射領域内から照射領域外に対比させながらあるいはシャッタ板をイオンビームの照射領域外から照射領域内に移動させながら加工対象に対するイオンビームの照射量を制限したり、シャッタ板をイオンビームの照射領域内と照射領域外に渡って移動させる過程で加工対象に対するイオンビームの照射量を制限したり、あるいはイオンビームを中和する中和能力を高くしたりしているため、シャッタ板の開閉に伴って、プラスの電荷を有するイオンビームとマイナスの電荷を有する中和電子の量的バランスが崩れた場合でも、シャッタ板開閉時における加工対象表面での急激な電位変化（チャージアップ）を抑制することができ、加工対象（素子）の静電破壊を抑制し、微細化、薄膜化した素子の加工が可能になる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態を示すイオンビーム加工装置の全体構成図である。図１において、イオンビーム加工装置はイオン源１０、イオン源電源１２、マイクロ波中和器１４、処理室１６などを備えて構成されている。
【００２３】
イオン源１０は、ほぼ円筒状に形成されたイオン源チャンバ１８を備えており、イオン源チャンバ１８の一端は閉塞され、他端は開口され、閉塞面にガス導入口２０が形成され、開口端側には加速電極２２、減速電極２４、第３電極２６が配置されている。さらにイオン源チャンバ１８内にはフィラメント２８が収容されており、フィラメント２８の両端はイオン源チャンバ１８外部に引き出されて電源３０に接続されている。イオン源チャンバ１８は電源３２を介して電圧可変の電源３４に接続されている。イオン源チャンバ１８内には、ガス導入口２０からＡｒなどのガスが導入されるようになっており、導入されたＡｒガスはフィラメント２８から発生する熱電子によってプラズマ化される。
【００２４】
すなわち、イオン源１０はガス導入口２０からＡｒガスを導入してプラズマを生成するように構成されており、生成されたプラズマはイオン源電源１２によってイオンビーム（プラスの電荷を有するＡｒによるビーム）ＩＢとしてイオンビーム伝送管３６内に引き出され、処理室１６内の基板３８に向けて照射されるようになっている。
【００２５】
イオン源電源１２を構成する加速電極２２、減速電極２４、第３電極２６のうち加速電極２２は抵抗４０を介して電源３４のプラス端子に接続され、減速電極２４は電源４２のマイナス端子に接続され、第３電極２６はイオンビーム伝送管３６とともに電源４４のマイナス端子に接続されている。電源４４は中和器電源として構成され、第３電極２６とイオンビーム伝送管３６にマイナスの電圧を印加するように構成されている。そして各電源３０、３４、４２、４４はそれぞれ電源コントローラ４６に接続され、電源コントローラ４６からの指令によって出力電圧が調整されるようになっている。
【００２６】
イオンビーム伝送管３６は、イオン源１０と処理室１６とを結ぶイオンビーム伝送路としてほぼ筒状に形成されており、イオンビーム伝送管３６の一端は絶縁部材４８を介してイオン源チャンバ１８に連結され、イオンビーム伝送管３６の他端は処理室４６の一端に接続されている。またイオンビーム伝送管３６の内周側にはマイクロ波導入口５０が形成されており、外周面にはマイクロ波中和器１４が連結されている。
【００２７】
マイクロ波中和器１４は、導波管５２、石英窓５４、マイクロ波発振器５６、リング５８、永久磁石６０を備えて構成されており、リング５８がイオンビーム伝送管３６の外周面に固定されている。リング５８はイオンビーム伝送管３６の外周面に沿って配置されており、このリング５８には２組の永久磁石６０が複数個リング状に配置されている。そして各永久磁石６０によってリング５８の内周側にはＥＣＲ磁場が形成されている。またマイクロ波導入口５０には導波管５２が接続されており、導波管５２の管路途中には石英窓５４が挿入され、導波管５２の端部にはマイクロ波発振器５６が接続されている。マイクロ波発振器５６は、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発振し、このマイクロ波を石英窓５４を通じて導波管５２内を伝播させ、マイクロ波導入口５０からイオンビーム伝送管３６内にマイクロ波を照射するようになっている。ＥＣＲ磁場が形成されている中にマイクロ波が照射されると、ＥＣＲ磁場とマイクロ波によりプラズマが生成される。そしてイオンビーム伝送管３６にマイナスの電位が印加されることにより、プラズマ中のプラスイオンがイオンビーム伝送管３６側に引き込まれてプラズマが電子過剰となり、このプラズマから供給された電子ｅ−がイオンビームＩＢを中和することになる。すなわち、電子ｅ−はイオンビーム伝送管３６内を伝送する過程でイオンビームＩＢを中和するとともに、基板３８の表面に帯電されたプラス電荷を中和するようになっている。
【００２８】
一方、処理室１６内には、基板３８とシャッタ板６２が収納されており、処理室１６は真空排気装置（図示省略）に接続されて真空の雰囲気に保たれている。基板３６は、例えば、円盤状のシリコン基板で構成されており、円盤状の基板保持装置６４に回転自在に保持されている。この基板３８はイオンビームＩＢの伝送方向に対して所定角度傾斜した状態で基板保持装置６４に保持されている。
【００２９】
シャッタ板６２は、ミリング処理前後のイオン源立ち上げ時や中和器電源立ち上げ時において、イオン源１０から照射されるイオンビームＩＢおよびマイクロ波中和器１４からの中和電子ｅ−が基板３８に照射されるのを防止するために、マイクロ波中和器１４と基板保持装置６４との間の領域に開閉自在に配置されている。シャッタ板６２は円盤状に形成され、閉時に（イオンビーム伝送管３６の端部側を閉じるとき）、イオンビームＩＢおよび中和電子ｅ−を遮蔽し、これらが基板３８に照射されるのを防止する遮蔽板として構成されている。この遮蔽板６２の端部はアーム６６を介して駆動コントローラ６８に接続されており、シャッタ駆動コントローラ６８の駆動にしたがって、基板３８に対するイオンビーム加工処理以外のときには、イオンビーム照射領域内から照射領域外に退避されるようになっている。
【００３０】
すなわち、基板３８に対する加工処理を開始する過程ではシャッタ板６２をイオンビームの照射領域内から照射領域外に退避させたり、基板３８に対する加工処理を終了する過程ではシャッタ板６２をイオンビームの照射領域外から照射領域内に移動させたりする制御がシャッタ駆動コントローラ６８によって行われるようになっている。
【００３１】
シャッタ駆動コントローラ６８は、図２に示すように、アーム６６の端部を揺動自在に保持する軸７０を連結部材７２を介して駆動するモータ７４、遮蔽板７６、光センサ７８などを備えて構成されており、コントローラ本体が処理室１６の壁面に固定され、シャッタ駆動コントローラ６８は装置コントローラ８０に接続されている。光センサ７８は受光素子と発光素子を備え、受光素子と発光素子との間には遮蔽板７６が回転自在に配置されている。遮蔽板７６は軸７０とともに回動し、シャッタ板６２が閉時の位置にあるときに受光素子と発光素子とを結ぶ光伝送路を遮蔽し、シャッタ板６２が閉時の位置から開時の位置に移動したときには受光素子と発光素子とを結ぶ光伝送路から外れるように構成されている。
【００３２】
また光センサ７８の出力信号は遮蔽板７６および軸７０の位置情報とともに装置コントローラ８０に転送されるようになっている。装置コントローラ８０は、例えば、ＣＰＵを有するマイクロコンピュータなどで構成されており、基板３８に対する加工指令を基にシャッタ駆動コントローラ６８に駆動指令を与えてシャッタ板６２を開閉動作するようになっている。さらに装置コントローラ８０はシャッタ板６２の開閉動作のタイミングに合わせて電源電圧を制御するための指令を電源コントローラ４６に出力するようになっている。
【００３３】
次に、本実施形態におけるイオンビーム加工装置の作用を図３にしたがって説明する。まず、ミリング開始前は、装置コントローラ８０からの指令によりシャッタ板６２は閉時における位置にあり、イオンビームＩＢおよび中和電子ｅ−はシャッタ板６２によって遮蔽され、イオンビームＩＢおよび中和電子ｅ−が基板３８に照射されるのが阻止されている。
【００３４】
次に、基板３８に対するミリング処理の開始が指令されると、この指令と同時に、シャッタ板６２は開けられ、シャッタ板６２はイオンビーム照射領域内から照射領域外に退避させられる。そしてシャッタ板６２がイオンビームの照射領域外に退避させられた後のミリング処理時（加工処理時）にはイオン源１０からのイオンビームＩＢが基板３８に向けて照射されるとともに中和電子ｅ−が照射され、イオンビームＩＢによって基板３８にミリング加工処理が施されるとともに、基板３８の表面に帯電したプラス電荷が中和電子ｅ−によって中和される。これにより基板３８の表面には微細化、薄膜化した素子の加工が施される。
【００３５】
そして基板３８に対するミリング処理が終了すると、シャッタ板６２は再び閉じられ、シャッタ板６２はイオンビーム照射領域外からイオンビーム照射領域内に移動する。
【００３６】
ところで、シャッタ板６２が開閉動作するときには、イオンビームＩＢと中和電子ｅ−の量的バランスが崩れ、シャッタ板６２の開閉動作に合わせて中和電子ｅ−がシャッタ板６２に流れ込み、イオンビームＩＢの照射量を一定のままにしておくと、基板３８表面の電位が中和不足になる。例えば、図３（ａ）に示すように、シャッタ板６２が閉から開になるときには、シャッタ板６２がイオンビームＩＢの伝送路の途中にあってマイクロ波中和器１４から供給される中和電子ｅ−の一部がシャッタ板６２に流れ込んでしまい、基板３８の表面上では中和電子ｅ−が不足し、パルス状にプラスに帯電する。この状態が継続されると、帯電により基板３８の表面で静電破壊が発生する。
【００３７】
そこで、本実施形態においては、シャッタ板６２を開閉動作させる過程では、イオンビームＩＢの照射量を制限するために、例えば、電源３４の電源電圧を６００Ｖから２００Ｖへと階段状に変化させて、イオンビームＩＢの量を減量するための制御を行うこととしている。電源３４の電源電圧が低下するとイオンビーム電流量が減少する制御が行われるとともに電圧を低下させる制御が行われたことになってイオンビーム電流量が低下し、イオンビームＩＢの照射量が低減される。これにより、図３（ｂ）に示すように、基板３８表面の電位が中和不足になるのを抑制することができ、すなわち、基板３８の表面のチャージアップを抑制することができ、基板３８が微細化、薄膜化した素子で構成された場合でも、基板３８に対するミリング処理を高精度に行うことができる。なお、この場合、電源３４、電源コントローラ４６はイオンビーム制御手段、電流量制御手段または電圧制御手段に構成することになる。
【００３８】
また、電源３４の電源電圧の代わりに、電源３０、４２の電源電圧を変化させてイオンビームＩＢの照射量を低下させることもできる。またシャッタ板６２の開閉動作を行うときにイオンビームＩＢの照射量を一定にした状態で、中和能力を高める制御を行うこともできる。さらに、イオンビームＩＢの照射量を制限する制御と中和電子ｅ−に対する中和能力を高める制御をともに実行することも可能である。
【００３９】
また、本実施形態では、中和器としてマイクロ波中和器１４を用いたものについて述べたが、中和器として、電源に接続されたフィラメントから熱電子を放出してイオンビームを中和するフィラメント型中和器を用いることもできる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、シャッタ板の開閉時にプラスの電荷を有するイオンビームとマイナスの電荷を有する中和電子の量的バランスが崩れても、シャッタ板開閉時に加工対象表面での急激な電位の変化を抑制することができ、加工対象の静電破壊を抑制し、微細化、薄膜化した素子の加工が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示すイオンビーム加工装置の全体構成図である。
【図２】シャッタ板とシャッタ駆動コントローラの構成説明図である。
【図３】図１に示す装置の作用を説明するためのタイムチャートである。
【符号の説明】
１０ イオン源
１２ イオン源電源
１４ マイクロ波中和器
１６ 処理室
１８ イオン源チャンバ
２０ ガス導入口
２２ 加速電極
２４ 減速電極
２６ 第３電極
２８ フィラメント
３０、３２、３４、４２、４４ 電源
３６ イオンビーム伝送管
３８ 基板
４６ 電源コントローラ
５０ マイクロ波導入口
５２ 導波管
５４ 石英窓
５６ マイクロ波発振器
５８ リング
６０ 永久磁石
６２ シャッタ板
６４ 基板保持装置
６８ シャッタ駆動コントローラ
Claims (9)
- ガスを導入してプラズマを生成するイオン源と、真空の雰囲気中で加工対象に対してイオンビームによる処理を施す処理室と、前記イオン源と前記処理室とを結ぶイオンビーム伝送路に前記イオン源で生成されたプラズマをイオンビームとして引き出して前記処理室内の加工対象に向けてイオンビームを照射するイオン源電源と、前記イオンビームを中和する中和器と、前記加工対象よりも前記イオン源側の位置に開閉自在に配置されて閉時に前記加工対象を前記イオンビームから遮蔽するシャッタ板と、前記シャッタ板の開閉時に前記イオン源電源から引き出されるイオンビームの量を制御するイオンビーム制御手段とを備えてなるイオンビーム加工装置。
- ガスを導入してプラズマを生成するイオン源と、真空の雰囲気中で加工対象に対してイオンビームによる処理を施す処理室と、前記イオン源と前記処理室とを結ぶイオンビーム伝送路に前記イオン源で生成されたプラズマをイオンビームとして引き出して前記処理室内の加工対象に向けてイオンビームを照射するイオン源電源と、前記イオンビームを中和する中和器と、前記加工対象よりも前記イオン源側の位置に開閉自在に配置されて閉時に前記加工対象を前記イオンビームから遮蔽するシャッタ板と、前記シャッタ板の開閉時にイオンビーム電流量を制御する電流量制御手段とを備えてなるイオンビーム加工装置。
- ガスを導入してプラズマを生成するイオン源と、真空の雰囲気中で加工対象に対してイオンビームによる処理を施す処理室と、前記イオン源と前記処理室とを結ぶイオンビーム伝送路に前記イオン源で生成されたプラズマをイオンビームとして引き出して前記処理室内の加工対象に向けてイオンビームを照射するイオン源電源と、前記イオンビームを中和する中和器と、前記加工対象よりも前記イオン源側の位置に開閉自在に配置されて閉時に前記加工対象を前記イオンビームから遮蔽するシャッタ板と、前記シャッタ板の開閉時に前記イオン源電源の電圧を制御する電圧制御手段とを備えてなるイオンビーム加工装置。
- ガスを導入してプラズマを生成するイオン源と、真空の雰囲気中で加工対象に対してイオンビームによる処理を施す処理室と、前記イオン源と前記処理室とを結ぶイオンビーム伝送路に前記イオン源で生成されたプラズマをイオンビームとして引き出して前記処理室内の加工対象に向けてイオンビームを照射するイオン源電源と、前記イオンビームを中和する中和器と、前記加工対象よりも前記イオン源側の位置に開閉自在に配置されて閉時に前記加工対象を前記イオンビームから遮蔽するシャッタ板とを備え、前記中和器は、前記シャッタ板の開閉時に中和量を制御してなるイオンビーム加工装置。
- 請求項１、２、３または４のうちいずれか１項に記載のイオンビーム加工装置において、前記中和器は、電源に接続されたフィラメントから熱電子を放出して前記イオンビームを中和するフィラメント型中和器で構成されてなることを特徴とするイオンビーム加工装置。
- 請求項１、２、３または４のうちいずれか１項に記載のイオンビーム加工装置において、前記中和器は、磁場中にマイクロ波を照射してプラズマを生成し、生成されたプラズマ中の電子により前記イオンビームを中和するマイクロ波中和器で構成されてなることを特徴とするイオンビーム加工装置。
- 加工対象に対してイオンビームによる加工処理を施すとともに前記イオンビームを中和するに際して、前記加工対象に対する加工処理前後は前記加工対象をシャッタ板で遮蔽して前記イオンビームが前記加工対象に照射されるのを阻止し、前記加工対象に対する加工処理を開始する過程または加工処理を終了する過程では前記シャッタ板を前記イオンビームの照射領域内から照射領域外に退避させながらあるいは前記シャッタ板を前記イオンビームの照射領域外から照射領域内に移動させながら前記加工対象に対する前記イオンビームの照射量を制限し、前記シャッタ板を前記イオンビームの照射領域外に退避させた後の加工処理時には前記イオンビームに対する制限を解除し、制限の解除されたイオンビームを前記加工対象に照射することを特徴とするイオンビーム加工処理方法。
- 加工対象に対してイオンビームによる加工処理を施すとともに前記イオンビームを中和するに際して、前記加工対象に対する加工処理前後は前記加工対象をシャッタ板で遮蔽して前記イオンビームが前記加工対象に照射されるのを阻止し、前記シャッタ板を前記イオンビームの照射領域内と照射領域外に亘って移動させる過程では前記加工対象に対する前記イオンビームの照射量を制限し、前記シャッタ板を前記イオンビームの照射領域外に退避させた後の加工処理時には前記イオンビームに対する制限を解除し、制限の解除されたイオンビームを前記加工対象に照射することを特徴とするイオンビーム加工処理方法。
- 加工対象に対してイオンビームによる加工処理を施すとともに前記イオンビームを中和するに際して、前記加工対象に対する加工処理前後は前記加工対象をシャッタ板で遮蔽して前記イオンビームが前記加工対象に照射されるのを阻止し、前記シャッタ板を前記イオンビームの照射領域内と照射領域外に亘って移動させる過程では前記イオンビームを中和する中和能力を高くし、前記シャッタ板を前記イオンビームの照射領域外に退避させた後の加工処理時には前記中和能力を加工処理時の中和能力に戻した状態で前記イオンビームを前記加工対象に照射することを特徴とするイオンビーム加工処理方法。
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