JP4042817B2

JP4042817B2 - 中性粒子ビーム処理装置

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Publication number: JP4042817B2
Application number: JP2001088859A
Authority: JP
Inventors: 克則一木; 和雄山内; 浩国桧山; 誠二寒川
Original assignee: Tohoku University NUC; Ebara Corp
Current assignee: Tohoku University NUC; Ebara Corp
Priority date: 2001-03-26
Filing date: 2001-03-26
Publication date: 2008-02-06
Anticipated expiration: 2021-03-26
Also published as: WO2002078407A3; TWI259037B; JP2002289581A; WO2002078407A2; US20040119006A1; US6909086B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、中性粒子ビーム処理装置、特に高密度プラズマから高指向性で且つ高密度の中性粒子ビームを生成し、被処理物を加工する中性粒子ビーム処理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体集積回路、ハードディスク等の情報記憶媒体、あるいはマイクロマシーン等の分野において、その加工パターンが著しく微細化されている。かかる分野の加工においては、直進性が高く（高指向性であり）、且つ比較的大口径で高密度のイオンビーム等のエネルギービームを照射して被処理物の成膜又はエッチングなどを施す技術が注目されている。
【０００３】
このようなエネルギービームのビーム源としては、正イオン、負イオン、ラジカル粒子等の各種のビームを生成するものが知られている。このような正イオン、負イオン、ラジカル粒子等のビームをビーム源から被処理物の任意の部位に照射することで、被処理物の局所的な成膜やエッチング、表面改質、接合、接着などを行うことができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
正イオンや負イオンなどの荷電粒子を被処理物に照射するビーム源においては、被処理物に電荷が蓄積するため絶縁物を処理することができない（チャージアップ現象）。また、空間電荷効果でイオンビームが発散してしまうため微細な加工をすることができない。
【０００５】
これを防ぐためにイオンビームに電子を注ぎ込むことで電荷を中和することも考えられているが、この方法では全体的な電荷のバランスは取れるものの、局所的には電荷のアンバランスが生じており、やはり微細な加工をすることができない。
【０００６】
また、プラズマ源からイオンを引き出して被処理物に照射する場合において、プラズマから発生する紫外線などの放射光が被処理物に照射されると被処理物に悪影響を与えることとなるので、プラズマから放出される紫外線などの放射光を遮蔽する必要がある。
【０００７】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、安価且つコンパクトな構成で大口径のビームを被処理物に照射することができると共に高い中性化率を得ることができ、チャージフリー且つダメージフリーな中性粒子ビーム処理装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このような従来技術における問題点を解決するために、本発明の一態様は、被処理物を保持する保持部と、真空チャンバ内に配置され、プラズマから放出される紫外線を遮蔽するオリフィス電極と、上記真空チャンバ内に上記オリフィス電極に対して上流側に配置されたグリッド電極と、上記オリフィス電極と上記グリッド電極との間に高周波電圧を印加することで上記オリフィス電極と上記グリッド電極との間にプラズマを生成する交流電源と、陽極としての上記オリフィス電極と陰極としての上記グリッド電極との間に直流電圧を印加することで、上記高周波電圧の印加により生成されたプラズマから負イオンを加速して上記オリフィス電極に形成されたオリフィスを通過させる直流電源と、上記交流電源及び上記直流電源にそれぞれ接続され、上記交流電源による高周波電圧の印加のタイミングと上記直流電源による直流電圧の印加のタイミングを同期させる２つの変調装置とを備え、上記交流電源による高周波電圧の印加を停止しているときに、上記直流電源は上記オリフィス電極と上記グリッド電極との間に直流電圧を印加して、プラズマから負イオンを加速し、上記オリフィスを通過させることで、上記負イオンを該オリフィス内で中性化させ、上記オリフィス電極の厚さが該オリフィス電極に形成されたオリフィスの径の２倍以上であり、上記オリフィス電極が導電体で形成されていることを特徴とする中性粒子ビーム処理装置である。
【０００９】
このような構成により、電荷を持たず大きな並進運動エネルギーを持つ中性粒子線によって被処理物を加工することが可能となるので、チャージアップ量を小さく保ちつつ高精度のエッチングや成膜加工が可能となる。特に、負イオンを中性化する手段としてオリフィス電極を用いることによって高い中性化率が得られるので、装置を大型化せずに安価にビームを大口径化することが可能となる。更に、生成されたプラズマと被処理物とはオリフィス電極によって遮断されるので、プラズマから発生する放射光は被処理物に照射されず、被処理物に損傷を与えるような紫外線などの被処理物への影響を低減することができる。
【００１１】
また、オリフィス電極は負イオンを中性化する手段としてだけでなく、プラズマを生成する手段としても利用することができる。従って、上記のように構成した場合には、オリフィス電極による高い中性化率を得ることができるだけでなく、プラズマを生成するためのプラズマ生成部を別に設ける必要がなくなる。このため、装置をよりコンパクトにして安価にビームを大口径化することが可能となる。
【００１２】
また、オリフィス電極の厚さをオリフィス電極に形成されたオリフィスの穴径の２倍以上とすると、オリフィスにおいて負イオンを中性化する確率を高めることができると同時に、プラズマからの放射光の被処理物への照射強度を著しく低減することができる。
【００１３】
また、オリフィス電極を導電体とすれば、オリフィス電極に正の直流電圧や負の直流電圧を印加することで、プラズマから正イオンと負イオンの双方を加速することが可能となる。また、オリフィス電極に印加する電圧を４００ｋＨｚ程度の低周波電圧とすれば、正イオンと負イオンとを交互に加速することが可能となる。この場合は、オリフィス電極の表面は誘電膜で覆われていてもよい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る中性粒子ビーム処理装置の第１の実施形態について図１乃至図３を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施形態における中性粒子ビーム処理装置の全体構成を示す図である。
【００１５】
図１に示すように、中性粒子ビーム処理装置は、中性粒子ビームを生成するビーム生成室１と半導体基板、ガラス、有機物、セラミックスなどの被処理物Ｘの加工を行う処理室２とを有する円筒状の真空チャンバ３を備えている。この真空チャンバ３は、ビーム生成室１側が石英ガラス又はセラミックなどにより構成され、処理室２側が金属製のメタルチャンバなどにより構成されている。
【００１６】
ビーム生成室１の外周には誘導結合型のコイル１０が配置されている。このコイル１０は、例えば水冷パイプのコイルであり、８ｍｍφ程度の外径を有するコイルが２ターン程度ビーム生成室１に巻回されている。このコイル１０は、マッチングボックス１００を介して高周波電源１０１に接続されており、例えば、１３．５６ＭＨｚの高周波電圧がコイル１０に印加される。これらのコイル１０、マッチングボックス１００、高周波電源１０１によってプラズマ生成部が構成されている。即ち、コイル１０に高周波電流を流すことで誘導磁場を生じさせ、その変位電流によりガス中の原子・分子が電離されプラズマが生成する。
【００１７】
ビーム生成室１の上部には、真空チャンバ３内にガスを導入するガス導入ポート１１が設けられており、このガス導入ポート１１はガス供給配管１２を介してガス供給源１３に接続されている。このガス供給源１３からはＳＦ_６，ＣＨＦ_３，ＣＦ_４，Ｃｌ_２，Ａｒ，Ｏ_２，Ｎ_２，Ｃ_４Ｆ_８等などのガスが真空チャンバ３内に供給される。
【００１８】
処理室２には、被処理物Ｘを保持する保持部２０が配置されており、この保持部２０の上面に被処理物Ｘが載置されている。処理室２にはガスを排出するためのガス排出ポート２１が設けられており、このガス排出ポート２１はガス排出配管２２を介して真空ポンプ２３に接続されている。この真空ポンプ２３によって処理室２は所定の圧力に維持される。
【００１９】
ビーム生成室１の下端には、グラファイトなどの導電体で形成されたオリフィス板（オリフィス電極）４が配置されており、このオリフィス電極４は接地電位とされる。また、このオリフィス電極４の上方には、同様に導電体で形成された薄板グリッド状のグリッド電極５が配置されている。このグリッド電極５はバイポーラ電源１０２（電圧印加部）に接続されている。図２は、オリフィス電極４及びグリッド電極５の斜視図（図２（ａ））と部分縦断面図（図２（ｂ））である。図２に示すように、オリフィス電極４には多数のオリフィス４ａが形成されており、同様にグリッド電極５には多数のグリッド穴５ａが形成されている。なお、グリッド電極５はメッシュ網やパンチングメタルなどであってもよい。
【００２０】
コイル１０に接続される高周波電源１０１とバイポーラ電源１０２とにはそれぞれ変調装置１０３、１０４が接続されている。高周波電源１０１とバイポーラ電源１０２とは変調装置１０３、１０４を介して互いに接続されており、変調装置１０３、１０４間の同期信号によって、高周波電源１０１による電圧印加のタイミングとバイポーラ電源１０２による電圧印加のタイミングとが同期される。
【００２１】
次に、本実施形態における中性粒子ビーム処理装置の動作について説明する。図３は、本実施形態における動作状態を示すタイムチャートである。図３において、Ｖａはコイル１０の電位、Ｔｅはビーム生成室１内の電子温度、ｎｅはビーム生成室１内の電子密度、ｎｉ⁻はビーム生成室１内の負イオン密度、Ｖｂはグリッド電極５の電位をそれぞれ示している。
【００２２】
まず、真空ポンプ２３を作動させることにより、真空チャンバ３内を真空排気した後に、ガス供給源１３からＳＦ_６，ＣＨＦ_３，ＣＦ_４，Ｃｌ_２，Ａｒ，Ｏ_２，Ｎ_２，Ｃ_４Ｆ_８等などのガスを真空チャンバ３の内部に導入する。そして、図３に示すように、１３．５６ＭＨｚの高周波電圧を高周波電源１０１によって１０μ秒間コイル１０に印加する。この高周波電圧の印加によってビーム生成室１内には高周波電界が形成される。真空チャンバ３内に導入されたガスは、この高周波電界によって加速された電子により電離され、ビーム生成室１内に高密度プラズマが生成される。このときに形成されるプラズマは、主として正イオンと加熱された電子とからなるプラズマである。
【００２３】
そして、高周波電源１０１による高周波電圧の印加を１００μ秒間停止する。高周波電源１０１による高周波電圧の印加の停止後は、再び高周波電源１０１による１０μ秒間の高周波電圧の印加によってビーム生成室１内においてプラズマ中の電子が加熱され、上述したサイクルが繰り返される。即ち、高周波電界の印加（１０μ秒間）と印加の停止（１００μ秒間）を交互に繰り返す。この高周波電界の印加停止時間（１００μ秒間）は、プラズマ中の電子が残留している処理ガスに付着して負イオンが生成されるのに要する時間よりも十分に長く、且つプラズマ中の電子密度が低下してプラズマが消滅するよりも十分に短い時間である。高周波電界の印加時間（１０μ秒間）は、この高周波電界の印加を停止している間に低下したプラズマ中の電子のエネルギーを回復させるのに十分な時間である。
【００２４】
このプラズマ中の電子のエネルギーを高めた後の高周波電界の印加停止により、負イオンを効率よく且つ継続して生成することができる。即ち、通常のプラズマは正イオンと電子とからなる場合が多いが、正イオンと共に負イオンが共存した状態のプラズマを効率的に形成することができる。なお、ここでは、高周波電界の印加停止時間を１００μ秒に設定する例について述べたが、５０μ秒乃至１００μ秒に設定することで、プラズマ中に正イオンのみならず負イオンを多量に生成することができる。
【００２５】
高周波電源１０１による電圧の印加の停止から５０μ秒後に、バイポーラ電源１０２によって−１００Ｖの直流パルス電圧をグリッド電極５に５０μ秒間印加する。この直流電圧の印加によって、グリッド電極５の電位Ｖｂがオリフィス電極４の電位（接地電位）よりも低くなり、オリフィス電極４とグリッド電極５との間には、オリフィス電極４を陽極、グリッド電極５を陰極とした電位差が生じる。従って、グリッド電極５からオリフィス電極４側に漏れ出た負イオン６（図２（ｂ）参照）は、この電位差によってオリフィス電極４に向けて加速され、オリフィス電極４に形成されたオリフィス４ａに入っていく。
【００２６】
オリフィス電極４のオリフィス４ａの内部を通過する負イオン６は、主として、オリフィス４ａの周壁の固体表面近傍において中性化され、あるいは、オリフィス４ａの内部に残留しているガスとの電荷交換によって中性化され、中性粒子７となる。オリフィス４ａの通過中に中性化された負イオン６（中性粒子７）は、エネルギービームとして処理室２の内部に放射される。この中性粒子７は、処理室２の内部を直進して保持部２０に載置された被処理物Ｘに照射され、この中性粒子７によってエッチング、クリーニング、窒化処理や酸化処理などの表面改質、成膜などの処理を行うことが可能となる。
【００２７】
この場合において、オリフィス電極は、負イオンを中性化する手段としてだけではなく、プラズマから発生する放射光が被処理物に照射されるのを防止する手段としても機能する。即ち、プラズマが生成されるビーム生成室１と被処理物Ｘとはオリフィス電極４によって遮断されているので、プラズマから発生する放射光は被処理物Ｘに照射されず、被処理物Ｘに損傷を与えるような紫外線などの被処理物Ｘへの影響を低減することができる。
【００２８】
このようなオリフィス電極４の厚さｌは、オリフィス４ａの穴径ｄの２倍以上であることが好ましい。オリフィス電極４の厚さｌをオリフィス４ａの穴径ｄの２倍以上とすると、オリフィス４ａにおいて負イオンを中性化する確率を高めることができると同時に、プラズマからの放射光の被処理物Ｘへの照射強度を著しく低減することができる。
【００２９】
なお、一部の荷電粒子もオリフィス電極４のオリフィス４ａを通過する場合があるが、このような荷電粒子が被処理物Ｘに照射されることを防止するために、オリフィス電極４の下流側にディフレクタや電子トラップを設けることとしてもよい。ディフレクタは、真空チャンバ３の径方向に電圧を印加することによって荷電粒子の進行方向を変化させて、荷電粒子の被処理物Ｘへの照射を防止するものである。また、電子トラップは、径方向に磁界を形成することによって荷電粒子の進行方向を変化させて、荷電粒子の被処理物Ｘへの照射を防止するものである。
【００３０】
ガラスやセラミック材料等の絶縁物の加工に際しては、表面にチャージアップという問題が生じるが、このように中性化された中性粒子を照射することによりチャージアップ量を小さく保ちながら、高精度のエッチングや成膜加工が可能となる。なお、被処理物の処理の内容に応じてガスの種類を使い分ければよく、ドライエッチングでは被処理物の違いに応じて酸素やハロゲンガスなどを使い分けることができる。
【００３１】
本実施形態では、プラズマの負イオンを中性化するため、Ｏ_２，Ｃｌ_２，ＳＦ_６，ＣＨＦ_３，Ｃ_４Ｆ_８などの負イオンを生成しやすいガスをビーム生成室１に導入することが好ましい。これらのガスを用いて上述した高周波誘導結合（ＩＣＰ）などにより高密度プラズマを発生させた後に高周波電圧の印加を停止すると、プラズマ中に多数の負イオンが発生し、負イオンを容易に加速し中性化することができる。
【００３２】
本実施形態では、グリッド電極５をコイル１０の下流側に配置した例を説明したが、グリッド電極をコイル１０の上流側に配置することもできる。この場合は、グリッド電極に穴が１つも形成されていなくてもよい。図４はグリッド電極５０をコイル１０の上流側に配置した場合の中性粒子ビーム処理装置の全体構成を示す図である。この場合には、ビーム生成室１内に生成されたプラズマ中の負イオンはグリッド電極５０とオリフィス電極４との間で加速されることとなる。
【００３３】
なお、上述した実施形態においては、ＩＣＰ型コイルを用いてプラズマを生成した例を説明したが、ＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）、ヘリコン波プラズマ用コイル、マイクロ波等を用いてプラズマを生成することとしてもよい。
【００３４】
次に、本発明に係る中性粒子ビーム処理装置の第２の実施形態について図５及び図６を参照して詳細に説明する。なお、上述の第１の実施形態における部材又は要素と同一の作用又は機能を有する部材又は要素には同一の符号を付し、特に説明しない部分については第１の実施形態と同様である。図５は、本発明の第２の実施形態における中性粒子ビーム処理装置の全体構成を示す図である。
【００３５】
本実施形態における真空チャンバ３０は金属で形成されたメタルチャンバであり、その内部の上流側に導電体で形成された薄板グリッド状のグリッド電極（第２の電極）８を備えている。真空チャンバ３０とグリッド電極８とは電気的に接続されており、これらは接地電位とされている。
【００３６】
また、オリフィス電極４には、図５に示すように、交流電源（第１の電圧印加部）１０５と直流電源（第２の電圧印加部）１０６とが並列に接続されている。これらの電源１０５、１０６にはそれぞれ変調装置１０７、１０８が接続されている。また、交流電源１０５の変調装置１０７と直流電源１０６の変調装置１０８とは、同期信号によって互いに同期をとることができるようになっている。なお、真空チャンバ３０とオリフィス電極４とは絶縁物（図示せず）によって電気的に絶縁されている。
【００３７】
次に、本実施形態における中性粒子ビーム処理装置の動作について説明する。図６は、本実施形態における動作状態を示すタイムチャートである。図６において、Ｖｃは交流電源１０５における電位、Ｔｅはビーム生成室１内の電子温度、ｎｅはビーム生成室１内の電子密度、ｎｉ⁻はビーム生成室１内の負イオン密度、Ｖｄは直流電源１０６の電位、Ｖｅはオリフィス電極４の電位をそれぞれ示している。
【００３８】
まず、真空ポンプ２３を作動させることにより、真空チャンバ３０内を真空排気した後に、ガス供給源１３からガスを真空チャンバ３０の内部に導入する。そして、図６に示すように、交流電源１０５により１３．５６ＭＨｚの高周波電圧を１０μ秒間オリフィス電極４に印加する。この高周波電圧の印加によってビーム生成室１内には高周波電界が形成される。真空チャンバ３０内に導入されたガスは、この高周波電界によって加速された電子により電離され、ビーム生成室１内に高密度プラズマが生成される。
【００３９】
そして、交流電源１０５による高周波電圧の印加を１００μ秒間停止する。高周波電圧の印加の停止後は、再び交流電源１０５による１０μ秒間の高周波電圧の印加によってビーム生成室１内においてプラズマ中の電子が加熱され、上述したサイクルが繰り返される。即ち、高周波電界の印加（１０μ秒間）と印加の停止（１００μ秒間）を交互に繰り返す。
【００４０】
このプラズマ中の電子のエネルギーを高めた後の高周波電界の印加停止により、負イオンを効率よく且つ継続して生成することができる。即ち、通常のプラズマは正イオンと電子とからなる場合が多いが、正イオンと共に負イオンが共存した状態のプラズマを効率的に形成することができる。
【００４１】
交流電源１０５による電圧の印加の停止から５０μ秒後に、直流電源１０６によって＋１００Ｖの直流電圧をオリフィス電極４に５０μ秒間印加する。この直流電圧の印加によって、オリフィス電極４の電位Ｖｅがグリッド電極８の電位（接地電位）よりも高くなり、オリフィス電極４とグリッド電極８との間には、オリフィス電極４を陽極、グリッド電極８を陰極とした電位差が生じる。従って、グリッド電極８とオリフィス電極４との間の負イオンは、この電位差によってオリフィス電極４に向けて加速され、オリフィス電極４に形成されたオリフィス４ａに入っていく。
【００４２】
オリフィス電極４のオリフィス４ａの内部を通過する負イオンは、上述の第１の実施形態と同様に中性化されて中性粒子となり、エネルギービームとして処理室２の内部に放射される。この中性粒子は、処理室２の内部を直進して保持部２０に載置された被処理物Ｘに照射される。
【００４３】
上述したように、本実施形態では、オリフィス電極４とグリッド電極８との間に高周波電圧と直流電圧を交互に印加することによって、プラズマを生成すると共に生成されたプラズマから負イオンを引き出すことができ、プラズマを生成するためのプラズマ生成部を別に設ける必要がなくなる。このため、装置をよりコンパクトにして安価にビームを大口径化することが可能となる。
【００４４】
上述した実施形態における高周波の周波数領域は、１３．５６ＭＨｚに限られるものではなく、１ＭＨｚ〜２０ＧＨｚの領域を用いてもよい。
【００４５】
これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。
【００４６】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、電荷を持たず大きな並進運動エネルギーを持つ中性粒子線によって被処理物を加工することが可能となるので、チャージアップ量を小さく保ちつつ高精度のエッチングや成膜加工が可能となる。特に、負イオンを中性化する手段としてオリフィス電極を用いることによって高い中性化率が得られるので、装置を大型化せずに安価にビームを大口径化することが可能となる。更に、生成されたプラズマと被処理物とはオリフィス電極によって遮断されるので、プラズマから発生する放射光は被処理物に照射されず、被処理物に損傷を与えるような紫外線などの被処理物への影響を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態における中性粒子ビーム処理装置の全体構成を示す図である。
【図２】図１に示すオリフィス電極及びグリッド電極を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施形態における動作状態を示すタイムチャートである。
【図４】本発明の他の実施形態における中性粒子ビーム処理装置の全体構成を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施形態における中性粒子ビーム処理装置の全体構成を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施形態における動作状態を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
Ｘ被処理物
１ビーム生成室
２処理室
３、３０真空チャンバ
４オリフィス板（オリフィス電極）
４ａオリフィス
５、８、５０グリッド電極
６負イオン
７中性粒子
１０コイル
１１ガス導入ポート
１２ガス供給配管
１３ガス供給源
２０保持部
２１ガス排出ポート
２２ガス排出配管
２３真空ポンプ
１００マッチングボックス
１０１高周波電源
１０２バイポーラ電源（電圧印加部）
１０３、１０４、１０７、１０８変調装置
１０５交流電源（第１の電圧印加部）
１０６直流電源（第２の電圧印加部）

Claims

被処理物を保持する保持部と、
真空チャンバ内に配置され、プラズマから放出される紫外線を遮蔽するオリフィス電極と、
前記真空チャンバ内に前記オリフィス電極に対して上流側に配置されたグリッド電極と、
前記オリフィス電極と前記グリッド電極との間に高周波電圧を印加することで前記オリフィス電極と前記グリッド電極との間にプラズマを生成する交流電源と、
陽極としての前記オリフィス電極と陰極としての前記グリッド電極との間に直流電圧を印加することで、前記高周波電圧の印加により生成されたプラズマから負イオンを加速して前記オリフィス電極に形成されたオリフィスを通過させる直流電源と、
前記交流電源及び前記直流電源にそれぞれ接続され、前記交流電源による高周波電圧の印加のタイミングと前記直流電源による直流電圧の印加のタイミングを同期させる２つの変調装置とを備え、
前記交流電源による高周波電圧の印加を停止しているときに、前記直流電源は前記オリフィス電極と前記グリッド電極との間に直流電圧を印加して、プラズマから負イオンを加速し、前記オリフィスを通過させることで、前記負イオンを該オリフィス内で中性化させ、
前記オリフィス電極の厚さが該オリフィス電極に形成されたオリフィスの径の２倍以上であり、
前記オリフィス電極が導電体で形成されていることを特徴とする中性粒子ビーム処理装置。
前記真空チャンバはビーム生成室と被処理物を加工する処理室とを有し、前記ビーム生成室内には、Ｏ_２，Ｃｌ_２，ＳＦ_６，ＣＨＦ_３，Ｃ_４Ｆ_８のいずれかのガスが導入されることを特徴とする請求項１に記載の中性粒子ビーム処理装置。
前記オリフィス電極の下流側にディフレクタまたは電子トラップを設けることを特徴とする請求項１または２に記載の中性粒子ビーム処理装置。