JP5932033B2 - イオンビーム処理方法およびイオンビーム処理装置 - Google Patents
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Description
図2はプラズマ処理装置の概略図を示す。イオンビームエッチング装置100は処理空間1とプラズマ源としてのプラズマ生成部2で構成されている。処理空間1には排気ポンプ3が設置されている。プラズマ生成部2にはベルジャ4、ガス導入部5、RFアンテナ6、整合器7、電磁石8が設置されており、処理空間1との境界にはグリッド9が設置されている。
まず図17Aに示すように、グリッド9より引き出されたイオンビームを基板11の表面を含む面に投影させた線分Pを考える。次に、該投影された線分Pを、図17Bに示すようなパターン溝が延在する方向Dと、2つの方向Dの中間方向であるMDの成分に分解し、該投影された線分Pの成分は方向Dと方向MDのどちらが大きいかを比較する。これによりパターン溝が延在する方向Dの側からのイオンビームのエッチング量と、他の方向の側からのイオンビームのエッチング量との比較を行うことができる。
本実施形態では図17Bに示すように、0度から180度に向かう方向と180度から0度に向かう方向、および90度から270度に向かう方向と270度から90度に向かう方向とがパターン溝が延在する方向Dである。そして2つの方向Dの中間である、45度から225度に向かう方向と225度から45度に向かう方向、および135度から315度に向かう方向と315度から135度に向かう方向が方向MDとなる。
より具体的な例を、図17Cを用いて説明する。基板11に対して角度100度の方向から入射したイオンビームaと、角度120度の方向から入射したイオンビームbとを考える。イオンビームaは方向Dに対して成す角度が10度であり、方向MDに対して成す角度が35度である。イオンビームaの、方向Dの成分と方向MDの成分とを比較すると、cos10°:cos35°≒0.98:0.82であり、方向Dの成分の方が大きい。
一方でイオンビームbは方向Dに対して成す角度が30度であり、方向MDに対して成す角度が15度である。イオンビームbの、方向Dの成分と方向MDの成分とを比較すると、cos30°:cos15°≒0.87:0.97であり、方向MDの成分の方が大きい。従って、イオンビームaはパターン溝が延在する方向側から入射するイオンビームであり、イオンビームbはその中間方向側から入射するイオンビームであると言える。
すなわち、イオンビームが基板11の表面を含む面に投影された線分Pが、パターン溝の延在方向D同士の中間方向MDよりもパターン溝の延在方向Dに近い場合に、パターン溝の延在方向Dに対するエッチング量が支配的となる。そのため、イオンビームに係る投影された線分Pが中間方向MDよりもパターン溝の延在方向Dに近ければ、該イオンビームはパターン溝が延在する方向側から入射するものであると言える。
本発明では、上述のようにグリッド9と基板11が平行な状態において、グリッド9に対する基板11の傾斜角度を0°としている。そして基板11は面内の中心点に対して対称であり、中心点を軸に回転しているため、傾斜角度が0°の状態から所定の角度だけ傾けた場合、その角度は全ての傾斜方向において等価である。すなわち、傾斜角度が0°の状態において、ある方向を+とし、反対の方向を−と定義して+30°傾斜させたとしても、それは−30°の傾斜と等価である。
このため本願明細書では原則として角度を正の値として記載する。
換言すると、本発明におけるグリッド9の中心法線は、グリッド9により引き出されるイオンビームの進行方向に沿った線分である。
もちろん、上述したグリッド9の中心点や基板11の中心点は、基板11の処理工程において影響がほぼ無い範囲において微差を有していても良い。
A=a・B ・・・(2)
またθが0°、90°、180°、270°で基板11の回転速度が最も遅くなり、θが45°、135°、225°、315°で基板11の回転速度が最も速くなるように段階的に回転速度を変化させても良い。
図9A、BはMRAMに用いられる上下電極を備えたTMR素子を示す説明図である。図9Bに示すように、TMR素子40の基本層構成は、上部電極42、磁化自由層43、トンネルバリア層44、磁化固定層45、反強磁性層46及び下部電極47を含む。例えば、磁化固定層は強磁性材料、トンネルバリア層は金属酸化物(酸化マグネシウム、アルミナなど)絶縁材料、および磁化自由層は強磁性材料からなっている。
上述のように、第1の実施形態では、グリッド9から基板11に対するイオンビームの入射角度及びパターン溝が延在する方向側からのイオンビーム照射量が多くなるように基板ホルダ10の回転速度を遅くする制御をしているが、該基板ホルダ10の回転方式を、連続回転としても良いし、非連続パルス回転としてもよい。本実施形態では、該非連続パルス回転の形態について説明する。
第1及び第2の実施形態では、基板ホルダ10の回転速度を制御する形態について説明したが、本実施形態では、放電用電源12からプラズマ生成手段への供給電力を制御することによって、基板へのイオンビームの入射量を制御し、微細パターンの溝の加工行う。すなわち、イオンビームエッチングにおいて、イオンビームの照射量はプラズマ生成部2において形成されるプラズマのプラズマ密度と関係するため、プラズマ生成手段への供給電力を変化させることで、プラズマ生成部2のプラズマ密度を変化させることが可能となる。これにより基板11の角度位相に応じてイオンビームの照射量を変化させることができる。
第3の実施形態では、プラズマ生成手段への供給電力を制御することによって被処理面の均一性を向上させる方法について述べたが、本実施形態ではビーム引き出し電圧を変化させることで、微細パターンの溝の加工行う。イオンビームエッチングでは、プラズマ生成部2においてプラズマが形成された後にグリッド9に印加された電圧によって、プラズマ生成部2のイオンが引き出されてビームが形成される。ここでプラズマ生成部2から引き出されたイオンビームのエネルギーはビーム引き出し電圧に依存するため、該電圧を基板の回転位相に併せて変化させることで、微細パターンの溝の加工行う。
第3電極72は、アース電極とも呼ばれ接地されている。第2電極71と第3電極72との電位差を制御することにより、静電レンズ効果を用いてイオンビームのイオンビーム径を所定の数値範囲内に制御することができる。
本実施形態においては、通常基板ホルダ及び第3電極は接地電位となっている。このため、イオンビームのエネルギーは第1電極に印加された正の電圧によって決定される。従って、本実施形態においては、第1電極に印加された電圧がビーム引き出し電圧となる。以下、この第1電極に印加された電圧を変化させることによって、ビーム引き出し電圧を変化させた場合の実施の形態を説明する。
また、本実施形態において、グリッド9は必ず3枚の電極から構成されている必要は無い。これは、上述したように本実施形態の本質は、イオンビームのエネルギーを、基板の回転位相に応じて変化させることにあるからである。
本発明の実施形態は別のエッチング方法と組み合わせることもできる。反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)と本発明を組み合わせる例を以下に示す。RIEによるエッチング手段として、平行平板電極による容量結合プラズマを用いるエッチング装置やアンテナコイルによる誘導結合プラズマを用いるエッチング装置が知られている。RIEのメリットとして、IBEのようにイオンの入射角が制限されないため、微細パターンの隙間にイオンを引き込み、被処理物をエッチングすることができる。しかし、前述したMRAM用のTMR素子のような金属膜で構成されている構造体は、化学反応ではなくイオンによる物理エッチングが支配的となりやすい。物理エッチングで削れた磁性金属は揮発し難く、TMR素子の側壁に再付着するため、従来のIBEの加工方法と同様にエッチングされた生成物が、パターン溝の底部に残留するため加工が困難である。
本発明の実施形態を用いれば、さらに別の装置で加工された微細パターンを均一性よくトリミングすることができる。図2に示す電磁石8の電流を変更し、プラズマの密度分布を変更することができる。プラズマ密度分布の調整は、具体的には、電磁石8はソレノイドコイルを使用し、図2に示す通り、ベルジャの外周を囲うように設置されている。ソレノイドコイルは図示しない直流電源に接続されている。ソレノイドコイルに電流を流すと、右ネジの法則に従って磁界が発生し、プラズマ生成部の中心から外側に向かって同心円状に電子を拡散させるような磁力線が形成される。ソレノイドコイルに小さい電流を流すと、プラズマ密度は中心が高くなる傾向がある。ソレノイドコイルに流す電流の値を大きくしていくと、プラズマ密度分布は外側に拡散して平坦化される。別の装置で加工された微細パターンを原子間力顕微鏡、光学測定又は走査型電子顕微鏡等で、基板面内の膜厚分布傾向を分析し、該分析結果に基づいて電磁石8の電流を調整する。例えば、RIEで加工後の微細パターンが、基板内で中心部の膜厚が厚く、外周の膜厚が薄い場合について考える。その場合、電磁石に流す電流を、中心のプラズマ密度を高く、外周のプラズマ密度が低くなるように調整する。プラズマ密度に比例してグリッド9により引き出されるイオンビーム中の粒子の数が決まるので、イオン密度が高い中心部のエッチング速度は速くなる。従って、本発明を他のエッチング方法によるエッチング工程と組み合わせることで、微細なパターンの加工後のばらつき補正が可能となる。図2に示す電磁石8は単数であるが、さらに外側に電磁石を追加し、内側と外側の複数の電磁石の相互作用でプラズマ密度を調整してもよい。
本発明の実施形態において、入射角度を変化させながらエッチングすることで、多方向から再付着した膜を除去することができ、トリミング効果を向上させることが可能となる。本実施形態では、イオンビームの入射角度がパターン溝に沿うように基板ホルダに載置した基板11をグリッド9に対して傾けて位置させるが、基板の傾斜角度を変化させて(例えば傾斜角度が30度から20度)イオンビームを照射する。基板の傾斜角度を変えることでイオンビームの入射角度が変化し、パターンの側壁から溝底部のトリミングが容易となる。
図16A、Bを用いて詳細を説明する。図16Aは、所定の傾きをもって基板11にイオンビームが入射する状態を示している。図16Bは、図16Aのイオンビームに比べて、より基板11に対して垂直な方向からイオンビームを照射している。このようにより垂直方向からイオンビームを照射することで、素子Jに対して図16Aのイオンビームとは異なった角度からのエッチングが可能となる。すなわち、本実施形態では、基板11を第1の傾斜角度に保持した状態(例えば、図16Aの状態)でイオンビーム照射を開始し、その後基板11を所定の回数回転させた後に、基板を第1の傾斜角度とは異なる第2の傾斜角度に保持した状態(例えば、図16Bの状態)に変化させ、イオンビーム照射を継続する。傾斜角度は2つに限らず、3つ以上に変化させてもよい。
さらに、より垂直方向からのイオンビーム照射においても、上述した実施形態のように、パターン溝が延在する方向側からのイオンビーム照射量が多くなるようにすることで、図16Bに示すように、素子Jの側壁に対して効率的にイオンビームを照射することが可能となる。即ち、図16Aの状態では、イオンビームは素子Jの側壁にほぼ平行な方向から入射し、素子Jの側壁に垂直な方向からの入射は隣接する素子によって制限される。一方、図16Bの状態では、イオンビームの入射角がより垂直であるために、素子Jの側壁に垂直な方向からのイオンビームの入射量を増加させることができる。さらにパターン溝が延在する方向側からのイオンビーム照射量を多くすることで、素子Jの側壁に垂直な方向からのイオンビームの入射量を、他の方向からのイオンビームの入射量に比べて大きくすることができ、効率的なトリミングが可能となる。基板の傾斜は、回転回数毎に固定する他、スイングにより短いスイッチングで変更してもよい。
上述した第7の実施形態では、一定回数以上基板11を回転させた後に、グリッド9に対する基板11の傾斜角度を変化させる形態を示した。
これに対して本実施形態では、第1の実施形態における基板11の回転速度に併せて、グリッド9に対する基板11の傾斜角度を変化させる。以下で本実施形態の詳細について図19を用いて説明する。
図19は基板11の回転速度が、その回転位置に応じて変化している様子を示している。加えて、グリッド9に対する基板11の傾斜角度Φが40°を基準として、20°〜60°の範囲で変化している。Φは好ましくは、基板11の回転速度が最も遅くなる状態で最も大きくなり、基板11の回転速度が最も速くなる状態で最も小さくなる。このような制御を行うことで、基板11のパターン溝に沿ってイオンビームが入射する際は、素子の側壁についた再付着膜などを効率的に除去し、一方のイオンビームが入射し難い状態においてはイオンビームを垂直に近い角度から入射させることで隣接する素子の影の影響を抑えつつエッチングを行うことが可能となる。
第2の実施形態では、基板の位相に対して、回転停止時間を正弦関数状に変化させることによって、基板に入射するイオンビームのエネルギー量を正弦関数状に変化させる場合を示した。これに対して本実施形態では、パターン溝が延在する方向の近傍にグリッド9が位置する状態でのみ基板回転を停止させる。
図21は基板11の回転停止時間が、回転位置に応じて変化している様子を示す。本実施形態では、パターン溝が延在する方向にグリッド9が位置する回転角0°、90°、180°、270°の近傍の所定の回転角において基板回転を停止し、一定時間イオンビームを照射した後にまた回転を行う。実際の素子分離後のTMR素子側壁は基板に対して一定の傾斜角を有し、また基板に入射するイオンビームにも発散が存在するため、本実施形態を実施した場合にも、素子側壁の再付着膜に対してイオンビームが照射される。
また、第1の実施形態のような回転速度の変化を組み合わせてもよく、第7の実施形態や第8の実施形態で述べたような基板の傾斜角度の変化を組み合わせてもよい。
また、パターン溝が延在する方向の近傍にグリッド9が位置する状態で、基板ホルダ10の回転位相を僅かに変化させつつイオンビームエッチングを行ってもよい。例えば、回転角0°、90°、180°、270°の近傍の所定の回転角において基板回転を停止した後に、各角度を中心として±10°の範囲で基板ホルダ10の回転角度を振動させて基板11にイオンビームを照射してもよい。このように基板ホルダ10の微小に変化させながら処理を行うことで、基板面内をより均一に加工することが可能となる。
本発明の各実施形態は、例示したMRAM用のTMR素子のみならず、HDD用磁気ヘッド、HDD用磁気記録媒体、磁気センサ、薄膜太陽電池、発行素子、圧電素子、半導体の配線形成など、多方面に利用可能である。
Claims (8)
- グリッドによってプラズマ源から引き出されたイオンビームで、基板ホルダに載置された基板を処理する方法であって、
前記基板を、前記グリッドに対して傾けて位置させ、前記基板を面内方向に回転させながらイオンビームエッチングを行う際に、
前記基板上に形成されたパターン溝が延在する方向側から入射するイオンビームによるエッチング量が、他の方向側から入射するイオンビームによるエッチング量よりも大きくなるようにイオンビーム処理を行うことを特徴とするイオンビーム処理方法。 - 前記基板の回転速度を、前記基板上に形成されたパターンの溝が延在する方向側に前記グリッドが位置する際に、他の方向側に前記グリッドが位置する場合よりも遅くすることを特徴とする請求項1に記載のイオンビーム処理方法。
- 前記基板の回転は、前記基板の回転及び回転の停止を繰り返し、
前記基板の回転停止時間を、前記基板上に形成されたパターンの溝が延在する方向側に前記グリッドが位置する際に、他の方向側に前記グリッドが位置する場合よりも長くすることを特徴とする請求項1に記載のイオンビーム処理方法。 - 前記グリッドに印加する電圧を制御することによって前記イオンビームのエネルギーを、前記基板上に形成されたパターンの溝が延在する方向側に前記グリッドが位置する際に、他の方向側に前記グリッドが位置する場合よりも高くすることを特徴とする請求項1に記載のイオンビーム処理方法。
- 前記プラズマ源に印加する電力を制御することによって前記イオンビーム中のイオン密度を、前記基板上に形成されたパターンの溝が延在する方向側に前記グリッドが位置する際に、他の方向側に前記グリッドが位置する場合よりも高くすることを特徴とする請求項1に記載のイオンビーム処理方法。
- 前記基板上に形成されたパターン溝が延在する方向側からイオンビームが入射する際の前記グリッドに対する前記基板の傾斜角度が、他の方向側からイオンビームが入射する際の前記グリッドに対する前記基板の傾斜角度よりも大きくすることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載のイオンビーム処理方法。
- プラズマ源と、
前記プラズマ源からイオンビームを引き出すためのグリッドと、
前記グリッドに対して基板を傾けて載置可能であり、且つ前記基板の面内方向に回転可能である基板ホルダを備えたイオンビーム装置であって、
前記基板ホルダにおける前記基板の回転を制御するための制御部と、
前記基板の回転位置を検出するための位置検出部を備え、
前記制御部は前記位置検出部による検出結果に基づいて、前記基板上に形成されたパターンの溝が延在する方向側に前記グリッドが位置する際に、前記基板ホルダの回転速度を他の方向側に前記グリッドが位置する場合よりも遅くするイオンビーム装置。 - 前記制御部は前記位置検出部による検出結果に基づいて、前記基板上に形成されたパターンの溝が延在する方向側に前記グリッドが位置する際の前記グリッドに対する前記基板の傾斜角度を、他の方向側に前記グリッドが位置する際の前記グリッドに対する前記基板の傾斜角度よりも大きくすることを特徴とする請求項7に記載のイオンビーム装置。
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