JPS6338232A - 基板表面処理方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、基板、特に半導体基板の表面処理方法および
装置に係り、さらに具体的にいえば、シリコンウェハな
どの半導体基板の表面のクリーニングや微細なエツチン
グに好適な、常温気体のクラスタイオンビームによる基
板表面の処理方法および装置に関する。

（従来の技術） 従来より、Ｓｔ　基板にＳｔを高真空中で真空蒸着する
場合、エピタキシャル繭に清浄表面を形成することが重
要であることがわかっている。８１基板表面には、通常
の化学処理、洗浄をした状態では、自然酸化物や炭素含
有物などの汚染物質が存在している。

このため、エピタキシャルの成長前に清浄表面を形成す
ることが必要とされており、そのためのいくつかの方法
が提案されている。

これらの方法の中に、エピタキシャルの成長室にＩ　Ｘ
　１０””　Ｔｏｒｒ程度のＡｒガスを満たし、１〜２
　ＫｅＶの加速電圧でＡｒ＋イオンによる基板表面のス
パッタクリーニングを行ない、表面から約５ＯＡ程変の
、炭素含有物などの吸着した層をエツチングするイオン
ビームスパッタ法がある。

こノ方法は、基板を加熱することなくエツチングできる
という利点がある反面，基板表面がダメージ層となるの
で、スパッタ後に　８００℃以上の熱処理を必要とする
という難点がある。またＡｒ原子がＳｉ基板内に入り込
んでしまいダメージを形成するという問題も生じている
（例えば、ジャーナル・オブ・アプライド・フィジック
ス　ーＪｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙ
ｓｉｃｓ一第４８巻第３号，１９’ｌ７年３月号，第９
０７〜９１３頁）さらに、上記のイオンビームスパッタ
法では、生成したＡｒ　　イオンが数Ｋ　ｅ　Ｖのエネ
ルギーを有しており、これによって、Ａｒ＋イオンは基
板表面の原子のスパッタ（エツチング）に寄与するが、
表面の原子をスパッタする以上の過剰なエネルギーを宵
しており，これが表面から内部に向って拡散しながら伝
達するので、結晶構造に乱れを生じさせるという問題が
ある。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明の目的は、Ｓｉ　基板などの表面温間を上げるこ
となく、かつ８１基板の内部にダメージを生じさせずに
、Ｓｔ　基板の表面の酸化物や炭素含有物（　ＳｉＣ　
　）などの汚染物質を除去して清浄表面を得るための，
基板表面処理方法および装置を提供することにある。

（問題点を解決するための手段） 上記目的は、スパッタエツチングするイオン種として、
Ａｒなどの希ガス、またはこれと不活性ガスや水素など
の混合物よりなる常温気体の、数１００〜数１０００個
の分子からなるクラスタ（塊状原子集団）をイオン化し
たクラスタイオンを生成させ，これを用いてエツチング
することにより、達成される。

Ａｒなどの希ガスを数１００〜数１０００　個の原子か
らなるり２スタとするために、高真空中にもうけた気体
（クラスタ源）収容器を−２２０　〜−　１５０℃に冷
却し、気体収容器中の希ガスの蒸気圧を１〜１０　Ｔｏ
ｒｒに制御する。

気体収容器の一部にもうけた小孔（ノズル）から高真空
中に向けて希ガスを噴出させることにより・希ガスを断
熱膨張させる。噴出した希ガスの分子間には、ファン・
デル・ワールスの弱い分子間力が働き、数１００〜数１
０００個の分子からなるクラスタが形成される。

生成した希ガスのクラスタには、フィラメントから放出
される熱電子を加速して衝突させ、電子衝撃によってク
ラスタをイオン化する。生成したクラスタイオンは、イ
オンの引き出し電極により、負の数ＫＶに加速されて基
板上衝突し、基板表面をスパッタエツチンクスル。

（作　用） 希ガスのクラスタイオンは数１００〜数１０００個の分
子から構成されているが、電荷量は正の単位電荷を有し
ている。基板に対して数ＫＶの電場で加速した場合、−
個のクラスタイオンは、数ＫｅＶの運動エネルギーを有
している。

しかし、クラスタイオンが基板に射突すると、クラスタ
が崩壊するため、１分子当りのエネルギーは数ｅＶ〜数
１０ａＶとなる。Ａｒ＋などの希ガスイオンで種々の物
質の表面をスパッタする場合スパッタのしきい値は数１
０ｅＶである。

すなわち、希ガスのクラスタイオンが基板に射突して希
ガス分子イオンに崩壊されたとき、各希ガス分子イオン
は、基板あるいは基板表面の汚染物質をスパッタするの
に最適なエネルギー値となっており、基板表面から数Ａ
の深さの極く表面のみをスパッタエツチングすることが
できる。これにより、通常のイオンエツチングのように
、基板の内部にダメージを生ずることはなくなる。

（実施例） 以下本発明の一実施例を図により説明する。

第１図は、本発明の第１の実施例による、クラスタイオ
ンビームを用いた基板六面処理装置を模式的に示す概略
構成図である。

図において、１１は１０−’　〜　１０−’Ｔｏｒｒの
真空度に保持された真空槽、１２は真空槽の内部を排気
するための排気通路で、図示していないＸ空排気装置（
Ｘ空ポンプ）Ｋ接続されている。

１３は真空排＠通路１２を開閉する真空用バルブである
。。

２３は直径１ｉｎ８度のノズル２７を有する気体（すな
わち・クラスタ源）収容部であり、クラスタ源２４のノ
ズル２７から気体を断熱膨張させて真空槽１１内に噴出
させ、クラスタ４１　を発生させるためのものである。

ここでクラスタ源２４は常温で気体の不活性ガス分子で
ある。

２１は、上記の気体分子を収納する、通常は高圧の圧力
容器、２２はこの容器２１から上記気体収容部２３に供
給されるクラスタ源２４の供給鬼を制御し、上記気体収
容部２３の圧力等８１！！整するｔこめのバルブである
。

また、２５１　は上記気体収容部２３を冷却する冷媒　
２５２８流す冷媒容器である。２６１　は、クラスタ源
２４の温度を制御するための温度調節用気体２６２を流
入させる温調用気体容器であり、上記温調用気体２６２
の流量を、供給バルブ２６３と排気バルブ２６４との開
＃調整によって制御することにより、クラスタ源２４の
温度が制御される。

３０はイオン化機構部であり、イオン化フィラメント３
１から出た熱電子をグリッド（加速）電極３２でとり出
し、引き出された熱電子のシャワー３３を中性のり２ス
タ４１　に衝突させることにより、分子クラスタイオン
４２　とするものである。

３４は電子シャワーの電子衝撃によって生成した分子ク
ラスタイオン４２を加速する電極である。

５３は基板５・１を加熱するヒータである。

次に動作について説明する。

本爽施例においては、単結晶シリコン基板５１０表面を
エンチングする場合について説明する。

まず、真空槽１１の中を真空排気ポンプにより１（１”
Ｔｏｒｒ　の真空度に排気する。クラスタ源２４　とし
てクリプトン（Ｋｒ）’）用い、これを気体収容部２３
の中に導入し、気体収容部２３の内部のクリプトンの圧
力（蒸気圧）が１０Ｔｏｒｒ　になるように、流量調節
バルブ２２によって調節しながら供給し、該クリプトン
ガスすなわちクラスタ源２４をノズル２７から噴出させ
る。

噴出したクリプトンガス２４は、上記気体収容部２３と
真空槽１１との圧力差によって断熱膨張し、クリプトン
クラスタ４１が形成される。クリプトンクラスタを発生
させる場合、温度が低いほどクラスタのサイズを大きく
できる。

クリプトンの蒸気圧は、８６°にの温度において約１０
　　Ｔｏｒｒ　　である。冷媒２５２として液体窒素を
用いた場合、その沸点が７７６にであるため、気体収容
部２３が十分な冷却効果を有する場合には、クリプトン
ガス２４の蒸気圧が過変に低下するおそれがある。

このため１本実施例では、温調用気体２６２として室温
のヘリウム（Ｈａ　）を供給し、その流量を調節するこ
とによってクリプトンガス２４の温調を制御し、これに
より上記クリプトンクラスタ４１のサイズを制御してい
る。

次に、上記クリプトンクラスタ４１にイオン化フィラメ
ント３１からの電子シャワー３３を衝突させ、クリプト
ンクラスタイオン４２を形成する。

フィラメント３１として０．７關φのタングステン線を
用いた場合、フィラメントへの電流は５〜３０Ａである
。またフィラメント３１からの熱電子をクリプトンクラ
スタに向けて加速する電圧は数１００〜２ＫＶ　　であ
る。

このようにして生成されたクリプトンクラスタイオン４
２を加速電極３４により１〜１０　ＫｅＶに加速し、シ
リコン基板　５１に射突させてその弐面をエツチングす
る。

なお、この場合、ヒータ５３によって基板５１を加熱し
、その温１を上昇させておいてもよい。

一方、イオン化されない中性クリプトンクラスタ４１は
加速されないが、上記気体収容部から噴出した際の運動
エネルギーで上記のシリコ／基板５１　　に衝突し、上
記クリプトンクラスタイオン４２とともにシリコン基板
表面のエツチングに寄与する。

なお、上記、シリコン基板表面をエツチングすることに
よって、クリプトンクラスタは、クリプトン分子に崩壊
するが、これらの分解ガスは真空槽１１外へ排気される
。

なお、気体収容部２３．温調用気体容器　２６１および
冷媒容器２５１　は・ステンレスで製作しているが、冷
却効果を高める必要がある場合には、アルミニューム、
銅、ニッケル等の金属で製作した方が望ましい場合もあ
る。

クリプトンクラスタイオンでスパッタエツチングした一
表面の清浄度は・真空槽１１の中にオージェ電子分光装
［そ組み込むことにより、基板表面を元素分析すること
ができろ〇 シリコン基板を王水とフッ酸でくり返し洗浄し、最後に
塩酸で加熱洗浄すると、通常は、その表面に数１ＯＡの
酸化膜が形成されている。しかし、本実施例のクリプト
ンクラスタイオンでスパッタエツチングした場合は、上
記の酸化膜がスパッタされるので、清浄なシリコン表面
が得られる。

なお上記の実施例では、クリプトン（Ｋｒ　　）を用い
たが、その代りにアルゴン（Ａｒ　）やキセノン（Ｘｓ
）、あるいはこれ等の希ガスと他の気体（例えば、不活
性ガス、水素など）との混合ガスを用いてもよい。

アルゴンを用いる場合、上記の実施例のように、温調用
気体（Ｈｅ　　）２６２を用いないで、気体収容器２３
ｖｃ直接冷媒容器２５１を接した構造とし、冷媒として
は、上記実施例と同じく液体叡累を用いることができる
。これによっても、同様にシリコン幕板表面をスパッタ
エツチングすることができる。

第２図は、実施例１と口じく、クリプトンガスを用いて
シリコン基板の表面をエツチングする、本発明の他の実
施例装置である。

本実施例では、クリプトンのクラスタ４］　８イオン化
する手段として、フィラメント３１から放出された熱電
子を加速電極３２により加速するとともに、偏向磁石３
９により熱電子３３の飛跡をクラスタビームに指向させ
て、クリプトンクラスタ４１をイオン化させている。

これにより、実施例１の場合と同様に、クリプトンクラ
スタイオン４２によって８１基板５１の界面をエツチン
グすることができる。

（発明の効果） 本発明によれば、希ガスのクラスタイオンのエネルギー
を適度に調整し、シリコンの基板表面のみをスパッタエ
ツチングすることができる。

このため、基板の内部へのダメージが生ぜず、基板がシ
リコンのような結晶の場合にも、エツチングした後の高
温（７００〜９００℃）におけるアニールを必要としな
い。また従来のイオンエツチングに比べて、エツチング
時の真空圧力が１０−５〜１０　　Ｔｏｒｒ　　と高真
空であるため、エツチングした後に、基板異面が再汚染
されるのを防止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例の、希ガスのクラスタイオ
ンビーム法による基板のエツチング装置の縦断面図であ
る。 第２図は、本発明の他の実施例の、希ガスのクラスタイ
オンビーム法による基板のエツチング装置の縦断面図で
ある。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）多数の分子の集団であるクラスタをイオン化して
   クラスタイオンを生成し、前記クラスタイオンを加速し
   て基板表面に衝突させ、基板表面をスパッタエッチング
   することを特徴とする基板表面処理方法。
2. （２）クラスタイオンは単位電荷を有することを特徴と
   する前記特許請求の範囲第１項記載の基板表面処理方法
   。
3. （３）クラスタの生成は、高真空領域内に配置され、か
   つ周囲に冷却手段を有するガス圧力調節室に希ガスを導
   入し、前記ガス圧力調節室に設けられたガス噴射用ノズ
   ルから、前記冷却された希ガスを高真空領域内に噴射さ
   せて行なわれることを特徴とする前記特許請求の範囲第
   １または第２項記載の基板表面処理方法。
4. （４）真空槽と、クラスタ源となる気体を収容する気体
   収容手段と、前記気体収容手段を冷却する手段と、前記
   気体を真空槽内へ噴出させて前記気体のクラスタを生成
   させるように、前記気体収容手段に形成されたノズルと
   、前記クラスタに荷電粒子を衝突させてクラスタイオン
   を生成するクラスタのイオン化手段と、前記クラスタイ
   オンを、前記真空槽内に装填された基板の表面に向けて
   加速衝突させる加速手段とを具備したことを特徴とする
   基板表面処理装置。
5. （５）荷電粒子は電子であることを特徴とする前記特許
   請求の範囲第４項記載の基板表面処理装置。
6. （６）前記気体収容手段を冷却する手段は、気体収容手
   段に接して配置された温度調節用気体容器と、前記温度
   調節用気体容器に接し、かつ前記気体収容手段には接し
   ないように配置された冷媒容器とよりなることを特許と
   する前記特許請求の範囲第４項または第５項記載の基板
   表面処理装置。