JPH02253548A - ガスイオン源及びガスイオン源を用いたイオンビーム加工装置 - 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、ガスをイオン化することによりイオンビーム
を発生するガスイオン源及びガスイオン源からのイオン
ビームを用いて半導体ウェハ等に微細パターンを描画し
たり、イオンを直接注入（イオン・インプランテーショ
ン）するイオンビーム加工装置に関する。

（従来の技術） イオン注入あるいは微細パターン描画等に用いるイオン
ビーム源として、ガス（例えばアルゴン、ヘリウム等）
をイオン化することによってイオンビームを発生させる
ガスイオン源が従来より知られている。

第６図は、第１の従来例（特開昭５７−１３２６５４号
公報）に係るガスイオン源を示し、このガスイオン源は
、イオン化すべきガスが通過する通路１０２を有するニ
ードル状の第１の電極１０１と、該第１の電極のすぐ前
面に間隔をあけて配置され、前記通路１０２の出口に対
向するように設けられた貫通孔１０４を有する第２の電
極１０３とから成る。第１と第２の電極の間には、５，
０００〜１０，０ＯＯＶ（７）電圧が印加され、第１の
電極１０１の通路１０２から出るガスがこの電場により
励起される電子によってイオン化される。

第７図は、第２の従来例（特開昭６３−１７４２４３号
公報）に係るガスイオン源を示す、このガスイオン源は
、ガスを導入する管１０５、先端が尖っている多孔質チ
ップ１０６、引出し電極！０７等より成り、多孔質チッ
プ１０６と引出し電極１０７との間に電圧が印加され、
多孔質チップ１０６の先端部から流出するガスがイオン
化してイオンビーム１０８を得るようになっている。ま
た、導入するガスを冷却するために冷却槽１０９が設け
られており、この冷却槽１０９内には液体窒素又は液体
ヘリウムが入れられている。

尚、上記第１の電極１０１及び多孔質チップ＋０６はエ
ミッタと総称される。

（ＩＡ明が解決しようとする課題） 一般に集束イオンビーム露光装置の解像度δ（この値が
小さいほど分解能が高い）は光学系の収差を無視すると
次式（１）で与えられ、イオン源の半径ｒｔが小さいほ
ど高い分解能が得られる。

δ＝Ｍｒｔ　　　　　　　　　　・・・（１）ここでＭ
は光学系の倍率である。

一方、半導体ウェハ上への微細パターンの描画に必要な
高い分解能（解像度）を得るためには、エミッタ先端部
の直径は１，０００オングストローム（０，１μｍ）程
度とする必要があるが、第１の従来例における第１の電
極の先端部の直径は７５μ層程度であり、高い分解能を
必要とする用途には適さない、さらに、高い分解能のイ
オン源を得るためには、イオン源から出力されるエネル
ギー分布が第８図の実線で示すように比較的狭い範囲内
におさまることが必要であるが、第１の従来例における
ガスイオン源から出力されるイオンのエネルギー分布は
第８図の破線で示すように±１０ｅＶ程度の拡がりを持
つと推定され（第８図のＥＯはイオンの平均エネルギー
）、高い分解能が得られないという課題がある。

また、第２の従来例においてはエミッタ（多孔質チップ
１０６）先端部の直径は１０００〜２０００オングスト
ローム程度とされるため、必要とされる分解能を得るこ
とができるが、水蒸気等の活性ガスが存在すると比較的
低い電界強度でもエミッタの蒸発が起り、エミッタが侵
食されるという課題がある。

また、引出し電界が同じである時エミッタの温度が低け
れば低い程、取り出せるイオン電流が多くなる。ところ
が第２の従来例における冷却槽９はガスの冷却を目的と
するものであり、多孔質チップ１０６（エミッタ）の冷
却は十分に行われない。

従って、この点においても改普の余地が残されていた。

本発明は上述の点に鑑みてなされたものであり、微細パ
ターンの描画、イオン注入等の用途に適した分解能（解
像度）の高い電界電離型イオン源であって、しかもエミ
ッタの侵食を防止し得るガスイオン源及び高解像度のパ
ターン描画、イオン注入等を長期間安定して行うことが
できるイオンビーム加工装置を提供することを目的とす
る。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため本発明は、ガスが導入され、エ
ミッタと引出し電極との間に所定の電圧を印加すること
により前記ガスをイオン化するガスイオン源において、
ｍノ記エミッタは前記ガスが導入される側が引出し電極
側より広く開口した金属電極より成り、該金属電極を取
り付けた絶縁体と、該絶縁体を介して前記金属電極を冷
却する冷却手段とを設けるようにしたものである。

また、前記エミッタは前記絶縁体のガス導入側に位置し
、引出し電極側の開口部の直径が前記絶縁体の開口部の
直径以上とすることが望ましい。

更に本発明は上記目的を達成するため、イオンビーム源
を備え、該イオンビーム源から射出されるイオンビーム
を被加工物に照射することにより被加工物の加工を行う
イオンビーム加工装置において、前記イオンビーム源は
ガスが導入され、エミッタと引出し電極との間に所定の
電圧を印加することにより前記ガスをイオン化するガス
イオン源であって、前記エミッタは前記ガスが導入され
る側が引出し電極側より広く開口した金属電極より成り
、該金属電極を取り付けた絶縁体と、該絶縁体を介して
が１記金属電極を冷却する冷却手段とを備えたガスイオ
ン源としたものである。

（作用） エミッタの冷却が効果的に行われ、エネルギーのばらつ
きの小さいイオンが得られる。また、エミッタの引出し
電極側の開口部の直径を所定値以下とすることにより、
イオンのエネルギーのばらつきが更に小さくなる。また
、エミッタを絶縁体のガス導入側に設け、引出しｍｍの
開口部の直径を絶縁体の開口部の直径以上とすることに
より、エミッタが強電界中に露出されなくなり、エミッ
タが水蒸気などの活性ガスの影響を受けなくなる。

（実施例） 以下本発明の実施例を添付図面に基づいて詳述する。

第１図は本発明の第１の実施例に係るガスイオン源の模
式図であり、同図中１は円筒状の筐体である。筐体ｌは
冷媒（例えば液体窒素、液体ヘリウム等）を貯蔵する冷
却槽２を画成し、該冷却槽２には槽内の冷媒を循環させ
るために注入口２ａ及び排出口２ｂが設けられている。

筺体ｌの上部開口部にはガス導入管３が嵌押された遮蔽
部材４が螺合されている。また開口部７ａを有する絶縁
体７が冷却槽２の下部と密着して設けられ、冷却槽２の
Ｊｉ！！２ｃとともにガス導入室５を画成する。

絶縁体７としては、熱導伝性のよい酸化アルミニウム（
ｌｌｚ（ｈ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）　、窒化アルミ
ニウム（八〇Ｎ）、サファイア等を用いる。これら以外
でも例えばポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテ
ルエーテルケトン、ポリエーテルサルファイド等の合成
樹脂を用いてもよい、また絶縁体７の開口部７ａの直径
は所定値（例えば１．０００オングストローム）以下と
する。

絶縁体７のガス導入室５側に、エミッタとしての金属の
電極６（例えばタングステン（Ｗ）、イリジウム（Ｉｒ
）等の電極）が設けられており、該金属電極６は絶縁体
７の開口部７ａに対応して開口部６ａを有する。この開
口部６ａの直径は、第２図（ａ）に示すように絶縁体７
の開口部７ａの直径と等しいか又は該直径より大となる
ように形成される。絶縁体７の下方には、前記開口部７
ａと対向する位置に直径１〜２ＩＩＴＩＩ程度の孔８ａ
を有する引出し電極８が、絶縁体７と数關程度以下の間
隔をあけて設けられている。

筐体１の下方は、例えば後述のイオンビーム加工装置等
の真空チェンバに直結され、１０−〇〜１０−”　［Ｔ
ｏｒｒ］程度まで排気される。

前記金属電極６と引出し電極８との間に金属電極６側を
正電位とする電圧（例えば数１０ＫＶ程度）を印加する
ことにより、ガス導入管３を介してガス導入室５内に導
入されるガス（例えばアルゴン、ヘリウム等）が金属電
極６の開口部６ａ近傍でイオン化して正電荷のイオンと
なり、引出し電極８の孔８ａを介して第１図の下方へイ
オンビームとして出力される。

絶縁体７及び金属電極６の開口部７ａ、６ａはｔ、ｏｏ
ｏオングストローム程度以下とされ、且つ金属電極６は
絶縁体７を介して冷却槽２内の冷媒により効果的に冷却
されるので、イオンのエネルギーのばらつきが少ない、
即ち、分解能の高いイオンビームを得ることができる。

また、金属電極６の開口部６ａの直径を絶縁体７の開口
部７ａの直径以上としているので、金属電極６が強電界
中に露出されず、水蒸気などの活性ガスが存在しても、
スパッタ、吸着による電極の侵食がなく、また異常な放
電を生ずることもない。

また、第２図（ｂ）に示すように金属電極６の開口部６
ａの開口端６ｂが絶縁体７の引出し電極８側の端面７ｂ
と而−か又は端面７ｂよりガス導入側に上がった状態で
あることも望ましく、前記電極の侵食及び放電を生ずる
こともない。

また、第１図、第２図において、金属電極６を、円錐状
に図示しているが、必ずしも円錐状の連続・体でなくて
も、いくつかのセグメントに分割されていてもよい。

第３図は本発明の第２の実施例に係るガスイオン源の模
式図であり、このガスイオン源は第１図に示すものと略
同様に構成されるが、以下の点のみ異なる。即ち、ガス
導入室５は冷却槽２の壁２ｃによって画成され、該壁２
Ｃに密着して絶縁体７が設けられている。これにより絶
縁体７及び金属［ｔ１６をより効果的に冷却することが
できる。

第４図は１，０００オングストロ一ム程度の開口部６ａ
を有する金属電極６の製造方法の一例を示す図である。

水酸化ナトリウム（ＮａＯＩＩ）水溶液ｌＯの中に、ス
パッタリング又は蒸着により金属膜部６′が形成された
絶縁体７′を侵し、金属膜部６′と水酸化ナトリウム水
溶液１０との間に数Ｖ〜数１０Ｖの電圧をかけることに
より、金属膜部６′の表面が電解研磨される。これによ
り、前述の金属型ｔ１６を得ることができる。

また、半導体パターンエツチングのように第４図に示し
た絶縁体７′と金属膜部６′を用い、金属膜部６′をシ
ャドウマスク等を用いて選択的に繰り返しエツチングし
て作ってもよい。

更にＳｉウェハのような基板にＳｉと異なる導電物イオ
ンを打込み、母材と異なる部分を形成し、この部分を選
択的にエツチングして作ってもよい。

更にまた、Ｓｉウェハのような基板に、１，０００オー
ムストロングより大きい貫通穴をビーム加工により形成
し、この穴を酸化させ、縮少させた後、この穴に導電物
質をスパッタ等でちりつけてもよい。

第５図は前述したガスイオン源を用いたイオンビーム加
工装置の概略構成図である。同図中１１は前述のガスイ
オン源であり、イオンビーム３２を出力する。ガスイオ
ン源１１の下方にはブランカ１２、アインツエルレンズ
１３、偏向器１４、及びファラデイーカップ１５がこの
順序で配されている。イオンビーム３２は、ブランカ１
２、アインツエルレンズ１３、及び偏向器１４を介して
ＸＹステージ１７上の試料（被加工物、例えばシリコン
ウェハ）１６に照射され、該試料１６の加工を行う。尚
、ファラデイーカップ１５は加工を行う前にイオンビー
ムの強度（？！流値）を確認するための進退可能な検出
器であり、加工中は、図示した位置ではなく、イオンビ
ーム３２に影響を与えない場所に位置する。

ブランカ１２は一種の偏向器であり、必要に応じてイオ
ンビーム３２を偏向させ、イオンビーム３２がアインツ
エルレンズ１３を通過しないようにして、イオンビーム
３２のオン（試料１６への照射）、オフ（遮断）を行う
。アインツエルレンズ１３は、３つの７１１１１で構成
される静電レンズであり、最上段の電極と最下段の電極
とは零電位とされ、中段の電極を正電位とすることによ
ってイオンビーム３２を集束させ、いわゆるオブジェク
トアパーチャと同等の機能を有する。偏向器１４は、第
１の電極１４ａと第２の電極１４ｂとにより構成され、
試料１６上のビーム結像位置を調整するために使用され
る。

ＸＹステージ１７は、ステージ駆動用モータ２３により
、互いに直交するＸ軸とＹ軸の方向に移動可能なテーブ
ルであり、試料１６を所定の照射位置に移動させる。こ
のＸＹステージ１７上には側長用ミラー１８が設けられ
、該測長用ミラー１８とレーザ測長器２２とによりＸＹ
ステージ１７の位置が高精度に測定される。

上述した各構成要素のうち１１−１８は、真空チェンバ
１９内に収容され、該真空チェンバ１９は排気装置２０
により所定圧力（例えば１０−”〜１０−’　［Ｔｏｒ
ｒｌ　）まで排気される。

ガスイオン源１１及びファラデイーカップ１５は、ガス
イオン源コントローラ２４に接続されており、該ガスイ
オン源コントローラ２４はガスイオン源１１のガス圧の
検出及び制御、エミッタと引出し電極間の電圧制御、エ
ミッタの温度検出、冷却槽の冷媒供給制御、及びファラ
デイーカップ１５によるイオン電流検出を行う。

ブランカＩ２、アインツエルレンズ１３、偏向器１４、
及び排気装置２０には、ブランカコントローラ２５、ア
インツエルレンズ電圧コントローラ２６、ビーム偏向コ
ントローラ２７、及び排気コントローラ２８がそれぞれ
接続されており、これらのコントローラ２５〜２８は、
ブランカＩ２、アインツエルレンズ１３、偏向器１４、
及び排気装置２０をそれぞれ制御する。

前記レーザ測長器２２及びステージ駆動用モータ１５は
、ステージ駆動装置２１に接続されておりステージ駆動
装置２１により、ＸＹステージ１７の位置の検出及び駆
動が行われる。

前記各コントローラ２４〜２８及びステージ駆動装置２
１は、ＣＰＵインタフェース制御回路２９を介して制御
用計算機３０に接続されており、該制御用計算機３０に
より加工装置全体の作動が制御される。制御用計算機３
０には入出力装置３１が接続され、照射位置データ、バ
イアス電圧等の制御データが入力される。

ガスイオン源ｌｌによれば、長期間安定に分解能の高い
（色収差の少ない）イオンビームが得られるので、上述
の加工装置により高解像度のパターン描画やイオン注入
等を長期に亘って安定して行うことができる。

（発明の効果） 以上詳述したように、本発明の請求項１のガスイオン源
によれば、エミッタ（金属電極）の冷却が効果的に行わ
れ、分解能の高いイオンビームを得ることができる。

また請求項２のガスイオン源によれば、エミッタが強電
界中に請出されないので水蒸気などの活性ガスが存在し
てもスパッタ、吸着によってエミッタが侵食されること
を防止することができる。

その結果、長期間に亘って安定したイオンビームを得る
ことができる。

また請求項３のイオンビーム加工装置によれば、高解像
度のパターン描画やイオン注入等の加工を長期に亘って
安定して行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例に係るガスイオン源の模
式図、第２図は第１図のガスイオン源の一部を拡大して
示す図、第３図は本発明の第２の実施例に係るガスイオ
ン源の模式図、第４図はエミッタ（金属電極）の製造方
法を説明する図、第５図はガスイオン源を用いたイオン
ビーム加工装置の概略構成図、第６図は第１の従来例に
係るガスイオン源の模式図、第７図は第２の従来例に係
るガスイオン源の模式図、第８図はイオンのエネルギー
分布を示す図である。 １・・・筐体、２・・・冷却槽、３・・・ガス導入管、
５・・・ガス導入室、６・・・金属電極（エミッタ）、
７・・・絶縁体、８・・・引出し電極。 漉３図 稟４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ガスが導入され、エミッタと引出し電極との間に所
   定の電圧を印加することにより前記ガスをイオン化する
   ガスイオン源において、前記エミッタは前記ガスが導入
   される側が引出し電極側より広く開口した金属電極より
   成り、該金属電極を取り付けた絶縁体と、該絶縁体を介
   して前記金属電極を冷却する冷却手段とを設けたことを
   特徴とするガスイオン源。 ２、前記エミッタは前記絶縁体のガス導入側に位置し、
   引出し電極側の開口部の直径が前記絶縁体の開口部の直
   径以上であることを特徴とする請求項１記載のガスイオ
   ン源。 ３、イオンビーム源を備え、該イオンビーム源から射出
   されるイオンビームを被加工物に照射することにより被
   加工物の加工を行うイオンビーム加工装置において、前
   記イオンビーム源はガスが導入され、エミッタと引出し
   電極との間に所定の電圧を印加することにより前記ガス
   をイオン化するガスイオン源であって、前記エミッタは
   前記ガスが導入される側が引出し電極側より広く開口し
   た金属電極より成り、該金属電極を取り付けた絶縁体と
   、該絶縁体を介して前記金属電極を冷却する冷却手段と
   を備えたガスイオン源であることを特徴とするイオンビ
   ーム加工装置。