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イオンミリングとは
Apr 19, 2018

イオンミリングは何ですか?


イオンミリングは、物質を所望の深さまたは下地層に除去するために、不活性ガス(典型的にはAr)のイオンをワイドビームイオン源から基板(またはコーティングされた基板)の表面に加速させる物理的エッチング技術である。 これは、「原子サンドブラスト」、またはより正確には「イオンサンドブラスト」として容易に視覚化される。

プロセス圧力範囲

真空レベルは、典型的には、平均自由行程(MFP)がイオン源と基板との間の距離よりも長い10 -4 Torr範囲の下端にある。 MFPは、原子、イオンまたは分子が別の粒子と衝突してその方向をある程度乱す前に、真空チャンバ内を移動することができる平均距離である。 この圧力範囲は、典型的なワイドビームイオン源(1×10 -4 Torrから5×10 -4 Torr)の狭い動作圧力範囲にも等しい。 この範囲未満では、イオンビーム源はプラズマ(イオン源)を維持することができない。

エネルギー移動

イオンによる基板の連続衝撃は、運動エネルギーの熱エネルギーへの変換とその後の基板の加熱をもたらす。 基板冷却は、損傷を防ぐためにしばしば必要となります。 入射イオンからの運動エネルギーの一部は、基板最上層の原子/原子クラスター/分子/二次イオンが表面から追い出される結果となる。 基板を加熱するか、プロセス自体のために真空中で加熱すると、実際に基板の加熱が表面粒子にエネルギーを加えて、より少ない入射運動エネルギーでそれらを放出させることができるので、エッチング速度を加速することができる。 これは、暴走状態であるため、望ましくないこともあります。

インシデントビームアングル

30°から60°の入射ビーム角は、垂直入射に対してエッチング速度を著しく増加させる。 マテリアルに応じて、レートの強化は最大50%まで可能です。

シムズエンドポイント検出

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基板表面上の材料層から来る二次イオンは、その場で分析して、特定の下地層への到達を決定することができる。 この「エンドポイント」検出技術は、SIMS(二次イオン質量分析)と呼ばれている。


検出器は基板表面の近くに取り付けられ、これらの荷電粒子が表面からエッチングされ、それらの相対強度を決定する際に受け入れる。 例えば、Siウェーハを100nmのSiO 2で被覆し、次に100nmのCuで被覆する。

Cuの頂部は、Cuドットのアレイを残すように設計されたフォトレジストマスクでパターン化される。 イオンミリングが始まると、二次CuイオンがSIMS検出器によって有意な強度を有するものとして検出される。 ミリングプロセスがCu最上層を貫通してSiO2に突き抜け始めると、Cuの強度が減少し始め、SiO2の存在が最初に検出され、次いで実質的に増加し始める。 最終的に、Cuの強度は最小であり、SiO 2の強度は重要である。 「エンドポイント」は、所望の構造に依存すべきである。 Cuドットアレイの場合、典型的には、Cuが最小に達し、Cuドットの側面のみがCu強度カウントに寄与していることを示すものではなくなる。

ワイドビームイオン源


グリッド化DCイオン源

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これらのソースは、基本的にオープンエンドの共通の2つのネストされたシリンダです。 閉鎖端では、プロセスガス(Ar)は、熱電子放出によって電子を生成するフィラメントの近傍に導入される。 これらの電子は、Arガス原子の一部をイオン化する。

シリンダーの開放端には、注意深く整列した補完的な電気的に絶縁されたグリッド(典型的にはMo、Wまたはグラファイト)が取り付けられている。 イオンは浮遊した内側の「スクリーングリッド」に引き付けられ、小さな陰性ポテンシャル、すなわち同じプラズマ電位が発生する。 スクリーングリッドに到着すると、いくつかのイオンがスクリーングリッドの穴を通過/通過します。 これらのイオンがスクリーングリッドを通過するとすぐに、それらは、高い正の電位にある外側の「加速器」グリッドの整列した穴を直ちに通過し、それにより高エネルギー(例えば600eV)でそれらを加速させる。


典型的には、内側シリンダ(陽極)はスパッタリングを防止するためにある程度より低い正の電位にあり、一方、マルチパルス磁石アレイはイオン化効率を高めるために使用される。


イオンは基板の方向に加速されるので、イオンは主に陽イオンであるので、互いに反発している。 その結果、ビームは光源から遠ざかるにつれて発散する。 ビームエネルギーが低いほど発散角は大きくなり、逆も同様である。 中和フィラメントを用いてビームに等しい数の電子を加え、発散を最小限にし、基板の帯電を防止する。 フラットグリッドを有する光源からの典型的な中和ビームは、約6°〜約70°の発散角を有する。 凹面格子を使用して、この発散を補償したり、ビームを集束させたりすることができます。 あるいは、より広い領域にわたって均一性を改善するために、より広い発散角を有するビームを生成するために凸型グリッドを使用することができる


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