CN101548366A - 利用气体团簇离子束的固体表面平坦化方法及固体表面平坦化设备 - Google Patents
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Abstract
通过用气体团簇离子束照射，存在于固体表面上的约几十纳米(10nm)到几百微米(100μm)的圆的表面粗糙被降低。提供了一种固体表面平坦化方法，固体表面的法线与气体团簇离子束之间的角度被称为照射角度，并且固体与碰撞该固体的团簇之间的相互作用距离变为显著增加时的照射角度被称为临界角度。固体表面平坦化方法包括以不小于临界角度的照射角度的气体团簇离子束照射固体表面的照射步骤。该临界角度为70°。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用气体团簇离子束照射的固体表面平坦化方法以及固体表面平坦化设备。
背景技术
在半导体器件、电子器件以及诸如光子晶体的光学器件中，通过处理半导体晶片表面等制造多层薄膜结构及亚微米级(范围大致从0.1μm到小于1μm)精细图案结构。在半导体量子器件中，例如，被称为量子点和量子线的纳米级的超微粒子和细线制造并布置在基板表面上。这些器件中的微细结构(薄膜结构、图案结构及通过布置超微粒子形成的凹凸结构)的尺寸和表面粗糙度是决定器件性能的重要因素。因此，在形成微细结构的过程中要求高的制造精度。
微细结构的精度取决于膜形成工艺、蚀刻工艺等中采用的制造技术的精度。然而，不容易形成制造精度达到几纳米的微细结构。通过膜形成工艺、蚀刻工艺等形成的器件通常通过在晶片表面上制造大量芯片而形成，并且难以制造遍及晶片表面的均匀的微细结构。为了解决这些问题，对已制造的微细结构实施作为后处理的一种提高结构精度的工艺(诸如表面平坦化工艺)。
这种表面平坦化技术的一实例是通过气体团簇离子束照射(gas clusterion beam irradiation)来平坦化图案结构的侧壁等的技术，该技术在国际公开No.WO2005/031838(专利文献1)中公开。
发明内容
气体团簇离子束与单体离子束不同，已知气体团簇离子束具有沿平行于基板的方向的大的溅射分量。这种现象被称为横向溅射效应。在基板表面的被气体团簇离子束照射的照射区域上，照射显著地引起原子的横向移动，这种原子在横向方向移动的现象使表面平坦化。据报道：与倾斜照射相比，基于横向溅射效应的表面平坦化更可能以垂直照射发生(参考文献1)。垂直照射表示以与表面法线成约0度的照射角度照射基板表面。符号＂°＂用于表示角度。
(参考文献1)N.Toyoda et al.，Nucl.Instr.and Meth.In Phys.Res.B161-163(2000)980.
常规商用气体团簇离子束设备发出毫米级(束宽度)的束。另一方面，基于单个团簇的横向溅射效应的平坦化作用达到的范围为约10纳米，估计等于当单个团簇与表面碰撞时形成的凹坑的尺寸。
常规地，可以通过利用束照射降低具有10纳米级或者以下的间隔的表面粗糙度，且可以通过束扫描降低具有毫米级或者以上的间隔的表面粗糙度。而在中间范围，不能降低具有几十纳米到约一百微米的间隔的表面粗糙度。
以上专利文献1中公开的技术基于这样的认知：与近似垂直照射相比，固体表面通过与固体表面法线的角度为60°到90°的气体团簇离子束照射而被显著平坦化。该技术用于平坦化图案结构的侧壁。
这个技术可以使具有纳米级短间隔的不平坦(表面粗糙)的固体表面平坦化。还不清楚是否可以平坦化具有较长(几十纳米到约一百微米)间隔的不平坦(表面粗糙)。
因此，由于上述问题，本发明的目标是提供一种固体表面平坦化方法，其利用气体团簇离子束照射来降低固体表面上具有几十纳米到约一百微米间隔的表面粗糙，并且提供用于固体表面平坦化方法的设备。
为了解决上述问题，根据本发明的利用气体团簇离子束的固体表面平坦化方法包括以不小于临界角度的照射角度将气体团簇离子束导向到固体表面上的照射步骤，其中固体表面的法线与气体团簇离子束之间形成的角度被称为照射角度，固体与碰撞固体的团簇之间的相互作用距离(有效相互作用距离)显著增加时的照射角度被称为临界角度。
因为照射角度大于或者等于临界角度，所以与照射角度小于临界角度时相比，有效相互作用距离变得大得多。团簇与固体之间宽的相互作用范围使得固体表面平坦化。
临界角度为70°。
根据从实验获得的知识确定这个角度。
照射步骤可以包括在不小于临界角度的范围内连续改变照射角度的同时导向气体团簇离子束的过程；在连续改变气体团簇离子束剂量的同时导向气体团簇离子束的过程；或者通过结合这两个过程导向气体团簇离子束的过程。
利用这样的气体团簇离子束照射，根据表面粗糙度来平坦化固体表面。
照射步骤可以包括导向具有参照数据库而确定的剂量的气体团簇离子束的过程，该数据库允许至少根据期望的蚀刻量和照射角度来确定剂量。
通过导向参照该数据库确定的剂量的气体团簇离子束，会易于提供依赖于照射角度的期望的蚀刻。
为了解决上述问题，根据本发明的固体表面平坦化设备包括气体团簇离子束发射装置，用于将气体团簇离子束发射到固体表面上；以及照射角度设定装置，用于将照射角度设定为临界角度或者更大的角度，其中固体表面的法线与气体团簇离子束之间形成的角度被称为照射角度，固体与碰撞该固体的团簇之间的相互作用距离(有效相互作用距离)显著增加时的照射角度被称为临界角度。
在根据本发明的固体表面平坦化设备中，照射角度设定装置可以构造为在不小于临界角度的范围内连续改变照射角度。
固体表面平坦化设备可以构造为包括数据库，该数据库允许至少根据期望的蚀刻量和照射角度来确定剂量，并且气体团簇离子束发射装置发射某一剂量的气体团簇离子束，该剂量根据期望的蚀刻量和由照射角度设定装置指定的照射角度参考数据库而确定。
附图说明
图1示出以70°的照射角度经受SF6(六氟化硫)GCIB倾斜照射的硅基板由原子力显微镜(AFM)得到的表面图像；
图2是示出有效相互作用距离对GCIB照射角度的依赖程度的图表(纵轴表示有效相互作用距离，横轴代表GCIB照射角度)；
图3是示出定义照射角度和照射倾角的示意图；
图4是示出线-间隔图案的节距与以83°的照射角度进行GCIB照射之后的表面粗糙度之间的关系的示意图；
图5是示出根据本发明实施例的固体表面平坦化设备100的结构的示意图；
图6A是示出固体表面平坦化设备100的第一旋转机构的侧视图；
图6B是示出固体表面平坦化设备100的第一旋转机构、第二旋转机构及扫描机构的顶视图；
图7是示出第一实例中使平坦化目标面平坦的步骤的流程图。
图8A是示出第一实例中GCIB照射前利用原子力显微镜(AFM)观测得到的样品表面的图像；
图8B是示出沿图8A中的白线截取的截面中的不平坦形状的图；
图9是示出在第一实例和第二实例中SF6(六氟化硫)GCIB照射之前和之后，通过对平坦化目标面的不平坦形状进行傅立叶变换而获得的谱线特征的图；
图10是示出第一实例中对平坦化目标面进行50nm蚀刻所需的SF6(六氟化硫)GCIB照射剂量(依赖于照射角度)的图表；
图11A示出在第一实例中进行SF6(六氟化硫)GCIB照射后利用原子力显微镜(AFM)观测得到的样品表面的图像；
图11B是示出沿图11A中的白线截取的截面中的不平坦形状的图；
图12是示出在第一实例中SF6(六氟化硫)GCIB照射相对于平坦化目标面的照射角度与表面粗糙度之间的关系的图表；
图13A示出在第二实例中进行SF6(六氟化硫)GCIB照射后利用原子力显微镜(AFM)观测得到的样品表面的图像；
图13B是示出沿图13A中的白线截取的截面中的不平坦形状的图；
图14是示出在第三实例中对平坦化目标面进行50nm蚀刻所需的Ar(氩)GCIB照射剂量(依赖于照射角度)的图表；
图15是示出在第三实例中Ar(氩)GCIB照射相对于平坦化目标面的照射角度与表面粗糙度之间的关系的图表；
图16是示出第四实例中用于使平坦化目标面平坦的步骤的流程图；
图17A是示出具有形成在硅晶片表面上的线-间隔图案结构的芯片的示意图；
图17B是GCIB照射前线宽分布的轮廓图(数字表示以微米为单位的线宽)；以及
图17C是GCIB照射后线宽分布的轮廓图(数字表示以微米为单位的线宽)。
具体实施方式
对实施例进行描述之前，将概述本发明所采用的平坦化原理。
本发明的发明人通过实验发现：当要被平坦化处理的固体表面，也就是，平坦化目标面，被气体团簇离子束(GCIB)以某角度碰撞时，固体和团簇之间的相互作用距离延伸到几十纳米至几微米。下面将详细描述倾斜照射的照射角度。基于这个发现，可以降低具有几十纳米到约一百微米间隔的微细结构的表面粗糙度。与十纳米量级的短间隔相比，几十纳米到约一百微米的间隔被称为长间隔。
将首先描述范围为几十纳米到几微米的长相互作用距离以及相互作用的机制。
图1示出以70°的照射角度经受SF6(六氟化硫)GCIB倾斜照射的硅基板由原子力显微镜(AFM)得到的表面图像。图1中的箭头表示垂直投影到硅基板表面上的GCIB照射方向。图1中，照射角度被定义为硅基板表面的法线与GCIB所成的角度。
如参考文献1所述，在经受60°或者更大照射角度的倾斜照射的硅基板表面上，观察到沿GCIB照射方向的具有尾巴的条状结构。详细观察发现这些条状结构是具有相同量级的长度和相同取向的许多条形的集合。如果这些条形通过每个团簇与固体表面之间的相互作用而形成，则预期这些条形的长度将代表由团簇给出的相互作用距离(有效相互作用距离)。
对AFM图像实施傅立叶变换以检查宽角度范围内的有效相互作用距离。在两个方向实施傅立叶变换：垂直投影到固体表面上的GCIB照射方向(投影照射方向)和固体表面上与该方向垂直的方向。结果在图2中示出。
从图2清晰所见，照射角度的增加使平行于投影照射方向的方向中的有效相互作用距离增加。当照射角度为70°或者更大时，该有效相互作用距离显著增加。当照射角度是80°时，有效相互作用距离扩大到1μm。当照射角度是80°或者更大时，因为表面平坦化效应不能清晰地看到条状结构，所以此数据在图2中未被示出。然而，预期有效相互作用距离将进一步随着照射角度的增加而增加。
在垂直于投影照射方向的方向中，20°到70°角度范围内的任何角的有效相互作用距离几乎一致。当照射角度在20°到70°角度范围之外时，距离可能略微降低。然而，在0°到90°的整个范围内，未观测到对照射角度的清晰的依赖关系。
这些观测结果表明：团簇和固体表面之间的相互作用仅在GCIB照射方向在长的范围内发生。
进行确认实验以证实照射角度为83°时是否有效相互作用距离实际延伸到微米级。在确认实验中，在硅基板的表面上制造具有不同图案间隔的多种线-间隔图案结构。这些结构被认为是人造表面粗糙，用来观测与GCIB的相互作用如何改变人造表面粗糙。这里，照射角度关于硅基板的表面法线是83°。基于图3中示出的角度定义，θ是7°，φ是90°。
将对图3中的照射角度等的定义进行描述。
在线-间隔图案结构中，将线(线-间隔图案结构中的凸部)的纵向方向作为x轴，线的深度方向作为z轴，与x轴和z轴正交的方向作为y轴。在线的侧壁(沿线深度方向的壁)上，照射角度θ是y轴(线的侧壁的法线)和GCIB所成的角度。照射角度θ是GCIB与垂直投影到线的侧壁上的GCIB照射方向所成的角度的余角。照射倾角φ是x轴和垂直投影到线的侧壁上的GCIB照射方向所成的角。
如果有效相互作用距离与线-间隔图案的节距相比非常小，则线-间隔图案结构将被蚀刻为与线-间隔图案几乎近似的图，结果不改变表面粗糙度。如果有效相互作用距离几乎等于或者大于线-间隔图案的节距，则线的蚀刻将影响相邻的间隔(线-间隔图案结构中的槽部)和相邻的线，并且该线被切割从而用切割部分填充间隔。结果，预期线-间隔图案结构形式将被平坦化，并降低表面粗糙度。
这里，线-间隔图案结构具有相同的1:1的线-间隔比，而不管线-间隔图案的节距。因此，GCIB照射前人造平均表面粗糙度，也就是，间隔的平均深度(或者线-间隔图案结构中的平均线高)固定为约15nm。
图4是示出确认实验的结果的图表。从图4清晰可见，当线-间隔图案的节距，也就是，相邻线之间的间隙小于约2μm时，GCIB照射后表面粗糙度明显减小。在图2中，该值大于照射角度为80°时的有效相互作用距离。预期该值将与83°照射角度θ的有效相互作用距离相当。
实验证明由倾斜照射引起的长距离的相互作用效应使具有长间隔的表面粗糙平坦化。
如以上所述，发现对平坦化目标面的倾斜GCIB照射显著增加有效相互作用距离到几十纳米至几微米，其中有效相互作用距离也就是物质横向的移动距离(在几乎平行于目标面的方向中)。基于下述机理，在固体表面状态与GCIB照射角度的某些结合下，物质的横向移动距离将不限于几微米并且可以进一步增加到一百微米。
这个发现表明可以降低具有几十纳米到一百微米的长间隔的表面粗糙度，之前这样的表面粗糙度难以减小。
对平坦化目标面的倾斜GCIB照射随着照射角度的增加而增加物质的横向移动距离的机理假设如下。
增加的照射角度θ减小团簇在垂直方向(几乎垂直于平坦化目标面的方向)的动能分量，而增加水平方向的动能分量。与固体的垂直原子密度相比，横向原子密度非常小，因为近似平行于固体表面的方向(横向方向)中的原子仅存在于表面的凸出部中。团簇以某角度进入固体的点与当团簇与原子(凸出部)碰撞时损失其能量的点之间的平均距离大于在垂直照射中的距离。
在表面上，与凸部碰撞的团簇有时切割凸部的顶部并且将切割部分推入附近的凹部中。阻碍横向移动的小密度的凸部使得要被横向溅射或移动的原子易于横向移动。
基于这些效应，考虑通过增加照射角度来增加单个团簇能够使固体表面上的物质横向移动的距离，也就是增加有效相互作用距离。
图2示出在平行于投影照射方向的方向中在特定照射角度θ时有效相互作用距离明显增加，该照射角度为70°。有效相互作用距离明显增加时的照射角度被称为临界角度。
考虑将照射角度θ为70°或者更大时提供的有效相互作用距离明显增加的这种机制与团簇与固体表面碰撞时的分解过程的联系。临界角度可以对应于从与固体表面碰撞的团簇分解的单独原子(或分子)变得易于弹回而不是进入固体时的角度。
如果照射角度θ超过临界角度，则形成碰撞固体表面的团簇的大多数原子在分解过程中将弹到固体表面上。随着照射角度θ增加，形成碰撞固体表面的团簇的原子(分子)沿平行于固体表面的方向弹起的数量也增加，从而大大增加了有效相互作用距离。因为考虑到临界角度由团簇的结合状态决定，所以预期具有分子键合的团簇的临界角度不依赖于诸如气体类型、加速电压以及电离条件的参数。
单体离子束的特征不包括上述长距离相互作用效果。
下面将描述本发明的实施例和实例。将参考图5对根据本发明用于实施固体表面平坦化方法的表面平坦化设备100的结构和功能进行描述。
GCIB发射装置构造如下。源气9利用喷嘴10注入到真空团簇发生腔室11中。源气9的气体分子聚集到一起在团簇发生腔室11中形成团簇。团簇的尺寸依赖于喷嘴出口10a处的气体压力和温度及基于喷嘴10的形状和尺寸的粒子尺寸分布。在团簇发生腔室11中产生的团簇通过撇渣器(skimmer)12并作为气体团簇束进入电离腔室13。在电离腔室13中，电离器14通过发射电子束诸如热电子电离中性团簇。电离的气体团簇束(GCIB)由加速电极15加速，由磁场会聚单元16会聚，进入溅射腔室17。目标19，也就是，将要暴露到GCIB的固体(诸如硅基板)，附着到溅射腔室17中提供的设置在目标支撑物18上的旋转盘41。进入溅射腔室17的GCIB被孔21缩小为具有预定束直径并被导向到目标19的表面上。如果目标19是绝缘体，则平坦化表面的GCIB被电子束中和。
固体表面平坦化设备100也设置有倾斜机构，作为照射角度方向设定装置，该倾斜机构能改变GCIB的照射角度(图3中的θ)和照射倾角(图3中的φ)。
在该实施例中，根据固体表面上的微细结构的形状数据，倾斜机构可以在等于或者大于临界角度的范围内连续改变照射角度。换言之，倾斜机构通过旋转机构实现，该旋转机构允许根据预先给定的固体表面上的微细结构的形状数据设定或者调整目标支撑物18的角度用于期望的平坦化。
根据平坦化目标面的形状数据(包括表面粗糙的间隔和取向)，照射角度θ和照射倾角φ必须彼此独立地指定。固体表面平坦化设备100可以指定照射角度θ、照射倾角φ和用于确定照射角度θ和照射倾角φ的参考面。
例如，固体表面平坦化设备100包括第一旋转机构和第二旋转机构，如图6A和6B所示。
第一旋转机构具有如下构造。目标支撑物18具有突出轴41a，旋转盘41安装到突出轴41a上从而绕突出轴41a的中心旋转。旋转盘41具有平板部41b，在平板部41b上附着有目标19。旋转盘41在其边缘41c中具有大量的齿，这些齿与齿轮43的齿咬合。齿轮43当由马达42驱动时旋转，并且该旋转被传送到旋转盘41从而旋转附着到旋转盘41的目标19。旋转盘41的旋转由照射倾角φ反映。
目标支撑物18设置有角探测单元(未示出)用于探测旋转盘41的旋转角，也就是，探测照射倾角φ作为数字值。由角探测单元探测的旋转角信息由电路单元25b处理，并且当前探测角(照射倾角)φc在显示单元26的当前角度区域26a中显示。
第二旋转机构具有如下构造。旋转轴21被固定到目标支撑物18，且目标支撑物18可以绕旋转轴21的中心旋转。旋转轴21被固定板22a和22b可旋转地支撑。旋转轴21也被固定到齿轮24b的旋转轴的中心，齿轮24b与齿轮24a咬合。齿轮24a当由马达23驱动时旋转，该旋转传送到齿轮24b和旋转轴21，随后旋转目标支撑物18。目标支撑物18的旋转由照射角度θ反映。
固定板22a设置有角度探测单元25a，用于从旋转轴21的旋转角探测目标支撑物18的角度作为数字值，也就是探测相对于附着到目标支撑物18的目标19的平坦化目标面的GCIB照射角度θ。由角度探测单元25a探测的旋转角信息通过电路单元25b处理，并且当前探测角度(照射角度)θc显示在显示单元26的当前角度区域26a中。
固体表面平坦化设备100也设置有扫描机构诸如XY台用于改变目标19相对于GCIB的相对位置。
假设固定板22a和22b固定到固定板支撑构件22c并且由固定板支撑构件22c支撑。固定板支撑构件22c和第一致动器22d通过第一杆22e连接。第一致动器22d可以推、拉第一杆22e，这种动作可以改变目标支撑物18的位置。在图6B中示出的固体表面平坦化设备100中，例如，第一致动器22d的移动可以沿图中的上、下方向改变目标支撑物18的位置。
第一致动器22d固定到第二杆22g并且由第二杆22g支撑，第一致动器22d通过第二杆22g连接到第二致动器22f。第二致动器22f可以推、拉第二杆22g，这种动作可以改变第一致动器22d的位置。因此，连接到第一致动器22d的目标支撑物18的位置可以通过第一杆22e等改变。第一杆22e可以移动的方向几乎与第二杆22g可以移动的方向正交。类似于XY台的扫描机构可以如上所述实现。在图6B中示出的固体表面平坦化设备100中，例如，第二致动器22f的移动可以沿图中的左、右方向改变目标支撑物18的位置。因此，通过与第一致动器22d结合，目标支撑物18可以在图中上下、左右地移动。
固体表面平坦化设备100还设置有数据库30，数据库30允许根据诸如期望的蚀刻量、目标19的材料和蚀刻速率以及GCIB的气体类型、加速能、照射角度θ和照射倾角φ的条件来确定剂量。
如果目标面上微细结构的形状数据和上述条件被预先给定，则可以参照数据库30确定期望的平坦化所需的剂量。如果照射角度大于0°，则束投影区域是大的，使得对于相同的GCIB电流而言有效剂量较小。
代替将有效剂量与诸如照射角度θ和照射倾角φ的条件的组合相联系，数据库30可以将该组合与根据GCIB电流和在垂直照射条件下的投影面积而计算得到的剂量相联系。
在图6B中示出的固体表面平坦化设备100中，设定单元(setup unit)27用于确定目标支撑物18的面作为参考面并且用于确定诸如目标面上微细结构的形状数据、期望的蚀刻量、目标19的材料及蚀刻速率、GCIB的气体类型、加速能、照射角度θp和照射倾角φp的条件。在显示单元26的参考面显示区域26b中，目标支撑物的面被显示，参考这个面的法线而确定的照射角度在设定角度区域26c中显示。
控制单元28通过驱动单元29驱动马达23和马达42以使当前照射角度θc和当前照射倾角φc分别与预定照射角度θp和照射倾角φp匹配。控制单元28也基于上述条件参考数据库30确定适当的剂量并控制GCIB发射装置来以预定的剂量进行GCIB照射。
控制单元28包括CPU(中央处理器)或者微处理器且通过执行控制固体表面平坦化工艺所需的程序控制上述操作，诸如显示数据和驱动马达。
根据本发明的固体表面平坦化设备不限于上述固体表面平坦化设备100中的结构和机构，并且在本发明的范围内可以添加修改。
例如，上述照射角度设定装置和其他装置可以添加到常规的GCIB修整(trimming)设备。在这样的结构中，当进行修整时，也进行表面平坦化(也可以跳过长间隔的表面粗糙的平坦化)，使得可以改善微细结构的制造精度。
现在将描述实例。
在下述实例中，采用Ar气体团簇和SF6气体团簇。当采用Ar气体团簇时，Ar气用作源。Ar气体团簇束被产生，该束的粒子尺寸分布具有每个团簇约2000个Ar原子的峰，并且该束在30kV的加速电压下被导向到目标19。当采用SF6气体团簇时，SF6气和He气用作源。产生SF6气体团簇离子束，该束的粒子尺寸分布具有每个团簇约500个SF6分子的峰，并且该束由30kV的加速电压加速并导向到目标19。
在下述方法中，在目标19上制造图案结构，其中目标19是硅基板。电子束抗蚀剂涂覆到具有热氧化膜的硅基板上，图案结构通过电子束曝光设备刻画在抗蚀剂上。抗蚀剂显影之后，抗蚀剂图案被用作掩模，通过反应离子蚀刻(RIE)设备蚀刻热氧化膜。然后去除抗蚀剂，通过利用热氧化膜作为硬掩模干法蚀刻硅。Ar离子铣削(milling)方法被用作干法蚀刻方法。为了制造垂直沟槽形状作为线-间隔图案结构，在蚀刻期间Ar离子照射角度被适当地改变。然后，通过灰化设备去除热氧化膜。
为了检测GCIB照射前和照射后的线的侧壁的形态，制备没有线-间隔图案结构的平坦硅基板作为观测样品。还制备通过溅射在硅基板上由Cr膜(具有300nm的膜厚)形成的观测样品作为非硅材料样品。观测样品被放置为使得其表面平行于线-间隔结构中线的侧壁，并且经受Ar离子铣削和GCIB照射。通过利用观测样品的表面，可以等价地评估线-间隔图案结构中线的侧壁。下述实例中线的侧壁的形态通过测量观测样品而获得。
在下述实例中GCIB的每个剂量是给定到固体表面平坦化设备100的输入值(0°照射角度时照射的转换剂量)。如果照射角度大于0°，则束投影区域增加，使得有效剂量小于给定到设备的输入值。
第一实例
根据图7的流程图示出的工序平坦化图案结构中的平坦化目标面。从不同的角度来看，目标面的平坦化就是目标面的蚀刻。在该实例中，图案结构的修整和目标面的平坦化通过蚀刻目标面实施。
现在将对这个工序进行描述。
步骤S1
在GCIB照射之前，通过原子力显微镜等观测目标19的图案结构(微细结构)，并且获得形状数据。
步骤S2
基于形状数据与期望值诸如图案宽度等之间的差异，计算形成期望尺寸的微细结构所需的蚀刻量。
步骤S3
目标19附着到固体表面平坦化设备100的目标支撑物18，并且目标支撑物18的角度被指定为照射角度θ和照射倾角φ。
为了降低(平坦化)目标面中具有长间隔的表面粗糙，如在本发明中所阐明的，照射角度θ应该大于70°。其他照射角度可以根据平坦化之外的目的而选择。可以根据应用而选择适当的照射角度。(可以将固体表面平坦化设备100用于具有长间隔的表面粗糙的平坦化之外的目的。)
步骤S4
指定条件，诸如期望的蚀刻量、目标19的材料和蚀刻速率、GCIB的气体类型、加速能、照射角度θ和照射倾角φ。基于这些条件参考数据库30确定剂量。
步骤S5
然后进行气体团簇离子束照射。
结果，目标19表面上的图案结构被修整并且目标表面被平坦化。
进行下面的具体过程。
在硅基板表面上制造线-间隔图案结构，该线-间隔图案结构的设计条件为每条线的宽度＝每个间隔的宽度＝1.0μm，且每个深度为1.0μm。
利用原子显微镜测量硅基板表面上线-间隔图案结构的线宽分布。该分布中半数(half-value)宽度在许可范围内，但是平均值是1.05μm，比设计值大50nm。
为了获得通过Ar离子铣削形成的线-间隔结构中线的侧壁的形态，利用原子力显微镜(AFM)对观测样品表面的不平坦形状进行观测。如图8A所示，观测样品表面中观测到的不平坦形状具有特征条形，该特征条形沿垂直于用箭头标记的Ar离子束的投影照射方向(线-间隔沟槽的深度方向)的方向延伸。以这样的方式利用AFM进行观测：条形在AFM框图中是斜的，使得不平坦间隔能被准确地测量。认为具有条形的不平坦形状是因为Ar离子铣削中Ar离子束以某角度被导向线的侧面而形成。由AFM图像获得的平均表面粗糙度Ra是2.90nm。在沿白线(图8A)剖取的截面中进一步详细观测该不平坦形状。不平坦形状具有相当长的间隔，并且具有长间隔的不平坦形状具有间隔较短的另一种不平坦形状(如图8B的椭圆框中所示)。为了详细分析不平坦形状的间隔，获得截面中不平坦形状的傅立叶变换(FFT)。结果显示：存在具有长间隔的不平坦形状，该长间隔具有1.2μm附近的峰；且存在具有大约一百纳米到几十纳米的短间隔的不平坦形状(图9)。
SF6气体团簇离子束以多个照射角度θ导向到具有上述不平坦形状的硅基板中线的侧壁，从而修整线宽。这里线的侧面是目标面。采用允许照射到线的侧面上的30°或者更大的照射角度。作为在每个照射角度θ使线宽的平均值接近1.00μm的设计值所需要的剂量，采用存储在数据库中图10所示的的数据(加速电压为30keV，团簇粒子尺寸分布具有每个团簇500粒子的峰)。照射倾角φ是90°，其垂直于条形的长间隔不平坦(起伏)。
修整后对线宽进行了测量，在任何照射角度θ，线宽平均值在1.00±0.01μm范围内。对θ＝83°时线之一的侧面的AFM图像(图11A)、沿白线剖取的截面中的不平坦形状的曲线图(图11B)以及FFT谱线(图9中φ＝90°的曲线)进行测量。测量显示在GCIB照射后具有接近1.2μm的长间隔的不平坦的谱强度与具有的较短间隔的不平坦的谱强度明显减小。图11A中的箭头表示SF6(六氟化硫)GCIB照射的投影照射方向。平均表面粗糙度为0.21nm，这个值低于GCIB照射前相应值的10％，表明获得了明显的平坦化效果。测量了平均表面粗糙度对照射角度的依赖。当照射角度θ为70°或者更小时，平均表面粗糙度明显降低(图12)。
第二实例
进行与第一实例相同的实验，除了照射倾角φ是0°之外。0°照射倾角φ的照射对应于与在线的侧面由Ar离子铣削形成的条形平行的方向的GCIB照射(见图3中的角度定义)。图13A示出以83°的照射角度θ进行GCIB照射后线的侧面的AFM图像。图13A中的箭头表示SF6(六氟化硫)GCIB照射的投影照射方向。该图显示SF6GCIB照射前发现的不平坦形状未被消除。对沿白线(图13A)剖取的截面中的不平坦形状进行详细观察，发现GCIB照射后位于长间隔不平坦形状上的短间隔不平坦形状消失了且留下了平滑曲线(如图13B的椭圆框中所示)。对FFT谱线的进一步分析显示大约几十纳米的短间隔的谱强度明显降低且具有接近1.2μm的长间隔的不平坦的谱强度未减小(图9中φ＝0°的曲线)。
第三实例
进行实验来检查另一种材料与气体团簇的结合是否可以看到在第一实施例中观测到的效果，Ar气体团簇离子束被导向到形成在硅基板上的Cr膜的观测样品。
采用与第一实例中蚀刻硅基板表面上线-间隔图案结构采用的相同的Ar离子铣削条件并且在Cr膜观测样品中观测到相同的条状结构。对于Cr膜观测样品，检测Ar气体团簇离子束的照射角度θ与平均表面粗糙度Ra之间的关系。根据存储在数据库中的对Cr膜进行50nm蚀刻所需的照射角度θ和剂量之间的关系(图14)确定照射剂量(加速能为30keV，团簇粒子尺寸分布具有每个团簇2000个粒子的峰)。图15示出实验结果，表示照射角度θ和平均表面粗糙度Ra之间的关系。当照射角度θ超过70°时，平均表面粗糙度明显降低。
第四实例
对硅晶片的固体表面平坦化进行描述，该硅晶片作为目标19且布置有形成在表面上的一维衍射光栅(线-间隔图案结构)的许多芯片。
根据图16示出的流程图所图解的工序进行平坦化。
步骤S1a
在GCIB照射前，通过原子力显微镜等观测硅晶片表面上所有区域(例如，在所有芯片区域)中的图案结构(微细结构)，获得形状数据。在硅晶片表面上的区域中绘制该形状数据从而产生数据地图。
步骤S2a
基于该数据地图与图案宽度期望值之间的差值等，计算每个区域中的照射角度、照射倾角以及蚀刻量从而提供期望尺寸的微细结构。为了通过扫描控制而在整个硅晶片表面进行表面平坦化，生成扫描程序以实施调制控制使得在每个区域中提供通过计算获得的照射角度、照射倾角以及蚀刻量。
步骤S3a
将硅晶片置于固体表面平坦化设备100的目标支撑物18上并被用作参考面。
步骤S4a
GCIB照射根据步骤S2a中指定的扫描程序中的程序进行。
硅晶片表面上的芯片被修整，并且每个芯片的目标面被平坦化。
将进行下面的具体过程。
大量一维衍射光栅(线-间隔图案结构)芯片布置在硅晶片的表面上(图17A)。该结构被设计为线宽和间隔宽度为0.29μm，沟槽宽度为700nm。单个芯片是25μm的四方形。检测硅晶片表面上的线宽分布。在硅晶片的中心处线宽为0.32μm，在硅晶片的边缘处线宽为0.35μm(图17B)。线宽分布从硅晶片的中心到其边缘单调增加。
为了获得硅晶片表面上不同位置处线-间隔图案结构中线的侧面形态，将观测样品提前放置在目标支撑物18上与硅晶片表面上的位置相对应的位置，并在相同的条件下进行Ar离子铣削。通过原子力显微镜对观测样品进行观测，观测到每个样品具有约1μm间隔的条状结构。条形的延伸方向和间隔从硅晶片的中心向其边缘连续改变。在硅晶片的中心，条形垂直于沟槽的深度方向(ω＝0°，也就是平行于图17A中的x轴)，且条形的间隔为约800nm。在最外围芯片中，条形在从x轴偏离5°的方向(图17A中ω＝5°的方向)延伸，其条形的间隔是1.1μm。认为这是由于Ar离子铣削中整个硅晶片表面上不均匀的Ar离子束照射引起的。
基于形状数据，生成程序并与目标硅晶片的扫描相结合来使SF6气体团簇束的照射角度θ和照射倾角φ在硅晶片中心处达到θ＝80°和φ＝90°，在硅晶片的边缘处达到θ＝83°和φ＝85°，并连续改变GCIB照射角度和GCIB照射倾角。为了使硅晶片的整个表面线宽达到设定值，需要将硅晶片中心处的线宽减小30nm以及将边缘处的线宽减小60nm。因此，SF6气体团簇离子束照射的所需剂量在中心处被设定为4.7*1014个离子/cm2，在边缘处被设定为9.4*1014个离子/cm2，设计程序与线宽分布的轮廓数据相联系来连续改变照射剂量。符号*表示相乘。
GCIB照射后，利用原子力显微镜观测整个硅晶片表面上衍射光栅芯片的形状。整个硅晶片表面上的芯片，除了硅晶片最外缘处一些，具有几乎相同的0.29μm的线宽，该线宽值几乎等于设计值(图17C)。SF6气体团簇离子束照射之前和之后线的侧面的平均表面粗糙度通过用原子力显微镜(AFM)观测观测样品来等效地评价。SF6气体团簇离子束照射之前线的侧面的平均表面粗糙度Ra根据硅晶片表面上的位置在1.9nm到3.1nm范围内改变。SF6气体团簇离子束照射之后在硅晶片表面上的任何位置处线的侧面的平均表面粗糙度Ra在0.32nm到0.38nm范围内。这证明表面粗糙度降低了。
上述实例示出以下事实。
第一实例表明当GCIB照射角度θ关于目标面法线为70°或者更大时，平坦化目标面的平均表面粗糙度明显减小。
结合第二实例考虑，表明平均表面粗糙度的明显降低是由具有约1μm长间隔的不平坦(起伏)的降低引起，并表明长间隔不平坦的降低效果(长距离相互作用效应)当照射角度为70°或者更大时非常大。也表明达到约100nm的不平坦的降低效果不取决于照射倾角，但是具有约1μm长间隔的起伏当起伏方向与照射倾角匹配时可以有效降低。
第三实例表明长距离相互作用效果不取决于固体材料与气体团簇的结合，并且表明可以在照射角度为70°或者更大时获得长距离相互作用效果。
在上述实例中，加速电压是30kV。随着加速电压的增加，蚀刻量增加，而平坦化时间减少。然而，这会增加表面粗糙度。因此，加速电压应该根据平坦化的要求诸如时间和材料来确定。设备条件，诸如气体类型、照射条件以及团簇尺寸，和参数不受限制并且可以适当地改变。
工业应用
根据本发明，可以通过降低具有长间隔(几十纳米到约100微米)的表面粗糙来改善微细结构诸如半导体器件的制造精度。除了改善微细结构诸如半导体器件和光学器件的制造精度之外，还可以改善诸如制作生成半导体器件和光学器件的管芯的三维结构的制造精度。
本发明的效果
根据本发明，通过将气体团簇离子束照射角度设定为临界角度或者更大，与小于临界角度的照射角度相比，有效相互作用距离明显增加。团簇和固体之间的宽的相互作用范围使得固体表面平坦化。因此，通过气体团簇离子束照射可以降低具有几十纳米到约一百微米的间隔的固体表面粗糙。
Claims (9)
1、一种利用气体团簇离子束的固体表面平坦化方法，其中所述固体表面的法线与所述气体团簇离子束之间形成的角度被称为照射角度，以及
所述固体与碰撞所述固体的所述团簇之间的相互作用距离明显增加时的照射角度被称为临界角度；
所述方法包括：
以不小于所述临界角度的照射角度将所述气体团簇离子束导向到所述固体表面的照射步骤。
2、如权利要求1所述的利用气体团簇离子束的固体表面平坦化方法，其中所述临界角度为70度。
3、如权利要求1或2所述的利用气体团簇离子束的固体表面平坦化方法，其中所述照射步骤包括：
在不小于所述临界角度的范围内改变所述照射角度的同时导向所述气体团簇离子束的过程。
4、如权利要求1至3的任一项所述的利用气体团簇离子束的固体表面平坦化方法，其中所述照射步骤包括：
在改变所述气体团簇离子束的剂量的同时导向所述气体团簇离子束的过程。
5、如权利要求1至4的任一项所述的利用气体团簇离子束的固体表面平坦化方法，其中所述照射步骤包括：
导向具有参照数据库而确定的剂量的所述气体团簇离子束的过程，所述数据库允许至少根据期望的蚀刻量和所述照射角度来确定剂量。
6、如权利要求1至5的任一项所述的利用气体团簇离子束的固体表面平坦化方法，其中如果条状不平坦图案重复地形成在所述固体表面上，所述照射步骤包括：
沿与所述不平坦图案重复形成的方向近似正交的方向导向所述气体团簇离子束的过程。
7、一种利用气体团簇离子束的固体表面平坦化设备，其中所述固体表面的法线与所述气体团簇离子束之间形成的角度被称为照射角度，以及
所述固体与碰撞所述固体的所述团簇之间的相互作用距离明显增加时的照射角度被称为临界角度；
所述固体表面平坦化设备包括：
气体团簇离子束发射装置，用于将所述气体团簇离子束发射到所述固体表面上；以及
照射角度设定装置，用于将所述照射角度设定为所述临界角度或者更大的角度。
8、如权利要求7所述的固体表面平坦化设备，其中所述照射角度设定装置用于在不小于所述临界角度的范围内改变所述照射角度。
9、如权利要求7或8所述的固体表面平坦化设备，还包括：
数据库，允许至少根据期望的蚀刻量和所述照射角度来确定剂量；
其中所述气体团簇离子束发射装置发射具有根据期望的蚀刻量和由所述照射角度设定装置指定的照射角度参照数据库而确定的剂量的所述气体团簇离子束。
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