CN101563759B - 利用气体团簇离子束的固体表面加工方法 - Google Patents

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Abstract

一种加工固体表面同时防止非平面结构的角落部分变形的方法。提供了一种用气体团簇离子束加工固体表面的方法，该方法包括：团簇保护层形成步骤，在固体表面上形成凹凸结构，该凹凸结构包括其顶部覆盖有团簇保护层的凸部和没有覆盖有团簇保护层的凹部；照射步骤，以气体团簇离子束照射具有在团簇保护层形成步骤中形成的非平面结构的固体表面；以及去除团簇保护层的去除步骤。团簇保护层的厚度T满足公式(I)的关系：
Figure D2007800406780A00011
其中n是气体团簇离子束的剂量，以及其中团簇保护层的蚀刻效率是指每个团簇的蚀刻体积Y(假定a和b为常数)。

Description

利用气体团簇离子束的固体表面加工方法
技术领域
本发明涉及一种用气体团簇离子束照射的固体表面加工方法。
背景技术
半导体器件、电子器件和光子晶体以及其它的光学器件通过在半导体晶片等的表面上形成亚微米(约0.1μm到1μm)精确图案结构来制造。在半导体量子器件中，测量为纳米级的超微粒子或线(它们也被称为量子点或量子线)的阵列形成在衬底的表面上。形成在这些器件上的凹凸结构(reliefstructure)(图案结构，由超精细粒子等的阵列形成的结构)的尺寸和表面粗糙度是影响器件性能的重要因素。因此，高精度对凹凸结构的形成是必须的。
凹凸结构的精度决定于膜形成工艺、蚀刻工艺和其它制造工艺的精度。形成具有达到几纳米的精度的凹凸结构是不容易的。通常，在通过膜形成工艺、蚀刻工艺等制造的这些器件中，大量芯片形成在半导体晶片的表面上。然而，难以在半导体晶片的整个表面上形成均一的凹凸结构。为解决这些问题，在形成凹凸结构之后进行提高该结构的精度的工艺(例如平坦化)。
在国际公开第WO2005/031838号(专利文献1)中公开的一种平坦化技术通过用气体团簇离子束照射图案结构等来使其侧壁平坦化。
发明内容
基于这样的知识即以相对于表面法线成60到90度(符号°将用于表示角度)的角度倾斜地发射到固体表面的气体团簇离子束比大致垂直的发射束更好地平坦化表面，专利文献1中公开的技术使用倾斜照射来平坦化凹凸结构的侧壁。以相对于固体表面法线约0°的照射角度进行基本垂直的照射。
尽管用气体团簇离子束照射的凹凸结构的侧壁被平坦化，但发现凹凸结构的角落部分受气体团簇离子束照射的影响而变形。
此发现表明发射到凹凸结构侧壁上的气体团簇离子束不能进行足够的表面加工以使暴露的表面平坦化，而保持其轮廓类似于凹凸结构的轮廓。
考虑到这些问题，本发明的目的是提供一种加工固体表面的方法，同时防止凹凸结构的角落部分变形。
为解决上述问题，根据本发明的用气体团簇离子束加工固体表面的方法包括：团簇保护层形成步骤，在固体表面上形成具有凸部和凹部的凹凸结构，凸部形成有团簇保护层以覆盖其上部，而凹部没有团簇保护层；照射步骤，将气体团簇离子束发射到固体表面，凹凸结构已在团簇保护层形成步骤中形成在固体表面上；以及去除团簇保护层的去除步骤。
简而言之，气体团簇离子束照射到具有凹凸结构的固体表面上，该凹凸结构具有形成在凸部的上部上的团簇保护层。
在此加工方法中，团簇保护层形成步骤可以包括：掩模工艺，形成团簇保护层以覆盖固体表面；和蚀刻工艺，蚀刻具有在掩模工艺中形成的团簇保护层的固体表面，从而形成具有到达固体的凹部和上部保留团簇保护层的凸部的凹凸结构。
优选地，团簇保护层的厚度T[cm]满足公式(r1)：
T > nY + ( b 2 Y 2 n - n Y 2 ( b 4 - 16 a 2 ) 1 2 2 ) 1 2 - - - ( r 1 )
其中n是气体团簇离子束的剂量[离子/cm2]；Y是团簇保护层的蚀刻效率，定为每个团簇的蚀刻体积[cm3/离子](a是nY2[cm4/离子]与在垂直于凸部或凹部所延伸方向的截面中团簇保护层被气体团簇离子束蚀刻的区域的面积S[cm2]的比例因子[离子/cm2]；b是Yn1/2[cm2·离子-1/2]与团簇保护层被气体团簇离子束蚀刻的区域的斜边的长度L[cm]之间的比例因子[离子1/2/cm-1])。
随后将描述如何得到公式(r1)。满足公式(r1)是能够防止凹凸结构的角落部分的形状发生变形的团簇保护层的厚度的必要充分条件。
具体地，如果使用Ar气体团簇离子束，优选地，团簇保护层的厚度T[cm]满足：
T＞nY+(1.54*1016*nY2)1/2。
如果使用SF6气体团簇离子束，优选地，团簇保护层的厚度T[cm]满足：
T＞nY+(1.23e*1015*nY2)1/2
在照射步骤中，气体团簇离子束可以交替且倾斜地发射到凹凸结构的相对的侧壁上，固体可以绕基本平行于形成有凹凸结构的固体表面的法线的轴 旋转同时用气体团簇离子束照射。
附图说明
图1A是示出凹凸结构的角落部分的变形的机理的视图；
图1B是凹凸结构的变形的角落的电子显微图；
图2是示出斜边的长度L、倾斜角度φ、变形深度d的定义的视图；
图3是示出团簇保护层如何防止凹凸结构的角落部分发生变形的视图；
图4A是示出当固体物质是硅且使用Ar气体团簇离子束时剂量n与变形角落部分的截面积S之间的关系的曲线图；
图4B是示出当固体物质是硅且使用Ar气体团簇离子束时剂量n与斜边的长度L之间的关系的曲线图；
图4C是示出当对多种固体物质(硅、二氧化硅和铬)使用Ar气体团簇离子束时斜边的长度L与蚀刻效率Y和n0.5的乘积之间的关系的曲线图；
图4D是示出当对多种固体物质(硅、二氧化硅和铬)使用Ar气体团簇离子束时变形角落部分的截面积S与蚀刻效率Y的平方与剂量n的乘积之间的关系的曲线图；
图5A是示出当固体物质是硅且使用SF6气体团簇离子束时剂量n与变形角落部分的截面积S之间的关系的曲线图；
图5B是示出当固体物质是硅且使用SF6气体团簇离子束时剂量n与斜边的长度L之间的关系的曲线图；
图5C是示出当对多种固体物质(硅、二氧化硅和铬)使用SF6气体团簇离子束时斜边的长度L与蚀刻效率Y和n0.5的乘积之间的关系的曲线图；
图5D是示出当对多种固体物质(硅、二氧化硅和铬)使用SF6气体团簇离子束时变形角落部分的截面积S与蚀刻效率Y的平方与剂量n的乘积之间的关系的曲线图；
图6是示出固体表面加工设备100的结构的视图；
图7A是示出固体表面加工设备100的第一旋转机构的侧视图；
图7B是示出固体表面加工设备100的第一旋转机构、第二旋转机构和扫描机构的平面图；
图8是示出第一示例中剂量n与团簇保护层的厚度T之间的关系的曲线图；
图9是示出凹凸结构的角落部分在它们用气体团簇离子束交替照射时被保护而不变形的视图(示例2)；以及
图10是示出当固体旋转同时它用气体团簇离子束照射时凹凸结构的角落部分被保护而不变形的视图(示例3)。
具体实施方式
在描述实施例之前，将概述本发明中固体表面加工的原理。
发明人进行了各种实验，发现物质的横向移动(lateral transfer)(其是气体团簇离子束(GCIB)特有的)与由发射到凹凸结构上的GCIB引起的凹凸结构的角落部分的变形密切相关。作为详细实验的结果，发明人已经首次成功定量明确了GCIB照射条件与角落部分的变形形状和变形量之间的关系，并明确了角落变形的机理。
凹凸结构在这里表示图案结构，例如形成在硅衬底、绝缘体上硅(SOI)等的固体表面上的从几纳米到亚微米的线-间隔(line-and-space)图案，以及升降(rise-and-fall)结构，例如包括超微粒子例如量子点的阵列的结构。
凹凸结构的角落部分是凹凸结构的侧壁的上部中的角落部分(作为从固体表面凸出的结构部分的凸部的壁或者作为固体表面中的凹陷结构部分的凹部的壁)。上部在这里是远离形成有凹凸结构的固体表面的一侧。
物质的横向移动是固体表面的GCIB照射区域中的原子沿基本平行于固体表面的方向的移动。此现象有助于基板表面的平坦化。
通过使用线-间隔图案结构作为凹凸结构的示例并参照线-间隔图案结构的截面图，将在下面描述凹凸结构的角落部分变形的机理。
如图1A所示，线-间隔图案结构900用GCIB照射。线-间隔图案结构900的线的侧壁903用GCIB倾斜地照射。气体团簇离子与线901的角落部分904a和904b碰撞，引起形成线901的角落部分904a和904b的物质横向地移动。横向移动由图1A中的右下图中的虚线箭头来表示。在线的侧壁903上朝着间隔902的底部横向移动的物质转移并沉积在线的侧壁903上并突出到间隔902中。
在倾斜照射中，面向入射的GCIB的线的侧壁A 903a继续用GCIB照射，沉积在线的侧壁A 903a上的物质801进一步横向移动。在几乎平行于线的侧壁A 903a的倾斜照射的条件下，沿GCIB照射方向的横向移动的量增加， 几乎不引起任何朝着线的侧壁A 903a的上部中的角落部分904a的横向移动。面对线的侧壁A 903a的相邻线的侧壁B 903b没有被GCIB照射，从而线的侧壁B 903b上的沉积的物质802并不朝着线的侧壁B 903b的上部中的角落部分横向移动。这使线901的角落部分904a和904b变形，形成相对于间隔902倾斜的倾斜部分(见图1A和1B；图1B是图1A中由虚线正方形所包括的部分的电子显微图)。
由GCIB照射引起的角落部分的变形的机理如上所述。角落部分还被近似垂直的照射变形(线的两个侧壁变得类似于线的侧壁B)。
随着每个团簇的物质的横向移动的量增大，每单位剂量形成的倾斜部分的倾斜角增大，使留在线的侧壁或间隔的底部的物质的量增大。线的面对入射的GCIB的侧壁A 903a比相邻线的面对线的侧壁A 903a的侧壁B 903b更多地暴露到GCIB。此差异使线的侧壁A 903a的上部中的倾斜角大于线的侧壁B 903b的上部中的倾斜角。留在线的侧壁A 903a上的物质801的一部分通过蚀刻去除而变得比物质802少。当从角落部分904a延伸到间隔902的物质移动到线的侧壁A 903a时，已经沉积的物质不太可能阻挡此移动。因此，物质向线的侧壁A 903a的移动在线的侧壁A 903a的上部中的角落部分904a处被促进，因此增大了倾斜角。
物质的横向移动的量与GCIB的剂量之间的关系以及物质的横向移动的量与物质的蚀刻效率的关系都还没有被明确。因此，进行了各种物质和团簇的组合的实验，并研究了这些关系。结果，获得了由下面公式(1)和(2)表示的关系(后面将给出描述)。乘号*可以在某些情况下省略。
S＝anY2                         (1)
L = bY n - - - ( 2 )
在由GCIB照射形成的倾斜部分中，φ是倾斜角，L是斜边的长度。倾斜角φ是在线的面对入射GCIB的侧壁A 903a的上部中形成的倾斜部分的倾斜角。角度的定义见图2。斜边的长度L是在线的面对入射GCIB的侧壁A903a的上部中形成的倾斜部分的斜边的长度(见图2)。剂量[离子/cm2]由n来表示，物质的蚀刻效率(每个团簇的蚀刻体积)[cm3/离子]由Y来表示。
比例因子a和b是由GCIB条件确定的常数。更具体地，a[离子/cm2(ions/cm2)]是nY2[cm4/离子(cm4/ion)]与变形角落部分的截面积S[cm2]之间的比例因子，b[离子1/2cm-1(ions1/2cm-1)]是Yn1/2[cm2·离子-1/2 (cm2·ions-1/2)]与斜边的长度L[cm]之间的比例因子。
变形角落部分的截面积S对应于在垂直于凸部或凹部延伸的方向的截面中被GCIB蚀刻最多的区域(角落部分，其为图2中的阴影部分)的面积。斜边的长度L对应于被气体团簇离子束蚀刻最多的区域的在垂直于凸部或凹部延伸的方向的截面中的斜边的长度。
公式(1)表明被每单位纵深的变形去除的角落部分的体积与蚀刻效率Y的平方和剂量n成比例。单位纵深是图1A中的x轴方向，并且是凸部或凹部延伸的方向。每单位纵深的体积对应于变形角落部分的截面积S。截面积S可以通过使用斜边的长度L、在膜厚方向(图1A中的z轴方向)变形的深度d以及倾斜角φ来表示，如公式(3)中：
S = d 2 L cos φ - - - ( 3 )
公式(2)表明斜边的长度L与蚀刻效率Y以及剂量n的平方根成比例。
沿膜厚方向变形的深度d可以由公式(4)(见图2)表示的关系来获得。
d＝Lsinφ                    (4)
基于这些公式，如果确定了要使用的GCIB的剂量n和在此照射条件下固体物质的蚀刻效率Y，可以预测线的侧壁A 903a的上部中的倾斜部分的倾斜角φ和变形的深度d。
如果由GCIB照射引起的角落部分的变形，特别是最大变形，只发生在由不同于固体550的材料的材料形成在线-间隔图案结构500中线501的顶表面上的层(称为团簇保护层570)，表面平坦化或其它的表面加工可以对线的侧壁503进行而不使线501的角落部分变形(见图3，特别是图3中右下图中由虚线圈处的部分)。当形成团簇保护层570时，可以根据公式(6)选择最优的厚度(此必要充分的厚度使得线501的角落部分将不会变形)。
公式(3)和(4)分别代入公式(1)和(2)；φ和L被消去；获得关于d的联立方程。通过求解联立方程，得到公式(5)：
d = ( b 2 Y 2 n - n Y 2 ( b 4 - 16 a 2 ) 1 2 2 ) 1 2 - - - ( 5 )
如果考虑蚀刻引起团簇保护层570的厚度的减小d0＝n*Y，团簇保护层570的厚度T[cm]应满足公式(6)：
T > nY + ( b 2 Y 2 n - n Y 2 ( b 4 - 16 a 2 ) 1 2 2 ) 1 2 - - - ( 6 )
将根据使用氩(Ar)气体团簇的实验的结果具体描述如何得到公式(1)和(2)。
线-间隔图案结构被制造在各种固体材料(硅(Si)、二氧化硅(SiO2)和铬(Cr))的表面上。在线-间隔图案结构中，线和间隔具有5μm的相等宽度。沟槽深度(线高度)，对于硅是1μm，对于二氧化硅是1μm，对于铬是300nm。线-间隔图案结构如下面所述地制造。后面将描述用于制造的设备。
在硅上的制造如下进行。硅衬底的表面被热氧化以在硅衬底的表面上形成氧化膜。氧化膜用电子束抗蚀剂涂布，刻画出线-间隔图案。在抗蚀剂显影之后，抗蚀剂图案用作掩模，蚀刻热氧化膜。在掩模去除之后，热氧化膜用作硬掩模，蚀刻硅。热氧化膜通过灰化去除，获得线-间隔图案结构。
在二氧化硅上的制造如下进行。硅衬底的表面被热氧化以在硅衬底的表面上形成氧化膜。热氧化膜(SiO2)用电子束抗蚀剂涂布，刻画出线-间隔图案。在抗蚀剂显影之后，抗蚀剂图案用作掩模，蚀刻热氧化膜。去除抗蚀剂，获得线-间隔图案结构。
在铬上的制造如下进行。硅衬底的表面用电子束抗蚀剂涂布，刻画出线-间隔图案。在抗蚀剂显影之后，通过溅射沉积铬膜。沉积的铬膜的厚度是300nm。去除抗蚀剂，留下没有抗蚀剂的部分上的铬膜(剥离方法)，获得线-间隔图案结构。
剂量n与截面积S之间的关系和剂量n与斜边的长度L之间的关系首先被确定。当观察剂量n和截面积S时，使用具有恒定蚀刻效率Y的Ar团簇离子束，这表明使用相同的材料(硅)。由此获得的关系表明剂量n的增大使截面积S线性地增大(图4A)。
斜边的长度L和剂量n在硅(Si)用作固体材料时观测，发现斜边的长度L近似与n0.5成比例(见图4B)。该关系表明物质的横向移动由随机移动(random walk)来控制。认为倾斜部分的斜边的长度L从以下事实得到，即固体材料中的原子的横向移动距离与照射事件(irradiation event)的数目n的平方根成比例。
斜边的长度L与蚀刻效率Y之间的关系和截面积S(＝L2sin(2φ)/4)与蚀刻效率Y之间的关系在具有不同蚀刻效率Y的多种固体材料上观测。
图4C是示出硅、二氧化硅和铬的斜边的长度L与蚀刻效率Y与n0.5的乘积之间的关系的曲线图。因为已经获得了L∝n0.5的关系(如前所述)，斜边的长度L与蚀刻效率Y之间的关系可以从斜边的长度L与Y*n0.5之间的关系来推断。可以认为，所获得的大部分数据点在单条直线上。
图4D示出在硅、二氧化硅和铬上观测的截面积S与蚀刻效率Y的平方根与剂量n的乘积的关系。该关系表明截面积S随n*Y2成比例地增大。
基于以上结果，获得公式(1)和(2)。从图4C和4D获得的比例因子a和b的数值对任何类型的固体材料基本上是恒定的：a≈3.80*1016[离子/cm2]；b≈6.25*108[离子1/2/cm-1]。该数值对三个重要的图是正确的。因此，团簇保护层可以由任何材料制成，团簇保护层应当形成为具有大于由公式(5)计算的变形深度d的厚度。
当使用Ar气团簇离子束时团簇保护层的厚度T从公式(7)获得，公式(7)通过将常数a和b的数值代入公式(6)获得：
T > nY + ( 1.54 * 10 16 n Y 2 ) 1 2 - - - ( 7 )
其中n是气体团簇离子束的剂量[离子/cm2]，蚀刻效率Y给定为每个团簇离子的蚀刻体积[cm3/离子]。
如果气体团簇离子束的气源不是Ar，比例因子a和b的数值是不同的，但其它的结果与上述用Ar气团簇离子束的那些相同。使用六氟化硫(SF6)气体团簇离子束的实验结果在图5A、5B、5C、5D中示出，其分别对应于图4A、4B、4C和4D。
线的角落部分的变形深度d和斜边的长度L在SF6气体团簇离子束照射后的多种材料上观测。剂量n与倾斜部分的截面积S之间的关系在硅用作固体材料时观测。截面积S随剂量n的增大成比例地增大(图5A)。
斜边的长度L与剂量n之间的关系在硅用作固体材料时观测。发现斜边的长度L近似与n0.5成比例(图5B)。
图5C是示出硅、二氧化硅和铬的斜边的长度L与蚀刻效率Y与n0.5的乘积之间的关系的曲线图。可以认为，获得的大部分数据点在单条直线上。
图5D示出了在硅、二氧化硅和铬上观测的变形部分的截面积S与蚀刻效率Y的平方与剂量n的乘积之间的关系。所获得的比例关系表明，具有较 大数值的nY2的材料具有线性增大的截面积S。
基于该结果，当使用SF6气团簇离子束时，常数a和b的数值对于任何类型的固体材料是恒定的，a≈7.83*1014[离子/cm2]；b≈5.68*107[离子 1/2/cm-1]。该数值对三个主要的图是正确的。因此，团簇保护层可以由任何材料制成，团簇保护层应该形成为具有大于从公式(5)计算的变形深度d的厚度。
当使用SF6气团簇离子束时团簇保护层的厚度T从公式(8)获得，公式(8)通过将比例因子a和b的数值代入公式(6)获得：
T＞nY+(1.23*1015nY2)1/2                 (8)
其中n是气体团簇离子束的剂量[离子/cm2]，蚀刻效率Y是每个团簇离子的蚀刻体积[cm3/离子]。
a和b的数值决定于气体团簇离子束的气体类型，因为由气体团簇离子束照射引起的材料的横向移动的蚀刻比例是不同的。随着气体团簇离子束的加速能量增大，蚀刻效率和物质的横向移动都增大，但它们的比例并没有大的改变。因此，如果气体类型是相同的，比例因子a和b的数值并不决定于加速能量。
形成在线的顶面上的团簇保护层防止在团簇保护层下的线的侧壁的上部中角落部分的变形，从而允许表面加工(例如线的侧壁的平坦化)。
下面将描述本发明的实施例和示例。
(掩模工艺)
掩模装置形成团簇保护层以覆盖固体表面。掩模装置可以是与包括在常规晶片加工设备中的相同的掩模装置。此实施例的掩模装置是高温扩散炉。例如，硅衬底置于高温扩散炉中并在高温(一般为约900℃到1100℃)时暴露到氧化气体气氛。这在硅衬底的整个表面形成热氧化膜。热氧化膜对应于团簇保护层。
(蚀刻工艺)
蚀刻装置对已经形成有团簇保护层的固体表面进行干法蚀刻。这形成固体表面上的凹凸结构。蚀刻装置可以是与包括在常规晶片加工设备中的相同的蚀刻装置。在此实施例中，使用蚀刻设备。将描述蚀刻形成有热氧化膜的硅衬底的示例。蚀刻如下地进行。热氧化膜用光致抗蚀剂涂布。进行预烘培以将热氧化膜附着到光致抗蚀剂。然后光致抗蚀剂通过光掩模暴露到光，光 掩模的图案转印(转移)到光致抗蚀剂上。然后暴露的光致抗蚀剂被显影并漂洗。用正型光致抗蚀剂时，暴露的光致抗蚀剂被去除。用负型光致抗蚀剂时，没有暴露到光的光致抗蚀剂被去除。然后，进行后烘将光致抗蚀剂附着到热氧化膜以提高耐蚀性。然后，已经经过一系列工艺的硅衬底置于蚀刻设备中；反应气体通入蚀刻设备，高频功率源施加电压，该电压引起通过反应气体的干法蚀刻进行。可以进行湿法蚀刻来替代干法蚀刻。在干法蚀刻之后，使用有机溶剂等来去除光致抗蚀剂。
(照射工艺)
将参照图6、7A和7B描述根据本发明的在固体表面加工方法中进行气体团簇离子束照射工艺的固体表面加工设备100的结构和功能。
固体表面加工设备100包括发射气体团簇离子束到固体表面上的气体团簇离子束发射装置。图6中示出的GCIB发射装置构造如下。源气体9由喷嘴10提供到真空团簇产生室11中。源气体9的气体分子在团簇产生室11中积聚成团簇。团簇的尺寸由粒子尺寸分布来确定，该粒子尺寸分布基于在喷嘴出口10a的气体的压力和温度以及喷嘴10的尺寸和形状。产生于团簇产生室11中的团簇通过撇取器(skimmer)12带入电离室13中以用作气体团簇束。在电离室13中，离子发生器14发射电子束(例如热电子束)，中性的团簇被离子化。离化的气体团簇束(GCIB)被加速电极15加速、被磁场会聚单元16会聚并输入到溅射室17。在设置于溅射室17中的靶支撑物18上，靶19固定在旋转盘41上，靶19是要暴露到GCIB的固体(例如形成有凹凸结构的硅衬底)。进入溅射室17的GCIB被孔21缩小到预定的束直径，并指向靶19的表面上。当由电绝缘体形成的靶19的表面被平坦化时，GCIB被电子束照射中性化。
固体表面加工设备100包括判定装置，该判定装置判定团簇保护层的厚度、团簇保护层的材料的蚀刻效率和气体团簇离子束的剂量是否满足由公式(5)表示的关系。
例如，诸如键盘的输入单元30连接到固体表面加工设备100，如图7B所示。通过输入单元30，输入团簇保护层的厚度、团簇保护层的材料的蚀刻效率和气体团簇离子束的剂量。判定单元27判定团簇保护层的输入厚度、团簇保护层的材料的输入蚀刻效率和气体团簇离子束的输入剂量是否满足公式(5)并输出判定结果。结果显示在显示单元26上。
结构并不限于上述。例如，团簇保护层的厚度和团簇保护层的材料的蚀刻效率可以通过输入单元30输入，判定单元27可以在团簇保护层的输入厚度、团簇保护层的材料的输入蚀刻效率和公式(5)的基础上获得满足公式(5)的关系的气体团簇离子束的剂量。由判定单元27获得的气体团簇离子束的剂量显示在显示单元26上。
固体表面加工设备100还包括能够设定照射角度以交替地且倾斜地以GCIB照射由蚀刻装置形成在固体表面上的凹凸结构的相对的侧壁的装置(交替照射装置)，或者包括能够使固体绕与要用GCIB照射的固体表面的法线近似平行的轴旋转的装置(旋转照射装置)，或者包括这两种装置(如果需要)。此实施例包括实现以上两种装置的旋转机构。
如图7A和7B所示，例如，固体表面加工设备100包括第一旋转机构和第二旋转机构。
第一旋转机构对应于旋转照射装置，并构造如下。靶支撑物18具有突出轴41a，旋转盘41安装在轴41a上以绕轴41a的中心旋转。旋转盘41具有平坦部41b，靶19附着在平坦部41b上。旋转盘41具有在其边缘41c中的大量的齿，该齿与齿轮43的齿咬合。齿轮43在被马达42驱动时旋转，并且旋转被传递到旋转盘41，从而旋转附着到旋转盘41的靶19。例如，通过以恒定的角速度使旋转盘41持续旋转，靶19可以在靶19用GCIB照射的同时绕几乎平行于被GCIB照射的固体表面的法线的轴旋转。
第二旋轴机构对应于交替照射装置，并构造如下。旋转轴21固定到靶支撑物18，靶支撑物18可以绕旋转轴21的中心旋转。旋转轴21由固定板22a和22b可旋转地支撑。旋转轴21还固定到齿轮24b的旋转轴的中心，齿轮24b与齿轮24a咬合。齿轮24a在被马达23驱动时旋转，旋转被传递到齿轮24b和旋转轴21，从而旋转靶支撑物18。假设沿相对于参考角度的特定方向旋轴通过向旋转角度加入加号(+)来表示，沿相反方向的旋转通过向旋转角度加入减号(-)来表示。GCIB可以通过重复这些步骤来倾斜地且交替地发射到靶19：靶支撑物18在位置+θ保持静止(θ表示旋转的角度的幅度)；靶19用GCIB照射；在预定周期的时间之后，靶支撑物18被旋转并在位置-θ’(θ’表示旋转角度的幅度；通常，θ≈θ’)保持静止；GCIB照射到靶19；在预定周期的时间之后，靶支撑物18被旋转并在位置+θ保持静止；以及GCIB发射到靶19上。
固体表面加工设备100还设置有用于改变靶19的相对于GCIB的相对位置的扫描机构，例如XY台。
固定板22a和22b被固定到固定板支撑构件22c并由固定板支撑构件22c支撑，如图7B所示。固定板支撑构件22c和第一致动器22d经由第一杆22e连接。第一致动器22d可以推、拉第一杆22e，此动作可以改变靶支撑物18的位置。在图7B中示出的固体表面加工设备100中，例如，第一致动器22d的运动可以向着页面的顶部或底部改变靶支撑物18的位置。
第一致动器22d固定到第二杆22g并由第二杆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，此动作改变了第一致动器22d的位置。因此，可以改变经由第一杆22e和上述其它部件连接到第一致动器22d的靶支撑物18的位置。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。这样，实现像XY台的扫描机构。在图7B中示出的表面加工装置100中，例如，第二致动器22f的运动可以向着页面的左边或右边改变靶支撑物18的位置。因此，与第一致动器22d的运动相结合，靶支撑物18可以在页面上向上和向下以及向左和向右移动。
控制单元28通过驱动单元29驱动马达23和马达42，并控制靶支撑物18和旋转盘41的运动。控制单元28还控制GCIB发射装置，从而发射输入剂量或由判定单元27获得的剂量的GCIB。
控制单元28包括中央处理器单元(CPU)或微处理器并通过执行控制固体表面加工所需的程序来控制如上所述的操作，例如显示信息和驱动马达。
固体表面加工设备并不限于上述的固体表面加工设备100的结构和机构，可以在本发明范围内根据需要进行改变。
在固体表面加工设备100中，已经在蚀刻工艺中其上形成有凹凸结构的固体表面用气体团簇离子束照射，然后被转移到去除工艺。
(去除工艺)
在固体表面加工设备100中，去除装置将剩余的团簇保护层从用气体团簇离子束照射的固体表面去除。去除装置可以与包括在常规晶片加工设备中的相同的去除装置。在本实施例中，使用灰化设备。已经经过一系列工艺的硅衬底置于灰化设备中，热氧化膜通过氧化分解和灰化从硅衬底的表面去 除。
在上述实施例中，具有凸部(在它们的上部上形成有团簇保护层)和凹部(不带有团簇保护层)的凹凸结构通过掩模工艺和蚀刻工艺形成在固体表面上，在掩模工艺中团簇保护层形成在固体表面上，在蚀刻工艺中蚀刻具有用在掩模工艺中形成的团簇保护层涂布的固体表面。形成具有凸部(在它们的上部(顶表面)上形成有团簇保护层)的凹凸结构的方法并不限于这里所述的方法。
例如，可以使用以下方法，在该方法中：固体表面用光致抗蚀剂涂布，凹凸结构通过图案化和蚀刻形成在固体表面上；以及粘性树脂按压在具有凹凸结构的固体表面上以将树脂选择性地附着到凸部的顶表面上。
术语“选择性地”在这里具有两个含义。第一个含义是通过防止树脂进入凹部使树脂附着到凸部的顶表面而不是凸部的侧壁或凹部的底部。第二个含义是，因为树脂附着的位置和形状可以按需要指定，所以可以选择附着树脂的凸部的顶表面和没有附着树脂的凸部的顶表面。
附着到凸部的顶表面的树脂通过加热或其它手段硬化，此部分用作团簇保护层。
还可以使用下面的方法：在与上述相同的掩模工艺中固体表面用团簇保护层涂布；光致抗蚀剂涂覆在团簇保护层上；进行图案化；团簇保护层根据图案通过干法蚀刻、离子束照射或气体团簇离子束照射去除；以及在去除团簇保护层之后暴露的固体表面的部分用气体团簇离子束照射，以在固体表面中形成凹部。这样，凹凸结构可以通过提供其顶表面上形成有团簇保护层的凸部和没有团簇保护层的凹部来形成。
简而言之，具有凸部(在它们的顶表面上形成有团簇保护层)和凹部(没有团簇保护层)的凹凸结构应当形成在固体表面上。本发明并不特别限定形成方法。
现在将描述示例。
使用Ar气体团簇和SF6气体团簇。Ar气体团簇的源是Ar气。Ar气团簇束被产生，该束具有峰团簇尺寸为约2000Ar原子的粒子尺寸分布，该束以30kV的加速电压发射到靶19上。SF6气体团簇的源是SF6气和He气。SF6气团簇离子束被产生，该束具有峰团簇尺寸为约500SF6分子的粒子尺寸分布，该束以30kV的加速电压加速并发射到靶19上。
线-间隔图案结构(具有1μm宽、0.5μm深的线和间隔)如下形成在硅衬底的表面上：热氧化膜在高温扩散炉中形成在硅表面上；具有氧化膜的硅衬底用电子束抗蚀剂涂布；图案结构通过电子束刻画设备刻画在抗蚀剂上；在抗蚀剂显影之后，抗蚀剂图案用作掩模，热氧化膜用反应离子蚀刻(RIE)设备蚀刻；去除抗蚀剂；以及热氧化膜用作硬掩模，硅通过使用感应耦合等离子体反应离子蚀刻(ICP-RIE)设备蚀刻。尽管用作硬掩模的热氧化膜通常被去除，该膜没有被去除而是留在示例中的图案上。以此方法，制造了具有在50nm到2μm范围内的不同膜厚的热氧化层(团簇保护层)的样品A到E。在如后面每个示例中将描述的GCIB照射之后，用作团簇保护层的热氧化膜通过灰化设备灰化并去除。
第一示例
进行实验以调整所制造的硅图案的线宽度。对具有较大厚度的热氧化膜的样品，剂量也增大，以便减小线宽度。线的侧壁用Ar气团簇离子束以与线的侧壁有7°(相对于线的侧壁的法线为83°)的照射角照射。线宽度通过蚀刻调整。减少了5到150nm，对1nm的蚀刻来说照射的剂量是1.3*1014离子/cm2。
为了检测图案形状的变化，线-间隔图案结构的截面在GCIB照射之前和之后用电子显微镜观察。结果在图8的曲线图中示出。在图8中，公式(7)的右侧的数值(使用二氧化硅的蚀刻效率Y＝5*10-22cm3/离子(以7°的照射角))由实线来表示。如果Ar气团簇离子束的照射的剂量与热氧化膜的厚度之间的关系在表示公式(7)的右侧的曲线之上，热氧化膜被认为起到团簇保护层的作用(也就是，硅图案的角落将不会变形)。如果该关系在曲线以下，该膜被认为没有起到团簇保护层的作用。
在热氧化膜通过灰化去除后，硅的线部分的倾斜角φ是0度，表明角落没有变形。作为线的侧壁的平均表面粗糙度，样品的平均表面粗糙度在GCIB照射之前和之后通过原子力显微镜(AFM)来测量。在测量线的侧壁的平均表面粗糙度时，样品被切割以暴露线的侧壁。在GCIB照射之前线的侧壁的平均表面粗糙度(Ra)是3.8nm。在SF6气团簇离子束照射之后，平均线宽是1.00μm，线的侧壁的平均表面粗糙度(Ra)是0.52nm。
第二示例
SF6气团簇离子束以7°的角度交替地发射到线的相对侧壁。示例在图9 中示出。
为了使图案宽度减小30nm，对每侧的剂量是1.0*1014离子/cm2，相对侧被交替地照射。热氧化膜的厚度T＝0.6μm。在去除热氧化膜之后，图案宽度是1.00μm，线的侧壁的粗糙度(Ra)是0.49nm。在热氧化膜通过灰化去除之后，硅线具有0度的倾斜角φ，表明角落没有变形。
第三示例
通过与上述示例的线-间隔图案相同的方法制造由硅中圆柱形凹部的阵列(1μm的直径，具有1μm节距的正方形阵列)形成的图案结构。在圆柱形凹部的侧壁用GCIB以7°的角度θ照射的同时，硅衬底在平面内旋转。此示例在图10中示出。图10的左图是圆柱形凹部的阵列图案的平面图，箭头表示硅衬底的平面内旋转。图10的右图是圆柱形凹部的截面图。
为了使圆柱形凹部的直径增大30nm，剂量是3.0*1015离子/cm2。热氧化膜的厚度T是0.6μm。在去除热氧化膜之后，图案宽度是1.00μm，圆柱形凹部的平均表面粗糙度(Ra)是0.49nm。在热氧化膜通过灰化去除后，硅凸部的上部的角度φ是0度，其与设计值相同。
基于示例的结论
第一、第二和第三示例表明，通过使用具有满足公式(7)的厚度的热氧化膜作为团簇保护层并去除热氧化膜来调整线宽度，线宽度可以被调整而不使固态的线-间隔图案结构的上部的角落变形。
在示例中，加速电压是30kV。随着加速电压增大，蚀刻量增大，减小了平坦化时间。另一方面，增大的加速电压会使表面粗糙度劣化。因此，加速电压应当根据固体表面加工的要求(例如时间和材料)来确定。参数和设备条件(例如气体类型、照射条件和团簇尺寸)都没有被限定，参数和设备条件可以根据需要而改变。
工业应用
由于固体表面上的凹凸结构的角落部分可以被保护而不变形，本发明可以应用于高精度三维结构(例如高性能半导体器件和光学器件以及用于制造这些器件的管芯)的制造。
本发明的效果
在本发明中，气体团簇离子束照射到具有凹凸结构的固体表面上，形成团簇保护层以覆盖该凹凸结构，从而图调结构的角落部分可以被保护而不变形。

Claims (6)

1.一种利用气体团簇离子束的固体表面加工方法，包括：
团簇保护层形成步骤，在所述固体表面上形成具有凸部和凹部的凹凸结构，形成团簇保护层以覆盖所述凸部的上部，而所述凹部没有所述团簇保护层；
照射步骤，发射所述气体团簇离子束到已在所述团簇保护层形成步骤中形成有所述凹凸结构的所述固体表面上；以及
去除步骤，去除所述团簇保护层，
其中，所述团簇保护层的厚度T[cm]满足
Figure FSB00000298543700011
其中a是nY2[cm4/离子]与在垂直于所述凸部或凹部所延伸方向的截面中所述团簇保护层被所述气体团簇离子束蚀刻最多的区域的面积S[cm2]之间的比例因子[离子/cm2]；b是Yn1/2[cm2·离子-1/2]与所述团簇保护层被所述气体团簇离子束蚀刻最多的区域的在垂直于所述凸部或凹部所延伸方向的截面中的斜边的长度L[cm]之间的比例因子[离子1/2cm-1]；n是气体团簇离子束的剂量[离子/cm2]；以及Y是所述团簇保护层的蚀刻效率，定义为每个团簇的蚀刻体积[cm3/离子]。
2.根据权利要求1所述的利用气体团簇离子束的固体表面加工方法，其中所述团簇保护层形成步骤包括：
掩模工艺，形成所述团簇保护层以覆盖所述固体表面；以及
蚀刻工艺，蚀刻具有在所述掩模工艺中形成的所述团簇保护层的所述固体表面，从而形成具有所述凹部和所述凸部的所述凹凸结构，所述凹部到达所述固体，所述凸部具有保留在凸部的上部的所述团簇保护层。
3.根据权利要求1或2所述的利用气体团簇离子束的固体表面加工方法，其中所述气体团簇离子束为Ar气体团簇离子束，所述团簇保护层的厚度T[cm]满足
T＞nY+(1.54*1016*nY2)1/2。
4.根据权利要求1或2所述的利用气体团簇离子束的固体表面加工方 法，其中所述气体团簇离子束为SF6气体团簇离子束，所述团簇保护层的厚度T[cm]满足
T＞nY+(1.23*1015*nY2)1/2。
5.根据权利要求1或2所述的利用气体团簇离子束的固体表面加工方法，其中在所述照射步骤中，所述气体团簇离子束交替且倾斜地发射到所述凹凸结构的相对侧壁上。
6.根据权利要求1或2所述的利用气体团簇离子束的固体表面加工方法，其中在所述照射步骤中，所述固体在用所述气体团簇离子束照射的同时绕大致平行于形成有所述凹凸结构的所述固体表面的法线的轴旋转。 
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