JP2007231324A - マルチ荷電ビーム加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 収束した荷電ビームを用いたＣＶＤでデバイスを形成した場合、生産性が低く同一のものを安く大量に生産することが難しかった。
【解決手段】 複数の荷電ビームをレンズで収束し、且つ、偏向器で偏向して試料に照射する手段と、試料室にガスを導入する手段を備えた荷電ビーム装置において、加工条件に基づいて導入ガスを制御する手段と複数の荷電ビームを制御する手段により、試料表面に材料堆積、または、エッチング反応により構造体を形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電子ビームやイオンビーム等の荷電ビームを用いて構造体を直接加工により形成する荷電ビーム加工装置に関する。

収束電子ビームを用いたＣＶＤの研究は、１９５０年代に真空内ガスを分解して試料表面にカーボンを堆積させてビーム形状の状態を調べるなどの実験で行われた。また、１９７０年から１９８０年代に掛けて具体的な応用検討が、Ａ．Ｎ．Ｂｒｏｅｒｓ（１９７６年）、Ｓ．Ｍａｔｓｕｉ（１９８６年）やＨ．Ｗ．Ｐ．Ｋｏｏｐｓ（１９８８年）らによって行われた。電子ビームＣＶＤによるマスク形成やタングステンの微細パターンの形成、ナノメートル・サイズの超微細なロッド形成、更には、電界放出電子源のフィールドエミッタ形成が当時試みられた。これらの構造形成には、前駆物質としてＷＦ_６、Ｗ（ＣＯ）_６、Ｍｏ（ＣＯ）_６、Ｆｅ（ＣＯ）_６、Ｍｅ_２Ａｕ（ｔｆａｃ）、Ｍｅ_２Ａｕ（ａｃａｃ）等の反応性ガスが用いられた。そして、装置は、主に既存の電子ビーム装置にこれらのガス導入機構を追加改造して進められてきた（特許文献１）。

その後のマスクレスの荷電ビームによるＣＶＤ構造形成の研究は、電子ビーム装置に加えて収束イオンビーム（ＦＩＢ）装置を用いても研究が進められた。ＦＩＢ装置では、３次元構造の設計情報を基にＧａイオンビームのビーム位置を高精度に制御することで、任意の３次元の構造体を形成できることが実証されている（特許文献２、特許文献３）。一方、透過型電子顕微鏡の高エネルギー収束電子ビームを用いて、試料を磁界の中に配置してナノサイズオーダの立体形状を形成する試みが古屋らによって行われた（特許文献４）。

これらの成果により、試料室に前駆物質のガスを試料室に導入して収束した荷電ビームを高精度の制御することで、配線パターンや電界放出型エミッタのニードル形成と言った比較的簡単な構造だけでなく、複雑な任意形状のナノメートル・サイズの立体構造が形成できることが実証され、この分野の研究が飛躍的に発展を遂げた。
特願平０５−０４７６３６号公報 特開２００１−１０７２５２号公報 特開２００４−３４５００９号公報 特開２００４−２４４６４９号公報 Ａ．Ｎ．Ｂｒｏｅｒｓ： Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ．２９（１９７６）５９６ Ｓ．Ｍａｔｓｕｉ， Ｋ．Ｍｏｒｉ， Ｊ． Ｖａｃ ．Ｓｃｉ．＆Ｔｃｈｎｏｌ． Ｂ４（１９８６）２９９ Ｈ．Ｗ．Ｐ．Ｋｏｏｐｓ， Ｒ．Ｗｅｉｅｌ， Ｄ．Ｐ．Ｋｅｒｎ＆Ｔ．Ｈ．Ｂａｕｍ： Ｊ． Ｖａｃ． Ｓｃｉ． ＆ Ｔｃｈｎｏｌ． Ｂ６（１９８８）４７７

前述の製作手法は、収束した荷電ビームで任意形状が形成できることが実証されたことで、試作検討用の構造体を作ることが出来るが、同一のものを安く大量に生産する実用化技術としては、生産性の点で問題があった。
本発明は、上述の従来例における問題点を解消することを課題とする。

上記の課題を解決するために、本発明の荷電ビーム装置は、複数の荷電ビームをレンズで収束し、且つ、偏向器で偏向して試料室内に配置された試料に照射する手段と、試料室にガスを導入する手段とを備える。また、加工条件に基づいて導入ガスを制御する手段と、複数の荷電ビームを制御する手段とを備える。そして、前記試料表面への材料堆積、および、前記試料表面のエッチングの少なくとも一方により構造体を形成することを特徴とする。

本発明によれば、マルチビームによるマスクレスのＣＶＤやエッチングプロセスにより生産性が向上し、高付加価値の３次元構造体デバイスを低コストで製作することが可能となる。

本発明の好ましい実施の形態において、前記複数の荷電ビームの配列を前記構造体の周期配列情報に基づいて設定する荷電ビーム配列手段を備え、該荷電ビーム配列手段で配列された複数の荷電ビームが同時にＯＮ／ＯＦＦ制御されて前記構造体を形成する。
また、前記荷電ビーム配列手段は、前記荷電ビーム配列を、マルチレンズアレーのレンズ配列で形成する。
また、前記荷電ビーム配列手段は、デバイス構造の基本周期に一致し、且つ、前記マルチレンズアレーを通過する複数の荷電ビームのうちデバイス構造に応じたビームを選択して透過する遮蔽板を備える。前記遮蔽板は、前記マルチレンズアレーの前段に配置する。

前記マルチレンズアレーおよび前記遮蔽板が加工条件に基づいて交換可能である。
加工条件に基づいて導入ガスのＯＮ／ＯＦＦ、および、切り替えを行う手段を備える。
前記構造体は、フォトニック結晶や、フィールドエミッタアレー等の３次元構造体である。

本発明の好ましい実施の形態に係るデバイス製造方法は、本発明に係る荷電ビーム加工装置を用いて、周期的に配列した複数の３次元構造体を同時に製作することを特徴とする。

以下、本発明に係る荷電ビームを用いた加工方法、および、加工装置と該装置を用いて製作するデバイスについて図を用いて説明する。
図１に本発明の一実施例に係るマルチ荷電ビーム加工装置の全体図を、図２に図１におけるマルチ荷電ビーム加工装置本体１部分のより詳細な図を示す。図１、２において、マルチ荷電ビーム加工装置本体１は、電子またはイオンビームを発生する荷電ビーム源３、マルチパターンビーム形成部１０、荷電ビームのそれぞれのビーム形状を形成するためのレンズ２０、２３、２６、および偏向器２１、２２、２５を備える。さらに、荷電ビームＣＶＤやエッチングを行うためのガス導入口３０、試料から発生した２次電子を捕獲するための２次電子検出器２７、および試料を搭載するステージ４０を備える。

荷電ビーム源３から発生した荷電ビーム２は、レンズ２０で平行ビームとなり、マルチパターンビーム形成部１０に入射する。平行ビームは、このマルチパターンビーム形成部１０を通過することで複数のビームに分割されて、マルチビームとなり、かつ試料に照射するマルチビームの配列が決められる。そして更に、下段のレンズ２３、２６によって荷電ビームは縮小されステージ上の試料に照射される。偏向器２２は、ビーム位置調整の他にマルチ荷電ビームブランカーの機能を持っており、ブランキングされた荷電ビームはアパーチャープレート２４により通過が阻止される。また偏向器２５は、アパーチャープレート２４の開口を通過した荷電ビームを試料上で走査するために用いられる。荷電ビームは、加工形状に応じた荷電ビームの位置と電流量、それにガス導入口からの前駆物質ガスにより形状形成が行われる。

次に本実施例のマルチパターンビーム形成部１０の内部構成について説明する。図２を参照して、マルチパターンビーム形成部１０に対して平行に入射する荷電ビームは、先ず、マルチパターン形成プレート１４で試料への照射ビームの領域が選択される。そして、マルチビーム形成部１１でそれぞれの収束マルチビームが形成される。マルチビーム分割プレート１３は、マルチレンズアレー１２のレンズ開口に対応してアパーチャ−が形成されている。マルチビーム分割プレート１３で分割されたビームは、マルチレズアレー１２でそれぞれのビームがレンズ作用を受け、そして、各ビームともマルチレンズアレーの下段側に一様に収束する。この荷電ビーム加工装置本体１は、図１の各制御部によってマルチビームの形成と制御が行われる。

図１を参照して、装置全体の制御を行う装置制御部１００は、荷電ビーム源制御部１０１、レンズ制御部１０２、マルチレンズ制御部１０３、および偏向制御部１０４によって荷電ビーム光学系の基本部分を制御している。ここで、荷電ビーム源制御部１０１は荷電ビーム源の発生条件と安定化を行い、レンズ制御部１０２は荷電ビームの収束作用を制御する。また、マルチレンズ制御部１０３はマルチレンズアレー１２のレンズ条件設定を行い、偏向制御部１０４は荷電ビームの位置調整やブランキング、それに、荷電ビームの走査を行う。

装置制御部１００は、また、ガス導入制御部１０５、２次電子検出器信号処理部１０６、およびステージ制御部１０７を制御する。ステージ制御部１０７は荷電ビームの走査と同期して試料を移動する。２次電子検出器信号処理部１０６は２次電子検出器２７からの信号を画像化し、装置制御部１００はこの画像に基づいてガス導入制御部１０５からの導入される前駆物質ガスのガス種、圧力、導入のタイミング等の条件を設定する。

マルチパターン形成プレート１４は、加工するデバイス毎にそのユニットが交換できるようになっており、マルチパターン形成プレート制御部１１０は、その交換プレートの管理とプレートの位置制御を行っている。また、加工デバイスの配列周期と一致したマルチビーム形成部１１との交換に対しては、マルチビーム形成制御部１１１が、交換の際の動作管理、および位置調整を行っている。

次に、マルチビームパターン形成部１０について、図３を使って詳細に説明する。マルチビームパターン形成部１０は、マルチビーム形成部１１とマルチパターン形成プレート１４で構成されている。前記マルチビーム形成部１１は、マルチレンズアレー１２とマルチ分割プレート１３とからなる。マルチレンズアレー１２は、マルチレンズ制御部１０３でレンズ条件を制御するマルチレンズ制御プレート１５と２枚のマルチレンズ電極プレート１６、１７の３枚の等ポテンシャル型の静電レンズで構成されている。マルチレンズアレー１２のアパーチャ配列は、加工デバイスの周期構造を反映したものとなっており、マルチパターン形成プレートによって加工する領域を選択している。加工プロセスの中で前記マルチビーム形成部１１とマルチパターン形成プレート１４は、図１のマルチビーム形成制御部１１１とマルチパターン形成プレート制御部１１０によって交換可能となっている。

次に、本実施例の加工装置を用いたデバイス加工の一例について図４を用いて説明する。本実施例のマルチ型荷電ビームＣＶＤを用いることにより、高スループットのデバイス製作を実現することができる。
まず、事前に、フィールドエミッタアレー（ＦＥＡ）の基本的なデバイス基板をＭＥＭＳプロセスで製作する。図４（ａ）は、２×２のエミッタ開口部が、それぞれ千鳥配列したＭＥＭＳプロセス基板２０１の例を示している。この基板には、２×２を１ブロックとして全部で１３ブロックが配列されていて、この１３ブロックを含む領域が図１のマルチ荷電ビーム加工装置で一括照射できる領域となっている。

図４（ｂ）は、図４（ａ）のＭＥＭＳプロセス基板２０１の中心部を拡大した上面および断面図で、上面図では配線２０５、２０６とエミッタ開口２０７が示されている。また、断面図では、基板２０２の上に絶縁体２０３と電極２０４の各層が積層して形成されている。
図４（ｃ）は、荷電ビームＣＶＤプロセスを示している。この時に用いるマルチパターンビーム形成部は、図３の構成となっている。すなわち、図３に示す１０×１０の開口を持つマルチビーム形成部１１と千鳥配列した１３ブロックの開口を持つマルチパターン形成プレート１４を備えている。これにより、１０×１０のマルチ荷電ビームの中から１３ブロックの開口を通過する５２のビームによる同時ＣＶＤプロセスで、図４（ａ）のＭＥＭＳプロセス基板上に形成された５２箇所のエミッタ開口に一括でエミッタ２０１を形成することが出来る。

図５および図６は他のデバイス製作の例を示すもので、ウッドパイル３次元構造のフォトニック結晶を形成する例を示している。図６（ｃ）はフォトニック結晶構造の完成図である。この構造は周期的に配列したロッドをＸ軸とＹ軸方向に組合せたもので、本実施例に係る荷電ビームＣＶＤでは、高スループット化のためにこの周期性を活かすことが出来る。ここでは、マルチ荷電ビームがフォトニック結晶のロッド配列の周期で配列され、そして更に、デバイスを単位として３×３のデバイスが同時加工できるように考えられている。

図５（ａ）、図５（ｂ）の遮光マスクは、試料に照射するマルチビームを選択するための遮光マスクであり、ここでのデバイス加工では２種類のマルチパターン形成プレート２１２、２１４が使われる。それぞれのプレートには荷電ビームが通過する開口２１３、２１５があり、これらの開口には、４本のビームが縦と横のそれぞれの配列で通過するように設定されている。これらの開口の配置は、プレート上で３×３に並んでおり、荷電ビームは、この領域を通過して試料に同時に照射できることから、３×９＝２７本のマルチビームが同時形状加工をしていることになる。

図５（ｃ）は、上記マルチ荷電ビームによるＣＶＤ法で、図２の偏向器２５を用いてビームを走査して、Ｘ方向のロッド２２２を形成した例である。また、図５（ｄ）は、図５（ｃ）で形成した後に、マルチパターン形成プレートを２１２から２１４に交換し、同様のマルチ荷電ビームＣＶＤにより、Ｙ方向の多数ロッドを同時に形成したものである。

図６（ａ）は、これらのマルチ荷電ビームＣＶＤプロセスによるフォトニック結晶形成の中間状態を示したもので、図５（ａ）のマルチパターン形成プレート２１４を用いてＹ方向のロッド２２１を形成する様子を示している。この時の荷電ビームの走査状態を示したものが図６（ｂ）である。このように、周期的な構造を持つフォトニック結晶を形成する場合、図１の装置で、その周期構造に合せたマルチビーム形成部１１とマルチパターン形成プレート１４を組合せて用いることで、マルチ荷電ビームの同時照射によるマスクレスＣＶＤ加工を行うことができる。この方法は、従来の単一ビームを用いて行っていた加工プロセスの処理時間に較べて飛躍的に高いスループットで行えることから、工業的にも十分対応できる加工方法であると言える。

次にマルチ荷電ビームを用いた一連のデバイス製作フローについて図７を用いて説明する。図７（ａ）は、その全体プロセスフローで、基板準備、荷電ビーム加工装置の加工準備、および加工プロセスのそれぞれの流れを示したものである。図７（ｂ）〜（ｄ）は、図７（ａ）の各処理の詳細を示す。ここでは、前述の図４のデバイス製作例を想定して製作プロセスを説明する。

図７（ｂ）のデバイス基板準備では、Ｓｉ基板２０２に下部電極２０８形成を行った後、絶縁層２０３を形成し、その上にレンズ作用を行うための中間電極を形成する。そして更にその上に絶縁層と上部電極を多段で形成する。最上部からパターンニングしたレジストをマスクとしてドライエッチングでエミッタ形成するための穴あけ加工を行い、加工基板を完成する。次に、図７（ｃ）の加工準備の工程は、図１の荷電ビーム加工装置のセッティングのためのものであり、ここでは先ず、レンズアレー１２（図２）をデバイスの周期構造と同様のものに交換する。その後、荷電ビーム光学系のカラム軸調整を行う。特に部品交換したマルチビーム形成部１１の調整と確認の後、デバイス側で指定したマルチパターン形成プレート遮光マスク１４交換を行う。そして、次に前工程で準備したデバイスを装置に装着して、その位置決めを行い加工準備を完了する。図７（ｄ）の最終工程の加工プロセスでは、事前に計測しておいた前駆物質ガスの種類、圧力と加工箇所等、加工手順が登録されており、その手順に沿って加工が進められる。先ず、ガスが試料室に導入され、荷電ビームの位置と照射条件設定に基づいて荷電ビームが照射されて加工プロセスが進んだ段階で、導入ガスが止められる。その後、形成した堆積構造の形態観察を荷電ビーム走査による２次電子像観察で行い、結果を判定して一連の加工工程を終了する。

以上のデバイス加工プロセスでは、電子ビーム描画方式と違い、マルチビームの個々のＯＮ、ＯＦＦ制御を独立に制御する考えを捨て、常時全てのマルチビームが試料に照射出来る条件で加工を進めるもので、従来の収束荷電ビームを用いて行っていたＣＶＤ加工プロセスの生産性と比べるとマルチビームの本数だけ生産性が向上することになり、高品質のデバイスを低コストで作ることが可能となる。

以上の加工プロセスの例では、導入ガスとして前駆物質ガスを試料室に導入して堆積による形状形成の例を示したが、これとは逆にエッチング作用のあるガスの導入によっても高生産性にプロセスが実現する。更に、ＣＤＶガスとエッチングガスの交互に導入することで、より複雑な３次元構造体の高速プロセスが実現することが出来る。

以上説明したように、加工対象デバイスの周期性とパターン配列情報を基にマルチパターン形成部の構造を工夫することで、生産性に高い荷電ビーム加工装置が実現する。そして、本実施例で示したように、フィールドエミッタアレーやフォトニック結晶をはじめ、高付加価値の３次元構造体のデバイスを低コストで大量に生産することができる。すなわち、マルチビームによるマスクレスのＣＶＤやエッチングプロセスにより生産性が向上し、高付加価値の３次元構造体デバイスを低コストで製作することができる。

本発明の一実施例に係るマルチ荷電ビーム加工装置の全体図である。 図１におけるマルチ荷電ビーム加工装置本体部分のより詳細な図である。 図２におけるマルチパターンビーム形成部のより詳細な図である。 図１の装置を用いるデバイス製作の一例を示す説明図で、（ａ）（ｂ）はＭＥＭＳプロセス基板、（ｃ）は荷電ビームＣＶＤプロセスの説明図である。 図１の装置を用いるデバイス製作の他の例を示す説明図で、（ａ）（ｂ）は遮光マスク、（ｃ）（ｄ）は堆積パターンの説明図である。 図５の説明図に続く説明図で、（ａ）はマルチ荷電ビームＣＶＤ中間プロセスの説明図、（ｂ）はマルチ荷電ビーム走査図、（ｃ）はデバイス完成図である。 デバイス製作のフロー図である。

符号の説明

１ 荷電ビーム加工装置本体
２ 荷電ビーム
３ 荷電ビーム源
１０ マルチパターンビーム形成部
１１ マルチビーム形成部
１２ マルチレンズアレー
１３ マルチビーム分割プレート
１４ マルチパターン形成プレート
１５ マルチレンズ制御プレート
１６、１７ マルチレンズ電極プレート
２０、２３、２６ レンズ
２１、２２、２５ 偏向器
２４ アパーチャープレート
２７ ２次電子検出器
３０ ガス導入口
４０ ステージ
１００ 装置制御部
１０１ 荷電ビーム制御部
１０２ レンズ制御部
１０３ マルチレンズ制御部
１０４ 偏向器制御部
１０５ ガス導入制御部
１０６ ２次電子検出器信号処理部
１０７ ステージ制御部
１１０ マルチパターン形成プレート制御部
１１１ マルチビーム形成制御部
２００ エミッタ
２０１ ＭＥＭＳプロセス基板
２０２ 基板
２０３ 絶縁体
２０４ 電源
２０５、２０６ 配線
２０７ エミッタ開口
２１２、２１４ マルチパターン形成プレートの例
２１３、２１５ 開口
２２０ デバイス構造例
２２１、２２２ ロッド

Claims (10)

1. 複数の荷電ビームをレンズで収束し、且つ、偏向器で偏向して試料室内の試料に照射するマルチ荷電ビーム光学系と、前記試料室にガスを導入する手段を備えた荷電ビーム加工装置であって、
   加工条件に基づいて導入ガスを制御する手段と、
   前記加工条件に基づいて前記複数の荷電ビームを制御する手段と
   を備え、前記試料表面への材料堆積、および、前記試料表面のエッチングの少なくとも一方により構造体を形成することを特徴とする荷電ビーム加工装置。
2. 前記複数の荷電ビームの配列を前記構造体の周期配列情報に基づいて設定する荷電ビーム配列手段を備え、該荷電ビーム配列手段で配列された複数の荷電ビームが同時にＯＮ／ＯＦＦ制御されて前記構造体を形成することを特徴とする請求項１に記載の荷電ビーム加工装置。
3. 前記荷電ビーム配列手段は、前記荷電ビーム配列を、マルチレンズアレーのレンズ配列で形成することを特徴とする請求項２に記載の荷電ビーム加工装置。
4. 前記荷電ビーム配列手段は、デバイス構造の基本周期に一致し、且つ、前記マルチレンズアレーを通過する複数の荷電ビームのうちデバイス構造に応じたビームを選択して透過する遮蔽板を備えることを特徴とする請求項３に記載の荷電ビーム加工装置。
5. 前記遮蔽板は、前記マルチレンズアレーの前段に配置されることを特徴とする請求項４に記載の荷電ビーム加工装置。
6. 前記マルチレンズアレーおよび前記遮蔽板が加工条件に基づいて交換可能であることを特徴とする請求項４または５に記載の荷電ビーム加工装置。
7. 加工条件に基づいて導入ガスのＯＮ／ＯＦＦ、および、切り替えを行う手段を備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の荷電ビーム加工装置。
8. 前記構造体が、フォトニック結晶であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の荷電ビーム加工装置。
9. 前記構造体が、フィールドエミッタアレーであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の荷電ビーム加工装置。
10. 請求項１〜９のいずれか１つに記載の荷電ビーム加工装置を用いて、周期的に配列した複数の３次元構造体を同時に製作することを特徴とするデバイス製造方法。

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