JP2009253250A - 固体表面の加工方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モノマーイオンの影響を最小にして表面粗さを低減し、かつ照射エリア内を均一に平坦化する。
【解決手段】ガスクラスターイオンビームを用い、固体表面を平坦に加工する方法において、ガスクラスターイオンビームの照射過程の少なくとも一部の期間において固体表面の法線とガスクラスターイオンビームとがなす照射角度を７０度より大きくし、かつモノマーイオンを分離せずにガスクラスターイオンビームをレンズ機構によってフォーカスさせて照射する。
【選択図】図２

Description

この発明は例えば半導体、その他電子デバイス用材料の表面の平坦化や各種デバイス表面、パターン表面の平坦化、さらには金型などの複雑な構造体表面の平坦化に適用することができ、ガスクラスターイオンビーム照射により固体表面を平坦に加工する方法及びその装置に関する。

近年、ガスクラスターイオンビームを用いた固体表面の平坦化方法が、表面損傷が少なく、かつ表面粗さを非常に小さくすることができることで注目を集めている。
特許文献１には加工対象物の表面損傷を避けるため、ガスクラスターイオンビーム中に含まれるモノマーイオン（クラスター化されずに単原子のままイオン化された成分。分子クラスターの場合は単分子イオン）を除去した後に、加工対象物に照射する方法が記載されている。モノマーイオン除去の方法としては、永久磁石ビームフィルタを用い、クラスターサイズの違いによってモノマーイオンの軌道を分離する方法が提案されている。さらに、永久磁石ビームフィルタの前に、焦点距離の長いビーム収束レンズを設置することにより、モノマーイオンが除去されたガスクラスターイオンビームであって、ビームが加工対象物表面上で焦点を結ぶような照射方法も提案されている。

一方、特許文献２には加工面の表面粗さを悪化させることなく、加工に要する時間を短縮することができるようにすべく、ガスクラスターイオンビームを加速する加速電圧の値を段階的に、又は連続的に減少させながら加工を行うことが記載されており、表面損傷や表面粗さの点でガスクラスターイオンビームを用いた方が、モノマーイオンビームを用いるよりも有利であるとしながらも、クラスター状になっていないモノマーイオンを単独で使用することや、クラスターイオンとモノマーイオンの混合照射を行うことも記載されている。
特表２００３−５２１８１２号公報 特開２００５−３１０９７７号公報

特許文献１で提案されているガスクラスターイオンビームによる加工方法は、モノマーイオンが除去されたガスクラスターイオンビームをレンズで収束させて加工対象物に照射するものである。ガスクラスターイオンビームを加工対象表面に対して略垂直に照射する場合には、モノマーイオンによる表面損傷の影響が大きいため、モノマーイオン除去による表面損傷の低減効果は大きい。しかしながら、モノマーイオン除去のために、永久磁石ビームフィルタをビームライン上に設置しなければならず、装置の小型化の観点からは不利であるという問題がある。

また、特許文献１で提案されている方法は、ウエハのような大型の平板表面の全面をラスターパターンでスキャンすることにより平坦化する方法であり、ウエハ全面を均一に平坦化することができるものの、例えばウエハ上に形成された複数の特定部分のみを選択して均一に平坦化する目的に対しては、無駄な部分への照射が多くなり、加工時間が長くなるという問題がある。
特許文献２にはモノマーイオンを除去せずにクラスターイオンと混合照射することが記載されている。しかしながら、モノマーイオンを除去せずに照射した場合、モノマーイオンの影響を最小にして表面を平坦にする方法が明らかではないという問題があった。また、モノマーイオンビームの空間分布とクラスターイオンビームの空間分布とが異なっていると、モノマーイオンが相対的に多く照射される場所では表面粗さが大きくなり、照射エリア内を均一に平坦化することができないという問題が生じうる。この点に関し、特許文献２ではモノマーイオンを除去しない場合に、モノマーイオンビームとクラスターイオンビームの空間分布がそれぞれどのようになっているのかは検討されておらず、そのため照射エリア内の表面粗さが均一になるのかどうかは従来明らかではなかった。

発明者らが、モノマーイオンを除去しない場合において照射エリア内の表面粗さ分布を調べたところ、照射エリアの中心部分では表面粗さが小さいが、中心から離れた位置では表面粗さが大きくなることがわかった。即ち、モノマーイオンを除去せずに照射した場合には、照射エリア内で表面粗さを均一にすることができないという問題があることがわかった。
この発明の目的はこのような問題に鑑み、モノマーイオンの影響を最小にして表面を平坦化し、無駄な部分への照射を行うことなしに、照射エリア内を均一に平坦化することができる固体表面の加工方法及びその装置を提供することにある。

請求項１の発明によるガスクラスターイオンビームを用いて固体表面を平坦に加工する方法は、ガスクラスターイオンビームの照射過程の少なくとも一部の期間において、固体表面の法線とガスクラスターイオンビームとがなす照射角度を７０度より大きくし、かつモノマーイオンを分離せずにガスクラスターイオンビームをレンズ機構によってフォーカスさせて照射する。
請求項２の発明では請求項１の発明において、レンズ機構がアインツェルレンズとされる。

請求項３の発明では請求項２の発明において、アインツェルレンズが２段以上とされる。
請求項４の発明では請求項１の発明において、フォーカスしたガスクラスターイオンビームを固体表面上でベクタースキャンする。
請求項５の発明によるガスクラスターイオンビームを用いて固体表面を平坦に加工する装置は、ガスクラスターイオンビームを出射するガスクラスターイオンビーム発生装置と、ガスクラスターイオンビームに対し、固体表面の法線がなす照射角度を７０度より大きく設定可能な照射角度調整機構と、ガスクラスターイオンビームをフォーカスさせるレンズ機構とを具備する。

この発明による加工方法によれば、モノマーイオンの影響を最小にして表面粗さを低減し、かつ照射エリア内を均一に平坦化することができる。
さらに、照射スポットをベクタースキャンすることにより、無駄な場所への照射を行うことなく、短い加工時間で目的の表面を平坦化することができる。

最初に、モノマーイオンを含むガスクラスターイオンビームの角度照射効果を検討した結果について説明する。
図１は原料ガスとしてＡｒを用い、加工対象表面をＣｕ膜表面として、Ａｒクラスターイオンビームの、Ｃｕ膜表面の法線に対する照射角度が０度（垂直照射）と７０度及び８２度（角度照射）のそれぞれの場合において、モノマーイオン除去を行った場合と行わなかった場合のＣｕ膜の表面粗さを調べた結果を表にして示したものである。照射前のＣｕ膜の表面粗さＲａは９．７ｎｍであり、すべて実効ドーズ量が１．５×１０^１６ｉｏｎｓ／ｃｍ^２となる条件で比較した。

いずれの場合も照射前よりも表面平坦化が起こっているが、垂直照射の場合はモノマーイオンを除去することにより、表面粗さをより低減できることがわかる。一方、７０度と８２度の角度照射の場合はモノマーイオン除去の有無は表面平坦化効果に影響を及ぼさないことがわかった。即ち、角度照射を用いれば、モノマーイオンを分離しないガスクラスターイオンビームを用いても、モノマーイオンを分離したガスクラスターイオンビームと同等の表面平坦化効果が得られることを新たに発見した。
モノマーイオンを含むガスクラスターイオンビームの表面平坦化効果のメカニズムは以下のように考えられる。モノマーイオンの固体表面への照射角度が大きくなると、モノマーイオンの固体表面の垂直方向への運動エネルギー成分が小さくなり、固体内部への侵入が起こりにくくなる。そのため、垂直照射において顕著であった固体内部への損傷作用や固体表面の粗さを増加させる作用は低減される。

また、固体表面に水平の運動エネルギー成分の増加により、固体表面上の突起をエッチングし、平坦化に寄与する効果も垂直照射の場合に比べて相対的に大きくなると考えられる。さらに、同時にクラスターイオン照射も起こっているため、モノマーイオン照射起因の表面粗さが誘起されたとしても蓄積されることなく平坦化される。
このようなメカニズムにより、ガスクラスターイオンビームの照射角度を大きくすれば、モノマーイオンの除去を行わなくても平坦化効果が損なわれることはなく、またモノマーイオン分離によるビーム電流の低下がないため、加工速度が向上する。図１の結果から、ガスクラスターイオンビームの照射角度は７０度より大きくすれば、モノマーイオンの除去を行わなくても平坦化効果が損なわれることはない。なお、イオン化直後のガスクラスターイオンビームに含まれるモノマーイオンの割合は一般に最大で３０％程度であることが知られているが、少なくともこの割合以下の場合には上記のメカニズムが有効に働くものと考えられる。

以下、この発明の実施形態を説明する。
まず、この発明によるガスクラスターイオンビーム加工装置の基本構成を図２を参照して説明する。
原料ガスをノズル１１から真空のクラスター生成室１２内に噴出させて、ガス分子を凝集させ、クラスターを生成する。そのクラスターをスキマー１３を通してガスクラスタービームとしてイオン化室１４に導く。イオン化室１４ではイオナイザー１５から電子線、例えば熱電子を照射して中性クラスターをイオン化する。このイオン化されたガスクラスタービームは加速電極１６によって加速される。加速されたガスクラスターイオンビームはビーム収束用のレンズ機構１７により焦点距離を調整され、プロセス室１８に入射される。プロセス室１８内には試料１９の照射位置・角度を制御するためのステージ２１が設けられている。このステージ２１上の試料支持体２２に試料１９が取り付けられ、入射されたガスクラスターイオンビーム２３が試料１９の表面に照射される。なお、電気的絶縁体の試料１９の表面を平坦化する場合などには、ガスクラスターイオンを電子により予め中性化する場合もある。

ステージ２１は図２では簡略化して示しているが、例えばＸ，Ｙ，Ｚの３軸リニアステージと、試料１９表面の法線に対するガスクラスターイオンビーム２３の照射角度θを所望の角度に設定可能な照射角度調整機構（回転ステージ）とを備えているものとされる。
図３は図２におけるレンズ機構１７の具体例を示したものであり、レンズ機構１７はこの例ではアインツェルレンズとされる。図３では収束機能を持たせるための基本構成を２段重ねた構成となっており、２段目を取り外して１段のレンズとすることもできる。図３中、１７_１は１段目レンズを示し、１７_２は２段目レンズを示す。また、１７ａ，１７ｂは中心に貫通穴を有する円板状電極を示し、電極１７ａはアース電位とされ、電極１７ｂは正電位とされる。

原料ガスとしてＡｒを用い、Ａｒクラスターイオンビームを生成し、Ａｒクラスターイオンを２０ｋＶに加速して試料１９に照射した。試料１９はシリコンウエハとした。図４の表に示す各種条件で照射し、照射後のシリコンウエハの表面粗さＲａを原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で測定した。いずれもモノマーイオンを除去していないため、クラスターイオンビーム中にモノマーイオンを含んでいる。
レンズ１段の条件ではアインツェルレンズの２段目部分を取り外し、レンズ無し（×）の条件ではレンズをすべて取り外し、試料１９をそれぞれ取り除いたレンズの長さ分、ビームの上流側へ設置して照射を行った。レンズが２段の場合、イオン化室１４の出口から試料１９までの距離を２５０ｍｍとし、この距離２５０ｍｍの位置（試料照射位置）において、Ａｒクラスターイオンビームの進行方向と垂直な断面のビーム径が５ｍｍになるようにアインツェルレンズの電圧を調整した。レンズが１段の場合は試料照射位置におけるビーム径が１０ｍｍになるように調整した。なお、レンズ無し（×）の場合はビーム径はビームの進行と共に発散し、試料照射位置において５０ｍｍであった。モノマーイオンを含むクラスターイオンビームのイオン電流値を開口径５０ｍｍのファラデーカップで確認した。イオン電流値は各試料照射位置（各条件）において、レンズが２段の場合５０μＡ、レンズが１段の場合６０μＡ、レンズ無し（×）の場合７５μＡであった。照射ドーズ量はいずれも２×１０^１６ｉｏｎｓ／ｃｍ^２とした。

表面粗さＲａの測定は各照射位置でビーム電流値がピークを示す位置を照射ビームの中心部とし、半分の大きさになる位置を端部とし、これら中心部と端部で行った。測定結果を図４の表中に示す。
図４に示した表より、モノマーイオンを除去しない場合、レンズの条件（レンズ無し（×）、１段、２段）のいずれにおいても、角度照射（照射角度８２度）の方が垂直照射（照射角度０度）より表面粗さが小さくなっていることがわかる。
また、モノマーイオンを除去せずに角度照射を行った場合、レンズでフォーカスさせない場合には中心部と端部とで表面粗さの差が大きいのに対し、レンズでフォーカスさせた場合にはこの差が小さくなる（均一に平坦化することができる）ことがわかる。この均一化の効果はアインツェルレンズが１段の場合より２段の場合の方が大きいことがわかる。

このようなレンズでフォーカスする場合としない場合の平坦化効果の違いは、クラスター生成過程でクラスターの空間分布とモノマーの空間分布が異なっていることが関係しているのではないかと考えられる。即ち、クラスターはノズルの中心部で最も密度が高い状態で発生しやすいと考えられるため、相対的にビームの中心部でクラスターのモノマーに対する密度が大きくなる。メカニズムの詳細は明らかではないが、レンズでフォーカスさせることにより、質量の小さいモノマーイオンはより電界で曲げられやすく、ビームの中心に集中していく傾向があり、結果的にクラスターイオンの空間分布がほぼ均一になるのではないかと考えられる。

以上より、モノマーイオンを除去せずにレンズでフォーカスさせて角度照射することにより、特定の照射エリア内を均一に平坦化することができるものとなる。

原料ガスとしてＡｒを用い、Ａｒクラスターイオンビームを生成し、Ａｒクラスターイオンを２０ｋＶに加速して試料１９に照射した。試料１９は図５に示したようなパターン３１がそれぞれ形成された１６個のチップが直径４インチのシリコンウエハ３０上に形成されているものとした。パターン３１の高さＨ、長さＬ、幅Ｗは、
Ｈ＝１００μｍ ， Ｌ＝５００μｍ , Ｗ＝５０μｍ
とした。
レンズ機構１７として２段のアインツェルレンズを用いた。アインツェルレンズの電圧を調整し、クラスターイオンビームの進行方向と垂直な断面のビーム径が、イオン化室１４出口からの距離２５０ｍｍの位置（試料照射位置）において５ｍｍになるようにした。モノマーイオンを含むクラスターイオンビームのイオン電流値を開口部が１ｍｍ角（１ｍｍ^２）のファラデーカップで確認したところ、ビームの中心部の電流値は試料照射位置において２μＡであった。

各チップのパターン３１の片側側面のみを平坦化するため、以下の手順でＡｒクラスターイオンビームを照射した。
まず、チップ１のパターン３１の側面を照射角度θ＝８２度、ドーズ量２×１０^１６ｉｏｎｓ／ｃｍ^２（角度照射による実効的なビームサイズで計算される実効ドーズ量は２．８×１０^１５ｉｏｎｓ／ｃｍ^２）で照射した。クラスターイオンビームの中心部１ｍｍ角のエリアがパターン３１の側面に照射されるようにステージ２１の位置を調整した。指定のドーズ量に相当する照射時間が経過した時点で、試料照射場所としてチップ２のパターン３１の側面を指定し、ステージ２１を移動させた。その位置において、チップ１と同様、ドーズ量２×１０^１６ｉｏｎｓ／ｃｍ^２でチップ２のパターン３１の側面を照射した。

以下同様に、指定のドーズ量に相当する照射時間が経過したら、ステージ２１を順次、チップ３，４，…，１６の位置へ移動させ、照射を行った。最後のチップへの照射が終了した時点で、Ａｒクラスターイオンビームの加速電圧を０ｋＶに落とし、一連のプロセスを終了した。一連のプロセスに要した時間は５分であった。
［比較例］
アインツェルレンズを取り外し、取り除いたレンズの長さ分、試料１９をビームの上流側へ設置した点及び各チップのパターン３１の側面を平坦化する手順としてウエハ全面をラスタースキャンした点を除いて、実施例２と同様の実験を行った。アインツェルレンズがないため、ビーム径はビームの進行と共に発散し、試料照射位置において５０ｍｍであった。ドーズ量が２×１０^１６ｉｏｎｓ／ｃｍ^２（角度照射による実効的なビームサイズを考慮した各パターン３１の側面への実効ドーズ量は２．８×１０^１５ｉｏｎｓ／ｃｍ^２）となるよう、ラスタースキャンを行った後、Ａｒクラスターイオンビームの加速電圧を０ｋＶに落とし、プロセスを終了した。プロセスに要した時間は１８０分であった。

上記実施例２と比較例を参照すると、平坦化の対象となる表面の大きさが試料全体の一部である場合、ラスタースキャン方式（全体を均一に走査する方法）より、ビームを収束してベクタースキャン方式（ある場所から指定の場所へ順次位置の移動するスキャン方法）でスキャンする方が、はるかに高い加工速度を実現することができ、つまり短い加工時間で目的の表面を平坦化することができる。
上述した実施例１，２ではレンズ機構１７としてアインツェルレンズ（静電レンズ）を用いているが、ガスクラスターイオンビームのビームサイズを収束させる機能を有するものであれば、レンズの形態はどのようなものであってもよく、例えば磁界レンズを使用することもできる。なお、アインツェルレンズを用いる場合、３段以上重ねる構成とすることもできる。

また、モノマーイオンを分離せずにレンズ機構１７によってフォーカスさせてガスクラスターイオンビームを角度照射する（７０度より大きい照射角度で照射する）期間は、必ずしも照射過程の全期間でなくてもよく、そのような角度照射を照射過程の少なくとも一部の期間行うものとしてもよい。
例えば、一例として７０度より大きい照射角度で照射する過程の前に、７０度以下の照射角度で照射する過程を有するものとしてもよく、また７０度より大きい照射角度と７０度以下の照射角度との間を連続的に変化させることを１回以上繰り返すような照射としてもよい。

モノマーイオン除去有無及び照射角度と表面粗さの関係を示す表。 この発明の固体表面の加工方法を実現するガスクラスターイオンビーム加工装置の基本構成を示す図。 図２におけるレンズ機構の具体例を説明するための図。 照射角度及びレンズと表面粗さの関係を示す表。 実施例２及び比較例で用いた試料形状及び照射角度配置を示す図。

Claims (5)

1. ガスクラスターイオンビームを用い、固体表面を平坦に加工する方法であって、
   前記ガスクラスターイオンビームの照射過程の少なくとも一部の期間において、前記固体表面の法線と前記ガスクラスターイオンビームとがなす照射角度を７０度より大きくし、かつモノマーイオンを分離せずに前記ガスクラスターイオンビームをレンズ機構によってフォーカスさせて照射することを特徴とする固体表面の加工方法。
2. 請求項１記載の固体表面の加工方法において、
   前記レンズ機構がアインツェルレンズであることを特徴とする固体表面の加工方法。
3. 請求項２記載の固体表面の加工方法において、
   前記アインツェルレンズが２段以上となっていることを特徴とする固体表面の加工方法。
4. 請求項１記載の固体表面の加工方法において、
   前記フォーカスしたガスクラスターイオンビームを前記固体表面上でベクタースキャンすることを特徴とする固体表面の加工方法。
5. ガスクラスターイオンビームを用い、固体表面を平坦に加工する装置であって、
   ガスクラスターイオンビームを出射するガスクラスターイオンビーム発生装置と、
   前記ガスクラスターイオンビームに対し、前記固体表面の法線がなす照射角度を７０度より大きく設定可能な照射角度調整機構と、
   前記ガスクラスターイオンビームをフォーカスさせるレンズ機構とを具備することを特徴とする固体表面の加工装置。

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