JP2753306B2

JP2753306B2 - イオンビーム加工方法及び集束イオンビーム装置

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Publication number: JP2753306B2
Application number: JP1036122A
Authority: JP
Inventors: 毅大西; 亨石谷; 義実川浪
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1988-03-18
Filing date: 1989-02-17
Publication date: 1998-05-20
Anticipated expiration: 2013-05-20
Also published as: JPH01315937A; US4936968A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は集束イオンビーム（FIB）を用いた穴開け加
工等に係り、高速で加工形状の良いイオンビーム加工方
法及びこれに使用する集束イオンビーム装置に関する。

〔従来の技術〕

従来の技術は、ジヤーナル・オブ・バキユーム・サイ
エンス・アンド・テクノロジーB5（１）,Jan./Feb,1987
年，第207頁から第210頁（J.Vac.Sci.Technol.B5
（１）,Jan/Feb 1987 pp207−210（以下文献１とい
う）において論じられている。

文献１では、第２図に示す様な集束イオンビーム１を
用いて試料２をスパツタリング加工する場合について、
次の３点が述べられている。

試料上でのビーム径ｄと１回のビーム照射により加
工される加工深さｈの関係をｈ＜ｄとする事で、スパツ
タリングした試料物質の加工穴側壁への再付着量を小さ
くできる。

ビーム掃引方向を各パス毎に反転する事で非対称な
再付着が無くなる。

側壁への再付着は、スパツタリング率の入射ビーム
角度依存性により補償できる。

は、ｈ＞ｄとした条件では、加工の段差部が大きく
なり、その段差部をスパツタリング加工すると、スパツ
タリングされた試料物質は斜め方向に多く飛散し、加工
穴側壁へ付着し易くなる事を考慮したものである。
は、前記の試料物質の斜め方向への飛散を、ビーム掃引
方向を反転することで平均化し、加工穴側壁への付着を
均一化して加工形状に対称性を保つ事を考慮したもので
ある。は、第３図に示すイオン入射角とスパツタリン
グ率との関係（スパツタリング現象，金原粲著，東京大
学出版会，第26頁（以下文献２という）より引用）か
ら、側壁に再付着した試料物質には等価的にビームが大
きい角度で入射するため、スパツタリング速度が速く、
付着物質は直ちに除去されると考えたものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、加工条件をｈ＜ｄとする事で再付着
の少ない加工ができる事を示した点で優れているが、ｈ
＜ｄの条件における高速加工性については考慮していな
い。

本発明の課題は、高速で、かつ、加工形状の良いイオ
ンビーム加工方法を実現する事にある。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題は、加工の進行による加工穴深さＨあるいは
アスペクト比（加工穴深さH/加工穴径Ｄ）の増大に伴
い、１回のビーム照射により加工される加工深さｈと試
料上でのビーム径ｄの関係をｈｄからｈ≪ｄへと変化
させる事、あるいは、試料上を走査する集束イオンビー
ムの軌跡がビーム照射点に最も近い加工穴側壁の法線と
垂直に交鎖しかつその交鎖点が上記壁面に近づくように
ビーム偏向をおこなうことで達成される。

〔作用〕

第4a図及び第4b図は、集束イオンビーム１を照射し、
試料２に穴開け加工を行なう場合のスパツタリングの様
子を示す断面図であり、第4a図はビーム掃引条件をｈ≪
ｄとした場合、第4b図はｈｄとした場合を示してい
る。

第4a図に示すｈ≪ｄとした掃引条件による加工では、
一掃引前に形成された微小段差５が小さく、試料２への
ビーム１の入射角はほぼ90゜と考えられるため、スパツ
タリングで飛散する試料物質（スパツタ粒子）３の角度
分布は試料面の法線方向に強度中心を持つ分布、例え
ば、Gauss分布,cos²分布又はコサイン分布をする。従つ
て、加工穴側壁４へのスパツタ粒子３の再付着は最小限
におさえられる。第4b図に示すｈｄとした掃引条件に
よる加工では、微小段差５が大きく、試料２へのビーム
１の入射角は局所的に見て斜め方向となる。従つて、ス
パツタ粒子３は試料面の法線に対し角度を持つた所にそ
の強度中心を持つ。すなわち強度中心の方向に加工穴側
壁４が存在する。このため、スパツタ粒子３が加工穴側
壁４へ衝突し、再付着する割合が高くなる。しかし、第
３図に示すデータからも分かる様に、試料へのビーム入
射角が増加するとスパツタリング率Ｓが向上し、スパツ
タリングされる試料物質の総量はｈ≪ｄとした場合に比
べ多くなる。

平坦な試料に集束イオンビームを偏向照射し、穴開け
加工を行なう工程を考えると、加工初期の加工穴の深さ
がまだ浅くアスペクト比（加工穴深さH/加工穴径Ｄ）が
低い時点では、スパツタ粒子が斜め方向に飛散してもス
パツタ粒子の飛散方向にまだ壁面が存在せず、従つて加
工穴側壁へ衝突する割合が小さいため、ｈｄの掃引条
件で高速に加工する事が可能である。加工穴が深くな
り、アスペクト比が高くなると、スパツタ粒子の飛散方
向に壁面が形成されるのでスパツタ粒子が加工穴側壁に
衝突する割合が増加する。このためｈ≪ｄの掃引条件で
再付着量を極小とする必要がある。

従つて、加工初期の段階ではｈｄの条件で、加工が
進みアスペクト比が例えば0.5以上と高くなる時点では
ｈ≪ｄの条件でビーム掃引を行なうと、再付着量が少な
く形状の良い加工を高速に行なえる。

この条件を変えるパラメータとしては、FIBの試料上
でのビーム静止時間電流密度ビーム径がある。ビ
ーム静止時間は例えば走査速度を一定としてビームの偏
向のピツチを変えることで制御できる。電流密度やビー
ム径を変えるには可変アパーチヤやズームレンズによつ
て、ビーム光学系の物理的位置関係や絞りの大きさを変
化させればよい。

さらに、加工穴の形成する際、加工穴の中心から外側
へ向かつてビームを走査することでより一層の加工精度
の向上が達成できる。すなわち、試料上を走査する集束
イオンビームの軌跡が、ビーム照射点に最も近い加工穴
側壁の法線とほぼ垂直に交鎖しかつその交鎖点が、上記
側壁に順次近づくようにビーム走査をおこなうことで、
加工穴側壁へのスパツタ粒子の付着を低減できる。これ
は、この様にビームを偏向することで、ビームによる加
工で形成される段差の面が、常にそこから最も近い加工
穴側壁の反対側を向くように加工を進めることができる
ためである。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図を用いて説明する。

実施例１第５図は本発明に用いる集束イオンビーム・システム
の一例を示す概略構成図である。本実施例では各偏向点
でのビームの静止時間を変化させることでｈとｄの大小
関係を制御する。光学系はGa液体金属イオン源11、静電
レンズ12a,12b、８極偏向器13a,13b、ブランキング電極
14により構成されて、加速電圧は30KVである。ビーム偏
向はコンピユータ・システム18により統括制御され、偏
向制御装置17、偏向アンプ19a,19bおよびブランキング
アンプ20を介し、偏向信号及びブランキング信号が偏向
器13a,13b及びブランキング電極14に印加される。上記
構成の光学系によりFIBのON,OFF走査を行い試料台15上
の試料を任意形状に加工する。

ビーム照射により二次的に放出される電子30は、二次
電子検出器16により輝度信号となり、A/D変換器31を介
してコンピユータ・システム18に入力され、陰極線管
（CRT）32上に走査イオン顕微鏡（SIM）像として表示さ
れる。この像を用い、加工の位置決め等を行なう。ま
た、第５図中、Vhはヒーター電源、Veは引出し電源、Va
ccは加速電源、Vl₁,Vl₂はレンズ電源である。イオン源
としては上記Ga液体金属イオン源の他にAu又はAl液体金
属イオン源、あるいは電界電離型ガスイオン源等、試料
をスパツタ加工できるイオン源であれば使用可能であ
る。

第６図は前記偏向制御装置17の内部ブロツク図であ
る。ｘ軸及びｙ軸方向の偏向信号はD/A変換器24a及び24
bにより発生させるが、その入力デイジタル・データを
カウンタ回路21,スキヤン方向切替回路22,分解能切替回
路23を用い発生させている。コンピユータ・システム18
から供給され、カウンタ回路21に入力されるクロツク信
号の周期は偏向点でのビーム静止時間に対応している。
ビーム静止時間を調整することで各偏向点のビーム照射
量を調整できる。これにより、各偏向点でのスパツタ原
子の量を調整してｈを変化させ、ｈとｄの大小関係を制
御することができる。スキヤン方向切替回路22はカウン
タ回路21から出力されるビーム偏向位置データの反転及
びｘ軸,y軸の入れ替えにより、ビームの走査方向をｘ軸
方向とｙ軸方向とで自由に選択できるようにしたもので
ある。分解能切替回路23はビーム・スポツトの移動ピツ
チ（ビームスポツトもしくは走査線間の間隔）を設定す
るもので、試料表面を平坦に加工するには、ビーム径よ
りも移動ピツチが小さくなるようにして加工する必要が
ある。

上記の集束イオンビームシステムを用い、Si基板に穴
開け加工を行なつた実施例を第1a図及び第1b図に示す。
第1a図は加工初期の加工穴深さの浅い状態、第1b図は加
工終盤の加工穴深さの深い状態を示している。最終的な
加工穴の形状は５μｍ×５μｍ（開口）×３μｍ（深
さ）である。集束イオン・ビームのビーム径ｄは0.1μ
ｍに設定した。

第1a図では、偏向クロツクの周期を5msと遅くする事
でｈｄの条件とし、分解能切替によりビーム１の移動
ピツチを0.05μｍ（ビツト径ｄの1/2）として試料２の
微小段差部に効率的にビーム照射が行なわれるように
し、加工速度を向上させた。第1b図では偏向クロツク周
期を１μｓとし、ｈ≪ｄの条件で加工を行なつた。ビー
ム移動ピツチは0.01μｍとした。これによりｈ≪ｄの条
件で加工穴側壁への再付着物質３の極少化が図れると同
時にビーム１をより均一に照射することができた。ま
た、前記スキヤン方向切替回路22を用いる事で、１回の
面スキヤン毎にスキヤン方向を変化させ、少量付着する
再付着物質３を各側壁（本実施例の場合四面）に平均的
に分散させ、加工穴形状を対称性のある良好なものとし
た。

第1a図，第1b図の偏向モード切替は、ビーム照射の時
間により加工深さが1.5μｍとなる時点で行なつたが、
この様な段階的な制御の他、加工穴深さの増大に合わ
せ、クロツク周期を連続的に変化させ随時ｈとｄの大小
関係を変化させてゆく事も可能である。

実施例２実施例１では、加工穴深さを単にビーム照射の時間に
対応させて管理したが、ビーム電流や試料電流の積分値
により加工穴深さを見積る事も可能である。すなわち、
スパツタ加工される試料物質が均一でビーム掃引条件が
一定の場合、スパツタリング率Ｓが一定となるため、ス
パツタリング速度はビーム電流値に比例する。

また、試料電流は、試料物質が均一であればビーム電
流に比例する。

従つて、ビーム電流、もしくは試料電流をモニターす
る事でその時のスパツタリング速度が測定できる。

これにより、ビーム電流もしくは試料に流れる電流を
積分する事でスパツタリングされた物質の量がわかり、
加工深さを見積る事ができる。なお、積分の手法として
は、アナログ積分器を用いるものと、サンプリング
と加算によりデイジタル的に行なうものが考えられる。

この実施例を第９図に示す。電流計40でビーム電流も
しくは試料電流をモニターし、これを積分器41で積分
し、コンピユータ18で加工穴深さを見積る。他の構成は
第５図の装置と同様である。

実施例３以上の実施例では、加工穴深さをパラメータとして、
加工穴深さの増大に伴つてｈとｄの大小関係をｈｄか
らｈ≪ｄへと変化させたが、形成する加工穴の形状が二
種類以上あるプロセスでは、加工穴のアスペクト比をパ
ラメータとすることで精度の高い加工を一括して行なう
ことができる。すなわち、加工穴深さＨが同じでも加工
穴径Ｄの大小によつて加工穴側壁へのスパツタ粒子の付
着量が変化するからである。加工穴の形状が単純な円や
矩形の場合はその直径や一辺の長さをＤと取ればよい。
加工穴形状が複雑な場合は、例えば同面積の円に変換し
た場合の直径をＤととる等の方法がある。この実施例で
はアスペクト比が例えば1/2以上と高くなつた時ｈとｄ
の大小関係を切り換えたり、アスペクト比に応じて連続
的にｄとｈの関係を変化させることで様々な形状の加工
穴の精度を一括して向上しうる。

実施例４スパツタ粒子の加工穴側壁への再着付は、加工穴の形
状やビームの走査方向によつても変化する。ビームの照
射される加工段差の斜面と、該斜面に対面する加工穴側
壁との距離によつて再付着の確率が異なるからである。

第７図にこの原理を示す。ビームの照射点１から加工
穴側壁までの距離をｙ、加工穴側壁の高さをＨとする
と、H/yが大きいほどスパツタ粒子の再付着確率が大き
くなると言える。第７図ではスパツタ粒子の射出方向の
強度中心を３′で示した。従つてH/yの大きい所でｈ≪
ｄの掃引条件とし、H/yが小さくなるに従いｈｄの条
件とすることで、より再付着の少ない加工と加工速度の
向上を達成できる。具体的には第５図に示す装置により
ビーム照射位置及びスキヤン方向に対応させてクロツク
信号及び偏向ピツチを変化させる。

実施例５スパツタ粒子の加工穴側壁への再付着をさらに減少さ
せるためには、集束イオンビームの照射される加工段差
の斜面の向きも重要となる。すなわち、集束イオンビー
ムの照射される加工段差の斜面の向きが、該照射点から
最も近い加工穴側壁と常に反対側を向くようにビームを
走査すれば、側壁へのスパツタ粒子の再付着をさらに低
減できる。

具体的には第8a図及び第8b図に示すように、試料２上
を走査するビームの軌跡100が、該軌跡に最も近い加工
穴側壁４の法線101とほぼ垂直に交鎖し、その交鎖点が
法線上を壁面４に近づく方向に順次移動する様にビーム
偏向を行なう。なお、第8b図に示す円形の穴加工は、第
8a図に示す矩形の穴加工と比較し、同一の開口面積を得
るために必要なスパツタ粒子量が少なく、よりいつそう
の高速加工が可能となる。

実施例６第10図は２層配線構造のデバイスにコンタクトホール
加工を行なつた実施例であり、第１層配線200aへのコン
タクトホール300aと第２層配線201aへのコンタクトホー
ル300bを集束イオンビーム１照射によるスパツタ加工に
より形成した。下層配線201aへの加工は一般的にアスペ
クト比が高くなり、上層配線の損傷を防ぎかつ、良好な
コンタクト特性を得る目的から加工形状が良好でなけれ
ばならない。従つて、本発明の加工方法が有効に活用で
きる。このようなコンタクトホールは多層配線構造のデ
バイスの配線修正や、大規模集積回路（LSI）の電子ビ
ームテスタによる検査において利用される。

〔発明の効果〕

本発明によれば、再付着量が少なく加工形状の良好な
スパツタリング加工を高速に行なえる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第1a図及び第1b図は本発明の一実施例の断面図、第２図
はFIB加工の概念を説明するための加工穴断面図、第３
図はイオン入射角とスパツタリング率との関係を示した
実験デースを示すグラフ図、第4a図及び第4b図は本発明
の原理説明のための加工モデルの断面図、第５図は本発
明に用いた集束イオンビーム・システムの概略構成図、
第６図は本発明に用いるイオンビーム・システムの偏向
制御装置の内部ブロツク図、第７図はビーム照射位置と
再付着量の対応関係を示す加工穴断面図、第8a図および
第8b図は再付着量を軽減するビーム軌跡を示す試料上面
図、第９図は本発明に用いた他の集束イオンビーム・シ
ステムの概略構成図、第10図は多層配線構造のデバイス
に穴開け加工を施した場合の実施例を示す断面図であ
る。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】集束イオンビーム（FIB）を偏向して試料
表面を走査し、スパッタリング加工を行なうイオンビー
ム加工方法において、上記FIBの上記試料表面でのビー
ム径をｄ、１回の集束イオンビーム走査により形成され
る段差の高さをｈとした場合、加工の進行による加工穴
の深さの増大に伴い、ｄとｈの関係をｈ≧ｄからｈ≪ｄ
へ変化させて、上記試料表面の上記FIB照射部から発生
するスパッタ粒子の上記加工穴側壁への再付着の量を制
御するイオンビーム加工方法。
【請求項２】前記FIBの前記試料表面でのビーム静止時
間，電流密度及びビーム径のうち少なくとも１つを変化
させることにより、前記ｄとｈの関係を変化させる請求
項１記載のイオンビーム加工方法。
【請求項３】前記FIBの前記試料表面へのビーム照射時
間で前記加工穴の深さをみつもる請求項１記載のイオン
ビーム加工方法。
【請求項４】前記FIBのビーム電流又は、前記試料に流
れる電流の積分値により前記加工穴の深さをみつもる請
求項１記載のイオンビーム加工方法。
【請求項５】前記FIBの偏向のピッチを、少なくともｈ
≪ｄの条件下で前記FIBのビーム径より小さくした請求
項１記載のイオンビーム加工方法。
【請求項６】前記加工穴内のFIBの照射位置により、さ
らに前記ｄとｈの大小関係を制御する請求項１記載のイ
オンビーム加工方法。
【請求項７】前記試料上を走査するFIBの軌跡が、該軌
跡に最も近い前記加工穴側壁の法線とほぼ垂直に交鎖
し、かつ該交鎖点が上記側壁に順次近づくように移動す
るごとくFIBの走査をおこなう請求項１記載のイオンビ
ーム加工方法。
【請求項８】前記試料が多層配線デバイスである請求項
１記載のイオンビーム加工方法。
【請求項９】FIBを偏向して試料上を走査し、スパッタ
リング加工を行なうイオンビーム加工方法において、上
記FIBの上記試料上でのビーム径をｄ、１回のFIB走査に
より加工される加工深さをｈとした場合、加工の進行に
よる加工穴のアスペクト比の増加に伴いｄとｈ関係をｈ
≧ｄからｈ≪ｄへと連続的あるいは段階的に変化させる
ことを特徴とするイオンビーム加工方法。
【請求項１０】集束イオンビームを偏向して試料上に走
査し、スパッタリング加工を行なうイオンビーム加工方
法において、加工途中に変化する加工穴の深さの増大に
伴い、上記集束イオンビームの上記試料上の偏向点での
静止時間を短縮することにより、試料表面から放出され
るスパッタ粒子の強度中心の方向と上記試料表面のなす
角θを90゜＞θから90゜≒θへと変化させるイオンビー
ム加工方法。
【請求項１１】集束された荷電粒子ビームを試料表面上
に走査し、上記試料をスパッタ加工して加工穴を形成す
る荷電粒子ビーム加工方法において、上記試料表面上で
上記加工穴側壁に順次近づくように上記荷電粒子ビーム
を走査し、該走査は上記荷電粒子ビームが前記加工穴側
壁の法線とほぼ垂直に交差するような軌道を通過するよ
うになされることを特徴とする荷電粒子ビーム加工方
法。
【請求項１２】イオン源と、該イオン源からのイオンビ
ームを集束するレンズ系と、上記イオンビームを偏向す
る偏向器と、上記イオンビームをブランキングするブラ
ンキング電極を有し、上記イオンビームを試料上に走査
することにより試料に加工穴の形成を行なう集束イオン
ビーム装置において、上記イオンビームの上記試料上で
のビーム径をｄ、１回のイオンビーム走査により加工さ
れる加工深さをｈとした場合、加工の進行による加工穴
の深さの増加に伴いｄとｈの関係をｈ≧ｄからｈ≪ｄへ
と変化させるように上記偏向器を制御する偏向制御手段
を有することを特徴とする集束イオンビーム装置。
【請求項１３】前記偏向制御手段は、前記試料上の偏向
点でのFIBの静止時間を制御することを特徴とする請求
項12記載の集束イオンビーム装置。
【請求項１４】前記偏向制御手段は、前記FIBのビーム
スポットの移動ピッチをビーム径よりも小さく設定する
機能を有することを特徴とする請求項13記載の集束イオ
ンビーム装置。
【請求項１５】前記偏向制御手段は、前記FIBのビーム
スポットの移動ピッチを可変とする機能を有することを
特徴とする請求項13記載の集束イオンビーム装置。
【請求項１６】前記偏向制御手段は、FIBの走査方向を
選択する機能を有することを特徴とする請求項13記載の
集束イオンビーム装置。
【請求項１７】前記偏向制御手段は、前記FIBの試料上
への照射位置，走査方向及び前記アスペクト比に対応さ
せて前記FIBの静止時間を制御することを特徴とする請
求項13記載の集束イオンビーム装置。