JP3035884B2

JP3035884B2 - 微細加工装置

Info

Publication number: JP3035884B2
Application number: JP7196093A
Authority: JP
Inventors: 雅規畠山; 洋太郎畑村
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1995-02-17
Filing date: 1995-07-07
Publication date: 2000-04-24
Anticipated expiration: 2015-07-07
Also published as: JPH08286000A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、放電管内の電極に異な
った種類の電圧を印加することにより、異なったエネル
ギー状態のビームを放射して、異なった加工を行うこと
のできるエネルギービーム源を備えた微細加工装置に関
する。また、エネルギービーム源が小型で、複数のエネ
ルギービーム源を用いて、一つの被照射物に対し、異な
った加工作用を同時に、又は経時的に行うことができる
微細加工装置に関する。

【０００２】本発明のエネルギービーム源は、ｎｍ（ナ
ノメートル）オーダの微細な加工、例えば半導体製造工
程における電極配線の切断・接合等、或いは絶縁体基板
上への立体的な構造物の加工等に好適に利用可能であ
る。

【０００３】

【従来の技術】従来、プラズマプロセスにおける正負イ
オンやラジカル粒子等の生成、或いはイオンビーム源な
どのエネルギービーム源では、用途が固定されているた
め、電極に印加する電圧の種類等は一般に固定されてい
る。例えば、イオンビーム源においては、イオン加速電
極には直流電圧印加が用いられ、直流電圧値を変化させ
て、イオンビームエネルギーを変化させている。

【０００４】また、半導体の微細加工を行うときには、
半導体製造プロセスで用いられるフォトリソグラフィを
用いた加工工程にエネルギービーム技術が用いられてい
る。フォトリソグラフィ工程における半導体基板の加工
工程について次に説明する。

【０００５】図２０に従来のフォトレジストを使用した
微細加工の工程例を示す。先ず、半導体基板１にレジス
ト材２をコーティングする（工程１）。次に、フォトマ
スク３を介在させて紫外線４を照射し、フォトマスク３
に形成させているパターン穴３ａをレジスト材２に転写
する（工程２）。次に、現像することによりパターン穴
３ａを通して紫外線４が照射された部分のレジスト材２
を除去する（工程３）。次にプラズマ中のイオンやラジ
カル粒子を利用して加工基板１の上のレジスト材２が無
い部分の異方性エッチングを行い（工程４）、最後にレ
ジスト材２を除去する（工程５）。以上の各工程を経て
半導体基板１の表面にフォトマスクのパターン穴３ａと
同形の穴１ｃを形成して微細加工が行われる。通常はこ
の工程及び不純物の導入等の工程を繰り返して半導体デ
バイスが製作される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来のフォトリソグラ
フィ技術では、極微細の線幅や径のパターンをレジスト
で形成することが困難であり、現状で可能なレベルより
も微小なパターンを作製するためには特別の工夫が必要
となる。また、イオンビーム源は、通常フランジに固定
されているため、被照射物に対して任意の方向からビー
ムの照射を行うことは困難であり、特に、複数のエネル
ギービーム源を用いて被照射物の任意の場所に立体的に
ビームの照射を行うことは難しい。

【０００７】また、従来のフォトリソグラフィ技術を用
いた半導体の微細加工では、平坦度等の表面状態が良い
基板である必要があり、表面状態の粗悪なものや曲面、
或いは試料の多面におけるフォトレジスト膜の作製は困
難である。またパターン転写のためには、予め、フォト
マスクパターンを用意しなければならず、異なるパター
ン作製では、別のフォトマスクを新たに作製しなければ
ならない。このように、作業の煩雑さに加えて、コスト
がかかり、半導体基板上のパターン形成の自由度が制限
されている。このように、例えば半導体の極微細パター
ン形成のため、新たなパターン転写、或いはエッチング
等の技術開発が要請されている。

【０００８】また、イオンビーム源や電子線源を用いた
フォトレジストの除去加工では、イオンビーム源や電子
線源の他に、反応性ガス供給機構を用意しなければなら
ない。さらに、このようなイオンビーム源や電子線源
は、フランジに固定されており、ある程度の試料の移動
が可能であるが、基本的に試料の１面における２次元的
な加工に限られている。また、複数のビーム源を用い
て、試料の同一場所にビームの入射角度や位置を任意に
設定して加工を行うことは困難である。

【０００９】本発明は上述した事情に鑑みて為されたも
ので、単一もしくは複数のエネルギービーム源から多様
なエネルギー状態もしくは種類のビームを形成して、多
様な微細加工を行うことのできるエネルギービーム源、
及びそのビーム源を備えた加工装置を提供することを目
的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
め、本発明の第１の態様では、エネルギービーム源であ
って、放電管と、該管内にガスを供給するガス供給ノズ
ルと、一つ以上のビーム放射孔の開いたビーム放射ノズ
ルと、前記放電管に配置された３つ以上の電極とにより
構成され、該電極に印加する電圧種類が、高周波電圧か
直流電圧又はその組合せであり、該電極に印加する電圧
種類とガス種を変化することで、正イオン、負イオン、
高速中性粒子、ラジカル粒子、電子等の異なったエネル
ギー状態もしくは種類の粒子ビームを供給するものであ
り、前記エネルギービーム源が小型であり、当該エネル
ギービーム源を把持し被照射物に対して任意の方向から
ビームを照射できるように、マニュピレータもしくは並
進・回転移動ステージに設置されたことを特徴とする。

【００１１】又、本発明の第２の態様では、前記ビーム
放射ノズルに設けてあるビーム放射孔の径が、０．１ｎ
ｍ〜１０ｎｍもしくは１０ｎｍ〜１００ｎｍ、もしくは
１００ｎｍ〜１０μｍであり、孔の数が１つもしくは複
数であり、孔の長さが、孔径の１倍〜５倍もしくは５倍
〜１０倍もしくは１０倍以上であることを特徴とする。

【００１２】又、本発明の第３の態様では、前記エネル
ギービーム源のエネルギービーム放射孔の下流位置に当
該エネルギービーム源と一体化したパターンマスクが設
置してあり、ビームが当該パターンマスクに開いている
パターン孔を通って、被照射物に放射されたエネルギー
が照射され、当該マスクに用いているパターン孔の有効
径寸法が０．１ｎｍ〜１０ｎｍ、もしくは１０ｎｍ〜１
００ｎｍ、もしくは１００ｎｍ〜１０μｍであることを
特徴とする。

【００１３】又、本発明の第４の態様では、前記エネル
ギービーム源を複数備えたことを特徴とする。

【００１４】又、本発明の第５の態様では、前記被照射
物とエネルギービーム源との相対位置移動を行う手段を
備え、被照射物上の局所の成膜・エッチング・接合・接
着などの加工を行うことを特徴とする。

【００１５】

【作用】本発明の第１の態様によれば、放電管の上流
側、中間、下流側の電極に高周波電圧、直流電圧、接地
の電圧の組み合わせ、およびガス種を組み合わせること
により、正イオン、負イオン、高速中性粒子、ラジカル
粒子、電子線等の各種のエネルギービームを放出させる
ことが可能となる。従って、同一のエネルギービーム源
から放射される各種のエネルギービームにより、試料上
で成膜、エッチングなどの異なった加工を行うことが可
能となる。そして、エネルギービーム源が小型であり、
かつマニュピレータ等の移動機構上に設置されているこ
とから、被照射物の選択された微細な局部にエネルギー
ビームを照射することが可能となり、微細な局部の成
膜、エッチング等を行うことができる。

【００１６】本発明の第２の態様によれば、エネルギー
ビーム放射孔の径が、０．１ｎｍ〜１０μｍ程度と微細
であり、孔の長さが孔径の１から１０倍以上であること
により、極めて微細なエネルギービームを形成すること
ができる。また、高速原子線の生成においては、中性化
率を高め、良質の高速原子線を放出できる。

【００１７】本発明の第３の態様によれば、ビーム放出
孔の下流側にエネルギービーム源と一体化したパターン
マスクを備えることにより、従来のフォトマスク等を用
いることなく微細なパターンの転写が可能となる。

【００１８】本発明の第４の態様によれば、エネルギー
ビーム源を複数備えることから、例えば試料の異なる面
に２個の部材を接合するような作業を行うことが可能と
なる。又、異なる種類のエネルギービームを試料の微細
な局部に集中することにより、２種類のエネルギービー
ムの相乗効果により従来単一のビームでは達成できなか
った高度な加工処理ができるようになる。

【００１９】本発明の第５の態様によれば、エネルギー
ビーム源が被照射物との間に相対位置移動を行えるの
で、例えば２台のエネルギービーム源と試料が、それぞ
れマニュピレータ、回転・並進移動ステージに搭載され
て、試料の任意の場所・面に対して、任意の角度でエネ
ルギービーム源よりビーム照射が行える。このため、エ
ッチング・成膜等の異なった種類の加工を同時に行うこ
とができる。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の実施例について添付図面を参
照しながら説明する。尚、各図中同一符号は同一又は相
当部分を示す。

【００２１】図１は、本発明の第１実施例のエネルギー
ビーム源を示す。このエネルギービーム源は、図示しな
い真空容器中にエネルギービームの被照射物である試料
と共に配置される。本実施例のエネルギービーム源はパ
イレックスガラスもしくは石英ガラス製の放電管１１に
３つの電極１５，１６，１７が取り付けてあり、中間電
極１６はリング形状である。下流側の電極１７は、ビー
ム放射孔１２を有するビーム放射ノズル１２を備えたも
のとなっている。上流側の電極１５には、放電管１１内
にガスを供給するガス供給ノズル１３を備えている。ビ
ーム放出孔１２は、単数の場合と複数の場合がある。

【００２２】小型のエネルギービーム源とその放電電極
１５，１６，１７に印加する電圧の種類、大きさ等を変
化することにより、異なったエネルギー状態・粒子種の
ビームを形成できる。そして、望まれる加工、例えば、
エッチング・成膜・接合・接着等を、試料の任意の場所
に行い、しかも、複数のエネルギービーム源を用いて、
多種加工を、同じ試料面に同時もしくは一連の作業工程
に準じて行うことができる。

【００２３】エネルギービーム源を用いて、エッチング
を行うときは、反応性の高いガス、例えば塩素、ＣＣｌ
4、ＳＦ6、ＣＦ4、Ｏ2、フロン等のガスを用いる。ま
た、成膜の時は、塩化アルミ、六フッ化タングステン、
メタン、塩化チタン等のガスが、ＨｅやＡｒガスに希釈
して、用いられる。また、接合や接着の場合では、複数
の微小物体の成膜位置等を、光学顕微鏡・レーザー顕微
鏡・走査型電子顕微鏡等を用いて、位置合わせを行い、
加工を行う。

【００２４】図２は本発明の第２実施例のエネルギービ
ーム源を示す。基本的な構成は、第１実施例と同様であ
るが、放電管１１の中央部に、コイル１８が設置してあ
り、中間電極に相当するコイル１８に高周波電圧を印加
し、放電管１１内にプラズマを発生する。コイル１８に
よる誘導型高周波放電では、コイルに高周波電圧が印加
されることによる磁場発生とその磁場による電子運動の
活性化によりガス供給ノズルから供給されたガスのプラ
ズマが形成され、容量型よりも高密度のプラズマが得ら
れる。

【００２５】図３は、本発明の第３実施例のエネルギー
ビーム源を示す。ラジカルビーム源として使用するため
に、印加電圧を制御した例である。図３に示す実施例で
は、中間の電極がリング形状の電極１６もしくはコイル
１８であり、いずれにも高周波電圧が印加される。他の
電極１５，１７は、アースに導通している。上流側電極
１５のガス供給ノズル１３よりラジカル粒子を形成する
原料ガスが導入され、高周波放電によりプラズマが放電
管１１内に形成される。プラズマ中のラジカル粒子がビ
ーム放出孔１２内外の圧力差により加速されてビーム放
出孔１２より放出され、その下流側に配置された試料に
照射される。このように、上流側と下流側の電極１５，
１７を接地して、中間電極１６，１８に高周波電圧を印
加して、且つ印加電圧を制御することにより、ラジカル
粒子を放出することができる。

【００２６】図４は、本発明の第４実施例のエネルギー
ビーム源を示す。本実施例では下流側の電極１７に高周
波電圧が印加されている。この場合は、中間電極はリン
グ電極１６であり、上流側電極１５と共に、アースに導
通している。この場合は、放電が、中間電極１６と下流
側電極１７間で行われ、放電管１１の下流側にプラズマ
が発生する。この場合も、プラズマ中のラジカル粒子
が、放電管１１の内外の圧力差によりビーム放出孔１３
より放出されるが、高周波電圧が印加されているため、
ビーム放出孔付近においても電子の振動運動があり、ラ
ジカルの活性化がビーム放出孔付近においても行われ
る。このため、活性度の高いラジカル粒子を被照射物に
照射することができる。

【００２７】図５は、本発明の第５実施例のエネルギー
ビーム源を示す。電極に印加する電圧の種類等を変化さ
せることにより、高速原子線を発生する例を示してい
る。図５では、ガス供給ノズルを備えた上流側電極１５
に高周波電圧が印加されており、中間電極１６が、アー
スに導通しており、下流側電極１７に負の電圧が印加さ
れている。このため、上流側の２個の電極１５，１６に
より放電が起こり、プラズマが発生し、プラズマ中の正
イオンが下流の電極１７方向に加速され、ビーム放出孔
１２中にて、残留気体粒子と電荷交換を行い、中性化さ
れた高速原子として放出される。

【００２８】図６は、本発明の第６実施例のエネルギー
ビーム源を示す。本実施例では、上流側の電極１５に、
正の直流電圧が印加され、中間電極１６に高周波電圧が
印加されている。下流側電極１７は接地されている。こ
の場合、中間電極は、容量結合型でも誘導結合型でもよ
く、容量型の場合には、リング型電極１６が用いられ、
誘導型の場合には、コイル１８が用いられる。本実施例
では、電極１５，１７間の加速バイアスが固定されてお
り、中間電極１６，１８の高周波電圧により、電子の振
動運動が活性化され、プラズマが発生する。プラズマ中
の正イオンは、加速バイアスにより、ビーム放出孔１２
を備えた下流側電極１７方向に加速され、ビーム放出孔
１２中にて中性化が行われる。また、正の電圧を下流側
電極１７に印加し、上流側電極１５をアースに接続する
と、プラズマ中の負イオンから生成された高速原子線の
放射が可能となる。

【００２９】図７は、本発明の第７実施例のエネルギー
ビーム源を示す。上述した各実施例のエネルギービーム
源を用いて、局所の成膜や接着を行う例を示す。本実施
例では、下流側電極の先端に、ラジカル放出用ノズル１
９を設けて、局所の成膜ができるようになっている。先
端に装着されたラジカル放出用ノズル１９は、その内径
が０．１〜３ｍｍ程度であり、その先端に０．１ｎｍ〜
１０μｍの穴が開いた薄板２０が取り付けられている。

【００３０】図８は、本発明の第８実施例のエネルギー
ビーム源を示す。本実施例では、下流側電極の先端に、
パターンマスク２１が一体化して取り付けられており、
そのパターンマスクには任意の形状のパターンや微小孔
が開いている。この場合は、ビーム放出孔１２が大きか
ったり、複数ある時に、その下流において、ビームの一
部をパターン孔２２を通して試料２３に照射する方式で
ある。下流側電極のスパッタ粒子が悪影響を及ぼす場合
にも有効となる。

【００３１】図９は、本発明の第９実施例のエネルギー
ビーム源を示す。本実施例では、試料２３に微小円柱２
４を組み合わせ、その後、組合せ部に局所成膜を行い、
微小円柱２４と試料２３の接着・接合状態の強化を行う
例である。この例では、微小円柱２４の径が、１０ｎｍ
〜１００μｍ程度である。試料２３に組み立て用孔を上
記実施例のエネルギービーム源による高速原子線によっ
て開け、そこに拡大観察装置下でマイクロハンドリング
装置により組立を行い、その後、成膜用に印加電圧を変
更した、もしくは他のエネルギービーム源の位置合わせ
を行う。そして、図９に示すように高速原子線等のエネ
ルギービームを照射することにより、組合せ部の局所成
膜を行い接着・接合状態を強化する。

【００３２】図１０は、本発明の第１０実施例のエネル
ギービーム源を示す。本実施例では、下流側電極１７の
更に下流に、パターンマスク２１が電極１７と一体化し
て設けられている。ビーム放出孔より放出された高速原
子線が、マスク２１に開いている微小パターン孔によっ
て、ビーム型やビームパターンが形成され、試料２３に
照射される。マスクの微小パターン孔は、０．１ｎｍ〜
１００μｍ程度の孔径であり、任意のパターン形状を有
している。本実施例では試料２３が図示しない移動ステ
ージに搭載されており、一方エネルギービーム源側は固
定されている。従って、試料側をエネルギービーム源の
照射位置に対して相対位置運動を行うため、例えば、線
状、ドット状或いはその他のパターンの極小エッチング
等が可能となる。

【００３３】図１１は、本発明の第１１実施例のエネル
ギービーム源を示す。本実施例では、下流側電極１７に
設けられたビーム放出孔１２が複数ある場合である。こ
の実施例のエネルギービーム源は、大口径のビーム径を
必要とする場合に用いられる。また、下流側電極１７か
らのスパッタ粒子が、放出されたエネルギービームのエ
ッチングに悪影響を与える場合にも、好適である。ま
た、ビーム放出孔１２を備えた下流側電極からのスパッ
タ粒子の悪影響を押さえるために、下流側電極１７の内
面に石英ガラス板、あるいは酸化シリコン膜のコーティ
ングを行うようにしても良い。

【００３４】図１２は、本発明の第１２実施例のエネル
ギービーム源を示す。本実施例の構成は、ほとんど第１
１実施例と同様であるが、第１１実施例が上流側電極１
５に高周波電圧源を接続し、中間電極１６との間にプラ
ズマを形成していたのに対し、本実施例においては上流
側電極１５に直流電圧を印加し、中間電極１６に高周波
電圧を印加している。これによりプラズマが放電管１１
の全体に形成される。

【００３５】図１３は、本発明の第１３実施例のエネル
ギービーム源を示す。本実施例は、上述の各実施例のエ
ネルギービーム源を用いて、局所加工を行う例である。
本実施例では、連続してつながっている配線２５の局部
に微小径のエネルギービーム源から放出された高速原子
線を照射し、配線２５の導通を切断する例である。図示
するように、エネルギービーム源１０から放出された高
速原子線２６を、電極配線２５の接続部に照射すること
により、電極配線２５が局所的に切断され、電極配線２
５Ａと２５Ｂとに分断される。本実施例の電極配線の分
断は、半導体基板上のアルミ配線、印刷基板上の電気回
路の配線、あるいは量子デバイス用の微小電気配線等に
利用可能である。

【００３６】図１４は、本発明の第１４実施例のエネル
ギービーム源を示す。本実施例では、エネルギービーム
源１０からラジカル粒子ビームの放出を行い、試料２３
の局所エッチングを行う例を示す。ラジカル粒子ビーム
２７の放出を行い、試料２３とビーム源１０との相対的
な位置移動を行うことにより、試料２３の局所エッチン
グを行っている例を示している。なお、試料とビーム源
の相対位置移動は、試料側を移動させてもよく、またエ
ネルギービーム源側を移動させても良い。

【００３７】図１５は、本発明の第１５実施例のエネル
ギービーム源を示す。本実施例では、分離している配線
や微小構造物の隙間に、成膜用ガスを用いたラジカル粒
子ビーム源を用いて局所成膜を行う例を示す。図示する
ように、分断されている電極配線２５Ａと２５Ｂ間にエ
ネルギービーム源１０からラジカル粒子ビーム２７の放
出を行い、分断されている部分に照射する。そして、ラ
ジカル粒子ビーム２７により成膜を行うことにより局所
成膜部２９が形成され、電極配線２５Ａと２５Ｂとは接
続され、導通した状態の電極配線２５が形成される。

【００３８】図１６は、本発明の第１６実施例のエネル
ギービーム源を用いた微細加工装置を示す。本実施例で
は、エネルギービーム源１０を、他のエネルギービーム
源３０と併用して加工を行う例について示している。本
実施例は高速原子線源３０とラジカル粒子ビーム源１０
とを用いた例である。

【００３９】高速原子線源３０から放出された高速原子
線と、ラジカル粒子ビーム源１０から放出されたラジカ
ル粒子が、同一試料２３に照射され、二種類のビームの
効果によってエッチング特性が著しく向上する可能性が
ある。すなわち、ラジカル粒子ビーム供給による反応性
の増加と、高速原子線による局所加工場所の選択との相
乗効果で、エッチング速度の向上と鋭い異方性加工との
双方が同時に達成可能である。本発明者等の実験結果で
は、シリコン基板あるいはガリウム砒素（ＧａＡｓ）等
で、２倍から１０倍、ポリイミド膜で５倍から２０倍の
エッチング速度の向上が確認されている。

【００４０】図１７は、本発明の第１７実施例のエネル
ギービーム源を用いた加工装置を示す。本実施例は、試
料２３の異なる面に異なる方向より、エッチング或いは
成膜等の異なる処理を行う、複数のエネルギービーム源
を備えた例である。

【００４１】試料２３の上方には大型の高速原子線源３
０が備えられており、マスク２１を介して多量の高速原
子線を試料２３の上面に照射する。マスク２１の開口を
通過した高速原子線で試料２３の上面が一例としてエッ
チングされるが、エッチングパターンの形状はマスク２
１の開口のパターンであり、パターンの転写加工が行わ
れる。小型のエネルギービーム源１０Ａは、ラジカル粒
子の供給源であり、斜め上方から高速原子線源３０の照
射局部にラジカル粒子を供給する。照射局部では、高速
原子線とラジカル粒子との相互作用のため、エッチング
速度が著しく向上し、例えば急俊な側壁を有する開口が
高いエッチングレートで形成される。

【００４２】又、試料の側面では小型のエネルギービー
ム源１０Ｃが高速原子線を照射しながら移動して、エッ
チングを行い、細長い細孔が形成されつつある。試料の
他の側面では、同様に小型のエネルギービーム源１０Ｂ
により、成膜用ガスから形成されたラジカル粒子ビーム
が照射され、ビームが試料側面に沿って移動することに
より細長い微細な線状突起が形成されつつある。

【００４３】エネルギービーム源１０Ａ，１０Ｂ，１０
Ｃ等は、それぞれマニピュレータや回転・並進ステージ
に搭載されており、ｎｍのオーダの精度で移動が可能で
ある。又、エネルギービームも前述したようにｎｍのオ
ーダのパターン形成が可能である。従って、複数のエネ
ルギービーム源を複数の方向から照射できるように配置
することにより、極く微細な構造物の立体的な加工が可
能となる。

【００４４】尚、この実施例では試料の三面に異なる種
類の加工を同時に施す例について説明したが、一定のタ
イムシーケンスに従って順次加工するようにしてもよ
い。又、試料の各面に同種の加工を施すようにしても勿
論よい。

【００４５】そして、本実施例のエネルギービーム源１
０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃは、放電管の上流側、中間、下流
側の各電極に印加する電圧の種類及びガス種を変えるこ
とで、エッチングや成膜等の各種の処理が行える。この
ため、例えば試料の側面を軽くエッチングして清浄面を
露出させて、次に極く微細の線状突起を形成する等の加
工を容易に行える。

【００４６】本発明によるエネルギービーム源では、３
極以上の電極を有し、それぞれ、直流電圧・アース・高
周波の電圧が印加される。高周波が印加される電極は、
容量型高周波の場合と誘導型高周波の場合があり、誘導
型の場合ではコイルが用いられる。高周波電源では、周
波数特性に制限はないが、通常、１３．５６ＭＨｚの高
周波電源がよく用いられ、形成したいプラズマ特性に応
じて選別される。例えば、ラジカルビーム源として用い
る場合では、下流側電極もしくは中間に配置されている
電極に高周波電圧を印加し、生成されたプラズマ中のラ
ジカル粒子が、圧力差によって、加速され、ビーム放出
孔からラジカル粒子ビームとして、放出される。

【００４７】下流側電極に高周波が印加されている場合
では、下流側電極付近においても、電子の振動運動が起
こるため、ガス粒子の活性効果が高くなる。また、プラ
ズマ電位に対して、ビーム放射電極に高電位を印加する
か低電位を印加するかで、プラズマ中の正イオン粒子を
加速するか負イオン粒子や電子を加速するか選択でき
る。加速されたイオン粒子は、ビーム放出孔中において
残留ガス粒子と電荷交換を行い、中性のエネルギー粒子
である高速原子線となって放出される。

【００４８】このようなエネルギービーム特性を決定す
る上で、ビーム放出孔の径とその長さはたいへん重要と
なる。局所の微細な加工を行うときには、ビーム放出孔
の径が重要となり、超微細な加工をするため、０．１ｎ
ｍ〜１０ｎｍ、もしくは１０ｎｍ〜１００ｎｍ、もしく
は１００ｎｍ〜１０μｍの径の孔を採用する。また、孔
の長さにより、放出されるビームの特性が大きく異なる
ため、長さも使用目的に応じて、選択する必要がある。
孔径の１〜５倍程度までは、電子・イオン・ラジカル・
低中性化率の高速原子線等を放出でき、ビーム放出孔下
流において、ビームの広がりが大きいため、孔径の１０
倍〜５０倍程度の径の面積にビームの照射を可能とす
る。また、孔径長が、孔径の５倍〜１０倍では、ビーム
の指向性が良くなり、ラジカルや電子線の照射領域を局
所にすることが可能となる。また、高速原子線の中性化
率もおおよそ３０％〜７０％程度が得られる。孔長が、
孔径の１０倍以上になると、より指向性の高いビームが
得られ、中性化率が、約７０％以上の高速原子線が得ら
れる。また、局所の微小領域のみの加工を行うときに
は、たいへん有効となる。

【００４９】本発明では、小型のエネルギービーム源に
設けてある電極から、フレキシブルな同軸ケーブルが真
空容器の電流導入端子に接続してあり、真空容器の大気
側にて、入力端子の接続を変更するのみで、エネルギー
ビーム源の印加電圧の種類を選択でき、要求されるエネ
ルギー状態と粒子種のビームを放射可能とする。

【００５０】また、真空容器中にて、１つもしくは複数
のエネルギービーム源は、マニュピレータもしくは回転
・並進移動ステージに取り付けられており、試料表面の
任意の場所に対して、同時もしくはタイムシーケンスを
制御して、異種の加工、例えば、エッチング・成膜・接
合・接着等を行える。また、試料自体もマニュピレータ
もしくは回転・並進移動ステージに取り付け、試料の多
面においての加工が可能となっている。また、これらの
マニュピレータもしくは回転・移動ステージは、真空容
器外部からｎｍオーダーでの位置制御が可能となってい
る。

【００５１】本発明のエネルギービーム源を用いて、局
所の加工を行うとき、例えば、局所の成膜・エッチング
や２つ以上の微小物体の接合・接着を行うときに、より
指向性がよく、微小なビーム径を形成し、任意のパター
ン形状の加工を行うため、微小パターン形状孔の開いた
マスクをエネルギービーム源下流にビーム源と一体化し
て設けることにより、従来のフォトマスク等を用いるこ
となくパターン転写を行うことができる。

【００５２】また、このマスクは、放電管中のスパッタ
粒子が悪影響を及ぼすときにも有効となる。プラズマ中
の放電電極からのスパッタ粒子によりエッチングや成膜
に悪影響を及ぼすときは、ビーム放出孔を複数にして、
スパッタ粒子を減少させ、放出されたビームから、パタ
ーンマスクにより、任意のビーム形状やビーム径に制御
して局所の加工を行うことにより、スパッタ粒子の影響
を避けることができる。

【００５３】また、接合や接着の場合では、複数の微小
物体の成膜位置等を、光学顕微鏡・レーザー顕微鏡・走
査型電子顕微鏡等を用いて、位置合わせを行い、加工を
行う。

【００５４】図１８及び図１９は、本発明の第１８実施
例のエネルギービーム源を用いた立体的微細構造物の製
作方法を示す。

【００５５】部品加工の段階では、試料２３にエネルギ
ービーム源１０Ａ，１０Ｂを用いて微細な開口２３Ａ，
２３Ｂの形成を行う。ここで試料２３は、例えばシリコ
ン単結晶、あるいはポリイミド樹脂である。次に組立段
階でマニピュレータ３１を用いて、開口２３Ａに嵌合す
る例えば直径３００μｍφのステンレス材の丸棒３３Ａ
をその開口に挿入する。又、開口２３Ｂには、同様にこ
の開口に嵌合する扁平な例えばシリコン単結晶からなる
板３３Ｂをマニピュレータ３１により挿入する。そして
接合段階では、エネルギービーム源１０Ａを図示するよ
うに円錐面上を回転運動させて、反応性ガス粒子のラジ
カルビームを開口２３Ａと丸棒３３Ａの接触部に照射す
る。同様にエネルギービーム源１０Ｂを並進移動するこ
とにより、扁平板３３Ｂと開口２３Ｂの接触部に反応性
ガス粒子のラジカルビームを照射する。この反応性ガス
粒子のラジカルビームの照射により、異種材料を接着す
る接着材３４が成膜され、試料２３に丸棒３３Ａ及び扁
平板３３Ｂを接合する。

【００５６】図１９は、試料２３の開口２３Ａに丸棒３
３Ａを挿入して、その接触部にラジカルビームを照射す
ることにより、局部的に接着材３４が成膜され、接合さ
れることを示している。

【００５７】挿入物の位置合わせ、及びエネルギービー
ム源から照射するエネルギービーム照射位置の位置合わ
せは、ＳＥＭ或いは光学顕微鏡で観察しながら、微細な
位置移動が可能なマニピュレータ、或いは試料又はビー
ム源を固定した回転・並進ステージ等により行う。本実
施例においては、小型のエネルギービーム源が回転・並
進ステージに取り付けられ、試料の接合部に対して任意
の角度のビームを入射することが可能である。尚、エネ
ルギービーム源側を固定して、試料側を回転・並進ステ
ージにより移動するようにしても勿論良い。

【００５８】このような微細加工に用いる微小径エネル
ギービームとしては、成膜性を有する反応性ガス粒子の
ラジカルビーム、或いは低エネルギーの高速原子線が用
いられる。例えば、エネルギービーム源の原料ガスとし
てメタンガスを用いることにより、炭素（Ｃ）を含むラ
ジカルビームが形成され、接着材３４としては、グラフ
ァイト、ダイアモンドライクカーボン等が生成される。

【００５９】又、エネルギービーム源に供給するガスと
しては、上述したメタンガスの他にフッ化タングステ
ン、塩化アルミ、塩化チタン等の金属を含有するガス、
或いは上述したメタン等のＣ又はＣ−Ｈを含有する炭素
系又は炭化水素系ガスなどが用いられる。これにより、
接着材としてタングステン膜、アルミ膜、チタン膜、グ
ラファイト膜、ダイアモンドライクカーボン膜、炭化水
素含有高分子膜等を接合境界部に成膜させることができ
る。これにより異種材質の試料間の接着、接合が行われ
る。このような接着材の成膜は、真空状態下で行われる
場合が多い。

【００６０】本実施例に示したようにエネルギービーム
源を用いた立体的微細構造物の製作方法では、（１）真空状態で異種材料の微細構造物の接着、接合が
可能である、（２）局部加熱であるので試料全体を高温にする必要が
ない、（３）複数の異種材料の微細構造物の接着、接合が可能
である、（４）複雑な立体的構造を有するものであっても、加工
が可能である、等の特徴がある。

【００６１】例えば従来の真空加熱による接合では、試
料全体を数百度以上に加熱して接合が行われるため、例
えば高分子材料のような試料の場合には加工が不可能で
ある。また、半導体デバイス等の場合では試料全体を高
温で加熱することにより機能を損なうなどの影響を生じ
る場合がある。しかしながら、上述したような微細加工
方法では、これらの問題を生じることなく３次元構造の
微細加工が可能である。

【００６２】

【発明の効果】従来のフォトリソグラフィ技術では、フ
ォトレジストパターン作製のため、洗浄・レジスト塗布
・露光・ベーキング・現象の工程を必要とする大変複雑
な工程であり、手間のかかる工程である。また、試料表
面の粗さや平坦度によい、均一なレジストパターン膜作
製が困難な場合も生じる。また、フォトレジストを用い
た方法では、加工パターン作製の自由度が低く、同じパ
ターンしか加工できないため、異なったパターン作製の
ためには、別のフォトマスクを用意してフォトレジスト
膜作製を行う必要があり、加工の自由度、例えば、試料
表面を観察して、加工場所選定後加工を行う、または試
料の立体的な多面における加工は不可能である。また、
従来のイオンビーム源・電子線源は真空チャンバーのフ
ランジに固定されており、ある程度、試料の位置移動に
よりビーム照射場所の制御ができるが、基本的に２次元
の移動に限られている。また、エッチングや成膜を行う
ときには、ガス供給機構を別に設けなければならず、反
応性ガス粒子量が少ないために、早い加工速度は望めな
い。

【００６３】本発明では、小型のエネルギービーム源と
その放電電極の印加電圧の種類、ガスの種類を変化させ
ることで、ラジカルビーム源及び高速原子線源等とし
て、用いることができる。また、マニュピレーターや回
転・並進移動ステージにより試料との相対位置関係が制
御できるため、試料の任意の面にたいして、局所の加工
が可能となる。また、小型ビーム源であるため、複数の
ビーム源を同時に用いて同一試料表面に異なった加工
を、同時に、もしくは工程制御を行いながら実行でき
る。また、直接反応性ガスのビームを照射できるため、
加工速度が、イオンビームや電子線とガス供給機構を用
いた加工方法よりも早い特徴を有する。また、微小寸法
の加工を行うために、ビーム放出孔を選択し、孔径やパ
ターン孔が０．１ｎｍ〜１０ｎｍ、もしくは１０ｎｍ〜
１００ｎｍ、もしくは１００ｎｍ〜１０μｍの孔を用い
る。また、同様のサイズの孔やパターン孔の開いたマス
クをエネルギービーム源と一体化して用いることもあ
る。この様にして、試料の局所のエッチング・成膜・接
合・接着等の加工を実現し、従来困難であった、３次元
構造の多面における微細加工が可能となり、半導体の補
修や回路素子の配線切断・接合やマイクロマシニング技
術等の産業分野において大変有意義である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例のエネルギービーム源の説
明図。

【図２】本発明の第２実施例のエネルギービーム源の説
明図。

【図３】本発明の第３実施例のエネルギービーム源の説
明図。

【図４】本発明の第４実施例のエネルギービーム源の説
明図。

【図５】本発明の第５実施例のエネルギービーム源の説
明図。

【図６】本発明の第６実施例のエネルギービーム源の説
明図。

【図７】本発明の第７実施例のエネルギービーム源の説
明図。

【図８】本発明の第８実施例のエネルギービーム源の説
明図。

【図９】本発明の第９実施例のエネルギービーム源の説
明図。

【図１０】本発明の第１０実施例のエネルギービーム源
の説明図。

【図１１】本発明の第１１実施例のエネルギービーム源
の説明図。

【図１２】本発明の第１２実施例のエネルギービーム源
の説明図。

【図１３】本発明の第１３実施例のエネルギービーム源
の説明図。

【図１４】本発明の第１４実施例のエネルギービーム源
の説明図。

【図１５】本発明の第１５実施例のエネルギービーム源
の説明図。

【図１６】本発明の第１６実施例のエネルギービーム源
の説明図。

【図１７】本発明の第１７実施例のエネルギービーム源
を用いた微細加工装置の説明図。

【図１８】本発明の第１８実施例のエネルギービーム源
を用いた微細加工方法の説明図。

【図１９】図１８における接合の段階の説明図。

【図２０】半導体のフォトリソグラフィ工程を示す説明
図。

【符号の説明】

１０エネルギービーム源１１放電管１２ビーム放出孔１３ガス供給孔１５上流側電極１６，１８中間電極１７下流側電極ＰプラズマＩイオン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平５−182787（ＪＰ，Ａ) 特開平３−30297（ＪＰ，Ａ) 特開平５−121194（ＪＰ，Ａ) 特開平６−289193（ＪＰ，Ａ) 特開平６−289196（ＪＰ，Ａ) 特開平６−289197（ＪＰ，Ａ) 特開平７−55998（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G21K 5/04 G21K 5/00 H05H 1/24

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】エネルギービーム源であって、放電管
と、該管内にガスを供給するガス供給ノズルと、一つ以
上のビーム放射孔の開いたビーム放射ノズルと、前記放
電管に配置された３つ以上の電極とにより構成され、該
電極に印加する電圧種類が、高周波電圧か直流電圧又は
その組合せであり、該電極に印加する電圧種類とガス種
を変化することで、正イオン、負イオン、高速中性粒
子、ラジカル粒子、電子等の異なったエネルギー状態も
しくは種類の粒子ビームを供給するものであり、前記エ
ネルギービーム源が小型であり、当該エネルギービーム
源を把持し被照射物に対して任意の方向からビームを照
射できるように、マニュピレータもしくは並進・回転移
動ステージに設置したことを特徴とする微細加工装置。
【請求項２】前記ビーム放射ノズルに設けてあるビー
ム放射孔の径が、０．１ｎｍ〜１０ｎｍ、もしくは１０
ｎｍ〜１００ｎｍ、もしくは１００ｎｍ〜１０μｍであ
り、孔の数が１つもしくは複数であり、孔の長さが、孔
径の１倍〜５倍、もしくは５倍〜１０倍、もしくは１０
倍以上であることを特徴とする請求項１記載の微細加工
装置。
【請求項３】前記エネルギービーム源のエネルギービ
ーム放射孔の下流位置に当該エネルギービーム源と一体
化したパターンマスクが設置してあり、ビームが当該パ
ターンマスクに開いているパターン孔を通って、被照射
物に照射され、当該パターン孔の有効径寸法が０．１ｎ
ｍ〜１０ｎｍ、もしくは１０ｎｍ〜１００ｎｍ、もしく
は１００ｎｍ〜１０μｍであることを特徴とする請求項
１又は２記載の微細加工装置。
【請求項４】前記エネルギービーム源を複数備えたこ
とを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の微細
加工装置。
【請求項５】前記被照射物とエネルギービーム源との
相対位置移動を行う手段を備え、前記被照射物の局所の
成膜・エッチング・接合・接着などの加工を行うことを
特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の微細加工
装置。