JP3074375B2 - 集束イオンビーム加工装置および集束イオンビーム加工方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は集束イオンビームを
用いた微細加工において、加工時間の決定方法及びその
決定方法を利用した集束イオンビ−ム加工装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば、半導体素子の保護膜への
穴あけのように異なる材質への加工には、二次電子、な
いしは、二次イオンの強度変化を利用する終点検出が実
施されていた。

【０００３】集束イオンビームによる加工例を図１に基
づいて説明する。集束イオンビーム装置は、液体金属イ
オン源から引き出し電極によりイオンを引き出し、その
イオンをアパーチャ及び静電レンズにより集束イオンビ
ームにし、その集束イオンビームを偏向電極により試料
表面の所定領域を照射するように偏向走査させるイオン
ビーム照射装置２、及びイオンビーム照射により試料５
上に薄膜形成するための原料ガスを試料表面に供給する
装置３が試料室１に装着されている。走査された集束イ
オンビーム１０の試料５表面への繰り返し照射により、
試料の所定領域は、スパッタエッチングされる。この性
質を用い、試料を構成する物質、例えば、半導体素子の
配線部分等を除去する。また、集束イオンビーム１０の
照射により試料５表面から発生する二次粒子を検出器６
によって検出し、画像表示装置７によって試料５表面像
を観察する。さらに、必要に応じ、加工ビーム照射領域
を設定し、穴あけ加工等のエッチング加工を二次粒子な
どの強度変化を加工の深さ管理、終点検出に利用し行
う。一方、原料ガスを試料表面に供給する装置３によっ
て試料表面に原料ガスを供給しながら、集束イオンビー
ム１０を試料表面へ繰り返し照射することにより、試料
の所定領域に薄膜形成を行う。

【０００４】以上の機能を用い、特に半導体集積回路、
プリント回路基板、及び、薄膜磁気ヘッド等の加工、修
正に利用されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記集束イオンビーム
による加工、修正手段において、集束イオンビーム照射
により、試料表面から発生する二次電子、ないしは、二
次イオンなどの二次粒子、あるいは、試料吸収電流の強
度変化を利用する終点検出が実施されている。これは、
均一材質の加工の終点検出には利用できないという問題
があった。つまり、多層構造の試料を加工する場合は、
図２で示すように、材質が変わる際二次粒子の強度変化
が確認でき、イオンビームが達している加工深さを把握
できる。しかし、単層試料、ないしは、多層でも二次粒
子の発生効率が同等の試料への加工の場合、図３で示す
ように二次粒子の強度変化がない、ないしは、非常に少
ないため加工深さを管理することは非常に困難である。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明は、加工終点の検知を均一層、多層双方の加工
に適用できる加工時間管理方法を提供するものである。
具体的には、ある特定材質の試料に対して、高輝度イオ
ンビームの加速電圧、イオン電流、及び、被加工材質、
体積と加工スピードとの関係を加工定数（Ｋｅ）として
実測データに基づき計算し、その加工定数（Ｋｅ）デー
タを装置内で管理する。実際に加工する試料の各加工条
件に従い、穴あけ、切断加工に要する加工時間、加工フ
レーム数を決定するものである。

【０００７】この加工定数（Ｋｅ）は、下記の計算式で
算出される。 Ｋｅ＝Ｉｐ×Ｄｔ×Ｔｆ／Ｐｓ² ×Ｄｅ （１）式 ここで、イオンビームの加速は一定とし、各記号は下記
項目を表す。 Ｉｐ：イオンビーム電流（ｐＡ） Ｐｓ：画素間隔（μｍ／画素） Ｄｔ：イオンビーム走査速さ（秒／画素） Ｔｆ：加工フレーム数（回） Ｄｅ：加工深さ（μｍ） 加工フレーム数とは、図４にイオンビーム走査方法の一
例を示すように、画面上指定した加工枠内の各画素の走
査が１回終了したものを１フレームとし、加工終了まで
に必要とされる繰り返し回数を表す値である。

【０００８】つまり、ある特定材質の加工試料を、ある
特定の加速電圧で、イオンビーム電流Ｉｐ（ｐＡ）、画
素間隔Ｐｓ（μｍ／画素）、イオンビーム走査速さＤｔ
（秒／画素）の集束イオンビームにて、加工深さＤｅ
（μｍ）だけ集束イオンビーム加工する。そのときの加
工フレーム数を計測し、加工定数（Ｋｅ）を求める。次
に、実際に試料（試料材質は、特定材質）を加工する際
の、イオンビーム電流、画素間隔、イオンビーム走査速
さ、加工深さと求めた加工定数（Ｋｅ）により、加工フ
レーム数（回）を求めて、その加工フレーム数だけ集束
イオンビームを照射して加工する。

【０００９】なお、画素間隔Ｐｓ（μｍ／画素）の乗数
と加工深さＤｅ（μｍ）の積は、加工体積を示すもので
ある。つまり、集束イオンビームを用いた試料加工にお
いて、イオンビーム照射回数を決定するにあたり、照射
イオンビームの電圧、イオンビーム電流、被加工物質、
及び、加工体積に基づいて前記イオンビームの照射回数
を算出し、前記照射時間にて試料を加工することによ
り、二次荷電粒子を検出（モニタリング）することな
く、加工終点を検出することができ、所定の深さをエッ
チング除去することができる。

【００１０】

【実施例】本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
まず、集束イオンビーム装置の加工定数（Ｋｅ）を求め
る。図１において、試料５は、半導体基板の表面に１μ
ｍ厚のＳｉＯ₂ 膜を形成したものである。イオン照射装
置２からの集束イオンビーム１０を最も加工効率の良い
条件に設定する。例えば、集束イオンビームの加速電圧
を３０ｋＶ、イオンビーム電流を３００ｐＡ、イオンビ
ームの走査速さを８×１０^-6秒／画素、加工深さ５μ
ｍ、画素間隔を４０／８００（μｍ／画素）に設定す
る。なお、画素間隔は、加工領域を４０μｍ×４０μｍ
とし、集束イオンビームの走査画素を縦８００画素×横
８００画素とした。

【００１１】この条件にて試料５をイオン照射装置２か
らの集束イオンビーム１０の照射によりイオンエッチン
グ加工する。この時、試料５の表面から放出される２次
荷電粒子（例えば、２次電子）を検出器６により検出す
る。検出器６による２次荷電粒子の検出により、半導体
基板の表面に形成された１μｍ厚のＳｉＯ₂ 膜の除去加
工の終点が検出される。ＳｉＯ₂ 膜の除去加工するの
に、２３６５０フレームの繰り返し走査が必要であっ
た。この結果を、（１）式に代入すると、加工定数（Ｋ
ｅ）は４５４１となる。この加工定数を各試料材質につ
いて求める。なお更に、集束イオンビーム１０の加速電
圧の加工定数（Ｋｅ）に対する関数を求めることによ
り、集束イオンビーム加工条件の設定が容易になる。

【００１２】次に、加工しようとする試料５を、２軸以
上に駆動可能な試料ステージ４を有する集束イオンビー
ム装置の試料室１内に装填し、真空排気後試料ステージ
を試料ステージ駆動装置９により動かし試料上の加工位
置上に試料５を移動する。その加工位置に集束イオンビ
ームを照射、走査し、発生する二次粒子を縦８００画
素、横８００画素の画面上に画像データとして取り込
む。このとき、全画像データで全フレームサイズとして
表示される。所謂イオン顕微鏡として試料の拡大画像が
画像表示装置７に表示される。画像データ、又は画像表
示装置の拡大画像上で集束イオンビームによる加工の加
工位置および加工領域を確認し指定する。指定された加
工領域を集束イオンビームが走査照射するように、イオ
ン照射装置２は、イオン光学系制御電源８にて制御され
る。

【００１３】ここで、加工対象箇所の材質、及び、所望
の加工深さを指定することにより、イオンビーム電流に
対する加工終了まで必要なフレーム数が、装置内で管理
されている加工定数（Ｋｅ）から算出される。同様に、
フレーム数を指定することにより、加工深さが算出され
る。

【００１４】例えば３００ｐA のＧａ集束イオンビーム
を用い、ＳｉＯ₂ の試料に加工枠描画後深さ１μｍのエ
ッチング加工を４０μｍの画面上に行う場合を述べる。
ビーム電流３００ｐA 、イオンビーム走査速さを８×１
０^-6（秒／画素）、加工深さ１μｍを加工条件として設
定する。先に述べたようにＳｉの加工定数Ｋｅは４５４
１であり実際の加工に必要なフレーム数４７３０が次の
式で算出される。

【００１５】Ｔｆ＝４５４１×４０×４０×１／（８０
０×８００×８×１０^-6×３００） 尚この加工条件はコンピュータ等の記憶、演算装置で算
出する事が可能である。この計算からわかるように、同
一画面サイズ上の加工の場合、加工フレーム数は基本的
に加工面積には依存しない。

【００１６】画像表示装置７にて加工条件を設定する
と、そのデータに基づいた信号はイオン光学系制御電源
８に入力される。イオン光学系制御電源８は、イオン照
射系２を制御する。つまり、試料５の所定の走査領域に
て集束イオンビームは照射され、その領域は加工され
る。算出されたフレーム数（本例では４７３０）に達し
た時点で集束イオンビームはイオン照射装置２に含まれ
るブランカによりブランキングされ加工は終了する。こ
の際加工条件は画像表示装置７に含まれるコンピュータ
等の記憶装置にで管理することにより、加工の自動終了
が可能となる。

【００１７】画像表示装置７には、加工領域を指定する
手段、照射集束イオンビームの電流電圧を設定する手
段、加工フレーム数を決定する手段及び加工フレーム数
を決定する設定する手段が含まれている。本方法を利用
することにより、加工条件を単純化するため、一定の加
速電圧（例えば３０ｋＶ）、及び、一定のイオンビーム
走査速さにて、イオンビーム電流制御のための可動絞り
等を用い、数種類のビーム電流に予め条件を限定し加工
することも可能である。

【００１８】なお、本発明は試料５が半導体素子の加工
および薄膜磁気ヘッド素子の加工に有効である。

【００１９】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、集束
イオンビーム加工において、物質、層構造に依存しない
加工条件決定が可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】集束イオンビーム加工装置のブロック図を示
す。

【図２】多層試料加工時の二次粒子強度変化を示すグラ
フである。

【図３】単層試料加工時の二次粒子強度変化を示すグラ
フである。

【図４】イオンビーム走査方法の一例を示す平面図であ
る。

【符号の説明】

１ 試料室 ２ イオンビーム照射装置 ３ 原料ガス供給装置 ４ 試料ステージ ５ 試料 ６ 二次粒子検出器 ７ 画像表示装置 ８ イオン光学系制御電源 ９ 試料ステージ駆動系 １０ イオンビーム １１ イオンビーム走査 １２ ブランキングされたイオンビーム

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 集束イオンビームを用いた試料加工にお
   いて、ある所定の深さを加工するためのイオンビーム照
   射回数を決定するにあたり、あらかじめある特定材質の
   加工試料に対して、ある特定電圧での、イオンビーム電
   流、イオンビーム走査速さ、加工体積、イオンビーム照
   射回数の関係式を求めておき、次に前記特定材質の実際
   に加工する試料に対し、この時のイオンビーム電流、イ
   オンビーム走査速さ、加工体積から前記計算式に基づい
   てイオンビーム照射回数を求め、該照射回数にて試料を
   加工することにより所定の深さをエッチング除去するこ
   とを特徴とする集束イオンビーム加工方法。
2. 【請求項２】 前記試料が半導体素子である請求項１記
   載の集束イオンビーム加工方法。
3. 【請求項３】 前記試料が薄膜磁気ヘッド素子である請
   求項１記載の集束イオンビーム加工方法。
4. 【請求項４】 集束イオンビ−ムを試料上に照射、走査
   し、発生する二次粒子を画像デ−タとして取り込む手段
   と、前記画像デ−タ上で加工領域を指定する手段と、あ
   る特定材質の試料に対して前記加工領域内で所定の深さ
   加工する時の、加工条件と加工フレーム数の関係式を求
   める手段と、前記関係式に基づき、前記特定材質の実際
   の試料に対して所望の加工深さに対する加工フレーム数
   を設定する手段とよりなり、前記加工フレーム数だけ集
   束イオンビームを照射しエッチング加工することを特徴
   とする集束イオンビーム加工装置。
5. 【請求項５】 集束イオンビームを用いた試料加工方法
   において、 集束イオンビームを試料に照射した時に試料表面から放
   出される二次荷電粒子にの検出により加工終点がわか
   り、かつ、膜厚が既知のある特定材質の加工試料を用い
   て、ある特定の電圧で、あるイオンビーム電流、画素間
   隔、イオンビーム走査速さで、前記膜厚に相当する加工
   深さに集束イオンビームにてエッチング加工する工程
   と、 前記加工した時の加工フレーム数を計測し、前記イオン
   ビーム電流、画素間隔、イオンビーム走査速さ、加工フ
   レーム数、加工深さとの関係を加工定数として求める工
   程と、 前記特定材質の実際の試料を加工する際の、イオンビー
   ム電流、画素間隔、イオンビーム走査速さ、所望の加工
   深さと前記求めた加工定数により、加工フレーム数を求
   める工程と、 前記加工フレーム数だけ集束イオンビームを照射してエ
   ッチング加工する工程と、 よりなる所望の深さをエッチング除去する集束イオンビ
   ーム試料加工方法。