JP3223431B2 - 薄膜加工装置 - Google Patents

薄膜加工装置

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JP3223431B2
JP3223431B2 JP08890892A JP8890892A JP3223431B2 JP 3223431 B2 JP3223431 B2 JP 3223431B2 JP 08890892 A JP08890892 A JP 08890892A JP 8890892 A JP8890892 A JP 8890892A JP 3223431 B2 JP3223431 B2 JP 3223431B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、特定の領域を高精度に
薄膜にするための薄膜加工装置及び方法に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、材料、デバイス、プロセスの多機
能化、高性能化に伴って特定の極微小領域の分析や構造
解析が重要になっている。一方、極微小部の評価には透
過電子顕微鏡が広く使用される様になっている。透過電
子顕微鏡で評価するには、試料を薄膜化する必要があ
る。しかし、”電子顕微鏡”164〜175ペ−ジ(共
立出版1982年発行)に記載されている従来の手法で
は観察したい極微小の特定の領域を薄膜化するのが困難
であり、透過電子顕微鏡による評価の大きな欠点となっ
ていた。また、薄膜試料を形成する場合、試料に加工よ
る損傷が生じ、欠陥や歪の正確な評価が出来ないという
欠点もあった。近年、集束イオンビ−ム装置を用いた手
法が第47回日本電子顕微鏡学会(講演番号23−III
−05、1991年5月)で報告されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上記の如く、従来の手
法では観察したい極微小の特定の領域を薄膜化するのが
困難であり、透過電子顕微鏡による評価の大きな欠点と
なっていた。また、薄膜試料を形成する場合、試料に加
工よる損傷が生じ、欠陥や歪の正確な評価が出来ないと
いう欠点もあった。
【0004】本発明の目的は、特定の領域を高精度に加
工損傷なく薄膜化する装置及び方法を提供することにあ
る。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明では、特定の領域
を高精度に加工するために加工に用いる集束イオンビ−
ムを利用して対象物表面の像を観察しながら加工領域の
位置を高精度に決める機構、異種材料間の加工速度の選
択比を任意に変えられるイオンによる加工機構及び特定
領域が所望の厚さに加工されていることを検出する機構
を具備している。更に、加工損傷を低減するためにイオ
ンのチャ−ジアップを防止したり、化学的加工を行う機
構を具備している。
【0006】すなわち本発明は、試料にイオンビームを
照射して加工するイオン照射手段と、前記イオンビーム
の照射により試料から放射される二次電子及び/又は二
次イオンを検出して加工対象の表面画像を得る検出手段
と、この検出手段から出力される試料の位置制御信号を
受けて載置された試料の位置を変更及び固定する試料位
置決め手段と、試料の加工終了を検出する加工終点検出
手段と、を備えた薄膜加工装置である。
【0007】また本発明は、試料にイオンビームを照射
して加工するイオン照射手段と、試料の加工速度又は異
種材料間の加工速度の選択比をかえる反応性ガスを試料
加工部分に導入するガス導入手段と、前記イオンビーム
の照射により試料から放射される二次電子及び/又は二
次イオンを検出して加工対象の表面画像を得る検出手段
と、この検出手段から出力される試料の位置制御信号を
受けて試料台に載置された試料の位置を変更及び固定す
る試料位置決め手段と、試料の加工終了点を検出する加
工終点検出手段と、を備えた薄膜加工装置である。
【0008】前記薄膜加工装置において、加工終点検出
手段は、光源と、この光源から射光された光が試料を透
過する透過量を検出する検出器を備えたもの、電子銃
と、この電子銃から放たれるの電子線が試料を透過する
透過量を検出する検出器を備えたもの、又は、前記二次
イオンの放射量又は加工部分の画像観察で行うものがよ
い。また、試料台は温度可変に形成されたものがよい。
また、イオン照射手段は液体金属を用いた収束イオンビ
−ム系又はガスを用いたイオン系であるものがよい。ま
た、イオン照射手段は、微細加工用のイオン照射系と、
広い面積を高速加工するイオン照射系の2つを備え、試
料台は180度回転可能に形成されたものがよい。ま
た、加工用イオン照射手段と表面観察用電子銃とを一体
化したものがよい。
【0009】また本発明は、イオン又は電子により試料
表面を観察し加工場所を合わせる工程と、高電流密度の
イオンで試料を加工する工程と、反応性ガスを導入して
イオン又はレ−ザで加工する工程及び/又は低電流密度
のイオンで加工する工程と、を含むことを特徴とした薄
膜加工方法である。
【0010】また本発明は、イオンまた電子により試料
表面を観察し加工場所を合わせて位置合わせ用のマ−ク
を該試料に加工する工程、このマ−クの反対側からをイ
オンを照射して加工する工程と、この工程で加工した領
域の特定部分のみを更に集束したイオンで加工する工程
と、を含むことを特徴とした薄膜加工方法である。
【0011】
【作用】収束された微細なイオンビ−ムを対象物に照射
することによって、対象物が加工される。それと同時に
表面から出てくる二次イオンまたは二次電子を検出すれ
ば、対象物表面の画像を得ることが出来る。従って、こ
の像を観察しながら対象物を高精度に移動すれば加工領
域を高精度に決定できると共に特定の極微小領域を加工
できる。また、反応性イオンエッチング等を利用すれば
異種材料間の加工速度の選択比を任意に変えることが出
来るので、対象物の任意の材料だけを選択的に除去した
り、逆に選択比を1(異種材料間の加工速度を同じ)と
して多層構造の薄膜化を均一にする事が出来る。更に、
電子シャワ−や対象物の加熱によるイオンのチャ−ジア
ップの防止や反応性イオンエッチングによるイオン照射
損傷を防止することにより薄膜化に伴う対象物の変化を
なくすことができる。
【0012】
【実施例】以下、図面に示した実施例について本発明を
説明する。図1は本発明の薄膜加工装置の一つの基本構
成を示す構成図である。この装置は、試料にイオンビー
ムを照射して加工するイオン照射手段としてのイオン照
射系11とその制御系12、試料の加工速度または異種
材料間の加工速度の選択比を変える反応性ガスを試料加
工部分に導入するガス導入手段31、前記イオンビーム
の照射により試料から放射される二次電子及び/又は二
次イオンを検出して加工対象の表面画像を得る検出手段
としての二次電子及び/又は二次イオン検出用の検出器
21とそのディスプレイ22、この検出手段から出力さ
れる試料の位置制御信号を受けて試料台41に載置され
た試料の位置を変更及び固定する試料位置決め手段とし
ての移動及び回転可能な試料台41及びその制御系4
2、試料の加工終了点を検出する加工終点検出手段とし
ての光源51とその透過光の検出器52とを備えたもの
である。
【0013】すなわち、本実施例は、試料の表面観察と
加工のためのイオン照射系11とその制御系12、像観
察のための二次電子又は二次イオンの検出器21とディ
スプレイ22、加工速度及び選択比を変えたり、加工損
傷を低減するための反応性エッチングを行うのに使用す
るガス導入系31、試料の高精度位置合わせ、加工損傷
の低減のための温度可変機能及び傾斜機能を持ち合わせ
た試料台41及びその制御系42、加工後の試料の厚さ
が所望の厚さであることを光の透過量から検出するため
の光源51及び検出器52とその情報を加工系に転送
し、加工を制御する信号系53、加工室60を真空にす
る真空系70からなっている。
【0014】イオン照射系11はイオンビ−ム径を細く
絞れる液体金属イオン源を用いた集束イオンビ−ムが好
ましい。イオン照射系11から試料に照射された一次イ
オンによって試料から出た二次電子又は二次イオンは検
出器21によって検出され、ディスプレイ22に表面観
察像が表示される。ガス導入系31は塩素系(Alに対
してCCl4 ,Cl2等)やフッ素系ガス(SiO2に対
してCHF3 ,CF4)等を導入することによって試料の
加工面に存在する各種材料の加工速度を変えることがで
きる。
【0015】試料台41はヒ−タ−や赤外ランプなどに
よって加熱されたり、液体窒素などによって冷却され、
温度が制御系42で自由に変えられる。これにより加工
速度を調節できる。更に、試料台41はx,y,z方向
に三次元的に移動でき、高精度の位置合わせが可能に形
成されている。終点検出に用いる光源51はヘリウム−
ネオン・レ−ザやタングステン・ランプなどが用いられ
る。検出器52はフォトディテクタなどが用いられる。
この情報は信号系53を介して制御系12に送られ、加
工の制御を行う。真空系70は加工表面の汚染を避ける
ためにドライポンプが好ましい。
【0016】図2は別の実施例を示す。図1の場合と異
なり、電子銃81及びその制御系82が装備されてい
る。これは、試料表面に電子を照射し、イオン照射系1
1から照射されたイオンによって試料表面が正電荷にチ
ャ−ジアップし、像観察が困難になったり、試料が損傷
したりするのを防止する。更に、この電子が試料を通過
した量を検出器52により検出し、その透過量より加工
の終点を決定する。電子銃81は電界放出型電子銃が好
ましい。
【0017】図3は他の実施例で、分析機能を持ち合わ
せた装置である。すなわち、二次イオン質量分析計91
が装備されており、イオン照射により試料から出てくる
二次イオンを二次イオン質量分析計91に導入し、二次
イオンの同定と半定量分析を行う。更に、多層構造の試
料においてある層まで除去したい場合などの終点検出と
しての機能も有する。
【0018】また、本実施例では光源51としてレ−ザ
光源を装備しており、ガス導入系31から塩素系やフッ
素系などのエッチングガスを導入し、レ−ザを照射すれ
ば、イオン照射の場合と異なる加工速度が得られ、加工
速度や異種材料間の選択比がより幅広く変えることがで
きる。この場合も試料の損傷が低減できる。更に、この
レ−ザ光は終点検出の光源としても使用できる。
【0019】図4はまた別の実施例で、イオン照射系を
二つ有する装置である。イオン照射系11は微細な加工
と表面観察用のものであり、集束イオン銃である。イオ
ン照射系15は広い面積を高速で加工するのに用いるも
のであり、アルゴンなどのガスをイオン源とするもので
ある。試料台41は360度の回転が可能であり、ま
ず、イオン照射系11を用いて表面観察を行い、加工位
置合わせを行った後、試料台41を180度回転させて
イオン照射系15で加工する。更に、試料台41を18
0度回転し、最終仕上げの加工をイオン照射系11で行
うことができる。また、イオン照射系11で加工位置合
わせ用穴などのマ−クを形成した後、イオン照射系15
で裏面から加工することもできる。
【0020】図5はイオン照射系11と電子銃81が合
体したものの実施例を示す。イオン照射系11は加工に
用い、電子銃81は表面観察及び終点検出に用いる。こ
れらは偏向器16によって試料の同一場所にイオンまた
は電子を照射するようにできる。イオンで加工しながら
定期的に電子を照射することにより加工の終点検出もで
きる。
【0021】図6は本発明の装置を用いた透過電子顕微
鏡による断面観察用薄膜試料の加工プロセスを示す試料
断面図である。試料は図6(a)に示すごとく、基板1
10と薄膜111からなる。まず、イオン又は電子を照
射し、試料表面を観察して加工領域の位置合わせを行っ
た後、試料表面に矢印Aの方向から高電流密度のイオン
を照射し、図6(b)のごとく、溝210、211を形
成する。表面を観察しながら残部300が所定の幅にな
るまで加工する。次いで、試料を180度回転させ、反
応性ガスを導入しながら溝の側面212、213にイオ
ン又はレ−ザを矢印Aの方向から照射し、図6(c)の
ごとく、側面212、213を加工する。この加工より
先のイオンによる加工で生じた損傷を除去する。終点は
残部300を透過した電子、光などの量を検出して決め
る。
【0022】図7は別の透過電子顕微鏡による平面観察
用薄膜試料の加工プロセスを示す試料断面図を示す。図
7(a)の試料100に集束した液体金属イオン源を用
いたイオンビ−ムを照射し、試料表面を観察し、薄膜に
したい所の位置合わせを行った後、図7(b)のように
位置合わせ用マ−ク200を形成する。次いで、反対側
から高電流密度のアルゴンガスのイオンビ−ムで穴31
0を図7(c)のごとく形成する。次いで、位置合わせ
用マ−ク200により位置合わせを行い、穴310の内
部の所望の領域のみを液体金属イオンを用いた集束イオ
ンビ−ム、更に、反応性ガスを導入したイオンビ−ムで
加工し、細孔410を得る。この加工で、残部300が
所望の厚さになるようにする。
【0023】
【発明の効果】本発明によれば特定の領域を高精度に加
工損傷なく確実に薄膜化できる。すなわち、収束された
微細なイオンビ−ムを対象物に照射することによって、
対象物が加工される。それと同時に表面から出てくる二
次イオンまたは二次電子を検出すれば、対象物表面の画
像を得ることが出来る。従って、この像を観察しながら
対象物を高精度に移動すれば加工領域を高精度に決定で
きると共に特定の極微小領域を加工できる。また、反応
性イオンエッチング等を利用すれば異種材料間の加工速
度の選択比を任意に変えることが出来るので、対象物の
任意の材料だけを選択的に除去したり、逆に選択比を1
(異種材料間の加工速度を同じ)として多層構造の薄膜
化を均一にする事が出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る薄膜加工装置の基本構成を示す構
成図である。
【図2】本発明に係る他の実施例の薄膜加工装置の基本
構成を示す構成図である。
【図3】本発明に係る他の実施例の薄膜加工装置の基本
構成を示す構成図である。
【図4】本発明に係る他の実施例の薄膜加工装置の基本
構成を示す構成図である。
【図5】本発明に係る他の実施例の薄膜加工装置の基本
構成を示す構成図である。
【図6】(a)〜(c)は本発明の透過電子顕微鏡観察
用試料作成プロセスを示す工程図である。
【図7】(a)〜(d)は本発明の透過電子顕微鏡観察
用試料作成プロセスを示す工程図である。
【符号の説明】
11 イオン照射系 12 制御系 15 イオン照射系 16 偏向器 21 検出器 22 ディスプレイ 31 ガス導入系 41 試料台 51 光源 52 検出器 60 加工室 70 真空系 81 電子銃 91 二次イオン質量計 110 基板 111 薄膜 200 位置合わせ用マ−ク 310 穴 410 細孔
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/302 H01L 21/3065 H01J 37/22 H01J 37/30

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 試料にイオンビームを照射して加工する
    イオン照射手段と、前記イオンビームの照射により試料
    から放射される二次電子及び/又は二次イオンを検出し
    て加工対象の表面画像を得る検出手段と、この検出手段
    から出力される試料の位置制御信号を受けて載置された
    試料の位置を変更及び固定する試料位置決め手段と、試
    料の加工終了を検出する加工終点検出手段とを備えてな
    る薄膜加工装置であり、 前記加工終点検出手段は、光源と、この光源から射光さ
    れた光が試料を透過する透過量を検出する検出器とを備
    えたことを特徴とする 薄膜加工装置。
  2. 【請求項2】 試料にイオンビームを照射して加工する
    イオン照射手段と、前記イオンビームの照射により試料
    から放射される二次電子及び/又は二次イオンを検出し
    て加工対象の表面画像を得る検出手段と、この検出手段
    から出力される試料の位置制御信号を受けて載置された
    試料の位置を変更及び固定する試料位置決め手段と、試
    料の加工終了を検出する加工終点検出手段とを備えてな
    る薄膜加工装置であり、 前記加工終点検出手段は、電子銃と、この電子銃から放
    たれるの電子線が試料を透過する透過量を検出する検出
    器とを備えたことを特徴とする薄膜加工装置。
  3. 【請求項3】 試料にイオンビームを照射して加工する
    イオン照射手段と、前記イオンビームの照射により試料
    から放射される二次電子及び/又は二次イオンを検出し
    て加工対象の表面画像を得る検出手段と、この検出手段
    から出力される試料の位置制御信号を受けて載置された
    試料の位置を変更及び固定する試料位置決め手段と、試
    料の加工終了を検出する加工終点検出手段とを備えてな
    る薄膜加工装置であり、 前記加工終点検出手段は、二次イオンの試料からの放射
    量に基づき試料の加工終了を検出してなることを特徴と
    する薄膜加工装置。
  4. 【請求項4】 試料にイオンビームを照射して加工する
    イオン照射手段と、前記イオンビームの照射により試料
    から放射される二次電子及び/又は二次イオンを検出し
    て加工対象の表面画像を得る検出手段と、この検出手段
    から出力される試料の位置制御信号を受けて載置された
    試料の位置を変更及び固定する試料位置決め手段と、試
    料の加工終了を検出する加工終点検出手段とを備えてな
    る薄膜加工装置であり、 前記加工終点検出手段は、表面画像に基づき試料の加工
    終了を検出してなることを特徴とする薄膜加工装置。
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