JP3544438B2

JP3544438B2 - イオンビームによる加工装置

Info

Publication number: JP3544438B2
Application number: JP25955996A
Authority: JP
Inventors: 喜弘小山; 安彦杉山
Original assignee: セイコーインスツルメンツ株式会社
Priority date: 1996-09-30
Filing date: 1996-09-30
Publication date: 2004-07-21
Anticipated expiration: 2016-09-30
Also published as: JPH10106474A; US6118122A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、集束イオンビーム照射により試料表面の微細加工を行うイオンビーム加工装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、公開平３ー１６３７４１号公報にあるように、集束イオンビーム照射による加工の加工領域の大きさに応じた最適のアパーチャ径をコンピュータに記憶させておき、その記憶させた条件から加工条件を選択、設定し加工を行う加工方法であった。
そして、本装置により試料表面の加工は次のように行われ、試料表面への集束イオンビーム照射により、試料表面の画像観察を行い、その画像観察により、集束イオンビーム照射領域（走査領域）を設定し、集束イオンビームを照射領域にて走査照射する。集束イオンビームにより照射された試料表面は、イオンスパッタにより、集束イオンビーム照射領域（走査領域）の表面は除去加工される。また、集束イオンビーム照射と同時に、有機化合物蒸気をその領域に吹き付けると、試料表面に吸着した有機化合物は、イオンビームの照射により、分解されて、固体の薄膜がその領域に形成される。
また、有機化合物蒸気の代わりに、試料構成物質に対してエッチング作用を及ぼす物質の蒸気を吹き付けると、集束イオンビーム照射により試料構成物質とその蒸気とか反応し、より速いエッチング除去加工ができる。
【０００３】
【発明が解決しようとしている課題】
従来方法によると、加工領域の大小によりイオンビーム電流を選び、それによりスループットは向上するが、イオンビームの電流を変えたときに焦点のズレや像のズレなどが生じる。そのため、複数個の加工を自動的に精度良く連続加工を行うことができなかった。特に、所定の集束イオンビーム照射条件にて、集束イオンビームを試料表面に照射して、試料表面を観察し、その試料観察像により、集束イオンビームの照射領域（加工領域）を設定する。その後、集束イオンビームの照射条件（電動可変マルチアパーチャの開口径）を変えて、集束イオンビームを前記照射領域に繰り返し走査照射走査して、試料表面を加工する。稼働マルチアパーチャの開口径を変えると、集束イオンビームのイオンビーム電流が変わるが、集束イオンビームの照射軌跡もずれてしまう。従って、観察した像で、集束イオンビーム照射により試料表面を加工すると、加工領域が目的の領域と異なり、正確な加工ができない。そして、そのずれを解消するためには、変えた電動可変マルチアパーチャの開口径にて、集束イオンビームを走査・照射し画像観察して、加工領域を設定し直さなければならない。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、使用するイオンビーム電流量に応じて焦点などのイオンビーム光学的条件および像のズレ量などの異なったイオンビーム電流量間の差異をコンピュータに記憶させておき、その記憶させたファイルから条件を選択し、さらにイオンビーム光学系をその条件値に設定することにより、焦点のズレや像のズレなどを補正するものである。
複数個の加工を自動的に精度良く連続加工が可能となり、スループットを向上させることができた。
【０００５】
【実施例】
以下本発明の実施例を説明する。
図１は、集束イオンビーム加工装置のブロック図である。イオンはビームとしてイオン源１から発生させられる。イオン源１は通常、液体金属イオン源を用いる。イオンビームは、ビーム軸３０に沿って備えられた集束レンズ２と対物レンズ６により、試料１１の表面で集束イオンビーム９として微小スポット径になるように集束される。また、ビーム軸３０に沿って備えられた走査電極８により、集束イオンビーム９が所定の領域で走査するように偏向される。走査電極８は、集束イオンビーム９をＸ方向及びＹ方向に偏向させるために２対設けられている。ビーム軸３０に沿って備えられた非点補正電極７は、集束イオンビーム９の非点（ビーム断面径の偏平）を補正するものであり、ブランキング電極４は、集束イオンビーム９の試料１１表面への照射を止めるため集束イオンビーム９をビーム軸３０から大きく離すものである。
【０００６】
更に、ビーム軸３０上に、電動可変マルチアパーチャ５が備えられている。電動可変マルチアパーチャ５は、各種の開口径を有する穴を一列に備えたアパーチャであり、電動可変マルチアパーチャ５を列方向にモータ等（図示せず）により移動させることができる。電動可変マルチアパーチャ５の移動により、ビーム軸３０を通過させるアパーチャ穴径を切り換えることができ、集束イオンビーム９のイオン電流を切り換えるものである。
更にまた、ビーム軸３０に沿って、アライメント電極４が備えられ、イオン光学系制御部１５からの信号により、アライメント電極４は集束イオンビーム９の照射軌跡を所定量ずらすものである。
【０００７】
集束イオンビーム９の試料１１表面照射位置から発生する２次荷電粒子１０を検出するため、２次荷電粒子検出器１４が集束イオンビーム９の照射位置に向けて設けられている。２次荷電粒子検出器１４からの信号は、イメージ制御部１６により、２値化、コントラスト等の信号処理をされ、コンピューターシステム１９に入力される。そして、コンピューターシステム１９に接続さた表示装置２０に、２次荷電粒子検出器１４により検出された２次荷電粒子１０の強度に基づいて試料１１表面の状態が画像表示される。
試料１１は、試料ステージ１２に載置されている。ステージ制御部１７からの信号により試料ステージ１２は、試料１１を所定のＸＹＺ方向移動、ＸＹ平面法線を軸にした試料１１の回転、及びＸＹの２軸での傾斜・回転する。
【０００８】
ガス銃１３は、試料１１の表面の集束イオンビーム９照射位置に有機化合物蒸気、もしくはエッチング特性を有する蒸気を吹き付けるためのものである。試料１１表面の集束イオンビーム９の照射と同時にガス銃１３から化合物蒸気、もしくはエッチング特性を有する蒸気を吹き付けることにより、試料１１表面に吸着された化合物は、集束イオンビーム９により分解され、集束イオンビーム９の照射領域にパターン膜が形成されたり、もしくはエッチング除去（増速エッチング）される。パターン膜は、化合物に金属成分が含まれていない場合、炭化膜になり、金属成分が含まれている場合は、金属膜になる。ガス銃１３からの化合物蒸気の吹き付けのオン・オフ及びオン時のガス流量は、蒸気制御部１８を介してコンピュータシステム１９により制御される。
【０００９】
ガス銃１３がオンの時は、試料１１の表面の所定領域にパターン膜が形成されたり、もしくは増速エッチングされ、ガス銃１３がオフの時は、試料１１の表面の所定領域がエッチング除去される。エッチング除去される領域が試料１１の表面に形成されているパターン膜であれば、パターン膜のパターンの一部を除去し、修正することもできる。また、パターン膜や試料１１表面部の断面を観察するための断面加工をすることもできる。
【００１０】
ここで、集束イオンビーム加工装置にて、試料１１を加工する時、パターン膜のパターン形状の修正のための除去加工、断面観察のための除去加工、除去加工の材質、炭化膜の膜付け加工、金属膜の膜付け加工、その他加工面積や加工精度により、加工の際の集束イオンビーム９のイオン電流を適宜に変えることが、スループットを上げるのには必要である。つまり、それぞれの加工には、それぞれ適当な集束イオンビーム電流がある。
【００１１】
集束イオンビーム９の走査・照射により、試料１１表面の画像観察して加工領域を決定した後、所定加工領域のみ適宜にイオン電流を設定する。イオン電流の設定は、電動可変マルチアパーチャ５に設けられた複数の開口のうち適当な開口径のものに切り換える。また、集束レンズ２の印加電圧を切り換えることにより、イオン電流を変えることもできる。ここで、イオン電流を切り換えて集束イオンビーム９の照射を行うと、集束イオンビーム９のビーム軸３０がずれたり（ＸＹ方向にシフトしたり）、焦点位置が試料１１の表面位置（Ｚ方向）から外れたり、集束イオンビーム９の軸と垂直な断面計上か真円から楕円に変化したりする。ここで、イオンビーム光学系の調整を行う。
【００１２】
なお、イオンビーム光学系の調整としては、電流量・ビームアライメント・焦点・非点等の調整などである。電流量の調整とは集束レンズ２の印加電圧および電動可変マルチアパーチャ５のアパーチャ径を変化させることである。具体的にいうと、ビームアライメント補正とは集束レンズ２の印加電圧を変化させることにより伴うビームの軸３０のズレ（軸のビームシフト）をアライメント電極４に電圧を印加して補正することである。そして、電動可変マルチアパーチャ５のアパーチャ径を変えることによりビーム電流を調整する際に、電動可変マルチアパーチャ５のアパーチャから下のビーム軸３０が試料１１表面までのずれ（照射軸のシフト）を走査電極８に入力する走査信号にＤＣ成分を重畳させ、ビーム照射位置をオフセットさせることで達成する。焦点の修正とは試料１１上でビームが集束するように対物レンズ６の印加電圧を変化させることである。また、非点補正とは対物レンズ６で集束されたイオンビーム９の断面形状を、非点補正電極７に印加する電圧を変えて、丸くすることである。なお、イオンビーム光学系の調整するためには、ビームの観察が欠かせないが、これは従来から各種あるのでここでは説明を省略する。
【００１３】
集束レンズ２の印加電圧、電動可変マルチアパーチャ５の使用開口径にて各組合せを取り、その各条件にて、イオンビーム光学系の調整を行う。つまり、焦点を結んだ真円のビームスポットが、試料１１の表面に、ビーム軸３０からシフトしないで照射するように、アライメント電極４への印加電圧、対物レンズ６への印加電圧、非点補正電極７に印加する電圧を求める。この調整したイオンビーム光学系の値をコンピュータシステム１９に記憶する。
【００１４】
ここで、例えば、イオン電流値を設定するために、電動可変マルチアパーチャー５の開口径を切り替えたときは、表示装置２０に表示される画像は、図２ａから図２ｂのようにビーム照射位置の位置ズレが生じる。このアパーチャの開口径間の差異によるビーム軸３０のズレ（シフト）に基づく画像のずれを、走査電極８に入力する走査信号にＤＣ成分を重畳させ、ビーム照射位置をオフセットさせることで達成する。つまり、図２ｃのように調整を行い、図２ａと同じ位置にビームが照射されるようにし、それらの調整した値をコンピュータシステム１９に記憶する。
【００１５】
次に、試料を観察した後、加工領域の位置・加工領域を設定する。この位置・加工領域設定値は、コンピュータシステム１９に記憶され、位置・加工領域設定値に基づいて、所定領域を集束イオンビーム９が走査・照射すように、イオン光学系制御部１５から走査電極８に走査信号が入力される。次に、加工の種類（観察か、パターン形状の修正か断面観察の為の除去加工か、金属か遮光の膜付け加工か、加工面積、除去加工の時の除去材質）をコンピュータシステム１９に入力する。コンピュータシステム１９には、それらの条件に適した、集束レンズ２の印加電圧、及び電動可変マルチアパーチャー５の開口径が記憶されている。集束レンズ２の印加電圧と、電動可変マルチアパーチャー５の開口径はその記憶された値になるように、イオン光学系制御部１５を介して設定される。
【００１６】
集束レンズ２の印加電圧と、電動可変マルチアパーチャー５の開口径はその記憶された値になるように、イオン光学系制御部１５を介して設定されると、イオンビーム光学系の調整が必要になる。イオン軸３０のずれの調整のためにコンピュータシステム１９に記憶されたアライメント電極への印加電圧、焦点調整のために対物レンズ６への印加電圧、非点補正のための非点補正電極７への印加電圧、集束イオンビーム９の試料１１への照射ずれ補正のための走査電極８へ重畳するＤＣ成分の印加補正を、イオン光学系制御部１５を介して印加される。
また、コンピュータシステム１９入力された除去加工か、膜付け加工（膜質等も）かの加工条件により、ガス銃１３のオン・オフはイオン光学系制御部１５を介して設定される。
【００１７】
加工領域の設定としては、一画面内における設定だけでなく試料ステージ１２を動かし離散した複数の加工も可能であり、ステージ移動を行い加工領域を決定する際ステージ位置情報も加工内容と共にコンピュータシステム１９に記憶することにより行う。また、加工領域を設定する際に、その加工領域の、それは通常、矩形で設定されるものであるが、辺が、集束イオンビームの主走査方向と平行になっていないで、傾斜を有している場合、その傾斜角度に基づいて、集束イオンビームの走査方向を傾ける。つまり、矩形である加工領域の一辺と集束イオンビームの主走査方向を平行にする。このことにより、容易に加工領域を設定することができるものである。走査信号の変換については、特開昭６３−２４１９５３号公報に開示されているので、ここではその変換式についての説明は省略する。複数の加工領域を有する場合、それぞれの領域と平行な集束イオンビームの主・副走査方向になるように、それぞれの領域に応じた変換式をコンピュータシステム１９に記憶させる。これにより、各加工領域に対して、連続的な加工をすることができる。さらにまた、コンピュータシステム１９には、あらかじめ電動可変アパーチャの各開口径ごとのビーム電流量および各材料ごとのエッチングレートを記憶させておき加工を行いたい深さを入力することにより各開口径での走査回数および加工時間をコンピューターが算出し表示され、加工時間および加工のダレなどを考慮した選択が可能である。
【００１８】
そして、設定した加工をコンピューターに記憶した加工内容に従って加工を行う際、あらかじめコンピューターシステム１９に記憶しておいたイオンビーム光学条件をイオンビームの電流量が変化するごとに選択し、イオンビーム光学系をその条件に設定する事により加工位置ズレなどのない連続加工を行うことができる。
【００１９】
［実施例２］
本実施例では、ステージ１２移動を伴う連続加工において精度良く加工を行う方法について説明する。
ステージ１２移動を伴う加工では、ステージの絶対精度が必要となる。しかし、ステージ１２において絶対精度が±０．０５μｍ以下のステージの作製は難しく、現在のステージ精度ではステージ移動を伴う精度の良い加工を行うことは困難である。そこで、加工領域３１設定の際、図３ａのような試料１１の加工領域３１の近傍の特徴的な形状およびコントラストを有するもの（以下リファレンスポイントと略す）とリファレンスポイント３２と加工領域３１の位置関係および加工条件を同時に記憶する。このリファレンスポイント３２としては、集束イオンビームにより試料を加工した穴や加工対象物の表面の凹凸、加工対象物の材料に違いなどによる二次荷電粒子像のコントラスト差などが考えられる。
【００２０】
加工条件設定後、加工を行う場合ステージ１２移動を伴った加工のためステージ精度の問題により図３ｂのようにビーム照射位置がずれる。先ず、コンピュータシステム１９に記憶された加工位置に基づいて、ステージ制御部１７を介して、試料１１を載置したステージ１２の移動する。試料１１を移動させた後、画像認識などによりこのリファレンスポイント３２を検出、認識し、リファレンスポイントを基準にしてビームシフトなどの精度の良いシフト方法により、図３ｃのようにイオンビーム照射位置を補正し加工を行うことにより精度の良いステージ移動を伴う連続加工が可能である。またこのステージ移動を伴う精度の良い連続加工は、個々の加工条件に付随するステージ情報によるステージ移動だけでなく、あらかじめ決められた間隔に加工を行いたい領域が存在する場合にも適用できる。
【００２１】
【発明の効果】
本発明により、０．１μｍ以下の精度でステージ移動を伴った連続加工が可能になり、集束イオンビームによる加工においてスループットの向上が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】集束イオンビーム加工装置の概略ブロック図である。
【図２】本発明の実施例１を説明するための試料表面の平面図で図２ａはアパーチャー切り替え前、図２ｂはアパーチャー切り替え直後（アパーチャー切り替えにより像がシフトしている）、図２ｃはビームシフトにより補正を行った後である。
【図３】本発明の実施例２を説明するための試料表面の平面図であり、図３ａはリファレンスポイントおよび加工の設定時、図３ｂはステージ移動によりリファレンスポイントがシフトしている時、図３ｃはビームシフトによりリファレンスポイントの位置ズレを補正した後である。
【符号の説明】
１イオン源
２集束レンズ
３ブランキング電極
４アライメント電極
５電動可変マルチアパーチャ
６対物レンズ
７非点補正電極
８走査電極
９集束オンビーム
１０２次荷電粒子
１１試料
１２試料ステージ
１３ガス銃
１４２次荷電検出器
１５イオン光学系制御部
１６イメージ制御部
１７ステージ制御部
１８蒸気制御部
１９コンピューターシステム
２０表示装置
３０ビーム軸

Claims

イオンビームを発生するイオン源と、前記イオンビームを集束させるレンズ系と、前記イオンビームの電流を制限する電動可変マルチアパーチャと、前記イオンビームで加工しようとする試料を載せるステージと、前記イオンビームを前記試料上に照射する時に発生する二次粒子を検出する検出器と、前記電動可変マルチアパーチャをコントロールするイオン光学系制御部と、前記二次粒子に基づき前記試料の加工を制御するコンピュータシステムよりなる集束イオンビーム加工装置において、イオンビームの電流量に対応して、レンズの設定、非点補正値、アパーチャ径、ビームアライメントへの印加電圧及び対物レンズへの印加電圧などのイオンビーム光学的条件及び、複数個の加工内容を前記コンピュータに記憶させておき、前記加工内容に従って光学的条件を選択、設定し、複数個の加工を行うことを特徴とするイオンビーム加工装置。
イオンビームを発生するイオン源と、前記イオンビームを集束させるレンズ系と、前記イオンビームの電流を制限する電動可変マルチアパーチャと、前記イオンビームで加工しようとする試料を載せるステージと、前記イオンビームを前記試料上に照射する時に発生する二次粒子を検出する検出器と、前記電動可変マルチアパーチャをコントロールするイオン光学系制御部と、前記二次粒子に基づき前記試料の加工を制御するコンピュータシステムよりなる集束イオンビーム加工装置において、イオンビームの電流量に対応して、レンズの設定、非点補正値、アパーチャ径、ビームアライメントへの印加電圧及び対物レンズへの印加電圧などのイオンビーム光学的条件及び、複数個の加工内容を前記コンピュータに記憶させておき、前記加工内容に従って光学的条件を選択、設定し、複数個の加工を行うことを特徴とするイオンビーム加工方法。
イオンビームを発生するイオン源と、前記イオンビームを集束させるレンズ系と、前記イオンビームの電流を制限する電動可変マルチアパーチャと、前記イオンビームで加工しようとする試料を載せるステージと、前記イオンビームを前記試料上に照射する時に発生する二次粒子を検出する検出器と、前記電動可変マルチアパーチャをコントロールするイオン光学系制御部と、前記二次粒子に基づき前記試料の加工を制御するコンピュータシステムよりなる集束イオンビーム加工装置において、
前記コンピュータシステムは、
あらかじめ、イオンビーム電流に対応して、アパーチャ径あるいは集束レンズへの印加電圧、イオンビーム軸のズレ調整のためのアライメント電極への印加電圧及び非点補正のための非点補正電極への印加電圧などのイオンビーム光学的条件を記憶させる手段と、
複数の加工位置、加工領域を設定し、記憶させる手段と、
加工の種類に適したイオンビーム電流を記憶する手段と、
前記複数の加工領域の加工の種類を入力する手段とを有し、
前記複数の加工領域の各加工領域を加工する時に、前記記憶された各加工領域の加工の種類に適したイオンビーム電流に対応して、前記あらかじめ記憶された光学的条件を設定し、
前記複数の加工領域を自動的に連続加工することを特徴とするイオンビーム加工装置。
前記連続加工が前記ステージの移動を伴う加工においては、前記コンピュータはステージの位置情報も記憶する手段を有することを特徴とする請求項３記載のイオンビーム加工装置。
前記複数の加工領域が矩形形状であり、かつ、このうちある加工領域が集束イオンビームの主走査方向に対し傾斜している場合、該加工領域の一辺と集束イオンビームの主走査方向を平行にする変換式を記憶する工程を有していることを特徴とする請求項１、３、または４記載のイオンビーム加工装置。
イオンビームを発生するイオン源と、前記イオンビームを集束させるレンズ系と、前記イオンビームの電流を制限する電動可変マルチアパーチャと、前記イオンビームで加工しようとする試料を載せるステージと、前記イオンビームを前記試料上に照射する時に発生する二次粒子を検出する検出器と、前記電動可変マルチアパーチャをコントロールするイオン光学系制御部と、前記二次粒子に基づき前記試料の加工を制御するコンピュータシステムよりなる集束イオンビーム加工装置を用いたイオンビーム加工方法において、
あらかじめ、イオンビーム電流に対応して、アパーチャ径あるいは集束レンズへの印加電圧、イオンビーム軸のズレ調整のためのアライメント電極への印加電圧及び非点補正のための非点補正電極への印加電圧などのイオンビーム光学的条件を記憶させる工程と、
複数の加工位置、加工領域を設定し、記憶させる工程と、
加工の種類に適したイオンビーム電流を記憶する工程と、
前記複数の加工領域の加工の種類を入力する工程と、
前記複数の加工領域の各加工領域を加工する時に、前記記憶された各加工領域の加工の種類に適したイオンビーム電流に対応して、前記あらかじめ記憶された光学的条件を設定し、前記複数の加工領域を自動的に連続加工することを特徴とするイオンビーム加工方法。
前記連続加工が前記ステージの移動を伴う加工においては、前記ステージの位置情報も前記コンピュータに記憶することを特徴とする請求項６記載のイオンビーム加工方法。
前記複数の加工領域が矩形形状であり、かつ、このうちある加工領域が集束イオンビームの主走査方向に対し傾斜している場合、該加工領域の一辺と集束イオンビームの主走査方向を平行にするように集束イオンビームの走査方向を傾けて加工することを特徴とする請求項２、６、または７記載のイオンビーム加工方法。
イオンビームを発生するイオン源と、前記イオンビームを集束させるレンズ系と、前記イオンビームの電流を制限する電動可変マルチアパーチャと、前記イオンビームで加工しようとする試料を載せるステージと、前記イオンビームを前記試料上に照射する時に発生する二次粒子を検出する検出器と、前記電動可変マルチアパーチャのアパーチャ径、及びアライメント電極への印加電圧をコントロールするイオン光学系制御部と、前記イオン光学系制御部を制御するコンピュータシステム、および前記検出器からの信号に基づいて試料の表面画像を表示する表示装置とからなる集束イオンビーム加工装置を用いたイオンビーム加工方法において、
試料の所定領域の観察時と、該所定領域の加工時に使用するイオンビーム電流量の違いに応じて発生する、像のズレ量をあらかじめ前記コンピュータに記憶させておき、その記憶させたファイルから条件を選択し、さらにイオンビーム光学系をその条件値に設定することにより、像のズレを補正することを特徴とするイオンビーム加工方法。