JP4312574B2 - イオンビーム加工装置およびイオンビーム加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、スパッタ粒子のマスクパターンおよび加工面への再付着を防止することが容易なイオンビーム加工装置およびイオンビーム加工方法に関するものである。

薄膜の微細加工手法の一つとして、ビーム加工がある。それはアルゴン（Ａｒ）イオン等のビームを試料に高速で照射することにより、試料表面を削る加工方法であり、Ａｒイオンを用いるイオンミリング、ケミカルな反応を併用する反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）などが知られている。

次に、図１８によってイオンミリング加工法の概略を説明する。

図１８（ａ）に示すように、通常、加工対象の試料３０１（例えば基板表面に形成された薄膜３０２）面上に、適当なレジスト膜もしくは無機材料膜を用いて微細なマスクパターン３０５を形成する。次いで、図１８（ｂ）に示すように、上記試料（薄膜）３０２にアルゴンイオンビーム３１１を照射することにより、マスクパターン３０５により被覆されていない試料（薄膜）３０２面をミリング（エッチング）する。これにより、マスクパターン３０５が薄膜３０２面に転写される。

ここで問題となるのが、図１８（ｃ）に示すように、ミリングの際、スパッタされた試料面原子がマスクパターン３０５〔前記図１８（ｂ）参照〕側面および加工部側面に再付着し、いわゆるバリ３２１を形成することである。ミリング加工面は一般に斜めに削られるため、バリ３２１もその形状に沿って堆積し、マスクパターン３０５を除去した後の断面形状がうさぎの耳に似ていることからラビットイアー（rabbit ear）とも呼ばれる。バリ３２１の高さは、ミリング条件によってはマスクパターン３０５の膜厚にまで達し、ミリング量には必ずしも比例せず、わずかなミリング深さ（たとえば２０ｎｍ程度）であってもバリ高さが非常に大きくなる（例えば１００〜２００ｎｍ）場合が多い。このバリ３２１は、加工面側面に付着することから、多層膜をエッチングした場合、膜間のショートを引き起こしやすく、本来のデバイスとしての機能を失わせることとなる（例えば、特許文献１、非特許文献１および２参照。）。

例えば、図１９（ａ）に示すように、マスクパターン３０５にレジストを用い、絶縁膜３３１を埋め込んだ後に、図１９（ｂ）に示すように、リフトオフを行う工程が多用される。この場合には、バリ３２１によってマスクパターン３０５側面が覆われると、マスクパターン３０５の剥離が困難になる。すなわち、リフトオフが困難となる。

また、図２０（ａ）の上面図、（ｂ）の断面図に示すように、バリ３２１は内側に傾いて成長するため、根元部にレジストの残渣３３３が生じやすい。リフトオフによって素子上面にコンタクトホールが形成されるが、バリ３２１のために設計サイズよりも開口径が小さくなってしまう。素子サイズがサブμｍ以下のオーダーになるとコンタクホール部に占めるバリ３２１の割合が著しく大きくなり、開口が困難となってくる。バリ３２１の発生は、マスクサイズが小さくなるほど顕著になり、高さ，厚みとも増加する。また、リフトオフあるいはマスクパターン剥離の際に、マスクパターンとともに除去されるバリ３２１の割合も減る。このため、マスクサイズ、すなわち、素子サイズが微細化するほど、上記のバリ３２１の弊害が顕著になる。

以上説明したように、従来のイオンミリング加工技術では、ミリングの際に生じるバリ（スパッタ粒子の再付着）のために、微細加工の能力が制限され、今後、半導体デバイス、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）等の作製に必要となるサブμｍ以下からナノメートル（ｎｍ）のオーダーの微細化要求に応えることが困難となりつつある。

これに対する一つの対策方法として、イオンビームを試料面に対して斜め方向（試料面鉛直方向から数十度傾けた方向）から入射することにより、試料面をミリングしつつ発生したバリを除去する手法が取られているが、除去効果は小さい。また、ミリング断面に、よりいっそうのテーパーがつくという問題も生じる。

特開平１１−２８９０５８号公報 御閉博史，絵所壮太郎著 「真空 」第２０巻、第１１号、ｐ１７−２４ １９７７年 Per G. Gloersen著 Ｊ． Ｖａｃ． Ｓｃｉ． Ｔｅｃｈｎｏｌ． 第１２巻、第１号、ｐ２８−３５ １９７５年

解決しようとする問題点は、イオンビーム加工において、スパッタ粒子がマスクパターンおよび加工面へ再付着してバリが発生する点である。

本発明のイオンビーム加工装置は、真空チャンバ内でイオンビームを被加工試料に照射して被加工試料を加工するイオンビーム加工装置であって、電界を発生させるもので前記被加工試料に前記電界を与える電極を備え、前記イオンビームにてスパッタされた前記被加工試料のイオン化した原子の軌道を前記電界により前記被加工試料表面に対して前記イオンビームの入射方向に偏向して前記真空チャンバ外に排気する。

本発明のイオンビーム加工方法は、真空チャンバ内でイオンビームを被加工試料に照射して被加工試料を加工するイオンビーム加工方法であって、前記イオンビーム加工の際、前記被加工試料に電界を存在させ、前記イオンビーム加工にてスパッタされた前記被加工試料のイオン化した原子の軌道を前記電界により前記被加工試料表面に対して前記イオンビームの入射方向に偏向して前記真空チャンバ外に排気する。

本発明のイオンビーム加工装置は、電界を発生させるもので被加工試料に電界を与える電極を備えているため、イオンビーム加工の際にイオンビームによってスパッタされた正（＋）イオンになっている被加工試料の原子（粒子）は、電極と被加工試料間に生じた電界の作用によって射出軌道が被加工試料面に対してイオンビームの入射方向に偏向されるので、イオンビーム加工の際に用いられるマスクに従来の技術では衝突していた原子（粒子）は衝突しなくなり、この結果、マスク側壁でのバリの発生が抑制されるという利点がある。

本発明のイオンビーム加工方法は、イオンビーム加工の際、被加工試料に電界を存在させるため、イオンビーム加工の際にイオンビームによってスパッタされた正（＋）イオンになっている被加工試料の原子（粒子）は、電界の作用によって射出軌道が被加工試料面に対してイオンビームの入射方向に偏向されるので、イオンビーム加工の際に用いられるマスクに従来の技術では衝突していた原子（粒子）は衝突しなくなり、この結果、マスク側壁でのバリの発生が抑制されるという利点がある。

よって、本発明のイオンビーム加工装置およびイオンビーム加工方法によれば、イオンミリングあるいは物理的なスパッタ効果を伴う反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）において、マスク周囲に付着するバリの発生が防止されるため、（１）バリの発生による加工後の多層膜間のショートが抑止できる、（２）レジストマスク側面が再付着物（バリ）で覆われることがないためリフトオフ性が著しく向上できる、（３）バリの根元部に生じやすいレジスト残渣が解消できる、（４）微小な素子においても、設計通りのコンタクトホール開口径を得ることができる、（５）マスクサイズが微細化してもバリが成長しないため、サブμｍ以下のオーダーの微細な形状の加工ができる、（６）バリの除去のために試料面を傾けてイオンビーム加工を行う必要がないので、加工断面のテーパーを抑制することができる、等の効果が得られる。

イオンビーム加工におけるスパッタ原子の試料面への再付着を防止するという目的を、被加工試料の被加工面上の空間に電界を発生させるもので０電位もしくは負電位を有する電極を配置することで、加工ビームによってスパッタされた試料面から射出される原子の射出方向を偏向し、それによってスパッタされた原子の試料面への再付着の防止を実現した。

本発明のイオンビーム加工装置およびイオンビーム加工方法に係る一実施例を、図１の概略構成図、図２の要部斜視図、図３の動作を説明する要部構成図等によって説明する。イオンビーム加工装置には種々の形態があるが、図１では一般的なイオンビーム加工装置に本発明の構成を適用した一例を示す。

図１に示すように、イオンビーム加工装置１は真空チャンバ１１を備えている。この真空チャンバ１１の内部には、被加工試料５１を保持するステージ２１が設けられている。このステージ２１は、例えば図示しない回動駆動装置により回動されるようになっている。

また、真空チャンバ１１の内部には、上記ステージ２１に保持される被加工試料５１の被加工面に対向して、イオン源３１が設置されている。このイオン源３１は、例えば、導入されたアルゴン（Ａｒ）ガスをフィラメント３２によりプラズマ化して、アルゴンイオンを射出するものである。このイオン源３１のアノードには電源３３により、例えば＋３００Ｖの電圧が印加される。さらにイオン源３１のイオンビーム射出側にはイオンを加速するグリッド３４が設置されている。このグリッド３４には電源３５が接続され、この電源３５よりグリッド３４には、例えば−５０Ｖの負電圧が印加される。また、被加工試料５１表面に向けて中和用の電子を放出する電子発生装置（ニュートラライザー）４１が真空チャンバ１１内部に設置されている。この電子発生装置４１には、例えば熱電子発生用フィラメントが用いられている。さらに、イオン源３１と被加工試料５１との間にはイオンビームを遮蔽可能なシャッター６１が設けられている。さらに被加工試料５１の加工面近傍に電界を存在させる手段として電極１０１（図２参照）が、例えば被加工試料５１のイオンビーム入射側に設置されている。この電極１０１は、負電位もしくは０電位にされている。

また、上記真空チャンバ１１には、真空排気ポンプ７１が接続され、この真空排気ポンプ７１により真空チャンバ１１内部のガスを排気できるようになっている。

上記イオンビーム加工装置１では、イオン源３１にてアルゴン（Ａｒ）ガスをイオン化し、これをグリッド３４に電圧をかけて加速し、イオンビーム８１として被加工試料５１に照射する。この際、イオン源３１近傍に配置した電子発生装置４１から電子を放出し、加速後のイオンビーム８１の中和およびイオンミリング中に帯電する被加工試料５１の加工面の中和を行う。イオンビーム８１の被加工試料面への入射角は、目的に応じて適宜決められる。通常、０度〜数十度の範囲である。

次に、電極１０１の配置例について、図２によって説明する。

図２に示すように、電極１０１は、一例として、環状の銅板を用いた。大きさは、例えば、外径が５０ｍｍ、内径が３７ｍｍ、厚さが１．５ｍｍとした。被加工試料５１（例えば２０ｍｍ角基板）をステージ２１上に載せ、電極１０１と装置本体との絶縁が保たれるように、電極１０１を被加工試料５１上方に被加工試料５１表面と平行に配置した。例えば、装置本体（例えば真空チャンバ１１）に設けた保持機構１３１により後に説明するカバー１４１を支持し、そのカバー１４１に絶縁体１３２を介して電極１０１を設置した。その際、被加工試料５１と電極１０１の中心軸を一致させた。電極１０１と被加工試料５１との距離は、両者間で放電が起こらず、また、試料面からスパッタされイオン化した粒子の軌道がアルゴンイオンビーム入射方向に十分に曲げられる電界強度となるよう、適宜決定される。電極１０１に印加する電圧にもよるが、例えば、約６ｍｍ〜８ｍｍとした。上記の各数値は、加工面積、被加工試料５１の被加工面に形成されるレジスト膜（マスク）厚、そのマスクの面内サイズ、電極１０１への印加電圧の大きさ等によって適宜決められるべきものである。

また、電極１０１には、電極１０１を負電位とするように、電源１５１が接続されている。この電源１５１は、電極１０１と被加工試料５１との間に放電が発生しない電圧を印加するものであり、例えば、−数Ｖ〜−５００Ｖの電圧を電極１０１に印加する。もしくは、電極１０１をゼロ電位とすることもでき、その場合には、電極１０１は接地される。電極１０１が接地された場合であっても、イオンビーム加工の際には被加工試料５１表面はわずかながら正に帯電するため、電極１０１を負電位にしたときと同様なる効果を得ることができ、イオンのマスクへの付着を防止もしくは抑制することができる。

上記電極１０１の上部（イオンビーム入射側）には、イオンビーム（図示せず）が電極１０１に直接照射されないようにするために、例えば、接地したカバー１４１が設けられている。カバー１４１を設けない場合、（１）負電位の電極１０１に正に帯電したイオンビームが吸われてしまい、ミリングに寄与するイオンビーム量が減る、（２）その結果、ジュール熱が生じて電極１０１が加熱されてしまう（例えば３００Ｖ、１０ｍＡで３Ｗ）、（３）イオンビーム電流（数ｍＡ〜百ｍＡ）が、電極１０１に電圧を印加するための電源１５１に流れ込むため、電源１５１の負荷が増加する等の問題が生じる。カバー１４１は電極１０１から絶縁されて配置されている。例えば、カバー１４１は電極１０１に対して絶縁体１３２を介して配置されている。カバー１４１の材質は導電性のある任意の金属、たとえばアルミニウム等でよい。カバー１４１の内径は、カバー１４１が被加工試料５１に対しイオンビーム照射における影にならないよう、被加工試料５１のサイズより大きく、かつ、電極１０１の内径より小さくなる値としてある。なお、電極１０１をゼロ電位とする場合は、カバー１４１は設けなくてもよい。また、上記カバー１４１は接地されていることが望ましい。また、上記ステージ２１は接地されている。

次に、上記イオンビーム加工装置１の本発明部分に係る動作、すなわちイオンビーム加工方法を、図３のイオンビーム加工装置の要部斜視図によって説明する。

図３に示すように、上記イオンビーム加工装置１では、イオン源３１より射出されグリッド３４により加速されたイオンビーム８１（例えばアルゴン（Ａｒ⁺）イオンビーム）が被加工試料５１の被加工面に照射され、ステージ２１上に保持された被加工試料５１の基板５２表面に形成された薄膜（例えば金属薄膜、金属化合物薄膜等）５３をミリングする。

この際、イオンビ−ムによって試料表面から叩き出された（スパッタされた）薄膜原子は、スパッタされた直後では＋イオンＭ⁺になっているため、電極１０１によって発生される電界の作用によって射出軌道が薄膜表面に対する鉛直方向に曲げられる。このため、スパッタ原子はマスク５５に再付着することなく排気される。このとき、電子発生装置４１から常に電子が被加工試料５１表面に供給されているため、スパッタされて飛び出した＋イオンＭ⁺は直ちに電気的に中和され、以降は電界の影響を受けない原子（粒子）Ｍとなる。そして、中性化された原子（粒子）Ｍは真空チャンバ（前記図１参照）内部に飛散し、真空排気装置（前記図１参照）によって真空チャンバの外部に排出される。もし、イオンビーム加工装置に電極１０１が設置されていない場合には、スパッタされて飛び出した＋イオンＭ⁺の多くは、中和後、マスク５５の側壁に衝突して付着し、バリを形成することになる。

よって、本発明のイオンビーム加工装置１で加工を行った場合には、被加工試料５１の薄膜５３上に形成されているマスク５５にスパッタ原子が再付着することで形成されていたバリの発生が防止されるか、少なくともバリの成長が抑制、低減される。また、電極１０１のイオンビーム入射側には電極１０１と電気的に絶縁されたカバー１４１が設けられていることから、イオンビーム８１が直接電極１０１に照射されることがない。このため、イオンビーム８１が電極１０１に当たることが防止される。

次に、上記イオンビーム加工装置１を用いて被加工試料５１をイオンビーム加工した一例を説明する。

上記被加工試料５１として、基板（例えば、熱酸化Ｓｉウエハ）上に適当な金属膜を成膜した後にレジストのマスクパターンを形成したものを用意する。レジストの厚さは、例えばサブμｍオーダーの大きさの微細なマスク形成が容易である厚みとして、例えば２００ｎｍ〜４００ｎｍ程度とする。レジストマスクとしては、例えば図４に示すように、幅が１０μｍ、長さが数百μｍの板状のパターン５６および１μｍφの円形のパターン５７を作製した。金属膜、基板の材質は任意であり、目的に応じて適宜選択される。また被加工試料５１表面の電位は特に規定しない。

そしてイオンビーム加工装置１のイオン源３１のアノードに適当な電圧（ミリングレート等にもよるが、例えば、+３００Ｖ程度）を印加してＡｒプラズマを生成し、イオンを引き出すためのグリッド３４に、例えば−４５Ｖの電圧を印加して、アルゴン（Ａｒ⁺）イオンビーム８１を形成し、電子発生装置４１を作動させつつ、被加工試料５１の被加工面にイオンビーム８１を照射してミリングを行った。イオンビーム電流密度は、例えば、１．４ｍＡ／ｃｍ²とした。ミリング量（エッチング深さ）は、例えば２０ｎｍ〜１００ｎｍとした。ミリング後、有機溶剤によりレジストマスクを溶解除去し、レジスト残渣がある場合は、さらに酸素（Ｏ₂）アッシングを行った。その後、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）にて表面形状を測定し、バリの発生状態を評価した。

その結果を図５によって説明する。図５は、電極への電圧印加がある場合（−３００Ｖ／６ｍｍ）と無い場合（電気的にフロートあるいは電極を配置しない）での、バリの発生状態の違いを、レジスト厚さがおよそ２５０ｎｍ、幅が１０μｍのパターンをミリングした場合において示すものであり、縦軸にバリの高さを示し、横軸にパターン幅を示す。

被加工試料は、シリコン基板表面に熱酸化膜を形成し、その表面に金属膜（例えばＣｒ：２０ｎｍ／Ａｕ：２０ｎｍ）を成膜したものとした。ミリング量が２０ｎｍ〜３０ｎｍの場合、電極１０１を設けないイオンビーム加工装置による従来のミリングでは、図５（ａ）に示すように、高さが４０ｎｍ〜５０ｎｍのバリが明瞭に生じたのに対し、電極１０１を設けた本発明のイオンビーム加工装置では、電極１０１に−３００Ｖの電圧を印加して電界を発生させた場合、図５（ｂ）に示すように、バリの発生がほぼ皆無となった。

また、１μｍφのパターンでは、電界のない場合に生じるバリの高さは６０ｎｍ〜７０ｎｍ程度であったが、前記と同じ電界を生じさせることにより、バリの高さはほぼ皆無となった。

本発明の効果は、ミリングされる材料によらない。上記例では、加工対象を実用上多用される磁性金属コバルト（Ｃｏ）としたが、これを酸化シリコン（ＳｉＯ₂）にした場合も、ほぼ同じバリ抑制効果が得られた。この他、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）等の貴金属、クロム（Ｃｒ）、タングステン（Ｗ）等の高融点金属、もしくは金属酸化物（例えばタンタル酸化物（Ｔａ₂Ｏ₅）、アルミニウム酸化物（Ａｌ₂Ｏ₃）等においても、ミリングレートは変化するものの、本発明によるバリ抑制効果は変わらなかった。

上記イオンビーム加工装置１におけるミリング量が大きい場合、それに応じてレジストマスクの厚さも厚くしなければならない。レジスト膜の厚さが３５０ｎｍの円形マスク（１μｍφ）における一例を、図６によって説明する。

図６に示すように、被加工試料は上記図５によって説明したのと同様に、シリコン基板表面に熱酸化膜を形成し、その表面に金属膜（例えばコバルト膜）を約１００ｎｍの厚さに成膜したものとした。ミリング量が約１００ｎｍの場合、電極１０１を設けないイオンビーム加工装置による従来のミリングでは、図６（ａ）に示すように、高さが約２００ｎｍのバリが生じたのに対し、電極１０１を設けた本発明のイオンビーム加工装置では、−５〜−１００Ｖ／ｍｍの電界となる電圧を電極１０１に印加した場合、図６（ｂ）に示すように、バリ高さは６０ｎｍ程度もしくはそれ以下となり、電極１０１を設けない場合と比較してバリの高さが大幅に減少した。この程度のバリの高さであれば、レジストマスクを用いたリフトオフを行う上でも、実用上、問題のないレベルである。

本発明のイオンビーム加工装置１における電極１０１への印加電圧は、０Ｖ〜−１ｋＶの範囲で最適な値が適宜決められる。電極１０１と被加工試料の被加工表面との間の距離を考慮することが必要であり、その距離は電極１０１と被加工試料５１との間に放電が起こらないよう設定される。電界の大きさとしては２００Ｖ／ｍｍ程度が上限となる。最適電界強度は、加工対象材料に依存し、材料のスパッタ率、イオン化率、導電率、誘電率等が関係する。また、マスクとするレジストの厚み、マスクの大きさ（面内サイズ）等により変わり得るため、適宜、検討が必要であるが、概ね−５Ｖ／ｍｍ〜−１００Ｖ／ｍｍが望ましい。

上記実施例では、電極１０１に負電位を印加したが、ゼロ電位でもバリ抑制効果が生じる場合がある。これは、ミリングによって被加工試料表面から飛び出した試料原子の＋イオンと電極（ゼロ電位）との間に空間電位が生じ得るためである。また、ミリング中、Ａｒ⁺イオンによって叩かれた被加工試料表面は正（＋）に帯電し易く、電子発生装置（ニュートラライザー）４１によって被加工試料表面に電子を照射して中和しているものの、わずかに正（＋）に帯電する傾向がある。このため、電極１０１がゼロ電位であっても、被加工試料表面との間に電界が生じる場合がある。

次に、本発明の効果を、より総合的に評価した例を以下に説明する。ここでは、レジストマスクを板状のパターンとし、厚さが２５０ｎｍ、幅が１０μｍのレジストマスクを用いて、最表面に厚さが５ｎｍのタンタル（Ｔａ）膜を形成した基板（酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜）をミリングした際に発生するバリの発生状態を調べた。その結果を図７によって説明する。なお、従来のイオンビーム加工条件は表中の「電極無し」の欄に相当する。ここで、「電極無し」とは、電極が電気的にフロート（接地ではない）状態もしくは電極を配置していない状態である。また、イオンビームのチルト角は−５°、電極と被加工試料との間隔は８ｍｍとした。

図７に示すように、ミリング量に３０ｎｍ〜６０ｎｍという違いはあるものの、電圧が０Ｖ〜負電圧において、バリの発生が抑制されていることがわかる。正（＋）電位では、バリが増加し、本発明の効果を逆の立場から支持する結果となっている。具体的には、電極無しの状態では、バリの高さが３０ｎｍ程度であった。一方、電極への印加電圧が０Ｖ〜負電圧では、バリの高さが最大でも５ｎｍであり、ほとんどバリが発生していない状態であった。他方、電極に正（＋）電圧を印加した場合には、バリの高さが５０ｎｍにも達し、電極が無い場合よりもバリの高さが高くなった。このように、バリの発生を抑制する効果は、電極に印加する電圧の大きさにはあまり依存せず、わずかの負電位（ゼロ電位を含む）によって十分な効果が得られている。

次に、レジストマスクを板状のパターンとし、厚さが２５０ｎｍ、幅が１０μｍのレジストマスクを用いて、基板（酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜）表面に、厚さが１０ｎｍのクロム（Ｃｒ）膜、厚さが１２０ｎｍのコバルト（Ｃｏ）膜、厚さが２０ｎｍの金（Ａｕ）膜を順に積層形成した積層膜をミリングした際に発生するバリの発生状態を、電極に印加する電圧の大きさを変えて調べた。その結果を図８によって説明する。なお、従来のイオンビーム加工条件は表中の「電極無し」の欄に相当する。ここで、「電極無し」とは、電極が電気的にフロート（接地ではない）状態もしくは電極を配置していない状態である。また、イオンビームのチルト角は−５°、電極と被加工試料との間隔は７ｍｍとした。

図８に示すように、ミリング量が９０ｎｍ〜１００ｎｍと大きいため、従来ミリング（「電極無し」）でのバリの発生は２００ｎｍに及ぶ。しかし、本発明のイオンビーム加工装置によるイオンビーム加工を適用することにより、前記図７によって説明したのと同様に、バリはほとんど発生しないか、発生しても１０ｎｍ以下となり、バリの発生が大きく抑制される。この例でも、バリの発生を抑制する効果は、電極に印加する電圧の大きさにはあまり依存せず、わずかの負電位（ゼロ電位を含む）によって十分な効果が得られている。

次に、レジストマスクを板状のパターンとし、厚さが３５０ｎｍ、幅が１０μｍのレジストマスクを用いて、基板（酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜）表面に、厚さが１２０ｎｍのコバルト（Ｃｏ）膜、厚さが２０ｎｍの金（Ａｕ）膜を順に積層形成した積層膜をミリングした際に発生するバリの発生状態を、電極に印加する電圧の大きさを変えて調べた。その結果を図９によって説明する。なお、従来のイオンビーム加工条件は表中の「電極無し」の欄に相当する。ここで、「電極無し」とは、電極が電気的にフロート（接地ではない）状態もしくは電極を配置していない状態である。前記図８によって説明した例では、レジスト膜厚が２５０ｎｍでミリングを１００ｎｍ行ったが、この場合にはレジスト膜の残厚が小さくなり、リフトオフが困難となるため、望ましいミリングではない。そこで、本例では、レジストの厚みを３５０ｎｍに増やして、約１００ｎｍのミリングを行った。また、イオンビームのチルト角は−５°、電極と被加工試料との間隔は７ｍｍとした。

図９に示すように、この例では、ゼロ電位ではバリ抑制効果が得られない。負電位印加によって、従来法と比べて数分の１のバリ高さになる。詳しくみていくと、ミリング量にばらつきはあるもの、図９（ａ）に示すように、「電極無し」の場合、バリの高さは１５０ｎｍ〜２７０ｎｍとなった。また図９（ｂ）に示すように、電極の電位が０Ｖの場合、バリの高さは１５０ｎｍ〜２７０ｎｍとなり、改善が得られなかった。一方、電極の電位が負電位の場合、例えば、図９（ｃ）に示すように、−５０Ｖの場合はバリの高さが４０ｎｍ〜５０ｎｍであり、図９（ｄ）に示すように、−１００Ｖの場合はバリの高さが８５ｎｍ〜１０５ｎｍであり、図９（ｅ）に示すように、−３００Ｖの場合はバリの高さが５５ｎｍ〜７０ｎｍであり、図９（ｆ）に示すように、−５００Ｖの場合はバリの高さが５５ｎｍ〜８５ｎｍであった。本例では、前記図８によって説明した例（レジスト膜の厚さが２５０ｎｍ）のように、バリをほぼ皆無にすることはできないが、実用上、十分なバリの発生を抑制する効果が得られた。

次に、レジストマスクをドットパターンとし、厚さが３５０ｎｍ、直径が１．６μｍのレジストマスクを用いて、基板（酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜）表面に、厚さが１０ｎｍのクロム（Ｃｒ）膜、厚さが１２０ｎｍのコバルト（Ｃｏ）膜、厚さが２０ｎｍの金（Ａｕ）膜を順に積層形成した積層膜をミリングした際に発生するバリの発生状態を、電極に印加する電圧の大きさを変えて調べた。その結果を図１０によって説明する。なお、従来のイオンビーム加工条件は表中の「電極無し」の欄に相当する。ここで、「電極無し」とは、電極が電気的にフロート（接地ではない）状態もしくは電極を配置していない状態である。図１０では、見易くするため３次元のＡＦＭ像を示す。また、イオンビームのチルト角は−５°、電極と被加工試料との間隔は７ｍｍとした。

図１０に示すように、ドットの回りに環状（例えばフジツボ状）にバリが発生しているが、電極に負電位を印加することにより、バリの高さは１／２〜１／３に減少する。詳しくみていくと、ミリング量にばらつきはあるもの、図１０（ａ）に示すように、「電極無し」の場合、バリの高さは２００ｎｍにも達した。また図１０（ｂ）に示すように、電極の電位が０Ｖの場合、バリの高さは１８０ｎｍに達して、改善が得られなかった。一方、電極の電位が負電位の場合、例えば、図１０（ｃ）に示すように、−５０Ｖの場合はバリの高さが５０ｎｍ〜７０ｎｍであり、図１０（ｄ）に示すように、−１００Ｖの場合はバリの高さが９０ｎｍ〜１５０ｎｍであり、図１０（ｅ）に示すように、−３００Ｖの場合はバリの高さが７０ｎｍ〜９０ｎｍであり、図１０（ｆ）に示すように、−５００Ｖの場合はバリの高さが７０ｎｍ〜９０ｎｍであった。ドット状の微小なマスクになるとバリの抑制効果は下がるものの、この３次元図から、電極に負電位を印加することにより、バリの高さとともにバリの厚さが数分の１に減少することがわかる。これは本発明の重要な効果である。バリの体積でみれば、約一桁減少していることとなり、やはり、本発明の効果が見て取れる。

上記図７〜図１０によって説明した結果を、ミリング深さで規格化したバリの高さと電界強度の関係として図１１にまとめた。電極を用いない従来技術と比べ、負電位を印加した電極（電界の存在）によりバリの発生が抑制もしくは防止されていることがわかる。また、電界強度が有る値、例えば−２０Ｖ／ｍｍよりも負側であれば、ミリング深さで規格化したバリの高さは、各条件においてほぼ一定になることがわかる。

次に、上記電極の形状について図１２の概略構成斜視図によって説明する。電極の形状は、上記実施例では、環状のものを用いたが、試料基板の大きさや処理面積に応じて、効率がよい種々の形の電極を使うことが可能である。この図１２では、電極を被加工試料の外側に配置する場合を示す。

図１２（ａ）に示すように、被加工試料５１の上方に被加工試料５１に照射されるイオンビーム８１を遮ることがないように、環状かつ板状の電極１０１ａが配置されている。または図１２（ｂ）に示すように、被加工試料５１の側方に、複数の板状の電極１０１ｂを配置してもよい。図面では、２本の板状の電極１０１ｂを、被加工試料５１を間にして対称に配置した例を示したが、例えば３本であっても４本であってもよい。その場合、被加工試料５１の全面に均一な電界を生じるように配置する必要があり、その一例としては、被加工試料５１に対して電極１０１ｂを点対称にかつ等間隔に配置する。または図１２（ｃ）に示すように、被加工試料５１の側方に、複数のチップ状の電極１０１ｃを配置してもよい。図面では、４個のチップ状の電極１０１ｃを、被加工試料５１を間にして点対称にかつ等間隔に配置した例を示したが、例えば２個もしくは３個であってもよく、または５個以上であってもよい。また、図１２に図示はしないが、板状ではなく線状の環状の電極としてよく、単に電線を環状にしたものでもよい。上記いずれの場合も、被加工試料５１に照射されるイオンビームを遮ることなく、また被加工試料表面にイオンビームが均一に照射される電極形状であり電極寸法である必要がある。

次に、上記電極の配置位置（イオンビームの入射方向における被加工試料との位置）について、図１３の概略構成図によって説明する。ここでは、被加工試料５１の外側に環状の電極を配置する場合を示す。なお、板状の電極、チップ状の電極の場合も環状の電極と同様なる被加工試料との位置関係に配置することができる。なお、図１３中の被加工試料５１から電極１０１に向かう矢印は電気力線を表す。

図１３（ａ）に示すように、電極１０１は、被加工試料５１の被加工表面より上方（イオンビーム８１の入射側）でかつ電極１０１の内径部分をイオンビーム８１が通過できるように配置することができる。この場合、被加工試料５１の中心軸Ｚと環状の電極１０１の中心軸ｚとが一致するように配置されることが望ましい。または図１３（ｂ）に示すように、電極１０１は、被加工試料５１の側方でかつ電極１０１の内径部分に間隔をおいて被加工試料５１が配置されるように配置することができる。この場合、被加工試料５１の中心軸Ｚと環状の電極１０１の中心軸ｚとが一致するように配置されることが望ましい。または図１３（ｃ）に示すように、電極１０１は、被加工試料５１の被加工表面より下方（イオンビーム８１の入射側とは反対側）でかつ被加工試料５１を投影した投影像が電極１０１にかからないように配置することができる。この場合、被加工試料５１の中心軸Ｚと環状の電極１０１の中心軸ｚとが一致するように配置されることが望ましい。

このように、被加工試料５１に対する電極１０１の上下位置は、必ずしも被加工試料５１の被加工面より上（イオンビーム入射側）でなくてもよく、被加工面と同一高さ、場合によっては被加工面より下側になっても構わない。被加工面の上部空間に電界が存在すればよく、したがって、被加工試料５１の近傍に電極１０１が存在すればよい。ただし、被加工試料５１中央部と電極１０１との実効的な距離（電気力線の長さ）が長くなると、被加工試料５１の中央部での電界強度は被加工試料５１の周辺部よりも低下する。被加工試料５１のサイズが大きくなると、電界分布の均一性を考慮しなくてはならないため、電極１０１が被加工面より上にあることが望ましい。なお、ステージ２１が昇降する構成の場合、ステージ２１の昇降を妨げない様に、電極１０１は被加工試料５１の側方もしくは下方に設けられることが好ましいが、ステージ２１の昇降を妨げなければ、被加工試料５１の上方に電極１０１を配置することが望ましい。

次に、電極のカバーの構造について説明する。電極のカバーは、電極をイオンビーム照射から遮る位置にあれば良く、前記図２によって説明したように、カバー１４１が電極１０１のイオンビーム入射側に絶縁体１３２を介して電極１０１と離した位置に配置される構成がある。その他の構成としては、図１４に示すように、電極１０１とカバー１４２とを絶縁層１２１を介して一体形成した構造としてもよい。一体型電極／カバー構造は、電極１０１、絶縁層１２１、カバー１４２の各層を張り合わせて形成してもよく、もしくは、適当な基板材に薄膜プロセスを用いて成膜形成してもよい。

次に、カバーを一体構造とした電極形状例について、図１５および図１６の概略構成斜視図によって説明する。

図１５に示すように、線状に形成された電極線１１１上に絶縁層１２２を挟んでカバー層１４３を形成した構造、すなわち、電極線とカバーとを一体構造とすることで、電極形状のバリエーションが増える。この構造では、図１６に示すように、電極１０２を細線で形成することができるため、電極１０２を被加工試料５１の上方、すなわちイオンビームが入射する側に配置してもイオンビームを遮ることがほとんどなく、被加工試料５１の被加工面に電極１０２の影が生じない。また被加工試料５１の被加工面に対して鉛直方向、すなわちイオンビームが入射する領域に電極１０２を配置することができるため、被加工面に接する空間の電界密度が高くなるので、バリを抑制する効果を高めることができる。

次に、電極１０２の種々の形状例について、図１６によって説明する。図１６に示す本発明のイオンビーム加工装置１〔前記図１および図２参照〕に装着される電極は全て前記図１５によって説明した構造の電極とカバーとを一体構造とした細線、例えば幅が１ｍｍ程度の線で形成されるものである。

図１６（ａ）に示す電極１０２１は１本の直線状に形成されたものであり、被加工試料５１の直径方向かつ上方（イオンビーム入射側）に配置されたものである。

図１６（ｂ）に示す電極１０２２は、線状に形成された電極を複数本（例えば図面では４本）を、互いに平行となるようにかつ被加工試料５１の被加工面から等距離に設けたものであり、被加工試料５１の上方（イオンビーム入射側）に配置されたものである。

図１６（ｃ）に示す電極１０２３は、線状に形成された電極を複数本（例えば図面では４本ずつ）を、互いに直交するようにかつ被加工試料５１の被加工面から等距離に設けたものであり、被加工試料５１の上方（イオンビーム入射側）に配置されたものである。すなわち、上記電極を含む細線が格子状に配置されたものである。

図１６（ｄ）に示す電極１０２４は、１本の上記電極を含む細線が環状に形成されたものであり、被加工試料５１に対して平行にかつ上方（イオンビーム入射側）に配置されたものである。

図１６（ｅ）に示す電極１０２５は線状に形成された電極を環状にして、それを複数本（例えば図面では４本）用意し、それらを同心円状にかつ被加工試料５１の被加工面に対して平行にかつ等距離となるように設けたものであり、被加工試料５１の上方（イオンビーム入射側）に配置されたものである。

図１６（ｆ）に示す電極１０２６は線状に形成された電極を環状にして、それを複数本（例えば図面では１６本）用意し、それらをマトリクス状にかつ被加工試料５１の被加工面に対して平行にかつ等距離となるように設けたものであり、被加工試料５１の上方（イオンビーム入射側）に配置されたものである。

図１６（ｇ）に示す電極１０２７は線状に形成された電極を渦巻き状に形成し、かつ被加工試料（図示せず）の被加工面に対して平行にかつ等距離となるように設けたものであり、被加工試料の上方（イオンビーム入射側）に配置されたものである。

図１６（ｈ）に示す電極１０２８は線状に形成された電極を折れ線状に形成し、かつ被加工試料（図示せず）の被加工面に対して平行にかつ等距離となるように設けたものであり、被加工試料の上方（イオンビーム入射側）に配置されたものである。

次に、好ましくない電極形状の一例を図１７によって説明する。図１７に示すように、板状の電極１０３には複数の孔１１３が設けられていて、被加工試料５１の上方（イオンビームの入射側）に配置されているものである。この構成の電極１０３では、被加工試料５１に照射されたイオンビームの多くは電極１０３に照射され、電極１０３が影になって被加工試料５１表面にイオンビームが到達しなくなる。このため、イオンビーム加工にむらを生じ、高精度なイオンビーム加工が困難となる。ただし、孔径が板状電極に対して十分大きく、すなわち、孔部面積が母材残部面積より十分大きければ、これは図１６（ｃ）、（ｆ）に示した概格子状の電極に類似のものとなり、使用可能である。

上記図１６（ａ）〜図１６（ｈ）によって説明した各電極の構成では、イオンビームが均一に被加工試料５１の被加工面に照射されるように、イオンビーム通過領域を十分に確保する形状、寸法でなければならない。通過領域の面積が小さいと、被加工試料５１に電極の影ができる他、電極近傍の電界によりイオンビームが偏向、加速される危険がある。すなわち、電極が一種のグリッドになってしまう。また電子発生装置（前記図１参照）からの電子でイオンビームはある程度中和されているが、電極通過に際しては、電極とビームの間に適当な隙間が必要である。このため、電極線の幅はおおよそ１ｍｍ以下とすることが望ましく、また、電極線の密度は５本/ｃｍ²程度以下とすることが望ましい。

また、被加工面近傍に電界を発生させたことによるミリングレートへの影響は、上記実施例の範囲では生じない。すなわち、電極の存在あるいは電界の存在によるイオンビームへの影響はないと見なせる。

イオンビーム加工装置には、イオン源（イオン銃）、電子発生装置（ニュートラライザー）、被加工試料を保持するステージ等の機構の違いによって種々の形式があるが、アルゴンイオンビームを加速照射して被加工面を叩き、表面を削るという基本的作用は同じであるため、本発明は、どのような形式のイオンビーム加工装置にも適用することが可能である。また、化学的な作用を用いる反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）においても、程度の違いはあるにせよ、エッチング種（各種イオン）が運動エネルギーを持って被加工面に衝突することによる物理的エッチング（スパッタ）作用は存在し、イオンビーム加工と同様にバリの発生の問題があるため、本発明の適用が有効となる。

上記説明したように、本発明のイオンビーム加工装置およびイオンビーム加工方法では、被加工試料の被加工面近傍に負電位（もしくは０Ｖ電位）を持つ電極を配置して電極と被加工試料との間に電界を生じさせ、スパッタされた被加工試料の原子〔正（＋）イオン〕の射出方向を上方（イオンビームの入射側）に偏向し、これによりスパッタ原子（粒子）のマスクおよび加工面への再付着を防止することができる。また、イオンミリングあるいは物理的なスパッタ効果を伴う反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）においても、マスク周囲に付着するバリの発生が防止されるため、（１）加工後の多層膜間のショートが抑止される、（２）マスク側面が再付着物で覆われることがないためリフトオフ性が著しく向上する、（３）バリの根元部に生じやすいレジスト残渣が解消する、（４）微小な素子においても、設計通りのコンタクトホール開口径を得ることができる、（５）マスクサイズが微細化してもバリが成長しないため、サブμｍ以下のオーダーの微細な形状を加工できる、（６）バリの除去のために試料面を傾けてミリングを行う必要がなく、ミリング断面のテーパーを抑制できる、等の効果が得られる。

本発明のイオンビーム加工装置およびイオンビーム加工方法は、情報通信産業における各種メモリー、演算素子、トランジスター、ストレージ機器部品（磁気ヘッド等）の作製に適用することができ、また、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）として知られる微細機構デバイスの作製などにも適用することができる。

本発明のイオンビーム加工装置およびイオンビーム加工方法に係る一実施例を示した概略構成図である。 本発明のイオンビーム加工装置の要部斜視図である。 本発明のイオンビーム加工装置の動作を説明する要部構成図である。 レジストマスクの一例を説明する斜視図である。 本発明の効果を説明するバリの高さを測定した結果を示す図である。 バリの形状を説明する概略斜視図である。 本発明の電極による電界の印加効果を説明する図である。 本発明の電極による電界の印加効果を説明する図である。 本発明の電極による電界の印加効果を説明するバリの形状を示す図である。 本発明の電極による電界の印加効果を説明する写真図面である。 ミリング深さで規格化したバリの高さと電界強度との関係図である。 本発明のイオンビーム加工装置およびイオンビーム加工方法に係る電極形状の一実施例を示す概略構成斜視図である。 本発明のイオンビーム加工装置およびイオンビーム加工方法に係る電極の配置位置の一実施例を示す概略構成図である。 本発明のイオンビーム加工装置およびイオンビーム加工方法に係る電極形状の一実施例を示す概略構成斜視図である。 電極のカバー構造に係る一実施例を示す斜視断面図である。 電極の構成の一例を示す概略斜視図である。 好ましくない電極形状の一例を示す概略斜視図である。 従来のイオンミリング加工を説明する図である。 従来のイオンミリング加工におけるリフトオフ法の問題点を説明する図である。 従来のイオンミリング加工におけるリフトオフ法の問題点を説明する図である。

符号の説明

１…イオンビーム加工装置、８１…イオンビーム、１０１…電極

Claims (8)

1. 真空チャンバ内でイオンビームを被加工試料に照射して被加工試料を加工するイオンビーム加工装置であって、
   電界を発生させるもので前記被加工試料に前記電界を与える電極を備え、
   前記イオンビームにてスパッタされた前記被加工試料のイオン化した原子の軌道を前記電界により前記被加工試料表面に対して前記イオンビームの入射方向に偏向して前記真空チャンバ外に排気する
   イオンビーム加工装置。
2. 前記電極の電位は負電位もしくは０Ｖとする
   ことを特徴とする請求項１記載のイオンビーム加工装置。
3. 前記電極は、前記被加工試料よりも上方、前記被加工試料の側方もしくは前記被加工試料よりも下方に配置される
   ことを特徴とする請求項１記載のイオンビーム加工装置。
4. 前記電極の前記イオンビームの入射側に前記電極との絶縁が保たれたカバーが配置される
   ことを特徴とする請求項１記載のイオンビーム加工装置。
5. 真空チャンバ内でイオンビームを被加工試料に照射して被加工試料を加工するイオンビーム加工方法であって、
   前記イオンビーム加工の際、前記被加工試料に電界を存在させ、
   前記イオンビーム加工にてスパッタされた前記被加工試料のイオン化した原子の軌道を前記電界により前記被加工試料表面に対して前記イオンビームの入射方向に偏向して前記真空チャンバ外に排気する
   イオンビーム加工方法。
6. 前記被加工試料に電界を存在させる手段は、電界を発生させるもので前記被加工試料に前記電界を与える電極による
   ことを特徴とする請求項５記載のイオンビーム加工方法。
7. 前記電極の電位は負電位もしくは０Ｖとする
   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。
8. 前記電極の電位を負電位とした場合、前記イオンビームの入射側に、前記電極との絶縁が保たれたカバーを配置する
   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。