JP4364420B2 - 垂直エッジのサブミクロン貫通孔を形成する方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体ウェハー等上に投影で所望パターンを形成させるために用いられるマスク、特に電子ビームステッパーのステンシルマスクに貫通孔を設ける方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコン薄膜等のステンシルマスクに貫通孔を設ける方法は従来から図５に示すような集束イオンビーム装置を用いたスパッタエッチングやガスアシストエッチング等を用いて実行されている。すなわち、液体ガリウム等のイオン源10からイオンを引出しイオン光学系11によりイオンをビーム状に集束加速させ試料ステージ15上の試料に偏向手段によって走査させながら照射しエッチング加工する。しかしこの方法による貫通孔は集束イオンビーム12を照射する側の面で広い範囲にわたりエッチングされすり鉢状の孔になってしまう。因みにビーム照射を正方形領域に設定して走査した場合には、図４に示すように逆ピラミッド状に形成されることになる。図中Ｂはイオン照射する側から見た図であり、Ａは断面図である。図に示したような走査領域を設定しエッチング加工をしても貫通孔Ｈは裏面側で走査領域に対応するが、イオン照射する側では開口が斜面Ｓ形状となる。これはイオンを光学系11によって集束させビーム状に絞って照射していても実際にはガウス分布をなしておりビーム周辺にも弱いイオン照射は及ぶことになるため、長時間その照射に晒される集束イオンビームを照射する側では設定領域を越えてその近傍までエッチングされてしまうためである。集束イオンビーム12によるスパッタリング加工では再付着現象が伴い、深い穴を掘ることは原理的に難しい。すなわち、集束イオンビーム12を小径の孔内の奥深く照射すること、スパッタされた素材を再付着させず孔の外まで排除することには限界がある。因みに厚さ1.5μｍのシリコン薄膜には0.3μｍ四方の貫通孔（アスペクト比：5）を空けることが限界とされる。ガス銃14からアシストガスを噴射しつつイオンビーム12を照射するガスアシストエッチングの技術を適用し再付着を極力押さえて加工を行っても、これ以上のアスペクト比の孔となると加工は難しい。また、この加工による開口面の傾斜は試料薄膜の厚みの不均一となり、電子ビームステッパー等のステンシルマスクとしての使用に際しては電子の散乱が不均一になってステンシルとして不適当なものになるという問題を引き起こす。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、電子ビームステッパー等のステンシルマスクの薄膜にその薄膜の厚さに対して径の小さな貫通孔を垂直エッジで形成できる加工方法並びにそのようなステンシルマスクを提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、試料の薄膜に集束イオンビーム装置を用いたエッチングによって、貫通孔の設計寸法より大きな径の孔を前記設計寸法に近い厚さの底を残して形成するステップと、該底部に集束イオンビームエッチングによって前記設計寸法の貫通孔を形成するステップと、前記大きな孔を集束イオンビーム装置を用いたデポジションによって前記設計寸法に埋め戻すステップとからなる垂直エッジのサブミクロン貫通孔を形成する方法を採用し、更に前記設計寸法に埋め戻すステップの後、集束イオンビーム装置を用いたガスアシストエッチングによって貫通孔内面を仕上げ加工する形成方法を採用した。
【０００５】
【発明の実施の形態】
従来の貫通孔加工方法では被加工物である薄膜の厚さとの比率で表すアスペクト比の大きな細い孔を垂直エッジ形態で空けることは出来ないことに鑑み、本発明は貫通孔径の設計値より大きな径の孔をまず該貫通孔径程度の肉薄の底部を残し粗掘りし、後で設計値の径となるようにデポジションの技術を適用して埋め戻す方法に想到したものである。この際底部を残したのはデポジションを施す基礎が必要だからであり、その底部厚みを肉薄とするのはその部分で垂直エッジの細い貫通孔を加工できるようにアスペクト比を小さくするためである。
【０００６】
まず走査型の集束イオンビーム装置を用い厚さａの薄膜試料１の表面から集束イオンビームを照射して図１のＡに示されるような大きな径ｄの孔を粗掘りする。続いて孔径オーダーに肉薄ｂとされたその底部に集束イオンビームを照射してスパッタエッチングにより設計値に対応する小径ｃの貫通孔を加工する。このアスペクト比はｂ／ｃで１程度である。この加工は孔径ｃ相当の厚さｂの底部に対して実行されるので、浅い孔加工であり再付着も少なく表面部分も長時間のビーム照射に晒されることもないため、図１のＢに示されるような垂直エッジ形態の貫通孔が形成される。次に先に粗掘りした大きな孔の埋め戻し加工であるが、これはガス銃からフェナントレン等の芳香属ガスを噴射した雰囲気中で集束イオンビームを照射して炭素を付着させ、埋め戻し部４とするものである。このとき集束イオンビームを照射する領域を大きな孔２の領域から貫通孔として設計された領域を除外した部分とすることで、図１のＣに示されるように設計された小径の貫通孔部分以外にデポジション（埋め戻し部４）が施されることになる。この照射領域設定は大きな孔の領域を走査領域とし中央の貫通孔となる部分にビームが走査された時はブランカーによりビームをカットしてしまう方法、または中央の貫通孔となる領域を除外した複数の走査領域を設定し順次デポジションを実行する方法が採用できる。この段階で薄膜試料には設計値に近い貫通孔が形成され、最近技術ではその内面は十分にエッジが立っておりそのままステンシルマスクとして使用出来る。以上の加工により設計された寸法の貫通孔が垂直エッジ形態で形成されることになる。
【０００７】
以上は当初大きな孔を粗掘りし、後で所定の径寸法の孔を残して埋め戻す方法を示したが、試料厚さに対して１／５以下の径の孔を空ける異なる方法を図２を参照して次に説明する。まず最初に集束イオンビーム装置を用いガス銃からフェナントレン等の芳香族ガスを噴射して試料１の表面に設計された貫通孔寸法の領域を除いてその周辺に0.1〜0.2μm程度の薄いカーボン膜デポジション６を施す。この試料１の表面に対して、前記カーボンデポ膜の窓領域、すなわち設計された貫通孔寸法の領域に集束イオンビームが照射されるようにビーム走査をしながらガスアシストエッチングを実行する。この加工はアスペクト比が高いすなわち細くて深い孔を掘る加工であるため再付着の現象が起こり易いので、スッパタエッチングではなくハロゲン系ガスによるガスアシストエッチングを行う。すると、試料表面部は貫通孔寸法の領域を除いて周辺部はハロゲン系ガスでアシストエッチングされないカーボン膜のデポジションで保護されているため、設計寸法周辺領域はエッチングされることなく設計寸法内の領域だけが削られることになる。アシストエッチングが進行し孔が深くなるが、アシストエッチングの場合は、表面吸着したガスが集束イオンビームによるエネルギーで素材と反応して揮発するので内部の壁面に付着されることはない。そのため最終的には図２のＢに断面で示すように設計寸法径の貫通孔が形成できる。
【０００８】
【実施例１】
本発明による実施例を図１を参照しながら説明する。この実施例は電子ビームステッパーのステンシルマスクの加工であって、２μｍのシリコン薄膜に0.2μｍ四方の貫通孔を形成する。集束イオンビーム装置を用いてスパッターエッチングにより試料表面に0.5μｍ四方の孔を掘るのであるが、この加工は粗掘りであるから表面のダメージを心配することなくビーム電流を10ｐＡ程度（加速電圧は30ｋＶ）に高くしエッチングレートを高くして加工することができる。孔の深さは底部が0.2μｍ程度の薄肉となるまで掘って図１のＡのような大きな孔２を形成する。この大きな孔２は0.5μｍ四方のビーム照射であるが表面側は長時間のビーム照射に晒されるためそれより大きな寸法の開口となり、内周面は図のように傾斜面となる。続いてこの大きな孔２の中央部に貫通孔の所定寸法である0.2μｍ四方の孔３を、やはりスパッターエッチングにより裏面まで貫通するように掘り、図１のＢに示す形態とする。この際の加工はビーム電流を２ｐＡ以下程度にしてエッチングレートを落し、精密な孔空けとする。
【０００９】
次に穴埋め加工であるが、ガス銃からは加熱気化させたフェナントレンを噴射させ集束イオンビームを照射してカーボンのデポジションを施す。この実施例ではビームの走査領域を図３のＡに示すように貫通孔３となる部分を除外した領域とし、まず0.2μｍ程度の比較的薄い層を形成し、続いて大きな孔の内周面の傾斜に整合させて走査領域を広めに修正してデポジションを実行し順次デポ層を重ねてゆく。この作業により図３のＢに断面図として示したような小径の貫通孔３が形成される。
【００１０】
【発明の効果】
本発明は、試料の薄膜に集束イオンビーム装置を用いたエッチングによって、貫通孔の設計寸法より大きな径の孔を前記設計寸法に近い厚さの底を残して形成させるステップと、該底部に集束イオンビームエッチングによって前記設計寸法の貫通孔を形成するステップと、前記大きな孔を集束イオンビーム装置を用いたデポジションによって前記設計寸法に埋め戻すステップとからなる垂直エッジのサブミクロン貫通孔を形成する方法であるので、アスペクト比の高い小径の深い穴を形成することが可能となり、しかもステンシルマスクとして好適な開口部の傾斜のない垂直エッジの貫通孔を形成することが出来る。
【００１１】
また、本発明は集束イオンビーム装置を用いたデポジションによって、試料の薄膜の表面に貫通孔の設計寸法の領域を残してその周辺に薄い保護膜を形成させるステップと、該薄膜試料の表面の貫通孔設計領域に集束イオンビームを走査しながらガスアシストエッチングによって貫通孔を形成するステップとからなる、垂直エッジのサブミクロン貫通孔を形成する方法を採用しているが、これは当初にデポジションによって形成された保護膜により貫通孔の開口部周辺のエッチングが防がれるので、垂直エッジのサブミクロン貫通孔加工が効果的に実行できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による垂直エッジのサブミクロン貫通孔を形成する手順を示す図でありＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄは時系列で示したものである。
【図２】本発明による垂直エッジのサブミクロン貫通孔を形成する他の形態を示す図で、Ａは当初の保護膜形成を示す平面図、Ｂは加工後の試料断面図である。
【図３】本発明の実施例においてデポジションによって大きな孔を埋め戻す手順を模式的に示す図であり、Ａはイオン照射する側から見た図、Ｂは断面図ある。
【図４】従来の方法で薄膜に貫通孔を加工したときの形態を示す図であり、Ａは断面図、Ｂはイオン照射する側から見た図ある。
【図５】本発明に使用する集束イオンビーム装置の概略構成図である。
【符号の説明】
１ シリコン薄膜 １０ イオン源
２ 大きな孔 １１ イオン光学系
３ 小径の孔 １２ イオンビーム
４ 埋め戻し部 １４ ガス銃
５ 仕上げ加工部 １５ 試料ステージ
６ 保護膜 Ｈ 貫通孔
７ 貫通孔設計領域 Ｓ 斜面
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体ウェハー等上に投影で所望パターンを形成させるために用いられるマスク、特に電子ビームステッパーのステンシルマスクに貫通孔を設ける方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコン薄膜等のステンシルマスクに貫通孔を設ける方法は従来から図５に示すような集束イオンビーム装置を用いたスパッタエッチングやガスアシストエッチング等を用いて実行されている。すなわち、液体ガリウム等のイオン源10からイオンを引出しイオン光学系11によりイオンをビーム状に集束加速させ試料ステージ15上の試料に偏向手段によって走査させながら照射しエッチング加工する。しかしこの方法による貫通孔は集束イオンビーム12を照射する側の面で広い範囲にわたりエッチングされすり鉢状の孔になってしまう。因みにビーム照射を正方形領域に設定して走査した場合には、図４に示すように逆ピラミッド状に形成されることになる。図中Ｂはイオン照射する側から見た図であり、Ａは断面図である。図に示したような走査領域を設定しエッチング加工をしても貫通孔Ｈは裏面側で走査領域に対応するが、イオン照射する側では開口が斜面Ｓ形状となる。これはイオンを光学系11によって集束させビーム状に絞って照射していても実際にはガウス分布をなしておりビーム周辺にも弱いイオン照射は及ぶことになるため、長時間その照射に晒される集束イオンビームを照射する側では設定領域を越えてその近傍までエッチングされてしまうためである。集束イオンビーム12によるスパッタリング加工では再付着現象が伴い、深い穴を掘ることは原理的に難しい。すなわち、集束イオンビーム12を小径の孔内の奥深く照射すること、スパッタされた素材を再付着させず孔の外まで排除することには限界がある。因みに厚さ1.5μｍのシリコン薄膜には0.3μｍ四方の貫通孔（アスペクト比：5）を空けることが限界とされる。ガス銃14からアシストガスを噴射しつつイオンビーム12を照射するガスアシストエッチングの技術を適用し再付着を極力押さえて加工を行っても、これ以上のアスペクト比の孔となると加工は難しい。また、この加工による開口面の傾斜は試料薄膜の厚みの不均一となり、電子ビームステッパー等のステンシルマスクとしての使用に際しては電子の散乱が不均一になってステンシルとして不適当なものになるという問題を引き起こす。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、電子ビームステッパー等のステンシルマスクの薄膜にその薄膜の厚さに対して径の小さな貫通孔を垂直エッジで形成できる加工方法並びにそのようなステンシルマスクを提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、試料の薄膜に集束イオンビーム装置を用いたエッチングによって、貫通孔の設計寸法より大きな径の孔を前記設計寸法に近い厚さの底を残して形成するステップと、該底部に集束イオンビームエッチングによって前記設計寸法の貫通孔を形成するステップと、前記大きな孔を集束イオンビーム装置を用いたデポジションによって前記設計寸法に埋め戻すステップとからなる垂直エッジのサブミクロン貫通孔を形成する方法を採用し、更に前記設計寸法に埋め戻すステップの後、集束イオンビーム装置を用いたガスアシストエッチングによって貫通孔内面を仕上げ加工する形成方法を採用した。
【０００５】
【発明の実施の形態】
従来の貫通孔加工方法では被加工物である薄膜の厚さとの比率で表すアスペクト比の大きな細い孔を垂直エッジ形態で空けることは出来ないことに鑑み、本発明は貫通孔径の設計値より大きな径の孔をまず該貫通孔径程度の肉薄の底部を残し粗掘りし、後で設計値の径となるようにデポジションの技術を適用して埋め戻す方法に想到したものである。この際底部を残したのはデポジションを施す基礎が必要だからであり、その底部厚みを肉薄とするのはその部分で垂直エッジの細い貫通孔を加工できるようにアスペクト比を小さくするためである。
【０００６】
まず走査型の集束イオンビーム装置を用い厚さａの薄膜試料１の表面から集束イオンビームを照射して図１のＡに示されるような大きな径ｄの孔を粗掘りする。続いて孔径オーダーに肉薄ｂとされたその底部に集束イオンビームを照射してスパッタエッチングにより設計値に対応する小径ｃの貫通孔を加工する。このアスペクト比はｂ／ｃで１程度である。この加工は孔径ｃ相当の厚さｂの底部に対して実行されるので、浅い孔加工であり再付着も少なく表面部分も長時間のビーム照射に晒されることもないため、図１のＢに示されるような垂直エッジ形態の貫通孔が形成される。次に先に粗掘りした大きな孔の埋め戻し加工であるが、これはガス銃からフェナントレン等の芳香属ガスを噴射した雰囲気中で集束イオンビームを照射して炭素を付着させ、埋め戻し部４とするものである。このとき集束イオンビームを照射する領域を大きな孔２の領域から貫通孔として設計された領域を除外した部分とすることで、図１のＣに示されるように設計された小径の貫通孔部分以外にデポジション（埋め戻し部４）が施されることになる。この照射領域設定は大きな孔の領域を走査領域とし中央の貫通孔となる部分にビームが走査された時はブランカーによりビームをカットしてしまう方法、または中央の貫通孔となる領域を除外した複数の走査領域を設定し順次デポジションを実行する方法が採用できる。この段階で薄膜試料には設計値に近い貫通孔が形成され、最近技術ではその内面は十分にエッジが立っておりそのままステンシルマスクとして使用出来る。以上の加工により設計された寸法の貫通孔が垂直エッジ形態で形成されることになる。
【０００７】
以上は当初大きな孔を粗掘りし、後で所定の径寸法の孔を残して埋め戻す方法を示したが、試料厚さに対して１／５以下の径の孔を空ける異なる方法を図２を参照して次に説明する。まず最初に集束イオンビーム装置を用いガス銃からフェナントレン等の芳香族ガスを噴射して試料１の表面に設計された貫通孔寸法の領域を除いてその周辺に0.1〜0.2μm程度の薄いカーボン膜デポジション６を施す。この試料１の表面に対して、前記カーボンデポ膜の窓領域、すなわち設計された貫通孔寸法の領域に集束イオンビームが照射されるようにビーム走査をしながらガスアシストエッチングを実行する。この加工はアスペクト比が高いすなわち細くて深い孔を掘る加工であるため再付着の現象が起こり易いので、スッパタエッチングではなくハロゲン系ガスによるガスアシストエッチングを行う。すると、試料表面部は貫通孔寸法の領域を除いて周辺部はハロゲン系ガスでアシストエッチングされないカーボン膜のデポジションで保護されているため、設計寸法周辺領域はエッチングされることなく設計寸法内の領域だけが削られることになる。アシストエッチングが進行し孔が深くなるが、アシストエッチングの場合は、表面吸着したガスが集束イオンビームによるエネルギーで素材と反応して揮発するので内部の壁面に付着されることはない。そのため最終的には図２のＢに断面で示すように設計寸法径の貫通孔が形成できる。
【０００８】
【実施例１】
本発明による実施例を図１を参照しながら説明する。この実施例は電子ビームステッパーのステンシルマスクの加工であって、２μｍのシリコン薄膜に0.2μｍ四方の貫通孔を形成する。集束イオンビーム装置を用いてスパッターエッチングにより試料表面に0.5μｍ四方の孔を掘るのであるが、この加工は粗掘りであるから表面のダメージを心配することなくビーム電流を10ｐＡ程度（加速電圧は30ｋＶ）に高くしエッチングレートを高くして加工することができる。孔の深さは底部が0.2μｍ程度の薄肉となるまで掘って図１のＡのような大きな孔２を形成する。この大きな孔２は0.5μｍ四方のビーム照射であるが表面側は長時間のビーム照射に晒されるためそれより大きな寸法の開口となり、内周面は図のように傾斜面となる。続いてこの大きな孔２の中央部に貫通孔の所定寸法である0.2μｍ四方の孔３を、やはりスパッターエッチングにより裏面まで貫通するように掘り、図１のＢに示す形態とする。この際の加工はビーム電流を２ｐＡ以下程度にしてエッチングレートを落し、精密な孔空けとする。
【０００９】
次に穴埋め加工であるが、ガス銃からは加熱気化させたフェナントレンを噴射させ集束イオンビームを照射してカーボンのデポジションを施す。この実施例ではビームの走査領域を図３のＡに示すように貫通孔３となる部分を除外した領域とし、まず0.2μｍ程度の比較的薄い層を形成し、続いて大きな孔の内周面の傾斜に整合させて走査領域を広めに修正してデポジションを実行し順次デポ層を重ねてゆく。この作業により図３のＢに断面図として示したような小径の貫通孔３が形成される。
【００１０】
【発明の効果】
本発明は、試料の薄膜に集束イオンビーム装置を用いたエッチングによって、貫通孔の設計寸法より大きな径の孔を前記設計寸法に近い厚さの底を残して形成させるステップと、該底部に集束イオンビームエッチングによって前記設計寸法の貫通孔を形成するステップと、前記大きな孔を集束イオンビーム装置を用いたデポジションによって前記設計寸法に埋め戻すステップとからなる垂直エッジのサブミクロン貫通孔を形成する方法であるので、アスペクト比の高い小径の深い穴を形成することが可能となり、しかもステンシルマスクとして好適な開口部の傾斜のない垂直エッジの貫通孔を形成することが出来る。
【００１１】
また、本発明は集束イオンビーム装置を用いたデポジションによって、試料の薄膜の表面に貫通孔の設計寸法の領域を残してその周辺に薄い保護膜を形成させるステップと、該薄膜試料の表面の貫通孔設計領域に集束イオンビームを走査しながらガスアシストエッチングによって貫通孔を形成するステップとからなる、垂直エッジのサブミクロン貫通孔を形成する方法を採用しているが、これは当初にデポジションによって形成された保護膜により貫通孔の開口部周辺のエッチングが防がれるので、垂直エッジのサブミクロン貫通孔加工が効果的に実行できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による垂直エッジのサブミクロン貫通孔を形成する手順を示す図でありＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄは時系列で示したものである。
【図２】本発明による垂直エッジのサブミクロン貫通孔を形成する他の形態を示す図で、Ａは当初の保護膜形成を示す平面図、Ｂは加工後の試料断面図である。
【図３】本発明の実施例においてデポジションによって大きな孔を埋め戻す手順を模式的に示す図であり、Ａはイオン照射する側から見た図、Ｂは断面図ある。
【図４】従来の方法で薄膜に貫通孔を加工したときの形態を示す図であり、Ａは断面図、Ｂはイオン照射する側から見た図ある。
【図５】本発明に使用する集束イオンビーム装置の概略構成図である。
【符号の説明】
１ シリコン薄膜 １０ イオン源
２ 大きな孔 １１ イオン光学系
３ 小径の孔 １２ イオンビーム
４ 埋め戻し部 １４ ガス銃
５ 仕上げ加工部 １５ 試料ステージ
６ 保護膜 Ｈ 貫通孔
７ 貫通孔設計領域 Ｓ 斜面
Claims (2)
- 試料の薄膜に集束イオンビーム装置を用いたエッチングによって、貫通孔の設計寸法より大きな径の孔を前記設計寸法に近い値の厚さの底を残して形成させるステップと、該底部に集束イオンビームエッチングによって前記設計寸法の貫通孔を形成するステップと、前記大きな孔を集束イオンビーム装置を用いたデポジションによって前記設計寸法に埋め戻すステップとからなる垂直エッジのサブミクロン貫通孔を形成する方法。
- 大きな孔を集束イオンビーム装置を用いたデポジションによって前記設計寸法に埋め戻すステップの後、集束イオンビーム装置を用いたガスアシストエッチングによって貫通孔内面を仕上げ加工する請求項１に記載の垂直エッジのサブミクロン貫通孔を形成する方法。
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