JPH01315937A - イオンビーム加工方法及び集束イオンビーム装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は集束イオンビーム（ＦｉＢ）を用いた穴開は加
工等に係り、高速で加工形状の良いイオンビーム加工方
法及びこれに使用する集束イオンビーム装置に関する。

〔従来の技術〕

従来の技術は、ジャーナル・オブ・バキューム・サイエ
ンス・アンド・テクノロジー８５（１）。

Ｊａｎ、　／　Ｆｅｂ、　１９８７年、第２０７頁から
第２１０頁（Ｊ、Ｖａｃ、Ｓｃｉ、Ｔｅｃｈｎｏｌ、　
Ｂ　５　（１）、　Ｊａｎ／Ｆｅｂ１９８７　　ｐｐ２
０７−２１０（以下文献１という）において論じられて
いる。

文献１では、第２図に示す様な集束イオンビーム１を用
いて試料２をスパッタリング加工する場合について、次
の３点が述べられている。

■　試料上でのビーム径ｄと１回のビーム照射により加
工される加工深さｈの関係をｈ≪ｄとする事で、スパッ
タリングした試料物質の加工穴側壁への再付着轍を小さ
くできる。

■　ビーム掃引方向を各パス毎に反転する事で非対称な
再付着か無くなる。

■　側壁への再付着は、スパッタリング率の入射ビーム
角度依存性により補償できる。

■は、ｈ≧ｄとした条件では、加工の段差部が大きくな
り、その段差部をスパッタリング加工すると、スパッタ
リングされた試料物質は斜め方向に多く飛散し、加工穴
側壁へ付着し易くなる事を考慮したものである。■は、
前記の試料物質の斜め方向への飛散を、ビー１１掃引方
向を反転することで平均化し、加工穴側壁への刺着を均
一化して加工形状に対称性を保つ事を考慮したものであ
る。

■は、第３図に示すイオン入射角とスパッタリング率と
の関係（スパッタリング現象、金原梨著。

東京大学出版会、第２６頁（以下文献２という）より引
用）から、側壁に再付着した試料物質には等価的にビー
ムが大きい角度で入射するため、スパッタリング速度が
速く、付着物質は直ちに除去されると考えたものである
。

〔発明が解決しようとするｉ＃題〕

上記従来技術は、加工条件をｈ≪ｄとする事で再付着の
少ない加工ができる事を示した臨で優れているが、ｈ≧
ｄの条件における高速加工性にっいては考慮していない
。

本発明の課題は、高速で、かつ、加工形状の良いイオン
ビーム加工方法を実現する事にある。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題は、加工の進行による加工穴深さＨあるいはア
スペクト比（加工穴深さＨ／加工穴径Ｄ）の増大に伴い
、］回のビーム照射により加工される加工深さｈと試料
上でのビーム径ｄの関係をｈ≧ｄからｈ≪ｄへと変化さ
せる事、あるいは、試料上を走査する集束イオンビーム
の軌跡がビー１１照射点に最も近い加工穴側壁の法線と
垂直に交鎖しかつその交鎖点が上記壁面に近づくように
ビーム偏向をおこなうことで達成される。

〔作用〕

第４ａ図及び第４ｂ図は、集束イオンビーム１を照射し
、試料２に穴開は加工を行なう場合のスパッタリングの
様子を示す断面図であり、第４ａ図はビー１１掃引条件
をｈ＜≪ｄとした場合、第４ｂ図はｈ≧ｄとした場合を
示している。

第４ａ図に示すｈ≪ｄとした掃引条件による加工では、
−掃引前に形成された微小股差５が小さく、試料２への
ビーム１の入射角はほぼ９０°と考えられるため、スパ
ッタリングで飛散する試料物質（スパッタ粒子）３の角
度分布は試料面の法線方向に強度中心を持つ分布、例え
ば、Ｇａｕｓｓ分布、　ｃｏｓ”分布又はコサイン分布
をする。従って、加工穴側壁４へのスパッタ粒子３の再
付着は最小限におさえられる。第４ｂ図に示すｈ≧ｄと
した掃引条件による加工では、微小股差５が大きく、試
料２へのビーム１の入射角は局所的に見て斜め方向とな
る。従って、スパッタ粒子３は試料面の法線に対し角度
を持った所にその強度中心な持つ。

すなわち強度中心の方向に加工穴側壁４か存在する。こ
のため、スパッタ粒子３が加工穴側壁４へ衝突し、再付
着する割合が高くなる。しかし、第３図に示すデータか
らも分かる様に、試料へのビーム入射角が増加するとス
パッタリング率Ｓが向上し、スパッタリングされる試料
物質の総量はｈ≪ｄとした場合に比べ多くなる。

平坦な試料に集束イオンビームを偏向照射し、穴開は加
工を行なう工程を考えると、加工初期の加工穴の深さが
まだ浅くアスペクト比（加工穴深さＨ／加工穴径Ｄ）が
低い時点では、スパッタ粒子が斜め方向に飛散してもス
パッタ粒子の飛散方向にまだ壁面が存在せず、従って加
工穴側壁へ衝突する割合が小さいため、ｈ≧ｄの掃引条
件で高速に加工する事が可能である。加工穴が深くなり
、アスペクト比が高くなると、スパッタ粒子の飛散方向
に壁面が形成されるのでスパッタ粒子が加工穴側壁に衝
突する割合が増加する。このためｈ≪ｄの掃引条件で再
付着量を極小とする必要がある。

従って、加工初期の段階ではｈ≧ｄの条件で、加工が進
みアスペクト比が例えば０．５　以上と高くなる時点で
はｈ≪ｄの条件でビーム掃引を行なうと、再付着量が少
なく形状の良い加工を高速に行なえる。

この条件を変えるパラメータとしては、ＦＩＢの試料上
での■ビーム静止時間■電流密度＠ビーム径がある。ビ
ーム静止時間は例えば走査速度を一定としてビームの偏
向のピッチを変えることで制御できる。電流密度やビー
ム径を変えるには可変アパーチャやズームレンズによっ
て、ビーム光学系の物理的位置関係や絞りの大きさを変
化させればよい。

さらに、加工穴の形成する際、加工穴の中心から外側へ
向かってビームを走査することでより一層の加工精度の
向上が達成できる。すなわち、試料上を走査する集束イ
オンビームの軌跡が、ビーム照射点に最も近い加工穴側
壁の法線とほぼ垂直に交鎖し、かつその交鎖点が、上記
側壁に順次近づくようにビーム走査をおこなうことで、
加工穴側壁へのスパッタ粒子の付着を低減できる。これ
は、この様にビームを偏向することで、ビームによる加
工で形成される段差の面が、常にそこから最も近い加工
穴側壁の反対側を向くように加工を進めることができる
ためである。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図を用いて説明する。

実施例１ 第５図は本発明に用いる集束イオンビーム・システムの
一例を示す概略構成図である。本実施例では各偏向点で
のビームの静止時間を変化させることでｈとｄの大小関
係を制御する。光学系はＧ　ａ液体金属イオン源１１、
静電レンズ１２ａ。

１２ｂ、８極偏向器１３ａ、１３ｂ、ブランキング電極
１４により構成されて、加速電圧は３０ＫＶである。ビ
ーム偏向はコンピュータ・システム１８により統括制御
され、偏向制御装置１７、偏向アンプ１９ａ、１９ｂお
よびブランキングアンプ２０を介し、偏向信号及びブラ
ンキング信号が偏向器１３ａ、１３ｂ及びブランキング
電極１−４に印加される。上記構成の光学系によりＦＩ
ＢのＯＮ、ＯＦＦ走査を行い試料台１５上の試料を任意
形状に加工する。

ビーム照射により二次的に放出される電子３０は、二次
電子検出器］６により輝度信号となり、Ａ　／　Ｉ：）
変換器３１を介してコンピュータ・システ１１］８に入
力され、陰極線管（ＣＲＴ）３２上に走査イオン顕微鏡
（ＳＩＭ）像として表示される。

この像を用い、加工の位置決め等を行なう。また、第５
図中、ｖｈはヒーター電源、ｖｅは引出し電源、Ｖａｃ
ｃは加速電源、Ｖｕ工、ＶＱ２はレンス電源である。イ
オン源としては上記Ｇａ液体金属イオン源の他にＡｕ又
はＡＱ液体金属イオン源、あるいは電界電離型ガスイオ
ン源等、試料をスパッタ加工できるイオン源であれば使
用可能である。

第６図は前記偏向制御装置１７の内部ブロック図である
。ｙ軸及びｙ軸方向の偏向信号はＤ／Ａ変換器２４ａ及
び２４ｂにより発生させるが、その入力ディジタル・デ
ータをカウンタ回路２１゜スキャン方向切替回路２２２
分解能切替回路２３を用い発生させている。コンピュー
タ・システ１１１・８から供給され、カウンタ回路２１
に入力されるクロック信号の周期は偏向点でのビーム静
止時間に対応している。ビーム静止時間を調整すること
で各偏向点のビーム照射量を調整できる。これにより、
各偏向点でのスパッタ原子の量を調整してｈを変化させ
、ｈとｄの大小関係を制御することができる。スキャン
方向切替回路２２はカウンタ回路２１から出力されるビ
ーム偏向位置データの反転及びｙ軸、ｙ軸の入れ替えに
より、ビームの走査方向をＸ軸方向とｙ軸方向とで自由
に選択できるようにしたものである。分解能切替回路２
３はビーム・スポットの移動ピッチ（ビームスポットも
しくは走査線間の間隔）を設定するもので、試料表面を
平坦に加工するには、ビーム径よりも移動ピッチが小さ
くなるようにして加工する必要がある。

上記の集束イオンビームシステムを用い、Ｓｉ基板に穴
開は加工を行なった実施例を第１ａ図及び第１ｂ図に示
す。第１−ａ図は加工初期の加工穴深さの浅い状態、第
１ｂ図は加工終盤の加工穴深さの深い状態を示している
。最終的な加工穴の形状は５μｍ　Ｘ　５μｍ（開口）
Ｘ３μｍ（深さ）である。

集束イオン・ビームのビーム径ｄは０．１μｍに設定し
た。

第１ａ図では、偏向クロックの周期を５　ｍ　ｓと遅く
する事でｈ≧ｄの条件とし、分解能切替によりビーム１
の移動ピッチを０．０５μｍ　（ビット径ｄの１／２）
として試料２の微小段差部に効率的にビー１１照射が行
なわれるようにし、加］二速度を向上させた。第１ｂ図
では偏向クロック周期を１μｓとし、ｈ≪ｄの条件で加
工を行なった。ビーム移動ピッチは０．０１μｍ　とし
た。これによりｈ≪ｄの条件で加工穴側壁への再付着物
質３の極少化が図れると同時にビーム１をより均一に照
射することができた。また、前記スキャン方向切替回路
２２を用いる事で、１回の面スキャン毎にスキャン方向
を変化させ、少量（ＮＪ着する１ｊ付着物質３を各側壁
（本実施例の場合四面）に平均的に分散させ、加工穴形
状を対称性のある良好なものとした。

第１ａ図、第１ｂ図の偏向モード切替は、ビーム照射の
時間により加工深さが１．５μｍ　となる時点で行なっ
たが、この様な段階的な制御の他、加工穴深さの増大に
合わせ、クロック周期を連続的に変化させ随時りとｄの
大小関係を変化させてゆく事も可能である。

実施例２ 実施例１では、加工穴深さを単にビーム照射の（］５） 時間に対応させて管理したが、ビーム電流や試料電流の
積分値により加工穴深さを見積る事も可能である。すな
わち、スパッタ加工される試料物質が均一でビーム掃引
条件が一定の場合、スパッタリング率Ｓが一定となるた
め、スパッタリング速度はビーム電流値に比例する。

また、試料電流は、試料物質が均一であればビーム電流
に比例する。

従って、ビーム電流、もしくは試料電流をモニターする
事でその時のスパッタリンク速度が測定できる。

これにより、ビーム電流もしくは試料に流れる電流を積
分する事でスパッタリンクされた物質の量がわかり、加
工深さを見積る事ができる。なお、積分の手法としては
、■アナログ積分器を用いるものと、■サンプリングと
加算によりディジタル的に行なうものが考えられる。

この実施例を第９図に示す。電流計４０でビーム電流も
しくは試料電流をモニターし、これを積分器４１で積分
し、コンピュータ１８で加工穴深さを見積る。他の構成
は第５図の装置と同様である。

実施例３ 以上の実施例では、加工穴深さをパラメータとして、加
工穴深さの増大に伴ってｈとｄの大小関係をり、９ｃｌ
からｈ≪ｄへと変化させたが、形成する加工穴の形状が
二種類以上あるプロセスでは、加工穴のアスペクト比を
パラメータとすることで精度の高い加工を一括して行な
うことができる。

すなわち、加工穴深さＨが同じでも加工穴径りの大小に
よって加工穴側壁へのスパッタ粒子の付着量が変化する
からである。加工穴の形状が単純な円や矩形の場合はそ
の直径や一辺の長さをＤと取ればよい。加工穴形状が複
雑な場合は、例えは同面積の円に変換した場合の直径を
Ｄととる等の方法がある。この実施例ではアスペクト比
が例えは一以上と高くなった時りとｄの大小関係を切り
換えたり、アスペクト比に応じて連続的にｄとｈの関係
を変化させることで様々な形状の加工穴の精度を一括し
て向上しうる。

実施例４ スパッタ粒子の加工穴側壁への再着付は、加工穴の形状
やビームの走査方向によっても変化する。

ビームの照射される加工段差の斜面と、該斜面に対面す
る加工穴側壁との距離によって再付着の確率が異なるか
らである。

第７図にこの原理を示す。ビームの照射点１から加工穴
側壁までの距離をｙ、加工穴側壁の高さをＨとすると、
Ｈ／　ｙが大きいほどスパッタ粒子の再付着確率が大き
くなると言える。第７図ではスパッタ粒子の射出方向の
強度中心を３′で示した。従ってＨ／ｙの大きい所でｈ
≪ｄの掃引条件とし、Ｈ／ｙが小さくなるに従いｈ≧ｄ
の条件とすることで、より再付着の少ない加工と加工速
度の向上を達成できる。具体的には第５図に示す装置に
よりビーム照射位置及びスキャン方向に対応させてクロ
ック信号及び偏向ピッチを奮変化させる。

実施例５ スパッタ粒子の加工穴側壁への再付着をさらに減少させ
るためには、集束イオンビームの照射される加工段差の
斜面の向きも重要となる。すなわち、集束イオンビーム
の照射される加工段差の斜面の向きが、該照射点から最
も近い加工穴側壁と肘 常に反射側を向くようにビー１１を走査すれば、側壁へ
のスパッタ粒子の再付着をさらに低減できる。

具体的には第８ａ図及び第８ｂ図に示すように、試料２
上を走査するビーｌ、の軌跡１００が、該軌跡に最も近
い加工穴側壁４の法線１０１とほぼ垂直に交鎖し、その
交鎖点が法線上を壁面４に近づく方向に順次移動する様
にビーム偏向を行なう。

なお、第８ｂ図に示す円形の穴加工は、第８ａ図に示す
矩形の穴加工と比較し、同一の開１コ面積を得るために
必要なスパッタ粒子量が少なく、よりいっそうの高速加
工が可能となる。

実施例６ 第１０図は２Ｍ配線構造のデバイスにコンタクトホール
加工を行なった実施例であり、第１層配線２００ａへの
コンタクトホール３００ａと第２層配線２０１ａへのコ
ンタク１〜ホール３００ｂを集束イオンビーム１照射に
よるスパッタ加工により形成した。下層配線２０１ａへ
の加工は一般的にアスペクト比が高くなり、上層配線の
損傷を防ぎかつ、良好なコンタクト特性を得る目的から
加工形状が良好でなければらない。従って、本発明の加
工方法が有効に活用できる。このようなコンタクトホー
ルは多層配線構造のデバイスの配線修正や、大規模集積
回路（ＬＳＩ）の電子ビームテスタによる検査において
利用される。

〔発明の効果〕

本発明によれば、再付着量が少なく加工形状の良好なス
パッタリング加工を高速に行なえる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１ａ図及び第１ｂ図は本発明の一実施例の断面図、第
２図はＦ　Ｉ　１３加工の概念を説明するための加工穴
断面図、第３図はイオン入射角とスパッタリンク率との
関係を示した実験テースを示すグラメ娑第４ａ図及び第
４ｂ図は本発明の原理説明のだめの加工モデルの断面図
、第５図は本発明に用いた集束イオンビーム・システム
の概略構成図、第６図は本発明に用いるイオンビーム・
システムの偏向制御装置の内部ブロック図、第７図はビ
ー示す試料上面図、第９図は本発明に用いた他の集束イ
オンビーム・システムの概略構成図、第１０図は多層配
線構造のデバイスに穴開は加工を施した場合の実施例を
示す断面図である。 ダ’ｍｌ＜（＋ｔき／Ｙ 空と 飛べ ５゛ 一白 劾 チ　（ ７２久 口　　２θ　　７３２ １４−〇　　”　５ｔＱＬ雪　口 キリ ノ３θ、　　　　　　　　　　　　　　　アン　　　　
　　　　　１翫Ｐｑｔ　　虎（、ピ、−り ／３１１　　　了・　覆　”１ｌｆｌｑ　”一口２″　
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　　　蟻：屈通り倉耐１１　　　＼ノル／９１ １５　４ρ　　　４１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、集束イオンビーム（ＦＩＢ）を偏向して試料表面を
   走査し、スパッタリング加工を行なうイオンビーム加工
   方法において、上記ＦＩＢの上記試料表面でのビーム径
   をｄ、１回の集束イオンビーム走査により形成される段
   差の高さをｈとした場合、加工の進行による加工穴の深
   さの増大に伴い、ｄとｈの関係をｈ≧ｄからｈ≪ｄへ変
   化させて、上記試料表面の上記ＦＩＢ照射部から発生す
   るスパッタ粒子の上記加工穴側壁への再付着の量を制御
   するイオンビーム加工方法。 ２、前記ＦＩＢの前記試料表面でのビーム静止時間、電
   流密度及びビーム径のうち少なくとも１つを変化させる
   ことにより、前記ｄとｈの関係を変化させる請求項１記
   載のイオンビーム加工方法。 ３、前記ＦＩＢの前記試料表面へのビーム照射時間で前
   記加工穴の深さをみつもる請求項１記載のイオンビーム
   加工方法。 ４、前記ＦＩＢのビーム電流又は、前記試料に流れる電
   流の積分値により前記加工穴の深さをみつもる請求項１
   記載のイオンビーム加工方法。 ５、前記ＦＩＢの偏向のピッチを、少なくともｈ≪ｄの
   条件下で前記ＦＩＢのビーム径より小さくした請求項１
   記載のイオンビーム加工方法。 ６、前記加工穴内のＦＩＢの照射位置により、さらに前
   記ｄとｈの大小関係を制御する請求項１記載のイオンビ
   ーム加工方法。 ７、前記試料上を走査するＦＩＢの軌跡が、該軌跡に最
   も近い前記加工穴側壁の法線とほぼ垂直に交鎖し、かつ
   該交鎖点が上記側壁に順次近づくように移動するごとく
   ＦＩＢの走査をおこなう請求項１記載のイオンビーム加
   工方法。 ８、前記試料が多層配線デバイスである請求項１記載の
   イオンビーム加工方法。 ９、ＦＩＢを偏向して試料上を走査し、スパッタリング
   加工を行なうイオンビーム加工方法において、上記ＦＩ
   Ｂの上記試料上でのビーム径をｄ、１回のＦＩＢ走査に
   より加工される加工深さをｈとした場合、加工の進行に
   よる加工穴のアスペクト比の増加に伴いｄとｈ関係をｈ
   ■ｄからｈ≪ｄへと連続的あるいは段階的に変化させる
   ことを特徴とするイオンビーム加工方法。 １０、集束イオンビームを偏向して試料上に走査し、ス
   パッタリング加工を行なうイオンビーム加工方法におい
   て、加工途中に変化する加工穴の深さの増大に伴い、上
   記集束イオンビームの上記試料上の偏向点での静止時間
   を短縮することにより、試料表面から放出されるスパッ
   タ端子の強度中心の方向と上記試料表面のなす角θを９
   ０°＞θから９０°〜θへと変化させるイオンビーム加
   工方法。 １１、集束された荷電粒子ビームを試料表面上に走査し
   、上記試料をスパッタ加工して加工穴を形成するイオン
   ビーム加工方法において、上記試料表面を走査する集束
   イオンビームの軌跡が、該軌跡に最も近い加工穴側壁の
   法線とほぼ垂直に交鎖し、かつその交鎖点が上記側壁に
   順次近づく様に上記ビームを走査するイオンビーム加工
   方法。 １２、イオン源と、該イオン源からのイオンビームを集
   束するレンズ系と、上記イオンビームを偏向する偏向器
   と、上記イオンビームをブランキングするブランキング
   電極を有し、上記イオンビームを試料上に走査すること
   により試料に加工穴の形成を行なう集束イオンビーム装
   置において、上記イオンビームの上記試料上でのビーム
   径をｄ、１回のイオンビーム走査により加工される加工
   深さをｈとした場合、加工の進行による加工穴の深さの
   増加に伴いｄとｈの関係をｈ≧ｄからｈ≪ｄへと変化さ
   せるように上記偏向器及び上記ブランキング電極を制御
   する偏向制御手段を有することを特徴とする集束イオン
   ビーム装置。 １３、前記偏向制御手段は、前記試料上の偏向点でのＦ
   ＩＢの静止時間を制御することを特徴とする請求項１２
   記載の集束イオンビーム装置。 １４、前記偏向制御手段は、前記ＦＩＢの偏向のピッチ
   をビーム径よりも小さく設定する機能を有することを特
   徴とする請求項１３記載の集束イオンビーム装置。 １５、前記偏向制御手段は、前記ＦＩＢの偏向のピッチ
   を可変とする機能を有することを特徴とする請求項１３
   記載の集束イオンビーム装置。 １６、前記偏向制御手段は、ＦＩＢの走査方向を選択す
   る機能を有することを特徴とする請求項１３記載の集束
   イオンビーム装置。 １７、前記偏向制御手段は、前記ＦＩＢの試料上への照
   射位置、走査方向及び前記アスペクト比に対応させて前
   記ＦＩＢの静止時間を制御することを特徴とする請求項
   １３記載の集束イオンビーム装置。