JPH0380534A - レーザ直接描画薄膜形成方法および装置 - 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、レーザ気相化学反応（レーザＣｖＤ）を利用
する薄膜形成方法および装置に関する。

〔従来の技術〕

近年半導体プロセスにおいては、レーザを利用した薄膜
形成方法がプロセスの低温化、マスクレスプロセスによ
る工程短縮などをもたらすものとして盛んに研究開発が
行われている。特に金属や高導電性の半導体なＣＶＤ反
応により直接線状に堆積させる直接描画配線形成技術は
、ＬＳＩの配線形成への応用を指向して盛んに研究され
ている。

この技術はＬＳＩの設計から試作に至る開発期間を大幅
に短縮する配線修正をはじめ、カスタムＬＳＩやＡＳＩ
Ｃの配線形成等、将来のＬＳＩ配線形成技術の重要なプ
ロセス技術に応用できるものと期待されている。以下金
属の直接描画技術を例に説明する。

レーザを用いる金属の直接描画技術では、集光照射され
たレーザ光による基板もしくは堆積した物質の加熱によ
る原料ガスの熱分解反応を主に利用して金属薄膜を形成
する。さらにレーザ光を基板面に対して相対的に走査す
ることによって配線を形成する。これまでに、レーザを
用いる直接描画では、ポリＳｉ等の導電性半導体や、Ｗ
、Ｍｏ。

Ａｕ等の金属の描画が実現されている。例えば、「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（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｖａｃｕｕｍ　５ｃ
ｉｅｎｃｅａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）　Ｊ誌の３
５巻、８４３〜８４７ページにグロスマン（Ｇｒｏｓｓ
ｍａｎ）らにより、光源にＡｒ＋レーザ、原料ガスにＷ
　Ｆ　ａ　＋Ｈ２を用いて、Ｗ線を直接描画した例が報
告されている。この論文によれば、ポロンナイトライド
（ＢＮ）あるいはポリイミド膜をコートしたＳｉウェハ
上に、線１［１０，ｕｍ程度のＷ線を３５０μｍ／ｓ程
度の描画速度で直接描画できたことが報告されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述した従来のレーザ直接描画技術では描画速度が遅く
、この技術の適用分野は試作ＬＳＩの配線修正などの非
量産分野に限られている。このため描画速度を向上させ
ることが、この技術を量産分野への適用性を広げるもの
として様々な研究がなされている。

本発明の目的は、このような将来技術の持つ問題を解決
し、描画速度が大きく生産性および、信頼性に優れた配
線形成方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は２つあり、第（１）の発明は、熱分解により所
要の物質を堆積する原料気体を含む雰囲気中に基板を配
置し、該基板上に集光したレーザ光を照射すると共に該
レーザ光を基板に相対的に走査させることにより該基板
上に薄膜パターンを直接描画する薄膜形成方法において
、レーザビームを一方向に偏向走査し、がつ、同一箇所
に複数回繰り返し重ねてレーザ照射を行うことを特徴と
するレーザ直接描画薄膜形成方法である。

第（２）の発明は、レーザ光源と、窓を備えた反応セル
（以下ＣＶＤセルと記す）と、該レーザ光源の出射光を
該窓を介して該ＣＶＤセル内の基板上に集光して照射す
る光学系と、熱解離反応により導電性物質を堆積する化
合物ガスを該反応セルに供給する原料ガス供給系と、該
反応セル内に該基板を保持する機構と、該基板に対して
レーザ、光の照射位置を相対的に変化させるＸＹステー
ジとを備える薄膜形成装置において、該光学系にレーザ
光を偏向走査する偏向器およびレーザ光を断続するシャ
ッターを備え、さらにレーザビームが一方の走査方向に
あるときにのみシャッターを開けるよう偏向器およびシ
ャッターを制御する制御ユニットを備えることを特徴と
するレーザ値接描画薄膜形成装置である。

〔作用〕

以下熱化学反応を利用したレーザ直接描画プロセス、お
よび参考のためにＦ　Ｉ　Ｂ　（Ｆｏｃｕｓｅｄ　Ｉｏ
ｎＢｅａｍ）あるいはＥ　Ｂ　（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｂ
ｅａｍ）直接描画について、原料分子供給のメカニズム
を検討し、本発明の方法の原理・作用について説明する
。

ＣＶＤ　（化学気相堆積）プロセスにおいて、堆積領域
への原料分子供給チャンネルとしては、おもに次の３つ
のチャンネルが考えられる。

■　気相からの輸送 ■　堆積領域上に（反応開始以前に）すでに吸着してい
た分子 ■　基板上堆積領域周辺からの表面マイグレーションに
よる供給 熱分解を利用したレーザ直接描画においては、原料分子
は■〜■により供給されるが、分解反応自体は表面反応
が主である。ＦＩＢ直接描画やＥＢ直接描画においては
■〜■により供給された分子は表面反応により分解する
が、■の場合は分子が気相中で分解されてから堆積する
場合と、基板上にいったん吸着してから表面反応により
分解する場合が考えられる。■の寄与は小さいものと考
えられるので、以下の議論では無視する。

レーザ直接描画の場合、通常レーザの走査はレーザビー
ムを固定し基板をＸＹステージ等で移動させることによ
り相対的におこなう。このため走査速度Ｖ、はＦＩＢ、
ＥＢ直接描画のようにビームを偏向走査する場合に比べ
ると遅く、レーザの照射（滞在）時間ｔ。〜ω。／■、
（ω。：レーザビーム径）は、ω。〜μｍ、Ｖ＊〜１ｍ
ｍ／ｓとしてｓ　ｔｏ〜Ｉｍｓのオーダーである。従っ
て七〇は基板上における原料分子の吸着、脱離および分
解反応の特性時間、τ１．τ１．τ２．に比べて十分に
大きい。（τ１はレーザ照射前の基板温度における平均
吸着時間、τ、はレーザ照射加熱時の温度における平均
吸着時間） １、＞τ１〜１０−’ｓ ）τ、〜１０−”ｓ ）τ２．〜１０−”ｓ　　　　　　　　　（１）ただし
、τ１．τ、としては通常ＣＶＤＩｊＸ料としてよく用
いられる有機金属原料の金属上に物理吸着する場合の平
均吸着時間の典型的な値の大きさを、またτ２．として
は通常の化学反応時間の典型的な値の大きさを示した。

レーザ加熱により、■の吸着分子はτ、よりも短い時間
スケールで消費され吸着分子量は減少し、■の気相から
の供給と消費がつりあって定常状態になる。■による供
給量は吸着量に比例するのでτ１に比例し、■による供
給量は照射時間ｔ０に比例する。ｔゆ〉τ１の場合には
■による供給が重要となる。従ってレーザ直接描画では
原料分子供給機構として■の気相からの輸送が重要であ
る。実際に、例えば「ジャーナル・オブ・アプライド・
フィジックス（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ
　Ｐｈｙｓｉｃｓ）　４誌の第６２巻、２８１〜２８６
ページにコダス（Ｋｏｄａｓ）らによりレーザ直接描画
では気相からの原料分子供給により堆積速度が律速され
ていることが指摘されている。

ＦＩＢ直接描画やＥＢ直接描画においてはビームの走査
速度は大きく、照射時間ｔＢはかなり小さくなる。その
うえビームを繰り返し走査して描画する（重ね描き）。

さらに、原料ガス密度は極めて薄い（数ｍＴｏｒｒ程度
）ため■の気相からの分子輸送は小さい。従って原料供
給機構としては■の吸着分子に、よるものが重要と考え
られる。実際に、例えば「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（Ｊｏｕｒｎａ
ｌ　ｏｆ　ＶａｃｕｕｍＳｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅ
ｃｈｎｏｌｏｇｙ）　４誌の３６巻、４７７〜４８１ペ
ージにクープス（Ｋｏｏｐｓ）らにより、ＦＢ直接描画
について実験結果を分析すると、堆積過程は吸着分子の
みを考慮したモデルによりうまく説明されることが指摘
されている。

以上述べたように、レーザ直接描画とＦＩＢ。

ＥＢ直接描画では原料分子供給メカニズムは異なってお
り、レーザ直接描画の場合原料分子は主に気相から供給
され、基板表面において分解反応が起こっていると考え
られる。

気相からの原料分子供給は、気相の原料分子密度が小さ
いうちは密度を上げると大きくなるが、ある程度の密度
を超えると、拡散の影響が大きくなって密度を上げても
変化しないようになる（飽和する）、従って、気相供給
を利用するレーザ直接描画の場合、描画速度には上限が
存在する。描画速度をさらに向上させるためには■吸着
量からの供給や■表面拡散による供給を有効に利用する
必要がある。

この目的のためには、ＦＩＢ、ＥＢ直接描画のようにレ
ーザビームを高速に繰り返し偏向走査させ描画する方法
が有効である。ＦＩＢ、ＥＢ直接描画の場合には、ビー
ムを出射させるために高真空（通常１０−”Ｔｏｒｒ以
下）が必要であるため、原理的に気相の分子密度を大き
くできない。吸着分子密度は気相分子密度に比例するの
で、ＦＩＢ。

ＦＢ直接描画の場合には高速の堆積は困難である。

レーザ直接描画の場合原料ガス密度はＦＩＢ、ＥＢ直接
描画に比べて大きく　（数Ｔｏｒｒ以上）、吸着分子密
度は大きい（気相分子密度より十分に大きい）。典型的
には、−回の照射により吸着量からの分子供給により一
分子（Ｗ、子）層程度の膜構成分子（原子）が堆積する
と考えられる。一般に、分解により消費された吸着原料
分子が再吸着により復帰するためには、τ１〜１０−’
ｓ程度の時間が必要である。距離ｌをレーザ走査速度Ｖ
、で繰り返し走査させた場合、ある堆積領域にレーザビ
ームが照射される周期ＴはＴ〜ｆ　／Ｖ、程度である。

Ｔ＞τ１であれば、吸着分子量は照射前の状態に復帰し
ていることになり、堆積は一回毎の照射による堆積が繰
り返されて生じることになり、レーザ偏向走査を繰り返
し行えば必要な厚みのある薄膜を堆積できる。

例としてＩｌ〜１００μｍ程度の距離を繰り返し走査す
る場合、上述の条件が戊り立つ最大の描画速度として、
Ｖｓｍａｘ〜１０’ｐｍ／　ｓ＝　１００ａｎ／Ｓが期
待できる。また膜厚として１０００人程度０大きさが必
要な場合、堆積分子（原子）の直径を５Ａ程度と考えれ
ば２００回程鹿の繰り返しスキャンが必要となる。従っ
て実効的には、１００／２００＝０．５ａａ／ｓ＝５ｍ
／ｓ程度の描画速度と等価になる。実際には、上述の吸
着箱からの寄与に加え気相からの原料分子供給の寄与が
あるため、これ以上の描画速度を期待できる。通常のレ
ーザ直接描画方式では１ｍｍ／ｓ程度の描画速度が限界
であるが、この方法によると描画線の長さに比例して実
効的な描画速度を大きくすることができ、有利である。

このように、レーザビームを偏向走査する方法で薄膜の
描画を行う場合、単にビームを往復運動させると、描画
の中心部ではビーム照射周期は一定であるが、往復の転
回点付近ではビーム照射周期が変化してしまうため、均
一な膜堆積ができなくなる。これを防ぐためにはビーム
の走査を往復運動でなく一方向の運動にすればよい。す
なわち、レーザビームを描画膜の出発点から走査して描
画膜の端にくるとシャッターを閉じ、レーザビームの照
射位置を出発点に高速に戻し、同じ手順を繰り返す。

なお、これまでの議論はおもに直線的なレーザ走査を念
頭においてきたが、上述の効果は直線を組み合わせた形
状のパターン、例えばＬ字形や、任意の形状のパターン
をレーザ走査する場合について有効であることはもちろ
んのことである。

このようなｍｍ／ｓ以上の描画速度で直線描画が可能に
なることは、実用上大きな意味がある。描画の高速化に
より、ＡＳＩＣの配線形成や基板の実装配線形成、ウエ
ノ）スケールインテグレーションなどにこの直線描画技
術を応用することが可能となると、従来マスク作成やエ
ツチング行程など多くの工程を必要としていた配線形成
が一工程でできることになり、大幅なスループット向上
につながる。またこの直接描画技術はフレキシビリティ
に富んでいるため、この技術を生産現場に適用できれば
、新たなスループ、ト向上が望める。

例えば配線パターンの異なるＬＳＩを少量かつ多種類に
必要な場合、（すなわちいわゆる少量多品種型の製品を
つくる場合に）この技術は柔軟に対応することができ、
従来のように複雑なフォトリソグラフィ工程を何度も繰
り返さずに済む。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面を用いて詳細に説明する
。この実施例は、原料ガスとしてＷ（Ｃｏ）、を用い、
５ｔ（ｈ基板上にＷ配線を直接描画した一例である。第
１図は本発明による実施例に用いられる配線形成装置の
構成図である。Ａｒ”レーザからなるレーザ光源１から
の出射光は、ミラー２で反射されＡＯ（音響光学）偏向
器から構成されるビーム偏向ユニット１０を通りレンズ
３で集光され、窓４を通してＣＶＤセル５内に置かれた
基板６上に照射される。基板６は、５ｉＯｚ基板である
。ビーム偏向ユニット１０はレーザビームを基板平面上
で高速に走査することが可能である。

制御ユニット１２は、ビーム偏向ユニット１０およびシ
ャッター１１を有機的に制御し、レーザビームの一方向
線り返し走査をおこなう。ＣＶＤセル５内は、ＣＶＤ原
料ガス導入前に排気ユニット８によりｌ　０−１ｌＴｏ
ｒｒ程度の真空に引かれる。ＣＶＤ原料（７）Ｗ　（Ｃ
Ｏ）　、ハ、カス供給系７よりＣＶＤセル５に導かれる
。反応終了後の残ガスは排気ユニット８で排気される。

ＸＹステージ９は、ＣＶＤセルを水平面上で自由に動か
して基板６とレーザ照射位置の位置をおおまかに合わせ
るために使用する。

次にこの構成での動作を説明する。あらかじめ基板６を
ＣＶＤセル５の所定の位置に置く。次に排気ユニット８
を動作させ、ＣＶＤセル５内の空気を排気する。ガス供
給系７よりＷ（ＣＯ）ｓガスをＣＶＤセル５内に導入す
る。Ｘ−Ｙステージ９を動かして基板６上の所定の位置
にレーザ光の照射位置をおおまかに合わした後、レーザ
光源１よりレーザ光の照射を開始する。同時にレーザビ
ーム偏向ユニット１０を動作させてビームを高速にスキ
ャンさせ、Ｗを堆積させる。配線の形成が終了したら、
レーザ光の出射、およびガス供給を止め、配線形成の一
連の作業を終える。

このようにして得られた結果の一例を以下に説明する。

実験条件は次の通りである。レーザ光の照射パワーは１
００ｍＷ、基板上でのスポットサイズは２μｍである。

ＣＶＤ原料のＷ（Ｃｏ）８ガスの蒸気圧はＩＴｏｒｒで
ある。レーザビームのスキャン速度は１００ｃｍ７８％
スキャン長はｌａｎ、スキャン時間は２秒（スキャン繰
り返し２００回）である。この条件で描画を行い、５ｉ
ｏ２基板上に線幅２ｐｍ、厚さ１５００Ａ、長さｌａｎ
の配線を形成した。形成した配線の比抵抗はバルク値の
２倍程度であり、概ね良好な導電性をもつ配線を描画で
きた。描画線の膜厚が上述した期待される膜厚（１００
０人）よりも厚いのは、気相からの供給の寄与によると
考えられる。

以上に述べた一実施例では、原料ガスとしてＷ（Ｃｏ）
ｇガスを用いてＷ配線を直接描画した例を述べたが、本
発明の原理に基づけば、本発明の効果が他の原料ガス、
例えばＭｏ（Ｃｏ）。、ジメチル金７セチルアセトナー
ト、ジメチルアルミハイドライドなどを用いてｓ　Ｍｏ
、Ａｕ、Ａｌｌなどの各種金属配線な形成できる。また
、本発明の方法は金属配線の形成にとどまらず、ＳｉＨ
４＋ＨｚＯや５ｉｚＨｓ＋Ｎｘｏ等の原料気体を用いて
５ｉｏ２等の絶縁膜パターンを形成する際にも有効であ
る。

さらに、本発明の効果は基板としてＳｉｎ、を用いた場
合のみにとどまらず、他の絶縁膜、例えばＳｉＮｘやＰ
ＳＧ、ポリイミド膜などや、半導体基板、各種金属基板
上においても有効である。

レーザはＡｒ＋レーザに限らず、Ｋｒレーザ。

ＹＡＧレーザ、半導体レーザ等の連続発振レーザでも発
明の効果は得られる。また本発明の効果は原理から言っ
てパルスＹＡＧレーザやＣＯ２レーザ、パルス半導体レ
ーザ等のパルス発振レーザでも有効である。また、実施
例ではビーム偏向ユニットとしてＡＯ偏向器を用いた例
について述べたが、ポリゴンミラー、ガルバノミラ−、
ホログラフィックスキャナ等、他の方法を用いた偏向ユ
ニットを用いてもよい。

本発明の原理からいって本発明の方法及び装置はレーザ
ドーピング、エツチング、酸化、窒化等の反応性分子の
吸着種をレーザ光により熱化学的に反応させるプロセス
の全てに適用できることは自明である。

〔発明の効果〕

以上に述べたように、この発明の方法によれば基板上に
薄膜パターンを高速に形成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に基づ〈実施例に用いる薄膜形成装置
の構成図である。 １・・・・・・レ−”Ｆ’光Ｌ　　２・・・・・・ミラ
ー　３・・・・・・レンズ、４・・・・・・窓、５・・
・・・・ＣＶＤセル、６・・・・・・基板、７・・・・
・・ガス供給系、８・・・・・・排気ユニット、９・・
・・・・Ｘ−Ｙステージ、１０・・・・・・ビーム偏向
ユニット、１１・・・・・・シャッター　１２・・・・
・・制御ユニット。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）熱分解により所要の物質を堆積する原料気体を含
   む雰囲気中に基板を配置し、該基板上に集光したレーザ
   光を照射すると共に該レーザ光を基板に相対的に走査さ
   せることにより該基板上に薄膜パターンを直接描画する
   薄膜形成方法において、レーザビームを一方向に偏向走
   査し、がつ、同一箇所に複数回繰り返し重ねてレーザ照
   射を行うことを特徴とするレーザ直接描画薄膜形成方法
   。
2. （２）レーザ光源と、窓を備えた反応セルと、該レーザ
   光源の出射光を該窓を介して該反応セル内の基板上に集
   光して照射する光学系と、熱解離反応により導電性物質
   を堆積する化合物ガスを該反応セルに供給する原料ガス
   供給系と、　反応セル内に該基板を保持する機構と、該
   基板に対してレーザ光の照射位置を相対的に変化させる
   ＸＹステージとを備える薄膜形成装置において、該光学
   系にレーザ光を偏向走査する偏向器およびレーザ光を断
   続するシャッターを備え、さらにレーザビームが一方の
   走査方向にあるときにのみシャッターを開けるよう偏向
   器およびシャッターを制御する制御ユニットを備えるこ
   とを特徴とするレーザ直接描画薄膜形成装置。