JPH0636731A

JPH0636731A - ビーム・パラメータの制御により改善された集束イオン・ビーム付着を行うための構造および方法

Info

Publication number: JPH0636731A
Application number: JP5533993A
Authority: JP
Inventors: Patricia G Blauner; パトリシア・ジー・ブラウナー; Andrew David Dubner; アンドリュー・デーヴィッド・ダブナー; James Peter Levin; ジェームズ・ピーター・レヴィン; Peter Paul Longo; ピーター・ポール・ロンゴ; John Lester Mauer; ジョン・レスター・マウアー; Alfred Wagner; アルフレッド・ワグナー
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1992-04-23
Filing date: 1993-03-16
Publication date: 1994-02-10
Also published as: EP0571727A1

Abstract

(57)【要約】【目的】集束イオン・ビームによる材料の付着を制御
するための方法および構造を提供すること。【構成】本発明の構造は、ターゲット表面に送られる
集束イオン・ビームを含んでいる。イオン・ビームは、
ターゲット表面上の諸位置に偏向され、所望の間隔でブ
ランクおよびブランク解除される。偏向およびブランク
は、タイミング手段によりコンピュータの信号に応答し
て制御される。ターゲット表面に前駆体ガスが吸着さ
れ、イオン・ビームが、吸着されたガスを所望の形状に
沿って選択的に分解して、材料を付着する。付着の形状
は、多数の連続するビーム・スポットによって指定され
る。パターン中のすべてのスポットの完了後、所望の厚
さの材料の膜が堆積されるまでこのプロセスを繰り返
す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、イオン・ビームによる
表面への材料の付着に関し、より詳細には、イオン・ビ
ーム走査の制御によって付着を制御するための方法およ
び装置に関している。

【０００２】

【従来の技術】新規技術の調査で、以下の従来技術が明
らかになった。米国特許第４８７６１１２号では、イオ
ン・ビームの存在下で、金属ヘキサカルボニル蒸気から
基板上に金属膜を付着する技術が記載されている。この
特許では、走査方法（リフレッシュおよび滞在）と、高
電流密度集束イオン・ビームを使用した制御された付着
に必要な偏向速度は開示されていない。

【０００３】米国特許第４９２９８３９号は、カラムの
長さならびにカラムとワークピースの間の間隔を容易に
変更できる、イオン・ビーム・カラムを開示している。
このイオン・ビーム・カラムは、多種のイオンを含む高
強度のイオン源とイオン源付近にある、一定のイオンを
抽出するための第１の電極と、ビームを集束し当てるた
めのターゲットと、カラムに入るイオンの受入角度を決
定するビーム画定孔と、ビーム入口電圧がイオン源に対
して一定でありビーム入口電流の変化とは無関係にビー
ム入口電圧よりかなり大きくなる、中央ビーム点にイオ
ン源を集束するための上側集束手段と、ビーム入口電圧
がイオン源に対して一定であり上側集束手段からの出口
電圧に等しく、ビーム出口電圧がビームの最終エネルギ
ー要件に応じて出口最終エネルギーより大きいか小さい
かあるいは等しくなる、中央ビーム点をターゲットの表
面上に形成するための下側集束手段と、ビーム電圧がイ
オン源に対して一定であり上側集束手段からの出口電圧
と等しくなる、上側集束手段の出口と下側集束手段の入
口との間にある定高電圧ケーシングと、表面上でビーム
を移動させるためのデフレクタとを備えている。この特
許では、イオン・ビーム付着は開示されておらず、特定
のイオン・ビーム・カラムの光学設計だけが開示されて
いる。

【０００４】米国特許第４９５８０７４号では、不透明
帯域と透明帯域を持つリソグラフィ・マスク用の検査シ
ステムを開示している。このシステムは、マスクを支持
する座標テーブルまたは回転テーブルの上方で、正確に
集束された電子ビームまたはイオン検査ビームを使用し
ている。マスクは、二次放射線を出すエミッタ表面に検
査ビームを送るための孔と位置合せされる。入射ビーム
がマスクの透明帯域を通過することによって生じる二次
放射線が、イメージ記憶装置に結合された放射線検出器
によって検出される。この特許では、イオン・ビームに
よる付着は開示されていない。

【０００５】米国特許第４８５１０９７号では、液体金
属ガリウムのイオン源から発生されたイオンを集束レン
ズおよび対物レンズによってビームにするシステムが開
示されている。集束ビームは、走査電極によってフォト
マスクを横切って走査される。照射された表面から放出
される二次荷電粒子が検出され、生成された信号がＡＤ
変換されて表示される。膜の修理すべき部分がイオン・
ビームの走査範囲内に収まるようにＸＹステージが調整
される。エッチャント・ガスがガス・シリンダからノズ
ルを通って送られる。この特許では、イオンによる付着
は開示されていない。

【０００６】米国特許第４９２４１０４号では、円形孔
を持つマスクを通過するイオン源の出力を使用する、イ
オン・ビーム・システムが教示されている。界浸レンズ
によって放出イオンが加速され、修理中の基板上に十分
なエネルギーが提供される。ビームは、界浸レンズを通
過した後、偏向され、投射レンズに当たって、基板表面
上に集束する。基板は、正確な位置決めを可能にする座
標テーブルに取り付けられている。

【０００７】米国特許第４６３９３０１号では、イオン
・ビーム源と電子ビーム源を備えたイオン・ビーム処理
装置が開示されている。イオン・ビーム源は、基板表面
上の所定の表面平面内にある点に当たる精密に集束され
たビームを発生する。電子ビーム源は、電子ビームをイ
オン・ビームの周りに送り、イオン・ビームによる表面
電荷を中和する。この装置には、二次的に放出された粒
子を検出する手段が備えられており、この装置の信号
が、イオン・ビーム源と電子ビーム源を制御し、必要に
応じて表面平面をエッチングさせる。この特許では、イ
オン・ビームによる付着は開示されていない。

【０００８】特開昭６０−２４５２２７号では、金、モ
リブデン、パラジウム、タンタル、またはタングステン
化合物の蒸気を使用して、Ｘ線マスクの白点欠陥を是正
し、ＬＳＩ基板上の導電性パターンを修理する技術が開
示されている。付着すべき基板上に散布された化合物蒸
気は、基板温度および化合物の種類によって決まる時間
の間基板上に留まった後、蒸発する。この時、化合物が
散布された場所に、付着された化合物層が形成される。
付着された化合物層上にレーザ・ビームまたは粒子ビー
ムを照射すると、化合物の分解または結合によってパタ
ーン膜が形成され、時間の経過と共にその付着の度合い
が増加する。モリブデン、パラジウム、またはタングス
テン化合物を前記化合物として使用して、約１μｍの膜
厚で十分なＸ線阻止能力を持つＸ線マスクが提供でき
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】集束イオン・ビームに
よる付着では、表面上に吸着される分子の数と、入射イ
オン１個当たり付着される原子の数との間に線形の関係
が存在する。しかし、集束イオン・ビームは、特定のス
ポット上にビームが留まる間に、吸着された分子のすべ
てまたは大半を分解できるだけの高い電流密度を有す
る。物理スパッタリングも発生するので、正味の付着が
わずかしか得られないことがあり、時には表面の一部が
除去されてしまうことすらある。一般に、材料の正味の
付着を実現するには滞在時間を短くしなければならな
い。フィーチャを繰り返し走査して、厚い付着層を形成
することができる。しかし、滞在時間を短くして正味の
付着が発生するようにしても、付着層の厚さはフィーチ
ャのサイズの関数として変化する。一定の付着率を維持
するには、各走査の終わりに、前駆体ガスの再吸着に十
分な時間が必要である。現在のイオン・ビーム・システ
ムは、再吸着のための時間の重要性を認識しておらず、
このリフレッシュ時間を独立に制御していない。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の目的は、集束イ
オン・ビームによって表面上の材料を付着するプロセス
を制御するための方法および装置を提供することであ
る。付着の形状は、隔置されたイオン・ビーム・スポッ
トの数によって指定される。スポットは、希望に応じ
て、形状のエッジ分解能を向上させるため、隣り合った
スポットが重なり合うように指定できるが、一般に、重
ね合せなくても最適収率が得られる。表面上の各スポッ
トの滞在時間は、付着される材料の正味収率が高くなる
ように設定する。次に、ビームを形状内の次の位置に移
動し、付着を繰り返す。リフレッシュ時間、すなわち形
状を連続して通過したパスとパスとの間の時間は、前駆
体ガスの再吸着に十分な時間が与えられるように設定す
る。別法として、ビームを、順次ライン走査で、スポッ
ト間を段階的または連続的に移動させることもできる
が、スポットごとに偏向を行う方がフィーチャ形状がう
まく制御できる。

【００１１】

【実施例】集束イオン・ビームを用いて、表面上へ材料
を付着させる。材料の供給源は、表面上に吸着された前
駆体ガスであり、それが入射イオン・ビームによって分
解されて表面上に材料を付着する。しかし、入射イオン
・ビームは、物理スパッタリングにより、付着された材
料を除去する。したがって、付着される材料の正味収率
（入射イオン１個当たり付着される原子の数）は、スパ
ッタリングと分解の競合によって低下する。現在のイオ
ン・ビーム・システムおよびそれに組み込まれるプロセ
スでは、関連するシステム・パラメータを制御しないの
で、正味付着率が制御されない。このため、付着率はフ
ィーチャのサイズに依存し、エッジの画定が不十分にな
る。

【００１２】Ａ．Ｄ．ダブナー（Dubner）およびＡ．ワ
グナー（Wagner）"The role of gasabsorption in ion-
beam-induced deposition of gold"（J.Appl.Phys.、６
６(2)、pp.870〜874（1989年））から知られるように、
表面上に吸着される分子の数と、入射イオン１個当たり
付着される原子の数との間に線形の関係が存在する。し
かし、集束イオン・ビームは、特定のスポット上にビー
ムが留まる間に、吸着された分子のすべてまたは大半を
分解できるだけの高い電流密度を有する。物理スパッタ
リングも発生するので、正味の付着がわずかしか得られ
ないことがあり、時には表面の一部が除去されてしまう
ことすらある。ビームの滞在時間の関数として表した、
表面上の正味の付着の例を図１に示す。図から分かるよ
うに、材料の正味の付着を実現するには、ビームの滞在
時間を短くしなければならない。

【００１３】しかし、ビームの滞在時間を短縮して正味
の付着が発生するようにしても、付着される材料の正味
収率はフィーチャのサイズの関数として変化する。一定
の付着率を維持するには、各走査の終わりに、前駆体ガ
スの再吸着に十分な時間が必要である。現在のイオン・
ビーム・システムは、再吸着のための時間の重要性を認
識しておらず、このリフレッシュ時間を独立に制御して
いない。

【００１４】本発明は、集束イオン・ビームによる材料
の付着を制御するための方法および装置を提供する。付
着層の形状は、図２に示すビーム・スポットの数によっ
て指定される。スポットは、希望に応じて、エッジ分解
能を向上させるため、隣り合ったスポットが重なり合う
ように指定できるが、一般に、重ね合わせなくても最適
収率が得られる。各スポットのビームの滞在時間は、付
着される材料の正味収率が高くなるように設定する。通
常、既知の前駆体ガスのためのスポットのビームの滞在
時間は、約１μ秒以下である。次に、ビームを形状内の
次の位置に移動し、付着を繰り返す。別法として、ビー
ムを、順次ライン走査で、スポット間を段階的または連
続的に移動させることもできるが、スポットごとに偏向
を行う方がフィーチャ形状がうまく制御できる。パター
ン内のスポットをすべて完了した後、所望の厚さの膜が
形成されるまでこのプロセスを繰り返す。

【００１５】あらゆる形状について、再吸着に必要な時
間は、前駆体ガスの種類と、付着された膜に対するその
吸着特性によって決まる。大きな形状の場合、十分な再
吸着に必要なリフレッシュ時間が、走査１回当たりの書
込み時間より短くなる場合がある。この場合、パターン
内のスポットを通過する各パス間に余分な時間を設ける
必要はない。しかし、小さな形状の場合、初期スポット
が、次のサイクルで最適な付着が実現されるのに十分な
ガスを再吸着するまで、ビームをオフにしておかねばな
らない。通常、既知の前駆体ガスのリフレッシュ時間は
１ｍ秒以上である。図３は、典型的な付着サイクルであ
り、付着された原子の正味堆積（上）と、前駆体ガスの
吸着範囲の循環とを示している。

【００１６】最適のビームの滞在時間と十分なリフレッ
シュ時間を使用すると、正味付着率をフィーチャのサイ
ズとは無関係にすることができる。また、正味付着量ま
たは付着される膜の特性を変化させて付着の形状を整え
ることができるように、特定のビームの滞在時間および
リフレッシュ時間を選択することも可能である。また、
基板の温度を変えて、前駆体ガスの吸着を実施し、それ
によって最適のビームの滞在時間およびリフレッシュ時
間を実現することもできる。エッジ分解能は、イオン・
ビームのガウス形状の影響を受ける。ビームの滞在時間
およびリフレッシュ時間を制御することにより、エッジ
分解能を最大にして、ビーム形状を反映させることがで
きる。システム・パラメータと付着収率を関係付ける方
程式が考案されている。これを図４に示す。この方程式
は、検証済みであり、付着収率の定量的推定、プロセス
の最適化およびモデル化に利用されている。

【００１７】本発明はまた、ビームの滞在時間およびリ
フレッシュ時間の独立した制御を組み込んだ集束イオン
・ビーム構造を提供する。図５に示す構造は、高速偏向
手段、スポットごとにビームを消去する手段、ガス供給
手段、およびタイミング制御手段と組み合わせた集束イ
オン・ビーム・カラムを備えている。

【００１８】典型的な付着操作は、次のように行う。１．ユーザが、付着の位置、形状、およびサイズをコン
ピュータに指定する。２．前駆体ガス導入システムを起動する。ガス流を開始
させ、ガス供給をサンプルに近づけ、リフレッシュ・サ
イクル中に再吸着を発生させるのに十分な距離に位置決
めする。３．コンピュータが、書き込むべきパターンを、図２に
示す指定された間隔および傾きを持つ個々のスポット位
置に分割して、スポット位置を計算する。これらの位置
は、偏向増幅器に対する入力電圧で表される。４．コンピュータが、指定されたリフレッシュ時間およ
びビームの滞在時間に基づいて、その厚さの材料を付着
するのに必要なスポット・パターンを通過するパスの回
数を計算する。５．スポット位置が高速メモリ（ＳＲＡＭ）にロードさ
れる。６．スポット位置が、まずＤＡ電圧変換器へ、次にそこ
から偏向増幅器へクロック・アウトされる。次いで、ビ
ーム位置の制御のため、増幅された電圧が集束イオン・
ビーム・システム上の偏向板に供給される（図６）。

【００１９】これらの信号がクロックされる速度は、タ
イミング制御機構によって決定される。タイミング制御
機構は、リフレッシュ時間を制御するクロックと、スポ
ット・ステップ時間を制御するクロックを含む。別法と
して、マスタ・クロックを１つ使用して、ビームの滞在
時間とリフレッシュ時間をそれから誘導することもでき
る。各スポットにおけるビームの滞在時間は、次の２つ
の技法のどちらかによって制御する。第１の技法では、
ビームが、形状書込み中連続して消去解除され、ビーム
の滞在時間は、スポット・ステップ時間によって決定さ
れる。第２の方法では、ビームが、スポット・ステップ
中消去され、各スポット位置で必要な短いビームの滞在
時間の間消去解除される。

【図面の簡単な説明】

【図１】イオン・ビームによる付着プロセスにおける表
面への材料の正味付着量をビーム照射時間の関数として
表した曲線の概略図である。長時間経過すると、吸着さ
れるガスの被覆率が０になり、材料はなくなる。

【図２】複数のビーム・スポットで指定された、イオン
・ビームによって表面上に付着される材料の形状または
パターンの概略図である。

【図３】表面上の材料付着量および前駆体ガス被覆率の
経時変化を表す概略図である。ビームの滞在時間は、単
一サイクル中にイオン・ビームが表面を照射する時間で
あり、リフレッシュ時間は、連続する照射の間の時間で
ある。

【図４】システム・パラメータと付着収率を関係付ける
方程式を表す図である。ここに示したパラメータ値は、
ジメチル−金−ヘキサフルオロアセチルアセトナートお
よび２０ｋｅＶのＧａ⁺集束イオン・ビームを使用した
付着に関するものである。

【図５】本発明で使用できるイオン・ビーム・カラム構
造の概略図である。

【図６】本発明のタイミング制御の概略ブロック図であ
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者アンドリュー・デーヴィッド・ダブナーアメリカ合衆国10562、ニューヨーク州オッシニング、ノース・マルコム・ストリート 67 (72)発明者ジェームズ・ピーター・レヴィンアメリカ合衆国05465、バーモント州ジェリコ、クライスト・レーン 22 (72)発明者ピーター・ポール・ロンゴアメリカ合衆国12533、ニューヨーク州ホープウェル・ジャンクション、フランシス・ドライブ 43 (72)発明者ジョン・レスター・マウアーアメリカ合衆国06785、コネティカット州サウス・ケント、ギーア・マウンテン・ロード（番地なし) (72)発明者アルフレッド・ワグナーアメリカ合衆国10509、ニューヨーク州ブルースター、オーバールック・ドライブ（番地なし)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】イオン・ビーム源を備えたイオン・ビーム
・カラム構造と、前記カラム内で前記イオン・ビームに近接する、前記イ
オン・ビームを集束させて、小さな円形断面のビームを
形成する手段と、前記カラム内にあって、ターゲット表面上の所望の位置
に前記イオン・ビームを位置決めするための偏向手段
と、前記カラム内にあって、前記イオン・ビームが、所望の
時間間隔でターゲット表面に到達しないようにし、かつ
ブランク解除される時間中だけ、前記イオン・ビームを
前記ターゲット表面に到達することができるようにする
ためのブランク手段と、材料を含む前駆体ガスを、吸着されるように前記ターゲ
ット表面に供給するためのガス供給手段と、前記イオン・ビームがブランクされる時間を制御し、前
記イオン・ビームが前記ターゲット表面上の位置に滞在
する時間を制御するためのクロック手段を備えた、タイ
ミング制御手段と、前記偏向手段および前記タイミング制御手段に接続さ
れ、前記ターゲット表面上の連続する位置の、各々に所
定の滞在時間だけ前記イオン・ビームを当てるための制
御信号を供給して、前記連続する位置で吸着されたガス
を分解させ、前記材料を前記ターゲット表面上に付着さ
せるためのコンピュータ手段とを備えることを特徴とす
る、イオン・ビームによってターゲット表面上に材料を
付着するためのシステム。
【請求項２】前記コンピュータ手段から前記偏向手段お
よびタイミング制御手段に供給される前記制御信号が、
前記イオン・ビームを前記ターゲット表面上の連続する
位置の所定の経路に沿って走査させて、前記吸着された
前駆体ガスから付着された材料のパターンを形成させる
ことを特徴とする、請求項１記載のイオン・ビームによ
ってターゲット表面上に材料を付着するシステム。
【請求項３】前記イオン・ビームの前記走査後のリフレ
ッシュ時間中、前記前駆体ガスが前記ターゲット表面に
再吸着され、前記コンピュータ手段が、前記偏向手段お
よび前記タイミング手段に制御信号を供給して、前記走
査パターンを繰り返すことにより、前記リフレッシュ時
間後に前記所定の位置に材料をさらに付着させることを
特徴とする、請求項２記載のイオン・ビームによってタ
ーゲット表面上に材料を付着するシステム。
【請求項４】前記コンピュータ手段が、前記偏向手段お
よび前記タイミング手段に制御信号を供給し、前記ター
ゲット表面上の前記パターンに沿った連続する位置への
偏向の間に前記イオン・ビームがブランク解除されるこ
とを特徴とする、請求項２記載のイオン・ビームによっ
てターゲット表面上に材料を付着するシステム。
【請求項５】前記コンピュータ手段が、前記偏向手段お
よび前記タイミング手段に制御信号を供給し、前記ター
ゲット表面上の前記パターンに沿った連続位置への偏向
の間に前記イオン・ビームがブランクされ、前記位置で
消去解除されることを特徴とする、請求項２記載のイオ
ン・ビームによってターゲット表面上に材料を付着する
システム。
【請求項６】ターゲット表面上に集束イオン・ビームを
当てて吸着された前駆体ガスを分解することにより、タ
ーゲット表面上に吸着された前駆体ガスからの材料を付
着する方法であって、（１）ターゲット表面上に吸着さ
れる前駆体ガスを供給する工程と、（２）前記ターゲッ
ト表面上に集束イオン・ビームを当てることにより、前
記ターゲット表面上の前記吸着された前駆体ガスを分解
し、前記ターゲット表面上に前記分解された前駆体ガス
からの材料を付着させる工程と、（３）前記ターゲット
表面上の複数の連続するスポット上に前記集束イオン・
ビームを偏向させて、付着された材料から成るパターン
を形成する工程と、（４）前記ターゲット表面に前記前
駆体ガスを再吸着させるのに十分なリフレッシュ時間の
後、前記集束イオン・ビームを前記複数の連続スポット
に沿って前記ターゲット表面上にさらに偏向させる工程
とを含むことを特徴とする方法。
【請求項７】前記ターゲット表面上の前記連続スポット
における前記イオン・ビームの偏向を制御し、前記ター
ゲット表面上の前記連続スポットにイオン・ビームが滞
在する時間を制御して、そこでの材料の付着量を制御す
ることにより、前記スポットに付着された材料から所望
のパターンを形成する工程を含むことを特徴とする、請
求項６記載の前駆体ガスから材料を付着する方法。
【請求項８】前記イオン・ビームをブランクして、前記
イオン・ビームが、選択された時間に前記ターゲット表
面に到達しないようにする工程を含むことを特徴とす
る、請求項７記載の前駆体ガスから材料を付着する方
法。
【請求項９】連続スポット間での偏向中に、前記イオン
・ビームがブランクされることを特徴とする、請求項８
記載の前駆体ガスから材料を付着する方法。