JPH0815064B2 - 集束エネルギービーム加工装置および加工方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は集束エネルギービーム加工装置及びその方法
に係り、被加工物として特にVLSI等の半導体装置を加工
するのに好適な、集束エネルギービーム加工装置及びそ
の方法に関する。

〔従来の技術〕

従来の集束エネルギービーム装置としては、集束イオ
ンビーム加工装置,IMA（Ion Micro Analyzer），電子線
描画装置等があるが、これらにおいて被加工部を観察す
る手段は、被加工物表面から放出される２次粒子を検出
して得た２次粒子像のみであつた。ここで２次粒子とし
ては２次電子,2次イオン等がある。

従来装置の一例として、集束イオンビーム加工装置の
構成を第２図に示す。イオン源１から引き出したイオン
ビーム２を、集束レンズ４により集束し試料10上に照射
し加工を行う。またイオンビームの照射と同時にCVDガ
スをノズル35より供給し、局所成膜を行う。この際ブラ
ンキングコントローラ12によりイオンビームのON,OFF
を、デフレクタコントローラ13によりイオンビームの偏
向をそれぞれ制御する。イオンビームの照射とともに試
料10から発生する２次電子、あるいは２次イオンを２次
粒子デイテクタ９（例えばマルチチヤンネルプレート）
により検出し、SIM（Scanning Ion Microscopy:走査イ
オン顕微鏡）像を得る。このSIM像を用いて試料表面の
観察を行う。なお、この種の集束イオンビーム加工装置
として関連するものには例えば特開昭61−245553号が挙
げられる。

また、電子線装置において、２次電子像と光学顕微鏡
像を切り換えにより両方観察可能にした例として、実公
昭59−10687号がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来の集束エネルギービーム装置では、試料観察
は２次粒子像を用いるのみであつた。ここで２次粒子像
とは、集束ビームの偏向走査と同期して、試料表面から
発生する２次粒子を検出し、場所による２次粒子の発生
率の違いを、輝度の変化で表わしたものである。２次粒
子像から得られるのは試料表面の凹凸や、材質の情報で
あり、例えば試料内部の構造等は知ることができない。

一方、現在LSI等の半導体装置は高集積化，高機能化
を進めるために、配線や素子の多層化が進んでいる。被
加工物として、多層化した半導体装置を加工する場合、
以下に示すあらたな要求が生じている。

（１）下層にある所望の配線等に対して位置決めを行
い、位置ズレをモニタしながら加工を行う。

（２）加工の深さ方向の制御を行い、被加工部の下層に
ダメージを与えずに加工を完了する。

観察方法として、２次粒子像を用いた従来の集束エネ
ルギービーム装置ではこれらの要求に対応することがで
きない。すなわち、２次粒子像による下層の観察ができ
ないため、下層への加工位置決めは不可能である。ま
た、２次粒子として２次イオンを検出し、深さ方向の情
報を得ることは可能であるが、多層化した半導体装置に
対するアスペクト比の高い加工においては、２次イオン
の検出自体が困難になり、精度よい深さ制御は不可能で
ある。

これに対し、光学的観察手段を用いれば、多層化した
半導体装置の透明な絶縁層を通して、下層構造を観察す
ることができる。また、光の干渉を利用して、加工深
さ、絶縁層の膜厚等の縦方向の情報を得ることができ
る。

ここで、２次電子像と光学顕微鏡像を両方観察できる
装置として、実公昭59−10687号に記載の装置がある。
しかしながら、本装置では光学像観察用のプリズムを電
子線の光軸下に出し入れすることで、２次電子像観察と
光学像観察の切り換えを行う方式をとつているため、両
者による観察を同時に行うことができない。従つて集束
エネルギービーム装置に適用した場合、この方式では下
層に対する位置ズレや加工深さを光学的にモニタしなが
ら、同時にビーム照射により加工を行うことは不可能で
ある。

本発明の目的は、多層化した半導体装置等を加工する
場合に、下層に対する位置ズレや加工深さ等をモニタし
ながら、位置精度，深さ精度の高い加工を行うことので
きる、集束エネルギービーム加工装置及び加工方法を提
供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、集束したエネルギビームを試料に照射す
る集束エネルギビーム照射手段と、集束したエネルギビ
ームと同じ光軸の方向から試料を照明し試料の集束した
エネルギビームを照射する位置の近傍の光学像を検出し
て表示する光学像検出手段と、集束したエネルギビーム
と同じ光軸の方向から試料にレーザを照射するレーザ照
射手段とを備えたことを特徴とする集束エネルギビーム
加工装置を用いて、試料の加工すべき位置とその近傍に
光を照射しその反射光を検出して試料の加工すべき位置
とその近傍の光学像を表示し、光学像に基づいて集束し
たエネルギビームを試料の加工すべき位置に照射する光
と同じ光軸の方向から照射して試料を加工し、光学像に
基づいて照射する光と同じ光軸の方向からレーザを試料
の加工すべき位置に照射することを特徴とする集束エネ
ルギビーム加工方法により達成される。

〔作用〕

集束光の照射系および反射光，干渉光等の検出系を、
少なくともその光軸の一部が、集束エネルギービームの
光軸と一致する様に設ける。具体的には、物理的に集束
エネルギービームが通過しうる穴を中央に設けた光学部
品（反射像，対物レンズ等）を、集束エネルギービーム
の光軸上に設ける。これにより、光学部品の穴を通過し
た集束ビームにより加工を行いながら、同時にこれらの
光学部品を用いて光を集光照射し、かつ反射光等を検出
することができる。従つて、集束エネルギービームによ
る加工と、集束光による光学的観察および測定を、同時
に行うことが可能となる。

〔実施例〕

以下本発明を集束イオンビーム加工装置に適用した実
施例を図を用いて説明する。

〈実施例１〉 第１図に本発明の第１の実施例の装置構成を示す。イ
オン源１より引き出したイオンビーム２を集束レンズ４
により集束し試料10上に照射し加工を行う。またイオン
ビームの照射と同時に、CVDガスをノズル35より供給し
局所成膜を行う。この際ブランキングコントローラ12に
よりイオンビームのオン，オフを、デフレクタコントロ
ーラ13によりイオンビームの偏向をそれぞれ制御する。
また、CVDガスボンベ33からのCVDガスの流量は、流量調
整バルブ34を用いて制御する。イオンビームの照射とと
もに試料10から発生する２次電子あるいは２次イオンを
２次粒子デイテクタ９により検出しSIM像を得る。SIM像
はメインコントローラ30に送り、さらにモニタ31に表示
する。ここで、本発明においては、イオンビームと同時
に集束光を試料に照射するため、反射光，散乱光等が発
生する。従つて上記２次粒子デイテクタ９は、検出に光
を介するもの（シンチレータとフオトマルの組み合わせ
等）は不適当であり、２次粒子を直接電子として増倍す
るタイプのもの（マルチヤンネルプレート，チヤンネル
トロン等）を選ぶ必要がある。

デフレクタ電極８の下のイオンビームの光軸上に、中
央に穴を設けた反射鏡22を設置する。イオンビームはこ
の中央の穴を通過して試料10に照射する。一方、観察照
明用のランプ23からの光は、ハーフミラー24,24′およ
び窓20を通つて真空チヤンバ14内に入射し、対物レンズ
21により集光され、反射鏡22により試料10上に照射され
る。試料からの反射光は同じ経路を逆に通つて、カメラ
25に結像し、得られた光学顕微鏡像はメインコントロー
ラ30に送り、モニタ32に表示する。

ここで、照明光等の対物集光系について第３図乃至第
５図を用いて説明する。第３図に示した対物集光系は第
１図に示したものと同様であり、照明光を側方に設けた
対物レンズ21により集光した後、反射鏡22により光路を
曲げて試料10上に照射する。この場合、対物レンズ21と
試料10の距離が長くなるため、対物レンズ21は長焦点の
ものを用いる必要があり、光学顕微鏡像の倍率はあまり
高くできない。第４図に示した対物集光系は反射鏡22に
代えて対物凹面鏡49を用いたもので、側方からの照明光
は対物凹面鏡49により、光路を曲げると同時集光され試
料10上に照射される。この場合も、対物凹面鏡49が長焦
点となるため、光学顕微鏡像の倍率はあまり高くできな
い。第５図に示した対物集光系は、中央に穴を設けた対
物レンズ21′を用いたもので、照明光は反射鏡22により
光路を曲げられた後、対物レンズ21′により集光され試
料10上に照射される。この場合、対物レンズ21′は構造
が複雑になるが短焦点のものを用いることができ、光学
顕微鏡像を高倍率にできる。

本発明では、イオンビームと集束光を試料上に同時に
照射することにより、試料上の所望の箇所のSIM像と光
学顕微鏡像を同時に検出できる。そこで、SIM像と光学
顕微鏡像の同時観察を利用した多層試料の加工方法につ
いて第６図を用いて説明する。ここでは、３層配線構造
のLSIで最下層配線50を露出するための、窓開け加工を
例に示す。多層配線を形成するために、層間絶縁膜を平
坦化した場合、その下層の配線の位置を示す凹凸情報は
もはやLSI表面に現われない。従つて第６図において、S
IM像では最下層配線50の位置が検出できず、加工開始時
の位置決めは不可能である。これに対し、同時に検出し
た光学顕微鏡像では、光が層間絶縁膜を透過するため、
最下層配線50の位置を検出できる。そこで以下の手順に
より最下層配線50への加工位置決めが可能となる。ま
ず、あらかじめSIM像と光学顕微鏡像の倍率を一致させ
ておく。これはイオンビームの偏向電圧をデフレクタコ
ントローラで調整し、SIM像の倍率を微調整することで
容易に可能である。次に被加工部を含む領域をSIM像と
光学顕微鏡像で観察し、両像において位置ズレの生じな
い基準となるもの（例えば第６図のスルーホール53の中
心位置等）を用いて、両像の位置座標を対応させる。最
後に、光学顕微鏡像により検出した最下層配線50に対し
加工穴52の位置を設定し、設定した位置をSIM像上に対
応させ、SIM像上での加工穴位置にイオンビームを照射
し加工を開始する。

以上の様にして加工を開始するが、本発明によれば加
工を行うと同時に、光学顕微鏡像により常に加工位置を
観察し加工状態をモニタすることができる。ここで従来
のイオンビーム加工装置では観察手段はSIM像のみであ
り、加工中には加工穴内のSIM像しか得られないため、
加工穴自身のチヤージアツプによる位置ズレ等を検出で
きなかつた。加工穴位置を観察するために、間欠的に広
い領域のSIM像を検出することも考えられるが、この方
法ではリアルタイムで位置ズレを検出することは不可能
である。これに対し、本発明によれば加工中にリアルタ
イムで光学顕微鏡像による観察ができるので、加工穴の
位置ズレをモニタしながら位置精度のよい加工を行うこ
とができる。

また従来装置では目的とするAl配線への窓開け加工の
終了をモニタする有効な手段がなかつた。例えばSIM像
により被加工部を観察しても、加工の進行に伴い加工穴
底から２次粒子が出にくくなり、第６図に示す様に加工
穴25が暗く見えるだけであり、最下層配線50が露出した
かどうかを判断することにはできない。これに対し、光
学顕微鏡像により被加工部を観察すれば、加工穴52内の
輝度の変化によつてAl配線の露出を判断することができ
る。すなわち、Al配線の上に層間SiO₂膜等が残つている
間は、薄膜による多重干渉や屈折により反射光強度は弱
く、Al配線が露出するのとAlの反射率が高いため反射光
強度は強くなり、この反射光強度の変化を加工穴の輝度
の変化として検出し、Al配線の露出を判断することがで
きる。従つて本発明によれば、加工中にリアルタイムで
光学顕微鏡像による観察ができるんで、常にAl配線の露
出をモニタしながら加工を行うことができ、過不足のな
い精度よい窓開け加工が可能となる。

次に、本実施例における加工のもう一つの光学的モニ
タ手段である、レーザ干渉計について説明する。第１図
において、レーザー発振器15から発振していたレーザ光
はシヤツタ16を通り、光路拡張器17でビーム径を拡張し
た後、透過率可変フイルタ18を通過する。ここで、シャ
タ16によりレーザ光のオン，オフを行い、透過率可変フ
イルタ18によりレーザ光強度の調整を行う。レーザ光は
ビームスプリツタ28により光路を２つに分けられ、一方
が窓20を通つて真空チヤンバ14内に入射する。入射した
レーザ光は対物レンズ21により集光し、反射鏡22により
光路を曲げて、試料10上に照射する。この際に、反射鏡
22の中央の穴により損失するレーザ光強度の割合を少な
くするために、光路拡張器17によりビーム径を拡張して
ある。試料10からの反射光は同じ経路を逆に通つて、ビ
ームスプリツタ28により光路を曲げられ、フオトマル29
に入射する。また、先にビームスプリッタ28により光路
を分けられた、もう一方のレーザ光は反射鏡26により反
射し、ビームスプリッタ28を通りフオトマルタ29に入射
する。以上の様にして試料10と反射鏡26により反射して
もどつてきた２つの光が干渉し、その干渉光強度をフオ
トマル29により測定する。このとき、メインコントロー
ラ30の指示によりピエゾ素子27を用いて反射鏡26を微動
し、２つの光の光路差の微調整を行う。以上の様に構成
したマイケルソン干渉計を用いた加工深さ測定方向につ
いて、第７図乃至第10図を用いて説明する。

まず、単一波長λのレーザを用いた干渉計の模式図を
第７図に示す。試料10に照射するレーザ光は、第７図に
示す様に常に加工穴底から反射してもどる様にする。加
工に伴い加工穴底の反射面が後退するため、２つの光の
光路差が変化し干渉光強度が変化する。そこで、フオト
マル29により干渉光強度の変化を測定し、２つの光の光
路差をモニタすることにより、加工穴底の深さを求める
ことができる。ここで、ビームスプリツタ28として透過
率と反射率が等しい材質を選ぶと、フオトマル29に入射
する２つの光の振幅は、それぞれ試料10および反射鏡26
の反射率に比例する。例えば試料10と反射鏡26の反射率
をそれぞれｒおよび１とおくと、２つの光の振幅はフオ
トマル29に入射する時点でra₀，a₀と表わせる。従つて
２つの光の位相差をδとすると干渉光の振幅a₁は a₁＝a₀＋ra₀e^iδ …（１） となる。ここで加工の開始時に干渉光強度が最大（すな
わちδ＝０）になる様に反射鏡26の位置を微調整する。
すると位相差δは加工深さｄにより次式で表わせる。

（１）式（２）式より干渉光強度I₁が次の様に求まる。

例えばLSI加工において、Al配線やSi基板を加工する際
は反射率ｒはほぼ一定と考えてよい。このとき（３）式
のｒは定数となり、加工深さｄに伴い干渉光強度I₁は第
８図に示すグラフの様に変化する。そこで加工開始か
ら、干渉光強度I₁の変化を追跡できれば、第８図の関係
から加工深さｄをモニタできる。また、逆に干渉光強度
I₁が最大値のまま変化しない様に、すなわち試料10側の
加工に伴う反射面の後退を打ち消す様に、反射鏡26を動
かす。すると、反射鏡26の移動量から加工深さｄを直接
読みとることができる。このとき反射鏡26の微動に用い
るピエゾ素子は、全ストロークに対する移動量の分解能
は1000分の１程度であり、例えば20μｍの加工深さまで
対応する場合、深さの読み取り精度は0.02μｍとなりこ
れは十分な精度である。

一方LSI加工において、絶縁層のSiO₂膜を加工する際
は、試料10に照射した光がSiO₂膜により多重干渉を起こ
す。このとき反射率ｒはSiO₂膜厚すなわち加工深さによ
り変化し、もはや定数として扱えない。従つて、上記の
干渉を用いた深さモニタを適用した場合、干渉光強度I₁
の変化が複雑になり、モニタ精度が低下する可能性があ
る。この場合はむしろ、試料10からの反射光強度のみを
測定し、加工深さすなわちSiO₂膜厚の変化に伴う反射光
強度の変化を用いて、加工深さをモニタした方がモニタ
精度は向上する。このモニタ方式については実施例２に
おいて説明する。なお、本実施例の干渉計においても、
反射鏡26からの反射光を光吸収体等を用いて遮断するこ
とにより、容易に試料10からの反射光強度単独の測定に
切り替えることができる。従つて、多層LSIにおいて、S
iO₂層とAl層を順次加工する場合には、SiO₂層とAl層で
それぞれ反射光強度測定および干渉光強度測定による深
さモニタに切り替えて適用することにより、全体として
精度よい深さモニタを行うことができる。

次に、複数波長のレーザを用いた干渉計の模式図を第
９図に示す。干渉計部の構成は第７図と同様である。照
明光の発振部は、レーザ発振器A54,B55,C56から発振し
たそれぞれ波長λ₁，λ₂，λ₃のレーザ光をシヤツタ57,
シヤツタ58,シヤツタ59により、ON,OFFして各々のレー
ザ光を切り替えて照射する構成としている。レーザ光を
照射し干渉光強度I₂を測定するが、試料10の反射率ｒが
一定の場合（AlやSiを加工する場合）の、加工深さｄに
伴うI₂の変化を第10図に示す。ここでレーザ発振器A,B,
Cを用いた場合の干渉光強度をそれぞれI_2A，I_2B，I_2Cと
し、第10図においてそれぞれ実線、一点鎖線，点線で示
した。各々の干渉光強度変化は第８図と同様であり、波
長の1/2の周期で変化する。しかし、波長λ₂，λ₂，λ₃
が異なるため、I_2A，I_2B，I_2Cの値は深さｄの増加に伴
いずれていく。例えば、レーザA,B,Cとして、Arレーザ
のブルー,Arレーザのグリーン,He−Neレーザーを用いた
場合λ₁＝488nm,λ₂＝515nm,λ₃＝633nmであり、I_2A，I
_2B，I_2Cが再び一致するのは計算上深さｄが5mm程度の時
になる。実際の加工（ｄ数10μｍ）を考えた場合、I
_2A，I_2B，I_2Cが再び一致することはない。従つて、
I_2A，I_2B，I_2Cの３つの干渉光強度を測定すれば、第10
図の関係からその時点の深さｄが決定できる。

単一波長のレーザを用いた第７図の干渉計による深さ
モニタでは、同一試料に多数の加工を行う場合でも各々
の加工を開始する毎に、干渉光強度が最大になる様に初
期値を調整する必要がある。これに対し、複数波長のレ
ーザを用いた第９図の干渉計による深さモニタでは、基
準となる高さにおいて、３つの干渉光強度が最大になる
様に、１度だけ調整すればよい。各々の加工開始時に
は、I_2A，I_2B，I_2Cの値からまず基準高さに対する加工
開始面の相対高さを求め、引き続き第10図の関係を用い
て、所望の深さまでの加工をモニタすればよい。この複
数波長レーザを用いた深さモニタは、第９図に示した様
な多段加工を行う際に特に有効である。

次に本実施例の装置を用いた、局所成膜方法について
説明する。第１図においてレーザ発振器15から発振した
レーザ光は、前述の経路を通つて試料10に照射される。
透過率可変フイルタ18によりレーザ光高度を十分な強さ
に調整するとともに、CVDガスをノズル35より供給しレ
ーザCVDによる局所成膜を行う。またイオンビームの照
射と同時に、CVDガスを供給しイオンビームCVDによる局
所成膜を行う。本装置では、イオンビームとレーザ光を
それぞれブランキングコントローラ12およびシヤッタ16
を用いて、任意にON,OFFすることができる。従つてノズ
ル35よりCVDガスを供給しながら、イオンビームとレー
ザ光のON,OFFを制御することにより、イオンビームCVD,
レーザーCVD,および両者による同時成膜を、任意に選択
して行うことができる。

本装置を用いた局所配線形成例を第11図に示す。ここ
でレーザCVDでは、レーザ光により試料を局所加熱し、
熱エネルギーにより試料表面近傍のCVDガス分子を分解
し、成膜を行う。レーザ光強度を十分な強さに調整すれ
ば、結晶構造のよい低抵抗配線を高速に成膜できる長所
があるが、熱の拡散が生じるため細い配線を形成しにく
い欠点がある。またイオンビームCVDでは、照射イオン
の物理的なエネルギーにより、CVDガス分子を分解し成
膜を行う。イオンビームは微細に集束可能で周辺へのエ
ネルギー拡散も少ないため、微細な配線を形成できる長
所があるが、結晶構造が整いにくいため抵抗率が高くな
り、エネルギー量が少ないため高速成膜が難かしい欠点
がある。第11図は、これら両CVD配線の長所を組み合せ
て配線形成を行つた例である。コンタクトホール66で下
層Al配線65に接続し、Alパツド63とAlパツド64の間の狭
いすき間を通る間は、イオンビームのみを照射し、微細
なイオンビームCVD配線67を形成する。周辺への影響が
ない位置まで配線を引き出した後、レーザ光を重畳照射
し低抵抗のレーザCVD配線68を高速形成する。

次に本装置を用いたLSIへのレーザCVD配線形成につい
て、第12図を用いて説明する。LSIはその大部分が、SiO
₂絶縁層とその下のAl配線層により表面を覆われてい
る。レーザ光をLSIに照射すると、SiO₂層は透過し、Al
層表面では反射し、レーザ光のエネルギーのごく一部し
か吸収されない。従つて、LSI表面にレーザCVD配線を形
成する場合、レーザ光を単純に照射したのではレーザ光
強度を非常に強くする必要が生じ、素子へのダメージ等
が問題となる。これに対し、本実施例の装置によれば、
第12図に示す様にイオンビーム69とレーザ光70を重畳し
て同時に照射することができる。この重畳ビームを用い
てCVD配線形成を行うと、まずイオンビームCVD配線67が
形成され、この配線が効率よくレーザ光70を吸収し、レ
ーザCVD配線68を形成する。このとき、レーザ光70の強
度は低く抑えることができるので、素子へのダメージ等
の問題を防ぐことができる。なお、本方式を用いればLS
Iに限らず、透過率や反射率のかなり大きな材質に対し
ても、レーザCVDによる局所成膜が可能となる。

〈実施例２〉 第13図に本発明の第２の実施例の装置構成を示す。集
束イオンビーム光学系の鏡筒部と、光学顕微鏡像の観察
部は実施例１と同様である。本実施例は、光学的測定手
段としてレーザ走査顕微鏡を付加したものである。レー
ザ発振器15から発振したレーザ光は、シヤツタ16,透過
率可変フイルタ18を通り集束レンズ19によりいつたん集
光された後XYスキヤナ37に入射する。XYスキヤナ37を通
過したレーザ光は、窓20を通つて真空チヤンバ14内に入
射し、反射鏡22により光路を曲げられた後、対物レンズ
21′により試料10上に集光される。試料10からの反射光
は同じ経路を逆に通つて、ハーフミラー36により光路を
曲げられ、ピンホール38で結像し、フオトマル39に入射
する。ここで、集束レンズ19により集光したレーザ光を
点光源として用いているが、この点光源と反射光の結像
位置（ピンホール位置）共焦点位置の関係を成し、１つ
の対物レンズ21′をレーザ光が往復することで、全体が
共焦点型の光学系になつている。以上の様にして、試料
10上の集束レーザ光のスポツト領域１点からの反射光強
度を、フオトマル39により検出する。XYスキヤナ37を用
いて、集束レーザ光を試料10上で走査し、走査と同期し
てフオトマル39により反射光強度を検出し、レーザ走査
顕微鏡像を得る。

レーザ走査顕微鏡像は分解能が高く、不要散乱光はピ
ンホールで除去し、その影響を全く受けないので、コン
トラストの高いすつきりした像が得られる。また同じ対
物レンズを用いても、像として焦点深度が深くなるの
で、特に多層LSI等の奥行のある試料に大して、最適の
工学的観察手段となる。

次に反射光強度測定を利用した、加工深さモニタにつ
いて説明する。実施例１で触れた様に、LSIの透明絶縁
膜（SiO₂膜等）に光を照射すると、光が多重干渉を起こ
し、反射光強度は膜厚により変化する。そこで、多層LS
Iの絶縁膜への窓開け加工等を行う場合、加工と同時に
集束レーザ光を加工穴底に照射し、加工に伴う絶縁膜の
膜厚変化を、反射光強度変化として検出し、加工深さモ
ニタを行う。

第14図に透明膜による光の多重干渉の模式図を示す。
試料はLSIとし、Al配線72の上に透明絶縁層71の薄膜が
形成してある。入射光L₀は、膜厚Ｄの絶縁層71の間をく
り返し反射し、第1,第2,第3,…の反射光L₁，L₂，L₃，…
を生ずる。L₁，L₂，L₃，…すべての反射光が干渉した干
渉光強度が、実際の反射光強度として検出される。真空
から絶縁層71への透過率，反射率をt₁，r₁，絶縁層71か
らAl配線72への透過率，反射率をt₂，r₂，絶縁層71から
真空への透過率，反射率をｔ′₁,r′₁とおく。また入射
光L₀の振幅をa₀，相離れる反射光（例えばL₁とL₂）の位
相差をδ，絶縁層71の光吸収率をαとすると、くり返し
反射干渉光の振幅a₃はL₁，L₂，L₃…を全て加えて （ここでｒ′₁＝−r₁，t₁ｔ′₁＝１−r² ₁を用いた） となる。また位相差δは、絶縁層71の膜厚D,屈折率ｎに
より次式で表わせる。

（４）式（５）式よりくり返し反射干渉光の強度I₃は次
の様に求まる。

次に本実施例において、反射光強度測定による深さモ
ニタを実現するための、装置構成の模式図を第15図に示
す。光源として複数波長のレーザを用いる。レーザ発振
器A73,B74,C75から発振したそれぞれ波長λ₁，λ₂，λ₃
のレーザ光をシヤツタ76,シヤツタ77,シヤツタ78により
ON,OFFして各々のレーザ光を切り替えて照射する。レー
ザ光を照射し反射光強度I₃を測定するが、試料がLSIで
あるとき（６）式においてα≒０となり、膜厚Ｄによる
I₃の変化は概して第16図に示す様になる。ここでレーザ
発振器A,B,Cを用いた場合の反射光強度をそれぞれI_3A，
I_3B，I_3Cとし、第16図においてそれぞれ実線，一点鎖
線，点線で示した。各々の反射光強度は、波長の1/2nの
周期で変化するが、３つの波長が異なるためそれぞれの
反射光強度は膜厚Ｄの値とともにずれていく。実際のLS
Iにおける膜厚範囲ではI_3A，I_3B，I_3Cが一致することは
ないので、３つの反射光強度を測定すれば、その値から
絶縁膜の膜厚を決定できる。実際の窓開け加工の際に
は、加工と同時に３つのレーザ光をくり返し加工穴底に
照射し、反射光強度から膜厚Ｄを求めて、Ｄの値がゼロ
になるまで加工を行えばよい。

次に自動焦点を用いた、試料の凹凸形状モニタについ
て第17図，第18図を用いて説明する。まず点光源に対す
る共焦点位置に、ピンホール38の位置を合わせる。この
状態で、対物レンズ21を通つたレーザ光が試料10上に焦
点を結べば、試料10からの反射光はピンホール38の位置
に結像し、フオトマル39で検出する反射光強度は最大に
なる。逆に試料10上で焦点がボケた場合には、反射光の
結像位置がピンホール38の位置からずれるため、ピンホ
ール38を通過する反射光強度は急激に低下する。そこ
で、ピエゾ素子40によりピンホール38を共焦点位置の前
後に動かし、前後で検出する反射光強度が等しくなる様
に（前後のボケ量が等しくなる様に）、対物レンズ21を
上下に動かし自動焦点を行う。このとき、対物レンズ21
を駆動するピエゾ素子89に与える電圧から、対物レンズ
21の上下位置を得る。ここで、レーザ光が試料10上に焦
点を結んだときは、焦点面すなわち試料表面から、対物
レンズ21までの距離は常に一定となる。従つて、自動焦
点を行いながらレーザ光を試料上で走査し、その間の対
物レンズ21の上下変動をモニタすることにより、試料表
面の凹凸形状を得ることができる。例えば第18図に示す
様に、Al配線82の凸部と加工穴83の凹部を横切る様にレ
ーザ光を走査すると、右に示す様な凹凸プロフアイルが
得られる。ここで急な斜面では、反射光が乱れて自動焦
点が困難になるが、図中ではこの部分を点線で示してあ
る。また、XYスキヤナ37を用いてレーザ光を試料上で２
次元的に走査することにより、試料表面の２次元凹凸形
状をモニタすることもできる。

〈実施例３〉 第19図に本発明の第３の実施例の装置構成を示す。集
束イオンビーム光学系の鏡筒部は実施例１と同様であ
り、光学的測定手段として斜方照明レーザ走査顕微鏡を
設けたものである。レーザ発振器15から発振したレーザ
光は、実施例２と同様に集束レンズ19によりいつたん集
光された後、XYスキヤナ37に入射する。XYスキヤナ37を
通過したレーザ光は、ビームスプリツタ41により２つに
分けられ、一方は窓42を通つて真空チヤンバ14内に入射
し、対物レンズ44により集光され試料10を斜めから照明
する。もう一方のレーザ光は窓43を通つて真空チヤンバ
14内に入射し、反射鏡45により光路を曲げられた後、対
物レンズ46により集光され試料10を逆方向から斜めに照
明する。試料10からの反射光のうち、イオンビームの光
軸方向への反射光を対物レンズ47で集光し、反射鏡48で
光路を曲げて、ピンホール38に結像させ、フオトマル39
に入射させる。ここで、点光源から対物レンズ44（ある
いは対物レンズ46）を通り、試料10上の１点に結像する
までの光学系と、試料10からの反射光がピンホール38に
結像するまでの光学系は、全体として共焦点型の光学系
を構成する。また、対物レンズ44および対物レンズ46に
よるレーザ光の集束点が、試料10上でほぼ一致する様
に、左右の光学系の光軸を調整する。以上の様にして、
試料10上の１点（２つのレーザ光の集束一致点）から、
イオンビームの光軸方向へ反射する反射光強度を、フオ
トマル39により検出する。XYスキヤナ37を用いて、集束
レーザ光を試料10上で走査し、走査と同期してフオトマ
ル39により反射光強度を検出し、斜方照明レーザ走査顕
微鏡像を得る。

次に斜方照明走査光学系について、第20図を用いて説
明する。対物レンズ44および対物レンズ46に対して、レ
ーザ光が垂直に入射し、試料10上の同一点に２つのレー
ザ光が集光した場合の光路を実線で示す。また、レーザ
光を走査するために、レンズの垂直軸に対してθだけ入
射角をずらした場合の光路を点線で示した。対物レンズ
44側で入射角がθだけずれると、対物レンズ46側でも同
様に入射角がθだけずれることが、幾何学的に容易に求
まる。そこで、２つの対物レンズをともにｆθレンズに
すると、試料10上での集束点のずれ量Ｘが、レンズへの
入射角θに比例することから、左右のレーザ光は試料上
で常に同一点に結像する。なお、左右のレーザ光の集束
点がｌだけずれた場合は、試料上の２つの集束点は、常
に距離ｌだけずれることになる。

次に斜方照明レーザ顕微鏡によるLSIの観察につい
て、第21図を用いて説明する。左右のレーザ照明光を別
々に照射した場合の観察像を、（ａ）および（ｂ）に示
す。レーザ光の照射方向を矢印で示すが、それぞれ照射
方向側のエツジが明るくなる。実際には左右のレーザ光
を同時に照射するため、得られる観察像は２つの像を重
畳した（ｃ）に示す像となる。基本的な特徴は、実施例
２で説明した通常のレーザ走査顕微鏡像と同様である
が、斜方照明であることから、試料の凹凸部特にAl配線
のエツジが強調され、位置検出に適した像となる。例え
ば、（ｄ）に示したSIM像と比較すると、SIM像では凹凸
部のエツジ位置をはつきりとは検出できず、特に表面に
凹凸情報が現われない最下層配線86は、その位置を検出
できない。これに対し、（ｃ）の斜方照明レーザ走査顕
微鏡像では、凹凸部のエツジが明確に検出でき、レーザ
照明光りが絶縁層を透過するので、最下層配線86のエツ
ジ位置を検出できる。

ここで、左右のレーザ照明光の集束点がずれている場
合、得られる像は（ａ）および（ｂ）の２つの像をずら
して重畳した像になる。そこで、検出した像を確察しな
がら、加工穴のエツジ位置等が左右で一致する様に、光
学系の調整を行えば、左右のレーザ光の集束点を一致さ
せることができる。

また、２つのレーザ光の光軸上にシヤツタ等を設け、
左右のレーザ光を切り替えて照射する。交互に検出した
（ａ）および（ｂ）の２つの像を別々に画像メモリに入
力し、電気的に２つの像を合成して、（ｃ）の像を得る
こともできる。この場合は、左右のレーザ光の集束点を
完全に一致させる必要はなく、２つのレーザ光を試料上
の近傍に集束すればよい。

〔発明の効果〕

本発明によれば、集束エネルギービームによる加工
と、集束光による工学的観察および測定を、同時に行う
ことができるので、多層化した半導体装置等を加工する
場合に、下層に対する位置ズレや加工深さを工学的にモ
ニタしながら加工を行うことができ、位置精度，深さ精
度の高い加工ができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例１の装置構成図、第２図は従来
装置の構成図、第３図乃至第５図は対物集光系の説明
図、第６図はSIM像および光学顕微鏡像の説明図、第７
図は光の干渉による深さ測定の原理説明図、第８図は深
さと干渉光強度の関係の一例を示す図、第９図は複数波
長照明を用いた光の干渉による深さ測定の原理説明図、
第10図は複数波長照明を用いたときの深さと干渉光強度
の関係の一例を示す図、第11図は実施例１により形成し
たCVD配線の模式図、第12図は実施例１によるCVD配線形
成方法の説明図、第13図は実施例２の装置構成図、第14
図はくり返し反射干渉の説明図、第15図はくり返し反射
干渉光による膜厚測定の原理説明図、第16図は膜厚とく
り返し反射干渉光強度の関係の一例を示す図、第17図は
実施例２における焦点合わせの原理説明図、第18図は焦
点合わせを用いた試料の凹凸形状モニタの説明図、第19
図は実施例３の装置構成図、第20図はレーザ斜方照明系
の説明図、第21図は斜方照明レーザ顕微鏡像の説明図で
ある。 １……イオン源、２……イオンビーム、３……引出電
極、４……集束レンズ、５……ビームリミツテイングア
パーチヤ、６……ブランキング電極、７……ブランキン
グアパーチヤ、８……デフレクタ電極、９……２次粒子
デイテクタ、10……試料、11……ステージ、12……ブラ
ンキングコントローラ、13……デフレクタコントロー
ラ、14……チヤンバ、15……レーザ発振器、16……シヤ
ツタ、17……光路拡張器、18……透過率可変フイルタ、
19……集束レンズ、20……窓、21……対物レンズ、23…
…ランプ、25……TVカメラ、27……ピエゾ素子、29……
フオトマル、30……メインコントローラ、31,32……モ
ニタ、33……CVDガスボンベ、34……流量調整バルブ、3
5……ノズル、37……XYスキヤナ、38……ピンホール、3
9……フオトマル、40……ピエゾ素子、42,43……窓、4
4,46,47……対物レンズ、49……対物凹面鏡、50……Al
配線、51……絶縁膜、52……加工穴、53……スルーホー
ル、54,55,56……レーザ発振器、57,58,59……シヤツ
タ、63,64……Alパツド、65……Al配線、66……コンタ
クトホール、67……イオンビームCVD配線、68……レー
ザCVD配線、69……イオンビーム、70……レーザ光、71
……絶縁層、72……Al配線、73,74,75……レーザ発振
器、76,77,78……シヤツタ、84……第１層配線、85……
第２層配線、86……第３層配線、87……スルーホール、
88……加工穴、89……ピエゾ素子

フロントページの続き (72)発明者 嶋瀬 朗 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 水越 克郎 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 (56)参考文献 特開 昭61−245553（ＪＰ，Ａ) 特公 昭40−16052（ＪＰ，Ｂ１)

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】集束したエネルギービームを試料に照射す
   る集束エネルギービーム照射手段と、 前記集束したエネルギービームと同じ光軸の方向から前
   記試料を照明し前記試料の前記集束したエネルギービー
   ムを照射する位置の近傍の光学像を検出して表示する光
   学像検出手段と、 前記集束したエネルギービームと同じ光軸の方向から前
   記試料にレーザを照射するレーザ照射手段と を備えたことを特徴とする集束エネルギービーム加工装
   置。
2. 【請求項２】前記レーザ照射手段は、前記照射されて前
   記試料から反射したレーザを検出するレーザ検出部と、
   該レーザ検出部で検出した前記試料から反射したレーザ
   に基づいて画面表示を行なう画像表示部とを更に有する
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の集束エ
   ネルギービーム加工装置。
3. 【請求項３】前記集束エネルギービーム加工装置は、前
   記試料の近傍にガスを供給するガス供給手段を更に有
   し、該ガス供給手段で前記試料の近傍にガスを供給した
   状態で前記試料に前記集束したエネルギービーム又は前
   記レーザを照射することにより、前記試料を加工するこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の集束エネ
   ルギービーム加工装置。
4. 【請求項４】前記試料を加工することが、前記試料上へ
   の局所成膜であることを特徴とする特許請求の範囲第３
   項に記載の集束エネルギービーム加工装置。
5. 【請求項５】前記レーザ照射手段は、前記レーザを走査
   して照射することを特徴とする特許請求の範囲第１項又
   は第２項に記載の集束エネルギービーム加工装置。
6. 【請求項６】前記レーザー照射手段は、波長の異なる複
   数のレーザを前記試料に照射することを特徴とする特許
   請求の範囲第１項に記載の集束エネルギービーム加工装
   置。
7. 【請求項７】前記レーザ照射手段は、前記照射されて前
   記試料から反射したレーザを検出する検出部と、該検出
   部で検出した前記試料から反射したレーザに基づいて前
   記集束エネルギービーム照射手段により前記試料に加工
   された穴の深さを算出する深さ算出部とを有することを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の集束エネルギー
   ビーム加工装置。
8. 【請求項８】前記集束したエネルギービームが、集束イ
   オンビームであることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項乃至第７項の何れかに記載の集束エネルギービーム加
   工装置。
9. 【請求項９】前記集束したエネルギービームが、集束し
   た電子ビームであることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項乃至第７項の何れかに記載の集束エネルギービーム
   加工装置。
10. 【請求項１０】試料の加工すべき位置とその近傍に光を
    照射しその反射光を検出して前記試料の加工すべき位置
    とその近傍の光学像を表示し、 前記光学像に基づいて集束したエネルギービームを前記
    試料の加工すべき位置に前記照射する光と同じ光軸の方
    向から照射して前記試料を加工し、 前記光学像に基づいて前記照射する光と同じ光軸の方向
    からレーザを前記試料の加工すべき位置に照射する ことを特徴とする集束エネルギービーム加工方法。
11. 【請求項１１】前記レーザを照射して前記試料の加工す
    べき位置から反射したレーザを検出することにより、前
    記集束したエネルギービームによる前記試料の加工の状
    態をモニタすることを特徴とする特許請求の範囲第10項
    に記載の集束エネルギービーム加工方法。
12. 【請求項１２】前記集束したエネルギービームによる前
    記試料の加工と該加工の状態のモニタとを、同時に行な
    うことを特徴とする特許請求の範囲第10項に記載の集束
    エネルギービーム加工方法。
13. 【請求項１３】前記集束したエネルギービームの照射と
    前記レーザの照射とを、それぞれ反応ガスの雰囲気中で
    行ない、前記集束したエネルギービーム又は前記レーザ
    を前記試料の加工すべき位置に照射することにより、前
    記試料上に局所成膜を行なうことを特徴とする特許請求
    の範囲第10項に記載の集束エネルギービーム加工方法。
14. 【請求項１４】前記レーザを前記試料の前記加工すべき
    位置とその近傍に走査して照射し、該走査して照射した
    レーザの前記試料からの反射光を検出し、該検出した反
    射光に基づいて前記試料表面の像を表示することを特徴
    とする特許請求の範囲第10項に記載の集束エネルギービ
    ーム加工方法。