JPH09186138A

JPH09186138A - イオンビーム加工装置

Info

Publication number: JPH09186138A
Application number: JP49096A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Madokoro; 祐一間所; Yoshimi Kawanami; 義実川浪; Toru Ishitani; 亨石谷; Kaoru Umemura; 馨梅村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-01-08
Filing date: 1996-01-08
Publication date: 1997-07-15

Abstract

(57)【要約】【課題】ビーム切り替え時の集束ビーム径が大きくなる
のを防止し、観察用の集束ビームと加工用成形ビームの
位置ずれを補正する。【解決手段】アパーチャ挿入などによりビーム発散角を
換える。また、集束ビームの中間集束点をステンシルマ
スク上にして、二次電子検出により集束ビームと成形ビ
ームの位置ずれをステンシルマスクの移動により補正す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体集積回路の製
造に係り、特に、集積回路の検査、及び、開発に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路の製造工程に於ける微細
加工ではリソグラフィ技術が一般に使われているが、こ
れはレジスト塗布，露光，エッチング，レジスト除去な
どの多くの工程を含むため、回路の動作検査などに付随
する加工を迅速に行うには適していない。

【０００３】検査用微細加工には、従来から直径０.１
μｍ程度に集束したイオンビームを加工試料上で所望
の形状にパターン走査して、照射イオンの運動エネルギ
により加工試料表面の原子を弾き飛ばす、スパッタ加工
が使われている。この方法はイオンビームの走査パター
ンを制御すれば容易に任意形状の加工をすることができ
る。しかし、ビームを絞って直径を０.１μｍ程度にす
ると、ビーム電流量が高々１ｎＡ程度、即ち、毎秒飛来
するイオンの数にして６×１０⁹個と少ないため、単位
時間当たりのスパッタ原子数、即ち、加工速度が低く、
大面積，大加工体積の処理には時間がかかりすぎるとい
う問題があった。

【０００４】図３に集束イオンビーム装置の典型的なビ
ーム径，ビーム電流とビーム発散角に対する依存性を示
した。ビーム径は加工精度，ビーム電流は加工速度に対
応する。横軸のビーム発散角はイオンビームが集束光学
系に入射する時の角度の半角である。ビーム径を決める
球面収差，色収差は、それぞれ、この角度の３乗，１乗
に比例する性質を持っているため、ビーム径を小さくし
加工精度を高くしようとすれば、それだけビーム発散角
を制限しなければならず、ビーム電流が少なくなり、必
然的に加工速度が低下する。

【０００５】この点を改良するためにビーム照射部にエ
ッチングガスを導入するなどの工夫もされているが、高
々１０倍程度の増速効果しかなく、また、化学反応によ
るエッチングのため材料選択性が生じる。化学組成の異
なる材料が層状に積み重なった加工試料、例えばシリコ
ン基板，ＳｉＯ₂絶縁膜，配線Ａｌ膜などが積層した集
積回路を加工する場合、中途で増速加工が止まったり、
逆に自発的なエッチングが生じるなどして、加工形状の
制御が困難であった。

【０００６】一方、ステンシルマスクを投影し、成形イ
オンビームを形成する技術についても研究が進められて
いる。成形ビームは集束ビームよりも電流密度で劣るが
ビーム径が大きく総電流量では優る。加工精度は成形ビ
ームのボケに対応するが、光学系の中心軸からの距離に
依存する。ここで考えている直径数１０〜数１００μｍ
程度の加工に応用を限定すれば、数１０ｎｍのレベルま
で実現可能である。成形イオンビームの応用に関しては
論文マイクロエレクトロニクエンジニアリング(Micro
electronic Engineering) Vol.17, p229−240 (1992)に
詳しい。彼らはイオンビームリソグラフィ、即ち、イオ
ンビームによりレジストを露光，現像してレジストパタ
ーンを作り、これをマスクとして基板，膜をエッチング
したり、デポジションを行う技術を開発している。イオ
ンビームを使用するのは、現在使われている光，電子ビ
ームによりも加工の微細性を向上させるためである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記のように従来の集
束イオンビーム加工機では、ビームを絞り加工精度を高
くしようとするとビーム電流が減り、加工速度が低下す
るという欠点があった。

【０００８】本発明の目的はこの点を解決し、集束イオ
ンビームと同等、またはそれ以上の微細加工性を持ちな
がら、加工速度がより高いイオンビーム加工装置を提供
することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明によるビーム加工
装置では、加工部の観察には集束ビームを用い、加工に
は大電流の成形ビームを使用することで高速化を図る。
従来の集束イオンビーム加工装置では、このような切り
替えはできないため、スループットを向上することは不
可能であった。本発明で、これを実現するための技術的
手段について以下に詳しく述べる。

【００１０】成形イオンビームはステンシルマスクのパ
ターンを試料上に投影することで形成される。図４に成
形イオンビーム装置の概略構成を示した。イオン源１６
から放出されたイオンは照射光学系１８により集めら
れ、ステンシルマスク６を照射する。さらに、ステンシ
ルマスクを通ったイオンは投影光学系１９により加工試
料９上に照射される。投影光学系１９はステンシルマス
クを試料表面に投影する結像条件を満たしている。照射
光学系１８は投影像の歪み、ボケなどの収差を小さくす
るようにイオンビームを通すのが目的であるが、最も単
純にはイオン源からの放出イオンを効率的にマスク上に
集める、いわゆる、コンデンサレンズで構成される。

【００１１】照射光学系，投影光学系をそれぞれ、一つ
の静電レンズで構成した最も単純な成形イオンビーム装
置を図５に示す。図中、ビームを２０で示したが、この
場合は照射レンズ強度を調節することにより、投影レン
ズの中心に集束している。これは、このようにすると、
投影レンズの収差が小さくなるという利点があるためで
ある。

【００１２】図２に典型的な集束イオンビーム装置の構
造を示した。図５と比較して分かるように、イオン源と
レンズ２段という光学系の基本構成で成形ビーム形成装
置と違いはない。しかし、前述したように、集束イオン
ビーム装置では、ビームを微細に集束するために、イオ
ンビームの発散角をアパーチャで制限する必要がある。
同図では液体金属イオン源１の下のビーム制限アパーチ
ャ１４、及び、対物レンズ用ビーム制限アパーチャ１５
がその役目を果たしている。目的とするビーム径に応じ
て、アパーチャを選択してビーム発散角を色々に変える
が、通常の集束イオンビーム装置では、数mradから数１
０mradにする。

【００１３】これに対して、成形ビーム装置の光学系で
はイオン源の直後でのビーム発散角が大きいのが特徴で
ある。成形ビームの場合、イオン源直後のビームの広が
りは直接収差には影響しない。このため、単位立体角当
たりの放出イオンの均一性が良い範囲で電流を効率的に
得るために、ビーム発散角の制限は緩くしている。集束
イオンビームで通常使用される液体金属イオン源を使っ
た場合、ビーム発散角は１００mrad程度はとれる。この
時、総ビーム電流は数μＡになる。

【００１４】このように、集束イオンビームと成形イオ
ンビームの光学系はレンズの構成は同じであるが、ビー
ム発散角が異なるため、レンズ電圧の切り替えのみでビ
ームを切り替えることは非常に困難である。例えば、成
形イオンビーム装置で集束イオンビームを形成しようと
しても収差の影響でビーム径が大きくなり、二次電子信
号により加工位置を決める際の精度が落ちてしまう。逆
に集束イオンビーム装置では投影範囲とビーム電流が非
常に小さくなってしまう。本発明の骨子である、ビーム
切り替えによる加工速度の向上を実現する上では、これ
が第１の問題点である。

【００１５】第２の問題点として、仮に集束ビームによ
り二次電子信号が高精度で検出できたとしても、成形ビ
ームに切り替えたときにステンシルマスクの投影像との
位置関係がずれていると、所望の加工ができないという
ことが挙げられる。マスク投影像と二次電子信号の位置
ずれを把握し、補正する方法が必要である。

【００１６】第３の問題点は、集束ビームと成形ビーム
の切り替え時にレンズ電圧を正確に設定しなければ、集
束ビーム径が太くなったり、投影像の歪み，ボケ等の収
差が大きくなったりして加工精度が低下することであ
る。これを正確に設定する方法が必要である。

【００１７】第４の問題点は、ビーム偏向器の電圧の変
更で加工形状を任意に変えられる集束イオンビームと比
較した場合、ステンシルマスクを用いる成形ビーム装置
では、装置内に装備できる成形ステンシルマスクの種類
は限られるために加工形状が限定されることである。様
々な加工形状に対応するために、ステンシルマスクパタ
ーンの選択，倍率の調整，変形などの機能があることが
必要である。

【００１８】また、第５の問題点として、イオン照射に
よるステンシルマスクの損耗が挙げられる。これをでき
る限り少なくし、さらに、損耗したステンシルマスクの
交換が、迅速に行えることが実用上重要である。

【００１９】第１の問題点の解決手段を述べる。これに
は可動型のビーム制限アパーチャを設け、ビーム発散角
を制御可能にすれば良い。図１に装置構成を示した。集
束ビーム形成時には、ビーム制限アパーチャ３の口径の
小さい方を選択，ビーム発散角を小さくし、成形ビーム
を形成する際には径の大きい方と取り替え，ビーム電流
を増やす。このようにアパーチャを選択する方法の他に
も、さらに光学系の構成要素を増やして、照射光学系を
２段のレンズとアパーチャで構成する方法なども使うこ
とができる。これについては実施例２で述べる。

【００２０】第２の問題点は以下に述べる手段で解決で
きる。集束ビームから成形ビームへ切り替えた時の位置
ずれは、無偏向の集束ビームの中間集束点がステンシル
マスクパターンの中心にあれば生じることはない。従っ
て、図１のステンシルマスク６上で偏向器５により中間
集束点を移動させ、マスクパターンを通ったイオンビー
ムが試料台に照射されて生じる二次電子を検出して、パ
ターンの位置を機械的に調節し、走査範囲の中心に持っ
て来れば、試料上でもビーム中心が投影パターンの中心
に来るはずである。集束イオンビーム装置では図１と同
様、試料ステージ１０の近傍に二次電子検出器１１があ
り、偏向器８の偏向電圧に同期して二次電子像を形成す
る機能があるが、図１で偏向器５でラスタスキャンを行
い、これに同期して二次電子像とすれば、位置ずれの補
正は容易にできる。この場合、注意しなくてはならない
のは、偏向器５と同期した場合には通常使用する偏向器
８と同期した場合と像の向きが逆になっていることであ
るが、これは二次電子信号を画像に表示する時に電気的
な処理で直すことができる。位置ずれ補正時に試料にビ
ームを当てられない場合にはビーム路の途中にシャッタ
を入れれば良いが、こうすると試料台からの二次電子が
検出できなくなるのでステンシルマスク上に別の二次電
子検出器を設置する必要がある。パターンが回転してず
れている場合も、上記の方法で位置ずれと同様に、二次
電子信号を検出してマスクパターンの角度を補正できる
が、この場合、試料台かステンシルマスクの支持台のど
ちらかに回転角を調節できる機構が必要である。

【００２１】第３の問題点を解決する手段を以下に説明
する。まず、集束ビームの場合のレンズ電圧の設定を行
うが、照射光学系でステンシルマスク上にビームを中間
集束する。これには図１の偏向器５を使ってビームを走
査、ステンシルマスク６を通過したビームにより試料か
ら発生した二次電子信号を検出し、開口部のエッジでの
信号の形状が最も急峻になるように照射レンズ４の電圧
を調節すれば良い。ビーム走査に同期した二次電子像が
観察できるならば、マスクパターンのエッジが明確に見
えるようにする。このようにすれば、中間集束点はステ
ンシルマスク上に設定される。上述のマスクパターンの
位置補正もこの時に同時に行うことが可能である。

【００２２】次に、この状態から、マスク６を通過する
ように偏向器５の電圧を調節，固定し、偏向器８を動作
させる。こうして投影レンズ電圧を調節し、試料からの
二次電子信号、または、二次電子像について同様になる
ようにする。

【００２３】以上で、集束ビームの場合の照射，投影，
両レンズ電圧の設定はできたことになる。ビームをより
集束し、観察像の解像度を高くするためにはアパーチャ
３の位置を二次電子信号を見ながら調節すれば良い。こ
の集束ビームの設定時に既に投影レンズに関してはステ
ンシルマスクの像を試料上に投影する結像条件が満たさ
れる。従って、成形ビームに切り替える時には、照射光
学系のレンズ電圧のみを変えれば良い。集束ビームの中
間集束点の位置は任意性があり、また中間集束点を作ら
ずに集束することもできるが、このようにステンシルマ
スク上で中間集束を行うことによりビーム切り替え時の
調整を少なくすることができる。

【００２４】成形ビームのボケ，歪みは投影レンズ７の
中心付近でビームを集束した時に極小になるので、偏向
器５でビームを走査しつつ、今度は投影レンズ電極のエ
ッジでの二次電子信号の波形が急峻に変化するように照
射光学系の電圧を設定する。電極のエッジがビームの走
査範囲内に入らない、或いは障害物がある場合にはこの
方法は不可能なので、目標となる物を最適集束点の近傍
に挿入して、その陰が明確になるように照射レンズ電圧
を調節する。この方法を図６に示す。ここではレンズと
して一般的な板状のアインツェルレンズを使用してい
る。目標物としているのは細線２１である。投影時には
ビームはレンズの中心を通るので、レンズ中心からずれ
た無電界の場所に細線状の目標物を置けば、投影の障害
にはならず、またこのように薄いレンズではレンズの外
に集束点を設定しても最適集束点からのずれは小さく、
収差にはあまり影響を与えない。図７は偏向器５により
細線上を走査した場合の試料台からの二次電子信号であ
る。細線の影になっている部分とビームが通過してくる
部分との二次電子信号の強度が急峻に変化し細線２１上
でビームが集束されている。しかし、この方法では投影
レンズの電極が厚い場合には最適集束点から距離が離れ
てしまう。また、レンズ電界に影響を与えてしまうよう
な場合もあるので、図８のように電極内の電界に影響を
与えないように出し入れできる突起物を使用する方法も
ある。投影光学系が２段以上のレンズで構成されている
場合も実効的なレンズ中心が存在するので、同様にその
点にビームを集束するようにすればよい。また、常に同
じ加速電圧で使用する場合には上記の方法で一度、照射
レンズの印加電圧を決めておけば、毎回照射レンズの電
圧を同じに設定すれば良い。

【００２５】第４の問題点はステンシルマスクの形状を
可変とする、またはステンシルマスクの光軸上での位置
を調節できるようにすれば解決できる。図９は形状可変
のステンシルマスクの例であり、図１０は図９のＡ−Ｂ
断面を示す。四辺がナイフエッジ２８，２９，３０，３
１の組合わせで形成され、各々が動かせるようになって
いるため、開口部を変形させ、辺の長さが様々に異なる
矩形を作ることができる。

【００２６】しかし、この方法では機械的な微調整が必
要であり、また大きさを変えるにも調節を要する。その
ため、ステンシルマスクの位置を変え、投影倍率を変え
る方法がある。投影倍率はステンシルマスクと投影レン
ズ，投影レンズと試料のそれぞれの距離の比で決まるの
で、ステンシルマスク位置を投影レンズに近づければ投
影倍率は大きく、離せば投影倍率は小さくなる。

【００２７】図１１はこのような装置の例である。ステ
ンシルマスク６は上下に可動になっている。この場合、
照射レンズ４と投影レンズ７の距離は変わらないので照
射レンズの設定電圧は変える必要はないが、投影レンズ
の電圧はマスクを動かす度に結像条件を満たすように調
節し直さなければならない。図１２のように光軸上に複
数のステンシルマスクを用意しておく方法もある。倍率
を変えたい場合は、必要に応じて６，３３，３４のどれ
かをビーム内に挿入して投影を行えばよい。相似形のパ
ターンを多く使う場合、ステンシルマスクの種類が多い
場合にはこのような構成は非常に有用である。

【００２８】最後に第５の問題点、即ちステンシルマス
クの損耗の低減，交換の簡略化の方法を述べる。イオン
照射を行う限りステンシルマスクのスパッタによる損耗
は避けられないが、ステンシルマスクにイオンが当たる
時の運動エネルギを下げることで、ある程度は損耗を抑
えられる。最終的な加速エネルギを減らすと加工速度が
低下するので、ステンシルマスクを通過した後にイオン
を加速してエネルギを増加させる。

【００２９】図１３はこのような装置の例である。この
装置では投影レンズは２枚の電極３５，３６から構成さ
れており、この電極間でイオンは加速集束される。ステ
ンシルマスク上の加速エネルギは引き出し電圧と同じで
あり、最終加速電圧よりも小さい。

【００３０】ステンシルマスクの交換時間は、マスク交
換用の予備排気室を設け、装置内部の真空を保つことで
短縮できる。図１４にこの装置構成を示した。ステンシ
ルマスク６は支持棒３８を介して位置微調整機能を兼ね
備えた導入機構４１に搭載されている。マスク交換時に
はマスクを予備排気室３７まで引き出し、バルブ４０を
閉じた後、同室をリークして取り出す。交換後は逆に、
予備排気室３７を真空排気系３９により排気してからバ
ルブ４０を開けて、マスクを光学系チャンバー４２内に
挿入する。ステンシルマスクの大きさは装置の投影倍
率，マスクの数などに依存するが、通常、一辺数cm程度
なので予備排気室３７の内容積は１０立方センチメート
ル程度である。大気圧から１０^-5Torr程度の真空度まで
排気するには数分程度で十分であり、交換に要する時間
は短い。

【００３１】

【発明の実施の形態】

（実施例１）図１５は本発明によるビーム加工装置の一
例である。イオン源１としてガリウム液体金属イオン源
を用い、２段のバトラー型静電アインツェルレンズ４
３，４４，ビーム偏向器５，８，ステンシルマスク６、
及び、試料台１０で構成される。この装置では集束ビー
ムによる観察と成形ビームによる加工の二つのモードの
切り替えが制御装置４５により自動的に行われる。これ
は、制御装置４５により照射レンズ４３用の高圧電源４
７の出力電圧が調整されるためである。前述の様に、集
束ビーム，成形ビームの切り替え時に調節が必要なのは
照射レンズの印加電圧とビーム制限アパーチャ２の選択
であるが、両ビームの照射レンズ電圧の設定値を制御装
置に入力，記憶させ、さらにアパーチャ駆動機構４６も
制御することでビームを切り替えた時の設定を自動的に
行うことができる。これにより、ビーム切り替え時の調
整が簡略化され、作業効率を向上できた。

【００３２】（実施例２）図１６の装置では単一のアパ
ーチャの代わりにレンズ４８とアパーチャ４９を一つず
つ、照射レンズ４の上に配置している。図１の装置例で
はビーム制限アパーチャ２を可動にし、ビーム発散角を
調節したが、こうすると絞りの位置が毎回微妙に変化す
るために集束ビームのビーム径が少しずつ変わる。この
点を改良し、毎回同じビーム集束性を再現できるように
したのが本実施例である。

【００３３】レンズ４８の目的は必要に応じて、ビーム
を絞り４９に当てたり、逆に集束して当てずに通したり
することによってビームの発散角を変えることにある。
図１６で示したビームは途中のアパーチャに当たること
なく全て通るため、成形ビーム用の大電流のビームが得
られる。

【００３４】これに対して図１７に示したのは集束ビー
ム形成時で、アパーチャ４９でビームが遮られ少なくな
るが、発散角が小さくなり収差が低減される。このよう
な構成ではビームモードの切り替えに伴い、レンズ４８
と照射レンズ４の設定電圧を両方とも切り替えなければ
ならないが、機械的な調節が不要なためビーム集束性の
再現性が良く、機構的にも簡単化できる。

【００３５】（実施例３）本実施例はデポジションガス
を基板表面に導入し、テスタによる検査用のタングステ
ンパッドを集積回路上に形成したものである。本実施例
の光学系(図１８)は実施例１で述べたものとほぼ同じ構
成である。試料ステージにガス導入用のノズル５０を備
えているのが特徴である。

【００３６】ステンシルマスクパターンを図１９に示し
たが、正方形の触針用パッドパターン，配線パターンな
どがある。さらにこのステンシルマスクは支持機構に回
転角調節機構、及び、シャッタを備えており、試料の向
きに合わせてパターンが設定できると同時に、不要なパ
ターンにビームが当たらないように遮ることができる。

【００３７】本装置はマイクロプロセッサなどの論理回
路の開発段階での検査試料の加工に用いられる。回路検
査では様々な論理回路の動作電圧を電子線テスタで観
察、或いは検査用配線を形成して回路をつなぎ直して動
作させるが、通常の集積回路では配線は多層構造になっ
ており、検査のためには下層の配線を表面まで取り出す
必要がある。

【００３８】一例として図２０に断面構造を示した配線
５１と配線５２をつないで同電位にする工程を示す。接
続には層間絶縁膜５３、及び、表面の絶縁膜５４をスパ
ッタ除去しなければならない。接続孔として一辺３μｍ
の正方形の穴を開ける。最初に、集束ビームで加工部を
観察、さらに、１５μｍ角の正方形のマスクパターンを
二次電子像の影から選択する。この光学系の投影倍率は
１／５なので、試料上では３μｍの正方形の成形イオン
ビームができる。この時の成形ビームの電流は試料上で
は約１００ｎＡであった。

【００３９】ＳｉＯ₂膜の実効的なスパッタ率は、加速
エネルギ３０ｋｅＶのＧａイオンに対して約０.７であ
ったので、配線５１上の厚さ５０００Åの表面保護膜５
４を除去するのに処理時間を２秒とした。配線５２上に
は表面保護膜５４と層間絶縁膜５３があるので、処理時
間を４秒とした。

【００４０】次に、ステンシルマスクを２５μｍ角の正
方形に変え、ガスノズル５０からＷ(ＣＯ)₆ガスを導入
しつつ、接続孔５７，５８上に成形ビームを照射し、一
辺５μｍの正方形のタングステン膜パッド５９，６０を
形成した。パッド間の中心距離が約８μｍあったので、
長方形の配線パターンを選択し、デポジションにより両
パッド間を接続した。加工後の表面の形状は図２１の様
になっていた。全加工の所要時間は約１０分間であっ
た。

【００４１】（実施例４）本実施例は、本発明による加
工方法を用いて透過型電子顕微鏡用の薄膜試料を成形ビ
ームエッチングと集束ビームスパッタリングを併用して
作製したものである。使用した装置の光学系は実施例３
と同じ図１８に示したものである。まず、集束ビームモ
ードで加工部を観察、薄膜試料を作る位置を決める。次
に、ノズル５０により塩素ガスを試料表面に導入しつつ
成形ビームを照射してエッチングにより、薄膜化する両
側の部分を除去した。これは２回に分けて行った。

【００４２】まず、薄膜化する位置の両側２０μｍ以上
の部分は、通常の矩形ビームで加工し、その後図２２に
示したステンシルマスクを用い、成形ビームで厚さを５
μｍにまでした。マスク中央の棒状の部分６３は薄膜形
成位置に対応するが、可動であり、ビームをマスク上で
走査、二次電子像を観察しながら、位置を微調整でき
る。

【００４３】加工後の断面形状を図２３に示した。この
後、集束ビームモードに切り替え、ビームを走査しなが
らスパッタリングにより徐々に電子が透過可能になるま
で膜厚を薄くしていく。集束ビームスパッタリングを用
いるのは電流が少なく、徐々に加工を行うのに適してい
ること、及び、二次電子像により試料の形状を確認しつ
つ加工を行えるという点からである。成形ビーム加工で
膜試料の両側の部分が削られているため、試料の作成は
断面を観察しながら行うことが可能である。また、集束
ビームのみで全ての加工を行うよりもはるかに短時間で
できる。この試料ではエッチングガスによる増速効果を
使用して高速の加工を行ったが、ガスを使わなくても成
形ビームの加工速度は大きいため、自発的なエッチング
を生じるような材料には、最初から成形ビームによるス
パッタ加工を行う。

【００４４】（実施例５）集積回路の下層配線を切断し
たり、深い溝形状を作る加工では、ビームが試料に斜め
に入射すると加工溝の側壁にビームが当たり、加工幅が
広がったり、垂直形状が作れなかったりする。そのた
め、このような加工を行う時には試料表面に垂直に入射
する平行ビームで加工を行う必要がある。これには図２
４に示したような光学系を使用すればよい。

【００４５】この光学系は投影光学系として２段の静電
レンズ６７，６８を用いる。これにより、投影加工時の
ビームを試料にほぼ垂直に入射させることができる。照
射レンズ４の強度を調節して投影光学系の実効的な中心
にビームを集束する点は図１の光学系と同じである。こ
のように調節した時にステンシルマスク上でビームは垂
直になっている。ステンシルマスク６上でビームが集束
されるように照射系を調節した時には試料上で集束ビー
ムになり、観察に使用できるのも前述の光学系と同じで
ある。

【００４６】この装置を使って、横寸法に対して深さ方
向の寸法が大きい、微小機械の部品を作製した。この例
では成形ビームとエッチングガスの併用によりシリコン
膜を歯車状に加工した。この光学系では投影倍率が１／
５であり、装置に入れられるステンシルマスクの大きさ
の制限から四つの部分に分けて加工を行った。四つとも
形は同じため、図２５に示したステンシルマスクを９０
°ずつ回転させて４回の成形ビーム加工により完成させ
た。下地膜のＳｉＯ₂をウェットエッチングして基板か
ら切り離して完成した歯車の形状を図２６に示す。歯車
の直径は５０μｍ、厚さは１０μｍである。従来、この
ようなマイクロマシンの部品はＸ線により厚いレジスト
を露光し、基板にメッキするなどの方法で作製されてき
たが、強力なＸ線を発生させるには大規模な装置が必要
である。本法は簡便性で優れている。

【００４７】

【発明の効果】本発明によるイオンビーム加工装置を用
いれば、従来の集束イオンビーム加工装置に比べてビー
ム電流値を少なくとも１桁向上させることができ、ビー
ム位置合わせ、レンズ電圧の切り替え時間などを考慮し
ても、加工時間は短縮される。これにより半導体製造の
場合の検査時間，開発期間の短縮が実現できる。また、
本発明のイオンビーム加工装置は、マイクロマシン，半
導体レーザの製造など、従来の集束イオンビーム加工装
置では加工速度が低いため適用が困難であった応用にも
使用することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるイオンビーム加工装置の説明図。

【図２】従来の典型的な集束イオンビーム装置の光学系
の説明図。

【図３】従来の集束イオンビーム装置におけるビーム発
散角とビーム電流値、および、ビーム径の特性図。

【図４】典型的な成形イオンビーム装置の光学系の説明
図。

【図５】照射光学系，投影光学系としてそれぞれを１段
レンズとした成形ビーム光学系の説明図。

【図６】照射レンズの集束点を投影レンズの中心近傍に
合わせるための説明図。

【図７】図６の機構を使用した時の試料台からの二次電
子強度を偏向器の電圧に対する関数として示した特性
図。

【図８】厚い投影レンズの中間電極に集束点を合わせる
ための可動突起を備えた説明図。

【図９】４枚のナイフエッジにより開口形状を可変とし
たステンシルマスクの説明図。

【図１０】同ステンシルマスクのＡＢにおける断面図。

【図１１】ステンシルマスク位置を変え、投影倍率を可
変とした本発明によるイオンビーム加工装置の説明図。

【図１２】ビーム路中に三つのステンシルマスクを備え
た本発明によるイオンビーム加工装置の説明図。

【図１３】投影レンズとして２電極の加速レンズを使用
し、ステンシルマスク上でのイオンの運動エネルギを低
くして損耗を抑制した本発明によるイオンビーム加工装
置の説明図。

【図１４】マスク交換用の予備排気室を設け、ステンシ
ルマスクの交換を短時間で行うことができるようにした
本発明によるイオンビーム加工装置の説明図。

【図１５】成形ビーム，集束ビームの切り替えを自動化
した本発明によるイオンビーム加工装置の説明図。

【図１６】成形ビーム，集束ビームの切り替えをアパー
チャの入替えではなく、照射レンズ系のレンズ電圧の調
節でするようにした機構の構成、および、原理を示した
説明図。

【図１７】成形ビーム，集束ビームの切り替えをアパー
チャの入替えではなく、照射レンズ系のレンズ電圧の調
節でするようにした機構の構成、および、原理を示した
説明図。

【図１８】加工試料上にガスを供給するノズルを備え、
エッチング，デポジション加工を可能にした本発明によ
るイオンビーム加工装置の説明図。

【図１９】集積回路の検査加工用のパターンを備えたス
テンシルマスクの平面図。

【図２０】集積回路で検査のために配線を接続する加工
の工程を示した断面図。

【図２１】図１９で示した加工を行った後の集積回路表
面の平面図。

【図２２】透過型顕微鏡用試料を作製するためのステン
シルマスクの平面図。

【図２３】図２１のステンシルマスクで加工を行った後
の試料の断面図。

【図２４】試料表面に垂直にイオンビームを入射させる
ための光学系の説明図。

【図２５】マイクロマシン用の歯車を作製するためのス
テンシルマスク。

【図２６】図２５のマスクにより作製した歯車の平面
図。

【符号の説明】

１…液体金属イオン源、２…引き出し電極、３…ビーム
制限アパーチャ、４…照射レンズ、５…偏向器、６…ス
テンシルマスク、７…投影レンズ、８…偏向器、９…加
工試料、１０…試料台、１１…二次電子検出器、１２…
集束ビーム、１３…成形ビーム。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者梅村馨東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】イオン源，照射光学系，投影光学系，試料
保持台、及び、試料近傍に二次電子検出器を備えたイオ
ンビーム装置において、前記照射光学系と前記投影光学
系の間にステンシルマスクを持ち、前記ステンシルマス
ク上でイオンビームを偏向可能な偏向器と、前記偏向器
と前記イオン源の間に選択可能な口径の異なるアパーチ
ャを複数種類、または、開口径が可変なアパーチャを持
つことを特徴とするイオンビーム加工装置。
【請求項２】イオン源，照射光学系，投影光学系，試料
保持台、及び、試料近傍に二次電子検出器を備えたイオ
ンビーム装置において、前記照射光学系と前記投影光学
系の間に、ステンシルマスクと、前記ステンシルマスク
上でイオンビームを偏向可能な偏向器を備え、前記照射
光学系が２段の静電レンズとその間に設置されたアパー
チャから成ることを特徴とするイオンビーム加工装置。
【請求項３】前記照射光学系，前記投影光学系が両方と
も静電アインツェルレンズで構成されている請求項１ま
たは請求項２に記載のイオンビーム加工装置。
【請求項４】投影レンズの概ね中心に、真空外から移動
可能な突起を設けた請求項３に記載のイオンビーム加工
装置。
【請求項５】前記イオン源が液体金属イオン源，電界電
離型イオン源，デュオプラズマトロン型イオン源のいず
れかである請求項１，２または３に記載のイオンビーム
加工装置。
【請求項６】前記試料上にエッチングガスまたはデポジ
ションガスを供給する機構を備えた請求項１，２または
３に記載のイオンビーム加工装置。
【請求項７】前記投影光学系と前記ステンシルマスクの
距離を可変とする機構を備えた請求項１，２または３に
記載のイオンビーム加工装置。
【請求項８】可動部品の組合わせにより前記開口の形状
を真空外から可変としたステンシルマスクを使用した請
求項１，２または３に記載のイオンビーム加工装置。
【請求項９】前記投影光学系が上下２段の静電レンズか
らなり、前記上段レンズの焦点距離に前記ステンシルマ
スクを置き、下段レンズの焦点距離に前記試料を置き、
上段，下段レンズ間の距離は両レンズの焦点距離の和と
し、前記ステンシルマスクを通過するイオンが光学軸に
平行になるように照射系の強度を設定した請求項１また
は請求項２に記載のイオンビーム加工装置。
【請求項１０】請求項１，２，３または９に記載の前記
イオンビーム加工装置を使用して作製した集積回路装
置。
【請求項１１】請求項１，２，３または９に記載の前記
イオンビーム加工装置を使用して作製した微細機械部
品。
【請求項１２】請求項１，２，３または９に記載のイオ
ンビーム加工装置を使用して作製した微細機械部品。