JPH09283411A - イオンビーム投射方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】イオンビームをステンシルマスクに通過させて
形成したパターンイオンビームの投射によって生じる試
料の帯電を簡便に中和する。 【解決手段】ステンシルマスク３のパターン投射領域に
対応する開口パターン１６の他に開口孔１６′を設け、
開口孔１６′を通過して形成された小イオンビーム１９
を電子発生手段１０に投射し、発生した二次電子２０を
試料７に導く。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ステンシルマスク
の開口パターンをイオンビームで試料に投射するイオン
ビーム投射方法およびその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】まず、イオンビーム投射装置の概略構成
を説明する。図２に示したイオンビーム投射装置２０１
は、イオン源２０２と、開口パターン２２０を有するス
テンシルマスク２０３を保持するマスクステージ２０４
と、イオン源２０１から引出したイオンビーム２０５を
ステンシルマスク２０３に照射する照射レンズ２０６を
含むイオン照射光学系２０７と、ステンシルマスク２０
３を通過したパターンイオンビーム２０８を試料２０９
に投射してステンシルマスク２０３の開口パターン２２
０の縮小パターンを形成する投射レンズ２１１や集束レ
ンズ２１０を含むイオン投射光学系２１２と、試料２０
９を保持して移動する試料ステージ２１３などから構成
され、これらは真空容器２１４内に設置されている。こ
のようなイオンビーム投射装置は、例えば、半導体素子
の製造工程におけるイオンリソグラフィやイオン注入に
用いることができる。

【０００３】従来例として投影型イオン縮小露光装置
が、例えば論文集『マイクロエレクトロニック・エンジ
ニアリング』第１７巻，（１９９２年）第２２９から２
４０頁（A.Chalupka et al., "Progress in ion projec
tion lithography",Microelectronic Engineering, 17
(1992) 229−240.）に『プログレス・イン・イオン・プ
ロジェクション・リソグラフィ』と題する論文がある。
また、パターンイオンビームを用いてイオン注入を行う
例として、特開平7−296764号公報がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】イオンビームを半導体
素子製造におけるレジストやシリコン酸化膜など絶縁
物，フローティング状態にある材料に入射させると、試
料の表面あるいは界面がチャージアップする。この結
果、入射イオンビームが偏向や発散され、入射イオンビ
ームの集束性や入射位置精度に悪影響を与えたり、時に
は、絶縁膜の絶縁破壊を発生させる。特に、上記パター
ンイオンビームを投射する場合、試料面上でのパターン
が変形したり、投射位置制御が困難となり、所望のパタ
ーン形成が得られなくなる。

【０００５】従って、イオンビーム投射時に少なくとも
イオンビームパターン投射領域に電子を照射し、帯電を
中和させなければならない。イオンビーム照射に対する
帯電中和に電子シャワーを施す方法は良く知られている
が、イオンビーム光学系とは別に電子銃、もしくは電子
銃を含む電子ビーム光学系を設置しなければならない。
このような電子銃や電子ビーム光学系の設置によって、
装置全体が大型化され、高価なものとなる。従って、よ
り簡便で安価に帯電中和を達成する方法が望まれてい
た。

【０００６】本発明の第１の目的は、パターンイオンビ
ームを投射して試料にパターン投射領域を形成するイオ
ンビーム投射方法で、試料の帯電中和を行うために、試
料に簡便に電子供給のできるイオンビーム投射方法を提
供することにあり、さらに、第２の目的は、第１の目的
を実現するイオンビーム投射装置を提供することにあ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するために、以下の手段を用いる。

【０００８】（１）イオン源から引出したイオンを、試
料に形成すべき所望のパターンに対応する開口パターン
を有するステンシルマスクに照射し、上記ステンシルマ
スクを通過したパターンイオンビームを試料に投射し
て、上記開口パターンの縮小パターン投射領域を形成す
るイオンビーム投射方法で、上記ステンシルマスクに上
記開口パターンの他に開口孔を設け、上記開口孔を通過
した小イオンビームを電子発生手段に投射し、上記電子
発生手段から放出した電子を上記試料に導く。

【０００９】特に、上記（１）のイオンビーム投射方法
が、上記電子発生手段から放出した電子によって、上記
パターンイオンビーム投射による上記試料の帯電を中和
するイオンビーム投射方法であること。

【００１０】また特に、上記（１）のイオンビーム投射
方法において、電子発生手段から放出する電子量を、上
記電子発生手段に与える電圧強度または極性のうち少な
くとも一方を変えて制御できる構成とする。

【００１１】また、上記電子発生手段への到達イオン量
を、上記ステンシルマスクに照射されるイオンビーム
か、上記開口孔を通過した小イオンビームを機械的に遮
る方法か、さらにまた、上記開口孔を通過した小イオン
ビームに対して、その軌道を電気的に曲げることで制御
できる構成とする。

【００１２】上記のいずれかのイオンビーム投射方法を
用いることによって特に、第１の目的が実現される。

【００１３】（２）イオン源と、開口パターンを有する
ステンシルマスクを保持するマスクステージと、上記イ
オン源からのイオンビームを上記ステンシルマスクに照
射するイオン照射光学系と、上記ステンシルマスクを通
過したイオンビームを試料に投射して上記開口パターン
の縮小パターン投射領域を形成するイオン投射光学系
と、上記試料を保持して微動する試料ステージとを少な
くとも含むイオンビーム投射装置において、さらに、上
記ステンシルマスクが上記開口パターンの他に開口孔を
有し、上記開口孔を通過した小イオンビームの投射によ
って電子を放出する電子発生手段を備える。

【００１４】特に、上記（２）のイオンビーム投射装置
において、上記電子発生手段は金属板か、電子像倍管で
あると良く、また、上記電子発生手段に到達するイオン
量を制御する手段は、上記開口孔に対してシャッタを設
けるか、ステンシルマスクと上記電子発生手段の間に、
上記開口孔を通過したイオンビームの軌道を変える偏向
手段を設ける。

【００１５】また、試料への電子の供給は、電子供給手
段と上記試料との間に電位差を与える電源を設置するこ
とで、効率良く供給でき、さらに、この電子発生手段に
与える電圧は、試料に与える電圧に対して相対的に低い
電位に設定する。

【００１６】上記のイオンビーム投射装置によって上記
第２の目的が達成される。

【００１７】（３）上記イオンビーム投射装置に用いる
ステンシルマスクは、所望のパターン投射領域に対応す
る上記開口パターンの他に、上記試料に電子を供給する
ための電子発生手段にイオンビームを導くための開口孔
を設けたステンシルマスクを用いることが望ましい。

【００１８】（４）上記のいずれかのイオンビーム投射
装置を用いて形成されたパターンイオンビームによっ
て、ステンシルマスクにおける開口パターンとほぼ相似
形で縮小したパターン形状の凹部を試料に形成するイオ
ンビーム加工によって、断面観察用の試料や、透過型電
子顕微鏡用の試料，マイクロマシンを作製できる。

【００１９】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態として、イオ
ン源から引出したイオンを、試料に形成すべき所望のパ
ターンに対応する開口パターンを有するステンシルマス
クに照射し、このステンシルマスクを通過したパターン
イオンビームを試料に投射して、上記開口パターンの縮
小パターン投射領域を形成するイオンビーム投射方法に
おいて、ステンシルマスクに上記開口パターンの他に開
口孔を設け、この開口孔を通過した小イオンビームを電
子発生手段に投射し、この電子発生手段から放出した電
子を上記試料に導くことによって、試料の帯電を中和す
ることができる。

【００２０】例えば、電子発生手段として金属板を用い
ると二次電子が発生し、この二次電子を試料に導くこと
で帯電中和ができる。

【００２１】また、イオン源と、開口パターンを有する
ステンシルマスクを保持するマスクステージと、イオン
源からのイオンビームをステンシルマスクに照射するイ
オン照射光学系と、上記ステンシルマスクを通過したパ
ターンイオンビームを試料に投射して上記開口パターン
の縮小パターン投射領域を形成するイオン投射光学系
と、上記試料を保持して微動する試料ステージとを少な
くとも含むイオンビーム投射装置において、さらに、上
記ステンシルマクに上記開口パターンの他に開口孔を設
置し、上記開口孔を通過した小イオンビームの投射によ
って電子を放出する電子発生手段を設置したイオンビー
ム投射装置によって、試料の帯電を中和しながら縮小パ
ターン投射領域を形成することができる。

【００２２】本発明による具体的な実施例を、図を用い
て説明する。

【００２３】図１は本発明によるイオンビーム投射装置
１００の構成例である。イオン源１，イオン源１から放
出したイオンビーム２をステンシルマスク３に照射する
ためのイオン照射光学系４，ステンシルマスク３を保持
するマスクステージ５，ステンシルマスク３の開口パタ
ーン１６を通過したパターンイオンビーム６を試料７に
投射するためのイオン投射光学系８，試料７を保持して
少なくとも水平面に移動可能な試料ステージ９，電子発
生手段１０、さらに電子発生手段１０と試料７との間に
電位差を形成するための電源１１などから構成されてい
る。

【００２４】また、イオン源１，イオン照射光学系４，
イオン投射光学系８にはそれぞれ電圧を供給するための
電源１２，１３，１４に連結され、これらの電源の出力
は信号処理装置１５によって制御される。イオン照射光
学系４およびイオン投射光学系８には、レンズ，偏向
器，アパーチャなどを含み、これらの種類，配置は必要
に応じて構成できる。なお、上述の各電源１１，１２，
１３，１４及び信号処理装置１５を除く各部品は真空容
器２１内に設置されている。

【００２５】ステンシルマスク３に設けられた開口パタ
ーン１６によって試料に形成すべきパターン投射領域を
形成するためのパターンイオンビーム６が形成され、イ
オン投射光学系８によって縮小したパターンイオンビー
ム１８が形成される。一方、開口パターン６の近くに設
けた開口孔１６′を通過した小イオンビーム６′はイオ
ン投射光学系８を通過し、縮小した小イオンビーム１９
になり、電子発生手段１０に到達することで、電子（二
次電子）２０を発生し試料７に供給される。試料７への
パターンイオンビーム１８の投射によって生じた試料７
の帯電を、電子発生手段１０からの電子２０によって中
和できる。

【００２６】ステンシルマスク３の開口パターン１６と
開口孔１６′について、図３を用いて詳しく説明する。
図３（ａ)，(ｂ）はステンシルマスク３をイオン源側か
ら見た図である。ステンシルマスク３には、試料上に所
望のパターンを形成するためにパターンイオンビームを
形成するための開口パターン３１および、電子を発生さ
せるための小イオンビームを形成するための開口孔３２
が、イオンビーム照射領域３３内に設けられている。

【００２７】図３（ａ）の例では開口孔３２は１個のみ
の例であるが、開口孔は１個のみである必要はなく、図
３（ｂ）のようにイオンビーム照射領域３３内に開口孔
を３４，３５，３６，３７を複数個設置してもよい。但
し、開口孔には対応した電子発生手段を設置しなければ
ならない。

【００２８】電子発生手段１０について図４を用いて詳
しく説明する。イオン照射系（図示せず）を通過したイ
オンビーム４１は開口パターン４２と開口孔４３を有す
るステンシルマスク４４を照射する。ここで用いた開口
パターン４２は一個の矩形で、開口孔４３は一個の円形
とした。４５はステンシルマスク４４上でのイオンビー
ム照射領域を示す。

【００２９】イオンビーム４１はステンシルマスク４４
を通過後、矩形に成形されたパターンイオンビーム４６
と小イオンビーム４７となり、パターンイオンビーム４
６はイオン投射系（図示せず）によって試料４８に投射
され、縮小パターン投射領域４９を形成する。一方、小
イオンビーム４７は電子発生手段５０を照射し、電子発
生手段５０から電子を発生させる。５１は電子を示す。

【００３０】本実施例では電子発生手段５０として金属
板５４を用いた。開口孔４３を通過した小イオンビーム
４７は金属板５４に投射し、投射部５２から二次電子５
１が放出する。金属板５４の素材は特に限定しないが、
イオンビーム種との関係で二次電子収量の大きな材料が
好ましい。

【００３１】一般に、帯電した試料表面に荷電粒子を入
射すると、その粒子軌道は帯電電荷によりクーロン力を
受けて曲がる。その曲がり易さは粒子の照射エネルギに
反比例する。イオンビーム投射装置におけるパターンイ
オンビームの照射エネルギが数ｋｅＶから数十ｋｅＶ程
度であっても、接地電位にある金属板５４から放出され
る二次電子のエネルギは数ｅＶ程度であるので、正に帯
電している試料に放出電子は常にクーロン引力で引き込
まれ、中和できる。たとえ、中和条件（イオン電流相
当）より過剰に電子が供給されても電子は反射され、試
料は電子の加速電圧以上には帯電しない。更に、電子が
過剰供給されても電子のエネルギが入射イオンビームの
エネルギよりも１桁以上小さければ、電子による負の帯
電によってイオンビームが影響を受けることはない。

【００３２】試料に電子を供給する別の方法として、試
料４８を接地電位にして、電子発生手段５０は−１０Ｖ
に設定した。この印加電圧強度調節によって二次電子の
エネルギ調整ができる。但し、電子発生手段５０の電位
はこれに限定されることはない。電子発生手段５０から
放出した電子５１は電子発生箇所５２より正電位側にあ
る試料４８に向かう指向性が強くなる。５３は電子の照
射領域を示す。これにより、電子５１はより効率的に試
料４８に供給できる。

【００３３】上記説明から電子発生手段は金属板に限る
ことはなく、イオンビーム投射によって電子が放出する
もの、例えば電子像倍管（図示せず）であってもよい。
電子像倍管を使用することによって、前例の金属板の使
用の場合に比べて試料に供給される電子量を増大させる
ことができる。

【００３４】図３（ｂ）のように開口孔が複数個の場合
の電子発生手段の例を図５を用いて説明する。図５はイ
オンビーム経路を真横から見た図である。図５で、４４
がステンシルマスクであり、５２は開口パターン、５４
は開口パターン５２を通過したパターンイオンビーム、
５３，５３′が開口孔、５６，５６′は開口孔５３，５
３′をそれぞれ通過した小イオンビームである。５７は
電子発生手段であり、イオンビーム照射部が斜面になっ
た金属リングである。

【００３５】パターンイオンビーム５４は投射光学系
（図示せず）を通過して試料５９に投射される。一方、
小イオンビーム５６，５６′は電子発生手段５７を照射
し、照射部から電子（二次電子）５８を放出させる。

【００３６】また、試料５９への電子供給を停止する方
法として、電子発生手段５７に正負両極出力可能な電源
（図示せず）をつなぐと、試料５９への電子供給の不要
な時に出力電圧を正電位にすることで電子発生手段５７
からの二次電子５８は試料５９に供給されない。但し、
パターンイオンビーム５４の形状，投射位置に影響を与
えないように電圧を設定しなければならない。

【００３７】電子の試料への供給量を制御する他の方法
を図６を用いて説明する。図６はステンシルマスクをイ
オン源側から見た図である。ステンシルマスク３は図３
(ｂ)と同じである。ステンシルマスク３で、３１は開口
パターンであり、開口孔３４，３５，３６，３７に対し
てシャッタ６４Ａ，６４Ｂ，６４Ｃ，６４Ｄを設置し、
電子供給量制御のために、駆動部６３Ａ，６３Ｂ，６３
Ｃ，６３Ｄによって開閉する。例えば、図６ではシャッ
タ６４Ｂ，６４Ｄは開口孔を完全に塞いだ状態を示して
いる。シャッタ６４Ａ，６４Ｂ，６４Ｃ，６４Ｄの開閉
は信号処理装置(図１における１５)によって指示され、
駆動部６３Ａ，６３Ｂ，６３Ｃ，６３Ｄを動作させる。

【００３８】更に、電子の試料への供給量を制御する別
の方法として、ステンシルマスク３と電子発生手段１０
の間のイオンビーム軌道に偏向器（図示せず）を設置し
て、電子供給の不要時には偏向器に電圧を印加して小イ
オンビームを電子発生手段に到達しないようにしてもよ
い。

【００３９】イオンビーム投射装置を上述のような構成
にすることで、従来のような電子源や電子ビーム光学系
を新たに設置する必要がなく、この種のイオンビーム投
射装置においてステンシルマスクで遮蔽されていたイオ
ンビームを活用することで、試料の帯電防止ができる。

【００４０】このようなイオンビーム投射方法により、
例えば、図４のような矩形の開口パターンを有するステ
ンシルマスクを用いることにより、試料に矩形の開口を
持つ凹部が形成できる。この凹部の側面を観察すること
で、試料の断面構造を知ることができる。断面の詳細な
観察は、パターンイオンビーム投射時に試料の帯電中和
が的確に行われ、パターンイオンビームが位置ずれやぼ
けることがなかったために達成された結果である。もち
ろん、凹部の形成は矩形開口に限ることはなく、種々の
形状でも可能である。例えば、近接した２個の矩形によ
って、薄い隔壁状の領域を形成でき、この部分は透過型
電子顕微鏡用の試料となる。また、イオンビーム投射方
法がマイクロマシン製造の一工程であってもよい。

【００４１】

【発明の効果】本発明によればイオンビーム投射方法お
よびその装置によって、イオンビーム投射による試料面
の帯電中和が簡便に達成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるイオンビーム投射装置の概略構成
を示す断面図。

【図２】従来のイオンビーム投射装置の概略構成を示す
断面図。

【図３】本発明の一実施例のステンシルマスクの平面
図。

【図４】本発明の一実施例の電子発生手段の斜視図。

【図５】本発明の一実施例の電子発生手段の断面図。

【図６】本発明の一実施例の放出電子量を調整する手段
を示す平面図。

【符号の説明】

１…イオン源、３…ステンシルマスク、４…イオン照射
光学系、６…パターンイオンビーム、６′，１０…小イ
オンビーム、８…イオン投射光学系、１０…電子発生手
段、１６…開口パターン、１６′…開口孔。

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】イオン源から引出したイオンを、試料に形
   成すべき所望のパターンに対応する開口パターンを有す
   るステンシルマスクに照射し、上記ステンシルマスクを
   通過したパターンイオンビームを試料に投射して、上記
   開口パターンの縮小パターン投射領域を形成するイオン
   ビーム投射方法において、上記ステンシルマスクに上記
   開口パターンの他に開口孔を設け、上記開口孔を通過し
   た小イオンビームを電子発生手段に投射し、上記電子発
   生手段から放出した電子を上記試料に導くことを特徴と
   するイオンビーム投射方法。
2. 【請求項２】請求項１において、上記電子発生手段から
   放出した電子によって、上記パターンイオンビーム投射
   による上記試料の帯電を中和するイオンビーム投射方
   法。
3. 【請求項３】請求項１において、上記電子発生手段に与
   える電圧強度または極性のうち少なくとも一方を変えて
   放出する電子量を制御するイオンビーム投射方法。
4. 【請求項４】請求項１において、上記ステンシルマスク
   に照射されるイオンビームか、上記開口孔を通過した小
   イオンビームを機械的に遮ることで、上記電子発生手段
   への到達イオン量を制御するイオンビーム投射方法。
5. 【請求項５】請求項１において、上記開口孔を通過した
   小イオンビームに対して、その軌道を電気的に曲げるこ
   とで、上記電子発生手段への到達イオン量を制御するイ
   オンビーム投射方法。
6. 【請求項６】イオン源と、開口パターンを有するステン
   シルマスクを保持するマスクステージと、上記イオン源
   からのイオンビームを上記ステンシルマスクに照射する
   イオン照射光学系と、上記ステンシルマスクを通過した
   イオンビームを試料に投射して上記開口パターンの縮小
   パターン投射領域を形成するイオン投射光学系と、上記
   試料を保持して微動する試料ステージとを含むイオンビ
   ーム投射装置において、上記ステンシルマスクが上記開
   口パターンの他に開口孔を有し、上記開口孔を通過した
   小イオンビームの投射によって電子を放出する電子発生
   手段を備えたことを特徴とするイオンビーム投射装置。
7. 【請求項７】請求項６において、上記電子発生手段が金
   属板であるイオンビーム投射装置。
8. 【請求項８】請求項６において、上記電子発生手段が電
   子像倍管であるイオンビーム投射装置。
9. 【請求項９】請求項６において、上記開口孔に対して、
   上記電子発生手段に到達するイオン量を制御するシャッ
   タを設けたイオンビーム投射装置。
10. 【請求項１０】請求項６において、上記ステンシルマス
    クと上記電子発生手段の間に、上記開口孔を通過したイ
    オンビームの軌道を変える偏向手段を設けたイオンビー
    ム投射装置。
11. 【請求項１１】請求項６において、上記電子供給手段が
    上記試料との間に電位差を与える電源を有するイオンビ
    ーム投射装置。
12. 【請求項１２】請求項１１において、上記電子発生手段
    に与える電圧が、試料に与える電圧に対して相対的に低
    い電位であるイオンビーム投射装置。
13. 【請求項１３】パターンイオンビームによって試料に所
    望のパターン投射領域を形成するためのステンシルマス
    クであって、開口パターンを有するステンシルマスクに
    イオンビームを照射して、上記ステンシルマスクを通過
    したイオンビームを試料に投射して上記開口パターンの
    縮小パターン投射領域を形成するための上記ステンシル
    マスクにおいて、所望のパターン投射領域に対応する上
    記開口パターンの他に、上記試料に電子を供給するため
    の電子発生手段にイオンビームを導くための開口孔を設
    けたことを特徴とするステンシルマスク。
14. 【請求項１４】請求項６から１３のいずれかに記載のイ
    オンビーム投射装置を用いて形成されたパターンイオン
    ビームによって、ステンシルマスクにおける開口パター
    ンとほぼ相似形で縮小したパターン形状の凹部を試料に
    形成するイオンビーム加工方法。