JPH10162769A

JPH10162769A - イオンビーム加工装置

Info

Publication number: JPH10162769A
Application number: JP8317427A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Tomimatsu; 聡富松; Kaoru Umemura; 馨梅村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-11-28
Filing date: 1996-11-28
Publication date: 1998-06-19

Abstract

(57)【要約】【課題】同一装置を用いてビーム切り替えによってＦＩ
ＢとＰＪＩＢを形成して、試料を高速，高精度加工がで
き、長時間動作が可能なイオンビーム加工装置を提供す
ること。【解決手段】小開口２Ａか大開口２Ｂを配置したアパー
チャ板２と、微小開口６Ａとパターン開口６Ｂを配置し
たマスク板６によりＦＩＢ４またはＰＪＩＢ５を切り替
えて形成し、試料９に照射することにより加工を行う。
マスク板６は微小開口部を薄肉に、パターン開口部を厚
肉に構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はイオンビームを用い
た微細加工装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】イオンビームを用いて試料の断面を観察
するための凹部を形成したり、半導体デバイスの配線を
修正するなどの微細加工を実現する従来技術として、集
束イオンビーム（Focused Ion Beam；以下ＦＩＢと呼
ぶ）装置がある。まず、ＦＩＢ装置について説明する。

【０００３】図２はＦＩＢ装置の概略構成例である。実
質的にイオン放出部であるエミッタ４０Ａと引出し電極
４０Ｂを含み、所望のイオンを点状領域から放出するイ
オン源４０，放出イオンのうち、中心部のみを選択する
ビーム制限アパーチャ板４１，イオンビームの拡がりを
抑制したり集束させたりする集束レンズ（コンデンサレ
ンズともいう）４２，イオンビーム４３の軌道を修正す
る偏向器４４，イオンビーム４３の集束性を高めるため
の絞りで、特に口径の異なる複数個の開口45Ａ，４５
Ｂ，４５Ｃを備えて選択できる可動絞り４５，イオンビ
ーム４３を試料４６上に集束させてＦＩＢにする対物レ
ンズ４７，イオンビーム４３を試料４６上で走査掃引す
るスキャナ４８，試料４６を保持して微動する試料台４
９，ＦＩＢ５０の試料４６への照射によって放出される
二次電子を検出する二次電子検出器５１などから構成さ
れ、これらのイオン光学部品は真空容器５２に保持され
る。なお、本図をはじめレンズを楕円で示しているが、
これはレンズであることを示す略記号であって、実際に
はイオンビームが通過する円孔を持つ円板状の電極、ま
たはそれらの組み合わせである。

【０００４】このようなＦＩＢ装置は、ビーム直径が数
十ｎｍのＦＩＢを試料上で所望の形状に走査して、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スパ
ッタすることで凹部が形成できる。この方法ではＦＩＢ
の走査形状を制御すれば容易に任意形状の加工ができ
る。しかし、ＦＩＢのビーム径を決める球面収差や色収
差は、それぞれ、このビーム開口角の３乗，１乗に比例
する性質を持っているため、ＦＩＢ径を小さくし加工精
度を高めるためには、ビーム開口角を制限しなければな
らない。これは到達ビーム電流の減少を招き、必然的に
加工速度が低下する。例えば、ＦＩＢを直径を０.１μ
ｍ程度にすると、ＦＩＢイオン電流量が高々１ｎＡ程
度、即ち、毎秒飛来するイオンの数にして６×１０⁹ 個
と少なくなるため、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
長時間を要するという問題を有している。

【０００５】なお、ＦＩＢ技術に関してはジャーナル
オブバキュームサイエンスアンドテクノロジ(J
ournal of Vacuum Science and Technology)Ｂ５（１９
８７年），第４６９頁から第４９５頁にかけて詳細に記
載されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来の
ＦＩＢ装置では、加工精度を高めるためにビーム径を細
くすると試料に到達するビーム電流が減り、加工速度が
低下するという欠点があった。

【０００７】本発明の目的はこの点を解決し、ＦＩＢ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ＦＩＢより１桁以上高く、長時間動作に耐えうる
イオンビーム加工装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明によるイオンビーム加工装置では、ＦＩＢと
投射イオンビーム（Projected Ion Beam；以下ＰＪＩＢ
と呼ぶ）を同一カラムで形成できるようにし、両イオン
ビームを用いることで高速加工と微細加工が実現し、さ
らに、マスクを新たな形状にすることで長時間動作が可
能となる。

【０００９】なお、ＰＪＩＢやＦＩＢによる加工とは、
シリコンなど半導体基板や金属基板，絶縁物などに対し
て、少なくともレジストなどを用いたリソグラフィ技術
を用いることなく凹部や凸部を直接形成することを指
す。

【００１０】ＰＪＩＢは、所望の加工形状を拡大したパ
ターン開口を有するマスク板にイオンビームを照射し、
パターン開口を通過したイオンビームを投射光学系で絞
って形成するイオンビームで、試料上に縮小したパター
ン開口形状の投射領域を形成することができる。

【００１１】図３はＰＪＩＢ装置の具体的構成例であ
る。イオンを放出するイオン源６０，放出したイオンビ
ーム６１をパターン開口６２を有するマスク板６３に照
射するための照射レンズ６４，マスク板６３を保持する
マスク台６５，パターン開口を通過した成形イオンビー
ム６６を縮小したPJIB68に変えて試料６７に投射する集
束レンズ７０と投射レンズ７１，試料６７を保持して微
動する試料台６９などから構成される。試料上で微細径
のビーム走査で加工形状を決めるＦＩＢとは全く異な
り、ＰＪＩＢによる加工形状はマスク板６３のパターン
開口６２で決まる。

【００１２】このようなＰＪＩＢ装置は、半導体素子の
製造工程におけるリソグラフィ工程やイオン注入工程に
適用することができる。ＰＪＩＢによるリソグラフィ
は、レジスト内でのイオンの散乱の小ささを利用して、
微細なレジストパターンを作ることを目指している。こ
れに関しては論文集『マイクロエレクトロニク・エンジ
ニアリング（Microelectronic Engineering)』Ｖｏｌ．
１７，ｐ２２９−２４０（１９９２）に詳述されてい
る。イオン注入についての例として、特開平7−296764
号公報『イオン注入方法および装置』に開示されてい
る。

【００１３】本発明者らは、このような装置で形成され
たＰＪＩＢが、ビーム電流密度はＦＩＢよりも劣るもの
の、ビーム径が大きいため試料に到達する総電流量では
優ることに着目し、ＰＪＩＢを加工に適用すると、加工
量が大きいほど加工時間はＦＩＢよりも短縮でき、高速
加工が期待できることを見出した。さらに、PJIBとＦＩ
Ｂが同一カラムで形成できるイオンビーム光学系を開発
すると、ＰＪＩＢとＦＩＢをビーム切り替えによって使
いわける加工方法で、加工速度が向上し、かつ、高精度
な加工の実現が期待できる。

【００１４】従来のＦＩＢ装置では、イオンビームを微
細に集束するためにイオンビームの開口角をアパーチャ
で制限しなければならない。図２ではイオン源４０直下
のビーム制限アパーチャ板４１、及び、可動絞り４５が
その役目を果たしている。目的とするＦＩＢ径に応じ
て、アパーチャを選択して実質的にビーム開口角を変え
て、通常のＦＩＢ装置では数mradから数十mradにする。

【００１５】一方、ＰＪＩＢの場合、イオン源直後のビ
ーム拡がりは直接収差には影響しないため、ＰＪＩＢ装
置の光学系では、イオン源の直後でのビーム開口角が大
きくでき、単位立体角当たりの放出イオン電流量の均一
性が良い範囲で電流を効率的に得るように、ビーム開口
角の制限を緩くできるのが特徴である。例えばＦＩＢ装
置で通常使用される液体金属イオン源をＰＪＩＢ用のイ
オン源として使った場合、ビーム開口角を１００mrad程
度とることが可能となる。この時、試料に到達する総ビ
ーム電流は数μＡになる。

【００１６】このように、ＦＩＢとＰＪＩＢの光学系で
は用いるビーム開口角が異なるため、同一カラムで集束
レンズ類の電圧調整だけでＦＩＢとＰＪＩＢとを切り替
えて形成することは難しい。例えば、従来のＰＪＩＢ装
置でＦＩＢ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、従来のＦＩＢ装置では投
射範囲とビーム電流が非常に小さくなってしまうなどの
問題を生じる。

【００１７】これらは、ビーム制限アパーチャ板に少な
くとも大小２種の開口を設けるとともに、マスク板にＰ
ＪＩＢ用のパターン開口とＦＩＢ用の微小開口を配置
し、それらを選択可能にすることで解決できる。

【００１８】しかし、ＦＩＢ用の微小開口とＰＪＩＢ用
の大きなパターン開口を一つのマスク板に形成すると、
次のような致命的な問題が生じる。ＰＪＩＢ加工では、
マスク上でのイオン照射電流密度がＦＩＢよりも高くな
るためスパッタリングによるマスク板の薄化が早く進ん
でしまうので、マスク寿命を長く持たせるため、つまり
イオンビーム加工装置を長時間動作させるためにはマス
ク板を厚くしなければならない。ところが、マスク板を
厚くすると、ＦＩＢ用微小開口が高アスペクト比のため
形成困難となるとともに微小開口内壁でのイオン散乱か
ら生じるＦＩＢの集束性劣化も無視できなくなってく
る。つまり、ＦＩＢにはマスク板は薄い方が望ましい。
均一厚さのマスク板にＦＩＢ用の微小開口とＰＪＩＢ用
の大きなパターン開口を設けるといずれかのビームの特
性が劣化し、当初の目的が達成できなくなる。従って、
同一カラムでＦＩＢとＰＪＩＢとを形成して、高速で高
精度加工を長時間行うためには、上記のマスク板に対す
る相反する要求を解決しなければならない。

【００１９】そこで、本発明によるイオンビーム加工装
置ではＦＩＢ用微小開口部分の肉厚が薄く、ＰＪＩＢ用
パターン開口の部分が分厚いマスク基板を採用すること
で解決した。

【００２０】具体的には、以下の如き構成を有する。

【００２１】（１）イオンビームを供給するイオン源
と、試料を保持する試料台と、微小開口と試料を加工す
べき形状に対応するパターン開口とを有して微小開口部
分の基板肉厚がパターン開口部分の基板肉厚よりも薄い
マスク板と、マスク板のパターン開口か微小開口の何れ
かを選択する開口切替手段と、イオン源から引出したイ
オンビームをマスク板に照射する光学系と、マスク板を
通過したイオンビームを試料に導く光学系とを含むイオ
ンビーム加工装置。

【００２２】（２）同一光学軸に対して集束イオンビー
ムと投射イオンビームを形成し、少なくとも集束イオン
ビームと投射イオンビームのいずれかによって試料を加
工するイオンビーム加工装置において、集束イオンビー
ムを形成するための微小開口と投射イオンビームを形成
するためのパターン開口を同一基板に配置するととも
に、微小開口は基板の一部に形成した薄肉領域に配置し
たイオンビーム加工装置。

【００２３】（３）（１）において、マスク板は、パタ
ーン開口を有するマスク基板と、パターン開口を有する
マスク基板より薄肉の微小開口を有する微小開口基板と
からなり、それぞれ基板を固定可能なマスク固定治具を
有するイオンビーム加工装置。

【００２４】（４）（１）から（３）のいずれかにおい
て、微小開口とパターン開口と、微小開口部分とパター
ン開口部分の基板の厚さに対するアスペクト比が５以下
であるイオンビーム加工装置。

【００２５】

【発明の実施の形態】図１は本発明によるイオンビーム
加工装置の説明図である。実質的にイオン放出部である
エミッタ１Ａと引出し電極１Ｂからなるイオン源１と、
その直下に、小開口２Ａと大開口２Ｂを有するビーム制
限のためのアパーチャ板２と、照射光学系として第１レ
ンズ３と、ＦＩＢ形成時に用いる微小開口６ＡとＰＪＩ
Ｂ形成時に用いるパターン開口６Ｂを有するマスク板６
と、投射光学系として第２レンズ７と、ＦＩＢ４（点線
表示）を試料９上で走査するための偏向器（スキャナ）
８などを含む光学系から成る。さらに、イオンビーム照
射時に試料９から放出される二次電子を検出するための
二次電子検出器１０，試料９を保持して移動するための
試料台１１，アパーチャ板２の小開口２Ａと大開口２Ｂ
の切り替えのための開口切替手段１２，マスク板６の微
小開口６Ａとパターン開口６Ｂとを切り替えるための開
口切替手段１３，イオン源１，第１レンズ３、第２レン
ズ７，スキャナ８に電圧を供給するための電源１４，１
５，１６，１７などを備えている。また、これら開口切
替手段１２，１３，電源１４，１５，１６，１７の制御
は信号処理装置１８で行い、必要に応じてモニタ１９に
表示する。

【００２６】本イオンビーム加工装置におけるイオン源
１は点源であることが望ましく、本実施例ではガリウム
（Ｇａ）をイオン材料とする液体金属イオン源を用い、
イオン加速電圧は３０ｋＶである。ビーム制限のための
アパーチャ板２はエミッタ１Ａ直下約１０mmに設置し、
小開口２Ａの直径は０.３mm で放出イオンの取り込み角
を約１５mradとし、大開口２Ｂの直径は３mmで約３００
mrad、両開口の間隔が１０mmである。他方、マスク板６
に設置するパターン開口６Ｂは、本例では、簡単な矩形
状とした。大きさは加工すべき形状寸法とレンズ系の縮
小率に依存し、加工すべき形状が一辺５μｍの矩形と
し、これを縮小率１／３０のレンズ系で形成する場合に
は、パターン開口６Ｂの一辺を１５０μｍとすればよ
い。

【００２７】図４，図５は本発明によるイオンビーム加
工装置の基本構成を説明するための略図で、特に、図４
はＰＪＩＢ形成時の光学系構成、図５はＦＩＢ形成時の
構成を示す。図４，図５における符号は図１と共通であ
る。

【００２８】図４で、ＰＪＩＢ形成時には、マスク板６
への到達ビーム電流を増やすためにアパーチャは大開口
２Ｂを選択し、マスク板６は所望のパターン開口６Ｂを
選択する。この設定で、第１レンズ（ＰＪＩＢ装置では
照射レンズ、ＦＩＢ装置ではコンデンサレンズという）
３と第２レンズ（投射レンズ，対物レンズともいう）７
の電圧調整することでＰＪＩＢ５が形成され、パターン
開口６Ｂの縮小パターン２０が試料９に投射される。投
射光学系１９はパターン開口６Ｂを試料表面に投射する
結像条件を満たし、本例では、ＰＪＩＢ５が第１レンズ
３の強度調節により、イオンビームを第２レンズ７の中
心に集束させる。この構成により、第２レンズ７の収差
が小さくなり、試料９に投射されるビーム形状がシャー
プになるという利点がある。

【００２９】一方、ＦＩＢ形成時には、図５に示したよ
うにアパーチャは小開口２Ａを選択し、ビーム開口角を
小さくするとともに、マスク板６で微小開口６Ａを選択
する。第１集束レンズ３と第２集束レンズ７の電圧調整
することでＦＩＢ４が形成され、偏向器（スキャナ）８
は、簡単には対向する２枚の電極２組を直角方向に設置
して、交番電圧を与えることで試料９上でＦＩＢ４を走
査掃引させることができ、加工を行うことができる。ま
た、このＦＩＢ４走査により、ＦＩＢ照射位置情報と二
次電子検出器１０からの二次電子強度信号を信号処理装
置１８で同期させることで、試料表面形状を二次電子像
にすることができ、モニタ１９に表示できる。

【００３０】次に、マスク板６の形状の一例を、図６に
示す。（ａ）は斜視図、（ｂ）は微小開口６Ａ，パター
ン開口６Ｂを通る線を切り口とする断面図である。６は
マスク板であり、機械加工、またはリソグラフィ等の手
法により、イオンビーム投射用のパターン開口６Ｂが形
成されている。ここでも、このパターン開口６Ｂは簡単
のために矩形としている。微小開口６Ａとパターン開口
６Ｂの開口寸法とマスク板の厚さ寸法の比（アスペクト
比）は両開口共５以下であることが、ビームの集束性
や、マスク板の加工性の観点から好ましい。

【００３１】例えば、上述したようにパターン開口６Ｂ
の一辺が１５０μｍの場合には、パターン開口６Ｂの部
分の厚さは１００μｍ〜５００μｍ程度が良い。これに
比べてＦＩＢモードで用いる微小開口６Ａは微細な大き
さである。例えば、ＦＩＢを試料表面観察に用いる場合
には、この微小開口６Ａは通常直径５μｍから２０μｍ
程度の小ささとなる。このため、この微小開口６Ａの部
分の厚さは、加工アスペクト比の制限から１０μｍ程度
が望ましい。これを実現するために、微小開口６Ａを形
成すべき位置に大きな加工凹み９０を開け、厚さ１０μ
ｍの薄肉領域を形成する。これにより直径５μｍや２０
μｍの大きさの微小開口６Ａを形成することが可能とな
る。

【００３２】もし、このようにマスクに厚さ分布を持た
せずに、均一な厚さのマスク板を用いる場合には、パタ
ーン開口形成に適する１００μｍ〜５００μｍの厚さで
は、直径５μｍというＦＩＢ用微小開口の加工は困難で
あるし、逆にＦＩＢに適する１０μｍ程度の厚さでは、
イオン照射量が大きなＰＪＩＢ（例えば、図１の構成で
は、マスク板６上のイオン照射電流密度はＦＩＢの４
倍）に用いると１００μｍ〜５００μｍの厚さのマスク
の１／１０〜１／５０の寿命しか持たない。しかし、本
発明の図６に示すようなマスク板６を用いることで、Ｆ
ＩＢの精度を出しながら、且つＰＪＩＢの寿命も保つこ
とが可能となる。

【００３３】また、マスクに段差をつけずに図６と同様
の効果を持たせるためには、図７に示すような構成も用
いることができる。（ａ）は斜視図、（ｂ）は微小開口
６Ａ，パターン開口６Ｂを通る線を切り口とする断面図
である。即ち、ＰＪＩＢ用のパターン開口６Ｂを有する
マスク基板９１とＦＩＢ用の微小開口６Ａを有する微小
開口基板９２を独立に作製し、マスク固定治具９３と押
え板９４で固定することにより、一つのマスクとする方
法である。ここで、上述したように微小開口基板９２は
マスク基板９１より薄肉の基板を用いる。

【００３４】また、このような治具を用いなくとも、図
８に示すように、貼り合わせによりマスク板６を構成し
てもよい。（ａ）は斜視図、（ｂ）は微小開口６Ａ，パ
ターン開口６Ｂを通る線を切り口とする断面図である。
まず、マスク板６にＰＪＩＢ用のパターン開口６Ｂと大
きな開口９６を加工する。ＦＩＢ用微小開口基板９２は
その微小開口６Ａが開口９６の上に来るように貼り合わ
せる。ここで、微小開口基板９２肉厚は、マスク板６よ
りも薄くする。開口９６は、ＦＩＢの通過を邪魔しない
大きさに加工している。このように構成することで、図
６のマスク板６と同様の効果を持たせることができる。
ここでは、貼り合わせを用いたが押え板等を用いて固定
してもかまわない。

【００３５】これらのマスクを用いることで、ＦＩＢの
高精度と、ＰＪＩＢの長寿命を共に実現することが可能
となり、ＰＪＩＢモードとＦＩＢモードを切り替えて使
用できるイオンビーム加工装置を実現することができ
る。

【００３６】なお、本実施例では、ガリウム液体金属イ
オン源を用いたが、イオン源はこれに限られることはな
く、電界電離ガスフェーズイオン源でも、プラズマを利
用した点源イオン源でも本発明の目的は達成できる。ま
た、ＰＪＩＢ用のパターン開口として矩形開口のみを例
にあげたが、矩形開口に限られることはないことは言う
までもない。

【００３７】

【発明の効果】本発明によるイオンビーム加工装置によ
って、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実質的加
工時間は短縮されると共に長時間運転が可能になる。

【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全体構成
の説明図。

【図２】従来の典型的なＦＩＢ装置の概略構成を示す説
明図。

【図３】従来の典型的なＰＪＩＢ装置のイオンビーム照
射系の説明図。

【図４】本発明によるイオンビーム加工装置をＰＪＩＢ
モードの部品配置の説明図。

【図５】本発明によるイオンビーム加工装置をＦＩＢモ
ードの説明図。

【図６】本発明によるイオンビーム加工装置で用いたマ
スクのうち、特に、一体型マスクを示す説明図。

【図７】本発明によるイオンビーム加工装置で用いたマ
スクのうち、特に、治具を用いた組み合わせマスクを示
す斜視図。

【図８】本発明によるイオンビーム加工装置で用いたマ
スクのうち、特に、貼り合わせマスクを示す斜視図。

【符号の説明】

１…イオン源、４…ＦＩＢ、５…ＰＪＩＢ（投射イオン
ビーム）、６…マスク板、６Ａ…微小開口、６Ｂ…パタ
ーン開口、７…第２レンズ、１３…開口切替手段。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】イオンビームを供給するイオン源と、上記
イオンビームの開き角を制限する開口を有するアパーチ
ャ板と、試料を保持する試料台と、微小開口と上記試料
を加工すべき形状に対応するパターン開口とを有して上
記微小開口部分の基板肉厚が上記パターン開口部分の基
板肉厚よりも薄いマスク板と、上記マスク板の微小開口
かパターン開口の何れかを選択する開口切替手段と、上
記イオン源から引出したイオンビームを上記マスク板に
照射する照射光学系と、上記マスク板を通過したイオン
ビームを上記試料に導く投射光学系とを含むことを特徴
とするイオンビーム加工装置。
【請求項２】同一光学軸に対して集束イオンビームと投
射イオンビームを形成し、少なくとも上記集束イオンビ
ームと上記投射イオンビームのいずれかによって試料を
加工するイオンビーム加工装置において、上記集束イオ
ンビームを形成するための微小開口と上記投射イオンビ
ームを形成するためのパターン開口を同一マスク板に配
置し、上記微小開口は上記マスク板の一部に形成した薄
肉領域に配置したことを特徴とするイオンビーム加工装
置。
【請求項３】請求項１において、上記マスク板は、パタ
ーン開口を有するマスク基板と、上記パターン開口を有
するマスク基板より薄肉の微小開口を有する微小開口基
板とからなり、それぞれ基板を固定可能なマスク固定治
具を有するイオンビーム加工装置。
【請求項４】請求項１，２または３において、上記微小
開口と上記パターン開口と、上記微小開口部分と上記パ
ターン開口部分の基板の厚さに対するアスペクト比が５
以下であるイオンビーム加工装置。