JPS6352429B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は収束イオンビームを用いた半導体加
工装置に関する。

半導体基板表面にイオン注入やイオンエツチン
グを施す半導体製造プロセスにおいて、高輝度で
サブミクロンの単位で収束されたイオンビームが
得られれば、直接半導体に走査してパターンを書
き込み、マスクレス加工を実現することができ
る。上述の如き収束されたイオンビームを得る方
法としては液体金属をイオン源として用いる方法
或は電界電離型のイオン源を用いる方法が堤案さ
れている。上述の如く収束イオンビームを用いて
マスクレス加工を行えば、工程が簡略化されるば
かりでなく、マスク材料の附着による半導体界面
の汚染、損傷を防ぐことができ、高品質の半導体
装置が得られる。

この発明の目的はドライエツチング、加工部分
の観察及び修復を高真空内で順次行い損傷がなく
高品質の加工が迅速に行える収束イオンビームを
用いた半導体加工装置を堤供するものである。こ
のため、本発明によれば真空装置内に半導体試料
をエツチング加工する収束イオンビーム発生手段
と、試料の加工した状態を観察する観察ビーム発
生手段と、加工部分に生じた欠陥部を修復する修
復ビーム発生手段を備え、同一の高真空下で試料
の加工、観察、修復を順次行うことにより、加工
による損傷が修復され、高品質の加工を施された
半導体が迅速に得られる。

この発明の一実施例を添付の図面に基いて詳細
に説明すると、第１図において１は試料加工室で
あつて、試料加工室１の両側には加工すべき半導
体試料１２を供給するための供給室２及び加工し
た試料を取り出すための取出室３がゲートバルブ
４，５を介してそれぞれ接続され、加工室１、試
料供給室２、試料取出室３にはそれぞれ排気パイ
プ６，７，８が接続され、室内を独立して真空に
なるよう構成されている。真空試料加工室１内中
央には試料台９が設けられ、この試料台９上には
レール１３が敷設され、このレール１３は供給室
から試料台９の周縁まで来たレール１４ａ、試料
台の周縁から取出室に至るレール１４ｂと接続
し、レール上を滑走する移動台１０には圧電変換
器１１を介して試料１２が固定されている。試料
加工室１の下部には圧電変換器１１からの信号取
出端子１９及び試料台の駆動信号用端子２０がそ
れぞれ設けられ、それぞれの端子１９，２０は制
御回路２１と接続して、制御回路２１よりの信号
により試料台は公知の手段（図示せず）により所
定の方向に移動、回転或は固定される。また、試
料加工室１の上部には試料を加工するための装置
として収束イオンビーム発生部１５、試料の加工
部分の状態を観察するための装置として電子ビー
ム発生部１６、試料の加工部分に生じた損傷を修
復するための装置としてレーザービーム発生部１
７、及び、照射したイオンビーム又は電子ビーム
により放出される電子流を検出するための光電子
増倍管１８が設けられている。

試料を加工するための収束イオンビーム発生部
１５は第２図に示すように、ヘリウムガス導入管
２４と該ヘリウムガスを冷却するための液体窒素
導入管２５を備えた電界電離型イオン源２２とイ
オン源の尖端部２３に対向して配置されたイオン
引出電極２６、及び絞り２７、アインツエルレン
ズ（イオン集束レンズ）２８、静電偏向板２９よ
り構成されている。

試料の加工した状態を観察するための電子ビー
ム発生器１６は第３図にその一実施例を示す如
く、電子ビーム発生源３１と電子ビーム発生源の
前方光軸上に設けられた第１絞り３２、マグネツ
ト集光レンズ３３、マグネツト偏向コイル３４、
対物レンズ３５、第２絞り３６から構成されてい
る。マグネツト偏向コイル３４には電子ビームを
走査するための信号と、この信号をパルス変調も
しくはブランキングするための信号が重畳されて
いる。このため電子ビーム発生源３１より発射さ
れた電子ビームはマグネツト偏向コイル３４によ
りｘ方向及びｙ方向の所定軌跡に沿つて走査され
るとともに周期500KHz程度のパルスに変調され、
試料１２へ照射される。

また、試料の加工部分に生じた損傷を修復する
ためのレーザービーム発生部１７は第４図に示す
如くArレーザー３８と、レーザーの出力面に設
けられたレーザ光の振幅変調器３９と、反射ミラ
ー４０、ｘ軸方向偏向用ミラー４１、ｙ軸方向偏
向用ミラー４２、ハーフミラー４３、集光レンズ
４４及び試料１２よりの反射光を光電子増倍管１
８へ導くための反射ミラー４６より構成されてい
る。

上述の如き構成から成る半導体加工装置におい
て、先ずゲートバルブ４により試料加工室１と隔
絶された試料供給室２内において試料挿入口より
挿入した試料（半導体ウエハー）１２を移動台１
０に圧電変換器１１を介して固定し、排気管７よ
り排気して供給室２内を真空度10^-6トール程度と
する。一方、試料加工室１内は10^-7トール程度に
常時維持されて居り、前記供給室２内が10^-6トー
ル程度の真空に達したら、ゲートバルブ４を開
き、適当な手段により移動台１０をレール１４
ａ，１３に沿つて固定台９上に移動させ、固定台
９は制御回路２１よりの信号によりイオンビーム
発生部１５よりの収束イオンビームが試料上に所
定の角度で照射、集束するような位置に回転、移
動させた後に真空試料加工室１内に固定される。

上述の如く、試料１２が固定されたら、制御回
路２１よりの信号によりイオンビーム発生部１５
から試料の加工箇所に影響のない位置にイオンビ
ームを照射して縦横数ミクロン、深さ0.2ミクロ
ン程度の目合せパターン４７を複数個形成した後
（第５図）、イオンビーム３０を試料１２へ照射し
て所定のパターンのエツチングをマスクレスで行
う。試料へ照射するイオンビームのパターンは制
御回路の指令により決定される。この場合、イオ
ン源２２へヘリウムイオンと液体窒素を供給し、
引出し電極２６へ印加する電圧を6KV、電流を
５〜10μA／sr程度とし、電極２９を偏向電極と
して用いることにより、径が約200Åに収束され
たイオンビームが試料１２へ照射され、溝４８が
形成される（第６ａ図）。一例として形成する溝
の幅を1μｍとする場合には前記収束イオンビー
ムは、幅方向に少しずつずらしながら、繰り返し
走査される。このようにして得られた加工部分
（溝）４８の加工表面には、通常イオン衝撃によ
る結晶欠陥４９が発生している。

試料に所定のパターンの加工が完了したら、同
一真空内に於て、制御回路２１よりの指令を端子
２０を介して試料固定台９へ送り、試料１２が電
子ビーム発生部１６より発射される電子ビームの
光軸に対して所望の角度と位置になるよう試料固
定台を移動させた後、制御回路２１の指令により
電子ビーム３７を照射する。この時最初、２次電
子像観察により試料１２中の目合せ用孔４７を確
認し、次いで試料中のイオンビームによる加工部
分（溝）４８に沿つて照射する（第６ｂ図）。こ
の場合の電子ビームの加速電圧を30KV、電流を
10〜50μA程度とし、電子ビーム発生源３１より
発射された電子ビームは前述の如くマグネツト偏
向コイル３４に設けられたパルス変調機能により
周期500KHz程度のパルスに変調されて試料へ照
射される。このときのビームの径は一例として加
工部分（溝）４８を充分に照射するような大きさ
とする。このように試料の加工部分に沿つて照射
したパルス状電子ビームは一般に加工表層より内
部へ浸透して吸収され、前記電子ビーム強度及び
前記照射部結晶欠陥４９の程度に応じて局部的に
熱を発生する。かかる局所熱は更に周期的熱応力
を誘起する。かかる熱応力は熱励起超音波として
試料中を伝播し、試料１２の底面に密着している
水晶圧電変換器１１により電気信号に変換され
て、出力信号は端子１９を介して制御回路２１へ
送られる。従つて前述の如く試料の加工部分に損
傷部分、欠陥部分４９が存在すると電子ビームの
吸収が増大し、その結果熱応力が増し、超音波の
振幅が増大して変換器１１に検出され、試料中の
損傷、欠陥の程度、空間分布が判明する。このよ
うにして試料の加工状態の観察を行い、圧電変換
器１１で得られた信号は制御回路２１へ送られ、
記憶される。

上記では電子ビームを用いて試料の加工部分を
観察する実施例を述べたが、レーザービームを用
いても観察することができる。即ち、上記と同様
に試料の加工部分に沿つてレーザービームを照射
すると、試料の照射部にて励起された電子及び正
孔は、一定の寿命時間の後再結合する。この際
に、加工部分に損傷部或は欠陥部が存在しないと
前記再結合によりレーザー照射表面は発光する。
しかし欠陥部が存在すると非発光再結合が起り、
同時に超音波が発生する。かかる超音波は欠陥部
の状態により強弱の変化をする。この超音波を第
３図と同様な手段で検出することにより試料の加
工部分の欠陥状態の観察が行える。

上述の試料の加工状態の観察が完了したら、続
いて試料固定台９を移動して試料１２がレーザー
ビーム発生部１７のレーザービームの光軸に対し
て所望の角度と位置となるよう変更し、レーザー
光源３８より目合せのためのレーザービームを光
学系を介して試料表面へ照射する。試料より反射
したレーザービームはハーフミラー４３を直進
し、反射ミラー４６により反射されて増倍管１８
へ送られる。このようにして試料上を走査するレ
ーザービームは、まず目合せ孔４７の照射によつ
て目合せパターン４７を確認し、次いで制御回路
２１の指令により試料の加工部分４８に沿つて照
射し熱的に前記加工表層欠陥を修復する（第６ｃ
図）。レーザーの光源としては出力5W、波長4880
ÅのArレーザーが用いられ、レーザービーム４
５の径は収束光学系通過後2μｍ程度に集束され
る。ここでレーザー３８の出力側には例えば電気
光学結晶（リチウムータンタレート）を用いた振
幅変調器３９が設けられ、制御回路２１からの信
号によりレーザー３８より放射されるレーザービ
ームの振幅が変調される。この変調信号は前記加
工の損傷状態に応じて変調されたものである。こ
のように試料の加工の損傷に応じてレーザービー
ムの強度を制御するため、試料中の損傷の程度が
場所によつて異つても、実質的に均質に損傷部或
は欠陥部は回復されることになる。

上述の試料の加工部分の損傷、欠陥部の修復は
第３図に示した電子ビーム発生装置で行うことも
できる。この場合、損傷、欠陥の程度に応じて、
加速電圧を５〜30KV、電流を０〜100mAの範囲
で制御し、走査速度を10mm／sec程度とすること
により欠陥部を均質に修復することができる。

上述の如く、試料の加工を行い、欠陥部の修復
が完了したら、ゲートバルブ５を開き、移動台１
０をレール１３，１４ｂに沿つて動かして加工し
た試料を取出室３へ移動させる。試料取出室は予
め10^-6トール程度の真空とされているためゲート
バルブ５を開いても加工室１内の真空は殆ど変ら
ない。このように試料を取出室３へ移動させた
ら、ゲートバルブ５を閉じて試料を外部に取出す
とともに、新しい試料は供給室３に入れ、真空に
した後、ゲートバルブ４を開いて試料加工室１内
へ送り込む。従つて装置を簡単にするため、試料
の供給室と取出室を共通の一つの室とすることも
できる。

又、欠陥部の修復手段として電子ビーム発生装
置を用いる場合は、観察用の電子ビーム発生装置
を共用することができるので、レーザービーム発
生手段１７を省くことができる。逆に試料の加工
した状態を観察する手段として、レーザービーム
発生手段を用いる場合は修復手段としてのレーザ
ービーム発生手段を共用することができるので、
電子ビーム発生手段１６は省くことができ、装置
全体を簡略化することができる。

以上で明らかなように、この発明によれば、
尚、本発明においては、前述の如く、加工誘起欠
陥の検出・修復のために用いられる電子又は微細
レーザビームは、周辺の既製構造物の性能劣化を
伴わない様に、加工部のみに照射されており、こ
のことは公知の技術では見いだせない本発明の別
の特徴である。真空装置内に半導体試料を加工す
るビーム発生手段、試料の加工した状態を観察す
るビーム発生手段及び試料の加工部分に生じた欠
陥部を修復するビーム発生手段をを設け、試料の
加工手段として収束イオンビーム発生装置を用い
るので、マスクレスの加工が行え、続いて同一真
空内で加工した状態を観察、記憶し、損傷の程度
に応じて周辺の既製構造物の性能を乱すことなく
必要部分のみの修復処理をする。従つてこれまで
の加工、観察、修復を別個に行つていた場合に較
べ、製造プロセスが迅速となり、経済性が飛躍的
に向上する。その上、高清浄な環境下で加工が行
えるため高品質な半導体装置を得ることができ
る。特に、結晶表面が化学的に不安定で、製造工
程中に、大気中の酸素や水分により変質したり、
あるいはマスクパターンの付着により表面が汚染
され易いガリウム砒素（GaAs）の如き化合物半
導体の加工に本発明は最適である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による半導体加工装置の一実施
例を示す概略構成図。第２図は第１図の半導体加
工装置の収束イオンビームを発生する手段の概略
構成図。第３図は第１図の装置の電子ビーム発生
手段の概略構成図。第４図は第１図の装置のレー
ザービーム発生手段の概略構成図。第５図は半導
体試料に目合せ用孔を設けた状態を示す平面図。
第６図は半導体の加工工程状態を示す断面図。 図中、１は試料加工室、２は試料供給室、３は
試料取出室、１２は試料、１５は収束イオンビー
ム発生手段、１６は電子ビーム発生手段、１７は
レーザービーム発生手段、２１は制御回路、４８
は試料の加工部分、４９は試料の欠陥部を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 真空装置内に半導体試料を加工する収束イオ
   ンビーム発生手段と、加工部のみに照射して当該
   部分の加工誘起欠陥を観察する電子又は微細レー
   ザビーム発生手段と、同じく、加工部分のみに照
   射して、当該部分に生じた欠陥部を修復する電子
   又は微細レーザビーム発生手段及び加工誘起欠陥
   を検出するために試料台背面に設けられた超音波
   検出手段を設け、この加工、観察、修復各ビーム
   発生手段を制御回路の指令で駆動し、観察ビーム
   発生手段で得られた信号に基づき上記制御回路で
   修復ビーム発生手段の出力を強弱に制御すること
   を特徴とする収束イオンビームを用いた半導体加
   工装置。