KR100799014B1 - 초 미세 입체구조의 제조 방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

집속 이온빔 장치를 이용한 디포지션 기술로서, 원료 가스로서 페난트렌을, 이온으로서 액체금속 이온원 으로부터 5 내지 100keV의 갈륨 또는 금, 실리콘, 베릴륨 등의 이온을 사용하고, 가스 분사 밀도를 종래의 디포지션의 경우보다 5 내지 10 정도 높게 하고, 가스 분사 방향을 등방향 또는 대칭적으로 하여 실행하는 방법을 채용한다.

Description

초 미세 입체구조의 제조 방법 및 그 장치{METHOD AND APPARATUS FOR MANUFACTURING ULTRA FINE THREE-DIMENSIONAL STRUCTURE}

시료면에 원료 가스를 분사하면서 집속 이온빔을 조사하는 CVD법에 의해 초 미세 입체 구조물을 형성하는 기술에 관한 것이다.

초 미세 입체구조체는 현미경 시료의 가공에 사용되는 나이프, 드릴, 메니퓨레이터(manipulator) 프로브, 스프링 코일, 프로브 현미경의 촉침, 정밀한 전자 회로용의 코일 등 넓은 분야에서의 필요성이 높고, 그 제조 기술의 제공에 큰 기대가 모아지고 있다. 종래 이와 같은 종류의 초 미세 입체구조체의 제조에는 기계적 가공에 의해 블록 등의 소재를 형성하고, 그것에 스퍼터 에칭법에 의해 해당 소재를 깎아 제작하는 것이 시도되어 왔다. 그러나, 이 방법은 피제조물이 메니퓨레이터 프로브, 프로브 현미경의 촉침 등과 같이 선형 형상의 것이라면 비교적 용이하지만, 드릴이나 코일이라는 입체 형상의 것으로 되면 그 가공은 매우 곤란하였다.

또한, 반도체 디바이스나 그 제조에 이용하는 마스크 등의 미세 가공기술로서는 상기한 스퍼터 에칭법 이외에 가스 어시스트 에칭법이나 화학적 에칭법이라는 소재를 제거하는 가공 이외에, CVD법(화학증착법)이라는 소재를 부착시키는 가공이 사용되어 왔다. 그런데, 연구자 사이에서는 이 CVD법에 의해 초 미세 입체구조물을 형성하는 기술의 개발이 시도되고 있다. 이 CVD법에는 사용하는 빔의 형태로서 레이저 광을 이용하는 방법, 집속 전자 빔을 이용하는 방법, 집속 이온빔을 이용하는 방법이 있다. CVD법에 의한 디포지션은 퇴적되는 부재의 치수가 빔 지름에 의존하기 때문에, 이 종류의 초 미세 입체구조체의 제조에는 빔 지름이 미세한 것이 요구된다. 레이저광을 이용하는 경우에는, 광으로서의 성격상 빔은 그 파장에 따른 한계가 있고, 빔을 편향하여 원하는 주사를 시키는 것이 기구 구조상 어렵다. 따라서 조사 위치를 바꾸는 것은 시료 스테이지를 5축 구동시키는 등으로 대응하여야 하며, 조작이 번거로울 뿐만 아니라 응답속도도 늦어진다. 이 점, 전자 빔과 이온빔은 전자기적인 수단을 이용하고, 빔의 집속과 빔 편향 주사는 비교적 용이하기 때문에 이와 같은 종류의 초 미세 입체구조체의 제조에는 알맞다고 할 수 있다. 그러나 집속 전자 빔을 이용한 경우에는 질량 및 입자 지름이 작은 전자의 성격으로부터, 조사한 전자가 퇴적시키고 싶은 시료 타깃을 넘어서 시료를 관통해 버리고, 본의가 아닌 장소에 퇴적시키는 등의 현상이 수반되어, 원하는 장소의 디포지션 형성이 목적한대로 될 수 없다는 문제가 있다. 이상의 내용을 종합하면, 초 미세 입체구조체의 제조에는 집속 이온빔을 이용하는 방법이 가장 적합하다고 할 수 있다. 따라서 현재 연구자 사이에서는 이 집속 이온빔을 이용한 연구가 여러가지 시도되고 있는 상황 이다.

도 4를 이용하여 이러한 집속 이온빔 장치를 이용한 디포지션에 관해 설명한 다. 부호 1은 이온 원이고 여기서부터 인출 전극에 인가된 전압에 의해 이온이 인출되고, 이온 광학계(3)에 의해 빔 형태로 조여지고, 디플렉터에 의해 편향 작용을 받아 시료면의 소망 장소에 조사된다. 시료 스테이지(4)에 올려놓여진 디포지션을 시행할 시료(7)의 면 부근을 향해 가스총(6)으로부터 원료 가스를 분사한다. 그러면 시료(7)의 해당 영역 표면에는 분사된 원료 가스의 흡착층이 생기고, 여기에 집속이온빔(2)이 조사되면 이온과 원료 가스가 반응하고, 어떤 생성물은 휘발되며 어떤 생성물은 시료면상에 퇴적된다. 집속 이온빔(2)이　디플렉터에 의해 시료(7)의 소정 영역에 주사되었을 때에는 퇴적물이 그 영역에 박막을 형성한다. 이 집속 이온빔 장치를 이용한 디포지션은, 집속이온빔을 이용한 스퍼터 에칭이나 가스 어시스트 에칭에 의해 반도체 디바이스 등을 가공할 때 주변의 손상을 방호하기 위한 보호막 형성이나, 반도체 디바이스, 포토 마스크 등의 백결함(白缺陷)(결락결함(缺落缺陷))을 보수하기 위해 관용되어 왔던 것이다.

본 발명자 그룹은 상기한 반도체 디바이스, 포토 마스크 등의 백결함을 보수하는 분야에 있어서, 홈(溝) 결함에 가교를 시행하는 연구의 과정에서 가로방향으로 소재를 육성하는 기술을 개발하였다. 이 기술은 앞서의 일본특원2000-333368호 「다리 형상의 막 패턴 형성 방법」으로서 특허 출원되어 있다. 이 기술은 소자의 홈 형상 결함에 대하여 홈의 단부로부터 가늘고 긴 모양의 조사 영역에서 디포지션을 실행하고 서서히 조사 영역을 개구의 중앙으로 옮기면서 디포짓층을 중앙 방향으로 성장시켜 간다는 것이다. 이 때의 현상은, 도 3에 도시한 바와 같이 디포짓층(D)의 선단측에 경사면이 형성된다. 경사면이 형성되는 것은 조사 당초에 는 조사 영역의 선단측은 부착할 기초가 없기 때문에 단부로부터 차례로 부착이 진행됨에 따른다. 그러나 일단 기초가 생기면 그 위에 디포짓층(D)이 형성되게 되고, 같은 영역으로의 조사 시간을 길게 잡으면 도 3의 (A)중 1점쇄선(b)으로 도시한 바와 같이 디포짓층(D)이 단지 두꺼워질 뿐만 아니라 이 경사면이 소실되어 평탄한 디포짓면으로 되어 버린다. 그와 같이 디포짓층(D)의 성장 선단측의 에지가 세워져 버리고 나서 조사 영역을 시프트하여 디포짓층을 형성하면, 다음의 가늘고 긴모양의 디포짓층은 도 3의 (C)에 도시한 바와 같이 윗쪽과 선단 방향으로 계단모양의 막이 성장한다는 결과를 얻었다. 앞의 출원 발명에서는 디포짓층(D)의 선단측이 차양과 같이 형성되어 있는 상태일 때, 경사면 부분을 겹치도록 하여 선단측으로 조사 영역을 시프트시키고 다음번의 디포지션을 실행한다. 제2회일 때의 디포짓층(D)은 도 3의 (A)에 파선(a)로 도시한 바와 같이 역시 경사면으로서 형성된다. 그 상태에 달한 시점에서 더욱 선단측으로 조사 영역을 시프트하고, 차례로 디포짓층(D)을 선단측에 성장시켜 간다. 이 방법에 의한 막 형성은 도 3의 (B)에 도시한 바와 같이 각 가늘고 긴모양의 디포짓층은 계단모양으로는 되지 않고, 하면의 위치가 일정한 길다란 편측지지 들보 형상체의 형성이 가능하게 된다. 곧바로 옆으로 성장하여 박막 두께의 10배 이상의 것까지 만들 수 있고, 게다가 그 두께는 일양하며 또한 평탄하게 형성될 수 있음을 확인하였다.

본 발명의 과제는, 시료면에 원료 가스를 분사하면서 집속 이온빔을 조사하는 CVD법에 의해 초 미세 입체구조물을 번거로운 조작을 필요로 하지 않고 용이하며 또한 신속하게 형성할 수 있는 기술을 제공하는 데 있다.

또한, 이 가공에 있어서 이온빔으로서 조사되어 시료중에 잔류하는 이온 원소를 제거하는 기술을 제공하는 것이다.

본 발명은, 집속 이온빔 장치를 이용한 디포지션 기술로서, 원료 가스로서 페난트렌을 이온으로 하여 액체금속 이온원 으로부터 5 내지 100keV의 갈륨 또는 금, 실리콘, 베릴륨 등의 이온을 사용하고, 가스 분사 밀도를 종래의 디포지션의 경우보다 5 내지 10배 정도 높게 하고, 가스 분사 방향을 등방향 또는 대칭적으로 하여 실행하는 방법을 채용하였다.

여기에서, 「가스 분사 밀도를 종래의 디포지션의 경우보다 5 내지 10배 정도 높게 하여」를 상세히 설명한다.

1. 집속 이온빔에 의한 본 디포지션의 종래예로서, 원료 가스로서 피렌(C16H10)을 사용한 예가 있다. 이것은 광 리소그래피 포토마스크의 백결함 수정의 차광막 형성에 사용된 예이다. 이 경우는, 차광 성능을 중시한 결과, 피렌이 선정되었다. 피렌은 분사 밀도를 높게 하면, 시료 표면에 석출되기 쉬운 가스이다.

집속 이온빔에 의한 디포지션에서는, 분사된 가스가 석출하여서는 상태가 나쁘다.

2. 금회에, 디포짓막 두께의 성장 속도를 중시하여 가스 종류를 선정한 결과, 페난트렌(C14H10)이 매우 적합한 것이 확인되었다. 실온에 있어서의 증기압을 비교하면 페난트렌은 피렌보다 한자리 높다. 그 때문에, 페난트렌을 원료 가스로 한 경우, 원료 가스의 석출 문제가 없이 분사 밀도를 피렌의 경우보다 한자리 높일 수 있다.

그 결과, 디포짓막 두께의 성장 속도를 종래보다 약 한자리 높은 100nm/sec까지 업 할 수 있다. 또한, 빔 전류가 몇 pA 정도 이하의 소전류인 경우, 빔 주사를 정지 또는 극히 느리게 한 주사에서도 디포지션이 가능하게 되었다. 이것은 가스 입사 밀도를 빔 입사 밀도에 떨어지지 않는 레벨로 올릴 수 있기 때문이다.

3. 증기압이 높기만 하면 나프탈렌(C10H8)도 매우 적합한 원료 가스가 될 것이다.

그렇지만, 나프탈렌의 경우에는 분사 밀도를 페난트렌보다 한자리 이상 높여도 디포짓막 두께의 성장 속도가 보다 낮은 결과가 되었다. 그 이유로서 나프탈렌의 시료 표면에의 흡착 확율이 한자리 이상 낮을 가능성이 고려된다.

4. 이상의 실험 결과로부터, 페난트렌을 원료 가스로 함으로서 시료 표면에서의 석출없이 분사 밀도를 피렌의 경우보다 한 자릿수 높게 할 수 있다. 디포짓막 두께의 성장 속도를 종래보다 약 한자리 높은 100nm/sec까지 업 할 수 있는 것이 확인되었다.

또한, 원료 가스 용기의 온도를 올림으로써 페난트렌의 분사 밀도를 소정의 값으로 제어한다. 시료 표면에 있어서의 분사 밀도를 결정하는 방법으로서, 일단 원료 가스 용기의 온도를 소정의 온도 이상으로 올려 석출을 확인하고, 다음에 조금씩 온도를 내려 석출하지 않는 한계 온도를 조사한다. 이 온도보다 몇도 낮은 온도로 설정하도록 한다.

석출한다, 하지 않는다는 시료 온도에서의 원료 가스의 증기압에 상당하는 분사 밀도를 초과하는지의 여부로서 결정되기 때문에, 시료 온도를 상기한 테스트시의 온도로 유지할 필요가 있다. 상기한 바와 같이 석출 한계 온도보다 몇도 낮게 설정하면 보통은 실온을 컨트롤하는 것만으로 충분하다. 경우에 따라서는, 집속 이온빔 장치에 시료 온도를 실온보다 높은 온도로 컨트롤하는 기구를 부가하여도 좋다.

또한, 빔 전류를 1pA 이하로 하는 동시에, 주사를 정지하여 빔을 정지시킴으로써, 0.08㎛ 지름의 입체구조물의 형성을 가능하게 한다.

집속 이온빔 장치로서 5축(x, y, z방향 및 회전, 경사) 구동의 시료 스테이지를 갖는 것을 채용하고, 시료에 조사되는 이온빔의 영역을 시료의 성장 방향에 따라 시프트시키는 동시에, 성장에 따라 가공 영역에 빔의 초점을 정합(整合)시키도록 우선 이온 광학계를 제어하고, 그 범위를 넘을 때에는 상기 스테이지를 구동하도록 하여 입체구조물을 형성한다.

또한 본 발명의 방법에 의해 형성된 입체구조물에 도금 또는 다른 CVD법에 의해 원하는 재질의 층의 형성을 가능하게 한다.

도 1은 본 발명의 방법으로 초 미세 입체구조의 것을 생성하는 예를 도시한 것으로, (A)는 이온빔의 조사 영역을 평면도로 도시하며, (B)는 생성된 코일의 구조를 사시도로서 도시한 도면.

도 2는 본 발명의 방법으로 초 미세 입체구조의 드릴을 생성하는 예를 도시한 것으로, (A)는 이온빔의 조사 영역을 평면도로 도시하며, (B)는 생성된 드릴의 구조를 사시도로서 도시한 도면.

도 3은 본 발명의 기초가 되는 집속 이온빔을 이용한 디포지션의 현상을 설명하는 도면.

도 4는 집속 이온빔 장치의 일반적 구성을 설명하는 도면.

본 발명은 전술한 지견에 의거한 것으로서, 약간의 소자의 홈모양 결함에 대하여 홈 단부로부터 가늘고 긴모양의 조사 영역에서 디포지션을 실행하고 서서히 조사 영역을 개구의 중앙으로 옮기면서 디포짓층을 중앙 방향으로 성장시켜 가면, 도 3에 도시한 바와 같이 디포짓층의 선단측에 경사면이 형성되는 데, 일단 기초가 생기면 그 위에 디포짓층이 형성되게 되고, 같은 영역으로의 조사 시간을 길게 잡으면 도 3의 (A)중의 일점쇄선(b)으로 도시한 바와 같이 디포짓층이 단지 두꺼워질 뿐만 아니라 이 경사면이 소실되어 평탄한 디포짓면으로 되어 버린다. 그와 같이 디포짓층의 성장 선단측의 에지가 세워져 버리고 나서 조사 영역을 시프트하여 디포짓층을 형성하면, 다음의 짧은 책 모양의 디포짓층은 도 3의 (C)에 도시한 바와 같이 윗쪽과 선단 방향으로 계단모양의 막이 성장하고, 형성되어 버린다는 지견이다. 이 현상에 의거하여, 본 발명자는 집속 이온빔 장치를 이용한 디포지션 기술에 의해, 기반상의 미소 영역에 이온빔의 조사를 행함으로써 해당 미소영역에 디포짓 층을 형성시키고, 그 위에 이온빔의 조사를 거듭함으로써 디포짓층의 윗쪽으로 성장을, 또한 조사 영역을 시프트시킴으로써, 가로방향으로의 성분을 갖는 디포짓층의 성장을 도모할 수 있는 데 이르렀다.

본 발명자는, 집속 이온빔 장치에 있어서 가스총으로부터 W(CO)6, WF6을 사용한 텅스텐 디포지션, Mo(CO)6을 사용한 몰리브덴 디포지션, Fe(CO)5. Ni(CO)5, Al(CO)5를 이용한 철, 니켈, 알루미늄 디포지션이라는 유기금속 가스를 사용한 여러 금속 디포지션이나, 피렌, 스티렌, 페난트렌이라는 방향족 가스를 사용한 탄소 디포지션 등, 여러가지의 원료 가스를 분사하여 디포짓층 형성 상태의 실험을 실시하였다. 그 결과, 페난트렌을 사용한 디포지션이 가장 디포짓층 형성 스피드가 빠른 것을 발견하였다. 이 때에 이용한 집속 이온빔은 30keV 정도의 Ga 이온이였지만, 5 내지 100keV 정도의 금, 실리콘, 베릴륨 등의 이온을 이용할 때에도 동일한 결과인 것을 확인하였다.

여기서, 원료 가스로서 페난트렌 가스를 사용하면 디포짓막의 성장 속도를 높게 할 수 있는 이유에 관해 고찰한다. 그것에는, 집속 이온빔(FIB)에 의한 디포지션의 원리로 되돌아올 필요가 있어서, 원리를 공정별로 이하에 기술한다. 이 공정은 설명을 알기 쉽게 하기 위한 편의적인 것이다.

(1) 우선, 디포지션하는 원소를 포함한 원료 가스를 FIB 조사 영역의 시료상에 분사하여, 흡착층을 만드는 공정.

이 흡착층은, 다층으로 되면 안된다. 다층 흡착막으로 되면 원료 가스 성분그대로의 막이 전면에 성장하여 버리기 때문이다. 다층 흡착막으로 되지 않는 조건 은, 분사되는 가스의 입사 밀도보다도, 흡착된 가스가 뛰어나가는 밀도 쪽이 높은 것이다. 이것은, 실행시의 온도(보통은 실온)에 있어서 원료 가스의 증기압이 소정의 값(원료 가스의 분사 밀도에 상당하는 증기압)보다 높으면 좋다는 것이다. 당연히, 빨리 막을 성장시키자면, 원료 가스를 고밀도로 분사할 필요가 있다. 흡착막이 다층으로 되어서는 안된다는 상기 조건을 충족시키키 위해서는, 원료 가스의 증기압은 가능한 한 높은 쪽이 좋다.

한편, 단지 증기압이 높은 것만으로, 분사된 가스가 단층 흡착층을 형성하지 않고 곧바로 증발해 버리는 원료 가스로서는 역시 고속 디포지션은 행할 수 없다. 원료 가스의 선정 기준으로서, 성막시키고 싶은 원소를 포함하는 동시에 증기압이 높고 또한 단층 흡착층을 형성하기 쉽다는 조건이 필요하다.

(2) FIB에 의해 원료 가스 흡착층을 분해, 또는 중합하여 디포짓막을 형성하는 공정.

상기 (1)의 공정에서 원료 가스가 흡착(이상적으로는 단층 흡착이지만, 단층 미만의 흡착이라도 좋다)되어 있는 곳에 FIB가 스폿으로서 입사하면, 흡착층·기판과 상호작용하여, 2차전자를 발생하고 그 2차전자가 원료 가스 흡착층을 분해, 또는 중합하여 디포짓막을 형성한다. 이 디포짓막의 지름은, 빔 스폿 지름보다 크게 된다. 그 이유는, FIB가 시료내에서 산란하여 퍼지고, 산란된 이온이 발생한 2차 전자의 범위도 넓어는 데 기인한다.

발명자의 실험에 의한다면 30keV의 갈륨 이온의 빔 전류를 0.4pA로 하면, 빔 지름을 7nm로 가늘게 할 수 있다. 원료 가스를 페난트렌으로 하여 가스총으로부터 기판상에 분사한다. 가스총 내의 원료 가스를 발생시키는 용기의 온도를 보통의 카본 디포지션시보다. 10 내지 20도 높게 하고, 또한 같은 가스총을 대향하여 반대측에도 설치하고 가스의 분사 방향을 대상적으로 하였다. 가스총의 선단의 내경은 0.3mm, 시료 표면과 가스 노즐과의 거리는 0.1mm로 하였다. 이로써, 가스의 분사 밀도는, 보통의 카본 디포지션시보다 10배 정도 높아졌다. 가스총의 밸브를 열었을 때의 시료실 압력의 상승은, 5. 10 내지 5Pa 정도이다. 이 조건하에서는 상기 스폿 빔에 의한 디포짓막의 지름은 80nm이 되었다. 이 실험 데이터로부터, 30keV의 갈륨 빔의 경우, 시료(카본, 실리콘)중의 산란·2차전자 발생에 의한 입사 빔 지름 외의 영역으로의 퍼짐은, 편측 36nm 정도라고 고려된다. 이 값은, 시뮬레이션 등의 예측에 거의 일치하고 있다.

다음에 페난트렌 단층 흡착막이 전부 분해·중합하여 카본막으로 되었다고 하면 두께가 어떻게 되는지를 단순화하여 계산해 본다. 디포짓막은 어모퍼스 카본막이지만 그라파이트와 같은 비중으로서 계산하여 보면, 0.54nm의 두께로 된다. 페난트렌의 경우, 1분자 내에 카본 원자가 14개로 다수 포함하고 있기 때문에 고속 막 성장에 매우 알맞다.

텅스텐 디포지션 경우의 원료 가스인　헥사카르보닐텅스텐은, 1분자 내의 텅스텐 원자의 수가 1개이다 . 또한, 원료 가스의 비중이 작고, 텅스텐막의 비중이 큰 탓도 있어서 원료 가스의 단층 흡착막이 전부 분해하여 텅스텐막으로 되었다고 하여도 0.044nm로서, 페난트렌으로부터의 카본막의 경우에 비해 8%의 두께이다. 이것으로부터도, 텅스텐 디포지션의 경우는 원료 가스의 분사 밀도를 상당히 높게 하 여도 막 성장 속도를 높게 하는 것이 곤란함을 알 수 있다.

이상으로부터, 원료 가스로서 1분자 내에 카본 원자를 다수 함유하며, 또한 실온에서의 증기압이 비교적 높은 방향족 탄화수소가 막 성장 속도를 높게 하는 데도 매우 알맞을 가능성이 높은 것을 알 수 있다. 가열 온도에 따라 밀도를 컨트롤하는 것이 용이한 고체라는 조건도 합치면, 페난트렌 외에 피렌, 나프탈렌 등이 후보로 된다. 증기압이 높은 쪽부터 나열하면, 나프탈렌, 페난트렌, 피렌의 순서로 된다. 이러한 후보에 관해 실험으로 비교한 바, 페난트렌이 가장 좋은 것을 알았다.

나프탈렌의 경우, 가스 입사 밀도를 높게 할 수 있지만 증발하는 것도 빨라서, 단층 흡착막이 형성되지 않는 것 같았다. 페난트렌의 경우보다 분사 밀도를 높게 하여도, 막 성장 속도는 낮은 것이 확인되었다.

피렌의 경우는, 실온에 있어서의 증기압이 낮기 때문에 가스 분사 밀도를 높게 하면 원료 가스 그 자체가 석출되는 것이 네크로 되어, 역시, 막 성장 속도는 페난트렌의 경우에는 미치지 못함이 확인되었다. 이러한 실험 사실로부터, 가장 알맞은 것이 페난트렌이고, 이어서 피렌인　것이 밝혀졌다.

그런데, 상기와 같이 FlB를 30keV의 갈륨 이온으로 하고, 빔 전류 0.4pA, 빔 지름 7nm이라는 극한적으로 가늘은 빔(이 경우, 스폿 전류 밀도는 1.0A/cm²이고, 보통의 가공시에 한자리 낮다)으로 하고, 원료인 페난트렌 가스의 공급도 충분히 많게 한 경우에는, FIB와 원료 가스를 방출하게 하고, 스폿 빔(빔을 주사하지 않는 다)으로 하면 디포짓막이 80nm 지름의 일률적인 굵기의 기둥으로 되어 시간에 비례한 높이로 성장하는(10㎛/100sec) 것이 확인되었다. 전류가 0.8pA 정도에서는, 기둥의 지름이 조금 굵은 90nm로 되고, 조금 빨리 성장하는(14㎛/100sec) 것을 알았다.

(3) FIB의 초저속 주사에 의해 끊어짐 없는 입체구조물을 형성하는 공정.

상기 (2)에서 원료 가스 흡착막이 FIB의 스폿 빔으로 분해·중합되는 공정을 상술하였는데 다음에 빔을 초저속으로 주사되는 경우에 관해 기술한다. 여기에서 초저속이란 어느 정도의 속도인가 하면 카본 기둥의 성장 속도인　100nm/sec의 10분의 1로부터 10배 정도, 즉 10nm/sec으로부터 1㎛/sec 정도를 고려하고 있다. 또한, 빔의 스텝 폭은, 카본 기둥 지름의 10%인 8nm 정도를 상정하고 있다. 이와 같은 디포지션 조건에의 디포지션 기둥은, 빔 주사의 궤도에 따라 끊어짐 없는 입체구조물로 된다.

한편, 이것보다 빔 주사속도를 빠르게 하면 디포지션 기둥은, 공중에 이륙하는 것이 아니라 시료 표면에 따라 옆으로 성장한다. 종래의 디포지션은 이와 같은 조건에서만 실행되고 있었다. 이 경우에는, 빔의 이동 속도가 높기 때문에 단위 시간당의 디포지션 면적이 넓고, 즉 디포짓 면적당의 빔 전류 밀도가 낮아지기 때문에 원료 가스의 입사 밀도는 그렇게 높을 필요가 없었다.

본 발명에서 페난트린 가스를 사용함으로써 종래보다도 한자리 정도 높은 가스 입사 밀도를 실현할 수 있었기 때문에, 끊어짐 없는 입체구조물의 형성이 간단화되고 또한 고속화되었다고 할 수 있다. 가스 밀도가 낮은 경우에 빔 조사를 조사 점마다 고속으로 블랭킹하여 간헐 조사로 하고, 실효적으로 빔 전류 밀도를 낮게 하면 그런대로 끊어짐이 없는 입체구조물을 형성할 수 있다. 그렇지만, 이 방법에서는 2가지 결점을 갖는다. 하나는, 성장 속도가 느린 것이고, 또 하나는 다수회의 블랭킹의 영향으로 블랭킹 방향으로 아랫자락을 끈다(입체구조물의 형상이 비뚤어진다)라는 것이다.

또한, 페난트렌의 농도를 종래 반도체 디바이스 등의 시료 표면에 스퍼터 에칭에 의한 손상을 방지하기 위한 보호막 형성시에 사용되는 것보다 높은 농도(5 내지 10배 정도)로 하면 성장이 신속하면서 안정한 것, 가스총으로부터의 분사 방향을 전방위적으로 같은 조건으로 또는 대칭적인 위치 방향으로부터 행함으로써 이방성이 없는 성장을 도모할 수 있음을 발견하였다.

또한, 빔 전류를 1pA 이하로 하여 주사를 정지하고 빔을 정지시켜 빔 조사를 행함으로써, 100nm 이하의 극히 미세한 디포짓층을 형성할 수 있음을 발견하였다. 덧붙여서 현재 기술적으로 가능한 디포지션의 최소 치수인 0.08 미크론 지름의 입체구조물을 형성할 수 있었다.

성장이 신속하며 안정성이 많기 때문에 원료 가스를 페난트렌으로 특정한 경우, 형성되는 입체구조물은 탄소라는 것으로 된다. 원하는 입체구조물에 요구되는 물성, 예를 들면 탄성율, 도전율, 열전도율, 내식성, 반응성 등이 탄소재로서는 부적당한 경우에는 입체구조물로서의 코어 부분을 탄소재로 한 것에 도금이나 CVD법에 의해 이질재를 적층함으로써 원하는 물성을 충족시키도록 조정할 수 있다. 또한, 스퍼터 에칭이나 화학적인 에칭에 의해 구조체에 가공을 가할 수도 있고, 다양 한 요구에 맞추어 대응이 가능하다.

다음에, 본 발명의 방법에 의해 제조한 입체구조체 중에는 조사한 이온빔의 이온 원소가 잔류되어 있는데, 예를 들면, 바이오 관계에서 이용하는 경우에 갈륨 등의 금속을 함유하고 있는 것을 싫어하는 경우가 있고, 그러한 경우에는 이것을 제거하는 것이 필요하게 되기 때문에 그 기술에 관해서 설명한다.

본 발명자는 갈륨 이온과 페난트렌 가스를 사용하여 형성한 구조체를 진공중에서 600℃ 이상으로 가열하면, 구조체 내에 주입된 갈륨이 구조체 표면에 미소한 액적으로 되어 응집되는 것을 발견하였다. 그래서 이 현상에 의해 표면에 미소한 액적으로 된 칼륨을 다음과 같은 방법으로 제거하는 것을 제안하였다.

① 갈륨이 미소한 액적으로 되어 표면에 응집된 구조체를 또한, 900 내지 1000℃로 가열한다면 10분 이내에 모든 갈륨이 증발하여 제거된다. 가열 온도는 1000℃ 이하로 함으로써 융점 1410℃m의 실리콘 기판과 카본 구조체에는 변형이나 증발이라는 영향은 없는 것을 확인하였다.

② 소재 등의 관계로 ①의 고온 가열 처리가 부적당한 경우의 방법으로서는, 염소가스 등의 할로겐 가스를 액적에 분사하여, 증기압이 높은 할로겐화 갈륨으로 만듬으로써 휘발 제거한다. 일단 표면에 응집된 갈륨은 온도를 내려도 표면에 머무르는 것이 확인되기 때문에, 600℃ 이하로 온도가 내려가도 이 반응은 실현될 수 있다.

③ 다른 방법으로서는 해당 구조체를 상온 정도로 까지 냉각하고 나서, 암모니아 수용액과 같은 알카리 수용액에 담금으로써, 표면에 응집되어 있는 갈륨을 용 해하여 제거하는 방법도 있다.

[실시예 1]

본 발명의 방법을 이용하여 초 미세한 코일을 제작하는 예를 도 1에 도시한다. 이온은 액체금속 이온원 으로부터 30keV의 갈륨 이온으로 하고, 빔 전류를 0.4pA로 한다. 발명자가 이용한 FIB 장치에서는 이 때 빔 스폿의 지름을 7nm로 조일 수 있다. 원료 가스는 페난트렌으로 하고, 가스총의 배치와 가열 조건을 상기와 같이 하여 가스 분사를 대칭적이고도 또한 고밀도로 한다. 시료(7)상의 빔 주사를 직경 0.6/㎛의 원형으로 하고, 원주 일주의 주사 시간을 13초로 하여 12주가 되는 156초간 주사한다(도 1의 (A) 참조). 이것은 디플렉터에 의한 빔의 편향 제어로 행하는 것이 안정하여 용이하다. 이 때의 빔 스텝 폭은 16nm, 스텝당의 빔 조사시간은 110msec이다. 이로써 빔 주사 속도는 145nm/sec로 된다. 이 조건에서 제작된 코일(DC)의 치수는, 코일 지름이 0.6/㎛, 코일 피치가 0. 7㎛, 코일선 지름이 80nm, 코일 길이가 8.4㎛이다(도 1의 (B) 참조).

[실시예 2]

본 발명의 방법을 이용하여 초 미세 드릴을 제작하는 예를 도 2에 도시한다. 빔 전류를 0.8pA로 하고, 빔 지름은 93nm로 한다. 이 조건에 있어서의 빔 정지시의 디포짓층 기둥의 지름은 산란 등에 의한 퍼짐 만큼의 72nm를 더하여 165nm로 되고, 도면중의 D에 대응한다. 이온의 종류 및 원료 가스는 상기 실시예 1과 같게 한다. 시료상의 빔 주사를 직경 250nm의 원형으로 하고, 원주 일주의 주사 시간을 6.4초로 하여 10주가 되는 64초간 주사한다(도 2A 참조). 이 때의 빔 스텝 폭은 16nm, 스텝당의 빔 조사 시간은 130msec이다. 이것으로 빔 주사 속도는 123nm/sec로 된다. 이 조건에서 제작된 드릴(DD)의 치수는, 와경이 330nm, 피치가 200nm이고 길이가 2㎛이다(도 2B 참조).

참고로, 이 때의 초점 깊이는 10㎛ 정도이기 때문에, 디포지션 중의 초점 보정은 하지 않는다. 상기 실시예 1도 마찬가지다. 디포지션 높이가 초점 심도를 초과하는 경우에는, 높이 성장 속도에 맞추어 연속적으로 초점을 보정하고, 디포지션 형생물의 상단에서는 항상 초점 흐려짐이 없도록 할 수 있다. 또한, 더욱 높이 100㎛를 초과하는 디포지션 구조물을 만드는 경우에는, 예를 들면 높이가 100㎛ 정도로 되었으면 일단 디포지션을 정지하고, 시료 스테이지의 z축을 동작시켜 시료 높이를 내리고 디포지션 구조물의 상단을 원래의 높이로 되돌린다. 다음에 초점 위치를 원래로 되돌리고 보통의 상(像) 취입 주사를 하여 디포지션 구조물의 위치를 확인한다. 디포지션을 계속하는 점에 빔 위치를 맞추고 나서 디포지션을 재개하여 다시 원하는 높이까지 반복하여 성장시키면 좋다.

본 발명은 집속 이온빔 장치를 이용한 디포지션 기술로서, 원료 가스로서 페난트렌을, 이온으로서 액체금속 이온원 으로부터 5 내지 100keV의 갈륨 또는 금, 실리콘, 베릴륨 등의 이온을 사용하고, 가스 분사 밀도를 종래의 디포지션의 경우 보다 5 내지 10배 정도 높게 함으로써, 종래 가공이 곤란하다고 되어 있던 초 미세 입체구조물의 형성을 용이하고도 신속하게 달성하는 것을 가능하게 하였다.

또한, 그 때 가스 분사 방향을 등방향 또는 대칭적으로 하여 실행하도록 함으로써 이방성이 없는 디포짓층의 성장을 실현할 수 있었다.

빔 전류를 1pA 이하로 하는 동시에, 빔 주사를 종래의 디포지션의 경우보다 매우 느리게 함으로써, 디포지션 치수의 최소치(0.08㎛) 지름의 입체구조물의 형성을 가능하게 하였다.

또한, 본 발명은 집속 이온빔 장치로서 5축(x, y, z방향 및 회전, 경사) 구동의 시료 스테이지를 갖는 것을 채용하고, 시료에 조사되는 이온빔의 영역을 시료의 성장 방향에 따라 시프트시키는 동시에, 성장에 따라 가공 영역에 빔의 초점을 정합시키도록 우선 이온 광학계를 제어하고, 그 범위를 넘을 때에는 상기 스테이지를 구동하도록 하여 입체구조물을 형성하도록 하였기 때문에, 초 미세 입체구조의 다양한 형태에 대응 가능한 형성 방법을 실현할 수 있었다.

또한, 필요에 따라 이온 조사에 의해 주입된 갈륨은 진공중에서 600도 이상으로 가열하고, 주입된 갈륨 원소를 미소한 액적으로서 응집시킨 후, 다시 900 내지 1000℃로 가열하는 등의 수법에 의해 증발 제거하는 것도 가능하다.

또한, 본 발명의 방법에 의해 형성된 입체구조물에 도금 또는 다른 CVD법에 의해 원하는 재질의 층을 형성시키거나, 알맞는 에칭을 시행함으로써, 초 미세 입체구조로 요구되는 물성에 대응하여 폭넓게 가공 조정하는 것을 가능하게 하였다.

Claims (11)

1. 시료면에 원료 가스를 분사하면서 집속 이온 빔을 조사하는 CVD법에 의해 입체 구조물을 형성하는 방법에 있어서,

   페난트렌을 함유하는 원료 가스를 집속 이온 빔의 조사 영역의 시료상에 분사하여 단층 이하의 흡착층을 마련하는 공정과, 집속 이온 빔에 의해 상기 원료 가스 흡착층을 분해 또는 중합하여 디포지션막을 형성하는 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 입체구조물 형성 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   가스 분사 방향을 등방향 또는 대칭적으로 하여 실행하도록 한 것을 특징으로 하는 입체구조물 형성 방법.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 디포지션막을 형성하고 나서 집속 이온 빔을 초저속의 주행 속도로 주사하고, 또한 빔의 스텝 폭을 빔 정지시에 성장하는 디포짓층 기둥의 직경보다 작게 하는 것을 특징으로 하는 입체구조물 형성 방법.

   단, 여기서 초저속의 주사 속도란 빔 정지시의 디포짓층 기둥의 성장 속도의 1/10 내지 10배의 값이다.
4. 삭제
5. 제 3항에 있어서,

   집속 이온 빔 장치로서 5축(x, y, z방향 및 회전, 경사) 구동의 시료 스테이지를 갖는 것을 채용하고, 시료에 조사되는 이온 빔의 영역을 시료의 성장 방향에 응하여 시프트 시킴과 함께, 성장에 응하여 가공 영역에 빔의 초점을 정합(整合)시키도록 우선 이온 광학계를 제어하고, 그 범위를 넘을 때에는 상기 스테이지를 구동하도록 하여 입체 구조물을 형성하는 것을 특징으로 하는 입체구조물 형성 방법.
6. 상기 집속 이온 빔의 이온이 갈륨 이온일 때, 제 1항에 기재된 입체 구조의 형성 방법에 의해 형성된 입체 구조물을 진공 중에서 600℃ 이상으로 가열하고, 주입된 갈륨 원소를 액적(液滴)으로서 응집시킨 후, 다시 900 내지 1000℃로 가열함에 의해 증발 제거하는 것을 특징으로 하는 입체 구조의 가공 방법.
7. 상기 집속 이온 빔의 이온이 갈륨 이온일 때, 제 1항에 기재된 입체 구조의 형성 방법에 의해 형성된 입체 구조물을 진공 중에서 600℃ 이상으로 가열하고, 주입된 갈륨 원소를 액적으로서 응집시킨 후, 할로겐 가스를 분사하여 할로겐화 갈륨으로서 휘발 제거하는 것을 특징으로 하는 입체 구조의 가공 방법.
8. 상기 집속 이온 빔의 이온이 갈륨 이온일 때, 제 1항에 기재된 입체 구조의 형성 방법에 의해 형성된 입체 구조물을 진공 중에서 600℃ 이상으로 가열하고, 주입된 갈륨 원소를 액적으로서 응집시킨 후, 냉각하여 알카리 수용액에 담가서 용해 제거하는 것을 특징으로 하는 입체 구조의 가공 방법.
9. 제 1항에 기재된 입체 구조의 형성 방법에 의해 형성된 입체 구조물에 도금 또는 다른 CVD법에 의해 소망하는 재질의 층을 형성시키는 것을 특징으로 하는 입체 구조의 가공 방법.
10. 시료면에 원료 가스를 분사하면서 집속 이온 빔을 조사하는 CVD법에 의해 입체 구조물을 형성하는 방법에 있어서, 원료 가스로서 페난트렌을, 이온으로서 액체 금속 이온원으로부터의 5 내지 100keV의 갈륨, 실리콘, 또는 베릴륨의 이온을 이용하고, 원료 가스 용기의 온도를 올려서 원료 가스가 다층 흡착층을 형성하는 것을 확인하고, 다음에 온도를 내려서 원료 가스가 다층 흡착층을 형성하지 않는 한계 온도를 조사(調査)하고, 이러한 후 상기 원료 가스 용기의 온도를 설정함에 의해 원료 가스 분사 밀도를 결정하는 것을 특징으로 하는 입체 구조의 형성 방법.
11. 제 10항에 있어서,

    상기 원료 가스 용기의 온도를 상기 한계 온도보다 낮게 설정하는 것을 특징으로 하는 입체 구조 형성 방법.

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