KR20020093144A - 집속 이온 빔 장치 및 그것을 이용한 가공방법 - Google Patents

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Abstract

이온 빔의 주사 신호에, 가공 범위를 주사하는 신호 성분과 이동 스테이지의 이동에 동기한 신호 성분을 중첩한다. 이와 같은 주사 신호를 이용하여, 시료 스테이지를 이동하면서 가공을 행한다. 이와 같이 함으로서, 집속 이온 빔 장치를 이용하여 복수의 시료를 단시간에 가공할 수 있다.

Description

집속 이온 빔 장치 및 그것을 이용한 가공방법{FOCUSED ION BEAM SYSTEM AND MACHINING METHOD USING IT}
근래, 미세 가공 기술의 진전에 따라 최소 가공 치수가 매년 미세하게 되고 있다.
반도체 제조 공정에 이용되는 포토리소그래피 기술은, 미세가공과 일괄처리에 의한 대량생산을 실현하는 가장 성공한 기술이다. 그러나 제조되는 디바이스의 성능 향상에 따라, 성능을 결정하는 가장 정밀한 가공을 필요로 하는 부분에서는, 종래의 포토리소그래피 기술을 이용한 가공으로는 소정 정밀도의 가공을 실현할 수 없게 되었다.
포토리소그래피 기술을 이용한 가공은, 비가공 영역을 레지스트로 덮고, 노출된 가공 영역을 이온 빔 등에 의한 스퍼터링과 반응성 가스에 의한 화학 반응을 조합시켜 행하는 것이 일반적이다. 여기에서 이용되는 이온 빔은, 단시간에 대량의 가공을 실현하는 것을 목적으로 하기 때문에, 브로드 빔이라고 불리는 단면적이 넓은 빔이다.
그런데 이와 같은 방법으로 대량 가공을 행한 때의 가공 형상의 편차가, 성능을 결정하는 가장 정밀한 가공을 필요로 하는 부분의 요구 치수 정밀도를 만족시키지 못하게 되었다. 그 때문에, 이와같은 편차의 보정이나, 보다 미세한 가공을 행할 수 있는 집속 이온 빔이 이용되게 되었다.
시료의 피가공 영역을 집속 이온 빔의 조사 위치에 설치한다. 시료는 시료 스테이지에 재치되고, 시료 스테이지의 제어에 의해 집속 이온 빔 조사 위치로 이동된다. 집속 이온 빔의 조사에 의해 미세 가공을 행한다. 가공 종료 후, 시료 스테이지를 이동하여, 다음 피가공 영역이 집속 이온 빔의 조사 위치가 되도록 시료 스테이지를 제어하며, 이것을 반복한다.
집속 이온 빔은 브로드 빔과는 달리, 단면적이 작은 빔이다. 그 때문에, 가공 시간이 같은 경우, 집속 이온 빔의 가공량은 브로드 빔과 비교하여 적다. 또한, 동시에 복수의 영역을 가공할 수 없다는 문제가 있다.
그 때문에 집속 이온 빔에 의한 생산성 향상을 위해,
(1) 집속 이온 빔의 전류량, 전류 밀도를 향상하여, 단위 시간당의 가공량을 증가 시킨다.
(2) 시료 스테이지를 고속 이동시킴에 의해, 단위 시간당의 가공 수를 증가시킨다.
등의 대책이 취해지고 있다.
그러나, 제 1 가공을 종료한 후에 시료 스테이지를 제 2 피가공 영역으로 이동하고, 시료 스테이지가 정지한 후에 제 2 가공을 행하는 방법에서는, 시료 스테이지의 이동 시간은 가공을 행할 수가 없다. 그 때문에, 그 만큼 생산성을 향상 시킬 수 없다.
본 발명은, 집속 이온 빔 장치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 한 실시 형태에 관한 집적 이온 빔 장치의 개략 구성을 도시한 구성도.
도 2는 시료의 예를 나타낸 도.
도 3은 시료 스테이지의 이동과 편향 신호와의 관계를 설명하는 도면.
도 4는 편향 전극에서의 편향 신호를 설명하기 위한 도면.
도 5는 제 1 및 제 2 디바이스와 이온 빔 주사 범위의 관계를 설명하는 도면.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 집속 이온 빔 주사 신호에, 시료 스테이지의 위치에 대응한 신호 성분을 중첩하고, 시료 스테이지를 정지하는 일 없이 집속 이온 빔에 의한 가공을 행하는 집속 이온 빔 장치 및 그와 같은 집속 이온 빔 장치를 이용하여 행하는 가공 방법을 제공한다.
이하, 본 발명을 한 실시 형태와 함께 설명한다.
도 1은, 실시 형태에 관한 집속 이온 빔 장치의 개략 구성예를 도시한 도면이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 예를 들면, Ga 등으로 이루어지는 액체 금속 이온원(1) 및 인출 전극(2)을 갖는 이온원부(ion source section ; 3)는, XY방향 이동 장치(4)에 탑재되어 발생되는 빔에 직교되는 2방향인 XY방향으로 이동 가능하게 마련되어 있다. 이온원부(3)의 빔 조사측에는, 이온원부(3)로부터 발생하는 고휘도 이온 빔(B1)의 에너지 밀도가 높은 중앙 부분만을 통과시키는 동시에 그 포착한 이온 빔의 전류를 측정하는 모니터링 어퍼쳐(aperture ; 5)가 배치되어 있다. 또한, 모니터링 어퍼쳐(5)의 빔 출사측에는 콘덴서 렌즈(6), 블랭킹 전극(7), 어퍼쳐(8) 및 대물 렌즈(9)로 이루어지는 하전자 광학계(charged particle optical system ; 10)가 배치되어 있고, 이온원(1)으로부터 발생한 고휘도 이온 빔(B1)은 하전자 광학계(10)에 의해 집속되어 집속 이온(B2)으로 된다.
여기서, 어퍼쳐(8)는, 지름 치수가 다른 복수의 투공(thru-hole ; 8a)을 가지며, 투공 전환 장치(11)에 의해 전환 가능하게 되어 있다. 즉, 어퍼쳐(7)는, 투공 전환 장치(11)에 의해 복수의 치수가 다른 투공(8a)으로 변경 가능하게 되어 있다. 또한, 본 예에서는, 복수의 지름 치수가 다른 투공(8a)을 갖는 부재를 슬라이드시킴으로서 투공(8a)의 지름 치수를 변경 가능하게 하고 있지만, 단독 투공(8a)의 지름 치수를 연속적으로 또는 단계적으로 변경 가능하게 하여도 좋다. 이와 같이 투공 전환 장치(11)의 구성은 특히 한정되지 않지만, 구체적인 예로서는, 예를들면, 일본 특개소 62-223756호 공보에 개시된 구성을 들 수 있다.
또한, 어퍼쳐(8)는, XY방향 이동 장치에 의해, 각 투공(8a)의 지름 방향의 위치를 XY방향으로 이동 가능하게 되어 있다. 도 1의 예에서는, 투공 전환 장치(11)는 투공(8a)을 슬라이드하여 전환하는 기능을 가짐으로서, XY방향 이동 장치를 겸하고 있다.
하전자 광학계(10)의 블랭킹 전극(7) 및 제어 전원(24)으로 이루어지는 블랭킹 수단이 마련되어 있고, 집속 이온 빔의 온·오프를 행하도록 되어 있다. 즉, 집속 이온 빔(B2)을 오프 하는 경우에 블랭킹 전극(7)에 전압을 인가하여 집속 이온 빔(B2)을 편향시킴으로서 어퍼쳐(8)로 차단하게 한다.
또한, 어퍼처(8)의 빔 출사측에는, 집속 이온 빔(B2)을 소망하는 위치에 주사하기 위한 편향 전극(16)이 배치되어 있고, 편향 전극(16)에 의해 주사되는 집속 이온 빔(B2)은, 시료 스테이지(17)상에 재치된 시료(18)의 소망하는 위치에 조사되도록 되어 있다. 편향 전극(16)은 빔 출사측에 배치된 제 1 편향 전극(16a)과 시료측에 있는 제 2 편향 전극(16b)의 2단 구성으로 되어 있다.
시료 스테이지(17)의 윗쪽에는, 집속 이온 빔(B2)이 조사되는 시료(18)의 표면으로부터 방출되는 2차 전하 입자를 검출하는 검출기(19)가 배치되어 있고, 이 검출기(19)에는, 검출 신호를 증폭하는 동시에 2차 전하 입자의 평면 강도 분포를 구하는 화상 제어부(20)와, 이 화상 제어부(20)로부터의 평면 강도 분포 신호에 의거하여 시료 표면에 형성되어 있는 패턴을 표시하는 화상 표시 장치(21)가 접속되어 있다.
또한, 시료 스테이지(17)의 측방에는, 해당 시료 스테이지(17)와 위치 교환 가능한 패러디 컵(faraday cup;15)이 마련되어 있다. 패러디 컵(15)은, 시료(18) 대신에 집속 이온 빔(B2)의 조사를 받아, 그 빔 전류를 측정하는 것이다.
또한, 상술한 이온원부(3), 콘덴서 렌즈(6), 블랭킹 전극(7), 대물 렌즈(9) 및 편향 전극(16)에는, 각각에 소망하는 전압을 인가하는 이온원 제어 전원(22), 콘덴서 렌즈 전원(23), 블랭킹 전원(24), 편향 전원(25) 및 대물 렌즈 전원(26)이 각각 접속되어 있고, 또한, 이와 같은 집속 이온 빔 장치 전체를 종합적으로 제어하는 동시에, XY방향 이동 장치(4), 투공 전환 장치(11), 상술한 각 전원(22 내지 26) 및 화상 제어부(20) 등을 개별적으로 제어 가능한 컴퓨터 시스템으로 이루어지는 제어부(27)가 마련되어 있다.
이와 같은 집속 이온 빔 장치에서는, 이온원(3)으로부터 인출된 이온 빔(B1)을 전하 입자 광학계(9)에 의해 집속하며 또한 편향 전극(16)에 의해 주사하여 시료(18)에 조사하고, 시료(18)의 가공을 행할 수 있다. 또한, 본 예에서는 도시하지 않지만, 시료(18)의 부근에 가스 조사 노즐을 마련하고, 집속 이온 빔의 조사와 동시에 가스 조사 노즐로부터 가스를 공급함으로서, 국소적으로 빔 어시스티드 CVD에 의한 성막을 행할 수 있다.
또한, 이와 같은 가공을 행할 때, 가공 상황은, 화상 표시 장치(21)에 의해 관찰할 수 있다. 또한, 본 예에서는 도시 생략되었지만, 예를 들면 일반적인 조명에 의해 시료(18)의 표면을 조사하고, 동시에 광학 현미경에 의해 시료 표면을 관찰할 수 있도록 하여도 좋다.
이하, 이와 같은 집속 이온 빔 장치를 이용한 시료 가공 방법을 설명한다.
시료는, 도 2에 그 예를 도시한. 반도체 집적 회로 등과 같이 동일 형상의 디바이스가 격자상으로 배치되어 있다.
컴퓨터 시스템(27)은, 시료(18)상에 배치되어 있는 마크(30)와 각 디바이스(31)의 위치 좌표에 관한 정보가 입력되어 있다.
시료(18)를 시료 스테이지(17)에 재치하고, 도 1에는 도시 생략된 시료실을 진공 상태로 한다.
시료상의 미리 위치를 알고 있는 복수의 마크(30)를, 시료 스테이지(17)를 이동시키면서, 순차적으로 집속 이온 빔의 조사 범위로 이동한다. 마크를 포함하는 영역에 이온 빔을 주사 조사하고, 시료 표면으로부터 발생하는 2차 전하 입자에 의한 2차 전하 입자상을 관찰한다. 관찰된 각 마크(30)의 관찰상에서의 위치와, 관찰한 때의 시료 스테이지(17)의 좌표로부터, 시료상에 격자상으로 배치된 각 디바이스의 피가공 부분을 집속 이온 빔 장치의 컴퓨터 시스템(27)에 의해 계산한다.
시료상에 격자상으로 배치되어 있는 디바이스(31)중, 최초로 가공하는 디바이스의 피가공 영역이 집속 이온 빔의 주사 조사 범위가 되도록 시료 스테이지를 이동한다.
필요에 따라, 집속 이온 빔을 피가공 영역 주변에 주사 조사하고, 시료 표면으로부터 발생하는 2차 전하 입자에 의한 2차 전하 입자상을 확인함으로서, 피가공 영역을 재확인한다.
계속해서, 블랭킹을 해제하고 이온 빔이 시료에 조사되도록, 피가공 영역에집속 이온 빔을 주사 조사하여 가공한다.
관찰과 가공은 같은 빔 전류라도, 다른 빔 전류라도 좋다. 일반적으로, 관찰은 시료로의 영향을 최소한으로 하기 위해 빔 전류를 가공보다 작게 한다. 빔 전류의 변경은 콘덴서 렌즈(6)의 설정과, 어퍼쳐(8)의 투공(8a)을 전환함으로서 행해진다. 빔 전류의 전환에 의해, 이온 빔의 시료 조사 위치가 변하지 않도록, 미리 콘덴서 렌즈 설정 전압, 어퍼쳐(8)의 투공(8a) 위치를 조정한다. 이 때, 도시 생략되었지만, 어퍼쳐(8)의 이온원측에, 빔의 어퍼쳐 투공(8a)으로의 입사 위치 및 입사 각도를 조정하기 위한 편향 전극을 마련하는 경우도 있다. 이와 같은 콘덴서 렌즈 전압, 어퍼쳐 투공(8a)의 위치 좌표, 그리고 편향 전극이 마련되어 있는 경우는 그 설정 전압 등의 조정 조건을 컴퓨터 시스템(27)에 기억시켜 둠으로서, 관찰과 가공을 다른 빔 전류로 행하더라도, 빔 조사 위치가 변하는 일은 없다.
도 3은 본 발명에 의한 집속 이온 빔 장치에 의한 가공 방법을 도시한 도면이다. 이온 빔의 소정의 가공 영역상으로의 주사에 의해 가공을 시작한다. 이 때, 이온 빔의 주사 신호는 가공 범위를 주사하기 위한 신호 성분과 시료 스테이지의 이동에 동기시키기 위한 신호 성분으로 이루어진다. 따라서, 시료 스테이지의 이동에 수반되는 가공 영역의 이동에 수반하여, 이온 빔은 가공 영역을 주사하면서 전체적으로 그 조사 위치를 시료 스테이지와 같은 방향으로 같은량 이동시킨다.
시료 스테이지의 이동 속도는, 피가공 영역이 이온 빔의 조사 범위로부터 시료가 벗어나기 전에 가공이 종료되도록 선택된다.
가공 범위를 주사하기 위한 신호 성분은, 가공 영역의 각 개소에 소정의 이온 빔을 조사하기 위한 신호이다. 이 때, 상하 2단 구성의 편향 전극을 이용하여, 도 4에 도시한 바와 같이, 상단의 편향 전극(16a)의 편향 신호에 대해, 하단의 편향 전극(16b)에 되돌아 오는 편향 신호를 줌으로써, 이온 빔의 시료 표면에의 입사각도를, 피가공 영역의 위치에 의하지 않고, 가공에 최적이 되도록 하여도 좋다.
또한, 디바이스 형상이 큰 경우, 이온 빔의 주사 조사 범위의 주변부를 이용하지 않으면 안되게 된다. 주사 조사 범위의 주변부에서는 시료 표면에 조사되는 주사 형상은 중심부에 비교하여 일그러짐이 커진다. 그와 같은 경우, 편향 신호에 일그러짐을 보정하는 신호 성분을 중첩하거나, 도 1에는 도시 생략되었지만, 일그러짐을 보정하는 편향 전극을 이용함으로서, 일그러짐의 영향을 보정할 수 있다.
시료 스테이지의 이동에 동기시키기 위한 신호 성분은, 미리 시료 스테이지의 이동 속도에 의거하여 컴퓨터 시스템(27)에 의해 발생할 수도 있다. 이 때, 어느 일정 간격으로 시료상의 마크(30)를 집속 이온 빔의 주사 조사에 의해 관찰하고, 수시로, 시료 스테이지의 위치를 보정할 수도 있다. 또한, 도시 생략되었지만, 시료 스테이지에 시료 스테이지의 위치를 검출하는 센서를 부설하고, 센서의 출력 신호에 의해 발생할 수도 있다.
도 3에 있어서, 제 1 디바이스의 가공 영역의 가공을 종료하면, 블랭킹 전극에 블랭킹 신호를 인가하여, 빔이 시료에 맞지 않는 상태로 한다.
편향 전극의 주사 신호는 제 2 디바이스의 가공 영역에 빔이 조사되도록 설정된다.
계속해서, 블랭킹 신호가 해제되고, 제 2 디바이스의 가공 영역의 가공을 시작한다. 도 5는 제 1 및 제 2 디바이스와 이온 빔 조사 범위의 관계를 설명하는 도면이다. 도 5의 (a)는 제 1 디바이스의 피가공 영역을 가공하고 있을 때의 어느 시점에서의 이온 빔의 조사 범위를 도시하고 있다. 시료 스테이지의 이동에 수반하여, 이온 빔은 그 조사 가능 범위 내에서, 항상 제 1 디바이스의 피가공 영역을 주사하도록, 그 주사 범위를 벗어나간다. 도 5의 (b)는, 도 5의 (a)의 위치로부터, 시료 스테이지 및 이온 빔 조사 위치가 이동하여, 제 1 디바이스의 가공이 대강 종료하고, 제 2 가공이 시작하는 상태를 도시한 도면이다. 도 5의 (b)에 도시한 바와 같이, 제 1 디바이스의 피가공 영역의 가공 종료 전에 제 2 디바이스의 피가공 영역이 이온 빔의 주사 조사 범위로 되도록 함으로써, 시료 스테이지의 이동 시간을 기다리지 않고 가공을 진행할 수 있다.
또한, 하나의 디바이스로의 피가공 영역은, 복수 개소라도 좋다.
가공은, 이온 빔 조사에 의한 스퍼터링 에칭이라도, 원료 가스를 분무하면서 이온 빔 조사를 행함에 의한 빔 어시스티드 CVD라도 좋다.
이 일련의 가공을 반복함으로써, 시료상에 격자상으로 배치된 디바이스의 피가공 영역을 모두 가공할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 집속 이온 빔 장치로 복수의 샘플을 가공하는 경우라도, 시료 이동의 시간과 관계 없이 가공을 실시할 수 있기 때문에, 가공 장치로서의 효율, 생산성을 향상시킬 수 있다.
또한, 시료상의 가공 위치와 시료로의 빔의 입사각도를 최적화 하기 때문에, 극히 정밀도가 높은 가공을 실현할 수 있다.

Claims (7)

  1. 복수의 시료 각각의 피가공 영역을 차례로 가공하기 위한 집속 이온 빔 장치에 있어서,
    집속 이온 빔 장치는, 적어도 이온원, 이온원으로부터 발생한 이온 빔을 집속 이온 빔으로 하는 하전 입자 광학계(charged particle optical system), 집속 이온 빔을 편향하는 편향 전극, 상기 복수의 시료를 재치하는 시료 스테이지로 이루어지고, 상기 시료 스테이지를 이동시키면서, 상기 피가공 영역에 차례로 집속 이온 빔을 주사 조사하여 가공을 행하는 것을 특징으로 하는 집속 이온 빔 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    집속 이온 빔의 주사 신호가 피가공 영역을 주사하는 신호 성분과 시료 스테이지의 이동에 동기시키는 신호 성분으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 집속 이온 빔 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    집속 이온 빔의 주사 신호가 피가공 영역을 주사하는 신호 성분, 시료 스테이지의 이동에 동기시키는 신호 성분, 피가공 영역의 위치에 의하지 않고 집속 이온 빔의 시료로의 입사각도가 일정하게 되도록 하는 신호 성분으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 집속 이온 빔 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    피가공 영역의 위치에 의하지 않고 집속 이온 빔의 시료로의 입사각도가 일정하게 되도록 하는 신호 성분은, 하전 입자 광학계의 편향 전극이 상하 2단의 구성으로 되어 있고, 상하 어느 한 쪽의 편향 전극에 가해지고 있는 주사 신호에 대해, 다른 쪽의 편향 전극에는 상기 주사 신호를 지우는 방향의 주사 신호 성분을 갖게 함으로서 실현하는 것을 특징으로 하는 집속 이온 빔 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 편향 전극이 상기 대물 렌즈보다 시료측으로 있는 것을 특징으로 하는 집속 이온 빔 장치.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 시료 스테이지에 동기시키는 신호 성분은, 상기 시료 스테이지에 장착된 시료 스테이지의 위치를 검출하는 센서의 출력 신호에 의해 생성시키는 것을 특징으로 하는 집속 이온 빔 장치.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 기재된 집속 이온 빔 장치를 이용하여, 시료상에 격자형상으로 배치된 동일 형상의 디바이스의 동일 개소를 차례로 가공하는 방법에 있어서,
    상기 시료상의 제 1 디바이스의 가공이 종료되기 전에 제 2 디바이스의 피가공 영역이 집속 이온 빔의 조사 범위 내로 되고, 상기 제 1 디바이스의 가공을 종료함과 동시에, 상기 집속 이온 빔은 상기 제 2 디바이스의 피가공 영역으로 이동하여 가공이 시작되는 것을 특징으로 하는 집속 이온 빔 장치를 이용한 가공 방법.
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