(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第２材料上の第１材料である炭素質の材料を集束イオンビーム機械加工する方法であって、上記炭素質の材料はポリイミドパッシベーション層、フォトレジスト材料及びダイヤモンドから選択されたものであり、
ａ）その上に上記炭素質の材料を有する上記第２材料を、真空中に保持するステップと、
ｂ）集束イオンビームにより上記炭素質の材料の一部分を衝撃するステップと、
ｃ）イオンビームにより衝撃する間にわたって上記炭素質の材料に水蒸気を供給して、上記炭素質の材料に水蒸気をかけ、これにより、上記炭素質の材料のスパッタリングと上記第２材料のスパッタリングとの選択度を高めるステップであって、上記第２材料がシリコンおよび／または金属から成るステップと
を含んで成る方法。
【請求項２】
上記炭素質の材料が上記フォトレジスト材料又は上記ポリイミドパッシベーション層である請求項１に記載の方法。
【請求項３】
上記第２材料が集積回路基板である請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
上記水蒸気が、衝撃されるべき上記炭素質の材料の部分の近傍にガス噴射により供給される請求項１から３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
上記水蒸気が、付加的なガスを加えずに用いられる請求項１から４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
上記水蒸気によりスパッタリングが減衰される下層の上記第２材料層を露出させるために、上記衝撃が上記炭素質の材料を除去することを含む請求項１から５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
上記水蒸気が、上記炭素質の材料のスパッタリング効率を向上させるとともに、上記第２材料のスパッタリング効率を低下させる請求項１から６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
上記フォトレジスト材料がPMMAを含む請求項１から７のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
第２材料上のフォトレジスト材料を切断する方法であって、
ａ）その上に上記フォトレジスト材料を有する上記第２材料を、真空中に保持するステップと、
ｂ）集束イオンビームにより、上記フォトレジスト材料の一部分を衝撃するステップと、
ｃ）イオンビームにより衝撃する間にわたって上記フォトレジスト材料に水蒸気を供給して、上記フォトレジスト材料に水蒸気をかけ、これにより、上記フォトレジスト材料のスパッタリングと上記第２材料のスパッタリングとの選択度を高めるステップであって、上記第２材料はシリコンから成るステップと
を含んで成る方法。
【請求項１０】
上記フォトレジスト材料がPMMAから成る請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
上記第２材料が集積回路基板である請求項９または10に記載の方法。
【請求項１２】
上記水蒸気が、衝撃されるべき上記フォトレジスト材料の部分の近傍にガス噴射により供給される請求項９から11のいずれかに記載の方法。
【請求項１３】
上記水蒸気は、付加的なガスを加えずに用いられる請求項９から12のいずれかに記載の方法。
【請求項１４】
上記衝撃は、上記水蒸気によりスパッタリングを減衰される下層の上記第２材料層を露出させるために、上記炭素質の材料を除去することを含む請求項９から13のいずれかに記載の方法。
【請求項１５】
上記水蒸気は、上記フォトレジスト材料のスパッタリング効率を向上させるとともに、上記第２材料のスパッタリング効率を低下させる請求項９から14のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
発明の適用分野
本発明は粒子線加工に関し、具体的には、粒子線加工を化学的に増強する方法に関する。
発明の背景
集束イオンビームが、半導体デバイスなどの微視的構造の形成、成形、または変更に使用されている。たとえば、「サイエンティフィク・アメリカン（Scientific American）」、1991年１月、96ないし101頁、Jon Orloffによる論文を参照のこと。集束イオンビームは、半導体デバイス上の微小点に向けられて、材料を除去する予定の表面上をラスター走査する。イオンが表面にあたると、その運動量が移転され、その結果、スパッタリングと呼ばれる処理により１つまたは複数の表面原子を除去できる。特定の形状のラスターパターンを選択することで、そのパターンに対応した形状の領域を表面の材料から除去できる。半導体デバイスの複数の連続する層を所定の領域で除去して、基礎層を露呈させたり、切断することもできる。
しかし、材料の除去率、すなわちスパッタリング効率（入射イオンまたは他の荷電粒子当たりの除去された材料の量）は、ミクロンオーダー以下のビームに集中可能なイオン電流により制限される。このサブミクロンのビームは通常数ナノアンペア以上にはならない。したがって、妥当な時間間隔でスパッタリングにより除去できる材料の総量は制限される。材料除去率を増加、すなわち処理時間を減少させるためには、スパッタリング増強ガス、通常は、ハロゲンベースの化合物がスパッタリング効率（yield）を化学的に増強するのに使用される。スパッタ増強ガスは、スパッタされている加工物の周りを除いて、比較的安定している。前記の場所では、増強ガスは加工物と反応して、物理的なスパッタリングだけによる材料除去率を変化させる。スパッタリング効率の増加に加えて、化学的増強スパッタリングは、以前に除去した材料の再付着も抑える。さらに、化学的増強スパッタリングにより、いくつかの材料のスパッタリング効率が増加し、他のいくつかの材料については、スパッタリング効率に影響を及ぼさなかったり、実際にはスパッタリング効率が減少したりし、こうした材料の間でスパッタリング効率の率がつくりだされる。
様々な材料の間のスパッタリング効率の比率は「選択度」と呼ばれ、状況に応じて、有益にも不利益にもなる。たとえば、不活性化材料L1の厚い層を除去して、材料L2の薄い基礎層を、さほど崩壊させることなく、露出させるのが望ましい場合には、この処理は、L1のスパッタリング効率を増加させたり、L2のスパッタリング効率を減少させるガスを使用することにより飛躍的に単純化される。こうしたガスにより必要な処理時間が減少し、L1をさほど除去することなくL2がスパッタ可能な時間が総処理時間に関して増加するので、終点検出の臨界性（重要性）が低下することになる。しかし、加工された材料を反対にし、たとえば、L1の上にL2の厚い層を置いて、同じガスでスパッタすると、処理時間が増加し、終点検出が臨界的な状態になり、L1のオーバースパッタリングが回避できる。終点での不安定さが増加すると、L2のスパッタリング効率の増加により達成した時間の節約に悪影響を及ぼし、化学的増強が実際には支援よりも妨害となってしまう。
理想的な集束粒子ビームシステムでは、それぞれのスパッタリング効率をもつ様々なガスを、加工される部分の一貫性に応じて選択して利用できる。残念ながら、共通に使用できるのはほんのわずかな種類のガス−−大半はハロゲンベースである−−だけで、化学的に増強される粒子ビーム加工から恩恵をうけられる材料の組合せは制限される。さらに、ポリイミド、レジストおよびダイヤモンドなどの炭素質の材料のスパッタリング効率は、従来のハロゲンベースのガスを使用してもさほど増強されることはない。他の欠点は、ハロゲンベース化合物は有害な上、化学的増強加工を複雑にしそのコストが高くなる取り扱い上の問題を引き起こすことである。
発明の要約
したがって、本発明の目的は、材料除去率を選択的に増加または減少させる化学的増強粒子線加工の改良型の方法を提供することである。
本発明の他の目的は、化学的増強粒子線加工から恩恵を受けられる材料の組合せを広げることにある。
本発明の他の目的は、環境に無害な化学物質を利用する化学的増強粒子線加工の方法を提供することにある。
上述および他の目的は、真空中に基板を置く工程と、水蒸気を基板にかける工程と、基板と水蒸気に集束粒子線で衝撃を与える工程とから成る、基板の材料に集束粒子線加工を行う方法による、本発明の実施例に応じて実現される。粒子線は、電子やガリウムイオンなどのイオン（これに制限されるわけではないが）を含む様々な種類の荷電粒子を含む。除去する材料への水蒸気の付加はガスジェット噴射により実施できる。
加工する基板表面の材料は、制限されるわけではないがダイヤモンド、ポリマー、シリコンおよびアルミニウムなど様々な材料を含む。粒子線加工中に水蒸気を加えると、材料に応じて除去率が増加または減少する。複数の基板表面の材料が加工中に水蒸気が除去率を高めるように選択される。さらに、加工中に水蒸気により除去率が減少するように複数の基板面材料が選択される。さらに、材料は一定のパターンで基板表面から除去できる。
本発明の他の実施例では、第１および第２の材料を含む基板の材料に集束粒子線加工を実行する方法は、真空中に基板を置き、水蒸気を基板に噴きかけ、第１および第２材料とふきかけられた水蒸気に集束粒子線で衝撃を与える各工程から成る。第１および第２材料は、水蒸気が選択的に第１材料の除去率を増大させ、第２材料の除去率を減少させるように選択される。
水蒸気付加による選択的な加工機能のため、第２材料上の第１材料が置かれた各層は基板からほぼ完全に除去され、第２材料は基板からほとんど除去されることはない。たとえば、基礎アルミニウム相互接続部を除去したり傷をあたえることなく、露出させるようにポリイミドの各層を除去できる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の処理を実行する集束イオン線システムの概略図である。
図２は、水蒸気を供給するガス噴出システムの概略図である。
図３は、物理的スパッタリングと、I2増強スパッタリングと、H2O増強スパッタリングとで除去されるときのダイアモンド、ポリイミド、アルミニウムおよびシリコンのスパッタリング効率を示す図である。
好ましい実施例の詳細な説明
本発明は、本発明の好ましい実施例が示してある添付図面を参照して以下により詳細に説明される。しかし、本発明は多くの様々な形態に具体化され、本明細書で詳述される実施例に制限されると考えるべきではない。むしろ、実施例は、この開示が完全になるように示されており、実施例により、本発明の範囲は当業者に十分に伝えることになるであろう。こうした図面では、各層や領域の厚みは、明確にするために強調されている。全体を通して同じ番号は同じ要素を示している。
集束イオンビーム加工は周知であり、たとえば、Swansonらによる米国特許第5188705号に開示されている。この特許の開示は引用することにより本明細書に組み込まれている。図１を参照すると、本発明による、複数の材料の除去率を選択的に高め、他の複数の材料の除去率を下げる集束粒子線システムが示してある。中の空気が抜かれた外囲10は上方ネック部分12を備え、その中に液体金属イオン源14と集束柱（focusing column）16が配置されている。粒子線18はイオン源14から集束柱16を介して、静電偏光板20の間を通って、加工物22に向かう。加工物22は、下方室26内の可動Ｘ−Ｙ載物台23に配置されている。加工物22は、半導体、光学部品といった微小電子部品−−これに制限されているわけではないが−−などの荷電粒子線により加工可能な任意のデバイスまたは基板ならびに複数層被覆の任意のデバイスである。イオンポンプ28はネック部分12を排気するのに利用される。下方室26は、真空コントローラ32により作動されたポンプシステム30により排気される。
高電圧電源34は集束柱16内の液体金属イオン源14と電極（図示せず）に接続されて、約25keVの粒子線18を形成し、加工物22の方向に下方に向けて粒子線を送る。偏光板コントローラおよび増幅器36は、パターン生成器38によるラスタパターンなどの規定パターンに応じて作動され、静電偏向板手段20に接続され、粒子線18は加工物の上面にパターンをスパッタするよう制御される。ある実施例では、液体金属イオン源14は、ガリウムイオンのビームを供給する。ただし、他のイオンや粒子も使用できる。他の実施例では、粒子線18は電子から構成されるようになっている。
本発明によると、集束粒子線システムはさらに、水蒸気を供給する供給源46を備えている。好ましい実施例では、水蒸気は、図２に概略的に示してあるガス噴射システムを介して供給される。ガス噴射システムは、液体溜49と、噴射針（injection needle）50と、漏れ弁（leak valve）47と、遮断弁51とから成る。水蒸気は、噴射針50を通して加工物22の表面にかけられる。この噴射針50は、加工物から約100μｍの範囲に位置調整するのが好ましい。水蒸気源46からのガス流は、たとえば、当業者には周知のGranville Phillips Series203弁のような可変漏れ弁47により制御できる。さらに、当業者には周知のことだが、噴射針50への入口のガス圧は適切な真空ゲージ48を用いて監視できる。たとえば、0.5mmの外径の針では、針を通る望ましい流量は約2x10-6トル・リッタ／秒となり、約１ミリトルの加工物面の圧力を生み出す。ただし、当業者には理解されるように、加工物22の表面の他の流量と流圧も実現可能である。
本発明の１実施例による様々な材料の除去率が図３に示してある。化学増強されてない、I2による増強とH2Oによる増強を用いたダイアモンド、ポリイミド、シリコン（Si）およびアルミニウム（Al）のスパッタリング効率（yield）が要約されている。125μm2領域が１ナノアンペア、25KeVのガリウムイオンビームで走査されながら水蒸気が加工物の表面に誘導される。0.16μｍの適切な直径を持つガリウムビームが湾曲パターンで走査され、0.16μｍ分だけ増分し（重なり率０％）、各増分で0.4マイクロ秒の間滞留し、フレーム時間（同じ画素の連続露出間の時間）が2msとなる。スパッタリング効率（μm3/ナノクーロン）が、ガリウムの投与量により分割された（横断面分析により判定された）加工物に刻まれた深度として測定される。H2Oによる増強のないときのスパッタリング効率とH2Oによる増強があるときのスパッタリング効率を、ポリイミド不活性化層、メタクリル酸メチル（PMMA）レジスト、Al相互接続部、Siおよびダイヤモンドで測定し、H2O増強および無増強のスパッタリング効率の比率を判定する。I2を用いたスパッタリング効率の比率も比較のために測定されている。
H2O増強スパッタリングによる結果が２つ図３に示してある。第１に、ダイヤモンドとポリイミドのスパッタリング効率は、H2O増強された場合、７倍と20倍に増加する。ポリイミドに達成されたスパッタリング効率（＞８μm3/ナノクーロン）では、各照射イオン当たり100を越える加工物の原子が除去できる。第２に、加工物からスパッタされたSiとAlの量はほぼ１桁減少する。SiまたはAlのスパッタリング効率を低下させながらポリイミドのスパッタリング効率を高めるこの組合せの結果、SiまたはAlに対するポリイミドの正味の選択度は400:1を越えるようになり、高度な材料選択制加工が達成可能になる。したがって、本発明は、以前に可能であったより多くの材料の除去率に対する選択度と制御を高めることができる。
４つのAl相互接続部上の５μｍの厚いポリイミド活性化層を備えた集積回路により以後の検査は実行される。ポリイミドは、物理スパッタリング、I2増強スパッタリング、およびH2O増強スパッタリングにより集積回路の複数の5x25μｍ領域から除去される。物理スパッタリングを使用するポリイミドの除去は23分より長く実行すると、基礎Al相互接続部に露出している領域が開かれる。I2増強スパッタリングがポリイミドを除去するために使用されると、処理時間は17分に減少する。しかし、Al線が露出するとすぐ、Al線はポリイミドよりも迅速にスパッタされ、Alの初期除去（すなわち、終点）の検出が崩壊を防ぐぎりぎりとなる。さらに、Al線上のスパッタリングむらにより、Alを他の領域に過重スパッタを行うことなく、Alの上部から完全にポリイミドを除去することはできなくなる。
H2O増強スパッタリングにより、２分未満で、Al線の頂部と側部からポリイミドが完全に除去される。約１μｍの厚さのAl線の側部からポリイミドを除去する過重スパッタリングによってでさえ、無視できる量のAlしか除去されない。当業者によって周知であるように、本発明によると、複数の金属の表面上の酸化物の形成は、水分により増強される。酸化物を形成可能な金属の表面上での酸化物の形成は、水蒸気増強粒子線加工中の除去率の低下に貢献している。
水蒸気増強粒子線加工は、処理時間を低下させるだけでなく、処理制御性を向上させる。Al上のポリイミドに対するH2O増強粒子線加工の選択度は高いので、ポリイミド不活性化層と誘電層を集積回路から取り除いて、上部回路構成の性質を害することなく複数の金属レベルを露出することが可能になる。この処理はH2O増強なしでは困難である。たとえば、６μｍのポリイミドを介して１ナノアンペアのビームにより30x30μｍホールをスパッタリングして下の基板を露出させるのに、わずか11分しかかからない。物理スパッタリングだけを用いて同じホールをつくるのには、約225分かかり、上部レベルのAl線は、ポリイミド誘電層が下部金属からスパッタされた時間で完全に除去されることになる。
さらに、H2O増強粒子線加工により、Si基板上のPMMAと他の様々なフォトレジストは、基板にさほど損傷を与えることなく急速に修正される。これは、レジスト線の横断面分析とＸ線マスクの修正に特に有益である、というのは支持膜材料に損傷を与えることなく、吸収金属を被覆する前にレジストパターンを変えることができるからである。H2O増強スパッタリングを使用すると、単一結晶ダイヤモンドのスパッタリング効率が約0.12から0.99μm3/ナノクーロンにかなり増加する。この増加はダイヤモンドを微細加工する能力を大幅に高める。
上記の図面と明細書では、本発明の代表的な好適実施例を開示してきた。特定の用語が利用されているが、こうした用語は、制限のためではなく、一般的で説明的な意味で使用されたに過ぎない。本発明の範囲は以下の請求の範囲に詳述される。
【図１】
0003572081.tif 000002
【図２】
0003572081.tif 000003
【図３】
0003572081.tif 000004