(57)【要約】【課題】半導体基板を加工して、その表面に固浸レンズを形成する場合に、かかる固浸レンズの性能を向上することができる半導体基板の加工技術を提供する。【解決手段】半導体基板１に集束イオンビーム５を照射して、その主面３ａに固浸レンズとして作用する凸部２を形成する。このとき、集束イオンビーム５による半導体基板１の削れ量を、半導体基板１に対する集束イオンビーム５の照射時間を変化させることによって調整する。これによって、凸部２の表面が精度の良い曲面となり、凸部２の固浸レンズとしての性能が向上する。【選択図】        図３
2004311823.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）半導体基板を準備する工程と、
（ｂ）前記半導体基板の主面に集束イオンビームを照射して前記半導体基板を加工し、固浸レンズとして作用する、表面が曲面である凸部を前記主面に形成する工程と
を備え、
前記工程（ｂ）において、前記半導体基板に対する前記集束イオンビームの照射位置に応じて、前記半導体基板に対する前記集束イオンビームの照射時間を変化させることによって前記半導体基板の削れ量を調整する、半導体基板の加工方法。
【請求項２】
（ａ）半導体基板を準備する工程と、
（ｂ）前記半導体基板の主面に集束イオンビームを照射して前記半導体基板を加工し、固浸レンズとして作用する、表面が曲面である凸部を前記主面に形成する工程と
を備え、
前記工程（ｂ）において、前記半導体基板に対する前記集束イオンビームの照射位置に応じて、前記集束イオンビームの焦点位置を変化させることによって前記半導体基板の削れ量を調整する、半導体基板の加工方法。
【請求項３】
前記凸部の表面は、前記半導体基板の厚さ方向を回転軸とする回転曲面であって、
前記工程（ｂ）において、前記半導体基板をその厚さ方向を回転軸として回転させつつ前記集束イオンビームを前記半導体基板の前記主面に照射する、請求項１及び請求項２のいずれか一つに記載の半導体基板の加工方法。
【請求項４】
（ａ）半導体基板を準備する工程と、
（ｂ）前記半導体基板の主面にエッチングガス雰囲気中でレーザーを照射して前記半導体基板を加工し、固浸レンズとして作用する、表面が曲面である凸部を前記主面に形成する工程と
を備え、
前記工程（ｂ）において、前記半導体基板に対する前記レーザーの照射位置に応じて、前記半導体基板に対する前記レーザーの照射時間を変化させることによって前記半導体基板の削れ量を調整する、半導体基板の加工方法。
【請求項５】
前記凸部の表面は、前記半導体基板の厚さ方向を回転軸とする回転曲面であって、
前記工程（ｂ）において、前記半導体基板をその厚さ方向を回転軸として回転させつつ前記レーザーを前記半導体基板の前記主面に照射する、請求項４に記載の半導体基板の加工方法。
【請求項６】
（ａ）半導体基板を準備する工程と、
（ｂ）前記半導体基板を加工して、固浸レンズとして作用する、表面が曲面である凸部をその主面に形成する工程と
を備え、
前記工程（ｂ）は、
（ｂ−１）集束イオンビームによる単位時間当たりの削れ量が前記半導体基板と実質的に同一である材料からなり、前記凸部と同じ形状を有するマスクを前記半導体基板の前記主面上に載置する工程と、
（ｂ−２）前記マスクの上方から前記マスクが除去されるまで前記マスク及び前記半導体基板に前記集束イオンビームを照射して、前記主面に前記凸部を形成する工程と
を含む、半導体基板の加工方法。
【請求項７】
（ａ）半導体基板を準備する工程と、
（ｂ）前記半導体基板を加工して、固浸レンズとして作用する、表面が曲面である凸部をその主面に形成する工程と
を備え、
前記工程（ｂ）は、
（ｂ−１）前記半導体基板とエッチングレートが実質的に同一である材料から成り、前記凸部と同じ形状を有するマスクを前記半導体基板の前記主面上に載置する工程と、
（ｂ−２）前記マスクの上方から前記マスクが除去されるまで前記マスク及び前記半導体基板に対してドライエッチングを行って、前記主面に前記凸部を形成する工程と
を含む、半導体基板の加工方法。
【請求項８】
（ａ）半導体基板を準備する工程と、
（ｂ）前記半導体基板を加工して、固浸レンズとして作用する、表面が曲面である凸部をその主面に形成する工程と
を備え、
前記工程（ｂ）は、
（ｂ−１）エッチングガス雰囲気中でのレーザーによる単位時間当たりの削れ量が前記半導体基板と実質的に同一である材料からなり、前記凸部と同じ形状を有するマスクを前記半導体基板の前記主面上に載置する工程と、
（ｂ−２）前記エッチングガス雰囲気中において、前記マスクの上方から前記マスクが除去されるまで前記マスク及び前記半導体基板に前記レーザーを照射して、前記主面に前記凸部を形成する工程と
を含む、半導体基板の加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体基板の表面に固浸レンズを形成する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＳＩ等の半導体装置の多層配線化に伴い、半導体基板の上面からの評価・解析は困難になり、半導体基板の裏面からのアプローチが必須となっている。裏面からの主な故障解析方法としては、電流リーク箇所から発生する微弱な光を検出することによって故障解析を行う発光解析（「エミッション解析」とも呼ばれる）や、レーザービームの照射によって発生する起電流または電源電流の変化を像に変換することにより故障箇所を特定するＯＢＩＣ（光起電流解析）及びＯＢＲＣＨ（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｂｅａｍ  Ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  ＣＨａｎｇｅ）、さらにレーザービームを照射してその反射光の強度または位相変化を捉えることにより任意箇所での電位波形を観測するレーザーボルテージプローブ（ＬＶＰ）等がある。これらの半導体基板の裏面からの解析（以後、単に「裏面解析」と呼ぶ）では、厚さ数１００μｍの半導体基板を介して、その上面に形成されている半導体素子にアクセスする必要があるために、通常、シリコンを透過する赤外光が利用される。しかしながら、使用する赤外光の波長は１μｍ以上であるため、空間分解能は実効的に０．７μｍ以上となり、裏面解析の適用により像分解能が犠牲にならざるを得なかった。
【０００３】
そこで、空間分解能を改善する技術として、非特許文献１に、シリコンから成る固浸レンズを用いた技術が提案されている。この技術は、光の媒質の屈折率を増加させることにより、光の波長で制限される回析限界を超越する解像度を得るものである。
【０００４】
非特許文献１に記載の技術によれば、略半球状の固浸レンズを半導体基板の裏面に密着させて、シリコンを透過する光をかかる固浸レンズを介して半導体基板に入射することによって、固浸レンズが無い場合よりも集光角を飛躍的に大きくすることができる。分解能ｄは、ｄ＝λ／（２・ｎ・ｓｉｎθ）で表現され、ｎ・ｓｉｎθで表される開口数ＮＡは、固浸レンズの適用により理想的には屈折率ｎの二乗倍にまで向上させることが可能である。なお、上記θ及びλはそれぞれ集光角の半角及び光の波長を表している。
【０００５】
しかしながら、非特許文献１に記載の技術では、半導体基板と固浸レンズとの間に隙間が生じると、大幅に分解能が劣化することがあった。そこで、半導体基板を加工して、その表面に略半球状の凸部を形成し、この凸部を固浸レンズとして使用することによって、固浸レンズと半導体基板とを一体的に形成する技術が、特許文献１に記載されている。
【０００６】
特許文献１に記載の技術では、固浸レンズとして作用する凸部と半導体基板とが一体的に形成されているため、固浸レンズと半導体基板との間に隙間が生じることが無く、非特許文献１に記載の技術よりも分解能が向上する。
【０００７】
なお、特許文献１に記載の技術の関連技術が、本出願人による先行出願（未公開）に記載されており、かかる先行出願の出願番号は、「特願２００３−５５５０」である。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−１８９０００号公報
【非特許文献１】
Ｓ．Ｂ．Ｉｐｐｏｌｉｔｏ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｈｉｇｈ  ｓｐａｔｉａｌ  ｒｅｓｏｌｕｔｏｎ  ｓｕｂｓｕｒｆａｃｅ  ｍｉｃｒｏ          ｓｃｏｐｙ”，Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．７８，Ｎｏ．２６，Ｊｕｎｅ  ２００１，ｐｐ          ．４０７１−４０７３
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述の特許文献１に記載の技術では、半導体基板の表面に固浸レンズとして作用する凸部を形成する際に、断面が略半円形の溝を有する研磨ツールを用いて半導体基板を加工している。そのため、凸部の表面を精度の良い曲面に仕上げることが困難であった。その結果、凸部の固浸レンズとしてのレンズ性能を十分に発揮させることができなかった。
【００１０】
そこで、本発明は上述の問題に鑑みて成されたものであり、半導体基板を加工して、その表面に固浸レンズを形成する場合に、かかる固浸レンズの性能を向上することができる半導体基板の加工技術を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る半導体基板の第１の加工方法は、（ａ）半導体基板を準備する工程と、（ｂ）前記半導体基板の主面に集束イオンビームを照射して前記半導体基板を加工し、固浸レンズとして作用する、表面が曲面である凸部を前記主面に形成する工程とを備え、前記工程（ｂ）において、前記半導体基板に対する前記集束イオンビームの照射位置に応じて、前記半導体基板に対する前記集束イオンビームの照射時間を変化させることによって前記半導体基板の削れ量を調整する。
【００１２】
この発明に係る半導体基板の第２の加工方法は、（ａ）半導体基板を準備する工程と、（ｂ）前記半導体基板の主面に集束イオンビームを照射して前記半導体基板を加工し、固浸レンズとして作用する、表面が曲面である凸部を前記主面に形成する工程とを備え、前記工程（ｂ）において、前記半導体基板に対する前記集束イオンビームの照射位置に応じて、前記集束イオンビームの焦点位置を変化させることによって前記半導体基板の削れ量を調整する。
【００１３】
この発明に係る半導体基板の第３の加工方法は、（ａ）半導体基板を準備する工程と、（ｂ）前記半導体基板の主面にエッチングガス雰囲気中でレーザーを照射して前記半導体基板を加工し、固浸レンズとして作用する、表面が曲面である凸部を前記主面に形成する工程とを備え、前記工程（ｂ）において、前記半導体基板に対する前記レーザーの照射位置に応じて、前記半導体基板に対する前記レーザーの照射時間を変化させることによって前記半導体基板の削れ量を調整する。
【００１４】
この発明に係る半導体基板の第４の加工方法は、（ａ）半導体基板を準備する工程と、（ｂ）前記半導体基板を加工して、固浸レンズとして作用する、表面が曲面である凸部をその主面に形成する工程とを備え、前記工程（ｂ）は、（ｂ−１）集束イオンビームによる単位時間当たりの削れ量が前記半導体基板と実質的に同一である材料からなり、前記凸部と同じ形状を有するマスクを前記半導体基板の前記主面上に載置する工程と、（ｂ−２）前記マスクの上方から前記マスクが除去されるまで前記マスク及び前記半導体基板に集束イオンビームを照射して、前記主面に前記凸部を形成する工程とを含む。
【００１５】
この発明に係る半導体基板の第５の加工方法は、（ａ）半導体基板を準備する工程と、（ｂ）前記半導体基板を加工して、固浸レンズとして作用する、表面が曲面である凸部をその主面に形成する工程とを備え、前記工程（ｂ）は、（ｂ−１）前記半導体基板とエッチングレートが実質的に同一である材料から成り、前記凸部と同じ形状を有するマスクを前記半導体基板の前記主面上に載置する工程と、（ｂ−２）前記マスクの上方から前記マスクが除去されるまで前記マスク及び前記半導体基板に対してドライエッチングを行って、前記主面に前記凸部を形成する工程とを含む。
【００１６】
この発明に係る半導体基板の第６の加工方法は、（ａ）半導体基板を準備する工程と、（ｂ）前記半導体基板を加工して、固浸レンズとして作用する、表面が曲面である凸部をその主面に形成する工程とを備え、前記工程（ｂ）は、（ｂ−１）エッチングガス雰囲気中でのレーザーによる単位時間当たりの削れ量が前記半導体基板と実質的に同一である材料からなり、前記凸部と同じ形状を有するマスクを前記半導体基板の前記主面上に載置する工程と、（ｂ−２）前記エッチングガス雰囲気中において、前記マスクの上方から前記マスクが除去されるまで前記マスク及び前記半導体基板に前記レーザーを照射して、前記主面に前記凸部を形成する工程とを含む。
【００１７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
まず、本発明の実施の形態１に係る半導体基板の加工方法によって製作される半導体基板１について説明する。図１は、かかる半導体基板１の構造を示す図であって、図１（ａ）はその断面図を示しており、図１（ｂ）は図１（ａ）の矢視Ａから見た場合の平面図を示している。また図２は、図１（ａ）に示す、半導体基板１の加工領域だけを取り出して示す斜視図である。
【００１８】
図１，２に示されるように、例えばシリコン基板である半導体基板１の一方の主面３ａには凹部４が形成されており、かかる凹部４の底面４ａに凸部２が形成されている。後述するように、凹部４と凸部２とは、半導体基板１をその主面３ａから加工して形成されるため互いに一体と成っている。
【００１９】
凸部２は例えば半球体であって、その表面は半球面を成している。そして、凸部２の球径ｒは例えば３００μｍであって、その中心Ｏは、半導体基板１の他方の主面３ｂからその内部に向って厚さ方向に距離ｄ０のところに位置している。なお、半導体基板１の厚さｄｗは例えば４００μｍであって、距離ｄ０は例えば１００μｍである。また、半導体基板１の厚さ方向における凹部４の底面４ａと半導体基板１の主面３ｂとの距離も距離ｄ０である。
【００２０】
上述のような形状を成す凸部２は球面レンズとして作用し、半導体基板１の他方の主面３ｂに形成される半導体素子（図示せず）等に対して裏面解析を行う際に固浸レンズとして利用される。例えば発光解析では、半導体素子の電流リーク箇所から発生した光が凸部２を通して半導体基板１の外部に取り出される。そして、このようにして取り出された光を利用して故障解析等が行われる。またＯＢＩＣでは、半導体素子に凸部２を通してレーザービームが照射され、それによって発生する起電流の変化を利用して故障解析等が行われる。
【００２１】
次に、図１，２に示される半導体基板１を形成することが可能な本実施の形態１に係る半導体基板の加工方法について説明する。本実施の形態１では、図１，２に示されるように、凸部２の中心Ｏを原点とし、半導体基板１の厚さ方向をＺ軸とする３次元の直交座標系Ｑ１を定義し、この直交座標系Ｑ１を用いて以下に本実施の形態１に係る半導体基板の加工方法ついて説明する。
【００２２】
図３は本実施の形態１に係る加工方法を示す断面図である。図３に示されるように、本実施の形態１の加工方法では、既存の集束イオンビーム装置を用いて、集束イオンビーム５を半導体基板１の主面３ａに照射して半導体基板１を加工し、固浸レンズとして作用する凸部２を半導体基板１の主面３ａに形成するとともに、凹部４を半導体基板１の主面３ａに形成する。そして、集束イオンビーム５による半導体基板１の削れ量を、半導体基板１に対する集束イオンビーム５の照射時間で調整する。以下に具体的に説明する。
【００２３】
上述のように定義した直交座標系Ｑ１において、集束イオンビーム５をＸ軸及びＹ軸に沿って移動させて、集束イオンビーム５をその照射位置に移動し、その場に停止した後、集束イオンビームの照射位置に応じてその照射時間ｔを変化させる。このときの照射時間ｔは以下の式（１）で表される。
【００２４】
【数１】
2004311823.tif 000003
【００２５】
ただし、係数ａ０は半導体基板１の主面３ａの単位面積にジャストフォーカスで集束イオンビーム５を照射するときの単位時間当たりの半導体基板１のＺ軸方向の削れ量を示しており、例えば集束イオンビームカレントを１０μＡに設定した場合には、０．１μｍ／秒となる。また変数ｘ，ｙは、集束イオンビーム５の照射位置のＸ座標の値及びＹ座標の値をそれぞれ示している。以後、変数ｘ，ｙを集束イオンビーム５の２次元位置（ｘ，ｙ）と、変数ｘを集束イオンビーム５の１次元位置ｘとそれぞれ呼ぶ場合がある。
【００２６】
上述の式（１）で示されるように、凸部２を形成する際の照射時間ｔ、つまりｘ２＜ｒ２かつｙ２＜ｒ２のときの照射時間ｔは、集束イオンビーム５の２次元位置（ｘ，ｙ）の値によって変化し、凹部４における凸部２の形成されていない部分を形成する際の照射時間ｔ、つまりｘ２≧ｒ２またはｙ２≧ｒ２のときの照射時間ｔは一定である。
【００２７】
また、半導体基板１に集束イオンビーム５を照射して加工する際には、図３に示されるように、Ｚ軸方向に沿って上下に移動可能なステージ１０の上に半導体基板１を載置する。そして、基板加工中も集束イオンビーム５が常にジャストフォーカスで半導体基板１の主面３ａに照射されるように、Ｚ軸の負方向への基板加工の進行とともに、半導体基板１をＺ軸の正方向に移動させる。
【００２８】
半導体基板１の主面３ａのある点を加工する際、基板加工が進行するにつれて被加工面はもともとの半導体基板１の主面３ａの位置から深い位置に変化する。そのため、基板加工中も集束イオンビーム５のフォーカスを被加工面に一致させるためには、基板加工の進行とともに半導体基板１をＺ軸の正方向に移動させる必要がある。
【００２９】
例えば、半導体基板１の主面３ａのある点におけるＺ軸方向のトータルの削れ量をＧとすると、基板加工は等速でＺ軸の負方向に進行するため、Ｇ／ｔ（ｔは照射時間）の速度でステージ１０をＺ軸の正方向に移動させる。そして、その点での加工が終了した後に、つまりｔ秒後に、ステージ１０をもとの位置に戻す。そして、集束イオンビーム５の照射位置を移動させて、次の点での加工を同様に行う。この動作を繰り返すことによって、集束イオンビーム５のフォーカスは常に被加工面と一致することになり、集束イオンビーム５の照射時間ｔだけで半導体基板１の削れ量を調整することができる。
【００３０】
このように、本実施の形態１に係る半導体基板の加工方法によれば、半導体基板１の削れ量を、集束イオンビーム５の照射位置に応じてその照射時間ｔを変化させることによって調整しているため、凸部２の表面を特許文献１に記載の加工方法よりも精度の良い曲面に仕上げることができる。従って、凸部２の固浸レンズとしての性能を向上することができ、裏面解析精度が向上する。
【００３１】
なお、本実施の形態１に係る半導体基板の加工方法を用いることによって、球面レンズとして作用する凸部２だけではなく、非球面レンズとして作用する凸部２を半導体基板１の主面３ａに形成することも可能である。以下に、この場合の基板加工方法について具体的に説明する。
【００３２】
図４は、図１に示す半導体基板１において、球面レンズとして作用する凸部２の替わりに、非球面レンズとして作用する凸部２を主面３ａに備える半導体基板１の構造を示す断面図である。図４（ａ）はかかる半導体基板１の断面図を示しており、図４（ｂ）は図４（ａ）の矢視Ｂから見た場合の平面図を示している。
【００３３】
図４に示されるように、凸部２は例えば半楕円体であって、その表面は半楕円面を成している。この半楕円面は、例えば半導体基板１の厚さ方向を短軸、それに垂直な方向を長軸とする楕円を、短軸のまわりに回転して得られる横に長い回転楕円面の一部である。このため、図４（ａ）に示される凸部２の断面形状は楕円形の一部であって、図４（ｂ）に示される凸部２の平面形状は円形となっている。
【００３４】
半楕円体の凸部２の中心Ｏは、半導体基板１の主面３ｂからその内部に向って厚さ方向に距離ｄ０のところに位置している。そして、図４に示されるように、この中心Ｏを原点とし、半導体基板１の厚さ方向をＺ軸とする３次元の直交座標系Ｑ２を定義する。
【００３５】
凸部２の表面は半楕円面であるため、この直交座標系Ｑ２を用いると、凸部２の表面形状を以下の式（２）で表すことができる。
【００３６】
【数２】
2004311823.tif 000004
【００３７】
ただし、上記式（２）中の係数ａ，ｂ，ｃは、凸部２の半楕円面の３つの主軸の長さの半分を示しており、例えばそれぞれ４００μｍ，４００μｍ，３００μｍに設定される。
【００３８】
なお、図４に示す半導体基板１の厚さｄｗは例えば４００μｍであって、距離ｄ０は例えば１００μｍである。また、半導体基板１の厚さ方向における凹部４の底面４ａと半導体基板１の主面３ｂとの距離も距離ｄ０である。
【００３９】
上述のような形状を有する凸部２は非球面レンズとして作用し、裏面解析を行う際に固浸レンズとして利用される。
【００４０】
本実施の形態１に係る加工方法で図４に示される凸部２を形成する際、集束イオンビーム５の照射時間ｔを以下のように設定する。
【００４１】
【数３】
2004311823.tif 000005
【００４２】
そして、球面レンズの凸部２を形成する場合と同様に、半導体基板１を加工する際はステージ１０上に半導体基板１を載置し、基板加工中も集束イオンビーム５が常にジャストフォーカスで半導体基板１の主面３ａに照射されるように、Ｚ軸の負方向への基板加工の進行とともに、半導体基板１をＺ軸の正方向に移動させる。これにより、集束イオンビーム５の照射時間ｔだけで半導体基板１の削れ量を調整することができる。従って、非球面レンズとして作用する凸部２の表面を精度の良い曲面に仕上げることができ、凸部２の固浸レンズとしての性能を向上することができる。
【００４３】
実施の形態２．
上述の実施の形態１では、集束イオンビーム５の照射時間ｔを変化することによって半導体基板１の削れ量を調整していたが、本実施の形態２では、照射時間ｔは一定であって、集束イオンビーム５の焦点位置Ｆｚを変化することによって半導体基板１の削れ量を調整する加工方法を提案する。
【００４４】
図５は本実施の形態２に係る半導体基板の加工方法を示す断面図である。図５（ａ）に示される構造は、加工前の半導体基板１の断面構造であって、図５（ｂ）に示される構造は、加工後の半導体基板１の断面構造である。なお、図５（ｂ）に示される半導体基板１は、図１（ａ）に示される半導体基板１と同じである。
【００４５】
本実施の形態２の加工方法では、集束イオンビーム５を直交座標系Ｑ１におけるＸ軸及びＹ軸に沿って移動させて、集束イオンビーム５をその照射位置に移動し、その場に停止した後、集束イオンビーム５の２次元位置（ｘ，ｙ）に応じて、その焦点位置Ｆｚを変化させる。以下に具体的に説明する。
【００４６】
まず、図５（ａ）に示されるように、加工前の半導体基板１をＺ軸方向に移動可能なステージ１０上に載置する。そして、既存の集束イオンビーム装置を用いて、半導体基板１の主面３ａに対する集束イオンビーム５の照射位置をＸ軸方向及びＹ軸方向に沿って移動させて半導体基板１を加工し、その主面３ａに固浸レンズとして作用する凸部２を形成する。このとき、集束イオンビーム５の照射時間ｔは一定で、その焦点位置Ｆｚを集束イオンビーム５の２次元位置（ｘ，ｙ）の値に応じて変化させる。
【００４７】
例えば、２次元位置（ｘ，ｙ）における集束イオンビーム５の照射時間ｔを、上記式（１）中の係数ａ０を定義する際に使用した単位時間と同じ値に設定した場合、ジャストフォーカス時の焦点位置を“１”としたときの焦点位置Ｆｚは以下の式（４）で表すことができる。
【００４８】
【数４】
2004311823.tif 000006
【００４９】
上記式（４）で示されるように、凸部２を形成する際の焦点位置Ｆｚ、つまりｘ２＜ｒ２かつｙ２＜ｒ２のときの焦点位置Ｆｚは、集束イオンビーム５の２次元位置（ｘ，ｙ）の値によって変化し、凹部４における凸部２の形成されていない部分を形成する際の焦点位置Ｆｚ、つまりｘ２≧ｒ２またはｙ２≧ｒ２のときの焦点位置Ｆｚは一定である。
【００５０】
なお、集束イオンビームの焦点位置の２乗と、そのエネルギー密度とが比例関係にあり、エネルギー密度と、半導体基板の削れ量とは比例関係にある。従って、上記式（４）からも理解できるように、集束イオンビームの焦点位置の２乗と、半導体基板の削れ量とが比例関係にある。
【００５１】
上述のように、半導体基板１の主面３ａのある点を加工する際、基板加工が進行するにつれて被加工面はもともとの半導体基板１の主面３ａの位置から深い位置に変化する。そのため、基板加工中も集束イオンビーム５の焦点位置Ｆｚを上記式（４）で表される値に維持するためには、基板加工の進行とともに半導体基板１をＺ軸の正方向に移動させる必要がある。
【００５２】
そこで、実施の形態１と同様に、Ｚ軸の負方向への基板加工の進行とともに、ステージ１０をＺ軸の正方向に移動させることによって、半導体基板１をＺ軸の正方向に移動させる。
【００５３】
例えば、半導体基板１の主面３ａのある点におけるＺ軸方向のトータルの削れ量をＧとすると、基板加工は等速でＺ軸の負方向に進行するため、Ｇ／ｔ（ｔは照射時間）の速度でステージ１０をＺ軸の正方向に移動させる。そして、その点での加工が終了した後に、ステージ１０をもとの位置に戻す。そして、集束イオンビーム５の照射位置を移動させて、移動後の照射位置に応じた焦点位置Ｆｚを設定し、次の点での加工を同様に行う。この動作を繰り返すことによって、集束イオンビーム５の焦点位置Ｆｚは基板加工中であっても常に上記式（４）で示される値となり、集束イオンビーム５の焦点位置Ｆｚだけで半導体基板１の削れ量を調整することができる。
【００５４】
このように、本実施の形態２に係る半導体基板の加工方法では、半導体基板１の削れ量を、集束イオンビーム５の照射位置に応じてその焦点位置Ｆｚを変化させることによって調整しているため、上述の実施の形態１とは異なった方法で、凸部２の表面を特許文献１に記載の加工方法よりも精度の良い曲面に仕上げることができる。従って、凸部２の固浸レンズとしての性能を向上することができ、裏面解析精度が向上する。
【００５５】
なお、本実施の形態２に係る半導体基板の加工方法を用いて、上述の図４に示す、非球面レンズとして作用する凸部２を半導体基板１の主面３ａに形成することができる。この場合には、焦点位置Ｆｚを以下のように設定する。
【００５６】
【数５】
2004311823.tif 000007
【００５７】
ただし、上記式（５）中の焦点位置Ｆｚは、２次元位置（ｘ，ｙ）における集束イオンビーム５の照射時間ｔを、上記式（１）中の係数ａ０を定義する際に使用した単位時間と同じ値に設定した場合におけるジャストフォーカス時の焦点位置を“１”としたときの焦点位置である。
【００５８】
また、非球面レンズの凸部２を形成する場合にも、基板加工中も集束イオンビーム５が常に上記式（５）で示される値に維持されるように、Ｚ軸の負方向への基板加工の進行とともに、半導体基板１をＺ軸の正方向に移動させる。
【００５９】
このように、集束イオンビーム５の焦点位置Ｆｚを調整することによって、非球面レンズとして作用する凸部２を半導体基板１の主面３ａに形成することができるため、かかる凸部２の固浸レンズとしての性能を向上することができる。
【００６０】
実施の形態３．
図６は本発明の実施の形態３に係る半導体基板の加工方法を示す断面図である。図６（ａ）に示される構造は、加工前の半導体基板１の断面構造であって、図６（ｂ）に示される構造は、加工後の半導体基板１の断面構造である。なお、図６（ｂ）に示される半導体基板１は、図１（ａ）に示される半導体基板１と同じである。
【００６１】
上述の実施の形態１では、集束イオンビーム５の照射時間ｔを変化させて半導体基板１の削れ量を調整していたが、本実施の形態３では、図６に示されるように、エッチングガス２６雰囲気中でレーザー２５の照射時間ｔを変化させて半導体基板１の削れ量を調整する。
【００６２】
例えば、エッチングガス２６として作用するＸｅＦ２（ニフッ化キセノン）ガス雰囲気中で、ヘリウムネオンレーザーを半導体基板１の主面３ａに照射して半導体基板１を加工し、固浸レンズとして作用する凸部２を半導体基板１の主面３ａに形成する。このとき、ヘリウムネオンレーザーを直交座標系Ｑ１におけるＸ軸及びＹ軸に沿って移動させて、ヘリウムネオンレーザーをその照射位置に移動し、その場に停止した後、ヘリウムネオンレーザーの照射位置に応じてその照射時間ｔを変化させる。これによって、実施の形態１と同様に、凸部２の表面を精度の良い曲面に仕上げることができる。従って、凸部２の固浸レンズとしての性能を向上することができ、裏面解析精度が向上する。
【００６３】
なお、本実施の形態３での照射時間ｔは、実施の形態１と同様に、上記式（１）で表すことができる。ただし、係数ａ０はエッチングガス２６雰囲気中で半導体基板１の主面３ａにレーザー２５を照射したときの単位時間当たりの半導体基板１のＺ軸方向の削れ量である。また、本実施の形態３では集束イオンビーム５の替わりにレーザー２５を使用しているため、実施の形態１と異なり、基板加工の進行とともに半導体基板１をＺ軸の正方向に移動させる必要はない。
【００６４】
また、レーザー２５の照射時間ｔを上記式（３）のように設定し、本実施の形態３に係る加工方法を用いて、図４に示される、非球面レンズとして作用する凸部２を半導体基板１に形成することもできる。
【００６５】
実施の形態４．
図７は本発明の実施の形態４に係る半導体基板の加工方法を示す斜視図である。図７（ａ）に示される構造は加工前の半導体基板１の構造であって、図７（ｂ）に示される構造は加工後の半導体基板１の構造である。なお、図７（ｂ）に示される半導体基板１は、凹部４の形状を除いて、図１（ａ）に示される半導体基板１と同じ形状である。
【００６６】
上述の実施の形態１，２では、集束イオンビーム５の照射位置を直交座標系Ｑ１におけるＸ軸及びＹ軸に沿って移動させつつ半導体基板１を加工していたが、本実施の形態４では、図７（ａ）に示されるように、Ｚ軸を回転軸として半導体基板１を等速で回転させつつ半導体基板１を加工する。以下に、具体的に説明する。
【００６７】
まず、図７（ａ）に示されるように、Ｚ軸を回転軸として回転可能なステージ３０上に加工前の半導体基板１を載置し、ステージ３０を回転させる。これによって、Ｚ軸を回転軸として半導体基板１が回転する。ステージ３０は、例えば２秒に１回転の速度で回転させる。
【００６８】
次に、半導体基板１を回転させた状態で、半導体基板１の主面３ａに対する集束イオンビーム５の照射位置をＸ軸方向に沿って移動させて半導体基板１を加工する。このとき、集束イオンビーム５の１次元位置ｘの値に応じてその照射時間ｔを変化させる。具体的には、照射時間ｔを以下のように設定する。
【００６９】
【数６】
2004311823.tif 000008
【００７０】
また、実施の形態１で述べたように、基板加工が進行するにつれて被加工面はもともとの半導体基板１の主面３ａの位置から深い位置に変化するため、基板加工中も集束イオンビーム５が常にジャストフォーカスで半導体基板１の主面３ａに照射されるように、Ｚ軸の負方向への基板加工の進行とともに、半導体基板１をＺ軸の正方向に移動させる。上述のステージ３０はＺ軸方向に沿って移動可能であって、かかるステージ３０をＺ軸方向に移動させることによって、半導体基板１をＺ軸に沿って移動させることができる。
【００７１】
上述の図１に示される凸部２の表面は半球面であるため、凸部２の表面は直交座標系Ｑ１におけるＺ軸を回転軸とする回転曲面と言える。つまり、ＸＺ平面上あるいはＹＺ平面上に形成された円をＺ軸の周りに回転させて得られる球面の一部が図１に示される凸部２の表面となる。従って、本実施の形態４に係る加工方法のように、Ｚ軸を回転軸として半導体基板１を回転させつつ、集束イオンビーム５をその主面３ａに照射することによって凸部２を形成することができる。なお、半導体基板１を回転させて加工しているため、凸部２とともに形成される凹部４の形状は図１に示す凹部４とは異なっており、凹部４のＺ軸方向から見た平面形状は円形となる。
【００７２】
このように、本実施の形態４に係る半導体基板の加工方法では、半導体基板１を回転させつつ加工しているため、凸部２の表面をより精度の良い曲面に仕上げることができる。従って、裏面解析精度が更に向上する。
【００７３】
なお、凸部２が非球面レンズとして作用し、その表面形状が図４に示される形状であっても、本実施の形態４に係る加工方法で当該凸部２を形成することができる。
【００７４】
実施の形態１で述べたように、図４に示される凸部２の表面形状は、半導体基板１の厚さ方向を短軸、それに垂直な方向を長軸とする楕円を、短軸のまわりに回転して得られる横に長い回転楕円面の一部であるため、直交座標系Ｑ２におけるＺ軸を回転軸とする回転曲面と言える。従って、半球面の表面形状を有する凸部２と同様に、Ｚ軸を回転軸として半導体基板１を回転させつつ、集束イオンビーム５の照射位置をＸ軸方向に沿って移動させることによって、半導体基板１の主面３ａに非球面レンズとして作用する凸部２を形成することができる。なお、この場合の照射時間ｔは以下の式（７）で表すことができる。
【００７５】
【数７】
2004311823.tif 000009
【００７６】
また、本実施の形態４の加工方法において、集束イオンビーム５の照射時間ｔを変化させる替わりに、実施の形態２のように、その焦点位置Ｆｚを変化させることによっても、固浸レンズとして作用する凸部２を形成することができる。具体的には、Ｚ軸を回転軸として半導体基板１を等速で回転させた状態で、集束イオンビーム５の照射位置をＸ軸方向に沿って移動させつつ、その焦点位置Ｆｚを１次元位置ｘに応じて変化させることによって、凸部２を形成することができる。
【００７７】
図１に示される凸部２を形成する場合には、焦点位置Ｆｚを以下の式（８）のように設定し、図４に示される凸部２を形成する場合には、焦点位置Ｆｚを以下の式（９）のように設定する。
【００７８】
【数８】
2004311823.tif 000010
【００７９】
【数９】
2004311823.tif 000011
【００８０】
なお、上記式（８），（９）中の焦点位置Ｆｚは、１次元位置ｘにおける集束イオンビーム５の照射時間ｔを、上記式（１）中の係数ａ０を定義する際に使用した単位時間と同じ値に設定した場合におけるジャストフォーカス時の焦点位置を“１”としたときの焦点位置である。
【００８１】
また、上述の実施の形態３のように、エッチングガス２６雰囲気中でレーザー２５の照射時間ｔを変化させて半導体基板１の削れ量を調整する場合であっても、図８に示されるように、Ｚ軸を回転軸として半導体基板１を回転させた状態で加工することによって、その主面３ａに固浸レンズとして作用する凸部２を形成することができる。このときのレーザーの照射時間ｔは、上記式（６）で表される。なお、図８（ａ）に示される構造は加工前の半導体基板１の構造であって、図８（ｂ）に示される構造は加工後の半導体基板１の構造である。また、図８（ｂ）に示される半導体基板１は、図７（ｂ）に示される半導体基板１の形状と同じである。
【００８２】
このように、エッチングガス２６雰囲気中で、半導体基板１を回転させながらレーザー２５を照射することにより半導体基板１を加工することによって、凸部２の表面をより精度の良い曲面に仕上げることができ、凸部２の固浸レンズとしての性能が向上する。
【００８３】
実施の形態５．
図９は本発明の実施の形態５に係る半導体基板の加工方法を示す断面図である。図９（ａ）に示される構造は加工前の半導体基板１の断面構造であって、図９（ｂ）に示される構造は加工後の半導体基板１の断面構造である。なお、図９（ｂ）に示される半導体基板１は、図１（ａ）に示される半導体基板１と同じ形状を成している。以下に図９を参照して、本実施の形態９に係る加工方法について説明する。
【００８４】
まず、図９（ａ）に示されるように、Ｚ軸方向に沿って移動可能なステージ１０上に加工前の半導体基板１を載置する。そして、凸部２と同じ形状を成すマスク４０を半導体基板１の主面３ａ上に載置する。本実施の形態５では、凸部２が半球体であるためマスク４０は半球体となる。
【００８５】
マスク４０は、例えば型を用いて形成することができ、半導体基板１と同一の材料で形成されている。従って、半導体基板１にシリコン基板が採用される場合には、マスク４０はシリコンで形成される。
【００８６】
次に、マスク４０の上方からマスク４０が完全に除去されるまで、マスク４０及び半導体基板１の主面３ａに集束イオンビーム５を照射して、半導体基板１の主面３ａに凸部２を形成する。具体的には、集束イオンビーム５の照射位置を直交座標系Ｑ１におけるＸ軸及びＹ軸に沿って移動させながら、半導体基板１及びマスク４０を加工する。このときの各照射位置での照射時間ｔは一定であって、ｔ＝１／ａ０×（ｄｗ−ｄ０）となる。
【００８７】
またこのとき、実施の形態１と同様に、基板加工中も集束イオンビーム５が常にジャストフォーカスで半導体基板１の主面３ａあるいはマスク４０の表面に照射されるように、Ｚ軸の負方向への加工の進行とともに、ステージ１０によって半導体基板１をＺ軸の正方向に移動させる。
【００８８】
このように、凸部２と同じ形状を有するマスク４０が除去されるまで、半導体基板と当該マスク４０に集束イオンビーム５を照射し凸部２を形成しているため、精度の良い曲面を表面に有する凸部２を半導体基板１の主面３ａに形成することができる。従って、凸部２の固浸レンズとしての性能が向上し、裏面解析精度が向上する。
【００８９】
なお、本実施の形態５に係る半導体基板の加工方法において、集束イオンビームを用いる替わりに、ドライエッチング法を用いることによって凸部２を形成しても良い。以下に、この場合の本実施の形態５に係る加工方法について説明する。
【００９０】
図１０は、ドライエッチング法を用いて凸部２を形成する方法を示す断面図である。図１０（ａ）に示される構造は加工前の半導体基板１の断面構造であって、図１０（ｂ）に示される構造は加工途中の半導体基板１の断面構造であって、図１０（ｃ）に示される構造は加工後の半導体基板１の断面構造である。なお、図１０（ｃ）に示される半導体基板１は、図１（ａ）に示される半導体基板１と同じ形状である。
【００９１】
図１０（ａ）に示されるように、まず、マスク４０を半導体基板１の主面３ａ上に載置する。そして、マスク４０の上方からマスク４０が除去されるまで、マスク４０及び半導体基板１に対してドライエッチングを行う。このときのドライエッチングには、例えばガスプラズマを用いた反応性イオンエッチングが採用される。これにより、図１０（ｃ）に示されるように、半導体基板１の主面３ａに固浸レンズとして作用する凸部２が形成される。
【００９２】
このように、凸部２と同じ形状を有するマスク４０が除去されるまで、半導体基板１と当該マスク４０に対してドライエッチングを行って凸部２を形成しているため、精度の良い曲面を表面に有する凸部２を半導体基板１の主面３ａに形成することができ、凸部の固浸レンズとしての性能が向上する。
【００９３】
また、集束イオンビーム５を照射する替わりに、エッチングガス２６雰囲気中でレーザー２５をマスク４０及び半導体基板１に照射することによって凸部２を形成しても良い。以下に、この場合の本実施の形態５に係る加工方法について説明する。
【００９４】
図１１は、エッチングガス２６雰囲気中でのレーザー２５の照射によって凸部２を形成する方法を示す断面図である。図１１（ａ）に示される構造は加工前の半導体基板１の断面構造であって、図１１（ｂ）に示される構造は加工後の半導体基板１の断面構造である。なお、図１１（ｂ）に示される半導体基板１は、図１（ａ）に示される半導体基板１と同じ形状である。
【００９５】
図１１（ａ）に示されるように、まず、マスク４０を半導体基板１の主面３ａ上に載置する。そして、エッチングガス２６雰囲気中において、マスク４０の上方からマスク４０が除去されるまで、マスク４０及び半導体基板１にレーザー２５を照射する。具体的には、レーザー２５の照射位置を直交座標系Ｑ１におけるＸ軸及びＹ軸に沿って移動させながら、半導体基板１及びマスク４０を加工する。このときの各照射位置での照射時間ｔは一定であって、ｔ＝１／ａ０×（ｄｗ−ｄ０）となる。
【００９６】
これにより、図１１（ｂ）に示されるように、半導体基板１の主面３ａに固浸レンズとして作用する凸部２が形成される。
【００９７】
このように、凸部２と同じ形状を有するマスク４０が除去されるまで、エッチングガス２６雰囲気中で半導体基板１と当該マスク４０にレーザー２５を照射して凸部２を形成しているため、精度の良い曲面を表面に有する凸部２を半導体基板１の主面３ａに形成することができ、凸部の固浸レンズとしての性能が向上する。
【００９８】
なお本実施の形態５では、球面レンズとして作用する凸部２を形成する場合について説明したが、非球面レンズとして作用する凸部２を形成する場合にも本実施の形態５に係る発明が適用できる。例えば、半楕円体のマスク４０を半導体基板１上に載置して、かかるマスク４０が除去されるまで集束イオンビーム５を半導体基板１及びマスク４０に照射することによって、あるいは半導体基板１及びマスク４０に対してドライエッチングを行うことによって、あるいはエッチングガス２６雰囲気中でレーザー２５を半導体基板１及びマスク４０に照射することによって、図４に示される、非球面レンズとして作用する凸部２を半導体基板１の主面３ａに形成することができる。
【００９９】
また本実施の形態５では、マスク４０を半導体基板１と同一の材料で形成したが、集束イオンビーム５を用いて半導体基板１を加工する場合には、集束イオンビーム５による単位時間当たりの削れ量が半導体基板１と実質的に同一である材料であれば、他の材料を用いてマスク４０を形成しても良い。また、ドライエッチング法を用いて半導体基板１を加工する場合には、半導体基板１とエッチングレートが実質的に同一である材料であれば、他の材料を用いてマスク４０を形成しても良い。また、エッチングガス２６雰囲気中でのレーザー２５の照射によって半導体基板１を加工する場合には、エッチングガス２６雰囲気中でのレーザー２５による単位時間当たりの削れ量が半導体基板１と実質的に同一である材料であれば、他の材料を用いてマスク４０を形成しても良い。
【０１００】
【発明の効果】
この発明に係る半導体基板の第１の加工方法によれば、半導体基板の削れ量を集束イオンビームの照射時間によって調整しているため、凸部の表面を精度の良い曲面に仕上げることができる。従って、凸部の固浸レンズとしての性能が向上する。
【０１０１】
また、この発明に係る半導体基板の第２の加工方法によれば、半導体基板の削れ量を集束イオンビームの焦点位置によって調整しているため、凸部の表面を精度の良い曲面に仕上げることができる。従って、凸部の固浸レンズとしての性能が向上する。
【０１０２】
また、この発明に係る半導体基板の第３の加工方法によれば、半導体基板の削れ量をレーザーの照射時間で調整しているため、凸部の表面を精度の良い曲面に仕上げることができる。従って、凸部の固浸レンズとしての性能が向上する。
【０１０３】
また、この発明に係る半導体基板の第４の加工方法によれば、凸部と同じ形状を有するマスクが除去されるまで、半導体基板と当該マスクに集束イオンビームが照射されて凸部が形成されるため、精度の良い曲面を表面に有する凸部を半導体基板の主面に形成することができる。従って、凸部の固浸レンズとしての性能が向上する。
【０１０４】
また、この発明に係る半導体基板の第５の加工方法によれば、凸部と同じ形状を有するマスクが除去されるまで、半導体基板と当該マスクに対してドライエッチングが行われて凸部が形成されるため、精度の良い曲面を表面に有する凸部を半導体基板の主面に形成することができる。従って、凸部の固浸レンズとしての性能が向上する。
【０１０５】
また、この発明に係る半導体基板の第５の加工方法によれば、凸部と同じ形状を有するマスクが除去されるまで、エッチングガス雰囲気中で半導体基板と当該マスクにレーザーが照射されて凸部が形成されるため、精度の良い曲面を表面に有する凸部を半導体基板の主面に形成することができる。従って、凸部の固浸レンズとしての性能が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る半導体基板の加工方法で製作される半導体基板の構造を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る半導体基板の加工方法で製作される半導体基板の構造を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る半導体基板の加工方法を示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る半導体基板の加工方法で製作される半導体基板の構造を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態２に係る半導体基板の加工方法を示す断面図である。
【図６】本発明の実施の形態３に係る半導体基板の加工方法を示す断面図である。
【図７】本発明の実施の形態４に係る半導体基板の加工方法を示す断面図である。
【図８】本発明の実施の形態４に係る半導体基板の加工方法を示す断面図である。
【図９】本発明の実施の形態５に係る半導体基板の加工方法を示す断面図である。
【図１０】本発明の実施の形態５に係る半導体基板の加工方法を示す断面図である。
【図１１】本発明の実施の形態５に係る半導体基板の加工方法を示す断面図である。
【符号の説明】
１  半導体基板、２  凸部、３ａ  主面、５  集束イオンビーム、２５  レーザー、２６  エッチングガス、４０  マスク。
【図１】
2004311823.tif 000012
【図２】
2004311823.tif 000013
【図３】
2004311823.tif 000014
【図４】
2004311823.tif 000015
【図５】
2004311823.tif 000016
【図６】
2004311823.tif 000017
【図７】
2004311823.tif 000018
【図８】
2004311823.tif 000019
【図９】
2004311823.tif 000020
【図１０】
2004311823.tif 000021
【図１１】
2004311823.tif 000022