(57)【要約】      （修正有）【課題】炭素質材料または他の有機材料の新規の化学剤支援イオン・ビーム・エッチング法を提供する。【解決手段】低エネルギーの集束イオン・ビーム５０２を使用してエッチング支援ガスの存在下で炭素質材料を除去する。ＦＩＢのビーム・エネルギーを低くすると、Ｏ2などのエッチング支援ガス５０６がエッチング速度を大幅に増大させる。一例として、８ｋｅＶから１４ｋｅＶのビーム・エネルギーを有するＸｅ+プラズマＦＩＢおよびエッチング支援ガスとしてのＯ2を使用してポリイミド材料５０５をエッチングすると、エッチング速度の増大が、デフォルトのミリング速度に比べて３０倍近くになることがある。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素質材料を含む加工物の化学的に強化されたイオン・ビーム・ミリングの方法であって、
酸素含有エッチング支援ガスを前記加工物の表面に供給するステップと、
前記炭素質材料に向かってイオン・ビームを導いて、前記エッチング支援ガスの存在下で前記炭素質材料をエッチングするステップであり、前記イオン・ビームのエネルギーが、酸素を含む前記酸素含有エッチング支援ガスと前記炭素質材料との反応によってパッシベーション層を形成するのには不十分である、ステップと
を含む方法。
【請求項２】
前記炭素質材料に向かって前記イオン・ビームを導くステップが、１６ｋｅＶ未満のイオン・ビームを導くステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記炭素質材料に向かって前記イオン・ビームを導くステップが、１０ｋｅＶ未満のイオン・ビームを導くステップを含む、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記炭素質材料に向かって前記イオン・ビームを導くステップが、キセノン・イオンのビームを導くステップを含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記炭素質材料に向かって前記イオン・ビームを導くステップが、１６ｋｅＶ未満のエネルギーを有するキセノン・イオンのビームをポリイミド材料に向かって導くステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
酸素含有エッチング支援ガスを前記加工物に向かって導くステップが、Ｏ2を前記加工物に向かって導くステップを含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
基板の化学的に強化されたイオン・ビーム・ミリングの方法であって、
前記基板をイオン・ビーム・システム内へ装填するステップと、
酸化剤を含むエッチング支援ガスを前記基板に向かって供給するステップと、
前記エッチング支援ガスの存在下で前記基板に、１６ｋｅＶ未満のビーム・エネルギーを有するイオン・ビームを導くステップと、
化学的に強化されたイオン・ビーム・ミリングを使用して材料を除去するステップと
を含む方法。
【請求項８】
前記エッチング支援ガスがＯ2ガスを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記エッチング支援ガスがＮ2Ｏ、ＮＯ2、ＮＯまたはＮＯxを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記基板がポリイミド膜または他の有機膜を含む、請求項７から９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記イオン・ビームのエネルギーが８ｋｅＶから１４ｋｅＶである、請求項７から１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
化学的に強化されたイオン・ビーム・ミリングを使用して材料を除去するステップが、前記基板をイオン・ビーム・スパッタリングまたはイオン・ビーム・エッチングするステップを含む、請求項７から１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記イオン・ビーム・システムが、Ｘｅ+プラズマ集束イオン・ビーム・システムまたは他のプラズマ集束イオン・ビーム・システムを含む、請求項７から１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
イオン、前記エッチング支援ガスおよび前記基板の相互作用によって、前記基板上にパッシベーション層があまり形成されない、請求項７から１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記イオン・ビーム・システムの電流密度が０．５ｐＡ／μｍ2超、ドウェル時間が１０００ナノ秒未満、室圧が０．１×１０-5トル超である、請求項７から１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
ミリング速度が０．３μｍ3／ｎＣよりも大きい、請求項７から１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
化学的に強化されたイオン・ビームを使用して材料を除去するステップが、損傷したポリイミド層を除去して、前記損傷した層の下の損傷していないポリイミド層を露出させるステップを含み、前記損傷していない層が、前記イオン・ビームによって損傷せず、その電気絶縁特性を維持する、請求項７から１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
前記イオン・ビームのビーム・エネルギーが８ｋｅＶ以下である、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記エッチング支援ガスが水蒸気、Ｏ2、Ｎ2Ｏ、ＮＯ2、ＮＯまたはＮＯxを含む、請求項１７または１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記イオン・ビーム・システムが、Ｇａ+プラズマ集束イオン・ビーム・システムまたはＸｅ+プラズマ集束イオン・ビーム・システムを含む、請求項１７から１９のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポリイミド膜または他の類似の有機膜の集束イオン・ビーム・エッチングに関し、より具体的には、Ｘｅ+プラズマ集束イオン・ビームを使用したポリイミドのエッチングに関する。
【背景技術】
【０００２】
最新の集積回路（ＩＣ）は、導体、および絶縁体、半導体など基板材料の複数の層からなる。ＩＣ内の回路または他の内部に隠れた特徴部分の検査および編集では、目標エリアまで進み、複数の基板材料層のうちの１つまたは複数の層を貫いてミリングする必要がある。回路編集（ＣＥ）は、設計デバッグ（ｄｅｂｕｇ）段階中に必要なマスク・セットの数を減らすことによってＩＣの開発費を低減させ、市場に出すまでの総時間を短縮する。
【０００３】
現在、大部分のＣＥ作業は集束イオン・ビーム（ＦＩＢ）システムを使用して実行されており、ＦＩＢシステムは、基板材料をミリングによって除去して隠れた特徴部分を露出させるために、また材料を高精度で付着させるために一般的に使用されている。これらの能力を使用して、デバイス内の回路を切断および接続し、電気試験のためのプローブ・ポイント（ｐｒｏｂｅ  ｐｏｉｎｔ）を形成することができる。応用例には、設計変更の妥当性の検証、生産段階のデバイスのデバッグおよび最適化、費用と時間のかかるマスク・セットの製造を省いた新たなデバイスの試作などがある。
【０００４】
ＦＩＢシステムでの材料除去は一般に、比較的大きなイオンのビームを使用して基板材料をスパッタリングにより物理的に除去することによって行われる。大部分のＦＩＢシステムが、液体金属イオン源（ＬＭＩＳ）によって生成されたガリウム・イオン（Ｇａ+）を使用している。これは、液体金属イオン源が、製造しやすく、室温で動作し、信頼性が高く、寿命が長く、安定しているためである。さらに、ＦＩＢ処理中に加工物の表面に化学剤を導入して、選択した材料のミリング速度を都合よく操作することができる。化学剤を使用してＦＩＢミリング速度を高める、または抑制する操作は一般に「ガス支援エッチング（Ｇａｓ−Ａｓｓｉｓｔｅｄ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）」（ＧＡＥ）と呼ばれている。
【０００５】
ポリイミド（ＰＩ）は、ＩＣパッケージ・デバイスに対する一般的な封入材料であるため、回路編集中または故障解析中にポリイミド層の一部を除去する必要がしばしばある。一般的なポリイミド除去法は、Ｇａ+ＦＩＢを用いて水蒸気の存在下でポリイミド層をエッチングする方法である。水蒸気は、エッチング支援ガスとして機能し、水蒸気は、ポリイミドのエッチング速度を、デフォルト（ｄｅｆａｕｌｔ）のミリング速度（エッチング支援ガスなしでＦＩＢを使用した場合のミリング速度と定義される）の５倍から１０倍に高めることが知られている。ポリイミドなどの有機化合物（炭素を含む化合物）に対するエッチング支援ガスとして水蒸気を使用することは、参照によって本明細書に組み込まれるＲｕｓｓｅｌｌ他の「Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  ｗａｔｅｒ  ｖａｐｏｒ  ｅｎｈａｎｃｅｄ  ｃｈａｒｇｅｄ−ｐａｒｔｉｃｌｅ−ｂｅａｍ  ｍａｃｈｉｎｉｎｇ」という名称の米国特許第５，９５８，７９９号（１９９９年９月２８日）に記載されている。
【０００６】
Ｇａ+ＦＩＢは、数十年の間、ＩＣ製造で使用される最も一般的なタイプのＦＩＢであり続けているが、その一方で、キセノン・イオン（Ｘｅ+）などの不活性イオンを使用するプラズマＦＩＢ機器は、液体金属イオン源を使用する従来のＧａ+ＦＩＢにはないいくつかの著しい利点を提供する。例えば、あるプラズマＦＩＢは、従来のガリウム・ベースのＦＩＢで使用されるビーム電流の２０倍から１００倍のビーム電流を供給し、その結果、材料除去速度は大幅に増大する。さらに、不活性イオンを使用するプラズマＦＩＢは、Ｇａ+の注入によって引き起こされるものなど、問題のあるイオン汚染を引き起こさない。
【０００７】
ポリイミド膜または他の類似の有機膜によってカプセル封入されたＩＣパッケージ・デバイスの回路編集または故障解析にＸｅ+プラズマＦＩＢなどのプラズマＦＩＢを使用することの著しい１つの欠点は、Ｘｅ+プラズマＦＩＢと一緒に使用したときに、水蒸気が、ポリイミドに対するエッチング支援ガスとして機能するように思われないことである。レーザおよびプラズマ・エッチング・ツールを含め、ポリイミドを除去する他の外位置（ｅｘ−ｓｉｔｕ）の（ＦＩＢ真空室外で実施する）方法も知られてはいるが、先行技術において、Ｘｅ+ＦＩＢツールに対して有効な原位置（ｉｎ−ｓｉｔｕ）法は知られていない。
【０００８】
したがって、ポリイミド膜および他の有機膜を原位置でより迅速にかつより効率的にエッチングする方法が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第５，９５８，７９９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の好ましい一実施形態は、炭素質材料または他の有機材料の新規の化学剤支援（ｃｈｅｍｉｃａｌ−ａｓｓｉｓｔｅｄ）イオン・ビーム・エッチング法を対象とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
ビーム・エネルギーを低くすると、Ｏ2などの酸素含有ガスは、非常に有効なエッチング支援ガスとして機能し始めることを本出願の出願人は見出した。例えば、８ｋｅＶから１４ｋｅＶのビーム・エネルギーを有するＸｅ+プラズマＦＩＢおよびエッチング支援ガスとしてのＯ2を使用する実施形態は、ポリイミドのデフォルトのミリング速度の３０倍に近い速度でポリイミドをエッチングすることができる。
【００１２】
以上では、以下の本発明の詳細な説明をより十分に理解できるように、本発明の特徴および技術上の利点をかなり広く概説した。以下では、本発明の追加の特徴および利点を説明する。開示される着想および特定の実施形態を、本発明の同じ目的を達成するために他の構造を変更しまたは設計するベースとして容易に利用することができることを当業者は理解すべきである。さらに、このような等価の構造は、添付の特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨および範囲を逸脱しないことを当業者は理解すべきである。
【００１３】
次に、本発明および本発明の利点のより完全な理解のため、添付図面に関して書かれた以下の説明を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】封入ポリイミド層を有する一般的なＩＣパッケージ・デバイスの一部分を示す概略図である。
【図２】ＦＩＢを使用した一般的なガス支援エッチング・プロセスの概略図である。
【図３】より高いエネルギーのＸｅ+プラズマ・イオン・ビームを使用したポリイミド・エッチングの顕微鏡写真である。
【図４】より高い加速電圧のＸｅ+プラズマＦＩＢを使用したガス支援エッチングの概略図である。
【図５】より低い加速電圧のＸｅ+プラズマＦＩＢを使用したＯ2支援（Ｏ2−ａｓｓｉｓｔｅｄ）エッチングの概略図である。
【図６】より低いエネルギーのＸｅ+プラズマ・イオン・ビームを使用したポリイミド・エッチングのＦＩＢ顕微鏡写真である。
【図７】順次付着させた２つのポリイミド層間の境界面を露出させるために上位のポリイミド層をエッチングによって除去した、大面積ポリイミド除去のＦＩＢ顕微鏡写真である。
【図８】下位のポリイミド層をエッチングによって除去し、その下の酸化物層を露出させた、図７の大面積ポリイミド除去のＦＩＢ顕微鏡写真である。
【図９】吸収された（ステージ）電流を、本発明の一実施形態のポリイミド・エッチング処理中の時間に対して示した図である。
【図１０】部分的に損傷したポリイミド表面の低倍率ＦＩＢ顕微鏡写真である。
【図１１】ポリイミド薄膜１００１の図１０と同じセクションを示す図であり、長方形の走査ボックスは修復を実行する位置を示す図である。
【図１２】図１０および１１の損傷したポリイミド膜の修復の進捗を示す一連のＦＩＢ画像である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
添付図面は、原寸に比例して示すことを意図されていない。これらの図面では、さまざまな図に示されている同一の構成要素またはほぼ同一の構成要素が、同様の符号によって示されている。見やすくするため、全ての図面の全ての構成要素に符号が付けられているわけではない。
【００１６】
本発明の好ましい実施形態は、Ｘｅ+プラズマＦＩＢを使用する新規のポリイミド除去法を対象としている。純粋な酸素ガス（Ｏ2）をエッチング支援ガスとして使用することのＰＩのエッチング速度に対する効果も、比較的高いビーム・エネルギー（２０ｋｅＶ超）で使用したときには、あったとしてもあまり大きいものではない。しかしながら、Ｘｅ+プラズマＦＩＢのビーム・エネルギーを低くすると、Ｏ2は、非常に有効なエッチング支援ガスとして機能し始めることを本出願の出願人は見出した。本発明の好ましい一実施形態によれば、特定のポリイミド組成に応じて、８ｋｅＶから１４ｋｅＶのビーム・エネルギーを有するＸｅ+プラズマＦＩＢおよびエッチング支援ガスとしてのＯ2を使用すると、エッチング速度の増大が、デフォルトのミリング速度に比べて３０倍近くになりうる。
【００１７】
Ｇａ+ＦＩＢを使用してポリイミド（ＰＩ）膜をエッチングする従来の方法は、エッチング支援ガスとして水蒸気を使用する方法である。この技法は、３０ｋｅＶの加速電圧（ビーム・エネルギーとも呼ばれる）で約２μｍ3／ｎＣのＰＩ除去速度を与えるが、実際の除去速度は、除去するＰＩの正確なタイプによってかなりの変動を示す。上で論じたとおり、この除去速度は一般に、（エッチング支援ガスを使用しないＦＩＢに関する）デフォルトのミリング速度の５倍から１０倍である。
【００１８】
Ｘｅ+プラズマＦＩＢを使用することには、より従来のＧａ+ＦＩＢにはないいくつかの利点があるが、Ｘｅ+プラズマＦＩＢを使用したときには、どのビーム・エネルギーにおいても、水蒸気（Ｈ2Ｏ）の使用は、ＰＩのエッチング速度をあまり増大させない。純粋な酸素ガス（Ｏ2）をエッチング支援ガスとして使用することのＰＩのエッチング速度に対する効果も、比較的高いビーム・エネルギー（２０ｋｅＶ超）で使用したときには、あったとしてもあまり大きいものではない。
【００１９】
しかしながら、意外にも、Ｘｅ+プラズマＦＩＢのビーム・エネルギーを低くすると、Ｏ2は、非常に有効なエッチング支援ガスとして機能し始めることを本出願の出願人は見出した。後により詳細に説明するが、Ｘｅ+プラズマＦＩＢを使用したポリイミド・エッチングの典型的なあるデフォルトのミリング速度は約０．３μｍ3／ｎＣである。３０ｋｅＶのビーム・エネルギーにおいて、ポリイミドのエッチング速度に対するＯ2を追加することの効果はほとんどまたは全くない。しかしながら、ビーム・エネルギーを低くすると、１６ｋｅＶ未満でエッチング速度の向上が現われ始め、８ｋｅＶから１４ｋｅＶの範囲で最も大きな増大が見られる。ポリイミドの組成によっては、本発明の好ましい一実施形態を使用することによるエッチング速度の増大が、デフォルトのミリング速度に比べて３０倍近くになりうる。
【００２０】
本明細書の議論の多くは、Ｘｅ+プラズマＦＩＢを使用してポリイミドをエッチングすることに限定されているが、本発明のいくつかの実施形態は、従来の液体金属イオン源を使用したＦＩＢまたは異なるイオン種を使用したプラズマＦＩＢを含む、他のタイプの集束イオン・ビームを利用することができる。同様に、本発明の実施形態は、ポリイミド膜とだけでなく、他の類似の有機膜と一緒に使用することができる。
【００２１】
図１は、封入ポリイミド層１０２と、エッチング・ストップとして機能する二酸化シリコン層１０４（後に論じる）と、数本の金属線１０６とを含む、一般的なＩＣパッケージ・デバイス１００の一部分を示す概略断面図である。図１のＩＣパッケージ・デバイスで、ポリイミドは２つのステップで付着させたものであり、その結果、２つのポリイミド層（ＰＩ１およびＰＩ２）が形成されている。これらのポリイミド層は互いにわずかに異なる層とすることができる。回路編集または故障解析の簡略化された典型的な一例の目標は、最初にミリングまたはエッチングによってポリイミド層１０２を除去することによって、金属線１０６を露出させることである。
【００２２】
図２は、ＦＩＢ２０２を使用して加工物を処理する一般的なガス支援エッチング・プロセスの概略図である。上で論じたとおり、ＦＩＢシステムにおける材料の除去は、比較的大きなイオンのビームを使用して、加工物２０４から材料をスパッタリングにより物理的に除去することによって達成することができる。エッチング・ガス（前駆体ガスと呼ばれる）を使用することによって、ＦＩＢシステムによるスパッタリングをさらに強化し、前述の問題のうちのいくつかの問題を最小限に抑えることができる。エッチング・ガスは、加工物の表面にガス分子２０６が吸着するように、ガス送達ノズル２０１を通して加工物の表面の近くに導入される。
【００２３】
画定されたエリアをイオン・ビーム２０２で走査すると基板の表面が局所的に加熱される。すなわちフォノン密度が局所的に高まる。それらのフォノンは、おそらくはイオン・ビーム２０２によって誘起された２次電子とともに、吸着した前駆体ガスの分子２０６を活性化（または分解）すると考えられる。活性化されたこれらの吸着分子２０６は次いで表面分子２０５と反応して、その下の表面のエッチングを促進する。次いで、このプロセスの揮発性生成物２０８が表面から離脱し、それらの揮発性生成物２０８は、スパッタリングによって除去された一部の表面分子と一緒に、真空システムのポンプによって排出される。一部のエッチング・ガスは、加工物の表面と直接に（すなわちビームによる活性化を必要とすることなく）反応する。
【００２４】
図３は、より高いエネルギーのＸｅ+プラズマ・イオン・ビームを使用したポリイミド・エッチングの顕微鏡写真である（加工物の画像化にはＦＩＢを使用した）。図３に示すように、ボックス３０２内においてポリイミド３００の一部がエッチングによって除去されているが、ミリングされたボックスの床３０４は依然としてポリイミドであり、そのため、除去したいポリイミド材料の全てが除去されているわけではない。この画像において、ミリングされたボックスの内側と外側の両方のポリイミド表面が明灰色に見えることは重要である。このタイプのＦＩＢ画像において、ポリイミドなどの電気絶縁材料は暗い色に見えるはずである。このコントラストの変化は、イオン・ビームによって引き起こされた損傷の結果としてポリイミドが電気伝導性になったことを示している。現時点で、損傷の正確な機構についてははっきりとは分かっていないが、本出願の出願人は、（ミリングまたは画像化の目的のビームにさらされた）上面がある程度、電気伝導性になるような方式で、ビーム・エネルギーが分子を配列し直したものと理論づけしている。
【００２５】
さらに、この損傷の結果、エッチング・ガスとして使用されている酸素に対して化学的に抵抗性のパッシベーション層が形成されると本出願の出願人は考えている。すなわち、３０ｋｅＶのイオン・ビーム（例えばＸｅ+）によって損傷したポリイミドの反応性は、損傷していないポリイミドのそれよりもかなり低い。図３に示されているとおり、破線の円３１０および３１２によって示されたエリア内のミリングされたボックスの床の縁の損傷していないより暗色のポリイミドは、より明灰色のエリアよりも大規模にエッチングされているように見える。
【００２６】
図４は、より高い加速電圧（１６ｋｅＶ超）のＸｅ+プラズマＦＩＢを使用したガス支援エッチングの概略図である。図２と同様に、表面にガス分子４０６が吸着するように、加工物の表面の近くにエッチング・ガス（この場合にはＯ2）が導入される。Ｘｅ+プラズマＦＩＢ４０２中のより高いエネルギーのイオンは、表面分子４０５と反応し、酸素と反応してエッチングを促進することがあまりないパッシベーション層４０４の形成を引き起こすと本出願の出願人は考えている。その結果、イオン・スパッタリングが、材料除去に対して意味のある唯一の機構になる。さらに、このイオン・ビームは、損傷したポリイミド分子４１０をスパッタリングによって除去するときに、その下のポリイミド分子４０５にも損傷を与え、その結果、損傷していないポリイミドのエッチングを酸素化学反応が支援する機会はほとんどない。
【００２７】
より低いビーム・エネルギーでは、イオン・ビームに起因するポリイミドの損傷ははるかに小さいと本出願の出願人は考えている。その結果、損傷していないポリイミドのエッチングを酸素化学反応が増強する機会が生じる。図５は、より低い加速電圧（８ｋｅＶから１４ｋｅＶ）のＸｅ+プラズマＦＩＢ５０２を使用したガス支援（Ｏ2）エッチングの概略図である。このエッチングは例えば、電流密度が０．５ｐＡ／μｍ2超のＸｅ+プラズマＦＩＢ、１０００ナノ秒未満のドウェル時間（ｄｗｅｌｌ  ｔｉｍｅ）、０．１×１０-5トル超の室圧を使用して実行することができる。一実施形態では、このビームが、８ｋｅＶのＸｅ+プラズマＦＩＢであり、電流が４ｐＡ／μｍ2、ドウェル時間＝１００ナノ秒、画素の重なり（ｐｉｘｅｌ  ｏｖｅｒｌａｐ）＝０％、Ｏ2弁が開いた状態での室圧＝２×１０-5トルである。これらの条件は、除去速度が約９．８μｍ3／ｎＣになるように実験的に決定したものであり、一方、Ｘｅ+プラズマＦＩＢを使用してポリイミドをエッチングする従来の方法（３０ｋｅＶの水蒸気支援（ｗａｔｅｒ−ａｓｓｉｓｔｅｄ）エッチング）の除去速度は約０．３５μｍ3／ｎＣでしかない。この例では、本発明の好ましい一実施形態を使用して達成される除去速度が、水支援エッチングを使用したときの除去速度の２５倍を超える。
【００２８】
より低いエネルギーのイオンは、図４の例に見られるような著しいパッシベーション層の生成を引き起こさないと本出願の出願人は考えている。したがって、導入されたＯ2分子５０６は、損傷していないポリイミドの表面に吸着する。画定されたエリアを走査しているイオン・ビーム２０２が、吸着した前駆体ガスのＯ2分子５０６を活性化（または分解）し、次いで活性化されたＯ2分子５０６が表面分子５０５と反応して、その下の表面のエッチングを促進する。次いで、このプロセスの揮発性成分５０８が表面から離脱し、それらの揮発性成分５０８は、スパッタリングによって除去された表面分子５０９の一部と一緒に、真空システムのポンプによって排出される。これらのより低いビーム・エネルギーであっても一部のポリイミド分子は損傷する可能性があるが、それらの損傷した分子５１０はおそらく、ビームの物理的なスパッタリング作用によって除去される。
【００２９】
本明細書に記載した化学反応は、本発明のさまざまな実施形態がどのように機能するのかについての本出願の出願人の理解を表現しており、それらの化学反応は、本明細書に記載した例を当業者が他の実施形態に拡張する際に役立つように示したものだが、根底にある理論についての本出願の出願人の理解が正しいか否かに関わらず、本発明が機能することは証明されている。
【００３０】
Ｏ2の方が水よりも効果的である理由を裏付ける物理学的な機構については現在も研究中であり、まだよく分かっていない。本明細書に記載した理論は、本発明のさまざまな実施形態がどのように機能するのかについての本出願の出願人の理解を表現しており、それらの理論は、本明細書に記載した例を当業者が他の実施形態に拡張する際に役立つように示したものである。とは言うものの、根底にある理論についての本出願の出願人の理解が正しいか否かに関わらず、Ｘｅ+プラズマＦＩＢを使用したポリイミドのエッチングに使用するエッチング支援ガスとしてＯ2は水よりも優れているとする経験的な観察に疑問をはさむ余地はない。
【００３１】
図６は、より低いエネルギー（８ｋｅＶから１４ｋｅＶ）のＸｅ+プラズマ・イオン・ビームを使用したポリイミド・エッチングのＦＩＢ顕微鏡写真である。トレンチ６０１の底には、暗色の材料である酸化物６０２が、くの字形（ｅｌｂｏｗ−ｓｈａｐｅｄ）の明色の特徴部分である金属線６０４と同じ高さに見えている。酸素は、ＦＩＢの存在下で金属または酸化物のエッチングを引き起こさないため、トレンチの底が平らなのは、酸素支援（ｏｘｙｇｅｎ−ａｓｓｉｓｔｅｄ）エッチングの選択性のためである。その代わりにポリイミドが選択的に除去されており、残りの特徴部分は損傷せずに残っている。
【００３２】
図６に示されているように、この場合も、トレンチの周囲のポリイミド６０６の表面が、イオン・ビームによる損傷を示す明灰色のコントラストを示している。図６の加工物では、この損傷が、３０ｋｅＶのＸｅ+プラズマ・イオン・ビームを使用した（トレンチを掘る所望の位置を突き止める）ナビゲーション段階に対する準備の結果であった。一般に、ＩＣデバイスの臨界の斜めの線間に、この損傷に起因する漏電が生じない限り、全体的ないかなる方法でも、この表面損傷を修復する必要はない。
【００３３】
以上の議論では、エッチング支援ガスとしてＯ2を使用することを重点的に論じたが、限定はされないがＮ2Ｏ、ＮＯ2、ＮＯ、ＮＯxおよび他の強い酸化剤を含む他のガスが有効であることもあり、または他のガスの方がＯ2よりもうまくいくこともある。異なる組成のポリイミドは異なる振舞いを見せることがあることも言い添えておく。例えば、前述の実験結果に続いて、別の組成のポリイミドを調べた。この第２のタイプのポリイミドの振舞いはやや異なっていたが、結果は疑いなく一貫していた。この第２の加工物では、最適な除去が得られるイオン・エネルギーがわずかに高く（１０〜１４ｋｅＶ）、最大除去速度がわずかに低かった（６．２μｍ3／ｎＣ）。それでもやはり、本明細書に記載した方法は依然として、先行技術に比べて大幅に改善されたＸｅ+プラズマＦＩＢを使用したポリイミド・エッチングを提供し、除去速度は、前述の従来の除去速度の１７倍を超えた。
【００３４】
図７は、順次付着させた２つのポリイミド層間の境界面を露出させるために上位のポリイミド層をエッチングによって除去した、ポリイミド・エッチングのＦＩＢ顕微鏡写真である。図８は、大面積のポリイミド除去の他の例８００を示す。トレンチ８０２の底の暗色の材料８０１は露出した二酸化シリコンである。
【００３５】
図９は、吸収された（ステージ）電流９０１を、本発明のポリイミド・エッチング・プロセス中の時間９０２に対して示した図９００である。曲線９０３は、複合ポリイミド・オーバコーティングの異なる層の除去に対応する２つの平坦部９０４および９０５を示している。この終点プロットのこれらに特有の特徴部分は、ＦＩＢミリングがどのくらいの深さまで進んだのかをオペレータに知らせる。
【００３６】
上で論じたとおり、ポリイミドは通常、電気絶縁体である（したがってＦＩＢ画像中では暗く見える）が、高エネルギーのイオンにさらされると損傷することがあり、それによってポリイミドは部分的に電気伝導性の物質に変化し、ＦＩＢ画像中で明るく見えるようになる。回路編集（ＣＥ）時、損傷した電気伝導性のポリイミドからの漏電経路が存在することによって、編集が失敗に終わることがある。同様に、受動的な電圧−コントラスト分離切断を含む故障解析（ＦＡ）用途も、やはり電気伝導性のポリイミドによって引き起こされうる漏電を許容することができない。
【００３７】
前述の方法を使用して、ＦＩＢ処理後の損傷したポリイミドを「修復する」こと、したがってポリイミドの電気絶縁特性を回復させ、ＦＩＢ画像中でポリイミドが再び暗色に見えるようにすることができる。このことは、ポリイミドを含むより幅広い範囲のＣＥおよびＦＡ用途で、ＦＩＢ処理によって加工物の電気特性が根本的に変化する恐れなしに、ＦＩＢツール、特にＸｅ+プラズマ・ツールを、使用することを可能にする。本発明のこの実施形態に基づくポリイミド修復を、Ｇａ+ＦＩＢシステムとＸｅ+ＦＩＢシステムの両方で使用することができることは重要である。
【００３８】
図１０は、部分的に損傷したポリイミド表面１００１の低倍率ＦＩＢ顕微鏡写真である。図の右下の暗色の領域１００４は損傷していない絶縁性のポリイミドである。図の左側および中心のより明るい領域１００６は損傷したポリイミドであり、高エネルギー（３０ｋｅＶ）のＸｅ+イオンにさらされた結果として部分的に電気伝導性であるようである。右上の明るい物体１００８はガス噴射ノズルの端である。
【００３９】
この損傷したポリイミドを、低エネルギー（８ｋｅＶ以下）のイオンを使用して、水またはＯ2の存在下で修復することができる。図１１は、ポリイミド膜１００１の図１０と同じセクションを示す図であり、長方形の走査ボックス１１１０は修復を実行する位置を示している。Ｏ2の存在下でイオン・ビームが走査ボックス１１１０内のエリアを走査するにつれて、損傷したポリイミドは徐々に消費され、ＦＩＢ画像内の明るく輝いている部分は消えていく。損傷したポリイミドは実際には「修復されて」はおらず、その代わりに、低エネルギーのガス支援エッチングを使用してゆっくりと徐々に除去されていることに留意されたい。図１２は、図１０および１１の損傷したポリイミド膜の修復の進捗を示す一連のＦＩＢ画像である。走査された中央のエリア１１１０は、酸素の存在下で低エネルギー（８ｋｅＶ）のＸｅ+イオンにさらされる。時間の経過（矢印１２４）とともに修復が進み、酸素の存在下でポリイミドが低エネルギーでエッチングされると、損傷したポリイミドが徐々に除去されてその下の損傷していないポリイミドが露出するにつれて、ＦＩＢ画像では、走査ボックス内の損傷した明るい領域が暗くなる。Ｘｅ+イオンのより低いエネルギー（８ｋｅＶ。それに対して当初の損傷領域の形成に使用されたエネルギーは３０ｋｅＶである）のためにその下のポリイミドに追加の損傷を導入することなしに、低エネルギーのＸｅ+を用いて、ポリイミドの損傷した部分を選択的に除去することが可能であることに留意されたい。このタイプのポリイミド修復に対しては、特定のツール・パラメータがさまざまな値をとりうるが、一般に、イオン・エネルギーは８ｋｅＶから１２ｋｅＶ、室圧（酸素が流れている状態）は約１×１０-5トル、画素ドウェル時間は１００ナノ秒、画素の重なりは０％である。
【００４０】
このタイプの限定された材料除去に対しては、エッチング支援ガスとして、水蒸気、Ｎ2Ｏ、ＮＯ2、ＮＯおよび他の強い酸化剤を含む他のガスが有効であることがあることを本出願の出願人は確認した。イオン・エネルギーはこのプロセスの重要な構成要素である。使用するガスが何であれ、イオン・エネルギーが高すぎる（８ｋｅＶ超）場合には、損傷が蓄積する速度が、損傷した副生物が除去される速度を上回る。以上の実施形態は、高真空室内で加工物に向かってガスを導くこととしているが、加工物表面のそばにガスを含む環境制御型走査電子顕微鏡または環境制御型セル内において本発明を実施することもできる。以上の実施形態は、ポリイミドをエッチングすることとしているが、本発明の実施形態によって、任意の炭素質材料または有機材料をエッチングすることができる。イオン・エネルギーが、エッチングに耐えるパッシベーション層を形成しない十分に低いものであり、かつ基板材料をエッチングする十分に高いものである限りにおいて、他の材料をエッチングすることができ、他のエッチング支援ガスを使用することができる。
【００４１】
本発明のいくつかの実施形態によれば、炭素質材料を含む加工物の化学的に強化されたイオン・ビーム・ミリング（ｃｈｅｍｉｃａｌｌｙ−ｅｎｈａｎｃｅｄ  ｉｏｎ  ｂｅａｍ  ｍｉｌｌｉｎｇ）の方法は、酸素を含むエッチング支援ガスを加工物の表面に供給するステップと、酸素を含む酸素含有エッチング支援ガスと炭素質材料との反応によってパッシベーション層を形成するのには不十分なエネルギーを有するイオン・ビームを、炭素質材料に向かって導いて、エッチング支援ガスの存在下で炭素質材料をエッチングするステップとを含む。
【００４２】
いくつかの実施形態では、炭素質材料に向かってイオン・ビームを導くステップが、１６ｋｅＶ未満のイオン・ビームを導くステップを含む。いくつかの実施形態では、炭素質材料に向かってイオン・ビームを導くステップが、１０ｋｅＶ未満のイオン・ビームを導くステップを含む。
【００４３】
いくつかの実施形態では、炭素質材料に向かってイオン・ビームを導くステップが、キセノン・イオンのビームを導くステップを含む。いくつかの実施形態では、炭素質材料に向かってイオン・ビームを導くステップが、１６ｋｅＶ未満のエネルギーを有するキセノン・イオンのビームをポリイミド材料に向かって導くステップを含む。いくつかの実施形態では、酸素含有エッチング支援ガスを加工物に向かって導くステップが、Ｏ2を加工物に向かって導くステップを含む。
【００４４】
本発明のいくつかの実施形態によれば、基板の化学的に強化されたイオン・ビーム・ミリングの方法は、基板をイオン・ビーム・システム内へ装填するステップと、酸化剤を含むエッチング支援ガスを加工物に向かって供給するステップと、エッチング支援ガスの存在下で加工物に、１６ｋｅＶ未満のビーム・エネルギーを有するイオン・ビームを導くステップと、化学的に強化されたイオン・ビーム・ミリングを使用して材料を除去するステップとを含む。
【００４５】
いくつかの実施形態では、エッチング支援ガスがＯ2ガスを含む。いくつかの実施形態では、エッチング支援ガスがＮ2Ｏ、ＮＯ2、ＮＯまたはＮＯxを含む。
【００４６】
いくつかの実施形態では、基板がポリイミド膜または他の有機膜を含む。いくつかの実施形態では、イオン・ビームのエネルギーが８ｋｅＶから１４ｋｅＶである。いくつかの実施形態では、化学的に強化されたイオン・ビーム・ミリングを使用して材料を除去するステップが、基板をイオン・ビーム・スパッタリングまたはイオン・ビーム・エッチングするステップを含む。
【００４７】
いくつかの実施形態では、イオン・ビーム・システムが、Ｘｅ+プラズマ集束イオン・ビーム・システムまたは他のプラズマ集束イオン・ビーム・システムを含む。いくつかの実施形態では、イオン、エッチング支援ガスおよび基板の相互作用によって、基板上にパッシベーション層があまり形成されない。いくつかの実施形態では、イオン・ビーム・システムの電流密度が４ｐＡ／μｍ2、ドウェル時間が１００ナノ秒、画素の重なりが０％、室圧が２×１０-5トルである。
【００４８】
いくつかの実施形態では、ミリング速度が０．３μｍ3／ｎＣよりも大きい。いくつかの実施形態では、化学的に強化されたイオン・ビームを使用して材料を除去するステップが、損傷したポリイミド層を除去して、損傷した層の下の損傷していないポリイミド層を露出させるステップを含み、損傷していない層が、イオン・ビームによって損傷せず、その電気絶縁特性を維持する。いくつかの実施形態では、イオン・ビームのビーム・エネルギーが８ｋｅＶ以下である。
【００４９】
いくつかの実施形態では、エッチング支援ガスが水蒸気、Ｏ2、Ｎ2Ｏ、ＮＯ2、ＮＯまたはＮＯxを含む。いくつかの実施形態では、イオン・ビーム・システムが、Ｇａ+プラズマ集束イオン・ビーム・システムまたはＸｅ+プラズマ集束イオン・ビーム・システムを含む。
【００５０】
以上の本発明の説明は主に、ポリイミド膜または他の類似の有機膜をエッチングする方法を対象としているが、そのような方法を実行する装置も本発明の範囲に含まれることを認識すべきである。さらに、本発明の実施形態は、コンピュータ・ハードウェアによって、ハードウェアとソフトウェアの組合せによって、またはコンピュータ可読の非一時的記憶装置に記憶されたコンピュータ命令によって実現することができることも認識すべきである。本発明の方法は、標準プログラミング技法を使用した、本明細書に記載された方法および図に基づくコンピュータ・プログラムとして実現することができ、このコンピュータ・プログラムには、コンピュータ・プログラムを含むように構成されたコンピュータ可読の非一時的記憶媒体が含まれ、そのように構成された記憶媒体は、コンピュータを、予め定義された特定の方式で動作させる。コンピュータ・システムと通信するため、それぞれのプログラムは、高水準手続き型プログラミング言語またはオブジェクト指向プログラミング言語で実現することができる。しかしながら、所望ならば、それらのプログラムを、アセンブラ言語または機械語で実現することもできる。いずれにせよ、その言語は、コンパイルまたは解釈される言語とすることができる。さらに、そのプログラムは、そのプログラムを実行するようにプログラムされた専用集積回路上で実行することができる。
【００５１】
さらに、方法論は、限定はされないが、荷電粒子ツールもしくは他の画像化デバイスとは別個の、荷電粒子ツールもしくは他の画像化デバイスと一体の、または荷電粒子ツールもしくは他の画像化デバイスと通信するパーソナル・コンピュータ、ミニコンピュータ、メインフレーム、ワークステーション、ネットワーク化されたコンピューティング環境または分散コンピューティング環境、コンピュータ・プラットホームなどを含む、任意のタイプのコンピューティング・プラットホームで実現することができる。本発明の諸態様は、取外し可能であるか、またはコンピューティング・プラットホームと一体であるかを問わない、ハードディスク、光学式読取りおよび／もしくは書込み記憶媒体、ＲＡＭ、ＲＯＭなどの記憶媒体上または記憶装置上に記憶された機械可読コードであって、プログラム可能なコンピュータが、本明細書に記載された手順を実行するために、その記憶媒体または記憶装置を読み取ったときそのコンピュータを構成し、動作させるために、そのコンピュータが読み取ることができるように記憶された機械可読コードとして実現することができる。さらに、機械可読コードまたは機械可読コードの一部を、有線または無線ネットワークを介して伝送することができる。本明細書に記載された発明は、マイクロプロセッサまたは他のデータ処理装置と連携して上述の諸ステップを実現する命令またはプログラムを含む、これらのさまざまなタイプのコンピュータ可読記憶媒体、およびその他のさまざまなタイプのコンピュータ可読記憶媒体を含む。本発明はさらに、本明細書に記載された方法および技法に従ってプログラムされたコンピュータを含む。
【００５２】
入力データに対してコンピュータ・プログラムを使用して、本明細書に記載された機能を実行し、それによって入力データを変換して出力データを生成させることができる。この出力情報は、ディスプレイ・モニタなどの１つまたは複数の出力装置に出力される。本発明の好ましい実施形態では、変換されたデータが物理的な実在する物体を表し、これには、その物理的な実在する物体の特定の視覚的描写をディスプレイ上に生成することが含まれる。
【００５３】
本発明の好ましい実施形態はさらに、粒子ビームを使用して加工物を画像化するために、ＦＩＢ、ＳＥＭなどの粒子ビーム装置を利用する。加工物を画像化するために使用されるこのような粒子は加工物と本来的に相互作用し、その結果、加工物はある程度、物理的に変形する。さらに、本明細書の全体を通じて、「計算する」、「決定する」、「測定する」、「生成する」、「検出する」、「形成する」などの用語を利用した議論は、コンピュータ・システムまたは同様の電子装置の動作および処理に言及し、そのコンピュータ・システムまたは同様の電子装置は、コンピュータ・システム内の物理量として表されたデータを操作し、そのデータを、その同じコンピュータ・システムまたは他の情報記憶装置内、伝送装置内もしくは表示装置内の、物理量として同様に表された他のデータに変換する。
【００５４】
本発明は幅広い適用可能性を有し、上記の例において説明し、示した多くの利点を提供することができる。本発明の実施形態は、具体的な用途によって大きく異なる。全ての実施形態が、これらの全ての利点を提供するわけではなく、全ての実施形態が、本発明によって達成可能な全ての目的を達成するわけでもない。本発明を実施するのに適した粒子ビーム・システムは例えば、本出願の譲受人であるＦＥＩ  Ｃｏｍｐａｎｙから市販されている。
【００５５】
上記の説明の多く部分が半導体ウェーハを対象としているが、本発明は、適当な任意の基板または表面に対して使用することができる。また、本明細書において、用語「自動」、「自動化された」または類似の用語が使用されるとき、これらの用語は、自動プロセスもしくは自動ステップまたは自動化されたプロセスもしくは自動化されたステップの手動による開始を含むものと理解される。以上の議論および特許請求の範囲では、用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」および「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」が、オープン・エンド（ｏｐｅｎ−ｅｎｄｅｄ）型の用語として使用されており、したがって、これらの用語は、「．．．を含むが、それらだけに限定はされない（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ，ｂｕｔ  ｎｏｔ  ｌｉｍｉｔｅｄ  ｔｏ）」ことを意味すると解釈すべきである。用語「集積回路」は、マイクロチップの表面にパターン形成された一組の電子構成部品およびそれらの相互接続（ひとまとめにして内部電気回路要素）を指す。用語「半導体デバイス」は、総称的に、集積回路（ＩＣ）を指し、この集積回路（ＩＣ）は、半導体ウェーハと一体でも、またはウェーハから切り離されていても、または回路板上で使用するためにパッケージングされていてもよい。本明細書では用語「ＦＩＢ」または「集束イオン・ビーム」が、イオン光学部品によって集束させたビームおよび整形されたイオン・ビームを含む、平行イオン・ビームを指すために使用される。
【００５６】
本明細書で特に定義されていない場合、その用語は、その通常の一般的な意味で使用されることが意図されている。添付図面は、本発明の理解を助けることが意図されており、特に明記しない限り、一律の尺度では描かれていない。
【００５７】
本発明および本発明の利点を詳細に説明したが、添付の特許請求の範囲によって定義された本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、本明細書に記載の実施形態に、さまざまな変更、置換および改変を加えることができることを理解すべきである。全ての実施形態で、源の全てのパラメータおよび特性が計算されるわけではない。さらに、本出願の範囲が、本明細書に記載されたプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法およびステップの特定の実施形態に限定されることは意図されていない。当業者なら本発明の開示から容易に理解するように、本明細書に記載された対応する実施形態と実質的に同じ機能を実行し、または実質的に同じ結果を達成する既存のまたは今後開発されるプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法またはステップを、本発明に従って利用することができる。したがって、添付の特許請求の範囲は、その範囲内に、このようなプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法またはステップを含むことが意図されている。
【符号の説明】
【００５８】
１００  ＩＣパッケージ・デバイス
１０２  カプセル封入ポリイミド層
１０４  二酸化シリコン層
１０６  金属線
２０１  ガス送達ノズル
２０２  集束イオン・ビーム
２０４  加工物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2013157601.tif 000014
【外国語明細書】
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2013157601000002.pdf
2013157601000003.pdf
2013157601000004.pdf