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JP2002141266A - 垂直エッジのサブミクロン貫通孔を形成する方法とそのような貫通孔が形成された薄膜試料 - Google Patents

垂直エッジのサブミクロン貫通孔を形成する方法とそのような貫通孔が形成された薄膜試料

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JP2002141266A
JP2002141266A JP2000333369A JP2000333369A JP2002141266A JP 2002141266 A JP2002141266 A JP 2002141266A JP 2000333369 A JP2000333369 A JP 2000333369A JP 2000333369 A JP2000333369 A JP 2000333369A JP 2002141266 A JP2002141266 A JP 2002141266A
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focused ion
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孝 皆藤
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明の課題は、電子ビームステッパー等の
ステンシルマスクの薄膜にその薄膜の厚さに対して径の
小さな貫通孔を垂直エッジで形成できる加工方法並びに
そのようなステンシルマスクを提供することにある。 【解決手段】 本発明は、試料の薄膜に集束イオンビー
ム装置を用いたエッチングによって、貫通孔の設計寸法
より大きな径の孔を前記設計寸法に近い厚さの底を残し
て形成するステップと、該底部に集束イオンビームエッ
チングによって前記設計寸法の貫通孔を形成するステッ
プと、前記大きな孔を集束イオンビーム装置を用いたデ
ポジションによって前記設計寸法に埋め戻すステップと
からなる垂直エッジのサブミクロン貫通孔を形成する方
法を採用した。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体ウェハー等上
に投影で所望パターンを形成させるために用いられるマ
スク、特に電子ビームステッパーのステンシルマスクに
貫通孔を設ける方法に関する。
【0002】
【従来の技術】シリコン薄膜等のステンシルマスクに貫
通孔を設ける方法は従来から図5に示すような集束イオ
ンビーム装置を用いたスパッタエッチングやガスアシス
トエッチング等を用いて実行されている。すなわち、液
体ガリウム等のイオン源10からイオンを引出しイオン光
学系11によりイオンをビーム状に集束加速させ試料ステ
ージ15上の試料に偏向手段によって走査させながら照射
しエッチング加工する。しかしこの方法による貫通孔は
集束イオンビーム12を照射する側の面で広い範囲にわた
りエッチングされすり鉢状の孔になってしまう。因みに
ビーム照射を正方形領域に設定して走査した場合には、
図4に示すように逆ピラミッド状に形成されることにな
る。図中Bはイオン照射する側から見た図であり、Aは
断面図である。図に示したような走査領域を設定しエッ
チング加工をしても貫通孔Hは裏面側で走査領域に対応
するが、イオン照射する側では開口が斜面S形状とな
る。これはイオンを光学系11によって集束させビーム状
に絞って照射していても実際にはガウス分布をなしてお
りビーム周辺にも弱いイオン照射は及ぶことになるた
め、長時間その照射に晒される集束イオンビームを照射
する側では設定領域を越えてその近傍までエッチングさ
れてしまうためである。集束イオンビーム12によるスパ
ッタリング加工では再付着現象が伴い、深い穴を掘るこ
とは原理的に難しい。すなわち、集束イオンビーム12を
小径の孔内の奥深く照射すること、スパッタされた素材
を再付着させず孔の外まで排除することには限界があ
る。因みに厚さ1.5μmのシリコン薄膜には0.3μm四方
の貫通孔(アスペクト比:5)を空けることが限界とさ
れる。ガス銃14からアシストガスを噴射しつつイオンビ
ーム12を照射するガスアシストエッチングの技術を適用
し再付着を極力押さえて加工を行っても、これ以上のア
スペクト比の孔となると加工は難しい。また、この加工
による開口面の傾斜は試料薄膜の厚みの不均一となり、
電子ビームステッパー等のステンシルマスクとしての使
用に際しては電子の散乱が不均一になってステンシルと
して不適当なものになるという問題を引き起こす。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、電子
ビームステッパー等のステンシルマスクの薄膜にその薄
膜の厚さに対して径の小さな貫通孔を垂直エッジで形成
できる加工方法並びにそのようなステンシルマスクを提
供することにある。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明は、試料の薄膜に
集束イオンビーム装置を用いたエッチングによって、貫
通孔の設計寸法より大きな径の孔を前記設計寸法に近い
厚さの底を残して形成するステップと、該底部に集束イ
オンビームエッチングによって前記設計寸法の貫通孔を
形成するステップと、前記大きな孔を集束イオンビーム
装置を用いたデポジションによって前記設計寸法に埋め
戻すステップとからなる垂直エッジのサブミクロン貫通
孔を形成する方法を採用し、更に前記設計寸法に埋め戻
すステップの後、集束イオンビーム装置を用いたガスア
シストエッチングによって貫通孔内面を仕上げ加工する
形成方法を採用した。
【0005】
【発明の実施の形態】従来の貫通孔加工方法では被加工
物である薄膜の厚さとの比率で表すアスペクト比の大き
な細い孔を垂直エッジ形態で空けることは出来ないこと
に鑑み、本発明は貫通孔径の設計値より大きな径の孔を
まず該貫通孔径程度の肉薄の底部を残し粗掘りし、後で
設計値の径となるようにデポジションの技術を適用して
埋め戻す方法に想到したものである。この際底部を残し
たのはデポジションを施す基礎が必要だからであり、そ
の底部厚みを肉薄とするのはその部分で垂直エッジの細
い貫通孔を加工できるようにアスペクト比を小さくする
ためである。
【0006】まず走査型の集束イオンビーム装置を用い
厚さaの薄膜試料1の表面から集束イオンビームを照射
して図1のAに示されるような大きな径dの孔を粗掘り
する。続いて孔径オーダーに肉薄bとされたその底部に
集束イオンビームを照射してスパッタエッチングにより
設計値に対応する小径cの貫通孔を加工する。このアス
ペクト比はb/cで1程度である。この加工は孔径c相
当の厚さbの底部に対して実行されるので、浅い孔加工
であり再付着も少なく表面部分も長時間のビーム照射に
晒されることもないため、図1のBに示されるような垂
直エッジ形態の貫通孔が形成される。次に先に粗掘りし
た大きな孔の埋め戻し加工であるが、これはガス銃から
フェナントレン等の芳香属ガスを噴射した雰囲気中で集
束イオンビームを照射して炭素を付着させ、埋め戻し部
4とするものである。このとき集束イオンビームを照射
する領域を大きな孔2の領域から貫通孔として設計され
た領域を除外した部分とすることで、図1のCに示され
るように設計された小径の貫通孔部分以外にデポジショ
ン(埋め戻し部4)が施されることになる。この照射領
域設定は大きな孔の領域を走査領域とし中央の貫通孔と
なる部分にビームが走査された時はブランカーによりビ
ームをカットしてしまう方法、または中央の貫通孔とな
る領域を除外した複数の走査領域を設定し順次デポジシ
ョンを実行する方法が採用できる。この段階で薄膜試料
には設計値に近い貫通孔が形成され、最近技術ではその
内面は十分にエッジが立っておりそのままステンシルマ
スクとして使用出来る。以上の加工により設計された寸
法の貫通孔が垂直エッジ形態で形成されることになる。
【0007】以上は当初大きな孔を粗掘りし、後で所定
の径寸法の孔を残して埋め戻す方法を示したが、試料厚
さに対して1/5以下の径の孔を空ける異なる方法を図
2を参照して次に説明する。まず最初に集束イオンビー
ム装置を用いガス銃からフェナントレン等の芳香族ガス
を噴射して試料1の表面に設計された貫通孔寸法の領域
を除いてその周辺に0.1〜0.2μm程度の薄いカーボン膜
デポジション6を施す。この試料1の表面に対して、前
記カーボンデポ膜の窓領域、すなわち設計された貫通孔
寸法の領域に集束イオンビームが照射されるようにビー
ム走査をしながらガスアシストエッチングを実行する。
この加工はアスペクト比が高いすなわち細くて深い孔を
掘る加工であるため再付着の現象が起こり易いので、ス
ッパタエッチングではなくハロゲン系ガスによるガスア
シストエッチングを行う。すると、試料表面部は貫通孔
寸法の領域を除いて周辺部はハロゲン系ガスでアシスト
エッチングされないカーボン膜のデポジションで保護さ
れているため、設計寸法周辺領域はエッチングされるこ
となく設計寸法内の領域だけが削られることになる。ア
シストエッチングが進行し孔が深くなるが、アシストエ
ッチングの場合は、表面吸着したガスが集束イオンビー
ムによるエネルギーで素材と反応して揮発するので内部
の壁面に付着されることはない。そのため最終的には図
2のBに断面で示すように設計寸法径の貫通孔が形成で
きる。
【0008】
【実施例1】本発明による実施例を図1を参照しながら
説明する。この実施例は電子ビームステッパーのステン
シルマスクの加工であって、2μmのシリコン薄膜に0.
2μm四方の貫通孔を形成する。集束イオンビーム装置
を用いてスパッターエッチングにより試料表面に0.5μ
m四方の孔を掘るのであるが、この加工は粗掘りである
から表面のダメージを心配することなくビーム電流を10
pA程度(加速電圧は30kV)に高くしエッチングレー
トを高くして加工することができる。孔の深さは底部が
0.2μm程度の薄肉となるまで掘って図1のAのような
大きな孔2を形成する。この大きな孔2は0.5μm四方
のビーム照射であるが表面側は長時間のビーム照射に晒
されるためそれより大きな寸法の開口となり、内周面は
図のように傾斜面となる。続いてこの大きな孔2の中央
部に貫通孔の所定寸法である0.2μm四方の孔3を、や
はりスパッターエッチングにより裏面まで貫通するよう
に掘り、図1のBに示す形態とする。この際の加工はビ
ーム電流を2pA以下程度にしてエッチングレートを落
し、精密な孔空けとする。
【0009】次に穴埋め加工であるが、ガス銃からは加
熱気化させたフェナントレンを噴射させ集束イオンビー
ムを照射してカーボンのデポジションを施す。この実施
例ではビームの走査領域を図3のAに示すように貫通孔
3となる部分を除外した領域とし、まず0.2μm程度の
比較的薄い層を形成し、続いて大きな孔の内周面の傾斜
に整合させて走査領域を広めに修正してデポジションを
実行し順次デポ層を重ねてゆく。この作業により図3の
Bに断面図として示したような小径の貫通孔3が形成さ
れる。
【0010】
【発明の効果】本発明は、試料の薄膜に集束イオンビー
ム装置を用いたエッチングによって、貫通孔の設計寸法
より大きな径の孔を前記設計寸法に近い厚さの底を残し
て形成させるステップと、該底部に集束イオンビームエ
ッチングによって前記設計寸法の貫通孔を形成するステ
ップと、前記大きな孔を集束イオンビーム装置を用いた
デポジションによって前記設計寸法に埋め戻すステップ
とからなる垂直エッジのサブミクロン貫通孔を形成する
方法であるので、アスペクト比の高い小径の深い穴を形
成することが可能となり、しかもステンシルマスクとし
て好適な開口部の傾斜のない垂直エッジの貫通孔を形成
することが出来る。
【0011】また、本発明は集束イオンビーム装置を用
いたデポジションによって、試料の薄膜の表面に貫通孔
の設計寸法の領域を残してその周辺に薄い保護膜を形成
させるステップと、該薄膜試料の表面の貫通孔設計領域
に集束イオンビームを走査しながらガスアシストエッチ
ングによって貫通孔を形成するステップとからなる、垂
直エッジのサブミクロン貫通孔を形成する方法を採用し
ているが、これは当初にデポジションによって形成され
た保護膜により貫通孔の開口部周辺のエッチングが防が
れるので、垂直エッジのサブミクロン貫通孔加工が効果
的に実行できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による垂直エッジのサブミクロン貫通孔
を形成する手順を示す図でありA,B,C,Dは時系列
で示したものである。
【図2】本発明による垂直エッジのサブミクロン貫通孔
を形成する他の形態を示す図で、Aは当初の保護膜形成
を示す平面図、Bは加工後の試料断面図である。
【図3】本発明の実施例においてデポジションによって
大きな孔を埋め戻す手順を模式的に示す図であり、Aは
イオン照射する側から見た図、Bは断面図ある。
【図4】従来の方法で薄膜に貫通孔を加工したときの形
態を示す図であり、Aは断面図、Bはイオン照射する側
から見た図ある。
【図5】本発明に使用する集束イオンビーム装置の概略
構成図である。
【符号の説明】
1 シリコン薄膜 10 イオン源 2 大きな孔 11 イオン光学系 3 小径の孔 12 イオンビーム 4 埋め戻し部 14 ガス銃 5 仕上げ加工部 15 試料ステージ 6 保護膜 H 貫通孔 7 貫通孔設計領域 S 斜面

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 試料の薄膜に集束イオンビーム装置を用
    いたエッチングによって、貫通孔の設計寸法より大きな
    径の孔を前記設計寸法に近い値の厚さの底を残して形成
    させるステップと、該底部に集束イオンビームエッチン
    グによって前記設計寸法の貫通孔を形成するステップ
    と、前記大きな孔を集束イオンビーム装置を用いたデポ
    ジションによって前記設計寸法に埋め戻すステップとか
    らなる垂直エッジのサブミクロン貫通孔を形成する方
    法。
  2. 【請求項2】 大きな孔を集束イオンビーム装置を用い
    たデポジションによって前記設計寸法に埋め戻すステッ
    プの後、集束イオンビーム装置を用いたガスアシストエ
    ッチングによって貫通孔内面を仕上げ加工する請求項1
    に記載の垂直エッジのサブミクロン貫通孔を形成する方
    法。
  3. 【請求項3】 集束イオンビーム装置を用いたデポジシ
    ョンによって、試料の薄膜の表面に貫通孔の設計寸法の
    領域を残してその周辺に厚い保護膜を形成させるステッ
    プと、該薄膜試料の表面の貫通孔設計領域に集束イオン
    ビームを走査しながらガスアシストエッチングによって
    貫通孔を形成するステップとからなる、垂直エッジのサ
    ブミクロン貫通孔を形成する方法。
  4. 【請求項4】 厚みに対しアスペクト比が5以上である
    垂直エッジのサブミクロン貫通孔が形成された薄膜試
    料。
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