JPH04348521A - 集束イオンビーム支援エッチング加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、集束イオンビームによ
るスパッタリング加工、あるいは集束イオンビーム支援
エッチングによる反応性エッチング加工法に係り、特に
、加工時、加工損傷や材質の変化を評価しながら加工す
る加工方法で、主として光集積回路における回折格子や
量子デバイスにおける量子細線等の極微細な加工を対象
とした加工方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】光集積回路における回折格子や、量子デ
バイスにおける量子細線など、微細なピッチによってく
り返されるくり返し溝パターンをもった素子を加工する
方法として、液体金属イオン源からイオンビームを引出
し、静電レンズによりイオンビームを試料上に極微細に
集束して、スパッタリングによる加工、あるいは同時に
エッチングガス導入して、イオンビームの照射部で局所
的な反応性エッチングにより化学的に加工する集束イオ
ンビーム支援エッチング加工がある。

【０００３】このような加工方法では、イオンビームを
高電圧によって加速し試料に照射するため、打ち込まれ
たイオンによって格子欠陥や格子間原子を生じて試料に
損傷を与え、試料の光学的、電気的特性に影響を与える
。このため、集束イオンビームによって加工する場合、
試料の損傷を評価する必要がでてきた。

【０００４】このような評価方法として、試料に単色光
の励起光を照射し、試料の格子振動との相互作用によっ
て、励起光の振動数がシフトして、励起光と異なる振動
数の散乱光を発生し、この散乱光、すなわち、ラマン散
乱光の強度を測定してそのスペクトルから試料の歪み、
結晶性を評価するラマン分光法がある。しかし、ラマン
分光法によって、試料の損傷を評価しながら加工を行う
場合、試料を集束イオンビーム支援エッチング加工装置
の真空チャンバから空気中に取出し、ラマン分光測定後
、測定結果にもとづいて、損傷が少なくなるように加速
電圧、ガス供給量などの加工条件の設定を変更し、再度
、試料を集束イオンビーム支援エッチング加工装置の真
空チャンバに導入して加工を行う必要があり、時間と手
間がかかる。

【０００５】これに対し、ラマン分光法を用いドライエ
ッチングの終点を検出する方法が特開昭６１−２７０８
２５号公報に記載されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、レー
ザビームによる光励起ドライエッチングを行うとき、エ
ッチング時に発生する散乱光をラマン分光装置によって
検出し、得られたラマン散乱スペクトルの変化にもとづ
いて、ドライエッチングの終点を検出するものである。 例として、単結晶Ｓｉ上のｐｏｌｙ−Ｓｉ薄膜など元素
が同一でも結合状態が異なるとラマンスペクトルが変化
することを用いて、ｐｏｌｙ−Ｓｉ薄膜のエッチング加
工の終点検出を行なっている。

【０００７】この従来技術はドライエッチングを行う際
、エッチングガスを光解離しラジカルにするための励起
用のレーザ光を、ラマン散乱光を得るための励起光とし
て並用できる利点はあるが、集束イオンビーム加工等他
の微細な加工への適用は触れていない。また、検出され
るラマン散乱スペクトルからは材質の変化、または結晶
構造の変化を検知して、エッチング加工の終点検出のみ
を行っており、加工中の試料の損傷の評価は行なってい
ない。

【０００８】本発明の目的は、集束イオンビーム加工あ
るいは集束イオンビーム支援エッチング加工によって極
微細な加工を行なう際、加工と並行して試料の損傷を同
時に監視できる手段を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は集束イオンビーム支援エッチング加工装置
は液体金属イオン源、イオン源からイオンビームを引き
出し集束するイオンビーム光学系、エッチングガスを供
給するガス供給系とからなるイオンビーム加工系と試料
に励起光を照射するレーザ光源、励起光を試料に微細に
集光し照射する照射系、試料から発生するラマン散乱光
を集光し分光器に導く集光系、ラマン散乱光を分光する
分光器、分光されたラマン散乱光を検出する検出系とか
らなる顕微ラマン分光系と、検出されたラマンスペクト
ルから、加工条件の設定変更を行なう制御系とで構成す
る。

【００１０】また、検出されたラマンスペクトルは、一
般に、試料の半導体の材質に固有な波数にピークをもっ
ているが、集束イオンビーム支援エッチングによる加工
でそのピークがシフトしたり小さくなったり、全体にバ
ンド幅が広がった滑らかなスペクトルが得られる。

【００１１】そこで得られたラマンスペクトルをもとに
制御系によって、集束イオンビーム加工の加工条件であ
る加速電圧、あるいはエッチングガスの供給量の設定値
の変更を行なって加工する。

【００１２】

【作用】集束イオンビーム支援エッチング加工装置のイ
オンビーム加工系において、液体金属イオン源から引き
出されたイオンビームはイオンビーム光学系によってビ
ーム径数十ｎｍに集束されて試料上を走査する。ガス供
給系によりエッチングガスが導入され、イオンビームの
照射部で局所的に試料の反応性エッチングが行なわれる
。 一方、顕微ラマン分光系では、レーザ光源によって単色
光を発振させ、照射系によりレーザ光をビーム径１μｍ
程度に集光して励起光として試料に照射する。励起光の
照射部からは、試料の格子振動に起因して励起光の振動
数からシフトした振動数のラマン散乱光が発生する。発
生したラマン散乱光を後方散乱光として集光系により分
光器に導く。分光器でラマン散乱光を分光し、検出系に
よってラマンスペクトルが得られる。このとき、イオン
ビーム光学系と、レーザ光の照射系、集光系を同軸にす
れば、イオンビームによる反応性エッチングを行ないな
がら、同時にラマンスペクトルが得られる。また、イオ
ンビーム光学系と、レーザ光の照射系、集光系が同軸で
ない場合、ラマンスペクトル測定時、イオンビームを停
止して、イオンビームの加工箇所をレーザ光の光軸と一
致させることによって、試料を真空チャンバから取り出
すことなく測定することができる。

【００１３】また、検出系によって得られたラマンスペ
クトルは、励起光の振動数が、試料の格子振動との相互
作用によって、振動数がシフトするため、シフトした位
置にピークをもつ。そして試料が集束イオンビームの照
射によって加工される前は結晶構造が乱されていないた
め、このピークの位置は、試料の材質、及びその面方位
による固有の波数となる。しかし、集束イオンビーム支
援エッチング加工、あるいは集束イオンビームによるス
パッタリング加工を行なっていくと、イオンが試料に打
ち込まれることによって格子欠陥や格子間原子を生じて
試料に損傷を与えたり、打ち込まれたイオンによって出
された原子が堆積して、その結果、得られるラマンスペ
クトルは、ピークが小さくなったり、シフトしたり、全
体にバンド幅が広がり滑らかになるなどの傾向を示す。 そしてスペクトルが小さくなったりシフトする度合いは
、イオンビームの加速電圧が大きい、あるいはガス供給
量が少ない場合に大きくなる。そのため、集束イオンビ
ームによるスパッタリング加工、あるいは集束イオンビ
ーム支援エッチング加工を行なうとき、ラマンスペクト
ルを監視し、加速電圧、ガス量を調節することにより、
損傷の少ない加工が可能となる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１により説明する
。

【００１５】図１に示すように、本実施例の集束イオン
ビーム支援エッチング加工装置は、イオンビーム加工系
、顕微ラマン分光系、制御系からなる。

【００１６】イオンビーム加工系は、高輝度液体金属イ
オン源１と、液体金属イオン源１によりイオンビームを
引出す引出し電極２と、引き出されたイオンビーム７を
集束する第一レンズ電極３、第二レンズ電極５と、加工
領域を走査するための偏向電極４と、加工する試料８と
、試料８を載せる試料ステージ９と、エッチングガスを
供給するガスボンベ１３と、エッチングガスの流量を制
御するバルブ１２と、エッチングを導入するノズル１０
と、イオンビーム７を加速するための加速電源１４と、
第一レンズ、第二レンズの集束特性を変化するための第
一レンズ電源１５、第二レンズ電源１６と、イオンビー
ム光学系を収納する光学系チャンバ６と、ガスを導入す
る試料チャンバ１１とからなる。

【００１７】顕微ラマン分光系は、波長５１４．５ｎｍ
の励起用レーザ光を発振するＡｒレーザ発振器２８と、
レーザ光のビーム径を拡大するレンズ２７，２６と、レ
ーザ光２４を透過する半透鏡２５と、レーザ光を試料チ
ャンバ１１に導入する窓２３と、レーザ光の光路を９０
°下に曲げる反射鏡２２と、曲げられたレーザ光を微小
なスポットに結像させる対物レンズ２１と、試料から発
生するラマン散乱光を集光する対物レンズ２１と、ラマ
ン散乱光の光路を９０°横に曲げる反射鏡２２とラマン
散乱光を試料チャンバ１１から導出する窓２３と、ラマ
ン散乱光の光路を９０°曲げる半透鏡２５と、ラマン散
乱光を、分光器４６の入射スリット３１に結像する反射
鏡２９，集光レンズ３０と、入射されたラマン光を平行
光線にするコリメータミラー３２と、平行光線を波長に
よって分散する回折格子３３と、波長により分散された
ラマン散乱光を出射スリット４１に集光するコリメータ
ミラー３４，反射鏡４０と、波長により分散された一定
波数の範囲の光を増幅するマイクロチャネルプレートを
内蔵したイメージインテンシファイヤ４２と、増幅され
た光を電気信号に変換してラマンスペクトルをマルチチ
ャンネルで検出するフォトダイオードアレイ４３とから
なる。

【００１８】制御系は、得られたラマンスペクトルをも
とにイオンビーム加工系の加速電圧、ガス流量を設定す
るマイクロコンピュータ４４からなる。

【００１９】つぎに動作について説明する。

【００２０】集束イオンビーム支援エッチング加工装置
によって加工する試料８はＧａＡｓ基板で面方位は（１
００）面である。加工によって形成するパターンは、図
２に示すように、長さ１００μｍ、ライン＆スペースの
くり返しでピッチ２５０ｎｍ、四百本からなるパターン
で光集積回路の回折格子に適用できる。

【００２１】集束イオンビーム７は、偏向電極４の偏向
電圧の変化により、試料のＸ方向にはライン状、Ｙ方向
にはピッチ２５０ｎｍでシフトする走査をＸ方向、Ｙ方
向、１００μｍの走査範囲でくり返す。

【００２２】エッチングガスはＣｌ２を用い、ガスボン
ベ１３からバルブ１２で流量を制御してノズル１０によ
り試料８上に導入し、走査範囲全体に供給する。

【００２３】液体金属イオン源１にはＧａを用いる。引
出し電極２によって引き出された集束イオンビーム７は
、加速電圧３０ｋＶのとき、第一レンズ電極３、第二レ
ンズ電極５でビーム径６０ｎｍに集束される。このとき
、光学系チャンバ６は試料チャンバ１１に対し高真空が
保たれている。そして、イオンビーム照射部では局所的
に反応性エッチングが行なわれ、パターンが形成される
。

【００２４】また、バルブ１２によりＣｌ２ガスの流量
を０にすれば、加工は集束イオンビームのスパッタリン
グによる物理的な方法により行なうことができる。

【００２５】ラマンスペクトルの測定はマクロラマン測
定法が励起レーザ光のスポット径が１００μｍ程度で、
微細なパターンの測定に向いていないため、顕微ラマン
分光法によって行なう。この場合、励起レーザ光２４を
試料８に微細なスポットとして照射するための反射鏡２
２、対物レンズ２１と試料から発生するラマン散乱光を
集束するための対物レンズ２１、反射鏡２２は同一のも
のを用いる。従ってラマン散乱光は後方散乱光として集
光される。

【００２６】ところで、図１の例では対物レンズ２１、
反射鏡２２のレーザ光の光軸と、集束イオンビーム光学
系のイオンビームに対する光軸とが一致していない場合
を示している。この場合、ラマンスペクトルを測定する
には、図３に示すように、加工途中で集束イオンビーム
７の照射を一時停止して、対物レンズ２１、反射鏡２２
をイオンビーム光学系の光軸に一致した位置５１，５２
に移動させる。そして、Ａｒレーザ発振器２８により発
振した波長５１４．５ｎｍの励起レーザ光２４を試料チ
ャンバ１１に導き、図２に示すようにスポット６３とし
て試料８に照射する。その時、対物レンズ２１は開口数
が０．９程度と大きいものを使用し、１μｍ程度のスポ
ット６３を得る。

【００２７】励起レーザ光２４が照射された試料部分で
は励起光の振動数が、試料の格子振動との相互作用によ
って振動数がシフトしたラマン散乱光及び振動数がその
ままのレーリー散乱光が発生する。発生したラマン散乱
光、レーリー散乱光、及び励起レーザ光の反射光は対物
レンズ２１で集光し、反射鏡２２で光路を曲げ、試料チ
ャンバ１１から取り出し分光器４６で分光し、イメージ
インテンシファイヤ４２、フォトダイオードアレイ４３
からなるマルチチャンネル検出器で波数のある範囲にわ
たるスペクトルを同時に得る。

【００２８】こうして得られたラマンスペクルをもとに
マイクロコンピュータ４４によって、加工条件の設定を
変更し、対物レンズ２１、反射鏡２３を位置５１，５２
から元の位置に移動して集束イオンビーム７の照射を再
開する。

【００２９】これにより、ラマンスペクトル測定時、イ
オンビームの照射は一時停止し加工は中断するが、試料
８を試料チャンバ１１から取り出したり、再度入れる操
作がなく測定できるため作業性がよくなる。

【００３０】レーザビーム光学系とイオンビーム光学系
の光軸が一致していない他の例として図４に示すものが
ある。この場合、ラマンスペクトル測定時、ステージ９
を移動してステージ９、試料８を位置７１，７２にもっ
ていき、測定することを除いて、前述の方法とかわらな
い。

【００３１】つぎに、レーザビーム光学系とイオンビー
ム光学系の光軸が一致している例を図５に示す。この場
合、反射鏡７３、対物レンズ７４の中心に孔があいてお
り、イオンビーム７は反射鏡７３、対物レンズ７４を通
過して試料８に照射される。このため、イオンビームを
照射して加工しながら、同時にラマンスペクトルを測定
できる。従って、ラマンスペクトル測定時、イオンビー
ム照射停止、及び反射鏡２２、対物レンズ２１、ステー
ジ９の移動なしに測定できるため、作業性が更に向上す
る。

【００３２】つぎに得られたラマンスペクトルをもとに
加工条件の設定を変更する方法について述べる。

【００３３】集束イオンビーム７を照射して、加工を開
始する前に、試料８のラマンスペクトルを測定する。試
料８はＧａＡｓで面方位（１００）面であり、加工が行
なわれていないため、結晶構造は乱されていない。その
ため、ラマンスペクトルは図６に示すように、波数２９
０ｃｍ￣１付近で光学的振動（Ｏ）の縦波モード（Ｌ）
　（以下ＬＯフォノンと略す）８１に相当するピークを
もつ。ラマンスペクトル測定後、集束イオンビーム７の
照射を開始して加工を行なう。このとき、図５に示すよ
うに、同軸光学系では、集束イオンビーム７を照射しな
がら、ラマンスペクトルの測定を行なうことが可能であ
る。

【００３４】つぎに、加工途中で、ラマンスペクトルを
測定した結果を図７に示す。得られたラマンスペクトル
は、ＬＯフォノン８１のピークの強度が小さくなるとと
もに低数側にわずかにシフトしていることがわかる。ま
た、加工前には殆んど現われていなかった光学的振動（
Ｏ）の横波モード（Ｔ）　（以下ＴＯフォノンと略す）
８２が波数２７０ｃｍ￣１にピークをもっていることが
わかる。 このうち波数のシフトは、イオンが試料に打込まれこと
による歪みと考えられる。また、本来、（１００）面の
後方散乱光には検出されないＴＯフォノン８２のピーク
が現われるのは、エッチングによって溝加工が進み、加
工溝の斜面における多重散乱により励起レーザ光２４の
入射方向が変わり励起レーザ光の入射方向と結晶面の位
置関係が変化することによるものと、結晶性が低下する
ことによるものとが考えられる。

【００３５】試料の歪み、結晶性の低下はイオンが試料
に打込まれることに起因する。従ってできるだけ、打込
みを少なくする必要がある。そこでマイクロコンピュー
タ４４で加速電源１４の加速電圧及びバルブ１２のＣｌ
２ガスの流量を調整し、加速電圧は低く、Ｃｌ２ガスの
量流は増加させる。この場合、加速電圧を小さくすると
集束イオンビームのビーム径は大きくなるが、加工ピッ
チが２５０ｎｍであるため、ビーム径が１２０ｎｍ程度
になるまで加速電圧を小さくすることは可能である。次
に、加工途中で得られた他のラマンスペクトルの測定結
果の例を図８に示す。ラマンスペクトルはＬＯフォノン
、ＴＯフォノンともピークが消えて全体に滑らかな形８
３となる。これはバルブ１２でＣｌ２ガスの流量を０に
し、くり返し溝加工を集束イオンビームのスパッタリン
グ加工によって行なった場合である。スパッタリング加
工は化学反応によるエッチング加工と異なりスパッタリ
ング加工により試料からたたき出された原子が加工溝の
側壁に堆積して再付着層を形成する。そのため、ラマン
スペクトルは、その再付着層のアモルファス状態を検出
したものと考えられる。この場合、バルブでＣｌ２ガス
の流量を大きくし、集束イオンビーム支援エッチングに
よる加工を行なうことでアモルファス状態をなくすこと
ができる。

【００３６】本実施例によれば、集束イオンビームを照
射しながら、ラマンスペクトルの測定を行なうことが可
能となり、測定結果を加工条件にフィードバックするこ
とができる。

【００３７】

【発明の効果】本発明によれば、集束イオンビーム支援
エッチング加工装置をイオンビーム加工系、顕微ラマン
分光系、制御系とから構成するので集束イオンビームの
照射による反応性エッチングを行ないながら、同時にラ
マンスペクトルを測定することができる。

【００３８】また、検出されるラマンスペクトルは、一
般に、材質に固有なピークをもつが、加工によってスペ
クトルが変化する。そこで変化したスペクトルをもとに
、加工条件の設定を変更するので、損傷の少ない加工を
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例である集束イオンビーム支援エ
ッチング加工装置の系統図、

【図２】本発明の実施例の試料加工方法を示す説明図、

【図３】本発明の第一の実施例の非同軸光学系の説明図
、

【図４】本発明の第二の実施例の非同軸光学系の説明図
、

【図５】本発明の一実施例の同軸光学系の説明図、

【図
６】本発明の実施例で得られる加工前ラマンスペクトル
の説明図、

【図７】本発明の実施例で得られる第一の加工の途中ラ
マンスペクトルの説明図、

【図８】本発明の実施例で得られる第二の加工の途中ラ
マンスペクトルの説明図。

【符号の説明】

１…液体金属イオン源、２…引出し電極、３…第一レン
ズ電極、４…偏向電極、５…第二レンズ電極、６…光学
系チャンバ、７…集束イオンビーム、８…試料、９…ス
テージ、１０…ノズル、１１…試料チャンバ、１２…バ
ルブ、１３…ガスボンベ、１４…加速電源、１５…第一
レンズ電源、１６…第二レンズ電源、２１…対物レンズ
、２２，２９，４０…反射鏡、２３…窓、２４…励起レ
ーザ光、２５…半透鏡、２６，２７…レンズ、２８…Ａ
ｒレーザ発振器、３０…集光レンズ、３１…入射スリッ
ト、３２，３４…コリメータミラー、３３…回折格子、
４１…出射スリット、４２…イメージインテンシファイ
ヤ、４３…フォトダイオードアレイ、４４…マイクロコ
ンピュータ、４６…分光器。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】液体金属イオン源、前記液体金属イオン源
   からイオンビームを引き出し集束させる集束イオンビー
   ム光学系、前記集束イオンビームを試料上で走査する偏
   向系、前記試料にエッチングガスを供給するエッチング
   ガス供給系、励起光を発振するレーザ光源、前記励起光
   を試料に照射する照射系、前記試料から発生するラマン
   散乱光を集光し分光器に導く集光系、前記ラマン散乱光
   を分光する分光器、分光された前記ラマン散乱光を検出
   する検出系、検出されたラマンスペクトルから加工条件
   の設定変更を行う制御系とからなることを特徴とする集
   束イオンビーム支援エッチング加工装置。
2. 【請求項２】液体金属イオン源、前記液体金属イオン源
   からイオンビームを引き出し集束させる集束イオンビー
   ム光学系、前記集束イオンビームを試料上で走査する偏
   向系、励起光を発振するレーザ光源、前記励起光を前記
   試料に照射する照射系、前記試料から発生するラマン散
   乱光を集光し分光器に導く集光系、前記ラマン散乱光を
   分光する分光器、分光された前記ラマン散乱光を検出す
   る検出系、検出されたラマンスペクトルから加工条件の
   設定変更を行う制御系とからなることを特徴とする集束
   イオンビーム加工装置。
3. 【請求項３】請求項１において、前記制御系で検出され
   た前記ラマンスペクトルから、集束イオンビームの加速
   電圧、およびエッチングガスの流量を制御して、前記試
   料の加工損傷を低減する集束イオンビーム支援エッチン
   グ加工装置。
4. 【請求項４】請求項２において、前記制御系で検出され
   た前記ラマンスペクトルから、前記集束イオンビームの
   加速電圧を制御する集束イオンビーム加工装置。