JP5498655B2 - クラスタ源を使用する荷電粒子ビーム処理 - Google Patents

Description

本発明は加工物を荷電粒子のビームで処理する方法に関し、その方法は、
加工物を真空チャンバ内で位置決めするステップと、
加工物を処理するために加工物の表面を荷電粒子の集束ビームで照射するステップとを含む。本発明は、さらにその方法を実行するために装備された装置に関する。

そのような方法は集束イオン・ビーム・マシン（ＦＩＢ）で実行されることが知られている。荷電粒子ビームは非常に小さいスポットを形成することができるので、イオン・ビームや電子ビームなどの荷電粒子ビームがナノテクノロジで加工物を処理するために使用される。例えば、集束イオン・ビーム・システムはサブミクロン精度で画像化、ミル加工、堆積、分析を行うことができる。集束イオン・ビーム・システムは、例えば、本出願の譲受人である、オレゴン州、ヒルズバロのＦＥＩ Ｃｏｍｐａｎｙから市販されている。イオンを使用して加工物から材料をスパッタする、すなわち物理的に放出して、加工物にトレンチなどのフィーチャ（ｆｅａｔｕｒｅｓ）を生成することができる。イオン・ビームを使用して、エッチング・ガスを活性化しスパッタリングを増強し、または前駆物質ガスを分解しビーム衝突ポイントの近くで材料を堆積させることもできる。イオン・ビームを使用して、イオン・ビームの衝突によって放出された二次粒子を集めることにより加工物の画像を形成することもできる。表面上の各ポイントから放出された二次粒子の数を使用して、画像の対応するポイントの画像の明るさが決定される。

集束イオン・ビームはしばしば半導体産業で使用される。一用途では、例えば、集束イオン・ビームを使用して集積回路内に小さいトレンチが掘られ、イオン・ビームまたは電子ビームを使用する観察または測定のための垂直構造の断面が露出される。

ＦＩＢの別の使用法は、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）または走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）用のサンプルとしても知られている加工物の準備である。ＴＥＭでは、広幅の電子ビームがサンプルに衝突し、サンプルを通過した電子が集束されてサンプルの画像を形成する。ＳＴＥＭでは、一次電子ビームが微細なスポットに集束され、そのスポットはサンプル表面にわたって走査される。ＴＥＭまたはＳＴＥＭでは、サンプルを通過した電子がサンプルの反対側の電子検出器によって集められる。ＴＥＭまたはＳＴＥＭ用のサンプルは、一次電子ビーム中の電子の多くがサンプルを通り抜け反対側に出ることができるように十分に薄くなければならない。サンプルは一般に１００ｎｍ未満の厚さまで薄くされる。サンプルを準備する一方法は、加工物から薄いサンプルを切り取るために集束イオン・ビームを使用し、次に、そのサンプルを薄くするためにイオン・ビームを使用することを含む。

既知の方法の欠点は、荷電粒子ビームが表面に衝突するとき表面を損傷するかまたは変質する可能性があることである。変質は、例えば、荷電粒子ビームを形成するイオンの加工物への注入、寸法変化、または結晶加工物の場合の相変化の形をとる。集束イオン・ビーム・システムは、一般に、液体の金属ガリウム・イオン源からのガリウム・イオンを使用する。ガリウム・イオンは比較的重く、一般的な３００００ボルトで加速されたガリウム・イオンは必然的に加工物表面を変質させることになる。「Ｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ Ｅｎｈａｎｃｅｄ，Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ，Ｐｌａｓｍａ Ｓｏｕｒｃｅ ｆｏｒ ａ Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ Ｓｙｓｔｅｍ」についてのＫｅｌｌｅｒ等の国際公開第２００５／０８１９４０号パンフレットに説明されているものなどのプラズマ・イオン・システムはより軽いイオンを使用することができ、それにより損傷は少なくなるが、依然としてイオンは一般に加工物表面を変質させることになる。電子はイオンよりもはるかに軽いが、加工物表面を変質させることもある。ユーザがナノメートル精度で加工物を測定したい場合、荷電粒子の衝突によって引き起こされる加工物の変化は、特にフォトレジストのような柔らかい材料、およびポリフェニレン材料のような低誘電率および超低誘電率誘電体材料では顕著になることがある。

ユーザが、例えば、「Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｓｅｐａｒａｔｉｎｇ Ｓｐｅｃｉｍｅｎ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ Ｓｐｅｃｉｍｅｎ Ｓｅｐａｒａｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ Ｓｐｅｃｉｍｅｎ Ｓｅｐａｒａｔｉｎｇ Ｍｅｔｈｏｄ」についてのＯｈｎｉｓｈｉ等への米国特許第５２７０５５２号明細書に説明されているように、ＴＥＭでサンプルを画像化するためにそれを抽出するのにイオン・ビームを使用したい場合、ユーザは一般に注目する領域を探し当てるために集束イオン・ビームを画像化モードで走査する。走査は表面に損傷をもたらす。注目する領域が探し当てられて、ビームがトレンチをミル加工し始める場合、ビームの端部が完全には鋭くないので加工物に損傷を加える。すなわち、ビームは一般にガウス型に形成され、ガウス分布の末端のイオンがトレンチの端部で加工物を損傷することになる。損傷は脆弱な材料だけでなく比較的固い材料上でも見つかっている。

加工物表面を保護するために、荷電粒子ビーム処理の前に保護層を用いることが一般的である。保護層を適用する一方法は、荷電粒子ビーム堆積、すなわち、ガスを分解して表面に材料を堆積させるためのエネルギーを供給するのに荷電粒子ビームを使用することである。保護層は切削の周りの区域を保護し、画像化および計測されるべきフィーチャの特性を保存する。一般に使用される堆積ガスは、タングステン、白金、金、および炭素を堆積させるために分解する前駆化合物を含む。例えば、タングステンヘキサカルボニルを使用してタングステンを堆積させることができ、メチルシクロペンタジエニルトリメチル白金を使用して白金を堆積させることができ、およびスチレンを使用して炭素を堆積させることができる。多くのさまざまな材料を堆積させる前駆物質ガスが当技術分野で知られている。保護層として堆積させる好ましい材料は、下にあるターゲット表面の組成を含む適合性、および保護層材料とターゲット表面との間の相互作用に依存する。

荷電粒子ビーム・アシスト堆積は、層が必要とされる正確な位置にその層を局所的に適用することができる。この方法の欠点は、それが比較的遅く、処理によっては全処理時間の６０パーセントまでが保護層の堆積で消費されることである。別の欠点は、材料を堆積させるためにイオン・ビームがターゲット表面で最初に走査されるとき、イオン・ビームから表面を保護するのに十分な量の堆積材料が蓄積するまでの間に、材料はビームによって表面からスパッタ除去されている。たとえそれが短い間だとしても、かなりの量の材料が除去されるほど長いことがあり、それにより断面分析の精度が損なわれる。さらに別の欠点は、加工物に荷電粒子ビームのイオン注入が生じる可能性があることである。

電子およびレーザ・ビームを使用して二次電子を生成し、それにより前駆物質ガスを分解して保護層を堆積させる。この方法の欠点は、特にそれらのビームが好適な処理時間を達成するために十分なエネルギーおよび／または電流密度レベルである場合、それらのビームが下にある表面を損傷する可能性もあることである。下にある表面を損なわないためにビームが十分に「弱い」場合、堆積が非常に遅くなるので、そのようなビームを使用することは一般に実用的でない。

用途によっては物理蒸着（「ＰＶＤ」）スパッタ法を使用して保護層を堆積させることができるが、そのような方法はウェハ表面のターゲット部分に堆積層を局所的に適用するのに使用することができないので、それらは、通常、ウェハ製作設備の生産制御用途に利用できない。本発明の譲受人に譲渡される米国特許仮出願第６０／７７３３９６号は、局所的な層を与えることができるＰＶＤの方法を説明している。荷電粒子ビームを使用してターゲットからの材料が表面上にスパッタされる。荷電粒子ビームは表面自体に導かれず、損傷が避けられる。この方法の欠点は、それが多くの時間を必要とすることである。

保護被覆を適用する別の方法が、「Ｐｒｏｘｉｍｉｔｙ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ」についてのＡｒｊａｖｅｃ等への米国特許第６９２６９３５号明細書に説明されている。この方法では、荷電粒子ビームは注目する区域に導かれるのではなく、注目する区域の外側の領域に導かれる。二次電子が、注目する区域上の前駆物質ガスを分解して保護層を与える。保護層が、注目する領域の端部の周りに生成されているので、荷電粒子ビームは内側に向けて移動することができる。この方法の欠点は、時間がかかることである。

ブラシで塗布されたコロイド銀が走査電子顕微鏡の導電性保護層を生成するために長く使用されている。この方法の欠点は、使用される銀粒子が比較的大きいということである。別の欠点は、層を塗布するためにブラシを使用すると基板を損傷することがあり、局所的な層を実現できないことである。

保護被覆を塗布する別の方法は、Ｒｕｂｂｅｒｍａｉｄ ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎのＳａｎｆｏｒｄ部門からのＳｈａｒｐｉｅブランドのペンなどのフェルトペンを使用することである。Ｓｈａｒｐｉｅペンからのインクは真空チャンバで使用するのに適するが、理由は、それが完全に乾燥し、真空チャンバ内でほとんどガス放出しないからである。この方法の欠点は、注目する領域にペンを接触させると表面を変質させることになり、したがって、インクは注目する領域の近くに塗布され、次にそのインクが注目する領域上に滲出することである。インク中の化合物が表面を保護する。この方法の別の欠点は、フェルトペンによって影響を受ける区域が、最近の集積回路のサブミクロンのフィーチャと比較して非常に大きく、インクの位置決め精度が不十分であることである。
国際公開第２００５／０８１９４０号パンフレット 米国特許第５２７０５５２号明細書 米国特許仮出願第６０／７７３３９６号 米国特許第６９２６９３５号明細書 米国特許第６７４３４８１号明細書 米国特許出願公開第２００２／００３１６１５号明細書 米国特許出願公開第２００５／０１８３６６７号明細書 米国特許第５８５１４１３号明細書 米国特許第５４３５８５０号明細書 米国特許仮出願第６０／８３０９７８号

産業界は、加工物表面を損傷することなく荷電粒子で加工物を照射する方法を必要としている。

その目的のために、本発明による方法は、原子または分子の荷電クラスタのビームが加工物に導かれるという点に特徴がある。

（例えば、ｎ ｋＶの電位差によって引き起こされた）電界によって加速された原子または分子のクラスタは、それが加工物に衝突するとき、同じ電荷をもつ単一のイオンまたはイオン化された分子と同じトータルエネルギー（例えば、ｎ ｋｅＶ）を有する。しかし、クラスタを形成する原子または分子の間の結合はかなり小さく、衝突において、クラスタは、粒子の各々が例えばｎ ｋｅＶのオリジナル・エネルギーの一部だけを有する一群の粒子（原子または分子）によって最もよく説明することができる。粒子当たりのこの低いエネルギーのために、加工物への損傷は、例えばｎ ｋｅＶのエネルギーを有するイオンに起因するものよりもはるかに低い。

粒子当たりのエネルギーの低減の結果、注入深さが減少し、結晶材料の相変化は非常に浅い深さに限定され、寸法変化も非常に少ない。したがって、クラスタの使用は、一般に、個別イオンの使用と比較して加工物への損傷を低減する。

損傷の同様の低減が非常に低減されたエネルギーをもつイオンを使用することによって達成することができることに留意されたい。しかし、当業者に知られているように、そのような低いエネルギーは、例えば加工物上でイオンを集束するのをより一層困難にし、その結果、加工物上の荷電粒子ビーム径が非常に大きくなり、したがって局所的な効果が少なくなる。これは、電流密度が非常に低いことを意味する。さらに、イオンについて電荷の単位当たりの粒子の量はクラスタを使用する場合よりも非常に低く、さらにｍ²当たりの粒子の数が減少し、そのためにエッチング速度または堆積速度が非常に低減する。

コンピュータ・ディスク・ドライブ構成要素へのフラーレン分子の保護層の適用が、「Ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｕｌｔｒａｔｈｉｎ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ Ｏｖｅｒｃｏａｔｓ」についてのＨｏｅｈｎ等への米国特許第６７４３４８１号明細書および「Ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｕｌｔｒａｔｈｉｎ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ Ｏｖｅｒｃｏａｔｓ」についてのＤｙｋｅｓ等の米国特許出願公開第２００２／００３１６１５号明細書に説明されている。フラーレンは、イオン・ビームまたは電子ビームの衝突によって供給源から放出され、フラーレンのいくつかはターゲットの方向に放出され、それを被覆する。この方法では、フラーレンの形態の炭素原子のクラスタはイオン化されず、保護膜で被覆されるべき加工物は加工物を処理するのに荷電粒子ビームで照射されない。

本発明による方法の実施形態では、荷電クラスタのビームには、炭素、金、ビスマス、またはキセノンを含むクラスタが含まれる。

これらの種類の各々はそれ自体の用途を有する。希ガスであるキセノンは加工物に化学的に結合せず、スパッタ・ガスとしてよく知られている。例えば、炭素は所望の種類の保護膜を形成することができる。

本発明による方法のさらなる実施形態では、荷電クラスタのビームにはＣ₆₀、Ｃ₇₀、Ｃ₈₀、Ｃ₈₄、Ａｕ₃、Ｂｉ₃、またはＸｅ₄₀を含むクラスタが含まれる。

本発明による方法のさらなる実施形態では、荷電クラスタはフラーレンを含む。

フラーレンは、中空の球体、楕円体、または管の形態で（ほとんど）完全に炭素からできているクラスタである。さらに、希土類原子などの別の種類の原子が中空の球体、楕円体、または管に囲まれているフラーレンが知られている。

本発明による方法の別の実施形態では、ガスが加工物に導かれ、そのガスが荷電クラスタのビームの存在下で活性化して材料を加工物上に堆積させるか、または材料を加工物から除去する。

そのようなガスの使用がＦＩＢで知られており、ガスがイオンによって活性化される場所で材料を加工物上に堆積させるか、または加工物をエッチングするのに使用される。実験は、荷電クラスタが、一般に使用されるガスを活性化することもできることを示している。

本発明による方法のさらなる実施形態では、ガスは荷電クラスタの集束ビームの存在下で反応して加工物をエッチングする。

この実施形態はエッチング増強ガスの使用を説明しており、クラスタのビームは、加工物をエッチングする化学反応を開始するためのエネルギーを供給し、エッチングされた区域の外側では、加工物の損傷は低減される。

本発明による方法のさらなる実施形態では、ガスはＸｅＦ₂、Ｆ₂、Ｃｌ₂、Ｂｒ₂、Ｉ₂、過フッ化炭化水素、トリフルオロアセトアミド、トリフルオロ酢酸、トリクロロ酢酸、水、アンモニア、または酸素を含む。

前述のガスはエッチング・ガスとして知られており、一般にガス注入システムをもつＦＩＢで使用される。

本発明による方法の別の実施形態では、ガスはシラン化合物または有機金属化合物を含む前駆物質ガスを含み、その前駆物質ガスは荷電クラスタのビームの存在下で分解し、それによって、分解されたガスが加工物上に堆積層を形成する。

そのようなガスの使用は、層を堆積させるためにガス注入システムを備えたＦＩＢで知られている。

本発明による方法のさらなる実施形態では、ガスはテトラメチルオルトシラン（ＴＭＯＳ）、テトラエチルオルトシラン（ＴＥＯＳ）、テトラブトキシシラン（Ｓｉ（ＯＣ₄Ｈ₉））、ジメチル金アセチルアセトネート、タングステンヘキサカルボニル（Ｗ（ＣＯ）₆）、またはメチルシクロペンタジエニルトリメチル白金（Ｃ₉Ｈ₁₆Ｐｔ）を含む。

前述のガスは、イオンによって照射されたとき堆積を生じさせるガスとして知られており、一般にガス注入システムをもつＦＩＢで使用される。

本発明による方法の別の実施形態では、加工物は堆積層を形成するように荷電クラスタのビームで照射され、そのように形成された堆積層はさらなる荷電粒子のビームで照射される。

この実施形態では、クラスタ・ビームを使用して、例えば損傷を生じさせることなく加工物上に保護層を設け、従来のイオン・ビームまたは電子ビームなどの別の荷電粒子ビームを使用して加工物を処理する。保護膜が製作された後、さらなるビームによる照射を行うことができるが、保護層が付加されている間、さらなるビームによる照射を行うこともできることに留意されたい。

本発明による方法のさらなる実施形態では、さらなる荷電粒子のビームはイオンまたは電子の集束ビームである。

本発明による方法の別の実施形態では、荷電クラスタのビームを加工物に導くステップは、プラズマ・イオン源からの荷電クラスタのビームを加工物に導くステップを含む。

プラズマ・イオン源がクラスタを生成することが知られている。

本発明による方法のさらなる実施形態では、プラズマ・イオン源は誘導結合プラズマ・イオン源である。

本発明のこの好ましい実施では、例えば「Ｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ Ｅｎｈａｎｃｅｄ，Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ Ｓｏｕｒｃｅ ｆｏｒ ａ Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ Ｓｙｓｔｅｍ」についての米国特許出願公開第２００５／０１８３６６７号明細書に説明されるようなプラズマ源が使用される。そのようなイオン源は非常に低い色収差を有するビームを供給し、比較的高いビーム電流で比較的小さいスポットに集束することができ、それによりそのようなイオン源は精密な微細加工および堆積に適するものになる。そのような供給源は、クラスタのビーム、ならびに荷電粒子ビーム処理用の個々の原子および分子のビームを供給することができる。例えば、クラスタ・ビームを使用して保護膜を堆積させ、次に、アルゴン・ビームを二フッ化キセノンと共に使用して加工物のフィーチャを微細加工することができる。

本発明による方法の別の実施形態では、荷電クラスタのビームを加工物に導くステップは、蒸発クラスタ源からの荷電クラスタのビームを加工物に導くステップを含む。

本発明による方法のさらに別の実施形態では、堆積層は、荷電クラスタが形成される材料を含む。

材料を堆積させるときクラスタ自体の材料も構成材料として使用することができる。これは堆積速度に著しく寄与することができる。クラスタからの材料の堆積をガスからの材料の堆積と共に行うことができるが、それを堆積の唯一の構成材料とすることもできることに留意されたい。

本発明による方法のさらなる実施形態では、堆積層はガスなしで形成される。

本発明による方法の別の実施形態では、荷電クラスタのビームを形成するクラスタは０．１未満の原子当たりの電荷比を有する。

Ｇａ⁺などの一般的なイオンでは原子当たりの電荷比は１である。Ｇａ²⁺などの多電荷イオンではこの比は１よりもずっと大きい。クラスタの原子当たりの電荷比は１よりもずっと低くすることができる。０．１未満の原子当たりの電荷比をもつクラスタを使用することによって、先に説明されたように、そのようなクラスタの衝突に起因する損傷は制限される。

本発明による方法のさらなる実施形態では、原子当たりの電荷比は０．０２未満である。

本実施形態では引き起こされる損傷はさらにより少ない。５０個よりも多くの原子をもつ大きいクラスタを使用する場合、そのような原子当たりの電荷比を達成することができる。これは広く使用されるフラーレンのいくつかを含む。

本発明の態様では、加工物を処理するための荷電粒子装置は、
真空チャンバと、
前記真空チャンバ内で加工物を加工物位置に支持するための加工物支持体と、
荷電粒子のビームを生成するための荷電粒子源と、
前記荷電粒子のビームを加工物位置に集束するための少なくとも１つの集束レンズと
を含む装置であり、
この装置が荷電クラスタのビームを加工物位置に導くように備えられることを
特徴とする。

この態様は前述の方法を実行するために備えられた装置を説明する。荷電クラスタをただ１つの荷電粒子ビームとすることができるが、別の荷電粒子ビームを使用することもできる。

本発明による装置の実施形態では、荷電クラスタのビームは荷電粒子源によって生成され、この装置はガスを加工物位置に導くためのガス注入システムをさらに含む。

本実施形態は、荷電クラスタのビームが加工物に集束され、ガスのジェットが加工物に導かれる装置を説明する。これによって、ジェットからのガスは局所的に活性化することができ、その結果、微細フィーチャ処理（ｆｉｎｅｌｙ ｆｅａｔｕｒｅｄ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）（エッチングまたは堆積）を行うことができる。

本発明による装置の別の実施形態では、荷電粒子源は荷電クラスタを生成しない。

ここで、この装置は、例えば加工物を処理するためのさらなる荷電粒子ビームを備える。

本発明による装置のさらに別の実施形態では、荷電クラスタはプラズマ・イオン源を含むクラスタ・イオン源によって生成される。

本発明による装置のさらなる実施形態では、プラズマ・イオン源は誘導結合プラズマ・イオン源である。

本発明による装置の別の実施形態では、荷電クラスタは蒸発クラスタ・イオン源を含むクラスタ・イオン源によって生成される。

本発明による装置のさらに別の実施形態では、荷電クラスタは、フラーレン、ビスマス、金、またはキセノンを含むクラスタを生成するために備えられたクラスタ・イオン源によって生成される。

本発明およびその利点をすべてにわたって理解するために、次に添付図面と併せて以下の説明が行われる。

下記は添付図面に示された本発明の例示的実施形態の詳細な説明である。例示的実施形態は本発明を明確に伝えるように詳細である。しかし、提示された詳細の趣旨は実施形態の予想される変形を制限することを意図せず、それどころか、その意図は、添付の特許請求の範囲で定義されるような本発明の趣旨および範囲の中にあるすべての変更、等価物、および代替物を含むことである。以下の詳細な説明はそのような実施形態を当業者に対して明白にすることを意図する。

本発明のいくつかの実施形態では、クラスタ・ビームは、加工物表面への損傷を最小にしながら、前駆物質ガスを分解して層を堆積させるためのエネルギーを供給する。クラスタ・ビームは加工物表面をエッチングするのに随意にエッチング増強ガスと共に使用することもできる。他の実施形態では、クラスタ・ビームは荷電粒子ビーム処理用の保護層を直接堆積させ、好ましくは、保護層堆積および荷電粒子ビーム処理が同じ真空チャンバ内で行われる。

図１は、クラスタ・イオン源１０２、ガス注入システム１０４、および好ましくは別の荷電粒子ビーム１０７を生成する電子ビーム・カラム１０６を含む荷電粒子ビーム・システム１００を含む本発明の実施形態の簡単な図を示す。ガス注入システムは、例えば、本発明の譲受人に譲渡された「Ｇａｓ Ｄｅｌｉｖｅｒｙ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｂｅａｍ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ」についてのＣａｓｅｌｌａ等への米国特許第５８５１４１３号明細書に説明されている。別のガス送出システムが、さらに本発明の譲受人に譲渡された「Ｇａｓ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ」についてのＲａｓｍｕｓｓｅｎへの米国特許第５４３５８５０号明細書に説明されている。クラスタ源１０２は、真空チャンバ１１４内で、好ましくは少なくとも２つの方向に移動することができるステージ１１６上に配置される加工物１１２上の注目する領域１１０に導かれる原子または分子のクラスタのビーム１０８を供給する。カラム１０６は、例えばエッチングまたはミリング用のイオンの集束ビーム１０７を生成する集束イオン・ビーム・カラムとすることもできる。

図２は本発明による好ましいプロセスを示す。ステップ２１０で、加工物は真空チャンバ１１４に挿入される。ステップ２１２で、加工物１１２の一部は、加工物表面上のマーキングを探し当てステージ１１６の座標系を加工物１１２の座標系と位置合わせするために電子ビーム・カラム１０６を使用して画像化され、その結果、ステージ１１６は、クラスタ・ビームを導くことができる区域内に注目する領域１１０を位置決めするように移動されることができる。ステップ２１４で、前駆物質ガスのジェットは、注目する領域１１０近傍の加工物１１２に向けて導かれる。テトラメチルオルトシラン（ＴＭＯＳ）、テトラエチルオルトシラン（ＴＥＯＳ）、テトラブトキシシランＳｉ（ＯＣ₄Ｈ₉）、ジメチル金アセチルアセトネート、タングステンヘキサカルボニル（Ｗ（ＣＯ）₆）などの有機金属化合物、およびメチルシクロペンタジエニルトリメチル白金（Ｃ₉Ｈ₁₆Ｐｔ）を含めて多くの堆積前駆物質ガスが知られている。

ステップ２１６で、クラスタのビームは、加工物表面に導かれて前駆物質ガスを分解し、保護層を堆積させるエネルギーを供給する。異なるタイプの原子または分子のクラスタを本発明で使用することができる。「クラスタ」という用語は多数の分子または原子の群を含む。例えば、フラーレン（例えば、Ｃ₆₀、Ｃ₇₀、Ｃ₈₀、またはＣ₈₄）の形態の炭素、金（Ａｕ₃）、ビスマス（Ｂｉ₃）、キセノン（Ｘｅ₄₀）、および他のクラスタが堆積またはエッチングに有用である。「クラスタ」という用語は、多数のフラーレンの群だけでなく炭素原子のクラスタと見なされる単一のフラーレン分子も含む。各クラスタは１つだけまたは少数の不平衡電荷を有するので、クラスタの電荷対質量比は、荷電粒子ビームで使用される個々の原子または分子の電荷対質量比よりもかなり少ない可能性がある。全クラスタのエネルギーは比較的大きく、例えば数百から数千電子ボルトであるが、構成要素当たりのエネルギーは低い。

一般的な保護層は、好ましくは０．０５μｍ厚と１μｍ厚との間、より好ましくは０．１μｍ厚と０．８μｍ厚との間、最も好ましくは約０．２μｍ厚である。好ましい保護層は加工物上への荷電粒子ビームの衝突によって生成されたいかなる電荷も消散させるのに十分な導電性を有することである。好ましい保護層は「真空にやさしい」ものであり、すなわちそれは、荷電粒子ビームに障害を与えるかまたは加工物を汚染するような、真空チャンバ内で「ガス放出」しないかまたは蒸発し続けないものである。好ましい保護層は加工物の構造を安定させる。好ましい保護層は加工物上の構造と相互作用せずまたはそれを変質させず、構造の寸法が荷電粒子ビームの衝突下でほとんど変わらないかまたは全く変わらないように機械的強度を与える。堆積は、クラスタ・ビームの衝突ポイントの近くの区域に限定される。

クラスタは一般的な先行技術の方法のガリウム・イオンよりも大きい質量を有するので、加工物への損傷はガリウム・イオンのビームに起因する損傷層よりも薄い表面層に制限される。使用されるクラスタの組成、モフォロジ（ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ）、およびサイズ、ならびに加速電圧に応じて、基板への損傷は上層部２０ｎｍ、上層部１０ｎｍ、上層部５ｎｍ、または上層部２ｎｍ以内に制限することができる。例えば、Ｃ₆₀、Ａｕ₃、またはＢｉ₃の（単独に荷電される）クラスタ用に１５ｋＶの加速電圧を使用すると、一般に加工物の上層部５ｎｍまでの損傷に制限されることになる。それに比べると、一般的なガリウム・イオン・ビームは約３０ｎｍから５０ｎｍの深さまで表面を損傷する。好ましい加速電圧はクラスタのタイプおよび加工物の材料によって変更することができる。

いくつかの実施形態では、保護層はフラーレンから堆積された炭素層などのクラスタからの材料で構成することができ、そのような実施形態では、堆積前駆物質ガスは必要でない。すなわち、クラスタは加工物上に直接堆積する。他の実施形態では、保護層は前駆物質ガスからの分解生成物で構成される。他の実施形態では、クラスタ・ビームの材料および前駆物質ガスの分解生成物の組合せが堆積される。

ステップ２１８で、保護層によって保護された注目する領域が荷電粒子ビームによって処理される。例えば、注目する領域は走査電子顕微鏡を使用して観察することができ、またはその領域をエッチングすることができ、またはイオン・ビームを使用して追加の材料を堆積させることができる。クラスタ・ビームの供給源として多源システムが使用される場合、注目する領域に導かれているエッチング増強ガスまたは前駆物質ガスがあるかどうかにかかわらず、クラスタの供給源であったプラズマ材料をプラズマ・チャンバから除去して、そのプラズマ・チャンバに、材料除去プロセスまたは材料堆積プロセスを行うための異なるガスを充満させることができる。多源システムの例が、本発明の譲受人に譲渡される「Ａ Ｍｕｌｔｉ−Ｓｏｕｒｃｅ Ｐｌａｓｍａ Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ Ｓｙｓｔｅｍ」についての２００６年７月１４日に出願された米国特許仮出願第６０／８３０９７８号に説明されている。

他の実施形態では、エッチング増強ガスを使用することができ、クラスタのビームは、加工物をエッチングする化学反応を開始するエネルギーを供給し、エッチングされる区域の外側では加工物の損傷は低減される。エッチング増強ガスは、ＸｅＦ₂、Ｆ₂、Ｃｌ₂、Ｂｒ₂、Ｉ₂、トリフルオロアセトアミドやトリフルオロ酢酸やトリクロロ酢酸などの過フッ化炭化水素、水、アンモニア、ならびに酸素を含む。

本発明の好ましい実施では、「Ｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ Ｅｎｈａｎｃｅｄ，Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ Ｓｏｕｒｃｅ ｆｏｒ ａ Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ Ｓｙｓｔｅｍ」についての米国特許出願公開第２００５／０１８３６６７号明細書に説明されるようなプラズマ源が使用される。そのようなイオン源は非常に低い色収差を有するビームを供給し、比較的高いビーム電流で比較的小さいスポットに集束することができ、それによりそのようなイオン源は精密な微細加工および堆積に適するものになる。そのような供給源は、クラスタのビーム、ならびに荷電粒子ビーム処理用の個々の原子および分子のビームを供給することができる。例えば、クラスタ・ビームを使用して保護層を堆積させ、次に、アルゴン・ビームを二フッ化キセノンと共に使用して加工物のフィーチャを微細加工することができる。

図３は好ましいＲＦ励起型プラズマ・イオン源３０１の簡単化された概略図を示す。セラミック・プラズマ・イオン・チャンバ３００はコイル３０２によって巻きつけられている。コイルはＲＦ源（図示せず）によって励起される。セラミック・プラズマ・イオン・チャンバ３００は一端に開口電極３０４をもつシリンダである。開口電極はセラミック・プラズマ・イオン・チャンバ３００のシリンダ軸に中心をもつ開口を示す。イオン・ビームは、電極３０４の開口を通ってセラミック・プラズマ・イオン・チャンバ３００を出て、イオン・ビーム集束カラム３０６を通過し、偏向可能な集束イオン・ビーム３０８が生成される。

セラミック・プラズマ・イオン・チャンバ３００は、バルブ３０９を通して複数の供給源３１０、３１２、３１４のうちの１つまたは複数からのガスを受け取る。供給源は、前述のものなどのクラスタ・ガス、キセノン（Ｘｅ）またはヘリウム（Ｈｅ）などの不活性ガス、酸素（Ｏ₂）などの反応性ガス、または前述のような前駆物質ガスもしくはエッチング増強ガスを含むことができる。バルブ３０９は供給源からの複数の異なるガスの各々を順に選択するために備えることができる。したがって、ミリングまたはエッチング用にあるイオン種を選択し、堆積用に第２の異なるイオン種を選択することができる。

この供給源は、保護層を設けるためにクラスタのビームを生成するプラズマ源に、ある材料を供給することができ、次に、加工物のさらなる処理のためにプラズマ源に第２の材料を供給することができる点で好都合である。例えば、前駆物質ガスを分解して保護層を堆積させためのＣ₆₀を含むガスを導入し、次に、スパッタリングのためのＸｅなどのガスを導入することができる。

図４はクラスタ源４００の代替の実施形態の概略図を示す。クラスタ源４００はそれ独自の真空チャンバ内に備えることができ、あるいは集束イオン・ビーム・カラム、例えば液体金属もしくはプラズマ源カラム、または電子ビーム・カラムなどの１つまたは複数の追加の荷電粒子ビーム・カラムを含む真空チャンバ内にあってもよい。非クラスタ源は、例えば、保護層がクラスタ源を使用して施された後、加工物を処理するために使用することができる。真空チャンバは、堆積前駆物質ガスまたはエッチング増強ガスを加工物に導くためにガス注入システムを含むことができる。

クラスタ源４００は供給源材料４０４を収容するるつぼ４０２を含む。電源４０８は加熱コイル４１０を加熱して供給源材料４０４を蒸発させるエネルギーを供給する。一般に構成要素と呼ばれる供給源材料４０４の蒸発した原子または分子はノズル４２０によって拡がり、それにより原子または分子がクラスタ４２２に凝縮する。クラスタは、好ましくは、原子または分子の緩く束縛された群である。構成要素は、好ましくは、クラスタ中で結晶構造を形成せず、液体状態に似ているアモルファス（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ）である。構成要素はレーザまたは電子もしくはイオンのビームによって蒸発することもできる。

クラスタ４２２は、例えば、電極４３６の方に電子４３４を加速するための電気ポテンシャルを有する電子源４３２を含むことができるイオナイザ４３０中で荷電される。電子４３４はクラスタ４２２と衝突し、構成要素のいくつかをイオン化する。一般に、１つまたは２つなどの少数の構成要素だけがイオン化され、その結果、各クラスタの電荷は小さい。任意のクラスタがマス・フィルタ４４０を通過するよう、マス・フィルタは静電界、磁界、および開口の組合せとすることができ、その結果、所望の範囲の質量を有するクラスタのビーム４４２がマス・フィルタ４４０を通過して、加工物４５０に導かれる。図４で説明されたクラスタ源は単純化され、多くの変形および改良が知られており、使用されることを当業者は認識されよう。

そのようなクラスタ源は、例えば、光学構成要素にコーティングを施すのに使用されている。図４の供給源からの一般的なクラスタは２個と１００００個との間の原子または分子を含む。フラーレン中の炭素原子などのいくつかのクラスタの構成要素はより強く束縛されるが、クラスタの構成要素は互いに緩く束縛されてもよい。効率的なクラスタ源は、結合していない構成要素または生成される望ましくない大きさのクラスタの数と比べて、比較的多数の所望の大きさのクラスタを生成する。クラスタは荷電され、一般に、静電力によってターゲットに導かれる。構成要素をクラスタ中で緩く束縛することができるので、クラスタのエネルギーによりそれは衝突時に解体し、構成要素が表面上で比較的薄い一様な層に広がることができる。

Ｃ₆₀を使用するものを含むクラスタ・イオン源は、加工物の表面から材料を放出するために二次イオン質量分析（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｍａｓｓ ｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）で使用されている。構成要素当たりの低いエネルギーにより、加工物中の個々の原子または分子に運動量がほとんど移行されず、加工物材料の混合がほとんど生じないことが確実になる。

本明細書で使用されるような荷電粒子ビーム「処理」という用語は、画像化、ならびにスパッタリング、エッチング、および堆積を含むことに留意されたい。

原子の荷電クラスタを生成し、そのクラスタをサンプルに導くことができるプラズマ源を含む本発明のシステムの好ましい実施形態を示す図である。 本発明による好ましい方法を示す図である。 好ましいプラズマ・クラスタ源を示す図である。 代替のクラスタ源を示す図である。

符号の説明

１００ 荷電粒子ビーム・システム
１０２ クラスタ・イオン源
１０４ ガス注入システム
１０６ 電子ビーム・カラム
１０７ 荷電粒子ビーム
１０８ クラスタのビーム
１１０ 注目する領域
１１２ 加工物
１１４ 真空チャンバ
１１６ ステージ
３００ セラミック・プラズマ・イオン・チャンバ
３０１ ＲＦ励起型プラズマ・イオン源
３０２ コイル
３０４ 開口電極
３０６ イオン・ビーム集束カラム
３０８ 集束イオン・ビーム
３０９ バルブ
３１０、３１２、３１４ 供給源
４００ クラスタ源
４０２ るつぼ
４０４ 供給源材料
４０８ 電源
４１０ 加熱コイル
４２０ ノズル
４２２ クラスタ
４３０ イオナイザ
４３２ 電子源
４３４ 電子
４３６ 電極
４４０ マス・フィルタ
４４２ クラスタのビーム
４５０ 加工物

Claims (24)

1. 加工物（１１２）を荷電粒子のビームで処理する方法であって、
   前記加工物（１１２）を真空チャンバ（１１４）内で位置決めするステップと、
   前記加工物の表面にガスを誘導するステップであって、前記ガスが前駆物質ガスまたはエッチング増強ガスを含むステップと、
   前記加工物を処理するために前記加工物の表面を、前記加工物にエネルギーを供給して前記加工物の表面において前記ガスの化学反応を誘起させる荷電粒子の集束ビームで照射するステップと、
   を含み、
   前記荷電粒子の集束ビームは、非反応性の原子または分子の荷電クラスタの集束ビーム（１０８）であることを特徴とする方法。
2. 前記荷電クラスタが、炭素、金、ビスマス、またはキセノンを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記荷電クラスタの集束ビーム（１０８）が、Ｃ₆₀、Ｃ₇₀、Ｃ₈₀、Ｃ₈₄、Ａｕ₃、Ｂｉ₃、またはＸｅ₄₀を含むクラスタを含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記荷電クラスタの集束ビーム（１０８）がフラーレンを含む、請求項３に記載の方法。
5. 前記化学反応が、前記前駆物質ガスを分解して前記加工物上に材料を堆積させることを含む、請求項１から４のいずれかに記載の方法。
6. 前記化学反応が、前記エッチング増強ガスを分解して前記加工物の表面をエッチングすることを含む、請求項１から５に記載の方法。
7. 前記ガスが、ＸｅＦ₂、Ｆ₂、Ｃｌ₂、Ｂｒ₂、Ｉ₂、過フッ化炭化水素、トリフルオロアセトアミド、トリフルオロ酢酸、トリクロロ酢酸、水、アンモニア、または酸素を含む、請求項６に記載の方法。
8. 前記ガスが、シラン化合物または有機金属化合物を含む前駆物質ガスを含み、前記加工物における前記化学反応が、前記前駆物質ガスを分解して前記加工物（１１２）上に堆積層を形成することを含む、請求項５に記載の方法。
9. 前記ガスが、テトラメチルオルトシラン（ＴＭＯＳ）、テトラエチルオルトシラン（ＴＥＯＳ）、テトラブトキシシラン（Ｓｉ（ＯＣ₄Ｈ₉））、ジメチル金アセチルアセトネート、タングステンヘキサカルボニル（Ｗ（ＣＯ）₆）、またはメチルシクロペンタジエニルトリメチル白金（Ｃ₉Ｈ₁₆Ｐｔ）を含む、請求項８に記載の方法。
10. 前記荷電クラスタの集束ビームで前記加工物を照射するステップが、プラズマ・イオン源（３０１）からの荷電クラスタの集束ビームで前記加工物を照射するステップを含む、請求項１から９のいずれかに記載の方法。
11. 前記プラズマ・イオン源が誘導結合プラズマ・イオン源である、請求項１０に記載の方法。
12. 前記荷電クラスタの集束ビームで前記加工物を照射するステップが、蒸発クラスタ源（４００）からの荷電クラスタの集束ビームで前記加工物を照射するステップを含む、請求項１から９のいずれかに記載の方法。
13. 前記堆積層が、前記荷電クラスタが形成される材料を含む、請求項５、８、９のいずれかに記載の方法。
14. 前記荷電クラスタのビーム（１０８）を形成するクラスタが０．１未満の原子当たりの電荷比を有する、請求項１から１３のいずれかに記載の方法。
15. 前記原子当たりの電荷比が０．０１未満である、請求項１４に記載の方法。
16. 加工物（１１２）を荷電粒子のビームで処理する方法であって、
    前記加工物（１１２）を真空チャンバ（１１４）内で位置決めするステップと、
    前記加工物の表面を非反応性の荷電クラスタの集束ビームで照射するステップであって、前記クラスタ中の材料が前記加工物の表面に堆積し保護層を形成するステップと、
    前記保護層によって覆われた前記加工物の表面の一部分に荷電粒子の集束ビームを誘導して前記加工物をエッチングするステップであって、前記荷電粒子の集束ビームはイオン化された原子または電子を含んでいるステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
17. 前記クラスタ中の材料が、炭素を含むことを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
18. 加工物（１１２）を処理するための荷電粒子装置であって、
    真空チャンバ（１１４）と、
    前記真空チャンバ内で前記加工物を加工物位置（１１０）に支持するための加工物支持体（１１６）と、
    非反応性の原子または分子の荷電クラスタの集束ビームを生成するための第１の荷電粒子源と、
    イオンまたは電子の集束ビームを生成するための第２の荷電粒子源と、
    を備え、前記第１の荷電粒子源からのビームおよび前記第２の荷電粒子源からのビームによって前記加工物を処理することを特徴とする装置。
19. 前記荷電クラスタのビームによって活性化して材料を堆積する前駆物質ガスを前記加工物位置（１１０）に導くためのガス注入システム（１０４）をさらに備える、請求項１８に記載の装置。
20. 前記荷電クラスタのビームによって活性化して材料をエッチングするエッチング増強ガスを前記加工物位置（１１０）に導くためのガス注入システム（１０４）をさらに備える、請求項１８に記載の装置。
21. 前記第１の荷電粒子源がプラズマ・イオン源（３０１）を含む、請求項１８から２０のいずれかに記載の装置。
22. 前記プラズマ・イオン源が誘導結合プラズマ・イオン源（３０１）である、請求項２１に記載の装置。
23. 前記第１の荷電粒子源が蒸発クラスタ・イオン源（４００）を含む、請求項１８から２０のいずれかに記載の装置。
24. 前記第１の荷電粒子源が、フラーレン、ビスマス、金、またはキセノンを含むクラスタを生成する、請求項１８から２３のいずれかに記載の装置。

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