[go: up one dir, main page]

WO2008054014A1 - Procédé de planarisation de surface solide par faisceau ionique à agglomérat gazeux et appareil de planarisation de surface solide - Google Patents

Procédé de planarisation de surface solide par faisceau ionique à agglomérat gazeux et appareil de planarisation de surface solide Download PDF

Info

Publication number
WO2008054014A1
WO2008054014A1 PCT/JP2007/071460 JP2007071460W WO2008054014A1 WO 2008054014 A1 WO2008054014 A1 WO 2008054014A1 JP 2007071460 W JP2007071460 W JP 2007071460W WO 2008054014 A1 WO2008054014 A1 WO 2008054014A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
irradiation
solid surface
angle
gas cluster
ion beam
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2007/071460
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Akiko Suzuki
Akinobu Sato
Emmanuel Bourelle
Jiro Matsuo
Toshio Seki
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Kyoto University NUC
Original Assignee
Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Kyoto University NUC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Japan Aviation Electronics Industry Ltd, Kyoto University NUC filed Critical Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Priority to EP07831193A priority Critical patent/EP2079104A4/en
Priority to CN2007800408945A priority patent/CN101548366B/zh
Priority to JP2008542207A priority patent/JP5231238B2/ja
Priority to US12/312,203 priority patent/US8481981B2/en
Publication of WO2008054014A1 publication Critical patent/WO2008054014A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H10P50/242—
    • H10P50/00—
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/30—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26
    • H01L21/302—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26 to change their surface-physical characteristics or shape, e.g. etching, polishing, cutting
    • H01L21/306—Chemical or electrical treatment, e.g. electrolytic etching
    • H01L21/3065—Plasma etching; Reactive-ion etching
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/06—Sources
    • H01J2237/08—Ion sources
    • H01J2237/0812—Ionized cluster beam [ICB] sources
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/20—Positioning, supporting, modifying or maintaining the physical state of objects being observed or treated
    • H01J2237/202—Movement
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/30—Electron or ion beam tubes for processing objects
    • H01J2237/31—Processing objects on a macro-scale
    • H01J2237/3151—Etching

Definitions

  • Gas cluster A method for planarizing solid surfaces by r-on beams.
  • the present invention relates to a method and apparatus for planarizing a solid surface by irradiation with a gas cluster ion beam.
  • thin film stacks and sub-micrometer order patterns (less than 0.1 ⁇ m to less than lim) have a fine pattern structure. Made by processing the top.
  • semiconductor quantum devices are fabricated such that ultrafine particles and fine wires on the order of several nanometers called quantum dots and quantum wires are arranged on the substrate surface.
  • the size and surface roughness of the fine structures formed in these devices are important factors that affect the performance of the devices. Therefore, high processing accuracy is required to form a fine structure.
  • microstructures The precision of these microstructures is determined by the precision of processing techniques such as the film formation process and etching process. However, it is not easy to produce microstructures with processing accuracy of a few nanometers or less. In general, these devices manufactured through a film forming process or an etching process produce a large number of chips on the surface of the wafer, but it is difficult to produce a uniform fine structure on the entire surface of the wafer. Therefore, in order to solve such problems, a process (for example, a surface flattening process) for improving the structural accuracy is performed as a post-process on the fine structure once manufactured.
  • a process for example, a surface flattening process
  • Patent Document 1 International Publication No. WO 2 0 0 5/0 3 1 8 3 8 shows that the side walls of a pattern structure are planarized by gas cluster beam irradiation. The technique is disclosed. Disclosure of the invention
  • the gas cluster ion beam is known to have a large spatter component in the direction parallel to the substrate, unlike the monomer ion beam. This phenomenon is called the lateral sputtering effect.
  • the lateral movement of the substrate surface atoms in the irradiated region is also noticeable by the irradiation of the gas cluster single ion beam, and the surface is flattened by the atomic movement phenomenon in the lateral direction.
  • vertical irradiation tends to cause surface flattening due to the lateral sputtering effect than oblique irradiation (see Reference 1).
  • Vertical irradiation is to irradiate at an irradiation angle of approximately 0 degrees with respect to the normal of the substrate surface.
  • the angle notation is represented by “°”.
  • the size of the beam is on the order of several millimeters.
  • the range of the flattening action exerted by one cluster due to the lateral sputtering effect is considered to be the same order as the size of the crater formed when one class hits the surface. It is known to have a size of nm (nanometer).
  • the conventional technology can reduce the surface roughness with a period of 10 nm or less by beam irradiation, or the surface roughness with a period of 1 mm or more by scanning the beam. In other words, the surface roughness of a period of several 1 O nm to l 0 0 m cannot be reduced.
  • Patent Document 1 shows that when a solid surface is irradiated with a gas class ion beam at an irradiation angle of 60 to 90 ° with respect to the normal of the solid surface, it is compared with substantially vertical irradiation. This technique is based on the knowledge that the solid surface is significantly flattened. This technique is used to planarize the side walls of the pattern structure.
  • the problem to be solved by the present invention is to reduce the surface roughness with a period of about 10 nm to l 0 0 _im existing on the solid surface by irradiation with a gas cluster ion beam.
  • the present invention provides a method and apparatus for flattening a solid surface. .
  • the solid surface flattening method using the gas cluster ion beam uses the angle formed by the normal of the solid surface and the gas cluster ion beam as the irradiation angle. Irradiate the solid surface with a gas cluster ion beam at an irradiation angle at which the distance (effective interaction distance) that interacts with the class Yuichi that collided with the particle begins to increase dramatically is the critical angle. Has an irradiation process.
  • the effective interaction distance is significantly longer than when the irradiation angle is less than the critical angle, and the interaction between Class Yui and solids is extensive. As a result, the solid surface is flattened.
  • the critical angle is assumed to be 70 °.
  • This specific angle is based on knowledge obtained from experimental results.
  • the irradiation process may include a process of performing on-beam irradiation while continuously changing the irradiation angle in an angular range greater than the critical angle, or the dose amount of the gas cluster ion beam. It is possible to include a process of irradiating a gas cluster ion beam while continuously changing the temperature, or to include a process of irradiating a gas cluster ion beam by combining these.
  • the surface of the solid surface is flattened according to the uneven shape.
  • the irradiation process includes a process of irradiating a gas class ion beam with a dose determined by referring to a database capable of determining a dose from at least a desired etching amount and irradiation angle. Also good.
  • the solid surface flattening device of the present invention is a method of solid surface.
  • the irradiation angle is the angle between the line and the gas cluster ion beam
  • the critical angle is the irradiation angle at which the distance between the solid and the cluster that collides with the solid interacts (the effective interaction distance) dramatically increases.
  • the solid surface flattening device of the present invention may be configured such that the irradiation angle setting means is capable of continuously changing the irradiation angle in an angle range equal to or greater than the critical angle.
  • a database capable of determining a dose amount from at least a desired etching amount and an irradiation angle is provided, and the gas class evening ion beam injection unit is configured to calculate a desired etching amount and an irradiation angle set by the irradiation angle setting unit.
  • the gas class evening ion beam may be ejected at a dose determined with reference to the above-mentioned overnight.
  • Figure 1 shows an atomic force microscope (AFM) image of SF 6 (sulfur hexafluoride) GCIB obliquely irradiated on the silicon substrate surface at an irradiation angle of 70 °.
  • AFM atomic force microscope
  • Fig. 2 is a graph showing the dependence of the effective interaction distance on the G C IB irradiation angle [vertical axis: effective interaction distance, horizontal axis: G C I B irradiation angle].
  • Fig. 3 is a definition diagram of irradiation angle and irradiation direction.
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship between the period of the line-and-space pattern structure and the surface roughness after irradiation with GCIB at an irradiation angle of 83 °.
  • FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a solid surface flattening apparatus 100 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6A is a side view showing the rotation mechanism (part 1) of the solid surface flattening device 100.
  • FIG. 6A is a side view showing the rotation mechanism (part 1) of the solid surface flattening device 100.
  • FIG. 6B is a plan view showing the rotation mechanism (part 1), the rotation mechanism (part 2), and the scanning mechanism of the solid surface flattening apparatus 100.
  • FIG. 7 is a flowchart showing the flattening processing procedure for the flattening target surface in the first embodiment. Is.
  • FIG. 8A is an atomic force microscope (AFM) image of the surface of the observation sample before GC IB irradiation in Example 1.
  • FIG. 8A is an atomic force microscope (AFM) image of the surface of the observation sample before GC IB irradiation in Example 1.
  • FIG. 8B is a diagram showing an uneven shape in the cross section of the white line portion shown in FIG. 8A.
  • FIG. 9 is a spectrum diagram obtained by performing Fourier transform on the uneven shape of the surface to be flattened before and after the SF 6 (sulfur hexafluoride) GC IB irradiation in Example 1 and Example 2.
  • FIG. 10 is a graph showing the irradiation dose (depending on the irradiation angle) of SF 6 (sulfur hexafluoride) GC IB necessary for etching the flattening target surface at 50 nm in Example 1.
  • FIG. 'Fig. 1A is an atomic force microscope (AFM) image of the observation sample surface after SF 6 (sulfur hexafluoride) GC IB irradiation in Example 1.
  • AFM atomic force microscope
  • FIG. 11B is a diagram showing an uneven shape in the cross section of the white line portion shown in FIG. 11A.
  • FIG. 12 is a graph showing the relationship between the irradiation angle and the surface roughness when the surface to be flattened is irradiated with SF 6 (sulfur hexafluoride) GC IB in Example 1.
  • FIG. 13 A is an atomic force microscope (AFM) image of the observation sample surface after irradiation with SF 6 (sulfur hexafluoride) GC IB in Example 2.
  • AFM atomic force microscope
  • FIG. 13B is a diagram showing an uneven shape in the cross section of the white line portion shown in FIG. 13A.
  • FIG. 14 is a graph showing the irradiation dose (irradiation angle dependence) of Ar (argon) GC IB necessary for etching the planarization target surface by 40 nm in Example 3.
  • FIG. 15 is a graph showing the relationship between the irradiation angle and the surface roughness when the surface to be flattened is irradiated with Ar (argon) GC IB in Example 3.
  • Ar argon
  • FIG. 16 is a flowchart showing a flattening process procedure for a flattening target surface in the fourth embodiment.
  • FIG. 17A is a schematic view of a chip having a line and space pattern structure formed on the surface of a silicon wafer.
  • Fig. 17B is the contour line of the distribution of the line width before GC I B irradiation (numbers indicate the line width in ⁇ m units).
  • Figure 1 7 C is the contour line of the distribution of line width after GC IB irradiation. It is displayed in m units. ) Best mode for carrying out the invention
  • the inventors of the present invention applied a gas cluster ion beam (hereinafter also referred to as “GCIB”) obliquely to the solid surface to be flattened, that is, the surface to be flattened,
  • GCIB gas cluster ion beam
  • the surface roughness of the period of about 10 nm to 100 m of the number of fine structures is reduced. This period of about 10 nm to 100 zm is also referred to as a “long period” compared to a short period of the order of 10 nm.
  • Figure 1 shows an atomic force microscope (AFM) image of SF 6 (sulfur hexafluoride) GCIB obliquely irradiated onto the silicon substrate surface at an irradiation angle of 70 °.
  • the arrow shown in Fig. 1 represents the irradiation direction perpendicularly projected onto the surface of the GCIB silicon substrate.
  • the definition of the irradiation angle in Fig. 1 is the angle between the normal of the silicon substrate surface and GCIB. .
  • the effective interaction distance is almost constant in the region where the irradiation angle is 20 ° to 70 °, and slightly smaller in the region where the irradiation angle is 20 ° or less to 70 ° or more.
  • the line-and-space pattern structure line (protruding part of the line-and-space pattern structure [corresponding to the convex part]) is the X-axis, the line depth direction is the ⁇ axis, and is perpendicular to the X and ⁇ axes.
  • the direction is the y-axis.
  • the irradiation angle 0 is the y-axis
  • the irradiation direction ⁇ is the angle between the X-axis and the projection irradiation direction perpendicularly projected on the line side of the GC IB. If the effective interaction distance is very small compared to the period of the line and space pattern, the shape of the line and space pattern structure is approximately similar and etching proceeds, and as a result, the surface roughness should not change. It is.
  • the effective interaction distance is about the same as or longer than the period of the line and space pattern, the effect of etching the line is )), And it also extends to the adjacent line, and it is thought that the phenomenon of the line being cut and filling the space occurs. As a result, it is expected that the shape of the line and space pattern structure will be flattened and the surface roughness will be reduced.
  • the line-and-space pattern structure has an artificial average surface roughness before GCIB irradiation, that is, a space, by making the ratio of lines and spaces the same at 1: 1 regardless of the period of the line-and-space pattern.
  • the average depth (which may be expressed as “average line height” because it is a line-and-space pattern structure) was fixed at about 15 nm.
  • Figure 4 shows the results of the verification experiment.
  • the period of the line-and-space pattern that is, the distance between a line and the line adjacent to this line is less than about 2 Hm
  • the surface roughness after GCIB irradiation is drastically reduced. I found out.
  • this value is considered to be greater than the effective interaction distance when the irradiation angle ⁇ is 80 °, and corresponds to the effective interaction distance when the irradiation angle 0 is 83 °. .
  • the effective interaction distance that is, the mass transfer distance in the lateral direction (a direction parallel to the surface to be flattened), specifically, is obtained. It has been found that it has grown dramatically, ranging from several 10 nm to several xm.
  • the mass transfer distance in the lateral direction is not limited to a few m, and can be even larger, depending on the combination of the solid surface state and the GCIB irradiation angle, up to 100 m. Is also possible.
  • the kinetic energy component in the vertical direction of the cluster decreases and the kinetic energy component in the lateral direction increases.
  • the atoms that exist in a direction roughly parallel to the solid surface (lateral direction) are only protrusions due to surface roughness, and the atomic density in the horizontal direction is much higher than that in the vertical direction. Becomes smaller. For this reason, the distance from when the obliquely incident cluster collides with the atoms (protrusions) that make up the solid and loses energy, on average, is longer than in the case of normal incidence.
  • the distance that one cluster can move the material on the solid surface laterally increases as the irradiation angle increases.
  • Fig. 2 it can be seen that in the direction parallel to the projection irradiation direction, there is an irradiation angle ⁇ where the effective interaction distance starts to increase dramatically, and the irradiation angle is 70 °.
  • the irradiation angle at which this effective interaction distance starts to increase dramatically is called the critical angle.
  • the dissociation process when the cluster collides with the solid surface is related to the mechanism in which the effective interaction distance dramatically increases at an irradiation angle ⁇ of 70 ° or more.
  • the critical angle of 70 ° is the angle at which the dissociated individual cluster constituent atoms (or molecules) are more likely to reflect when they enter the solid when they dissociate by colliding with the solid surface. It is thought that it corresponds to.
  • the irradiation angle S is greater than the critical angle, many of the clustered atoms (molecules) incident on the solid surface will reflect off the solid surface during the dissociation process.
  • the long-range interaction effect described above is a feature not found in monomer ion beams.
  • the G C I B injection means is configured as follows.
  • the source gas 9 is ejected from the nozzle 10 into the vacuum cluster generation chamber 11.
  • the cluster generation chamber 1 1 the gas molecules of the source gas 9 are aggregated and a class evening is generated.
  • the scale of the class evening is determined by the particle size distribution based on the gas pressure and temperature at the nozzle outlet 10 a and the size and shape of the nozzle 10.
  • the class evening generated in the cluster generation chamber 1 1 passes through the gap — 1 2 and is introduced into the ionization chamber 13 as a gas cluster beam.
  • the ionizer 14 is irradiated with an electron beam, for example, thermal electrons, and the neutral clusters are ionized.
  • This ionized gas cluster beam (G C I B) is accelerated by the accelerating electrode 15, further focused by the magnetic field concentrator 16, and incident on the spatter chamber 17.
  • a target 19 which is a solid subject to GCIB irradiation (for example, a silicon substrate), is fixed to the evening support 18 in the sputter chamber 17 via a rotating disk 41. It is attached.
  • the G C I B incident on the spatter room 17 is made a predetermined beam diameter by the aperture 21 and irradiated onto the surface of the target 19.
  • GCIB is neutralized by electron beam irradiation.
  • the solid surface flattening device 100 has an irradiation angle / direction setting means of the GCIB irradiation angle (corresponding to 0 in FIG. 3) and irradiation direction (corresponding to ⁇ in FIG. 3). Equipped with a tilt mechanism that can be changed.
  • the tilt mechanism is capable of continuously changing the irradiation angle in an angle range equal to or greater than the critical angle according to the shape data of the fine structure on the solid surface.
  • the tilt mechanism is realized by a rotating mechanism that can set or adjust the angle of the target support 18 so that the desired flattening can be performed if the shape data of the microstructure on the solid surface is given in advance. is doing.
  • the solid surface flattening apparatus 100 can set an irradiation angle and an irradiation direction ⁇ , and a reference plane for determining the irradiation angle 0 and the irradiation direction ⁇ .
  • the solid surface flattening apparatus 100 includes the following rotation mechanism (part 1) and rotation mechanism (part 2).
  • the rotating mechanism (part 1) has the following structure.
  • a shaft 41a protrudes from the target support 18 and a rotating disk 41 that can rotate about the shaft 41a is attached to the shaft 41a.
  • a target 19 is fixedly placed on the flat surface 4 1 b of the rotating disk 4 1.
  • a large number of meshing teeth are provided on the peripheral edge portion 4 1 c of the rotating disk 41, and these meshing teeth mesh with the teeth of the gear 4 3.
  • the gear 4 3 is rotated by the driving force of the motor 4 2, and this rotational motion is transmitted to the rotating disk 4 1.
  • the rotation of the evening target 1 9 fixedly mounted on the rotating disk 4 1 is realized.
  • the rotational motion of the rotating disk 41 is reflected in the irradiation direction ⁇ .
  • an angle detector (not shown) for detecting the rotation angle of the rotary disk 41, that is, the irradiation direction ⁇ , as a digital value is attached to the target support 18.
  • the rotation angle information detected by the angle detection unit is processed by the electric circuit unit 25 b, and the current detection angle (irradiation direction) is displayed in the current angle region 26 a of the display unit 26.
  • the rotation mechanism (part 2) has the following configuration.
  • a rotating shaft 21 is fixed to the target support 18, and the target support 18 can rotate around the center of the rotating shaft 21.
  • the rotating shaft 21 is rotatably supported by fixed plates 2 2 a and 2 2 b.
  • the rotation axis 2 1 is the center of the rotation axis of the gear 2 4 b.
  • the gear 2 4 b is in contact with the gear 2 4 b.
  • the gear 2 4 a rotates by the driving force of the motor 2 3, and this rotational motion is transmitted to the gear 2 4 b and the rotating shaft 21, and as a result, the target support 18 rotates. This rotational movement of the target support 18 is reflected in the irradiation angle 0.
  • An angle detection unit 25 a for detecting the irradiation angle ⁇ as a digital value is fixedly attached.
  • the rotation angle information detected by the angle detection unit 25 5 a is processed by the electrical circuit unit 25 b, and the current detection angle (irradiation angle) ⁇ e is displayed in the current angle region 2 6 a of the display unit 26. Is displayed.
  • the solid surface flattening device 100 is equipped with a scanning mechanism such as an XY stage so that the relative position of the evening gage 19 with respect to GCIB can be changed.
  • the fixed plates 2 2 a and 2 2 b are fixedly supported by the fixed plate support member 2 2 c, and the fixed plate support member 2 2 c and the first actuate 2 2 d are the first rods. 2 2 Connected via e.
  • the first actuate evening 2 2 d can push out and retract the first rod 2 2 e, and this action can change the position of the evening get support 18.
  • the position of the evening support 18 can be changed in the vertical direction of the drawing by the operation of the first actuator 22 d.
  • first actuate 2 2 d is fixedly supported by the second rod 2 2 g.
  • the first actuate 2 2 d and the second actuate 2 2 f are the second rod 2 2 g Connected via.
  • the second actuate 2 22 f can push out and retract the second rod 2 2 g, and this action changes the position of the first actuate 2 2 d.
  • the movable direction of the first rod 2 2 e and the movable direction of the second rod 2 2 g are substantially orthogonal to each other. In this way, a scanning mechanism like an XY stage is realized.
  • the action of the target support 18 can change the position of the target support 18 in the left-right direction of the paper surface by the operation of 2 f.
  • the position can be moved in the left-right direction.
  • the solid surface flattening device 100 is dosed based on various conditions such as the desired etching amount, the material of the evening get 19 and its etching rate, the gas type of GCIB, the acceleration energy, the irradiation angle 0, and the irradiation direction ⁇ . It has a database 30 that can determine the quantity.
  • the amount of dose at which the desired planarization is performed can be determined by referring to the database 30.
  • the irradiation angle is larger than 0 °, the projected area of the beam increases, so the effective dose (referred to as effective dose) is small even if the beam current of G C I B is the same.
  • Database 30 does not associate the effective dose amount with any combination of conditions such as irradiation angle ⁇ and irradiation direction ⁇ , but the irradiation area and beam of GCI ⁇ under vertical irradiation conditions.
  • a database in which the dose amount calculated from the current is associated may be used.
  • the setting unit 2 7 is operated to set the reference surface to the surface of the target support 18 and the shape data of the microstructure on the target surface, desired Enter and set the etching amount, target 19 material and etching rate, GCIB gas type, acceleration energy, irradiation angle ( ⁇ ⁇ ), and irradiation direction ( ⁇ ⁇ ).
  • “Evening get support surface” is displayed in the reference surface display area 26 b in the display unit 26, and the irradiation angle set with reference to the normal of this surface is displayed in the set angle area 26 c.
  • the control unit 2 8 drives the motor 2 3 and motor evening 4 2 via the drive unit 2 9, so that the current irradiation angle theta c and the current irradiation direction phi c reaches the set irradiation angle theta p and setting the irradiation direction phi p To control.
  • the control unit 28 determines an appropriate dose amount with reference to the database 30 based on the above conditions, and controls the GCIB injection means so that the GCIB irradiation of this dose amount is performed.
  • the control unit 28 has a CPU (Central Processing Unit) or a microprocessor.
  • the above-mentioned control and the like are realized by performing information processing of programs necessary for executing and controlling the solid surface flattening process such as various displays and motor driving as described above.
  • the solid surface flattening apparatus of the present invention is not intended to be limited to the configuration / mechanical system of the solid surface flattening apparatus 100 described above, and can be appropriately changed without departing from the spirit of the present invention. is there.
  • the irradiation angle setting means as described above may be added to a conventional trimming apparatus using GCI B.
  • the surface flattening process is also performed during the trimming process (in contrast, the long-period surface roughness may not be flattened), and the processing accuracy of the fine structure can be improved.
  • Ar gas cluster and SF 6 gas cluster were used as one kind of gas cluster.
  • an Ar gas cluster beam is generated by using Ar gas as a raw material and having a cluster of about 200 particles of Ar atoms aggregated, and the peak of the particle size distribution is generated.
  • the target 19 was irradiated with an acceleration voltage of.
  • SF 6 gas cluster SF 6 gas and He gas are used as raw materials, and an SF 6 gas class evening ion beam is generated with a cluster of about 500 aggregated SF 6 molecules having a peak particle size distribution.
  • the target 19 was irradiated with an acceleration voltage of 30 kV.
  • the following method was used as a method for producing a pattern structure on the silicon substrate as the target 19.
  • an electron beam resist was applied on the silicon substrate on which the thermal oxide film was formed, and a pattern structure was drawn on the resist by an electron beam drawing apparatus.
  • the thermal oxide film was etched by a reactive ion etching (RIE) apparatus using the resist pattern as a mask.
  • RIE reactive ion etching
  • the resist was removed, and silicon was dry etched using the thermal oxide film as a hard mask.
  • Ar ion milling was used as the dry etching method. In order to produce a vertical groove shape like a line and space pattern structure, etching was performed while appropriately changing the Ar ion irradiation angle during etching.
  • a flat silicon substrate sample without a line-and-space pattern structure was prepared as an observation sample.
  • a material other than silicon we prepared a sample for observation of a Cr thin film (thickness: 300 nm) deposited on a silicon substrate by the sputtering method. These observation sample surfaces were placed parallel to the line side of the line-and-space structure, and Ar ion milling and GCIB irradiation were performed. This enables an equivalent evaluation of the line side surface of the line-and-space pattern structure with the surface of the observation sample.
  • the morphologies on the side surfaces of the lines shown in the following examples are all obtained from measurements on observation samples.
  • the dose amount of GCIB shown in each example below is an input value to the solid surface flattening apparatus 100 (irradiation dose amount converted when incident at an irradiation angle of 0 °), and the irradiation angle is 0. If the angle is larger than 0 °, the projected area of the beam becomes large, so the effective dose is smaller than the device input value.
  • Example 1
  • the surface to be flattened in the pattern structure was flattened according to the processing procedure in the flowchart shown in Fig. 7. Note that flattening of the surface to be flattened is nothing but etching of the surface to be flattened from another viewpoint. In each embodiment, the pattern structure is trimmed (adjusted) by etching the surface to be flattened. In addition, the surface to be flattened was flattened.
  • the pattern structure (fine structure) of the get 19 was measured in advance with an atomic force microscope and the shape was obtained.
  • the amount of etching was calculated from the difference between the shape data and the desired pattern width, etc., so that the microstructure would have the desired design size.
  • the angle of the target support 18 in this state was determined as the irradiation angle S ⁇ irradiation direction angle.
  • the irradiation angle ⁇ is an angle of 70 ° or more, which is clarified in the present invention in order to remove (planarize) long-period surface roughness existing on the surface to be flattened. If not, other irradiation angles can be selected and can be selected according to the application (i.e., the surface flattening device 1 0 0 is used for purposes other than performing long period surface roughness flattening. Can also be used.)
  • the distribution of the line width of the line and space pattern structure on the silicon substrate surface was measured with an atomic force microscope. As a result, the half-value width of the distribution was within the design tolerance.
  • the force average value was 1.05 m, which was 50 nm larger than the design.
  • the uneven shape of the observation sample surface was observed with an atomic force microscope (AF).
  • AF atomic force microscope
  • the observation sample surface has a streak-like structure perpendicular to the projection irradiation direction of the Ar ion beam indicated by the arrow (that is, the depth direction of the line-and-space groove).
  • a characteristic striped concavo-convex shape extending was observed. Note that the AFM observation that the striped pattern is slanted in the AFM frame is part of a device for measuring the uneven period more accurately.
  • the striped pattern is formed by applying an Ar ion beam at an angle to the side of the line during Ar ion milling. It is thought that it was formed by irradiation.
  • the concavo-convex pattern had a relatively long period, and in addition, the concavo-convex pattern of this long period overlapped with a concavo-convex pattern with a shorter period. ( Figure 8B; see, for example, the oval box).
  • the irregularities of this cross section were subjected to a Fourier transform (FFT).
  • FFT Fourier transform
  • the line width was trimmed by irradiating the line side surface of the silicon substrate having the above-mentioned uneven shape with an SF 6 gas cluster single ion beam at various irradiation angles ⁇ .
  • the side surface of the line is the surface to be flattened.
  • An irradiation angle of 30 ° or more that can irradiate the side of the line was used.
  • the data shown in Fig. 10 stored in the database was used as the dose at each irradiation angle ⁇ required to bring the average value of the line width closer to the designed value of 1.0 im (however, Acceleration energy is 30 keV, and the cluster particle size distribution has a peak of 500.
  • the arrow shown in Fig. 11 A represents the direction of SF 6 (sulfur hexafluoride) GC IB projection irradiation.
  • the arrow shown in Fig. 1 3 A indicates the direction of SF 6 (sulfur hexafluoride) GC IB projection. It can be seen that the striped concaves and convexities that existed before the SF 6 gas cluster single ion beam irradiation were not removed.
  • Example 1 For the purpose of investigating whether or not the effect observed in Example 1 above is observed in the combination of other 'materials' and gas class Yui, a sample for observing a Cr film deposited on a silicon substrate is r Gas Class Yuichi ⁇ f
  • An on-beam irradiation experiment was conducted. First, as a result of using the same Ar ion milling conditions as in the case where the line and space pattern structure was etched on the silicon substrate surface in Example 1, the same striped structure was also observed in the sample for observation of the Cr film. Was observed.
  • the relationship between the irradiation angle ⁇ of the Ar gas cluster and ⁇ on-beam and the average surface roughness Ra was investigated.
  • the irradiation dose was determined from the relationship between the irradiation angle 0 and the dose required when etching the Cr film in the database at 50 nm (Fig. 14) (however, acceleration energy 30 keV, cluster This is the case when there are 2 200 peaks in one particle size distribution.
  • the pattern structure (fine structure) in each region (for example, a region in a chip unit) on the surface of the silicon wafer is measured with an atomic force microscope ⁇ I got it. Then, this shape data was mapped in each region on the surface of the silicon wafer to create a data map.
  • the irradiation angle, irradiation direction, and etching amount were calculated for each region so that the microstructure had the desired design size from the difference between the data map and the desired pattern width. Then, since the surface flattening process is collectively performed on the entire surface of the silicon wafer by scanning control, scanning is controlled so that the predetermined irradiation angle, irradiation direction, and etching amount obtained in the above calculation are obtained for each region.
  • the program was set.
  • the silicon wafer was placed on the target support 18 of the surface flattening apparatus 100, and this was used as a reference plane.
  • each chip on one surface of the silicon wafer was trimmed and the surface to be flattened of each chip was flattened.
  • the target support 18 corresponding to each position on the surface of the silicon wafer is observed in advance.
  • a sample was installed and Ar ion milling was performed under the same conditions.
  • a striped structure with a period of about 1 m was observed in all cases.
  • the extending direction and period of the stripes continuously changed from the center position of the silicon wafer toward the outer peripheral direction. That is, in the center of the silicon wafer, it is perpendicular to the depth direction of the groove (Fig.
  • the fringe period was about 800 nm.
  • the required dose of SF 6 gas cluster ion beam is 4.7 * 10 14 ion sZcm 2 at the center and 9.4 * 10 14 ions / cm 2 at the outer periphery, and the line width
  • the product was programmed so as to continuously change the irradiation dose corresponding to the distribution of contour lines.
  • the symbol * indicates multiplication.
  • the shape of the diffraction grating chip after GC IB irradiation was examined with an atomic force microscope over the entire surface of the silicon wafer.
  • the line width is the same at the outermost periphery of the silicon wafer.
  • the entire surface of the silicon wafer was 0.29 m, which was almost the same and equal to the design value (Fig. 17 C).
  • SF 6 gas class evening The average surface roughness of the line side before and after ion beam irradiation was equivalently evaluated by observing the observation sample with an atomic force microscope (AFM).
  • SF 6 Gas Class Yui ⁇ ⁇ The average surface roughness (R a) of the line side before on-beam irradiation depends on the position on the surface of the silicon wafer.
  • Example 1 it can be seen that when the GC IB irradiation angle 0 is 70 ° or more from the normal of the surface to be flattened, the average surface roughness of the surface to be flattened sharply decreases.
  • the significant reduction in average surface roughness is due to the removal of long-period irregularities (swells) of about 1 xm, and these long-period irregularities are removed at irradiation angles of 70 ° or more. It can be seen that the effect (long-range interaction effect) is significantly large.
  • the effect of removing irregularities of about 100 nm or less does not depend on the direction of irradiation, whereas in order to remove long-period undulations of about 1 m, the direction of undulation and the direction of irradiation are matched. It turns out that it is effective.
  • Example 3 it can be seen that the long-range interaction effect does not depend on the combination of the solid material and the gas class evening, and that the long-range interaction effect can be obtained at an irradiation angle of 70 ° or more.
  • the acceleration voltage was 30 kV.
  • the higher the acceleration voltage the larger the etching amount and the shorter the flattening time, but there are also cases where the surface roughness becomes rougher. Therefore, the acceleration voltage should be determined according to various conditions such as time and material required for the flattening process.
  • the apparatus conditions such as gas type, irradiation conditions, cluster size, and parameters are not particularly limited, and can be changed as appropriate.
  • Industrial profitability Since the present invention can improve the structural accuracy of a fine structure such as a semiconductor device by reducing the surface roughness of a long period (several 10 nm to l 0 im), a semiconductor device is an optical device. It can be used to improve the structural accuracy of three-dimensional structures such as molds for manufacturing semiconductor devices and optical devices, as well as improving the structural accuracy of fine structures. The invention's effect ⁇
  • the effective interaction distance is significantly longer than when the irradiation angle is less than the critical angle, and the cluster and solid
  • the solid surface is flattened by a wide range of interactions. Therefore, the solid surface roughness with a period of several 10 nm to 100 mm can be reduced by irradiation with a gas cluster ion beam.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Drying Of Semiconductors (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • ing And Chemical Polishing (AREA)

Description

明 細 書
ガスクラスタ rオンビームによる固体表面の平坦化方法
および固体表面平坦化装置 技術分野
本発明は、 ガスクラスターイオンビームの照射による固体表面の平坦化方法お よびその装置に関する。 背景技術
半導体デバイス、 電子デバイス、 フォトニック結晶などの光デバイスでは、 薄 膜の積層構造やサブマイクロメートルオーダ一 （0 . 1 ^ m〜l i m未満程度） の微細なパターン構造などが半導体ゥェ八一面上などを加工して作製される。 ま た、 半導体量子デバイスでは、 例えば量子ドットや量子ワイヤと呼ばれる数ナノ メートルオーダ一の超微粒子や細線が基板表面上に配列するように作製される。 これらのデバイスに形成された微細構造 （即ち、 薄膜構造、 パターン構造、 超微 粒子が配列したような凹凸構造など） の大きさや表面粗さはデバイスの性能を左 右する重要な因子である。 従って、 微細構造の形成には高い加工精度が要求され る。
これら微細構造の精度は、 成膜プロセスやエッチングプロセスなどの加工技術 の精度によって決まる。 しかし、 数ナノメートル以下の加工精度で微細構造を作 製することは容易ではない。 また一般的に、 成膜プロセスやエッチングプロセス などを経て作製されるこれらのデバイスでは、 ウェハ一表面上に多数のチップを 作製するが、 ウェハ一全面で均一な微細構造を作製するのは難しい。 そこで、 こ のような問題を解決するために、 一旦作製された微細構造に対して後処理として 構造精度を高めるための処理 （例えば表面平坦化処理） を施している。
このような平坦化処理技術の一例として、 国際公開番号 WO 2 0 0 5 / 0 3 1 8 3 8 (特許文献 1という） では、 パターン構造の側壁などをガスクラスターィ オンビーム照射によって平坦化する披術が開示されている。 発明の開示
ガスクラスターイオンビームは、 モノマーのイオンビームとは異なり、 基板と 平行な方向へのスパッ夕成分が大きいことが知られている。 この現象はラテラル スパッタリング効果と呼ばれている。 また、 ガスクラスタ一イオンビーム照射に よって照射領域の基板表面原子の横移動も顕著に起こり、 これらの横方向への原 子移動現象によって表面が平坦化される。 なお、 垂直照射の方が斜方照射よりも ラテラルスパッタリング効果による表面の平坦化が起こりやすいと報告されてい る （参考文献 1参照。 ） 。 垂直照射は、 基板表面の法線に対しておよそ 0度の照 射角度で照射することである。 以下、 角度表記は 「° 」 をもって表す。
(参考文献 1 ) N. Toyoda e t al. , Nuc l. Ins t r. And Meth. In Phys. Res. B 161-163 (2000) 980.
ところで、 従来市販されているガスクラスターイオンビーム装置では、 ビーム の大きさ （ビーム幅） は数ミリオーダ一である。 一方、 ラテラルスパッタリング 効果によって 1個のクラスターが及ぼす平坦化作用の範囲は、 1個のクラス夕一 が表面に衝突した場合に形成されるクレーターの大きさと同じオーダーであると 考えられ、 約 1 0 n m (ナノメートル） の大きさであることが知られている。 つまり、 従来技術では、 ビーム照射によって 1 0 n mオーダー以下の周期の表 面粗さ、 あるいはビームをスキャニングすることによって 1 mmオーダ一以上の 周期の表面粗さを低減することができるが、 その中間の領域、 すなわち数 1 O n m〜 l 0 0 m程度の周期の表面粗さを低減することができないという問題があ
Ό 7こ。
また、 上記特許文献 1に開示される技術は、 固体表面の法線に対して 6 0〜9 0 ° の照射角度で固体表面にガスクラス夕一イオンビームを照射すると、 略垂直 照射と比較して著しく固体表面の平坦化が起こるという知見に基づく技術である。 この技術はパターン構造の側壁の平坦化に利用される。
この技術は、 固体表面に存在する 1 0 n mオーダーの短周期の凹凸 （表面粗 さ） を平坦化できるものの、 それ以上の大きさ （数 1 0 n m〜 l 0 0 m程度） の長周期の凹凸 （表面粗さ） を平坦化することできるかどうかについては明らか ではなかった。 そこで、 本発明が解決しょうとする課題は、 上記の問題点に鑑み、 固体表面に 存在する数 1 0 n m〜l 0 0 _i m程度の周期の表面粗さをガスクラスターイオン ビームの照射によって低減する固体表面の平坦化方法およびその装置を提 する ことである。 .
上記課題を解決するために、 本発明のガスクラスタ一^ rオンビームによる固体 表面の平坦化方法は、 固体表面の法線とガスクラスターイオンビームとがなす角 度を照射角度とし、 固体とこの固体に衝突したクラス夕一とが相互作用する距離 (有効相互作用距離） が飛躍的な増大に転じる照射角度を臨界角として、 臨界角 以上の照射角度で固体表面に対してガスクラスターイオンビームを照射する照射 過程を有する。
.つまり、 照射角度を臨界角以上とすることで、 有効相互作用距離が照射角度を 臨界角未満にした場合に比して飛躍的に長くなり、 クラス夕一と固体との相互作 用が広範囲に及ぶことで固体表面の平坦化が行われる。
また、 上記臨界角は 7 0 ° であるとする。
この具体的角度は、 実験結果で得た知見に基づく。
また、 上記照射過程は、 照射角度を臨界角以上の角度範囲で連続的に変化させ ながらガスクラス夕一^ rオンビームの照射を行う過程を含むものであるとしても よいし、 ガスクラスターイオンビームのドーズ量を連続的に変化させながらガス クラスターイオンビームの照射を行う過程を含むものであるとしてもよいし、 こ れらを組み合わせてガスクラスターイオンビームの照射を行う過程を含むもので あるとしてもよい。
ガスクラスタ一^ Γオンビームのこのような照射によることで、 固体表面の表面 凹凸形状に応じた平坦化が行われる。
また、 上記照射過程は、 少なくとも所望のエッチング量および照射角度からド 一ズ量を決定可能なデータベースを参照して決定されたドーズ量でガスクラス夕 一イオンビームの照射を行う過程を含むものとしてもよい。
データベースを参照して決定されたドーズ量でガスクラスタ一^ rオンビームを 照射することで、 照射角度に応じた所望のエッチングを容易に達成できる。 上記課題を解決するために、 本発明の固体表面平坦化装置は、 固体表面の法 線とガスクラスタ一イオンビームとがなす角度を照射角度とし、 固体とこの固体 に衝突したクラスタ一とが相互作用する距離 （有効相互作用距離） が飛躍的な増 大に転じる照射角度を臨界角として、 ガスクラス夕一イオンビームを固体表面に 対して射出するガスクラスターイオンビーム射出手段と、 照射角度を臨界角以上 に設定可能な照射角度設定手段とを備える。
また、 本発明の固体表面平坦化装置は、 上記照射角度設定手段を、 照射角度を 臨界角以上の角度範囲で連続的に変化させることが可能なものとする構成でもよ い。
また、 少なくとも所望のエッチング量および照射角度からドーズ量を決定可能 なデータベースを備え、 上記ガスクラス夕一イオンビーム射出手段は、 所望のェ ツチング量および上記照射角度設定手段によって設定された照射角度から上記デ 一夕べ一スを参照して決定されたドーズ量でガスクラス夕一イオンビームを射出 するものであるとしてもよい。 図面の簡単な説明
図 1は、 照射角度を 7 0 ° にして、 S F 6 (六フッ化硫黄） の G C I Bをシリ コン基板表面に斜方照射した場合の原子間力顕微鏡 （A F M) 像である。
図 2は、 有効相互作用距離の G C I B照射角度依存性を示すグラフ 〔縦軸：有 効相互作用距離、 横軸： G C I B照射角度〕 である。
図 3は、 照射角度 ·照射方角の定義図である。
図 4は、 ラインアンドスペースパターン構造の周期と照射角度 8 3 ° で G C I Bを照射した後の表面粗さとの関係を示すグラフである。
図 5は、 本発明の一実施形態である固体表面平坦化装置 1 0 0の構成を示す図 である。
図 6 Aは、 固体表面平坦化装置 1 0 0の回転機構 （その 1 ) を示す側面図であ る。
図 6 Bは、 固体表面平坦化装置 1 0 0の回転機構 （その 1 ) 、 回転機構 （その 2 ) 、 スキャニング機構を示す平面図である。
図 7は、 実施例 1において平坦化対象面の平坦化処理手順を示すフローチヤ一 トである。
図 8Aは、 実施例 1において、 GC I B照射前の観察用サンプル表面の原子間 力顕微鏡 （AFM) 像である。
図 8 Bは、 図 8 Aに示す白線部分の断面における凸凹形状を示す図である。 図 9は、 実施例 1および実施例 2における S F6 (六フ'ッ化硫黄） GC I B照 射前後の平坦化対象面の凸凹形状をフーリエ変換したスぺクトル図である。
図 1 0は、 実施例 1において、 平坦化対象面を 5 0 nmエッチングするために 必要な S F6 (六フッ化硫黄） GC I Bの照射ドーズ量 （照射角度依存） を示す グラフである。 ' 図 1 1Aは、 実施例 1において、 S F6 (六フッ化硫黄） GC I B照射後の観 察用サンプル表面の原子間力顕微鏡 （AFM) 像である。
図 1 1 Bは、 図 1 1 Aに示す白線部分の断面における凸凹形状を示す図である。 図 1 2は、 実施例 1において、 平坦化対象面に S F6 (六フッ化硫黄） GC I Bを照射した場合の照射角度と表面粗さとの関係を示すグラフである。
図 1 3 Aは、 実施例 2において、 S F6 (六フッ化硫黄) GC I B照射後の観 察用サンプル表面の原子間力顕微鏡 （AFM) 像である。
図 1 3 Bは、 図 1 3 Aに示す白線部分の断面における凸凹形状を示す図である。 図 14は、 実施例 3において、 平坦化対象面を 40 nmエッチングするために 必要な Ar (アルゴン) GC I Bの照射ドーズ量 （照射角度依存） を示すグラフ である。
図 1 5は、 実施例 3において、 平坦化対象面に A r (アルゴン） GC I Bを照 射した場合の照射角度と表面粗さとの関係を示すグラフである。
図 1 6は、 実施例 4において平坦化対象面の平坦化処理手順を示すフローチヤ 一卜である。
図 1 7Aは、 ラインアンドスペースパターン構造を有するチップがシリコンゥ ェハー表面上に形成されている様子を模式した図である。
図 1 7 Bは、 GC I B照射前のライン幅の分布の等高線 （数字はライン幅を^ m単位で表示したものである。 ） 。
図 1 7 Cは、 GC I B照射後のライン幅の分布の等高線 （数字はライン幅を X m単位で表示したものである。 ） 。 ， 発明を実施するための最良の形態
実施形態の説明に先立ち、 本発明の平坦化原理について概説する。
本発明者らは、 実験結果に基づき、 ガスクラスターイオンビーム （以下、 「G C I B」 ともいう。 ） を平坦化の対象となる固体表面、 即ち平坦化対象面に対し て斜方照射すると、 固体とクラス夕一との相互作用距離が数 1 O n m〜数 mに も及ぶとの新たな知見を得た。 上記斜方照射における照射角度の詳細は後述する。 この知見に基づき、 微細構造の数 1 0 n m〜 1 0 0 m程度の周期の表面粗さを 低減する。 この数 1 0 n m〜 1 0 0 z m程度の周期を、 1 0 n mオーダーの短周 期に比較して 「長周期」 とも云うことにする。
まず、 数 1 0 n m〜数^ mにも及ぶ長距離相互作用距離とそのメカニズムにつ いて説明する。
図 1に、 照射角度を 7 0 ° にして、 S F 6 (六フッ化硫黄） の G C I Bをシリ コン基板表面に斜方照射した場合の原子間力顕微鏡 （A F M) 像を示す。 図 1に 示す矢印は、 G C I Bのシリコン基板表面に垂直投影した照射方向を表す。 なお、 図 1での照射角度の定義は、 シリコン基板表面の法線と G C I Bとがなす角度で ある。 .
照射角度 6 0 ° 以上の角度で斜方照射したシリコン基板表面を観察したところ、 上記参考文献 1で明らかにされ,ているように、 G C I Bの照射方向に尾を引くよ うな筋状の構造が形成されていた。 この筋状の構造を詳しく観察したところ、 長 さが同じオーダーで方向のそろった筋が多数集まって形成されていることがわか つた。 この筋が個々のクラスターが固体表面と相互作用を行った結果形成される ものであるとすると、 筋の長さがクラスターの及ぼす相互作用の距離 （以下、 「有効相互作用距離」 という。 ） を表しているものと推測される。
そこで、 A F M像をフーリエ変換することによって、 有効相互作用距離がどの 程度のものであるのかを広い角度範囲で調べた。 フーリエ変換は G C I Bの固体 表面に垂直投影した照射方向 （投影照射方向） と、 固体表面内でその方向と垂直 な方向の 2つの方向について行った。 この結果を図 2に示す。 図 2に明らかなとおり、 投影照射方向に平行な方向では、 照射角度が大きくに なるにつれて有効相互作用距離が大きくなつている。 特に、 照射角度が 70° 以 上では、 飛躍的に有効相互作用距離が増大し、 照射角度が 80° では、 この有効 相互作用距離は 1 ^mにも及ぶ。 8 0° 以上の照射角度では、 表面平坦化効果に よって筋状構造が明確に観測できなくなることから、 図 2にデータとして示すこ とはできなかった。 しかし、 照射角度の増大とともに有効相互作用距離はさらに 大きくなつていると推測される。
一方、 投影照射方向と垂直な方向においては、 有効相互作用距離は、 照射角度 が 20° から 70 ° の領域でほぼ一定であり、 照射角度が 20 ° 以下ないし 7 0 ° 以上の領域でやや小さくなる傾向が見られたものの、 0 ° 〜90 ° 全般で顕 著な照射角度依存性は見られなかった。
このことから、 GC I Bの照射方向にのみクラスターが長距離に亘つて固体表 面と相互作用を起こすことが示唆される。
そこで、 照射角度が 8 3° の場合に、 実際に有効相互作用距離がマイクロメ一 トルオーダーに及ぶのかどうかを検証するための検証実験を行った。 この検証実 験では、 シリコン基板表面に種々のパターン周期を有するラインアンドスペース パターン構造を作製し、 これを人工的な表面粗さと看做し、 この人工的な表面粗 さが GC I Bとの相互作用でどのように変化するのかを調べた。 なお、 ここでの 照射角度はシリコン基板の板面の法線に対して 8 3° であり、 図 3に示す角度定 義に基づくと θ = 7 ° 、 ψ= 90° である。
図 3の照射角度等の定義を説明する。
ラインアンドスペースパターン構造のライン （ラインアンドスペースパターン 構造の突起部分 〔凸部に相当〕 ） の延伸方向を X軸とし、 ラインの深さ方向を ζ 軸とし、 この X軸および ζ軸に直交する方向を y軸とする。 そしてライン側面 (つまり、 ラインの深さ方向の壁面である。 ） に於いて、 照射角度 0は、 y軸
(ライン側面の法線） と GC I Bとがなす角度とする。 なお、 この照射角度 Θは、 GC I Bのライン側面に垂直投影した投影照射方向と GC I Bとがなす角度に対 して余角である。 また、 照射方角 Φは、 GC I Bのライン側面に垂直投影した投 影照射方向と X軸とがなす角とする。 もし、 有効相互作用距離がラインアンドスペースパターンの周期と比較して非 常に小さければ、 ラインアンドスペースパターン構造の形状は、 凡そ相似形状で エッチングが進行し、 結果的に表面粗さは変化しないはずである。 一方、 有効相 互作用距離がラインアンドスペースパターンの周期と同程度ないしそれ以上にな ると、 ラインをエッチングする効果が、 それに隣接するスペース （ラインアンド スペースパターン構造の溝状部分 〔凹部に相当〕 ） や、 さらにその隣接のライン にも及ぶようになり、 ラインが削れてスペースを埋める現象が起こるものと考え られる。 その結果、 ラインアンドスペースパターン構造の形状が平坦化され、 表 面粗さが小さくなるものと予想される。
ここで、 ラインアンドスペースパターン構造は、 ラインアンドスペースパター ンの周期によらずラインとスペースの比を 1 ： 1で同一とすることによって、 G C I B照射前の人工的な平均表面粗さ、 即ちスペースの平均深さ （ラインアンド スペースパターン構造であるから、 「ラインの平均高さ」 と表現してもよい。 ） を約 1 5 n mで一定にした。
検証実験の結果を図 4に示す。 図 4に明らかなとおり、 ラインアンドスペース パターンの周期、 つまり或るラインとこのラインの隣のラインとの間隔が約 2 H mより小さくなると飛躍的に G C I B照射後の表面粗さが小さくなつていること がわかった。 この値は、 図 2において、 照射角度 Θが 8 0 ° の場合の有効相互作 用距離よりも大きく、 照射角度 0が 8 3 ° の場合の有効相互作用距離に相当して いるものと考えられる。
従って、 斜方照射で惹起される長距離の相互作用効果によって、 周期の長い表 面粗さが平坦化されることが実験的に明らかになった。
以上のように、 平坦化対象面に対して G C I Bを斜方照射すると、 有効相互作 用距離、 つまり具体的には横方向 （平坦化対象面と凡そ平行な方向） への物質移 動距離が飛躍的に大きくなり、 数 1 0 n m〜数 x mの範囲に及ぶとの知見を得た。 さらに、 以下に述べるメカニズムに基づけば、 横方向への物質移動距離は数^ m に留まらず、 固体表面の状態と G C I Bの照射角度との組合せによっては、 さら に大きく 1 0 0 mに及ぶことも可能であると考えられる。
この知見は、 従来は困難であった表面粗さの周期が数 1 0 n m〜l 0 0 mに 及ぶ長周期の表面粗さを除去することができることを示す。
G C I Bを平坦化対象面に対して斜方照射すると物質の横移動距離が照射角度 の増大と共に大きくなるメカニズムとしては、 次のように考えられる。
照射角度 Θが大きくなると、 クラスタ一の垂直方向 （平坦化対象面と凡そ垂直 な方向） への運動エネルギー成分は小さくなり、 横方向への運動エネルギー成分 が大きくなつてくる。 また、 垂直方向の固体の原子密度と比較して、 固体表面と 凡そ平行な方向 （横方向） に存在する原子は表面ラフネスによる突起部分のみと なり、 横方向の原子密度は垂直方向よりもはるかに小さくなる。 このため、 斜方 入射したクラスターが固体を構成する原子 （突起） に衝突してエネルギーを失う までの距離は、 平均すると垂直入射の場合よりも長くなる。
さらに、 クラス夕一が突起に衝突するとその先端を削ったり先端の物質を近傍 の表面凹部分に移動させたりする。 このスパッ夕されたり横移動される原子にと つても、 横方向への移動を妨げる他の突起の密度が小さいために、 より横方向へ の移動が起こりやすくなる。
これらの効果によって、 照射角度が大きくなるにつれて、 ひとつのクラスター が固体表面の物質を横移動させることができる距離、 つまり有効相互作用距離が 長くなるものと考えられる。
図 2によれば、 投影照射方向に平行な方向では、 有効相互作用距離が飛躍的な 増大に転じる照射角度 Θが存在し、 その照射角度が 7 0 ° であることがわかる。 この有効相互作用距離が飛躍的な増大に転じる照射角度を臨界角ということにす る。
7 0 ° 以上の照射角度 Θで飛躍的に有効相互作用距離が長くなるメカニズムと しては、 クラスターが固体表面と衝突する際の解離過程が関係していると考えら れる。 即ち、 7 0 ° という臨界角は、 クラス夕一が固体表面と衝突して解離する 際に、 解離した個々のクラスター構成原子 （あるいは分子） が固体内部へ侵入す るよりも反射しやすくなる角度に相当していると考えられる。
そこで照射角度 Sが臨界角以上となると、 固体表面に入射したクラスター構成 原子 （分子） の多くが解離過程で固体表面に対し反射するようになる。 また照射 角度 0が大きくなればなるほど、 固体表面に入射したクラス夕一構成原子 （分 子） の多くが固体表面に対してより平行に反射するようになり、 照射角度 Θの増 大と共に有効相互作用距離が非常に増大すると考えられる。 この臨界角はクラス ターの結合状態で決まると考えられるため、 分子結合しているクラスターの場合 にはガス種、 加速電圧、 イオン化条件などのパラメ一夕には依存しないと推測さ れる。
なお、 以上に説明した長距離相互作用効果はモノマーのイオンビームにはない 特徴である。
以下、 本発明の一実施形態および実施例を説明する。 まず、 図 5を参照して、 本発明の固体表面の平坦化方法を実現する固体表面平坦化装置 1 0 0の構成 ·機 能を説明する。
G C I B射出手段は次のように構成される。 原料ガス 9がノズル 1 0から真空 のクラスター生成室 1 1内に噴出させられる。 クラスター生成室 1 1内にて原料 ガス 9のガス分子が凝集させられクラス夕一が生成する。 クラス夕一の規模は、 ノズル吐出口 1 0 aでのガス圧力や温度、 ノズル 1 0の大きさや形状に基づく粒 度分布で決定される。 クラスター生成室 1 1で生成されたクラス夕一は、 スキマ — 1 2を通過してガスクラスタービームとしてイオン化室 1 3へ導入される。 ィ オン化室 1 3ではイオンナイザ 1 4による電子線、 例えば熱電子の照射が行われ、 中性クラスターをイオン化する。 このイオン化されたガスクラスタービーム ( G C I B ) は、 加速電極 1 5によって加速され、 さらに、 磁界集束器 1 6によって 集束されてスパッ夕室 1 7に入射する。 スパッタ室 1 7内に設けられた夕一ゲッ ト支持体 1 8には回転ディスク 4 1を介して G C I B照射対象の固体 （例えばシ リコン基板などである。 ） であるターゲット 1 9が固定して取り付けられている。 スパッ夕室 1 7に入射された G C I Bは、 ァパチヤ一 2 1によって所定のビーム 径とされてターゲット 1 9の表面に照射される。 なお、 電気的絶縁体のターゲッ ト 1 9の表面を平坦化する場合などには、 G C I Bを電子線照射によって中性化 する。
さらに、 固体表面平坦化装置 1 0 0には、 照射角度 ·方角設定手段として、 G C I Bの照射角度 （図 3の 0に相当する。 ) および照射方角 （図 3の φに相当す る。 ） を変化させることのできるあおり機構が装備されている。 本実施形態では、 このあおり機構は、 固体表面上の微細構造の形状データに応 じて、 照射角度を臨界角以上の角度範囲で連続的に変化させることが可能なもの とする。 つまり、 あおり機構は、 予め固体表面上の微細構造の形状データが与え られると、 所望の平坦化が行われるようにターゲット支持体 1 8の角度を設定な いし調整することができる回転機構で実現している。
その際、 平坦化対象面の形状データ （表面粗さの周期やその方向など） に基づ いて、 照射角度 Θおよび照射方角 Φを独立に設定する必要がある。 なお、 固体表 面平坦化装置 1 0 0は、 照射角度 および照射方角 φ、 並びに照射角度 0および 照射方角 Φを決定するための基準面を設定できるものとなっている。
例えば図 6 Αおよび図 6 Βに示すように、 固体表面平坦化装置 1 0 0は次のよ うな回転機構 （その 1 ) および回転機構 （その 2 ) を具備している。
回転機構 （その 1 ) は、 次のような構成になっている。 ターゲット支持体 1 8 には、 軸 4 1 aが突出して設けられており、 この軸 4 1 aには、 軸 4 1 a中心で 回転可能な回動ディスク 4 1が取り付けられている。 回転ディスク 4 1の平面部 4 1 bにはターゲット 1 9が固定して載置される。 また、 回転ディスク 4 1の周 縁部 4 1 cには嚙み合い歯が多数設けられており、 この嚙み合い歯は、 ギア 4 3 の歯と嚙み合っている。 ギア 4 3はモー夕 4 2の駆動力によって回転運動をし、 この回転運動が回転ディスク 4 1に伝達し、 結果、 回転ディスク 4 1に固定載置 された夕ーゲット 1 9の回転が実現する。 回転ディスク 4 1の回転運動は、 照射 方角 ψに反映される。
ところで、 ターゲット支持体 1 8には、 回転ディスク 4 1の回転角度、 つまり 照射方角 Φをディジタル値として検出する角度検出部 （図示しない。 ） が取り付 けられている。 この角度検出部で検出された回転角度情報は、 電気回路部 2 5 b で情報処理され、 現在の検出角度 （照射方角） が表示部 2 6の現在角度領域 2 6 aに表示される。
また、 回転機構 （その 2 ) は、 次のような構成になっている。 ターゲット支持 体 1 8には回転軸 2 1が固着されており、 ターゲット支持体 1 8は回転軸 2 1中 心で回転可能となっている。 そして、 回転軸 2 1は、 固定板 2 2 a、 2 2 bによ つて回転可能に支持されている。 また、 回転軸 2 1は、 ギア 2 4 bの回転軸中心 に固着されており、 ギア 2 4 bにはギア 2 4 aが嚙み合っている。 ギア 2 4 aは モータ 2 3の駆動力によって回転運動をし、 この回転運動がギア 2 4 b、 回転軸 2 1に伝達し、 結果、 ターゲット支持体 1 8の回転が実現する。 ターゲット支持 体 1 8のこの回転運動は、 照射角度 0に反映される。
ところで、 固定板 2 2 aには、 回転軸 2 1の回転角度からターゲット支持体 1 8の回転角度、 つまり夕一ゲット支持体 1 8に取り付けられたターゲット 1 9の 平坦化対象面に対する G C I Bの照射角度 Θをディジタル値として検出する角度 検出部 2 5 aが固定して取り付けられている。 角度検出部 2 5 aで検出された回 転角度情報は、 電気回路部 2 5 bで情報処理され、 現在の検出角度 （照射角度） Θ eが表示部 2 6の現在角度領域 2 6 aに表示される。
また、 固体表面平坦化装置 1 0 0は、 G C I Bに対する夕一ゲッ卜 1 9の相対 位置を変化させられるように、 例えば X Yステージのようなスキャニング機構を 装備している。
例えば、 固定板 2 2 a、 2 2 bは、 固定板支持部材 2 2 cに固着支持されると し、 この固定板支持部材 2 2 cと第 1ァクチユエ一夕 2 2 dとは第 1ロッド 2 2 eを介して接続されている。 第 1ァクチユエ一夕 2 2 dは、 第 1ロッド 2 2 eを 押し出し ·引き込みすることが可能であり、 この作用によって夕一ゲット支持体 1 8の位置を変化させることができる。 例えば図 6 Bに図示する固体表面平坦化 装置 1 0 0では、 第 1ァクチユエ一タ 2 2 dの作動によって紙面の上下方向に夕 —ゲット支持体 1 8を位置変化させることができる。
また、 第 1ァクチユエ一夕 2 2 dは、 第 2ロッド 2 2 gに固着支持されており、 第 1ァクチユエ一夕 2 2 dと第 2ァクチユエ一夕 2 2 f とは第 2ロッド 2 2 gを 介して接続されている。 第 2ァクチユエ一夕 2 2 f は、 第 2ロッド 2 2 gを押し 出し ·引き込みすることが可能であり、 この作用によって第 1ァクチユエ一夕 2 2 dの位置が変化する。 この結果、 第 1ロッド 2 2 eなどを介して第 1ァクチュ エー夕 2 2 dに接続しているターゲット支持体 1 8の位置を変化させることがで きる。 なお、 第 1ロッド 2 2 eの可動方向と第 2ロッド 2 2 gの可動方向とは略 直交する関係としている。 このようにして、 X Yステージのようなスキャニング 機構が実現する。 例えば、 図 6 Bに図示する固体表面平坦化装置 1 0 0では、 第 2ァクチユエ一夕 2 2 f の作動によって紙面の左右方向にターゲット支持体 1 8 を位置変化させることができ、 上記第 1ァクチユエ一夕 2 2 dの作動と相まって、 ターゲット支持体 1 8は紙面上下左右方向に位置を移動することができる。
さらに、 固体表面平坦化装置 1 0 0は、 所望のエッチング量、 夕一ゲット 1 9 の材質とそのエッチング率、 G C I Bのガス種、 加速エネルギー、 照射角度 0、 照射方角 Φなどの諸条件からドーズ量を決定可能なデータベース 3 0を具備して いる。
予めターゲット表面上の微細構造の形状データおよび上記諸条件が与えられる と、 データベース 3 0を参照することで、 所望の平坦化が行われるド一ズ量を決 定することができる。 なお、 照射角度が 0 ° よりも大きい場合はビームの投影面 積が大きくなるため、 実効的なドーズ量 （実効ドーズ量という。 ） は、 G C I B のビーム電流が同じであっても小さくなる。
データベース 3 0は、 あらゆる照射角度 θ、 照射方角 φなどの諸条件の組み合 わせに実効ドーズ量を対応付けたものとするのではなく、 垂直照射の条件におけ る照射面積と G C I Βのビーム電流から算出されるドーズ量を対応付けたデータ ベースとしておいてもよい。
図 6 Βに示す固体表面平坦化装置 1 0 0では、 設定部 2 7を操作して基準面を ターゲット支持体 1 8の面に設定するとともに、 ターゲット表面上の微細構造の 形状データ、 所望のエッチング量、 ターゲット 1 9の材質とそのエッチング率、 G C I Bのガス種、 加速エネルギー、 照射角度 （θ ρ ) 、 照射方角 （φ ρ) の諸 条件を入力して設定する。 表示部 2 6中の基準面表示領域 2 6 bには 「夕一ゲッ ト支持体面」 が表示され、 この面の法線を基準として設定された照射角度が設定 角度領域 2 6 cに表示される。
制御部 2 8は、 駆動部 2 9を通じてモータ 2 3およびモー夕 4 2を駆動し、 現 在照射角度 Θ cと現在照射方角 φ cが設定照射角度 θ pと設定照射方角 φ pになる ように制御する。 加えて制御部 2 8は、 上記諸条件に基づきデータベース 3 0を 参照して適切なドーズ量を決定し、 このドーズ量の G C I B照射が行われるよう に G C I B射出手段を制御する。
なお、 制御部 2 8は、 C P U (中央演算処理装置） あるいはマイクロプロセッ サなどを備えており、 前述した各種表示、 モータの駆動など、 固体表面平坦化処 理を実行制御するに必要なプログラムの情報処理を行なうことで、 上記制御等を 実現する。
本発明の固体表面平坦化装置は、 上述の固体表面平坦化装置 1 0 0の構成 ·機 構方式に限定する趣旨のものではなく、 発明の本旨を逸脱しない範囲で適宜に変 更等可能である。
例えば、 上記のような照射角度設定手段等を、 G C I Bによる従来のトリミン グ加工装置に付加するものでもよい。 この場合、 トリミング処理に際して表面平 坦化処理も行われ （逆に長周期の表面粗さを平坦化しないこともできる。 ） 、 微 細構造の加工精度を向上させることができるようになる。
次に実施例等について説明する。
下記各実施例では、 ガスクラスタ一の種類として A rガスクラスターと S F 6 ガスクラスターを用いた。 A rガスクラス夕一の場合は、 A rガスを原料とし、 A r原子が約 2 0 0 0個凝集したクラスターを粒度分布のピークとする A rガス クラスタービームを生成し、 3 0 k Vの加速電圧でターゲット 1 9に照射した。 S F 6ガスクラスターの場合は、 S F 6ガスおよび H eガスを原料とし、 S F 6分 子が約 5 0 0個凝集したクラスターを粒度分布のピークとする S F 6ガスクラス 夕一イオンビームを生成し、 3 0 k Vの加速電圧で加速して、 ターゲット 1 9に 照射した。
ターゲット 1 9であるシリコン基板上にパターン構造を作製する方法としては、 次の方法を用いた。 まず熱酸化膜を形成した前記シリコン基板上に電子線レジス トを塗布し、 電子線描画装置によってレジストにパターン構造を描画した。 レジ ストを現像後、 レジストパターンをマスクとして熱酸化膜を反応性イオンエッチ ング （R I E ) 装置でエッチングした。 次いでレジストを除去し、 熱酸化膜をハ ードマスクとして、 シリコンをドライエッチングした。 ドライエッチングの方法 としては、 A rイオンミリング法を用いた。 ラインアンドスペースパターン構造 のような垂直な溝形状を作製するため、 エッチング時に A rイオンの照射角度を 適宜変化させながらエッチングを行った。 その後、 熱酸化膜をアツシング装置に よって除去した。 また、 G C I B照射前後のライン側面のモフォロジーを調べるため、 観察用サ ンプルとしてラインアンドスペースパターン構造が形成されていない平板形状の シリコン基板サンプルを用意した。 シリコン以外の材料として、 シリコン基板上 にスパッ夕法で成膜した C r薄膜 （膜厚 3 0 0 n m) の観察用サンプルも用意し た。 これら観察用サンプル表面を、 ラインアンドスペース構造のライン側面と平 行になるように設置して、 A rイオンミリングおよび G C I B照射を行った。 こ のことによって、 観察用サンプルの表面をもってラインアンドスペースパターン 構造のライン側面の等価的評価ができる。 下記各実施例に示すライン側面のモフ ォ口ジーは、 全て観察用サンプルに対する測定から得られたものである。
なお、 下記各実施例において示す G C I Bのドーズ量は、 固体表面平坦化装置 1 0 0への入力値 （照射角度 0 ° で入射した場合に換算される照射ドーズ量） で あり、 照射角度が 0 ° よりも大きい場合はビームの投影面積が大きくなるため、 実効的なドーズ量は装置入力値よりも少なくなる。 実施例 1
図 7に示すフローチャートの処理手順に従ってパターン構造における平坦化対象 面の平坦化を行った。 なお、 平坦化対象面の平坦化は、 別の観点から云えば平坦 化対象面のエッチングに他ならず、 各実施例では平坦化対象面のエッチングを行 うことで、 パターン構造をトリミング （調整） すると共に平坦化対象面の平坦化 を実現した。
処理手順を説明する。
ステップ S 1
まず、 G C I 3照射前に予め夕一ゲット 1 9のパターン構造 （微細構造） を原 子間力顕微鏡などで測定し、 その形状デ一夕を取得した。
ステップ S 2
次に、 その形状データと所望のパターン幅などの値との差から、 微細構造が所 望の設計サイズになるようにエツチング量を計算した。
ステップ S 3
次に、 ターゲット 1 9を表面平坦化装置 1 0 0の夕ーゲット支持体 1 8に設置 し、 この状態のターゲット支持体 1 8の角度を照射角度 S ·照射方角めとして定 めた。
照射角度 Θは、 平坦化対象面に存在する長周期の表面粗さを除去 （平坦化） す るために本発明で明らかとされる 7 0 ° 以上の角度とするが、 平坦化を目的とし ない場合には他の照射角度を選ぶこともでき、 用途に応じて選ぶことができる (つまり、 表面平坦化装置 1 0 0は、 長周期の表面粗さの平坦化を実行する以外 の目的にも使用可能である。 ） 。
ステップ S 4
次いで、 所望のエッチング量、 ターゲット 1 9の材質とそのエッチング率、 G C I Bのガス種、 加速エネルギー、 照射角度 0、 照射方角 Φなどの諸条件を設定 し、 この諸条件を基にデータベース 3 0を参照してドーズ量を決定した。
ステップ S 5
続いて、 ガスクラス一イオンビーム照射処理を行った。 '
この結果、 夕一ゲット 1 9表面上のパターン構造がトリミングされるとともに、 平坦化対象面は平坦化された。
具体的な処理は下記のとおりである。
パターン構造として、 ライン幅 =スペース幅 = 1 . 0 m、 深さ 1 . O mの 設計でラインアンドスペースパターン構造をシリコン基板表面上に作製した。 シリコン基板表面上のラインアンドスペースパターン構造のライン幅の分布を 原子間力顕微鏡で測定した。 その結果、 分布の半値幅は設計許容範囲内であった 力 平均値は 1 . 0 5 mと、 設計よりも 5 0 n m大きかった。
次に A rイオンミリングによってできたラインアンドスペース構造のライン側 面のモフォロジ一を知るため、 観察用サンプル表面の凹凸形状を原子間力顕微鏡 (A F ) で観察した。 図 8 Aに示すように、 観察用サンプル表面には、 矢印で 示す A rイオンビームの投影照射方向 （即ち、 ラインアンドスペースの溝の深さ 方向） に対して垂直方向に筋状の構造が延びる特徴的な縞模様の凹凸形状が観察 された。 なお、 縞模様が A F Mフレーム内で斜めになるように A F M観察してい るのは、 凹凸周期をより正確に測定するための工夫の一環である。 縞模様の凹凸 形状は A rイオンミリングの際に A rイオンビームをライン側面に角度をつけて 照射したことによって形成されたと考えられる。 A FM像から得られた平均表面 粗さ R aは R a = 2. 9 0 nmであった。 さらに凹凸形状を白線 （図 8 A) で示 す断面で詳しく調べたところ、 凹凸には比較的長い周期があり、 加えてこの長周 期の凸凹に、 より短い周期の凹凸が重なっていることがわかった （図 8 B ;例え ば楕円囲み部分を参照。 ） 。 これらの凹凸形状の周期についてより詳しく分析す るため、 この断面の凹凸形状をフ一リエ変換 （F FT) した。 この結果、 1. 2 m付近にピークをもつ長周期の凹凸形状と、 それ以下の 1 0 0 nm程度から数 1 0 nm程度のより短い周期の凹凸形状が存在することがわかった （図 9) 。 以上のような凹凸形状を有するシリコン基板のライン側面に対し、 S F6ガス クラスタ一イオンビームを種々の照射角度 Θで照射し、 ライン幅のトリミングを 行った。 ここで、 このライン側面が平坦化対象面である。 ライン側面に照射可能 な 3 0 ° 以上の照射角度を用いた。 ライン幅の平均値を設計値の 1. 0 0 imに 近づけるために必要な各照射角度 Θにおけるドーズ量として、 データベースに保 存されている図 1 0に示すデ一夕を用いた （但し、 加速エネルギー 3 0 k e V、 クラスター粒度分布のピークが 5 0 0個の場合である。 ) 。 照射方角 は縞模様 の長周期の凹凸 （うねり） に対して垂直方向となる φ = 9 0 ° とした。
卜リミング後のライン幅を測定した結果、 いずれの照射角度 0においても平均 値で 1. 0 0 ± 0. 0 1 mの範囲内に入っていた。 また、 θ = 8 3 ° の場合の ライン側面の A FM象 （図 1 1 A) 、 および白線で示す断面の凹凸形状のグラフ (図 1 1 B) とその F FTスペクトル （図 9に示す φ = 9 0 ° の曲線） を調べた 結果、 GC I Β照射前に存在していた 1. 2 m近傍の長周期の凹凸のスぺクト ル強度とそれ以下の短周期の凹凸のスぺクトル強度が共に著しく減少していた。 図 1 1 Aに示す矢印は、 S F6 (六フッ化硫黄） GC I B投影照射方向を表す。 平均表面粗さ R aは R a = 0. 2 1 nmであり、 G C I B照射前に比して 1割以 下となって極めて平坦化された。 平均表面粗さの照射角度依存性を調べた結果、 照射角度 0 = 7 0 ° 近傍を境にそれ以下の角度では平均表面粗さが急激に減少し ていた （図 1 2) 。 実施例 2 照射方角 Ψ = 0 ° とした点を除いて、 実施例 1と同様の実験を行った。 照射方 角 φ = 0 ° の場合は、 A rイオンミリングによってライン側面に形成された縞模 様の縞と平行な方向に GC I Bを照射する場合に相当する （図 3の角度定義を参 照。 ） 。 照射角度 0 = 8 3 ° の場合で GC I B照射後のライン側面の A FM像を 図 1 3 Aに示す。 図 1 3 Aに示す矢印は S F6 (六フッ化硫黄） GC I B投影照 射方向を表す。 S F6ガスクラスタ一イオンビーム照射前に存在した縞模様の凹 凸が除去されていないことがわかる。 また白線 （図 1 3 A) で示す断面の凹凸形 状を詳しく観察すると、 GC I B照射前には長周期の凹凸上に重なって乗ってい た短い周期の凹凸が、 GC I B照射後には除去され滑らかなカーブになっている ことがわかった （図 1 3 B ；例えば楕円囲み部分を参照。 ） 。 さらに F FTスぺ クトルを解析したところ、 数 1 0 nm程度の短周期のスぺクトル強度については 著しく低減されていたが、 1. 2 近傍の長周期の凹凸 （うねり） のスぺクト ル強度は低減されていないことがわかった （図 9に示す ψ = 0 ° の曲線） 。 実施例 3
他の'材料とガスクラス夕一との組み合わせにおいて上記実施例 1で観測された 効果がみられるかどうか調べる目的で、 シリコン基板上に成膜した C r膜の観察 用サンプルに対して、 A rガスクラス夕一^ fオンビームを照射する実験を行つた。 まず、 実施例 1でラインアンドスペースパターン構造をシリコン基板表面上に エッチングした場合と同様の A rイオンミリング条件を用いた結果、 C r膜の観 察用サンプルにおいても、 同様の縞模様の構造が観測された。 この C r膜観察用 サンプルに対して、 A rガスクラスタ一^ Γオンビームの照射角度 Θと平均表面粗 さ R aとの関係を調べた。 照射ドーズ量は、 データベース中にある C r膜を 5 0 nmエッチングする場合に必要な照射角度 0とドーズ量との関係 （図 1 4) から 決定した （但し、 加速エネルギー 3 0 k e V、 クラスタ一粒度分布のピークが 2 0 0 0個の場合である。 ） 。 照射角度 0と平均表面粗さ R aとの関係を表す実験 結果を図 1 5に示す。 Θ = 7 0 ° 以上の照射角度で急激に平均表面粗さが小さく なることがわかった。 実施例 4
夕一ゲット 1 9であるシリコンウェハー表面上に 1次元回折格子 （ラインアン ドスペースパ夕一ン構造） のチップを多数配列させて形成した場合の固体表面平 坦化処理の実施ついて説明する。
図 1 6に示すフローチャートの処理手順に従って平坦化処理を行った。
' ステップ S 1
まず、 G C I B照射前に予めシリコンウェハ一表面上の各領域 （例えば、 チッ プ単位の領域である。 ） におけるパターン構造 （微細構造） を原子間力顕微鏡な < どで測定し、 その形状データを取得した。 そして、 この形状データをシリコンゥ ェハ一表面上の各領域でマツビングしてデータマップを作成した。
ステップ S 2 a
次に、 データマップと所望のパターン幅などの値との差から微細構造が所望の 設計サイズとなるように、 各領域ごとに照射角度 ·照射方角とエッチング量を計 算した。 そして、 スキャニング制御によってシリコンウェハー全面で一括して表 面平坦化処理を実行するため、 各領域ごとに前記計算で得た所定の照射角度 ·照 射方角とエッチング量となるように変調制御するスキャニングプログラムを設定 した。
ステップ S 3 a
次に、 シリコンウェハ一を表面平坦化装置 1 0 0のターゲット支持体 1 8に設 置して、 これを基準面とした。
ステップ S 4 a
次いで、 ステップ S 2 aで設定したスキャニングプログラムに従ってガスクラ スーイオンビーム照射処理を行った。
この結果、 シリコンウェハ一表面上の各チップがトリミングされるとともに、 各チップの平坦化対象面が平坦化された。
具体的な処理は下記のとおりである。
シリコンウェハ一表面上に、 1次元回折格子 （ラインアンドスペースパターン 構造） のチップを多数配列させて形成した （図 1 7 A) 。 ライン幅-スペース幅 = 0 . 2 9 m、 溝深さ = 7 0 0 n mで設計した。 1チップのサイズは 2 5 m 角とした。 シリコンウェハ一表面上でのライン幅の分布を調べたところ、 シリコ ンウェハ一の中心では 0. 3 であり、 シリコンウェハ一の周辺部では 0. 3 5 mであった （図 1 7 B) 。 そして、 ライン幅の分布は、 シリコンウェハー の中心部から外周に向かつて単調に大きくなつていた。
また、 シリコンウェハ一表面上の各位置でのラインアンドスペースパターン構 造のライン側面のモフォロジ一を知る目的で、 予めシリコンウェハー表面上の各 位置に対応するターゲット支持体 1 8上の場所に観察用サンプルを設置して同条 件で A rイオンミリングを行った。 この観察用サンプルを原子間力顕微鏡で観察 した結果、 いずれも 1 m程度の周期の縞模様の構造が観測された。 縞の延伸方 向と周期は、 シリコンウェハーの中心位置から外周方向へ向かうに従って連続的 に変化していた。 即ち、 シリコンウェハ一の中心部では溝の深さ方向と垂直 （図
1 7 Aにおいて X軸と平行、 ω==0 ° ) であり、 縞の周期は約 8 0 0 nmであつ た。 また、 最外周の位置にあるチップにおいては、 X軸から 5度ずれた方向 （図 1 7八にぉぃて6)= 5 ° の方向） に縞が延びており、 縞の周期は 1. 1 mであ つた。 これは A rイオンミリングの際の A rイオンビームが、 シリコンウェハー 全面で均一に照射されていなかったことに起因すると考えられる。
この形状データを元に、 S F 6ガスクラスターイオンビームの照射角度 0およ び照射方角 <ί>を、 シリコンウェハ一の中心では 0 = 8 0 ° 、 φ = 9 0 ° 、 外周部 では θ = 8 3 ° 、 φ = 8 5 ° になるように、 かつ、 ターゲットであるシリコンゥ ェハーのスキャニングと連動させて GC I Βの照射角度および照射方向が連続的 に変化するようにプログラミングした。 また、 ライン幅をシリコンウェハー全面 にわたつて設計値に近づけるには、 ライン幅をシリコンウェハーの中心部で 3 0 nm、 外周部では 6 0 nm減少させる必要がある。 そこで、 必要な S F6ガスク ラスターイオンビームの照射ドーズ量を中心部で 4. 7 * 1 014 i o n sZc m2、 外周部で 9. 4 * 1 014 i o n s /cm2とし、 かつ、 ライン幅分布の等 高線のデ一夕に対応して照射ドーズ量を連続的に変化させるようにプロダラミン グした。 なお、 記号 *は乗算を表す。
GC I B照射後の回折格子チップの形状をシリコンウェハー全面にわたって原 子間力顕微鏡で調べた。 その結果、 ライン幅はシリコンウェハ一の最外周部のチ ップを除いてシリコンウェハー全面にわたってほぼ同じで設計値に等しい 0. 2 9 mとなっていた （図 1 7 C) 。 S F6ガスクラス夕一イオンビーム照射前後 のライン側面の平均表面粗さを、 観察用サンプルを原子間力顕微鏡 （AFM) で 観察することで等価的評価した。 S F6ガスクラス夕一^ Γオンビーム照射前のラ 'イン側面の平均表面粗さ （R a) はシリコンウェハ一表面上の位置によって 1.
9 nmから 3. 1 nmの範囲でばらつきがあつたが、 S F6ガスクラスターィォ ンピ一ム照射後のライン側面では、 シリコンウェハ一表面上の位置によらず R a = 0. 3 2 nmから 0. 3 8 nmの範囲内に収まっており、 表面粗さが低減して いた。
以上の各実施例から下記の事実が認められる。
実施例 1を参照すると、 GC I Bの照射角度 0が平坦化対象面の法線から 7 0° 以上であると、 平坦化対象面の平均表面粗さが急激に減少することがわかる。 また実施例 2を合わせて参照すると、 平均表面粗さの著しい低減は 1 xm程度 の長周期の凹凸 （うねり） が除去されたためであり、 70° 以上の照射角度では この長周期の凹凸を除去する効果 （長距離相互作用効果） が顕著に大きいことが わかる。 また、 1 00 nm程度以下の凹凸が除去される効果は照射方角に依らな いのに対して、 1 m程度の長周期のうねりを除去するためにはうねりの方向と 照射方角とを一致させることが効果的であることがわかる。
さらに実施例 3を参照すると、 長距離相互作用効果は固体材質とガスクラス夕 一との組み合わせには依存せず、 照射角度が 70° 以上で長距離相互作用効果を 得られることがわかる。
上記各実施例では加速電圧を 30 kVとした。 この加速電圧は、 より高い程ェ ツチング量が大きくなり、 平坦化処理時間が短くなるという利点がある一方、 表 面粗さがかえって粗くなる場合もある。 従って、 加速電圧は、 平坦化処理に要求 される、 時間、 材質などの各種条件によって決定するのがよい。 また、 ガス種、 照射条件、 クラスターサイズなどの装置条件やパラメ一夕も特に限定されるもの ではなく、 適宜に変更可能である。 産業上の利甩可能性 本発明は、 長周期 （数 1 0 n m〜l 0 0 i m程度） の表面粗さを低減すること で半導体デバイスなどの微細構造の構造精度を向上させることができるので、 半 導体デバィスゃ光デバイスの微細構造の構造精度の向上はもとより、 半導体デバ イスや光デバイスなどを作製するための金型などの 3次元構造体の構造精度向上 に利用できる。 発明の効果 ·
本発明によれば、 ガスクラスターイオンビームの照射角度を臨界角以上とする ことで、 有効相互作用距離が照射角度を臨界角未満にした場合に比して飛躍的に 長くなり、 クラスターと固体との相互作用が広範囲に及ぶことで固体表面の平坦 化が行われる。 このため、 数 1 0 n m〜 1 0 0 程度の周期の固体表面粗さを ガスクラスターイオ ビームの照射によって低減することができる。

Claims

請求の範囲
1 . ガスクラスタ Γオンビームによる固体表面の平坦化方法であって、 上記固体表面の法線と上記ガスクラス夕一イオンビームとがなす角度を照射 角度とし、
固体と当該固体に衝突したクラスタ一とが相互作用する距離が飛躍的な増大 に転じる照射角度を臨界角として、
上記臨界角以上の上記照射角度で上記固体表面に対して上記ガスクラスター イオンビームを照射する照射過程を有する
ガスクラスターイオンビームによる固体表面の平坦化方法。
2 . 請求項 1に記載のガスクラスターイオンビームによる固体表面の平坦化方法 において、
上記臨界角は 7 0度である
ことを特徴とするガスクラスタ一^ rオンビームによる固体表面の平坦化方法。
3 . 請求項 1または請求項 2に記載のガスクラスターイオンビームによる固体表 面の平坦化方法において、
上記照射過程は、
上記照射角度を、 上記臨界角以上の角度範囲で変化させながら上記ガスクラ スタ一^ rオンビームの照射を行う過程を含む
ことを特徴とするガスクラスターイオンビームによる固体表面の平坦化方法。
4 . 請求項 1から請求項 3のいずれかに記載のガスクラスターイオンビームによ る固体表面の平坦化方法において、 ，
上記照射過程は、
上記ガスクラス夕一^ rオンビームのドーズ量を変化させながら上記ガスクラ スターイオンビームの照射を行う過程を含む
ことを特徴とするガスクラスターイオンビームによる固体表面の平坦化方法。
5 . 請求項 1から請求項 4のいずれかに記載のガスクラスターイオンビームによ る固体表面の平坦化方法において、
上記照射過程は、 少なくとも所望のエッチング量および上記照射角度からドーズ量を決定可能 なデータベースを参照して決定されたドーズ量で上記ガスクラスタ一^ rオンビー ムの照射を行う過程を含む
ことを特徴とするガスクラスタ一^ rオンビームによる固体表面の平坦化方法。
6 . 請求項 1から請求項 5のいずれかに記載のガスクラスターイオンビームによ る固体表面の平坦化方法において、
上記固体表面に筋状の凹凸が繰り返して形成されている場合に、
上記照射過程は、
上記凹凸が繰り返して形成されている方向に対して略直交する方向から上記 ガスクラスターイオンビームの照射を行う過程を含む
ことを特徴とするガスクラス夕一^ rオンビームによる固体表面の平坦化方法。
7 . ガスクラスターイオンビームによって固体表面を平坦化する装置であって、 上記固体表面の法線と上記ガスクラスターイオンビームとがなす角度を照射 角度とし、 ·
固体と当該固体に衝突したクラス夕一とが相互作用する距離が飛躍的な増大 に転じる照射角度を臨界角として、
上記ガスクラスターイオンビームを上記固体表面に対して射出するガスクラ スターイオンビーム射出手段と、
上記照射角度を上記臨界角以上に設定可能な照射角度設定手段と
を備えた固体表面平坦化装置。
8 . 請求項 7に記載の固体表面平坦化装置において、
上記照射角度設定手段は、
上記照射角度を上記臨界角以上の角度範囲で変化させることが可能である ことを特徴とする固体表面平坦化装置。
9 . 請求項 7または請求項 8に記載の固体表面平坦化装置において、
少なくとも所望のエッチング量および照射角度からドーズ量を決定可能なデ 一夕ベースを備え、
上記ガスクラスタ一イオンビーム射出手段は、
所望のエッチング量おょぴ上記照射角度設定手段によって設定された照射 角度から上記データべ一スを参照して決定されたドーズ量で上記ガスクラスター イオンビームを射出するものである
ことを特徴とする固体表面平坦化装置。
PCT/JP2007/071460 2006-10-30 2007-10-30 Procédé de planarisation de surface solide par faisceau ionique à agglomérat gazeux et appareil de planarisation de surface solide Ceased WO2008054014A1 (fr)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP07831193A EP2079104A4 (en) 2006-10-30 2007-10-30 METHOD FOR PLANARIZING A SOLID SURFACE WITH A GAS CLUSTER ION BEAM AND DEVICE FOR PLANARIZING A SOLID SURFACE
CN2007800408945A CN101548366B (zh) 2006-10-30 2007-10-30 利用气体团簇离子束的固体表面平坦化方法
JP2008542207A JP5231238B2 (ja) 2006-10-30 2007-10-30 ガスクラスターイオンビームによる固体表面の平坦化方法
US12/312,203 US8481981B2 (en) 2006-10-30 2007-10-30 Method of smoothing solid surface with gas cluster ion beam and solid surface smoothing apparatus

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006293685 2006-10-30
JP2006-293685 2006-10-30

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2008054014A1 true WO2008054014A1 (fr) 2008-05-08

Family

ID=39344349

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2007/071460 Ceased WO2008054014A1 (fr) 2006-10-30 2007-10-30 Procédé de planarisation de surface solide par faisceau ionique à agglomérat gazeux et appareil de planarisation de surface solide

Country Status (6)

Country Link
US (1) US8481981B2 (ja)
EP (1) EP2079104A4 (ja)
JP (2) JP5231238B2 (ja)
KR (1) KR20090057113A (ja)
CN (1) CN101548366B (ja)
WO (1) WO2008054014A1 (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102019323A (zh) * 2009-09-16 2011-04-20 日本航空电子工业株式会社 模具及模具表面的加工方法

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100745038B1 (ko) * 2003-09-30 2007-08-01 닛뽄 고쿠 덴시 고교 가부시키가이샤 고체 표면의 평탄화 방법 및 그 장치
US7626183B2 (en) * 2007-09-05 2009-12-01 Tel Epion Inc. Methods for modifying features of a workpiece using a gas cluster ion beam
US7637269B1 (en) * 2009-07-29 2009-12-29 Tokyo Electron Limited Low damage method for ashing a substrate using CO2/CO-based process
JP5801034B2 (ja) * 2010-02-01 2015-10-28 日本航空電子工業株式会社 摺動部品、摺動部品表面の加工方法および生産方法
KR20110109563A (ko) 2010-03-31 2011-10-06 삼성전자주식회사 포토 마스크의 광학 파라미터 보정 방법
CN103180030B (zh) * 2010-08-23 2017-04-12 艾克索乔纳斯公司 基于气体团簇离子束技术的中性射束处理方法和设备
US9349407B2 (en) 2011-12-12 2016-05-24 HGST Netherlands B.V. Data storage medium surface smoothing method and associated apparatus
GB2518085B (en) * 2012-06-29 2017-03-01 Canon Anelva Corp Ion beam processing method and ion beam processing apparatus
JP5956855B2 (ja) * 2012-07-04 2016-07-27 日本航空電子工業株式会社 切れ刃エッジの加工方法及び器具の製造方法
KR102347960B1 (ko) * 2015-02-03 2022-01-05 삼성전자주식회사 도전체 및 그 제조 방법
CN108232007A (zh) * 2016-12-21 2018-06-29 上海磁宇信息科技有限公司 一种气体团簇离子束修剪被刻蚀后的磁性隧道结的方法
CN108232010B (zh) * 2016-12-21 2021-03-30 上海磁宇信息科技有限公司 一种气体团簇离子束平坦化磁性隧道结底电极的方法
JP7047377B2 (ja) * 2017-12-27 2022-04-05 株式会社デンソー 半導体装置の製造方法
JP7609499B1 (ja) * 2024-06-14 2025-01-07 株式会社オプトラン 固体表面処理装置および方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005031838A1 (ja) 2003-09-30 2005-04-07 Japan Aviation Electronics Industry Limited 固体表面の平坦化方法及びその装置

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4849641A (en) * 1987-06-22 1989-07-18 Berkowitz Edward H Real time non-destructive dose monitor
JP3015193B2 (ja) * 1992-02-28 2000-03-06 日本電信電話株式会社 光学素子
JP3451140B2 (ja) 1994-10-26 2003-09-29 科学技術振興事業団 ガスクラスターイオンビームによる超精密研磨加工方法
JP2005031838A (ja) * 2003-07-09 2005-02-03 Ricoh Co Ltd 株価チャート提供システム、該システムの機能を実現するプログラム及び記録媒体
JP4636862B2 (ja) * 2004-11-29 2011-02-23 株式会社日立製作所 ガスクラスターイオンビーム照射装置
JP2006155724A (ja) * 2004-11-29 2006-06-15 Hitachi Ltd 磁気ディスク装置の製造方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005031838A1 (ja) 2003-09-30 2005-04-07 Japan Aviation Electronics Industry Limited 固体表面の平坦化方法及びその装置

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
N. TOYODA ET AL., NUCL. INSTR. AND METH. IN PHYS. RES. B, vol. 161-163, 2000, pages 980
See also references of EP2079104A4

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102019323A (zh) * 2009-09-16 2011-04-20 日本航空电子工业株式会社 模具及模具表面的加工方法

Also Published As

Publication number Publication date
JP5499063B2 (ja) 2014-05-21
JP5231238B2 (ja) 2013-07-10
US20100230616A1 (en) 2010-09-16
JPWO2008054014A1 (ja) 2010-02-25
US8481981B2 (en) 2013-07-09
EP2079104A1 (en) 2009-07-15
KR20090057113A (ko) 2009-06-03
CN101548366A (zh) 2009-09-30
JP2012104859A (ja) 2012-05-31
EP2079104A4 (en) 2010-06-23
CN101548366B (zh) 2012-03-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2008054014A1 (fr) Procédé de planarisation de surface solide par faisceau ionique à agglomérat gazeux et appareil de planarisation de surface solide
JP5667586B2 (ja) ガスクラスターイオンビームによる固体表面の平坦化方法、固体表面平坦化装置および生産方法
JP3994111B2 (ja) 固体表面の平坦化方法及びその装置
JP5160437B2 (ja) ガスクラスターイオンビームによる固体表面の加工方法
TWI532071B (zh) 控制光阻特徵之臨界尺寸和粗糙度的方法與系統
US20100096263A1 (en) Solid surface smoothing apparatus
US8293126B2 (en) Method and system for multi-pass correction of substrate defects
TW201003056A (en) Method to create three-dimensional images of semiconductor structures using a focused ion beam device and a scanning electron microscope
TWI401722B (zh) 多數基板之特定位置處理時增大處理量的方法、系統及電腦可讀媒體
US20090084672A1 (en) Method and system for adjusting beam dimension for high-gradient location specific processing
JP5647220B2 (ja) マイクロ及びナノスケールの３次元構造の製造方法並びに製造装置
Unno et al. Three-dimensional patterning technique for nanoimprint mold by dwell-time algorithms with iterative blind deconvolution method
TW202509573A (zh) 光學元件圖案化

Legal Events

Date Code Title Description
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 200780040894.5

Country of ref document: CN

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 07831193

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 1020097007449

Country of ref document: KR

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2007831193

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2008542207

Country of ref document: JP

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 12312203

Country of ref document: US