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JP3404930B2 - 微細加工装置および微細加工方法 - Google Patents

微細加工装置および微細加工方法

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JP3404930B2
JP3404930B2 JP27842894A JP27842894A JP3404930B2 JP 3404930 B2 JP3404930 B2 JP 3404930B2 JP 27842894 A JP27842894 A JP 27842894A JP 27842894 A JP27842894 A JP 27842894A JP 3404930 B2 JP3404930 B2 JP 3404930B2
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JP
Japan
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processed
charged
processing
charged particles
electric field
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淳士 大原
吉孝 後藤
雅夫 永久保
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Denso Corp
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  • Drying Of Semiconductors (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は微細加工技術に関し、微
細トレンチ孔等を高アスペクト比に形成する技術に関す
る。
【0002】
【従来の技術】従来、微細加工装置・方法には集束イオ
ンビーム(Focused Ion Beam,FIB)による微細加工装置
(塩川,精密工学会誌55/2/1989,P32-36)(以下、FI
B装置と記す)や微細放電加工機などがある。これらは
微細なトレンチ孔を形成するのに優れた方法である。F
IB装置では、サブμmレベルの加工を実現している。
しかしながら、FIB装置はイオンによって加工するた
め種々の問題が存在する。また、微細放電加工の場合
は、加工対象が導電性のものに限られる。いずれも加工
時に発生する残渣が中性物のため、この残渣を加工部位
から取り除くためには気流や液体流を利用しなければな
らないが、加工孔の径が小さければその除去は困難にな
る。FIB装置は真空中であるので流体を利用しての除
去は困難で再付着してしまい、これらの制約が加工の限
度となっている問題があった。
【0003】そこで発明者らのグループは、特開平6-68
4 号公報、特願平5-120816号(特開平6-310473公報)で
示すような手法で、上記の問題点を解決した提案を行っ
た。この提案により、従来よりも高アスペクト比な微細
孔を穿つことができるようになった。
【0004】その提案の概要は次のようである。負圧程
度以上の真空槽中の被加工材料の加工したい所定箇所
に、集光レンズで極細のビームとしたレーザを石英窓を
通して照射し、同時に、被加工材料に、対向電極に電圧
を印加して表面を帯電させる。すると、レーザを照射さ
れた被加工材料はレーザアブレーションを生じて加工部
位から原子、イオン、電子が飛び出す。この領域にはレ
ーザビーム方向と同じ方向に電界が掛かっているので、
この飛び出してきた帯電粒子がクーロン力を受けて、電
界強度、荷電量、粒子質量などによって決まる運動を
し、加工部位から迅速に移動する。中性で飛び出してき
た原子は、やはり飛び出してきた電子と衝突するためイ
オン化され移動除去される。なおこれは、排気コンダク
タンスを高めてやると言うことを意味している。
【0005】その結果、加工部位に加工残渣が残らない
のでレーザビームの届く範囲まで加工が深く形成でき、
導電性の無い材料でも高アスペクト比の孔を形成するた
めの加工対象とすることができた。原則として他の物質
でエッチングする訳ではないので汚染の心配がなく、ま
たパルス動作で加工と残渣除去が交互に行われるので効
率よく加工が進むという利点がある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うにして形成される高アスペクト比の孔は、貫通穴でな
い限り、穴深さの観測が困難であり、たとえモニタカメ
ラを設置したとしても、加工中の穴の底を検出すること
は不可能であり、加工空間の状態は全く把握できない状
況であると言わざるを得ない。そこで従来では、予め加
工の程度を決めておくという条件出しを行ってから実際
の加工を実施している。加工の場所は一か所とは限ら
ず、全ての場所についてその条件出しを行っておく必要
がある。そのようなことから加工のために非常に手間が
かかり、製造スループットという面からは大きな問題が
ある。
【0007】従って本発明の目的は、レーザアブレーシ
ョンを用いる微細加工において、加工部位のモニタが可
能で、加工制御が実施できる微細加工装置を提供するこ
とである。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め本発明の構成は、被加工材料を真空槽内に設置し、前
記被加工材料に対してレーザ入射方向に電界を印加し、
レーザアブレーションでプラスに帯電させた前記被加工
材料の飛散粒子を、対向電極に印加した電界により強制
排除しつつ、前記被加工材料を加工する微細加工装置に
おいて、前記帯電粒子の種類を判別する帯電粒子種類判
別手段と、前記帯電粒子の飛散方向を制御すると共に、
飛散する前記帯電粒子を前記帯電粒子種類判別手段に導
く粒子飛散制御手段を備え、前記帯電粒子種類判別手段
で、加工中の加工部位の状態を常時モニタすることによ
り、前記レーザアブレーションを制御することである。
また関連発明の構成は、前記粒子飛散制御手段が、前記
レーザ入射方向と直角方向に印加した磁場であることを
特徴とし、あるいはまた、前記粒子飛散制御手段が、前
記レーザ入射方向と平行、かつ前記対向電極の上に同軸
で、かつ反対向きに電界印加された電場であることを特
徴とする。
【0009】また上記の加工を実現する方法発明の構成
は、被加工材料を真空槽内に設置し、前記被加工材料に
対してレーザ入射方向に電界を印加し、レーザアブレー
ションでプラスに帯電させた前記被加工材料の飛散粒子
を、対向電極に印加した電界により強制排除しつつ、前
記被加工材料を加工する微細加工方法において、粒子飛
散制御手段により、前記帯電粒子の飛散方向を制御する
と共に、飛散する前記帯電粒子を帯電粒子種類判別手段
に導き、前記帯電粒子種類判別手段により前記帯電粒子
の種類を判別して前記レーザアブレーションを制御する
ことである。その関連発明の構成は、前記粒子飛散制御
手段が、一組の電極対による静電界印加、もしくは磁場
発生手段による静磁場印加、もしくは前記静電界印加か
つ前記静磁場印加、のいずれかによることである。ある
いはまた、前記レーザアブレーションのレーザ照射をパ
ルス駆動することを特徴としている。
【0010】
【作用】レーザアブレーション時に排気コンダクタンス
を高めて加工孔の底からイオンを積極的に排出させる際
に、電場や磁場等の粒子飛散制御手段を用いて、一部の
帯電粒子を質量分析器などの帯電粒子検出手段に導き、
加工中に放出されている帯電粒子が、被加工材料のどの
領域のものか検知する。それにより加工程度、もしくは
加工深さが判明し、レーザ照射の制御を行うことができ
る。請求項2の構成では、粒子飛散制御手段として磁場
を用いており、ローレンツ力により帯電粒子を対物レン
ズ側に向かわせずに帯電粒子検出手段側へ導くことが出
来る。また請求項3の構成では、電場で偏向させるの
で、やはり同様に帯電粒子検出手段へ導くことができ
る。また請求項4の方法によれば、上記のような加工部
位の状態がモニタできて加工制御が容易にできる。そし
て請求項5の方法によれば、帯電粒子の発生が間欠的に
なり、帯電粒子が残渣として加工部に残留しない。
【0011】
【発明の効果】本発明は、レーザ加工中の状態がモニタ
できて、加工位置に対する予めの条件出しを必要とせず
加工が実施でき、大幅に工程が短縮されるという効果が
ある。請求項2の構成では、強力な磁場を永久磁石等で
形成することが容易なので、容易に帯電粒子検出手段へ
帯電粒子を導くことができ、このような微細加工の実現
が容易であるという効果を有する。請求項3の構成で
は、電界印加を容易に制御できるので、帯電粒子検出手
段への導入の微調整等が容易である利点を持つ。また従
来どおりパルス動作で加工と残渣除去を交互に行なうこ
とができるので効率よく加工が進む。
【0012】
【実施例】以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説
明する。図1は本発明を実施する真空槽(真空チャン
バ)1の模式断面図で、被加工材料である試料4は、図
示しない真空ポンプで減圧された真空槽1内の対向電極
2、3の間に設置される。なお、下の対向電極を下部電
極2、上の対向電極を上部第一電極3と呼ぶことにす
る。試料4の表面に垂直に加工孔を形成するよう、レー
ザビーム5(以下レーザ光と記す)が石英等の透過窓7
を通して、対物レンズ6によって2μm以下に集光され
て照射される。その照射中心線が光軸10である。レー
ザ光5は、波長193nm の ArFエキシマレーザ装置(図示
しない)を用い、試料4にレーザアブレーションを生じ
させている。またレーザ光5は、所定の加工部位に照射
できるように水平方向に移動可能となっている。対向電
極2、3は高圧電源(図示しない)によって、試料4に
対して加工方向である垂直方向に電界がかかるように配
置され、透過窓7を透過したレーザ光5は上部第一電極
3に設けられた開口部より試料4に照射される。
【0013】そして、対向電極の上に設けられた静磁場
11によって光軸方向10と垂直方向に磁界がかけられ
るようになっており、試料4から飛び出した帯電粒子
(飛散粒子群)8は静磁場11と光軸10とに対してほ
ぼ直角方向に向かい、そのあたりに設置されている帯電
粒子種類分析手段である質量分析器9に導入される。な
お図1で、静磁場11を発生させる磁場コイル12を矩
形の点線で範囲を示してあるが、実際に磁場コイル12
や静磁場11が矩形状である必要はなく、図1は模式図
にすぎない。
【0014】さらに、帯電粒子8の速度が大きくて質量
分析器9に導入することができない場合も考慮して、飛
び出してきた帯電粒子を減速させるように逆向きの減速
電界14を印加するための第2電極13が上の対向電極
3の上側に設けられていて、帯電粒子8の速度を減速さ
せる。この第2電極13に印加する電圧が調整し易いの
で、静磁場強度を調節しなくても、この第2電極13の
電圧調整によって、質量分析器9に導入させることがで
きる。
【0015】帯電粒子種類分析手段である質量分析器9
は、四重極(四極子電極)を用いる方式が小型軽量であ
り便利である。この質量分析器9の原理や作用は従来公
知であるので詳しい説明は省略する。
【0016】質量分析器9の設置は、帯電粒子の進行方
向にあたる部位ならどこでも良い。例えば、質量分析器
9の検出部をレーザ光軸10に直交する平面内で光軸方
向に向けて設置し、静磁場11の磁場を、3000 Gauss、
その領域が1cm 径とした場合、減速電界14の値を調整
して、この電界14の出口、即ち静磁場11の入口でイ
オンの並進運動エネルギーが10eV程度になるようにす
る。このとき、各々のイオンの旋回半径は、そのイオン
の種類によっても違うが、およそ5mm 〜1cm になって、
静磁場11の領域内で90°程度その進路を曲げられ、検
出部に導入されると考えられる。同時にこの作用によっ
て、イオン化した帯電粒子は進路を曲げられるため透過
窓7に飛来して、そこに付着することはなくなる。従
来、帯電粒子がこの透過窓7に付着して一種の蒸着膜が
形成されて入射レーザ光の強度が低下していたことが抑
制される。
【0017】なお、質量分析器9によって検知されるの
は帯電粒子8の種類であり、加工部位に含まれる元素が
検出、同定される。従ってモニタ手段として加工部位の
状況を知るためには、その部位の材料が何であるのか
は、予め判っていることが必要である。その材料データ
を基にして質量分析器9から得られる元素同定データを
見て加工部位の状況が判断でき、加工を制御できる。
【0018】(第二実施例)図2は、ローレンツ力で帯
電粒子に与える静磁場11の代わりに、飛び出してきた
帯電粒子8に対して直角方向に電界をかける偏向電界を
印加するための偏向電極板15が設けてあるもので、静
磁場11の場合程、強く帯電粒子を偏向させることがで
きないので、質量分析器9を対物レンズ6の横に斜め
に、ちょうど帯電粒子8が飛行してくる方向に向けて位
置させている。帯電粒子8は試料4から飛び出したの
ち、上の対向電極3の上方に飛び出し、そこで偏向電極
の電界からクーロン力を受けて、対物レンズ6へ向かう
方向からずれて、質量分析器9へ導入される。そのた
め、透過窓7は帯電粒子8が直接当たることがなく、透
過窓7を曇らせて加工を鈍らせてしまうこともなくな
る。すなわち帯電粒子が透過窓7に当たらないように電
磁的に排除される排除手段の代わりともなる。
【0019】例えば、帯電粒子8の運動エネルギーが10
0eV 、偏向電極板15の極板間距離が10mm、極板長さが
10mmだったとすると、この極板間に20V の電位差を印加
すれば、その進路は30°程曲げられる。この先に質量分
析器9の検出部を設置すれば良い。
【0020】以上のように、質量分析器9を用いたモニ
タ手段によって、帯電粒子8の種類が判別されるので、
加工状況が把握でき、必要な深さに至った時点で加工を
停止、あるいは加工部位の変更を行う。従って加工部位
を予め調べて加工時間調整をとる必要がなく、また直接
加工状況から加工対象の現状を判断でき、誤差などに対
応してきめ細かな加工ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第一実施例の微細加工を実施する真空槽の模式
的構成断面図。
【図2】第二実施例の微細加工を実施する真空槽の模式
的構成断面図。
【符号の説明】
1 真空チャンバ 2 対向電極 3 上の対向電極 4 試料(被加工材料) 5 レーザ光 7 透過窓 8 帯電粒子 9 質量分析器(帯電粒子検出手段) 10 光軸 11 静磁場 13 第2電極 15 偏向電極板
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平1−103840(JP,A) 特開 平4−225513(JP,A) 特開 昭63−224233(JP,A) 特開 昭63−128632(JP,A) 特開 昭63−64024(JP,A) 特開 昭53−128097(JP,A) 特開 昭48−29096(JP,A) 特開 昭51−17096(JP,A) 特開 平3−253586(JP,A) 特開 昭60−240394(JP,A) 特開 昭51−145294(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B23K 26/00 - 26/42 H01L 21/302

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】被加工材料を真空槽内に設置し、前記被加
    工材料に対してレーザ入射方向に電界を印加し、レーザ
    アブレーションでプラスに帯電させた前記被加工材料の
    飛散粒子を、対向電極に印加した電界により強制排除し
    つつ、前記被加工材料を加工する微細加工装置におい
    て、 前記帯電粒子の種類を判別する帯電粒子種類判別手段
    と、 前記帯電粒子の飛散方向を制御すると共に、飛散する前
    記帯電粒子を前記帯電粒子種類判別手段に導く粒子飛散
    制御手段とを備え、 前記帯電粒子種類判別手段で、加工中の加工部位の状態
    を常時モニタすることにより、前記レーザアブレーショ
    ンを制御することを特徴とする微細加工装置。
  2. 【請求項2】前記粒子飛散制御手段が、前記レーザ入射
    方向と直角方向に印加した磁場であることを特徴とする
    請求項1に記載の微細加工装置。
  3. 【請求項3】前記粒子飛散制御手段が、前記レーザ入射
    方向と平行、かつ前記対向電極の上に同軸で、かつ反対
    向きに電界印加された電場であることを特徴とする請求
    項1に記載の微細加工装置。
  4. 【請求項4】被加工材料を真空槽内に設置し、前記被加
    工材料に対してレーザ入射方向に電界を印加し、レーザ
    アブレーションでプラスに帯電させた前記被加工材料の
    飛散粒子を、対向電極に印加した電界により強制排除し
    つつ、前記被加工材料を加工する微細加工方法におい
    て、 粒子飛散制御手段により、前記帯電粒子の飛散方向を制
    御すると共に、飛散する前記帯電粒子を帯電粒子種類判
    別手段に導き、 前記帯電粒子種類判別手段により前記帯電粒子の種類を
    判別して前記レーザアブレーションを制御することを特
    徴とする微細加工方法。
  5. 【請求項5】前記粒子飛散制御手段が、一組の電極対に
    よる静電界印加、もしくは磁場発生手段による静磁場印
    加、もしくは前記静電界印加かつ前記静磁場印加、のい
    ずれかによることを特徴とする請求項4記載の微細加工
    方法。
  6. 【請求項6】前記レーザアブレーションのレーザ照射を
    パルス駆動することを特徴とする請求項4又は5記載の
    微細加工方法。
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