利用氣體團簇離子束的固體表面加工方法

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專利名稱：利用氣體團簇離子束的固體表面加工方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用氣體團簇離子束照射的固體表面加工方法。
背景技術：
半導體器件、電子器件和光子晶體以及其它的光學器件通過在半導體晶
片等的表面上形成亞微米(約0.1^m到l(im)精確圖案結構來制造。在半導體量子器件中，測量為納米級的超微粒子或線(它們也被稱為量子點或量子線)的陣列形成在襯底的表面上。形成在這些器件上的凹凸結構(relief structure)(圖案結構，由超精細粒子等的陣列形成的結構)的尺寸和表面粗糙度是影響器件性能的重要因素。因此，高精度對凹凸結構的形成是必須的。
凹凸結構的精度決定于膜形成工藝、蝕刻工藝和其它制造工藝的精度。形成具有達到幾納米的精度的凹凸結構是不容易的。通常，在通過膜形成工藝、蝕刻工藝等制造的這些器件中，大量芯片形成在半導體晶片的表面上。然而，難以在半導體晶片的整個表面上形成均一的凹凸結構。為解決這些問題，在形成凹凸結構之后進行提高該結構的精度的工藝(例如平坦化)。
在國際公開第WO2005/031838號(專利文獻1)中公開的一種平坦化技術通過用氣體團簇離子束照射圖案結構等來使其側壁平坦化。

發(fā)明內容
基于這樣的知識即以相對于表面法線成60到90度(符號。將用于表示角度)的角度傾斜地發(fā)射到固體表面的氣體團簇離子束比大致垂直的發(fā)射束更好地平坦化表面，專利文獻l中公開的技術使用傾斜照射來平坦化凹凸結構的側壁。以相對于固體表面法線約0。的照射角度進行基本垂直的照射。
盡管用氣體團簇離子束照射的凹凸結構的側壁被平坦化，但發(fā)現凹凸結構的角落部分受氣體團簇離子束照射的影響而變形。
此發(fā)現表明發(fā)射到凹凸結構側壁上的氣體團簇離子束不能進行足夠的表面加工以使暴露的表面平坦化，而保持其輪廓類似于凹凸結構的輪廓?？紤]到這些問題，本發(fā)明的目的是提供一種加工固體表面的方法，同時
防止凹凸結構的角落部分變開
為解決上述問題，根據本發(fā)明的用氣體團簇離子束加工固體表面的方法
包括團簇保護層形成步驟，在固體表面上形成具有凸部和凹部的凹凸結構，凸部形成有團簇保護層以覆蓋其上部，而凹部沒有團簇保護層；照射步驟，將氣體團簇離子束發(fā)射到固體表面，凹凸結構已在團簇保護層形成步驟中形成在固體表面上；以及去除團簇保護層的去除步驟。
簡而言之，氣體團簇離子束照射到具有凹凸結構的固體表面上，該凹凸結構具有形成在凸部的上部上的團簇保護層。
在此加工方法中，團簇保護層形成步驟可以包括掩模工藝，形成團簇保護層以覆蓋固體表面；和蝕刻工藝，蝕刻具有在掩模工藝中形成的團簇保護層的固體表面，從而形成具有到達固體的凹部和上部保留團簇保護層的凸部的凹凸結構。 .
優(yōu)選地，團簇保護層的厚度T [cm]滿足公式(rl ):
(rl)
其中n是氣體團簇離子束的劑量[離子/cm勺；Y是團簇保護層的蝕刻效率，定為每個團蔟的蝕刻體積[cmV離子](a是nY^cmV離子]與在垂直于凸部或凹部所延伸方向的截面中團簇保護層被氣體團簇離子束蝕刻的區(qū)域的面積 S[cm勺的比例因子[離子/cm2]; b是Yn1/2[cm2'離子"。]與團簇保護層被氣體團簇離子束蝕刻的區(qū)域的斜邊的長度L[cm]之間的比例因子[離子w/cm"])。
隨后將描述如何得到公式(rl )。滿足公式(rl )是能夠防止凹凸結構的角落部分的形狀發(fā)生變形的團簇保護層的厚度的必要充分條件。
具體地，如果使用Ar氣體團簇離子束，優(yōu)選地，團簇保護層的厚度T[cm] 滿足
、1/2
r>"r + (i-54"o16 *"y2)' 如果使用SF6氣體團簇離子束，優(yōu)選地，團簇保護層的厚度T[cm]滿足
r〉"y + (i.23e"o'""y2)"2
在照射步驟中，氣體團簇離子束可以交替且傾斜地發(fā)射到凹凸結構的相旋轉同時用氣體團簇離子束照射。

圖1A是示出凹凸結構的角落部分的變形的機理的視圖1B是凹凸結構的變形的角落的電子顯微圖2是示出斜邊的長度L、傾斜角度cj)、變形深度d的定義的視圖3是示出團簇保護層如何防止凹凸結構的角落部分發(fā)生變形的視圖4A是示出當固體物質是硅且使用Ar氣體團簇離子束時劑量n與變形角落部分的截面積S之間的關系的曲線圖4B是示出當固體物質是硅且使用Ar氣體團簇離子束時劑量n與斜邊的長度L之間的關系的曲線圖4C是示出當對多種固體物質(硅、二氧化硅和鉻)使用Ar氣體團簇離子束時斜邊的長度L與蝕刻效率Y和na5的乘積之間的關系的曲線圖4D是示出當對多種固體物質(硅、二氧化硅和鉻)使用Ar氣體團簇離子束時變形角落部分的截面積S與蝕刻效率Y的平方與劑量n的乘積之間的關系的曲線圖5A是示出當固體物質是硅且使用SF6氣體團簇離子束時劑量n與變形角落部分的截面積S之間的關系的曲線圖5B是示出當固體物質是硅且使用SF6氣體團簇離子束時劑量n與斜邊的長度L之間的關系的曲線圖5C是示出當對多種固體物質(硅、二氧化硅和4各)使用SF6氣體團簇離子束時斜邊的長度L與蝕刻效率Y和nQ5的乘積之間的關系的曲線圖5D是示出當對多種固體物質(硅、二氧化硅和鉻)使用SF6氣體團簇離子束時變形角落部分的截面積S與蝕刻效率Y的平方與劑量n的乘積之間的關系的曲線圖6是示出本發(fā)明的固體表面加工設備100的結構的視圖7A是示出固體表面加工設備100的第一旋轉機構的側視圖7B是示出固體表面加工設備100的第一旋轉機構、第二旋轉機構和掃描機構的平面圖8是示出第一示例中劑量n與團簇保護層的厚度T之間的關系的曲線
圖；圖9是示出凹凸結構的角落部分在它們用氣體團簇離子束交替照射時被
保護而不變形的視圖(示例2);以及
圖10是示出當固體旋轉同時它用氣體團簇離子束照射時凹凸結構的角落部分被保護而不變形的視圖(示例3 )。
具體實施例方式
在描述實施例之前，將概述本發(fā)明中固體表面加工的原理。
發(fā)明人進行了各種實驗，發(fā)現物質的橫向移動(lateral transfer)(其是氣體團簇離子束(GCIB )特有的)與由發(fā)射到凹凸結構上的GCIB引起的凹凸結構的角落部分的變形密切相關。作為詳細實驗的結果，發(fā)明人已經首次成功定量明確了 GCIB照射條件與角落部分的變形形狀和變形量之間的關系，并明確了角落變形的機理。
凹凸結構在這里表示圖案結構，例如形成在硅襯底、絕緣體上硅(SOI) 等的固體表面上的從幾納米到亞微米的線-間隔(line-and-space )圖案，以及升降(rise-and-fall)結構，例如包括超微粒子例如量子點的陣列的結構。
凹凸結構的角落部分是凹凸結構的側壁的上部中的角落部分(作為從固體表面凸出的結構部分的凸部的壁或者作為固體表面中的凹陷結構部分的凹部的壁)。上部在這里是遠離形成有凹凸結構的固體表面的一側。
物質的橫向移動是固體表面的GCIB照射區(qū)域中的原子沿基本平行于固體表面的方向的移動。此現象有助于基板表面的平坦化。
通過使用線-間隔圖案結構作為凹凸結構的示例并參照線-間隔圖案結構的截面圖，將在下面描述凹凸結構的角落部分變形的機理。
如圖1A所示，線-間隔圖案結構900用GCIB照射。線-間隔圖案結構900的線的側壁903用GCIB傾斜地照射。氣體團簇離子與線901的角落部分904a和904b碰撞，引起形成線901的角落部分904a和卯4b的物質橫向地移動。橫向移動由圖1A中的右下圖中的虛線箭頭來表示。在線的側壁卯3上朝著間隔902的底部橫向移動的物質轉移并沉積在線的側壁903上并突出到間隔902中。
在傾^h照射中，面向入射的GCIB的線的側壁A903a繼續(xù)用GCIB照射，沉積在線的側壁A 903a上的物質801進一步橫向移動。在幾乎平行于線的側壁A903a的傾斜照射的條件下，沿GCIB照射方向的;廣向移動的量增加，幾乎不引起任何朝著線的側壁A 903a的上部中的角落部分904a的橫向移動。面對線的側壁A 903a的相鄰線的側壁B 903b沒有被GCIB照射，從而線的側壁B 903b上的沉積的物質802并不朝著線的側壁B 903b的上部中的角落部分沖黃向移動。這使線901的角落部分904a和卯4b變形，形成相對于間隔902傾斜的傾斜部分(見圖1A和IB;圖IB是圖1A中由虛線正方形所包括的部分的電子顯微圖)。
由GCIB照射引起的角落部分的變形的機理如上所述。角落部分還被近似垂直的照射變形(線的兩個側壁變得類似于線的側壁B )。
隨著每個團簇的物質的橫向移動的量增大，每單位劑量形成的傾斜部分的傾斜角增大，使留在線的側壁或間隔的底部的物質的量增大。線的面對入射的GCIB的側壁A903a比相鄰線的面對線的側壁A 903a的側壁B 903b更多地暴露到GCIB。此差異使線的側壁A903a的上部中的傾斜角大于線的側壁B 903b的上部中的傾斜角。留在線的側壁A卯3a上的物質801的一部分通過蝕刻去除而變得比物質802少。當從角落部分904a延伸到間隔902的物質移動到線的側壁A 903a時，已經沉積的物質不太可能阻擋此移動。因此，物質向線的側壁A903a的移動在線的側壁A903a的上部中的角落部分 904a處被促進，因此增大了傾斜角。
物質的橫向移動的量與GCIB的劑量之間的關系以及物質的橫向移動的量與物質的蝕刻效率的關系都還沒有被明確。因此，進行了各種物質和團簇的組合的實驗，并研究了這些關系。結果，獲得了由下面公式(1)和(2) 表示的關系(后面將給出描述)。乘號*可以在某些情況下省略。
S = anY2 (1)
L = ( 2 )
在由GCIB照射形成的傾斜部分中，cj)是傾斜角，L是斜邊的長度。傾斜角cj)是在線的面對入射GCIB的側壁A 903a的上部中形成的傾斜部分的傾斜角。角度的定義見圖2。斜邊的長度L是在線的面對入射GCIB的側壁A 903a的上部中形成的傾斜部分的斜邊的長度(見圖2)。劑量[離子/cm"由n 來表示，物質的蝕刻效率(每個團簇的蝕刻體積)[cmV離子]由Y來表示。
比例因子a和b是由GCIB條件確定的常數。更具體地，a[離子/cm2 (ions/cm2)]是nY^cmV離子(cmVion )]與變形角落部分的截面積S[cm2] 之間的比例因子，b[離子"2cm" ( ions^cm-1 )]是Yn1/2[cm2 ,離子—1/2(cm2 . ions""]與斜邊的長度L[cm]之間的比例因子。
變形角落部分的截面積S對應于在垂直于凸部或凹部延伸的方向的截面中被GCIB蝕刻最多的區(qū)域(角落部分，其為圖2中的陰影部分)的面積。斜邊的長度L對應于被氣體團簇離子束蝕刻最多的區(qū)域的在垂直于凸部或凹部延伸的方向的截面中的斜邊的長度。
公式(1)表明被每單位縱深的變形去除的角落部分的體積與蝕刻效率 Y的平方和劑量n成比例。單位縱深是圖lA中的x軸方向，并且是凸部或凹部延伸的方向。每單位縱深的體積對應于變形角落部分的截面積S。截面積S可以通過使用斜邊的長度L、在膜厚方向(圖1A中的z軸方向)變形的深度d以及傾斜角cj)來表示，如公式(3)中<formula>formula see original document page 9</formula>公式(2 )表明斜邊的長度L與蝕刻效率Y以及劑量n的平方根成比例。沿膜厚方向變形的深度d可以由公式(4)(見圖2)表示的關系來獲得。
<formula>formula see original document page 9</formula>
基于這些公式，如果確定了要使用的GCIB的劑量n和在此照射條件下固體物質的蝕刻效率Y，可以預測線的側壁A 903a的上部中的傾斜部分的傾斜角cl)和變形的深度d。
如果由GCIB照射引起的角落部分的變形，特別是最大變形，只發(fā)生在由不同于固體550的材料的材料形成在線_間隔圖案結構500中線501的頂表面上的層(稱為團簇保護層570 )，表面平坦化或其它的表面加工可以對線的側壁503進行而不使線501的角落部分變形(見圖3,特別是圖3中右下圖中由虛線圈處的部分)。當形成團簇保護層570時，可以根據公式(6)選擇最優(yōu)的厚度(此必要充分的厚度使得線501的角落部分將不會變形)。
公式(3 )和(4 )分別代入公式(1)和(2 ); c|)和L被消去；獲得關于d的聯立方程。通過求解聯立方程，得到公式(5):
<formula>formula see original document page 9</formula>
如果考慮蝕刻引起團簇保護層570的厚度的減小d0=n*Y，團簇保護層 570的厚度T[cm]應滿足公式(6 ):<formula>formula see original document page 10</formula>
(6)
將根據使用氬(Ar)氣體團簇的實驗的結果具體描述如何得到公式(1 ) 和(2 )。
線-間隔圖案結構被制造在各種固體材料(硅(Si )、二氧化硅(Si02) 和鉻(Cr))的表面上。在線-間隔圖案結構中，線和間隔具有5pm的相等寬度。溝槽深度(線高度)，對于硅是lpm，對于二氧化硅是l)im,對于鉻是300nm。線-間隔圖案結構如下面所述地制造。后面將描述用于制造的設備。
在硅上的制造如下進行。硅襯底的表面被熱氧化以在硅襯底的表面上形成氧化膜。氧化膜用電子束抗蝕劑涂布，刻畫出線-間隔圖案。在抗蝕劑顯影之后，抗蝕劑圖案用作掩模，蝕刻熱氧化膜。在掩模去除之后，熱氧化膜用作硬掩模，蝕刻硅。熱氧化膜通過灰化去除，獲得線-間隔圖案結構。
在二氧化硅上的制造如下進行。硅襯底的表面被熱氧化以在硅村底的表面上形成氧化膜。熱氧化膜(Si02)用電子束抗蝕劑涂布，刻畫出線-間隔圖案。在抗蝕劑顯影之后，抗蝕劑圖案用作掩模，蝕刻熱氧化膜。去除抗蝕劑，獲得線-間隔圖案結構。
在鉻上的制造如下進行。硅村底的表面用電子束抗蝕劑涂布，刻畫出線 -間隔圖案。在抗蝕劑顯影之后，通過濺射沉積鉻膜。沉積的鉻膜的厚度是 300nm。去除抗蝕劑，留下沒有抗蝕劑的部分上的鉻膜(剝離方法)，獲得線 -間隔圖案結構。
劑量n與截面積S之間的關系和劑量n與斜邊的長度L之間的關系首先被確定。當觀察劑量n和截面積S時，使用具有恒定蝕刻效率Y的Ar團簇離子束，這表明使用相同的材料(硅)。由此獲得的關系表明劑量n的增大使截面積S線性地增大(圖4A)。
斜邊的長度L和劑量n在硅(Si)用作固體材料時觀測，發(fā)現斜邊的長度L近似與n^成比例(見圖4B)。該關系表明物質的橫向移動由隨機移動 (random walk)來控制。認為傾斜部分的斜邊的長度L從以下事實得到，即固體材料中的原子的橫向移動距離與照射事件(irradiation event)的數目 n的平方才艮成比例。斜邊的長度L與蝕刻效率Y之間的關系和截面積S ( = L2sin(2 c|) )/4 )與蝕刻效率Y之間的關系在具有不同蝕刻效率Y的多種固體材料上觀測。
圖4C是示出硅、二氧化硅和鉻的斜邊的長度L與蝕刻效率Y與na5的乘積之間的關系的曲線圖。因為已經獲得了 Lan^的關系(如前所述)，斜邊的長度L與蝕刻效率Y之間的關系可以從斜邊的長度L與Y^M之間的關系來推斷?？梢哉J為，所獲得的大部分數據點在單條直線上。
圖4D示出在硅、二氧化硅和鉻上觀測的截面積S與蝕刻效率Y的平方根與劑量n的乘積的關系。該關系表明截面積S隨n*Y2成比例地增大。
基于以上結果，獲得公式(1)和(2)。從圖4C和4D獲得的比例因子 a和b的數值對任何類型的固體材料基本上是恒定的3 3.80*1016[離子 /cm2]; 1 6.25*108[離子"Vcm-1],該數值對三個重要的圖是正確的。因此，團簇保護層可以由任何材料制成，團簇保護層應當形成為具有大于由公式 (5)計算的變形深度d的厚度。
當使用Ar氣團簇離子束時團簇保護層的厚度T從公式(7)獲得，公式
(7 )通過將常數a和b的數值代入公式(6 )獲得
<formula>formula see original document page 11</formula>
其中n是氣體團簇離子束的劑量[離子/cm2]，蝕刻效率Y給定為每個團簇離子的蝕刻體積[cm3/離子]。
如果氣體團蔟離子束的氣源不是Ar,比例因子a和b的數值是不同的，但其它的結果與上述用Ar氣團簇離子束的那些相同。使用六氟化硫(SF6) 氣體團簇離子束的實驗結果在圖5A、 5B、 5C、 5D中示出，其分別對應于圖 4A、 4B、 4C和4D。
線的角落部分的變形深度d和斜邊的長度L在SF6氣體團簇離子束照射后的多種材料上觀測。劑量n與傾斜部分的截面積S之間的關系在硅用作固體材料時觀測。截面積S隨劑量n的增大成比例地增大(圖5A )。
斜邊的長度L與劑量n之間的關系在硅用作固體材料時觀測。發(fā)現斜邊的長度L近似與nQ5成比例(圖5B )。
圖5C是示出硅、二氧化硅和鉻的斜邊的長度L與蝕刻效率Y與na5的乘積之間的關系的曲線圖。可以認為，獲得的大部分數據點在單條直線上。
圖5D示出了在硅、二氧化硅和鉻上觀測的變形部分的截面積S與蝕刻
效率Y的平方與劑量n的乘積之間的關系。所獲得的比例關系表明，具有較大數值的nY2的材料具有線性增大的截面積S。
基于該結果，當使用SF6氣團簇離子束時，常數a和b的數值對于任何類型的固體材料是恒定的，a 7.83"0"[離子/cm勺；b 5.68*107[離子 '"/cm-1^該數值對三個主要的圖是正確的。因此，團簇保護層可以由任何材料制成，團簇保護層應該形成為具有大于從公式(5)計算的變形深度d的厚度。
當使用SF6氣團簇離子束時團簇保護層的厚度T從公式(8)獲得，公式(8 )通過將比例因子a和b的數值代入公式(6 )獲得 r>"y + (1.23"015"W2 (8)
其中n是氣體團簇離子束的劑量[離子/cm2]，蝕刻效率Y是每個團簇離子的蝕刻體積[cmV離子]。
a和b的數值決定于氣體團簇離子束的氣體類型，因為由氣體團簇離子束照射引起的材料的橫向移動的蝕刻比例是不同的。隨著氣體團簇離子束的加速能量增大，蝕刻效率和物質的橫向移動都增大，但它們的比例并沒有大的改變。因此，如果氣體類型是相同的，比例因子a和b的數值并不決定于加速能量。
形成在線的頂面上的團簇保護層防止在團簇保護層下的線的側壁的上部中角落部分的變形，從而允許表面加工(例如線的側壁的平坦化)。下面將描述本發(fā)明的實施例和示例。 (掩模工藝)
掩模裝置形成團簇保護層以覆蓋固體表面。掩模裝置可以是與包括在常規(guī)晶片加工設備中的相同的掩模裝置。此實施例的掩模裝置是高溫擴散爐。例如，硅襯底置于高溫擴散爐中并在高溫(一般為約900。C到IIO(TC)時暴露到氧化氣體氣氛。這在硅襯底的整個表面形成熱氧化膜。熱氧化膜對應于團簇保護層。
(蝕刻工藝)
蝕刻裝置對已經形成有團簇保護層的固體表面進行干法蝕刻。這形成固體表面上的凹凸結構。蝕刻裝置可以是與包括在常規(guī)晶片加工設備中的相同的蝕刻裝置。在此實施例中，使用蝕刻設備。將描述蝕刻形成有熱氧化膜的硅襯底的示例。蝕刻如下地進行。熱氧化膜用光致抗蝕劑涂布。進行預烘培以將熱氧化膜附著到光致抗蝕劑。然后光致抗蝕劑通過光掩模暴露到光，光掩模的圖案轉印(轉移)到光致抗蝕劑上。然后暴露的光致抗蝕劑被顯影并漂洗。用正型光致抗蝕劑時，暴露的光致抗蝕劑被去除。用負型光致抗蝕劑時，沒有暴露到光的光致抗蝕劑被去除。然后，進行后烘將光致抗蝕劑附著到熱氧化膜以提高耐蝕性。然后，已經經過一系列工藝的硅襯底置于蝕刻設備中；反應氣體通入蝕刻設備，高頻功率源施加電壓，該電壓引起通過反應氣體的干法蝕刻進行?？梢赃M行濕法蝕刻來替代干法蝕刻。在干法蝕刻之后，使用有機溶劑等來去除光致抗蝕劑。 (照射工藝)
將參照圖6、 7A和7B描述根據本發(fā)明的在固體表面加工方法中進行氣體團簇離子束照射工藝的固體表面加工設備IOO的結構和功能。
固體表面加工設備100包括發(fā)射氣體團簇離子束到固體表面上的氣體團簇離子束發(fā)射裝置。圖6中示出的GCIB發(fā)射裝置構造如下。源氣體9由噴嘴IO提供到真空團簇產生室11中。源氣體9的氣體分子在團簇產生室11 中積聚成團簇。團簇的尺寸由粒子尺寸分布來確定，該粒子尺寸分布基于在噴嘴出口 10a的氣體的壓力和溫度以及噴嘴10的尺寸和形狀。產生于團簇產生室11中的團簇通過撇取器(skimmer) 12帶入電離室13中以用作氣體團簇束。在電離室13中，離子發(fā)生器14發(fā)射電子束(例如熱電子束)，中性的團簇被離子化。離化的氣體團簇束(GCIB)被加速電極15加速、被磁場會聚單元16會聚并輸入到濺射室17。在設置于濺射室17中的靶支撐物 18上，靶19固定在旋轉盤41上，靶19是要暴露到GCIB的固體(例如形成有凹凸結構的硅襯底)。進入濺射室17的GCIB被孔21縮小到預定的束直徑，并指向靶19的表面上。當由電絕緣體形成的靶19的表面被平坦化時， GCIB被電子束照射中性化。
固體表面加工設備100包括判定裝置，該判定裝置判定團簇保護層的厚度、團簇保護層的材料的蝕刻效率和氣體團簇離子束的劑量是否滿足由公式 (5)表示的關系。
例如，諸如鍵盤的輸入單元30連接到固體表面加工設備100,如圖7B 所示。通過輸入單元30，輸入團簇保護層的厚度、團簇保護層的材料的蝕刻效率和氣體團簇離子束的劑量。判定單元27判定團簇保護層的輸入厚度、團簇保護層的材料的輸入蝕刻效率和氣體團簇離子束的輸入劑量是否滿足公式(5)并輸出判定結果。結果顯示在顯示單元26上。結構并不限于上述。例如，團簇保護層的厚度和團簇保護層的材料的蝕
刻效率可以通過輸入單元30輸入，判定單元27可以在團簇保護層的輸入厚度、團簇保護層的材料的輸入蝕刻效率和公式(5)的基礎上獲得滿足公式
(5)的關系的氣體團簇離子束的劑量。由判定單元27獲得的氣體團簇離子束的劑量顯示在顯示單元26上。
固體表面加工設備100還包括能夠設定照射角度以交替地且傾斜地以 GCIB照射由蝕刻裝置形成在固體表面上的凹凸結構的相對的側壁的裝置
(交替照射裝置)，或者包括能夠使固體繞與要用GCIB照射的固體表面的法線近似平行的軸旋轉的裝置(旋轉照射裝置)，或者包括這兩種裝置(如果需要)。此實施例包括實現以上兩種裝置的旋轉機構。
如圖7A和7B所示，例如，固體表面加工設備100包括第一旋轉機構和第二旋轉機構。
第一旋轉機構對應于旋轉照射裝置，并構造如下。靶支撐物18具有突出軸41a，旋轉盤41安裝在軸41a上以繞軸41a的中心旋轉。旋轉盤41具有平坦部41b,靶19附著在平坦部41b上。旋轉盤41具有在其邊緣41c中的大量的齒，該齒與齒輪43的齒咬合。齒輪43在被馬達42驅動時旋轉，并且旋轉被傳遞到旋轉盤41，從而旋轉附著到旋轉盤41的靶19。例如，通過以恒定的角速度使旋轉盤41持續(xù)旋轉，靶19可以在靶19用GCIB照射的同時繞幾乎平行于被GCIB照射的固體表面的法線的軸旋轉。
第二旋軸機構對應于交替照射裝置，并構造如下。旋轉軸21固定到靶支撐物18，靶支撐物18可以繞旋轉軸21的中心旋轉。旋轉軸21由固定板 22a和22b可旋轉地支撐。旋轉軸21還固定到齒輪24b的旋轉軸的中心，齒輪24b與齒輪24a咬合。齒輪24a在被馬達23驅動時旋轉，旋轉被傳遞到齒輪24b和旋轉軸21,從而旋轉靶支撐物18。假設沿相對于參考角度的特定方向旋軸通過向旋轉角度加入加號(+ )來表示，沿相反方向的旋轉通過向旋轉角度加入減號(-)來表示。GCIB可以通過重復這些步驟來傾斜地且交替地發(fā)射到靶19:靶支撐物18在位置+e保持靜止(e表示旋轉的角度的幅度)；耙19用GCIB照射；在預定周期的時間之后，靶支撐物18被旋轉
并在位置-e， ( e，表示旋轉角度的幅度；通常，e-e，)保持靜止；gcib照
射到靶19;在預定周期的時間之后，靶支撐物18被旋轉并在位置+e保持靜止；以及GCIB發(fā)射到耙19上。固體表面加工設備100還設置有用于改變靶19的相對于GCIB的相對位置的掃描機構，例如XY臺。
固定板22a和22b被固定到固定板支撐構件22c并由固定板支撐構件22c 支撐，如圖7B所示。固定板支撐構件22c和第一致動器22d經由第一桿22e 連接。第一致動器22d可以推、拉第一桿22e,此動作可以改變靶支撐物18 的位置。在圖7B中示出的固體表面加工設備100中，例如，第一致動器22d 的運動可以向著頁面的頂部或底部改變靶支撐物18的位置。
第一致動器22d固定到第二桿22g并由第二桿22g支撐，第一致動器22d 通過第二桿22g連接到第二致動器22f。第二致動器22f可以推、拉第二桿 22g，此動作改變了第一致動器22d的位置。因此，可以改變經由第一桿22e 和上述其它部件連接到第一致動器22d的靶支撐物18的位置。第一桿22e 可以移動的方向幾乎與第二桿22g可以移動的方向正交。這樣，實現像XY 臺的掃描機構。在圖7B中示出的表面加工裝置100中，例如，第二致動器 22f的運動可以向著頁面的左邊或右邊改變靶支撐物18的位置。因此，與第一致動器22d的運動相結合，靶支撐物18可以在頁面上向上和向下以及向左和向右移動。
控制單元28通過驅動單元29驅動馬達23和馬達42，并控制靶支撐物 18和旋轉盤41的運動?？刂茊卧?8還控制GCIB發(fā)射裝置，從而發(fā)射輸入劑量或由判定單元27獲得的劑量的GCIB。
控制單元28包括中央處理器單元(CPU)或微處理器并通過執(zhí)行控制固體表面加工所需的程序來控制如上所述的操作，例如顯示信息和驅動馬達。
根據本發(fā)明的固體表面加工設備并不限于上述的固體表面加工設備100 的結構和機構，可以在本發(fā)明范圍內根據需要進行改變。
在固體表面加工設備100中，已經在蝕刻工藝中其上形成有凹凸結構的
固體表面用氣體團簇離子束照射，然后被轉移到去除工藝。 (去除工藝)
在固體表面加工設備100中，去除裝置將剩余的團簇保護層從用氣體團
簇離子束照射的固體表面去除。去除裝置可以與包括在常規(guī)晶片加工設備中的相同的去除裝置。在本實施例中，使用灰化設備。已經經過一系列工藝的硅襯底置于灰化設備中，熱氧化膜通過氧化分解和灰化從硅襯底的表面去除。
在上述實施例中，具有凸部(在它們的上部上形成有團簇保護層)和凹部(不帶有團簇保護層)的凹凸結構通過掩模工藝和蝕刻工藝形成在固體表面上，在掩模工藝中團簇保護層形成在固體表面上，在蝕刻工藝中蝕刻具有用在掩模工藝中形成的團簇保護層涂布的固體表面。形成具有凸部(在它們的上部(頂表面)上形成有團簇保護層)的凹凸結構的方法并不限于這里所述的方法。
例如，可以使用以下方法，在該方法中固體表面用光致抗蝕劑涂布，凹凸結構通過圖案化和蝕刻形成在固體表面上；以及粘性樹脂按壓在具有凹凸結構的固體表面上以將樹脂選擇性地附著到凸部的頂表面上。
術語"選擇性地，，在這里具有兩個含義。第一個含義是通過防止樹脂進入凹部使樹脂附著到凸部的頂表面而不是凸部的側壁或凹部的底部。第二個含義是，因為樹脂附著的位置和形狀可以按需要指定，所以可以選擇附著樹脂的凸部的頂表面和沒有附著樹脂的凸部的頂表面。
附著到凸部的頂表面的樹脂通過加熱或其它手段硬化，此部分用作團簇保護層。
還可以使用下面的方法在與上述相同的掩模工藝中固體表面用團簇保護層涂布；光致抗蝕劑涂覆在團簇保護層上；進行圖案化；團簇保護層根據圖案通過干法蝕刻、離子束照射或氣體團簇離子束照射去除；以及在去除團簇保護層之后暴露的固體表面的部分用氣體團簇離子束照射，以在固體表面
凸部和沒有團簇保護層的凹部來形成。
簡而言之，具有凸部(在它們的頂表面上形成有團簇保護層)和凹部(沒有團簇保護層)的凹凸結構應當形成在固體表面上。本發(fā)明并不特別限定形成方法。
現在將描述示例。
使用Ar氣體團簇和SF6氣體團簇。Ar氣體團簇的源是Ar氣。Ar氣團簇束被產生，該束具有峰團簇尺寸為約2000Ar原子的粒子尺寸分布，該束以30kV的加速電壓發(fā)射到靶19上。SF6氣體團簇的源是SF6氣和He氣。 SF6氣團簇離子束被產生，該束具有峰團簇尺寸為約500 SF6分子的粒子尺寸分布，該束以30kV的加速電壓加速并發(fā)射到靶19上。線-間隔圖案結構(具有l(wèi)pm寬、0.5(im深的線和間隔)如下形成在硅襯底的表面上熱氧化膜在高溫擴散爐中形成在硅表面上；具有氧化膜的硅村底用電子束抗蝕劑涂布；圖案結構通過電子束刻畫i殳備刻畫在抗蝕劑上；在抗蝕劑顯影之后，抗蝕劑圖案用作掩模，熱氧化膜用反應離子蝕刻(RIE) 設備蝕刻；去除抗蝕劑；以及熱氧化膜用作硬掩模，硅通過使用感應耦合等離子體反應離子蝕刻(ICP-RIE)設備蝕刻。盡管用作硬掩模的熱氧化膜通常被去除，該膜沒有被去除而是留在示例中的圖案上。以此方法，制造了具有在50nm到2fim范圍內的不同膜厚的熱氧化層(團簇保護層)的樣品A 到E。在如后面每個示例中將描述的GCIB照射之后，用作團簇保護層的熱氧化膜通過灰化設備灰化并去除。
第一示例
進行實驗以調整所制造的硅圖案的線寬度。對具有較大厚度的熱氧化膜的樣品，劑量也增大，以便減小線寬度。線的側壁用Ar氣團簇離子束以與線的側壁有7。(相對于線的側壁的法線為83°)的照射角照射。線寬度通過蝕刻調整。減少了 5到150nm,對l謡的蝕刻來說照射的劑量是1.3*10" 離子/cm2。
為了檢測圖案形狀的變化，線-間隔圖案結構的截面在GCIB照射之前和之后用電子顯微鏡觀察。結果在圖8的曲線圖中示出。在圖8中，公式(7) 的右側的數值(使用二氧化硅的蝕刻效率Y-5nO"cmV離子(以7。的照射角))由實線來表示。如果Ar氣團簇離子束的照射的劑量與熱氧化膜的厚度之間的關系在表示公式(7)的右側的曲線之上，熱氧化膜被認為起到團簇保護層的作用(也就是，硅圖案的角落將不會變形)。如果該關系在曲線以下，該膜被認為沒有起到團簇保護層的作用。
在熱氧化膜通過灰化去除后，硅的線部分的傾斜角d)是0度，表明角落沒有變形。作為線的側壁的平均表面粗糙度，樣品的平均表面粗糙度在GCIB 照射之前和之后通過原子力顯微鏡(AFM)來測量。在測量線的側壁的平均表面粗糙度時，樣品被切割以暴露線的側壁。在GCIB照射之前線的側壁的平均表面粗糙度(Ra)是3.8nm。在SF6氣團簇離子束照射之后，平均線寬是1.00nm,線的側壁的平均表面粗糙度(Ra)是0.52nm。
第二示例
SF6氣團簇離子束以7。的角度交替地發(fā)射到線的相對側壁。示例在圖9中示出。
為了使圖案寬度減小30nm,對每側的劑量是1.0"0"離子/cm2，相對側被交替地照射。熱氧化膜的厚度T = 0.6pm。在去除熱氧化膜之后，圖案寬度是1.00(im,線的側壁的粗糙度(Ra)是0.49nm。在熱氧化膜通過灰化去除之后，硅線具有O度的傾斜角d)，表明角落沒有變形。
第三示例
通過與上述示例的線-間隔圖案相同的方法制造由硅中圓柱形凹部的陣列(l(im的直徑，具有l(wèi)pm節(jié)距的正方形陣列)形成的圖案結構。在圓柱形凹部的側壁用GCIB以7。的角度6照射的同時，硅襯底在平面內旋轉。此示例在圖IO中示出。圖IO的左圖是圓柱形凹部的陣列圖案的平面圖，箭頭表示硅襯底的平面內旋轉。圖IO的右圖是圓柱形凹部的截面圖。
為了使圓柱形凹部的直徑增大30nm，劑量是3.0M0"離子/cm2。熱氧化膜的厚度T是0.6pm。在去除熱氧化膜之后，圖案寬度是1.00nm,圓柱形凹部的平均表面粗糙度(Ra)是0.49nm。在熱氧化膜通過灰化去除后，硅凸部的上部的角度(J)是O度，其與設計值相同。
基于示例的結論
第一、第二和第三示例表明，通過使用具有滿足公式(7)的厚度的熱氧化膜作為團簇保護層并去除熱氧化膜來調整線寬度，線寬度可以被調整而不使固態(tài)的線-間隔圖案結構的上部的角落變形。
在示例中，加速電壓是30kV。隨著加速電壓增大，蝕刻量增大，減小了平坦化時間。另一方面，增大的加速電壓會使表面粗糙度劣化。因此，加速電壓應當根據固體表面加工的要求(例如時間和材料)來確定。參數和設備條件(例如氣體類型、照射條件和團簇尺寸)都沒有被限定，參數和設備條件可以根據需要而改變。
工業(yè)應用
由于固體表面上的凹凸結構的角落部分可以被保護而不變形，本發(fā)明可以應用于高精度三維結構(例如高性能半導體器件和光學器件以及用于制造這些器件的管芯)的制造。
本發(fā)明的效果
在本發(fā)明中，氣體團簇離子束照射到具有凹凸結構的固體表面上，形成團簇保護層以覆蓋該凹凸結構，從而圖調結構的角落部分可以被保護而不變
權利要求
1.一種利用氣體團簇離子束的固體表面加工方法，包括團簇保護層形成步驟，在所述固體表面上形成具有凸部和凹部的凹凸結構，形成團簇保護層以覆蓋所述凸部的上部，而所述凹部沒有所述團簇保護層；照射步驟，發(fā)射所述氣體團簇離子束到已在所述團簇保護層形成步驟中形成有所述凹凸結構的所述固體表面上；以及去除步驟，去除所述團簇保護層。
2. 根據權利要求l所述的利用氣體團簇離子束的固體表面加工方法，其中所述團簇保護層形成步驟包括掩模工藝，形成所述團簇保護層以覆蓋所述固體表面；以及蝕刻工藝，蝕刻具有在所述掩模工藝中形成的所述團簇保護層的所述固體表面，從而形成具有所述凹部和所述凸部的所述凹凸結構，所述凹部到達所述固體，所述凸部具有保留在凸部的上部的所述團簇保護層。
3. 根據權利要求1或2所述的利用氣體團簇離子束的固體表面加工方法，其中所述團簇保護層的厚度T[cm]滿足<formula>formula see original document page 2</formula>其中a是nY^cmV離子]與在垂直于所述凸部或凹部所延伸方向的截面中所述團簇保護層被所述氣體團簇離子束蝕刻的區(qū)域的面積S[cm"之間的比例因子[離子/cm"; b是Yn，cm2.離子"。]與所述團簇保護層被所述氣體團簇離子束蝕刻的區(qū)域的斜邊的長度L[cm]之間的比例因子[離子1/2cm"]; n 是氣體團簇離子束的劑量[離子/cm2];以及Y是所述團簇保護層的蝕刻效率，定義為每個團簇的蝕刻體積[cmV離子]。
4. 根據權利要求1或2所述的利用氣體團簇離子束的固體表面加工方法，其中如果使用Ar氣體團簇離子束，所述團簇保護層的厚度T[cm]滿足r>"y + (i.54"o16*"W2。
5. 根據權利要求1或2所述的利用氣體團簇離子束的固體表面加工方法，其中如果使用SF6氣體團簇離子束，所述團簇保護層的厚度T[cm]滿足<formula>formula see original document page 3</formula>
6. 根據權利要求1至5的任一項所述的利用氣體團簇離子束的固體表面加工方法，其中在所述照射步驟中，所述氣體團簇離子束交替且傾斜地發(fā)射到所述凹凸結構的相對側壁上。
7. 根據權利要求1至6的任一項所述的利用氣體團簇離子束的固體表面加工方法，其中在所述照射步驟中，所述固體在用所述氣體團簇離子束照射的同時繞大致平行于形成有所述凹凸結構的所述固體表面的法線的軸旋轉。
全文摘要
一種加工固體表面同時防止非平面結構的角落部分變形的方法。提供了一種用氣體團簇離子束加工固體表面的方法，該方法包括團簇保護層形成步驟，在固體表面上形成凹凸結構，該凹凸結構包括其頂部覆蓋有團簇保護層的凸部和沒有覆蓋有團簇保護層的凹部；照射步驟，以氣體團簇離子束照射具有在團簇保護層形成步驟中形成的非平面結構的固體表面；以及去除團簇保護層的去除步驟。團簇保護層的厚度T滿足公式(I)的關系(見圖)其中n是氣體團簇離子束的劑量，以及其中團簇保護層的蝕刻效率是指每個團簇的蝕刻體積Y(假定a和b為常數)。
文檔編號H01L21/302GK101563759SQ200780040678
公開日2009年10月21日申請日期2007年10月30日優(yōu)先權日2006年10月30日
發(fā)明者伊曼紐爾·布雷爾, 佐藤明伸, 松尾二郎, 瀬木利夫, 鈴木晃子申請人:日本航空電子工業(yè)株式會社

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