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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer
zweidimensionalen Übergitterstruktur oder Supergitterstruktur (eines sogenannten
Quantendrahts) und einer dreidimensionalen Übergitterstruktur (einer sogenannten
Quantenbox) und Bauelementen wie etwa einem HEMT (High Electron Mobility
Transistor), einem Diodenlaser und einem OEIC (opto-elektronischer IC), in denen
diese verwendet werden.
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Bisher war eine eindimensionale Heteroübergitterstruktur, wie beispielhaft in
Fig. 2 gezeigt, bekannt.
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Die eindimensionale Übergitterstruktur ist so aufgebaut, daß auf einem Substrat
201 aus GaAs mehrere Schichten aus GaAlAs 202, 204, 206 und 208 und mehrere
Schichten aus GaAs 203, 205 und 207 abwechselnd in einer z-Richtung
aufgewachsen sind, z. B. durch Molekularstrahlepitaxie (MBE) oder durch Materialabscheidung
aus der Gasphase (MOCVD) oder Molekularstrahlepitaxie (MOMBE) unter
Verwendung einer organometallischen Verbindung. Bei einem so aufgebauten Übergitter
sind Leitungsbänder und Valenzbänder unterschiedlicher Niveaus alternierend
angeordnet, wie in Fig. 3 dargestellt, da die Elektronenaffinität und die Bandlücke
bei GaAs und GaAlAs jeweils unterschiedlich ist. So liegt z. B. im Fall von x = 0,25
die Unterkante des Leitungsbandes von AlxGa1-xAs um 0,3 eV höher als die des
Leitungsbandes von GaAs, und die Oberkante des Valenzbandes von AlxGa1-xAs
liegt um 0,06 eV tiefer als die des Valenzbandes von GaAs, so daß ein trogartiges
Potential gebildet wird, in dem GaAs Tröge bildet und AlGaAs Wälle bildet, wie in
Fig. 3 gezeigt. Wenn dabei das Anteilsverhältnis x von Al verändert wird, so ist
die Höhe der Wälle proportional zu x.
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Das obige ist die eindimensionale Übergitterstruktur, der Quantentrog. Wenn
die Wälle breit genug sind, werden Elektronen zwischen den Potentialwällen
eingeschlossen und lokalisiert. Wenn hingegen die Wälle schmal sind, bilden Elektronen
kleine Minibänder (Subbänder) innerhalb der Leitungsbänder und können sich im
Übergitter bewegen.
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Bei einer solchen eindimensionalen Quantentrogstruktur wird eine
Zustandsdichtekurve, die die Zustandsdichte D(E) von Elektronen als Funktion der Energie
darstellt, stufenförmig, wie durch eine durchgezogene Linie in Fig. 5 dargestellt, im
Gegensatz zur parabolischen Zustandsdichtekurve im Fall eines Volumenmaterials,
wie in Fig. 4 gezeigt.
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Wie oben gesagt hat das eindimensionale Übergitter eine sehr künstliche
Struktur und zeigt eine sehr spezielle Energiedichtestruktur. Bei Halbleiterlasern, FET's
(Feldeffekttransistoren), und dergleichen, in denen dieses Übergitter verwendet wird,
sind hervorragende Eigenschaften erreicht worden, die mit einer herkömmlichen
Struktur vom Volumentyp unerreichbar sind.
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Zum Beispiel bei Halbleiterlasern sind im Vergleich zum Volumentyp
hervorragende Effekte beobachtet worden, wie etwa (1) Abnahme des Schwellwertes eines
Injektionsstroms, (2) Verbesserung der Ausgangsstabilität bei Temperaturänderung,
(3) Erhöhung der Verstärkung und (4) Zunahme der Reaktionsgeschwindigkeit.
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Angesichts eines solchen eindimensionalen Übergitters sind zweidimensionale
und dreidimensionale Übergitterstrukturen als Vorstellungen vorgeschlagen worden,
und ihre Eigenschaften sind theoretisch berechnet worden.
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Die Vorstellungen von zweidimensionalen und dreidimensionalen
Übergitterstrukturen sind z. B. beschrieben in "H. Sakai; Japanese Journal of Applied Physics, Band
19 (1980), Nr. 12, Seiten L735-L738" und "Y. Arakawa und H. Sakai; Appl. Phys.
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Letters, Band 40 (1982), Seiten 939-941".
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Bei dem in Fig. 6 gezeigten zweidimensionalen Übergitter (Quantenleitung oder
Quantendraht) ist die obige Struktur, bei der die Schichten aus zwei Arten von
Material in z-Richtung geschichtet sind, mit periodischen Potentialwällen 601 und 602
auch in y-Richtung gebildet. Bei der in Fig. 7 gezeigten dreidimensionalen
Übergitterstruktur (Quantenbox oder Quantenpunkt) sind zusätzlich zu den periodischen
Potentialwällen 701 und 702 in y-Richtung periodische Potentialwälle 711 und 712
in x-Richtung gebildet.
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Dabei müssen die Potentialwälle 601, 602, 701, 702, 711, 712 . . . etc. in x-
Richtung und in y-Richtung nicht als abwechselnde Schichten aus den verschiedenen
Materialien GaAs und GaAlAs geschichtet sein, wie in der z-Richtung, sondern sie
können gebildet werden, indem räumliche Lücken geschaffen werden.
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Die den zweidimensionalen und dreidimensionalen Übergittern in Fig. 6 und
7 entsprechenden Zustandsdichtekurven nehmen die in Fig. 8 bzw. 9 gezeigte
Form an. Aus diesen Kurven sind Situationen zu erkennen, in denen Elektronen
in einer oder null Dimensionen lokalisiert sind, wodurch deren Zustandsdichten auf
immer kleinere Energiebereiche konzentriert werden. Es wird daher vorhergesagt,
daß bei Halbleitern, in denen diese Übergitter verwendet werden, die oben erwähnten
Merkmale (1) bis (4) weiter verbessert sein werden.
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Bislang gab es jedoch kein geeignetes Verfahren zur Herstellung solcher
zweidimensionaler und dreidimensionaler Übergitterstrukturen. Dies liegt daran, daß
es keine Mittel gab, um schmale alternierende Potentialtröge und -wälle in x- und
y-Richtung auf einem Übergitter mit in z-Richtung geschichteter Struktur zu bilden.
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Eines der wenigen veröffentlichten experimentellen Beispiele ist der in den
Figuren 10a bis 10d dargestellte Versuch von Petroff et al . . Dieser ist beschrieben in
"Physics and Application of Semiconductor Superlattices", herausgegeben von der
Japanischen Physikalischen Gesellschaft, Seiten 85-87 (1984) oder "P. M. Petroff
et al.; Appl. Phys. Lett.", 41 (1982), Seiten 635-638. Bei diesem Beispiel wird
die oberste Schicht eines eindimensionalen Übergitters, bei dem Ga0,75Al0,25As 1002,
GaAs 1003, Ga0,75Al0,25, As1004, GaAs 1005, Ga0,75Al0,25As 1006 und GaAs 1007
alternierend auf ein GaAs-Substrat 1001 durch ein Mittel (oder eine E1nrichtung) wie
etwa Molekularstrahlepitaxie aufgewachsen sind, mit Fotolack überzogen, der
unter Verwendung einer Maske Licht ausgesetzt und dann entwickelt wird, wobei die
Maske durch ein Mittel wie etwa Elektronenstrahllithographie gebildet wird, wo
durch eine streifenförmige Lackschicht 1008 mit einer Breite von ca. 2 um übrig
bleibt, wie in Fig. 10a gezeigt. Dabei ist die Längsrichtung des Streifens senkrecht
zur Ebene der Zeichnung.
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Wenn anschließend die resultierende Struktur chemischem Ätzen unterworfen
wird, wird sogar aufgrund des Vorhandenseins der streifenförmigen Lackschicht ein
Teil unterhalb der Lackschicht schräg geätzt, wie durch Bezugszeichen 1009 und
1010 in Fig. 10b dargestellt ist. Das Ätzen kann so beendet werden, daß schließlich
Material mit trapezförmigem oder dreieckigem Querschnitt 1011, 1012 stehen bleibt,
wie in Fig. 10c gezeigt. Anschließend wird der verbleibende Lack 1008 abgestreift
und ein Film 1013 aus Al0,31Ga0,61 As mit großer Bandlücke wird, wie in Fig. 10d
gezeigt, zum Schutz der gesamten Oberfläche der resultierenden Struktur durch
Molekularstrahlepitaxie oder dgl. gebildet.
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Die so hergestellte Struktur ist eine Vielschichtdrahtstruktur, bei der die
seitlichen Maße der einzelnen Schichten im Querschnitt unterschiedlich sind. Der
Quantendraht 1014 der obersten Schicht kann mit Querschnittsmaßen von 20 nm mal 20
nm gebildet werden, von denen ein Quanteneffekt des zweidimensionalen Übergitters
erwartet werden kann. Die Messung von Kathodenlumineszenz bei tiefer
Temperatur
(ca. 20 K) hat gezeigt, daß, wie in Fig. 11 gezeigt, neben einem Peak 1001
vom ursprünglichen eindimensionalen Übergitter ein neuer Lummiszenzpeak 1002
aufgrund des zweidimensionalen Quanteneffekts auf der kurzwelligen Seite erhalten
wird.
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Das oben beschriebene bekannte Verfahren zur Herstellung des
zweidimensionalen Übergitters (Quantendraht) von Petroff et al. hat die folgenden Nachteile:
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(1) Bei einem Quantendraht, dessen Schichten jeweils die gleiche Breite haben,
tritt das eigentümliche Potential wie in Fig. 8 gezeigt aufgrund des
Periodizitätseffekts deutlich auf. Da im Gegensatz dazu das zweidimensionale Übergitter von
Petroff et al. einen dreieckigen Querschnitt hat, unterscheiden sich die Breiten der
einzelnen Schichten voneinander, so daß der Periodizitätseffekt schwierig
hervorzubringen ist, und wesentliche Merkmale des zweidimensionalen Quantendrahts nur
schwerlich zu erzielen sind.
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(2) Obwohl schräges Ätzen unter der Lackschicht angewandt wird, ist die
Steuerung der Querschnittsform mit diesem Verfahren ziemlich schwierig, und daher ist
die Steuerung der Schichtbreiten des Quantendrahts schwierig.
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(3) Durch Wiederholen solcher Muster in seitlicher Richtung kann ein Multi-
Quantendraht gebildet werden. Es ist jedoch schwierig, die Intervalle der Muster
kleiner als mehrere um zu machen und der Effekt der Multiplizität (Periodizität)
ist schwierig hervorzubringen.
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(4) Um die Staffelung des Übergitters, den Abstand zwischen benachbarten
Rillen desselben, die Rillenbreite desselben und deren Tiefe (in z-Richtung)
wunschgemäß für einen Zweck oder für beabsichtigte Merkmale zu ändern, müssen
Werkzeuge einschließlich eines Maskenmusters usw. neu hergestellt werden, und viel
Arbeit und viel Zeit müssen aufgewendet werden.
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(5) Statt dessen kann das Muster ohne Verwendung einer Maske durch direktes
Belichten der Lackschicht mittels Elektronenstrahllithographie gebildet werden. In
diesem Fall können Staffelung, Abstand, Rillenbreite etc. des Übergitters, wie
unter Punkt (4) erwähnt, - relativ leicht verändert werden. Doch auch in diesem Fall
werden die Prozesse der Mustererzeugung mittels Fotolackschicht und des Ätzens
angewandt, so daß die Steuerung der genannten Parameter mit hoher Genauigkeit
schwierig ist und viel Arbeit erforderlich ist.
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Hinsichtlich der Herstellung zweidimensionaler oder dreidimensionaler
Quantentröge können noch die Techniken der amtlichen Veröffentlichungen der
japanischen Patentoffenlegungsschriften Nr. 250684/1985 und Nr. 222190/1986 erwähnt
werden, bei denen ein Ätzprozeß verwandt wird, Nr. 42481/1987, Nr. 36886/1987
und Nr. 108592/1987, bei denen Ionenimplantation mittels fokussiertem
Ionenstrahl verwandt wird, und Nr. 89383/1987, bei der ein spezielles Hilfsmittel zur
Molekularstrahlepitaxie verwandt wird.
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Weitere Verfahren zur Herstellung von GaAs und/oder
AlGaAs-Übergitterstrukturen mit Bereichen, in denen durch fokussierte Ionenstrahlimplantation
Verunreinigungen implantiert sind, sind offenbart in "Appl. Phys. Letters", Band 51, Nr. 2,
Seiten 109-111, "J. of Vac. Sci. and Techn.", Band A 4, Nr. 3, Seiten 933 -937,
wobei in letzterer fokussierte Ionenstrahlen mit Durchmessern von weniger als 1 um
verwendet werden, sowie "J. of Vac. Sci. and Techn.", Band B 4, Nr. 1, Seiten 358
-360, und "J. of Vac. Sci. and Techn.", Band B 3, Nr. 1, Seiten 67-70.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, die Probleme der oben genannten
bekannten Techniken zu lösen und ein Verfahren zur Herstellung einer
zweidimensionalen oder dreidimensionalen Quantentrogstruktur mit ausgezeichneten
Eigenschaften oder einer Vorrichtung mit Übergitterstruktur mit hoher Genauigkeit und
Leichtigkeit zu ermöglichen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach dem einzigen
Anspruch gelöst.
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Die Rillen gehen üblicherweise tief hinunter in ein Substrat, doch ist dies nicht
zwingend.
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Der Ionenstrahl schießt üblicherweise in eine zu den eindimensionalen
Übergitterschichten im wesentlichen vertikale Richtung, soweit dies für das Ionenstrahlsystem
möglich ist.
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Die Kombination von Materialien der eindimensionalen Übergitter der
eindimensionalen Übergitterstruktur, d. h. die Kombination von Trog- und
Wallschichtenmaterial kann GaAs/AlxGa1-xAs oder ein III-V-Verbindungssystem mit guter
Gitteranpassung, z. B. GaP/GaAsxP1-x, GaAs/InxGa1-xAs, InxGa1-xAs/InyAl1-ayAs
oder InP/GaxIn1-xAsyP1-y sein. Auch Kombinationen von Materialien aus II-VI-
Verbindungen mit guter Gitteranpassung sind möglich. Als Substratmaterial wird
üblicherweise das Material der Trogschichten benutzt, doch kann auch ein anderes
Material mit guter Gitteranpassung an das eindimensionale Übergitter benutzt
werden.
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Wenn das eindimensionale Übergitter aus Trogschichten aus GaAs und
Wallschichten aus GaAlAs aufgebaut ist, ist es üblich, die Dicke jeder Trogschicht auf
30 nm oder weniger, vorzugsweise 20 nm oder weniger und meistbevorzugt auf 10
nm oder weniger zu setzen. Das gleiche gilt für die Breite jeder Trogschicht des
zweidimensionalen Übergitters, und die Länge jeder der Kanten jedes Trogteiles des
dreidimensionalen Übergitters. Im allgemeinen sind daher die Beschränkungen für
die Dicke und Breite der Trogschicht des zweidimensionalen Übergitters und für die
Länge jeder Kante eines als Trogteil des dreidimensionalen Übergitters
fungierenden Sechsflächners im wesentlichen dieselben wie die Beschränkungen für die Dicke
der Trogschicht des eindimensionalen Übergitters, das aus derselben Kombination
von Materialien hergestellt ist wie die zweidimensionalen und dreidimensionalen
Übergitter.
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Die eindimensionale Übergitterstruktur, die als Rohling bei der vorliegenden
Erfindung verwendet wird, ist nicht auf die oben genannten Beispiele beschränkt, es
kann eine beliebige eindimensionale Übergitterstruktur einschließlich bisher
bekannter sein, in der durch Ionenstrahlbeschuß Nuten gebildet werden können.
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Die Größe des Potentialwallbereichs der ein-, zwei- oder dreidimensionalen
Übergitterstrukturen unterliegt keinen speziellen Beschränkungen. Wenn jedoch die
Übergitterstruktur- in eine Vorrichtung eingebaut wird, könnten die Ausmaße des
Wallbereichs durch der Vorrichtung eigentümliche Bedingungen beschränkt sein.
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Wenigstens ein Potentialtrog kann in jeder Übergitterstruktur enthalten sein, die
Anzahl der Potentialtröge unterliegt keiner besonderen oberen Grenze.
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Der Fokusdurchmesser des Ionenstrahls zur Verwendung in der vorliegenden
Erfindung ist auf 0,05 um oder weniger gesetzt, wie oben erwähnt. Wenn der
Fokusdurchmesser größer ist, neigen die Seitenwände der gebildeten Nuten
unvorteilhafterweise dazu, an ihren Ecken und in deren Nähe stumpf zu werden, und der
zwischen der Seitenwand der Nut und den eindimensionalen Übergitterschichten
definierte Winkel neigt dazu, von der Senkrechten abzuweichen. Auch um eine
Genauigkeit der Endbearbeitung nahezu gleich der Größe (30 nm oder weniger) des
Trogbereichs oder besser sicherzustellen, sollte der Fokusdurchmesser des
Ionenstrahls wünschenswerterweise auf 0,05 um oder weniger gesetzt werden.
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Bei der wie oben beschrieben aufgebauten Erfindung ist die strahlungsintensive
Ionenquelle so aufgebaut, daß Ionen eines zu ionisierenden Materials mit hoher
Stromdichte vom Ende einer nadelförmigen Spitze abgezogen werden. Daher können
diese abgezogenen Ionen, wenn sie durch das ionenoptische System wie etwa ein
elektrostatisches Objektiv fokussiert werden, auf einen sehr kleinen Fleck fokussiert
werden und einen ausreichenden Strom bilden.
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Insbesondere wenn zwei oder mehr Linsen als elektrostatisches Objektiv
verwendet werden, können hohe Vergrößerungen eingestellt werden, und bei Verwendung
einer Flüssigmetall-Ionenquelle kann ein ultrafeiner Strahl mit einem Durchmesser
von 0,05 um oder weniger erhalten werden.
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Insbesondere wenn eine Ionenquelle vom Feldionisierungstyp in der Gasphase
bei einer sehr niedrigen Temperatur als Ionenquelle eingesetzt wird, kann der
Ionenstrahl auch auf einen Durchmesser von 10 nm öder weniger fokussiert werden,
da anders als bei der Flüssigmetall-Ionenquelle ein Taylorkegel von mehreren 10 nm
an der Spitze einer Nadel nicht gebildet wird und die Energiebreite, die ein den
Durchmesser des Fokus bestimmender Faktor ist, ca. 0,1 eV beträgt, was
wenigstens eine Größenordnung kleiner ist als im Fall einer Flüssigmetall-Ionenquelle. Da
ferner der Ionenstrahl mit hoher Genauigkeit mit Hilfe von Ablenkelektroden und
einem Steuersystem für diese abgelenkt werden kann, können die Nutbreite, -tiefe,
der Nutabstand und dgl. des Quantentroges nach Wunsch mit hoher Genauigkeit
gesteuert werden. Zusätzlich können die Breiten der einzelnen Schichten festgelegt
werden, und der Abstand der Tröge kann im sub-um-Bereich gebildet werden.
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Als Element für die Ionenquelle wird meist Ga benutzt. Daneben kann
irgendeines von Elementen wie etwa In, Si, Sn, Bi, Pb, Ni, Al, Au und Cu benutzt werden.
Auch Legierungen, wie etwa AuSiBe, AlSi, PdNiSiBeB, CuP, SnPbAs, AuSb und
AuSi werden verwendet. Ein beliebiges anderes Material kann verwendet werden,
wenn ein günstiges experimentelles Ergebnis erhalten worden ist.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen:
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Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung
einer zweidimensionalen Multi-Quantentrogstruktur (Multi-Quantendraht) gemäß
einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ohne Ätzgas;
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Fig. 1b ist eine perspektivische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung
einer dreidimensionalen Multi- Quantentrogstruktur (Multi-Quantenpunkt) gemäß
einer anderen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ohne Ätzgas;
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Fig. 2 ist eine perspektivische Darstellung einer vorbekannten eindimensionalen
Multi-Quantentrogstruktur;
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Fig. 3 ist ein Graph, der die Änderungen der Potentiale in Abhängigkeit von den
Positionen in der in Fig. 2 gezeigten eindimensionalen Multi-Quantentrogstruktur
zeigt;
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Fig. 4 ist ein Graph, der die Zustandsdichtekurve einer Vorrichtung vom
Volumentyp zeigt;
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Fig. 5 ist ein Graph, der die Zustandsdichtekurve einer eindimensionalen Multi-
Quantentrogstruktur zeigt;
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Fig. 6 ist eine perspektivische Darstellung eines Beispiels für eine
zweidimensionale Multi-Quantentrogstruktur;
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Fig. 7 ist eine perspektivische Darstellung eines Beispiels für eine
dreidimensionale Multi- Quantentrogstruktur;
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Fig. 8 ist ein Graph, der die Zustandsdichtekurve der in Fig. 6 gezeigten
zweidimensionalen Multi- Quantentrogstruktur zeigt;
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Fig. 9 ist ein Graph, der die Zustandsichtekurve der in Fig. 7 gezeigten
dreidimensionalen Multi- Quantentrogstruktur zeigt;
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Fig. 10a bis 10d sind Querschnitte, die ein vorbekanntes Verfahren zur
Herstellung einer zweidimensionalen Quantentrogstruktur zeigen;
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Fig. 11 ist ein Graph, der das Lumineszenz-Intensitätsspektrum der in Fig.
10d gezeigten zweidimensionalen Quantentrogstruktur zeigt;
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Fig. 12, 13, 14, 19, 28, 29, 30 und 31 sind schematische erläuternde
Diagramme, die jeweils eine Bearbeitungsvorrichtung mit fokussiertem Ionenstrahl
zeigen, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
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Fig. 15 ist ein Graph, der die gewöhnliche Beziehung zwischen dem
Ionenstrahlstrom und der Zeit zeigt;
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Fig. 16 ist ein Graph, der die verbesserte Beziehung zwischen dem
Ionenstrahlstrom und der Zeit zeigt;
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Fig. 17 ist eine schematische Querschnittsdarstellung zur Erläuterung einer
gewöhnlichen Bearbeitungssituation in dem Fall, daß eine Nut durch Projektion
eines Ionenstrahls gebildet wird;
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Fig. 18 ist eine schematische Querschnittsdarstellung zur Erläuterung einer
verbesserten Bearbeitungssituation in dem Fall, daß eine Nut durch
Ionenstrahlprojektion gebildet wird;
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Fig. 20 und 21 sind schematische Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung
der gewöhnlichen Situation bei einer Nut, die durch einen Ionenstrahl erzeugt wird;
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Fig. 22 ist eine schematische Querschnittsdarstellung, die die verbesserte
Situation bei der Erzeugung einer Nut durch einen Ionenstrahlprozeß zeigt, bei dem
ionenstrahlinduziertes Ätzen verwendet wird;
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Fig. 23 ist eine schematische Querschnittsdarstellung zur Erläuterung eines
Bearbeitungsschrittes,
bei dem ein Isolator in der Nut einer zweidimensionalen
Übergitterstruktur durch ionenstrahlinduzierte CVD abgeschieden wird;
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Fig. 24 ist eine erläuternde Darstellung, die die Überwachung eines Schritt es
in einem Prozeß zeigt, in dem ein Ionenstrahl verwendet wird; und
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Fig. 25a, 25b, 26a, 26b, 27a und 27b sind erläuternde Darstellungen, die
einen Prozeß zum Ändern des Durchmessers eines Ionenstrahls bei der Herstellung
einer Nut durch den Ionenstrahl zeigen.
Beschreibung der bevorzugten Ausgestaltungen:
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Fig. 1a zeigt ein Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung einer
zweidimensionalen Übergitterstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung, jedoch ohne
Ätzgas. Eine eindimensionale Übergitterstruktur ist so beschaffen, daß auf einem
GaAs-Substrat 101 epitaktische Schichten, die aus mehreren Schichten -
mehreren hundert Trogschichten (GaAs-Schichten) und Potentialwallschichten (GaAlAs-
Schichten) - abwechselnd in Form einer GaAlAs-Schicht 102, einer GaAs-Schicht
103, einer GaAlAs-Schicht 104, einer GaAs-Schicht 105, einer GaAlAs-Schicht 106
und einer GaAs-Schicht 107 (wobei jede der GaAs-Schichten ca. 6 nm dick ist
und jede der GaAlAs-Schichten ca. 8 nm dick ist) durch Molekularstrahlepitaxie,
MOCVD oder dgl. aufgewachsen sind. Ein Ionenstrahl 113 aus einer
strahlungsintensiven Ionenquelle mit eine m Ausgangsstrom von 1 uA bis 10 uA, wie etwa einer
Flüssigmetallionenquelle oder einer Tiefsttemperatur-Feldionisierungs-Ionenquelle,
wird auf einen Fleck 112 mit einem Durchmesser von 0,05 um oder weniger durch
eine elektrostatische Linse fokussiert und wird, während er das eindimensionale
Übergitter beschießt, zum überstreichen abgelenkt, wodurch das eindimensionale
Übergitter von seiner Vorderseite her sputter-bearbeitet wird, um Nuten 108, 109,
110 und 111 zu erzeugen. Die Nut 111 wird gerade bearbeitet. Die ungefähren
Ausmaße sind so, daß die Breite a eines jeden bei der Bearbeitung stehengelassenen
Teils mehrere 10 nm beträgt, daß die Breite b jeder Nut mehrere 10 nm beträgt, daß
die Dicke c der heteroepitaktischen Schichten ca. 70 nm beträgt, und daß die Länge
d jeder Nut mehrere 100 um oder mehr beträgt. Indem der Ionenstrahl hier auf ca.
50 nm eingestellt wird, kann eine Genauigkeit der fertigen Nut von besser als 10 nm
erreicht werden. Zusätzlich wird eine sehr scharfe Kantenform durch das Sputtern
beim Ionenstrahlprozeß erreicht. In der Figur wird der Ionenstrahl 113 in einer
Richtung f bewegt, während in einer Richtung e mit einer Geschwindigkeit von 0,1
um/sec bis 100 um/sec abgefahren wird, um so flächig abzufahren, und die Nut 111
wird durch Wiederholen solcher Schritte gebildet. Als wiederholtes Abfahrverfahren
sind jedoch mehrere unterschiedliche Methoden möglich. Indem eine große Anzahl
von Nuten in der Größenordnung von mehreren 10 oder mehr auf diese Weise
lateral orientiert erzeugt werden, kann ein zweidimensionales Quantendraht-Übergitter
gebildet werden. Das heißt, in diesem Fall dienen die durch den Ionenstrahl 113
erzeugten Nuten als Potentialwälle. Das Ausmaß der Lokalisierung der Elektronen
im Quantendrahl kann durch Änderung der Nutbreite b geändert werden.
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Fig. 1b zeigt eine Struktur, in der zusätzlich Nuten 114, 115, 116 und 117 in
einer Richtung senkrecht zu den Nuten 108, 109, 110 und 111 auf die obige Weise
durch den fokussierten Ionenstrahl erzeugt sind. Da die Struktur Potentialwälle
in beiden orthogonalen Richtungen in Schichtrichtung der epitaktischen Schichten
aufweist, kann sie ein dreidimensionales Übergitter (Quantenbox) bilden.
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Fig. 12 zeigt eine Bearbeitungsvorrichtung mit fokussiertem Ionenstrahl zum
Erzeugen von zweidimensionalen und dreidimensionalen Übergittern, die gemäß der
vorliegenden Erfindung anwendbar ist. In einer auf einem schwingungsfreien Gestell
1225 aufgebauten Vakuumkammer 1201, deren Inneres bei einem Druck von 1,33 ·
10-6 mb oder darunter gehalten wird, wird eine hoch strahlungsintensive Ionenquelle
(in der Figur eine Flüssigmetall-Ionenquelle) erregt und durch eine
Stromversorgung zum Beheizen der Spitze 1202 beheizt, die entsprechend einer
Beschleunigungsspannung von einer Stromversorgung für die Beschleunigungsspannung 1200
schwebt, und ein Ionenstrahl wird von einem an der Spitze eines Filaments 1203
abgeschiedenen geschmolzenen Metall durch ein elektrisches Feld abgezogen, das
durch eine Abziehelektrode 1206 aufgebaut wird, die mit einer Stromversorgung
für die Abziehelektrode 1204 verbunden ist. Zusammen mit der Abziehelektrode
bilden die Elektroden 1207 und 1208 ein erstes elektrostatisches Objektiv. Eine
Stromversorgung für die Linsenelektrode 1205 liefert eine Linsenspannung, die an
die Linsenelektrode 1207 angelegt wird. Der Ionenstrahl wird durch das erste
Objektiv 1206, 1207, 1208 im wesentlichen kollimiert, und sein Durchmesser ist durch
eine Strahlbegrenzungsöffnung 1209 begrenzt. Anschließend passiert der Strahl eine
Tastelektrode 1210, die von einer Stromversorgung für die Tastelektrode 1217
versorgt wird, und die dazu dient, den Strahl mit hoher Geschwindigkeit ein- und
auszuschalten, dann durch eine Tastöffnung 1211, und wird dann durch zwei
Ablenkelektroden 1212 und 1213 abgelenkt, die von einer Ablenkstromversorgung 1218
versorgt werden. Anschließend tritt der Strahl in ein zweites elektrostatisches
Objektiv ein, das aus drei Elektroden 1214, 1215 und 1216 aufgebaut ist. In diesem
Fall wird bei dem zweiten Objektiv nur an die zentrale Linse eine Spannung durch
eine Stromversorgung für das zweite Objektiv 1219 angelegt. Der Ionenstrahl wird
durch das zweite Objektiv fokussiert, um eine Probe 1222 auf einem Probenhalter
1223 zu beschießen.
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Ein Sekundärteilchendetektor 1221 fängt von der Probe durch die Bestrahlung
mit dem Ionenstrahl emittierte Sekundärelektronen oder Sekundärionen ein, verstärkt
sie und zeigt ein Raster-Ionenbild auf einer Anzeige 1220 synchron zu einem
Ablenkungssignal an, wodurch die Probe beobachtet werden kann. Bezugszeichen 1224
bezeichnet eine Ladevorrichtung zum Austauschen von Proben.
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Bei diesem Gerät werden zwei Stufen von Linsen verwendet, so daß die
Vergrößerungen größer gemacht werden können, als in einem herkömmlichen Fall, in dem eine
Linsenstufe verwendet wird. Daher kann ein ausreichend hoher Strom (50 pA bis 300
pA) auch mit einem befriedigenden ultrafeinen Strahl (0,05 um) erreicht werden,
und befriedigende Bearbeitung und Erfassung sind möglich. Außerdem wird bei
der Erfassung der Übergitterprobe mit einem solchen ultrafeinen Strahl der Strahl
abgelenkt, wodurch die zweidimensionalen bzw. dreidimensionalen Übergitter wie
in Fig. 1a bzw. 1b gezeigt, bearbeitet werden können.
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Als nächstes wird eine Ausgestaltung beschrieben, die eine Verbesserung des in
Fig. 12 gezeigten Geräts ist.
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Fig. 13 zeigt ein Beispiel eines Ionenstrahl-Bearbeitungsgeräts, bei dem ein
Laser-Interferometer 1301 verwendet wird, um die Positionsgenauigkeit der
Endbearbeitung zu verbessern. Ein Laserstrahl 1303 vom Laserinterferometer 1301
passiert ein Interferenzprisma 1305, dann ein Fenster 1302 und wird von einem an einem
Probenhalter 1223 montierten Reflexionsspiegel 1304 reflektiert, so daß er den
obigen Weg zurückläuft. So kann die Position des Halters mit einer Genauigkeit von 10
nm erfaßt werden. Mit Rücksicht auf temperaturbedingte Drift, die Drift des
Ionenstrahls aufgrund der Aufladung von Probe und elektrostatischem optischen System
durch Ladungen etc., werden in regelmäßigen Zeitabständen Zielmarken aufgesucht,
deren Positionen vom Laserinterferometer gemessen werden, und die Ablenkungen
des Strahls werden gemäß den Positionswerten korrigiert, wodurch die Einflüsse der
Driften eliminiert werden können und die Bearbeitung mit hoher Genauigkeit in
der Größenordnung von 10 nm durchgeführt werden kann.
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Fig. 14 zeigt ein Beispiel für ein Ionenstrahl-Bearbeitungsgerät, bei dem, wenn
der
Strom eines Ionenstrahls driftet, der Bearbeitungszeitraum geändert wird, um
die Bearbeitungstiefe zu steuern.
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Dieses Beispiel wird benutzt, um das nachfolgend beschriebene Problem zu lösen:
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In Fig. 15 stellt die Ordinate den Ionenstrahl i und die Abszisse die Zeit t dar.
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Im allgemeinen ist der Ionenstrahl nicht immer stabil, sondern er driftet oft und
fluktuiert, wie in Fig. 15 dargestellt. Bei der Bearbeitung einer Probe wird
angestrebt, die Probe bis zu einer Tiefe A zu bearbeiten, wie in Fig. 17 gezeigt.
Ein Bearbeitungszeitraum t&sub1; wird aus einem zu bearbeitenden Volumen V&sub0;, einem
Ionenstrahlstrom i&sub0; und der Sputter-Geschwindigkeit (oder dem
Bearbeitungsgeschwindigkeitskoeffizienten) der zu bearbeitenden Probe abgeschätzt. Wenn jedoch
die Bearbeitung durchgeführt und zum Zeitpunkt t&sub1; ohne Änderung beendet wird,
beläuft sich der projizierte Strom auf
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was um die Fläche C in Fig. 15
kleiner ist als i&sub0;t&sub1;, so daß die in Fig. 17 dargestellte Bearbeitungstiefe B geringer
ausfällt. Bei dem Gerät aus Fig. 14 werden daher die Fluktuationen des
Ionenstrahls kompensiert, indem ein in eine Abziehelektrode 1206 fließender Strom I&sub0;
durch ein Amperemeter 1401 erfaßt wird, daß ein den Strom anzeigender Wert in
ein Digitalsignal durch einen A/D(Analog-Digital)-Wandler 1402 umgewandelt wird,
und das das Digitalsignal in eine CPU (Zentralverarbeitungseinheit) 1405 durch
einen Optokoppler 1403 eingegeben wird. Die CPU 1405 berechnet nacheinander
-
Im allgemeinen gilt eine Proportionalitätsbeziehung zwischen dem Strom I(t),
der in die Abziehelektrode fließt und dem Ionenstrahlstrom i(t), der auf die Probe
projiziert wird. Mit einer Proportionalitätskonstante k gilt daher die Formel
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i(t) = ki(t),
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auf deren Grundlage die CPU 1405 i(t) ermittelt. Außerdem berechnet sie
sequentiell
-
Zum Zeitpunkt i = t&sub2; (in Fig. 16), zu dem der genannte Wert gleich dem Zielwert
i&sub0;t&sub1; geworden ist, betätigt die CPU 1405 eine Taststromversorgung 1217, um den
auf die Probe projizierten Ionenstrahlstrom abzubrechen.
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Zu diesem Zeitpunkt gilt
-
und die Fläche D in Fig. 16
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ist gleich der Fläche C. In Fig. 18 kann die Bearbeitungstiefe B mit hoher
Genauigkeit mit dem Zielwert A in Übereinstimmung gebracht werden.
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Das in Fig. 19 gezeigte Gerät enthält eine große Zahl neuartiger Merkmale im
Vergleich mit den vorhergehenden Ausgestaltungen. Zunächst wird als Ionenquelle
1908 eine beliebige Legierungs-Ionenquelle aus beispielsweise Au-Si, Au-Si-Be, Al-
Si, Pd-Ni-Si-Be-B, NiB oder As-P verwendet. Außerdem werden ein Wien-Filter
1909 und eine Blende zur Massenanalyse 1902 verwendet und das Magnetfeld des
Wien-Filters wird geändert durch Ändern eines Stroms, der durch eine Spule geführt
wird, so daß ein abgezogener Ionenstrahl durch die Massenanalyseblende 1902 auf
eine Probe 1222 geführt wird. Bezugszeichen 1903 bezeichnet eine Stromversorgung
für den Wien-Filter. Als Ionenspezies können nur jeweils entsprechende unter den
Elementen der Legierungszusammensetzung gewählt werden.
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Dies führt zu dem nachfolgend beschriebenen Effekt: Wenn, wie beispielhaft
in Fig. 20 dargestellt, ein Ionenstrahl aus Ga 2001 als Bearbeitungs-Ionenquelle
benutzt wird, werden einige Ga-Ionen 2002 am Boden des Lochs einer GaAs-Probe
1222 implantiert, und überschüssige Ga-Ionen 2003 fallen körnig an der Oberfläche
der Probe aus, so daß die Merkmale des Übergitters beeinträchtigt werden. Um
diesem zu begegnen, zieht die Ausgestaltung in Fig. 19 nur As-Ionen von den
Ionen der As-Legierung mit Hilfe des Wien-Filters ab und beschießt die Probe mit
den As-Ionen. So werden Ga- und As-Ionen in der Zusammensetzung des Übergitters
entsprechenden Mengen eingeschossen, wodurch die Defekte eines reinen Gallium-
Ionenbeschusses eliminiert werden können.
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Wieder bezogen auf Fig. 19 dient eine Gasdüse 1909 zum Einführen eines Gases
zum ionenstrahl-induzierten Ätzen oder für ionenstrahl-induzierte CVD aus diesem
und zum Projizieren des Gases auf die erfindungsgemäße Probe 1222.
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Zunächst wird der Fall beschrieben, daß Gas für ionenstrahl-induziertes Ätzen
durch die Düse eingeführt wird. Bei Bearbeitung mit dem fokussierten Ionenstrahl
liegen die Wände eines erzeugten Lochs in enger Nachbarschaft zu einer zu
sputternden Stelle, und es tritt das Phänomen auf, daß gesputterte und entfernte Atome sich
in großen Mengen an den Wänden ablagern. Bezogen auf Fig. 21 werden beim
Projizieren eines Ionenstrahl 2201 Atome 2202a, 2202b, 2202c und 2202d gesputtert,
und Schichten 2203 und 2204 werden durch Wiederabscheidung der gesputterten
Atome an den Seitenwänden eines Lochs gebildet.
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Die derartige Bildung von wiederabgeschiedenen Schichten mit großen Anzahlen
von Atomen haben zu Problemen dahingehend geführt, daß die
Bearbeitungsgeschwindigkeit niedrig ist, daß die bearbeitete Querschnittform je nach Bedingung
des wiederholten Abtastens bei der Bearbeitung unterschiedlich ist (z. B. ob eine
Probe 1222 wiederholt eine große Anzahl von Malen mit hoher
Abtastgeschwindigkeit bearbeitet wird, oder ob sie nur einmal mit niedriger Abtastgeschwindigkeit
bearbeitet wird etc.), und daß eine senkrechte Querschnittsform schwer zu erhalten
ist. Daher wird ein Material wie etwa Cl&sub2; als Ätzgas aus der Gasdüse 1909 wie in
Figur
22 gezeigt eingeführt, und eine bearbeitete Nut mit scharfer Querschnittsform
ohne wieder abgeschiedene Schichten, wie in Fig. 22 zu sehen, kann mit hoher
Geschwindigkeit durch Ionenstrahl-induziertes Ätzen erzeugt werden, bei dem in
einem mit einem Ionenstrahl bestrahlten Bereich das Gas durch die Energie des
Ionenstrahls 2201 dissoziiert wird, sich an das Material der Probe 1222 bindet und
eine sublimierbare Substanz bildet, so daß das Probenmaterial geätzt und entfernt
wird.
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Fig. 23 zeigt ein Beispiel für Ionenstrahl-induzierte CVD.
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Wenn bei der Herstellung zweidimensionaler oder dreidimensionaler Übergitter
wie in Fig. 1a oder 1b gezeigt die gebildeten Nuten intakt gelassen werden,
werden die Vorrichtungseigenschaften durch das Eindringen von Fremdmaterial, das
Zusammenbrechen der Nuten, die Oxidation der Seitenwände, die Adhäsion von
Feuchtigkeit und dgl. beeinträchtigt. Daher wird ein bearbeiteter Nutbereich unter
Einführung von Silan SiH&sub4; und Sauerstoff O&sub2; als Gas für die CVD aus einer Düse
2402 mit einem Ionenstrahl 2401 beschossen. Indem Si und O&sub2; in dem durch den
Ionenstrahl beschossenen Bereich reagieren, wird e in SiO&sub2;-Film 2403 aufgewachsen
und abgeschieden. Auf diese Weise werden die Nuten mit abgeschiedenen
Bereichen 2404 und 2405 aufgefällt und die erzeugten Nuten können zur Passivierung
stabilisiert und geschützt werden.
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In Fig. 19 wird ein Kabel 1905 von einem Halter 1223 aus einer Vakuumkammer
1201 herausgeführt und über ein Galvanometer 1906 mit einem Erdungspunkt 1907
verbunden. Dies dient zur Überwachung des Ionenstrahlprozesses und ist in Fig. 25
deutlich dargestellt. Da der Ionenstrahl 2501 eine Strömung geladener Teilchen ist,
fährt der Beschuß mit diesem zum Einfließen von elektrischem Strom in ein Substrat,
und der Strom kann durch das Galvanometer 1906 nachgewiesen werden. Im Fall
der Abtragungsbearbeitung mit dem Ionenstrahl fluktuiert der Nachweisstrom jedes
Mal,
wenn eine Einzelschicht (GaAs oder GaAlAs) des Übergitters entfernt worden
ist. Außerdem fluktuiert er stark, wenn zum Schluß das GaAs-Substrat erreicht
worden ist. So kann die Bearbeitungstiefe überwacht werden. Insbesondere kann
herausgefunden werden, bis zu welcher Schicht die Probe abgetragen ist.
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Ferner ändern sich in dem Fall, daß wie in Fig. 23 gezeigt durch Laser-CVD
ein Abscheidungsfilm gebildet wird, die Wege, entlang derer die Ladungen aus den
GaAs/GaAlAs-Schichten der Seitenwände herausfließen, und die Längen der Wege
ändern sich je nach abgeschiedener Dicke des Isolators, so daß sich auch der
Stromfluß ändert. Aus diesen Gründen können die Dicken der abgeschiedenen Bereiche
überwacht werden.
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Außerdem ist die Vorrichtung in Fig. 19 mit einer variablen Öffnung 1904
versehen. Diese variable Öffnung ist so aufgebaut, daß Strahlbegrenzungsöffnungen mit
verschiedenen Durchmessern mittels einer Vakuumdurchführung von außerhalb der
Vakuumkammer 1201 her ausgetauscht werden können. So kann der Durchmesser
des zu projizierenden Ionenstrahls geändert werden. Der Vorgang ist in Fig. 25a,
25b, 26a, 26b, 27a und 27b dargestellt. Die Fig. 25a, 26a und 27a entsprechen
einem Fall, bei dem ein großer Öffnungsdurchmesser verwendet wird, die Fig.
25b, 26b und 27b entsprechen dem Fall der Verwendung einer Öffnung von kleinem
Durchmesser.
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Wenn die große Öffnung 2602 der variablen Öffnung 2601 verwendet wird,
passiert der Ionenstrahl 2604 diese als dicker Strahl 2605 und wird durch eine zweite
Linse 2606 auf einen großen Fleck 2607 oder 2610 mit einem Durchmesser von
beispielsweise wenigstens 0,2 um fokussiert. Entsprechend passiert im Fall der Fig.
25b und 26b, wenn die variable Öffnung auf eine kleine Öffnung 2603
umgeschaltet wird, ein dünner Strahl 2614, und ein kleiner Fleck 2609 oder 2611 mit einem
Durchmesser von höchstens 0,05 um oder weniger wird erhalten.
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Fig. 27a und 27b zeigen beispielhaft die Verwendung der variablen
Strahldurchmesser. Wenn mit Hilfe des Ionenstrahls die in Fig. 1a oder 1b gezeigte
zweidimensionale oder dreidimensionale Quantentrogstruktur gebildet wird, wird
bei Bearbeitung der gesamten Fläche der Nut durch einen dünnen Strahl eine sehr
lange Zeit gebraucht. Um die Bearbeitungszeit zu verkürzen, wird der zentrale
Bereich 2612 der zu bildenden Nut der Probe 2608 zunächst mit dem großen Fleck,
entsprechend einem hohen Strahlstrom, bearbeitet, wie in Fig. 27a dargestellt.
Unter diesen Umständen geschieht die Bearbeitung mit hoher Geschwindigkeit. Da
jedoch der Strahldurchmesser groß ist, ist die Bearbeitungsgenauigkeit geringer.
Anschließend werden die Seitenwände 2613 und der Boden 2615 des Lochs mit dem
kleinen Fleck, entsprechend einem geringen Strahlstrom, auf die gewünschten Maße
bearbeitet. Unter diesen Umständen ist eine Bearbeitung mit hoher Genauigkeit
möglich, die Bearbeitungsgeschwindigkeit ist jedoch niedrig, und es wird schließlich
die Querschnittsform 2616 des bearbeiteten Lochs mit hoher Genauigkeit erreicht.
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Mit Hilfe solch eines Verfahrens des Umschaltens der variablen Öffnung kann
die Probe mit derselben Genauigkeit und mit wesentlich höheren Geschwindigkeit
bearbeitet werden, als wenn nur der dünne Strahl verwendet wird.
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Fig. 28 zeigt eine andere Ionenstrahlvorrichtung. In diesem Fall wird ein von
einem Laseroszillator 2901 emittierter Laserstrahl 2902 durch einen optischen Schalter
2903 wie etwa ein akustooptisches Bauelement ein- und ausgeschaltet. Anschließend
passiert er ein Fenster 2905 und wird von einem konkaven Reflektor 2906 reflektiert
und fokussiert, um einen Fleck 2907 auf einer Probe zu bilden. So kann der
Laserstrahl auf einen Ionenstrahl-Bestrahlungsbereich gesammelt und projiziert werden.
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Unter diesen Umständen wird die nachfolgend beschriebene Funktion erreicht.
Im allgemeinen entstehen Gitterdefekte in dem mit einem Ionenstrahl bestrahlten
Bereich. Deswegen muß der gestörte Bereich ausgeheilt werden, um normale
optische
und elektrische Eigenschaften zu erreichen. Ausheilen durch Erhitzen in einem
Hochtemperaturofen erfordert lange Zeit und übt erhebliche Einflüsse auf die
verschiedenen Bereiche eines Bauelementes aus. Es ist daher sehr wirksam, daß durch
Projizieren des Laserstrahls nur auf die erforderlichen Bereiche, wie oben
beschrieben, in situ in der Vakuumkammer ausgeheilt wird.
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Mit dem Laser 2901 wird bei einem Bauelement, das durch einen Ionenstrahl
hergestellt wird, ein durch die Lasereinstrahlung hervorgerufener Strom über einen
Leiter 2909 abgeleitet, der eine Sonde 2908 an einer am Bauelement gebildeten
Elektrode berührt, und wird durch eine Meßvorrichtung 2910 gemessen, wodurch
Eigenschaften in Echtzeit, d. h. während der Durchführung der
Ionenstrahlbearbeitung durch die Bearbeitungsvorrichtung oder unmittelbar nach Beendigung der
Bearbeitung untersucht werden können.
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In Fig. 28 bezeichnet Bezugszeichen 2904 eine Steuerung für den optischen
Schalter 2903 und Bezugszeichen 2911 eine Stromversorgung für den Laser 2901.
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Fig. 29 zeigt ein Beispiel für eine Ionenstrahlvorrichtung, bei der ein Raster-
Elektronenmikroskop 3001 in einer identischen Kammer eingebaut ist. Nachdem
eine Probe 1222 durch einen Ionenstrahl bearbeitet oder mit einem CVD-Film
versehen worden ist, wird ein Probenhalter 3002 zur Position 3003 des Raster-
Elektronenmikroskops bewegt, so daß eine in situ Beobachtung durchgeführt werden
kann. Außerdem können durch den Elektronenstrahl des
Raster-Elektronenmikroskops Teile mit Defekten durch Elektronenstrahlausheilung ausgeheilt werden.
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Fig. 31 zeigt eine Ionenstrahlvorrichtung, bei der der oben beschriebene Einbau
des Rasterelektronenmikroskops ersetzt ist durch die Verwendung einer Elektronen-
Ionen-Hybridquelle zum Abziehen von Elektronen und Ionen aus ein und derselben
Quelle. Durch diese Maßnahme können je nachdem, ob die Abziehspannung der
Ionenquelle positiv oder negativ geschaltet ist, entweder Elektronen oder Ionen
geschaltet von der Spitze eines kegelförmigen Vorsprungs geschaltet abgeleitet werden,
der durch ein flüssiges Metall an der Spitze einer Ionenquellennadel aufgrund des
Gleichgewichts zwischen Oberflächenspannung und elektrostatischer Kraft gebildet
wird. Zu diesem Zweck verbindet eine Stromversorgung für eine
Beschleunigungsspannung 3101 einen Massenanschluß und einen Hochspannungsausgabeanschluß
entweder mit einer Stromversorgung 3105 zum Beheizen der Spitze oder mit einem
Erdungspunkt über Umschalter 3101a und 3101b, so daß sie umgeschaltet werden
kann, um entweder eine positive oder eine negative Beschleunigungsspannung zu
erzeugen. Bei einer Stromversorgung 3102 für eine Abziehelektrode, einer
Stromversorgung 3103 für eine erste Linse und einer Stromversorgung 3104 für eine zweite
Linse werden Spannungsquellen mit sowohl positiven wie auch negativen
Ausgangsspannungen verwendet, so daß durch entsprechende Umschalter 3102a, 3103a oder
3104a die Ausgabe an die entsprechende Elektrode positiv oder negativ geschaltet
werden kann.
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So werden nach der Bearbeitung mit einem Ionenstrahl die Spannungen beim
bearbeiten Zustand umgeschaltet, so daß ein Elektronenstrahl abgeleitet wird, mit
dem eine Beobachtung auf Grundlage eines rasterelektronenmikroskopischen Bildes
durchgeführt werden kann. Eine Probe kann auch im Laufe der Bearbeitung oder
Implantation sequentiell beobachtet werden.
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Außerdem können bei der Vorrichtung aus Fig. 30 von der Probe 1222 emittierte
Auger-Elektronen durch einen Energie-Analysator 3106 nachgewiesen werden, und
eine in situ-Analyse (Auger-Spektroskopie) wird mit einem
Auger-Elektronenspektroskop 3107 durchgeführt. Die Probe kann auch lokal mit dem Elektronenstrahl
erhitzt werden, um so eine Elektronenstrahlausheilung durchzurühren, um Defekte
zu beheben, die der Projektion des Ionenstrahls zugeschrieben werden können.
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Fig. 31 zeigt ein Beispiel für eine Vorrichtung, bei der eine Kammer 3201 für
einen stark fokussierten Ionenstrahl und eine Kammer 3203 für Molekularstrahl-
Epitaxie (MBE) durch eine Kammer 3202 als Probenaustauschmechanismusabschnitt
gekoppelt sind. In der Ultrahochvakuum-MBE-Kammer 3203 ist eine Probe 3208
auf einem Halter 3209 nach unten gerichtet angebracht und Molekularstrahlen (z. B.
aus Ga, As, Al und Si), die von Zellen 3204, 3205, 3206 und 3207 mit
darumgewickelten Heizungen abgegeben werden, werden nacheinander oder gleichzeitig auf
die Probe 3208 aufgedampft. Die Zellen sind jeweils mit Verschlüssen 3204a, 3205a,
3206a und 3207a versehen, die den Molekularstrahl der entsprechenden Materialien
passieren lassen oder absperren. Auf diese Weise wird ein eindimensionales
Übergitter erzeugt. Der Probenhalter 3209 wird durch einen Probenaustauschmechanismus
der Kammer 3202 gewendet, und die Probe wird auf einen Probentisch 1223 in einer
Position 3210 gesetzt. Dann wird der Tisch 1223 zur Position 3211 eines Elektronen-
Ionen-Hybridstrahlabschnitts bewegt. Da in diesem Fall die drei Kammern 3203,
3202 und 3201 unterschiedliche Vakua haben, sind zwischen benachbarten
Kammern Sperrventile 3212 und 3213 angeordnet. Wenn die Probe zum Austausch
bewegt wird, werden die Ventile geöffnet und geschlossen, und die Kammern werden
evakuiert. Der Elektronen-Ionen-Hybridstrahlabschnitt ist derselbe wie in Fig.
30 und ermöglicht es, Ionenstrahl-CVD, rasterelektronenmikroskopische
Beobachtungen und Ausheilung mit einem Elektronenstrahl durchzuführen und den Film
mittels Auger-Elektronenspektroskopie zu analysieren.
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Da mit dieser Vorrichtung die Filmbildung und die -Analyse innerhalb der
Vakuumapparatur durchgeführt werden können, treten keine Probleme hinsichtlich der
Verunreinigung, Oxidation oder dergleichen auf, wie etwa, wenn die Probe bei
Verwendung separater Apparaturen an atmosphärische Luft gebracht wird, was den
großen Vorteil hat, daß die Oberfläche der Probe sauber bleibt, wenn sie der
Bearbeitung,
CVD, Analyse und Ausheilung unterworfen wird.
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Es zeigt sich anhand der obigen Ausgestaltungen, daß die vorliegende Erfindung
Mittel liefert, die die Nachteile der bekannten Techniken ausschalten, und mit denen
zweidimensionale und dreidimensionale Quantentrogstrukturen einfach und mit
hoher Genauigkeit hergestellt werden können.
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Außerdem liefert die Erfindung Mittel, mit denen die Staffelung, Abstand, Breite
und Tiefe von Nuten wunsch- und zweckgemäß variiert werden können und mit
denen die Trogzwischenräume in Submikrometerdimensionen mit hoher Genauigkeit
gebildet werden können.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung können Bauelemente wie HEMTs, ULSIs
(ultralarge scale integrated circuits) als mehrdimensionale Übergitter hergestellt
werden, und ihre Leistungsmerkmale können drastisch verbessert werden.
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In allen Zeichnungen bezeichnen identische Bezugszeichen und Symbole
identische Teile.