JP2003179032A

JP2003179032A - 無機多層レジストのイオンビーム微細加工方法及びこの方法による半導体デバイス、量子デバイス、マイクロマシーンコンポーネント及び微細構造体

Info

Publication number: JP2003179032A
Application number: JP2001377084A
Authority: JP
Inventors: Tadaaki Kaneko; 忠昭金子; Yasushi Asaoka; 康浅岡; Naokatsu Sano; 直克佐野
Original assignee: New Industry Research Organization NIRO
Current assignee: New Industry Research Organization NIRO
Priority date: 2001-12-11
Filing date: 2001-12-11
Publication date: 2003-06-27
Anticipated expiration: 2021-12-11
Also published as: JP4052430B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】Ｓｉ、ＳｉＣやＧａＡｓ等の無機材料からな
る多層基板表面に、量子デバイスに用いられる微細な２
次元及び３次元の回路パターンを形成する。【解決手段】半導体基板Ｘの表面に、前記基板Ｘの酸
化を防止し化学的にも熱的にも安定な酸化膜層を形成で
きる無機材料Ｙ層を形成し、該Ｙ層表面に該Ｙ層の酸化
を防止し熱的に不安定な自然酸化膜又はＹ層よりも弱い
が化学的に安定な強制酸化膜といった複数の酸化膜を形
成できる無機材料Ｚ層を形成した後、該Ｚ層表面に自然
に形成されている表面自然酸化膜の存在又は酸素分子放
射のもとでの金属イオン打ち込みにより、前記表面自然
酸化膜を選択的に安定な強制酸化膜Ｚ'層に置換又は生
成させ、自然酸化膜または強制酸化膜Ｚ'層からのＯイ
オンの伝播及びＺ層のスパッタリングにより前記Ｙ層に
熱的にも化学的にも安定な酸化膜Ｙ'層を生成させた
後、前記基板Ｘ表面を反応性エッチングガスによりドラ
イエッチングする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、Ｓｉ、ＳｉＣ、Ｇ
ａＡｓを含むＩｎ_xＧａ_1xＡｓ_yＰ_1yやＡｌ_xＧａ₁ _xＡｓ_y
Ｐ_1y等の無機材料からなる半導体基板表面へのイオンビ
ーム微細加工方法及びこの方法による半導体デバイス、
量子デバイス及びマイクロマシーンコンポーネントに関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、マイクロエレクトロニクスの中核
をなすＵＬＳＩの集積度の向上とともに、これら量子デ
バイスにおける回路パターンは微細化の一途をたどって
いる。このため、ナノ領域での微細加工技術の開発が盛
んに行われている。

【０００３】従来、これら量子デバイスの回路パターン
の微細加工技術の代表的なものとしては、パターン転写
方式の光リソグラフィーがある。この光リソグラフィー
技術は、極紫外光やＸ線を用いることにより高精度化を
目指してはいるものの、高精度の微細なマスクを作製す
る必要があるとともに、フォトレジストを用いるときの
解像度の点で限界に近づきつつある。また、これら従来
の方法からの拡張では開発コストも無視し得ないものに
なっており、新しい、微細加工方法の開発が要望されて
いる。

【０００４】また、半導体デバイスの作製プロセスで
は、絶縁膜や金属薄膜の不要部分を、レジストパターン
通りに高精度で取り除くための基礎技術として、半導体
結晶のエッチング法が広く採用されている。このエッチ
ング法のための手段として、ハロゲンガスを用いたドラ
イエッチングの検討も進められている。このドライエッ
チングは、超高真空中の比較的清浄な雰囲気でエッチン
グを行うため、微細な量子デバイスの加工が可能なもの
として期待されている。

【０００５】例えば、デバイス材料として代表的なＳｉ
については、フッ素および塩素系のハロゲンガスによる
ドライエッチングプロセスが検討されている。しかしな
がら、これまでのところ、このＳｉの場合についても、
より微細な量子素子を作製するためのドライエッチング
プロセスはいまだ完成していないのが実情である。そし
て、ＧａＡｓを含むＧａ_xＩｎ_1-xＡｓ_yＰ_1-yやＧａ_xＡ
ｌ_1-xＡｓ_yＰ_1-y等の化合物半導体についてもドライエ
ッチングプロセスに関する報告は多いが、量子素子の作
製を可能とする技術的手段についてはいまだＳｉ同様
に、完成していないのが実情である。

【０００６】例えば、ＧａＡｓはＳｉに比べ電子の移動
度が大きく、Ｓｉより高周波、高速の動作が可能な材料
であって、資源の豊かさ、結晶の完全性等の点から工業
規模の大きさで発展し、Ｓｉに代わり、その限界を克服
する化合物半導体の１種としてその優れた性質と多様性
で注目されているものである。またこのＧａＡｓ等の化
合物半導体のエピタキシャル結晶技術として、ＭＢＥ
（分子線エピタキシャル成長）法や、ＭＯＣＶＤ（気相
成長）法等の技術が進歩し、一様な結晶成長が可能にな
ってきており、化合物半導体のデバイス材料としての重
要度は増してきている。

【０００７】そこで、本発明者は、化合物半導体等に対
する従来のハロゲンガスによるドライエッチング方法の
技術的限界を克服するドライエッチング方法として、半
導体結晶表面を臭素化物により一原子層単位でドライエ
ッチングする方法を開発し、特開平８−３２１４８３号
公報で開示している。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＧａＡ
ｓ基板表面に精度良く回路パターンを形成するために
は、前述の一原子層単位でドライエッチングする場合で
あっても、ドライエッチング用マスクを形成する必要が
あった。このドライエッチング用マスクは、前述したよ
うに、近年の、量子デバイスにおける回路パターンの微
細化、複雑化に伴い、ドライエッチング用マスクの微細
化は限界に近づきつつある。

【０００９】また、ＳｉやＧａＡｓ基板表面には、自然
にＳｉＯ₂、Ａｓ₂Ｏ₃、Ａｓ₂Ｏ、ＧａＯ等の表面酸化膜
が形成されており、ドライエッチング用マスクを形成す
るにあたり、これら表面酸化膜を除去する必要もあっ
た。

【００１０】本発明は、前記問題点に鑑みなされたもの
であり、Ｓｉ、ＳｉＣやＧａＡｓ等の無機材料からなる
多層基板の表面酸化膜を予め除去する必要がなく、ま
た、複雑で微細化された回路パターンを形成するための
ドライエッチング用マスクを形成することなく、無機材
料からなる多層基板表面に、量子デバイスに用いられる
微細な２次元及び３次元の回路パターンを形成するイオ
ンビーム微細加工方法を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
の本発明の請求項１に記載の無機多層レジストのイオン
ビーム微細加工方法は、半導体基板Ｘの表面に、前記基
板Ｘの酸化を防止し化学的にも熱的にも安定な酸化膜層
を形成できる無機材料Ｙ層を形成し、さらに、該Ｙ層表
面に該Ｙ層の酸化を防止し熱的に不安定な自然酸化膜又
はＹ層よりも弱いが化学的に安定な強制酸化膜といった
複数の酸化膜を形成できる無機材料Ｚ層を形成した後、
該Ｚ層表面に自然に形成されている表面自然酸化膜の存
在又は酸素分子放射のもとでの金属イオン打ち込みによ
り、前記表面自然酸化膜を選択的に安定な強制酸化膜
Ｚ'層に置換又は生成させ、更にイオンの打ち込み量を
増やし、自然酸化膜または強制酸化膜Ｚ'層からのＯイ
オンの伝播及びＺ層のスパッタリングにより前記Ｙ層に
熱的にも化学的にも安定な酸化膜Ｙ'層を生成させた
後、前記基板Ｘ表面を反応性エッチングガスにより精度
よくドライエッチングし、前記強制酸化膜Ｚ'層及び酸
化膜Ｙ'層に置換した部分以外の前記表面酸化膜、Ｚ
層、Ｙ層及び基板Ｘの一部を除去するものである。

【００１２】無機材料基板Ｘ表面に無機材料Ｙ層を形成
することで、基板Ｘの酸化が抑制される。このＹ層は、
ＭＢＥ法やＣＶＤ法によって形成されたものであること
が好ましい。ＭＢＥ法やＣＶＤ法によって形成されるこ
とで、原子層単位での厚み制御が可能となる。このＹ層
の表面に、さらに無機材料Ｚ層を形成する。このＺ層
も、前述のＹ層同様にＭＢＥ法やＣＶＤ法で形成された
ものであることが好ましい。ＭＢＥ法やＣＶＤ法で形成
されることによって、原子層単位での厚み制御が可能で
あるため、Ｙ層へのＯイオンの伝播量の制御が可能とな
る。また、このＺ層は緩衝層としても作用する。このＺ
層の表面に形成される自然酸化膜の表面に直接任意のイ
オンビーム径及びイオン電流密度に調整したＧａ等の比
較的重い金属のイオンの集束イオンビームを照射して、
Ｚ層表面の表面自然酸化膜を選択的に化学的に安定な強
制酸化酸化膜Ｚ'層に置換する。このＺ'層からのＯイオ
ンの伝播及びＺ層のスパッタリングによってＹ層表面に
化学的にも熱的にも安定な酸化膜Ｙ'層を形成し、それ
以外の酸化膜、Ｚ層、Ｙ層及び基板Ｘの一部を１０^-8Ｐ
ａ以下程度の減圧下において、ドライエッチングして、
化学的に安定なＹ'を残すことによって、無機材料であ
る基板表面Ｘにマスクを使用することなく、任意の回路
パターンを自在に形成することができる。

【００１３】なお、ここで、半導体基板Ｘとなる無機材
料としては、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＡｓを含むＧａ_xＩｎ
_1-xＡｓ_yＰ_1-yやＧａ_xＡｌ_1-xＡｓ_yＰ_1-y等を使用でき
る。また、この基板Ｘの酸化を防止し化学的にも熱的に
も安定な酸化膜層を形成できる無機材料Ｙ層としては、
Ａｌ、ＡｌＡｓを含むＧａ_xＡｌ_1-xＡｓ_yＰ_1-y等があ
る。さらにこのＹ層の表面に形成されるＺ層としては、
アモルファスＳｉ層や、ＧａＡｓを含むＧａ_xＩｎ_1-xＡ
ｓ_yＰ_1-y等がある。

【００１４】また、請求項２に記載の無機多層レジスト
のイオンビーム微細加工方法は、請求項１において、前
記Ｚ層の厚みを制御することによって前記Ｙ層表面に形
成される前記酸化膜Ｙ'層の大きさを制御するものであ
る。無機材料Ｚ層は、ＭＢＥ法やＣＶＤ法によって形成
されることが好ましい。原子層単位の厚みで制御される
からである。これによって、このＺ層の厚みによってＹ
層へ伝播されるＯイオンの量を制御することができ、Ｙ
層表面に形成される酸化膜Ｙ'層の大きさが制御でき
る。

【００１５】また、請求項３に記載の無機多層レジスト
のイオンビーム微細加工方法は、請求項１又は２におい
て、前記金属イオンの注入量を制御することによって前
記Ｙ層表面に形成される酸化膜Ｙ'層の大きさを制御す
るものである。例えば、Ｇａ等の金属イオンの注入量を
制御することによって、Ｚ層表面に生成される強制酸化
膜Ｚ'層の大きさを制御することが可能となる。これに
より、このＺ'層から伝播されるＯイオン量を制御する
ことができ、Ｙ層表面に形成される酸化膜Ｙ'層の大き
さを制御することができる。

【００１６】また、請求項４に記載の無機多層レジスト
のイオンビーム微細加工方法は、請求項１〜３のいずれ
かにおいて、前記強制酸化膜Ｚ'及び酸化膜Ｙ'層に置換
される部分の大きさ及び前記ドライエッチングによる除
去量を制御することによって前記基板表面を、ネガ型、
ポジ型のいずれにも加工することができるものである。
化学的に安定なＺ'層及び熱的にも化学的にも安定なＹ'
層の形成される大きさを制御するとともに、エッチング
量を制御することによって、基板Ｘ表面を、ネガ型、ポ
ジ型のいずれにも自在に加工することができる。このた
め、近年の量子デバイスに用いられる回路パターンのよ
うに、複雑化し、微細化した回路パターンにも対応が可
能となる。

【００１７】また、請求項５に記載の無機多層レジスト
のイオンビーム微細加工方法は、請求項１において、前
記反応性エッチングガスに、ＡｓＢｒ、ＡｓＢｒ₂、Ａ
ｓＢｒ₃を用いるものである。原子層単位でのエッチン
グが可能となり、基板Ｘ表面に任意の回路パターンを自
在に形成することができる。

【００１８】また、本発明は、上記の請求項１乃至５の
いずれかの方法により製作された半導体デバイス、量子
デバイス、マイクロマシーンコンポーネント及び微細構
造体である。本発明に係る無機多層レジストのイオンビ
ーム微細加工方法は、任意の形状に無機材料表面を加工
することが可能であることから、半導体デバイス、量子
デバイス、マイクロマシーンコンポーネント及び微細構
造体の製作を可能とする。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ本発明に
係る無機多層レジストのイオンビーム微細加工方法の実
施の形態の一例を説明する。図１は、Ｇａイオンを打ち
込んだ状態の断面模式図であり、図２及び図３は、原子
層単位でドライエッチングをした場合の断面模式図であ
り、図２はエッチング量の少ないもの、図３はエッチン
グ量の多いものを示している。

【００２０】図１において、１はＳｉやＧａＡｓを含む
Ｇａ_xＩｎ_1-xＡｓ_yＰ_1-y等の無機材料からなる基板Ｘで
ある。２は基板Ｘ１表面にＭＢＥ法やＣＶＤ方により形
成され、基板Ｘ１表面の酸化を防止し化学的にも熱的に
も安定な酸化膜層を形成できるＡｌやＡｌＡｓを含むＧ
ａ_xＡｌ_1-xＡｓ_yＰ_1-y等の無機材料Ｙ層を示す。３はこ
のＹ層２の表面にＭＢＥ法やＣＶＤ法により形成された
Ｙ層２の酸化を防止し熱的に不安定な表面酸化膜又はＹ
層よりも弱いがある程度化学的に安定な強制酸化膜とい
った複数の酸化膜を形成でき、レジスト層となるアモル
ファスＳｉ層、ＧａＡｓ層、ＩｎＡｓ層を含むＧａ_xＩ
ｎ_1-xＡｓ_yＰ_1-y層等の無機材料Ｚ層である。４はこの
Ｚ層３の表面に自然に形成されているＳｉＯ₂やＡｓ₂Ｏ
₃等の表面の表面自然酸化膜を示している。また、紙面
左から右にかけて、即ち、図１（ａ）〜（ｅ）に移るに
したがって金属イオン、例えば、Ｇａイオンの注入量が
増加していることを示している。

【００２１】本発明に係る無機多層レジストのイオンビ
ーム微細加工方法は、まず、Ｓｉ、ＳｉＣや、ＧａＡｓ
を含むＧａ_xＩｎ_1-xＡｓ_yＰ_1-y基板Ｘ１表面にＭＢＥ法
やＣＶＤ法により任意の厚みに形成されたＡｌやＡｌＡ
ｓを含むＧａ_xＡｌ_1-xＡｓ_yＰ_1-y等の無機材料Ｙ層２、
及びアモルファスＳｉ層、ＧａＡｓ層やＩｎＡｓ層を含
むＧａ_xＩｎ_1-xＡｓ_yＰ_1-y層等の無機材料Ｚ層３と積層
する。そして、Ｚ層３の表面に自然に形成されているＳ
ｉＯ₂やＡｓ₂Ｏ₃等の表面自然酸化膜４を除去すること
なく、この表面自然酸化膜４の表面に向ってイオンビー
ム径を０．５μｍ以下、好ましくは０．３μｍ以下、更
に好ましくは０．１μｍ以下に絞った比較的重い金属か
らなるイオン、好ましくはＧａイオン５を真空中若しく
は酸素供給の下で照射して、表面自然酸化膜４にイオン
を注入する。金属イオン５の注入により、表面自然酸化
膜４のＳｉＯ₂、Ａｓ₂Ｏ₃等の酸化物は、ある注入量以
下では化学的に安定した酸化物であるＳｉＯ₂、Ｇａ₂Ｏ
₃等の強制酸化膜Ｚ'層６に置換される（図１(ａ)参
照）。そして、金属イオン５の注入量あるいはＺ層３の
厚みによって、Ｙ層２に伝播する酸素の量又はＺ層のス
パッタリング量を制御でき、Ｙ層２の表面にＡｌ₂Ｏ₃等
の酸化膜Ｙ'層７が形成される（図１（ｂ）参照）。こ
れら化学的に安定な強制酸化膜Ｚ'層６及び酸化膜Ｙ'層
７は、ドライエッチング時のマスクの役割を果たす。ま
た、酸化膜Ｙ'層７のサイズは強制酸化膜Ｚ'層６の約１
／１０の大きさであるため、強制酸化膜Ｚ'層６のみが
形成された場合に比べて、細かいパターニングが可能と
なる。このため表面を臭素化物により原子層一層単位で
ドライエッチングし、強制酸化膜Ｚ'層６及び酸化膜Ｙ'
層７に置換された部分以外を除去する（図２（ｂ）参
照）と、基板Ｘ１の表面を所定の回路パターンとなるよ
うに加工することが可能となる。

【００２２】表面自然酸化膜４の表面に照射する集束イ
オンビームは、図４に示すように、ビーム先端が円形を
している。このため、図４（ａ）に示すように、表面自
然酸化膜４上を一定速度で進めると、各部分で、イオン
ビーム５が重なり合う部分が形成される。このため、表
面自然酸化膜４に注入されるイオンドーズ量は、図４
（ｂ）に示すように、イオンビーム５の中心部付近ほど
その量が多くなる。すなわち、表面自然酸化膜４に及ぼ
すイオン領域は、実際のイオンビーム５の径よりも小さ
くなり、その領域は、照射するイオンビーム径の２／３
〜１／２の大きさとできる。このため、表面自然酸化膜
４表面には、イオンビーム５のイオンビーム径の２／３
〜１／２の太さの線のパターンを加工することが可能と
なる。

【００２３】ここで、本実施形態例に係るドライエッチ
ングによると、平坦性のよい表面を再現性よく得ること
を可能としている。具体的には、例えば、臭素化物等か
らなる反応性エッチングガスによるエッチングでは、エ
ッチングされていく原子が表面のステップ位置であっ
て、表面の凹凸を構成しているステップを優先的に取り
除くため、原子層を一層単位でエッチングすることがで
きる。このような一層単位でのエッチングの結果、得ら
れる表面はきわめて平坦性の高いものである。すなわち
原子レベルで平坦な表面を得ることができる。さらにこ
の方法はへき開面である（１１０）面でも、面指数に関
わらない同様なエッチングを可能としている。

【００２４】このドライエッチングにおいては、反応性
エッチングガスを用いて超高真空中で、たとえば１０^-8
Ｐａレベルへの排気後、５００〜６００℃で１０^-6〜１
０^-5Ｐａのガス分圧でのエッチャントガスの導入により
エッチングを実施することができる。ここで、エッチャ
ントガスとして用いられる反応性エッチングガスとして
は、好ましくは臭素との化合物、たとえばＡｓＢｒ₃が
その代表的なものとして例示される。もちろん、他種の
ものであってもよい。

【００２５】このように、表面自然酸化膜４や、アモル
ファスＳｉ層、ＧａＡｓ層やＩｎＡｓ層を含むＧａ_xＩ
ｎ_1-xＡｓ_yＰ_1-y層等の無機材料Ｚ層３、Ａｌ層やＡｌ
Ａｓ層を含むＧａ_xＡｌ_1-xＡｓ_yＰ_1-y層等の無機材料Ｙ
層２を原子層一層単位毎にエッチングすることが可能で
あるため、Ｇａイオンの注入によって形成される化学的
に安定なＳｉＯ₂、Ｇａ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃の強制酸化膜Ｚ'
層６及び酸化膜Ｙ'層７をドライエッチング時のマスク
として、高アスペクト比で微細寸法の構造体を再現性良
く且つ容易に形成することが可能となる。

【００２６】図１（ａ）は、金属イオン５がある所定量
注入され、表面自然酸化膜４の一部にのみ強制酸化膜
Ｚ'層６が形成された状態を示している。

【００２７】この状態で、反応性エッチングガスとし
て、例えば、臭素化物ガスを用いて超高真空中で、例え
ば１０^-8Ｐａレベルへの排気後、５００〜６００℃で１
０^-6〜１０^-5Ｐａのガス分圧でのエッチャントガスの導
入によりドライエッチングを行ったものを図２(ａ)に示
す。エッチング量を制御することによって、図２（ａ）
に示すように、Ｓｉあるいは、ＧａＡｓやＩｎＡｓを含
むＧａ_xＩｎ_1-xＡｓ_yＰ₁ _-y等の基板Ｘ１表面を、強制酸
化膜Ｚ'層６に置換された部分を残した凸状に加工する
ことが可能となる。

【００２８】さらに、エッチングを行うと、強制酸化膜
Ｚ'層６に置換された部分もエッチングされ、図３
（ａ）に示すように、平坦な面となる。

【００２９】図１（ｂ）は、金属イオン５の注入量があ
る所定の注入量を超えた場合について示している。図１
（ｂ）に示すように、金属イオン５の注入量がある所定
の注入量を超えると強制酸化膜Ｚ'層６はスパッタリン
グされ金属イオンは無機材料Ｚ層３に侵入し、この無機
材料Ｚ層３に金属イオンが注入された金属イオン侵入領
域８が形成される。この金属イオン侵入領域８のＯイオ
ンがＡｌ層やＡｌＡｓ層等の無機材料Ｙ層２に到達し、
この無機材料Ｙ層２の表面にＡｌ₂Ｏ₃等の酸化膜Ｙ'層
７が形成される。このとき、Ａｌ、ＡｌＡｓを含む無機
材料Ｙ層２の表面に形成される酸化膜Ｙ'層７は、無機
材料Ｚ層３の厚みによって制御される。

【００３０】この状態で、ドライエッチングを行い、そ
のエッチング量が少ないものを図２（ｂ）に示す。エッ
チング量が少ない場合、表面自然酸化膜４に形成された
強制酸化膜Ｚ'層６及び無機材料Ｙ層２表面に形成され
た酸化膜Ｙ'層７がマスクとして作用する。金属イオン
が侵入したイオン侵入領域８は、アモルファス化され、
イオンが侵入していない無機材料Ｚ層３に比べ大きなエ
ッチング速度を示す。このため、ドライエッチングを行
うと、これら強制酸化膜Ｚ'層６及び酸化膜Ｙ'層７以外
の部分がエッチングされるとともに、中央に深い溝９が
形成された凸状部が基板Ｘ１表面に形成される。

【００３１】さらに、エッチングを行うと、図３（ｂ）
に示すように、Ａｌ₂Ｏ₃７部分以外がエッチングされ、
基板１上に凸状部が形成される。

【００３２】また、図１（ｃ）に示すように、表面自然
酸化膜４にさらに金属イオンを注入していくと、表面に
形成されている表面自然酸化膜４が強制酸化膜Ｚ'層６
に置換していくが、強制酸化膜Ｚ'層６へ置換されるも
のにも金属イオンの濃度限界があり、ある一定量以上の
金属イオンが注入されると、強制酸化膜Ｚ'層６が金属
イオンによってスパッタリングされ、幅広の溝９が形成
される。この場合、さらにＯイオンが無機材料Ｙ層２表
面に伝播されやすくなり、無機材料Ｙ層２表面に酸化膜
Ｙ'層７が広い範囲で形成される。

【００３３】この状態で、エッチングを行うと、エッチ
ング量が少ない場合は、図２（ｃ）に示すように、幅広
の溝９を有した凸状部が基板Ｘ１上に形成される。ま
た、エッチング量を多くすることによって、図３（ｃ）
に示すように、酸化膜Ｙ'層７部分以外がエッチングさ
れ、基板Ｘ１上に凸状部が形成される。

【００３４】さらに、注入する金属イオン５量を増やし
ていくと、図１（ｄ）に示すように、無機材料Ｚ層３が
アモルファス化される範囲が拡大して、金属イオン５に
よってスパッタリングされる。また、無機材料Ｙ層２表
面に形成される酸化膜Ｙ'層７も、金属イオンによって
スパッタリングされ、溝１０が形成される。この基板Ｘ
１の表面を、前述同様に反応性エッチングガスを用いて
超高真空中で、たとえば１０^-8Ｐａレベルへの排気後、
５００〜６００℃で１０^-6〜１０^-5Ｐａのガス分圧での
エッチャントガスの導入によりドライエッチングを行う
と、表面に幅広の深い溝９を有するとともに、底部にも
溝１０が形成された凸状部を加工することができる（図
２（ｄ）参照）。また、エッチング量を多くすることに
よって、図３（ｄ）に示すように、酸化膜Ｙ'層７部分
以外がエッチングされ、基板Ｘ１上に溝１０を有する凸
状部が形成される。

【００３５】さらに、注入する金属イオン５量を増やし
ていくと、図１（ｅ）に示すように、無機材料Ｚ層３が
アモルファス化される範囲が拡大して、金属イオン５に
よってスパッタリングされる。また、無機材料Ｙ層２も
同様にアモルファス化される範囲が拡大し金属イオン５
によってスパッタリングされ、深いＶ字溝１１が表面に
形成される。この基板１の表面を、前述同様に反応性エ
ッチングガスを用いて超高真空中で、たとえば１０^-8Ｐ
ａレベルへの排気後、５００〜６００℃で１０ ^-6〜１０
^-5Ｐａのガス分圧でのエッチャントガスの導入によりド
ライエッチングを行うと、無機材料Ｚ層３のアモルファ
ス化された部分等がエッチングされ、図２（ｅ）に示す
ように、強制酸化膜Ｚ'層６によるマスク下がエッチン
グされ、幅広の溝９が形成されるとともに、底部に幅広
で深い溝１０を有する凸状部を加工することができる。
また、エッチング量を多くすることによって、図３
（ｅ）に示すように、酸化膜Ｙ'層７部分以外がエッチ
ングされ、基板Ｘ１上に溝１０を有する凸状部が形成さ
れる。

【００３６】このように、ＳｉあるいはＧａＡｓやＩｎ
Ａｓを含むＧａ_xＩｎ_1-xＡｓ_yＰ_1-y等の無機材料の基板
Ｘ表面に、Ａｌ層、ＡｌＡｓ層を含むＧａ_xＡｌ_1-xＡｓ
_yＰ₁ _-y層等の無機材料Ｙ層及びＧａＡｓやＩｎＡｓを含
むＧａ_xＩｎ_1-xＡｓ_yＰ_1-y等の無機材料Ｚ層を積層す
る。そして、この無機材料Ｚ層の表面に自然に形成され
ているＡｓ₂Ｏ₃等の表面自然酸化膜を除去することな
く、該表面自然酸化膜にＧａ等の重い金属のイオンを注
入することで、表面に化学的に安定な酸化膜、さらには
金属イオンの注入量及び無機材料Ｚ層の厚さを調節する
ことによってＡｌ層やＡｌＡｓ層を含むＧａ_xＡｌ_1-xＡ
ｓ_yＰ_1-y層等の無機材料Ｙ層表面にＡｌ₂Ｏ₃等の酸化膜
Ｙ'層を形成することが可能となる。そして、注入する
金属イオン量を制御することによって反応性エッチング
ガスによるドライエッチング後の基板Ｘの表面をネガ
型、ポジ型のいずれにも加工することが可能となる。ま
た、Ｇａイオン注入時に所定の回路パターンとなるよう
に基板Ｘの表面をイオンビームで描画することによっ
て、容易に任意の回路パターンを再現性良く加工するこ
とができる。これによって、半導体デバイスはもちろん
であるが、波長弁別デバイス、マイクロマシニングやマ
イクロコンポーネント等の微細加工、量子ワイヤー等へ
応用が可能となる。

【００３７】また、Ａｌ層やＡｌＡｓ層を含むＧａ_xＡ
ｌ_1-xＡｓ_yＰ_1-y層等の無機材料Ｙ層と、アモルファス
Ｓｉ層、ＧａＡｓ層やＩｎＡｓ層を含むＧａ_xＩｎ_1-xＡ
ｓ_yＰ₁ _-y層等の無機材料Ｚ層が積層されているため、イ
オン注入によって形成される化学的に安定な異なる酸化
膜を形成することが可能となり、従来のように２次元的
な回路パターンの設計のみならず、設計の自由度が広が
り、３次元的に回路パターンを設計することも可能とな
る。

【００３８】３次元の回路パターンを形成させる手段の
一つとして、例えば、図５に示すように、可変ドーズ量
ビームを用いた空間変調マスクを形成する方法がある。
このとき、ドーズ量の調整及びビーム照射位置を制御す
ることで、図６（ａ）乃至（ｃ）に示すようなパターン
の形成が可能となる。

【００３９】図８に、イオンビームを重ね合わせるよう
に描画することによってＹ層へ伝搬するイオンドーズ量
を調整することができ、基板表面に凸部又は凹部が形成
できる一例として、基板表面の原子間力顕微鏡（以下、
ＡＦＭという。）像を示す。図８（ａ）に示すものは、
Ｚ層の厚みを厚くすることで凸部が形成されたもの、図
８（ｂ）は、Ｚ層の厚みを図８（ａ）のものよりも薄く
することでイオンドーズ量を多くし、凹部が形成された
ものである。このように、イオンドーズ量に対して非常
に敏感に反応するため、Ｚ層の厚みを制御したり、イオ
ン照射量を制御することで、イオンドーズ量を調整する
ことによって、表面形状を自在に設計することが可能と
なる。

【００４０】また、Ｇａイオンビームの位置精度は１０
ｎｍの単位で制御可能であるため、例えば、図７に示す
ようにイオンビームを重ね合わせることによって更に微
細な回路パターン等の加工も可能となる。なお、本実施
形態例では、Ｇａイオンを例示して説明してきたが、基
板表面に注入するイオンは、Ｇａイオンに限定されるも
のではなく、他の金属からなるイオンを用いることも可
能である。

【００４１】以下、実施例によって本発明を更に具体的
に説明する。（実施例１）無機材料基板ＸとしてＳｉ基板を用い、Ｓ
ｉ基板表面にＭＢＥ法によって無機材料Ｙ層として厚さ
３ｎｍのＡｌＡｓ層と、無機材料Ｚ層として厚さ３０ｎ
ｍのＧａＡｓ層を形成する。そして、ＧａＡｓ層表面に
自然に形成されているＡｓ₂Ｏ₃等の表面自然酸化膜の表
面に向ってイオンビーム径を０．１μｍに絞ったＧａイ
オンを真空中で６×１０¹⁶個／ｃｍ²、加速電圧３０ｋ
Ｖで照射して、表面自然酸化膜にＧａイオンを注入す
る。Ｇａイオン注入後、超高真空装置に設置し、１０^-8
Ｐａレベルへ排気後、５００〜６００℃で１０^-6〜１０
^-5Ｐａのガス分圧でのＡｓＢｒ₃ガスを導入してエッチ
ングを行う。

【００４２】図９（ａ）に、その表面のＡＦＭ像を示
す。図９（ａ）に示すように、ＧａＡｓ基板表面には、
ＡｓＢｒ₃ガスによってエッチングされなかったＧａイ
オンが注入されて表面酸化膜がＧａ₂Ｏ₃に置換された部
分が凸状に形成されているのが観察できる。

【００４３】（実施例２）Ｇａイオンの注入量を６×１
０¹⁷個／ｃｍ²とし、照射した以外、実施例１と同様に
して、Ｇａイオンを注入した後、表面をＡｓＢｒ₃ガス
でドライエッチングをおこなった。

【００４４】図９（ｂ）に、その表面のＡＦＭ像を示
す。図９（ｂ）に示すように、Ｓｉ基板表面には、深い
溝の凹状のパターンが形成されているのが観察できる。

【００４５】（実施例３）無機材料基板ＸとしてＧａＡ
ｓ基板を用い、ＧａＡｓ基板表面にＭＢＥ法によって無
機材料Ｙ層として厚さ３０ｎｍのＡｌＡｓ層と、無機材
料Ｚ層として厚さ３００ｎｍのＧａＡｓ層を形成する。
そして、ＧａＡｓ層表面に自然に形成されているＡｓ₂
Ｏ₃等の表面自然酸化膜の表面に向ってイオンビーム径
を０．１μｍに絞ったＧａイオンを真空中で６×１０¹⁶
個／ｃｍ²、加速電圧３０ｋＶで照射して、表面自然酸
化膜にＧａイオンを注入する。Ｇａイオン注入後、超高
真空装置に設置し、１０^-8Ｐａレベルへ排気後、５００
〜６００℃で１０^-6〜１０^-5Ｐａのガス分圧でのＡｓＢ
ｒ₃ガスを導入してエッチングを行う。

【００４６】図９（ｃ）に、その表面のＡＦＭ像を示
す。図９（ｃ）に示すように、ＧａＡｓ基板表面には、
ＡｓＢｒ₃ガスによってエッチングされなかったＧａイ
オンが注入されて表面酸化膜がＧａ₂Ｏ₃に置換された部
分が凸状に形成されているのが観察できる。

【００４７】（実施例４）Ｇａイオンの注入量を６×１
０¹⁷個／ｃｍ²とし、照射した以外、実施例３と同様に
して、Ｇａイオンを注入した後、表面をＡｓＢｒ₃ガス
でドライエッチングをおこなった。

【００４８】図９（ｄ）に、その表面のＡＦＭ像を示
す。図９（ｄ）に示すように、ＧａＡｓ基板表面には、
深い溝を有した凸状のパターンが形成されているのが観
察できる。

【００４９】以上のように、半導体基板となる無機材料
基板Ｘの表面に基板Ｘの酸化を防止し、エッチング時の
強いマスクとして働く無機材料Ｙ層、無機材料Ｙ層の酸
化を防止するＺ層を積層し、無機材料Ｚ層の表面に形成
されている表面自然酸化膜に金属イオンを注入すること
によって、臭素化物等の反応性エッチングガスによって
エッチングされない化学的に安定なマスクとなるＡｌ₂
Ｏ₃及びＧａ₂Ｏ₃又はＳｉＯ₂等の酸化膜Ｙ'層、Ｚ'層を
形成することができる。さらに、金属イオンの注入量を
制御することによって、基板Ｘ表面に形成されるパター
ンをポジ型、ネガ型のいずれにも加工することが可能と
なる。また、基板Ｘとしては、無機材料であれば特に制
限はなく、例えば、半導体基板として一般的に使用され
ているＳｉやＧａＡｓにおいては、その表面に任意の形
状に微細加工を行うことができる。

【００５０】また、所定の大きさに微細加工することが
可能となるため、２次元だけでなく、３次元的な回路パ
ターニングの設計も可能となる。このため、種々の半導
体デバイスや、多様な量子デバイス特性を生かした素
子、例えば、図１０に示す量子細線、量子箱、また、回
折格子やマイクロマシーンコンポーネントの製作が可能
となる。

【００５１】

【発明の効果】以上詳しく説明した通り、この発明によ
り、無機材料からなる基板表面に、無機材料からなるレ
ジスト層を積層し、その表面に自然に形成される表面自
然酸化膜を除去することなく、その表面自然酸化膜に金
属イオンを注入することによって、化学的に安定な酸化
物を形成し、原子層単位でエッチングを行うことによっ
て、基板表面に形成されるパターンをポジ型、ネガ型の
いずれにも加工することが可能となる。また、原子サイ
ズの異なる酸化物を形成することができるため、回路パ
ターンの設計の自由度が広がり、多様な量子デバイス特
性を生かした有用な素子、例えば量子細線、量子箱、回
折格子、マイクロマシンの実現も可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るイオンビーム微細加工方法の実施
形態例をイオン・ドーズ量（イオン注入量）の違いによ
る形成過程の違いを説明するための図である。

【図２】図１に示すイオン注入後の基板表面をドライエ
ッチングした場合の断面模式図を示し、エッチング量が
少ない場合の断面模式図を示す図である。

【図３】図１に示すイオン注入後の基板表面をドライエ
ッチングした場合の断面模式図を示し、エッチング量が
多い場合の断面模式図を示す図である。

【図４】イオンビーム走査時のイオンドーズ量を説明す
るための図である。

【図５】３次元の回路パターンの形成方法を説明するた
めの図である。

【図６】３次元の格子状の回路パターンの例を示す図で
ある。

【図７】イオンビームを重ね合わせて行う微細加工の方
法の一例を示す図である。

【図８】本発明に係るイオンビーム微細加工方法のイオ
ン・ドーズ量（イオン注入量）が異なる基板表面のＡＦ
Ｍ像を示す図である。

【図９】Ｓｉ基板及びＧａＡｓ基板表面に本発明に係る
イオンビーム微細加工方法を用いた場合のＡＦＭ像を示
す図である。

【図１０】量子細線の概念図を示す図である。

【符号の説明】

１基板Ｘ２無機材料Ｙ層３無機材料Ｚ層４表面自然酸化膜５金属イオン６強制酸化膜７酸化膜８イオン侵入領域９溝１０溝１１Ｖ字溝

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者佐野直克兵庫県三田市学園２丁目１番地関西学院大学理学部内Ｆターム(参考） 5F004 AA03 BA17 BA19 BB26 BC02 BD04 BD05 BD06 CA01 CA04 DA00 DA26 DB00 DB01 DB03 DB14 DB20 EA03 EA37 EA38 FA02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板Ｘの表面に、前記基板Ｘの酸
化を防止し化学的にも熱的にも安定な酸化膜層を形成で
きる無機材料Ｙ層を形成し、さらに、該Ｙ層表面に該Ｙ
層の酸化を防止し熱的に不安定な自然酸化膜又はＹ層よ
りも弱いが化学的に安定な強制酸化膜といった複数の酸
化膜を形成できる無機材料Ｚ層を形成した後、該Ｚ層表
面に自然に形成されている表面自然酸化膜の存在又は酸
素分子放射のもとでの金属イオン打ち込みにより、前記
表面自然酸化膜を選択的に安定な強制酸化膜Ｚ'層に置
換又は生成させ、更にイオンの打ち込み量を増やし、自
然酸化膜または強制酸化膜Ｚ'層からのＯイオンの伝播
及びＺ層のスパッタリングにより前記Ｙ層に熱的にも化
学的にも安定な酸化膜Ｙ'層を生成させた後、前記基板
Ｘ表面を反応性エッチングガスにより精度よくドライエ
ッチングし、前記強制酸化膜Ｚ'層及び酸化膜Ｙ'層に置
換した部分以外の前記表面酸化膜、Ｚ層、Ｙ層及び基板
Ｘの一部を除去する無機多層レジストのイオンビーム微
細加工方法。
【請求項２】前記Ｚ層の厚みを制御することによって
前記Ｙ層表面に形成される前記酸化膜Ｙ'層の大きさを
制御する請求項１に記載の無機多層レジストのイオンビ
ーム微細加工方法。
【請求項３】前記金属イオンの注入量を制御すること
によって前記Ｙ層表面に形成される酸化膜Ｙ'層の大き
さを制御する請求項１又は２に記載の無機多層レジスト
のイオンビーム微細加工方法。
【請求項４】前記強制酸化膜Ｚ'層及び酸化膜Ｙ'層に
置換される部分の大きさ及び前記ドライエッチングによ
る除去量を制御することによって前記基板表面を、ネガ
型、ポジ型のいずれにも加工することができる請求項１
〜３のいずれかに記載の無機多層レジストのイオンビー
ム微細加工方法。
【請求項５】前記反応性エッチングガスに、ＡｓＢ
ｒ、ＡｓＢｒ₂、ＡｓＢｒ₃を用いる請求項１に記載の無
機多層レジストのイオンビーム微細加工方法。
【請求項６】請求項１乃至５のいずれかの方法により
製作された半導体デバイス。
【請求項７】請求項１乃至５のいずれかの方法により
製作された量子デバイス。
【請求項８】請求項１乃至５のいずれかの方法により
製作されたマイクロマシーンコンポーネント。
【請求項９】請求項１乃至５のいずれかの方法により
製作された微細構造体。