JP2004356134A

JP2004356134A - 微小構造の加工方法、該加工法を用いて作製した微小素子の作製方法、微小素子

Info

Publication number: JP2004356134A
Application number: JP2003148641A
Authority: JP
Inventors: Akira Kuroda; 亮黒田; Tomohiro Yamada; 朋宏山田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2003-05-27
Filing date: 2003-05-27
Publication date: 2004-12-16
Also published as: US20040241592A1

Abstract

【課題】フォトリソグラフィ等のような複雑なプロセスを必要とせず、単純なプロセスによって微小な構造の加工が可能となる微小構造の加工方法、該加工法を用いて作製した微小素子の作製方法、微小素子を提供する。
【解決手段】微小構造を加工するに際して、照射する光波長よりも小さい変調形状を有する型構造１０１に光１０２を照射し、該型構造の表面にその変調形状を反映した近接場光の分布１０３を形成し、該近接場光の分布の形成された周囲の空間に、原料ガスを満たして光化学反応を起こさせ、該型構造の表面に該光化学反応によって微小構造１０５を形成する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微小構造の加工方法、該加工法を用いて作製した微小素子の作製方法、微小素子に関し、特に半導体デバイスや光通信デバイス等に用いられる微小素子の微細加工方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体メモリの大容量化やＣＰＵプロセッサの高速化・大集積化の進展とともに、光リソグラフィーのさらなる微細化は必要不可欠のものとなっている。一般に光リソグラフィー装置における微細加工限界は、用いる光の波長程度である。
このため、光リソグラフィー装置に用いる光の短波長化が進み、現在は近紫外線レーザーが用いられ、０．１μｍ程度の微細加工が可能となっている。
【０００３】
光による０．１μｍ以下の一括の微細加工を可能にする手段として、近接場光を用いた微細加工装置が提案されている。例えば、特許文献１に示されているような、遮光膜に０．１μｍ以下の開口パターンを設けた光マスクに裏面から光を照射し、開口パターンから滲み出る近接場光を用いて光マスクのパターンをフォトレジストに対して一括して転写する近接場マスク露光技術の提案がなされている。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−１４５０５１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記微細加工では、いずれもフォトレジストを用いるため、フォトレジスト塗布、露光、現像、エッチングの各工程によるフォトリソグラフィを必要とし、微細加工プロセスが複雑になっていた。
そこで、本発明は、フォトリソグラフィ等のような複雑なプロセスを必要とせず、単純なプロセスによって微小な構造の加工が可能となる微小構造の加工方法、該加工法を用いて作製した微小素子の作製方法、微小素子を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以下のように構成した微小構造の加工方法、該加工法を用いて作製した微小素子の作製方法、微小素子を提供するものである。
すなわち、本発明の微小構造の加工方法は、照射する光波長よりも小さい変調形状を有する型構造に光を入射させ、該型構造の表面にその変調形状を反映した近接場光の分布を形成する工程と、前記型構造における前記近接場光の分布の形成された周囲の空間に、原料ガスを満たして光化学反応を起こさせ、該型構造の表面に該光化学反応によって微小構造を形成する工程と、を有することを特徴としている。その際、光化学反応によって微小構造を形成する工程において、該光化学反応による光化学気相蒸着、または光化学エッチング、または光化学ドーピングによって前記微小構造を形成するようにすることができる。
また、本発明の微小構造の加工方法においては、前記近接場光の分布を形成する工程において、前記型構造に入射する光の入射角度を変えることにより、前記型構造の表面に形成される近接場光分布の形状を変化させるように構成することができる。
また、本発明においては、上記した微小構造の加工方法を用い、前記型構造の表面に該光化学反応によって素子材料による微小構造を形成し、微小素子を作製する微小素子の作製方法を構成することができる。その際、前記型構造を基板上に微小な凹凸部を形成した型構造によって構成し、該凹凸部の表面に、前記光化学反応による光化学気相蒸着によって素子材料を蒸着させ、量子細線構造、または量子ドット、または単電子トランジスタ構造を作製することができる。また、前記型構造を遮光膜に微小開口を形成した型構造によって構成し、該微小開口に前記光化学反応による光化学気相蒸着によって素子材料を蒸着させ、第２次高調波発生デバイス、またはセンサーデバイスを作製することができる。
また、本発明の微小素子は、型構造と、該型構造の表面に形成された微小構造とで構成された微小素子であって、前記微小構造が、照射する光波長よりも小さい変調形状を有する型構造に対する光の照射により発生した近接場光の光エネルギーによって原料ガスを分解して形成されたものであることを特徴としている。
本発明の微小素子においては、この微小構造を、前記原料ガスの分解による光化学気相蒸着、または光化学エッチング、または光化学ドーピングによって構成することができる。
さらに、本発明の上記構成における細部の特徴については、以下の説明により明らかとなる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、以下の実施例によって説明する。
【０００８】
【実施例】
［実施例１］
図１は、本発明の実施例１における微細加工方法を説明する図である。
図１において、光波長よりも小さいサイズの構造を有する型構造１０１に対して、入射光１０２を入射すると、型構造１０１の表面には、型構造の形状を反映した近接場光分布１０３が形成される。
この状態で、入射光１０２の波長の光に対して光化学気相蒸着（光ＣＶＤ）、光化学エッチング、光化学ドーピングを起こす原料ガス分子１０４を型構造１０１の周囲の空間に満たすことにより、原料ガス分子１０４が近接場光分布１０３に触れ、解離後、蒸着・エッチング・ドーピングが行われ、光化学反応生成物の微小構造１０５が形成される。
【０００９】
本実施例において、光化学反応による光化学気相蒸着によって微小構造を形成する場合には、上記原料ガスとして金属化合物ガスを用いて入射光のエネルギーによって分解し金属や半導体、絶縁体材料を生成することで、型構造上に金属や半導体、絶縁体材料を堆積して金属や半導体、絶縁体の層を形成し、微小なパターンを形成することができる。
この方法に用いられる原料ガスとしては、金属や半導体、絶縁体等目的の生成物の水素化物やハロゲン化物、有機化合物などが用いられる。例を挙げると、ＡｕＣｌ、ＤＭＡｕ（ジメチル金）、Ｃｒ（ＣＯ）_６、Ｃｒ（ＣＯ_２）、Ｍｏ（ＣＯ）_６、Ｗ（ＣＯ）_６、ＷＦ_６、Ａｌ（ＣＨ_３）_３、Ａｌ_２（ＣＨ_３）_６、Ａｌ_２（ｉｓｏ−Ｃ_４Ｈ_９）_３、Ｚｎ（ＣＨ_３）_２、ＤＭＣｄ（ジメチルカドミウム）、ＴｉＣｌ_４、Ａｌ_２（ＣＨ_３）_６、ＣｕＨＦ、Ｓｉ_２Ｈ_６、Ｓｉ_２Ｈ_６＋Ｓｉ（ＣＨ_３）Ｈ_３、ＳｉＨ_４＋ＣＯ_２、Ｓｉ_２Ｈ_６＋ＧｅＨ_４、ＴｉＣｌ_４＋Ｏ_２、Ｓｉ_２Ｈ_６＋Ｏ_２、Ｓｉ_２Ｈ_６＋ＮＨ_３、ＴａＣｌ_５＋Ｏ_２＋Ｏ_３、Ａｌ（ＣＨ_３）_３＋Ｎ_２Ｏ等があるが、これらに限らず、光のエネルギーによって分解可能な化合物であれば、適宜用いることができる。
【００１０】
また、本実施例において、光化学反応による光化学ドーピングによって微小構造を形成する場合には、原料ガスとして、入射光のエネルギーによって分解してドーピングガスを生じるものを用いて、例えばシリコン等からできた型構造表面への不純物のドーピングを行い、型構造の表面に導電性の層を形成し、微小なパターンを形成することができる。
この方法に用いられる材料ガスとしては、リンやボロンの化合物が用いられる。例を挙げると、ＢＣｌ_３、Ｂ_２Ｈ_６、Ｂ_５Ｈ_９、ＢＦ_３、Ｂ_１０Ｈ_１４、ＢＢｒ_３、Ｂ（ＣＨ_３）_３、ＰＨ_３、ＰＦ_３、ＰＦ_５、ＰＣｌ_３、ＰＣｌ_５、ＰＯＣｌ_３、Ｃ_４Ｈ_１１Ｐ等があるが、これらに限らず、光のエネルギーによって分解生成可能なドーピングガスであれば、砒素系、ガリウム系などを含め、適宜用いることができる。
【００１１】
また、本実施例において、光化学反応による光化学エッチングによって微小構造を形成する場合には、同様にして、原料ガスとして入射光のエネルギーによって分解してエッチングガスを生じるものを用いて型構造表面の不要部分を除去し、微小なパターンを形成することもできる。
この方法に用いられる原料ガスとしては、エッチングを行う部分の材料によってさまざまなものが用いられる。また、上記のガスは単体で用いても構わないし、適宜他のガスと混合して用いても構わない。
【００１２】
入射光としては、上記原料ガスに対して、ガス分解や活性種の表面泳動、表面反応等の光化学反応を起こすのに適した波長の光を入射光とする。最近発見された、文献１：Ｔ．Ｋａｗａｚｏｅｅｔａｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．７９，ｐ．１１８４（２００１）や文献２：Ｔ．Ｋａｗａｚｏｅｅｔａｌ．，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．８８，ｐ，０６７４０４−１（２００２）に記載されているような近接場光特有の現象（近接場光の局在性に起因する基底準位中の高い振動準位への励起や解離手エネルギー準位への直接遷移）を用いれば、可視光や近赤外光でも上記光化学反応を起こすことが可能であるため、より低コスト、より安全な光源を選択する幅が広がる。
【００１３】
図１の構成では、型構造１０１の表面だけでなく、表面から離れた空間中にも入射光の伝搬光成分が漏れて光化学反応が起こる可能性があるが、もしこれが問題となる場合は、表面近傍では強い近接場光強度と相対的に弱い伝搬光強度の間に光化学反応速度の実質的なしきい値がくるように入射光強度を調節すれば良い。
【００１４】
また、図１では入射光１０２の入射方向を型構造１０１の裏面側からとしたが、おもて面側からでも良い。入射角度も垂直方向からでも良いし、所定の角度だけ傾けても良い。また、原料ガスとの光化学反応の進行中に、角度を変化させても良いし、ある軸を中心に回転させても良い。これらを規則的に繰り返しても良いし、不規則に繰り返しても良い。また、繰り返し無しでも良い。これらの操作によって、型構造１０１の表面に形成される近接場光分布の形状を変化させることが可能であるため、一つの型構造から種々の形状の光化学反応生成物の微小構造を得ることができる。
【００１５】
［実施例２］
図２は、本発明の実施例２における微細加工方法を説明する図である。
図２において、２０７は透明基板であり、２０２は透明基板２０７上に設けられた遮光膜である。２０１はこの遮光膜２０２に形成された光波長よりも小さいサイズの微小開口である。
このように構成された透明基板２０７の裏面側から入射光２０３を入射すると、微小開口２０１の近傍には、微小開口の形状を反映した近接場光分布２０４が形成される。
この状態で、入射光２０３の波長の光に対して光化学気相蒸着（光ＣＶＤ）を起こす原料ガス分子２０５を微小開口２０１の周囲の空間に満たすことにより、原料ガス分子２０５が近接場光分布２０４に触れ、解離・蒸着が行われ、被蒸着物の微小構造２０６が形成される。
その他に関しては、実施例１と同様である。
【００１６】
［実施例３］
図３は、本発明の実施例３における量子細線構造の加工方法を説明する図である。
本実施例の加工方法には、実施例１に示した微細加工法を用い、実施例１における型構造として、例えば半導体プロセスにより石英基板に微細な凹凸加工をしたもの、あるいはナノモールド法によりプラスチック基板の表面に凹凸構造を形成したもの、等を用いる。
また、原料ガスとして、入射光に対し光化学反応で金属や半導体が分解し蒸着するものを用いる。
【００１７】
図３において、光波長よりも小さいサイズの構造を有する凹凸構造３０１に対して、入射光３０２を入射させると、凹凸構造３０１の表面には、その形状を反映した近接場光分布が形成され、この状態で、上記原料ガスで凹凸構造３０１の周囲の空間を満たすことにより、凹凸構造３０１の表面に光化学反応により金属や半導体を分解して蒸着させ、絶縁性基板３０３上に量子細線構造３０４を形成する。
このような方法により、量子細線構造以外に、量子ドットや単電子トランジスタ構造等も、同様に作製することができる。
【００１８】
［実施例４］
図４は、本発明の実施例４における実施例２の微細加工法を用いて形成した第２次高調波生成素子の構成を示す図である。
本実施例では、実施例２に示した微細加工法を用い、実施例２における透明基板上の遮光膜として、例えば半導体プロセスを用いてガラス基板上にＡｕやＡｇなどの金属薄膜を形成した後、１００ｎｍ以下の幅の微小スリット開口を形成したものを用いる。
また、原料ガスとして、照射光に対し光化学反応で非線形光学材料が蒸着するものを用いる。
【００１９】
このような透明基板４０３の裏面側から入射光を入射させ、実施例２と同様に上記原料ガスを微小スリット開口４０５の周囲の空間に満たし、光化学反応により、微小スリット開口４０５内に非線形光学材料の詰めものを蒸着する。図４は、このようにして形成された、透明基板４０３上の金属薄膜４０４に設けた微小スリット開口４０５内に、非線形光学材料４０６が詰められた第２次高調波生成素子の構成を示す図である。
【００２０】
図４において、このような第２次高調波生成素子に光を入射させると、微小スリット開口内部の電場強度が入射光４０７に比べ、１０〜１０００倍に増大されるため、微小スリット開口内部の非線形光学材料と強い相互作用を受け、入射光４０７の効率的な第２次高調波発生を生じさせることが可能となる。
本実施例の微細加工法を用いれば、上記第２次高調波生成素子以外に、センサー材料を蒸着し微小スリット開口内部の増大された電界との相互作用を検出するセンサーデバイスを同様に作製することができる。
【００２１】
【発明の効果】
本発明によれば、フォトリソグラフィ等のような複雑なプロセスを必要とせず、単純なプロセスによって、例えば０．１μｍ以下のサイズの微小な構造の加工が可能となる微小構造の加工方法、該加工法を用いて作製した微小素子の作製方法、微小素子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における微細加工方法を説明する図である。
【図２】本発明の実施例２における微細加工方法を説明する図である。
【図３】本発明の実施例３における量子細線構造の加工方法を説明する図である。
【図４】本発明の実施例４における実施例２の微細加工法を用いて形成した第２次高調波生成素子の構成を示す図である。
【符号の説明】
１０１：型構造
１０２：入射光
１０３：近接場光分布
１０４：原料ガス分子
１０５：光化学反応生成物の微小構造
２０１：微小開口
２０２：遮光膜
２０３：入射光
２０４：近接場光分布
２０５：原料ガス分子
２０６：被蒸着物の微小構造
２０７：透明基板
３０１：凹凸構造
３０２：入射光
３０３：絶縁性基板
３０４：量子細線構造
４０３：透明基板
４０４：金属薄膜
４０５：微小スリット開口
４０６：非線形光学材料
４０７：入射光

Claims

照射する光波長よりも小さい変調形状を有する型構造に光を入射させ、該型構造の表面にその変調形状を反映した近接場光の分布を形成する工程と、
前記型構造における前記近接場光の分布の形成された周囲の空間に、原料ガスを満たして光化学反応を起こさせ、該型構造の表面に該光化学反応によって微小構造を形成する工程と、を有することを特徴とする微小構造の加工方法。
前記光化学反応によって微小構造を形成する工程において、該光化学反応による光化学気相蒸着によって微小構造を形成することを特徴とする請求項１に記載の微小構造の加工方法。
前記光化学反応によって微小構造を形成する工程において、該光化学反応による光化学エッチングによって微小構造を形成することを特徴とする請求項１に記載の微小構造の加工方法。
前記光化学反応によって微小構造を形成する工程において、該光化学反応による光化学ドーピングによって微小構造を形成することを特徴とする請求項１に記載の微小構造の加工方法。
前記近接場光の分布を形成する工程において、前記型構造に入射する光の入射角度を変えることにより、前記型構造の表面に形成される近接場光分布の形状を変化させることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の微小構造の加工方法。
前記型構造が、基板上に微小な凹凸部を有する型構造であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の微小構造の加工方法。
前記型構造が、遮光膜に微小開口を形成した型構造であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の微小構造の加工方法。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の微小構造の加工方法を用い、前記型構造の表面に該光化学反応によって素子材料による微小構造を形成し、微小素子を作製することを特徴とする微小素子の作製方法。
請求項６に記載の微小構造の加工方法を用い、前記凹凸部の表面に前記光化学反応による光化学気相蒸着によって素子材料を蒸着させ、微小素子を作製することを特徴とする微小素子の作製方法。
前記微小素子として、量子細線構造、または量子ドット、または単電子トランジスタ構造を作製することを特徴とする請求項９に記載の微小素子の作製方法。
請求項７に記載の微小構造の加工方法を用い、前記微小開口に前記光化学反応による光化学気相蒸着によって素子材料を蒸着させ、微小素子を作製することを特徴とする微小素子の作製方法。
前記微小素子として、第２次高調波発生デバイス、またはセンサーデバイスを作製することを特徴とする請求項１１に記載の微小素子の作製方法。
型構造と、該型構造の表面に形成された微小構造とで構成された微小素子であって、
前記微小構造が、照射する光波長よりも小さい変調形状を有する型構造に対する光の照射により発生した近接場光の光エネルギーによって、原料ガスを分解して形成されたものであることを特徴とする微小素子。
前記微小構造が、前記原料ガスの分解による光化学気相蒸着によって構成されたものであることを特徴とする請求項１３に記載の微小素子。
前記微小構造が、前記原料ガスの分解による光化学エッチングによって構成されたものであることを特徴とする請求項１３に記載の微小素子。
前記微小構造が、前記原料ガスの分解による光化学ドーピングによって構成されたものであることを特徴とする請求項１３に記載の微小素子。
前記型構造が、基板上に微小な凹凸部を有する型構造であることを特徴とする請求項１３〜１６のいずれか１項に記載の微小素子。
前記凹凸部の表面に素子材料を蒸着させ、微小素子として量子細線構造、または量子ドット、または単電子トランジスタ構造が構成されていることを特徴とする請求項１７に記載の微小素子。
前記型構造が、遮光膜に微小開口を形成した型構造であることを特徴とする請求項１３〜１６のいずれか１項に記載の微小素子。
前記微小開口に素子材料を蒸着させて、微小素子として第２次高調波発生デバイス、またはセンサーデバイスが構成されていることを特徴とする請求項１９に記載の微小素子。