JP2006005110A - 微細構造の作製方法及び作製装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電子線によるガスデポジション法で作製したものと同サイズ（ナノメートルオーダー）の微細構造を、位置とサイズを自由に制御しつつ、任意の材料、結晶性にて作製することができる新規な作製方法及び作製装置を提供する。
【解決手段】 マスクの原料となる元素を含んだガスを材料上に流しながら、電子線を材料上の所望位置に向かって照射してマスクを形成した後、エネルギービームを照射してマスクで被覆された部分以外の材料部分を取り除くことにより、材料に微細加工を行う。
【選択図】 図１

Description

この出願の発明は、微細構造の作製方法及び微細構造の作製装置に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、マスクの原料となる原料ガスを材料上に流して電子線を照射することにより材料上にマスクを形成する電子線によるガスデポジション法（電子線誘起蒸着法）とエネルギービーム照射との組み合わせによる新規な微細構造の作製方法及び作製装置に関するものである。

近年、半導体デバイスにおける集積度の高まりにつれ、より微細な構造を位置と大きさを制御しつつ作製する技術への要求が高まっている。またさらに、量子効果を用いたデバイスの実用化に向けた取り組みも盛んに行われており、大きさがナノメートル程度のドット構造あるいは他の微細構造を作製する方法や装置が求められている。

現在、このような微細構造の作製には、一般的にリソグラフィーと呼ばれる技術が用いられている。この技術は、光もしくは電子によって感光する樹脂を材料表面に塗布し、マスクを用いて材料表面を所望の形状に感光させた後、酸などでエッチングすることで微細構造を作製する技術である。ところが、この技術では、感光剤の特性によるボケやエッチングのキレなどにより、作製できる微細構造のサイズには限界がある。

このようなリソグラフィーに代わる技術として、微細構造の凸部の原料となる元素を含んだガスを材料上に流し、そこに電子線を照射し、電子線及びそれにより生じる熱、電場、２次電子、Ｘ線及び光の少なくとも１つと原料ガスとの反応による原料ガスの分解などにより、凸部の原料を材料上に堆積させる電子線によるガスデポジション法（電子線誘起蒸着法）が知られている（非特許文献１）。
I. Utke, P. Hoffman 他、"Focused electron beam induced deposition of gold", Journal of Vacuum Science and Technology B. 18, p.3168-3171 2000年

しかしながら、電子線によるガスデポジション法で微細構造を作製する場合、蒸着する物質は適切な原料ガスで存在する必要があり、作製可能な物質に制限があった。特にシリコンなどで微細構造を作製しようとしても適切な原料ガスが存在せず、半導体デバイス等の超集積化の妨げとなっていた。このように、これまで任意の材料に対して、電子線によるガスデポジション法と同じサイズレベルで微細構造を作成する技術は存在しなかった。このサイズ領域では、物質の波動性が顕著になる量子効果や、堆積に対する表面積の割合が非常に大きくなるサイズ効果など、物質の性質が大きく変わることが知られているが、電子線によるガスデポジション法で作製した微細構造は、結晶性が悪く、かつ純度を制御することも難しかった。また、電子線によるガスデポジション法で作製できる微細構造の結晶性は炭化物や酸化物などを含むアモルファス状であり、高純度の結晶性構造を得ることは困難であった。

そこで、この出願の発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたもので、電子線によるガスデポジション法で作製したものと同サイズ（ナノメートルオーダー）の微細構造を、位置とサイズを自由に制御しつつ、任意の材料、結晶性にて作製することができる新規な作製方法及び作製装置を提供することを課題としている。

この出願の発明は、上記課題を解決するものとして、第１には、マスクの原料となる元素を含んだガスを材料上に流しながら、電子線を材料上の所望位置に向かって照射してマスクを形成した後、エネルギービームを照射してマスクで被覆された部分以外の材料部分を取り除くことにより、材料に微細加工を行うことを特徴とする微細構造の作製方法を提供する。

また、第２には、上記第１の発明において、電子線の照射位置に加え、スポットサイズ及び／又は照射時間を変化させることによって大きさ及び／又は形状を変化させて形成したマスクを用いることを特徴とする微細構造の作製方法を提供する。

また、第３には、上記第１又は第２の発明において、電子線の照射位置を移動させることによって形成した任意形状のマスクを用いることを特徴とする微細構造の作製方法を提供する。

また、第４には、上記第３の発明において、材料として、あらかじめ導電膜を基板上に設けたものを用い、微細な２次元配線パターンを作製することを特徴とする微細構造の作製方法を、第５には、材料として、ヘテロ構造を有する基板を用い、ヘテロ構造を持つ微細構造を作製することを特徴とする微細構造の作製方法を、第６には、材料として、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）で用いる結晶性の探査針を用い、この探査針の先端を結晶性を保ったまま微細加工することを特徴とする微細構造の作製方法を提供する。

また、第７には、上記第１ないし第３のいずれかに記載の発明において、材料として、電子顕微鏡観察用試料を用い、電子顕微鏡観察に必要な薄膜化を所望の場所に対して行うすることを特徴とする微細構造の作製方法を提供する。

さらに、この出願の発明は、第８には、上記第１ないし７のいずれかに記載の微細構造の作製方法に用いられる装置であって、少なくとも、１）電子線が出射される電子線源、２）微細構造のマスクが作製される材料、３）微細構造を有するマスクの原料となる元素を含んだガスを材料上に供給するガス供給部、４）エネルギービームが０．５〜５ｋＶの加速電圧で出射される照射手段、を備えていることを特徴とする微細構造の作製装置を提供する。

この出願の微細構造の作製方法及び作製装置によれば、位置とサイズを自由に制御しつつ任意の材料に対して、電子線によるガスデポジション法と同レベルのサイズで微細構造を作製することが可能となり、特に、蒸気圧、毒性などの点で適切な原料ガスが存在しなかった材料に対しても微細構造を作製することができる。

また、この出願の微細構造の作製方法及び作製装置によれば、結晶性の材料を対象とすることでこれまで得ることの難しかった結晶性の微細構造を得ることができるほか、純度に関しても、電子線によるガスデポジション法で得られるものは炭化物、酸化物などの混合物であったが、高純度の材料を対象とすることで高純度の微細構造を得ることができる。

さらに、１０年程度後の超集積半導体電子デバイスでは、パターン寸法やその寸法精度が数ｎｍを要求されており、この出願の発明の微細構造の作製方法および作製装置を用いることによって、集積度の高い電子デバイスなどが作製可能となるばかりでなく、量子効果を利用したデバイスの開発、実用化に向けて大きく寄与することとなる。また、この出願の発明の微細構造の作製方法および作製装置は、立体配線にも使用可能であり、これら
が一旦実用化されれば今日の半導体産業を一変させるものであり、この出願の発明の微細構造の作製方法および作製装置は、その基本技術として非常に大きな経済効果をもつものと期待される。

この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。

この出願の発明は、マスクの原料となる元素を含んだガスを材料上に流しながら、電子線を材料上の所望位置に向かって照射して微細構造を有するマスクを作製した後、エネルギービームを照射することにより、マスクで被覆された部分以外の材料部分を取り除くことにより、材料に微細加工を行うことを特徴とする。

また、マスクの原料となる元素を含んだガスとしては、Ｗ（ＣＯ）₆、Ｍｏ（ＣＯ）₆、Ｉｎ（Ｃ₅Ｈ₇Ｏ₂）₃、（ＣＨ₃）₃（ＣＨ₃−Ｃ₅Ｈ₄）Ｐｔ、（ＣＨ₃）₂Ａｕ（Ｃ₅Ｈ₇Ｏ₂）が挙げられ、それらのガスを用いることによってそれぞれＷ、Ｍｏ、Ｉｎ、Ｐｔ、Ａｕを好適に堆積させることができるが、もちろんその他の種々の物質を使用することも可能である。ガスの供給は、たとえば、ノズル利用して所要の位置に噴出する方法等、各種の方法を用いることができる。

また、この出願の発明で用いる電子線は、特に限定されるものではないが、その強度としては、たとえば、加速電圧は５から２００ｋＶ、電流値は０．１から１ｎＡの範囲とすることにより適切な値に設定することができる。このような範囲の強度によれば適切な微細構造のマスクを形成することができる。その照射時間は、マスクの形状により異なるが、たとえば、１０から１００秒の範囲とすることができる。電子線のスポットサイズは、たとえば、その直径が数ナノメートルにまで収束したものとすることができる。

マスクの原料となる元素を含んだガスを材料上に流し、そこに電子線を照射すると材料上に数ナノメートル程度の凸部がマスクとして形成される。電子線の照射位置に加え、スポットサイズ及び／又は照射時間を変化させることにより、凸部のマスクの大きさ及び／又は形状を変化させることができる。また、電子線あるいは材料を水平方向などに移動させることによって線状や面状などの任意の形状のマスクを形成することができる。

また、この出願の発明で用いる材料としては、シリコンなどの半導体基板のほか、あらかじめＡｕ等の導電膜を基板上に設けたもの、ヘテロ構造を有する基板、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）で用いる結晶性の探査針の他、電子顕微鏡の試料ホルダー上に試料として設けられた薄膜など、種々のタイプのものを用いることができる。

材料としてあらかじめＡｕ等の導電膜を設けた基板を用いた場合には、ナノメートルオーダーの微細な２次元配線パターンを得ることができる。

材料としてあらかじめヘテロ構造を有する基板を用いた場合には、ヘテロ構造を持つナノメートルオーダーの微細構造を得ることができる。

材料として、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）で用いる結晶性の探査針を用いた場合には、探査針の先端部を結晶性を保ったまま鋭い形状が得られるようになる。

材料として、電子顕微鏡の試料を用いた場合には、電子顕微鏡試料作製にあたり、試料の所望の場所を試料にダメージを与えることなく薄片化することが可能となり、集積度の高い電子デバイスや量子効果を利用したデバイスの開発、実用化に向けて大きく寄与する
ようになる。

この出願の発明の微細構造の加工方法では、材料上にマスクを形成した後、エネルギービームを照射することにより、マスクで被覆された部分以外の材料部分を取り除き、必要に応じて、その後でマスクを除去する。これにより、材料に直接、微細加工を施すことが可能となる。

この出願で用いるエネルギービームとしては、特に限定されるものではないが、たとえば、アルゴン、ネオン、クリプトン、キセノンなどのイオンビームが使用できる。エネルギービームの照射は一斉に行う。

また、エネルギービームの強度としては、たとえば、加速電圧は０．５から５ｋＶとして、電流値は１から１０ｍＡの範囲とすることにより適切な値に設定することができる。これらの値が大きすぎると材料へのダメージが大きくなり、小さすぎると微細加工が困難となる。その照射時間は、たとえば、１から１０分の範囲とすることができる。エネルギービームのスポットサイズは、たとえば、その直径が１から３ｍｍのものとすることができる。エネルギービームによる基板を取り除く程度は、その深さ方向においては、照射強度及び／又は照射時間を変化させることで調整することができ、また、面内方向においては、エネルギービームあるいは材料を水平方向などに移動させることによって調整することができる。

そして、この出願の発明の微細構造の作製方法は、少なくとも１）電子線が出射される電子線源、２）微細構造のマスクが作製される材料、３）材料上に凸部のマスクとなる元素を含んだガスを供給するガス供給部、４）エネルギービームが０．５〜５ｋＶの加速電圧で出射される照射手段、を備えた微細構造の作製装置を用いることにより実現することができるのである。

この装置では、さらに、材料近傍で磁場を印加する磁場印加部、材料に対する電子線の照射位置を相対的に移動させる手段などを設けることができる。

ここで、この出願の発明による微細構造の作製方法の概要を図１（ａ）に示す。図１（ａ）において（１）は材料（基板）、（２）は図示しないガス供給部から送られてくる、マスクの原料となる元素を含んだガス（３）を噴出するノズル、（４）は電子線である。電子線（４）は数ナノメートル程度のスポットサイズに収束させることが望ましい。（５）は数ナノメートル程度の凸部からなるマスク、（６）は図示しないエネルギービーム照射部から照射されるエネルギービーム、（７）はエネルギービーム（６）の照射により取り除かれた部分である。

図１（ｂ）は材料としてヘテロ構造を有する基板を用いた例である。図１（ａ）と同様な要素には同じ符号を付してある。基板（１）の（１Ａ）、（１Ｂ）、（１Ｃ）がヘテロ構造を形成している。このような基板を用いて図１（ａ）と同様な手法でヘテロ構造をもつ微細構造を作製することができる。

このように、この出願の発明の微細構造の作製方法及び作製装置を用いることによって、これまで得られることのなかったサイズで品質のよい微細構造を直接、材料上に形成することができ、新しい電子デバイス等の研究、開発を大きく前進させるものとして非常に期待することができる。

以下、添付した図面に沿って実施例を示し、この出願の発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。

材料（１）としてシリコン（Ｓｉ）基板を用い、室温で原料ガスとしてＷ（ＣＯ）₆ガ
スを流した。原料ガスの圧力は１０²Ｐａ以下であった。そこに収束させた電子線（４）
を照射し、タングステン（Ｗ）の微細粒子からなるマスク（５）をシリコン基板上に形成した。そのタングステンの微細粒子の直径は約１００ｎｍであった。

次に、エネルギービーム（６）として、加速電圧５ｋＶ、電流値３ｍＡの条件でアルゴンイオンビームを７０秒間照射することにより、マスク（５）の下のシリコンが残り、他の部分のシリコンは図１（ａ）の右図で示すように取り除かれた。次に、酸によりマスク（５）を除去して、シリコン微細構造を得た。このシリコン微細構造の直径は約１５０ｎｍであった。図２の（ａ）にシリコン基板上に形成されたマスクとなるタングステンの微細構造を示す。また図２の（ｂ）と（ｃ）はアルゴンイオンビームによる基板取り除きの途中の状態を示す。図２（ｄ）はアルゴンイオンビームによる取り除きを行った後の様子を横から見た状態を示す。図２の（ｅ）はタングステンマスクを取り除いて得られたシリコンの微細構造を示す。

材料（１）として、表面を熱酸化させた絶縁性の酸化シリコン基板上にあらかじめ金を蒸着したものを用い、室温で原料ガスとしてＷ（ＣＯ）₆ガスを流した。原料ガスの圧力
は１０²Ｐａ以下であった。そこに収束させた電子線（４）を照射し、タングステン（Ｗ
）の微細粒子からなるマスク（５）を基板材料（１）上に形成した。ここで電子線（４）を図３（ａ）の中央の図に示すようにスキャンさせた。形成さえたタングステンマスクの幅は約４０ｎｍ、長さは約３００ｎｍであった。

次に、エネルギービームとして、加速電圧５ｋＶ、電流値３ｍＡの条件でアルゴンイオンビームを４５秒間照射することにより、マスク（５）の下の金及び酸化シリコンが残り、他の部分の金及び酸化シリコンは図３（ａ）の右図に示すように取り除かれた。この微細構造の幅は約４０ｎｍ、長さは約３００ｎｍであった。図３の（ａ）に表面熱酸化シリコン基板上に金を蒸着する様子と、タングステンからなるマスクを形成する様子と、アルゴンイオンビーム照射による加工の様子を示す。また図３の（ｂ）はタングステンマスクを形成した後の様子を示し、図３の（ｃ）はアルゴンイオンビーム照射による加工後に像を横から見た状態を示す。作製された微細構造の中心に金の領域が見える。この実施例では、金であることが分かりやすいように金を平滑な膜ではなく、粒状にしてある。金を平滑な膜とすることにより配線として利用可能な微細構造となることがわかる。

もちろん、この出願の発明は以上の実施形態および実施例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能である。

（ａ）はこの出願の発明による微細構造の作製装置の概要を示す図、（ｂ）は材料としてヘテロ構造を有する基板を用いた例を示す図である。 （ａ）はシリコン基板上に形成されたマスクとなるタングステンの微細構造を示す図、（ｂ）と（ｃ）はアルゴンイオンビームによる基板取り除きの途中の状態を示す図、（ｄ）はアルゴンイオンビームによる取り除きを行った後の様子を横から見た状態を示す図、（ｅ）はタングステンマスクを取り除いて得られたシリコンの微細構造を示す図である。 （ａ）は表面熱酸化シリコン基板上に金を蒸着する様子と、タングステンからなるマスクを形成する様子と、アルゴンイオンビーム照射による加工の様子を示す図、（ｂ）はタングステンマスクを形成した後の様子を示す図、（ｃ）はアルゴンイオンビーム照射による加工後に像を横から見た状態を示す図である。

符号の説明

１ 材料
２ ノズル
３ マスクの原料となる元素を含んだガス
４ 電子線
５ マスク
６ エネルギービーム
７ エネルギービームにより取り除かれた部分

Claims (8)

1. マスクの原料となる元素を含んだガスを材料上に流しながら、電子線を材料上の所望位置に向かって照射してマスクを形成した後、エネルギービームを照射してマスクで被覆された部分以外の材料部分を取り除くことにより、材料に微細加工を行うことを特徴とする微細構造の作製方法。
2. 電子線の照射位置に加え、スポットサイズ及び／又は照射時間を変化させることによって大きさ及び／又は形状を変化させて形成したマスクを用いることを特徴とする請求項１記載の微細構造の作製方法。
3. 電子線の照射位置を移動させることによって形成した任意形状のマスクを用いることを特徴とする請求項１又は２に記載の微細構造の作製方法。
4. 材料として、あらかじめ導電膜を基板上に設けたものを用い、微細な２次元配線パターンを作製することを特徴とする請求項３記載の微細構造の作製方法。
5. 材料として、ヘテロ構造を有する基板を用い、ヘテロ構造を持つ微細構造を作製することを特徴とする請求項３記載の微細構造の作製方法。
6. 材料として、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）で用いる結晶性の探査針を用い、この探査針の先端を結晶性を保ったまま微細加工することを特徴とする請求項３記載の微細構造の作製方法。
7. 材料として、電子顕微鏡観察用試料を用い、電子顕微鏡観察に必要な薄膜化を所望の場所に対して行うことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の微細構造の作製方法。
8. 請求項１ないし７のいずれかに記載の微細構造の作製方法に用いられる装置であって、少なくとも、
   １）電子線が出射される電子線源、
   ２）微細構造のマスクが作製される材料、
   ３）微細構造を有するマスクの原料となる元素を含んだガスを材料上に供給するガス供給部、
   ４）エネルギービームが０．５〜５ｋＶの加速電圧で出射される照射手段、
   を備えていることを特徴とする微細構造の作製装置。