JP3106038B2 - 基板表面の微細パターン形成方法 - Google Patents

基板表面の微細パターン形成方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は凝集塊ビームによる材
料表面のリソグラフィー式微細パターン形成方法に関す
る。
【0002】
【従来の技術】微細技術による部品の製造のために、あ
らかじめ与えられた表面上への所定のパターンの転写が
必要となる。超小形電子回路の加工ではこのために特に
ホトリソグラフィーが用いられ、その際転写しようとす
るパターンが投影マスクとして光路中へ持ち込まれ、こ
の目的のためにパターン形成しようとする面上に塗布さ
れた感光性層上に転写される。このいわゆるレジスト層
の露光された領域又は場合によっては逆に露光されてい
ない領域は適当な現像液により溶解できるので、マスク
の転写像がパターン形成されたレジスト層として加工し
ようとする表面を部分的に覆う。そして本来の加工材料
のパターン形成が加工材料表面の保護されていない領域
だけを侵食するエッチング法により行われる。
【0003】ウエットエッチング法のほかに現在では、
気体物質がエッチングしようとする材料を侵食するドラ
イエッチング法が一般に用いられるようになった。これ
らの中で最近はイオンにより促進される方法が特に重要
であり、この方法の場合には加工材料上にぶつかる原子
流の少なくとも一部がまずイオン化され、そして加工材
料に向かって電気的に加速される。そしてエッチング過
程は専ら衝突するイオンの伝達されたパルスによる表面
の材料原子の原子間結合の解消及び材料原子の蒸発に基
づくか、又はこの物理的効果と別個に導入された適当な
エッチングガスの化学的侵食との協働作用に基づく(反
応性イオンエッチング)。イオンが別個の源で発生させ
られビームとして基板上に導かれるとき、反応性イオン
ビームエッチングが行われる。生じるイオンの流れ及び
エネルギーをそのほかのプロセスパラメータから分離し
てこれとは無関係に最適化することが可能である。
【0004】エッチングガスの化学的侵食は方向に無関
係に加工材料のすべての露出個所で行われ、他方では加
速されたイオンの衝突はビーム方向へ行われるので、優
先的な材料除去がビーム方向で生じる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】この発明の課題は、エ
ッチングガスをもビーム方向にだけ加工材料上に衝突さ
せ、それにより侵食過程又はエッチング過程の方向選択
性を高めることにある。
【0006】通常用いられるイオンエネルギーは100
0電子ボルト程度の大きさを有し、材料中に永続的な欠
陥を発生させるために必要なエネルギーの約100倍の
大きさである。従って多くの欠陥が材料の比較的深い部
分にも発生させられ、エッチングされた面は「ささくれ
た」外観を有する。他方では面はイオンビームによって
研磨することもでき、このためにビーム入射は特に表面
に対しかするように行わなければならない。しかしこれ
はリソグラフィーによるパターン転写の場合には不可能
である。従ってこの発明の別の課題は、垂直なビーム入
射の場合にパターン転写を研磨過程と組み合わせること
にある。
【0007】最後にこの発明の課題は、加工材料の温度
をエッチングしようとする個所で選択的に高めることに
より、化学的エッチング過程の反応速度を高めることに
ある。その際例えば加工材料の深部でのドーピング原子
の拡散進行を避けるために、材料を局部的にだけ加熱し
ようとするものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】これらの課題はこの発明
に基づき、イオン化され電気的に加速された凝集塊ビー
ムにより加工材料面又は基板表面の微細パターンを形成
することにより解決される。ビームはクラスタとも呼ば
れる原子又は分子の凝集塊を含む。クラスタは例えば電
子による衝撃によってイオン化され、適当な衝突速度に
電気的に加速される。この速度が材料中での音速より大
きいときには、衝突個所に衝撃波が誘発され、その後方
ではクラスタ及び加工材料の物質が側方ばかりでなく加
工材料の深部中へも流れ去る。最後に発生する後ろ向き
の希薄波は材料の放出をもたらし、衝撃波圧縮による材
料加熱に基づく材料蒸発と合わせて表面にクレータを残
す。
【0009】その際流れの側方へ向いた前記成分は、斜
めの角度のもとでのイオン入射の役目を引き受け、文献
に既に記載された研磨効果を引き起こす(ヘンケス(P.
R.W.Henkes )及びクリンゲルヘーファ(R. Klingelhoe
fer)の論文、「ジュルナルデ フィジク(Journal de
Physique )」討議C2、第50巻、1989年、第C
2−159ページ参照)。
【0010】
【実施例】次にこの発明に基づく微細パターン形成方法
の複数の実施例を示す図面により、この発明を詳細に説
明する。
【0011】図1に示すように、基板表面上のリソグラ
フィーによるパターン形成はこの発明に基づき、基板3
の表面上に載せられるか又は基板から所定の間隔を置い
て保持され凝集塊ビーム1を領域ごとに遮るマスク2の
投影により達成される。
【0012】この発明に基づく方法の達成可能な立体的
解像度に対しては、凝集塊衝突の後に残されるクレータ
の直径が重要である。なぜならばクレータは投影の鮮鋭
度を制限するからである。図2には、経験的に求められ
た関係を用いて巨視的な球の衝突の際に得られたクレー
タ直径が、クラスタの衝突エネルギーの関数として示さ
れている(グスパン(J. Gspann )著、「有限系の物理
及び化学について:クラスタから結晶へ(in Physics a
nd Chemistry of Finite Systems: From Clusters to C
rystals )」ジェナ(P. Jena )、クハナ(S.M. Khann
a )及びラオ(B.K. Rao)により編集されクルワ アカ
デミック(Kluwer Academic )出版社、ドルドレヒト、
ボストン及びロンドンにより出版、1992年、第II
巻、第1115ページ参照)。それによれば凝集塊の運
動エネルギーが150keVであるときに、銅の凝集塊
ビームリソグラフィーの達成可能な立体的解像度は20
nmの程度の大きさである。
【0013】図2から同様に分かるように、クラスタエ
ネルギーの与えられた場合にクレータ直径従ってほぼ半
球形のクレータの深さは材料に固有であり、しかもブリ
ネル硬さBの立方根に逆比例する。この発明に基づき凝
集塊ビームリソグラフィーのために、パターン形成すべ
き加工材料より除去されることの少ないマスク材料を選
ぶべきである(図1参照)。しかしこの発明に基づきマ
スクより除去されることの多い材料を用いることも可能
であり、そのときマスク材料は相応に厚く選ばなければ
ならない。
【0014】エッチング過程の選択性すなわち加工材料
及びマスクのエッチング速度の比は更にこの発明に基づ
き、加工材料と揮発性に化合するクラスタ材料が選択さ
れることにより高められる。そのとき物理的な侵食過程
は前記の反応性イオンエッチングの場合と類似して加工
材料の化学的変換により促進される。しかしながら反応
性イオンエッチングと対照的にこの発明に基づく方法に
よれば、エッチング媒体自体がイオン化され加速され高
いエネルギーを有する凝集塊として加工材料上に投射さ
れ、密に接触した場合に高い反応速度により変換され
る。
【0015】文献から衝撃圧縮が局部的に4000Kま
での温度ピークをもたらすことができることが知られて
いる(クリーブランド(C.L. Cleveland)及びランドマ
ン(U. Landman)の論文、「サイエンス(Science )」
第257巻、1992年7月17日、第355〜361
ページ参照)。しかしこの高い温度はピコ秒の期間だけ
しか到達されず、かつエッチング媒体が局部的に限定し
て衝突する個所に限られるので、広範囲な加工材料加熱
はこの発明に基づき回避される。
【0016】化学的変換過程の有効性は、銅とダイヤモ
ンドの硬さの比率がブリネル硬さで測定してほぼ1対1
00であるにもかかわらず、二酸化炭素クラスタビーム
による銅ターゲットの侵食(既に述べたヘンケス(P.R.
W. Henkes )及びクリンゲルヘーファ(R. Klingelhoef
er)の論文参照)がダイヤモンドの侵食の約2倍の速さ
で行われるにすぎないことから明らかになる。二酸化炭
素は公知のように金属銅の場合に揮発し難い酸化物を、
またダイヤモンドの場合にそれぞれの出発材料より著し
く容易に揮発する酸化物を形成する。
【0017】この発明に基づく方法の別の特徴は、エッ
チング媒体が一次的にはビーム方向だけで基板上に衝突
し、それによりエッチング過程の強い方向選択性が生じ
るという事実である。加工材料で化学的に変換されない
で後方散乱させられたエッチング媒体だけが、ビーム方
向に存在しない材料表面を侵食できる。
【0018】他方では比較的揮発し難い生成物例えば酸
化金属を形成しながら材料を侵食する場合には、ビーム
方向に存在せず生成物の沈積する材料表面の不活性化が
達成される。不活性化はこの発明に基づき材料中にエッ
チングされるパターンの側壁の傾斜の改善をもたらす。
【0019】クラスタイオンの衝突エネルギーが原子当
たり約10電子ボルト以下に低下した場合には、クラス
タ物質が十分に揮発しにくいときに、侵食過程又はエッ
チング過程が加工材料表面上へのクラスタ物質の堆積に
より置き替えられる。それによってもこの発明に基づき
マスクのパターンが材料表面上に転写される。
【0020】図3はこの過程を示す。堆積しようとする
物質が高沸点材料例えば金属である場合には、この材料
は相応の金属蒸気のノズル膨張によりクラスタビームの
形にもたらされ、高温の「ナノ小滴」としてのクラスタ
が生じる(グスパン(J. Gspann )「ツァイトシュリフ
ト フュール フィジク(Zeitschrift fuer Physi
k)」第D3巻、1986年、第143〜145ページ
参照)。衝突の際にクラスタは平らになるので、転写過
程の立体的解像度はクラスタ直径により与えられるより
若干小さい。
【0021】この種のクラスタの熱含有量はクラスタの
運動エネルギーの変換と共に衝突個所4(図3参照)の
加熱をもたらす。それにより置かれたクラスタ材料の成
長が可能となり、この成長は下に存在する加工材料の結
晶構造に揃い(エピタキシアル成長)、ここでも加工材
料を広い範囲で又は深部で加熱しない。この発明に基づ
きこうしてエピタキシアル成長領域を、マスクによりあ
らかじめ与えられたパターンにより局限して、下に置か
れた加工材料上に被覆することができる。
【0022】クラスタのサイズ分布は比較的広い(グス
パン(J. Gspann )及びボルマー(H. Vollmar)の論
文、「希薄気体動力学についての第8回国際シンポジウ
ム議事録」スタンフォード、1972年、カラムチェチ
(K Karamcheti)により編集されアカデミック プレス
社、ニューヨークにより出版、1974年、第261〜
268ページ参照)。更にこれらのビームは一般に凝縮
されていない蒸気の残部を含む。サイズ及び質量に基づ
くビーム粒子の分離はこの発明に基づき、イオン化及び
加速の前にクラスタビームを貫き質量又はサイズに関係
して偏向させるガス横流の使用により行うことができる
(ドイツ連邦共和国特許第2233741 号明細書参照)。
【0023】中性のビーム粒子の選択はこの発明に基づ
き、イオン化後の電磁分離により補完又は置換すること
ができるので有利である。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明に基づく微細パターン形成方法の一実
施例として凝集塊ビームによるエッチングを示す説明
図。
【図2】図1に示すクレータについてクラスタエネルギ
ーとクレータ深さとの関係を示す線図。
【図3】パターン形成方法の異なる実施例として凝集塊
ビームによる成長を示す説明図。
【符号の説明】
1 凝集塊ビーム 2 マスク 3 基板
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平2−184028(JP,A) 特開 平3−163825(JP,A) 特開 昭64−67918(JP,A) 特開 昭62−158329(JP,A) 特開 昭63−81821(JP,A) 特開 昭62−249410(JP,A) 特開 昭63−38232(JP,A) 特開 平5−102083(JP,A) 特公 昭61−21692(JP,B2)

Claims (11)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板表面上に被覆されるか又は載せられ
    るか又は基板から所定の間隔を置いて保持され、投影に
    より前記基板表面上に転写されるマスクを用い、前記基
    板表面上への投影が、部分的にイオン化され、電気的に
    音速より大きい衝突速度に加速された原子凝集塊ビーム
    により行われることを特徴とする基板表面の微細パター
    ン形成方法。
  2. 【請求項2】 凝集塊ビームがその方向を電磁的に調節
    されることを特徴とする請求項1記載の方法。
  3. 【請求項3】 凝集塊及び/又は凝集塊団が、パターン
    形成しようとする基板表面の材料を、マスクで覆ってい
    ない個所でビーム供給時間に応じて部分的に除去するこ
    とを特徴とする請求項1又は2記載の方法。
  4. 【請求項4】 凝集塊又は加速された凝集塊団のビーム
    により、パターン形成しようとする面の材料より著しく
    少ない除去を被る材料が、マスクのために選ばれること
    を特徴とする請求項1ないし3の一つに記載の方法。
  5. 【請求項5】 利用されるマスク材料がビーム作用のも
    とで基板材料より強い除去を被るときは、マスクが相応
    に厚く選ばれることを特徴とする請求項1ないし3の一
    つに記載の方法。
  6. 【請求項6】 中性の及び/又はイオン化された凝集塊
    が、パターン形成しようとする表面の材料と揮発性化合
    物が生じるように化学的に反応することを特徴とする請
    求項1ないし3の一つに記載の方法。
  7. 【請求項7】 凝集塊及び/又は凝集塊団がパターン形
    成しようとする表面の材料と反応し、それによりビーム
    材料のこれ以上の化学的侵食に耐える材料が生じ、生じ
    たこの材料が特に作られたパターンの垂直な壁に沈積す
    ることを特徴とする請求項1又は2又は6の一つに記載
    の方法。
  8. 【請求項8】 凝集塊がパターン形成しようとする表面
    上にマスクで覆われていない個所で成長することを特徴
    とする請求項1又は2記載の方法。
  9. 【請求項9】 凝集塊がマスクで覆われていない前記領
    域でエピタキシーにより、従って照射される基板材料の
    結晶格子に適合しながら成長することを特徴とする請求
    項8記載の方法。
  10. 【請求項10】 凝集塊がイオン化前にガス横ビームに
    よる偏向を用いて塊のサイズに従い選択されることを特
    徴とする請求項1ないし9の一つに記載の方法。
  11. 【請求項11】 凝集塊団がイオン化の後に質量対電荷
    の比に基づき電磁的に選択されることを特徴とする請求
    項1ないし10の一つに記載の方法。
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