JP3177961B2 - 原子線ホログラフィによるパターン形成方法及び装置 - Google Patents

原子線ホログラフィによるパターン形成方法及び装置

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  • Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)
  • Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、原子線ホログラフ
ィを利用した描画方法に関し、特に、半導体基板の表面
などにパターンを形成する方法と装置とに関する。
【０００２】
【従来の技術】ホログラムを使用し半導体基板上などに
微細なパターンを転写する技術が注目を浴びるようにな
ってきており、ホログラムによるパターン転写技術は、
超ＬＳＩ（大規模集積回路）製造における超微細リソグ
ラフィの一手法として位置づけられている。
【０００３】従来より超ＬＳＩの製造に使用されている
ステッパー技術では、レジストが塗布された基板に対し
てマスクを接触させてパターン転写を行う光学露光であ
った。このようなリソグラフィでは、その光学系に多く
のレンズを用いるために複雑な調整作業が必要であっ
た。また、マスクに付着した一つのゴミが致命的な転写
パターンの欠陥を形成してしまう、などの不具合があ
る。マスクを基板に接触させることなく、縮小投影光学
系によって露光する光学リソグラフィ方法の場合であっ
ても、ゴミの付着の問題は大きく、また、光学系の調整
はより難しくなる。
【０００４】これに対してホログラフィックな手法によ
るパターン転写は、ホログラムの再生には複雑なレンズ
系を必要とせず、また、非接触でパターン転写ができる
という利点を有し、このために、ステッパーにおいては
工程上の問題となるゴミの影響を受けにくい。また、ホ
ログラムに記録されたパターン情報はホログラム全面に
分散しているために、ホログラムに多少の物理的欠陥が
発生しても、再生像に致命的な欠陥を生じることは少な
い。すなわち、ホログラムを用いたパターン転写技術
は、欠陥に強いという特徴を有する。
【０００５】さらに、ホログラフィックな手法には、記
録した時と同じ光学系を用いてホログラムを再生した場
合には収差がなくなる特徴がある。この場合、最終的な
パターンの分解能は波長で決定される。縮小光学系を用
いる現行のステッパーではレンズ収差によってパターン
分解能が決定しているから、ホログラムによるリソグラ
フィは、マスクと縮小光学系を用いる現行のステッパー
を用いるリソグラフィに比べ、簡単な光学系を用いて波
長限界での高分解能パターン形成ができるという特徴を
有することになる。
【０００６】このようなホログラフィを用いた光学リソ
グラフィ装置はすでに市販され、実用レベルで製造プロ
セスのなかで稼動している。現在の現在の超ＬＳＩ製造
ではサブマイクロメートル程度のパターン形成が必要で
あって、そのために、ホログラフィによる光学リソグラ
フィ装置で使用される光源は、Ｇ線（４３６ｎｍ）、Ｉ
線（３６５ｎｍ）と徐々に短波長化がすすんでいる。最
近では、ＫｒＦエキシマレーザーやＡｒＦエキシマレー
ザーを用いた紫外線レーザーでパターンを形成すること
が議論されている。
【０００７】ホログラフィによるパターン形成では、そ
の最小分解能はホログラム乾板の大きさと用いる光源の
波長に依存する。レンズ光学系での一般的な公式 ｄＸ＝λＬ／Ｄ …(1) （ｄＸは分解能、λは波長、Ｌはホログラムとレンズの
距離、Ｄはホログラムの直径）により、分解能ｄＸが与
えられる。利用し得るホログラムの大きさには限界があ
るから、パターン分解能ｄＸは、最終的には波長λに依
存することになる。
【０００８】ホログラムから出射する光には、ホログラ
ムで回折せずに直接通過してくるゼロ次光と、１次以上
の高次の回折光がある。通常、ゼロ次光には位相情報が
含まれていないために、ゼロ次光ではパターンの再生を
行わず、高次の回折光でパターンの再生が行われる。ホ
ログラムの再生でオフアクシスの光学配置（光軸から外
れた配置）がとられるのはこのためで、パターンが再生
されないゼロ次光を除いて、パターンの再生が行われる
高次光で再生するときの必然的な光学配置がオフアクシ
スである。
【０００９】ところで、ホログラム乾板上に記録されて
いる情報は、物体からの出てきた波動（光）の位相・強
度情報であり、物体形状（パターン）のフーリエ変換で
ある。このことから、与えられた物体形状（パターン）
に対するホログラムを人工的に計算で作り出すことが可
能であり、１９６７年に、コンピューターにより、２値
の計算ホログラムが生成されている。以来、離散高速フ
ーリエ変換（ＤＦＦＴ：Discrete Fast Fourier Transf
orm）の方法が改良され、良質の再生像が形成されるよ
うになり、３次元パターンの形成もコンピュータ合成ホ
ログラムによってできるようになっている。このような
２値のコンピュータ合成ホログラムは、仮想物体からの
光学情報、特に位相情報を"０"か"１"の情報としてホロ
グラム上に記録するものであって、ホログラムの情報記
録面を有限数のセルに分割し、例えば、"１"を光透過率
が１００％の穴（セル）に、"０"を１００％不透過に対
応させるものである。コンピュータ合成ホログラムで
は、仮想物体からの位相・強度情報にしたがってこれら
の穴が形成されている。特開平８−２８６５９１号公報
には、コンピュータ合成ホログラムを使用し、イオンビ
ーム、中性粒子、電子線などの物質波をこのホログラム
に通過させてホログラム像をレジスト上に投影し、ホロ
グラム像に対応したパターンを形成する技術が開示され
ている。
【００１０】ここで、パターンの分解能を向上すること
を考える。パターンの分解能を向上するためには、上述
の式(1)からも明らかなように、使用する波動の波長を
短くすればよい。すなわち、現在用いられているＫｒ
Ｆ、ＡｒＦ等のエキシマレーザーの波長を超えた微細加
工では、さらに波長の短いＸ線もしくは電子線をリソグ
ラフィ用光源として用いることが有効である。
【００１１】さらに、高分解能のホログラフィックなパ
ターン形成では、その光源としては、干渉性の良好な波
動源を用いればよい。例えば、電界放出（フィールドエ
ミッション）で放出される電子線の物質波（ド・ブロイ
波；de Bloglie波）を用いることが可能である。アプラ
イド・フィジックス・レター（Appl. Phys. Lett）第６
６巻第１５６０頁（１９９５年）に、エネルギー１００
ｋｅＶの電子線の波長が０.００３ｎｍであって、この
電子線を用いてバイプリズム（ホログラムの一種）によ
りグレーティングを形成した例が開示されている。
【００１２】このような短波長の波動（光）を回折させ
るためには、波長程度のホログラムパターンを形成する
必要があるが、近年の電子線露光による超微細パターン
形成技術の発展は目覚しく、０.０２μｍオーダーのパ
ターン形成は可能であって、光源の短波長化に対応し
て、微細ホログラムを形成することが可能である。
【００１３】既存のパターン形成技術での微小パターン
形成の限界をその種類で分けて考えると、光を用いる場
合には、実用的に得られれる最短の波長がエキシマレー
ザーの１８０ｎｍ程度であり、十分な加工技術が存在す
ることで、その波長が微小パターン形成の限界となって
いる。Ｘ線リソグラフィでは、電子線をマスクパターン
形成に利用することで２０ｎｍ程度までの微小パターン
を形成可能であり、さらに、凹面のＸ線ミラーを用いた
縮小パターン形成方法が可能で、原理的にはＸ線波長程
度のパターン形成が可能であるようにみえる。しかしな
がら、線源としてＸ線もしくは電子線を利用したとして
も、既存のリソグラフィ技術では、有機レジストまたは
無機レジスト等の中間材料にパターンを転写し、次に、
リフトオフやエッチング等の技術で、ＳｉやＧａＡｓな
どの基板にパターンを転写する方法がとられる。ここ
で、これらのレジスト材料に固有の分解能が問題とな
る。これらレジスト材料の感光メカニズムは、最終的に
は分子の結合が切れるかもしくは重合するかの反応であ
り、レジスト材料中で２次電子の飛程がその分解能を決
定することになる。２次電子の飛程は一般に約５ｎｍ程
度であり、結果として、約１０ｎｍ程度がパターンの分
解能限界である。
【００１４】以上、ホログラムを用いたパターン形成の
原理、及び、リソグラフィによるパターン形成の分解能
の限界について説明したが、レジストにパターンを一度
転写することを必要とする従来のリソグラフィ技術で
は、パターン転写がパターンのさらなる微小化への障害
となっており、１０ｎｍ以下のパターンを形成する有効
な加工方法が見当たらないのが現状である。
【００１５】上述したような技術の現状のなかで、本発
明者らは、例えば、ネイチャー(Nature)、第３８０巻、
第６５７６号、６９１〜６９４頁（１９９６年）やフィ
ジカル・レビュー・レター（Phys. Rev. Lett.）、第７
７巻、第５号、８０２〜８０５頁（１９９６年）、さら
には、応用物理誌、第６５巻、第９号、９１２〜９１８
頁（１９９６年）にあるように、原子線を用いたホログ
ラフィックなパターン形成を実証してきた。これら報文
に示す原子線ホログラフィは、透過型のホログラムを形
成し、形成したホログラムを用いて被着基板上にホログ
ラム像を原子線によって直接投影して再生し、パターン
を形成しようとするものである。透過型原子線ホログラ
フィによれば、所望する原子（元素）を直接に、しかも
レジストプロセスを必要とせずに、基板上に堆積するこ
とが可能である。従来のパターン形成技術を用いた微細
パターン形成では、中間プロセスとして、有機もしくは
無機レジストに必ずパターンを一度転写してから、エッ
チングやリフトオフのプロセスで微細パターンを形成し
ていたのに対して、原子線ホログラフィの手法は、所望
する場所に原子を直接堆積させてパターンを形成する点
で、画期的なリソグラフィ技術である。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た透過型原子線ホログラムによるリソグラフィ技術で
は、ホログラムに形成された原子透過用の穴のサイズに
よって、その分解能が限定される。原子線ホログラフィ
によれば、原理的にはオングストロームのオーダーの波
長の原子波（物質波としての原子線）を利用することが
可能であり、物質における原子配列の間隔以下の波長が
容易に得られるはずである。ところが、このような原子
サイズでの透過型ホログラムを作成することは、原子を
原子配列のオーダーで制御しうるパターン形成技術が必
要であって、現実的に不可能であり、この困難な局面を
打破する技術が必要であった。
【００１７】本発明の目的は、原子線ホログラムの技術
を用いて超微細なパターンを形成することができるパタ
ーン形成方法及び装置を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、鋭意研究
の結果、ある反射面と適切な入射角度のもとで、原子線
はその干渉性を失うことなく全反射する事実を見出し
た。このような全反射は量子コーヒーレント反射と呼ば
れ、この量子コヒーレント反射を利用することで、原子
線に対する有効な反射光学系を構築することが可能とな
る。さらに本発明者らは、量子コヒーレント反射を利用
した原子線反射光学系を用い、あるいは、反射型原子線
ホログラムを用いることによって、これまで不可能であ
った真のオングストロームオーダー（サブマイクロメー
トルオーダー）でのパターンの形成を行うことができる
ことを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１９】すなわち本発明の第１のパターン形成方法
は、基板上にパターンを形成するパターン形成方法であ
って、透過型のホログラムに対し原子線を入射させて原
子線を変調させ、変調された原子線を反射面に入射して
反射面において位相情報を保ったまま反射させ、反射面
から反射された原子線を基板上に導く。
【００２０】本発明の第２のパターン形成方法は、基板
上にパターンを形成するパターン形成方法であって、反
射型のホログラムに対し原子線を入射させて原子線を変
調させるとともに原子線を反射させ、反射型のホログラ
ムから反射された原子線を基板上に導く。
【００２１】本発明の第１のパターン形成装置は、基板
上にパターンを形成するパターン形成装置であって、コ
ヒーレントな原子線を発生する原子線発生装置と、原子
線が入射して原子線を変調させる透過型のホログラム
と、透過型のホログラムから出射した原子線を、その位
相情報を保ったまま反射して基板上に入射させる反射面
と、を有する。
【００２２】本発明の第２のパターン形成装置は、基板
上にパターンを形成するパターン形成装置であって、コ
ヒーレントな原子線を発生する原子線発生装置と、原子
線が入射して原子線を変調させるともに原子線を反射し
て基板上に入射させる反射型のホログラムと、を有す
る。
【００２３】本発明の原子線ホログラフィによるパター
ン形成方法を用いることにより、種々の元素によるオン
グストロームオーダーのパターンを一括して形成するこ
とが容易となり、原子を所望の原子位置に堆積・ドープ
するような操作もマスクなしで直接行うことができ、本
発明の方法は、超微細加工技術として非常に有望なもの
である。
【００２４】本発明では、ホログラムによって回折させ
るために、コヒーレントな物質波（ド・ブロイ波）とし
ての原子線を使用する。そのため、レーザートラッピン
グなどの手法を用いて例えば５０μＫ程度までに冷却し
た原子線を発生する必要がある。すなわち本発明におい
て原子線として使用できる原子種としては、レーザー冷
却等で冷却可能な原子のすべてが挙げられる。例えば、
２波長の共鳴レーザーを用いて冷却可能な原子は、Ｂ,
Ｐ,Ｃａ,Ｇｅ,Ｓｉ,Ａｌなど５０種類におよぶ。さら
に、複数の共鳴レーザーを利用すれば、実在する元素の
ほぼ９割が原子線ホログラフィによるパターン形成の対
象となる。原子線の冷却とコーヒーレントな原子波の形
成に関しては、清水による総合報告、応用物理学会誌、
第６０巻、８６４〜８７４頁、１９９１年に具体的な記
述がある。本発明の主題は、こうして得られたコーヒー
レント原子線に対して、いかにホログラム情報を付与
し、超微細加工に適応させていくかである。
【００２５】以下の説明において、コヒーレントな物質
波であることを強調する場合には、そのような原子線の
ことを原子波と呼ぶ。
【００２６】まず、原子線の光学系において、これまで
の一番の問題点は、その原子線を収束させるための有効
なレンズ光学系が存在していなかったことである。レー
ザー定在波による、電位と磁場による円柱レンズなどが
唯一知られているレンズ系であるが、円柱レンズは、ラ
インパターンの形成は可能であっても、任意パターンに
対して任意の縮小拡大を行うことを必要とするリソグラ
フィ技術に応用することは困難である。
【００２７】本発明では、原子波の量子コヒーレント反
射を利用したホログラフィによって、原子波に有効な反
射光学系の構築方法とその応用例を提供する。
【００２８】
【発明の実施の形態】次に、本発明の好ましい実施形態
について、図面を参照して説明する。
【００２９】まず、コヒーレントな原子波の発生方法に
ついて説明する。図１は、コヒーレントな原子波を発生
する原子線発生装置の構成を示す図であり、図２はＮｅ
（ネオン）原子のエネルギー準位を説明するエネルギー
ダイアグラムである。
【００３０】この原子線発生装置は、レーザトラップ法
により、極低温の原子を生成するものである。ここで
は、原子の例としてＮｅの場合について説明する。な
お、本発明では、原子線源、後述する反射板や凹面ミラ
ー、ホログラム、基板は、高真空中に保持される必要が
ある。
【００３１】グロー放電によって励起した中性Ｎｅ原子
を生成する放電部１０１が設けられており、放電部１０
１で生成した励起種（Ｎｅ*）は、イオン種などを取り
除くための偏向器１０２に入力し、Ｎｅの基底状態より
１３ｅＶ上の準安定状態である１ｓ5状態のＮｅ*のみが
偏向器１０２から取り出されて、初段の領域を形成する
ゼーマン(Zemann)減速器１０３に入射する。ここで元素
記号に肩に付されたアステリスク(*)は、励起状態であ
ることを示している。温度が３００Ｋ程度であるとする
と、Ｎｅ*原子の速度は６６０ｍ／ｓ程度である。
【００３２】ゼーマン減速器１０３は、Ｎｅ*原子の飛
行方向に向かって低下する磁場勾配（図示、ゼーマン減
速器の形状は磁場勾配に対応している）を有するもので
あり、ゼーマン減速器１０３には、Ｎｅ*の入射方向の
反対側から、冷却用レーザ光１０５として、Ｈｅ-Ｎｅ
レーザからの波長６２０ｎｍの光を入射させる。ゼーマ
ン減速器１０３の内部において、Ｎｅ*原子は冷却用レ
ーザ光１０５を吸収すると、２ｐ9状態に遷移するがこ
の２ｐ9状態の寿命は極端に短いので、直ちに自然放出
光を伴って１ｓ5状態に遷移する。ゼーマン減速器１０
４の内部で、この吸収−放出の過程が、多数回（例えば
２００００回以上）繰り返される。ここで、冷却用レー
ザ光１０５が一方向から入射してＮｅ+原子と正面衝突
するとともに、自然放出光はランダムな方向に出射しそ
のため吸収−放出過程でのフォトン放出に伴う運動量変
化は平均して０となるので、結果としてＮｅ+原子は運
動量を失い、減速される。
【００３３】実際には、約６６０ｍ／ｓから停止するま
での間ではドップラー効果の影響を受け、ドップラー効
果による共鳴周波数のずれは、１ｓ5と２ｐ9との間の遷
移のスペクトルの幅γよりもずっと大きく、レーザ周波
数を固定としたままではすぐに共鳴からずれてしまう。
レーザ周波数を変化させるのは現実的でないので、代わ
りにゼーマン効果を用いて遷移のエネルギーを変化させ
ようというのがゼーマン減速器１０３であり、共鳴周波
数のずれすなわちドップラーシフトをゼーマン効果で補
正して共鳴周波数を一定に保つようにしている。ドップ
ラーシフトはゼーマン減速器１０３の入り口で大きく、
減速するにしたがって小さくなるので、ゼーマン減速器
１０３では、ドップラーシフトを補正するソレノイド
（ドップラー同調ソレノイド）の磁場強度に勾配が付け
られており、距離の平方根に比例する磁場分布となって
いる。
【００３４】ゼーマン減速器１０３の出口で、Ｎｅ原子
の速度は数十ｍ／ｓとなっている。ゼーマン減速器１０
３の出口には、四重極磁場が形成されるとともに４方向
からのレーザ照射が行われる磁気光学トラップ１０４が
設けられており、Ｎｅ原子はこの磁気光学トラップ１０
４に磁気光学トラップ作用によって捕捉される。ゼーマ
ン減速器１０３のドップラー同調ソレノイドの中心軸上
に反転ソレノイドが設けられており、この両者間の空間
に四重極磁場が形成される。四重極磁場の中では、原子
がどの方向にずれても、磁場によるゼーマン効果を受け
るので、遷移の共鳴周波数が低下する。このため、常に
中心方向に向かうレーザ光がより共鳴に近いことにな
り、Ｎｅ原子に対して常に中心方向へ向かう力が働くこ
とになる。さらに、ドップラー冷却作用も同時に働く。
【００３５】このようにして、磁気光学トラップ１０４
においてＮｅ原子は四重極磁場の中心にトラップされ、
トラップされている領域は原子雲を形成し、その直径は
５０μｍ以下で点光源に近い。トラップされたＮｅ原子
の温度は５０μＫ程度である。
【００３６】次に、トラップされた原子に対し、トラッ
プから解放されるように波長５９８ｎｍのトランスファ
レーザ光１０６を上方から照射する。トランスファレー
ザ光１０６により、トラップされているＮｅ原子は１ｓ
5状態から２ｐ5状態に遷移し、真空紫外光に相当するフ
ォトンを放出して１ｓ3状態に遷移し、トラップから解
放される。解放されたＮｅ原子は、重力場中を自由落下
し、重力加速度によって加速される。約４０ｃｍ落下し
てホログラム面に到達するとして、Ｎｅ原子の速度は２
８０ｍ／ｓとなり（地上での標準的な地球の重力場を想
定）、この時のド・ブロイ波長は約７ｎｍとなる。
【００３７】以上のようにして、コヒーレントな原子波
を生成することができる。ここでは、Ｎｅの場合を説明
したが、適切な原子準位やレーザ光が得られることを前
提として他の元素でもコヒーレントな原子波を発生する
ことができる。例えば、Ｎａ,Ａｌ,Ｓｉ,Ｃａ,Ｎｉ,Ａ
ｇなどで容易に原子波を発生させることができる。
【００３８】次に、上述のようにして発生させたコヒー
レントな原子波を用いるホログラフィによってパターン
を形成する方法について説明する。
【００３９】図３は、本発明によるパターン形成方法の
基本的な原理を示す図であって、本発明に基づくパター
ン形成装置の最も基本的な構成を示している。原子波操
作の結果、パターン情報（再生像）を含むこととなった
原子波は、特定の条件の下で、量子コーヒーレント反射
を起こすことが可能である。図３に示す例では、レーザ
ートラッピングなどによって５０μＫ程度にまで冷却さ
れ、コヒーレントな波動となって重力場中を自由落下す
る原子線（典型的には波長７ｎｍ）が、透過型のホログ
ラム１に入射し、回折・干渉する。ホログラム１に入射
する前の原子線の光軸に対してオフアクシスとなる位置
に反射板２が配置しており、ホログラム１を通過して回
折した１次以上の高次の回折線は、反射板２に入射して
量子コヒーレント反射を起こし、基板３上に到達して堆
積する。その結果、ホログラム像が基板３上で再生さ
れ、ホログラム像に対応するパターンによって、原子線
を構成する元素が基板３上に堆積する。
【００４０】反射板２として、ホウケイ酸ガラス（商品
名パイレックスガラスなど）の清浄面を用いた場合、入
射角約０.５度で原子波は反射される。ここで反射板２
を操作したり基板３の位置を不図示のＸＹステージなど
で変化させることにより、基板３上、原子線ホログラフ
ィの周期パターンを連続して形成することが可能とな
る。すなわち、ステップ・アンド・リピート方式でのパ
ターン形成を行うことが可能になる。
【００４１】図４は、図３に示す光学系において、量子
コヒーレント反射を起こさせるための反射面として凹面
ミラー４を用いた低を示している。凹面ミラー４を用い
ることにより、原子波は収束し、再生像の縮小投影が可
能となる。凹面ミラー４としては、円筒面ミラーが製造
技術上手軽で実用的である。
【００４２】凹面ミラーとして１個の円筒面ミラーを用
いた場合、基板３の面内方向をＸ方向及びＹ方向とする
と、円筒面ミラーの円筒の軸が例えばＸ方向を向いてい
るとすると、基板３上で再生像はＹ方向でのみ縮小され
ることになる。そこで、図５に示すように、Ｘ方向とＹ
方向にそれぞれに縮小を行うための２種類の反射ミラー
を組み合わせることが考えられる。図５に示す構成で
は、具体的には、円筒面ミラーである凹面ミラー４が２
つ用意され、各円筒面ミラーの円筒の軸がそれぞれＸ方
向とＹ方向とを向くようにされ、ホログラム１から出射
した回折波が一方の凹面ミラー４に入射して反射し、そ
ののち他方の凹面ミラー４に入射して反射し、これによ
って原子波が基板３上に到達する。
【００４３】以上説明した図３乃至図５に示すパターン
形成装置で使用される反射光学系では、透過型のホログ
ラム１を使用するが、図６は、透過型ホログラムの一例
を示している。ここでは、計算機合成による２値ホログ
ラム（バイナリホログラム）を利用した場合の光学系を
示している。計算機合成によるこの透過型のバイナリホ
ログラムは、原子線を透過しない膜（例えば厚さ１００
ｎｍの窒化ケイ素膜５）に、原子線をほぼ１００％透過
させるほぼ矩形の穴６を設けた構成のものであって、バ
イナリホログラムにおける穴６の位置を、再生すべきパ
ターンからフーリエ逆変換によって求めたものである。
バイナリホログラムでは、穴の位置によって位相を表
し、単位面積の穴の数によって振幅を表す。典型的に
は、３００ｎｍ角の正方形のセルをセル間隔３００ｎｍ
で配置し、計算機による計算結果に応じて、セルを透過
穴とするかしないかを決定する。
【００４４】量子コヒーレント反射を用いることなく透
過型ホログラムを用いてパターンを直接形成する従来の
方法では、その最終分解能は、ホログラムに形成される
原子線透過用の穴のサイズによって決定していたのに対
して、量子コヒーレント反射を用いるこの実施形態の方
法では、反射面のｆ値（焦点距離）を調整することで、
再生パターンのサイズを任意に制御することが可能とな
る。また、反射面のｆ値を調整する場合、理想的な反射
面の形成ができたとして、原子波の波長が最終分解能と
なる。
【００４５】透過型のホログラムと原子線の反射光学系
とを用いたパターン形成では、図６に示したような“固
定パターン”のホログラム以外に、例えば図７に示すよ
うな電界変調型のホログラムを利用することもできる。
固定パターンのホログラムとは、１つのホログラムが１
つの再生像が対応したものであって、基板上に形成され
るパターンを変更する場合には、ホログラムの取り替え
を必要とするものである。これに対し電界変調型のホロ
グラムは、電位を加えたことによって原子波の位相が変
調されることを利用し、任意のホログラムパターンを発
生できるようにしたものである。電界変調型のホログラ
ムの特徴は、セルの配置は２次元のアレーでありなが
ら、電位の制御だけで任意のホログラフィ再生パターン
が得られる点にある。ここでは、本発明者らによる特開
平１０−３９７２６号公報で述べてある電位による原子
のシュタルク効果を用いて位相変調を行う電界変調型の
ホログラムを用いるものとする。
【００４６】この電界変調型のホログラムは、原子透過
セルを例えばＣＣＤ（電荷結合素子；Charge Coupled D
evice）イメージセンサーのような形状のアレーに配置
し、各セルに対する電位を動的に制御することで、シュ
タルク(Stark)効果により、各原子透過セル（穴）を透
過する原子の位相を制御するものである。具体的には、
原子線を透過しない膜である例えば厚さ５００ｎｍの窒
化ケイ素（ＳｉＮ）膜５に、原子線透過用の矩形の穴６
をアレイ状に設け、各穴６の相互に対向する１対の辺に
沿って電極７を設けたものである。各穴６はそれぞれ１
つの原子透過セルに対応しており、１対の電極７間に電
極電位制御線８によって電圧を印加することにより、各
穴６での原子線の位相変化を穴６ごとに調節できるよう
になっている。穴６のサイズは例えば１μｍとし、この
ような穴６を例えば４μｍピッチで配設する。計算機合
成によるバイナリホログラム（図６）とこの電界変調型
のホログラムとを比較すると、バイナリホログラムで
は、穴の位置で位相が表され、単位面積中の穴の数で振
幅が表されるのに対し、この電界変調型のホログラムで
は、穴の位置が規則的に固定されている。
【００４７】次に、この電界変調型のホログラムでの各
セルに印加する電圧の制御について、図８を用いて説明
する。
【００４８】電界変調型のホログラム２０を制御するた
めに計算手段である計算機２１が設けられている。計算
機２１は、形成すべきパターン２２のデータを格納し、
パターン２２に対して２次元高速フーリエ変換（ＦＦ
Ｔ）２３を実行して位相情報を算出し、さらに位相情報
を電位情報φ(Ｅ)２４に変換するものである。計算機に
２１には、各セルごとの電位情報を格納するフレームメ
モリ２５が接続している。さらに、フレームメモリ２５
と電界変調型のホログラム２０との間に、デジタル−ア
ナログ変換を行うＤ／Ａ変換器２６が設けられている。
フレームメモリ２５及びＤ／Ａ変換器２６は、電圧印加
手段を構成する。
【００４９】基板３上に形成すべきパターン２２が計算
機２１に読み込まれると、２次元高速フーリエ変換２３
によって各セルごとの位相情報が計算され、各セルごと
の位相情報は、当該セルに印加すべき電位情報φ(Ｅ)２
４に変換され、フレームメモリ２５に記憶される。そし
て、この印加電圧情報は、Ｄ／Ａ変換器２６を介してア
ナログ電圧値に変換され、各セルの電極７に印加され
る。
【００５０】このようにして、電界変調型のホログラム
２０にホログラム情報を設定することができる。さら
に、計算機２１を用いているので、もし、１枚のホログ
ラムでは入りきらないような大きなパターンを基板３上
に形成したい場合には、計算機２１によって、基板３を
載置するステージの移動制御を行い、ステージの移動と
電界変調型のホログラム２０上でのホログラムパターン
の変更とを連動させるようにすればよい。ホログラムパ
ターンの変更とステージの移動とを連動させることによ
り、より広範囲でのパターン形成が可能となる。
【００５１】電界変調型のホログラムを使用する場合、
固定パターンの透過型ホログラフィに比べてパターンの
自由度の点で優れるものの、電極形成がなされている分
だけ透過穴のサイズ点で制約を受け、このため、従来
は、ホログラム単独での最終分解能で劣る難点があっ
た。しかしながら、電界変調型の透過型ホログラムは、
本実施形態のように量子コヒーレント反射と組み合わせ
ることで、ホログラムの穴サイズに起因する分解能の制
約から解放される。したがって、本発明のパターン形成
方法は、電界変調型のホログラムを使用することによ
り、任意パターンを任意の超微細サイズで形成する技術
として、きわめて自由度の高いリソグラフィ技術とな
る。
【００５２】上述の図３乃至図７では、透過型ホログラ
ムと反射ミラーを用いた原子線ホログラフィの光学系に
ついて説明した。本発明は、透過型ホログラムに限定さ
れるものではなく、量子コヒーレント反射を起こす反射
面に反射型ホログラムを配置した光学系の構成とするこ
とも可能である。
【００５３】図９は、平面である反射面２に反射型ホロ
グラム９を形成した場合の代表的な光学系の構成を示す
図である。
【００５４】レーザー冷却等によって形成された原子波
は、全反射の臨界角θC以下の入射角で反射面２に入射
して全反射を起こす。原子線の量子コヒーレント反射で
は、原子反射の前後においても互いの原子の可干渉性が
保たれている。このため、ホログラム情報を反射面に加
工し、反射面２に反射型ホログラム９が形成された状態
としておくことで、反射原子線が反射型ホログラム９で
干渉し、基板３上にパターンを結像させることが可能と
なる。反射型ホログラム９（反射面２にホログラム情報
が加工された乾板）は、透過型のホログラムに対して圧
倒的な機械的強度をもつ点で有利である。上述したよう
に透過型ホログラムは、窒化ケイ素などの薄い膜（例え
ば厚さ約１００ｎｍ）にホログラム情報を加工し、原子
の透過穴を形成しなくてはならない。ところが反射型ホ
ログラムでは、通常のＬＳＩ用Ｓｉ半導体基板等がホロ
グラム材料として利用でき、透過穴の変わりに反射面
（反射ピクセル）を形成することになる。この反射ピク
セルは、非反射面に対してピクセルサイズの０.５から
２倍程度の高低差（アスペクト比）を持てばよい。以下
の説明から明らかなように、反射面への入射角が小さい
ので、凹部からの反射波は凸部で遮られることとなるの
で、ホログラムパターンに応じて凸部の配置を決めれば
よいことになる。
【００５５】ホログラム情報がホログラム全体にどのよ
うに分散しているかによっては、透過型ホログラムの場
合には、空中に浮いた形のセル穴のパターン（フリース
タンディング型のパターン）がやむを得ずできてしまう
こともあったが、反射型ホログラムでは、たとえフリー
スタンディング型のセルパターンが形成されても、基板
上のパターンであるので、確実にホログラムを形成する
ことができる。
【００５６】図１０に示すものは、凹面ミラー４に反射
型ホログラム９を設けた構成のものである。ここでは、
反射型原子線ホログラフィにおいてそのホログラムを加
工する面（反射面）に曲率をつけて凹面としているが、
原子波が反射する面を凸面とするようにしてもよい。こ
のように曲率を設けることによって、縮小投影や拡大投
影を行うことが可能になる。ここでホログラムを加工す
る面（反射面）の形状を円筒面とした場合、反射面を１
枚とすると、上述したようにＸ方向、Ｙ方向の一方のみ
しか縮小（拡大）されないから、複数の反射面を設ける
構成とすることが望ましい。図１１は、曲率を有する反
射面を２つ有する構成を示している。反射面の数は２に
限られるものではなく、さらに増やすことが可能であ
る。ただし、反射型ホログラムは、原子線が入射する最
初の反射面にのみ設けられており、原子線の経路に関し
て２枚目以降の反射面では、原子線は単純に量子コヒー
レント反射される。このように複数の反射面を組み合わ
せて光学系を構成することにより、超高分解能の反射型
原子線ホログラフィの光学系を形成することができる。
【００５７】反射面にホログラムを形成する反射型原子
線ホログラフィでも、透過型のホログラムを用いる原子
線ホログラフィの場合と同様に、図１２に示すように、
計算機合成によるバイナリホログラムを利用することが
好適である。反射型ホログラムでは、反射面の材質など
をを適宜に選択することによって反射率を変化させるこ
とができ、振幅と位相の同時変調ホログラムを作ること
も不可能ではないが、各反射セルに対して個別に反射率
を制御したホログラムを作成するのは、現状では技術面
での困難を伴う。また、透過型ホログラムが一般にはほ
ぼ正方形のセルを配列して構成されていたのに対し、反
射型ホログラムのパターンでは、量子コヒーレント反射
が可能である入射角θが浅いことから、反射セルの形状
を反射方向（図示上下方向）に長く伸びた長方形セルと
する。具体的には、透過型ホログラムの場合に比べ、
（１／ｓｉｎ θ）倍だけ、反射方向にホログラムパタ
ーンを予め伸長させておく。
【００５８】反射型ホログラフィで一番利用価値の高い
手法が、以下に述べる電界変調型の反射型ホログラム反
射面を用いた手法である。図１３及び図１４にその概略
を示す。図１３に示す電界変調型の反射型ホログラムで
は、図７に示す透過型ホログラムの場合と同様に、反射
面での電位を制御する電極７が、反射面の各反射セルご
とにその反射セルの両側に形成されており、電極電位制
御線８によって電極７に電圧を印加することによって、
局部的に反射面の電位が制御される。
【００５９】図１４に示す電界変調型の反射型ホログラ
ムでは、反射面の電位を制御する制御用の電極１２が反
射面の下部に形成されている。反射面を形成するホログ
ラムは、図９に示す反射型ホログラムなどと同様に例え
ばＳｉ半導体基板上に形成するが、そのセルの形状は、
図７に示す透過型ホログラムとは異なって長方形であ
る。長方形の反射セルは周期的に縦横の２次元に配列さ
れ、各セル表面には電極１２が形成され、かつ電極１２
の表面はＳｉＯ2など反射率の良好な材料でコーティン
グされて反射面１３となっている。各反射セルの電極電
位は、ＣＣＤ素子などと同様に、セル周囲に形成された
Ｘ方向及びＹ方向の２次元デコーダー回路（図１４では
不図示）によって、独立かつ任意に設定できるようにな
っている。なお、各反射セルは時分割駆動で電極電位が
与えられるため、反射セルごとに、時分割駆動サイクル
の間で電圧を保持するための保持回路（不図示）が設け
られている。この反射型ホログラムの動作原理は、図７
に示す電界変調型の透過型ホログラムと同様であり、反
射するときに原子が局所電位によるシュタルク効果を受
けることで、原子波の位相が変調され再生像の情報が原
子波に付与されるというものである。この反射面の曲率
は大変大きいので、このホログラムの形成方法として
は、最初、平面上に電極付きホログラム面を形成した後
に機械的にテンションを加えて曲率をつけ、熱処理等の
方法で永久的な曲率を反射面に付与するという方法が容
易である。
【００６０】次に、図１４に示す電界変調型のホログラ
ムでの各セルに印加する電圧の制御について、図１５を
用いて説明する。
【００６１】電界変調型のホログラム３０を制御するた
めに計算手段である計算機３１が設けられている。計算
機３１は、形成すべきパターン３２のデータを格納し、
パターン３２に対して２次元高速フーリエ変換（ＦＦ
Ｔ）３３を実行して位相情報を算出し、さらに位相情報
を電位情報φ(Ｅ)３４に変換するものである。計算機に
３１には、各セルごとの電位情報を格納するフレームメ
モリ３５が接続し、フレームメモリ３５と電界変調型の
ホログラム３０との間に、デジタル−アナログ変換を行
うＤ／Ａ変換器３６が設けられている。
【００６２】Ｄ／Ａ変換器３６の出力は、２次元デコー
ド回路３７に入力する。２次元デコード回路３７は、ホ
ログラム３０上の、アドレス情報で指定されたセルに対
してＤ／Ａ変換器３６の出力信号を出力するためのもの
である。さらに、アドレス情報を発生するためのアドレ
ス発生回路３８が設けられており、ここで発生したアド
レス情報は、２次元デコード回路３７に与えられるとも
に、読み出しアドレスとしてフレームメモリ３５にも与
えられる。
【００６３】基板３上に形成すべきパターン３２が計算
機３１に読み込まれると、２次元高速フーリエ変換３３
によって各セルごとの位相情報が計算され、各セルごと
の位相情報は、当該セルに印加すべき電位情報φ(Ｅ)３
４に変換され、フレームメモリ３５に記憶される。アド
レス発生回路３８は、各セルに対するアドレスを順番に
発生しており、これによって、セルごとの印加電圧情報
が、順次、Ｄ／Ａ変換器３６を介してアナログ電圧値に
変換され、２次元デコード回路３７によって該当するセ
ルの電極に印加される。このようにして、電界変調型の
ホログラム３０にホログラム情報を設定することができ
る。
【００６４】
【発明の効果】以上説明したように本発明は、量子コヒ
ーレント反射と原子線ホログラフィとを用いることによ
って、所望の原子（元素）による超微細パターンを基板
上に直接形成することができるようになるという効果が
ある。本発明の方法によって得られるパターンの分解能
は原理的には原子波の波長程度であり、本発明は、原子
レベルでの超微細加工が要求されている将来の大規模集
積回路や、超微細３次元立体構造物の形成に応用するこ
とができる。さらには、本発明によれば、原子配置まで
をも制御した人工生成物質を合成することができ、工業
生産的優位性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】コヒーレントな原子波を発生する原子線発生装
置の構成を示す図である。
【図２】Ｎｅ（ネオン）原子のエネルギーダイアグラム
である。
【図３】本発明によるパターン形成方法の原理を説明す
る図であって、透過型ホログラムを用いる場合の配置の
一例を示す図ある。
【図４】反射面として凹面ミラーを使用した場合の構成
を示す図である。
【図５】反射面として凹面ミラーを使用した場合の構成
を示す図である。
【図６】計算機合成による透過型バイナリホログラムの
一例を示す図である。
【図７】電界変調型の透過型ホログラムの一例を示す図
である。
【図８】電界変調型の透過型ホログラムを制御する制御
系の構成を示すブロック図である。
【図９】本発明によるパターン形成方法の原理を説明す
る図であって、反射面にホログラムを配置した構成の一
例を示す図ある。
【図１０】反射面として凹面ミラーを使用した場合の構
成を示す図である。
【図１１】反射面として凹面ミラーを使用した場合の構
成を示す図である。
【図１２】計算機合成による反射型バイナリホログラム
の一例を示す図である。
【図１３】電界変調型の反射型ホログラムの一例を示す
図である。
【図１４】電界変調型の反射型ホログラムの別の例を示
す図である。
【図１５】電界変調型の反射型ホログラムを制御する制
御系の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ ホログラム ２ 反射板 ３ 基板 ４ 凹面ミラー ５ 窒化ケイ素膜 ６ 穴 ７,１２ 電極 ８ 電極電位制御線 ９ 反射型ホログラム １０ 反射板 １１ セル １３ 原子線反射面
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−11454（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−286591（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−142806（ＪＰ，Ａ) 特表 昭63−500063（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/027 G03F 7/20 - 7/24 G03F 9/00 - 9/02

Claims (29)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基板上にパターンを形成するパターン形
    成方法であって、 透過型のホログラムに対し、可干渉性を有する原子線を
    入射させて前記原子線を変調させ、 変調された原子線を反射面に入射して前記反射面におい
    て位相情報を保ったまま反射させ、 前記反射面から反射された原子線を前記基板上に導く、
    原子線ホログラフィによるパターン形成方法。
  2. 【請求項２】 中性原子をレーザ冷却によって冷却する
    とともにトラップし、そののち前記中性原子を重力場中
    で自由落下させることにより前記原子線を発生する、請
    求項１に記載の原子線ホログラフィによるパターン形成
    方法。
  3. 【請求項３】 複数の反射面が用意され、前記原子線が
    前記複数の反射面で順次反射し、その後、前記原子線が
    前記基板上に到達する、請求項１または２に記載の原子
    線ホログラフィによるパターン形成方法。
  4. 【請求項４】 前記反射面が曲率を有する請求項１また
    は２に記載の原子線ホログラフィによるパターン形成方
    法。
  5. 【請求項５】 少なくとも１つの前記反射面が曲率を有
    する請求項３に記載の原子線ホログラフィによるパター
    ン形成方法。
  6. 【請求項６】 前記ホログラムが、形成すべきパターン
    に基づいて計算機合成によって生成されたものである請
    求項１乃至５いずれか１項に記載の原子線ホログラフィ
    によるパターン形成方法。
  7. 【請求項７】 基板上にパターンを形成するパターン形
    成方法であって、 反射型のホログラムに対し原子線を入射させて前記原子
    線を変調させるとともに前記原子線を反射させ、 前記反射型のホログラムから反射された原子線を前記基
    板上に導く、原子線ホログラフィによるパターン形成方
    法。
  8. 【請求項８】 中性原子をレーザ冷却によって冷却する
    とともにトラップし、そののち前記中性原子を重力場中
    で自由落下させることにより前記原子線を発生する、請
    求項７に記載の原子線ホログラフィによるパターン形成
    方法。
  9. 【請求項９】 前記反射型のホログラムが曲率を有する
    請求項７または８に記載の原子線ホログラフィによるパ
    ターン形成方法。
  10. 【請求項１０】 前記反射型のホログラムと前記基板と
    の間に反射面が挿入され、前記反射型のホログラムから
    出射した原子線が前記反射面で位相情報を保ったまま反
    射し、そののち前記原子線が前記基板上に到達する、請
    求項７または８に記載の原子線ホログラフィによるパタ
    ーン形成方法。
  11. 【請求項１１】 前記反射型のホログラム及び／または
    反射面が曲率を有する請求項１０に記載の原子線ホログ
    ラフィによるパターン形成方法。
  12. 【請求項１２】 前記ホログラムが、形成すべきパター
    ンに基づいて計算機合成によって生成されたものである
    請求項７乃至１１いずれか１項に記載の原子線ホログラ
    フィによるパターン形成方法。
  13. 【請求項１３】 基板上にパターンを形成するパターン
    形成装置であって、 コヒーレントな原子線を発生する原子線発生装置と、 前記原子線が入射して前記原子線を変調させる透過型の
    ホログラムと、 前記透過型のホログラムから出射した原子線を、その位
    相情報を保ったまま反射して前記基板上に入射させる反
    射面と、を有する原子線ホログラフィによるパターン形
    成装置。
  14. 【請求項１４】 前記原子線発生装置が、中性原子をレ
    ーザ冷却によって冷却するとともにトラップし、そのの
    ち前記中性原子を重力場中で自由落下させることにより
    前記原子線を発生するものである、請求項１３に記載の
    原子線ホログラフィによるパターン形成装置。
  15. 【請求項１５】 複数の反射面を有し、前記原子線が前
    記複数の反射面で順次反射したのち前記基板上に到達す
    る、請求項１３または１４に記載の原子線ホログラフィ
    によるパターン形成装置。
  16. 【請求項１６】 前記反射面が曲率を有する請求項１３
    乃至１５いずれか１項に記載の原子線ホログラフィによ
    るパターン形成装置。
  17. 【請求項１７】 前記ホログラムが、形成すべきパター
    ンに基づいて計算機合成によって生成されたものである
    請求項１３乃至１６いずれか１項に記載の原子線ホログ
    ラフィによるパターン形成装置。
  18. 【請求項１８】 前記ホログラムが、計算機合成による
    ２値のバイナリホログラムを原子線の透過穴として表現
    したものである請求項１７に記載の原子線ホログラフィ
    によるパターン形成装置。
  19. 【請求項１９】 前記ホログラムが、それぞれ電極が形
    成された透過穴を２次元アレイとして配列するととも
    に、各透過穴の電位を制御することで実質的に透過型ホ
    ログラムと同等に機能する電位制御型のホログラムであ
    る請求項１７に記載の原子線ホログラフィによるパター
    ン形成装置。
  20. 【請求項２０】 形成すべきパターンに対してフーリエ
    変換を行うことにより前記各透過穴に対する位相情報を
    生成し、前記位相情報に基づいて前記各透過穴に対する
    電位情報を生成する計算手段と、前記電位情報に基づい
    て透過穴ごとに電圧を印加する電圧印加手段とを有す
    る、請求項１９に記載の原子線ホログラフィによるパタ
    ーン形成装置。
  21. 【請求項２１】 基板上にパターンを形成するパターン
    形成装置であって、 コヒーレントな原子線を発生する原子線発生装置と、 前記原子線が入射して前記原子線を変調させるともに前
    記原子線を反射して前記基板上に入射させる反射型のホ
    ログラムと、を有する原子線ホログラフィによるパター
    ン形成装置。
  22. 【請求項２２】 前記原子線発生装置が、中性原子をレ
    ーザ冷却によって冷却するとともにトラップし、そのの
    ち前記中性原子を重力場中で自由落下させることにより
    前記原子線を発生するものである、請求項２１に記載の
    原子線ホログラフィによるパターン形成装置。
  23. 【請求項２３】 前記反射型のホログラムが曲率を有す
    る請求項２１または２２に記載の原子線ホログラフィに
    よるパターン形成装置。
  24. 【請求項２４】 前記反射型のホログラムと前記基板と
    の間に反射面を有し、前記反射型のホログラムから出射
    した原子線が前記反射面で位相情報を保ったまま反射し
    たのち前記基板上に到達する、請求項２１または２２に
    記載の原子線ホログラフィによるパターン形成装置。
  25. 【請求項２５】 前記反射型のホログラム及び／または
    反射面が曲率を有する請求項２４に記載の原子線ホログ
    ラフィによるパターン形成装置。
  26. 【請求項２６】 前記ホログラムが、形成すべきパター
    ンに基づいて計算機合成によって生成されたものである
    請求項２１乃至２５いずれか１項に記載の原子線ホログ
    ラフィによるパターン形成装置。
  27. 【請求項２７】 前記ホログラムが、計算機合成による
    ２値のバイナリホログラムを原子線のコヒーレント反射
    とランダムな散乱とで表現したものである請求項２６に
    記載の原子線ホログラフィによるパターン形成装置。
  28. 【請求項２８】 前記ホログラムが、それぞれ電極が形
    成された微小反射ミラーを２次元アレイとして配列する
    とともに、各微小反射ミラーの電位を制御することで実
    質的に反射型ホログラムと同等に機能する電界制御型の
    ホログラムである請求項２７に記載の原子線ホログラフ
    ィによるパターン形成装置。
  29. 【請求項２９】 形成すべきパターンに対してフーリエ
    変換を行うことにより前記各微小反射ミラーに対する位
    相情報を生成し、前記位相情報に基づいて前記各微小反
    射ミラーに対する電位情報を生成する計算手段と、前記
    電位情報に基づいて微小反射ミラーごとに電圧を印加す
    る電圧印加手段とを有する、請求項２８に記載の原子線
    ホログラフィによるパターン形成装置。
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