JP4002798B2 - 走査型トンネル顕微鏡を用いたリソグラフィ方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、走査型トンネル顕微鏡を用いたリソグラフィ方法及びこのための走査型トンネル顕微鏡に関する。具体的には、走査型トンネル顕微鏡（以下「ＳＴＭ」と呼ぶことがある）の原理及びトンネル電流超微細束線による露光に基づくリソグラフィの原理を利用して、基板表面を加工する超微細加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在の超微細加工技術は主にＬＳＩ等の半導体の製造工程において実用化され、電子ビーム・リソグラフィとして知られている。これにより数十ｎｍオーダの加工が可能である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述の電子ビームリソグラフィは大規模な電子銃と電子ビームの加速、収束器を備え、高真空装置が必要である。半導体ウエハの本装置内へ、大気中より高真空中へ、高真空中での電子ビーム露光処理後大気中へと移すための大規模な装置が必要である。
【０００４】
走査型トンネル顕微鏡をリソグラフィに適用することができる。走査型トンネル顕微鏡を用いたリソグラフィ方法は、大気中の探針と導電性薄膜の間のトンネル電流を利用するもので、大規模な真空装置を必要としない。そのため半導体製造工程が簡素で、製造ラインへの整合性もよい。また走査型トンネル顕微鏡のトンネル電流超微細束線による露光を用いたリソグラフィ法では、電子ビーム・リソグラフィ法と同程度、あるいはそれ以下の超微細加工ができる。
【０００５】
しかし、レジストをスピンコートした試料ではトンネル探針がレジストに接近し、さらに試料に接近して初めてトンネル電流超微細束線が制御されるため、トンネル探針がレジストを機械的に破損する。このため精密なトンネル電流微細束線による露光が得られない。
【０００６】
この発明は係る課題を解決するためになされたもので、精密なトンネル電流微細束線による露光を得ることができる走査型トンネル顕微鏡を用いたリソグラフィ方法を提供することを目的とする。さらに、広い範囲にわたってトンネル電流超微細束線の露光を短時間で行うことができる走査型トンネル顕微鏡を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明は、大気中において、走査型トンネル顕微鏡のトンネル探針を極微小な電子線放射線体とし、走査型トンネル顕微鏡のトンネル電流を極近距離から照射する細束電子ビームに見立てて電子リソグラフィーを行うリソグラフィ方法であって、
試料の表面にレジストの膜を形成する工程と、
トンネル電流が前記走査型トンネル顕微鏡のトンネル探針と前記試料の間に作用しないようにするために、前記レジストの膜を形成した試料の表面に前記走査型トンネル顕微鏡のトンネル探針との間でトンネル電流を作用させるための導電性薄膜を形成する工程と、
前記試料を前記走査型トンネル顕微鏡に載置する工程と、
前記走査型トンネル顕微鏡のトンネル探針を前記試料の前記導電性薄膜に近づける工程と、
前記走査型トンネル顕微鏡のトンネル探針と前記導電性薄膜の間のトンネル電流超微細束線を制御し、前記導電性薄膜を進入し前記レジストの膜まで到達したトンネル電流超微細束線により露光を行う工程と、 前記トンネル探針を所望のパターンで移動させ露光を繰り返す工程と、
前記導電性薄膜を除去する工程と、
選択エッチングを行う工程とを備える、ものである。
【０００８】
好ましくは、前記導電性薄膜は、前記試料と接触され、及び／又は接地される。
【０００９】
流れるトンネル電流超微細束線を制御することにより露光を行う工程において、好ましくは、加速電圧は６Ｖより大きい。
【００１０】
この発明に係る走査型トンネル顕微鏡は、試料を載置するスキャナと、試料に近接して設けられるトンネル探針と、前記トンネル探針が前記試料の表面に近づいたときに生じるトンネル電流を検出及び制御するとともに、前記スキャナを駆動して前記トンネル探針を試料の所望に場所に位置させる制御部とを備える走査型トンネル顕微鏡において、前記トンネル探針を複数備え、複数の前記トンネル探針は試料上に並列に配置されているものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
発明の実施の形態１．
発明の実施の形態１に係る方法について図面を参照して説明する。
【００１２】
図１は発明の実施の形態１に係る方法の工程を示すフローチャートである。
【００１３】
図１の方法は、走査型トンネル顕微鏡（以下「ＳＴＭ」と呼ぶことがある）の原理及びトンネル電流超微細束線による露光に基づくリソグラフィの原理を利用して、基板表面を加工する超微細加工方法である。これはＳＴＭの探針を極微小な電子線放射線体とし、ＳＴＭのトンネル電流を極近距離から照射する細束電子ビームに見立てて電子リソグラフィーを行うものである。ＳＴＭの低エネルギーな電子を利用することで解像度の劣化を問題とすることなくリソグラフィーが可能である。
【００１４】
発明の実施の形態１に係る方法は、図１に示すように、レジストをスピンコードした試料表面上に導電性薄膜を形成し、走査可能なＸＹ平面上に設置し、トンネル探針を導電性薄膜表面に近づけて流れるトンネル電流超微細束線を制御し、露光した後、導電性薄膜を除去し、レジストを選択エッチングする、超微細加工法である。レジスト上に導電膜を形成することにより機械的なレジストの破損及び電子の帯電を防ぎ、微細なパターン形成を行うことができる。
【００１５】
トンネル探針を導電性薄膜に接近させてトンネル電流超微細束線を制御し、露光するが、このときトンネル電流超微細束線の大きさによって、トンネル探針の上下向を制御するため、トンネル探針はレジスト層まで進入することがない。露光は導電性薄膜を進入しレジストまで到達したトンネル電流超微細束線によって引き起こされる。
【００１６】
図２は本発明の実施の形態に係るＳＴＭの全体構成を示す図である。この図において、超微細加工法を適用するために導電性薄膜を形成した試料をＳＴＭのスキャナに載置した状態を示す。
【００１７】
１はトンネル探針、２は試料表面に形成された導電性薄膜、３は試料上にコートされたトンネル電流超微細束線露光用レジスト、４は試料である。導電性薄膜２、レジスト３及び試料４をまとめて全体基板部と呼ぶ。
【００１８】
走査型トンネル顕微鏡は、ディスプレイモニタ１７、コントロールモニタ１８、コンピュータ１６、コントローラ１５、ＸＹボード１４、ＸＹピエゾスキャナ１０、ＺボードとＺピエゾ１１、探針（ＳＴＭ）ディテクター１２を備える。これは通常一般に取られるＳＴＭ構成であり、一般のＳＴＭと同様の動作を行う。これらをまとめてＳＴＭ電装部及び機械部と呼ぶ。
【００１９】
ＳＴＭはトンネル効果を利用した顕微鏡である。プローブ（探針）を試料表面との間に電圧をかけながら１マイクロメートル程度まで近づけ、トンネル電流を物理量として検出する。トンネル電流が常に一定になるよう、プローブをナノレベルで上下方法に制御し（この制御にはピエゾ素子が用いられる）、試料との距離を一定に保ちながら二次元面内を走査させることで、試料表面を原子レベルで三次元的に観察することができる。ＳＴＭはその観察技術に加え、原子レベルの加工技術でも注目されている。ＳＴＭのプローブをあたかも彫刻刀のように使い、針先の電圧で物質表面の原子をくっつけたりはじき飛ばすことができる。
【００２０】
トンネル探針部１及び全体基板部について説明を加える。
トンネル探針は、全体基板部に接近しトンネル電流超微細束線を得るため、ＳＴＭ電装部及び機械部で制御される。
導電性薄膜２は、試料４の上面にスピンコートにより形成したトンネル電流超微細束線露光用レジスト膜上に形成される。
【００２１】
次に、図２の装置を用いて細線加工動作について、以下にいくつかの例をとって説明する。なお、導電性薄膜２及びＸＹピエゾスキャナ１０（通常、金属等で構成され導電性を有する）はアース接続され零電位になっている。
【００２２】
導電性薄膜２、レジスト３及び試料４からなる全体基板部を、図３のようにＸＹスキャナ１０に密着させて設置する。試料４がシリコンSIのような半導体、導電体のように導電性があるような場合、ＸＹスキャナ１０は接地されているので試料４も接地される。なお、水晶などのように導電性がない場合であっても導電性薄膜２が設けられているので、本発明の実施の形態に係るリソグラフィ方法を適用することができる。
【００２３】
レジストであるＰＭＭＡ（polymethylmethacrylate）を、アンチモン（Ｓｂ）をドープさせたｎ型Ｓｉ基板上にスピナーにより基板中央部のみに塗布する。ＰＭＭＡは解像度が高く、電子線リソグラフィーのレジストでは代表的な材料である。例えば、ＰＭＭＡをEthylcellosolveacetateで１：１０の割合で希釈したものを使用した。ＰＭＭＡの膜厚はスピナーにより制御可能である。ＰＭＭＡの膜厚は、例えば５〜２５ｎｍである。
【００２４】
１８０℃で２分間ベークすることによりレジスト中の有機溶剤を揮発させる。その後、導電膜をＰＭＭＡ層上にスピナーで基板全体に塗布し凝固させる。導電性薄膜２は膜厚１１０ｎｍのESPACERを用いる。基板全体に塗布することで導電膜を基板と接触させ、アースさせる。導電膜としてエスペイサーを用いた。エスペイサーはポリ（チエニルーアルカンスルホン酸）化合物が主成分の水溶性の導電性高分子で、導電性（０．０１〜０．５Ｓ／ｃｍ）を特別な添加物なしで得られる。エスペイサーの膜厚もスピナーで制御可能である。エスペイサーの膜厚は、例えば１１０〜１６０ｎｍである。
【００２５】
リソグラフィー前にＳＴＭにより基板表面の傷や付着物などがないかを確認した後に、ＳＴＭにより大気中でリソグラフィーを行う。ＳＴＭ探針１はタングステンＷの電解研磨により得たものを用い、トンネル電流０．５ｎＡに制御してトンネル電流超微細束線を得て露光する。リソグラフィー後、純水で洗浄し導電膜を除去し、現像液により露光部分を除去した。
【００２６】
ＰＭＭＡは導電性を持たないため、ＳＴＭのトンネル電流は基板と探針間に働いてしまう。そのためＳＴＭＴｉｐはレジスト中に進入してしまい、レジスト層を傷つけ、同時に探針も傷つけてしまう。このため露光の安定性が低くなり、解像度の低下を招く。本発明の実施の形態において、レジスト上に導電膜層を設けることにより、上記問題を解決し、露光の安定性を向上させることにより、より微細なラインの作製を行うことができる。
【００２７】
上記処理の結果、図４のような探針とESPACERとの間の印加電圧とリソグラフィの深さの関係が得られた。導電膜を用いる場合に、６Ｖ付近にしきい値が見られる。
【００２８】
このときの細線の典型的断面図が図５である。加速電圧８Ｖ、走査速度０．１μｍ／ｓの条件下でリソグラフィーを行ったとき、線幅８２ｎｍ、深さ１１ｎｍのラインが作製された。
【００２９】
発明の実施の形態２．
発明の実施の形態２は上述の処理を高速に行うためのものである。この発明の実施の形態に係るリソグラフィの高速露光の構成図を図６に示す。これは、トンネル探針１を導電性薄膜２の表面上に並列に平面的に設置することにより、広い範囲にわたってトンネル電流超微細束線の露光を短時間に行うためのものである。すなわち、ｎ個のトンネル探針１−１〜１−ｎ及びこれらを制御するためのｎ個のＺボードＺピエゾ１１−１〜１１−ｎを備える。なおこれに合わせて探針（ＳＴＭ）デテクタ１２及びプリアンプ１３をｎ個備えてもよい。トンネル探針１−１〜１−ｎは予め定められた間隔で、好ましくは直線的に配置される。試料４の表面が平面的であるとき、好ましくはトンネル探針１−１〜１−ｎの先端は同一平面上にある。もっとも、試料４の表面形状が平面的でない場合、トンネル探針１−１〜１−ｎの先端の配置を試料４の表面形状に合わせるようにしてもよい。
【００３０】
図７は、導電性薄膜２の表面上を並列にＸ軸にｍ分割、Ｙ軸にｎ分割し、各ｉｊの位置（Ｘ印）にトンネル探針１を配置する場合を示す。図６の装置を用いる場合、例えば、ｉ＝１、ｊ＝１〜ｎの位置にｎ個のトンネル探針１−１〜１−ｎを配置し、当該部分において露光を行う。次にｉ＝２、ｊ＝１〜ｎの位置にｎ個のトンネル探針１−１〜１−ｎを配置し、露光を行う。ｉ＝３、・・・、ｍについて順次同様の処理を行う。
【００３１】
図６の装置によれば、露光に要する時間は、トンネル探針１がひとつの場合にくらべてトンネル探針の数ｎに応じて少なくなる（１／ｎになる）。トンネル探針１を図７に示すようにｍ×ｎで配置すれば露光は１回ですむ（１／ｍ×ｎになる）。
【００３２】
本発明の実施の形態によれば、広い範囲にわたってのトンネル電流超微細束線の露光が短時間に可能である。
【００３３】
上記超微細加工法を導入することにより、原子スケールの微細な加工が容易になった。レジストをスピンコートした試料表面に形成した導電性薄膜とトンネル探針の間のトンネル電流超微細束線を利用するもので、加工精度は原理的にレジストの解像度によって決まる。しかも、本発明の超微細加工法は極めて局所的に作業ができる。
【００３４】
本発明は、以上の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 発明の実施の形態に係る方法の手順を示すフローチャートである。
【図２】 本発明の実施の形態１に係るＳＴＭの全体構成を示す図である。
【図３】 本発明の実施の形態に係る試料、レジスト、導電性薄膜及びＸＹスキャナの位置関係を示す断面図である。
【図４】 発明の実施の形態に係る方法における、探針とESPACERの間の印加電圧とリソグラフィの深さの関係を示すグラフである。
【図５】 発明の実施の形態に係る方法による、細線の典型的断面図である。
【図６】 本発明の実施の形態２に係るＳＴＭの部分構成を示す図である。
【図７】 本発明の実施の形態２に係る導電性薄膜の表面上におけるトンネル探針の配置の一例を示す図である。
【符号の説明】
１ トンネル探針
２ 導電性薄膜
３ レジスト
４ 試料
１０ ＸＹピエゾスキャナ
１１ ＺボードＺピエゾ
１２ 探針（ＳＴＭ）デテクタ
１３ プリアンプ
１４ Ｘ−Ｙボード
１５ コントローラ
１６ コンピュータ
１７ ディスプレイモニタ
１８ コントロールモニタ

Claims (3)

1. 大気中において、走査型トンネル顕微鏡のトンネル探針を極微小な電子線放射線体とし、走査型トンネル顕微鏡のトンネル電流を極近距離から照射する細束電子ビームに見立てて電子リソグラフィーを行うリソグラフィ方法であって、
   試料の表面にレジストの膜を形成する工程と、
   トンネル電流が前記走査型トンネル顕微鏡のトンネル探針と前記試料の間に作用しないようにするために、前記レジストの膜を形成した試料の表面に前記走査型トンネル顕微鏡のトンネル探針との間でトンネル電流を作用させるための導電性薄膜を形成する工程と、
   前記試料を前記走査型トンネル顕微鏡に載置する工程と、
   前記走査型トンネル顕微鏡のトンネル探針を前記試料の前記導電性薄膜に近づける工程と、
   前記走査型トンネル顕微鏡のトンネル探針と前記導電性薄膜の間のトンネル電流超微細束線を制御し、前記導電性薄膜を進入し前記レジストの膜まで到達したトンネル電流超微細束線により露光を行う工程と、 前記トンネル探針を所望のパターンで移動させ露光を繰り返す工程と、
   前記導電性薄膜を除去する工程と、
   選択エッチングを行う工程とを備える、走査型トンネル顕微鏡を用いたリソグラフィ方法。
2. 前記導電性薄膜は、前記試料と接触され、及び／又は接地されることを特徴とする請求項１記載の走査型トンネル顕微鏡を用いたリソグラフィ方法。
3. 流れるトンネル電流超微細束線を制御することにより露光を行う工程において、加速電圧は６Ｖより大きいことを特徴とする請求項１記載の走査型トンネル顕微鏡を用いたリソグラフィ方法。

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