JP4359696B2 - 微細構造形成実験方法 - Google Patents

Description

本発明は、単結晶シリコンの表面にマスクとして機能する領域を作成し、その後のエッチングにより微細な構造を形成する技術に関するものである。

従来より半導体製造においては、薄く切断した単結晶シリコンウエハの表面に光に感光するフォトレジストを塗布した後、この表面を露光マスクパターンで覆って遠紫外線を照射し感光させ、これを現像することによりマスクの模様をフォトレジストに転写している。次いでこれを酸化させ、このようにしてできたレジスト模様をエッチング処理することにより実回路の模様を形成している。このような技術は半導体製造に限らず、例えば単結晶シリコンを素材とする微小部材の成形等においても広く使用されている。

このように単結晶シリコンをエッチングにより微細加工する際、フォトレジストの付着処理、遠紫外線の照射によるマスク模様の転写作業、酸化処理等が必要であり、複雑な工程を何度も行う必要があるため、多くの手数と時間がかかるという問題点があった。

また、現在存在するパターンを変更するためには、露光マスクを作り直す必要があり、試作などの自由度を求められる微細構造製作には向かないという問題点もあった。

更に、単結晶シリコンに対して各種形状の凹部や凸部を形成するに際しては、マスキングした部分を凸部として形成する以外ないので、凹部や凸部の形成方法が限定されてしまうという問題もあった。

この問題点を解決するために、露光マスクを用いず、任意のマスクパターンを形成し、加えてＦＦＭ機構を用いた微細加工の加工条件を変化させることで、エッチングマスクとしての機能を喪失するまでの時間（マスク強度）を制御し、任意の形状で任意の高さの微細構造物を製作できる技術を発明し、下記の特許（特許文献１、２）を出願している。

上記の手法で微細構造を作製する際、マスク部はエッチング処理前においても、マスクの作製時にその高さに若干の変化を生じ、またエッチング開始直後わずかに溶解することが知られており、さらにエッチングマスクとしての機能を喪失した後、マスク部以外の領域と同じエッチングレートで溶解が進み、構造物の絶対的な高さを減ずる。

一方、前記のように単結晶シリコン材料表面にエッチングマスクとして機能する表面を形成し、その後エッチング液を用いてマスク以外の部分を溶解して、ナノメータスケールの微細構造を形成する加工を行うに際して、例えばＦＦＭ加工時の垂直荷重条件、加工を行うダイヤモンド砥粒の先端形状等、各種の条件によって実際にはどのようなエッチングがなされ、最終的にどのような寸法構造のものが得られるのかを予め入念に実験してデータを収集しておくことが必要となる。このことは、他の各種エッチングマスク形成手段によってマスクを形成する際にも各種加工条件の相違によって実際にはどのようなエッチングがなされ、最終的にどのような寸法構造のものが得られるのかを予め入念に実験してデータを収集しておくことは同様に必要である。

このように各種加工条件に関する基礎的データを収集するための実験に際して、例えば前記のようなＦＦＭ加工を行った部分におけるエッチング後の高さを知るには、上記のようにマスクを除去した部分の高さ自体が種々の条件で変化してしまうため、エッチング量（Ｅ）を算出するには、マスクを除去した部分から前記ＦＦＭ加工を行った部分までの高さを知る必要がある。その際には、原子間力顕微鏡等によって絶対的な基準となる部分の高さと、ＦＦＭ加工いエッチング処理を行った部分の高さを別個に測定して、その高さの差としての絶対的な高さを計算する必要がある。

また、このような基準面を材料表面のどこかに形成したときにも、例えば原子間力顕微鏡でマスク除去部分の高さを計測する際、そのときの１つの視野内にＦＦＭ加工部分と前記基準面とが含まれていないときには、その視野内に各々の部分を移動し、改めて計測を行う必要があるため、前記のように種々多量の実験データを得るためには多くの手数を要し、データ収集に多くの時間を要することとなり、更に試料の移動により高さのずれを生じて正確な計測を行うことができないる可能性もあるため、何らかの対策が望まれる。
特開２００３−３３０７４２号公報 特許第３７８５４６３号公報

本発明は解決しようとする問題点は、単結晶シリコン材料表面にエッチングマスクとして機能する表面を形成し、その後エッチング液を用いてマスク以外の部分を溶解して、ナノメータスケールの微細構造を形成する加工法における、加工条件に対するエッチングレート等の基礎的データを収集するための実験を行う際に、エッチングによって生じた絶対的な高さの変化を容易に、且つ正確測定することができるようにする点である。

本発明は上記課題を解決するため、ＦＦＭ加工の条件と、マスク部のエッチングレートの関係を算出するために、ＳｉＯ２膜を用いた基準面マスクパターンを実験用材料の表面に形成し、ＦＦＭ加工を行った後にエッチング処理を行い、フッ化水素を用いて基準面上のＳｉＯ２膜を除去した後に形成された微細構造の高さ測定を行い、基準面からマスク部及びマスク部以外の高さの差をもって、エッチングレートを算出することを特徴とする。

また、基準面マスクパターンのサイズ及び配置を、高さ測定に用いる原子間力顕微鏡の視野を考慮したサイズとし、１つの試料に複数箇所作製し、識別子をつけることを特徴とする。

上記の点に鑑み、本発明による微細構造形成実験方法は、単結晶シリコン材料表面にエッチングマスクとして機能する微細構造表面を形成し、その後エッチング液を用いてマスク以外の部分を溶解して、ナノメータスケールの微細構造を形成する加工法における、加工条件に関する基礎的データを収集するための実験を行う際に、前記微細構造形成部分に近接して前記エッチングによる除去が全くなされない基準面を予め形成し、前記基準面を参照してマスク部及びエッチング部のエッチングレートを測定するようにしたものである。

また、本発明による他の微細構造形成実験方法は、前記微細構造形成実験方法において、前記材料表面にエッチングマスクとして機能する表面を形成する手法を、ＦＦＭ機構を用いた極微細な機械加工を行う手法としたものである。

また、本発明による他の微細構造形成実験方法は、前記微細構造形成実験方法において、前記基準面を、前記エッチング液で全く除去されない基準面マスクパターンとしたものである。

また、本発明による他の微細構造形成実験方法は、前記微細構造形成実験方法において、前記基準面を複数備え、各基準面または基準面の群に異なる識別子を表示したとしたものである。

また、本発明による微細構造形成実験装置は、単結晶シリコン材料表面にエッチングマスクとして機能する表面を形成し、その後エッチング液を用いてマスク以外の部分を溶解して、ナノメータスケールの微細構造を形成する加工法における、加工条件に関する基礎的データを収集するための微細構造形成実験装置において、前記微細構造形成部分近傍には、マスク部及びエッチング部のエッチングレートを測定する際に基準面となる、前記エッチングによる除去が全くなされないマスクパターンを予め形成した試料を用いたものである。

また、本発明による他の微細構造形成実験装置は、前記微細構造形成実験装置において、前記試料表面にエッチングマスクとして機能する表面を形成する手法を、ＦＦＭ機構を用いた極微細な機械加工を行う手法としたものである。

また、本発明による他の微細構造形成実験装置は、前記微細構造形成実験装置において、前記基準面を、前記エッチング液で全く除去されない基準面マスクパターンとしたものである。

また、本発明による他の微細構造形成実験装置は、前記微細構造形成実験装置において、前記基準面を複数備え、各基準面または基準面の群に異なる識別子を表示したものである。

本発明を用いた実験を行うことで、マスク部及びマスク部以外のエッチングレートを基準面に基づいて正確に測定でき、ＦＦＭ加工条件と、エッチングレートの関係等の種々の特性を容易に、且つ正確に把握できることから、目的とする形状を得るための条件を設定するための的確な指針を得られるという利点がある。

また、基準面マスクパターンは高さ測定に用いる原子間力顕微鏡の視野を考慮したサイズで1つの試料に複数箇所形成してあり、かつ識別子を有していることから、1つの試料で複数の実験条件を付与でき、さらにエッチング後の原子間力顕微鏡を用いた微細構造の形状測定において一度の測定で例えば１６条件等の、多数の条件を測定できることから、実験の効率化を図ることができるという利点がある。

実験材料となる単結晶シリコンのウエハの表面に酸化処理により所定の厚さの酸化膜を形成し、フォトレジストと露光マスクを用いて所望の基準面マスクパターンを焼き付け、現像した後にフッ化水素で基準面マスクパターン以外の領域の酸化膜を除去し、試験片のサイズに切断分離し、基準面マスクパターンを形成した試料を作製する。この単結晶シリコン材料を用いて、エッチングマスクとして機能する微細構造表面を形成し、その後エッチング液を用いてマスク以外の部分を溶解して、ナノメータスケールの微細構造を形成する加工法のための、加工条件に関する基礎的データを収集する実験を行う。

図１は、本発明を用いた実験において、エッチングレートを算出する方法を示しており、単結晶シリコン１１上にＳｉO２マスク１２の基準面マスクパターンを形成し、その近傍にＦＦＭ加工によるイオン注入を用いてエッチングマスク部となる加工変質層１３を形成した試料の断面を表している。エッチングの前において、マスク部の加工深さＤは、前記先の出願に開示しているように、ＦＦＭ加工の条件によって図示するような凹状の他、マイナスの深さ、すなわち凸状に盛り上がることがある。

シリコンウエハ１３上には加工条件の識別のため図２に示すように００〜９９までの数字を作製し、その下に高さ測定の基準面となる４０μｍ×４０μｍの正方状のＳｉＯ２マスクパターンを作製した。このＳｉO２の近傍にＦＦＭ加工を行い、加工痕の深さを測定する。したがって微細構造形成部分に近接して前記エッチングによる除去が全くなされない基準面が位置することとなる。

次にこのシリコン材料をエッチング溶液に入れてエッチング処理を行い、フッ化水素により基準面上の酸化膜を除去した後、形成される微細構造物の高さを原子間力顕微鏡により測定する。ここで得られる値より、以下の式でエッチング量が与えられる。
Ｅ＝Ｈｍ−（Ｈｒ＋Ｄ） （１）
この値をエッチング時間で除することによりエッチングレートを算出することができる。このような基準面の高さを基準とした絶対的高さの測定を行うことにより、正確なエッチングレートの算出が可能となる。

このとき前記基準面は、エッチングレート測定を行う原子間力顕微鏡の１つの視野内に、前記微細構造形成部分と共に入る位置に形成しており、シリコン材料を移動させることなく基準面と微細構造形成部分との高さを測定することができ、エッチングレートの算出を行うことができる。

このように前記基準面は、エッチングレート測定を行う原子間力顕微鏡の１つの視野内に、前記微細構造形成部分と共に入る位置に複数形成しており、各基準面または基準面の群に異なる識別子を表示しているので、エッチングマスクとして機能する微細構造表面を各種の条件で形成し、種々の条件でエッチング処理を行う膨大な数の実験も容易に、且つ正確に行うことができるようになる。

近年、マスク強度の差を利用した微細構造の高さ制御の研究がこれらの手法以外でも研究されており、実験の効率を高める手法として適用できる。これらの基礎技術を産業応用に導くために活用できる。

本発明におけるエッチングレートの算出方法を示す図である。 本発明において用いた加工実験用シリコンウエハを示す図である。 本発明を用いた加工実験の結果を原子間力顕微鏡で測定した図である。

符号の説明

１１ 単結晶シリコン
１２ ＳｉO_２マスク
１３ 加工変質層

Claims (3)

1. 単結晶シリコン材料表面にエッチングマスクとして機能する微細構造表面を、摩擦力顕微鏡機構を用いた微細加工により形成し、その後エッチング液を用いてマスク以外の部分を溶解して、ナノメータスケールの微細構造を形成する加工法における、加工条件に関する基礎的データを収集するための実験を行う際に、
   前記微細構造形成部分に近接して前記エッチングによる除去が全くなされない基準面を予め形成し、
   前記基準面を参照して前記エッチングマスクとして機能する微細構造表面部分、及び前記エッチング液を用いて溶解するマスク以外の部分のエッチングレートを測定することを特徴とする微細構造形成実験方法。
2. 前記基準面は、前記エッチング液で全く除去されない基準面マスクパターンであることを特徴とする請求項１記載の微細構造形成実験方法。
3. 前記基準面を複数備え、各基準面または基準面の群に異なる識別子を表示したことを特徴とする請求項１記載の微細構造形成実験方法。