JP4729760B2

JP4729760B2 - 極微細構造およびその製造方法

Info

Publication number: JP4729760B2
Application number: JP2000265572A
Authority: JP
Inventors: 山知信中; 上順尾; 内一夫武; 野正和青
Original assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 2000-09-01
Filing date: 2000-09-01
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2020-09-01
Also published as: JP2002075863A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微細構造およびその製造方法に関し、特に、固体表面上に展開された一次元の分子マスクを用いた高密度の極微細構造およびその製造方法を対象とする。
【０００２】
【従来の技術】
Ｓｉ基板などの固体表面上に回路パターンなどの微細構造を形成する方法として、従来は、露光装置を用いたＰＥＰ（Photo Engraving Process：写真蝕刻プロセス）やＥＢ（Electron Beam）装置などを用いた走査プローブ法が広く採用されてきた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、露光装置では解像度に限界があるため、デザインルールをさらに小さくすることは困難である。
【０００４】
これに対して走査プローブ法は、荷電粒子ビームを基板に照射することによりパターンを描画するため、解像度においては優れるが、ビーム走査による直接描画であるため、微細パターンの形成には長い処理時間が必要となる。従って、大面積での処理を高いスループットで実現しようとすると、極微細化を達成することができなかった。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、高いスループットで高密度が実現された極微細構造およびその製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以下の手段により上記課題の解決を図る。
【０００７】
即ち、本発明によれば、
ダングリングボンドを有する第１の物質でなる層を表面に有する基板上に、上記ダングリングボンドと結合する第２の物質を供給し、上記ダングリングボンドが残存する線状の活性領域を選択的に形成する第１の工程と、フラーレン分子を蒸着させて上記残存するダングリングボンドと結合させ、上記活性領域に一次元分子マスクを形成する第２の工程と、上記フラーレン分子と結合する力が相互に結合する力よりもはるかに小さい第３の物質を上記基板上に堆積させる第３の工程と、上記第３の物質を活性化させて上記一次元分子マスクの領域間に移動させ、上記フラーレン分子を露出させる第４の工程と、を備える極微細構造の製造方法が提供される。
【０００８】
本発明にかかる極微細構造の製造方法によれば、ダングリングボンドが残存する線状の活性領域を選択的に形成し、さらに、この活性領域にフラーレン分子を蒸着させるので、リソグラフィ技術を用いることなく、一次元分子マスクを形成することができる。
【０００９】
また、上記フラーレン分子と結合する力が相互に結合する力よりもはるかに小さい第３の物質を上記基板上に堆積させた後に、この第３の物質を活性化させるので、上記第３の物質が上記一次元分子マスクの領域間に移動して上記フラーレン分子が露出する。この結果、上記第３の物質の形状は、あたかも上記一次元分子マスクの領域を谷底とするキャニオン形状となる。このように、非常に簡易な製造工程により、高密度の極微細構造が高いスループットで提供される。
【００１０】
上述した極微細構造の製造方法において、上記活性領域は、上記第１の物質でなる層の表面に形成された段差の側面領域であると良い。
【００１１】
また、上記第１の工程は、上記第１の物質の原子が移動を始める第１の温度以上であって上記第１の物質が蒸発を始める第２の温度未満の範囲の温度条件での熱処理工程を含むことが望ましい。
【００１２】
上記熱処理工程は、所望の密度の上記活性領域が得られるように上記温度条件を制御する工程を含むと好適である。
【００１３】
上記第１の温度以上で上記第２の温度未満の範囲内において、温度が低いほど上記活性領域の密度は高くなり、この一方、温度が高いほど上記活性領域の密度は低くなる。これは、温度が低いと、上記第２の物質の拡散距離が短くなり、既に第２の物質が蒸着した領域上にさらに蒸着する前に、未だ第２の物質が蒸着していない領域における上記第１の物質のダングリングボンドと結合しようとするからである。
【００１４】
上記熱処理工程は、上記第１の物質を供給する間に実行される工程と、上記第１の物質を供給した後に実行される工程とを含む。
【００１５】
また、上述した極微細構造の製造方法においては、上記活性領域が所望の密度を有するまで上記第１ないし第３の工程を繰り返すことが望ましい。
【００１６】
上記第２の工程は、上記一次元分子マスクを形成した後に、上記第２の物質を除去する工程を含むと良い。
【００１７】
さらに、上記第１の物質は、導体または半導体であると好適である。
【００１８】
また、本発明によれば、
ダングリングボンドによる線状の活性領域を有し、導体または半導体である第１の物質でなる第１の層を表面に含む基板と、上記活性領域に配設されて上記ダングリングボンドと結合したフラーレン分子と、上記第１の層の領域のうち上記フラーレン分子を除く不活性領域上に選択的に形成されてテーパ状の側面を有する第２の物質でなる第３の層と、を備える極微細構造が提供される。
【００１９】
上述の極微細構造において、上記線状の活性領域は、上記第１の層の表面に形成された段差の側面領域であると好適である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態のいくつかについて図面を参照しながら説明する。なお、以下の各図においては同一の部分に同一の参照番号を付してその説明を省略する。
【００２１】
（１）極微細構造の実施形態
図１は、本発明にかかる極微細構造の実施の一形態を示す略示断面図である。同図に示す極微細構造１は、Ｓｉ（１１１）７×７の基板１１と、基板１１上に蒸着されたフラーレンＣ_６０３１と、基板１１上に形成された単結晶Ｓｉ層４２とを備える。基板１１の表面には、段差ＳＴが形成され、この段差ＳＴの側面に接するようにフラーレンＣ_６０３１が蒸着される。また、Ｓｉ層４２は、基板１１の領域のうちフラーレンＣ_６０３１が蒸着された領域を除く領域上に形成されている。
【００２２】
図２は、図１に示す極微細構造１の表面構造の一部（２００ｎｍ×２００ｎｍ）を走査トンネル顕微鏡（Scanning Tunneling Microscope:以下、単にＳＴＭという）で観察した場合の画像（以下、ＳＴＭ画像という）である。同図に示すように、あたかもフラーレンＣ_６０３１が蒸着された領域を谷底とするキャニオンをなすように、Ｓｉ層４２が形成され、基板１１に平行な面に沿った頂部の切断面の面積は、底部の切断面の面積よりも小さくなっている。
【００２３】
本実施形態においては、Ｓｉ層４２は台形の断面形状を有するように形成されているが、例えばほぼ３角形の断面形状を有するように頂部を尖らせて形成することにより、ディスプレイ装置内の電界放射デバイスとしての用途が考えられる。
【００２４】
（２）極微細構造の製造方法の実施形態
次に、本発明にかかる極微細構造の製造方法の実施の形態のいくつかを図面を参照しながら説明する。
【００２５】
（ａ）第１の実施形態
図３、図６、図７、図１０および図１１は、図１に示す極微細構造の製造方法を説明する略示断面図である。
【００２６】
まず、図３に示すように、Ｓｉ（１１１）７×７の基板１１を準備する。基板１１は、以後の全工程において１０^−８〜１０^−９Ｐａの高真空中で処理される。
【００２７】
図４は、基板１１の表面における原子構造を説明する模式図である。同図に示すように、基板１１のＳｉ（１１１）７×７表面は、いわゆるアドアトムと呼ばれるＳｉが吸着していたり、コーナホール１３が形成されているなど、複雑な構造を有する。ここで、図４のＡ−Ａ線に沿って切断することにより、Ｓｉ原子がダングリングボンドを有するように以下の表面処理を行なう。
【００２８】
まず、基板１１の温度を２００℃〜７００℃の範囲まで上げ、この温度条件下でＡｇを蒸着させる。Ａｇ原子は、その拡散距離に応じて移動し、図４のＡ−Ａ線に沿った端面（または切断面）上に吸着することによって安定する。このとき、図４のアドアトムおよび矢印で示した剰余のＳｉ原子は、基板１１の表面にアイランド（島）をなすように相互に結合し、アイランドの表面を図４および図５のＡ−Ａ線に沿った端面と等価にすることによって、アイランドの表面にも安定にＡｇ原子が吸着できる。この結果、図５に示すように、基板１１の表面に段差ＳＴが形成される。Ａｇ原子が基板１１表面のダングリングボンドに結合することにより形成されたＡｇ層は不活性領域となるが、段差ＳＴへのＡｇ原子吸着は不完全または不安定であるために段差ＳＴは活性領域となる。これにより、図６に示すように、段差ＳＴの部分（側面）のみに活性領域を残して基板１１の表面がＡｇ層２１でなる不活性領域となる。段差ＳＴ部分の活性領域は、平面視において線状の閉ループの集合体となる。このように、本実施形態によれば、フォトリソグラフィの技術を用いることなく、線状の活性領域を形成することができる。
【００２９】
Ａｇ原子の拡散距離は、温度に依存し、温度が高ければ、Ａｇ原子が広い範囲を移動して既に段差がある部分でＳｉ原子と結合する確率が高くなる。この一方、温度が低ければ、既にある段差部分に到達する前にＳｉ原子のダングリングボンドと結合する。これにより、新たな段差ＳＴが形成される。このように、段差の密度は、温度で制御することができる。なお、このような温度制御は、Ａｇ原子蒸着時の基板１１の温度に限らず、蒸着後の熱処理で実行しても良い。
【００３０】
次に、基板１１の温度を約２００℃とし、この温度でフラーレンＣ_６０３１を基板１１上に蒸着させる。フラーレンＣ_６０３１は、図７に示すように、段差ＳＴ部分の活性領域に飛び出しているＳｉ原子のダングリングボンド１個〜数個に結合する。この結果、平面視において閉ループの集合体をなす一次元分子マスクが形成される。
【００３１】
図８および図９は、このようにして形成された一次元分子マスクの一例のＳＴＭ画像である。図８と図９の紙面左側の図とは、２００ｎｍ×２００ｎｍの領域を観察したものである。図９の紙面右側の挿入図から、Ａｇ１分子の幅（１ｎｍ）を有する一次元分子マスクが形成されていることが分かる。
【００３２】
次に、図１０に示すように、基板１１上の不活性領域を形成しているＡｇ層２１を除去することによりＳｉ層を露出させる。Ａｇ層２１を除去するための最も適切な方法は、基板１１を７００℃の温度で約１分間加熱することである。加熱の方法は、どのような方法を用いても良い。
【００３３】
次に、図１１に示すように、基板１１上の全面にアモルファスシリコン層４１を形成する。アモルファスシリコン層４１の表面には、基板１１の表面形状に応じて凹凸が形成される。基板１１上にアモルファスシリコン層４１を形成した場合における基板１１の表面を示すＳＴＭ画像の一例を図１２に示す。観察領域は、２００ｎｍ×２００ｎｍである。
【００３４】
その後は、約３００℃〜約４００℃の温度で数分間アモルファスシリコン層４１を熱アニールすることにより、アモルファスシリコンを結晶化させ、図１および図２に示す極微細構造１を取得することができる。
【００３５】
図１３は、熱アニール処理を実行して得られた極微細構造１の表面のＳＴＭ画像の一例を示す。観察領域は、図１２と同様の２００ｎｍ×２００ｎｍである。また、図１４は、図１３に示す極微細構造１が熱アニール処理により単結晶化していることを確認するために、その表面をさらに高倍率で観察した場合のＳＴＭ画像を示す。観察領域は、３ｎｍ×４．４ｎｍである。なお、図１４で観察される整然とした輝点の配置は、作製した極微細構造１が単結晶シリコンであることを示している。
【００３６】
（ｂ）第２の実施形態
次に、本発明にかかる極微細構造の製造方法の第２の実施の形態について図面を参照しながら説明する。本実施形態の特徴は、上述した第１の実施形態において図６、図７および図１０に示す工程を所望の段差密度が得られるまで繰り返すことにより所望の密度の一次元分子マスクを形成する点にある。その他の工程については、上述した第１の実施形態とほぼ同一であるので、以下では相異点を中心に説明する。なお、本実施形態においても全工程が１０^−８〜１０^−９Ｐａの高真空中で処理される。
【００３７】
まず、上述した第１の実施形態と同様に、Ｓｉ（１１１）７×７の基板１１を準備する。（図３参照）。
【００３８】
次に、Ａｇ蒸着およびフラーレンＣ_６０３１蒸着の工程に移行する（図６、図７および図１０参照）。上述した第１の実施形態においては、この一連の工程を一回のみ実行したが、本実施形態では、３回繰り返すことにより一次元分子マスクの高密度化を実現する。
【００３９】
図１５は、本実施形態により、Ａｇ蒸着およびフラーレンＣ_６０３１蒸着の工程を３回繰り返して得られた一次元分子マスクを観察した場合のＳＴＭ画像の一例であり、観察領域は２００ｎｍ×２００ｎｍである。また、図１６は、図１５に示す一次元分子マスクをさらに高倍率で観察した場合のＳＴＭ画像であり、観察領域は、３．７ｎｍ×３．７ｎｍである。図９および図１５の各ＳＴＭ画像における一次元分子マスクの分布状態を対比しても明らかなように、Ａｇ蒸着およびフラーレンＣ_６０３１蒸着の工程を３回繰り返した場合の段差密度は、同様の工程を一回のみ実行した場合の段差密度よりも格段に高くなっていることが分かる。
【００４０】
その後は、基板１１上の全面にアモルファスシリコン層４１を形成し（図１１参照）、さらに、約３００℃〜約４００℃の温度で数分間熱アニールすることにより、アモルファスシリコン４１を結晶化させ、さらに高密度の極微細構造２を取得する（図示せず）。
【００４１】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記形態に限るものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、上述した実施形態では、基板１１としてＳｉ（１１１）７×７基板を用いたが、これに限らず、ダングリングボンドが存在する結晶方位の半導体層または金属層であれば、例えばＳｉ（００１）基板、Ｇｅ（１１１）基板、Ｇｅ（００１）基板やＧａＡｓ（１１１）基板なども用いることができる。
【００４２】
また、基板１１上に線状の活性領域を得るためにＳｉ（１１１）７×７上にＡｇを蒸着したが、上述のダングリングボンドと結合する物質であれば、Ａｇ以外に例えば水素（Ｈ）、スズ（Ｓｎ）、金（Ａｕ）などを基板の種類に応じて用いることも可能である。
【００４３】
また、一次元分子マスクを形成する材料であるフラーレンについても、Ｃ_６０に限ることなく、例えばＣ_７０、Ｃ_７６、Ｃ_７８、Ｃ_６４なども使用可能である。また、分子そのものの安定性に鑑みてフラーレンを選択したが、活性領域のダングリングボンドと結合し、かつ、その後に基板上に成長させまたは堆積させる物質層との間で良好な結合関係を有しないものであればフラーレン以外の物質も一次元分子マスク形成用の材料として利用可能である。
【００４４】
【発明の効果】
以上詳述したとおり、本発明によれば、フォトリソグラフィ技術を用いることなく、基板上に一次元分子マスクを形成するので、高密度の極微細構造を高いスループットで提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる極微細構造の実施の一形態を示す略示断面図である。
【図２】図１に示す極微細構造の表面構造を示すＳＴＭ画像である。
【図３】本発明にかかる極微細構造の製造方法の第１の実施の形態を説明する略示断面図である。
【図４】本発明にかかる極微細構造の製造方法の第１の実施の形態を説明する模式図である。
【図５】本発明にかかる極微細構造の製造方法の第１の実施の形態を説明する模式図である。
【図６】本発明にかかる極微細構造の製造方法の第１の実施の形態を説明する略示断面図である。
【図７】本発明にかかる極微細構造の製造方法の第１の実施の形態を説明する略示断面図である。
【図８】図１〜図７に示された製造方法により形成された一次元分子マスクの一例のＳＴＭ画像である。
【図９】図１〜図７に示された製造方法により形成された一次元分子マスクの一例のＳＴＭ画像である。
【図１０】本発明にかかる極微細構造の製造方法の第１の実施の形態を説明する略示断面図である。
【図１１】本発明にかかる極微細構造の製造方法の第１の実施の形態を説明する略示断面図である。
【図１２】図１１に示す工程によりアモルファスシリコン層を形成した場合における基板の表面を示すＳＴＭ画像の一例である。
【図１３】熱アニール処理を実行して得られた極微細構造の表面を示すＳＴＭ画像の一例である。
【図１４】アモルファスシリコン層が熱アニール処理により単結晶化されたことを確認するために、図１３に示す極微細構造の表面をさらに高倍率で観察した場合のＳＴＭ画像である。
【図１５】本発明にかかる極微細構造の製造方法の第２の実施の形態により得られた一次元分子マスクを観察した場合のＳＴＭ画像の一例である。
【図１６】図１５に示す一次元分子マスクを図１５のＳＴＭ画像よりもさらに高倍率で観察した場合のＳＴＭ画像である。
【符号の説明】
１，２極微細構造
１１Ｓｉ（１１１）７×７基板
２１Ａｇ層
３１フラーレンＣ_６０
４１アモルファスシリコン層
４２単結晶Ｓｉ層
ＳＴ段差

Claims

Ｓｉ基板を２００℃〜７００℃に加熱してＡｇを蒸着させて、前記Ｓｉ基板の表面にＳｉ原子のアイランドを形成し、前記アイランドの段差以外の前記Ｓｉ基板の表面にＡｇ原子を吸着させ、前記段差のダングリングボンドを残存させる第１の工程と、
フラーレン分子を蒸着させて前記残存するダングリングボンドと結合させ、前記段差の活性領域に一次元分子マスクを形成した後に、Ａｇを除去する第２の工程と、
アモルファスシリコンを前記基板上に堆積させる第３の工程と、
前記アモルファスシリコンを熱アニールして前記一次元分子マスクの領域間に移動させ、前記フラーレン分子を露出させる第４の工程と、
を備える極微細構造の製造方法。
前記第１の工程は、所望の密度の前記活性領域が得られるように前記Ｓｉ基板の温度を制御する熱処理工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の極微細構造の製造方法。
前記熱処理工程は、前記Ｓｉ基板にＡｇを蒸着させた後に実行されることを特徴とする請求項２に記載の極微細構造の製造方法。
前記第１および第２の工程は、前記活性領域が所望の密度を有するまで繰り返される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極微細構造の製造方法。
Ｓｉ原子からなり、段差にダングリングボンドによる線状の活性領域を有するアイランドを有するＳｉ基板と、
前記活性領域に配設されて前記ダングリングボンドと結合したフラーレン分子と、
前記Ｓｉ基板上の領域のうち前記フラーレン分子を除く不活性領域上に選択的に形成されてテーパ状の側面を有するＳｉ層と、
を備える極微細構造。
前記線状の活性領域は、前記段差の側面領域であることを特徴とする請求項５に記載の極微細構造。