JP4767859B2 - コヒーレントな波形ナノ構造の形成方法 - Google Patents
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Description
本発明はイオン流束により基板表面に波形（波状）パターンを起伏構造として約１００ｎｍ以下の周期で形成するための方法および装置、ならびに基板研磨のための装置に関する。
シリコン表面に波状パターンをナノ起伏構造として形成する以下の方法が知られている（ロシア国特許出願第９９１２４７６８号）：
シリコンを分子状窒素イオンＮ２ ＋の均一なイオン流束によりスパッタリングして、周期的な波状ナノ構造を、イオン入射面に対して垂直なナノ構造波峰（crest）配向で形成する方法において；
まず最初に、現われる波状ナノ構造の形状（またはジオメトリ）と、ナノ構造の波振幅（または高さ）の成長（または増大）の開始および終了に対応するスパッタリング深さＤｍおよびＤＦとを規定するパラメータを選択し：イオンエネルギー、シリコンの初期表面に対するイオン入射角度、シリコン温度、およびシリコン中へのイオンの侵入深さを該ナノ構造の波長に基づいて決める。
シリコンを分子状窒素イオンＮ２ ＋の均一なイオン流束によりスパッタリングして、周期的な波状ナノ構造を、イオン入射面に対して垂直なナノ構造波峰（crest）配向で形成する方法において；
まず最初に、現われる波状ナノ構造の形状（またはジオメトリ）と、ナノ構造の波振幅（または高さ）の成長（または増大）の開始および終了に対応するスパッタリング深さＤｍおよびＤＦとを規定するパラメータを選択し：イオンエネルギー、シリコンの初期表面に対するイオン入射角度、シリコン温度、およびシリコン中へのイオンの侵入深さを該ナノ構造の波長に基づいて決める。
このようにして、この従来技術（アナログ）はＮ２ ＋−Ｓｉ系を用いて波形ナノ構造を形成している。
Ｏ２ ＋イオンによるガリウムヒ素スパッタリング（Ｏ２ ＋−ＧａＡｓ系）により、波状ナノ構造が形成されることが知られている（Karen A.、Nakagawa Y.、Hatada M.、Okino K.、Soeda F.、Ishitani A.による「ＧａＡｓおよび他のＩＩＩ−Ｖ族半導体のＯ２ ＋誘発トポグラフィーに関する定量的調査：サンプル回転による二次イオン収量変化の波紋形成および抑制に関するＳＴＭ研究（Quantitative Investigation of the O2 +-Induced Topography of GaAs and other III-V Semiconductors: an STM Study of the Ripple Formation and Suppression of the Secondary Ion Yield Change By Sample Rotation）」、サーフェス・アンド・インターフェース・アナリシス（Surf. and Interf. Anal.）、１９９５年、第２３巻、第５０６〜５１３頁）。このナノ構造の有用な特性は、そのアスペクト比（即ち、波長または波周期に対する起伏振幅の比）が十分大きいことである。しかしながら、Ｏ２ ＋−ＧａＡｓ系にて形成される波状ナノ構造の規則性および平面性（planarity）の程度は低い。
一群の発明を成す本第１発明の技術的効果は、形成される波状起伏構造の規則性が実質的に改善されることである。
これは、（従来技術ロシア国特許出願第９９１２４７６８号に記載されるように）Ｎ２ ＋イオン流束でスパッタリングするシリコンの代わりにガリウムヒ素を用いること、換言すれば、Ｎ２ ＋−Ｓｉ系に代えてＮ２ ＋−ＧａＡｓ系を用いることによって実現される。このようにして、ＧａＡｓをＮ２ ＋で照射することにより、質の高い自然規則性（natural ordering）を有する波状ナノ構造が形成される。
好ましくは、ガリウムヒ素としてアモルファスガリウムヒ素の層を用いる。
好ましくは、アモルファスガリウムヒ素の層をガリウムヒ素のマグネトロンスパッタリング法により形成する。
好ましくは、Ｎ２ ＋イオン入射角度をＧａＡｓ初期表面の法線に対して５５°〜６０°の範囲で選択する。
好ましくは、Ｎ２ ＋イオンエネルギーを６〜８ｋｅＶの範囲で選択する。
好ましくは、ＧａＡｓをＮ２ ＋イオンにより深さＤＦ＝１ミクロンまでスパッタリングする。
好ましくは、波状ナノ構造の振幅を増大させるために、Ｎ２ ＋−ＧａＡｓ系にて形成された波状ナノ構造をＯ２ ＋イオン流束により、Ｎ２ ＋イオンのボンバードメント面と一致するボンバードメント面にて更にスパッタリングする。
好ましくは、更なるスパッタリングにおけるＯ２ ＋イオンによるボンバードメントのエネルギーおよび角度を、Ｎ２ ＋−ＧａＡｓ系およびＯ２ ＋−ＧａＡｓ系における波長が等しくなるように選択する。
好ましくは、Ｏ２ ＋イオンによる更なるスパッタリング下での波状ナノ構造の振幅の成長を二次放出信号により制御する。
好ましくは、二次放出信号として二次電子、イオンまたはフォトン放出の信号を用いる。
好ましくは、Ｏ２ ＋イオンによる更なる照射を、二次放出信号が飽和する時点までのみ実施する。
また、シリコンを分子状酸素のイオン流束でスパッタリングする間（Ｏ２ ＋−Ｓｉ系）にも波状起伏構造が形成されることが知られている（Vajo J. J.、Doty R. E.、Cirlin E. H.による「スパッタリングによって誘発されるシリコン上波紋トポグラフィーの形成および成長に対するＯ２ ＋エネルギー、流束、フルエンスの影響（Influence of O2 + energy, flux and fluence on the formation and growth of sputtering-induced ripple topography on silicon）」、ジャーナル・オブ・バキューム・サイエンス・アンド・テクノロジー・エー（J. Vac. Sci. Thchnol. A）、１９９６年、第１４巻、第５号、第２７０９〜２７２０頁）。走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により、波状起伏構造の振幅が大きな成長を開始する点に対応するシリコンスパッタリング深さＤｍにて、Ｏ２ ＋−Ｓｉ系で振幅の小さな起伏が形成され始め、これはＮ２ ＋−Ｓｉ系に比べて規則性がより高く、または波長がより長いという注目すべき点があることを本発明者らは見出した。しかしながら、Ｏ２ ＋−Ｓｉ系にて酸素イオンにより更にスパッタリングすると波振幅の成長を伴うが、起伏の規則性およびその平面性が著しく低下する。これに対して、Ｎ２ ＋−Ｓｉ系にて形成される波状起伏は３ＤＦに等しいスパッタリング深さまで高い平面性のまま維持されるという点で注目される。
本第２発明の技術的効果も、形成される波状起伏構造の規則性が実質的に改善されることである。
これは、シリコンスパッタリングを２段階で実施することで実現される。第１に、Ｏ２ ＋イオン流束によりＯ２ ＋−Ｓｉ系にて規則性の増大した振幅の小さな波状ナノ構造をスパッタリング深さＤｍで形成し、その後、Ｎ２ ＋イオンによりＮ２ ＋−Ｓｉ系にて更なるシリコンスパッタリングを、波状ナノ構造の振幅がスパッタリング深さＤＦにて飽和するまで実施する。このとき、Ｏ２ ＋イオンおよびＮ２ ＋イオンのボンバードメント面を一致させ、イオンボンバードメントのエネルギーおよび角度を、Ｏ２ ＋−ＳｉおよびＮ２ ＋−Ｓｉにおける波状起伏構造の波長が一致するように選択する。
好ましくは、シリコンとしてアモルファスシリコンの層を用いる。
好ましくは、波状ナノ構造の形成を二次放出信号により制御する。
Ｎ２ ＋−Ｓｉ系に関する研究により、シリコン表面をその上に形成される波状起伏構造の波峰の方向に予め（または予備的に）方向性研磨することにより、起伏配向性の程度、即ち起伏の規則性が著しく増大することを本発明者らは見出した。
本第３発明の技術的効果も、形成される波状起伏構造の規則性が改善されることである。
これは、シリコン表面の予備的方向性研磨を実施し、その後、Ｎ２ ＋−Ｓｉ系にて波状起伏構造を、波峰の配向が研磨の方向と一致するように形成することで実現される。
好ましくは、アルミニウム、シリコンおよびクロムの酸化物などの小さい粒子を含む研磨剤を方向性研磨に用いる。
イオンビームマトリックスを一般的なプラズマ以外で形成するための開口部マトリックスを有するプラズマ電極を含んで成る装置が知られている（K.L. Scott、T.-J. King、M.A. Lieberman、K.-N. Leungによる「イオンリソグラフィーのためのパターン形成機およびマイクロカラム（Pattern generators and microcolumns for ion lithography）」、ジャーナル・オブ・バキューム・サイエンス・アンド・テクノロジー・ビー、第１８巻、第６号、２０００年、第３１７２〜３１７６頁；K.-N. Leung、H.Y. Lee、V. Ngo、N. Zahirによる「プラズマ形成イオンビーム投影リソグラフィーシステム（Plasma formed ion beam projection lithography system）」、米国特許第６４８６４８０号）。
この従来技術の欠点は、形成されるパターンの最小寸法が不十分なことである。
基板表面にパターンを形成する装置（ロシア国特許第２１８０８８５号）が知られており、これは、シリコン表面に位置するナノラインのアレイについて所望される配置に従って設けられた線状開口部のマトリックスを有するプラズマ電極に基づいて、傾斜した線状イオンビームのマトリックスを形成する手段（または部材）と、シート状イオンビームを横断して基板を移動させる精密テーブルとを備える。
このプロトタイプの欠点は、変位（deviation）のマイクロシステムの作製およびシート状イオンビームの焦点合せが複雑なことである。
本第４発明の技術的効果は、変位のためのマイクロシステムをなくし、シート状イオンビームの焦点を合せ、およびシリコン表面へシート状イオンビームを法線入射させるナノラインアレイを形成することによって、既知の装置の作製が簡素化されることである。
これは、シリコン表面へのビームの法線入射を確保するシート状イオンビームのマトリックスを形成する手段を用いることで実現される。このことは本発明の装置を従来技術に近づけるものである。しかしながら、本発明の装置はその目的（シリコン表面にコヒーレントな波状ナノ構造をイオンビームの幅よりはるかに小さい周期で形成すること）により、イオンビーム投影リソグラフィー（即ち、レジストにラインをイオンビームの直径と同等の幅で形成すること）を意図している従来技術と異なるものとなっている。
本発明の本質的な特徴は、円形ビームのマトリックスと比較したシート状ビームのマトリックスにあり、また、シート状ビームを横断して基板を移動させ得る精密テーブルの動作にある。
好ましくは、シート状イオンビームの幅は、５ｋｅＶのイオンエネルギーでは約０．５ミクロンである。
好ましくは、基板用精密テーブルは以下の関係式によって決まる速度で基板を移動させる。
Ｖ＝（ＩＬ・Ｙ・Ａ）／（ρ・ＤＦ・ＮＡ・ｅ）
式中、
ＩＬはシート状イオンビームの直線電流密度（Ａ／ｃｍ）であり；
Ｙは１個の窒素原子について算出されるスパッタリング量（yield）であり；
Ａはシリコンの分子量（ｇ）であり；
ρはシリコンの密度（ｇ／ｃｍ３）であり；
ＤＦはコヒーレントな波状構造の形成深さ（ｃｍ）であり；
ＮＡはアボガドロ数（６．０２２×１０２３モル−１）であり；
ｅは電荷（１．６×１０−１９クーロン）である。
Ｖ＝（ＩＬ・Ｙ・Ａ）／（ρ・ＤＦ・ＮＡ・ｅ）
式中、
ＩＬはシート状イオンビームの直線電流密度（Ａ／ｃｍ）であり；
Ｙは１個の窒素原子について算出されるスパッタリング量（yield）であり；
Ａはシリコンの分子量（ｇ）であり；
ρはシリコンの密度（ｇ／ｃｍ３）であり；
ＤＦはコヒーレントな波状構造の形成深さ（ｃｍ）であり；
ＮＡはアボガドロ数（６．０２２×１０２３モル−１）であり；
ｅは電荷（１．６×１０−１９クーロン）である。
好ましくは、基板用精密テーブルは、精密テーブル上に設置された試験セルからの二次電子放出信号により調整された速度で基板を移動させる。
半導体製造において基板を基板研磨する装置が知られている（米国特許出願公開第２００２／０１４２７０４号）。
この既知の装置は、軸廻りおよび基板面内にて基板を回転させる基板ホルダ（または保持体）、基板表面がベルト（またはバンド）と合わさる場所で支持体により支持される一定走行ベルト、基板ホルダを回転させるモータ、研磨混合物をベルト上に供給するため、およびベルトを浮上させかつベルトに対する基板圧力を均等に分配するように、支持体にある開口部のシステムを通じて空気を供給するための装置で構成される。
本第５発明の技術的効果は、半導体基板の方向性研磨を確保するように既知の装置を設計変更したことである。
これは、基板ホルダにより基板をベルト動作方向に対して一定の位置に固定することで実現される。
本発明の本質を以下の実施例により詳しく述べる。
実施例１：イオンスパッタリングを用いて物質を層毎に分析するよう設計された装置において、ＧａＡｓサンプルのイオンスパッタリングを実施した。
均一なイオン流束を提供するようにイオンビームをサンプル表面に走査（またはスキャン）パターンで向けた。図１ＡはＮ２ ＋−ＧａＡｓ系にて波状ナノ構造を形成するプロセスを概略的に示す。図１Ａの紙面はイオンボンバードメント面またはイオン入射面と一致する。ＧａＡｓ表面の法線に対するイオンボンバードメント角度の狭い範囲θ＝５５〜５８°、イオンエネルギーＮ２ ＋ Ｅ＝８ｋｅＶ、スパッタリング深さＤＦを約１ミクロンとして、波長λ＝１３０ｎｍを有する安定で極めてコヒーレントな波状ナノ構造が形成され、このナノ構造は波の変異（突然変異または異常部）が殆どなく、また波の交差が極めて少ない。波峰はイオンボンバードメント面に対して垂直に配向する。照射量を増やしても、該ナノ構造は３５ミクロンのスパッタリング深さまで著しく変形しない。Ｅ＝８ｋｅＶ、θ＝５６°にて得られる波状ナノ構造を有するＧａＡｓ結晶チップを走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察することにより、個々の波の形状が容易に確認された。λ＝１３０ｎｍにて波の振幅は１３ｎｍとなった。波の斜面は水平に対して８〜９°で傾斜している。このため、波の斜面の局所的なボンバードメント角度は４７°および６５°に等しく、スパッタリングを長引かせてもこれらの角度は変わらない。
Ｎ２ ＋−ＧａＡｓ系において、角度θ＞６０°（Ｅ＝８ｋｅＶ）では、ならびにイオンエネルギーＥ＜６ｋｅＶ（θ＝５６°）では、ＳＥＭにより観察される波状ナノ構造は形成されない。Ｅ＝６ｋｅＶおよびθ＝５６°で、λ＝１２３ｎｍを有する波状ナノ構造が形成される。θ＞６０°にて波状ナノ構造が存在しないとき、孤立した円錐形状の形成物がイオンスパッタリングの窪みの底部および斜面に観察される。θ＝４５〜５５°の角度範囲でＥ＝８ｋｅＶとする場合、低コヒーレント、小振幅の周期的なナノ構造が形成され、これはイオン照射量が増えるにつれて発達する摂動（または撹乱）が起こる。同様の発達的摂動はＯ２ ＋−ＧａＡｓおよびＯ２ ＋−Ｓｉ系についても典型的なものである。
波状ナノ構造形成方法のオージェ電子放出に対する影響は認められなかった。よって、この方法によるその場での計測（in situ registration）は不可能であった。
Ｎ２ ＋イオンによりＧａＡｓ表面にＥ＝８ｋｅＶおよびθ＝５５°で、および様々な照射量で形成された、イオンビームでエッチングされた窪みの表面をＳＥＭ観察することにより、波状ナノ構造形成物の深さは１ミクロンであることがわかった。
Ｎ２ ＋−ＧａＡｓ系にて形成される波状ナノ構造の振幅を大きくするため、および波の斜面の傾斜角度を大きくするため、波状ナノ構造の２段階形成についての実験を行った。第１段階では、Ｎ２ ＋−ＧａＡｓ系にて、Ｅ＝８ｋｅＶおよびθ＝５６．７°の条件（この条件はナノ構造の規則性を最大限にするものである）で、λ＝１２８ｎｍおよびスパッタリング深さ１．５ミクロンの波状ナノ構造を形成した。その後、この波状ナノ構造をＯ２ ＋イオンにより、Ｅ＝５．５ｋｅＶおよびθ＝３９°の条件で、様々なイオン照射量にてスパッタリングした。波状ナノ構造の更なるスパッタリング工程を図１Ｂに示す。Ｏ２ ＋イオンおよびＮ ２ ＋イオンのボンバートメント面は一致させた。Ｏ２ ＋イオンによる照射量は、ＧａＯ＋イオンの二次放出信号が飽和点に達するまでの時間に基づいて選択した。この放出信号の増大および飽和はナノ構造の波斜面の傾斜角度の増大および飽和を反映しており、このことはＯ２ ＋−ＧａＡｓ系におけるＡｓ＋またはＡｓＯ＋二次イオンについても同様に認められる。
実験では、ＧａＯ＋放出信号の増大は４分間で飽和するに至った。図１Ｃおよび１Ｄは、後続のＯ２ ＋イオンによるスパッタリングをそれぞれ１．５分および２．５分間行う２つの実験方法により形成されたλ＝１２３ｎｍを有する波状ナノ構造のＳＥＭ像を示す。Ｏ２ ＋イオン照射量の増加につれて二次電子放出が起こるとＳＥＭ像のコントラストが際立ち、このことは波斜面の傾斜角度が増加していることを示すものである。図１Ｃおよび１Ｄの比較により、Ｏ２ ＋イオン照射量の増加により、Ｎ２ ＋−ＧａＡｓ系にて得られる初期波状ナノ構造の規則性が著しく影響されないことがわかる。
この波状ナノ構造を利用する際、ＧａＡｓターゲットマグネトロンスパッタリングという既知の方法により様々な材料の表面に堆積したアモルファスＧａＡｓの層に波状ナノ構造を形成しなければならないことになり得る。
実施例２：波紋モルフォロジーの漸進的変化をＳＥＭ観察することにより、この系においてスパッタリング深さＤｍにて波の規則性がより高いという結論が導き出された。Ｎ２ ＋−Ｓｉ系に比べ、Ｏ２ ＋−Ｓｉ系では、波状ナノ構造は深さＤｍにおいて波の変異が著しく少ない状態で形成される。これらに基づいて、波状ナノ構造の２段階形成についての実験を行った。第１段階では、Ｏ２ ＋−Ｓｉ系にて、Ｅ＝４ｋｅＶおよびθ＝４７°で、スパッタリング深さＤｍ＝１３５０ｎｍとして、λ＝１３０ｎｍの波状ナノ構造を形成した。第２段階のパラメータはＯ２ ＋−Ｓｉ系およびＮ２ ＋−Ｓｉ系にて等しい波長が得られるように選択した。第２段階では、Ｎ２ ＋イオンにより、Ｅ＝８ｋｅＶおよびθ＝４３°で、最終深さＤ＝１６７０ｎｍまで波状ナノ構造をスパッタリング形成した。Ｎ２ ＋−Ｓｉ系での更なるスパッタリング深さは３２０ｎｍに等しく、波状ナノ構造形成の第２段階の条件に対応する。Ｏ２ ＋イオンおよびＮ２ ＋イオンのボンバードメント面は実施例１におけるものと一致させた。この２段階プロセスにより、図２Ｂに示すλ＝１４０ｎｍを有する波状ナノ構造を得た。比較のために、Ｎ２ ＋−Ｓｉ系にてＥ＝８ｋｅＶおよびθ＝４３°での１段階プロセスにより形成された波状ナノ構造の像を図２Ａに示す。ＳＥＭ像の統計分析を６．７７×９ミクロン２のサイズで行った。この分析は１．３×６．５ミクロン２の枠（波峰に対して垂直方向を長手側とする）の内部にある波の数を数えることにより行い、各々は５０個の波を含むものであった。この枠の一方の長手方向端から他方の端まで変異および交差なしに通過する波の数（良好な波の数量）、一方の端を通過するものの他方の端まで達しない波の数（波変異の数量）および枠内で交差している波の数を数えた。この結果、Ｎ２ ＋−［Ｏ２ ＋−Ｓｉ］波状ナノ構造を形成する２段階プロセスは波変異の数を５．４分の１に低減し、波交差の数を２．９分の１に低減し、そして良好な波の数を２．４倍に増加させることがわかった。このように、Ｏ２ ＋−Ｓｉ系におけるスパッタリング深さＤｍでの増加した波経線と、Ｎ２ ＋−Ｓｉの平面性とを組み合わせるようにして２段階プロセスを用いて、波の規則性が改善された波状ナノ構造を形成することができる。
実施例３：自然規則性を有しないＮ２ ＋−Ｓｉ系では、シリコン表面を予備的に機械加工することによって、波状ナノ構造の規則性の程度を上昇させることができる。Ｃｒ２Ｏ３粒子を含むＧＯＩ化合物によりシリコン表面を方向性研磨し、その後、Ｎ２ ＋−Ｓｉ系にて、シリコン表面に対する研磨粒子の移動方向に対して垂直な方向のＮ２ ＋イオン流束を用いて波状ナノ構造を形成する実験を通じて、予備的方向性研磨プロセスにより、研磨方向に沿ったナノ構造の配向性の程度が著しく上昇することがわかった。ナノ構造を形成する際のパラメータ（Ｅ＝８ｋｅＶ、θ＝４３°、ＤＦ＝３６０ｎｍ、λ＝１５０ｎｍ）は研磨なしの場合に用いられるパラメータに近い。ＧＯＩ化合物での予備的研磨によりナノ構造の配向性が改善されることを示す同様の結果が、アモルファスシリコンの層について得られた。ＧＯＩペーストに代えて、アルミナまたはシリカ粒子を含む様々な水ベースのスラリーまたは低アルカリ性スラリーを適用することができる。この種のスラリー系は半導体製造において基板を研磨するのに産業的に使用されるものである。
実施例４：コヒーレントな波状ナノ構造を形成する装置の動作原理を図４Ａ〜４Ｂに図示する。この装置は次のようにして動作する。基板１０を精密テーブル１９に設置する。真空チャンバを減圧して動作圧力とする。窒素イオン流束を得るためのプラズマチャンバに窒素を送出系を通じて供給する。プラズマチャンバにて電荷点火（または放電）させる。接地に対するプラズマの動作電位は凡そＵ＝＋５ｋｅＶであり、よって、チャンバ１６をチャンバ２０から適切に電気的に隔離すべきである。プラズマ電極３は電位Ｕ−Ｕ１を有し、電極４はビームのスイッチをオンにしたときに電位Ｕ−Ｕ１を有し、ビームのスイッチをオフにしたときに電位Ｕ＋Ｕ１を有する。電極４は絶縁体５により電極３から隔離される。電位Ｕ１は＋１００Ｖのオーダーである。精密テーブル１９の動きはコンピュータおよびインターフェースにより、また試験セル１７からの二次電子信号の検出器により制御する。テーブルの移動速度は、試験セル１７から検出器１８により計測（または記録）される二次電子放出の流れ（または電流）に比例して減少させる。単位時間あたり基板６枚の生産速度を（基板をナノラインで１００％覆った状態とする）次の条件で実現することができる：プラズマ中のイオン電流密度を２５０ｍＡ／ｃｍ２、基板移動速度を２．５ミクロン／ｓ、およびシート状ビーム間の距離を１ｍｍとする。
プラズマ電極３にある線状開口部２を、基板１０上の結晶１２の寸法Ｓの整数分の１となっている周期ｄにて列に沿って配置する。これにより、結晶寸法のＳ／ｄ分の１の距離に亘って移動することで、結晶をナノライン１４のアレイで完全に覆うことができる。プラズマ電極は高合金シリコン基板でできており、これはｎ型導電性を有し、および厚さ約２０ミクロンを有する。線状ビーム１１のマトリックスの形成機器の一部（電極３および４を有する）は、窒化シリコンから電極支持絶縁体５を得るプレーナシリコン技術を用いて作製できる。この形成手段の基板１０に面する外側部分１１は、アモルファスシリコンまたは低導電性カーボンの層で覆われる。
特許請求する方法に関する全ての実施例において、イオン流束は基板に傾斜して降り注ぐ。しかしながら、これらは均一なイオン束である。図４Ａに示すようにシート状イオンビームを走らせる場合、スパッタリングされる表面領域７はイオン流束の方向に対して傾斜するものとなる。ビーム１がシリコン表面１０に沿って進行するにつれて、ビーム１はシリコンを散らばらせ、そしてその後に規則的なナノ構造６を残す。ナノ構造を有する表面レベル（または位置）は初期表面１０のレベルより低い。傾斜してスパッタリングされる表面領域７の幅はビーム１の幅に等しい。このようにして、イオン流束１が初期表面１０に垂直に降り注ぐものであっても、スパッタリングすべき表面領域に対する傾斜ボンバードメントにより、ナノ構造６を形成するプロセスが実施される。
従って、本発明は既知の従来の装置の機能的特性を拡張するものである。
好ましい実施態様
実施例５：線状化学的−機械的研磨のための装置は半導体製造において基板を研磨するのに広範に使用されており、これは連続走行ベルトを含んで成る（米国特許出願公開第２００２／０１４２７０４号）。実験を行うことにより、そのような装置をわずかに設計変更することで基板の方向性研磨を実施できるという結論に達した。例えば、この変更は、基板ホルダを軸廻りに回転させないものとし、かつホルダをベルトの走行方向に対して一定の向きに維持することである。図５は方向性基板研磨のための装置を示す。この装置は基板を設置するように設計された基板ホルダ１（非運転状態にある場合を示す）より構成される。運転状態２では、このホルダは基板３を連続ベルト４に対して押圧し、連続ベルト４はロール５により動かされる。基板ホルダにより、基板３はベルト４の走行方向に対して一定の位置（または状態）に維持される。支持体６はベルト４および基板ホルダを運転状態で保持する。この支持体は圧縮空気を通過させる開口部のシステムを有し、これにより、ベルトに対する基板の圧力を一様に分配する。加えて、研磨スラリーをベルト上に供給する（図５にはスラリーを供給するための装置を図示せず）。ロール５はベルト４の下側部分と共に研磨スラリー浴に沈めてよい。研磨スラリーに用いるのに適切な研磨剤、例えば製造の際に一般的に使用されているシリカまたはアルミナなどを選択することは、実施例３にて示したように、基板のその後のイオンスパッタリングにおいて波状ナノ構造のコヒーレンスを最大限にして得るのに有用なことがわかるであろう。
実施例５：線状化学的−機械的研磨のための装置は半導体製造において基板を研磨するのに広範に使用されており、これは連続走行ベルトを含んで成る（米国特許出願公開第２００２／０１４２７０４号）。実験を行うことにより、そのような装置をわずかに設計変更することで基板の方向性研磨を実施できるという結論に達した。例えば、この変更は、基板ホルダを軸廻りに回転させないものとし、かつホルダをベルトの走行方向に対して一定の向きに維持することである。図５は方向性基板研磨のための装置を示す。この装置は基板を設置するように設計された基板ホルダ１（非運転状態にある場合を示す）より構成される。運転状態２では、このホルダは基板３を連続ベルト４に対して押圧し、連続ベルト４はロール５により動かされる。基板ホルダにより、基板３はベルト４の走行方向に対して一定の位置（または状態）に維持される。支持体６はベルト４および基板ホルダを運転状態で保持する。この支持体は圧縮空気を通過させる開口部のシステムを有し、これにより、ベルトに対する基板の圧力を一様に分配する。加えて、研磨スラリーをベルト上に供給する（図５にはスラリーを供給するための装置を図示せず）。ロール５はベルト４の下側部分と共に研磨スラリー浴に沈めてよい。研磨スラリーに用いるのに適切な研磨剤、例えば製造の際に一般的に使用されているシリカまたはアルミナなどを選択することは、実施例３にて示したように、基板のその後のイオンスパッタリングにおいて波状ナノ構造のコヒーレンスを最大限にして得るのに有用なことがわかるであろう。
本発明は、シリコンおよびガリウムヒ素の表面にパターンを１０〜６０ｎｍの線幅で形成するために用いられるものを包含するパターン形成方法に、またナノ電子および光電子デバイスのためのナノ配線形成方法に使用することができる。
Claims (15)
- 半導体材料を分子状窒素イオンＮ２ ＋の均一な流束によりスパッタリングして、材料表面に周期的な波状ナノ構造をイオン入射面に対して垂直な波峰配向で形成することを含むコヒーレントな波状ナノ構造の形成方法であって、半導体材料としてガリウムヒ素を用い、Ｎ２ ＋窒素イオンによるスパッタリングの後、形成された波状ナノ構造をＯ２ ＋酸素イオン流束により更にスパッタリングし、このとき酸素イオンの入射面を窒素イオンの入射面と一致させ、および窒素イオンおよび酸素イオンを単独で照射する場合に波状ナノ構造の波長が一致するようにイオン入射のエネルギーおよび角度を選択することを特徴とする方法。
- ガリウムヒ素としてアモルファスガリウムヒ素の層を用いることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- アモルファスガリウムヒ素の層をマグネトロンスパッタリング法により形成することを特徴とする、請求項２に記載の方法。
- Ｎ２ ＋イオン入射角度をガリウムヒ素の初期表面の法線に対して５５〜６０度の範囲にあるように選択すること、およびＮ２ ＋イオンのエネルギーを６〜８ｋｅＶの範囲にあるように選択すること、ならびにガリウムヒ素をＮ２ ＋イオンにより深さＤＦ＝１ミクロンまでスパッタリングすることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
- 波状ナノ構造の振幅の成長を二次放出信号により制御することを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
- 二次放出信号として二次電子、イオンおよびフォトン放出の信号を用いることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
- Ｏ２ ＋イオンによる照射を二次放出信号が飽和する時点まで実施することを特徴とする、請求項５に記載の方法。
- コヒーレントな波状ナノ構造の形成方法であって、振幅の小さな波状ナノ構造が形成されるまで、シリコン表面をＯ２ ＋イオン流束によりスパッタリングし、その後、波状ナノ構造の振幅が成長して飽和するまで、シリコン表面にＮ２ ＋イオン流束を、そのボンバードメント面をＯ２ ＋イオンのボンバードメント面に一致させて照射し、Ｏ ２ ＋ イオンによるときとＮ ２ ＋ イオンによるときとで同一の波長を有する波状ナノ構造を形成するようにイオンボンバードメントのエネルギーおよび角度を選択することを含む方法。
- シリコンとしてアモルファスシリコンの層を用いることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
- 波状ナノ構造の振幅の成長および飽和を、二次放出信号により制御することを特徴とする、請求項８に記載の方法。
- 半導体材料をＮ２ ＋窒素イオンの均一な流束によりスパッタリングして、材料表面に周期的な波状ナノ構造をイオン入射面に対して垂直な波峰配向で形成することを含むコヒーレントな波状ナノ構造の形成方法であって、半導体材料としてガリウムヒ素を用い、分子状窒素イオンによるスパッタリングに先立って、ガリウムヒ素表面を方向性研磨し、ガリウムヒ素表面への波状構造の形成を、波峰配向を研磨方向に一致させて実施し、Ｎ２ ＋分子状窒素イオンによるスパッタリングの後、形成された波状ナノ構造をＯ２ ＋酸素イオン流束により更にスパッタリングし、このとき酸素イオンの入射面を窒素イオンの入射面と一致させ、および波状ナノ構造の波長が窒素イオンおよび酸素イオンを単独で照射する場合で一致するようにイオン入射のエネルギーおよび角度を選択することを特徴とする方法。
- 研磨にアルミニウム、シリコンまたはクロムの酸化物の粒子を含む研磨剤を用いることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
- コヒーレントな波状ナノ構造の形成方法であって、シリコン表面を方向性研磨し、その後、振幅の小さな波状ナノ構造が形成されるまで、シリコン表面をＯ２ ＋イオン流束でスパッタリングすることによりシリコン表面に波状ナノ構造を研磨方向と一致する波峰配向で形成し、その後、波状ナノ構造の振幅が成長して飽和するまで、シリコン表面にＮ２ ＋イオン流束を、そのボンバードメント面をＯ２ ＋イオンによるボンバードメント面に一致させて照射し、Ｏ ２ ＋ イオンによるときとＮ ２ ＋ イオンによるときとで同一の波長を有する波状ナノ構造を形成するようにイオンボンバードメントのエネルギーおよび角度を選択すること含む方法。
- 方向性研磨が、酸化物の粒子を含むスラリーを用いて実施されることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
- 酸化物の粒子は、シリカ、アルミナ、および酸化クロムを含む群から選択される、請求項１４に記載の方法。
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