JP5244396B2 - 固体凝縮ガス層のエネルギー誘導局所除去を用いるリフトオフパターニング方法 - Google Patents
固体凝縮ガス層のエネルギー誘導局所除去を用いるリフトオフパターニング方法 Download PDFInfo
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Description
本発明は、制御された固体材料の除去に関するものであり、材料のパターニング形成に関するものである。
現代の固体微細加工技術は進歩を遂げて、電子システムおよび微小電気機械（ＭＥＭＳ）システムの両方のためのミクロ構造およびナノ構造の製造を包含するようになった。複雑な３次元システム配置において、特殊な基板や構成材料の使用が増えてきている。歴史的に、そして従来において、微細加工システム構成部品の構成単位は、固体構造へのパターン付与および固体材料上での不純物ドーピング、材料除去および材料成長などの選択的化学プロセスの実施によって製造されていた。本明細書において「固体」という用語は、一般に非生物材料を指すのに用いられる。
電子システムおよびＭＥＭＳシステムの両方の製造では、固体構造のナノメートル形状の制御が、徐々に微細加工上の問題となりつつある。さらに、多くの場合複雑な構成で配置された従来にはなかった固体材料および構造の選択的な材料堆積および処理が、微細加工上の課題となりつつある。構造寸法および固体材料上での材料パターニングの実施および制御に関しては、非常に広範囲の微細加工技術が確立されている。例えば、高分解能リソグラフィー技術ならびに高精度の付加および削減材料加工技術が提案されて、小スケールの形状加工が可能となっている。しかしながら、数ナノメートルの構造形状寸法が重要となる可能性があり、特殊材料および複雑な構造的構成が用いられる場合が多い多くのミクロおよびナノレジームシステムの製作において、従来の技術では、システム材料に悪影響を与えることなく必要なナノスケールの形状を形成することができないことが多く、予想通りに、またはシステム材料に悪影響を与えることなく材料の選択的な化学的処理を提供することができない場合が多い。その結果、ミクロスケールまたはナノメートルの成分寸法および／または従来にない材料および構成を含む多くのシステムの大量生産は、現実性がなく、経済的でもない。
本発明は、構造上にパターン化された材料層を形成する方法を提供して、従来の従来のリソグラフィー技術の限界を克服するものである。その方法では、構造の表面上に蒸気を凝縮させて固体凝縮物層とし、次に凝縮物層の選択領域にエネルギーのビームを照射することで、その選択領域を局所的に除去して、その選択領域で構造を露出させる。次に、材料層を固体凝縮物層および選択領域での露出した構造の上面に成膜する。次に、固体凝縮物層および固体凝縮物層上に成膜された材料層の領域を除去して、構造上にパターン化された材料層を残す。
本発明のパターニング技術では、液体スピニングや焼成が必要なく、フォトレジスト現像段階が必要ない。これによって、溶媒を用いる必要性がなくなり、一般的にミクロ規模およびナノ規模の構造の液体加工において問題となる、例えば液体流動、汚染および表面張力が原因となる有害なデバイス効果が防止される。本発明の他の特徴および利点は、下記の説明および添付の図面から、そして特許請求の範囲から明らかになろう。
図１Ａについて説明すると、固体凝縮ガス層を用いたリフトオフパターニングのために本発明によって提供される技術を行うためのシステム１０の模式図を示してある。システム１０には、例えば真空ポンプに至る配管１４によってチャンバを所望の圧力までポンプ吸引するためのポンプ口１３を有するチャンバ１２がある。本発明に従って加工される構造１５が、構造ホルダー１６上に設けられている。図１Ａに示した構成例では、構造１５平面基板として示してあるが、それが本発明で必要なわけではない。下記で詳細に説明するように、広範囲の構成での３次元構造を用いることができる。構造ホルダー１６には、例えば構造の冷却のために、構造の電気的制御および温度制御を可能とする好適な接続部１８を設けることができる。別の温度制御要素をチャンバ１２中に設けることができる。例えば、従来のコールドフィンガー２０を配置して、構造の近傍においてチャンバをポンプ吸引することができる。
図１Ｂについても説明すると、供給源２２が接続管２４を介してインジェクタ２６に取り付けられて蒸気２８を提供するようになっており、それが凝縮して固体凝縮物層３０、すなわち固体凝縮ガスの層となる。図１Ｂに示したように、固体凝縮ガス層が構造１５上に形成されるように、チャンバの条件を設定する。固体凝縮ガスは、チャンバの他の部分にも形成することができるが、本発明に関しては、構造１５上での固体凝縮物形成のみが必要である。
図１Ｃについても説明すると、チャンバ１２には、固体凝縮物層３０上の対象位置３６に制御可能に当てることができるエネルギービーム３４または複数ビームの１以上の供給源３２が設けられている。エネルギービーム３４は、チャンバ条件下で制御されて、ビームが当たる対象位置のみで、固体凝縮物３０の局所的除去を引き起こす。そのビームは、固体凝縮物の局所除去を誘導する。下記で詳細に説明するように、この除去工程では、エネルギービームによって、固体凝縮物を固相から気相に変換することができる。本発明によって提供される一つの技術では、ビームが当たっている位置で、構造３０が凝縮物層下で露出されるまで、エネルギービーム３４による固体凝縮物層３０の誘導局所除去を続ける。固体凝縮物層が除去されつつある間、そしてその層が除去された後、構造の加工を実施することができる。その後、残りの固体凝縮物層部分を、多くの技術のいずれかによって除去し、好ましくは層を固相から気相に変換し戻すことで除去する。これらプロセス技術のそれぞれの態様について、下記で詳細に説明する。
最初に、固体凝縮物層の特徴についてさらに詳細に検討すると、蒸気の固相への凝縮により、本発明に従ってそれが形成される。蒸気の発生源２２は、１以上の固体、液体、蒸気相ガス、蒸気、ガスその他の構成成分、または構成成分の組み合わせであることができる。必要なものは、チャンバ中で構造１５上に凝縮させるためのプロセスチャンバ１２への蒸気２８の送出のみである。例えば、霧化、昇華もしくはスパッタリング技術、または他の好適な固体、液体もしくは蒸気相化学処理を用いて、凝縮される蒸気を発生させることができる。
凝縮される蒸気の構成成分は、構造の特徴、固体凝縮物層の誘導局所除去に用いられるエネルギービームおよび構造上の所定位置に固体凝縮物を設けて実施される構造の加工に基づいて選択される。本発明によれば、固相から気相への変換によって固体凝縮ガス層を構造から除去することが好ましい。固体凝縮ガス層を、気相から固相への変換によっても形成することを考慮すると、高蒸気圧材料が、凝縮物の良好な候補材料となり得る。
本発明による一例では、蒸気供給源２２には、水蒸気を含むか、あるいは実質的に完全に水蒸気からなるチャンバ中での蒸気２８の製造を可能とする水蒸気供給源などがある。水が、広い利用可能性、低コスト、取り扱い易さおよび他の良好な属性のため、多くの用途用の好ましい蒸気の候補となり得る。水蒸気は、適切な温度および圧力条件下で蒸気相から凝縮させて固相とすることができ、エネルギービームとの誘導相互作用によって選択的に局所的に除去することができ、残留物または不純物を生じることなく固相から蒸気相に変換することができる。それにより、水蒸気によって、容易かつ制御可能に形成および除去することができる固体凝縮物層を作ることができる。
再度図１Ａについて説明すると、水蒸気からの固体凝縮ガス層製造のために本発明が提供する工程の一例では、水蒸気の供給源２２、例えば液体の水、エプソム塩、硫酸塩、気化し得る他の高蒸気圧固体、または他の蒸気供給源が提供される。ここでは、チャンバへのインジェクタ２６は、例えば単純なリークバルブ、マスフロー制御装置その他の好適なインジェクタとして提供することができる。水蒸気からの薄い固体凝縮物層製造を制御するには、水蒸気の導入を制御することが好ましい場合がある。インジェクタが指向性蒸気注入を行うチューブノズルを含み得ることを考慮すると、高度に制御可能なバルブその他の制御装置を、チャンバへの導入蒸気の拡散を可能とする拡散器その他の機器とともに用いることが好ましい場合がある。
固体凝縮層を形成するチャンバ中の構造へのチャンバの蒸気インジェクタの近さが、固体凝縮物形成に影響し得ることが認められている。具体的には、シャドーイングおよび点源効果がインジェクタ付近で起こり得ることが認められている。従って、構造の大きさは、構造ホルダーからチャンバインジェクタへの距離に関して考慮することが好ましい。相対的に広い構造表面には相対的に大きい距離が好ましいと考えられ、インジェクタおよび／または構造ホルダーの位置決めはそれに従って調節する。さらに、または別形態として、並列の蒸気供給源、例えばシャワーヘッド配置を用いることができる。
水蒸気から固体凝縮ガス層を形成する方法の例について引き続き説明すると、対象となる構造１５がサンプルホルダー１６上に設けられ、帯電エネルギービーム種を用いる用途用にサンプルを電気的に接地することができるように、接続部１８が形成されている。帯電エネルギービーム種を用いる用途では、サンプルの電気的絶縁ではなく、そのような電気的接続を行うことで、サンプルからのエネルギービーム種の電荷を抜き取ることができるようにすることが好ましい場合がある。次に、構造ホルダー１６を温度制御して、そのような局所冷却が好ましい用途用に構造の温度を調節する。従って、多くの用途において、構造が、構造ホルダーと良好な熱的、電気的および機械的接触を行えるようにすることが好ましいと考えられる。この場合、両面カーボンテープ、シリコングリースその他の補助材を用いることができる。
構造の温度は、選択される固体凝縮物種に基づいて調節される。水蒸気を用いる例では、構造の温度は、水蒸気が凝縮して固体氷凝縮物層を形成する温度以下に保持される。多くの用途で、構造温度を１８０Ｋ以下に維持することが好ましいと考えられ、より好ましくは構造温度を１３０Ｋ以下に維持して、均一で平滑な共形の固体氷凝縮物層を形成できるようにする。しかしながら、この特定の温度範囲は、本発明の要件ではない。むしろ本発明では、例えば氷層などの固体凝縮物層が非常に急速に昇華して蒸気となることで、その層が完全に除去されてから、エネルギービームによる固体凝縮物の局所除去を起こし得る温度より高くならないように維持することが必要である。
下記で説明するように、代表的には非晶質のガラス質層によるものである均一性、平滑性および共形性という固体凝縮物層の特徴が、構造の被覆を至適なものとし、エネルギービームによる固体凝縮物の局所除去の正確な制御を行う上で好ましいと考えられる。プロセスチャンバは室温に維持し、構造ホルダーが基板温度を制御するようにすることができるか、ないしはチャンバ自体を用いて構造を冷却することができる。サンプルの局所温度調節が、それを制御しやすくする上で好ましいと考えられる。構造ホルダーを用いて構造温度を調節する場合、低温ステージその他の低温冷却構造ホルダーが、構造温度を１００Ｋの範囲とする上で好ましいと考えられる。
図１Ａに示したように、コールドフィンガー２０を用いて、構造近くの温度を制御することができる。そのようなコールドフィンガーは、特にはプロセスチャンバが非常に清浄であることが知られている場合には必要ではない。清浄でない場合は、コールドフィンガーを用いて、チャンバ中の漂遊水、炭化水素および他の汚染物質を引きつけることが好ましい場合がある。この場合、コールドフィンガーは好ましくは、構造の温度より低い温度に設定することで、汚染物質の正味フラックスが構造上にではなくコールドフィンガー上で大きくなるようにする。ここでの水蒸気の例の場合、構造の温度を水蒸気凝縮のために約１３０Ｋ未満に設定して、液体窒素冷却によってコールドフィンガー温度を約７７Ｋとすることが好ましいと考えられる。コールドフィンガーは、構造ホルダーに非常に近いところに配置することができ、好ましくは構造にできるだけ近く配置する。
温度制御に加えて、固体凝縮物層を形成する構造の付近での蒸気圧の制御が必要である。プロセスチャンバのバックグラウンド圧は、固体凝縮物形成に対してより大きく影響する構造付近の圧力ほど重要ではない。具体的には、局所圧が固体凝縮物形成の特性および速度に直接影響することが認められている。例えば、凝縮物層が約２５ｎｍ／秒未満の速度で形成される場合に、均一で平滑な共形の固体氷凝縮物層を形成可能であることが認められている。構造温度が約１８０Ｋ未満であるとすると、この固体凝縮物形成速度を達成するには、約１０−４Ｔ未満の局所圧を用いることができる。本発明によれば、蒸気をチャンバに導入して固体凝縮物形成を行う前に、基底チャンバ圧を加えて、蒸気凝縮時に望ましくない分子の凝縮が全く起こらないか、非常に少数しか起こらない比較的清浄な真空環境を確保することが好ましいことがわかる。水蒸気を用いる方法の例では、そのような基底チャンバ圧として約１０−６Ｔ未満の圧力が好ましいものと考えられる。この基底圧に達したら、次に、蒸気の種類および他の特性に基づいて選択された凝縮圧を加えることができる。水蒸気凝縮の例の場合、基底圧より高い凝縮物形成圧力、例えば約１０−４〜１０−６Ｔの圧力が、多くの用途において好ましいものと考えられる。水蒸気を用いる例についての説明を続けると、構造温度を調整して約１８０Ｋ未満とし、構造付近の圧力を調整して例えば約１０−４Ｔの選択圧力としたら、チャンバへの水蒸気の注入を開始することができる。水蒸気がチャンバに入っている時に、圧力ゲージその他のモニタリング装置を用いて、蒸気注入を追跡することができる。構造付近の圧力をモニタリング可能な圧力ゲージを用いることが好ましいと考えられる。チャンバ条件の経験的較正を用いて、固体凝縮物形成速度を圧力の読み取り値と関連付けることができる。構造の電子ビーム撮像によって、固体凝縮物形成時に水蒸気の固相凝縮をｉｎ ｓｉｔｕでモニタリングすることもできる。再度図１Ａについて説明すると、固体凝縮物層が形成される際の構造を走査し、構造の相当する画像を得るための走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）などの電子ビーム装置を収容するように、ビーム供給源３２を作ることができる。電子ビームによって構造を走査する際には、固体凝縮物層形成に応じた構造の変化から二次電子が発生し、そのような変化が構造画像の明るさに反映される。同様に、ＩＲ吸収測定をｉｎ ｓｉｔｕで行うことができる。これらのｉｎ ｓｉｔｕ技術によって、水蒸気凝縮のリアルタイムモニタリングを行うことができる。
約１２８Ｋの温度および約１０−４Ｔの局所圧に維持されたシリコン基板上への水蒸気からの固体凝縮物形成によって、安定で劣化しない本明細書において水氷層と称される固体凝縮物層が生じることが、実験的に認められている。約１２８Ｋの温度では、昇華エネルギー約０．４５ｅＶでわずか約０．３単層／時の速度で氷が昇華することが知られている。結果的に、チャンバの温度および圧力条件が上記のレベルに維持されている限り、水氷層は安定であり、昇華その他の劣化を起こすことはほとんどない。
直前に示した固体氷凝縮物形成条件下では、氷凝縮物が平滑、均一かつ共形であり、ＳＥＭ画像の解像度で非晶質であるように思われることが、実験的に認められている。シリコンウェハの温度を上昇させて約１５３Ｋとしながら氷凝縮物層のＳＥＭモニタリングを行うことで、氷凝縮物表面画像が平滑な外観から粒状の外観に遷移することが、実験的に認められた。この粒状遷移は、氷の非晶質から立方氷相遷移温度に相当し、約１３０Ｋ以下の温度に氷凝縮物層を維持することで、安定な非晶質形態を維持することが可能であることを示している。本発明によれば、得られる固体氷凝縮物層の形態が許容できるものであれば、１３０Ｋより高い温度を用いることが可能であることがわかる。
本発明によれば、自己集合プロセスによって、構造表面の特定位置に選択的に固体氷凝縮物層を形成することができる。例えば、従来の自己集合プロセスを用いて、選択的に疎水性または親水性である構造表面上に層化領域の配置を形成することができる。そのような疎水性および親水性表面領域の配置により、水蒸気凝縮を行って、親水性表面領域上のみに固体氷凝縮物層を形成することができる。
上記の水蒸気処理が完了して選択された厚さの固体氷凝縮物層が形成されたら、その氷層の誘導局所除去を上記の方法で行うことができ、それについて下記でさらに詳細に説明する。残った氷層は、やはり下記で説明するように除去することができる。
最初に水蒸気以外の蒸気について検討すると、本発明は広範囲の別の蒸気構成成分を想到するものである。固体凝縮物層の形成において蒸気構成成分について必要な点は、蒸気相から固相への変換のみである。この基準は、多くの用途において実用的であるチャンバ温度および圧力条件で、多くの蒸気に関して満足され得る。当業者であれば、チャンバ温度および圧力を調節して、蒸気から固体への変換を行えるプロセス条件を得ることが可能であることは明らかであろう。選択された蒸気を構造付近に導入して構造上での固体凝縮を行うことができるのは、この条件下でのことである。
例えば、水蒸気凝縮に関して上記で説明した通り、約１３０Ｋ以下の構造温度および約１０−６Ｔ未満の局所圧で、平滑で均一な共形の安定な氷凝縮物層を形成することができる。相当する圧力−温度の組み合わせも同様に、他の選択される蒸気種について決定することができる。すなわち、所定の蒸気種が蒸気相から固相に凝縮する温度および圧力の範囲を確認し、所定の用途に最も好適な条件を選択する。所定の用途について、好適な圧力−温度の組み合わせを実際に実行することが可能である限り、相当する蒸気種は固体凝縮物形成の候補である。例えば、液体窒素の低コストおよび入手性を考慮すると、液体窒素温度での蒸気から固体への凝縮を可能とする圧力−温度の組み合わせを、相当する用途で用いることができる。
蒸気種の選択においては、他の検討が多く行われる。理解すべき点として、下記で詳細に説明されるエネルギービームによる固体凝縮物層の局所誘導除去のプロセスでは、ビームにより、固体凝縮物層の下の構造の表面に到達し得るエネルギーのプロファイルが生じる。それによって、凝縮物層と構造との間に化学的相互作用が生じ得る。固体凝縮物層の反応性と構造の反応性も、ビームのエネルギーによって高めることができる。さらに、ビームのエネルギーによって、固体凝縮物層のプロセスチャンバ周囲との反応が誘発され得る。
従って、固体凝縮物層および／または構造材料の反応を低下または禁止したい場合は、固体凝縮物層の形成に不活性ガス種を用いることが好ましいと考えられる。不活性ガスまたはアルゴン、クリプトン、ゼノン、キセノンもしくはラドンなどの希ガスを用いることができる。液体窒素、アルコール類、メタンおよび他の蒸気種を用いることもできる。
蒸気種選択についてさらに検討すべき点は、固体凝縮物層の除去に関するものである。上記で簡単に説明したように、所定位置に固体凝縮物層がある構造の加工が完了したら、固体凝縮物層を除去し、好ましくは蒸気相に変換し戻すことで除去する。従って、凝縮水蒸気についての前記の例のように、そして下記で詳細に説明するように、蒸気種は好ましくは、例えば加熱によって蒸気相に変換することで除去可能な固体凝縮物層を形成するよう選択する。
再度図１Ｃについて説明すると、どの蒸気種を選択するとしても、その化学種が凝縮して構造１５上に固体凝縮物層３０を形成したら、エネルギービーム３４を層３０の特定位置３６に当てて、その層の誘導局所除去を行わせる。この局所除去プロセスをナノメートル規模および複雑な構造構成に利用できるようにするには、上記の層に関して均一性、平滑性および共形性の条件が好ましい。通常は、均一、平滑かつ共形である傾向があることから、非晶質層が多くの用途において好まれると考えられる。しかしながら、非晶質形態は、その層における絶対要件ではない。
エネルギービーム３４と固体凝縮物層３０との相互作用は、結晶方位依存性である可能性があることがわかる。さらに、例えば昇華による、蒸気への変換による固体凝縮物層の除去は、昇華エネルギーが結晶方位によって決まり得るという点で、結晶方位依存性であると考えられる。従って、多結晶または結晶固体凝縮物層が必要な場合、または非晶質形態が達成できない場合、多くの用途において、結晶形態の結晶はできるだけ小さくすることが好ましいものと考えられる。
本発明によれば、エネルギービームを、固体凝縮物層の選択された箇所に当てて、層の誘導局所除去を起こす。この工程で、ビームのエネルギーが局所的に層と相互作用して、局所層除去を生じる。従って、この局所除去を起こすビーム種は好ましくは、エネルギー付与プロファイルおよび所定の固体凝縮物種についてのビームの集束能力に基づいて選択する。より具体的には、局所除去凝縮物領域についての達成可能な解像度は、エネルギービームを局在させる能力によって直接影響される。ビーム種、エネルギー、線量および他の特性も、経験的に至適化して、さらに高解像度が得られるようにすることができる。
多くの用途において、エネルギービーム種として電子ビームが好ましいものであることができる。電子ビームは高度に集束可能であり、電子ビームのエネルギーは制御可能であり、そのビームは走査可能である。電子ビームは固体凝縮物層と相互作用することから、電子ビームは、層を通過する電子の横断および層中における電子の蓄積によって、凝縮物層の電気的状態および構造的状態が変わり得る。このエネルギー相互作用は、それが分子的性質ではなく、実質的に電気的性質であるという点で、高度に局在するものと理解される。エネルギー相互作用が進行するに連れて、例えば誘導腐食、昇華、摩耗、イオン化その他の機構によって、相互作用の箇所で固体凝縮物が除去される。局所除去は、図１Ｃに示したように、対象箇所３６で固体凝縮物層３０が完全に除去されて、下層の構造１５が露出するまで続けることができる。
凝縮物層に照射される電子ビームのエネルギーは好ましくは、検討している固体凝縮物層の厚さに基づいて選択される。所定の凝縮物層厚に関して、電子ビームエネルギーを強くすることで、誘導局所凝縮物除去の解像度が高くなる。従って、所定の電子ビームエネルギーに関して、固体凝縮物厚が低下すると、誘導局所凝縮物除去の解像度が上昇する。ある一定の状況下では、電子ビームエネルギーが上昇すると、より高度のビーム集束が可能となり得る。所定の凝縮物層厚に関して電子ビーム条件を最適化できるようにするには、何らかの経験的分析が好ましいと考えられることは、当業者には明らかであろう。
固体氷凝縮物層の電子ビーム−誘導局所除去の実験例の結果を考慮すると、エプソム塩の水蒸気供給源を用いて約１２８Ｋの温度および約１０−４Ｔの圧力で、シリコン基板上に厚さ約７５ｎｍの固体氷凝縮物層が形成された。氷凝縮物層が形成された後、基板を温度１２８Ｋに維持した。その後、エネルギー５ＫｅＶおよび焦点直径約５ｎｍを有する電子ビームを、氷凝縮物層上の５００ｎｍ平方の箇所に当て、それを通って走査した。５００ｎｍ平方の箇所で氷凝縮物層を完全に除去し、下層のシリコン表面を露出させるには、少なくとも約８．８×１０５μＣ／ｃｍ２の電子ビーム線量が必要であった。
厚さ７５ｎｍの氷凝縮物層が非晶質形態を示すことが、ＳＥＭ検査によって認められた。非晶質氷凝縮物層が密度約０．９１ｇ／ｃｍ３を有すると仮定して、５ＫｅＶ電子ビームにおける氷凝縮物層の誘導局所除去の歩留まりは、約０．０３であることが確認される。すなわち、氷凝縮物層に照射された各入射電子に関して、層から０．０３個の氷凝縮物分子が除去される。この除去歩留まりは、電子ビームエネルギーが高くなるに連れて低下することが認められた。例えば、ビームエネルギーが１ＫｅＶから３０ＫｅＶに上昇すると、氷凝縮物除去歩留まりは、一桁低下することが実験的に認められた。逆に、１２８Ｋから１５８Ｋに上昇する場合には、氷凝縮物除去歩留まりはほとんど変わらないことが実験的に認められた。
氷凝縮物層の電子ビーム除去によって得ることができる線幅解像度を、代表的にはポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）などの従来のフォトレジストおよび電子ビーム加工で達成される線幅と比較することは興味深い。電子ビーム露光ＰＭＭＡでは１０ｎｍ未満の最小線幅が示されたが、そのような結果を得るには、代表的には１００ＫｅＶを超えるエネルギーのビームなどの特殊な高エネルギービームならびにＰＭＭＡ現像時の超音波処理などの特殊処理が必要であった。市販の電子ビームリソグラフィー機器を用いてバルクシリコン基板上の電子ビーム露光ＰＭＭＡでより代表的に得られる線幅は、約３０ｎｍのレベルである。対照的に、本発明によって、比較的低い電子ビームエネルギーで、特殊な装置を用いずに、リソグラフィー法で氷凝縮物層の電子ビームパターニングを行って、２０ｎｍ未満のパターン線幅を形成することが可能である。
本発明は、固体凝縮物層を局所的に除去するのに用いることができる広範囲のエネルギービーム種を想到するものである。例えば、そのエネルギービーム種として、イオンビームを用いることができる。しかしながら留意すべき点として、イオンの代表的には比較的大きい質量および相当する低速によって、イオンビームが層に照射された時に、固体凝縮物層の下層にある構造および／または凝縮物層自体に対して損傷があるかイオン注入が生じる可能性がある。イオンビームの凝縮物除去の歩留まりは、電子ビームの場合よりかなり大きいことが認められることから、高い除去歩留まりが望まれる用途の場合、イオンビームが好ましいと考えられる。さらに、ビームの凝縮物層および／または下層構造との化学的相互作用を最少とすべき用途では、不活性イオンビームが好ましいものと考えられる。
イオンビームによって厚さ３００ｎｍを有する固体氷凝縮物層の領域を局所的に除去するために本発明によって提供される方法の一例では、エネルギー３０ＫｅＶ、電流値１０ｐＡおよび直径約１０ｎｍを有する集束Ｇａ＋イオンビームによって、約２０ｎｍという狭い線幅を有する局所固体氷領域を除去した。
他の候補ビーム種には、例えば中性原子ビームなどの原子ビーム、分子ビーム、クラスタービーム、プロトンビーム、α粒子、Ｘ線ビーム、光学ビームおよび他の好適なビーム種などがある。高度に局在化可能なビームが特に有利となり得るものであり、本発明は、利用できる場合には、高度集束ビームの使用を想到するものである。これらまたは他の選択エネルギービームに関して、ビーム特性を選択して、固体凝縮物の誘導局所除去を生じさせる。例えば、光学ビームの波長およびパワーなどの特性を選択して、所定の固体凝縮物層の誘導局所除去を引き起こすことができる。そのような選択の一例において、水が約１７０ｎｍ未満の光波長を大きく吸収することが認められている。従って、固体氷凝縮物層を考慮すれば、比較的低い光波長を用いて固体氷凝縮物層の局所除去を誘導することが好ましいと考えられる。
さらにまたは別法として、固体凝縮物のビーム吸収特性を調節して、所定のビームが凝縮物の層と相互作用する能力を至適化することが好ましいと考えられる。固体凝縮物種を変えることで、ビームエネルギーの吸収を変えることができることが認められている。従って、固体凝縮物構成成分を選択して、凝縮物による所定のビーム種のエネルギー吸収を至適化することができる。例えば、色素を固体氷凝縮物層に加えて、氷層の局所除去に光学ビームを用いる氷層の光学吸収特性を調節することができる。ここで、水蒸気供給源を、色素を含むように調整して、固体氷凝縮物層がその色素を含むようにすることができる。同様に、電子ビームの使用を考慮すると、固体凝縮物層の構成成分を調節して、層の電子特性を調整することで、層の電子吸収が所定の用途に対して至適化されるようにすることができる。
再度図１Ｃについて説明すると、どのビーム種を用いるとしても、エネルギービーム３４を固体凝縮物層３０の位置３６に当てることで、層の誘導局所除去を起こすことができる。ビームを走査して、層の局所除去領域の所望のパターンを形成することができる。そのようなパターンは連続的または断続的であることができ、構造の各種位置で形成することができる。さらに、所定の凝縮物層および／または所望の除去配置における除去要件に応じて、複数のビーム種を構造の各種位置および／または共通位置で用いることができる。
本発明によれば、対象の局所領域で固体凝縮物層３０を除去したら、構造および上側凝縮物層が構造上に成膜される材料の供給源に対して露出して、構造表面上の成膜層のリフトオフパターニングが行える。この材料成膜段階中、固体凝縮物層３０の完全性を維持して、凝縮物層での局所除去パターンの成膜材料への転写ができるようにする。例えば、固体氷凝縮物層を考慮すると、材料を構造およびパターン化された凝縮物層上に成膜している間、氷凝縮物が安定な非晶質固体の状態に留まる圧力および温度条件を維持することが好ましい。
本発明によって提供される方法の一例では、一定の温度および圧力条件下で固体凝縮物の形成および加工ならびにｉｎ ｓｉｔｕでの材料成膜が可能な多チャンバプロセス筐体を用いる。例えば図１Ｄに示したように、そのような多チャンバ筐体では、上記のもののような第１のチャンバ１２を設けて、固体凝縮物層の形成およびエネルギービームによる局所除去ができるようにする。第２のチャンバ４０は、第１のチャンバ１２と直接連結されて設けられていることで、両方のチャンバに共通の温度および圧力条件を設定することができる。第２のチャンバ中では、材料成膜源４１、例えばスパッタリング源があることで、構造１５およびパターン化された固体凝縮物層３０上への対応する材料層４３のブランケット成膜を行うための蒸気相材料構成成分４２が生成される。
構造の全ての加工を図１Ｄに示したように多チャンバシステムで行う必要はない。固体凝縮物層の完全性が保全される限りにおいて、構造加工はいずれか好適な装置で進行させることができ、別々のチャンバで行うことができる。材料成膜プロセスは、好適な成膜技術によって実行可能であり、蒸気加工技術が好ましい。スパッタリング、蒸発、化学蒸着、プラズマ成膜その他の好適なプロセスを用いることができる。
図１Ｄに示したように、いずれの材料成膜プロセスを用いるとしても、それによって、構造１５およびパターン化された凝縮物層３０がブランケット被覆される。従って、材料成膜技術および成膜用に発生される材料構成成分によって、構造およびパターン化された凝縮物層の実質的に均一かつ共形の被覆が可能であることが好ましい。成膜の開始および進行時に、構造の露出表面領域が、堆積する材料に関して良好な接着表面であることを特徴とすることも好ましい。
構造およびパターン化された凝縮物層上に材料のブランケット層が成膜されたら、凝縮物層および上側成膜層を除去して、凝縮物層の上に配置された成膜材料の領域をリフトオフする。この除去プロセス中、構造の露出領域上に堆積した材料は、その場所に残る。その結果、凝縮物リフトオフによって、事前の凝縮物層の局所除去に相当する配置において成膜材料のパターンを形成することができる。
図１Ｅに示したように、凝縮物層４２の除去は、選択された加工チャンバ中で実施することができる。例えば、構造を第１の加工チャンバ１２中に配置し、チャンバ１２およびそのチャンバの温度および圧力条件を調節することで、凝縮物層３０および凝縮物層の上の材料層４２の領域が除去されるようにすることができる。そうして、構造１５上に材料のパターン化された領域４５が形成される。
本発明によれば、固体凝縮物層および上側材料層のリフトオフは、いずれか好適な技術によって行うことができる。液体もしくは蒸気相加工を適宜に用いることができる。ある特に有利な技術では、固体凝縮物層および上側材料層のリフトオフは、層の蒸気から固体凝縮物形成を逆にするプロセスでの固体相から蒸気相への凝縮物層の変換によって行われる。そのような固体から蒸気のプロセスによって、構造上の残留形成が低減され、構造に対する液体表面張力効果が低減され、廃棄物が低減される。例えば、固体氷凝縮物層を考慮すると、凝縮物層が昇華する温度まで構造温度を上昇させることで、そのｉｎ ｓｉｔｕ昇華を行うことができる。このｉｎ ｓｉｔｕ昇華プロセスを制御して、部分的な層厚低減および／または完全な層除去を行えるようにすることが可能である。
氷凝縮物層が約１３０Ｋ未満の構造温度および１０−４Ｔ未満の圧力で形成された前述の固体氷凝縮物形成プロセス例を考慮すると、１０−４Ｔ未満の圧力で構造温度を約１８０Ｋまで上昇させることで、氷凝縮物層が完全に除去され、上側材料層のリフトオフが可能であることが認められる。
理解すべき点として、所定の凝縮物についての温度の関数としての固体凝縮物の昇華エネルギーが、凝縮物の層を昇華させる実際の能力に直接影響する。例えば、固体氷凝縮物層に関して、温度Ｔの関数としての昇華速度Φ（Ｔ）は、下記のように表すことができる。
式中、Ｃは経験的に求められる定数であり；Ｅｓｕｂは、固体氷については０．４５ｅＶとして与えられる昇華エネルギーであり；ｋはボルツマン定数である。定数Ｃは、経験的に求められて、約１．８×１０２１分子／（ｃｍ２ｓ３．５）であった。これにより、約１２８Ｋの温度で、固体氷凝縮物の層はわずか約０．３単層／時という速度で昇華するという結論が得られる。この表現を用いて、固体氷凝縮物層の昇華を、ある温度でないしは所定のプロセス用途において実際に行われる期間中に実施できるか否かを確認することができる。
さらに理解される点として、一部の用途において、凝縮物層の昇華途中で、上層が凝縮物を捕捉して、昇華が進まなくなる場合がある。そのような状況では、上層または基板にアクセス用開口を設けて、凝縮物層の昇華ができるようにすることが好ましいものと考えられる。そうして、多層系における固体凝縮物層の完全な昇華を行うことができる。
所定の固体凝縮物層の昇華の温度または時間特性が所定の用途において現実的ではない場合、昇華以外のプロセスによって固体凝縮物層を除去することができる。例えば、蒸気加工、湿式加工その他の従来の層除去法を用いることができる。さらに、電子ビームなどのエネルギービームを層横断的に走査することで、層の全ての部分を完全に除去することができる。
しかしながら、多くの用途において、それぞれ固体から蒸気プロセスおよび蒸気から固体プロセスによって固体凝縮物層を除去および形成することが好ましいと考えられる。そうすることで、液体スピニング、焼成、湿式加工および他のそのような方法などの従来の方法を必要としない完全に乾式の成膜および除去サイクルが可能である。従って、溶媒および他の環境上有害な化学物質の廃棄の必要性を回避することができる。
しかし、本発明に従って明らかな点として、ある種の状況下で、そして一部の用途において、全乾式昇華プロセスに加えてまたはそれに代えて別途固体凝縮物除去法を用いることが好ましい場合がある。例えば、固体氷凝縮物層の場合、昇華に代わるもしくはそれに追加しての簡単な融解による液相化および／またはリンスその他の除去法によって、層の除去を行うことができる。明らかな点として、昇華プロセスの際、下層構造上に、材料層のわずかな堆積などの残留物形成が起こる場合がある。そのような状況では、リフトオフプロセス完了後に、リンスまたはクリーニング技術を用いて、そのような残留物の除去を行うことが好ましい。
本発明によって提供されるリフトオフ技術の実験的な一例では、厚さ２０ｎｍの固体氷凝縮物層を、上記の方法でシリコン基板上に形成した。３０ＫｅＶの電子ビームを用いて、合計線量４．５μＣ／ｃｍで氷凝縮物層の直線経路を局所的に除去した。局所氷凝縮物層の除去後、図１Ｄのようなチャンバ中でのスパッタリングによって、厚さ８ｎｍのＣｒ層を、基板およびパターン化された氷凝縮物層上にブランケット成膜した。スパッタ成膜段階中、プロセスチャンバの温度および圧力は約１２８Ｋおよび１０−４Ｔに維持して、氷凝縮物層の完全性を保持した。
次に、氷凝縮物層を昇華させることで、パターン化された氷凝縮物層および上側材料層のリフトオフを行った。これによって、シリコン基板上に幅２４ｎｍのＣｒラインが形成された。２０ＫｅＶの電子ビームを用いて線量４．４μＣ／ｃｍの電子を送って、氷凝縮物層における直線経路の局所除去を行った同様のプロセスで、幅１７ｎｍのＣｒラインがシリコン基板上の形成された。さらに別の実験例では、３０ＫｅＶで１０ｐＡのＧａ＋イオンビームにより、線量３．５×１０３μＣ／ｃｍ２で、氷凝縮物層を正方形領域で局所除去した。Ｃｒブランケット金属化および昇華リフトオフ後に、１μｍ平方のＣｒパッドが形成された。
これらの例は、比較的大きい構成部分と極端に細い線幅の両方を、本発明の凝縮物リフトオフ方法によって達成可能であることを示している。この広範囲のパターニングを用いて、多くの材料および用途に対処することができる。具体的には、リフトオフ用にブランケット成膜される材料層は、構成成分のいずれか好適な組み合わせとして提供することができる。金属化は本発明のリフトオフ法によって特に良好に行われることから、導電性材料、例えば金、銀、パラジウム、クロム、アルミニウムその他の選択される導電性材料を有利に用いることができる。しかしながら、本発明は金属化に限定されるものではない。必要なのは、材料層および下層のパターン化された固体凝縮物層のリフトオフのみである。
さらに、本発明のリフトオフ方法は、いずれか好適な構造および構造的構成で行うことができる。特定の構造上の規則性や平面性は必要ない。本発明の固体凝縮物の堆積、加工および除去技術は、２次元、３次元、平面、円柱または他の形状の構造に適用することでき、通常はトポロジーおよびトポグラフィー依存的である。従って、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）、ナノメートルシステムならびにミクロ−およびナノ−構造が、本発明の固体凝縮物リフトオフ技術によって良好に扱われる。
従来のポリマー系フォトレジスト加工と比較して、本発明の固体凝縮物リフトオフ方法では、液体スピニングや焼成が必要なく、フォトレジスト現像段階が必要ない。局所凝縮物層除去段階、材料成膜段階および凝縮物リフトオフ段階はいずれも、例えばＳＥＭおよび／またはイオンビーム撮像による高解像度ｉｎ ｓｉｔｕモニタリングを行いながら、単一プロセスチャンバ環境で行うことができる。凝縮物は、従来のＵＶビームおよび電子ビームなどのエネルギービームの広い選択肢のいずれかによって局所パターニングすることができる。凝縮して固相となり、所定の用途に好適な材料特性および化学特性を与える特定の蒸気を用いて、凝縮物層を形成することができる。凝縮物層のリフトオフはいずれか好適な技術によって行うことができ、有利には昇華によって除去することができる。これによって、溶媒を用いる必要性がなくなり、一般的にミクロ規模およびナノ規模の構造の液体加工において問題となる、例えば液体流動、汚染および表面張力が原因となる有害デバイス効果が防止される。
当然のことながら、当業界に対する本発明の寄与の精神および範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者が本発明の各種変更およびそれへの追加を行うことができることは明らかである。従って、理解しておくべき点として、本願によって提供されるべき保護は、特許請求の範囲の主題ならびに本発明の範囲に正当に含まれる全ての均等物に拡大されるべきである。
１０ システム
１２ チャンバ
１３ ポンプ口
１４ 配管
１５ 構造
１６ 構造ホルダー
１８ 接続部
２０ コールドフィンガー
２２ 供給源
２４ 接続管
２６ インジェクタ
２８ 蒸気
３０ 固体凝縮物層
３２ 供給源
３４ エネルギービーム
３６ 対象位置
１２ チャンバ
１３ ポンプ口
１４ 配管
１５ 構造
１６ 構造ホルダー
１８ 接続部
２０ コールドフィンガー
２２ 供給源
２４ 接続管
２６ インジェクタ
２８ 蒸気
３０ 固体凝縮物層
３２ 供給源
３４ エネルギービーム
３６ 対象位置
Claims (34)
- 構造上にナノパターン化された材料層を形成する方法において、
前記構造の表面上に蒸気を凝縮させて非晶質固体水凝縮物層とする段階；
選択領域に１ｋｅＶから３０ｋｅＶの間のエネルギーの集束電子ビームを当てることで前記非晶質固体水凝縮物層の少なくとも一つのナノサイズの選択領域を局所除去し、前記選択領域で前記構造を露出させる段階；
前記非晶質固体水凝縮物層の上面および前記選択領域で露出した前記構造上に材料層を成膜する段階；および
前記非晶質固体水凝縮物層および前記非晶質固体水凝縮物層の上面に成膜された前記材料層の領域を除去して、前記構造上にパターン化された前記材料層を残す段階
を含む前記方法。 - 凝縮して前記非晶質固体水凝縮物層となる蒸気が、前記構造が配置されているプロセスチャンバ中に蒸気として注入される請求項１に記載の方法。
- 凝縮して前記非晶質固体水凝縮物層となる蒸気が、蒸気供給源、液体供給源、固体供給源のうちいずれかから供給される請求項１に記載の方法。
- 凝縮して前記非晶質固体水凝縮物層となる蒸気が、水蒸気を含む請求項１に記載の方法。
- 前記非晶質固体水凝縮物層が、氷を含む請求項１に記載の方法。
- 前記構造の表面に局所的な温度および圧力条件を制御して、前記構造の表面上で蒸気を前記非晶質固体水凝縮物層へ凝縮させる段階をさらに含む請求項１に記載の方法。
- 前記構造の表面に局所的な前記温度条件を制御する段階は、前記構造の温度を制御するように構成された構造ホルダー上に前記構造を配置する段階を含む請求項６に記載の方法。
- 前記構造の表面に局所的な制御された前記圧力条件が、真空条件として特徴付けられる請求項６に記載の方法。
- 凝縮して前記非晶質固体水凝縮物層となる蒸気が水蒸気を含み、前記構造に局所的な圧力が１．３×１０−２Ｐａ（１０−４Ｔ）未満に制御される請求項６に記載の方法。
- 凝縮して前記非晶質固体水凝縮物層となる蒸気が水蒸気を含み、前記構造に局所的な温度が１５３Ｋ未満に制御される請求項６に記載の方法。
- 凝縮して前記非晶質固体水凝縮物層となる蒸気が水蒸気を含み、前記構造に局所的な温度が１３０Ｋ未満に制御される請求項８に記載の方法。
- 前記非晶質固体水凝縮物層が、前記非晶質固体水凝縮物層によるエネルギービームの吸収を最適化するよう選択される添加剤を含有する請求項１に記載の方法。
- 前記非晶質固体水凝縮物層の少なくとも一つの選択領域を局所除去する段階が、前記選択領域における前記非晶質固体水凝縮物の蒸気への局所変換を含む請求項１に記載の方法。
- 前記非晶質固体水凝縮物の蒸気への局所変換が、前記選択領域における前記非晶質固体水凝縮物層の局所昇華を含む請求項１３に記載の方法。
- 前記非晶質固体水凝縮物層の少なくとも一つの選択領域を局所除去する段階が、前記材料層における所望のパターンに相当する経路に沿って前記非晶質固体水凝縮物層上を前記集束電子ビームで走査する段階を含む請求項１に記載の方法。
- 前記材料層が、スパッタリング、蒸着、化学蒸着、蒸発、プラズマ成膜のうちいずれかによって成膜される請求項１に記載の方法。
- 前記材料層が、導電性材料を含む請求項１に記載の方法。
- 前記材料層が、クロム、金、アルミニウム、銀、パラジウムのうちいずれかの導電性材料を含む請求項１７に記載の方法。
- 前記構造が、シリコン基板を含む請求項１に記載の方法。
- 前記材料層が、前記非晶質固体水凝縮物層および前記選択領域において露出した前記構造の表面上にブランケット層として成膜される請求項１に記載の方法。
- 前記非晶質固体水凝縮物層の局所除去および前記材料層の成膜時に、前記構造に局所的な温度および圧力条件を制御して、前記非晶質固体水凝縮物層の安定性を実質的に維持する段階をさらに含む請求項１に記載の方法。
- 前記非晶質固体水凝縮物層および前記非晶質固体水凝縮物層上に成膜された前記材料層の領域の除去が、前記非晶質固体水凝縮物層の蒸気への変換を含む請求項１に記載の方法。
- 前記非晶質固体水凝縮物層の蒸気への変換が、前記構造を加熱して前記非晶質固体水凝縮物層を蒸気に変換する段階を含む請求項２２に記載の方法。
- 前記非晶質固体水凝縮物層の蒸気への変換が、前記非晶質固体水凝縮物層の昇華を含む請求項２２に記載の方法。
- 前記非晶質固体水凝縮物層および前記非晶質固体水凝縮物層上に成膜された前記材料層の領域の除去が、前記非晶質固体水凝縮物層を除去する時の前記材料層の領域をリフトオフするプロセスを含む請求項１に記載の方法。
- 前記蒸気の凝縮、前記非晶質固体水凝縮物層の局所除去、前記材料層の成膜および前記非晶質固体水凝縮物層の除去が、共通の加工チャンバユニットで行われる請求項１に記載の方法。
- パターン化された前記材料層が、１μｍ未満のパターン線幅によって特徴付けられる請求項１に記載の方法。
- パターン化された前記材料層が、２５ｎｍ未満のパターン線幅によって特徴付けられる請求項２７に記載の方法。
- 集束電子ビームを前記選択領域に向けて方向付けるステップは、前記集束電子ビームを前記選択領域に沿ってスキャンするステップを含む、
請求項１記載の方法。 - 前記集束電子ビームは、５ｋｅＶのビームエネルギーによって特徴付けられる、
請求項１記載の方法。 - 前記集束電子ビームは、５ｎｍのビーム直径によって特徴付けられる、
請求項１記載の方法。 - 前記局所領域の除去の間に、前記構造を電気的に接地することにより、前記構造から電子ビーム電荷を抜き取るステップをさらに有する、
請求項１記載の方法。 - 蒸気を前記非晶質固体水凝縮物層へ凝縮させる段階は、前記構造の表面上に２５ｎｍ／秒未満の凝縮率で凝縮を実施するステップを含む、
請求項１記載の方法。 - 蒸気を前記非晶質固体水凝縮物層へ凝縮させる段階は、１．３×１０−２Ｐａ（１０−４Ｔ）未満の局所圧力および１２８Ｋ以下の局所温度で凝縮を実施するステップを含む、
請求項１記載の方法。
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