JPH05109610A

JPH05109610A - 電子ビーム露光装置及びその装置による微細パターン形成法

Info

Publication number: JPH05109610A
Application number: JP29374791A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Tamamura; 敏昭玉村; Toshio Nishida; 敏夫西田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1991-10-14
Filing date: 1991-10-14
Publication date: 1993-04-30

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は微細構造半導体素子、特に、III −
Ｖ族化合物半導体素子の微細加工に用いる電子ビーム露
光装置及び該装置による微細パターン形成法に関するも
のであり、レジストを使用しないで、安定にかつ容易に
極微細パターンの形成を可能とする電子ビーム露光装置
及び該装置による微細パターン形成法を提供するもので
ある。【構成】本発明の構成は、オゾンを発生する機構及び
生成したオゾンを含む気体を試料ステージ上に導入する
機構を有することを特徴とする電子ビーム露光装置とし
ての構成を有するものであり、或いはまた、上記の電子
ビーム露光装置による微細パターン形成法であって、電
子ビームを試料上にパターン状に走査することにより微
細パターンを形成するとともに、電子ビームの走査時に
オゾンを含む気体を試料上に導入することを特徴とす
る、電子ビーム露光装置による微細パターン形成法とし
ての構成を有するものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は微細構造半導体素子、特
に、III −Ｖ族化合物半導体素子の微細加工に用いる電
子ビーム露光装置及びその装置による微細パターン形成
法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】電子のドブロイ波長と同程度となる１０
ｎｍ前後のサイズに電子を閉じ込めた量子構造を利用し
た、高性能なレーザやスイッチ等の新しい素子が提案さ
れている。このような素子を実現するため、１０ｎｍ領
域の微細加工技術の開発が進められてきた。このような
極微細なパターンを形成する手段としては、極微細径に
収束した電子ビームを用いる電子ビーム露光技術が有力
である。

【０００３】電子ビーム露光技術では、被加工基板上に
塗布したレジストを所望のパターン状に露光し、現像す
ることにより形成した、レジストパターンを基に、被加
工基板をエッチング等で加工する。微細パターン形成可
能な電子ビーム露光装置では、電子のビーム径を１０ｎ
ｍ程度に収束することが可能であり、このような微細な
ビームを用いることにより、１０ｎｍの加工を実現する
ことが可能になっている。しかし、電子ビーム露光で
は、被加工基板上へのレジストの塗布、レジストを加熱
するベーキング、溶剤を用いた現像、更に適当な加工
後、残存するレジストを除去する工程が必要である。こ
のため、分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）や、有機金属気
相分解法（ＭＯＣＶＤ）等の結晶成長技術で形成した高
品質の半導体薄膜表面に量子構造を形成する際に、清浄
な結晶表面を汚染し、良好な量子効果素子を実現できな
い。問題を解決するため、近年、レジストを使用しない
で、基板上へ電子ビームにより直接パターンを形成する
技術の開発が進められてきた。このような技術として
は、半導体基板表面に半導体基板表面をエッチングする
ことが可能なガスを導入し、電子ビームの照射部分のみ
表面をエッチングする技術と、気相で半導体を形成しう
るガスを導入し、電子ビームの照射領域にのみ半導体を
形成させる技術が研究されている。しかし、これらの方
法では、以下のような問題点があった。

【０００４】半導体基板表面をエッチングするに
は、塩素ガス等の有毒で、腐食性のガスを使用する必要
があり、また、気相で結晶成長する場合も、種々の有機
金属等の有毒で取扱の煩雑なガスを使用する必要がある
ため、電子ビーム露光装置を安定に稼働させることが困
難である。

【０００５】電子ビーム励起で導入ガスと基板を反
応させる効率が低いため、試料室中の残存ガスによる、
炭化水素状の反応物が生成する、いわゆるコンタミネー
ションを起こし、基板表面を汚染したり、結晶の品質を
低下させる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、レジストを
使用しないで、安定にかつ容易に極微細パターンの形成
を可能とする電子ビーム露光装置及びその装置による微
細パターン形成法を提供するものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の構成は下記に示
す通りである。即ち、本発明は、オゾンを発生する機構
及び生成したオゾンを含む気体を試料ステージ上に導入
する機構を有することを特徴とする電子ビーム露光装置
としての構成を有するものである。

【０００８】或いはまた、本発明は、オゾンを発生する
機構及び生成したオゾンを含む気体を試料ステージ上に
導入する機構を有することを特徴とする電子ビーム露光
装置による微細パターン形成法であって、電子ビームを
試料上にパターン状に走査することにより微細パターン
を形成するとともに、電子ビームの走査時にオゾンを含
む気体を試料上に導入することを特徴とする、電子ビー
ム露光装置による微細パターン形成法としての構成を有
するものである。

【０００９】本発明の電子ビーム露光装置では、オゾン
ガスを含む気体を被加工基板表面上に導入する機構を有
するもので、電子ビームを被加工基板表面に照射する
際、基板表面上にオゾンを導入し、選択的に基板表面と
反応させることにより、微細パターンの形成が可能とし
たものである。

【００１０】オゾンは２００ｎｍ以下の波長の光を放射
するＵＶランプで酸素ガスを含む気体を照射すること、
或いは、酸素ガス中で電気放電させることにより容易に
発生させることができる。生成したオゾン分子は、紫外
線照射や加熱により分解して酸素ラジカルを生成するた
め、高い酸化反応性を有することが知られている。本発
明者らは、電子ビーム露光装置にオゾンガス導入機構を
設け、III −Ｖ族化合物半導体基板表面にオゾンガスを
導入しながら、電子ビームを照射することにより、化合
物半導体基板表面が選択的に酸化されることを見い出し
た。オゾンガスは、従来のレジストを使用しない電子ビ
ーム直接パターン形成技術に用いられてきた塩素等の腐
食性ガスや、毒性の高い有機金属ガスと異なり、触媒に
より完全に酸素に変換できるため、排気が容易であり、
しかも、露光装置を構成する各種部品類に対しては、腐
食性がないため、露光装置内にガスを導入しても、装置
を安定に長期的に稼働することが出来る利点がある。

【００１１】図１は本発明の電子ビーム露光装置の基本
構成である。装置は、通常の電子ビーム露光装置に、オ
ゾンガス導入系とステージ加熱部を付加したものであ
る。電子ビーム露光装置は、電子ビーム源である電子銃
１、電子銃に高電圧を印加する高圧電源系２、電子銃部
分を高真空に排気する高真空排気系３、電子ビーム４を
整形・収束する電子光学系５、電子ビームの検出系６、
試料ステージ部７、試料室を排気する真空系８、及び各
部分の制御系９と計算機系１０から構成される。本発明
の電子ビーム露光装置ではオゾン発生系１１、オゾンガ
ス導入系１２を用いて、試料表面の電子ビーム照射領域
近傍にオゾンを含む酸素ガス１３を導入している。ま
た、オゾンガスの電子ビームによる分解と基板表面との
反応を促進するための試料加熱機構１４を試料ステージ
に取り付けている。

【００１２】本構成において、電子ビーム源としてはＬ
ａＢ₆、熱電子放出型タングステン、熱電界放出型のＺ
ｒ／Ｏ／Ｗ等が使用できるが、特に、熱電界放出型のＺ
ｒ／Ｏ／Ｗショットキーエミッタでは、高い輝度が得ら
れるため、本目的には最も有利である。高真空排気系
は、電子銃部を高真空に保つために通常イオンポンプを
使用し、試料室はガスの導入に影響されにくい排気量の
大きいターボ分子ポンプで排気するのが有効で、電子銃
部とは微細径のアパーチャを通して差動排気を行い、試
料室へのガス導入による影響をなくする。検出器として
は、オゾンガスが腐食性が低いため、通常の２次電子検
出器或いは反射電子検出器を使用できる。オゾンガス発
生装置には、短波長紫外線照射方式、酸素ガスの直接放
電方式、２重管の間に電界を印可する無声放電方式等に
基づく装置があり、いずれも、本発明に使用可能であ
る。オゾン分子は酸素ガスから、生成されるが、その効
率は通常１０％以下であるため、酸素ガスとともに導入
する。ガス導入系は、流量を調節するマスフローメー
タ、ガス導入の切り替えを行う電磁弁、配管系、オゾン
ガス導入キャピラリー、制御系よりなり、電子ビーム照
射領域近傍にのみ、ガスを導入する配置とする。また、
排気系には、触媒によりオゾンを酸素に変換するオゾン
キラーを設置し、オゾンによる真空ポンプ類のオイルの
劣化と、外気へのオゾンの漏洩を防いでいる。

【００１３】本発明で選択的に酸化させることのできる
材料としては、主に、III −Ｖ族化合物半導体で、Ｇａ
Ａｓ、ＩｎＰのバルク半導体、及び、結晶成長により作
製した混晶系半導体であるＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡ
ｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ
等が使用できる。特に、Ａｌを含む混晶系材料では、Ａ
ｌが酸化され易いため、低い電子ビーム照射量で選択酸
化が可能であった。このようにして形成した酸化物は、
結晶性の選択湿式エッチングのマスクとして利用するこ
とにより、半導体の加工が可能である他、有機金属気相
成長法（ＭＯＣＶＤ法）等の結晶成長技術の選択的マス
クとして働くため、レジストを使用しないで、半導体の
極微細パターンが形成できる。また、オゾンガスの有機
物に対する高い酸化反応性のため、露光装置内に残存す
るオイル蒸気等の有機物と電子ビームの反応により炭素
状の物質が形成する、いわゆる、コンタミネーションを
防ぐことができる。

【００１４】

【実施例】以下実施例において、本発明を詳しく説明す
る。

【００１５】図２は本発明の実施例としての電子ビーム
露光装置の配置図である。装置は、電子ビーム源である
Ｚｒ／Ｏ／Ｗショットキーエミッタからなる電子銃２
１、高圧電源２２、高真空イオンポンプ類２３、電子ビ
ームを収束する第１レンズ２４、第２レンズ２５、ビー
ムのｏｎ−ｏｆｆを行なうブランキング電極２６、非点
収差を補正するスティグメータ２７、ビーム形状を整形
する対物アパーチャ２８、ビームを試料上の所定の位置
に照射するための偏向器２９と対物レンズ系３０、２次
電子検出器３１、試料ステージ３２、試料加熱機構付き
試料ホルダ３３、試料ホルダを交換する試料交換室３
４、試料室を排気するターボ分子ポンプ３５、高圧、レ
ンズ系、ステージの各ユニットを制御するコントローラ
系３６、計算機システム３７、無声放電方式オゾナイザ
ー３８、ガス導入制御系３９、オゾンガス導入キャピラ
リー４０、試料表面近傍の真空度を測定する真空計４
１、触媒によりオゾンを酸素に変換するオゾンキラー４
２で構成されている。生成したオゾン分子の分解を防ぐ
ため、オゾン発生器を電子ビーム露光装置の鏡筒の近傍
に設置し、ガス導入キャピラリーとの距離を２００ｍｍ
以下とした。ガス導入キャピラリーはステンレス製で内
径を１ｍｍとし、試料表面との距離を５ｍｍ、試料表面
との角度を約４０度とし、その先端を描画領域から２ｍ
ｍ離れるようにセットした。

【００１６】（１００）表面のＩｎＰ基板をアセトンで
超音波洗浄し、更に、セミコクリーンで洗浄し、最後に
硫酸で洗浄度、露光装置にセットして、５×１０^-7Ｔｏ
ｒｒ以下の試料室の真空を確認し、試料ホルダの温度を
１５０度に設定した。オゾナイザーに１リッター／分の
酸素ガスを導入し、１００Ｗの電圧を印可し、オゾンガ
スを発生させ、試料室に導入したところ、試料室の真空
度は１．６×１０^-5Ｔｏｒｒに増加した。この状態で、
１０ｋＶで約１０ｎｍのビーム径の電子ビームを１．０
×１０^-6クーロン／ｃｍ〜１．０×１０^-8クーロン／ｃ
ｍの線露光量範囲で１ｍｍ長のラインパターンを露光し
た。更に、１０ｋＶ，２００ｎｍのビーム径の電子ビー
ムを用いて、面露光量範囲１×１０^-2クーロン／ｃｍ²
〜１．０×１０^-5クーロン／ｃｍ²で、１ｍｍ角のブラ
ンクパターンを露光した。

【００１７】試料を取り出して、光学顕微鏡で観察した
が、照射部分には明瞭なパターンは見られなかった。こ
の試料を、飽和臭素水／ＨＢｒ／Ｈ₂Ｏ（１／１０／１
００）溶液中に０℃で３０秒浸潤したところ、電子ビー
ム照射部分のみにパターンが観察され、走査電子顕微鏡
で調べたところ、１．０×１０^-6クーロン／ｃｍ〜１．
５×１０^-8クーロン／ｃｍの線露光量範囲で、線幅約１
２０ｎｍ〜１０ｎｍ、深さ約１５ｎｍのＩｎＰパターン
が得られた。また、面露光量範囲１×１０^-2クーロン／
ｃｍ²〜３．０×１０^-4クーロン／ｃｍ²で、１ｍｍ角
のブランクパターンが同じ深さで観測された。この結果
は、電子ビーム照射されたＩｎＰ基板表面が、飽和臭素
水／ＨＢｒ／Ｈ₂Ｏ（１／１０／２００）溶液ではエッ
チングされない物質に変質したことを示している。変質
部分の構造を調べるため、１ｍｍ角の面露光部分の光電
子スペクトルを測定したところ、Ｉｎ−Ｏの結合に起因
する吸収が観測された。以上により、電子ビーム照射領
域のみ、ＩｎＰ基板表面がオゾンと反応し、酸化物が生
成していることが明らかになった。

【００１８】

【発明の効果】本発明では、オゾンガスを電子ビーム露
光装置の試料室に導入することにより、化合物半導体基
板表面上で電子ビームを照射した領域のみ選択的に酸化
することにより、微細パターンを形成できる。この方法
では、レジストを使用しないため、化合物半導体表面を
汚染することがなく、また、電子ビームは極微細径に収
束できるため、１０ｎｍ程度の量子サイズ効果が期待で
きる寸法の微細加工が可能になった。オゾンは有機物に
対する酸化反応性が高いため、ガス導入型電子ビーム露
光法で問題になる電子ビーム照射時の炭素系物質の堆
積、いわゆる、コンタミネーションによる試料表面の汚
染も防ぐことができる。また、オゾンガスは生成及び排
気が容易なため、従来のレジストを使用しない電子ビー
ム露光装置に比べて、装置を安定に長時間稼働できる利
点があるほか、有毒ガスの処理系の費用が殆ど不要のた
め、ガス導入系を付加することによる電子ビーム露光装
置の価格上昇を少なくできる。

【００１９】本発明の技術は量子細線レーザ等の量子効
果を用いる高性能の素子を作製する上で非常に有効であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電子ビーム露光装置の基本構成図であ
る。

【図２】本発明の実施例としての電子ビーム露光装置の
配置図である。

【符号の説明】

１電子銃２高圧電源系３高真空排気系４電子ビーム５電子ビーム（４を整形・収束する電子）光学系６電子ビームの検出系（検出器）７試料ステージ部８試料室を排気する真空系９（電子ビーム露光装置の）制御系１０計算機系１１オゾン発生系１２オゾンガス導入系１３オゾンを含む酸素ガス１４試料ホルダ２１（Ｚｒ／Ｏ／Ｗショットキーエミッタからなる）
電子銃２２高圧電源２３高真空イオンポンプ類２４第１レンズ２５第２レンズ２６ブランキング電極２７スティグメータ２８対物アパーチャ２９偏向器３０対物レンズ系３１２次電子検出器３２試料ステージ３３試料加熱機構付き試料ホルダ３４試料ホルダを交換する試料交換室３５ターボ分子ポンプ３６各ユニットを制御するコントローラ系３７計算機システム３８無声放電方式オゾナイザー３９ガス導入制御系４０オゾンガス導入キャピラリー４１真空計４２オゾンキラー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】オゾンを発生する機構及び生成したオゾ
ンを含む気体を試料ステージ上に導入する機構を有する
ことを特徴とする電子ビーム露光装置。
【請求項２】オゾンを発生する機構及び生成したオゾ
ンを含む気体を試料ステージ上に導入する機構を有する
ことを特徴とする電子ビーム露光装置による微細パター
ン形成法であって、電子ビームを試料上にパターン状に
走査することにより微細パターンを形成するとともに、
電子ビームの走査時にオゾンを含む気体を試料上に導入
することを特徴とする、電子ビーム露光装置による微細
パターン形成法。