JPH0522377B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、ジヨセフソン接合素子または半導体
素子を作製するため真空蒸着される層のステツ
プ・エツジ（段のへり）に正斜面（または傾斜）
を作る新しい方法に関する。さらに詳しくは、本
発明は、垂直ステツプおよび負のステツプが排除
されて対称的な緩傾斜のステツプ変化となるよう
に真空蒸着される材料の正傾斜のステツプ・エツ
ジの角度を制御する方法を提供する。 真空室内で金属および絶縁材料の層を蒸着する
ことはジヨセフソン接合素子および半導体素子の
作製に用いられる周知の方法である。蒸着される
材料はボートや容器の中に入れて材料が蒸発する
まで加熱される。高真空下において、蒸発する材
料の分子および原子はその容器から等方的に外側
へ放射される。処理されるウエーハまたは基板は
蒸発する材料の点源から所定の距離に置かれる。
蒸発材料の原子および分子は点状材料の容器とウ
エーハ間の距離を直線的に移動して、真空室内の
ウエーハ並びにその周囲にある装置の表面に１つ
の層を形成する。 ウエーハの部分が標準の光硬化性樹脂のパター
ンでおおわれると、材料の蒸着はウエーハ上の所
定の部分に限定される。光硬化性樹脂のパターン
またはステンシルは所定領域のエツジ部に垂直の
高いステツプまたは垂直壁を形成する、或いは該
垂直壁がテーパをもつて形成される。光硬化性樹
脂ステンシルの製造における最近の開発は傾斜し
た側面を有する光硬化性樹脂の製造を可能にし
た。 蒸発性材料の点源が光硬化性樹脂パターンの垂
直壁の形成する穴の内側へ直線的に向けられる
と、基板のベース部は被覆されるかまたは被覆さ
れないことになる。蒸発材料の点源が光硬化性樹
脂の垂直壁をそれる見通し線（または照準線）で
光硬化性樹脂ステンシルの上に当るとき、その材
料は垂直壁の１つに蒸着され、材料の一部は光硬
化性樹脂パターンの他の垂直壁をそれて蒸着され
る。 材料の蒸着にさらされる光硬化性樹脂の最上部
におけるよりもウエーハのベース部により大きな
露出部分をもつた光硬化性パターンを作ることが
できる。従つて、光硬化性樹脂のパターンは最上
表面でアンダーカツトされてオフセツトの突起
（出張り）を提供する。そのようなオフセツトの
突起を有する光硬化性樹脂ステンシルはリフト・
オフの光硬化性樹脂パターンと呼ばれる。蒸着し
た材料がそのリフト・オフのパターンの上に蒸着
されるとき、リフト・オフパターンの最上のへり
は蒸着材料が直線に沿つて投射されてその照準線
にさらされるウエーハの投影面積上に蒸着される
穴窓を画定する。従つて、蒸着される同一電極又
は同一領域に一方のエツジに正傾斜そして他方の
エツジに負傾斜を与えることができる。 小型のウエーハを真空室内の蒸着材料源からか
なり離れた所に配置すると、蒸着される層は実質
的に垂直なへりの壁をもつことができる。ウエー
ハが大きかつたり、蒸発材料源までの距離が小さ
い場合は、垂直照準軸線からの角度偏位が大き
い。この偏位角が10°を越え始めると、蒸着され
た材料の部分は１つのへりに正斜面を有し、ウエ
ーハの反対側の他の部分は負斜面をもつことにな
る。 蒸着層のへりにおける負傾斜（斜面）はそのア
ンダーカツト部分に絶縁体の割れや空孔をもたら
す条件をつくつて、負斜面のへり上部に蒸着され
た逐次層間に不適当な絶縁および（または）不連
続をもたらす。最大の偏位角を受けるウエーハの
部分が蒸着時間の一部分の間に垂直軸に近い角度
で回転するように、大きな基板およびウエーハは
関節式または回転式支持体上に装着することが提
案されている。ウエーハのいずれかの部分が回転
軸を含むと、ウエーハの表面に渡つてなお角度偏
位が存在する。斜角で回転および蒸発すると、小
さなウエーハを処理するときには蒸着層の負傾斜
を少なくする傾向となるが、大きなウエーハの場
合にはこの負傾斜問題は解決されない。 ウエーハを回転および（または）連接すると
き、この移動を提供するために使用される支持装
置は、それが可能な場合、基板をジヨセフソン接
合素子の製造にしばしば必要な極低温に冷却する
ことを極めて困難にする。 従つて、蒸着層のステツプ・エツジにおける負
傾斜を排除する方法で真空室内において蒸着する
ことによつて金属または絶縁材料の層を蒸着する
ことが望まれる。さらに、ウエーハを移動するこ
となく対称的な正斜面（傾斜）を有する材料層を
真空蒸着する方法を提供することが望まれる。 本発明の主目的は真空蒸着層に正傾斜のステツ
プ（段）変化を与えることである。 本発明の別の主目的は真空蒸着層の正傾斜のス
テツプ変化の角度を制御することである。 本発明の別の主目的は真空蒸着層に対称的でゆ
るやかな正傾斜のステツプ変化を与える方法を提
供することである。 本発明の別の目的は真空蒸着層の正傾斜のステ
ツプ変化の角度を処理中に変えることである。 さらに本発明の目的は移動装置を必要とするこ
となく真空蒸着材料層間の負傾斜のステツプ変化
を排除する方法を提供することである。 本発明のこれらおよび他の目的に従つて、点源
（点状の材料源）から材料を蒸着する真空室が設
けられる。その材料が蒸発して原子および分子を
点源から等方的に分散させる前に、不活性ガスを
真空室に導入して圧力および不活性ガス環境の密
度を予め決めたレベルに上げる。真空室内の不活
性ガスの増大は蒸発した原子および分子と不活性
ガスとの衝突を促進して蒸発材料の見掛上の源を
点源からむしろ真空室の広い範囲に渡つて拡大さ
せる。被覆せんとする層の上にリフト・オフ・オ
ーバーハングの光硬化性樹脂ステンシルを付加す
る、そしてそのリフト・オフ光硬化樹脂ステンシ
ルの出張り（オーバーハング）の下側に蒸着が生
じて、垂直ステツプや負傾斜ステツプの代りに正
のゆるやかな傾斜のステツプ変化を与える。 本発明により解決される問題を説明する前に、
次の用語の定義をする。 (1) 本発明における「ステツプ」とは、半導体ま
たは超伝導体の層のへり（エツジ）を指し、絶
縁層または金属層の上下表面間の鉛直距離また
は高さを意味する。 (2) 「正の傾斜（または斜面）」は蒸着された層
の最上表面が蒸着された層のベースより小さい
ときに生じる、従つて傾斜またはステツプのへ
りは緩傾斜である。 (3) 「負の傾斜（または斜面）」は蒸着された層
の最上表面が蒸着された層のベースより大きい
ときに生じる、従つて傾斜またはステツプのへ
りはアンダーカツトである。 第１図は、上にパターンまたはステンシル１１
が形成されているウエーハ１０の部分拡大断面正
面図を示す。ステンシル１１は、材料を蒸着して
電極１３，１４を形成できる開口部を中に画定す
るリフト・オフ式のパターンの穴１２を有する。
矢印１５は真空室（図示せず）内で蒸着される材
料の点光源からの照準線（見通し線）を画定す
る。原子および分子は高真空装置内で蒸着される
とき、点光源からの見通し線１５は等方的であ
る。従つて、材料の原子および分子は光硬化性樹
脂のパターン１１の上並びに穴１２を通つて蒸着
して電極１３を形成する。見通し線が基板または
ウエーハ１０の表面に垂直のとき、電極１３の側
面は見通し線と一直線になつて実質的に垂直であ
る。電極１３のステツプ・エツジ１６にはアンダ
ーカツトがないことがわかる。 電極１４が点光源（図示せず）から実質的によ
り大きな見通し角度の線１７を提供すると仮定す
ると、蒸着される材料は材料１８として光硬化性
樹脂１１の上に形成し、同様に穴１２を介して蒸
着される材料は電極１４を形成する。電極１４は
負傾斜のステツプ19と正傾斜のステツプ21を有す
ることがわかる。 第２図は、光硬化性樹脂１１を除去して別の層
を基板１０および電極１３の上に蒸着してジヨセ
フソン接合素子に関係した層を形成した後の基板
１０上のベース電極１３を示す。第１の層２２
は、基板１０の面に実質的に垂直な角度の見通し
線１５で蒸着によつて形成された絶縁層である。
絶縁層２２はベース電極１３と同じか或いはそれ
より厚い酸化ケイ素が望ましい。その材料はステ
ツプ・エツジ１６の上における絶縁層２２の厚さ
が絶縁層２２の他の部分より著しく薄いように形
成されることがわかる。点２３で示すこの薄い絶
縁臨界部分が容易に割れが入つてジヨセフソン接
合素子の有用性をこわす応力部分となる。絶縁層
２２の上には絶縁層２２とほぼ同一または厚いカ
ウンター電極２４が示されている。層２４も均一
層として形成されるから、ステツプ・エツジ１６
の上に、蒸着層形成中の円滑作用のため絶縁層２
２におけるステツプ変化のように急激ではないが
ステツプ変化が生じる。従つて、絶縁層２２とカ
ウンター電極層２４間の臨界部分２５は応力部分
２３程大きくない。しかし、望ましくはないが、
臨界部分２５における距離をさらに大きくするた
めにカウンター電極層２４の厚さを大きくするこ
とが可能である。カウンター電極層２４の上に不
動態化層２６を付加してジヨセフソン接合素子に
絶縁と保護を提供する。典型的に、不動態下層は
絶縁層２３およびカウンター電極層２４よりかな
り厚いから、ステツプ16の上に臨界（あぶない）
部分が生じる可能性は少ない。 第３図は、光硬化性ステンシル１１およびその
上の材料１８の除去後、そしてジヨセフソン接合
素子を形成する３層を蒸着した後の電極１４を示
す。前述と同じ方法で酸化ケイ素層２２′が形成
される、そして第２図の臨界部分２３に対応する
同じ臨界部分２３′が形成される。見通し線１７
で示すように垂直軸からの角度偏位が大きいた
め、電極１４の左側の臨界部分２３′を第２図に
示す臨界部分２３よりかなり小さく作ることが可
能である。カウンター電極層２４′が形成される
とき、臨界部分２５′がステツプ部分21′の上に形
成される。電極１４の右側の臨界部分２５′は蒸
着される材料の円滑作用のため電極１４の左側の
臨界部部２５′より小さい。不動態化層２６′は、
カウンター電極２４′の上に部分２３′，３５′に
示すものより臨界的（あぶない）応力部分を回避
するのに十分な厚さで形成される。 第１図〜第３図の略図は正確な尺度ではない
が、見通し線および点源蒸着が真空蒸着法に採用
されるとき生じる問題を明示すべく、蒸着される
電極および層の近似的な相対寸法を表わしている
ことが理解される。電極１４の左側に示すアンダ
ーカツトの負傾斜が、蒸着材料が負傾斜２１′の
基部における空間を完全に充てんできずそしてこ
の点に絶縁空孔が生じる条件をつくるであろうこ
とは全くありうる。ジヨセフソン接合素子は室温
と約４〓との間を反復して加熱、冷却されるか
ら、層の薄い部分における応力集中はジヨセフソ
ン接合素子の内部割れおよび破損をもたらすのに
充分である。 第４図は対称的な正斜面２８，２９を有するベ
ース電極２７を示す。ベース電極２７が正の緩傾
斜をもつて作られる場合、次に蒸着される層はベ
ース電極２７の輪郭の実質的に均一な複製として
蒸着される。従つて第１図〜第３図および先行技
術を参照して前に説明したような薄板化および応
力集中の部分はない。絶縁層３１は、ベース電極
２７の上にそして正斜面２８，２９並びに基板１
０の上に実質的に均一に示されている。カウンタ
ー電極３２が絶縁層３１の上に形成されるとき、
絶縁層３１の場合よりもさらに大きな層の均一性
とわずかな平滑作用がある。カウンタ電極層３２
の均一性は既に得られているから、不動態化層３
３はさらに薄くかつ強く作られる。不動態化材料
の厚い層３３は応力集中を促進する傾向にある
が、その薄い層３３は熱サイクリングによる応力
の影響をより受けにくいことは周知である。 第５図は、間隙の頂上３６から横に伸びる出張
り（または突起）３５を有する光硬化性ステンシ
ルパターン３４の部分拡大横断面を示す。ベース
電極２７は出張り３５の下に形成された正傾斜
（斜面）を有している。斜面２９における正傾斜
の量は鉛直からの角度θで示される。角度が逆方
向でアンダーカツト突起として後方へ傾斜する場
合には、傾斜角を画定する角度θは負傾斜となる
ことが理解される。第４図および第５図に示すベ
ース電極２７並びに層３１〜３３の形成は後述の
ように光源（図示せず）から形成されない。対称
的斜面２８，２９を正斜面として形成するために
は、斜面２８と２９に同時に平行である見通し線
をもつた材料源を設ける必要がある。 第６図は正斜面の角度とアルゴン不活性ガスの
圧力との関係グラフを示す。材料の点源を真空室
に設ける場合、最初に真空室を殆んどの金属材料
に対して少なくとも10^-6トールそしてアルミニウ
ムに対しては10^-5トールの高真空に排気する。必
要な高真空が得られた後、所定量の不活性ガスを
導入して真空室内の圧力を所望の結果に依存して
大体10^-4〜10^-1の圧力に上げる。本発明法に使用
する不活性ガスがアルゴンの場合には第６図のチ
ヤートが適用できる。第５図に示す角度θを正斜
面の角度として60°が必要なときは、10^-2トール
のアルゴン圧力がこの望ましい正斜面を作ること
ができる。第６図に示したグラフは鉛−インジウ
ム−金から成るベース電極を蒸着するためにつく
られるものであつて、他の金属から成るベース電
極の場合には、この関係は多少変わり、また他の
不活性ガスを使用する場合にもこの関係は少し変
わつてくる。 望ましい正斜面を得るための説明は点源が単一
の点源をもたない拡大源となつたことである。不
活性ガスは蒸着される原子および分子を基板また
はウエーハ１０と材料の点源との間の距離に渡つ
て不活性ガスと衝突させる。原子が他の原子と衝
突する前に移行する平均距離を定義する平均自由
行程（MFP）は記号Ｌ（cm）で示されいる。Ｌは
５×10^-3／アルゴン圧力（トール）に等しいこと
が知られている。例えば、Chemical Engineers
Handbook、p.656−657、published by
McGraw−Hill Book、Co.（1950）．を参照され
たい。第１表はアルゴンの圧力条件に対する平均
自由工程（cm）および、蒸着材料とアルゴン不活
性ガス間の平均衝突数を示す。左欄の高真空圧力
10^-6トールは汚染ガスを実質的に含まず、アルゴ
ンガスは存在しない。これらの条件下における35
cmの距離に渡つた平均衝突数は１より著しく小さ
い。しかしながら、その高真空圧力が10^-4トール
なるアルゴン雰囲気に代わると、平均自由行程は
50cmとなつて、蒸着される材料と基板１０間の距
離に渡る平均衝突数は１に近づく。真空室のアル
ゴン圧力が一旦10^-3トールに安定化されると、平
均自由行程は５cmに減少し、基板に到着する前に
蒸着される材料の分子間で約７回の衝突が生じ
る。材料源から基板１０へ移行する間に７回の衝
突は乱散または分散作用を開始さすのに十分であ
り、従つて点源はもはや点源ではなくて真空室全
体に広がる拡大源と見なされことがわかる。不活
性アルゴンガスの圧力が増すに伴い、正斜面の角
度θも増す。

【表】 真空室にアルゴン不活性ガスが存在すると蒸着
材料の点源が分散してリフト・オフ式光硬化性樹
脂ステンシルの突起の下側の正角度で形成するこ
とを説明したが、鉛−イソジウム−金以外の材料
および他の不活性ガスを同じ結果を得るために使
用できることがわかる。例えば、ジヨセフソン接
合素子を得るために第４図に関して説明した全て
の層はアルゴンガスの存在下で蒸着された。 正斜面およびステツプのゆるやかな変化を得る
望ましい重要な成果の１つは、既に工業的に採用
されている標準の方法にさらにコストを加えるこ
となく非常に高収率（歩留り）の満足の素子が作
れることである。さらに、本発明法の利点は、ウ
エーハを蒸着される材料の点源と軸整列または垂
直整列させる必要がなく真空室にウエーハを充て
んできることである。従つて、高収率が得られる
のみならず、高収率と同時に極めて高い生産速度
が得られる。 真空室内で蒸着される材料層の正斜面は蒸着時
に不活性ガスを調節することによつて制御できる
ことを説明したが、層間の正傾斜の量は層の蒸着
過程において変えうることが理解される。 本発明法はカスタム素子の製造業者に対しても
う１つの利点を有する。カスタム素子が製造され
るとき、真空室は大量生産に使用される極めて大
きな真空室に比べて一般に小型である。本発明法
を用いて、蒸着材料源から基板までの距離が12イ
ンチ以下で見通し角度が点源から10゜以上である
ところの真空室内で６インチ直径までの大きなウ
エーハを処理できる。層上に得られる対照的な正
傾斜の量は不活性ガスの圧力によつて制御するこ
とができる。 極小導線の線幅は本発明によつて若干増すが、
殆んどの場合に利点が欠点よりもはるかにまさつ
ている。例えば、集積回路の導線が集積回路の別
の導線と交さするとき、垂直ステツプにおける応
力集中点は正の緩傾斜のステツプ変化を採用する
ことによつて完全に排除される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の方法によつて真空室内で上に
電極材料が蒸着されるウエーハの一部分を示す拡
大部分横断面正面図。第２図は上に複数層を蒸着
した後における第１図の電極の１つの拡大部分横
断面正面図。第３図は上に複数の層を蒸着した後
における第１図のもう１つの電極の拡大部分横断
面略図。第４図は上に複数の層を蒸着した後にお
ける本発明による新しい正傾斜のステツプ電極を
示す拡大部分横断面正面図。第５図は電極蒸着後
における第４図の新しい正傾斜のステツプ電極に
近接する光硬化性樹脂リフト・オフ・ステンシル
のへり部の拡大部分横断面正面図。第６図はアル
ゴン不活性ガスの存在下で鉛−インジウム−金合
金の蒸着中に得られた正傾斜の角度間の関係の示
すグラフ。 符号の説明、１０……ウエーハ、１１，３４…
…パターンまたはステンシル、１３，１４，２７
……ベース電極、１５，１７……見通し（照準）
線、１６……ステツプ・エツジ、１９……負傾斜
のステツプ、２１……正傾斜のステツプ、２４，
２４′，３２……カウンター電極、２３，２３′，
２５，２５′……臨界部分、２８，２９……正斜
面、３５……出張り（突起）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 下記の(a)〜(h)の工程からなることを特徴とす
   る真空室内で処理されるウエーハ上に蒸着される
   材料層に正傾斜のステツプ変化を与える方法： (a) 処理せんとするウエーハの層に光硬化性樹脂
   のリフト・オフ・オーバーハングのパターンを
   付加して上に材料が蒸着される前記ウエーハ層
   のオーバーハング部分を画定する工程、 (b) 前記ウエーハを真空室内に配置する工程、 (c) 前記真空室内の圧力を有害な痕跡の酸素、水
   蒸気および一酸化炭素を除去するのに十分低い
   圧力に下げる工程、 (d) 前記真空室に不活性ガスを導入してその中に
   不活性ガス環境を提供する工程、 (e) 前記不活性ガス環境の圧力を１×10^-4〜５×
   10^-2トールの範囲内の一定の圧力値に安定させ
   る工程、 (f) 前記リフト・オフ・パターンおよび前記ウエ
   ーハ層のオーバーハング部分の上に材料層を蒸
   着する工程、 (g) 前記不活性ガス環境圧力を予め決めた値に保
   つて、蒸着せんとする前記材料を前記光硬化性
   樹脂のオーバーハング部分の下側に分散させて
   正傾斜のステツプ変化を形成さす工程、および (h) へり部に正傾斜のステツプ変化を有した前記
   蒸着層を残して前記光硬化性樹脂のリフト・オ
   フ・オーバーハングのパターンを除去する工
   程。