JPS6022315A - 三次元構造薄膜製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、薄膜作製とその微細加工を全て高真空中で連
続的にくシ返すことによシ、表面を全く汚染することな
く、また作製工程数を大巾に簡略化して、三次元構造薄
膜を作製すること力；可會ヒな装置に関するものである
。

（従来技術） 従来゛、・微細加工を用いた多層構造薄膜素子は、次の
ような工程で作製された。１ず、基板を薄膜形成高真空
装置内に設置し、被加工膜を形成する。

次に大気中に取シ出し、この上にレジストを塗布ベーキ
ングし、紫外線あるいは電子ａ％　Ｘ線等の高エネルギ
ー線で露光した後、レジストを現像しこのようにして得
たレジストパタンをマスクに被加工膜を加工する。従っ
て微細加工を行った薄膜は、大気中に出されたシ、レジ
スト塗布、除去工程を通過するため、表面に酸化層や不
純物による汚染層が形成される。このために加工層の上
にさらに高品質の薄膜を堆積させる際は、第二層の薄膜
形成前にスパッタクリーニングなどの汚染層除去工程が
必要な場合が多い。従来技術では、以上の工程をくシ返
し、多層構造にすることにより、多層構造素子を作製す
るため、工程数を非常に多く必要とし、大気中から高真
空に真空排気する工程が多く、真空排気をする時間も長
時間必要であつた。また加工を施した表面層をスパッタ
クリーニングすると、分子線エピタキシー等で形成した
結晶性の薄膜はその結晶性が著しく損なわれる。

このため、この表面層を基に更にエピタキシー成長によ
って単結晶性薄膜を成長させても、その品質が低下する
。近年レジストを使わずに微細加工する手段として、集
束したイオンビームをパターン状に照射することによシ
、イオンエツチングあるいはイオンドーピングするイオ
ンビームリソグラフィの研究が進められている。この方
法では、レジスト処理プロセスが不要なため、清浄な薄
膜基板のまま加工ができる利点はあるものの、大気中に
試料をとシ出すことに起因する表面層の酸化、水分の吸
着まで避けることは不可能であった。

（発明の目的） 本発明は、これらの欠点を除去するため、極所的なイオ
ンドーピングや極所的なイオンエツチングが可能な集束
イオンビーム照射系と、高品質薄膜形成系を高真空下で
直結し、試料を大気にふれさせることなく、薄膜形成と
微細加工をくシ返し行なえることを特徴とするもので、
その目的は試料を大気にさらすことなく薄膜形成と微細
加工をくシ返すことによシ三次元構造の薄膜を容易に作
製することにある。

（発明の構成） 上記の目的を達成するため、本発明は高真空下で基板上
に薄膜を形成する機能を有する高真空薄膜作成糸と、基
板上に集束したイオンビームで任意のパターン状にイオ
ンエツチングあるいはイオンドーピングする機能を有す
る集中イオンビーム照射系と、高真空を破ることなく基
板を前記の高真空薄膜作成系より集中イオンビーム照射
系に移動せしめる手段と、逆に前記の集中イオンビーム
照射系よシ前記の高真空ｆｖ膜作成系に試料を移動せし
める手段とを備えることを特徴とする三次元構造薄膜製
造装置を発明の要旨とするものである。

次に本発明の実施例を添附図面について説明する。なお
実施例は一つの例示であって、本発明の精神を逸脱しな
い範囲で、種々の変更あるいは改良を行いうろことは云
うまでもない。

本発明の装置を以下図面によシ説明する。第１図は本発
明の実施例であって、図においてＡは集束イオンビーム
照射系、Ｂは高真空薄膜作成糸で、集束イオンビーム照
射系Ａは次の部材よシ構成されている。すなわちイオン
源１の下方にマスフィルタ２が設けられ、該マスフィル
タの下方に集束レンズ３が設けられ、該集束レンズ３の
下方にブランキング４が設けられ、該ブランキング４の
下方に偏光レンズ５が設けられ、該偏光レンズ５の下方
に基板移動機構付きステージ６が設けられている。７は
試料、１０は基板移動機構を示す。９は高真空排気ポン
プで、８はゲートパルプを示す。

高真空薄膜作成系Ｂは次の部材よシ構成されている。１
２は高真空排気ポンプ、１３はゲートパルプ、１４．１
５は電子線加熱またはクリーニングなどの蒸着用セル、
１７は基板ホルダであシ、１６は大気中と真空装置内と
の間に基板を出し入れするパルプである。尚ゲートパル
プ１８により集束イオンビーム照射糸Ａと高真空薄膜作
成系Ｂとが分離あるいは連結される。

イオン源としては、各種の液体金属を用いることができ
、又共晶系の材料を用いることによ９２種以上のイオン
を取シ出すことができ、又マスフィルタを用いてイオン
種の選択を行うものである。

試料７を集束イオンビーム照射系Ａと、高真空薄膜作成
系Ｂとの間で移動させる場合は、ゲートパルプ１８を開
くことによって行う。この場合、集束イオン照射系Ａと
高真空薄膜作成系Ｂの圧力が異なると、集束イオン照射
系Ａのガスの一部が高真空薄膜作成系Ｂに、あるいは＾
真を薄膜作成系Ｂのガスの一部が集束イオン照射系Ａに
混入するおそれがある。

一般に高真空薄膜作製系Ｂでは、１０”−”　Ｔｏｒｒ
以下の高真空を、また集束イオンビーム照射系Ａは１０
＝　Ｔｏｒｒ以下の高真空を維持することが必要である
。しかし、集束イオンビーム照射系Ａ及び高真空薄膜作
成系Ｂを１２と９の真空排気ポンプで独立に真空排気を
行う場合、集束イオンビーム照射系Ａ、高真空薄膜作成
系Ｂの圧力を同一にすること紘、きわめて困難であ多、
上記の要請から高真全薄膜作成系Ｂの方が集束イオンビ
ーム照射系Ａより高真空である場合の方が多い。

また集束イオンビーム照射系Ａと高真空薄膜作成系Ｂの
間で試料を移動する場合、ゲートパルプ１８を開ける必
要があシ、このとき高真空薄膜作成系Ｂの方が集束イオ
ンビーム照射系Ａよシ圧力が低いと、集束イオンビーム
照射系Ａ内の残留ガスが高真空薄膜作成系Ｂに流入する
。これは高真空薄膜作成系Ｂ内に不純物ガスを混入させ
、その不純物ガスが高真空薄膜作成系Ｂチャンバ内の壁
面に吸着され、ゲートバルブ１８を閉じた後も、高真空
薄膜作成系Ｂ内に留まる可能性を持ち、薄膜作製に悪影
響を与える。しかし、第１図に示すように排気系を集束
イオンビーム照射系Ａ、高真空薄膜作成系Ｂチャンバの
中間に配置すると、集束イオンビーム照射系Ａから高真
空薄膜作成系Ｂに残留ガスが流入するとき、高真空薄膜
作成系Ｂのチャンバ手前の排気系で排気することができ
、高真空薄膜作成系Ｂのチャンバ内へ残留不純物ガスが
混入することが防ぐことができるという利点を生じる。

次に本発明装置を用いて作製した三次元構造素子の具体
例を示す。

第２図は集中定数型ジョセフソン接合を２つに分岐させ
たものの等価回路であり、これは、磁束を情報単体とし
た論理素子として用いることができることが知られてい
る。１９．２０はジョセフソン接合であ）、２１は超伝
導体薄膜である。イオン源としてはＡｕ−８ｉ系共晶合
金を装備した本発明装置を用いて作製した第２図に示し
たと同様の機能を持つ三次元構造素子を第３図に示す。

基板２２を高真空薄膜形成系に入れ、超伝導体Ｎｂ２３
を電子線蒸着によシ形成し、続いて、蒸着法によシ絶縁
層Ｓ’１０２４を蒸着する。次に集束イオンビーム照射
系Ａに基板を移動し、ピンホール型ジョセフソン接合部
２５のピンホール（直径１μｍ〜０．０５μｍ）と電極
バット部のための穴をレジストを用いず、Ａｕイオンビ
ームを１００Ｒｖで加速してエツチング加工によシ開け
る。次に、基板を高真空薄膜作成系Ｂに移し、Ｎｂ蒸着
を行い、ジョセフソン接合部２５と超伝導薄膜２６を形
成する。

このとき、基板は一度も大気中に取勺出していないため
、超伝導体薄膜層２３とピンホール型ジョセフソン接合
部２５の境界面が汚染されることなく良好にコンタクト
できる。次に、基板を集束イオンビーム照射系Ａに移動
し、分岐部の穴２７を１００　ＫＶのＡｕの集束イオン
ビームを照射して開ける。次に基板を高真を薄膜作成系
Ｂに移動し、ＳｉＯ絶縁体層２８を蒸着により形成する
。以上のように１高真鉋薄膜作成系での超伝導体及び絶
縁体の蒸着と集束イオンビーム系でのレジストを用いな
いイオンビーム加工をくシ返すことによシ、第３図に示
した三次元構造集中定数型ジョセフソン線路用論理素子
の作製が可能である。本発明によシ、従来のレジスト塗
付工程を用いた素子作製に比べ、工程数は極端に減少し
、しかも、不純物混入の少ないジョセフソン接合の形成
が可能となる。高真空薄膜形成系の薄膜形成法としては
、蒸着法に限らず、スパッタリング法、イオンビーム蒸
着法などを用いてもよい。

第４図は、本装置を用いて３次元構造パリスティックト
ランジスタを作製した例である。イオン源としてはＡｕ
−８ｉを用いる。

高繭度にＳｌが注入されたＧａＡｅ基板２９を高真空薄
膜作成系Ｂに入れ、基板２９の上に高純度ＧａＡｓ３０
を０．２ｐｍ程度エピタキシャルに形成し、その上に金
などの金属線３１を０．１μｍ程度蒸着によりたい積さ
せる。次にこの基板を集束イオンビーム照射系Ａに移し
１００　ＫＶのＡｕの集束イオンビームによるエツチン
グにより金属線３１の加工を行う。次に基板を高真空薄
膜作成系Ｂに移し、ＧａＡｏ層３２全３２３μｍ程度エ
ピタキシャルに形成し、再びこの基板を集束イオンビー
ム照射系に移し、５０ＫＶの集束Ｓ１イオンビームによ
ｐ、ＧａＡｓの表面から０．１μｍ程度までＳｌをドー
ピングして、ｎ型ＧａＡｅ層３３を形成する。本装置を
用いると特に高純度ＧａＡｓ　３０と３２の界面が不純
物の汚染がないため、高純度（）ａＡｓ　３０の上に高
純度ＧＩＩＡθ　３２をエピタキシャルに成長させやす
く、また工程数を大幅に減少できる。

第５図は三次元超格子構造を示す。基板上に８１または
、化合物半導体を高真空薄膜作成糸でエピタキシャル成
長させる。次に集束イオンビーム照射糸Ａに基板を移し
、Ｂθ、　Ｓｂ　、　Ｂ　、　Ａｓ等の不純物イオンの
注入を集束イオンビームを用いて行ない、第５図の８１
または化合物半導体薄＃［３４゜イオンドーピングした
Ｓｌ−または化合物半導体３５のようなイオン江入層と
イオン注入をしていない層が交互になる層を形成する。

次に基板を高真空薄膜作成糸Ｂに移し、Ｓｉまたは化合
物半導体をエピタキシャルに成長させ、再び集束イオン
ビーム照射糸Ａに移し、こんどは前と直角の方向に集束
イオンビームでイオンドーピングを行い、第５図の３４
〜３７の構造を形成することが可能となる。この工程を
くシ返すことによシ、任意の積層数を持つ三次元超格子
構造薄膜の作製が可能である。

（発明の効果） 上記三次元構造デバイスの作製において、本装置を用い
ることＫよシ、工程数が減少することはもちろんである
が、薄膜積層において下地層が大気中あるいはレジスト
、レジスト溶剤で汚染されていな、いため、下地層と上
部層界面が理想的に接続されるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の一実施例の概略図、第２図は集中
定数型ジョセフソン線路を用いた論理回路の等価回路、
第３図は第２図の等価回路を本発明装置によ多素子化し
た三次元構造集中定数型ジョセフソン線路の製作例、第
４図は本発明装置によシ作製した三次元構造パリスティ
ックトランジスタの製作例、第５図は本発明装置によシ
作製した三次元超格子構造の製作例を示す。 １・・・イオン源、２・・・マスフィルタ、３・・・集
束レンズ、４・・・ブランキング、５・・・偏光コイル
レンズ、６・・・基板移動機構付きステージ、７９．基
板、８１．。 ゲートパルプ、９・・高真空排気ポンプ、１０・・・基
板移動機構、１１・・・プンキング、偏光コイル、試料
ステージを制御するコンピュータ、１２・・高真空排気
ポンプ、１３・・・ゲートパルプ、１４・・蒸着用セル
、１５・・・蒸着用セル、１６・・・ノくルプ、１７・
・・基板ホルダ、１８・・ゲートノ（ルプ、１９・・ジ
ョセフソン、接合、２０・・・ジョセフソン接合、２１
・・超伝導体薄膜、２２・・基板、２３・・・超伝導体
薄膜、２４・・・絶縁体層、２５・・・ピンホール型ジ
ョセフソン接合部、２６・・・超伝導体薄膜、２７・・
・穴、２８・・絶縁体層、２９・・・高濃度Ｓ１　ドー
プＧａＡｅ基板、３０・・・高純度（）ａＡｅ　、３１
・・金属線、３２・・°高純度ＧａＡｓ　１３３−・高
濃度Ｓ１　ドープＧａＡｅ、３４・・・Ｓｌまたは化合
物半導体薄膜、３５・・・イオンド−ピングしたＳｌま
たは化合物半導体、３６・・・Ｓｌまたは化合物半導体
、３７・・・イオンドーピングしたＳｌまたは化合物半
導体 特許出願人 第１図 第２図 第３図 第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 高真空下で基板上に薄膜を形成する機能を有する高真空
   薄膜作成系と、基板上に集束したイオンビームで任意の
   パターン状にイオンエツチングあるいはイオンドーピン
   グする機能を有する集中イオンビーム照射系と、高真空
   を破ることなく基板を前記の高真空薄膜作成系よシ集中
   イオンビーム照射系に移動せしめる手段と、逆に前記の
   集中イオンビーム照射系より前記の高真望薄膜作成系に
   試料を移動せしめる手段とを備えることを特徴とする三
   次元構造薄膜製造装置。