JPS60229338A - 電子ビ−ムによるパタ−ン形成法 - 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】 本発明Ｌ、励起された反応性粒子と電子ビームとの相乗
効果による物質の変化によシ基板に所要のパターンを形
成する方法に関する。

ここで励起された反応性粒子とはプラズマ反応中のラジ
カルなどの反応性粒子、光化学反応によって励起された
反応性粒子などの広い範囲の気相上の反応性粒子の総称
である０ 従来から報告されているプラズマエッチにおいては、レ
ジストパターンを予め形成することによって保護マスク
とし、全面プラズマ反応を行わせることによって、パタ
ーンエッチを行っている。

また、減圧した酸素の放電（酸素のプラズマ）内で半導
体や金属の表面に酸化膜を成長させるプラズマ酸化は低
温で形成できるので、広い応用の可能性をもつ。

これらのプロセスにおいて、選択的なパターン形成はマ
スク用の清蔽物質がないかぎり不可能であった。光化学
反応はガス状分子を励起して、反応性励起粒子にする作
用をもつが、一方では光パターン照射しながら反応性ガ
スまたは反応性励起粒子を送れば、直接パターンを形成
できる特徴をもっている。しかしながら電子ビームによ
るパターン形成に比べると、多くの場合、微細加工性に
おいて劣っている。

一方、電子ビームによるパターン形成はレジストなどの
特殊な物質にかぎられている〇一方、上記に述べたプラ
ズマ中の反応性励起粒子や光化学反応による反応性励起
粒子は直接、各種の物質を工７チ、酸化等の処理可能に
できるＯ 本発明は、上記の実情に鑑み、基板上にレジストパター
ンまたはＳｉＯ□膜などの遁蔽パターンを予め設置しな
いで、電子ビーム自体にパターン情報を付与し、基板上
での電子ビームと反応性励起粒子雰囲気との作用による
物質の変化を選択した場所にのみ生じさせ、電子ビーム
の照射のない部分には、そうした変化をわづかしか起さ
せないか、また、適当に選択された条件で殆ど起させな
いようにすることを主目的としたものであり、電子ビー
ムによるパターンの微細化を維持し、かつ、直接パター
ン形成を可能とするものである。

本発明のパターン形成法を概説すると、適当に選択され
た加速エネルギーをもつ電子ビームを用いて、差動排気
などで可能になった反応性励起粒子を含む雰囲気中にあ
る基板上に、電子光学系によって結像させることにより
二次元パターンを描画し、もって同−素工程で反応性励
起粒子と電子ビームとの相乗効果による反応を基板上に
合理的に行わせる反応性励起粒子の選択的処理が可能な
パターン形成法であると要約することができる。以下本
発明について実施例に基づき詳細に説明する。

第１図は、本発明の電子ビームにパターン情報を付与し
、電子光学系を介して、反応性励起粒子を含む雰囲気中
にある基板上に電子ビームを投影することにより、反応
室内の基板部において電子ビームと反応性励起粒子の雰
囲気とが基板物質に作用することによって生じる物質の
変化をパターン化した状態で形成し得る装置の概略構成
図である。本発明の一実施例を示す第１図において、電
子光学系を上から説明すると、電子を供給する電子銃１
、第１絞り２、アライナ３、第１電磁レンズ４、ブラン
キング板５、第２絞り６、第２電磁レンズ７、第３電磁
レンズ（対物レンズ）９および第３電磁レンズ９の中に
二重偏向コイル８ａ、ステイグメータ８ｂが配置されて
いる。反応室へは第３絞シ１０を通して電子ビームが入
射される。基板が設置されている反応室と電子光学系と
は所要の真空度が大巾にことなるので、複数の排気系に
よって差動排気を行い、電子光学系への反応性励起粒子
などＫよる汚染を防止するとともに、電子ビーム走査と
制御に必要な真空度を維持することにする。

集束された電子ビーム１１は基板１２に照射され、パタ
ーンが描画される。基板には基板支持台１３の上に設置
され、必要に応じて低温の加熱などの基板部の温度制御
が可能なように支持台が構成されている。

支持台１３はＸ−Ｙ移動機構１４．１５の上に設置され
ており、通常の電子ビーム描画装置と同等程度の精密位
置合わせと精密移動ができる。反応室１６内の各種の材
料はプラズマなど反応励起粒子の雰囲気で腐蝕されない
材料で構成される。

第１図の実施例では電子ビーム光学系はそれぞれ排気口
１７．１８．１９によって差動排気されている。反応室
は排気口２０によって排気される。

反応室内の圧力は、これらの排気口１９．２０などから
の排気能力によって決められる。一方、反応性励起粒子
の中で一つの重要な要素である電界励起されたプラズマ
は輸送管２１を通して導入することができる。輸送管の
前にけマグネトロン発振によって発生された２、４５　
ＧＨｚのマイクロ波が導波管２２ａに導入され、導波管
の一部に石英管反応部２３が挿入されている。導波路の
終端は整合器２２ｂによってインピーダンス整合が採れ
ている。石英管の中に導入管２３ａを通してＣＦ４＋０
１ガスを０．１　’ｒｏｒｒ程度で導入する。この程度
の圧力で導入すると、発生したプラズマは電力の増大に
対しても殆ど広がらず、安定な状態となり、ガスの流量
の変化に対しても整合条件はくずれない。プラズマの輸
送管２１はテフロンコートにしておけば、放電部で生じ
た活性種は約１ｍ離れた反応室においても、あまり減衰
することなしに反応室１６に導入される。

このような２．４５ＧＨｚのマイクロ波励起のプラズマ
エッチ法については、従来から報告されている。この方
法によれば多結晶シリコンＳｉＮ番。

５ｉＯｚ、　Ｎｂ、　Ｗ、Ｍｏ、フォトレジスト等の各
種薄膜がエッチされる。その条件はＣＦ４の圧力０．１
２Ｔｏｒｒ程度でＰｒ−Ｆｏ２／Ｐａｒ４が０〜４程度
までｙエッチが可能である。この励起法によるプラズマ
エッチ法の利点社反応室１６において放電用の電極を必
要としないことである。

上記のプラズマ励起の方法において、導入ガスとしてＯ
ｘまたはＮ：を用いて、プラズマ活性化された酸素また
は窒素によるプラズマ酸化または窒化も条件によって可
能となる。

以上の説明においては反応性励起粒子はプラズマ励起さ
れたラジカルを用いていた。しかし、一般的に考えると
、プラズマ励起のみが反応性粒子を形成できる手段では
ない。上記に記した２、４５ＧＨｚのマイクロ波励起の
実験例の励起ラジカルは現状のところ多数にわたって報
告されていない。最近では赤外光、可視光、紫外線やｄ
ｅｅｐ　ＵＶ光などの光励起反応による反応性ガス粒子
の報告も数多くある。

また、場合によってはｄｅｅｐ　Ｕ　Ｖ光からＸ線に至
る短波長の電磁波によっても気相粒子の励起は起りえる
。光化学反応プロセスとしては例え−ザ光で光化学励起
してドライエッチを行うことが知られている。

また、ＧａＡｓやＩｎＰもＣＨｉＢｒのガスのｄｅｅｐ
　Ｕ　Ｖ励起光による反応でエッチが可能である。

光化学反応による反応性ガス粒子の効果もと導入れた電
子ビーム描画によるパターン形成法は上記の各種反応の
報告の知見にもとづき、更に電子ビームによる効果をと
導入れて拡張したものである。

第１図において、光ビーム２４は走査可能な光とする。

光束２４Ｌを時間的にスイッチするため、または空間的
に光束の方向、位置などを変化させるため、光束制御系
２５を配置するり光束制御系２５を出射した光束２４Ｍ
は反射鏡２６と反射鏡２７、光束透過用窓２８、平面ま
たは口筒反射鏡２９をへて試料近傍へ到達する光束２４
ａとなる。

光化学反応用のガスはガス源３１．３２よジノくルプ３
０をへて反応室１６へ導入される。光化学反応用ガスは
減圧した雰囲気の中で光束２４ｂの位置のような反応室
内の光通過空間で光化学励起をうける。

更に試料面近傍や試料面に直接照射される光束２４ａは
光化学反応に対してよシ強力に作用する。特に、試料面
に直接照射されると試料面の光励起による局部加熱、電
子−正孔励起などが加味されるから多要素の反応機構が
付加されることになる。

光束２４を走査可能にして、試料面で光照射の均一性、
制御性を増すことも可能である０機械的には２６．２７
．２９のミラーを微小移動制御機構で駆動してもよい０
より高速に行うには電子的光スィッチまたは光路変更デ
バイスを光束制御系２５中に設置することによって可能
となる。

例えば、通常のＭＩＳ型電界効果デバイスのゲート電極
の代シにゲートに任意の電位分布を上に形成し、長方形
の平面構造で第１ゲート電極Ｇ１をソース側、第２ゲー
ト電極Ｇ２をドレイン側の端にオーバラップして、絶縁
膜を介し形成する。ソース、ドレインは通常のＭＩＳト
ランジスタと同様に基板と逆電溝型でＰＮ接合構成とな
っている。この構造のデバイスの名称はＭＲＩＳ）ラン
ジスタとよばれていることもあるが、ここでは可変電位
分布をゲート領域に形成できるので、可変電位分布絶縁
ゲート電界効果デバイス（Ｖａｒｉａｂｌｅ　Ｄｉｓｔ
ｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆＰｏｔｅｎｔｉａｌ　Ｉｎ５ｕ
ｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｆｉｅｌｄ　ＥｆｆｅｃｔＤｅ
ｖｉｃｅ　：略してＶａｒｉ−ＤＰ　Ｉ　ＧＦＥＤ　）
とよぶことにする。

ＳｉＣなどの分極性化合物半導体で上記の構成を製作す
る。場合によってはドレインが基板内部に入っている高
電圧動作が可能なＶａｒｉ−ＤＰＩＧＦＥＤを用いても
よい。

この種のＶａｒｉ　ＤＰＩＧＦＥＤ　のゲート領域へ斜
めから単色の偏光光束を入射させると基板のうら側へ透
過してできた光束は偏光状態の変化をうける。

これらの偏光の変化はソース電位、ドレイン電位、ゲー
ト領域電位分布などによって制御できる。

この素子構造をＳｉＣなどの可視域をこえる広い範囲で
透明な分極性半導体に適用すると、その表面電界制御領
域の電気光学効果によって、高速の変調、スイッチなど
が可能となる。

上記の説明においてＶａｒｉ−ＤＰ　Ｉ　ＧＦＥＤはゲ
ート領域の形状は例えば長方形の形状をしているとしよ
う。このゲート領域に電位分布を形成するために第１ゲ
ート電極Ｇ１をソース側に、第２ゲート電極Ｇ２をドレ
イン側に設けることになる。この場合は第１ゲート電極
Ｇ１がら第２ゲート電極へいたる透明抵抗層が均一な構
成をもっているとすると、線型に増減するゲート電位分
布しか実現できない。

しかし、第１ゲート電極Ｇ１と第２ゲート電極Ｇ２の間
に透明電極等でＣＭＩなる電極を設けてもよい。この場
合は、第１ゲート電極Ｇ１から第２ゲート電極０２に至
る電位分布をＣＭｌの電位によって山型にしたシ、谷型
にしたりすることができる。また、ＣＭｌ、ＣＭ２など
複数にすれば、より複雑なゲート領域内電位分布を形成
することができる。例えば、ゲート領域内電位分布を山
型にすれば、ソース電位とドレイン電位を同電位で逆バ
イアスを印加すると、ゲート領域の中央部で反転層がな
く、第１ゲート電極Ｇ１と第２ゲート電極Ｇ２の近傍に
のみ反転層とその空乏層が形成される。また、ゲート領
域中央部の周辺に第３ドレインを少レオーバラツブして
導入すれば、中央部のみ反転層とその下の空乏層が形成
されうるようＫできる。

このようＫ、Ｖａｒｉ−ＤＰ　Ｉ　ＧＦＥＤの偏光デバ
イスの場合は電気光学効果を起させる空乏層の形状と電
界はかなり自由に調節できることがわかる。

従って、上記のようなＶａｒｉ−ＤＰ　Ｉ　ＧＦＥＤ　
＠光デバイスに均一が分布のパワーレーザ光束などが斜
めから照射されると、基板の後部から出射してくる光束
の平面的強度分布は位相補正器とアナライザーを通過し
た後ではかなシ任意な分布に調節することができる。

なお、赤外域ではキャリヤとの相互作用もあるのでＳｔ
のＶａｒｉ−ＤＰ　Ｉ　ＧＦＥＤも使える場合がある。

この素子は従来の偏光デバイスと比べて高速で、しかも
電圧能率よく駆動できる。従って、上記Ｖａｒｉ−ＤＰ
　Ｉ　ＧＦＥＤと公知の光学素子の組合わせなどにより
前記に述べた光束制御系２５を構成することも可能であ
る。例えば、このＶａｒｉ−ＤＰＩＧＦＥＤ備光デバイ
ス全光デバイスる場合を考える。それぞれに光ファイバ
などより斜めから光束を入射させる。

Ｖａｒｉ−ＤＰ　Ｉ　ＧＦＥＤを有する基板結晶の板の
前後にポラライザ、位相補正板、アナライザなどの偏光
光学系の通常の配置を設定する。それぞれの偏光デバイ
スの所定の電極へ適当に選択された電圧を印加すれば複
数個の偏光デバイスｈ独自の偏光の消去条件を設定でき
る。このような偏光によるスイッチやハーフミラ−、マ
イクロレンズアレー、光ファイバーなどを用いれば、複
数個の光束の同時、並列処理ができる。

これによって複数の光束のそれぞれ独自の時間的断続、
空間的な配置が可能になる。

第１図に示した光束制御系２５、ミラー２６．２７．２
９などの光学系は、一つの実施例である。この他にもい
ろいろの光束制御がありうることがわかる。第１図に示
すような電子ビームパターン描画系に別途、複数の光束
透過用窓をあけ、各光束透過用窓に複数の光束群を空間
的、時間的に断続させて入射させることもできる。また
は、光束は真空と大気中とでその制御に差違がないとい
う利点がある。従って、上記に述べた各種の光束群制御
系を反応室１６内へもちこむことも可能である。反応室
内の基板近傍の斜めより上記の光束群を入射させれば、
基板内の特定の場合に複数個の光束を空間的分布、時間
的断続をもって照射させることも可能である。

反応室内に光束制御系を設置する場合は、光束制御系が
反応性励起粒子によって損傷を受けガいように石英板、
テフロンコートの素材など保護できる収納容器などを設
ける必要がある。

以上詳細に説明したように、本発明を利用することによ
り、プラズマエッチなどのプラズマ処理、フォトケミカ
ルエッチなどのフォトケミカル処理、これを総合した反
応性励起粒子によるプロセスに電子ビームによる微細描
画機能を付与することができる。

本発明の方法を用いれば電子ビームの当たったところは
反応性励起粒子と電子ビームによる基板上の電子励起反
応または基板の局部加熱効果などによって反応が促進さ
れ、深くエッチされる。プラズマ形成条件や光化学励起
反応条件などの反応の強さを変化させるパラメータを、
電子ビームを当てない時には、殆ど反応が基板上で起き
ない程度にしておき、電子ビームが照射されると反応が
促進され、そこだけエツチングが起るようにも調整でき
る。っ°まり、このような条件を見つけることによりレ
ジストレスのパターン形成エッチが可能となる。場合に
よっては、エッチされたウェーハの凹凸面は電子ビーム
によってアニールも条件によっては可能である。

また、プラズマ酸化などの反応性励起粒子による酸化プ
ロセスに関していえば、酸化層の深さの制御とパターン
化、酸化中および酸化後におけるパターンビームアニー
ルにょる膜質の改質などが可能である。

さらに、第１図に示した電子ビーｌ、描画系は通常の走
査形の電子ビーム制御系の例であるが、これは可変成形
ビーム描画系など、公知の他の電子ビーム描画系へも適
用できると、！：け明らかである。

本発明によれば真空排気系の中で、大気に−ずことなく
、基板ウエーハヘレジストレス直接プロセスでサブミク
ロン１でのパターン形成が可能であり、今後進展が予想
される直接パターン形成プロセスの一環として利用する
ことができる。これによって、各種電子デバイス、集積
回路等の製造の能率向上、性能向上に寄与することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のプラズマ励起反応性粒子の雰囲気と光
化学励起反応性粒子の雰囲気を混合することを可能にし
た雰囲気中における電子ビーム微細パターン形成法の一
実施例を説明するための図である。 図中、１は電子銃、２鉱絞９．４は電磁レンズ、５はブ
ランキング板、６は絞ル、７は電磁レンズ、８Ｂは二重
偏光コイル、８ｂはステイグメータ、９は電磁レンズ、
１ｏは絞シ、１１は電子ビーム、１２は基板、１３は基
板支持台、１４．１５はＸ、Ｙ移動機構、１６は反応室
、１７．１８．１９．２ｏは排気口、２１は輸送管、２
２ａはマイクロ波導波管、２３はガス導入管、２４は光
化学反応用光束、２５は光束制御系、２６．２７．２９
は反射鏡、２８は透鍋窓、３１、３２はガス源、３０は
ガス導入管である。 ！

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 電子ビームに所要のパターン情報を付与し、光化学励起
   反応によって形成された反応性励起粒子などを一部に含
   めることができるようになっている反応室において、一
   般的広義の反応性励起粒子を含む雰囲気中で、該電子ビ
   ームを基板に照射することにより、該電子ビームと該反
   応性励起粒子を含む雰囲気との反応効果による物質の変
   化によシ、該基板に所要のパターンを形成することを特
   徴とするパターン形成法。