(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長が原子サイズのレベルであるコヒーレントなシンクロトロン放射光または波長が原子サイズのレベルであるコヒーレントな電子ビームのいずれかを複数の方向から基板表面に照射して基板表面に２次元干渉像を形成することにより、反応性ガスを用いることなく、基板上の上記２次元干渉像の存在する位置のみで選択的に基板材料をエッチングし、上記基板上に穴を２次元的に周期配列させることを特徴とする超微細周期構造の製造方法。
【請求項２】
基板または基板上に形成された薄膜の表面を砒素、セレン、硫黄等蒸発の容易なレジスト材料により被覆した後、波長が原子サイズのレベルであるコヒーレントなシンクロトロン放射光または波長が原子サイズのレベルであるコヒーレントな電子ビームのいずれかを複数の方向から上記レジスト材料上に照射して上記レジスト材料の表面に２次元干渉像を形成しながら露光を行うことにより、現像工程を経ることなく、２次元干渉像の存在する位置のみで上記レジスト材料を除去することを特徴とする超微細周期構造の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、２次元の超微細周期構造の経済的製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
基板上に２次元の超微細化された周期構造を形成するプロセスの実現は、次世代の情報機器産業を担う原子レベルデバイスや光デバイスを組み込んだ集積回路を実現するために不可欠である。厚さ方向に関しては、原子層エピタキシー、原子層エッチングなど、１原子層単位で制御されたプロセスが可能となっているが、面内での位置選択性は得られていない。
【０００３】
今日、ナノメーターサイズの超微細な面内加工を行うために、電子線を用いて基板に直接描画する方法が広く用いられている。この方法を限界まで用いれば、１０ナノメーター程度、すなわち、原子サイズに換算して１００個程度までの微細なパターニングが可能である。しかし、電子線を走査して描画を行うため、非常に時間がかかる。
【０００４】
集束イオンビームを用いれば、電子線の場合と同様の手法で描画することが可能である。この方法の利点はレジストを用いずに直接、選択的にドーピングやエッチングを行うこともできることである。しかし、この方法も電子線描画法の場合に同様に時間がかかる上に著しい照射損傷が生じることが問題である。
【０００５】
従来の光を用いたリソグラフィに替えて、Ｘ線を用いた方法も提案されている。この方法は一括露光であるため時間的な問題は解消する。しかし、転写技術であるため、パターンのサイズがマスクの精度によって決まることが問題である。
【０００６】
さらに超微細な原子レベルの構造を面内に位置制御して形成する手法として、わずかに傾斜した結晶表面に形成される原子ステップを利用した結晶成長技術や、高指数面を利用した結晶成長技術、あるいはマスクパターンを利用した選択成長とファセット面を併用した方法も検討されているが、原子レベルの位置とサイズを正確に決めることはできず、実用的に利用可能な技術とはほど遠いのが現状である。
【０００７】
また、走査型トンネル顕微鏡や原子間力顕微鏡プローブを用いて原子操作や加工を行う方法が提案され、実験室レベルでの報告もなされている。この方法を用いれば、原子レベルでの正確な加工も可能である。しかし、この方法は、本質的に電子ビーム露光法と比較してはるかに生産性が低く実用化に耐えないことが問題である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
以上、面内の超微細加工および、原子レベルでの超微細加工技術の現状についての概観を示した。将来の超微細加工技術は、正確な位置制御を実現することが当然求められるが、同時に、コストや時間が産業上リーズナブルな範囲内に収まることが不可欠である。従来の電子線やイオンビームを走査して、あるいは、走査型トンネル顕微鏡または原子間力顕微鏡を利用して直接描画する方法は、それぞれの精度において正確な加工が可能であるが、これらの方法は本質的に逐次描画であるため、たとえば、１チップ当たり数百万個のデバイスを搭載する集積回路に上記方法を適用すると、産業上利用に耐えがたいほど時間がかかる。
【０００９】
本発明は上述の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は充分な精度をもった超微細周期構造の製造方法を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために、本発明の請求項１の超微細周期構造の製造方法は、波長が原子サイズのレベルであるコヒーレントなシンクロトロン放射光または波長が原子サイズのレベルであるコヒーレントな電子ビームのいずれか（以下、コヒーレントビームと呼ぶことがある）を複数の方向から基板表面に照射して基板表面に２次元干渉像を形成することにより、反応性ガスを用いることなく、基板上の上記２次元干渉像の存在する位置のみで選択的に基板材料をエッチングし、上記基板上に穴を２次元的に周期配列させることを特徴とするものである。すなわち、ある種の基板材料の表面にエッチングで穴を開ける場合、上記のように、基板表面にシンクロトロン放射光等のコヒーレントビームを照射するのみで、穴が２次元的に周期配列した超微細周期構造を形成することができる。
【００２０】
請求項２の超微細周期構造の製造方法は、基板または基板上に形成された薄膜の表面を砒素、セレン、硫黄等蒸発の容易なレジスト材料により被覆した後、波長が原子サイズのレベルであるコヒーレントなシンクロトロン放射光または波長が原子サイズのレベルであるコヒーレントな電子ビームのいずれかを複数の方向から上記レジスト材料上に照射して上記レジスト材料の表面に２次元干渉像を形成しながら露光を行うことにより、現像工程を経ることなく、２次元干渉像の存在する位置のみで上記レジスト材料を除去することを特徴とするものである。ここでは、レジスト材料として蒸発の容易な材料を用いたので、レジスト上にコヒーレントビームの２次元干渉像を形成するのみにより、この２次元干渉像の存在する位置で上記レジスト材料を蒸発させて除去することができる。この場合、レジストを現像して露光部または未露光部のいずれかを除去する場合と比較してレジストの解像度限界が短くなるので、一層微細なパターンを露光することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１に本実施の形態で使用する超微細周期構造の製造装置を示す。本装置は、コヒーレントビーム供給装置１、ガス供給装置２、基板交換室３および反応室４から構成されている。コヒーレントビーム供給装置１は、例えば、シンクロトロン放射光装置等の放射光光源５から放出されるコヒーレントな放射光をフィルター６により単色化した後、反応室４に供給するようになっている。
【００２２】
ガス供給装置２は、原料ガス（原料の分子線または原子線）やエッチングガスを反応室４に供給するものである。基板交換室３は反応室４の真空を破らずに基板７を反応室４に導入するために設けられており、反応室４と基板交換室３とはゲートバルブ８により隔てられている。基板交換室３と反応室４とは、それぞれ独立の真空排気装置９、１０を備えている。
【００２３】
反応室４は、常時真空排気装置１０により真空が保たれている。反応室４内において基板７は基板ホルダー１１上に装着される。基板ホルダー１１の下部には基板ヒーター１２が取り付けられていて、必要に応じて基板７を加熱する。なお、基板ヒーター１２を設ける代わりに、基板ホルダー１１から離れた位置から赤外線等を照射して加熱するようにしてもよい。
【００２４】
放射光光源５からフィルター６を介して反応室４内に導入された放射光は、ハーフミラー１３、１４、１５を用いて、３つ以上、たとえば４つに分割され、さらにミラー１６、１７、１８、１９を介して、複数の方向、たとえば４方向から基板７上に照射される。なお、ハーフミラー１３および１５間、ハーフミラー１４とミラー１７間、およびハーフミラー１５とミラー１９間には、それぞれミラー２０、２１、２２が配置されている。放射光を基板７に照射する方向が常に一定であれば、ハーフミラー１３乃至１５やミラー１６乃至２２は反応室４の外部に位置していても差し支えない。
【００２５】
上記基板７上において、たとえば、正方格子を有する２次元干渉像を形成するために、４つのミラー１６乃至１９を介して４方向Ａ乃至Ｄから放射光を照射する場合、これらの４方向は、図２に示すように、上方から見て、９０°の角度間隔となるように設定されている。４方向の放射光の垂直面内での傾斜角度は、製造すべき周期構造の格子間隔に対応させて、互いに等しくされる。そして、４方向からの波が互いに干渉することにより、正方格子を有する２次元的に周期配列した干渉像が形成される。
【００２６】
図３は、六方格子を有する２次元干渉像を形成するために、基板７上への放射光の照射を３方向Ｅ乃至Ｇからとし、お互いに対して、それぞれ１２０°の角度をなす方向から照射する場合を示したものである。３方向の放射光の垂直面内での傾斜角度は、製造すべき周期構造の格子間隔に対応させて、互いに等しくされる。この場合、３方向からの放射光が互いに干渉して、六方格子を有する２次元的に周期配列した干渉像が形成される。
本発明において、基板７上に形成される２次元干渉像は、上記の正方格子を有するものや六方格子を有するものに限定されない。放射光を照射する方向の数、上方から見た角度、垂直面内での傾斜角度を変えることにより、任意の周期配列を有する２次元干渉像を形成することが可能である。
【００２７】
図１において、ガス供給装置２から反応室４内に導入された原料ガス（原料の分子線または原子線）やエッチングガスは、ガスノズル２３により基板７上に照射されるようになっている。
【００２８】
基板７上に所望の材料を２次元的に周期配列させて堆積する場合、図４中（ａ）に示すように、反応室４内において、基板７上に、上述のように複数の方向から放射光を照射すると同時に、ガスノズル２３から原料分子または原料原子を照射する。上記放射光は、基板７表面の一方向（たとえばＸ方向）については、図４中の（ｂ）に示すように、２方向からの放射光同士が干渉することにより、周期的に干渉像の強度が増減するとともに、基板７表面の他方向（たとえばＹ方向）についても、同様に干渉像の強度が周期的に増減し、その結果、基板７上に２次元干渉像が周期配列され、図５に示すように、この２次元干渉像が存在する位置のみに材料２４が堆積して基板７上に材料２４の島が２次元的に周期配列される。
【００２９】
なお、以上では、放射光の干渉像が存在する位置（干渉像の強度があるしきい値より高い位置）のみに材料２４が堆積して、いわゆる選択成長が生じるものとしたが、原料や材料２４の種類や各種条件によっては、放射光の干渉像が存在する位置で堆積速度が増加し、従って、干渉像の存在する位置で材料２４が厚く堆積され、干渉像の存在しない位置（干渉像の強度があるしきい値より低い位置）で材料２４が薄く堆積される場合もある。或いは、放射光の干渉像の存在しない位置（干渉像の強度があるしきい値より低い位置）のみに材料２４が堆積して、いわゆる逆の選択成長が生じる場合もある。
【００３０】
次に、表１に本発明の請求項１及び２に対応する各種実施例における基板７、原料（原料分子または原料原子）、および材料２４の種類と、温度条件との関係を示す。備考欄には、選択成長、逆の選択成長または堆積速度の増加、原子層の堆積等が観察されたものについて、その旨を記載している。
【００３１】
たとえば実施例９について説明すると、基板７として非晶質基板であるＳｉＯ２基板を用い、反応室４内の温度を１００℃に保ちながら基板７上に放射光を照射すると同時に原料分子としてジメチルアルミニウムハイドライドを照射したところ、図５に示したように、基板７上の２次元干渉像の存在する位置（干渉像の強度の高い位置）にＡｌ（アルミニウム）からなる材料２４が２次元的に周期配列された。他の実施例については、表１に示した通りである。なお、本実施の形態における超微細周期構造は、たとえば単電子トランジスタやシリコン微粒子による発光素子等に応用することができる。
【００３２】
【表１】
0003639840.tif 000002
【００３３】
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。この実施の形態は請求項３および４に対応したものであって、図６中（ａ）に示すように、ある種の材料からなる基板７の表面に放射光を第１の実施の形態と同様に３方向以上から照射すると、（ｂ）に示す放射光の干渉像の強度が高い位置（干渉像が存在する位置）で基板７の表面がエッチングされて穴２８が形成され、この穴２８は図７に示すように、基板７上に２次元的に周期配列される。この場合、放射光の照射と同時に、基板７の材料との反応性を有するガスを照射することにより、エッチング速度を向上させることができる。
【００３４】
具体的な実施例としては、たとえばＳｉＯ２からなる基板７に３方向以上から放射光を照射するとともに、該基板７にＳＦ６ガスを照射すると、基板７の表面がエッチングされた。また、ＳＦ６ガスを使用せずに、放射光を照射するのみでも、基板７がエッチングされた。別の実施例としては、シリコンからなる基板７を用い、マイクロ波で励起されたＳＦ６およびＡｒの混合ガス雰囲気中で放射光を照射すると、放射光を照射しない場合に比べてエッチング速度が１桁程度加速された。
【００３５】
次に、本発明の第３の実施の形態を説明する。この実施の形態は請求項５に対応したものであって、図８に示すように、基板７上にレジスト３１を形成し、このレジスト３１上に露光する場合に、レジスト３１上にコヒーレントな放射光またはコヒーレントな電子ビームを３方向以上の複数方向から照射して２次元干渉像を形成する。これにより、２次元干渉像の強度があるしきい値より高い位置３１ａでレジスト３１が露光される。その後、通常の現像工程により、たとえばレジスト３１の露光部３１ａのみを除去すると、図９に示すように、レジスト３１の露光部３１ａに穴３２が形成され、これらの穴３２は２次元的に周期配列されたものとなる。
【００３６】
この場合も、コヒーレントビームの波長をレジストの解像度限界である１０ナノメーター程度まで短くすることにより、従来のマスクを用いて露光を行う場合よりも微細なパターンを露光することができるので、現像後にレジスト３１に形成される穴３２も超微細なものとなる。なお、穴３２の形成されたレジスト３１を用いる基板７に加工することにより、たとえば基板７上に図７と同様の穴２８を２次元的に周期配列させることができる。あるいは穴３２の形成されたレジスト３１上から基板７に原料原子または原料分子を照射することにより、穴３２の形成された位置のみで基板７上に材料を堆積させることができる。また、基板７上に薄膜を形成してこの薄膜上に超微細な２次元的周期構造を形成する場合、上記薄膜上にレジストを形成してこのレジスト上に上記２次元干渉像により露光すればよい。
【００３７】
レジストを用いる場合の具体的な実施例として、シリコン基板上にレジスト材料であるポリメチルメタクリレートをスピナーで塗布し、コヒーレントな放射光を３方向以上から照射して露光を行った。さらに現像を行うことにより、図９のように、レジスト３１上に穴３２が２次元的に周期配列された超微細構造を形成することができた。なお、レジスト材料として砒素、セレン、硫黄等蒸発の容易な材料を用いると、コヒーレントビームによる２次元干渉像を形成するのみで、この２次元干渉像の存在する位置で上記レジスト材料が蒸発するので、現像工程が不要となる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の請求項１の超微細周期構造の製造方法によれば、基板の表面に波長が原子サイズのレベルであるコヒーレントビームの干渉像を結像させることにより、反応性ガスを用いることなく、干渉像の存在する位置のみで選択的に基板材料をエッチングして、穴が２次元的に周期配列した超微細周期構造を形成することができる。
【００４３】
請求項２の超微細周期構造の製造方法によれば、現像する場合に用いられるレジストと比較して解像度限界が短い、砒素、セレン、硫黄等蒸発の容易なレジスト材料を用いたので、レジストを現像して露光部または未露光部のいずれかを除去する場合と比較して一層微細な周期構造を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態で使用する超微細周期構造の製造装置を示す説明図。
【図２】第１の実施の形態で基板に対して４方向から光を照射する場合の光の照射方向を示す平面図。
【図３】上記基板に対して３方向から光を照射する場合の光の照射方向を示す平面図。
【図４】第１の実施の形態で基板上に材料を堆積させる様子を干渉像の強度とともに示す概略正面図。
【図５】第１の実施の形態で基板上に材料を堆積させた状態を示す概略斜視図。
【図６】本発明の第２の実施の形態で基板上に穴を開ける様子を干渉像の強度とともに示す概略正面図。
【図７】第２の実施の形態で基板上に穴を開けた状態を示す概略破断斜視図。
【図８】第３の実施の形態でレジスト上に露光する様子を示す概略正面図。
【図９】第３の実施の形態で上記レジストを現像した状態を示す概略破断斜視図。
【符号の説明】
１ コヒーレントビーム供給装置
２ ガス供給装置
３ 基板交換室
４ 反応室
５ 放射光光源
６ フィルター
７ 基板
８ ゲートバルブ
９、１０ 真空排気装置
１１ 基板ホルダー
１２ 基板ヒーター
１３乃至１５ ハーフミラー
１６乃至２２ ミラー
２３ ガスノズル
２４ 材料
２８、３２ 穴
３１ レジスト
３１ａ 露光部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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