(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に１ミクロン以下の周期性を有するマスクを形成し、蒸着により該マスクの周期性に対応した周期性を有する薄膜を該基板の上に形成する薄膜製造方法において、
該マスクの側壁部分への蒸着を促進して該薄膜の垂直性を向上させるように、該基板に対して斜めの角度でかつ該基板を基板面内で回転させて、該蒸着をマスクに対して異なる方向から複数回同一プロセスで行うことによって、マスク形状に応じて円柱又はｎ角柱の垂直形状のピラーを形成することを特徴とするナノ構造薄膜の形成方法。
【請求項２】
前記角度を可変することを特徴とする請求項１記載のナノ構造薄膜の形成方法。
【請求項３】
前記角度と蒸着厚みを調整することによって、中央部が凸状又は凹状のピラーを形成することを特徴とする請求項１記載のナノ構造薄膜の形成方法。
【請求項４】
前記角度を、基板が全てスクリーニングされない角度に設定することによって、中央が中空状のピラーを形成することを特徴とする請求項１記載のナノ構造薄膜の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気的、光学的メモリ及び光素子に利用可能となる微小周期的構造の形成技術の開発に関するものである。特に構造の材料系と本発明の作製法を工夫することによって得られるフォトニック結晶をはじめとする新しい光素子とその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
周期的な薄膜、ナノ構造形成方法については、マスクの形状や材質を工夫することにより、蒸着、堆積技術を組み合わせた通常のリソグラフィ技術で実現している。
例えば、金属蒸着とリフトオフプロセスを用いた微細周期的空孔マスクを使用した蒸着法では垂直磁化された１２０ｎｍの蒸着層、磁気的ドットの形成に成功している（参考文献：ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ．Ｍａｇｎ．３２，４４７２（１９９６））。
【０００３】
また、電気的堆積法（めっき）を用いる方法では適当な濃度、湿度の溶液を選定することで、例えば３００ｎｍの高さ、２００ｎｍ周期のニッケルやコバルトピラーの形成に成功している（参考文献：ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ．Ｍａｇｎ．３４，１０８７（１９９８））。
上記２種類の方法は一般的であり、形成法の工程としては、ほぼ確立されていると言える。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、かかる従来の方法で作製される形成法ではマスクの形状や材質依存の割り合いが大きく、例えば、蒸着法では、微細周期的空孔マスクを用いた場合、形状は蒸着フラックスの影の効果でコーン状（円錐形）となり、磁気ドットの均一性、歩留まりが良好でないと言う問題点がある。
また、電気的堆積法では、周期的微細構造のポストアレイの高さはマスクとなる膜厚（ＡＲＣ）に依存するために、材質的制限が加わり、更に厳密な濃度、温度の溶液を準備する必要性も加わる。
【０００５】
このように、上述した従来の一般的方法では形状の自由度が低く、磁気的、光学的メモリ及び光素子に利用可能となる微小周期的構造の形成法が複雑であり、均一性、歩留まりの観点からも形成法の工夫が必要となってくる。
本発明は、上記一般的形成法を工夫して、可能な限りの形成法の自由度を拡大し、磁気的、光学的メモリ及び光素子に利用可能となる微小周期的構造の新しい形成法を提供することを目的とする。
即ち、本発明の目的は、周期的マスクと斜め蒸着法によって形成するステップカバレッジの良い周期的凸型及び凹型構造を特徴とする良質な薄膜を提供することにある。
【０００６】
また、本発明の他の目的は、上記良好な膜質の薄膜を形成する際に、蒸着過程において少なくとも１回以上、０度より大きい任意の蒸着角度変化を伴うことによって形状形成変化の自由度を有する、均一性、歩留まりに優れた、微小サイズの周期的構造形成を可能とすることにある。
更に、本発明の他の目的は、かかる製造法の蒸着の際に、マスクの影となる負の要因であるスクリーニング効果を積極的に利用することによって形成される垂直性、均一性に優れた極微小サイズピラー形状を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
斯かる目的を達成する本発明の請求項１に係るナノ構造薄膜の形成方法は、基板の上に１ミクロン以下の周期性を有するマスクを形成し、蒸着により該マスクの周期性に対応した周期性を有する薄膜を該基板の上に形成する薄膜製造方法において、該マスクの側壁部分への蒸着を促進して該薄膜の垂直性を向上させるように、該基板に対して斜めの角度でかつ該基板を基板面内で回転させて、該蒸着をマスクに対して異なる方向から複数回同一プロセスで行うことによって、マスク形状に応じて円柱又はｎ角柱の垂直形状のピラーを形成することを特徴とする。
上記目的を達成する本発明の請求項２に係るナノ構造薄膜の形成方法は、請求項１において、前記角度を可変することを特徴とする。
上記目的を達成する本発明の請求項３に係るナノ構造薄膜の形成方法は、請求項１において、前記角度と蒸着厚みを調整することによって、中央部が凸状又は凹状のピラーを形成することを特徴とする。
上記目的を達成する本発明の請求項４に係るナノ構造薄膜の形成方法は、請求項１において、前記角度を、基板が全てスクリーニングされない角度に設定することによって、中央が中空状のピラーを形成することを特徴とする。
【０００８】
〔作用〕
従来技術で作製される、磁気的、光学的メモリ及び光素子に利用可能となる微小周期的構造の形成方法において、通常の蒸着技術では、微細周期的空孔マスクを用いた場合、形状は蒸着フラックスの影の効果でコーン状（円錐形）となり、磁気ドットの均一性、歩留まりについて問題があった。
また、通常の堆積技術では、周期的微細構造のアレイの高さはマスクとなる膜厚に依存するために、材質的制限が加わり、ＡＲＣ膜マスクでは高さが６００ｎｍ以下に制限されてしまう。
更に、適当な濃度、温度の溶液を準備する必要性もあり、プロセス工程が複雑化していた。
【０００９】
本発明では、薄膜形成時に、上記一般的形成法の蒸着法を工夫して、可能な限りの形成法の自由度を拡大し、微小周期的構造の新しい形成法の開発、構造の材料系を工夫することによって得られるフォトニック結晶のメカニズム解明に必要な薄膜とその作製法を提供することにある。
即ち、斜め蒸着を複数回同一プロセスで行うことによって、蒸着フラックスの影の効果で引き起こされるコーン形状を避け、垂直形状のピラーを形成することができる。
また、電気的堆積法でないので、材質的な形状制限もない。
【００１０】
更に、ピラー形成後にエッチングを行うことによって、微細周期的空孔を作製することもできるため、微細周期の磁気ドットに加えて、微細周期空孔形成を二次元フォトニック結晶の作製に応用することによって、製造法の開発及びメカニズム解明に必要な薄膜とその作製法を提供すること自体にも、大きな進歩発展が期待できる。
尚、フォトニック結晶とは、半導体における電子と同様、ある特定のエネルギーをもった光が透過できない、いわゆるフォトニックバンドギャップをもつ、光の波長オーダーで誘電率の周期性を有する多次元構造体をいい、作製法、現象面ともに現在、研究途上にある。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
図１は半導体上に塗布した微細周期空孔マスクの断面形状を示し、図２はマスクを塗布した半導体上への斜め蒸着の様子を示し、図３は複数回斜め蒸着の様子を示し、図４、図５に実際に蒸着されたナノ構造の実施例（薄膜ピラー、二次元フォトニック結晶）の形成工程を示す。
理想的環境での実際の薄膜形成の様子を詳しく説明する。
まず、図１のように半導体ＧaＡs基板２上に微細周期空孔構造を有する陽極酸化アルミナマスク１を形成する。
【００１２】
図１のこのマスク１の典型的な寸法は、直径ｄ＝０．２μｍ、深さｈ＝０．６μｍ、周期ｐ＝０．３μｍである。
次に、図２のように、陽極酸化アルミナマスク１の形成された半導体ＧaＡs基板２に対し、蒸着源４により角度θで斜めにＴi及びＮiを蒸着する。
この場合、半導体面に全く蒸着されない（スクリーニング）角度θは、tanθ＝ｄ／ｈ＝０．３３３より、θ＝１８．４°となる。
従って、コーン形状を回避する、スクリーニング効果を利用した角度設定には、θ＝１８．４°以下を選択しなければならない。
【００１３】
半導体面のスクリーニングされる距離が径の８％、ｓ＝ｈtanθ＝０．０１６μｍとなるように、θ＝１．５°を選んで、この条件でＴi／Ｎiからなる積層金属をそれぞれの厚さ８００Å／２２００Åとして、１回目の斜め蒸着を行い、この後にサンプル（マスク１を塗布した半導体基板２を言う、以下同様）を１８０°回転させて、２回目に同様の条件で蒸着を行い、合計２回の複数回斜め蒸着を行い、蒸着薄膜３を形成する。
ステップカバレッジの良い斜め蒸着を２回行うことにより、図３に示すような形状の薄膜ピラーが均一性良く、高い歩留まりで形成される。
尚、図３（ａ）（ｂ）は、２回の斜め蒸着のそれぞれを示し、同図（ｃ）では同図（ａ）（ｂ）の２回の斜め蒸着の結果を示すものである。
尚、本実施例では、面内の均一性を更に向上させるために、サンプルは蒸着方向を軸として、およそ３０r.p.m で公転運動させながら蒸着する。
【００１４】
この薄膜ピラーの製造工程を図４（ａ）〜（ｃ）に示す。
先ず、図４（ａ）に示すように、半導体基板２上に周期的マスク１を形成し、次いで、同図（ｂ）に示すように、合計２回の複数回斜め蒸着を行い、蒸着薄膜３を形成し、引き続き、マスク１を除去することにより、蒸着薄膜３を薄膜ピラーとして形成する。
実際の蒸着条件において形成されたナノ構造の作製状況について詳しく説明する。
【００１５】
アスペクト比が約６（ｈ／ｄ＝６）である陽極酸化アルミナマスクを用いて、以下のような三通りの角度と厚さの組み合わせよりなる蒸着条件で、Ｔi／Ｎi積層金属を斜め蒸着した。
蒸着条件１：θ＝０、Ｔi／Ｎi＝７００Å／１８００Å×２
蒸着条件２：θ＝２．６３°、Ｔi／Ｎi＝７００Å／１８００Å×２
蒸着条件３：θ＝１．７２°、Ｔi／Ｎi＝１０００Å／２８００Å×２
【００１６】
蒸着条件１では予想通り、富士山型のドットが高さ約２０００Åで形成された。
蒸着条件２では中央部が凹型となり蒸着されない領域が存在し、即ち、中空円柱型（ドーナツ型）薄膜が高さ約６００Åで形成された。
蒸着条件３ではやや中央部が凹型となる垂直性の高いピラーが高さ約７００Åで形成された。
実際の蒸着条件ではマスクの均一性の問題と、蒸着環境の精度の問題があるために、完全に計算通りの膜厚の形状を作製するのは難しいが、スクリーニング角度の変化によって実際に作製できる形状のバリエーションについては証明できた。
【００１７】
更に、この薄膜ピラーのＮiをマスクとして用いて、ドライエッチングによって、高均一、高歩留まりである、二次元フォトニック結晶が形成されたことをＳＥＭで確認した。
特に、コーン形状でないために、垂直性に優れている高品質二次元フォトニック結晶であった。
この二次元フォトニック結晶の製造工程を図５（ａ）〜（ｃ）に示す。
先ず、図５（ａ）に示すように、半導体基板２上に薄膜ピラーとして蒸着薄膜３を形成し（図４（ｃ））、次に、同図（ｂ）に示すようにこの蒸着薄膜３をマスクとしてドライエッチングを行い、引き続き、マスクである蒸着薄膜３を除去することにより、フォトニック結晶（図５（ｃ））を形成した。
【００１８】
本実施例では、従来のマスクの材質に起因するピラーの高さ制限がなく、またコーン形状の薄膜形成を避けることによって、高均一、高歩留まりであり、更に垂直性に優れたフォトニック結晶の作製に成功した。
本実施例では、半導体としてＧaＡsを用いたが、ＩnＰ，Ｓi等のドライエッチングプロセス可能ないずれの半導体でもナノ構造の形成を確認しており、マスクを工夫することによって、他の半導体、マスクを用いてプロセスを行うこともできる。
また、本実施例では、一様な円形空孔マスク形状で、合計２回のＮi斜め蒸着について記載したが、必要に応じて、蒸着材料を変えたり、複数回蒸着を行って、積層金属の厚みを増加させても構わない。
【００１９】
例えば、マスク空孔形状がｎ角形である場合、ｎ回の複数回斜め蒸着をすることによって、コーン形状を回避したスクリーニング効果に起因する、ステップカバレッジの良い垂直性の優れた薄膜の蒸着が期待できるが、十分大きなｎであれば、円形空孔形状と同様、２回の斜め蒸着によって、スクリーニング効果による本実施例のような構造形成が可能となる。
従って、マスクの厚み条件に制限される従来の方法と異なるため、マスクの高さ以下であれば、任意の高さのピラーを形成することが可能である。
【００２０】
また、ここで、Ｎi，ＣoやＦeのような強磁性体を蒸着させることで、磁気的、光学的メモリ等に利用可能となる周期的微細構造を作製することに加えて、蒸着薄膜は単に次工程のエッチングマスクにのみ用いる用途であれば、マスクとして利用可能である薄膜の蒸着を行い、半導体加工を行ってフォトニック結晶を作製することも可能である。
更にプロセスを繰り返して薄膜を積層させることにより、三次元フォトニック結晶の形成も可能である。
【００２１】
また、半導体基板が総べてスクリーニングされない程度に角度を設定し、適当な厚さの薄膜蒸着を行うことによって、中央突起型ではない、中央凹型のナノ構造が形成可能であるため、引き続いて行われるエッチングよって、上記の円柱型とは異なった中空円柱型（ドーナツ型）の二次元フォトニック結晶構造も形成可能である（蒸着条件２）。
【００２２】
このように説明したように本発明は、基板上に１ミクロン以下の周期性を有するマスクを形成し、蒸着により基板上に当該マスクの周期性に対応した周期性を有する薄膜を形成する際に、斜め蒸着により当該マスクの影の部分への薄膜蒸着を促進し、周期性を有する薄膜の垂直性や均一性を向上させることができた。
【００２３】
【発明の効果】
以上、実施例に基づいて具体的に説明したように、本発明によれば、薄膜形成時に、従来の一般的形成法のひとつである蒸着法を工夫して、ステップカバレッジの良い、斜め蒸着を複数回同一プロセスで行うことによって、蒸着フラックスの影の効果で引き起こされるコーン形状を避け、垂直形状のピラーを形成することができ、磁気ドットとして、均一性、歩留まりに優れた微細周期構造を作製できる。
また、電気的堆積法でないので、材質的な形状制限もなく、プロセス工程の複雑化を回避している。
更にピラー形成後にエッチングを行うことによって、微細周期的空孔を作製することも可能となるため、微細周期の磁気ドットに加えて、微細周期空孔形成をフォトニック結晶の作製に応用することができ、製造法の開発及びメカニズム解明に必要な薄膜とその作製法を提供すること自体にも、大きな進歩発展が期待できる。
このような微細周期構造を有する薄膜とその製造法は電子的、光学的メモリ等に代表されるような、電子、光学デバイスの基礎的な技術として応用用途に開けている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係るマスクを塗布した半導体の断面図である。
【図２】図２（ａ）は本発明の一実施例に係るマスクを塗布した半導体への斜め蒸着の様子を示す説明図、同図（ｂ）は同図（ａ）中の二点鎖線部Ａの拡大図である。
【図３】本発明の一実施例に係る複数回の斜め蒸着と形成される薄膜を表し、図３（ａ）（ｂ）は、２回の斜め蒸着のそれぞれを示す説明図、同図（ｃ）では同図（ａ）（ｂ）の２回の斜め蒸着の結果を示す説明図である。
【図４】本発明の一実施例に係るナノ構造であり、図４（ａ）〜（ｃ）は薄膜ピラーを形成する様子を示す製造工程図である。
【図５】本発明の一実施例に係るナノ構造であり、図５（ａ）〜（ｃ）は二次元フォトニック結晶を形成する様子を示す製造工程図である。
【符号の説明】
１  微細周期構造マスク
２  半導体（ＧaＡs，ＩnＰ，Ｓi等）
３  蒸着薄膜
４  蒸発源
ｐ  微細構造マスクの周期
ｄ  微細構造マスクの直径
ｈ  微細構造マスクの高さ
ｓ  斜め蒸着によってスクリーニングされる距離
θ  蒸発源と微細構造マスク（半導体基板）垂直面とのなす角度
【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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