(57)【要約】シリコン基板（１００）上に、第１Ｐ型拡散層（１０１）とＰ型半導体層（１０２）を備え、このＰ型半導体層（１０２）の表面部分に、２つの受光部としてのＮ型拡散層（１０３，１０３）と、この２つの受光部の間に、第２Ｐ型拡散層（１０４）を設ける。Ｐ型半導体層（１０２）上に、熱酸化法で形成した第１シリコン酸化膜（１０７）と、ＣＶＤで形成した第２シリコン酸化膜（１０８）とからなる反射防止膜構造（１０６）を設ける。第１シリコン酸化膜（１０７）の膜厚を１５ｎｍ程度にして、この第１シリコン酸化膜（１０７）とＰ型半導体層（１０２）との間の欠陥を防止すると共に、第２シリコン酸化膜（１０８）の膜厚を１００ｎｍ程度にして、電源電圧を継続して長時間印加した際のカソード−カソード間のリーク電流を防止する。
2003054973.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板Ｘの表面に、前記基板Ｘの酸化を防止し化学的にも熱的にも安定な酸化膜層を形成できる無機材料Ｙ層を形成し、さらに、前記Ｙ層表面に前記Ｙ層の酸化を防止し熱的に不安定な自然酸化膜又は前記Ｙ層よりも弱いが化学的に安定な強制酸化膜を形成できる無機材料Ｚ層を形成した後、前記Ｚ層表面に自然に形成されている表面自然酸化膜の存在又は酸素分子放射のもとでの金属イオン打ち込みにより、前記表面自然酸化膜を選択的に安定な強制酸化膜Ｚ’層に置換し、更にイオンの打ち込み量を増やし、前記自然酸化膜又は前記強制酸化膜Ｚ’層からのＯイオンの伝播及びＺ層のスパッタリングにより前記Ｙ層に熱的にも化学的にも安定な酸化膜Ｙ’層を生成させた後、前記基板Ｘ表面を反応性エッチングガスにより精度よくドライエッチングし、前記強制酸化膜Ｚ’層及び前記酸化膜Ｙ’層に置換した部分以外の前記表面酸化膜、Ｚ層、Ｙ層及び基板Ｘの一部を除去する無機多層レジストのイオンビーム微細加工方法。
【請求項２】
前記Ｚ層の厚みを制御することによって前記Ｙ層表面に形成される前記酸化膜Ｙ’層の大きさを制御する請求の範囲第１項に記載の無機多層レジストのイオンビーム微細加工方法。
【請求項３】
前記金属イオンの注入量を制御することによって前記Ｙ層表面に形成される酸化膜Ｙ’層の大きさを制御する請求の範囲第１項に記載の無機多層レジストのイオンビーム微細加工方法。
【請求項４】
前記強制酸化膜Ｚ’層及び酸化膜Ｙ’層に置換される部分の大きさ及び前記ドライエッチングによる除去量を制御することによって前記基板表面を、ネガ型、ポジ型のいずれにも加工することができる請求の範囲第１項に記載の無機多層レジストのイオンビーム微細加工方法。
【請求項５】
前記反応性エッチングガスに、ＡｓＢｒ、ＡｓＢｒ２、ＡｓＢｒ３を用いる請求の範囲第１項に記載の無機多層レジストのイオンビーム微細加工方法。
【請求項６】
Ｓｉウェハー基板表面にＡｌ層を形成し、さらに、前記Ａｌ層表面にＳｉアモルファス層を形成した後、前記Ｓｉアモルファス層表面にイオンビームを任意の形状に選択吸収できるマスクを通して金属イオンを所要の形状に注入し、前記Ｓｉアモルファス層表面に自然に形成されている表面自然酸化膜の存在又は酸素分子放射のもとでの金属イオン打ち込みにより、前記表面自然酸化膜を選択的に強制酸化膜ＳｉｘＯｙに置換させ、更にイオンの打ち込み量を増やし、前記強制酸化膜ＳｉｘＯｙからのＯイオンの伝播及び前記Ｓｉアモルファス層のスパッタリングにより前記Ａｌ層の一部にＡｌｘＯｙを生成させた後、前記Ｓｉウェハー基板表面を反応性エッチングガスにより一原子層単位でドライエッチングし、前記強制酸化膜ＳｉｘＯｙ及び前記ＡｌｘＯｙに置換した部分以外の前記表面自然酸化膜、Ｓｉアモルファス層、Ａｌ層及びＳｉウェハー基板の一部を除去する無機多層レジストのイオンビーム微細加工方法。
【請求項７】
Ｓｉウェハー基板表面にＡｌ層を形成し、さらに、前記Ａｌ層表面にＳｉアモルファス層を形成した後、前記Ｓｉアモルファス層表面にイオンビームを任意の形状に選択吸収できるマスクを通して金属イオンを所要の形状に注入した後に、前記マスクを取り除き、任意のイオンビーム径、イオン電流密度に制御した金属イオンの集束イオンビームを前記Ｓｉアモルファス層表面に自然に形成されている表面自然酸化膜の存在又は酸素分子放射のもとでの金属イオン打ち込みにより、前記表面自然酸化膜を選択的に強制酸化膜ＳｉｘＯｙに置換させ、更にイオンの打ち込み量を増やし、前記強制酸化膜ＳｉｘＯｙからのＯイオンの伝播及び前記Ｓｉアモルファス層のスパッタリングにより前記Ａｌ層の一部にＡｌｘＯｙを生成させた後、Ｓｉウェハー基板表面を反応性エッチングガスにより一原子層単位でドライエッチングし、前記強制酸化膜ＳｉｘＯｙ及びＡｌｘＯｙに置換した部分以外の前記表面自然酸化膜、Ｓｉアモルファス層、Ａｌ層及びＳｉウェハー基板の一部を除去する無機多層レジストのイオンビーム微細加工方法。
【請求項８】
前記マスクを取り除いた後に表面自然酸化膜に打ち込む任意のイオンビーム径とイオン電流密度に制御した金属イオンの注入量を制御することによって、前記ＡｌｘＯｙ層の一部をスパッタリングし、該ＡｌｘＯｙパターンを任意の形状に微細加工して、全体と局部両方のパターンを自在に制御することによって、ナノオーダーサイズの微細構造体及び／又は電子回路をＳｉウェハー基板全面に効率よく形成することができる請求の範囲第７項に記載の無機多層レジストのイオンビーム微細加工方法。
【請求項９】
前記Ｓｉアモルファス層の厚みを制御することによって、前記Ａｌ層表面に形成されるＡｌｘＯｙの大きさを制御できる請求の範囲第６項に記載の無機多層レジストのイオンビーム微細加工方法。
【請求項１０】
前記Ｓｉアモルファス層の厚みを制御することによって、前記Ａｌ層表面に形成されるＡｌｘＯｙの大きさを制御できる請求の範囲第７項に記載の無機多層レジストのイオンビーム微細加工方法。
【請求項１１】
前記ＳｉｘＯｙ及びＡｌｘＯｙに置換される部分の大きさ及び前記ドライエッチングによる除去量を制御することによって前記Ｓｉウェハー基板表面を、ナノオーダーサイズのネガ型、ポジ型のいずれにも加工することができる請求の範囲第６項に記載の無機多層レジストのイオンビーム微細加工方法。
【請求項１２】
前記ＳｉｘＯｙ及びＡｌｘＯｙに置換される部分の大きさ及び前記ドライエッチングによる除去量を制御することによって前記Ｓｉウェハー基板表面を、ナノオーダーサイズのネガ型、ポジ型のいずれにも加工することができる請求の範囲第７項に記載の無機多層レジストのイオンビーム微細加工方法。
【請求項１３】
前記反応性エッチングガスに、ＢｉＦ３又はＸｅＦ２を用いる請求の範囲第６項に記載の無機多層レジストのイオンビーム微細加工方法。
【請求項１４】
前記反応性エッチングガスに、ＢｉＦ３又はＸｅＦ２を用いる請求の範囲第７項に記載の無機多層レジストのイオンビーム微細加工方法。
【請求項１５】
請求の範囲第１項乃至第１４項のいずれかの方法により製作された半導体デバイス。
【請求項１６】
請求の範囲第１項乃至第１４項のいずれかの方法により製作された量子デバイス。
【請求項１７】
請求の範囲第１項乃至第１４項のいずれかの方法により製作されたマイクロマシーンコンポーネント。
【請求項１８】
請求の範囲第１項乃至第１４項のいずれかの方法により製作された微細構造体。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＡｓを含むＩｎｘＧａ１ｘＡｓｙＰ１ｙやＡｌｘＧａ１ｘＡｓｙＰ１ｙ等の無機材料からなる半導体基板表面へのイオンビーム微細加工方法及びこの方法による半導体デバイス、量子デバイス及びマイクロマシーンコンポーネントに関するものである。
背景技術
近年、マイクロエレクトロニクスの中核をなすＵＬＳＩの集積度の向上とともに、これら量子デバイスにおける回路パターンは微細化の一途をたどっている。このため、ナノ領域での微細加工技術の開発が盛んに行われている。
従来、これら量子デバイスの回路パターンの微細加工技術の代表的なものとしては、パターン転写方式の光リソグラフィーがある。この光リソグラフィー技術は、極紫外光やＸ線を用いることにより高精度化を目指してはいるものの、高精度の微細なマスクを作製する必要がある。また、フォトレジストを用いるときの解像度の点で限界に近づきつつある。さらに、これら従来の方法からの拡張では開発コストも無視し得ないものになっており、新しい微細加工方法の開発が要望されている。
半導体デバイスの作製プロセスでは、絶縁膜や金属薄膜の不要部分を、レジストパターン通りに高精度で取り除くための基礎技術として、半導体結晶のエッチング法が広く採用されている。このエッチング法のための手段として、ハロゲンガスを用いたドライエッチングの検討も進められている。このドライエッチングは、超高真空中の比較的清浄な雰囲気でエッチングを行うため、微細な量子デバイスの加工が可能なものとして期待されている。
例えば、デバイス材料として代表的なＳｉについては、フッ素および塩素系のハロゲンガスによるドライエッチングプロセスが検討されている。しかしながら、これまでのところ、このＳｉの場合についても、より微細な量子素子を作製するためのドライエッチングプロセスはいまだ完成していないのが実情である。そして、ＧａＡｓを含むＧａｘＩｎ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙやＧａｘＡｌ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ等の化合物半導体についてもドライエッチングプロセスに関する報告は多いが、量子素子の作製を可能とする技術的手段についてはいまだＳｉ同様に、完成していない。
例えば、ＧａＡｓはＳｉに比べ電子の移動度が大きく、Ｓｉより高周波、高速の動作が可能な材料であって、資源の豊かさ、結晶の完全性等の点から工業規模の大きさで発展し、Ｓｉに代わり、その限界を克服する化合物半導体の１種としてその優れた性質と多様性で注目されているものである。またこのＧａＡｓ等の化合物半導体のエピタキシャル結晶技術として、分子線エピタキシャル成長（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ：以下、ＭＢＥという。）法や、有機金属気相成長（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：以下、ＭＯＣＶＤという。）法等の技術が進歩し、一様な結晶成長が可能になってきており、化合物半導体のデバイス材料としての重要度は増してきている。
そこで、本発明者は、化合物半導体等に対する従来のハロゲンガスによるドライエッチング方法の技術的限界を克服するドライエッチング方法として、半導体結晶表面を臭素化物により一原子層単位でドライエッチングする方法を開発し、特開平８−３２１４８３号公報で開示している。
しかしながら、ＧａＡｓ基板表面に精度良く回路パターンを形成するためには、前述の一原子層単位でドライエッチングする場合であっても、ドライエッチング用マスクを形成する必要があった。このドライエッチング用マスクは、前述したように、近年の、量子デバイスにおける回路パターンの微細化、複雑化に伴い、ドライエッチング用マスクの微細化は限界に近づきつつある。
また、ＳｉやＧａＡｓ基板表面には、自然にＳｉＯ２、Ａｓ２Ｏ３、Ａｓ２Ｏ、ＧａＯ等の表面酸化膜が形成されており、ドライエッチング用マスクを形成するにあたり、これら表面酸化膜を除去する必要もあった。
本発明は、以上の問題点に鑑みなされたものであり、Ｓｉ、ＳｉＣやＧａＡｓ等の無機材料からなる多層基板の表面酸化膜を予め除去する必要がなく、また、複雑で微細化された回路パターンを形成するためのドライエッチング用マスクを形成することなく、無機材料からなる多層基板表面に、量子デバイスに用いられる微細な２次元及び３次元の回路パターンを形成するイオンビーム微細加工方法を提供することを目的とする。
発明の開示
前記課題を解決するための本発明の無機多層レジストのイオンビーム微細加工方法は、半導体基板Ｘの表面に、前記基板Ｘの酸化を防止し化学的にも熱的にも安定な酸化膜層を形成できる無機材料Ｙ層を形成し、さらに、前記Ｙ層表面に前記Ｙ層の酸化を防止し熱的に不安定な自然酸化膜又は前記Ｙ層よりも弱いが化学的に安定な強制酸化膜を形成できる無機材料Ｚ層を形成した後、前記Ｚ層表面に自然に形成されている表面自然酸化膜の存在又は酸素分子放射のもとでの金属イオン打ち込みにより、前記表面自然酸化膜を選択的に安定な強制酸化膜Ｚ’層に置換し、更にイオンの打ち込み量を増やし、前記自然酸化膜又は前記強制酸化膜Ｚ’層からのＯイオンの伝播及びＺ層のスパッタリングにより前記Ｙ層に熱的にも化学的にも安定な酸化膜Ｙ’層を生成させた後、前記基板Ｘ表面を反応性エッチングガスにより精度よくドライエッチングし、前記強制酸化膜Ｚ’層及び前記酸化膜Ｙ’層に置換した部分以外の前記表面酸化膜、Ｚ層、Ｙ層及び基板Ｘの一部を除去するものである。
無機材料基板Ｘ表面に無機材料Ｙ層を形成することで、基板Ｘの酸化が抑制される。このＹ層は、ＭＢＥ法やＣＶＤ法によって形成されたものであることが好ましい。ＭＢＥ法やＣＶＤ法によって形成されることで、原子層単位での厚み制御が可能となる。このＹ層の表面に、さらに無機材料Ｚ層を形成する。このＺ層も、前述のＹ層同様にＭＢＥ法やＣＶＤ法で形成されたものであることが好ましい。ＭＢＥ法やＣＶＤ法で形成されることによって、原子層単位での厚み制御が可能であるため、Ｙ層へのＯイオンの伝播量の制御が可能となる。また、このＺ層は緩衝層としても作用する。このＺ層の表面に形成される自然酸化膜の表面に直接任意のイオンビーム径及びイオン電流密度に調整したＧａ等の比較的重い金属のイオンの集束イオンビームを照射して、Ｚ層表面の表面自然酸化膜を選択的に化学的に安定な強制酸化酸化膜Ｚ’層に置換する。このＺ’層からのＯイオンの伝播及びＺ層のスパッタリングによってＹ層表面に化学的にも熱的にも安定な酸化膜Ｙ’層を形成し、それ以外の酸化膜、Ｚ層、Ｙ層及び基板Ｘの一部を１０−８Ｐａ以下程度の減圧下において、ドライエッチングして、化学的に安定なＹ’を残すことによって、無機材料である基板表面Ｘにマスクを使用することなく、任意の回路パターンを自在に形成することができる。
なお、ここで、半導体基板Ｘとなる無機材料としては、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＡｓを含むＧａｘＩｎ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙやＧａｘＡｌ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ等を使用できる。また、この基板Ｘの酸化を防止し化学的にも熱的にも安定な酸化膜層を形成できる無機材料Ｙ層としては、Ａｌ、ＡｌＡｓを含むＧａｘＡｌ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ等がある。さらにこのＹ層の表面に形成されるＺ層としては、アモルファスＳｉ層や、ＧａＡｓを含むＧａｘＩｎ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ等がある。
また、本発明の無機多層レジストのイオンビーム微細加工方法は、前記Ｚ層の厚みを制御することによって前記Ｙ層表面に形成される前記酸化膜Ｙ’層の大きさを制御するものである。
無機材料Ｚ層は、ＭＢＥ法やＣＶＤ法によって形成されることが好ましい。原子層単位の厚みで制御されるからである。これによって、このＺ層の厚みによってＹ層へ伝播されるＯイオンの量を制御することができ、Ｙ層表面に形成される酸化膜Ｙ’層の大きさが制御できる。
また、本発明の無機多層レジストのイオンビーム微細加工方法は、前記金属イオンの注入量を制御することによって前記Ｙ層表面に形成される酸化膜Ｙ’層の大きさを制御するものである。
例えば、Ｇａ等の金属イオンの注入量を制御することによって、Ｚ層表面に生成される強制酸化膜Ｚ’層の大きさを制御することが可能となる。これにより、このＺ’層から伝播されるＯイオン量を制御することができ、Ｙ層表面に形成される酸化膜Ｙ’層の大きさを制御することができる。
また、本発明の無機多層レジストのイオンビーム微細加工方法は、前記強制酸化膜Ｚ’及び酸化膜Ｙ’層に置換される部分の大きさ及び前記ドライエッチングによる除去量を制御することによって前記基板表面を、ネガ型、ポジ型のいずれにも加工することができるものである。
化学的に安定なＺ’層及び熱的にも化学的にも安定なＹ’層の形成される大きさを制御するとともに、エッチング量を制御することによって、基板Ｘ表面を、ネガ型、ポジ型のいずれにも自在に加工することができる。このため、近年の量子デバイスに用いられる回路パターンのように、複雑化し、微細化した回路パターンにも対応が可能となる。
また、本発明の無機多層レジストのイオンビーム微細加工方法は、前記反応性エッチングガスに、ＡｓＢｒ、ＡｓＢｒ２、ＡｓＢｒ３を用いるものである。
原子層単位でのエッチングが可能となり、基板Ｘ表面に任意の回路パターンを自在に形成することができる。
また、本発明の無機多層レジストのイオンビーム微細加工方法は、Ｓｉウェハー基板表面にＡｌ層を形成し、さらに、該Ａｌ層表面にＳｉアモルファス層を形成した後、該Ｓｉアモルファス層表面にイオンビームを任意の形状に選択吸収できるマスクを通して金属イオンを所要の形状に注入し、前記Ｓｉアモルファス層表面に自然に形成されている表面自然酸化膜の存在又は酸素分子放射のもとでの金属イオン打ち込みにより、前記表面自然酸化膜を選択的に強制酸化膜ＳｉｘＯｙに置換させ、更にイオンの打ち込み量を増やし、前記強制酸化膜ＳｉｘＯｙからのＯイオンの伝播及び前記Ｓｉアモルファス層のスパッタリングにより前記Ａｌ層の一部にＡｌｘＯｙを生成させた後、前記Ｓｉウェハー基板表面を反応性エッチングガスにより一原子層単位でドライエッチングし、前記強制酸化膜ＳｉｘＯｙ及びＡｌｘＯｙに置換した部分以外の前記表面自然酸化膜、Ｓｉアモルファス層、Ａｌ層及びＳｉウェハー基板の一部を除去するものである。
Ｓｉウェハー基板表面に、Ａｌ層を、さらにその表面にＳｉアモルファス層を形成する。このＳｉアモルファス層表面に所定のパターンが形成され、必要な部分以外の場所にはイオンビームを透過しないマスクを設置し、このマスクを介して金属イオンを前記Ｓｉアモルファス層表面に自然に形成されている表面自然酸化膜の存在又は酸素分子放射のもとで照射する。すると、マスクに設けられているパターンを通過した金属イオンによって、Ｓｉアモルファス層表面に自然に形成されている表面自然酸化膜が選択的に化学的に安定な酸化層ＳｉＯ２に置換される。更にイオンの打ち込み量を増やすと、このＳｉＯ２からのＯイオンの伝播又はＳｉアモルファス層のスパッタリングによって、Ａｌ層表面に化学的に安定なＡｌｘＯｙ、例えば、Ａｌ２Ｏ３が形成される。そして、マスクを除去した後、Ｓｉウェハー基板表面に形成されたＳｉＯ２、及びＡｌｘＯｙ以外の部分のＳｉアモルファス層、Ａｌ層及びＳｉウェハー基板の一部を１０−８Ｐａ以下程度の減圧下において、ドライエッチングして、化学的に安定なＡｌ２Ｏ３を残すことによって、Ｓｉ基板表面に任意の形状の構造やパターンを自在に形成することができる。なお、ここで、用いられる金属イオンとしては、比較的重い金属であるＧａ等を使用することが好ましい。
ここで、Ｓｉ基板表面に形成されるＡｌ層は、ＭＢＥ法又は化学気相蒸着法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：以下、ＣＶＤという。）或いは、ＭＯＣＶＤ法によって形成されたものであることが好ましい。ＭＢＥ法又はＣＶＤ法或いはＭＯＣＶＤ法によって形成されることで、原子層単位で厚み制御を行うことが可能となるからである。Ａｌ層の表面に形成されるＳｉアモルファス層も、ＭＢＥ法又はＣＶＤ法或いはＭＯＣＶＤ法によって形成されたものであることが好ましい。原子層単位での厚み制御が可能であるため、第２層のＡｌ層表面へのＯイオンの伝播量の正確な制御が可能となるからである。
また、本発明の無機多層レジストのイオンビーム微細加工方法は、Ｓｉウェハー基板表面にＡｌ層を形成し、さらに、前記Ａｌ層表面にＳｉアモルファス層を形成した後、前記Ｓｉアモルファス層表面にイオンビームを任意の形状に選択吸収できるマスクを通して金属イオンを所要の形状に注入した後に、前記マスクを取り除き、任意のイオンビーム径、イオン電流密度に制御した金属イオンの集束イオンビームを前記Ｓｉアモルファス層表面に自然に形成されている表面自然酸化膜の存在又は酸素分子放射のもとでの金属イオン打ち込みにより、前記表面自然酸化膜を選択的に強制酸化膜ＳｉｘＯｙに置換させ、更にイオンの打ち込み量を増やし、前記強制酸化膜ＳｉｘＯｙからのＯイオンの伝播及び前記Ｓｉアモルファス層のスパッタリングにより前記Ａｌ層の一部にＡｌｘＯｙを生成させた後、Ｓｉウェハー基板表面を反応性エッチングガスにより一原子層単位でドライエッチングし、前記強制酸化膜ＳｉｘＯｙ及びＡｌｘＯｙに置換した部分以外の前記表面自然酸化膜、Ｓｉアモルファス層、Ａｌ層及びＳｉウェハー基板の一部を除去するものである。
マスクを使用して金属イオンを照射した後に、マスクを取り除き、マスクを通過した金属イオンによって、形成された化学的に安定なＳｉＯ２、及びＡｌｘＯｙに対して金属イオンをさらに注入することによって、これらに注入されるイオンドーズ量を増加させ、形成されるＡｌｘＯｙの大きさを制御することが可能となる。これによって、Ｓｉウェハー基板表面に部分的に集束イオンビームによる描画を効率よく行うことが可能となり、Ｓｉウェハー基板表面の全体に所定の微細加工を施すとともに、部分的にも微細加工を行うことができる。
また、本発明の無機多層レジストのイオンビーム微細加工方法は、前記マスクを取り除いた後に表面自然酸化膜に打ち込む任意のイオンビーム径とイオン電流密度に制御した金属イオンの注入量を制御することによって、前記ＡｌｘＯｙ層の一部をスパッタリングし、該ＡｌｘＯｙパターンを任意の形状に微細加工して、全体と局部両方のパターンを自在に制御することによって、ナノオーダーサイズの微細構造体及び／又は電子回路をＳｉウェハー基板全面に効率よく形成することができるものである。
マスクを取り除いた後に、注入するイオンビームのビーム径及びイオン電流密度を制御する。そして、注入されるイオンが所定の濃度以上となるように、例えば、金属イオンビームをそのイオンビーム密度が、例えば６×１０１６（個／ｃｍ２）以上で注入する。これによって、マスクを用いた金属イオン注入で得られた形状に追加して微細加工形状を任意に形成することができる。このため、Ｓｉウェハー基板表面の全体と局部両方をミリオーダーからナノオーダーサイズの所定のパターンを有した微細構造体及び／又は電子回路を加工することが可能となる。
また、本発明の無機多層レジストのイオンビーム微細加工方法は、前記Ｓｉアモルファス層の厚みを制御することによって、前記Ａｌ層表面に形成されるＡｌｘＯｙの大きさを制御できるものである。
ＭＢＥ法又はＣＶＤ法或いはＭＯＣＶＤ法により、表面に形成されるＳｉアモルファス層の厚みを原子層単位で制御することで、第２層のＡｌ層へのＯイオンの伝播量を制御することができ、Ａｌ層表面に形成されるＡｌｘＯｙ層の大きさを制御することが可能となる。また、イオンビーム密度を例えば６×１０１６（個／ｃｍ２）以上に増やすとスパッタリングを起こす。そして、ＡｌｘＯｙ層とＳｉ基板の一部を削り取り、マスクを用いたＧａイオン注入で得られた形状に追加して微細加工形状を任意に形成することができるので、ミリオーダーからナノオーダーの広範囲の形状を自由に形成することができる。
また、本発明の無機多層レジストのイオンビーム微細加工方法は、前記ＳｉｘＯｙ及びＡｌｘＯｙに置換される部分の大きさ及び前記ドライエッチングによる除去量を制御することによって前記Ｓｉウェハー基板表面を、ナノオーダーサイズのネガ型、ポジ型のいずれにも加工することができるものである。
化学的に安定なＳｉｘＯｙ及びＡｌｘＯｙの形成される大きさを制御するとともに、エッチング量を制御することによって、Ｓｉウェハー基板表面に形成される微細加工面積を自在に制御することが可能であり、Ｓｉウェハー基板表面を、ネガ型、ポジ型のいずれにも自在に加工することができる。このため、近年の量子デバイスに用いられる回路パターンのように、複雑化し、微細化した回路パターンにも対応が可能となる。
また、本発明の無機多層レジストのイオンビーム微細加工方法は、前記反応性エッチングガスに、ＢｉＦ３又はＸｅＦ２を用いるものである。
原子層単位でのエッチングが可能となり、Ｓｉウェハー基板表面に任意の回路パターンを自在に形成することができる。
また、本発明に係る無機多層レジストのイオンビーム微細加工方法は、任意の形状に無機材料表面を加工することが可能であることから、半導体デバイス、量子デバイス、マイクロマシーンコンポーネント及び微細構造体の製作を可能とする。
発明を実施するための最良の形態
以下、図面を参照しつつ本発明に係る無機多層レジストのイオンビーム微細加工方法の実施の形態の一例を説明する。第１図は、Ｇａイオンを打ち込んだ状態の断面模式図であり、第２図及び第３図は、原子層単位でドライエッチングをした場合の断面模式図であり、第２図はエッチング量の少ないもの、第３図はエッチング量の多いものを示している。
第１図において、１はＳｉやＧａＡｓを含むＧａｘＩｎ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ等の無機材料からなる基板Ｘである。２は基板Ｘ１表面にＭＢＥ法やＣＶＤ法或いはＭＯＣＶＤ法により形成され、基板Ｘ１表面の酸化を防止し化学的にも熱的にも安定な酸化膜層を形成できるＡｌやＡｌＡｓを含むＧａｘＡｌ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ等の無機材料Ｙ層を示す。３はこのＹ層２の表面にＭＢＥ法やＣＶＤ法或いはＭＯＣＶＤ法により形成されたＹ層２の酸化を防止し熱的に不安定な表面酸化膜又はＹ層よりも弱いがある程度化学的に安定な強制酸化膜といった複数の酸化膜を形成でき、レジスト層となるアモルファスＳｉ層、ＧａＡｓ層、ＩｎＡｓ層を含むＧａｘＩｎ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ層等の無機材料Ｚ層である。４はこのＺ層３の表面に自然に形成されているＳｉＯ２やＡｓ２Ｏ３等の表面の表面自然酸化膜を示している。また、紙面左から右にかけて、即ち、第１図（ａ）〜（ｅ）に移るにしたがって金属イオン、例えば、Ｇａイオンの注入量が増加していることを示している。
本発明に係る無機多層レジストのイオンビーム微細加工方法は、まず、Ｓｉ、ＳｉＣや、ＧａＡｓを含むＧａｘＩｎ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ基板Ｘ１表面にＭＢＥ法やＣＶＤ法により任意の厚みに形成されたＡｌやＡｌＡｓを含むＧａｘＡｌ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ等の無機材料Ｙ層２、及びアモルファスＳｉ層、ＧａＡｓ層やＩｎＡｓ層を含むＧａｘＩｎ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ層等の無機材料Ｚ層３と積層する。そして、Ｚ層３の表面に自然に形成されているＳｉＯ２やＡｓ２Ｏ３等の表面自然酸化膜４を除去することなく、この表面自然酸化膜４の表面に向ってイオンビーム径を０．５μｍ以下、好ましくは０．３μｍ以下、更に好ましくは０．１μｍ以下に絞った比較的重い金属からなるイオン、好ましくはＧａイオン５を真空中若しくは酸素供給の下で照射して、表面自然酸化膜４にイオンを注入する。金属イオン５の注入により、表面自然酸化膜４のＳｉＯ２、Ａｓ２Ｏ３等の酸化物は、ある注入量以下では化学的に安定した酸化物であるＳｉＯ２、Ｇａ２Ｏ３等の強制酸化膜Ｚ’層６に置換される（第１図（ａ）参照）。そして、金属イオン５の注入量あるいはＺ層３の厚みによって、Ｙ層２に伝播する酸素の量又はＺ層のスパッタリング量を制御でき、Ｙ層２の表面にＡｌ２Ｏ３等の酸化膜Ｙ’層７が形成される（第１図（ｂ）参照）。これら化学的に安定な強制酸化膜Ｚ’層６及び酸化膜Ｙ’層７は、ドライエッチング時のマスクの役割を果たす。また、酸化膜Ｙ’層７のサイズは強制酸化膜Ｚ’層６の約１／１０の大きさであるため、強制酸化膜Ｚ’層６のみが形成された場合に比べて、細かいパターニングが可能となる。このため表面を臭素化物により原子層一層単位でドライエッチングし、強制酸化膜Ｚ’層６及び酸化膜Ｙ’層７に置換された部分以外を除去する（第２図（ｂ）参照）と、基板Ｘ１の表面を所定の回路パターンとなるように加工することが可能となる。
表面自然酸化膜４の表面に照射する集束イオンビームは、第４図に示すように、ビーム先端が円形をしている。このため、第４図（ａ）に示すように、表面自然酸化膜４上を一定速度で進めると、各部分で、イオンビーム５が重なり合う部分が形成される。このため、表面自然酸化膜４に注入されるイオンドーズ量は、第４図（ｂ）に示すように、イオンビーム５の中心部付近ほどその量が多くなる。すなわち、表面自然酸化膜４に及ぼすイオン領域は、実際のイオンビーム５の径よりも小さくなり、その領域は、照射するイオンビーム径の２／３〜１／２の大きさとできる。このため、表面自然酸化膜４表面には、イオンビーム５のイオンビーム径の２／３〜１／２の太さの線のパターンを加工することが可能となる。
ここで、本実施形態例に係るドライエッチングによると、平坦性のよい表面を再現性よく得ることを可能としている。具体的には、例えば、臭素化物等からなる反応性エッチングガスによるエッチングでは、エッチングされていく原子が表面のステップ位置であって、表面の凹凸を構成しているステップを優先的に取り除くため、原子層を一層単位でエッチングすることができる。このような一層単位でのエッチングの結果、得られる表面はきわめて平坦性の高いものである。すなわち原子レベルで平坦な表面を得ることができる。さらにこの方法はへき開面である（１１０）面でも、面指数に関わらない同様なエッチングを可能としている。
このドライエッチングにおいては、反応性エッチングガスを用いて超高真空中で、たとえば１０−８Ｐａレベルへの排気後、５００〜６００℃で１０−６〜１０−５Ｐａのガス分圧でのエッチャントガスの導入によりエッチングを実施することができる。ここで、エッチャントガスとして用いられる反応性エッチングガスとしては、好ましくは臭素との化合物、たとえばＡｓＢｒ３がその代表的なものとして例示される。もちろん、他種のものであってもよい。
このように、表面自然酸化膜４や、アモルファスＳｉ層、ＧａＡｓ層やＩｎＡｓ層を含むＧａｘＩｎ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ層等の無機材料Ｚ層３、Ａｌ層やＡｌＡｓ層を含むＧａｘＡｌ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ層等の無機材料Ｙ層２を原子層一層単位毎にエッチングすることが可能であるため、Ｇａイオンの注入によって形成される化学的に安定なＳｉＯ２、Ｇａ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３の強制酸化膜Ｚ’層６及び酸化膜Ｙ’層７をドライエッチング時のマスクとして、高アスペクト比で微細寸法の構造体を再現性良く且つ容易に形成することが可能となる。
第１図（ａ）は、金属イオン５がある所定量注入され、表面自然酸化膜４の一部にのみ強制酸化膜Ｚ’層６が形成された状態を示している。
この状態で、反応性エッチングガスとして、例えば、臭素化物ガスを用いて超高真空中で、例えば１０−８Ｐａレベルへの排気後、５００〜６００℃で１０−６〜１０−５Ｐａのガス分圧でのエッチャントガスの導入によりドライエッチングを行ったものを第２図（ａ）に示す。エッチング量を制御することによって、第２図（ａ）に示すように、Ｓｉあるいは、ＧａＡｓやＩｎＡｓを含むＧａｘＩｎ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ等の基板Ｘ１表面を、強制酸化膜Ｚ’層６に置換された部分を残した凸状に加工することが可能となる。
さらに、エッチングを行うと、強制酸化膜Ｚ’層６に置換された部分もエッチングされ、第３図（ａ）に示すように、平坦な面となる。
第１図（ｂ）は、金属イオン５の注入量がある所定の注入量を超えた場合について示している。第１図（ｂ）に示すように、金属イオン５の注入量がある所定の注入量を超えると強制酸化膜Ｚ’層６はスパッタリングされ金属イオンは無機材料Ｚ層３に侵入し、この無機材料Ｚ層３に金属イオンが注入された金属イオン侵入領域８が形成される。この金属イオン侵入領域８のＯイオンがＡｌ層やＡｌＡｓ層等の無機材料Ｙ層２に到達し、この無機材料Ｙ層２の表面にＡｌ２Ｏ３等の酸化膜Ｙ’層７が形成される。このとき、Ａｌ、ＡｌＡｓを含む無機材料Ｙ層２の表面に形成される酸化膜Ｙ’層７は、無機材料Ｚ層３の厚みによって制御される。
この状態で、ドライエッチングを行い、そのエッチング量が少ないものを第２図（ｂ）に示す。エッチング量が少ない場合、表面自然酸化膜４に形成された強制酸化膜Ｚ’層６及び無機材料Ｙ層２表面に形成された酸化膜Ｙ’層７がマスクとして作用する。金属イオンが侵入したイオン侵入領域８は、アモルファス化され、イオンが侵入していない無機材料Ｚ層３に比べ大きなエッチング速度を示す。このため、ドライエッチングを行うと、これら強制酸化膜Ｚ’層６及び酸化膜Ｙ’層７以外の部分がエッチングされるとともに、中央に深い溝９が形成された凸状部が基板Ｘ１表面に形成される。
さらに、エッチングを行うと、第３図（ｂ）に示すように、Ａｌ２Ｏ３７部分以外がエッチングされ、基板１上に凸状部が形成される。
また、第１図（ｃ）に示すように、表面自然酸化膜４にさらに金属イオンを注入していくと、表面に形成されている表面自然酸化膜４が強制酸化膜Ｚ’層６に置換していくが、強制酸化膜Ｚ’層６へ置換されるものにも金属イオンの濃度限界があり、ある一定量以上の金属イオンが注入されると、強制酸化膜Ｚ’層６が金属イオンによってスパッタリングされ、幅広の溝９が形成される。この場合、さらにＯイオンが無機材料Ｙ層２表面に伝播されやすくなり、無機材料Ｙ層２表面に酸化膜Ｙ’層７が広い範囲で形成される。
この状態で、エッチングを行うと、エッチング量が少ない場合は、第２図（ｃ）に示すように、幅広の溝９を有した凸状部が基板Ｘ１上に形成される。また、エッチング量を多くすることによって、第３図（ｃ）に示すように、酸化膜Ｙ’層７部分以外がエッチングされ、基板Ｘ１上に凸状部が形成される。
さらに、注入する金属イオン５量を増やしていくと、第１図（ｄ）に示すように、無機材料Ｚ層３がアモルファス化される範囲が拡大して、金属イオン５によってスパッタリングされる。また、無機材料Ｙ層２表面に形成される酸化膜Ｙ’層７も、金属イオンによってスパッタリングされ、溝１０が形成される。この基板Ｘ１の表面を、前述同様に反応性エッチングガスを用いて超高真空中で、たとえば１０−８Ｐａレベルへの排気後、５００〜６００℃で１０−６〜１０−５Ｐａのガス分圧でのエッチャントガスの導入によりドライエッチングを行うと、表面に幅広の深い溝９を有するとともに、底部にも溝１０が形成された凸状部を加工することができる（第２図（ｄ）参照）。また、エッチング量を多くすることによって、第３図（ｄ）に示すように、酸化膜Ｙ’層７部分以外がエッチングされ、基板Ｘ１上に溝１０を有する凸状部が形成される。
さらに、注入する金属イオン５量を増やしていくと、第１図（ｅ）に示すように、無機材料Ｚ層３がアモルファス化される範囲が拡大して、金属イオン５によってスパッタリングされる。また、無機材料Ｙ層２も同様にアモルファス化される範囲が拡大し金属イオン５によってスパッタリングされ、深いＶ字溝１１が表面に形成される。この基板１の表面を、前述同様に反応性エッチングガスを用いて超高真空中で、たとえば１０−８Ｐａレベルへの排気後、５００〜６００℃で１０−６〜１０−５Ｐａのガス分圧でのエッチャントガスの導入によりドライエッチングを行うと、無機材料Ｚ層３のアモルファス化された部分等がエッチングされ、第２図（ｅ）に示すように、強制酸化膜Ｚ’層６によるマスク下がエッチングされ、幅広の溝９が形成されるとともに、底部に幅広で深い溝１０を有する凸状部を加工することができる。また、エッチング量を多くすることによって、第３図（ｅ）に示すように、酸化膜Ｙ’層７部分以外がエッチングされ、基板Ｘ１上に溝１０を有する凸状部が形成される。
このように、ＳｉあるいはＧａＡｓやＩｎＡｓを含むＧａｘＩｎ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ等の無機材料の基板Ｘ表面に、Ａｌ層、ＡｌＡｓ層を含むＧａｘＡｌ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ層等の無機材料Ｙ層及びＧａＡｓやＩｎＡｓを含むＧａｘＩｎ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ等の無機材料Ｚ層を積層する。そして、この無機材料Ｚ層の表面に自然に形成されているＡｓ２Ｏ３等の表面自然酸化膜を除去することなく、この表面自然酸化膜にＧａ等の重い金属のイオンを注入することで、表面に化学的に安定な酸化膜、さらには金属イオンの注入量及び無機材料Ｚ層の厚さを調節することによってＡｌ層やＡｌＡｓ層を含むＧａｘＡｌ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ層等の無機材料Ｙ層表面にＡｌ２Ｏ３等の酸化膜Ｙ’層を形成することが可能となる。そして、注入する金属イオン量を制御することによって反応性エッチングガスによるドライエッチング後の基板Ｘの表面をネガ型、ポジ型のいずれにも加工することが可能となる。また、Ｇａイオン注入時に所定の回路パターンとなるように基板Ｘの表面をイオンビームで描画することによって、容易に任意の回路パターンを再現性良く加工することができる。これによって、半導体デバイスはもちろんであるが、波長弁別デバイス、マイクロマシニングやマイクロコンポーネント等の微細加工、量子ワイヤー等へ応用が可能となる。
また、Ａｌ層やＡｌＡｓ層を含むＧａｘＡｌ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ層等の無機材料Ｙ層と、アモルファスＳｉ層、ＧａＡｓ層やＩｎＡｓ層を含むＧａｘＩｎ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ層等の無機材料Ｚ層が積層されているため、イオン注入によって形成される化学的に安定な異なる酸化膜を形成することが可能となり、従来のように２次元的な回路パターンの設計のみならず、設計の自由度が広がり、３次元的に回路パターンを設計することも可能となる。
３次元の回路パターンを形成させる手段の一つとして、例えば、図５に示すように、可変ドーズ量ビームを用いた空間変調マスクを形成する方法がある。このとき、ドーズ量の調整及びビーム照射位置を制御することで、第６図（ａ）乃至（ｃ）に示すようなパターンの形成が可能となる。
また、Ｇａイオンビームの位置精度は１０ｎｍの単位で制御可能であるため、例えば、第７図に示すようにイオンビームを重ね合わせることによって更に微細な回路パターン等の加工も可能となる。なお、本実施形態例では、Ｇａイオンを例示して説明してきたが、基板表面に注入するイオンは、Ｇａイオンに限定されるものではなく、他の金属からなるイオンを用いることも可能である。
次に、Ｓｉウェハー基板表面にマスクを使用した場合の本発明の無機多層レジストのイオンビーム微細加工方法の実施形態の一例を説明する。第８図は、マスクを使ってイオンをシャワー状に打ち込んだ状態の断面模式図であり、第９図は、マスクを外してイオンを細く集束させて場所により注入量を変えて打ち込んだ状態の断面模式図であり、第１０図は原子層単位でドライエッチングをした場合の断面模式図である。第１１図は第１０図よりエッチング量の多いものを示している。ここで、用いられるイオンとしては、比較的重い金属のイオンであれば特に限定されるものではなく、一般に、よく使用されているＧａイオンが、既存の設備をそのまま利用できることなどから好ましい。
第８図において、２１はＳｉウェハー基板であり、２２はＳｉウェハー基板２１表面にＭＢＥ法又はＣＶＤ法或いはＭＯＣＶＤ法により形成されたＡｌ層を示し、２３はＡｌ層２２の表面にＭＢＥ法又はＣＶＤ法或いはＭＯＣＶＤ法により形成されたＳｉアモルファス層であり、２４はＳｉアモルファス層２３の表面に自然に形成されているＳｉＯ２等の表面自然酸化膜であり、２５はマスクを示し、２６は金属イオンとして使用するＧａイオンを示す。
ここで、マスク２５としては、金等の金属が例示できるが、照射するイオンによって適宜選択することが好ましい。また、マスク２５は、一枚のマスク上に任意のパターンが加工されたものや、複数のマスクを組み合わせて所定のパターンが形成できるようにしたもの及び複数のマスクでイオン照射を繰り返して所定のパターンを形成できるようにしたものであってもよい。
本実施形態例においては、まず、Ｓｉウェハー基板２１表面にＭＢＥ法またはＣＶＤ法により任意の厚みにＡｌ層２２を形成する。このＡｌ層２２の表面にＳｉアモルファス層２３を積層する。そして、その表面に自然に形成されているＳｉＯ２等の表面自然酸化膜２４を除去することなく、この表面自然酸化膜２４上に所定のパターンが形成されたマスク２５を設置し、真空中でＧａイオンビーム２６をマスク２５を介して照射する。このとき、Ｇａイオンビーム２６は、シャワー状に表面全体に照射するようにしてもよいし、あるいは、集束させたＧａイオンビーム２６を一定速度で走査させて表面全体を照射するようにしてもよい。
Ｇａイオンビーム２６の注入により表面自然酸化膜２４には、化学的に安定な酸化物であるＳｉＯ２層２７が生成される。そして、ＳｉＯ２層２７のＯイオンがＳｉアモルファス層２３内を伝播しＳｉアモルファス層２３にイオン侵入領域３２が形成される。さらに、Ｇａイオンビーム２６の注入量を増加させると、ＳｉＯ２層２７のＯイオンの伝播、又はＳｉＯ２層２７及びＳｉアモルファス層２３のスパッタリングによりこのイオン侵入領域３２のＯイオンがＡｌ層２２表面に到達する。そして、Ａｌ層２２表面に伝播されてきたＯイオンによってＡｌ２Ｏ３層２８が形成される。この化学的に安定なＳｉＯ２層２７及びＡｌ２Ｏ３層２８がドライエッチング時のマスクの役割を果たす。
第９図は第８図のマスク２５を使ったＧａイオンビーム２６の注入の後にマスク２５を取り除き、真空中でＧａイオンの集束イオンビーム２９を注入した状態を示す。この時Ｇａイオンの集束イオンビーム２９は、（ａ）はイオン注入量が６×１０１３（個／ｃｍ２）、（ｂ）は６×１０１５（個／ｃｍ２）、（ｃ）は６×１０１６（個／ｃｍ２）、（ｄ）と（ｅ）は６×１０１７（個／ｃｍ２）である。ここで、第９図（ｅ）は、マスク２５を通過して既にＧａイオンビーム２６の照射を受けた場所に追加してＧａイオンの集束イオンビーム２９を照射した例を示している。
ここで、Ｇａイオンの集束イオンビーム２９は、径を０．５μｍ以下、好ましくは０．３μｍ以下、更に好ましくは０．１μｍ以下に絞っていることが好ましい。また、このＧａイオンの集束イオンビーム９はビーム先端が円形をしている。このため、表面自然酸化膜２４上を一定速度で走査すると、各部分で、イオンビームが重なり合う部分が形成される（第４図参照）。このため、表面自然酸化膜４に注入されるイオン注入量は、Ｇａイオンの集束イオンビーム２９の中心部付近ほどその量が多くなる。すなわち、表面自然酸化膜２４に及ぼすイオン領域は、実際のＧａイオンの集束イオンビーム２９の径よりも小さくなり、その領域は、照射する集束イオンビーム径の２／３〜１／２の大きさとできる。このため、表面自然酸化膜２４表面には、Ｇａイオンの集束イオンビーム９のイオンビーム径の２／３〜１／２の太さの線のパターンを加工することが可能となる。
Ｇａイオンの集束イオンビーム２９を真空中で照射して、表面自然酸化膜２４に注入すると、表面自然酸化膜２４はある注入量以上では化学的に安定した強制酸化物ＳｉＯ２２７に置換される（第９図参照）。そして、Ｇａイオンの集束イオンビーム２９の注入量とＳｉアモルファス層２３の厚みによって、ＳｉＯ２２７のＯイオンによってＳｉアモルファス層２３にＧａイオンが注入されたイオン侵入領域３２が形成される。そしてさらにＧａイオンの集束イオンビーム２９の注入量が増加すると、ＳｉＯ２２７のＯイオンがこのイオン侵入領域３２を経てＡｌ層２２に伝播し、又はＳｉアモルファス層２３がスパッタリングされ、Ａｌ層２２に形成されるＡｌ２Ｏ３層２８の大きさが制御される（第９図参照）。この化学的に安定なＳｉＯ２層２７とＡｌ２Ｏ３層２８は、ドライエッチング時のマスクの役割を果たす。また、Ａｌ２Ｏ３層２８のサイズはＳｉＯ２層２７の約１／１０の大きさであるため、細かいパターニングが可能となる。このため表面を反応性エッチングガスにより原子層一層単位でドライエッチングしＳｉＯ２層２７とＡｌ２Ｏ３層２８に置換された部分以外を除去する（第３図参照）と、Ｓｉウェハー基板２１の表面を所定のナノオーダーサイズの回路パターンとなるように加工することが可能となる。ここで、使用できる反応性エッチングガスとしては、ＢｉＦ３又はＸｅＦ２を用いることができる。
ここで、本実施形態例に係るドライエッチングによると、平坦性のよい表面を再現性よく得ることを可能としている。具体的には、反応性エッチングガスによるエッチングでは、エッチングされていく原子が表面のステップ位置の原子であって、表面の凹凸を構成しているステップを優先的に取り除くため、原子層を一層単位でエッチングすることができる。このような一層単位でのエッチングの結果得られる表面はきわめて平坦性の高いものである。すなわち原子レベルで平坦な表面を得ることができる。さらにこの方法はへき開面である（１１０）面でも、面指数に関わらない同様なエッチングを可能としている。このため、ＳｉやＡｌ結晶の表面は（１００）、（１１０）、（１１１）のいずれの面でも面指数によらず一層単位でのエッチングが可能となる。
このドライエッチングにおいては、反応性エッチングガスを用いて超高真空中で、たとえば１０−８Ｐａレベルへの排気後、５００〜６００℃で１０−６〜１０−５Ｐａのガス分圧でのエッチャントガスの導入によりエッチングを実施することができる。ここで、エッチャントガスとしては、ＢｉＦ３又はＸｅＦ２がその代表的なものとして例示される。もちろん、他種のものであってもよい。
第１０図はドライエッチングにより表面自然酸化膜２４とＳｉアモルファス層２３、Ａｌ層２２及びイオン侵入領域３２を取り除いた状態であり、Ｓｉウェハー基板２１上の所定の場所にＳｉＯ２層２７とＡｌ２Ｏ３層２８が形成された状態を示す。第１１図は第１０図のドライエッチングを更に進めた状態を示し、この場合はＳｉウェハー基板２１の一部がエッチングされてＡｌ２Ｏ３層２８とＳｉウェハー基板２１が凸状に形成されている状態を示す。
第１０図において、Ａはマスクを通過したイオンによってＡｌ２Ｏ３層２８が形成されたものであり、別途イオンを注入することなく、ドライエッチングを行った部分である。これによって、第１０図及び第１１図に示すように、幅広の凸部を設けることが可能となる。また、第１０図及び第１１図におけるａ〜ｄ部は、前述したように、イオン注入量が異なるものであり、イオン注入量が多くなるにしたがって、ドライエッチング後における形態の変化を示すものである。また、第１０図及び第１１図におけるｅ部は、マスクを通過したイオンによってＡｌ２Ｏ３層２８が形成された部分にさらにイオンを注入したものである。
第１０図において、ａ部はイオン注入量を少なくすることによって、表面自然酸化膜４が強制酸化物ＳｉＯ２層２７に置換されてドライエッチングで形成された凸状の細線を示している。ｂ部は、Ｓｉアモルファス層２３にＧａイオンが注入されたイオン侵入領域３２が形成され、ＯイオンがＡｌ２Ｏ３層２８を形成させて、ＳｉＯ２層２７の中心部に溝３０ができた凸状の細線を示している。また、ｃ部はイオン注入量が過多となり、イオンによって表面に形成されたＡｌ２Ｏ３層２８の中央部がスパッタリングされ、Ｖ字溝３１が形成されるとともに、その中央部分に幅広の溝３０が形成されているものを示している。ｄ部はさらにイオン注入量が多くなり、Ｓｉウェハー基板２１の一部をもスパッタリングによって加工され、幅広の溝３３が形成されているものを示す。また、第１１図は、前述のように、さらにドライエッチングを進めた状態を示しており、ａ部はエッチングにより、ＳｉＯ２層２７、及びその下のＳｉアモルファス層２３とＡｌ層２２が溶出し、Ａｌ２Ｏ３層２８を表面に有した微細なパターンが形成された。
このように、マスクを使用するとともに、注入するＧａイオンの集束イオンビーム９の量を制御することによって、ミリオーダーサイズからナノオーダーサイズのネガ型、ポジ型の微細加工をＳｉウェハー基板上に自在に施すことが可能となる。
さらに、表面自然酸化膜２４やＳｉアモルファス層２３、Ａｌ層２２を原子層一層単位毎にエッチングすることが可能であるため、イオンの注入によって形成される化学的に安定な酸化物をドライエッチング時のマスクとして、高アスペクト比で微細寸法の構造体を再現性良く且つ容易に形成することが可能となる。
また、Ｓｉ基板表面に、Ａｌ層及びＳｉアモルファス層を積層し、Ｓｉアモルファス層の表面に自然に形成されているＳｉＯ２等の表面自然酸化膜を除去することなく、該表面自然酸化膜にＧａイオンを注入することで、化学的に安定なＳｉＯ２を形成し、さらにはＧａイオン注入量及びＳｉアモルファス層の厚さを調節することによって下部層のＡｌ層表面にＡｌ２Ｏ３を形成することが可能となる。そして、注入するＧａイオン量を制御することによって反応性エッチングガスによるドライエッチング後のＳｉウェハー基板表面のドライエッチングマスクをネガ型、ポジ型のいずれにも加工することが可能となる。また、Ｇａイオン注入時に所定の回路パターンとなるようにＳｉウェハー基板表面をイオンビームでマスキングによる照射とマスク無しでの描画を組み合わせることによって、容易に任意の回路パターンを再現性良く加工することができる。これによって、半導体デバイスはもちろんであるが、波長弁別デバイス、マイクロマシニングやマイクロコンポーネント等の微細加工、量子ワイヤー等へ応用が可能となる。
また、Ａｌ層とＳｉ層が積層されているため、イオン注入によって形成される化学的に安定な原子サイズの異なるマスクを形成することが可能となり、従来のように２次元的な回路パターンの設計のみならず、設計の自由度が広がり、３次元的に回路パターンを設計することも可能となる。
なお、本発明に係る無機多層レジストのイオンビーム注入リソグラフィーによるＳｉ半導体微細構造体の加工方法は、前述の実施形態例に限定されるものではなく、Ｓｉウェハー基板表面に形成され、Ｓｉウェハー基板の酸化を防止する役割をするＡｌ層をＧａｘＡｌ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ層にすることも可能である。また、Ｓｉアモルファス層に変えてＧａｘＩｎ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ層とすることもできる。また、Ｓｉウェハー基板表面に無機材料を多層に積層するだけでなく、一部を単層とすることによって、より複雑な三次元構造の微細構造体に加工することが可能となる。
以上のように、Ｓｉウェハー基板表面に積層されているＡｌ層及びＳｉアモルファス層の表面に形成されている表面自然酸化膜に金属イオンを注入することによって、反応性エッチングガスによってエッチングされない化学的に安定なマスクとなるＳｉＯ２やＡｌ２Ｏ３の微細なパターンを形成することができる。さらに、金属イオンの注入量を制御することによって、Ｓｉ基板表面に形成されるパターンをポジ型、ネガ型のいずれにも加工することが可能となる。また、安定性の異なるマスクを形成することが可能となるため、２次元だけでなく、３次元的な回路パターニングの設計も可能となる。このため、種々の半導体デバイスや、多様な量子デバイス特性を活かした素子、量子細線、量子箱、また、回折格子やマイクロマシーンコンポーネントの製作が可能となる。
第１２図は、イオンビームを重ね合わせるように描画することによってＡｌ層へ伝搬するイオンドーズ量を調整することができ、Ｓｉ基板表面に凸部又は凹部が形成できる一例として、Ｓｉ基板表面の原子間力顕微鏡（以下、ＡＦＭという。）像を示す。第１２図（ａ）に示すものは、Ｓｉアモルファス層の厚みを厚くすることで凸部が形成されたもの、第１２図（ｂ）は、Ｓｉアモルファス層の厚みを第１２図（ａ）のものよりも薄くすることでイオンドーズ量を多くし、凹部が形成されたものである。このように、イオンドーズ量に対して非常に敏感に反応するため、Ｓｉアモルファス層の厚みを制御したり、イオン照射量を制御することで、イオンドーズ量を調整することによって、表面形状を自在に設計することが可能となる。
以下、実施例によって本発明を更に具体的に説明する。
（実施例１）
無機材料基板ＸとしてＳｉ基板を用い、Ｓｉ基板表面にＭＢＥ法によって無機材料Ｙ層として厚さ３ｎｍのＡｌＡｓ層と、無機材料Ｚ層として厚さ３０ｎｍのＧａＡｓ層を形成する。そして、ＧａＡｓ層表面に自然に形成されているＡｓ２Ｏ３等の表面自然酸化膜の表面に向ってイオンビーム径を０．１μｍに絞ったＧａイオンを真空中で６×１０１６個／ｃｍ２、加速電圧３０ｋＶで照射して、表面自然酸化膜にＧａイオンを注入する。Ｇａイオン注入後、超高真空装置に設置し、１０−８Ｐａレベルへ排気後、５００〜６００℃で１０−６〜１０−５Ｐａのガス分圧でのＡｓＢｒ３ガスを導入してエッチングを行う。
第１３図（ａ）に、その表面のＡＦＭ像を示す。第１３図（ａ）に示すように、ＧａＡｓ基板表面には、ＡｓＢｒ３ガスによってエッチングされなかったＧａイオンが注入されて表面酸化膜がＧａ２Ｏ３に置換された部分が凸状に形成されているのが観察できる。
（実施例２）
Ｇａイオンの注入量を６×１０１７個／ｃｍ２とし、照射した以外、実施例１と同様にして、Ｇａイオンを注入した後、表面をＡｓＢｒ３ガスでドライエッチングをおこなった。
第１３図（ｂ）に、その表面のＡＦＭ像を示す。第１３図（ｂ）に示すように、Ｓｉ基板表面には、深い溝の凹状のパターンが形成されているのが観察できる。
（実施例３）
無機材料基板ＸとしてＧａＡｓ基板を用い、ＧａＡｓ基板表面にＭＢＥ法によって無機材料Ｙ層として厚さ３０ｎｍのＡｌＡｓ層と、無機材料Ｚ層として厚さ３００ｎｍのＧａＡｓ層を形成する。そして、ＧａＡｓ層表面に自然に形成されているＡｓ２Ｏ３等の表面自然酸化膜の表面に向ってイオンビーム径を０．１μｍに絞ったＧａイオンを真空中で６×１０１６個／ｃｍ２、加速電圧３０ｋＶで照射して、表面自然酸化膜にＧａイオンを注入する。Ｇａイオン注入後、超高真空装置に設置し、１０−８Ｐａレベルへ排気後、５００〜６００℃で１０−６〜１０−５Ｐａのガス分圧でのＡｓＢｒ３ガスを導入してエッチングを行う。
第１３図（ｃ）に、その表面のＡＦＭ像を示す。第１３図（ｃ）に示すように、ＧａＡｓ基板表面には、ＡｓＢｒ３ガスによってエッチングされなかったＧａイオンが注入されて表面酸化膜がＧａ２Ｏ３に置換された部分が凸状に形成されているのが観察できる。
（実施例４）
Ｇａイオンの注入量を６×１０１７個／ｃｍ２とし、照射した以外、実施例３と同様にして、Ｇａイオンを注入した後、表面をＡｓＢｒ３ガスでドライエッチングをおこなった。
第１３図（ｄ）に、その表面のＡＦＭ像を示す。第１３図（ｄ）に示すように、ＧａＡｓ基板表面には、深い溝を有した凸状のパターンが形成されているのが観察できる。
以上のように、半導体基板となる無機材料基板Ｘの表面に基板Ｘの酸化を防止し、エッチング時の強いマスクとして働く無機材料Ｙ層、無機材料Ｙ層の酸化を防止するＺ層を積層し、無機材料Ｚ層の表面に形成されている表面自然酸化膜に金属イオンを注入することによって、臭素化物等の反応性エッチングガスによってエッチングされない化学的に安定なマスクとなるＡｌ２Ｏ３及びＧａ２Ｏ３又はＳｉＯ２等の酸化膜Ｙ’層、Ｚ’層を形成することができる。さらに、金属イオンの注入量を制御することによって、基板Ｘ表面に形成されるパターンをポジ型、ネガ型のいずれにも加工することが可能となる。また、基板Ｘとしては、無機材料であれば特に制限はなく、例えば、半導体基板として一般的に使用されているＳｉやＧａＡｓにおいては、その表面に任意の形状に微細加工を行うことができる。
また、所定の大きさに微細加工することが可能となるため、２次元だけでなく、３次元的な回路パターニングの設計も可能となる。このため、種々の半導体デバイスや、多様な量子デバイス特性を生かした素子、例えば、第１５図に示す量子細線、量子箱、また、回折格子やマイクロマシーンコンポーネントの製作が可能となる。
（実施例５）
Ｓｉ基板表面にＭＢＥ法によって厚さ２０ｎｍのＡｌ層と、厚さ３０ｎｍのＳｉアモルファス層を形成する。そして、Ｓｉアモルファス層表面に自然に形成されているＳｉＯ２等の表面自然酸化膜の表面に向って、開口径１００μｍ厚み５００μｍに所定のパターンにパターニングされたマスクをＬＩＧＡの製法で作製し、ＳｉＣの枠に取り付けて金の薄板状のマスクとしてＳｉ基板上に設置してマスキングを行いＧａイオンを６×１０１５（個／ｃｍ２）、加速電圧３０ｋＶでシャワー状に照射して表面酸化層にＧａイオンを注入する。そして、マスクを取り外した後に、イオンビーム径を０．１μｍに絞ったＧａイオンを同じく真空中で６×１０１５個／ｃｍ２、加速電圧３０ｋＶで照射して、表面自然酸化膜にＧａイオンを注入する。Ｇａイオン注入後、超高真空装置に設置し、１０−８Ｐａレベルへ排気後、６００〜７００℃で１０−６〜１０−５Ｐａのガス分圧でのＢｉＦ３ガスを導入してエッチングを行った。
第１４図にＳｉウェハー基板表面のＡＦＭ像を示す。第１４図に示すように、マスクを取り除いた後、部分的にイオンビームを注入することで、局所的に溝を形成できるなど、所定形状の高アスペクト比の微細構造物を比較的容易にＳｉウェハー基板表面に形成することが可能となる。
産業上の利用可能性
以上詳しく説明した通り、この発明により、無機材料からなる基板表面に、無機材料からなるレジスト層を積層し、その表面に自然に形成される表面自然酸化膜を除去することなく、その表面自然酸化膜に金属イオンを注入することによって、化学的に安定な酸化物を形成し、原子層単位でエッチングを行うことによって、基板表面に形成されるパターンをポジ型、ネガ型のいずれにも加工することが可能となる。また、原子サイズの異なる酸化物を形成することができるため、回路パターンの設計の自由度が広がり、多様な量子デバイス特性を生かした有用な素子、例えば量子細線、量子箱、回折格子、マイクロマシンの実現も可能となる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明に係るイオンビーム微細加工方法の実施形態例をイオンドーズ量（イオン注入量）の違いによる形成過程の違いを説明するための図である。第２図は、第１図に示すイオン注入後の基板表面をドライエッチングした場合の断面模式図を示し、エッチング量が少ない場合の断面模式図を示す図である。第３図は、第１図に示すイオン注入後の基板表面をドライエッチングした場合の断面模式図を示し、エッチング量が多い場合の断面模式図を示す図である。第４図は、イオンビーム走査時のイオンドーズ量を説明するための図である。第５図は、３次元の回路パターンの形成方法を説明するための図である。第６図は、３次元の格子状の回路パターンの例を示す図である。第７図は、イオンビームを重ね合わせて行う微細加工の方法の一例を示す図である。第８図は、Ｓｉ基板に、本発明に係る無機多層レジストのイオンビーム微細加工方法の実施形態の一例のマスクを使用して広い面積の構造体全体にイオン注入する工程を説明するための図である。第９図は、第８図に示すマスクを使ったイオン注入の後で、マスクを取り除き、集束イオン描画法でイオンを任意の大きさ、電流密度で注入して全体構造の形の加工や細部の微細加工も行う工程を説明するための図である。第１０図は、第８図に示すイオン注入後の基板表面をドライエッチングした場合の断面模式図を示しＳｉ基板までは削らない状態を示す図である。第１１図は、エッチング量が多い場合の断面模式図を示す図であるエッチング量が多い場合Ｓｉ基板の一部が削られてＡｌ２Ｏ３を乗せた回路と成っている状態を示す図である。第１２図は、本発明に係るイオンビーム微細加工方法のイオンドーズ量（イオン注入量）が異なる基板表面のＡＦＭ像を示す図である。第１３図は、Ｓｉ基板及びＧａＡｓ基板表面に本発明に係るイオンビーム微細加工方法を用いた場合のＡＦＭ像を示す図である。第１４図は、マスクを使用した本実施形態の一例によるＳｉウェハー基板上の微細構造体のＡＦＭ像を示す図である。第１５図は、量子細線の概念図を示す図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【国際調査報告】
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