(57)【要約】【課題】微細構造の凸部の位置とサイズを自由に制御し、マスクなしで良質な量子ドット構造などの微細構造を作製することが可能な微細構造の作製方法および作製装置を提供する。【解決手段】基板材料上に凸部を堆積して微細構造を作製する際に、凸部の原料となる元素を含んだガスを基板材料（３）上に流しつつ基板材料（３）上に電子線（２）を照射し、凸部の原料となる元素を含んだガスと電子線（２）との反応により凸部の原料を基板材料（３）上に点状に堆積させ、基板材料（３）上の電子線（２）の照射位置を移動させることによって任意の形状の凸部を形成する微細構造の作製方法において、基板材料近傍に０．５テスラ以上２テスラ以下の磁場を印加して電子線の広がりを制限し、その電子線を基板材料（３）上に照射する。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板材料上に凸部を堆積して微細構造を作製する際に、凸部の原料となる元素を含んだガスを基板材料上に流しつつ基板材料上に電子線を照射し、凸部の原料となる元素を含んだガスと電子線との反応により凸部の原料を基板材料上に点状に堆積させ、基板材料上の電子線の照射位置を移動させることによって任意の形状の凸部を形成する微細構造の作製方法において、基板材料近傍に０．５テスラ以上２テスラ以下の磁場を印加して電子線の広がりを制限し、その電子線を基板材料上に照射することを特徴とする微細構造の作製方法。
【請求項２】
電子線を照射して形成する点状の凸部の直径が１ｎｍ以上５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の微細構造の作製方法。
【請求項３】
微細構造が量子ドット構造であることを特徴とする請求項１または２記載の微細構造の作製方法。
【請求項４】
微細構造の凸部の原料となる元素を複数種類含んだガスを基板材料上に流すことで、複数種類の元素を含む合金、混合物あるいは反応物からなる凸部を形成することを特徴とする請求項１ないし３いずれかに記載の微細構造の作製方法。
【請求項５】
請求項１ないし４いずれかに記載の微細構造の作製方法に用いられる装置であって、
１）電子線が出射される電子線源、
２）微細構造が作製される基板材料、
３）基板材料近傍で磁場を印加する磁場印加部、
４）微細構造の凸部の原料となる元素を含んだガスを基板材料上に供給するガス供給部、
を備えていることを特徴とする微細構造の作製装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、電子デバイスなどにおける微細構造の作製方法および作製装置に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、微細構造の凸部の位置とサイズを自由に制御し、マスクなしで良質な量子ドット構造などの微細構造を作製することが可能な微細構造の作製方法および作製装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
近年、半導体デバイスにおける集積度が高まるにつれて、微細構造の凸部あるいは凹部の位置と大きさを制御することで、より密な状態で集積された微細構造を作製する技術への要求が高まっている。またさらに量子効果を用いたデバイスの実用化に向けた取り組みも盛んに行われており、大きさがナノメートル程度のドットあるいは他の微細構造を作製することが可能な方法や装置が求められている。
【０００３】
現在、微細構造の作製には一般的にリソグラフィーと呼ばれる技術が用いられている。この技術は光もしくは電子によって感光する樹脂を材料表面に塗布し、マスクを用いて材料表面を所望の形状に感光させた後、酸などでエッチングすることで微細構造を作製する技術であるが、感光剤の特性によるボケやエッチングのキレなどの原因により作製できる微細構造のサイズには限界がある。
【０００４】
このようなリソグラフィーに代わる技術として微細構造の凸部の原料となる元素を含んだ原料ガスを基板材料上に流し、そこに電子ビームを照射し、電子線およびそれにより生じる熱、電場、２次電子、Ｘ線および光の少なくとも１つと原料ガスとの反応により原料ガスを分解し、凸部の原料を基板材料上に堆積させる手法が知られており（非特許文献１）、また基板材料上に凸部の原料となる元素を含んだガス（Ｗ（ＣＯ）６ガス）を流し電子線で分解して基板材料上にタングステンの堆積物を得る場合の加速電圧や電流値の変化による堆積物の直径の違いについての研究もなされている（非特許文献２）。
【０００５】
しかしながら上記のように、微細構造の凸部の原料となる元素を含んだガスを基板材料上に流し、そこに電子ビームを照射して凸部の原料を基板材料上に堆積させる方法により微細構造を作製する場合、照射する電子の広がりを基板材料の照射面および基板材料中において小さく抑えることが開発のポイントとなるが、通常この方法においては電子線の基板材料の照射面における広がりや生じる２次電子の広がりなどの影響によって作製できる微細構造の凸部の最小サイズが数十ｎｍのオーダに制限されてしまっていた。
【０００６】
【非特許文献１】
Ｉ．  Ｕｔｋｅ，  Ｐ．  Ｈｏｆｆｍａｎｎ他，  ”  Ｆｏｃｕｓｅｄ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｂｅａｍ  ｉｎｄｕｃｅｄ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｏｆ  ｇｏｌｄ”，  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｖａｃｕｕｍ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｂ．  １８，  ｐ．３１６８−３１７１  ２０００年
【非特許文献２】
Ｋ．  Ｔ．  Ｋｏｈｌｍａｎｎ−ｖｏｎ  Ｐｌａｔｅｎ  他，  ”Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ  ｌｉｍｉｔｓ  ｉｎ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｂｅａｍ  ｉｎｄｕｃｅｄ  ｔｕｎｇｓｔｅｎ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ”，  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｖａｃｕｕｍ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｂ．  １１．  ６，  ｐ．２２１９  １９９３年
【０００７】
そこで、この出願の発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたものであり、従来技術の問題点を解消し、作製する微細構造の凸部の位置とサイズを自由に制御し、マスクなしで良質な量子ドット構造などの微細構造を作製することが可能な微細構造の作製方法および作製装置を提供することを課題としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、まず第１には、基板材料上に凸部を堆積して微細構造を作製する際に、凸部の原料となる元素を含んだガスを基板材料上に流しつつ基板材料上に電子線を照射し、凸部の原料となる元素を含んだガスと電子線との反応により凸部の原料を基板材料上に点状に堆積させ、基板材料上の電子線の照射位置を移動させることによって任意の形状の凸部を形成する微細構造の作製方法において、基板材料近傍に０．５テスラ以上２テスラ以下の磁場を印加して電子線の広がりを制限し、その電子線を基板材料上に照射することを特徴とする微細構造の作製方法を提供する。
【０００９】
第２には、この出願の発明は、第１の発明において、電子線を照射して形成する点状の凸部の直径が１ｎｍ以上５ｎｍ以下であることを特徴とする微細構造の作製方法を提供する。
【００１０】
第３には、この出願の発明は、第１または２の発明において、微細構造が量子ドット構造であることを特徴とする微細構造の作製方法を提供する。
【００１１】
また、第４には、第１ないし３いずれかの発明において、微細構造の凸部の原料となる元素を複数種類含んだガスを基板材料上に流すことで、複数種類の元素を含む合金、混合物あるいは反応物からなる凸部を形成することを特徴とする微細構造の作製方法を提供する。
【００１２】
第５には、第１ないし４いずれかの発明の微細構造の作製方法に用いられる装置であって、１）電子線が出射される電子線源、２）微細構造が作製される基板材料、３）基板材料近傍で磁場を印加する磁場印加部、４）微細構造の凸部の原料となる元素を含んだガスを基板材料上に供給するガス供給部、を備えていることを特徴とする微細構造の作製装置をも提供する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
【００１４】
この出願の発明の微細構造の作製方法は、電子デバイスなどにおける基板材料上に凸部を堆積して微細構造を作製する際に、凸部の原料となる元素を含んだガスを基板材料上に流しつつその基板材料上に電子線を照射し、凸部の原料となる元素を含んだガスと電子線との反応により凸部の原料を基板材料上に点状に堆積させ、基板材料や電子線を移動させて基板材料上の電子線の照射位置を移動させることによって任意の形状の凸部を形成する微細構造の作製方法であるが、とくに基板材料近傍に０．５テスラ以上２テスラ以下の磁場を印加して基板材料に対して照射する電子線の広がりを制限し、その広がりが制限された電子線を基板材料に照射することを大きな特徴としている。
【００１５】
そしてこの出願の発明の微細構造の作製方法により、電子線を照射して形成する点状の凸部の直径が１ｎｍ以上５ｎｍ以下の微細構造を作製することも可能となる。
【００１６】
なお、本願の明細書中の“凸部の原料となる元素を含んだガスと電子線との反応”とは、単に凸部の原料となる元素を含んだガスと電子線自体の反応のみならず、電子線により生じる熱、電場、２次電子、Ｘ線および光の少なくとも１つと凸部の原料となる元素を含んだガスの反応を意味している。
【００１７】
また、凸部の原料となる元素を含んだガスとしては、Ｗ（ＣＯ）６、Ｍｏ（ＣＯ）６、Ｉｎ（Ｃ５Ｈ７Ｏ２）３、（ＣＨ３）３（ＣＨ３−Ｃ５Ｈ４）Ｐｔ、（ＣＨ３）２Ａｕ（Ｃ５Ｈ７Ｏ２）が挙げられ、それらのガスを用いることによってそれぞれＷ、Ｍｏ、Ｉｎ、Ｐｔ、Ａｕを好適に堆積させることができるが、もちろんその他の種々の物質を使用することも可能である。
【００１８】
この出願の発明の微細構造の作製方法は、凸部の原料となる元素を基板材料上に流し、そこに電子線を照射し分解などにより元素を堆積させる手法であり、その際に基板材料近傍に磁場を発生させ、磁場によって電子線の広がりを有効に制限することによって、これまで電子線と微細構造の凸部の原料となる元素を含んだガスを用いた微細構造の作製方法では不可能であった数ｎｍオーダの凸部を基板材料上に形成することができ、より集積度の高い微細構造を形成することが可能となる。
【００１９】
すなわち、この出願の発明の微細構造の作製方法においては、磁場と電子線を用いて微細構造の凸部の位置やサイズを自由に制御することができることから、マスクなしで数ｎｍサイズ、より具体的には１ｎｍ以上５ｎｍサイズ以下の凸部を有する微細構造を作製することが可能となるのである。
【００２０】
この出願の発明の微細構造の作製方法によれば、電子線あるいは基板材料を水平方向などに移動させることによって線状や面状などの任意の形状の凸部を有する微細構造を作製することももちろん可能であるが、とくに量子ドット構造を好適に作製することができ、量子ドット構造の場合、点状の凸部である量子ドットの直径を１ｎｍ以上５ｎｍ以下とすることができ、良質な量子ドット構造を作製することができる。
【００２１】
また、微細構造の凸部の原料となる元素を複数種類含んだガスを基板材料上に流すことで、複数種類の元素を含む合金、混合物あるいは反応物からなる凸部を形成することもでき、これによりさまざまな特性を有する微細構造を作製することが可能となるのである。
【００２２】
そして、この出願の発明の微細構造の作製方法は、少なくとも１）電子線が出射される電子線源、２）微細構造が作製される基板材料、３）基板材料近傍で磁場を印加する磁場印加部、４）基板材料上に微細構造の凸部の原料となる元素を含んだガスを供給するガス供給部を備えた微細構造の作製装置を用いることにより実現することができるのである。
【００２３】
このように、この出願の発明の微細構造の作製方法および作製装置を用いることによって、これまで電子線と微細構造の凸部の原料となる元素を含んだガスを用いては得られることのなかった数ｎｍ以下、とくに直径５ｎｍ以下の点状の凸部を形成することができ、さらには電子線または基板材料を移動させることで幅５ｎｍ以下の線状の凸部なども形成することができ、新しい電子デバイス等の研究、開発を大きく前進させるものとして非常に期待することができるのである。
【００２４】
以下、添付した図面に沿って実施例を示し、この出願の発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。もちろん、この発明は以下の例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることは言うまでもない。
【００２５】
【実施例】
＜実施例１＞
この出願の発明の微細構造の作製方法の一実施形態を用いて量子ドット構造の凸部となる量子ドットを作製し、作製された量子ドットの評価を行った。
【００２６】
まずこの出願の発明の微細構造の作製装置の一例を図１に示す。
【００２７】
図１において（１）は電子線（２）が出射される電子銃であり、（３）は基板材料、（４）は基板材料（３）近傍で電子線（２）の広がりを抑えるために磁場を印加する磁場印加部であり、この磁場印加部（４）においては基板材料（３）が磁場中に配置されるように磁極が設けられている。また（５）は基板材料（３）上に量子ドット構造の量子ドットの原料となる元素を含んだガス（以下「原料ガス」とする）を供給する、ノズル（６）を有するガス供給部である。このようにガス供給部（５）においては原料ガスを基板材料上に供給するのにノズル（６）を用いていることから基板材料上に集中的に原料ガスを流すことができるのである。なお基板材料（３）上に電子線（２）を照射する際に電子線（２）を収束するため収束レンズ（７）が設けられている。
【００２８】
基板材料（３）としてシリコン（Ｓｉ）を用い、室温で原料ガスとしてＷ（ＣＯ）６ガスを流した。原料ガスの圧力は１０２Ｐａ以下であった。そこに磁場印加部（４）で約１．５Ｔの磁場を印加することで広がりを抑えた電子線（２）を照射し、タングステン（Ｗ）の微細粒子（８）を基板材料（３）上に堆積させた。そのタングステンの微細粒子（８）の透過型電子顕微鏡写真を図２に示す。なお、そのとき図１に示すように対物レンズ（９）により透過像を拡大し、投影レンズ（１０）によりスクリーン（１１）上にタングステンの微細粒子（８）の透過型電子顕微鏡像を投影した。黒い点がタングステン微細粒子（８）であって、その直径は約５ｎｍであった。
【００２９】
比較として図２の場合と同様に室温で原料ガスとしてＷ（ＣＯ）６ガスを流し、磁場を印加せずに電子線を照射することによって得られたタングステン（Ｗ）の堆積物の走査型電子顕微鏡写真を図３に示す。走査型の電子顕微鏡像なので堆積物は白く写っている。同図から明らかなように磁場を印加しない場合、最も小さい場合でも直径が数十ｎｍであった。
＜実施例２＞
次に基板材料（３）としてＧｅを用い、原料ガスとしてＷ（ＣＯ）６ガスを流し、実施例１と同様に基板材料（３）上に原料ガスを流しつつ、磁場が印加された電子線（２）を照射することによって得られた堆積物をエネルギー分散型分析装置（ＥＤＳ）により分析した結果を図４に示す。
【００３０】
同図から明らかなように、基板材料のＧｅに加えてＷのピークが見られることから、目的とするタングステン（Ｗ）の堆積物が得られたことを示している。
＜実施例３＞
次に基板材料（３）としてＧｅを用い、原料ガスとしてＷ（ＣＯ）６とＭｏ（ＣＯ）６の混合気体をそれぞれ用い、実施例１と同様に基板材料（３）に原料ガスを流しつつ磁場が印加された電子線（２）を照射することによって得られた堆積物のＥＤＳ分析結果を図５に示す。
【００３１】
同図に示すように基板材料のＧｅに加えてＷとＭｏのピークが見られることから、ＷとＭｏの合金あるいは混合物が得られたことがわかる。
【００３２】
【発明の効果】
以上詳しく説明したとおり、この出願の発明によって、微細構造の凸部の位置とサイズを自由に制御することができ、マスクなしで良質な量子ドット構造などの微細構造を作製することが可能な微細構造の作製方法および作製装置が提供される。
【００３３】
この出願の発明の微細構造の作製方法および作製装置を用いることによって、これまで電子線と凸部の原料となる元素を含んだガスを用いては得られることのなかった数ｎｍ以下とくに直径５ｎｍ以下の凸部を形成することができ、新しい電子デバイス等の研究、開発を大きく前進させるものとして非常に期待できる。
【００３４】
また１０年後の超集積半導体電子デバイスでは、パターン寸法やその寸法精度が数ｎｍを要求されており、この出願の発明の微細構造の作製方法および作製装置を用いることによって、集積度の高い電子デバイスなどが作製可能となるばかりでなく、量子効果を利用したデバイスの開発、実用化に向けて大きく寄与することとなる。また、この出願の発明の微細構造の作製方法および作製装置は、立体配線にも使用可能であり、これらが一旦実用化されれば今日の半導体産業を一変させるものであり、この出願の発明の微細構造の作製方法および作製装置は、その基本技術として非常に大きな経済効果をもつものと期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この出願の発明の微細構造の作製装置を例示した断面図である。
【図２】この出願の発明の微細構造の作製方法によりタングステンの微細粒子を基板材料上に堆積した様子を示す透過型電子顕微鏡写真である。
【図３】この出願の発明の微細構造の作製方法によりタングステンの微細粒子を基板材料上に堆積した様子を示す走査型電子顕微鏡写真である。
【図４】この出願の発明の微細構造の作製方法により得られた堆積物のエネルギー分散型分析装置（ＥＤＳ）により分析した結果の一例を示すグラフである。
【図５】この出願の発明の微細構造の作製方法により得られた堆積物のエネルギー分散型分析装置（ＥＤＳ）により分析した結果の他の例を示すグラフである。
【符号の説明】
１  電子銃
２  電子線
３  基板材料
４  磁場印加部
５  ガス供給部
６  ノズル
７  収束レンズ
８  （タングステンの）微細粒子
９  対物レンズ
１０  投影レンズ
１１  スクリーン
【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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