(57)【要約】本発明はパターン形成方法及び装置に関するもので、特に物質の結晶構造を利用して１〜５０ｎｍの大きさの量子点及び量子細線の形成のためのパターン形成方法及び装置と、その構造を有する機能性素子の製造に関するものである。本発明において、機能性素子とは、量子点または量子細線の形成工程を含む手順によって製造できる電気素子、磁器素子及び光素子を意味する。
2004519865.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物質の結晶構造を利用してパターンを形成するために透過電子顕微鏡を変形した装置において、
前記物質を通過する電子ビームを照射する電子銃と、
前記電子銃により照射される前記電子ビームを集束する第１の集束手段と、
前記電子ビームを一定の地点に集束させる第２の集束手段と、
前記電子ビームが通過するように前記物質を載置するための載置手段と、
前記物質を通過しながら分けられる透過ビームと回折ビームにより格子イメージを形成するための形成手段と、
前記形成手段により形成された前記格子イメージを拡大または縮小するための複数のレンズ群と、
前記レンズ群の間に、またはその下に介装して前記物質の格子イメージを被照射物質に一定の大きさのパターンに形成できる被照射物質移動装置を含むことを特徴とする物質の結晶構造を利用したパターン形成装置。
【請求項２】
前記格子イメージは位相コントラスト映像法を利用して形成する請求項１に記載のパターン形成装置。
【請求項３】
結晶構造を有する前記物質は数十ナノメータの厚さを持つように処理して使用する請求項１に記載のパターン形成装置。
【請求項４】
前記被照射物質は半導体基板である請求項１に記載のパターン形成装置。
【請求項５】
前記被照射物質移動装置は複数のウエハーが実装されるウエハーカセットを含むウエハー移動装置であり、ウエハーは前記複数のレンズ群の間に介装する請求項１に記載のパターン形成装置。
【請求項６】
前記半導体基板はソース領域とドレーン領域が形成された基板上にゲート酸化膜が形成され、その上に非晶質シリコンが蒸着され、その上に感光材が形成される請求項４に記載のパターン形成装置。
【請求項７】
集束のための第１の集束手段はコンデンサーレンズである請求項１に記載のパターン形成装置。
【請求項８】
集束のための第２の集束手段は対物レンズである請求項１に記載のパターン形成装置。
【請求項９】
物質の結晶構造を利用してパターンを形成するために透過電子顕微鏡を変形した装置において、
前記物質を通過する電子ビームを照射する電子銃と、
前記電子銃により照射される前記電子ビームを一定の地点集束する集束手段と、
前記電子ビームが通過するように前記物質を載置するための載置手段と、
前記物質を通過しながら分けられる透過ビームと回折ビームにより格子イメージを形成するための形成手段と、
前記形成手段により形成された前記格子イメージを拡大または縮小するための複数のレンズ群と、
前記レンズ群の間に、またはその下に介装して前記物質の格子イメージを被照射物質に一定の大きさのパターンに形成できる被照射物質移動装置を含む、物質の結晶構造を利用したパターン形成装置。
【請求項１０】
前記格子イメージは位相コントラスト映像法を利用して形成する請求項９に記載のパターン形成装置。
【請求項１１】
前記被照射物質は半導体素子である請求項９に記載のパターン形成装置。
【請求項１２】
前記被照射物質移動装置は複数のウエハーが実装されるウエハーカセットを含むウエハー移動装置であり、ウエハーは前記複数のレンズ群の間に介装する請求項９に記載のパターン形成装置。
【請求項１３】
前記半導体素子はソース領域とドレーン領域が形成された基板上にゲート酸化膜と非晶質シリコンを蒸着した後、感光材が形成される請求項１１に記載のパターン形成装置。
【請求項１４】
変形した透過電子顕微鏡のチャンバー内に結晶構造を有する物質を置く工程と、
前記変形した透過電子顕微鏡内の前記物質に電子ビームを照射する工程と、
被照射物質の表面上に、前記物質を通過した透過電子ビームと回折電子ビームの干渉を利用した結果で形成された前記物質の格子イメージからパターンを形成する工程を含むマスクで材料の結晶構造を利用してパターンを形成する方法。
【請求項１５】
前記格子イメージは位相コントラスト映像法により形成する請求項１４に記載のパターン形成方法。
【請求項１６】
前記被照射物質は感光物質である請求項１４に記載のパターン形成方法。
【請求項１７】
変形した透過電子顕微鏡のチャンバー内に結晶構造を有する物質を置く工程と、
前記変形した透過電子顕微鏡内の前記物質に電子ビームを照射する工程と、
半導体基板上の感光物質の表面上に、前記物質を通過した透過電子ビームと回折電子ビームの干渉を利用した結果で形成された前記物質の格子イメージからパターンを形成する工程と、
前記感光物質をパターニングする工程と、
プラズマ工程を使用して半導体基板上の前記物質をエッチングする工程を含むマスクで材料の結晶構造を利用して量子点を形成する方法。
【請求項１８】
前記格子イメージは位相コントラスト映像法を利用して形成する請求項１７に記載の量子点の形成方法。
【請求項１９】
半導体基板と、
前記半導体基板に位置するソース領域と、
前記半導体基板に位置して前記ソース領域から離隔するドレーン領域と、
前記ソース領域とドレーン領域との間に位置し、パターニングマスクとして物質の結晶構造を利用してシリコン層をパターニングして形成される前記半導体基板領域上の量子点層を含むことを特徴とする半導体素子。
【請求項２０】
前記格子イメージは位相コントラスト映像法により形成する請求項１９に記載のパターン形成装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はパターン形成方法及び装置に関するもので、特に物質の結晶構造を利用して１〜５０ｎｍの大きさの量子点（量子ドット）及び量子細線の形成のためのパターン形成方法及び装置と、その構造を有する機能性素子の製造に関する。  本発明において、機能性素子とは、量子点または量子細線の形成工程を含む手順によって製造できる電子素子、磁気素子及び光素子を意味する。
【０００２】
【従来の技術】
量子点または量子細線の形成工程は、量子点または量子細線を利用した電子素子、磁気素子及び光素子への応用の可能性が台頭するにつれて、これら素子の形成のための中核プロセスとなった。量子点及び量子細線を利用した電子素子、磁気素子及び光素子の基本的な作動原理は、粒子の物理的大きさがナノメータ単位の大きさになれば、その粒子の諸般の物理的性質が粒子の大きさに大きな影響を受けるという量子力学の結果に基づくものである。特に、過去４０余年に渡って絶えず発達してきたＭＯＳ素子の限界を克服するためのＭＯＳ素子に代わるものとして提示されて来た単一電子素子の登場と共に、多くの研究が行われている。
【０００３】
従来から研究されてきた量子点及び量子細線の形成工程は、次のような３種類の方法に大別できる。
【０００４】
第一は、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡：Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｏｃｐｙ）、ＳＴＭ（走査トンネル顕微鏡：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）、そして電子ビームリソグラフィーなどを利用して、一つまたは数個の量子点や量子細線を形成する方法である。この方法は、実験的には大きさと位置が制御された量子点または量子細線を形成できるが、生産性に問題があって大量生産には適用できなかった。
【０００５】
第二は、パターニング及びエッチングによって制御された量子点を形成する方法である。この方法においてパターニングは、電子ビームを使用して基板上に直接量子点または量子細線を形成したり、マスクまたは型によって基板上に捺印（ｉｍｐｒｉｎｔ）した化学物質を電子ビームを用いて、エッチングして量子点または量子細線を形成する方法である。
【０００６】
最後には、材料の相変化の初期段階で生じる核生成段階を制御することによって量子点または量子細線を形成する方法である。この方法は大量生産には適用できるが、量子点の大きさや密度またはその分布を制御することにおいては問題点がある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、マスクとして物質の結晶構造を使用するパターン形成装置及び方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、マスクとして物質の結晶構造を使用してパターニングすることにより制御できる大きさ及び密度の均一な量子点及び量子細線を形成するための装置及び方法を提供することにある。
【０００８】
また、本発明の他の目的は、実用的に半導体素子を生産するために物質の結晶構造を使用して量子点及び量子細線を形成するための装置及び方法を提供することにある。
さらに、本発明の他の目的は、量子点及び量子細線構造を有する半導体素子を提供することにある。
【０００９】
前述した本発明の目的及び他の目的は、マスクとして物質の結晶構造を使用してパターンを形成する装置及び方法を提供することによって達成できる。
【００１０】
本発明の一実施形態において、物質の結晶構造を利用したパターン形成装置は、前記物質を通過する電子ビームを照射する電子銃と、前記電子銃により照射される前記電子ビームを集束する第１の集束手段と、前記電子ビームを一定の地点に集束させる第２の集束手段と、前記電子ビームが通過するように前記物質を載置するための載置手段と、前記物質を通過しながら分けられる透過ビームと回折ビームにより格子イメージを形成するための形成手段と、前記形成手段により形成された前記格子イメージを拡大または縮小するための複数のレンズ群と、前記レンズ群の間に介装して前記物質の格子イメージを被照射物質に一定の大きさのパターンに形成できる被照射物質移動装置を含み、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ；Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）から変更される。
【００１１】
好ましくは、結晶構造を有する前記物質は数十ナノメータの厚さを持つように処理して使用する。
好ましくは、前記被照射物質は半導体基板である。
好ましくは、前記被照射物質移動装置は複数のウエハーが実装されるウエハーカセットを含むウエハー移動装置であり、ウエハー移動装置によりウエハーを前記複数のレンズ群の間に介装する。
【００１２】
好ましくは、前記半導体基板はソース領域とドレーン領域が形成された基板上にゲート酸化膜が形成され、その上に非晶質シリコンが蒸着され、その上に感光材が塗布される。
【００１３】
本発明の他の実施の形態において、物質の結晶構造を利用したパターン形成方法は、変形した透過電子顕微鏡のチャンバー内に結晶構造を有する物質を位置させる工程と、前記物質に電子ビームを照射する工程と、被照射物質の表面上に、前記物質を通過した透過電子ビームと回折電子ビームの干渉を利用した結果で形成された前記物質の格子イメージからパターンを形成する工程を含む。
【００１４】
好ましくは、前記格子イメージは位相コントラスト映像法により形成する。
好ましくは、結晶構造を有する前記物質は数十ナノメータの厚さを持つように処理して使用する 。
好ましくは、前記被照射物質は半導体基板上の感光物質である。
好ましくは、前記半導体素子はソース領域とドレーン領域が形成された基板上にゲート酸化膜が形成され、その上に非晶質シリコンが蒸着され、その上に感光材が塗布される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。但し、以下の説明では、周知の機能や構造については詳細には説明しない。
まず、本発明の理解を助けるために、一般材料の結晶格子構造とその多様な概略図について説明する。
【００１６】
地球上に存在する全ての物質が、原子と幾つかのこれら原子の組合せである分子によって構成されていることは周知の事実であり、特に固相をなしている物質は“原子、イオンまたは分子が周期的に配列されている状態”すなわち、結晶質と、これら原子の無秩序な結合でなされた非晶質とに区分してみることができる。これら原子の規則的な配列に対する研究は１９１２年マックス・フォン・ラウエ（Ｍａｘ ｖｏｎ Ｌａｕｅ）がＸ線回折を発見することによって始まった。次に、１９１３年ブラッグ（Ｂｒａｇｇ）父子がダイアモンド、塩等の簡単な結晶構造をＸ線によって解析し、続いて１９２０年エワルト（Ｅｗａｌｄ）が逆格子理論を発表した。現在まで地球上に存在する１０万種以上の有機及び無機化合物の結晶構造（原子の周期的配列）が明らかになった。
【００１７】
ある一点を、一定の方向に特定の距離ａだけ平行移動すれば二目めの点になり、これをまた同じ方向に同じ距離だけ移動すれば三番目の点が生じる。このように、一つの点を繰り返して平行移動させれば、図１Ａに示すように点列が生じるようになる。ここで、一点を一定の方向に特定の距離ぐらい移動する動作の繰り返しによって生じる点列を格子と称する。この時、一定の方向に特定の距離だけ移動する動作を並進と称し、これはベクトルａで表示できる。ここで特定の距離、すなわちベクトルの絶対値｜ａ｜を周期または単位周期と称する。この点列において、それぞれの点は互いに同じであり、一点を原点にすれば、他の点は原点からの位置ベクトルとして次の式１のように表示できる。
【００１８】
【数１】
2004519865.tif 000003
ここで、ｍは−∞から＋∞までの整数である。
【００１９】
この点列を他の方向に並進させれば、図１Ｂに示すように網面が生じて、この網面を格子面と称する。格子面をまたこの面に平行しない第３の方向への並進ｃによって平行移動させれば、３次元の網点面が形成されて、これを空間格子と称する。空間格子におけるそれぞれの格子点はある一つの原点から位置ベクトルｒによって定義され、次の式２のように表示できる。
【００２０】
【数２】
2004519865.tif 000004
ここで、ｍ、ｎ、ｐは−∞から＋∞までの整数である。すなわち、空間格子は図１Ｃに示すように無限なる空間上に無限に広げられている。
【００２１】
結晶が巨視的に均一であるとは、結晶内におけるある部位の性質がこの部位から任意の距離離れている部位と同様であることをいう。図２は任意の仮想的な結晶構造を示す。ここに示すように、結晶内における任意の点ｐは原点からの位置ベクトルで定義し、このベクトルをＬとし、この結晶をなしている格子の単位並進ベクトルをａ、ｂ、ｃとすれば、次の式３のように表示できる。
【００２２】
【数３】
2004519865.tif 000005
ここで、Ｘ、Ｙ、Ｚは実数であり、ｘ、ｙ、ｚは０から１までの小数である。
【００２３】
すなわち、空間上の任意の点は結晶格子を表すｒｌと格子内の位置ベクトルを表すｒで表現される。ここで、３個の並進ベクトルにより定義される単位格子を単位胞という。
【００２４】
ここで、結晶内における任意の点を原点（０、０、０）に定めれば、この点から生成される格子格子点は互いにそれらが持っている性質が同一である。言い換えれば、結晶内におけるいずれの点を原点に定めても、この点の並進により生じた各格子点は互いに同一である。ここで同一であるとは、この点を囲む環境の幾何学的形状や、隣接原子の種類などの化学的な性質や電子密度、電位差などのような物理的な全ての性質が同一であることを意味する。すなわち、格子点は互いに全ての幾何学的、化学的、物理的性質が同一である。
【００２５】
単位セルを決定する３個のベクトル、すなわちａ、ｂ、ｃの相互関係によって全ての結晶は、以下に述べる７個の結晶系のうちいずれかに属するようになる。次の表１は三軸を定義する格子常数の関係を表す。
【００２６】
【表１】
2004519865.tif 000006
【００２７】
また、全ての結晶は、図３に示すような１４個のブラベー格子のうちいずれかを有する。これは単位胞内に一つの格子点を有する単純格子（Ｐ：ｐｒｉｍｉｔｉｖｅ ｃｅｌｌ）、一面の中心に一つの格子点がある単位胞を有する底心格子（Ａ、ＢまたはＣ）、各面の中心に格子点を有する面心格子（Ｆ）、そして単位胞の中心に一つの格子点を持つ体心格子（Ｉ）のように単位胞内の数によって分類される。
【００２８】
現在まで知られている、１０万種を越す有機及び無機化合物の結晶構造は、７種の結晶系、そして１４種のブラベー空間格子の一つに区分される。実際に構成される結晶構造は、上に定義した１４個のブラベー空間格子を表示する格子点に一つまたは複数の同一な、または相異する原子の配列によって構成される。
【００２９】
次に、このような結晶構造のいくつかの例を挙げると共に、このような結晶構造をある特定の結晶方向に投射した時現れる原子の配列による形態を説明する。
【００３０】
一例を挙げれば、Ａｌは立方（ｃｕｂｉｃ）晶系（ａ＝ｂ＝ｃ）に該当してブラベー格子の面心格子であるので、一つの単位胞内に４個の格子点を持つ。Ａｌの結晶構造はこの格子点に一つのＡｌ原子を配列することによって構成され、この時格子常数ａ＝ｂ＝ｃ＝０．４０４ｎｍである。したがって、Ａｌの単位胞の構造を描くと、図４ａに示すようになる。このようなＡｌを［１００］、［１１０］および［１１１］方向に投射して原子の配列が表すパターンをみると、図４ｂ、図４ｃ、および図４ｄに示すようになる。
【００３１】
別の例は、ダイアモンド結晶構造を有するＳｉの場合である。Ｓｉは立方晶系の結晶系をでありＡｌと同様に面心格子に該当するブラベー空間格子を持つ。したがって、一つの単位胞内に４個の格子点を有するが、単純な面心立方晶系とは異なり、一つの格子点に二つの原子が配列されている（格子常数ａ＝ｂ＝ｃ＝０．５４３ｎｍ）。したがって、一つの単位胞内に８個の原子が配列されている。図５ａはこのようなＳｉの単位胞を示す。また、図５ｂ、図５ｃ、図５ｄは上のような方法でＳｉ結晶格子を［１００］、［１１０］、［１１１］方向に投射してみた時のＳｉ原子によって現れる２次元のパターンを示す。図５ｅは図５ｂを時計方向に５６度、方位角１５度に回転させた時の形状を示す。図５ｃで見られるイメージがあたかもいくつもの線のような形状をなしていることを見ることができる。これはＳｉ単結晶は、プロセス技術によっては、単電子トランジスターの素子等において量子細線の形成に応用できることを示すものである。
【００３２】
さらに別の例は、ＧａＡｓの結晶構造である。ＧａＡｓはＡｌ、およびＳｉと同様に立方晶系の結晶軸系を持ち、やはりＡｌ、およびＳｉと同様に面心格子に該当するブラベー空間格子を持つ。しかし単純立方格子であるＡｌ、そしてダイアモンド結晶構造のＳｉとは異なり、一つの格子点に一つのＧａと一つのＡｓ原子が配列されている結晶構造である（格子常数 ａ＝ｂ＝ｃ＝０．５６５ｎｍ）。このようなＧａＡｓ結晶構造の単位胞を図６Ａに示し、やはり同じ方法でＧａＡｓの結晶構造を［１００］、［１１０］、および［１１１］方向に投射してみた時に現れる２次元のパターンを、図６ｂ、図６ｃ、図６ｄにそれぞれ示す。図６ｅは図５ｅと同様に、図６ｃを時計方向に５６度、方位角１５度に回転させた時の形状を示す。Ｓｉと同様に、ＧａＡｓ単結晶もまた、量子細線形成に応用できる良い例である。
【００３３】
前述したＡｌ、Ｓｉ、およびＧａＡｓは、結晶構造において原子の配列が表すいくつかの例に過ぎず、知られた１０万種以上の結晶構造を特定の結晶方向によって２次元上に透過してそれらの原子が表すパターンをみれば、非常に多様なパターンが現れ得ることを例示する一部分に過ぎない。もちろん、このようなパターンは結晶方向及び結晶構造によって異なるようになる。
【００３４】
前述した結晶における原子の配列は、高分解能透過電子顕微鏡の位相コントラスト映像法を使用して観察できる。いままでの電子顕微鏡の発達に伴って２００ないし３００ｋＶの加速電圧で０．１４ｎｍないしは０．２０ｎｍの領域で原子の配列状態を観察することが可能である。
【００３５】
位相コントラスト映像法は、結晶質の試料によって発生する一つ以上の回折ビームと透過ビームとの間の経路差を利用して映像を得る方法である。この方法は、回折コントラストや吸収コントラストのような他の方法に比べて遥かに良い分解能を得ることができる。
【００３６】
図７は位相差により干渉パターンがどのように生じるかを示す。図７に示すように、像は投射面での回折された電子ビームと透過ビームとの間の位相差により形成される。
電子ビーム３が透過するように数十ナノメータの厚さに加工された結晶構造を有する物質５は、チャンバーに置かれる。電子ビーム３は数十ナノメータの厚さに加工された結晶構造を有する物質５を通過しながらする際に透過ビーム及び回折ビームに分けられる。
【００３７】
結晶構造を有する物質５を透過する際に分離された透過ビーム及び回折ビームは、対物レンズ７及び絞り８を通過した後、互いに干渉して空間上に結晶構造を有する物質の格子イメージを形成する。この実施の形態において、イメージ平面とは物質５を透過する際に分離された透過ビーム及び回折ビームが干渉して結晶構造を有する物質の格子イメージが形成される空間上の平面を意味する。イメージ平面９に形成された相を中間レンズと拡大や縮小して使用するか、またはそのまま使用してパターンを形成する。
【００３８】
ここで、形成された干渉パターンの間隔は結果的に物質内に存在する格子間隔、すなわち原子面の間隔に比例し、この干渉パターンを利用すれば原子面における原子の配列を観察できるようになる。
【００３９】
実際の高分解能電子顕微鏡（ＴＥＭ）の使用においては、対物レンズによって形成された一次干渉パターンを対物レンズの後方に設けたいくつかのレンズを通じて順次に拡大（最終倍率は数十万倍に該当）し、直接に観察ができるようになっている。一般的に使用する対物レンズの倍率は数十倍から数百倍である。一例を挙げれば、０．３ｎｍ間隔の原子の配列は、対物レンズの倍率を１００倍とした時、３０ｎｍの間隔の干渉パターンに拡大される。このように生成された干渉パターンを、さらにいくつかの後方レンズを使用して拡大または縮小すれば、数ｎｍから数十ｎｍまでの原子映像または原子細線映像を得るようになる。
【００４０】
本発明は物質の結晶構造を利用してパターンを形成する。本発明は結晶構造を有する物質を透過電子顕微鏡のチャンバーに置き、電子線を照射して、結晶構造を持つ物質を透過した電子ビームと回折された電子ビームの干渉を利用して被照射物質の表面に結晶構造を有する物質の格子イメージを、位相コントラスト映像法を利用して形成し、このように形成された結晶構造を有する物質の格子イメージでパターンを形成して機能性素子を製造する。
【００４１】
本発明に係る物質の結晶構造を利用したパターン形成方法は、結晶構造を有する物質を透過電子顕微鏡のチャンバーに位置させ、電子線を照射して、結晶構造を有する物質を透過した電子ビームと回折された電子ビームの干渉を利用して被照射物質の表面に結晶構造を有する物質の格子イメージを、位相コントラスト映像法を利用して形成し、このように形成された結晶構造を有する物質の格子イメージで半導体材料にパターンを形成して半導体素子を製造する方法である。
【００４２】
本発明に係る物質の結晶構造を利用したパターン形成方法は、イメージ平面に形成された物質の格子イメージを所定の大きさに拡大したり縮小した後、感光材が塗布された半導体材料を感光させることができる。この時、半導体材料に形成されるイメージは、電子顕微鏡のチャンバーに位置する物質の格子イメージの一部が利用できる。
【００４３】
以下の表２は物質の結晶構造を利用した分解能に伴って使われる感光材を表している。例えば、１００ｋＶの電圧を使用する電子ビームの分解能が１５ｎｍ以下の場合は、ＨＳＱ（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｓｉｌｓｅｓｑｕｉｏｘａｎｅ）のような感光材が使用でき、これはＪ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂ、１８、３４１９（２０００）に明確に開示されている。
【００４４】
【表２】
2004519865.tif 000007
【００４５】
現在使われている高分解能透過電子顕微鏡による場合、原子単位の分解能が確保されている。したがって、本発明に係るパターン形成方法において、イメージ平面に形成された結晶構造を有する物質の格子イメージを拡大せず、さらに縮小すれば、感光材が塗布された半導体ウエハーを感光させる時、半導体ウエハーの上には数Åのパターンが形成できる。
【００４６】
本発明に係る物質の結晶構造を利用して形成するパターンは、使用される物質の結晶構造の形態によって決定される。したがって、物質の結晶構造における各原子の配置及び各原子の間の距離は、最終的に形成される半導体素子にも比例してそのまま具現化される。
【００４７】
図８は本発明の他の実施の形態を表す図面である。図８に示すように、電子ビーム１１が透過するように数十ナノメータの厚さに加工された結晶構造を有する物質１３はチャンバーに置かれる。電子ビーム１１は数十ナノメータの厚さに加工された結晶構造を有する物質１３により透過ビーム及び回折ビームに分けられる。
【００４８】
結晶構造を有する物質１３を透過する際に分離された透過ビーム及び回折ビームは、対物レンズ１５及び絞り１７を通過した後、互いに干渉して空間上に結晶構造を有する物質の格子イメージを形成する。この実施の形態において、イメージ平面とは物質１３を透過する際に分離された透過ビーム及び回折ビームが干渉して結晶構造を有する物質の格子イメージが形成される空間上の平面を意味する。イメージ平面に形成された像は中間レンズ１９により拡大される。
【００４９】
本発明に係る電子ビームの加速電圧は、物質の原子面間隔、電子ビームの整列、透過電子顕微鏡カラム内の真空度、電子ビームを偏向させる電子レンズの非点収差の校正程度、電子銃の輝度等によって決定される。一般的に加速電圧は１００ｋｅＶ−１ＭｅＶ程度の加速電圧が使われる。万一３Å以上の原子面間隔を持っている物質ならば１００ｋｅＶ程度の加速電圧が、２Å程度の原子面間隔を有する物質ならば２００ｋｅＶ程度の加速電圧が必要とされる。
【００５０】
このような方法で作られた単電子トランジスター素子は半導体基板と、この半導体基板内で一定の距離を置いて離間して形成されたドレーン領域及びソース領域と、前記ドレーン領域とソース領域との間の上側に位置して、透過電子顕微鏡のチャンバーに位置する物質の格子イメージの少なくとも一部と同一のパターンになった量子点が形成された層からなる構造を有する。
【００５１】
図９は本発明のもう一つの実施の形態を示す図面である。図９に示すように、電子ビーム２１が透過するように数十ナノメータの厚さに加工された結晶構造を有する物質２３がチャンバーに置かれている。電子ビーム２１は数十ナノメータの厚さに加工された結晶構造を有する物質２３により透過ビーム及び回折ビームに分けられる。
【００５２】
結晶構造を有する物質２３を透過する際に分離された透過ビーム及び回折ビームは、対物レンズ２５及び絞り２７を通過した後、互いに干渉して空間上に結晶構造を有する物質の格子イメージを形成する。この実施の形態において、イメージ平面とは物質２３を透過する際に分離された透過ビーム及び回折ビームが干渉して結晶構造を有する物質の格子イメージが形成される空間上の平面を意味する。イメージ平面に形成された像は中間レンズ２９により縮小される。
【００５３】
図１０と図１１は本発明の実施の形態に係る透過電子顕微鏡を利用したパターン形成装置を示す構成図である。本発明に係るパターン形成装置１００は変更した透過電子顕微鏡１１０と、この透過電子顕微鏡１１０により形成される物質の結晶構造をパターン化させるために適切な位置に設けられる複数のウエハー１３２が実装されるウエハーカセット１３１を備えたウエハー移動装置１３０から構成される。
【００５４】
ここで透過電子顕微鏡１１０は、物質を通過するのに十分な高エネルギーで電子ビームを加速させて電子ビームを照射する電子銃１１１と、この電子銃１１１から照射された電子ビームを集束する第一の集束装置と、電子ビームを一定の地点に集束させる付加的な第２の集束装置と、電子ビームが通過される物質が載置される載置台１１５と、前記物質が透過しながら分けられる透過ビームと回折ビームにより格子イメージを形成するための対物レンズ１１６と、この対物レンズ１１６により形成された格子イメージを拡大または縮小するために設けられる複数のレンズ群１２１、１２２、１２３及びこのレンズ群の間に介在することによって、所定の大きさの格子イメージを、パターンが形成できるウエハー１３２を備えたウエハー移動装置１３０から構成される。
【００５５】
前記第１の集束装置としてはコンデンサーレンズ１１２を使用することができ、付加的な第２の集束装置としては対物レンズ１１４を使用することができる。さらに、複数のレンズ群はパターンレンズ１２１と中間レンズ１２２及びプロジェクターレンズ１２３を交互にまたは順に使用することができる。
【００５６】
また、前記ウエハー移動装置１３０は、複数のウエハー１３２が実装されたウエハーカセット１３１の上で前記レンズ群１２１、１２２、１２３の間に順次に介装できる。介装されるこのウエハー１３２は、ソース領域とドレーン領域が形成されたＳｉ基板上にゲート酸化膜及び非晶質Ｓｉを蒸着した後、感光材が塗布された状態である（図１２Ｃのような状態）。
【００５７】
図１０及び図１１は、図１２及び図１３に比べて、より小さなパターンをウエハー上に形成する構成を示す図面である。図１０及び図１１に示すように、対物レンズ１１５により得られた像（例えば、２０倍に拡大された像を考えた時）所定のパターンレンズ１２１を使用して所望の倍率に調整し、さらに以上の手順を少なくとも一つ以上の中間レンズ１２２を使用して１０万倍に拡大した像を作る概念を示す。例えば、１０倍から１００倍、すなわち所望の像の倍率が１０倍の場合、対物レンズ１１５のイメージ平面に形成された像を、パターンレンズ１２１を使用して１／２倍に縮小しなければならず、望む像の倍率が１００倍の場合、対物レンズ１１５のイメージ平面に形成された像を、パターンレンズ１２１を使用して５倍に拡大しなければならない。
【００５８】
すなわち、像の焦点などは１０万倍に拡大した像に調整した後、パターンレンズ１２１のイメージ平面にウエハー移動装置３０を利用してウエハー１３２を介装させることによって、パターンが形成できる。
【００５９】
図１２は本発明の他の実施の形態に係る透過電子顕微鏡を利用したパターン形成装置を示す構成図であり、図１３は図１２の模式図であり、図１０及び図１１に比べて、より大きいパターンをウエハーの上に形成する構成を示す図面である。
【００６０】
図１２及び図１３に示すように、対物レンズ１１５により得られた像は、まず一連の中間レンズ１２６を通じて１０万倍に拡大した後、ＣＣＤ検出器１２５で正確な位相コントラスト像を得る。次に、中間レンズ１２６の電流を遮断して所望の倍率にセッティングされた一連のパターンレンズ１２７を作動させて所望の倍率の像（パターン）（例えば、１０倍から１００倍）をウエハー１３２の上に形成する。
【００６１】
すなわち、ウエハー移動装置１３０により移動するウエハー１３２がレンズ群（中間レンズとパターンレンズ）１２６、１２７の間に介装する位置によって、形成されるパターンを所望の大きさに調節できる。
図１４ａないし図１４ｆは、図１０または図１２の装置を使用して単電子半導体を製造する工程を示す図面である。
図１４ａないし図１４ｆは単電子半導体を製造する工程の一実施の形態を順次に示す断面図である。
【００６２】
まず、図１４ａは、Ｓｉ基板３０内にソース領域３１とドレーン領域３３を形成する工程を示す。
図１４ｂは、Ｓｉ基板３０の上に厚さ数ｎｍのゲート酸化膜３５を成長させ、ゲート酸化膜３５の上に厚さ数ｎｍの非晶質Ｓｉ３７を蒸着する工程を示す。
図１４ｃは非晶質Ｓｉ３７の上に感光材３９を塗布する工程を示す。
その後、図５ｅに示すようなパターンを形成するため、透過電子顕微鏡内の［１１０］ゾーン（ｚｏｎｅ）軸を有するＳｉを透過顕微鏡のチャンバーに位置させる。
【００６３】
図１４ｄは感光材３９を感光させるために電子ビームを照射する工程を示す。
図１４ｅは、感光材３９を除去して量子点を形成するため、プラズマ法を使用して非晶質Ｓｉをエッチングする工程を示す。
図１４ｆは、量子点が形成された非晶質Ｓｉ３７上にコントロール酸化膜４１とポリシリコン４３を蒸着した後、パターンを形成する工程を示す。結果的に、単電子半導体素子が製造されることになる。
この時作られた単電子半導体素子において、ゲート酸化膜３５上に形成される量子点は［１１０］ゾーン軸を有するＳｉのパターンと同一のパターンでそれぞれの量子点は５ｎｍの大きさを持ち、密度は約１０１２／ｃｍ２である。
【００６４】
前述したように、本発明によれば、量子点は結晶構造の格子イメージを使用して形成して調節できる。
本発明は特定の実施の形態を詳細に説明しているが、それは実施の形態の適用例に過ぎない。したがって、本発明の範囲及び思想内で当業者により多様な変形が可能であることを理解するべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１ａないし図１ｃは格子点を１次元、２次元、３次元で並進させた図面である。
【図２】図２は格子点周囲の原子の配列を示す図面である。
【図３】図３は７個の結晶軸系と１４個のブラベー格子を示す図面である。
【図４】図４ａはＡｌ結晶構造の単位セルを示す図面であり、図４ｂないし図４ｄは［１００］、［１１０］、［１１１］方向からＡｌ結晶の２次元透過パターンを示す図面である。
【図５】図５ａはＳｉ結晶構造の単位セルを示す図面であり、図５ｂないし図５ｄは［１００］、［１１０］、［１１１］方向からＳｉ結晶の２次元透過パターンを示す図面であり、図５ｅは図５ｃを時計方向に５６度及び方位角１５度で回転させた時、３次元透過パターンを示す図面である。
【図６】図６ａはＧａＡｓ結晶構造の単位セルを示す図面であり、図６ｂないし図６ｄは［１００］、［１１０］、［１１１］方向からＧａＡｓ結晶の２次元透過パターンを示す図面であり、図６ｅは図６ｃを時計方向に５６度及び方位角１５度に回転させた時、３次元透過パターンを示す図面である。
【図７】図７は本発明の第１の実施形態に係る透過電子顕微鏡を示す図面である。
【図８】図８は本発明の第２の実施形態に係る透過電子顕微鏡を示す図面である。
【図９】図９は本発明の第３の実施形態に係る透過電子顕微鏡を示す図面である。
【図１０】図１０は本発明に係る変形された透過電子顕微鏡を使用してパターンを形成するための装置の実施形態を示す概略図である。
【図１１】図１１は本発明に係る変形された透過電子顕微鏡を使用してパターンを形成するための装置の実施形態を示す概略図である。
【図１２】図１２は本発明に係る変形された透過電子顕微鏡を使用してパターンを形成するための装置の他の実施形態を示す概略図である。
【図１３】図１３は本発明に係る変形された透過電子顕微鏡を使用してパターンを形成するための装置の他の実施形態を示す概略図である。
【図１４】図１４ａないし１４ｆは単電子半導体を製造する工程の実施の形態を順次に示す断面図である。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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