(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光プローブによって基材上に微細なパターンを形成する微小パターン作製装置であって、
先端に微小開口が設けられた光プローブと、
該光プローブに光を供給する光源と、
該光プローブと基材とを相対的に位置制御する駆動機構と、
材料ガスの供給を行うガス供給装置と、
前記材料ガスの分解を行う反応室と、
を有し、前記ガス供給装置は前記光プローブと同一基体に一体に設けられ、
且つ、前記ガス供給装置には材料ガス分子のクラスター化を行うノズルが設けられていることを特徴とする微小パターンの作製装置。
【請求項２】
前記微小開口が、前記光源より供給される光の波長以下の開口径であることを特徴とする請求項１に記載の微小パターンの作製装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微小パターンの作製装置に関し、特に、半導体素子や記憶装置などに用いられる導電性パターンの作製に当たり、中でも光の波長よりも小さな極めて微細な導電性パターンを基材上に作製する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体素子等の微細化に伴い、配線等の微細な導電性パターンを基材上に作製する技術に対する要求が高まっている。
従来より、このような導電性パターンを形成する方法としては、基材上に金属等の導電性の薄膜を一面に形成した後、各種の方法で薄膜を加工し、パターニングする方法が一般に用いられている。
薄膜の加工法としては、フォトレジストを塗布し、さらに所望のパターンを持つマスクを用いて各種エネルギー線を照射して露光し、現像した後にエッチングで不要部分を除去するフォトリソグラフィーの手法が用いられている。このような方法においては、加工できる最小寸法の限界は、おおむね用いるエネルギー線の波長程度であることが知られている。さらに、特公昭６２−５０８１１号公報に開示されているような「位相シフト法」、あるいは特開平４−１０１１４８号公報に開示されているような「変形照明法」等によってさらに微細な加工が可能となり、おおむね用いるエネルギー線の波長の半分程度までの寸法の微細な加工が可能となっている。
【０００３】
その一方で、導体の表面原子の電子構造を直接観察できる走査型トンネル顕微鏡（以下「ＳＴＭ」という）が開発されて（Ｇ．Ｂｉｎｎｉｇ  ｅｔ  ａｌ．，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ，４９，５７（１９８２））、単結晶、非晶質を問わず実空間像を高い分解能で測定ができるようになって以来、走査型プローブ顕微鏡（以下、「ＳＰＭ」という）が材料の微細構造評価の分野でさかんに研究されるようになってきた。このＳＰＭの一種として、プローブ先端に設けた光の波長以下の開口径の微小開口からしみ出すエバネッセント光を試料表面から光プローブで検出して試料表面を調べる走査型近接場光顕微鏡（以下ＳＮＯＭと略す）［Ｄｕｒｉｇ他，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．５９，３３１８（１９８６）］が開発された。
このようなＳＮＯＭを応用したリソグラフィーについても開発が進んでおり、先端を細く形成した光ファイバーよりエバネッセント光を照射することによってレジストを露光したり、シリコン基板を加工してシリコンの微細なパターンを形成することも行われている（特開平７−１０６２２９号公報）。
一方で、薄膜形成法としては、光化学反応による材料ガスの分解を利用した光ＣＶＤが一般に用いられるようになってきている。光ＣＶＤにおいてはシリコン等の半導体やその化合物の薄膜形成を中心に開発が行われているが（特開平５−４７６７３号公報）、塩化金やその化合物を光照射によって分解して金膜を形成する方法（特開平５−２５９０９５号公報）等、導電性薄膜の光ＣＶＤも開発されている。
さらには、光照射を利用してドーピングガスを分解し、シリコン基板表面への不純物のドーピングを行う方法も提案されている（特開平７−９４４２７号公報）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例のうち、フォトリソグラフィーにおいては、用いるエネルギー線の波長の半分程度までの微細な加工が可能となっているが、通常用いられるエネルギー線で最も短波長のものであるｉ線においてもその波長は３６５ｎｍであるため、１００ｎｍ以下の微細なパターンを形成することは困難であった。
また、この方法を用いて導電性パターンを形成しようとする際には、基材上に金属等の導電性の薄膜を一面に形成した後フォトレジストを塗布し、さらに所望のパターンを持つマスクを用いて各種エネルギー線を照射して露光、現像してレジストパターンを形成した後に、このレジストパターンをエッチングマスクとして被エッチング材となる導電性の薄膜をエッチングし不要部分を除去する、といった長く複雑な工程が必要であった。ＳＮＯＭを応用したリソグラフィーにおいても、基本的に上記のフォトリソグラフィーと同様の長く複雑な工程が必要であった。このような工程においては、プロセスに長時間を要するという問題のみならず、露光及び現像の工程において露光量や現像速度などでレジストパターンの寸法誤差が生じたり、さらにエッチング工程においては被エッチング材だけでなくレジストパターンもエッチングされることによる寸法変化が発生することがあり、高い歩留まりで高精度の加工寸法を保つことが難しかった。この加工寸法の誤差の問題は加工するパターンが微小になった場合に特に深刻となり、高い歩留まりでパターン切れなく作製することは難しかった。
【０００５】
また、光ＣＶＤにおける大きな問題点としては、光を導入するための窓上にも膜が堆積してしまい、その結果として膜堆積の進行とともに照射される光の強度が低下してしまい、膜の堆積速度が低下してしまうことがあった。このような窓上への膜の堆積を防止する方法としては、低蒸気圧のフッ素系オイルなどを窓に塗布する方法、及び反応に寄与しないガスを用いて窓付近のパージを行うガスパージ法がよく知られている。しかしながら、いずれの方法においても窓上への膜の堆積を完全には防止できず、堆積速度を安定的に保つことが難しかった。
【０００６】
そこで、本発明は、上記従来技術の有する課題を解決し、従来の光を用いた加工では作製できなかった１００ｎｍ以下のオーダーの大きさの微細なパターン、特に導電性パターンを、基材上に直接描画し、安定的かつ速い速度で作製する微小パターンの作製装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を達成するために、微小パターンの作製装置を、つぎのように構成したことを特徴とするものである。
【０００８】
本発明の微小パターンの作製装置は、光プローブによって基材上に微細なパターンを形成する微小パターン作製装置であって、
先端に微小開口が設けられた光プローブと、
該光プローブに光を供給する光源と、
該光プローブと基材とを相対的に位置制御する駆動機構と、
材料ガスの供給を行うガス供給装置と、
前記材料ガスの分解を行う反応室と、
を有し、前記ガス供給装置は前記光プローブと同一基体に一体に設けられ、
且つ、前記ガス供給装置には材料ガス分子のクラスター化を行うノズルが設けられていることを特徴としている。
また、本発明の微小パターンの作製装置は、前記微小開口が、前記光源より供給される光の波長以下の開口径であることを特徴としている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明は、上記構成により、従来の光を用いた加工では作製できなかった１００ｎｍ以下のオーダーの大きさの微細な導電性パターンを基材上に直接描画し、さらに安定的かつ速い速度で作製する装置を実現することができる。つぎに、本発明の実施の形態について説明する。その参考例として、図１に、微小パターン作製装置の概略図を示す。
１は光プローブ、２は遮光層、３は光源、４は導入光、５は微小開口、６は照射光、７はガス供給装置、８は材料ガス（分子）、９は基材、１０は駆動機構、１１はステージ、１２は反応室、１３は微小パターン、３２は制御用コンピュータである。微小開口５を持つ遮光層２で被覆した光プローブ１と、光プローブ１に導入光４を供給する光源３と、光プローブ１と基材９とを相対的にＸＹＺ位置制御する駆動機構１０と、材料ガス８の供給を行うガス供給装置７と、材料ガス８の分解を行う反応室１２とを有する。
本発明の装置を用いて微小パターンを作製する方法の概略を以下に述べる。まず光プローブ１に対し、光源３より導入光４を導入して、光プローブ１先端の微小開口５より照射光６を照射する。さらに、光プローブ１の先端部をステージ１１上に固定した基材９に対して近接させる。さらに、ガス供給装置７より材料ガス８を供給すると同時に、駆動機構１０を用いて相対的に走査する。このようにすることで、照射光６により材料ガス８を光化学反応により分解し、その分解生成物を基材９表面の所望のパターンに供給して付着させ、微小パターン１３を直接描画して形成するものである。
【００１０】
本発明においては、光プローブとしては、光ファイバーの先端部を先鋭化したものなどが用いられる。より好ましくは、光ファイバーを遮光層で被覆し、その先端部分の遮光層に光が通過できる微小開口を設ける。また、上記微小開口が光源より供給される導入光の波長以下の開口径を持つようにして、照射光をエバネッセント光とする。微小開口の開口径は、より小さい方が解像度が向上しより微細なパターンを形成することができるが、小さくするにしたがって微小開口を通過できる光量が減少するため材料ガスの分解量が減少して微小パターンの形成速度が低下する場合があるため、開口径は必要とするパターンの幅と形成速度によって任意に決定することができる。ただし、好ましい範囲として、おおむね５ｎｍないし５０ｎｍとする。なお、光プローブは上記に限定されるものではなく、例えばＳｉ単結晶基板に溶液を用いた異方性エッチングやイオンビームあるいは電子ビームを用いて微小開口を形成したものや、光透過性の材料を探針状に加工したもの等も用いられる。このようにすることで、従来のフォトリソグラフィーでは成し得なかった１００ｎｍ以下の大きさの微細な導電性パターンを形成することができる。
【００１１】
本発明においては、上記材料ガスとして金属化合物ガスを用いて照射光のエネルギーによって分解し金属を生成することで、基材上に金属を堆積して導電性の層を形成し、微小なパターンを形成することができる。これに用いられる材料ガスとしては、金属水素化物や、金属ハロゲン化物、有機金属化合物などが用いられる。例を挙げると、ＡｕＣｌ、ＤＭＡｕ（ジメチル金）、Ｃｒ（ＣＯ）6、Ｃｒ（ＣＯ2）、Ｍｏ（ＣＯ）6、Ｗ（ＣＯ）6、ＷＦ6、Ａｌ（ＣＨ3）3、Ａｌ2（ＣＨ3）6、Ａｌ2（ｉｓｏ−Ｃ4Ｈ9）3、Ｚｎ（ＣＨ3）2、ＤＭＣｄ（ジメチルカドミウム）、ＴｉＣｌ4、Ａｌ2（ＣＨ3）6、ＣｕＨＦ等があるが、これらに限らず、光のエネルギーによって分解可能な金属化合物であれば、適宜用いることができる。
同様にして、材料ガスとしてドーピングガスを用いてシリコン基板表面への不純物のドーピングを行い、シリコン基板の表面に導電性の層を形成し、微小なパターンを形成することができる。これに用いられる材料ガスとしては、リンやボロンの化合物が用いられる。例を挙げると、ＢＣｌ3、Ｂ2Ｈ6、Ｂ5Ｈ9、ＢＦ3、Ｂ10Ｈ14、ＢＢｒ3、Ｂ（ＣＨ3）3、ＰＨ3、ＰＦ3、ＰＦ5、ＰＣｌ3、ＰＣｌ5、ＰＯＣｌ3、Ｃ4Ｈ11Ｐ等があるが、これらに限らず、光のエネルギーによって分解可能なドーピングガスであれば、砒素系、ガリウム系などを含め、適宜用いることができる。
同様にして、材料ガスとしてエッチングガスを用いて基材表面の導電性の層の不要部分を除去し、微小なパターンを形成することもできる。この方法に用いられる材料ガスとしては、エッチングを行う導電性の層の材料によってさまざまなものが用いられる。
また、上記のガスは単体で用いても構わないし、適宜他のガスと混合して用いても構わない。
【００１２】
さらに、本発明においては、前記材料ガス粒子を、エバネッセント光より作用する力により微小開口近傍に引き寄せ、材料ガス濃度を相対的に大きくすることが好ましい。一般に、微小開口に光を入射すると、微小開口を通過する照射光近傍に存在する粒子に対し力が作用し、この粒子を引き寄せることができることが知られている。
このような力は、粒子の径が開口径と同程度もしくはやや大きく、さらに微小開口の開口径が十分小さく照射光のエバネッセント光の成分が支配的になっている場合に、粒子が微小開口の方向へ引き寄せられる力がより大きくなる。すなわち、微小開口の開口径と粒子の径を上記の範囲とした場合に、より効率的に粒子を微小開口の近傍に集めることができる。そのためには、材料ガスの分子のクラスター化を行うことが好ましい。本発明においては、微小開口の開口径は前述のとうり数ｎｍないし数１０ｎｍのオーダーとするのが好ましいが、開口近傍に供給する材料ガスは単一の分子の径は微小開口の径に対しおよそ１／１０ないし１／１００であるので、材料ガスの分子をクラスター化して微小開口の開口径と同程度もしくはやや大きな粒子とすることで、材料ガスの粒子を微小開口の近傍により効率的に集めることができる。好ましいクラスターサイズとしては、ｌ００個ないし１００００個程度の範囲であり、１つのクラスターがおおむね微小開口の開口径と同程度もしくはやや大きな粒子となるようにする。
本発明において、このような材料ガスの分子のクラスター化を行うために、前述のガス供給装置にノズルを設ける。このノズルより材料ガスを噴出させることにより、断熱膨張をおこしてクラスターを生成する。クラスターサイズは、ノズルの形状、長さやノズル径によって制御できる。好ましいノズル形状の例として、図３に示したものがあり、それぞれの径は、ｄ1＝０．０２ｍｍ〜０．２ｍｍ、ｄ2＝１ｍｍ〜１０ｍｍ、ｄ3＝１ｍｍ〜１０ｍｍ、ｌ1＝１ｍｍ〜５０ｍｍ、ｌ2＝１ｍｍ〜５０ｍｍ程度が好ましい。
このようにすることで、微小開口近傍の材料ガス濃度を相対的に大きくして、分解される材料ガスを増やし、より速い速度で微小パターンの形成を行うことができる。
【００１３】
また、本発明において、ガス供給装置においては、可能な限り光プローブ先端の近くより材料ガスを供給した方が好ましい。そのための手段として、例えばマイクロマシンの技術を利用して、ガス供給装置と光プローブを同一基体に一体に設け、作製したものを用いる。このようにすることで、微小開口近傍の材料ガス濃度を相対的に大きくして、分解される材料ガスを増やし、より速い速度で微小パターンの形成を行うことができる。
さらに本発明においては、前記光プローブの遮光層を導電性材料として、光プローブに対して電圧を印加する機構を設けることが好ましい。
このようにすることで、基材と光プローブ先端との間に電界を印加することができる。それによって、光プローブ先端近傍に電界によるエネルギーを供給し、材料ガスの分解速度を向上させることができる。
さらに、材料ガスの供給を停止した状態で高電圧パルスを印加することにより、光プローブ先端に付着した材料ガスの分解生成物などの汚れを電界蒸発させて除去することも可能となり、微小開口を常に清浄な状態として照射光の強度を安定化し、微小パターンの作製を安定的に行うことができる。なお、この場合の遮光層に用いる材料は、材料ガスの分解成生物よりも蒸発電界の大きなものを用いる。
【００１４】
また、光源としては、一般に用いられているレーザー光源を適宜用いることが出来るが、好ましいものとしては可視光ないし紫外光のレーザーであるＨｅ−Ｃｄ、Ｈｅ−Ｎｅ、アルゴン、エキシマなどがあげられる。また、より小型の半導体レーザーも用いられ、特に青色の半導体レーザーは好ましく用いることが出来る。
また、反応室は必要に応じて減圧しても構わない。
また、本発明においては、光プローブからの照射光により材料ガスを分解する際や、その分解生成物を基材表面の所望のパターンに付着させた後などに、適宜基板を加熱しても構わない。
【００１５】
【実施例】
以下に、本発明の参考例及び実施例について説明する。
［参考例１］
図１に、参考例１の微小パターンの作製装置の概略図を示す。
１は光プローブ、２は遮光層、３は光源、４は導入光、５は微小開口、６は照射光、７はガス供給装置、８は材料ガス（分子）、９は基材、１０は駆動機構、１１はステージ、１２は反応室、１３は微小パターン、３２は制御用コンピュータである。
本参考例の微小パターンの作製装置においては、光プローブ１としてコア及びクラッドを持つ光ファィバーをエッチング加工によりコア先端を先鋭化したものに、遮光層２として真空蒸着法を用いてＴｉを５ｎｍ、Ｐｔを３０ｎｍ積層し、さらに先鋭化したコア先端部の遮光層に微小開口５を形成したものを用いた。微小開口５の開口径は２０ｎｍとした。また、光源３としては、例えば波長が３２５ｎｍのＨｅ−Ｃｄレーザーを用い、光プローブ１の微小開口５の反対側の端面より導入光４を導入するようにした。光源３としては他にＨｅ−Ｎｅレーザー、アルゴンレーザー、エキシマレーザーなども用いた。このようにすることで、微小開口５より照射光６として、エバネッセント光が照射されるようにした。さらに、ステージ１１には駆動機構１０を設け、光プローブ１先端と基材９の表面を近接させ、さらに相対的に走査できるようにした。この駆動機構１０は粗動機構と圧電素子を用いた微動機構とを持ち、この圧電素子に印加する電圧を制御することでＸＹＺ３方向の高精度な位置制御が出来るようにした。また基材９はステージ１１上に固定するようにした。
さらに、ガス供給装置７として、細管より材料ガス８を光プローブ１の先端付近に供給するようにした。これらの機構は全て反応室１２内に収納した。さらに不図示の真空ポンプによって反応室１２内を排気している。
なお、光源３及び駆動機構１０は制御用コンピュータ３２に接続され、光照射と、光プローブと基材との位置制御や走査を一括して制御できるようにした。
【００１６】
本参考例の装置を用いて微小パターンを作製する方法を以下に述べる。
まず光プローブ１に対し、光源３より導入光４を導入して、光プローブ１先端の微小開口５より照射光６を照射した。導入光４は、パターン形成時の必要に応じてＯＮ／ＯＦＦするようにした。このようにして、導入光４は光ファイバーよりなる光プローブ１内を伝播し、先鋭化したコア先端部の遮光層２に設けた微小開口５より照射光６として照射した。微小開口５の径は導入光４の波長よりも小さいので、照射光６はエバネッセント光となった。
さらに、基材９を固定したステージ１１の駆動機構１０を用い、光プローブ１先端と基材９の表面を約１０ｎｍまで近接させた。本実施例においては基材９としてはシリコン単結晶を用いた。
さらに、ガス供給装置７である細管より材料ガス８を光プローブ１の先端付近に供給すると同時に、駆動機構１０を用いて相対的に走査した。本実施例においては材料ガス８としてＡｕＣｌを用いた。
【００１７】
このようにすることで、照射光６により材料ガス８を光化学反応により分解し、その分解生成物を基材９表面の所望のパターンに供給して付着させ、微小パターン１３を直接描画して形成した。本実施例においては材料ガス８として金の化合物を用いたので、金よりなる導電性の微小パターンを形成できた。
本参考例では、微小パターン１３はおよそ２０ｎｍの幅のライン状に形成できた。また、パターン切れはまったく観察されなかった。
さらに、材料ガス８をエッチングガスとしてまったく同様に本実施例の方法を行うことにより、基材９上の不要な箇所の導電性物質を除去することで、微小パターンの形成を行うこともできた。
以上本参考例によれば、従来の光を用いた加工では作製できなかった１００ｎｍ以下のオーダーの大きさの微細な導電性パターンを、基材上に直接描画する装置、及び方法を提供することができた。
【００１８】
［参考例２］
参考例２においては、参考例１と同様の図１に示した装置を用いて、材料ガスとしてドーピングガスを用い、シリコン基板表面への不純物のドーピングを行い、シリコン基板の表面に導電性の層を形成し、微小なパターンを形成した。
本参考例の微小パターンの作製方法を以下に述べる。
まず光プローブ１に対し、光源３より導入光４を導入して、光プローブ１先端の微小開口５より照射光６を照射した。光源３は実施例１と同様のものを用い、導入光４は、パターン形成時の必要に応じてＯＮ／ＯＦＦするようにした。このようにして、導入光４は光ファイバーよりなる光プローブ１内を伝播し、先鋭化したコア先端部の遮光層２に設けた開口径２０ｎｍの微小開口５より照射光６として照射した。微小開口５の径は導入光４の波長よりも小さいので、照射光６はエバネッセント光となった。
さらに、基材９を固定したステージ１１の駆動機構１０を用い、光プローブ１先端と基材９の表面を約１０ｎｍまで近接させた。本参考例においては基材９としてはシリコン単結晶を用いた。
さらに、ガス供給装置７である細管より材料ガス８を光プローブ１の先端付近に供給すると同時に、駆動機構１０を用いて相対的に走査した。本実施例においては材料ガス８としてＢＣｌ3を用いた。
【００１９】
このようにすることで、照射光６により材料ガス８を光化学反応により分解し、その分解生成物を基材９表面の所望のパターンに供給して付着させ、微小パターン１３を直接描画して形成した。本参考例においては材料ガス８としてボロンの化合物を用いたので、基材９上に材料ガスの分解成生物であるボロンを供給し、微小パターン１３を形成した。尚、本参考例においては、基材９を加熱し、供給したボロンを基材９の表面より内部へ微小な深さ拡散するようにした。
本参考例では、微小パターン１３はおよそ２０ｎｍの幅のライン状に形成できた。また、パターン切れはまったく観察されなかった。
以上本参考例によれば、従来の光を用いた加工では作製できなかった１００ｎｍ以下のオーダーの大きさの微細な導電性パターンを、基材上に直接描画する装置、及び方法を提供することができた。
【００２０】
［参考例３］
図２に、参考例３の微小パターンの作製装置の概略図を示す。
１は光プローブ、２は遮光層、３は光源、４は導入光、５は微小開口、６は照射光、７はガス供給装置、８は材料ガス（分子及びクラスター）、９は基材、１０は駆動機構、１１はステージ、１２は反応室、１３は微小パターン、１４はノズル、３２は制御用コンピュータである。
本参考例では、材料ガス８の分子のクラスター化を行うために、ガス供給装置７にノズル１４を設けた。図３に、本参考例で用いたガス供給装置７に設けたノズル１４を示す。ノズルの形状は、図３において、ｄ1＝０．１ｍｍ、ｄ2＝３ｍｍ、ｄ3＝３ｍｍ、ｌ1＝３０ｍｍ、ｌ2＝３０ｍｍとした。
本参考例の微小パターンの作製装置においては、ガス供給装置７及びノズル１４以外は実施例１と同様とした。
本参考例の装置を用いて微小パターンを作製する方法を以下に述べる。
まず光プローブ１に対し、光源３より導入光４を導入して、光プローブ１先端の微小開口５より照射光６を照射した。光源３は参考例１と同様のものを用い、導入光４は、パターン形成時の必要に応じてＯＮ／ＯＦＦするようにした。このようにして、導入光４は光ファイバーよりなる光プローブ１内を伝播し、先鋭化したコア先端部の遮光層２に設けた開口径２０ｎｍの微小開口５より照射光６として照射した。微小開口５の径は導入光４の波長よりも小さいので、照射光６はエバネッセント光となった。
さらに、基材９を固定したステージ１１の駆動機構１０を用い、光プローブ１先端と基材９の表面を約１０ｎｍまで近接させた。本参考例においては基材９としてはシリコン単結晶を用いた。
さらに、ガス供給装置７であるノズル１４より材料ガス８を光プローブ１の先端付近に供給すると同時に、駆動機構１０を用いて相対的に走査した。本参考例においては材料ガス８としてＡｕＣｌを用いた。本参考例では、ノズル１４より材料ガス８を噴射することによって、材料ガスの分子の一部をクラスターサイズ数１００のクラスター化した。
【００２１】
このようにすることで、照射光６により材料ガス８を光化学反応により分解し、その分解生成物を基材９表面の所望のパターンに供給して付着させ、微小パターン１３を直接描画して形成した。本参考例においては材料ガス８として金の化合物を用いたので、金よりなる導電性の微小パターンを形成できた。
本参考例では、微小パターン１３はおよそ２０ｎｍの幅のライン状に形成できた。また、パターン切れはまったく観察されなかった。尚、本参考例の方法によれば、材料ガス粒子を、エバネッセント光より作用する力により微小開口近傍に引き寄せ、材料ガス濃度を相対的に大きくすることができ、参考例１と比較しておよそ２倍の速度で金が堆積され、より速い速度で微小パターンの形成を行うことができた。
以上本参考例によれば、従来の光を用いた加工では作製できなかった１００ｎｍ以下のオーダーの大きさの微細な導電性パターンを、基材上に直接描画する装置、及び方法を提供することができた。
さらに、本参考例においては、材料ガスのクラスター化により、エバネッセント光より作用する力により微小開口近傍により効率的に引き寄せ、光プローブ先端近傍の材料ガス濃度を相対的に大きくして、分解される材料ガスを増やして、より速い速度で微小パターンの形成を行うことができた。
【００２２】
［参考例４］
図４に、参考例４の微小パターンの作製装置の概略図を示す。
１は光プローブ、２は遮光層、３は光源、４は導入光、５は微小開口、６は照射光、７はガス供給装置、８は材料ガス（分子）、９は基材、１０は駆動機構、１１はステージ、１２は反応室、１３は微小パターン、１５は電源、１６は配線、３２は制御用コンピュータである。
本参考例においては、導電性の遮光層２に、電源１５、配線１６を接続し、光プローブ１に対して電圧を印加できるようにした。また、遮光層２は材料としてＭｏを用い、イオンビームスパッタ法で３０ｎｍ堆積したものを用いた。なお、光源３、駆動機構１０、電源１５は制御用コンピュータ３２に接続され、光照射と、光プローブと基材との位置制御や走査、及び電圧印加を制御できるようにした。
本参考例の微小パターンの作製装置においては、上記述べた遮光層２に用いた材料、電源１５、配線１６以外は参考例１と同様とした。
【００２３】
本参考例の微小パターンの作製方法を以下に述べる。
まず光プローブ１に対し、光源３より導入光４を導入して、光プローブ１先端の微小開口５より照射光６を照射した。光源３は実施例１と同様のものを用い、導入光４は、パターン形成時の必要に応じてＯＮ／ＯＦＦするようにした。このようにして、導入光４は光ファイバーよりなる光プローブ１内を伝播し、先鋭化したコア先端部の遮光層２に設けた開口径２０ｎｍの微小開口５より照射光６として照射した。微小開口５の径は導入光４の波長よりも小さいので、照射光６はエバネッセント光となった。
さらに、基材９を固定したステージ１１の駆動機構１０を用い、光プローブ１先端と基材９の表面を約１０ｎｍまで近接させた。本参考例においては基材９としてはシリコン単結晶を用いた。本参考例においては、このシリコン単結晶は、表面抵抗率が約１０Ω・ｃｍのものを用いた。
さらに、ガス供給装置７である細管より材料ガス８を光プローブ１の先端付近に供給すると同時に、駆動機構１０を用いて相対的に走査した。本実施例においては材料ガス８としてＡｕＣｌを用いた。さらに本参考例では、この際に、導電性の遮光層２に、電源１５、配線１６を接続し、光プローブ１に対して電圧を印加した。印加電圧は１０Ｖとした。
【００２４】
このようにすることで、照射光６により材料ガス８を光化学反応により分解し、その分解生成物を基材９表面の所望のパターンに供給して付着させ、微小パターン１３を直接描画して形成した。本参考例においては材料ガス８として金の化合物を用いたので、金よりなる導電性の微小パターンを形成できた。
本参考例では、微小パターン１３はおよそ２０ｎｍの幅のライン状に形成できた。また、パターン切れはまったく観察されなかった。尚、本参考例の方法によれば、参考例１と比較しておよそ２倍の速度で金が堆積され、より速い速度で微小パターンの形成を行うことができた。すなわち、本参考例の方法によれば、基材と光プローブ先端との間に電界を印加することによって、光プローブ先端近傍に電界によるエネルギーを供給し、材料ガスの分解速度を向上させることができた。
【００２５】
さらに、微小パターンの形成を長時間行った場合、光プローブ先端には、材料ガスの分解成生物である金が徐々に堆積し、導入光に対する通過光が減少し、分解速度が低下した。本参考例においては、材料ガスの供給を停止した状態で高電圧パルスを印加することにより、光プローブ先端に付着した材料ガスの分解生成物を蒸発させて除去することが可能である。印加電圧は、金の蒸発電界（３５Ｖ／ｎｍ）よりも大きく、遮光層に用いたＭｏの蒸発電界（４６Ｖ／ｎｍ）よりも小さい範囲とした。このようにすることで、遮光層の蒸発を起こさずに汚れのみを電界蒸発させて除去でき、微小開口を常に清浄な状態として照射光の強度を安定化し、微小パターンの作製を安定的に行うことができた。
【００２６】
［実施例］
図５に、実施例の微小パターンの作製装置の概略図を示す。
本実施例においては、マイクロマシンの技術を利用して、ガス供給装置７と光プローブ１を同一基体に一体に設け、作製したものを用いた。図６に、その作製工程図を示す。図５、図６において、１は光プローブ、２は遮光層、３は光源、４は導入光、５は微小開口、６は照射光、７はガス供給装置、８は材料ガス（分子及びクラスター）、９は基材、１０は駆動機構、１１はステージ、１２は反応室、１３は微小パターン、１４はノズル、１７は第１のシリコン基板、１８は第１のマスク層、１９は第２のマスク層、２０は第１のエッチング口、２１は第２のエッチング口、２２は第３のエッチング口、２３は光導入口、２４は第２のシリコン基板、２５は第３のマスク層、２６は第４のマスク層、２７は第４のエッチング口、２８は凹部、２９は剥離層、３０は光透過層、３１は接合補助層、３２は制御用コンピュータである。
【００２７】
以下、図６に示したガス供給装置７と光プローブ１を同一基体に一体に設け、作製した工程について説明する。
まず、図６ａに示したように、第１のシリコン基板１７の両面に窒化シリコンよりなる第１のマスク層１８及び第２のマスク層１９を形成した。第１のシリコン基板１７は面方位（１００）、厚さ２ｍｍの両面研磨基板を用い、第１のマスク層１８及び第２のマスク層１９は共にＣＶＤ法により窒化シリコンを２００ｎｍの厚さに堆積したものである。
続いて、図６ｂに示したように第１のマスク層１８に第１のエッチング口２０及び第２のエッチング口２１を、第２のマスク層１９に第３のエッチング口２２をそれぞれ形成した。なお、第２のエッチング口２１と第３のエッチング口２２は、基板の表裏の対向する位置に形成した。エッチング口は全て正方形とし、第１のエッチング口２０は２．８ｍｍ×２．８ｍｍ、第２のエッチング口２１及び第３のエッチング口２２は１．４ｍｍ×１．４ｍｍとした。
さらに、図６ｃに示したように、ＫＯＨ水溶液を用いて第１のシリコン基板１７を異方性エッチングし、さらに図６ｄに示したように第１のマスク層１８及び第２のマスク層１９をＣＦ4ガスを用いてドライエッチングして除去し、光導入口２３、及び材料ガスを導入するノズル１４を形成した。光導入光２３の図中で下方の開口部の大きさは５０μｍに、ノズル１４の各部の寸法は、ｄ1＝０．１ｍｍ、ｄ2＝１．４ｍｍ、ｄ3＝１．４ｍｍ、ｌ1＝１ｍｍ、ｌ2＝１ｍｍになるようにそれぞれ形成した。
【００２８】
さらに、図６ｅに示したように、第２のシリコン基板２４の両面に窒化シリコンよりなる第３のマスク層２５及び第４のマスク層２６を形成した。第２のシリコン基板２４は面方位（１００）の両面研磨基板を用い、第３のマスク層２５及び第４のマスク層２６は共にＣＶＤ法により窒化シリコンを２００ｎｍの厚さに堆積したものである。
続いて、図６ｆに示したように第３のマスク層２５に第４のエッチング口２７として５０μｍ×５０μｍの正方形の開口を形成し、さらにＫＯＨ水溶液を用いて第２のシリコン基板２４を異方性エッチングし、深さ約３５μｍの逆ピラミッド型の凹部２８を形成した。
さらに、図６ｇに示したように、第３のマスク層２５をＣＦ4ガスを用いてドライエッチングして除去した後、酸素及び水素雰囲気中で１０００℃に加熱してＳｉＯ2を５００ｎｍ形成して剥離層２９を形成した。
さらに図６ｈに示したように、遮光層２、光透過層３０、接合補助層３１を以下のように形成した。まず、遮光層２となるＰｔ膜を真空蒸着法により３０ｎｍ堆積し、その上に光透過層３０となるＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）膜をスパッタリング法により３μｍ堆積し、フォトリソグラフィーによりパターニングした。さらに、Ａｕ膜を真空蒸着法により３００ｎｍ堆積した後にフォトリソグラフィーによりパターニングして接合補助層３１を形成した。凹部２８を型にして、光プローブ１を第２のシリコン基板上に作製した。
続いて、図６ｉに示したように、第１のシリコン基板１７に形成した光導入口２３と第２のシリコン基板２４に形成した光透過層３０の部分を位置合わせして対向・接触させ、さらに荷重を加えて光プローブ１を接合（圧着）した。
【００２９】
最後に図６ｊに示したように、第１のシリコン基板１７と第２のシリコン基板２４を引き剥がして剥離層２９と遮光層２の界面で剥離した後、先端部の遮光層２を除去して微小開口５を形成した。微小開口５の開口径は２０ｎｍとした。
このガス供給装置７と光プローブ１を同一基体に一体に設け、作製したものに対して、図５に示したように、導入光４及び材料ガス８を供給出来るようにした。光源３として波長が６３５ｎｍの半導体レーザーを用い、光導入口２３より、光プローブ１の裏側から導入光４を導入するようにした。このようにすることで、微小開口５より照射光６として、エバネッセント光が照射されるようにした。さらに、ステージ１１には駆動機構１０を設け、光プローブ１先端と基材９の表面を近接させ、さらに相対的に走査できるようにした。この駆動機構１０は粗動機構と圧電素子を用いた微動機構とを持ち、この圧電素子に印加する電圧を制御することでＸＹＺ３方向の高精度な位置制御が出来るようにした。また基材９はステージ１１上に固定するようにした。
さらに、ガス供給装置７より、ノズル１４を通して材料ガス８を光プローブ１の先端付近に供給できるようにした。これらの機構は全て反応室１２内に収納した。さらに不図示の真空ポンプによって反応室１２内を排気している。
光源３としては参考例１と同様のものに加え、青色の半導体レーザーを用いて光プローブ１と一体にして固定し、装置全体を小型に作製することもできた。
なお、光源３及び駆動機構１０は制御用コンピュータ３２に接続され、光照射と、光プローブと基材との位置制御や走査を一括して制御できるようにした。
【００３０】
本実施例の装置を用いて微小パターを作製する方法を以下に述べる。
まず光プローブ１に対し、光源３より導入光４を導入して、光プローブ１先端の微小開口５より照射光６を照射した。導入光４は、パターン形成時の必要に応じてＯＮ／ＯＦＦするようにした。このようにして、導入光４は光ファイバーよりなる光プローブ１内を伝播し、先鋭化したコア先端部の遮光層２に設けた開口径２０ｎｍの微小開口５より照射光６として照射した。微小開口５の径は導入光４の波長よりも小さいので、照射光６はエバネッセント光となった。
さらに、基材９を固定したステージ１１の駆動機構１０を用い、光プローブ１先端と基材９の表面を約１０ｎｍまで近接させた。本実施例においては基材９としてはシリコン単結晶を用いた。
さらに、ガス供給装置７であるノズル１４より材料ガス８を光プローブ１の先端付近に供給すると同時に、駆動機構１０を用いて相対的に走査した。本実施例においては材料ガス８としてＡｕＣｌを用いた。本実施例では、ノズル１４より材料ガス８を噴射することによって、材料ガスの分子の一部をクラスターサイズ数１００のクラスター化した。
【００３１】
このようにすることで、照射光６により材料ガス８を光化学反応により分解し、その分解生成物を基材９表面の所望のパターンに供給して付着させ、微小パターン１３を直接描画して形成した。本実施例においては材料ガス８として金の化合物を用いたので、金よりなる導電性の微小パターンを形成できた。
本実施例では、微小パターン１３はおよそ２０ｎｍの幅のライン状に形成できた。また、パターン切れはまったく観察されなかった。尚、本実施例によれば、実施例１と比較しておよそ４倍の速度で金が堆積され、より速い速度で微小パターンの形成を行うことができた。
また、本実施例の装置において、光プローブ１先端の微小開口５の開口径を１０ｎｍとした装置も作製した。このような装置を用いて微小パターンの形成を行ったところ、微小パターン１３はおよそ１０ｎｍの幅のライン状に形成できた。また、パターン切れはまったく観察されなかった。このように、本実施例によれば、微小開口の開口径をを小さくしてより微細なパターンを形成した場合においても、参考例１と比較して約３倍の速度で金が堆積され、より微小なパターンの形成を速い速度で行うこともできた。
【００３２】
本実施例においては、光プローブ先端の近くより材料ガスを供給するための手段として、マイクロマシンの技術を利用してガス供給装置と光プローブを同一基体に一体に設け、作製したものを用いた。このようにすることで、光プローブ先端近傍の材料ガス濃度を相対的に大きくして、分解される材料ガスを増やし、より速い速度で微小パターンの形成を行うことができた。
さらに、本実施例においては、材料ガスのクラスター化により、エバネッセント光より作用する力により微小開口近傍により効率的に引き寄せ、光プローブ先端近傍の材料ガス濃度を相対的に大きくして、分解される材料ガスを増やして、より速い速度で微小パターンの形成を行うことができた。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、従来の光を用いた加工では作製できなかった１００ｎｍ以下のオーダーの大きさの微細なパターン、特に導電性パターンを、基材上に直接描画し、安定的かつ速い速度で作製することが可能な微小パターンの作製装置を実現することができる。
そして、本発明においては、光プローブ先端の近傍より材料ガスを供給するため、ガス供給装置と光プローブを同一基体に一体に設け、且つ、前記ガス供給装置に材料ガス分子のクラスター化を行うノズルが設けられた構成とすることにより、微小開口近傍の材料ガス濃度を相対的に大きくして、分解される材料ガスを増やし、より速い速度で微小パターンの形成を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  参考例１及び参考例２の微小パターンの作製装置の概略図。
【図２】  参考例３の微小パターンの作製装置の概略図。
【図３】  参考例３の微小パターンの作製装置のノズルの断面図。
【図４】  参考例４の微小パターンの作製装置の概略図。
【図５】  実施例の微小パターンの作製装置の概略図。
【図６】  実施例の微小パターンの作製装置の作製工程図。
【符号の説明】
１：光プローブ
２：遮光層
３：光源
４：導入光
５：微小開口
６：照射光
７：ガス供給装置
８：材料ガス
９：基材
１０：駆動機構
１１：ステージ
１２：反応室
１３：微小パターン
１４：ノズル
１５：電源
１６：配線
１７：第１のシリコン基板
１８：第１のマスク層
１９：第２のマスク層
２０：第１のエッチング口
２１：第２のエッチング口
２２：第３のエッチング口
２３：光導入口
２４：第２のシリコン基板
２５：第３のマスク層
２６：第４のマスク層
２７：第４のエッチング口
２８：凹部
２９：剥離層
３０：光透過層
３１：接合補助層
３２：制御用コンピュータ
【図１】
0003950555.tif 000002
【図２】
0003950555.tif 000003
【図３】
0003950555.tif 000004
【図４】
0003950555.tif 000005
【図５】
0003950555.tif 000006
【図６】
0003950555.tif 000007