(57)【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、該Ｙ層表面に該Ｙ層の酸化を防止し熱的に不安定な自然酸化膜又はＹ層よりも弱いが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る無機材料Ｚ層を形成した後、該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'層に置換又は生成させ、更にイオンの打ち込み量を増やし、自然酸化膜または強制酸化膜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項１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項１又は２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項１〜３のいずれか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を用いる請求項１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】
請求項１乃至５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７】
請求項１乃至５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８】
請求項１乃至５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９】
請求項１乃至５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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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。
【０００２】
【従来の技術】
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。
【０００３】
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とともに、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。また、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。
【０００４】
また、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。
【０００５】
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、完成していないのが実情である。
【０００６】
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、ＭＢＥ（分子線エピタキシャル成長）法や、ＭＯＣＶＤ（気相成長）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。
【０００７】
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。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
本発明は、前記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。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための本発明の請求項１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、該Ｙ層表面に該Ｙ層の酸化を防止し熱的に不安定な自然酸化膜又はＹ層よりも弱いが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る無機材料Ｚ層を形成した後、該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'層に置換又は生成させ、更にイオンの打ち込み量を増やし、自然酸化膜または強制酸化膜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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
また、請求項２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は、請求項１において、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。
【００１５】
また、請求項３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は、請求項１又は２において、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。
【００１６】
また、請求項４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は、請求項１〜３のいずれかにおいて、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。
【００１７】
また、請求項５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は、請求項１において、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。
【００１８】
また、本発明は、上記の請求項１乃至５のいずれかの方法により製作された半導体デバイス、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である。
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、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。
【００１９】
【発明の実施の形態】
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。図１は、Ｇａイオンを打ち込んだ状態の断面模式図であり、図２及び図３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、図２はエッチング量の少ないもの、図３はエッチング量の多いものを示している。
【００２０】
図１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方により形成され、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、図１（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。
【００２１】
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（図１(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（図１（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（図２（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。
【００２２】
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、図４に示すように、ビーム先端が円形をしている。このため、図４（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、図４（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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
図１（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。
【００２７】
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図２(ａ)に示す。エッチング量を制御することによって、図２（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。
【００２８】
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、図３（ａ）に示すように、平坦な面となる。
【００２９】
図１（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。図１（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。
【００３０】
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図２（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。
【００３１】
さらに、エッチングを行うと、図３（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。
【００３２】
また、図１（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。
【００３３】
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、図２（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、図３（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。
【００３４】
さらに、注入する金属イオン５量を増やしていくと、図１（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（図２（ｄ）参照）。また、エッチング量を多くすることによって、図３（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。
【００３５】
さらに、注入する金属イオン５量を増やしていくと、図１（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、図２（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、図３（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。
【００３６】
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、該表面自然酸化膜に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。
【００３７】
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。
【００３８】
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、図６（ａ）乃至（ｃ）に示すようなパターンの形成が可能となる。
【００３９】
図８に、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Ｙ層へ伝搬するイオンドーズ量を調整することができ、基板表面に凸部又は凹部が形成できる一例として、基板表面の原子間力顕微鏡（以下、ＡＦＭという。）像を示す。図８（ａ）に示すものは、Ｚ層の厚みを厚くすることで凸部が形成されたもの、図８（ｂ）は、Ｚ層の厚みを図８（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、Ｚ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。
【００４０】
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、図７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。
【００４１】
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。
【００４２】
図９（ａ）に、その表面のＡＦＭ像を示す。図９（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。
【００４３】
（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。
【００４４】
図９（ｂ）に、その表面のＡＦＭ像を示す。図９（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。
【００４５】
（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。
【００４６】
図９（ｃ）に、その表面のＡＦＭ像を示す。図９（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。
【００４７】
（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。
【００４８】
図９（ｄ）に、その表面のＡＦＭ像を示す。図９（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。
【００４９】
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。
【００５０】
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、図１０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。
【００５１】
【発明の効果】
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】
【図１】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。
【図２】図１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。
【図３】図１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。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】３次元の格子状の回路パターンの例を示す図である。
【図７】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。
【図８】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。
【図９】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。
【図１０】量子細線の概念図を示す図である。
【符号の説明】
１  基板Ｘ
２  無機材料Ｙ層
３  無機材料Ｚ層
４  表面自然酸化膜
５  金属イオン
６  強制酸化膜
７  酸化膜
８  イオン侵入領域
９  溝
１０  溝
１１  Ｖ字溝
【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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