JPH04291720A - ３次元微細パターン形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、基板パーン側壁へ微細
パターンを形成する方法である。

【０００２】

【従来の技術】従来、３次元的な微細加工の技術では、
図４に示す工程によって行われている。まず、レジスト
３１を塗布した基板３２に電子ビームやイオンビーム３
３（ａ）図に示す領域に照射し、次に（ｂ）図に示す領
域を照射する。このレジストを現像すると（ｃ）図のよ
うなレジストパターン３４が形成される。このパターン
をマスクにして金属等を成膜、レジストを除去すること
により（ｄ）図のようなＴ型パターン３５を形成するこ
とができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記の方法
ではレジストの膜厚が加工精度を決定し、また作業工程
もかなり多い。また，既存のパターンの側壁に任意の位
置に自由に微細な加工を行うことは不可能である。

【０００４】本発明の目的は、パターン側壁の任意の場
所に微細加工を行うことができる方法を提供することに
ある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、先が細くしか
も曲がった導電性の針を加工したい側壁に、トンネル電
流が流れる距離まで近づけ、この状態で針と側壁との間
に電圧を加えて微小な範囲に広がる電界を形成し、そこ
に側壁を構成する原子と反応して揮発性反応生成物を形
成する反応ガスを基板上に流しエッチングすることを特
徴とするパターン形成方法である。針を近づけるあるい
は電界を形成する前に反応ガスを流してもよい。また、
ガスを側壁表面に吸着させた後排気し、吸着分子のみ反
応させて側壁をエッチングを行うことを特徴とするパタ
ーン形成方法である。

【０００６】また、前記反応ガスとして、側壁を構成す
る原子と反応して揮発性反応生成物を形成するガスに代
えて、堆積させるべき材料を構成元素として含む少なく
とも１種類のガス状分子を用いて側壁に堆積させるとこ
とを特徴とするパターン形成方法である。エッチングと
同様に針を近づけ、あるいは電界を形成する前に反応ガ
スを流してもよいし、ガスを側壁表面に吸着させた後排
気し、吸着分子のみ反応させて側壁に堆積させてもよい
。

【０００７】基板を構成する原子と反応して揮発性反応
生成物を形成する反応エッチングガスには、基板がＳｉ
の場合にはＸｅＦ２　、ＣｌＦ３　、Ｃｌ２　等のハロ
ゲン系ガス、ＧａＡｓやＩｎＰ基板に対してＣｌ２　、
ＣＣｌ２　Ｆ２　、ＣＣｌ４　等の塩素系ガスを用いる
。

【０００８】堆積させるべき材料としてはタングステン
（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）、ケイ
素（Ｓｉ）等の単金属の他、合金、炭化物などがある。

【０００９】堆積させるべき材料を構成元素として含む
ガス状分子としては、タングステン（Ｗ）の場合にはＷ
Ｆ６　、ＷＣｌ６　、Ｗ（ＣＯ）６　等があげられる。 モリブデンの場合はＭｏＣｌ６　、Ｍｏ（Ｃ６　Ｈ６　
）２　等、タンタルの場合にはＴａＣｌ５　等、ケイ素
の場合はＳｉＣｌ４　、ＳｉＨ２　Ｃｌ２　、ＳｉＨ４
　、Ｓｉ２　Ｈ６　等である。 合金を堆積したい場合、例えばＭｏｘ　Ｗ１−ｘ　の場
合にはＭｏＣｌ６　とＷＣｌ６　を流せばよく、炭化物
を堆積したい場合は、例えばＳｉＣの場合、ＳｉＣｌ４
　とＣＨ４　を流せばよい。

【００１０】導電性の針には通常の走査型トンネル顕微
鏡（ＳＴＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ　　Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ
　　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）で用いるようなタングステ
ン（Ｗ）や白金（Ｐｔ）を機械研磨あるいは電界研磨し
たものをもとに、先端を次のようにわずかに加工したも
のを用いる。前述のＷやｐｔの針を走査電子顕微鏡（Ｓ
ＥＭ）内に試料としてセットする。そのとき針を傾け、
しかも先端を上にしてセットする。通常、ＳＥＭは試料
室や電子ビームの通路などが真空ポンプからの油の逆流
等によって表面が油でわずかに汚染（コンタミネーショ
ン）されている。従って試料表面もわずかに汚染される
。つまり試料表面に油がわずかに付着する。この状態で
電子ビーム針の先に照射する。すなわち針の先をＳＥＭ
観察する。すると表面い付着していた油が照射部に集ま
ってきて電子ビームにより分解されカーボンが堆積し針
のような形となる。実際は電子ビームのドリフト等のた
め針はまっすぐにはならずに図３（ａ）に示すように折
れ曲がったような形になる。簡単にするため図ではかぎ
形に示してある。電子ビーム照射によりカーボンが堆積
する現象は「コンタミネーションレジスト」といった呼
び名で既に知られている。

【００１１】針の作製方法としてはこの方法以外に、例
えば前述の導電性の針をダミーの試料にわざとあてて先
端を機械的にわずかに曲げる等の方法もあるが、前記の
方法と違い自由に任意の形状を作ることはやや困難であ
る。また、電子ビーム照射中にＷＦ６　等のガスを流す
ことにより任意の材質による針を形成することも可能で
ある。

【００１２】前述した針と基板の間に電圧（数Ｖ）をか
けた状態で針を基板表面に近づけていき、針と基板の間
の間隔が数オングストロームになると数ナノアンペアの
電流が流れる。一般にはこの電流は電流・電圧特性によ
りトンネル電流とか電界放出電流などど呼ばれ、その電
流の大きさを測定することは容易である。

【００１３】針と基板の間隔の制御は圧電素子（ＰＺＴ
）を用いることで容易に行える。この圧電素子は５オン
グストローム／Ｖ程度の圧電比をもちセラミックスのた
め加工も簡単で、精密な位置決め機構を形成することが
可能である。

【００１４】

【作用】請求項１の発明の作用について、図１を用いて
説明する。超高真空中に置かれた基板１４を洗浄した後
、基板１４を構成する表面原子１３と反応して揮発性反
応生成物１８を形成する反応ガスを基板１４上に流す。 すると、図１（ａ）のように一部のガスは側壁１０の表
面に吸着層１２を形成し残りは容器内の浮遊ガス１１と
なる。この状態で針１５を側壁１０に近づけていき基板
１４と針１５の間に電圧１７をかけると極小電界１６が
形成される。電界１６の下にある吸着層１２と浮遊ガス
１１は表面原子１３と反応し揮発性生成物１８となり側
壁から解離する（図１（ｂ））。反応ガスを流し続けれ
ば解離反応が連続して生じる。なお、以上の原理は針１
５を近づけてから反応ガスを流しても同様である。 また、針１５を近づける前に反応ガスの供給を止めてお
くと吸着層分だけでエッチングが生じるので一原子層レ
ベルのエッチングが可能となる。このようにして、側壁
表面１３上に極小電界１６により、微細パターンが形成
される。一般に極小電界１６の強度は小さいのでエッチ
ング速度は小さくなりエッチングの制御性がよい。

【００１５】請求項４の発明では、図１（ｃ）のように
堆積させるべき材料に含まれる少なくとも一部の構成元
素として含む１種または２種以上のガス状分子を基板１
４上に流す。一部のガスは基板表面１３上に吸着層１２
を形成し残りは容器内の浮遊ガス１１となる。この状態
で前述と同様にして極小電界を形成すると、電界１６の
下にある吸着層１２および浮遊ス１１は堆積材料１９と
揮発性材料分子２０とに分解され堆積材料１９は基板１
４表面に析出される。なお、以上の原理は針１５を近づ
けてから反応ガスを流しても同様である。また反応ガス
を流し続ければ解離反応が連続して生じる。針１５を近
づける前に反応ガスの供給を止めておくと吸着層分だけ
で析出が生じるので一原子層レベルの堆積が可能となる
。このようにして、側壁表面１３上に極小電界１６によ
り、微細パターンが形成される。一般に極小電界１６の
強度は小さいのでエッチング速度は小さくなりエッチン
グの制御性がよい。

【００１６】

【実施例】以下、この発明の実施例を図に基づいて詳細
に説明する。

【００１７】図２は本発明の一実施例で用いる装置の構
成を示す概略図である。本装置では針２０７の移動用圧
電素子２０２、ガス収納室２０３および基板ホルダー２
０１から構成されている。まず請求項１の発明の実施例
を述べる。本実施例においては、基板２０８として表面
に１μｍのライン＆スペースが形成されたＳｉ基板を用
い、反応ガス２０４としてエッチングガスＣｌＦ３　を
用いる。真空容器２０５内を１０−６Ｔｏｒｒまで排気
した後、真空バルブ２０６を通じて反応ガス２０４を流
す。

【００１８】針２０７は図１（ｂ）のように白金Ｐｔ２
１０の先端に太さ５００ｎｍのカーボン２１１を電子ビ
ームにより形成した針２０７を使う。針はその形状によ
り１ミクロン程度の穴に入り込むことができる。この針
を圧電素子２０２を用いて制御する。針２０７と基板２
０８の間に電気制御系２０９を通じてバイアス電圧と電
流を制御する。バイアス電圧を１Ｖにし、針２０７を図
３（ｂ）に示す基板２０８の所望の側壁２１３に近づけ
ていくと針２０７と側壁２１３の間が２ｎｍぐらいにな
ると電流が急速に流れはじめる。この時、針を上下させ
る方向をｘ方向、側壁を横につたう方向をｙ方向、針が
側壁から離れる方向をｚ方向とする。移動用圧電素子に
ｘ方向ｚ方向にそれぞれ周波数の異なる振動を加えてお
きロックインアンプで検出すると、底２１２との間のト
ンネル電流か側壁２１３との間のトンネル電流かを区別
できる。本実施例では針と側壁の距離を１ｎｍとした。

【００１９】形成された電界により側壁２１３の表面原
子がＳｉＦ４　ガスとして解離し真空容器２０５内に浮
遊する。ＣｌＦ３　ガスを流すのを止めた後、真空容器
２０５内のガスを排気する。本実施例では所望の位置に
５０ｎｍ×５０ｎｍ、深さ２．７ｎｍの矩形パターンを
描くことができた。

【００２０】請求項２の発明の実施例では基板および反
応ガス等は前述と同様のものを用いる。真空容器２０５
内を１０−６Ｔｏｒｒまで排気した後、前述と同様にし
て電界を側壁２１３に形成する。針と側壁の距離は約１
ｎｍぐらいにする。そのあとここに反応ガス２０４を流
す。ガス分子の大きさは約０．５ｎｍ位であり側壁と針
の間に入り込む確率が低いため請求項１の実施例に比べ
エッチング率は半分になる。

【００２１】また、請求項３の発明の実施例ではエッチ
ングの精度をあげるために真空容器２０５内を１０−１
０　Ｔｏｒｒまで排気した後、反応ガス２０４をほんの
わずか（真空度が１０−９Ｔｏｒｒで１０秒くらい）流
し、側壁２１３にガス分子を吸着させた後、真空容器内
を１０−１０Ｔｏｒｒまで排気し浮遊ガスを排気してし
まう。前述と同様にして電界を側壁２１３に形成すると
、吸着した反応ガス分子と接している表面原子一層分だ
けがエッチングされた。

【００２２】次に請求項４の発明の実施例について述べ
る。本実施例においては、反応ガス２０４としてタング
ステン（Ｗ）を構成元素として含む六フッ化タングステ
ン（ＷＦ６　）を用い、他は前述の実施例と同様である
。 真空容器２０５内を１０−６Ｔｏｒｒまで排気した後、
真空バルブ２０６を通じてＷＦ６　を流す。前述と同様
にして電界を側壁２１３に形成すると、ＷＦ６　分子は
Ｗとフッ素（Ｆ２　）に分解され、Ｗは試料２０８に堆
積されフッ素はガスとして真空容器２０５内に浮遊する
。ＷＦ６　ガスを流すのを止めた後、真空容器２０５の
ガスを排気することにより所望の側壁に１０ｎｍの大き
さのパターンを描くことができた。なお堆積中に針を動
かせばそれに応じたパターンを描くことができることは
明らかである。

【００２３】また基板および反応ガス等は同様のものを
用いて真空容器２０５内を１０−６Ｔｏｒｒまで排気し
た後、前述と同様にして電界を側壁２１３に形成し、そ
のあとここに反応ガス２０４を流すようにしてもよい。 針と側壁の距離は約１ｎｍぐらいにする。ガス分子の大
きさは約０．５ｎｍぐらいであり側壁と針の間に入り込
む確率が低いため請求項４の実施例に比べ堆積率は半分
になる。

【００２４】また、堆積の精度をあげるために真空容器
２０５内を１０−１０　Ｔｏｒｒまで排気した後、反応
ガス２０４をほんのわずか（真空度が１０−９Ｔｏｒｒ
で１０秒くらい流し、側壁２１３にガス分子を吸着させ
る。その後、真空容器内を１０−１０　Ｔｏｒｒまで排
気し浮遊ガスを排気してしまう。前述と同様にして電界
を側壁２１３に形成すると、吸着した反応ガス分子と接
している一層分だけが堆積された。

【００２５】また、以上述べた実施例では基板面に対し
てほぼ垂直な側壁についてのみ説明したが、針と側壁の
距離すなわちｚ軸方向の針の動きを制御すれば傾斜面に
ついても本発明は適用できる。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
従来のような大がかりな装置を必要とせず、従来の方法
では不可能であった基板上の微細な側壁に高精度にエッ
チングおよび堆積による微細パターンを形成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による微細パターン形成をも模式的に示
した説明図である。

【図２】本発明の方法を実施するための装置の一例を示
す概略図である。

【図３】本発明の実施例を説明する図である。

【図４】従来技術を示す模式図である。

【符号の説明】

１０　　側壁 １１　　浮遊ガス １２　　吸着層 １３　　表面原子 １５　　針 １６　　極小電界 １７　　電圧 １８　　揮発性反応生成物 １９　　堆積材料 ２０　　揮発性材料分子 ２０２　　圧電素子 ２０４　　反応ガス ２０７　　針 ２１０　　白金 ２１１　　カーボン ２１３　　側壁

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　先が細くしかも曲がった導電性の針を
   加工したい側壁に、トンネル電流が流れる距離まで近づ
   け、針と側壁との間に電圧を加えて微小な範囲に広がる
   電界を形成し、そこに側壁を構成する原子と反応して揮
   発性反応生成物を形成する反応ガスを流し側壁を任意の
   パターンによりエッチングすることを特徴とするパター
   ン形成方法。
2. 【請求項２】　　側壁を構成する原子と反応して揮発性
   反応生成物を形成する反応ガスを側壁上に流した後、先
   が細く、しかも曲がった導電性の針を側壁にトンネル電
   流が流れる距離まで近づけ針と側壁の間に電圧を加えて
   微小な範囲に広がる電界を形成することにより任意のパ
   ターンをエッチングにより形成することを特徴とするパ
   ターン形成方法。
3. 【請求項３】　　側壁を構成する原子と反応して揮発性
   反応生成物を形成する反応ガスを側壁上に流し反応ガス
   分子を側壁表面に吸着させ、真空排気して浮遊している
   反応ガスを除去した後、導電性の針を近づけ、吸着した
   反応ガス分だけのエッチングにより側壁に任意のパター
   ンを形成することを特徴とするパターン形成方法。
4. 【請求項４】　　反応ガスとして、側壁を構成する原子
   と反応して揮発性反応生成物を形成するガスに代えて、
   堆積させるべき材料を構成元素として含む少なくとも１
   種類のガス状分子を用い、側壁に堆積させることを特徴
   とする請求項１、２、または３記載のパターン形成方法
   。