JPS624871A - 光照射薄膜パタ−ニング方法 - 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】 （産業上の利用分野） この発明は、励起光を用いて絶縁体や半導体等の試料基
板に、金属や絶縁体および半導体の堆積によるパターニ
ングを行う方法に関する。

（従来技術とその問題点） 薄膜パターニング技術は各種デバイスや装置コンポーネ
ントを製作するために不可欠な技術である。通常は微細
なパターニングを行うためにフォトリソグラフィ法を用
いる。フォトリソグラフイ法においては試料基板上に物
理蒸着や化学堆積（ＣＶＤ）によって形成した薄膜上に
さらにフォトレジストを塗布し、露光、レジストのパタ
ーン化、エツチングによる薄膜のパターン化、レジスト
の除去という非常に煩雑なステップが必要である。

このような煩雑なプロセスによらず薄膜のパターニング
を行う方法として最近光照射を利用したＣＶＤ力督主目
されている。

光照射ＣＶＤの大きな利点は試料基板上において光照射
部でのみ化学反応を誘起して薄膜形成が行える、即ち光
照射によって直接薄膜のパターニングが行える可能性が
あることである。しかし、光照射部での大きな温度上昇
を伴わない真に光化学的な反応によって形成できる良質
の薄膜の種類はそれほど多くなく現在までＣｄ、　Ｚｎ
、　Ｐｂ、　ＳｉＯ２，ＳｉＮ等が報告されているのみ
である。また、光照射部での加熱効果による化学反応を
利用する場合では多くの種類の薄膜を形成することがで
きる。しがし、この場合には、同じ光強度で照射しても
照射面積の大小により実効的な加熱の大きさや、気体中
における三次元拡散および表面吸着による原料ガスの供
給速度が変化すること等によりＣＶＤ速度が異なってく
る。従って、光照射部での加熱効果を利用した薄膜形成
では直接的なパターニングを行うことが非常に難しい。

上述した光照射による光化学反応を利用した薄膜形成に
ついては、エーリヒ（Ｅｈｒｌｉｃｈ）とツァオ（Ｔｓ
ａｏ）による、ジャーナル・オブ・バキューム・サイエ
ンス・テクノロジー（Ｊ、Ｖａｃ、Ｓｃｉ、Ｔｅｃｈｎ
ｏｌ、）誌の１９８３年Ｂ１巻、４号の９６９頁から９
８４頁にわたって掲載された論文の中で詳しい技術解説
がなされている。また、光照射部の加熱効果を利用した
薄膜パターニングについては、構出（Ｙｏｋｏｙａｍａ
）らによるアプライド、フィジクス（Ａｐｐｌ、Ｐｈｙ
ｓ、）誌の１９８５年Ａ３７巻、５号の２５頁から３０
頁にわたって掲載された論文の中で、実験結果の詳細な
報告がなされている。

また最近になって、集束紫外レーザ光の走査による極め
て薄い薄膜のパターニングを行い、次に強度の大きな赤
外レーザ光により試料基板表面の比較的大きな面積を加
熱することによって、先に紫外レーザ光を照射した部分
にのみ熱ＣＶＤ膜を形成した試みも報告されている。こ
の例では、試料基板を何度に加熱すれば良いのかについ
ては述べていないが、通常の熱ＣＶＤが生じるよりも低
い温度でＣＶＤ反応が生じ得ることが示されている。し
かしながら、このような集束紫外レーザ光による走査を
利用する方法では何よりもパターニングに時間がかかる
ことが大きな欠点であり、このため実用的な方法にはな
り得ない。この方法による薄膜のパターニングについて
は、ツァオ（Ｔｓａｏ）とエーリヒ（Ｅｈｒｌｉｃｈ）
によるアプライド・フィジクス・レターズ（Ａｐｐｌ、
Ｐｈｙｓ、Ｌｅｔｔ）誌の１９８４年の第４５巻、６号
の６１７頁から６１９頁にわたって掲載された論文中で
報告されている。

（発明の目的） この発明の目的は、上述した従来法の欠点を除去した絶
縁体や半導体、金属の薄膜の、光照射を利用する新しい
製作方法を提供することにある。

（発明の構成） 本発明は、化合物気体中に配置された試料基板を該化合
物気体の化学反応によって薄膜形成が開始する臨界温度
より低い温度に加熱する工程と、試料基板に空間的にパ
ターン化した励起光を照射して該化合物気体の化学反応
を誘起し、１分子層から数百分子層の厚さに薄膜を試料
基板上に形成する工程とを組合せて、前記励起光の照射
によって形成された前記薄膜の上でのみ該化合物気体の
熱的化学反応による薄膜成長を前記臨界温度以下で行う
ことを特徴としている。

また、もう１つの本発明は、化合物気体中に配置された
試料基板を該化合物気体の化学反応によって薄膜形成が
開始する臨界温度より低い温度に加熱する工程と、前記
試料基板に一様に第１の励起光を照射して該化合物気体
の化学反応を誘起し、１分子層から数百分子層の厚さに
薄膜を形成する工程と、第１の励起光よりも照射光強度
の大きい空間的にパターン化された第２の励起光を前記
薄膜に照射することにより照射部分の薄膜を蒸散させる
工程とを組合せて、該化合物気体の熱的化学反応による
パターン状の薄膜成長を前記臨界温度以下で行うことを
特徴としている。

（本発明の作用・原理） 本発明を用いれば、化合物気体中に配置した試料基板を
、熱的化学反応によって薄膜形成が生じるよりも僅かに
低い温度まで加熱しておき、空間的にパターン化した光
の照射による化学反応で試料基板上にごく薄く膜を形成
することによって、以後は光照射部のみに熱ＣＶＤによ
る薄膜成長を行わせることができる。しがち、パターン
のサイズによらず均一な厚みの薄膜を形成することがで
きる。また、試料基板の加熱は、光照射による薄膜形成
の後に行っても同様の効果が得られる。さらに、試料基
板全体にまず光を一様に照射して薄膜を形成し、続いて
パターン化した強力な光によって照射部の薄膜を蒸散さ
せる方法と上記の試料基板加熱を組み合わせることによ
ってもパターン化された薄膜形成が可能となる。この場
合においても、パターンのサイズによらず均一な厚みの
薄膜を形成することができる。

本発明は、薄膜形成過程においては膜の成長過程よりも
、膜成長の初期過程である安定核の形成のためにより大
きなエネルギーが必要であることを利用している。膜成
長の初期における核形成過程では膜を形成する原子の試
料基板表面からの脱離の割合が大きく、安定に存在し得
る臨界値よりも大きく核を成長させるためには試料基板
近傍で膜を形成する原子を高濃度状態にしてやる必要が
ある。この高濃度状態を作り出すことは、通常のＣＶＤ
では試料基板を高温にして化合物気体の反応速度を大き
くすることに反応する。しかし、一度安定な核ができて
しまえば原子の脱離の割合は小さくなるので薄膜の成長
のためには最初のような原子の高濃度状態は必要でなく
なる。

以上のようなメカニズムに対し近似を取入れて簡単化し
た計算を行った結果が第４図である。第４図は熱ＣＶＤ
において加熱温度が化合物気体の反応開始温度よりもや
や高い程度までの領域につい−で、反応速度が温度に対
して線形に増加するとした場合に薄膜の堆積温度がどの
ように変化するがを示している。試料基板の温度を低い
方から徐々に増大させていった場合反応開始温度３１１
を過ぎても臨界温度３１２までは安定な核が形成されず
堆積は生じないので堆積速度は０のまま非安定核曲線３
２１をたどる。しかし、臨界温度３１２に達したとたん
に核は安定となり、反応速度もすでにある程度大きくな
っているため堆積速度は臨界点３３１まで上がり、以後
温度の上昇に伴い臨界点上部曲線３２２に従い線形に増
大する。しかし、臨界温度３１２より高温の領域から温
度を低くしていった場合には、すでに安定な核の上に薄
膜が堆積した状態からスタートするので臨界温度３１２
より低くなっても連続的に臨界点下部曲線３２３をたど
り、反応開始温度３１１以下でＣＶＤが生じなくなる。

再び温度を増していった場合には臨界点下部面線３２３
および臨界点上部曲線３２２を連続してたどることにな
る。

本発明では、安定核の形成とそれに続く初期の薄膜形成
とを光の照射によって行い、試料基板の加熱温度の範囲
を臨界点下部曲線３２３の領域に設定する。これにより
、光照射によって初期に薄膜が形成された部分でのみ熱
ＣＶＤを生じさせることができる。また、試料基板に対
して一様に光照射によって薄膜を形成した後、強力な光
の照射により部分的に安定核をも蒸散させることにより
その部分に薄膜を成長しないようにすることも可能とな
る。これらの薄膜の主たる成長過程である熱ＣＶＤによ
る成長過程では、光による加熱効果を利用していないの
でパターンサイズによる加熱の不均一性がなく、どのよ
うなサイズのパターンにおいても均一な膜厚が実現でき
る。各工程の組合せは、光照射による薄膜の生成工程を
Ａ、臨界温度以下の温度で加熱する工程をＢとすると、
■Ａ−Ｂ、■Ａ十Ｂ、■（ＡｔＢ）−Ｂ、■Ｂ−（Ａｔ
Ｂ）−Ｂなどがある（但しＡ−ＢはＡ工程の後にＢ工程
を行うことを意味する。またＡ十ＢはＡ工程とＢ工程と
を同時に行うことを意味する）。また第２の発明の組合
せも同様に、■Ａ１．−Ａ２−Ｂ、■ＡＩ−（Ａ２＋Ｂ
）−Ｂ、■（Ａｔ＋Ｂ）−（Ａ２＋Ｂ）−Ｂ、■（Ａｔ
　＋　Ｂ）−Ａ２−Ｂなどがある（但し、ＡＩは第１の
光照射による薄膜形成工程、Ａ２は第２の光照射による
パターン化工程である）。このように本発明では各工程
の組合せは種々あり、製作条件により適宜選択すればよ
い。

（実施例１） 次に、この発明の実施例について図を参照しながら詳細
に説明を行う。

第１図は、本発明を適用した実施例の模式的構成を示す
ものである。

第１の発明の実施例では励起光はマスク１２を通ってレ
ンズ１３で集光され、反応室１４の窓１５を通って試料
基板１６に照射される。この時マスク１２のパターンは
試料基板１６の表面に適当な縮尺で転写されるようにな
っている。また、試料基板１６は温度コントローラ２１
で温度制御されたヒータ１７によって設定温度に加熱さ
れる。化合物気体３１は給気口１８より反応室１４に供
給され、排気口１９より排出される。

第２図は第１の発明の一実施例を補足説明するための試
料基板近傍の反応を示す図であ、る。まず、手順１とし
て第２図Ａのように空間的にパターン化された励起光１
１を試料基板１６に照射して化合物気体３１の化学反応
を誘起することにより、試料基板１６の上に１原子層か
ら数百原子層程度のごく薄い初期堆積膜５１を形成する
。次に励起光１１の照射を停止して手順２として第２図
Ｂのように試料基板１６にヒータ加熱６１を施すことに
より初期堆積膜５１がない時のＣＶＤ開始温度よりも僅
かに低い温度まで上界させると初期堆積膜５１の上にの
み熱ＣＶＤ膜４１が成長する。この場合に、最初がら試
料基板１６を加熱しておいても良い。

この第１の発明の実施例においては、励起光１１として
波長２４９ｎｍのＫｒＦエキシマレーザ光を用い、試料
基板１６には石英板を用いた。また化合物気体３１とし
てはＭＯ（Ｃｏ）６蒸気を用い常圧の水素をキャリアと
して約ＩＴｏｒｒの蒸気圧で反応室１４内に供給した。

なお、この条件においては試料基板１６の温度を１７０
°Ｃ以上にした場合にＭＯ（Ｃｏ）６の分解によるＭｏ
のＣＶＤが生じる。ＫｒＦエキシマレーザ光は１６０°
Ｃに加熱した試料基板１６の表面において約−１００ｋ
Ｗ／ｃｍ２のパルスピーク強度とし、５０Ｈｚのパルス
繰り返しで３０秒間照射した。この時点では初期堆積膜
５１の膜厚は約１０ｎｍであるが、その後試料基板１６
を１６０°Ｃで１０分間放置しておくことにより光照射
部にのみ約３００ｎｍ厚の熱ＣＶＤ膜が成長することが
見られた。この方法により２ｐｍ、　５ｐｍ、　１０μ
ｍ幅のＭｏ線を最小２ｐｍ間隔でシャープにパターニン
グすることができた。２ｐｍという値は転写光学系の分
解能の制限によるものである。またＭｏの線幅の相違に
よる膜厚の差も見られず、通常の光加熱ＣＶＤにおける
ような、パターンサイズによる膜厚の不均一性は現われ
ないことが確認された。

（実施例２） 第２の発明の実施例では、第１図においてまずマスク１
２を用いずに第１の励起光を試料基板１６に照射する。

これは、第２の発明の実施例の補足説明図である第３図
のＡに示すように、第１の励起光１０１によって試料基
板１６上に初期堆積膜５１を均一に形成するためである
。続いて第１図に示すマスク１２を通して、第３図のＢ
に示すように強力な第２の励起光１０２を照射するこに
よりその照射部において初期堆積膜５１を蒸散させる。

次いで第３図のＣに示すように第１の発明の実施例と同
様に試料基板１６に適当な温度までヒータ加熱６１を施
すと蒸散部７１ではＣＶＤが生じず、残った初期堆積膜
５１の上にのみ熱ＣＶＤ膜４１を成長させることができ
る。この場合において−も、最初から試料基板１６を加
熱しておいても良い。

第２の発明の実施例において、第１の励起光１０１とし
てやはり波長２４９ｎｍのＫｒＦエキシマレーザ光を用
い、初期堆積膜５１の形成条件は先述の第１の発明の実
施例と同じに選んだ。第２の励起光１０２としてもＫｒ
Ｆエキシマレーザ光を用いたがこの場合試料基板１６上
でのピーク照射光強度が１０ＭＷ／ｃｍ２になるように
し、単一のパルス光のみを照射した。続く熱ＣＶＤによ
る薄膜成長の条件は第１の発明の実施例と同じにした。

この第２の発明の実施例においても第１の発明の実施例
と同等の良好なＭｏ線のパターニングが確認された。

（他の実施例） 本実施例では、化合物気体としてＭＯ（Ｃｏ）６を用い
たが、このような金属カルボニル化合物に限らず、金属
アルキル化合物や金属半導体の水素化物、ハロゲン化物
等、多くの種類の化合物が使用できる。また単一の化合
物気体のみならず複数の化合物気体の混合雰囲気中にお
いて本実施例と同様の手続きを踏まえれば、単原子種に
よる薄膜だけでなく種々の化合物半導体や酸化物、窒化
物の薄膜のパターニングを行うことが可能となる。また
、基板も石英等のような絶縁体に限らず、種々の半導体
や金属が使用できるのは明らかである。

使用する励起光についても、使用する化合物気体に応じ
て適当な波長を選べば良いし、パルス光に限らず連続光
であっても良い。なお、本実施例では初期堆積膜の形成
のために、励起光のピーク照射強度を比較的小さくして
光化学的な反応を利用したが、この場合に蒸散が生じな
い範囲で強度の大きな光の照射による熱的な化学反応を
利用しても良い。初期堆積膜の蒸散の目的には、瞬間的
な加熱によって高い空間分解能の得られるパルス光の方
が有利ではあるが、この場合も特に微細なパターン形成
を目的としなければ連続光が使用できる。

（発明の効果） 以上にｙｌ’ｒ、べたように、本発明を用いれば、空間
的にパターン化された励起光による初期堆積膜の形成と
熟ＣＶＤの組み合わせ、または一様な励起光による初期
堆積膜の形成と空間的パターン化された励起光による初
期堆積膜の蒸散と熱ＣＶＤとの組み合わせを用いること
により、少ない工程でしかも通常の熟ＣＶＤよりも低温
においてパターン化された薄膜を形成することができる
。さらに、本発明は従来のパターン化された光による加
熱効果を利用したＣＶＤのように、パターンサイズの違
いによるＣＶＤ膜厚の不均一性もなく、光化学反応によ
るＣＶＤのように堆積膜が少ない種類に限定されること
もない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を適用した一実施例の模式的構成を示
している。また、第２図Ａ、Ｂは、本発明における第１
の発明を補足説明するための図であり、第３図Ａ、　Ｂ
、　Ｃは本発明における第２の発明を補足説明するため
の図である。第４図は、近似計算に基づく堆積速度の温
度依存性を示す図である。 これらの図において、 １１・・・励起光　　１２・・・マスク　　１３・・・
レンズ１４・・・反応室　　１５・・・窓　　　　１６
・・・試料基板１７・・・ヒータ　　１８・・・給気口
　　１９・・・排気口２１・・・温度コントローラ　３
１・・・化合物気体４１・・・熱ＣＶＤ膜　　　　　５
１・・・初期堆積膜６１・・・ヒータ加熱　　　　７１
・・・蒸散部１０１・・・第１の励起光　　　１０２・
・・第２の励起光３１１・・・反応開始温度　　　３１
２・・・臨界温度３２１・・・非安定核曲線　　　３２
２・・・臨界点上部曲線３２３・・・臨界点下部曲線　
　３３１・・・臨界点である。 ；７１　図 −一ター 八　　　　　　　　　　　　φ日 ／ｌ／　３１ 牛　　　↑　　　＋　　牛し−乙７６１″ｌ’？４０ 反応開始温度　１７２度

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）化合物気体中に配置された試料基板を該化合物気
   体の化学反応が開始する反応開始温度より高く、かつ、
   化学反応によって基板上に薄膜形成が開始する臨界温度
   より低い温度に加熱する工程と、試料基板に空間的にパ
   ターン化した励起光を照射して該化合物気体の化学反応
   を誘起し、１分子層から数百分子層の厚さに薄膜を形成
   する工程とを組合わせて、該化合物気体の熱的化学反応
   によるパターン状の薄膜成長を前記反応開始温度より高
   く臨界温度以下の温度下で行うことを特徴とする光照射
   薄膜パターニング方法。
2. （２）化合物気体中に配置された試料基板を該化合物気
   体の化学反応が開始する反応開始温度より高く、かつ、
   化学反応によって試料基板上に薄膜形成が開始する臨界
   温度より低い温度に加熱する工程と、試料基板に一様に
   第１の励起光を照射して該化合物気体の化学反応を誘起
   し、１分子層から数百分子層の厚さに薄膜を形成させる
   工程と、第１の励起光よりも照射光強度の大きい空間的
   にパターン化された第２の励起光を前記薄膜に照射する
   ことにより照射部分の薄膜を蒸散させる工程とを組合せ
   て、化合物気体の熱的化学反応によるパターン状の薄膜
   成長を前記反応開始温度以上で臨界温度以下の温度下で
   行うことを特徴とする光照射薄膜パターニング方法。