JPH06267940A - 微細加工装置 - Google Patents
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Abstract
形成する。又、シリコン基板上の金属不純物を検出し除
去する微細加工を目的とする。 【構成】 真空チャンバー又はガス置換用チャンバー1
20内に、一定の力でシリコン基板105を押すことが
可能な電極104を有し、シリコン基板105と電極1
04間に所定の電流を流すことが可能なバイアス電源1
15及びシリコン基板105下部に温度制御された加熱
用ヒータ106および位置合わせ機構107を有し、
又、試料近傍の雰囲気調整用ガス導入ノズル116を有
する。
Description
ノメータオーダの線幅の酸化膜及び窒化膜を形成する微
細細線描画装置に属するものである。
形成する場合、シリコン基板の表面を熱酸化等で一定の
厚み酸化させておき、この表面にレジスト材を一様に塗
布し、電子ビーム露光装置等で描画して作成したマスク
を通して露光し、最後に不要の酸化シリコン(Si
O2 )をエッチングで除去する方法等が用いられてい
る。この方法は、1回マスク材を作成するとバッチ処理
が可能で、大量処理が可能であるが、側面方向のエッチ
ングの影響を受けて、最少線幅が100nm〜200n
m程度が下限である。又、上記のように酸化、リソグラ
フィー、エッチング等の多数のプロセスを必要とする。
roscope ; AFM)は、1986年にG, Binng, C.Ouate,
C. Gerber らにより発明されている。(Phys. Rev. Let
t56, 936(1986))AFMは、表面の形状の観測装置とし
て、高分解能で絶縁物試料を含め三次元的形状が得られ
る点が他の観測装置と比較して優れた点である。
バー付き探針を使用し、またその優れた三次元の位置決
め精度を利用し、シリコン基板上に任意の酸化膜の微細
細線の形成を行うものである。
に酸化膜の細線を形成する場合、基板の酸化、リソグラ
フィー、エッチング等の幾多のプロセスが介在し、基板
の位置合わせ等の複雑な操作も多い。また最小線幅も1
00nm〜200nmが下限である。本発明は、このよ
うな従来技術の問題点を鑑み、ナノメータオーダ(10
nm〜100nm)で、シリコン基板に直接酸化膜及び
窒化膜を形成し、描画する装置に関するものである。
図を示す。本発明の微細加工装置は、真空チャンバー又
はガス置換用のチャンバー120の中に、強電界が印加
可能な電極104を試料としてのシリコン基板105上
又は極近傍に配し、この電極104とシリコン基板10
5と導通のある試料台106の間に、一定の時間ある電
圧を供給できるバイアス電源115を有する。一方、こ
の電極104には、電極104がシリコン基板に対して
常に一定の力で接触するための力制御系101が付加さ
れている。
試料台106の上に保持され、所定の温度に制御されて
いる。試料台106の下には、精密位置決め機構107
を有し、またシリコン基板105と電極間に流れる電流
が一定になるように、バイアス電源115を制御し、ま
た電荷量が所定の値に達した場合、他の場所へ移動する
機構を有する。又、試料台106近傍に反応性ガス(O
2 N2 等)の分圧を一定にするようなガス導入ノズル1
6を有する。
ように作用する。シリコン基板105と電極104の間
に強電界が加わることにより、電極104下のシリコン
基板105上の薄いシリコン化合物膜内のガス元素およ
びシリコン基板面のシリコンが各々イオン化し、イオン
化した元素とシリコンが結合することにより、シリコン
化合物膜が一定の割合で、所定の厚み形成される。所定
の厚み形成されたのち、他の場所へ移動する構成とした
ことにより所定のパターン形状のシリコン化合物膜が形
成される。
説明する。ここでは、力検出機構及び位置決め機構とし
て光テコ方式AFMを利用している。最初に構成を説明
する。
ジションセンシティブディテクター(2分割又は4分割
フォトダイオード)、3はカンチレバー、4は電極とし
て働く導電性の探針、5は試料としてのシリコン基板、
6は加熱機構付試料台、7は三次元ピエゾスキャナー、
8はZ軸サーボ制御系、9はx,y走査系、10は画像
処理及びシステム制御系、11は画像表示系走査パター
ン入力系、12、13はプリアンプ、14は積分器、1
5はバイアス電源、16はガス導入ノズル、17はガス
流量調節バルブ、18は温度コントローラ、20は真空
チャンバー又はガス置換用チャンバーである。以下に装
置の動作を説明する。。
熱機構付き試料台6の上に所定の温度になるように制御
されている。一方試料の雰囲気は、真空チャンバー又は
ガス置換用チャンバー20により酸素ガス又は窒素ガス
の分圧が制御されている。シリコン基板5の上には導電
性の探針4のついたカンチレバー3があり、このレバー
の反りは半導体レーザ1及びポジションセンシティブデ
ィテクター2により光テコを形成し、モニタしている。
一方、加熱機構付試料台6の下方には、x,y,z三次
元方向にシリコン基板5を移動可能な三次元精密位置決
め機構としての三次元スキャナー7を有し、常にカンチ
レバー3の反りが一定、すなわちシリコン基板5を押す
力が一定になるようにプリアンプ12及びZ軸サーボ系
8を用いて三次元ピエゾスキャナー7を制御している。
次に、描画及び酸化膜の形成の手順を示す。
り描画図形を入力すると、シリコン基板5は、x,y走
査系9及び三次元ピエゾスキャナー27により所定の位
置に移動する。位置決め終了後における図形パターンを
形成するための動作の説明図を図3に示す。図3におい
て、各ピクセルパターン形成時に、バイアス電源15よ
り試料台6に加えるバイアス電圧V(t)のグラフを図
4(a)に、プリアンプ13に入力される電流I(t)
のグラフを図4(b)に、積分器14に積算される電荷
量Q(t)のグラフを図4(c)に示す。
アス電圧V(t)を図4(a)に示すようにランプ状に
増加する。この時V(t)がある電圧のところにくる
と、シリコン基板5と探針4間に図4(b)に示すよう
に電流I(t)が流れ出しプリアンプ13に入力され
る。この電流値を常に一定値Ioになるようにバイアス
電圧V(t)を制御する。プリアンプ13に入力される
微小電流I(t)は、プリアンプ13によって増幅され
たのち積分器14に、図4(c)に示すように電荷量Q
(t)として積算される。この電荷量Q(t)が時刻t
1 において、ある一定の電荷量Q0 になったところで、
バイアス電圧V(t)をゼロボルトに戻す(時刻
t2 )。この結果、プリアンプ13に流れ込む電流はI
(t)は0に戻る(時刻t3 )。
走査系9に信号を送る。以下、上記動作を繰り返し行い
所定の図形パターンを形成していく。尚、一定の酸化膜
質を形成するためには、一定の温度、雰囲気及び電荷注
入量で行うことが重要である。又、線幅の均一性は、シ
リコン基板5の表面と探針4の接触面積に影響を受け
る。従って、シリコン基板5のように平坦な基板の場
合、探針のラフネスが重要となる。図5に示すように、
先端が球形の探針は、試料面のラフネスの影響を受けに
くい。今、探針4の先端部の球面半径をrとし、シリコ
ン基板5の裏面の平均粗さをrrms とすると、探針4と
シリコン基板5の表面の接触幅Wは、 (r≫rrms とすると) W〜√8rrrms … (1) となり、今、r=10nm rrms =1nmとする。接
触幅(最小線幅)は約9nmとなる。
6に示す。図6に示すように、シリコン基板65の上に
薄い酸化シリコン66が形成されており、その上に金属
の電極64が接触している。今、シリコン基板65側を
正に、金属電極64側を負に、また酸化シリコンに加わ
る電界が、104 V/cm〜103 V/cm程度になる
ようにバイアス電圧を印加する。このような強電界中で
は、酸化シリコン中の酸素は、トンネル電流等の電子に
より下記(2)式のように電離される。
る。 Si → Si+ +e … (3) (2)、(3)式で生成されるO- 及びS+ のイオンが
シリコン及び酸化シリコンの界面で、下記(4)式のよ
うに反応し、酸化シリコン膜が形成されるものと思われ
る。
条件で酸化膜の形成に寄与することは、Paul J. Jorgen
sen(Journsl fo chemicel physics vol 37 Number 4 Au
gust 15, 1962)に述べられている。本プロセスで、酸化
の初期過程は、非常に薄い酸化膜(〜20Å以下)に強
電界106 /cm〜108 /cmを印加したことによ
り、トンネル電流又はシリコン基板より引き出された電
子により界面付近で酸素がイオン化され、酸化膜形成に
寄与したものと思われ、室温でも酸化膜は形成された。
又、バイアス電圧の極性を反転すると酸化膜は、ほとん
ど形成されなかった。又、(2)〜(4)式に示したよ
うに金属電極64とシリコン基板65間に流れる電流を
制御することにより酸化速度の制御すなわち酸化膜厚の
制御が可能になる。
ついて説明したが、雰囲気ガスを窒素に変えることによ
り窒化シリコン膜の形成も可能である。また、シリコン
基板としては、水素原子で終端したシリコン基板または
自然酸化膜のついた基板または極薄の窒化膜のついたシ
リコン基板を用いることができる。
る金属不純物の検出及び除去にも使用可能である。方法
はバイアス電圧を図6に示す極性とは逆に接続する。す
なわち、酸化シリコン膜が形成しない方向で電極64と
シリコン基板65間の電流をモニタする。この時、金属
不純物の存在するところでは電流が増加する。この場所
で、バイアス電源にパルス状の電圧を印加し、この電流
による局所加熱により、金属不純物原子を蒸発させ除去
する。
方式を用いた系に基づいて説明した。他の実施例として
は光干渉計、キャパシタ計等の技法を用いることもでき
る。又、原子レベルの位置合わせが不要な場合は、三次
元ピエゾスキャナーを使用しないで通常の精密ステージ
等の使用も可能である。又、力制御系も微小板バネ(レ
バー)の変位制御で行ったが、一般のコイルバネ、ダイ
ヤフラム等の使用も可能である。
ることにより、シリコン基板上に酸化、及び窒化膜を室
温で形成できるようになった。従って、従来のこのよう
な基板の酸化、リソグラフィー、エッチング等のプロセ
スなしに微細な酸化膜の細線及びパターンの形成が可能
になった。又、最小線幅は従来と比較して1/2〜1/
5(200〜500Å)程度となった。基板のラフネス
を低減させ、より微細な電極が使用できると、特定の原
子のみの酸化すなわち、原子単位のデバイスの製作の道
具となる。現状でも極微細構造のMOSFETの製作の
道具となりうる。又、デバイスの特定の位置に酸化膜を
形成することにより、欠陥等の修復装置となる。又、直
接シリコン基板上に描画し、酸化膜を形成することによ
り、微細なマスク作成装置ともなる。
示す機能ブロック図である。
ク図である。
を説明するためのグラフである。
と加工線幅の関係を示す説明図である。
を示すための説明図である。
Claims (6)
- 【請求項1】 真空チャンバー又は反応ガスの分圧が制
御されたチャンバー内に、試料基板と、前記試料基板表
面に接触する電極と、前記電極を一定の圧力で前記試料
基板に押しつける力制御系と、前記試料基板表面の温度
を所定の値に制御する温度制御系と、前記電極と前記試
料基板間に所定の電流を流すことが可能なバイアス電源
と、前記電極と前記試料基板間に流れる微小電流を検出
及び制御する微小電流制御系と、前記微小電流を一定時
間積分する積分器と、前記試料基板を連続的に移動する
位置合わせ機構と、前記試料基板表面に膜を形成するた
めのガスを導入するノズルとを設けたことを特徴とする
微細加工装置。 - 【請求項2】 加工試料として、水素原子で終端したシ
リコン基板又は自然酸化膜のついたシリコン基板又は極
薄の窒化膜のついたシリコン基板を用いて、反応ガスと
して酸素及び窒素を用いることを特徴とした請求項1記
載の微細加工装置。 - 【請求項3】 試料の加工時に前記電流計に流れる電流
が、所定値になるようにバイアス電圧を制御し、その積
分値が所定値になるとバイアス電圧をゼロボルトに戻
し、次の加工位置へ移動する命令を回路系を有すること
を特徴とする請求項1または2に記載の微細加工装置。 - 【請求項4】 前記基板表面の温度が室温であることを
特徴とする請求項1から3に記載の微細加工装置。 - 【請求項5】 前記電極の端部が凸球面状であることを
特徴とした請求項1から3に記載の微細加工装置。 - 【請求項6】 シリコン基板と電極間に流れる電流をモ
ニタし、電流の増減によりシリコン基板上の金属不純物
を検出し、前記バイアス電源にパルス状の電圧を印加
し、局所加熱によりこの不純物を蒸発除去することを特
徴とする請求項1または2に記載の微細加工装置。
Priority Applications (2)
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