JP4331437B2 - 化合物・合金構造物の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は化合物・合金構造物の製造方法に関するものであり、特に、磁気記録媒体あるいは磁気ヘッド等の記録デバイスや、ＬＳＩ等の電子デバイス、電界放出或いは電界イオン化、電荷注入等を利用した表示デバイス、分子デバイス等を構成する微細な構造を作製する方法に特徴のある化合物・合金構造物の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、工業的には光リソグラフィによるデバイス構造作製が主流となっているが、実験的な微細構造の作製には、電子ビーム（ＥＢ）リソグラフィ、収束イオンビーム（ＦＩＢ）を用いて材料を切削する方法、高エネルギーＥＢを用いて材料を蒸発させる方法、ＦＩＢ等のイオンビームやＥＢによって装置内に導入した材料気体を分解し、基板に堆積させるイオンビーム化学蒸着（ＣＶＤ）法或いはＥＢ化学蒸着法が用いられることがある。
【０００３】
一方、さらなる構造の微細化を目指して、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）を使用した構造作製法もいくつか提案されており、このＳＴＭを使用した作製法としては、「微細加工方法およびその装置」( 特開平２−１７３２７８号公報）や「微小部処理方法及びその装置並びに微小部分析方法及びその装置」( 特開平４−３４８２４号公報）、「走査型トンネル顕微鏡による超微細加工方法」( 特開平４−３６８７６２号公報）に見られるごとく、被加工材料の電界蒸発を利用した方法、同じく電界蒸発に化学反応を併用して材料を加工する方法、逆にＳＴＭの探針材料を電界蒸発させて基板に堆積させる方法、探針からのトンネル電流あるいは電界放出電流による一種のＥＢ−ＣＶＤ法等がある。
【０００４】
さらには、「リソグラフィ・マスクの製造方法およびリソグラフィ装置」( 特開平３−４１４４９号公報）のごとく、リソグラフィのレジスト作製あるいは露光方法としてＳＴＭのトンネル電流による化学反応や相変化を用いる方法も提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、現在主流となっているリソグラフィによる方法は、パターンの作製、露光、現像、エッチング、と多段階の操作が必要であるとともに、被加工材料が半導体ではなく金属である場合、現状では異方性エッチングが困難であるため、高アスペクト比の微細構造作製が難しいという問題がある。
【０００６】
また、ＦＩＢを用いた切削ではイオンの収束を強めて解像度を上げようとするとイオン電流が激減して加工速度が非常に小さくなってしまうという問題があるとともに、ＦＩＢでは切削・堆積ともに使用したイオン、例えば、Ｇａイオンによる汚染が発生するという問題がある。
【０００７】
一方、ＥＢを用いて蒸発させる方法では材料の一部を残して他の部分を蒸発させようとすると多大な時間がかかるという問題があり、また、ＥＢを用いたＣＶＤ法では、装置に比較的高い圧力の材料気体を導入するため、材料気体あるいは装置内の残留気体の取り込みによる汚染が発生するという問題がある。
【０００８】
さらに、現在までに提案されているＳＴＭを用いた微細構造作製法の内、被加工材料の電界蒸発を利用する方法は、ＥＢによる蒸発と同様に材料の一部を残そうとする場合に多大な時間がかかるという問題がある。
【０００９】
また、ＳＴＭの探針材料を堆積させる方法は探針が蒸発に伴って消耗するため、探針の状態に大きく依存するトンネル電流の制御が困難になり、また、探針の頻繁な交換が必要になるという問題がある。
【００１０】
また、ＳＴＭを利用したＥＢ−ＣＶＤ法の場合には、通常のＥＢ−ＣＶＤ法と同様の汚染の問題が避けられないという問題がある。
【００１１】
また、ＳＴＭを用いたリソグラフィパターンの形成では、多段階の操作が必要とされる点は通常のリソグラフィと変わらないという問題があるとともに、材料が金属である場合の問題点も同様である。
【００１２】
したがって、本発明は、簡単な工程によって微細な化合物・合金構造物を選択的に形成することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
図１は本発明の原理的構成の説明図であり、ここで、図１を参照して本発明における課題を解決するための手段を説明する。
図１参照
上記の課題を解決するために、本発明は、化合物・合金構造物の製造方法において、基板上に堆積させておいた複数の材料物質２，３の直径１μｍ以下の領域を局所的に加熱し、溶融させて化合物或いは合金のいずれかからなる構造物６を形成したのち、構造物６上に、さらに、材料物質２，３を堆積させたのち、局所的加熱処理を行うことを特徴とする。
【００１４】
この様に、局所的な加熱を行うことによってマスクレスで、任意の微細形状の所定の組成を有する化合物或いは合金のいずれかからなる構造物６を選択的に形成することが可能になる。
特に、構造物６上に、さらに、材料物質２，３を堆積させて局所的加熱処理を行うことにより、異種物質２，３が境界を接する微細ヘテロ接合等の構成を形成することが可能になる。
【００１５】
なお、この様な微細な構造物６のサイズは、リソグラフィによる加工が困難な、最大径として１μｍ以下、より好適には１００ｎｍ以下が好適である。
また、この場合、材料物質２，３は、基板上に直接堆積させても良いし、或いは、基板上に下地１を介して堆積させても良いものである。
【００１６】
この場合、ＳＴＭ等の探針４を利用する場合には、再加工前にＳＴＭによって観察を行なって構造物６の位置確認ができるため、再加工時の位置合わせは容易になる。
【００１７】
この場合の局所的加熱手段としては、ＳＴＭ等の探針４を利用したトンネル電流５、接触電流、或いは、電界放出電流のいずれかを用いても良いし、電子ビーム、レーザ光、或いは、シンクロトロン放射光のいずれかのエネルギービームを用いても良いものであり、材料物質２，３に与えるエネルギーの大きさ、例えば、印加する電流量、或いは、エネルギービームの場合には、ビーム自体のエネルギーとビーム数及び時間変化を制御することによって、任意の形状・組成の構造物６を形成することが可能になる。
【００１８】
この場合、材料物質２，３の成膜から加工までの操作を高真空中で行なうことが可能であるので、作製雰囲気に由来する汚染を避けることができ、また、ＳＴＭ等の探針４を利用する場合には、材料を探針４からではなく基板上から供給するために探針４は消耗せず、消耗に起因する問題を回避することができる。
【００１９】
このように形成する構造物６としては、 III族元素からなる材料物質２，３とＶ族元素からなる材料物質２，３を用いたIII-Ｖ族化合物半導体構造物、II族元素からなる材料物質２，３とVI族元素からなる材料物質２，３を用いた11−VI族化合物半導体構造物等の化合物構造物、或いは、磁性金属或いは非磁性金属からなる材料物質２，３を用いた非磁性合金構造物、強磁性合金構造物、或いは、反強磁性合金構造物等の合金構造物が典型的なものである。
【００２０】
また、複数の材料物質２，３の厚みの比を変えることによって、構造物６の組成を任意に制御することができ、それによって、任意の組成の混晶化合物半導体構造物或いは合金構造物を形成することができる。
【００２１】
また、材料物質２，３と形成された構造物６との物理的あるいは化学的性質の違いを利用して、構造物以外の不要部分を除去することにより、リソグラフィ或いはＥＢ等による選択蒸発法を用いることなく、簡単なマスクレスのエッチング工程によって微細な構造物６のみを任意の箇所に形成することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
ここで、図２乃至図４を参照して、本発明の第１の実施の形態の微細ヘテロ接合構造の製造工程を説明する。
図２（ａ）参照
まず、Ａｌ2 Ｏ3 基板１１上に真空蒸着法を用いて、厚さが１００ｎｍ以下、例えば、１０ｎｍのＳｂ薄膜１２、及び、厚さが１００ｎｍ以下、例えば、１０ｎｍのＩｎ薄膜１３を順次堆積させて多層膜を形成する。
【００２３】
図２（ｂ）参照
次いで、多層膜上にＳＴＭの探針１４をトンネル電流が流れる程度近接させ、トンネル電流を局所的に流すことによって局所加熱してＩｎ薄膜１３及びＳｂ薄膜１２の加熱箇所を溶融して合金化してＩｎＳｂドット１５を形成する。
この場合、ＩｎＳｂドット１５の大きさはトンネル電流の電流量に依存するが、例えば、数μＡ程度流すことによって、最大径が１００ｎｍ以下、例えば、２０〜３０ｎｍのサイズのＩｎＳｂドット１５が得られる。
【００２４】
図３（ｃ）参照
次いで、再び、真空蒸着法を用いて、全面に、厚さが１００ｎｍ以下、例えば、１０ｎｍのＡｌ薄膜１６を堆積させる。
【００２５】
図３（ｄ）参照
次いで、再び、ＩｎＳｂドット１５に対応するＡｌ薄膜１６上にＳＴＭの探針１４をトンネル電流が流れる程度近接させ、トンネル電流を局所的に流すことによって局所加熱してＡｌ薄膜１６及びＩｎＳｂドット１５の加熱箇所を溶融して合金化してＩｎＡｌＳｂドット１７を形成することによって、ＩｎＡｌＳｂ／ＩｎＳｂヘテロ接合を形成することができる。
この場合、ＳＴＭの探針１４を利用しているので、再加工前にＳＴＭによって観察を行なってＩｎＳｂドット１５の位置確認ができるため、再加工時の位置合わせは容易になる。
【００２６】
図４（ｆ）参照
次いで、ＩｎＡｌＳｂドット１７に対するエッチングレートの小さな希塩酸からなるエッチング液を用いてエッチングすることによって、未反応のＡｌ薄膜１６及びＩｎ薄膜１３を選択的に除去する。
【００２７】
図４（ｇ）参照
最後に、王水を用いて軽くエッチングすることによって、未反応のＳｂ薄膜１２を除去することによって孤立したＩｎＡｌＳｂ／ＩｎＳｂヘテロ接合を形成することができる。
なお、この場合、ＩｎＡｌＳｂドット１７及びＩｎＳｂドット１５の露出部もエッチングされることになる。
【００２８】
この様に、本発明の第１の実施の形態においては、ＳＴＭの探針を用いてトンネル電流を用いて局所的に加熱しているので、任意の箇所に微細なヘテロ接合接合構造物を形成することが可能になる。
【００２９】
なお、薄膜堆積時に、ＩｎとＳｂにＳｉ等のｎ型不純物をドープしておき、また、ＡｌにＺｎ等のｐ型不純物をドープしておくことによって、ｐｎ接合ヘテロダイオードを形成することが可能になる。
【００３０】
この場合、Ａｌ2 Ｏ3 基板上にＷ等の高融点金属配線パターンを設け、この高融点金属配線パターン上でＩｎＳｂドットを形成することによって、ｐｎ接合ヘテロダイオードの一方の電極とすることができる。
【００３１】
なお、他方の電極は、例えば、ｐｎ接合ヘテロダイオードを含む全面に再びＡｌ薄膜を堆積させたのち、ＳＴＭの探針を移動させながらｐｎ接合ヘテロダイオードに達するまで局所的加熱を繰り返してＡｌを溶融・固化させることによって他の部分比べて厚いＡｌ配線パターンを形成することができ、次いで、希酸を用いて軽くエッチングしてＡｌ膜の残部を除去することによって他方の電極を形成することができる。
この場合、Ａｌ配線とＷ配線とが短絡しないように、ＩｎＳｂトッドの形成箇所等を考慮する必要がある。
【００３２】
次に、図５を参照して、本発明の第２の実施の形態の非磁性合金ドットの製造工程を説明する。
図５（ａ）参照
まず、Ｔａ基板２１上に真空蒸着法を用いて、厚さが１００ｎｍ以下、例えば、１２ｎｍのＣｕ薄膜２２、及び、厚さが１００ｎｍ以下、例えば、８ｎｍのＮｉ薄膜２３を順次堆積させて多層膜を形成する。
【００３３】
図５（ｂ）参照
次いで、多層膜上にＳＴＭの探針２４をトンネル電流が流れる程度近接させ、トンネル電流を局所的に流すことによって局所加熱してＮｉ薄膜２３及びＣｕ薄膜２２の加熱箇所を溶融して合金化してＣｕ0.6 Ｎｉ0.4 ドット２５を形成する。
【００３４】
この様に、本発明の第２の実施の形態においては、強磁性金属であるＮｉ薄膜２３中に非磁性合金であるＣｕ0.6 Ｎｉ0.4 ドット２５を任意の位置に孤立した状態で点在させることができる。
なお、この合金ドットの組成比は、最初に堆積させたＣｕ薄膜２２とＮｉ薄膜２３の膜厚比にほぼ依存することになる。
【００３５】
次に、図６を参照して、本発明の第３の実施の形態の強磁性合金ドットの製造工程を説明する。
図６（ａ）参照
まず、Ｔａ基板３１上に真空蒸着法を用いて、厚さが１００ｎｍ以下、例えば、１２ｎｍのＣｕ薄膜３２、厚さが１００ｎｍ以下、例えば、６ｎｍのＡｌ薄膜３３、及び、厚さが１００ｎｍ以下、例えば、６ｎｍのＭｎ薄膜３４を順次堆積させて多層膜を形成する。
【００３６】
図６（ｂ）参照
次いで、多層膜上にＳＴＭの探針３５をトンネル電流が流れる程度近接させ、トンネル電流を局所的に流すことによって局所加熱してＭｎ薄膜３４乃至Ｃｕ薄膜３２の加熱箇所を溶融して合金化することによってＣｕ2 ＡｌＭｎドット３６を形成する。
【００３７】
この様に、本発明の第３の実施の形態においては、非磁性金属であるＣｕ薄膜３２，Ａｌ薄膜３３，Ｍｎ薄膜３４中に強磁性合金であるＣｕ2 ＡｌＭｎドット３６を任意の位置に孤立した状態で点在させることができる。
なお、この場合には、Ｃｕ2 ＡｌＭｎの組成比に対応するように、堆積させるＣｕ薄膜３２，Ａｌ薄膜３３，Ｍｎ薄膜３４の膜厚を設定する。
【００３８】
次に、図７を参照して、本発明の第４の実施の形態の反強磁性合金ドットの製造工程を説明する。
図７（ａ）参照
まず、Ｔａ基板４１上に真空蒸着法を用いて、厚さが１００ｎｍ以下、例えば、６ｎｍのＰｔ薄膜４２、厚さが１００ｎｍ以下、例えば、６ｎｍのＰｄ薄膜４３、及び、厚さが１００ｎｍ以下、例えば、１２ｎｍのＭｎ薄膜４４を順次堆積させて多層膜を形成する。
【００３９】
図７（ｂ）参照
次いで、多層膜上にＳＴＭの探針４５をトンネル電流が流れる程度近接させ、トンネル電流を局所的に流すことによって局所加熱してＭｎ薄膜４４乃至Ｐｔ薄膜４２の加熱箇所を溶融して合金化することによってＰｔＰｄＭｎ2 ドット４６を形成する。
【００４０】
この様に、本発明の第４の実施の形態においては、非磁性金属であるＰｔ薄膜４２，Ｐｄ薄膜４３，Ｍｎ薄膜４４中に反強磁性合金であるＰｔＰｄＭｎ2 ドット４６を任意の位置に孤立した状態で点在させることができる。
なお、この場合も、ＰｔＰｄＭｎ2 の組成比に対応するように、堆積させるＰｔ薄膜４２，Ｐｄ薄膜４３，Ｍｎ薄膜４４の膜厚を設定する。
【００４１】
以上、本発明の各実施の形態を説明してきたが、本発明は各実施の形態に記載した構成に限られるものではなく、各種の変更が可能である。
例えば、上記の各実施の形態の説明においては、多層膜を溶融するためにＳＴＭの探針からのトンネル電流を用いているが、トンネル電流に限られるものではなく、電界放出電流或いは接触電流等を用いても良いものである。
は言うまでもない。
【００４２】
即ち、「トンネル電流」は、正負電極間に夫々の電極を構成する材料の仕事関数を越えない程度の電圧、例えば、５〜６Ｖ程度以下の電圧を印加することによって正負の電極間に形成されるポテンシャルバリアをトンネルして流れるものであり、正負電極間は１ｎｍ程度であり、１ｎｍより離れると殆ど電流は流れなくなる。
【００４３】
一方、「電界放出電流」は、正負電極間に夫々の電極を構成する材料の仕事関数より大きな電圧を印加して自由空間に放出される電子によるものであり、印加する電圧を大きくすれば数ｎｍ〜μｍの間隔でも電流を流すことができるものであるが、印加電圧を高くし過ぎると分解能が悪くなる。
【００４４】
また、「接触電流」は、正負電極が接触した状態で、電子が電極間を移動する上でポテンシャルバリアがない状態で流れる電流であり、分解能は探針の接触面積に依存するが、一般的には分解能が悪くなる。
例えば、構造物の寸法が数ｎｍ程度以上の場合には、接触型ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）の高融点金属で構成された探針を用いることが望ましい。
【００４５】
また、局所的に加熱手段は、この様な電流に限られるものではなく、電子ビーム、レーザ光、或いは、シンクロトロン放射光を用いても良いものであり、構造物のサイズが比較的大きな場合に有効になる。
【００４６】
また、上記の第１の実施の形態においては、未反応のＳｂ薄膜の除去を王水を用いて行っているが、真空中におけるＡｒガス等の希ガスを用いたスパッタエッチングなどにより全体を軽くエッチングしても良いものである。
【００４７】
また、上記の各実施の形態においては、二元及び三元の化合物或いは合金を形成しているが、多層膜を４層以上の構造にして四元以上の混晶化合物或いは合金を形成しても良いものである。
【００４８】
また、上記の第１の実施の形態においては、III-Ｖ族化合物半導体の製造工程として説明しているが、III-Ｖ族化合物半導体に限られるものではなく、薄膜材料としてＨｇ及びＣｄ等のII族元素と、Ｔｅ等のVI族元素を用いてＨｇＣｄＴｅ等のＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を形成して良いものであり、さらには、他の族の化合物半導体を形成しても良いものである。
【００４９】
ここで、再び図１を参照して、改めて本発明の詳細な構成を説明する。
再び、図１参照
（付記１） 基板上に堆積させておいた複数の材料物質２，３の直径１μｍ以下の領域を局所的に加熱し、溶融させて化合物或いは合金のいずれかからなる構造物６を形成したのち、前記構造物６上に、さらに、材料物質２，３を堆積させたのち、局所的加熱処理を行うことを特徴とする化合物・合金構造物の製造方法。
（付記２） 前記複数の材料物質２，３を局所的に加熱する工程において、トンネル電流５、接触電流、或いは、電界放出電流のいずれかを用いることを特徴とする付記１に記載の化合物・合金構造物の製造方法。
（付記３） 前記複数の材料物質２，３を局所的に加熱する工程において、エネルギービームの照射を用いることを特徴とする付記１に記載の化合物・合金構造物の製造方法。
（付記４） 前記エネルギービームが、電子ビーム、レーザ光、或いは、シンクロトロン放射光のいずれかであることを特徴とする付記３記載の化合物・合金構造物の製造方法。
（付記５） 前記複数の材料物質２，３が III族元素からなる材料物質２（３）とＶ族元素からなる材料物質３（２）であり、前記構造物６がIII-Ｖ族化合物半導体構造物であることを特徴とする付記１乃至４のいずれか１に記載の化合物・合金構造物の製造方法。
（付記６） 前記複数の材料物質２，３がII族元素からなる材料物質２（３）とVI族元素からなる材料物質３（２）であり、前記構造物６が11−VI族化合物半導体構造物であることを特徴とする付記１乃至４のいずれか１に記載の化合物・合金構造物の製造方法。
（付記７） 前記複数の材料物質２，３は磁性金属或いは非磁性金属からなり、且つ、前記構造物６が非磁性合金構造物、強磁性合金構造物、或いは、反強磁性合金構造物のいずれかであることを特徴とする付記１乃至４のいずれか１に記載の化合物・合金構造物の製造方法。
（付記８） 前記複数の材料物質２，３の厚みの比を変えることによって前記構造物６の組成を変化させることを特徴とする付記１乃至７のいずれか１に記載の化合物・合金構造物の製造方法。
（付記９） 前記構造物６の形成後に、前記材料物質２，３と形成された前記構造物６との物理的あるいは化学的性質の違いを利用して、前記構造物６以外の不要部分を除去することを特徴とする付記１乃至８のいずれか１に記載の化合物・合金構造物の製造方法。
【００５０】
【発明の効果】
本発明によれば、材料物質の異なる多層膜を形成したのち、局所的に加熱溶融させて合金化させているので、電子デバイス・磁気デバイス等においてナノメートルサイズ以上の任意の大きさの合金あるいは化合物の微細な構造を、基板上に直接作製することが可能となり、ひいては、電子デバイス・磁気デバイスのリソグラフィー限界を越えた超微細化に寄与するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理的構成の説明図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態の途中までの製造工程の説明図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態の図２以降の途中までの製造工程の説明図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態の図３以降の製造工程の説明図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態の製造工程の説明図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態の製造工程の説明図である。
【図７】本発明の第４の実施の形態の製造工程の説明図である。
【符号の説明】
１ 下地
２ 材料物質
３ 材料物質
４ 探針
５ トンネル電流
６ 構造物
１１ Ａｌ2 Ｏ3 基板
１２ Ｓｂ薄膜
１３ Ｉｎ薄膜
１４ ＳＴＭの探針
１５ ＩｎＳｂドット
１６ Ａｌ薄膜
１７ ＩｎＡｌＳｂドット
２１ Ｔａ基板
２２ Ｃｕ薄膜
２３ Ｎｉ薄膜
２４ ＳＴＭの探針
２５ Ｃｕ0.6 Ｎｉ0.4 ドット
３１ Ｔａ基板
３２ Ｃｕ薄膜
３３ Ａｌ薄膜
３４ Ｍｎ薄膜
３５ ＳＴＭの探針
３６ Ｃｕ2 ＡｌＭｎドット
４１ Ｔａ基板
４２ Ｐｔ薄膜
４３ Ｐｄ薄膜
４４ Ｍｎ薄膜
４５ ＳＴＭの探針
４６ ＰｔＰｄＭｎ2 ドット
【発明の属する技術分野】
本発明は化合物・合金構造物の製造方法に関するものであり、特に、磁気記録媒体あるいは磁気ヘッド等の記録デバイスや、ＬＳＩ等の電子デバイス、電界放出或いは電界イオン化、電荷注入等を利用した表示デバイス、分子デバイス等を構成する微細な構造を作製する方法に特徴のある化合物・合金構造物の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、工業的には光リソグラフィによるデバイス構造作製が主流となっているが、実験的な微細構造の作製には、電子ビーム（ＥＢ）リソグラフィ、収束イオンビーム（ＦＩＢ）を用いて材料を切削する方法、高エネルギーＥＢを用いて材料を蒸発させる方法、ＦＩＢ等のイオンビームやＥＢによって装置内に導入した材料気体を分解し、基板に堆積させるイオンビーム化学蒸着（ＣＶＤ）法或いはＥＢ化学蒸着法が用いられることがある。
【０００３】
一方、さらなる構造の微細化を目指して、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）を使用した構造作製法もいくつか提案されており、このＳＴＭを使用した作製法としては、「微細加工方法およびその装置」( 特開平２−１７３２７８号公報）や「微小部処理方法及びその装置並びに微小部分析方法及びその装置」( 特開平４−３４８２４号公報）、「走査型トンネル顕微鏡による超微細加工方法」( 特開平４−３６８７６２号公報）に見られるごとく、被加工材料の電界蒸発を利用した方法、同じく電界蒸発に化学反応を併用して材料を加工する方法、逆にＳＴＭの探針材料を電界蒸発させて基板に堆積させる方法、探針からのトンネル電流あるいは電界放出電流による一種のＥＢ−ＣＶＤ法等がある。
【０００４】
さらには、「リソグラフィ・マスクの製造方法およびリソグラフィ装置」( 特開平３−４１４４９号公報）のごとく、リソグラフィのレジスト作製あるいは露光方法としてＳＴＭのトンネル電流による化学反応や相変化を用いる方法も提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、現在主流となっているリソグラフィによる方法は、パターンの作製、露光、現像、エッチング、と多段階の操作が必要であるとともに、被加工材料が半導体ではなく金属である場合、現状では異方性エッチングが困難であるため、高アスペクト比の微細構造作製が難しいという問題がある。
【０００６】
また、ＦＩＢを用いた切削ではイオンの収束を強めて解像度を上げようとするとイオン電流が激減して加工速度が非常に小さくなってしまうという問題があるとともに、ＦＩＢでは切削・堆積ともに使用したイオン、例えば、Ｇａイオンによる汚染が発生するという問題がある。
【０００７】
一方、ＥＢを用いて蒸発させる方法では材料の一部を残して他の部分を蒸発させようとすると多大な時間がかかるという問題があり、また、ＥＢを用いたＣＶＤ法では、装置に比較的高い圧力の材料気体を導入するため、材料気体あるいは装置内の残留気体の取り込みによる汚染が発生するという問題がある。
【０００８】
さらに、現在までに提案されているＳＴＭを用いた微細構造作製法の内、被加工材料の電界蒸発を利用する方法は、ＥＢによる蒸発と同様に材料の一部を残そうとする場合に多大な時間がかかるという問題がある。
【０００９】
また、ＳＴＭの探針材料を堆積させる方法は探針が蒸発に伴って消耗するため、探針の状態に大きく依存するトンネル電流の制御が困難になり、また、探針の頻繁な交換が必要になるという問題がある。
【００１０】
また、ＳＴＭを利用したＥＢ−ＣＶＤ法の場合には、通常のＥＢ−ＣＶＤ法と同様の汚染の問題が避けられないという問題がある。
【００１１】
また、ＳＴＭを用いたリソグラフィパターンの形成では、多段階の操作が必要とされる点は通常のリソグラフィと変わらないという問題があるとともに、材料が金属である場合の問題点も同様である。
【００１２】
したがって、本発明は、簡単な工程によって微細な化合物・合金構造物を選択的に形成することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
図１は本発明の原理的構成の説明図であり、ここで、図１を参照して本発明における課題を解決するための手段を説明する。
図１参照
上記の課題を解決するために、本発明は、化合物・合金構造物の製造方法において、基板上に堆積させておいた複数の材料物質２，３の直径１μｍ以下の領域を局所的に加熱し、溶融させて化合物或いは合金のいずれかからなる構造物６を形成したのち、構造物６上に、さらに、材料物質２，３を堆積させたのち、局所的加熱処理を行うことを特徴とする。
【００１４】
この様に、局所的な加熱を行うことによってマスクレスで、任意の微細形状の所定の組成を有する化合物或いは合金のいずれかからなる構造物６を選択的に形成することが可能になる。
特に、構造物６上に、さらに、材料物質２，３を堆積させて局所的加熱処理を行うことにより、異種物質２，３が境界を接する微細ヘテロ接合等の構成を形成することが可能になる。
【００１５】
なお、この様な微細な構造物６のサイズは、リソグラフィによる加工が困難な、最大径として１μｍ以下、より好適には１００ｎｍ以下が好適である。
また、この場合、材料物質２，３は、基板上に直接堆積させても良いし、或いは、基板上に下地１を介して堆積させても良いものである。
【００１６】
この場合、ＳＴＭ等の探針４を利用する場合には、再加工前にＳＴＭによって観察を行なって構造物６の位置確認ができるため、再加工時の位置合わせは容易になる。
【００１７】
この場合の局所的加熱手段としては、ＳＴＭ等の探針４を利用したトンネル電流５、接触電流、或いは、電界放出電流のいずれかを用いても良いし、電子ビーム、レーザ光、或いは、シンクロトロン放射光のいずれかのエネルギービームを用いても良いものであり、材料物質２，３に与えるエネルギーの大きさ、例えば、印加する電流量、或いは、エネルギービームの場合には、ビーム自体のエネルギーとビーム数及び時間変化を制御することによって、任意の形状・組成の構造物６を形成することが可能になる。
【００１８】
この場合、材料物質２，３の成膜から加工までの操作を高真空中で行なうことが可能であるので、作製雰囲気に由来する汚染を避けることができ、また、ＳＴＭ等の探針４を利用する場合には、材料を探針４からではなく基板上から供給するために探針４は消耗せず、消耗に起因する問題を回避することができる。
【００１９】
このように形成する構造物６としては、 III族元素からなる材料物質２，３とＶ族元素からなる材料物質２，３を用いたIII-Ｖ族化合物半導体構造物、II族元素からなる材料物質２，３とVI族元素からなる材料物質２，３を用いた11−VI族化合物半導体構造物等の化合物構造物、或いは、磁性金属或いは非磁性金属からなる材料物質２，３を用いた非磁性合金構造物、強磁性合金構造物、或いは、反強磁性合金構造物等の合金構造物が典型的なものである。
【００２０】
また、複数の材料物質２，３の厚みの比を変えることによって、構造物６の組成を任意に制御することができ、それによって、任意の組成の混晶化合物半導体構造物或いは合金構造物を形成することができる。
【００２１】
また、材料物質２，３と形成された構造物６との物理的あるいは化学的性質の違いを利用して、構造物以外の不要部分を除去することにより、リソグラフィ或いはＥＢ等による選択蒸発法を用いることなく、簡単なマスクレスのエッチング工程によって微細な構造物６のみを任意の箇所に形成することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
ここで、図２乃至図４を参照して、本発明の第１の実施の形態の微細ヘテロ接合構造の製造工程を説明する。
図２（ａ）参照
まず、Ａｌ2 Ｏ3 基板１１上に真空蒸着法を用いて、厚さが１００ｎｍ以下、例えば、１０ｎｍのＳｂ薄膜１２、及び、厚さが１００ｎｍ以下、例えば、１０ｎｍのＩｎ薄膜１３を順次堆積させて多層膜を形成する。
【００２３】
図２（ｂ）参照
次いで、多層膜上にＳＴＭの探針１４をトンネル電流が流れる程度近接させ、トンネル電流を局所的に流すことによって局所加熱してＩｎ薄膜１３及びＳｂ薄膜１２の加熱箇所を溶融して合金化してＩｎＳｂドット１５を形成する。
この場合、ＩｎＳｂドット１５の大きさはトンネル電流の電流量に依存するが、例えば、数μＡ程度流すことによって、最大径が１００ｎｍ以下、例えば、２０〜３０ｎｍのサイズのＩｎＳｂドット１５が得られる。
【００２４】
図３（ｃ）参照
次いで、再び、真空蒸着法を用いて、全面に、厚さが１００ｎｍ以下、例えば、１０ｎｍのＡｌ薄膜１６を堆積させる。
【００２５】
図３（ｄ）参照
次いで、再び、ＩｎＳｂドット１５に対応するＡｌ薄膜１６上にＳＴＭの探針１４をトンネル電流が流れる程度近接させ、トンネル電流を局所的に流すことによって局所加熱してＡｌ薄膜１６及びＩｎＳｂドット１５の加熱箇所を溶融して合金化してＩｎＡｌＳｂドット１７を形成することによって、ＩｎＡｌＳｂ／ＩｎＳｂヘテロ接合を形成することができる。
この場合、ＳＴＭの探針１４を利用しているので、再加工前にＳＴＭによって観察を行なってＩｎＳｂドット１５の位置確認ができるため、再加工時の位置合わせは容易になる。
【００２６】
図４（ｆ）参照
次いで、ＩｎＡｌＳｂドット１７に対するエッチングレートの小さな希塩酸からなるエッチング液を用いてエッチングすることによって、未反応のＡｌ薄膜１６及びＩｎ薄膜１３を選択的に除去する。
【００２７】
図４（ｇ）参照
最後に、王水を用いて軽くエッチングすることによって、未反応のＳｂ薄膜１２を除去することによって孤立したＩｎＡｌＳｂ／ＩｎＳｂヘテロ接合を形成することができる。
なお、この場合、ＩｎＡｌＳｂドット１７及びＩｎＳｂドット１５の露出部もエッチングされることになる。
【００２８】
この様に、本発明の第１の実施の形態においては、ＳＴＭの探針を用いてトンネル電流を用いて局所的に加熱しているので、任意の箇所に微細なヘテロ接合接合構造物を形成することが可能になる。
【００２９】
なお、薄膜堆積時に、ＩｎとＳｂにＳｉ等のｎ型不純物をドープしておき、また、ＡｌにＺｎ等のｐ型不純物をドープしておくことによって、ｐｎ接合ヘテロダイオードを形成することが可能になる。
【００３０】
この場合、Ａｌ2 Ｏ3 基板上にＷ等の高融点金属配線パターンを設け、この高融点金属配線パターン上でＩｎＳｂドットを形成することによって、ｐｎ接合ヘテロダイオードの一方の電極とすることができる。
【００３１】
なお、他方の電極は、例えば、ｐｎ接合ヘテロダイオードを含む全面に再びＡｌ薄膜を堆積させたのち、ＳＴＭの探針を移動させながらｐｎ接合ヘテロダイオードに達するまで局所的加熱を繰り返してＡｌを溶融・固化させることによって他の部分比べて厚いＡｌ配線パターンを形成することができ、次いで、希酸を用いて軽くエッチングしてＡｌ膜の残部を除去することによって他方の電極を形成することができる。
この場合、Ａｌ配線とＷ配線とが短絡しないように、ＩｎＳｂトッドの形成箇所等を考慮する必要がある。
【００３２】
次に、図５を参照して、本発明の第２の実施の形態の非磁性合金ドットの製造工程を説明する。
図５（ａ）参照
まず、Ｔａ基板２１上に真空蒸着法を用いて、厚さが１００ｎｍ以下、例えば、１２ｎｍのＣｕ薄膜２２、及び、厚さが１００ｎｍ以下、例えば、８ｎｍのＮｉ薄膜２３を順次堆積させて多層膜を形成する。
【００３３】
図５（ｂ）参照
次いで、多層膜上にＳＴＭの探針２４をトンネル電流が流れる程度近接させ、トンネル電流を局所的に流すことによって局所加熱してＮｉ薄膜２３及びＣｕ薄膜２２の加熱箇所を溶融して合金化してＣｕ0.6 Ｎｉ0.4 ドット２５を形成する。
【００３４】
この様に、本発明の第２の実施の形態においては、強磁性金属であるＮｉ薄膜２３中に非磁性合金であるＣｕ0.6 Ｎｉ0.4 ドット２５を任意の位置に孤立した状態で点在させることができる。
なお、この合金ドットの組成比は、最初に堆積させたＣｕ薄膜２２とＮｉ薄膜２３の膜厚比にほぼ依存することになる。
【００３５】
次に、図６を参照して、本発明の第３の実施の形態の強磁性合金ドットの製造工程を説明する。
図６（ａ）参照
まず、Ｔａ基板３１上に真空蒸着法を用いて、厚さが１００ｎｍ以下、例えば、１２ｎｍのＣｕ薄膜３２、厚さが１００ｎｍ以下、例えば、６ｎｍのＡｌ薄膜３３、及び、厚さが１００ｎｍ以下、例えば、６ｎｍのＭｎ薄膜３４を順次堆積させて多層膜を形成する。
【００３６】
図６（ｂ）参照
次いで、多層膜上にＳＴＭの探針３５をトンネル電流が流れる程度近接させ、トンネル電流を局所的に流すことによって局所加熱してＭｎ薄膜３４乃至Ｃｕ薄膜３２の加熱箇所を溶融して合金化することによってＣｕ2 ＡｌＭｎドット３６を形成する。
【００３７】
この様に、本発明の第３の実施の形態においては、非磁性金属であるＣｕ薄膜３２，Ａｌ薄膜３３，Ｍｎ薄膜３４中に強磁性合金であるＣｕ2 ＡｌＭｎドット３６を任意の位置に孤立した状態で点在させることができる。
なお、この場合には、Ｃｕ2 ＡｌＭｎの組成比に対応するように、堆積させるＣｕ薄膜３２，Ａｌ薄膜３３，Ｍｎ薄膜３４の膜厚を設定する。
【００３８】
次に、図７を参照して、本発明の第４の実施の形態の反強磁性合金ドットの製造工程を説明する。
図７（ａ）参照
まず、Ｔａ基板４１上に真空蒸着法を用いて、厚さが１００ｎｍ以下、例えば、６ｎｍのＰｔ薄膜４２、厚さが１００ｎｍ以下、例えば、６ｎｍのＰｄ薄膜４３、及び、厚さが１００ｎｍ以下、例えば、１２ｎｍのＭｎ薄膜４４を順次堆積させて多層膜を形成する。
【００３９】
図７（ｂ）参照
次いで、多層膜上にＳＴＭの探針４５をトンネル電流が流れる程度近接させ、トンネル電流を局所的に流すことによって局所加熱してＭｎ薄膜４４乃至Ｐｔ薄膜４２の加熱箇所を溶融して合金化することによってＰｔＰｄＭｎ2 ドット４６を形成する。
【００４０】
この様に、本発明の第４の実施の形態においては、非磁性金属であるＰｔ薄膜４２，Ｐｄ薄膜４３，Ｍｎ薄膜４４中に反強磁性合金であるＰｔＰｄＭｎ2 ドット４６を任意の位置に孤立した状態で点在させることができる。
なお、この場合も、ＰｔＰｄＭｎ2 の組成比に対応するように、堆積させるＰｔ薄膜４２，Ｐｄ薄膜４３，Ｍｎ薄膜４４の膜厚を設定する。
【００４１】
以上、本発明の各実施の形態を説明してきたが、本発明は各実施の形態に記載した構成に限られるものではなく、各種の変更が可能である。
例えば、上記の各実施の形態の説明においては、多層膜を溶融するためにＳＴＭの探針からのトンネル電流を用いているが、トンネル電流に限られるものではなく、電界放出電流或いは接触電流等を用いても良いものである。
は言うまでもない。
【００４２】
即ち、「トンネル電流」は、正負電極間に夫々の電極を構成する材料の仕事関数を越えない程度の電圧、例えば、５〜６Ｖ程度以下の電圧を印加することによって正負の電極間に形成されるポテンシャルバリアをトンネルして流れるものであり、正負電極間は１ｎｍ程度であり、１ｎｍより離れると殆ど電流は流れなくなる。
【００４３】
一方、「電界放出電流」は、正負電極間に夫々の電極を構成する材料の仕事関数より大きな電圧を印加して自由空間に放出される電子によるものであり、印加する電圧を大きくすれば数ｎｍ〜μｍの間隔でも電流を流すことができるものであるが、印加電圧を高くし過ぎると分解能が悪くなる。
【００４４】
また、「接触電流」は、正負電極が接触した状態で、電子が電極間を移動する上でポテンシャルバリアがない状態で流れる電流であり、分解能は探針の接触面積に依存するが、一般的には分解能が悪くなる。
例えば、構造物の寸法が数ｎｍ程度以上の場合には、接触型ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）の高融点金属で構成された探針を用いることが望ましい。
【００４５】
また、局所的に加熱手段は、この様な電流に限られるものではなく、電子ビーム、レーザ光、或いは、シンクロトロン放射光を用いても良いものであり、構造物のサイズが比較的大きな場合に有効になる。
【００４６】
また、上記の第１の実施の形態においては、未反応のＳｂ薄膜の除去を王水を用いて行っているが、真空中におけるＡｒガス等の希ガスを用いたスパッタエッチングなどにより全体を軽くエッチングしても良いものである。
【００４７】
また、上記の各実施の形態においては、二元及び三元の化合物或いは合金を形成しているが、多層膜を４層以上の構造にして四元以上の混晶化合物或いは合金を形成しても良いものである。
【００４８】
また、上記の第１の実施の形態においては、III-Ｖ族化合物半導体の製造工程として説明しているが、III-Ｖ族化合物半導体に限られるものではなく、薄膜材料としてＨｇ及びＣｄ等のII族元素と、Ｔｅ等のVI族元素を用いてＨｇＣｄＴｅ等のＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を形成して良いものであり、さらには、他の族の化合物半導体を形成しても良いものである。
【００４９】
ここで、再び図１を参照して、改めて本発明の詳細な構成を説明する。
再び、図１参照
（付記１） 基板上に堆積させておいた複数の材料物質２，３の直径１μｍ以下の領域を局所的に加熱し、溶融させて化合物或いは合金のいずれかからなる構造物６を形成したのち、前記構造物６上に、さらに、材料物質２，３を堆積させたのち、局所的加熱処理を行うことを特徴とする化合物・合金構造物の製造方法。
（付記２） 前記複数の材料物質２，３を局所的に加熱する工程において、トンネル電流５、接触電流、或いは、電界放出電流のいずれかを用いることを特徴とする付記１に記載の化合物・合金構造物の製造方法。
（付記３） 前記複数の材料物質２，３を局所的に加熱する工程において、エネルギービームの照射を用いることを特徴とする付記１に記載の化合物・合金構造物の製造方法。
（付記４） 前記エネルギービームが、電子ビーム、レーザ光、或いは、シンクロトロン放射光のいずれかであることを特徴とする付記３記載の化合物・合金構造物の製造方法。
（付記５） 前記複数の材料物質２，３が III族元素からなる材料物質２（３）とＶ族元素からなる材料物質３（２）であり、前記構造物６がIII-Ｖ族化合物半導体構造物であることを特徴とする付記１乃至４のいずれか１に記載の化合物・合金構造物の製造方法。
（付記６） 前記複数の材料物質２，３がII族元素からなる材料物質２（３）とVI族元素からなる材料物質３（２）であり、前記構造物６が11−VI族化合物半導体構造物であることを特徴とする付記１乃至４のいずれか１に記載の化合物・合金構造物の製造方法。
（付記７） 前記複数の材料物質２，３は磁性金属或いは非磁性金属からなり、且つ、前記構造物６が非磁性合金構造物、強磁性合金構造物、或いは、反強磁性合金構造物のいずれかであることを特徴とする付記１乃至４のいずれか１に記載の化合物・合金構造物の製造方法。
（付記８） 前記複数の材料物質２，３の厚みの比を変えることによって前記構造物６の組成を変化させることを特徴とする付記１乃至７のいずれか１に記載の化合物・合金構造物の製造方法。
（付記９） 前記構造物６の形成後に、前記材料物質２，３と形成された前記構造物６との物理的あるいは化学的性質の違いを利用して、前記構造物６以外の不要部分を除去することを特徴とする付記１乃至８のいずれか１に記載の化合物・合金構造物の製造方法。
【００５０】
【発明の効果】
本発明によれば、材料物質の異なる多層膜を形成したのち、局所的に加熱溶融させて合金化させているので、電子デバイス・磁気デバイス等においてナノメートルサイズ以上の任意の大きさの合金あるいは化合物の微細な構造を、基板上に直接作製することが可能となり、ひいては、電子デバイス・磁気デバイスのリソグラフィー限界を越えた超微細化に寄与するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理的構成の説明図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態の途中までの製造工程の説明図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態の図２以降の途中までの製造工程の説明図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態の図３以降の製造工程の説明図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態の製造工程の説明図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態の製造工程の説明図である。
【図７】本発明の第４の実施の形態の製造工程の説明図である。
【符号の説明】
１ 下地
２ 材料物質
３ 材料物質
４ 探針
５ トンネル電流
６ 構造物
１１ Ａｌ2 Ｏ3 基板
１２ Ｓｂ薄膜
１３ Ｉｎ薄膜
１４ ＳＴＭの探針
１５ ＩｎＳｂドット
１６ Ａｌ薄膜
１７ ＩｎＡｌＳｂドット
２１ Ｔａ基板
２２ Ｃｕ薄膜
２３ Ｎｉ薄膜
２４ ＳＴＭの探針
２５ Ｃｕ0.6 Ｎｉ0.4 ドット
３１ Ｔａ基板
３２ Ｃｕ薄膜
３３ Ａｌ薄膜
３４ Ｍｎ薄膜
３５ ＳＴＭの探針
３６ Ｃｕ2 ＡｌＭｎドット
４１ Ｔａ基板
４２ Ｐｔ薄膜
４３ Ｐｄ薄膜
４４ Ｍｎ薄膜
４５ ＳＴＭの探針
４６ ＰｔＰｄＭｎ2 ドット
Claims (4)
- 基板上に堆積させておいた複数の材料物質の直径１μｍ以下の範囲を局所的に加熱し、溶融させて化合物或いは合金のいずれかからなる構造物を形成したのち、前記構造物上に、さらに、材料物質を堆積させたのち、局所的加熱処理を行うことを特徴とする化合物・合金構造物の製造方法。
- 前記複数の材料物質を局所的に加熱する工程において、トンネル電流、接触電流、或いは、電界放出電流のいずれかを用いることを特徴とする請求項１に記載の化合物・合金構造物の製造方法。
- 前記複数の材料物質を局所的に加熱する工程において、エネルギービームの照射を用いることを特徴とする請求項１に記載の化合物・合金構造物の製造方法。
- 前記構造物の形成後に、前記材料物質と形成された前記構造物との物理的あるいは化学的性質の違いを利用して、前記構造物以外の不要部分を除去することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の化合物・合金構造物の製造方法。
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