JP2003502166A

JP2003502166A - 固体状態の次元的特徴の制御

Info

Publication number: JP2003502166A
Application number: JP2001504843A
Authority: JP
Inventors: ジーン・ゴロブチェンコ; ダニエル・ブラントン; デレク・スタイン; シアラン・マクマラン; リ・ジアリ
Original assignee: プレジデント・アンド・フェローズ・オブ・ハーバード・カレッジ
Priority date: 1999-06-22
Filing date: 2000-06-22
Publication date: 2003-01-21
Also published as: WO2000079257A9; AU5631200A; EP2383776A1; US6627067B1; EP1192453B1; EP1192103A1; WO2000079257A1; AU5763000A; WO2000078668A1; EP1192453A4; EP2383776B1; EP1192453A1

Abstract

(57)【要約】固体状態構造体上に制御された固体状態の構造体的な特徴部部を製作する方法であって、予め特定した特徴部部を構造体内に製造するように選択された条件下で、構造体を製作処理環境に暴露する工程を含む方法を提供する。ここでは構造体の処理環境への暴露の間、物理的検出種を指定された構造体位置に向け、指定された構造体位置の横断線からの軌跡内で検出種を検出し、予め特定した特徴部部の物理的次元の変化を指示する。次いで、物理種検出に応答して製作処理環境を制御し、構造体特徴部部を製作する。また、本発明は、イオンフラックス暴露に応答して、実質上、構造体原料物質が構造体特徴部部に移動されることにより、特徴部の少なくとも１つの物理的次元の変化が起るように選択された条件下、選択した構造体温度で構造体をイオンのフラックスに暴露することにより、構造体特徴部部の物理的次元を制御するか特徴部を形成させる方法を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本出願は、米国仮出願第６０／１４０，０２１号（１９９９年６月２２日出願
、その全てを本明細書中に参照することにより組み込む）の優先権を主張する。
関連出願に対する相互参照本出願は、表題「Ｍｏｌｅcｕｌaｒ aｎd Ａｔｏｍｉc ＳcaｌｅＥｖaｌ
ｕaｔｉｏｎｏf Ｂｉｏｐｏｌｙｍｅｒｓ」（本出願との同時系属出願、これ
は本明細書中に参照することにより組み込む）に関連する。アメリカ合衆国政府後援による研究に関しての声明本出願は、国防先端研究プロジェクト機構により授与された契約第Ｎ６５２３
６−９９−１−５４０７号のもと、政府指示のもとで行われた。政府は本発明に
おいて一定の権利を有する。

【０００２】発明の背景本発明は、固体状態構造体の製作に関し、より具体的には固体状態の構造体特
徴部部（solid state structural features）の次元（ディメンションまたは寸
法）の制御（コントロール）（dimensional control）に関する。固体状態構造体特性の正確なディメンションコントロールは、生物学および化
学から物理学、光学ならびにマイクロエレクトロニクスにわたる分野における多
数の適用に必須である。本明細書中、用語「固体状態」は、一般に、生物学的で
はない物質を意味する。固体状態システムの成功裏の製作は、しばしば、極めて
密な許容差内で、特殊な構造体特徴部部を、しばしば縮小寸法において、関節で
つなぐ（articulate）能力に大きく依存している。従って、固体状態系がマイク
ロ体制（ｍｉcｒｏ−ｒｅgｉｍｅ）からさらにナノ体制へと発展するにつれて、
ナノメトリックな寸法特徴部の制御（コントロール）はシステムの実行性におい
て、ますます重要な関心事となっている。

【０００３】微小機械（マイクロメカニカル）および微小電気機械（マイクロエレクトロメ
カニカル）システムにおける構造体特徴部部寸法の製造、制御のために広範な微
小製作技術が確立されている。例えば高分解能リソグラフィー法および高精度加
法および減法物質プロセッシング法が小規模特徴部の製作を可能ならしめるため
に提供されている。しかし、数ナノメートル(nm)の構造体特徴部部のディメンシ
ョンが重要である多くのナノ体制システムの製作において、従来提案された方法
はしばしば必要なナノ−スケールの特徴部を再現性をもってまたは予測可能に形
成し得ないこと、またそのようなナノ−スケールの特徴部の製造と同一程度の（
比例した）時間規模（スケール）で制御できないことが見出されている。結果と
して、ナノメトリック特徴部のディメンションおよび／または公差（許容差）を
含む多くのシステムの体積製作（volume manufacture)は実用的でも経済的でも
ない。

【０００４】発明の要約本発明は、固体状態のメカニカルまたはエレクトロメカニカルシステムのため
の構造体上の特徴部の、再現性および予測可能性ある製造を可能ならしめる方法
を提供するものである。本発明の方法は、ナノ体制内で特徴部的な寸法を製造す
るためにコントロール（制御）することができ、ナノ−スケールの固体状態特徴
部の形成と同程度の時間規模で作動するリアルタイムフィードバック制御を含み
うる。

【０００５】本発明により提供される、固体状態構造体特徴部部の制御された製作のための
一つの技術では、固体状態構造体を得、予め特定した特徴部を構造体中に製造す
るために選択された条件下で製作処理環境（fabrication process environment)
に暴露する。物理的な検出種は、構造体を処理環境に暴露（process environmen
t exposure)する間、指定された構造体位置(designated structure location)に
向けられており、検出種は指定された構造体位置の横断線（traversal)からの軌
跡（軌道、trajectory)内に検出される。これにより、予め特定した特徴部の物
理的次元の変化に対する指標が得られる。製作処理環境（fabrication process
environment)は、構造体特徴部部の予め特定した物理的次元を製作するために物
理種の検出に応答して制御される。

【０００６】本明細書中、用語「固体状態」は、生物学的起源でない物質を指す。生物学的
起源という語句は、天然に存在するもの、即ち、生物学的環境から単離されたも
の、例えば、生物または細胞、または自然界に存在するもの、または生物学的に
入手可能な構造体の合成生産物、あるいは天然に存在するものの合成または非-
天然物のホモログ、または誘導体であって、所望の興味ある生物学的特性を実質
上保持しているものを指す。固体状態は有機および無機の両者を包含する。

【０００７】構造体は例えば、無機物、または結晶性物質の基板（substrate)として得られ
、その中に予め特定した特徴部、または他の構造体を製作すべき、半導体ウェハ
（基板）、メンブレン（膜）、レイヤー（層）などとして提供される

【０００８】製作処理（プロセス）は、例えば、イオンビームまたは電子ビームスパッタリ
ングのようなスパッタリング環境として；例えば、電気化学的腐食（エッチング
）環境のような湿化学エッチング環境として；プラズマ環境として；化学機械的
研磨（ポリシング）環境として；イオン-誘導またはイオン-アシスト環境（ion-
assisted environment)として；物質の堆積（deposition)または成長環境として
；加熱環境として；または他の適当な環境として提供することができる。

【０００９】１例では、予め特定した特徴部は開口（aperture）であり、製作処理条件は開
口のエッチングのために選択される。この場合、検出種の軌跡（trajectory)は
開口を通過しうる。開口のアレイをそのような方法で形成しうる。製作処理条件
は開口の直径を大きくまたは小さくするように選択し得る。

【００１０】同様に、予め特定した特徴部は、トレンチ（深い溝）、スロット（溝）または
少なくとも２つの構造体の端（エッジ）間のギャップ（間隙）であり、製作処理
の条件は、トレンチ、スロットまたはギャップの拡大または縮小のために選択さ
れる。

【００１１】検出種は原子、イオン、電子、製作処理環境に提供されるエッチング種、また
は他の種として提供することができる。種の検出は検出種を指定された構造体位
置の横断線からの軌跡跡内での検出種の存在を検出することにより行うことがで
きる。さらに、種の検出は、時間の関数として、検出種を定量することにより、行う
ことができる。製作処理環境の制御は、予め特定した次元の構造体特徴部部の製
作が種の検出により示された時点で、構造体の処理環境への暴露を終了させるこ
とにより行うことができる。

【００１２】本発明に従えば、この処理法（プロセス）を適用して固体状態構造体の開口部
を製作することができる。このプロセスでは第１表面と反対面である第２表面を
有する固体状態構造体が提供される。第１構造体表面には第１および第２構造体
表面の間の１点に位置するキャビティー底面に至るキャビティーを形成する。次
いで、該構造体を第２表面から薄くする。構造体を薄く（薄層化）する間、物理
的な検出種は構造体の上において、キャビティーによって規定された開口のため
の構造体上の位置に向けられており、構造体の薄層化によりキャビティーの底に
構造体と第２表面との交差が起ると、軌跡内に開口を通過して物理的な検出種が
検出される。構造体の薄層化は物理的検出種の検出に基づいて制御（コントロー
ル）される。

【００１３】この技術を用いて、構造体の薄層化の間中、検出された物理的検出種を定量し
、そして定量値に基づいて構造体の薄層化を制御して予め特定した開口直径を製
作することにより、予め特定した直径の開口を作ることができる。

【００１４】構造体は例えば、窒化ケイ素メンブレンのような、膜として得ることができる
。薄層化は、任意の適当なプロセス（方法）、例えば、スパッタリングにより、
行うことができる。検出種は、例えば、イオンまたは電子であってよく、検出種
は構造体の薄層化に用いる種と別個のものであってよい。

【００１５】本発明はまた固体状態の構造体特徴部部の物理的次元を制御する方法を提供する
。そのようなプロセスの１例では、構造特徴部部を有する固形状態構造体を得、
構造体を選択した構造体温度でイオンのフラックス（束）に暴露する。暴露の条
件は、イオンフラックス暴露に応答して、実質上、構造体原料物質(structural
material)が構造体特徴部部に移動されることにより、特徴部部の少なくとも１
つの物理的次元の変化が起るように選択する。同様に、固体状態構造体上に物理
的な特徴部部を作成するには、構造体を選択した構造体温度でイオンフラックス
に暴露する。暴露条件は構造体の原料物質が実質上イオンフラックス暴露に応答
して構造体特徴部部に移動されることにより、構造体上に物理的特徴部部が作成
されるように選択する。

【００１６】曝露条件の制御は、例えば、構造体温度のコントロール、イオンフラックス、
エネルギー、種、または時間構造体のコントロール、周囲ガス種のコントロール
、または暴露に関する別の適当なパラメーターのコントロールを含み得る。

【００１７】これらのプロセスにより、特徴部部次元の増加または減少、例えば、開口の直
径の減少、トレンチ幅の減少、ギャップ幅の減少、または突出部の高さの増大な
ど、を行うことができる。構造体は結晶性の基板、メンブレン（膜）、例えば、
窒化ケイ素メンブレン、または他の構造体として得ることができる。イオンフラ
ックスは集束イオンビームからのフラックスとして提供され得る。一つの例とし
て、第１のメンブレン表面はイオンフラックスに暴露されて、第１メンブレン表
面の反対側の第２メンブレン表面に突出部を生じる。上記の物理的種検出機構を
用いて、予め特定したように特徴部部を変更または製造するために、イオンフラ
ックス暴露を制御することができる。

【００１８】これらのプロセスにより、再現性あり、制御可能であり、かつ効率的な方法で
広範囲の構造体特徴部部を製作することができる。バイオロジー（生物学）から
マイクロエレクトロニクス（超小型電子技術）にわたる分野での応用はこれらの
プロセスによって可能となり、商業上実行可能な方法で実施することができる。
本発明のその他の特徴部および有利な点は以下の記載および添付の図面、および
特許請求の範囲から明らかであろう。

【００１９】発明の詳細な説明本発明により提供される次元（ディメンション）特徴を制御するための方法は
、広範な物質および構造配置に関し得る。本明細書に記載される実施例のプロセ
スは単なる例示を意味し、物質または配置における特定の制限をあらわすわけで
はない。本発明の方法は、構造特徴ディメンションを正確にコントロールするた
め、およびナノメートルのスケール上でこのようなコントロールを可能にするた
めに、特によく適合されている。このコントロールは、ナノメトリックなサイズ
の特徴および空間（例えば、ポア、スリット、オリフィス、三角穴およびホール
のような開口（開口部）、ならびにトレンチとして存在するギャップ）、チャネ
ル、くぼみ、ならびに一般的には２つ以上の異なる特徴のエッジ間の間隔の正確
な形成および規定に、特に有用であり得る。

【００２０】図１を参照し、本発明により提供される、特徴の間隔を正確かつ再現性よく規
定する方法の１つの例において、構造体層に予め特定した程度（例えば、直径）
の開口部を形成するための処理（プロセス）を実行する。図１Ａを参照すると、
第１処理工程における、開始構造体１０を断面図で示す。このような開始構造体
１０は、例えば、基板、支持体（例えば、基板）上に提供される厚いまたは薄い
層（レイヤー）、メンブレンまたは適切な構造体として供給され得る。キャビテ
ィ１２は構造体１０中に、構造体の選択された表面１４で、および開口部が望ま
れる領域に形成される。

【００２１】キャビティ１２は、構造体１０のバルクに、構造体の厚さ全体を貫通してでは
なく、構造体の厚さの一部のみに、対抗表面１８に向かって伸長する。結果とし
て、形成されたキャビティの最も深いレベル（すなわち、底部１６）は、構造体
のバルクのほぼ中央地点にある。以下により詳細に説明するが、キャビティ底１
６およびキャビティ側壁２０のジオメトリー（外形）は、後の処理工程において
、横向きかつ長手軸方向のディメンションがコントロールされた、限界開口部（
limiting aperture)の制御された形成を可能にするように選択されることが好ま
しい。示した実施例では、ボウル形状のキャビティが使用される。

【００２２】図１Ｂおよび１Ｃを参照すると、一旦キャビティが生じると、構造体はキャビ
ティを有していない表面１８側から段階的に薄くされる。この薄層化工程（thin
ning）が続けられるにつれて、構造体の一部２２は、点線により示されるように
徐々に取り除かれる。この結果、構造体のキャビティを有していない表面１８が
キャビティの底１６に向かって進む。

【００２３】構造体の薄層化を続けることにより、図１Ｄに示すようにキャビティを有して
いない表面１８とキャビティの底１６との交差が生じる。この交差が生じると、
限界開口部２４が形成され、これはキャビティ１２を構造体の厚さを貫通して伸
長する開口部へと変化させる。構造体のさらなる薄層化により、キャビティを有
していない表面１８はキャビティの上部の側壁位置に交差し、それにより、限界
開口部２４は所定のキャビティ交差深さに存在する側壁プロフィールを獲得する
。例示した実施例では、ボウル形状のキャビティの場合、限界開口部２４の直径
は薄層化が続けられるにつれて増加する。しかしながら、限界開口部の直径は、
対応するキャビティ側壁プロフィールにより薄層化が継続されるにつれて減少す
るようにすることができることが理解される。さらに、凹凸または他の異なるプ
ロフィール特徴またはジオメトリーを、限界開口部のジオメトリーをコントロー
ルするために、キャビティ側壁に沿って提供することができる。

【００２４】最終的な限界開口部および壁のディメンションの規定が、直接リソグラフ技術
に依存していないという点で、この開口部形成プロセスは、明瞭な利点を有する
。結果として、開口部形成プロセスはリソグラフにおける分解能の限界に束縛さ
れない。このプロセスは１〜２ナノメートル未満の小ささの、次元又は直径の限
界開口部を、新型かつ高価なプロセッシング装置を必要とすることなく作製する
ことができる。

【００２５】上記のように、この開口部形成プロセスは、広範な構造体（例えば、基板、層
、および例えば、メンブレンとして支持構造体上に設けられたかそれ自身で存在
しているもの）などの任意のもの上で行われ得る。一般的に、固体状態の物質は
開口部が形成される構造体物質として利用され得、マイクロエレクトロニックま
たはセミコンダクター（半導体）物質は、以下に記載のような有効なプロセッシ
ング技術を可能にする際に特に有効であり得る。例えば、広範なクラスの無機お
よび有機ガラス状物質（例えば、酸化物、ガラス、プラスチック、ポリマーおよ
びＰＭＭＡのような有機フィルム）ならびに結晶性物質（例えば、ケイ素および
窒化ケイ素のような半導体）および金属ならびに他の物質が利用され得る。本発
明は、特定の種類の構造体物質または構造体物質に限定されるわけではない。好
ましくは、構造体物質は開口部について特定される適用基準を満たすように選択
される。

【００２６】本発明の方法は、メンブレンにおいて開口部の形成を可能にすること、および
多数のメンブレン適用について要求される開口部形成のナノ体制コントロールを
提供することに特に良く適している。メンブレン開口部の形成において、マイク
ロエレクトロニックおよび半導体物質および製作プロセスは、本発明にしたがっ
て有利に活用され、費用効率が良く、効率のよい製造力を可能とすることができ
る。

【００２７】図２を参照すると、本発明により提供されるメンブレンに開口部を形成するた
めの例示のマイクロ製作プロセスでは、図２Ａに示すように開始基板３０（例え
ば、シリコンウェハ）を得る。ウェハの上部表面および下部表面上に、それぞれ
、コーティング層３２、３４として、選択したメンブレン物質（例えば、窒化ケ
イ素）が提供さる。コーティング層３４の厚さは形成されるべきメンブレンに関
して選択される厚さである。１つの実施例において、約５０ｎｍの厚さのシリコ
ンリッチな低ストレスの窒化ケイ素層を、従来的な化学蒸着（ＣＶＤ）プロセッ
シングによりシリコンウェハ上にデポジット（堆積）させる。機械的ストレスの
制御等を考慮して、窒化シリコン層のデポジットの前もしくは後にさらなるメン
ブレン物質（例えば、二酸化ケイ素）がデポジットされ得ることが理解される。
また、窒化ケイ素層は、特定の適用に関して所望により、機械的メンブレンスト
レスをコントロールするため、またはメンブレンの電気伝導率もしくは熱伝導率
を調整するために、例えば、イオン注入によりさらにプロセッシングされ得る。

【００２８】図２Ｂに示すように、フォトレジスト層３６はデポジットされた窒化物層のう
ちの１つの上に形成され、窒化物エッチングウィンドウ３８を規定するように形
どり（パターニング）される。ウェハの対向表面はフォトレジスト層４０でブラ
ンケットコーティングされている。次いで、図２Ｃに示すように窒化物エッチン
グウィンドウ３８に曝された窒化ケイ素を、例えば、従来的な反応性イオンエッ
チング技術により取り除く。このことにより、基板エッチングウィンドウ４２を
曝す。対向する窒化物層３４を、ブランケットフォトレジスト層４０によりこの
エッチングから保護し、この層はエッチングが完了した時点で取り除く。

【００２９】次に、図２Ｄを参照すると、シリコンウェハは適切なエッチング手段（例えば
、ＫＯＨを利用する従来的な異方性ウェットエッチングプロセス）によりバルク
マイクロ機械加工される。好ましくは、利用するバルクウェハエッチングプロセ
スは、メンブレン物質よりウェハ物質に対して高い選択性を有することで特徴付
けられる。例示する実施例において、ＫＯＨエッチングは、実質的に窒化ケイ素
層を侵襲しない。ウェハの厚さにわたりエッチングを続けることにより、自己支
持（ｓｅｌｆ−ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ）窒化物メンブレン３６を窒化物層３４中
に作製する。窒化物メンブレンは、異方性の結晶特異的な性質のＫＯＨエッチン
グに起因してシリコンウェハからエッチング形成された角錐状のウェル３８の底
を形成する。従って、窒化物メンブレンの程度は、開始シリコンウェハの厚さお
よび結晶方向により決定される。それゆえ、認識されるように、メンブレンのデ
ィメンションは所望されるようにコントロールされ得る。

【００３０】次いで、図２Ｄ〜２Ｅを参照すると、メンブレン層の反対側の窒化ケイ素の残
存層３２は、所望される場合には従来的な反応性イオンエッチングにより取り除
かれ得、次いで、所定の適用についてシリコンウェハの電気的絶縁が望ましい場
合には、二酸化シリコンの層４０を露出したシリコン表面上に成長させてもよい
。従来的なウェットまたはサーマル酸化物成長は、ＣＶＤ酸化物層にわたって好
ましく、結果として酸化物は例示した様式でシリコン表面上にのみ形成される。
しかしながら、例えば、機械的ストレスコントロールのために、複合メンブレン
が望ましい場合には、ＣＶＤまたは他のデポジットプロセスが利用され、シリコ
ンウェハの両側および下側の窒化ケイ素メンブレン表面上、または窒化物メンブ
レン表面のみに酸化物層を生じ得る。

【００３１】次の工程のプロセスにおいて、図２Ｆを参照し、そして再び図１Ａを参照する
と、メンブレンの選択した表面にキャビティが形成される。キャビティ形成プロ
セスの１例において、例示するように、エッチングプロセスは、下方のメンブレ
ン表面上、すなわち、角錐状ウェハウェル中のものとは反対のメンブレン表面上
にレジスト層４２を形成する。次いで、このレジストをパターニングしてメンブ
レン中に形成されるキャビティを規定する。この、キャビティに関する表面の選
択は、平坦な表面で、選択したリソグラフィー技術の実施を可能にする上で好ま
しいかもしれず；シリコン角錐状ウェル底部のメンブレン表面上に設けられたフ
ォトレジスト層を有効にパターニングすることは困難であり得る。しかしながら
、所定の適用に関して望ましい場合には、そのような配置に特異的なリソグラフ
技術を用いて、このような表面上にキャビティを形成することができる。本発明
はフォトリソグラフィー、電子ビームリソグラフィー、および他の適切な、キャ
ビティパターンを規定するためのリソグラフィープロセスの使用を考慮する。選
択されたリソグラフィープロセスは、キャビティのディメンションに対して適合
されていることが好ましいことが確認されている；例えば、電子ビームリソグラ
フィーはミクロン未満のディメンションを有するキャビティに関して従来的なフ
ォトリソグラフィーよりも好ましくあり得る。

【００３２】上記のように、メンブレン中に形成されるべきキャビティの側壁プロフィール
を、選択された限界開口部形状（ジオメトリー）を産生するように特徴付けるこ
とができる。キャビティを規定するリソグラフ工程ならびにキャビティエッチン
グプロセス自体の性質もまた、キャビティ側壁プロフィールを規定するように利
用され得る。１つの例のシナリオでは、選択したリソグラフキャビティパターン
を、例えば円のように連続的にし、相対的等方性エッチングプロセス（例えば、
等方性反応性イオンエッチングプロセス）を行って、図２Ｇに示すように窒化物
メンブレン３６中にボウル形状キャビティ１２を形成する。等方性反応性イオン
エッチングプロセスは、本質的に、円状フォトリソグラフパターンから伸長する
ボウル形状を形成する。

【００３３】本発明は、所望のキャビティジオメトリーを達成するための、実質的に任意の
キャビティパターンの使用を意図する。正方形、長方形、六角形または他のパタ
ーンの、対称または非対称のものが利用され得る。開口部形成方法において利用
されるリソグラフプロセスおよび他のマイクロ製作プロセスのバッチ特性に起因
して、種々の程度およびジオメトリーのキャビティのアレイが、例示したメンブ
レンのような１つの構造体中に規定され得る。本発明の開口部形成プロセスは、
リソグラフよりも構造体の薄層化（structural thinning)に依存して最終的な限
界開口部ジオメトリーを規定するので、キャビティの最大側面ディメンションは
限界開口部の所望の程度よりもかなり大きいかもしれない；一般的に、キャビテ
ィパターンの最大ディメンションは、選択した限界開口部の直径よりも２桁以上
大きいかもしれない。好ましくは、選択したキャビティエッチングプロセスの特
徴が分かれば、それに対応してキャビティの底に所望の程度を作製し、そしてキ
ャビティの底と物質表面との間にわたる一定範囲のキャビティを作製するように
キャビティパターンの程度を選択する。

【００３４】例えば、プラズマエッチング、集束反応性イオンエッチング、集束イオンビー
ムエッチング、ウェット化学エッチングまたは他の選択した技術を含む、任意の
適切なキャビティエッチングプロセスが利用され得る。どのようなエッチングプ
ロセスを選択しようとも、キャビティが形成されるメンブレンの厚みの中、また
は他の構造体中の、いくらか離れた場所の、キャビティの底の位置、すなわち、
構造体の表面間の位置で、エッチングを終止し得るようにコントロールされる。
使用する構造物質に関して十分に特性化されているエッチングプロセスについて
は、これはタイムドエッチング（timed etch）により達成され得、そうでない場
合には従来的な診断技術を従来的な様式で利用して、メンブレンや他の構造体中
の選択した位置にキャビティの底を作製する。本発明に関しては、構造体中の既
知の優先的な深さ（priori depth）に、キャビティの底を正確に配置することは
必要とされない。本発明の段階的構造体薄層化プロセスは、以下の点において特
に有利である；正確に開口部を作製するのに、キャビティの深さに対する正確な
コントロールまたは知見が必要とされない。さらに、エッチングプロセスの組み
合わせを、所定の物質または物質の複合体中でのキャビティの形成に関して必要
に応じて利用し得る。例えば、窒化ケイ素および二酸化ケイ素層から形成された
複合メンブレンの場合、プラズマエッチングのような選択されたキャビティエッ
チングの化学特性（chemistry）は、キャビティ形成のある特定の時点で、エッ
チングされる物質に基づいて、エッチングの経過にわたって調節され得る。同様
に、エッチングプロセスの組み合わせを利用し、キャビティ側壁プロフィールを
キャビティの深さの関数として変更され得る。例えば、等方性および異方性ウェ
ットエッチングの組み合わせは、窒化物またはシリコンの層またはメンブレン中
に形成されるキャビティ側壁の選択した湾曲および傾斜を作製するために利用さ
れ得る。このようなエッチングの組み合わせにより、限界開口部に配置されるべ
き凹凸または他の明確な特徴の形成が可能となる。

【００３５】図１Ｂ〜１Ｄを再び参照すると、一旦、選択されたメンブレンまたは他の構造
体中にキャビティが形成されると、限界開口部を構造体中にオープンさせるため
に適切な手段を利用してキャビティが形成されている面とは反対の構造体の表面
でこの構造体の薄層化を行う。本発明は、広範な薄層化プロセスを意図し、特定
の薄層化技術に限定されるものではない；必要とされることは、キャビティが形
成されている表面と反対の表面から構造体を刻み返し（etch back)うることのみ
である。

【００３６】多数の適応に関して、特に良く適している薄層化処理（プロセス）はイオンビ
ームスパッタリングである。このようなプロセスでは、イオンのビームは薄層化
される構造体表面に向けられて、物質を表面からスパッタリングエッチングして
取り除く。比較的低いビームエネルギーでの、典型的なイオンビームスパッタリ
ングプロセス、例えば、ｋｅＶの範囲にある場合では、平均で各入射イオンに関
して物質の１つの原子がスパッタリング標的から射出される。そのため、スパッ
タリングは原子スケールのバージョンの「サンド−ブラスト（sand-blasting）
」とみなされ得る。例えば、窒化ケイ素メンブレンの場合、このようなスパッタ
リングエッチングは、約１０^１４〜１０^１５イオン／ｃｍ^２／秒の間の入射イオ
ンフラックスに対して、１秒あたりに、メンブレンからおよそ１個の窒化ケイ素
の原子の層の除去を生じる。スパッタリングビームに曝された表面が、表面がキ
ャビティの底部と交差するほど十分に薄層化されると、限界開口部が形成される
。

【００３７】本発明は、イオンビームアシストエッチング、イオンビーム誘起エッチング、
電子ビームエッチングまたはアシストエッチング、プラズマおよび反応性イオン
エッチング、電気化学エッチングのようなウェットエッチング、化学機械的ポリ
シング、ならびに、構造体のコントロールされた薄層化を行って、薄層化が行わ
れている面の反対の表面上のキャビティと交差させる他の製作および製造プロセ
スをふくむ、広範囲のさらなる薄層化プロセスを意図する。これらの開口部形成
プロセスは、多数の適用に関して有利であり得る。ならならば、薄層化エッチン
グの間、スパッタリングイオンビームまたは反応性プラズマ環境のようなエッチ
ング種を、薄層化される構造体表面の特定の位置に集束される必要がないからで
ある。構造体表面のブランケットへの曝露は、構造体の全範囲を薄層化するため
に使用され得る。反対表面を侵襲するエッチング種からキャビティを含む構造体
表面を分離すること、すなわち遮蔽することのみが必要とされる。これにより、
特徴部形成の際に、エッチング開口および種のナノ体制でのコントロールを必要
とすることなく、ナノ体制精度が得られる。

【００３８】どのような薄層化プロセスが選択されようとも、薄層化プロセスの間にフィー
ドバックメカニズムを行うことにより非常に正確な開口部形成が達成され得るこ
とを、本発明者らは見出した。このフィードバックメカニズムは、特徴（例えば
、エッチングにより作製される開口部）の物理的ディメンションの指標となる様
式で、薄層化エッチングの間に提供される物理種の検出に基づく。このようなフ
ィードバックにより、開口部形成プロセスのリアルタイムコントロールが可能と
なるため、正確かつ予め特定した直径の開口部を高い信頼性で、そして再現性よ
く形成し得る。以下の説明において記載するように、一般的に、このフィードバ
ックメカニズムはナノメートル特徴およびナノメートル構造体の正確な侵食を可
能にすることができ、マイクロおよびナノシステムに対する広範な適用が見出さ
れる。

【００３９】本発明の開口部形成プロセスにおけるフィードバックコントロールを、より具
体的に考慮すると、スパッタリングイオンビームのようなエッチング種が構造体
を薄層化して開口部が形成された時点は、ビームからのイオンが開口部を通過す
ることができた時点である。その後は、単位時間あたりに開口部を通過するイオ
ンの数は、薄層化エッチングが続けられるに従って増大する開口部の直径と比例
する。それゆえ、開口部を通過するイオンの率および／または数のカウントによ
る検出および定量は、エッチングの間の任意の時点での開口部直径の指標である
。

【００４０】結果として、選択された直径が作製される前に開口部を通過すると予測される
イオンの率および／または数に基づいて、選択された開口部直径を特定化し得る
。薄層化エッチングプロセスの間に、新たに形成された限界開口部を通して最初
のイオンの通過が検出され、そして限界開口部のディメンションが拡大するにつ
れて開口部を通過するイオンの数がそれぞれ検出され、そして定量され得る。規
定された数のイオンが開口部を通過した時点で、コントロールシグナルがスパッ
タリングイオンビームコントローラーへと送られて所望の開口部ディメンション
の時点でエッチングプロセスを終結させる。さらに、本発明に従って、開口部が
形成される時点より前ですら、物理種の検出が行われ得る。例えば、薄層化され
る構造体を通過すると検出される、イオンビームガンにより作製されるＸ線のレ
ベルは、構造体の厚さが減少するにつれて増加すると予測され得る。同様に、開
口部のオープンの前ですら、イオンの検出は行われ得る。このことにより、開口
部の最終的な開口前ですら、プロセスのコントロールが可能となる。

【００４１】図３Ａ〜３Ｂを参照すると、このフィードバック−コントロール型スパッタリ
ングプロセスを履行するためのシステム５０が模式的に示されている。このシス
テムは、所定の適用に適したエネルギー範囲および直径を有するイオンビームを
作製し得るイオンガンのような、イオンガン５２を備えている。一般的に、約１
ｅＶから約数百ＫｅＶの間のエネルギー、および数ナノメートルから空間的に非
常にブロードなビームの間のビーム直径を使用し得る。その中でエッチング処理
を行い得るバキュームエッチングチャンバ５５が設けられている。好ましくは、
エッチングチャンバ圧は、エッチングプロセスの間は約１０^−８Ｔｏｒｒ未満の
エッチング環境圧が維持されるように、充分にコントロールされる。ターボ分子
ポンプ（turbomolecular pump）５７は、圧のコントロールおよび維持のために
設けられる。場合により、エッチング環境種のモニターおよび分析のために質量
分析計を設けることができる。

【００４２】構造体ホルダー５４は、例えば、開口部が形成される構造体１０を指示するも
のであり、例えばクリップを使用して構造体の位置を維持する。好ましくは、ホ
ルダー５４は熱伝導性であり、例えば、ホルダー上にかまたは構造体それ自体の
上に配置された熱電対を使用する、液体熱交換ループにより、構造体熱コントロ
ールを提供する。多くの適用のために、ホルダーもまた構造体の電圧変化のコン
トロールを可能とするため、および入射イオンビーム電流のモニタリングを可能
とするために電気伝導性であり得ることが好ましい。

【００４３】ホルダーは、構造体１０中の開口部が形成される位置に対応する中心開口部５
６を備える。この配置により、イオンガンから構造体１０へと向けられたイオン
のビーム５８が構造体を薄層化してその中に開口部を形成し、その後にイオンビ
ーム５８は構造体開口部とホルダー開口部との両方を通りぬける。

【００４４】図３Ｂを参照すると、電子フラッドガン(electron flood gun)５９は、電子ビ
ームをエッチング処理の間、エッチングされる構造体に向けるような配置で備え
られる。電気的に遮断されている窒化ケイ素メンブレンのような構造体に関して
は、正に荷電したイオンビーム照射に起因して、正の電気表面電荷が構造体上に
蓄積し得る。所定の適用に必要な場合には、構造体への電子ビーム照射により、
表面電荷の中和を行い得る。

【００４５】本発明に従うフィードバックメカニズムにより薄層化エッチング処理がコント
ロールされる場合、エッチングされた開口部を通過する種の流れは、以下に記載
の様式で検出され、定量されるはずである。所定の適用についてこのようなフィ
ードバックコントロールが望まれない場合、追加の装置は必要ではなく、スパッ
タリングは所定のエッチングのために選択された条件下で、従来的なスパッタリ
ングチャンバの中で行われ得る。

【００４６】本発明に従えば、所望の程度のフィードバックコントロールを与えるために種
の検出および定量システムを設けることができる。薄層化エッチングのために利
用される、選択されたスパッタリングビームイオンが電気的に荷電しているシナ
リオの場合、イオンが通りぬける構造体開口部から比較的はなれたところにある
検出器によるイオン検出を容易にするために、一旦開口部を通りぬけたイオンを
集束させるためのイオン集束光学体６０を設ける。Ｘ−Ｙ偏光光学体（optic）
およびアインツェルレンズを従来的な配置で用い、イオンの所望の集束を生じさ
せることができる。従来法では、光学体設計ソフトウェアを用いて、所定の検出
アレンジメントに関してカスタマイズされた集束配置を作ることができる。イオ
ン検出システムがホルダー開口部に対して比較的近傍に存在する配置の場合には
、このような集束配置が必要でないかもしれないことが理解される。

【００４７】集束配置は、それが利用される場合には、検出され、例えば計数（counting)
により定量される選択種に関してビームをろ過（filtering)するために、アウト
プットイオンビームをイオンエネルギー分析器６２へと向けることが好ましい。
一般的に、イオンビームスパッタリングプロセスは、例えば、スパッタリングさ
れた窒化ケイ素原子、エッチングチャンバ中に拡散しているエッチング種、およ
びイオンガンから放射されているＸ線を含む、広範な物理種および照射を含み、
および生じると予測される。非常に正確なエッチングコントロールを可能にする
ために、検出されるべき種は、生じた照射、生じたエッチング種、およびバック
グラウンド照射からろ過除去（フィルタリングアウト）されることが好ましい。
例えば、イオンビームガン、エッチングされる構造体、および下流の光学体を、
以下に記載するように静電エネルギーフィルターまたは他の適切なフィルターに
より、検出器のようなさらに下流の構成要素から隔離することにより、このよう
なバックグラウンドは最小化され得る。さらに、イオンビームガン、構造体およ
び光学体を、図３Ｂに示すように、適切な容器中に低温条件下で維持することに
より、熱の影響をコントロールし得ることが好ましい。また、このような冷却配
置は、エッチングおよびビーム検出環境を最大限清潔にし、構造体温度をコント
ロールするために有用である。イオン照射の間、上昇した温度に構造体を維持し
て物質修飾現象に影響を与えることもまた、有利であり得る。

【００４８】イオンエネルギー分析器６２または他の種特異的フィルタリングシステムの利
用は、スパッタリング軌跡の照準ラインから検出される種の再方向付けを可能に
する点で、有利である。そこで、種検出位置は、バックグラウンドおよびＸ線の
ような産生された照射によるボンバードメントからのラインから離れ、外れてい
てもよい。例えば、図３Ａ〜３Ｂに示されるように、利用する静電エネルギー分
析器は、検出されるべきイオン種の軌道を９０°屈曲させることにより、それら
の種を、他の種およびエッチングされた構造体から生じる照射から分離する。所
定のエッチング処理に望まれる検出の分解およびスピードに、バックグラウンド
ノイズ環境の低さが必要でないならば、多数の適用においてイオンエネルギー分
析器は不要である。

【００４９】静電エネルギー分析器から産出された、フィルタリングされた目的の種は、検
出器６４へと向けられる。電気的に荷電したイオン種の検出に関しては、高分解
単一イオン検出器（例えば、ＧａｌｌｉｌｅｏＥｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃｓ
ｏｆＳｔｕｒｂｒｉｄｇｅ，ＭＡ由来のＣｈａｎｎｅｌｔｒｏｎ４８６０
検出器）を利用することが好ましくあり得る。このような検出器は１つの検出イ
オンあたり、１つの電気的アウトプットパルスを生じるように配置され得る。多
くの適用において、開口部のような固体状態特徴部の作製の際のナノメートルス
ケールの正確さを可能ならしめるために、このような単一イオン検出と付随する
カウントとが好ましい。通常、スパッタリングビーム電流密度が約１０イオン／
ｎｍ^２／秒であり、一方、ナノメートル範囲の開口部のエッチングには、開口部
を通過するイオンのカウント数が約１０〜２０を超えないことが必要である。従
って、単一のイオン検出およびカウントシステム、又は同等の分解能の他のシス
テムが、特徴部作製のナノ体制制御を再現性良く履行するために好ましい。所定
の適用のために産生される特徴部がナノメートルでのディメンションの制御を必
要としないならば、より精密ではない検出メカニズムを利用し得る。

【００５０】単一のイオン検出器配置である場合、高速パルス増幅器（fast pulse amplifi
er）６６を、検出器の電気的アウトプットを修飾しイオンカウントプロセスを容
易にするために用い得る。適切なパルス予備増幅器は、従来的な方法で構築し得
るか、または適切な市販のシステム（例えば、ＶＴ１２０ＦａｓｔＰｒｅａ
ｍｐ、ＥＧ＆ＧＯｒｔｅｃｏｆＯａｋＲｉｄｇｅ，ＴＮ）を利用し得る
。１つの例示のシナリオにおいて、イオン検出器により１０ｍＶイオン検出パル
スの産生が得られるとすると、パルス増幅器６６はパルス電圧を約１Ｖまで増幅
するように配置され得る。この増幅された検出パルスは、検出されたイオンの数
の指標である電気的なシグナルを産生するために、例えば、ＨｅｗｌｅｔｔＰ
ａｃｋａｒｄによるＨＦ５３１３１Ａのようなユニバーサルカウンターのような
カウントシステムへと向けられる。検出パルスの増幅は、所定のパルスカウンタ
ー配置には必要ではないかもしれず、そしてパルス増幅が行われる場合にはカウ
ントシステムからの要求に基づいてコントロールされることが好ましいことが認
識される。

【００５１】パルスカウンター６８の電気的アウトプットは、例えば、オペレーターが薄層
化エッチングプロセスをリアルタイムでモニターし、そしてイオンガンコントロ
ールシグナルを生じさせるために、モニターおよびコントロールソフトウェアを
履行するコントローラー７０へと向けられている。１つの例では、コントローラ
ーはソフトウエア、例えば、国立ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓｏｆＡｕｓｔｉｎ
ＴＸからのＬａｂｖｉｅｗ、を用いて実行される。どのようなコントローラー
器具が選択されようとも、イオンフィードバックに基づいてイオンビームコント
ロールシグナルが提供されるのが好ましい。例えば、コントローラーを実行する
ことにより、特定の時間インターバルの間、構造体のイオンビームスパッタリン
グが開始され、そして特定の時間インターバルの間に検出器が受け取ったイオン
の数を計測するようにカウンターが構成される。このインターバルの終わりに、
カウントされたイオンの数がコントローラーにより決定され、この時点での開口
の程度がイオンカウントおよび既知のイオンフラックスに基づいて算出され得る
。次いで、コントローラーにより、インターバルの間にカウントしたイオンの数
を利用して、イオンビームスパッタリングのさらなるインターバルを開始して構
造体のエッチングを続けるべきかどうかを決定する。

【００５２】１つの有利な配置では、モニター、メモリおよび関連したインプット／アウト
プットならびにプリントシステムを備えたコンピューターシステムが、エッチン
グ処理の進行の視覚的なモニタリングおよび記録を可能にするために設けられて
いる。多様な適用には、経時的なイオンカウント率および開口部の程度のディス
プレイ、ならびにカウント率および他の系の値の格納が好ましいだろう。

【００５３】コントローラー７０のアウトプットを、スパッタリングエッチング自体をコン
トロールするためにイオンガンコントロールシステム７２に向ける。１つの例の
実施において、所望の開口部ディメンションが作製された時点で、イオンガンの
Ｘ−Ｙ偏光プレートをイオンビームが構造体１０から離れるように偏光させるよ
うにコントロールすることにより、イオンガンフィードバックコントロールがも
たらされる。これは、ビーム偏光時の速度が迅速（典型的にはミリ秒未満）であ
ることから、好ましいコントロール技術であり得る。しかしながら、代わりのビ
ームコントロールメカニズムも利用得ることが認識される。例えば、静電グリッ
ドをガンと構造体ホルダーとの間に配置できる。このシナリオでは、グリッドは
イオンビーム終結コントロールシグナルに応答して電圧を加えられてビームをイ
オンガンのほうへと反射し戻させる。さらなる技術では、イオンビームの産生を
終結させるために、イオンガンの加速電子衝撃電圧はイオンビーム終結コントロ
ールシグナルに応答して制御され得る。これらの技術は、所望の開口部ディメン
ションが作製された後に全てのスパッタリングを抑制し、これにより起こりうる
サンプル汚染が排除され得るという点で有利である。

【００５４】スパッタリングシステムおよびフィードバック／コントロールハードウェア配
置を適所に有することにより、所定のイオンビーム種、構造体物質および作製さ
れるべき開口部ジオメトリーに関するフィードバック較正曲線を作製することが
できる。このような較正曲線は、イオンカウント数および／または率と、限界開
口部ディメンションとの関係の明確化を可能とし、具体的な構造体の材料、厚さ
に関して、測定されたカウント数／時間と実際の限界開口部ディメンションとの
関係を経験的に特定化するために確立することができる。

【００５５】多数の配置に関して、限界開口部ディメンションとイオンカウントとの間の相
関関係が概ね線形であることがわかった。この、および他の一般的に推定可能な
相関関係の故に、数個の測定値に基づいて外挿較正曲線を作製することができる
。このような各測定値を得るために、規定時間の間薄層化エッチングを行い、そ
の間にイオン計数を行い、かつ期間の最後に開口部のディメンションを、例えば
、透過型電子顕微鏡により物理的に測定する。エッチングからエッチングごとに
開口部が大きくなる間に、ただ１つの開口部について複数回のエッチング期間お
よびディメンション測定を行うことができる。次いで、イオンカウントおよび開
口部測定に基づいて較正曲線を作製し、より低いおよび高いイオンカウントに対
し外挿し得る。そのような較正曲線が手に入れば、所望の開口部ディメンション
に対応する規定イオンカウントが達成された時点でフィードバック配置のコント
ローラーシステムが、コントロールしているエッチング終結シグナルをイオンガ
ンのほうへ向けるようにプログラムし得る。

【００５６】エッチング環境温度および圧、エッチングされる構造体の物理的ストレスおよ
び温度、ならびに特徴ディメンションおよび構造側面が、検出されるイオンカウ
ント率および物理的特徴ディメンションとの相関関係に影響を与え得ることが認
識される。例えば、窒化ケイ素メンブレンに残留する機械的な歪みは、そのエッ
チング特性に強い影響を与え得る。同様に、形成されるべきアレイ中の開口部の
密度、開口部相互の近接さ、および他の側面はエッチング特性に強い影響を与え
得る。従って、エッチング特性に強い影響を与え得る種々の物理的およびエッチ
ング環境のパラメーターについて考慮して、較正曲線を作製することが好ましい
ことが認識される。

【００５７】実施例１一方の表面にキャビティが形成されている５０ｎｍ厚の窒化ケイ素メンブレン
を、図２Ａ〜Ｇに概説したプロセスにより作製した。窒化ケイ素を低圧化学蒸着
によりデポジットした。反応性イオンエッチング法によりキャビティボウルをメ
ンブレン中にエッチングした。図４Ａは、メンブレン中に形成されたキャビティ
の電子顕微鏡写真である。

【００５８】キャビティを備える側とは反対側のメンブレン表面をアルゴンイオンビームエ
ッチング（約３ＫｅＶのエネルギーおよび約３Ａｒ^＋秒／ｎｍ^２のフラックス）
に曝露した。イオンビーム直径は約２００μｍであり、エッチングの間のメンブ
レン温度は約−１２０℃に維持した。５秒間のインターバル毎に１秒間、イオン
ビームをメンブレンに照射した。エッチング処理の間、イオン検出およびカウン
トを行った。

【００５９】図４Ｂは、メンブレン薄層化により形成された１０ｎｍの限界開口部を有する
メンブレンキャビティの電子顕微鏡写真である。図４Ｃは、スパッタリング時間
の関数としてのアルゴンイオンカウント／秒のプロットである。このプロットに
は、イオンビームがメンブレンに向けられた時間が含まれているが、ビームがメ
ンブレンから離れるように偏光された時間は含まれていない。プロットにより示
されるように、カウントしたイオンの数／秒は、限界開口部がオープンする２５
秒目の時点までは実質的に０である。次いで、限界開口部の直径が増加するにつ
れて、イオンカウントが対応して上昇する。これにより、開口部形成プロセスの
コントロールが可能となる。

【００６０】この実施例において、一旦オープンした開口部を通過する、電気的に荷電した
イオンの検出およびカウントにより、開口部の正確かつコントロールされたエッ
チングが可能となった。ここで、エッチャントとしてはたらく種は、また、検出
される種としてもまた働く。本発明に従うと、この、イオンビームが２役をする
ことは一般には要求されない。本発明により提供される別のシナリオでは、エッ
チャント種は検出種とは異なって選択され、作用する。多数の適用に関して、こ
のようにエッチャントと検出種とを切り離すことにより、エッチャントと検出種
の両方に関してより広範囲の種を候補とすることができる点で有利であり得る。

【００６１】原子ビームエッチング種を考慮すると、ビームが電気的に荷電しているのでは
なく、電気的に中性であるならば、原子の検出は困難であり得る。この場合、電
子ビームのような、異なる非エッチングの検出種は、予め指定した開口部直径の
形成をコントロールするために、有利に利用され得る。エッチングされる構造物
が衝突スパッタリングビームにより電気的に荷電するために電気的に中性のビー
ムの使用が正当とされる場合は、このようなシナリオが好ましくあり得る。多数
の適用に関して、ビームの湾曲、フィルタリング、ならびに従来的な技術を用い
た検出およびカウントを容易とするために、電気的に荷電した検出種を利用する
ことが好ましくあり得る。しかしながら、所定の適用に関して最適であるような
場合には、電気的に中性の検出種が利用され得る。例えば、電気的に中性の通過
原子のレーザー蛍光を、コントロール機能（function)を検出しカウントするた
めに利用することができる。

【００６２】別個の検出種が用いられる場合、その検出種は何らかの方法で作製されている
特徴部に向けられ、特徴部近辺でのその動きが、特徴部の直径の変化の指標とな
るものであることが好ましい。これにより、特徴の直径における変化の指標とな
る様式での種の検出が可能となる。例えば、メンブレン開口部の形成の場合、一
旦形成されたメンブレン開口部を電子が通過するようにメンブレンビームをメン
ブレンへと方向付けることにより、上記のイオンカウントの様式での電子のカウ
ントが可能となる。本発明は、単一の検出種の使用を必要としない。１つより多
くの検出種を利用することができる。例えば、イオンガンにより産生されたＸ線
をモニターしながら、構造物を薄層化してさらなる開口部形成事象の時間を推定
し、示す。そのあとに、イオン、電子、または他の種を利用して開口部直径の変
化をモニターすることができる。所定の適用に適合させた中性の種および他の種
を同時に、一緒に用いて正確な検出およびフィードバックメカニズムを提供する
ことができる。

【００６３】さらに、本発明は、作製される特徴部の平面に対して、検出種が垂直に向けら
れることを必要としない。例えば、物質により作製される電子ビーム回折検出お
よび回折パターンは、フィードバックメカニズムとして利用され得る。例えば、
上部層中の特徴が、上部層が除去され下部層または基板が露出することで形成さ
れるような場合、下部層に特徴的な電子ビーム回折パターンの検出がフィードバ
ックメカニズムとして利用され得る。ここで、電子ビームは、物質に伴って照角
を作る。同様に、例えば、開口部の形成の場合には、開口部周囲の変化の指標で
ある回折リングにより、回折が開口部直径の関数として検出され得る。ここで、
回折フィードバックメカニズムは開口部を通る弾道として生じるのではなく、開
口部周囲で生じる。

【００６４】さらなる例では、開口部の形成の際に薄層化される上部構造体表面に対して電
子ビームが平行に向けられ、それにより表面物質の除去（withdrawal）は表面に
対して平行な方向での電子カウントの上昇により示される。

【００６５】本発明は、代替的な検出種を意図する。例えば、一旦特徴を通過すると、電気
的にメタ安定な状態のようなメタ安定状態にある原子を、形成されている特徴へ
と方向付けられ、特徴部を一度過ぎると検出されうる。このようなメタ安定な原
子（例えば、励起状態のヘリウムまたはアルゴン）は電気的には中性であり、固
体表面を撃つまでは崩壊せず、その時点で電子が遊離され、検出されそしてカウ
ントされ得る。どのような検出種が選択されようとも、産生される特徴部の所望
の制御次元スケールと同一程度の時間スケールで検出され、カウントされること
が好ましい。例えば、ナノメートルの特徴部次元が重要である場合、マイクロ秒
での検出およびカウントプロセスが、フィードバックメカニズムでの高感度およ
び高分解能を可能にするために好ましい。マイクロ−およびマクロスケールでの
特徴部の制御に関する検出種には、さほど厳格ではない感度および分解能への必
要性が求められている。

【００６６】本発明は、広範な製作プロセスにおいてのフィードバックコントロールに対す
る物理種検出およひカウントの適用を意図する。従来、オープンループ様式で、
すなわち、フィードバックコントロール無しで行われてきた多数の製作プロセス
が、本発明により提供される非常に感度が高く、かつ正確なフィードバックメカ
ニズムを組み込むことで、ナノスケールでのディメンション特徴コントロールが
可能なように適合される。例えば、上記の開口部形成プロセスでは、スパッタリ
ングエッチングよりもプラズマ中の反応性イオンエッチングが、限界開口部の形
成の際に構造体表面を薄層化するために利用され得る。このようなプラズマエッ
チングプロセスにおいて、キャビティを備える構造体表面は、適切な固定物によ
りプラズマ環境から分離される。構造体の対向表面はプラズマ環境に完全に、曝
露される。プラズマエッチングが進行して構造体を薄層化し、最終的に限界開口
部を生じ、開口部が成長するに伴い、例えば、構造体から分離された側に配置さ
れているチャネルトロン（channeltron）により開口部を横切るイオンが検出さ
れる。したがって、上記のイオンスパッタリングエッチングの様式では、フィー
ドバックコントロールは開口部を横切るプラズマイオンの検出およびカウントに
基づいてプラズマエッチングプロセスに附加（impose)され得る。

【００６７】本発明により意図されるさらなる例示のプロセスでは、物理的検出およびフィ
ードバックコントロールは、特徴を産生するために利用されるウェットエッチン
グプロセスに附加され得る。例えば、構造体中に開口部を形成する際に、構造体
中に形成されるキャビティの近傍に電極が設けられ得る。ここで、キャビティの
反対側の構造体表面は、ウェットエッチング環境、例えば、電気化学的な環境に
曝露されており、キャビティを備える構造体表面はエッチング環境からは隔離さ
れている。ウェットエッチングが進行して構造体が薄層化され、開口部がオープ
ンするにつれて、開口部を横切る液体中のイオンが、キャビティ側の電極部位で
検出され、カウントされ得る。これにより、所望の開口部ディメンションが達成
された時点で、エッチングの電気刺激を終結させるためのフィードバックコント
ロールが可能となる。

【００６８】本発明は、広範な構造体の固体状態の特徴の製作を可能にするための物理種検
出およびフィードバックプロセスコントロールの履行を意図する。フィードバッ
クメカニズムは、上記の開口部形成プロセスに限定されない。上に説明したよう
に、本発明のフィードバックメカニズムを用いる正確かつコントロール可能な様
式で、広範な任意のプロセスにより、開口部、スリット、トレンチ、ホールまた
は２つの特徴部のエッジ間のギャップが、正確に形成され得る。

【００６９】例えば、メンブレンの一方の表面から他方の表面へと、ホールがメンブレンの
厚みを直接通過して形成される場合の集束イオンビームまたはプラズマエッチン
グ技術を利用するメンブレン開口部形成プロセスでは、形成をコントロールしモ
ニターするためにフィードバックが利用され得る。同様に、本発明は、メンブレ
ンの一方の表面にキャビティを形成し、次いでキャビティを備えるメンブレン表
面を、例えば、イオンスパッタリングエッチングに曝す、メンブレン開口部形成
プロセスを意図する。キャビティ底部と反対表面との間のメンブレンの厚みは他
のメンブレン領域よりもかなり薄いので、このようなエッチングにより、メンブ
レンの他の領域が完全にエッチングされて取り除かれる前にキャビティの底部に
限界開口部がオープンする。本発明のフィードバックメカニズムはこのプロセス
の正確なコントロールおよびモニタリングを可能とする。

【００７０】実施例２約５０ｎｍの厚さの窒化ケイ素メンブレンを、図２Ａ〜２Ｅの様式で作製した
。反応性イオンエッチングにより、メンブレンの厚み全体を通過する開口部が形
成された。これは、３７ｎｍの幅の開口部を生じた。この電子顕微鏡写真を図５
Ａに示す。次いで、メンブレンおよび開口部を、約１．７Ａｒ^＋／ｎｍ^２／秒の
フラックスおよび約３ＫｅＶのエネルギーでアルゴンイオンビームに曝露させた
。５秒間のインターバル毎に１秒間スパッタリングするため、イオンビームを、
メンブレンに向け、そして反らした。イオンビーム曝露の間、メンブレンを約−
１０２℃の温度に維持した。

【００７１】図５Ｂは、１８０秒のスパッタリングで生じた５８ｎｍ幅の開口部の電子顕微
鏡写真である。図５Ｃは、カウントしたイオン／秒の、時間の関数としてのプロ
ットである。時間の関数としてのイオンカウント間には、ほぼ線形の相関関係が
示されている。

【００７２】本発明は、フィードバックによりコントロールされるプロセスが実施例２の場
合のように減法的（差引き）プロセスであることを要求しない。本発明のフィー
ドバックプロセスにより、付加的なプロセスもまたコントロールされ得る。例え
ば、所定のディメンションの開口部、トレンチ、またはホールは、適切なプロセ
スにより小さくされ、狭くされ得、この間に減少化プロセスをコントロールする
ために本発明の物理種検出およびフィードバックプロセスコントロールを行う。

【００７３】焼結、加熱、物質デポジット、物質成長および他の適切なプロセスが、本発明
のフィードバックメカニズムによりコントロール可能であると意図される。同様
に、酸化、膨張、以下に詳細に記載する物質のフローおよび輸送、圧縮、エバポ
レーション、エレクトロポレーション、イオン−または電子アシストデポジッシ
ョンまたは成長、ならびに他のこのような付加的なプロセスが、本発明にしたが
ってコントロールされ得る。コントロールされるプロセスに必要なただ１つの条
件は、付加的か減法的かにかかわらず、そのプロセスが、変化する特徴ディメン
ションの指標として種の検出を可能とする様式で、処理される構造体特徴の近傍
への何らかの検出種の導入に適応することである。上に説明したように、特徴部
は、メンブレン中、レイヤー（層）中、又は支持構造体上に提供されるレイヤ−
、又は構造体自体（例えば、シリコンウェハ）に作製され得る。コントロールさ
れるプロセスが、本質的に付加的かまたは減法的かにかかわらず、本発明のコン
トロールプロセスの利点は、ナノメートル規模での特徴ディメンションおよびデ
ィメンション公差を形成する際に、最も完全に活用され認識されるだろう。

【００７４】この可能性は、ナノメートルの特徴のフィールドを作製するために、例えば、
リソグラフマスクプレートの形成の際に、特に有利であり得る。ここで、例えば
、開始メンブレンを、付加的または減法的なプロセスにより、選択されたジオメ
トリーでプロセッシングして最終的にワイヤ、パッド、および他のマスクプレー
ト幾何学体を形成することができる。このことにより、効率良くそして有効なプ
ロセスでマスクプレート特徴の正確な形成が可能となる。

【００７５】本発明の別の局面において、本明細書中において本発明者らは、固体状態物質
中でナノスケールの特徴のディメンションをうまく操作するために、イオンビー
ムと固体との間の相互作用の状態をコントロールし得ることを見出した。これら
のコントロールされたイオンビーム相互作用技術により、固体状態物質のトポロ
ジーを、必ずしも取り除かずに、調節することができる。具体的には、本発明に
より提供される選択されたプロセス条件下での、局所的に付加的または減法的で
ある原子輸送メカニズムにより、特徴のエッジ位置が正確かつコントロール可能
に作製され、および／または修飾され得るように、固体状態物質を変換し得る。

【００７６】図６Ａ〜６Ｃを参照すると、このイオンビーム特徴コントロールの最初の例で
は、構造体１０中の限界開口部２４は、第１の直径Ｄ_１から、より小さい直径で
あるＤ_２またはＤ_３へと調節される。開始開口部は、例えば、上記または図１Ａ
〜１Ｄおよび図２Ａ〜２Ｇに示される方法による任意の適切な様式で、例えば、
メンブレン、層、基板または他の構造体中に、選択された構造で形成される。次
いで、限界開口部が形成された構造体表面１８を、例えば、上記および図３Ａ〜
３Ｂに示されたシステムを利用するイオンビーム照射に曝露する。

【００７７】図６Ｃに最も劇的に示されるように、選択されたイオンビーム照射条件に関し
て、本発明者らは、照射に曝露された限界開口部２４の周辺または境界に物質が
付加し、限界開口部の直径の減少が生じるという予想し得ない結果を見出した。
開口部のリムへの物質の付加へとつながる構造体温度、イオンフラックス速度お
よびイオンエネルギー条件を実施することにより、この状態は予想可能かつ正確
に行うことができる。一般的に、イオンビーム照射がスパッタリング／物質除去
プロセスであるとみなされると仮定すると、原子的スパッタリング侵食の存在下
でさえ、この物質の動き及び付加的状態が有効に進行し、特徴部の物理的ディメ
ンションの変化が起ることは予測され得ない。

【００７８】実施例３窒化ケイ素メンブレン（約５００ｎｍの厚さ）を、図２Ａ〜２Ｅに概説したプ
ロセスの様式で産生した。反応性イオンエッチングにより、メンブレンの厚さ全
体にわたって開口部を形成した。図７Ａは、エッチングから生じた９５ｎｍ幅の
開口部の電子顕微鏡写真である。

【００７９】次いで、メンブレンおよびその開口部を３ＫｅＶのエネルギーおよび約４７Ａ
ｒ^＋／秒／ｎｍ^２のフラックス曝露でアルゴンイオンビームフラックスに曝露し
た。イオンフラックスの間、メンブレンを約２０℃の温度に維持した。イオンビ
ームを１秒の時間インターバル毎に２５０ｍｓの間、メンブレンへと向けた。

【００８０】図７Ｂは、アルゴンイオンビームへ曝露して開口部直径を約３ｎｍまで減少さ
せた後のメンブレンの電子顕微鏡写真である。図７Ｃは、カウントしたアルゴン
イオン／秒の、時間の関数としてのプロットである。このプロセスの中間点では
、ほぼ線形のカウント速度が示されている。

【００８１】理論的に拘束されるわけではないが、本発明者らは、本明細書中において、イ
オン照射を行った開口部リムで物質の構築を生じさせるイオンビームの能力の根
底にあるメカニズムは、以下に関連するかもしれないと理解している：構造体の
バルクを介しての原子輸送；構造体の粘性におけるイオン誘起性変化、電気的な
表面荷電、機械的ストレス産生、および横方向への膨張；ならびに／あるいは構
造体表面上での可動性の吸着されたイオン種の、非誘起型表面原子励起または過
飽和により生じる原子的表面輸送。十分に低いイオンエネルギーでは、イオン透
過の深さは構造体の厚みよりも浅く、これにより表面輸送プロセスの支配が生じ
る。本発明は、特定の物質転換メカニズムを必要としないが、予想可能な物質転
換結果を強要する特徴的なプロセスコントロールパラメーターを提供する。

【００８２】コントロールされるプロセスパラメーターを考慮すると、イオンビーム照射に
曝露される構造体の温度が物質運動を強要する能力および物質が動く速度に直接
、強い影響を与えることが見出された。特定の構造体物質に関しては、構造体の
物質が運動することが見出される温度を超える特徴的な温度が存在し、ここでは
特徴のディメンションにおける調節または変化が生じ、その温度未満では、代わ
りに、物質はスパッタリングにより構造体から取り除かれる。したがって、所定
のイオンビームエネルギーおよびフラックス条件に関しては、物質除去とディメ
ンション特徴調節との間のコントロールは、構造温度コントロールにより行われ
る。

【００８３】実施例４図８のグラフを参照すると、図３Ａに類似のイオンスパッタリングシステムに
より検出した、５００ｎｍ厚の窒化ケイ素ケイ素メンブレン（５００ｎｍ厚）に
ついてのイオンカウント／秒を時間の関数としてプロットしている。ここでは、
最初に約７２ｎｍ長の正方形の開口部を作製した。図２Ａ〜２Ｆに示すプロセス
に基づいてメンブレンを作製し、メンブレンに方向付けた集束イオンビームによ
り開口部を作製し、完全にメンブレンを通過して伸びている開口部を形成した。
グラフの各領域は、メンブレンがアルゴンイオンビームによるボンバードメント
の間に維持される時点での温度を示す。ビームフラックスは１４Ａｒ^＋／秒／ｎ
ｍ^２であり、そしてビームエネルギーは３ＫｅＶであった。メンブレンへと向け
られるイオンビームのオン／オフデューティサイクルは、１秒のインターバル毎
に２００ｍ秒の間、ビームはメンブレンへと向けられるようなものであった。

【００８４】時間の関数としての、イオンカウント／秒の増加は開口部ディメンション（寸
法）の増加を示し、一方で、イオンカウント／秒の減少は開口部ディメンション
の減少を示す。プロットしたデータは、イオンビーム照射のもとで、メンブレン
温度が約５℃を超えて上昇するにつれて、開口部収縮速度が増加したことをはっ
きりと示す。対照的に、約４℃未満のメンブレン温度では、開口部ディメンショ
ンは減少というよりも増加する。約０℃から約−１０℃の間のメンブレン温度で
は、開口部ディメンションが減少する速度において、評価できる温度依存性は示
されない。

【００８５】この実験データでは、窒化ケイ素メンブレンに関しては２つの異なる温度体制
が存在する；約５℃以上の第１の温度体制では、イオンビーム照射により物質の
運動および特徴の付加が強制され、約４℃以下の第２の温度体制では、イオンビ
ーム照射による物質のスパッタリングおよび除去が強制され、両方の体制は所定
のイオンビーム種、フラックスおよびエネルギー条件に対するものである。この
窒化ケイ素メンブレンに関する分析は、それ以上の温度では目的の物質を動かし
、特徴部を増加させ得る温度を決定するための、本発明により意図される経験則
的な分析の例である。この移行温度は物質から物質で、非常に広範に変化し得る
ことが認識される。

【００８６】また、プロットしたデータは、物質の運動および付加を強要する体制内では、
特徴トポロジーを変更する際の物質移行の速度が温度依存性であることを示して
いる。比較的高い温度では、移行プロセスは、比較低い温度での場合よりも迅速
に進行する。この温度依存性輸送速度に対する知見により、正確なプロセスのコ
ントロールおよび特徴付けが可能となる。

【００８７】実施例５５個の窒化ケイ素メンブレン（約５００ｎｍ）を、図２Ａ〜Ｅに概説したプロ
セスの様式で作製した。集束イオンビームエッチングによりそれぞれ約１４００
ｎｍ^２の面積の開口部をメンブレンに作製した。次いで、メンブレンを、約３Ｋ
ｅＶのエネルギーで、種々の総用量に関して５個のイオンビームフラックスで、
アルゴンイオンビームに曝露した。イオンビーム曝露の間、各メンブレンは約２
２℃の温度で維持した。各イオンビーム曝露をコントロールして２００ｍ秒の間
、１秒インターバル毎にスパッタリングした。

【００８８】図９Ａ〜９Ｂのグラフを参照すると、開口部の面積（ｎｍ^２）を、総アルゴン
イオンビーム用量（イオン／ｎｍ^２）の関数として、５個の異なるアルゴンイオ
ンビームフラックスに関してプロットしており、開口部面積は、それぞれ、アル
ゴンビームフラックスの関数として、用量毎に減少する。プロットしたデータか
らは、総アルゴンイオンビーム用量の関数として、高い入射フラックスに比して
、低い入射フラックスでは開口部はより迅速に収縮する。言換えると、フラック
スが低ければ低いほど、開口部を収縮するために必要とされる用量が低下する。
この、強い非線型性は、イオンビーム照射により生じた物質質量輸送の量／入射
イオンが、高い入射フラックスでは抑制されることである。この特徴付けにより
、選択した質量輸送速度での操作が可能となる。上に提供した温度依存性分析に
類似する様式で、本発明は、物質運動の正確なコントロールを可能にするために
、選択した物質に関するフラックス依存性の経験則的な分析を意図するものであ
る。

【００８９】実施例６５０ｎｍ厚の窒化ケイ素の層を、低圧化学蒸着によりシリコンウェハ上にデポ
ジットした。窒化ケイ素層を、電子ビームリソグラフィーによりパターニング（
形どり）し、窒化ケイ素層の厚さ全体にわたり約５０ｎｍ幅のトレンチを作製し
た。したがって、各々のトレンチの底には下にあるシリコン表面が露出した。図
１０Ａは、シリコンウェハ上の、トレンチをつけた窒化ケイ素層の走査型電子顕
微鏡写真である。

【００９０】トレンチをつけた窒化ケイ素層を、約３ＫｅＶのエネルギーおよび約２０Ａｒ ^＋／ｎｍ^２／秒のフラックスで、アルゴンイオンビームに曝露した。イオンビー
ムは、２秒間のインターバル毎に０．５秒間スパッタリングした。イオンビーム
曝露の間、シリコンウェハを約２０℃の温度で維持した。図１０Ｂは、約２００
秒のスパッタリングの後の、トレンチをつけた窒化ケイ素層の走査型電子顕微鏡
写真である。窒化ケイ素物質がトレンチのほうへと移動し、それによりトレンチ
が部分的にフルインされていることに留意すること。このことは、ここで利用し
ているプロセス条件に関して、物質が窒化ケイ素層からトレンチへと輸送されて
いることを示す。

【００９１】すぐ上に記載したものと同様に、第２のトレンチをつけた窒化ケイ素層（５０
ｎｍ厚）を、約３ＫｅＶのエネルギーおよび約３０Ａｒ^＋／ｎｍ^２／秒のフラッ
クスで、アルゴンイオンビームに曝露した。イオンビームは、２秒間のインター
バル毎に１秒間スパッタリングし、総スパッタリング時間は約３００秒であった
。イオンビーム曝露の間、シリコンウェハを約１００℃の温度で維持した。図１
０Ｃは、トレンチをつけた窒化ケイ素層の走査型電子顕微鏡写真である。ここで
、トレンチのエッジが丸くなっていることにより示されるように、トレンチの上
部の窒化ケイ素物質はエッチングされて取り除かれているが、トレンチの底は全
くフルインされていない。

【００９２】この実施例は、所定の適用に対して所望どおりにスパッタリングすることによ
り物質輸送および特徴調節または物質除去を予測可能に作製するために強制され
得る温度コントロールを実証する。

【００９３】本発明により提供されるさらなる物質輸送コントロールメカニズムに戻ると、
イオンビームのエネルギーが物質輸送の性質に衝撃を与え得ることが理解される
。具体的には、所定の構造物質および温度、所定のイオンビーム電流密度、およ
び所定のイオンビーム曝露の時間構造に関して、以下に記載するように、それ以
上では上記のように物質輸送が効率良く誘発され、それ以下では従来的な様式で
スパッタリングが起る、イオンビームエネルギーが存在する。この２つの異なる
操作体制の間の連結部は、所定の物質およびイオンビーム曝露システムに対して
経験則的に決定され得、物質輸送プロセスの正確な実施を可能にする、および不
可能にする、ための重要なコントロール技術として利用され得る。

【００９４】本発明にしたがって、さらに、イオンフラックス曝露の時間構造、すなわち、
インターバルの順序（ここで、イオンビームは、物質との相互作用を可能とする
ためにコントロールされ、次いで物質と相互作用しないためにコントロールされ
る）が、物質輸送の性質およびディメンションの特徴の変化に強く影響を与える
ことが見出されている。具体的には、イオンフラックスに対するオン／オフデュ
ーティサイクルの要求は、物質運動および対応するディメンションの特徴の変化
を引き起こす能力に強い影響を与えることが見出されている。

【００９５】実施例７窒化ケイ素メンブレン（５００ｎｍ）を、図２Ａ〜Ｅに概説したプロセスの様
式で作製した。集束イオンビームエッチングによりメンブレンの厚さ全体にわた
り開口部（９５ｎｍ幅）を形成した。次いで、メンブレンおよび開口部を、約３
ＫｅＶのエネルギーおよび約１４Ａｒ^＋／ｎｍ^２／秒のフラックスで、アルゴン
イオンビームに曝露した。イオンビーム曝露の間、メンブレンを約１６℃の温度
で維持した。曝露の間、イオンビームをメンブレンへと向ける時間の量を変化さ
せた。６個の異なる時間構造を利用した：１秒間のインターバル毎に１００ｍ秒
のオン；１秒間のインターバル毎に２００ｍ秒のオン；１秒間のインターバル毎
に４００ｍ秒のオン；１秒間のインターバル毎に６００ｍ秒のオン；２秒間のイ
ンターバル毎に６００ｍ秒のオン；および、４秒間のインターバル毎に６００ｍ
秒のオン。イオンビーム曝露の間、イオン検出およびカウントは、種々のイオン
ビーム曝露サイクルに応答する開口部の減少および拡大の指標として行った。

【００９６】図１１は、スパッタリング時間の関数としての、アルゴンイオンカウント／秒
のプロットである。４００ｍ秒／１秒のインターバルおよび６００ｍ秒／１秒の
インターバルの時間構造が開口部直径を増大させ、他方、全ての他の時間構造は
開口部直径を減少させたことをプロットは示す。このことは、およそ室温では、
物質輸送プロセスとスパッタリングプロセスとの間のコントロールが、イオンビ
ーム曝露時間構造のコントロールにより達成され得ることを実証する。

【００９７】イオン照射質量輸送に対してフィードバックコントロールを強制するための本
発明のイオン検出およびカウントメカニズムは、正確な特徴形成のための多数の
適用に対して有利であるが、本発明により要求されるわけではない。一旦、質量
輸送プロセスの特性が与えられると、非常に微細な特徴コントロールを必要とし
ないプロセスについては、システムのフィードバックコントロールが要求されな
くとも良い。必要とされることは、局所的な物質付加または減法によって物質の
構造特徴の直径を調節するために、質量輸送のようなプロセスが強制される条件
下で、物質をイオンビームに曝露することのみである。

【００９８】この、本発明により提供される構造的物質調節プロセスは、広範な構造的特徴
（一般的には、ホール、スリット、開口部、およびギャップおよびトレンチの中
を含む）、ならびに明確な特徴であるリムまたは壁が存在し、調節され得るよう
な特徴に適用され得る。さらに、ヒルロック（hillock）および凹凸のような突
出している特徴の製作のために適用され得る。

【００９９】このような製作技術の１つの例では、イオンフラックスおよび用量、ならびに
メンブレンの温度は、イオンビームフラックスへの曝露によりメンブレン上に突
出を生じるように選択される。一方のメンブレン表面は、選択された条件下でイ
オンビームフラックスへと曝露される。これにより、イオンフラックスへと曝露
された側と反対のメンブレン表面上に、突出の形成が生じる。

【０１００】実施例８窒化ケイ素メンブレン（約５００ｎｍ厚）を、図２に概説した製作順の後、Ｌ
ＰＣＶＤプロセスにより作製した。メンブレンを、約５０ＫｅＶのエネルギーお
よび約４ナノクーロン／μｍ^２のフラックスで、ガリウムイオンビームに曝露さ
せた。メンブレン上に５個の異なる分離している領域（すなわち、０．１２μｍ ^２、０．１４μｍ^２、０．１６μｍ^２、０．１８μｍ^２および０．２０μｍ^２）
を規定した。

【０１０１】図１２は、ガリウムイオンビームに曝された側と反対の窒化物メンブレン表面
の原子間力顕微鏡写真である。この画像では、輝度のレベルがトポロジーに対応
する；画像中の領域が明るいければ明るいほど、領域のトポロジーが「高い」（
すなわち、より隆起している）。画像中に示されているように、０．１６μｍ^２、０．１８μｍ^２および０．２０μｍ^２のメンブレン領域は両方とも、ならびに
０．１４μｍ^２メンブレン領域の一方のみが、イオンビーム曝露によりオープン
していた。すなわち、領域中へのイオンビーム曝露から、メンブレンの厚みを通
って開口部が生じた。他方の０．１４μｍ^２メンブレン領域および０．１２μｍ ^２メンブレン領域は、イオンビーム曝露によりオープンしなかったが、代わりに
、イオンビームに曝された側と反対のメンブレン表面に形成された丘状の突出を
示した。本実施例は、用量をコントロールすることにより構造体の表面に突出を
生じる様式で質量輸送を起こし得ることを実証している。本実施例は、イオンビ
ーム種が特徴部の形成および調節の性質に強い影響を与え得ることをさらに実証
している；本実施例では、ガリウムイオンは先の実施例で利用されるアルゴンイ
オンに対抗するものとして利用した。本発明によると、特徴形成プロセッシング
の局面をコントロールするためにイオン種を選択し得ることが理解される。同様
に、本発明によると、物質とのイオン相互作用の間に存在する周囲気体種を、相
互作用の性質をコントロールするために選択し得ることが理解される。

【０１０２】本発明のプロセスにより形成された、および／または本発明のプロセスにより
調節されたもしくは変化したディメンションを有する特徴部は、構造体の表面上
、支持構造体上に設けられている層の中、もしくは自立構造であるメンブレンの
中、またはイオンビームにより照射され得る他方の表面に提供され得る。複合物
質構造体も処理され得る。ディメンション調節を行う、出発構造体を製造するた
めに利用される製作順に制限はない。

【０１０３】この議論では、本発明の固体状態の特徴部形成およびディメンションの制御法
の広範な適用を強調している。分子検出技術、マイクロファブリケーションマス
ク形成ならびに電気デバイス電極形成および調節は、多くの応用（適用）の内の
ほんの数種である。本発明の減法的および付加的な物質プロセッシング技術は、
本発明の物理種検出およびフィードバックコントロールと組み合わせて、再現性
がよく、そして非常に正確な特徴部形成を可能とする。この正確さおよびコント
ロールの利点は、ナノメートルの特徴ディメンションおよびディメンション公差
に適用した場合に最も明らかとなる。当然のことながら、当業者であれば、当該
分野における本発明の寄与の精神および範囲から逸脱することなく本発明のプロ
セスに対して種々の修飾および付加を行い得ることが認識できる。従って、本明
細書により提供されることが見出される保護は、本発明の特許請求の範囲に記載
の発明および明らかに本発明の範囲内にある全ての等価物に及ぶと考えられるべ
きである。

【図面の簡単な説明】

【図１Ａ】図１Ａは、本発明の開口部の作製のための一連の製作工程の模
式断面図である。

【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明の開口部の作製のための一連の製作工程の模
式断面図である。

【図１Ｃ】図１Ｃは、本発明の開口部の作製のための一連の製作工程の模
式断面図である。

【図１Ｄ】図１Ｄは、本発明の開口の製造のための一連の政策工程の模式
断面図である。

【図２Ａ】図２Ａは、図１Ａのキャビティをメンブレン中に製造するため
の、例示的な一連の製作工程の模式断面図である。

【図２Ｂ】図２Ｂは、図１Ａのキャビティをメンブレン中に製造するため
の、例示的な一連の製作工程の模式断面図である。

【図２Ｃ】図２Ｃは、図１Ａのキャビティをメンブレン中に製造するため
の、例示的な一連の製作工程の模式断面図である。

【図２Ｄ】図２Ｄは、図１Ａのキャビティをメンブレン中に製造するため
の、例示的な一連の製作工程の模式断面図である。

【図２Ｅ】図２Ｅは、図１Ａのキャビティをメンブレン中に製造するため
の、例示的な一連の製作工程の模式断面図である。

【図２Ｆ】図２Ｆは、図１Ａのキャビティをメンブレン中に製造するため
の、例示的な一連の製作工程の模式断面図である。

【図２Ｇ】図２Ｇは、図１Ａのキャビティをメンブレン中に製造するため
の、例示的な一連の製作工程の模式断面図である。

【図３Ａ】図３Ａは、正確なフィードバック制御を履行するための、本発
明に従って配置されたイオンビームスパッタリングシステムの模式図である。

【図３Ｂ】図３Ｂは、正確なフィードバックコントロールを履行するため
の、本発明に従って配置されたイオンビームスパッタリングシステムの模式図で
ある。

【図４Ａ】図４Ａは、本発明に従って、５００ｎｍ厚の窒化ケイ素メンブ
レンに形成されたキャビティの電子顕微鏡写真である。

【図４Ｂ】図４Ｂは、本発明に従って提供されるプロセスにより、窒化ケ
イ素メンブレン中に形成された１０ｎｍ幅の開口の電子顕微鏡写真である。

【図４Ｃ】図４Ｃは、図４Ｂに記載の開口を生じる開口エッチングプロセ
スについて検出した、時間の関数としてのイオンカウントのプロットである。

【図５Ａ】図５Ａは、本発明に従って５００ｎｍ厚の窒化ケイ素メンブレ
ンに形成された３７ｎｍ幅の開口の電子顕微鏡写真である。

【図５Ｂ】図５Ｂは、本発明により提供されるプロセスにより５８ｎｍ幅
まで拡大された、図５Ａの開口の電子顕微鏡写真である。

【図５Ｃ】図５Ｃは、図５Ａに示す開口から図５Ｂに示す開口までの開口
の増大を生じる開口エッチングプロセスに関して検出された、時間の関数として
のイオンカウントのプロットである。

【図６Ａ】図６Ａは、本発明により提供されるプロセスによる、限界開口
の直径の減少段階の模式断面図である。

【図６Ｂ】図６Ｂは、本発明により提供されるプロセスによる、限界開口
の直径の減少段階の模式断面図である。

【図６Ｃ】図６Ｃは、本発明により提供されるプロセスによる、限界開口
の直径の減少段階の模式断面図である。

【図７Ａ】図７Ａは、本発明に従い、５００ｎｍ厚の窒化ケイ素メンブレ
ン中に形成された９５ｎｍ幅の開口の電子顕微鏡写真である。

【図７Ｂ】図７Ｂは、本発明により提供されるプロセスにより３ｎｍ幅ま
で減少された、図５Ａの開口の電子顕微鏡写真である。

【図７Ｃ】図７Ｃは、図７Ａに示す開口から図７Ｂに示す開口までの開口
の減少を生じる開口エッチングプロセスに関して検出された、時間の関数として
のイオンカウントのプロットである。

【図８】図８は、種々の温度で本発明の質量輸送プロセスに供した、５０
０ｎｍ厚の窒化ケイ素メンブレン中の、当初は７２ｎｍ×７２ｎｍの正方形の開
口の、イオンスパッタリング時間の関数としての１秒あたりの検出イオンカウン
トのプロットである。

【図９Ａ】本発明により提供される物質輸送プロセスに関する、約１４０
０ｎｍ^２の初期面積を有する開口における、５個の異なるイオンフラックスに関
する総イオン用量の関数としての開口面積、およびイオンフラックスの関数とし
ての用量あたりの開口面積減少、それぞれのプロットである。

【図９Ｂ】本発明により提供される物質輸送プロセスに関する、約１４０
０ｎｍ^２の初期面積を有する開口における、５個の異なるイオンフラックスに関
する総イオン用量の関数としての開口面積、およびイオンフラックスの関数とし
ての用量あたりの開口面積減少、それぞれのプロットである。

【図１０Ａ】図１０Ａは、下方のシリコンウェハの上に堆積され、該ソリ
コンウエハを露出しているトレンチを有する窒化ケイ素層、本発明により提供さ
れる物質輸送プロセス条件の結果としての、窒化ケイ素トレンチの部分的なフル
イン（充填）、及び本発明により提供されるスパッタリング条件の結果としての
上部トレンチ層の部分的なスパッタリングエッチング除去の、走査型電子顕微鏡
写真である。

【図１０Ｂ】図１０Ｂは、下方のシリコンウェハの上に堆積され、該ソリ
コンウエハを露出しているトレンチを有する窒化ケイ素層、本発明により提供さ
れる物質輸送プロセス条件の結果としての、窒化ケイ素トレンチの部分的なフル
イン（充填）、及び本発明により提供されるスパッタリング条件の結果としての
上部トレンチ層の部分的なスパッタリングエッチング除去の、走査型電子顕微鏡
写真である。

【図１０Ｃ】図１０Ｃは、下方のシリコンウェハの上に堆積され、該ソリ
コンウエハを露出しているトレンチを有する窒化ケイ素層、本発明により提供さ
れる物質輸送プロセス条件の結果としての、窒化ケイ素トレンチの部分的なフル
イン（充填）、及び本発明により提供されるスパッタリング条件の結果としての
上部トレンチ層の部分的なスパッタリングエッチング除去の、走査型電子顕微鏡
写真である。

【図１１】図１１は種々のイオンビーム曝露サイクルについて、時間の関
数としてカウントした、開口を横切るイオン／秒のプロットである。

【図１２】図１２は、１方の表面が集束イオンビームに曝されることによ
り、イオンビームに曝されたメンブレン表面の反対のメンブレン表面に開口と突
出とを生じた窒化ケイ素メンブレンの原子間力顕微鏡写真である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者デレク・スタインアメリカ合衆国02138マサチューセッツ州ケンブリッジ、ナンバー21、ピーボディ・テラス12番 (72)発明者シアラン・マクマランアメリカ合衆国02143マサチューセッツ州サマービル、グリーン・ストリート・ナンバー２、29番 (72)発明者リ・ジアリアメリカ合衆国02138マサチューセッツ州ケンブリッジ、プリンプトン・ストリート・ナンバー53、８番

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固体状態における構造体の特徴部の制御された製作方法であ
って、以下の工程：固体状態の構造体を得る工程、予め特定した特徴部を構造体内に製造するように選択された条件下で、構造体を
製作処理環境に暴露する工程、構造体の処理環境への暴露の間、物理的検出種を指定された構造体位置に向け
る工程、指定された構造体位置の横断線からの軌跡内で検出種を検出し、予め特定した
特徴部の物理的次元の変化を指示する工程、および物理種検出に応答して製作処理環境を制御し、構造体特徴部を製作する工程、
を含む方法。
【請求項２】構造体が無機物質の基板を含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】構造体が結晶性物質の基板を含む、請求項１記載の方法。
【請求項４】結晶性基板が半導体ウェハを含む、請求項３記載の方法。
【請求項５】構造体がメンブレンを含む、請求項１記載の方法。
【請求項６】構造体が、その中に予め特定した特徴部を製作すべきレイヤ
ーを包含する基板を含む、請求項１記載の方法。
【請求項７】構造体が有機物質の基板を含む、請求項１記載の方法。
【請求項８】製作処理環境がスパッタリング環境である、請求項１記載の
方法。
【請求項９】製作処理環境がイオンビームスパッタリング環境である、請
求項８記載の方法。
【請求項１０】製作処理環境が電子ビームスパッタリング環境である、請
求項８記載の方法。
【請求項１１】製作処理環境が湿化学エッチング環境である、請求項１記
載の方法。
【請求項１２】製作処理環境がプラズマ環境である、請求項１記載の方法
。
【請求項１３】製作処理環境が電気化学的エッチング環境である、請求項
１記載の方法。
【請求項１４】製作処理環境が化学機械的研磨環境である、請求項１記載
の方法。
【請求項１５】製作処理環境がイオン-アシスト製作処理を含む、請求項
１記載の方法。
【請求項１６】製作処理環境がイオン-誘導製作処理を含む、請求項１記
載の方法。
【請求項１７】製作処理環境が物質の堆積環境である、請求項１記載の方
法。
【請求項１８】製作処理環境が物質の成長環境である、請求項１記載の方
法。
【請求項１９】製作処理環境が加熱環境である、請求項１記載の方法。
【請求項２０】予め特定された特徴部が開口であり、製作処理条件は構造
体内に開口をエッチングするように選択され、検出種の軌跡は開口を通過するも
のである、請求項１記載の方法。
【請求項２１】予め特定された特徴部が開口のアレイを含む、請求項２０
記載の方法。
【請求項２２】予め特定された特徴部が開口であり、製作処理条件は開口
の直径を拡大するように選択され、検出種の軌跡は開口を通過するものである、
請求項１記載の方法。
【請求項２３】予め特定された特徴部が開口であり、製作処理条件は開口
の直径を縮小するように選択され、検出種の軌跡は開口を通過するものである、
請求項１記載の方法。
【請求項２４】予め特定された特徴部がトレンチであり、製作処理条件は
構造体内にトレンチをエッチングするように選択され、検出種の軌跡はトレンチ
を通過するものである、請求項１記載の方法。
【請求項２５】予め特定された特徴部がトレンチであり、製作処理条件は
トレンチの幅を縮小するように選択され、検出種の軌跡はトレンチを通過するも
のである、請求項１記載の方法。
【請求項２６】予め特定された特徴部が少なくとも２つの構造体の端間の
ギャップであり、製作処理の条件は、ギャップを拡大するように選択され、検出
種の軌跡はギャップを通過するものである、請求項１記載の方法。
【請求項２７】予め特定された特徴部が少なくとも２つの構造体の端間の
ギャップであり、製作処理の条件は、ギャップを縮小するように選択され、検出
種の軌跡はギャップを通過するものである、請求項１記載の方法。
【請求項２８】予め特定された特徴部がスロットであり、製作処理条件は
構造体内にスロットをエッチングするように選択され、検出種の軌跡はスロット
を通過するものである、請求項１記載の方法。
【請求項２９】検出種が原子を含む、請求項１記載の方法。
【請求項３０】検出種がイオンを含む、請求項１記載の方法。
【請求項３１】検出種が電子からなる、請求項１記載の方法。
【請求項３２】検出種が、選択された製作処理環境に提供されるエッチン
グ種を含む、請求項１記載の方法。
【請求項３３】検出種の検出工程が、指定された構造体位置の横断線から
の軌跡内で検出種の存在を検出することを含む、請求項１記載の方法。
【請求項３４】検出種の検出工程が、さらに、時間の関数として検出種を
定量することを含む、請求項３３記載の方法。
【請求項３５】製作処理環境の制御工程が、種の検出によって予め特定し
た次元の構造体特徴部の製作が指示された時点で、構造体の処理環境への暴露を
終了させることを含む、請求項１記載の方法。
【請求項３６】固体状態構造体に開口部を製作する方法であって、以下の
工程：第１表面と反対面である第２表面とを有する固体状態構造体を得る工程、第１構造体表面に、第１構造体表面と第２構造体表面との間の１点に位置するキ
ャビティー底面に至るキャビティーを形成する工程、構造体を第２構造体表面から薄くする工程、構造体の薄層化の間、物理的な検出種を、キャビティーによって規定された開口
のための構造体上の位置に向ける工程、構造体の薄層化により第２構造体表面とキャビティーの底との交差が起った時点
で、開口を通過する軌跡内に物理的検出種を検出する工程、および物理的検出種の検出に基づいて構造体の薄層化を制御する工程、を含む方法。
【請求項３７】さらに、以下の工程：構造体の薄層化の間、検出した物理的検出種を定量する工程、および物理的検出種の定量に基づいて構造体の薄層化を制御し、予め特定した直径の開
口を製造する工程、を含む請求項３６記載の方法。
【請求項３８】構造体がメンブレンを含む、請求項３６記載の方法。
【請求項３９】構造体が窒化ケイ素メンブレンを含む、請求項３８記載の
方法。
【請求項４０】構造体の薄層化工程がスッパッタリングを含む、請求項３
６記載の方法。
【請求項４１】検出種がイオンを含む、請求項３６記載の方法。
【請求項４２】検出種が電子を含む、請求項３６記載の方法。
【請求項４３】検出種が構造体の薄層化に用いる種と別個のものである請
求項３６記載の方法。
【請求項４４】検出種が構造体の薄層化のために提供された種である請求
項３６記載の方法。
【請求項４５】固体状態の構造体特徴部部の物理的次元を制御する方法で
あって、以下の工程：構造体特徴部部を有する固形状態構造体を得る工程、およびイオンフラックス暴露に応答して、実質上、構造体原料物質が構造体特徴部部に
移動されることにより、特徴部の少なくとも１つの物理的次元の変化が起るよう
に選択された条件下、選択した構造体温度で構造体をイオンのフラックスに暴露
する工程、を含む方法。
【請求項４６】実質上、原料物質の移動による特徴部の少なくとも１つの
物理的次元の変化が、特徴部の次元の増大を含む、請求項４５記載の方法。
【請求項４７】さらに、以下の工程：構造体をイオンフラックスに暴露する間、物理的検出種を特徴部に向ける工程
、特徴部の横断線からの軌跡内で検出種を検出し、特徴部の物理的次元の変化を
指示する工程、および物理的な種の検出に応答してイオンフラックス暴露を制御し、予め特定した方
法で特徴部の少なくとも一つの物理的次元を変化させる工程、を含む方法。
【請求項４８】構造体が結晶性物質の基板である、請求項４５記載の方法
。
【請求項４９】結晶性基板が窒化ケイ素である、請求項４８記載の方法。
【請求項５０】特徴部が開口である、請求項４５記載の方法。
【請求項５１】開口の次元の変化が開口直径の縮小を含む、請求項５０記
載の方法。
【請求項５２】特徴部がトレンチである、請求項４５記載の方法。
【請求項５３】トレンチの次元の変化がトレンチ幅の縮小を含む、請求項
５２記載の方法。
【請求項５４】特徴部が少なくとも２つの端の間のギャップである、請求
項４５記載の方法。
【請求項５５】ギャップの次元の変化がギャップの幅の縮小を含む、請求
項５４記載の方法。
【請求項５６】イオンフラックスが集束イオンビームからのフラックスを
含む、請求項４５記載の方法。
【請求項５７】固体状態構造体上に物理的特徴部を作成する方法であって
、以下の工程：固形状態構造体を得る工程、およびイオンフラックス暴露に応答して、実質上、構造体の原料物質が構造体特徴部部
に移動されることにより、固体状態構造体上に特徴部が製造されるよう選択され
た条件下、選択した構造体温度で、構造体をイオンのフラックスに暴露する工程
、を含む方法。
【請求項５８】構造体がメンブレンを含む、請求項５７記載の方法。
【請求項５９】構造体が突出部である、請求項５８記載の方法。
【請求項６０】構造体をイオンのフラックスに暴露する工程が、第１メン
ブレンの表面をイオンフラックスに曝露して第１表面の反対側の第２メンブレン
表面上に突出部を作成することを含む、請求項５７記載の方法。
【請求項６１】メンブレンが窒化ケイ素メンブレンを含む、請求項６０記
載の方法。
【請求項６２】暴露条件の選択が構造体温度の制御を含む、請求項４５ま
たは５７に記載の方法。
【請求項６３】暴露条件の選択がイオンフラックスの制御を含む、請求項
４５または５７に記載の方法。
【請求項６４】暴露条件の選択がイオンエネルギーの制御を含む、請求項
４５または５７に記載の方法。
【請求項６５】暴露条件の選択がイオンフラックス時間構造体の制御を含
む、請求項４５または５７に記載の方法。
【請求項６６】暴露条件の選択がイオン種の制御を含む、請求項４５また
は５７に記載の方法。
【請求項６７】暴露条件の選択が周囲のガス種の制御を含む、請求項４５
または５７に記載の方法。