JP2004306197A - マルチプローブ及びこれを用いた微細加工方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】試料表面の微細な凹凸を計測するプローブ1の側方に、試料加工用チップ21をもつ加工用プローブ2を複数個並設した。また、走査型プローブ顕微鏡の試料ステージ室内に、試料加工用チップ21を備えた加工用プローブ2を試料表面計測用プローブ1の側方に一体的に取り付け、これらプローブ1,2を試料に対してXYZ軸方向に走査するとともに、加工用プローブ2に通電することによって試料の微細加工を行い、併せて計測用プローブ1でその加工表面の計測を行う。
【選択図】図1
Description
【産業上の利用分野】
本発明は、ナノ電子デバイスやナノマシンなどを製作するためのマルチプローブ及びこれを用いた微細加工方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
ナノメートルオーダーの微細な構造を有するナノ電子デバイスやナノマシンなどは、電気、機械、バイオ或いは医療など様々な分野で研究開発されており、これらのナノ構造体を高精度に計測・加工することは極めて重要であり、ナノ構造体の計測・加工を行うために、種々の装置が提供されている。走査型トンネル顕微鏡(STM)や原子間力顕微鏡(AFM)などの走査型プローブ顕微鏡(SPM)は、プローブを評価する試料に近接させることにより、トンネル電流、原子間力、磁気力、レーザビームなどを用い、試料表面の微細な凹凸や物性などをナノレベルで観察・評価を行うことができる。
【0003】
さらに、走査型プローブリソグラフィー(SPL)と呼ばれる技術によれば、基板に導電性プローブを近接させて、プローブと基板との間に電圧を印加することにより、基板又は表面の膜の一部をエッチングにより除去し微細加工を行うことができる(例えば、特許文献1参照)。しかし、この技術によれば、1本のプローブを用いてナノ加工を行い、その後、計測をする必要があるため、生産効率が極めて悪いという問題がある。一方、ナノ構造体やナノ電子デバイスなどの製造方法として、電子ビーム描画法やナノインプリンティング法、或いはLIGAプロセスなどが提供されているが、電子ビーム描画法は、スループットが低いという問題があり、ナノインプリンティング法やLIGAプロセスは、加工と計測が同時に行うことができないため、加工後の計測に多くの時間を必要とする問題がある。
【0004】
【特許文献1】
特開2000−282266号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、ナノテクノロジー時代に対応した上記の問題点を解決するためのものであり、走査型プローブ顕微鏡にそのまま適用することができ、ナノ加工・計測を素早く、且つ精密に行うことができるマルチプローブ及びこれを用いた微細加工方法を提供する。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るマルチプローブは、試料表面の微細な凹凸を計測するプローブの側方に、試料加工用チップをもつ加工用プローブを、複数個並設したことを特徴とする。
【0007】
好ましくは、前記計測用プローブを中心として、その両側に複数個の加工用プローブを並設し、これに通電する手段を備えた。
【0008】
さらに好ましくは、計測用プローブとこれに隣接する加工用プローブとの間に、計測用プローブに投射する計測用のレーザビームが加工用プローブに照射しないためのスペースを置いた。
【0009】
本発明に係るマルチプローブ式微細加工方法は、走査型プローブ顕微鏡の試料ステージ室内に、試料加工用チップを備えた加工用プローブを試料表面計測用プローブの側方に一体的に取り付け、これらプローブを試料に対してXYZ軸方向に走査するとともに、加工用プローブに通電することによって試料の微細加工を行い、併せて計測用プローブでその加工表面の計測を行うことを特徴とする。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づいて本発明の実施例を詳細に説明する。
【0011】
先ず、図1に基づいて本発明のマルチプローブについて説明をする。図1は、マルチプローブを示す説明図であって、Aは側面図、Bは平面図、Cは正面図を示す。図1において、3は走査型プローブ顕微鏡に取り付けるためのホルダ部材を示すものであり、このホルダ部材3の側方先端には、複数のプローブ1,2が並設されている。これらのプローブ1,2は、中央に1本の計測用プローブ1が配され、この計測用プローブ1の両側に、夫々4本の加工用プローブ2が配置されている。
【0012】
そして、計測用プローブ1は、計測用カンチレバー10を介して先端に計測用チップ11が設けられ、各加工用プローブ2は、加工用カンチレバー20を介して先端に加工用チップ21が設けられている。計測用チップ11の一方側に配された4つの加工用チップ21により第1チップ群21Aが、他方側に配された4つの加工用チップ21により第2チップ群21Bが形成される。計測用プローブ1は被加工物を計測・位置決めする際に用い、加工用プローブ2は被加工物を加工する際に用いる。また、計測用プローブ1と加工用プローブ2との間には、所定距離のスペースS1,S1’が設けられている。加工用プローブ2は、ホルダ体3の付け根部に、ジュール熱により収縮するいわゆる熱アクチュエータ22やピエゾ薄膜が設けられており、それらに通電することにより、熱アクチュエータ22を作動させ、加工用カンチレバー21を反らせることができ、後述のように、被加工物5を移動する際の、加工用チップ21の被加工物表面の接触を防止して、観測の妨げを防止する。
【0013】
このマルチプローブは、全体がシリコン板により構成されており、全面を金薄膜などの導電性材料で覆うことにより、導電性のプローブ1,2を形成し、被加工物を加工するためのバイアス電圧を印加できる。この実施例では、計測用・加工用プローブ1,2の長さL1が400μm、各スペースS1,S1’の幅W1が75μm、各加工用プローブ2間の距離W2は10μmであって、マルチプローブ全体の大きさは約1mmで構成されている。この寸法は、加工パターンや被加工物の材質により変更可能であることは当然である。
【0014】
次に、図2及び3に基づいて、前記した加工装置を用いた走査型プローブナノリソグラフィー(SPNL)の実施例について説明する。図2Aは、本発明に係るマルチプローブ式微細加工装置を模擬的に示したものである。この加工装置は、前記のマルチプローブを、ホルダ体3を介して走査型プローブ顕微鏡(SPM)に取り付けたものである。この実施例のSPMは、ステージ110上の被加工物5を設置し、PZTアクチュエータ100でステージ110を走査することにより精密観測するタイプであり、観測の際には、レーザダイオード101から照射されたレーザビーム102を、ミラー103を介して計測用カンチレバー10に当て、それによって反射されたレーザビーム102をミラー104を介してフォトディテクター105で感知し、その光路差により被加工物5の表面の凹凸を観測する。前記したスペースS1,S1’は、被加工物5の表面を計測する際、レーザビーム102を計測用カンチレバー10に投射するが、このレーザビーム102のスポットが、加工用カンチレバー20に照射しないためのインターバルであって、正確な観測の妨げを防止するために設ける。
【0015】
以下、SPNLの手法について説明をする。先ず、加工装置のステージ110上に被加工物5を設置する。そして、図2Aの通り、マルチプローブを被加工物表面50の下方に位置させ、矢印Aに示すように、被加工物5を上方に移動する。そして、計測用チップ11が被加工物表面50に当接した際、被加工物5の移動を停止する(図2B参照)。各プローブ1,2のチップ11,21と、被加工物表面50とは相対的に平行にすることができないので、中央の計測用チップ11が、表面50に当接する際には、第1又は第2加工用チップ群21A,21Bのいずれかが表面50に当接することになる。この実施例では、各チップ11,21に対して、被加工物5が右下に若干傾斜しているので、計測用チップ11の左に位置する第1加工用チップ群21Aが被加工物表面50に当接する。
【0016】
そして、加工用プローブ2に電流を流しながら被加工物5を移動することにより被加工物表面50を組成変化し、被加工物5を加工する(詳細については後述する)。その後、ヒータにより雰囲気温度を上昇し、熱アクチュエータ22により加工用カンチレバー21を反らせ、被加工物5を矢印Bに示す方向に移動して、計測用プローブ1で観測する。この熱アクチュエータ22により、観測の際に、加工用チップ21が加工した部分に接触しないので、加工部分の正確な観測の妨げを防止することができる。前記では加工用プローブ2にのみ電流を流したが、計測用プローブ1に電流を流すことにより、計測用プローブ1を加工用のプローブとして機能させても良い。
【0017】
図3に基づいて、SPNLについて更に詳細に説明をする。図3Aは、被加工物5の断面図を示し、この被加工物5は、下からシリコン基板(Si基板)51、シリコン酸化薄膜(SiO2薄膜)52、及び有機ポリシラン薄膜(SAM薄膜)53により構成されている。SiO2薄膜52は約2nm、SAM薄膜53は約5nmの厚さである。図3Bに示す通り、被加工物表面50に加工用チップ21を接触させ、バイアス電圧を印加することにより表面50に電流が流れ、その状態で表面50上の加工用チップ21を走査することにより、チップ21の接触部分が局所的に酸化されて組成変化し、SAM薄膜53にナノスケールのSiO2ライン53Aが形成される(これを電界支援酸化加工という)。
【0018】
そして、図3Cに示すように、SiO2薄膜52・SiO2ライン53Aをウェットエッチングすると、SAM薄膜53がエッチングマスクとなり、Si基板51がエッチングされる。それにより、ナノスケールの溝部55が形成される(図3D参照)。この例によると、局所酸化を行った部分以外がエッチングマスクとして残るので、ポジ型のSPNLと呼ぶ。同様に、電界支援酸化加工により、SiO2ライン53Aを形成した後、このSiO2ライン53AをエッチングマスクとしてSi基板51のエッチングを行うことにより、ナノワイヤを形成することができる。この例では、局所酸化を行った部分がエッチングマスクとして残るので、ネガ型のSPNLと呼ぶ。
【0019】
図4に基づいて、本発明の加工装置を用いた単電子トランジスタの製作工程について説明する。先ず、図4Aに示すように、前記したポジ型のSPNL技術を用いて、被加工物5にナノスケールの2つの溝部55,55’を形成する。その後、溝部55,55’に直交する2本のSiO2ライン56A,56A’を形成する(図4B参照)。そして、ポジ型のSPNL技術を用いて、各ライン56A,56A’間をエッチングマスクとすることにより、量子ドット57を有するナノワイヤ56が形成される(図4C参照)。前記の実施例では、ポジ型のSPNL技術を用いたが、ネガ型のSPNL技術を用いることも当然可能である。即ち、溝部55,55’を形成した後(図4A参照)、この溝部55,55’に直交する1本のSiO2ライン56Bを形成し(図4B’参照)、そのライン56Bをエッチングマスクとしてナノワイヤ56を形成しても良い(図4C参照)。
【0020】
図5は、単電子トランジスタの説明図を示し、図5Aは、トンネル接合部の模式図を示す。上記方法でナノワイヤ56を形成した後、表面全体を酸化して酸化膜(絶縁膜)59を設けることにより、トンネル接合部58を有する量子ワイヤ56が形成される(図5A参照)。図5Bは、トンネル接合部58の側面図を示すものであり、量子ドット57の上部径は約20nm、下部径は約40nmである。図5Cは、量子ワイヤ56の断面図を示すものであり、上幅は約110nm、下幅は約200nmである。図5Dは、単電子トランジスタの模式図を示し、量子ワイヤ56の間にソース・ドレイン電極部が、量子ドット57にゲート電極部が設けられており、この単電子トランジスタによれば、量子ワイヤ56を通じる単一の電子のみを制御することができるので、消費電力が極めて少ない高性能なスイッチを作製することができる。また、本発明に係るマルチプローブによれば、複数の加工用プローブ2が有するチップ群21A,21Bにより、広領域且つ一括にトンネル接合部58を有する量子ワイヤ56を形成できる。
【0021】
前記した実施例のマルチプローブは、一実施例であって、材料や寸法、或いは電流の大きさなどについては、被加工物の材質、加工パターンの形状などによって変更可能であることは当然であり、前記した種類の走査型プローブ顕微鏡(SPM)にのみ限定して適用されるものではなく、走査型トンネル顕微鏡(STM)や原子間力顕微鏡(AFM)などに対しても適用できることも当然である。また、このマルチプローブは、前記した単電子トランジスタの作製に限らず、バイオチップやDNAチップ、或いはセラミックフィルタなどの製作に適用可能であることは当然であり、バイオ・IT・環境・医療など様々な分野において、本発明の効果を得ることができる。
【0022】
【発明の効果】
本発明によれば、上記の説明の通り、広範囲を一括に、且つ任意位置に高精度なナノ加工を行うことができ、加工後、直接被加工物の表面形状を計測することができるので、加工・計測時間の短縮が図れ、高スループットなナノ構造体の製作が可能である。そして、現在市販されている走査型プローブ顕微鏡本体に対して、改良・改造を行うことなく適用することができるので、極めて広範囲に利用することができる。また、従来の問題点である任意の位置に高精度に多数のナノ構造物を製作することができるので、単電子ナノデバイスやナノマシンなどの開発や製作に極めて有効である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のマルチプローブを示す説明図である。
【図2】本発明のマルチプローブを用いた実施例を示す説明図である。
【図3】走査型プローブナノリソグラフィー(SPNL)の実施例を示す説明図である。
【図4】単電子トランジスタの製造工程を示す説明図である。
【図5】単電子トランジスタを示す説明図である。
【符号の説明】
1 計測用プローブ
10 計測用カンチレバー
11 計測用チップ
2 加工用プローブ
20 加工用カンチレバー
21 加工用チップ
3 ホルダ部材
5 被加工物
50 被加工物表面
Claims (4)
- 試料表面の微細な凹凸を計測するプローブの側方に、試料加工用チップをもつ加工用プローブを、複数個並設したことを特徴とする走査型マルチプローブ顕微鏡のためのマルチプローブ。
- 前記計測用プローブを中心として、その両側に複数個の加工用プローブを並設し、これに通電する手段を備えたことを特徴とする請求項1に記載のマルチプローブ。
- 前記計測用プローブとこれに隣接する加工用プローブとの間に、計測用プローブに投射する計測用のレーザビームが加工用プローブに照射しないためのスペースを置いたことを特徴とする請求項2又は3に記載のマルチプローブ。
- 走査型プローブ顕微鏡の試料ステージ室内に、試料加工用チップを備えた加工用プローブを試料表面計測用プローブの側方に一体的に取り付け、これらプローブを試料に対してXYZ軸方向に走査するとともに、加工用プローブに通電することによって試料の微細加工を行い、併せて計測用プローブでその加工表面の計測を行うことを特徴とするマルチプローブ式微細加工方法。
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JP2003103605A JP2004306197A (ja) | 2003-04-08 | 2003-04-08 | マルチプローブ及びこれを用いた微細加工方法 |
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2003
- 2003-04-08 JP JP2003103605A patent/JP2004306197A/ja active Pending
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