JP2006059701A - 荷電粒子ビーム装置およびそれを用いた狭ギャップ電極形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 分子素子に用いる分子の性質を評価するために、サブナノメートルのギャップを持った電極を作製することを課題とする。
【解決手段】 試料表面の二点に接触する２本のプローバ２３と、プローバ２３が接触している二点間に一定の電圧を印加する電圧源２４と、前記二点間に流れる電流を測定する電流計２５とを有する集束イオンビーム装置であって、偏向電極１５とガス銃１８を動作させ前記２点間に導電膜をそのギャップが狭くなるように形成すると共に前記２点間に流れる電流をモニタし、前記電流が所定値になったらブランキング電極１３にて試料表面に照射される集束荷電粒子ビームをオフにする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、荷電粒子ビームを用いたガスアシストデポジションを用いて電極を形成する装置及びそれを用いた方法に関するものである。

近年、集積回路の製造技術は目覚しく、集積度は著しく向上している。そして、更なる高集積化実現のため、分子素子や単電子素子の基礎研究が進められている。

この分子素子の開発においては、その分子の性質を把握するために伝導特性を測定する必要がある。そこで、分子サイズ（およそ１ｎｍ）のギャップを持った電極を作製し、ギャップの間に分子を挟み、各種特性を測定する。

狭ギャップを製作する方法として、例えば、集束イオンビームのスパッタリングエッチング技術を用いた方法がある。これは、絶縁膜の上に形成された導電物による電線を集束イオンビームとアルゴンイオンビームを用いてエッチングし、ギャップの幅が5nmの電極を形成している（非特許文献１参照）。
"Fabrication of nano-gap electrodes for measuring electrical properties of organic molecules using a focused ion beam"，Solid Thin Film 438-439 (2003) 374-377

しかし、上記集束イオンビームのスパッタリングエッチングを用いた狭ギャップの製作方法では、集束イオンビームのビーム径によって、形成されるギャップの幅の下限が規定されると言う問題点があった。

本発明は、上記問題点を解決し、集束イオンビームのビーム径以下の極めて狭いギャップ幅を持つ一対の電極を形成することを課題とする。

上記課題を解決するために本願発明の荷電粒子ビーム装置は、荷電粒子源と、前記荷電粒子源から引き出された荷電粒子ビームを集束するための集束レンズ系と、前記集束荷電粒子ビームを試料上でオン／オフするためのブランキング電極と、前記集束荷電粒子ビームを偏向走査するための偏向電極と、前記集束荷電粒子ビームが照射される試料を載置し移動可能な試料ステージと、前記試料表面の集束荷電粒子ビーム照射位置にガスを局所的に吹き付けるためのガス銃と、前記集束荷電粒子ビームを試料に照射することにより発生する二次荷電粒子を検出する二次荷電粒子検出器と、試料表面の二点に接触する２本のプローバと、前記プローバが接触している二点間に一定の電圧を印加する電圧源と、前記二点間に流れる電流を測定する電流計とから構成されている。

上記構成の主要手段の作用は、試料表面の前記プローバが接触している二点間に、前記ガス銃から試料表面にガスを吹きつけながら前記集束荷電粒子ビームを走査照射してデポジション膜を形成し、前記プローバが接触している二点間に一定の電圧を印加し、二点間に流れる電流を測定して、前記電流値が所定の値より大きくなったことを検知し、その信号に基づいて前記ブランキング電極にて試料表面に照射される集束荷電粒子ビームをオフにすることにより、集束荷電粒子ビームのビーム径の大きさによらない極狭いギャップを持つ電極を形成することができる。

以上のように本発明による装置および方法によれば、荷電粒子ビームを用いたCVDにて電極を形成する時に、電極間の間隔を狭めるように導電性の膜を形成し、この時に電極間に流れる電流を測定して上記間隔を制御するようにしたので、分子や遺伝子などの極小さな物質の電気特性を評価するための隙間が１ｎｍ以下の電極を製作することができるようになる。これによって、分子素子やバイオテクノロジーの研究および産業化が促進される。

以下に本発明の実施例を図面に基づき詳細に説明する。

図1に本発明による集束イオンビーム装置の実施例を示す。

集束イオンビーム鏡筒は、主に、イオン源部１１、コンデンサレンズ１２、ブランキング電極１３、可動絞り１４、偏向電極１５、対物レンズ１６と、図示されていない光軸補正電極や非点補正電極などからなる。

イオン源としては、液体金属ガリウムを用いるのが一般的である。保持部に溜められた液体金属ガリウムは表面張力で針状のエミッタに供給される。また、ガリウムリザーバ、エミッタはフィラメントにより加熱できるようになっている。エミッタ部分には１つまたは複数の電極により電界がかけられ、エミッタ部分に溜まっているガリウムがイオンビームとして引き出される。イオンビームは、エミッタにグランド電位に対して＋３０ｋＶ程度の高電圧が印加されているため、この電界によって加速される。

イオンビームは、コンデンサレンズ１２によって集束され、対物レンズ１６によって試料２０表面に焦点が合わせられる。

ブランキング電極１３は、２枚の対向する電極間に大きな電界を発生できるようになっている。各電極に同電位、通常はグランド電位が印加されていると、イオンビームは試料２０に到達する。しかし、ブランキング電極１３の各電極に電位差の大きな信号を印加して大きな電界が発生すると、イオンビームは大きく偏向され、可動絞り１４などの遮蔽物に当たり、イオンビームは試料２０の表面に到達しない。

偏向電極１５は少なくとも、対向する２つの電極からなる２組の電極から構成され、各電極間に発生する電界により、イオンビームの軌道が二次元的に制御される。

これらの各電極、可動絞りに印加される信号を発生する各電源は装置制御コンピュータによって制御されている。

また、検出器１７は試料２０の表面にイオンビームが照射されたときに発生する二次荷電粒子を検出し、電気信号に変換する。その出力信号は装置制御コンピュータに入力され、イオンビームの照射位置と合わせて記憶することにより、試料２０の表面観察をすることができる。

試料ステージ１９は、少なくとも水平Ｘ、Ｙ、及び垂直Ｚの３軸に移動可能である。水平方向Ｘ、Ｙ軸は試料の観察、加工位置の決定に用いられる。また、Ｚ軸は常に試料表面の高さが、集束イオンビーム照射に最適な位置になるよう用いられる。その他、傾斜Ｔ軸、回転Ｒ軸などを持つこともできる。

集束イオンビーム装置に装着された化合物蒸気吹付け装置１８によって、ビームアシステッドＣＶＤ法による薄膜作製を行う。ビームアシステッドＣＶＤ法では、試料２０の表面にデポジションされる薄膜の材料を含む化合物蒸気を用いる。化合物蒸気は化合物蒸気吹付け装置１８により試料２０の表面に吹付けられる。試料２０の表面に吹き付けられた化合物蒸気は試料２０の表面に吸着する。この状態で集束イオンビームが照射されると、その運動エネルギーや集束イオンビーム照射に伴って発生する二次電子のエネルギーにより化合物蒸気が分解する。分解した気体成分は真空ポンプ２１により試料室２２の外に排気され、固体成分は薄膜となって試料表面に残る。このとき、集束イオンビームはデポジションと同時にスパッタエッチングも行っている。従って、デポジションによる薄膜作製速度がスパッタエッチングの加工速度より高くなるよう、化合物蒸気の導入量と、集束イオンビームの照射量を制御する必要がある。

なお、図には１つの化合物蒸気吹付け装置１８しか描かれていないが、目的に応じたガスを使い分けられるよう、複数の化合物蒸気吹付け装置を用いても良い。

試料室２２及び集束イオンビーム鏡筒は真空ポンプ２１によって真空排気されている。また、図示していないが、試料室を大気にすることなく試料の出し入れを行うためのロードロック室を設けることもできる。

また、試料２０の表面の二箇所に接触可能なマニピュレータ２３が装着されている。二つの電極の間には、電圧源２４と電流計２５が接続されており、二点間の抵抗が測定できるようになっている。電流計２５の値が所定の値より大きくなったとき、その信号に基づいて、ブランキング電極１３への入力信号を制御し、集束イオンビームが試料２０の表面に届かないようにする。

続いて、試料について図２を用いて説明する。

基板材料は、面方位＜１００＞のシリコンの板を用いている。ただし、面方位は特に＜１００＞に限らない。このシリコン基板３１にＭＥＭＳ技術を用いて溝を形成する。

図２（ａ）に示すように、シリコン基板３１を覆うように、例えばシリコン酸化膜やシリコン窒化膜をマスク材３２として形成し、さらにフォトリソ技術を用いて窓３３を形成する。

そして、図２（ｂ）に示すように、この基板を例えば水酸化カリウム溶液などのアルカリ溶液に浸し、面方位に基づいた異方性エッチングによりメンブレン３４を形成する。このとき、メンブレンの厚さは薄いほど良いが、例えば数ミクロン以下が望ましい。

続いて、図２（ｃ）に示すように、メンブレン部分に集束イオンビームを用いて貫通孔３５を形成する。この貫通孔は幅１ミクロン以下、長さ数ミクロンの長穴が望ましい。そして、基板全体を絶縁膜で覆い、貫通孔を挟んで電極３６を形成する。

この試料を用いて狭ギャップを持った電極の形成を行う。

図２では、貫通した孔を溝として用いているが、貫通していない孔を用いることもできる。この場合、図５に示すように、孔の内壁が入り口より広くなっていて、電極作製の際、内壁にデポジション膜が形成されないようになっている。

この試料２０を図１に示す集束イオンビーム装置に装着する。

試料の電極３６にマニピュレータ２３のニードルを接触させる。この状態で、図３に示すように、貫通孔３５を跨ぎ、電極３６間をつなぐように加工枠３７を設定し、ガス導入装置１８を用いてタングステンデポジションの原料となるヘキサカルボニルタングステンガスを試料２０表面に吹き付けると同時に、集束イオンビームを照射する。このとき、集束イオンビームは図４（ａ）に示すように加工枠の中を一方向で走査しても良いし、図４（ｂ）に示すように加工枠の中を往復しながら走査しても良い。

この集束イオンビームの走査照射により、タングステン膜を、貫通孔を跨ぐように形成する。タングステン膜は、貫通孔の両側から形成される。このとき、各電極３６には電圧源２５にて電位差が与えられている。そして、タングステン膜の成長に伴い電極の隙間がナノメートルオーダーになるとトンネル電流が流れるようになる。例えば、電位差を２ｍＶとし、トンネル電流が２ｎＡになったところでブランキング電極１３の制御信号を制御
して集束イオンビームが試料２０表面に届かないようにすると、電極間の隙間を１ｎｍ以下に制御することができる。

制御手段４１により、電流計をモニタしながら集束イオンビームを照射してタングステン膜を形成し、トンネル電流が２ｎＡになったら制御手段４１からの制御信号により集束イオンビームの照射を止める。

また、印加電圧、制御電流値を調整することにより、任意の隙間を再現性良く製作できる。

本発明による装置の一構成例である。 本発明に用いる試料の作製方法例である。 本発明による電極の作製方法例である。 本発明による電極作製時のイオンビーム走査例である。 本発明に用いる試料の断面形状である。

符号の説明

１１・・イオン源
１２・・コンデンサレンズ
１３・・ブランキング電極
１４・・可動絞り
１５・・偏向電極
１６・・対物レンズ
１７・・二次荷電粒子検出器
１８・・ガス導入装置
１９・・試料ステージ
２０・・試料
２１・・真空ポンプ
２２・・試料室
２３・・マニピュレータ
２４・・電圧源
２５・・電流計

Claims (14)

1. 荷電粒子源と、前記荷電粒子源から引き出された荷電粒子ビームを集束するための集束レンズ系と、前記集束荷電粒子ビームを試料上でオン／オフするためのブランキング電極と、前記集束荷電粒子ビームを偏向走査するための偏向電極と、前記集束荷電粒子ビームが照射される試料を載置し移動可能な試料ステージと、前記試料表面の集束荷電粒子ビーム照射位置にガスを局所的に吹き付けるためのガス銃と、前記集束荷電粒子ビームを試料に照射することにより発生する二次荷電粒子を検出する二次荷電粒子検出器と、試料表面の二点に接触する２本のプローバと、前記プローバが接触している二点間に一定の電圧を印加する電圧源と、前記二点間に流れる電流を測定する電流計とからなることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
2. 請求項１において、前記荷電粒子がイオンであることを特徴する荷電粒子ビーム装置。
3. 請求項１において、前記荷電粒子が電子であることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
4. 請求項１から３に記載されている前記ガスが有機金属化合物ガスであることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
5. 請求項１から４に記載された荷電粒子ビーム装置を用いて、試料表面に極狭い間隔で配置された電極を形成する方法において、
   試料は、試料表面は絶縁物で、前記絶縁物の上に導電性薄膜による電極が二箇所あり、前記二つの電極の間に溝があることを特徴としていて、
   前記二つの電極に前記プローバを接触し、前記二つの電極間の溝をまたぐように導電性薄膜の形成領域を設定し、前記導電性薄膜の形成領域に前記ガスを吹き付けながら荷電粒子ビームを走査照射して導電性薄膜を形成し、前記二つの電極間に定電圧を印加し、二電極間を流れる電流を測定して、前記電流値が所定の値より大きくなったことを検知し、前記ブランキング電極にて前記荷電粒子の前記導電性薄膜の形成領域への走査照射を終了することを特徴とする狭ギャップ電極形成方法。
6. 請求項５において、前記荷電粒子の走査が、前記試料表面に予め形成された二つの電極の第1の電極から第２の電極に向かって一方向に行われることを特徴とする狭ギャップ電極形成方法。
7. 請求項５において、前記荷電粒子の走査が、前記試料表面に予め形成された二つの電極の第1の電極と第２の電極の間を往復して行われることを特徴とする狭ギャップ電極形成方法。
8. 請求項５において、前記に電極間に印加される電圧を変更することにより、形成されるギャップの幅を制御することを特徴とする狭ギャップ電極形成方法。
9. 請求項５において、試料に形成されている溝は、基板を貫通している孔であることを特徴とする狭ギャップ電極形成方法。
10. 請求項５において、試料に形成されている溝は、その側壁は逆テーパー形状を持っていて、入り口から直視できない箇所があることを特徴路する狭ギャップ電極形成方法。
11. 試料上に絶縁性のギャップ設けて一対の対峙する電極を形成する工程と、
    前記電極間に電圧を印加し、前記電極間に流れる電流を測定しながら、前記電極間のギャップを狭めるように導電性膜を形成する工程とからなり、
    前記電極間に流れる電流が所定の値になったら前記導電性膜の形成を終了することを特徴とする狭ギャップ電極形成方法。
12. 前記導電性膜の形成は、荷電粒子ビームを用いたガスアシストデポジションにより行われることを特徴とする請求項１１に記載の狭ギャップ電極形成方法。
13. 前記ギャップは試料のメンブレン部に設けられた貫通穴であることを特徴とする請求項１１記載の狭ギャップ電極形成方法。
14. 荷電粒子源と、前記荷電粒子源から引き出された荷電粒子ビームを集束するための集束レンズ系と、前記集束荷電粒子ビームを試料上でオン／オフするためのブランキング電極と、前記集束荷電粒子ビームを偏向走査するための偏向電極と、前記集束荷電粒子ビームが照射される試料を載置し移動可能な試料ステージと、前記試料表面の集束荷電粒子ビーム照射位置にガスを局所的に吹き付けるためのガス銃と、前記集束荷電粒子ビームを試料に照射することにより発生する二次荷電粒子を検出する二次荷電粒子検出器と、試料表面の二点に接触する２本のプローバと、前記プローバが接触している二点間に一定の電圧を印加する電圧源と、前記二点間に流れる電流を測定する電流計と、前記偏向電極とガス銃を動作させ前記２点間に導電膜をそのギャップが狭くなるように形成すると共に前記２点間に流れる電流をモニタし、前記電流が所定値になったら前記ブランキング電極にて試料表面に照射される集束荷電粒子ビームをオフにする制御手段とからなることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。

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