JP2008521188A - 集束用のマスク - Google Patents

Abstract

機構や構造体を形成し、材料の表面に書き込むためのイオン又は電子源などの粒子ビーム源と共に使用するのに好適なマスクが提供される。このマスクは、複数の開口部を有する開口プレートと、この開口プレートの下側に配置された集束手段とを備えている。複数の開口部がアレイを形成して、これにより各プレートの開口部が開口プレートに入射する粒子ビームの一部を受け取るように適合される。そして、粒子ビームの各部分は集束手段を通過することにより、表面上に集束される。これによりマスクは、複数の高い分解能の同時に動作可能な集束された粒子ビームを形成する。

Description

本発明は、例えば、イオンを用いるイオンビーム式フライス加工（ion beam milling）（スパッタリング）などの直接書込み装置及び方法と、電子を用いる重合や表面酸化などの材料表面変更装置及び方法とに関し、特にナノ構造体（nanostructure）及びナノ構造化表面（nanostructured surface）を迅速に作成するための装置及び方法において、より詳細には上記の方法において使用されるマスクに関する。

一般に、高エネルギー集束粒子ビームを使用する装置及び方法の性能を決定するには２つの特性がある。第１の特性は、製造可能な最小の機構を決定するビームスポットの寸法である。周知の高分解能なスキャニング電子ビーム（リソグラフィー）装置の分解能はせいぜい１ｎｍであり、標準的なリソグラフィー技術によって表面に約３０ｎｍの構造体を形成できる。同様に、単一ビームを使用する周知のイオンビーム式フライス盤の分解能は約３０ｎｍであり、スパッタリングによってこれに匹敵する表面構造体を作る。

第２の特性はビームの輝度であり、これは装置がスキャニングによって有効な実用寸法のパターン面を作ることができる速度を決定する。これは間違いなく１ｘ１ｍｍ²よりも大きい。

しかしながら、ビームの輝度は分解能に関連し、ビームが極めて小さく、またその結果、書込み速度が非常に遅い場合にのみ最良の分解能を得ることができる。

このため、高い分解能を提供すると同時に、表面上に構造体を比較的高速で作ることができる装置及び方法が存在することが望ましい。

本発明によれば、中に複数の開口部を有し、各開口部は開口プレートに入射する粒子ビームの一部を受け取るように適合された開口プレートと、その上に書き込むことが望ましい材料の表面上に前記粒子ビームの各前記一部を集束させるように動作できる集束手段とを備えた粒子ビーム源と共に使用するのに適したマスクが提供される。

この集束手段は、粒子ビームのそれぞれの一部を直径が約１０ｎｍ以下に集束するように動作することができる。

各プレートの開口部の寸法は、２０ｎｍから２００μｍまでの範囲内にすることができ、また好ましくは約１μｍである。

集束手段は、開口プレートと平行な配列で開口プレートの下側に配置された複数の間隔を空けた導電性の素子を備えている。集束手段は、導電性の素子を通って延びる複数の集束開口部を有している。それぞれの集束開口部は複数のプレートの開口部の１つに対応し、縦軸をそれと共有しており、粒子ビームの各部分は、複数のプレートの開口部の関連する１つによって受け取られて、対応する集束開口部に入射する。この集束開口部を通って、粒子ビームの各部分は、書き込まれるのが望ましい前記材料の表面に集束する。

各集束開口部の寸法は、２０ｎｍから２００μｍまでの範囲内であるが、対応するプレートの開口部の大きさよりも大きいことが好ましい。

集束手段は、３つの間隔を空けた導電性の素子を備えることが好ましい。各導電性の素子は、その隣接する導電性の素子に対して電子的にバイアスされている。各導電性の素子はまた、複数の導電性の素子の間を占める複数の電気絶縁体によって、その隣接する導電性の素子から間隔を空けられる。

また、本発明によれば、上記の６つの段落の中で説明したように、粒子ビーム源とマスクとを備えた直接書込み式粒子ビーム装置が提供される。

この粒子ビーム源は、２０ｅＶから１００ｋｅＶまでの範囲、又は好ましくは１５０ｅＶから５ｋｅＶまでの範囲、又はより好ましくは約５０ｅＶのエネルギーを有する、開口プレート上に入射する粒子ビームを提供するように適合されている。

１つの粒子ビームから、マスクは、それぞれを１０ｎｍより小さいスポットサイズに集束することができ、同時にまた増加した数のビームに対応する要因により、単一ビーム式装置を超える速度で書き込むことができる多数のビームを提供する。このため、本発明は比較的高速な時間スケールで、実際的な領域にナノパターン化された面を作ることができる。さらに、本発明の装置は、現在利用可能な単一ビーム式装置と比較すると、比較的安価に作ることもできる。

本発明は、マスクに入射する電子源もしくはイオン源からの強力な電子ビームまたはイオンビームを提供する。入射ビームの部分は複数のプレートの開口部のそれぞれに入射し、次に対応する集束開口部に入射する。この集束開口部を通って、入射ビームはマスクを超えた点に集束され、材料が配置された焦点面のうちの集束された点にナノスケールの構造が形成される。

最も簡単な装置は、その中に孔の直径がナノメータ又はマイクロメータのアレイを有するコリメータを備えた金属の導電性のマスクである。第１のコリメータを通過するビームの各部分は、３つ（又はそれ以上）の金属の導電性の開口プレートの配列によって集束される。これらの開口プレートは、ナノスケール／マイクロスケールの円柱静電レンズ（アインゼル・レンズ（einzel lense））のアレイとして動作する。これにより、マスクの下流の材料面（基板の標的）のイメージ面上に、集束されたドットのアレイが作られるため、走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）において通常使用されているように、圧電装置を用いて基板を横方向に移動することによって、面上のパターンをトレースすることができる。この装置に対して、パターンは開口部間の規則的な間隔に等しい量だけ２つの直交方向に移動しても、変化しないことが必要である。

装置は、電子又はイオンの極めて高い輝度源を備えている。標準的な高輝度源は、（真空中で）約３００ｅＶの電圧に対して液体金属又はデュオプラズマトロン形のいずれかである。ビームは標準的な電磁（又は磁気）レンズを用いて集束されて、ビームスポットがマスク領域を正確にカバーする。ソースレンズ（source lens）の焦点距離が、アインゼル・レンズのマクロアレイの焦点距離と比較して相対的に大きい場合は、各アインゼル・レンズへの入力は、事実上、直径がマスクの第１の層内の開口部に等しい平行な電子／イオンの円形の束（bundle）である。次に、各バンドルをアレイの１つの素子を用いて、開口部の寸法及びマイクロレンズの焦点距離に依存する寸法まで集束させることができる。実際的なシステムに対しては、マスク組立体のこの焦点距離は、約５０マイクロメータよりも大きいことが必要であり、特に開口部が十分小さい場合は、多数のビームのそれぞれを直径が約１０ｎｍより小さく集束させることができる。

本発明をここで、一例として添付の図面を参照しながら説明する。

図１及び図２を参照すると、集束金属マスクの小さい長方形の部分は、開口プレート１と、マスクの下側の絶縁金属板２，３及び４の形式の３つの導電素子を含む集束手段とを備えている。この開口プレート１は、複数の開口部８を備えている。開口プレート中の開口部８の直径ｄは、一般に１μｍである。集束手段は複数の集束開口部９も備えており、それぞれの開口プレート８は対応する集束開口部９を有し、この集束開口部は縦軸を開口プレートと共有している。それぞれの集束開口部は、アインゼル・レンズ構造体を形成して、複数の集束開口部がアインゼル・レンズのアレイを形成する。それぞれの集束開口部９は、その対応する開口プレート８よりも大きく、一般に約３μｍであり、隣接する開口部から約５０μｍの距離ｗで分離されている。このようなマスクは、例えばレーザ加工法を用いて製造することができる。完全なマスクは、面積５ｍｍｘ５ｍｍの正方形であり、約１００００の別個のビームを有している。このため、１つのビームを用いてこの領域をカバーするために必要な５ｍｍの代わりに、２つの方向のそれぞれが僅か５０μｍの横方向の距離をスキャンすることによって、機器がこの領域（５ｍｍｘ５ｍｍ）パターン化することができる。最も簡単なアインゼル・レンズは、金属導電素子２，３及び４のそれぞれの開口寸法が同一の３つの構成要素のシステムである。別の方法では、例えば面積が１０ｍｍｘ１０ｍｍで１，０００，０００個の分離されたビームを提供するような別の寸法のマスクを使用できる。各絶縁金属板の厚さｔはミクロンオーダのものであり、ミクロンオーダの寸法ｌによって互いに分離されている。外側の２つの導電板２，４はアース電位であり、中央の素子には、サンプル５から必要な距離ｆにおいて集束させるために電圧Ｖ₁が加えられる。あるいはまた、導電板４（材料のサンプルの表面に最も近い）には第２の電圧Ｖ₂を加えて、通過する粒子の加速度及びビームの焦点合わせを変更することができる。３つの導電板２，３及び４は、例えば絶縁材料の２つの層で空間が満たされた３つの金属の層のように、金属（２，３及び４）と絶縁材料（１０及び１１）との交互の層の形式によりシステムを作ることによって互いに電気的に絶縁される。

図１では、コリメータとして動作する開口プレートによって規定された電子／イオンのビーム７の円形の束のアレイの１つの集束開口部（レンズ）の効果が、矢印６で示された入射ビームの方向に示されている。図２は、対応する複数のビーム７を形成する複数の集束開口部の効果を示している。

複数ビームでフライス加工された装置を作るためのイオンに対してマスクが使用される場合は、マスクの開口プレートは徐々にスパッタ処理されることは明らかである。標準的な原子蒸着システムから開口プレート１の前面へと定期的に原子を蒸着することにより、この問題を解決できる。別の方法では、開口プレートのコリメータの前のビームのエネルギーを減らして、前面からのスパッタリングを最小にすることができる。許容できるまで減少したビームのエネルギーは、一般に約５０ｅＶである。この配列では、レンズの導電板の素子２，３及び４と、サンプルとは、様々な増加する電圧の中に配置されるため、イオンはシステムを通過する間に加速及び集束される。最終的なエネルギーは、サンプル５から効果的に原子をスパッタできるように約３００ｅＶに選択される。サイクルに対してビームをスキャンすることは、ＳＴＭなどの近接音場内のサンプルを動かすために一般的に使用されるように、圧電装置（サンプルに取り付ける）を用いてサンプルを横方向に動かすことによって達成できる。

上記のこの装置は、より一般的に作ることができるため、小さなスポットのアレイ以外の種々のパターンを表面上に描写することができる。「マイクロスケールのステンシル」の形状に開口プレートを作ることにより、これを行うことができる。例えば、このパターンは、第１のプレートでは円形の開口以外の一連のスロットとすることができる。後続の導電板の集束素子がまた対応するパターンを有する場合は、イメージはパターンを再生するが、寸法は集束方向ではかなり縮小される。このため、ある幅（マイクロメータの範囲）の一連のスロットは集束されて、焦点面に一連のナノメータ幅の線を作る。この構成では、３つの導電板の集束素子は一連の重なり合ったスロットにもなるが、幅は第１の規定する開口プレート内のスロットよりも大きい。この構成を使用すると、これらの集束されたイオンビームを使用して、適当な基板上の薄い層から金属をスパッタすることによって、一連のナノメータスケールの線を表面上に作ることができる。これは、円形の孔が使用される場合に必要な２方向ではなく、１方向（線の方向に直角な方向）のみにスキャンすることによって線を任意に分離することができる。実際に、離散的なステップで単に線方向と直角にサンプルを移動させることが必要である。この移動の間に、ビームが開口プレートのステンシルを通過するのを防ぐ必要がある。これは、大きなリターディング電圧（retarding voltage）を開口プレートのステンシルに加えて、サンプルが横移動する間に、ビームを効果的に寄せ付けないことによって行うことができる。

ナノ単位の線を使用する印刷回路などのパターンを作ることもできる。これは、距離ｗ（図１）の２つの（直交する）方向に移動するときに、必ずしも不変である必要はない。このことは、開口プレート内の各開口部の後ろに配置された一連の電気ゲートを用いて、開口プレート内の各孔を通過するビームを別個に制御することによって行われる。縁支持板上の薄い（導電性の）金属構造体のアレイである。基板上の導電性の構造体は、外径がマスクの孔の間の間隔ｗよりもいくらか小さい薄い金属の環状のリングのアレイを備えている。環の内径は開口プレート中の孔と同じであり、この基板は開口プレートの直後に配置されるため、各小さい環の中心はコリメータアレイ（開口プレート）中の開口部に一致している。孔は絶縁支持基板中に作られており、開口プレートのコリメータを通過するビームは集束開口部を通過することができる。各環の電圧は、絶縁支持基板上のマイクロ回路によって別個に制御することができる。極性が正しい十分大きな電圧がバッキング支持基板上の個々の環に印加されると、逆の電界が設定されてイオンが開口プレート中の関連する（同軸の）開口部を通過することを防止する。スキャンする間に、これらのプレート上の電圧を（小形のコンピュータを使用して）個別に制御することによって、目標の基板上に任意の２Ｄパターンを書き込むことができる。

本発明によるマスクの等軸の概略図である。 図１のマスクを含む本発明による装置の断面図である。

Claims (15)

1. 複数の開口部をその中に有しており、該開口部のそれぞれが開口プレートに入射する粒子ビームの一部を受け取るように適合された開口プレートと、
   その上に書き込むことが望ましい材料の表面上に前記粒子ビームのそれぞれの一部を集束させるように動作できる集束手段と
   を備えてなる、粒子ビーム源と共に使用するのに適したマスク。
2. 前記集束手段は、前記粒子ビームのそれぞれの一部を直径が１０ｎｍ以下に集束するように動作することができるものである請求項１に記載のマスク。
3. 前記各プレートの開口部の寸法が、２０ｎｍから２００μｍまでの範囲内にある請求項１又は２に記載のマスク。
4. 前記各プレートの開口部の寸法が１μｍである請求項３に記載のマスク。
5. 前記集束手段は、前記開口プレートと平行な配列で前記開口プレートの下側に配置された複数の間隔を空けた導電性の素子と、前記導電性の素子を通って伸びる複数の集束開口部とを有しており、該集束開口部のそれぞれは、前記複数のプレートの開口部の１つに対応し、前記開口プレートと縦軸を共有しており、前記粒子ビームの各部分は、前記複数のプレートの開口部のうちの関連する１つによって受け取られて、対応する該集束開口部に入射し、該集束開口部を通って、前記粒子ビームの各部分が書き込まれるのが望ましい前記材料の表面に集束するものである、請求項１から４のいずれかに記載のマスク。
6. 前記集束開口部のそれぞれの寸法が２０ｎｍから２００μｍまでの範囲内にある請求項５に記載のマスク。
7. 前記集束開口部のそれぞれの寸法が３μｍである請求項６に記載のマスク。
8. 前記集束開口部のそれぞれが、前記対応するプレートの開口部よりも大きいものである請求項５から請求項７のいずれかに記載のマスク。
9. 前記集束手段が、３つの間隔を空けた導電性の素子を備えている請求項５から請求項８のいずれかに記載のマスク。
10. 前記導電性の素子のそれぞれが、その隣接する導電性の素子に対して電子的にバイアスされている請求項５から請求項９のいずれかに記載のマスク。
11. 前記導電性の素子が、前記導電性の素子の間を占める複数の電気絶縁体によって間隔を空けられている請求項５から請求項１０のいずれかに記載のマスク。
12. 粒子ビーム源と、請求項１から１１のいずれかに記載のマスクとを備える直接書込み式粒子ビーム装置。
13. 前記粒子ビーム源は、２０ｅＶから１００ｋｅＶまでの範囲内のエネルギーを有する、前記開口プレート上に入射する粒子ビームを提供するように適合されている請求項１２に記載の直接書込み式粒子ビーム装置。
14. 前記粒子ビーム源は、１５０ｅＶから５ｋｅＶの範囲のエネルギーを有する、前記開口プレート上に入射する粒子ビームを提供するように適合されている請求項１２に記載の直接書込み式粒子ビーム装置。
15. 前記粒子ビーム発生器が、５０ｅＶのエネルギーを有する、前記開口プレート上に入射する粒子ビームを提供するように適合されている請求項１２又は１３に記載の直接書込み式粒子ビーム装置。

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