JP2009137773A - 突起形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ダイヤモンド等の基材に比較的精度良く突起を形成可能な突起形成方法を提供する。
【解決手段】例えばタングステン等の金属を含む雰囲気中において収束イオンビームをダイヤモンド等の基材２ａの加工面２１に照射することにより、この金属を含む金属マスク４を加工面２１上に形成するステップと、金属マスク４を用いて、基材２ａをＲＩＥ法（Reactive Ion Etching）によるエッチングを施すことにより、基材に突起２２（金属マスク４が無くなるまでエッチングした場合、突起２４）を形成するステップとを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、基材に突起を形成する突起形成方法に関する。

特許文献１には、フォトリソグラフィーによって形成したマスクを用いて基材をエッチングする技術が開示されている。特許文献１に記載のエッチング方法は、フォトリソグラフィーを用いて基材上にレジスト層を形成し、このレジスト層をマスクとして用いて基材の厚さ方向の少なくとも一部をドライエッチングにより除去してマスクを形成する。この場合、レジスト層を残してなる薄膜部が、基材のうち除去が予定されている部分に形成される。特許文献１の記載によれば、この薄膜部によってオーバーエッチングが防止できるとされている。
特開２００５−６４９１７号公報

このようなレジストは、基材の加工面に薄く均一に塗布されるのが望ましい。しかし、加工面の大きさや形状によっては、加工面にレジストを薄く均一に塗布するのがレジストの流動性により困難な場合がある。このような加工面にレジストが塗布された場合、レジストの厚みにむらが生じている可能性が高く、よって、正確なエッチング加工が困難となる。故に、電子源やプローブ等に用いられる微細な突起を比較的精度良く基材に形成するのが困難となる。そこで本発明の目的は、比較的精度良く基材に突起を形成可能な突起形成方法を提供することである。

本発明は、所定の金属を含む雰囲気中において収束イオンビームを基材の表面に照射することにより、該金属を含む金属マスクを該表面上に形成するステップと、前記金属マスクを用いて前記基材をエッチングすることにより、該基材に突起を形成するステップとを有する、ことを特徴とする。

このように、本発明では、収束イオンビームによって基材の表面に形成される金属マスクがエッチング用のマスクとして用いられるので、流動性のレジストを表面に塗布して形成されたマスクに比較して、マスクの形成位置や形状がより正確になると共に、マスクの厚みもより均一となる。従って、このようなマスクを用いれば、比較的精度良く突起を基材に形成できる。

本発明は、所定の金属を含む雰囲気中において収束イオンビームを基材の表面に照射することにより、該金属を含む金属マスクを該表面上に形成するステップと、前記金属マスクを形成した後に、該金属マスクよりも低融点の材料から成る金属膜を前記表面上に形成するステップと、前記金属マスクを融解させずに前記金属膜を融解させ、前記材料を前記金属マスク上に集めることにより、該材料から成る金属体を該金属マスク上に形成するステップと、前記金属マスク及び前記金属体を用いて前記基材をエッチングすることにより、該基材に突起を形成するステップとを有する、ことを特徴とする。

このように、本発明では、収束イオンビームによって基材の表面に形成される金属マスクがエッチング用のマスクとして用いられるので、流動性のレジストを表面に塗布して形成されたマスクに比較して、マスクの形成位置や形状がより正確になると共に、マスクの厚みもより均一となる。従って、このようなマスクを用いれば、比較的精度良く突起を基材に形成できる。更に、金属マスクとこの金属マスク上に形成した金属体とをマスクとして用いてエッチングするので、金属体を設けない場合に比較して、マスクの厚みが金属体の厚み分だけ厚くなる。従って、比較的長時間のエッチングが可能となるので、比較的長い突起が精度良く基材に形成できる。

また、本発明では、前記基材は、前記表面と反対側の裏面を有する柱状体であり、前記表面と前記裏面との間隔Ｄは１ｍｍより長く、且つ前記基材の断面の径Ｒは１ｍｍ以下であり、前記間隔Ｄを前記径Ｒで割ったアスペクト比（Ｄ／Ｒ）は２以上であってもよく、更に、前記間隔Ｄは０．５ｍｍより長く且つ前記径Ｒは０．５ｍｍ以下であってもよい。そして、本発明では、前記基材の材料はダイヤモンドであり、前記金属マスクを形成するステップでは、タングステンを含む雰囲気中において収束イオンビームを前記基材の表面に照射することにより、タングステンを含む金属マスクを該表面上に形成してもよい。

本発明によれば、比較的精度良く基材に突起が形成できる。

以下、図面を参照して、本発明に係る好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において、可能な場合には、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。図１を参照して、実施形態に係る突起形成方法を説明する。まず、図１（Ａ）に示すように、柱状の基材２ａを用意する。基材２ａの材料は、例えばダイヤモンドである。その他、ＬａＢ６、ＣｅＢｘなどでもよい。基材２ａは、表面（加工面２１）と、この表面の反対側にある裏面とを有する。基材２ａは、断面、表面及び裏面の形状が円又は多角形等の円柱又は角柱等のような柱状を成す。基材２ａの表面と裏面との間隔Ｄは０．５ｍｍより長く、また、１ｍｍより長いのが好ましい。基材２ａの断面の径Ｒ（最大径）は１ｍｍ以下であり、また、０．５ｍｍ以下が好ましい。間隔Ｄを径Ｒで割った基材２ａのアスペクト比（Ｄ／Ｒ）は２以上である。

次に、図１（Ｂ）に示すように、加工面２１の略中央の予め指定された領域に対しＦＩＢ法（ＦＩＢ：Focused Ion Beam）における収束イオンビーム（例えばＧａイオンビーム）を、例えばタングステン（Ｗ）や白金（Ｐｔ）を含む雰囲気中において照射し、この領域に金属マスク４を形成する。金属マスク４は、タングステンや白金等の金属である。その他、Ｎｉやガス状にできる有機金属でも可能である。金属マスク４は、円形が好ましく、中央が膨らんでいるのが好ましい。金属マスク４は、１〜２マイクロメートルの厚みを有しており、円形の場合には、例えば、１〜１０マイクロメートル程度の径が実現可能である。図中符号Ａ１に示す図は、金属マスク４の形成された加工面２１の拡大図である。

次に、図１（Ｃ）に示すように、加工面２１を含む基材２ａの端部を、ＲＩＥ法（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）を用いて加工面２１の上方からエッチングする。このＲＩＥ法によるエッチングの実施により、基材２ａが基材２ｂに加工（変形）される。基材２ｂは、表面２３を有する。表面２３は、加工面２１を含む基材２ａの端部に対するエッチングによって形成される。表面２３上には突起２２が形成されており、突起２２は表面２３から突出している。

突起２２は、金属マスク４を用いて加工面２１を含む基材２ａの端部をエッチングすることよって形成される。突起２２の材料は、基材２ａと同じである。金属マスク４は１〜２マイクロメートル程度の厚みを有しているので、金属マスク４に対する基材２ａのエッチング選択比が例えば１０程度の場合には、突起２２の長さが１０〜２０マイクロメートルとなる。図中符号Ａ２に示す図は、突起２２の拡大図である。

次に、図１（Ｄ）に示すように、ＲＩＥ法を用いて表面２３の上方から表面２３を含む基材２ｂの端部を、金属マスク４が無くなるまでエッチングする。このＲＩＥ法によるエッチングの実施により、基材２ｂが基材２ｃに変形される。基材２ｃは、表面２５を有する。表面２５は、表面２３を含む基材２ｂの端部がエッチングされることにより形成される。表面２５上には突起２４が形成されており、突起２４は表面２５から突出している。突起２４の長さは、例えば、５〜１０マイクロメートル程度が実現可能である。

突起２４は、表面２３を含む基材２ｂの端部と突起２２とがエッチングされることによって形成される。突起２４の材料は、基材２ａと同じである。突起２４は、円錐又は角錐等の先鋭な形状を有する。このため、突起２４は、電子源や、ＡＦＭに用いる原子プローブへの適用に好適である。図中符号Ａ３に示す図は、突起２４の拡大図である。

以上説明したように、金属マスク４は、ＦＩＢによって基材２ａの加工面２１に形成されるので、流動性のレジストを加工面に塗布して形成されたマスクに比較して、マスクの形成位置や形状がより正確になると共に、マスクの厚みもより均一となる。従って、このような金属マスク４をマスクとして用いれば、比較的精度良く基材に突起が形成できる。

次に、図２を参照して、実施形態に係る他の突起形成方法を説明する。図２に示す突起形成方法を用いれば、図１に示す突起形成方法により形成される突起よりも長い突起が形成できる。まず、図２（Ａ）に示すように、基材２ａを用意し、次に、図１（Ｂ）に示すように、加工面２１の略中央の予め指定された領域に対しＦＩＢ法におけるイオンビームを、例えばタングステンや白金を含む雰囲気中において照射し、この領域に金属マスク４を形成する（以上、図１に示す突起形成方法と同様）。

金属マスク４を形成した後、図２（Ｃ）に示すように、金属マスク４を含む基材２ａの表面（加工面２１）上に、金属マスク４よりも低融点の材料を有する金属膜６を、金属マスク４を覆うように形成する。金属膜６は、ＳｎやＩｎなどの単体、或いは、それらの合金が非常に好ましいが、金属マスクがＷ、Ｐｔと高融点であるので、Ａｌ，Ｃｕ、Ａｕなどの金属であってもよい。なお、前者の金属は、ダイヤモンドの酸化温度（摂氏６００度）よりも低融点であり大気中で後処理できるのでより好ましい。後者の金属は真空中でその後処理する必要がある。図中符号Ａ４に示す図は、加工面２１上に形成された金属膜６の拡大図である。

次に、図２（Ｄ）に示すように、雰囲気温度を上昇させる等して金属膜６を過熱する。金属膜６の温度を、金属膜６の融点以上であり金属マスク４及び基材２ａの融点よりも低くすることにより、金属マスク４を融解させずに金属膜６を融解させる。金属膜６は、ＳｎやＩｎなどの単体、或いは、それらの合金が非常に好ましいが、金属マスクがＷ、Ｐｔと高融点であるので、Ａｌ，Ｃｕ、Ａｕなどの金属であってもよい。なお、前者の金属は、ダイヤモンドの酸化温度（摂氏６００度）よりも低融点であり大気中で後処理できるのでより好ましい。後者の金属は真空中でその後処理する必要がある。金属膜６が融解すると、金属膜６の凝集力により金属膜６を構成していた金属材料は金属マスク４上に集中し、金属体６ａが形成される。金属膜６の材料と加工面２１を成す基材２ａの材料（例えばダイヤモンド）との濡れ性は、金属膜６の材料と金属マスク４の材料との濡れ性よりも低い。このため、融解された金属膜６の金属材料は、金属マスク４上に集中する。そして、加工面２１は金属マスク４を除いて露出する。

なお、金属マスク４上に形成される金属体６ａ以外にも、金属マスク４を除く加工面２１上に金属マスク４の材料から他の金属体が形成される可能性があるが、このような金属体は、酸性の液体による洗浄や超音波洗浄を用いれば容易に除去が可能である。金属体６ａは、このような洗浄によっては除去されない。例えば、金属体６ａとしてＰｔを用いた場合、Ｐｔはほとんどどのような酸を用いても除去されない。従って、金属マスク４をＳｎ，Ｉｎとした場合、このような金属マスク４はフッ酸で簡単に除去されるが、Ｐｔである金属体６ａは除去されない状況を作れる。また、金属マスク４をＡｕやＭｏとした場合、このような金属マスク４は王水で除去できるが、Ｐｔである金属体６ａは除去されない。

このようにして形成される金属体６ａは、球状体を成しており、金属マスク４上に形成される。金属体６ａは、加工面２１の上方から見て金属マスク４を覆う。図中符号Ａ５に示す図は、金属マスク４上に形成される金属体６ａの拡大図である。

次に、図２（Ｅ）に示すように、加工面２１を含む基材２ａの端部を、ＲＩＥ法を用いて加工面２１の上方からエッチングする。このＲＩＥ法によるエッチングの実施により、基材２ａが基材２ｄに加工（変形）される。基材２ｄは、表面２７を有する。表面２７は、加工面２１を含む基材２ａの端部に対するエッチングによって形成される。表面２７上には突起２６が形成され、突起２６は、表面２７から突出している。突起２６の長さは、例えば、１０〜７０マイクロメートル程度が可能である。突起２６は、金属体６ａ及び金属マスク４を用いて加工面２１を含む基材２ａの端部をエッチングすることによって形成される。突起２６の材料は、基材２ａと同じである。突起２６の端面には金属マスク４が設けられている。図中符号Ａ６に示す図は、突起２６の拡大図である。

次に、図２（Ｆ）に示すように、ＲＩＥ法を用いて表面２７の上方から表面２７を含む基材２ｄの端部を、金属マスク４が無くなるまでエッチングする。このＲＩＥ法によるエッチングの実施により、基材２ｄが基材２ｅに加工（変形）される。基材２ｅは、表面３０を有する。表面３０は、表面２７を含む基材２ｄの端部がエッチングされることにより形成される。表面３０上には突起２８が形成されており、突起２８は表面３０から突出している。突起２８の長さは、例えば、１０〜７０マイクロメートル程度が可能である。突起２８の端面上には突起２９が形成されており、突起２９は突起２８の端面から突出している。突起２９の長さは、例えば、５〜１０マイクロメートル程度が可能である。

突起２８は、突起２６をマスクに用いて表面２７を含む基材２ｄの端部をエッチングすることによって形成される。突起２８の材料は、基材２ａと同じである。突起２９は、金属マスク４を用いて突起２６をエッチングすることによって形成される。突起２９の材料は、基材２ａと同じである。突起２９は、円錐又は角錐等の先鋭な形状なので、電子源やプローブへの適用に好適である。また、突起２８と突起２９とは一の突起２８ａを構成する。よって、突起２８ａの長さは、突起２８及び突起２９の長さの合計であり、少なくとも１００マイクロメートル程度である。図中符号Ａ７に示す図は、突起２８及び突起２９の拡大図である。

以上説明したように、金属マスク４は、ＦＩＢによって基材２ａの加工面２１に形成されるので、流動性のレジストを加工面に塗布して形成されたマスクに比較して、マスクの形成位置や形状がより正確になると共に、マスクの厚みもより均一となる。従って、このような金属マスク４をマスクとして用いれば、比較的精度良く基材に突起が形成できる。更に、金属マスク４とこの金属マスク４上に形成された金属体６ａとをマスクとして用いてエッチングするので、金属体６ａを設けない場合に比較して、マスクの厚みが金属体６ａの厚み分だけ厚くなる。従って、比較的長時間のエッチングが可能となるので、比較的長い突起２８ａが基材の表面に精度良く形成できる。

次に、図３及び図４を参照して、本実施形態に係る突起形成方法の実施例を説明する。図３（Ａ）は、本実施例に係る基材の外形を示す写真であり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の図中符号Ａ８に示す領域を拡大した写真であり、図３（Ｃ）は、図３（Ｂ）の図中符号Ａ９に示す領域を拡大した写真である。図４（Ａ）は、本実施例に係る他の基材の加工面に形成された金属マスクの写真であり、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）に示す金属マスクを用いて形成された突起の写真である。まず、基材２ｆを用意した。基材２ｆは、０．６ｍｍ×０．６ｍｍ×２ｍｍの角柱のダイヤモンドである。基材２ｆは、表面（加工面３１）と、この表面の反対側にある裏面とを有する。基材２ｆの表面、裏面及び断面は、何れも０．６ｍｍ×０．６ｍｍの矩形である。基材２ｆの表面と裏面との間隔Ｄは２ｍｍであり、基材２ｆの断面の径Ｒは１ｍｍ以下である。間隔Ｄを径Ｒで割った基材２ｆのアスペクト比（Ｄ／Ｒ）は２以上である。

そこで、ＦＩＢ装置内において固体のＷ（ＣＯ）_６結晶を、摂氏５８度程度に過熱して昇華させた。この昇華により生成されたガス（タングステンを含むガス）を含む雰囲気中において、基材２ｆの加工面３１の所定領域にＦＩＢ法におけるＧａイオンビーム（収束イオンビーム）を照射した。加工面３１のうちＧａイオンビームが照射された領域は気相化学反応が起こり、タングステンを含む金属マスク４１がこの領域に形成された（図３（Ｃ）及び図１（Ｂ）を参照）。金属マスク４１の形は、一辺の長さが２５マイクロメートル程度であり、幅が４マイクロメートル程度の矩形である。また、金属マスク４１は、図３（Ｃ）に示すように矩形状であるが、円等の他の形状の金属マスクも基材２ａの加工面３１に形成できた。

また、基材２ｆの場合と同様にして、金属マスク４２及び金属マスク４３を、基材２ｆと同様の形状の基材２ｇの加工面３２（基材２ｆの加工面３１に対応）にＦＩＢ法を用いて形成した（図４（Ａ）及び図１（Ｂ）を参照）。そして、金属マスク４２及び金属マスク４３が無くなるまで、ＲＩＥ法によるエッチングを加工面３２の上方から基材２ｇに対して行った（図１（Ｃ）及び図１（Ｄ）を参照）。このエッチングは、酸素中にＣＦ_４ガスを２パーセント混在させたガスを含む雰囲気中において、全圧が１０Ｐａであり及びＲＦパワーが２００Ｗという条件のもとで行われた。この結果、突起３３ａ及び突起３３ｂが形成された。突起３３ａ及び突起３３ｂの材料は、基材２ｇの材料と同じである。突起３３ａ及び突起３３ｂは何れも先鋭な円錐形状を有していた（図４（Ｂ）を参照）。突起３３ａ及び突起３３ｂの長さは、それぞれ２．３マイクロメートル程度及び１．５マイクロメートル程度である。以上のように、タングステンを有する金属マスクを用いることにより、ダイヤモンドの基材２ｇからダイヤモンドの突起３３ａ及び突起３３ｂが形成できた。

以上、好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。

実施形態に係る突起形成方法の一例を説明するための工程図である。 実施形態に係る突起形成方法の他の例を説明するための工程図である。 実施例に係る突起形成方法を説明するための図である。 他の実施例に係る突起形成方法を説明するための図である。

符号の説明

２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆ，２ｇ…基材、２１，３１，３２…加工面、２２，２４，２６，２８，２８ａ，２９，３３ａ，３３ｂ…突起、２３，２５，２７，３０…表面、４，４１，４２，４３…金属マスク、６…金属膜、６ａ…金属体

Claims (5)

1. 所定の金属を含む雰囲気中において収束イオンビームを基材の表面に照射することにより、該金属を含む金属マスクを該表面上に形成するステップと、
   前記金属マスクを用いて前記基材をエッチングすることにより、該基材に突起を形成するステップと
   を有する、ことを特徴とする突起形成方法。
2. 所定の金属を含む雰囲気中において収束イオンビームを基材の表面に照射することにより、該金属を含む金属マスクを該表面上に形成するステップと、
   前記金属マスクを形成した後に、該金属マスクよりも低融点の材料から成る金属膜を前記表面上に形成するステップと、
   前記金属マスクを融解させずに前記金属膜を融解させ、前記材料を前記金属マスク上に集めることにより、該材料から成る金属体を該金属マスク上に形成するステップと、
   前記金属マスク及び前記金属体を用いて前記基材をエッチングすることにより、該基材に突起を形成するステップと
   を有する、ことを特徴とする突起形成方法。
3. 前記基材は、前記表面と反対側の裏面を有する柱状体であり、
   前記表面と前記裏面との間隔Ｄは１ｍｍより長く、且つ前記基材の断面の径Ｒは１ｍｍ以下であり、
   前記間隔Ｄを前記径Ｒで割ったアスペクト比（Ｄ／Ｒ）は２以上である、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の突起形成方法。
4. 前記間隔Ｄは０．５ｍｍより長く且つ前記径Ｒは０．５ｍｍ以下である、ことを特徴とする請求項３に記載の突起形成方法。
5. 前記基材の材料はダイヤモンドであり、
   前記金属マスクを形成するステップでは、タングステンを含む雰囲気中において収束イオンビームを前記基材の表面に照射することにより、タングステンを含む金属マスクを該表面上に形成する、ことを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の突起形成方法。