JP2014529839A - ナノパターン化及び超広帯域電磁特性測定システム - Google Patents

ナノパターン化及び超広帯域電磁特性測定システム Download PDF

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Abstract

本発明は、電源１と、制御装置２と、測定装置３とを備え、前記制御装置２は前記測定装置３に接続され、前記制御装置２と前記測定装置３は、それぞれ前記電源１に接続されており、前記測定装置３は、ＳＥＭ結像又はＥＢＬパターン化機能を有する結像装置３１と、真空チャンバー３２と、真空システム３３と、試料ステージ３４と、磁場応答特性測定装置３５とを備え、前記真空システム３３は前記真空チャンバー３２に接続され、前記結像装置３１、前記試料ステージ３４及び前記磁場応答特性測定装置３５は、いずれも前記真空チャンバー３２内に設置され、前記結像装置３１と前記磁場応答特性測定装置３５は前記試料ステージ３４に応じて設置されている、ナノパターン化及び超広帯域電磁特性測定システムを提供する。本発明によれば、高速で効率よくナノ材料とデバイス、及びそのアレイ試料の測定と研究を行うことができ、幅広い応用分野を有している。

Description

本発明は、ナノ材料及びデバイスの検出装置に関し、特に、電子ビーム露光システム/電子ビームパターン生成システムによる磁場印加に基づいて、高周波電磁信号の生成、導入、伝送、測定、及び大範囲でのナノメートル位置決めを実行する、ナノパターン化及び超広帯域電磁特性測定システムに関する。
ナノ加工及び検出技術の発展に伴い、ナノ材料とデバイスは、既に電子、磁気学、化学や生物等を含む多くの分野で幅広く応用されている。ナノ材料とデバイスに関する研究は、既に凝縮系物理及び現代情報技術と工業生産における核心的な問題の一つになっている。１９８８年以来、スピントロニクスの飛躍的な発展により、情報科学は、逐次ナノ磁性材料を含む超高密度磁気記憶(Ｔ−ｂｉｔ/ｉｎｃｈ２)、及びナノ秒レベルの高速リード／ライトの時代に進入しており、これは、ナノ材料及びデバイスに関する研究は、ナノ・マイクロ構造の結像、ナノパターン化、ＧＨｚ高周波操作、及び磁場又は電場の関与がある総合的な測定と分析を含む完全な過程を経なければならないことを意味する。
電子ビーム露光(electron beam lithography、ＥＢＬ)システムは、目下のところナノ構造の製造と観測を集積する重要な設備の一つであり、走査電子顕微鏡(ＳＥＭ)結像機能及び電子ビームパターン発生器を備える。即ち、集束電子ビームを利用してレジスト層に直接にナノパターンを形成する。ナノ材料及びデバイスを作製する理想的な方法として、電子ビームが有するビームスポットが小さい及びエネルギーが高いとの特徴に基づき、電子ビーム露光システムを利用して線幅５〜１０ｎｍのナノ構造を製造することができる。今までの世界記録は、最小線幅が５ｎｍより小さいナノ構造を製造したことであり、それはドイツのＲａｉｔｈ会社のＥＢＬシステムにより実現されたことであり、その記録は現在まで保持されている。その一部のＥＢＬシステムには電気信号測定機能を持つプローブアームが導入されているが、現在のＥＢＬシステムによって、ナノ材料及びデバイスに対する直接的な観測と、電気/磁気信号に対する原位置操縦及び測定との両立を実現することができない。その主なボトルネック問題は、ＥＢＬシステムにおいて、露光及び結像実行に用いられる電子が、原位置測定試料用の外部から印加される磁場又は電場の作用により偏向が起こり、そのため、電子ビームの集束及びスキャンに対して大きい妨害と影響を与えることになる。また、プローブ構造には特殊設計を経ていないため、高周波信号の電子ビーム真空システム内で送信及び測定を完成できず、原位置ナノデバイスの高周波信号の送信及び測定を実現することができない。国内外の現段階において、ナノ材料及びデバイスに対して高周波磁気/電気輸送特性を測定する普通の方法として、先ず、ＥＢＬを利用して露光を行って、マルチステップのマイクロ/ナノ加工を結合して、高周波信号を転送するための特殊電極構造を製造して、直流又は低周波交流の磁電特性を初歩的に測定した後、専門的な高周波測定システムに入れて磁電高周波応答信号の測定を行う。ナノ寸法によるパターン化工程は、その難度が大きく、製造周期が長く、加工及び測定過程が煩わしいため、製造コストが増加され、ナノ材料及びデバイスの測定時間も大幅に延長され、また成功率及び歩留まりにも顕著な影響を与えることになる。なお、従来の電子ビーム露光システムは、ナノメートルレベル位置決め機能を有するプローブアームを集積しているが、１インチ又はそれ以上の範囲内での正確なナノメートル位置決めが実現できず、比較的に小さい(数ミクロン)範囲内でしかプローブと試料の位置決め及び接続が実現できない。

発明の概要
発明が解決しようとする課題
本発明は、配列ナノ材料及びデバイスのパターン化、模様観測、及び原位置条件での超広帯域磁電気輸送特性の測定及び分析を実現できるナノパターン化及び超広帯域電磁特性測定システムを提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
上記課題を解決するため、本発明は、電源と、制御装置と、測定装置とを備え、前記制御装置は前記測定装置に接続され、前記制御装置と前記測定装置は、それぞれ前記電源に接続されたナノパターン化及び超広帯域電磁特性測定システムおいて、前記測定装置は、ＳＥＭ結像又はＥＢＬパターン化機能を有する結像装置と、真空チャンバーと、真空システムと、試料ステージと、磁場応答特性測定装置とを備え、前記真空システムは前記真空チャンバーに接続され、前記結像装置、前記試料ステージ及び前記磁場応答特性測定装置は、いずれも前記真空チャンバー内に設置され、前記結像装置と前記磁場応答特性測定装置は、前記試料ステージに応じて設置されている、ナノパターン化及び超広帯域電磁特性測定システムを提供した。
上記のナノパターン化及び超広帯域電磁特性測定システムにおいて、前記磁場応答特性測定装置は、ブラケットと、前記ブラケットに取り付けられている磁場発生装置と、磁場移動機構３５３とを備え、前記磁場発生装置は、コイルと、磁極とを備え、前記磁極は前記磁場移動機構３５３に接続されている。
上記のナノパターン化及び超広帯域電磁特性測定システムにおいて、前記磁極は、軟質磁性材料錐形構造部材、前記軟質磁性材料は、NiFe合金、ケイ素鋼板、或いは軟磁フェライトである。
上記のナノパターン化及び超広帯域電磁特性測定システムにおいて、前記コイルは、ヘルムホルツコイルである。
上記のナノパターン化及び超広帯域電磁特性測定システムにおいて、前記磁場応答特性測定装置は、更に磁場シールド機構を備え、前記磁場シールド機構は前記ブラケットに取り付けられるとともに、前記試料ステージに応じて設置されている。
上記のナノパターン化及び超広帯域電磁特性測定システムにおいて、前記磁場シールド機構は、磁気シールドキャップ又は磁場シールド板である。
上記のナノパターン化及び超広帯域電磁特性測定システムにおいて、更に電場応答特性測定装置を備え、前記電場応答特性測定装置は、前記真空チャンバー内に設置されるとともに、前記試料ステージの上方に位置している。
上記のナノパターン化及び超広帯域電磁特性測定システムにおいて、前記電場応答特性測定装置は、垂直電場印加プレート及び/又は水平電場印加プレートと、プレート移動機構とを備え、前記垂直電場印加プレート及び/又は水平電場印加プレートは、それぞれ前記プレート移動機構に接続されている。
上記のナノパターン化及び超広帯域電磁特性測定システムにおいて、更に光応答特性測定装置を備え、前記光応答特性測定装置は、光源と、光応答特性測定部材とを備え、前記光応答特性測定部材は前記真空チャンバー内に設置されている。
上記のナノパターン化及び超広帯域電磁特性測定システムにおいて、前記光応答特性測定部材は、光ファイバーと、光ファイバープローブと、移動可能なブラケットとを備え、前記光ファイバーは、前記光源と前記光ファイバープローブにそれぞれ接続され、前記光ファイバープローブは前記移動可能なブラケットに取り付けられ、前記移動可能なブラケットは、前記試料ステージに応じて前記真空チャンバー内に設置されている。
上記のナノパターン化及び超広帯域電磁特性測定システムにおいて、更に広帯域信号測定分析装置を備え、前記広帯域信号測定分析装置は、信号発生装置と、信号送信装置と、信号分析装置とを備え、前記信号発生装置及び前記信号分析装置はそれぞれ前記信号送信装置と接続され、前記信号送信装置は、前記真空チャンバーに接続されるとともに、前記試料ステージに応じて設置されている。
上記のナノパターン化及び超広帯域電磁特性測定システムにおいて、前記信号送信装置は、高周波プローブアーム及び/又は低周波プローブアームと、プローブアーム移動機構と、プローブとを備え、前記高周波プローブアーム及び/又は低周波プローブアームは、前記プローブアーム移動機構に接続され、前記プローブは、前記高周波プローブアーム及び/又は低周波プローブアームの前端に取り付けられている。
上記のナノパターン化及び超広帯域電磁特性測定システムにおいて、前記プローブアーム移動機構は、３次元の機械的な移動部材と、３次元の圧電移動部材とを備えている。
上記のナノパターン化及び超広帯域電磁特性測定システムにおいて、前記高周波プローブアームは、第１プローブアームと第２プローブアームとを含み、前記３次元の機械移動部材はベローズ管を介して前記第１プローブアームに接続され、前記第１プローブアームは前記３次元の圧電移動部材を介して前記第２プローブアームに接続されている。
上記のナノパターン化及び超広帯域電磁特性測定システムにおいて、更に前記信号送信装置はプローブ位置決め機構を備え、前記プローブ位置決め機構は前記高周波プローブアーム及び/又は低周波プローブアームの前端に取り付けられ、前記プローブ位置決め機構は前記制御装置に接続されている。
上記のナノパターン化及び超広帯域電磁特性測定システムにおいて、前記信号発生装置は、高周波ネットワーク分析器と、電圧源と、電流源とを備え、前記高周波プローブアーム及び/又は低周波プローブアームは、それぞれ前記高周波ネットワーク分析器、前記電圧源、前記電流源に接続されている。
上記のナノパターン化及び超広帯域電磁特性測定システムにおいて、前記信号分析装置は、スペクトル分析器を供え、前記スペクトル分析器は、前記高周波プローブアーム及び/又は低周波プローブアームと前記制御装置にそれぞれ接続されている。
上記のナノパターン化及び超広帯域電磁特性測定システムにおいて、前記真空チャンバー内には、更に試料ステージ移動機構が設置され、前記試料ステージは前記試料ステージ移動機構に取り付けられ、前記試料ステージ移動機構は前記制御装置に接続されている。
以下、本発明について図面と具体的な実施例を参照しつつ詳細に説明するが、それは本発明について限定するものではない。
本発明の構造を示すブロック図である。 本発明の一の実施例に係る測定装置の構造を示すブロック図である。 本発明の結像装置の動作原理図である。 本発明の一の実施例の構造を示す概略図である。 本発明の一の実施例に係る真空チャンバーの内部構造を示す概略図である。 本発明の一の実施例に係る磁場応答特性測定装置の構造を示す概略図である（磁場発生装置及び磁場シールド機構はいずれもオフ状態にある）。 本発明の一の実施例に係る磁場応答特性測定装置の構造を示す概略図である（磁場発生装置及び磁場シールド機構はいずれもオン状態にある）。 本発明の一の実施例に係る垂直電場応答特性測定装置の構造を示す概略図である。 本発明の一の実施例に係る水平電場応答特性測定装置の構造を示す概略図である。 本発明の一の実施例に係る光応答特性測定装置の構造を示す概略図である。 本発明の一の実施例に係る高周波プローブアームの構造を示す概略図である。 本発明の一の実施例に係る導電センサーを使用する際の高周波プローブアームの構造を示す概略図である。発明を実施するための形態
以下、本発明の構造及び動作原理について図面を参考にして具体的に説明する。
本発明では、測定磁場をＳＥＭ結像又はＥＢＬパターン化機能を有する試料ステージに導入して、測定されるナノ材料又はデバイスに対する磁場応答特性測定を行うことにする。図１、図２、及び図３を参照すると、図１は本発明の構造を示すブロック図であり、図２は本発明の一の実施例の測定装置の構造を示すブロック図であり、図３は本発明の結像装置を示す動作原理図である。本発明に係るナノパターン化及び超広帯域電磁特性測定システムは、電源１、制御装置２、及び測定装置３を備え、前記制御装置２は前記測定装置３に接続され、前記制御装置２及び前記測定装置３はそれぞれ前記電源１に接続されている。前記測定装置３は、ＳＥＭ結像又はＥＢＬパターン化機能を有する結像装置３１、真空チャンバー３２、真空システム３３、試料ステージ３４、及び磁場応答特性測定装置３５を備え、前記真空システム３３は前記真空チャンバー３２に接続され、前記結像装置３１、前記試料ステージ３４、及び前記磁場応答特性測定装置３５はいずれも前記真空チャンバー３２内に設置され、前記結像装置３１及び前記磁場応答特性測定装置３５は前記試料ステージ３４に応じて設置されている。ここで、本発明に係る結像装置３１は電子銃３１１及び二次電子検出器３１２を含み、そのＳＥＭ結像又はＥＢＬパターン化機能の原理は図３に示すように、該結像装置の構造及びその原理はいずれも比較的に成熟した従来技術に属し、それに対する詳しい説明は省略することにする。上記のＳＥＭ結像又はＥＢＬパターン化機能を有する結像装置３１、真空チャンバー３２、真空システム３３、及び試料ステージ３４として、すでに成熟した技術である実験又は産業レベルのＥＢＬ設備を直接採用しても良い。該ＥＢＬ設備は、電子銃、電子レンズ、及び電子偏向器等のその他の補助部材の三つ(露光した電子ビーム流の大きさを測定するためのビーム電流測定装置と、試料表面のアライメントマークを観察するための反射電子測定装置と、露光試料を放置して移動させるための作業台と、真空システムと、高圧電源と、図形データを偏向器を制御する電気信号に転換させるためのコンピュータパターン発生器)の基本的な部分からなる。電子ビーム露光システムは、電子ビームの形状によって、ガウスビーム(又は円形ビーム)と、変形ビーム(または矩形ビーム)に分けられている。ここで、ガウスビームという名称は、円形ビームスポット内の電流分布がガウス関数であるため名づけられたものである。ガウスビーム電子露光システムは、ベクトルスキャン式露光システムであり、その解像度が高いが、そのスキャンスピードがラスタースキャンの場合より大幅に低い。ここで、代表的なものとして、ドイツのRaith会社のRaith１５０電子ビーム露光システムがあるが、それは走査電子顕微鏡と電子ビーム露光の２つの機能を兼有し、最小ビーム直径は４ｎｍである。その主な特徴として、５keV〜３００keVの範囲での電子エネルギーの調節が可能な電子銃と、電子ビーム集束機能を有する磁気レンズグループ及びＳＥＭ結像機能の二次電子検出器と、電子ビーム集束と偏向機能を有する電子ビーム直接描画に用いられる電子ビーム制御電極及びそれに相応するソフトウエアと、水平の二次元方向において任意に移動する範囲が１インチ又はそれ以上であり、位置決め精度が１０ｎｍで、サイズが１〜１２インチである試料ステージとを備え、電子ビーム及び試料が位置するバックグラウンドの真空度は１０−５Ｐａより低くなっている。本発明において、全ての設備はＧＰＩＢ線を介して通信インターフェース２３に接続されており、制御装置２の制御ホスト２２における制御ソフトウエアによって制御され、制御パネル２１によって操作される。その構造及び機能はいずれも成熟した従来技術に属するため、その説明は省略することにする。
図４及び図５Ａを参照すると、図４は本発明の一の実施例に係る構造を示す概略図であり、図５Ａは本発明の一の実施例に係る真空チャンバーの内部構造を示す概略図である。本実施例において、前記磁場応答特性測定装置３５は、ブラケット３５１と、前記ブラケット３５１に取り付けられている磁場発生装置３５２及び磁場移動機構３５３とを備え、前記磁場発生装置３５２は、コイル３５２１及び磁極３５２２を含み、前記磁極３５２２は前記磁場移動機構３５３に接続されている。ここで、前記磁極３５２２は軟質磁性材料からなる錐形構造の部材であることが好ましい。その理由は、当該材料は磁化・脱磁しやすく、透磁率がかなり高く、磁場強度の強化及び残留磁気の減少の効果があるからである。前記軟質磁性材料は、NiFe合金、ケイ素鋼板又は軟磁フェライトであることが好ましい。前記コイル３５２１は、１対のヘルムホルツコイル３５２１であることが好ましい。本実施例では、該磁場は、真空チャンバー内の１対のヘルムホルツコイル３５２１によって発生され、錐形構造を有する軟質磁性材料で作製された磁極３５２２を介して、試料ステージ３４の周りに効果的に伝達される。磁場の方向及び大きさは、方向変更と大きさの連続変化を実現することが可能な直流電源によって制御され、その範囲は、必要に応じて設定することができ、磁場の最大の振幅値は５００ ０ｅ〜５０００ ０ｅに制御される。全体のヘルムホルツコイル及び軟質磁極は、高透磁率の強磁性材からなる磁気シールドキャップによって覆われている。また、図５Ｂに示すように、磁場電流源がオフされている場合及び磁極を使用されていない場合、より良い磁場シールド効果を得るため、さらに電子ビームに対する磁極の残留磁気及び浮遊磁場の影響を有効に避けるため、磁気シールドキャップの前端に設けられている磁石シールドバッフル板を閉鎖状態にする。外部からの磁場を使用して測定を行うとき、磁石シールドバッフル板が開放されることにより、軟質磁極は移動して試料ステージ３４に近づけることができる。ステッパモータ装置によって磁極の移動を操縦することにより、連続で正確な調整を実現することができる。
前記ヘルムホルツコイルは高導電率の導電ワイヤを巻き込んで製造したものであり、導電ワイヤの直径は０.２〜２ｍｍで、コイルの巻数及び直径は必要な磁場により決められる。前記コイルの外面は循環水ジャケットで包んで冷却することが可能である。前記磁極は円錐形構造であり、電極先端を凹面型になるように設計することにより、その試料ステージに近づく一端において磁力線の密度を増加させるとともに均一な磁場を発生されることができる。前記軟質磁性材料は、透磁率が高く、残留磁気が少ない特性を有し、純鉄、低炭素鋼、Fe-Ｓi合金、Fe-Ａｌ合金、Fe-Ｓi-Ａｌ合金、Ｎi-Ｆe合金、Ｆe-Ｃo合金、軟磁フェライト、非晶質軟磁性合金、及び粒子のサイズが５０ｎｍ程度の超微結晶軟磁合金であることが好ましい。前記軟磁芯磁電极は、ステッパモータに制御される機械送信装置によって操縦され、１０〜５０ｃｍの範囲内で自由に進入及び退出することができ、その移動は相応するソフトウエアとプログラムによって制御される。
本実施例において、磁極３５２２の試料に対する近接または離反は、機械装置（例えばステッパモータ又は油圧ポンプ）により制御することが可能であり、外部からの磁場の印加が必要な場合には、その磁気ヘッドは移動して試料ステージ３４に近づくとともに、ヘルムホルツコイルの電流源は電流を提供して磁場を印加する。磁場が必要でない場合又は電子ビームを利用して直接に描画又は結像する場合、磁極３５２２は試料ステージ３４から離反した位置に戻るとともに、磁場を印加するための電流源をオフにし、また、電磁気シールド措置を採用して、電子ビーム直接描画又は結像の操縦に影響を与えないように確保してもよい。前記磁場応答特性測定装置３５は、更に磁場シールド機構３５４を備える。前記磁場シールド機構３５４は前記ブラケット３５１に取り付けられ、前記試料ステージ３４に応じて設置されている（図５Ｂ、図５Ｃを参照）。本実施例では、前記磁場シールド機構３５４は磁気シールドキャップ又は磁場シールド板であることが好ましい。
図６Ａ及び図６Ｂを参照すると、図６Ａは本発明の一の実施例に係る垂直電場応答特性測定装置構造を示す概略図であり、図６Ｂは本発明の一の実施例に係る水平電場応答特性測定装置構造を示す概略図である。本発明における測定装置３は、更に電場応答特性測定装置３６を備えてもよく、前記電場応答特性測定装置３６は前記真空チャンバー３２内に設置され、且つ前記試料ステージ３４の上方設置されている。本実施例において、前記電場応答特性測定装置３６は、垂直電場印加プレート３６１及び/又は水平電場印加プレート３６２と、プレート移動機構（図示していない）とを備え、前記垂直電場印加プレート３６１及び/又は水平電場印加プレート３６２は、それぞれ前記プレート移動機構と接続されている。前記水平電場印加プレート３６２及び/又は垂直電場印加プレート３６１は、平面又は垂直方向に印加される電場をそれぞれ試料ステージ３４に導入して、ナノ材料及びデバイスに対する電場応答特性の測定を実行する。該水平電場印加プレート３６２及び/又は垂直電場印加プレート３６１は、真空チャンバー３２内において相対的に移動可能な一対の金属プレート電極であってもよく、又は、金属導電試料ステージ３４と対応する上方に同じ形状と大きさの移動可能な金属プレート電極を設けて、電圧を印加することにより水平電場又は垂直電場をそれぞれ生成する。ここで、印加する電圧は０〜１１０V又は０〜２２０V範囲にすることができ、又は測定の必要によって更に高い電圧を印加することができる(更に強い電場を生成する)。電圧は直流電圧であってもよく、交流電圧(生成した電場は定電場であってもよく、交流電場であってもよい)であってもよい。外部からの電場の印加が必要ではない場合、当該一対の水平電場印加プレート３６２を移動して引き離すか、または上部の垂直電場印加プレート３６１を上昇させることにより、真空チャンバー３２の壁のエッジまで後退させて、試料ステージ３４及び真空チャンバー電子ビーム作業中心領域から引き離せばよい。金属試料ステージの面内での電場分布に対する影響を減少するため、図６Ｂが示すように、試料ステージ３４の中央で上昇する垂直昇降式小型な試料ステージ３４２を利用して試料４を支持し、二つの金属電極の間に放置し、また二つの両金属プレート電極を利用して面内電場を印加してもよい。
該一対の水平電場印加プレート３６２の間隔を調節することにより、又は先端が移動可能な垂直電場印加プレート３６１と試料ステージ３４との距離を調整することにより、さらに定電圧下でナノ材料及びデバイスに印加する電場値の大きさを調整することができる。無論なこと、二つの金属プレート電極の間の距離を決めた後、外部から印加する電圧値を変更することにより印加される電場の大きさを調整することもできる。
前記垂直電場は、金属試料ステージ３４と、それと対応する直上方にある同じ形状と大きさであり、移動可能な金属プレート電極である、垂直電場印加プレート３６１との間に電圧を印加することにより実現されるものであり、両者の間隔は調整可能である(<１０ｃｍ)。垂直電場が必要ではない場合、上方の垂直電場印加プレート３６１を垂直に上昇させて、再び試料ステージ３４の測定範囲から水平に移出させることができる。垂直電場印加プレート３６１の寸法は実際状況に応じて調整することができ、通常は、測定用試料ステージ３４の形状、寸法と同一である(１〜１２寸)、したがって、最も均一な垂直電場を形成することができる。
上記垂直電場印加プレート３６１には、次のような二つの方法で電圧を印加することができる。その一の方法は、プローブが原位置測定を実行する際に、電圧(電場)の印加を行うことであり、二の方法は、プローブ自体の電場分布に対する影響を小さくするため、先に試料に電場を印加した後、移動可能な金属プレート電極を移動させ、その後にナノ材料又はデバイスの電磁気特性測定を行なうことである。しかし、二番目の方法は電磁気場応答に対して記憶効果があるナノ材料又はデバイスに限って適用される。図７は、本発明の一の実施例に係る光応答特性測定装置構造を示す概略図である。本発明の測定装置３は更に真空チャンバー３２内に設置された光応答特性測定装置３７を備えることができる。本実施例において、前記光応答特性測定装置３７は、光源３７１と光応答特性測定部材３７２とを備え、前記光応答特性測定部材３７２は前記真空チャンバー３２内に設置されて、光ビーム(レーザー、赤外線及び紫外線等の周波数帯域の光波/光場を含む)を真空チャンバー３２に導入して試料４上を照射することにより、測定対象のナノ材料及びデバイスの光応答特性測定を実現することができる。ここで、前記光応答特性測定部材３７２は光ファイバー３７２１と、光ファイバープローブ３７２２と、移動可能ブラケット３７２３とを備える。前記光ファイバー３７２１の一端は前記光源３７１と接続され、光ファイバー３７２１はインターフェース３７２４を介して真空チャンバー３２の壁を貫通して真空チャンバー３２に進入し、前記光ファイバー３７２１のその他の一端は前記光ファイバープローブ３７２２と接続され、また光ビームは真空チャンバー３２内に導入されている光ファイバー３７２１を利用して転送され、光ファイバープローブ３７２２は前記の移動可能なブラケット３７２３に取り付けており、前記の移動可能なブラケット３７２３は試料ステージ３４に応じて真空チャンバー３２内に設置されている。レーザー又はその他の光源が生成した光ビームは、光ファイバー３７２１によって真空チャンバー３２内に導入され、試料４の表面に案内される。その中、導入された光の波長、強度及び単色性等は、測定対象の試料４の光放射や光励起の需要に応じて、異なる光源又はレーザー器を配置することができる。光放射及び光励起に対する研究が必要でない場合には、該光ファイバー３７２１、光ファイバープローブ３７２２を移動可能なブラケット３７２３によって真空チャンバー３２の壁の付近にまで移動して、電子ビーム(ＥＢＬ)直接描画及びＳＥＭ結像中心領域から離反させることができる。
図４を参照にすると、本発明における測定装置３は、更に広帯域信号測定分析装置３８を備えことができ、広帯域信号(０〜１０、２０、４０、６０又は１００ＧＨｚ範囲)を真空チャンバー３２中に導入することができ、また信号の送信、導入導出、測定及び分析等の機能を有することができる。ここで、異なる信号に対する要求に応じて、周波数帯域が異なる信号、例えば３００ＭＨｚより小さい無線周波数信号、又は３００ＭＨｚ〜１００ＧＨｚ範囲の高周波信号の入力を配置することができる。ここで、高周波信号の導入及び導出は、特別に設計した移動可能な高周波プローブアーム３８２１により実現するとともに、高周波プローブ３８２４をナノ構造又はデバイス上に適用することにより、更なる高周波信号の印加及び測量を完成することができる。低周波信号の導入及び導出は、移動可能な低周波プローブアーム３８２２により実現するとともに、プローブ３８２４をナノ構造及びデバイスに適用することにより、更なる低周波及び直流信号の印加及び測量を完成することができる。前記広帯域信号測定分析装置３８は、信号発生装置３８１と、信号送信装置３８２と、信号分析装置３８３とを備え、前記信号発生装置３８１及び信号分析装置３８３はそれぞれ信号送信装置３８２に接続され、前記信号送信装置３８２は、真空チャンバー３２に接続されるとともに試料ステージ３４に応じて設置されている。本実施例において、前記信号送信装置３８２は、高周波プローブアーム３８２１及び/又は低周波プローブアーム３８２２と、プローブアーム移動機構３８２３と、プローブ３８２４とを備え、前記高周波プローブアーム３８２１及び/又は低周波プローブアーム３８２２は前記プローブアーム移動機構３８２３に接続され、前記プローブ３８２４は前記高周波プローブアーム３８２１及び/又は低周波プローブアーム３８２２の前端に取り付けられている。前記プローブアーム移動機構３８２３は、３次元の機械移動部材３８２３１と、３次元の圧電移動部材３８２３２とを備え、各高周波プローブアーム３８２１及び/又は低周波プローブアーム３８２２は単独で移動することが可能であり、３次元の機械移動部材３８２３１は、一定の範囲内でのプローブアームの高速移動を実現することができ、チャンバー内のＳＥＭ結像機能を結合して高速且つ大範囲の位置決めを実現することができる。その後、３次元の圧電移動部材３８２３２により、チャンバー内のＳＥＭ結像機能を結合して、１０ナノメートルレベルの正確な位置決めを実現することができる。ここで、四本のプローブ３８２４は必要により、いずれも高周波信号入力/出力のプローブであってもよく、その中の二本が高周波プローブで他の二本が普通のプローブであってもよい。高周波測定を実行する必要がない場合には、プローブ３８２４は一般プローブであってもよい。高周波プローブを利用して高周波信号を直接ナノメートルレベルデバイスに導出することができ、またナノメートルレベルデバイスから直接に高周波信号を獲得することができる。一般プローブを使用して低周波数又は直流信号の測定を行うことができる。前記プローブ３８２４の構造は、測定対象の試料４の特性に従って具体的に設定することにする。超広帯域率範囲電磁特性測定に使用されるプローブは、そのプローブの先端部の構造は基本的なグランド−信号−グランド(ＧＳＧ)構造であり、プローブ針の角距離は５０ナノメートル〜１００マイクロメートルの範囲内で選択される。
図８は、本発明の一の実施例に係る高周波プローブアーム構造を示す概略図である。本実施例において、前記高周波プローブアーム３８２１は、第１プローブアーム３８２１１と、第２プローブアーム３８２１２とを備え、前記３次元の機械移動部材３８２３１はベローズ３８２３３を介して第１プローブアーム３８２１１に接続され、前記第１プローブアーム３８２１１と前記第２プローブアーム３８２１２の間は、前記３次元の圧電移動部材３８２３２を介して接続されている。前記３次元の機械移動部材３８２３１を駆動させることによって、試料の１〜１２インチ範囲内の高速移動を実現でき、３次元の圧電移動部材３８２３２を駆動させることによって、ナノメートルレベルの正確な位置決めが実現できる。
前記信号送信装置３８２は、更にプローブ位置決め機構３８２５を備えることができ、前記プローブ位置決め機構３８２５は高周波プローブアーム３８２１及び/又は低周波プローブアーム３８２２に取り付けられ、前記プローブ位置決め機構３８２５は制御装置２に接続されている。本実施例において、プローブ３８２４と試料４の表面の接触を制御するため、該プローブ位置決め機構３８２５は、圧力センサー及び/又は導電センサーであることが好ましい。ここで、圧力センサーはプローブ先端と試料表面の接触力を検出し、プローブ先端と試料にダメージを与えることはない。予定値に到達した後、制御装置２はプローブアーム移動機構に対する制御によってニードリングを停止させ、それにより試料４がダメージを受けないように確保する（図８を参照）。導電センサーは、導電試料４に対するニードリング過程における制御を測定するものであり（図９を参照）、測定対象の試料及びデバイスが導電体である場合、また試料に微弱な電流を通してもダメージを受けない場合には、導電センサーを採用することができる。導電センサーが試料の表面に接触する際、導電センサーにより生じる電流はプローブの先端から試料に入って回路を形成し、電圧によってその生じる電流を検出され、プローブの先端と試料との接触力を制御することが実現できる。また、プローブ３８２４のプローブの先端と試料４との間に予め微小電圧を印加した場合、それらの間に通電されると、即ち電流が表示されると、プローブ３８２４のプローブの先端と試料４とが良好にオーム接触されていると考えられる。
前記信号発生装置３８１は、高周波ネットワーク分析器３８１１と、電圧源３８１２と、電流源３８１３とを備え、前記高周波プローブアーム３８２１及び/又は低周波数プローブアーム３８２２は、それぞれ前記高周波ネットワーク分析器３８１１、前記電圧源３８１２及び前記電流源３８１３に接続されている。
前記信号分析装置３８３はスペクトラムアナライザーを備え、前記スペクトラムアナライザーは、前記高周波プローブアーム３８２１及び/又は低周波数プローブアーム３８２２及び前記制御装置２にそれぞれ接続されている。
上記の高広帯域信号の生成、測定及び分析は、いずれも高周波ネットワーク分析器３８１１お及びスペクトラムアナライザーによって完成することができる(最高周波数は１００ＧＨｚ、ユーザーの要求及び周波数帯域が異なる信号によって配置することができる)。上記の高周波信号としては商用の高周波信号源を使用して生成することができ、通常は水晶振動子を利用して生成したり半導体キャパシタンス・インダクタンス(ＲＬＣ)発振器によって生成するが、ナノリング磁気トンネル接合（Ｎａｎｏ-ＲｉｎｇＭａｇｎｅｔｉｃＴｕｎｎｅｌＪｕｎｃｔｉｏｎｓ）に基づくスピン発振器を選択して使用することもできる(例えば、出願番号が“２００８１０１１９７５１.Ｘ”、“２００８１０２２２９６５.Ｘ”である中国発明特許出願において開示されているマイクロ波発振器は、その高周波数範囲が５００Ｍ〜２０ＧＨｚである。該装置は、寸法が小さく且つ集積しやすく、また直流電気信号又は磁場によって周波数の調整と制御が可能であるなどの特徴を有するため、マイクロ波発振器、測量器、無線通信システム、航空機搭載レーダー信号発生器、コンピュータＣＰＵシステム等の各種高周波デバイスに適用可能だけでなく、本発明における高周波信号発生源装置にも適用可能である)。上記の低周波数信号と直流信号の生成、測定及び分析は、いずれも高精度のロックイン増幅器(例えば、型番がＳＲ８３０の物)、ナノボルトメーター(例えば、Keithley社の２１８２Ａ)及び電流源メータ(例えば、Keithley社の２６００)等によって完成することができる。ケーブルとしては、ノイズ抑制效果のある同軸ケーブルワイヤが採用することができる。
試料の大範囲の移動と正確な位置決めを実現するため、真空チャンバー３２内には更に試料ステージ移動機構３４１が設置されている。前記試料ステージ３４は前記試料ステージ移動機構３４１に取り付けられ、前記試料ステージ移動機構３４１は前記制御装置２に接続されている。また、試料ステージ３４には垂直昇降式の小型な試料ステージ３４２を配置してもよい（図６Ｂを参照）。試料４の比較的に大きい範囲での移動は、試料ステージ移動機構３４１によって実現可能である。また、高周波プローブアーム３８２１も、限られた範囲での機械移動及び圧電セラミックの駆動によるナノメートルレベルの精密移動を実現可能である。
本発明は、マイクロナノ加工と結像機能、電場と磁場のコントロールによる電気輸送と磁電特性測定機能、及び高周波磁電気信号の検出能力を有する。それらの機能は統合性が高く、またデバイスの大量測定を快速に実現しやすいため、半導体、マイクロ電子、磁電子、スピン電子工学の材料、及びそのデバイスの測定と研究分野に幅広く応用することができ、情報産業における関連電子製品の大量検出と品質監視にも幅広く応用することができる。
本発明は、従来技術における不足点をよく克服でき、必要となるナノ材料又はデバイスに対して簡単な又は少ないステップのナノ加工だけを行うことで、ＥＢＬ結像の案内下でプローブの位置決めを行うことができ、被測定ナノ構造又はデバイスに直接接触することができる。また、ステッパモータを利用して磁場を測定する磁芯電極又は電場のプレート電極を操縦して、磁場又は電場を観測プラットフォームにおける略一平方インチ(必要に従って均一な磁場又は電場の範囲を決める)の中央領域に均一に印加する。その後、ＥＢＬ結像電子ビームを自動的にオフし、直流及び低周波数磁電気輸送測定、高周波(ＧＨｚ)信号の生成、送信及び測定等を含む、原位置で広帯域&#24102;範囲内での磁電特性測定を行う制御システムに切り替えられる。このような測定によれば、直接に原位置で被測定試料をセレクトすることができるとともに、プローブアームと試料ステージはいずれも大範囲内で相互に移動することができる。そのため、効率よく配列ナノ構造或いはナノデバイスを測定することができる。従って、スピードが高く、周期が短く、効率がよく、且つ測定成功率が高い等の利点がある。このような原位置測定は、工業上での高周波半導体デバイス、スピンエレクトロンデバイス（Ｓｐｉｎ-ＥｌｅｃｔｒｏｎＤｅｖｉｃｅ）、製品の大量検出及び品質監視等の分野にも適用される。
本発明は、さらに様々な実施例を含めることは無論のことであり、当業者は、本発明の技術的思想と本質から逸脱しないで、様々な変更と変形を施すことが可能であり、これらの相応する変更と変形はいずれも本発明の範囲に含まれる。
産業上の利用可能性
本発明のナノパターン化及び超広帯域電磁特性測定システムは、ＳＥＭ高解像度のイメージング機能を含むＥＢＬシステムに基づいて、マイクロナノ構造結像及びパターン化をする上で、均一な磁場又は電場を有効に試料ステージ中央領域に案内し、またナノメートルレベル位置決め機能を有するプローブを利用して広帯域電磁気信号をナノ構造又はデバイスに導入及び印加し、広帯域電磁気信号の導入、導出及び測定分析を行う。当該システムによれば、配列ナノ材料とデバイスのパターン化、模様観測、及び原位置の条件での超広帯域磁電気輸送特性の測定と分析を実現することができる。
従来技術と比べ、本発明はＥＢＬ機能の上で、原位置で高周波磁気、電気、光特性測定と研究を行う様々機能又は綜合測定の研究機能を統合することにより、高速で効率よくナノ材料とデバイス、及びそのアレイ試料の測定と研究を行うことができ、幅広い応用分野と市場ニーズを持っている。
１ 電源
２ 制御装置
２１ 制御パネル
２２ 制御ホスト
２３ 通信インターフェース
３ 測定装置
３１ 結像装置
３１１ 電子銃
３１２ 二次電子検出器
３２ 真空チャンバー
３３ 真空システム
３４ 試料ステージ
３４１ 試料ステージ移動機構
３４２ 垂直昇降式小型な試料ステージ
３５ 磁場応答特性測定装置
３５１ ブラケット
３５２ 磁場発生装置
３５２１ コイル
３５２２ 磁極
３５３ 磁場移動機構
３５４ 磁場シールド機構
３６ 電場応答特性測定装置
３６１ 垂直電場印加プレート
３６２ 水平電場印加プレート
３７ 光応答特性測定装置
３７１ 光源
３７２ 光応答特性測定部材
３７２１ 光ファイバー
３７２２ 光ファイバープローブ
３７２３ 移動可能ブラケット
３７２４ インターフェース
３８ 広帯域信号測定分析装置
３８１ 信号発生装置
３８１１ 高周波ネットワーク分析器
３８１２ 電圧源
３８１３ 電流源
３８２ 信号送信装置
３８２１ 高周波プローブアーム
３８２１１ 第１プローブアーム
３８２１２ 第２プローブアーム
３８２２ 低周波プローブアーム
３８２３ プローブアーム移動機構
３８２３１ ３次元の機械移動部材
３８２３２ ３次元の圧電移動部材
３８２３３ ベローズ管
３８２４ プローブ
３８２５ プローブ位置決め機構
３８３ 信号分析装置
４ 試料

Claims (20)

  1. 電源と、制御装置と、測定装置とを備え、前記制御装置は前記測定装置に接続され、前記制御装置と前記測定装置は、それぞれ前記電源に接続されたナノパターン化及び超広帯域電磁特性測定システムおいて、
    前記測定装置は、ＳＥＭ結像又はＥＢＬパターン化機能を有する結像装置と、真空チャンバーと、真空システムと、試料ステージと、磁場応答特性測定装置とを備え、
    前記真空システムは前記真空チャンバーに接続され、
    前記結像装置、前記試料ステージ及び前記磁場応答特性測定装置は、いずれも前記真空チャンバー内に設置され、
    前記結像装置と前記磁場応答特性測定装置は、前記試料ステージに応じて設置されていることを特徴とするナノパターン化及び超広帯域電磁特性測定システム。
  2. 前記磁場応答特性測定装置は、ブラケットと、前記ブラケットに取り付けられている磁場発生装置と、磁場移動機構と、磁場シールド機構とを備え、
    前記磁場発生装置は、コイルと、磁極とを備え、前記磁極は前記磁場移動機構に接続され、
    前記磁場シールド機構は、前記ブラケットに取り付けられるとともに、前記試料ステージに応じて設置されていることを特徴とする請求項１記載のナノパターン化及び超広帯域電磁特性測定システム。
  3. 更に電場応答特性測定装置を備え、
    前記電場応答特性測定装置は、前記真空チャンバー内に設置されるとともに、前記試料ステージの上方に位置していることを特徴とする請求項１記載のナノパターン化及び超広帯域電磁特性測定システム。
  4. 更に電場応答特性測定装置を備え、
    前記電場応答特性測定装置は、前記真空チャンバー内に設置されるとともに、前記試料ステージの上方に位置されていることを特徴とする請求項２記載のナノパターン化及び超広帯域電磁特性測定システム。
  5. 前記電場応答特性測定装置は、垂直電場印加プレート及び/又は水平電場印加プレートと、プレート移動機構とを備え、
    前記垂直電場印加プレート及び/又は水平電場印加プレートは、それぞれ前記プレート移動機構に接続されていることを特徴とする請求項４記載のナノパターン化及び超広帯域電磁特性測定システム。
  6. 更に光応答特性測定装置を備え、
    前記光応答特性測定装置は、光源と、光応答特性測定部材とを備え、前記光応答特性測定部材は前記真空チャンバー内に設置されていることを特徴とする請求項１記載のナノパターン化及び超広帯域電磁特性測定システム。
  7. 光応答特性測定装置を更に備え、
    前記光応答特性測定装置は、光源と、光応答特性測定部材とを有し、前記光応答特性測定部材は、前記真空チャンバー内に設置されていることを特徴とする請求項２記載のナノパターン化及び超広帯域電磁特性測定システム。
  8. 更に光応答特性測定装置を備え、
    前記光応答特性測定装置は、光源と、光応答特性測定部材とを有し、前記光応答特性測定部材は、前記真空チャンバー内に設置されていることを特徴とする請求項３記載のナノパターン化及び超広帯域電磁特性測定システム。
  9. 更に光応答特性測定装置を備え、
    前記光応答特性測定装置は、光源と、光応答特性測定部材とを有し、前記光応答特性測定部材は、前記真空チャンバー内に設置されていることを特徴とする請求項４記載のナノパターン化及び超広帯域電磁特性測定システム。
  10. 更に光応答特性測定装置を備え、
    前記光応答特性測定装置は、光源と、光応答特性測定部材とを有し、前記光応答特性測定部材は、前記真空チャンバー内に設置されていることを特徴とする請求項５記載のナノパターン化及び超広帯域電磁特性測定システム。
  11. 更に広帯域信号測定分析装置を備え、
    前記広帯域信号測定分析装置は、信号発生装置と、信号送信装置と、信号分析装置とを備え、
    前記信号発生装置と前記信号分析装置は、それぞれ前記信号送信装置に接続され、
    前記信号送信装置は、前記真空チャンバーに接続されるとともに、前記試料ステージに応じて設置されていることを特徴とする請求項１記載のナノパターン化及び超広帯域電磁特性測定システム。
  12. 更に広帯域信号測定分析装置を備え、
    前記広帯域信号測定分析装置は、信号発生装置と、信号送信装置と、信号分析装置とを備え、
    前記信号発生装置及び前記信号分析装置は、それぞれ前記信号送信装置に接続され、
    前記信号送信装置は、前記真空チャンバーに接続されるとともに、前記試料ステージに応じて設置されていることを特徴とする請求項２記載のナノパターン化及び超広帯域電磁特性測定システム。
  13. 更に広帯域信号測定分析装置を備え、
    前記広帯域信号測定分析装置は、信号発生装置と、信号送信装置と、信号分析装置とを備え、
    前記信号発生装置及び前記信号分析装置は、それぞれ前記信号送信装置に接続され、
    前記信号送信装置は、前記真空チャンバーに接続されるとともに、前記試料ステージに応じて設置されていることを特徴とする請求項３記載のナノパターン化及び超広帯域電磁特性測定システム。
  14. 更に広帯域信号測定分析装置を備え、
    前記広帯域信号測定分析装置は、信号発生装置と、信号送信装置と、信号分析装置とを備え、
    前記信号発生装置及び前記信号分析装置は、それぞれ前記信号送信装置に接続され、
    前記信号送信装置は、前記真空チャンバーに接続されるとともに、前記試料ステージに応じて設置されていることを特徴とする請求項６記載のナノパターン化及び超広帯域電磁特性測定システム。
  15. 前記信号送信装置は、高周波プローブアーム及び/又は低周波プローブアームと、プローブアーム移動機構と、プローブとを備え、
    前記高周波プローブアーム及び/又は低周波プローブアームは、前記プローブアーム移動機構に接続され、
    前記プローブは、前記高周波プローブアーム及び/又は低周波プローブアームの前端に取り付けられていることを特徴とする請求項１１記載のナノパターン化及び超広帯域電磁特性測定システム。
  16. 前記信号送信装置は、高周波プローブアーム及び/又は低周波プローブアームと、プローブアーム移動機構と、プローブとを備え、
    前記高周波プローブアーム及び/又は低周波プローブアームは、前記プローブアーム移動機構に接続され、
    前記プローブは、前記高周波プローブアーム及び/又は低周波プローブアームの前端に取り付けられていることを特徴とする請求項１４記載のナノパターン化及び超広帯域電磁特性測定システム。
  17. 前記信号送信装置は、更にプローブ位置決め機構を備え、
    前記プローブ位置決め機構は、前記高周波プローブアーム及び/又は低周波プローブアームの前端に取り付けられ、
    前記プローブ位置決め機構は、前記制御装置に接続されていることを特徴とする請求項１５記載のナノパターン化及び超広帯域電磁特性測定システム。
  18. 前記信号送信装置は、更にプローブ位置決め機構を備え、
    前記プローブ位置決め機構は、前記高周波プローブアーム及び/又は低周波プローブアームの前端に取り付けられ、
    前記プローブ位置決め機構は、前記制御装置に接続されていることを特徴とする請求項１６記載のナノパターン化及び超広帯域電磁特性測定システム。
  19. 前記信号発生装置は、高周波ネットワーク分析器と、電圧源と、電流源とを備え、
    前記高周波プローブアーム及び/又は低周波プローブアームは、それぞれ前記高周波ネットワーク分析器、前記電圧源、前記電流源に接続されていることを特徴とする請求項１５記載のナノパターン化及び超広帯域電磁特性測定システム。
  20. 前記真空チャンバー内には、更に試料ステージ移動機構が設置され、
    前記試料ステージは前記試料ステージ移動機構に取り付けられ、
    前記試料ステージ移動機構は、前記制御装置に接続されていることを特徴とする請求項１記載のナノパターン化及び超広帯域電磁特性測定システム。
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