JP2022003653A - 局所プラズマ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被加工物への局所ダメージの少ない局所プラズマ装置を提供することを目的とする。【解決手段】この局所プラズマ装置は、内部にエッチングガスを導入でき、前記エッチングガスをプラズマ化できるプラズマ発生器と、前記プラズマ発生器により加工される被加工物の状態を観察するカメラと、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、局所プラズマ装置に関する。

電子線透過膜は、様々な用途で用いられている。例えば電子デバイスの動作を原子レベルで解明する際に用いられている。電子デバイスは一般に基板上に形成されるが、基板の厚みが厚すぎると電子線は透過できない。そのため、基板の一部を薄く加工し、電子線透過膜を形成することで、透過型電子顕微鏡を用いた電子デバイスの動作の測定が可能となる。

また電子線透過膜は、生体分子やウィルスの反応機構を解明する際にも用いられている。生体分子やウィルスは、高真空下では死滅のおそれがある。そこで高真空領域で発生した電子線を、電子線透過膜を介して生体分子やウィルスに照射することで、これらの反応機構の解明が行われている。

電子線透過膜としては様々なものが知られている。電子デバイスの動作を測定する場合は、基板を加工して電子線透過膜を作製する。基板の加工方法としては、集束イオンビーム（ＦＩＢ）加工（非特許文献１）、フォトリソグラフィー法を用いたウェットエッチング加工（特許文献１）等が知られている。またこの他、メンブレンを電子線透過膜として使用することも行われている（特許文献２）。

特開２０１０−６１８１２号公報 特開２００６−２１９３１４号公報

L. A Giannuzzi, and F. A. Stevie, A review of focused ion beam milling techniques for TEM specimen preparation, Micron 30 (1999) 197-204.

しかしながら、上記の方法はいずれも電子線透過膜を作製するための加工時間が長いという問題がある。またいずれの方法も、加工のために大掛かりな設備が必要であり、設備投資が必要となる。フォトリソグラフィー法を用いた方法は、加工プロセスが多く煩雑であり、マスクとして用いるレジスト等による汚染の可能性もある。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、簡便に作製可能で低コストな電子線透過膜を提供することを目的とする。

本発明者らは、鋭意検討の結果、局所プラズマエッチング技術を用いることで、簡便かつ低コストに電子線透過膜を得ることができることを見出した。また局所プラズマエッチング技術を用いて作製した構造体を電子線透過膜として用いることができることを見出した。
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。

（１）第１の態様にかかる電子線透過膜は、基基板の第１面から対向する第２面に向かって形成された凹部を有し、前記凹部は湾曲面を有し、前記凹部の最底部と前記第２面との厚みが、電子線が透過可能な厚み以下である。

（２）上記態様にかかる電子線透過膜において、前記凹部の最底部と前記第２面との厚みが２００ｎｍ以下であってもよい。

（３）上記態様にかかる電子線透過膜において、前記基板が、前記第２面側に絶縁体層を有する半導体基板であってもよい。

（４）上記態様にかかる電子線透過膜において、前記絶縁体層が酸化シリコン又は窒化シリコンであり、前記半導体基板がシリコン基板であってもよい。

（５）第２の態様にかかる電子デバイスは、上記態様にかかる電子線透過膜と、前記電子線透過膜の凹部が形成されていない第２面に設けられた素子部と、を備える。

上記態様にかかる電子線透過膜は、簡便に作製でき、低コストである。

本実施形態にかかる電子線透過膜の断面模式図である。 本実施形態にかかる電子線透過膜の製造過程を模式的に示した図である。 フォトリソグラフィー法を用い、ウェットエッチングで作製された凹部を有する電子線透過膜の断面図である。 本実施形態にかかる電子デバイスの断面模式図である。 実施例１で作製した電子線透過膜の写真である。 実施例１において電子線透過膜を介して金属配線Ｍを観察した図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。

「電子線透過膜」
図１は、本実施形態にかかる電子線透過膜の断面模式図である。図１に示す電子線透過膜１０は、凹部４が形成された基板１である。凹部４は、基板１の第１面１ａから対向する第２面１ｂに向かって形成されている。凹部４は、お椀状の湾曲面４ａを有する。図１において基板１は、半導体基板２と絶縁体層３とからなる。絶縁体層３は、基板１の第２面１ｂ側に設けられている。

本実施形態にかかる電子線透過膜１０は、局所プラズマエッチング技術によって作製されたものである。凹部４の湾曲面４ａは、局所プラズマエッチング技術で作製されたものに特有の構造である。

局所プラズマエッチング技術とは、プラズマを利用して試料に残渣を残すことなく、サブミリメーター径の局所加工を行うことが可能な技術である。またこの方法は、加工対象の温度上昇を抑え、ダメージを少なくできるという利点も有する。

図２は、本実施形態にかかる電子線透過膜１０の製造過程を模式的に示した図である。局所プラズマエッチング技術は、高周波を印加できる電極を有するキャピラリを準備する工程と、このキャピラリの一端を加工対象に近接させる工程と、キャピラリ内にエッチングガスを導入し、高周波を印加することでプラズマを発生させる工程と、を有する。以下、具体的に説明する。

まず図２に示すように、交流を印加できる電源１３に接続された円筒状の電極１１を有するキャピラリ１２を準備する。キャピラリ１２は、アルミナ等を用いることができる。

次いで、このキャピラリの第１端１２ａを加工対象である基板１の第１面１ａに近接させる。キャピラリ１２内には、エッチングガスを導入し、キャピラリ１２の第２端１２ｂ側に吸引する。すなわち、エッチングガスはキャピラリ１２の第１端１２ａから第２端１２ｂに向かうガス流が生み出される。図２ではガス流の流れを矢印として図示した。

電源１３により電極１１に電流を加えると高周波が発生する。高周波が印加されたキャピラリ１２内のエッチングガスは、プラズマ化する。生じたプラズマＰの一部は、ガス流に逆らってキャピラリ１２の第１端１２ａから浸み出し、基板１の第１面１ａを局所エッチングする。

局所エッチングは、基板１の第１面１ａから原子を１層ずつ剥ぎ取るように進行する。そのため、エッチングの過程でできる角部は徐々に無くなり、お椀状の湾曲面４ａが形成される。エッチングの進行状態は、カメラ１４で確認する。プラズマ発光で生じた光のうち特定の波長の光をカメラで検出したところでエッチングを終了する。プラズマ発光で生じた光は、長波長の光から順にカメラで検出される。そのため、何れの波長を検出した際にエッチングを止めるかを設定することで、凹部４の深さを自由に設定できる。

局所エッチング法を用いると、５００μｍ程度の厚みのＳｉ基板を２０分程度で貫通させることができ、凹部４を極めて簡便かつ素早く形成できる。凹部４の形成速度は、エッチングガス種、エッチングガスの供給速度、印加する高周波の強度、処理環境の真空度等を調整することで、自由に設計できる。

図３は、フォトリソグラフィー法を用い、ウェットエッチングで作製された凹部を有する電子線透過膜の断面図である。図３に示す電子線透過膜２０は、半導体基板２２と絶縁体層２３とを備える基板２１の第１面２１ａから第２面２１ｂに向かって形成された凹部２４を有する点は、図１に示す本実施形態にかかる電子線透過膜１０と同様である。一方で、凹部２４の断面視形状は台形状であり、凹部２４を形成する面２４ａが湾曲面ではない点が異なる。

フォトリソグラフィー法では、凹部２４を開けたい部分以外の場所にレジスト等の保護膜を設け、エッチング処理を行う。レジストの開口部内におけるエッチング速度は、レジスト近傍を除き、略一定である。そのため、フォトリソグラフィー法を用いると、凹部２４の形状は原則台形状になり、図１に示す凹部４の湾曲面４ａは形成されない。

フォトリソグラフィー法は、レスストの塗布、露光、現像、レジスト剥離等の種々の工程が必要である。そのため、凹部２４を形成するために長時間が必要であり、高コストである。

上述のように、本実施形態にかかる電子線透過膜１０の凹部４は、製造方法に特有の湾曲面４ａを有する。電子線透過膜１０は湾曲面４ａを有するということは換言すると、電子線透過膜１０の最薄部がアーチ形状の基板１で支持されていることを意味する。橋脚の形状に見られるように、アーチ形状が最も効率よく上方から下方への荷重を支えることができる構造であり、最薄部のたわみを抑制することができる。最薄部のたわみが抑制されると、最薄部の面積を広くすることができる。電子線透過膜１０として最も重要なのは最薄部であり、最薄部の面積を広くできることは、電子線透過膜において極めて重要である。

また電子線は、電子線透過膜１０の凹部４と第２面２ｂの間を透過する。そのため、図１に示すように、凹部４の最底部４ｂと基板１の第２面２ｂとの間の厚みｄは、電子線が透過可能な厚み以下である。電子線が透過可能な厚みは、照射する電子線の強度等によっても変わる。

凹部４の最底部４ｂと基板１の第２面２ｂとの間の厚みｄは、具体的には２００ｎｍ以下であることが好ましく、１５０ｎｍ以下であることがより好ましく、１２０ｎｍ以下であることがさらに好ましい。また厚みｄが薄すぎると電子線透過膜１０の強度が低下するため、厚みｄは１０ｎｍ以上であることが好ましく、３０ｎｍ以上であることがより好ましく、５０ｎｍ以上であることがさらに好ましい。

凹部４の最底部４ｂと基板１の第２面２ｂとの間の厚みｄは、レーザー顕微鏡を用いて測定することができる。レーザー顕微鏡を用いて凹部４を観察すると光干渉膜が見られる。光干渉膜は、凹部４の湾曲面４ａで反射する光と、基板１の第２面１ｂで反射する光の干渉によって生じる。入射光の波長をλ、基板１の屈折率をｎ、回折時数をｍとすると、明環部における厚みｄ_Ｌはｄ_Ｌ＝（ｍ＋１／２）×λ／２ｎで求められ、暗環部における厚みｄ_Ｄはｄ_Ｄ＝ｍ×λ／２ｎで求められる。

また凹部４の最底部４ｂと基板１の第２面２ｂとの間の厚みｄは、作製時にカメラ１４に入射する透過光の強度から求めてもよい。透過光の強度と厚みｄとの関係は、波長ごとの透過率を事前に測定して求められる。一般に透過光の強度をＩ、入射光の強度をＩ_０、基板１の吸収係数をα、膜厚をｄとすると、Ｉ＝Ｉ_０ｅ^―αｄの関係が成り立つ。

凹部４の最底部４ｂの位置は、任意に設定できる。電子線の透過しやすさの観点では、凹部４の最底部４ｂは絶縁体層３まで到達していることが好ましい。異なる屈折率の物質を電子線が透過すると、界面で電子線の屈折が生じるためである。一方で、電子線透過膜１０の強度を高める観点では、凹部４の最底部４ｂは絶縁体層３まで到達していないことが好ましい。半導体基板２が除去されると、残った絶縁体層３の圧縮応力が開放され、座屈する場合がある。

基板１は、図１に示す半導体基板２と絶縁体層３とからなるものに限られない。例えば、単層の基板でもよいし、２層以上の複数層の基板でもよい。また半導体、絶縁体に限られず、金属層を有してもよい。一方で、電子線の散乱を抑制するという観点では、金属層は含まない方が好ましい。

図１に示すように基板１が半導体基板２と絶縁体層３とを有すると、電子線透過膜１０を電子デバイスに組み込みやすくなる。半導体基板２は、例えばＳｉ基板のような公知の半導体を用いることができる。また絶縁体層３は、基板がシリコンの場合は、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、窒化シリコン（ＳｉＮ）等を用いることができる。

上述のように、本実施形態にかかる電子線透過膜１０は、局所プラズマエッチング技術を用いて簡便に作製でき、低コストである。また電子線透過膜１０の凹部４が湾曲面４ａを有することで、最薄部のたわみを抑制することができる。

「電子デバイス」
図４は、本実施形態にかかる電子デバイスの断面模式図である。図４に示す電子デバイス１００は、図１に示す電子線透過膜１０と、電子線透過膜１０の凹部４が形成されていない第２面１ｂに設けられた素子部３０と、を備える。

図４に示す素子部３０は、ソース電極３１と、ドレイン電極３２と、半導体領域３３と、ゲート電極３４と、を備えるトランジスタである。ソース電極３１とドレイン電極３２間の半導体領域３３内に流れる電子をゲート電極３４で制御する。

図４に示す電子デバイス１００は、半導体領域３３の動的な変化を、電子線透過膜１０の第１面１ａ側から透過型電子線顕微鏡を用いて観察できる。電子顕微鏡では、観察対象に対して電子線を当てる。電子線透過膜１０は、凹部４を有することで電子線が透過できる。そのため電子線は、電子線透過膜１０を有していても、半導体領域３３の動的な変化を観察できる。

図４に示す電子デバイス１００の場合、半導体領域３３への外部からの影響からの影響を避けるために、基板１の第２面２ｂには絶縁体層３を設けることが好ましい。

上述のように、本実施形態にかかる電子デバイス１００は、電子線透過膜１０を有するため、電子線透過膜１０を介して素子部３０の状態を観察できる。

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

例えば、素子部３０は図４に示すトランジスタに限られず、任意の素子を用いることができる。例えば、ＭＥＭＳ、センサ、電池、アクチュエタ、マイクロポンプ、バイオチップ、マイクロ流路、マイクロ発電、振動発電素子、メモリー、分析電極等を用いることができる。

また生体分子やウィルスの反応機構を解明するための隔壁として電子線透過膜１０を利用する場合は、電子線透過膜１０を単体で用いてもよい。

「実施例１」
まず表面に２８０ｎｍ厚のＳｉＯ_２膜を有する３８０μｍ厚のＳｉ基板を準備する。ＳｉＯ_２膜は、熱酸化により作製する。

また図２に示すように、第１端１２ａを内径１ｍｍに絞ったアルミナ製のキャピラリ１２を準備する。キャピラリ１２には、交流を印加できる電源１３に接続された円筒状の電極１１が設けられている。そして、キャピラリ１２の第１端１２ａを、準備したＳｉ基板から０．１ｍｍ程度の近接した位置に設置する。

マスフローコントロラーを用いてエッチングガスをチャンバー内に供給する。エッチングガスは、フッ化炭素を用いた。フッ化炭素はＡｒ等の希ガスを用いて混合希釈してもよいが、ここでは希釈せずに用いた。キャピラリ１２は、第２端１２ｂ側から排気され、第１端１２ａから第２端１２ｂへ向かうガス流が形成される。

次いで、電極１１に１３．５６ＭＨｚの高周波を印加して、エッチングガスをプラズマ化した。プラズマは、キャピラリの第１端１２ａと準備したＳｉ基板との間に、第１端１２ａの内径程度の範囲で局在化し、局在エッチングが進行する。

エッチングの進行状態は、ＳｉＯ_２面をショートパスフィルターを通してカメラ１４でモニターした。そして、プラズマ発光のうち４４０ｎｍ以下の波長のみが一定の強度で透過した時点で、エッチングを止めた。エッチング加工に要した時間は約２０分であった。

図５は、実施例１で作製した電子線透過膜の写真である。図５（ａ）は、凹部を斜め方向から撮影した全体像であり、図５（ｂ）は電子線透過膜の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で撮影した画像である。凹部の開口径は、１．２ｍｍであり、深さは約３８０μｍであった。

また凹部の最底部と基板の非加工面との間の厚みを、レーザー顕微鏡で観察される光干渉膜から求めた。はっきり認識できる明環及び暗環から求められる凹部の最底部と基板の非加工面との間の厚みは、６９ｎｍ〜１２０ｎｍであった。

またラマン顕微鏡（励起波長４８８ｎｍ）及びエネルギー分散型Ｘ線（ＥＤＸ）分析器を用いて、凹部近傍の元素分析も行った。その結果、直径５０μｍの範囲で、ＳｉＯ_２の存在が確認された。ＳｉＯ_２が確認されたということは、Ｓｉ基板が除去されていることを示す。すなわちこの結果は、凹部の深さ及び凹部の最底部と基板の非加工面との間の厚みの結果と整合している。

そして金属配線を作製した基板上に作製した電子線透過膜を設置し、走査型電子顕微鏡で観察した。図６（ａ）は、電子線透過膜を介して金属配線Ｍを作製した基板を可視光で観察した図であり、図６（ｂ）は、電子線透過膜を介して金属配線Ｍを作製した基板を電子線で観察したＳＥＭ図である。

Ｓｉ基板は可視光を透過できるため、図６（ａ）に示すように金属配線Ｍが何れの場所でも確認できる。これに対して電子線は、凹部が設けられた部分において金属配線Ｍが確認できている。換言すると、実施例１で作製した構造体は、凹部において電子線を透過することができ、電子線透過膜として利用できる。

１，２１…基板、１ａ，２１ａ…第１面、１ｂ，２１ｂ…第２面、２，２２…半導体基板、３，２３…絶縁体層、４，２４…凹部、４ａ…湾曲面、２４ａ…面、４ｂ…最底部、１１…電極、１２…キャピラリ、１２ａ…第１端、１２ｂ…第２端、１３…電源、１４…カメラ、３０…素子部、３１…ソース電極、３２…ドレイン電極、３３…半導体領域、３４…ゲート電極、Ｐ…プラズマ、Ｍ…金属配線

Claims (3)

1. 内部にエッチングガスを導入でき、前記エッチングガスをプラズマ化できるプラズマ発生器と、
   前記プラズマ発生器により加工される被加工物の状態を観察するカメラと、を備える、局所プラズマ装置。
2. 前記プラズマ発生器は、前記カメラが前記プラズマ化により生じた光のうち特定の波長の光を検出すると、前記エッチングガスのプラズマ化を止める、請求項１に記載の局所プラズマ装置。
3. 前記プラズマ発生器は、前記カメラに入射する入射光の強度が所定値に達すると、前記エッチングガスのプラズマ化を止める、請求項１に記載の局所プラズマ装置。

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