JP4700119B2 - 原子間力顕微鏡を用いた微細加工方法 - Google Patents

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Description

本発明は原子間力顕微鏡を応用した微細加工方法に関するものである。
ナノメータスケールの微細加工の進展に対する期待は大きく、電子ビームや集束イオンビームを用いたナノメータスケールの様々な微細加工が実現されている。最近では走査プローブ顕微鏡を用いたナノメータスケールの微細加工も行われるようになってきている。走査プローブ顕微鏡を用いたナノメータスケールの微細加工として、電界蒸発、原子操作、陽極酸化や陽極酸化した個所の選択エッチングなど様々な方法が提案され実用化に向けて研究開発が続けられている。原子間力顕微鏡を応用した被加工材質よりも硬い探針を用いてスクラッチングによる物理的な除去もナノメータスケールの微細加工を実現する方法として注目されている（非特許文献１参照）。
この原子間力顕微鏡探針によるスクラッチングを用いて、フォトマスクの高精度修正や3次元ドーパントプロファイルの取得などが報告されている(非特許文献2、3参照)。スク
ラッチング加工は探針としては被加工材質よりも硬いものを使用し、シリコンやBN膜の他、ダイヤモンドをコートしたものやダイヤモンド単結晶を接着したものなどが用いられている。
加工精度に関しては、原子間力顕微鏡探針によるスクラッチング加工は加工時間が長く、高精度な加工を行うためには熱ドリフトの補正が必要である。レーザーインターフェロメータによるステージの補正や、原子間力顕微鏡により加工途中でイメージを取得し、そのイメージで加工位置合わせを行ったりしてドリフトが補正されている。また探針としてダイヤモンドを用いても、探針の磨耗が起こり加工精度を低下させてしまうという問題があった（非特許文献3参照）。磨耗した探針を交換することが行われてきたが、探針の交
換に時間がかかりトータルのスループットを低下させていた。探針は磨耗するだけではなく、切削した物質が探針に付着し、これも加工精度の低下の原因になっていた（非特許文献3参照）。
加工形状忠実性に関しても、一般的に探針は角錐状または円錐状でその形状から深い垂直な断面を得ることはできない。垂直な断面加工への対応が求められていた。水平方向の形状に関しても、探針の走査を圧電素子で行うためにヒステリシスやクリープやエージングといった圧電素子固有の歪のために加工形状の忠実さが損なわれることがあった。最近では圧電素子固有の歪をなくすためにソフトウェアによる補正や変位検出用センサを用いたクローズドループフィードバックによるリアルタイム補正が行われている（非特許文献4参照）。
一方集束イオンビームを用いてエッチング機能で良好な原子間力顕微鏡探針を作製することができることが知られている。最近ではデポジション機能でも良好な原子間力顕微鏡探針を作製することができることが報告されている(非特許文献5参照)。また集束イオン
ビームの加工はフォトマスクの欠陥修正等で断面はほぼ垂直で、形状も忠実な加工ができることが実証されている。
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上記の原子間力顕微鏡を応用した微細加工装置の問題点を克服し、加工品質や加工精度を向上させようとするものである。
原子間力顕微鏡を応用した微細加工装置に集束イオンビーム装置を組み込み、集束イオンビームのエッチングまたはデポジション微細加工能力を探針の加工、もしくはドリフトマーカの形成、垂直断面加工、罫書きや加工始点での針先への応力集中回避などの補助的な加工に用いる。
集束イオンビーム装置は高い分解能と位置決め精度を有し、硬い材料でもエッチングでき、硬い材料のデポジションも可能なので、針先に所望の形状を作製できる。集束イオンビーム装置は殆どの材料に対して微細な穴や細線のエッチングが可能で、垂直入射で垂直に近い断面が得られるので、ドリフトマーカや垂直断面、罫書きや加工始点の掘り込みも可能である。集束イオンビームのエッチング機能を利用すれば原子間力顕微鏡での加工時に発生する削り粉の除去も可能である。
装置に組み込んだ集束イオンビーム装置で探針先端形状を整えたり補助的な加工を施すことで、原子間力顕微鏡を応用した微細加工装置の加工品質や加工精度を向上させることができる。
以上説明したように、この発明によれば、原子間力顕微鏡を応用した微細加工装置の加工品質や加工精度を向上させることができる。
本発明の特徴を最も良く表す概略断面図である。 本発明を用いて加工用の加工中の磨耗もしくは付着物の付いた探針の追加工に用いた場合を説明する概略断面図である。 本発明を用いて加工用の探針を加工して所望の加工形状の実現に用いた場合を説明する概略断面図である。 本発明を用いてドリフト補正用のマーカの作製する場合を説明する概略断面図である。 本発明を用いて垂直断面をもった加工を実現する場合を説明する概略断面図である。 本発明を用いて罫書き線に沿って忠実な加工を行う場合を説明する概略断面図である。 本発明を用いて削り粉を除去する場合を説明する概略断面図である。 本発明を用いて探針の先端欠けを低減する場合を説明する概略断面図である。 本発明を用いて集束イオンビームで標準となる形状を作製して探針形状の影響を除いたより正確な形状観察を可能する場合を説明する概略断面図である。 本発明を用いて加工中に生じるチャージアップを電荷中和する場合を説明する概略断面図である。
図1に示すように真空チャンバ内に原子間力顕微鏡ヘッド1と試料ステージ4を有し、原
子間力顕微鏡ヘッド1はマニピュレータ2の先端に設置され、X-Y移動機構と傾斜・回転が
できるようになっている。試料ステージ4はX-Y移動機構と高さ調整機能と傾斜機能を持っている。更にこの真空対応の原子間力顕微鏡に集束イオンビーム鏡筒3とデポジション用
の原料ガスやアシストエッチング用のガスのガス導入系6と像観察用に二次電子検出器7が取りつけられている。原子間力顕微鏡探針先端観察時や加工時には原子間力顕微鏡ヘッドを集束イオンビームが探針先端に照射できる位置に移動し、マニピュレータ2の傾斜や回
転機能を利用して観察・加工を行う。集束イオンビームで試料5を加工するときには、試
料ステージ4を集束イオンビームが所望の場所に照射できる位置に移動し、イオンビーム
が垂直に入射されるように試料ステージ4を傾斜して使用する。原子間力顕微鏡で試料5を観察・加工するときには試料ステージ4を水平位置に戻し、原子間力顕微鏡の探針直下に
所望の場所に来るように試料ステージ4を移動する。
まず本発明を加工用の加工中の磨耗もしくは付着物の付いた探針の追加工に用いた場合の実施例について説明する。
加工の途中で装置内に組み込んだ集束イオンビーム装置で加工に使用している原子間力顕微鏡探針先端を観察し、図2(a)に示すように加工用探針先端が磨耗している場合には、磨耗した探針10先端に集束イオンビーム8の選択照射を行い、物理スパッタで余分な個所
を除去し先鋭化した探針11を形成する。もしくはアシストガス供給系9からエッチング用
のアシストガスを供給しながら加工が必要な個所のみ集束イオンビーム8を選択照射して
ガスアシストエッチング機能で余分な個所を除去し先鋭化した探針11を形成する。または図2(b)に示すようにデポジションガス供給系12から原料ガスを供給しながら加工が必要な個所のみ集束イオンビーム8を選択照射してデポジション機能で針先に先鋭な形状をした
堆積膜13を形成する。図2(c)に示すように先鋭化した探針15先端に付着物がある場合には付着物14を集束イオンビーム8で認識し、付着物領域のみイオンビーム8を選択照射し物理スパッタもしくはアシストガス供給系9からエッチング用のアシストガスを供給してガス
アシストエッチング機能で除去する。
次に本発明を加工用の探針を加工して所望の加工形状の実現に用いた場合の実施例について説明する。図3(a)に示すように先鋭化した探針の形状15のために所望の加工形状が実現できないときには、装置内に組み込んだ集束イオンビーム8のエッチング機能で原子間
力顕微鏡探針先端にそのときに必要とされる形状16に作り上げ、所望の形状の探針を用いて加工することで所望の加工形状を実現する。または図3(b)に示すように集束イオンビーム8のデポジション機能で原子間力顕微鏡探針先端をそのときに必要とされる形状17に作
り上げ、所望の形状の探針を用いて加工することで所望の加工形状を実現する。
次に装置内に組み込んだ集束イオンビーム装置でドリフト補正用のマーカを作製にする場合の実施例について説明する。エッチングガスまたは堆積膜原料ガス導入系20から適当なガスを導入し集束イオンビーム8のエッチング機能またはデポジション機能でドリフト
補正用の微小な穴18または突起19といったX方向やY方向の移動量が算出できる特徴的なパターンを形成し(図4(a))、その位置を記憶してから原子間力顕微鏡探針23による加工を開始する(図4(b))。加工途中でそのパターンを原子間力顕微鏡の観察モードで観察してその移動量からドリフトを算出し(図4(c))、加工領域22に対して試料21のドリフトの影響を補正して原子間力顕微鏡探針23による加工を再開する。加工の中断、特徴的なパターンのイメージング、ドリフト量の算出、加工領域のドリフト補正、加工の再開を繰り返して高精度な加工を行う。図4(d)に示すように加工終了後にマーカとして用いた微小な穴18はFIB-CVDにより堆積膜24で埋めることも可能で、微小な突起19も集束イオンビームのエッチン
グ機能で取り除くこともできる。
次に装置内に組み込んだ集束イオンビーム装置で垂直断面をもった加工を実現する場合の実施例について説明する。垂直な断面が必要とされる場合には、図5(a)に示すように集束イオンビーム8で原子間力顕微鏡加工だと探針形状のため加工が難しい部分25のみ垂直
断面加工を行い、それ以外の領域は図5(b)に示すように原子間力顕微鏡探針23で加工すれば、垂直な断面を持った高精度な加工を行うことができる。この方法を応用して加工領域22の最外部のみ装置内に組み込んだ集束イオンビーム8で加工すれば、原子間力顕微鏡探
針23による物理的な除去加工特有の探針形状による最外部の加工形状の乱れをなくすことができる。
次に装置内に組み込んだ集束イオンビーム装置で罫書き線を描き、原子間力顕微鏡探針で罫書き線26に沿って忠実な加工を行う場合の実施例について説明する。集束イオンビーム装置は一般的に原子間力顕微鏡で標準的に用いられている圧電素子のような固有のスキャンの非線形性や歪はなく、スキャンのリニアリティやX-Yの直交度も優れている。スキ
ャンリニアリティの優れた集束イオンビーム8のエッチングで加工領域22の忠実な罫書き線26を描き(図6(a))、作製した罫書き線26内のみを加工用の原子間力顕微鏡探針23で加工を行えば圧電素子の歪の影響を受けない高精度な加工を行うことができる(図6(b))。
次に装置内に組み込んだ集束イオンビーム装置で原子間力顕微鏡探針のスクラッチ加工で生じる削り粉を除去する場合の実施例について説明する。原子間力顕微鏡探針23を用いて加工したときには加工個所周辺に削り粉27が発生する(図7(a))。この削り粉27を装置内に組み込んだ集束イオンビーム8の物理スパッタもしくはガス導入系9からアシストガスを導入しガスアシストエッチングで削り粉27を除去する(図7(b))。加工の途中で原子間力顕微鏡で削り粉の除去状況をモニターすれば、綺麗に削り粉27のみを除去することができる。
次に原子間力顕微鏡探針の先端欠けを低減する場合の実施例について説明する。図8(a)に示すように原子間力顕微鏡探針23による加工の始点に当たる端の部分を、装置内に組み込んだ集束イオンビーム8で加工用の探針が入るようにあらかじめ削っておく。そうすれ
ば、図8(b)に示すように原子間力顕微鏡探針23で加工するときに探針の側面を加工領域22に押しつけることになるため、加工開始時に探針先端にかかる力を緩和できるようになり、加工用探針の先端欠けを低減することができる。加工用探針の先端欠けの低減により、高精度な加工を維持するために行う探針交換頻度を減らすことができる。
次に装置内に組み込んだ集束イオンビーム装置で標準となる形状を作製して探針形状の影響を除いたより正確な形状観察を可能する場合の実施例について説明する。まず図9(a)に示すように装置内に組み込んだ集束イオンビーム8で平面な試料上に集束イオンビーム
を垂直入射させて標準となる形状28を作製する。集束イオンビーム装置は再現性良く加工できるので、一度精密に形状を測定しておけば、原子間力顕微鏡の探針形状の把握の標準形状として用いることができる。図9(b)に示すように観察用の原子間力顕微鏡探針23でこの標準形状28を測定して、標準形状28との差異から探針形状の影響を抽出する。図9(c)に示すように探針形状の影響分を補正することで、加工前の形状認識時や加工途中のモニター時に針先形状の影響を除いたより正確な形状観察を可能することでより高精度な加工を行うことができる。
最後に装置内に組み込んだ集束イオンビーム装置で原子間力顕微鏡探針スクラッチ加工時に生ずるチャージアップを低減する場合の実施例について説明する。図10に示すように装置内に組み込んだ集束イオンビーム装置でプラスイオンまたはマイナスイオン29を斜めから加工中の原子間力顕微鏡探針23と加工部分22に照射し、加工中の摩擦で生ずるチャージアップを電荷中和してチャージアップによる加工精度の低下を起こらないようにする。電荷中和に使用するときには探針や試料にダメージを与えないようにイオンビーム29は低加速電圧でビームをぼかした状態で使用する。
1 AFMヘッド
2 4軸マニピュレータ
3 集束イオンビーム光学系
4 傾斜可能なXYZステージ
5 試料
6 ガス導入系
7 二次電子検出器
8 イオンビーム
9 エッチング用のアシストガス導入系
10 磨耗した探針
11 エッチングで先鋭化した探針
12 堆積膜原料ガス導入系
13 先鋭化した堆積膜探針
14 付着物
15 先鋭化した探針
16 エッチングで所望の形状に加工した探針
17 堆積膜で所望の形状に加工した探針
18 FIBエッチングで作製した微細な穴
19 FIB-CVDで作製した微細な突起
20 エッチングガスまたは堆積膜原料ガス導入系
21 試料
22 加工個所
23 AFM探針
24 穴埋めの堆積膜
25 AFM探針形状に依存した部分
26 罫書き線
27 AFM探針による削り粉
28 標準形状
29 電荷中和用のプラスイオンビームまたはマイナスイオンビーム

Claims (12)

  1. 試料ステージを傾斜することで試料に対して垂直にイオンビームを照射できる集束イオンビーム装置と、傾斜、回転機構を備えたマニピュレータ先端に設置された原子間力顕微鏡ヘッドとをチャンバー内に有し、水平位置にある前記試料ステージ上の試料を加工及び観察できる原子間力顕微鏡を用いて、イオンビームが試料に対して垂直に入射されるように試料ステージを傾斜して前記集束イオンビーム装置で試料にドリフト補正用の微小なパターンを形成し、試料ステージを水平位置に戻し、原子間力顕微鏡の探針直下に試料の加工所望位置が来るように試料ステージを移動させ試料加工途中に前記パターンを原子間力顕微鏡の観察モードで観察してその移動量からドリフトを算出し補正して試料を加工することを特徴とする原子間力顕微鏡を用いた微細加工方法。
  2. 試料ステージを傾斜することで試料に対して垂直にイオンビームを照射できる集束イオンビーム装置と、傾斜、回転機構を備えたマニピュレータ先端に設置された原子間力顕微鏡ヘッドとをチャンバー内に有し、水平位置にある前記試料ステージ上の試料を加工及び観察できる原子間力顕微鏡を用いて、イオンビームが試料に対して垂直に入射されるように試料ステージを傾斜して原子間力顕微鏡加工だと探針形状のためその垂直加工が難しい部分のみを前記集束イオンビーム装置で垂直断面加工を行い、それ以外の領域は試料ステージを水平位置に戻し、原子間力顕微鏡の探針直下に試料の加工所望位置が来るように試料ステージを移動させ原子間力顕微鏡探針で加工することを特徴とする原子間力顕微鏡を用いた微細加工方法。
  3. 試料ステージを傾斜することで試料に対して垂直にイオンビームを照射できる集束イオンビーム装置と、傾斜、回転機構を備えたマニピュレータ先端に設置された原子間力顕微鏡ヘッドとをチャンバー内に有し、水平位置にある前記試料ステージ上の試料を加工及び観察できる原子間力顕微鏡を用いて、イオンビームが試料に対して垂直に入射されるように試料ステージを傾斜して前記集束イオンビーム装置で試料の加工領域の罫書き線を描き、試料ステージを水平位置に戻し、原子間力顕微鏡の探針直下に試料の加工所望位置が来るように試料ステージを移動させ作製した罫書き線内を加工用の原子間力顕微鏡探針で加工することを特徴とする原子間力顕微鏡を用いた微細加工方法。
  4. 試料ステージを傾斜することで試料に対して垂直にイオンビームを照射できる集束イオンビーム装置と、傾斜、回転機構を備えたマニピュレータ先端に設置された原子間力顕微鏡ヘッドとをチャンバー内に有し、水平位置にある前記試料ステージ上の試料を加工及び観察できる原子間力顕微鏡を用いて、原子間力顕微鏡探針を用いて加工したときに加工個所周辺に発生する削り粉を、前記イオンビームが前記試料に対し垂直に入射されるように前記試料ステージを傾斜し、前記集束イオンビーム装置で除去することを特徴とする原子間力顕微鏡を用いた微細加工方法。
  5. 試料ステージを傾斜することで試料に対して垂直にイオンビームを照射できる集束イオンビーム装置と、傾斜、回転機構を備えたマニピュレータ先端に設置された原子間力顕微鏡ヘッドとをチャンバー内に有し、水平位置にある前記試料ステージ上の試料を加工及び観察できる原子間力顕微鏡を用いて、平坦な面を掘り込んで加工するときに、原子間力顕微鏡探針による加工の始点に当たる端を、加工用の探針が入るようにイオンビームが試料に対して垂直に入射されるように試料ステージを傾斜して前記集束イオンビーム装置であらかじめ削っておき、原子間力顕微鏡探針加工開始時に探針先端にかかる力を緩和し、加工用探針の先端欠けを低減することを特徴とする原子間力顕微鏡を用いた微細加工方法。
  6. 試料ステージを傾斜することで試料に対して垂直にイオンビームを照射できる集束イオンビーム装置と、傾斜、回転機構を備えたマニピュレータ先端に設置された原子間力顕微鏡ヘッドとをチャンバー内に有し、水平位置にある前記試料ステージ上の試料を加工及び観察できる原子間力顕微鏡を用いて、イオンビームが試料に対して垂直に入射されるように試料ステージを傾斜して前記集束イオンビーム装置で標準となる形状を作製し、試料ステージを水平位置に戻し、原子間力顕微鏡の探針直下に試料の加工所望位置が来るように試料ステージを移動させ観察用の原子間力顕微鏡探針でこの標準形状を測定して、加工前の形状認識時や加工途中のモニター時に針先形状の影響を除いたより正確な形状観察を可能することでより高精度な加工を行うことを特徴とする原子間力顕微鏡を用いた微細加工方法。
  7. 前記ドリフト補正用のマーカが集束イオンビームのエッチング機能で作製した微小な穴であることを特徴とする請求項１記載の原子間力顕微鏡を用いた微細加工方法。
  8. 前記ドリフト補正用のマーカが集束イオンビームのデポジション機能で作製した微小な突起であることを特徴とする請求項１記載の原子間力顕微鏡を用いた微細加工方法。
  9. 前記ドリフト補正用のマーカとして作製した微小な穴を加工終了後に集束イオンビームのＦＩＢ−ＣＶＤ機能で埋めることを特徴とする請求項７記載の原子間力顕微鏡を用いた微細加工方法。
  10. 前記ドリフト補正用のマーカとして作製した微小な突起を加工終了後に集束イオンビームのエッチング機能で取り除くことを特徴とする請求項８記載原子間力顕微鏡を用いた微細加工方法。
  11. 前記集束イオンビームによる補助的な加工が物理スパッタであることを特徴とする請求項２から６のいずれかに記載の原子間力顕微鏡を用いた微細加工方法。
  12. 前記集束イオンビームによる補助的な加工がアシストガスを用いた増速エッチングであることを特徴とする請求項２から６のいずれかに記載の原子間力顕微鏡を用いた微細加工方法。
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