JP5236501B2 - ナノ製造設備及びナノ製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ナノ製造設備及びナノ製造方法に関する。

特に、本発明は主として、表面を有するサンプルを受けるサンプルホルダと、サンプルホルダの方に向けられた下面と、下面の反対側に設けられ、ソースからサンプルホルダの方向に放出された粒子ビームを受けてサンプルを形成するようにされた上面と、上面と下面との間に設けられ、粒子の一部をサンプルホルダの方向に通過させるようにされた少なくとも１つの貫通開口部と、を有するサンプルを形成するマスクと、マスクとサンプルとの所望の相対位置を検出するようにされた近接場検出装置と、マスクとサンプルホルダとの相対的な移動を生じさせ、マスクとサンプルとを、ソースとマスクとの相対位置とは無関係に、所望の相対位置に位置させるようにされた変位装置と、を有するナノ製造設備に関する。

米国特許第６３１３９０５号明細書は、この種の設備の一例を記載している。蒸発源は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）のカンチレバーに形成された開口部を通して物質のクラスタ、液状体、または粒子を放出し、原子間力顕微鏡は、サンプルがこの開口部を通って堆積する際のサンプルに対するマスクの位置を監視するのに使用される。

しかし、このような装置は完全に満足行くものではない。実際、研究によって、このような設備には、サンプル表面上に堆積物を形成する際の再現性に関する問題があることが分かっている。実際、ユーザは、蒸発した粒子が蒸発源から放出されると、蒸発した粒子を制御することができなくなる。従って、堆積後、例えば表面を撮像することによって表面が所望のように形成されたかどうかを確かめる必要がある。

本発明の目的は、このような欠点を解消することである。

この目的のため、本発明によれば、この種類の設備は、マスクは、貫通開口部の位置に、貫通開口部を通過する荷電粒子と電気的に相互作用するようにされた少なくとも１つの電極を有することを特徴としている。

このような構成によって、元素（イオン）の形態の荷電粒子、またはクラスタもしくは液滴状に集合化した荷電粒子が、例えば、液体金属イオン型の、例えば点源から放出されると、サンプルの非常に近くに位置する粒子との相互作用が生じる。この電気的相互作用は、粒子がサンプルの方へ向かう際の粒子の軌跡及び／またはエネルギーの制御、あるいは粒子がサンプル自体に到達したことの電気的な検出からなることができる。

本発明の好ましい実施態様では、選択的に、以下の構成のうちの一つ及び／または他の一つをさらに有することができる。
−前記マスクは少なくとも１つの第２の電極をさらに有し、前記第１の電極は前記第２の電極と前記サンプルホルダとの間に位置し、前記第２の電極は前記貫通開口部の位置に位置し、前記電極と前記サンプルの前記表面とは、前記電極に電位が印加されたときに前記開口部を通過する前記荷電粒子の動きに電気的な影響を及ぼすようにされた静電レンズをともに形成する。
−前記第１の電極、前記第２の電極、及び前記サンプルの前記表面から選択される少なくとも１つの構造物に電位を発生させるようにされた電気発生装置を有する。
−前記第１の電極は前記マスクの前記下面に配置されている。
−前記下部電極に接続され、前記開口部を通過する前記粒子が前記表面に到達したときに、前記サンプルから分離された荷電素粒子を検出するようにされた検出器を有する。
−前記第１の電極と前記サンプルとの間に電位を発生させ、前記マスクと前記サンプルとの間の前記粒子の運動エネルギーに影響を及ぼすようにされた電気発生装置を有する。
−前記近接場検出装置は、前記サンプルの表面の近くで前記サンプルホルダに対して移動可能なヘッドを有し、前記ヘッドは、前記マスクに対して既知の相対位置に位置している。
−前記ヘッドと前記マスクは、前記サンプルの表面にほぼ平行な面内を一体的に移動可能である。
−前記ヘッドは、先端部と可とう性のカンチレバーとを有し、前記マスクは前記カンチレバーの薄肉の部分に形成されている。
−前記貫通開口部は、前記サンプルホルダへの前記粒子の経路に対して横方向に延びる狭いスリットを有する。
−荷電粒子の前記ビームを前記サンプルホルダの方向に放出して前記サンプルを形成するようにされた少なくとも１つのソースを有する。
−前記ソースと前記サンプルホルダとの間に配置され、以下の処理、すなわち、
−前記ソースから放出された前記粒子をクラスタとして集めること、
−電荷と、質量と、電荷と質量の比と、から選択される少なくとも１つの所望の特性を有するクラスタのフィルタリング、
−前記マスクの方向への前記クラスタの偏向
のうちの少なくとも１つを行うようにされたビーム整形装置を有する。
−各ソースが互いに異なる材料の粒子を前記サンプルホルダの方向に放出するようにされた複数のソースを有する。
−前記マスクは、複数の貫通開口部と、それぞれの貫通開口部の位置に位置する第１の電極と、を有し、それぞれの第１の電極が、対応する前記開口部を通過する前記荷電粒子と電気的に相互作用するようにされている。
−各ソースが対応する開口部を通って前記サンプルホルダの方向に粒子を放出するようにされた複数のソースを有する。
−前記ソースと前記マスクとの前記相対位置を検出するようにされたソース位置決めシステムをさらに有する。
−前記位置決めシステムは、近接場顕微鏡用の先端部の形態に構成されたソースそのものであって、前記粒子を形成する材料を外面に有し、前記先端部は、第１の動作モードでは前記先端部と前記マスクとの前記相対位置を検出し、第２の動作モードでは前記粒子を放出するようにされたソースそのものを有する。
−前記ソースは、前記材料の槽と、前記槽に入っている前記材料を液化し、前記材料を前記ソースの前記先端部に沿って流させる加熱装置と、を有する。
−前記ソースは前記開口部を形成するようにされている。

ａ）近接場検出装置が、形成マスクと、サンプルホルダ上に配置されたサンプルの表面と、の所望の相対位置を検出し、
ｂ）変位装置が、前記マスクと前記サンプルホルダとの相対的な移動を生じさせて、前記マスク及び前記サンプルを、ソースと前記マスクとの相対位置とは無関係に前記所望の相対位置に位置させ、
前記サンプル形成マスクは、前記サンプルホルダの方に向けられた下面と、前記下面の反対側に設けられた上面と、前記上面と前記下面との間に設けられた少なくとも１つの貫通開口部と、を有し、
ｃ）粒子ビームを前記ソースから前記サンプルホルダの方向に放出させ、前記粒子の一部が前記サンプルホルダの方向に前記貫通開口部を通過することによって前記サンプルが形成される、ナノ製造方法において、
ステップｃ）において、前記ソースは荷電粒子を放出し、
ｄ）前記貫通開口部の位置に配置された前記マスクの少なくとも１つの第１の電極によって、前記貫通開口部を通過する前記粒子との電気的な相互作用が生じることを特徴とするナノ製造方法に関する。

本発明の好ましい実施態様では、以下の構成のうちの一つ及び／または他の一つを採用することができる。
−ステップｃ）において、粒子が、前記サンプルの前記表面に到達して該表面を形成し、荷電した素粒子を該表面から分離し、ステップｄ）において、前記荷電した素粒子を前記第１の電極によって検出することで、前記開口部を通過する粒子との相互作用が生じる。
−ステップｄ）において、前記第１の電極と前記表面との間に電位差を生じさせ、前記開口部を通過する前記粒子が前記表面に到達したときに前記電位差が前記粒子の運動エネルギーに影響を及ぼすことによって、前記粒子との相互作用が生じる。
−前記マスクは少なくとも１つの第２の電極をさらに有し、前記第１の電極は前記第２の電極と前記サンプルホルダとの間に位置し、前記第２の電極は前記貫通開口部の位置に位置し、ステップｄ）において、前記電極と前記表面とが前記粒子の軌跡に電気的な影響を及ぼす静電レンズをともに形成することによって、前記開口部を通過する前記粒子との電気的な相互作用が生じる。
−ｅ）前記ソースと前記開口部との前記相対位置が検出され前記ソースと前記開口部の相対移動が生じて、前記ソースと前記開口部とが、前記ビームの一部が前記開口部を通過するようにそれぞれの適切な位置に位置させられる。
−少なくともステップａ）〜ｄ）が引き続き所望の相対位置で繰り返される。
−前記ソースから放出された前記粒子をクラスタとして集めるステップと、電荷と、質量と、電荷と質量の比と、から選択される少なくとも１つの所望の特性を有するクラスタをフィルタリングするステップと、クラスタをマスクの方向へ偏向させるステップのうちの少なくとも１つが行われる。
−少なくともステップｃ）及びｄ）が、前記マスクのただ一つの開口部を通して粒子を放出する複数のソースに対して連続的に行われる。
−少なくともステップｃ）及びｄ）が、各ソースがそれぞれの開口部を通して粒子を放出する複数のソースに対して並行して行われる。
−前記ソースは前記マスクの前記貫通開口部を形成する。

本発明の他の特徴及び利点は、添付の図面を参照して非制限的な例として与えられる本発明のいくつかの実施形態についての以下の説明から明らかになろう。

様々な図において、同じ参照符号は同一または同様の部材を示す。

図１は、形成すべきサンプル４の方向へ物質の荷電粒子のビーム２を放出するソース１を備えたナノ製造設備を非常に概略的に示している。サンプル４は、本設備のサンプルホルダ３によって保持されている。ソース１は、元素（イオン）のビーム２及び／またはクラスタもしくは液滴状のビーム２を放出する。各クラスタは、全体として電荷を有している。一例として、ソース１は、例えば約４０μＡの電流によって適切に電力が供給されたときに、イオンクラスタ、例えばナノメートル程度のサイズの金（Ａｕ）⁺イオンのクラスタを放出する液体金属イオンソース（ＬＭＩＳ、例えば、国際公開第９６／０２０６５号パンフレットに記載されている。）である。このビームは、直接またはビーム整形装置５を介して、サンプル４の方向へ放出される。ビーム整形装置５については、図３に関連して後ほど詳しく述べる。

図１の設備はまた、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）型、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）型、もしくは他の適切な検出装置である従来の近接場検出装置６を有している。従来、原子間力顕微鏡は、表面の凹凸及び／または化学的組成を検出する先端部７を備えたヘッド３７を有している。先端部７は、可とう性のビームまたはカンチレバー３６（図１の紙面に垂直）によって保持され、形成すべきサンプルの表面４ａの近くを位置決め装置９によって動かされる。「表面の近くに」とは、先端部７が、表面を検出するために、表面に接触した状態で維持されるか、または表面からわずかな距離の位置に維持され得ることを意味する。位置決め装置９は例えば、サンプルの表面４ａの面にほぼ一致する方向ｘ及びｙに、サンプルを保持するサンプルホルダ３を動かし、かつこの面に垂直な軸ｚに沿ってヘッド３７を動かすことができ、または任意の他の適切な方法でこれらの移動を行うことができる。位置決め装置は、例えばナノメートルスケールの移動精度を実現するために、例えば、位置決め装置を通過する電気量に伸び量が比例する圧電装置の形態で構成することができる。

図１を見ると分かるように、ヘッド３７は、一例によれば、クラスタの経路上のソース１とサンプル４との間に配置されたマスク８と一体的に、少なくともｘ軸及びｙ軸に沿って移動する。クラスタは場合によっては、ビーム整形装置５からサンプル４の方向に放出される。変形実施形態では、マスク８は、検出装置の分解能の範囲内で、本設備内の、ヘッド３７に対して既知の位置に維持される。マスクは例えば、ブロックによって基板から持ち上げられた状態で、基板の上方に位置している。従って、マスク８とヘッド３７のそれぞれの初期位置と、この初期位置に対する一方及び／または他方の移動と、から算出して、マスク８とヘッド３７の位置が任意の時点で既知であれば、マスク８はヘッド３７と無関係に動かすことができる。

図２により詳しく示すように、マスク８は、サンプルの表面４ａの面と平行に、ほぼ平面状に延びており、厚さは数百ナノメートル程度である。マスク８は、マスク８の上面８ａから下面８ｂまで延びる貫通開口部１０を有している。貫通開口部１０は例えば、マスク８の上面及び下面に対して垂直に形成され、直径は例えば１０ｎｍ程度である。

図示の適用例では、形成すべきサンプル４の表面４ａの近くに静電レンズが作られている。図２に示す純粋に例示を目的とした適用例では、第１の電極１１が、マスクの下面８ｂの、開口部１０の位置に設けられている。第２の電極１２が、ソース・表面間のクラスタの経路上の、第１の電極より上流側、例えば、マスクの上面８ａの、貫通開口部１０の位置に設けられている。図示の例では、第２の電極１２と、第１の電極１１と、サンプルの表面４ａと、で形成された集合体が静電レンズを形成している。第１の電気発生装置１３は、第１の調整可能な電位を第１の電極１１に印加し、第２の電気発生装置１４は、第２の調整可能な電位を第２の電極１２に印加する。

上述のマスク８は例えば、合焦イオンビームによるナノ製造（ナノＦＩＢ）方式の適切な製造工具によって作ることができる。例えば、２枚のシリコン膜の各一方の面を金属化し、開口部１０となるべき穴を設ける。次に、この２枚の膜を、金属化されていない面で、例えば分子結合によって組み立てる。レンズに望まれる特性に応じて、２枚または３枚以上の膜の積層体の様々な例を構成することができる。

次に、図１のビーム整形装置５を使用する例におけるビームの整形について、図３を参照して説明する。ソース１から放出されたビーム２はまず、静電レンズ１５によって集光され合焦される。次に、ウィーンフィルタと呼ばれるＥｘＢ速度フィルタをこのビームに適用することで、イオンと、全体として中性のクラスタと、所望の質量、電荷、または質量／電荷比をもった荷電クラスタと、を分離することができる。次に、例えばダブル四重極偏向装置の形態で作製された偏向装置１７を使用して、クラスタ２のビームをサンプルの表面４ａの、面積が数平方ミクロン（μｍ²）程度のスポットへ正確に案内する。

以上の説明では、開口部１０はほぼ点状の穴である。しかし、堆積すべきパターンに対応して、ほぼ一方向に延びるスリット、直線、曲線その他の線分などの、任意の種類の開口部に対して本発明を適用することも考えられる。

変形実施形態では、図３を参照して説明したようなビーム装置は必ずしも使用されない。この場合、ソース１はマスク８の近くに配置され、マスク８の上部電極は、開口部１０が円形の穴の場合には抽出分離に必要な静電界の対称性を確保するように、ソース１の抽出分離装置として働くことができる。

設備の使用時には、開口部１０は、サンプルの表面４ａの形成位置と向かい合うように配置される。この位置決めは、例えば位置決め装置９を用いて、所望の位置が識別されるまで、サンプルの表面４ａの幾何学的及び／または化学的特性あるいは他の特性を先端部７で検出することによって行われる。次に、貫通開口部１０が所望の位置の上方に来るように、マスク８またはサンプルホルダを動かす。

第１の実施形態では、図４に示すように、第１の電極１１が、マスク８の下面８ｂの開口部１０の位置に配置され、荷電クラスタ１８がサンプル表面４ａに到達したときに、第１の電極１１によって相互作用を生じさせることができる。例えばＡｕ⁺イオンのクラスタのように、クラスタが正に荷電されている場合、電子ｅ^-が第１の電極の方向に放出され、これらの電子を適切な検出器１９によって検出することができる。この適用例では、「開口部１０の位置に」とは、検出対象の表面４ａにクラスタ１８が到達したことによって放出される十分な数の電子が検出され、堆積された物質の量に関する有用な情報を得られる程度に、電極が開口部に近接していることを意味する。この検出によって、検討している例では、サンプルの表面４ａ上の所望の位置に堆積された金の量の監視が可能となり、この位置でこの方法を実施しなければならない時間の長さを確認する手段が実現される。堆積物が形成されると、マスクをサンプルに対して新しい所望の位置に動かすことができ、そこでこれらのステップが繰り返される。この新しい所望の位置は、検出装置６によって事前に検出しておくことができる。

第２の適用例によれば、図５に示すように、クラスタ１８は、ソース１から表面４ａまでの行程でサンプルを形成する間に、直接電気的な作用を受ける。例えば、第１の電気発生装置１３によって第１の電極１１に逆電圧が印加される。入力電極１２は、接地電位または何らかの他の電位に維持される。従って、静電レンズによって電界が発生し、この電界は、サンプルの表面４ａの所望の位置２の方向にクラスタ１８を合焦させる効果を有する。こうして、１０ｎｍ／分程度の堆積速度を得ることができる。さらに、各クラスタ１８の質量及び／または電荷は、実質的に、マスク８の位置に到達するクラスタについて事前に定められるため、ビーム整形装置５を使用する際、第１の電気発生装置１３によって第１の電極１１に印加される電位を調整することによって、クラスタ１８がサンプル４の表面４ａの位置に到達したときのクラスタ１８の運動エネルギーに影響を及ぼすことが可能になる。これによって、堆積条件、サンプル４へのクラスタ１８の注入条件、または表面４ａの形成条件に対する制御が向上する。実際、クラスタによる表面被覆は、クラスタが表面に到達したときの運動エネルギーに直接関係している。運動エネルギーは、例えば数百ボルトから５ｋＶの間で制御することができる。

「の位置に」とは、本出願では、電極に印加された電位が開口部を通過する荷電クラスタに電気的な影響を及ぼすのに十分な程度に電極が開口部に近いことを意味する。

もちろん、検出装置６のヘッド３７をこの位置まで動かすことによって、検討中の位置に表面４ａが形成されたことを後で検出することもできる。

次に、サンプルの表面４ａを形成すべき他の位置までマスク８を動かすことができる。この例は、２電極マスクを有する簡単なレンズを示している。より正確にクラスタに影響を及ぼすため、開口部で重ね合わされる電極の数を増やすことができる。開口部１０がサンプルの表面４ａの新しい形成位置の上方に位置するまで、検出装置６をソース１とは無関係に動かすことができる。その際に、ソース１は、ビーム２の幾何学的範囲に応じて動かすか動かさないかだけで十分である。ビーム２を新しい位置まで案内するために、ソース１を動かさずにビーム整形装置５の偏向装置１７の特性を修正することができる。

ソース１に対する開口部１０の位置を検出するために、ＬＭＩＳソースは「撮像」モードで、低電流で使用される。次に、位置決め装置２０によってソースとマスクとの相対位置を調整することができ、あるいは偏向装置１７の特性を変更することができる。

ソース及びビーム整形装置にマスクを揃えることは不要である。というのは、撮像モードでは、ビームが、絶えずマスクの位置を検出し、開口部と整列するからである。

または、設備は、ソース１と開口部１０との相対位置を検出する検出装置を備えていてもよい。

金イオンが開口部１０の近くのマスク８上に堆積する間に開口部１０が再び閉塞したことが検出された場合、ソース１から基板の表面４ａを形成せず開口部１０自体を形成することも可能である。これは、開口部１０を適切な方法で再エッチングし、表面上に形成された金の堆積物をエッチングすることにより開口部１０が所望の形状を有するようにおこなう。

さらに、ナノホール型の開口部を有するこのレンズ形状の収差は非常にわずかである。作動距離がほぼ零になった場合、倍率は最小になる。大形で高エネルギーの荷電粒子を使用する場合、オングストロームスケールの回折現象によって理論的な限界が定まる。

図６に示すように、一変形実施形態では、マスク８は必ずしも検出装置のヘッド３７とは独立に製作されるわけではなく、マスク８とヘッド３７との相対位置が密接に相関付けられる。この変形実施形態では、マスク８をヘッド３７のカンチレバー３６の一部として形成することができる。マスク８の厚さは、必要に応じて、１０分の１マイクロメートルから１０分の数マイクロメートルの間で調整することができる。マスク８は例えば、カンチレバー３６の本体上に設けられた薄肉部分として示されているように作製される。これによって、非常に正確な検出装置を実現しかつマスクのための有用な拡張面が得られるように慎重に設置されたカンチレバーの剛性及び曲げ特性に影響を与えないことができる。

この構成では、以下のことが可能である。
−クラスタのビームによって個々に（堆積点、堆積パターン）またはまとめて（パターンのネットワーク）対処可能な、可変な形状、サイズ、位置、及び／または構成を有する複数の開口部を作製し、使用すること。後者の場合、マスクによって形成されるパターンの並行／同時転写が可能になる。
−マスクが、カンチレバー自体より広い表面積を有するため、マスクに作られた開口部に近接したサンプル４の表面４ａの領域を、スクリーニング効果によって非常に効果的に保護すること。

図６は、正確な尺度で描かれているわけではなく、ビーム整形装置５は省略されているが、従来のＬＭＩＳソースの代わりに使用できるソースも示している。このソースは、全体として針２２の形状の先端部２１を有している。針２２は、先端部の近位部２４と中央部２５とを延びるほぼ円筒形の本体２３と、本体２３の延長部として先端部の遠位部２７を延びる尖った端部２６と、を有している。尖った端部２６の外形は１０分の数ミリメートルにわたって延びており、トンネル効果顕微鏡の先端部の外形である。先端部の末端曲率半径は、走査型顕微鏡による測定では、約０．１マイクロメートルから２マイクロメートルの間、好ましくは０．３マイクロメートルから１マイクロメートルの間である。この目的のために、尖った先端２６の外面２６ａには、トンネル効果顕微鏡の針として読み取り／書き込みヘッドを使用するのに適した任意の形状が与えられる。

針２２は、金などの導電材料からなる薄膜２９で覆われた、タングステンなどの耐熱材料からなる長い先細り状のコア２８を有している。一例として、図示の実施形態では、コア２８は直径が０．２５ｍｍのタングステンワイヤで形成されており、タングステンワイヤは、少なくとも一部が、かつ少なくとも遠位部２７が、厚さが数ミクロンの金膜で覆われている。

先端部２１の中央部２５には、電気フィラメント３０のいくつかの巻き３０ａ，３０ｂ，３０ｃが設けられている。これらの巻きは、例えば図７では３つであり、中央部で針２２の長手方向軸の周りに巻かれており、例えば、直径が約０．１ｍｍのタングステンワイヤで作られている。図示の例では、各巻きは、導電材料からなる槽３１を囲む直径約０．５ｍｍの円を形成している。

図６に示すように、上述の先端部２１は、ヘッド３２、例えば、外径数ミリメートルのトンネル効果顕微鏡のヘッドに取り付けられている。このようなヘッド３２は例えば、電気発生装置（図６では不図示。）に接続するのに適した中央キャピラリ３３と、互いに電気的に絶縁された複数のクロスピース３４ａ，３４ｃと、を有している。

図７に示す先端部２１は、針２２と、第１の端部３０ｄ及び第２の端部３０ｅを有するフィラメント３０と、を有し、第１の端部３０ｄと第２の端部３０ｅの間には、ヘッド３２に電気的に接続された巻き３０ａ，３０ｂ，３０ｃがある。一方、先端部の近位部２４は、第１のクロスピース３４ａから給電される中央キャピラリ３３に電気的に接続されている。この位置で、フィラメント３０の第１の端部１０ｄは針２２に電気的に接続され、唯一の電気的接点を形成している。電気加熱回路を閉じるために、フィラメント３０の第２の端部３０ｅが、例えば圧着や点溶接によって、一方の絶縁されたクロスピース、例えばクロスピース３４ｃに電気的に接続されている。

第１及び第２のクロスピース３４ａ，３４ｃは電気発生装置に接続されている。クロスピース３４ｃについては、キャピラリ３３に電気的に接続されている。ヘッド３２は、マスク８の近くに位置している。先端部２１とマスク８との間の距離は例えば、百マイクロメートル程度のオーダーである。電気発生装置はマスク８にも電気的に接続されており、マスク８と先端部２１との間に電位差を生じさせる。

変位装置２０は、マスク８と先端部１とを、一次元、二次元、または三次元で相対的に動かすように構成されている。このような変位装置は従来、トンネル効果顕微鏡法に使用される種類の位置決め装置、例えば、材料中を電流が流れることによって長さが伸びることのできる圧電素子をベースとした装置とすることができる。図示の例では、３つの矢印Ｘ，Ｙ，Ｚで示すように、固定されたままのマスクに対して３方向にソースを動かすことができる。他の変形適用例も可能である。

図示の例では、電気発生装置は、一方では、２つのクロスピース３４ａ，３４ｃに接続されフィラメント３０に加熱電流を流す電流発生装置を有している。電気発生装置はまた、先端部とマスクの間に第１の符号の電位差を生じさせるか、またはこの２つの素子の間に第１の符号と反対の第２の符号の電位差を生じさせるようにされた電圧発生装置を有している。

第１の電圧発生装置は、ソース１を書き込みモードで使用するように構成されている（液体金属イオンソース）。この目的のために、例えば、マスク８が接地された状態で０〜５キロボルト程度の正電圧を先端部２１に印加する種類の電気発生装置を使用することができる。第１の電気発生装置から供給される電流は、例えば１〜１０マイクロアンペア程度である。

第２の電圧発生装置は、マスク８が接地された状態で数ボルト程度の負電圧を先端部２１に印加することができる。この場合、１ピコアンペアより小さく、最大で３００ナノアンペア程度であってよい電流が、先端部とマスクとの間を流れることができる。

上述の装置は、書き込みモードで液体金属イオンソースとして使用することができる。スイッチを適切な位置に配置することによって、第１の電気発生装置は、先端部１とマスク８との間に数キロボルト程度の正電位差を生じさせる。同時に、電流発生装置は、フィラメント３０に十分な電流（例えば、図示の形状の場合は数アンペア程度）を流すことによって伝熱装置を作動させ、巻きの位置で、導電材料を少なくともその融点に等しい温度まで加熱する。図示の形状では、槽において約１０００℃の温度に達するには、１．５Ｗの電力があれば十分である。この動作モード、すなわち液体イオンの放出による書き込みモードでは、先端部からイオンを剥離させようとする印加電界と、針を覆う液体金属膜の表面張力との互いに相反する効果によって、先端部の端部にテイラーコーンが形成される。先端部２１とマスク８との間に生じる電位差により、電界蒸発によって層２９の導電金属のイオンのビームが形成される。これらによって、サンプルの向かい合う部分が形成される。先端部２１からの物質の抽出による腐食は、電流発生装置から発生したエネルギーを伝達するフィラメントの巻きによって液化された槽３１からの導電材料の、針に沿った流れによって補償される。こうして、針の端部に配置された材料は、絶えず更新され、長寿命の書き込みモードを実現する。

スイッチを第２の位置にすることによって、第２の電圧発生装置は、トンネル効果顕微鏡によって読み取りモードで動作できるように先端部２１とマスク８との間に数ボルトの負の電位差を印加する。この電位差の効果によって、例えばナノアンペア程度の電流が先端部２１とマスク８との間を流れ、先端部２１はこの場合、トンネル効果顕微鏡の先端部として働く。測定された電流からマスク８の表面８ａに関する情報を導くためにトンネル効果顕微鏡で使用される種類の適切な検出装置が、この情報を検出するのに使用される。このような検出装置は、トンネル効果顕微鏡の分野で従来使用されており、本明細書ではこれ以上詳しく説明しない。

再生モードでは、針２２の端部の外部形状を更新することができる。実際、例えば液体金属イオン放出モードでの書き込みの後で、先端部２１の端部は極度に腐食している可能性があり、引き続き先端部２１を使用できるようにこの端部の形状を更新することが望ましい。このモードでは、先端部１とマスク８との間に電位差を印加せずに、槽に入っている導電材料が、電流発生装置によって行われる加熱によって液化され、この材料が、その最初の形状を回復するまで先端部に沿って流れる。

上述の装置を使用すると、例えば読み取りモードで開口部１０の位置を検出することができる。ソースが開口部１０と向かい合って位置させられた状態で、書き込みモードで、前述のように、荷電クラスタを放出する。前述の実施形態と同様に、マスク８はサンプル４に対して動かされ、サンプルの上面の他の位置を形成する。

あるいは、金属化されたマスク８の選択された位置を検出し、後で堆積させたいパターンに相当する開口部１０を、マスク８にエッチングで形成することもできる。

図８に示すように、それぞれが前述の実施形態の一方または他方に対応する複数のソース１を使用することができる。これらのソースは、互いに異なる材料を含むことができ、開口部１０を通して表面４ａのただ一つの位置に互いに異なる材料を堆積させるために連続して使用することができる。あるいは、複数のソースは、マスク８を動かした後で別々の位置で連続して使用することができる。

図９に示すように、それぞれがマスク８に形成された開口部１０と向かい合って機能する複数のソース１を配置することによって、サンプル４の表面４ａの並行処理を実施することも可能である。

ソースの２つの例を示した。例えば「電子ビームイオントラップ」型の、荷電された液滴状の他の任意の種類のソースを使用することも考えられる。

上述の設備によって、超小形電子部品の電気的接続を復元するのに堆積物を使用することが可能となる。

本設備を使用して、炭素ナノチューブ、ガリウムヒ素ナノフィラメント、磁気メモリなどの前駆体を局所的に成長させるように、当該前駆体を堆積させることも考えられる。

ナノ製造設備の概略図である。 図１の部分Ａの拡大詳細図である。 図１の設備のビーム整形装置の適用例の概略図である。 設備によって実現される検出機能の、図２に対応する概略図である。 設備による基板形成機能の、図２に対応する概略図である。 図を明確にするためにビーム整形装置を取り外した後の、設備の第２の例の三次元概略図である。 図６の設備を備えるようにされた粒子源の一例の概略図である。 ビーム整形装置が不図示の、第３の実施形態についてのほぼ図１に対応する図である。 第４の実施形態についてのほぼ図８に対応する図である。

Claims (29)

1. 表面（４ａ）を有するサンプル（４）を受けるようにされたサンプルホルダ（３）と、
   粒子ビームを放出して前記サンプル（４）を形成するソース（１）と、
   前記サンプルホルダの方に向けられた下面（８ｂ）と、前記下面の反対側に設けられ、前記ソース（１）から前記サンプルホルダの方向に放出された粒子ビーム（２）を受けて前記サンプルを形成するようにされた上面（８ａ）と、前記上面と前記下面との間に設けられ、前記粒子の一部を前記サンプルホルダの方向に通過させるようにされた少なくとも１つの貫通開口部（１０）と、を有するサンプル形成マスク（８）と、
   前記マスク（８）と前記サンプル（３）との所望の相対位置を検出するようにされた近接場検出装置（６）と、
   前記マスク（８）と前記サンプルホルダ（３）との相対的な移動を生じさせ、前記マスクと前記サンプルとを、前記ソースと前記マスクとの前記相対位置とは無関係に、前記所望の相対位置に位置させるようにされた変位装置（９）と、
   を有するナノ製造設備において、
   前記マスク（８）は、前記貫通開口部の位置に、該貫通開口部を通過する荷電粒子と電気的に相互作用するようにされた少なくとも１つの電極（１１）を有することを特徴とするナノ製造設備。
2. 前記マスク（８）は少なくとも１つの第２の電極（１２）をさらに有し、前記第１の電極（１１）は前記第２の電極（１２）と前記サンプルホルダ（３）との間に位置し、前記第２の電極は前記貫通開口部（１０）の位置に位置し、前記電極（１１；１２）と前記サンプルの前記表面（４ａ）とは、前記電極に電位が印加されたときに前記開口部（１０）を通過する前記荷電粒子の動きに電気的な影響を及ぼすようにされた静電レンズをともに形成する、請求項１に記載の設備。
3. 前記第１の電極、前記第２の電極、及び前記サンプルの前記表面（４ａ）から選択される少なくとも１つの構造物に電位を発生させるようにされた電気発生装置（１３；１４）をさらに有する、請求項２に記載の設備。
4. 前記第１の電極（１１）は前記マスクの前記下面（８ｂ）に配置されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の設備。
5. 前記下部電極に接続され、前記開口部を通過する前記粒子が前記表面に到達することによって前記サンプル（４）から分離された荷電素粒子を検出するようにされた検出器（１９）をさらに有する、請求項４に記載の設備。
6. 前記第１の電極と前記サンプルとの間に電位を発生させ、前記マスク（８）と前記サンプル（４）との間の前記粒子の運動エネルギーに影響を及ぼすようにされた電気発生装置（１３；１４）をさらに有する、請求項１から５のいずれか１項に記載の設備。
7. 前記近接場検出装置（６）は、前記サンプルの表面の近くで前記サンプルホルダに対して移動可能なヘッド（３７）を有し、前記ヘッド（３７）は、前記マスク（８）に対して既知の相対位置に位置している、請求項１から６のいずれか１項に記載の設備。
8. 前記ヘッド（３７）と前記マスク（８）は、前記サンプルの表面にほぼ平行な面内を一体的に移動可能である、請求項７に記載の設備。
9. 前記ヘッド（３７）は、先端部（７）と可とう性のカンチレバー（３６）とを有し、前記マスク（８）は前記カンチレバーの薄肉の部分に形成されている、請求項７に記載の設備。
10. 前記貫通開口部（１０）は、前記サンプルホルダへの前記粒子の経路に対して横方向に延びる狭いスリットを有する、請求項１から９のいずれか１項に記載の設備。
11. 荷電粒子の前記ビームを前記サンプルホルダ（３）の方向に放出して前記サンプルを形成するようにされた少なくとも１つのソース（１）をさらに有する、請求項１から１０のいずれか１項に記載の設備。
12. 前記ソース（１）と前記サンプルホルダ（３）との間に配置され、以下の処理、すなわち、
    −前記ソースから放出された前記粒子をクラスタとして集めること、
    −電荷と、質量と、電荷と質量の比と、から選択される少なくとも１つの所望の特性を有するクラスタのフィルタリング、
    −前記マスク（８）の方向への前記クラスタの偏向
    のうちの少なくとも１つを行うようにされたビーム整形装置（５）をさらに有する、請求項１１に記載の装置。
13. 各ソースが互いに異なる材料の粒子を前記サンプルホルダ（３）の方向に放出するようにされた複数のソース（１）を有する、請求項１１または１２に記載の設備。
14. 前記マスクは、複数の貫通開口部（１０）と、それぞれの貫通開口部の位置に位置する第１の電極（１１）と、を有し、それぞれの第１の電極（１１）が、対応する前記開口部（１０）を通過する前記荷電粒子と電気的に相互作用するようにされている、請求項１１または１２に記載の設備。
15. 各ソースが対応する開口部（１０）を通って前記サンプルホルダの方向に粒子を放出するようにされた複数のソース（１）を有する、請求項１４に記載の設備。
16. 前記ソース（１）と前記マスク（８）との前記相対位置を検出するようにされたソース位置決めシステム（２０）をさらに有する、請求項１１から１５のいずれか１項に記載の設備。
17. 前記位置決めシステムは、近接場顕微鏡用の先端部（２１）の形態に構成されたソース（１）そのものであって、前記粒子を形成する材料を外面（２６ａ）に有し、前記先端部は、第１の動作モードでは前記先端部（１）と前記マスク（８）との前記相対位置を検出し、第２の動作モードでは前記粒子を放出するようにされたソース（１）そのものを有する、請求項１６に記載の設備。
18. 前記ソースは、前記材料の槽（３１）と、前記槽に入っている前記材料を液化し、前記材料を前記ソースの前記先端部（２１）に沿って流させる加熱装置（３０）と、を有する、請求項１７に記載の設備。
19. 前記ソースは前記開口部（１０）を形成するようにされている、請求項１１から１８のいずれか１項に記載の設備。
20. ａ）近接場検出装置が、形成マスク（８）と、サンプルホルダ（３）上に配置されたサンプル（４ａ）の表面と、の所望の相対位置を検出し、
    ｂ）変位装置（９）が、前記マスク（８）と前記サンプルホルダ（３）との相対的な移動を生じさせて、前記マスク及び前記サンプルを、ソース（１）と前記マスク（８）との相対位置とは無関係に前記所望の相対位置に位置させ、
    前記サンプル形成マスク（８）は、前記サンプルホルダの方に向けられた下面（８ｂ）と、前記下面の反対側に設けられた上面（８ａ）と、前記上面と前記下面との間に設けられた少なくとも１つの貫通開口部（１０）と、を有し、
    ｃ）粒子ビームを前記ソース（１）から前記サンプルホルダの方向に放出させ、前記粒子の一部が前記サンプルホルダの方向に前記貫通開口部（１０）を通過することによって前記サンプルが形成される、ナノ製造方法において、
    ステップｃ）において、前記ソースは荷電粒子を放出し、
    ｄ）前記貫通開口部（１０）の位置に配置された前記マスクの少なくとも１つの第１の電極（１１；１２）によって、前記貫通開口部を通過する前記粒子との電気的な相互作用が生じることを特徴とするナノ製造方法。
21. ステップｃ）において、粒子が、前記サンプルの前記表面（４ａ）に到達して該表面を形成し、荷電した素粒子を該表面から分離し、
    ステップｄ）において、前記開口部を通過する粒子との相互作用が生じ、前記荷電した素粒子を前記第１の電極（１１）によって検出する、請求項２０に記載のナノ製造方法。
22. ステップｄ）において、前記第１の電極（１１；１２）と前記表面（４ａ）との間に電位差を生じさせ、前記開口部を通過する前記粒子が前記表面に到達したときに前記電位差が前記粒子の運動エネルギーに影響を及ぼすことによって、前記粒子との相互作用が生じる、請求項２０または請求項２１に記載のナノ製造方法。
23. 前記マスク（８）は少なくとも１つの第２の電極（１２）をさらに有し、前記第１の電極（１１）は前記第２の電極と前記サンプルホルダとの間に位置し、前記第２の電極は前記貫通開口部（１０）の位置に位置し、ステップｄ）において、前記電極（１１、１２）と前記表面（４ａ）とが前記粒子の軌跡に電気的な影響を及ぼす静電レンズをともに形成することによって、前記開口部を通過する前記粒子との電気的な相互作用が生じる、請求項２０から２２のいずれか１項に記載のナノ製造方法。
24. ｅ）前記ソース（１）と前記開口部（１０）との前記相対位置が検出され前記ソースと前記開口部の相対移動が生じて、前記ソースと前記開口部とが、前記ビームの一部が前記開口部を通過するようにそれぞれの適切な位置に位置させられる、請求項２０から２３のいずれか１項に記載のナノ製造方法。
25. 少なくともステップａ）〜ｄ）が引き続き所望の相対位置で繰り返される、請求項２０から２４のいずれか１項に記載のナノ製造方法。
26. 前記ソース（１）から放出された前記粒子をクラスタとして集めるステップと、電荷と、質量と、電荷と質量の比（８）と、から選択される少なくとも１つの所望の特性を有するクラスタをフィルタリングするステップと、クラスタをマスクの方向へ偏向させるステップのうちの少なくとも１つが行われる、請求項２０から２５のいずれか１項に記載のナノ製造方法。
27. 少なくともステップｃ）及びｄ）が、前記マスクのただ一つの開口部を通して粒子を放出する複数のソース（１）に対して連続的に行われる、請求項２０から２６のいずれか１項に記載のナノ製造方法。
28. 少なくともステップｃ）及びｄ）が、各ソースがそれぞれの開口部を通して粒子を放出する複数のソース（１）に対して並行して行われる、請求項２０から２７のいずれか１項に記載のナノ製造方法。
29. 前記ソース（１）は前記マスクの前記貫通開口部（１０）を形成する、請求項２０から２８のいずれか１項に記載のナノ製造方法。

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