JPH07216542A - 集束イオンビーム蒸着装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 曲面上にサブミクロンオーダーの精度で、良
質の薄膜からなる微小パターンを作成することのできる
集束イオンビーム蒸着装置を提供する。 【構成】 試料を支持する試料ホルダ７の直前に減速電
場を形成する手段１５を備えた集束イオンビーム装置に
おいて、試料ホルダ７の上に、試料の周囲の一部を覆っ
て、試料を含めた全体としての表面形状を略平面状に補
正する導電体からなる補正電極３０を設け、また、その
試料ホルダ７上の試料を所定の回転軸を中心として回転
させる回転駆動機構３１を設けた構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ターゲットの表面に適
宜のエネルギに減速した集束イオンビームを照射するこ
とにより、そのターゲット表面に任意の材質の薄膜から
なる微細パターンを直接描画することのできる集束イオ
ンビーム蒸着装置に関し、更に詳しくは、曲面上に微細
パターンを描画することのできる集束イオンビーム蒸着
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】平面上に薄膜の微細パターンを作成する
技術としては、半導体デバイスの作成に多用されている
光リソグラフィ技術のほか、所定の高エネルギに加速し
た特定のイオンからなる集束イオンビームをターゲット
の直前で減速することにより、ターゲットにそのイオン
を直接蒸着させる技術（例えば特開平５−２９９７１６
号）等が知られている。

【０００３】ところで、例えば微小な針状体の表面に微
細電極を形成する場合のように、曲面上に薄膜による微
細パターンを作成するに当たっては、半導体デバイスの
作成に多用されている光リソグラフィ技術をそのまま用
いることはできない。また、集束イオンビームを用いた
直接蒸着法においても、従来の集束イオンビーム蒸着装
置では、基板等の平板状の試料の表面に対しては良質な
薄膜からなる微細パターンを形成できるものの、針状体
等の表面が曲面の試料では、その形状によって減速電場
が乱れ、ビーム形状の増大、ビーム位置のずれ等の原因
となり、所望の微細パターンを描くことは不可能であ
る。

【０００４】このような曲面上への微細パターンの作成
技術としては、現在までに、レーザ光を利用した非平面
リソグラフィが報告されている（南，“レーザー光を利
用したマイクロ加工”ＯＰＴＲＯＮＩＣＳ（１９９２）
Ｎo.９）。この非平面リソグラフィは、微細パターンを
作成すべき曲面上に均一な厚さのポリマーを堆積した
後、そのポリマーをＫｒＦエキシマレーザを照射するこ
とによってパターニングする方法であり、そのポリマー
をマスクとして金属等を蒸着することにより、曲面上に
微細電極パターン等を形成することができる。

【０００５】また、このほか、原理的には、レーザビー
ムアシスト、電子ビームあるいはイオンビームアシスト
ＣＶＤによっても曲面上に薄膜をパターニングしながら
蒸着することは可能である。このような各ビームアシス
トＣＶＤは、基本的には、ターゲットの直前の真空中に
有機金属ガスを導入し、この有機金属ガスにビームを照
射することによってガス中の金属原子を分離させ、その
金属原子をターゲット上に蒸着する方法である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】以上のような従来の曲
面上への微細パターン作成方法のうち、レーザ光を利用
した非平面リソグラフィでは、得られるパターンの線幅
が〜１５μｍと大きいばかりでなく、歩留りが小さいと
いう問題がある。そして、このリソグラフィを用いた技
術では、例えば微細パターンの電極を形成するととも
に、その一部が外部に曝されることを防ぐための微細パ
ターンの保護膜等を形成する必要がある場合には、電極
パターンの作成後に再度同様な非平面リソグラフィと蒸
着工程が必要となって、多くの工程が必要となる。

【０００７】また、各ビームアシストＣＶＤは、成膜可
能な元素が限られるうえに、得られる膜中には有機ガス
が分解した原子等が多数不純物として入り込み、良質な
膜を得られないという欠点がある。

【０００８】本発明の目的は、曲面上に、サブミクロン
オーダーの線幅および精度で、良質の薄膜からなる微小
パターンを作成することのできる、集束イオンビーム蒸
着装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の集束イオンビーム蒸着装置は、実施例図面
である図１に示すように、イオン源１と、このイオン源
１からイオンをビーム状に引き出す引き出し電極２と、
引き出されたイオンビームを集束させる集束レンズ系
３，６と、イオン源１から引き出されたイオンのうち所
定のイオンを取り出す質量分離器４と、試料を支持する
試料ホルダ７と、その試料ホルダ７を支持して少なくと
も平面上で移動可能なステージ８と、質量分離器４によ
り取り出されたイオンビームを偏向させつつ上記試料ホ
ルダ上の試料に導くビーム偏向手段（偏向電極５，偏向
制御回路２１）と、試料ホルダ７の直前に減速電場を形
成する手段（減速電源１５）を有する装置において、試
料ホルダ７上に、試料の周囲の一部を覆って、試料を含
めた全体としての表面形状を略平面状に補正する導電材
料からなる補正電極３０が設けられているとともに、試
料ホルダ７に近接して、この試料ホルダ７上の試料を所
定の回転軸を中心として回転させる回転駆動機構３１が
設けられていることによって特徴づけられる。

【００１０】

【作用】本発明は、集束イオンビーム蒸着装置において
曲面上への微細パターンの描画が不可能な原因である、
減速電場の乱れの発生を取り除き、針状体等の曲面上に
良質な薄膜からなる微細パターンの直接描画を可能とす
るものである。

【００１１】すなわち、導電体からなる補正電極３０で
試料の周囲の一部を覆うことで、試料を含めた全体とし
ての表面形状を略平面状に補正すると、試料ホルダ７の
直前に形成される電場は、平板状の試料を支持している
場合と同等となって乱れを生じることがない。

【００１２】また、試料ホルダ７上の試料を所定の回転
軸を中心として回転させる回転駆動機構３１は、曲面上
へのイオンビームの直接蒸着によるパターニング領域を
拡大することができる。すなわち、イオンビームの直接
蒸着によりパターニングすべき試料表面が平面である場
合には、試料の平面上への移動とビームの偏向の組合せ
によって広範な領域へのイオンビームの直接蒸着が可能
であるが、蒸着すべき表面が曲面である場合には、これ
だけでは試料曲面の頂部近傍の極狭い領域にしか所望パ
ターンで蒸着することはできない。そこで、試料曲面の
頂部を逐次変更すべく、回転駆動機構３１により試料に
回転駆動を与えると、例えば針状体の試料の場合にあっ
てはその外周面の全てに所望パターンの蒸着を行うこと
が可能となる。

【００１３】

【実施例】図１は本発明実施例の構成図で、（Ａ）は装
置構造の模式図と回路構成のブロック図とを併記して示
す図、（Ｂ）はその試料ホルダ７の近傍の斜視図、
（Ｃ）はそのＣ−Ｃ面における部分拡大断面図である。
この実施例は、微小針状体の試料Ｗの表面に微細パター
ンを作成する場合の例を示している。

【００１４】加速電源１１によって正の電位が与えられ
る液体金属イオン源１に近接して、引き出し電極２が配
設されており、この引き出し電極２とイオン源１との間
には、両者間にイオン源１よりイオンを引き出すに十分
な電位差が与えられる。

【００１５】引き出し電極２の後段には、コンデンサレ
ンズ３が設けられており、更にその後段には、マスフィ
ルタ４ａとビームアパーチャ４ｂとからなる質量分離器
４が配設されている。マスフィルタ４ａは、例えばＥ×
Ｂフィルタであって、所望イオンのみを直進させてビー
ムアパーチャ４ｂを通過させ、他のイオンはビームアパ
ーチャ４ｂによって遮られる。

【００１６】ビームアパーチャ４ｂの後段には偏向電極
５が配設されている。この偏向電極５は偏向制御回路２
１に接続されており、偏向制御回路２１では、コンピュ
ータ２０から供給される指令に従った電圧を偏向電極５
に印加して、イオンビームを偏向させる。

【００１７】偏向電極５の後段には対物レンズ６が設け
られている。この対物レンズ６および前述のコンデンサ
レンズ３は、それぞれ３枚電極構造を持つ静電型レンズ
であって、それぞれの内部電極はレンズ電源１３ないし
は１４に接続され、内部電極の両側に位置する各外部電
極はそれぞれ接地される。

【００１８】対物レンズ６の直後に、碍子Ｇを介してス
テージ８に支持された試料ホルダ７が配置されている。
この試料ホルダ７には減速電源１５が接続され、このホ
ルダ７と対物レンズ６の後段側の外部電極との間に減速
電場が形成されるようになっている。また、ステージ８
は、コンピュータ２０からの指令に基づいてステージ駆
動回路２２から供給される駆動信号によって、水平面上
でＸＹ方向への変位が与えられる。

【００１９】さて、試料ホルダ７の上には、導電体によ
って形成された補正電極３０が配設されている。この補
正電極３０は、（Ｂ）および（Ｃ）に示すように、全体
として平板状の形状をしており、その略中央部分に、微
小針状体である試料Ｗを水平に挿入するための切り欠き
部３０ａを備えている。また、この補正電極３０ａの厚
さは試料Ｗの直径と略同一であり、切り欠き部３０ａは
補正電極３０ａの上面から下面にまで連通し、かつ、そ
の内面は上面の近傍では試料Ｗの曲率とほぼ同一の曲率
の円筒面を形成している。このような構成により、補正
電極３０の切り欠き部３０ａ内に微小針状体の試料Ｗを
挿入した状態では、試料Ｗの表面の最上部を中心とした
微小な幅の部分のみが直線状に補正電極３０から上方に
露出し、他の部分は補正電極３０によって覆われた状態
となる。従ってこの状態では、補正電極３０と試料Ｗと
からなる組合せ体は、全体としてその上面が略平面状と
なり、試料ホルダ７上で一様な高さを持つことになる。

【００２０】試料ホルダ７上で補正電極３０の切り欠き
部３０ａ内に挿入された試料Ｗは、その一端部が切り欠
き部３０ａから突出して、試料ホルダ７に近接配置され
た回転駆動機構３１に把持されている。回転駆動機構３
１は、微小針状体の試料Ｗの外周面を把持するチャッキ
ング装置と、そのチャッキング装置を回転させるアクチ
ュエータを主体として構成されており、この回転駆動機
構３１の駆動によって試料Ｗはその軸心を中心として回
転する。そして、この回転駆動機構３１のアクチュエー
タは、コンピュータ２０からの指令に基づいてドライバ
２３から供給される駆動信号によって駆動される。

【００２１】なお、以上の構成のうち、液体金属イオン
源１、引き出し電極２、コンデンサレンズ３、質量分離
器４、偏向電極５、対物レンズ６、補正電極３０および
回転駆動機構３１を含む試料ホルダ７、およびステージ
８は、真空チャンバ９内に挿入されている。

【００２２】ここで、以上の本発明実施例を使用する場
合、微小針状の試料Ｗの表面に所定パターンの電極等を
形成するに際しては、コンピュータ２０にそのパターン
情報を入力して、ビームの試料Ｗに対する走査の仕方を
決定するが、このとき、ビームの走査は以下のように分
担させる。すなわち、試料Ｗの軸方向へのビーム走査
は、ステージ９の駆動と偏向電極５によるビームの偏向
によって分担させるとともに、円周方向へのビーム走査
は、同方向への微小範囲のビームの偏向と、回転駆動機
構３１による試料Ｗの回転によって分担させるようにし
ておく。

【００２３】次に、以上のような本発明実施例を用い
て、例えば図２に斜視図で示すようなパターンの電極４
１と、その電極４１の一部が外部に曝されることを防ぐ
ための半絶縁性の保護膜４２を形成する場合について述
べる。なお、図２に示すような微小針状体の外周面に複
数の電極とこれを部分的に保護する膜を備えた構造体
は、例えば細胞レベルでの生体の電位の計測等に用いる
のに適し、生物学、医学分野において有用な電極となり
得る。

【００２４】電極４１の材質をＡｕ、半絶縁性の保護膜
４２の材質をＳｉとしたとき、液体金属イオン源１とし
ては例えばＡｕ−Ｓｉ合金を用いる。パターニングに先
立ち、試料Ｗを補正電極３０の切り欠き部３０ａに挿入
し、その一端部を回転駆動機構３１で把持した後、真空
チャンバ９内を真空引きする。

【００２５】そして、まず、質量分離器４のマスフィル
タ４ａを、Ａｕイオンがビームアパーチャ４ｂを通過す
るように設定して、Ａｕイオンビームを生成する。この
状態では、液体金属イオン源１から引き出されて加速さ
れたＡｕおよびＳｉイオンはコンデンサレンズ３によっ
て集束されるとともに、質量分離器４によってＡｕイオ
ンのみが選別され、更にそのＡｕイオンからなるビーム
は偏向電極５を経て対物レンズ６によって更に集束され
て微小スポットとなって試料ホルダ７上の試料Ｗに導か
れる。このＡｕイオンビームは、対物レンズ６と試料Ｗ
との間で、減速電源１５による減速電場により減速さ
れ、試料Ｗに到達するときには、Ａｕイオンは加速電源
１１によるイオン源１の電位と、減速電源１５による試
料Ｗの電位の差に相当するエネルギを持つことになり、
この両者間の電位差を適宜に選定することにより、Ａｕ
イオンは試料Ｗの表面に直接蒸着する。

【００２６】このとき、試料Ｗは針状であるものの、補
正電極３０の存在により、全体として上面が平面状で試
料ホルダ７上で一様な高さを持つ組み合わせ体となって
いるため、減速電場は乱されることがなく、Ａｕイオン
ビームの断面が大きくなったり位置ずれを生じることが
ない。そして、このようなＡｕビームを偏向電極５で適
宜に偏向させつつ、試料Ｗの軸方向へステージ８を駆動
し、更に回転駆動機構３１によって試料Ｗを回転させる
ことで、試料Ｗの外周面に所望のパターンのＡｕ薄膜か
らなる電極４１をサブミクロンの精度で描画することが
できる。

【００２７】次に、真空チャンバ９の真空を破ることな
くそのままの状態で、マスフィルタ４ａの設定を変更
し、Ｓｉイオンを試料Ｗに導き、上記と同様にしてＳｉ
薄膜からなる保護膜４２を描画する。これにより、図２
に示した針状体の表面に電極４１と保護膜４２を有する
構造体を得ることができる。

【００２８】ここで、試料Ｗに直接蒸着してパターニン
グする材質としては、以上の例に限らず、液体金属イオ
ン源となり得るものであれば任意の材質を用いることが
できる。また、例えば上記した例において電極４１とし
てＡｕとＣｕの２つの金属の積層体とする場合には、Ａ
ｕ−Ｃｕ−Ｓｉ合金を用い、電極４１の作成に際しては
マスフィルタ４ａの設定を適宜に変更してＡｕイオンビ
ームとＣｕイオンビームを交互に生成すればよい。ま
た、保護膜４２としてＳｉに代えてＧｅを用いる場合に
は、液体金属イオン源１を例えばＡｕ−Ｇｅとすればよ
い。

【００２９】また、以上の例では針状の試料の表面に薄
膜パターンを形成する場合について述べたが、本発明は
これに限定されることなく、任意の曲面を持つ試料の表
面に薄膜パターンを直接蒸着により形成することができ
る。この場合、補正電極３０の形状を、その試料の周囲
を覆うことで全体としてその上面が略平面状になるよう
な形状にすればよい。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
試料ホルダの直前で減速電場を形成して、イオン源から
の集束イオンビームを適宜のエネルギに減速して試料に
導くことによって、そのイオンを微細パターンで試料に
直接蒸着することのできる集束イオンビーム装置におい
て、試料ホルダの上に、試料の周囲の一部を覆って、そ
の試料を含めた全体としての表面形状を略平面状に補正
する導電材料からなる補正電極を設け、かつ、その試料
ホルダ状の試料を所定の回転軸を中心として回転させる
回転駆動機構を設けているから、針状の試料等、イオン
を蒸着すべき面が曲面である試料でも、減速電場の乱れ
によるイオンビームの断面形状の増大や位置ずれ等を生
じることなく、サブミクロンオーダーのパターニングが
可能となるとともに、曲面の広い範囲へのパターニング
が可能となる。その結果、集束イオンビーム蒸着装置が
元来持っている、純度の高い膜の生成が可能であるこ
と、および、液体金属イオン源を、パターニングを要求
されるている複数の元素を含んだ合金としてイオン種を
真空を破ることなく変更し得ること、等と相まって、本
発明によると、曲面上に良質な複数種の任意の材質の薄
膜を組み合わせた微細パターンを簡単な工程のもとに形
成することが可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例の構成図で、（Ａ）は装置構造の
模式図と回路構成のブロック図とを併記して示す図、
（Ｂ）はその試料ホルダ７の近傍の斜視図、（Ｃ）はそ
のＣ−Ｃ断面図

【図２】本発明実施例で得られる構造体の例の斜視図

【符号の説明】

１ 液体金属イオン源 ２ 引き出し電極 ３ コンデンサレンズ ４ 質量分離器 ４ａ マスフィルタ ４ｂ ビームアパーチャ ５ 偏向電極 ６ 対物レンズ ７ 試料ホルダ ８ ステージ ９ 真空チャンバ １１ 加速電源 １５ 減速電源 ２０ コンピュータ ２１ 偏向制御回路 ２２ ステージ駆動回路 ２３ ドライバ ３０ 補正電極 ３０ａ 切り欠き部 ３１ 回転駆動機構

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 イオン源と、このイオン源からイオンを
   ビーム状に引き出す引き出し電極と、引き出されたイオ
   ンビームを集束させる集束レンズ系と、上記イオン源か
   ら引き出されたイオンのうち所定のイオンを取り出す質
   量分離器と、試料を支持する試料ホルダと、その試料ホ
   ルダを支持して少なくとも平面上で移動可能なステージ
   と、上記質量分離器により取り出されたイオンビームを
   偏向させつつ上記試料ホルダ上の試料に導くビーム偏向
   手段と、上記試料ホルダの直前に減速電場を形成する手
   段を有する装置において、上記試料ホルダ上に、試料の
   周囲の一部を覆って、その試料を含めた全体としての表
   面形状を略平面状に補正する導電材料からなる補正電極
   が設けられているとともに、上記試料ホルダに近接し
   て、当該試料ホルダ上の試料を所定の回転軸を中心とし
   て回転させる回転駆動機構が設けられていることを特徴
   とする集束イオンビーム蒸着装置。