JPH10340700A

JPH10340700A - 微細加工方法および微細加工装置

Info

Publication number: JPH10340700A
Application number: JP16193797A
Authority: JP
Inventors: Akira Kuroda; 亮黒田; Junji Oyama; 淳史大山
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1997-06-04
Filing date: 1997-06-04
Publication date: 1998-12-22

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、位置合わせ時と切削加工時とにおい
てカンチレバーを交換することを必要としない微細加工
方法および微細加工装置を提供することを目的としてい
る。【解決手段】本発明は、弾性体に支持された探針によっ
て、被加工物表面に微細加工を施す微細加工方法または
装置であって、該被加工物表面に位置合わせマーカーを
設け、該位置合わせマーカーを基にして該探針の該被加
工物表面上の切削加工を行うべき位置を検出する位置合
わせ工程と、該位置合わせ工程における位置合わせ終了
後、該被加工物表面に対して前記弾性に支持された探針
を所定の大きさの斥力で接触させることにより、該被加
工物に対して該探針を押し込み、該被加工物に対して該
探針を該被加工物表面内方向において所定方向に所定量
だけ相対移動させることによって、該被加工物の切削加
工を行う切削加工工程とを有することを特徴とするもの
である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、微細加工方法およ
び微細加工装置に関し、特に、超微細構造を有する電子
回路素子等における導電性微細パターンの形成方法及び
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体技術の目覚しい進歩により、大容
量ランダムアクセスメモリや高速ＣＰＵ等の超大規模集
積回路素子が開発され、多量のデータを高速に伝達する
ことが必須である現代の高度情報通信社会を支えてい
る。しかしながら、より大容量化・高速化への要請は留
まるところを知らず、現状の半導体材料・プロセス技術
開発においては、限界を超えるためのさまざまな試みが
続けられている。このような中で、ナノメートルサイズ
に構造制御された微細構造が生み出す量子効果に着目し
た新しい原理に基づく電子デバイスの探索的研究が行わ
れ、次世代のエレクトロニクスの基本構造として期待さ
れている。量子効果電子デバイスにおいて中心的役割を
担うこれらの微細構造は、量子ドットや量子細線と呼ば
れ、その大きさは電子波の波長と同程度である１００ナ
ノメートル以下の大きさである。特に、室温で動作する
素子を作製するためにはその大きさが３０ナノメートル
以下であることが求められる。これに対し、電子線リソ
グラフィー装置、集束イオンビーム加工装置等を用いた
微細加工プロセスが種々開発されているが、３０ナノメ
ートル以下の微細パターンを安定に再現性良く作製する
ことは困難であった。

【０００３】最近、導電性を有する試料に対し、ナノメ
ートル以下の観察分解能を有する走査型トンネル顕微鏡
（ＳＴＭ）を用いて、より細かいパターンを描画する方
法が提案されている。例えば米国特許第４，７８５，１
８９号明細書ではＳＴＭ構成の低エネルギ電子線リソグ
ラフィ装置を提案している。これは基板上の導電性薄膜
上の電子線感光レジストに尖鋭な先端を有する探針を近
づけ、低エネルギーの電子線を照射してレジストを描画
するものである。さらに、絶縁性試料をナノメートル以
下の分解能で観察可能な原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）が開
発され、ＡＦＭを用いて試料の切削加工を行う微細加工
方法が提案されている（特開平６−１５１３９２号公
報、特開平６−２９１０３１号公報）。ＡＦＭは、試料
に導電性を必要とせず、レジスト等の絶縁性を有する試
料の加工が可能であるため、広い応用が期待されてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、ＡＦＭを用
いて試料の切削加工を行う微細加工方法の上記従来例に
おいて、以下のような問題点を生じることがあった。レ
ジスト等の試料を切削加工する際に用いる探針を支持す
る弾性体からなるカンチレバー（以下、カンチレバーと
いう）として、撓みに関する弾性定数が大きい、すなわ
ち、硬いカンチレバーを用いた場合、（切削加工に先立
って）切削加工を行うべき位置を検出するための位置合
わせ工程中に探針が試料上を走査する際に、探針−試料
間に作用する力によって試料が剥がれたり、傷ついたり
することがあった。このようなことから、走査中に作用
する力を低減するために、弾性定数が小さい、すなわ
ち、柔かいカンチレバーを用いると、今度は、試料の切
削加工の際に試料に対して探針を押し込むために荷重を
加えてもカンチレバーの撓み量が大きくなるばかりで、
探針を押し込めず、試料の切削加工を行えないことがあ
った。

【０００５】したがって、切削加工が行われる試料表面
の硬さ、強度との関係を考慮して、カンチレバーの弾性
定数を選択する必要がある。ところが、実際は、試料表
面にも硬いところ・強度の高いところと柔かいところ・
強度の低いところの分布があったり、微細加工の工程に
よって、試料表面が硬い場合と柔かい場合があったりと
必ずしも一様でない。位置合わせの際に試料を傷つけな
いことと切削加工の際に探針に十分荷重を加えることの
できることの両方の条件を両立するカンチレバーの弾性
定数をうまく設定することは手間がかかり、微細加工の
スループットが低下したり、コストが上昇してしまう。
これを解決するために、位置合わせ時と切削加工時のカ
ンチレバーを交換し、位置合わせ時には柔かいカンチレ
バーを用い、切削加工時には硬いカンチレバーを用いる
ようにしてもよいが、これでは、交換時に探針先端の位
置ずれが起こってしまう場合がある。

【０００６】そこで、本発明は、上記した従来例の有す
る課題を解決し、位置合わせ時と切削加工時とにおいて
カンチレバーを交換することを必要としない微細加工方
法および微細加工装置を提供することを目的としてい
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するため、微細加工方法および微細加工装置をつぎの
ように構成したことを特徴とするものである。すなわ
ち、本発明の微細加工方法は、弾性体に支持された探針
によって、被加工物表面に微細加工を施す微細加工方法
であって、該被加工物表面に位置合わせマーカーを設
け、該位置合わせマーカーを基にして該探針の該被加工
物表面上の切削加工を行うべき位置を検出する位置合わ
せ工程と、該位置合わせ工程における位置合わせ終了
後、該被加工物表面に対して前記弾性に支持された探針
を所定の大きさの斥力で接触させることにより、該被加
工物に対して該探針を押し込み、該被加工物に対して該
探針を該被加工物表面内方向において所定方向に所定量
だけ相対移動させることによって、該被加工物の切削加
工を行う切削加工工程と、を有することを特徴としてい
る。また、本発明の微細加工方法は、前記位置合わせ工
程が、被加工物表面に対して非接触で先端を近づけた尖
鋭な探針と該被加工物表面との間に作用する引力を検知
し、該引力を一定に保つように、該探針と該被加工物表
面との間隔を制御し、該探針を該被加工物表面に対して
非接触に該被加工物表面内方向に相対的に走査し、該被
加工物表面に設けた位置合わせマーカー位置の該間隔制
御における変化を検知し、該間隔制御変化検知結果を基
に、該位置合わせマーカーと該探針との該被加工物表面
内方向の相対位置を検出し、該相対位置検出結果を基
に、該被加工物における加工予定位置に該探針を移動す
る工程を含んでいることを特徴としている。また、本発
明の微細加工方法は、前記位置合わせ工程において、該
探針と該被加工物表面との間に作用する引力がファンデ
ルワールス力であることを特徴としている。また、本発
明の微細加工方法は、前記位置合わせ工程において、該
探針と該被加工物表面との間に作用する引力がファンデ
ルワールス力であり、前記間隔制御変化が該位置合わせ
マーカーの３次元形状によって引き起こされるものであ
ることを特徴としている。また、本発明の微細加工方法
は、前記位置合わせ工程において、該探針と該被加工物
表面との間に作用する引力が、導電性を有する材料から
なる該探針と該被加工物との間に印加された電圧による
静電力であることを特徴としている。また、本発明の微
細加工方法は、前記位置合わせ工程において、該探針と
該被加工物表面との間に作用する引力が、導電性を有す
る材料からなる該探針と該被加工物との間に印加された
電圧による静電力であり、前記間隔制御変化が該位置合
わせマーカーの電気的性質の２次元分布によって引き起
こされるものであることを特徴としている。また、本発
明の微細加工方法は、前記被加工物が、レジストであ
り、前記切削加工工程における前記斥力が３×１０^-8〜
３×１０^-4［Ｎ］の範囲であることを特徴としている。
また、本発明の微細加工方法は、前記被加工物が、ネガ
型レジストであり、前記切削加工工程の後、さらに、該
レジストにエネルギー線を照射することにより、該レジ
ストを硬化させるエネルギー線照射工程を有することを
特徴としている。また、本発明の微細加工装置は、弾性
体に支持された探針を備え、該探針によって被加工物表
面に微細加工を施す微細加工装置であって、該被加工物
表面に設けられた位置合わせマーカーを基にして、該探
針の該被加工物表面上の切削加工を行うべき位置を検出
する位置合わせ手段と、斥力検知手段によって該探針と
該被加工物表面との間に作用する斥力を検知し、相対駆
動手段によって該被加工物と該探針との間に働く斥力が
所定の大きさに達するまで、該被加工物に対して該探針
を押し込むように該被加工物表面の法線方向に相対駆動
し、相対移動手段によって該被加工物に対して該探針を
該被加工物表面内方向において所定方向に所定量だけ相
対移動させる構成を備えた切削加工手段と、を有するこ
とを特徴としている。また、本発明の微細加工装置は、
前記位置合わせ手段は、該探針と該被加工物表面との間
に作用する引力を検知する引力検知手段と、該引力を一
定に保つように、該探針と該被加工物表面との間隔を制
御する間隔制御手段と、該探針を該被加工物表面に対し
て非接触に該被加工物表面内方向に相対的に走査する相
対走査手段と、該位置合わせマーカー位置の該間隔制御
における変化の検知結果を基に、該位置合わせマーカー
と該探針との該被加工物表面内方向の相対位置を検出す
る相対位置検出手段と、該相対位置検出結果を基に、該
被加工物における加工予定位置に該探針を移動する移動
手段と、により構成されていることを特徴としている。
また、本発明の微細加工装置は、前記引力検知手段が、
該弾性体を共振振動させる振動手段と、該共振振動の振
幅から該引力を検知する手段とを有することを特徴とし
ている。また、本発明の微細加工装置は、前記探針と前
記被加工物とが導電性材料により構成され、前記引力検
知手段が、該弾性体を共振振動させるように該探針と該
被加工物との間に交流電圧を印加する電圧印加手段と、
該共振振動の振幅から該引力を検知する手段とを有する
ことを特徴としている。また、本発明の微細加工装置
は、前記位置合わせマーカーが、前記被加工物中の２次
元の電気的性質の異なりであることを特徴としている。
また、本発明の微細加工装置は、前記弾性体は、該弾性
体の弾性定数が、３〜３００［Ｎ／ｍ］の範囲であるこ
とを特徴としている。また、本発明の微細加工装置は、
前記被加工物が、基板上に設けられたレジストであるこ
とを特徴としている。また、本発明の微細加工装置は、
前記レジストがネガ型レジストであり、該レジストにエ
ネルギー線を照射することにより、該レジストを硬化さ
せるエネルギー線照射手段を有していることを特徴とし
ている。また、本発明の微細加工装置は、前記レジスト
が、ＬＢ法によって成膜されたＬＢ膜であることを特徴
としている。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明においては、上記した位置
合わせ工程または手段によって、探針が被加工物である
試料に対して非接触の状態で位置合わせを行った後、切
削加工を行うに際して、試料に対して探針に接触させ、
荷重を印加することができるから、その位置合わせにお
いては、試料が剥がれたり、傷つけたりすることがな
く、切削加工においては試料に対して探針を十分押し込
んで加工することができる。したがって、位置合わせ時
と切削加工時とにおいてカンチレバーを交換することな
く、同一のカンチレバーによって微細加工を行うことが
可能となる。また、カンチレバーの弾性定数の選択範囲
に関する制限条件を緩くすることができるため、カンチ
レバーの選択の手間もかからないばかりか、複数の工程
で同一のカンチレバーを用いることが可能となり、微細
加工のスループットが向上し、コストの低減化を図るこ
とが可能となる。さらに、本発明の微細加工方法を用い
て、基板上にナノメートルオーダーの大きさの構造を有
する電子素子を作製することができ、室温で電子波の干
渉効果や量子効果による電気特性を示す電気素子の実現
が可能となる。

【０００９】

【実施例】以下に、本発明の実施例について説明する。［実施例１］図１は本発明の微細加工方法の特徴を表す
図であり、図２は本発明の微細加工方法の実施に用いる
具体的な装置構成およびその動作方式の実施例１を示す
図である。以下に図１、図２を用いて本発明を説明す
る。図１において、図１（ａ）〜図１（ｃ）は、本発明
の微細加工方法の第１の工程である非接触位置合わせ工
程を示す図である。図１（ｄ）〜図１（ｆ）は、本発明
の微細加工方法の第２の工程である切削加工工程を示す
図である。図１（ａ）は基板１０１上の被加工物１０２
に対する探針１０３の初期位置を示す。初期位置におい
て、被加工物１０２に対し、探針１０３の先端は非接触
となっている。探針１０３はカンチレバー１０４に支持
され、駆動素子１０５によって、基板１０１上の被加工
物１０２に対し相対的にｘｙｚ３次元方向に移動可能で
ある。基板１０１上の被加工物１０２の所定の場所に位
置合わせマーカー１０６が設けられている。まず初め
に、図１（ａ）の初期状態から図１（ｂ）に示すよう
に、被加工物１０２に対し、探針１０３を非接触のまま
被加工物表面内のｘｙ方向に相対的に移動し、位置合わ
せマーカー１０６を検出する。この工程により、被加工
物１０２に対する探針１０３の相対位置を検出する。次
に、図１ｃに示すように、位置合わせマーカー１０６の
位置を基準として、非接触のまま被加工物１０２上の微
細加工を行うべき所定の位置に探針１０３をｘｙ方向移
動する。

【００１０】上述のようにして位置合わせを終了した
後、図１（ｄ）に示すように駆動素子１０５を被加工物
表面の法線方向であるｚ方向に駆動し、探針１０３先端
を被加工物１０２表面に接触させる。さらに、探針１０
３先端と被加工物１０２との間に所定の大きさの斥力が
作用するように駆動素子１０５をｚ方向に駆動し、図１
（ｅ）に示すように、被加工物１０２に対して探針１０
３先端が基板１０１に達するまで、押し込む。上述のよ
うに所定の斥力が作用して押し込んだ状態のまま、被加
工物１０２に対し、探針１０３を相対的にｘｙ方向に移
動し、図１（ｆ）に示すように、被加工物１０２の切削
加工を行う。

【００１１】次に具体的な装置構成及び微細加工の詳細
について説明する。図２において、ｚ方向の撓みに関す
る弾性変形が可能なカンチレバー２０２の自由端に設け
られた探針２０１の先端を基板２０３上のレジスト２０
４に近接するように配置する。ここで、カンチレバー２
０２は、半導体加工プロセスを用いたマイクロマシン技
術によって作製される。カンチレバー２０２の材質例と
して、例えば、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＳｉＯ₂、Ｓｉが挙げられ
る。本実施例では、材質として、Ｓｉ₃Ｎ₄を選択し、形
状として、長さ１００［μｍ］、幅２０［μｍ］の矩形
で、厚さ３．５［μｍ］のものを用いた。カンチレバー
２０２の撓みに関する弾性定数は３０［Ｎ／ｍ］、一次
の共振振動数は３９０［ｋＨｚ］であった。カンチレバ
ー２０２先端に設けられる探針２０１はカンチレバー２
０２と一体構成で作製しても良いし、別に作製した探針
２０１部材をカンチレバー２０２部材に接合して作製し
ても良い。一体構成の例として、Ｓｉ基板に形成された
ＳｉＯ₂薄膜を正方形状に除去し、ＫＯＨ溶液で異方性
エッチングを行うことにより、得られるピラミッド形状
の溝に対してＳｉ₃Ｎ₄を成膜し、探針、カンチレバー形
状にパターニングした後、エッチングにより探針２０１
付きカンチレバー２０２を作製することができる。

【００１２】基板２０３としては、Ｓｉ・ＧａＡｓ・Ｉ
ｎＰ等の半導体ウェハ、ＳＯＩ、＃７０５９ガラス（コ
ーニング社製）・石英ガラス・サファイア、水晶・グラ
ファイト等結晶のへき開面、あるいは、これらの基板上
に成膜したＡｕ・Ｐｔ等の金属薄膜表面等平坦な表面を
有するものを用いることができる。基板２０３上のレジ
ストとして、通常の半導体プロセスで用いるレジストを
スピンコート等で塗布したものを用いることもできる
が、本発明の目的であるナノメートルレベルの微細加工
を行うためには、自己組織化膜（ＳＡＭ膜）成膜法やＬ
Ｂ（Ｌａｎｇｍｕｉｒ−Ｂｌｏｄｇｅｔｔ）膜成膜法を
用いて作製した１０［ｎｍ］程度の超薄膜を用いること
が望ましい。特に、ＬＢ法によれば、基板やレジストの
材料・相性に関する制約を減らして種々の材料の組み合
わせを選択することが可能である。

【００１３】本実施例では、基板２０３として、ＳｉＯ
₂／Ｓｉ基板上に形成した多結晶Ｓｉ薄膜を用いた。ま
た、レジスト２０４として、ネガ型レジストとして機能
し親水性を有する官能基と疎水性を有する官能基をあわ
せもつω−トリコセン酸を用いた。レジスト２０４は、
ＬＢ法により基板２０３上に成膜した。さて、カンチレ
バー２０２の固定端はｚ方向駆動素子２０５に取り付け
られている。ファンクションジェネレータ２０６から出
力される正弦波信号、すなわち、交流電圧信号が、切り
替え回路２（２１７）、加算回路２０７を通してｚ方向
駆動回路２０８に入力され、ｚ方向に振幅Δｚで振動す
るようにｚ方向駆動素子２０５を駆動する。このとき、
該正弦波信号の周波数は、カンチレバー２０２の撓みに
関する一次の共振振動数ｆｒと一致するように調整され
ている。これにより、カンチレバー２０２の自由端は振
動数ｆｒで共振し、探針２０１はｚ方向にΔｚよりも大
きい振幅ΔＺで振動する。

【００１４】ここで、レーザー２０９から出力されるレ
ーザー光ビーム２１８をカンチレバー２０２先端の背面
（レジスト２０４対向面と反対面）に照射し、この反射
光ビーム２１９を２分割センサ２１０に入射させる。い
ま、カンチレバー２０２の固定端を基準として、探針２
０１先端がｚ方向に変位し、カンチレバー２０２の撓み
角が変化すると、反射光ビームの反射角度が変化するた
め、２分割センサ（２１０）面上のビームスポットが移
動する。したがって、２分割センサ２１０の差信号から
カンチレバー２０２の固定端を基準とした探針２０１の
ｚ方向変位を検知することができる。２分割センサ２１
０の差信号を差信号算出回路２１１で算出し、算出差信
号を２つに分割し、一方を同期検出回路２１２に、他方
を切り替え回路１（２１３）に入力する。同期検出回路
２１２では、入力された該差信号に対し、ファンクショ
ンジェネレータ２０６から出力される周波数ｆｒの参照
信号をもとに同期検出を行い、該差信号における周波数
ｆｒの振動成分の振幅に比例する信号を出力し、この出
力信号が切り替え回路１（２１３）に入力される。

【００１５】図１（ａ）〜図１（ｃ）に対応する本発明
の微細加工方法の第１の工程である非接触位置合わせ工
程において、上記の装置を次のように動作させる。切り
替え回路１（２１３）の入力を同期検出回路２１２側に
切り替え、同期検出回路２１２からの出力信号をフィー
ドバック回路２２０に入力する。位置合わせ工程におけ
る所定の設定値信号をコンピュータ２１５から切り替え
回路３（２２１）を通してフィードバック回路２２０に
入力する。フィードバック回路２２０において、同期検
出回路２１２からの出力信号が所定の値に一定に保たれ
るように、該位置合わせ工程における所定の該設定値信
号との誤差信号を算出し、この信号をローパスフィルタ
ー・増幅器を通した後、出力する。この誤差信号を加算
回路２０７に入力し、前記正弦波信号と加算後、ｚ方向
駆動回路２０８において増幅し、ｚ方向駆動素子２０５
に印加する。以上のフィードバック制御により、探針２
０１のｚ方向振動の振幅ΔＺを所定の値に一定に保つよ
う制御することができる。

【００１６】探針２０１の先端とレジスト２０４表面の
間隔は、両者が非接触かつ、両者の間にファンデルワー
ルス力が働く１０［ｎｍ］程度の距離まで近づけてお
く。このとき、探針２０１のｚ方向振動の振幅ΔＺは、
両者の間隔に応じて変化する。すなわち、探針２０１先
端がレジスト２０４表面に近づくと、探針２０１先端と
レジスト２０４表面との間に作用するファンデルワール
ス力の影響を受け、探針２０１のｚ方向振動の振幅ΔＺ
が変化する。したがって、振幅ΔＺが所定の値に一定に
なるよう第１のフィードバック制御を行うことにより、
探針２０１先端とレジスト２０４表面の間隔を非接触で
所定の値に一定に保つよう制御することができる。本実
施例では、第１のフィードバック制御のために、探針２
０１のｚ方向振動の振幅ΔＺを所定の値に一定に保つよ
う制御する方法を示したが、この他に、ｚ方向駆動素子
２０５のｚ方向振動に対する探針２０１のｚ方向振動の
位相差を所定の値に一定に保つよう制御する方法でも良
い。

【００１７】基板２０３はｘｙステージ２１４上に取り
付けられる。コンピュータ２１５から出力されるｘｙ走
査信号をｘｙ方向駆動回路２１６に入力し、ｘｙ方向駆
動回路２１６から出力される駆動信号により、ｘｙステ
ージ２１４を駆動することにより、基板２０３を探針２
０１に対して相対的に所定のｘｙ方向２次元パターンに
走査する。このとき、前述の第１のフィードバック制御
を行ない、この第１のフィードバック制御のためにｚ方
向駆動素子２０５を駆動する駆動量（＝これは、フィー
ドバック回路２２０から出力される前述の誤差信号の大
きさから逆算される）をコンピュータ２１５に入力し、
相対ｘｙ方向２次元走査位置に対応させて２次元マッピ
ングすることにより、レジスト２０４表面の３次元形状
情報を得る。このようにして、基板２０３上の所定の位
置に設けた凸（または凹）構造を有する位置合わせマー
カー２２２と探針２０１とのｘｙ方向相対位置をレジス
ト２０４越しに検出する。

【００１８】図１（ａ）に示される初期状態では、被加
工物１０２（図２ではレジスト２０４に対応）に対する
探針１０３（図２では探針２０１）のｘｙ方向相対位置
関係は未知であり、粗動等の機械機構の送り精度で決ま
る範囲にある。ここで、上記のように位置合わせマーカ
ー１０６（図２では位置合わせマーカー２２２）の検出
を行い、被加工物１０２（レジスト２０４）と探針１０
３（探針２０１）とのｘｙ方向相対位置を検出する。こ
の後、検出した位置合わせマーカー１０６（図２では位
置合わせマーカー２２２）の位置を基準として、駆動素
子１０５（図２ではｘｙステージ２１４に対応）をｘｙ
方向に所定量だけ駆動し、被加工物１０２上の微細加工
を行うべき所定の位置に探針１０３を相対移動する。こ
こで、位置合わせマーカー１０６の位置から微細加工位
置までの移動量は駆動素子１０５（図２ではｘｙステー
ジ２１４）の駆動精度で決まる精度を有する。

【００１９】以上のようにして、非接触位置合わせ工程
を終了した後、図１（ｄ）〜図１（ｆ）に対応する本発
明の微細加工方法の第２の工程である切削加工工程にお
いて、上記の装置を次のように動作させる。初めに、フ
ィードバック回路２２０の出力を現状の値にホールド
し、探針２０１−レジスト２０４間隔に対する第１のフ
ィードバック制御を停止する。次いで、切り替え回路２
（２１７）の入力をファンクションジェネレータ２０６
に非接続の側に切り替え、ｚ方向駆動素子２０５の振動
数ｆｒのｚ方向振動を停止する。切り替え回路１（２１
３）の入力を差信号算出回路２１１からの差信号側に切
り替え、フィードバック回路２２０に差信号を入力す
る。切り替え回路３（２２１）を切り替えることによ
り、切削加工工程における所定の設定値信号をコンピュ
ータ２１５から切り替え回路３（２２１）を通してフィ
ードバック回路２２０に入力する。以上のように切り替
え回路１〜３（２１３，２１７，２２１）の切り替えを
行った後、フィードバック回路２２０の出力をオンにし
て、第２のフィードバック制御を行う。前述したように
差信号算出回路２１１から出力される差信号は、カンチ
レバー２０２の固定端を基準とした探針２０１のｚ方向
変位に対応しているので、切削加工工程における所定の
設定値信号を所定の値に選ぶことにより、探針２０１先
端とレジスト２０４との間に所定の値の斥力が作用する
状態に保てる。例えば、カンチレバー２０２自由端の撓
みに関する弾性定数がｋのとき、該設定値を図２中に示
した＋ｚ方向の探針２０１の変位がｄであるときの差信
号出力回路２１１の出力値に設定すると、フィードバッ
ク制御により、探針２０１先端とレジスト２０４との間
に働く斥力はｋ・ｄとなる。

【００２０】さて、第２のフィードバック制御における
斥力の設定値として、探針２０１先端がレジスト２０４
に対して基板２０３に達するまで押し込まれるような値
を設定する。この結果、第１の工程である非接触位置合
わせ工程の終了直後、レジスト２０４表面に対して、非
接触であった探針２０１先端は、前述の第２のフィード
バック制御におけるｚ方向駆動素子２０５の駆動によ
り、レジスト２０４表面に接触し、次いで、基板２０３
に達するまで、押し込まれる。ここで、前記第２のフィ
ードバック制御における探針２０１先端とレジスト２０
４との間に働く斥力の適した設定値は、用いるレジスト
材料によってすこしずつ異なるが、３×１０^-8〜３×１
０^-4［Ｎ］が好適であり、より好ましくは、１×１０^-7
〜１×１０^-4［Ｎ］が最適である。斥力をこれらの値よ
り大きく設定した場合、探針２０１先端に加わる力によ
る探針２０１先端の破壊が起こることが多くなり、探針
２０１先端曲率半径が増大し、切削加工パターンが大き
くなってしまうという問題が生じる可能性が高くなる。
カンチレバー２０２の弾性定数の最適値としては、ｚ方
向駆動素子２０５の最大駆動量（実用上はピエゾ素子を
用いることが多く、この場合典型値は５〜５０［μ
ｍ］）、カンチレバー２０２の長さ（実用上の典型値は
３０〜５００［μｍ］）、探針２０１の（ｚ方向）高さ
（実用上の典型値は１〜３０［μｍ］）、非接触位置合
わせ時におけるレジスト２０４表面への吸着の回避、非
接触位置合わせ信号のＳ／Ｎ比等の関係を考慮する必要
がある。

【００２１】弾性定数が小さい場合、ｚ方向駆動素子２
０５を大きく駆動してもカンチレバー２０２が撓むばか
りで、切削加工に必要な接触力を得る前に、カンチレバ
ー２０２の腹（＝自由端と固定端の中間）あるいはカン
チレバー２０２の固定端がレジスト２０４表面に接触し
たり、ｚ方向駆動素子２０５が駆動限界に達するという
問題を生じる。また、弾性定数が小さい場合、非接触位
置合わせ中に、探針２０１とレジスト２０４表面との間
に作用する吸着力（表面吸着水による表面張力等）の影
響により、探針２０１先端がレジスト２０４表面に吸着
・接触する場合がある。この吸着・接触により、位置合
わせのための走査中に誤ってレジスト２０４を加工して
しまうといった問題が生じる。カンチレバー２０２の弾
性定数を大きくすれば、これらの問題は起こらないもの
の、あまり大きくすると、切削加工中に探針２０１−基
板２０３間に働く接触力が大きくなり、探針２０１先端
が破壊してしまうといった問題が生じる。また、同様に
カンチレバー２０２の弾性定数を大きくすれば、非接触
位置合わせ時のカンチレバー共振振動の振幅が小さくな
るため、２分割センサ２１０の差信号の振幅が小さくな
り、位置合わせのための信号のＳ／Ｎ比が低下する。以
上を考慮すると、カンチレバー２０２自由端のｚ方向撓
みに関する弾性定数の値として、３〜３００［Ｎ／ｍ］
が好適であり、より好ましくは、１０〜１００［Ｎ／
ｍ］が最適である。

【００２２】上述のように第２のフィードバック制御に
より、探針２０１先端が基板２０３に達するまで押し込
まれた状態で、レジスト２０４に対し探針２０１を相対
的にｘｙ方向に移動し、レジスト２０４の切削加工を行
う。このとき、コンピュータ２１５から出力される所定
のｘｙ走査信号をｘｙ方向駆動回路２１６に入力し、ｘ
ｙ方向駆動回路２１６から出力される駆動信号により、
ｘｙステージ２１４を駆動することにより、基板２０３
を探針２０１に対して相対的に所定のｘｙ方向２次元パ
ターンに走査し、レジスト２０４に対して所定のパター
ンの切削加工を行う。この切削加工により、溝状にレジ
ストが除去されたパターンが基板２０３上のレジスト２
０４に形成された。この溝パターンの最小形成幅はレジ
スト２０４の膜厚および探針２０１先端形状（曲率半径
および頂角）に依存する。本発明における溝パターンの
加工精度としては、溝パターン最小形成幅の１／１０程
度であり、２つの溝パターンを平行に形成して得られる
凸形状の線パターンの最小形成幅は溝パターン最小形成
幅と同程度であった。例えば、レジスト２０４膜厚が１
０［ｎｍ］、探針２０１先端の曲率半径が１０［ｎ
ｍ］、頂角６０°の場合、溝パターンの最小形成幅およ
び線パターンの最小形成幅は約２０［ｎｍ］であった。
最小形成幅より大きい幅を有する溝パターンを形成する
ためには、溝形成方向と直交方向に少しずつ位置をずら
して複数回切削加工を行えばよい。また、最小形成幅よ
り大きい幅を有する線（ランド、山）パターンを形成す
るためには、溝形成方向と直交方向に所定の距離だけ位
置をずらして２つの溝パターンを形成すればよい。ま
た、線状の溝パターンや線パターンでなく、点状の穴パ
ターンを形成するためには探針２０１をレジスト２０４
に対してｚ方向に押し込んだ後、ｘｙ方向に走査を行わ
ず、ｚ方向に引き戻せば良い。同様に、線状の溝パター
ンや線パターンでなく、点状の山パターンを形成するに
は平行な２本の溝パターンに直交してさらに２本の溝パ
ターンを形成すれば良い。

【００２３】上記に説明したように基板２０３上のレジ
スト２０４に形成した切削パターンに対して、引き続
き、次のようなプロセスを行い、基板２０３に微細パタ
ーンを形成した。レジスト２０４としてネガ型レジスト
材料を用いている場合は、レジスト２０４に対して、電
子線や紫外線、Ｘ線、イオンビーム等のエネルギー線を
照射し、レジスト２０４を硬化させる。続いて、ガスプ
ラズマ中での反応性イオンエッチング（ドライエッチン
グ）によって基板２０３である多結晶Ｓｉを加工する。
この加工により、レジスト２０４に形成した切削溝パタ
ーンに沿って（レジストに覆われないで）露出している
部分の多結晶Ｓｉが除去される。本実施例では、レジス
ト２０４材料として、ω−トリコセン酸等のネガ型レジ
スト材料を用い、切削加工後にエネルギー線を照射する
例を示した。これにより、切削加工時には、レジスト材
料が架橋反応等の硬化を起こす前の単分子、あるいは低
分子として存在しているため、分子同士の結合力が弱
く、隣合った分子間に相互に及ぼす影響が小さいため、
鋭利で、かつ、より細いパターンの切削加工が可能であ
るという効果を有する。さらに、エネルギー線照射によ
り、エッチング耐性が向上し、１０［ｎｍ］程度の超薄
膜のレジストを用いる場合においても、エッチング中に
部分的にレジストが剥がれたり溶融することがなくなる
という効果を有する。上述の微細加工をもとに、基板２
０３にナノメートルオーダーの大きさの構造を有する電
子素子を作製することができた。その電気特性を室温で
測定したところ、電子波の干渉効果や量子効果による特
性を示すことが確かめられた。

【００２４】［実施例２］図３は、本発明の微細加工方
法の実施に用いる具体的な装置構成およびその動作方式
の実施例２を示す図である。実施例２では、本発明の微
細加工方法の第１の工程である非接触位置合わせ工程に
おける位置合わせマーカーの検出方法が実施例１と異な
る。他の部分については、実施例１と共通である。以下
に図３を用い、実施例１と異なる部分について説明す
る。図３において、探針２０１、カンチレバー２０２、
基板２０３は、いずれも導電性を有する材料によって構
成されている。

【００２５】探針２０１やカンチレバー２０２の材質と
しては、実施例１で挙げた材料のうち、導電性を有する
ものを選択すればよい。また、導電性を有しない材料を
用いた場合であっても、その表面に導電性材料をコーテ
ィング、あるいはドーピングして導電性を持たせても良
い。位置合わせマーカー３０１は、（実施例１における
位置合わせマーカー２２２のような）基板２０３上に凹
凸を有するものでなく、基板２０３中の電気的性質が異
なる部分により構成されている。基板２０３中に部分的
に電気的性質の異なる位置合わせマーカー２２２を形成
するには、例えば、イオンビームにより、基板２０３に
ＢイオンやＰイオンを局所的に注入すればよい。導電性
を有する基板２０３の電位をグラウンドに接地し、ファ
ンクションジェネレータ２０６から出力する正弦波信
号、すなわち交流電圧信号を、切り替え回路２（２１
７）を通して導電性を有するカンチレバー２０２および
導電性を有する探針２０１に印加する。これにより、探
針２０１先端、カンチレバー２０２と基板２０３との間
に働く静電力により、カンチレバー２０２をｚ方向に振
幅Δｚで振動させる。該正弦波信号の周波数は、カンチ
レバー２０２の撓みに関する一次の共振振動数ｆｒの１
／２より小さい周波数ｆに設定されている。これによ
り、カンチレバー２０２の自由端は振動数２ｆで振動
し、探針２０１もｚ方向に周波数２ｆで振動する。

【００２６】差信号算出回路から出力される差信号を３
分割し、それぞれ、同期検出回路２１２、切り替え回路
１（２１３）、同期検出回路２（３０２）に入力する。
同期検出回路２１２では、ファンクションジェネレータ
２０６から出力される周波数の倍周波数である周波数２
ｆの信号を参照信号として、同期検出を行い、該差信号
における周波数２ｆの振動成分の振幅に比例する信号を
出力し、この信号が切り替え回路１（２１３）に入力さ
れる。この後、実施例１と同様にして、探針２０１振動
の振幅Δｚを一定に保つ、すなわち、探針２０１先端と
レジスト２０４表面の間に作用する静電力の周波数２ｆ
成分の振幅を一定に保つように第１のフィードバック制
御を行う。静電力の周波数２ｆ成分の振幅は、探針２０
１先端とレジスト２０４表面との間隔に依存するので、
第１のフィードバック制御により、探針２０１とレジス
ト２０４の間隔は一定に保たれる。同期検出回路２（３
０２）に入力された差信号は、ファンクションジェネレ
ータ２０６から出力される周波数ｆの参照信号をもとに
同期検出を行い、該差信号における周波数ｆの信号成分
の振幅に比例する信号を出力する。この出力信号は、探
針２０１先端とレジスト２０４表面の間に作用する静電
力の周波数ｆ成分の振幅を示している。第１のフィード
バック制御により探針２０１とレジスト２０４の間隔が
一定に保たれるので、静電力の周波数ｆ成分の振幅は、
基板２０３・レジスト２０４中の電荷分布や電気双極子
分布等の電気的性質に対応している。したがって、この
出力信号を検知することにより、基板２０３・レジスト
２０４の電気的性質を検知することができる。

【００２７】この状態で、基板２０３上のレジスト２０
４表面に対して非接触に探針２０１をｘｙ方向に２次元
相対走査する。位置合わせマーカー３０１の位置では、
基板２０３中の電気的性質が異なっているので、基板２
０３の他の部分に比べ、探針２０１−基板２０３間に働
く静電力の周波数ｆ成分の大きさが異なり、同期検出回
路２（３０２）の出力が変化する。この第１のフィード
バック制御において、同期検出回路２（３０２）の出力
信号の大きさをコンピュータ２１５に入力し、相対ｘｙ
方向２次元走査位置に対応して２次元マッピングするこ
とにより、レジスト２０４表面における電気的性質の２
次元分布情報を得る。このようにして、基板２０３上の
所定の位置に設けた電気的性質が異なる構造を有する位
置合わせマーカー３０１と探針２０１とのｘｙ方向相対
位置をレジスト２０４越しに検出することができる。以
上のように探針２０１と基板２０３中の位置合わせマー
カー３０１との相対位置を検出した後のレジスト２０４
上の切削加工位置への探針２０１移動、切削加工に関し
ては実施例１と同様である。実施例２では、位置合わせ
マーカーが基板中に設けられているので、加工プロセス
工程中におけるレジスト塗布形状誤差の影響を受けずに
高精度の位置合わせが可能であるという効果を有する。

【００２８】

【発明の効果】本発明は、以上のように、該被加工物表
面に設けられた位置合わせマーカーの構成により、探針
を非接触の状態で被加工物表面上の切削加工を行うべき
位置を検出し、位置合わせをすることができるから、位
置合わせ時と切削加工時とにおいてカンチレバーを交換
することなく、同一のカンチレバーによって微細加工を
行うことが可能となる。すなわち、探針が被加工物であ
る試料に対して非接触の状態で位置合わせを行った後、
切削加工を行うに際して、試料に対して探針に接触さ
せ、荷重を印加することができるから、その位置合わせ
においては、試料が剥がれたり、傷つけたりすることが
なく、切削加工においては試料に対して探針を十分押し
込んで加工することができる。また、カンチレバーの弾
性定数の選択範囲に関する制限条件を緩くすることがで
きるため、カンチレバーの選択の手間もかからないばか
りか、複数の工程で同一のカンチレバーを用いることが
可能となり、微細加工のスループットが向上し、コスト
の低減化を図ることが可能となる。さらに、本発明の微
細加工方法を用いて、基板上にナノメートルオーダーの
大きさの構造を有する電子素子を作製することができ、
室温で電子波の干渉効果や量子効果による電気特性を示
す電気素子の実現が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の微細加工方法の特徴を表す図である。

【図２】本発明の微細加工方法の実施に用いる具体的な
装置構成およびその動作方式の実施例１を示す図であ
る。

【図３】本発明の微細加工方法の実施に用いる具体的な
装置構成およびその動作方式の実施例２を示す図であ
る。

【符号の説明】

１０１：基板１０２：被加工物１０３：探針１０４：カンチレバー１０５：駆動素子１０６：位置合わせマーカー２０１：探針２０２：カンチレバー２０３：基板２０４：レジスト２０５：ｚ方向駆動素子２０６：ファンクションジェネレータ２０７：加算回路２０８：ｚ方向駆動回路２０９：レーザー２１０：２分割センサ２１１：差信号算出回路２１２：同期検出回路２１３：切り替え回路１２１４：ｘｙステージ２１５：コンピュータ２１６：ｘｙ方向駆動回路２１７：切り替え回路２２１８：レーザー光ビーム２１９：反射光ビーム２２０：フィードバック回路２２１：切り替え回路３２２２：位置合わせマーカー３０１：位置合わせマーカー３０２：同期検出回路２

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＨ０１Ｌ 21/3065 Ｈ０１Ｌ 21/304 ３０１Ｚ 21/304 ３０１ 21/302 Ｈ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】弾性体に支持された探針によって、被加工
物表面に微細加工を施す微細加工方法であって、該被加工物表面に位置合わせマーカーを設け、該位置合
わせマーカーを基にして該探針の該被加工物表面上の切
削加工を行うべき位置を検出する位置合わせ工程と、該位置合わせ工程における位置合わせ終了後、該被加工
物表面に対して前記弾性に支持された探針を所定の大き
さの斥力で接触させることにより、該被加工物に対して
該探針を押し込み、該被加工物に対して該探針を該被加
工物表面内方向において所定方向に所定量だけ相対移動
させることによって、該被加工物の切削加工を行う切削
加工工程と、を有することを特徴とする微細加工方法。
【請求項２】前記位置合わせ工程は、被加工物表面に対
して非接触で先端を近づけた尖鋭な探針と該被加工物表
面との間に作用する引力を検知し、該引力を一定に保つ
ように、該探針と該被加工物表面との間隔を制御し、該探針を該被加工物表面に対して非接触に該被加工物表
面内方向に相対的に走査し、該被加工物表面に設けた位
置合わせマーカー位置の該間隔制御における変化を検知
し、該間隔制御変化検知結果を基に、該位置合わせマーカー
と該探針との該被加工物表面内方向の相対位置を検出
し、該相対位置検出結果を基に、該被加工物における加工予
定位置に該探針を移動する工程を含むことを特徴とする
請求項１に記載の微細加工方法。
【請求項３】前記位置合わせ工程において、該探針と該
被加工物表面との間に作用する引力がファンデルワール
ス力であることを特徴とする請求項２に記載の微細加工
方法。
【請求項４】前記位置合わせ工程において、該探針と該
被加工物表面との間に作用する引力がファンデルワール
ス力であり、前記間隔制御変化が該位置合わせマーカー
の３次元形状によって引き起こされるものであることを
特徴とする請求項２に記載の微細加工方法。
【請求項５】前記位置合わせ工程において、該探針と該
被加工物表面との間に作用する引力が、導電性を有する
材料からなる該探針と該被加工物との間に印加された電
圧による静電力であることを特徴とする請求項２に記載
の微細加工方法。
【請求項６】前記位置合わせ工程において、該探針と該
被加工物表面との間に作用する引力が、導電性を有する
材料からなる該探針と該被加工物との間に印加された電
圧による静電力であり、前記間隔制御変化が該位置合わ
せマーカーの電気的性質の２次元分布によって引き起こ
されるものであることを特徴とする請求項２に記載の微
細加工方法。
【請求項７】前記被加工物が、レジストであり、前記切
削加工工程における前記斥力が３×１０^-8〜３×１０^-4
［Ｎ］の範囲であることを特徴とする請求項１〜請求項
６のいずれか１項に記載の微細加工方法。
【請求項８】前記被加工物が、ネガ型レジストであり、
前記切削加工工程の後、さらに、該レジストにエネルギ
ー線を照射することにより、該レジストを硬化させるエ
ネルギー線照射工程を有することを特徴とする請求項１
〜請求項６のいずれか１項に記載の微細加工方法。
【請求項９】弾性体に支持された探針を備え、該探針に
よって被加工物表面に微細加工を施す微細加工装置であ
って、該被加工物表面に設けられた位置合わせマーカーを基に
して、該探針の該被加工物表面上の切削加工を行うべき
位置を検出する位置合わせ手段と、斥力検知手段によって該探針と該被加工物表面との間に
作用する斥力を検知し、相対駆動手段によって該被加工
物と該探針との間に働く斥力が所定の大きさに達するま
で、該被加工物に対して該探針を押し込むように該被加
工物表面の法線方向に相対駆動し、相対移動手段によっ
て該被加工物に対して該探針を該被加工物表面内方向に
おいて所定方向に所定量だけ相対移動させる構成を備え
た切削加工手段と、を有することを特徴とする微細加工
装置。
【請求項１０】前記位置合わせ手段は、該探針と該被加
工物表面との間に作用する引力を検知する引力検知手段
と、該引力を一定に保つように、該探針と該被加工物表
面との間隔を制御する間隔制御手段と、該探針を該被加
工物表面に対して非接触に該被加工物表面内方向に相対
的に走査する相対走査手段と、該位置合わせマーカー位
置の該間隔制御における変化の検知結果を基に、該位置
合わせマーカーと該探針との該被加工物表面内方向の相
対位置を検出する相対位置検出手段と、該相対位置検出
結果を基に、該被加工物における加工予定位置に該探針
を移動する移動手段と、により構成されていることを特
徴とする請求項９に記載の微細加工装置。
【請求項１１】前記引力検知手段が、該弾性体を共振振
動させる振動手段と、該共振振動の振幅から該引力を検
知する手段とを有することを特徴とする請求項１０に記
載の微細加工装置。
【請求項１２】前記探針と前記被加工物とが導電性材料
により構成され、前記引力検知手段が、該弾性体を共振
振動させるように該探針と該被加工物との間に交流電圧
を印加する電圧印加手段と、該共振振動の振幅から該引
力を検知する手段とを有することを特徴とする請求項１
０に記載の微細加工装置。
【請求項１３】前記位置合わせマーカーが、前記被加工
物中の２次元の電気的性質の異なりであることを特徴と
する請求項１２に記載の微細加工装置。
【請求項１４】前記弾性体は、該弾性体の弾性定数が、
３〜３００［Ｎ／ｍ］の範囲であることを特徴とする請
求項９〜請求項１３のいずれか１項に記載の微細加工装
置。
【請求項１５】前記被加工物が、基板上に設けられたレ
ジストであることを特徴とする請求項９〜請求項１４の
いずれか１項に記載の微細加工装置。
【請求項１６】前記レジストがネガ型レジストであり、
該レジストにエネルギー線を照射することにより、該レ
ジストを硬化させるエネルギー線照射手段を有している
ことを特徴とする請求項１５に記載の微細加工装置。
【請求項１７】前記レジストが、ＬＢ法によって成膜さ
れたＬＢ膜であることを特徴とする請求項１５に記載の
微細加工装置。