WO2004077536A1 - 空中配線の製造方法及びその空中配線の製造装置 - Google Patents

空中配線の製造方法及びその空中配線の製造装置 Download PDF

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Takayuki Hoshino
Shinji Matsui
Kazushige Kondo
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Japan Science And Technology Agency
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/04—Coating on selected surface areas, e.g. using masks
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    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/02—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having at least one potential-jump barrier or surface barrier; including integrated passive circuit elements with at least one potential-jump barrier or surface barrier
    • H01L27/04—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having at least one potential-jump barrier or surface barrier; including integrated passive circuit elements with at least one potential-jump barrier or surface barrier the substrate being a semiconductor body

Definitions

  • the present invention provides a method of growing a conductor from a substrate surface or a three-dimensional structure by using a beam excitation reaction such as a focused ion beam (FIB), and performing aerial wiring having a diameter on the order of nm and the aerial wiring.
  • a beam excitation reaction such as a focused ion beam (FIB)
  • FIB focused ion beam
  • Non-Patent Document 3 Formation of columnar (villa) and wall structures using a focused ion beam and fabrication of field emitters and photonic crystal structures using an electron beam have been reported (Non-Patent Document 3). , 4). However, the technologies reported so far do not realize any three-dimensional structure.
  • any arbitrary The present inventors have developed a technology for realizing a three-dimensional three-dimensional structure. 5).
  • Non-Patent Document 3 (Non-Patent Document 3)
  • Non-patent document 4 (Non-patent document 4)
  • Non-Patent Document 5 (Non-Patent Document 5)
  • aerial wiring on the order of ⁇ is indispensable for wiring such as microelectronic devices such as microcoils.
  • An object of the present invention is to provide a method for manufacturing an aerial wiring capable of manufacturing an aerial wiring on the order of nm, and an apparatus for manufacturing the aerial wiring.
  • a beam is radiated based on the three-dimensional position data previously stored in the computer pattern drawing device and the beam irradiation position, irradiation direction, and irradiation time, and the beam excitation reaction is used. Then, aerial wiring is manufactured by the CVD process.
  • the beam excitation reaction is performed by a focused beam using a liquid metal ion source.
  • the aerial wiring is characterized by producing an aerial wiring freely in a space.
  • the CVD method is a focused ion beam-CVD method or an electron beam-CVD method.
  • a micro three-dimensional structure, a reaction gas acting on a portion of the micro three-dimensional structure, a beam excitation reaction means, and a beam from the beam excitation reaction means are converted into three-dimensional position data. It is equipped with a computer pattern drawing device to be controlled in the evening, and is characterized in that previously designed aerial wiring is manufactured by a CVD process using a beam excitation reaction.
  • FIG. 1 is a schematic view of an apparatus for manufacturing an aerial wiring using a focused ion beam according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing a Fuwenantoren (C 14 H 1 ()) 3-dimensional example of manufacturing nano wires fabricated using a force one carbon single source (1).
  • FIG. 3 is a diagram showing an example (part 2) of fabricating a three-dimensional nanowire fabricated using a carbon monoxide source of phenanthrene (C 14 H 1 () ).
  • FIG. 4 is a diagram in which the branch portion of the wiring is observed by TEM.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of a layout diagram of electrical characteristics of aerial wiring and an example of measured data.
  • FIG. 6 is a schematic diagram of elemental analysis of aerial wiring and a characteristic diagram of EDX elemental analysis of a spectrum of an aerial wiring.
  • FIG. 7 is a diagram showing the results of elemental analysis and electrical characteristics.
  • FIG. 8 is a schematic view of an apparatus for manufacturing an aerial wiring using a focused ion beam, showing a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a SIM image of an aerial wiring grown in a mesh pattern showing an example of the present invention.
  • FIG. 10 is a SIM image of a DLC aerial wiring manufactured in a ladder shape showing an example of the present invention.
  • FIG. 11 is a diagram showing an example of a parallel coil-shaped DLC aerial wiring according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic view of an apparatus for manufacturing an aerial wiring using a focused ion beam according to a first embodiment of the present invention.
  • 1 is a Si substrate
  • 2 is a DLC (Diamond Liquid Carbbon) pillar as a deposition structure
  • 3 is an aerial wiring having a width connected to the DLC villa 1-2.
  • No. 4 is a nozzle for sending out phenanthrene 'gas (melting point: 9.9 ° C, boiling point: 340 ° C) as a reaction gas
  • 5 is phenanthrene' gas as a reaction gas
  • 6 is a focused ion beam device
  • 7 is A focused ion beam
  • 8 is the scanning direction of the focused ion beam
  • 9 is a computer pattern drawing device
  • the computer pattern drawing device 9 has a CPU (central processing unit) 9A, interfaces 9B, 9D, It has a memory 9C, an input / output device 9E, and a display device 9F for storing three-dimensional position data, beam irradiation position, irradiation direction, and irradiation time.
  • CPU central processing unit
  • an air wiring 3 having a width was produced by an excitation reaction in a carbon-based gas (phenanthrene: C 14 H ⁇ ) gas phase.
  • the deposited material was confirmed to be diamond-like force (DLC) by Raman spectroscopy.
  • the energy of G a + ion is 30 keV, and the irradiation ion current is 1 pA ⁇ : about InA.
  • this Ga + focused ion beam is irradiated to the Si substrate 1 in the atmosphere of the reaction gas 5, the reaction gas molecules adsorbed at the irradiation position are decomposed, and an amorphous carbon grows.
  • the phenanthrene 5 used as the reaction gas has a melting point of 99. C, boiling point 3
  • the focused ion beam uses Ga +
  • the present invention is not limited to this. Any source of liquid metal ion, for example, Au + or Si + may be used.
  • Chemical vapor deposition by focused ion beam irradiation proceeds by the decomposition and deposition of reactive gas molecules adsorbed on the substrate and the surface of the growing structure by secondary electrons.
  • primary electrons are emitted in an elastic / inelastic scattering interaction process when primary ions penetrate into a substrate or a deposit.
  • 30 keV G a + ion its range is about 20 nm.
  • primary ions are scattered within a range of about 20 nm in radius from the ion beam irradiation position, and primary electrons are emitted from this scattering region.
  • Secondary electrons with relatively low energy that jumped out to the substrate surface are quickly captured by the adsorbed gas molecules due to their large reaction cross-section, and the primary electrons are decomposed into the reactive gas molecules to form amorphous carbon. Grows.
  • the ion beam irradiation position is fixed, pillars of amorphous carbon grow in the beam direction.
  • the beam irradiation position is slightly shifted laterally, the secondary electron generation region is also shifted.
  • the growth of secondary electrons on the pillar sidewall in the shifted direction starts the growth of laterally branched amorphous carbon.
  • the scattered primary ions do not penetrate the overhanging branches of amorphous carbon.
  • Fuenantoren Figure 2 an example of manufacturing a three-dimensional nano-wires fabricated by using carbon single source Ichisu of (CH 10) (L, C, R parallel circuit, growth time: 0 min), and FIG. 3 (L , C, R filter circuit, growth time: 11 minutes).
  • Each wiring diameter is about 100 nm.
  • TEM-EDX observations were made to examine the composition and structure of the fabricated 3D nanowires.
  • Fig. 4 shows the TEM observation of the branching part of the wiring under 20 OkEV. From this observation, we were able to identify the distribution and position of Ga and C inside the three-dimensional nanowire. The analysis area had a diameter of 2 O nm or less.
  • Fig. 5 shows an electrical characteristics evaluation layout of aerial wiring and an example of measurement data.
  • a mixed gas in which tungsten carbonyl (W (CO) 6) gas, which is an organic metal gas, was supplied together with phenanthrene gas in order to reduce the wiring resistivity was used as a source gas.
  • the resistivity of the wiring made only with the phenanthrene gas was 100 ⁇ cm, while the resistivity of the wiring made by supplying the tungsten carbonyl gas at the same time was 0.0. It could be reduced to 2 Qcm. That is, by supplying evening stainless steel gas, it is possible to manufacture a wiring having a variable range of resistivity up to 1/1000.
  • Fig. 6 shows the SEM-EDX electron beam spot beam An experiment was carried out to determine the element content of. As a result of the measurement, it was clarified that increasing the gas density of tungsten carbonyl increased the contents of the metal elements Ga and W and reduced the resistivity of the three-dimensional nanowire.
  • Fig. 7 shows the relationship between the resistivity measured by SEM-EDX and the W content.
  • the source gas can be manufactured using a single source gas.
  • a mixed gas with a different source gas is used as the source gas.
  • FIG. 8 is a schematic view of an apparatus for manufacturing an aerial wiring using a focused ion beam according to a second embodiment of the present invention.
  • 11 is a substrate
  • 12 is an insulating plate
  • 13 is an aerial wiring in the wiring
  • 14 is a phenanthrene 'gas (melting point: 99 ° C, boiling point: 340 ° C) as a reaction gas.
  • Nozzle 15 is a phenanthrene gas as a reaction gas-
  • 16 is a focused ion beam device
  • 17 is a focused ion beam
  • 18 is the scanning direction of the focused ion beam
  • 19 is a computer pattern drawing device Yes
  • this computer pattern drawing device 19 has a CPU (Central Processing Unit) 19A, interfaces 19B, 19D, and stores in advance the three-dimensional position data and the beam irradiation position, irradiation direction, and irradiation time Memory 19 C :, an input / output device 19 E, and a display device 19 F. Therefore, as shown in FIG. 8, the aerial wiring 13 is composed of three-dimensional position data previously stored in the memory 19 c of the computer pattern drawing device 19 and the irradiation position, irradiation direction, and irradiation of the beam. Wired based on time.
  • CPU Central Processing Unit
  • FIG. 9 is a SIM (scanning ion microscopy) image (ion microscope image) of a mesh-shaped aerial wiring showing an embodiment of the present invention.
  • a crossbar structure with a wiring diameter of 100 nm was fabricated by DLC wiring.
  • the fabrication conditions were a beam current of 0.5 pA, a dose shift of 2.7 ms / nm, and an exposure time of 147 s.
  • a metal wiring crossbar logic circuit can be formed by using an organic metal gas source as a reaction gas source.
  • the wire diameter is 100 nm
  • the fabrication time is 90 seconds
  • the aerial wiring is formed
  • the resistance, capacity, Inkkuta, etc. are freely created between the aerial wires Can also be configured.
  • a gas source that can deposit metals such as Au, Pt, and W was used.
  • a reactive gas source such as a P or N dopant during the production of the aerial torsion line
  • local doping such as a PN junction is performed, and a three-dimensional information network with a mixture of electron and optical devices is constructed. can do.
  • the fabrication conditions in this example are as follows: the beam current is 0.5 pA and the dose shift is 2.7 ms / nm.
  • FIG. 10 is a SIM image of a DLC aerial wiring fabricated in a ladder shape showing an example of the present invention.
  • the fabrication conditions were a beam current of 0.3 pA, a dose shift of 3.Oms / nm, and an exposure time of 107 s. is there.
  • FIG. 11 is a SIM image of a parallel coiled DLC aerial wiring showing the embodiment of the present invention.
  • the fabrication conditions were a beam current of 0.3 pA, a dose shift of 3.Oms / nm, and an exposure time of 166 s. is there.
  • the beam diameter of the focused ion beam can be focused to about 5 nm, it is possible to obtain aerial wiring of several tens Onm level using three-dimensional data of a computer pattern drawing device.
  • reaction gas By changing the reaction gas, it is possible to form three-dimensional wiring using various materials such as metals, semiconductors, and insulators. Of course, it is possible to form a composite three-dimensional aerial wiring that partially changes the material with one three-dimensional structure.
  • local doping of a semiconductor material may be performed between the aerial wirings by focused ion beam implantation.
  • local doping of a semiconductor material between the aerial wirings may be performed by irradiating an electron beam in a doping gas.
  • a semiconductor device can be moved between the aerial wirings by a laser / electrostatic manipulator, and the semiconductor devices can be fixed between the aerial wirings by a CVD method. .
  • the CVD method may be a focusing beam-CVD method or an electron beam-CVD method. It should be noted that the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications are possible based on the spirit of the present invention, and these are not excluded from the scope of the present invention. As described above, according to the present invention, the following effects can be obtained.
  • Aerial wiring of the order of ii m to n m can be manufactured in any size and shape, and a three-dimensional functional device can be manufactured.
  • the method for manufacturing an aerial wiring and the apparatus for manufacturing an aerial wiring according to the present invention can be used for a microswitch, a sensor, a manifold for biotechnology, a microwave antenna, a quantum device, and the like.

Abstract

nmオーダの空中配線を作製することができる製造方法およびその製造装置を提供する。コンピュータパターン描画装置(9)にあらかじめ記憶された3次元位置データとビームの照射位置、照射方向、照射時間に基づきビームを照射し、ビーム励起反応を利用してCVDプロセスにより空中配線(3)を作製する。

Description

明 細 書 空中配線の製造方法及びその空中配線の製造装置 技術分野
本発明は、 集束イオンビーム （F I B) などのビーム励起反応を利用して、 基 板表面あるいは 3次元構造体から導電体を成長させ、 直径が nmオーダの空中配 線を行う方法及びその空中配線の製造装置に関するものである。 背景技術
半導体製造技術プロセスの研究開発の進展に伴う、 1次元超微細加工技術の発 展はめざましく、 電子ビーム （EB ： E l e c t r on B e am) 、 集束ィォ ンビーム （F I B : F o c u s e d I on Be am) を用いた、 1 0 nmリ ソグラフィが可能となり、 50 n m以下の極微細ゲート M 0 Sデバイスや、 単電 子トランジスタ一等の 1 0 nmレベルの量子効果デバイスの作製へ応用展開され ている （非特許文献 1、 2参照） 。 このように、 2次元での超微細加工技術は研 究開発レベルでほぼ確立されている。 今後の超微細加工技術の研究開発方向は、 2次元から 3次元への多次元化であり、 これに伴う多機能化 ·高性能化、 さらに これまで実現できなかつた新機能デノ ィスの研究開発が求められている。
nmオーダの構造作製には、 2次元と同様に、 分解能が優れている集束イオン ビームおよび電子ビームを利用することが必要である。 これまで、 集束イオンビ —ムを用いた柱状 （ビラ一） や壁状の構造体形成および電子ビームを用いたフィ .—ルドェミッタ一やフォトニック結晶構造の作製が報告されている （非特許文献 3、 4参照） 。 しかし、 上記のこれまでに報告された技術は、 任意の 3次元構造 を実現したものではない。
そこで、 集束ィォンビームによる化学気相成長 (F I B-CVD ： F 0 c u s e d I o n B e am— Chemi c a l ap o r Dep o s i t i o n) を用いて、 これまで達成されていなかった、 1 00 nm以下の任意の 3次元 立体構造体を実現する技術を本願発明者らが開発した （特許文献 非特許文献 5参照） 。
〔特許文献 1〕
特開 2 0 0 1— 1 0 7 2 5 2号公報 （3— 4頁 図 1 )
〔非特許文献 1〕
S . M a t s u 1 nd Y . 0 c h ι a ι , M a n o t e c h n o 1 o g y, 7， 2 4 7 ( 1 9 9 6) .
〔非特許文献 2〕
S . Ma t s u i , P r o c e e d i n g s o f t h e I EEE, 8 5，
6 2 9 ( 1 9 9 7) .
〔非特許文献 3〕
H. W. Ko op s, J p n. J. Ap p 1. Phy s . ， P a r t i 3 3，
7 0 9 9 ( 1 9 9 4 ) .
〔非特許文献 4〕
P. G. B 1 a u n e r , P r o c e e d i ng s I n t e r na t i o n a 1 M i c r op r o c e s s C on f e r e n c e, 1 9 9 1， p. 3 0 9
〔非特許文献 5〕
S . Ma t s u i , K. K a i t o, J. F u j i t a , M. Komu r o, K. K a n d a , and Y. Ha r uy ama, J . Va c. S c i . Te c hno l . , B 1 8, 3 1 6 8 (2 000) . 発明の開示
ところで、 電子デバィスの集積化のためには 2次元描画技術では限界があるの で、 3次元空間内に n mォーダの配線を行う必要がある。
また、 マイクロコイルのような微小電子素子などの配線には ηηιオーダの空中 配線が不可欠である。
本発明は、 nmオーダの空中配線を作製することができる空中配線の製造方法 及びその空中配線の製造装置を提供することを目的とする。
本発明は、 上記目的を達成するために、 〔 1〕 空中配線の製造方法において、 コンピュータパターン描画装置にあらか じめ記憶された 3次元位置データとビームの照射位置、 照射方向、 照射時間に基 づきビームを照射し、 ビーム励起反応を利用して C V Dプロセスにより空中配線 を作製することを特徴とする。
〔 2〕 上記 〔 1〕 記載の空中配線の製造方法において、 前記ビーム励起反応は 液体金属ィォン源を用いた集束ィ才ンビームによることを特徴とする。
〔 3〕 上記 〔 1〕記載の空中配線の製造方法において、前記空中配線は、 空間 に自在な空中配線を作製することを特徴とする。
〔 4〕 上言己 〔 1〕 記載の空中配線の製造方法において、 ソースガスとして、 単 体のソースガスを用いて作製することを特徴とする。
〔 5〕 上記 〔 1〕 記載の空中配線の製造方法において、 ソースガスとして、 ソ ースガスに更に異なるソースガスとの混合ガスを用いることにより空中配線の特 性を制御することを特徴とする。
〔 6〕 上記 〔 1〕 記載の空中配線の製造方法において、 前記空中配線は、 反応 ガスソースを選択することにより、 金属、 半導体または絶縁体の空中配線を形成 することを特徴とする。
〔 7〕 上記 〔 1〕 記載の空中配線の製造方法において、前記空中配線に電子素 子を接続することを特徴とする。
〔 8〕 上記 〔 7〕 記載の空中配線の製造方法において、 前記電子素子は、 抵抗、 キャパシ夕、 ィンダク夕一であることを特徴とする。
〔 9〕 上記 〔8〕 記載の空中配線の製造方法において、 前記抵抗、 キャパシ夕、 ィンダクタ一に対応する反応ガスの材料を選定し、 前記抵抗、 キャパシ夕、 イン ダクタ一のそれぞれに対応した反応ガス供給制御を行うことを特徴とする。
〔 1 0〕 上記 〔7〕 記載の空中配線の製造方法において、 集束イオンビーム注 入により、 前記空中配線間に半導体材料の局所的ドーピングを行うことを特徴と する。
〔 1 1〕 上記 〔 8〕記載の空中配線の製造方法において、 ドーピングガス中で 電子ビーム照射することにより、前記空中配線間に半導体材料の局所的ドーピン グを行うことを特徴とする。 〔 1 2〕 上記 〔 1〕 記載の空中配線の製造方法において、 半導体デバイスをレ —ザや静電マニュピユレ一夕により、前記空中配線間に移動させ、 該空中配線間 にそれらの半導体デゾ イスを C V D法により固定することを特徴とする。
〔 1 3〕 上記 〔 1 2〕 記載の空中配線の製造方法において、 前記 C VD法は集 束ィオンビーム一 C V D法または、 電子ビーム一 C V D法であることを特徴とす る。
〔 1 4〕 上記 〔 1〕 記載の空中配線の製造方法において、 電子 ·イオンビーム 励起プロセスにより、 局所空間に 3次元情報ネットワークを構築することを特徴 とする。
〔 1 5〕 上記 〔 1〕 記載の空中配線の製造方法において、前記空中配線により、 クロスバー回路を構成することを特徴とする。
〔 1 6〕 空中配線の製造装置において、 微小立体構造物と、 この微小立体構造 物の部位に作用する反応ガス及びビーム励起反応手段と、 このビーム励起反応手 段からのビームを 3次元位置デー夕にしたがつて制御するコンピュータパターン 描画装置とを備え、 ビ一ム励起反応を利用して CVDプロセスによりあらかじめ 設計された空中配線を作製することを特徴とする。 図面の簡単な説明
第 1図は、 本発明の第 1実施例を示す集束イオンビームによる空中配線の製造 装置の模式図である。
第 2図は、 フヱナントレン （C14H1()) の力一ボン単体ソースを用いて作製し た 3次元ナノ配線の作製例 （その 1 ) を示す図である。
第 3図は、 フヱナントレン （C14H1()) の力一ボン単体ソースを用いて作製し た 3次元ナノ配線の作製例 (その 2) を示す図である。
第 4図は、 配線の分岐部分を T E M観測した図である。
第 5図は、 空中配線の電気特性評価配置図と測定データの一例を示す図である。 第 6図は、 空中配線の元素分析の模式図および空中配線のスぺクトルの EDX 元素分析特性図である。
第 7図は、 元素分析および電気的特性の結果を示す図である。 第 8図は、 本発明の第 1実施例を示す集束ィォンビームによる空中配線の製造 装置の模式図である。
第 9図は、 本発明の実施例を示す網目状に成長させた空中配線の S I M画像で る。
第 1 0図は、 本発明の実施例を示す梯子状に作製した D L C空中配線の S I M 画像である。
第 1 1図は、 本発明の実施例を示す並列状のコィル状の D L C空中配線の S I
M画像である。 発明を実施するための最良の形態
以下、 本発明の実施の形態について詳細に説明する。
第 1図は本発明の第 1実施例を示す集束イオンビームによる空中配線の製造装 置の模式図である。
この図において、 1は S i基板、 2は堆積構造物としての DLC (D i amo n d L i ke C a r b o n) ピラー、 3はその DL Cビラ一 2上に接続され る幅を有する空中配線であり、 4は反応ガスとしてのフヱナントレン 'ガス （融 点： 9 9 °C、 沸点： 340 °C ) を送り出すノズル、 5は反応ガスとしてのフエナ ントレン 'ガス、 6は集束イオンビーム装置、 7は集束イオンビーム、 8はその 集束イオンビーム 7の走査方向、 9はコンピュータパターン描画装置であり、 こ のコンピュータパターン描画装置 9は、 CPU (中央処理装置） 9A、 インタフ エース 9 B， 9 D、 あらかじめ 3次元位置データとビームの照射位置、 照射方向、 照射時間を記憶するメモリ 9 C、 入出力装置 9 E、 表示装置 9 Fを有している。 そこで、 反応ガスとしてのフエナントレン 'ガス 5気相中で、 集束イオンビー ム （F I B) 7によるビーム励起反応を利用して、 DLCビラ一 2に接続される 幅を有する空中配線 3を成長させることができる。
具体例では、 Ga+集束イオンビーム装置 〔セイコーインスツルメンッ
(株) ： SM I 9 200〕 を用いて、 カーボン系ガス (フエナントレン： C14H ιο) 気相中で、 励起反応により幅を有する空中配線 3を作製した。 堆積材料はラ マン分光により、 ダイヤモンドライク力一ボン (DLC) であることを確認した。 G a + ィォンのエネルギ一は 3 0 k e V、 照射ィォン電流は 1 p A〜： I n A程 度である。 この G a +集束イオンビームを反応ガス 5の雰囲気中で S i基板 1に 照射すると、 照射位置に吸着している反応ガス分子が分解し、 アモルファスカー ボンが成長する。 反応ガスとして用いるフエナントレン 5は融点 9 9。C、 沸点 3
4 0 °Cの芳香族炭化水素化合物である。 これを約 7 0〜8 0 °Cに加熱し、 得られ る蒸気をガスノズル 4先端から S i基板 1に吹き付ける。 装置の真空度は約 1 X 1 0— 5 P a程度、 アモルファス力一ボン成長中の試料室平均ガス圧は 5 X 1 0一5 P a程度である。
なお、 集束イオンビームは G a + を用いたが、 これに限定するものではなく、 液体金属ィォン源であればよく、 例えば、 A u + や S i + を用いるようにしても よい。
更に、 集束イオンビームによる 3次元空中配線の作製原理について説明する。 集束イオンビーム照射による化学気相成長は、 基板や、 成長中の構造体表面に 吸着した反応ガス分子が 2次電子によって分解 ·堆積することで進行する。 一般 にイオンビームが照射されると、 1次ィォンが基板や堆積物中に侵入する際の弾 性 ·非弾性散乱の相互作用過程で 1次電子が放出される。 3 0 k e Vの G a + ィ オンの場合、 その飛程は約 2 0 n mである。
つまり、 イオンビーム照射位置からこの半径約 2 0 n mの飛程の範囲に 1次ィ ォンが散乱し、 さらにこの散乱領域から 1次電子が放出される。 基板表面に飛び 出てきた比較的エネルギーの低い 2次電子は、 その反応断面積が大きいためにす ぐに吸着ガス分子に捕捉され、 1次電子がその反応ガス分子を分解することでァ モルファスカーボンが成長する。
このとき、 イオンビーム照射位置を固定しておくと、 ビーム方向にァモルファ スカ一ボンのピラーが成長していく。 ここで、 ビーム照射位置をわずかに横にシ フトさせると 2次電子の発生領域も同時にシフトする。 つまり、 シフトした方向 (第 1図では右側) のピラー側壁での 2次電子が増えることで、 横方向に枝状の ァモロファスカーボンの成長が始まる。 このとき、 G a + イオンの飛程が短いの で、 散乱する 1次ィ才ンは張り出したァモロファスカーボンの枝を突き抜けない。 つまり、 ァモロファスカーボンの枝の先端から効率よく 2次電子が発生し、 枝 先端での分解 ·堆積反応が継続することで横方向にオーバ一ハングした枝の成長 が可能となっている。 よって、 イオンビームの走査速度と成長速度を制御するこ とで、 斜め上方や真横への成長、 さらには、 斜め下方への成長を制御することが 可能である。
フエナントレン (C H10) のカーボン単体ソ一スを用いて作製した 3次元ナ ノ配線の作製例を第 2図 （L, C, R並列回路、 成長時間： 0分） 、 および第 3図 （L, C, Rフィルター回路、 成長時間： 1 1分） に示す。 配線径はいずれ も、 約 1 0 0 nmである。
作製した 3次元ナノ配線の組成と構造を調べるために、 ( 1 ) TEM-EDX による観測を行った。 第 4図は配線の分岐部分を 2 0 O k eV下で TEM観測し た様子である。 この観測から、 3次元ナノ配線内部の G aと Cの分布および位置 を特定することができた。 なお、 分析エリアは直径 2 O nm以下であった。 さらに、 （ 2 ) 作製した 3次元ナノ配線の電気特性を調べる実験を行った。 第 5図に空中配線の電気特性評価配置図と測定デ一夕の一例を示す。 この際、 ソー スガスとして、 配線の抵抗率を下げるためにフヱナントレンガスとともに、 有機 金属ガスであるタングステンカルボニル （W (CO) 6 ) ガスを同時供給した混 合ガスを用いた。 抵抗測定の結果、 フヱナントレンガスのみで作製した配線の抵 抗率は 1 0 0 Ω c mであつたのに対し、 タングステンカルボニルガスを同時供給 して作製した配線の抵抗率は 0. 0 2 Qcmまで下げることができた。 つまり、 夕ングステンカルボユルガスを供給することで、 1 / 1 0 0 0 0まで抵抗率に可 変範囲を持たせた配線の作製が可能である。
さらに、 その抵抗率変化が配線内の構造変化と、 どのように対応しているのか を調べるために （3) 第 6図に示すように、 SEM— EDX電子線スポットビ一 ムによる、 配線内部の元素含有量を調べる実験を行った。 測定の結果、 夕ングス テンカルボニルのガス密度を高めることにより、 金属元素である G aと Wの含有 量が増加し、 3次元ナノ配線の抵抗率が減少することが明らかとなつた。 第 7図 に S E M— E D Xで測定した抵抗率と Wの含有量との関係を示す。
なお、 ソースガスとして、 単体のソースガスを用いて作製することができる。 また、 ソースガスとして、 ソースガスに更に異なるソースガスとの混合ガスを 用いることにより空中配線の特性を制御することができる。
第 8図は本発明の第 2実施例を示す集束ィォンビームによる空中配線の製造装 置の模式図である。
この図において、 1 1は基板、 1 2は絶縁板、 1 3は配線中の空中配線、 1 4 は反応ガスとしてのフエナントレン 'ガス （融点： 9 9°C, 沸点： 340 °C ) を 送り出すノズル、 1 5は反応ガスとしてのフヱナントレン ·ガス -, 1 6は集束ィ オンビーム装置、 1 7は集束イオンビーム、 1 8はその集束イオンビーム 1 7の 走査方向、 1 9はコンピュータパターン描画装置であり、 このコンピュータパ夕 ーン描画装置 1 9は、 CPU (中央処理装置） 1 9A、 インタフヱース 1 9 B, 1 9 D、 あらかじめ 3次元位置データとビームの照射位置、 照射方向、 照射時間 を記憶するメモリ 1 9 C：、 入出力装置 1 9 E、 表示装置 1 9 Fを有している。 そこで、 第 8図に示すように、 空中配線 1 3は、 コンピュータパターン描画装 置 1 9のメモリ 1 9 cにあらかじめ記憶されている 3次元位置デ一夕とビームの 照射位置、 照射方向、 照射時間に基づいて配線されていく。
第 9図は本発明の実施例を示す網目状に成長させた空中配線の S I M (スキヤ ンニングイオンマイクロスコ一プ）画像 （イオン顕微鏡像） である。
DLC配線により、 配線径 1 00 nmのクロスバー構造を作製したものであり、 作製条件はビーム電流 0. 5 pA、 ドーズシフト 2. 7ms/nm、 露光時間 1 47 sである。 なお、 反応ガスソースを有機金属ガスソースにして、 金属配線ク ロスバー論理回路を形成することができる。
また、 30 k e Vの Ga+ F I Bにより、配線径は 1 00 nm、 作製時間は 9 0秒で、 空中配線を形成し、 空中配線間に抵抗、 キャパシ夕、 イングクタ一等を 自由に作り込むように構成することもできる。 実際の配線には、 Au， P t， W 等の金属を堆積できるガスソースを用いるようにした。
さらに、 この実施例によれば、 成長時に異なつた反応ガスソースを供給するこ とにより、 ヘテロ接合形成にすることが可能である。
すなわち、 空中酉己線の作製途中で、 P, Nドーパント等の反応ガスソースに切 り替えることにより、 PN接合等の局所ドーピングを行い、 電子 '光デバイスが 混在した、 3次元情報ネットワークを構築することができる。 なお、 本実施例の作製条件としては、 ビーム電流は 0. 5pA、 ドーズシフト 2 · 7ms/nmである。
第 10図は本発明の実施例を示す梯子状に作製した DLC空中配線の S IM画 像であり、 作製条件はビーム電流 0. 3 p A、 ドーズシフト 3. Oms/nm、 露光時間 107 sである。
第 1 1図は本発明の実施例を示す並列状のコィル状の D L C空中配線の S I M 画像であり、 作製条件はビーム電流 0. 3 p A、 ドーズシフト 3. Oms/nm、 露光時間 166 sである。
上記したように、 本発明によれば、
(1)集束イオンビームのビーム径を 5 nm程度まで集束可能であるので、 コ ンピュー夕パターン描画装置の 3次元データを用いて、 数 1 Onmレベルの空中 配線を得ることが可能である。
(2)反応ガスを変えることにより、 金属、 半導体、 絶縁体等、 多種の材料で、 3次元配線の形成が可能である。 もちろん、 一つの立体構造体で、部分的に材料 を変える複合立体空中配線を形成することが可能である。
これらの特徴を利用して、 空中配線間に L， C, R, PN接合等を組み込んだ ナノ空間 3次元情報ネットワークやバイオマニピュレ一夕を作製することも可能 である。
なお、 本発明の空中配線の製造方法において、 集束イオンビーム注入により、 前記空中配線間に半導体材料の局所的ドーピングを行うこともできる。
また、 本発明の空中配線の製造方法において、 ドーピングガス中で電子ビーム 照射することにより、 前記空中配線間に半導体材料の局所的ド―ピングを行うこ ともできる。
また、 本発明の空中配線の製造方法において、 半導体デバイスをレーザゃ静電 マニュピユレ一夕により、 前記空中配線間に移動させ、 該空中配線間にそれらの 半導体デバイスを CVD法により固定することができる。
さらに、 本発明の空中配線の製造方法において、 空中配線の製造方法において、 前記 CVD法は集束ィ才ンビーム一 CVD法または、 電子ビーム一 C VD法によ ることができる。 なお、 本発明は上記実施例に限定されるものではなく、 本発明の趣旨に基づい て種々の変形が可能であり、 これらを本発明の範囲から排除するものではない。 以上、 詳細に説明したように、 本発明によれば、 以下のような効果を奏するこ とができる。
(A) ii m乃至 n mオーダの空中配線を任意の寸法、形状で作製でき、 立体機 能デゾ ィスの作製を行うことができる。
( B ) 反応ガスを変えることにより、 金属、 半導体、 絶縁体等、 多種の材料で、 3次元空中配線の形成が可能である。 また、 一つの立体構造体で、 部分的に材料 を変える複合立体空中配線を形成することが可能である。 産業上の利用可能性
本発明の空中配線の製造方法及びその空中配線の製造装置は、 マイクロスィッ チ、 センサー、 バイオなどへのマ二ュピレ一夕、 マイクロ波用アンテナ、 量子デ バイスなどへ利用可能である。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . コンピュータパターン描画装置にあらかじめ記憶された 3次元位置データ とビームの照射位置、 照射方向、 照射時間に基づきビームを照射し、 ビーム励起 反応を利用して C V Dプロセスにより空中配線を作製することを特徴とする空中 配線の製造方法。
2 . 請求項 1記載の空中配線の製造方法において、前記ビーム励起反応は液体 金属ィォン源を用いた集束ィォンビームによることを特徴とする空中配線の製造 方法。
3 . 請求項 1記載の空中配線の製造方法において、前記空中配線は、 空間に自 在な空中配線を作製することを特徴とする空中配線の製造方法。
4 . 請求項 1記載の空中配線の製造方法において、 ソースガスとして、 単体の ソースガスを用いて作製することを特徴とする空中配線の製造方法。
5 . 請求項 1記載の空中配線の製造方法において、 ソースガスとして、 ソース ガスに更に異なるソースガスとの混合ガスを用いることにより空中配線の特性を 制御することを特徴とする空中配線の製造方法。
6 . 請求項 1記載の空中配線の製造方法において、 前記空中配線は、 反応ガス ソースを選択することにより、 金属、 半導体または絶縁体の空中配線を形成する ことを特徴とする空中配線の製造方法。
7 . 請求項 1記載の空中配線の製造方法において、 前記空中配線に電子素子を 接続することを特徴とする空中配線の製造方法。
8 . 請求項 7記載の空中配線の製造方法において、前記電子素子は、 抵抗、 キ ャパシ夕、 ィンダクタ一であることを特徴とする空中配線の製造方法。
9 . 請求項 8記載の空中配線の製造方法において、前記抵抗、 キャパシ夕、 ィ ンダクタ一に対応する反応ガスの材料を選定し、前記抵抗、 キャパシタ、 インダ ク夕一のそれぞれに対応した反応ガス供給制御を行うことを特徴とする空中配線 の製造方法。
1 0 . 請求項 7記載の空中配線の製造方法において、 集束イオンビーム注入に より、 前記空中配線間に半導体材料の局所的ドーピングを行うことを特徴とする 空中配線の製造方法。
1 1 . 請求項 8記載の空中配線の製造方法において、 ドーピングガス中で電子 ビーム照射することにより、前記空中配線間に半導体材料の局所的ドーピングを 行うことを特徴とする空中配線の製造方法。
1 2 . 請求項 1記載の空中配線の製造方法において、 半導体デバイスをレーザ や静電マニュピユレ一夕により、 前記空中配線間に移動させ、 該空中配線間にそ れらの半導体デバイスを C V D法により固定することを特徴とする空中配線の製 造方法。
1 3 · 請求項 1 2記載の空中配線の製造方法において、 前記 C V D法は集束ィ ォンビーム一 C V D法または、 電子ビーム一 C V D法であることを特徴とする空 中配線の製造方法。
1 4 . 請求項 1記載の空中配線の製造方法において、 電子 'イオンビーム励起 プロセスにより、 局所空間に 3次元情報ネットワークを構築することを特徴とす る空中配線の製造方法。
1 5 . 請求項 1記載の空中配線の製造方法において、 前記空中配線により、 ク 口スバ一回路を構成することを特徴とする空中配線の製造方法。
1 6 .
( a ) 微小立体構造物と、
( b ) 該微小立体構造物の部位に作用する反応ガス及びビーム励起反応手段と、
( c ) 該ビーム励起反応手段からのビームを 3次元位置デー夕にしたがつて制御 するコンピュータパターン描画装置とを備え、
( d ) ビーム励起反応を利用して C V Dプロセスによりあらかじめ設計された空 中配線を作製することを特徴とする空中配線の製造装置。
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