(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の探針、前記複数の探針のそれぞれを保持する複数のバネ部、前記複数の探針のバネ部を一括して保持するホルダー、該ホルダーを移動させて前記探針と被描画対象であるレジスト層で表面が覆われた基板とを相対的に近づけるための粗動機構、前記複数の探針の端部にある探針と基板との傾きを補正するための移動機構、前記基板と複数の探針とを相対的に基板面上でＸ−Ｙ駆動するための駆動機構、前記各機構を制御するための制御装置、前記探針へ電流を供給する装置、前記探針へ供給される電流の検出手段、前記探針へ供給される電流の目標値と検出値とを一致させるための制御装置、前記各制御装置に対して描画のパターンに応じた目標値を与えるためのパターン入力装置を備える描画装置。
【請求項２】
前記複数の探針が一列に所定の間隔で配列されたものであり、これらの両端部にある探針が基板との傾き補正および描画中の探針と基板との距離の制御をするために使用され、他の探針が描画に使用される請求項１記載の描画装置。
【請求項３】
前記複数の探針がＸＹ平面に所定の間隔で配列されたものであり、これらの三つの端部にある探針が基板との傾き補正および描画中の探針と基板との距離の制御をするために使用され、他の探針が描画に使用される請求項１の描画装置。
【請求項４】
基板との傾き補正および描画中の探針と基板との距離の制御をするために使用される探針の変位が電流により検出されるものである請求項２の描画装置。
【請求項５】
基板との傾き補正および描画中の探針と基板との距離の制御をするために使用される探針の変位が光てこ式原子間力顕微鏡により検出されるものである請求項２の描画装置。
【請求項６】
基板との傾き補正および描画中の探針と基板との距離の制御をするために使用される探針の変位がカンチレバーの背面に配置された電極とカンチレバーとの間の容量変化により検出されるものである請求項２の描画装置。
【請求項７】
基板との傾き補正および描画中の探針と基板との距離の制御をするために使用される探針の変位が電流により検出されるものである請求項３の描画装置。
【請求項８】
基板との傾き補正および描画中の探針と基板との距離の制御をするために使用される探針の変位が光てこ式原子間力顕微鏡により検出されるものである請求項３の描画装置。
【請求項９】
基板との傾き補正および描画中の探針と基板との距離の制御をするために使用される探針の変位がカンチレバーの背面に配置された電極とカンチレバーとの間の容量変化により検出されるものである請求項３の描画装置。
【請求項１０】
描画に使用される探針の電流が、潜像を作製する部分と作成しない部分とで異なった値とされる請求項２の描画装置。
【請求項１１】
描画に使用される探針の電流が、潜像を作製する部分と作成しない部分とで異なった値とされる請求項３の描画装置。
【請求項１２】
一次元に配列された複数の探針、前記複数の探針のそれぞれを保持する複数のバネ部、前記複数の探針のバネ部を一括して保持するホルダー、該ホルダーを移動させて前記探針と被描画対象であるレジスト層で表面が覆われた基板とを相対的に近づけるための粗動機構、前記複数の探針の端部にある探針と基板との傾きを補正するための移動機構、前記基板を前記探針に対して回転駆動するための駆動機構、前記各機構を制御するための制御装置、前記探針へ電流を供給する装置、前記探針へ供給される電流の検出手段、前記探針へ供給される電流の目標値と検出値とを一致させるための制御装置、前記各制御装置に対して描画のパターンに応じた目標値を与えるためのパターン入力装置を備える描画装置。
【請求項１３】
前記複数の探針の両端部にある探針が基板との傾き補正および描画中の探針と基板との距離の制御をするために使用され、他の探針が描画に使用される請求項１２の描画装置。
【請求項１４】
複数の探針、前記複数の探針のそれぞれを保持する複数のバネ部、前記複数の探針のバネ部を一括して保持するホルダー、該ホルダーを移動させて前記探針と被描画対象であるレジスト層で表面が覆われた基板とを相対的に近づけるための粗動機構、前記複数の探針の端部にある探針と基板との傾きを補正するための移動機構、前記基板と複数の探針とを相対的に基板面上でＸ−Ｙ駆動するための駆動機構、前記各機構を制御するための制御装置、前記探針へ電流を供給する装置、前記探針へ供給される電流の検出手段、前記探針へ供給される電流の目標値と検出値とを一致させるための制御装置、前記各制御装置に対して描画のパターンに応じた目標値を与えるためのパターン入力装置を備える描画装置であって、前記探針が１枚の基板上に形成された複数個の静電アクチュエータを備える電気−機械変換装置の可動部の先端に形成され、該アクチュエータは二つのアクチュエータの一つが他の一つのアクチュエータの可動電極に固定電極が連携して形成されたカスケード構造であるとともに、かつ、該二つのアクチュエータの内の一つは、直交する２軸の方向へ可動電極を駆動できるものである描画装置。
【請求項１５】
前記複数の探針が一列に所定の間隔で配列されたものであり、これらの両端部にある探針が基板との傾き補正および描画中の探針と基板との距離の制御をするために使用され、他の探針が描画に使用される請求項１４の描画装置。
【請求項１６】
前記複数の探針がＸＹ平面に所定の間隔で配列されたものであり、これらの三つの端部にある探針が基板との傾き補正および描画中の探針と基板との距離の制御をするために使用され、他の探針が描画に使用される請求項１４の描画装置。
【請求項１７】
基板との傾き補正および描画中の探針と基板との距離の制御をするために使用される探針の変位が電流により検出されるものである請求項１５の描画装置。
【請求項１８】
基板との傾き補正および描画中の探針と基板との距離の制御をするために使用される探針の変位が電流により検出されるものである請求項１６の描画装置。
【請求項１９】
描画に使用される探針の電流が、潜像を作製する部分と作成しない部分とで異なった値とされる請求項１４の描画装置。
【請求項２０】
描画に使用される探針の電流が、潜像を作製する部分と作成しない部分とで異なった値とされる請求項１５の描画装置。
【請求項２１】
複数の探針、前記複数の探針のそれぞれを保持する複数のバネ部、前記複数の探針のバネ部を一括して保持するホルダー、該ホルダーを移動させて前記探針と被描画対象であるレジスト層で表面が覆われた基板とを相対的に近づけるための粗動機構、前記ホルダーと被描画対象であるレジスト層で表面が覆われた基板との間に挟まれた形で両者の相対位置を保持するためのスライダ、前記基板と複数の探針とを相対的に基板面上でＸ−Ｙ駆動するための駆動機構、前記各機構を制御するための制御装置、前記探針へ電流を供給する装置、前記探針へ供給される電流の検出手段、前記探針へ供給される電流の目標値と検出値とを一致させるための制御装置、前記各制御装置に対して描画のパターンに応じた目標値を与えるためのパターン入力装置を備える描画装置。
【請求項２２】
前記複数の探針が一列に所定の間隔で配列されたものであり、これらの探針のホルダーの両端部に設けられた電極と前記基板の導電体部分との間の静電容量が前記探針と前記基板との傾き補正および描画中の探針と基板との距離の制御をするために使用される請求項１の描画装置。
【請求項２３】
前記複数の探針がＸＹ平面に所定の間隔で配列されたものであり、これらの探針のホルダーの三端部に設けられた電極と前記基板の導電体部分との間の静電容量が前記探針と前記基板との傾き補正および描画中の探針と基板との距離の制御をするために使用される請求項１の描画装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、走査プローブ顕微鏡を用いた微細加工技術において用いられる描画装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体電子素子の高集積化、記録メディアの高密度化に伴い、極微細加工技術が必要とされている。しかし、電子素子では光リソグラフィーで使用する光の波長やレンズ材料により最小加工寸法が１００ｎｍ程度に限られ、また、記録メディアではレーザ原版の記録装置において解像度マージンの減少が予想されている。近年、これに代わる技術として、例えば、S. C. Minne et al., Fabrication of 0.1 m metal oxide semiconductor field-effect transistor Appl. Phys. Lett. 66(6) 6 February 1995 pp.703-705、あるいはHyongsok T. Soh et al., Fabrication of 100nm pMOSFETs with Hybrid AFM/STM Lithography （1997 SYMPOSIUM ON VLSI TECHNOLOGY）に示されるような、走査プローブ顕微鏡を用いた微細加工技術が注目されている。これは一般に探針と基板間に電圧を印加して加工を行う方法で、解像度が高く、原理的には原子レベルの加工も可能である。
【０００３】
さらに、米国特許5,666,190に開示されているように、複数のカンチレバーを備えたリソグラフィシステムも提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
走査プローブ顕微鏡を描画装置に用いる場合には、上記USP 5,666,190あるいは本件出願の親出願で提案したような集積化微細装置のように、複数の探針を同時に使用して走査スピードをあげることが有用である。しかし、一方では、この方法の場合、それぞれの探針に対し照射線量と基板−探針間の距離の２つを制御する必要があり、それらの駆動装置が必要となるだけでなく、それらすべてを統括的に制御する制御系も必要で、複雑な装置となっていた。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、描画の際、探針から基板に電流を照射するために印加する電圧により、各探針あるいは探針を保持するカンチレバーに働くクーロン力が、各探針を基板表面側に引き付けあるいはカンチレバーを変形させて各探針を基板表面に接触させるに十分な大きさを持つことに着目したものである。すなわち、描画の初期に、探針のグループに対して、基板に電流を照射することができる基板−探針間の距離を決めるためのラフな位置制御をおこなう。この場合、探針のグループの端部が適当な基板−探針間の距離を持つようにすればよい。そうすれば、すべての探針が探針のグループの製作に伴うあるばらつきの範囲で適当な基板−探針間の距離を持つことができる。一旦描画が開始された後は、この初期に位置決めされた状態が維持されるように、前記探針のグループの端部の基板−探針間の距離の監視と制御を行う。
【０００６】
換言すれば、本発明では、探針のグループの端部が描画開始時の適当な基板−探針間の距離を持つように維持されながら描画を行う。そうすると、各探針は基板に照射する電流によってクーロン力を受け、自ずと基板表面の微細な変形には追従して変位する。したがって、描画中は、個々の探針についての基板−探針間の距離制御は行わないというものである。もちろん、探針から基板に照射する電流は、探針毎に独立して制御することは当然である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
実施例 I
本実施例では平板基板の平面方向に基板を移動して描画する場合の描画装置の実施例を図１と図２を用いて説明する。
【０００８】
図１は本発明の描画装置の第１の実施例構成概念を示すブロック図である。微細描画ヘッド部１は微細描画部４と傾き補正部５とから構成される。微細描画部４はカンチレバーとしての導電性のバネ部２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄとそれに接続された導電性の探針２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄおよびこれらを一括して保持するホルダー２４とで構成される。ホルダー２４はピエゾ素子２５および２６を介して傾き補正部５に結合される。補正部５は、ピエゾ素子２５、２６が結合される面の反対側が図示しない描画装置本体に保持される。また、補正部５は、後述する駆動及び照射制御部１３から与えられる傾き補正信号に応じて、ピエゾ素子２５、２６のそれぞれに対して電圧を与え、両端部の探針２１ａ、２１ｄを結ぶ線が描画される基板８のレジスト層１１の面に平行になるようにホルダ２４の傾きを補正する。電圧印加部７は駆動及び照射制御部１３から与えれる制御信号に応じて探針２１ａ−２１ｄに加える電圧を制御する。この場合、両端部の探針２１ａ、２１ｄを使用して傾きを補正する場合および探針２１ｂおよび２１ｃを使用して描画を行う場合とでは、それぞれに適した電圧となるように制御される。電流検出部６は探針からレジスト層１１に照射される電流を検出するとともに、その検出出力を駆動及び照射制御部１３にフィードバックする。駆動及び照射制御部１３では、傾き補正の場合には、両端部の探針２１ａ、２１ｄに適当な電圧を与えておき、それぞれの電流が等しくなるように、ピエゾ素子２５、２６のそれぞれに対して与える電圧を制御する。描画の場合には、パターン入力部６０から与えられる描画パターン対応の制御信号に応じた電流になるように、探針２１ｂおよび２１ｃに電圧印加部７に加える電圧を制御する。ここで、レジスト層11に流れる電流についてみると、レジスト層11の絶縁性が高いときは電界放射電流であり、導電性があるときには、いわゆる電流である。本発明では、両者を区別しないで、これを電流ということにする。
【０００９】
駆動及び照射制御部１３は、パターン入力部６０から与えられる制御信号に応じて、移動部１２に移動信号を与える。移動部１２は、一面が図示しない描画装置本体に保持され、それと異なった面に前記移動信号に応じて移動ステージ１５をＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動させる駆動機構１６、１７および１８を備える。この図では、駆動機構をＸ、Ｙ、Ｚの３軸駆動という意味でブロック１６、１７および１８で示したに止めたが、これは、例えば、ステッパー等任意の機構で使用されている構成のものが採用できる。移動ステージ１５の変位は、例えば、レーザ干渉計等の高分解能の計測装置を用いて測定し、駆動及び照射制御部１３にフィードバックし精密に制御する。基板８は移動ステージ１５に取り付けられている。
【００１０】
移動部１２は、描画に先行して、駆動及び照射制御部１３から与えられる近接信号に応じて、Ｚ軸駆動機構１８によって探針２１ａ−２１ｄが描画される基板８のレジスト層１１の面に対して所定の位置になるまで、移動ステージ１５を移動させ、 基板８のレジスト層１１と探針２１ａ−２１ｄを接近させる。この際、探針２１ａ−２１ｄに適当な電圧を与えておき、いずれかの探針の検出電流が所定の値に達したとき、近接は停止される。
【００１１】
傾き補正がなされた後、移動ステージ１５をＸ軸駆動機構１６、Ｙ軸駆動機構１７によって、Ｘ−Ｙ面で移動させ、基板８のレジスト層１１にパターンを描く。パターンを描いている間、両端部の探針２１ａ、２１ｄを使用して、電流の大きさを監視してレジスト層１１と探針間の距離が適切な値を維持するように、移動部１２はＺ軸方向の位置制御を継続するように駆動及び照射制御部１３によって制御される。
【００１２】
基板８はガラス製の基板９、クロムを２０ｎｍから１００ｎｍ蒸着した導電層１０、約１０ｎｍから１００ｎｍの厚さのレジスト層１１（例えば、ポリ（ビニルフェノール）とアジドの混合レジストであるネガ型レジスト(日立化成工業株式会社製ＲＤ２１００Ｎ)を塗布した層）から成る。レジスト層１１に使用するレジストはノボラック系フェノール樹脂と感光剤の混合レジスト、化学増幅系レジスト、ポリメタクチル酸メチルでもよい。基板９は例えばシリコン、ドープしたシリコンなど加工したい任意の材料を使用することができる。基板９にドープしたシリコンを使用する場合は基板９自身が導電性のため導電層１０は省略しても良い。導電層１０は電気的に接地し、探針に加えられる電圧によりレジスト層１１に電流が流れるようにする。導電性の基板９の場合は基板９を直接接地すれば良い。
【００１３】
図２(ａ)は図１の描画装置のカンチレバーおよびその保持部を示す斜視図、 図２（ｂ）はカンチレバーの腹面側から見た平面図である。探針２１ａ−２２ｄはカンチレバーとしてのバネ部２２ａ−２２ｄの先端部に備えられ、バネ部２２ａ−２２ｄの一面には導電性の膜２３ａ−２３ｄが形成される。これらの導電膜は、図示しないコネクタを介して電圧印加部７および電流検出部６に接続される。探針２１ａ−２２ｄおよびバネ部２２ａ−２２ｄはホルダ２４に保持されるが、これらは、例えば、微細加工技術を用いてシリコン単結晶で、一体化されて作成される。これらは、また、酸化シリコン、窒化シリコンでも良い。ホルダ２４のカンチレバーを設けていない面には、傾き補正およびアプローチのための移動を行うピエゾ素子２５、２６が設けられる。探針２１の先端の曲率半径は１０ｎｍから１００ｎｍ、バネ部２２のバネ定数は０．０５Ｎ／ｍから５Ｎ／ｍ、共振周波数は１０ｋＨＺから５０ｋＨＺであることが適当である。これらのパラメータについてはさらに詳しいデータを後述する。
【００１４】
各探針２１ａ−２１ｄの基板８に対向する先端位置は、工作の精度にもよるが、５０ｎｍ以下のばらつきの範囲に収めることが出来、実質的に同一線上にあるといえる。導電膜２３は蒸着により作成した厚さ１０ｎｍから５０ｎｍのチタン薄膜で、これはチタンのほか、タングステン、モリブデン、炭化チタン、炭化タングステン、炭化モリブデン、導電性ダイアモンドを用いても良い。
【００１５】
次に、図１、図２に示した描画装置を用いた描画の手順について、まとめて、説明する。描画は、第１段階として基板８の探針へのアプローチ、第２段階として探針の傾き補正、そして最後に描画の手順となる。
【００１６】
先にも述べたように、まず、基板８を移動ステージ１２に取り付けた後、電圧印加部７で探針２１ａ−２１ｄに適当な電圧を印加し、これらの電流を電流検出部６で検出し、いずれかの探針の電流が所定の値となるまで、駆動及び照射制御部１３の制御のもとで移動ステージ１２をＺ軸方向に移動させて、基板８を探針に接近させる。この際、電圧印加部７で両端部の探針２１ａおよび２１ｄと基板８との間に印加する電圧Ｖを変化させ、そのとき流れる電流Ｉを電流検出部６で検出し、Ｉ／（ｄＶ／ｄｔ）によりその静電容量を算出して探針と基板との距離を見積もるものとしても良い。
【００１７】
ついで、両端部の両探針２１ａ、２１ｄの電流の差が無くなるように、駆動及び照射制御部１３から傾き補正部５に信号を与え、ピエゾ素子２５および２６を制御して、これらの探針を結ぶ線と基板８平面との間の傾きをなくする制御を行う。あるいは、静電容量を算出して距離から傾きを見積もり、駆動及び照射制御部１３から傾き補正部５に信号を与え、ピエゾ素子２５および２６を制御して、傾きを補正するものとしても良い。
【００１８】
各探針２１ａ−２１ｄと基板８との距離があらかじめ設定した値以下となり、傾きの補正が終わった後から描画の過程に移ることになる。この段階での各探針２１ａ−２１ｄと基板８との距離の設定値は１０ｎｍから１μｍが適当である。
【００１９】
つぎに描画について説明する。描画は基板８を移動ステージ１２でＸＹ平面を移動させながら、探針２１ｃ、２１ｄと導電層１０との間にパターン入力部６０から与えられる描画パターンに対応した電圧を駆動及び照射制御部１３の制御の下で電圧印加部７から印加することにより行う。これにより、探針２１ｃ、２１ｄ直下のレジスト層１１に電流が流れ、レジスト分子が反応してレジスト層１１内に潜像が作製される。電圧印加部７の印加電圧を駆動及び照射制御部１３により変化させて、照射線量（照射電流）として、電流検出部６で検出した電流、あるいは探針−基板間の静電容量による充放電電流を補正した電流が一定となるようにする。これは、いろんな形で制御できるが、具体例を列挙すると以下のようである。
【００２０】
（１）電流Ｉを制御する場合は、(数１)で表される電圧値を出力する。
【００２１】
【数１】
0003643480.tif 000002
【００２２】
ここで、Ｇｉは、フィードバックゲイン、Ｉｓは設定電流である。
【００２３】
（２）電力Ｐ＝ＩＶを制御する場合は、(数２)で表される電圧値を出力する。
【００２４】
【数２】
0003643480.tif 000003
【００２５】
ここで、Ｇｐはフィードバックゲイン、Ｐｓは設定電力である。
【００２６】
（３）探針２１ａ−２１ｄ及びばね部２２ａ−２２ｄと基板９との間に存在する静電容量Ｃを考慮するときは、電圧Ｖが変化すると、(数３)で表される充放電電流が流れる。
【００２７】
【数３】
0003643480.tif 000004
【００２８】
から、これを考慮すると、(数１)で表される電流制御時の出力電圧は、
【００２９】
【数４】
0003643480.tif 000005
【００３０】
となる。
【００３１】
また、(数２)で表される電力制御時の出力電圧は、
【００３２】
【数５】
0003643480.tif 000006
【００３３】
となる。
【００３４】
（４）さらに、電流検出部６及び駆動及び照射制御部１３が構成する帰還制御系は時定数τを持っており、高周波成分は除去される。充放電電流Ｉｃに対してもこれがフィルタとして働き、Ｉｃの影響を正確に除去するためには、時定数τを考慮して、(数４)は
【００３５】
【数６】
0003643480.tif 000007
【００３６】
となり、(数５)は、
【００３７】
【数７】
0003643480.tif 000008
【００３８】
となる。
【００３９】
本実施例では、１００ｎｍの厚さの前記レジストＲＤ２１００Ｎをコートした基板８を０．１ｍｍ／ｓで移動させ、探針２１ｃ、２１ｄと導電層１０との間に印加する電圧が−８５Ｖ付近で電流が１００ｐＡになるように、すなわち照射線量が１０ｎＣ／ｃｍとなるようにした。
【００４０】
レジスト層１１に潜像作成中は、探針２１ｂ，２１ｃは潜像を作成するために印加した電圧によって各探針２１ｂ，２１ｃ−導電層１０間に働くクーロン力を受ける。このクーロン力により、各バネ部２２ｂ，２２ｃが変形し、各探針はレジスト層１１に接触している。潜像は作成しょうとするパターンに応じて形成しない部分もある。潜像を形成しない部分では電流が必要ないから、この位置では探針に電圧を印加する必要はない。しかし、電圧を０Ｖにすると探針に作用していたクーロン力が無くなるから、各バネ部２２ｂ，２２ｃの変形がなくなり、レジスト層１１表面から離れてしまう。そうすると、潜像を形成すべき位置で再び電圧を印加した際、探針にクーロン力が突然作用して各バネ部２２ｂ，２２ｃが急に変形することになり、そのため探針がレジスト層１１に激しくぶつかり探針が破損する可能性が高くなる。そのため、潜像を作製しない部分を描画する際は、潜像が形成されないほどの小さい電流が流れるように電圧を制御するのがよい。本実施例では印加電圧を−７０Ｖ以下にすると電流は１ｐＡ以下になり潜像は形成されなかった。一方、両端部の探針による位置監視の電流は、この程度以下で行うのが当然であるが、各バネ部２２ａ，２２ｄがクーロン力による変形を出来るだけ受けないように、より小さい電流を流すにすぎない電圧とするのが良いわけである。
【００４１】
本発明によって描画された潜像を現像することについて簡単に説明しておくと以下のようである。
【００４２】
０．８３％の水酸化テトラメチルアンモニウム溶液に１分間浸積することにより現像する。その結果、レジスト層１１にネガ型のレジストを使用した場合は潜像を作製したレジストだけ溶解せずに残り、線幅１００ｎｍの凸型の線レジストパターンを作製することができる。レジスト層１１にポジ型のレジストを使用した場合は潜像を作製したレジストだけ溶解して、線幅１００ｎｍの凹型の線レジストパターンを作製することができた。図６は本発明の実施例におけるパターン幅と照射線量の関係を示し、パターン幅が照射線量に依存するため、照射線量を調節することにより１００ｎｍ以上の任意のパターン幅を作製することができることを示す。
【００４３】
本発明では、描画は、第１段階として基板８の探針へのアプローチ、第２段階として探針の傾き補正、そして最後に描画の手順となる。そして、多くの探針の内、端部にある探針を位置決めおよび描画中の位置の監視に使用し、他の探針を描画に使用することにより、描画に使用する探針は単に電流制御のみを行えば良い。しかも、本発明は、潜像を形成するときは探針がクーロン力により変形することにより、厳密な位置制御をしなくても電流制御のみで描画が出来ることに着目した点において有用な手法を提供することが出来た。前記実施例の説明では、探針は４つだけで少ないが、これが多くなればなるほど、本発明のメリットは大きくなる。なお、上述の実施例では、基板８と探針のアプローチは基板８をＺ軸方向に動かすものとしたが、探針を保持しているホルダー２４のピエゾ素子２５、２６をこのアプローチのために使用することも出来る。
【００４４】
実施例 II
図３(ａ)は本発明の描画装置のカンチレバーおよびその保持部の他の実施例を示すカンチレバーの腹面側から見た平面図、図３(ｂ)はその側面図である。図３(ａ)および図３（ｂ）を図２(ａ)および図２（ｂ）と対比して分かるように、３１ａ，３１ｂ-----３１ｋ---３１ｎ、３２ａ---３２ｍ---３ｊｍの多数のばね部を持つ探針部３０とした例である。これらのばね部はそれぞれ、ホルダー３４ａ，３４ｂ，３４ｃおよび３４ｄに保持されており、それぞれのホルダーは共通ホルダー３５によって保持される。各探針の導電線が３３で代表して示されるが、これらは、図示しないコネクタで導出されて、必要な接続が行われるものとされる。共通ホルダー３５の背面には、図３(ｂ)に示すように、図２(ａ)で示すピエゾ素子２５、２６に対応するピエゾ素子３６ａ−３６ｃが設けられる。図では、ピエゾ素子３６ａは見えていない。ピエゾ素子３６ａ、３６ｂは探針３１ａ，３１ｎを使って図のＸ方向の傾き制御に使用され、ピエゾ素子３６ｂ、３６ｃは探針３１ｎ，３ｊｍを使って図のＹ方向の傾き制御に使用される。、
実施例 III
図４(ａ)は本発明に採用できる集積化した探針駆動装置群およびその保持部の実施例を示す斜視図、図４(ｂ)はその単位の探針駆動装置の構造を示す断面図である。
【００４５】
図４(ａ)は、図４(ｂ)に示す探針駆動装置４２０を多数ＸＹ二次元に配置して粗動機構４１０により保持して探針の位置を制御できるようにした実施例の構成を示す概念図である。図３（ａ）、(ｂ)の各探針および各ばね部に対応する多数の探針駆動装置４２０がＸＹ二次元に配置されている。そして図３（ａ）、(ｂ)の共通ホルダー３５およびピエゾ素子３６ａ−３６ｃに対応する粗動機構４１０により探針駆動装置４２０の群を保持して探針の位置を制御できるようにした構成を示す。
【００４６】
このようにすれば、粗動機構４１０によってアプローチおよび傾き補正のみならず、描画のためのＸＹ二次元駆動も可能となる。勿論、前述の実施例のように、それぞれの機能を分割して負担させて良いのは当然である。
【００４７】
本実施例における粗動機構４１０の構成については詳細な説明を省略するが、図４(ｂ)に示す探針駆動装置４２０の作成と同様に微細加工による工夫、さらにはピエゾ素子との組み合わせを工夫すれば、容易に作成することが出来る。逆に、 図２(ａ)に示したような単なるホルダーとピエゾ素子との組み合わせとしても良い。
【００４８】
以下、探針駆動装置４２０の例を図４(ｂ)によって説明する。図４(ｂ)は探針駆動装置４２０の構造の一例を開示するブロック図である。この実施例では、第一の集積化静電アクチュエータ２１００と、第二の集積化静電アクチュエータ２５００がカスケードに接続されたものとされている。すなわち、第一のアクチュエータ２１００の可動電極２１０に第二のアクチュエータ２５００の固定電極２７０が接続され、第二のアクチュエータ２５００の可動電極２５０の延伸部先端に探針２２０が備えられる。また、本実施例の第一の集積化静電アクチュエータは、 一つのアクチュエータで、Ｘ方向、Ｙ方向の駆動ができるものとされる。したがって、第一のアクチュエータ２１００によりＸ方向、およびＹ方向、第二のアクチュエータ２５００によりＺ方向のそれぞれの動きを制御するものである。
【００４９】
基部２３０の先端部にアクチュエータ２１００の固定電極２１１が形成され、やはり基部２３０の先端部には板バネ２４１とこれを連結する連結部２４２よりなるバネ２４０が形成される。バネ２４０の連結部２４２にはアクチュエータ２１００の可動電極２１０が結合される。アクチュエータ２１００の固定電極２１１の他端部は基部端部２３２に連結され、ここに板バネ２４１’とこれを連結する連結部２４２’よりなるバネ２４０’が形成される。バネ２４０’の連結部にはアクチュエータ２１００の可動電極２１０が結合されるとともにＺ駆動軸部２７０が連結される。アクチュエータ２１００の固定電極２１１と可動電極２１０との間に作用する駆動力は、それぞれ、ばね２４０、２４０’をたわませるので、Ｚ駆動軸部２７０はアクチュエータ２１００による駆動力に応じたＸ方向（紙面と平行で左右方向）、Ｙ方向（紙面と垂直）の位置を取る。
【００５０】
Ｚ駆動軸部２７０を、上述の基部２３０とする形でＺ駆動軸部２７０の先端部に集積化静電アクチュエータ２５００を形成する。すなわち、Ｚ駆動軸部２７０と一体構成の枠部２７０’に支持された固定電極２５１が形成され、同じく枠部２７０’を固定部分とする板バネ２６１とこれを連結する連結部２６２よりなるバネ２６０および板バネ２６１’とこれを連結する連結部２６２’よりなるバネ２６０’が形成される。バネ２６０の連結部２６３およびバネ２６０’の連結部２６３’には先端に探針２２０が取り付けられる探針支持部２８０が結合されるとともに、探針支持部２８０にアクチュエータ２５００の可動電極２５０が結合される。アクチュエータ２５００の固定電極２５１と可動電極２５０との間に作用する駆動力は、それぞれ、ばね２６０、２６０’をたわませるので、探針支持部２８０はＺ方向（紙面と平行で上下方向）の位置を取る。本実施例では、Ｚ駆動軸部２７０がアクチュエータ２１００によりＸ方向、Ｙ方向の制御をなされ、この状態で、探針がＺ方向の制御をなされる。
【００５１】
図の実施例では、図の表示を簡略化するため、各電極への配線および探針に印加するべき電圧の配線、さらには、絶縁の要否についての説明を省略したが、これらについては、必要に応じて任意の構成で実現出来ることであるので、これ以上の説明は省略する。
【００５２】
この図４(ｂ)の実施例では、この構造を、１枚の基板を基礎として半導体微細加工技術により一次元に並列して配置して集積化することが出来、しかも基部２３０および基部端部２３２は、基礎となる１枚の基板上に直接付いていて良く、その他の部分が半導体微細加工技術により処理され基板から離された形で集積化静電アクチュエータを持つ集積化探針駆動装置を構成できることになる。したがって、１チップ上に、一次元に並列して配置した集積化探針駆動装置とすることが極めて容易である。
【００５３】
本実施例の１チップ上に一次元に並列して配置した集積化探針駆動装置の構造を、複数枚積層して、二次元に配置した集積化探針駆動装置を構成することも容易である。
【００５４】
本発明では、多数の探針駆動装置４２０は、全体としてのアプローチ、傾き補正および描画中の位置制御が行われれば足りるから、多数の探針駆動装置の個々の探針２２０の位置を制御することは、本質的に必要ではない。しかし、これが出来ることは、部分的な描画の修正等を考えれば、有用である。
【００５５】
実施例 IV
次に、基板を回転させて描画するための描画装置とした実施例を図５を参照して説明する。本実施例は、図１に示した実施例の描画装置と本質的に変わるところはないが、基板８を回転させるものとし、これに応じて、微細描画ヘッド部１を基板８の片側に寄せて配置したものである。両実施例で共通するものは同じ参照符合で示した。図１に示した実施例の移動部１２は回転駆動部６１に、移動ステージ１５は回転ステージ６５に、 Ｘ、Ｙ、Ｚ方向に移動させる駆動機構１６、１７および１８は回転軸６６に、それぞれ置換される。駆動及び照射制御部１３が、パターン入力部６０から与えられる制御信号に応じて、回転駆動部６１に回転信号を与える。この回転は回転軸６６を介して回転ステージ６５を回転させ、この回転に関する情報は駆動及び照射制御部１３にフィードバックし精密に制御する。
【００５６】
本実施例でも、描画に先行して、近接操作が行われるが、この操作は駆動及び照射制御部１３が回転駆動部６１に与える信号に応じて、回転軸６６を上方に移動（Ｚ軸駆動）させる。探針２１ａ−２１ｄが描画される基板８のレジスト層１１の面に対して所定の位置になるまで、回転ステージ６５を移動させると近接は完了である。その後、傾き補正を行い、続いて、回転ステージ６５を回転させるとともに基板８のレジスト層１１にパターンを描く。パターンを描いている間、両端部の探針２１ａ、２１ｄを使用して、 電流の大きさを監視してレジスト層１１と探針間の距離が適切な値を維持するように、回転駆動部61はＺ軸方向の位置制御を継続するように駆動及び照射制御部１３によって制御される。さらに、この実施例では、図１に示した実施例に比し、描画中も回転による傾きを補正部５によって補正する操作が頻繁に必要になると思われるが、両端部の探針による位置監視により支障無く実行できる。
【００５７】
本実施例では、基板８に比し、微細描画ヘッド部１は相対的に小さいから、 基板回転ステージ６５で基板８を３６０度回転した後に現像すると、例えば、光ディスクの案内溝に使用できる真円状のレジストパターンが作製できる。また、一定照射線量を照射し続けながら微細描画ヘッド部１をある点を中心として回転中心方向に左右に移動させながら基板回転テージ６５で基板８を３６０度回転した後に現像すると波形のレジストパターンが円状に作製できる。あるいは、照射線量を、潜像が形成できる照射線量と潜像が形成できない照射線量を切り替えながら微細描画ヘッド部１を固定して基板回転ステージ６５で基板８を３６０度回転した後に現像した場合は光ディスクのデータ情報、アドレス情報に使用できるドットパターンが円状に作製できる。この動作をつづけ基板８全域にパターンを描画すると、探針を０．１ｍｍピッチで並べ、トラックピッチを１００ｎｍとし、回転速度を毎時５０回転で２０時間で全領域にパターンを描画できる。
【００５８】
以上示した方法を組み合わせることにより光ディスクの原版を作製できる。さらに、ディスク全面に凹型ドットレジストパターンを作製し、導電層１０を電極として電界メッキによりドットパターンの中に例えば鉄、コバルト、ニッケル、鉄ーコバルト合金、コバルトーニッケル合金、鉄ーニッケル合金などの磁性体を埋め込めば、磁性ドットを孤立化させた記録ビットとした超高密度磁気記録媒体を作製できる。
【００５９】
実施例 V
次に、図７は図２(ａ)に示すカンチレバーおよびその保持部の異なった実施例を示す斜視図である。
【００６０】
本実施例は、両端部のカンチレバー２２ａおよび２２ｄの変位の検出を光てこ式の原子間力顕微鏡によるものとした例である。８３、８１は光源であり、８４、８２は受光装置である。光てこ式の原子間力顕微鏡は、探針２１aおよび２１ｄと基板８との間に電流を流す必要が無いから、探針２１に電圧を加える必要が無い。したがって、ばね部が探針２１ａおよび２１ｄに加える電圧によるクーロン力を受けて変形することがない。このため、両端部の探針による位置監視のために光てこ式の原子間力顕微鏡を使用するときは、安定した位置制御及び傾き制御が実現できることになる。
【００６１】
実施例 VI
図８（ａ）は図３(ａ)に示すカンチレバーおよびその保持部の変形の実施例を示すカンチレバーの腹面側から見た平面図、図８（ｂ）はその側面図、図９はその背面図である。
【００６２】
本実施例では、図３(ａ)と図８（ａ）、図３(ｂ)と図８（ｂ）とを対比してよく分かるように、ホルダー３４ａ−３４ｄをカンチレバーの各列毎に３４ａ’，３４ａ’−３４ｄ’，３４ｄ’の二つに分割するとともにカンチレバーをホルダーに対して傾きを持てせ、この向きを同じものとした。さらに、図７の実施例と同様に、端部のカンチレバー３１ａ、３１ｎおよび３ｊｍの変位の検出を光てこ式の原子間力顕微鏡によるものとした例である。９１、９３および９５は光源であり、９２、９４および９６は受光装置である。本実施例では、カンチレバーを同じ傾きの向きを持つものとしたから、基板８を移動させるとき、レジスト１１の面が持つ凹凸に対して、 カンチレバーのばね部が効果的に作用して探針の損傷する可能性を低減できる効果がある。また変位の検出を光てこ式の原子間力顕微鏡としたから、先の実施例と同様に、安定した位置制御及び傾き制御が実現できる効果もある。なお、本実施例では、図９を参照して明らかなように、探針３ｊｍの変位を検出するための光てこ式の原子間力顕微鏡の光の透過のためにホルダー３５の一部はカットされて光が通るようにされなければならない。
【００６３】
実施例 VII
図１０（ａ）は図３(ａ)に示すカンチレバーおよびその保持部の変形の他の実施例を示すカンチレバーの腹面側から見た平面図、図１０（ｂ）はその側面図である。
【００６４】
本実施例では、図８（ａ）と図１０（ａ）、図８（ｂ）と図１０（ｂ）とを対比してよく分かるように、探針部３０と基板８の近接および位置監視を端部のカンチレバー３１ａ、３１ｎおよび３ｊｍの変位の光てこ式の原子間力顕微鏡による検出に代えて、ホルダー３５のカンチレバー側の面の３個所に電極４１、４２および４３を設けて、この電極と基板の導電体部分との間の容量検出により行うようにした例である。
【００６５】
本実施例では、基板が移動ステージ１５にセットされた段階では、実質的に容量検出はできないが、近接が進んである程度接近すると容量検出は可能になるから、これを利用して近接を完了できる。また、描画中の位置監視もこれで行うことができる。
【００６６】
実施例VIII
図１１（ａ）は図３(ａ)に示すカンチレバーおよびその保持部の変形の他の実施例を示すカンチレバーの腹面側から見た平面図、図１１（ｂ）はその側面図である。
【００６７】
本実施例では、図８（ａ）と図１１（ａ）、図８（ｂ）と図１０（ｂ）とを対比してよく分かるように、探針部３０と基板８との位置関係を両者の間に介在させるスライダー５１、５２、５３および５４によって直接保持するものである。これらのスライダーが基板８と弱い力で接触した状態を維持するために、ホルダー３５の背面の四つの角に弱いばね装置５５、５６、５７および５８（５７、５８は図示しない）を設ける。
【００６８】
本実施例では、基板８が移動ステージ１５にセットされた後、 近接の段階で、弱い力でホルダー３５を基板８に押し付ける。その後はその状態を維持するようにすれば、描画中の位置制御を特に行う必要はない。
【００６９】
実施例IX
図１２（ａ）は図３(ａ)に示すカンチレバーおよびその保持部の変形の他の実施例を示すカンチレバーの腹面側から見た平面図である。図１２（ｂ）は、ばね部が形成されていない領域の位置ａ−ａ’で矢印方向に見た断面図、図１２（ｃ）は、ばね部が形成されている領域でばね部が在る位置ｂ−ｂ’で矢印方向に見た断面図および図１２（ｄ）は、ばね部が形成されている領域でばね部が無い位置ｃ−ｃ’で矢印方向に見た断面図である。
【００７０】
本実施例では、図３(ａ)および図３（ｂ）で説明した多数のばね部３１ａ，３１ｂ-----３１ｋ---３１ｎ、３２ａ---３２ｍ---３ｊｍを共通ホルダー３５に直接作り付けた探針部３０とした例である。すなわち、これらのばね部は共通ホルダー３５を削って薄くした領域に形成するとともに、各ばね部が独立するように切り欠きで区分されたものとされる。図１２において３１ｂ、３１ｉおよび３１ｓはそれぞれ探針を、３３は各探針の引き出し線を代表して示す。５１〜５４は図１１に示す実施例VIIIのスライダーに、５５〜５８（５７、５８は図示しない）は弱いばね装置にそれぞれ対応する。本実施例でも、実施例VIIIと同様、これらのスライダーと弱いばね装置によって探針と基板８とが弱い力で接触した状態を維持する。
【００７１】
図１２（ｃ）と図１２（ｄ）と対照して明らかなように、ばね部が形成されている領域では共通ホルダー３５は削られて薄板状態となっており、この領域においてばね部が無い位置では共通ホルダー３５は切り欠かれている。したがって、十分なばね定数を有するばね部を形成することができ、探針に電流を流すと必要な変形は十分得られる。
【００７２】
また、本実施例でも、基板８が移動ステージ１５にセットされた後、 近接の段階で、弱い力でホルダー３５を基板８に押し付ける。その後はその状態を維持するようにすれば、描画中の位置制御を特に行う必要がないことは実施例VIIIと同様である。
【００７３】
カンチレバーのパラメータの例
図１３（ａ）はカンチレバーのクーロン力による変位を説明するためのカンチレバーのパラメータの例を示す平面図、図１３（ｂ）はその側面図である。この例に示すカンチレバーは、その幅がＷ，長さがＬ，厚さがtであり、探針の長さＬ’が１０ないし１５μｍ程度のものである。この例で図１の導電層１０とカンチレバー２２との間に構成される平行平板コンデンサーによってクーロン力をラフに計算した。
【００７４】
まず、平行平板コンデンサーの電極板間に作用する力Ｆは次(数８)で示される。ただし、ε0は電極板間に存在する誘電体の誘電率、Ｓは電極板の面積、Ｖは電極板間の電圧、ｄは電極板間の距離である。
【００７５】
【数８】
0003643480.tif 000009
【００７６】
いま、カンチレバーをばね定数の異なるＡ−Ｃの三サンプルを用意したが、そのパラメータは次のようである。
【００７７】
【表１】
0003643480.tif 000010
【００７８】
ここで、探針を保持しているカンチレバーの面積をＳとしてカンチレバーに作用するクーロン力について計算した結果を下表に示す。
【００７９】
【表２】
0003643480.tif 000011
【００８０】
いま、上記クーロン力が６３０ｎＮの例に着目して、上記サンプルの変形量を計算した結果は下表の通りである。
【００８１】
【表３】
0003643480.tif 000012
【００８２】
この例でも分かるように、電圧が４０Ｖの場合ですら、このように大きな力と変形が生ずるから、上述した描画に際して−８０Ｖを加える場合には、カンチレバーには大きな変形が生じ、描画のためのカンチレバーの位置制御は意味が無く、逆に、この変形が、レジスト層１１の厚さの不均一性に対して、カンチレバーが安定に追従することになる。本発明の重要な着目点はここにあるのである。
【００８３】
つぎに、図１４（ａ）はカンチレバーのクーロン力による変位を説明するためのカンチレバーの他のパラメータの例を示す平面図、図１４（ｂ）はその側面図である。この例に示すカンチレバーは二点支持の梁であり、いま、先端部の幅Ｗを４μｍ、厚さtを０．４μｍ、長さＬが２００μｍおよび１００μｍ、ばね定数が０．０２および０．０９、探針の長さＬ’が６μｍ程度の二例について計算した。この二例は先端部の構造および形状は同じであり、長さＬのみを異にする。この例でＬ＝１００μｍ、探針のカンチレバーの面での面積を３１００μｍ2、電極板間の距離ｄを６μｍとし、加えた電圧を４０Vとしたとき、クーロン力は６１０ｎＮであった。このカンチレバーはこの程度の力があれば、図１３のカンチレバーと同様６８００ｎｍ程度の変形を生ずる。したがって、このタイプのカンチレバーでも変形が十分に利用できるものとなる。
【００８４】
図４(ａ)、図４(ｂ)に示した探針駆動装置はこれらの例のように、カンチレバーが無く、平行平板コンデンサーを構成するものではないが、ばね２６１，２６１’が極めて柔らかいから、探針に作用するクーロン力が十分利用できる。
【００８５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、基板に対する探針の位置制御は探針のグループの端部でのみ行い、他の探針は電流の制御のみが行われれば良いから、高速に描画できる描画装置を容易に作成することができる。
【００８６】
また、近接および傾きの制御は、厳密なものである必要はないから、最も簡単な構造としては、図１０、図１１あるいは図１２に示す程度の構造で良い。また、図示は省略するが、カンチレバーの背面に電極を配置して両者の間の容量変化によりカンチレバーの変位を検出するタイプのものとすることも出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の描画装置の実施例構成概念を示すブロック図。
【図２】  (ａ)は図１の描画装置のカンチレバーおよびその保持部を示す斜視図、（ｂ）はカンチレバーの腹面側から見た平面図。
【図３】  (ａ)は本発明の描画装置のカンチレバーおよびその保持部の他の実施例を示すカンチレバーの腹面側から見た平面図、(ｂ)はその側面図。
【図４】  (ａ)は本発明に採用できる集積化した探針駆動装置群およびその保持部の実施例を示す斜視図、(ｂ)はその単位の探針駆動装置の構造を示す断面図。
【図５】本発明の描画装置の他の実施例構成概念を示すブロック図。
【図６】本発明の描画装置において探針から照射した電流の照射線量と基板の線幅との関係の一例を示す図。
【図７】図２(ａ)に示すカンチレバーおよびその保持部の異なった実施例を示す斜視図。
【図８】（ａ）は図３(ａ)に示すカンチレバーおよびその保持部の変形の実施例を示すカンチレバーの腹面側から見た平面図、（ｂ）はその側面図。
【図９】図８に示すカンチレバーおよびその保持部の実施例の背面図。
【図１０】（ａ）は図３(ａ)に示すカンチレバーおよびその保持部の他の変形の実施例を示すカンチレバーの腹面側から見た平面図、（ｂ）はその側面図。
【図１１】（ａ）は図３(ａ)に示すカンチレバーおよびその保持部の他の変形の実施例を示すカンチレバーの腹面側から見た平面図、（ｂ）はその側面図。
【図１２】（ａ）は図３(ａ)に示すカンチレバーおよびその保持部の他の変形の実施例を示すカンチレバーの腹面側から見た平面図、（ｂ）は、ばね部が形成されていない領域の位置ａ−ａ’で矢印方向に見た断面図、（ｃ）は、ばね部が形成されている領域でばね部が在る位置ｂ−ｂ’で矢印方向に見た断面図および（ｄ）は、ばね部が形成されている領域でばね部が無い位置ｃ−ｃ’で矢印方向に見た断面図。
【図１３】（ａ）はカンチレバーのクーロン力による変位を説明するためのカンチレバーのパラメータの例を示す平面図、（ｂ）はその側面図。
【図１４】（ａ）はカンチレバーのクーロン力による変位を説明するためのカンチレバーの他のパラメータの例を示す平面図、（ｂ）はその側面図。
【符号の説明】
１…微細描画ヘッド部、４…微細描画部、５…傾き補正部、６…電流検出部、７…電圧印加部、８…基板、９…ガラス製の基板、１０…導電層１０、１１…レジスト層、１２…移動部、１３…駆動及び照射制御部、１５…移動ステージ１５、１６…Ｘ軸駆動機構、１７…Ｙ軸駆動機構、１８…Ｚ軸駆動機構、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ…導電性の探針、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ…導電性のバネ部、２３ａ−２３ｄ…導電性の膜、２４…ホルダー、２５，２６…ピエゾ素子、３０…微細描画部、３１ａ，３１ｂ-----３１ｋ---３１ｎ、３２ａ---３２ｍ---３ｊｍ…ばね部、３３…探針の導電線、３４ａ，３４ｂ，３４ｃおよび３４ｄ…ホルダー、３５…共通ホルダー、３６ａ−３６ｃ…ピエゾ素子、４１，４２および４３…電極、５１，５２，５３および５４…スライダー、５５，５６，５７および５８…弱いばね装置、６０…パターン入力部、６１…回転駆動部、６５…回転ステージ、６６…回転軸、８３，８１…光源、８２，８４…受光装置、９１，９３および９５…光源、９２，９４および９６…受光装置、２２０…探針、４１０…粗動機構、４２０…探針駆動装置、２１００…第一の集積化静電アクチュエータ、２５００…第二の集積化静電アクチュエータ。
【図１】
0003643480.tif 000013
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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