【手続補正書】
【提出日】平成19年6月22日(2007.6.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】  明細書
【発明の名称】  固体状態の次元的特徴の制御
【特許請求の範囲】
【請求項１】  固体状態の構造的特徴部の制御された製造方法であって、
固体状態の構造体を用意する工程、
予め特定した特徴部を前記構造体内に製造するように選択された条件下で、構造体を製造プロセス環境に暴露する工程、
構造体のプロセス環境への暴露の間、物理的検出種を指定された構造体位置に向ける工程、
指定された前記構造体位置からの軌道内で前記検出種を検出し、予め特定した前記特徴部の物理的寸法の変化を示す工程、および
物理種検出に応答して製造プロセス環境を制御して、前記構造的特徴部を製造する工程、
を含む方法。
【請求項２】  前記構造体が無機物質の基板を含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】  前記構造体が結晶性物質の基板を含む、請求項１記載の方法。
【請求項４】  前記結晶性基板が半導体ウェハを含む、請求項３記載の方法。
【請求項５】  前記構造体がメンブレンを含む、請求項１記載の方法。
【請求項６】  前記構造体が、その中に予め特定した特徴部を製造すべき層を含む基板を含む、請求項１記載の方法。
【請求項７】  前記構造体が有機物質の基板を含む、請求項１記載の方法。
【請求項８】  製造プロセス環境がスパッタリング環境である、請求項１記載の方法。
【請求項９】  製造プロセス環境がイオンビームスパッタリング環境である、請求項８記載の方法。
【請求項１０】  製造プロセス環境が電子ビームスパッタリング環境である、請求項８記載の方法。
【請求項１１】  製造プロセス環境が湿化学エッチング環境である、請求項１記載の方法。
【請求項１２】  製造プロセス環境がプラズマ環境である、請求項１記載の方法。
【請求項１３】  製造プロセス環境が電気化学的エッチング環境である、請求項１記載の方法。
【請求項１４】  製造プロセス環境が化学機械的研磨環境である、請求項１記載の方法。
【請求項１５】  製造プロセス環境がイオン-アシスト製造プロセスを含む、請求項１記載の方法。
【請求項１６】  製造プロセス環境がイオン-誘導製造プロセスを含む、請求項１記載の方法。
【請求項１７】  製造プロセス環境が物質の堆積環境である、請求項１記載の方法。
【請求項１８】  製造プロセス環境が物質の成長環境である、請求項１記載の方法。
【請求項１９】  製造プロセス環境が加熱環境である、請求項１記載の方法。
【請求項２０】  予め特定された前記特徴部が開口であり、製造プロセス条件は前記構造体内に開口をエッチングするように選択され、検出種の軌道は開口を通過するものである、請求項１記載の方法。
【請求項２１】  予め特定された前記特徴部が開口のアレイを含む、請求項２０記載の方法。
【請求項２２】  予め特定された前記特徴部が開口であり、製造プロセス条件は開口の直径を拡大するように選択され、検出種の軌道は開口を通過するものである、請求項１記載の方法。
【請求項２３】  予め特定された前記特徴部が開口であり、製造プロセス条件は開口の直径を縮小するように選択され、検出種の軌道は開口を通過するものである、請求項１記載の方法。
【請求項２４】  予め特定された前記特徴部がトレンチであり、製造プロセス条件は構造体内にトレンチをエッチングするように選択され、検出種の軌道はトレンチを通過するものである、請求項１記載の方法。
【請求項２５】  予め特定された前記特徴部がトレンチであり、製造プロセス条件はトレンチの幅を縮小するように選択され、検出種の軌道はトレンチを通過するものである、請求項１記載の方法。
【請求項２６】  予め特定された前記特徴部が少なくとも２つの前記構造体の端間のギャップであり、製造プロセス条件は、ギャップを拡大するように選択され、検出種の軌道はギャップを通過するものである、請求項１記載の方法。
【請求項２７】  予め特定された前記特徴部が少なくとも２つの前記構造体の端間のギャップであり、製造プロセス条件は、ギャップを縮小するように選択され、検出種の軌道はギャップを通過するものである、請求項１記載の方法。
【請求項２８】  予め特定された前記特徴部がスロットであり、製造プロセス条件は前記構造体内にスロットをエッチングするように選択され、検出種の軌道はスロットを通過するものである、請求項１記載の方法。
【請求項２９】  前記検出種が原子を含む、請求項１記載の方法。
【請求項３０】  前記検出種がイオンを含む、請求項１記載の方法。
【請求項３１】  前記検出種が電子からなる、請求項１記載の方法。
【請求項３２】  前記検出種が、選択された製造プロセス環境に提供されるエッチング種を含む、請求項１記載の方法。
【請求項３３】  前記検出種検出工程が、指定された前記構造体位置の横断線からの軌道内で検出種の存在を検出することを含む、請求項１記載の方法。
【請求項３４】  前記検出種検出工程が、さらに、時間の関数として検出種を定量することを含む、請求項３３記載の方法。
【請求項３５】  製造プロセス環境の制御工程が、種の検出によって予め特定した寸法の構造的特徴部の製造が指示された時点で、構造体のプロセス環境への暴露を終了させることを含む、請求項１記載の方法。
【請求項３６】  固体状態構造体に開口部を製造する方法であって、
第１表面と反対面である第２表面とを有する固体状態構造体を用意する工程、
第１構造体の表面に、第１構造体の表面と第２構造体の表面との間の１点に位置するキャビティ底面に至るキャビティを形成する工程、
前記構造体を第２構造体の表面から薄くする工程、
前記構造体の薄層化の間、物理的な検出種を、キャビティによって区画された開口のための構造体上の位置に向ける工程、
前記構造体の薄層化により第２構造体の表面とキャビティの底との交差が起った時点で、開口を通過する軌道内に前記物理的検出種を検出する工程、および
物理的検出種の検出に基づいて前記構造体の薄層化を制御する工程、
を含む方法。
【請求項３７】  さらに、
前記構造体の薄層化の間、検出した物理的検出種を定量する工程、および
物理的検出種の定量に基づいて前記構造体の薄層化を制御し、予め特定した直径の開口を製造する工程、
を含む請求項３６記載の方法。
【請求項３８】  前記構造体がメンブレンを含む、請求項３６記載の方法。
【請求項３９】  前記構造体が窒化ケイ素メンブレンを含む、請求項３８記載の方法。
【請求項４０】  前記構造体の薄層化工程がスッパッタリングを含む、請求項３６記載の方法。
【請求項４１】  前記検出種がイオンを含む、請求項３６記載の方法。
【請求項４２】  前記検出種が電子を含む、請求項３６記載の方法。
【請求項４３】  前記検出種が前記構造体の薄層化に用いる種と別個の種である請求項３６記載の方法。
【請求項４４】  前記検出種が前記構造体の薄層化のために提供された種である請求項３６記載の方法。
【請求項４５】  固体状態の構造的特徴部の物理的寸法を制御する方法であって、
構造的特徴部を有する固形状態構造体を用意する工程、および
前記構造的特徴部の材料を局所的に追加することにより前記特徴部の少なくとも１つの物理的寸法の変化を起こさせるために選択された暴露条件で、選択した構造体温度で前記構造体をイオン流に暴露する工程、
を含む方法。
【請求項４６】  実質上、原料物質の移動による前記特徴部の少なくとも１つの物理的寸法の変化が、前記特徴部の寸法の増大を含む、請求項４５記載の方法。
【請求項４７】  さらに、
前記構造体をイオン流に暴露する間、物理的検出種を前記特徴部に向ける工程、
前記特徴部の横断線からの軌道内で検出種を検出し、前記特徴部の物理的寸法の変化を示す工程、および
物理的な種の検出に応答して前記イオン流暴露を制御し、予め特定されたように前記特徴部の少なくとも一つの物理的寸法を変化させる工程、
を含む、請求項４５記載の方法。
【請求項４８】  前記構造体が結晶性物質の基板である、請求項４５記載の方法。
【請求項４９】  前記結晶性基板が窒化ケイ素である、請求項４８記載の方法。
【請求項５０】  前記特徴部が開口である、請求項４５記載の方法。
【請求項５１】  前記開口の寸法の変化が開口直径の縮小を含む、請求項５０記載の方法。
【請求項５２】  前記特徴部がトレンチである、請求項４５記載の方法。
【請求項５３】  前記トレンチの寸法の変化がトレンチ幅の縮小を含む、請求項５２記載の方法。
【請求項５４】  前記特徴部が少なくとも２つの端の間のギャップである、請求項４５記載の方法。
【請求項５５】  前記ギャップの寸法の変化がギャップの幅の縮小を含む、請求項５４記載の方法。
【請求項５６】  前記イオン流が集束イオンビームからのイオン流を含む、請求項４５記載の方法。
【請求項５７】  固体状態構造体上に物理的特徴部を製造する方法であって、
固形状態の構造体を用意する工程、および
イオン流暴露に応答して、前記構造体の原料物質を構造的特徴部に実質的に移動することにより、固体状態構造体上に特徴部を作成するように選択された条件で、選択した構造体温度で前記構造体をイオン流に暴露する工程、
を含む方法。
【請求項５８】  前記構造体がメンブレンを含む、請求項５７記載の方法。
【請求項５９】  前記特徴部が突出部である、請求項５８記載の方法。
【請求項６０】  前記構造体をイオン流に暴露する工程が、第１メンブレンの表面をイオン流に曝露して第１表面の反対側の第２メンブレン表面上に突出部を作成することを含む、請求項５７記載の方法。
【請求項６１】  前記メンブレンが窒化ケイ素メンブレンを含む、請求項６０記載の方法。
【請求項６２】  前記暴露条件の選択が前記構造体温度の制御を含む、請求項４５または５７に記載の方法。
【請求項６３】  前記暴露条件の選択がイオン流の制御を含む、請求項４５または５７に記載の方法。
【請求項６４】  前記暴露条件の選択がイオンエネルギーの制御を含む、請求項４５または５７に記載の方法。
【請求項６５】  前記暴露条件の選択がイオン流時間構造の制御を含む、請求項４５または５７に記載の方法。
【請求項６６】  前記暴露条件の選択がイオン種の制御を含む、請求項４５または５７に記載の方法。
【請求項６７】  前記暴露条件の選択が周囲のガス種の制御を含む、請求項４５または５７に記載の方法。
【請求項６８】  前記特徴部がリソグラフィマスクにおける幾何学的特徴部である、請求項４５または５７記載の方法。
【請求項６９】  前記幾何学的特徴部がワイヤ形状部である、請求項６８記載の方法。
【請求項７０】  前記幾何学的特徴部がパッド形状部である、請求項６８記載の方法。
【請求項７１】  前記特徴部が境界である、請求項５７記載の方法。
【請求項７２】  前記特徴部が構造的特徴部である、請求項５７記載の方法。
【請求項７３】  固体状態の構造的特徴部の制御された製造方法であって、
固体状態の構造体を用意する工程、
予め特定した特徴部を構造体内に製造するように選択された条件下で、構造体を製造プロセス環境に暴露する工程、
構造体の製造プロセス環境への暴露の間、物理的検出種を指定された構造体位置に向ける工程、
指定された前記構造体位置からの軌道内で前記検出種を検出することにより、予め特定した前記特徴部の物理的寸法の変化を測定する工程、および
物理種検出に応答して製造プロセス環境を制御して、前記構造的特徴部を製造する工程、
を含む方法。
【請求項７４】  固体状態の構造体の特徴部の寸法を制御する方法であって、
１つの特徴部を有する固形状態の構造体を用意する工程、および
前記構造体の材料を前記特徴部に局所的に追加することにより前記特徴部の少なくとも１つの物理的寸法を実質的に変化するために、イオン流の暴露に応答して前記構造体の材料を前記特徴部に移動させるために選択された暴露条件で、選択した構造体温度で前記構造体を前記イオン流に暴露する工程、
を含む方法。
【請求項７５】  固体状態の構造体の特徴部の物理的寸法を制御する方法であって、
エッジ境界を備える構造的特徴部を有する固形状態の構造体を用意する工程、および
前記構造体の材料を前記特徴部のエッジ境界に局所的に追加することにより前記特徴部の少なくとも１つの物理的寸法を変えるため、イオン流の暴露に応答して前記構造体の材料を前記特徴部のエッジ境界に移動させるために選択された暴露条件で、選択した構造体温度で前記構造体を前記イオン流に暴露する工程、
を含む方法。
【請求項７６】  固体状態の構造体の特徴部の寸法を制御する方法であって、
固体状態の構造体を用意する工程、
前記固体状態の構造体に１つの特徴部を形成する工程、
イオン流への前記構造体の暴露により前記構造体の材料を前記特徴部に移動して、前記構造体の材料を前記特徴部に局所的に追加することにより、前記特徴部の少なくとも１つの寸法を実質的に変える、工程、
を含む方法。
【請求項７７】  固体状態の構造的特徴部の物理的寸法を制御する方法であって、
固体状態の構造体を用意する工程、
前記固体状態の構造体に１つの特徴部を形成する工程、
前記構造体のイオン流への暴露により前記構造体の材料を前記特徴部に移動して、前記構造体の材料を前記特徴部に局所的に追加することにより前記構造体の少なくとも１つの物理的寸法を実質的に変える、工程、
を含む方法。
【請求項７８】  固体状態の構造的特徴部の物理的寸法を制御する方法であって、
固体状態の構造体を用意する工程、
前記固体状態の構造体に、エッジ境界を備える１つの構造的特徴部を形成する工程、
前記構造体のイオン流への暴露により前記構造体の材料を前記特徴部のエッジ境界に移動して、前記構造体の材料を前記特徴部のエッジ境界に局所的に追加することにより前記特徴部の少なくとも１つの物理的寸法を実質的に変える、工程、
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本出願は、米国仮出願第６０／１４０，０２１号（１９９９年６月２２日出願、その全てを本明細書中に参照するこ  とにより組み込む）の優先権を主張する。
関連出願に対する相互参照
本出願は、表題「Ｍｏｌｅcｕｌaｒ  aｎd  Ａｔｏｍｉc  Ｓcaｌｅ  Ｅｖaｌｕaｔｉｏｎ  ｏf  Ｂｉｏｐｏｌｙｍｅｒｓ」（本出願との同時系属出願、これは本明細書中に参照することにより組み込む）に関連する。
アメリカ合衆国政府後援による研究に関しての声明
本出願は、国防先端研究プロジェクト機構により授与された契約第Ｎ６５２３６−９９−１−５４０７号のもと、政府指示のもとで行われた。政府は本発明において一定の権利を有する。
【０００２】
発明の背景
本発明は、固体状態構造体の製造に関し、より具体的には固体状態の構造体特徴部（solid state structural features）の寸法（ディメンション）の制御（コントロール）（dimensional control）に関する。
固体状態構造的特徴部の正確な寸法制御は、生物学および化学から物理学、光学ならびにマイクロエレクトロニクスにわたる分野における多数の適用に必須である。本明細書中、用語「固体状態」は、一般に、生物学的ではない物質を意味する。固体状態システムの成功裏の製作は、しばしば、極めて密な許容差内で、特殊な構造的特徴部を、しばしば縮小寸法において、つなぐ（articulate）能力に大きく依存している。従って、固体状態系がマイクロ体制（ｍｉcｒｏ−ｒｅgｉｍｅ）からさらにナノ体制へと発展するにつれて、ナノメトリックな寸法の特徴部の制御（コントロール）はシステムの実行性において、ますます重要な関心事となっている。
【０００３】
微小機械（マイクロメカニカル）および微小電気機械（マイクロエレクトロメカニカル）システムにおける構造的特徴部寸法の製造、制御のために広範な微小製作技術が確立されている。例えば高分解能リソグラフィー法および高精度の追加および削除の物質処理法が小規模特徴部の製作を可能ならしめるために提供されている。しかし、数ナノメートル(nm)の構造的特徴部のディメンションが重要である多くのナノ体制システムの製作において、従来提案された方法はしばしば必要なナノ−スケールの特徴部を再現性をもってまたは予測可能に形成し得ないこと、またそのようなナノ−スケールの特徴部の製造と同一程度の（比例した）時間規模（スケール）で制御できないことが見出されている。結果として、ナノメーターの特徴部の寸法および／または公差（許容差）を含む多くのシステムの体積製作（volume manufacture)は実用的でも経済的でもない。
【０００４】
発明の要約
本発明は、固体状態のメカニカルまたはエレクトロメカニカルシステムのための構造的特徴部の、再現性および予測可能性ある製造を可能ならしめる方法を提供するものである。本発明の方法は、ナノ体制内で特徴部の寸法を製造するために制御でき、ナノ−スケールの固体状態特徴部の形成と同程度の時間規模で作動するリアルタイムフィードバック制御を含みうる。
【０００５】
本発明により提供される、固体状態構造的特徴部の制御された製造のための一つの技術では、固体状態構造体を得、予め特定した特徴部を構造体中に製造するために選択された条件下で製造プロセス環境に暴露する。物理的な検出種は、構造体をプロセス環境に暴露（process environment exposure)する間、指定された構造体位置(designated structure location)に向けられており、検出種は指定された構造体位置の横断線（traversal)からの軌道（trajectory)内に検出される。これにより、予め特定した特徴部の物理的寸法の変化に対する指標が得られる。製造プロセス環境は、構造体特徴部の予め特定した物理的寸法を製作するために物理種の検出に応答して制御される。
【０００６】
本明細書中、用語「固体状態」は、生物学的起源でない物質を指す。生物学的起源という語句は、天然に存在するもの、即ち、生物学的環境から単離されたもの、例えば、生物または細胞、または自然界に存在するもの、または生物学的に入手可能な構造体の合成生産物、あるいは天然に存在するものの合成または非-天然物のホモログ、または誘導体であって、所望の興味ある生物学的特性を実質上保持しているものを指す。固体状態は有機および無機の両者を包含する。
【０００７】
構造体は例えば、無機物、または結晶性物質の基板（substrate)として得られ、その中に予め特定した特徴部、または他の構造体を製作すべき、半導体ウェハ（基板）、メンブレン（膜）、レイヤー（層）などとして提供される
【０００８】
製造処理（プロセス）は、例えば、イオンビームまたは電子ビームスパッタリングのようなスパッタリング環境として；例えば、電気化学的腐食（エッチング）環境のような湿化学エッチング環境として；プラズマ環境として；化学機械的研磨（ポリシング）環境として；イオン-誘導またはイオン-アシスト環境（ion-assisted environment)として；物質の堆積（deposition)または成長環境として；加熱環境として；または他の適当な環境として提供することができる。
【０００９】
１例では、予め特定した特徴部は開口（aperture）であり、製造プロセス条件は開口のエッチングのために選択される。この場合、検出種の軌道は開口を通過しうる。開口のアレイをそのような方法で形成しうる。製造プロセス条件は開口の直径を大きくまたは小さくするように選択し得る。
【００１０】
同様に、予め特定した特徴部は、トレンチ（深い溝）、スロット（溝）または少なくとも２つの構造体の端（エッジ）間のギャップ（間隙）であり、製造プロセス条件は、トレンチ、スロットまたはギャップの拡大または縮小のために選択される。
【００１１】
検出種は原子、イオン、電子、製作造プロセス環境に提供されるエッチング種、または他の種として提供することができる。種の検出は検出種を指定された構造体位置の横断線からの軌道内での検出種の存在を検出することにより行うことができる。さらに、種の検出は、時間の関数として、検出種を定量することにより、行うことができる。製造プロセス環境の制御は、予め特定した寸法の構造的特徴部の製造が種の検出により示された時点で、構造体のプロセス環境への暴露を終了させることにより行うことができる。
【００１２】
本発明に従えば、この処理法（プロセス）を適用して固体状態構造体の開口部を製作することができる。このプロセスでは第１表面と反対面である第２表面を有する固体状態構造体が提供される。第１構造体表面には第１および第２構造体表面の間の１点に位置するキャビティ底面に至るキャビティを形成する。次いで、該構造体を第２表面から薄くする。構造体を薄く（薄層化）する間、物理的な検出種は構造体の上において、キャビティによって区画された開口のための構造体上の位置に向けられており、構造体の薄層化によりキャビティの底に構造体と第２表面との交差が起ると、軌道内に開口を通過して物理的な検出種が検出される。構造体の薄層化は物理的検出種の検出に基づいて制御（コントロール）される。
【００１３】
この技術を用いて、構造体の薄層化の間中、検出された物理的検出種を定量し、そして定量値に基づいて構造体の薄層化を制御して予め特定した開口直径を製造することにより、予め特定した直径の開口を作ることができる。
【００１４】
構造体は例えば、窒化ケイ素メンブレンのような、膜として得ることができる。薄層化は、任意の適当なプロセス（方法）、例えば、スパッタリングにより、行うことができる。検出種は、例えば、イオンまたは電子であってよく、検出種は構造体の薄層化に用いる種と別個のものであってよい。
【００１５】
本発明はまた固体状態の構造的特徴部の物理的寸法を制御する方法を提供する。そのようなプロセスの１例では、構造的特徴部を有する固形状態構造体を得、構造体を選択した構造体温度でイオンの流れ（flux）に暴露する。暴露の条件は、イオン流の暴露に応答して、実質上、構造的(structural)原料物質が構造的特徴部に移動されることにより、特徴部の少なくとも１つの物理的次元の変化が起るように選択する。同様に、固体状態構造体上に物理的な特徴部を作成するには、構造体を選択した構造体温度でイオン流に暴露する。暴露条件は構造体の原料物質が実質上イオン流の暴露に応答して構造的特徴部に移動されることにより、構造体上に物理的特徴部が作成されるように選択する。
【００１６】
曝露条件の制御は、例えば、構造体温度のコントロール、イオン流、エネルギー、種、または時間構造体のコントロール、周囲ガス種のコントロール、または暴露に関する別の適当なパラメーターのコントロールを含み得る。
【００１７】
これらのプロセスにより、特徴部の寸法の増加または減少、例えば、開口の直径の減少、トレンチ幅の減少、ギャップ幅の減少、または突出部の高さの増大など、を行うことができる。構造体は結晶性の基板、メンブレン（膜）、例えば、窒化ケイ素メンブレン、または他の構造体として得ることができる。イオン流は集束イオンビームからの流れとして提供され得る。一つの例として、第１のメンブレン表面はイオン流に暴露されて、第１メンブレン表面の反対側の第２メンブレン表面に突出部を生じる。上記の物理的種検出機構を用いて、予め特定したように特徴部を変更または製造するために、イオン流の暴露を制御することができる。
【００１８】
これらのプロセスにより、再現性あり、制御可能であり、かつ効率的な方法で広範囲の構造体特徴部を製造することができる。バイオロジー（生物学）からマイクロエレクトロニクス（超小型電子技術）にわたる分野での応用はこれらのプロセスによって可能となり、商業上実行可能な方法で実施することができる。本発明のその他の特徴部および有利な点は以下の記載および添付の図面、および特許請求の範囲から明らかであろう。
【００１９】
発明の詳細な説明
本発明により提供される特徴部の寸法制御のための方法は、広範な物質および構造配置に関し得る。本明細書に記載される実施例のプロセスは単なる例示を意味し、物質または配置における特定の制限をあらわすわけではない。本発明の方法は、構造的特徴部の寸法を正確に制御するため、およびナノメートルのスケール上でこのような制御を可能にするために、特によく適合されている。この制御は、ナノメートルのサイズの特徴部および空間（例えば、ポア、スリット、オリフィス、三角穴およびホールのような開口（開口部）、ならびにトレンチとして存在するギャップ）、チャネル、くぼみ、ならびに一般的には２つ以上の異なる特徴部のエッジ間の間隔の正確な形成および区画に、特に有用であり得る。
【００２０】
図１を参照し、本発明により提供される、特徴部の間隔を正確かつ再現性よく区画する方法の１つの例において、構造体層に予め特定した程度（例えば、直径）の開口部を形成するための処理（プロセス）を実行する。図１Ａを参照すると、第１処理工程における、着手する構造体１０を断面図で示す。このような構造体１０は、例えば、基板、支持体（例えば、基板）上に提供される厚いまたは薄い層（レイヤー）、メンブレンまたは適切な構造体として供給され得る。キャビティ１２は構造体１０中に、構造体の選択された表面１４で、および開口部が望まれる領域に形成される。
【００２１】
キャビティ１２は、構造体１０のバルクに、構造体の厚さ全体を貫通してではなく、構造体の厚さの一部のみに、対向表面１８に向かって伸長する。結果として、形成されたキャビティの最も深いレベル（すなわち、底部１６）は、バルクの構造体のほぼ中央地点にある。以下により詳細に説明するが、キャビティ底１６およびキャビティ側壁２０のジオメトリー（外形）は、後の処理工程において、横向きかつ長手軸方向のディメンションがコントロールされた、限界開口部（limiting aperture)の制御された形成を可能にするように選択されることが好ましい。示した実施例では、ボウル形状のキャビティが使用される。
【００２２】
図１Ｂおよび１Ｃを参照すると、一旦キャビティが生じると、構造体はキャビティを有していない表面１８側から段階的に薄くされる。この薄層化工程（thinning）が続けられるにつれて、構造体の一部２２は、点線により示されるように徐々に取り除かれる。この結果、構造体のキャビティを有していない表面１８がキャビティの底１６に向かって進む。
【００２３】
構造体の薄層化を続けることにより、図１Ｄに示すようにキャビティを有していない表面１８とキャビティの底１６との交差が生じる。この交差が生じると、限界開口部２４が形成され、これはキャビティ１２を構造体の厚さを貫通して伸長する開口部へと変化させる。構造体のさらなる薄層化により、キャビティを有していない表面１８はキャビティの上部の側壁位置に交差し、それにより、限界開口部２４は所定のキャビティ交差深さに存在する側壁プロフィールを獲得する。例示した実施例では、ボウル形状のキャビティの場合、限界開口部２４の直径は薄層化が続けられるにつれて増加する。しかしながら、限界開口部の直径は、対応するキャビティ側壁プロフィールにより薄層化が継続されるにつれて減少するようにすることができることが理解される。さらに、凹凸または他の異なるプロフィール特徴部またはジオメトリーを、限界開口部のジオメトリーをコントロールするために、キャビティ側壁に沿って提供することができる。
【００２４】
最終的な限界開口部および壁のディメンションの区画が、直接リソグラフ技術に依存していないという点で、この開口部形成プロセスは、明瞭な利点を有する。結果として、開口部形成プロセスはリソグラフにおける分解能の限界に束縛されない。このプロセスは１〜２ナノメートル未満の小ささの、次元又は直径の限界開口部を、新型かつ高価なプロセッシング装置を必要とすることなく作製することができる。
【００２５】
上記のように、この開口部形成プロセスは、広範な構造体（例えば、基板、層、および例えば、メンブレンとして支持構造体上に設けられたかそれ自身で存在しているもの）などの任意のもの上で行われ得る。一般的に、固体状態の物質は開口部が形成される構造体物質として利用され得、マイクロエレクトロニック物質または半導体物質は、以下に記載のような有効なプロセッシング技術を可能にする際に特に有効であり得る。例えば、広範なクラスの無機および有機ガラス状物質（例えば、酸化物、ガラス、プラスチック、ポリマーおよびＰＭＭＡのような有機フィルム）ならびに結晶性物質（例えば、ケイ素および窒化ケイ素のような半導体）および金属ならびに他の物質が利用され得る。本発明は、特定の種類の構造体物質または構造体物質に限定されるわけではない。好ましくは、構造体物質は開口部について特定される適用基準を満たすように選択される。
【００２６】
本発明の方法は、メンブレンにおいて開口部の形成を可能にすること、および多数のメンブレン適用について要求される開口部形成のナノ体制コントロールを提供することに特に良く適している。メンブレン開口部の形成において、マイクロエレクトロニック物質および半導体物質および製造プロセスは、本発明にしたがって有利に活用され、費用効率が良く、効率のよい製造力を可能とすることができる。
【００２７】
図２を参照すると、本発明により提供されるメンブレンに開口部を形成するための例示のマイクロ製造プロセスでは、図２Ａに示すように、基板３０（例えば、シリコンウェハ）を得る。ウェハの上部表面および下部表面上に、それぞれ、コーティング層３２、３４として、選択したメンブレン物質（例えば、窒化ケイ素）が提供さる。コーティング層３４の厚さは形成されるべきメンブレンに関して選択される厚さである。１つの実施例において、約５０ｎｍの厚さのシリコンリッチな低ストレスの窒化ケイ素層を、従来的な化学蒸着（ＣＶＤ）プロセッシングによりシリコンウェハ上に堆積させる。機械的ストレスの制御等を考慮して、窒化シリコン層の堆積の前もしくは後にさらなるメンブレン物質（例えば、二酸化ケイ素）が堆積され得ることが理解される。また、窒化ケイ素層は、特定の適用に関して所望により、メンブレンの機械的ストレスを制御するため、またはメンブレンの電気伝導率もしくは熱伝導率を調整するために、例えば、イオン注入によりさらに処理され得る。
【００２８】
図２Ｂに示すように、フォトレジスト層３６は堆積された窒化物層のうちの１つの上に形成され、窒化物エッチングウィンドウ３８を区画するように形どり（パターニング）される。ウェハの対向表面はフォトレジスト層４０でブランケットコーティングされている。次いで、図２Ｃに示すように窒化物エッチングウィンドウ３８に曝された窒化ケイ素を、例えば、従来的な反応性イオンエッチング技術により取り除く。このことにより、基板エッチングウィンドウ４２を曝す。対向する窒化物層３４を、ブランケットフォトレジスト層４０によりこのエッチングから保護し、この層はエッチングが完了した時点で取り除く。
【００２９】
次に、図２Ｄを参照すると、シリコンウェハは適切なエッチング手段（例えば、ＫＯＨを利用する従来的な異方性ウェットエッチングプロセス）によりバルクマイクロ機械加工される。好ましくは、利用するバルクウェハエッチングプロセスは、メンブレン物質よりウェハ物質に対して高い選択性を有することで特徴付けられる。例示する実施例において、ＫＯＨエッチングは、実質的に窒化ケイ素層を侵襲しない。ウェハの厚さにわたりエッチングを続けることにより、自己支持（ｓｅｌｆ−ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ）窒化物メンブレン３６を窒化物層３４中に作製する。窒化物メンブレンは、異方性の結晶特異的な性質のＫＯＨエッチングに起因してシリコンウェハからエッチング形成された角錐状のウェル３８の底を形成する。従って、窒化物メンブレンの程度は、開始シリコンウェハの厚さおよび結晶方向により決定される。それゆえ、認識されるように、メンブレンのディメンションは所望されるようにコントロールされ得る。
【００３０】
次いで、図２Ｄ〜２Ｅを参照すると、メンブレン層の反対側の窒化ケイ素の残存層３２は、所望される場合には従来的な反応性イオンエッチングにより取り除かれ得、次いで、所定の適用についてシリコンウェハの電気的絶縁が望ましい場合には、二酸化シリコンの層４０を露出したシリコン表面上に成長させてもよい。従来的なウェットまたはサーマル酸化物成長は、ＣＶＤ酸化物層にわたって好ましく、結果として酸化物は例示した様式でシリコン表面上にのみ形成される。しかしながら、例えば、機械的ストレスコントロールのために、複合メンブレンが望ましい場合には、ＣＶＤまたは他のデポジットプロセスが利用され、シリコンウェハの両側および下側の窒化ケイ素メンブレン表面上、または窒化物メンブレン表面のみに酸化物層を生じ得る。
【００３１】
次の工程のプロセスにおいて、図２Ｆを参照し、そして再び図１Ａを参照すると、メンブレンの選択した表面にキャビティが形成される。キャビティ形成プロセスの１例において、例示するように、エッチングプロセスは、下方のメンブレン表面上、すなわち、角錐状ウェハウェル中のものとは反対のメンブレン表面上にレジスト層４２を形成する。次いで、このレジストをパターニングしてメンブレン中に形成されるキャビティを区画する。この、キャビティに関する表面の選択は、平坦な表面で、選択したリソグラフィー技術の実施を可能にする上で好ましいかもしれず；シリコン角錐状ウェル底部のメンブレン表面上に設けられたフォトレジスト層を有効にパターニングすることは困難であり得る。しかしながら、所定の適用に関して望ましい場合には、そのような配置に特異的なリソグラフ技術を用いて、このような表面上にキャビティを形成することができる。本発明はフォトリソグラフィー、電子ビームリソグラフィー、および他の適切な、キャビティパターンを区画するためのリソグラフィープロセスの使用を考慮する。選択されたリソグラフィープロセスは、キャビティの寸法に対して適合されていることが好ましいことが確認されている；例えば、電子ビームリソグラフィーはミクロン未満の寸法を有するキャビティに関して従来的なフォトリソグラフィーよりも好ましくあり得る。
【００３２】
上記のように、メンブレン中に形成されるべきキャビティの側壁プロフィールを、選択された限界開口部形状（ジオメトリー）を産生するように特徴付けることができる。キャビティを区画するリソグラフ工程ならびにキャビティエッチングプロセス自体の性質もまた、キャビティ側壁プロフィールを区画するように利用され得る。１つの例のシナリオでは、選択したリソグラフキャビティパターンを、例えば円のように連続的にし、相対的等方性エッチングプロセス（例えば、等方性反応性イオンエッチングプロセス）を行って、図２Ｇに示すように窒化物メンブレン３６中にボウル形状キャビティ１２を形成する。等方性反応性イオンエッチングプロセスは、本質的に、円状フォトリソグラフパターンから伸長するボウル形状を形成する。
【００３３】
本発明は、所望のキャビティ形状を達成するための、実質的に任意のキャビティパターンの使用を意図する。正方形、長方形、六角形または他のパターンの、対称または非対称のものが利用され得る。開口部形成方法において利用されるリソグラフプロセスおよび他のマイクロ製造プロセスのバッチ特性に起因して、種々の程度およびジオメトリーのキャビティのアレイが、例示したメンブレンのような１つの構造体中に区画され得る。本発明の開口部形成プロセスは、リソグラフよりも構造体の薄層化（structural thinning)に依存して最終的な限界開口部ジオメトリーを区画するので、キャビティの最大側面ディメンションは限界開口部の所望の程度よりもかなり大きいかもしれない；一般的に、キャビティパターンの最大ディメンションは、選択した限界開口部の直径よりも２桁以上大きいかもしれない。好ましくは、選択したキャビティエッチングプロセスの特徴が分かれば、それに対応してキャビティの底に所望の程度を作製し、そしてキャビティの底と物質表面との間にわたる一定範囲のキャビティを作製するようにキャビティパターンの程度を選択する。
【００３４】
例えば、プラズマエッチング、集束反応性イオンエッチング、集束イオンビームエッチング、ウェット化学エッチングまたは他の選択した技術を含む、任意の適切なキャビティエッチングプロセスが利用され得る。どのようなエッチングプロセスを選択しようとも、キャビティが形成されるメンブレンの厚みの中、または他の構造体中の、いくらか離れた場所の、キャビティの底の位置、すなわち、構造体の表面間の位置で、エッチングを終止し得るようにコントロールされる。使用する構造物質に関して十分に特性化されているエッチングプロセスについては、これはタイムドエッチング（timed etch）により達成され得、そうでない場合には従来的な診断技術を従来的な様式で利用して、メンブレンや他の構造体中の選択した位置にキャビティの底を作製する。本発明に関しては、構造体中の既知の優先的な深さ（priori depth）に、キャビティの底を正確に配置することは必要とされない。本発明の段階的構造体薄層化プロセスは、以下の点において特に有利である；正確に開口部を作製するのに、キャビティの深さに対する正確なコントロールまたは知見が必要とされない。さらに、エッチングプロセスの組み合わせを、所定の物質または物質の複合体中でのキャビティの形成に関して必要に応じて利用し得る。例えば、窒化ケイ素および二酸化ケイ素層から形成された複合メンブレンの場合、プラズマエッチングのような選択されたキャビティエッチングの化学特性（chemistry）は、キャビティ形成のある特定の時点で、エッチングされる物質に基づいて、エッチングの経過にわたって調節され得る。同様に、エッチングプロセスの組み合わせを利用し、キャビティ側壁プロフィールをキャビティの深さの関数として変更され得る。例えば、等方性および異方性ウェットエッチングの組み合わせは、窒化物またはシリコンの層またはメンブレン中に形成されるキャビティ側壁の選択した湾曲および傾斜を作製するために利用され得る。このようなエッチングの組み合わせにより、限界開口部に配置されるべき凹凸または他の明確な特徴の形成が可能となる。
【００３５】
図１Ｂ〜１Ｄを再び参照すると、一旦、選択されたメンブレンまたは他の構造体中にキャビティが形成されると、限界開口部を構造体中にオープンさせるために適切な手段を利用してキャビティが形成されている面とは反対の構造体の表面でこの構造体の薄層化を行う。本発明は、広範な薄層化プロセスを意図し、特定の薄層化技術に限定されるものではない；必要とされることは、キャビティが形成されている表面と反対の表面から構造体をエッチバックしうることのみである。
【００３６】
多数の適応に関して、特に良く適している薄層化処理（プロセス）はイオンビームスパッタリングである。このようなプロセスでは、イオンのビームは薄層化される構造体表面に向けられて、物質を表面からスパッタリングエッチングして取り除く。比較的低いビームエネルギーでの、典型的なイオンビームスパッタリングプロセス、例えば、ｋｅＶの範囲にある場合では、平均で各入射イオンに関して物質の１つの原子がスパッタリング標的から射出される。そのため、スパッタリングは原子スケールのバージョンの「サンド−ブラスト」とみなされ得る。例えば、窒化ケイ素メンブレンの場合、このようなスパッタリングエッチングは、約１０１４〜１０１５イオン／ｃｍ２／秒の間の入射イオン流に対して、１秒あたりに、メンブレンからおよそ１個の窒化ケイ素の原子の層の除去を生じる。スパッタリングビームに曝された表面が、表面がキャビティの底部と交差するほど十分に薄層化されると、限界開口部が形成される。
【００３７】
本発明は、イオンビームアシストエッチング、イオンビーム誘起エッチング、電子ビームエッチングまたはアシストエッチング、プラズマおよび反応性イオンエッチング、電気化学エッチングのようなウェットエッチング、化学機械的ポリシング、ならびに、構造体の制御された薄層化を行って、薄層化が行われている面の反対の表面上のキャビティと交差させる他の製作および製造プロセスをふくむ、広範囲のさらなる薄層化プロセスを意図する。これらの開口部形成プロセスは、多数の適用に関して有利であり得る。ならならば、薄層化エッチングの間、スパッタリングイオンビームまたは反応性プラズマ環境のようなエッチング種を、薄層化される構造体表面の特定の位置に集束される必要がないからである。構造体表面のブランケットへの曝露は、構造体の全範囲を薄層化するために使用され得る。反対表面を侵襲するエッチング種からキャビティを含む構造体表面を分離すること、すなわち遮蔽することのみが必要とされる。これにより、特徴部形成の際に、エッチング開口および種のナノ体制でのコントロールを必要とすることなく、ナノ体制精度が得られる。
【００３８】
どのような薄層化プロセスが選択されようとも、薄層化プロセスの間にフィードバックメカニズムを行うことにより非常に正確な開口部形成が達成され得ることを、本発明者らは見出した。このフィードバックメカニズムは、特徴部（例えば、エッチングにより作製される開口部）の物理的寸法の指標となる様式で、薄層化エッチングの間に提供される物理種の検出に基づく。このようなフィードバックにより、開口部形成プロセスのリアルタイム制御が可能となるため、正確かつ予め特定した直径の開口部を高い信頼性で、そして再現性よく形成し得る。以下の説明において記載するように、一般的に、このフィードバックメカニズムはナノメートル特徴部およびナノメートル構造体の正確な侵食を可能にすることができ、マイクロおよびナノシステムに対する広範な適用が見出される。
【００３９】
本発明の開口部形成プロセスにおけるフィードバック制御を、より具体的に考慮すると、スパッタリングイオンビームのようなエッチング種が構造体を薄層化して開口部が形成された時点は、ビームからのイオンが開口部を通過することができた時点である。その後は、単位時間あたりに開口部を通過するイオンの数は、薄層化エッチングが続けられるに従って増大する開口部の直径と比例する。それゆえ、開口部を通過するイオンの率および／または数のカウントによる検出および定量は、エッチングの間の任意の時点での開口部直径の指標である。
【００４０】
結果として、選択された直径が作製される前に開口部を通過すると予測されるイオンの率および／または数に基づいて、選択された開口部直径を特定化し得る。薄層化エッチングプロセスの間に、新たに形成された限界開口部を通して最初のイオンの通過が検出され、そして限界開口部の寸法が拡大するにつれて開口部を通過するイオンの数がそれぞれ検出され、そして定量され得る。規定された数のイオンが開口部を通過した時点で、コントロールシグナルがスパッタリングイオンビームコントローラーへと送られて所望の開口部の寸法の時点でエッチングプロセスを終結させる。さらに、本発明に従って、開口部が形成される時点より前ですら、物理種の検出が行われ得る。例えば、薄層化される構造体を通過すると検出される、イオンビームガンにより作製されるＸ線のレベルは、構造体の厚さが減少するにつれて増加すると予測され得る。同様に、開口部のオープンの前ですら、イオンの検出は行われ得る。このことにより、開口部の最終的な開口前ですら、プロセスの制御が可能となる。
【００４１】
図３Ａ〜３Ｂを参照すると、このフィードバック制御型スパッタリングプロセスを履行するためのシステム５０が模式的に示されている。このシステムは、所定の適用に適したエネルギー範囲および直径を有するイオンビームを作製し得るイオンガンのような、イオンガン５２を備えている。一般的に、約１ｅＶから約数百ＫｅＶの間のエネルギー、および数ナノメートルから空間的に非常にブロードなビームの間のビーム直径を使用し得る。その中でエッチング処理を行い得るバキュームエッチングチャンバ５５が設けられている。好ましくは、エッチングチャンバ圧は、エッチングプロセスの間は約１０−８Ｔｏｒｒ未満のエッチング環境圧が維持されるように、充分にコントロールされる。ターボ分子ポンプ（turbomolecular pump）５７は、圧のコントロールおよび維持のために設けられる。場合により、エッチング環境種のモニターおよび分析のために質量分析計を設けることができる。
【００４２】
構造体ホルダー５４は、例えば、開口部が形成される構造体１０を指示するものであり、例えばクリップを使用して構造体の位置を維持する。好ましくは、ホルダー５４は熱伝導性であり、例えば、ホルダー上にかまたは構造体それ自体の上に配置された熱電対を使用する、液体熱交換ループにより、構造体熱コントロールを提供する。多くの適用のために、ホルダーもまた構造体の電圧変化のコントロールを可能とするため、および入射イオンビーム電流のモニタリングを可能とするために電気伝導性であり得ることが好ましい。
【００４３】
ホルダーは、構造体１０中の開口部が形成される位置に対応する中心開口部５６を備える。この配置により、イオンガンから構造体１０へと向けられたイオンのビーム５８が構造体を薄層化してその中に開口部を形成し、その後にイオンビーム５８は構造体開口部とホルダー開口部との両方を通りぬける。
【００４４】
図３Ｂを参照すると、電子フラッドガン(electron flood gun)５９は、電子ビームをエッチング処理の間、エッチングされる構造体に向けるような配置で備えられる。電気的に遮断されている窒化ケイ素メンブレンのような構造体に関しては、正に荷電したイオンビーム照射に起因して、正の電気表面電荷が構造体上に蓄積し得る。所定の適用に必要な場合には、構造体への電子ビーム照射により、表面電荷の中和を行い得る。
【００４５】
本発明に従うフィードバックメカニズムにより薄層化エッチング処理が制御される場合、エッチングされた開口部を通過する種の流れは、以下に記載の様式で検出され、定量されるはずである。所定の適用についてこのようなフィードバック制御が望まれない場合、追加の装置は必要ではなく、スパッタリングは所定のエッチングのために選択された条件下で、従来的なスパッタリングチャンバの中で行われ得る。
【００４６】
本発明に従えば、所望の程度のフィードバック制御を与えるために種の検出および定量システムを設けることができる。薄層化エッチングのために利用される、選択されたスパッタリングビームイオンが電気的に荷電しているシナリオの場合、イオンが通りぬける構造体開口部から比較的はなれたところにある検出器によるイオン検出を容易にするために、一旦開口部を通りぬけたイオンを集束させるためのイオン集束光学部品６０を設ける。Ｘ−Ｙ偏光光学部品（optic）およびアインツェルレンズを従来的な配置で用い、イオンの所望の集束を生じさせることができる。従来法では、光学部品設計ソフトウェアを用いて、所定の検出アレンジメントに関してカスタマイズされた集束配置を作ることができる。イオン検出システムがホルダー開口部に対して比較的近傍に存在する配置の場合には、このような集束配置が必要でないかもしれないことが理解される。
【００４７】
集束配置は、それが利用される場合には、検出され、例えば計数（counting)により定量される選択種に関してビームをろ過（filtering)するために、アウトプットイオンビームをイオンエネルギー分析器６２へと向けることが好ましい。一般的に、イオンビームスパッタリングプロセスは、例えば、スパッタリングされた窒化ケイ素原子、エッチングチャンバ中に拡散しているエッチング種、およびイオンガンから放射されているＸ線を含む、広範な物理種および照射を含み、および生じると予測される。非常に正確なエッチングコントロールを可能にするために、検出されるべき種は、生じた照射、生じたエッチング種、およびバックグラウンド照射からろ過除去（フィルタリングアウト）されることが好ましい。例えば、イオンビームガン、エッチングされる構造体、および下流の光学部品を、以下に記載するように静電エネルギーフィルターまたは他の適切なフィルターにより、検出器のようなさらに下流の構成要素から隔離することにより、このようなバックグラウンドは最小化され得る。さらに、イオンビームガン、構造体および光学体を、図３Ｂに示すように、適切な容器中に低温条件下で維持することにより、熱の影響を制御し得ることが好ましい。また、このような冷却配置は、エッチングおよびビーム検出環境を最大限清潔にし、構造体温度を制御するために有用である。イオン照射の間、上昇した温度に構造体を維持して物質修飾現象に影響を与えることもまた、有利であり得る。
【００４８】
イオンエネルギー分析器６２または他の種特異的フィルタリングシステムの利用は、スパッタリング軌道の照準ラインから検出される種の再方向付けを可能にする点で、有利である。そこで、種検出位置は、バックグラウンドおよびＸ線のような産生された照射によるボンバードメントからのラインから離れ、外れていてもよい。例えば、図３Ａ〜３Ｂに示されるように、利用する静電エネルギー分析器は、検出されるべきイオン種の軌道を９０°屈曲させることにより、それらの種を、他の種およびエッチングされた構造体から生じる照射から分離する。所定のエッチング処理に望まれる検出の分解およびスピードに、バックグラウンドノイズ環境の低さが必要でないならば、多数の適用においてイオンエネルギー分析器は不要である。
【００４９】
静電エネルギー分析器から産出された、フィルタリングされた目的の種は、検出器６４へと向けられる。電気的に荷電したイオン種の検出に関しては、高分解単一イオン検出器（例えば、Ｇａｌｌｉｌｅｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃｓ  ｏｆ  Ｓｔｕｒｂｒｉｄｇｅ（ＭＡ）社のＣｈａｎｎｅｌｔｒｏｎ  ４８６０検出器）を利用することが好ましくあり得る。このような検出器は１つの検出イオンあたり、１つの電気的出力パルスを生じるように配置され得る。多くの適用において、開口部のような固体状態特徴部の作製の際のナノメートルスケールの正確さを可能ならしめるために、このような単一イオン検出と付随するカウントとが好ましい。通常、スパッタリングビーム電流密度が約１０イオン／ｎｍ２／秒であり、一方、ナノメートル範囲の開口部のエッチングには、開口部を通過するイオンのカウント数が約１０〜２０を超えないことが必要である。従って、単一のイオン検出およびカウントシステム、又は同等の分解能の他のシステムが、特徴部作製のナノ体制制御を再現性良く履行するために好ましい。所定の適用のために産生される特徴部がナノメートルでの寸法の制御を必要としないならば、より精密ではない検出メカニズムを利用し得る。
【００５０】
単一のイオン検出器配置である場合、高速パルス増幅器（fast pulse amplifier）６６を、検出器の電気的アウトプットを変更しイオンカウントプロセスを容易にするために用い得る。適切なパルス予備増幅器は、従来的な方法で構築し得るか、または適切な市販のシステム（例えば、ＶＴ１２０  Ｆａｓｔ  Ｐｒｅａｍｐ、ＥＧ＆Ｇ  Ｏｒｔｅｃ  ｏｆ  Ｏａｋ  Ｒｉｄｇｅ，ＴＮ）を利用し得る。１つの例示のシナリオにおいて、イオン検出器により１０ｍＶイオン検出パルスの産生が得られるとすると、パルス増幅器６６はパルス電圧を約１Ｖまで増幅するように配置され得る。この増幅された検出パルスは、検出されたイオンの数の指標である電気的信号を作るために、例えば、Ｈｅｗｌｅｔｔ  ＰａｃｋａｒｄによるＨＦ５３１３１Ａのようなユニバーサルカウンターのようなカウントシステムへと向けられる。検出パルスの増幅は、所定のパルスカウンター配置には必要ではないかもしれず、そしてパルス増幅が行われる場合にはカウントシステムからの要求に基づいてコントロールされることが好ましいことが認識される。
【００５１】
パルスカウンター６８の電気的アウトプットは、例えば、オペレーターが薄層化エッチングプロセスをリアルタイムでモニターし、そしてイオンガンコントロールシグナルを生じさせるために、モニターおよびコントロールソフトウェアを実行するコントローラー７０へと向けられている。１つの例では、コントローラーはソフトウェア、例えば、国立Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  ｏｆ  Ａｕｓｔｉｎ(ＴＸ)からのＬａｂｖｉｅｗ、を用いて実行される。どのようなコントローラー器具が選択されようとも、イオンフィードバックに基づいてイオンビームコントロールシグナルが提供されるのが好ましい。例えば、コントローラーを作動することにより、特定の時間インターバルの間、構造体のイオンビームスパッタリングが開始され、そして特定の時間インターバルの間に検出器が受け取ったイオンの数を計測するようにカウンターが構成される。このインターバルの終わりに、カウントされたイオンの数がコントローラーにより決定され、この時点での開口の程度がイオンカウントおよび既知のイオン流に基づいて算出され得る。次いで、コントローラーにより、インターバルの間にカウントしたイオンの数を利用して、イオンビームスパッタリングのさらなるインターバルを開始して構造体のエッチングを続けるべきかどうかを決定する。
【００５２】
１つの有利な配置では、モニター、メモリおよび関連したインプット／アウトプットならびにプリントシステムを備えたコンピューターシステムが、エッチング処理の進行の視覚的なモニタリングおよび記録を可能にするために設けられている。多様な適用には、経時的なイオンカウント率および開口部の程度のディスプレイ、ならびにカウント率および他の系の値の格納が好ましいだろう。
【００５３】
コントローラー７０のアウトプットを、スパッタリングエッチング自体を制御するためにイオンガン制御システム７２に向ける。１つの例の実施において、所望の開口部の寸法が作製された時点で、イオンガンのＸ−Ｙ偏向プレートをイオンビームが構造体１０から離れるように偏向させるようにコントロールすることにより、イオンガンのフィードバック制御がもたらされる。これは、ビーム偏向時の速度が迅速（典型的にはミリ秒未満）であることから、好ましい制御技術であり得る。しかしながら、代わりのビーム制御メカニズムも利用得ることが認識される。例えば、静電グリッドをガンと構造体ホルダーとの間に配置できる。このシナリオでは、グリッドはイオンビーム終結コントロールシグナルに応答して電圧を加えられてビームをイオンガンのほうへと反射し戻させる。さらなる技術では、イオンビームの産生を終結させるために、イオンガンの加速電子衝撃電圧はイオンビーム終結制御シグナルに応答して制御され得る。これらの技術は、所望の開口部の寸法が作製された後に全てのスパッタリングを抑制し、これにより起こりうるサンプル汚染が排除され得るという点で有利である。
【００５４】
スパッタリングシステムおよびフィードバック／コントロールハードウェア配置を適所に有することにより、所定のイオンビーム種、構造体物質および作製されるべき開口部ジオメトリーに関するフィードバック較正曲線を作製することができる。このような較正曲線は、イオンカウント数および／または率と、限界開口部の寸法との関係の明確化を可能とし、具体的な構造体の材料、厚さに関して、測定されたカウント数／時間と実際の限界開口部の寸法との関係を経験的に特定化するために確立することができる。
【００５５】
多数の配置に関して、限界開口部の寸法とイオンカウントとの間の相関関係が概ね線形であることがわかった。この、および他の一般的に推定可能な相関関係の故に、数個の測定値に基づいて外挿較正曲線を作製することができる。このような各測定値を得るために、規定時間の間薄層化エッチングを行い、その間にイオン計数を行い、かつ期間の最後に開口部の寸法を、例えば、透過型電子顕微鏡により物理的に測定する。エッチングからエッチングごとに開口部が大きくなる間に、ただ１つの開口部について複数回のエッチング期間および寸法の測定を行うことができる。次いで、イオンカウントおよび開口部測定に基づいて較正曲線を作製し、より低いおよび高いイオンカウントに対し外挿し得る。そのような較正曲線が手に入れば、所望の開口部の寸法に対応する規定イオンカウントが達成された時点でフィードバック配置のコントローラーシステムが、制御しているエッチング終結シグナルをイオンガンのほうへ向けるようにプログラムし得る。
【００５６】
エッチング環境温度および圧、エッチングされる構造体の物理的圧力および温度、ならびに特徴部の寸法および構造側面が、検出されるイオンカウント率および物理的特徴部の寸法との相関関係に影響を与え得ることが認識される。例えば、窒化ケイ素メンブレンに残留する機械的な歪みは、そのエッチング特性に強い影響を与え得る。同様に、形成されるべきアレイ中の開口部の密度、開口部相互の近接さ、および他の側面はエッチング特性に強い影響を与え得る。従って、エッチング特性に強い影響を与え得る種々の物理的およびエッチング環境のパラメーターについて考慮して、較正曲線を作製することが好ましいことが認識される。
【００５７】
実施例１
一方の表面にキャビティが形成されている５０ｎｍ厚の窒化ケイ素メンブレンを、図２Ａ〜Ｇに概説したプロセスにより作製した。窒化ケイ素を低圧化学蒸着により堆積した。反応性イオンエッチング法によりキャビティボウルをメンブレン中にエッチングした。図４Ａは、メンブレン中に形成されたキャビティの電子顕微鏡写真である。
【００５８】
キャビティを備える側とは反対側のメンブレン表面をアルゴンイオンビームエッチング（約３ＫｅＶのエネルギーおよび約３Ａｒ＋秒／ｎｍ２の流れ）に曝露した。イオンビーム直径は約２００μｍであり、エッチングの間のメンブレン温度は約−１２０℃に維持した。５秒間のインターバル毎に１秒間、イオンビームをメンブレンに照射した。エッチング処理の間、イオン検出およびカウントを行った。
【００５９】
図４Ｂは、メンブレン薄層化により形成された１０ｎｍの限界開口部を有するメンブレンキャビティの電子顕微鏡写真である。図４Ｃは、スパッタリング時間の関数としてのアルゴンイオンカウント／秒のプロットである。このプロットには、イオンビームがメンブレンに向けられた時間が含まれているが、ビームがメンブレンから離れるように偏向された時間は含まれていない。プロットにより示されるように、カウントしたイオンの数／秒は、限界開口部がオープンする２５秒目の時点までは実質的に０である。次いで、限界開口部の直径が増加するにつれて、イオンカウントが対応して上昇する。これにより、開口部形成プロセスのコントロールが可能となる。
【００６０】
この実施例において、一旦オープンした開口部を通過する、電気的に荷電したイオンの検出およびカウントにより、開口部の正確かつ制御されたエッチングが可能となった。ここで、エッチャントとしてはたらく種は、また、検出される種としてもまた働く。本発明に従うと、この、イオンビームが２役をすることは一般には要求されない。本発明により提供される別のシナリオでは、エッチャント種は検出種とは異なって選択され、作用する。多数の適用に関して、このようにエッチャントと検出種とを切り離すことにより、エッチャントと検出種の両方に関してより広範囲の種を候補とすることができる点で有利であり得る。
【００６１】
原子ビームエッチング種を考慮すると、ビームが電気的に荷電しているのではなく、電気的に中性であるならば、原子の検出は困難であり得る。この場合、電子ビームのような、異なる非エッチングの検出種は、予め指定した開口部直径の形成を制御するために、有利に利用され得る。エッチングされる構造物が衝突スパッタリングビームにより電気的に荷電するために電気的に中性のビームの使用が正当とされる場合は、このようなシナリオが好ましくあり得る。多数の適用に関して、ビームの湾曲、フィルタリング、ならびに従来的な技術を用いた検出およびカウントを容易とするために、電気的に荷電した検出種を利用することが好ましくあり得る。しかしながら、所定の適用に関して最適であるような場合には、電気的に中性の検出種が利用され得る。例えば、電気的に中性の通過原子のレーザー蛍光を、コントロール機能（function)を検出しカウントするために利用することができる。
【００６２】
別個の検出種が用いられる場合、その検出種は何らかの方法で作製されている特徴部に向けられ、特徴部近辺でのその動きが、特徴部の直径の変化の指標となるものであることが好ましい。これにより、特徴の直径における変化の指標となる様式での種の検出が可能となる。例えば、メンブレン開口部の形成の場合、一旦形成されたメンブレン開口部を電子が通過するようにメンブレンビームをメンブレンへと方向付けることにより、上記のイオンカウントの形での電子のカウントが可能となる。本発明は、単一の検出種の使用を必要としない。１つより多くの検出種を利用することができる。例えば、イオンガンにより産生されたＸ線をモニターしながら、構造物を薄層化してさらなる開口部形成事象の時間を推定し、示す。そのあとに、イオン、電子、または他の種を利用して開口部直径の変化をモニターすることができる。所定の適用に適合させた中性の種および他の種を同時に、一緒に用いて正確な検出およびフィードバックメカニズムを提供することができる。
【００６３】
さらに、本発明は、作製される特徴部の平面に対して、検出種が垂直に向けられることを必要としない。例えば、物質により作製される電子ビーム回折検出および回折パターンは、フィードバックメカニズムとして利用され得る。例えば、上部層中の特徴部が、上部層が除去され下部層または基板が露出することで形成されるような場合、下部層に特徴的な電子ビーム回折パターンの検出がフィードバックメカニズムとして利用され得る。ここで、電子ビームは、物質に伴って照角を作る。同様に、例えば、開口部の形成の場合には、開口部周囲の変化の指標である回折リングにより、回折が開口部直径の関数として検出され得る。ここで、回折フィードバックメカニズムは開口部を通る弾道として生じるのではなく、開口部周囲で生じる。
【００６４】
さらなる例では、開口部の形成の際に薄層化される上部構造体表面に対して電子ビームが平行に向けられ、それにより表面物質の除去（withdrawal）は表面に対して平行な方向での電子カウントの上昇により示される。
【００６５】
本発明は、別の検出種も考慮する。例えば、一旦特徴部を通過すると、電気的にメタ安定な状態のようなメタ安定状態にある原子を、形成されている特徴部へと方向付けられ、特徴部を一度過ぎると検出されうる。このようなメタ安定な原子（例えば、励起状態のヘリウムまたはアルゴン）は電気的には中性であり、固体表面を撃つまでは崩壊せず、その時点で電子が遊離され、検出されそしてカウントされ得る。どのような検出種が選択されようとも、産生される特徴部の所望の制御次元スケールと同一程度の時間スケールで検出され、カウントされることが好ましい。例えば、ナノメートルの特徴部の次元が重要である場合、マイクロ秒での検出およびカウントプロセスが、フィードバックメカニズムでの高感度および高分解能を可能にするために好ましい。マイクロスケールおよびマクロスケールでの特徴部の制御に関する検出種には、さほど厳格ではない感度および分解能への必要性が求められている。
【００６６】
本発明は、広範な製造プロセスにおいてのフィードバック制御に対する物理種検出およびカウントの適用を意図する。従来、オープンループ様式で、すなわち、フィードバック制御無しで行われてきた多数の製造プロセスが、本発明により提供される非常に感度が高く、かつ正確なフィードバックメカニズムを組み込むことで、ナノスケールでの寸法の特徴部のコントロールが可能なように適合される。例えば、上記の開口部形成プロセスでは、スパッタリングエッチングよりもプラズマ中の反応性イオンエッチングが、限界開口部の形成の際に構造体表面を薄層化するために利用され得る。このようなプラズマエッチングプロセスにおいて、キャビティを備える構造的表面は、適切な固定物によりプラズマ環境から分離される。構造体の対向表面はプラズマ環境に完全に、曝露される。プラズマエッチングが進行して構造体を薄層化し、最終的に限界開口部を生じ、開口部が成長するに伴い、例えば、構造体から分離された側に配置されているチャネルトロン（channeltron）により開口部を横切るイオンが検出される。したがって、上記のイオンスパッタリングエッチングの様式では、フィードバック制御は開口部を横切るプラズマイオンの検出およびカウントに基づいてプラズマエッチングプロセスに附加（impose)され得る。
【００６７】
本発明により意図されるさらなる例示のプロセスでは、物理的検出およびフィードバック制御は、特徴部を作成するために利用されるウェットエッチングプロセスに附加され得る。例えば、構造体中に開口部を形成する際に、構造体中に形成されるキャビティの近傍に電極が設けられ得る。ここで、キャビティの反対側の構造体表面は、ウェットエッチング環境、例えば、電気化学的な環境に曝露されており、キャビティを備える構造体表面はエッチング環境からは隔離されている。ウェットエッチングが進行して構造体が薄層化され、開口部がオープンするにつれて、開口部を横切る液体中のイオンが、キャビティ側の電極部位で検出され、カウントされ得る。これにより、所望の開口部の寸法が達成された時点で、エッチングの電気刺激を終結させるためのフィードバック制御が可能となる。
【００６８】
本発明は、広範な構造体の固体状態の特徴の製作を可能にするための物理種検出およびフィードバックプロセスコントロールの履行を意図する。フィードバックメカニズムは、上記の開口部形成プロセスに限定されない。上に説明したように、本発明のフィードバックメカニズムを用いる正確かつコントロール可能な様式で、広範な任意のプロセスにより、開口部、スリット、トレンチ、ホールまたは２つの特徴部のエッジ間のギャップが、正確に形成され得る。
【００６９】
例えば、メンブレンの一方の表面から他方の表面へと、ホールがメンブレンの厚みを直接通過して形成される場合の集束イオンビームまたはプラズマエッチング技術を利用するメンブレン開口部形成プロセスでは、形成を制御しモニターするためにフィードバックが利用され得る。同様に、本発明は、メンブレンの一方の表面にキャビティを形成し、次いでキャビティを備えるメンブレン表面を、例えば、イオンスパッタリングエッチングに曝す、メンブレン開口部形成プロセスを意図する。キャビティ底部と反対表面との間のメンブレンの厚みは他のメンブレン領域よりもかなり薄いので、このようなエッチングにより、メンブレンの他の領域が完全にエッチングされて取り除かれる前にキャビティの底部に限界開口部がオープンする。本発明のフィードバックメカニズムはこのプロセスの正確な制御およびモニタリングを可能とする。
【００７０】
実施例２
約５０ｎｍの厚さの窒化ケイ素メンブレンを、図２Ａ〜２Ｅの様式で作製した。反応性イオンエッチングにより、メンブレンの厚み全体を通過する開口部が形成された。これは、３７ｎｍの幅の開口部を生じた。この電子顕微鏡写真を図５Ａに示す。次いで、メンブレンおよび開口部を、約１．７Ａｒ＋／ｎｍ２／秒の流れおよび約３ＫｅＶのエネルギーでアルゴンイオンビームに曝露させた。５秒間のインターバル毎に１秒間スパッタリングするため、イオンビームを、メンブレンに向け、そして反らした。イオンビーム曝露の間、メンブレンを約−１０２℃の温度に維持した。
【００７１】
図５Ｂは、１８０秒のスパッタリングで生じた５８ｎｍ幅の開口部の電子顕微鏡写真である。図５Ｃは、カウントしたイオン／秒の、時間の関数としてのプロットである。時間の関数としてのイオンカウント間には、ほぼ線形の相関関係が示されている。
【００７２】
本発明は、フィードバックにより制御されるプロセスが実施例２の場合のように減法的（差引き）プロセスであることを要求しない。本発明のフィードバックプロセスにより、付加的なプロセスもまた制御され得る。例えば、所定のディメンションの開口部、トレンチ、またはホールは、適切なプロセスにより小さくされ、狭くされ得、この間に減少化プロセスを制御するために本発明の物理種検出およびフィードバックプロセス制御を行う。
【００７３】
焼結、加熱、物質堆積、物質成長および他の適切なプロセスが、本発明のフィードバックメカニズムにより制御可能であると意図される。同様に、酸化、膨張、以下に詳細に記載する物質のフローおよび輸送、圧縮、蒸発、エレクトロポレーション、イオン−または電子アシスト堆積または成長、ならびに他のこのような付加的なプロセスが、本発明にしたがって制御され得る。制御されるプロセスに必要なただ１つの条件は、追加的か削除的かにかかわらず、そのプロセスが、変化する特徴部の寸法の指標として種の検出を可能とする様式で、処理される構造体特徴部の近傍への何らかの検出種の導入に適応することである。上に説明したように、特徴部は、メンブレン中、レイヤ（層）中、又は支持構造体上に提供されるレイヤ、又は構造体自体（例えば、シリコンウェハ）に作製され得る。制御されるプロセスが、本質的に追加的かまたは削除的かにかかわらず、本発明の制御プロセスの利点は、ナノメートル規模での特徴部の寸法および寸法の公差を形成する際に、最も完全に活用され認識されるだろう。
【００７４】
この可能性は、ナノメートルの特徴部のフィールドを作製するために、例えば、リソグラフマスクプレートの形成の際に、特に有利であり得る。ここで、例えば、開始メンブレンを、追加的または削除的なプロセスにより、選択された形状でプロセッシングして最終的にワイヤ、パッド、および他のマスクプレート幾何学体を形成することができる。このことにより、効率良くそして有効なプロセスでマスクプレート特徴部の正確な形成が可能となる。
【００７５】
本発明の別の局面において、本明細書中において本発明者らは、固体状態物質中でナノスケールの特徴部の寸法をうまく操作するために、イオンビームと固体との間の相互作用の状態を制御し得ることを見出した。これらの制御されたイオンビーム相互作用技術により、固体状態物質のトポロジーを、必ずしも取り除かずに、調節することができる。具体的には、本発明により提供される選択されたプロセス条件下での、局所的に付加的または減法的である原子輸送メカニズムにより、特徴のエッジ位置が正確かつ制御可能に作製され、および／または修飾され得るように、固体状態物質を変換し得る。
【００７６】
図６Ａ〜６Ｃを参照すると、このイオンビームの特徴部の制御の最初の例では、構造体１０中の限界開口部２４は、第１の直径Ｄ１から、より小さい直径であるＤ２またはＤ３へと調節される。開始開口部は、例えば、上記または図１Ａ〜１Ｄおよび図２Ａ〜２Ｇに示される方法による任意の適切な様式で、例えば、メンブレン、層、基板または他の構造体中に、選択された構造で形成される。次いで、限界開口部が形成された構造体表面１８を、例えば、上記および図３Ａ〜３Ｂに示されたシステムを利用するイオンビーム照射に曝露する。
【００７７】
図６Ｃに最も劇的に示されるように、選択されたイオンビーム照射条件に関して、本発明者らは、照射に曝露された限界開口部２４の周辺または境界に物質が付加し、限界開口部の直径の減少が生じるという予想し得ない結果を見出した。開口部のリムへの物質の付加へとつながる構造体温度、イオン流速度およびイオンエネルギー条件を実施することにより、この状態は予想可能かつ正確に行うことができる。一般的に、イオンビーム照射がスパッタリング／物質除去プロセスであるとみなされると仮定すると、原子的スパッタリング侵食の存在下でさえ、この物質の動き及び付加的状態が有効に進行し、特徴部の物理的寸法の変化が起ることは予測され得ない。
【００７８】
実施例３
窒化ケイ素メンブレン（約５００ｎｍの厚さ）を、図２Ａ〜２Ｅに概説したプロセスの様式で作成した。反応性イオンエッチングにより、メンブレンの厚さ全体にわたって開口部を形成した。図７Ａは、エッチングから生じた９５ｎｍ幅の開口部の電子顕微鏡写真である。
【００７９】
次いで、メンブレンおよびその開口部を３ＫｅＶのエネルギーおよび約４７Ａｒ＋／秒／ｎｍ２の流れの曝露でアルゴンイオンビーム流に曝露した。イオン流の間、メンブレンを約２０℃の温度に維持した。イオンビームを１秒の時間インターバル毎に２５０ｍｓの間、メンブレンへと向けた。
【００８０】
図７Ｂは、アルゴンイオンビームへ曝露して開口部直径を約３ｎｍまで減少させた後のメンブレンの電子顕微鏡写真である。図７Ｃは、カウントしたアルゴンイオン／秒の、時間の関数としてのプロットである。このプロセスの中間点では、ほぼ線形のカウント速度が示されている。
【００８１】
理論的に拘束されるわけではないが、本発明者らは、本明細書中において、イオン照射を行った開口部リムで物質の構築を生じさせるイオンビームの能力の根底にあるメカニズムは、以下に関連するかもしれないと理解している：バルクの構造体を介しての原子輸送；構造体の粘性におけるイオン誘起性変化、電気的な表面荷電、機械的ストレス作成、および横方向への膨張；ならびに／あるいは構造体表面上での可動性の吸着されたイオン種の、非誘起型表面原子励起または過飽和により生じる原子的表面輸送。十分に低いイオンエネルギーでは、イオン透過の深さは構造体の厚みよりも浅く、これにより表面輸送プロセスの支配が生じる。本発明は、特定の物質転換メカニズムを必要としないが、予想可能な物質転換結果を強要する特徴的なプロセス制御パラメーターを提供する。
【００８２】
制御されるプロセスパラメーターを考慮すると、イオンビーム照射に曝露される構造体の温度が物質運動を強要する能力および物質が動く速度に直接、強い影響を与えることが見出された。特定の構造体物質に関しては、構造体の物質が運動することが見出される温度を超える特徴的な温度が存在し、ここでは特徴部の寸法における調節または変化が生じ、その温度未満では、代わりに、物質はスパッタリングにより構造体から取り除かれる。したがって、所定のイオンビームエネルギーおよび流のプロセス条件に関しては、物質除去と特徴部の寸法の調節との間の制御は、構造温度の制御により行われる。
【００８３】
実施例４
図８のグラフを参照すると、図３Ａに類似のイオンスパッタリングシステムにより検出した、５００ｎｍ厚の窒化ケイ素メンブレン（５００ｎｍ厚）についてのイオンカウント／秒を時間の関数としてプロットしている。ここでは、最初に約７２ｎｍ長の正方形の開口部を作製した。図２Ａ〜２Ｆに示すプロセスに基づいてメンブレンを作製し、メンブレンに方向付けた集束イオンビームにより開口部を作製し、完全にメンブレンを通過して伸びている開口部を形成した。グラフの各領域は、メンブレンがアルゴンイオンビームによるボンバードメントの間に維持される時点での温度を示す。ビーム流は１４Ａｒ＋／秒／ｎｍ２であり、そしてビームエネルギーは３ＫｅＶであった。メンブレンへと向けられるイオンビームのオン／オフデューティサイクルは、１秒のインターバル毎に２００ｍ秒の間、ビームはメンブレンへと向けられるようなものであった。
【００８４】
時間の関数としての、イオンカウント／秒の増加は開口部の寸法の増加を示し、一方で、イオンカウント／秒の減少は開口部の寸法の減少を示す。プロットしたデータは、イオンビーム照射のもとで、メンブレン温度が約５℃を超えて上昇するにつれて、開口部収縮速度が増加したことをはっきりと示す。対照的に、約４℃未満のメンブレン温度では、開口部の寸法は減少というよりも増加する。約０℃から約−１０℃の間のメンブレン温度では、開口部の寸法が減少する速度において、評価できる温度依存性は示されない。
【００８５】
この実験データでは、窒化ケイ素メンブレンに関しては２つの異なる温度体制が存在する；約５℃以上の第１の温度体制では、イオンビーム照射により物質の運動および特徴の付加が強制され、約４℃以下の第２の温度体制では、イオンビーム照射による物質のスパッタリングおよび除去が強制され、両方の体制は所定のイオンビーム種、イオン流およびエネルギー条件に対するものである。この窒化ケイ素メンブレンに関する分析は、それ以上の温度では目的の物質を動かし、特徴部を増加させ得る温度を決定するための、本発明により意図される経験則的な分析の例である。この移行温度は物質から物質で、非常に広範に変化し得ることが認識される。
【００８６】
また、プロットしたデータは、物質の運動および付加を強要する体制内では、特徴部のトポロジーを変更する際の物質移行の速度が温度依存性であることを示している。比較的高い温度では、移行プロセスは、比較低い温度での場合よりも迅速に進行する。この温度依存性輸送速度に対する知見により、正確なプロセスの制御および特徴付けが可能となる。
【００８７】
実施例５
５個の窒化ケイ素メンブレン（約５００ｎｍ）を、図２Ａ〜Ｅに概説したプロセスの様式で作製した。集束イオンビームエッチングによりそれぞれ約１４００ｎｍ２の面積の開口部をメンブレンに作製した。次いで、メンブレンを、約３ＫｅＶのエネルギーで、種々の総用量に関して５個のイオンビーム流で、アルゴンイオンビームに曝露した。イオンビーム曝露の間、各メンブレンは約２２℃の温度で維持した。各イオンビーム曝露を制御して２００ｍ秒の間、１秒インターバル毎にスパッタリングした。
【００８８】
図９Ａ〜９Ｂのグラフを参照すると、開口部の面積（ｎｍ２）を、総アルゴンイオンビーム用量（イオン／ｎｍ２）の関数として、５個の異なるアルゴンイオンビーム流に関してプロットしており、開口部面積は、それぞれ、アルゴンビーム流の関数として、用量毎に減少する。プロットしたデータからは、総アルゴンイオンビーム用量の関数として、高い入射流に比して、低い入射流では開口部はより迅速に収縮する。言換えると、流量が低ければ低いほど、開口部を収縮するために必要とされる用量が低下する。この、強い非線型性は、イオンビーム照射により生じた物質質量輸送の量／入射イオンが、高い入射流では抑制されることである。この特徴付けにより、選択した質量輸送速度での操作が可能となる。上に提供した温度依存性分析に類似する様式で、本発明は、物質運動の正確な制御を可能にするために、選択した物質に関する流依存性の経験則的な分析を意図するものである。
【００８９】
実施例６
５０ｎｍ厚の窒化ケイ素の層を、低圧化学蒸着によりシリコンウェハ上に堆積した。窒化ケイ素層を、電子ビームリソグラフィーによりパターニング（形どり）し、窒化ケイ素層の厚さ全体にわたり約５０ｎｍ幅のトレンチを作製した。したがって、各々のトレンチの底には下にあるシリコン表面が露出した。図１０Ａは、シリコンウェハ上の、トレンチをつけた窒化ケイ素層の走査型電子顕微鏡写真である。
【００９０】
トレンチをつけた窒化ケイ素層を、約３ＫｅＶのエネルギーおよび約２０Ａｒ＋／ｎｍ２／秒のイオン流で、アルゴンイオンビームに曝露した。イオンビームは、２秒間のインターバル毎に０．５秒間スパッタリングした。イオンビーム曝露の間、シリコンウェハを約２０℃の温度で維持した。図１０Ｂは、約２００秒のスパッタリングの後の、トレンチをつけた窒化ケイ素層の走査型電子顕微鏡写真である。窒化ケイ素物質がトレンチのほうへと移動し、それによりトレンチが部分的に充填されていることに留意すること。このことは、ここで利用しているプロセス条件に関して、物質が窒化ケイ素層からトレンチへと輸送されていることを示す。
【００９１】
すぐ上に記載したものと同様に、第２のトレンチをつけた窒化ケイ素層（５０ｎｍ厚）を、約３ＫｅＶのエネルギーおよび約３０Ａｒ＋／ｎｍ２／秒のイオン流で、アルゴンイオンビームに曝露した。イオンビームは、２秒間のインターバル毎に１秒間スパッタリングし、総スパッタリング時間は約３００秒であった。イオンビーム曝露の間、シリコンウェハを約１００℃の温度で維持した。図１０Ｃは、トレンチをつけた窒化ケイ素層の走査型電子顕微鏡写真である。ここで、トレンチのエッジが丸くなっていることにより示されるように、トレンチの上部の窒化ケイ素物質はエッチングされて取り除かれているが、トレンチの底は全く充填されていない。
【００９２】
この実施例は、所定の適用に対して所望どおりにスパッタリングすることにより物質輸送および特徴部の調節または物質除去を予測可能に作製するために強制され得る温度制御を実証する。
【００９３】
本発明により提供されるさらなる物質輸送コントロールメカニズムに戻ると、イオンビームのエネルギーが物質輸送の性質に衝撃を与え得ることが理解される。具体的には、所定の構造物質および温度、所定のイオンビーム電流密度、および所定のイオンビーム曝露の時間構造に関して、以下に記載するように、それ以上では上記のように物質輸送が効率良く誘発され、それ以下では従来的な様式でスパッタリングが起る、イオンビームエネルギーが存在する。この２つの異なる操作体制の間の連結部は、所定の物質およびイオンビーム曝露システムに対して経験則的に決定され得、物質輸送プロセスの正確な実施を可能にする、および不可能にする、ための重要なコントロール技術として利用され得る。
【００９４】
本発明にしたがって、さらに、イオン流曝露の時間構造、すなわち、インターバルの順序（ここで、イオンビームは、物質との相互作用を可能とするために制御され、次いで物質と相互作用しないために制御される）が、物質輸送の性質および特徴部の寸法の変化に強く影響を与えることが見出されている。具体的には、イオン流に対するオン／オフデューティサイクルの要求は、物質運動および対応する特徴部の寸法の変化を引き起こす能力に強い影響を与えることが見出されている。
【００９５】
実施例７
窒化ケイ素メンブレン（５００ｎｍ）を、図２Ａ〜Ｅに概説したプロセスの様式で作製した。集束イオンビームエッチングによりメンブレンの厚さ全体にわたり開口部（９５ｎｍ幅）を形成した。次いで、メンブレンおよび開口部を、約３ＫｅＶのエネルギーおよび約１４Ａｒ＋／ｎｍ２／秒のイオン流で、アルゴンイオンビームに曝露した。イオンビーム曝露の間、メンブレンを約１６℃の温度で維持した。曝露の間、イオンビームをメンブレンへと向ける時間の量を変化させた。６個の異なる時間構造を利用した：１秒間のインターバル毎に１００ｍ秒のオン；１秒間のインターバル毎に２００ｍ秒のオン；１秒間のインターバル毎に４００ｍ秒のオン；１秒間のインターバル毎に６００ｍ秒のオン；２秒間のインターバル毎に６００ｍ秒のオン；および、４秒間のインターバル毎に６００ｍ秒のオン。イオンビーム曝露の間、イオン検出およびカウントは、種々のイオンビーム曝露サイクルに応答する開口部の減少および拡大の指標として行った。
【００９６】
図１１は、スパッタリング時間の関数としての、アルゴンイオンカウント／秒のプロットである。４００ｍ秒／１秒のインターバルおよび６００ｍ秒／１秒のインターバルの時間構造が開口部直径を増大させ、他方、全ての他の時間構造は開口部直径を減少させたことをプロットは示す。このことは、およそ室温では、物質輸送プロセスとスパッタリングプロセスとの間のコントロールが、イオンビーム曝露時間構造のコントロールにより達成され得ることを実証する。
【００９７】
イオン照射質量輸送に対してフィードバック制御を強制するための本発明のイオン検出およびカウントメカニズムは、正確な特徴形成のための多数の適用に対して有利であるが、本発明により要求されるわけではない。一旦、質量輸送プロセスの特性が与えられると、非常に微細な特徴部の制御を必要としないプロセスについては、システムのフィードバック制御が要求されなくとも良い。必要とされることは、局所的な物質付加または減法によって物質の構造特徴の直径を調節するために、質量輸送のようなプロセスが強制される条件下で、物質をイオンビームに曝露することのみである。
【００９８】
この、本発明により提供される構造的物質調節プロセスは、広範な構造的特徴部（一般的には、ホール、スリット、開口部、およびギャップおよびトレンチの中を含む）、ならびに明確な特徴であるリムまたは壁が存在し、調節され得るような特徴部に適用され得る。さらに、ヒルロック（hillock）および凹凸のような突出している特徴部の製作のために適用され得る。
【００９９】
このような製作技術の１つの例では、イオン流および用量、ならびにメンブレンの温度は、イオンビーム流への曝露によりメンブレン上に突出を生じるように選択される。一方のメンブレン表面は、選択された条件下でイオンビーム流へと曝露される。これにより、イオン流へと曝露された側と反対のメンブレン表面上に、突出の形成が生じる。
【０１００】
実施例８
窒化ケイ素メンブレン（約５００ｎｍ厚）を、図２に概説した製作順の後、ＬＰＣＶＤプロセスにより作製した。メンブレンを、約５０ＫｅＶのエネルギーおよび約４ナノクーロン／μｍ２のイオン流で、ガリウムイオンビームに曝露させた。メンブレン上に５個の異なる分離している領域（すなわち、０．１２μｍ２、０．１４μｍ２、０．１６μｍ２、０．１８μｍ２および０．２０μｍ２）を区画した。
【０１０１】
図１２は、ガリウムイオンビームに曝された側と反対の窒化物メンブレン表面の原子間力顕微鏡写真である。この画像では、輝度のレベルがトポロジーに対応する；画像中の領域が明るければ明るいほど、領域のトポロジーが「高い」（すなわち、より隆起している）。画像中に示されているように、０．１６μｍ２、０．１８μｍ２および０．２０μｍ２のメンブレン領域は両方とも、ならびに０．１４μｍ２メンブレン領域の一方のみが、イオンビーム曝露によりオープンしていた。すなわち、領域中へのイオンビーム曝露から、メンブレンの厚みを通って開口部が生じた。他方の０．１４μｍ２メンブレン領域および０．１２μｍ２メンブレン領域は、イオンビーム曝露によりオープンしなかったが、代わりに、イオンビームに曝された側と反対のメンブレン表面に形成された丘状の突出を示した。本実施例は、流量を制御することにより構造体の表面に突出を生じる様式で質量輸送を起こし得ることを実証している。本実施例は、イオンビーム種が特徴部の形成および調節の性質に強い影響を与え得ることをさらに実証している；本実施例では、ガリウムイオンは先の実施例で利用されるアルゴンイオンに対抗するものとして利用した。本発明によると、特徴部形成プロセッシングの局面を制御するためにイオン種を選択し得ることが理解される。同様に、本発明によると、物質とのイオン相互作用の間に存在する周囲気体種を、相互作用の性質を制御するために選択し得ることが理解される。
【０１０２】
本発明のプロセスにより形成された、および／または本発明のプロセスにより調節されたもしくは変化した寸法を有する特徴部は、構造体の表面上、支持構造体上に設けられている層の中、もしくは自立構造であるメンブレンの中、またはイオンビームにより照射され得る他方の表面に提供され得る。複合物質構造体も処理され得る。寸法調節を行う、出発構造体を製造するために利用される製作順に制限はない。
【０１０３】
この議論では、本発明の固体状態の特徴部形成および寸法制御法の広範な適用を強調している。分子検出技術、マイクロファブリケーションマスク形成ならびに電気デバイス電極形成および調節は、多くの応用（適用）の内のほんの数種である。本発明の削除的および追加的な物質プロセッシング技術は、本発明の物理種検出およびフィードバック制御と組み合わせて、再現性がよく、そして非常に正確な特徴部形成を可能とする。この正確さおよび制御の利点は、ナノメートルの特徴部の寸法および寸法公差に適用した場合に最も明らかとなる。当然のことながら、当業者であれば、当該分野における本発明の寄与の精神および範囲から逸脱することなく本発明のプロセスに対して種々の修飾および付加を行い得ることが認識できる。従って、本明細書により提供されることが見出される保護は、本発明の特許請求の範囲に記載の発明および明らかに本発明の範囲内にある全ての等価物に及ぶと考えられるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】  図１Ａは、本発明の開口部の作製のための一連の製作工程の模式断面図である。
【図１Ｂ】  図１Ｂは、本発明の開口部の作製のための一連の製作工程の模式断面図である。
【図１Ｃ】  図１Ｃは、本発明の開口部の作製のための一連の製作工程の模式断面図である。
【図１Ｄ】  図１Ｄは、本発明の開口の製造のための一連の政策工程の模式断面図である。
【図２Ａ】  図２Ａは、図１Ａのキャビティをメンブレン中に製造するための、例示的な一連の製作工程の模式断面図である。
【図２Ｂ】  図２Ｂは、図１Ａのキャビティをメンブレン中に製造するための、例示的な一連の製作工程の模式断面図である。
【図２Ｃ】  図２Ｃは、図１Ａのキャビティをメンブレン中に製造するための、例示的な一連の製作工程の模式断面図である。
【図２Ｄ】  図２Ｄは、図１Ａのキャビティをメンブレン中に製造するための、例示的な一連の製作工程の模式断面図である。
【図２Ｅ】  図２Ｅは、図１Ａのキャビティをメンブレン中に製造するための、例示的な一連の製作工程の模式断面図である。
【図２Ｆ】  図２Ｆは、図１Ａのキャビティをメンブレン中に製造するための、例示的な一連の製作工程の模式断面図である。
【図２Ｇ】  図２Ｇは、図１Ａのキャビティをメンブレン中に製造するための、例示的な一連の製作工程の模式断面図である。
【図３Ａ】  図３Ａは、正確なフィードバック制御を履行するための、本発明に従って配置されたイオンビームスパッタリングシステムの模式図である。
【図３Ｂ】  図３Ｂは、正確なフィードバック制御を履行するための、本発明に従って配置されたイオンビームスパッタリングシステムの模式図である。
【図４Ａ】  図４Ａは、本発明に従って、５００ｎｍ厚の窒化ケイ素メンブレンに形成されたキャビティの電子顕微鏡写真である。
【図４Ｂ】  図４Ｂは、本発明に従って提供されるプロセスにより、窒化ケイ素メンブレン中に形成された１０ｎｍ幅の開口の電子顕微鏡写真である。
【図４Ｃ】  図４Ｃは、図４Ｂに記載の開口を生じる開口エッチングプロセスについて検出した、時間の関数としてのイオンカウントのプロットである。
【図５Ａ】  図５Ａは、本発明に従って５００ｎｍ厚の窒化ケイ素メンブレンに形成された３７ｎｍ幅の開口の電子顕微鏡写真である。
【図５Ｂ】  図５Ｂは、本発明により提供されるプロセスにより５８ｎｍ幅まで拡大された、図５Ａの開口の電子顕微鏡写真である。
【図５Ｃ】  図５Ｃは、図５Ａに示す開口から図５Ｂに示す開口までの開口の増大を生じる開口エッチングプロセスに関して検出された、時間の関数としてのイオンカウントのプロットである。
【図６Ａ】  図６Ａは、本発明により提供されるプロセスによる、限界開口の直径の減少段階の模式断面図である。
【図６Ｂ】  図６Ｂは、本発明により提供されるプロセスによる、限界開口の直径の減少段階の模式断面図である。
【図６Ｃ】  図６Ｃは、本発明により提供されるプロセスによる、限界開口の直径の減少段階の模式断面図である。
【図７Ａ】  図７Ａは、本発明に従い、５００ｎｍ厚の窒化ケイ素メンブレン中に形成された９５ｎｍ幅の開口の電子顕微鏡写真である。
【図７Ｂ】  図７Ｂは、本発明により提供されるプロセスにより３ｎｍ幅まで減少された、図５Ａの開口の電子顕微鏡写真である。
【図７Ｃ】  図７Ｃは、図７Ａに示す開口から図７Ｂに示す開口までの開口の減少を生じる開口エッチングプロセスに関して検出された、時間の関数としてのイオンカウントのプロットである。
【図８】  図８は、種々の温度で本発明の質量輸送プロセスに供した、５００ｎｍ厚の窒化ケイ素メンブレン中の、当初は７２ｎｍ×７２ｎｍの正方形の開口の、イオンスパッタリング時間の関数としての１秒あたりの検出イオンカウントのプロットである。
【図９Ａ】  本発明により提供される物質輸送プロセスに関する、約１４００ｎｍ２の初期面積を有する開口における、５個の異なるイオン流に関する総イオン用量の関数としての開口面積、およびイオン流の関数としての用量あたりの開口面積減少、それぞれのプロットである。
【図９Ｂ】  本発明により提供される物質輸送プロセスに関する、約１４００ｎｍ２の初期面積を有する開口における、５個の異なるイオン流に関する総イオン用量の関数としての開口面積、およびイオン流の関数としての用量あたりの開口面積減少、それぞれのプロットである。
【図１０Ａ】  図１０Ａは、下方のシリコンウェハの上に堆積され、該ソリコンウエハを露出しているトレンチを有する窒化ケイ素層、本発明により提供される物質輸送プロセス条件の結果としての、窒化ケイ素トレンチの部分的なフルイン（充填）、及び本発明により提供されるスパッタリング条件の結果としての上部トレンチ層の部分的なスパッタリングエッチング除去の、走査型電子顕微鏡写真である。
【図１０Ｂ】  図１０Ｂは、下方のシリコンウェハの上に堆積され、該ソリコンウエハを露出しているトレンチを有する窒化ケイ素層、本発明により提供される物質輸送プロセス条件の結果としての、窒化ケイ素トレンチの部分的なフルイン（充填）、及び本発明により提供されるスパッタリング条件の結果としての上部トレンチ層の部分的なスパッタリングエッチング除去の、走査型電子顕微鏡写真である。
【図１０Ｃ】  図１０Ｃは、下方のシリコンウェハの上に堆積され、該ソリコンウエハを露出しているトレンチを有する窒化ケイ素層、本発明により提供される物質輸送プロセス条件の結果としての、窒化ケイ素トレンチの部分的なフルイン（充填）、及び本発明により提供されるスパッタリング条件の結果としての上部トレンチ層の部分的なスパッタリングエッチング除去の、走査型電子顕微鏡写真である。
【図１１】  図１１は種々のイオンビーム曝露サイクルについて、時間の関数としてカウントした、開口を横切るイオン／秒のプロットである。
【図１２】  図１２は、１方の表面が集束イオンビームに曝されることにより、イオンビームに曝されたメンブレン表面の反対のメンブレン表面に開口と突出とを生じた窒化ケイ素メンブレンの原子間力顕微鏡写真である。