(57)【要約】本発明は、制御された様式でナノ構造体を成長させる方法及び装置に関し、ここで、制御は、ナノスコピック構造体の成長のために使用される電子放出先端部を制御することを含む。さらに、本発明は、同じ成長プロセス中で複数の電子放出先端部及びナノスコピック構造体を成長させる一体化方法及び装置を説明する。
2005520699.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのナノスコピック構造体を形成する方法であって：
ａ．実質的に平行な配置で第１及び第２のプレートを位置決めし、ここで該プレートのうちの少なくとも１つは他の前記プレートに対向する少なくとも１つの電極を備えることと、
ｂ．前記プレート同士の間に媒体を提供することと、
ｃ．前記プレートを最初の位置に位置決めすることと、
ｃ．エネルギーを前記少なくとも１つの電極から前記媒体中に移動させることによって前記少なくとも１つの電極と対向する前記プレートとの間の前記媒体を局所的に活性化し、その結果成長及び／またはエッチングを前記媒体中に誘導し、それによって
（ｉ）一方または両方のプレート表面に前記少なくとも１つの電極から少なくとも１つの第１の局所的な構造体を成長させ；及び／または
（ｉｉ）一方または両方のプレート表面に少なくとも１つの第２の局所的な構造体を成長させる及び／またはエッチングし、
それによって少なくとも１つのナノスコピック構造体を形成することと、
を含む方法。
【請求項２】
前記プレートのうちの少なくとも１つは電極のアレイを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記少なくとも１つの第１の局所的な構造体は予め製造される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記局所的な構造体の各々は、特注の高さ、深さ及び／または形状を有することができる、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記第１の局所的な構造体の高さ、深さ及び形状は、成長及び／またはエッチングの間中維持される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記少なくとも１つの第１の局所的な構造体は電子放出先端部を含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
少なくとも第２の局所的な構造体は機能性ナノ構造体を含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記機能性ナノ構造体は、量子電子装置、量子光学装置、メモリ装置、センサー装置、機能性膜、ナノワイヤ及び分子電子装置からなる群から選択される少なくとも１つである、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
単数または複数の前記第１及び／または第２の局所的な構造体の高さ、深さ及び／または形状は、２つの前記プレートの相対的移動によって調節される、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
前記移動はナノメトリックスケール移動である、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
少なくとも第１の局所的な構造体の成長は、２つの対向して配置される構造体同士の間の予め規定された距離に達するまで、前記第１及び前記第２のプレート表面に少なくとも２つの対向して配置される第１及び第２の局所的な構造体を成長させることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記予め規定された距離は、前記第１と第２の局所的な構造体との間のトンネル電流、電気接点及び／または力接触状態を監視することによって得られる、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記局所的な構造体の高さ、深さ、及び／または形状は監視される、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの第１及び／または第２の局所的な構造体は前記第１及び／または第２のプレート表面に成長させた構造体のアレイを含み、前記局所的な構造体の高さ、深さ、長さ、幅及び／または形状は監視される、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記局所的な構造体の高さ、深さ及び／または形状を監視することは：
ａ．前記第１及び第２のプレートの相対的位置を調節して、その結果前記少なくとも１つの局所的な構造体は、対向して位置する前記プレート表面のプレート区域に対向する工程と；
ｂ．トンネル電流、電気接点及び／または力接触状態が前記少なくとも１つの局所的な構造体と前記プレート区域との間に達するまで、前記プレートのうちの１つを下向きに移動する工程と；
ｃ．前記少なくとも１つの局所的な構造体のどちらが確立したトンネル電流、電気接点及び／または力接触状態を有しないか監視し、これに基づいて前記少なくとも１つの局所的な構造体のどちらが、所望の高さ、深さ及び／または形状に達するための追加の成長を必要とするかを記録する工程と；
を含む、請求項１３または１４に記載の方法。
【請求項１６】
少なくとも１つの記録された局所的な構造体は、所望の高さ、深さ及び／または及び形状に達するように追加の成長を提供される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
監視し、記録し、成長させる手順は、前記局所的な構造体の所望の高さ、深さ及び／または形状に達するまで繰り返される、請求項１５または１６に記載の方法。
【請求項１８】
局所的な構造体のアレイを監視し、記録し、成長させる手順は、構造体の前記アレイを修復するために使用される、請求項１４〜１７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１９】
前記少なくとも１つの第１の局所的な構造体及び前記プレートの相対的移動範囲によって規定される区域にわたって、前記少なくとも１つの第１の局所的な構造体を使用して、ナノ構造体を成長させる、請求項１〜１８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２０】
前記媒体は、成長及び／またはエッチング媒体である、請求項１に記載の方法。
【請求項２１】
前記媒体は、極低温ガス及び／または極低温固体及び／または極低温液体及び／または電解質である、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記媒体は、周期系のＩＩＩ−ＶＩＩ族の元素及び／または式ＭＨｘ（式中、Ｍは水素と安定な化合物を形成する任意の元素を表し、ｘは整数である。）の分子状水素化物をさらに含む、請求項２０〜２１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２３】
前記媒体を活性化することは、前記少なくとも１つの電極の各々を個々に制御することによって、電気的パルスを対向する前記プレートに向かって送出することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２４】
様々な高さ、持続時間及び／または形態の電圧パルスは、前記少なくとも１つの電極に印加される、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記媒体は入力手段によって提供され、出力手段によって実質的に除去されることができる、請求項１に記載の方法。
【請求項２６】
第１の媒体を除去し、これを第２の媒体で置き換えるように、前記入力及び出力手段は交換媒体に適合される、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
成長及び／またはエッチング手順は、成長及び／またはエッチング媒体を置き換えた後に続いて繰り返される、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
ナノメトリックスケール運動は、三次元ｘ−ｙ−ｚ−運動、例えば二次元ナノメトリックスケール運動、例えば一次元ナノメトリックスケール運動を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２９】
前記プレートの少なくとも一部分は交換可能である、請求項１に記載の方法。
【請求項３０】
前記プレートは、電極を有する処理表面を形成するための電子回路及び配線を有する処理チップを含む及び／または少なくとも１つの第１及び／または少なくとも１つの第２のナノ構造体を備える、請求項１に記載の方法。
【請求項３１】
コード化位置情報は、前記第１及び／または第２のプレート表面に成長する及び／またはエッチングされる、請求項１に記載の方法。
【請求項３２】
前記コード化位置情報は、前記プレートの一方及び／または両方の表面の前記少なくとも１つのナノスコピック構造体によって読取られる、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
移動手段によって前記プレートの上に加えられた外力を前記プレート区域にわたって等しく分布させるために、一方及び／または両方のプレート表面に弾性支持体が提供される、請求項１に記載の方法。
【請求項３４】
少なくとも１つのナノスコピック構造体を成長させる及び／またはエッチングするための装置であって：
ａ．実質的に平行な配置で位置決めされた第１及び第２のプレートを含む内部を有するプロセスセルにおいて、前記プレートのうちの少なくとも１つは少なくとも１つの電極及び所望により前記第２のプレートに対向する局所的な構造体を備える前記プロセスセルと、
ｂ．２つの前記プレート同士の間に媒体を提供するための手段と、
ｃ．前記媒体を活性化し、その結果これは成長へと転換される及び／またはエッチングが前記媒体中に誘導されるためのエネルギー源と、
ｄ．前記プレートのうちの少なくとも１つをナノメトリックスケール運動で移動するためのナノスコピック移動手段と、
ｅ．前記電極及びプロセスチップに接続した通信手段と、
ｆ．成長及び／またはエッチングプロセスを制御するためのコンピュータシステムと、
を含む装置。
【請求項３５】
交換可能なプロセス区域または処理区域及び／またはプロセスチップまたは処理チップをさらに含む、請求項３４に記載の装置。
【請求項３６】
前記プロセスセルは、底部プレート、最上部プレート、並びに該底部及び該最上部プレートに接合する変形可能な材料を含む、請求項３４または３５に記載の装置。
【請求項３７】
前記プロセスセルを収容するように適合させた取り扱い装置を含み、該取り扱い装置は前記移動手段及び前記コンピュータシステムを含む、請求項３４〜３６に記載の装置。
【請求項３８】
前記取り扱い装置は、制御可能な加熱及び冷却装置をさらに含む、請求項３７に記載の装置。
【請求項３９】
前記底部プレート及び所望により前記最上部プレートの一部分は交換可能である、請求項３６〜３８に記載の装置。
【請求項４０】
２つの前記プレート同士の間に媒体を提供するための手段は、該媒体を挿入し、除去するための入力手段及び出力手段を含む、請求項３４に記載の装置。
【請求項４１】
前記エネルギー源は、前記少なくとも１つの電極に接続した制御可能な電圧源である、請求項３４に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、制御された様式で同時に１つ以上のナノスコピック構造体を成長させる方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ナノテクノロジー、ナノエレクトロニクス及びナノバイオロジーは、来るべき年の多くの重要な発見及び開発をもたらすと期待される研究開発における急速な成長の領域である。
【０００３】
ナノテクノロジーにおける主要な問題のうちの１つは、いかにして高速及び信頼性の高い仕方で大型基板または工作物表面にサイズ０．１nm〜５０nmの範囲内のナノ構造体を成長させるかまたはエッチングするかという点である。現在、電子リソグラフィ装置及び他の成長装置を備えた任意の標準的なクリーンルームに見られる非常に多くの時間を要する手順を使用して、数平方マイクロメートルの非常に小さな区域の表面でこれを行うことは可能である。ナノ及びミクロ構造体を表面に規定するための標準法は光リソグラフィだった。現在の紫外光学技術は、寸法約１００〜３００nmを要する。より最近の方法は、近接光リソグラフィ（near-field optical lithography）、Ｘ線リソグラフィ、並びに電子及びイオンビームリソグラフィを含み、ここで２０nmまでの構造体を形成できる。こうした方法は、高価な装置への投資を必要とし、小さな研究室のために総計で８０００万米ドルもの費用がかかることがある。大量生産のコストはしかしながらはるかに高く、３０〜５０億米ドルもの高さになりまたはさらに高くなる。
【０００４】
ナノテクノロジーにおける新たな方法は、こうしたコストを低減できるであろうと期待される。新たな方法の例えば分子自己組織化はしばしば、この点に関して言及される。しかしながら、計算において使用するべき構造体においては、回路レイアウトは通常非常に不規則な性質を有し、要件は分子種の自己組織化を製造方法として使用することを非常に困難にする。
【０００５】
その上、ナノ構造体は計算以外の多くの目的に役立つことができ、これは例えば、様々な特性を決定するために、液体、固形物または混合物中でナノ構造体と試剤との間の物理的相互作用を使用することによる検知である。
【０００６】
ナノスケール処理のための他の選択肢は、走査型プローブ顕微鏡技術（ＳＰＭ）の例えば原子間力顕微鏡法（ＡＦＭ）及び走査型トンネル顕微鏡法（ＳＴＭ）である。両方の技術を使用して、先端部表面間相互作用の性質に依存して様々な表面特性をキャラクタリゼーションする。走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）においては、先端部と表面との間のトンネル電流が特定のエネルギーでの電子状態の密度を調べる。原子間力顕微鏡法（ＡＦＭ）においては、同様に調べる場合先端部と試料との間の力を使用して、表面を描写する。両方の方法を使用して、ナノリソグラフィを実行するかまたは原子を輸送して構造体を表面に構築してきた。こうした方法においては、個々の原子は移動し、表面に置かれて、原子的な精度で（０．１nm）真のナノスコピックパターンを生成してきた。
【０００７】
こうした技術は、論理構成要素及びこの間の電気接続の両方はナノスケールであるような集積回路のナノスケールでの大きな区域にわたる大量生産のために適用可能ではないという点で共通の限定を共有している。先端部の移動及びトンネル電流または力の検知の個々の制御を用いてＳＰＭ先端部の大型アレイを生成するための多数の試みがなされてきた。しかしながら、このような手法の複雑さは大変なものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従って、走査型プローブ技術が大きな区域にわたるナノスケールの成長を実行することを可能にする方法及び装置に対する必要が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
１態様においては、本発明は、少なくとも１つのナノスコピック構造体を形成する方法を提供する。本方法は以下の工程を含む：
ａ．実質的に平行な配置で第１及び第２のプレートを位置決めし、ここでプレートのうちの少なくとも１つは他のプレートに対向する少なくとも１つの電極を備える工程と、
ｂ．プレート同士の間に媒体を提供する工程と、
ｃ．プレートを最初の位置に位置決めする工程と、
ｃ．エネルギーを少なくとも１つの電極から媒体中に移動させることによって少なくとも１つの電極と対向するプレートとの間の媒体を局所的に活性化し、その結果成長及び／またはエッチングを前記媒体中に誘導し、それによって
（ｉ）一方または両方のプレート表面に少なくとも１つの電極から少なくとも１つの第１の局所的な構造体を成長させ；及び／または
（ｉｉ）一方または両方のプレート表面に少なくとも１つの第２の局所的な構造体を成長させる及び／またはエッチングし、
それによって少なくとも１つのナノスコピック構造体を形成する工程。
【００１０】
１具体例においては、前記プレートのうちの少なくとも１つは電極のアレイを含む。別の具体例においては、少なくとも１つの第１の局所的な構造体を予め製造する。
本発明によれば、前記局所的な構造体の各々は、特注の高さ、深さ及び／または形状を有することができる。その上、成長及び／またはエッチングの間中、前記第１の局所的な構造体の高さ、深さ及び形状を維持することができる。
【００１１】
１具体例においては、少なくとも第１の局所的な構造体は電子放出先端部を含む。１具体例においては、少なくとも第２の局所的な構造体は機能性ナノ構造体を含む。このような機能性ナノ構造体は、量子電子装置、量子光学装置、メモリ装置、センサー装置、機能性膜、ナノワイヤ及び分子電子装置からなる群から選択される少なくとも１つである。
【００１２】
別の具体例においては、前記第１及び／または第２の局所的な構造体の高さ、深さ及び／または形状を、前記２つのプレートの相対的移動によって調節する。このような移動はナノメトリックスケール移動としてよい。
【００１３】
別の具体例においては、少なくとも第１の局所的な構造体の成長は、２つの対向して配置される構造体同士の間の予め規定された距離に達するまで、前記第１及び前記第２のプレート表面に少なくとも２つの対向して配置される第１及び第２の局所的な構造体を成長させることを含む。このような具体例においては、前記第１と第２の局所的な構造体との間のトンネル電流、電気接点及び／または力接触状態を監視することによって、予め規定された距離を得てよい。
【００１４】
本発明はさらに、前記局所的な構造体の高さ、深さ、及び／または形状を監視する方法を提供する。また本発明によって、前記少なくとも１つの第１及び／または第２の局所的な構造体は前記第１及び／または第２のプレート表面に成長させた構造体のアレイを含み、前記局所的な構造体の高さ、深さ、長さ、幅及び／または形状が監視されるような方法を提供することが可能である。
【００１５】
前記局所的な構造体の高さ、深さ及び／または形状を監視する工程は、１具体例においては、以下の工程を含む：
ａ．前記第１及び第２のプレートの相対的位置を調節して、その結果前記少なくとも１つの局所的な構造体は、対向して位置するプレート表面のプレート区域に対向する工程と；
ｂ．トンネル電流、電気接点及び／または力接触状態が前記少なくとも１つの局所的な構造体とプレート区域との間に達するまで、プレートのうちの１つを下向きに移動する工程と；
ｃ．前記少なくとも１つの局所的な構造体のどちらが確立したトンネル電流、電気接点及び／または力接触状態を有しないか監視し、これに基づいて前記少なくとも１つの局所的な構造体のどちらが、所望の高さ、深さ及び／または形状に達するための追加の成長を必要とするかを記録する工程。
【００１６】
さらに、本発明によって、局所的な構造体の所望の高さ、深さ及び／または及び形状に達するように、前記少なくとも１つの記録された局所的な構造体に追加の成長を提供することが可能である。その上、前記局所的な構造体の所望の高さ、深さ及び／または形状に達するまで、監視し、記録し、成長させる手順を繰り返すことができる。
【００１７】
別の具体例においては、局所的な構造体の前記アレイを監視し、記録し、成長させる手順を、構造体の前記アレイを修復するために使用する。従って、本発明によって提供される方法によって、前記構造体の構造健全性（structural integrity）及び／または機能健全性を維持することが可能である。
【００１８】
一般的な意味で、本発明は、前記少なくとも１つの第１の局所的な構造体及びプレートの相対的移動範囲によって規定される区域にわたって、前記少なくとも１つの第１の局所的な構造体を使用して、ナノ構造体を成長させるような方法を提供する。
【００１９】
本発明において使用する媒体は、成長及び／またはエッチング媒体とすることができる。特定の具体例においては、媒体は極低温ガス及び／または極低温固体及び／または極低温液体及び／または電解質である。しかしながら、媒体はまた、周期系のＩＩＩ−ＶＩＩ族の元素及び／または式ＭＨｘの分子状水素化物をさらに含むことができる。
【００２０】
媒体を活性化するプロセスは、少なくとも１つの電極の各々を個々に制御することによって、電気的パルスを対向するプレートに向かって送出することを含む。電圧パルスは、少なくとも１つの電極に印加される時に様々な高さ、持続時間及び／または形態を有することができる。
【００２１】
本発明はさらに、媒体を挿入し、除去するための入力手段及び出力手段を提供する。第１の媒体を除去し、これを第２の媒体で置き換えるように、前記入力及び出力手段を交換媒体に適合させることができる。このような具体例によって、成長及び／またはエッチング媒体を置き換えた後に、続いて成長及び／またはエッチング手順を繰り返すことが可能である。
【００２２】
本発明に関連して、ナノメトリックスケール運動は、三次元ｘ−ｙ−ｚ−運動、例えば二次元ナノメトリックスケール運動、例えば一次元ナノメトリックスケール運動を含む。
本発明によれば、プレートの少なくとも一部分は交換可能であることは了解できるはずである。従って、前記プレートは、電極を有する処理表面を形成するための電子回路及び配線を有する処理チップを含む及び／または前記少なくとも１つの第１及び／または前記少なくとも１つの第２のナノ構造体を備えるような具体例を提供することが可能である。
【００２３】
特定の具体例においては、第１及び／または第２のプレート表面にコード化位置情報を成長させる及び／またはエッチングする。プレートの一方及び／または両方の表面の少なくとも１つのナノスコピック構造体によって、コード化位置情報を読取ることができる。
【００２４】
本発明の１具体例においては、移動手段によってプレートの上に等しくプレート区域にわたって加えられた外力を分布させるために、弾性支持体を一方及び／または両方のプレート表面に提供する。
【００２５】
本発明はその上、少なくとも１つのナノスコピック構造体を成長させる及び／またはエッチングするための装置を提供し、前記装置は、以下を含む：
ａ．実質的に平行な配置で位置決めされた第１及び第２のプレートを含む内部を有するプロセスセルにおいて、プレートのうちの少なくとも１つは少なくとも１つの電極及び所望により第２のプレートに対向する局所的な構造体を備えるプロセスセルと、
ｂ．２つのプレート同士の間に媒体を提供するための手段と、
ｃ．媒体を活性化し、その結果成長及び／またはエッチングを前記媒体中に誘導するためのエネルギー源と、
ｄ．プレートのうちの少なくとも１つをナノメトリックスケール運動で移動するためのナノスコピック移動手段と、
ｅ．前記電極及びプロセスチップに接続した通信手段と、
ｆ．成長及び／またはエッチングプロセスを制御するためのコンピュータシステム。
【００２６】
本装置は、交換可能なプロセス区域または処理区域及び／またはプロセスチップまたは処理チップをさらに含むことができる。エネルギー源は、少なくとも１つの電極に接続した制御可能な電圧源とすることができる。
【００２７】
１具体例においては、プロセスセルは、底部プレート、最上部プレート、並びに底部及び最上部プレートに接合する変形可能な材料を含む。
本装置は、その上、プロセスセルを収容するように適合させた取り扱い装置を含んでよく、前記取り扱い装置は前記移動手段及び前記コンピュータシステムを含む。取り扱い装置は、制御可能な加熱及び冷却装置をさらに含む。
【００２８】
１具体例においては、底部プレート及び所望により最上部プレートの一部分は交換可能である。
その上、２つのプレート同士の間に媒体を提供するための手段を含むことができる本装置は、前記媒体を挿入し、除去するための入力手段及び出力手段を含む。
【００２９】
本文脈で、以下の用語は、次のような意味を有することは理解できるはずである。
“ミクロンスケール寸法”という用語は、サイズ約１マイクロメートル〜数マイクロメートルの範囲にわたる寸法を指す。
【００３０】
“サブミクロンスケール寸法”という用語は、約１マイクロメートル〜約０．０１マイクロメートルの範囲にわたる寸法を指す。
“ナノメートルスケール寸法”及び“ナノスケール”という用語は、約０．１ナノメートル〜約５０ナノメートル（０．０５マイクロメートル）の範囲にわたる寸法を指す。“ナノメトリック”という用語は、約０．１ナノメートル〜５０ナノメートルの範囲にわたる寸法を指す。
【００３１】
“ナノ構造体”または“ナノスコピック材料”という用語は、概略でナノメトリックスケールである少なくとも１つの寸法の空間的スケールを有する材料を意味する。
“ナノスコピック構造体”という用語は、本文脈で、本明細書において定義されるようなナノメトリックスケールの構造体を意味する。
【００３２】
“第１の局所的な構造体”という用語は、電極でまたは電極の表面に形成される構造体を指す。このような構造体を、インシトゥで、プレート中またはプレートの表面に位置する電極から、またはプレートの表面から突出する電極から成長させてよい。
【００３３】
“第２の局所的な構造体”という対応する用語は、電極から２つのプレート同士の間に位置する媒体へのエネルギー移動（従って対向するプレート表面の第２の局所的な構造体の形成をもたらす成長及び／またはエッチングを誘導する）の結果として成長する構造体を指す。
【００３４】
“プレート区域”という用語は、本発明のプレートの一方または両方の任意の区域を指す。
“ミクロスコピック先端部”または“ナノスコピック先端部”という用語は、構造体表面から突出し、少なくとも１つの寸法のミクロまたはナノスコピック空間的スケールを有する材料を指す。
【００３５】
“ナノスコピック先端部のアレイ”という用語は、狭い間隔で配置された規則的な配置の複数のナノスコピック先端部を意味し、ここで２つの最も近い隣接物同士の間の距離は約１マイクロメートルである。
【００３６】
“物体電極”という用語は、物体と画像電極との間に生成するパルスの制御を可能にする出力チャネルに各々個々に接続するミクロまたはナノスコピック先端部の高密度アレイを含む電極を意味する。
【００３７】
“画像電極”という用語は、表面でナノスコピック材料の形成が起きる電極を意味する。
“接触状態”という用語は、例えば電圧、電流、キャパシタンス、インダクタンス、抵抗、磁化、力または歪みを測定することを含む、与えられた状況にとって適切な方法を用いて、物理的接触を表すために２つの電極同士の間の電気的または電磁的手段を用いて決定される状態を意味する。
【００３８】
“電極基板”は本文脈で、任意の与えられた電極または電極のアレイのための基板を表すとみなされる。このような電極基板は、例えば対向して位置するプレートまたはプレート表面に成長する構造体によって表してよい。
【００３９】
“プロセスセル”は、本発明の機能単位である。図２によって示す１具体例においては、プロセスセルは、プレート表面に構造体を成長させるために使用する媒体を含むのに役立つシールを生成し、密閉した体積を規定する、プレートの縁部で弾性材料を有する２つの円形プレートで構成される。
【００４０】
以下に、本発明を、その特定の好適な具体例において添付図面に関連してより詳細に説明しよう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
本発明は、効果的な仕方で大型基板または工作物表面にナノ構造体を成長させ、エッチングするための成長プロセスセル及びプロセス取り扱い装置を提供する。ナノ構造は、広範囲の用途において使用でき、これは例えば検知、計算及び化学薬品または新たなナノ構造体の製造である。本プロセスセルは、大学または会社内の研究機関に見られる典型的な研究環境において低いコスト及び柔軟な操作を得るための中心概念を構成する。
【００４２】
本発明は一般に、ナノ及びミクロスケール寸法までの寸法と比較して大きな密閉したかまたは組み合わせたプロセスセル内部で、ナノ及びミクロスケール寸法までの任意の形態の表面で成長及び／またはエッチングを実行するために必要な手段をプロセスセル中に組み合わせることに関する。プロセスセルの概念は、１つの特定の研究計画をプロセス取り扱い装置に挿入し、ナノ構造体を処理し、次に処理後にプロセスセルを除去する便利な様式を提供する。プロセスセルをその後、同じかまたは異なる取り扱い装置に挿入することができる。取り扱い装置が同じである場合、セルが出た箇所からプロセスを続けてよい。様々な取り扱い装置の例は、ａ）ナノ構造体の表面を見るための特殊走査型電子顕微鏡、ｂ）好まれる元素組成を有する膜でナノ構造体をコーティングするための薄膜成長装置、ｃ）液相中のナノ構造体を用いて化学種の相互作用を研究するための液体取り扱い装置である。
【００４３】
基本的装置は、プロセスセルの温度及び他の必要な支持機能を制御しよう。プロセスセル表面に、多分光学的または電子的に、電気接点及び配線によってまたは離れて無線通信を使用して、プロセスセル内部の全ての機能単位と通信するための手段が存在しよう。プロセスセルの主な機械的機能のうちの１つは、プロセスセル内部の手段によってかまたは外部手段によって３方向−ｘ、ｙ、ｚ−にナノメトリックスケール運動を促進することである。前者を、てこ装置機構によってまたは内部運動変換器からの運動によって実行することができる。後者の選択肢を、プロセスセルの形状を変化させることで、例えばこれを圧縮してｚ運動を実行し、これをひずませてｘ、ｙ運動を得ることで実行できる可能性がある。形状変形を成し遂げるための最も簡易な手段は、２つの円形プレートを外周で接合することである。プレートを次に任意の方向に互いに対して相対的に移動することができる。
【００４４】
絶対位置を与えるフィードバック信号は、ｘ、ｙ、ｚ運動を制御する際に重要である。本発明の１具体例においては、運動変換器に取り付ける標準的なキャパシタンスまたはひずみゲージセンサーを取り扱い装置において使用する。別の具体例においては、プロセスセル内部の成長表面に位置情報を書込む。
【００４５】
プロセスセルの別の機械的機能は、ガス、液体または１０K〜２００Kの範囲内の温度のような低温で固体である媒体のような様々な媒体を含むことである。ポンピングまたはパージによってこうした媒体を除去するために必要な手段もまた、場合によっては穴のパージによって提供される。
【００４６】
１具体例においては、改良されたポンピング及びろ過によって媒体を清浄化するための手段もまた提供される。
簡易なプロセスセルまたはプロセスセルの基本的構造体を図１に示す。この図において２つの円形プレート１、２を示す。プレートは、セル内部に様々なプロセスを実行するための全ての手段を含む２つの表面を規定する。円板の材料は、導電性または電気絶縁性である任意の好まれる材料で構成されることができる。
【００４７】
図２においては、弾性材料３を用いてプレートをプレートの縁部で接合する。材料の弾性は、互いに対して相対的にプレートの移動を促進する。こうした３つの項目は、プロセスを実行する特定の温度でガス、液体若しくは固体、またはこうしたものの混合物の形態である任意の媒体を含むのに役立つ密閉した体積を形成する。
【００４８】
プレート同士の間の最初の距離は１ミクロンから１〜３mmの範囲内であろう。広い範囲は、場合によっては媒体は最初にガス状態であろうし、成長セルをより低い加工温度に冷却して液体または固体の体積密度に圧縮しなければならないだろうという事実が原因である。加工間隙はしばしば約１nm〜数十マイクロメートルの範囲内であろう。場合によってはプレート同士の間に特定の領域において接触が存在して、ソフトランディングまたは滑走パッドを生成して、プレート同士の間の加工間隙の制御可能性を増大させよう。最大圧力及び温度は材料の選択に依存しようが、０ケルビン〜数千度のプロセス温度及び超高真空〜数十万barの圧力を原理上は本発明のセルにおいて使用できる。
【００４９】
図３Ａは、セルの表面に加えられた成分Ｆｘ、Ｆｙ及びＦｚを有する外力を示す。この力は弾性材料を変形しようし、２つのプレート同士の間の相対的距離を変化させる。図３Ｂにおいては、底部プレートに対する最上部プレートの得られた変位６（ΔＸ）を、最上部プレートに加えられた力５Ｆｘに関して示す。力Ｆｙをｙ方向に加えた場合、同様の結果がｙ方向に得られる。力７Ｆｚをｚ方向に加えることを、対応する変位８（ΔＺ）と共に図３Ｃに与える。必要な横方向全変位範囲は、プレートの直径に依存して１．０マイクロメートル〜１００マイクロメートルの範囲にわたろう。厚さ約０．２５mmを有する標準的なステンレス鋼環を用いて接合する直径１．５cmを有するプレートは、プレートを横方向に１．０マイクロメートルまたは１０００nm移動するために約４０Nの力を必要としよう。ナノメートル移動の分解能１．０nmは従って４０mNの力を必要とし、これは重量４グラムに対応する。この力の範囲は、弾性材料の厚さを変化させることによって容易に調節することができる。弾性環を使用して２つのプレートを接合する代わりに他の解決が可能であることは明白であり、これは例えばプレート同士の間に弾性シールを形成し、シールが同じ機能を実行することを可能にする。シール同士の間の滑り接触は横方向運動を実行するが、シールの圧縮はｚ運動を提供する。この具体例は、上記に説明したように取り扱い装置が様々なプレートを一緒にし、同様のセル機能を形成するために必要な手段を実行する場合に適切である。製造されたセルの直径は、多分数ミリメートル〜数メートルの範囲内をカバーすることができる。
【００５０】
図４は、標準的なシール機構１０の助けによって最上部または底部プレート９の一部分を除去するかまたは置き換える選択肢を含む成長セルのための可能性を含む本発明の具体例を示す。この形状はセルをより柔軟にしよう。例えば、セルを、他のプレートの表面区域に接近する必要がある様々な取り扱い装置中に置くことができる。１具体例においては、開口したセルを走査型電子顕微鏡内部で検査することができ、または薄膜を特殊薄膜成長装置中で堆積することができる。プレートの一部分を置き換えることで、新たな処理表面は対向する区域に対向するかまたは他に新たな処理区域が処理表面に対向する。これは、幾つかの共同で機能する取り扱い装置を用いてプロセスの連鎖を生成するためにセル表面に逐次操作を行う可能性を開く。
【００５１】
図５は、２つのプレート同士の間の間隔に様々な成長及び／またはエッチング媒体を提供するための手段を含む本発明の別の具体例を示す。これは、必要なシーリング機構を有する少なくとも１つの開口部１２を有することで実現することができる。取り扱い装置の一部分である外部管１１を穴に挿入し、それによって、セルを通るガスまたは液体流れを可能にするためのまたはポンピングすることによってセルをパージするための通路を開く。シーリング機構はクイックロックタイプであり、様々な他のシーリング用途に見られる。このような具体例においては、開口部はばね機構またはその他同様なものによって閉じ、管を除去するとすぐにセルをしっかり密封した状態にする。
【００５２】
図６は、セルの操作のための別の具体例を示す。電気接点１３をセルのプレートの一方または両方の表面に置いて、他の計器、制御装置または他の装置と通信する。こうした電気接点は、セルの内部へのまた内部からの信号及び出力の必要な通信を提供する。電気的配線はプレートの他の側に向かって、プレートのその側の表面に置かれる任意の追加の機能単位によって使用される。これを実行し本発明の別の具体例を表す他の様式は、無線通信及び電力の誘導結合を使用することであり、または発電用に太陽電池及び標準的な光通信、すなわち、光またはレーザーダイオードに提供される光を使用することである。このような具体例は、機能単位の幾つかの内部に置くためのかなりの通信及びソフトウェアの情報を必要とする。
【００５３】
図７は、プレート表面の個々の領域を示し、ここでナノ構造化成長及びエッチング処理を実行する１４、１５。この領域は、プレート自体の表面にまたはプレートに取り付けるか若しくは図４によって示すようにプレートを介して取り付ける特殊処理プレート表面にあるとすることができる。シーリング手段は処理プレートの除去及び置き換えを可能にする。処理プレートは、表面の様々な領域への電気的配線を提供する最外表面への必要な修正を有する特殊または標準的なシリコンチップとすることができる。プロセス単位のこの特殊領域を以後プロセス領域と呼ぶ。
【００５４】
図８は、ナノスケール処理を実行する際にセルの自由度を増大させるのに役立つ様々な領域を示す。この所望による領域をまたサービス領域１６と呼び、以下のものを含む多くの機能を含むことができる。
・水、ＣＨ４、ＳｉＨ４またはＭＨＸのような酸素プロセスガス及び様々なプロセスを妨害し得る他の残留ガスを含まないセルを清浄化するための電気活性化ゲッター（式中、Ｍは水素と安定な化合物を形成する任意の元素を表し、ｘは整数である）。セルを超高真空状態またはｐ＜１０−１０mbarまでポンピングするために、ジルコニウムまたは他の適切な材料で構成されることができるゲッターも使用することができる。
・金属水素化物の例えばＰｄＨｘを使用して水素を送達するかたは水素を成長媒体から除去する水素供給領域。
・ＣＨ４、ＳｉＨ４またはＭＨＸのような種の供給を提供するエッチング領域（ここで例えばアルゴン及びＨ２の混合物中のＣ、Ｓｉ及びＭのエッチングはこのような種の形成をもたらす）。
・適切なエネルギー及び強度の光子を使用して、光伝導材料を伝導にし、化学反応または加熱を助けるための必要な照射を成長セル中に提供する。
【００５５】
図９は、制御された仕方でナノスケール成長を実行する本発明の１好適な具体例を示す。プロセス領域１４は、図９ａにおいて、プレート同士の間のプロセス媒体中で他のプレート表面のプロセス領域１５表面にナノスケール成長を実行するために使用する１つの予め製造した先端部１７を有する１つの電極１８を含む。成長したナノスコピック構造体は、セルの限定された移動範囲が理由となって範囲が領域１９に限定される。このプロセス領域は、成長したナノ構造体との接触を取るために予め製造した伝導性ワイヤを含むことができる。図９ｂは、図９ａの具体例のさらなる拡張を示し、ここで大きな区域にわたって処理を実行するための最高１億個の先端部／cm２までを有する先端部のアレイが提供される。
【００５６】
セル中の成長媒体は、任意の極低温材料の例えばＣＨ４、ＳｉＨ４若しくはＭＨｘ、または他の適切な成長材料のような成長種と混合した液体アルゴンで構成されることができる。アルゴンは本発明のためには特に好ましい極低温液体であるが、他の化学的に不活性の媒体をアルゴンと置き換えてよく、これは、臨界未満であろうと超臨界であろうと、室温で液体、半固体、または固体状態でさえもある元素または化合物を含むことは了解されよう。加えて、媒体内部で実行される化学反応またはプロセスと元素または化合物が適合する場合は、不活性の元素または化合物を成長媒体として使用することが可能である。エッチング媒体は、水素、または、塩素、フッ素等のような元素を含む任意の標準的なエッチング化合物とすることができる。電気化学堆積またはエッチングのための電解質の使用もまた本発明の他の具体例に含まれる。図９の予め製造した先端部１７もまた電極表面にインシトゥで成長させ、この場合、先端部は電極表面に成長させた第１の構造体を含む。このような第１の構造体もまた他の具体例において任意の他の適切な形状を取ることができ、これは例えば球、皿、ドーナツ様形状または特定の具体例に適した任意の他の形状である。様々な図に示す様々な具体例によって提供される実施例においては、予め製造するかまたはインシトゥで成長させた他の第１の構造体が可能であることは了解できるはずである。
【００５７】
図１０において、別の好適な具体例を示す。図９に示す予め製造した先端部または先端部アレイは、ナノメトリックスケールの先端部の高さ及びサイズ変化が理由となって不満足な性能という欠点を有することがある。こうした変化は、特に先端部アレイ処理の場合、処理の制御可能性に大きな影響を及ぼそう。たとえ予め製造した先端部アレイが非常な精密さを有しても、厳しい処理条件は先端部の高さ及び構造健全性を漸次低下しよう。この結果、先端部の寿命が、このような具体例の経済性及び精度を制御しよう。原子的な精度で先端部を成長させ、処理の間中精度を維持する様式を見い出すことは、大規模に成長させる際に必要な経済性を得るために最も重要である。図１０ａ〜図１０ｂは、一方または両方の電極またはプロセス領域１８及び１９表面で、先端部１７の製造及び可能な維持をインシトゥで実行することを示す。本発明の成長プロセスによるインシトゥ維持によって、小さい突出部または局所的な表面粗さを有する電極から先端部を成長させることができ、従って電極表面またはプロセス領域表面の好ましい位置での先端部形成を可能にする。この具体例はその上、静止及び／または予め製造した先端部または他の構造体を有する具体例よりも経済的な形状を提供することが期待される。
【００５８】
図１１は、先端部アレイ中の任意の１つまたは複数の先端部と対向するプロセス領域２１（表面にナノ構造体２２を形成する）との間に生成するパルスを使用して大規模表面に原子的な精度で製造することを可能にするために前記アレイの使用と組み合わせて先端部アレイ２０の成長及び維持を実行する本発明の好適な具体例を示す。
【００５９】
前記ナノ構造体の形状、サイズ、材料組成及び機能性は、先端部とプロセス領域との間でパルス化プロセスを使用して与えられた化学的環境中で可能な様々な化学反応及びその内部構造変化の数によってのみ限定される。図１０ａ〜図１０ｂは、先端部は両方のプロセス領域２０及び２１の表面に成長させることができることを示し、プロセス領域２０中で維持され、プロセス領域２１中でナノ構造体から成長する先端部をもたらす。連続法においては、プロセス領域２０中で完全に形成されるかまたは維持される特定の先端部１７ｂを使用して、特定の先端部１７ａの近くのまたはこれに接続するナノ構造化伝導体、縁体または機能デバイスを成長させる。
【００６０】
個々の電極及び対向するプロセス領域に加えたパルスは、材料特性及び成長またはエッチングプロセスに依存して、長さピコ秒〜ミリ秒の範囲にわたる電圧パルス、及びゼロボルト〜数千ボルトの範囲にわたる任意の幅及び高さとすることができる。各パルスは１つまたは多数のより短いパルスの組合せで構成されることができ、特定の形状の全パルスまたはパルス束を与える。電極及び／または形成される電極先端部またはナノ構造体を用いて、電極同士の間の媒体中の元素をパルス化プロセス中で活性化し、化学結合を形成する。成長制御は、各個々の先端部と電極基板との間の接触の欠如または存在を監視することで実現する。全ての先端部を所望の高さに成長させたら、これ自体を使用し、完全に成長した電極先端部と下にある面との間の電気的パルスを使用して、基板電極表面に特定のナノ構造体をさらに製造することができる。このような具体例においては、従って両方のプレート表面に往復成長（reciprocal growth）を実行することができる。
【００６１】
電極表面を、原子的な精度で互いに対して全て三次元でピエゾアクチュエータを使用して走査する。電極の相対的運動は、形成及び成長の間中の先端部形状の制御を可能にし、その上、原子的な精度で同時にナノ構造体と比較して大きな区域にわたって画像電極表面に成長させたナノ構造体の形状及び形態の制御を可能にする。このような方法によって、ナノ構造体のサイズと比較して非常に大きな区域にわたって原子規模の分解能が可能である。
【００６２】
周波数１００MHzを有する数nsのパルス幅は、提案された様式で１億回の化学反応／秒を形成する可能性があり、ここで各反応は幾つかの化学結合の形成からなる。均一な３Ｄ材料を仮定し、１００％の確率で反応が起き、各周波数間隔で先端部が１nm（この場合には０．１m/s（ピエゾアクチュエータを用いて容易に得られる））移動することができると仮定すると、１０msで１μm２の区域の表面に１つの先端部がこのような材料の１nm厚さの層を形成する可能性がある。１mm２の電極表面は、この実施例において１，０００，０００個の先端部のアレイを含むと思われ、各個々の構造体からのパルス機構の制御を可能にする別個のまたは相互接続されたスイッチに全て接続する。アメリカ半導体工業会（ＳＩＡ）の手引き、２００１、によれば、ダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）のチップサイズは２０１２年には約１，６００mm２であろうし、形状特徴サイズ５０nmを含む。１つのこのようなチップは、提案された様式で１６秒で製造される可能性があり、２４０チップ／時の速度である。均一な材料から製造された形状特徴サイズまたはピクセルの場合（５０nm、全て三次元で１００nm間隔を置いて離れている）、提案された製造方法は、単一の１cm２の電極表面のスループット８００Mピクセル／sを可能にする（以前のように１μm間隔で製造先端部を１cm２アレイ表面に置く場合、速度は１００倍速いと思われる）。より現実的な推定は、各ピクセルにつき様々な材料組成を仮定すると思われ、これは、プロセスはより多くの時間を要しようが電極表面積は費用効果的に数桁増大させることができ、ナノスコピック構造体をより小さくより高密度に実装することができることを意味する。
【００６３】
説明した原子的な精度の成長の場合、表面同士の間の距離と比較して大きな区域、特に少なくとも１mm２、好ましくは１cm２以上の区域にわたってナノメトリックに密接させて均一に物体及び画像電極プレートを置くことができることが仮定される。数ミリメートルの区域にわたって延在する原子スケールの平滑度を有する電極の使用は、標的を設定したナノスコピック構成に分子を指向するための不可欠の必須要件を表す。単結晶金属表面は従来精度０．５度で製造することができるが、レプリカ技術は大規模に平滑な金属表面の製造を可能にし、根二乗平均粗さ（root mean square roughness）０．４nm及び複製基板と同じ大規模平滑度を有する（J. Diebel et. al. "Fabrication of large-scale ultra-smooth metal surfaces by a replica technique", Appl. Phys. A vol. 73, pp. 273-279,2001を参照されたい）。高品質の市販のシリコンウェーハは、少なくとも３００mmのウェーハ長さスケールにわたって数ナノメートルの表面均一性を有する。層状結晶の例えば雲母、ＨＯＰＧまたはＭｏＳ２は原子的に平坦なテラスを有するが数センチメートルの区域にわたってミクロスケールの高さの差を有し得る。マイクロメートルスケールの高さの差を有する表面の原子スケールの成長の不正確さは、本明細書において説明する本発明の好適な具体例においては、プラズマエッチングによって最小にすることができる。
【００６４】
説明されている環境中で大規模に平滑でも平滑でなくてもよい電極表面に成長及びエッチングすることを可能にする方法を見い出すことは重要である。図１２の流れ図を使用して、プレート同士の間の距離と比較して大きな区域にわたって２つの得られたプレート電極、２３、同士の間にいかにしてナノメトリック距離を実現するかを決定する。物体及び画像電極プレート表面の電極同士の間の接触状態を記録することで、アレイ中の全ての電極位置でプレート同士の間の距離に関する情報を得ることができる。
【００６５】
成長／エッチング環境中で電極表面が大規模に平坦である場合、２４、図１３の流れ図において説明する手法を使用して、さらなる処理も考慮も無しに原子スケール電極成長２７を開始することができる。
【００６６】
電極が意図された用途のために十分に平滑である場合、２５、多分マイクロメートル平方の区画表面のみが平滑であるが、決定の結果２６に依存して、図１４の流れ図または図１５の流れ図を使用して原子スケール電極成長を開始することができ、ナノ構造体の規模と比較して大規模に平滑とすることができる階段状表面のナノ構造体成長を可能にする。
【００６７】
電極表面がナノスケールでのみ平坦である場合、これは大規模にナノ構造化構成を用いてキャラクタリゼーションすることができず、表面は平滑度を増大させるために処理する必要がある、２８。これは、先に説明した電極同士の間の電気的パルスを使用して、インシトゥで基板と同一の材料の層を成長させることで成し遂げることができる。エッチング、電解研磨及び化学機械研摩（ＣＭＰ）もまたプロセスセル内部に実現される可能性がある。
【００６８】
電極がナノスケールで粗い場合、例えば成長、電解研磨または制御されたエッチング２８を使用して表面の平滑度を増大させることが可能かどうか、決定しなければならないだろう、２９。電極表面を平滑にするために使用できる方法がない場合、電極をより平滑な表面で置き換えなければならないだろう、３０。
【００６９】
図１３の流れ図は、大規模に平滑な表面かまたはミクロスケールで平滑であり大規模に電極同士の間にナノメトリック距離で置くことができる２つの表面の電極表面に、先端部を成長させる方法及び説明する。最初に、３１、成長手順のために必要な全てのパラメータを設定する。設定は、成長媒体において使用する材料、電極のタイプ、形成するナノ構造体または先端部のタイプ、先端部高さ、ナノ構造体の密度、パルスの周波数及びパルス高さ等に依存する。画像電極は、最初の工程ではナノ構造体を有しても有しなくてもよい。電極プレートを平行にアラインメントし、３２、その結果、表面同士の間の距離は、大規模表面にわたってナノメトリックスケールで均一に小さい。電極を表面に対して垂直にずらし、その結果物体アレイ中の全ての電極は物理的接触に達し、３３、ここで全て三次元で全ての電極の相対的位置を記録し、電極を成長高さに移動し、３４、この高さは、与えられた幾何学的形状、両方の電極における材料組成、成長媒体及び他の寄与ファクターで、所望の成長速度にとって適切な電極同士の間のギャップ距離に対応する。先端部またはナノ構造体が使用者によって指定された最終的な高さに達した時に起きる“オフ”状態にあると特にラベルされていない物体電極位置で、電極同士の間で電気的パルスを開始する、３５。送出されたパルスの数は成長の速度に影響し、プロセスの始動において指定しなければならないだろう。ナノメトリックスケールでまた提案された環境中で、成長速度における特定の無秩序さが予想され、特定のパルスの数ｎの後に、画像電極面中の現在のｘ、ｙ位置での接触状態を監視しなければならないだろう、３６。
【００７０】
接触状態が、指定された先端部またはナノ構造体と対向する電極との間の物理的接触であると定義される決定された範囲に等しいかまたはこれ以内の条件を満たし、先端部またはナノ構造体が使用者によって定義されるように最終的な高さに達した場合、３７、対応するナノ構造体で成長を中止し、現在のｘ、ｙ座標でその位置をラベルし、３８、全プロセスを終了し、４０、全ての先端部またはナノ構造体が最終的な高さに達した場合、３９、その座標で同じ方法を用いて決定する。
【００７１】
上記に定義されたような物理的接触が最終的な高さ位置に達しない場合、どの種類のナノ構造体を成長させているかに依存して、パルス化プロセスを新たな成長高さで繰り返す、４１。ナノメトリックな面内相対的電極プレート円形運動によって、円錐型の先端部を製造することができる。数μm２のサイズの区域にわたってさえもマイクロメートルサイズの区域表面にナノ構造体を製造することができ、先端部区域はＮ１×Ｎ２に等しく、ここでＮ１及びＮ２は物体電極先端部の特定の数であり、異なる先端部が同じナノ構造体を成長することを可能にして均一なナノ構造体成長を確実にする。図１６は形成されるナノ構造体を示し、ここで先端部６４及び６５は単一のナノ構造体の形成に関与することが可能である。
【００７２】
本発明の１好適な具体例においては、物体先端部を完全に平坦な物体電極から成長させ、ここで任意の個々の電極表面の先端部成長の開始位置を対向する電極表面のナノ構造体の位置によって決定する。図１３に従って電極がアラインメントされ、位置３３に置かれた場合に、最初のパルスは物体電極表面にナノ構造体を生成しようし、形成を可能にするのに応じて成長の間中に電極の相対的運動を調節する場合に、先端部を漸進的に形成しよう。先端部の高さは、ナノ構造体での機械的または物理的接触を可能にすることで制御することができ、ナノ構造体成長が可能ではない区域なので、その結果全てのまたは任意の数の先端部は成長プロセスの間中いつでもこの区域（校正区域と呼ぶ）に接近することができるような区域での基板の機械的または物理的接触と比較することができる。この場合には画像ナノ構造体の高さは先端部高さと比較して小さいと仮定しなければならないが、これは先端部成長が申し分なく進行中の場合にのみ真実であろう。
【００７３】
図１４の流れ図は、ミクロスケールで平滑な表面でナノ構造体を製造する本発明の別の具体例を説明し、ここでナノ構造体を破壊することなく一緒に加圧することができる軟質材料から基板電極を製造する。この材料は好ましくは延性材料の特性を有し、すなわち、圧力を放出した後に変形を維持し、またはエラストマーの特性を有し、圧力を放出した際に元の形態に緩和する。画像電極は、この具体例の最初の工程ではナノ構造体を有しても有しなくてもよい。成長ルーチンを始動し、４２、物体及び画像電極をアラインメントし、それらの相対的位置を物体電極アレイ中の各電極位置で記録する、４３。全ての先端部が物理的接触に達するまで表面を一緒に加圧し、４４、各物体電極での位置を再度記録する。表面を最初のパラメータから決定された成長高さに緩和し、４５、物理的接触にあると測定された電極は“オフ”状態であるとラベルする（物体電極材料が純粋な延性特性を示す場合、このようなラベル付けはこの工程では期待されない、図１７を参照されたい）。ラベルされていない物体電極先端部位置でパルスを開始し、４６、ｎ回のこのようなパルスの後に接触状態を測定し、ここで数ｎは最初のパラメータから決定される。接触状態を各物体電極位置で決定する、４７。
【００７４】
ナノ構造体または先端部の最終的な高さに達した場合、４８、画像または物体電極表面の位置を“オフ”状態とラベルし、成長を終了する、５０。さもなければ、先端部及びナノ構造体を含む電極表面の形状を損なわない平行運動をカバーできるほど大きな区域内部で、電極プレートを互いに対して平行に移動する、４９。前記区域は幾つかの物体電極間隔の寸法をカバーできるが、各先端部の平行移動は、個々の先端部によって形成されるナノ構造体よりも高い障害物によって限定される。このような限定は、エラストマー特性を有する電極材料の場合には、延性材料である場合程に厳しくはない。
【００７５】
全てのナノ構造体または先端部が最終的な高さに達した場合、５１、成長プロセスを終了する、５２。全ての構造体で最終的な高さに達しない場合、表面をさらに緩和し、その結果、少なくとも１つの及び好ましくは多数のラベルされた先端部は成長高さに達することができ、全ての構造体で最終的な高さに達するまでプロセスを繰り返す。各物体電極先端部にとって利用できる区域は、均一な先端部構造体を成長できるには小さすぎるか、または、全てのプロセス領域表面でナノ構造体の成長を制限すると考えられる場合、図１７に示すように、電極は離れて移動することができ、様々な位置で再度加圧し、図１７では先端部６４は先端部６５が前に位置した画像電極表面位置で加圧されている。
【００７６】
図１５の流れ図は、物体先端部を成長させ、その結果、図１８に示すように、全ての先端部は同時に物理的接触に達することができ、ここで先端部６４及び６５は様々な長さに成長しており、両方の先端部が、対向する電極、ナノ構造体または先端部と同時に物理的または機械的接触することを可能にすることによって、ミクロスケールで平滑な表面にナノ構造体を成長させる方法を説明する。物体電極は、最初の工程では成長促進先端部のアレイを有しても有しなくてもよく、画像電極はナノ構造体を有しても有しなくてもよい。電極プレートは、始動、５３、及びアラインメント、５４、後に、物理的接触が可能な先端部位置で物理的接触に移動するが、５５、物理的接触がアラインメント工程において実現しなかった位置で物理的接触にまで成長させる。相対的運動によって、電極は成長高さに移動し、５６、先の方法において説明されているように最初のパラメータによって決定される。数ｎの電気的パルスを開始し、５７、接触状態を記録する、５８。最終的な高さに達した場合、５９、対応するナノ構造体位置または先端部をラベルし、６１、全てのナノ構造体をラベルした場合、６２、成長ルーチンを終了する、６３。最終的な高さに達しない場合、使用者によって決定されるが、ナノ構造体と比較して大きな規模で平滑な区域以下の大きさであり、表面にいかなる先端部の妨害された面内運動も起きない区域内部で全ての先端部の相対的先端部−表面位置を変化させる。
【００７７】
各物体電極先端部にとって利用できる区域は、均一な先端部構造体または全プロセス領域を被覆する構造体の成長を可能にするには小さすぎると考えられる場合、電極は離れて移動することができ、物体電極先端部をエッチングし、様々な相対的表面位置で再度成長させる。
【００７８】
電極表面同士の間のナノメトリック距離を得るために使用する任意のまたは全ての方法を、組合せて使用できる。全てのナノ構造体が前記様式で成長手順から除かれた時に、プロセスは完了し、全てのナノ構造体は同じ高さを有するか、または特に、主として物体先端部表面での最後の材料成長から生じる成長誤差かまたは物理的若しくは機械的接触の決定に不正確を生じる先端部−ナノ構造体距離と接触状態との間の関係の決定における誤差によって決定される統計的平均高さ以内にある。
【００７９】
本発明の１好適な具体例においては、成長した構造体の製造均一性を確実にする方法を使用する。この方法においては、全てのナノ構造体を少なくとも特定の数の様々な物体電極先端部を使用して製造する。これは、任意の２つの先端部または多数の先端部と個々のナノ構造体との間のギャップにおいて起きる（形状、長さ、詳細な組成等が理由となって）最後の成長またはエッチング速度差を相殺しようし、与えられた物体電極先端部アレイの寿命または維持の間の時間間隔を増大させよう。
【００８０】
図１９は、プレート２のうちの１つの処理された帯域の拡大図を示し、この場合単一の処理先端部が帯域中に存在する本発明の１具体例を示す。特殊チップ１９を処理帯域中に置く。先端部の成長帯域６８は典型的に、辺の長さ１〜１０マイクロメートルを有する区域に限定される。図で分かるように、このチップは必要な電気的配線６７をこの成長帯域に提供する。上側及び下側表面（図示せず）の接触パッド６６は、デジタル信号またはアナログ信号を用いてこのチップと外界とのインターフェースを得るために必要である。処理された帯域１７中の先端部、並びに成長セル中の上部プレート表面に上部先端部によって表面に成長させたナノ構造体６９が見える。特殊成長チップは、周知の半導体企業の例えばインテル・モトローラ（Intel Motorola）、ナショナル・セミコンダクター（National Semiconductor）、東芝（Toshiba）、日立（Hitachi）等によって大量に製造される任意のＳｉ電子チップとすることができる。Ｐ４チップ、並びに標準的な８ビットマイクロプロセッサコントローラをこのセル内部に置くことが可能である。これはチップを必要とする用途に依存する。処理セル中で処理するためのこのような半導体チップの表面を作製するための２つの主な二者択一の様式が存在する。１つは、半導体製造において使用する同じ方法を使用して、すなわち、アイソレーションメタライゼーション層の薄膜堆積と共にリソグラフィ工程によって、チップの上に追加のアイソレーション及びメタライゼーション層を加えることである。原子的に平滑な層を得るために、処理のための、特に先端部の大型アレイによる処理のための条件を生成するために、上層のＣＭＰ（化学機械研摩）研摩を必要とする。これを成し遂げるための別の様式は、これをＳｉチップの表面に取り付けた特殊プレート表面に作製するというものである。
【００８１】
図２０は、下部プレートを基準として上部プレートのｘ、ｙ位置を決定する際に少なくとも原子的な精度を得るための形状特徴を示すさらに別の具体例を示す。この形状特徴を、最終的にｘ、ｙ、ｚ運動制御装置に接続する共通信号線７０上に規則的な間隔で特殊位置決めパッド７１を書込む／成長させることによって得る。読取り先端部は信号線表面のパッドから位置情報を読取る。信号線の数及びパッド同士の間の距離は、任意とすることができる。パッド付き信号線の長さはプロセスセルの移動範囲以下であることのみが必要である。全ての既知の位置決めコードをこのようにして実現することができ、これは例えば標準的な二進コードまたはより誤りがちでないグレーコードである。大型アレイを形成する多くの先端部が存在する場合、幾つかの先端部を特に設計して、この機能を実行することができる。１６ビット二進コードは、信号線の二進重みづけ（binary weight）に従ったパッドサイズ及び距離を有する少なくとも１６本の信号線を必要とする。移動範囲の少なくとも半分の周期を有する距離及びパッドサイズを有するランダムパターンを用いて成長させた２本以上の信号線を使用することによって、より簡易なコーディングが可能である。制御システムはパターンを走査し、ｘ、ｙ、移動アクチュエータに供給される信号とこれとを比較することでパターンを知ることができる。
【００８２】
図２１は、２つのプレートのうちの両方のまたは１つの表面に先端部によって置くかまたは成長させたこのようなパッドの別の機能を示す。このようなパッドの高さ及びサイズは、先端部の高さよりもはるかに大きい。成長の間中の成長条件は、構造体に特定の多孔性及び弾性を与える。これを次に使用して、幾つかのパディング領域において２つのプレートを機械的に接触させて、２つのプレートを互いに対して移動する際にさらなる制御を達成し、またプレート同士の間の加工間隙をより容易に制御する。プレート同士の間に全区域にわたって弾性パッドが一様に分布している場合、加えた外力は全体にわたって支持される。
【００８３】
図２２においては、１具体例において使用する装置のセットアップを示す。この図においては、ナノスケール運動を実行するための手段を有する取り扱いシステム７４中に置く成長セルの簡易な概略表現を示す。また電源７３並びに運動及び処理アルゴリズムの全ての必要な制御を実行するために使用する標準的なコンピュータ７６への接続を示す。ナノスケール運動のための手段を有しないが研究を行うために生物学的液体を成長セル内部に挿入するための接近を可能にする第２の取り扱い装置７５を示す。第２の取り扱い装置に見られる特殊ソフトウェア及びハードウェアを用いて、成長したナノ構造体と生物学的試料液体との相互作用を監視する。他のタイプの取り扱い装置は、薄膜装置及びリソグラフィツールを使用してプロセスチップまたは処理チップへと変換するためにＳｉチップを製造及び変化させるために使用する取り扱い装置である可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】２つの円形ベースプレートを有する基本的機械的設計を示すプロセスセルの一部分の略図を示す。
【図２】弾性材料を２つの円形ベースプレート同士の間に置き、プロセスセルを形成するように組み合わせた形状の略図を示す。
【図３】図３Ａは、セルの表面に加えられた成分Ｆｘ、Ｆｙ及びＦｚを有する外力の略図を示す。図３Ｂは、外力をｘ方向にのみ加えた時の底部プレートに対する最上部プレートの変位Δｘの略図を示す。図３Ｃは、外力をｚ方向にのみ加えた時の底部プレートに対する最上部プレートの変位Δｚの略図を示す。
【図４】最上部プレートの一部分を除去したプロセスセルの略図を示す。
【図５】２つの穴を導入して、２つのプレート同士の間の間隔への媒体の挿入及び／または除去を可能にするプロセスセルの略図を示す。
【図６】セルの最上部プレートに電気接点を加えたプロセスセルの略図を示す。
【図７】ナノ構造化成長及びエッチング処理を実行するプレート表面のプロセス領域の位置を示す、プロセスセルの略図を示す。
【図８】ナノスケール処理を実行する際のプロセスセルの自由度を増大させるのに役立つ様々な領域を示す、プロセスセルの１つのプレートの略図を示す。
【図９】図９Ａは、表面にプロセス領域が位置するプロセスセルのプレートの略図を示す。最上部プロセス領域は、表面に予め製造した先端部が位置する電極を含む。図９Ｂは、表面にプロセス領域が位置するプロセスセルのプレートの略図を示す。最上部プロセス領域は、表面に予め製造した先端部が位置する電極のアレイを含む。
【図１０】図１０Ａは、表面にプロセス領域が位置するプロセスセルのプレートの略図を示す。最上部及び底部プロセス領域は、互いに対向するナノ構造体を有する電極を含む。図１０Ｂは、表面にプロセス領域が位置するプロセスセルのプレートの略図を示す。最上部及び底部プロセス領域は、互いに対向する先端部を有する電極を含み、ここで先端部は、最上部と底部電極との間の電気的パルスを使用してナノ構造体から成長させてある。
【図１１】図１１Ａは、表面にプロセス領域が位置するプロセスセルのプレートの略図を示す。最上部及び底部プロセス領域は、ナノ構造体の先端部アレイであって互いに対向する２つのアレイを有する電極を含む。図１１Ｂは、表面にプロセス領域が位置するプロセスセルのプレートの略図を示す。最上部及び底部プロセス領域は、電気的パルスを使用してナノ構造体から成長させてあるアレイを有する電極を含む。
【図１２】本発明の好適な具体例において有用な製造方法を説明する流れ図を含む。
【図１３】本発明の好適な具体例において有用な製造方法を説明する流れ図を含む。
【図１４】本発明の好適な具体例において有用な製造方法を説明する流れ図を含む。
【図１５】本発明の好適な具体例において有用な製造方法を説明する流れ図を含む。
【図１６】いかにして１つ以上の物体が１つ以上のナノ構造体の成長に関与することができるかを示す、物体電極及び画像ナノ構造体のアレイの略図を示す。
【図１７】ナノ構造体と比較して大きな規模で平滑ではない１つまたは複数の基板表面に位置する物体電極及び画像ナノ構造体のアレイの略図を示す。表面を一緒に加圧し、一方または両方の基板を、延性またはエラストマー特性を有する材料から製造する場合、圧力の無い機械的接触区域よりも少なくとも大きな区域で機械的接触に達する表面を作製することができ、良く一致する物体及び画像電極表面の形状を成形する。簡単のために物体電極基板の純粋な延性特性のみを本明細書において示し、この場合には画像表面は剛性である。
【図１８】ナノ構造体と比較して大きな規模で平滑ではない１つまたは複数の基板表面に位置する物体電極及び画像ナノ構造体のアレイの略図を示す。物体電極表面のナノ構造体成長促進先端部を成長させて、対向する画像電極表面との物理的接触に達し（ナノ構造体はあってもなくてもよい）、その結果、成長促進先端部は、対向する画像電極表面に一致する表面メッシュを形成し、従って大規模に原子的な精度でナノ構造体成長を可能にする。
【図１９】表面にプロセス領域が位置するプロセスセルプレートの略図を示す。プロセス領域は、制御装置への及び各接点からの外部電気的配線を可能にする接続箇所、先端部が位置し、幾つかの接続箇所に接続した中心領域に至る伝導性ワイヤを有する。
【図２０】図２０Ａは、表面にナノ構造体を含む電極を有するプロセス領域が位置するプレートを含むプロセスセルの略図を示す。図２０Ｂは、表面に成長した先端部を含む電極を有するプロセス領域が位置するプレートを含むプロセスセルの略図を示す。図２０Ｃは、底部電極表面の先端部のうちの１つの近くの拡大した区域の略図を示す。いずれかの電極表面のパターン形成したナノ構造体の位置を検出することができる特殊な読取り先端部を使用することによって、最上部プレートに対する底部プレートの位置を決定する。
【図２１】図２１Ａは、先端部電極及び対向するナノ構造体を含む２つのプロセス領域の略図を示す。最上部プロセス領域は、最上部プロセス領域中のいかなる先端部よりも丈の高い弾性パッドを含む。図２１Ｂは、一緒に加圧し、その結果、弾性パッドは変形し、先端部及びナノ構造体の密接した空間的接近を可能にする２つのプロセス領域の略図を示す。図２１Ｃは、一緒に加圧し、その結果、弾性パッドは変形し、横方向に滑って、先端部及び底部プロセス領域の密接した空間的接近を可能にする２つのプロセス領域の略図を示す。
【図２２】電源及びコンピュータ、及び例えばナノ構造体と相互作用する生物学的試料を検出するために使用する別の取り扱い装置に接続され、相互作用の分析のために必要なソフトウェアを含む取り扱い装置中に挿入された成長セルの略図を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【国際調査報告】
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