(57)【要約】      （修正有）【課題】表面が滑らか若しくは平面的な状態に保たれた密な一次元構造配列又はクロスバー構造を容易に作製できる方法を提供する。【解決手段】一次元構造配列又はナノクロスバー構造を基板上で、以下のようにして作製する。(i) 基板をセット；(ii) 前記基板上に近接して、スリットを有するシャドーマスク５をセット；(iii) 前記基板上に、第一層を堆積させるための原料を供給； (iv)前記シャドーマスクを、前記基板との平行性を保ちながら、前記基板に対して所定の距離だけ、前記スリットの長さ方向に対する直角方向に移動； (v) 前記基板上に、第二層を堆積させるための別の原料を供給；(vi) 前記シャドーマスクを、前記基板との平行性を保ちながら、前記基板に対して所定の距離だけ、前記スリットの長さ方向に対する直角方向に移動；(vii) シャドーマスク又は基板の総移動距離がスリットピッチに達するまで、上記工程(iii)-(vi)を繰り返す。【選択図】図３
2008285690.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面が滑らか若しくは平面的な状態に保たれた密な一次元構造配列を、基板上に調製する方法であって、以下の工程を含む調製方法。
(i) 反応室に基板をセットする；
(ii) 前記基板上に近接して、スリットを有するシャドーマスク（そのスリット幅をｄとし、スリットピッチをｆとする）をセットする；
(iii)原料物質供給源から原料を所定時間供給し、前記シャドーマスクのスリットに対応させて、前記基板上に第一層を堆積させる；
(iv)前記シャドーマスクを、前記基板との平行性を保ちながら、前記基板に対して所定の距離（ｕ／ｕ１）だけ、前記スリットの長さ方向に対する直角方向に移動する；但し、ｕはｄよりも小さい、
(v)原料物質供給源から、別の原料を所定時間供給し、前記基板上に前記シャドーマスクのスリットに対応した第二層を堆積させる；
(vi) 前記シャドーマスクを、前記基板との平行性を保ちながら、前記基板に対して所定の距離（ｕ／ｕ２）だけ、前記スリットの長さ方向に対する直角方向に移動する；
(vii) シャドーマスク又は基板の総移動距離がスリットピッチ（ｆ）に達するまで、上記工程(iii)-(vi)を繰り返す。
【請求項２】
前記一つの原料が導体用原料であり、もう一つのガス原料が絶縁体用原料である、請求項１の調製方法。
【請求項３】
前記反応室として真空室が用いられる、請求項１の調製方法。
【請求項４】
前記スリット幅（ｄ）が２０ｎｍ−１μｍであり、前記スリットピッチ（ｆ）が１００ｎｍ−１０μｍであり、前記所定の距離（ｕ）が５ｎｍ−２５０ｎｍである、請求項１の調製方法。
【請求項５】
表面が滑らか若しくは平面的な状態に保たれた密な一次元構造配列を、基板上に調製する方法であって、以下の工程を含む調製方法。
(i) 反応室に基板をセットする；
(ii) 前記基板上に近接して、スリットを有するシャドーマスク（そのスリット幅をｄとし、スリットピッチをｆとする）をセットする；
(iii)原料物質供給源から原料を所定時間供給し、前記シャドーマスクのスリットに対応させて、前記基板上に第一層を堆積させる；
(iv)前記シャドーマスクを、前記基板との平行性を保ちながら、前記基板に対して所定の距離（ｕ／ｕ１）だけ、前記スリットの長さ方向に対する直角方向に移動する；但し、Δpはｄよりも小さい、
(v)原料物質供給部品から、別の原料を所定時間供給し、前記基板上に前記シャドーマスクのスリットに対応した第二層を堆積させる；
(vi) 前記シャドーマスクを、前記基板との平行性を保ちながら、前記基板に対して所定の距離（ｕ／ｕ２）だけ、前記スリットの長さ方向に対する直角方向に移動する；
(vii)原料物質供給源から、ｎ（ｎ：整数）番目の原料を所定時間供給し、前記基板上に前記シャドーマスクのスリットに対応した第ｎ層を堆積させる；
(viii) 前記シャドーマスクを、前記基板との平行性を保ちながら、前記基板に対して所定の距離（ｕ／ｕｎ）だけ、前記スリットの長さ方向に対する直角方向に移動する；
(ix) シャドーマスク又は基板の総移動距離がスリットピッチ（ｆ）に達するまで、上記工程(iii)-(viii)を繰り返す。
【請求項６】
以下の工程を含む、クロスバー構造の調製方法。
（１）請求項１又は５の調製方法に従って、表面が滑らか若しくは平面的な状態に保たれた密な一次元構造配列を、基板上に調製する；
（２）所定の穴のあるシャドーマスクを用いて、前記一次元構造配列上に機能性層を堆積させる；
（３）スリットの長さ方向が上記工程（１）で用いたスリットとは直角であるスリットを有するシャドーマスクを用いた点を除いては請求項１又は５と同様な方法で、前記機能層の上に、表面が滑らか若しくは平面的な状態に保たれた密な一次元構造配列を調製する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上に、一次元構造を密にかつ小さなピッチで配列させ、かつその一次元構造配列作製後の表面が滑らかに（又は平面的に）保たれる方法に関するものである。また、本発明は、上記一次元構造配列をデバイスへ応用する上で重要な、クロスバー構造の作製手法に関するものでもある。
【背景技術】
【０００２】
基板上に、密な一次元構造配列をパターニング又は作製する方法は、従来から幾つか知られており、例えば、フォトリソグラフィー、電子ビームリソグラフィー、ナノ印刷法等がある。
【０００３】
クロスバー構造は、将来のコンピュータの基本構造として提案された（非特許文献１）。クロスバー構造は、最も単純な場合、交差した二つの配線（一次元構造の一種）とそれらの配線の交差点に挟まれた機能性物質とから成る。ここで、上記機能性物質は、二つの配線に、例えば、電位差パルスを適用することで、その状態が変更（オン／オフ状態：異なる抵抗）されるスイッチとして機能する（非特許文献２）。これは、例えば、情報の貯蔵又は情報のプロセシングに使うことができる。
更には、並行に配されるナノデバイスを作製するため、移動するシャドーマスクを利用することは、以前に行なわれていた（非特許文献３〜６）。
【０００４】
【非特許文献１】Heath, J. R. et al: Science, 1998, 280, (5370), 1716-1721.
【非特許文献２】Collier, C. P. et al: Science, 1999, 285, (5426), 391-394.
【非特許文献３】Ono, K. et al : Jpn. J. Appl. Phys. Part 1 - Regul. Pap. Short Notes Rev. Pap., 1996, 35, (4A), 2369-2371.
【非特許文献４】Deshmukh, M. M. et al: Appl. Phys. Lett., 1999, 75, (11), 1631-1633.
【非特許文献５】Luthi, R. et al: Appl. Phys. Lett., 1999, 75, (9), 1314-1316.
【非特許文献６】Egger, S. et al: Nano Lett., 2005, 5, (1), 15-20.
【非特許文献７】Egger, S. et al: J. Comb. Chem., 2006, 8, (3), 275-279.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来のパターニング方法によっては、平面的かつナノサイズの（小さいピッチの）一次元構造配列及びクロスバー構造を作製することは非常に難しく、あるいは不可能であった。本発明の目的は、表面が滑らか（又は平面的な）でかつ密に並んだ一次元構造配列又はクロスバー構造を容易に作製できる方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
〔発明の要約〕
上記目的を達成するために、本発明者らは、基板（基質；substrate）に近接させた移動可能なシャドーマスクを用いて、小ピッチの一次元構造配列をつくる新しい戦略に思い至り、以下の発明を完成することに成功した。
すなわち、本発明の第一（第１の発明）は、表面を滑らか若しくは平面的な状態に保ったまま、密な一次元構造配列を基板上に作製する方法であって、以下の工程を含む作製方法（図３〜６参照）である。
(i) 反応室に基板をセットする；
(ii) 前記基板上に近接して、スリットを有するシャドーマスク（そのスリット幅をｄとし、スリットピッチをｆとする）をセットする；
(iii) 前記基板上に、前記シャドーマスクのスリットに対応させて、所定厚みの第一層を堆積させるために、原料物質供給源から原料を供給する；
(iv)前記シャドーマスクを、前記基板との平行性を保ちながら、前記基板に対して所定の距離ｕ／ｕ１（ｕはｄよりも小さい）だけ、前記スリットの長さ方向に対して直角な方向に移動する（逆に、シャドーマスクに対して基板を移動させてもよい）；なお、シャドーマスクの移動方向は、スリットの長さ方向に対する直角方向ばかりでなく、スリット長さ方向への多少の移動と合わせて行なうことも任意にできる（以下、同様）。
(v) 前記基板上に、前記シャドーマスクのスリットに対応させて、所定厚みの第二層を堆積させるために、原料物質供給源から別の原料を供給する；
(vi) 前記シャドーマスクを、前記基板との並行性を保ちながら、前記基板に対して所定の距離ｕ／ｕ２だけ、前記スリットの長さ方向に対する直角方向に移動する（シャドーマスクに対して基板を移動させてもよい）。
(vii) シャドーマスク又は基板の総移動距離がスリットピッチ（ｆ）に達するまで、上記工程(iii)-(vi)を繰り返す。
【０００７】
本発明の第二（第２の発明）は、表面が滑らか若しくは平面的な状態に保れた、密な一次元構造配列を、基板上に作製する方法（原料供給源は、三つ又はそれ以上の成分を形成するために、三つ又はそれ以上の異なる原料から成る。図１参照）であって、以下の工程を含む作製方法である。
(i) 反応室に基板をセットする；
(ii) 前記基板上に近接して、スリットを有するシャドーマスク（そのスリット幅をｄとし、スリットピッチをｆとする）をセットする；
(iii)原料物質供給源から原料を供給し、前記シャドーマスクのスリットに対応させて、前記基板上に所定厚みの第一層を堆積させる；
(iv)前記シャドーマスクを、前記基板との平行性を保ちながら、前記基板に対して所定の距離ｕ／ｕ１（ｕはｄよりも小さい）だけ、前記スリットの長さ方向に対して直角な方向に移動する（シャドーマスクに対して基板を移動させてもよい）。
(v)原料物質供給源から、別の原料を供給し、前記基板上に前記シャドーマスクのスリットに対応した所定厚みの第二層を堆積させる；
(vi) 前記シャドーマスクを、前記基板との並行性を保ちながら、前記基板に対して所定の距離ｕ／ｕ２だけ、前記スリットの長さ方向に対して直角な方向に移動する（シャドーマスクに対して基板を移動させてもよい）。
(vii)原料物質供給源から、ｎ（ｎ：整数）番目の原料を所定時間供給し、前記基板上に前記シャドーマスクのスリットに対応した第ｎ層を堆積させる；
(viii) 前記シャドーマスクを、前記基板との並行性を保ちながら、前記基板に対して所定の距離ｕ／ｕｎ（ｕ／ｕｎはｄよりも小さい）だけ、前記スリットの長さ方向に対して直角な方向に移動する（シャドーマスクに対して基板を移動させてもよい）。
(ix) シャドーマスク又は基板の総移動距離がスリットピッチ（ｆ）に達するまで、上記工程(iii)-(viii)を繰り返す。
【０００８】
本発明の第三（第３の発明）は、次の工程を含むクロスバー構造の作製方法（図９−１１参照）である。
（１）上記いずれかの方法によって、基板上に、表面が滑らか若しくは平面的な状態に保たれた密な一次元構造配列を作製する；
（２）所定の形状の開口部を有するシャドーマスクを用いて、前記一次元構造配列の上に機能層を堆積させる；
（３）スリットの長さ方向が、上記工程（１）で用いたスリットの長さ方向に対して直角方向であるシャドーマスクを用いる以外は、上記工程（１）と同様な方法で、前記機能層上に、表面が滑らか若しくは平面的な状態に保たれた、密な一次元構造配列を作製する；
【発明の効果】
【０００９】
第一の発明方法は、次のような利点がある。
ａ）最終構造の線幅（ｗ）は、非常に小さい。２５０ｎｍ以下にすることができ、作製条件を最適化すれば、５ｎｍ以下の構造をつくることも可能である。線幅（ｗ）は、開口部（スリット）の幅（Ｄ）よりも小さく選べる。
ｂ）作製した一次元配列構造の表面は、最終的に滑らかである。
ｃ）位置合わせが正確に行なわれれば、最終構造の表面は多くの一次元構造を考慮しても平面的である（図５参照）。
ｄ）本発明方法は、いろいろな材料（金属、合金、半導体及び絶縁体）からなる構造の作製に応用できる。ガス状ビームを形成でき、このビームが固体表面に凝縮可能ならば、一つの材料でもよい。ガス状ビームを形成させるため、多くの型の材料源、例えば、熱蒸発器（thermal evaporators）、スパッター源（sputter sources）、パルスレーザ堆積源（pulsed laser deposition sources）、パルスバルブ源（pulsed valve sources）、イオンビーム源（ion beam sources）、スプレー源（spray sources）などが使える。
ｅ）作製工程の間、基板やシャドーマスクは加熱も冷却もできる。また、基板やシャドーマスクの温度は各々独立に制御できる。
ｆ）本発明方法は、いろいろな基板に応用できる。滑らかな構造の作製のためには、滑らかな表面をもつ基板が好ましい。その作製には機械的応力がかる工程がないので、機械的に脆い基板も使うことができる。その作製工程中、基板は溶剤やレジストに晒されることがないので、化学的感受性のある、あるいは多孔質性の基板も容易に使うことができる。
ｇ）本発明方法は、僅かな数の工程を要するのみである。このことは、デバイスを発展させ、作製コストを安くする。
ｈ）本発明方法は、十分に制御された環境でなされうる。汚染によるデバイス実行上の好ましからぬ影響は避けられる。
ｉ）本発明方法は、数多くの構造を並行して作製するためにも用いることができる。
【００１０】
第二の発明方法は、次のような利点がある。
上記第一の発明方法における利点は、この第二の発明方法についても全て当てはまる。
・  特に重要な点は工程数が少ないことで、材料が増えても追加の工程数は少ない。
・２よりも多くの材料を用いれば、作製方法を更に最適化することができ、例えば、異なる層の界面特性を改善でき、例えば、妥当な格子定数及び結合定数を選ぶことができ、あるいは、拡散障壁を設けることができる。
【００１１】
第三の発明方法は、次のような利点がある。
上記第一及び第二の発明方法における利点は、この第三の発明方法についても全て当てはまる。この第三の発明方法に特徴的な応用について記述する。第三の発明方法の利点は以下の通りである。
ａ）一次元構造配列における小さな配列ピッチ（ｐ）は、非常に高密度のクロスバー構造の作製を可能にする。
ｂ）一次元構造配列の表面は、滑らかである。それゆえ、機能層及び頂部の一次元構造配列に歪みを生じることが少ない。
ｃ）本発明方法は、いろいろな材料（金属、合金、半導体及び絶縁体）からなる構造の作製に応用できる。機能層を考えると、種々の応用に可能な適切な機能層の研究は進行中であり、本発明における材料選択の柔軟性は重要性を増すことになる。
ｄ）作製工程の間、基板やシャドーマスクは加熱も冷却もできる。また、基板やシャドーマスクの温度は各々独立に制御できる。
ｅ）本発明方法は、いろいろな種類の基板に応用できる。
ｆ）本発明方法は、比較的僅かな数の工程を要するのみである。
ｇ）本発明方法は、十分に制御された環境でなされうる。
ｈ）本発明方法は、数多くの構造を並行的に作製するためにも用いることができる。
【発明の実施の形態】
【００１２】
本発明方法（第一、第二及び第三の方法）について、図面を参照しながら、更に詳しく説明する（製造装置の一例は、非特許文献６、７にも記載されている）。
図１は、本発明方法で使用される典型的な反応室（製造装置）の模式的縦断面図である。少なくとも２種の独立した材料源（１ａ，１ｂ）をもつ蒸発源アセンブリ（１）は、少なくとも２種の異なるガスビームを発生させる。
シャドーマスク（５）は、基板の表面に平行に、かつ基板に近接して置かれる。シャドーマスクと基板は、材料ビーム（４）に晒される。高精度の機械駆動装置を備えることで、基板（固定）に対してマスクを移動させることができる（マスクを固定させ基板を移動させてもよい）。シャドーマスク（５）における開口部形状（６）は、基板（７）上で作製される構造物（８）の横の幾何学的形状を決定する。
これらの大きさの典型的な値は次の通り。例えば、原料源のサイズ（ｓ）は２ｍｍ、原料源とマスク間の距離（ａ）は２０ｃｍ、マスクと基板間の距離（ｂ）は約１μｍである。これらの値によって境界領域の幅（q = s b / a）は決まるが、要求に応じて変えることは可能である。
原料ガスを熱放射させるときの温度変化を補償するために、追加的な可変熱ラジエータ（２０）を用いてもよい。これにより、温度変化による位置合わせの誤差を最小にすることができる。
この作製方法は、いろいろな種類の基板に応用できる。基板（７）としては、例えば、シリコン、酸化シリコン、シリコンナイトライド、サファイア、金属等のよく知られた基板がある。それらに加えて、作製に機械的応力がかかる工程がないため、機械的に脆い薄膜のような基板も使える。その作製工程で基板は溶剤やレジストに晒されないため、化学的に感受性のある基板（例えば、ハロゲン化物）や多孔性基板も容易に用いることができる。
【００１３】
使用可能な材料源又は材料源供給源（1/1a/1b）としては、熱蒸発器（thermal evaporator）、スパッター源（sputter source）、イオン源（ion sources）、パルスレーザ堆積源（pulsed laser deposition source）、パルスバルブ源（pulsed valve source）、スプレー源（spray sources）、又はその他の種類の材料源が使える。更には、構造の修飾・改質（例えば、有機物質の高分子化）のために電子やフォトン等が使える。
【００１４】
材料源は、一般的には、異なる物質を堆積させるため、数種類の成分（1a/1b/…）から成っている。典型的な場合では、材料源は二成分(1a/1b)であり、そのうちの一つは導体用としてのガス物質であり、もう一つは絶縁体用としてのガス物質である
【００１５】
反応室（１２）としては、真空室が好ましい。クリーンなものを作製するためには、圧力10−7 以下の超高度真空室（ＵＨＶ）が最も好ましく使われるが、これより少し高い真空度でも充分である。シャドーマスクを通すことを想定した蒸発のために重要なことは、原子／分子の平均自由移動距離（mean free path）が原料源−基板間の距離（ａ＋ｂ、つまりａ）よりも小さくないことである。0.1 Paの圧力の場合、原子／分子の平均自由移動距離は約４０ｃｍであり、これは充分な値である。仮に、原子／分子の平均自由移動距離が原料源−基板間の距離よりも小さいとすると、ビーム粒子の衝突が拡散ビームを引き起こし、その結果、最終構造がぼやけて精度が失われる。
【００１６】
シャドーマスク（５）は、通常、穴（開口部）のある薄い膜でできている。その開口部がスリットであり、スリットは直線的であっても曲線的であってもよい。開口部は種々の技術（例えば、収束イオンビーム（ＦＩＢ）、電子ビームリソグラフィー、フォトリソグラフィー等）によってつくることができる。スリットをもつシャドーマスクの２例を図２に示した。表面が滑らか若しくは平面的な状態に保たれた密な一次元構造配列を作製するためには、スリット幅（ｄ）は２０ｎｍ〜１μｍが好ましく、スリットピッチ（ｆ）は１００ｎｍ〜１０μｍが好ましい。
基板（固定）に対するシャドーマスクの所定の移動距離（その逆でも同じ）（u1,u2）は、基板上の一次元構造配列の線幅（w1,w2）を決めるものであり、これはスリット幅（ｄ）よりも小さくなければならない。好ましくは、５ｎｍ〜２５０ｎｍである。
シャドーマスクと基板間の距離ｂは、好ましくは１００ｎｍ〜１０μｍである。
ライン束は、図３に示すように、横に部分的にオーバーラップさせながら作製される。オーバーラップさせながら微細構造を形成する手法は、比較的大きな開口部の使用を可能とし、したがって開口部（又はスリット）の目詰まりの問題を減少させることに貢献している。
望みもしない構造断片の堆積を避けるために、第１のシャドーマスクの開口部又は閉止部に、もっと大きな開口部をもつ第２のシャドーマスクを組み合わせて使ってもよい。
基板及び／又はシャドーマスクは、加熱することも冷却することも可能である。薄膜及び表面科学でよく知られているように、堆積する物質（あるいは堆積物質と基板との組み合わせ）によっては、温度制御によって薄膜又は界面の品質を改善できる。温度制御は、シャドーマスクの目詰まりの防止（又は遅延）にも役立つ。
【００１７】
図３及び図１を参照しながら、次に、第一の発明方法に従って一次元構造配列の作製工程を説明する。なお、図３の例は、サンプル（基板）を固定し、シャドーマスクを移動させたものである。
基板を反応室にセットする。シャドーマスクはスリット開口部を有している（シャドーマスクのレイアウト２例を図２のＡ、Ｂに示す）（スリットの方向は断面に対して垂直である）。
二つの異なる物質のために二つの材料供給源が使われる。一つは、導電体（供給源１ａによる堆積）であり、他の一つは絶縁体（供給源１ｂによる堆積）である。そして、基板は絶縁体である。
シャドーマスクは基板表面に近接して配置させている（典型的には、１μｍ以下の距離）。
＜作製＞
(i) 第１の材料供給源（１ａ）を活性化し、ここから物質のガス状ビームを発生させる。発生したガス状ビームの一部は、シャドーマスク（５）の開口部を通過し、そして基板表面に堆積する。これにより、構造要素の第１の層が形成される（８ａ’，８ａ’’、図３（Ａ））。
この構造要素の水平方向の形状はシャドーマスク（５）の開口部によって決まり、その厚みは処理時間によって決まる（材料供給源から生じる物質の放出速度が一定の場合）。
(ii) シャドーマスクを、基板表面に平行に、スリットの長さ方向と垂直な方向に所定距離ｕ１だけ移動させる。ここで、このシャドーマスクの移動は、上記移動（ｕ１）と共にするスリット長さ方向への移動ｖ１であっても構わない。
(iii) 第２の材料供給源（１ｂ）を活性化し、図３（Ｂ）に示すように、頂部に第２の層が形成される（８ｂ’，８ｂ’’）。
(iv) シャドーマスクを、基板表面に平行に、スリットの長さ方向と垂直な方向に所定距離ｕ２だけ移動させる。ここで、このシャドーマスクの移動は、上記移動（ｕ２）と共にするスリット長さ方向への移動ｖ２を含んでも構わない。
スリットの長さ方向と垂直な方向への（シャドーマスクの）総移動距離がスリットピッチ（ｆ）に達するまで、上記工程(i)〜(iv)を数回繰り返す。（図３（Ｃ）及び図４には、第１１の構造層が示されている）。出来上がりの構造を図５に示す。
【００１８】
＜作製についてのいくつかの追加事項＞
長いラインを作製する場合には、図２（Ｂ）に示すようなスリット開口部をもつシャドーマスクを使うことが好ましい。スリットが長すぎるとシャドーマスクが脆くなるので、それを避けるために考えたものである。これを用いるとき、各々の構造要素は２工程でつくる。各工程のあいだに、スリットの方向に沿ってシャドーマスクを移動させるのである（図２（Ｂ）において、点線が第２段階におけるスリットの位置を示している）。
熱膨張による誤差を避けるため、シャドーマスク及びサンプル（基板）上への熱放射は、一定に保つことが好ましい。このため、総電源を一定の水準に保つ付加的熱放射が好ましく用いられる。
作製速度を上げるために、全ての材料源を常に「操作中」の状態に維持しておくことができるが、使わない材料ビームについてはシャッターを用いて阻止しておく必要がある。
材料の供給源は機械的駆動系によって移動できる。これは、シャドーマスクを通して基板上に作製される構造の位置が、使用する供給源を変更しても一定となるように、中心軸をあわせるためである。
【００１９】
＜作製された構造物についての記述＞
図５及び図６で示した最終構造物の性状は、次の通り。
その構造物は、導電体（図５や図６では、暗灰色）と絶縁体（図５や図６では、明灰色）とから成っている。全ての導電層は互いに絶縁体で隔離されている。この構造要素の幅Ｄ（図６(Ａ）参照）は、シャドーマスクのスリット幅ｄにほぼ等しいものである。
その構造物の表面は、見掛け線幅ｗ１の導電性物質と見掛け線幅ｗ２の絶縁性物質とが交互に並んだ一次元構造配列となる。上記線幅ｗ１，  ｗ２は作製（ｗ１すなわちｕ１、ｗ２すなわちｕ２）のあいだのシャドーマスクの位置取りによって決まり、したがって、構造要素の幅Ｄよりもずっと小さな値を選ぶことができ、境界領域のｑ１，ｑ２よりも小さいものである。線ピッチｐは（ｗ１とｗ２の合計）は１０ｎｍ以下にもできる。
構造表面のトポグラフィーは滑らかである。導電体の一次元構造及び絶縁体の一次元構造の表面は同一平面にある（ただし、初期に作製される一次元構造は除く）。滑らかなトポグラフィーは、もし位置取りが最適に選ばれるなら、異なるシャドーマスクの開口部でつくられる構造部分の上に達することができる。これは図５に示されていて、最初のスリット開口部（８ａ’，８ｂ’，８ｃ’，等）を用いてつくられたものと、２番目のスリット開口部（８ａ’，８ｂ’，８ｃ’，等）を用いてつくられたものとを互いに繋いだものである。
【００２０】
２種の異なるガス物質源(1a/1b)に代えて、３種又はそれ以上のガス物質源（１ａ／１ｂ／１ｃ／…）を用いることができ、上記操作を同様に行なうことができる。詳細は省略するが、これが本願第２の発明方法である。
【００２１】
次に第３の発明方法、すなわち、クロスバー構造の作製方法を説明する（図９〜１１参照）。クロスバー構造は、二つの互いに交差する一次元構造配列とそれらのあいだの機能層とから成る。一次元構造配列の作製は、上で述べた方法と同様にしてなされるので、詳しい記述は省略する。
基板を反応室にセットする。シャドーマスク（５）は３種類の開口部（可能なレイアウトを図８の（I）に示した）、すなわち、（１）図８（I）Ａに示されるような一方向に並んだ平行なスリットと、（２）図８（I）Ｂに示されるような四角形の開口部と、（３）図８（I）Ｃに示されるような第二の方向（好ましくは、第一の方向とは垂直な方向）に並んだ平行なスリット、とを持っている。
種々の材料の供給源（組立）（１）は、少なくとも一次元構造配列用の二つの材料源と、機能物質用の少なくとも一つの材料源とから成る。電気絶縁体である基板を反応室にセットする。同様な装置（図１参照）を再び使う。シャドーマスクを基板表面に近接して（典型的には１μｍ程度）置く。
【００２２】
クロスバー構造の作製は、次の３ステップで行なわれる。
（１）上記いずれかの方法（第一又は第二の発明方法）によって、基板上に、表面が滑らか若しくは平面的な状態に保れた密な一次元構造配列を作製する。この際、図８（Ａ）に示すような第１の型の開口部を用いる。一次元構造配列作製の間、先に述べたようにして、マスクを段階的に移動する。サンプル（基板）に対するシャドーマスクの平均的位置をここではＰ１とする（図９参照）。
（２）シャドーマスクをＰ２の位置に移動させる。上記一次元構造配列の上に機能層を堆積させる（図９参照）。
（３）前記機能層の上に第２の一次元構造配列を形成させる。サンプル（基板）に対するシャドーマスクの平均的位置をＰ３とする（図９参照）。
得られる最終構造を図１０及び図１１に示す。これは、上述した三つの部分、すなわち、第一の一次元構造配列（１３）、機能層（１４）及び第二の一次元構造配列（１５）である。一次元構造配列は、導電体（１７）及び絶縁体（１６）から成る。クロスバー構造の場合は、通常、機能層は導電ワイヤのあいだにサンドイッチされる。このクロスバー・デバイスは、多数の水平な線×多数の垂直な線の、二つの末端サブ・デバイスから成り、これらは一つの水平ワイヤ及び一つの垂直ワイヤに各々連結されている。このようなデバイスの一スキームが図１４に示されている。
【００２３】
電気的接続を容易にするために、末端Ｒでの線の間隔は、ピッチｐよりも大きめに選ぶことができる（図１１参照）。これは、線方向に沿って距離ｖ１，ｖ２だけ余計に移動させることによってなされる。
もし必要なら、短絡を避けるために絶縁体の線の長さＬ２を導電体の線の長さＬ１よりも長くつくることができる。
【００２４】
クロスバー・デバイスは、大抵の場合、少なくとも二つの（準）安定状態を有する機能性物質を必要とする。幾つかの種類の効果が、このような性質をもたらす。本願明細書に書かれている作製方法は、一つの特異的効果又は一つの特異的物質に限定されない。潜在的に可能なシステムのリストをここに示せば以下の通り（全てではない）。
機能性物質は次のものの単層又は多層からなる。
・有機物質（分子スイッチ）
・光発生物質
・イオン性導電体（原子スイッチ用）
・強誘電物質
・磁性物質
・金属、半導体、絶縁体の追加層
・このような機能性物質の組み合わせ
一次元構造配列の構成は、金属導電体（電子導電性）に代えて、他のタイプの導電体（スピン導電体、磁気抵抗性導電体、イオン導電体、等）で構成することもできる。
【００２５】
クロスバー構造の上記作製例では、全ての構造要素は反応室（図１）でつくられた。しかし、クロスバー構造作製のプロセスはこれに限定されず、以下のようなプロセスも可能である。
（１）最初の一次元構造配列は、上述のように、反応室でつくる。
（２）機能層は、異なる作製方法、例えば、標準的なリソグラフィー技術、接触印刷技術（contact imprint）又は自己凝集（self assembly）を用いて付加する。これを行なうために、サンプル（基板）を選択した方法に適うように反応室１２の外側に移される。われわれの一次元構造配列の滑らかな表面は、いろいろな技術で、機能層を追加できるのに適していると期待される。
（３）最後に、サンプルは、再び反応室１２の中に置かれ、機能層の上に第二の一次元構造配列がつくられる。このシャドーマスク作製方法は非常に穏やかなので、大抵の場合機能性物質は、ダメージを受けない。
【００２６】
機能性物質作製のための開口部は、図８（Ｉ）に示した四角形状と異なるものであってもよい。別の形を図８（II）に示すが、これは円形の穴を２次元的に整列させたものであって、これを機能性物質の作製に利用する。この開口部は、機能性物質を作製する間は、この領域の大部分をカバーするために、（横に）動かすことができる。図８（I）に示した四角形状の開口部に比べ、この型の開口部の利点は、（ｉ）大きな開口部が避けられること（開口部が大きいと、シャドーマスク膜が弱くなる。）、（ii）横方向に機能層を構築すると機能層の性状が改善される（例えば、リーク電流を減少させる）であろうこと、である。
クロスバー構造（二つの互いに交差する一次元構造配列とその間の機能物質からなる）の異なる成分のための三つの異なる型の開口部は、別々のシャドーマスク上に形成することもできる。この場合、シャドーマスクが単純になり、もっと密なパターニングを可能とし、不必要な構造要素の作製が避けられるであろう。
不必要な構造要素の作製を防止するために、更に大きな開口パターンを追加したシャドーマスクを使うこともできる。
【００２７】
我々は、密な一次元構造配列（クロスバー構造ではない）の他の応用を以下のように例示できる。
・電気的堆積（絶縁された異なる線に異なる電圧を掛ける）における鋳型
・ナノ印刷用の刻印（例えば、疎水性及び親水性の線を用いる）
・光、エックス線、ニューロン又は電子用のグレーティング
・ナノ物質（例えば、ナノ物質成長の触媒として作用する物質を用いるとき）
・センサー
・磁性デバイス、スピントロニクス
【実施例】
【００２８】
実施例１
＜一次元構造配列の作製＞
我々は、図１に示した装置を用いて、部分的に完成した一次元構造配列（図３Ｃ及び図４に示した構造に類似したもの）を作製した。
用いた仕組み及び構造作製の手順の詳細：
反応室１２は、ベース圧力が１０−７  （Ｐａ）以下の超真空系である。
この仕組みでは、構造作製の間、シャドーマスクを固定し、サンプル（基板）を移動させた。
作製を始める前に粗く整列させるため、自家製の慣性滑動部材及びインチワーム（UHVL-025, Burleigh Instruments, USA）を使った。シャドーマスクと基板とを正確に平行配置させる作業は、自家製の慣性滑動部材傾斜ステージを用いて行なった。角度の差は、反射したレーザー光線の角度の差によって検出した。
構造作製の間の基板の精密な位置合わせのためには、容量型位置センサ（P-733.2UD, PI, Germany）を備えたステージを用いた。
材料供給源１は、４つの異なる物質に対処できる熱蒸発器（電子ビーム加熱）（EGC04, Oxford Applied Research, UK；市販品が入手可能）である。その材料供給（組立）源は、中心軸における活性な物質源の位置合わせのために、自家製の物質源整列装置（二つのステッピングモータによって駆動される）の上に載せられた。物質供給速度（すなわち、単位時間当たりの生成膜厚）は、水晶振動子（ＸＴＭ／２, Inficon, U.S.A）を用いて測定した。
【００２９】
シャドーマスク５は、厚み１００μｍのシリコン枠で支持された厚み２００ｎｍの窒化珪素膜である。類似の膜は市販品が入手でき、例えば、ＴＥＭメッシュとして用いた。上記膜は、クロム（２ｎｍ）及び金（３０ｎｍ）でコートされている。開口部は、収束イオンビーム（ＦＩＢ）を用いてカットされた（図１２参照）。そのスリット幅ｄは約２５０ｎｍであった。そのスリット長さＬは５μｍであり、スリットピッチｆは１μｍであった。
その窒化珪素膜はＦＩＢ処理ののちにその性質を調べた。図１２は、収束イオンビーム（ＦＩＢ）を用いて開口部をカットしたあとの窒化珪素膜の一部の像を示す。上記像は、ＦＩＢ加工直後に同じ装置のイメージングモードで記録した。
基板７は、ＰｄＡｕ（２０ｎｍ）で被覆されたシリコン上の窒化珪素（７０ｎｍ）を用いた。非接触型原子間力顕微鏡（ｎｃ−ＡＦＭ）及び電子顕微鏡（ＳＥＭ）による特性評価中の帯電の問題を避けるために、サンプルを導電性ＰｄＡｕで被覆した。デバイスへ応用する機能層の構造としては、絶縁性基板が要求されるであろう。
【００３０】
・基板に対するシャドーマスクの移動距離（ｕ１及びｕ２）は５０ｎｍとした。
・（図１参照の）距離ａ＝２０ｃｍ，  距離ｂ＝約３μｍ
・堆積物質８：ＣｕとＣａＦ２
・ルツボ材料：Ｃｕに対してはＭｏ、ＣａＦ２に対してはＴａ
・原料開口部のサイズ（ルツボの開口）ｓ＝４ｍｍ
・蒸発速度：両物質に対して約０．３ｎｍ／分
・Ｃｕの熱蒸発時の電力：３４Ｗ（０．８ｋＶ，４２ｍＡ）
・ＣｕＦ２の熱蒸時の電力：２４Ｗ（０．８ｋＶ，３０ｍＡ）
・蒸発の間の圧力：１０−６Ｐａ
【００３１】
蒸発時に印加する電力は、熱輻射を通じてシャドーマスクの温度の上昇を起こす。
電力変化は温度変化によるマスク位置の熱ドリフトを招く。熱ドリフトの問題を最小にするためには、異なる物質に対しても加熱時電力を同程度に設定する必要があった。（可能な改良は、更に赤外線放射―これは図１に２０で示した―を用いて温度変化分を補償することである。）
【００３２】
＜構造の特性評価＞
作製された構造は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）（図１３の主要部に示されている）及びＫｅｌｖｉｎプローブ顕微鏡（ＫＰＭ）を用いて評価した。ＫＰＭは、表面電位の測定（図１３中の挿入図（Ａ）に示すように）と同時に、そのトポグラフィー（表面特徴）の測定を可能にするものである（図１３中の挿入図（Ｂ）に示すように）。これらのデータは、本願発明の実現可能性の証拠を提供するものである。（ｉ）線の束は、理論的に期待されるように（図３（Ｃ）参照）表面形状（曲線Ｂ）を有する。（ii）絶縁体線と導電体線とは、接触電位スキャンにおけるコントラスト（曲線Ａ）が示すように、その境界がよく定められている。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明方法で使用される典型的な反応室を示す模式的縦断面図。
【図２】一次元構造配列の作製のためのシャドーマスクの例を上から見た図（平面図）。
【図３】一次元構造配列の作製を説明する断面図で、（Ａ）は第一層目、（Ｂ）は第二層目、（Ｃ）は第九層目、の作製を説明するもの。
【図４】図３（Ｃ）に示した第九層目を作製後の（部分的に終えた）一次元構造配列の平面図。
【図５】作製を完了した一次元構造配列の、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は平面図。
【図６】図５の部分拡大図。
【図７】誤差のある線スリットで作製された一次元構造配列の模式的平面図（誤差は誇張して表示した）。
【００３４】
【図８】クロスバー構造の作製のためのシャドーマスク配置の二例（Ｉ及びII）を示す平面図。
【図９】クロスバー構造の異なる要素を作製するためのマスクの位置合わせを説明する平面図。クロスバー構造の位置は、点線の円で示した。Ｐ０：スタンバイの状態（材料源のウォームアップ）、Ｐ１：底部の一次元構造配列の作製のためのマスク位置、Ｐ２：機能性材料の作製のためのマスク位置、Ｐ３：頂部の一次元構造配列の作製のためのマスク位置。
【図１０】クロスバー構造の一例の平面図。
【図１１】図１０の（Ａ）及び（Ｂ）部分の拡大図。
【図１２】収束イオンビーム（ＦＩＢ）を用いて穿口した後の窒化珪素膜の一部の像。像はＦＩＢ装置のイメージングモードによって記録したもの。
【図１３】本発明方法で作製された一次元構造配列のプロトタイプの構造をex-situで記録した電子顕微鏡像。差込図は、作製後にin-situで記録されたKelvinプローブスキャンで、（A）は接触電位、（Ｂ）はトポグラフィー。
【図１４】本発明方法を使って作製可能な、クロスバー構造を含む特異的分子デバイスの模式的断面図。
【符号の説明】
【００３５】
１：  種々の材料の蒸発源アセンブリ
１ａ：  第一の材料源
１ｂ：  第二の材料源
４：  材料ビーム
５：  シャドーマスク
６：  開口部
７：  基板
８：  作製された構造
８ａ’、８ａ’’ 、８ａ’’’ 、…、８ａ（ｍ）’：  第一の堆積工程で作製された構造
８ｂ’ 、８ｂ’’ 、８ｂ’’’ 、…、８ｂ（ｍ）’：  第二の堆積工程で作製された構造
８ｃ’ 、８ｃ’’ 、８ｃ’’’ 、…、８ｃ（ｍ）’：  第三の堆積工程で作製された構造
８ｎ’ 、８ｎ’’ 、８ｎ’’’ 、…、８ｎ（ｍ）’’’：  第ｎの堆積工程で作製された構造
１２：  反応室
１３：  底部の一次元構造配列
１４：  機能性材料
１５：  頂部の一次元構造配列
１６：  絶縁体
１７：  導電体
２０：  放射ヒーター
【００３６】
ｓ：  材料供給源の直径
ａ：  材料供給源からマスクまでの距離
ｂ：  マスクから基板までの距離
ｑ，ｑ１，ｑ２：  構造物の境界部分
ｄ：  開口部（スリット）の幅
Ｄ：  構造物の幅（全幅半最大）
ｆ：  開口部（スリット）間の距離（ピッチ）
Ｌ：  開口部（スリット）の長さ
ｐ：  一次元構造配列のピッチ
ｗ１，ｗ２：  表面上の有効ライン幅
ｔ１，ｔ２：  層の厚み
Ｒ：  線端における導電体間の距離  
Ｅ：  構造形態上の誤差
ｕ，ｕ１，ｕ２：  スリットの長さ方向に直交する横方向の、サンプル（基板）に対するシャドーマスクの変位
ｖ，ｖ１，ｖ２：  スリットの長さ方向に平行な横方向の、サンプル（基板）に対するシャドーマスクの変位
【図１】
2008285690.tif 000003
【図２】
2008285690.tif 000004
【図３】
2008285690.tif 000005
【図４】
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【図５】
2008285690.tif 000007
【図６】
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【図７】
2008285690.tif 000009
【図８】
2008285690.tif 000010
【図９】
2008285690.tif 000011
【図１０】
2008285690.tif 000012
【図１１】
2008285690.tif 000013
【図１２】
2008285690.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
2008285690.tif 000016
【外国語明細書】
[Title of Invention]
A fabrication method for line arrays or crossbar structures
[Field of the Invention]
[0001]
This invention relates to a fabrication method for dense topographically smooth (or coplanar) line arrays with small pitch on substrate. And this invention also relates to a fabrication method for crossbar structures containing the said dense topographically smooth (or coplanar) line arrays for device applications.
[Background of the Invention]
[0002]
As prior ways to pattern or fabricate dense line arrays on substrate, several methods were known, for example, photo lithography, e-beam lithography and nano-imprint technique.
[0003]
Crossbar structures were proposed as a future computer architecture[non-patent ref. 1]. In the simplest case a crossbar structure consists of two crossed line arrays with a functional material between them. The functional material acts as two terminal device, for example a switch, which can changes its state (on/off state: different resistance) by applying voltage pulses[non-patent ref. 2]. This can be used, for example, for information storage or information processing.
And then, in order to fabricate parallel nanodevice, it was done before to use moving shadow masks[ non-patent ref. 3-6].
[0004]
[non-patent ref. 1]  Heath, J. R. et al: Science, 1998, 280, (5370), 1716-1721.
[non-patent ref. 2]  Collier, C. P. et al: Science, 1999, 285, (5426), 391-394.
[non-patent ref. 3]  Ono, K. et al : Jpn. J. Appl. Phys. Part 1 - Regul. Pap. Short Notes Rev. Pap., 1996, 35, (4A), 2369-2371.
[non-patent ref. 4]  Deshmukh, M. M. et al: Appl. Phys. Lett., 1999, 75, (11), 1631-1633.
[non-patent ref. 5]  Luthi, R. et al: Appl. Phys. Lett., 1999, 75, (9), 1314-1316.
[non-patent ref. 6]  Egger, S. et al: Nano Lett., 2005, 5, (1), 15-20.
[non-patent ref. 7]  Egger, S. et al: J. Comb. Chem., 2006, 8, (3), 275-279.
[Disclosure of the Invention]
[Purpose of Invention]
[0005]
But, it is very difficult or even impossible to create coplanar nano-line arrays (with small pitch) and nano-crossbar structures by the prior patterning methods.  The purpose of this invention is to provide easy fabrication method for dense topographically smooth (or coplanar) nano-line arrays or nano-crossbar structures. 
[Summary of Invention]
[0006]
In order to achieve the above purpose, we conceived of a novel strategy to fabricate line arrays with small pitch using movable shadow masks (see Fig. 1,2) in close proximity to the substrate, and we successfully created the following invention.
Namely, first invention relates a fabrication method for dense topographically smooth or coplanar alternating line arrays on substrate, which comprises the following steps (see Fig.3-6):
(i) setting a substrate in a reaction chamber; 
(ii) setting a slits-having shadow mask (whose slits’ width is d and pitch is f) over the substrate in close proximity;
(iii) feeding a gaseous material from material source assembly to deposit a first layer of a defined thickness on the substrate corresponding to the above slits of shadow mask;
(iv) moving the shadow mask relative to the substrate (or vice versa) a defined distance u/u1 (u is smaller than d) rectangular to the length direction of the slits (an additional moving of the mask along the direction of the slit is optional; the following is as same), keeping parallel to the substrate. 
(v) feeding another gaseous material from material assembly to deposit a second layer of a defined thickness on the substrate corresponding to the above slits of shadow mask;
(vi) moving the shadow mask relative to the substrate (or vice versa) a defined distance u/u2 rectangular to the length direction of the slits, keeping parallel to the substrate ; 
(vii) repeating the above step (iii)-(vi) until the total moved distance of the shadow mask relative to the substrate, in the direction of the lines, reaches the slits’ pitch(f).
[0007]
Second invention relates to a fabrication method for dense topographically smooth or coplanar alternating line arrays (material source consists of three or more than three components for decomposition of three or more than three different materials) on substrate, which comprises the following steps (refer to Fig.1):
(i) setting a substrate in a reaction chamber; 
(ii) setting a slits-having shadow mask (whose slits’ width is d and pitch is f) over the substrate in close proximity;
(iii) feeding a gaseous material from material source assembly to deposit a first layer of a defined thickness on the substrate corresponding to the above slits of shadow mask;
(iv) moving the shadow mask relative to the substrate (or vice versa) a defined distance u/u1(u is smaller than d) rectangular to the length direction of the slits, keeping parallel to the substrate. 
(v) feeding another gaseous material from material assembly to deposit a second layer of a defined thickness on the substrate corresponding to the above slits of shadow mask;
(vi) moving the shadow mask relative to the substrate (or vice versa) a defined distance u/u2 (u is smaller than d) rectangular to the length direction of the slits, keeping parallel to the substrate ; 
(vii) feeding n-th(n:integer) gaseous material from material source assembly to deposit n-th layer on the substrate corresponding to the above slits of shadow mask;
(viii) moving the shadow mask relative to the substrate (or vice versa) a defined distance(u/un) rectangular to the length  direction of the slit, keeping parallel to the substrate;
(ix) repeating the above step (iii)-(viii) until the total moved distance of the shadow mask or the substrate reaches the slits’ pitch(f).
[0008]
Third invention relates toa fabrication method for crossbar structures, which comprises the following steps (see Fig.9-11):
(1) preparing dense topographically smooth or coplanar alternating line arrays on substrate according to anyone of the above method; 
(2) depositing functional layer(s) on the above line arrays using defined aperture-having shadow mask;
(3) preparing dense topographically smooth or coplanar alternating line arrays on functional layer(s) according to the same method as the above method except but using slits-having shadow mask whose length direction of the slits is rectangular to the length direction of the slit used in the above step(1).
[Advantageous effects]
[0009]
The first invention method has the following advantageous effects.
a)  The line width of the final structure (w) can be very small. It can be below 250nm, if the fabrication procedure is optimized, it could be possible to fabricate structures, down to 5 nm. The minimal possible size is not limited by strict physical laws. The line width (w) can be chosen smaller than the aperture width (D).
b)  The surface of the final structure is smooth.
c)  If the positioning is chosen in a precise way, then the surface of the final structure is co-planar over many lines (as shown in Fig.5).
d)  The method can be applied for fabrication of structures of various materials (metals, including alloys, semiconductors and insulators). A material is suitable, if it is possible to form a gaseous beam and this beam condenses on a solid surface. To form a gaseous beam, many types of material sources can be applied, such as: thermal evaporators, sputter sources, pulsed laser deposition sources, pulsed valve sources, ion beam sources, and spray sources.
e)  During the fabrication process the substrate and the mask can be heated or cooled. The temperature of the substrate and the mask can be controlled independently.
f)  The fabrication method can be applied for various substrates. For fabrication of smooth structures a smooth surface is preferred. Mechanically fragile substrates can be used, because the fabrication process does not apply mechanical stress. Chemical sensitive or porous substrates can be easily used, because the substrate is not exposed to solvents or resist during the fabrication process. 
g)  The fabrication process requires only a small number of steps. This reduces costs for development and fabrication of devices.
h)  The fabrication process can be done in a well controlled environment. Undesired effects on device performance due to contamination can be avoided.
i)  The fabrication process can be used to fabricate a large number of structures in parallel.
[0010] 
The second invention method has the following advantageous effects.
All the advantageous effects of the first invention are valid for the second invention too.
Especially important is the small number of fabrication steps (“f”): for additional materials the number of additional fabrication steps is small.
To have more than two materials will allow a better optimization of the fabrication procedure, for example to improve the interface quality of the different layers, for example to choose materials with compatible lattice constant or cohesion energy, or to add diffusion barriers.
[0011] 
The third invention method has the following advantageous effects.
All the advantageous effects of the first and the second invention are valid for the third invention too, but in the third invention a more specific application is described, therefore the advantageous effects are listed as followed. 
a)  The small line pitch of the line array structures (p) allows one to fabricate crossbar structures with very high density.
b)  The surface of the line array structure is smooth; therefore the functional layer and the top laying line array will not be distorted.
c)  The method can be applied for fabrication of structures of various materials (metals, including alloys, semiconductors and insulators). Especially for the functional material, this flexibility may be crucial. Research on suitable functional materials for various applications is still ongoing; therefore a flexible fabrication method could become very important.
d)  During the fabrication process the substrate and the mask can be heated or cooled. The temperature of the substrate and the mask can be controlled independently.
e)  The fabrication method can be applied for various substrates. 
f)  The fabrication process requires only a relative small number of steps.
g)  The fabrication process can be done in a well controlled environment. 
h)  The fabrication process can be used to fabricate a large number of structures in parallel.
[Detailed description of Invention]
[0012]
We explain this invention method (the first, the second and the third invention method) in more detail referring to attached figures. (An example of such a production apparatus is also described in ref. 6, 7).
Fig.1 shows a schematic section of a typical reaction chamber (production apparatus) used in this invention method. A material source assembly (1), with at least two different independent sources (1a, 1b) produces gaseous material beams (4) of at least two different materials.
The shadow mask (5) is parallel aligned to the substrate surface and brought to close proximity to the substrate. Mask and substrate are exposed to the material beam (4). The mask can be moved relative to the substrate (or vice versa) with a high precision mechanical actuator. Apertures (6) in the shadow mask (5) define the lateral geometry of structures (8) fabricated on the substrate (7).
Typical values for the dimensions are: The source size (s) is 2mm, the source to mask distance (a) is 20cm, and the mask to substrate distance (b) is about 1 micrometer. This values determine the width of the boundary region (q = s b / a) and may be changed, according to the requirements.
An additional variable thermal radiator (20) can be used to compensate changes in the thermal radiation of the material sources. This minimizes positioning errors caused by temperature changes.
The fabrication method can be applied for various substrates. As a substrate (7), we can use e. g. well known substrates as silicon, silicon oxide, silicon nitride, sapphire, metals, etc. Additionally, mechanically fragile substrates, like thin membranes can be used, because the fabrication process does not apply mechanical stress. Chemical sensitive substrates (for example halides) or porous substrates can be easily used, because the substrate is not exposed to solvents or resist during the fabrication process.  
[0013]
The usable material source or material source assembly(1/1a/1b) can be a thermal evaporator, sputter source, ion source, pulsed laser deposition source, pulsed valve source, electro-spray source, or any other type of material source and additionally electrons or photons can be used for modification of structures (for example polymerization of organic materials).
[0014] 
The material source, in general, consists of several components (1a/1b/…) for deposition of different materials. Typically the material source consists of two components (1a/1b), one gaseous material is for conductor, and another gaseous material is for insulator. 
[0015] 
As a reaction chamber (12), a vacuum chamber is preferably used. For fabrication of clean ultra high vacuum (UHV) (pressure：below 10−7 Pa) is most preferably used, though lower vacuum can be sufficient too. Important is, for shadow mask evaporation, that the mean free path of the atoms/molecules is not smaller than the source-substrate distance a+b (nealy equal to ‘a’). A pressure of about 0.1 Pa would already give a sufficient mean free path of about 40 cm. If the mean free path is much smaller than source-substrate distance, the collisions of the beam particles will result in a diffuse beam and subsequent a decreased sharpness of the final structures.
[0016] 
The shadow mask (5) generally consists of a thin perforated membrane. The perforations (apertures) are slits (the slits can be straight or curved). The perforations can be fabricated with different techniques (focused ion beam (FIB), e-beam lithography, photo lithography, etc.). Two examples of shadow mask with slits are shown in Fig.2. The slits’ width (d) is preferably 20nm-1μｍ, and pitch (f) is preferably 100nm-10μｍfor afabrication of dense topographically smooth or coplanar alternating line arrays.
A defined distance (u1,u2) of movement of the shadow mask relative to the substrate (or vice versa) which determines line-width(w1,w2) of line array on substrate should be less than the slits’ width(d), and it is preferably 5nm-250nm. 
Distance from shadow mask to substrate, b, is preferably 100nm-10μｍ.
Line bundles are fabricated with partial lateral overlap as shown in Fig. 3.  Strategy with overlapping structures allows the use of relatively large apertures and contributes to fewer problems with clogging of apertures (or slits).
A second shadow mask with much larger apertures can optionally be used for opening or closing parts of the first shadow mask in order to avoid the deposition of unwanted structure fragments. 
The substrate and/or mask may be heated or cooled. Depending from the material used, this can improve the film and interface quality (as known from thin film and surface science). Further it may prevent (or delay) clogging of shadow mask apertures.
[0017] 
Referring to Fig. 3 and Fig. 1, we then explain a fabrication step of line array structures according to the first invention method. And the sample(substrate) is at a fixed position and the mask is moving in the example shown in Fig.3. 
The substrate is set in the reaction chamber. The shadow mask has slit apertures (a possible mask layout is shown in Fig.2, A and B). (The direction of the slits is perpendicular to the section.) 
Two material sources for two different materials are used: one material is electrical conductive (deposited by source 1a); the second one is insulating (deposited by source 1b). The substrate is insulating.
The shadow mask is positioned close to the substrate surface (typically closer than 1 micrometer). 
<Fabrication>
(i) The first material source (1a) is activated and produces a gaseous material beam. A part of the material beam passes the apertures in the shadow mask (5) and is deposited on the substrate surface. This results in the formation of the first layer of structures elements (8a’,8a’’, Fig. 3(A)). The lateral shape of these structure elements is defined by the apertures in the shadow mask (5) and the thickness is defined by the exposure time (assuming a constant material flux produced by the material source).
(ii) The shadow mask is moved parallel to the substrate surface in the direction perpendicular to the length direction of the slit apertures by a distance u1. An additional moving of the mask along the direction of the slit by a distance v1is optional. 
(iii) The second material source (1b) is activated and forms a second layer of structure elements on top (8b’,8b’’) as shown in Fig. 3(B).
(iv) The shadow mask is moved parallel to the substrate surface in the direction perpendicular to the length direction of the slit apertures by a distance u2. An additional moving of the mask along the direction of the slit by a distance v2is optional.
The steps (i) to (iv) are repeated several times (Fig. 3(C) and Fig.4 show the 11th structure layer) until the total distance moved in the direction perpendicular to the slit direction reaches the slit pitch (f). This final structure is shown in Fig. 5.
[0018]
<Additional remarks for fabrication>
For fabricating long lines, a shadow mask with slit perforations, as shown in Fig. 2(B) is preferably used. This is done, in order to avoid long slits, which results in fragile shadow masks. Each structure element is fabricated in two steps. Between these steps, the mask is moved along the slit direction (in Fig 2(B) the dotted lines indicate the position of the slits at the second step).
In order to avoid errors due to thermal expansion, the thermal radiation on the shadow mask and the sample is preferably kept constant. For this an additional thermal radiator is preferably used, which keeps the total power at a constant level.
In order to increase the fabrication speed, all material sources can always be kept operating, but not used material beams are blocked by shutters.
The material source assembly is mounted on a mechanical actuator, which moves the active source always in the center axis in order to avoid positioning errors due to parallax.
[0019]
<Description of the fabricated structures>
The properties of the final structure, as shown in Fig.5 and Fig.6, are as follows:
The structure consists of electrical conductive (dark gray layers in Fig.5, 6) and insulating layers (light gray layers). All conductive layers are insulated relative to each other. The width of this structure elements D(see Fig.6(A)) is approximately equal to the shadow mask slit width d.
The surface of the structure shows a line pattern of alternating conductive and insulating material with an apparent line width of w1 and w2respectively. These line widths w1, w2 are defined by the mask positioning during the fabrication (w1 : nealy equal to u1, w2 : nealy equal to u2 ) and can therefore be chosen to be very small, much smaller than the structure element width D and even smaller than the width of the boundary regions q1, q2. The line pitch p (the sum of w1 and w2) may reach dimensions below 10nm.
The topography of the structure surface is smooth. The surfaces of the conductive and insulating lines are in the same plane (with the exception of the first lines). The smooth topography can reach over structure parts fabricated with different shadow mask apertures, if the positioning is optimal chosen. This is shown in Fig. 5 were structures fabricated with the first slit aperture (8a’, 8b’, 8c’, etc.) and the second slit aperture (8a’’, 8b’’, 8c’’, etc.) join each other.  
The electrical conduction of the wires is expected to be relatively high, because the buried part of the conducting lines will contribute to the electrical transport too. The cross section area is D times t1 is relatively large.
Errors in the geometry of the shadow mask slit apertures will lead to systematic errors in the geometry of the fabricated structure elements (Fig.7). Small errors will not result in the interruption of a line, because the structure width D is relatively large. Neighboring wires will still be insulated, because they have similar errors.
[0020]
We can use three or more than three gaseous material sources (1a/1b/1c/…) instead of two different gaseous material sources (1a/1b) and execute the above steps similarly. This is the second invention method, though we skip detailed description.  
[0021] 
Then we explain the third invention method, namely, a fabrication method for crossbar structures. (For this description we will refer to Figs.9-11). The crossbar structures consist of two types of line arrays and layer(s) of functional material between them. The fabrication of the line arrays is done similar as described above and therefore we skip detailed description..
The substrate is set in the reaction chamber. The shadow mask (5) has three types of apertures (a possible lay-out is shown in Fig.8(I)): (1) parallel slit apertures in one direction (as shown in Fig.8(I)A), (2) a square aperture (as shown in Fig.8(I)B) and (3) parallel slit apertures in a second direction (preferably perpendicular to the first direction, as shown in Fig.8(I)C).
The material source assembly (1) consists of at least two material sources for line arrays plus at least one material source for the functional material.
The substrate, an electrical insulator, is set in the reaction chamber. The same instrument is used again, see Fig.1.
The shadow mask is positioned close to the substrate surface (typically closer than 1 micrometer). 
[0022]
The fabrication of the crossbar structure is done in the following three main steps:
(1) Preparing a dense topographically smooth or coplanar alternating line arrays on substrate according to the above method (the first or second invention method), by using the first type of apertures (Fig.8A). During the fabrication of this line array structure, the mask is moved in steps, as described earlier. We call the average position of the shadow mask relative to the sample P1 (see Fig.9).
(2) The shadow mask is moved to a position P2. The functional material is deposited on top of the line array (see Fig.9).
(3) A second line array is fabricated on top of the functional material. The average position of the shadow mask is P3, as shown in Fig.9.
The final structure is shown in Fig.10 and Fig.11. It consists of the described three parts: the first line array (13), the functional material (14) and the second line array (15). The line arrays consist of electrical conductive (17) and insulating (16) layers. As usual for crossbar structures, the functional material is sandwiched between conductive wires. The crossbar device consists of (number-of-horizontal-lines) times (number-of-vertical-lines) two terminal sub-devices, each of them connected to one horizontal and one vertical wire. A schematic of such a device is sketched in Fig.14.
[0023]
For easier electrical connection the spacing of the lines at the end R can be chosen larger than the pitch p, (see Fig. 11). This is done by additionally moving along the line direction by a distance v1, v2. 
If necessary, the length of the insulating lines L2can be fabricated longer than the length of the conducting lines L1 to avoid short circuits. This is done by moving the mask during the evaporation of the insulator by a small distance in the direction of the line length.
[0024]
In most cases, crossbar devices need a functional material which has at least two different (meta)-stable states. Several different kinds of effects can lead to such properties. The fabrication methods described in this application is not limited to one specific effect or one specific material; therefore we just give a (not exhausting) list of potentially suitable systems:
The functional material can consist of single or multiple layers of
・organic material (molecular switches)
・light emitting materials
・ionic conductors (for atomic switches)
・ferro electric materials
・ferro magnetic materials
・additional layers of metals, semiconductors or insulators
・combinations of such functional materials
The wire array can consist, instead of metallic conductors (electron charge based conductors), of other type of conductors (spin based conductors, magnetic domains, ionic conductors, etc.).
[0025]
In the above description of the fabrication of the crossbar structures all structure elements were fabricated in the reaction chamber (Fig.1).
A different strategy may possibly be taken:
(1) The first line array is fabricated in the fabrication chamber, as described above. 
(2) The functional layer is added, using a different fabrication method, for example standard lithography techniques, contact imprint or self assembly. In order to do this, the sample is transferred outside the above mentioned reaction chamber 12 in an environment suitable for the chosen method. The smooth surface of our line arrays is expected to be well suitable for adding the functional material with various techniques.
(3) Finally the sample is again set in the reaction chamber 12 and the second line array is fabricated on top of the functional material. Because the shadow mask fabrication method is very gentile, in most cases the functional material will not be damaged.
[0026]
The aperture for the fabrication of the functional material may be different than the square shown in Fig.8(I). An alternative is shown in Fig. 8(II), were a two dimensional array of circular apertures is used for the fabrication of the functional material. This aperture array can be moved during the fabrication of the functional material, in order to cover a larger part of the area. The advantages of this type of aperture compared with the square aperture in Fig.8(I): (i) Large apertures can be avoided (large apertures can weaken the shadow mask membrane), (ii) lateral structuring of the functional layer may improve the properties of the functional layer, for example reduce leak currents in the functional material layer(s).
The three different aperture types for the three different components of the crossbar structure (two line arrays and functional material) can be on separate shadow masks. This simplifies the shadow masks, allows denser patterning and avoids the fabrication of unnecessary structure elements.
An additional large patterned shadow mask can be used to prevent the fabrication of unnecessary structure elements.
[0027]
We can exemplify examples of other applications of the dense line arrays (not crossbar structures) as followed. 
・Templates for electro-deposition (applying different voltages on different insulated lines)
・Stampsfor nano imprint (using, for example hydro phobic and hydrophilic lines) or templates to fabricate stamps.
・Templates for self assembly (including guided self assembly)
・Gratings for light, x-rays, neutrons or electrons
・Templates for growth of nanomaterials (for example when using materials which act as catalysts for nanomaterial growth).
・Sensors
・Magnetic devices, spintronics
[Examples]
[0028]
Example 1  
<Fabrication of line array>
We used an apparatus as shown in Fig. 1 for fabrication of a partially finished line array structure (similar to the structure shown in Fig.3C and Fig.4). 
Details of the used set-up and structure fabrication procedure:
The reaction chamber 12 is an ultra high vacuum system with base pressure below 10-7 Pascal. 
In this set-up, the shadow mask is during structure fabrication kept at a fixed position and the sample is moved.
For coarse alignment (before starting fabrication) a home made inertial slider and inchworm (UHVL-025, Burleigh Instruments, USA) is used. Precise angle alignment of the substrate relative to the mask is done using a home made inertial slider tilting stage. The angle difference is detected by measuring the angle difference of a reflected laser beam.
For fine positioning of the substrate during the structure fabrication a flexure stage with capacitive positioning sensor (P-733.2UD, PI, Germany) is used
The source assembly 1 is a thermal evaporator (electron beam heated) for four different materials (commercial available: EGC04, Oxford Applied Research, UK). The source assembly was mounted on a home made source alignment (actuated by two stepping motors), in order to position the active source in the center axis.
The flux of the material source (film thickness per time unit) is calibrated using a quartz micro balance (XTM/2, Inficon, U.S.A).
[0029]
The shadow mask 5 was a 200nm thick silicon nitride membrane, supported by a 100 μm thick silicon frame. Similar membranes are commercially available and used, for example, as TEM meshes. The membrane was coated with Cr (2nm) and Au (30nm). The apertures were cut using focused ion beam (FIB) (see Fig.12). The slit width dwas about 250nm. The slit length Lwas 5 μm and the slit pitch fwas 1μm.
The silicon nitride membrane was characterized after FIB. Fig.12 shows an image of a part of the silicon nitride membrane after cutting of apertures using focused ion beam (FIB). The image was recorded with FIB in imaging mode.
The substrate 7 was silicon nitride (70nm) on Silicon, coated with PdAu (20nm). The sample was coated with the conductive PdAu layer to avoid charging problems during characterization using non-contact atomic force microscopy (nc-AFM), and electron microscopy (SEM). A functional structure for device applications will require an insulating substrate.
[0030]
・The distances (u1 and u2) of moving the shadow mask relative to the substrate were 50nm.
・The distances (see Fig.1): a = 20 cm, b =about 3 μm 
・Deposited materials 8 : Cu and CaF2
・Crucibles: Mo (for Cu) and Ta (for CaF2).
・Size of source aperture (crucible aperture)  s = 4mm
・Evaporation rate: about 0.3nm/min for both materials.
・Heating power for thermal evaporation of Cu: 34 W (0.8 kV, 42 mA).   
・Heating power for thermal evaporation of CaF2: 24 W (0.8 kV, 30 mA).   
・Pressure during evaporation: 10-6 Pa.
[0031]
The heating power causes an increased temperature of the mask.
A change in the heating power leads to thermal drift. To minimize the problems of thermal drift the heating was chosen similar for different materials. (A possible improvement would be an additional infrared radiation source, which would compensate the differences 20 as shown in Fig.1.)
[0032]
<Characterization of structure>
The fabricated structure was characterized using scanning electron microscopy (SEM) (shown in the main part of Fig.13) and Kelvin probe microscopy (KPM). KPM allows one to measure the surface potential (shown in the inset A of Fig.13) and the topography (shown in the inset B of Fig.13) simultaneously. These data give evidence for the feasibility of the described invention: (i) The line bundles have a topography (curve B) as expected theoretically (see Fig. 3C), (ii) The insulating and conducting lines are well defined, as the contrast in the contact potential scan (curve A) shows.
[Short figure captions]
[0033]
[Fig.1]
Schematic section showing a typical reaction chamber used in this invention method.
[Fig.2]
Top view of two examples of shadow masks for fabrication of line array.
[Fig.3]
Section explaining fabrication of line array: (A) 1st layer, (B) 2ndlayer, (C) 9th layer.
[Fig.4]
Top view of partially finished line array structure; after the 9th layer, as shown in Fig.3(C).
[Fig.5]
Completely finished line array structure: (A) section, (B) top view.
[Fig.6]
Magnified part of the above Fig. 5.
[Fig.7]
Schematic top view of line array fabricated with erratic line aperture (with exaggerated error). 
[0034]
[Fig.8]
Top view of two examples (I and II) of shadow mask lay-outs for fabrication of crossbar structure. 
[Fig.9]
Top view explaining positioning of mask for fabricating different elements of crossbar structure. The location of the crossbar structure is marked with a dotted circle. P0: stand-by mask position (for warm up of material source), P1: mask position for fabrication of bottom line array, P2: mask position for fabrication of functional material, P3: mask position for fabrication of top line array.
[Fig.10]
Top view of one example of crossbar structure.
[Fig.11]
Magnified part (A) and (B) of the above Fig. 10.
[Fig.12]
Image of a part of siliconitride membrane after cutting of apertures using focused ion beam (FIB). The image was recorded with FIB in imaging mode.
[Fig.13]
Electron microscopy image of proto type structure of line array fabricated by this invention method, recorded ex-situ. Inset: Kelvin probe scans recorded in-situ after fabrication, (A) contact potential, (B) topography.
[Fig.14]
Schematic section of one specific molecular device which could be fabricated using this invention to realize crossbar structures.
[Meaning of symbol (in figures)]
[0035]
1: Material source assembly for different materials
1a: Source for 1st material
1b: Source for 2nd material
4: Material beam
5: Shadow mask
6: Aperture
7: Substrate
8: fabricated structure
8a’, 8a’’, 8a’’’, …, 8a(m)’: Structure which is fabricated in the 1st deposition step
8b’, 8b’’, 8b’’’, …, 8b(m)’: Structure which is fabricated in the 2nd deposition step
8c’, 8c’’, 8c’’’, …, 8c(m)’: Structure which is fabricated in the 3rd deposition step
8n’, 8n’’, 8n’’’, …, 8n(m)’’’: Structure which is fabricated in the nth deposition step
12: Reaction chamber
13: Bottom line array
14: Functional material
15: Top line array
16: Insulator
17: Conductor
20: radiation heater
[0036]
s: source diameter
a: distance from source to mask
b: distance from mask to substrate
q, q1, q2: tempered boundary zone of structures
d: width of aperture
D: width of structure (Full-Width Half-Maximum)
f: distance between apertures
L: length of apertures
p: pitch of line arrays
w1, w2: effective line width on surface
t1, t2: thickness of layer
R: distance between conductors at the line end 
E: error in the structure shape
u, u1, u2: lateral position change of mask relative to sample(substrate) in the direction rectangular to the length direction of the slits 
v, v1, v2: lateral position change of mask relative to sample(substrate) in the direction parallel to the length direction of the slits 
1. A fabrication method for dense topographically smooth or coplanar alternating line arrays on substrate, which comprises the following steps:
(i) setting a substrate in a reaction chamber; 
(ii) setting a slits-having shadow mask (whose slits’ width is d and pitch is f) over the substrate in close proximity;
(iii) feeding a gaseous material from material source assembly located to deposit a first layer of a defined thickness on the substrate corresponding to the above slits of shadow mask;
(iv) moving the shadow mask relative to the substrate (or vice versa) a defined distance (u/u1) rectangularly to the length direction of the slit, keeping parallel to the substrate; and then u is less than d,
(v) feeding another gaseous material from material assembly to deposit a second layer of a defined thickness on the substrate corresponding to the above slits of shadow mask;
(vi) moving the shadow mask relative to the substrate(or vice versa) a defined distance(u/u2) rectangularly to the length direction of the slit, keeping parallel to the substrate; 
(vii) repeating the above step (iii)-(vi) until the total moved distance of the shadow mask or the substrate reaches the slits’ pitch(f).
2. The fabrication method according to claim 1, wherein the said one gaseous material is for conductor, another gaseous material is for insulator.
3. The fabrication method according to claim 1, wherein a vacuum chamber is used as the reaction chamber.
4. The fabrication method according to claim 1, wherein slits’ width(d) is 20nm - 1μｍ, pitch(f) is 100nm-10μm, moving distance (u) is 5nm-250nm, and distance from shadow mask to substrate is 100nm-10μｍ.
5. A fabrication method for dense topographically smooth or coplanar alternating line arrays on substrate, which comprises the following steps:
(i) setting a substrate in a reaction chamber; 
(ii) setting a slits-having shadow mask (whose slits’ width is d and pitch is f) over the substrate in close proximity;
(iii) feeding a gaseous material from material source assembly to deposit a first layer of a defined thickness on the substrate corresponding to the above slits of shadow mask;
(iv) moving the shadow mask relative to the substrate (or vice versa) a defined distance (u/u1) rectangularly (or angularly) to the length direction of the slit, keeping parallel to the substrate; and then u is less than d,
(v) feeding another gaseous material from material assembly to deposit a second layer of a defined thickness on the substrate corresponding to the above slits of shadow mask;
(vi) moving the shadow mask relative to the substrate(or vice versa) a defined distance(u/u2) rectangularly(or angularly) to the length direction of the slit, keeping parallel to the substrate; 
(vii) feeding n-th(n:integer) gaseous material from material source assembly for just a to deposit n-th layer of a defined thickness on the substrate corresponding to the above slits of shadow mask;
(viii) moving the shadow mask relative to the substrate(or vice versa) just a defined distance(u/un) rectangularly(or angularly) to the length direction of the slit, keeping parallel to the substrate;
(ix) repeating the above step (iii)-(viii)  until the total moved distance of the shadow mask or the substrate reaches the slits’ pitch (f).
6. A fabrication method for crossbar structures, which comprises the following steps:
(1)preparing dense topographically smooth or coplanar alternating line arrays on substrate according to claim 1 or 5; 
(2) depositing functional layer(s) on the above line arrays using defined aperture-having shadow mask;
(3) preparing dense topographically smooth or coplanar alternating line arrays on functional layer(s)  according to the same method as claim 1 or 5 except but using slits-having shadow mask whose length direction of the slits is rectangular(or angular) to the length direction of the slit used in the above step(1).
[Abstract]
[Purpose] The purpose of this invention is to provide easy fabrication method for dense topographically smooth (or coplanar) nano-line arrays or nano-crossbar structures.
[Summary] A dense topographically smooth or coplanar alternating line arrays is fabricated on substrate, following the steps:
(i) setting a substrate in a reaction chamber; 
(ii) setting a slits-having shadow mask over the substrate in close proximity;
(iii) feeding a gaseous material to deposit a first layer of a defined thickness on the substrate corresponding to the above slits of shadow mask;
(iv) moving the shadow mask relative to the substrate a defined distance 
rectangular to the length direction of the slits, keeping parallel to the 
substrate. 
(v) feeding another gaseous material to deposit a second layer of a defined 
thickness on the substrate corresponding to the above slits of shadow mask;
(vi) moving the shadow mask relative to the substrate a defined distance rectangular to the length direction of the slits, keeping parallel to the substrate ;
(vii) repeating the above step (iii)-(vi) until the total moved distance of the 
shadow mask reaches the slits’ pitch.
Using the above fabrication method, nano-crossbar structures can also be fabricated.
[Typical figure]     Fig.3
[Fig.1]
2008285690.tif 000017
[Fig.2]
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[Fig.3]
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[Fig.4]
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[Fig.5]
2008285690.tif 000021
[Fig.6]
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[Fig.7]
2008285690.tif 000023
[Fig.8]
2008285690.tif 000024
[Fig.9]
2008285690.tif 000025
[Fig.10]
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[Fig.11]
2008285690.tif 000027
[Fig.12]
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[Fig.13]
2008285690.tif 000029
[Fig.14]
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