(57)【要約】【課題】走査型プローブ顕微鏡にそのまま適用することができ、広範囲を一括に、且つ任意位置に高精度なナノ加工を行うことができ、加工後、直接被加工物の表面形状を計測することができる。【解決手段】試料表面の微細な凹凸を計測するプローブ１の側方に、試料加工用チップ２１をもつ加工用プローブ２を複数個並設した。また、走査型プローブ顕微鏡の試料ステージ室内に、試料加工用チップ２１を備えた加工用プローブ２を試料表面計測用プローブ１の側方に一体的に取り付け、これらプローブ１，２を試料に対してＸＹＺ軸方向に走査するとともに、加工用プローブ２に通電することによって試料の微細加工を行い、併せて計測用プローブ１でその加工表面の計測を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料表面の微細な凹凸を計測するプローブの側方に、試料加工用チップをもつ加工用プローブを、複数個並設したことを特徴とする走査型マルチプローブ顕微鏡のためのマルチプローブ。
【請求項２】
前記計測用プローブを中心として、その両側に複数個の加工用プローブを並設し、これに通電する手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載のマルチプローブ。
【請求項３】
前記計測用プローブとこれに隣接する加工用プローブとの間に、計測用プローブに投射する計測用のレーザビームが加工用プローブに照射しないためのスペースを置いたことを特徴とする請求項２又は３に記載のマルチプローブ。
【請求項４】
走査型プローブ顕微鏡の試料ステージ室内に、試料加工用チップを備えた加工用プローブを試料表面計測用プローブの側方に一体的に取り付け、これらプローブを試料に対してＸＹＺ軸方向に走査するとともに、加工用プローブに通電することによって試料の微細加工を行い、併せて計測用プローブでその加工表面の計測を行うことを特徴とするマルチプローブ式微細加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ナノ電子デバイスやナノマシンなどを製作するためのマルチプローブ及びこれを用いた微細加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ナノメートルオーダーの微細な構造を有するナノ電子デバイスやナノマシンなどは、電気、機械、バイオ或いは医療など様々な分野で研究開発されており、これらのナノ構造体を高精度に計測・加工することは極めて重要であり、ナノ構造体の計測・加工を行うために、種々の装置が提供されている。走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）や原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）などの走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は、プローブを評価する試料に近接させることにより、トンネル電流、原子間力、磁気力、レーザビームなどを用い、試料表面の微細な凹凸や物性などをナノレベルで観察・評価を行うことができる。
【０００３】
さらに、走査型プローブリソグラフィー（ＳＰＬ）と呼ばれる技術によれば、基板に導電性プローブを近接させて、プローブと基板との間に電圧を印加することにより、基板又は表面の膜の一部をエッチングにより除去し微細加工を行うことができる（例えば、特許文献１参照）。しかし、この技術によれば、１本のプローブを用いてナノ加工を行い、その後、計測をする必要があるため、生産効率が極めて悪いという問題がある。一方、ナノ構造体やナノ電子デバイスなどの製造方法として、電子ビーム描画法やナノインプリンティング法、或いはＬＩＧＡプロセスなどが提供されているが、電子ビーム描画法は、スループットが低いという問題があり、ナノインプリンティング法やＬＩＧＡプロセスは、加工と計測が同時に行うことができないため、加工後の計測に多くの時間を必要とする問題がある。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−２８２２６６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、ナノテクノロジー時代に対応した上記の問題点を解決するためのものであり、走査型プローブ顕微鏡にそのまま適用することができ、ナノ加工・計測を素早く、且つ精密に行うことができるマルチプローブ及びこれを用いた微細加工方法を提供する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るマルチプローブは、試料表面の微細な凹凸を計測するプローブの側方に、試料加工用チップをもつ加工用プローブを、複数個並設したことを特徴とする。
【０００７】
好ましくは、前記計測用プローブを中心として、その両側に複数個の加工用プローブを並設し、これに通電する手段を備えた。
【０００８】
さらに好ましくは、計測用プローブとこれに隣接する加工用プローブとの間に、計測用プローブに投射する計測用のレーザビームが加工用プローブに照射しないためのスペースを置いた。
【０００９】
本発明に係るマルチプローブ式微細加工方法は、走査型プローブ顕微鏡の試料ステージ室内に、試料加工用チップを備えた加工用プローブを試料表面計測用プローブの側方に一体的に取り付け、これらプローブを試料に対してＸＹＺ軸方向に走査するとともに、加工用プローブに通電することによって試料の微細加工を行い、併せて計測用プローブでその加工表面の計測を行うことを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づいて本発明の実施例を詳細に説明する。
【００１１】
先ず、図１に基づいて本発明のマルチプローブについて説明をする。図１は、マルチプローブを示す説明図であって、Ａは側面図、Ｂは平面図、Ｃは正面図を示す。図１において、３は走査型プローブ顕微鏡に取り付けるためのホルダ部材を示すものであり、このホルダ部材３の側方先端には、複数のプローブ１，２が並設されている。これらのプローブ１，２は、中央に１本の計測用プローブ１が配され、この計測用プローブ１の両側に、夫々４本の加工用プローブ２が配置されている。
【００１２】
そして、計測用プローブ１は、計測用カンチレバー１０を介して先端に計測用チップ１１が設けられ、各加工用プローブ２は、加工用カンチレバー２０を介して先端に加工用チップ２１が設けられている。計測用チップ１１の一方側に配された４つの加工用チップ２１により第１チップ群２１Ａが、他方側に配された４つの加工用チップ２１により第２チップ群２１Ｂが形成される。計測用プローブ１は被加工物を計測・位置決めする際に用い、加工用プローブ２は被加工物を加工する際に用いる。また、計測用プローブ１と加工用プローブ２との間には、所定距離のスペースＳ１，Ｓ１’が設けられている。加工用プローブ２は、ホルダ体３の付け根部に、ジュール熱により収縮するいわゆる熱アクチュエータ２２やピエゾ薄膜が設けられており、それらに通電することにより、熱アクチュエータ２２を作動させ、加工用カンチレバー２１を反らせることができ、後述のように、被加工物５を移動する際の、加工用チップ２１の被加工物表面の接触を防止して、観測の妨げを防止する。
【００１３】
このマルチプローブは、全体がシリコン板により構成されており、全面を金薄膜などの導電性材料で覆うことにより、導電性のプローブ１，２を形成し、被加工物を加工するためのバイアス電圧を印加できる。この実施例では、計測用・加工用プローブ１，２の長さＬ１が４００μｍ、各スペースＳ１，Ｓ１’の幅Ｗ１が７５μｍ、各加工用プローブ２間の距離Ｗ２は１０μｍであって、マルチプローブ全体の大きさは約１ｍｍで構成されている。この寸法は、加工パターンや被加工物の材質により変更可能であることは当然である。
【００１４】
次に、図２及び３に基づいて、前記した加工装置を用いた走査型プローブナノリソグラフィー（ＳＰＮＬ）の実施例について説明する。図２Ａは、本発明に係るマルチプローブ式微細加工装置を模擬的に示したものである。この加工装置は、前記のマルチプローブを、ホルダ体３を介して走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）に取り付けたものである。この実施例のＳＰＭは、ステージ１１０上の被加工物５を設置し、ＰＺＴアクチュエータ１００でステージ１１０を走査することにより精密観測するタイプであり、観測の際には、レーザダイオード１０１から照射されたレーザビーム１０２を、ミラー１０３を介して計測用カンチレバー１０に当て、それによって反射されたレーザビーム１０２をミラー１０４を介してフォトディテクター１０５で感知し、その光路差により被加工物５の表面の凹凸を観測する。前記したスペースＳ１，Ｓ１’は、被加工物５の表面を計測する際、レーザビーム１０２を計測用カンチレバー１０に投射するが、このレーザビーム１０２のスポットが、加工用カンチレバー２０に照射しないためのインターバルであって、正確な観測の妨げを防止するために設ける。
【００１５】
以下、ＳＰＮＬの手法について説明をする。先ず、加工装置のステージ１１０上に被加工物５を設置する。そして、図２Ａの通り、マルチプローブを被加工物表面５０の下方に位置させ、矢印Ａに示すように、被加工物５を上方に移動する。そして、計測用チップ１１が被加工物表面５０に当接した際、被加工物５の移動を停止する（図２Ｂ参照）。各プローブ１，２のチップ１１，２１と、被加工物表面５０とは相対的に平行にすることができないので、中央の計測用チップ１１が、表面５０に当接する際には、第１又は第２加工用チップ群２１Ａ，２１Ｂのいずれかが表面５０に当接することになる。この実施例では、各チップ１１，２１に対して、被加工物５が右下に若干傾斜しているので、計測用チップ１１の左に位置する第１加工用チップ群２１Ａが被加工物表面５０に当接する。
【００１６】
そして、加工用プローブ２に電流を流しながら被加工物５を移動することにより被加工物表面５０を組成変化し、被加工物５を加工する（詳細については後述する）。その後、ヒータにより雰囲気温度を上昇し、熱アクチュエータ２２により加工用カンチレバー２１を反らせ、被加工物５を矢印Ｂに示す方向に移動して、計測用プローブ１で観測する。この熱アクチュエータ２２により、観測の際に、加工用チップ２１が加工した部分に接触しないので、加工部分の正確な観測の妨げを防止することができる。前記では加工用プローブ２にのみ電流を流したが、計測用プローブ１に電流を流すことにより、計測用プローブ１を加工用のプローブとして機能させても良い。
【００１７】
図３に基づいて、ＳＰＮＬについて更に詳細に説明をする。図３Ａは、被加工物５の断面図を示し、この被加工物５は、下からシリコン基板（Ｓｉ基板）５１、シリコン酸化薄膜（ＳｉＯ２薄膜）５２、及び有機ポリシラン薄膜（ＳＡＭ薄膜）５３により構成されている。ＳｉＯ２薄膜５２は約２ｎｍ、ＳＡＭ薄膜５３は約５ｎｍの厚さである。図３Ｂに示す通り、被加工物表面５０に加工用チップ２１を接触させ、バイアス電圧を印加することにより表面５０に電流が流れ、その状態で表面５０上の加工用チップ２１を走査することにより、チップ２１の接触部分が局所的に酸化されて組成変化し、ＳＡＭ薄膜５３にナノスケールのＳｉＯ２ライン５３Ａが形成される（これを電界支援酸化加工という）。
【００１８】
そして、図３Ｃに示すように、ＳｉＯ２薄膜５２・ＳｉＯ２ライン５３Ａをウェットエッチングすると、ＳＡＭ薄膜５３がエッチングマスクとなり、Ｓｉ基板５１がエッチングされる。それにより、ナノスケールの溝部５５が形成される（図３Ｄ参照）。この例によると、局所酸化を行った部分以外がエッチングマスクとして残るので、ポジ型のＳＰＮＬと呼ぶ。同様に、電界支援酸化加工により、ＳｉＯ２ライン５３Ａを形成した後、このＳｉＯ２ライン５３ＡをエッチングマスクとしてＳｉ基板５１のエッチングを行うことにより、ナノワイヤを形成することができる。この例では、局所酸化を行った部分がエッチングマスクとして残るので、ネガ型のＳＰＮＬと呼ぶ。
【００１９】
図４に基づいて、本発明の加工装置を用いた単電子トランジスタの製作工程について説明する。先ず、図４Ａに示すように、前記したポジ型のＳＰＮＬ技術を用いて、被加工物５にナノスケールの２つの溝部５５，５５’を形成する。その後、溝部５５，５５’に直交する２本のＳｉＯ２ライン５６Ａ，５６Ａ’を形成する（図４Ｂ参照）。そして、ポジ型のＳＰＮＬ技術を用いて、各ライン５６Ａ，５６Ａ’間をエッチングマスクとすることにより、量子ドット５７を有するナノワイヤ５６が形成される（図４Ｃ参照）。前記の実施例では、ポジ型のＳＰＮＬ技術を用いたが、ネガ型のＳＰＮＬ技術を用いることも当然可能である。即ち、溝部５５，５５’を形成した後（図４Ａ参照）、この溝部５５，５５’に直交する１本のＳｉＯ２ライン５６Ｂを形成し（図４Ｂ’参照）、そのライン５６Ｂをエッチングマスクとしてナノワイヤ５６を形成しても良い（図４Ｃ参照）。
【００２０】
図５は、単電子トランジスタの説明図を示し、図５Ａは、トンネル接合部の模式図を示す。上記方法でナノワイヤ５６を形成した後、表面全体を酸化して酸化膜（絶縁膜）５９を設けることにより、トンネル接合部５８を有する量子ワイヤ５６が形成される（図５Ａ参照）。図５Ｂは、トンネル接合部５８の側面図を示すものであり、量子ドット５７の上部径は約２０ｎｍ、下部径は約４０ｎｍである。図５Ｃは、量子ワイヤ５６の断面図を示すものであり、上幅は約１１０ｎｍ、下幅は約２００ｎｍである。図５Ｄは、単電子トランジスタの模式図を示し、量子ワイヤ５６の間にソース・ドレイン電極部が、量子ドット５７にゲート電極部が設けられており、この単電子トランジスタによれば、量子ワイヤ５６を通じる単一の電子のみを制御することができるので、消費電力が極めて少ない高性能なスイッチを作製することができる。また、本発明に係るマルチプローブによれば、複数の加工用プローブ２が有するチップ群２１Ａ，２１Ｂにより、広領域且つ一括にトンネル接合部５８を有する量子ワイヤ５６を形成できる。
【００２１】
前記した実施例のマルチプローブは、一実施例であって、材料や寸法、或いは電流の大きさなどについては、被加工物の材質、加工パターンの形状などによって変更可能であることは当然であり、前記した種類の走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）にのみ限定して適用されるものではなく、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）や原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）などに対しても適用できることも当然である。また、このマルチプローブは、前記した単電子トランジスタの作製に限らず、バイオチップやＤＮＡチップ、或いはセラミックフィルタなどの製作に適用可能であることは当然であり、バイオ・ＩＴ・環境・医療など様々な分野において、本発明の効果を得ることができる。
【００２２】
【発明の効果】
本発明によれば、上記の説明の通り、広範囲を一括に、且つ任意位置に高精度なナノ加工を行うことができ、加工後、直接被加工物の表面形状を計測することができるので、加工・計測時間の短縮が図れ、高スループットなナノ構造体の製作が可能である。そして、現在市販されている走査型プローブ顕微鏡本体に対して、改良・改造を行うことなく適用することができるので、極めて広範囲に利用することができる。また、従来の問題点である任意の位置に高精度に多数のナノ構造物を製作することができるので、単電子ナノデバイスやナノマシンなどの開発や製作に極めて有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のマルチプローブを示す説明図である。
【図２】本発明のマルチプローブを用いた実施例を示す説明図である。
【図３】走査型プローブナノリソグラフィー（ＳＰＮＬ）の実施例を示す説明図である。
【図４】単電子トランジスタの製造工程を示す説明図である。
【図５】単電子トランジスタを示す説明図である。
【符号の説明】
１  計測用プローブ
１０  計測用カンチレバー
１１  計測用チップ
２  加工用プローブ
２０  加工用カンチレバー
２１  加工用チップ
３  ホルダ部材
５  被加工物
５０  被加工物表面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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