(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンピュータパターン描画装置にあらかじめ記憶された３次元位置データとビームの照射位置、照射方向、照射時間に基づきビームを照射し、ビーム励起反応を利用するとともに、第１の反応ソースガスに更に異なる第２の反応ソースガスを同時供給した混合ガスを用いて、ＣＶＤプロセスにより空間的に自在な空中配線を作製し、該空中配線は、前記空中配線の作製途中に前記反応ソースガスの供給を変更することにより、金属、半導体または絶縁体の空中配線を形成することを特徴とする空中配線の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の空中配線の製造方法において、前記ビーム励起反応は液体金属イオン源を用いた集束イオンビームによることを特徴とする空中配線の製造方法。
【請求項３】
請求項１記載の空中配線の製造方法において、前記空中配線に電子素子を接続することを特徴とする空中配線の製造方法。
【請求項４】
請求項３記載の空中配線の製造方法において、前記電子素子は、抵抗、キャパシタ、インダクターであることを特徴とする空中配線の製造方法。
【請求項５】
請求項４記載の空中配線の製造方法において、前記抵抗、キャパシタ、インダクターに対応する反応ソースガスの材料を選定し、前記抵抗、キャパシタ、インダクターのそれぞれに対応した反応ガス供給制御を行うことを特徴とする空中配線の製造方法。
【請求項６】
請求項１記載の空中配線の製造方法において、電子・イオンビーム励起プロセスにより、局所空間に３次元情報ネットワークを構築することを特徴とする空中配線の製造方法。
【請求項７】
請求項１記載の空中配線の製造方法において、前記空中配線により、クロスバー回路を構成することを特徴とする空中配線の製造方法。
【請求項８】
請求項１記載の空中配線の製造方法において、前記反応ソースガスとしてフェナントレン・ガス気相中で、集束イオンビームによるビーム励起反応を利用して、ＤＬＣピラーに接続される幅を有する空中配線を成長させることを特徴とする空中配線の製造方法。
【請求項９】
請求項１記載の空中配線の製造方法において、成長時に前記第１の反応ソースガスとは異なった反応ソースガスを供給することにより、ヘテロ接合形成をすることを特徴とする空中配線の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集束イオンビーム（ＦＩＢ）などのビーム励起反応を利用して、基板表面あるいは３次元構造体から導電体を成長させ、直径がｎｍオーダの空中配線を行う方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造技術プロセスの研究開発の進展に伴う、２次元超微細加工技術の発展はめざましく、電子ビーム（ＥＢ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｂｅａｍ）、集束イオンビーム（ＦＩＢ：Ｆｏｃｕｓｅｄ  Ｉｏｎ  Ｂｅａｍ）を用いた、１０ｎｍリソグラフィが可能となり、５０ｎｍ以下の極微細ゲートＭＯＳデバイスや、単電子トランジスター等の１０ｎｍレベルの量子効果デバイスの作製へ応用展開されている（非特許文献１、２参照）。このように、２次元での超微細加工技術は研究開発レベルでほぼ確立されている。今後の超微細加工技術の研究開発方向は、２次元から３次元への多次元化であり、これに伴う多機能化・高性能化、さらにこれまで実現できなかった新機能デバイスの研究開発が求められている。
【０００３】
ｎｍオーダの構造作製には、２次元と同様に、分解能が優れている集束イオンビームおよび電子ビームを利用することが必要である。これまで、集束イオンビームを用いた柱状（ピラー）や壁状の構造体形成および電子ビームを用いたフィールドエミッターやフォトニック結晶構造の作製が報告されている（非特許文献３、４参照）。しかし、上記のこれまでに報告された技術は、任意の３次元構造を実現したものではない。
【０００４】
そこで、集束イオンビームによる化学気相成長（ＦＩＢ−ＣＶＤ：Ｆｏｃｕｓｅｄ  Ｉｏｎ  Ｂｅａｍ−Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を用いて、これまで達成されていなかった、１００ｎｍ以下の任意の３次元立体構造体を実現する技術を本願発明者らが開発した（特許文献１、非特許文献５参照）。
【特許文献１】特開２００１−１０７２５２号公報（３−４頁  図１）
【非特許文献１】Ｓ．Ｍａｔｓｕｉ  ａｎｄ  Ｙ．Ｏｃｈｉａｉ，Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，７，２４７（１９９６）．
【非特許文献２】Ｓ．Ｍａｔｓｕｉ，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ＩＥＥＥ，８５，６２９（１９９７）．
【非特許文献３】Ｈ．Ｗ．Ｋｏｏｐｓ，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｐａｒｔ１  ３３，７０９９（１９９４）．
【非特許文献４】Ｐ．Ｇ．Ｂｌａｕｎｅｒ，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，１９９１，ｐ．３０９
【非特許文献５】Ｓ．Ｍａｔｓｕｉ，Ｋ．Ｋａｉｔｏ，Ｊ．Ｆｕｊｉｔａ，Ｍ．Ｋｏｍｕｒｏ，Ｋ．Ｋａｎｄａ，ａｎｄ  Ｙ．Ｈａｒｕｙａｍａ，Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．，Ｂ１８，３１６８（２０００）．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、電子デバイスの集積化のためには２次元描画技術では限界があるので、３次元空間内にｎｍオーダの配線を行う必要がある。
また、マイクロコイルのような微小電子素子などの配線にはｎｍオーダの空中配線が不可欠である。
本発明は、ｎｍオーダの空中配線を作製することができる空中配線の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕空中配線の製造方法において、コンピュータパターン描画装置にあらかじめ記憶された３次元位置データとビームの照射位置、照射方向、照射時間に基づきビームを照射し、ビーム励起反応を利用するとともに、第１の反応ソースガスに更に異なる第２の反応ソースガスを有する混合ガスを用いて、ＣＶＤプロセスにより空間的に自在な空中配線を作製し、この空中配線は、前記反応ソースガスを選択することにより、金属、半導体または絶縁体の空中配線を形成することを特徴とする。
【０００７】
〔２〕上記〔１〕記載の空中配線の製造方法において、前記ビーム励起反応は液体金属イオン源を用いた集束イオンビームによることを特徴とする。
〔３〕上記〔１〕記載の空中配線の製造方法において、前記空中配線に電子素子を接続することを特徴とする。
〔４〕上記〔３〕記載の空中配線の製造方法において、前記電子素子は、抵抗、キャパシタ、インダクターであることを特徴とする。
【０００８】
〔５〕上記〔４〕記載の空中配線の製造方法において、前記抵抗、キャパシタ、インダクターに対応する反応ソースガスの材料を選定し、前記抵抗、キャパシタ、インダクターのそれぞれに対応した反応ガス供給制御を行うことを特徴とする。
〔６〕上記〔１〕記載の空中配線の製造方法において、電子・イオンビーム励起プロセスにより、局所空間に３次元情報ネットワークを構築することを特徴とする。
【０００９】
〔７〕上記〔１〕記載の空中配線の製造方法において、前記空中配線により、クロスバー回路を構成することを特徴とする。
〔８〕上記〔１〕記載の空中配線の製造方法において、前記反応ソースガスとしてフェナントレン・ガス気相中で、集束イオンビームによるビーム励起反応を利用して、ＤＬＣピラーに接続される幅を有する空中配線を成長させることを特徴とする。
【００１０】
〔９〕上記〔１〕記載の空中配線の製造方法において、成長時に前記第１の反応ソースガスとは異なった反応ソースガスを供給することにより、ヘテロ接合形成をすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
（Ａ）μｍ乃至ｎｍオーダの空中配線を任意の寸法、形状で作製でき、立体機能デバイスの作製を行うことができる。
（Ｂ）反応ガスを変えることにより、金属、半導体、絶縁体等、多種の材料で、３次元空中配線の形成が可能である。また、一つの立体構造体で、部分的に材料を変える複合立体空中配線を形成することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の空中配線の製造方法は、コンピュータパターン描画装置にあらかじめ記憶された３次元位置データとビームの照射位置、照射方向、照射時間に基づきビームを照射し、ビーム励起反応を利用するとともに、第１の反応ソースガスに更に異なる第２の反応ソースガスを有する混合ガスを用いて、ＣＶＤプロセスにより空間的に自在な空中配線を作製し、この空中配線は、前記反応ソースガスを選択することにより、金属、半導体または絶縁体の空中配線を形成する。
【実施例】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
第１図は本発明の第１実施例を示す集束イオンビームによる空中配線の製造装置の模式図である。
この図において、１はＳｉ基板、２は堆積構造物としてのＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ  Ｌｉｋｅ  Ｃａｒｂｏｎ）ピラー、３はそのＤＬＣピラー２上に接続される幅を有する空中配線であり、４は反応ガスとしてのフェナントレン・ガス（融点：９９℃、沸点：３４０℃）を送り出すノズル、５は反応ガスとしてのフェナントレン・ガス、６は集束イオンビーム装置、７は集束イオンビーム、８はその集束イオンビーム７の走査方向、９はコンピュータパターン描画装置であり、このコンピュータパターン描画装置９は、ＣＰＵ（中央処理装置）９Ａ、インタフェース９Ｂ，９Ｄ、あらかじめ３次元位置データとビームの照射位置、照射方向、照射時間を記憶するメモリ９Ｃ、入出力装置９Ｅ、表示装置９Ｆを有している。
【００１４】
そこで、反応ガスとしてのフェナントレン・ガス５気相中で、集束イオンビーム（ＦＩＢ）７によるビーム励起反応を利用して、ＤＬＣピラー２に接続される幅を有する空中配線３を成長させることができる。
具体例では、Ｇａ+ 集束イオンビーム装置〔セイコーインスツルメンツ（株）：ＳＭＩ９２００〕を用いて、カーボン系ガス（フェナントレン：Ｃ14Ｈ10）気相中で、励起反応により幅を有する空中配線３を作製した。堆積材料はラマン分光により、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）であることを確認した。
【００１５】
Ｇａ+ イオンのエネルギーは３０ｋｅＶ、照射イオン電流は１ｐＡ〜１ｎＡ程度である。このＧａ+ 集束イオンビームを反応ガスとしてのフェナントレン・ガス５の雰囲気中でＳｉ基板１に照射すると、照射位置に吸着している反応ガス分子が分解し、アモルファスカーボンが成長する。反応ガスとして用いるフェナントレン・ガス５は融点９９℃、沸点３４０℃の芳香族炭化水素化合物である。これを約７０〜８０℃に加熱し、得られる蒸気をガスノズル４先端からＳｉ基板１に吹き付ける。装置の真空度は約１×１０-5Ｐａ程度、アモルファスカーボン成長中の試料室平均ガス圧は５×１０-5Ｐａ程度である。
【００１６】
なお、集束イオンビームはＧａ+ を用いたが、これに限定するものではなく、液体金属イオン源であればよく、例えば、Ａｕ+ やＳｉ+ を用いるようにしてもよい。
更に、集束イオンビームによる３次元空中配線の作製原理について説明する。
集束イオンビーム照射による化学気相成長は、基板や、成長中の構造体表面に吸着した反応ガス分子が２次電子によって分解・堆積することで進行する。一般にイオンビームが照射されると、１次イオンが基板や堆積物中に侵入する際の弾性・非弾性散乱の相互作用過程で２次電子が放出される。３０ｋｅＶのＧａ+ イオンの場合、その飛程は約２０ｎｍである。
【００１７】
つまり、イオンビーム照射位置からこの半径約２０ｎｍの飛程の範囲に１次イオンが散乱し、さらにこの散乱領域から２次電子が放出される。基板表面に飛び出てきた比較的エネルギーの低い２次電子は、その反応断面積が大きいためにすぐに吸着ガス分子に捕捉され、２次電子がその反応ガス分子を分解することでアモルファスカーボンが成長する。
このとき、イオンビーム照射位置を固定しておくと、ビーム方向にアモルファスカーボンのピラーが成長していく。ここで、ビーム照射位置をわずかに横にシフトさせると２次電子の発生領域も同時にシフトする。つまり、シフトした方向（第１図では右側）のピラー側壁での２次電子が増えることで、横方向に枝状のアモロファスカーボンの成長が始まる。このとき、Ｇａ+ イオンの飛程が短いので、散乱する１次イオンは張り出したアモロファスカーボンの枝を突き抜けない。
【００１８】
つまり、アモロファスカーボンの枝の先端から効率よく２次電子が発生し、枝先端での分解・堆積反応が継続することで横方向にオーバーハングした枝の成長が可能となっている。よって、イオンビームの走査速度と成長速度を制御することで、斜め上方や真横への成長、さらには、斜め下方への成長を制御することが可能である。
フェナントレン（Ｃ14Ｈ10）のカーボン単体ソースを用いて作製した３次元ナノ配線の作製例を第２図（Ｌ，Ｃ，Ｒ並列回路、成長時間：２０分）、および第３図（Ｌ，Ｃ，Ｒフィルター回路、成長時間：２１分）に示す。配線径はいずれも、約１００ｎｍである。
【００１９】
作製した３次元ナノ配線の組成と構造を調べるために、（１）ＴＥＭ−ＥＤＸによる観測を行った。第４図は配線の分岐部分を２００ｋｅＶ下でＴＥＭ観測した様子である。この観測から、３次元ナノ配線内部のＧａとＣの分布および位置を特定することができた。なお、分析エリアは直径２０ｎｍ以下であった。
さらに、（２）作製した３次元ナノ配線の電気特性を調べる実験を行った。第５図に空中配線の電気特性評価配置図と測定データの一例を示す。この際、ソースガスとして、配線の抵抗率を下げるためにフェナントレンガスとともに、有機金属ガスであるタングステンカルボニル（Ｗ（ＣＯ）6 ）ガスを同時供給した混合ガスを用いた。抵抗測定の結果、フェナントレンガスのみで作製した配線の抵抗率は１００Ωｃｍであったのに対し、タングステンカルボニルガスを同時供給して作製した配線の抵抗率は０．０２Ωｃｍまで下げることができた。つまり、タングステンカルボニルガスを供給することで、１／１００００まで抵抗率に可変範囲を持たせた配線の作製が可能である。
【００２０】
さらに、その抵抗率変化が配線内の構造変化と、どのように対応しているのかを調べるために（３）第６図に示すように、ＳＥＭ−ＥＤＸ電子線スポットビームによる、配線内部の元素含有量を調べる実験を行った。測定の結果、タングステンカルボニルのガス密度を高めることにより、金属元素であるＧａとＷの含有量が増加し、３次元ナノ配線の抵抗率が減少することが明らかとなった。第７図にＳＥＭ−ＥＤＸで測定した抵抗率とＷの含有量との関係を示す。
【００２１】
なお、ソースガスとして、単体のソースガスを用いて作製することができる。  また、ソースガスとして、ソースガスに更に異なるソースガスとの混合ガスを用いることにより空中配線の特性を制御することができる。
第８図は本発明の第２実施例を示す集束イオンビームによる空中配線の製造装置の模式図である。
【００２２】
この図において、１１は基板、１２は絶縁板、１３は配線中の空中配線、１４は反応ガスとしてのフェナントレン・ガス（融点：９９℃、沸点：３４０℃）を送り出すノズル、１５は反応ガスとしてのフェナントレン・ガス、１６は集束イオンビーム装置、１７は集束イオンビーム、１８はその集束イオンビーム１７の走査方向、１９はコンピュータパターン描画装置であり、このコンピュータパターン描画装置１９は、ＣＰＵ（中央処理装置）１９Ａ、インタフェース１９Ｂ，１９Ｄ、あらかじめ３次元位置データとビームの照射位置、照射方向、照射時間を記憶するメモリ１９Ｃ、入出力装置１９Ｅ、表示装置１９Ｆを有している。
【００２３】
そこで、第８図に示すように、空中配線１３は、コンピュータパターン描画装置１９のメモリ１９ｃにあらかじめ記憶されている３次元位置データとビームの照射位置、照射方向、照射時間に基づいて配線されていく。
第９図は本発明の実施例を示す網目状に成長させた空中配線のＳＩＭ（スキャンニングイオンマイクロスコープ）画像（イオン顕微鏡像）である。
【００２４】
ＤＬＣ配線により、配線径１００ｎｍのクロスバー構造を作製したものであり、作製条件はビーム電流０．５ｐＡ、ドーズシフト２．７ｍｓ／ｎｍ、露光時間１４７ｓである。なお、反応ガスソースを有機金属ガスソースにして、金属配線クロスバー論理回路を形成することができる。
また、３０ｋｅＶのＧａ+ ＦＩＢにより、配線径は１００ｎｍ、作製時間は９０秒で、空中配線を形成し、空中配線間に抵抗、キャパシタ、インダクター等を自由に作り込むように構成することもできる。実際の配線には、Ａｕ，Ｐｔ，Ｗ等の金属を堆積できるガスソースを用いるようにした。
【００２５】
さらに、この実施例によれば、成長時に異なった反応ガスソースを供給することにより、ヘテロ接合形成にすることが可能である。
すなわち、空中配線の作製途中で、Ｐ，Ｎドーパント等の反応ガスソースに切り替えることにより、ＰＮ接合等の局所ドーピングを行い、電子・光デバイスが混在した、３次元情報ネットワークを構築することができる。
【００２６】
なお、本実施例の作製条件としては、ビーム電流は０．５ｐＡ、ドーズシフト２．７ｍｓ／ｎｍである。
第１０図は本発明の実施例を示す梯子状に作製したＤＬＣ空中配線のＳＩＭ画像であり、作製条件はビーム電流０．３ｐＡ、ドーズシフト３．０ｍｓ／ｎｍ、露光時間１０７ｓである。
【００２７】
第１１図は本発明の実施例を示す並列状のコイル状のＤＬＣ空中配線のＳＩＭ画像であり、作製条件はビーム電流０．３ｐＡ、ドーズシフト３．０ｍｓ／ｎｍ、露光時間１６６ｓである。
上記したように、本発明によれば、
（１）集束イオンビームのビーム径を５ｎｍ程度まで集束可能であるので、コンピュータパターン描画装置の３次元データを用いて、数１０ｎｍレベルの空中配線を得ることが可能である。
【００２８】
（２）反応ガスを変えることにより、金属、半導体、絶縁体等、多種の材料で、３次元配線の形成が可能である。もちろん、一つの立体構造体で、部分的に材料を変える複合立体空中配線を形成することが可能である。
これらの特徴を利用して、空中配線間にＬ，Ｃ，Ｒ，ＰＮ接合等を組み込んだナノ空間３次元情報ネットワークやバイオマニピュレータを作製することも可能である。
【００２９】
なお、本発明の空中配線の製造方法において、集束イオンビーム注入により、前記空中配線間に半導体材料の局所的ドーピングを行うこともできる。
また、本発明の空中配線の製造方法において、ドーピングガス中で電子ビーム照射することにより、前記空中配線間に半導体材料の局所的ドーピングを行うこともできる。
また、本発明の空中配線の製造方法において、半導体デバイスをレーザや静電マニュピュレータにより、前記空中配線間に移動させ、該空中配線間にそれらの半導体デバイスをＣＶＤ法により固定することができる。
【００３０】
さらに、本発明の空中配線の製造方法において、前記ＣＶＤ法は集束イオンビーム−ＣＶＤ法または、電子ビーム−ＣＶＤ法によることができる。
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明の空中配線の製造方法は、マイクロスイッチ、センサー、バイオなどへのマニュピレータ、マイクロ波用アンテナ、量子デバイスなどへ利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の第１実施例を示す集束イオンビームによる空中配線の製造装置の模式図である。
【図２】フェナントレン（Ｃ14Ｈ10）のカーボン単体ソースを用いて作製した３次元ナノ配線の作製例（その１）を示す図である。
【図３】フェナントレン（Ｃ14Ｈ10）のカーボン単体ソースを用いて作製した３次元ナノ配線の作製例（その２）を示す図である。
【図４】配線の分岐部分をＴＥＭ観測した図である。
【図５】空中配線の電気特性評価配置図と測定データの一例を示す図である。
【図６】空中配線の元素分析の模式図および空中配線のスペクトルのＥＤＸ元素分析特性図である。
【図７】元素分析および電気的特性の結果を示す図である。
【図８】本発明の第２実施例を示す集束イオンビームによる空中配線の製造装置の模式図である。
【図９】本発明の実施例を示す網目状に成長させた空中配線のＳＩＭ画像である。
【図１０】本発明の実施例を示す梯子状に作製したＤＬＣ空中配線のＳＩＭ画像である。
【図１１】本発明の実施例を示す並列状のコイル状のＤＬＣ空中配線のＳＩＭ画像である。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
0004704911.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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