(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁した表面または電気的に分離された導電性を有する表面に材料を局所的に付着させる方法であって、
ナノ毛管、ナノ注射器、またはナノ・ピペットを含むナノ・ペンを使用して前記表面に電解液を塗布するステップであり、前記ナノ・ペンが、付随の電極を含み、前記ナノ・ペンを使用して前記表面に前記電解液を塗布するステップが、前記ナノ毛管、前記ナノ注射器、または前記ナノ・ピペットを使用して前記電解液を前記表面に送達するステップを含むステップと、
前記電解液に電流を流して、前記電解液の成分を含む材料を前記表面に付着させる電気化学反応を開始させるステップと
を含み、前記電解液に電流を流すことが、
前記付随の電極に電位を与えるステップ、および
前記電解液に電荷を供給するように荷電粒子ビームを導くステップ
によって達成され、
前記ナノ・ペンの荷電粒子ビーム画像を形成するステップと、
パターン認識ソフトウェアを使用して前記ナノ・ペンの位置を前記画像から決定するステップと、
前記ナノ・ペンの決定された位置と所定の位置とを自動的に比較するステップと、
観察された位置と前記所定の位置との間の差に基づいて、前記ナノ・ペンの位置を自動的に調整して、前記ナノ・ペンを再配置するステップと、
を含む方法。
【請求項２】
前記表面は絶縁した表面であり、前記絶縁した表面に前記材料を付着させることが、真空チャンバの内部でおこる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記表面に電解液を塗布するステップが、毛管力を主に使用して前記ナノ・ペンから前記電解液を引き出すステップを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
５０μｍ未満の直径を有する電解液滴を前記表面に付着させるステップをさらに含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記直径が２０μｍ未満である、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記直径が５μｍ未満である、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記直径が１μｍ未満である、請求項４に記載の方法。
【請求項８】
前記ナノ・ペンは２００ｎｍ未満の直径を有する前記ナノ毛管を備え、
前記表面に電解液を塗布するステップが、前記ナノ毛管を使用して電解液を局所的に塗布するステップを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項９】
前記ナノ・ペンを使用して前記表面に前記電解液を塗布するステップが、前記ナノ毛管、前記ナノ注射器、または前記ナノ・ピペットの端部を前記表面に接触させながら、前記ナノ・ペンをあるパターンに従って移動させることによって、前記表面に前記電解液を前記パターンで局所的に塗布するステップを含み、
前記電解液に電流を流して、前記材料を付着させる前記電気化学反応を開始させるステップが、前記パターンの電解液に電流を流して前記パターンで前記材料を付着させる電気化学反応を開始させるステップを含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
ナノ・ペンを使用して前記表面に電解液を塗布するステップが、前記ナノ・ペンが前記表面に接触した位置に電解液滴を形成するステップを含み、
前記電解液に電荷を供給するように荷電粒子ビームを導くステップが、前記電解液滴から前記電解液滴の直径の７倍を超える距離のところにある点に前記荷電粒子ビームを導くステップを含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
ナノ・ペンを使用して前記表面に電解液を塗布するステップが、前記ナノ・ペンが前記表面に接触した位置に電解液滴を形成するステップを含み、
前記電解液に電荷を供給するように荷電粒子ビームを導くステップが、前記電解液滴から前記電解液滴の直径の３倍を超える距離のところにある点に前記荷電粒子ビームを導くステップを含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
ナノ・ペンを使用して前記表面に電解液を塗布するステップが、前記ナノ・ペンが前記表面に接触した位置に電解液滴を形成するステップを含み、
前記電解液に電荷を供給するように荷電粒子ビームを導くステップが、前記電解液滴から前記電解液滴の直径の１倍を超える距離のところにある点に前記荷電粒子ビームを導くステップを含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記ナノ・ペンを使用して前記表面に前記電解液を塗布するステップが、前記ナノ毛管、前記ナノ注射器、または前記ナノ・ピペットの端部を前記表面に接触させながら、かつ、前記表面に前記材料を電着させるように前記電解液に電流を流しながら、前記ナノ・ペンをあるパターンに従って移動させることによって前記表面に前記電解液を局所的に塗布するステップをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記材料を付着させる電気化学反応を開始させるステップが、金属または金属合金を付着させる電気化学反応を開始させるステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
荷電粒子ビームを導くステップが、イオン・ビームまたは電子ビームを導くステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記ナノ・ペンに付随の前記電極が、前記ナノ・ペンの表面の金属コーティング、または前記ナノ・ペン内もしくは前記ナノ・ペンの表面の導線を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記ナノ・ペンを使用して前記表面に電解液を塗布するステップが、電解液滴を前記表面に付着させるステップを含み、
前記電解液に電荷を供給するように荷電粒子ビームを導くステップが、前記電解液滴に、または前記電解液滴の直径１つ分以内に前記荷電粒子ビームを導くステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
前記電解液に電荷を供給するように荷電粒子ビームを導くステップが、電気的に分離された導電フィーチャの前記電解液が接触した前記表面に前記荷電粒子ビームを導くステップと、前記荷電粒子ビーム、前記電気的に分離された導電フィーチャ、前記電解液および前記電極の間に電気化学回路を形成するステップであって、前記電気化学回路は前記電気化学反応を引き起こす、ステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
前駆体ガスのビーム誘起分解を使用して前記表面に電極を付着させるステップをさらに含み、前記電解液に電荷を供給するように荷電粒子ビームを導くステップが、付着させた前記電極に前記荷電粒子ビームを導くステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
あるパターンに従って前記荷電粒子ビームで走査して前記パターンで前記材料を付着させるステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２１】
真空チャンバ内で表面に材料を付着させ、または表面から材料をエッチングする方法であって、
５μｍ未満の内径を有し、電解液を含むナノ・ペンを前記真空チャンバに入れるステップと、
前記表面に前記電解液を局所的に塗布するステップであって、前記表面に前記電解液を局所的に塗布するステップが、
毛管作用が前記ナノ・ペンの内部から前記表面へ前記電解液を流すように、前記ナノ・ペンを前記表面に接触させることと、
前記ナノ・ペンの荷電粒子ビーム画像を形成することと、
パターン認識ソフトウェアを使用して前記ナノ・ペンの位置を前記荷電粒子ビーム画像から決定することと、
前記ナノ・ペンの決定された位置と所定の位置とを自動的に比較することと、
観察された位置と前記所定の位置との間の差に基づいて、前記ナノ・ペンの位置を自動的に調整して、前記ナノ・ペンを再配置することと、
を含むステップと、
前記電解液に電流を流して、前記電解液の成分を含む材料を前記表面に電気化学的に付着させ、または前記表面から材料を電気化学的にエッチングするステップと
を含む方法。
【請求項２２】
前記ナノ・ペンの内径が１μｍ未満である、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記ナノ・ペンの内径が２００ナノメートル未満である、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記電解液に電流を流して、前記材料を電気化学的に付着させるステップが、前記表面を覆う前記電解液の層上で、あるパターンに従って前記荷電粒子ビームで走査して前記パターンで前記材料を付着させるステップを含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
表面を電気化学的に改変する方法であって、
真空チャンバ内で、ナノ毛管、ナノ注射器、またはナノ・ピペットを含むナノ・ペンを使用して前記表面に電解液を局所的に塗布するステップと、
前記電解液に電流を流して、前記表面に材料を電気化学的に付着させ、または前記表面から材料をエッチングするステップと、
前記ナノ・ペンの荷電粒子ビーム画像を形成するステップと、
パターン認識ソフトウェアを使用して前記ナノ・ペンの位置を前記画像から決定するステップと、
前記ナノ・ペンの決定された位置と所定の位置とを自動的に比較するステップと、
観察された位置と前記所定の位置との間の差に基づいて、前記ナノ・ペンの位置を自動的に調整して、前記ナノ・ペンを再配置するステップと
を含む方法。
【請求項２６】
あるパターンに従って前記荷電粒子ビームで走査して前記パターンで前記材料を付着させるステップをさらに含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
パターン認識ソフトウェアを使用して、付着させたまたはエッチングした構造物の幾何形状を決定するステップと、観察した前記幾何形状と所望の幾何形状との間の偏差に基づいて、前記電流または前記ナノ・ペンの運動を自動的に調整するステップとをさらに含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
あるパターンに従って前記荷電粒子ビームで走査して前記パターンで前記材料を付着させるステップをさらに含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
真空チャンバ内で基板の表面を電気化学的に処理する装置であって、
基板を保持する真空チャンバと、
電子ビームを使用して前記基板を撮像するように構成された電子顕微鏡と、
真空チャンバ内に延在するマイクロマニピュレータであり、１ミクロン未満の精度で物体を移動させることができるマイクロマニピュレータと、
前記マイクロマニピュレータに接続されたナノ毛管であり、前記基板の前記表面に電解液を送達するように構成されたナノ毛管と、
画像処理プロセッサと、
コントローラと
を備える装置であって、
前記画像処理プロセッサは、パターン認識ソフトウェアを使用して、電子ビームによって取得された前記基板の電子顕微鏡画像内の前記ナノ毛管を認識し、前記ナノ毛管の位置に関するリアルタイム情報を前記コントローラに供給するよう構成されており、
前記コントローラは、前記ナノ毛管の位置に関する前記リアルタイム情報を使用して、所定のパターンに従って、前記マイクロマニピュレータを介して、前記ナノ毛管の移動を制御するよう構成されている、
装置。
【請求項３０】
基板を保持する前記真空チャンバが、前記電子顕微鏡内の圧力を前記基板を保持する前記真空チャンバ内の圧力よりも低く維持するための圧力制限絞りを含む、請求項２９に記載の装置。
【請求項３１】
前記ナノ毛管の内径が５μｍ未満である、請求項２９に記載の装置。
【請求項３２】
前記ナノ毛管の内径が１μｍ未満である、請求項３１に記載の装置。
【請求項３３】
前記ナノ毛管の内径が２００ｎｍ未満である、請求項３１に記載の装置。
【請求項３４】
導体が、前記ナノ毛管を覆うかまたは前記ナノ毛管に付随する、請求項２９に記載の装置。
【請求項３５】
前記マイクロマニピュレータがガス注入システムを備える、請求項２９に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、局所的な電気化学反応を使用して小構造物を改変することに関し、本発明は、ナノテクノロジの分野において特に有用である。
【背景技術】
【０００２】
マイクロメートル規模およびナノメートル規模の構造物は生物科学、マイクロエレクトロメカニカル・システム（ＭＥＭＳ）および半導体製造を含む多くの分野で使用されている。例えば、マイクロプロセッサなどの半導体デバイスは数百万個のトランジスタからなることがあり、それらのトランジスタはそれぞれ、いくつかの平面で枝分れし、絶縁材料の層によって互いから電気的に分離された細い金属線によって相互接続されている。生物学的センサは、分析物を検出するマイクロスコピックな（ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃ）生物物質領域、変換器および解釈可能な検出可能信号を供給する電子機構を含むことがある。
【０００３】
新たなナノスコピック（ｎａｎｏｓｃｏｐｉｃ）デバイスを製造設備で最初に製作するとき、その設計は一般に、期待したとおりには動作しない。その場合、そのデバイスを設計した技術者は、自身の設計を再検討し、所望の機能を達成するようにその設計を「配線し直す」必要がある。微細な構造物を製造するために一般に使用されるリソグラフィ・プロセスは複雑であるため、設計し直したデバイスが製造されるまでには一般に数週間または数箇月かかる。さらに、実装された変更はしばしば問題を解決せず、または追加の設計変更が必要な別の設計欠陥を露呈させる。試験し、設計し直し、製造し直すこの工程によって、新たな半導体デバイスを市場に出すまでの時間が相当に長くなることがある。デバイスの開発中に回路全体を製造し直す必要なしにデバイスを改変するプロセスであるデバイス・エディティング（ｄｅｖｉｃｅ  ｅｄｉｔｉｎｇ）は、処理コストと開発期間の両方を低減させることによって巨大な経済的利益を提供する。
【０００４】
荷電粒子は、１／１０ミクロンよりも小さなスポットに集束させることができるため、マイクロスコピックな構造物を形成し、変更する目的には、集束イオン・ビーム・システム、電子ビーム・システムなどの荷電粒子ビーム・システムが使用されている。集束イオン・ビームは、スパッタリングによって、すなわちターゲット表面から原子もしくは分子を物理的に叩き出すことによって、または化学的に支援されたイオン・ビーム・エッチングによって、材料を微細機械加工することができる。電子ビームは、化学的に支援された電子ビーム・エッチングで使用することができる。
【０００５】
イオン・ビーム、電子ビームおよびレーザ・ビームを使用して、材料を、ビーム誘起付着または直接描画付着（ｄｉｒｅｃｔ−ｗｒｉｔｅ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）として知られているプロセスによって直接に付着させることもできる。直接描画付着は、フォトリソグラフィ・マスクを改変し、新たな回路を最初から製作する時間のかかる工程を実施することなしに、デバイスの変動をデバイス設計者が試験することを可能にする。直接描画付着は、電子ビーム、イオン・ビームまたはレーザ・ビームによって刺激された化学蒸着を使用することによって達成することができ、この蒸着では、ビームの効果によって前駆体種が解離する。解離した分子の一部は基板に付着し、解離した分子の一部は揮発性の副生物を形成し、この揮発性の副生物は最終的に基板表面から解放される。前駆体は、付着させる金属種を含む蒸気とすることができる。金属が付着するのはビームが衝突したエリアだけであり、そのため、付着する金属の形状を正確に制御することができる。イオン・ビーム支援付着プロセスは例えば、Ｋａｉｔｏ他の「Ｐｒｏｃｅｓｓ  ｆｏｒ  Ｆｏｒｍｉｎｇ  Ｍｅｔａｌｌｉｃ  Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ  Ｆｉｌｍ」という名称の米国特許第４，８７６，１１２号およびＴａｏ他の「Ｉｏｎ  Ｂｅａｍ  Ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｍｅｔａｌｓ」という名称の米国特許第５，１０４，６８４号に記載されている。
【０００６】
直接描画付着を使用して高純度の材料を得ることはしばしば難しい。これは主に、前駆体分子の他の成分または入射イオン・ビームからのガリウム・イオンなどの元素が付着物に取り込まれるためである。このように組成、材料の純度または内部構造を制御することができないために、付着させた材料が望ましくない特性を有することがしばしばある。集束イオン・ビーム（ＦＩＢ）誘起付着によって付着させたタングステンおよび白金は一般に、約１５０マイクロΩセンチメートル（μΩ−ｃｍ）よりも大きな抵抗率を有する。最近導入されたＦＩＢ銅付着は３０〜５０μΩ−ｃｍの抵抗率を有する。これは、５μΩ−ｃｍ未満である純粋な銅の抵抗率よりもかなり大きい。導体のサイズが縮小し続け、プロセッサの速度が増大すると、デバイス・エディティング・プロセス中に付着させる導体の抵抗率を低減させて、必要な電流をより小さな導体が運ぶことができるようにすることが必要になる。同様に、バイア（ｖｉａ）、すなわち異なる層の導体を接続する金属が充填された穴、を埋めるのに使用する材料の抵抗率も小さくする必要がある。これは、将来にはバイアの直径が小さくなり、そのため電流を運ぶ穴の中の導電材料がより少なくなるためである。したがって、充填材料の低い抵抗率およびボイド（ｖｏｉｄｓ）の排除がよりいっそう重要になる。さらに、バイアの寸法が小さくなると、バイアの側壁に導電材料を再付着させることなしにバイアの底の線をきれいに切断することがより困難になり、バイアの側壁に再付着した導電材料が他の層を短絡する可能性がある。
【０００７】
さらに、荷電粒子ビーム誘起付着によって付着させることができる材料は、必要な特性を有する蒸気相前駆体、すなわち表面での滞留時間が長く（粘着性で）、自然分解せず、ビームの存在下で分解して所望の材料を付着させ、揮発性の副生物を形成する蒸気相前駆体、が利用できるかどうかによって制限される。特定の材料に対する適当な付着前駆体が存在するとき、付着速度はしばしば、ガス減少効果（ｇａｓ  ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ  ｅｆｆｅｃｔ）および他の因子によって制限される。
【０００８】
回路に金属を全面的に付着させるプロセスは知られている。例えば、ＩＣ製造においては、ダマシン・プロセスでオンチップ相互接続を形成するために銅の電気めっきが使用されている。ダマシン・プロセスは、１９９７年にＩＢＭによって最初に開発されたプロセスである。電気めっき浴溶液は、さまざまな半導体化学薬品供給会社によって独自のものが調製されており、それらの会社から市販されている。チップ製造中のスーパーフィリング（ｓｕｐｅｒｆｉｌｌｉｎｇ  ｄｕｒｉｎｇ  ｃｈｉｐ  ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）として知られているＩＣ製造電気めっき技術は、直径約１００ｎｍ、アスペクト比１：５のバイアに充填する能力を有する。しかしながら、このようなプロセスはチップ全体に全面的に使用される。
【０００９】
Ｇｕ他の「Ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  Ｍｏｄｉｆｙｉｎｇ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  Ｕｓｉｎｇ  Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ  Ｃｈａｒｇｅ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ  ｔｏ  Ｒｅｍｏｖｅ  ｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔ  Ｍａｔｅｒｉａｌ」という名称の米国特許第７，６７４，７０６号（「Ｇｕ」）は、局所的な電解液滴を集積回路の一部分に付着させ、液滴中のプローブから電解液を通り、次いで基板を通って流れる電流を使用して、付着またはエッチングを実施することを記載している。一実施形態では、液滴中のプローブの代わりに荷電粒子ビームを使用して電流を供給する。この回路は基板を通ることによって完成する。
【００１０】
図１は、導電表面のすぐ近くに配置されたマイクロ・ピペットまたはナノ・ピペットを使用した導体の局所的な電気化学付着の方法を示す。このような方法は、Ｓｕｒｙａｖａｎｓｈｉ他の「Ｐｒｏｂｅ−ｂａｓｅｄ  ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｆｒｅｅｓｔａｎｄｉｎｇ  Ｃｕ  ｎａｎｏｗｉｒｅ  ａｒｒａｙ」、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ８８、０８３１０３（２００６）（「Ｓｕｒｙａｖａｎｓｈｉ」）に記載されている。ガラス・ピペット１０２が、０．０５Ｍ  ＣｕＳＯ4などの電解液１０４を保持する。電源１０６が電気化学反応のための電流を供給し、銅電極１０８と導電基板１１０の間に電気回路が形成される。このプロセスは一般に、光学顕微鏡での観察下において大気中で実施される。表面上をさまざまな方向に移動してパターンを描くデバイスは「ナノ・ペン（ｎａｎｏ  ｐｅｎ）」と呼ばれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第４，８７６，１１２号
【特許文献２】米国特許第５，１０４，６８４号
【特許文献３】米国特許第７，６７４，７０６号
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】Ｓｕｒｙａｖａｎｓｈｉ他、「Ｐｒｏｂｅ−ｂａｓｅｄ  ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｆｒｅｅｓｔａｎｄｉｎｇ  Ｃｕ  ｎａｎｏｗｉｒｅ  ａｒｒａｙ」、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ８８、０８３１０３（２００６）
【非特許文献２】Ｄｏｎｎｅｒｍｅｙｅｒ，Ａ．の２００７年の論文「Ｓｃａｎｎｉｎｇ  ｉｏｎ−ｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ」、Ｂｉｅｌｅｆｅｌｄ（ドイツ）：Ｂｉｅｌｅｆｅｌｄ大学
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
したがって、本発明の目的は、マイクロスコピックな構造物を変更する方法を提供すること、具体的には、マイクロスコピック構造物の表面に高純度の材料を選択的に付着させ、マイクロスコピック構造物から材料を選択的に除去する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の実施形態は、局所的な電荷移動機構を使用して、基板の表面に材料を正確に付着させ、または基板から材料を正確に除去する。いくつかの実施形態において、本発明は、金属導体を迅速かつ正確に付着させることができ、または金属もしくは他の導電材料を構造物から迅速に除去することができる。いくつかの実施形態は、静水力学的な力によってではなく毛管力によって液体が引き出される十分に小さな直径を有するナノ毛管（ｎａｎｏｃａｐｉｌｌａｒｙ）を使用し、それによって液体分配の制御を向上させる。
【００１５】
いくつかの実施形態では、環境制御型走査電子顕微鏡（ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ  ｓｃａｎｎｉｎｇ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）などの荷電粒子ビーム・システムの真空チャンバ内で電気化学反応が実行され、移動可能なナノ・ペンが、付着を実施する位置または付着を実施する位置の近くにパターンまたはスポットを画定する。いくつかの実施形態では、材料を付着させる表面が導電性である必要がない。電気回路は、例えば荷電粒子ビームによって、またはナノ・ペンの端部の電解液の泡（ｂｕｂｂｌｅ）からかなりの距離にわたって延びる液体の薄い膜によって、完成させることができる。
【００１６】
いくつかの実施形態は、付着物の位置および／または状態が好ましくは走査電子顕微鏡によって監視され、その画像がソフトウェアによって解析され、その画像解析に基づいてナノ・ペンの移動が調整される自動化されたプロセスを提供する。
【００１７】
以上では、以下の本発明の詳細な説明をより十分に理解できるように、本発明の特徴および技術上の利点をかなり広く概説した。以下では、本発明の追加の特徴および利点を説明する。開示される着想および特定の実施形態を、本発明の同じ目的を達成するために他の構造を改変しまたは設計するベースとして容易に利用することができることを当業者は理解すべきである。さらに、このような等価の構造は、添付の特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨および範囲を逸脱しないことを当業者は理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】先行技術の電気化学的描画機器を示す図である。
【図２】純粋な金属を付着させまたは金属をエッチングするシステムを示す図である。
【図３】図２のシステムの操作を示す流れ図である。
【図４】荷電粒子ビームを仮想電極（ｖｉｒｔｕａｌ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）として使用するシステムを示す図である。
【図５】導体に隣接する絶縁表面で電着が実行されるシステムを示す図である。
【図６】図５のシステムの操作を示す流れ図である。
【図７】図５に示したシステムを使用して付着させた金属の顕微鏡写真である。
【図８】反応のための電荷を供給する荷電粒子ビームとともに機能する電極として使用する導体を荷電粒子ビームが付着させるシステムを示す図である。
【図９】図８のシステムの操作を示す流れ図である。
【図１０】ビームが、ナノ毛管の先端の電解液泡から離れた薄い電解液層から付着物を生じさせるシステムを示す図である。
【図１１】図１０のシステムの操作を示す流れ図である。
【図１２】図１０に示したシステムを使用して付着させた金属の顕微鏡写真である。
【図１３】ナノ毛管を形成する手順を示す流れ図である。
【図１４Ａ】適切な流れを誘起するのに必要な特定の幾何形状を達成するためにナノ毛管の先端をミリング（ｍｉｌｌｉｎｇ）する前のＦＩＢに対するナノ毛管の整列を示す図である。
【図１４Ｂ】ナノ毛管のミリングを示す図である。
【図１４Ｃ】ナノ毛管の表面の基準マーク（ｆｉｄｕｃｉａｌ）のミリングを示す図である。
【図１４Ｄ】ナノ毛管の表面の基準マークのミリングを示す図である。
【図１４Ｅ】電気化学付着のための電解液を局所的に付着させるためのナノ毛管と表面との整列を示す図である。
【図１５Ａ】図１４に記載した処理ステップのうちのいくつかのステップの後のナノ毛管の顕微鏡写真であり、切断後のナノ毛管の端部を示す図である。
【図１５Ｂ】図１４に記載した処理ステップのうちのいくつかのステップの後のナノ毛管の顕微鏡写真であり、ナノ毛管の表面に基準マークがミリングされた図１５Ｂのナノ毛管を示す図である。
【図１６】ナノ毛管を調製する手順を示す流れ図である。
【図１７Ａ】ナノ毛管に充填する際に関与する一連のステップを示す図である。
【図１７Ｂ】ナノ毛管に充填する際に関与する一連のステップを示す図である。
【図１７Ｃ】ナノ毛管に充填する際に関与する一連のステップを示す図である。
【図１７Ｄ】ナノ毛管に充填する際に関与する一連のステップを示す図である。
【図１８】ナノ毛管を保持するために使用する改変されたＧＩＳアセンブリを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
好ましい一実施形態において、本発明は、基板に導電材料を直接に付着させ、または基板から導電材料をエッチングする手段を提供する。ナノ・ペンが電解液を供給し、電解液を流れる電流が、表面に材料を電気化学的に付着させまたは表面から材料を電気化学的にエッチングする。本明細書で使用する「ナノ・ペン」は、表面に対して移動したときに少量の液体を供給して、基板の表面で「描画」または「エッチング」を実施するデバイスを含む。ナノ・ペンは例えば、ナノ毛管、ナノ注射器、ナノ・ピペットなどを含み得る。
【００２０】
本発明のいくつかの実施形態を使用して、実質的に純粋な金属を付着させることができる。純粋であるため、それらの金属は、タングステン材料および白金材料の既存のＦＩＢ誘起付着の抵抗率の１／４０以下、銅導電材料のＦＩＢ誘起付着の抵抗率の１／１０以下の抵抗率を有することがある。それらの抵抗率は純粋な金属の抵抗率に匹敵し、例えば１００μΩ−ｃｍ未満、より好ましくは５０μΩ−ｃｍ未満、よりいっそう好ましくは２５μΩ−ｃｍ未満または１０μΩ−ｃｍ未満、最も好ましくは５μΩ−ｃｍ未満である。付着金属の純度は、９０％（原子百分率）超、より好ましくは９５％超、最も好ましくは９９％超になることがある。複数の金属イオン種を含む溶液を使用して合金を付着させることもできる。
【００２１】
本発明のいくつかの実施形態では、ナノ・ペンが、例えば環境制御型の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）などの荷電粒子ビーム・システムの試料真空チャンバ内で動作する。環境制御型ＳＥＭは一般に、０．０７トルから５０トルの間の圧力のチャンバ（ｃｈａｍｂｅｒ）内に置かれた試料に対して機能する。この圧力は、一般に１０-5ミリバール未満である従来のＳＥＭまたはＦＩＢの真空チャンバ内の圧力に比べてはるかに高い。本発明のいくつかの実施形態で使用される電解液は真空チャンバ内の圧力を高めるが、それでも、そのより高められた動作圧力を、環境制御型ＳＥＭの動作限界内に維持することはできる。いくつかの実施形態では、試料および／またはナノ・ペンを冷却して電解液の蒸気圧を低下させ、環境制御型ＳＥＭ試料チャンバ内の使用圧力を動作限界内に維持する。
【００２２】
このプロセスを環境制御型ＳＥＭ内で使用するときには、付着パターンを形成するため、および成長過程を高い精度で監視するために、ＳＥＭ画像を使用して、毛管を手動でまたは自動的に配置し、導くことができる。ＳＥＭの高い分解能は、パターン認識ソフトウェアを使用することによってナノ・ペンの位置および付着中またはエッチング中の材料が観察され、解釈される自動化されたプロセスを容易にする。このプロセスをリアルタイムで、すなわちプロセスが実行されている間に修正するため、ナノ・ペンの位置および付着またはエッチングの幾何形状などのプロセスの状態が測定され、それらがプロセス・コントローラにフィードバックされ、閉ループ・フィードバック・システムが提供される。このような実施形態は、ナノ・ペンの配置の正確さが光学顕微鏡の分解能によって制限されるＳｕｒｙａｖａｎｓｈｉのシステムなどの先行技術のシステムの限界を克服する。
【００２３】
真空チャンバ内で本発明を使用する他の利点は、荷電粒子ビームが電荷移動反応を誘起し得る点であり、その結果、荷電粒子ビームを仮想電極として使用することができる点である。表面に材料を直接に付着させる先行技術の電気化学的な直接描画プロセスは絶縁表面と両立しない。電気化学回路が形成されることを絶縁表面が妨げるためである。仮想陰極としての荷電粒子ビームと電解液を局所的に塗布するナノ毛管とを使用する本発明の実施形態は、絶縁表面への付着を可能にする。
【００２４】
仮想電極の使用は、絶縁表面または絶縁された導体への付着を容易にする。例えば、ガリウム、アルゴンまたは他のイオンのビームなどのイオン・ビームは、正電荷を供給して、付着のための陽極反応を誘起することができる。電子ビームは、１次ビームのエネルギーに応じて、陽極反応または陰極反応を誘起することができる。電子ビームは、陰極反応のための負電荷を供給する。しかしながら、より低いエネルギーでは、電子ビーム中のそれぞれの電子によって、陽極領域内の種から２つ以上の電子が除去されることがあり、その結果、基板内への正電荷の正味の流入が生じる。このように、電子ビームを使用して、正味の正電荷を供給することにより材料を電着させ、または正味の負電荷を供給することにより材料をエッチングすることができる。
【００２５】
荷電粒子ビームを使用して電気化学反応を誘起するときには一般に、回路を完成させるもう一方の電極が、ナノ・ペン内の導線またはナノ・ペンの表面のコーティングによってナノ・ペンのところに提供される。いくつかの実施形態では、電子ビームまたはイオン・ビームを前駆体ガスとともに使用して、物理的な電極として使用する導体を付着させることができる。付着させた導体に、電流源として電子ビームまたはイオン・ビームを導くことができる。ビームを使用して付着させた導体から、ナノ・ペンを使用してパターンを描くことができ、電気回路は、電着させたパターンを通って電解液に至り、最終的にナノ・ペンに付随の導体を通ることによって完成する。このような実施形態は、付着させた材料から出て基板を通過する導電経路を必要としないため、Ｓｕｒｙａｖａｎｓｈｉのシステムなどの先行技術のシステムの限界を克服する。
【００２６】
他の実施形態では、電気化学回路が、例えばＧｕに記載されているように、ナノ・ペンにある導体から電解液を通り、加工物内の導体と電気的に接触した導体を通って延びる。例えば、加工物が集積回路である場合には、外部接続用の導電層の部分に接触した集積回路のピンまたはプローブを使用することによって、電気化学回路の一部が集積回路の導電層を通るようにすることができる。
【００２７】
いくつかの実施形態では、静水圧とは対照的な毛管力だけによって流体が送達される。局所的な送達のために流体を静水力学的に流すには、流体と真空の界面における直径が大きい必要があり、その結果、制御不能な大量の液体が送達される。これらのタイプの用途における電解液毛管泡は一般に、圧力によって駆動された流れを使用する低真空において１μｍから５０μｍの間の直径を有する。より正確に付着させるためには、より小さな直径、すなわち約１００ｎｍの直径が好ましい。毛管の直径が比較的に大きいときには、毛管内の液体の両端に圧力差を与えることによって液体を容易に引き出すことができる。すなわち、後端に圧力を加えて毛管の先端から液体を押し出す。先端の直径が非常に小さくなると、液体を押し出すのに必要な静水圧が非実用的な大きさになると考えられるが、ナノ毛管の端部を基板表面に接触させることにより、毛管作用を使用して液体を引き出すことができる。毛管作用は、液体の表面張力と固体に対する液体の接着との組合せによって生じる。
【００２８】
液体の引出しに関して毛管作用が静水圧よりも優勢となるナノ・ペンの直径は、液体の表面張力、液体とナノ・ペンを構成する材料との間の接着、および液体と基板を構成する材料との間の接着によって違ってくる。ナノ・ペンがホウケイ酸ガラスからなり、液体が超純水であり、基板表面がシリコンであるとき、ナノ・ペンの直径は２０μｍ未満であることが好ましく、５μｍ未満であるとより好ましく、１μｍ未満であると最も好ましい。
【００２９】
いくつかの実施形態は毛管力を使用して、制御された態様で流体流を規定し、表面の正確な位置に流体を供給し、適切な少量の電解液を基板に送達する。これによって、流体は、ナノ・ペンが表面／基板に接触したときに、規定され制御された態様で流れることができる。毛管流だけによって流体を流すと、その結果として、（１）ナノ毛管が表面に接触したときにだけ流れが導かれ、（２）少量の流体を送達することができ、（３）表面の正確な位置に流体を供給することができる（高分解能技法）。
【００３０】
直接描画プロセスは、ナノ・ペンによって送達された電解液泡に向かってまたは電解液泡の周縁に荷電粒子ビームを導くことだけに限定されていた。そのため、電気的に絶縁されたエリア内の微細構造物を変更することは困難であった。電解液泡から拡散した溶液の非常に薄い層によって、電解液から離れた位置で付着を実行することができることを出願人は見出した。この薄い層に荷電粒子ビームを導くことにより、電解液泡から１００ミクロン以上離れた位置において付着を誘起することができ、これによって、電解液泡から離れた絶縁表面または電解液泡から離れた絶縁された導電表面にパターンを付着させることができる。このような付着の分解能は、電解液泡のサイズまたはナノ・ペンの直径によってではなく、荷電粒子ビームの分解能および基板内における電子ビームの相互作用体積によって決定される。
【００３１】
小さな面積をめっきするために電解液は局所的に塗布されるため、電気めっき浴は不要である。加工物の大部分は乾いたままである。使用する具体的なめっき液は用途によって異なり、当技術分野では多くの電気めっき液が知られている。例えば、適当な１つの溶液は、ＥＮＴＨＯＮＥ  ＶｉａＦｏｒｍ（登録商標）  Ｍａｋｅ−ｕｐ  ＬＡを含み、これにＥＮＴＨＯＮＥ  ＶｉａＦｏｒｍ（登録商標）  Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ  ５ｍｌ／ＬおよびＥＮＴＨＯＮＥ  ＶｉａＦｏｒｍ（登録商標）  Ｓｕｐｐｒｅｓｓｏｒ  ２ｍｌ／Ｌを加える。これらのＥＮＴＨＯＮＥ  ＶｉａＦｏｒｍ（登録商標）溶液は、米コネチカット州Ｗｅｓｔ  ＨａｖｅｎのＥｎｔｈｏｎｅ，Ｉｎｃ．から販売されている。Ｃｕ、Ｗ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔａ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｒｅなどの金属およびこれらの金属からなる合金もナノ・ペンを使用して描くことができる。
【００３２】
図２は、環境制御型走査電子顕微鏡などの荷電粒子ビーム・システム２０６の試料真空チャンバ２０４内で、ナノ毛管２０２を使用して、電気化学付着または電気化学エッチングを実施する本発明の一実施形態を示す。ナノ毛管２０２を使用して電解液２０８を表面２１０に送達する。この電解液は表面２１０に泡２１４を形成する。この表面は親水性でもまたは疎水性でもよいが、親水性であることが好ましい。ナノ毛管２０２はマイクロマニピュレータ２１２に取り付けられており、マイクロマニピュレータ２１２は、３軸内の運動および毛管軸に沿った回転を提供することが好ましい。いくつかの実施形態では、荷電粒子ビーム・システムの一般的な附属品である改変されたガス注入システムを、マイクロマニピュレータとして使用することができる。電気化学付着のための一方の電極は、ナノ毛管２０２の表面の導電コーティング２１８、またはナノ毛管２０２内もしくはナノ毛管２０２の表面の導線（図示せず）によって提供される。ナノ毛管に付随のこの電極は正にバイアスされる。いくつかの実施形態では表面２１０が導電性であり、表面２１０は、試料基板２２０または表面プローブ（図示せず）を介して電極２２４に接続されて、電気化学処理のための第２の接点を提供する。他の実施形態では、荷電粒子ビームが、電気化学反応のための電荷を供給する仮想陰極または仮想陽極として機能する。
【００３３】
ガス分子による１次電子ビーム２３１の散乱を低減させるために、圧力制限絞り２３０が、電子光学カラム真空チャンバ２３２と試料真空チャンバ２０４の間の圧力差を維持する。したがって、電解液２０８が蒸発すると試料真空チャンバ２０４内の圧力は増大するが、荷電粒子ビーム光学カラム真空チャンバ２３２内の圧力の増大はそれよりもはるかに小さい。いくつかの実施形態では、例えば熱電冷却器などの冷却器２３８によって試料を冷却して、基板のところの相対湿度を、試料真空チャンバの大部分に比べて増大させることが好ましい。いくつかの実施形態では、ナノ毛管も、例えば熱電冷却器によって冷却される。
【００３４】
環境制御型走査電子顕微鏡２０６によって、この電気化学付着または電気化学エッチングを観察することができ、その際には、材料が付着している最中の領域を電子ビーム２３１で走査し、電子ビーム２３１が衝突すると２次電子２３４が放出される。２次電子２３４は、ガス・カスケード増幅によって増幅され、電極２３８によって検出されて画像を形成し、その画像のそれぞれの点の輝度は、電極２３８によって検出された電流に対応する。この画像を使用して、電気化学付着または電気化学エッチングの進捗状況を監視し、調整して、リアルタイム・フィードバックをオペレータに提供することができる。この画像を使用して、付着中またはエッチング中にナノ毛管２０２を配置し、誘導することができる。
【００３５】
いくつかの実施形態では、この付着またはエッチングを自動化することができる。画像処理プロセッサ２５０が、パターン認識ソフトウェアを使用して、ナノ毛管およびナノ毛管の周囲の基板を認識する。所定のパターンに従って、コントローラ２５２が、マイクロマニピュレータ２１２を介して、ナノ毛管の移動を制御する。電子顕微鏡からの画像は、この所望のパターンを表面２１０に形成するようにナノ毛管２０２の位置を制御することができるようにする閉ループ・フィードバックのためのリアルタイム位置情報を提供し得る。付着パターンまたはエッチング・パターンを観察して、ナノ毛管の速度、ナノ毛管が表面と接触する圧力を調整するなど、付着プロセスを調整することもできる。
【００３６】
前述のとおり、電解液が、静水圧によってではなく、ナノ毛管が表面に接触したときの毛管作用によってナノ毛管から引き出されるように、ナノ毛管の直径は十分に小さいことが好ましい。
【００３７】
図３は、図２のシステムの操作を示す流れ図である。ステップ３０２で、ナノ毛管に電解液を充填する。これについては後により詳細に説明する。ステップ３０４で、試料真空チャンバにナノ毛管および試料を入れる。ナノ毛管の向きを決め、ナノ毛管を配置し、ナノ毛管を移動させることができるように、ナノ毛管は、マイクロマニピュレータ内に配置する。試料は一般に３軸ステージ上に配置される。ステップ３０６で、試料真空チャンバの空気を抜く。ステップ３０８で、走査電子ビームでナノ毛管および試料を観察することにより、ナノ毛管を、付着させるパターンの始点に配置する。ステップ３１０で、試料の表面に対してナノ毛管を移動させる。電解液が流れ始める。ステップ３１０と同時に、ステップ３１２で、ナノ毛管にある正にバイアスされた電極から第２の電極に、電解液を通して電流を流す。この第２の電極は、以前から表面に存在する導電フィーチャもしくはこのプロセスのために表面に付着させた導電フィーチャによって、または荷電粒子ビームによって提供される。ナノ毛管を使用したパターンの電気化学付着が始まって以降、電流は、付着させたパターンを通して導電フィーチャまで流れることができる。この電流が流れると、陰極端子に材料が付着し、または陽極端子から材料がエッチングされる。ステップ３１４で、ナノ毛管を移動させて所望のパターンを付着させる。ステップ３１６で、ナノ毛管の位置および付着プロセスまたはエッチング・プロセスの状態を、走査電子顕微鏡を使用して観察する。ステップ３１８で画像を解析し、ステップ３２０でナノ毛管の位置を調整する。判断ブロック３２２で、そのプロセスが完了したか否かをコントローラが判定する。完了していない場合には、ステップ３１６からプロセスを続ける。
【００３８】
図４は、荷電粒子ビーム・システム４０２を示す。荷電粒子ビーム・システム４０２は図２に示した荷電粒子ビーム・システムと似ているが、荷電粒子ビーム・システム４０２では、絶縁表面または電気的に分離された導電表面への電気化学付着を可能にするために、荷電粒子ビーム２３１が仮想陰極となる点が異なる。荷電粒子ビーム、好ましくは電子ビームを仮想電極として使用することによって、ナノ毛管２０２は絶縁表面４０４に材料を付着させることができる。
【００３９】
表面４０４に、電解液２０８の毛管泡２１４ができる。ビーム２３１は最初に毛管泡２１４に導かれ、例えばビーム電流中の電子またはイオンを供給して電気化学回路を完成させることにより、仮想陰極として機能する。導電材料を付着させ、ナノ毛管をその最初の位置から移動させた後は、付着した導体に沿った任意の点に電子ビームを導くことができる。図４のシステムを使用するプロセスは、図３に示した流れ図に記載したプロセスと同じプロセスである。
【００４０】
図５は、基板５０６上の電気的に分離された近くの導電表面５０４を使用することにより、ビームが、絶縁表面５０２での電気化学付着を誘起する本発明の一実施形態を概略的に示す。導電表面５０４は、元のデバイスの一部として以前から存在する表面とすることができ、または例えばビーム誘起付着によって追加してもよい。ナノ毛管２０２によって、導電領域５０４および材料を電気化学的に付着させる絶縁表面５０２の上に重なるように電解液泡２１４を配置する。導電表面５０４のある位置に荷電粒子ビーム２３１、好ましくは電子ビームを導く。荷電粒子ビーム２３１を導く点は、電解液泡２１４からかなりの距離、離れた点とすることができる。いくつかの実施形態では、荷電粒子ビーム２３１が、仮想陰極または仮想電流源の働きをする。もう一方の電極は、ナノ毛管にあるコーティング２１８または導線（図示せず）によって提供されて、基板に対して正のバイアスを提供する。電源５１２は、ナノ毛管への接続および基板５０６への別の接続を示す。導電層５０４が十分に分離されている場合、基板５０６に電流は流れず、電気化学反応のための電流は全て荷電粒子ビームによって供給される。次いで、絶縁領域５０４上に電気化学付着によって材料を付着させる。ナノ毛管２０２は静止した位置に維持することができ、または付着した材料のパターンを形成するために移動させることができる。ナノ毛管２０２が静止した位置に維持される場合、この電気化学電池の電解液が空になるまで、または付着した材料、すなわち銅の樹枝状結晶がコンタクト・パッドからナノ毛管２０２まで成長することによって電気化学電池が短絡するまで、反応は継続し得る。成長は一般に、毛管と導電表面の間の最短距離の方向に優先的に起こる。
【００４１】
図６は、図５に示した実施形態の諸ステップを示す流れ図である。ステップ６０２で、ナノ毛管に電解液を充填する。これについては後により詳細に説明する。ステップ６０４で、試料真空チャンバにナノ毛管および試料を入れる。ナノ毛管の向きを決め、ナノ毛管を配置し、ナノ毛管を移動させることができるように、ナノ毛管は、マイクロマニピュレータ内に配置する。試料は一般に３軸ステージ上に配置される。ステップ６０６で、試料真空チャンバの空気を抜く。ステップ６０８で、走査電子ビームでナノ毛管および試料を観察することにより、ナノ毛管を、付着させるパターンの始点に配置する。この実施形態では、導電フィーチャの縁からパターンが開始される。ステップ６１０で、試料の表面の導電フィーチャの縁に対してナノ毛管を移動させる。電解液が流れ始める。ステップ６１０と同時に、ステップ６１２で、ナノ毛管にある電極から電解液および導電フィーチャを通して電流を流し、この回路は荷電粒子ビームによって完成する。ナノ毛管を使用したパターンの電気化学付着が始まって以降、電流は、付着させたパターンを通して導電フィーチャまで流れることができ、その結果、荷電粒子ビームによって回路を完成させることができる。この電流が流れると、陰極端子に材料が付着し、または陽極端子から材料がエッチングされる。ステップ６１４で、ナノ毛管を移動させて所望のパターンを付着させる。ステップ６１６で、ナノ毛管の位置および付着プロセスまたはエッチング・プロセスの状態を、走査電子顕微鏡を使用して観察する。ステップ６１８で画像を解析し、ステップ６２０でナノ毛管の位置を調整する。判断ブロック６２２で、そのプロセスが完了したか否かをコントローラが判定する。完了していない場合には、ステップ６１６からプロセスを続ける。
【００４２】
図７は、図５に示した実施形態を使用して絶縁表面７０４上の導電表面７０６の縁のところに成長させた純粋な銅の樹枝状結晶７０２のＳＥＭ画像を示す。概して、この成長は、毛管から電極までの最短距離の方向に優先的に起こる。
【００４３】
図８は、図６のシステムに似たシステムを示し、このシステムでは、電着を媒介する導体がビーム誘起付着によって製作される。図８は、ビーム誘起付着で使用する前駆体材料の容器を有するガス注入源８０３を含む荷電粒子ビーム・システム８００を示す。ビーム誘起付着を使用して、絶縁表面４０４に陰極８０２を付着させることができる。次いで、ナノ毛管２０２を所望のパターンに従って移動させることによって、陰極８０２の上にまたは陰極８０２から延びる、薄い材料層８０６を付着させることができる。銅のＦＩＢ付着に適した前駆体ガスは、ヘキサフルオロアセチルアセトナトＣｕ（Ｉ）トリメチルビニルシラン（ＣＡＳ１３９５６６−５３−３）である。このようにして、陰極として使用する導体を集束イオン・ビームを使用して付着させ、次いで、ＦＩＢを使用して付着させた層の上にまたはＦＩＢを使用して付着させた層から延びる、より抵抗率の低いより純粋な金属層を、電気化学プロセスを使用して付着させることができる。電子ビームを使用して材料を付着させることもできる。適当な付着前駆体ガスにはこの他、タングステンヘキサカルボニル（Ｗ（ＣＯ6））、メチルシクロペンタジエニルトリメチル白金などがある。次いで、図２に関して説明したとおりにナノ毛管２０２を使用して、電解液２０８を局所的に塗布する。ナノ毛管２０２の表面またはナノ毛管２０２内の導体が一方の電極となる。電気化学回路は、陰極８０２に衝突する電子ビーム２３１、陰極に接触した導電プローブ（図示せず）または基板２２０によって完成させることができる。
【００４４】
任意のパターンに従ってナノ毛管を移動させて導体を付着させることができ、陰極８０４、電解液泡または付着させた導体の任意の位置にビームを導いて、電気回路を完成させることができる。
【００４５】
図９は、図８に示した実施形態を使用する方法を示す。これまでに挙げた実施形態に関して説明した詳細は繰り返さない。ステップ９０２は、絶縁表面に物理的な陰極を、好ましくは荷電粒子付着によって付着させることを含む。ステップ９０４は、電解液泡がこの物理的な陰極と接触するようにナノ毛管を配置することを含む。ステップ９０６で、物理的な陰極に電子ビームを導き、それによって電流を供給して付着反応を開始させる。付着が始まった後、ステップ９０８で、陰極からナノ毛管を移動させて付着パターンを描くことができる。付着した導電材料は陰極への電気接続となり、電解液が離れていっている間も電気化学回路を完成させる。
【００４６】
図１０は、電解液泡２１４と絶縁表面５０２の導体の両方から離れた位置において絶縁表面５０２への電気化学付着を誘起することができる荷電粒子ビーム・システム１０００を示す。電解液泡２１４からは、電解液の非常に薄い層１００２がかなりの距離にわたって拡散するが、この層は、電気化学回路を完成させるのに十分な連続層であり続けることを出願人は意外にも見出した。電解液層１００２の表面のある位置に導かれた電子ビームは、電解液の成分を還元して材料を電着させる。例えば、電子ビームは、この薄い三日月形の層のＣｕ2+を還元して電解液から銅を付着させることができ、この層を介して、回路を完成させ、反応の継続を可能にするのに十分な電気接触が依然として存在する。
【００４７】
電解液層１００２は非常に薄いことがあり、そのためＥＳＥＭでは見えないことがある。ナノ毛管２０２からの距離が大きすぎない限りにおいて、電解液層１００２は泡２１４から電解液を補充する。この実施形態は、パターンを付着させるのにナノ・ペンの移動が必要ないことを示しており、この薄層内でビームを移動させるだけで、所望のパターンの付着が得られる。電解液層１００２は、電解液から最大１００ミクロン離れたところにおいて導体の直接描画付着を実行することを可能にする。電解液が広がる距離は、泡の直径の３倍超、泡の直径の７倍超、泡の直径の２０倍超または泡の直径の５０倍超に及ぶことがある。
【００４８】
この最大距離は、電解液、表面および試料真空チャンバ内の圧力によって異なり、当業者はこの距離を経験的に決定することができる。この実施形態では、電解液泡の位置およびサイズをあまり考慮しなくても局所的な高分解能の電着が得られる。以前には、直接描画は、目に見える泡に入り込む荷電粒子ビームによって、または目に見える泡の周縁に入射する荷電粒子ビームによって実行する必要があるとみられていた。泡から数十ミクロンないし１００ミクロン離れた、電気的には分離されているように見え、電気化学経路を提供しないと思われる分離されたエリアの表面で付着を実行することができることを出願人は見出した。
【００４９】
図１１は、図１０の実施形態を使用するプロセスを示す流れ図である。図５に示したプロセス詳細と同じプロセス詳細は示されていない。ステップ１１０２で、充填済みのナノ毛管を絶縁表面に配置する。薄い電解液層が絶縁表面の上に広がる。ステップ１１０４で、この薄い電解液層の上に、あるパターンに従って荷電粒子ビームを導く。
【００５０】
図１２は、図１０に示したシステムを使用して実施した付着のＳＥＭ画像を示す。この画像は、酸化物膜上に位置する電解液泡から５０ミクロンを超える距離のところに付着させた非常に純度の高い銅の結晶粒を示している。この場合の付着は分離されたクロム膜上で実施し、ナノ毛管は＋７Ｖにバイアスした。
【００５１】
泡から離れた薄い電解液層を使用する代替実施形態では、パターンの付着を、毛管泡から離れた導体から開始することができる。電解液泡２１４から離れた位置にあって薄い電解液層１００２が接触した導体５０４上の点に電子ビーム２３１を導くことができ、付着はこの導体から始まる。導電パターン１００４の付着が始まった後は、導電パターン１００４上の点に電子ビーム２３１を導いて、付着パターンを誘導することができる。
【００５２】
この実施形態の電気化学回路は、ナノ毛管２０２の表面のコーティング２１８によって、またはナノ毛管に付随の導体によって完成する。この実施形態は、既存の導電経路がない電気的に分離されたエリアでの電気化学付着を提供する。この実施形態は、ビーム誘起付着によってまたはナノ毛管を使用することによって近くに陰極を付着させる必要性を排除する。
【００５３】
他の変形実施形態では、表面に接触したナノ・ペンにある電極に負バイアスを印加し、ナノ・ペンの位置に材料を付着させる。正端子は、集束イオン・ビームによってまたは電子ビームによって供給することができ、このとき電子ビームは、１次ビームとして入射する電子よりも多くの２次電子を放出し、それによって正味の正電荷を残すように操作される。
【００５４】
図１３は、本発明とともに使用するナノ毛管を調製する１つの方法を示す流れ図である。出発材料は例えば、充填を助ける内部フィラメントを有する内径０．５ｍｍのホウケイ酸塩の管とすることができる。このようなナノ毛管は、米カリフォルニア州ＮｏｖａｔｏのＳｕｔｔｅｒ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  Ｃｏｍｐａｎｙから販売されている。ステップ１３０２で、ナノ毛管を清浄にし、ベーキングする。ステップ１３０４で、ナノ毛管を熱し、管の長軸に沿って圧力を加えて、ナノ毛管の端に、小さな、好ましくは１００ｎｍ未満の先端を形成する。このステップは「プリング（ｐｕｌｌｉｎｇ）」と呼ばれ、やはりＳｕｔｔｅｒ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能な市販の「プラー（ｐｕｌｌｅｒ）」を使用して実行することができる。
【００５５】
ステップ１３０６で、ナノ毛管を導体でコーティングする。例えば、スパッタリングによってナノ毛管を金でコーティングすることができる。スパッタリングされた材料が管の充填側の端部の内径を狭めることを防ぐため、コーティングする前に、細くしなかった方のナノ毛管の端部を例えばアルミニウム箔で覆うことが好ましい。効率的に機能した具体的な手順は、１５ｍＡのＤＣマグネトロン・スパッタ電流で、ナノ毛管の２つの側面をそれぞれ８分間コーティングする手順である。やはり効率的に機能した他の具体的な手順は、１５ｍＡの出力を用いて各側面をＣｕで４分間コーティングし、次いで１５ｍＡを用いて各側面をＡｕで６分間コーティングする手順である。この手順ではＣｕが、Ａｕでコーティングするための接着層の役目を果たす。
【００５６】
ステップ１３０８で、集束イオン・ビームを使用してナノ毛管の先端を切断して、ナノ毛管からの流出を容易にする先端幾何形状を生み出すのに適した向きに先端を向ける。好ましいナノ毛管先端は、ナノマニピュレータ内にナノ毛管が配置されたときに、電解液が流れ出る開口が基板の表面と平行になるように切断される。いくつかの実施形態では、ナノ毛管が、改変されたガス注入システムに取り付けられる。本発明の譲受人であるＦＥＩ  Ｃｏｍｐａｎｙのいくつかの荷電粒子ビーム・システムでは、試料真空チャンバにいくつかあるポートのうちの任意のポートにガス注入システムを取り付けることができる。荷電粒子ビーム・システムの垂直軸に対するそれぞれのポートの角度は固定されている。ナノ毛管の先端は、ナノ毛管を取り付けるポートの角度によって決まるある角度に切断される。例えば、１つのシステムでは、マイクロマニピュレータ内において、ナノ毛管が、毛管の軸が基板表面から３０．４度の向きを向くような向きに配置され、そのため、先端は、図１４Ｄに示すように毛管の軸から３０．４度の角度に切断される。垂直なＳＥＭカラムと５７．５度の向きに配置されたＦＩＢカラムとを備えるデュアル・ビーム構成であるため、先端を好ましい角度に切断するのには、特別な固定具および傾斜ステージが役立つ。
【００５７】
図１４Ａは、ナノ毛管の先端をミリングする前にＦＩＢ１４０６に対してナノ毛管１４０２をどのように整列させるのかを示す図である。ナノ毛管１４０２はスタブ（ｓｔｕｂ）１４０４に取り付けられており、ナノ毛管１４０２は６６°傾けられている。ナノ毛管がＦＩＢ１４０６に対して垂直になるようにスタブ１４０４は−１４°傾けられている。
【００５８】
図１４Ｂは、ナノ毛管のミリングを示す図である。最初に、ナノ毛管１４０２の先端をＦＩＢの視野の中心に置く。ステップ１３１０で、線１４０８に沿ってＦＩＢ１４０６で走査して、ナノ毛管１４０２の先端を、ナノ毛管の軸に対して垂直な平面に対して５９．６°に切断する。ＦＩＢ１４０６の軸１４１０は紙面に対して垂直に向けられている。絶縁毛管は、ビームを偏向させる静電荷を蓄積する傾向を有するため、ナノ毛管の製造時には注意しなければならない。
【００５９】
ステップ１３１２で、図１４Ｃに示すように、ナノ毛管１４０２の金コーティング上に、直交する２本の線を含む非常に浅い基準マーク１４２０をミリングする。基準マーク１４２０は、操作中に電子顕微鏡によって画像化され、ナノ毛管を回転させてナノ毛管を基板表面に対して整列させる目的に使用される。基準マーク１４２０の１つの線は、ナノ毛管の軸の中心にナノ毛管の軸に沿って引かれ、もう１つの線は第１の線に対して垂直であり、ＦＩＢから見るとナノ毛管１４０２の縁の上に完全に延びている。
【００６０】
ステップ１３１４で、ナノ毛管に電解液を充填する。これについては後により詳細に説明する。充填後、ステップ１３１６で、マイクロマニピュレータ内、好ましくは改変後のＧＩＳシステム内にナノ毛管を取り付ける。ステップ１３１８で、電子ビームの中心にナノ毛管をおおまかに整列させる。ステップ１３２０で、電子ビーム画像内で、基準マークの水平線が、図１４Ｄに示すようにナノ毛管の中心で終わるようになるまで、電子ビームの視野の中でナノ毛管を回転させる。図１４Ｄでは、マーカ１４２２によって示されているように、電子ビームの軸が紙面に対して垂直である。図１４Ｅは、電気化学付着のための電解液を局所的に付着させるためにナノ毛管が使用されるときのナノ毛管と表面との好ましい整列を示す側面図である。表面への電解液の流れを開始させるため、ステップ１３２２で、ナノ毛管を下げて表面と接触させる。
【００６１】
図１５Ａおよび１５Ｂは、ガラス管１５０２をある角度に切断し、スパッタリングによって金１５０４でコーティングしたナノ毛管１５００の顕微鏡写真である。図１５Ａは、ナノ毛管内の毛管流を容易にするための内部フィラメント１５０６を示す。製造技法を例示するため、図１５Ａに示されたナノ毛管は大きな直径１５０８を有する。図１５Ｂは、より小さな倍率で示されたナノ毛管１５００の画像を示し、整列基準マーク１５１０を見ることができる。
【００６２】
ナノ毛管を形成した後、ナノ毛管への充填を実施する。前述のとおり、本発明のいくつかの実施形態は、静水圧によってではなく毛管作用によって電解液が流れる十分に小さな内径を有するナノ毛管を使用する。充填する液体の表面張力のため、ナノ毛管の小さな直径は充填を困難にする。真空チャンバ内でナノ毛管が基板に接触したときに信頼性の高い再現可能な毛管流が得られるかどうかは、ナノ毛管の先端の幾何形状およびナノ毛管への電解液の適切な充填に依存する。
【００６３】
図１６は、ナノ毛管に充填する方法を説明する。図１７は、図１６に示したプロセスのさまざまなステップを示す。図１７は、Ｄｏｎｎｅｒｍｅｙｅｒ，Ａ．の２００７年の論文「Ｓｃａｎｎｉｎｇ  ｉｏｎ−ｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ」、Ｂｉｅｌｅｆｅｌｄ（ドイツ）：Ｂｉｅｌｅｆｅｌｄ大学の図４．３の部分的な改作である。図１７Ａは、充填を容易にするための内部フィラメント１７０２を含むナノ毛管１７００を示す。図１７Ｂによって例示されるステップ１６０２で、マイクロローダ（ｍｉｃｒｏｌｏａｄｅｒ）１７０６を使用して後部からナノ毛管に充填することにより、ナノ毛管内に流体１７０４を配置する。マイクロローダは、直径が約２５０ミクロンであるナノ毛管の後部にはまり込むことができる先端を有する注射器である。ナノ毛管内の内部フィラメントにより、一部の流体１７０４は、図１７Ｃの凹凸形状（ｍｅｎｉｓｃｕｓ）１７１０によって示されているように先端に移動するが、ナノ毛管１７００の直径が小さいため、流体の多くは先端から離れた位置にとどまる。任意選択で、ステップ１６０４で、真空に適合するロウ１７０８でナノ毛管の後端を密閉して、ナノ毛管内の流体がナノ毛管の後端から真空中へ蒸発することを防ぐ。使用するロウは例えばＡｐｉｅｚｏｎ  Ｗａｘ  Ｗとすることができる。穏やかな熱（約１１０℃）を使用して、ロウを溶かし、良好な真空密シールを提供することができる。このようにすると、流体はナノ毛管内に効果的に密封される。ロウを使用してナノ毛管の後端を密閉しない場合には、流体がナノ毛管内に密封され、ナノ毛管の後部から真空チャンバ内へ蒸発することができないことを保証するために、図１８の金属切片１８０８（後述）を密閉すべきである。
【００６４】
ナノ毛管の先端への充填を容易にするため、ナノ毛管を特注の遠心器に入れる。特注の遠心器の一例は、ＳｔａｒＴｅｃｈの１２Ｖコンピュータ・ファンであるモデルＦＡＮ３７０１Ｕのロータを使用する。ステップ１６０６で、この遠心器を、例えば５０００ｒｐｍで３０分間動作させる。この条件は、ナノ毛管の先端に流体を再現可能にかつ高い信頼性で充填するのに十分である。図１７Ｄは、ステップ１６０６の後のナノ毛管を示し、先端に流体が追加されていることが凹凸形状１７１０の移動によって示されている。ステップ１６０８で、ナノ毛管をマイクロマニピュレータに取り付ける。ナノ毛管の表面の導電コーティングとマイクロマニピュレータの金属との間の良好な電気接触は、銀塗料を接合部に塗布することによって達成することができる。銀の乾燥には１０〜２０分かかり、一般に２層が塗布される。これで、ナノ毛管を使用する準備は完了である。ナノ毛管から基板または表面への流れは主に毛管力によって起こり、そのため、ナノ毛管の先端は基板と直接に接触して流れを誘起する。
【００６５】
ステップ１６１０で、マイクロマニピュレータ内のナノ毛管１４０２を電子ビームの中心と整列させる。ステップ１６１２で、ナノ毛管１４０２を回転させて基準マーク１４２０の位置を突き止め、電子ビームで見たときに水平基準線がナノ毛管１４０２の中心で終わるように、ナノ毛管の向きを定める。これで、ステップ１６１４で、ナノ毛管１４０２が基板１４３０に流体を局所的に送達する準備は完了である。
【００６６】
多くの荷電粒子ビーム・システムは、ビーム誘起付着およびビーム誘起エッチングのためのガス注入システム（ＧＩＳ）を含み、ガス注入システムは一般にナノ毛管に必要な移動能力を有するため、既存のＧＩＳにナノ毛管を取り付けると都合がよい。図１８は、必要な配置能力を提供する改変されたＧＩＳアセンブリ１８００を示す。すなわち、改変されたＧＩＳアセンブリは、ナノ毛管を挿入し、挿入したナノ毛管を後退させ、回転させ、挿入したナノ毛管の位置を調整する能力を含む。改変されたＧＩＳのハウジングは、真空チャンバの壁に既知の角度で取り付けられており、そのため、ナノ毛管は、表面に対する明確に規定された角度で挿入される。
【００６７】
改変されたＧＩＳアセンブリ１８００は、ＧＩＳ１８１０の全長に及ぶ金属棒１８０２を含む。チャンバ内用途向けに、金属棒１８０２の一端は、容易に回転し、挿入することができ、後退させることができるナノ毛管の移動を提供するハンドル１８０６を含む。金属棒１８０２の真空シールは、金属棒１８０２の長さに沿って間隔を置いて配置された一連の小さなＯリング１８０４によって提供される。この真空シールは、室圧２×１０-6ミリバールまで機能することが示されており、この真空レベルでも、ガス・バースト（ｇａｓ  ｂｕｒｓｔ）またはガス漏れを引き起こすことなく中心の棒１８０２を回転させることが依然として可能である。
【００６８】
中間にある金属切片１８０８にナノ毛管１８０７が取り付けられている。真空シールを提供するため、シリコン製Ｏリング１８０５を使用して金属切片１８０８を保持することができる。中間金属切片１８０８は棒１８０２にねじ込まれる。
【００６９】
ナノ毛管に電気的なバイアスを印加することを可能にするため、金属棒１８０２は、ＧＩＳアセンブリ１８１０のシェル（ｓｈｅｌｌ）から電気的に分離されていることが好ましい。このことは、ナノ毛管が電気化学回路の陽極または陰極として機能する場合に有用である。ナノ毛管をチャンバに接地する場合、単純な接地接続を容易に実施することができる。
【００７０】
パターン認識ソフトウェアおよびフィードバックを使用する自動化された付着態様など、いくつかの実施形態は、真空チャンバ外の空気中で実施することができる。荷電粒子ビームを使用する実施形態は、荷電粒子ビーム処理で使用される真空チャンバ内で実施される。真空チャンバ内で実施されるいくつかの実施形態は、最新の液体など、蒸気圧が低いかまたはごく小さい電解液を使用するが、他の実施形態は、蒸気圧がより高い従来の電解液を使用する。
【００７１】
荷電粒子ビーム真空チャンバ内で使用するのに適した実施形態を使用すると、真空チャンバの内外へ加工物を繰り返し移動させなくても、荷電粒子ビーム処理を必要とするステップおよび電気化学処理を必要とするステップを実行することができる。このような実施形態は、時間のかかるステップ、すなわち真空チャンバの内外へ加工物を移動させるステップならびにプロセス・ステップとプロセス・ステップの間にポンプによって真空チャンバを適切な真空にするステップを排除する。また、加工物を真空チャンバ内に維持すると汚染が低減する。
【００７２】
電解液によって覆われた電気化学回路内の導電エリアは電気化学反応の影響を受けるため、用途によっては、影響を受けないまま残したい回路内の露出した導電エリアを絶縁するバリヤを提供することが望ましい。電子ビーム誘起付着、ＦＩＢ付着、化学蒸着または他のプロセスを使用して、局所的な絶縁層を付着させることができる。電気化学プロセスは、加工物の絶縁層によって保護されているところでは付着またはエッチングを実施しない。
【００７３】
本発明の実施形態は、「デバイス・エディティング」を含む、すなわち集積回路などのデバイス内の接続を変更するために電気経路を追加しまたは電気経路を除去することを含む、ナノテクノロジのさまざまな態様に適用可能である。本発明の実施形態は、金属および他の材料の局所的な正確な付着またはエッチングを必要とする任意の用途において有用である。
【００７４】
また、この技法は、導体の付着およびエッチングだけに限定されるわけでは必ずしもなく、電荷移動を使用して、ポリマー材料を付着させまたはポリマー材料を除去することもできる。これらの局所電気化学プロセスは、電解液を流すことができる任意の表面に対して使用することができ、ビーム処理とは違い、ビーム源からの見通し線に沿った処理だけに限定されない。
【００７５】
本明細書で使用されるとき、用語「接触」または「電気接触」は直接接続および間接接続を含む。主に金属を付着させまたはエッチングすることに関して本発明を説明したが、電気化学反応に関与するのに十分な導電率を有する任意の材料を付着させまたはエッチングする目的に本発明を使用することができる。
【００７６】
本発明は、別々に特許を受けることができる複数の態様を有し、全ての実施形態に全ての態様が使用されるわけではない。
【００７７】
本発明の一態様は、絶縁表面または電気的に分離された導電表面に材料を局所的に付着させる方法であって、
ａ．ナノ・ペンを使用して前記表面に電解液を塗布するステップであり、前記ナノ・ペンが、付随の電極を含むステップと、
ｂ．電解液に電流を流して、電解液の成分を前記表面に付着させる電気化学反応を開始させるステップと
を含み、電解液に電流を流すことが、
ｃ．付随の電極に電位を与えるステップ、および
ｄ．電解液に電荷を供給するように荷電粒子ビームを導くステップ
によって達成される方法を提供する。
【００７８】
いくつかの実施形態では、前記表面に材料を付着させることが、真空チャンバ内で絶縁表面に材料を付着させることを含む。
【００７９】
いくつかの実施形態では、前記表面に電解液を塗布するステップが、毛管力を主に使用してナノ・ペンから電解液を引き出すステップを含む。
【００８０】
いくつかの実施形態は、５０μｍ未満の直径を有する電解液滴を前記表面に付着させるステップをさらに含む。
【００８１】
いくつかの実施形態では、前記直径が２０μｍ未満である。
【００８２】
いくつかの実施形態では、前記直径が５μｍ未満である。
【００８３】
いくつかの実施形態では、前記直径が１μｍ未満である。
【００８４】
いくつかの実施形態では、前記表面に電解液を塗布するステップが、２００ｎｍ未満の直径を有するナノ毛管を使用して電解液を局所的に塗布するステップを含む。
【００８５】
いくつかの実施形態では、ナノ・ペンを使用して絶縁表面に電解液を局所的に塗布するステップが、ナノ・ペンをあるパターンに従って移動させて前記パターンで材料を付着させるステップを含む。
【００８６】
いくつかの実施形態では、ａ．ナノ・ペンを使用して前記表面に電解液を塗布するステップが、ナノ・ペンが前記表面に接触した位置に電解液泡を形成するステップを含み、電解液に電荷を供給するように荷電粒子ビームを導くステップが、電解液泡から電解液泡の直径の７倍を超える距離のところにある点に荷電粒子ビームを導くステップを含む。
【００８７】
いくつかの実施形態では、電解液泡から電解液泡の直径の３倍を超える距離のところにある点に荷電粒子ビームが供給される。
【００８８】
いくつかの実施形態では、電解液泡から電解液泡の直径の１倍を超える距離のところにある点に荷電粒子ビームが供給される。
【００８９】
いくつかの実施形態は、ナノ・ペンをあるパターンに従って移動させて前記パターンで材料を付着させるステップをさらに含む。
【００９０】
いくつかの実施形態は、あるパターンに従って電子ビームで走査して前記パターンで材料を付着させるステップをさらに含む。
【００９１】
いくつかの実施形態では、電解液の成分を付着させる電気化学反応を開始させるステップが、金属または金属合金を付着させる電気化学反応を開始させるステップを含む。
【００９２】
いくつかの実施形態では、荷電粒子ビームを導くステップが、イオン・ビームまたは電子ビームを導くステップを含む。
【００９３】
いくつかの実施形態では、ナノ・ペンに付随の電極が、ナノ・ペンの表面の金属コーティング、またはナノ・ペン内もしくはナノ・ペンの表面の導線を含む。
【００９４】
いくつかの実施形態では、電解液に電荷を供給するように荷電粒子ビームを導くステップが、電解液泡に、または電解液泡の直径１つ分以内に荷電粒子ビームを導くステップを含む。
【００９５】
いくつかの実施形態では、電解液に電荷を供給するように荷電粒子ビームを導くステップが、導体の電解液が接触した前記表面に荷電粒子ビームを導くステップを含む。
【００９６】
いくつかの実施形態は、あるパターンに従って荷電粒子ビームで走査して前記パターンで材料を付着させるステップをさらに含む。
【００９７】
いくつかの実施形態は、前駆体ガスのビーム誘起分解を使用して前記表面に電極を付着させるステップをさらに含み、電解液に電荷を供給するように荷電粒子ビームを導くステップが、付着させた電極に荷電粒子ビームを導くステップを含む。
【００９８】
いくつかの実施形態は、ａ．ナノ・ペンの荷電粒子ビーム画像を形成するステップと、ｂ．パターン認識ソフトウェアを使用してナノ・ペンの位置を前記画像から決定するステップと、ｃ．ナノ・ペンの決定された位置と所定の位置とを自動的に比較するステップと、ｄ．観察された位置と所定の位置との間の差に基づいて、ナノ・ペンの位置を自動的に調整して、ナノ・ペンを再配置するステップとをさらに含む。
【００９９】
いくつかの実施形態は、あるパターンに従って荷電粒子ビームで走査して前記パターンで材料を付着させるステップをさらに含む。
【０１００】
本発明の他の態様は、真空チャンバ内で表面に材料を付着させ、または表面から材料をエッチングする方法であって、
ａ．２００ナノメートル未満の内径を有し、内部に電解液を有するナノ・ペンを真空チャンバに入れるステップと、
ｂ．ナノ・ペンを前記表面に接触させて、主に毛管作用によりナノ・ペンの内部から前記表面への電解液の流れを開始させるステップと、
ｃ．電解液に電流を流して、電解液の成分を前記表面に電気化学的に付着させ、または前記表面から材料を電気化学的にエッチングするステップと
を含む方法を含む。
【０１０１】
本発明のいくつかの実施形態は、前記表面に電解液を局所的に塗布することが毛管力の使用を含むことをさらに含み、前記方法が、ａ．ナノ・ペンの荷電粒子ビーム画像を形成するステップと、ｂ．パターン認識ソフトウェアを使用してナノ・ペンの位置を前記画像から決定するステップと、ｃ．ナノ・ペンの決定された位置と所定の位置とを自動的に比較するステップと、観察された位置と所定の位置との間の差に基づいて、ナノ・ペンの位置を自動的に調整して、ナノ・ペンを再配置するステップとを含む。
【０１０２】
いくつかの実施形態は、あるパターンに従って荷電粒子ビームで走査して前記パターンで材料を付着させるステップを含む。
【０１０３】
本発明の他の態様によれば、表面を電気化学的に改変する方法は、
ａ．真空チャンバ内でナノ・ペンを使用して前記表面に電解液を局所的に塗布するステップと、
ｂ．電解液に電流を流して、前記表面に材料を付着させ、または前記表面から材料をエッチングするステップと、
ｃ．ナノ・ペンの荷電粒子ビーム画像を形成するステップと、
ｄ．パターン認識ソフトウェアを使用してナノ・ペンの位置を前記画像から決定するステップと、
ｅ．ナノ・ペンの決定された位置と所定の位置とを自動的に比較するステップと、
ｆ．観察された位置と所定の位置との間の差に基づいて、ナノ・ペンの位置を自動的に調整して、ナノ・ペンを再配置するステップと
を含む。
【０１０４】
いくつかの実施形態は、パターン認識ソフトウェアを使用して、付着させたまたはエッチングした構造物の幾何形状を決定するステップと、観察した幾何形状と所望の幾何形状との間の偏差に基づいて、前記電流またはナノ・ペンの運動を自動的に調整するステップとをさらに含む。
【０１０５】
本発明の他の態様によれば、真空チャンバ内で小構造物を改変する装置は、
ａ．試料を保持する真空チャンバと、
ｂ．画像を形成する目的に使用することができる集束荷電粒子ビームを供給する荷電粒子ビーム・カラムと、
ｃ．真空チャンバ内に延在するマイクロマニピュレータであり、１ミクロン未満の精度で物体を移動させることができるマイクロマニピュレータと、
ｄ．電解液を保持するナノ・ペンであり、マイクロマニピュレータに接続されたナノ・ペンと
を備える。
【０１０６】
いくつかの実施形態では、試料を保持する真空チャンバが、荷電粒子ビーム・カラム内の圧力を試料を保持する真空チャンバ内の圧力よりも低く維持するための圧力制限絞りを含む。
【０１０７】
いくつかの実施形態では、この装置が、２００ｎｍ未満の内径を有するナノ毛管を備えるナノ・ペンを含む。
【０１０８】
いくつかの実施形態では、この装置が、改変されたガス注入システムを備えるマイクロマニピュレータを含む。
【０１０９】
本発明および本発明の利点を詳細に説明したが、添付の特許請求の範囲によって定義された本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、本明細書に、さまざまな変更、置換および改変を加えることができることを理解すべきである。本出願の範囲は、本明細書に記載されたプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法およびステップの特定の実施形態に限定されない。当業者なら本発明の開示から容易に理解するように、本明細書に記載された対応する実施形態と実質的に同じ機能を実行し、または実質的に同じ結果を達成する既存のまたは今後開発されるプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法またはステップを、本発明に従って利用することができる。したがって、添付の特許請求の範囲は、その範囲内に、このようなプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法またはステップを含むことが意図されている。
【符号の説明】
【０１１０】
２０２  ナノ毛管
２０４  試料真空チャンバ
２０６  荷電粒子ビーム・システム
２０８  電解液
２１２  マイクロマニピュレータ
２１４  泡
２１８  導電コーティング
２２０  試料基板
２２４  電極
２３０  圧力制限絞り
２５０  画像処理プロセッサ
２５２  コントローラ
【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】
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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１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１４Ｄ】
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【図１４Ｅ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
0006285625.tif 000024
【図１７Ｃ】
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【図１７Ｄ】
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【図１８】
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