(57)【要約】【課題】  基板上に超微粒子によって構成される連続的な超微細パターンが効果的に形成されてなるナノパターン構造体を提供すること。【解決手段】  基板２上に超微粒子１０によって構成される連続的な超微細パターン１２を形成してなるナノパターン構造体において、かかる超微細パターン１２が、前記基板２上に配置された、該パターンを与える細隙６を有するターゲット材からなるマスク４への高エネルギービームの斜め照射によって離脱した、該マスクの構成原子又は構成分子からなる超微粒子１０により形成されるようにした。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に超微粒子によって構成される連続的な超微細パターンを形成してなるナノパターン構造体にして、かかる超微細パターンが、前記基板上に配置された該パターンを与える細隙を有するターゲット材からなるマスクへの高エネルギービームの斜め照射によって離脱した該マスクの構成原子又は構成分子からなる超微粒子により形成されていることを特徴とするナノパターン構造体。
【請求項２】
前記超微細パターンが、前記超微粒子の相互に連結された配列形態において、又は該超微粒子からなるナノメートル膜の形態において形成されている請求項１に記載のナノパターン構造体。
【請求項３】
所定の超微細パターンを与え得る細隙が設けられた、ターゲット材からなるマスクを基板上に配置せしめた状態において、該マスクの前記細隙の内壁に対して高エネルギービームを斜め方向から照射することにより、該マスクの構成原子又は構成分子を離脱させ、この離脱させた該マスクの構成原子又は構成分子を、該マスクの前記細隙を通じて前記基板に付着させて、該基板上の前記マスクの細隙に対応した位置に、前記構成原子又は構成分子からなる超微粒子にて構成された連続的な超微細パターンを形成することを特徴とするナノパターン構造体の製造方法。
【請求項４】
前記超微細パターンが、前記超微粒子の相互に連結された配列形態において、又は該超微粒子からなるナノメートル膜の形態において形成されている請求項１に記載のナノパターン構造体の製造方法。
【請求項５】
前記超微細パターンが、前記高エネルギービームの加速電圧、照射時間又は照射角度によって制御されている請求項３又は請求項４に記載のナノパターン構造体の製造方法。
【請求項６】
前記超微細パターンが、前記マスクの細隙の内壁に近接した位置で、該内壁に沿って、該細隙よりも狭い幅において形成される請求項３乃至請求項５の何れかに記載のナノパターン構造体の製造方法。
【請求項７】
前記基板が、金属基板、非金属基板、半導体基板、化合物基板又は有機材料基板である請求項３乃至請求項６の何れかに記載のナノパターン構造体の製造方法。
【請求項８】
前記高エネルギービームが、イオンビームである請求項３乃至請求項７の何れかに記載のナノパターン構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノパターン構造体及びその製造方法に係り、特に、超微粒子によって構成される連続的な超微細パターンを効果的に形成してなるナノパターン構造体と、それを有利に製造する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、超微粒子の如きナノスケール物質や、微細な文字、図形、回路等のナノパターンを形成することが、マイクロマシンの部品の製造や半導体回路のミニチュア化にとって重要であることが認識されてきている。そして、そのようなナノ物質やナノパターンの創製には、大きく分けてトップダウン法とボトムアップ法の二つが知られている。前者は、バルクの物質を壊したり或いは加工して、微細化していく方法であって、例えば、スパッタリング、エッチング、リソグラフィー等の手法によって実現されるものであり、また、後者は、原子や分子を物理的或いは化学的な方法で積み上げて、大きくしていく方法であって、原子や分子の堆積や自己組織化等の手法によって、実現されている。
【０００３】
ところで、それら従来の超微粒子に対する研究や開発は、主として、超微粒子の集合体に関するものであって、超微粒子単体としての性質や応用に関する研究は充分に為されているとは言えない。これは、上述した従来の超微粒子の製造方法にも起因しており、従来の製造方法では、超微粒子を粒子単体として得ることが困難であったためである。
【０００４】
また、超微粒子をデバイスや各種機能材料等に応用することが、一部で進められているが、従来の製造方法では、超微粒子を粒子単体として得ることが出来ても、その形成位置までは充分に制御することが出来ず、ましてやパターン化することは困難であって、これが、超微粒子の応用展開を妨げている。
【０００５】
このため、超微粒子の単体としての物性研究や応用等を容易とするために、超微粒子を単体として作製することを可能にすると共に、超微粒子の形成位置の制御等を実現することが求められ、それに応えるべく、本発明者等は、先に、特開平９−３１２２６１号公報において、基板上に細孔を有するターゲット材を配置し、このターゲット材の細孔内壁に対して高エネルギービームを斜め方向から照射して、かかるターゲット材の構成原子又は構成分子を離脱させ、そして、この離脱させたターゲット材の構成原子又は構成分子を前記基板に付着させて、かかる基板上の前記ターゲット材の細孔に対応した位置に、超微粒子を形成することからなる超微粒子の製造方法を提案した。このような方法により、目的とする超微粒子を、その形成位置等を制御した上で、単体として得ることが出来、また各種操作、制御、応用展開が可能となったのである。
【０００６】
しかしながら、この本発明者等が先に提案せる方法にあっても、文字、図形、回路等のナノパターン（超微細パターン）の形成には、未だ充分ではなく、そのため、超微粒子を利用した超微細配線、超微細デバイス、超微細機能材料等の超微細構造体を得ることは、著しく困難であった。
【０００７】
【特許文献１】特開平９−３１２２６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ここにおいて、本発明は、かかる事情を背景にして為されたものであって、その解決すべき課題とするところは、基板上に超微粒子によって構成される連続的な超微細パターンが効果的に形成されてなるナノパターン構造体と、それを有利に製造し得る方法を提供することにあり、また、他の課題とするところは、マスクの細隙幅よりもはるかに狭幅な線状又は面状のナノパターンの実現、更には、３次元のナノ構造パターンの実現を図り得る技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
そして、本発明にあっては、かかる課題の解決のために、基板上に超微粒子によって構成される連続的な超微細パターンを形成してなるナノパターン構造体にして、かかる超微細パターンが、前記基板上に配置された該パターンを与える細隙を有するターゲット材からなるマスクへの高エネルギービームの斜め照射によって離脱した該マスクの構成原子又は構成分子からなる超微粒子により形成されていることを特徴とするナノパターン構造体を、その要旨としているのである。
【００１０】
なお、このような本発明に従うナノパターン構造体の望ましい態様においては、前記超微細パターンは、好ましくは、前記超微粒子の相互に連結された配列形態において、又は該超微粒子からなるナノメートル膜の形態において、形成されている。
【００１１】
また、本発明にあっては、上記の本発明に従うナノパターン構造体を有利に得るべく、所定の超微細パターンを与え得る細隙が設けられた、ターゲット材からなるマスクを基板上に配置せしめた状態において、該マスクの前記細隙の内壁に対して高エネルギービームを斜め方向から照射することにより、該マスクの構成原子又は構成分子を離脱させ、この離脱させた該マスクの構成原子又は構成分子を、該マスクの前記細隙を通じて前記基板に付着させて、該基板上の前記マスクの細隙に対応した位置に、前記構成原子又は構成分子からなる超微粒子にて構成された連続的な超微細パターンを形成することを特徴とするナノパターン構造体の製造方法をも、その要旨としている。
【００１２】
そして、このような本発明に従うナノパターン構造体の製造方法においては、前記超微細パターンは、有利には、前記超微粒子の相互に連結された配列形態において、又は該超微粒子からなるナノメートル膜の形態において、形成されることとなる。
【００１３】
また、この本発明に従うナノパターン構造体の製造方法の望ましい態様によれば、前記超微細パターンは、前記高エネルギービームの加速電圧、照射時間又は照射角度によって制御され、これによって、ナノパターンの線幅や構成超微粒子の大きさ、パターンを与える線の位置等が制御されることとなるのである。
【００１４】
さらに、本発明に係る方法の他の望ましい態様によれば、前記超微細パターンは、前記マスクの細隙の内壁に近接した位置で、該内壁に沿って、該細隙よりも狭い幅において形成されており、これによって、ナノパターンが細隙幅よりもはるかに細く形成される等の特徴が発揮される。
【００１５】
なお、本発明において、基板としては、一般に、金属基板、非金属基板、半導体基板、化合物基板又は有機材料基板が用いられ、そのような基板の上に、目的とする超微細パターンが、マスク内壁面に対する高エネルギービームの斜め照射によって生じた超微粒子によって、効果的に形成されるのである。
【００１６】
また、本発明において、ターゲット材であるマスクに対して照射せしめられる高エネルギービームは、イオンビームであることが望ましく、このようなイオンビームの照射によって、超微粒子がマスクから効果的に発生せしめられて、目的とする超微細パターンが、有利に形成されることとなる。
【発明の効果】
【００１７】
かくの如き本発明に従うナノパターン構造体にあっては、マスクの細隙に相似の、文字、図形、回路等の超微細パターンが、マスクから生じた超微粒子によって形成されており、また、そこでは、結晶粒が連続した多結晶フィルムの形態において有利に形成されて、所望形状の超微細配線や超微細デバイス、超微細機能材料等として、効果的に用いられることととなるのである。
【００１８】
また、本発明に従う製造方法によれば、そのような優れた特性を有するナノパターン構造体が、マスクの細隙を通じて、その細隙に沿ったパターンにおいて、しかも細隙幅よりはるかに狭幅形状において形成され得ることに加えて、マスクを交換して高エネルギービームを繰り返し斜め照射することによって、３次元構造のナノパターン膜の形成も容易に実現し得るのである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照しつつ、本発明を実施するための最良の形態について、詳細に説明することとする。
【００２０】
先ず、図１には、本発明に従うナノパターン構造体の一つを製造する工程が、模式的に示されている。そこにおいて、２は、所定の支持部材上に配置された超微粒子形成用の基板であって、この基板２には、各種の固体材料を用いることが出来る。具体的には、結晶基板や非晶質基板を問わず、種々の固体材料からなる基板を用いることが出来、例えば、金属基板、非金属基板、半導体基板、化合物基板、有機材料基板等を使用することが出来る。
【００２１】
そして、かかる基板２上に、図１の（ａ）に示される如く、微粒子の形成原料となるターゲット材にて構成されるマスク４が配置されるのである。このマスク４には、目的とする超微細パターンを与え得る細隙６が形成されており、この細隙６の内壁６ａに対して、高エネルギービーム８が、基板２の板面と平行な水平面に対して所定の入射角：θをもって、上方斜め方向から照射せしめられるようになっている。そこで、この細隙６を有するマスク４としては、目的とする超微細パターンに応じた、各種のパターンにおいて、それを貫通する細隙６が形成されてなるものが用いられ、そして、そのような細隙６を形成するために、目的材料からなる薄板やフィルム等に対して、エッチング等の化学的方法や電気化学的方法が適用されたり、或いはレーザービーム等が施されたりされることとなる。
【００２２】
なお、このマスク４を構成するターゲット材の材質としては、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｌ等の各種単体金属や合金、Ｓｉ等の半導体、金属酸化物、金属塩化物、金属フッ化物、金属ほう化物等の化合物、高分子材料など、種々の固体材料を用いることが出来るが、それからの構成原子又は構成分子の離脱性等を考慮して、目的とする材質の超微細パターンを与え得る固体材料が、適宜に選択される。
【００２３】
また、ターゲット材にて構成されるマスク４における細隙６は、目的とする超微細パターンを与え得るように、それに対応した形状、厳密には、その内壁６ａの配設形態が、超微細パターンに対応した形状において、かかるマスク４を貫通するようにして設けられ、その内壁６ａが超微粒子の形成材料、即ちターゲット材料の構成原子や構成分子の供給面とされるのである。従って、細隙６の形状や配置、更にはマスク（ターゲット材）４の厚さ等は、生成せしめられた超微粒子によって形成される超微細パターンの形状や配置、高エネルギービーム８の入射角：θ等を考慮して、設定されることとなる。
【００２４】
そして、かかるマスク４における細隙６の内壁６ａに対して、図１の（ｂ）に示される如く、高エネルギービーム８を斜め上方の方向から照射すると、マスク４を構成するターゲット材の構成原子又は構成分子が離脱して、超微粒子１０として、基板２上に付着し、更に、かかる高エネルギービーム８の照射を一定時間継続し、マスク（ターゲット材）４から連続して構成原子や構成分子を離脱させることにより、図１の（ｃ）に示されるように、基板２上に、目的とする超微細パターン１２が、ナノパターンとして、細隙６の内壁６ａに沿って形成されるのである。
【００２５】
ここで、照射せしめられる高エネルギービーム８は、特に限定されるものではなく、マスク（ターゲット材）４から構成原子や構成分子を離脱させ得るエネルギーを有しておればよく、例えばアルゴン（Ａｒ）イオンビームのようなイオンビームの他、このイオンビームと同等の衝撃とスパッタ効率をマスク４に与えることの出来る電子線、レーザービーム、Ｘ線、γ線、中性子線等を挙げることが出来る。
【００２６】
また、かかる高エネルギービーム８として、Ａｒイオンビームの如きイオンビームを用いる場合にあっては、加速電圧としては、３〜１０ｋＶ程度、ビーム電流としては、０．５〜１．５ｍＡ程度、照射角度（入射角）：θ（水平面に対して）としては、１０〜６０°程度が採用され、更に、照射時間としては、少なくとも１秒以上が、採用されることとなる。中でも、イオンビームの照射時間が長くなればなる程、超微細パターン１２の粒子の大きさは大きくなるのであり、また、高さ（膜厚）も高く（厚く）なるのであって、それ故に、本発明にあっては、有利には３００秒以上、特に４００秒以上の時間の間、イオンビームが照射せしめられ、これにより、マスク４の細隙６の内壁６ａに近接した位置において、結晶粒の大きな粒子にて構成される超微細パターン１２が、効果的に形成されることとなる。
【００２７】
なお、この高エネルギービーム８として、イオンビームを用いる場合において、加速電圧やビーム電流が小さ過ぎると、マスク４から構成原子や構成分子を効率よく離脱させることが出来ず、一方、加速電圧やビーム電流が大き過ぎると、マスク４の損傷のみが増大して、構成原子や構成分子の離脱状態を制御することが困難となる。また、高エネルギービーム８として、電子線、レーザービーム、Ｘ線、γ線、中性子線等を用いる場合においても同様である。更に、高エネルギービーム８の照射雰囲気は、使用ビームに応じて設定すればよく、例えば、真空雰囲気、アルゴン雰囲気のような不活性雰囲気等が挙げられ、また、化合物からなる超微粒子を形成する場合には、酸素含有雰囲気や窒素含有雰囲気等を用いることも可能である。
【００２８】
ところで、かくの如くして形成される超微細パターン１２は、マスク４の細隙６の内壁６ａから離脱せしめられた構成原子や構成分子にて形成される超微粒子１０の、相互に連結された配列形態において、または超微粒子１０からなるナノメートル膜の形態において、細隙６に相似のパターンにおいて形成され、一般に、超微粒子一つの粒径（１ｎｍ）程度の幅から細隙６の幅に至るパターン幅において形成されることとなるが、特に、本発明にあっては、かかる超微細パターン１２は、有利には、マスク４の細隙６の内壁６ａに近接した位置で、そのような内壁６ａに沿って、そのような細隙６よりも狭い幅において、形成されることとなる。
【００２９】
また、本発明にあっては、かかる超微細パターン１２の形成に際して、その配設形態は、高エネルギービーム８の加速電圧、照射時間、照射角度によって制御され、具体的には加速電圧を変えることにより、パターンの線幅と位置が制御され、また、照射時間によって粒子の大きさや高さが制御され、更に、照射角度によってパターンの線の位置と幅が制御されることとなる。特に、超微細パターン１２における結晶粒径は、ＩＣ等の配線パターンがナノメーター化することにより、大きな影響をもたらし、その一つとして、粒界が多いとエレクトロマイグレーションが起こり易くなって、断線の原因ともなるところから、粗粒であることが望まれているのであり、また、他の影響とするところは、機械的強度であって、微細結晶粒ほど、強度が上昇するとされているのである。従って、結晶粒径は電気的・機械的性質に大きく影響するところから、本発明に従って、結晶粒径を作り分けることは有効である。特に、前述せるように、高エネルギービーム８の照射角度（θ）等を制御して、マスク４の細隙６の内壁６ａに近接した位置に、中でも、そのような内壁６ａの照射壁面からの距離が５〜３０μｍ程度のところにおいて、大きな粒径の粒子を効果的に発生せしめるようにすれば、優れた特徴を有する超微細パターン１２として利用することが出来るのである。
【００３０】
なお、上述の如き高エネルギービーム８の照射時の基板２は、室温に保持された状態であってもよく、また、それが加熱された状態であっても、何等差し支えない。この基板２の温度は、得られる超微粒子１０、ひいては超微細パターン１２の結晶状態に影響を及ぼし、基板２を室温状態とした場合には、結晶性の低い或いは非晶質状態の超微粒子１０が得られ易くなる。また、基板２を加熱した場合には、その温度により、超微粒子１０の結晶状態を制御することが出来る。また、この超微粒子１０の結晶状態は、超微粒子形成後の基板加熱や電子線照射等によっても制御することが出来る。更に、そのような加熱や電子線照射によって、形成された超微粒子１０同士を融合させ、連続体とすることも可能である。そして、前記した高エネルギービーム８を照射する際に、基板２は、一般に、回転させることなく、位置固定に保持されることとなるが、また必要に応じて、回転させることも可能である。加えて、かかる高エネルギービーム８の照射に際しては、目的とする超微細パターン１２を得るべく、マスク４に設けた細隙６の内壁６ａに沿って、高エネルギービーム８を、順次、照射するように操作することも可能である。
【００３１】
ところで、本発明にあっては、上述の如き超微細パターン１２の形成操作を、マスク４を取り変えて、繰り返し行なうことによって、３次元構造のナノパターン膜を有利に形成することが可能である。具体的には、一つのマスクを用いて、高エネルギービームの斜め照射を行ない、第一の超微細パターンを基板上に形成した後、かかる第一の超微細パターンの上に、第二のマスクを重ねて、更に、高エネルギービームの斜め照射を行ない、第二の超微細パターンを、基板上に形成された第一の超微細パターンの上に形成せしめることにより、二つのパターンが重畳されてなる超微細複合パターンが形成され得るのであり、更に、第三、第四のマスクを用いて、高エネルギービームの斜め照射を繰り返すことにより、更に複雑な超微細複合パターンが形成され得るのである。
【００３２】
また、図１に例示の具体例とは異なり、基板２とマスク４とを相対的に移動可能と為して、高エネルギービーム８の照射時において、それらの少なくとも何れか一方を移動させるようにすれば、基板２の表面に、任意のパターニングにて、超微細パターン１２を形成することが出来るのであり、更に、基板２を円柱形状や円筒形状の如き３次元形状の物体として、それを軸心周りに回転せしめるようにしても、超微細パターン１２を、任意のパターニングにおいて、それら３次元形状の物体表面に形成することも可能である。
【００３３】
そして、このようにして得られた本発明に従うナノパターン構造体は、基板２上に、マスク４の細隙６に沿って、超微細パターン１２が形成されてなるものであり、特に、そこにおいては、超微細パターン１２は、細隙６の幅よりも狭い幅において形成されたものとなるのであって、これにより、マイクロマシンの部品や電子デバイス等に用いられて、その実現や高精細化に大いに寄与せしめ得るのである。
【実施例】
【００３４】
以下に、本発明の実施例を示し、本発明を更に具体的に明らかにすることとするが、本発明が、そのような実施例の記載によって、何等の制約をも受けるものでないことは言うまでもないところである。また、本発明には、以下の実施例の他にも、更には上記の具体的記述以外にも、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々なる変更、修正、改良等を加え得るものであることが理解されるべきである。
【００３５】
先ず、図１に示されるナノパターン構造体の製造工程に従い、基板２として、アモルファス炭素フィルムを用い、この炭素フィルム上に、ターゲット材となる銅製ディスク（直径：３ｍｍ、厚さ：１５μｍ）を、金属製のマスク４として載置して、準備した。なお、このマスク４には、直径が１００μｍの多数の貫通孔が、細隙６として形成されている。そして、この基板２とマスク４とを所定の支持部材上に配置した状態で、イオンミリング装置（gatan DuoMill）の照射室内の室温ステージ上に、セットした。
【００３６】
次いで、かかる基板２とマスク４とを位置固定に保持しつつ、Ａｒイオンビームを、マスク４における細孔（細隙６）の内壁（６ａ）に対して、加速電圧：３、５又は７ｋＶ、照射時間：６秒、６０秒、又は６００秒、Ａｒイオンビーム８の水平方向に対する照射角度：θを１０°として、Ａｒイオンビーム照射を行なった。なお、イオンミリング装置の照射室内は、Ａｒガスにて７．３×１０-3Ｐａの圧力下に満たされた。また、そこでは、Ａｒガスの流速は、３．３×１０-8ｍ3／秒であった。
【００３７】
その後、イオンミリング装置から、観察のためのＴＥＭ（透過型電子顕微鏡：ＪＥＯＬ社製ＪＥＭ−２０１０）装置に生成物を移し、このＴＥＭ装置にて、炭素フィルム上に生じた生成物のナノ構造を観察し、ナノパターンである超微細パターン１２を構成する超微粒子１０の平均粒径の分布について、加速電圧：５ｋＶの場合を、図２に示した。また、図３には、図２の結果をも含んで、各種加速電圧下における平均粒径の変化が、照射壁面からの距離を基準として示されており、更に、図４には、加速電圧を５ｋＶとして、照射時間を６秒、６０秒又は６００秒とした時における、照射壁面からの距離と平均粒径との関係が示されている。
【００３８】
なお、上記の如きＡｒイオンビーム照射によって生じた超微粒子１０、ひいては超微細パターン１２を構成する粒子が、主としてＣｕＯであることが、電子線回折によって確認され、また、ＣｕやＣｕ2 Ｏも僅かであるが存在していることが確認された。なお、このＣｕの酸化物であるＣｕＯ粒子が生じた理由としては、照射室内に残存するガス分子との反応やイオンミリング装置からＴＥＭ装置への移動の際に大気にさらされることにより、ほとんどのＣｕ粒子が酸化された結果によるものと推定されている。
【００３９】
そして、かかる図２から図４の結果より、マスク４における細隙６たる細孔の壁面（６ａ）に近接した位置において、特に５〜３０μｍの距離において、平均粒径が大きな粒子が形成され、５００ｎｍにも達している一方、そのようなマスク４における照射壁面（６ａ）からの距離が遠くなるほど、平均粒径が小さくなり、１０ｎｍ程度となることが理解されるのである。
【００４０】
また、撮影されたＴＥＭ写真の検討から、Ａｒイオンビームの照射時間が長くなればなるほど、粒子のつながりがよくなり、照射時間が３００秒を超えるようになると、膜状に粒子が連結されて、ナノパターン膜として効果的に形成され得ることが明らかとなった。更に、図２における（ａ）〜（ｅ）の位置でのＴＥＭ写真より、（ｃ）位置における粒子が最も大きく、（ａ）や（ｅ）位置における粒子が著しく小さくなっていることを確認した。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明に従うナノパターン構造体の一つを製造する工程を模式的に示す説明図である。
【図２】実施例において得られた、加速電圧：５ｋＶ、照射時間：６００秒の場合の、照射壁面からの距離と平均粒径の関係を示すグラフである。
【図３】実施例において得られた、照射時間を６００秒として、加速電圧を変化せしめた場合における、照射壁面からの距離と平均粒径との関係を示すグラフである。
【図４】実施例において得られた、加速電圧を５ｋＶとして、照射時間を変化させた場合における、照射壁面からの距離と平均粒径との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４２】
２  基板                                ４  マスク
６  細隙                                ６ａ  内壁
８  高エネルギービーム                １０  超微粒子
１２  超微細パターン
【図１】
2005096036.tif 000003
【図２】
2005096036.tif 000004
【図３】
2005096036.tif 000005
【図４】
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