(57)【要約】ギャップを有して提供される導電性固体構造体のギャップを制御するための方法が提供される。構造体は、ギャップの範囲を変更するようにその条件が選択された製造プロセス環境に曝露される。プロセス環境に対する構造体の曝露の間、電圧バイアスがギャップの両端に印加される。ギャップの両端の電子トンネル電流をプロセス環境への曝露の間測定し、トンネル電流測定に基づいて、プロセス環境への曝露の間プロセス環境を制御する。支持構造体に提供された導電性電極間のギャップを制御するための方法もまた提供される。それぞれの電極は、ギャップによって他方の電極端から分離された電極端を有する。電極をイオンのフラックスに曝露して対応する電極端への電極の物質の輸送を生じさせ、局所的に電極の物質をギャップの電極端に付加する。
2006523144.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下を含む、導電性固体構造のギャップを制御するための方法：
構造体にギャップを含む導電性固体構造体を提供する工程；
構造体のギャップの範囲を変更するようにその条件が選択された製造プロセス環境に構造体を曝露する工程；
構造体のプロセス環境への曝露中に構造体のギャップの両端に電圧バイアスを適用する工程；
構造体のプロセス環境への曝露中にギャップの両端の電子トンネル電流を測定する工程；および、
トンネル電流の測定に基づいて構造体のプロセス環境への曝露中にプロセス環境を制御する工程。
【請求項２】
プロセス環境を制御する工程が、トンネル電流測定に基づいて構造体のプロセス環境への曝露を停止させる工程を含む、請求項1記載の方法。
【請求項３】
プロセス環境を制御する工程が、トンネル電流測定と予め特定されたギャップ範囲に対応する閾値トンネル電流とを比較する工程、および比較に基づいてプロセス環境を制御する工程を含む、請求項1記載の方法。
【請求項４】
製造プロセス環境の条件が、構造体のギャップの範囲を増大するように選択される、請求項1記載の方法。
【請求項５】
製造プロセス環境の条件が、構造体のギャップの範囲を減少させるように選択される、請求項1記載の方法。
【請求項６】
製造プロセス環境が、構造体のイオンビームへの曝露を含む、請求項1記載の方法。
【請求項７】
イオンビームへの曝露が、構造体の包括的イオンビームへの曝露を含む、請求項6記載の方法。
【請求項８】
イオンビームへの曝露が、集束イオンビームによって構造体をラスターする（rastering）工程を含む、請求項6記載の方法。
【請求項９】
構造体が電極間にギャップを有する2本の導電性電極を含む、請求項1記載の方法。
【請求項１０】
導電性電極が、電極間のギャップと共に整列された開口部を含む電気絶縁膜上に配置されている、請求項9記載の方法。
【請求項１１】
導電性電極が、基体の電気絶縁表面上に配置されている、請求項9記載の方法。
【請求項１２】
以下を含む、導電性電極間のギャップを制御するための方法：
支持構造体上に、それぞれの電極が他方の電極端からギャップによって分離された電極端を有する少なくとも2本の電極を提供する工程；および、
対応する電極端へ電極物質の移動を生じさせるイオンのフラックスに電極を曝露して、局所的に電極物質をギャップ内の電極端に付加する工程。
【請求項１３】
支持構造体が基体を含む、請求項12記載の方法。
【請求項１４】
基体が、電極が配置されている表面に電気絶縁表面を含む、請求項13記載の方法。
【請求項１５】
支持構造体が、電極ギャップと共に整列された開口部を含む膜を含む、請求項12記載の方法。
【請求項１６】
支持構造体が、電極ギャップと共に整列された溝を含む基体を含む、請求項12記載の方法。
【請求項１７】
電極が金属電極を含む、請求項12記載の方法。
【請求項１８】
電極のイオンフラックスへの曝露が、電極の包括的なイオンビーム曝露を含む、請求項12記載の方法。
【請求項１９】
電極のイオンビーム曝露が、集束イオンビームによる電極をラスターする工程を含む、請求項12記載の方法。
【請求項２０】
さらに以下を含む請求項12記載の方法：
電極のイオンフラックスへの曝露中に、電極間のギャップの両端に電圧バイアスを適用する工程；
電極のイオンフラックスへの曝露中に、電極間のギャップの両端の電子トンネル電流を測定する工程；および、
トンネル電流測定に基づいて電極のイオンフラックスへの曝露中に電極のイオンフラックスへの曝露を制御する工程。
【請求項２１】
電極のイオンフラックスへの曝露の制御が、イオンフラックスへの曝露の停止を含む、請求項20記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本出願は、2003年2月3日に出願された米国特許仮出願第60/444,471号の恩典を主張し、その全体が参照により本明細書に組み入れられる。本出願は、同時継続中の2003年2月14日に出願された米国特許非仮出願第10/367,075号の一部継続出願であり、その全体が参照により組み入れられ、これは、2002年2月15日に出願された米国特許仮出願第60/357,281号の恩典を主張し、その全体が参照により本明細書に組み入れられる。米国特許非仮出願第10/367,075号は、次に同時継続中の2002年6月27日に出願された米国特許非仮出願第10/186,105号の一部継続出願であり、その全体が参照により本明細書に組み入れられ、これは、2001年6月27日に出願された米国特許仮出願第60/301,400号の恩典を主張し、その全体が参照により本明細書に組み入れられる。米国特許非仮出願第10/186,105号は、次に同時継続中の2000年6月22日に出願された米国特許非仮出願第09/599,137号、現在は米国特許第6,464,842号として発行されたものの一部継続出願であり、その全体が参照により本明細書に組み入れられ、これは、1999年6月22日に出願された米国特許仮出願第60/140,021号の恩典を主張し、その全体が参照により本明細書に組み入れられる。
【０００２】
関連出願の相互参照
本出願は、同時継続中の2000年6月22日に出願された表題「Molecular and Atomic Scale Evaluation of Biopolymers」の米国特許非仮出願第09/602,650号、現在は米国特許第6,627,067号として発行された出願に関連し、これらの全体は、参照により本明細書に組み入れられる。
【０００３】
連邦政府によって助成された研究に関する記載
本発明は、DARPAによって授与された契約番号F49620-01-1-0467、NSFによって授与された契約番号DMR-0073590、およびDOEによって授与された契約番号DE FG02-01ER45922下で、政府支援によって行われた。政府は、本発明に対して一定の権利を有する。
【０００４】
発明の背景
本発明は、固体構造体の製造に関し、より具体的には固体構造体の特徴部（solid state structural features）の寸法制御（dimensional control）に関する。
【０００５】
固体構造体の特徴部の正確な寸法制御は、生物学および化学から物理学、光学、ならびにマイクロエレクトロニクスにわたる分野の多くの適用に必須である。「固体」という用語は、本明細書において、一般に非生物学的物質を意味する。往々にして、固体の系をうまく製造するには、特定の構造体の特徴部を、しばしば微小寸法で、非常に厳密な許容差内で、明瞭に表現する能力に大きく依存している。従って、固体の系がミクロな様式（regime）からさらにナノ様式へと発展するにつれて、ナノメートルの寸法の特徴部を制御することが、系の実現可能性に対してますます重要な問題となっている。
【０００６】
マイクロメカニカル（micromechanical）およびマイクロエレクトロメカニカル（microelectomechanical）の系における構造体の特徴部の寸法の製作および制御のために、広範な微小製造技術が確立されている。例えば、小規模な特徴部の製造を可能にするために、高分解能リソグラフィー法ならびに高精度の付加および減算物質加工技術（high-precision additive and subtractive material processing techniques）が提唱されている。しかし、数ナノメートルの構造体の特徴部の寸法が重要である多くのナノ様式の系の製造では、従来提唱された技術は、必要なナノスケールの特徴部を再現的または予測可能に形成することができないことが多く、またこのようなナノスケールの特徴部の製作に対応して時間的尺度で制御できないことが見出されている。その結果、ナノ電極間のギャップなどのナノメートルの特徴部、および／またはナノメートルの特徴部寸法の許容差を含む多くの系の立体製作（volume manufacture）は、実用的でも経済的でもない。
【発明の開示】
【０００７】
発明の概要
本発明は、特徴部、特にナノスケールの特徴部の正確な、再現的な製作を可能にするための技術を提供する。例えば、本発明は、導電性固体構造体のギャップを制御するための方法を提供する。この方法では、構造体にギャップを含む導電性固体構造体が提供される。構造体は、構造体のギャップの範囲を変更するようにその条件が選択された製造プロセス環境に曝露される。プロセス環境に対する構造体の曝露中に、電圧バイアスが構造体のギャップの両端に適用される。ギャップの両端の電子トンネル電流は、構造体のプロセス環境への曝露中に測定される。プロセス環境は、トンネル電流の測定に基づいて、構造体のプロセス環境への曝露中に次々に制御される。
【０００８】
本方法は、インサイチュウにおける、リアルタイムの製造プロセスの測定および制御が可能である。その結果、本方法は、ナノメートルの特徴部の製造のために、例えばナノ電極の製造のために必要とされる精度および再現性のレベルを提供する。
【０００９】
精密な電極を製造するための、本発明によって提供されるさらなる技術では、導電性電極間のギャップを制御するための方法が可能になる。ここでは、少なくとも2本の電極が支持構造体上に提供される。それぞれの電極は、ギャップによってその他の電極端から分離された電極端を有する。電極は対応する電極端へ電極物質の移動を生じさせるイオンのフラックスに曝露され、局所的に電極物質をギャップ内の電極端に加える。
【００１０】
本技術では、ナノメートルの電極、すなわちナノ電極は、ナノスケールの電極ギャップを有し、広範囲にわたる電気機械的、およびナノメートルでの適用に組み入れるために、確実に製造することができる。
【００１１】
本発明のその他の特徴部および利点は、以下の明細書および添付の図から、および特許請求の範囲から明らかである。
【００１２】
発明の詳細な記載
本発明によって提供される特徴部の寸法を制御するための方法は、広範な物質および構造体配置に向けることができる。本明細書に記載された例としての方法は、例示を意味し、特定の物質または配置に限定することを意味しない。本発明の方法は、特に正確に構造体の特徴部の寸法を制御するために、およびナノメートルスケールでこのような制御を可能にするために適している。この制御は、特に、開口部として存在するギャップ、例えば孔、切れ込み、開口部、通気孔、および穴、ならびに溝、チャネル、くぼみ、および一般に、2つ以上の異なる特徴部の端間の間隔など、ナノメートルの大きさの特徴部およびスペースを正確に形成ならびに定義するために有利である。
【００１３】
図1に関して、特徴部のスペーシングを正確かつ再現的に定義するための、本発明によって提供される方法の一例の実施において、構造体の層に予め特定された範囲、例えば直径の開口部を形成するための処理が実行される。図1Aを参照し、第一の処理工程において、開始構造体10を断面図で示す。このような開始構造体10は、例えば基体、支持体（基体、膜、または適切な構造体などの）上に提供される厚い、もしくは薄い層として供給することができる。キャビティ12は、選択した構造体の表面14上の構造体10中に、および開口部が望まれる領域に形成される。
【００１４】
キャビティ12は、構造体10の容積内で、構造体の厚さ全体を貫通してではなく、構造体の厚さの一部のみに、対抗表面18に向かって伸びている。結果として、形成されたキャビティの最も深いレベル、すなわち、底部16は、構造体のバルクのほぼ中央地点にある。以下により詳細に説明するが、キャビティの底部16およびキャビティの側壁20の形状は、後の処理工程で横向きおよび長手軸方向の寸法が制御された、限界開口部（limiting aperture)の制御された形成を可能にするように選択されることが好ましい。例示した実施例では、ボウル形状のキャビティを使用している。
【００１５】
図1Bおよび1Cに関して、一旦キャビティが制作されると、構造体はキャビティのない表面18側から段階的に薄くされる。この薄層化（thinning）が続けられるにつれて、構造体の部分22は、点線により示したように徐々に取り除かれる。この結果、構造体のキャビティのない表面18は、キャビティの底部16に向かって進む。
【００１６】
構造体の薄層化を続けることにより、図1Dに示すようにキャビティのない表面18とキャビティの底部16との交差が生じる。この交差が生じると、限界開口部24が形成され、これがキャビティ12を構造体の厚さを貫通して伸びる開口部に変化させる。構造体のさらなる薄層化により、キャビティのない表面18がキャビティの上部の側壁位置に交差し、それにより、限界開口部24は、所与のキャビティの交差深さで存在する側壁の輪郭を呈する。例示した例では、ボウル形状のキャビティであるので、限界開口部24の直径は、薄層化が続くにつれて増加する。しかし、限界開口部の直径は、対応するキャビティ側壁プロフィールに対して、薄層化が続くにつれて減少するように作製することができることも理解される。さらに、限界開口部の形状を制御するために、凹凸または他の異なるプロフィールの特徴部もしくは形状をキャビティ側壁に沿って提供することもできる。
【００１７】
この開口部形成プロセスは、最終的な限界開口部および壁の寸法を定義するために直接的にリソグラフ技術に依存していないという点で、明瞭な利点を有する。結果として、開口部形成プロセスは、リソグラフにおける分解能の限界に束縛されない。本プロセスは、1〜2ナノメートルほどの小ささの寸法または直径の限界開口部を、新型または高価なプロセッシング装置を必要とすることなく作製することができる。
【００１８】
上記のとおり、この開口部形成プロセスは、例えば膜として、支持構造体上に設けられたかまたはそれ自身で存在している基板、層、およびフィルムなどの広範な構造体のいずれに対しても実行することができる。固体の物質は一般的に開口部を形成する構造体の物質として利用することができ；マイクロエレクトロニクスまたは半導体の物質は後述するように効率的な加工技術を可能にする際に特に有効であり得る。例えば、酸化物、ガラス、プラスチック、重合体、および有機フィルム、例えばPMMAなどの広範な種類の無機および有機ガラス質の物質、ならびに半導体などの結晶性物質、例えばケイ素および窒化ケイ素、ならびに金属、ならびに他の物質を使用することができる。本発明は、特定の構造体物質または構造体物質の種類に限定されない。好ましくは、構造体物質は、開口部のために指定された適用基準を満たすように選択される。
【００１９】
本方法は、膜に開口部を形成するために、および多数の膜適用について必要とされる開口部形成のナノ様式での制御を提供するために特に良く適している。膜開口部の形成では、マイクロエレクトロニクスおよび半導体物質、ならびに製造プロセスを本発明に従って有利に活用して、経済的に効率よく製作することができる。
【００２０】
図2に関して、本発明により提供される膜に開口部を形成するための例示の微細製作プロセスでは、図2Aに示すように開始基体30、例えばシリコンウエハが提供される。選択した膜物質、例えば窒化ケイ素をウエハの上部表面および下部表面上に、それぞれコーティング層32、34として提供する。コーティング層34の厚さは、形成される膜に対して選択される厚さである。1つの例において、約50nmの厚さのシリコンリッチな低応力の窒化ケイ素層を従来の化学蒸着（CVD）プロセッシングによってシリコンウエハ上に沈着させる。機械的応力の制御等を考慮して、窒化シリコン層の沈着の前もしくは後に、さらなる膜物質、例えば二酸化ケイ素を沈着させることもできることが理解される。また、窒化ケイ素層は、特定の適用に関して所望のように、機械的膜応力を制御するためまたは膜の導電率もしくは熱伝導率を調整するために、例えばイオン注入によってさらにプロセッシングすることができる。
【００２１】
図2Bに示すように、フォトレジスト層40を沈着された窒化物層のうちの1つに形成し、窒化物エッチングウィンドウ38を規定するようにパターニングする。次いで、図2Cに示すように、窒化物エッチングウィンドウ38によって曝された窒化ケイ素を、例えば従来の反応性イオンエッチング技術によって取り除く。これにより、基体エッチングウィンドウ42が曝される。対向する窒化物層34を、ブランケットフォトレジスト層40によりこのエッチングから保護し、この層をエッチングが完了した時点で取り除く。
【００２２】
次に、図2Dに関して、シリコンウエハは適切なエッチング手段、例えばKOHを使用する従来の異方性ウェットエッチングプロセスによってバルクマイクロ機械加工（bulk micromachined）される。好ましくは、使用されるバルクウエハエッチングプロセスは、膜物質よりもウエハ物質に対して高い選択性を有することによって特徴付けられる。例示した実施例では、KOHエッチングでは、実質的に窒化ケイ素層を腐食しない。ウエハの厚さを貫通してエッチングを続けることにより、窒化物層34に自己支持（self-supporting）窒化物膜36を作製する。窒化物膜は、KOHエッチングの異方性の結晶特異的な性質により、シリコンウエハからエッチング形成された角錐状のウェル39の底面を形成する。従って、窒化物膜の範囲は、開始シリコンウエハの厚さおよび結晶方向により決定される。それゆえ、認識されるように、膜の寸法を所望のとおりに制御することができる。
【００２３】
次いで、図2D〜2Eに関して、膜層の反対側の窒化ケイ素の残存層32は、必要に応じて、従来の反応性イオンエッチングにより取り除くことができ、次いで所与の適用についてシリコンウエハを電気的に絶縁することが望まれる場合には、二酸化シリコン層41を任意で露出したシリコン表面上に成長させてもよい。従来のウェットまたはサーマル酸化物成長は、酸化物が例示した様式でシリコン表面上にのみ形成されるように、CVD酸化物層を覆うことが好ましい。しかしながら、例えば機械的応力を制御するために、複合膜が望まれる場合には、CVDもしくは他の沈着プロセスを使用してシリコンウエハの両側および下側の窒化ケイ素膜表面上、または窒化物膜表面のみに酸化物層を生じさせることができる。
【００２４】
次の工程のプロセスでは、図2Fを参照して再び図1Aを参照し、キャビティが選択した膜表面に形成される。キャビティ形成プロセスの一例では、例示したとおり、エッチングプロセスにより、レジスト層42が下方の膜表面上、すなわち角錐状ウエハウェルのものとは反対の膜表面上に形成される。次いで、このレジストをパターニングして膜中に形成されるキャビティを定義する。この、キャビティに関する表面の選択は、平坦な表面に対して選択したリソグラフィー技術を実施する上で好ましいであろうが；シリコン角錐状ウェルの底部に膜表面上に設けられたフォトレジスト層を効率的にパターニングすることは困難であろう。しかし、所与の適用に関して望まれる場合には、このような配置に特異的なリソグラフ技術を用いて、このような表面上にキャビティを形成することができる。本発明は、フォトリソグラフィー、電子ビームリソグラフィー、および他の適切なキャビティパターンを定義するためのリソグラフィープロセスの使用を想定する。選択されたリソグラフィープロセスは、キャビティの寸法に適合されていることが好ましいことが認識され；例えば、電子ビームリソグラフィーは、ミクロン未満の寸法を有するキャビティに関して従来のフォトリソグラフィーよりも好ましい場合がある。
【００２５】
上記のように、膜内に形成されるキャビティの側壁プロフィールを、選択された限界開口部形状を生じるように特定化することができる。キャビティを定義するリソグラフ工程、ならびにキャビティのエッチングプロセス自体の性質も、キャビティ側壁プロフィールを定義するために使用することができる。一つの例のシナリオでは、選択したリソグラフキャビティパターンを、例えば円のように連続的にして、相対的等方性エッチングプロセス、例えば等方性反応性イオンエッチングプロセスを行って、図2Gに示すように窒化物膜36中にボウル形状のキャビティ12を形成する。等方性反応性イオンエッチングプロセスにより、本質的に円状のフォトリソグラフパターンから伸長するボウル形状を形成する。
【００２６】
本発明は、所望のキャビティ形状を達成するための、実質的に何らかのキャビティパターンの使用を想定する。正方形、長方形、六角形、または他のパターンの、対称もしくは非対称のパターンを使用することができる。開口部形成方法に使用されるリソグラフプロセスおよび他の微細製作プロセスのバッチ特性に起因して、種々の程度および形状のキャビティのアレイが、例示した膜のような一つの構造体中に定義され得る。本発明の開口部形成プロセスは、リソグラフよりも構造体の薄層化に依存して最終的な限界開口部の形状を定義するので、キャビティの最大の側面寸法は、所望の限界開口部の程度よりもかなり大きくすることができ；一般的に、キャビティパターンの最大寸法は、選択した限界開口部の直径よりも2桁以上大きくすることができる。好ましくは、選択したキャビティエッチングプロセスの特徴部を考え、キャビティの底面に所望の程度で作製し、またキャビティの底面と物質表面との間に一定範囲のキャビティを作製するようにキャビティパターンの程度をそれに対応して選択する。
【００２７】
例えば、プラズマエッチング、集束反応性イオンエッチング、集束イオンビームエッチング、ウェット化学エッチング、または他の選択した技術を含む、任意の適切なキャビティエッチングプロセスを使用することもできる。どのようなエッチングプロセスを選択しようとも、膜の厚みまたはキャビティが形成されるその他の構造体以内である程度離れて位置するキャビティの底部で、すなわち構造体の表面間の位置で、エッチングを終了させることができるように制御される。使用する構造物質に関して十分に特徴付けられているエッチングプロセスについては、これはタイムドエッチング（timed etch）によって達成することができ；そうでない場合には従来の診断技術を従来の様式で使用して、膜のその他の構造体内の選択した位置にキャビティの底部を作製することができる。本発明に関して、構造体中の既知の先験的な深さ（a priori depth）にキャビティの底部を正確に配置することは必要とされない。本発明の漸進な構造体薄層化プロセスは、以下の点、正確に開口部を作製するために、キャビティの深さの正確な制御または知見が必要とされない点で特に有利である。さらに、所与の物質または物質の複合体にキャビティを形成するために、エッチングプロセスの組み合わせを必要に応じて使用することができる。例えば、窒化ケイ素および二酸化ケイ素層から形成された複合膜の場合、プラズマエッチングなどの選択されたキャビティエッチングの化学特性を、キャビティ形成のある所与の時点で、エッチングされる物質に基づいてエッチングの経過にわたって調節することができる。同様に、エッチングプロセスの組み合わせを使用して、キャビティの側壁プロフィールをキャビティの深さの関数として変更することができる。例えば、等方性および異方性ウェットエッチングの組み合わせを窒化物またはシリコンの層もしくは膜中に形成されるキャビティの側壁の選択した湾曲および傾斜を作製するために使用することができる。このようなエッチングの組み合わせにより、限界開口部に配置される凹凸またはその他の明確な特徴部の形成が可能となる。
【００２８】
再び図1B〜1Dに関して、一旦選択された膜またはその他の構造体中にキャビティが形成されると、限界開口部を構造体中にオープンさせるための適切な手段を使用して、キャビティが形成されている面とは反対の構造体の表面でこの構造体の薄層化が行われる。本発明は、広範な薄層化プロセスを想定し、特定の薄層化技術に限定されず；キャビティが形成されている表面と反対の表面から構造体をエッチし返す（etch back）能力のみが必要とされる。
【００２９】
多数の適応に関して、特に良く適している薄層化プロセスは、イオンビームスパッタリングである。このようなプロセスでは、イオンのビームが薄層化される構造体表面に向けられて、スパッタリングエッチングして表面から物質を取り除く。比較的低いビームエネルギー、例えばkeVの範囲での典型的なイオンビームスパッタリングプロセスでは、平均で各入射イオンに関して物質の一原子がスパッタリング標的から射出され；そのため、スパッタリングは、「サンドブラスト（sand-blasting）」の原子規模のバージョンと考えることができる。例えば、窒化ケイ素膜の場合、このようなスパッタリングエッチングにより、約1014〜1015イオン/cm2/秒の間の入射イオンフラックスに対して、1秒当たりに膜からおよそ1個の窒化ケイ素の原子の層の除去を生じる。スパッタリングビームに曝された表面が、表面がキャビティの底部と交差するほど十分に薄層化されたときに、限界開口部が形成される。
【００３０】
本発明は、イオンビームアシストエッチング、イオンビーム誘起エッチング、電子ビームエッチング、またはアシストエッチング、プラズマおよび反応性イオンエッチング、電気化学エッチングなどのウェットエッチング、化学機械的ポリシング、ならびに構造体の薄層化を制御して薄層化される面の反対の表面上のキャビティと交差させることができるその他の製造および製作プロセスを含む、広範なさらなる薄層化プロセスを想定する。これらの開口部形成プロセスは、薄層化エッチングの間に、スパッタリングイオンビームまたは反応性プラズマ環境などのエッチング種を、薄層化される構造体表面の特定の位置に集束される必要がないために、多数の適用に有利であり得る。構造体の全範囲を薄層化するために、構造体表面のブランケットへの曝露を使用することができる。反対表面を腐食するエッチング種からキャビティを含む構造体表面を分離すること、すなわち遮蔽することのみが必要とされる。これにより、特徴部形成の際に、エッチング装置および種のナノ様式での制御を必要とすることなく、ナノ様式の精度が得られる。
【００３１】
どのような薄層化プロセスが選択されようとも、本発明者らは、薄層化プロセスの間にフィードバック機構を行うことにより、非常に正確な開口部形成が達成されるであろうことを見出した。このフィードバック機構は、特徴部、例えばエッチングにより作製される開口部の物理的寸法の指標となる方法で薄層化エッチングの間に提供される物理的な種を検出することに基づいている。このようなフィードバックにより、開口部形成プロセスのリアルタイム制御が可能となり、これにより、正確かつ予め特定した直径の開口部を高い信頼性で、かつ再現性よく形成することができる。以下の説明に記載するように、一般的に、このフィードバック機構は、ナノメートルの特徴部およびナノメートルの構造体の正確な侵食を可能にすることができ、マイクロおよびナノの系に対して広範な適用が見出される。
【００３２】
本発明の開口部形成プロセスにおけるフィードバック制御を、より具体的に考慮すると、スパッタリングイオンビームなどのエッチング種の場合、開口部が形成される地点まで構造体を薄層化し、ビームからのイオンは、やがては開口部を通過することができるその地点にある。従って、単位時間当たりに開口部を通過するイオンの数は、薄層化エッチングが続けられるにつれて増大する開口部の直径に比例する。これにより、開口部を通過するイオンの割合および／または数の計数による検出および定量は、エッチングの間の任意の時点での開口部直径の指標となる。
【００３３】
結果として、選択された開口部直径を、開口部を通過することが予測されるイオンの割合および／または数に基づいて、選択された直径が作製される前に特定化することができる。薄層化エッチングプロセスの間に、新たに形成された限界開口部を通る最初のイオンの通過を検出することができ、またその限界開口部の寸法が拡大するにつれて、開口部を通過するイオンの数を個々に検出し、定量することができる。定義された数のイオンが開口部を通過した時点で、制御シグナルがスパッタリングイオンビームコントローラーへと送られて所望の開口部寸法の時点でエッチングプロセスを終結させる。さらに、本発明に従って、開口部が形成される時点より前でさえも物理的な種の検出を行うことができる。例えば、イオンビーム銃によって生じるＸ線のレベルは、薄層化される構造体を通過すると検出され、構造体の厚さが減少するにつれて増加することが予測されるであろう。同様に、開口部の開口前でさえも、イオンの検出を行うことができる。これにより、開口部が最終的に開口する前でさえもプロセスを制御することができる。
【００３４】
図3A〜3Bに関して、このフィードバック−制御スパッタリングプロセスを実施するためのシステム50が模式的に示される。このシステムは、イオン銃52、例えば所定の適用に適したエネルギー範囲および直径を有するイオンビームを生じさせることができるイオン銃を含む。一般的に、約0.5eVから約数百KeVの間のエネルギー、および数ナノメートルから空間的に非常に広範なビームの間のビーム直径を使用することができる。バキュームエッチングチャンバ55は、その中でエッチング処理を行うことができるように設けられている。好ましくは、エッチングチャンバ圧は、エッチングプロセスの間に約10-8Torr未満のエッチング環境圧が維持されるように充分に制御される。ターボ分子ポンプ（turbomolecular pump）57は、圧を制御および維持するために設けられている。場合により、エッチング環境種をモニターおよび分析するために、質量分析計を設けることができる。
【００３５】
構造体ホルダー54は、例えば開口部が形成される構造体10を支持するために設けられており、例えばクリップを使用して構造体の位置を維持する。好ましくは、ホルダー54は、熱伝導性であり、例えばホルダー上か、または構造体それ自体の上に配置された熱電対を使用する液体熱交換ループにより構造体の熱制御を実現する。多くの適用のためには、構造体の電圧変化の制御を可能とするため、および入射イオンビーム電流のモニタリングを可能とするために、ホルダーも導電性であることが好ましい。さらに、混入物を凝縮し、試料の近くの局部的な真空を改善するために、試料ホルダーを囲む液体窒素で冷却された銅の囲い板、ならびに集束光学素子を設けることが好ましいであろう。
【００３６】
ホルダーは、構造体10の開口部が形成される位置に対応する中心開口部56を含む。この配置により、イオン銃から構造体10に向けられたイオンビーム58が構造体を薄層化してそこに開口部を形成し、その後にイオンビーム58は、構造体の開口部とホルダーの開口部との両方を通りぬける。
【００３７】
図3Bに関して、電子フラッド銃（electron flood gun）59は、エッチング処理の間にエッチングされる構造体に電子ビームを向けるような配置で含むことができる。電気的に遮断されている窒化ケイ素膜のなどの構造体に関しては、正に荷電したイオンビームの照射により、正の電気表面電荷を構造体上に蓄積することができる。所与の適用に必要な場合には、構造体への電子ビームの照射により、表面電荷を中和することができる。
【００３８】
本発明に従うフィードバック機構によって薄層化エッチングプロセスが制御される場合、エッチングされた開口部を通過する種の流れは、以下に記載した方法で検出され、定量されるはずである。所与の適用について、このようなフィードバック制御が望まれない場合、追加の装置は必要とされず、スパッタリングは、所定のエッチングのために選択された条件下で、従来のスパッタリングチャンバ内で行うことができる。
【００３９】
本発明によれば、所望の程度のフィードバック制御を与えるために、種の検出および定量システムを設けることができる。薄層化エッチングのために利用される選択されたスパッタリングビームイオンが電気的に荷電しているシナリオの場合、一旦開口部を通りぬけたイオンを集束させるためのイオン集束光学素子60を設けて、イオンが通りぬける構造体の開口部から比較的離れた検出器によるイオン検出を容易にする。X-Y偏光光学素子およびアインツェルレンズを従来の配置で使用して所望のイオンの集束を生じさせることができる。従来法では、光学設計ソフトウエアを使用して、所与の検出配置についてカスタマイズされた集束配置を作製することができる。イオン検出システムがホルダー開口部に対して比較的近傍に存在する配置の場合には、このような集束配置が必要でないであろうことが理解される。集束光学素子が使用される場合、光学素子に機械的安定度を与えるため、ならびにイオン銃から流れてきたイオンから、以下に記載したイオン検出器を保護するために、例えばエッチングチャンバ55の上部フランジによって支持されたステンレス鋼板の後に取り付けることが好ましいであろう。
【００４０】
使用される場合には、集束配置は、例えば計数（counting)により検出および定量される選択種に対するビームをフィルタリングするために、アウトプットイオンビームをイオンエネルギー分析器62に向けることが好ましい。一般的に、イオンビームスパッタリングプロセスは、例えばスパッタリングされた窒化ケイ素原子、エッチングチャンバ内に拡散しているエッチング種、およびイオン銃から放射されるX線を含む、広範な物理的な種および照射を含み、かつ生じると考えられる。非常に正確なエッチング制御を可能にするために、検出される種は、生じた照射、生じたエッチング種、およびバックグラウンド照射からフィルタリングアウトされることが好ましい。例えば、イオンビーム銃、エッチングされる構造体、および下流の光学素子を、以下に記載するように静電エネルギーフィルターまたは他の適切なフィルターによって検出器などのさらに下流の構成要素から隔離することにより、このようなバックグラウンドを最小にすることができる。さらに、イオンビーム銃、構造体、および光学素子を、図3Bに示すように、適切な容器中で低温条件下で維持することにより、熱の影響を制御し得ることが好ましい。また、このような冷却配置は、エッチングおよびビーム検出環境を最大限に清潔として、構造体の温度を制御するために有用である。イオン照射の間に、上昇した温度に構造体を維持して物質修飾現象に影響を与えることもまた、有利であろう。
【００４１】
イオンエネルギー分析器62または他の種に特異的なフィルタリングシステムの利用は、スパッタリング軌跡の照準ラインから検出される種の再方向付けが可能になる点で、有利である。次いで、種の検出位置は、バックグラウンド、およびX線などの生じた照射によるボンバードメントからのラインから離れ、外れていてもよい。例えば、図3A〜3Bに示したように、使用される静電エネルギー分析器は、検出されるイオン種の軌道を60〜90°屈曲させることにより、これらの種を他の種およびエッチングされた構造体から生じる照射から分離される。所与のエッチング処理について望まれる検出の分解能およびスピードでは、バックグラウンドノイズ環境が低いことが必要でない場合は、多数の適用でイオンエネルギー分析器は不要である。
【００４２】
静電エネルギー分析器から出された、フィルタリングされた目的の種は、検出器64にと向けられる。電気的に荷電したイオン種の検出に関しては、高分解単一イオン検出器、例えば、Gallileo Electro-Optics of Sturbridge,MAからのChanneltron 4860検出器を利用することが好ましいであろう。このような検出器は、1つの検出イオン当たり、1つの電気的アウトプットパルスを生じるように配置することができる。多くの適用では、開口部などの固体特徴部作製の際にナノメートルスケールの正確さを可能にするために、このような単一イオン検出および付随する計数が好ましいであろう。典型的には、スパッタリングビーム電流密度が約10イオン/nm2/秒であり、一方ナノメートル範囲の開口部のエッチングには、開口部を通過するイオンの総数が約10〜20を超えないことが必要である。従って、特徴部の作製のナノ様式の制御を再現性良く実施するためには、単一のイオン検出および計数システム、または同等の分解能のその他のシステムが好ましい。所与の適用のために作製される特徴部が、ナノメートルでの寸法の制御を必要としない場合は、あまり精密ではない検出機構を使用することができる。多くの適用にとっては、イオンエネルギー分析器および検出器を、例えばビームが入ることができる開口部を含むアルミニウム缶の中などに入れることによって、潜在的電気的ノイズ供与源から保護することが好ましいであろう。このシナリオにおいて、好ましくは、穴を含む対照試料を通って透過するイオン総数の割合を最大にするようにビーム焦点電圧を調整することによって、イオンビームを処理する試料およびケースに入れた検出器と共に整列させる。
【００４３】
単一のイオン検出器の配置であるので、高速パルス増幅器（fast pulse amplifier）66を使用して、検出器の電気的アウトプットを修飾し、イオン計数プロセスを容易にすることができる。適切なパルス予備増幅器は、従来の方法か、または適切な市販のシステム、例えばVT120 Fast Preamp、EG&G Ortec of Oak Ridge, TNで構築することができる。一つの例示のシナリオでは、イオン検出器によって10mVのイオン検出パルスが生じるので、パルス増幅器66は、パルス電圧を約1Vまで増幅するように配置することができる。この増幅された検出パルスは、検出されたイオン数の電気的シグナルの指標を生じさせるために、計数システム、例えばHewlett PackardによるHF53131Aなどのユニバーサルカウンターに向けられる。検出パルスの増幅は、所与のパルスカウンター配置には必要ないであろうこと、およびパルス増幅が行われる場合には、計数システムの要求に基づいて制御されることが好ましいことが認識される。
【００４４】
パルスカウンター68の電気的アウトプットは、オペレーターが薄層化エッチングプロセスをリアルタイムでモニターできるように、またイオン銃の制御シグナルを生じさせるために、ソフトウエアを実行する、例えばモニターおよび制御するコントローラー70に向けられている。１つの例では、コントローラーは、例えばNational Instruments of Austin TXからのLabviewを用いてソフトウエアで実行される。どのようなコントローラー器具を選択したとしても、イオンフィードバックに基づいてイオンビーム制御シグナルが提供されることが好ましい。例えば、コントローラーは、特定の時間インターバルの間構造体のイオンビームスパッタリングを開始、および特定の時間インターバルの間に検出器が受け取ったイオンの数を計測するようにカウンターを構成するよう実行することができる。このインターバルの終わりに、計数されたイオンの数がコントローラーにより決定されて、この時点での開口の程度をイオン総数および既知のイオンフラックスに基づいて算出することができる。次いで、コントローラーにより、インターバルの間に計数したイオンの数を使用して、イオンビームスパッタリングのさらなるインターバルを開始して構造体のエッチングを続けるべきかどうかを決定する。
【００４５】
1つの有利な配置では、モニター、メモリ、ならびに付随したインプット／アウトプットおよびプリントシステムを備えたコンピューターシステムが、エッチング処理の進行の視覚的なモニタリングおよび記録を可能にするために設けられる。多くの適用には、経時的なイオン計数率および開口部の程度を表示すること、ならびに計数率および他の系の値を貯蔵することが好ましいであろう。
【００４６】
スパッタリングエッチング自体を制御するために、コントローラー70のアウトプットをイオン銃制御システム72に向ける。1つの例の実施では、所望の寸法の開口部が作製された時点で、イオン銃のX-Y偏光プレートを、イオンビームが構造体10から離れるように偏光させるように制御することにより、イオン銃のフィードバック制御がなされる。これは、ビーム偏光時の速度が迅速（典型的にはミリ秒未満）であることから、好ましい制御技術である。しかし、代わりのビーム制御機構を使用できることも認識される。例えば、静電グリッドを銃と構造体ホルダーとの間に配置することができる。このシナリオでは、グリッドは、イオンビーム終結制御シグナルに応答して電圧を加え、ビームをイオン銃のほうへ戻す。さらなる技術では、イオン銃の加速電子衝撃電圧を、イオンビーム終結制御シグナルに応答してイオンビームの生成を終結させるように制御することができる。これらの技術は、所望の寸法の開口部が作製された後に、全てのスパッタリングを抑制することにより、試料汚染の可能性が排除される点で有利である。
【００４７】
スパッタリングシステムおよびフィードバック／制御ハードウエアを適所に配置することにより、所定のイオンビーム種、構造体物質、および作製されるべき開口部の形状についてのフィードバック較正曲線を作製することができる。このような較正曲線により、イオン総数および／または比率と限界開口部の寸法との関係の明確にすることができ、具体的な構造体の物質および厚さに関して、測定された総数／時間と実際の限界開口部の寸法との関係を経験的に特定されることを証明することができる。
【００４８】
多数の配置に関して、限界開口部の寸法とイオン総数との間の相関関係が概ね直線的であることがわかった。この、およびその他の一般的に推定可能な相関関係について、数個の測定値に基づいて外挿較正曲線を作製することができる。このような各測定値を生じさせるために、規定時間の間、薄層化エッチングを行い、その間にイオン計数を行い、かつ期間の最後に開口部の寸法を、例えば透過型電子顕微鏡により物理的に測定する。エッからエッチまで開口部が大きくなる間に、ただ1つの開口部に対して複数回のエッチング期間および寸法の測定を行うことができる。次いで、イオン総数および開口部の測定に基づいて較正曲線を作製し、より低いおよび高いイオン総数に対し外挿することができる。このような較正曲線が手に入れば、フィードバック配置のコントローラーシステムを、所望の開口部の寸法に対応する規定のイオン総数が達成されたときにイオン銃に対してエッチング終結シグナルを制御するようにプログラムすることができる。
【００４９】
エッチング環境の温度および圧力、エッチングされる構造体の物理的応力および温度、ならびに特徴部の寸法および構造体の側面は、検出されるイオン計数率および物理的な特徴部の寸法との相関関係に影響を与え得ることが認識される。例えば、窒化ケイ素膜に残留する機械的な歪みは、そのエッチング特性に強い影響を与え得る。同様に、形成されるアレイの開口部の密度、開口部の互いとの近さ、およびその他の側面は、エッチング特性に強い影響を与え得る。従って、エッチング特性に強い影響を与え得る種々の物理的およびエッチング環境のパラメーターについて考慮して、較正曲線を作製することが好ましいことが認識される。
【００５０】
実施例1
一方の表面にキャビティが形成されている50nm厚の窒化ケイ素膜を、図2A〜Gに概説したプロセスにより作製した。窒化ケイ素を低圧化学蒸着により沈着させた。反応性イオンエッチング法によりキャビティボウルを膜内にエッチングした。図4Aは、膜内に形成されたキャビティの電子顕微鏡写真である。
【００５１】
キャビティを含む側とは反対側の膜表面を約3KeVのエネルギーのアルゴンイオンビームエッチングおよび約3Ar+秒/nm2のフラックスに曝露した。イオンビーム直径は、約200μmであり、エッチングの間の膜温度は、約-120℃に維持した。5秒間のインターバル毎に1秒間、イオンビームを膜に照射した。エッチング処理の間、イオン検出および計数を行った。
【００５２】
図4Bは、膜の薄層化により形成された10nmの限界開口部を含む膜キャビティの電子顕微鏡写真である。図4Cは、スパッタリング時間の関数としてのアルゴンイオン総数／秒のプロットである。このプロットには、イオンビームが膜に向けられた時間が含まれているが、ビームが膜から離れるように偏光された時間は含まれていない。プロットにより示されるように、計数したイオンの数／秒は、限界開口部が開口する25秒目の時点までは実質的に0である。次いで、限界開口部の直径が増加するにつれて、イオン総数が対応して上昇する。これにより、開口部形成プロセスの制御が可能となる。
【００５３】
この実施例では、一旦開口した開口部を通過する電気的に荷電したイオンを検出および計数することにより、開口部の正確かつ制御されたエッチングが可能となった。ここで、エッチャントとして作用する種は、検出される種としても作用する。本発明によれば、このイオンビームが2重の役割を果たすことは、一般には要求されない。本発明により提供される別のシナリオでは、エッチャント種は、検出種とは異なって選択され、作用する。多くの適用については、このようにエッチャントと検出種とを切り離すことにより、エッチャント種と検出種の両方に関してより広範囲の種を候補とする際に有利となるであろう。
【００５４】
原子ビームエッチング種を考慮すると、ビームが電気的に荷電しているのではなく、電気的に中性である場合は、原子の検出が困難であろう。この場合、電子ビームなどの、異なるエッチングしない検出種は、予め指定した直径の開口部の形成を制御するために、有利に使用することができる。このようなシナリオでは、エッチングされる構造物が、衝突するスパッタリングビームによって電気的に荷電することにより、電気的に中性のビームの使用が正当とされる場合が好ましいであろう。多くの適用については、ビームの屈曲、フィルタリング、ならびに従来技術を用いた検出および計数を容易にするために、電気的に荷電した検出種を利用することが好ましいであろう。しかし、所与の適用に関して最適であるような場合には、電気的に中性の検出種を使用することができる。例えば、電気的に中性の透過原子のレーザー蛍光を、制御機能を検出して計数するために使用することができる。
【００５５】
使用する場合、別個の検出種は、作製される特徴部の方向に何らかの方法で向けることができ、また特徴部近辺でのその動きが、特徴部の直径の変化の指標となるものであることが好ましい。これにより、特徴部の直径の変化の指標となる方法で種の検出が可能となる。例えば、膜開口部の形成の場合、一旦形成された膜開口部を電子が通過するように膜ビームを膜の方向に向けることにより、上記のイオン計数法での電子の計数が可能となる。本発明は、単一の検出種の使用を必要とせず；複数の検出種を使用することができる。例えば、イオン銃により生成されたX線を構造体の薄層化としてモニターして、さらなる開口部の形成状況の時間を推定し、および示すことができる。その後に、イオン、電子、または他の種を使用して、開口部の直径の変化をモニターすることができる。所与の適用に適合された中性の種およびその他の種を同時に一緒に使用して、正確な検出およびフィードバック機構を提供することができる。
【００５６】
さらに、本発明は、作製される特徴部の面に対して、検出種が垂直に向けられることは必要でない。例えば、物質により生じる電子ビーム回折検出および回折パターンをフィードバック機構として使用することができる。例えば、上部層の特徴部が、上部層が除去され下部層または基体が露出することによって形成されるような場合、下部層に特徴的な電子ビーム回折パターンの検出をフィードバック機構として使用することができる。ここで、電子ビームは、物質と照角をなす。同様に、例えば開口部の形成の場合には、開口部の周囲の変化の指標である回折リングにより、回折を開口部の直径の関数として検出することができる。ここで、回折フィードバック機構は、開口部を通る軌道として生じるのではなく、開口部の周囲で生じる。
【００５７】
さらなる例では、開口部の形成の際に薄層化される上部構造体表面に対して電子ビームが平行に向けられ、それにより表面物質の除去は、表面に対して平行な方向の電子総数の上昇により示される。
【００５８】
本発明は、代替の検出種を想定する。例えば、電気的にメタ安定な状態の、例えばメタ安定状態にある原子を形成される特徴部に方向付けて、一旦特徴部を通過すると検出することができる。このようなメタ安定な原子、例えば励起状態のヘリウムまたはアルゴンは、電気的に中性であり、固体表面をヒットするまでは崩壊せず、その時点で電子が遊離されて、これを検出し、計数することができる。どのような検出種が選択されようとも、作製される特徴部の所望の制御寸法スケールと釣り合った時間スケールで検出され、計数できることが好ましい。例えば、ナノメートルの特徴部の寸法が重要である場合、高感度および高分解能のフィードバック機構を可能にするためには、マイクロ秒での検出および計数プロセスが好ましい。マイクロおよびマクロスケールでの特徴部の制御のための検出種には、さほど厳格ではない感度および分解能の必要性が求められている。
【００５９】
本発明は、広範な製造プロセスにおけるフィードバック制御のための物理的な種の検出および計数の適用を想定する。従来、オープン・ループ様式で、すなわちフィードバック制御無しで行われてきた多くの製造プロセスは、本発明により提供される非常に感度が高くかつ正確なフィードバック機構を組み込むことで、ナノスケール寸法での特徴部の制御が可能なように適合させることができる。例えば、上記の開口部の形成プロセスでは、限界開口部の形成の際に構造体表面を薄層化するために、スパッタリングエッチングよりもプラズマ中の反応性イオンエッチングを使用することができる。このようなプラズマエッチングプロセスでは、キャビティを備える構造体表面が適切な固定物によってプラズマ環境から分離される。構造体の対向表面は、プラズマ環境に完全に曝露される。プラズマエッチングが進行して構造体を薄層化し、最終的に限界開口部を生じ、開口部が成長するに伴い、例えば構造体から分離された側に配置されているチャネルトロン（channeltron）により開口部を横切るイオンが検出される。従って、上記のイオン・スパッタリング・エッチングの様式では、フィードバック制御は、開口部を横切るプラズマイオンの検出および計数に基づいたプラズマエッチングプロセスによって行うことができる。
【００６０】
本発明によって想定されるさらなる例示のプロセスでは、物理的検出およびフィードバック制御は、特徴部を製作するために使用されるウェットエッチングプロセスで行うことができる。例えば、構造体に開口部を形成する際には、構造体に形成されるキャビティの近傍に電極が設けることができる。ここでは、キャビティの反対側の構造体表面は、ウェットエッチング環境、例えば電気化学的な環境に曝露されており、キャビティを備える構造体の表面は、エッチング環境から隔離されている。ウェットエッチングが進行して構造体が薄層化され、開口部が開口するにつれて、開口部を横切る液体中のイオンをキャビティ側の電極部位で検出し、計数することができる。これにより、所望の開口部の寸法が達成された時点で、エッチングの電気刺激を終結させるためのフィードバック制御が可能となる。
【００６１】
本発明は、広範な構造体の固体の特徴部の製造を可能にするための物理的な種の検出およびフィードバックプロセス制御の実行を想定する。フィードバック機構は、上記の開口部形成プロセスに限定されない。上に説明したように、本発明のフィードバック機構を用いる正確かつ制御可能な様式では、広範な任意のプロセスにより、開口部、切れ込み、トレンチ、ホール、または2つの特徴部のエッジ間のギャップを正確に形成することができる。
【００６２】
例えば、膜の一方の表面から他方の表面に膜の厚みを直接通過してホールを形成される場合の集束イオンビームまたはプラズマエッチング技術を利用する膜の開口部形成プロセスでは、形成を制御してモニターするためにフィードバックを使用することができる。同様に、本発明は、膜の一方の表面にキャビティを形成し、次いでキャビティを含む膜表面を、例えばイオン・スパッタリング・エッチングに曝すという、膜開口部形成プロセスを想定する。キャビティ底部と反対表面との間の膜の厚みは、他の膜領域よりもかなり薄いので、このようなエッチングにより、膜の他の領域が完全にエッチングされて取り除かれる前にキャビティの底部に限界開口部が開口する。本発明のフィードバック機構により、このプロセスの正確な制御およびモニタリングが可能となる。
【００６３】
実施例2
約50nmの厚さの窒化ケイ素膜を、図2A〜2Eの方法で作製した。反応性イオンエッチングにより、膜の厚み全体を通過する開口部を形成した。これは、37nmの幅の開口部を生じた。この電子顕微鏡写真を図5Aに示してある。次いで、膜および開口部を約1.7Ar+/nm2/秒のフラックスおよび約3KeVのエネルギーでのアルゴンイオンビームに曝露させた。5秒間のインターバル毎に1秒間スパッタリングするようにイオンビームを膜に向けかつ膜から離した。イオンビーム曝露中に膜を約-102℃の温度に維持した。
【００６４】
図5Bは、180秒のスパッタリングで生じた58nm幅の開口部の電子顕微鏡写真である。図5Cは、計数したイオン/秒の、時間の関数としてのプロットである。時間の関数としてのイオン総数間には、ほぼ線形の相関関係が示されている。
【００６５】
本発明は、フィードバックにより制御されるプロセスが実施例2の場合のように減算的（subtractive）プロセスであることは必要とされず；本発明のフィードバック技術により、加算的なプロセスも制御することができる。例えば、所与の寸法の開口部、トレンチ、またはホールを適切なプロセスによって小さくし、狭くすることができ、この間に減少プロセスを制御するために本発明の物理的な種の検出およびフィードバックプロセス制御を行う。
【００６６】
焼結、加熱、物質沈着、物質成長、およびその他の適切なプロセスが、本発明のフィードバック機構により制御可能なものとして想定される。同様に、酸化、膨張、以下に詳細に記載する物質のフローおよび輸送、圧縮、エバポレーション、エレクトロポレーション、イオンもしくは電子を利用した沈着（ion- or electron-assisted deposition）または成長、ならびにその他のこのような加算的なプロセスを本発明に従って制御することができる。制御されるプロセスに必要なただ1つの条件は、加算的か減算的かにかかわらず、そのプロセスが変化する特徴部の寸法の指標としての種の検出を可能とする方法で、処理される構造体の特徴部の近傍にいくつかの検出種を導入することに適応していることである。上に説明したように、特徴部は、膜中、支持構造体上に提供される層中、または構造体自体（例えば、シリコンウエハ）に作製することができる。制御されるプロセスが本質的に加算的かまたは減算的かにかかわらず、本発明の制御プロセスの利点は、ナノメートル規模での特徴部の寸法および寸法公差を形成する際に、最も十分に活用され認識されるであろう。
【００６７】
この可能性は、ナノメートルの特徴部のフィールドを作製するために、例えばリソグラフマスクプレートの形成の際に、特に有利であり得る。ここで、例えば開始膜を加算的または減算的なプロセスによって、選択された形状でプロセッシングして、最終的にワイヤー、パッド、およびその他のマスクプレート形状を形成することができる。これにより、効率良くかつ有効なプロセスでマスクプレートの特徴部を正確に形成することができる。
【００６８】
図3Cに関して、本発明は、さらなるプロセス制御フィードバック技術、およびプロセスの結果を表すフィードバック・パラメーターに基づきリアルタイムで製造プロセスを制御するための、対応する装置を提供する。このフィードバック技術では、導電性の特徴部または製造プロセスによって修飾されている特徴部のギャップの両端にバイアス電圧が印加され、プロセスが進行するにつれて、印加した電圧から生じるギャップの両端の電子トンネル電流がプロセスの進行としてモニターされる。ギャップの範囲は、所与の印加電圧バイアスに対してトンネル電流に直接的に関連するので、モニターされた電子トンネル電流により、非常に高い分解能で、ギャップ寸法の中の変化のリアルタイム測定が可能になる。
【００６９】
本発明によれば、トンネル電流の測定は、ギャップをバイアスするトンネル様式に基づいた、対応するギャップ寸法に関連する。本発明に従って想定される2つのトンネル様式の第1は、ファウラ・ノルドハイム・トンネル様式（Fowler-Nordheim tunneling regime）であり、比較的大きなギャップ、すなわち約1〜2nmよりも大きいギャップ範囲、およびギャップが存在する物質の仕事関数よりも大きい印加電圧バイアスによって特徴付けられる。
【００７０】
ファウラ・ノルドハイムの式は
I（V）=aV2e-b/V  （1a）
として、ギャップ（g）両端の印加電圧バイアス（V）に対して測定されたトンネル電流（I）を関連づけ、
式中、
2006523144.tif 000003
であり、式中、σは、ギャップの両側での物質の領域であり、eは、電気素量（1.6×10-19C）であり；?=1.1×10-34J・s；me=9.1×10-31Kg；φは、ギャップ位置での物質の仕事関数であり；およびgは、ギャップ間隔である。この式に関して、一旦ギャップの位置の物質の領域およびその物質の仕事関数が既知となれば、所与のギャップの両端の電圧バイアスおよび所与のトンネル電流測定については、対応するギャップを知ることができる。
【００７１】
比較的小さなギャップ範囲、すなわち約1〜2nm未満に対応するギャップ寸法を有する測定されたトンネル電流を相関させるために、第2のトンネル様式が考えられ、ギャップが提供される物質の仕事関数の特徴部未満の電圧バイアスが印加される。この様式のトンネル効果では、トンネル電流Iは
2006523144.tif 000004
として、印加電圧バイアス（V）の関数として与えられ、
式中、
2006523144.tif 000005
であり、式中、σは、ギャップの両側での物質の領域であり、eは、電気素量（1.6×10-19C）であり；?=1.1×10-34J・s；me=9.1×10-31Kg；φは、ギャップ位置での物質の仕事関数であり；およびgは、ギャップ間隔である。
【００７２】
予想されるギャップ間隔の範囲および予想される印加電圧バイアスの範囲を考えると、上記式のうちの1つを使用して、測定されたトンネル電流とプロセスの進行としての対応するギャップ寸法との間の対応付けを行うことができる。多くの適用については、リアルタイムでの対応を容易に行うことができるように、すなわちそれぞれのトンネル電流測定を前もって決定された既知のギャップ範囲にリアルタイムで相関させることができるように、既知のギャップ寸法に基づいて所与の物質および所与のプロセス条件についての式を予備的に較正することが好ましいであろう。これにより、リアルタイムで製造プロセスを制御して、プロセスの進行として、インサイチュウでのトンネル電流測定に基づいて選択されたギャップ範囲を製造することができる。
【００７３】
図3Cに示すように、トンネル電流フィードバック制御ループは、一つの例において、コンピューター制御プログラム、例えば選択された製造プロセスのために構成された上記Labviewプログラムを伴ったコンピューター70で実行することができる。コンピューター制御は、例えば、上記のトンネル電流-電圧式の選択された1つに基づいて、所与の関心対象のプロセスおよびギャップ範囲について選択されるバイアス電圧を生成するように特定される。バイアス電圧の印加は、処理される試料10の導電性の特徴部のギャップの両端に行われる。これを可能にするために、コンピューターからのデジタル電圧出力の規定が、まずデジタルアナログ変換器（DAC）80によってアナログ電圧信号に変換される。必要に応じて、DACが所与の適用のために必要とされるバイアス電圧以下に制限される場合、アナログ電圧信号を電圧増幅器82によって増幅することができる。
【００７４】
次いで、アナログ電圧を処理される導電性の特徴部のギャップの両端に印加する。電気接触は、試料が処理されるにつれて、強力な電気接続が可能になる任意の適切かつ便利な様式の導電性の特徴部に対して行うことができる。図3Cの実施例では、試料が上記方法でイオンビーム58に曝露されるにつれて、試料に対して電気接触がなされるが、この特殊な処理は必要とされず；前述したように、本発明のフィードバック技術は、広範囲にわたる製造プロセスに適用することができる。どのようなプロセスが行われても、処理の間の関心対象のギャップの両端にバイアス電圧を印加するための強力な電気接続が提供されることだけが必要である。多くの適用のためには、ギャップの位置で導電性物質がそれ自体パターン化されるか、または巨視的スケール、例えば少なくとも約100μmの正方形のコンタクトパッドとしてパターン化される物質に結合させることが好ましいであろうし、その結果、従来のワイヤー・ボンディング、スプリングクリップ、またはその他の選択された結合技術を使用することができる。
【００７５】
特徴部のギャップの両端にバイアス電圧を印加するための電気接触をさせ、次いで、適所に試料の処理が進行するにつれて、例えばイオンビーム58に対する試料の曝露中に、導電性の特徴部のギャップの両端の電子トンネル電流を測定し、必要に応じて、所与の適用にとって望ましい場合は、好ましくは高獲得速度および高増加要素によって特徴付けられる電流増幅器84によって増幅する。測定された電流は、アナログ-デジタル変換器（ADC）86によってデジタル化され、コンピューター70に送られる。一例のフィードバック制御・シナリオにおいて、コンピューターは、プロセスの進行につれて、測定されたトンネル電流を比較する予め特定された閾値のトンネル電流でプログラムされる。測定されたトンネル電流が、選択された方法において閾値トンネル電流に一致するときに、コンピューターは、イオン銃52を制御するように、例えばイオンビームに対する試料の曝露を止めるように、イオン銃コントローラー72に命令を送る。このように、製造プロセスは、試料が処理されるにつれ、試料中のギャップの両端のトンネル電流をインサイチュウでモニタリングすることに基づいて、リアルタイムで直接制御される。
【００７６】
プログラムされた閾値トンネル電流は、任意の適切な方法で設定することができる。例えば、上記で与えられるファウラ・ノルドハイムの式に基づいて、所与の物質および電圧バイアスの印加について所望のギャップの大きさに対応するトンネル電流を決定することができる。このように決定されたトンネル電流により、プロセスが進行するときのトンネル電流の測定と比較するためのトンネル電流の値でコンピューターをプログラムすることができる。本発明は、トンネル電流の閾値を提供するための広範囲にわたる代替法を想定し；こうして、例えばリアルタイムで決定することができ；プログラムされたルックアップ表を使用することができ、またはその他の技術をトンネル電流測定に基づいてプロセスのフィードバック制御を可能にするために行うことができる。
【００７７】
このフィードバック制御技術は、電圧の印加を適応することができる任意の製造プロセスおよび導電性物質のギャップの両端のトンネル電流の測定にまで拡張することができる。モニターされるギャップのために、特異的な配置は必要でなく；そのギャップの範囲を、制御される製造プロセスに関する方法で増減することだけが必要とされる。ギャップの範囲は、制御される製造プロセスプロセスによって、大きくまたは小さくすることができ、および／またはギャップは、プロセスの開始時に存在しなくなることができ、もしくはプロセスの間に閉じていることができる。対応して、トンネル電流測定は、製造プロセスの間いつでも制御下にあることも必要とされない。プロセスをギャップのない物質で開始してこのような構造を作製する場合は、一旦ギャップが現れてからトンネル電流を測定することができる。同様に、ギャップを含む物質でプロセスを開始して閉じたものを作製する場合は、ギャップが存在するときに、プロセスの間欠期の間にトンネル電流測定を行うことができる。所与のギャップ範囲について、ギャップ範囲がトンネル効果を可能にするほど十分に小さい場合には、製造サイクルの間欠期の間にだけ、トンネル効果測定が可能であろう。さらに、トンネル電流測定は、製造プロセスの間に連続的でなく、時間内の選択された位置で行うことができ；以下に詳細に記載されているように、その理由は、トンネル電流測定は、それ自身がプロセスに影響を及ぼすなんらかの条件下で行うことができ；従って、簡単な断続的なトンネル測定は、いくつかの適用に好ましいであろう。
【００７８】
本発明によれば、以前に記載されているイオン計数フィードバック技術をトンネル電流測定フィードバック技術と協調して使用することができる。例えば、イオン計数フィードバックは、例えば範囲が数十ナノメートル以上である大きな特徴部のプロセシングの制御のために使用することができ、次いで、トンネル電流測定フィードバック制御を、大きな特徴部を微調整するため、または例えば範囲が数十ナノメートルよりも微細な特徴部を製造するために使用することができる。さらに、2つのフィードバック制御技術を同時に、例えば電気電導性および電気絶縁性の特徴部の製造を制御するために使用することができ、または、任意の順序で経時的に使用することができる。ナノ電極の製造に関して以下に詳細に説明したとおり、本発明のトンネル電流測定技術は、正確かつ再現的な方法でナノ電極ギャップなどの特徴部のリアルタイム微調整を可能にするために特に有利であり、従って、大多数の適用では、イオン計数フィードバック技術によって、相対的な全体の寸法の制御の後に都合よく使用することができる。
【００７９】
本発明のその他の側面において、本発明者は、本明細書において、固体物質のナノスケールの特徴部の寸法を操作するために、イオンビームと固体の間の相互作用の条件を制御することができることを発見した。これらの制御されたイオンビーム相互作用技術により、必然的に取り除く以外にも、固体物質の形態を調整することができる。特に、本発明によって提供される選択されたプロセス条件下で、固体物質がこのようなその特徴部の末端位置を正確かつ制御可能に製造し、および／または局所的に加算的もしくは減算的な原子輸送機構によって変形させることができる。
【００８０】
図6A〜6Cに関して、このイオンビーム特徴部の制御の最初の例では、構造体10の限界開口部24は、第1の直径D1から、より小さい直径であるD2またはD2へと調節される。開始開口部は、例えば、上記または図1A〜1Dおよび図2A〜2Gに示される方法による任意の適切な様式で、例えば、膜、層、基板、もしくはその他の構造体中に選択された構造で形成される。次いで、限界開口部が形成された構造体表面18を、例えば上記および図3A〜3Bに示されたシステムを使用してイオンビーム照射に曝露する。
【００８１】
図6Cで最も劇的に示されるように、選択されたイオンビーム照射条件に関して、本発明者らは、照射に曝露された限界開口部24の周辺または境界に物質が付加し、限界開口部の直径の減少が生じるという予想し得ない結果を見出した。この状態は、開口部のリムへの物質の付加へとつながる構造体の温度、イオンフラックス速度、およびイオンエネルギー条件を強制することにより、予想可能かつ正確に強いることができる。特に、イオンビーム照射は、一般にスパッタリング／物質除去プロセスであると考えられるので、原子スパッタリング侵食の存在下でさえ、この物質の動きおよび付加状態が有効に進行して、特徴部の物理的寸法の変化が起ることは予測されない。
【００８２】
実施例3
約500nmの厚さの窒化ケイ素膜を、図2A〜2Eに概説したプロセスの様式で作製した。反応性イオンエッチングにより、膜の厚さ全体にわたって開口部を形成した。図7Aは、エッチングによって生じた95nm幅の開口部の電子顕微鏡写真である。
【００８３】
次いで、膜およびその開口部を3KeVのエネルギー、および約47Ar+/秒/nm2のフラックスで、アルゴンイオンビームフラックスに曝露した。イオンフラックスへの曝露中に、膜を約20℃の温度に維持した。イオンビームを1秒の間隔毎に250msの間膜に向けた。
【００８４】
図7Bは、アルゴンイオンビームへ曝露して開口部直径を約3nmまで減少させた後の膜の電子顕微鏡写真である。図7Cは、計数したアルゴンイオン/秒の時間の関数としてのプロットである。このプロセスの中間点では、ほぼ線形の計数率が示されている。
【００８５】
理論に拘束されるわけではないが、本発明者らは、本明細書中において、イオンビームがイオン照射を行った開口部の縁で物質の増大を引き起こす能力の根底にあるメカニズムは、以下に関連するかもしれないと理解している：構造体の大きさを介しての原子輸送；イオンで誘導される構造体の粘性の変化、電気的な表面荷電、機械的応力の発生、および横方向への膨張；および／またはイオンで誘導される表面原子の励起もしくは構造体表面上での可動性の吸着されたイオン種の過飽和により生じる原子的表面輸送。十分に低いイオンエネルギーでは、イオン透過の深さは構造体の厚みよりも浅く、これにより表面輸送プロセスが優勢となる。本発明は、特定の物質変形機構を必要としないが、むしろ予想可能な物質変形を生じさせる顕著なプロセス制御パラメーターを提供する。
【００８６】
制御されるプロセスのパラメーターを考慮すると、イオンビーム照射に曝露される構造体の温度は、物質の移動を強いる能力および物質が動く速度に直接強い影響を与えることが見出された。特定の構造体物質に関しては、構造体の物質が移動することが見出される温度を超える特徴的な温度が存在し、ここでは特徴部の寸法における調節、または変化が生じ、その温度未満では、代わりに物質がスパッタリングにより構造体から取り除かれる。従って、所定のイオンビームエネルギーおよびフラックス条件に関しては、物質の除去と特徴部寸法の調節との間の制御は、構造体の温度制御により行われる。
【００８７】
実施例4
図8のグラフに関して、500nm厚の窒化ケイ素窒化膜について、図3Aに類似のイオンスパッタリングシステムにより検出したイオン総数／秒が時間の関数としてプロットしてあり、ここでは、最初に約72nm長の正方形の開口部を作製した。図2A〜2Fに示すプロセスに基づいて膜を作製し、膜に方向付けた集束イオンビームにより開口部を作製し、完全に膜を通過して伸びている開口部を形成した。グラフの各領域は、膜がアルゴンイオンビームによるボンバードメントの間に維持される時点での温度を示す。ビームフラックスは14Ar+/秒/nm2であり、かつビームエネルギーは3KeVであった。膜へと向けられるイオンビームのオン／オフの負荷サイクルは、1秒の間隔毎に200m秒の間ビームを膜に向けるようにした。
【００８８】
時間の関数としてのイオン総数／秒の増加は、開口部寸法の増加を示し、一方で、イオン総数／秒の減少は、開口部寸法の減少を示す。プロットしたデータは、イオンビーム照射のもとで、膜温度が約5℃を超えて上昇するにつれて、開口部収縮速度が増加したことをはっきりと示す。対照的に、約4℃未満の膜温度では、開口部寸法は減少というよりも増加する。約0℃から約-10℃の間の膜温度では、開口部寸法が減少する速度において、評価できる温度依存性は示されない。
【００８９】
この実験データでは、窒化ケイ素膜に関しては2つの異なる温度体制が存在する；約5℃以上の第1の温度体制では、イオンビーム照射により物質の運動および特徴部の付加が強制され、約4℃以下の第2の温度体制では、イオンビーム照射による物質のスパッタリングおよび除去が強制され、両方の体制は所定のイオンビーム種、フラックス、およびエネルギー条件に対するものである。この窒化ケイ素膜に関する分析は、関心対象の物質を移動させ、特徴部を増加させることができる温度以上の温度を決定するための、本発明により想定される経験則的な分析の例である。この移行温度は、物質間で非常に広範に変化し得ることが認識される。
【００９０】
また、プロットしたデータは、物質の移動および付加を強制する体制内では、特徴部の形状を変更する際の物質輸送の速度が温度依存的であることを示している。比較的高い温度では、輸送プロセスは、比較的低い温度での場合よりも迅速に進行する。この温度依存的な輸送速度に対する知見により、正確なプロセスの制御および特徴付けが可能となる。
【００９１】
実施例5
5個の約500nmの窒化ケイ素膜を、図2A〜Eに概説したプロセスの様式で製造した。集束イオンビームエッチングにより、それぞれ約1400nm2の面積の開口部を膜に作製した。次いで、膜を約3KeVのエネルギーで、種々の総線量に関して5個のイオンビームフラックスでアルゴンイオンビームに曝露した。イオンビーム曝露中、各膜を約22℃の温度で維持した。各イオンビーム曝露を制御して200m秒の間1秒の間隔毎にスパッタリングした。
【００９２】
図9A〜9Bのグラフに関して、開口部の面積（nm2）が、総アルゴンイオンビーム線量（イオン/nm2）の関数として、5個の異なるアルゴンイオンビームフラックスに関してプロットされており、開口部面積は、それぞれアルゴンビームフラックスの関数として、線量毎に減少する。プロットしたデータからは、総アルゴンイオンビーム線量の関数として、高い入射フラックスと比較して、低い入射フラックスでは開口部はより迅速に縮む。言い換えると、フラックスが低ければ低いほど、開口部を縮めるために必要とされる線量が低下する。この強い非線型性は、入射イオン当たりのイオンビーム照射によって生じた物質質量輸送の量が、高い入射フラックスでは抑制されることを示す。この特徴付けにより、選択した質量輸送速度での操作が可能となる。上に提供した温度依存的な分析に類似する様式で、本発明は、物質運動の正確な制御を可能にするために、選択した物質に関するフラックス依存的な経験則的な分析を意図するものである。
【００９３】
実施例6
50nm厚の窒化ケイ素の層を低圧化学蒸着によってシリコンウエハ上に沈着した。窒化ケイ素層を電子ビームリソグラフィーによってパターニングし、窒化ケイ素層の厚さ全体にわたり約50nm幅のトレンチを作製した。従って、各々のトレンチの底に下にあるシリコン表面が露出した。図10Aは、シリコンウエハ上の、トレンチをつけた窒化ケイ素層の走査型電子顕微鏡写真である。
【００９４】
トレンチをつけた窒化ケイ素層を約3KeVのエネルギーおよび約20Ar+/nm2/秒のフラックスで、アルゴンイオンビームに曝露した。イオンビームは、2秒間の間隔毎に0.5秒間スパッタリングした。イオンビーム曝露中、シリコンウエハを約20℃の温度で維持した。図10Bは、約200秒のスパッタリングの後の、トレンチをつけた窒化ケイ素層の走査型電子顕微鏡写真である。窒化ケイ素物質がトレンチのほうへと移動し、それによりトレンチが部分的に埋められていることに留意されたい。このことは、ここで利用しているプロセス条件に関して、物質が窒化ケイ素層からトレンチへと輸送されていることを示す。
【００９５】
すぐ上に記載したものと同様に、50nm厚の第2のトレンチをつけた窒化ケイ素層を約3KeVのエネルギーおよび約30Ar+/nm2/秒のフラックスで、アルゴンイオンビームに曝露し、イオンビームは、2秒間の間隔毎に1秒間スパッタリングし、総スパッタリング時間は約300秒であった。イオンビーム曝露中、シリコンウエハを約-100℃の温度で維持した。図10Cは、トレンチをつけた窒化ケイ素層の走査型電子顕微鏡写真である。ここで、トレンチのエッジが丸くなっていることにより示されるように、トレンチの上部の窒化ケイ素物質はエッチングされて取り除かれているが、トレンチの底は全く埋められていない。
【００９６】
この実施例は、所与の適用に対して所望どおりにスパッタリングすることにより、物質輸送および特徴部の調節または物質除去を予測可能に作製するために強制され得る温度制御を実証する。
【００９７】
本発明により提供されるさらなる物質輸送制御機構に戻ると、イオンビームのエネルギーが物質輸送の性質に衝撃を与えるであろうことが理解される。具体的には、所定の構造物質および温度、所与のイオンビーム電流密度、および所与のイオンビーム曝露の時間構造に関して、以下に記載するように、それ以上では上記のように物質輸送が効率良く誘発され、それ以下では従来的な様式でスパッタリングが起こる、イオンビームエネルギーが存在する。この2つの異なる操作体制の間の連結部は、所与の物質およびイオンビーム曝露システムに対して経験則的に決定することができ、物質輸送プロセスの正確な実施を可能および不可能にするための重要な制御技術として使用することができる。
【００９８】
さらに本発明によれば、イオンフラックスへの曝露の時間構造、すなわち間隔の順序（ここで、イオンビームは、物質との相互作用を可能とするように制御され、次いで物質と相互作用しないように制御される）が、物質輸送の性質および特徴部の寸法の変化に強く影響を与えることが見出されている。具体的には、イオンフラックスに対するオン／オフの負荷サイクルの要求は、物質運動および対応する寸法の特徴部の変化を引き起こす能力に強い影響を与えることが見出されている。
【００９９】
実施例7 
500nm厚の窒化ケイ素膜を図2A〜Eに概説したプロセスの様式で作製した。集束イオンビームエッチングにより膜の厚さが全体にわたり95nm幅の開口部を形成した。次いで、膜および開口部を、約3KeVのエネルギーおよび約14Ar+/秒/nm2のフラックスで、アルゴンイオンビームに曝露した。イオンビーム曝露中、膜を約16℃の温度で維持した。曝露中、イオンビームを膜に向ける時間量を変化させた。6個の異なる時間構造を利用した：1秒間の間隔毎に100m秒のオン；1秒間の間隔毎に200m秒のオン；1秒間の間隔毎に400m秒のオン；1秒間の間隔毎に600m秒のオン；2秒間の間隔毎に600m秒のオン；および、4秒間の間隔毎に600m秒のオン。イオンビーム曝露中、イオン検出および計数は、種々のイオンビーム曝露サイクルに応答する開口部の減少および拡大の指標として行った。
【０１００】
図11Aは、スパッタリング時間の関数としてのアルゴンイオン総数／秒のプロットである。400m秒/1秒の間隔および600m秒/1秒の間隔の時間構造では、開口部直径を増大させ、他方、全ての他の時間構造で開口部直径を減少させたことをプロットは示す。これは、およそ室温では、物質輸送プロセスとスパッタリングプロセスとの間の制御が、イオンビーム曝露時間構造の制御により達成できることを実証する。
【０１０１】
加えて、本発明は、二酸化ケイ素および窒化ケイ素などの誘電物質を含む、イオン侵食された物質での物質輸送の時間的尺度を直接決定するための、周期的にパルスしたイオンビームを使用する実験に基づいた理解を提供する。本発明に従って製造される実験的な測定では、イオン侵食が技術的に重要なシリコン酸化物に実際に首尾よく適用することができることを証明し、イオン侵食の物質輸送の時間的尺度を驚くほど長くすることができることをさらに証明しており、刺激されるイオンビームが消えた数秒後まで物質をこれらの平衡条件に必ずしも弛緩する必要がないことを示している。この効果は、所望の寸法の結果に予想通りに侵食プロセスを制御するためのイオン侵食の適用に都合よく使用することができる。
【０１０２】
本発明に従って、侵食イオンビームのためのさらなる試料を、シリコン・フレーム上に支えられた厚さ500nmの独立型SiO2またはSiN膜として調製した。SiO2膜をSi（100）基体上で熱的に増大させ、次いで、さらなる処置のために、低圧化学蒸着によって200nmの厚さのSi3N4層を沈着することによって覆った。次いで、シリコン基板のフォトリソグラフィーおよび異方性湿式化学エッチング処理を行って独立型の90μm×90μmのSiO2膜を製造した。次いで、Si3N4キャッピング層を熱いリン酸中でのエッチングによって除去し、酸化物表面を酸素プラズマに対して曝露することによってきれいにした。窒化ケイ素膜は、まずLPCVDによって直接Si（100）基体上に低応力SiNの500nmの厚い層を沈着させ、続いて酸化物膜について上述したものと同様のフォトリソグラフィーおよびエッチング工程によって製作した。次いで、選択した直径の単一の最初の穴を集束イオンビーム圧搾法によってそれぞれのSiO2またはSiN膜の中心の近くに機械加工した。
【０１０３】
このように製造された酸化物および窒化物膜を、イオンビームを正常な方向に表層膜に当てながら、図3Aの装置で約3keVのエネルギーでアルゴンイオンビームに個々に曝露した。オープンホールを通って透過したイオンは、以前に記載した方法で静電気的集束およびエネルギー解析の後にチャネルトロン単イオン検出器によって検出した。膜のイオンビーム曝露を上記の方法で変動させ、パルスされたイオン曝露の周期構造体を製造した。これは、イオンビームのオンおよびオフを、所望の「オン」および「オフ」の時間で静電気的に膜に偏向らせることによって特異的に制御され、それぞれ、TonおよびToffと称される。200ボルトのパルスをイオン銃の出射ポートの偏向板に適用し、穴から約5mm離れてビームを操作して約1マイクロ秒以内に処理した。従って、「パルスされたイオンの曝露」という用語は、本明細書において、穴にイオンビームを向けること、および除去することを意味する。
【０１０４】
二酸化ケイ素膜での最初の実験では、SiO2膜の幅55nmの穴を約28℃の温度でパルスされたアルゴンイオンビームに曝露した。図11Bのプロットで示したように、0.1s、0.4s、0.9s、および1.9sのビーム「オフ」時間の範囲を1サイクルにつき0.1sの一定のビーム「オン」時間で使用した。この実験では、瞬間的なイオンビームフラックスは、15.7 Ar+nm-2s-1で一定に保持した。ビームの最初の負荷サイクルは、0.1sの「オン」、0.9sの「オフ」とした。実験を中断せずに、それぞれ100サイクルの間、「オフ」時間を0.1s、1.9s、0.1s、0s（すなわち連続的な曝露）、0.9s、0.1s、次いで0.4sに変えた。
【０１０５】
SiO2膜の穴領域では、パルスされた光線の「オフ」時間に依存した穴の減少率で、イオンビーム曝露の増加と共に減少することが明らかに見いだされた。ところが、連続ビームでは、穴を開く傾向があり、0.1s以上の「オフ」時間での著しいパルスビームでは、穴を閉じるように作用した。単位フルエンス当たりの閉じた穴領域（図ではネガティブスロープを参照し、略して「閉じ率（closing rate）」）は、イオンビームが穴を閉じた効率ξを表す。これは、明らかに1〜2秒までの「オフ」時間の増加関数である。
【０１０６】
同様の実験において、上記の通りに作製されたSiN膜の幅100nmの穴を約28℃の温度で曝露して、11.2 Ar+nm-2s-1の瞬間的なフラックスを有するパルスされたイオンビームのイオンビーム曝露サイクルを変化させた。生じる穴領域は、図11Cにおいてプロットしてあり、SiO2膜の穴によって示されるものと同様の負荷サイクル依存性を示した。イオン侵食効率は、イオンビームの「オフ」時間が0.5sから1.5sおよび3.5sに増大されるにつれて明らかに増大し、ビーム「オン」時間は0.5sで一定の状態に保持したが、全て5.5sで不変であることが見いだされた。
【０１０７】
これらの実験結果に基づいて、本発明に従って、穴閉鎖の割合、すなわち物質輸送の割合は、ビーム「オフ」時間を増大することによって制御することができ、物質輸送率を特異的に増大することができることが理解される。パルスされたイオンビーム侵食プロセスが穴の直径を減少させる効率は、イオンビームフラックス、加工温度、またはイオンビーム侵食される穴の初期条件から独立して、ビーム「オフ」時間と共に、すなわちToff、Toffの増加関数として増大することがさらに見いだされる。加えて、パルスされたイオンビーム侵食プロセスが穴の直径を減少させる効率は、イオンビームのフラックスを低下させることによって、または加工温度を上げることによって（選択イオンビーム曝露負荷サイクルが与えられる）増強して、穴の減少を促進することができることが見いだされる。
【０１０８】
加えて、SiN実験では、連続イオンビーム曝露が種々の温度でのSiN膜の穴の直径を減少させるのではなく、増大したことも見いだされた。これは、イオン侵食による物質の側方輸送を低温で「凍結」することができ、この点で孔のスパッタ浸食がプロセスを支配することができるという本発明に従った発見を証明する。28℃で穴を閉じた0.1sの「オン」、0.9sの「オフ」のパルスビームでは、-100℃で2.9nm2/Ar+nm-2の割合で穴を開けた。従って、本発明によれば、プロセス温度の増加を使用して、物質輸送の割合を増大することができる。
【０１０９】
これらの実験に基づいて、パルスされたイオンビームに曝露される穴の初期条件、ならびに穴が形成される膜の表面形状によって、パルスされたイオンビームの負荷サイクルと共に、パルスされたイオンビーム侵食を正確に制御することができることが認識される。より詳細には、パルスされたイオンビームによってイオン侵食される穴の閉鎖効率は、穴のサイズおよび穴が形成される膜の表面形状を含む穴の初期条件によって直接制御される。例えば、大きな最初の穴（例えば約150nmの直径）は、より小さな穴（例えば約50nmの直径）の直径を減少させるのと同じパルスされたイオン侵食条件下で大きくすることができる（固定イオンビームフラックスおよび加工温度を与えられる）。
【０１１０】
以前に説明したように、理論に拘束されないが、本発明に従って、顕微鏡スケールでのイオンビーム侵食には、低エネルギー・イオンビームの影響を受けている物質の側方輸送を説明するために、物質の表面に沿って独立した原子の運動、および／または表層の多くの原子の総体的な運動を含み得ることが理解される。本発明のパルスされたイオンビーム侵食の時間依存的な挙動を記載するために、最初はスパッタ浸食の効果を無視して、物質反応を立ち上がり時間（τrise）、および減衰時間（τdecay）によってパラメーターで表す。時間的尺度の記載の中では、穴の閉鎖割合は、定常状態の閉鎖率値に、すなわち連続ビームでの閉鎖率値、（Rss）に接近し、イオンビームがオンにされるときに（1e（t-to）/τ（rise））Rssとして、およびビームがオフにされるときにe-t/τ(decay)として減衰され、式中tは時間であり、t0は、初期時間である。穴の閉鎖率の指数関数的な上昇および減衰は、物質反応の時間的尺度を組み入れた最も単純な現象モデルである。このような時間的尺度は、顕微鏡モデルに共通し、表面拡散または粘性流のモデルを含む本発明のパルスされたイオン侵食現象の記述を提供することが理解される。
【０１１１】
本発明によれば、侵食される穴の閉鎖率は、下記の方程式の時間t=0として与えられるそれぞれのイオンパルスの初期閉鎖率が同じである準定常状態条件に達すると想定される連続的な時間関数であることが必要である。次いで、穴領域（A）の閉鎖率は、以下によって与えられる。
2006523144.tif 000006
【０１１２】
穴は、全てのビーム・パルス・サイクルの間、すなわちイオンビームの「オン」および「オフ」の両期間の間に閉じる。従って、サイクルによって誘導される領域の変化は、上記（2a）および（2b）の「オン」および「オフ」時間にわたって統合される。イオン侵食効率ξは、フラックスφについては以下である。
2006523144.tif 000007
【０１１３】
この式は、物質反応の時間的尺度の相対的長さによってイオンビーム侵食の負荷サイクル依存性を説明する。図11Bおよび11Cのプロットの実験結果は、物質反応の固有の減衰τdecay、すなわち物質反応の減衰が、SiO2およびSiNの両方について、イオンビームがパルス・サイクルの間にオフであるときにほぼ数秒であることを示唆しており、上で与えられる指数時間的尺度モデルに結果にフィッティングすると、物質反応の上昇時間（τrise）は、物質反応（τdecay）の減衰と関連して入射イオンビームによって短くなることを示す。
【０１１４】
本発明によれば、本発明のパルスされたイオンビーム侵食プロセスをイオン刺激された可動性の種が、イオンビームフラックスの増加と共に物質反応の上昇時間（τrise）の減少を生じさせる条件によって特徴付けられることが理解される。τriseがビームフラックスの増大によって減少される機構は、入って来るイオンが可動性の表面種を放出するの機能、すなわちスパッタ浸食により、このような種が表面上にトラップされる間の固有の時間を減少させることであることが理解される。イオン・スパッタ浸食は、約1ピコ秒持続する原子衝突カスケードにおける運動量移動によって生じることが既知である。しかし、イオンビーム侵食において物質が反応する時間的尺度は、通常約数秒と長い。
【０１１５】
所与の物質について、物質反応の減衰時間τdecayと比較して、パルスされたイオンビームが物質反応の立ち上がり時間τriseを減少させる程度は、連続ビーム曝露およびパルスビーム曝露中のイオン侵食効率ξの比率を測定することによって決定することができる。イオン侵食効率ξのための式は、「オン」および「オフ」時間が同じであり、かつτdecayおよびτriseよりも非常に短いとみなされるパルスビームについては、
2006523144.tif 000008
によって近似することができる。
【０１１６】
この式により、イオン侵食効率ξは、連続イオンビーム曝露についてRss/φとして与えられる。物質反応の立ち上り時間τriseが減少するため、パルスされたビームのイオン侵食効率は、物質に関係なく、イオン曝露の50%の負荷サイクルについて、結果として2倍の値である傾向がある。これは、本発明によって提供される不意の発見であり、上記で記載されている方法では、50%の負荷サイクルで周期的にパルスされたビームを用いた同じ時間量の半分のイオンフルエンスによって、同量の穴閉鎖を誘導することができることを意味する。
【０１１７】
この連続ビーム以上のパルスビームイオン侵食効率の増強を、上記したSiO2およびSiN膜に対して本発明に従って実験的に測定した。測定結果を図11Dのプロットに示してある。実験は、連続的イオンビーム曝露と周期的パルスビームとの間を10msの「オン」および「オフ」時間で切換えて行った。入射イオンフラックスは、窒化物膜穴については8.3Ar+nm-2s-1であり、酸化物膜穴については2.2Ar+nm-2s-1であった。
【０１１８】
イオン侵食効率は、両物質の周期的パルスビームによって明らかに増強されることが見いだされた。SiO2膜については、効率ξの計測値は、nm2/（Ar+nm-2）を単位にして、連続ビーム曝露の0.3からパルスビーム曝露の1.4まで増大した。効率ξを見いだすために、測定を同じSiO2試料に対しても繰り返して、連続ビーム曝露の0.5からパルスビーム曝露の1.3まで増強された。SiN膜についての効率ξの計測値は、連続ビーム曝露の1.6からパルスビーム曝露の5.8まで増大し、次いで連続ビーム曝露を繰り返したときには3.5に戻った。
【０１１９】
上記したモデルに基づくと、連続イオンビーム曝露をパルスビーム曝露に切り替えると、イオン侵食効率ξは、少なくとも2倍に増強されるはずである。物質反応の立ち上がり時間τriseが無視できるほど小さい場合は、再びスパッタ浸食効果は無視される。実験的に決定されたξ増強倍数は、それぞれの実験の開始から終わりまでのデータの連続的またはパルスされたセグメントについての傾斜を平均することによって、SiO2膜について3.4であり、SiN膜について2.3であることが観察された（これは、表面物質変化が有意なアルゴン照射による影響を受けるために異なる可能性が高い）。
【０１２０】
次いで、ξの計測値は、好ましくは図11Dの低温データを用いて、スパッタ浸食による孔の開口の競合効果に対する補正がなされる。SiO2およびSiNのスパッタ産生は非常によく似ており、わずかにフラックス依存性であり、負荷サイクルから独立していると推定されるので、スパッタ浸食は、2.9nm2/（Ar+nm-2）の一定の孔開口速度に寄与していると思われる。補正された実験効率ξの増強倍数は、SiO2膜について1.3であり、SiN膜について1.6である。物質の反応立ち上り時間τriseは、物質の反応減衰時間τdecayと比較して有意に減弱するが、無視できるほど小さくはなく、これらの値は予測値の2よりも少ない。方程式（3）から、物質の反応立ち上り時間τriseは、2.2Ar+nm-2s-1イオンビームによってSiO2膜について、0.6倍のτdecayに減少されることが見いだされる。同様に、SiN膜については、8.3Ar+nm-2s-1イオンビームにより、物質の反応立ち上り時間τriseが、物質の反応減衰時間τdecayの1/4まで減少した。
【０１２１】
本発明に従ったこれらの実験の結果は、SiO2およびSiN膜における穴閉鎖の動態、および対応して物質輸送が、イオンビーム・パルス間の静止時間に強く依存的なことを示しており、一般に、ビームが物質表面に入射されていないときに有意な量の穴閉鎖、および物質輸送が生じることを示している。この発見は、イオン侵食される特徴部で、イオンビームの時間構築の制御および穴を閉じるために、すなわち物質輸送を強いるために必要なイオン線量の制御を可能にする際に、本発明のイオンビーム侵食ナノ製造技術と関係がある。これにより、それぞれ穴を閉じるプロセスと穴を開口するプロセスの間のイオンで誘導される横方向の物質輸送およびスパッタ浸食の競合に影響を及ぼすことによって、穴を全てにおいてより小さくすることができるかどうかをさらに決定する。パルスされたイオンビーム侵食の動力学は、穴を閉じる速度の指数関数的な上昇および減衰によって記載することができる。パルスビームの侵食効率の増強を説明するためには、入射イオンビームは、物質応答時間を短くしなければならない。
【０１２２】
イオン照射質量輸送にフィードバック制御を強いるための本発明のイオン検出および計数機構は正確な特徴部形成を可能にするための大多数の適用に有利であるが、本発明には必要でない。一旦、質量輸送過程が特徴づけられると、あまり微細な特徴部の制御を必要としないプロセスについては、系のフィードバック制御は必要とされないであろう。必要とされる全ては、局部的な物質の付加または減算によって物質の構造の特徴部の寸法を調節するための質量輸送などのプロセスを強いる条件下で、イオンビームに対して物質を曝露することである。
【０１２３】
本発明によって提供されるこの構造体の物質調整プロセスは、穴、切れ込み、開口部、および一般にギャップを含む広範囲の構造体の特徴部に対して、ならびに溝および異なった特徴部端または壁が存在するその他のこのような特徴部に適用することができ、また調整することができる。これは、小山および凹凸などの突出する特徴部の制作のためにさらに適用することができる。
【０１２４】
このような製造技術の1つの例において、イオンビームフラックスに対する曝露によって膜に突出を製造するために、イオンのフラックスおよび線量、ならびに膜の温度が選択される。1つの膜表面を選択された条件下でイオンビームフラックスに曝露する。これにより、イオンフラックスに曝露した反対側の膜の表面上に突出が形成される。
【０１２５】
実施例8
約500nm厚の窒化ケイ素膜を、図2に概説した製造順の後、LPCVDプロセスにより作製した。膜を約50KeVのエネルギーおよび約4ナノクーロン/μm２の線量で、ガリウムイオンビームに曝露させた。膜上に5個の異なる分離した曝露領域、すなわち、0.12μm2、0.14μm2、0.16μm2、0.18μm2、および0.20μm2を規定した。
【０１２６】
図12は、ガリウムイオンビームに曝された側と反対の窒化物膜表面の原子間力顕微鏡写真である。この画像では、輝度のレベルが形状に対応しており；画像中の領域が明るければ明るいほど領域の形状が「高く」、すなわちより隆起している。画像中に示されているように、0.16μm2、0.18μm2、および0.20μm2の膜領域は両方とも、ならびに0.14μm2の膜領域の一方のみがイオンビーム曝露により開口しており、すなわち、領域中へのイオンビーム曝露から、膜の厚みを通って開口部が生じた。他方の0.14μm2の膜領域および0.12μm2の膜領域は、イオンビーム曝露により開口しなかったが、代わりに、イオンビームに曝された側と反対の膜表面に形成された丘状の突出を示した。本実施例は、線量を制御することにより構造体の表面に突出を生じる方法で質量輸送を起こし得ることを実証している。本実施例は、イオンビーム種が特徴部の性質の形成および調節に強い影響を与え得ることをさらに実証しており；本実施例では、ガリウムイオンは、先の実施例で使用したアルゴンイオンに対抗するものとして使用した。本発明によれば、特徴部形成プロセッシングの局面を制御するためにイオン種を選択し得ることが理解される。同様に、本発明によれば、物質とのイオン相互作用の間に存在する周囲気体種を、相互作用の性質を制御するために選択し得ることが理解される。
【０１２７】
本発明のプロセスによって形成された、および／または本発明のプロセスによって調節され、もしくは変化した寸法を有する特徴部は、構造体の表面上、支持構造体上に設けられている層の中、もしくは自立構造である膜の中、またはイオンビームにより照射され得る他方の表面に提供することができる。複合物質構造体を処理することができる。寸法調節を行うための出発構造体を製作するために使用される製造順に制限はない。
【０１２８】
本発明は、プロセスのパラメーターの制御を可能にするための、上記の種々のイオンビーム・プロセスのモデルを提供する。このようなプロセスの制御は、実質的に、以前には達成できなかった精度でナノスケールの特徴部をイオンビーム侵食する能力を与える。所与の侵食プロセスに対して適切なパラメーター値で得られる、モデルの解析式の解を本発明に従って使用して、正確な予測可能な方法で、およびオープン・ループ様式で、すなわち上記図3Aのフィードバック系によって提供されるようなクローズ・ループ・イオン計数率フィードバック制御を必要とせずに、予め特定されたナノスケールの特徴部を製造することができる。以下に詳細に説明したとおり、本発明は、上述したイオンビームスパッタリングおよび物質輸送現象がイオンビーム侵食プロセスの間に競合するという認識を提供する。本発明の方法は、所望のナノスケールの特徴部または形状を生産することが可能な方法で、一方を他方以上に支配することができるように、これらの現象を制御する能力を提供する。
【０１２９】
本発明は、一般にイオンビーム侵食される物質の性質に依存したプロセスのパラメーター、例えば特異的な物質組成物、物質表面での構造体または特徴部の最初の形状、物質の欠陥、およびドーピング不純物、同様に侵食プロセスのまわりの局部的な環境、例えばガス状の周囲環境、物質の温度、入射イオン種、イオンフラックス、およびイオンエネルギー、ならびに入射イオンビームを特徴づけるその他のパラメーターに基づいた解析モデル式を提供する。従って、以下に記載されている方法において、プロセス・パラメーターは、所望のプロセス結果を達成するための特定のイオンビーム侵食適用に基づいて調整されることが本発明に従って認識される。
【０１３０】
明確にするために、以下の説明は、具体的に選択された直径、または領域のナノスケールのイオンビーム侵食に基づいたプロセスモデルに向けられる。しかし、以下に詳細に説明したとおり、本発明はこれらに限定されない。本発明によって提供される解析プロセスモデルの式は、広範囲にわたる形状、例えば切れ込みもしくは不規則に形づくられた穴、溝、またはその他の形状の形成を制御して、物質の全厚みを通って、または一部の厚みだけを通って延ばすように調整することができる。加えて、以前に記載されている方法において、ネガティブな特徴部よりむしろ、開口部などのポジティブな特徴部を物質の表面上、または物質内に形成することができる。リソグラフィーでマスクする特徴部などの特徴部、物質輸送を伴うイオンビーム・ドーピング・プロフィール、または埋込層プロフィールを、本発明によって提供される処理モデルに従ってさらに製造することができる。さらに、既存の特徴部の寸法を、本発明に従って制御、または変化することができる。基本的な形状の左右対称またはパターンでは、プロセス制御モデルが制限されることはない。形成され、制御され、および／または変化される、形状もしくは特徴部が何であれ、本発明の方法によってその形状がナノスケールで制御され、これは一般に適用できる。
【０１３１】
上で説明したように、イオンビーム侵食を制御する際に使用するための本発明によって使用されるモデルは、異なったプロセスが侵食の間に競合する可能性が高いという認識に基づいている。孔の開始直径を選択された減少径に減少させるためのナノ細孔のイオンビーム侵食を考えると、最初に、このような競合プロセスにより孔が開く傾向があり、孔端のイオンビームスパッタ浸食によってドライブされる可能性が高い。この侵食過程は、低温および高イオンビーム・フラックスで優性であることが分かる。この様式のスパッタリングによって支配される侵食プロセスを説明し、かつ制御するために、大部分の適用については、確立されたスパッタリング現象論を使用することができる。
【０１３２】
第2に、競合プロセスは、物質の運動、すなわち物質輸送を生じさせる傾向があり、開始孔直径を減少させるために必要な程度に作動させることができる。理論に拘束されないが、複数の見解によってこの現象を説明することができることが理解される。本発明に従って理解される第1の理論は、イオンビームによって物質表面上に堆積されたエネルギーおよび物質によって、非常に薄い、例えば厚さ約5nmの応力を受けた粘着性表層を生成することができるという見解を採用する。移植効果または表面張力による粘度の減少および／または応力の増強によってドライブされる総体的な運動の増強は、層に流れまたは弛緩を生じさせうり、それによって物質が表面全体に輸送される。
【０１３３】
この「粘性流」モデルは利点を有するが、本発明によれば、好ましいイオンビーム侵食制御モデルは、入射イオンが、イオンビームに曝露される物質の表面に存在する吸着原子、吸着二量体（ad-dimers）、吸着分子、分子クラスター、および表面空位などの過剰の、独立した、可動性の種を生じ、ならびに消滅させるというプロセス論を反映する。ほとんどの適用に対しては、説明を簡単にするためにここでは「吸着原子」と呼ばれる単一の可動性種を想定することが合理的であると理解される。表面吸着原子の濃度の変化C（r,t）は、本発明に従って、表面に沿った距離r、および時間tの関数としてモデル化され、以下の二次元の拡散式によって定められる。
2006523144.tif 000009
式中、Cは二次元の表面上の吸着原子の濃度であり、r=（x,y）は放射状表面の位置であり、tは時間であり、Fはイオンフラックスであり、Y1は入射イオン当たりに生成される吸着原子の数であり、Dは吸着原子表面拡散係数であり、τtrapは、熱的に活性化された吸着原子の消滅が表面欠陥で生じる前の吸着原子の平均寿命であり、およびσcは入射イオンによる吸着原子の消滅についての断面積である。
【０１３４】
図13は、この式によってモデル化された競合機構を略図で例示する。表面吸着原子（∂C/∂t）の濃度の変化は、第1に、入射イオン当たりに生成された吸着原子の数を示すY1と共にイオンフラックスFから生じる吸着原子の生成速度に依存する。第2のモデル化期間は物質輸送期間であり、表面に沿った、かつ構造体中での拡散による吸着原子の輸送をドライブし、従って吸着原子の表面拡散係数D、および吸着原子濃度勾配に依存する。この輸送期間は、上記され、また上で証明される方法で、孔周辺からの物質の質量輸送によってナノ細孔半径の減少をモデル化する。
【０１３５】
さらに図13に示したとおり、表面吸着原子の濃度変化は、表面欠陥、またはトラップで生じ得る吸着原子の消滅によって決定され；同様に、τtrapは、トラップが生じるときのこのような消滅前の吸着原子の平均寿命として定義した。最終期間は、吸着原子のイオンビームの消滅をモデル化し；ここでは、σcは、入射イオンビーム自体による吸着原子の消滅についての横断面を反映する。また、吸着原子の消滅は、孔が質量輸送現象によって満たされるように、孔端で生じることが理解され；この消滅機構は、上記の式（4）の境界条件として処理される。
【０１３６】
上記の式（4）の右側の最初と最後の項は、それぞれの入射イオンが、σcとして与えられる領域の表面部分を、その以前の状態とは独立したY1/σcとして与えられる吸着原子濃度にリセットするという本発明によって提供される理解を反映する。孔の端への長距離の物質拡散をモデル化するために、イオンフラックスに供される物質のナノ孔の初期直径の存在が、ナノ細孔半径Rに対して、ナノ孔の端での吸着原子の消滅点を加えることによって、および式の右側に第2の項を含むことによって表される。ナノ孔境界線で消滅する吸着原子は、境界線で新たに安定な物質に変えられる。
【０１３７】
パラメーターY1、D、τtrap、およびσcの大きさは、適切な物質での経験から所与のイオンビーム侵食適用について推定することができ、独立した実験によって決定することもできる。例えば、好ましくは定常状態および過渡的条件の両方を含み、かつ特徴部形成のそれぞれのパラメーター、例えば孔減少率、およびその他の特徴の影響の正確な判定を行うための以前に記載した本発明のフィードバック系を使用して、孔閉鎖実験のマトリックスを行うことができる。物質構造の1つまたは複数の「試験」イオンフラックスへの曝露は、種々の試験プロセス条件下で、それぞれの「試験」曝露で以前に上記したイオン計数フィードバック・ループによってモニターして行うことができる。このモニタリングにより、特徴部製造の試験プロセス条件への依存性を表示することが可能になる。次いで、モデルのパラメーターの大きさ、および対応する最適なプロセス条件を、蓄積された試験プロセス結果に基づいて決定し、選択することができる。本発明によれば、モデルのパラメーター値は、温度、イオンビームフラックス、およびイオンビームエネルギーだけを調整することによって操作することができるだけでなく、周囲のガス種および圧力を調整することによって、イオン種、物質の性質、例えば物質表面の微量不純物の濃度、物質の欠陥、および不純物ドーピングによっても操作することができることが認識される。従って、パラメーターは、試験プロセスの結果に基づいて選択することができるように、また必要に応じて、所与の適用のためのイオンビーム侵食プロセスの正確な制御ができるように、完全に調節可能であるものとして本明細書では扱われる。
【０１３８】
上記の式（4）の右側のトラッピング消滅項と比較することにより、上記の式（4）の右側のイオン衝突消滅項は、τion=1/（Fσc）として、イオン衝突で誘導される消滅の前の平均吸着原子の寿命に対応する。従って、両方の消滅機構の存在下における吸着原子の有効な表面寿命τは、以下の通り与えることができる。
2006523144.tif 000010
ある条件下では、上記の式（4）の右側の2つの消滅項のうちの一方が、他方と比較してわずかであると考えられるが、これが必ずしも常時でなくてもよく、本発明の解析に必要とされないことが理解される。
【０１３９】
解析の数学的解の容易さのためこの偏微分方程式が非線形ではなくむしろ線形であるようにするために、さらなる消滅機構、すなわち吸着原子の接着および吸着原子島への沈澱による吸着原子の消滅は、単純化のために式（4）には表されていない。しかし、この消滅チャネルを無視することができない適用では、式（4）の右側にCn/τisland（式中、nは、重要なサイズ、すなわち縮むよりも成長する可能性がより高い十分大きなサイズの重要な島の吸着原子数であり、τislandは、吸着原子島形成のための特徴部時定数である）に比例するもう一つの項を付加することによって、より正確にモデル化されることが理解される。吸着原子の熱発生、周囲の真空への吸着原子の熱脱離、および周囲の蒸気からの吸着原子の堆積も、明確にするために無視されていたさらなる機構であるが、所与の適用に必要な場合には、上記の機構の方法に容易に組み入れられることができる。
【０１４０】
上記の式（4）は、特徴部、例えばナノ孔から非常に遠くでは、物質表面の安定したイオンビーム照射により表面上に、および表面近くに、空間的に均一な安定した状態の吸着原子の濃度Css=FY1τを生じるという本発明によって提供される理解を表す。孔の境界またはナノ孔の端は、吸着原子のための「完全なシンク（perfect sink）」であると理解され、そこで孔の減少を説明する物質を蓄積する薄層に変換される。ナノ孔の端が吸着原子のためのシンクとして理解される場合、ナノ孔の端が接近するにつれて吸着原子の過飽和が低下する。上記の式（4）は、n（r,t）≡（Css-C（r,t））/Cssとして与えられるCssとC（r,t）との間の標準化された相違n（r,t）は、以下の拡散方程式に従うことを意味する。
2006523144.tif 000011
【０１４１】
孔の境界は、吸着原子のための「完全なシンク」であるという仮定は、吸着原子濃度Cが孔の境界で消えることを意味し、半径Rである図13として示してある。これは、孔における吸着原子の、従って孔直径の減少の、正味の蓄積を説明する最も単純な境界条件である。しかし、本発明によれば、そのイオンビームとの相互作用のために、孔の境界は、表面の空位の正味の供与源となり、一方で吸着原子よりむしろ空位が表面輸送が優位になる場合は、この孔減少の効果を生じうることが認識される。従って、本発明は、吸着原子「完全なシンク」境界条件に限定されない。本発明によって想定される代替の境界の扱いは、表面と相互作用する電荷キャリアの半導体モデリングに使用される表面再結合速度と類似の方法で、表面調節速度を使用して孔境界での吸着原子のための部分的なシンクを記載する。これらの孔の境界条件は、その他の特徴部の位置の特徴付けに直接一般化することができる。
【０１４２】
従って、本発明の制御方法に使用される拡散モデルは、事実上は現象学的であり、いくつかの理想化および仮定に依拠しており、イオンビーム曝露下での物質の多くの顕微鏡的性質の側面における不確定度を代償することが見いだされる。それにもかかわらず、所与の適用のために、拡散係数D、イオン誘導された吸着原子集団Y1、イオン衝突による吸着原子消滅の領域σ、およびトラップ消滅より前の吸着原子寿命τtrapのような物質特異的なパラメーターを決定することができるモデルと連動して、異なる温度、ガス環境、および物質条件でパルスおよび連続的イオンビーム曝露の研究を所与の適用のために使用することができることを本発明者は理解している。このような解析により、有用なナノスケール装置の生産において物質の予め特定されかつ正確なイオンビーム侵食が可能になる。
【０１４３】
加えて、イオンビーム侵食の従業者は、定量的および定性的な方法の両方で本発明によって提供されるモデルを使用することができる。すなわち、解析モデルの式に対する定性的ならびに定量的な性質の解を知っていること、およびこれらが実験制御に供されるモデルの種々のパラメーターに依存していることにより、パラメーターは、多種の構造体について所望の寸法の構造体の制御が達成されるように調整することができる。例えば、本モデルは、物質温度を増大することによって、または入射イオンの入射フラックスを減少させることによって、孔減少の割合を増大する能力の定性的な依存性、およびイオン侵食での全てにおいて孔直径を減少させる可能性さえも証明する。また、本モデルは、所与の適用のために必要とされる温度増加またはフラックス減少の正確な定量的依存性を提供する。これらの例では、従業者は、これらの作用の双方がスパッタリングでの吸着原子の表面拡散の有効性を増大する点に注意することにより、表面拡散定数の温度増強および吸着原子スパッタリングの減少のそれぞれによって、このような作用に導かれる。
【０１４４】
その他の定性的および定量的モデルの使用は、モデルの解析予測と補助経験的観察との間の相互関係を含む。例えば、その領域がイオンビーム侵食プロセス下で迅速に所望の領域に減少されるナノ孔は、侵食プロセスが有効となり得る前に最小限の初期直径を必要とするであろうという観察を、モデルを解してプロセス条件に相関させることができる。その解の進化の任意の所与の段階のモデルにも孔直径を制御するプロセスの詳細を含んでいなくてもよいが、これをプロセス制御パラメーターに相関させ、これにより例えば、プロセス機構を制御するために使用することができる。
【０１４５】
さらなる例では、図7A〜7Bの電子顕微鏡写真に示した孔に関して上記した方法で、開始孔の直径から選択された最終直径までの、ナノスケールの孔の直径の減少を検討する。図9A〜9Bのように、イオンビーム線量の関数としての孔領域のプロットは、所与のイオンビーム線量について、入射イオンビームフラックスが減少されるにつれて物質の質量輸送が増大し、これにより急速に孔の直径が減少されることを証明する。前述したように、この結果の強い非線形性は、高いイオンビームフラックスでは、本発明のモデルによって捕獲される質量輸送機構が抑制されるであろうことを示す。本発明のモデルに基づく解析および試験により、所与の物質およびイオンビームの特徴に対するこのフラックス依存性の相互関係が有効になる。
【０１４６】
図14Aは、同様の孔減少データのプロットを提供し、ここでは、いくつかのイオンビームフラックスについての、ならびに連続的およびパルスされたイオンビーム曝露についての、総イオンビーム線量の関数としてナノ孔領域がある。ドットのプロット位置は、実験的に測定された結果に対応しており、以下に詳細に述べるように、実線は、上記の式(4）の解析によって生じた結果に対応する。このデータの傾斜は、連続的イオンビーム曝露について、イオンビームフラックスF=0.53、1.17、および4.7Ar/秒/nm2の場合に、入射イオン当たりの孔の閉鎖効率が高フラックスよりも低フラックスで明らかに大きいことを証明する。また、このプロットされたデータは、パルスされたイオンビーム曝露（ここでは、100ms／1s）では、同じ瞬間的なフラックスでの連続的なイオンビームよりも有効な質量輸送がもたらされ、対応して孔領域の減少の割合の増大がもたらされることを証明する。プロットしたパルスされたイオンビーム暴露のデータに対して、本発明によって提供される特定の制御方法は、以下に記載してある。
【０１４７】
従って、前述したように、本発明によれば、イオンビーム侵食プロセスのパラメーターは、本発明によって提供される工程モデルに基づいて、所与の適用のために、侵食プロセスによって製造されるナノスケール形状を規定できるように調整することができる。前述したように、パラメーターは、一般に、イオン侵食される物質の組成、侵食プロセスの間の構造体周辺の環境、温度に、ならびに入射イオン種、エネルギー、およびその他の入射イオンビームを特徴づけるパラメーターに依存する。入射イオンビームは、原子、すなわち中性イオン、制御された電荷状態のイオン、分子もしくは入射原子のクラスター、または実際の何らかの制御されたエネルギー源として供給することができる。種々のエネルギー源に対して、異なるモデルのパラメーターが必要とされることが認識される。加えて、本発明は、複数のエネルギー源の使用、ならびに開始時および侵食プロセスの間の物質表面の荷電状態の調整を想定する。
【０１４８】
本発明によれば、イオン侵食される構造体の表面およびイオン誘導された表面上の吸着原子は、環境の影響に高い感受性を有する可能性があることが認識される。環境とは、ガス様の酸素、水素、六フッ化硫黄、またはその他の選択されたガスのバックグランド環境を意味する。その結果、これらのガスと表面原子および／もしくは吸着原子との相互作用、吸着原子の輸送、ならびに／または表面原子および吸着原子の除去を、このようなガスがない場合に行われるプロセスと比較して著しく修飾することができる。従って、本発明によって提供されるモデルにおいて捕えられるイオン侵食機構の割合および徴候は、周囲のガス種によって劇的に修飾されると考えられ、これらの修飾は、イオンビーム侵食プロセスの正確な制御のために非常に有用となり得る。
【０１４９】
また、周囲のガスの状態および化学反応性、ならびに表面の励起状態もしくは作用される表面の変化状態は、入射イオンビームによる影響を与え、または触媒することができる。これにより、吸着原子を除去もしくは付加し、および／または表面の欠陥トラップを作製もしくは除去し、これによりイオン侵食プロセスの質量輸送および消滅機構に影響を与えることができる。プロセスが行われる周囲環境に対するイオン侵食プロセスの感受性を制御するために、電子ビーム、レーザー光線、原子線、準安定性の励起原子線、イオンビームの混合物、またはその他のエネルギー源などの入射イオンビーム以外の手段を用いることができる。これらの種々の影響の調整および制御は、有用なナノスケール装置での、予め特定され、かつ正確なイオンビーム侵食された物質の形状を生産する際の柔軟性および再現性に有効なことが本発明に従って認識される。
【０１５０】
上述のように、イオンビームの荷電状態は、所望のイオン侵食プロセスの結果を達成するための、特定のイオンビーム侵食適用に基づいて調整することができる。陽イオン、中性イオン、または陰イオンを本発明に従って使用して、侵食プロセスの間に、表面に沿って生成および輸送される吸着原子間の所望の表面力を生じさせることができる。
【０１５１】
本発明によって提供される解析モデルのより定量的な解に向け、および上記の式(4）へ戻って、イオン侵食プロセスは、吸着原子消滅機構と関連して吸着原子の生成および輸送機構の優位を制御することによって特異的に制御することができることが明らかである。特に、D∇2Cの項によって表される吸着原子の質量輸送機構とともにFY1の項によって表される吸着原子作成機構は、FCσcの項によって表される吸着原子イオン衝突消滅機構と共にC/τtrapの項によって表される吸着原子トラッピング消滅機構が優位となるように、あるいは、優位とされるように制御することができる。従って、この制御により、所望の特徴部の形状を達成するために、イオン侵食プロセスを「開始」および「中止」することができる。
【０１５２】
特に、本発明によれば、イオンフラックスFおよび吸着原子拡散係数Dに影響を及ぼすプロセス・パラメーターを、表面欠陥およびイオン衝突特徴部に影響するプロセス・パラメーターと比較して選択し、吸着原子の濃度および輸送を制御する。例えば、物質温度、物質表面条件、およびその他の物質依存的な特徴は、吸着原子拡散係数Dを増大するように選択し、これによりイオン侵食される特徴部への質量輸送を増強し、イオン侵食された特徴部が生じる割合を最大にすることができる。表面欠陥およびその他の物質トラッピング機構を最小限にして、トラップによる吸着原子の消滅を最小にし、これによりさらにイオン侵食プロセスの質量輸送機構を増強することができる。
【０１５３】
イオンビームフラックスFの影響を考慮すると、図14Aのプロットに関して前述したように、イオンビームフラックスが増大するにつれて、イオン衝突による吸着原子の消滅も増大し、製造される特徴部に対する吸着原子の濃度および輸送の減少も生じる。しかしながら、同時に、イオンビームフラックスが増大するにつれて、生成される吸着原子の数もまた増大する。従って、好ましくは吸着原子の生成および吸着原子の消滅に影響を及ぼすようにイオンビームフラックスを制御し、これによりイオン侵食プロセスに対する吸着原子の有効性を決定する。入射イオン種およびエネルギーの制御、ならびにガス状のプロセス環境の制御は、吸着原子の生成および消滅の制御と同様に、要素Y1およびσcの制御を可能にする。
【０１５４】
式（4）のモデルによって与えられる空間吸着原子濃度プロフィールに関する特定の解は、式（4）の左側がゼロにセットされる準定常の近似値以下で達成することができる。このシナリオは、処理される物質の吸着原子濃度プロフィールを迅速に調整して、特徴部形状を変化させる、例えば細孔半径RおよびイオンフラックスFを変更する適用のために位置調整される。この仮定では、モデルは、孔端から遠くに空間的に均一の定常状態の吸着原子過飽和濃度を生じ、特徴部質量輸送距離Xmを超えてナノ孔端でゼロに減衰させる。
【０１５５】
吸着原子は、イオンビーム照射に曝露される物質の表面上の至る所で除去され、イオンビームによって生成されるので、特徴部、例えば孔端の質量輸送距離Xmの範囲内で生成される吸着原子は、入射イオンによって消滅するよりも、拡散して、孔端で物質に付加する可能性が高く；その逆も、さらに遠くで生成される吸着原子にとって真実である。従って、質量輸送距離Xmは、フラックスの増加と共に減少する。
【０１５６】
低温で得られた関連データから、Yp（孔端からのスパッタ浸食のための有効な横断面）を得て（ここでは、拡散は有意ではないと思われる）、次数が均一であるように、Y1（入射イオン当たりに生成される吸着原子の数）をとり、次いで窒化ケイ素試料のための約10nmの物質厚さについて式(4）のモデルにより、約28℃の温度（孔の減少を生じさせることが実験的に検証された温度)で与えられるそれぞれのアルゴン・フラックスについての図14Aのプロットの固体曲線を生じさせる。
【０１５７】
このデータから、合理的な評価として約0.1nm2のσcでの線形フィットを使用して、約103nm2s-1の拡散係数値Dを引く。従って、この実験データから、モデルでは吸着原子が特徴部位置で、例えば減少する孔の端で、物質に拡散し付加する可能性が高い場所からの最大距離Xmは、吸着原子拡散係数、トラップ寿命、イオンビームフラックス、および吸着原子消滅のための横断面に対して直線的に比例することを予測することが、
2006523144.tif 000012
として見いだされ、ならびに図14Bのプロットしたデータによって証明されるように、直線的な関係が実際に観察される。図14Aは、考慮されるそれぞれのイオンフラックスについての、対応する質量輸送距離Xmの表示を提供する。従って、質量輸送距離Xmは、吸着原子がトラップまたはイオンビームフラックス浸食によって消滅するよりも、孔に達する可能性が高い、孔端からの距離内に特徴部を表すことがわかる。孔端などの、形成される特徴部からの距離Xmを越えた吸着原子は、これらが孔端に達する前に消滅する可能性が高い。
【０１５８】
特定のパラメーター効果を考えると、イオンビームフラックスが増大するにつれて、生成される吸着原子の数が増大するが、吸着原子が孔端に拡散して付加することができる距離は、減少する。吸着原子の平均寿命は、表面欠陥の減少によって増大するので、最大吸着原子拡散距離も増大する。温度が上昇するにつれて、拡散係数、および対応して最大吸着原子拡散距離も増大される。本発明によって提供されるこれらの関係を解析によって理解することにより、本モデルが、ナノ孔などの開始特徴部周辺、または特徴部が製造される位置の周辺に提供されるべき物質の最小限の距離Xmを定めることができ、特徴部を完全に形成するため、例えばナノ孔の半径を所与の加工条件下で所望の最終的な半径Rに減少させるために十分な物質を提供し、所与の適用のために利用できる最大拡散距離Xmに適応するようプロセシング条件を調整することができる。
【０１５９】
処理される表面の任意の位置rの吸着原子フラックスまたは電流jは、
j（r）=-D∂C/∂r、(8）
によって与えられ、rは放射状配位で、r=Rでのナノ孔の端で評価した濃度勾配は、ナノ孔物質の端に対する吸着原子フラックスj(R）の示度を提供する。加えて、ナノ孔の端の物質を削ると、孔領域を増大する傾向があることは、孔端からのスパッタ浸食の特徴部断面積によって説明される。
【０１６０】
ナノ孔に到達したそれぞれの吸着原子がボリュームΩによって孔を満たすことにより、孔の範囲を減少させる場合、ナノ孔の減少速度は、以下として与えられるボリューム・バランスによって予測される。
2006523144.tif 000013
式中、Ypは、孔端からのスパッタ浸食の有効な断面積であり、Hはナノ孔が減少するか、または満たされると形成されるフィルムの厚さであり、Ωは原子容である。上記の式(8）にナノ孔の端における吸着原子電流j(R）を代入すると以下を生じる。
2006523144.tif 000014
式中、K0およびK1は、第二種の修飾されたベッセル関数である。
【０１６１】
この式により、イオンビーム環境の所与のプロセスパラメーターセットの特徴に関して、イオンビーム侵食を制御して、所望の半径Rのナノ孔を作製することができる。例えば、このモデルから、細孔半径の減少が温度の増加と共に増強されることが見いだされる。これは、上記方法の熱によって活性化された吸着原子拡散係数によって説明することができる。
【０１６２】
この理解に基づいて、上記の式(4）の右側の最初の2つの項が式(4）の右側の第2の二つの項を支配するように、吸着原子の生成および質量輸送に影響するプロセス・パラメーターが選択される場合、イオン放射される物質の選択された特徴部を形成するためのイオン侵食が進行する。他方で、トラップによる吸着原子の消滅およびイオン衝突による吸着原子の消滅に影響を及ぼすプロセス・パラメーターが、式(4）の右側の第2の二つの項が支配するように選択される場合、1つの表面位置から別の位置への物質の質量輸送ではなく、むしろ物質のスパッタリングおよび除去が生じるように制御される。
【０１６３】
従って、本発明の制御方式によれば、この方法論によって、式(10）を使用してRmax（任意の特定のプロセシング条件のセットの全てにおいて減少することができる最も大きな開始細孔半径）を特定することができる。この最大開始半径Rmaxは、温度の上昇、およびイオンビームの減少と共にフラックスを増大する。十分に高い温度および十分に低いイオンビーム・フラックスでは、Rmaxは、開孔を閉じることができる条件を決定するシナリオにおいて無限になる。従って、最大半径Rmaxは、以下によって与えられる。
2006523144.tif 000015
【０１６４】
Xm、Y1、およびYpは、定数として提供され、
2006523144.tif 000016
の比は、R=Rmax以上であるように細孔半径Rの増加と共に小さくなり、細孔半径を減少させることができない。これにより、この式の解析は、プロセシング条件を調整して所望のRmaxを作製すること、または所与の適用によって固定される最大半径Rmaxに適応させることを可能にする。
【０１６５】
ナノ細孔半径が減少されるにつれて、および孔が減少率d（πR2）/dt（式中Rは、ナノ孔の半径である）に依存して埋められるにつれて、膜またはフィルムの厚さHの増加を生じることが経験的に観察されている。より高い孔の減少率では、より低い孔の減少率よりも薄いフィルムを生じることとなる。加えて、より高いイオンビームエネルギーでは、より低いイオンビームエネルギーよりも厚いフィルムを生じることとなる。上記で与えられた式に基づいて、本発明により、イオンビーム侵食プロセス条件、特にイオンビームエネルギーを選択することによって、選択されたフィルムの厚さを規定して、所望の孔の減少率およびフィルムの厚さを生じることができる。
【０１６６】
上記に説明したとおり、本発明によれば、任意で成形された開口部の周辺部の異なる領域も上記の式4〜7に従って開閉されるであろうことが一般に理解される。加えて、上記の式7〜11を明らかな方法で一般化して、ここで挙げられる実施例で想定される円筒対称性を除くことができ、任意で形づくられた特徴部のモデリングおよびプロセスのコントロールが可能になる。従って、上記したように、本発明は特定の特徴部の形状に限定されない。
【０１６７】
吸着原子拡散モデルの時間依存的な解を本発明に従って使用して、選択された負荷サイクルを有するパルスされたイオンビームを使用するイオン侵食プロセスを記載することができる。入射イオンビームがオフになる場合の条件をモデル化するために、初濃度プロフィールに関して定常状態の条件が想定される。すなわち、イオンビームフラックスは、F=0にセットされ、上記のナノ孔の例に関しては、表面上の吸着原子の初期濃度は以下の通りに与えられる。
2006523144.tif 000017
式中、Cssは、孔端から遠い定常状態の吸着原子濃度である。次いで、上記の式(3）にこの初濃度が代入されたものを提供する。
2006523144.tif 000018
吸着原子濃度Cについて推定される境界条件は、以下の通りであり、
2006523144.tif 000019
式中、bは孔端から遠く離れた、すなわち、N>>1の外周条件である。実用的な算出では、Nは約5で典型的には十分に大きいが、いくつかの適用に対しては、精度を増大させるためにより大きな値Nを必要とし得ることが認識される。
【０１６８】
上記の式(12）に対する解は、以下の通り、ビームがオフになった後の処理される物質の表面上の吸着原子濃度の時間依存的な解を提供する。
2006523144.tif 000020
式中、
2006523144.tif 000021
であり、αnの根を提供するため、以下を条件とする。
U0（αr）=J0（αr）Y0（αb）J0（αb）Y0（αr）、および
U0（αnR）=J0（αnR）Y0（αnb）-J0（αnb）Y0（αnR）=0、
J0およびY0は、第1種ベッセル関数である。
【０１６９】
イオンビームがオフの場合、または物質がビームによる照射を受けていない場合の、孔の領域が減少する割合は、以下のように与えられる。
2006523144.tif 000022
【０１７０】
処理される物質がイオンビームによって照射されていない場合、すなわちビームが消されたか、または物質がビームから保護された直後には、可動性の吸着原子が物質の表面上に残っているが、入射ビームフラックスと関係する吸着原子消滅機構は、もはや存在しない。従って、一旦物質がイオンビームに曝露されなくなると、物質表面上に残っているこれらの吸着原子は、著しくXmが増大されたことにより孔の周辺まで拡散することができる。この条件では、孔半径の減少に関して、イオン当たりの効率を有意に増大することが発見される。実際に、図14Aのプロットに示したように、パルスされたイオンビーム照射プロセスは、ここで孔の半径を減少させることで、連続的な暴露条件よりも効率的に特徴部を形成することが実験的に見いだされる。
【０１７１】
本発明によれば、式（16）は、パルスされたイオンビーム侵食プロセスが使用される場合に、特徴部の形成または変化、例えばナノ孔の直径減少の割合を予測し、次いで制御するために、上記の式（10）と組み合わせて使用されうる。特に、パルスされたイオンビームの時間構造、すなわちパルス数および負荷サイクルは、本発明に従って、構造体の寸法の変化の徴候および割合の制御を達成するように調整することができる。
【０１７２】
本発明によれば、ビームが遮断される場合の条件と同様に、ビームが最初にオンに戻されるか、または再び構造体がビームに曝露される場合に、一過性の解もまた存在する。この一過性の解は、いくつかの条件下では重要であろうが、大部分の適用については、一過性の「ビーム・オン」が、一過性の「ビーム・オフ」よりも短く、従って、無視することができると理解される。所与の適用について、このような場合以外であれば、上で与えられる「ビーム・オフ」一過性解析は、好ましくは「ビーム・オン」解析にも拡張される。次いで、イオンビーム照射の負荷サイクルは、特に結果を侵食する所望のイオンを達成するように選択することができる。
【０１７３】
本発明のプロセス制御方法の有効性を証明するために、DNAの単分子電子検出器として使用するために、Si3N4膜にナノ孔を侵食した。タンパク質のナノ孔またはチャネルは、水溶液中の脂質二重層に挿入され、ここで、これらは、単分子を同定して特徴付けるための電子センサーとして働く。しかし、脂質二重層中のタンパク質は、不安定であり、これらが提供するチャネル直径は、容易に調整することができない。本発明に従って提供される丈夫な固体のナノ孔は、任意の所望の直径に形作られて、新たなデータを得ること、および限られた間隔の輸送を理解することを可能にし、先例のない速度でDNAおよびその他の生体高分子の分子を特徴付けるための強力な単分子検出装置を製造することができる。
【０１７４】
5nmの直径の孔の窒化ケイ素膜を、上記のプロセス・パラメーターおよびプロセス制御に従って作製した。次いで、電気生理学技術を用いて、孔を二本鎖DNAで試験した。ナノ孔を通る負に荷電したDNA分子を引き出す電圧バイアスを印加した後に、一本鎖DNAが脂質二重層中のα溶血素によって形成されるチャネルを通って転位置される場合に観察されるイオン電流の遮断と類似の様式で、図15に示すように、イオン電流の減衰が観察された。このような電流の減少が、DNAが添加される前の1時間のモニタリングの間には観察されなかったこと、および電圧バイアスが逆転した場合に電流の減少が生じなくなったことから、電流の減少は、ナノ孔と個々のDNA分子の相互作用に起因している。これらの電流の減少期間は、ほぼミリ秒であること、および一貫して開孔電流値の約88%の電流値に低下することが見いだされた。この最後の値は、断面積が3〜4nm2である棒状分子の転位置に相応する。
【０１７５】
上記の全ての実験観察、モデルの考慮、および制御方法、ならびに実験電子装置の結果は、本発明のイオンビーム侵食制御方式がナノスケール製造に対する優れたアプローチであることを示す。特に、本発明により、イオンビーム侵食プロセスの間に競合する、スパッタリングおよび質量輸送プロセスの制御を可能にする。上記のフィードバック制御技術については、再現性は、全ての条件および開始寸法の正確な一致には依存していない。しかしながら、このように達成することができるならば、本発明の制御モデルにより、イオンの割合を計数またはその他のフィードバック制御に依存することなくオープン・ループ処理が可能になる。従って、本発明は、イオン計数フィードバック・ループに適用することができる特徴部または形状に限定されない。
【０１７６】
本発明のイオンビーム侵食制御方式は、特に多種多様なナノスケール半導体素子、マスク、および機械的特徴部を作製するために有用であり、前述のように孔または貫通孔の形成に限定されない。切れ込み、溝、クロス、ドピング・プロフィル、レジスト・パタニング、埋込層プロフィール、ならびにその他の形状および特徴部を製造し、寸法を制御し、または変化することができる。同様に、Si、SiO2、Si3N4、Al、およびその他広範囲にわたるマイクロエレクトロニクス材料を含む広範囲にわたる物質を使用することができる。さらにまた、次世代のイオン源アレイおよびマスク技術は、多チャネルのイオン検出器と組み合わせて、本発明のナノスケール・イオンビーム侵食制御方式の高度な並行適用を可能にすることが認識される。
【０１７７】
上記の通り、イオンビーム侵食を使用する構造体の特徴部の寸法を制御するプロセスは、複数の物質を含む固体構造体に拡張することができる。1つの有利な態様に従って、例えば、直径10ナノメートル未満程度小さく、両方の物質によって境界をつけた、ナノ孔の端で、特徴部を製造するために、イオンビーム侵食は、互いに関して両方ともが表面上に曝露されるか、または層にされた第1および第2の物質の特徴部の寸法を制御するために用いることができる。例えば、第1の物質が電気的絶縁物質であり、第2の物質が導電性物質である場合、物質の寸法を制御して、絶縁材の中に導電物質からナノ孔の反対側に電極を形成すること、すなわち絶縁材およびナノ孔によって横に絶縁させることができる。生じる固体ナノ多孔構造体は、この配置の電気的性質により、多数の有用な適用を有する。このような適用は、分子のプロービングおよび検出、ナノスケールの特徴付け、近接場光学顕微鏡検査、固体表面の異常ラマン分光法、電子トンネル効果、およびイオン性のプロービングを含むが、これらに限定されない。
【０１７８】
本発明に従ったこのような多物質固体のナノ孔装置を制作するための方法の例示の態様において、例えば図16Aに示されるように、開始構造体201が提供される。開始構造体は、第1の物質から構成され、基体、膜、またはその他の適切な固体の構造体として供給することができる。第1の物質は、選択した任意の固体物質であり得るが、第2の物質が導電性である多くの適用については、第1の物質は、例えば窒化ケイ素、二酸化ケイ素、重合体、無機の結晶質の物質、プラスチック、またはその他の適切な物質を含む電気的絶縁物質として特徴付けられることが好ましいであろう。
【０１７９】
構造体201は、厚さが均一または不均一性であり得、種々の特徴部、例えば構造体201に形成されるキャビティ206を含むことができる。図16Aは、構造体の1つの表面202に形成されたキャビティ206の例を図示する。キャビティ206は、対向する表面209に向けて構造体201の全ての厚さにわたっているのではなく、むしろ構造体の厚みの一部分に対して構造体201の大半に伸びる。その結果、キャビティ207のアーチの最も深いレベル、すなわち最も高い位置が構造体の厚みの中間あたりに位置する。キャビティ206の形状は、後の処理段階で横方向および緯度方向の寸法が制御された特徴部の制御された形成を可能にするように、以前に記載される方法で選択することができる。しかしながら、キャビティ206が必要とされないこと、ならびにその他の構造体の配置および特徴部を所与の適用のために適切に使用することができることが認識される。
【０１８０】
1つの任意の配置において、図16Bに示すように、溝特徴部211は、例えば従来の技術を用いて、図16Aの構造体201の1つの表面209上にリソグラフィックでパターン化することができる。溝211は、例えば約100nm〜1μmの幅で変更することができ、溝の深さは、選択した構造体の厚みの一部に対して、例えば40nm〜100nmの間で、構造体201の大半に伸ばすことができる。溝211の深さは、溝が反対の表面202にエッチングされるキャビティ206の上部に達しないように（このようなものが含まれる場合は）選択される。また、溝211の幅、深さ、および長さは、その後の処理段階で溝に配置される第2の物質の制御および操作が可能なように選択することができる。
【０１８１】
図16Cは、構造体上に沈着または蒸発させて、次いで、例えば従来のリフトオフ（lift-off）プロセスによって、溝211内および／または上に沈着された第2の物質部分だけがその場所に残ったままで、物質のストライプを形成するように、パターン化された第2の物質で構成されるストライプ層215または「ワイヤー」が生じた後の多物質および多層構造体の例を示す。第2の物質の組成は、第1の物質の組成とは異なり、好ましくは、例えば、限定されないが金属などの導電性物質として多くの適用を提供することができる。特に、アルミニウムおよび金などの金属は、良好な導体であって容易に酸化しないので、第2の物質としての使用に有利であろう。しかしながら、その他の伝導金属、および半導体または複合物も、第2の物質のために使用することができる。
【０１８２】
さらに任意の配置を考えると、導電性ストライプ215を構造体の溝211に付加して、パターン化した後、スルーホール、長手方向切れ込み208、またはその他の開口部をストライプ215の位置で形成して、構造体の位置までの深さに、または例えば図に示したようにキャビティ206に対して構造体物全体を通して伸ばすことができる。このシナリオでは、図16Dに示すように、開口部、例えば切れ込み208を構造体の全ての縦の幅231全体に伸ばして、2つの別々の部分201aおよび201bに構造体を切断し、内部表面220aおよび220bを曝露することができる。しかしながら、この完全な分割は必要ではなく、実際には、多くの適用について、例えば以下に論議した図17Aおよび17Bに示すように、構造体の完全に縦幅を伸ばさないで、開口部またはスルーホールなどのもう一つの形状をその代わりに使用することが好ましいであろう。切れ込みなどの最初の開口部の横方向の幅は、第1および第2の物質の組成に基づいて選択することができ、その後の処理工程で特徴部の位置に移動されるであろう任意の物質を制御し、および操作することもできるが、典型的には約40nm〜100nmの間で変更することができる。この幅の切れ込みまたはスルーホールは、従来法で電子ビームまたはイオンビームリソグラフィーによって形成することができる。
【０１８３】
この構造体の配置では、2つの物質の一方または両方、すなわち構造体201の物質および構造体に形成された第2の物質215を上記の方法でイオンビームに曝露し、物質の一方または両方にイオン侵食を生じさせることができる。特に、イオンビーム侵食を使用して、切れ込み208のエッジもしくは構造体にその他のエッジ特徴部に関連した特徴部を調整し、または製造することができる。このシナリオを考えると、本発明は、使用することができる広範囲にわたるさらなる構造体の配置を想定する。例えば、図16Eに関して、さらに異なる物質の表層240を含むことができる構造体201を提供することができる。構造体および表層は、上記の「第1の」物質と考えることができる。第2の物質215は、表層上に形成することができ；本明細書では、上記の実施例に記載されている溝211は、必要とされず、その代わりに、第2の物質は、表面の頂上に位置することができる。多くの適用については、第2の物質215が導電性であり、構造体または表層が含まれる場合には、電気絶縁であることが好ましいであろう。
【０１８４】
図16Eに示したように、第2の物質215は、例えばストライプまたはラインとして選択された形状で提供することができる。開口部242は、第2の物質215、表層240、および構造体201を通って作製される。ここでは矩形として開口部を図示してあるが、上記の通り、スルーホールは、任意の適切な形状をとることもできる。
【０１８５】
さらなる例示配置では、図16Fに示すように、再び選択的に表層240を含む構造体201が提供される。第2の物質215は、構造体または表層240の上に、再び、例えばストライプまたはラインのパターンで提供される。溝244は、第2の物質および表層を通って、構造体201の選択された深さまで延長される。溝の深さは、所与の適用の要求および種々の物質の性質に基づいて選択することができる；多くの適用のためには、例えば約100μmの溝深さで十分である。
【０１８６】
図16Gに関して、なおさらなる配置において、表層240がつるされた膜246を形成するように、例えばその範囲全体が自立するように設定された構造体201が提供する。再び、膜の上の第2の物質215は、例えばストライプまたはラインのパターンで形成される。開口部248は、第2の物質215および膜物質240を通って形成される。前述の態様のように、開口部は、任意の適切な配置にも、例えば環状または矩形として提供することができる。複数の開口部を所与の適用のために、必要に応じて、膜またはその他の構造体に含めることができる。さらに、第2の物質は、図16Cの方法で構造体または表層物質に形成された溝に提供され得、このような配置は、所与の適用のために適した配置であるべきである。加えて、第2の物質は、構造体または膜の両側に、任意の選択された形状でも提供することもできる。例えば、第2の物質215は、図16Eの構造体の開口部または図16Gの膜の開口部の端と共に整列させて、構造体の上部および底面に提供することができる。
【０１８７】
これらの実施例の構造体の配置では、正確に第1の物質および構造体ならびに／または第2の物質215の範囲を調整するために、本発明に従ってイオンビーム侵食を使用することができる。第2の物質215が電気導体として提供される場合、このプロセスは、正確に開口部または溝の反対側の、異なった電極として作動する2つの分離した脚を有する伝導性のストライプの2本の分離した脚部間の距離を調整するために都合よく利用することができる。言い換えると、イオンビーム侵食プロセスは、ナノメートルスケールであっても、2本の電極間のギャップを正確に調整し、これによりナノ電極を製造するために使用することができる。ちょうど2本の電極脚を分離するために記載されている態様に含まれる開口部または溝は、電極間ギャップを制御するため、および構造体の透過型電子顕微鏡（TEM）を使用可能にするために特に有用である。しかしながらこの様なことは必要とされず；第2の物質215を構造体表面または表層の頂上に沈着およびパターン化し、平らでかつ完全な表面上に2つの分離した電極脚を形成することができる。所与の適用に対して、2本の分離した電極脚が必要とされない場合、図示した2本の電極脚ではなく、むしろ単一の電極脚が含まれ得、次いで正確に単一電極の形状を制御するために、イオンビーム侵食によって使用してもよい。以下の説明は、2つのナノ電極間のギャップの制御のための具体例に焦点を当てているが、単一電極の特徴部の制御もこのプロセスによって行うことができることが認識される。
【０１８８】
ちょうど記載されている種々の代替配置では、構造体201、構造体表層240、および第2の物質は、広範囲にわたる物質から選択することができる。ナノ電極の形成およびナノ電極ギャップの制御の実施例については、構造体は、半導電性基体、例えばシリコン基板として、または絶縁基体、例えば窒化物、サファイア、重合体、酸化物、ガラス、もしくはその他の選択した物質もしくはシリコン-オン-絶縁物基体などの物質の複合物として提供することができる。第2の物質215が導電性電極物質として提供される場合、および表層240が含まれる場合、基体は、好ましくは電気絶縁である。表層240が含まれる場合、構造体201は、伝導体または半導体であることができ、もしそうでなければ絶縁体である。伝導性の第2の物質215を考えると、表層が含まれる場合には、好ましくは絶縁であり；例えば、窒化ケイ素、二酸化ケイ素、重合体、またはその他の選択された物質もしくは物質の複合物として提供される。電極物質は、金、アルミニウム、またはその他の適切な物質または伝導物質の複合物として提供することができる。
【０１８９】
これらの物質の選択により、従来の微細製作プロセスを使用して、上記の種々の配置を製造することができる。シリコン基板、適切なエッチング法による従来の大部分のマイクロ機械加工を考えると、例えば、基体に開口部もしくは溝を形成するために、またはつるされた膜の形成において基体の選択部分を除去するために、KOHを使用する従来の異方性の湿式エッチングプロセスを使用することができる。図2に関して上記の技術は、この点に関しては本発明に適用でき、さらに表層または膜、および伝導性ストライプを通って開口部を形成するために適用できる。電極物質を製造するために、従来の電気メッキ、スパッタリング、蒸発、またはその他の析出技術を使用することができ、電極物質をパターン化するために、フォトリソグラフィーおよびリフトオフ・プロセスを使用することができる。
【０１９０】
どのような配置が選択されても、一旦電極構造体が配置されると、次いで構造体のイオンビーム曝露を行ってナノ電極ギャップをイオン侵食する。入射イオンビームは、原子、すなわち中性イオン、制御された荷電状態のイオン、分子もしくは入射原子群、または実際は任意の制御されたエネルギー源として供給することができる。上記のように、イオンビームに対する表面の曝露により、吸着原子の生成および消滅が競合するプロセスが構造体表面に生じる。以前に説明したように、種々の制御可能なイオン露出パラメーターの特定の選択に応じて、特徴部、例えば溝または開口部の端での物質の吸着原子の生成および移動は、消滅機構と比較してより広範に刺激することができる。この制御により、構造体からの吸着原子、構造体上に提供される表層物質、および／または第2の物質、例えば電極は、例えば溝または開口部の端の方へ移動して、これにより特徴部のその位置で物質の寸法を変更することができる。
【０１９１】
本発明によれば、イオン暴露条件は、イオン侵食される構造体物質の選択された一方または両方に生じさせるように選択することができる。ここで図16Hを参照し、第1の実施例の技術において、電極脚215a、215bを含む構造体の表面209を上記の方法で包括的なイオンビーム245に曝露させる。一般に、この包括的暴露により、電極脚物質および構造体物質の両方は、物質の輸送を生じさせるための暴露条件が2つの物質と比較的似ている場合、イオンビーム曝露の結果として流動すると考えられる。暴露条件が好ましい場合、例えば電極物質の物質輸送が有利であるが、構造体物質はそうでない場合、図16Hに示すように、電極物質だけが流動すると考えられる。
【０１９２】
例えば、アルミニウムおよび窒化ケイ素の物質の輸送条件は、比較的似ていることが実験的に見いだされる。従って、窒化ケイ素膜上のアルミニウム・ストライプを考えると、アルミニウム・ストライプおよび非ストライプに隣接する膜物質は両方とも、イオンビーム曝露に応答して流動することが予想されるであろう。電極物質の基礎をなす構造体物質が流動を受けることが望まれる場合、電極物質のイオン曝露のために選択される種の停止距離を考えるべきである。例えば、アルミニウムにおける50KeV Gaイオンの停止距離が約350Åであり、アルミニウムにおける3KeV Arイオンの停止距離が約62Åである従来のモンテカルロ・シミュレーションによって決定することができる。アルミニウム電極脚の基礎をなす構造体物質を電極脚と共に流動させることが要求される場合、アルミニウム・ストライプは、Gaイオン曝露の場合には350Åの厚み未満であるか、または所与の例示のイオンエネルギーに対するArイオン曝露の場合には約62Åの厚み未満であるべきである。容易に認識することができるように、この解析は、電極の基礎をなす物質のイオン侵食が可能な最大電極厚を決定するために、任意のイオン種および任意の表面物質層まで拡張することができる。
【０１９３】
さらに本発明によれば、イオンビームのエネルギーおよび第2の物質の停止距離は、第2の物質の下の構造体物質だけがイオン侵食されるが、第2の物質はイオン侵食されないように選択することができる。例えば、酸化物膜上に提供されるアルミニウム・ストライプを考えると、十分に高イオン・エネルギーで、かつ十分に薄いアルミニウム層については、アルミニウムの下の酸化物膜だけを、構造体物全体の包括的なイオンビーム曝露に応答して流動させることができる。
【０１９４】
図17Aおよび17Bは、多物質配置の両物質が侵食される、イオン侵食前およびイオン浸食後の配置を図示する。図17Aは、図16Gと同様の絶縁膜301の平面図を図示し、ここでは、例えば窒化シリコンで構成され、構造体表面302上に、パターン化された導電性電極エレメント305、例えばアルミニウム・ストライプを含む。例えば40nm〜100nmの間の初期直径D31を有する環状の開口部または孔は、例えば、集束eビームリソグラフィーおよび／または集束イオンビームエッチングによって、電極305の領域の全厚みを通ってエッチングされ、電極を越えて、および電極の下の膜の厚みを通って横に伸長される。
【０１９５】
イオンビーム侵食条件は、物質303、305の組み合わせについては、絶縁材および伝導物質の両方の吸着原子が、孔315の中心の方へ等しい合計距離で半径に沿って内側へ流動するように、以前に記載されている方法で選択される。このように、孔の円形形状を保持すると共に、物質の流動により、D31からD32まで孔の直径が縮まる。生じる直径D32は、1nm程度まで小さくすることができる。この製造プロセスにより、内側に先細りし、かつ孔315の円周313のわずかな部分だけに接触するナノ電極端を有する固体ナノ孔装置を提供する。
【０１９６】
図17A〜17Bの例を考えると、複数の物質を同時にイオン侵食する場合、一般に上記のモデル式のパラメーターが物質依存的であるので、イオンビームと構造体の表面および／または表層の相互作用を正確にモデル化し、予測することが、単一の物質について行うよりもより複雑となることが認識される。例えば、上記のように、吸着原子拡散係数（D）を増大するように物質温度、物質の表面条件、およびその他の物質依存的な特徴を選択することにより、イオン侵食される特徴部に対する物質の質量輸送を増強すること、および／またはイオン侵食された特徴部が生じる割合を最大にすることができる。表面欠陥の最小化およびその他の物質のトラッピング機構を実施し、吸着原子の消滅を最小化することによって、さらにイオン侵食プロセスの質量輸送機構を増強することができる。
【０１９７】
一般に、特に絶縁体と伝導体などの異なる物質タイプに作用するときに、所与のイオンフラックスF、平均的イオンエネルギー、イオンビーム・パルス負荷サイクル、および所与の暴露温度について、それぞれの物質の異なった分子構造およびその他の性質のそれぞれの違いにより、それぞれ異なる物質が異なる割合で吸着原子の生成および消滅を受けると考えられる。例えば、所与の物質の表面拡散の機構および粘性流によって生じる吸着原子の移動は、イオンの衝突によって表面から放出される場合には、結晶構造、物質内の欠陥の存在、および物質内の原子の相対移動度に依存し得る。加えて、イオンビームが物質を透過する有効な深さは、物質間である程度変化され得る。この認識により、本発明に従って、所望のイオン侵食結果を達成するために、201などの多物質構造体を暴露条件を変化させて複数回イオンビームに曝露し、それぞれの物質の吸着原子の流動を別々に順番に、または同時に制御することができる。
【０１９８】
伝導物質の特徴部の寸法を制御するためのイオン侵食の例では、例えば2本の伝導性電極間のギャップを制御するために、次いで図16Hを参照し、イオンビーム245に対する構造体201の表面209の曝露を、伝導性ストライプの2つの脚215a、215bから切れ込み208の方へ導電性物質が進むように選択された暴露条件で行う。これにより、それぞれ脚215a、215bの部分205aおよび205bが切れ込み内の構造体の端を超えて伸長し、これによりその領域内の切れ込みの幅を減少させ、導体脚215a、215bの間のギャップを調整する。この適用のためには、図17A〜Bに図示した多物質のイオン侵食プロセスとは対照的に、イオン暴露条件を構造体201からの吸着原子の流動を最小化することが好ましいが、このようなことは必要とされず；両方の物質の特徴部および寸法が侵食され得る。
【０１９９】
また、図16Iに関して、本発明によれば、ナノ電極間のギャップの調整のために伝導物質をイオン侵食する際に、イオンビーム曝露は、集束イオンビーム245として提供され、電極脚215a、215bの長さの一部または全ての範囲に沿ってラスタリングパターン250にラスターされ、切れ込み208または脚の間のその他のギャップを交差することが好ましい。図に示すように、集束イオンビームによる伝導体の脚215a、215bに沿って横方向のスキャンにより、伝導体脚の幅に沿った長手方向のラスタリングよりも高い吸着原子流動を生じさせることができることが見いだされる。集束イオンビームは、構造体表面209に向けられる必要はなく、その代わりに、示したように、電極脚のみに沿ってラスターする（rastering）ことができる。この技術では、構造体209の物質は、イオン侵食されず、流動せず、電極脚の物質のみが流動する。電極脚の基礎をなす構造体の物質は、電極脚の物質がイオン曝露のために選択したイオン種の停止距離の特徴部もより厚い限り、流動しない。図16Iに示すように、ラスタリングが進行するにつれて、電極物質は、切れ込み208の方へ輸送を生じ、これにより電極間のギャップの大きさが減少される。
【０２００】
導体脚の幅の限られた部分だけが集束イオンビームによるラスタ・スキャンに含まれる場合、ラスターされた部分だけがイオン侵食され、切り開かれた特徴部の近くでその範囲が変化することが見いだされる。その結果、ラスタリングを選択的に適用して、切り開かれた位置に、それぞれの導体脚215a、215bの局在化された突出252a、252bをそれぞれ製造することができる。これは、電極幅全体にわたって伸長するためよりもむしろ、電極の幅に沿って選択された位置で、正確な位置に局在化させられたナノ電極ギャップを製造するために特に有利であろう。
【０２０１】
一般に、集束イオンビーム・ラスタリングは、ラスター・パターンのそれぞれのピクセル位置でのビーム露出時間を最小にするように制御することが好ましい。特に、所与のFIB機械に関して、たとえどのような最小限のピクセル曝露が達成可能でも、イオンビーム制御を使用するように調整することが好ましいであろう。以前に説明したように、特徴部に対するその吸着原子輸送は、パルスされたイオンビーム曝露の時間構造または負荷サイクルに強く依存し得ることが実験的に示されている。ここで、ナノ電極ギャップ・イオン侵食プロセスについては、ビーム「オフ」の時間を最大にするイオン曝露負荷サイクルを生じさせるための技術として、集束イオンビーム系を、ラスターカラム間のビーム「オフ」の時間を最大にするように制御することが好ましい。例えば、少なくとも約0.1秒にラスターカラム間の「オフ」時間を制御することが好ましく、従来の集束イオンビーム・ラスタリングの制御下では、このようなカラムビーム間の「オフ」時間は、1000倍よりも短いこともある。さらに、以前に説明したように、イオンビームが消えたあとに、吸着原子の流動が秒の長さの時間的尺度以上で生じ得ること、および0.1sの「オン」および0.9〜1.9sの「オフ」のオンオフのビーム負荷サイクルにより、スルーホール／切れ込みの特徴部へ向かう速い流速を生じさせることができるが、連続的な曝露では、開口部の拡大を生じさせる傾向があることが認識される。
【０２０２】
所望のナノ電極ギャップを製造するために電極脚のイオンビーム・ラスタリングの後に、続いてイオン侵食工程を、例えば異なるイオンビーム暴露条件下で使用して、伝導物質215の寸法をさらに調整し、構造体または表層物質の寸法を、切れ込み208またはその他の特徴部の近くにこのようなものが含まれている場合は、調整することができる。典型的なイオンビーム暴露条件下で、構造体表面物質層に生じる大部分の吸着原子の生成は、深さ約5nmの細い表層に局在化することが予測される。しかし、イオンビームエネルギーが十分なレベルにあがった場合は、吸着原子は、構成物質中により深くイオンビームによって生成されるであろう。この制御により、構造体、任意の表層物質、および電極物質の多層の流動をも達成することができる。例えば、電極の下の構造体の位置227（図16H）由来の吸着原子は、電極物質を透過する高エネルギー・イオンの衝撃によって流動を引き起こすことができる。加えて、構造体をイオンビームに関して再配向し、例えば構造体全体が底面を曝露するように向けることによって、構造体のその表面でイオンビーム侵食を行うことができる。この技術は、例えば、電極脚が構造体または膜の正面および背面の表面上に提供される配置にとって特に好ましいであろう。一旦、第1の表面でイオン侵食が完了すると、構造体を再配向させて第2の表面でのイオン侵食を可能にすることができる。
【０２０３】
いかなるイオンビーム曝露の制御が使用されても、本発明に従って、イオンビーム種は、曝露される物質に基づいて選択することが好ましい。例えば、金属などの導電性物質のイオンビーム曝露を考えると、金属を酸化させない不活性ガスまたは貴金属イオン種を使用することが好ましいであろう。そうでなければ、イオンビーム曝露によって金属に導入されるイオンは、金属表面に拡散されて酸化されることにより、物質の電気的性質を減弱させることもできる。例えば、金属のGaイオンビーム曝露のシナリオでは、生じる打ち込まれたGaイオンは、金属表面に拡散して、酸化され、非常に安定な酸化被膜を形成することができ、従って最適条件ではないものの、金属のArイオンビーム曝露は一般に金属上に酸化物を形成するため、好ましいであろう。
【０２０４】
このイオン侵食プロセスにより、以前に記載されている方法の露出パラメーターを使用して、関心対象のナノ電極ギャップまたはその他の特徴部を制御すること、例えば構造体上の階層化された第2の物質のギャップを大きな開始寸法からナノスケール、例えば10ナノメートル以下の範囲の正確に制御されたより小さな寸法に減少させることができる。このような特徴部の寸法をできるかぎり正確に制御するためには、本発明に従って、閉ループ・フィードバック制御技術を、イオン侵食するが行われるように使用することが好ましい。
【０２０５】
第1のフィードバック制御の例では、図3Aのイオン計数フィードバック・ループが使用されるが、例えばイオンビームは、構造体上の2つのナノ電極の長さに沿ってラスターされる。イオンビーム・ラスタリングの間、開口部または切れ込みの両端間の、2つのナノ電極間の構造体の開口部または切れ込みを通過するビーム由来のイオンは、図3Aのように検出器によって検出され、リアルタイムで計数することができる。イオン計数、すなわち特徴部を横断し、例えば切れ込みを通過するイオンの数は、特徴部の範囲に比例するので、このようなイオン計数は、ナノ電極間のギャップなどの、特徴部の幅の表示として使用することができる。以前に記載されている方法において、この閉ループ・フィードバック制御技術により、特徴部が特定の寸法に達したときに、イオンビーム／ラスタリングをシャットダウンすることができ、あるいは、特徴部が要求されるように変化されていないことがイオン総数によって示される場合、外界温度を増大して吸着原子の生成を増強することができる。同様に、特徴部、例えばナノ電極ギャップの横方向の寸法をその縦の幅に沿って変化させる場合は、例えば特徴部に沿った特定の縦の位置で検出するために、閉ループ系により制御することが好ましいであろう。または、検出器は、全ての特徴部の幅からのイオンを受け入れることにより、種々の横方向の幅を決定して、特徴部が侵食される特徴部の横向き全体の二次元の輪郭を正確に評価することができる。
【０２０６】
実施例9
約500nmの厚さの窒化ケイ素膜には、約55nmの厚さを有するアルミニウムの上層を提供した。アルミニウムをリソグラフィーでパターン化して、アルミニウム・ストライプまたは上記の方法で窒化ケイ素膜に沿って幅約200nmの「ワイヤー」を製造した。適所にワイヤーで、集束イオンビーム処理によって窒化ケイ素膜および上部アルミニウム層をこれらの全ての厚みによってエッチングし、図18Aの顕微鏡写真に示すように、約54nmの初期幅を有する最初の切り開かれた特徴部を製造した。膜が無処理のままである、窒化ケイ素膜に沿って選択された位置でアルミニウムの幅をわたって切断するように、切れ込みを配置した。次いで、エッチングされた窒化ケイ素膜および上部アルミニウムのラインを図3Aおよび図3Bの閉ループ・フィードバック装置で提供されるイオンビームに曝露した。
【０２０７】
アルゴンイオンビーム種を包括的なイオン曝露のために使用し、フラックスを約0.2イオン／nm2/秒に、およびイオンビームエネルギーを約3keVに制御した。アルミニウム・ストライプおよび窒化物膜をイオンビームに周期的に曝露し、各「オン」サイクルの期間を約100msにし、各「オフ」サイクルの期間を約900msにした。イオンビームに対する構造体の曝露を行う際に、図3Aで実行したイオン計数フィードバック・ループをモニターして膜およびアルミニウム・ラインの切れ込みの対応する幅を決定した。構造体がイオンビームフラックスに曝露された際に、窒化ケイ素膜および上部アルミニウム層は両方とも、流動してエッチングされた切れ込みの範囲を減少させたことが判明した。イオンビーム曝露中に、本来の幅54nmの切れ込みは、幅12nmの切れ込みに減少した。イオンビーム曝露を継続した場合は、切れ込みは対応して閉じた。本発明によれば、このプロセスを続けて、10ナノメートル未満に特徴部の幅を減少させることができ、これは、従来のエッチング技術の分解能を越えており、これにより「ナノ孔」の大きさの特徴部を生じることが認識される。
【０２０８】
本発明によって提供されるさらなるフィードバック制御技術では、図3Cに関して以前に記載した電子トンネル効果の検出および測定法を本明細書において都合よく使用して、多物質イオン侵食プロセスによって所与のナノメートルスケールを達成することができる。トンネル効果フィードバックによってモニターされ制御されるプロセスの例では、導電性物質、例えばアルミニウム・ストライプが、上記した方法で、例えば図16Gの膜配置で絶縁基体上に提供される。図16Iに示したように、2本の異なった電極215a、215bを形成する伝導性ストライプおよび膜を通った最初の開口部208は、比較的大きな寸法、例えば幅50nm〜1000nmで提供することができ、十分に制御することができる、すなわち幅寸法をおおざっぱにとることができる。その結果、最初の開口部は、以前に記載されている方法の従来の微細製作技術によって、比較的容易に製造することができる。
【０２０９】
2つの電極脚215a、215bはそれぞれ、脚間のギャップの両端の閉ループ回路において、例えば図3Cの配置のような電圧源および電流測定デバイスに接続されている。ギャップが電極に沿ってイオンビーム・ラスタリングに曝露されて、選択されたイオン暴露条件下で開口部を横切ると、2本の電極間の開口部の両端に電圧が印加される。次いで、電圧印加によって生じる開口部を横切るトンネル電流をモニターし、必要に応じて、電極のイオンビーム曝露を自動制御するために使用した。
【０２１０】
望ましければ、トンネル効果測定プロセスは、全侵食プロセスの間、あるいは、選択された期間だけ使用することができ、選択されたトンネル効果期間の間、例えばトンネル電流が式（1a）と関連して上記のファウラー・ノルドハイム様式のトンネル効果を発生するように、またはトンネル電流が上記式（1b）と関連して上記の対向する様式で発生するように行うことができる。
【０２１１】
以前に詳細に説明したように、所与の適用のために使用されるトンネル効果フィードバック制御式は、好ましくは制御される所与のプロセスについて予測されるトンネル効果様式に基づいて選択される。ファウラー・ノルドハイム制御関係は、比較的大きなギャップのモニタリング調整のために有用で、電極物質の仕事関数以上の印加バイアス電圧に一致する。より小さなギャップのためには、印加電圧は、物質の仕事関数と同等以下であることが好ましく、および上記の代替式（1b）が好ましくは本明細書において使用される。量子スケールでの輸送と関係する伝導以外の伝導の機構を、例えばフィードバック制御のためのトンネル電流シグナルに対して1つまたは複数の寄与を生じることについて、モニターすることもできることが認識される。
【０２１２】
ギャップの両端の電極間に印加される選択された電圧バイアスについては、以前に記載されている方法で、イオン曝露が終結する場所でのギャップ範囲の生成を表すフィードバック「スイッチ」シグナルとして、予め特定された電流を選択することができる。このような予め特定された電流は、以前に記載されている方法で、1つまたは複数の較正プロセスを行ってトンネル電流とギャップの大きさの間の相関関係を、選択された物質およびイオン暴露条件について決定することによってセットすることができることが認識される。手元の較正相関関係により、イオン侵食プロセスの自動制御のためにトンネル電流フィードバック系を実行することができる。
【０２１３】
実施例10
幅約300nmおよび厚さ約50nmのアルミニウム・ストライプを図16Gの配置で窒化ケイ素膜上に提供した。約100nmの範囲の最初の開口部を、従来の集束イオンビームエッチング技術によってアルミニウム・ストライプにわたって、および膜の全厚みにわたって製造した。電気的リードをアルミニウム・ストライプの左右の脚部に付着し、図3Cのフィードバック・ループに接続した。温度およびイオンビーム条件は、以前に記載されている方法で、アルミニウムのイオンビーム侵食によってギャップの閉鎖を誘導するように選択した。集束Gaイオンビームを図16Iの方法でアルミニウムに沿ってラスターした。電極間のギャップが約17nmまで減少されるまで、このプロセスを続けた。
【０２１４】
同様のプロセスにおいて、窒化ケイ素膜上の幅約1μmおよび厚さ100nmのアルミニウム電極脚部間の初めの大きなギャップは、連続した短期間の集束イオンビーム侵食によって狭くなった。それぞれの侵食期間の間に、約20VのDC電圧バイアスをギャップの両端に印加し、構造体を6.25イオン／s・nm2のフラックスで室温において集束Gaイオンビームによるラスタリングに曝露した際に、生じるトンネル電流をモニターした。図18Bの2本の白丸の曲線には、測定された電流電圧曲線をプロットしてある。これらの実験曲線は、ファウラ・ノルドハイム・トンネルの関係に適合し、約1eVのアルミニウム仕事関数評価を与え、ギャップの範囲に沿った対応する最小幅の合理的な評価を得ることができ；これらの「適合」曲線は、図18Bの黒丸の曲線によって示してある。
【０２１５】
所与の適用について製造された図18Bなどのプロットを、自動でフィードバック制御されたイオン侵食プロセスのトンネル電流レベルを設定するための較正ツールとして使用することができる。例えば、「適合」データにより、所与のプロセスについての理論上の電流電圧曲線を推定することができる。このようなものの１つの例において、5ボルトの選択された印加電圧バイアス（プロットにおいて矢印によって示してある）を想定すると、電極のイオンビーム侵食の間に2本の電極間のトンネル電流をモニターする際、プロットに示されるとおり、所与の暴露条件については、ギャップの両端の測定されるトンネル電流が4nAに達する場合に、0.36のnm幅のギャップが形成されることが予測される。これにより、検量線は、測定されたトンネル電流が5Vの電極バイアスに対して4nAに達し、0.36nmのナノ電極ギャップが製造されると、イオンビームの制御により、対応してイオン侵食プロセスを自動的に止めるようにセットすることができることを示す。従って、本発明によれば、イオン侵食プロセスの自動フィードバック制御を実行することができるように、選択された構造体、物質、およびイオン侵食条件に関してこのような検量線を製造することが好ましいであろう。
【０２１６】
実施例11
幅約2μmおよび厚さ約150nmのアルミニウム・ストライプを図16Gの配置で窒化ケイ素膜上に提供した。約100nmの範囲の最初の開口部を、従来の集束イオンビームエッチング技術によってアルミニウム・ストライプにわたって、および膜の全厚みにわたって製造した。電気的リードをアルミニウム・ストライプの左右の脚部に付着し、図3Cのフィードバック・ループに接続した。構造体を約28.4イオン/s・nm2のフラックスのGaイオンビームに室温で曝露して、アルミニウムのイオンビーム・ラスタリングをした。温度およびイオンビーム条件は、以前に記載されている方法で、アルミニウムのイオンビーム侵食によってギャップの閉鎖を誘導するように選択した。イオンビームを図16Iの方法でアルミニウムに沿ってラスターした。トンネル電流がナノ電極の両端の印加電圧の関数としてモニターされる間のイオンビーム線量の範囲の間、このプロセスを実行した。特に、示したレベルでギャップの両端にDC電圧を印加し、次いで、集束イオンビームをアルミニウムに沿ってラスターした際に、生じるトンネル電流をモニターした。電流が有意に、例えば1nA以上まで変化する際に、イオンビーム・ラスタリングを停止し、所与のギャップ範囲の電流電圧解析を行った。
【０２１７】
図18Cは、これらのトンネル電流電圧の特徴の各々のプロットである。所与のバイアス電圧について、イオンビーム線量が増大するにつれて、トンネル電流は増大し、より小さなギャップに対応した。この対応は、線量の増大による侵食プロセスの物質移動の増強によるものであり、本発明のトンネル効果測定技術は、プロセスのパラメーターの変化によって生じる特徴部の寸法の変化の良好な指標であることを証明する。
【０２１８】
トンネル電流測定を行うために、電極間のギャップの両端の電圧バイアスの印加が、特に侵食プロセスの間に物質の運動を増強することによって、それ自体でインサイチュウでのイオン侵食プロセスを生じることが本発明に従って発見された。高い局所電流密度、電場、および／または温度によって生じる電気移動法のようなプロセスは、イオン侵食される電極に対して電圧バイアスを局部的に印加することによって誘導することができることが理解される。電圧バイアスの印加によって生じる電場は、例えばギャップの縁に沿った位置で、ギャップの両端に鋭い点、例えば凹凸の形成を誘導することによって、最終的なギャップの形状に影響を及ぼすことができる。従って、ギャップの両端のトンネル電流フィードバック測定を可能にするためのバイアス電圧の印加により、ギャップの減少の制御が容易になることが発見される。
【０２１９】
イオン侵食されるギャップの両端のバイアス電圧の印加により、その非存在下では不可能であると考えられるナノスケール物質の修飾を誘導することができることが理解される。イオン侵食プロセスの間の物質輸送に対する印加電圧のインサイチュウでの影響は、約1V〜約100Vの範囲の印加電圧で1nm〜100nm長スケールで測定可能であることが理解される。
【０２２０】
本発明によれば、印加されたバイアス電圧は、電気的特徴、例えばトンネル電流電圧の特徴を、所望の特徴部寸法の形成が遂行される前または後に、例えばイオンビーム侵食プロセスが完了した後に、イオン侵食された物質に対して修飾することができることがさらに発見される。言い換えると、一旦ナノ電極ギャップが製造されたならば、ギャップの両端の電圧印加は、それ自体で上記の方法の物質移動を生じさせることによってギャップを変更する。本発明によれば、エキソサイチュウ（ex situ）での電圧印加によって生じるこの物質移動は、予め特定された物質移動を生じさせるための制御された電圧の印加を可能にするために、上で与えられる方法で較正することができる。
【０２２１】
電圧印加によるインサイチュウおよびエキソサイチュウでの特徴部の寸法の修飾は、最終的なナノ構造体の構造、機能、または装置の特徴を決定するためにフィードバック制御を使用し、本発明に従って、所望の構造的、化学的、および電気的特徴を有するナノ構造体の製作に使用することができる。イオンビーム侵食および電圧で誘導される物質移動を組み合わせることによって物質移動を制御する能力が、このプロセスによって提供される。例えば、ナノ電極ギャップ侵食プロセスは、第1の期間のナノ電極構造体の集束イオンビーム・ラスタリング、続くナノ電極ギャップの両端の電圧印加の期間から成ることができる。また、イオンビーム曝露および電圧印加を組み合わせて使用することもできる。例えば、集束イオンビーム・ラスタリングの第1の期間は、フィードバック制御を伴わずに行われ、続いて、トンネル電流フィードバック制御を可能にするために電圧印加を含むイオンビーム・ラスタリングの期間、その後続いて、フィードバック制御を伴わずにイオンビーム・ラスタリング、およびイオンビーム曝露を伴わずに電圧印加が行われ得る。物質の移動を生じさせるための2つのプロセスの全ての可能な組み合わせのシナリオが、本発明に従って想定される。
【０２２２】
いくつかの適用に関して、電圧印加による物質の輸送を最小にして、一方では同時に、本発明によって提供されるトンネル電流フィードバックを実行することが好ましいであろうことが、本発明に従ってさらに認識される。こうした状況では、本発明によれば、トンネル電流測定は、プロセスの間に連続的に行うよりもむしろ、侵食プロセスの間の別々の時にのみ行うことが好ましい。さらに、それぞれのトンネル電流測定ができるだけ速く、すなわち長時間電圧を印加することなく行われることが好ましいであろう。それらは、例えば図3Cのフィードバック・ループの高速電流増幅器84を使用することによって達成され得る。この構成により、電圧印加の効果が最小になり、フィードバック制御の測定が可能になる。
【０２２３】
さらなるナノ電極イオン侵食制御のシナリオでは、フィードバック制御技術と測定の組み合わせを使用することができる。例えば、イオン計数測定と上記で論議したフィードバック制御技術をトンネル効果測定およびフィードバック制御技術と組み合わせて使用することができる。このような組み合わせにより、比較的全体的および微細なフィードバック制御が可能になる。それぞれの測定技術のための較正データについては、所望のナノ電極ギャップ形成の位置でプロセスを止めるための自動化されたモードでイオン侵食プロセスを実行することができる。
【０２２４】
一旦イオン侵食プロセスが完了したら、さらなる製造プロセスを行って選択された適用に構造体を適応させることができる。例えば、一旦ナノ電極間のギャップが選択された寸法にイオン侵食されたならば、化学蒸着またはその他の適切な従来の固体蒸着過程によって、電極を例えば絶縁層で被覆することができる。図16Jは、切れ込み特徴部208の近くの構造体の領域の断面図であり、電極層215上の絶縁層材260を図示する。付加層260は、構造体201および絶縁層260の間に効率的に電極層215を「はさみ」、その結果電極物質は、切れ込み208の縁のナノ電極端262a、262bでのみ曝露される。この配置は、電極層が2本の異なった電極として構成され、所与の適用のためにその両端に電位差が適用される場合に特に有利である。さらに以下に後述するように、ナノ孔の両端の絶縁電極の示した配置は、ナノメートル寸法のスケールで達成することができる強度の電場強度および量子レベルの効果を生じるので、特に有効な分子プロービング装置として役立つであろう。
【０２２５】
本発明に従った、ナノ孔の位置にナノ電極を含む固体ナノ孔装置を使用する分子プロービングの1つの特に重要な適用は、DNAなどの鎖状重合体のプロービングにおける適用である。実施例の方法によれば、固体ナノ孔装置を、移動イオンを含む培地に浸し、重合体分子と接触させることができる。電圧を装置に印加する場合、イオンおよび重合体分子は引きつけられるかまたは誘導されて、固体装置のナノ孔を通って移動する。ナノ孔が微小な直径であるために、重合体の単量体が厳密に一列にナノ孔を通過できるだけである。固体ナノ孔装置のナノ孔を通るイオン電流および重合体の単量体の通過を図19に図式的に示してある。
【０２２６】
本方法の一つの態様によれば、ナノ孔を通るイオン電流が検出可能であり、分子の構造および／または種を決定または評価するために使用することができる。重合体の分子は、培地からの量のイオン電流を効率的にブロックするので、これらが占有するナノ孔の比率に依存してナノ孔を通過するのと同様に、ナノ孔の限界開口部のイオンフラックスの減少は重合体、例えばポリヌクレオチドの立体特異性および化学的性質に依存する。
【０２２７】
重合体分子がナノ孔を通る際に、重合体のそれぞれの単量体をモニターすることができる。従って、試料中の個々の重合体分子は、迅速に継続して評価することができる。この方法を使用して、単量体の鎖である任意の適切な重合体分子（一般に直鎖上に配置されている）を評価することができる。本方法は、特に、例えばデオキシリボ核酸およびリボ核酸を含むポリヌクレオチド、ポリペプチド、ならびにオリゴ糖などの生物重合体を特徴づけるために有用であるが、その他の重合体を評価することもできる。いくつかの態様において、1つまたは複数の変化を有する重合体、例えばポリヌクレオチドまたはポリペプチドは、特に本発明の実施を容易にするであろう。本発明のこの方法は、特にポリヌクレオチドまたはポリペプチドである生体分子を評価するために有利であり得る。
【０２２８】
評価のために使用される重合体は、同種の混合物に存在する必要はない。しかし、混合物が不均一な場合は、一度に1つの分子のみがナノ孔と相互作用することができる。このような不均一な集団のモニタリングにより混合物中の分子の粒度分布および／または混合物中の複数の重合体分子についての配列データを得る。単量体を同定するためには、好ましくは、シーケンスされる重合体、例えばポリヌクレオチドの二次構造を回避するような評価条件が適しており；必要に応じて、これは、変性する導出溶液を用いて達成することができる。
【０２２９】
一つの態様において、2つの別々の培地のプール（これらは電解質溶液であることができる）が固体装置のナノ孔の両側に提供される。2つの培地のプールの間に電圧差を印加することによって、ナノ孔の導電率は、ナノ孔を通る重合体分子のそれぞれの単量体の通過の結果としてモニターすることができる。例えば、図20に示すように、固体ナノ孔を通るイオン電流の測定により、ポリヌクレオチド間のリアルタイム識別を達成することができる。この例では、pH8の1MのKCl、10mMのトリスの塩類溶液を使用し、120mVのバイアスをナノ孔膜の両端に印加した。2本鎖DNAを本明細書においては2868塩基対の長さで使用した。一般に実験室での実験では、4分間に記録された999の導電率事象のうち、明白に、例えば＞90%、図19に示したようなナノ孔の配置では98%の分子がポリ（dA）100またはポリ（dT）100であることが同定された。
【０２３０】
ナノ孔の反対側に使用される培地は、ナノ孔の相互作用のために十分な重合体の移動が可能な任意の適切な物質であることもできる。大半の用途に対しては、培地は、重合体が分布することができる液体として、例えば水溶液またはその他の液溶体として提供することができる。導電性培地が好ましい場合は、例えばナトリウムイオン、カリウムイオン、塩化物イオン、カルシウムイオン、セシウムイオン、バリウムイオン、硫酸イオン、またはリン酸イオンなど、このようなイオンの形態で電流を運ぶことができる任意の培地として提供することができる。
【０２３１】
本発明の方法の一つの態様において、ナノ孔の両端のイオン伝導度は、伝導培地を経てナノ孔の両端電流の流れを測定することによって決定される。電圧差は、従来の手段によって培地プール間の孔の両端で課することができる。または、電気化学的勾配を、それぞれのプールで異なるイオンを有するか、またはプールの溶液もしくは培地中の少なくとも一方のイオンが異なる濃度を有する培地の2つのプールのイオン組成の相違によって確立することができる。本発明のこの態様では、測定される導電率変化が、単量体依存的な特徴を表す。
【０２３２】
あるいは、ナノ電極間にギャップを形成するナノ孔によって、ちょうど記載した方法で、ナノ孔の位置に形成されたナノ電極に電圧を印加することができる。このシナリオでは、分子検出は、ナノ孔を重合体分子の単量体が通過する間に、印加電圧から生じるナノ電極両端の、トンネル電流変化の測定を介して行うことができる。固体のナノ孔装置のナノ電極間の間隔、すなわちナノ孔の直径がナノメートルスケールであるために、ナノ孔の両端の一方から他方へ跳び越えるトンネル電流は、トンネル電流が電極間距離に直接関連するので、例えば、任意の所与の時間でも電極間のナノ孔に配置される分子および原子種を説明するように修正した式（1a）および（1b）に関する上記の方法で、検出可能である。この状況において、検出可能なトンネル電流を最大にして、ナノ孔のトンネル効果バリヤおよびプローブされるナノ孔の関心対象の分子に打ち勝つために、ナノ孔に接するナノ電極の端、すなわちナノ電極の「先端部」は、可能な範囲で最も電気的に絶縁されていることが好ましいことに留意されたい。これは、ナノ電極間でナノ孔の両端を跳び越えるために利用できるトンネル効果電子が、トンネルを掘ることと平行した伝導性の経路を有さず、これによって反対の電極に移動する際にナノ孔を迂回しないことが確実になる。
【０２３３】
上記において式（1a）および（1b）で与えられるトンネル電流とナノ電極の距離との間の指数関数的な関係のために、ナノ孔の部位に提供されるナノ電極の両端のトンネル電流の検出可能なバリエーションは、ナノ孔を通って流れるイオン電流の検出可能なバリエーションよりも3桁大きいであろうことが見いだされる。検出されるトンネル電流のいかなるバリエーションも、典型的には有効なトンネル効果バリヤφに起因する（これは、ナノ孔を通過する分子種に依存し、従って対応するトンネル効果バリヤに関与する）ため、これらがナノ孔を通過するときの分子種を決定するために、このようなバリエーションを分子プローブとして非常に有効に使用することができる。
【０２３４】
図21は、DNA分子がナノ孔を有するナノ電極を孔の端で横断する際に、本発明に従って課することができるトンネル効果機構を略図で例示する。高い電位412が印加される第一の電極410から、水バリヤ415aによる電位を介して、より低い電位414のDNA分子に電子e-が飛び、次いで水バリヤ415bを介して、ナノ電極間の印加電圧によって決定するとより低い電位418である（すなわち高電位412 - 印加電圧 = より低い電圧418）第二の電極430に対して再びトンネルする。
【０２３５】
DNAポリヌクレオチドがナノ孔を通るとき、それぞれのヌクレオチドは、異なるバリヤ・エネルギーと関連し、従ってトンネル電流の特定の「サイン」の測定と関連する。このサインは、重合体が既知の割合でナノ孔を通って引き出されるときの重合体がナノ孔と相互作用する特異的な延べ時間であるか、または重合体のそれぞれの単量体がナノ孔を通って経時的に引き出されるときの相互作用のいくつかの特徴を測定することによることができる。また、相互作用は、物理的形状、サイズ／体積、電荷、培地との相互作用、またはその他の特徴による重合体の個々の単量体の一致性または配列を確認するために十分であろう。
【０２３６】
例えば、測定されたトンネル電流のバリエーションの振幅または期間を、ナノ孔を通過する重合体の特徴を同定するために使用することができる。一般に、それぞれの単量体は、特徴的なコンダクタンスの変化サインを有するので、このような変化は、順番に単量体を同定するために使用することができる。この条件は、図22のプロットに図示してあり、種々のATCGヌクレオチド塩基に関して測定されたトンネル電流レベルを示す。それぞれの単量体の量、形状、電荷、またはその他の特徴は、特徴的な方法で電気トンネル効果コンダクタンスに影響を及ぼすことが理解される。同様に、全ての重合体のサイズは、延べ時間、すなわち単量体依存的なコンダクタンス変化が生じる期間を観察することによって決定することができる。
【０２３７】
あるいは、重合体の単量体の数（これも、サイズまたは長さの尺度である）も、ナノ孔を横断する所与の重合体に関する単量体依存的な電気トンネル効果コンダクタンス変化の数の関数として決定することができる。重合体の各々の単量体が経時的にナノ孔を通過する際に、複数のコンダクタンスレベルの変化があってもよいので、単量体の数は、必ずしもコンダクタンス変化の数に対応しなくてもよい。しかし、既知の配列の標準を調製することによって決定することができる2つの値の間には比例関係がある。
【０２３８】
記載されている本発明の方法に従って行われる測定を組織化し、獲得し、解析するために、本発明の固体ナノ孔装置と連動して使用することができる種々の適切な電子装置があり、コンピューターの獲得速度および記憶能は、配列データ集積の迅速なペースに十分である。
【０２３９】
また、本発明に従って提供されるナノ電極を含む固体ナノ孔装置は、近接場光学顕微鏡検査の分野において、特に表面増強ラマン分光法の技術に特別な有用性が見いだされる。光学的に励起された金属ナノ粒子は、このようなナノ粒子が数桁までこれらの表面に入って来る照射の電磁場を増強することができるので、近接場光学プローブとして使用することができることが理解される。銀のナノ粒子は、1014倍に表面場を増強することができることが、例えばS. Emory et al., 「Near Field Surface-Enhanced Raman Spectroscopy on Single Silver Nanoparticles」, Anal. Chem. 69, 2631-2635 (1997)に報告されている。
【０２４０】
本発明によれば、ナノ粒子は、数ナノメートルのナノ孔の端に配置された伝導性ナノ電極の先端を、ナノ孔によって形成される相互電極ギャップに延長することによって提供することができる。この条件は、図16Iに252a、252bの先端で図示される。レーザーなどの光学供与源によるナノ電極端の励起により、ナノ電極の先端に近い電磁場を増強する際の自立型金属ナノ粒子と同様の挙動を先端に生じさせる。この表面増強機構により、電極端の表面の近くを通過する原子または分子の近光学場を、これらの光学場を「見る」ことができる位置に増強することができる。従って、本発明に従ったナノ電極を含む固体ナノ孔装置を、極めて感受性の光学的検出手段の鍵となる要素として使用することができる。
【０２４１】
この考察では、本発明の固体の特徴部形成および寸法制御プロセスの多様な適用を強調する。本発明の減算および加算的な物質加工技術により、本発明の物理種の検出およびフィードバック制御と連動して、再現性があり、かつ非常に正確な特徴部形成が可能になる。この精度および制御の利点は、ナノメートルの特徴部寸法および許容度で適用されるときに最も明らかである。もちろん、当業者であれば、当該技術分野に対する本貢献の趣旨および範囲から逸脱することなく、本発明のプロセスに種々の変更および付加を行ってもよいことが認識される。従って、本明細書に与えられることが要求される保護は、公平に本発明の範囲内で特許請求の範囲の主題およびこれらの全ての均等の範囲に拡張されると考えられるべきであることが理解される。
【図面の簡単な説明】
【０２４２】
【図１】図1A〜1Dは、本発明に従った開口部の製造のための一連の製造工程の模式断面図である。
【図２】図2A〜2Gは、膜中の図1Aのキャビティの製造のための一連の製造工程の模式断面図である。
【図３】図3A〜3Bは、イオン計数によって正確なフィードバック制御を実行するように本発明に従って構成されたイオンビーム侵食システムの模式図であり、図3Cは、トンネル電流測定によって正確なフィードバック制御を実行するように本発明に従って構成されるイオンビーム侵食システムの模式図である。
【図４】図4Aは、本発明に従って厚さ500nmの窒化ケイ素膜に形成されたキャビティの電子顕微鏡写真であり、図4Bは、本発明によって提供されるプロセスによって窒化ケイ素膜に形成された幅10nmの開口部の電子顕微鏡写真であり、図4Cは、図4Bに示した開口部に生じた開口部のエッチングプロセスについての、検出されたイオン総数の時間の関数としてのプロットである。
【図５】図5Aは、本発明に従って厚さ500nmの窒化ケイ素膜に形成された幅37nmの開口部の電子顕微鏡写真であり、図5Bは、本発明によって提供されるプロセスによる、幅58nmまで拡大した図5Aの開口部の電子顕微鏡写真であり、図5Cは、図5Aに示す開口部から図5Bに示す開口部までの開口部の増大を生じる開口部エッチングプロセスに関して検出された、時間の関数としてのイオン総数のプロットである。
【図６】図6A〜6Cは、本発明によって提供されるプロセスによる、開口部直径を制限する減少の段階の図式的横断面図である。
【図７】図7Aは、本発明に従って厚さ500nmの窒化ケイ素膜に形成された幅95nmの開口部の電子顕微鏡写真であり、図7Bは、本発明によって提供されるプロセスによる、幅3nmまで減少された図5Aの開口部の電子顕微鏡写真であり、図7Cは、図7Aに示す開口部から図7Bに示す開口部までの開口部の減少を生じる開口部エッチングプロセスに関して検出された、時間の関数としてのイオン総数のプロットである。
【図８】種々の温度で本発明の質量輸送プロセスに供した、500nm厚の窒化ケイ素膜における、当初は72nm×72nmの正方形開口部のイオンスパッタリング時間の関数としての、1秒当たりの検出イオン総数のプロットである。
【図９】図9A〜9Bは、本発明により提供される物質輸送プロセスに関する、約1400nm２の初期面積を有する開口部における、5個の異なるイオンフラックスに関する総イオン線量の関数としての開口部面積、およびイオンフラックスの関数としての線量当たりの開口部面積減少の、それぞれのプロットである。
【図１０】図10A〜10Cは、下方のシリコンウエハの上に堆積され、該シリコンウエハを露出しているトレンチを有する窒化ケイ素層、本発明により提供される物質輸送プロセス条件の結果としての、窒化ケイ素トレンチの部分的なフルイン（充填）、および本発明により提供されるスパッタリング条件の結果としての上部トレンチ層の部分的なスパッタリングエッチング除去の、走査型電子顕微鏡写真である。
【図１１】図11Aは、種々のイオンビーム曝露サイクルについて、時間の関数として計数した開口部を横切るイオン／秒のプロットであり、図11Bは、パルスしたイオンビーム曝露の示された負荷サイクルおよび連続イオンビーム曝露に関する、アルゴンイオンビームフルエンスの関数としての、実験的に測定した二酸化ケイ素膜の穴の領域のプロットであり、図11Cは、パルスしたイオンビーム曝露の示された負荷サイクルおよび連続イオンビーム曝露に関する、-100℃の温度での、アルゴンイオンビームフルエンスの関数としての、実験的に測定した二酸化ケイ素膜の穴の領域のプロットである。図11Dは、イオン曝露が、連続的イオンビーム曝露とパルスされたイオンビーム曝露との間で切替えられ、10msのビームの「オン」および10msのビームの「オフ」でパルスされたイオンビーム曝露の50%の負荷サイクルを有するように、アルゴンイオンビームフルエンスの関数として、窒化ケイ素膜の穴の領域および実験的に測定した、二酸化ケイ素膜の穴の領域のプロットである。
【図１２】一方の表面が集束イオンビームに曝されることにより、イオンビームに曝された膜表面と反対の膜表面に開口部および突出が生じた窒化ケイ素膜の原子間力顕微鏡写真である。
【図１３】本発明によって提供される物質輸送およびイオン侵食プロセスを受けて、本発明によって提供されるおよびイオン侵食モデルの種々の期間に対応する物理的な機構を同定する固体構造体表面の略図である。
【図１４】図14Aは、本発明によって提供される物質的輸送プロセスに関する、4つの異なるイオンフラックスのための、および連続的ならびに周期的なイオンフラックスへの曝露のための、総イオン線量の関数としての開口部領域のプロットであり、図14Bは、入射アルゴンイオン・フラックスの関数としての吸着原子拡散距離の逆プロットである。
【図１５】負に荷電したDNA分子が、本発明に従って窒化ケイ素膜内に実験的に作製されるナノ孔を介して引き出されたように作製された、時間の関数としての、実験的に測定した電流のプロットである。
【図１６】図16A〜16Gは、本発明に従って固体ナノ孔装置を製造するための、本発明によって提供される構造の種々の段階での構造体の斜視図であり、図16Hおよび16Iは、本発明の固体ナノ孔装置を製造するための構造体の斜視図であり、ここでナノ孔装置のナノ電極間のギャップを制御するように加工され、図16Jは、本発明に従って提供される固体ナノ孔装置の断面図であり、ナノ電極の全体に電気絶縁層を有する。
【図１７】図17Aおよび17Bは、ナノ孔ならびにナノ孔およびナノ電極のイオンビーム侵食より前および後にそれぞれ対応するナノ電極を含む構造体の平面図である。
【図１８】図18Aは、ナノ電極を製造するために本発明に従って加工されたアルミニウム片を含む実験的な窒化ケイ素膜の電子顕微鏡写真であり、これらの間のギャップは、12nmの範囲にイオンビーム侵食されており、図18Bは、3つの異なる相互電極ギャップに関する、2つのナノ電極間のバイアス電圧の関数としての実験的に測定されたトンネル電流のプロットであり、図18Cは、7つの異なるイオンビーム線量に関する、電極間のギャップのイオンビーム侵食の間の、2つのナノ電極間のバイアス電圧の関数として実験的に測定されたトンネル電流のプロットである。
【図１９】本発明によって提供される固体ナノ孔を通るイオン電流の通過および重合体の模式図である。
【図２０】本発明によって提供される固体ナノ孔を通るDNA分子の通過の間の、印加電圧の関数として実験的に測定されたイオン電流のプロットである。
【図２１】水およびDNA分子を通る本発明のナノ孔を横切る電子トンネル効果事象の模式図である。
【図２２】単鎖のDNA分子の種々のヌクレオチド塩基がナノ電極によって提供されるナノ孔を通過する、本発明の固体ナノ孔装置のナノ電極間で実験的に測定されたトンネル電流のプロットである。
【図１】
2006523144.tif 000023
【図２Ａ】
2006523144.tif 000024
【図２Ｂ】
2006523144.tif 000025
【図２Ｃ】
2006523144.tif 000026
【図２Ｄ】
2006523144.tif 000027
【図２Ｅ】
2006523144.tif 000028
【図２Ｆ】
2006523144.tif 000029
【図２Ｇ】
2006523144.tif 000030
【図３Ａ】
2006523144.tif 000031
【図３Ｂ】
2006523144.tif 000032
【図３Ｃ】
2006523144.tif 000033
【図４Ａ】
2006523144.tif 000034
【図４Ｂ】
2006523144.tif 000035
【図４Ｃ】
2006523144.tif 000036
【図５Ａ】
2006523144.tif 000037
【図５Ｂ】
2006523144.tif 000038
【図５Ｃ】
2006523144.tif 000039
【図６】
2006523144.tif 000040
【図７Ａ】
2006523144.tif 000041
【図７Ｂ】
2006523144.tif 000042
【図７Ｃ】
2006523144.tif 000043
【図８】
2006523144.tif 000044
【図９Ａ】
2006523144.tif 000045
【図９Ｂ】
2006523144.tif 000046
【図１０】
2006523144.tif 000047
【図１１Ａ】
2006523144.tif 000048
【図１１Ｂ】
2006523144.tif 000049
【図１１Ｃ】
2006523144.tif 000050
【図１１Ｄ】
2006523144.tif 000051
【図１２】
2006523144.tif 000052
【図１３】
2006523144.tif 000053
【図１４】
2006523144.tif 000054
【図１５】
2006523144.tif 000055
【図１６Ａ】
2006523144.tif 000056
【図１６Ｂ】
2006523144.tif 000057
【図１６Ｃ】
2006523144.tif 000058
【図１６Ｄ】
2006523144.tif 000059
【図１６Ｅ】
2006523144.tif 000060
【図１６Ｆ】
2006523144.tif 000061
【図１６Ｇ】
2006523144.tif 000062
【図１６Ｈ】
2006523144.tif 000063
【図１６Ｉ】
2006523144.tif 000064
【図１６Ｊ】
2006523144.tif 000065
【図１７】
2006523144.tif 000066
【図１８】
2006523144.tif 000067
【図１９】
2006523144.tif 000068
【図２０】
2006523144.tif 000069
【図２１】
2006523144.tif 000070
【図２２】
2006523144.tif 000071
【国際調査報告】
2006523144.tif 000072
2006523144.tif 000073
2006523144.tif 000074
2006523144.tif 000075
2006523144.tif 000076