(57)【要約】【課題】０．５ｎｍ〜１０ｎｍの寸法を有するナノ構造体を作製することができる、多価イオンを用いたナノ構造体の作製方法とその作製装置を提供する。【解決手段】被加工物３の表面に被加工物３とは異なる異種分子又は異種原子２を吸着させる第１の工程と、被加工物３の表面に１０価以上の価数を有する多価イオン１を照射し、異種分子又は異種原子２をスパッタしてナノ活性領域３Ａを形成する第２の工程と、ナノ活性領域３Ａへナノ活性領域３Ａと表面化学反応を生起する反応性物質４を導入し、ナノ活性領域３Ａに表面反応生成物５を形成する第３の工程と、によって表面反応生成物５がｎｍオーダーの寸法を有するナノ構造体を作製する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物の表面に該被加工物とは異なる異種分子又は異種原子を吸着させる第１の工程と、
上記被加工物の表面に１０価以上の価数を有する多価イオンを照射し、上記異種分子又は異種原子をスパッタしてナノ活性領域を形成する第２の工程と、
上記ナノ活性領域へ該ナノ活性領域と表面化学反応を生起する反応性物質を導入し、上記ナノ活性領域に表面反応生成物を形成する第３の工程と、を備え、
上記表面反応生成物がｎｍオーダーの寸法を有するナノ構造体を得ることを特徴とする、ナノ構造体の作製方法。
【請求項２】
前記第２工程における被加工物への多価イオンの照射個数の最小値が１個である、請求項１に記載のナノ構造体の作製方法。
【請求項３】
前記第３工程の後、被加工物を前記多価イオンの照射方向に対して垂直な面内において所定の距離だけ移動させる第４の工程を備える、請求項１又は２に記載のナノ構造体の作製方法。
【請求項４】
前記第２〜４工程を繰り返して被加工物を加工する、請求項１〜３の何れかに記載のナノ構造体の作製方法。
【請求項５】
前記表面反応生成物をマスクとして前記被加工物をエッチングする工程を含む、請求項１〜４に記載のナノ構造体の作製方法。
【請求項６】
前記被加工物がＳｉ又はダイヤモンドであり、前記異種原子又は異種分子が、水素、ハロゲンガス、アルカリ金属、Ｃ６０の何れかである、請求項１に記載のナノ構造体の作製方法。
【請求項７】
前記反応性物質が、酸素、ＰＨ３、金属の何れかを含む、請求項１に記載のナノ構造体の作製方法。
【請求項８】
被加工物を搭載するステージと、
１０価以上の価数を有するイオンを発生させる多価イオン発生源と、
上記多価イオンを上記被加工物に導くための多価イオンガイドと、
二次電子検出部及び二次電子信号処理部と、
上記被加工物と表面化学反応を生起する反応性物質を導入する反応性物質導入手段と、
上記多価イオン発生源からの多価イオン照射を制御するための多価イオン制御データと反応性物質導入手段からの反応性物質の導入を制御するための反応性物質制御データとが入力されるデータ入力部と、
上記多価イオン制御データに基づいて上記多価イオン発生源を制御し、上記反応性物質制御データに基づいて上記反応性物質導入手段を制御する制御手段と、
を、備えた、ナノ構造体の作製装置。
【請求項９】
前記二次電子信号処理部が前記二次電子検出部からの信号を判定する信号判定回路を備え、この信号判定回路が、前記被加工物への前記多価イオンの照射個数を１個単位で計測する、請求項８に記載のナノ構造体の作製装置。
【請求項１０】
前記二次電子検出部は、電気的に独立した複数の二次電子検出器を備えた、請求項８に記載のナノ構造体の作製装置。
【請求項１１】
前記ステージは位置制御手段を備え、該位置制御手段が前記制御手段への入力データにより制御される、請求項８に記載のナノ構造体の作製装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、価数が１０以上の多価イオンを用いたナノ構造体の作製方法及びナノ構造体の作製装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子から電子を取り除くと正のイオンができるが、例えばＸｅ４４＋イオンのように、電子を２個以上取り去ったものを正の多価イオンという。多価イオンは極めて大きな内部エネルギーを有しており、多価イオンが固体表面と衝突すると、多数の二次電子が放出されたり（非特許文献１参照）、多価イオンの入射点まわりにナノメートル（ｎｍ）の大きさの構造変化が誘起される（非特許文献２参照）など、数多くの特異的な現象が起こる。この多価イオンと物質の特異な相互作用は、単一イオンインプランテーションや量子ドット作製などのｎｍ領域のプロセス技術に応用できる可能性があり、注目を集めている（非特許文献３参照）。
【０００３】
このような多価イオンを生成するイオン源としては、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）型イオン源（ＥＣＲＩＳ）と電子ビーム型イオン源（ＥＢＩＳ）とが知られている。後者は得られるイオンの電離度が高いという特徴がある。
【０００４】
ＥＢＩＳとしては、原子物理学の研究用に開発された核融合研究所の装置が知られている（例えば非特許文献４参照）。この装置は、電子源（カソード）、ドリフトチューブ、コレクタ、ソレノイド磁石、イオン引き出し用レンズなどから構成されている。カソードから出射した電子は、磁場中に配置されたドリフトチューブを通り、コレクタに捕集される。電子は、ドリフトチューブに形成される強磁場で圧縮され大電流密度の電子ビームとなっている。一方、カソード付近から導入された気体は、イオンに対して障壁となるドリフトチューブ内に形成される井戸型ポテンシャルによって電子による衝突電離が進み、多価イオンとなる。
【０００５】
さらに、１９８８年には、ＥＢＩＳを改良したＥＢＩＴ（電子ビームイオントラップ）が開発された（非特許文献５参照）。このＥＢＩＴの多価イオン発生原理はＥＢＩＳと同じであるが、超伝導ヘルムホルツ型コイルを用い、ドリフトチューブを従来よりも短くして、ドリフトチューブ内のプラズマの不安定性を回避することによりイオンの閉じ込め時間を改善し、高価数の多価イオンを安定に保持できる。このため、ＥＢＩＴでは、ドリフトチューブでの電子ビームの絞込みを究極まで行い、高電離イオンを生成することを可能にした。
【０００６】
また、ＥＢＩＴとして、ウラン（Ｕ）まで完全電離できるように、電子の加速電圧を最大３００ｋＶとした装置が本発明者等により開発されている（非特許文献６参照）。このＥＢＩＴは、原子物理学の研究のために開発されたもので、生成可能な多価イオンの内部エネルギーとしては世界最高の性能を持っている。
【０００７】
ところで、半導体集積装置の微細加工は４５ｎｍ露光が実用化され、さらに、微細な加工を行うための各種の加工方法が検討されている。１０ｎｍ程度までの加工には、電子ビームや収束イオンビーム（ＦＩＢ）が用いられている。ＦＩＢでは、イオンの収差やイオン輸送系の性能限界により１０ｎｍ以下の加工は困難とされている。このような加工方法は上から削って小さくする手法であり、所謂トップダウンの技術と呼ばれている。
【０００８】
多価イオンによる加工方法として、非特許文献７には、超高真空中の酸素雰囲気でＳｉ基板へ８価のアルゴンイオン（Ａｒ８＋）を照射することで、Ｓｉ表面に酸化膜を形成することが試みられ、大きさが３１ｎｍ〜５０ｎｍ程度の酸化膜が形成できたことが報告されている。
【０００９】
従来の微細方法の限界を克服するために本発明者等は、Ｓｉ表面にヨウ素の多価イオン（Ｉ３０＋，Ｉ４０＋，Ｉ５０＋）を照射したときにスパッタリングされる領域の大きさや深さをＳＴＭで調べ、ｎｍサイズの照射痕跡が形成できることを報告している（非特許文献８参照）。
【００１０】
別のナノサイズの加工方法として、下から積み上げる手法、所謂ボトムアップの技術と呼ばれている方法が研究されている。例えば、非特許文献９及び１０には、試料表面に吸着した水素イオンをＳＴＭ（走査型トンネル顕微鏡）を用いて電流注入により剥がす方法が報告されている。
【００１１】
【非特許文献１】J. W. McDonald 他３名, Phys. Rev. Lett.,Vol.68,(1992), p.2297
【非特許文献２】T. Meguro et al., Appl. Phys. Lett., Vol.79,(2001), p.3866
【非特許文献３】T. Schenkel et al., Appl. Phys., Vol.94, (2003), p.7017
【非特許文献４】小林  信夫、大谷  俊介  他７名、名古屋大学プラズマ研究所資料・技術報告、ＩＰＰＪ−ＤＴ−８４、１９８１年
【非特許文献５】ＭＡ. Levin 他７名, Physica Scr., T22, (1988), p.157
【非特許文献６】大谷俊介、桜井誠、プラズマ・核融合学会誌、73,(1997),p.1063
【非特許文献７】G. Borsoni 他４名, J. Vac. Sci. Technol. Vol. B 18(6), (2004), pp.3535-3538
【非特許文献８】M. Tona 他９名, Surface Science, 601, (2007), pp.723-727
【非特許文献９】L. Soukiassian 他３名, Surface Science, Vol.528,(2003), pp. 121-126
【非特許文献１０】T. Hallam 他４名, Journal of Applied Physics, Vol.101,(2007), 034305
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従来の８価程度の多価イオンを用いた加工方法では、１０ｎｍ以下の微細構造体は得られていない。多価イオン発生源による加工方法について研究が進んでいるがナノ構造体の作製方法やそれに用いる装置は実現されていない。
【００１３】
本発明は、上記課題に鑑み、従来の方法では困難であった０．５ｎｍ〜１０ｎｍの寸法を有するナノ構造体の作製することができる、多価イオンを用いたナノ構造体の作製方法及びナノ構造体の作製装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するため、本発明のナノ構造体の作製方法は、被加工物の表面に被加工物とは異なる異種分子又は異種原子を吸着させる第１の工程と、被加工物の表面に１０価以上の価数を有する多価イオンを照射し、異種分子又は異種原子をスパッタしてナノ活性領域を形成する第２の工程と、ナノ活性領域へナノ活性領域と表面化学反応を生起する反応性物質を導入し、ナノ活性領域に表面反応生成物を形成する第３の工程と、を備え、表面反応生成物がｎｍオーダーの寸法を有するナノ構造体を得ることを特徴とする。
【００１５】
上記構成において、第２工程における被加工物への多価イオンの照射個数の最小値は、好ましくは１個である。
第３工程の後、好ましくは、被加工物を多価イオンの照射方向に対して垂直な面内において所定の距離だけ移動させる第４の工程を備える。
好ましくは、第２〜４工程を繰り返して被加工物を加工する。
好ましくは、表面反応生成物をマスクとして被加工物をエッチングする工程を含む。
被加工物は、Ｓｉ又はダイヤモンドで、異種原子又は異種分子は、水素、ハロゲンガス、アルカリ金属、Ｃ６０の何れかであることが好ましい。
反応性物質は、好ましくは、酸素、ＰＨ３、金属の何れかを含む。
【００１６】
本発明のナノ構造体の作製装置は、被加工物を搭載するステージと、１０価以上の価数を有するイオンを発生させる多価イオン発生源と、多価イオンを被加工物に導くための多価イオンガイドと、二次電子検出部及び二次電子信号処理部と、被加工物と表面化学反応を生起する反応性物質を導入する反応性物質導入手段と、多価イオン発生源からの多価イオン照射を制御するための多価イオン制御データと反応性物質導入手段からの反応性物質の導入を制御するための反応性物質制御データとが入力されるデータ入力部と、多価イオン制御データに基づいて多価イオン発生源を制御し、反応性物質制御データに基づいて反応性物質導入手段を制御する制御手段と、を、備えている。
【００１７】
上記構成において、二次電子信号処理部は、二次電子検出部からの信号を判定する信号判定回路を備え、信号判定回路で被加工物への多価イオンの照射個数を１個単位で計測するように構成することができる。
二次電子検出部は、好ましくは電気的に独立した複数の二次電子検出器を備えている。ステージは、好ましくは位置制御手段を備え、位置制御手段が制御手段への入力データにより制御される。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、被加工物に多価イオンを照射する際、価数を制御した多価イオンを照射することにより０．５ｎｍ〜１０ｎｍ程度の点状のナノ構造体を作製することができる。この点状のナノ構造体を連続して線状のナノ構造体も作製することもできる。
さらに、このような被加工物の表面にｎｍオーダーの寸法を有する活性領域を形成し、このナノ活性領域と異種物質との表面化学反応により形成したナノ構造体により新機能を持った量子構造を有する素子等を作製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面に示した実施形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
（点状のナノ構造体の作製方法１）
図１は、多価イオン１を用いた点状のナノ構造体５の作製方法を示すフロー図であり、図２は、点状のナノ構造体５の作製方法の各段階において加工する固体３の断面を模式的に示す図である。
ステップＳＴ１において、被加工物となる固体３等の表面へ固体３とは異なる異種分子又は異種原子２を吸着させる。固体３としては、例えばＳｉ（シリコン）やダイヤモンドなど各種の基板が用いられる。固体３の表面に吸着させる異種原子２としては、水素、塩素等のハロゲンガス、アルカリ金属が挙げられる。異なる異種分子２としては、Ｓｉ等の基板上に形成した極めて薄い酸化膜（以下、適宜に極薄酸化膜と呼ぶ）やＣ６０等が挙げられる。この場合には、水素２や極薄酸化膜２がレジストの役目を果すのでレジストと呼ぶ。
【００２０】
ステップＳＴ２において、固体の表面に高価数の多価イオン１を照射し、レジストを剥離する。多価イオン１の価数は１０以上が望ましい。図２（Ａ）は、レジストとなる異種原子２で終端された固体３の表面に多価イオン１が衝突する様子を模式的に示す図である。図２（Ｂ）は、多価イオン１が異種原子２で終端された被加工物３である固体に衝突した後の固体表面を模式的に示す図である。多価イオン１が衝突すると、固体３の表面はポテンシャルスパッタリングにより異種原子２が剥離し、固体３の表面にｎｍオーダーの寸法を有する活性領域３Ａ（以下、適宜にナノ活性領域と呼ぶ）が形成される。この場合、多価イオン１により固体３の表面原子がスパッタリングされる場合もあり、図中にスパッタされた固体に符号３Ｂを付して示している。このように、レジストをマスクとして、表面にナノ活性領域３Ａを形成する工程は、多価イオン１によるリソグラフィとも呼ぶことができる。
【００２１】
上記のポテンシャルスパッタリングは、通常の１価のイオンが衝突して被加工物３の表面の原子に与える運動エネルギー付与の効果とは異なり、多価イオン１が有しているポテンシャルエネルギーを被加工物３の表面におけるナノ活性領域３Ａに与えることで、被加工物３の表面に存在する吸着した原子や分子２をスパッタリングする現象である。
【００２２】
ポテンシャルスパッタリングにおいては、ナノ活性領域３Ａの大きさを照射する多価イオン１の価数で制御することができる。
【００２３】
ステップＳＴ３において、異種原子２が剥離された領域、つまり、ナノ活性領域３Ａへ表面化学反応を施す。表面化学反応は、固体３と化学反応を生起する異種原子や異種分子等からなる反応性物質４をナノ活性領域３Ａに導入することで生起させることができる。このような反応性物質４を反応性原子又は反応性分子と呼ぶ。反応性原子としては、酸素（Ｏ）や砒素（Ａｓ）、Ｅｒ（エルビウム）等の金属ガスが挙げられる。反応性分子としては、酸素ガス、ＰＨ３等の金属と他の原子との化合物からなる金属化合物ガス等が挙げられる。酸素ガス４を導入すると、固体３の表面で酸化反応を生起させることができ、この表面化学反応によりナノ活性領域３Ａには表面反応生成物５が生じる。図２（Ｃ）は、ナノ活性領域３Ａへ表面化学反応を生起する反応性物質４としての反応性原子又は反応性分子が導入されて、表面反応生成物５が形成される様子を模式的に示している。この表面反応生成物５はナノ活性領域３Ａがｎｍサイズの寸法を有しており、その表面に形成されるのでｎｍサイズを有している。この表面反応生成物５を本発明ではナノ構造体と呼ぶ。
【００２４】
固体３がＳｉの場合には、反応性物質４として酸素や酸素ガスを用いればＳｉの表面酸化によりＳｉ酸化膜からなるナノ構造体５を作製することができる。
【００２５】
上記工程によれば、固体３等の表面に固体３とは異なる異種分子又は異種原子２を吸着させ、固体３の表面へ多価イオン１を照射することにより、多価イオン１が照射された近傍の異種分子又は異種原子２だけが固体３の表面から脱離し、ナノ活性領域３Ａが形成される。次に、反応性物質４をナノ活性領域３Ａに導入して表面化学反応を行うことで、ナノ活性領域３Ａの表面だけに表面化学反応で形成されたナノ構造体５を作製することができる。
【００２６】
上記ナノ構造体５は、水素終端したＳｉ表面を用いて作製することができる。この場合、固体３がＳｉであり、吸着した異種原子２が水素である。Ｓｉ３と水素２の結合（Ｓｉ−Ｈ）は化学的に安定な表面を有している。超高真空中でおいては、欠陥の非常に少ない水素終端されたＳｉ表面を作製することができる。例えば、Ｓｉ（１００）−（２×１）−Ｈ表面を作製可能で、この表面を一度大気に曝しても、依然として原子分解能で表面状態を観察できることが知られている。このような水素終端されたＳｉ表面へ、１０価以上の多価イオン１の照射により水素だけをＳｉ表面から脱離させることができる。この現象は、１０価以上の多価イオン１の衝突によって水素２が剥離したナノ領域において、反応性が増強されることに起因すると考えられる。次に酸化処理を行うことで水素２の脱離したＳｉ表面だけにＳｉ酸化膜からなるナノ構造体５を形成することができる。
【００２７】
後述するが、多価イオン１のもつ水素終端表面への強い反応性は、ＴＯＦ−ＳＩＭＳで示された。この測定では、１個以上の水素２が１個の多価イオン１の衝突でスパッタされ、その収率は価数と共に増大することが明らかとなった。
【００２８】
このように、１０価以上の多価イオン１の照射により、Ｓｉ酸化膜からなる１０ｎｍ以下の非常に微細なナノ構造体５を形成することができる。この場合、多価イオン１の価数を１０価以上とし、その価数を制御することで、０．５ｎｍ〜１０ｎｍ程度の点状のナノ構造体５を作製することができる。多価イオン１の価数は、使用するイオンにもよるが３０価以上としてもよい。
【００２９】
（線状のナノ構造体の作製方法１）
上記の多価イオン１の照射を、固体３の位置を制御して微小距離だけ移動する毎に行うことにより線状や面上のナノ構造体５を作製することができる。以下の説明では、固体３をＳｉ基板とし、異種原子２を水素とし、反応性物質４を酸素ガスとして説明する。
図３は、線状のナノ構造体５の作製方法を示すフロー図である。
先ず、ステップＳＴ１において、Ｓｉ基板３の表面処理を行い、水素２が終端したＳｉ基板３を作製する。次に、ステップＳＴ２において、多価イオン１を照射し、ナノ活性領域３Ａを形成する。
【００３０】
次に、ステップＳＴ３において、ナノ活性領域３Ａへ酸素ガス４を導入して酸化を行う。ステップＳＴ１〜ＳＴ３の工程は、点状のナノ構造体５と同じ工程である。
【００３１】
次に、ステップＳＴ４において、Ｓｉ基板３をＸ方向に移動するか否かを判定する。ステップＳＴ４において、Ｓｉ基板３をＸ方向に移動すると判定したとき（ＹＥＳ）には、ステップＳＴ５でＳｉ基板３をＸ方向に所定距離だけ移動し、再びＳＴ２の多価イオン１の照射及びＳＴ３の酸化を行う。この工程により２個目の点状ナノ構造体５が形成される。
【００３２】
上記ステップＳＴ２〜ＳＴ５の工程を、Ｓｉ基板３のＸ方向の位置を変えて行い、ステップＳＴ４において、Ｓｉ基板３をこれ以上Ｘ方向に移動しないと判定したとき（ＮＯ）に工程を終了する。このようにして、多価イオン１をＳｉ基板３のＸ方向の位置を変えながら、そのたびに多価イオン１の照射及び酸化を行う工程を繰り返す。これにより、多価イオン１の１回の照射で形成される点状ナノ構造体５が直線状に連続して形成され、線状のナノ構造体５を作製することができる。
【００３３】
（面状のナノ構造体の作製方法１）
さらに、多価イオン１の照射工程と酸化工程とを、Ｓｉ基板３を二次元で移動させて行えば、面状のナノ構造体５を作製することもできる。
【００３４】
（点状のナノ構造体の作製方法２）
上記加工においては、水素２が終端されたＳｉ３の表面に多価イオン１を照射し、レジストとなる水素２を剥離してナノ活性領域３Ａを形成し、このナノ活性領域３Ａを酸化してＳｉ酸化膜からなるナノ構造体５を形成した。さらに、このように形成したＳｉ酸化膜からなるナノ構造体５をマスクとして用いた点状のナノ構造体の作製方法について説明する。
【００３５】
図４は、Ｓｉの点状ナノ構造体５の作製方法を示すフロー図である。
図４においてステップＳＴ１〜ＳＴ３は、Ｓｉ酸化膜からなるナノ構造体５の作製方法と同じである。この工程により水素終端されたＳｉ基板３にＳｉ酸化膜からなる点状のナノ構造体５が作製される。
【００３６】
ステップＳＴ６において、ステップＳＴ３で形成されたＳｉ酸化膜からなる点状のナノ構造体５をマスクとしてＳｉの選択エッチングを行う。つまり、Ｓｉ酸化膜をエッチングせずにＳｉだけをエッチングする方法によりＳｉエッチングを行う。この選択エッチングは、化学エッチングや反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いて行うことができる。
【００３７】
図５は、作製されたＳｉからなる点状ナノ構造体５の断面を模式的に示す図である。上記工程によりＳｉ酸化膜からなる点状のナノ構造体５がマスクとなるので、マスクで被覆されたＳｉ基板３の表面はエッチングされず、マスクで被覆されていないＳｉ基板３の表面がエッチングされる。そのため、Ｓｉ基板３の表面には、Ｓｉ酸化膜からなる点状のナノ構造体５で被覆された凸部領域３Ｃと、他の領域がエッチングで削られた領域３Ｄとなる。つまり、Ｓｉ３の表面には、Ｓｉ酸化膜からなる点状のナノ構造体５の形状が転写された凸部領域３Ｃと、エッチングで削られた領域３Ｄが形成される。これにより、凸部領域３ＣがＳｉからなる点状のナノ構造体５となる。つまり、Ｓｉからなる点状のナノ構造体５を作製することができる。
なお、Ｓｉ酸化膜からなる点状のナノ構造体５が不要な場合には、Ｓｉ酸化膜をＳｉに対して選択的にエッチングできるエッチング方法により除去してもよい。
【００３８】
（線状のナノ構造体の作製方法２）
さらに、上記加工において、Ｓｉ基板３をＸ方向に走査しながら行うことで、Ｓｉの線状のナノ構造体５を作製することができる。
図６は、Ｓｉの線状ナノ構造体５の作製方法を示すフロー図である。
図６においてステップＳＴ１〜ＳＴ５は、Ｓｉ酸化膜からなる線状のナノ構造体５の作製方法と同じである。ステップＳＴ４において、Ｓｉ基板３をこれ以上Ｘ方向に移動しないと判定したとき（ＮＯ）は、ステップＳＴ６へ移行する。
【００３９】
ステップＳＴ６において、ステップＳＴ１〜ステップＳＴ５で作製されたＳｉ酸化膜からなる線状のナノ構造体５をマスクとしてＳｉ基板３の選択エッチングを行う。このＳｉエッチングは、ＲＩＥ法等を用いて行うことができる。この工程により、Ｓｉ酸化膜からなる線状のナノ構造体５の形状に応じて、Ｓｉからなる線状のナノ構造体５が形成される。つまり、Ｓｉ表面においては、Ｓｉ酸化膜からなる線状のナノ構造体５の形状が転写されて凸部領域３Ｃとなり、Ｓｉ酸化膜からなる線状のナノ構造体５が被覆されていない領域がエッチングで削られる。これにより、Ｓｉの線状のナノ構造体５を形成することができる。
【００４０】
（面状のナノ構造体の作製方法２）
さらに、多価イオン１の照射工程と酸化工程とを、Ｓｉ基板３を二次元で移動させて行い、Ｓｉ酸化膜からなる面状のナノ構造体５を作製した後、このＳｉ酸化膜からなる面状のナノ構造体５をマスクとしてＳｉの選択エッチングを施せば、面状のＳｉナノ構造体５を作製することができる。
【００４１】
本発明の多価イオン１を用いたナノ構造体５の作製方法によれば、多価イオン１の価数によって、ナノ構造体５の寸法を制御して０．５ｎｍ〜１０ｎｍ程度の点状のナノ構造体５を作製することができる。この点状のナノ構造体５を連続して作製すれば、線状のナノ構造体５を作製することができる。この場合には、線幅が０．５ｎｍ〜１０ｎｍの微細な細線を作製することができる。
【００４２】
さらに、このような固体等の表面にｎｍオーダーの寸法を有するナノ活性領域３Ａを形成し、このナノ活性領域３Ａと反応性物質４との表面化学反応により形成したナノ構造体５により新機能を持った量子構造体や量子構造を有する素子を作製することができる。
【００４３】
本発明の多価イオン１を用いたナノ構造体５の作製方法によれば、１０価以上の多価イオン１を使用している。多価イオン１は、イオン１個で数ｎｍの加工が可能である点は、ＳＴＭを用いた加工と同様の利点であり、ボトムアップ的な手法を有している。一方、多価イオン発生源１１は、ＦＩＢと同様なビーム輸送技術を用いているので、広範囲に、かつ、高密度にナノ構造体５を作製できる利点をも有している。
【００４４】
なお、上記の説明においては、点状、線状及び面状のナノ構造体５の作製方法について説明したが、複雑な形状も点状、線状及び面状のナノ構造体５の組み合わせにより作製することができる。また、上記ナノ構造体５の作製においては、Ｓｉ基板３を二次元で移動させた方法について説明したが、Ｓｉ基板３を固定して多価イオン１のビーム自体を走査する方法でもよい。さらに、Ｓｉ基板３上にパターン加工を施したマスクを形成し、このマスクの開口部へ多価イオン１を通過させる方法でもよい。
【００４５】
（ナノ構造体作製装置）
次に、ナノ構造体５の作製方法に用いるナノ構造体作製装置について説明する。
図７は、ナノ構造体５の作製に用いるナノ構造体作製装置１０の構成例を示す模式図である。
図７に示すように、ナノ構造体作製装置１０は、被加工物を搭載するステージ４６と、１０価以上の価数を有する多価イオン１を発生させる多価イオン発生源１１と、多価イオン１を被加工物に導くための多価イオンガイド４３と、二次電子検出部４８及び二次電子信号処理部４９と、被加工物３と表面化学反応を生起する反応性物質４を導入する反応性物質導入手段６０と、多価イオン発生源１１からの多価イオン１の照射を制御するための多価イオン制御データと反応性物質導入手段６０からの反応性物質４の導入を制御するための反応性物質制御データとが入力されるデータ入力部６２Ａと、多価イオン制御データに基づいて多価イオン発生源１１を制御し反応性物質制御データに基づいて反応性物質導入手段６０を制御する制御手段６２と、を、備えている。
【００４６】
制御手段６２は、反応性物質導入手段６０を制御すると共に、多価イオン発生源１１から発生させる多価イオン１の加速電圧及び照射個数等を制御する。
【００４７】
多価イオン発生源１１は超高真空に保つことができる真空容器４１に接続され、真空容器４１内に、減速レンズ４２と、多価イオンガイド４３と、多価イオン１が照射される被加工物３を載置するステージ４６と、被加工物３に多価イオン１が照射されたときに発生する二次電子４７を検出する二次電子検出部４８と、被加工物３と化学反応を生起させる反応性物質４を導入する反応性物質導入手段６０とが設けられている。真空容器４１の外部には、二次電子信号処理部４９と、多価イオン発生源１１等を制御する制御手段６２と、が設けられている。真空容器４１は、真空排気装置５０により、後述する多価イオン発生源１１の真空排気装置とは独立に真空排気されてもよい。
【００４８】
減速レンズ４２は、多価イオン発生源１１から入射する多価イオンビーム３４の加速電圧を制御するために設けてられている。この多価イオンビーム３４が種々の多価イオン１を含む場合には、所望の多価イオンを選択するために、さらに、イオン分離器（図示せず）を設けてもよい。イオン分離器としては、分析磁石（偏向磁石）や磁場及び電場によるウィーンフィルターなどを用いることができる。
【００４９】
図８は、図７の多価イオンガイドの先端部の構成を模式的に示す断面図である。多価イオンガイド４３では、その一端４３Ａに多価イオン１を入射し、他端４３Ｂから多価イオン１を出射する。つまり、多価イオン１を被加工物３を載置するステージ４６に導くためのガイドとなっている。そして、多価イオンガイドの他端側４３Ｂの先端部４３Ｃは、直径がおおよそ１００ｎｍ以下程度の開口部を有する、所謂、キャピラリー構造となっている。この多価イオンガイド４３は、好ましくは絶縁体からなり、例えばセラミックや石英ガラスを用いることができる。このようなキャピラリーは、例えば石英の細管を加熱溶融し、溶融状態にて引き伸ばし加工を行うことで製作することができる。
【００５０】
多価イオン１が多価イオンガイド４３に入射すると、多価イオンガイド４３の内壁が帯電する。このために、多価イオン１は多価イオンガイド４３の内壁から反発されて、多価イオンガイド４３の中心部を通過し、キャピラリー構造となっている先端部４３Ｃから被加工物３に入射する。これにより、多価イオン１は、多価イオンガイドの先端部４３Ｃでそのビーム径が絞られ、即ち収束して被加工物３に入射する。
【００５１】
ステージ４６は位置制御手段４６Ａを有し、被加工物３の加工形状に応じて被加工物３を多価イオン１のビームの照射方向に対して垂直な面内でその位置が制御できるように可動なステージとなっている。例えば、ステージ４６は、ＸＹステージやＸＹＺステージなどを用いることができる。ＸＹステージやＸＹＺステージは、電歪素子やステップモーターを用いてその位置制御を行うことができる。
【００５２】
反応性物質導入手段６０は、真空容器４１内に反応性物質４としての酸素ガス等を導入するノズル部６０Ａと反応性物質導入制御部６０Ｂとを備えている。反応性物質導入制御部６０Ｂは、酸素ガス源とノズル部６０Ａとの間に挿入されるストップバルブやマスフローコントローラー等からなり、真空容器４１内の被加工物３に酸素ガス４等を供給する際の流量や供給時間等を制御する機能を備えている。
【００５３】
二次電子検出部４８は、被加工物３に多価イオン１が照射したときに発生する二次電子４７を検出するために二次電子検出器４８Ａ等から構成されている。この場合、１個の多価イオン１の照射により数十個から数百個の二次電子４７が発生するので、照射イオン数を正確に計測できる。この二次電子検出部４８は、被加工物３に１個の多価イオン１が照射したときに発生する二次電子４７を高感度で検出できる検出器を用いることが好ましい。なお、二次電子検出部４８の左側に設けているシールド部５５は、二次電子増倍のために二次電子検出部４８に印加する電圧を外部に漏らさないために設けている。このシールド部５５は金属からなり、二次電子検出部４８を取り囲む形状となっている。
【００５４】
二次電子信号処理部４９は、二次電子検出部４８からの出力が入力され、その測定データの処理を行う。一般に、二次電子信号は雑音が多いため誤計測をする可能性がある。上記二次電子検出部４８は、生じる雑音による計測誤差を無くすために、電気的に独立した複数の二次電子検出器４８Ａ，４８Ｂを備えて構成することができる。
【００５５】
複数の二次電子検出器４８Ａ，４８Ｂを備えた場合、二次電子信号処理部４９には、被加工物３から発生する複数の二次電子４７の計測データが一致するか否かを判定する信号判定回路５２を設けることが好ましい。そして、複数の二次電子検出器４８Ａ，４８Ｂの計測データが一致した場合に、正しい計測データであると判定すればよい。このように、多価イオン１の照射では多数の二次電子４７が放出されるため、少なくとも２個の二次電子検出器４８Ａ，４８Ｂから得られた信号が一致したときのみ真の信号と見なすことで、正確な多価イオン１の数の計測が可能になる。
【００５６】
図９（Ａ）は２つの二次電子検出器４８Ａ，４８Ｂの出力が入力する二次電子信号処理部４９の構成を示す模式図、（Ｂ）はＡＮＤ回路５２の真理値表を示す図である。
図９（Ａ）に示すように、二次電子信号処理部４９は、信号判定回路５２として論理積演算をするＡＮＤ回路を備えている。その入力５２Ａ，５２Ｂには、２つの二次電子検出器４８Ａ，４８Ｂの出力が接続されている。二次電子検出器４８Ａ，４８Ｂの出力は図示しない増幅器によりＡＮＤ回路５２のハイ及びローのレベルの信号を出力するように信号処理がされている。上記の二次電子検出器４８Ａ，４８Ｂとしては、二次電子４７も検出できる所謂光電子増倍管を使用できる。このような電子増倍効果を有する二次電子検出器４８Ａ，４８Ｂとしては、複数のチャンネルトロンや複数のアノード電極を持つマイクロチャンネルプレートを用いることができる。
【００５７】
図９に示す二次電子検出器４８Ａ，４８Ｂは、多価イオン１の個数が１個による二次電子４７を検出したときにハイレベル、即ち１の信号をＡＮＤ回路５２に送出する。逆に、検出しない場合にはローレベル即ち０の信号をＡＮＤ回路５２に送出する。したがって、図９（Ｂ）のＡＮＤ回路の真理値表に示すように、ＡＮＤ回路５２においては、その２入力５２Ａ，５２Ｂが共に１の場合に出力５２Ｃが１となる。これ以外の入力の場合の出力５２Ｃは何れも０である。つまり、２つの二次電子検出器４８Ａ，４８Ｂが共に、多価イオン１の個数が１個による二次電子４７を検出したときには、ＡＮＤ回路５２が多価イオン１が１個発生したと判断する。ＡＮＤ回路５２を用いた信号判定回路によれば、特に、被加工物３へ入射する多価イオン１の強度が著しく弱い場合、例えば多価イオン１のパルス周波数が１Ｈｚ又は１Ｈｚ以下の場合であっても多価イオン１の発生を検出することができる。
【００５８】
ＡＮＤ回路の出力５２Ｃは、制御手段６２に信号Ｓ１として送出される。
なお、２入力ＡＮＤ回路５２を用いた信号判定回路について説明したが、精度を上げるために２入力以上の複数の二次電子検出器４８Ａ，４８Ｂを用いる場合には、二次電子検出器４８Ａ，４８Ｂの数だけの入力を備えたＡＮＤ回路で行えばよい。これにより、複数の二次電子検出器４８Ａ，４８Ｂの計測データが一致した場合に、多価イオン１が照射されたという判定をすることができるので、雑音を除去して精度を高めることができることから、上記第２工程における被加工物３への多価イオン１の照射個数の最小値を１個とすることができる。
【００５９】
上記信号判定回路５２は、多価イオン１のパルス周波数が１００Ｈｚ以上の場合には、二次電子検出部４８からの信号を高速プリアンプで増幅し、この信号を時間弁別器（Ｔｉｍｉｎｇ  Ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｏｒ）を介して多チャンネルアナライザに入力する構成としてもよい。
【００６０】
（多価イオン発生源）
次に、多価イオン発生源１１について説明する。本発明に用いる多価イオン発生源１１は、多価イオン１を発生できればその発生方法を問わない。
図１０は多価イオン発生源１１の構成の一例を模式的に示す断面図である。多価イオン発生源１１において、第１の真空容器１２及び第２の真空容器２０は、それぞれ、真空排気装置２５，２６により独立に排気されるようになっている。第１の真空容器１２内は、多価イオン１の発生のためには、１×１０−５Ｐａ（パスカル）以下、特に１×１０−９Ｐａ以下の極高真空とする。例えば、Ｕ９２＋の生成には１×１０−１０Ｐａ（１×１０−１２Ｔｏｒｒ）の真空が必要である。このため、第１の真空容器１２は脱ガスのために、図示しないベーキング用ヒータなどを用いたベーキング手段を備えている。ベーキング手段を用いることで、第１の真空容器１２は２５０〜３００℃程度にまでベーキングすることができる。
ここで、第１及び第２の真空容器１２，２０は、少なくともそれらの対向面が、超伝導磁石２１からの磁場をドリフトチューブ１５に印加し得るように非磁性材料から形成されている。非磁性材料としては、オーステナイト系ステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ−３０４，ＳＵＳ−３１６）やアルミニウムを用いることができる。
【００６１】
第２の真空容器２０には、外部と熱的に遮断するために超伝導磁石２１が収容され、この超伝導磁石２１は、例えば１０Ｋ（−２６３℃）の極低温に冷却される。また、第２の真空容器２０の真空度は、１０−４Ｐａ程度の高真空にされる。このような高真空を得るためのベーキング手段は不要である。第２の真空容器２０における第１の真空容器１２側の外周部には磁気シールド部１８が設けられている。この磁気シールド部１８は、超伝導磁石２１からの磁場がイオン源電極１３の電子源１４及びコレクタ１６側のドリフトチューブ１５に漏れないようにするために配設するものである。この磁気シールド部１８には、軟鉄などの強磁性材料を用いればよい。
【００６２】
図１１は図１０に示す電子源１４の構成を模式的に示す拡大断面図である。図示するように、電子源１４は、第１の真空容器１２の左側面の超高真空用フランジ１２ａに支持部１２ｂを介して、第１の真空容器１２の水平方向の中心軸上に配設されている。第２の真空容器２０内に収容した超伝導磁石２１の空隙（ボア）の直径はＤで示している。そして、図中の矢印は排気経路を示している。電子源１４は、左から右方向にフィラメント（カソード）電極１４ａ、フォーカス電極１４ｂ、アノード電極１４ｃ、スノート電極１４ｄの順に配置され、それぞれが絶縁碍子１４ｅ，１４ｅにより絶縁されている。さらに、電子源１４は、カソード近傍の磁場を０（零）とするためのバッキングコイル（Ｂｕｃｋｉｎｇ  ｃｏｉｌ）１７を備え、磁気シールド部１８に収容されている。
【００６３】
ここで、電子源１４から発生する電子ビームを、ドリフトチューブ１５に当てることなくコレクタ１６に導く必要がある。このため、上記のカソード電極１４ａ、アノード電極１４ｃ及びスノート電極１４ｄの各電極と絶縁碍子１４ｅ，１４ｅとは、嵌め合いにより組み立てることで相互の軸を高い精度で一致させている。
【００６４】
一例として、３００ｍＡの電流をカソード電極１４ａから引き出す際は、フィラメント電位を基準にして、アノード電極１４ｃには＋１０ｋＶ、スノート電極１４ｄには＋１５ｋＶの電位を与える。このように、各電極とバッキングコイル１７及び磁気シールド部１８には最大＋１５ｋＶの高電圧が印加されるが、各部品を小型化することで相互の絶縁を確保しながら、磁気シールド部１８の直径を１００ｍｍに抑えることができる。この場合には、外径が１６２ｍｍで内径が１０２ｍｍの超高真空用フランジ１２ａに電子源１４を収容することができ、第２の真空容器２０の電子源１４側の直径を１５２ｍｍに抑えることができる。このため、超高真空用フランジ１２ａの内径は、磁気シールド部１８及びドリフトチューブ１５の直径よりも十分大きいので、電子源１４領域からの放出ガスを効率良く排気できる。このように、電子源１４の寸法を小さくすることで、超伝導磁石２１を収容する第２の真空容器２０の環状の空隙、即ち超伝導磁石２１のボア径を小さくすることができる。
【００６５】
ドリフトチューブ１５は幾つかに分割された円筒形電極から構成されていて、その両端がイオンに対して障壁（井戸型ポテンシャル）を形成するような電場配置となっている。
【００６６】
イオンとなる気体は、気体イオン導入手段３０によりドリフトチューブ１５の側面からその内部に導入される。気体イオン導入手段３０は、気体源３０ａ，流量調整部３０ｂ，第１の真空容器１２内への配管部３０ｃなどから構成されている。
【００６７】
一方、固体をイオンとする場合には、ソースとして固体イオン源を用いればよい。
図１２は、固体のイオン源を有する多価イオン発生源１１の構成を模式的に示す断面図である。
図１２に示す多価イオン発生源１１が、図１０に示す多価イオン発生源１１と異なるのは、気体イオン導入手段３０の代わりに、コレクタ１６の右側に固体イオン導入手段３２を備えていることである。このような固体イオン導入手段３２は、所望のイオンを発生させる針状の固体材料を真空アーク放電させ、１価のイオンとする真空アーク型イオン源などを用いることができる。固体イオン導入手段３２から発生したイオンは、第１の真空容器１２中で、コレクタ１６を通過してドリフトチューブ１５に注入される。
【００６８】
上記の気体イオン導入手段３０又は固体イオン導入手段３２からなるイオン導入手段によりドリフトチューブ１５に注入されるイオンは、一定時間、井戸型ポテンシャルに閉じ込められ、電子による衝突電離が進み多価イオン１となる。この多価イオン１のうち、電子の衝突により運動エネルギーが増加して障壁を越えたものが、多価イオン発生源１１の外部に取り出される。この際、イオンの電離度が究極、即ち、これ以上電子を当て続けても電離が進まない状態に達したときに、電場配置を変えて多価イオン１が外に飛び出すようにして、多価イオン１からなるビームを生成させる。
【００６９】
コレクタ１６は、ドリフトチューブ１５を通過する電子を捕集するための電極であり、例えば、サプレッサ電極、コレクタ電極、エクストラクター電極などの電極から構成されている。カソード１４ａ及びコレクタ１６には、アースに対して最大−数十ｋＶから−３００ｋＶ程度の電圧が印加されている。この加速電圧は、所望の多価イオン１が得られるための電圧であればよい。電子は、ドリフトチューブ１５の入射直前に最大加速電圧が印加され、ドリフトチューブ１５を通過した電子は、コレクタ１６の手前で２〜３ｋＶ程度に減速されてコレクタ１６に捕集される。このため、コレクタ１６には、この電圧と電子ビーム電流との積の電力が捕集される。この電力は、上記コレクタ１６手前の電圧が３ｋＶで電子ビーム電流が３００ｍＡの場合には９００Ｗとなり、絞られた状態でコレクタ１６に当ると当った場所が溶ける。したがって、コレクタ１６は、冷媒で冷却した電極構造として電子ビームを広げながら電子を捕集する。
【００７０】
次に、超伝導磁石２１について説明する。
図１０及び図１２に示すように、超伝導磁石２１は第１のコイル２１ａ及び第２のコイル２１ｂからなる、所謂ヘルムホルツ型コイルを用いている。第１のコイル２１ａ及び第２のコイル２１ｂの半径をａとし、これらのコイルの間隔を半径ａと同じ寸法ａとしたときに、対向するコイルの中央部分の磁場を一様にすることができる。ここで、超伝導磁石２１は、図示しないＨｅを冷媒とするクライオスタットや閉サイクル冷凍機により冷却されて、超伝導状態に保持される。
【００７１】
上記多価イオン発生源１１の特徴は、第２の真空容器２０内にイオンを閉じ込めるための超伝導磁石２１が配置され、第２の真空容器２０の環状の空隙に第１の真空容器１２が挿入されていることである。つまり、超伝導磁石２１の空隙（ボア）内に、第１の真空容器１２が挿入されていることである。上記のように、この第１の真空容器１２内には、電子源１４、ドリフトチューブ１５及びコレクタ１６からなるイオン源電極１３が配置されている。また、超伝導磁石２１を収容する第２の真空容器２０は、第１の真空容器１２から両者の真空を破らずに脱着が可能である。このため、イオン源電極１３を第１の真空容器１２に収納したものを作ればよく、超伝導磁石２１は市販品を用いることができるので製作が容易である。したがって、本発明に用いる多価イオン発生源１１は、従来の多価イオン発生源のように、超伝導磁石２１とイオン源電極１３とを一体化した構造を精度良く製作する必要がない。
【００７２】
（多価イオン発生源の使い方）
本発明に用いる多価イオン発生源１１は以上のように構成されており、次にその使い方について説明する。
図１３は、多価イオン発生源１１に印加される電源を説明するための模式的なブロック図である。電子の加速電圧が４０ｋＶの一例を示している。図示するように、電子源１４のフィラメント電極１４ａには１５Ｖ，２Ａ、フォーカス電極１４ｂには５０Ｖ，１ｍＡ、アノード電極１４ｃには１０ｋＶ、スノート電極１４ｄには１５ｋＶ，１ｍＡの電源が−３０ｋＶの電源に上乗せされて供給されている。また、ドリフトチューブ１５の各電極には、１０ｋＶの電源上に第１電極５００Ｖ、第２電極５００Ｖ、第３電極５００Ｖがそれぞれ上乗せされて供給されている。さらに、コレクタ１６のサプレッサ電極、コレクタ電極、エクストラクター電極には、それぞれ、２ｋＶ、３ｋＶ，５００ｍＡ、−３ｋＶの電源が、−３０ｋＶの電源に上乗せされて供給されている。
【００７３】
電子源１４から発生された電子は、超伝導磁石２１の磁場中に配置されたドリフトチューブ１５を通る。図１３に示す電源を用いた場合には、電子源１４とドリフトチューブ１５の間で、電子が最大４０ｋＶまで加速される。この加速されてドリフトチューブ１５に入射した電子は、超伝導磁石２１によりドリフトチューブ１５に形成される強磁場で圧縮され、大電流密度（〜１０００Ａ／ｃｍ２）の電子ビームとなり、コレクタ１６に捕集される。図１３に示す電源を用いた場合には、コレクタ１６には２〜３ｋＶ位ま減速されて捕集される。この際、電子は、ドリフトチューブ１５の直前で最大加速電圧が印加されるようになっている。原子を電離するためには、束縛電子の電離エネルギー以上のエネルギーを持った電子と衝突させなければならないので、重元素（例えば、キセノン（Ｘｅ）など）を完全に電離させるには１ｓ軌道の電離エネルギー（Ｘｅでは３５ｋｅＶ）より高いエネルギーが必要で、加速電圧３５ｋＶ以上が必要である。
【００７４】
一方、気体イオン導入手段３０から導入されるイオンとなる気体は、ドリフトチューブ１５内でイオン化される。ドリフトチューブ１５の電極は幾つかに分割されており、両端がイオンに対して障壁（井戸型ポテンシャル）が形成されるように電位が与えられている。イオンは一定時間、この井戸型ポテンシャルに閉じ込められ、気体の原子は、電子ビームに繰り返し衝突させることにより電離が進む。電子による衝突電離が進み多価イオン１となる。この多価イオンのうち、電子の衝突により運動エネルギーが増加し障壁を越えたものがイオン源外部に取り出される。このように、イオンの電離度が究極、即ち、これ以上電子を当て続けても電離が進まない状態に達したときに、電場配置を変えて多価イオン１が外に飛び出すようにして、多価イオンからなるビーム３４を生成させる。
このドリフトチューブ１５で生成した多価イオンが、ドリフトチューブ１５から引き出される際には、図１３のドリフトチューブ１５とコレクタ１６間で４０ｋＶで一且加速され、第１の真空容器１２を出る際は、この第１の真空容器１２はアース電位であるので、１０ｋＶまで減速されて出射する。
【００７５】
得られる多価イオンビーム３４の強度は、イオンがトラップされているドリフトチューブ１５の長さＬ１（図１０参照）及びエミッション電流に比例し、電離度が究極に至るまでの時間は電子の電流密度に比例する。なお、ドリフトチューブ１５の長さが長すぎる場合にはプラズマの不安定性が出現し、高電離の多価イオン１ができなくなる。
また、電子ビーム電流密度は、超伝導磁石２１によりドリフトチューブ１５に印加される磁場強度が高いほど高くなる。但し、比例関係ではない。このため、単位時間当りに得られる多価イオンビーム３４の強度は、電子ビーム電流密度が高くトラップ領域が長いほど高くすることができる。
【００７６】
上記の多価イオン発生機構は、従来の多価イオン発生源と同様である。
本発明に用いる多価イオン発生源１１の特徴は、イオン源電極１３を収納する第１の真空容器１２のための真空排気装置２５と、超伝導磁石２１を収容する第２の真空容器２０のための真空排気装置２６とを着脱して、分離することができる点にある。このため、超伝導磁石２１を収容する第２の真空容器２０を第１の真空容器１２から分離した状態で、第１の真空容器１２及び収容されているイオン源電極１３を十分に加熱して脱ガスをすることができる。したがって、多価イオン１の発生のための第１の真空容器１２を、短時間で極高真空とすることができる。例えば、誤って電子ビームをドリフトチューブ１５に当てたときには、多価イオン発生源１１では、イオン源電極１３を収納した第１の真空容器１２のみ修理すればよい。これにより、本発明に用いる多価イオン発生源１１は、イオン源電極１３の真空立ち上げが短時間で済むので、操作性や保守性に優れたものとなる。
【００７７】
（ナノ構造体作製装置の制御）
次に、多価イオン発生源１１及び反応性物質導入手段６０等を制御する制御手段６２について説明する。
制御手段６２は、マイクロプロセッサと、上記信号Ｓ１〜Ｓ５のためのＡＤ変換器等のインターフェイスと、ナノ構造体５の作製のためのデータを入力するデータ入力部６２Ａ等を備えて構成されている。
【００７８】
データ入力部６２Ａには、多価イオン発生源１１からの多価イオン１の照射を制御するための多価イオン制御データと反応性物質導入手段６０からの反応性物質４の導入を制御するための反応性物質制御データとが入力される。
【００７９】
制御手段６２は、多価イオン制御データに基づいて多価イオン発生源１１を制御し、反応性物質制御データに基づいて反応性物質導入手段６０を制御する。具体的には、制御手段６２は、データ入力部６２Ａからのデータ信号Ｓ２に基づいて、多価イオン１の加速電圧、照射個数等の制御、反応性物質４の被加工物３への導入、ステージ４６の位置制御等の制御を行う機能を有している。ナノ構造体５の作製においては、図１，３，４，６等で示したフロー図に従って制御手段６２が、多価イオン発生源１１、反応性物質導入手段６０、ステージ４６の制御を行う。
【００８０】
制御手段６２は、図１に示すフロー図のステップＳＴ２において、多価イオン１を１個照射するという命令を受けた場合には、多価イオン発生信号Ｓ２を多価イオン発生源１１に送出する。多価イオン発生源１１は、制御手段６２から信号Ｓ２により多価イオン１を被加工物３に照射する。
【００８１】
制御手段６２は、二次電子信号処理部４９から多価イオン１を１個検出したという信号Ｓ１が入力された場合、多価イオン発生源１１に多価イオン１の発生を停止する信号Ｓ３を送出する。
【００８２】
制御手段６２は、図１に示すフロー図のステップＳＴ３において、酸化という命令を受けた場合には反応性物質導入手段６０に信号Ｓ４を送出して、所定の時間だけ反応性物質４を導入させる。表面反応によってはステップＳＴ１と同時に反応性物質４を導入してもよい。つまり、多価イオン１の照射中は真空容器４１を酸素ガス４等の雰囲気としてもよい。
【００８３】
制御手段６２は、図３に示すフロー図のステップＳＴ４及びステップＳＴ５において、被加工物３の移動の命令を受けた場合には、ステージ４６の位置制御手段４６Ａに信号Ｓ５を送出して所定の位置制御をさせる。
【００８４】
ナノ構造体作製装置１０は以上のように構成されており、次にその操作方法について説明する。
多価イオン発生源１１から発生した多価イオンビーム３４は、減速レンズ４２で所定の速度にされた後で、多価イオンガイド４３の一端に入射し、その内部を通過した後で他端に設けられたキャピラリー４３Ｃの先端部から出射し、被加工物３に照射する。この場合、被加工物３への多価イオン１の照射位置は、可動なステージ４６により位置制御がされている。
【００８５】
ナノ構造体作製装置１０は、二次電子検出部４８を備えているので被加工物３に打ち込んだ多価イオン１の量を正確に測定することができる。また、電気的に独立した複数の二次電子検出器４８Ａ，４８Ｂを備え、二次電子信号処理部４９において、被加工物３から発生する複数の二次電子４７の計測データが一致するか否かを判定する場合には、雑音に影響されないでさらに正確な多価イオン１の量を測定することができる。このように、多価イオン１の照射により被加工物３から発生する二次電子４７による信号データを解析することで１個のイオン照射の事象を正確に判断することができる。この結果、イオン照射数を正確に計測できるので、被加工物３へ照射する多価イオン１の個数を精密に制御することが可能となる。
【００８６】
さらに、ナノ構造体作製装置１０は、制御手段６２により反応性物質導入手段６０を制御することで、被加工物のナノ活性領域３Ａに対して酸化等の表面反応をさせることができる。また、線状のナノ構造体５を作製する場合には、ステージ４６の位置制御手段４６Ａを制御することで、被加工物３の位置を変え多価イオン１の照射位置制御を行うことができる。
【００８７】
これにより、ナノ構造体作製装置１０においては、多価イオン１及び反応性物質４の導入と、被加工物３の位置制御により所定の位置へ高精度で多価イオン１を１個づつ計測して照射することができる。しかも、多価イオン１を用いるので、減速レンズ４２等により減速させることで、照射したときの空間的広がりを０．５ｎｍ〜１０ｎｍ程度にできるので、空間分解能を高めることができる。このため、被加工物３に対して、高精度な多価イオン１の照射及び酸化等の表面反応をさせることが可能となり、ナノ構造体５を高精度かつ高密度に作製することができる。
【００８８】
ナノ構造体作製装置１０は、上述したナノ構造体５以外のナノプロセスへ応用することができる。したがって、被加工物３を搭載する可動なステージ４６の位置を制御することで、被加工物３への多価イオン１の照射と表面反応とを利用してナノメータサイズの細線の切断、超微細構造の加工等が可能になる。例えば、量子素子、Ｓｉ基板３へのＥｒイオン打ち込みにより発光素子などを製作することができる。
【００８９】
上記のナノ構造体作製装置１０においては、さらに、被加工物３の表面の観察装置を備えていてもよい。このような観察装置としては、電子線回折装置、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）などが挙げられる。
【実施例１】
【００９０】
実施例により本発明をさらに詳細に説明する。
被加工物３としては（１００）面を有するシリコン（Ｓｉ）を用いた。
ステップＳＴ１として、Ｓｉ３の水素終端処理を行い、（２×１）構造の水素終端したＳｉ３の表面とした。
ステップＳＴ２として、ナノ構造体作製装置１０を用い、価数が４４価で加速電圧が３ｋｅＶのヨウ素多価イオン（Ｉ４４＋）を、上記の表面処理を施したＳｉ３の表面へ酸素雰囲気中で照射してナノ構造体５を作製した（ステップＳＴ３）。
真空容器４１内の酸素分圧は２×１０−６Ｐａとした。二次電子検出器４８Ａ，４８Ｂとしてはチャンネルトロンを２個用いた。さらに、被加工物３に照射される多価イオン１を計測するために、被加工物３の裏面側に別のチャンネルトロンを配置した。
【００９１】
多価イオン１の照射後、被加工物３は真空容器４１に別途に設けた走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）を有する真空容器に超高真空を保った状態で移動し、その表面を観察した。
【００９２】
図１４（Ａ）は実施例１のナノ構造体５の表面を観察したＳＴＭ像、（Ｂ）はその説明図である。図１４から明らかなように、Ｓｉ３の表面をＳＴＭで観察したところ、大きさが約４ｎｍのＳｉＯｘからなるナノ構造体５が形成されていることが分かった。
【実施例２】
【００９３】
Ｓｉ３の表面へ４０価のヨウ素多価イオン（Ｉ４０＋）を照射した以外は、実施例１と同様にＳｉ３の表面にナノ構造体５を作製した。ＳＴＭ観察の結果、大きさが約３ｎｍのＳｉＯｘからなるナノ構造体５を作製することができた。
【実施例３】
【００９４】
Ｓｉ３の表面へ５０価のヨウ素多価イオン（Ｉ５０＋）を照射した以外は、実施例１と同様にＳｉ３の表面にナノ構造体５を作製した。ＳＴＭ観察の結果、大きさが約６ｎｍのＳｉＯｘからなるナノ構造体５を作製することができた。
【００９５】
本発明は、上記実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。例えば、上記実施の形態において、被加工物３に応じて表面吸着原子２や反応性物質４を適宜に選定したり、被加工物３に応じて多価イオン１の価数や加速電圧を適宜に変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】多価イオンを用いた点状のナノ構造体の作製方法を示すフロー図である。
【図２】点状のナノ構造体の作製方法の各段階において加工する固体の断面を模式的に示す図である。
【図３】線状のナノ構造体の作製方法を示すフロー図である。
【図４】Ｓｉの点状ナノ構造体の作製方法を示すフロー図である。
【図５】作製されたＳｉからなる点状ナノ構造体の断面を模式的に示す図である。
【図６】Ｓｉの線状ナノ構造体の作製方法を示すフロー図である。
【図７】ナノ構造体の作製に用いるナノ構造体作製装置の構成例を示す模式図である。
【図８】図７の多価イオンガイドの先端部の構成を模式的に示す断面図である。
【図９】（Ａ）は２つの二次電子検出器の出力が入力する二次電子信号処理部の構成を示す模式図、（Ｂ）はＡＮＤ回路の真理値表を示す図である。
【図１０】多価イオン発生源の構成の一例を模式的に示す断面図である。
【図１１】図１０に示す電子源の構成を模式的に示す拡大断面図である。
【図１２】固体のイオン源を有する多価イオン発生源の構成を模式的に示す断面図である。
【図１３】多価イオン発生源に印加される電源を説明するための模式的なブロック図である。
【図１４】（Ａ）は実施例１のナノ構造体の表面を観察したＳＴＭ像、（Ｂ）はその説明図である。
【符号の説明】
【００９７】
１：多価イオン
２：異種原子又は異種分子
３：被加工物
３Ａ：ナノ活性領域
３Ｂ：スパッタされた被加工物
３Ｃ：凸部領域
３Ｄ：エッチングで削られた領域
４：反応性物質
５：表面反応生成物（ナノ構造体）
１０：ナノ構造体作製装置
１１：多価イオン発生源
１２：第１の真空容器
１２ａ：超高真空用フランジ
１２ｂ：支持部
１３：イオン源電極
１４：電子源
１４ａ：フィラメント（カソード電極）
１４ｂ：フォーカス電極
１４ｃ：アノード電極
１４ｄ：スノート電極
１４ｅ：絶縁碍子
１５：ドリフトチューブ
１６：コレクタ
１７：バッキングコイル
１８，２８：磁気シールド部
２０：第２の真空容器
２１：超伝導磁石
２１ａ：第１のコイル
２１ｂ：第２のコイル
２５，２６，５０：真空排気装置
３０：気体イオン導入手段
３０ａ：気体源
３０ｂ：流量調整部
３０ｃ：配管部
３２：固体イオン導入手段
３４：多価イオンビーム
４０：多価イオン照射装置
４１：真空容器
４２：減速レンズ
４３：多価イオンガイド
４３Ｃ：先端部
４６：ステージ
４６Ａ：位置制御手段
４７：二次電子
４８：二次電子検出部
４８Ａ，４８Ｂ：二次電子検出器
４９：二次電子信号処理部
５２：信号判定回路（ＡＮＤ回路）
５２Ａ，５２Ｂ：入力
５２Ｃ：出力
５５：シールド部
６０：反応性物質導入手段
６０Ａ：ノズル部
６０Ｂ：反応性物質導入制御部
６２：制御手段
６２Ａ：データ入力部
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図２】
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【図１４】
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