JP2005310757A - 微細３次元構造物作製装置及び方法 - Google Patents

微細３次元構造物作製装置及び方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 荷電粒子ビームを用いたデポジションあるいはエッチングを用い、簡便で、スループットが高く、精度がよく、また滑らかな表面を有する回転対称な微細３次元構造物を作製できる微細３次元構造物作製装置及び方法を提供する。
【解決手段】 試料台（回転台）１を高精度で連続回転する精密回転軸３２に取りつけ、ＦＩＢチャンバー内で、試料台１を連続回転させながらＦＩＢデポジションさせたり、あるいはＦＩＢエッチングで一般的な旋盤のように側面あるいは上面から切削加工を行ったりすることで任意の回転対称である構造物を作製する。
【選択図】 図２

Description

本発明はマイクロレベルの微細３次元構造物を作製するための集束イオンビーム（ＦＩＢ）装置あるいは走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いた微細３次元構造物作製装置及び方法に関する。
回転旋盤は古くから用いられている手法で主に円形状の加工や軸状の加工に用いられ
る。一般には物理的に硬い刃を押し付けて切削することで任意の回転対称形状を形成することができる。ところがマイクロレベルあるいはナノスケールの構造物を旋盤のように作製する技術に関しては実現されておらず、それゆえに考察されていない。精密回転台の提案や精度測定に関しては特許文献１に記載されているが、それ以外にも数多く提案されており、マイクロレベル以下での軸ブレに抑える機構とその補正の考察がされている。
従来、ＦＩＢを用いた加工方法には試料の回転を伴う方法は選択されず、円状のものを作製する場合はＦＩＢビームの走査を円状にスキャンしたり、ラスタースキャンで円形画像を反映させたりしたスキャンを行っていた。このため、円状加工をする場合に滑らかな加工が困難であった。
特許文献２にはエネルギービーム軸に対して垂直方向に回転軸を有する任意の試料を回転させ、中心軸の位置ずれは偏向の基準軸を再設定することにより補正する機構が示されている。しかしながら軸ブレ精度の向上された形態を考慮しておらず、また高精度、高速の回転についての加工は言及されていない。加工する場合には任意の角度まで回転させてから補正と加工を行うため、滑らかな円状加工はできず、また滑らかな形状に加工する場合には多くのプロセスを必要とするという問題点があった。
特開平１１−３１１５１１号明細書 「超精密回転装置」（８頁、図１） 特開平３−２８０３４２号明細書 「微細部品の３次元加工装置」（５頁、第３図）
そこで本願発明は、上記問題点を解決し、荷電粒子ビームを用いたデポジションあるいはエッチングを用い、簡便で、スループットが高く、精度がよく、また滑らかな表面を有する回転対称な微細３次元構造物を作製できる微細３次元構造物作製装置及び方法を提供することを課題とする。
上記課題を解決するために、本発明の微細３次元構造物作製装置は、真空チャンバーと、前記真空チャンバー内に設置された回転台と、前記回転台の上方に配置され、荷電粒子ビームを前記回転台に向けて照射する荷電粒子源と、該荷電粒子源と前記試料との間に配され、前記荷電粒子ビームを前記回転台上に集束させるためのレンズと、前記集束された荷電粒子ビームを走査するための偏向器と、前記回転台上の前記荷電粒子ビーム照射位置にデポジション用のガスを吹き付けるためのガス銃と、前記回転台を連続回転させるモーターとからなることにより、前記回転台を連続回転させながら前記回転台上に膜を堆積することで、回転対称な３次元形状構造物を作製することを特徴とする
荷電粒子ビームとしては、集束イオンビーム（ＦＩＢ）または電子ビームが用いられる。
また、本発明の微細３次元構造物作製装置は、真空チャンバーと、前記真空チャンバー内に設置された回転台と、前記回転台上に載置される試料に荷電粒子ビームを照射するための荷電粒子ビーム鏡筒と、前記回転台を連続回転させるモーターとからなることにより、前記荷電粒子ビームを用いたエッチングを用いて前記回転台を連続回転させながら前記回転台上に載置される試料をエッチングすることで、回転対称な３次元形状構造物を作製することを特徴とする。エッチングは、ガスアシストエッチングあるいはスパッタエッチングである。
さらに、本発明の微細３次元構造物作製装置は、真空チャンバーと、前記真空チャンバー内に設置され、かつ試料を回転させるための回転台と、前記回転台上で回転する試料にその先端を押し当てて加工するためのマイクロプローブと、前記マイクロプローブをＸＹＺ３軸に移動させるための微動素子とからなることを特徴とする。
本発明の微細３次元構造物作製方法は、回転台を連続的に回転させながら、荷電粒子ビームを用いたデポジションを用いて前記回転台上に膜を堆積することで、回転対称な３次元形状構造物を作製することを特徴とする。
また、本発明の微細３次元構造物作製方法は、試料台上の回転中心場所に前記３次元形状構造物を堆積し、該３次元形状構造物を加工用ツールとして使うことを特徴とする。
また、この加工用ツールはドリル刃形状を有しており、回転させることによって穴あけツールとして使うことを特徴とする。
さらに、前記穴あけの対象物をマニュピレーターを用いて前記穴あけツール上に設置し、前記試料台を回転させることによって穴あけ加工をすることを特徴とする。
さらに、本発明の微細３次元構造物作製方法は、前記回転台を連続回転させながら回転台にＦＩＢスポットビームを位置固定して照射した時に描かれる円の軌跡をから、前記回転台の回転中心の位置決めすることを特徴とする。
さらに、前記回転台を連続回転させながら回転台にＦＩＢスポットビームを位置固定して照射した時に描かれる円加工の軌跡の加工幅と前記ＦＩＢスポットビームのビーム径とを比較することによって回転軸ブレを見積もり、その回転精度に見合ったビーム径やビーム電流を選択して加工を行うことを特徴とする。
本発明の微細３次元構造物作製装置では、試料台（回転台）を連続的に回転させる回転機構を設けたことにより、またその回転軸の回転精度が優れたものを用いたことにより、荷電粒子ビームによるデポジションあるいはエッチングにより回転対称な微細３次元構造物を簡便に精度よく作製することができる。又、荷電粒子ビームによるデポジションの構造物形成とエッチングによる旋盤加工とを組み合わせることによって回転対称構造物を作製・修正を繰り返すことが可能で、デポジションのみの加工に比べて精度よく加工することが可能となる。また、エッチングと回転を組み合わせることで従来の回転軸が回転するたびの補正も必要なく円形状で滑らかな加工をすることが可能となる。
さらに加工した試料は高精度の回転をするので、形状を生かしてドリルのような穴あけ機能を持たせることも可能であり回転デバイス機構として利用できる。
また、図３に示すように従来のデポジションでは不可能であった逆方向に広くなっている逆テーパー角の構造物１１の作製も容易となるし、回転台の回転軸を集束イオンビーム軸に対し直交させるようにすれば、サンプル下部の切離しが真横からのエッチングで可能で、マニュピレーターと組み合わせることでサンプルを切離してハンドリングすることが可能となる。
本願微細３次元構造物作製装置にあっては、ＦＩＢ装置あるいはＳＥＭの真空チャンバー２０内の試料台（回転台）に連結される、精密回転軸受け２を有する精密回転軸３２とそれを連続的に回転させる回転モーター２２を設けるようにした。図１に、微細３次元構造物作製装置に用いられる回転台の模式図を示す。すなわち、図１に示すような、軸ぶれの少ない精密な軸受けを持つ精密回転軸３２をモーターなどの回転駆動機構を用いて真空チャンバー２０内で回転できるようにする。図２にこの回転台を用いた微細３次元構造物作製装置であるＦＩＢ装置を示す。イオン源３から、引き出し電源４により引き出し電圧を加えられた引き出し電極２４によって引き出されたイオンビームは、加速電源５により加速電圧が加えられた加速電極２５によって加速され、加速されたイオンビームはレンズ７によって集束される。集束されたイオンビームは偏向器８によって走査され回転台１上の試料の任意の位置に照射される。６はグラウンドである。精密回転軸３２に固定される回転台１を図２で示すようにＦＩＢチャンバー内で荷電粒子源からの荷電粒子ビームを照射しながら回転させて加工ツールとして使用する。例えば0.1μm以下の軸ブレ精度でかつ１回転／秒以上の高速で連続回転する台の上でデポジションおよびエッチングを行うことで、マイクロレベルで円状構造物をろくろのように任意の３次元構造物の加工を行うことができるものとした。ここに示した寸法値は一つの目安であり、マイクロレベルで３次元構造物を構築できればよく、特別な数値的限定的意味はない。
本発明の微細３次元構造物作製装置を用いることにより、精密な回転軸２に固定された試料ステージ（回転台）１を連続回転させて回転加工しながら、デポジションの場合ではろくろのように形状を作製でき、エッチングの場合には回転しながら側面や上面から旋盤のように切削加工することで対称性のある構造物を作製することができる。試料ステージ自体は５軸ステージ（Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ｒ：ローテーション、Ｔ：チルト）上にのっていてユーザーが自在に任意の角度から観察や加工が可能であるのが望ましい。
本発明の回転軸加工では、まず、軸ぶれが０．１μｍ以下の精密回転軸３２に固定された回転台の回転中心を求めるのに以下の方法を用いる。連続回転させながら回転台にＦＩＢスポットビームを位置固定して照射することで仮に回転軸中心Ｒμｍずれているところにビームが照射された場合、半径Ｒの回転に伴う円の軌跡を描くので回転中心は軌跡のＲの中心付近になる。この作業を必要とあれば繰り返し、回転中心を１μｍ範囲内まで絞り込む。次に、回転中心に加工基本形状をＦＩＢデポジション加工で初期に形成しておき、その加工基本形状に対してＦＩＢエッチングによって側面からの切削加工を行う。この場合、回転台を連続的に回転させながら切削加工を行う。
また、本発明の回転軸加工では、加工対象物のサイズや軸ぶれにあわせた加工をするためにＦＩＢの加工電流値を選択するとよい。例えば、０．１μｍのビーム径で、あらかじめ連続回転させながら回転台にＦＩＢスポットビームを位置固定して照射し、仮に回転軸中心Ｒμｍずれているところにビームが照射されたときに出来る加工軌跡円の線幅が０．６μｍの場合には、回転時に回転軸ブレが０．５μｍ（±０.２５μｍ）あるので、誤差０．５μｍを考慮に入れて所望の線幅を得るためのビーム径となるビーム電流を選択する。例えば、１μｍの線幅で加工したいのであれば、ビーム径を０．５μｍとすればよいので、このビーム径に対応するビーム電流を選択する。ＦＩＢの加工電流値を大きくすると、加工速度とビーム径が大きくなる関係にあるので、加工サイズと軸精度とビーム電流の適切な選択が有効である。
また、加工領域を指定する際に例えば１ｒｐｓの回転数に対してビームスキャンの速度が１加工領域あたり数μｓｅｃの極端に速い走査をする場合には加工枠全体をまんべんなく加工することができるし、一方、１ｒｐｓ回転数に対しゆっくりと走査する場合には螺旋構造などの走査速度に応じた形状加工をすることも可能である。
このように、ＦＩＢエッチングやＦＩＢデポジションなどのスキャンは矩形のラスタースキャンに限らずベクタースキャンやビームを一定位置に照射するスポットビーム、あるいはビットマップを使用してラスタースキャンのビーム走査範囲を指定して形状を持たせることで任意の形状に加工するシステムを使用しても良い。
また、回転台１を回転させる回転軸をＦＩＢビーム軸に対して平行方向あるいは垂直方向に変えることで、スキャンの方向はサンプル上面からでも側面からでも可能で、加工したい形状作製方法に応じて選択する。側面からの加工によって例えば従来のサンプルの上方向からのデポジションプロセスでは作製できなかった逆テーパー角をもつ構造物も母材を側面からエッチングする加工で作製可能となる。
ここに示した寸法値は一つの目安であり、マイクロレベルで３次元構造物を構築できればよく、特別な数値的限定的意味はない。
次に本発明の回転加工では、回転中心に加工を目的とした構造物をマニピュレータなどで設置し、同様に回転させながらエッチング加工したい領域を指定して加工することも可能である。マニピュレータは、ＸＹＺ３軸方向に動作させるピエゾ駆動などの微動素子で、先鋭になっているマイクロプローブ１７の先端を操作して動かし、デポジションでサンプルを固定して運搬できる機能を持つ。
次のステップでは回転中心に作製された構造物をドリルのように回転させ、それをマニュピレーターで他の試料をもってきて刃先をあてることで他のサンプルをＦＩＢのエッチング穴あけ加工の際に問題となっていたサンプルへの照射イオンの汚染もなく穴加工することができる。
円形加工をする場合に、特許文献２のようにステージをステップ的に回転させ、ＳＩＭ像あるいはＳＥＭ像で観察しながらの複数のステップによる加工をするよりは試料本体を精密軸上で連続的に回転させて加工するほうが回転精度に応じた滑らかな形成物を作製することができる。また、回転台（試料台）の回転軸を９０°近く傾けることで横方法からのエッチングプロセスにより、作製した構造物の下部を切り取ることができ、マニピュレータなどと併用することで３次元構造物のハンドリングも可能である。
以上が本発明の最も大きな特徴点で、ＦＩＢを用いて３次元構造物の回転対称な構造物の作製をすることができる。
走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）付きＦＩＢを用いることで構造物や加工プロセスを観察することができる。また、一連のデポジションの作業をＦＩＢの変わりに荷電粒子ビームのデポジションで行うことも可能である。
図３に、従来のデポジションでは不可能であった逆方向に広くなっている逆テーパー角の構造物１１の作製方法の説明図を示す。回転台１を回転させた状態で、回転台１の中心付近にガス銃１０からガスを吹き付けながら、集束イオンビームを回転中心から径方向に走査しながら照射する。径方向の走査距離を、堆積するに従い徐々に長くすることで逆テーパー角の構造物を作製することができる。
図４にデポジションによる母体作製を示す斜視図を示す。図４に示すようにＦＩＢビームを上方から照射して回転台１上で回転中心付近に、作製形状にあわせた形状や位置を指定してアシストガスを供給してＦＩＢデポジションを行って堆積膜を堆積させることで任意の母体形状を作製する。図５に、この母体１３をサイドからの加工により円形切削加工する例の斜視図を示す。図５に示すように回転台を連続回転させながら集束イオンビームは回転台の径方向に走査しながら回転軸方向にエッチング加工してろくろのように円柱状に回転対称形状を作製する。
実施例２で作製した構造物や、マニュピレーターなどで回転中心に持ってきた任意の素材でできたサンプルを同様に回転台上で連続回転させながら、ＦＩＢエッチングすることで任意の回転対称形状を作製する。図６に回転させながら削って作製した円筒母体の斜視図を示す。図７に図５のプロセスを使用して作製したワイングラスの斜視図を示す。図６、図７で示すように旋盤のような機構で母材側面や上面から削ることでワイングラス１４などの任意の回転対称形状を作製することができる。また、作製した構造物の下部を回転させながらエッチングすることで切離しも可能で、マニュピレーターを用いて作製した構造物をハンドリングも可能である。
実施例２で作製した構造物あるいはマニュピレーターなどで回転中心に持ってきた任意のサンプルを同様に回転台上で連続回転させながらプローブ針でスクラッチすることによって旋盤のような機構で側面あるいは上面を削って任意の回転対称形状を作製する。また、作製した構造物の根元を同様にスクラッチすることで切離しも可能で、さらに作製した構造物をマニュピレーションしても良い。
図８に、デポジションによるナノドリルの作製プロセスを示す斜視図を、又図９にこのプロセスで作製したナノドリル例の斜視図を示す。図８において、ガス銃からデポジション用のガスを照射しながら、集束イオンビーム９を上方にらせん状に照射することにより、図９に示すように回転中心に径1μｍのドリル１５あるいはピック形状を作製する。このドリル１５を、図１０、図１１に示すように穴あけ対象試料１６をマニピュレータなど精密なハンドリング機構を用いてドリル刃上にアプローチさせ、回転台を連続回転させながら穴あけ加工するツールとして用いることができる。
実施例５と同様にドリル刃あるいはピック形状をした構造物をマニュピレーターなどのマイクロハンドリングツールで持ってきてチャッキング構造あるいはデポジションで固定をし、再度マニュピレーターを用いて穴をあけたい任意の試料をアプローチさせ、回転させながら穴加工するツールとして用いることができる。なお、あらかじめドリル刃になりうる初期材料を回転中心に持って行き、エッチングプロセス等で切削刃形状に加工しても良い。
以上の説明から明らかなように、本発明によれば今後の微小デバイスの作製やアレーの作製、光学的デバイス、ナノインプリント材の作製など、微細加工分野での応用が考えられる。対称性を持ち、より真円な構造の加工ができれば構造物作製における機械工学でいう旋盤機能を持つ形状作製ツールとして使用することができる。また更に回転中心に微小ドリルを作製し、回転・切削で穴をあけることができれば、従来半導体プロセスやＦＩＢで加工していた穴加工を行うことができ、ＦＩＢのように照射イオンによる汚染の心配が無い。実際にはフォトニック結晶の欠陥作製の用途などが考えられる。
回転台の模式図。 回転台のＦＩＢチャンバー内での配置を示す図。 逆テーパー角をもつ構造物の作製方法を示す説明図。 デポジションによる母体作製を示す斜視図。 サイドからの加工による円形切削加工を示す斜視図。 回転させながら削って作製した円筒母体を示す斜視図。 図5のプロセスを使用して作製したワイングラスを示す斜視図。 デポジションによるナノドリル作製プロセスを示す斜視図。 作製したナノドリル例を示す斜視図。 穴あけ加工前図を示す斜視図。 穴あけ加工後図を示す斜視図。
符号の説明
１ 回転台 ２ 精密回転軸受
３ イオン源 ４ 引き出し電圧
５ 加速電圧 ６ グランド
７ レンズ ８ 偏向器
９ 集束イオンビーム １０ ガス銃
１１ 逆テーパー角の構造物 １２ デポジション作製物
１３ 円筒母材 １４ ワイングラス
１５ ドリル １６ 穴あけ対象試料
１７ マニピュレータ

Claims (12)

  1. 真空チャンバーと、前記真空チャンバー内に設置された回転台と、前記回転台の上方に配置され、荷電粒子ビームを前記回転台に向けて照射する荷電粒子源と、該荷電粒子源と前記試料との間に配され、前記荷電粒子ビームを前記回転台上に集束させるためのレンズと、前記集束された荷電粒子ビームを走査するための偏向器と、前記回転台上の前記荷電粒子ビーム照射位置にデポジション用のガスを吹き付けるためのガス銃と、前記回転台を連続回転させるモーターとからなることにより、前記回転台を連続回転させながら前記回転台上に膜を堆積することで、回転対称な３次元形状構造物を作製することを特徴とする微細３次元構造物作製装置。
  2. 前記荷電粒子ビームが集束イオンビーム（ＦＩＢ）または電子ビームであることを特徴とする請求項１記載の微細３次元構造物作製装置。
  3. 真空チャンバーと、前記真空チャンバー内に設置された回転台と、前記回転台の上方に配置され、荷電粒子ビームを前記回転台に向けて照射する荷電粒子源と、該荷電粒子源と前記試料との間に配され、前記荷電粒子ビームを前記回転台上に集束させるためのレンズと、前記集束された荷電粒子ビームを走査するための偏向器と、前記回転台を連続回転させるモーターとからなることにより、前記荷電粒子ビームを用いたエッチングを用いて前記回転台を連続回転させながら前記回転台上に載置される試料をエッチングすることで、回転対称な３次元形状構造物を作製することを特徴とする微細３次元構造物作製装置。
  4. 前記荷電粒子ビームがＦＩＢまたは電子ビームであることを特徴とする請求項３記載の微細３次元構造物作製装置。
  5. 前記エッチングはガスアシストエッチングであることを特徴とする請求項３記載の微細３次元構造物作製装置。
  6. 真空チャンバーと、前記真空チャンバー内に設置され、かつ試料を回転させるための回転台と、前記回転台上で回転する試料にその先端を押し当てて加工するためのマイクロプローブと、前記マイクロプローブをＸＹＺ３軸に移動させるための微動素子とからなる微細３次元構造物作製装置。
  7. 回転台を連続的に回転させながら、荷電粒子ビームを用いたデポジションを用いて前記回転台上に膜を堆積することで、３次元形状構造物を作製することを特徴とする微細３次元構造物作製方法。
  8. 前記試料台上の回転中心場所に前記３次元形状構造物を作製し、該３次元形状構造物を加工用ツールとして使うことを特徴とする請求項７記載の微細３次元構造物作製方法。
  9. 前記加工用ツールはドリル刃形状を有しており、回転させることによって穴あけツールとして使うことを特徴とする請求項８記載の微細３次元構造物作製方法。
  10. 前記穴あけの対象物を、マニュピレーターを用いて前記穴あけツール上に設置し、前記試料台を回転させることによって穴あけ加工をすることを特徴とする請求項９記載の微細３次元構造物作製方法。
  11. 前記回転台を連続回転させながら回転台にＦＩＢスポットビームを位置固定して照射した時に描かれる円の軌跡から、前記回転台の回転中心の位置決めする請求項７から１０のいずれかに記載の微細３次元構造物作製方法。
  12. 前記回転台を連続回転させながら回転台にＦＩＢスポットビームを位置固定して照射した時に描かれる円加工の軌跡の加工幅と前記ＦＩＢスポットビームのビーム径とを比較することによって回転軸ブレを見積もり、その回転精度に見合ったビーム径やビーム電流を選択して加工を行う請求項７から１０のいずれかに記載の微細３次元構造物作製方法。
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