JPH024959A

JPH024959A - 金属材料の付着装置

Info

Publication number: JPH024959A
Application number: JP15348688A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Tokumoto; 洋志徳本; Shigeo Okayama; 岡山　重夫; Masanori Komuro; 昌徳古室; 赤間　善昭; 和佳杉原; 明酒井
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology; Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1988-06-23
Filing date: 1988-06-23
Publication date: 1990-01-09
Anticipated expiration: 2012-08-25
Also published as: JP2645085B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的コ（産業上の利用分野）本発明は、電極先端部から金属原子を放出して基板表面
に金属材料を付着させる装置に係わり、特に電極先端部
と基板表面との距離制御手段を改良した金属材料の付着
装置に関する。

（従来の技術）近年、超ＬＳＩ技術の発展に伴い、金属配線等のりソグ
ラフィパターンの微細化は著しく進歩している。従来、
このような微細パターンの形成には、基板上の全面に金
属膜を形成した後、この金属膜上に−様な厚さのレジス
トを塗布し、レジストを露光現像した後、レジストをマ
スクに金属膜を選択エツチングする方法が用いられてい
る。

しかし、レジストを用いるリソグラフィ技術は、レジス
トを塗布する際に、粘度１回転数、カップ内部の温度及
び溶媒濃度等の各種のパラメータを厳密に制御する必要
があり、さらに露光後の後処理にも制御が必要な重要な
因子が存在し、微細パターンを形成する上でプロセスの
増加は避けられない。

そこで最近、レジストを必要とせず、ナノメータ寸法の
金属材料を基板表面に直接付着させる方法が提案されて
いる（特開昭６１−１５３２４号）。第４図に、この方
法を実施するための金属材料の付着装置を示す。例えば
、タングステンからなる針状電極４１は、その先端部４
２が基板４３の表面から約５ｎ１１の一定の距離に支持
されるように、電極先端部と基板表面との間に流れるト
ンネル電流を利用して制御されている。電極４１の温度
は、その表面に付着した自由金属原子４４が先端部４２
まで容易に移動できるように加熱コイル４５により調整
される。これらの自由金属原子は例えば金であって、ト
ンネル・ギャップから離れた位置に蒸着又はスパッタリ
ングにより付着した後、先端部４２に供給される。

タングステンの先端部４２は、金属原子４４か移動可能
な温度であっても安定である。電極４１と基板４３との
間には所定の電圧が印加され、それによって電界が最大
の点において金属原子４４が電界放出され、先端部４２
と基板４３との間のギャップを通って基板４３の表面に
達する。金属原子４４が基板４３の表面に到着すると、
金属原子４４はその上に付着され、先端部４２が図中矢
印４６に示すように基板４３を横切って移動するときに
トレース４７を形成する。電圧を所望の所で切れば不連
続な線を形成することもできる。このような方法でナノ
メータ程度の寸法の構造を基板上に形成することができ
る。

しかしながら、この種の装置にあっては、次の■〜■の
ような問題かある。

■　電極先端部と基板表面との相対距離を一定に保つた
めに検出するトンネル電流は、電界放出によって大きく
変調されるため、電極先端部と基板表面との距離の変化
のみに起因するトンネル電流変化を検出することは困難
である。

■　電界放出される物質が先端部に補給されなげればな
らない速度は、少なくとも最大の電界放出速度に等しく
する必要がある ■　自由金属原子を補給する先端部の位置は、トンネル
領域から離れたところに標準を合わせなげればならず、
更には３次元方向に微動する電極に対してその挙動を合
わせる必要があるまた、電極先端部に生じてくる問題としては、■　線パ
ターンの幅を決定する電界放出領域は、先端部の曲率半
径か微小なほど小さな領域となるため、パターン幅は先
端部の形状に大きく左右される。しかし現状では、常に
同一な形状を有する電極を製作することが困難であるた
め、電極の交換の度に描かれるパターンの線幅が変化す
る。

■　同様に、電極先端部の形状変化のため、自由金属原
子が先端部頂点に移動する経路も変化し、■で述べた電
界放出に影響を与える。

■　短時間走査でパターンを形成させるためには、電極
を例えば円筒型圧電素子等を用いて速い周期で３次元微
動させる必要があるが、片持ち針と同様な構成を有する
電極部分は、特に基板表面に平行な方向の振幅に対して
は、横振動の影響を受は易い。

■　■で述べたような理由から、電極の粗動に関しては
更に困難なものとなる。そこで、パターンの描画は電極
の微動のみに頼らざるを得ないため、基板上の微小な領
域に限定される。

（発明が解決しようとする課題）このように、従来の金属材料の付着装置では、電界放出
の影響でトンネル電流を正確に測定することはできず、
電極先端部と基板表面との距離を正確に制御することは
困難であった。また、電極先端部の形状により付着され
る金属材料のパターン幅が変化するため、特に微細な寸
法の線パターンを安定して形成することは困難であった
。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目
的とするところは、電極先端部と基板表面との距離を正
確に制御することができ、且つ電極先端部の形状に関係
なく一定幅で金属材料を付着させることができ、ナノメ
ータ以下の微細幅の線パターンを安定に形成し得る金属
材料の付着装置を提供することにある。

［発明の構成］（発明が解決しようとする課題）本発明の骨子は、基板表面に対する電極先端部の距離の
制御と、電極先端部からの金属原子の電界放出とを交互
に行うことにある。

即ち本発明は、被処理基板の表面から所定距離能れた位
置に針状電極の先端部を保持し、電極を加熱すると共に
該電極の先端部に自由金属原子を供給し、且つ電極と基
板との間に電極先端部から金属原子が放出されるのに十
分なレベルの電圧を印加することによって、基板表面に
金属原子を含む材料を付着させる金属材料の付着装置に
おいて、前記電極と基板との間にトンネル電流検出のた
めの第１の電圧及び金属原子放出のための第２の電圧を
交互に印加する手段と、電極と基板との間に第１の電圧
が印加された時、これらの間に流れるトンネル電流を検
出し該電流が一定となるように電極先端部と基板表面と
の距離を制御する手段とを設けるようにしたものである
。

また、本発明はこれに加え、電極の基端側に液体金属溜
めを設け、この金属溜めから電極先端部に液体金属が連
続的に供給する。さらに、第２の電圧を印加して位置制
御を行う時間を、電極先端部における金属原子放出時の
液体金属の形が表面張力により元の状態に戻ろうとする
のに要する時間よりも短く設定したものである。

（作　用）金属針の表面を液体金属で濡らした電極と基板との間に
印加する電界強度を増加していき、電極先端部にある液
体金属の表面に加わる静電気力がその表面張力による収
縮力を上回るような値を越えると、電極先端部の液体金
属が突出して、所謂ティラーコーンと呼ばれる円錐形状
に液体が成長し、イオン放出を行う。また、電極先端部
と基板表面との相対距離をトンネル領域まで近付けると
、両者間に僅かな電圧を加えただけでトンネル電流が流
れる。これら２つの現象を利用して、電界放出及びトン
ネル電流検出を交互に行うことにより、イオンの基板へ
の付着を電極一基板間の距離を制御しながら行うことが
できる。

ここで、ティラーコーンの曲率半径は、電極先端部の形
状に依存せず、電極先端部の曲率半径よりも小さいもの
である。従って、テーラコーンを維持したままイオン放
出を行うことにより、電極先端部の形状に関係なく、基
板表面に微細幅のパターンを形成することができる。な
お、テーラコーンは電極一基板間に第２の電圧を印加し
たときに形成され、さらに電極先端部に金属原子を連続
的に供給すれば維持される。また、第１の電圧は第２の
電圧に比べて十分小さいものであり、トンネル電流検出
の際にイオン放出が起きることはなく、トンネル電流を
正確に検出することができる。

従って、電極先端部と基板表面との距離を正確に保持す
ることが可能となる。

イオン放出面は、金属溜め等からの液体金属の供給とイ
オン放出で消費する量とのバランスを保っている。基板
の傾きや凹凸による電極一基板間の距離の変位は両者間
に流れるトンネル電流の変化で知ることができるが、こ
のトンネル電流の値を電極の上部に設けた微動素子（例
えば圧電素子）を上下動することで一定に保つ。また、
基板の２次元微動及び２次元粗動は、例えば圧電素子等
を組込んだ移動機構を用いて行い、広範囲な駆動を可能
とする。このような構成で厚さや線幅の−様なパターン
を基板上に形成することが可能となる。

（実施例）以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。

第１図は本発明の一実施例に係わる金属材料の付着装置
を示す概略構成図である。図中１１は被処理基板１２を
載置する試料台であり、この試料台１１は基台１３上に
移動可能に支持されている。

試料台１１と基台１３の端部に突出した側壁との間には
圧電素子からなる移動機構１４が設けられており、この
移動機構１４により試料台１１はＸ方向（紙面左右方向
）及びＹ方向（紙面表裏方向）に粗動及び微動するもの
となっている。

針状電極２１はタングステン等の高融点金属からなるも
ので、上部を固定端に固定された円筒型圧電素子からな
る微動機構２２の下部に固定されている。微動機構２２
は駆動用電源２３から電圧を印加されてＸ、Ｙ方向及び
Ｘ方向（紙面上下方向）に伸縮するものであり、これに
より針状電極２１もｘ、ｙ、Ｘ方向に微小移動するもの
となっている。

また、電極２１は第２図に示す如く、先端部３１を基板
表面に対向させて配置され、基端側に液体金属溜め３２
か設けられている。金属溜め３２は基板１２の表面に付
着すべき金属の液体を収容し電極の表面を伝って先端部
３１に液体金属を供給するものである。電極２１の内部
には加熱コイル３４が設けられており、このコイル３４
により金属が加熱されて液体となり、金属溜め３２から
電極先端部に液体金属が連続的に供給されるものとなっ
ている。

電極２１と基板１２との間には、切換えスイッチ２４を
介して直流電源２５．２６が接続されており、スイッチ
２４の切換えにより電源２５２６の一方が選択されて電
極一基板間に電圧が印加される。電源２５の電圧（第２
の電圧）は例えば１５Ｖであり、この電源２５は電極２
１の先端部からの金属原子の電界放出に用いられる。電
源２６の電圧（第１の電圧）は例えば０．０２Ｖであり
、この電源２６は電極２１と基板１２との間に流れるト
ンネル電流検出に用いられる。

また、電源２６にはトンネル電流を検出するための電流
計２７が直列接続されており、この電流計２７により検
出されたトンネル電流は前記駆動用電源２３に供給され
る。そして、トンネル電流が一定となるように微動機構
２２が調整され、これにより電極先端部と基板表面との
距離が一定に制御されるものとなっている。

次に、このように構成された本装置の作用について説明
する。

まず、電極材料としてタングステンを用いているので、
基板表面に付着する金属としてＧａやＩｎ等のタングス
テンと濡れ性の良いものを用いる。加熱コイル３４によ
り電極２１を加熱することにより上記金属を加熱して液
化し、液体金属が電極２１の先端部３１に供給されるよ
うにする。

この状態で、電極２１と基板１２との間に電圧を印加し
、電界強度を増加していくと、ある臨界値で表面に加わ
る静電気力が液体金属３３の表面張力による収縮を上回
り、第２図に示す如く電極先端部３１にティラーコーン
と称される円錐形状の突出部３５か成長し、ＧａやＩｎ
のようなイオン（金属原子）３６を放出する。このイオ
ン３６は基板］２の表面に付着し、基板１２をＸ、Ｙ方
向に移動させることにより微小な幅の堆積物３７を形成
する。

イオン放出面は、液体金属溜め３２からの液体金属３３
の補給とイオン放出で消費量のバランスで成り立ってい
るが、これに加えて空間自由電荷電流制限の状態にある
ために、より安定なイオン放出が得られる。また、液体
金属３３が液状を保ち、更に電極２１の表面で移動が容
易なように液体金属溜め３２の中や電極２１は加熱コイ
ル３４で温度を調節している。基板１２上に堆積物３７
の線幅は電極先端部３１における液体金属の突出部３５
の曲率半径やその突出部３５と基板表面との相対距離の
相違で変化し、それらの値が小さいほど狭い。

ティラーコーンを成長させている電極先端部３１におけ
る突出部３５の曲率半径は、機械研磨や電解研磨で得ら
れる電極先端部３１の曲率半径よりも遥かに小さく、そ
の頂点と基板との間の電界強度を一定に保てば、電極２
１の交換による電極先端形状の変化に対しても不変であ
る。

電極先端部（厳密にはティラーコーンを形成している突
出部）と基板表面との距離を微小な間隔で一定に保つ技
術はトンネル電流を検出して、例えば圧電素子で電極を
上下動させながら制御する走査型トンネル顕微鏡（ＳＴ
Ｍ）で公知のように既に確立されている。このようにＳ
ＴＭの技術で電極先端部と基板表面との距離を略１０人
程度で一定に保つことにより、両者間の電界強度を一定
に保つことにもなる。

液体金属３３が例えばＧａの場合は、電極先端部−基板
表面間の距離が１０人のとき１５Ｖ以下の印加電圧でイ
オン放出が開始される。しかし、このイオン放出のため
にトンネル電流は大きく変調され、正確なトンネル電流
検出を行うことはできない。従って本実施例では、イオ
ン放出とトンネル電流の制御を交互に行う方法を用い、
さらにそれぞれで印加電圧を変えるようにしている。

第３図に印加電圧供給の一例を示す。印加電圧を例えば
１５Ｖとすると電極先端部３１からイオンが放出され、
基板１２上に付着する。また、例えば０．０２Ｖと印加
電圧が小さい場合には、イオン放出はなく電子によるト
ンネル電流のみが流れる。

このときトンネル電流の値を設定値を保ちながら電極先
端部３１と基板表面との距離を一定にする。

イオン放出（印加電圧が１５ｖ）のときは、トンネル電
流値の制御の際、最終的に電極を動かす圧電素子に供給
した電圧を固定し、電極の挙動を停止させ、トンネル電
流は検出しない。

印加電圧が０．０２Ｖと小さいときは、電極先端部３１
と基板表面との間の電界強度が電極先端部におけるティ
ラーコーンの突出部３５の表面張力よりも低くなるため
、その表面は収縮しようとするが、その収縮しようとす
る速度よりも速い周期で印加電圧を切換えることは容易
であり、ティラーコーンを保持することができる。また
、電極停止時の電極先端部−基板間の相対距離の変化や
トンネル電流制御時のイオン放出停止による線パタンの
欠如の可能性に関しても同様のことが言える。

また、トンネル電流制御時間を一時的に長くして、故意
に線パターンの欠如を作出すことも容易である。

基板１２は例えば圧電素子等で構成された移動機構１４
で２次元方向に粗・微動され、微動により線パターンが
形成され、粗動により基板１２上の全面を電極２１に近
接対向させることができる。

この基板１２の微動速度を変えることによって線パター
ンの厚みを変えることもできる。さらに、基板１２の微
動の変わりに微動機構２２により電極２１をＸ、Ｙ方向
に微動させてもよい。また、基板１２の粗動を例えばレ
ーザ干渉計や静電容量型のマイクロセンサ等で位置検出
しながら連続的に行うことによって、広範囲に渡るパタ
ーンを描くことが可能となる。さらに、種々の液体金属
を用いて同じパターンを或いは様々なパターンを繰返し
描くことで多層パターンを形成できる。

かくして本実施例によれば、電極先端部と基板表面との
距離を一定に保ちながら、電極先端部から金属原子を放
出させ基板上に金属材料の線パターンを形成することが
できる。そしてこの場合、トンネル電流検出の際には０
．０２Ｖと低い電圧を印加しているので、電界放出の影
響はなくトンネル電流を正確に検出することができ、こ
れにより電極先端部と基板表面との距離を正確に制御す
ることができる。また、液体金属溜めから液体金属を連
続的に供給し、電極先端部にティラーコーンを形成して
いるので、電極先端部の形状に関係なく微細な線パター
ンを形成することができる。本発明者らの実験によれば
、ナノメータの線パターンをも良好に形成できることが
確認された。また、ティラーコーンを形成してイオン放
出を行うことから、電極を交換しても線パターンの幅が
変わる等の不都合はない。さらに、試料台をＸ、Ｙ方向
に移動しているので、広範囲に渡ってパターン形成が可
能となり、ＬＳＩ製造における有用性は絶大である。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
い。例えば、前記電極は金属針に限るものではなく、先
端部が針状のものであればよい。

被処理基板は、電界放出及びトンネル電流の検出を行う
ことから、少なくとも表面が導電性のものであればよい
。また、基板上に付着する金属材料はＧａやＩｎに限る
ものではなく、電極材料との濡れ性の良い導電体であれ
ばよい。また、第１の電圧はトンネル電流が検出可能で
、且つ電界放出が生じない電圧の範囲で選択すればよい
。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形
して実施することができる［発明の効果コ以上詳述したように本発明によれば、基板表面に対する
電極先端部の距離の制御と、電極先端部からの金属原子
の電界放出とを交互に行うようにしているので、電極先
端部と基板表面との距離を正確に制御することができ、
且つ電極先端部の形状に関係なく一定幅で金属材料を付
着させることができ、ナノメータ以下の微細幅の線パタ
ーンを安定に形成することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係わる金属材料の付着装置
を示す概略構成図、第２図は上記装置に用いた電極形状
及びイオン放出の原理を説明するだめの模式図、第３図
は電極一基板間に印加する電圧を示す信号波形図、第４
図は従来装置を示す概略構成図である。１１・・・試料台、１２・・・被処理基板、１３・・・
基台、１４・・・移動機構、２１・・・針状電極、２２
・・・微動機構、２３・・・駆動用電源、２４・・・切
換えスイッチ、２５．２６・・・電源、２７・・・電流
計、３１・・・電極先端部、３２・・・液体金属溜め、
３３・・・液体金属、３４・・・加熱コイル、３５・・
・突出部、３６・・・イオン、３７・・・堆積物。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）被処理基板の表面から所定距離離れた位置に針状
電極の先端部を保持し、電極を加熱すると共に該電極の
先端部に自由金属原子を供給し、且つ電極と基板との間
に電極先端部から金属原子が放出されるのに十分なレベ
ルの電圧を印加することによって、基板表面に金属原子
を含む材料を付着させる金属材料の付着装置において、
前記電極と基板との間にトンネル電流検出のための第１
の電圧及び金属原子放出のための第２の電圧を交互に印
加する手段と、電極と基板との間に第１の電圧が印加さ
れた時、これらの間に流れるトンネル電流を検出し該電
流が一定となるように電極先端部と基板表面との距離を
制御する手段とを具備してなることを特徴とする金属材
料の付着装置。
（２）前記電極の基端側には液体金属溜めが設けられて
おり、この金属溜めから電極先端部に液体金属が連続的
に供給されることを特徴とする請求項１記載の金属材料
の付着装置。
（３）前記第１の電圧を印加して位置制御を行う時間を
、電極先端部における金属原子放出時の液体金属の形が
表面張力により元の状態に戻ろうとするのに要する時間
よりも短く設定したことを特徴とする請求項１記載の金
属材料の付着装置。
（４）前記基板は基板表面に平行な面内で移動する試料
台上に載置されており、前記電極は基板表面に直交する
方向に伸縮する圧電素子に固定されていることを特徴と
する請求項１記載の金属材料の付着装置。