JPH06203784A - 微細加工方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 加工操作手段を移動させる手段として圧電素
子が使用された微細加工装置で実施される微細加工方法
において、加工操作手段を試料表面上の加工対象部に移
動させるにあたり、加工対象部の位置に正確に移動させ
る。 【構成】 原子の大きさ程度の微細な対象を加工操作す
るための探針のごとき加工操作手段１と、この加工操作
手段１を移動させる手段として圧電素子３，４，５を用
いる微細加工装置に適用される微細加工方法であり、試
料表面の加工対象部Ａ，Ｂ，Ｃを加工するため、前記圧
電素子３，４を駆動して加工操作手段１を加工対象部の
位置に移動させるとき、加工対象部を含む試料の平面領
域３１において例えばラスター方式平面走査に基づくジ
グザグ移動を行いながら、各加工対象部の位置に加工操
作手段１を移動させるようにし、各加工対象部の位置で
探針に加工動作を行わせる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は微細加工方法に関し、特
に、走査型トンネル顕微鏡、走査型原子間力顕微鏡、走
査型トンネル顕微鏡の原理を利用した高容量記憶装置な
どの原子程度の微細対象物を加工する微細加工装置で行
われる微細加工方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】微細加工装置の代表的な例として走査型
トンネル顕微鏡（以下ＳＴＭという）を取り上げて、従
来の微細加工方法の手順を説明する。ＳＴＭは本来的に
は原子レベルの大きさの対象物を観測するために開発さ
れた測定装置であるが、同じ動作原理を利用して微細加
工装置としても用いることができる。

【０００３】加工操作を行う手段として探針を用い、こ
の探針は、試料の表面において加工対象部が設定された
とき、当該加工対象部の位置へ移動させられる。この移
動において探針は、ＸＹ平面移動用アクチュエータの動
作に基づき平面移動を行う。探針が加工対象部の位置に
到達したとき、探針はＺ軸（探針軸方向）用アクチュエ
ータにより試料表面に接近させられ、所要の加工エネル
ギを加工対象部に与えることにより、例えば試料表面か
ら原子を除去する加工作業を行う。この加工エネルギは
原子間の結合を切断する程度である。当該加工対象部の
加工が終了した後には、次の加工対象部に探針を移動さ
せる。そして次の加工対象部でも同様な加工作業が行わ
れる。

【０００４】微細加工方法に関する先行文献として特開
平２−１７３２７８号および特開平４−２４２０６１号
を挙げることができる。前者の文献は微細加工装置およ
びその加工方法に関する基本的な構成を開示するもので
あり、後者の文献は、ＳＴＭを応用した微細加工装置
で、加工時の探針の移動を、測定装置として動作させた
ときの表面凹凸測定データを利用して行うようにした表
面原子加工方法を開示している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】探針をＸＹ平面移動さ
せるためのアクチュエータ、およびＺ軸方向に接近・退
避動作させるためのアクチュエータには、それぞれ一般
的に圧電素子が使用される。これらの３つの圧電素子は
それぞれ対応する軸方向（Ｘ，Ｙ，Ｚ）にその伸縮方向
が一致するように配置され、通常、単体の３次元圧電ア
クチュエータとして構成される。

【０００６】各圧電素子は、その軸方向に、必要な特定
の長さを有し、棒状に形成される。圧電素子に駆動電圧
が加わると、圧電素子は駆動電圧の大きさに対応する長
さになるように伸縮する。ところで圧電素子は、駆動電
圧として印加される電圧の増加方向と減少方向で変位量
が異なるというヒステリシス特性を有している。図５お
よび図６は圧電素子のヒステリシス特性の例を示してい
る。図５は、圧電素子に対して電圧を印加し、この印加
電圧を次第に大きくして最大ストロークに対応する最大
電圧を印加し、その後に当該印加電圧を次第に減少して
ほぼ０にした場合において、圧電素子に生じる変位量の
変化特性を示している。図５で明らかなように、往路
（印加電圧を増加していくときの変位量の変化経路）と
復路（印加電圧を減少していくときの変位量の変化経
路）とでは、互いに経路が異なる。また図６は、印加電
圧を増加していく場合において、最大の印加電圧になる
前の段階で、印加電圧を小さい変化幅で減少および増加
させるときに生じる変位量の変化特性を示す。この場合
にも、描かれるヒステリシスループは小さいが、往路と
復路が異なるヒステリシス特性が生じる。

【０００７】さらに圧電素子ではクリープ特性が存在す
る。クリープ特性とは、図７に示すように、印加電圧を
変化させ続けた後の或る一定の電圧Ｖ１に保持した場合
の変位量（点Ｅの位置に対応する）と、電圧を印加して
いない状態から或る一定の電圧を印加した場合の変位量
（点Ｆの位置に対応する）とは異なり、両者の印加電圧
Ｖ１をそのまま保持した場合には、前者の変位量（Ｅ）
は時間の経過に伴って後者の変位量（Ｆ）に収束すると
いう特性である。

【０００８】上記のごとく圧電素子は、ヒステリシス特
性とクリープ特性を有するために、試料表面の或る場所
を加工しようとして探針を圧電素子の伸縮動作に基づき
移動させる場合に、加工しようとする位置は、ＳＴＭの
ＸＹ平面移動用圧電素子の移動経路依存性（ヒステリシ
ス特性に基づく）および待機時間依存性（クリープ特性
に基づく）によって精度が低下し、そのために加工精度
が悪くなるという不具合を有している。

【０００９】上記の不具合を図を参照して説明する。図
８と図９は、試料表面の同じ走査領域５１に設定された
３つの加工場所Ａ，Ｂ，Ｃに関して異なる経路で移動し
たとき、移動経路に応じて加工場所の位置が異なってし
まう例を比較して示したものである。図８（Ａ）は走査
領域５１での第１の移動経路を示し、図８（Ｂ）は第１
の移動経路に対応するＸ軸方向圧電素子に関する印加電
圧とＸ変位量の特性を示すグラフである。また図９
（Ａ）は走査領域５１での第２の移動経路を示し、図９
（Ｂ）は第２の移動経路に対応するＸ軸方向圧電素子に
関する印加電圧とＸ変位量の特性を示すグラフである。
第１の移動経路５２では、点Ｂを始点として点Ｂ１、点
Ｃ、点Ｃ１、点Ａの順序で移動する。第２の移動経路５
３では、点Ｂを始点として点Ｂ２、点Ａ、点Ａ１、点Ｃ
の順序で移動する。

【００１０】図８（Ｂ）および図９（Ｂ）で明らかなよ
うに、Ｘ軸方向圧電素子によるＸ方向変位量に関し、始
点である加工場所Ｂについてはいずれの場合の位置も同
じであるが、加工場所ＡとＣについては、移動する経路
５４，５５のそれぞれに応じて生じるヒステリシス特
性、およびＹ軸方向のみの探針移動中にＸ軸方向につい
て生じるクリープ特性に起因して、移動経路５４，５５
に依存してＸ方向の変位量が異なり、同一の位置になら
ない。上記の問題は、Ｙ軸方向の圧電素子についても同
様に生じる。

【００１１】前述の問題はＳＴＭ以外の類似の構造を有
する他の微細加工装置でも起きる。

【００１２】本発明の目的は、加工操作手段を移動させ
る手段として圧電素子が使用された微細加工装置で実施
される微細加工方法であり、加工操作手段を試料表面上
の加工対象部に移動させるにあたり、加工対象部の位置
に正確に移動させることが可能な微細加工方法を提供す
ることにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明に係る微細加工方
法は、原子の大きさ程度の微細な対象を加工操作するた
めの探針のごとき加工操作手段とを備え、この加工操作
手段を移動させる手段として圧電素子を用いる微細加工
装置に適用される微細加工方法であり、試料表面の加工
対象部を加工するため、前記圧電素子を駆動して加工操
作手段を加工対象部の位置に移動させるとき、加工対象
部を含む試料の平面領域において例えばラスター方式走
査に基づくジグザグ移動を行いながら、各加工対象部の
位置に加工操作手段を移動させるようにし、各加工対象
部の位置で探針に加工動作を行わせる方法である。

【００１４】

【作用】本発明では、試料の表面において例えば複数の
加工対象部を設定し、例えば探針を試料表面で移動させ
て各加工対象部の位置に移すとき、複数の加工対象部を
含む平面領域を試料表面上で設定し、当該平面領域に
て、探針を例えばラスター方式で走査しながら移動さ
せ、探針を各加工対象部に移すようにした。かかる移動
方法により、探針を平面移動させるための圧電素子が有
するヒステリシス特性およびクリープ特性の影響を排除
することが可能となる。

【００１５】

【実施例】以下に、本発明の実施例を添付図面に基づい
て説明する。本実施例では、微細加工装置の一例として
ＳＴＭに関して説明する。

【００１６】図１に従ってＳＴＭの基本構成の一例を説
明する。加工操作手段である導電性の探針１は、その先
端部を試料２の測定領域に対向させた状態で試料表面に
対し実質的に垂直になるように配置される。探針１は探
針微動機構に取り付けられる。探針微動機構は、相互に
直交した位置関係で配置されたＸ，Ｙ，Ｚの各軸方向の
棒状の圧電素子３，４，５からなる。探針１は、圧電素
子３〜５の垂直交差部に取り付けられる。圧電素子３，
４は、探針１を試料表面に沿ってＸＹ平面移動させるた
めの駆動装置であり、ＸＹ平面移動では一般的に平面走
査を行う。圧電素子５は、探針１のＺ軸方向の位置を変
化させ、探針１と試料２の間の距離（試料表面に対する
探針の高さ位置）を調整するための駆動装置である。

【００１７】探針１と試料２の間にはトンネル電流を流
すための電源６が接続される。電源６はその出力電圧を
任意に変えることができる構成を有し、外部からの指令
信号に基づき必要な電圧値に設定される。ＳＴＭを例え
ば微細対象物測定装置として使用する場合において、探
針１を試料表面上の任意場所に移動させるときには、通
常、電源６により探針１と試料２の間に例えば数ボルト
の電圧が印加される。この状態で、粗動機構（図示せ
ず）により探針１が試料２に近づけられ、探針・試料の
間の距離が原子レベルの微小距離になると、探針・試料
間にトンネル電流が流れる。粗動機構としてはストロー
クの大きい粗動用圧電素子やステッピングモータ等が使
用される。探針１と試料２の間の微小距離の調整は圧電
素子５の伸縮動作で行われ、圧電素子５の伸縮時の動作
量は圧電素子５に印加される負荷電圧に対応して決定さ
れる。圧電素子５への印加電圧はサーボ回路７から与え
られる。なお図１に示された実施例では、探針１の側で
粗動および微動を行うように構成しているが、探針１と
試料２の相対的な位置関係を変えるという意味では、試
料２を載置するステージの側にそれらの移動を行うため
の機構を設けることも可能である。

【００１８】またＳＴＭを微細対象物測定装置として使
用する場合において、ＳＴＭの探針１が試料表面の凹凸
に沿って移動するときに、探針１と試料２の間の距離は
一定距離に保持される。この一定距離は、探針・試料間
に流れるトンネル電流の値を当該一定距離に対応する一
定電流値に設定することにより行われる。トンネル電流
値を一定値に設定することは、サーボ回路７の中に、検
出値と比較するための基準電圧値を設定することにより
行われる。探針１を試料表面に沿って移動させる時、探
針・試料間のトンネル電流を検出し、このトンネル電流
を予め設定された一定値に保持することにより、探針１
と試料２の間隔を一定距離に保持することが可能とな
る。この制御は、サーボ回路７から出力される制御信号
（または駆動信号）によって圧電素子５の伸縮動作をサ
ーボ制御することで行われる。探針１は、試料２の測定
面の原子レベルの微細凹凸形状をなぞって移動するの
で、探針１を移動させるための圧電素子３〜５の動作制
御データに基づいて測定面の凹凸形状を測定できる。

【００１９】さらに、図１において、８はトンネル電流
を検出し増幅する機能を有するトンネル電流検出部であ
り、９は検出したトンネル電流の値を距離に対応する電
気量（電圧値）に換算する機能を有するトンネル電流・
距離変換部である。トンネル電流・距離変換部９の出力
信号は、サーボ回路７に与えられる。サーボ回路７は、
基準電圧との比較に基づき、トンネル電流・距離変換部
９の出力信号が基準電圧と等しい一定値に保持されるよ
うに、探針１のＺ軸方向移動を定める電圧を決定し、制
御信号として圧電素子５に供給する。

【００２０】１０は、探針１のＸＹ平面移動に関与する
圧電素子３，４の伸縮動作を行わせる駆動信号を出力す
るＸＹ走査部であり、探針１のＸＹ平面移動は平面走査
移動として行われる。ＸＹ走査部１０は、試料２の表面
の上で探針１をＸＹ平面走査させる時、圧電素子３，４
のそれぞれに対し所定タイミングで駆動信号を与える。
ＸＹ走査部１０の出力する駆動信号によって圧電素子
３，４のそれぞれの伸縮動作が制御される。

【００２１】次に、ＳＴＭが主に測定装置として機能す
る場合の構成部分を説明する。ＳＴＭにおいて、探針１
に動作を行わせるため、圧電素子３〜５の伸縮動作が所
望の状態に制御される。圧電素子３〜５の伸縮動作を実
行させるあたって、サーボ回路７で生成されるＺ軸方向
の制御データ、およびＸＹ走査部１０で得られるＸおよ
びＹの各軸方向の制御データは、測定データ記憶部１２
に供給され、格納される。換言すれば、圧電素子３〜５
の負荷電圧すなわち各圧電素子の伸縮量を、空間座標と
して測定データ記憶部１２に記憶する。測定データ記憶
部１２に格納された探針１の測定動作に関する制御デー
タ（空間座標値）は、試料表面の凹凸形状を表す測定デ
ータとして使用される。この測定データは、データ処理
部１３によって画像表示が可能となるように処理され、
これによって作成された画像データをモニタ部１４に供
給し、その画面に凹凸像が表示される。測定データ記憶
部１２とデータ処理部１３は、演算・制御部１１の内部
に設けられる。演算・制御部１１はＣＰＵおよびメモリ
で構成される。上記の測定装置としての構成部分はＳＴ
Ｍが微細加工装置として機能するときには基本的に関係
がない。

【００２２】演算・制御部１１は、さらに、ＸＹ走査制
御部１５を備える。ＸＹ走査制御部１５は、ＸＹ走査部
１０に対して、走査用圧電素子３，４のそれぞれのスト
ロークを定める指令を生成し出力する。本実施例のＸＹ
走査制御部１５は、図２に示すように、試料２の表面に
設定された複数の加工対象場所に探針１を移動させるた
めの指令を生成する移動指令手段１６と、この移動を探
針１に行わせるときに、探針１を必ず加工対象場所を含
む試料平面領域でＸＹ平面走査しながら加工対象場所に
移動させるための平面走査動作指令手段１７を含んでい
る。移動指令手段１６は、複数の加工対象場所が与えら
れると、加工対象場所のデータを設定すると共にこれら
の加工対象場所を含む平面領域を設定し、平面領域に関
するデータを平面走査動作指令手段１７に与える。平面
走査動作指令手段１７は、与えられた平面領域に関して
ラスター方式の平面走査を行うためのデータを準備す
る。ＸＹ走査制御部１５で生成されたディジタル形式の
制御信号はバスでＸＹ走査部１０に供給される。制御信
号は、Ｘ軸方向圧電素子３とＹ軸方向圧電素子４のそれ
ぞれについて供給される。従って、ＸＹ走査部１０の中
にはＤ／Ａコンバータが含まれ、制御信号を各圧電素子
の駆動信号に変換する。

【００２３】上述した移動指令手段１６と平面走査動作
指令手段１７は、具体的には、例えば次のように構成さ
れる。圧電素子３，４のそれぞれの最大ストロークで定
められる平面に対応する２次元テーブルを定義するＸ軸
方向に対応するライン状のメモリとＹ軸方向に対応する
ライン状のメモリを用意する。各ライン状メモリは、圧
電素子の印加電圧範囲を所定単位電圧に相当する単位メ
モリで複数に分割されている。設定された複数の加工対
象場所に対応する位置を特定できるように、各ライン状
メモリの所定の単位メモリにデータを格納する。２つの
ライン状メモリにおけるデータが格納された単位メモリ
の組み合わせに基づき、２次元テーブル上で複数の加工
対象場所が設定される。２つのライン状メモリの組み合
わせデータを従って、これを走査制御信号として探針の
平面走査移動が実行される。移動指令手段１６と平面走
査動作指令手段１７としては、その他に、同様な作用を
有する任意の構成を採用できる。

【００２４】ＳＴＭを微細加工装置として動作させる場
合、ＳＴＭには、試料２の表面において加工すべき場所
が例えば複数設定される。その場所の位置データは、演
算・制御部１１の記憶部（図示せず）に格納される。加
工対象場所の位置データが設定されると、これらの複数
の加工対象場所の含む平面領域が、探針１のＸＹ平面走
査動作に基づいて探針が移動する領域として設定され
る。加工動作で探針１が加工対象場所のそれぞれに移動
するとき、本発明の加工方法では、後述するように、設
定された平面領域で探針１を例えばラスター方式で平面
走査させながら当該移動を行う。この移動制御を実行す
る制御手段が、前述のＸＹ走査制御部１５である。この
平面走査の移動では、探針１は試料表面の凹凸データを
測定するための移動を行うわけではないので、探針・試
料間の距離を制御するためのサーボ制御は行われない。
この平面走査中において探針１が各加工対象場所に到達
した判定されると、探針１はその位置で停止し、加工対
象部に所定の距離で近づき、かつ加工指令用制御手段
（図示せず）が出力する前記指令信号に基づいて電源６
の出力電圧が所定レベルまで増大せしめられる。この結
果、探針１から所要の加工エネルギが加工対象場所に存
在する原子に供給され、当該原子が除去される等の加工
が行われる。第１の加工対象場所での加工が完了する
と、探針１は再び走査移動を行いながら次の加工対象場
所に移動するように制御が行われる。その後において
も、同様にして上記の制御が繰り返される。

【００２５】次に図３のフローチャートおよび図４を参
照して、上記構成を有する微細加工装置としてのＳＴＭ
で実施される探針１による微細加工方法について説明す
る。図４において、（Ａ）は複数の加工対象場所Ａ，
Ｂ，Ｃを含むＸＹ平面領域と当該平面領域についてラス
ター方式の平面走査を行う状態を示し、（Ｂ）は探針１
にＸＹ平面走査を行なわせるＸ軸方向用圧電素子に関す
る印加電圧とＸ変位量との関係を示す。

【００２６】図３のフローチャートにおいて、最初に複
数の加工対象場所Ａ，Ｂ，Ｃとこれらの加工対象場所を
含む平面領域３１が設定される（ステップ２１）。平面
領域３１が設定されると、移動指令手段１６と平面走査
動作指令手段１７によって、ラスター方式の平面走査に
よる探針１の移動が行われる（ステップ２２）。図４
（Ａ）の３２はラスター方式の平面走査の軌跡を示す。
判断ステップ２３では、平面走査の移動において、加工
対象場所か否かが判定される。加工対象場所であるとき
には前述の加工動作が探針１によって実行され（ステッ
プ２４）、そうでないときにはステップ２２に戻り平面
走査が継続される。こうしてラスター方式の平面走査を
行いながら、加工対象場所Ａ，Ｂ，Ｃのそれぞれで所要
の加工が実行される。判断ステップ２５で平面走査が終
了したか否かが判定され、平面走査が終了した場合に
は、加工動作を終了する。

【００２７】図４（Ａ）の探針１の平面走査に対応し
て、図４（Ｂ）に示されるＸ軸方向圧電素子３は、Ｘ変
位量の変化特性において，，，，，…の順序
で経路を繰り返し、当該経路に対応する動作を行うこと
になる。またＹ軸方向圧電素子４は、の経路に従って
伸長する。このため、各加工対象場所Ａ，Ｂ，Ｃのそれ
ぞれにおいて位置ずれを生じることなく探針１を目標位
置に到達させることができる。これによって、精度良く
加工を行うことができる。

【００２８】Ｘ軸方向用圧電素子３について、必要があ
れば、平面走査の直前にダミースキャンを行い、から
への経路を通過させ、必ず，，，の経路で動
作するようにすることができる。Ｙ軸方向の圧電素子４
についても、同様にダミースキャンを行うようにするこ
とができる。

【００２９】前記の実施例では、図４（Ａ）に示すごと
くラスター方式の平面走査を行うように構成したが、こ
のラスター方式平面走査の代わりに、これに類似するま
たは準じる平面走査、例えば、種々の形状の軌跡を描く
ジグザク移動、ステップ推移式往復移動等を行うことが
可能である。また前記実施例ではＳＴＭについて説明し
たが、本発明に係る微細加工方法は、類似する他の微細
加工装置においても同様に適用することができる。

【００３０】試料２の側で圧電素子を利用して相対的な
移動を行う場合にも、同様にして平面走査を行いなが
ら、所定の加工対象場所で加工作業を行わせるように構
成できる。

【００３１】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように本発明によ
れば、微細加工装置で実施される微細加工方法におい
て、圧電素子を利用して、設定された加工対象場所に探
針を移動させるとき、平面走査を行いながら加工対象場
所へ探針を移動するようにしたため、ヒステリシス特性
やクリープ特性の影響を除いて正確に加工対象場所に探
針を移動でき、加工精度を高めることができ、また加工
点数が多い場合には高速化を達成することができる。ま
た加工対象場所をデータベース化することにより、文字
のみならず、図形や絵を正確に描くことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】微細加工装置として動作するＳＴＭの基本構成
を示す構成図である。

【図２】ＸＹ走査制御部の内部構成を示すブロック図で
ある。

【図３】本発明の微細加工方法の手順を示すフローチャ
ートである。

【図４】本発明の微細加工方法による探針移動状況を示
し、（Ａ）は平面領域の走査軌跡を示す図であり、
（Ｂ）はＸ軸方向の圧電素子の印加電圧と変位量の関係
を示すグラフである。

【図５】圧電素子が最大ストロークで伸縮するときのヒ
ステリシス特性を示すグラフである。

【図６】圧電素子が部分的なストロークで伸縮する時の
ヒステリシス特性を示すグラフである。

【図７】クリープ特性を説明するための図である。

【図８】（Ａ）は走査領域での第１の移動経路を示す図
であり、（Ｂ）は第１の移動経路に対応するＸ軸方向圧
電素子に関する印加電圧と変位量の関係を示すグラフで
ある。

【図９】（Ａ）は走査領域での第２の移動経路を示す図
であり、（Ｂ）は第２の移動経路に対応するＸ軸方向圧
電素子に関する印加電圧と変位量の関係を示すグラフで
ある。

【符号の説明】

１ …探針 ２ …試料 ３〜５ …圧電素子 ６ …電源 ７ …サーボ回路 １０ …ＸＹ走査部 １１ …演算・制御部 １５ …ＸＹ走査制御部 １６ …移動指令手段 １７ …平面走査動作指令手段 ３１ …平面走査を行う領域 ３２ …平面走査の軌跡

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 微細なものを加工操作するための加工操
   作手段と、前記加工操作手段を目的場所に移動させるた
   めの圧電素子とを備えた微細加工装置に適用される微細
   加工方法であり、試料表面の加工対象部を加工するた
   め、前記圧電素子を駆動して前記加工操作手段を前記加
   工対象部に移動させるとき、前記加工対象部を含む試料
   の平面領域を走査しながら前記加工対象部の位置に前記
   加工操作手段を移動させ、前記加工対象部の位置で加工
   作業を行うようにしたことを特徴とする微細加工方法。