ナノリソグラフィのための平行個別アドレス可能プローブ
【課題】ナノリソグラフィのために、微細に加工されたプローブアレー及びプローブアレーを設計及び製造するプロセスを提供する。
【解決手段】プローブアレーは、熱バイメタル作動または静電作動方法を使用して、独立的に移動されることのできる個別プローブから構成される。プローブアレーは、拡散移転される化合物のトレースを、サブ１マイクロメートル解像度で生成するために使用されることができ、続いて移転されたパターンの変化を読み取る配列走査プローブ顕微鏡として機能することができる。
【解決手段】プローブアレーは、熱バイメタル作動または静電作動方法を使用して、独立的に移動されることのできる個別プローブから構成される。プローブアレーは、拡散移転される化合物のトレースを、サブ１マイクロメートル解像度で生成するために使用されることができ、続いて移転されたパターンの変化を読み取る配列走査プローブ顕微鏡として機能することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には、ナノリソグラフィ及びナノスケール画像化の分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
極度に微細な線幅（たとえば、１０〜１００ｎｍのオーダ）の高スループットリソグラフィ及び表面パターン化は、マイクロエレクトロニクス産業及びナノテクノロジの将来の成長に重要である。次世代集積回路テクノロジは、必然的に、サブ１００ｎｍ線幅を有する特徴の効率的及び低コストの生成を必要とする。ナノテクノロジの新興分野は、更に、操作及び修飾されなければならない分子及び細胞のスケールに匹敵する空間解像度で、表面をパターン化及び機能化することを必要とする。
【０００３】
依然としてマイクロエレクトロニクス産業で最も広く使用されている従来の投影光学リソグラフィシステムの解像度は、光学回折によって制限される。解像度は、高エネルギー及び短波長を有するビームベースの直接書き込みツールを使用することによって改善されることができる。電子ビーム及びＸ線に依存するビーム線を含めて、高エネルギービーム線が使用されている。しかし、そのような直接書き込みリソグラフィシステムは、幾つかの欠点を有する。第１に、そのようなシステムは、常に複雑で高価である。第２に、それらのリソグラフィツールは単一のビームで動作し、順次様式でパターンを生成し、したがって低スループットである。第３に、従来の高解像度リソグラフィシステムは、生物学的分子または化合物から成るパターンを堆積することができない。特別の化学レジストが使用されるだけである。
【０００４】
ディップペン（Ｄｉｐ−ｐｅｎ）ナノリソグラフィ（ＤＰＮ）は、最近紹介された走査プローブナノリソグラフィ方法である。ＤＰＮの説明は、参照して全体をここに組み込まれるＰＣＴ／ＵＳ００／００３１９に含まれる。ＤＰＮは、化学種の拡散を使用し、或る場合には周囲条件のもとで走査プローブの先端部とサンプルとの間で自然に形成される水のメニスカスを介して、先端部から表面へナノスケールパターンを堆積することによって機能する。先端部が基板の表面を横切って移動されるにつれて、先端部の表面の分子は、先端部と基板表面との間に形成される水のメニスカスを介して輸送される。一度表面へ輸送されると、分子は自分自身を基板へ化学的に固定し、ロバストなパターンを形成する。市販されている窒化珪素先端部を使用して、１０ナノメートルから数マイクロメートルまでの特徴を加工することができる。ＤＰＮ書き込みの線幅に影響する１つの要因は、先端部の線形速度である。先端部の速度が速いと、それだけ小さな線幅が達成される。線幅に影響する他の要因は、ＤＰＮ先端部の鋭角度及びインクとして使用される分子の拡散率を含む。
【０００５】
ＤＰＮは多くの独特の利点を提供する。利点の中には、直接書き込み能力、高解像度（〜１０ｎｍの線幅解像度、究極〜５ｎｍの空間解像度）、超高ナノ構造レジストレーション能力、化合物（生体分子を含む）を書き込み、また基板（たとえば、Ａｕ、ＳｉＯ２、及びＧａＡｓ）に書き込むため、多様な分子を使用する柔軟性、単一の「ナノチップ」の上に多数の化学的または生化学的機能性を集積する能力、パターン化の１層プロセス、及びカスタマイズされたソフトウェアを使用する自動パターン化能力が含まれる。
【０００６】
ＤＰＮテクノロジは、低コストの商用走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）器械を使用して実現されることができる。典型的なセットアップでは、ＤＰＮプローブチップが、市販されているＳＰＭ先端部と同じようにＳＰＭ走査管に取り付けられる。プローブの正確な水平及び垂直移動は、ＳＰＭ機械の内部レーザ信号フィードバック制御システムを使用することによって得られる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、ディップペンアレーの個別にアドレス可能なプローブを使用して、ナノリソグラフィ、たとえばディップペンナノリソグラフィ、及びナノスケール画像化を提供する。複数の能動プローブを有するプローブアレーが提供される。このプローブアレーは、プローブに結合されたアクチュエータへ電流または電圧を供給して個々のプローブの独立作動を可能にすることによって、従来の単一ペンＤＰＮよりも大きな機能性を実現する。複数の独立にアドレス可能なプローブは、同一または異なる化合物の複数のトレースを生成する。
【０００８】
ナノリソグラフィのために少なくとも１つのパターン化化合物を基板へ適用する装置が提供される。装置は、各々のプローブがカンチレバーを含む平行なプローブアレー、少なくとも１つのパターン化化合物の１つを基板へ適用するためカンチレバーの遠位端に置かれた先端部、及びカンチレバーへ動作的に結合されたアクチュエータを含む。プローブはナノリソグラフィのために構成されることができる。アクチュエータは、印加された電流または電圧に応答し、カンチレバー、したがって先端部を移動して基板から離すように設計される。したがって、個々のプローブの先端部と書き込み基板との間の接触状態は、独立的に制御されることができる。ＤＰＮ書き込みの場合、プローブの先端部が基板を離れるとき、パターン化プロセスが中止される。実施形態の多くの好ましい型が開示される。能動プローブアレーを製造する方法も提供される。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の実施形態の１つの型では、アクチュエータは、印加された電流に応答してカンチレバーを偏向し、基板に対して先端部を移動する。アクチュエータは熱によって作動されることができる。
【００１０】
好ましい実施形態によれば、熱アクチュエータは、カンチレバーへ接続された抵抗性ヒータ、及び抵抗性ヒータを電流源へ接続する線を含む。電流が抵抗性ヒータを介して印加されたとき、オーミック加熱に起因して熱が生成され、したがって抵抗器及びカンチレバーの温度を上昇させる。カンチレバー及び金属抵抗器の材料の熱膨張率の差に起因して、カンチレバーは、印加された電流に応答して選択的に曲げられる。熱屈曲の範囲を向上するため、薄い金属膜のパッチがカンチレバーへ接続されてよい。
【００１１】
本発明の実施形態の第２の型では、アクチュエータは、印加された電圧に応答してカンチレバーを偏向する。アクチュエータは、静電的に作動されることができる。好ましい変位は、２つの電極の間に電圧差を印加することによって作り出される。電極の少なくとも１つは静止していない。
【００１２】
静電アクチュエータの好ましい実施形態は、先端部及び反対電極に対向してカンチレバーの内端に形成されたパドル電極を含む。パドル電極は反対電極と対面し、そのギャップは所定のギャップスペースを有する。差動電圧が上部電極と反対電極との間に印加されたとき、結果の静電引力はカンチレバービームを曲げ、したがって先端部の位置を移動する。
【００１３】
本発明の好ましい型の方法は、高速プローブベースのナノリソグラフィのために、少なくとも１つのパターン化化合物を基板へ適用する方法を提供する。方法は、個別にアドレス可能なプローブのアレーを提供し、各々のプローブは遠位端に先端部を有し、同一または異なる化学物質で先端部をコーティングし、先端部が基板と接触するように、個別にアドレス可能なプローブのアレーの先端部を基板の上に配置し、基板表面の上でプローブをラスタスキャンし、プローブのアレーから少なくとも１つの選択されたプローブを選択的に作動して、選択されたプローブの先端部を基板から離すように移動するステップを含む。したがって、選択されたプローブは、選択されたときパターン化化合物を基板へ適用せず、その間に、選択されなかったプローブは少なくとも１つのパターン化化合物を基板へ適用する。走査プロセスの間に個々のプローブの位置を制御しながら、配列されたプローブを含むチップをラスタスキャンすることによって、任意の２次元パターンを生成することができる。プローブはナノリソグラフィのために構成されることができる。プローブは、更に、先端部と基板との間の相互作用が、表面の電気的、化学的、または分子の状態を変更する他のナノリソグラフィ手法へ、一般的に応用されることができる。
【００１４】
本発明の好ましい方法によれば、少なくとも１つの選択されたプローブを選択的に作動するステップは、カンチレバーへ接続された抵抗性ヒータへ電流を印加して、カンチレバービームが曲げられるようにするステップを含む。カンチレバーの偏向は、基板から先端部を離すように移動して基板の上の書き込みを中止する。
【００１５】
本発明の他の好ましい方法によれば、個々のプローブを選択的に作動するステップは、反対電極と、選択されたプローブの端へ接続された移動電極との間に差動電圧を印加することを含む。このようにして、移動電極及び反対電極は相互に向かって移動され、好ましくはプローブのカンチレバーを偏向し、基板から先端部を離すように移動する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、上記のように構成したので、能率良く描画できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】ＤＰＮプロセスの略図であって、基板（書き込み表面）の上を通過している化合物でコーティングされた単一の先端部を示す。
【図２】本発明の実施形態の１つの型に従ったプローブアレーを有する平行ナノリソグラフィ書き込みシステムであって、補助制御ユニットでインタフェースされたシステムの略図である。
【図３】それぞれ、本発明の実施形態の好ましい型に従って、選択されたプローブの偏向の前後におけるバイメタル熱作動プローブアレーの略図である。
【図４】それぞれ、プローブの偏向の前後におけるバイメタル熱作動プローブの略図である。
【図５】本発明の好ましい態様に従った熱作動プローブの製造プロセスの主なステップを示す略図である。
【図６】それぞれ、図５（Ｂ）〜図５（Ｅ）で示された製造ステップを上から見た略図である。
【図７】本発明の実施形態の好ましい型に従った静電作動プローブの略図である。
【図８】本発明の実施形態の好ましい型に従った静電作動プローブのアレーの略図である。
【図９】静電アクチュエータプローブを上から見た略図である。
【図１０】図９の指示された方向に沿って取られた断面図であり、本発明の好ましい方法に従った静電作動プローブの製造ステップを示す。
【図１１】本発明の他の好ましい実施形態に従った２次元アレーＤＰＮナノプロッタの略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
一般的に言って、本発明は、直接書き込みナノリソグラフィ、たとえばＤＰＮを達成するように設計された能動プローブ及び能動プローブアレーを提供する。本発明に従った装置は、高速、平行、及び制御可能な様式でサブ１００ｎｍパターンを生成することができる。能動プローブアレーは、プローブのアクチュエータへ電流または電圧を供給して個々のプローブの作動を可能にすることによって、より大きな機能性を提供する。本発明は、主として、能動プローブアレーを使用する平行ＤＰＮの方法及び装置、並びに能動プローブ及び能動プローブアレーを製造する方法に向けられている。
【００１９】
能動プローブアレーは、更に、走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）器械ファミリーに基づく他の既存または将来の表面パターン化及びリソグラフィ方法に使用されることができる。原子力顕微鏡（ＡＦＭ）は、ＳＰＭ器械ファミリーの１つのメンバーと考えられる。そのようなリソグラフィシステムの例は、局所熱酸化及び転置リソグラフィを含む。
【００２０】
ここで図１を参照すると、従来のＤＰＮプロセスの例が示される。ＤＰＮは、ＡＦＭプローブ２２（または他のＳＰＭプローブ）のカンチレバーの遠位端にある先端部を使用して、固い書き込み基板２４、たとえば金の上に、ナノスケールパターンを堆積または「書き込む」。先端部２０は、その上にコーティングされたパターン化化合物２６を書き込み基板２４へ適用する。パターン化化合物２６は、書き込み基板２４との化学的親和力を有する疎水性パターン化化合物、たとえば１−オクタデカンチオール（ＯＤＴ）メルカプトヘキサデカン酸（ＭＨＡ）であってよいが、それに限定されない。
【００２１】
従来の顕微鏡的「ディップペン」（たとえば、羽根ペン、万年筆、ボールペン、またはマルチペンプロッタ）と同じように、ＤＰＮは、分子（毛細管）輸送を使用して、先端部２０から書き込み基板２４へパターン化化合物２６を移送し、パターン化化合物のパターン２８を形成する。作業域内の相対湿度に起因して、先端部２０と書き込み基板２４との間に水のメニスカス３０が形成される。図１で示されるように、先端部が書き込み基板に対して書き込み方向Ｗへ移動されるにつれて、メニスカスは先端部から書き込み基板へパターン化化合物２６を搬送する。
【００２２】
初期のＤＰＮプロセスは、ただ１つのプローブ２２（ペン）を含んだ。書き込み基板２４の上に複数のパターン２８を書き込むため、８つまでの市販プローブ２２から構成され、プローブ間の間隔が１．４ｍｍのアレーを使用して、平行パターンも実現された。この手法は、更に、複数のパターン２８の適用を可能にする。その場合、各々のパターンは、異なったパターン化化合物、たとえば生体化合物を含む。平行書き込みは、更に、たとえば、集積回路形成の間にパターン２８を形成するのに有用である。平行プローブ構造の例は、「ディップペン」（Ｒ．Ｐｉｎｅｒら、「Ｄｉｐ−ｐｅｎ」 Ｎａｎｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ，Ｓｃｉｅｎｃｅ，１９９９、ｖ．２８３、ｐｐ．６６１〜６６３）、（Ｓ．Ｈｏｎｇら、Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｋ Ｎａｎｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ：Ｔｏｗａｒｄ ａ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｐｅｎ Ｎａｎｏ−Ｐｌｏｔｔｅｒ、１９９９、ｖ．２８６、ｐｐ．５２３〜５２５）、及び（Ｓ．Ｈｏｎｇら、Ａ Ｎａｎｏｐｌｏｔｔｅｒ ｗｉｔｈ Ｂｏｔｈ Ｐａｒａｌｌｅｌ ａｎｄ Ｓｅｒｉａｌ Ｗｒｉｔｉｎｇ Ｃａｐａｂｉｌｉｔｉｅｓ、Ｓｃｉｅｎｃｅ、ｖ．２８８、ｐｐ．１８０８−１８１１）で見ることができる。
【００２３】
従来の平行プローブＤＰＮプロセスは、市販のＡＦＭプローブ２２を使用して実行される。個々のプローブ２２は、相互から独立に移動されることはできない。したがって、全てのプローブ２２は、同時に移動しなければならない。更に、現在の平行ＤＰＮアレーのプローブ間のスペースは、或るＤＰＮ応用には大きすぎて、高スループット及び高密度配列ＤＰＮ書き込みシステムの必要性を十分に満足させることができない。本発明は、独立的に能動で、微細に加工され、好ましくは密接スペースＤＰＮプローブを有するナノプロッタを提供する。
【００２４】
図２は、本発明の実施形態の１つの型に従った能動マルチペン平行ＤＰＮ書き込みシステム３２の略図である。複数の能動プローブ３８を含むプローブアレーを有するＤＰＮプローブチップ３４は、標準のシングル先端部ＡＦＭプローブと類似した方法でＡＦＭ走査管４０へ取り付けられる。典型的には圧電管エレクトロニクスであるＡＦＭフィードバックエレクトロニクス４２は、プローブチップ３４の水平及び垂直移動を制御する。
【００２５】
能動プローブ３８の先端部２０が書き込み基板２４と接触しているとき、好ましくは、プローブチップ３４がパターン化のために基板２４に沿ってラスタスキャンされる間に、接続された補助制御回路４８によって制御される集積アクチュエータ（図２に図示されていない）は、先端部の個々の移動を方向づける。「接触」の用語は、パターン化化合物２６のパターン化を可能にするように、先端部２０と基板２４との間の十分な近接性を意味する。アクチュエータは、プローブチップ３４を介して制御ユニット４８から電流または電圧を供給されたとき、能動プローブ３８のカンチレバー５０を移動して、カンチレバーの端にある先端部２０を、書き込み基板２４から離すように持ち上げる。これは化学的堆積プロセスを中止する。このようにして、能動プローブ３８は、電流または電圧の選択的印加によって個別に制御され、任意のパターンを高スループットで作り出すことができる。
【００２６】
図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は、それぞれ、選択されたプローブの作動の前後における本発明の実施形態の好ましい型に従った熱作動プローブ５４のアレー５６を示す。図３（Ａ）では、アレー５６は、５つの熱作動プローブ５４を有するように示されるが、プローブ５４のいずれも作動されていない。図３（Ｂ）で示されるように、印加された電流に応答して、第２及び第４の熱作動プローブ（矢印で示される）が上方へ曲げられ（図３（Ａ）及び図３（Ｂ）では紙面の中へ）、それらの先端部２０を書き込み基板２４から離すように移動し、化学的堆積を中止する。当業者は、パターン２８を形成するための電流の選択的分配が、制御回路４８をプログラムすることによって制御されることを理解するであろう。
【００２７】
熱作動プローブ５４のカンチレバービーム５０の材料は、好ましくは、減圧化学気相成長法（ＬＰＣＶＤ）によって形成された窒化珪素薄膜である。本発明の方法の好ましい型によれば、熱作動プローブ５４は、少なくとも抵抗性ヒータ６６を有する熱アクチュエータを含む窒化珪素プローブを作成することによって形成される。
【００２８】
図４（Ａ）及び図４（Ｂ）は、それぞれ、非屈曲状態及び屈曲（作動）状態にある熱作動プローブ５４の１つを示す。熱作動プローブ５４の窒化珪素カンチレバー５０の上にパターン化された抵抗性ヒータ６６は、抵抗性ヒータへ電流を搬送するボンディングワイヤ７０へ結合される。一方、ボンディングワイヤ７０は、電流をボンディングワイヤ７０へ選択的に分配するため、したがって熱作動プローブ５４を作動するため、制御回路４８へ結合される。好ましくは、金属膜のパッチ６８がカンチレバー５０へ連結され、プローブ５４の偏向を増大させる。
【００２９】
図５（Ａ）〜図５（Ｅ）、及び図６（Ａ）〜図６（Ｄ）は、それぞれ、ただ１つの熱作動プローブ５４及び一対の熱作動プローブを形成する熱作動プローブアレー５６の形成ステップを示す。図５Ａを参照すると、二酸化珪素薄膜６０が、シリコン基板６２の前面、好ましくは＜１００＞方位シリコンウェーハの上に成長させられ、先端部２０を作り出すための保護マスクを形成する。酸化層６０は、先端部２０を形成するマスクを実現するためフォトリソグラフィによってパターン化される。図５（Ｂ）（更に、図６（Ａ））では、先端部２０のピラミッド形を規定するシリコン基板６２の一部分が、エチレンジアミンピロカテコール（ＥＤＰ）における異方性ウェットエッチングを使用して形成される。次に、図５（Ｃ）（図６（Ｂ））で示されるように、ＬＰＣＶＤ窒化珪素の層６４が堆積され、エッチングされたシリコン基板６２の上へパターン化され、カンチレバー５０を含む熱能動プローブ５４の形状を規定する。図５（Ｄ）（図６（Ｃ））で示されるように、抵抗性（オーミック）ヒータ６６及び（オプションの）金属パッチ６８が、たとえば、窒化珪素の層６４の上にＣｒ／Ａｕを堆積及びパターン化することによって、熱作動プローブ５４の上に形成され、集積されたバイメタル熱アクチュエータが作り出される。次に、熱作動プローブ５４は、支持基板６２をアンダーカットするためＥＤＰエッチングを使用することによってリリースされる。図４（Ａ）及び図４（Ｂ）で示されるように、シリコン基板６２の一部分は、熱作動プローブ５４のハンドルを提供する。
【００３０】
動作において、熱作動プローブ５４は、印加された電流に応答して、抵抗性ヒータ６６及び任意的パッチ６８の金属と熱作動プローブのカンチレバー５０との異なった熱膨張に起因して長さに沿って曲がり、先端部２０を移動する。好ましい動作方法では、制御回路４８は、ボンディングワイヤ７０を介して電流を抵抗性ヒータ６６へ送り、窒化珪素カンチレバー５０及び金のパッチ６８の異なった熱膨張に起因して熱作動プローブ５４を半径Ｒの円弧へ曲げる。
【００３１】
所与の温度変化ΔＴでのＲの式は、近似的に
【００３２】
【数１】
である。パラメータｗ、ｔ、Ｅ、及びαは、それぞれ、材料１及び２として示される２つの構成材料の幅、厚さ、ヤングの弾性率、及び熱膨張率である。下付き数字は、これらの２つの材料に対応する。熱アクチュエータの温度は、ビームの熱平衡によって記述される。熱は抵抗性加熱によって生成され、伝導及び対流によって失われる。
【００３３】
熱作動プローブ５４において、カンチレバービーム５０の屈曲は、先端部２０の偏向δを生じる。
【００３４】
【数２】
したがって、図４（Ｂ）で示されるように、選択されたボンディングワイヤ７０を介して電流を印加すると、ボンディングワイヤへ接続された熱作動プローブ５４のカンチレバー５０は、上方へ偏向して先端部２０を移動する。
【００３５】
平行な多数の能動プローブ３８が、プローブチップ３４の上に集積されたとき、プローブベースのナノリソグラフィのスループットを非常に高くすることができる。前述したような本発明の実施形態の好ましい型に従って製造された熱作動プローブアレー５６は、高いプローブ密度（中心から中心までの間隔が１００μｍ）及び集積された鋭い先端部を有するコンパクトなナノプロッタとなり、ナノリソグラフィ及びＡＦＭ画像化に使用されることができる。
【００３６】
本発明の実施形態の他の好ましい型によれば、図７の好ましい型の実施形態で示される静電作動プローブ７２が提供される。好ましくは、プローブ７２は、プローブチップ３４と組み合わせて図８の好ましい実施形態で示される静電プローブアレー７４のユニットとして形成される。
【００３７】
図７及び図８で示されるように、静電作動プローブ７２は静電アクチュエータ７６を含む。静電アクチュエータ７６は、カンチレバー５０の長手方向の内端に、長手方向で先端部２０に対向したパドル形プレート７８を含む。パドル形プレート７８は、好ましくは、静電作動プローブ７２と一体的に形成される。更に、静電アクチュエータ７６は反対電極８１を含む。反対電極８１は、好ましくは静止しており、パドル形プレート７８と静電的に相互作用するためプローブチップ３４の上に形成されることができる。反対電極８１は、それと長手方向で対向している多数のボンディングパッド８５へ電気的に接続された電極の平行アレーの一部分として形成されることができる。双方は、ガラス基板９４へパターン化されるか、接着されるか、形成されるか、または取り付けられる。ガラス基板９４は、完成した実施形態では、反対電極及び接続ボンディングパッドのアレーをカバーする。１つまたは複数のボンディングパッドへ電圧を選択的に印加するため、ボンディングパッド８５は、好ましくは、制御回路４８へ電気的に接続される。反対電極８１及びボンディングパッド８５を含むガラス層９４の加工方法は、当業者に明かであろう。
【００３８】
更に、静電作動プローブへねじれ支点を提供するため、静電作動プローブ７２は、コンパクトなソフトスプリング８０によって、好ましくはカンチレバーの中間地点またはその近くでカンチレバー５０に沿って支持され、プローブの先端部２０を移動するためプローブの偏向及び角度運動を可能にするのが好ましい。図８で示されるように、静電作動プローブ７２のアレー７４の各々のスプリング８０は、好ましくは、各々の個別のプローブを通して横方向に延びる単一部品（たとえば、ねじれビーム）の１セクションである。更に、スプリング８０の各々のセクションは、カンチレバー５０の長手方向と平行な方向で比較的小さな断面を有することが好ましい。当業者に分かるように、スプリング８０の寸法、たとえば断面積、及び先端部２０に対するスプリング８０のロケーションは、カンチレバー５０の角柔軟性を制御するため、境界条件に依存して変更されることができる。
【００３９】
図９は、静電作動プローブ７２の好ましい実施形態の平面図である。要求されるわけではないが、カンチレバー５０、パドル形プレート７８、及びソフトスプリング８０は、ホウ素をドープされたシリコンから一体的に形成されるのが好ましい。この材料は、ＥＤＰ溶液における低いエッチングレート、及び比較的に高い導電率のために好ましい。
【００４０】
静電作動プローブ７２の好ましい製造方法は、図１０（Ａ）〜図１０（Ｆ）に示される。先ず図１０（Ａ）を参照すると、＜１００＞方位シリコンウェーハ８６とエピタキシャル＜１００＞方位シリコン層８８との間に挟まれ、高濃度のホウ素でドープされたシリコン層８４を含む３層ウェーハの前面に、二酸化珪素層８２が成長させられる。代替的に、シリコン層８４はリンでドープされてよい。二酸化珪素層８２は、先端部２０を形成するためのマスクの境界を規定する。更に、二酸化珪素層８２は、スペーサ９０を形成するための境界を規定することができる。スペーサ９０は、反対電極８１から静電作動プローブ７２を垂直方向で分離する。反対電極８１は、分離されたガラス基板９４の上にパターン化される。図１０（Ｂ）では、シリコン先端部２０及びスペーサ９０が、ＥＤＰエッチングによってエピタキシャルシリコンウェーハ８８から形成される。次に、図１０（Ｃ）で示されるように、最終リリースの間に前面を保護するため、先端部２０、スペーサ９０、及びホウ素でドープされたシリコン層８４を含むエピタキシャルシリコンウェーハ８８の上に、熱酸化層９２が成長させられる。次に、図１０（Ｄ）で示されるように、シリコンウェーハ８６がＥＤＰによってエッチングされ、ホウ素でドープされたシリコン層８４の下の材料が除去され、ホウ素でドープされたシリコンカンチレバー５０がリリースされる。
【００４１】
次に、図１０（Ｅ）で示されるように、熱酸化層９２が除去され、アレーの中の各々のプローブについて、好ましくは一体的にカンチレバー５０、ソフトスプリング８０、及びパドル形プレート７８を含み、ホウ素でドープされたシリコン層８４から、静電作動プローブ８４が形成される。好ましくは、パドル形プレート７８とソフトスプリング８０との間で長手方向に配置されたカンチレバー５０の部分は、カンチレバーの遠位部分よりも、横方向、即ち、ソフトスプリングの長さに平行な方向で、断面積が広い。それによって、先端部２０の偏向は大きくなる。なぜなら、曲げトルクは支持スプリング８０へ完全に伝達されるからである。静電作動プローブ７２はリリースされる。
【００４２】
最後に、図１０（Ｆ）で示されるように、ガラス９４の層及び接続された反対電極８１が、スペーサ９０の上に形成または配置される。
【００４３】
好ましい製造方法は、鋭い先端部２０（好ましくは、＜１００ｎｍの曲率半径）及び約６２０μｍの中心間の間隔を有する静電作動プローブ７２を生じる。したがって、本発明の好ましい実施形態に従った静電作動プローブ７２は、ＤＰＮ書き込み及びＡＦＭ画像化に使用されることができる。
【００４４】
ボンディングワイヤ（図示されていない）は、好ましくは、パドル形プレート７８を大地電位へ接続し、その一方で、反対電極８１は、好ましくは、電圧を反対電極へ印加するためのボンディングパッド８５を介して、制御回路４８へ電気的に結合される。パドル形プレート７８の電位と、反対電極８１の電位とは、代替として逆にされてよいことが分かるであろう。即ち、パドル形プレートが電圧源へ結合され、反対電極が接地されてよい。そのような代替の実施形態に必要な修正は、当業者によって理解されるであろう。
【００４５】
好ましい動作方法では、電位をパドル形プレート７８へ印加するため、電圧がパドル形プレート７８へ印加され、その一方で、導電性反対電極８１が接地される。再び、代替として、反対電極８１とパドル形プレート７８との間で、電圧印加と接地との機能が逆にされてよい。いずれの動作も、好ましくは、スペーサ９０によって分離される反対電極８１とパドル形プレート７８との間に、差動電圧を印加する。反対電極８１のプレートとパドル形プレート７８との間に引力が生じ、この引力はそれらを相互に引き寄せ、したがってカンチレバー５０を傾け、好ましくは、ソフトスプリング８０に関してカンチレバー５０を角度的に偏向し、先端部２０を基板２４から離すように移動する。したがって、熱作動プローブ５４と同じように、先端部２０は、選択的に持ち上げられ、書き込み（または画像化）プロセスを中止することができる。
【００４６】
多くの好ましい実施形態が、能動１次元アレーについて説明された。しかし、アレーは２次元でも同じように可能である。図１１は、本発明の他の好ましい実施形態に従った２次元アレー１００を示す。図１１で示される２次元アレー１００は、下方へ曲がったプローブ１０４の６行及び５列を有するチップ１０２を含む。下方へ曲がったプローブ１０４は、たとえば、熱作動プローブアレー５６の形成プロセスを修正して、好ましくは、２次元アレー１００に沿って均一に配置されたキャビティ（反復されたセル）から個々の熱作動プローブ５４のカンチレバーを延長することによって、製造されることができる。熱作動プローブ５４は、各々のカンチレバー５０に必要な長さが短くなることに起因して、好ましくは、２次元アレー１００の中で下方へ曲がったプローブ１０４として集積される。２次元アレー１００における熱作動プローブ５４のために製造及び動作のステップを修正する方法は、当業者によって理解されるであろう。
【００４７】
当業者は、様々な特質及び利点を有するＤＰＮアレーの幾つかの発明的装置及び方法が、図示及び説明されたことを理解することができる。熱的または静電的に電流または電圧を印加し、個別にアドレス及び作動されるように各々のプローブを構成することによって、本発明の実施形態に従った能動プローブアレーは、増加した解像度及び従来の方法に匹敵するスループットで、任意のパターンを形成することができる。
【００４８】
本発明の様々な実施形態が図示及び説明されたが、他の修正、置換、及び代替が当業者に明かであることを理解すべきである。そのような修正、置換、及び代替は、添付のクレイムから決定されるべきである本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく行われることができる。
本発明の様々な特徴が添付のクレイムに記載される。
【符号の説明】
【００４９】
２０ 先端部
２４ 基板
３２ 能動マルチペン平行ＤＰＮ書き込みシステム
３４ ＤＰＮプローブチップ
３８ 能動プローブ
４０ ＡＦＭ走査管
５０ カンチレバー
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には、ナノリソグラフィ及びナノスケール画像化の分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
極度に微細な線幅（たとえば、１０〜１００ｎｍのオーダ）の高スループットリソグラフィ及び表面パターン化は、マイクロエレクトロニクス産業及びナノテクノロジの将来の成長に重要である。次世代集積回路テクノロジは、必然的に、サブ１００ｎｍ線幅を有する特徴の効率的及び低コストの生成を必要とする。ナノテクノロジの新興分野は、更に、操作及び修飾されなければならない分子及び細胞のスケールに匹敵する空間解像度で、表面をパターン化及び機能化することを必要とする。
【０００３】
依然としてマイクロエレクトロニクス産業で最も広く使用されている従来の投影光学リソグラフィシステムの解像度は、光学回折によって制限される。解像度は、高エネルギー及び短波長を有するビームベースの直接書き込みツールを使用することによって改善されることができる。電子ビーム及びＸ線に依存するビーム線を含めて、高エネルギービーム線が使用されている。しかし、そのような直接書き込みリソグラフィシステムは、幾つかの欠点を有する。第１に、そのようなシステムは、常に複雑で高価である。第２に、それらのリソグラフィツールは単一のビームで動作し、順次様式でパターンを生成し、したがって低スループットである。第３に、従来の高解像度リソグラフィシステムは、生物学的分子または化合物から成るパターンを堆積することができない。特別の化学レジストが使用されるだけである。
【０００４】
ディップペン（Ｄｉｐ−ｐｅｎ）ナノリソグラフィ（ＤＰＮ）は、最近紹介された走査プローブナノリソグラフィ方法である。ＤＰＮの説明は、参照して全体をここに組み込まれるＰＣＴ／ＵＳ００／００３１９に含まれる。ＤＰＮは、化学種の拡散を使用し、或る場合には周囲条件のもとで走査プローブの先端部とサンプルとの間で自然に形成される水のメニスカスを介して、先端部から表面へナノスケールパターンを堆積することによって機能する。先端部が基板の表面を横切って移動されるにつれて、先端部の表面の分子は、先端部と基板表面との間に形成される水のメニスカスを介して輸送される。一度表面へ輸送されると、分子は自分自身を基板へ化学的に固定し、ロバストなパターンを形成する。市販されている窒化珪素先端部を使用して、１０ナノメートルから数マイクロメートルまでの特徴を加工することができる。ＤＰＮ書き込みの線幅に影響する１つの要因は、先端部の線形速度である。先端部の速度が速いと、それだけ小さな線幅が達成される。線幅に影響する他の要因は、ＤＰＮ先端部の鋭角度及びインクとして使用される分子の拡散率を含む。
【０００５】
ＤＰＮは多くの独特の利点を提供する。利点の中には、直接書き込み能力、高解像度（〜１０ｎｍの線幅解像度、究極〜５ｎｍの空間解像度）、超高ナノ構造レジストレーション能力、化合物（生体分子を含む）を書き込み、また基板（たとえば、Ａｕ、ＳｉＯ２、及びＧａＡｓ）に書き込むため、多様な分子を使用する柔軟性、単一の「ナノチップ」の上に多数の化学的または生化学的機能性を集積する能力、パターン化の１層プロセス、及びカスタマイズされたソフトウェアを使用する自動パターン化能力が含まれる。
【０００６】
ＤＰＮテクノロジは、低コストの商用走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）器械を使用して実現されることができる。典型的なセットアップでは、ＤＰＮプローブチップが、市販されているＳＰＭ先端部と同じようにＳＰＭ走査管に取り付けられる。プローブの正確な水平及び垂直移動は、ＳＰＭ機械の内部レーザ信号フィードバック制御システムを使用することによって得られる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、ディップペンアレーの個別にアドレス可能なプローブを使用して、ナノリソグラフィ、たとえばディップペンナノリソグラフィ、及びナノスケール画像化を提供する。複数の能動プローブを有するプローブアレーが提供される。このプローブアレーは、プローブに結合されたアクチュエータへ電流または電圧を供給して個々のプローブの独立作動を可能にすることによって、従来の単一ペンＤＰＮよりも大きな機能性を実現する。複数の独立にアドレス可能なプローブは、同一または異なる化合物の複数のトレースを生成する。
【０００８】
ナノリソグラフィのために少なくとも１つのパターン化化合物を基板へ適用する装置が提供される。装置は、各々のプローブがカンチレバーを含む平行なプローブアレー、少なくとも１つのパターン化化合物の１つを基板へ適用するためカンチレバーの遠位端に置かれた先端部、及びカンチレバーへ動作的に結合されたアクチュエータを含む。プローブはナノリソグラフィのために構成されることができる。アクチュエータは、印加された電流または電圧に応答し、カンチレバー、したがって先端部を移動して基板から離すように設計される。したがって、個々のプローブの先端部と書き込み基板との間の接触状態は、独立的に制御されることができる。ＤＰＮ書き込みの場合、プローブの先端部が基板を離れるとき、パターン化プロセスが中止される。実施形態の多くの好ましい型が開示される。能動プローブアレーを製造する方法も提供される。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の実施形態の１つの型では、アクチュエータは、印加された電流に応答してカンチレバーを偏向し、基板に対して先端部を移動する。アクチュエータは熱によって作動されることができる。
【００１０】
好ましい実施形態によれば、熱アクチュエータは、カンチレバーへ接続された抵抗性ヒータ、及び抵抗性ヒータを電流源へ接続する線を含む。電流が抵抗性ヒータを介して印加されたとき、オーミック加熱に起因して熱が生成され、したがって抵抗器及びカンチレバーの温度を上昇させる。カンチレバー及び金属抵抗器の材料の熱膨張率の差に起因して、カンチレバーは、印加された電流に応答して選択的に曲げられる。熱屈曲の範囲を向上するため、薄い金属膜のパッチがカンチレバーへ接続されてよい。
【００１１】
本発明の実施形態の第２の型では、アクチュエータは、印加された電圧に応答してカンチレバーを偏向する。アクチュエータは、静電的に作動されることができる。好ましい変位は、２つの電極の間に電圧差を印加することによって作り出される。電極の少なくとも１つは静止していない。
【００１２】
静電アクチュエータの好ましい実施形態は、先端部及び反対電極に対向してカンチレバーの内端に形成されたパドル電極を含む。パドル電極は反対電極と対面し、そのギャップは所定のギャップスペースを有する。差動電圧が上部電極と反対電極との間に印加されたとき、結果の静電引力はカンチレバービームを曲げ、したがって先端部の位置を移動する。
【００１３】
本発明の好ましい型の方法は、高速プローブベースのナノリソグラフィのために、少なくとも１つのパターン化化合物を基板へ適用する方法を提供する。方法は、個別にアドレス可能なプローブのアレーを提供し、各々のプローブは遠位端に先端部を有し、同一または異なる化学物質で先端部をコーティングし、先端部が基板と接触するように、個別にアドレス可能なプローブのアレーの先端部を基板の上に配置し、基板表面の上でプローブをラスタスキャンし、プローブのアレーから少なくとも１つの選択されたプローブを選択的に作動して、選択されたプローブの先端部を基板から離すように移動するステップを含む。したがって、選択されたプローブは、選択されたときパターン化化合物を基板へ適用せず、その間に、選択されなかったプローブは少なくとも１つのパターン化化合物を基板へ適用する。走査プロセスの間に個々のプローブの位置を制御しながら、配列されたプローブを含むチップをラスタスキャンすることによって、任意の２次元パターンを生成することができる。プローブはナノリソグラフィのために構成されることができる。プローブは、更に、先端部と基板との間の相互作用が、表面の電気的、化学的、または分子の状態を変更する他のナノリソグラフィ手法へ、一般的に応用されることができる。
【００１４】
本発明の好ましい方法によれば、少なくとも１つの選択されたプローブを選択的に作動するステップは、カンチレバーへ接続された抵抗性ヒータへ電流を印加して、カンチレバービームが曲げられるようにするステップを含む。カンチレバーの偏向は、基板から先端部を離すように移動して基板の上の書き込みを中止する。
【００１５】
本発明の他の好ましい方法によれば、個々のプローブを選択的に作動するステップは、反対電極と、選択されたプローブの端へ接続された移動電極との間に差動電圧を印加することを含む。このようにして、移動電極及び反対電極は相互に向かって移動され、好ましくはプローブのカンチレバーを偏向し、基板から先端部を離すように移動する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、上記のように構成したので、能率良く描画できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】ＤＰＮプロセスの略図であって、基板（書き込み表面）の上を通過している化合物でコーティングされた単一の先端部を示す。
【図２】本発明の実施形態の１つの型に従ったプローブアレーを有する平行ナノリソグラフィ書き込みシステムであって、補助制御ユニットでインタフェースされたシステムの略図である。
【図３】それぞれ、本発明の実施形態の好ましい型に従って、選択されたプローブの偏向の前後におけるバイメタル熱作動プローブアレーの略図である。
【図４】それぞれ、プローブの偏向の前後におけるバイメタル熱作動プローブの略図である。
【図５】本発明の好ましい態様に従った熱作動プローブの製造プロセスの主なステップを示す略図である。
【図６】それぞれ、図５（Ｂ）〜図５（Ｅ）で示された製造ステップを上から見た略図である。
【図７】本発明の実施形態の好ましい型に従った静電作動プローブの略図である。
【図８】本発明の実施形態の好ましい型に従った静電作動プローブのアレーの略図である。
【図９】静電アクチュエータプローブを上から見た略図である。
【図１０】図９の指示された方向に沿って取られた断面図であり、本発明の好ましい方法に従った静電作動プローブの製造ステップを示す。
【図１１】本発明の他の好ましい実施形態に従った２次元アレーＤＰＮナノプロッタの略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
一般的に言って、本発明は、直接書き込みナノリソグラフィ、たとえばＤＰＮを達成するように設計された能動プローブ及び能動プローブアレーを提供する。本発明に従った装置は、高速、平行、及び制御可能な様式でサブ１００ｎｍパターンを生成することができる。能動プローブアレーは、プローブのアクチュエータへ電流または電圧を供給して個々のプローブの作動を可能にすることによって、より大きな機能性を提供する。本発明は、主として、能動プローブアレーを使用する平行ＤＰＮの方法及び装置、並びに能動プローブ及び能動プローブアレーを製造する方法に向けられている。
【００１９】
能動プローブアレーは、更に、走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）器械ファミリーに基づく他の既存または将来の表面パターン化及びリソグラフィ方法に使用されることができる。原子力顕微鏡（ＡＦＭ）は、ＳＰＭ器械ファミリーの１つのメンバーと考えられる。そのようなリソグラフィシステムの例は、局所熱酸化及び転置リソグラフィを含む。
【００２０】
ここで図１を参照すると、従来のＤＰＮプロセスの例が示される。ＤＰＮは、ＡＦＭプローブ２２（または他のＳＰＭプローブ）のカンチレバーの遠位端にある先端部を使用して、固い書き込み基板２４、たとえば金の上に、ナノスケールパターンを堆積または「書き込む」。先端部２０は、その上にコーティングされたパターン化化合物２６を書き込み基板２４へ適用する。パターン化化合物２６は、書き込み基板２４との化学的親和力を有する疎水性パターン化化合物、たとえば１−オクタデカンチオール（ＯＤＴ）メルカプトヘキサデカン酸（ＭＨＡ）であってよいが、それに限定されない。
【００２１】
従来の顕微鏡的「ディップペン」（たとえば、羽根ペン、万年筆、ボールペン、またはマルチペンプロッタ）と同じように、ＤＰＮは、分子（毛細管）輸送を使用して、先端部２０から書き込み基板２４へパターン化化合物２６を移送し、パターン化化合物のパターン２８を形成する。作業域内の相対湿度に起因して、先端部２０と書き込み基板２４との間に水のメニスカス３０が形成される。図１で示されるように、先端部が書き込み基板に対して書き込み方向Ｗへ移動されるにつれて、メニスカスは先端部から書き込み基板へパターン化化合物２６を搬送する。
【００２２】
初期のＤＰＮプロセスは、ただ１つのプローブ２２（ペン）を含んだ。書き込み基板２４の上に複数のパターン２８を書き込むため、８つまでの市販プローブ２２から構成され、プローブ間の間隔が１．４ｍｍのアレーを使用して、平行パターンも実現された。この手法は、更に、複数のパターン２８の適用を可能にする。その場合、各々のパターンは、異なったパターン化化合物、たとえば生体化合物を含む。平行書き込みは、更に、たとえば、集積回路形成の間にパターン２８を形成するのに有用である。平行プローブ構造の例は、「ディップペン」（Ｒ．Ｐｉｎｅｒら、「Ｄｉｐ−ｐｅｎ」 Ｎａｎｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ，Ｓｃｉｅｎｃｅ，１９９９、ｖ．２８３、ｐｐ．６６１〜６６３）、（Ｓ．Ｈｏｎｇら、Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｋ Ｎａｎｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ：Ｔｏｗａｒｄ ａ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｐｅｎ Ｎａｎｏ−Ｐｌｏｔｔｅｒ、１９９９、ｖ．２８６、ｐｐ．５２３〜５２５）、及び（Ｓ．Ｈｏｎｇら、Ａ Ｎａｎｏｐｌｏｔｔｅｒ ｗｉｔｈ Ｂｏｔｈ Ｐａｒａｌｌｅｌ ａｎｄ Ｓｅｒｉａｌ Ｗｒｉｔｉｎｇ Ｃａｐａｂｉｌｉｔｉｅｓ、Ｓｃｉｅｎｃｅ、ｖ．２８８、ｐｐ．１８０８−１８１１）で見ることができる。
【００２３】
従来の平行プローブＤＰＮプロセスは、市販のＡＦＭプローブ２２を使用して実行される。個々のプローブ２２は、相互から独立に移動されることはできない。したがって、全てのプローブ２２は、同時に移動しなければならない。更に、現在の平行ＤＰＮアレーのプローブ間のスペースは、或るＤＰＮ応用には大きすぎて、高スループット及び高密度配列ＤＰＮ書き込みシステムの必要性を十分に満足させることができない。本発明は、独立的に能動で、微細に加工され、好ましくは密接スペースＤＰＮプローブを有するナノプロッタを提供する。
【００２４】
図２は、本発明の実施形態の１つの型に従った能動マルチペン平行ＤＰＮ書き込みシステム３２の略図である。複数の能動プローブ３８を含むプローブアレーを有するＤＰＮプローブチップ３４は、標準のシングル先端部ＡＦＭプローブと類似した方法でＡＦＭ走査管４０へ取り付けられる。典型的には圧電管エレクトロニクスであるＡＦＭフィードバックエレクトロニクス４２は、プローブチップ３４の水平及び垂直移動を制御する。
【００２５】
能動プローブ３８の先端部２０が書き込み基板２４と接触しているとき、好ましくは、プローブチップ３４がパターン化のために基板２４に沿ってラスタスキャンされる間に、接続された補助制御回路４８によって制御される集積アクチュエータ（図２に図示されていない）は、先端部の個々の移動を方向づける。「接触」の用語は、パターン化化合物２６のパターン化を可能にするように、先端部２０と基板２４との間の十分な近接性を意味する。アクチュエータは、プローブチップ３４を介して制御ユニット４８から電流または電圧を供給されたとき、能動プローブ３８のカンチレバー５０を移動して、カンチレバーの端にある先端部２０を、書き込み基板２４から離すように持ち上げる。これは化学的堆積プロセスを中止する。このようにして、能動プローブ３８は、電流または電圧の選択的印加によって個別に制御され、任意のパターンを高スループットで作り出すことができる。
【００２６】
図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は、それぞれ、選択されたプローブの作動の前後における本発明の実施形態の好ましい型に従った熱作動プローブ５４のアレー５６を示す。図３（Ａ）では、アレー５６は、５つの熱作動プローブ５４を有するように示されるが、プローブ５４のいずれも作動されていない。図３（Ｂ）で示されるように、印加された電流に応答して、第２及び第４の熱作動プローブ（矢印で示される）が上方へ曲げられ（図３（Ａ）及び図３（Ｂ）では紙面の中へ）、それらの先端部２０を書き込み基板２４から離すように移動し、化学的堆積を中止する。当業者は、パターン２８を形成するための電流の選択的分配が、制御回路４８をプログラムすることによって制御されることを理解するであろう。
【００２７】
熱作動プローブ５４のカンチレバービーム５０の材料は、好ましくは、減圧化学気相成長法（ＬＰＣＶＤ）によって形成された窒化珪素薄膜である。本発明の方法の好ましい型によれば、熱作動プローブ５４は、少なくとも抵抗性ヒータ６６を有する熱アクチュエータを含む窒化珪素プローブを作成することによって形成される。
【００２８】
図４（Ａ）及び図４（Ｂ）は、それぞれ、非屈曲状態及び屈曲（作動）状態にある熱作動プローブ５４の１つを示す。熱作動プローブ５４の窒化珪素カンチレバー５０の上にパターン化された抵抗性ヒータ６６は、抵抗性ヒータへ電流を搬送するボンディングワイヤ７０へ結合される。一方、ボンディングワイヤ７０は、電流をボンディングワイヤ７０へ選択的に分配するため、したがって熱作動プローブ５４を作動するため、制御回路４８へ結合される。好ましくは、金属膜のパッチ６８がカンチレバー５０へ連結され、プローブ５４の偏向を増大させる。
【００２９】
図５（Ａ）〜図５（Ｅ）、及び図６（Ａ）〜図６（Ｄ）は、それぞれ、ただ１つの熱作動プローブ５４及び一対の熱作動プローブを形成する熱作動プローブアレー５６の形成ステップを示す。図５Ａを参照すると、二酸化珪素薄膜６０が、シリコン基板６２の前面、好ましくは＜１００＞方位シリコンウェーハの上に成長させられ、先端部２０を作り出すための保護マスクを形成する。酸化層６０は、先端部２０を形成するマスクを実現するためフォトリソグラフィによってパターン化される。図５（Ｂ）（更に、図６（Ａ））では、先端部２０のピラミッド形を規定するシリコン基板６２の一部分が、エチレンジアミンピロカテコール（ＥＤＰ）における異方性ウェットエッチングを使用して形成される。次に、図５（Ｃ）（図６（Ｂ））で示されるように、ＬＰＣＶＤ窒化珪素の層６４が堆積され、エッチングされたシリコン基板６２の上へパターン化され、カンチレバー５０を含む熱能動プローブ５４の形状を規定する。図５（Ｄ）（図６（Ｃ））で示されるように、抵抗性（オーミック）ヒータ６６及び（オプションの）金属パッチ６８が、たとえば、窒化珪素の層６４の上にＣｒ／Ａｕを堆積及びパターン化することによって、熱作動プローブ５４の上に形成され、集積されたバイメタル熱アクチュエータが作り出される。次に、熱作動プローブ５４は、支持基板６２をアンダーカットするためＥＤＰエッチングを使用することによってリリースされる。図４（Ａ）及び図４（Ｂ）で示されるように、シリコン基板６２の一部分は、熱作動プローブ５４のハンドルを提供する。
【００３０】
動作において、熱作動プローブ５４は、印加された電流に応答して、抵抗性ヒータ６６及び任意的パッチ６８の金属と熱作動プローブのカンチレバー５０との異なった熱膨張に起因して長さに沿って曲がり、先端部２０を移動する。好ましい動作方法では、制御回路４８は、ボンディングワイヤ７０を介して電流を抵抗性ヒータ６６へ送り、窒化珪素カンチレバー５０及び金のパッチ６８の異なった熱膨張に起因して熱作動プローブ５４を半径Ｒの円弧へ曲げる。
【００３１】
所与の温度変化ΔＴでのＲの式は、近似的に
【００３２】
【数１】
である。パラメータｗ、ｔ、Ｅ、及びαは、それぞれ、材料１及び２として示される２つの構成材料の幅、厚さ、ヤングの弾性率、及び熱膨張率である。下付き数字は、これらの２つの材料に対応する。熱アクチュエータの温度は、ビームの熱平衡によって記述される。熱は抵抗性加熱によって生成され、伝導及び対流によって失われる。
【００３３】
熱作動プローブ５４において、カンチレバービーム５０の屈曲は、先端部２０の偏向δを生じる。
【００３４】
【数２】
したがって、図４（Ｂ）で示されるように、選択されたボンディングワイヤ７０を介して電流を印加すると、ボンディングワイヤへ接続された熱作動プローブ５４のカンチレバー５０は、上方へ偏向して先端部２０を移動する。
【００３５】
平行な多数の能動プローブ３８が、プローブチップ３４の上に集積されたとき、プローブベースのナノリソグラフィのスループットを非常に高くすることができる。前述したような本発明の実施形態の好ましい型に従って製造された熱作動プローブアレー５６は、高いプローブ密度（中心から中心までの間隔が１００μｍ）及び集積された鋭い先端部を有するコンパクトなナノプロッタとなり、ナノリソグラフィ及びＡＦＭ画像化に使用されることができる。
【００３６】
本発明の実施形態の他の好ましい型によれば、図７の好ましい型の実施形態で示される静電作動プローブ７２が提供される。好ましくは、プローブ７２は、プローブチップ３４と組み合わせて図８の好ましい実施形態で示される静電プローブアレー７４のユニットとして形成される。
【００３７】
図７及び図８で示されるように、静電作動プローブ７２は静電アクチュエータ７６を含む。静電アクチュエータ７６は、カンチレバー５０の長手方向の内端に、長手方向で先端部２０に対向したパドル形プレート７８を含む。パドル形プレート７８は、好ましくは、静電作動プローブ７２と一体的に形成される。更に、静電アクチュエータ７６は反対電極８１を含む。反対電極８１は、好ましくは静止しており、パドル形プレート７８と静電的に相互作用するためプローブチップ３４の上に形成されることができる。反対電極８１は、それと長手方向で対向している多数のボンディングパッド８５へ電気的に接続された電極の平行アレーの一部分として形成されることができる。双方は、ガラス基板９４へパターン化されるか、接着されるか、形成されるか、または取り付けられる。ガラス基板９４は、完成した実施形態では、反対電極及び接続ボンディングパッドのアレーをカバーする。１つまたは複数のボンディングパッドへ電圧を選択的に印加するため、ボンディングパッド８５は、好ましくは、制御回路４８へ電気的に接続される。反対電極８１及びボンディングパッド８５を含むガラス層９４の加工方法は、当業者に明かであろう。
【００３８】
更に、静電作動プローブへねじれ支点を提供するため、静電作動プローブ７２は、コンパクトなソフトスプリング８０によって、好ましくはカンチレバーの中間地点またはその近くでカンチレバー５０に沿って支持され、プローブの先端部２０を移動するためプローブの偏向及び角度運動を可能にするのが好ましい。図８で示されるように、静電作動プローブ７２のアレー７４の各々のスプリング８０は、好ましくは、各々の個別のプローブを通して横方向に延びる単一部品（たとえば、ねじれビーム）の１セクションである。更に、スプリング８０の各々のセクションは、カンチレバー５０の長手方向と平行な方向で比較的小さな断面を有することが好ましい。当業者に分かるように、スプリング８０の寸法、たとえば断面積、及び先端部２０に対するスプリング８０のロケーションは、カンチレバー５０の角柔軟性を制御するため、境界条件に依存して変更されることができる。
【００３９】
図９は、静電作動プローブ７２の好ましい実施形態の平面図である。要求されるわけではないが、カンチレバー５０、パドル形プレート７８、及びソフトスプリング８０は、ホウ素をドープされたシリコンから一体的に形成されるのが好ましい。この材料は、ＥＤＰ溶液における低いエッチングレート、及び比較的に高い導電率のために好ましい。
【００４０】
静電作動プローブ７２の好ましい製造方法は、図１０（Ａ）〜図１０（Ｆ）に示される。先ず図１０（Ａ）を参照すると、＜１００＞方位シリコンウェーハ８６とエピタキシャル＜１００＞方位シリコン層８８との間に挟まれ、高濃度のホウ素でドープされたシリコン層８４を含む３層ウェーハの前面に、二酸化珪素層８２が成長させられる。代替的に、シリコン層８４はリンでドープされてよい。二酸化珪素層８２は、先端部２０を形成するためのマスクの境界を規定する。更に、二酸化珪素層８２は、スペーサ９０を形成するための境界を規定することができる。スペーサ９０は、反対電極８１から静電作動プローブ７２を垂直方向で分離する。反対電極８１は、分離されたガラス基板９４の上にパターン化される。図１０（Ｂ）では、シリコン先端部２０及びスペーサ９０が、ＥＤＰエッチングによってエピタキシャルシリコンウェーハ８８から形成される。次に、図１０（Ｃ）で示されるように、最終リリースの間に前面を保護するため、先端部２０、スペーサ９０、及びホウ素でドープされたシリコン層８４を含むエピタキシャルシリコンウェーハ８８の上に、熱酸化層９２が成長させられる。次に、図１０（Ｄ）で示されるように、シリコンウェーハ８６がＥＤＰによってエッチングされ、ホウ素でドープされたシリコン層８４の下の材料が除去され、ホウ素でドープされたシリコンカンチレバー５０がリリースされる。
【００４１】
次に、図１０（Ｅ）で示されるように、熱酸化層９２が除去され、アレーの中の各々のプローブについて、好ましくは一体的にカンチレバー５０、ソフトスプリング８０、及びパドル形プレート７８を含み、ホウ素でドープされたシリコン層８４から、静電作動プローブ８４が形成される。好ましくは、パドル形プレート７８とソフトスプリング８０との間で長手方向に配置されたカンチレバー５０の部分は、カンチレバーの遠位部分よりも、横方向、即ち、ソフトスプリングの長さに平行な方向で、断面積が広い。それによって、先端部２０の偏向は大きくなる。なぜなら、曲げトルクは支持スプリング８０へ完全に伝達されるからである。静電作動プローブ７２はリリースされる。
【００４２】
最後に、図１０（Ｆ）で示されるように、ガラス９４の層及び接続された反対電極８１が、スペーサ９０の上に形成または配置される。
【００４３】
好ましい製造方法は、鋭い先端部２０（好ましくは、＜１００ｎｍの曲率半径）及び約６２０μｍの中心間の間隔を有する静電作動プローブ７２を生じる。したがって、本発明の好ましい実施形態に従った静電作動プローブ７２は、ＤＰＮ書き込み及びＡＦＭ画像化に使用されることができる。
【００４４】
ボンディングワイヤ（図示されていない）は、好ましくは、パドル形プレート７８を大地電位へ接続し、その一方で、反対電極８１は、好ましくは、電圧を反対電極へ印加するためのボンディングパッド８５を介して、制御回路４８へ電気的に結合される。パドル形プレート７８の電位と、反対電極８１の電位とは、代替として逆にされてよいことが分かるであろう。即ち、パドル形プレートが電圧源へ結合され、反対電極が接地されてよい。そのような代替の実施形態に必要な修正は、当業者によって理解されるであろう。
【００４５】
好ましい動作方法では、電位をパドル形プレート７８へ印加するため、電圧がパドル形プレート７８へ印加され、その一方で、導電性反対電極８１が接地される。再び、代替として、反対電極８１とパドル形プレート７８との間で、電圧印加と接地との機能が逆にされてよい。いずれの動作も、好ましくは、スペーサ９０によって分離される反対電極８１とパドル形プレート７８との間に、差動電圧を印加する。反対電極８１のプレートとパドル形プレート７８との間に引力が生じ、この引力はそれらを相互に引き寄せ、したがってカンチレバー５０を傾け、好ましくは、ソフトスプリング８０に関してカンチレバー５０を角度的に偏向し、先端部２０を基板２４から離すように移動する。したがって、熱作動プローブ５４と同じように、先端部２０は、選択的に持ち上げられ、書き込み（または画像化）プロセスを中止することができる。
【００４６】
多くの好ましい実施形態が、能動１次元アレーについて説明された。しかし、アレーは２次元でも同じように可能である。図１１は、本発明の他の好ましい実施形態に従った２次元アレー１００を示す。図１１で示される２次元アレー１００は、下方へ曲がったプローブ１０４の６行及び５列を有するチップ１０２を含む。下方へ曲がったプローブ１０４は、たとえば、熱作動プローブアレー５６の形成プロセスを修正して、好ましくは、２次元アレー１００に沿って均一に配置されたキャビティ（反復されたセル）から個々の熱作動プローブ５４のカンチレバーを延長することによって、製造されることができる。熱作動プローブ５４は、各々のカンチレバー５０に必要な長さが短くなることに起因して、好ましくは、２次元アレー１００の中で下方へ曲がったプローブ１０４として集積される。２次元アレー１００における熱作動プローブ５４のために製造及び動作のステップを修正する方法は、当業者によって理解されるであろう。
【００４７】
当業者は、様々な特質及び利点を有するＤＰＮアレーの幾つかの発明的装置及び方法が、図示及び説明されたことを理解することができる。熱的または静電的に電流または電圧を印加し、個別にアドレス及び作動されるように各々のプローブを構成することによって、本発明の実施形態に従った能動プローブアレーは、増加した解像度及び従来の方法に匹敵するスループットで、任意のパターンを形成することができる。
【００４８】
本発明の様々な実施形態が図示及び説明されたが、他の修正、置換、及び代替が当業者に明かであることを理解すべきである。そのような修正、置換、及び代替は、添付のクレイムから決定されるべきである本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく行われることができる。
本発明の様々な特徴が添付のクレイムに記載される。
【符号の説明】
【００４９】
２０ 先端部
２４ 基板
３２ 能動マルチペン平行ＤＰＮ書き込みシステム
３４ ＤＰＮプローブチップ
３８ 能動プローブ
４０ ＡＦＭ走査管
５０ カンチレバー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
選択的に作動するように構成したプローブにおいて、前記プローブが、
カンチレバーと、
少なくとも一つのパターン化化合物を適用するように構成された前記カンチレバーの端部に設けられた先端部と、
前記カンチレバーに結合した導電性金属からなる抵抗性ヒータを含み、この抵抗性ヒータが電流に応答して選択的に作動し、
更に、前記抵抗性ヒータを電流源に電気的に接続する導電路を含み、
前記抵抗性ヒータに電流を印加することで、前記カンチレバーを偏向せしめることを特徴とするプローブ。
【請求項２】
前記カンチレバーへ結合される金属パッチを含み、前記金属パッチの熱膨張率が、前記カンチレバーの熱膨張率とは異なることを特徴とする請求項１に記載のプローブ。
【請求項３】
前記抵抗性ヒータが、Ｃｒ／Ａｕ膜からなることを特徴とする請求項１に記載のプローブ。
【請求項４】
前記カンチレバーが、窒化珪素からなることを特徴とする請求項１に記載のプローブ。
【請求項５】
選択的に作動するプローブを形成する方法であって、前記方法が、
基板上に窒化珪素からなる先端部を有するカンチレバーを形成する工程と、
形成された前記カンチレバーに金属の抵抗性ヒータを形成する工程と、
前記カンチレバーを前記基板から離す工程と、
からなることを特徴とする方法。
【請求項６】
前記先端部を有するカンチレバーを形成する工程が、化学気相成長法により前記基板上に窒化珪素膜を堆積させる工程を含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記金属の抵抗性ヒータを形成する工程が、前記堆積した窒化珪素膜上でＣｒ／Ａｕ膜をパターニングする工程を含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記形成されたカンチレバー上に金属パッチを形成する工程を更に含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項９】
前記金属パッチを形成する工程が、前記堆積した窒化珪素膜上のＣｒ／Ａｕ膜をパターニングする工程を含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記先端部を有するカンチレバーを形成する工程が、前記先端部を画定するために、前記基板をエッチングする工程を更に含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項１１】
前記カンチレバーを前記基板から離す工程が、前記基板をエッチングする工程を含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項１】
選択的に作動するように構成したプローブにおいて、前記プローブが、
カンチレバーと、
少なくとも一つのパターン化化合物を適用するように構成された前記カンチレバーの端部に設けられた先端部と、
前記カンチレバーに結合した導電性金属からなる抵抗性ヒータを含み、この抵抗性ヒータが電流に応答して選択的に作動し、
更に、前記抵抗性ヒータを電流源に電気的に接続する導電路を含み、
前記抵抗性ヒータに電流を印加することで、前記カンチレバーを偏向せしめることを特徴とするプローブ。
【請求項２】
前記カンチレバーへ結合される金属パッチを含み、前記金属パッチの熱膨張率が、前記カンチレバーの熱膨張率とは異なることを特徴とする請求項１に記載のプローブ。
【請求項３】
前記抵抗性ヒータが、Ｃｒ／Ａｕ膜からなることを特徴とする請求項１に記載のプローブ。
【請求項４】
前記カンチレバーが、窒化珪素からなることを特徴とする請求項１に記載のプローブ。
【請求項５】
選択的に作動するプローブを形成する方法であって、前記方法が、
基板上に窒化珪素からなる先端部を有するカンチレバーを形成する工程と、
形成された前記カンチレバーに金属の抵抗性ヒータを形成する工程と、
前記カンチレバーを前記基板から離す工程と、
からなることを特徴とする方法。
【請求項６】
前記先端部を有するカンチレバーを形成する工程が、化学気相成長法により前記基板上に窒化珪素膜を堆積させる工程を含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記金属の抵抗性ヒータを形成する工程が、前記堆積した窒化珪素膜上でＣｒ／Ａｕ膜をパターニングする工程を含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記形成されたカンチレバー上に金属パッチを形成する工程を更に含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項９】
前記金属パッチを形成する工程が、前記堆積した窒化珪素膜上のＣｒ／Ａｕ膜をパターニングする工程を含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記先端部を有するカンチレバーを形成する工程が、前記先端部を画定するために、前記基板をエッチングする工程を更に含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項１１】
前記カンチレバーを前記基板から離す工程が、前記基板をエッチングする工程を含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００９−１９８５１３（Ｐ２００９−１９８５１３Ａ）
【公開日】平成２１年９月３日（２００９．９．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１１５２６８（Ｐ２００９−１１５２６８）
【出願日】平成２１年５月１２日（２００９．５．１２）
【分割の表示】特願２００３−５３９１４２（Ｐ２００３−５３９１４２）の分割
【原出願日】平成１４年７月２６日（２００２．７．２６）
【出願人】（５０３０６０５２５）ザ ボード オブ トラスティーズ オブ ザ ユニバーシティ オブ イリノイ (25)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年９月３日（２００９．９．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月１２日（２００９．５．１２）
【分割の表示】特願２００３−５３９１４２（Ｐ２００３−５３９１４２）の分割
【原出願日】平成１４年７月２６日（２００２．７．２６）
【出願人】（５０３０６０５２５）ザ ボード オブ トラスティーズ オブ ザ ユニバーシティ オブ イリノイ (25)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]