4つの最先端ナノ加工技術を探る

今日、製造技術がさまざまな分野で重要な役割を果たしているように、ナノ加工技術もナノテクノロジーの領域で重要な位置を占めている。ナノ加工技術には、機械的加工、化学エッチング、エネルギービーム加工、走査型トンネル顕微鏡（STM）を用いたアルミニウム表面の電界工学など、数多くの方法が含まれる。

ナノ加工技術の統一された定義はまだない。一般的には、100nm以下の寸法を持つ材料の加工をナノ加工と呼び、ナノメートルレベルの表面粗さを持つ加工もナノ加工と呼ぶ。ナノファブリケーションとは、寸法精度、形状精度、表面粗さのすべてがナノメートルレベルの部品加工を指す。

以下の加工技術は、ナノスケールの加工を実現することができる：

ナノスケール機械加工技術

ナノスケールの機械加工法には、単結晶ダイヤモンドやCBNからなる単点工具による超精密切削加工、ダイヤモンド砥粒やCBN砥粒からなる研削工具による超精密多点砥粒加工、自由砥粒加工や研削・研磨・弾性放射加工などの機械化学複合加工などがある。

現在、シングルポイントダイヤモンド工具による超精密切削加工は、研究室で3nmの薄さのチップを作り出し、ナノスケールの研削加工は延性研削技術を用いて達成されている。サブナノスケールの除去は、弾性放出加工などのプロセスによって達成することができ、その結果、オングストローム・レベルの表面粗さが得られる。

エネルギー・ビーム加工技術

エネルギービーム加工とは、レーザービーム、電子ビーム、イオンビームなどの高密度エネルギービームを用いて被加工物を除去する特殊な加工方法である。主にイオンビーム加工、電子ビーム加工、光ビーム加工などがある。

電解ジェット加工、放電加工、電気化学加工、分子線エピタキシー、物理・化学蒸着もエネルギービーム加工に該当する。イオンビーム加工によるスパッタリング除去、析出、表面処理、イオンビームアシストエッチングも、ナノスケール加工の研究開発の方向性である。

イオンビーム加工は、ソリッド工具による切削加工に比べ、加工位置や加工速度の決定が難しい。ナノスケールの加工精度を達成するためには、サブナノスケールの検出システムと加工位置の閉ループ調整システムが必要である。

電子ビーム加工は、熱エネルギーの形で浸透層の表面から原子を除去し、エッチング、フォトリソグラフィ露光、溶接、微細加工、ナノスケールのドリル加工やフライス加工に利用できる。

1999年初頭、0.18μmプロセス用の深紫外（DUV）リソグラフィ装置が相次いで登場した。0.1μm以降の光リソグラフィに代わる次世代リソグラフィ技術としては、主に極端紫外線リソグラフィ、X線リソグラフィ、電子線リソグラフィ、イオンビームリソグラフィなどがある。以下に各種リソグラフィ技術の進歩を簡単に紹介する。

1.光リソグラフィー

光リソグラフィは、フォトレジストを塗布したシリコンウエハー上に、マスク上の大規模集積回路デバイスの構造図を光学系を通して投影する。光リソグラフィが達成できる最小フィーチャサイズは、光リソグラフィ装置が達成できる解像度に直結しており、解像度を向上させるには光源の波長を短くすることが最も効果的である。

そのため、新しい短波長光源リソグラフィ装置の開発は、常に国際的にホットな研究テーマとなっている。

現在、市販のリソグラフィ装置の光源の波長は、かつての水銀ランプ光源の紫外域から、0.25μm技術に用いられるKrFエキシマレーザー（波長248nm）や0.18μm技術に用いられるArFエキシマレーザー（波長193nm）のような深紫外域（DUV）に移行している。

さらに、光の干渉特性を利用し、さまざまな波面技術を駆使してプロセスパラメータを最適化することも、リソグラフィの解像度を向上させる重要な手段である。これらの技術は、位相シフトマスク、オフアクシス照明技術、近接効果補正など、電磁気理論に基づく露光イメージングの深い解析とリソグラフィの実践によるブレークスルーである。

これらの技術を使えば、現在の技術水準でより高解像度のリソグラフィパターンを実現できる。例えば、1999年初頭、キヤノンは193nmのArF光源を使用するFPA-1000ASIスキャニング・ステッパーを発売した。

波面技術により、300mmシリコンウェーハ上で0.13μmのリソグラフィ線幅を達成することができる。光リソグラフィ技術には、リソグラフィ装置、マスク、フォトレジストなど、光学、機械、電気、物理、化学、材料などの研究分野を含む一連の技術が含まれる。

現在、科学者たちはより短い波長のF2レーザー（波長157nm）リソグラフィーを研究している。光の吸収率が高いため、リソグラフィシステム用の新しい光学材料やマスク基板材料を入手することが、この波長技術の主な難題である。

2.極端紫外線リソグラフィ

極端紫外線リソグラフィ（EUVL）は、波長10～14nmの極端紫外線を光源とする。当初は軟X線リソグラフィーと呼ばれていたが、光リソグラフィーに近い。違いは、材料に強い吸収があるため、その光学系は反射型でなければならないことである。

3.X線リソグラフィー

X線リソグラフィー（XRL）は、光源の波長が約1nmであることが特徴です。高解像度の露光が可能なことから、1970年代の発明以来、広く認知されている。欧米、日本、中国など、放射光装置を持つ国々が相次いで関連研究を進めている。

XRLは次世代リソグラフィ技術の中で最も成熟している。XRLの最大の難関は、良好な機械的・物理的特性を持つマスク基板を得ることにある。近年、マスク技術は大きく進歩している。炭化ケイ素（SiC）は最も適した基板材料である。

XRL関連問題の綿密な研究、光リソグラフィの発展、他のリソグラフィ技術における新たなブレークスルーにより、XRLはもはや将来技術の唯一の候補ではなくなっているが、米国は最近、XRLへの投資を減らしている。とはいえ、XRLは依然として不可欠な候補技術のひとつである。

4.電子ビームリソグラフィ

電子ビームリソグラフィ（EBL）は、高エネルギーの電子ビームを用いてフォトレジストを露光し、構造図形を得る。ド・ブロイ波長が約0.004nmのEBLは、回折限界の影響を受けず、原子スケールに近い解像度を実現します。EBLは極めて高い解像度を達成し、グラフィックを直接生成することができる。

電子ビーム露光は、超大規模集積回路（VLSI）の製造に不可欠なマスク作製ツールであるだけでなく、特殊な用途のデバイスや構造を加工するための主要な方法でもある。現在の電子ビーム露光機の解像度は0.1µm以下に達している。EBLの主な欠点は生産性が低いことで、1時間当たりわずか5～10枚と、現在の光リソグラフィーの水準である1時間当たり50～100枚をはるかに下回る。

注目すべきは、米ルーセント・テクノロジーズ社が開発した「SCALPEL（スカルペル）」技術だ。この技術は、光リソグラフィのようにマスク図形を縮小し、マスク吸収体から発生する散乱電子を特殊なフィルタリング技術で除去することで、解像度を確保しながら出力効率を向上させる。

将来的に使用されるリソグラフィ技術に関係なく、EBLは集積回路の研究と生産に不可欠なインフラとなることに留意すべきである。

5.イオンビームリソグラフィー

イオンビームリソグラフィー（IBL）は、液体または固体原子をイオン化して形成したイオンを、電磁場によって加速・集束またはコリメートしてフォトレジストを露光する。原理はEBLと似ているが、ド・ブロイ波長が0.0001nm以下と短く、近接効果が小さい、露光フィールドが広いなどの利点がある。IBLには主に集束イオンビームリソグラフィ（FIBL）とイオン投影リソグラフィ（IPL）がある。

FIBLは最も早く開発され、最近の実験研究では10nmの解像度を達成している。FIBLは露光効率が低いため、生産現場での露光装置としての適用が難しく、現在では主にVLSIにおけるマスクリペアや特殊デバイスのトリミングに使用されている。FIBLの欠点に対処するため、より露光効率の高いIPL技術が開発され、大きな進歩を遂げている。

リソグラフィ ガルバノフォーミング Abformung テクノロジー

LIGA（Lithography Galvanoformung Abformung）プロセスは、深放射光X線リソグラフィー、電鋳、プラスチック成形からなる総合技術である。最も基本的で核心的なプロセスは深部放射光リソグラフィーであり、電鋳とプラスチック成形はLIGA製品の実用化の鍵である。

従来の半導体プロセスと比較して、LIGA技術には、金属およびその合金、セラミックス、ポリマー、ガラスなど、使用可能な材料の範囲が広いこと、高さが数百マイクロメートルから1ミリメートル、アスペクト比が200を超える3次元微細構造を製造できること、横方向の寸法が0.5μmと小さく、加工精度が0.1μmに達すること、低コストで大量複製と生産を実現できることなど、多くの独自の利点がある。

LIGA技術では様々なマイクロデバイスやマイクロ機器を製造することができる。成功している、あるいは現在進行中のLIGA製品には、マイクロセンサー、マイクロモーター、マイクロ機械部品、集積光学およびマイクロ光学部品、マイクロ波部品、真空電子部品、小型医療機器、ナノテクノロジー部品およびシステムなどがある。

LIGA製品の応用範囲は、機械加工技術、計測技術、オートメーション技術、自動車・輸送技術、電力・エネルギー技術、航空・宇宙技術、繊維技術、精密工学・光学、マイクロエレクトロニクス、生物医学、環境科学、化学工学など多岐にわたる。

走査型トンネル顕微鏡技術

ビニングとボブラーが発明した走査型トンネル顕微鏡（STM）は、原子1個の分解能で物体の表面構造を観察できるだけでなく、原子単位でのナノスケール加工に理想的なルートを提供する。原子レベルの加工、組み立て、改造はSTM技術を使って行うことができる。

STMは、非常に鋭利な金属の針（プローブ）を試料表面に約1nmまで近づける。電圧をかけるとトンネル電流が発生する。トンネル電流は0.1nmごとに一桁変化する。電流を一定に保ちながら試料表面を走査することで、表面構造を見分けることができる。

トンネル電流は通常、プローブ先端の単一原子を通過するため、その横方向の分解能は原子レベルである。走査型トンネル微細加工技術は、単一原子の除去、追加、移動ができるだけでなく、STMリソグラフィー、プローブ先端電子ビーム誘起析出、エッチングなども行うことができる。