JP2553661B2

JP2553661B2 - 微小プローグ及びその製造方法

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Publication number: JP2553661B2
Application number: JP63226420A
Authority: JP
Inventors: 一佐哲河出; 春紀河田; 邦裕酒井; 宏松田; 有子森川; 芳浩柳沢; 哲也金子; 俊光川瀬; 日出也雲見
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1987-09-24
Filing date: 1988-09-12
Publication date: 1996-11-13
Anticipated expiration: 2011-11-13
Also published as: JPH02176405A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、筋肉活動電流測定用プローブやSTM（Scann
ing Tunneling Microscope:走査型トンネル顕微鏡）の
探針あるいは高密度記録・再生装置などに使用される、
先端部の曲率半径が極めて小さい微小プローブ及びその
製造方法に関する。

〔従来の技術〕

人体の筋肉活動電流を測定するためには、人体の単細
胞の大きさが約２μｍと小さいため、微小プローブの先
端部の曲率半径は１μｍ以下が必要とされる。また、ST
Mにおいては、高い分解能を持ち試料の原子、分子、分
子集合体の直接観察をおこなうためには、試料表面に対
向する探針先端部の曲率半径が小さければ小さいほど試
料観察時の分解能が高くなるため、理想的には１原子程
度までとがっていることが望まれ、そのためには先端の
曲率半径がより小さい微小プローブが望まれる。また、
STMの応用例の１つとして、最近提案されているものに
電気的メモリー効果をもつMIM（金属・絶縁体・金属）
構造の素子を利用し、分子レベルの高密度記録を達成で
きる記録・再生装置があるが、この分子レベルの記録密
度を達成するためにも、先端部の曲率半径が分子レベル
の大きさであるプローブが望まれる。

従来、このような曲率半径が小さい先端部をもつプロ
ーブは、切削および電解研摩法を用いて製造されてい
る。切削法では、時計旋盤を用いて繊維状結晶の線材を
切削し、曲率半径５〜10μｍの微小先端部をもつプロー
ブの製造が可能であり、またダイスによる線引加工によ
れば、曲率半径10μｍ以下のものも可能である。また、
電解研摩法は、プローブとなる直径1mm以下の線材を真
直に矯正し、垂直にたてて電解液へ１〜2mm程度浸漬さ
せ、プローブに電圧を印加して電解液を適宜かくはんし
ながら、0.5〜2.0秒間隔で通電を断続させ、プローブを
研摩するものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述した従来の微小プローブの製造方法のうち、切削
法は、プローブに応力が加わってしまうためにプローブ
がすぐ曲がってしまうという欠点があり、電解研摩法
は、切削法に比べて微小なプローブを作成することは可
能であるが、原子・分子レベルの曲率半径の微小プロー
ブを製造することは非常に困難であるという欠点があ
る。

また、従来の微小プローブ製造方法では、先端曲率半
径が原子・分子レベルである微小プローブを再現性よく
製造することは困難である。

さらに、例えば、上述した高密度記録・再生装置にお
いては、１個のプローブを移動させながらXYステージを
走査してデータの記録あるいは再生を行うため、プロー
ブの移動距離が長くなり、記録・再生速度が遅くなると
いう欠点がある。

〔問題点を解決ずるための手段〕

本発明の微小プローブは、単結晶体で形成されてい
る。つまり、本発明は、特定の面方位をもちかつ特定の
結晶面からなるファセットによって囲まれた尖頭部を有
する単結晶で構成された微小プローブに特徴を有してい
る。

特に、具体的には、基板の一主面上または該基板の一
主面上に形成された薄膜上の所望の部分に、該基板また
は薄膜より核形成密度が十分大きく、かつ単一の核だけ
が成長する程度に十分微細な異種材料を設ける工程と、
該材料に単一の核を成長させて単結晶体を形成する工程
とを有する単結晶体の微小プローブの製造方法を提供す
るものである。

また、単結晶基板上に、該単結晶基板が一部露出する
ような開口部を有する絶縁層を積層する工程と、前記絶
縁層をマスクとして、前記開口部から特定の面方位をも
ちかつ特定の結晶面からなるファセットで囲まれた尖頭
部を有する単結晶を、選択エピタキシャル成長させる工
程とを有する単結晶の微小プローブの製造方法を提供す
るものである。

〔作用〕

本発明の微小プローブは、単結晶体であるので剛性の
面において十分の強度を有し、かつ加工歪や曲りもな
く、実用に耐えうる微小プローブである。

また、本発明の微小プローブは、構成材料として導
体、半導体、非導体のいずれをも選択できるので幅広い
適用が可能となる。

さらに、本発明の微小プローブを電流測定用プローブ
として用いる場合、プローブに隣接して増幅器を設けれ
ば、単結晶プローブにより検出された電流を、基板外部
へ導出することなくただちに増幅することができるた
め、従来よりもS/N比を格段に向上させることができ
る。

本発明の製法では、ファセット構造をもつ単結晶体を
成長させるため、製造プロセス条件を正確にコントロー
ルすれば、分子・原子レベルの曲率半径を有する微小プ
ローブを再現性よく得ることが出来る。

さらに、プローブが複数設けられていると、例えば、
高密度記録・再生装置に適用した場合、記録媒体の複数
箇所への記録あるいは複数箇所からの再生を同時に行う
ことができ、記録・再生速度を向上することができる。

〔実施例〕

次に、本発明の実施例について説明する。

最初に、本発明の微小プローブ外観の一例を第１図に
示す。基板１上に、薄膜（絶縁膜）２、電極３、および
情報読み取り部５を先端にもつ単結晶プローブを備え
た、外観を呈する。

第２図は、本発明により形成された単結晶プローブ４
が複数個設けられた場合の側面図である。

次に、微小プローブを電流検知プローブとして用い
た、本発明の実施例を、第３図の平面図に示す。

本実施例では基板上（第３図では不図示）に、特定の
ファセットにより囲まれた尖頭部を有する単結晶プロー
ブ４が設けられている。また、単結晶プローブ４の近傍
には、ソース電極32、ゲート電極31、ドレイン電極33
と、薄膜抵抗35が設けられている。これらは、プローブ
電流を増幅するためのモス（MOS）トランジスタ34を構
成している。プローブ４により検出されるプローブ電流
は、10^-9Aオーダーであるが、モストランジスタ34で増
幅することにより、10^-7Aオーダーのプローブ電流を得
ることができる。また、単結晶プローブ４により検出さ
れたプローブ電流を基板外部へ導出することなくただち
に増幅するため、基板外部へプローブ電流を導出した後
に増幅していた場合に比べ、S/N比を格段に向上させる
ことができる。

次に、第３図の電流検知プローブの製造方法について
説明する。

第４図は第３図Ａ−Ａ線の第１の製造工程を示す断面
図である。

第５図は第３図Ｂ−Ｂ線に沿う第１の製造工程におけ
る断面図である。

第４図に示されるように、本実施例の微小プローブ
は、シリコン基板１上に形成されたシリコン酸化（Si
O₂）膜２上に、異種材料片41と、この異種材料41をもと
にして形成されたタングステン（Ｗ）からなる単結晶プ
ローブ４とが設られており、さらに、この単結晶プロー
ブ４の近傍には、プローブ電流を増幅するためのMOSト
ランジスタ34が設けられている。このMOSトランジスタ3
4は、アルミニウムからなるゲート電極31と、アルミニ
ウム（Al）からなるソース電極32およびドレイン電33
と、ルテニウム等の材料からなる薄膜抵抗35とを有して
いる。但し、各電極の材料は上記のものに限定されるも
のではなく、Al,Au,Cu,Ag,Cr,Wなどの金属、シリサイド
等の半導体と金属の混合物からなっていてもよい。本実
施例では使用された異種材料片41は１μｍ角の大きさで
あり、後述する製造方法により製造した結果、先端径が
0.1μｍオーダー以下のきわめて微細な単結晶プローブ
４が得られた。

次に、第４図及び第５図の微小プローブ製造方法につ
いてより詳しく説明する。

まず、第４図（ａ）および第５図（ａ）に示すよう
に、ｐ型シリコン半導体基板１を用意し、その一主表面
にシリコン酸化（SiO₂）膜２を形成した。MOSトランジ
スタ34の形成領域には、アンチモン（Sb）が拡散されて
おり、それぞれソースおよびドレイン領域となるn⁺拡散
層51が形成されている。次に、第４図（ｂ）に示すよう
に、シリコン酸化膜２上に、シリコンを真空蒸着法によ
り堆積し、フォトリソグラフィ技術を用いて加工するこ
とにより１μｍ角の異種材料片41を形成した。

次に、基板１を500℃に加熱された反応炉内に設置
し、WF₆およびH₂ガスの混合ガスを、圧力1Torrの減圧下
で、それぞれ75cc/minおよび10cc/minの流量で流した。
このようにすると、シリコン酸化膜２に比べてシリコン
からなる異種材料片41は核形成密度がはるかに大きいた
め、これらの異種材料片41を中心としてタングステン結
晶が成長する。このとき、異種材料片41は、単一の核だ
けが成長する程度に十分に微細であるため、異種材料片
41には単一の核が形成され、さらに、この核は単結晶構
造を保ちながら成長して、結果的に単結晶プローブ４が
形成された（第４図（ｃ））。

次にアルミニウムからなるゲート電極31をスパッタ法
によって形成した。（第４図（ｄ），第５図（ｃ））次に、アルミニウム（Al）およびルテニウム等の薄膜
抵抗材料を蒸着し、フォトリソグラフィ技術を用いて加
工しMOSトランジスタ34のソース電極32、ドレイン電極3
3、薄膜抵抗35を形成して、第３図，第５図（ｄ）に示
す増幅用MOSトランジスタ34を有する微小プローブを得
た。

また前述のゲート電極31は、多結晶ゲート電極として
もよく他の実施例を以下に示す。

第６図ないし第８図は本発明の微小プローブおよびそ
の製造方法の一実施例を説明するための図であり、第７
図（ａ）〜（ｄ）は第６図のＡ−Ａ線に沿う主要な製造
工程における断面図、第８図（ａ）〜（ｅ）は第６図の
Ｂ−Ｂ線に沿う主要な製造工程における断面図、第６図
は完成された微小プローブの平面図である。

第６図に示されるように、本実施例の微小プローブ
は、シリコン基板１に形成されたシリコン酸化（SiO₂）
膜２上に、異種材料片41および42と、この異種材料片41
をもとにして形成されたタングステン（Ｗ）からなる単
結晶プローブ４とが設けられており、さらに、この単結
晶プローブ４の近傍には、プローブ電流を増幅するため
のMOSトランジスタ34が設けられている。このMOSトラン
ジスタ34は、異種材料片42をもとにして形成されたタン
グステンからなる多結晶ゲート電極61と、アルミニウム
（Al）からなるソース電極32およびドレイン電極33と、
ルテニウム等の材料からなる薄膜抵抗35とを有してい
る。本実施例で使用された異種材料片41は１μｍ角の大
きさであり、後述する製造方法により製造した結果、先
端径が0.1μｍオーダー以下のきわめて微細な単結晶プ
ローブ４が得られている。

第６図の微小プローブの製造方法について説明する。

まず、第７図（ａ）および第８図（ａ）に示すよう
に、ｐ型シリコン半導体基板１を用意し、その一主表面
にシリコン酸化（SiO₂）膜２を形成した。MOSトランジ
スタ34の形成領域にはアンチモン（Sb）が拡散されてお
り、それぞれソースおよびドレイン領域となるn⁺拡散層
51が形成されている。次に、第７図（ｂ）に示すよう
に、シリコン酸化膜２上に、シリコンを真空蒸着法によ
り堆積し、フォトリソグラフィ技術を用いて加工するこ
とにより１μｍ角の異種材料片41および基板１の長手方
向に延在する異種材料片42を形成した。異種材料片41と
異種材料片42との間隔は、形成しようとする単結晶体の
半径と同じ約50μｍとした。次に、基板１を500℃に加
熱された反応炉内に設置し、WF₆ガスおよびH₂ガスの混
合ガスを、圧力1Torrの減圧下で、それぞれ75cc/minお
よび10cc/minの流量で流した。このようにすると、シリ
コン酸化膜２に比べてシリコンからなる異種材料片41,4
2は核形成密度がはるかに大きいため、これらの異種材
料片41,42を中心としてタングステン結晶が成長する。
このとき、異種材料片41は、単一の核だけが成長する程
度に十分に微細であるため、異種材料片41には単一の核
が形成され、さらに、この核は単結晶体構造を保ちなが
ら成長して、結果的に単結晶プローブ４が形成された。
一方、異種材料片42は単一の核のみが成長するほど微細
ではないため、この異種材料片42にはタングステンから
なる多結晶ゲート電極61が成長した（第７図（ｃ）、第
８図（ｃ））。次に、第７図（ｄ）および第８図（ｄ）
に示すように、多結晶ゲート電極61をフォトリソグラフ
ィ技術を用いて加工し、所定の幅をもった多結晶ゲート
電極61を得た。次に、アルミニウム（Al）およびルテニ
ウム等の薄膜抵抗材料を蒸着し、フォトリソグラフィ技
術を用いて加工しMOSトランジスタ34のソース電極32、
ドレイン電極33、薄膜抵抗35を形成して、第６図，第８
図（ｅ）の初段増幅用MOSトランジスタ34を有する微小
プローブを得た。

本実施例では、シリコン酸化膜２上に異種材料片41と
してシリコンを用いてタングステンからなる単結晶プロ
ーブ４を形成しているが、単結晶プローブの材料はこれ
に限定するものではない。例えばシリコン酸化膜２上に
異種材料片41として窒化シリコンを用いてシリコンから
なる単結晶プローブ４を形成することも可能であり、こ
れを微小プローブに使用することもできる。

また、前述のプローブ電極は複数形成することができ
る。第３図に対応するマルチプローブ電極を有する平面
からみた模式図を第９図に示し、第６図に対応するマル
チプローブ電極を有する平面からみた模式図を第10図に
示す。具体的には、第10図に示されるように、本実施例
の微小プローブは、シリコン基板１上に形成されたシリ
コン酸化（SiO₂）膜２上に、異種材料片41a,41bおよび4
2a,42bと、この異種材料片41a,41bをもとにして形成さ
れたタングステン（Ｗ）からなる単結晶プローブ4a,4b
とが設けられており、さらに、この単結晶プローブ4a,4
bの近傍には、プローブ電流を増幅するためのMOSトラン
ジスタ34a,34bが設けられている。このMOSトランジスタ
34a,34bは、異種材料片42a,42bをもとにして形成された
タングステンからなる多結晶ゲート電極61a,61bと、ア
ルミニウム（Al）からなるソース電極32a,32bおよびド
レイン電極33a,33bと、ルテニウム等の材料からなる薄
膜抵抗35a,35bとを有している。

本実施例では、便宜上、異種材料片41のサイズを１μ
ｍ角と説明したが、スパッタ法、CVD法、真空蒸着法等
を用いて異種材料を堆積した後、Ｘ線、電子線、イオン
線を用いた超微細加工技術を用いて加工することによ
り、数μｍ以下、さらには１μｍ以下の異種材料片41を
形成することは可能であり、正確にプロセス条件をコン
トロールすれば、先端の曲率が分子、原子レベルの微小
単結晶プローブ４を得ることができる。

第11図は本発明の微小プローブの他の実施例の構造を
示す断面図である。

本実施例は基板１上に直接異種材料片41を設け、単結
晶プローブ４を成長させたものである。この場合、異種
材料片41は、基板１と密着性がよく、かつ基板１に比べ
て十分核形成密度が大きな材料を選定する必要がある。
また、本実施例のように基板１上に直接、単結晶プロー
ブ４を形成する場合は、異種材料片41を設けるかわり
に、集束イオンビーム技術を用いてイオンを基板１の一
部に選択的に注入することによって、その部分に核形成
密度の大きな層を形成するようにしてもよい。

第12図は本発明の微小プローブの他の実施例の構造を
示す断面図である。

本実施例は基板１の中央部を突出させ、この突出部上
に単結晶プローブ４を形成したものである。本実施例に
よれば、プローブの高さ調節を、基板１の形状を異なら
せることによって行うことができる。

なお、本発明は上述の実施例に限定されるものではな
く、種々変形可能である。例えば、基板上に直接単結晶
プローブを設ける場合は、基板は、異種材料に比べ十分
に核形成密度が小さいという条件を満たせば単結晶に限
らず多結晶または非晶質のものでもよい。また、核形成
密度が十分小さい薄膜上に単結晶プローブを形成する場
合は、基板は、シリコン単結晶ウエハーや石英基板でも
よく、さらに、金属、半導体、磁性体、圧電体、絶縁体
等の基板でもよい。また、初段増幅器はMOSトランジス
タに限定されるものではなく、バイポーラトランジスタ
でもよく、その構造や製法は適宜、選択することができ
る。この初段増幅器は、単結晶プローブを形成する前に
あらかじめ作成しておいてもよいし、単結晶プローブの
形成後に作成してもよい。また、単結晶プローブの結晶
成長完了後、さらに、電解研摩法やプラズマエッチング
法等により加工を施してもよい。

ところで、第１図に示す単結晶プローブ４は前述の第
４図や第７図に示す方法で形成させる以外にも以下に示
す方法で形成させることができる。

単結晶基板上に、該単結晶基板が一部露出するような
開口部を有する絶縁層を積層し、前記絶縁層をマスクと
して、前記開口部から特定の面方位をもちかつ特定の結
晶面からなるファセットで囲まれた尖頭部を選択エピタ
キシャル成長させ単結晶を形成させるという方法であ
る。

以下に結晶成長の方法を説明する。

その基本原理は、選択エピタキシャル成長とエピタキ
シャル横方法成長の原理にある。選択エピタキシャル成
長は、表面エネルギー、付着係数、表面拡散速度等の結
晶成長下過程での核形成を左右する因子の材料間での差
を利用して、単結晶基板（核形成因子の材料）上に選択
的にエピタキシャル成長を行なわしめるものである。

すなわち、マスク（核形成因子小の材料）上における
安定核の発生を抑止し（従って、マスクからの結晶成長
は生じない）、マスクの開口部に露出した単結晶基板表
面からのみエピタキシャル成長を行なわしめるものであ
る。

本発明で用いる結晶成長法では、マスク表面は非核形
成面であるので、かかる、安定核の発生は抑制され、マ
スク開口部の単結晶基板のみから選択的に結晶成長が生
ずる。

その間の結晶成長過程を第13図（Ａ）〜（Ｄ）を用い
て説明する。まず、第13図（Ａ）に示すように、単結晶
基板１の表面が露出するような開口部133を設けた所望
の結晶方位の単結晶基板１に前述のような結晶成長法と
マスク２の表面には結晶の安定核が発生しないような成
長条件（具体的には表１記載の条件：後述）で結晶形成
処理を施すと、結晶は開口部133の底部の単結晶基板表
面のみからエピタキシャル成長し、次第に開口部133を
埋めていく（第13図（Ｂ））。ここで成長しつつある結
晶134は単結晶基板の結晶方位等の結晶性に関する情報
を受け継いでいる。成長が進むとやがて結晶134はマス
ク２の表面をも覆う形でマスク２の上方へ成長し（オー
バーグロース:Overgrowth）、ファセットをもつ外形を
具えた単結晶４になる（第13図（Ｃ））。さらにこれを
成長させると単結晶４の表面積の増加に伴い単結晶のフ
ァセットによる外形は第13図（Ｄ）に示すような大きな
単結晶４となる。この単結晶４はその材料が基板単結晶
１と同じか、或いは異っていても同じ対称性と近い格子
定数をもつなら単結晶基板１と同じ結晶方位をもつ。し
たがって同一基板上に複数個形成しても全て同じ結晶方
位の外形をもつ。

上記方法、つまり第２の方法で形成させた第３図に示
される電流検知プローブの製造方法を第14図及び第15図
をもとに説明する。

まず、〈100〉の面方位をもつｐ型シリコン単結晶基
板１の一表面上に熱酸化によって膜圧2000Åほどのシリ
コン酸化（SiO₂）膜からなる絶縁膜２を形成し、（第14
図（ａ））、その後、所望位置に開口部133（孔径1.2μ
ｍ）を50μｍの間隔でマトリクス状にフォトリソグラフ
ィ技術を用いて形成する（第14図（ｂ））。次いで、ｐ
型シリコン単結晶基板１への不純物拡散やイオン打込み
等の手段を用いてn⁺型の領域51を形成する（第14図
（ｃ））。これにより、ｐ−ｎ接合が形成される。その
後、この基板にCVD法によって下記の成長条件（表１）
で結晶形成処理を施した。

表１圧力 :150Torr 使用ガス :SiH₂Cl ソースガス）＋HCl（エッチングガ
ス）＋H₂（キャリヤガス）ガス流量比:SiH₂Cl₂:HCl:H₂＝1.2:2.4:100 基板温度 :1030℃ 成長時間 :10min. その結果、第16図に示したようなファセットで囲まれ
た尖頭部を有する粒径15μｍほどのSi単結晶が全ての開
口部を中心として形成された（第14図（ｄ））。

また第15図（ｃ）記載のように、ｐ−ｎ接合を形成し
た後、ソース電極32、薄膜抵抗35、ゲート電極31、ドレ
イン電極33をスタッパ法によって形成し第15図（ｄ）を
得た。電極材料にはAl等、薄膜抵抗にはルテニウム等の
材料をそれぞれ用いることができる。

これらの工程により、第３図，第14図（ｅ），第５図
（ｄ）に示すような検出電流の初段増幅用モストランジ
スタ34を有する電流検知微小プローブ４を作成すること
ができた。

なお、本発明を、電流検知プローブに適用した場合、
上述の実施例に限定されるものではなく、例えば単結晶
基板は、金属、磁性体、圧電体、絶縁体等の基板でもよ
い。電極材料、絶縁膜、薄膜抵抗についても、本実施例
の材料に限定するものではない。

結晶形成処理の方法としては、例えば、CVD法、LPE
法、MOCVD法等があげられるが、もちろんこれらの方法
以外の方法を用いてもよい。

なお、結晶成長させる材質は、単結晶基板の材質と同
一でもよいし異なってもよい。例えば、単結晶基板をGe
とした場合、結晶成長させる材質はGe,Si,GaAs,GaAlAs
その他の化合物半導体とすることができる。また、単結
晶基板がSiの場合にも同様に結晶成長させる材質はGe,S
i,GaAs,GaAlAsその他の化合物半導体とすることができ
る。

次に第４図または第14図記載の方法で得られた単結晶
プローブのプローブ及び尖頭部について述べる。

上述したような単結晶は成長速度の異方性の為に特定
の結晶面からなるファセットに囲まれた成長形をとる。
ファセットをなす結晶面は一般に成長速度の遅い面であ
るが、成長速度は成長中の環境相の変化に敏感でその異
方性も大きい為に結果として単結晶の成長形は成長方法
及び成長条件に依存する。そこで成長させれる結晶に応
じて適当な面方位をもった単結晶基板を選びマスクを形
成してこれに適当な成長方法及び適当な成長条件を選択
し結晶形成処理を施すなら、ファセットに囲まれた尖頭
部を有する単結晶を得ることができる。第16図はこのよ
うにして形成された単結晶の斜視図である。単結晶プロ
ーブはそれぞれ４つの｛111｝面162aと８つの面162bと
｛311｝と｛411｝の間の高次の結晶面163からなるファ
セットとを有し、４つの三角形の面163によって尖頭部1
61を形成する。ファセット面163は結晶学的な結晶面で
あるから、尖頭部161の頂点は原理的には原子レベルの
鋭利さを具えている。本発明による微小プローブは、こ
のような安定した構造をもち、鋭利な尖頭部を有する単
結晶体を所望の位置に制御性よく形成ることにより、そ
の性能の向上を得ている。

また成長条件を変えれば尖頭部が｛111｝面で囲まれ
るようなファセットによる外形に単結晶を成長させるこ
ともできる。

第17図は本発明の微小プローブを用いた高密度記録・
再生装置の構成を示すブロック図である。

この高密度記録・再生装置は、初期状態で高抵抗状態
（オフ状態）となっている記録層の両端に書込み電圧を
印加して、選択的に低抵抗部分をつくってデータを書込
み、再生特には、スイッチング閾値電圧より小さい電圧
を印加してプローブからトンネル電流を検出することに
より、データの再生を行うものである。

この高密度記録・再生装置において、記録媒体184は
基板181、基板電極182、記録層183とからなり、台座部1
85上に載置、固定されている。粗動機構179は記録媒体1
84と単結晶プローブ４との距離を所定の値に保つため
に、記録媒体184の垂直方向の位置を粗動制御するため
のもので、粗動駆動回路178により駆動される。粗動機
構の下には、さらにXYステージ180が設けられており、
記録媒体184の位置をXY方向に移動可能である。パルス
電源174は、単結晶プローブ電極４と基板電極182との間
に記録／消去用のパルス電圧を印加するためのものであ
る。プローブ電流増幅器177は、単結晶プローブ４のプ
ローブ電流を増幅してサーボ回路176に送出し、サーボ
回路176は、プローブ電流増幅器177からの電流が所望の
値になるように微動制御機構175の垂直方向における移
動を制御する。微動制御機構175はXY走査駆動回路173に
よりXY方向の移動が制御される。各回路はマイクロコン
ピュータ172により統括制御され、マイクロコンピュー
タ172の処理情報は表示装置171に表示される。

以上のような装置を用いて、XYステージ180を移動し
ながら、微動制御機構175を制御してプローブ４と記録
層183の距離を一定（nmオーダー）に保ちつつ、記録層1
83に記録パルス電圧を印加して記録を行ない、その後再
生を行なったところ、1nm以下の記録・再生分解能を得
ることができ、上記方法によって製造した微小単結晶プ
ローブ４は、先端系が非常に微細であり、かつ十分実用
に耐えるものであることが明らかとなった。

また、この微小プローブ４は、基板上に初段増幅用MO
Sトランジスタ34を有しているため、通常のプルーブか
ら得られるプローブ電流に比べ、２桁大きいプルーブ電
流が得られ、S/N比を向上させることができた。

第18図は第17図のプローブをマルチに使用した際の高
密度記録・再生装置の一例の構成を示すブロック図であ
る。なお、このマルチプローブを有する高密度記録・再
生装置では、２つのプローブ4a,4bが独立に記録・再生
を行うことができる。

また、上述した高密度記録媒体184としては、ガラス
基板181上に金（Au）からなる基板電極182を形成し、さ
らにその上にスルアリリュウム−ビス−６−オクチルア
ズレン（以下SOAZと略す）のLB膜を記録層183として形
成したものを使用した。なおSOAZのLB膜は、下記のよう
に形成した。

まず、光学研磨したガラス基板（基板181）を中性洗
剤およびトリクレンを用いて洗浄した後、下引き層とし
てクロム（Cr）を真空蒸着法により厚さ50Å堆積させ、
更に金（Au）を同法により400Å蒸着して基板電極182を
形成した。

次にSOAZを濃度0.2mg/mlで溶かしたクロロホルム溶液
を20℃の水相上に展開し、水面上に単分子膜を形成し
た。溶媒の蒸発を待ち係る単分子膜の表面圧を20mN/mま
で高め、更にこれを一定に保ちながら前記電極基板を水
面を横切るように速度5mm/分で静かに浸漬し、さらに引
上げ２層のＹ形単分子膜の累積を行った。この操作を４
回繰返すことによって基板181上に８層の累積膜を形成
してSOAZのLB膜を作成した。

なお、SOAZのLB膜を絶縁体として用いたMIM構造の素
子は、第19図および第20図に示されるような電流電圧特
性を示し、メモリースイッチング特性を有する。すなわ
ち、第17図及び第18図に示すように、基板電極182とプ
ローブ４又はプローブ4a,4bとの間に加える電圧によ
り、記録層183に記録電流を流すことができ、初期状態
で高抵抗状態（オフ状態）であったものを低抵抗状態
（オン状態）へと変化させることができる。第20図に示
すように、オフ状態のときは、再生時にプローブ電圧を
印加してもほとんどプローブ電流は流れずオン状態では
−1V〜1V付近でリニアに変化するプローブ電流が流れ
る。このことにより、記録層183のオン／オフを検出す
ることができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の微小プローブは特定の
面方位をもちかつ特定の結晶面からなるファセットで囲
まれた、原子レベルの大きさの鋭利な尖頭部を有し、且
つ加工歪のない剛性の高い単結晶プローブであるので実
用上極めて有用である。

これらの単結晶プローブは、単体でも複数でも任意に
選定することが可能であり、しかも、それを所望位置に
制御性よく本発明の製造方法によって、形成する事が出
来る。このため、プロセスをコントロールすることによ
り、歩留りが高く、しかも、量産性にも優れ、低コスト
な製造方法とすることが可能である。

また、本発明の微小プローブには、引き出し電極や電
流増幅器を隣接した形で形成することが出来、特に増幅
器が単結晶プローブに隣接していることによるS/N比
は、従来の微小プローブの電流増幅に比較して、数段向
上する。また、引き出し電極や増幅器を設ける製造工程
は、単結晶プローブの一連の製造工程の中に容易に取り
入れることが出来、かつ単結晶プローブを損傷すること
なく形成することが出来る。

さらにまた、複数のプローブ電極を独立に動作させれ
ば、例えば高密度記録・再生装置において、同時に複数
箇所への記録および複数箇所からの再生を行うことがで
きるようになるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の外観図、第２図は本発明の
他の実施例の側面図、第３図は本発明を、電流検知プロ
ーブに適用した実施例の平面図、第４図、第５図はそれ
ぞれ第３図のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線の製造工程を示す断面
図、第６図は本発明を、電流検知プローブに適用した他
の実施例の平面図、第７図，第８図はそれぞれ第６図の
Ａ−Ａ線,B−Ｂ線の製造工程を示す断面図、第９図，第
10図は電流検知マルチプローブに適用した実施例の平面
図、第11図は本発明の微小プローブの他の実施例の断面
図、第12図は本発明の微小プローブのさらに他の実施例
の断面図、第13図は、結晶形成処理の原理説明図、第14
図，第15図はそれぞれ第３図のＡ−Ａ線,B−Ｂ線の第２
の製造工程を示す断面図、第16図は〈100〉の面方位を
もつSi単結晶のファセットによる外形の斜視図、第17図
は本発明の微小プローブを用いた記録・再生装置の模式
図、第18図は本発明の微小マルチプローブを用いた高密
度記録・再生装置の一例の構成を示すブロック図、第19
図および第20図は第17図及び第18図中の記録媒体27の電
圧・電流特性を示す特性図である。 1:基板、2:薄膜、3:電極、 4,4a,4b:単結晶プローブ、 5:情報読み取り部、 31,31a,31b:ゲート電極、 32,32a,32b:ソース電極、 33,33a,33b:ドレイン電極、 34,34a,34b:モストランジスタ、 35,35a,35b:薄膜抵抗、 41,41a,41b,42,42a,42b:異種材料片、 51:n⁺領域、61:多結晶ゲート電極、 133:開口部、134:成長単結晶、 161:尖頭部、162a:Siの｛111｝面、 163:｛311｝と｛411｝の間の結晶面、 171:表示装置、 172:マイクロコンピュータ、 173:XY走査駆動回路、174:パルス電源、 175:微動制御機構、176:サーボ回路、 177:プローブ電流増幅器、 178:粗動駆動回路、179:粗動機構、 180:XYステージ、181:基板、 182:基板電極、183:記録層、 184:記録媒体、185:台座部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｇ１１Ｂ 9/00 Ａ６１Ｂ 5/04 ３００Ａ (72)発明者松田宏東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内 (72)発明者森川有子東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内 (72)発明者柳沢芳浩東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内 (72)発明者金子哲也東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内 (72)発明者川瀬俊光東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内 (72)発明者雲見日出也東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内 (56)参考文献特開昭61−206148（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−27541（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基板の一主面上または該基板の一主面上に
形成された薄膜上の一部に、単結晶体が設けられてなる
微小プローブ。
【請求項２】特定の面方位をもちかつ特定の結晶面から
なるファセットによって囲まれた尖頭部を有する単結晶
で構成された微小プローブ。
【請求項３】前記単結晶体はタングステン単結晶体であ
る請求項１記載の微小プローブ。
【請求項４】前記単結晶体がシリコン単結晶体である請
求項１記載の微小プローブ。
【請求項５】電流検知プローブとして用いられる請求項
１または２記載の微小プローブ。
【請求項６】前記単結晶体に隣接して電極配線を備えて
いる請求項１または２記載の微小プローブ。
【請求項７】前記単結晶体に隣接して増幅器を備えてい
る請求項１または２記載の微小プローブ。
【請求項８】前記単結晶体に隣接して電流増幅器を備え
ている請求項１または２記載の微小プローブ。
【請求項９】前記単結晶体が複数備えられている請求項
１、２、５、６、７または８記載の微小プローブ。
【請求項１０】基板の一主面または該基板の一主面上に
形成された薄膜上の一部に、該基板または薄膜より核形
成密度が十分大きく、かつ単一の核だけが成長する程度
に十分微細な異種材料を設ける工程と、該材料に単一の
核を成長させて単結晶体を形成する工程とを有する微小
プローブ。
【請求項１１】単結晶基板上に、該単結晶基板が一部露
出するような開口部を有する絶縁層を積層する工程と、
前記絶縁層をマスクとして、前記開口部から特定の面方
位をもちかつ特定の結晶面からなるファセットで囲まれ
た尖頭部を有する単結晶を、選択エピタキシャル成長さ
せる工程とを有する微小プローブの製造方法。
【請求項１２】選択エピタキシャル成長の際、ガスを選
択的にドープする工程をさらに有する請求項11記載の微
小プローブ製造方法。
【請求項１３】ファセットで囲まれた尖頭部を有する単
結晶体に、隣接した引き出し電極を設ける工程を有する
請求項10または11記載の微小プローブ製造方法。