JP2561389B2 - 超小型製造の顕微鏡組立体 - Google Patents

超小型製造の顕微鏡組立体

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JP2561389B2
JP2561389B2 JP2509304A JP50930490A JP2561389B2 JP 2561389 B2 JP2561389 B2 JP 2561389B2 JP 2509304 A JP2509304 A JP 2509304A JP 50930490 A JP50930490 A JP 50930490A JP 2561389 B2 JP2561389 B2 JP 2561389B2
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Description

【発明の詳細な説明】 米国政府は、本発明のもとでの特許許可証を付与する
と共に、特許所有者が海軍省によって裁定された契約第
00014−884−Ｋ−0624号の項目のような適当な項目につ
いてのみ他の当事者に特許使用許可を与えねばならない
という限定された環境における権利を付与した。
先行技術 発明の分野 本発明は、トンネル効果顕微鏡（STM）及び原子力顕
微鏡のような超小型走査顕微鏡に係り、より詳細には、
走査されるべき表面と、走査チップを一端に有する片持
梁とを組み込んだ超小型製造の顕微鏡構造体に係る。
公知技術 これまで、STMによって走査されるべき表面は、精密
な機械的な調整機構を用いることによって走査チップに
対向配置されている。
1986年７月の“IBM Journal of Research and Develo
pment"第30巻、第40号の第355−369頁に掲載されたビニ
ング及びローラ氏著の“走査トンネル効果顕微鏡（SCAN
NING TUNNELLING MICROSCOPY）”と題する論文には、圧
電三脚を用いた走査トンネル効果顕微鏡が第２図に示さ
れている。この三脚は、接合部において接合された３本
の圧電材料ロッドで構成され、各ロッドは、３つのカル
テシアン座標軸の１つに沿って膨張及び収縮する。３本
のロッドの接合部にチップが取り付けられる。チップ
は、おおよその位置設定機構により表面付近にもってい
かれる。その後、圧電三脚を用いてチップが表面を走査
するようにし、その表面の像を発生する。
このような構成は、比較的サイズが大きくて振動や熱
的なドリフトを受けるので、用途が限定される。
1988年１月27日に出願されて本発明の譲受人に譲渡さ
れた米国特許出願第149,236号には、走査チップが自由
端に取り付けられた超小型片持梁が開示されている。こ
の片持梁は、走査されるべき表面に対して走査チップを
位置設定するようそらされる。又、この片持梁は、集積
回路製造技術によって製造される。この片持梁は、圧電
材料と導電材料の交互の層によって形成されたアクチュ
エータ機構により走査されるべき表面に対してそらされ
る。導電層は、片持梁が３つの独立した方向に動いて走
査チップを走査されるべき表面に対しておおよそ位置設
定できるように個々にアドレスされる。
発明の要旨 それ故、本発明の目的は、走査されるべき表面を内蔵
して超小型に製造された走査トンネル効果顕微鏡組立体
を提供することである。
本発明の別の目的は、単一の基体上に取り付けられた
多数の超小型製造の圧電片持梁のアレイを使用した大量
記憶メモリを提供することである。
本発明の別の目的は、表面を走査するように端部に走
査チップを有する圧電片持梁のアレイを提供することで
ある。
本発明の別の目的は、走査トンネル効果顕微鏡や原子
力顕微鏡のような種々の動作モード及び他の動作モード
に適用できる超小型製造の顕微鏡組立体を提供すること
である。
本発明のこれら及び他の目的によれば、基体に取り付
けられた圧電バイモルフ片持梁を備えていて、その自由
端に走査チップが固定されている超小型製造の顕微鏡組
立体が提供される。第２の基体に固定された走査表面に
は片持梁のチップが設けられ、そして走査表面は、所定
の書き込み又は読み取り動作を実行するように構成され
る。２つの基体は、チップが走査表面に接近配置される
ように一定の距離だけ離間される。本発明の一実施例に
おいては、複数のスペーサフットが使用され、スペーサ
フットの高さが基体間の間隔を決定する。スペーサフッ
トは一方の基体から突出し、スペーサフットの端面は他
方の基体の表面に接合される。接合は、例えば、共融接
合、アノード接合又は接着剤接合によって行なわれる。
超小型製造の顕微鏡組立体のアレイは、複数のこのよ
うな組立体で形成される。
２つの基体間には接点パッドを用いて電気的接続がな
される。
蓄積電荷、走査表面に付着した分子、走査表面上のマ
ーキング、汚染レジスト、金属ガラスのマーキング及び
走査表面における磁気ドメインといった形態の情報の記
憶及び検索を含む種々の所定の書き込み又は読み取り動
作モードが使用される。圧電片持梁及び走査表面は、走
査トンネル効果、原子力、磁気力、容量性の力及び走査
熱モードを含む多数の種々の顕微鏡モードで動作するよ
うに組み合わされる。
本発明の別の特徴によれば、基体上に配列された複数
の圧電バイモルフ片持梁のアレイを含む走査片持梁組立
体のアレイが提供される。このアレイは、例えば、機械
的なアクチュエータを用いて走査表面に対しておおよそ
位置設定される。
図面の簡単な説明 添付図面は、本発明の実施例を示すもので、以下の記
述と共に本発明の原理を説明するためのものである。
第1A図は、基体に対してチップを位置設定するための
公知の圧電三脚を示す斜視図、 第1B図は、サンプルの表面を横切って走査する三脚の
概略斜視図、 第2A図は、走査されるべき表面を含んでいて、素子が
離間されている集積STM組立体の断面図、 第2B図は、第2A図の素子の組み立てられた図、 第３図は、集積STM組立体のアレイを示す平面図、 第４図は、第３図の４−４線に沿った断面図で、集積
STM組立体のアレイを示す断面図、 第５図は、機械的なスキャナ組立体におけるSTM組立
体のアレイを示す斜視図、そして 第６図は、第５図のSTM組立体のアレイを示す部分平
面図である。
実施例 添付図面に一例が示された本発明の好ましい実施例は
ここでは詳細に説明しない。本発明は好ましい実施例に
ついて述べるが、本発明をこれらの実施例に限定するも
のではないことを理解されたい。そうではなくて、本発
明は、請求の範囲に規定する本発明の精神及び範囲内に
包含される代替物、変更及び等効物も網羅するものとす
る。
第1A図は、IBMによって開発されそして前記の“IBM J
ournal of Research and Development"に掲載された典
型的な走査トンネル効果顕微鏡の公知構造体の機械的な
細部を詳細に示している。顕微鏡チップＴは、第1B図の
圧電三脚（X,Y,Z）と共にサンプルＳの表面上を走査す
る。おおまかな位置設定器Ｌはサンプルを三脚の到達範
囲内にもっていく。振動フィルタシステムＰは、外部の
振動から装置を保護する。一定トンネル効果電流の動作
モードにおいては、第1B図に示された制御ユニットCUに
よってＺ圧電素子に電圧Vzが印加される。制御ユニット
は、トンネル効果電流を一定に維持する。制御電圧Vx及
びVyを交番させることによりチップが表面を横切って走
査される。チップのトレースは一般に表面のトポロジー
を近似する。又、サンプル表面の電子的構造の非均質性
も、チップトレースの構造を形成する。これは、過剰な
負の電荷を有する２つの表面原子としてサンプルＳの右
半分に示されている。
第2A図は、素子を取り付ける前の素子が離間された状
態にあるSTM組立体100を示している。第2B図は、素子が
取り付けられた状態を示している。STM組立体100は、片
持梁組立体101を備えており、これには、例えば、1988
年１月27日に出願された米国特許出願第149,236号に基
づいて圧電バイモルフ片持梁102が形成されている。片
持梁102の自由端に固定されているのは導電性チップ104
である。片持梁102の他端は、第１シリコン基体106の一
部分に固定され、この基体は、半導体集積回路製造技術
を用いて片持梁102及びチップ104を形成したときにベー
スとして働いたものである。第２の基体108の一部分
は、全STM組立体100のベースとして働く。第２の基体
は、シリコン又はパイレックスガラスのような適当な材
料で形成される。走査表面とも称するメモリ表面110
は、第２の基体108の表面114に固定される材料の層112
の表面として設けられている。メモリ表面110は、金
属、半金属又は半導体材料で形成され、薄い酸化物外皮
を含んでもよい。
片持梁組立体101及び第２の基体108の各々は、それら
の各表面に多数の接点パッド115、116が形成されてい
る。片持梁組立体101の接点パッド115は、片持梁組立体
上の種々の導体に接続される。第２の基体108の接点パ
ッド116は、例えば、アルミニウム又は金で形成された
外部のボンディングパッド118に接続され、これらボン
ディングパッドには、従来のワイヤボンディング技術に
よってワイヤが接続され、外部回路への接続がなされ
る。
動作に際し、圧電片持梁102の導体には電圧信号が印
加され、メモリ表面110に接近したり離れたりするよう
にそのチップが動かされて、トンネル効果が生じるよう
にされる。次いで、メモリ表面に記憶されている情報が
メモリ表面から読み取られたりそこに情報が書き込まれ
たりする。
片持梁組立体101を第２の半導体基体108に取り付ける
ことについては本発明によって多数の技術が利用でき
る。これらは、共融ボンディング、アノードボンディン
グ、及び糊付けを含み、その各々について以下に説明す
る。
共融ボンディングの場合には、接点パッド115、116が
例えば銅とスズのような２つの異なる金属で形成され、
これらはある温度以上に加熱したときに共融接合部を形
成する。第２の基体108は、シリコン又はパイレックス
ガラスのような適当な材料で構成される。その上には、
従来の技術により、メモリ表面110を有する層112と、接
点パッド116と、外部ボンディングパッド118と、その他
の回路又は相互接続部とが付着される。片持梁組立体10
1の接点パッド115は、片持梁組立体101が第２の基体108
に接触されるときに第２の基体108の対応する接点パッ
ド116に整列し且つ接触するように配置される。熱が加
えられると、各接点パッド対115、116の異なる金属が隣
接上面に共融接合部を形成する。これらの接合部は、片
持梁組立体101を基体108に取付ける手段を構成する。
又、これらの接合部は、片持梁組立体101に対する電気
接続部を形成する。
片持梁組立体101と基体108の表面114との間の最終的
な間隔はスペーサフット120によって与えられ、これら
は、例えば、付着技術又は他の適当な技術によってシリ
コン基体106の下面に形成される。スペーサフット120の
材料は、完全な組立体の２つの半部分を互いに共融接合
するのに用いられる温度によって影響されないシリコン
や種々の材料のような一群の材料から選択される。スペ
ーサフット120の高さは、片持梁102の端にあるチップ10
4が走査表面110を走査するに充分なほど圧電片持梁によ
りこの表面に接近配置されるような所定の距離にセット
される。
アノードボンディングの場合には、スペーサフット12
0がアノードプロセスによって第２基体108の表面114に
接合される。スペーサフットは、例えば、シリコンで形
成され、そして第２基体は、パイレックスガラスのよう
な適当なガラス材料で形成される。シリコン／ガラス接
合部に若干の圧力、熱及び電界を加えることによりアノ
ード接合が形成される。この技術においては、接点パッ
ド115、116が金のような材料で形成され、この材料は充
分なしなやかさを有しているので、スペーサフット120
を第２基体108の表面114に接触させるように接点パッド
を圧縮することができる。共融プロセスの場合のよう
に、片持梁組立体101と第２基体108との間隔は、スペー
サフット120の高さによって決定される。或いは又、ス
ペーサフットを基体108の表面に形成できることに注意
されたい。片持梁組立体106の下面にスペーサフット120
を形成するのに多数の方法を使用できる。その１つの方
法は、圧電片持梁102及びチップ104を形成した後に、例
えば、リフトオフプロセスによりスペーサフットを付着
してパターン化することである。スペーサフット120を
形成する別の方法は、第１のシリコン基体106をエッチ
ングしそしてスペーサフット120をそこから突出させて
残すことである。これは、例えば、片持梁組立体101を
シリコン基体106の上に形成する前にスペーサフット120
の端に適当な窒化シリコンマスクを設けて適当な深さま
でシリコン基体106をドライエッチングすることにより
行なわれる。
糊付け又は接着剤接合の場合には、第１基体106及び
第２基体108を特定の材料で形成する必要はない。スペ
ーサフット120の端か又は第２基体108の表面114上の適
当な位置かのいずれかに従来の技術によって接着剤がス
クリーン印刷される。STM組立体100を組み立てるため
に、片持梁組立体101と基体108が整列され、スペーサフ
ット120の端が基体108の表面114上の接着剤と接触する
ようにもっていかれ、接着剤による機械的な接合部が形
成される。一緒に圧縮される対応する接点パッド115、1
16間の接触によって電気的な接続が得られる。片持梁組
立体101と基体108との間隔は、スペーサフット120の高
さにより所定の距離にセットされる。
第３図は、STM組立体100のアレイを示す平面図であ
り、これらのSTM組立体が第2A図及び第2B図に示すもの
に非常に良く似た構造を有することを示すために同じ参
照番号を使用している。第４図は、アレイの断面図であ
る。この形式のアレイは、通常の半導体集積回路製造技
術を用いて製造された大容量メモリ装置に使用される。
前記した接合技術のいずれかを用いて、片持梁組立体10
1が基体108に機械的に取り付けられる。各々の片持梁組
立体101は、前記したように、バッチ技術を用いて単一
のシリコン基体106の一部分に形成される。
第４図は、多数の走査表面110が基体108の表面114上
に形成されることを示している。これら表面110の各々
は、片持梁102のチップ104によって個々に走査される。
個々のSTM組立体100への電気的接続は、前記したよう
に、接点パッド115、116の対応対を用いてなされる。基
体108上の全ての回路への外部接続は、基体108の縁付近
の適当なボンディングパッド118によってなされる。或
いは又、シリコン基体106上の適当なボンディングパッ
ドによって電気的接続がなされる。基体106、108間の間
隔は、前記したように、スペーサフット120の高さによ
ってセットされる。
第５図は、前記した片持梁組立体101のアレイ132が下
面に設けられた基体130を示している。この基体130は、
機械的な位置設定組立体134に取り付けられる。この機
械的な位置設定組立体134は、固定のボトムプレート136
と、固定のトップフレーム138とを含んでいる。基体130
は縦軸ブロック154に取付けられ、そしてこのブロック
は、固定のトップフレーム138に取り付けられた垂直運
動アクチュエータ140に取り付けられる。サンプル装置1
50が長さの短い水平又はｘ−ｙの機械的プラットホーム
に取り付けられ、このプラットホームは、サンプル装置
150が取り付けられる取り付けブロック142を含んでい
る。この取り付けブロック142は、Ｘ方向水平アクチュ
エータ144によりＸ方向にそしてＹ方向水平アクチュエ
ータ146によりＹ方向に水平移動される。サンプル装置1
50の表面152は、基体130の下面に取り付けられた片持梁
組立体101のアレイ132によって走査される。Ｘ方向及び
Ｙ方向の水平アクチュエータ144、146の各々は、約1mm
の運動範囲を有している。
第６図は、基体130の下面に配置された幾つかの片持
梁組立体101の部分平面図である。寸法“a"が200ミクロ
ンに等しくそして寸法“b"が1000ミクロンに等しい片持
梁組立体の場合には、片持梁組立体101の密接にパック
されたアレイが図示されたように設けられる。水平アク
チュエータ144、146は、ほぼ500及び600ミクロンの寸法
“c"及び“d"で示された範囲にわたって片持梁のチップ
を移動する。従って、サンプル装置150の全表面積（陰
影付けされた領域で典型的に示された）を、数百オング
ストロームの範囲の精度で比較的おおまかに位置設定す
るのに用いられる前記のごとき短距離の機械的スキャナ
構成体で走査することができる。ビニング及びスミス氏
の参考文献に述べられたような１組の長い圧電チューブ
は、短距離の機械的スキャナに対して充分な走査範囲を
与える。充分に長い圧電チューブを用いた場合には、ミ
リメータ代の運動を与えることができる。磁気又は機械
的なスクリュー形式のような種々の他の形式の機械的ス
キャナを用いることもできる。圧電片持梁を用いて非常
に微細な走査を行なってチップが正確に位置設定され
る。
本発明は多数の用途がある。本発明による超小型製造
の顕微鏡組立体は、並列走査トンネル効果顕微鏡構成を
用いてシリコンウェハのような大きな表面を同時に造影
するための“アレイ顕微鏡”として使用することができ
る。第２の用途としては、並列走査トンネル効果顕微鏡
を用いた大面積リソグラフィーがある。第３の用途は、
基体の全表面を走査することによって大規模メモリ構成
でデータを記憶することである。
情報は、多数のやり方で基体上に記憶される。即ち、 メモリ表面への分子の付着は、Nature331,324（1988
年）に掲載された“トンネル効果顕微鏡を用いた分子操
作（Molecular Manipulation Using A Tunneling Micro
scope）”と題するフォスター氏等による論文に述べら
れている。
金のマーキングについては、J.Vac.Sci.Technol.A6,2
83（1988年）に掲載された“液体／固体界面の走査トン
ネル効果顕微鏡及び原子力顕微鏡（Scanning Tunneling
Microscopy and Atomic Force Microscopy of the Liq
uid−Solid Interface）“と題するソネフェルド氏等の
論文に述べられている。
ジャクルビック氏等は、Phys.Rev.Lett.60,120（1988
年）に、“走査トンネル効果顕微鏡により原子スケール
で表面拡散を観察すること：金の上に金（111）（Scann
ing−Tunneling−Microscope Observation of Surface
Diffusion on an Atomic Scale:Au on Au（111）”と題
する論文を掲載している。
エムヒ氏等は、J.Appl.Phy.65,79（1989年）に、“走
査トンネル効果顕微鏡の研究に基体を使用する場合の金
表面の特性（characterization of Gold Surfaces for
Use a Substrates in Scanning Tunneling Microscopy
Studies）”と題する論文を掲載している。
分子の付着とある程度類似した技術である汚染レジス
トは、J.Vac.Sci.Technol.B4,86（1986年）に掲載され
た“走査トンネル効果顕微鏡でのリソグラフィー（Lith
ography With the Scanning Tunneling Microscope）”
と題するマッコード及びピース氏の論文に述べられてい
る。
デロザンネ氏等は、Appl.Phys.Lett.53,2287（1988
年）に、“走査トンネル効果顕微鏡による10nm特徴の直
接的な書き込み（Direct Writing of 10nm Features wi
th the Scanning Tunneling Microscope）”と題する論
文を掲載している。
絶縁層の表面に電荷を蓄積するか、又はトンネル効果
によって誘電体層に電荷を蓄積する場合には、電荷を使
用して情報が記憶される。
金属ガラスのマーキングについては、Appl.Phys.Let
t.51,244（1987年）に掲載された“走査トンネル効果顕
微鏡によるナノメータスケールの構造体の製造（Nanome
ter Scale Structure Fabrication With the Scanning
Tunneling Microscope）”と題するスタッファ氏等の論
文に述べられている。
磁気ドメインを用いて情報を記憶する磁気的な方法も
有用である。
ホールの形成については、Appl.Phys.Lett.（1989
年）に投稿された“走査トンネル効果顕微鏡を用いてグ
ラファイト上にナノメータスケールのホールを形成する
方法（Nano−meter−Scale Hole Formation on Graphit
e Using A Scanning Tunneling Microscope）”と題す
るT.R.アルベッチ氏等の論文に掲載されている。
本発明の特定の実施例についての上記説明は、本発明
を解説するためのものであった。これは、本発明を前記
の正確な態様に限定するものではなく、上記の技術に鑑
み、多数の変更や修正が考えられることは明かである。
上記実施例は、本発明の原理及びその実際の応用を最も
良く説明するために選択したものであり、当業者であれ
ば、本発明、及び定の用途に適するように変更された種
々の実施例を最も良く利用できるであろう。本発明の範
囲は、請求の範囲及びそれらの等効物によって限定され
るものとする。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−206148（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−281138（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−247843（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−210633（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−98896（ＪＰ，Ａ)

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】第１の基体（106）と、 上記第１基体（106）に固定されている一端とチップ（1
    04）が固定されている他方の自由端を有する圧電バイモ
    ルフ片持梁（101）と、 第２の基体（108）と、 上記第２基体（108）に固定されたメモリ表面（110）
    と、 上記チップ（104）を上記メモリ表面（110）に沿って横
    方向に走査して上記メモリ表面（110）上の種々の位置
    をアクセスするとともに上記チップ（104）を上記メモ
    リ表面（110）に対して垂直に動かして上記メモリ表面
    （110）へのチップの接近を制御するように上記圧電バ
    イモルフ片持梁を制御する制御手段と、 上記第１基体（106）と第２基体（108）との間に突出
    し、上記第１基体（106）と第２基体（108）を所定の距
    離だけ一定に離間させることにより上記チップ（104）
    が上記メモリ表面（110）に接近するようにする複数の
    異なるスペーサフットであって、その高さが前記第１基
    体（106）と第２基体（108）との間の間隔を定めるスペ
    ーサフット（120）と、 上記第１基体（106）と第２基体（108）とが上記スペー
    サフット（120）により 一定に離間されているときに上記第２基体（108）と上
    記圧電バイモルフ片持梁（101）との間に電気的接続を
    与えるように、上記第１および第２の基体（106,108）
    上に形成されそこから延びている導体（115,116,118）
    と、 から成ることを特徴とする超小型製造の顕微鏡組立体。
  2. 【請求項２】上記導体は、上記第１と第２の基体（106,
    108）に形成され、この２つの基体が上記スペーサフッ
    ト（120）により一定に離間されているときに相互に接
    触するように配置されていることを特徴とする請求項１
    に記載の超小型製造の顕微鏡組立体。
  3. 【請求項３】上記スペーサフットは、一端において上記
    基体の一つに接合された端面を有することを特徴とする
    請求項１または２に記載の超小型製造の顕微鏡組立体。
  4. 【請求項４】超小型製造の顕微鏡組立体において、 第１の基体（106）と、 上記第１の基体（106）上に横方向に延びるアレイとし
    て配置された複数の圧電バイモルフ片持梁（101）のア
    レイであって、上記片持梁の各々が、上記第１の基体
    （106）に固定された一方の端部とチップ（104）が固定
    されている他方の自由端を有する複数の圧電バイモルフ
    片持梁のアレイと、 第２の基体（108）と、 上記第２基体（108）に固定されたメモリ表面（110）
    と、 上記チップ（104）を上記メモリ表面（110）に沿って横
    方向に走査して上記メモリ表面（110）上の種々の位置
    をアクセスするとともに上記チップ（104）を上記メモ
    リ表面（110）に対して垂直に動かして上記メモリ表面
    （110）へのチップの接近を制御するように上記圧電バ
    イモルフ片持梁を制御する制御手段と、 上記第１基体（106）と第２基体（108）との間に突出
    し、上記第１基体（106）と第２基体（108）を所定の距
    離だけ一定に離間させることにより上記チップ（104）
    が上記メモリ表面（110）に接近するようにする複数の
    異なるスペーサフットであって、その高さが上記第１基
    体（106）と第２基体（108）との間の間隔を定めるスペ
    ーサフット（120）と、 から成り、 上記スペーサフット（120）は、横方向に延びるスペー
    サフットのアレイから成り、上記スペーサフットの少な
    くともサブセットは上記超小型製造の顕微鏡組立体間に
    配置されていることを特徴とする超小型製造の顕微鏡組
    立体。
  5. 【請求項５】更に、上記第１基体（106）と第２基体（1
    08）とが上記スペーサフット（120）により一定に離間
    されているときに上記第２基体（108）と上記圧電バイ
    モルフ片持梁（101）との間に電気的接続を与えるよう
    に、上記第１および第２の基体（106,108）上に形成さ
    れそこから延びている導体（115,116,118）を含むこと
    を特徴とする請求項４に記載の超小型製造の顕微鏡組立
    体。
  6. 【請求項６】上記導体は、上記第１と第２の基体（106,
    108）に形成され、この２つの基体が上記スペーサフッ
    ト（120）により一定に離間されているときに相互に接
    触するように配置されていることを特徴とする請求項５
    に記載の超小型製造の顕微鏡組立体。
  7. 【請求項７】上記スペーサフットは、一端において上記
    基体の一つに接合された端面を有することを特徴とする
    請求項４、５または６に記載の超小型製造の顕微鏡組立
    体。
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