JP2605621B2 - 半導体ウィスカー探針及びその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体ウィスカーに関
し、高分解能で観測が可能となる半導体ウィスカーの探
針および製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より知られているウィスカーについ
ては、アプライド・サーフェース・サイエンス ボリュ
ーム６７（１９９３年）７３頁から８１頁（Applied Su
rfaceScience, vol.67, 1993, pp.73-81）及び、ジャー
ナル・アプライド・フィジックス ボリューム７４
（５）（１９９３年）３１６２頁から３１７１頁（J.Ap
pl.Phys., vol.74, (5), 1993, pp.3162-3171）に記載
されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では図２
に示すとおり、所定の場所にウィスカーを形成するこ
と、また、一定の向きにウィスカーを成長させることが
配慮されていなかった。これにより、ウィスカーを一つ
の窓に部分に一本づつ成長させたとき、その根本の部分
の位置は制御できるが、先端部がどちらを向いているか
は制御出来なくなり、ウィスカー先端部の位置制御が出
来ない、という問題があった。

【０００４】また、最近の走査プローブ顕微鏡は、単に
試料を観察する目的に使われるばかりでなく、ジャーナ
ル・オブ・バキューム・サイエンス・アンド・テクノロ
ジーＢ７（６)(１９８９年）１７１７頁から１７２２頁
（Journal of Vaccum Science and Technology B7(6) 1
989, p.1717-1722.）に記載されているように、半導体
微細加工手段として積極的に使われ始めている。従来ま
での走査プローブ顕微鏡は金属探針によるものが主であ
り、また、半導体を用いるものでも、半導体が金属とは
異なる電子状態を有していることを積極的に利用した探
針は用いられていない。今日のULSI 用MOSデバイスで
は、そのチャネル幅が100nmを下回るものが出現してき
ており、したがって、これらの観察、微細加工には、少
なくとも数ナノメートルの分解能（または、加工精度）
が要求され、また、上述のように、複数本の探針を用い
る場合は、これら探針の間隔は、数10nm以下であること
が要求される。従来のタングステンなどの金属を主体と
した探針に関しては、これらの要求を実現する探針製作
プロセスは実現されていない。

【０００５】本発明の目的は、十分な導電性を有する半
導体製の探針を提供することにある。また、本発明の他
の目的は、上記のような半導体製の探針のうち、先端の
曲率半径が10nm 以下であるような探針を提供すること
にある。さらに、本発明の第３の目的は、上記のような
半導体製探針を複数本配置したプローブチップを提供
し、単一の探針が行う微細加工や形状観察を同時に並行
して行うことを可能とすることにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、探針材料に半導体ウィスカーを用い、そ
の製作プロセスを最新の半導体微細加工プロセスと融合
化した点にある。

【０００７】

【作用】本願発明は、ウィスカー成長プロセスとアニー
ルプロセスを分け、成長直前にSiO2 マスクを除去する
プロセスを加える。これによりマスク開口部（窓部分）
への原料ガス供給が抑えられるとともに、基板とSiO2
マスク界面の歪みも取り除かれる。

【０００８】

【実施例】

（実施例１）以下本発明の実施例１を説明する。

【０００９】図１［１］に示すように、GaAs基板の上に
SiO2マスク層１００を堆積した後、電子ビームレジスト
層１０１を塗布し、電子ビームを照射して電子ビームレ
ジストパタンを形成する。さらに、SiO2のエッチング手
段によってSiO2 マスク層１００に電子ビームレジスト
パタンを転写し、SiO2マスクパタンを作製する。上記の
ような電子ビームリソグラフィーを用いたSiO2マスクパ
タンにおいて、GaAs基板表面が露出した窓部１０２の寸
法は10nm x10nm 程度にすることが可能であり、また、
これらの窓部１０２は、50nm 以下の間隔で配置するこ
とが可能である。

【００１０】図１［２］に示すように、SiO2マスクパタ
ンの形成に引き続き、ウィスカーの種となる金を電子ビ
ームレジストパターンの上から蒸着する。その後、リフ
トオフプロセスによって窓部１０２以外に堆積した金を
除去し（図１［３］）、さらに、この状態でアニールを
行い（図１［４］）、Au-Ga 合金部１０３を形成する。
ウィスカーの太さを決める主な要素は、アニール後に形
成される合金液滴のサイズである。SiO2マスクパタン１
００が、アニール中の液滴の広がりを制限するので、Au
-Ga 合金部１０３のサイズは窓部分１０２のサイズで制
御できる。電子ビームリソグラフィーによって生成され
たパタンの均一性にによって決まるSiO2マスクパタンの
均一性は十分高く、このため、Au-Ga 合金部１０３のサ
イズは極めて高い均一性を有し、したがって、ウィスカ
ーの太さの均一性も十分高い。ウィスカーの長さは、成
長時のガス供給量、成長温度等によって制御できる。

【００１１】Au-Ga 合金部１０３の形成の後、図１
［５］に示すように、SiO2マスク層１００を除去し、そ
の後に、ＭＯＣＶＤ法により、GaAsのウィスカー１０４
を成長した（図１［６］）。

【００１２】従来にはない新たな問題が発生する。この
問題とは、本発明を実施する際に発見されたサテライト
ウィスカーと呼ばれるものの出現である。サテライトウ
ィスカーは、GaAs基板表面が露出した窓部分とSiO2 に
マスクされた部分との境界部に生じる、基板面方位を反
映しないウィスカーのことである。その原因として、二
つの要素が考えられる。その第１は、SiO2 とGaAs の格
子不整合によって、上記境界部に局所的な歪みが生じ、
これが本来の面方位依存性を失わせる原因となること、
が考えられる。第２の要素はSiO2 マスクを使用するこ
とが、GaAs基板表面が露出した窓部分の面積の、SiO2
マスクに被覆された部分の面積に対する割合を著しく減
少させる効果であり、マスク上に到達した原料ガスが僅
かに露出した窓部分に集中し、このような過剰な原料ガ
ス供給が、面方位を反映しない原因となっている。大気
圧ＭＯＣＶＤ選択成長の際の過剰なガス供給によって、
基板面方位を反映しない膜が成長する例は、すでに報告
されている。

【００１３】本発明では、ウィスカー成長プロセスとア
ニールプロセスを分け、成長直前にSiO2 マスクを除去
するプロセス（図１［５］）を加えることにより、この
問題を解決した。これによって、マスク開口部（窓部
分）への原料ガス供給が抑えられるとともに、基板とSi
O2 マスク界面の歪みも取り除かれる。GaAs ウィスカー
には不純物ドープが可能で、各ウィスカーに、不純物濃
度に応じた伝導度を付与することが出来る。

【００１４】（実施例２）以下本発明の実施例２を説明
する。

【００１５】すでに述べたように、本発明による探針プ
ロセスを用いれば、複数本のウィスカーを近接して成長
させることが可能である。これらの複数本の探針が独立
に走査トンネル顕微鏡用の探針として動作するには、こ
れらの探針から各々独立にトンネル電流を検出すること
ができ、また、これらに、独立に電圧を印加してトンネ
ル電流を制御するということができなければならない。
この目的を達成するために、イオンインプランテーショ
ンによって不純物をドープした領域を形成する方法を採
った（図３）。図３の構成は、以下のような手順で実現
された。図１に示したプロセスにおいて、用いる基板
に、あらかじめ配線の役割を果たす不純物ドープ領域１
７０を形成しておき、電子ビームリソグラフィーによっ
て形成するSiO2 マスクの窓部分１０２をこれら不純物
ドープ領域１７０に一致させるように配置した。これに
よって、ウィスカーは基板上の不純物ドープ領域１７０
の上のみに成長する。したがって、ウィスカー自身も同
程度の不純物濃度にドープしておけば、導電性の不純物
ドープ領域１７０の一部に電圧を印加することにより、
ウィスカー先端に電圧を印加することができる。本発明
では、図９の構成全体、すなわち基板上に、互いに電気
的接続のない各不純物ドープ領域１７０を形成し、か
つ、各不純物ドープ領域１７０上に一本づつウィスカー
１０４を成長させた構成を、チップと呼ぶことにする。

【００１６】（実施例３）以下本発明の実施例３を説明
する。

【００１７】図４は、本発明によって得られた探針が半
導体製である点が、どのように活用されるかを示してい
る。図には、磁性体試料と真空を隔てて配置された場合
に観測される電子のトンネル現象をバンド図を用いて表
している。GaAsという半導体材料は、スピン−軌道相互
作用のため、価電子帯が分裂している。このため、これ
らの価電子帯の電子を光励起すると、励起光の偏向が右
円偏向か、左円偏向かによって、励起された電子１２３
のスピンの極性（上向き、または、下向き）に関する分
布が変化する。すなわち、左円偏向で光励起された場
合、キャリアの極性の割合は、（下向き）：（上向き）
＝３：１であることが知られている。右円偏向で励起さ
れた場合は、この逆の割合になる。前記内容について
は、技術文献（応用物理第６３巻、第３号、pp.263-26
7.）に記載されている。

【００１８】一方、磁性体内では、フェルミ準位１２２
付近の上向きスピンの電子状態密度分布１２０と下向き
スピンの電子状態密度分布１２１が異なる。図４に示し
たような、上向きスピンの空き準位が十分有り、下向き
スピンの空き準位が少ないような状態密度分布が存在す
る磁性体試料を仮定し、探針からこの磁性体への電子の
トンネルを考える。探針内の伝導体の底のエネルギー準
位に近い、磁性体内のエネルギー準位には、上向きスピ
ンの空き準位が十分に有るから、探針内にある電子が上
向きスピンを持つ場合には、トンネルが許される。一
方、探針内の電子が下向きスピンを持つ場合には、磁性
体内に下向きスピンの空き準位は存在しないから、トン
ネルは禁止される。したがって、探針内に存在するキャ
リアのうち下向きスピンを持つものの割合が大きい場合
には、トンネルが禁止されるキャリアの割合が大きくな
り、トンネル電流は減少する。逆に探針内に存在する上
向きスピンのキャリアの割合が大きい時には、トンネル
が許されるキャリアが多くなり、トンネル電流は増加す
る。磁性体材料表面の空き準位が上向きスピンであるか
下向きであるかは、磁性体表面の磁区ごとに異なる。こ
のような表面を、上記半導体の探針が走査した場合、空
き順位のスピンの極性が位置的に変化することに対応し
て、探針を流れるトンネル電流が変化する。これを画像
化すれば、磁区の分布を得ることができる。

【００１９】上述のような観測は、金属とは異なる電子
状態を持った半導体材料を選択したことによって初めて
可能となったものである。

【００２０】これらの探針を複数本同時に使用する場合
の作用を、図５を用いて説明する。本実施例では、ｚが
一定の時の電流イメージを複数のウィスカーのトンネル
電流から生成することができる。スキャナー２００をｘ
−ｙ平面内で走査すれば、一本の探針のみで走査すると
きより短い時間で画像生成が可能である。この特徴は、
熱的ドリフトが激しい条件における試料表面の観測等に
おいて、有利な特徴である。

【００２１】また、異なる２点のトンネル電流の値が同
時に測定可能であることから、試料表面に発生した局所
的変化が、試料表面内（ｘ−ｙ面内）を伝搬して行く様
子を捉えることが可能である。例えば、複数のウィスカ
ーの内、特定の一本を選んでこれを励起用ウィスカーと
し、このウィスカーに、観察時に印加する電圧の１０倍
程度の値の電圧をパルス的に印加し、その影響が周囲に
伝搬する様子を、励起用ウィスカー以外の各ウィスカー
のトンネル電流の変化を通じて観測することができる。

【００２２】本実施例には、複数探針を用いた画像取得
方法においては、フィードバックチャネル選択回路が付
加されている。フィードバックチャネル選択回路は、複
数のウィスカーからのトンネル電流信号の一つを選択
し、このトンネル電流信号のみを、ピエゾスキャナ制御
用回路に出力する。上記選択されたトンネル電流信号が
一定となるようにｚ軸座標のフィードバック制御を行え
ば、フィードバック用に選択されたウィスカーからのト
ンネル電流信号は一定となり、チップのｚ軸座標の変化
は選択されたウィスカー直下の試料の凹凸を示す。他の
ウィスカーからのトンネル電流信号は一定にならず、各
々のウィスカー直下の凹凸を反映して変化する。しかし
ながら、他のウィスカーからのトンネル電流信号変化
は、各々のウィスカー直下の凹凸を直接反映したもので
はなく、フィードバック制御用ウィスカー直下の凹凸が
重畳されたものになる。そこで、チップのｚ軸座標の変
化から再現されたフィードバック制御用ウィスカー直下
の凹凸を、他のウィスカーから得られたトンネル電流信
号波形から差し引く処理を、画像処理システムによって
行い、フィードバック制御用ウィスカー以外の各ウィス
カー直下の凹凸を知ることができる。

【００２３】なお、フィードバック制御用ウィスカーに
作用する原子間力をフィードバックする事によっても、
フィードバック制御用ウィスカー直下の凹凸を知ること
ができるので、上述の装置と同様な効果が得られる。

【００２４】（実施例４）以下、本発明の実施例４を説
明する。

【００２５】図６は、本発明を磁性体材料観測用ＡＦＭ
に適用した、第１の実施例を示している。１０４は、Ga
As のウィスカーであり、このウィスカー１０４は、AlG
aAsからなるアーム１０６の上に成長されたものであ
る。レーザ２３０によって、ウィスカー１０４内にキャ
リアが励起され、磁性体内への電子のトンネルが発生す
る。このとき、レーザ２３０の出力光２３１の波長を、
830nm 程度とする。この波長は、AlGaAs のバンドギャ
ップエネルギーに対応する波長より長く、また、GaAsの
バンドキャップエネルギーとほぼ等しい波長であるた
め、出力光２３１は、アーム１０６によってはほとんど
吸収されず、ウィスカー１０４によって効率よく吸収さ
れる。２３２は、出力光２３１の偏向状態を制御する１
／４波長板であり、これによって、出力光が右円偏向で
あるか、左円偏向であるこを調整することができる。出
力光２３１の一部は、アーム１０６の裏面で反射され反
射光２３４となり、反射光２３４は、位置検出用受光素
子及びフィードバック回路に入力される。レーザ２３
０、出力光２３１、１／４波長板２３２、アーム１０６
裏面、及び、反射光２３４は、いわゆる光てこを形成
し、アーム１０６のたわみの検出機構となっている。位
置検出用受光素子及びフィードバック回路の出力は、ピ
エゾスキャナ制御用回路に入力され、さらにその出力は
探針用ピエゾスキャナに入力され、ＡＦＭ用探針として
動作しているウィスカー１０４へ磁性体試料２３３から
加わる原子間力が一定となるようにフィードバック制御
される。磁性体試料２３３と試料台は電気的に接続され
ており、試料台はバイアス設定及び探針電流測定回路５
００に接続されている。さらに、アーム１０６は、接地
されている。このような電気的接続によって、バイアス
設定及び探針電流測定回路５００は、ウィスカー１０４
と磁性体試料２３３の間のバイアス電圧が設定さると同
時に、トンネル電流を測定し出力する。出力されたトン
ネル電流の値は、ウィスカー１０４の走査と同期して画
像処理システムに入力され、磁性体試料２３３表面の磁
区の分布を反映した２次元像が得られる。

【００２６】（実施例５）以下、本発明の実施例５を説
明する。

【００２７】図６に示したＡＦＭ装置に用いたアーム１
０６およびウィスカー１０４よりなる探針の製作方法
を、図７を用いて述べる。図７［１］において、GaAs
基板上面に関しては、AlGaAsより成るアーム層１０６、
SiO2マスク層１００、電子ビームレジスト層１０１を積
層し、さらに、電子ビームレジスト層を電子線に露光し
て５０nm径の穴パタンを形成し、それをエッチングによ
ってSiO2マスク層１００に転写し、窓部１０２を形成し
た結果を示しており、さらに、GaAs 基板裏面には、裏
面SiO2層１０８を堆積させた結果を示している。GaAs基
板上面から金１０７を蒸着したものが、図７［２］であ
る。その後、いわゆるリフトオフプロセスによって、電
子ビームレジスト層１０１を除去すると、図７［３］の
状況が得られ、アーム層１０６が露出した窓部１０２の
みに金１０７を付着させることができる。この状態でア
ニール処理を行うと、窓部１０２内にAu-Ga合金部１０
３が形成され、これがウィスカー成長の種となる（図７
［４］）。

【００２８】次に、あらたに、ホトレジストを塗布し、
光露光装置でパターニングされたホトレジスト層１０９
を形成する（図７［５］）。このとき、ホトレジスト層
１０９は、Au-Ga合金部１０３を被うように形成され、
かつ、Au-Ga合金部１０３の近傍でパタンが切られてい
る。このようなホトレジストパタンをSiO2マスク層１０
０に転写し、さらに、選択エッチングによってAlGaAsよ
り成るアーム層１０６にまで転写すると、図７［６］に
至る。

【００２９】次に、裏面SiO2層１０８をパタンニング
し、GaAs基板裏面を露出させた後、選択エッチングによ
るバックエッチを行い、AlGaAsより成るアーム層１０６
まで、GaAs基板を除去すると図８［２］の状況が得られ
る。ここで，アーム層１０６は，バックエッチのストッ
パーの役割を果たし，請求項４に記載のスペーサ層に対
応している。ホトレジスト層１０９、SiO2マスク層１０
０、裏面SiO2層１０８を除去すると図８［３］の状況が
得られ、ウィスカー成長の準備が完了する。図８［３］
に対応するチップを、ＭＯＣＶＤ成長装置に導入し、ウ
ィスカー１０４を成長させると、図８［４］の状況が得
られ、さらに、適当なエッチング手法によってAu-Ga合
金部１０３がウィスカー先端から除去され、最終的に図
８［５］に示すようなチップが得られる。当然、アーム
層１０６、ウィスカー１０４の成長時に、適当なドーピ
ングを施しておき、さらに、GaAs基板を導電性基板とし
ておけば、図６に示した装置構成によってトンネル電流
の測定が可能となる。

【００３０】上述のプロセスで重要な点は、図７［５］
で用いたホトレジストパタンとAu-Ga合金部１０３の合
わせを行うことにある。最新の半導体プロセス技術を用
いれば、このような合わせのプロセスは十分な精度で実
施することができ、これによって初めてウィスカー１０
４を、アーム１０６の先端に位置させることが出来るよ
うになっているのである。

【００３１】なお、本実施例ではＡＦＭを用いている
が、トンネル電流を常にモニターすることによる、ＳＴ
Ｍによっても、本実施例の作用を得ることが出来る。

【００３２】（実施例６）以下、本発明の実施例６を説
明する。

【００３３】半導体基板上にレジストとしてＰＭＭＡを
塗布した試料を、図１と同様の構成の装置に装着したも
のが、図９である。ＰＭＭＡレジスト３００はＬＢ法
（公知例１参照）によって塗布され、２０モノレーヤ以
下の厚さになっており、各ウィスカーに流れる電流は、
レジストを透過して半導体基板３２０に流れる。半導体
基板は、接地されている。

【００３４】実施例２と同様に、チップをｚ軸座標一定
のｘ−ｙ面内で走査し、各ウィスカーに５ボルト程度の
電圧を印加すると、各ウィスカー先端で放電が起こり、
各ウィスカー直下のレジストが露光され、現像プロセス
の後、最小線幅が 1nm 程度のレジストパタンが得られ
た。このとき、チップの掃引速度は、1 マイクロメート
ル／秒であった。線幅は各ウィスカーへの印加電圧の大
きさに依存して変化し、印加電圧を２０ボルトまで増加
すると、線幅は50nm にまで増加した。

【００３５】レジストパタンの線幅は、印加電圧ばかり
でなくウィスカー先端とレジスト表面の距離にも依存し
て変化した。距離の変化と各ウィスカーへの印加電圧の
双方を制御して、線幅の制御をすることも可能である。

【００３６】この方式の制御を行うために、図１０に示
すようなチップを図９の装置に装着した。図１０に示し
たチップは、チップ上のウィスカーのうち、一本だけが
他よりも 3nm 程度長く、その他はほぼ等しい長さとな
るように製作されている。各ウィスカーの長さは、ウィ
スカー成長時のGa-Au合金液的のサイズで制御できる。
他より長いウィスカーをガイド探針４００と呼ぶ。ま
た、チップのｚ軸座標の制御信号として使われるフィー
ドバックチャネル選択回路出力は、このガイド探針４０
０からのトンネル電流であるように設定しておく。

【００３７】上記のような装置構成の動作は、以下のよ
うになる。チップ全体と試料表面からの距離は、ガイド
探針４００によって決まる距離に制御される。したがっ
て、ガイド探針４００近傍でレジスト表面の急峻な凹凸
がなければ、他のウィスカー先端は、試料表面から 3nm
程度離れた位置に来ることになり、各ウィスカー先端
とレジスト表面間の距離は 3nm 程度に一定に保たれ
る。したがって、各ウィスカーへの印加電圧を一定にし
ておけば、レジストパタン線幅は一定になる。

【００３８】このとき、各ウィスカーへの印加電圧をウ
ィスカーごとに変化しておけば、レジスト上に描かれる
パタンの線幅を、各ウィスカーごとに異なるものとする
こともできる。

【００３９】（実施例７）バナジウムブロンズ結晶基板
３３０の表面に、酸化ナトリウム（Na2O) - ５酸化バナ
ジウム(V2O5) -５酸化リン（P2O5 ）よりなるアモルフ
ァス酸化物薄膜３４０を形成した試料に、実施例６と同
様な装置を適用したものが、本実施例である。上記アモ
ルファス酸化物薄膜３４０の性質は、従来技術に詳しく
述べられている。

【００４０】上記従来技術によれば、上記アモルファス
酸化物薄膜３４０は、バンドギャップを有する半導体的
電気伝導特性を示す。ところが、上記アモルファス酸化
物薄膜３４０に、ＳＴＭによって局所的に電界を加える
と（ＳＴＭ探針を、バナジウムブロンズ結晶基板３３０
に対して正にバイアスする）、ＳＴＭ探針付近のナトリ
ウムイオンがＳＴＭ探針近傍に向かって移動し、そのた
めＳＴＭ探針近傍のナトリウムイオン濃度が高くなって
その領域のみ相転移を起こす。その結果、探針直下に金
属的電気伝導を示す領域が形成される。さらに、金属的
伝導を示す領域に、同じくＳＴＭ探針によって、逆極性
（ＳＴＭ探針を、バナジウムブロンズ結晶基板３３０に
対して負にバイアスする）の電界を印加すると、ナトリ
ウムイオンの逆向きの移動が起こり、金属的伝導を示す
領域は半導体的伝導を示す領域に復帰する。本発明によ
るウィスカーを探針として用いたところ、その先端の曲
率半径が 5nm 程度以下であることを反映して、金属的
電気伝導を示す直径2nm の領域が形成された。本実施例
は、アモルファス酸化物薄膜３４０の、半導体的電気伝
導を示す状態と、金属的電気伝導を示す状態の各々に、
それぞれ、”０”、及び”１”の情報を対応させること
により、大容量を記憶装置を実現しようとするものであ
る。

【００４１】図１１は、上記バナジウムブロンズ結晶基
板３３０とアモルファス酸化物薄膜３４０を、図１また
は図２と同様な装置に装着した状況を表す。ただし、図
４では、各ウィスカーへのバイアス電圧を制御する、書
き込み／消去制御回路、及び、トラック探針制御回路を
付加している。図１１に装着されたチップは、図１２に
示す構成を有する。このチップには、総数１０の等しい
長さのウィスカーが20nm の間隔で一列に配置されてお
り、このウィスカー列の両端のウィスカーを各々トラッ
ク探針７００、及びトラック探針７０１、と呼ぶ。ま
た、これらのトラック探針に挟まれた８本の探針を、書
き込み／消去探針７１１と呼ぶ。図１２に示したチップ
が、アモルファス酸化物薄膜３４０の表面を、各探針に
５Ｖの電圧を印加しながら走査すると、金属的電気伝導
を示す領域のパタンが形成される。この現象を用いて記
憶装置を実現するために、図１３に示したようなフォー
マットパターン（図１３（１））を形成し、チップのト
ラッキング方式を定めた。図１３（１）において、実線
の矢印７４０は、トラック探針７００の軌跡を表し、実
線の矢印７４１は、トラック探針７０１の軌跡を表して
いる。このような軌跡は、チップをｙ方向に走査しなが
ら、周期７６６の間隔で、ｘ方向に正負のシフト７６５
を繰り返すことによって得られる。さらに、ｘ方向のシ
フトに同期させて各トラック探針に交互に電圧を印加す
ると、金属的電気伝導を示す領域のフォーマットパタン
７５０及び７５１が形成される。この作業を情報の書き
込みに先立って行っておく。なお、図１１におけるフィ
ードバックチャネル選択回路は、両トラック探針からの
トンネル電流を選択し、トラック探針制御回路に出力す
る。

【００４２】図１３（２）は、書き込まれた情報のパタ
ンを表している。情報の書き込みは、以下のような、チ
ップの走査条件のもとに行われる。すなわち、図１２の
チップ上の一列のウィスカーは、ｘ軸に平行に配置さ
れ、ｙ方向に移動する。トラック探針７００は、フォー
マットパターン７５０上を、右方向（ｙ方向）へ移動し
ながら、点線の矢印７６０上を走査する。同様に、トラ
ック探針７０１は、フォーマットパターン７５１上を、
右方向（ｙ方向）へ移動しながら、点線の矢印７６１上
を走査する。このような走査の間、図１１におけるトラ
ック探針制御回路は、各トラック探針７００及び７０１
からのトンネル電流をモニターし続ける。

【００４３】上述のチップ走査中、トラック探針７００
には、フォーマットパタン７５０上の金属的電気伝導を
示す領域を反映した比較的大きいトンネル電流が流れ
る。トラック探針７００が周期７６６だけ右方（ｙ方
向）へ進むと、半導体的電気伝導を示す領域に達するた
め、トンネル電流は減少する。このようにして、トラッ
ク探針７００がフォーマットパターン上を走査する限
り、発生するトンネル電流は周期７６６ごとにその大き
さが変化する。一方、トラック探針７０１は、金属的電
気伝導を示す領域が存在しない点線の矢印の軌跡７６１
上を走査するため、トラック探針７０１のトンネル電流
は、半導体的電気伝導に対応した一定の電流値を示す。

【００４４】いま、走査中チップの走査方向が、ｙ軸に
平行な方向からｘの負の方向に逸れて行ったと仮定す
る。このとき、トラック探針７００は、フォーマットパ
タン７５０から逸脱し、金属的電気伝導を示す領域を通
らなくなるため、大きさが交換するトンネル電流信号が
得られなくなる。ところが、このとき、反対側のトラッ
ク探針７０１は、フォーマットパタン７５１上に達する
ため、金属的電気伝導を示す領域に遭遇し、大きさが交
換するトンネル電流信号を発生するようになる。トラッ
ク探針制御回路は、このような両トラック探針のトンネ
ル電流信号変化を検出し、ｘの正の方向へ走査方向を修
正する制御を行う。一方、走査方向が、ｙ軸に平行な方
向からｘの正の方向に逸て行ったとすると、トラック探
針７００から大きさが交換するトンネル電流信号が得ら
れなくなる点は変わらないが、同時に、トラック探針７
０１は、フォーマットパタン７５１とは反対の方向に向
かうため、トラック探針７０１からも、大きさが交換す
るトンネル電流信号が得られなくなる。このとき、トラ
ック探針制御回路は、ｘの負の方向へ走査方向を修正す
る制御を行う。

【００４５】上述のようなトラッキング制御のもとで、
８本の書き込み／消去探針７１１は、８本の点線の矢印
７７１上を移動する。書き込み／消去制御回路は、走査
中、同時に各書き込み／消去探針７１１に電圧を印加
し、ｘ方向に一列に並んだ電気伝導度の異なる８ヶ所の
領域をアモルファス酸化物薄膜３４０上に生成して行
く。電圧を印加したウィスカーの直下には、金属的電気
伝導を示すドット領域７５５が形成されていく。また、
これらの８ヶ所の領域の列が一定間隔に並ぶように、書
き込み／消去制御回路が、各書き込み／消去探針７１１
に加える印加電圧のタイミングを制御する。これによっ
て８ビットの情報の列を書き込むことができる。

【００４６】情報の読み出しも、上述のようなトラッキ
ング制御のもとで行われる。上述のように、トラック探
針７００がフォーマットパタン７５０上を移動する限
り、各書き込み／消去探針７１１は、書き込まれた電気
伝導度が変化する領域上（点線の矢印７７１上）を移動
する。したがって、チップをｙ方向に掃引しながら８本
の書き込み／消去探針７１１からのトンネル電流をモニ
タすれば、トンネル電流の変化によって情報を読み出す
ことが出来る。

【００４７】

【発明の効果】半導体製の探針を用いることによって、
磁区の分布など、従来にない試料の物性の評価、観測が
行えるようになった。

【００４８】また、半導体製のウィスカーを用いること
によって、複数探針が得られ、従来の１０倍の速度で走
査プローブ顕微鏡像の取得が可能となった。また、試料
表面の局所的な作用が伝搬して行く様子を、ナノメータ
スケールの位置分解能で観測可能となった。さらに、プ
ローブ顕微鏡を用いたナノメータサイズの微細加工を、
従来の１０倍の速度で行うことができた。

【００４９】また、本発明を用いた大容量記憶装置によ
って、１ビットの情報を、２０ナノメートル角の広さの
領域で記録できた。

【００５０】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のウィスカー成長プロセスを示した図で
ある。

【図２】サテライトウィスカーの出現する様子を示した
図である。

【図３】複数探針を実現したチップを示す図である。

【図４】半導体製探針を使ったことによって得られた本
発明の作用を示す図である。

【図５】本発明を複数探針を有する走査プローブ顕微鏡
に適用した場合の作用を示す図である。

【図６】本発明による探針を磁性体試料観測用ＡＦＭの
ブロック図。

【図７】本発明による半導体製探針をＡＦＭ用探針とす
る方法を示した図である。

【図８】本発明による半導体製探針をＡＦＭ用探針とす
る方法を示した図である。

【図９】本発明を複数探針を有するレジストパターニン
グ装置に適用した一実施例を示す図である。

【図１０】図８の装置に用いたチップの構造を示す図で
ある。

【図１１】本発明を複数探針を有する大容量記憶装置に
適用した図である。

【図１２】図１０の装置に用いたチップの構造を示す図
である。

【図１３】図１０の装置に用いた情報の記憶方式を示す
図である。

【符号の説明】

１００・・SiO2 マスク層、１０１・・電子ビームレジ
スト層、１０２・・窓部、１０３・・Au-Ga 合金部、１
０４・・ウィスカー、１０５・・半導体基板、１０６・
・アーム層、１０７・・金、１０８・・裏面SiO2 層、
１０９・・ホトレジスト層、１１１・・境界部、１２０
・・上向きスピンの状態密度分布、１２１・・下向きス
ピンの状態密度分布、１２２・・フェルミレベル、１２
３・・光励起された電子、１５０・・基板面方位を反映
したウィスカー、１５１・・サテラライトウィスカー、
１７０・・不純物ドープ領域１７０、２００・・スキャ
ナー、２１０・・試料台、２３０・・レーザ、２３１・
・出力光、２３２・・１／４波長板、２３３・・磁性体
試料、３００・・試料、３１０・・レジスト、３２０・
・半導体基板、３３０・・バナジウムブロンズ結晶基
板、３４０・・アモルファス酸化物薄膜、４００・・ガ
イド探針、５００・・バイアス設定及び 探針電流測定
回路、７００・・トラック探針、７０１・・トラック探
針、７１１・・書き込み／消去探針、７４０・・フォー
マット時のトラック探針７００の軌跡、７４１・・フォ
ーマット時のトラック探針７０１の軌跡、７５０・・フ
ォーマットパタン、７５１・・フォーマットパタン、７
５５・・金属的電気伝導度を示すドット領域、７６０・
・書き込み／読み込み時のトラック探針７００の軌跡、
７６１・・書き込み／読み込み時のトラック探針７０１
の軌跡、７６０・・書き込み／読み込み時のトラック探
針７００の軌跡、７６５・・ｘ方向のシフト、７６６・
・周期、７７１・・書き込み／消去探針の軌跡。

───────────────────────────────────────────────────── 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 Ｈ０１Ｊ 37/28 Ｈ０１Ｊ 37/28 Ｚ Ｈ０１Ｌ 21/027 Ｈ０１Ｌ 21/30 ５４１Ｚ (72)発明者 原口 恵一 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 勝山 俊夫 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 嶋田 寿一 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (56)参考文献 特開 平５−283741（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−305898（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−204500（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−300555（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−45157（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−118916（ＪＰ，Ａ)

Claims (17)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板上に形成されたスペーサ層と、上記ス
   ペーサ層上の所定の位置に形成された少なくとも１つの
   針状部とを有することを特徴とする半導体ウィスカー探
   針。
2. 【請求項２】基板上の所定の位置に形成された少なくと
   も１つの針状部を有することを特徴とする半導体ウィス
   カー探針。
3. 【請求項３】請求項１または２に記載の半導体ウィスカ
   ー探針において、上記針状部にはそれぞれ独立に電圧印
   加部が設けられていることを特徴とする半導体ウィスカ
   ー探針。
4. 【請求項４】請求項１または２に記載の半導体ウィスカ
   ー探針において、上記針状部には、それぞれ各針状を流
   れる電流信号を独立に取り出す取り出し部が備わってい
   ることを特徴とする半導体ウィスカー探針。
5. 【請求項５】請求項１または２に記載の半導体ウィスカ
   ー探針において、上記針状部の下層である基板またはス
   ペーサ層の表面には不純物がドープされていることを特
   徴とする半導体ウィスカー探針。
6. 【請求項６】請求項１に記載の半導体ウィスカー探針に
   おいて、上記基板と上記スペーサ層とは異なるエッチン
   グ速度を有する材料より形成されることを特徴とする半
   導体ウィスカー探針。
7. 【請求項７】請求項１または６に記載の半導体ウィスカ
   ー探針において、上記スペーサ層は、化合物半導体であ
   ることを特徴とする半導体ウィスカー探針。
8. 【請求項８】基板上に開口部を有するマスクを形成する
   工程と、上記基板上の少なくとも開口部にウィスカーの
   種となる材料を蒸着する工程と、上記マスクを除去する
   工程と、上記開口部上の材料を半導体ウィスカーに成長
   させる工程と、を有することを特徴とする半導体ウィス
   カー探針の製造方法。
9. 【請求項９】請求項８に記載の半導体ウィスカー探針の
   製造方法において、上記半導体ウィスカーの成長は、有
   機金属化合物の熱分解を利用した気相化学堆積法を用い
   ることを特徴とする半導体ウィスカー探針の製造方法。
10. 【請求項１０】請求項８に記載の半導体ウィスカー探針
    の製造方法において、上記半導体ウィスカーの成長は、
    真空中での基板表面における有機金属化合物の表面分解
    反応を利用することを特徴とする半導体ウィスカー探針
    の製造方法。
11. 【請求項１１】基板上にスペーサ層を形成する工程と、
    上記スペーサ層上に開口部を有するマスクを形成する工
    程と、上記基板上の少なくとも開口部にウィスカーの種
    となる材料を蒸着する工程と、上記マスクを除去する工
    程と、上記開口部上の材料を半導体ウィスカーに成長さ
    せる工程と、上記基板をバックエッチする工程とを有す
    ることを特徴とする半導体ウィスカー探針の製造方法。
12. 【請求項１２】基板上に形成されたスペーサ層と、上記
    スペーサ層上の所定の位置に形成された少なくとも１つ
    の針状部とを有する半導体ウィスカー探針を用いた走査
    プローブ顕微鏡。
13. 【請求項１３】基板上の所定の位置に形成された少なく
    とも１つの針状部を有する半導体ウィスカー探針を用い
    た走査プローブ顕微鏡。
14. 【請求項１４】基板上に形成されたスペーサ層と、上記
    スペーサ層上の所定の位置に形成された少なくとも１つ
    の針状部とを有する半導体ウィスカー探針を用いた微細
    加工用装置。
15. 【請求項１５】基板上の所定の位置に形成された少なく
    とも１つの針状部を有する半導体ウィスカー探針を用い
    た微細加工用装置。
16. 【請求項１６】基板上に形成されたスペーサ層と、上記
    スペーサ層上の所定の位置に形成された少なくとも１つ
    の針状部とを有する半導体ウィスカー探針を用いた大容
    量記憶装置。
17. 【請求項１７】基板上の所定の位置に形成された少なく
    とも１つの針状部を有する半導体ウィスカー探針を用い
    た大容量記憶装置。