JP2992355B2 - 表面原子加工方法及び装置、並びに表面原子記録・検出方法 - Google Patents
表面原子加工方法及び装置、並びに表面原子記録・検出方法Info
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- JP2992355B2 JP2992355B2 JP3001912A JP191291A JP2992355B2 JP 2992355 B2 JP2992355 B2 JP 2992355B2 JP 3001912 A JP3001912 A JP 3001912A JP 191291 A JP191291 A JP 191291A JP 2992355 B2 JP2992355 B2 JP 2992355B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、固体表面の加工及びそ
れを利用した記録・検出方式に係り、特に原子スケ−ル
で固体表面を加工し、それを記録・検出することを可能
にする方式に関するものであり、極微細素子や超高密度
ファイルメモリ−開発の基礎技術として利用できる。
れを利用した記録・検出方式に係り、特に原子スケ−ル
で固体表面を加工し、それを記録・検出することを可能
にする方式に関するものであり、極微細素子や超高密度
ファイルメモリ−開発の基礎技術として利用できる。
【０００２】
【従来の技術】近年の情報社会の進展は目覚ましく、多
くの情報を記憶できる技術の開発を要求している。現
在、半導体素子やファイルメモリ−の研究分野ではナノ
メ−タ−スケ−ルの微細化、高密度化が進められている
が、将来的には原子スケ−ルでの微細化を可能とする微
細加工・記録・検出技術が求められている。
くの情報を記憶できる技術の開発を要求している。現
在、半導体素子やファイルメモリ−の研究分野ではナノ
メ−タ−スケ−ルの微細化、高密度化が進められている
が、将来的には原子スケ−ルでの微細化を可能とする微
細加工・記録・検出技術が求められている。
【０００３】原子スケ−ルで加工・記録・検出が行える
技術の中で、将来有望な技術として走査型トンネル顕微
鏡（Scanning Tunneling Microscope；ＳＴＭ）の技術
を利用したものがある。走査型トンネル顕微鏡の技術
は、米国特許第４，３４３，９９３号に詳しく開示され
ている。
技術の中で、将来有望な技術として走査型トンネル顕微
鏡（Scanning Tunneling Microscope；ＳＴＭ）の技術
を利用したものがある。走査型トンネル顕微鏡の技術
は、米国特許第４，３４３，９９３号に詳しく開示され
ている。
【０００４】走査型トンネル顕微鏡の技術を利用した原
子スケ−ルの加工・記録・検出技術の例は、ネイチャ−
（ＮＡＴＵＲＥ）第３４４巻（１９９０年）第５２４頁
から５２６頁に示されている。そこでは、超高真空雰囲
気中で４Ｋの極低温に保たれたニッケル表面上にキセノ
ン原子を吸着させ、トンネル電流の発生に使用する金属
の探針とキセノン原子との間に働くファンデルワ−ルス
力によってキセノン原子を探針に引き付け、ニッケル表
面を移動させることによってキセノン原子で文字を描
き、その文字をＳＴＭで読み取ることを行っている。ま
た別の例としては、アプライド フィジックス レタ−
ズ（Applied Physics Letters）第５５巻第１３号（１
９８９年）第１３１２頁から第１３１４頁に示されてい
る。そこでは、上記探針を試料表面にぶつけることによ
り機械的に微小な穴をあけて加工・記録を行い、その穴
をＳＴＭで検出している。
子スケ−ルの加工・記録・検出技術の例は、ネイチャ−
（ＮＡＴＵＲＥ）第３４４巻（１９９０年）第５２４頁
から５２６頁に示されている。そこでは、超高真空雰囲
気中で４Ｋの極低温に保たれたニッケル表面上にキセノ
ン原子を吸着させ、トンネル電流の発生に使用する金属
の探針とキセノン原子との間に働くファンデルワ−ルス
力によってキセノン原子を探針に引き付け、ニッケル表
面を移動させることによってキセノン原子で文字を描
き、その文字をＳＴＭで読み取ることを行っている。ま
た別の例としては、アプライド フィジックス レタ−
ズ（Applied Physics Letters）第５５巻第１３号（１
９８９年）第１３１２頁から第１３１４頁に示されてい
る。そこでは、上記探針を試料表面にぶつけることによ
り機械的に微小な穴をあけて加工・記録を行い、その穴
をＳＴＭで検出している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前者の
従来技術においては、ニッケル表面にキセノン原子を吸
着させるために４Ｋという極低温と超高真空の雰囲気が
必要であり、室温や空気中では使用出来ない、またキセ
ノン原子を並べるためには長時間を要するという実用上
大きな問題点がある。また後者の従来例においても、加
工・記録を機械的に形成した穴で行っているため加工・
記録に長時間要する、また穴の大きさが原子スケ−ルよ
りもはるかに大きい（５ｎｍ程度）などの問題点があ
る。
従来技術においては、ニッケル表面にキセノン原子を吸
着させるために４Ｋという極低温と超高真空の雰囲気が
必要であり、室温や空気中では使用出来ない、またキセ
ノン原子を並べるためには長時間を要するという実用上
大きな問題点がある。また後者の従来例においても、加
工・記録を機械的に形成した穴で行っているため加工・
記録に長時間要する、また穴の大きさが原子スケ−ルよ
りもはるかに大きい（５ｎｍ程度）などの問題点があ
る。
【０００６】本発明の目的は、上記従来技術が有する技
術的課題を解決し、新規な原子スケ−ルの加工・記録・
検出方式を提供することにある。即ち、室温や空気中で
も原子スケ−ルの加工・記録・検出が可能であり、かつ
高速動作が可能である加工・記録・検出方式を提供する
ことにある。
術的課題を解決し、新規な原子スケ−ルの加工・記録・
検出方式を提供することにある。即ち、室温や空気中で
も原子スケ−ルの加工・記録・検出が可能であり、かつ
高速動作が可能である加工・記録・検出方式を提供する
ことにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明においては次のような手段が提供される。探
針と試料の間に流れるトンネル電流を一定にするよう
に、上記探針を上記試料表面上で走査したときに生ずる
上記探針の上下動を画像化する走査トンネル顕微鏡にお
いて、上記トンネル電流を一定とする様に上記探針を上
記試料表面上で走査している過程において、上記試料に
たいして上記試料を構成する原子が電界蒸発する以上の
電界を発生する負の電圧を上記探針に、或は上記試料に
たいして上記探針を構成する原子が電界蒸発する以上の
電界を発生する正の電圧を上記探針に、パルス状に印加
し原子を電界蒸発させることによって上記試料表面を加
工する表面原子加工方式が提供される。
に、本発明においては次のような手段が提供される。探
針と試料の間に流れるトンネル電流を一定にするよう
に、上記探針を上記試料表面上で走査したときに生ずる
上記探針の上下動を画像化する走査トンネル顕微鏡にお
いて、上記トンネル電流を一定とする様に上記探針を上
記試料表面上で走査している過程において、上記試料に
たいして上記試料を構成する原子が電界蒸発する以上の
電界を発生する負の電圧を上記探針に、或は上記試料に
たいして上記探針を構成する原子が電界蒸発する以上の
電界を発生する正の電圧を上記探針に、パルス状に印加
し原子を電界蒸発させることによって上記試料表面を加
工する表面原子加工方式が提供される。
【０００８】また上記探針と上記試料の間に流れるトン
ネル電流を一定とする様に上記探針を上記試料表面上で
走査したときに生ずる上記探針の軌道を特定の走査領域
に渡って記憶し、上記試料にたいして上記試料を構成す
る原子が電界蒸発する以上の電界を発生する負の電圧を
上記探針に、或は上記試料にたいして上記探針を構成す
る原子が電界蒸発する以上の電界を発生する正の電圧を
上記探針に、連続的に印加しながら上記記憶された探針
の軌道あるいは一部の該探針の軌道あるいは該軌道を変
調した軌道を走査し、原子を電界蒸発させることによっ
て上記試料表面を加工する表面原子加工方式が提供され
る。
ネル電流を一定とする様に上記探針を上記試料表面上で
走査したときに生ずる上記探針の軌道を特定の走査領域
に渡って記憶し、上記試料にたいして上記試料を構成す
る原子が電界蒸発する以上の電界を発生する負の電圧を
上記探針に、或は上記試料にたいして上記探針を構成す
る原子が電界蒸発する以上の電界を発生する正の電圧を
上記探針に、連続的に印加しながら上記記憶された探針
の軌道あるいは一部の該探針の軌道あるいは該軌道を変
調した軌道を走査し、原子を電界蒸発させることによっ
て上記試料表面を加工する表面原子加工方式が提供され
る。
【０００９】また上記試料表面に平行に設置された平板
上に複数個の探針を設置し、該複数個の探針を上記試料
表面に平行な方向では共通に動かし垂直な方向では独立
に動かす様に構成することによって、該複数個の探針ご
とに上記試料か上記探針の原子を電界蒸発させることを
行う表面原子加工方式が提供される。
上に複数個の探針を設置し、該複数個の探針を上記試料
表面に平行な方向では共通に動かし垂直な方向では独立
に動かす様に構成することによって、該複数個の探針ご
とに上記試料か上記探針の原子を電界蒸発させることを
行う表面原子加工方式が提供される。
【００１０】また上記探針を構成する物質と異なる物質
を上記探針先端に供給する機構を設けた表面原子加工方
式が提供される。
を上記探針先端に供給する機構を設けた表面原子加工方
式が提供される。
【００１１】また上記試料として原子層間がファンデル
ワ−ルス力で結合している層状物質を用いる表面加工方
式が提供される。
ワ−ルス力で結合している層状物質を用いる表面加工方
式が提供される。
【００１２】また連続或はパルス状の外部励起ビ−ムを
上記試料或は上記探針の一方、もしくは両方に照射する
こと、あるいは上記試料或は上記探針の一方、もしくは
両方を加熱する表面原子加工方式が提供される。
上記試料或は上記探針の一方、もしくは両方に照射する
こと、あるいは上記試料或は上記探針の一方、もしくは
両方を加熱する表面原子加工方式が提供される。
【００１３】また上記試料を構成する原子間の結合力を
弱める物質を上記試料表面に吸着させた後に、上記試料
表面の電界蒸発を行う表面原子加工方式が提供される。
弱める物質を上記試料表面に吸着させた後に、上記試料
表面の電界蒸発を行う表面原子加工方式が提供される。
【００１４】また複数の探針を使用するの表面原子加工
方式において、原子スケ−ルで加工された試料表面を一
つの探針を用いて上記試料の間に流れるトンネル電流を
一定にする様に走査する過程において、上記試料表面に
原子がない領域を確認した時のみ、上記試料に対して上
記試料を構成する原子が電界蒸発する以上の電界を発生
する負の電圧を上記一つの探針以外の探針に印加し、試
料表面の原子を電界蒸発させる表面原子加工・記録方式
が提供される。
方式において、原子スケ−ルで加工された試料表面を一
つの探針を用いて上記試料の間に流れるトンネル電流を
一定にする様に走査する過程において、上記試料表面に
原子がない領域を確認した時のみ、上記試料に対して上
記試料を構成する原子が電界蒸発する以上の電界を発生
する負の電圧を上記一つの探針以外の探針に印加し、試
料表面の原子を電界蒸発させる表面原子加工・記録方式
が提供される。
【００１５】また上記探針と上記試料の間に流れるトン
ネル電流を一定にする様に上記探針を上記試料表面上で
走査する過程で、上記試料に対して上記試料を構成する
原子が電界蒸発する以上の電界を発生する負の電圧を上
記探針に印加して上記試料表面の原子を電界蒸発させた
直後に、上記探針の試料表面上での位置を変えることな
く、上記試料にたいして上記探針を構成する原子が電界
蒸発する以上の電界を発生する正の電圧を上記探針に印
加し、原子を電界蒸発させることにより上記試料表面上
に上記探針を構成する原子を付着する表面原子加工・記
録方式が提供される。
ネル電流を一定にする様に上記探針を上記試料表面上で
走査する過程で、上記試料に対して上記試料を構成する
原子が電界蒸発する以上の電界を発生する負の電圧を上
記探針に印加して上記試料表面の原子を電界蒸発させた
直後に、上記探針の試料表面上での位置を変えることな
く、上記試料にたいして上記探針を構成する原子が電界
蒸発する以上の電界を発生する正の電圧を上記探針に印
加し、原子を電界蒸発させることにより上記試料表面上
に上記探針を構成する原子を付着する表面原子加工・記
録方式が提供される。
【００１６】さらに上記表面原子加工方式によって作成
された試料表面と上記探針の間のトンネル電流が一定と
なる用に上記探針を上記試料表面上で走査した時に生じ
る上記探針の上下動を、幾つかのレベル範囲に区切り、
あるレベル範囲内に存在するときそれを一つの記録単位
に対応させる表面原子記録・検出方式が提供される。ま
た上記探針の上記試料表面上の走査範囲内で最も低い部
分を除き、上記試料に対して上記試料を構成する原子が
電界蒸発する以上の電界を発生する負の電圧を上記探針
に印加して上記試料表面の原子を電界蒸発させる操作を
実施する表面原子加工方式が提供される。
された試料表面と上記探針の間のトンネル電流が一定と
なる用に上記探針を上記試料表面上で走査した時に生じ
る上記探針の上下動を、幾つかのレベル範囲に区切り、
あるレベル範囲内に存在するときそれを一つの記録単位
に対応させる表面原子記録・検出方式が提供される。ま
た上記探針の上記試料表面上の走査範囲内で最も低い部
分を除き、上記試料に対して上記試料を構成する原子が
電界蒸発する以上の電界を発生する負の電圧を上記探針
に印加して上記試料表面の原子を電界蒸発させる操作を
実施する表面原子加工方式が提供される。
【００１７】
【作用】ここでは、原子スケ−ル加工・記録の動作原理
を示す図１（ａ）及び（ｂ）を用いて本発明の作用を説
明する。
を示す図１（ａ）及び（ｂ）を用いて本発明の作用を説
明する。
【００１８】試料４表面に変化を与えない電圧を探針印
加電源３により探針印加スイッチＡを通じて探針１に印
加する。この時、平面方向走査手段１０によって探針１
を試料４表面上で走査し、探針１と試料４の間にながれ
るトンネル電流をトンネル電流検出回路７で検出し、該
トンネル電流が一定になる用に上下方向サ−ボ回路８と
上下方向制御手段９によって探針１を試料４表面上で上
下させる。この過程のある点で探針印加スイッチ２をＡ
からＢの位置に切り替える。Ｂの位置においては、探針
印加電源３によって探針１に負の電圧を与え、試料４と
探針１の先端の間にかかる電界を試料原子５が電界蒸発
する以上の強さ（〜１Ｖ／Å以上と見積もられる）に設
定する。この時、電界の強さを探針１の先端の探針原子
６直下に存在する試料原子５のみが電界蒸発するように
選択すれば、他の試料原子は蒸発することなく、試料４
の表面から一つの原子を任意に除去することが可能とな
る。 また探針印加電源スイッチ２のＣを選択すること
により、探針１の先端に存在する探針原子６が電界蒸発
するような電界を与える正の電圧を探針１に印加するこ
とにより、探針原子６が蒸発し試料４表面に引き付けら
れ試料４表面上に付着、あるいは試料原子５が電界蒸発
してなくなった原子位置に埋め込まれるため、試料４表
面に原子一個の単位で原子を付加することが可能とな
る。
加電源３により探針印加スイッチＡを通じて探針１に印
加する。この時、平面方向走査手段１０によって探針１
を試料４表面上で走査し、探針１と試料４の間にながれ
るトンネル電流をトンネル電流検出回路７で検出し、該
トンネル電流が一定になる用に上下方向サ−ボ回路８と
上下方向制御手段９によって探針１を試料４表面上で上
下させる。この過程のある点で探針印加スイッチ２をＡ
からＢの位置に切り替える。Ｂの位置においては、探針
印加電源３によって探針１に負の電圧を与え、試料４と
探針１の先端の間にかかる電界を試料原子５が電界蒸発
する以上の強さ（〜１Ｖ／Å以上と見積もられる）に設
定する。この時、電界の強さを探針１の先端の探針原子
６直下に存在する試料原子５のみが電界蒸発するように
選択すれば、他の試料原子は蒸発することなく、試料４
の表面から一つの原子を任意に除去することが可能とな
る。 また探針印加電源スイッチ２のＣを選択すること
により、探針１の先端に存在する探針原子６が電界蒸発
するような電界を与える正の電圧を探針１に印加するこ
とにより、探針原子６が蒸発し試料４表面に引き付けら
れ試料４表面上に付着、あるいは試料原子５が電界蒸発
してなくなった原子位置に埋め込まれるため、試料４表
面に原子一個の単位で原子を付加することが可能とな
る。
【００１９】電界蒸発を利用しているため以上述べた動
作は室温や空気中においても可能であり、本動作により
実用的な原子スケ−ルでの加工・記録・検出方式が実現
される。
作は室温や空気中においても可能であり、本動作により
実用的な原子スケ−ルでの加工・記録・検出方式が実現
される。
【００２０】
【実施例】以下に、本発明を図２から図９に示す実施例
により詳細に説明する。
により詳細に説明する。
【００２１】図２に本発明の一実施例である表面原子加
工方式の構成を示す。試料４表面に変化を与えない電圧
を探針印加電源３により探針印加スイッチＡを通じて探
針１に印加する。この時、ＸＹ走査回路１１と平面方向
走査手段１０によって探針１を試料４表面上で走査し、
探針１と試料４の間にながれるトンネル電流をトンネル
電流検出回路７で検出し、該トンネル電流が一定になる
用に上下方向サ−ボ回路８と上下方向制御手段９によっ
て探針１を試料４表面上で上下させる。探針１の平面方
向走査の各点における探針１の上下動を記憶装置１２に
記憶し、コンピュ−タ−１３を介して画像表示装置１４
に探針１の上下動の二次元分布、即ち試料４表面の原子
スケ−ルの凹凸像を表示する。この過程において、図３
に示すタイミングで探針１に電圧を印加する。試料４表
面の凹凸像を観察していた時の探針１の電圧を、試料４
上のある点において探針１をホ−ルドした状態で探針印
加スイッチ２を用いて切り替える。この時探針１には探
針１先端直下の試料原子５が電界蒸発する電圧（Ｖth）
以上であるが隣接する試料原子５は電界蒸発しない範囲
の負の電圧がパルス状に印加される。この時のパルス幅
として１秒以下が望ましい。この動作により、試料４表
面から原子一個が取り除かれる。
工方式の構成を示す。試料４表面に変化を与えない電圧
を探針印加電源３により探針印加スイッチＡを通じて探
針１に印加する。この時、ＸＹ走査回路１１と平面方向
走査手段１０によって探針１を試料４表面上で走査し、
探針１と試料４の間にながれるトンネル電流をトンネル
電流検出回路７で検出し、該トンネル電流が一定になる
用に上下方向サ−ボ回路８と上下方向制御手段９によっ
て探針１を試料４表面上で上下させる。探針１の平面方
向走査の各点における探針１の上下動を記憶装置１２に
記憶し、コンピュ−タ−１３を介して画像表示装置１４
に探針１の上下動の二次元分布、即ち試料４表面の原子
スケ−ルの凹凸像を表示する。この過程において、図３
に示すタイミングで探針１に電圧を印加する。試料４表
面の凹凸像を観察していた時の探針１の電圧を、試料４
上のある点において探針１をホ−ルドした状態で探針印
加スイッチ２を用いて切り替える。この時探針１には探
針１先端直下の試料原子５が電界蒸発する電圧（Ｖth）
以上であるが隣接する試料原子５は電界蒸発しない範囲
の負の電圧がパルス状に印加される。この時のパルス幅
として１秒以下が望ましい。この動作により、試料４表
面から原子一個が取り除かれる。
【００２２】また試料４表面の凹凸像を観察している過
程で、探針１をホ−ルドした状態で探針１に探針１の先
端の探針原子６が電界蒸発する電圧（Ｖev）以上である
が隣接する探針原子６は電界蒸発しない範囲の正の電圧
をパルス状に印加する。この動作により、一個の探針原
子６が試料４表面上に供給される。また図３（ｃ）に示
すように、探針１をホ−ルドした状態で探針１電圧を試
料原子５が電界蒸発する電圧から探針原子６が電界蒸発
する電圧にパルス状に切り替えることにより、探針原子
６を試料４表面に埋め込むことが出来る。
程で、探針１をホ−ルドした状態で探針１に探針１の先
端の探針原子６が電界蒸発する電圧（Ｖev）以上である
が隣接する探針原子６は電界蒸発しない範囲の正の電圧
をパルス状に印加する。この動作により、一個の探針原
子６が試料４表面上に供給される。また図３（ｃ）に示
すように、探針１をホ−ルドした状態で探針１電圧を試
料原子５が電界蒸発する電圧から探針原子６が電界蒸発
する電圧にパルス状に切り替えることにより、探針原子
６を試料４表面に埋め込むことが出来る。
【００２３】さらに、図２に示すように本実施例では探
針１を構成する物質と異なる物質を探針１先端に供給す
る機構を設け、試料４表面に探針１と異なる物質を供給
することが可能である。これは、加熱機構１７に貯蔵さ
れた供給物質１６を探針加熱電源１５を用いて探針１を
含めて加熱することにより供給物質１６を探針１表面上
に拡散させることによって行われる。
針１を構成する物質と異なる物質を探針１先端に供給す
る機構を設け、試料４表面に探針１と異なる物質を供給
することが可能である。これは、加熱機構１７に貯蔵さ
れた供給物質１６を探針加熱電源１５を用いて探針１を
含めて加熱することにより供給物質１６を探針１表面上
に拡散させることによって行われる。
【００２４】以上の動作により、各種の原子の除去、付
着、埋込が可能となり原子スケ−ルでの加工・記録が実
現される。
着、埋込が可能となり原子スケ−ルでの加工・記録が実
現される。
【００２５】図４に本発明の一実施例を示す。本実施例
においては、試料４表面に変化を与えない電圧を探針１
に印加して探針１を試料４表面上のある領域に渡って走
査する。このときの探針１の走査軌道を記憶装置１２に
よって記憶しておく。この記憶された探針１の走査軌道
を探針１に試料原子５が電界蒸発する電界を発生する負
の電圧を印加して再びたどる。これにより、連続的に試
料４表面から原子を除去出来る。図３に示した実施例で
は、試料４表面の各点ごとに電圧を変化させているため
加工に時間がかかるが、本実施例では連続的に加工を行
うため、高速の原子ス−ケルの表面加工を実現出来る。
探針原子６が電界蒸発する電界を発生する正の電圧を探
針１に印加した場合でも同様である。
においては、試料４表面に変化を与えない電圧を探針１
に印加して探針１を試料４表面上のある領域に渡って走
査する。このときの探針１の走査軌道を記憶装置１２に
よって記憶しておく。この記憶された探針１の走査軌道
を探針１に試料原子５が電界蒸発する電界を発生する負
の電圧を印加して再びたどる。これにより、連続的に試
料４表面から原子を除去出来る。図３に示した実施例で
は、試料４表面の各点ごとに電圧を変化させているため
加工に時間がかかるが、本実施例では連続的に加工を行
うため、高速の原子ス−ケルの表面加工を実現出来る。
探針原子６が電界蒸発する電界を発生する正の電圧を探
針１に印加した場合でも同様である。
【００２６】図５に本発明の一実施例を示す。本実施例
においては、探針設置平板１８に複数の探針１を設置
し、試料４平面方向では一つの平面方向走査手段１０を
用いて試料４上を共通に走査し、各探針１は個々の上下
方向制御手段９や探針電圧印加手段を持ち図３や図４に
示した動作を行う。この構成により、試料４表面の原子
スケ−ルの加工において、探針１の数に比例した高速化
を実現できる。
においては、探針設置平板１８に複数の探針１を設置
し、試料４平面方向では一つの平面方向走査手段１０を
用いて試料４上を共通に走査し、各探針１は個々の上下
方向制御手段９や探針電圧印加手段を持ち図３や図４に
示した動作を行う。この構成により、試料４表面の原子
スケ−ルの加工において、探針１の数に比例した高速化
を実現できる。
【００２７】図６に本発明の一実施例を示す。試料４を
構成する原子間の結合力が強く電界蒸発が困難な場合
や、複数の原子の塊で電界蒸発してしまう場合が考えら
れる。しかし、図６（ａ）に示すように、モリブデナイ
トやグラファイトのような層状物質を試料として使用す
れば上記問題点は解決する。層状物質の原子層間はファ
ンデルワ−ルス結合をしており結合力が極めて弱い。こ
のため探針１直下の試料原子５は容易に電界蒸発し、試
料４表面から一原子あるいは一原子層を除去することが
可能となる。また図６（ｂ）においては、試料４を構成
する原子間の結合力や探針１を構成する原子間の結合力
を弱めるために、連続あるいはパルス状の外部励起ビ−
ムや熱を印加する。これにより電界蒸発が促進される。
さらに探針１に電界蒸発する以下の電圧を印加した状態
で、パルス状の外部励起ビ−ムを照射することによって
外部励起ビ−ムが照射されたときのみ電界蒸発が起きる
ようにすることが出来る。また図６（ｃ）においては、
試料４の最表面を構成する原子層とその下の原子層間の
結合力を弱める物質を試料４表面上に吸着させることに
よって、層状物質と同様に試料４表面から一原子あるい
は一原子層を除去することが可能となる。試料４がシリ
コンの場合、該吸着物質として塩素や臭素およびその化
合物が考えられる。
構成する原子間の結合力が強く電界蒸発が困難な場合
や、複数の原子の塊で電界蒸発してしまう場合が考えら
れる。しかし、図６（ａ）に示すように、モリブデナイ
トやグラファイトのような層状物質を試料として使用す
れば上記問題点は解決する。層状物質の原子層間はファ
ンデルワ−ルス結合をしており結合力が極めて弱い。こ
のため探針１直下の試料原子５は容易に電界蒸発し、試
料４表面から一原子あるいは一原子層を除去することが
可能となる。また図６（ｂ）においては、試料４を構成
する原子間の結合力や探針１を構成する原子間の結合力
を弱めるために、連続あるいはパルス状の外部励起ビ−
ムや熱を印加する。これにより電界蒸発が促進される。
さらに探針１に電界蒸発する以下の電圧を印加した状態
で、パルス状の外部励起ビ−ムを照射することによって
外部励起ビ−ムが照射されたときのみ電界蒸発が起きる
ようにすることが出来る。また図６（ｃ）においては、
試料４の最表面を構成する原子層とその下の原子層間の
結合力を弱める物質を試料４表面上に吸着させることに
よって、層状物質と同様に試料４表面から一原子あるい
は一原子層を除去することが可能となる。試料４がシリ
コンの場合、該吸着物質として塩素や臭素およびその化
合物が考えられる。
【００２８】図７に本発明の一実施例を示す。本実施例
では図５に示した実施例の構成において、加工された試
料４表面領域を探針１Ａに試料４表面に変化を与えない
電圧を印加し走査して原子が存在しない領域を認識し、
この認識信号を探針１Ｂに送り探針１Ｂに試料原子５が
電界蒸発する以上の負の電圧を印加する。この動作によ
り上記の加工された試料４表面領域の複写をすることが
可能となる。この動作は探針１が３個以上においても可
能であることは言うまでもない。
では図５に示した実施例の構成において、加工された試
料４表面領域を探針１Ａに試料４表面に変化を与えない
電圧を印加し走査して原子が存在しない領域を認識し、
この認識信号を探針１Ｂに送り探針１Ｂに試料原子５が
電界蒸発する以上の負の電圧を印加する。この動作によ
り上記の加工された試料４表面領域の複写をすることが
可能となる。この動作は探針１が３個以上においても可
能であることは言うまでもない。
【００２９】図８に本発明の一実施例を示す。本実施例
においては探針１に試料４表面に変化を与えない電圧を
印加したときに試料４と探針１の間に流れるトンネル電
流を一定とするように、加工された試料４表面上を探針
１によって走査する。探針１が試料４を構成する原子と
異なる原子（例えば探針原子６）の上に来たとき、この
場所では電子状態が他の場所と異なるため、例えば同じ
距離ではトンネル電流が減少する。このため探針１はト
ンネル電流が一定となるように試料４に近づき探針１の
軌道が低くなる。また原子が存在しない領域では探針１
の軌道はさらに低くなる。この時、探針１の軌道の変化
を図８（ｂ）に示すようにＡ，Ｂ，Ｃの三つの領域に分
け、探針１の軌道が各領域にある時間幅以上存在してい
る場合、それぞれ１ビット、−１ビット、０ビット、に
対応させることにより原子レベルの多値記録・検出が実
現出来る。また２値記録・検出が出来るのはいうまでも
ない。
においては探針１に試料４表面に変化を与えない電圧を
印加したときに試料４と探針１の間に流れるトンネル電
流を一定とするように、加工された試料４表面上を探針
１によって走査する。探針１が試料４を構成する原子と
異なる原子（例えば探針原子６）の上に来たとき、この
場所では電子状態が他の場所と異なるため、例えば同じ
距離ではトンネル電流が減少する。このため探針１はト
ンネル電流が一定となるように試料４に近づき探針１の
軌道が低くなる。また原子が存在しない領域では探針１
の軌道はさらに低くなる。この時、探針１の軌道の変化
を図８（ｂ）に示すようにＡ，Ｂ，Ｃの三つの領域に分
け、探針１の軌道が各領域にある時間幅以上存在してい
る場合、それぞれ１ビット、−１ビット、０ビット、に
対応させることにより原子レベルの多値記録・検出が実
現出来る。また２値記録・検出が出来るのはいうまでも
ない。
【００３０】図９に本発明の一実施例を示す。本実施例
では図４に示した実施例の方式において、試料４表面の
最も低い部分を除いて探針１に試料原子５が電界蒸発す
る以上の負の電圧を印加して探針１を試料４表面上で走
査する。この動作を繰り返すことにより、原子レベルで
平坦な試料４表面が得られ、該表面を加工や記録が行わ
れていない無垢の加工・記録媒体として使用することが
出来る。
では図４に示した実施例の方式において、試料４表面の
最も低い部分を除いて探針１に試料原子５が電界蒸発す
る以上の負の電圧を印加して探針１を試料４表面上で走
査する。この動作を繰り返すことにより、原子レベルで
平坦な試料４表面が得られ、該表面を加工や記録が行わ
れていない無垢の加工・記録媒体として使用することが
出来る。
【００３１】
【発明の効果】以上述べたように、本発明では原子の電
界蒸発を利用しているため室温や空気中においても動作
する原子スケ−ルの加工・記録・検出方式が実現でき、
さらに探針の走査方式により、加工・記録・検出の高速
化が図れるという極めて優れた利点を持つ。
界蒸発を利用しているため室温や空気中においても動作
する原子スケ−ルの加工・記録・検出方式が実現でき、
さらに探針の走査方式により、加工・記録・検出の高速
化が図れるという極めて優れた利点を持つ。
【図１】表面原子加工の動作原理を示す図。
【図２】表面原子加工方式の構成を示す図。
【図３】探針電圧を印加するタイミングを示す図。
【図４】探針の軌道を記憶することによる原子加工方式
の説明図。
の説明図。
【図５】複数の探針による原子加工方式の説明図。
【図６】電界蒸発促進法による原子加工方式の説明図。
【図７】複写による原子加工・記録方式の説明図。
【図８】多値記録・検出方式の説明図。
【図９】表面の平坦化を行う原子加工方式の説明図。
１…探針、２…探針印加スイッチ、３…探針印加電源、
４…試料、５…試料原子、６…探針原子、７…トンネル
電流検出回路、８…上下方向サ−ボ回路、９…上下方向
制御手段、１０…平面方向走査手段、１１…ＸＹ走査回
路、１２…記憶装置、１３…コンピュ−タ、１４…画像
表示装置、１５…探針加熱電源、１６…供給物質、１７
…加熱機構、１８…探針設置平板
４…試料、５…試料原子、６…探針原子、７…トンネル
電流検出回路、８…上下方向サ−ボ回路、９…上下方向
制御手段、１０…平面方向走査手段、１１…ＸＹ走査回
路、１２…記憶装置、１３…コンピュ−タ、１４…画像
表示装置、１５…探針加熱電源、１６…供給物質、１７
…加熱機構、１８…探針設置平板
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−173278（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−15324（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−80536（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−92025（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−72716（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G11B 9/00 C23F 4/00 G01N 37/00 H01J 37/28 H01L 21/302
Claims (6)
- 【請求項１】探針と試料との間に流れるトンネル電流を
検出しながら前記試料の表面を加工する表面原子加工方
法において、前記探針と前記試料との間の距離を原子オ
ーダに接近させて前記トンネル電流が一定となるように
して前記探針を前記試料表面上で走査する工程と、前記
探針に前記試料に対して前記試料表面を構成する第１の
原子を電界蒸発させるに足りる大きさの負の電圧をパル
ス状に印加し前記第１の原子を前記試料表面から電界蒸
発させて除去する工程と、前記探針に前記試料に対して
前記探針を構成する第２の原子を電界蒸発させるに足り
る大きさの正の電圧をパルス状に印加し前記第２の原子
を前記探針表面から電界蒸発させて取り出し前記試料表
面上の前記第１の原子が除去された位置に付着させる工
程、とを有してなることを特徴とする表面原子加工方
法。 - 【請求項２】前記第１の原子を前記試料表面から電界蒸
発させて除去する工程における前記探針と前記試料との
間に形成される電界強度が１Ｖ／Å以上であることを特
徴とする請求項１に記載の表面原子加工方法。 - 【請求項３】探針と試料との間に流れるトンネル電流を
検出しながら前記試料の表面を加工する表面原子加工装
置において、前記探針を前記試料の表面に対して原子オ
ーダの距離にまで接近させる手段と、前記探針に前記試
料表面に対して前記試料表面を構成する第１の原子を電
界蒸発させるに足りる大きさの負の電圧をパルス状に印
加する第１の電圧供給手段と、前記探針に前記試料表面
に対して前記探針表面を構成する第２の原子を電界蒸発
させるに足りる大きさの正の電圧をパルス状に印加する
第２の電圧供給手段と、前記第１の電圧供給手段による
前記探針への前記負電圧の印加により前記試料表面から
前記第１の原子が電界蒸発された後位置に前記第２の電
圧供給手段による前記探針への前記正電圧の印加により
前記探針表面から電界蒸発された前記第２の原子を付着
させるために前記第１の電圧供給手段による前記探針へ
の前記負電圧の印加と前記第２の電圧供給手段による前
記探針への前記正電圧の印加とを切り換えるための印加
電圧切換手段とを具備して なることを特徴とする表面原
子加工装置。 - 【請求項４】前記試料を加熱するための加熱手段をさら
に具備してなることを特徴とする請求項３に記載の表面
原子加工装置。 - 【請求項５】前記探針が平板上に取り付けられた複数個
の探針によって構成されていることを特徴とする請求項
３または４に記載の表面原子加工装置。 - 【請求項６】探針と試料との間に流れるトンネル電流を
検出しながら前記試料の表面を加工する表面原子加工装
置であって、前記探針を前記試料の表面に対して原子オ
ーダの距離にまで接近させる手段と、前記探針に前記試
料表面に対して前記試料表面を構成する第１の原子を電
界蒸発させるに足りる大きさの負の電圧をパルス状に印
加する第１の電圧供給手段と、前記探針に前記試料表面
に対して前記探針表面を構成する第２の原子を電界蒸発
させるに足りる大きさの正の電圧をパルス状に印加する
第２の電圧供給手段と、前記第１の電圧供給手段による
前記探針への前記負電圧の印加により前記試料表面から
前記第１の原子が電界蒸発された後位置に前記第２の電
圧供給手段による前記探針への前記正電圧の印加により
前記探針表面から電界蒸発された前記第２の原子を付着
させるために前記第１の電圧供給手段による前記探針へ
の前記負電圧の印加と前記第２の電圧供給手段による前
記探針への前記正電圧の印加とを切り換えるための印加
電圧切換手段とを具備してなる表面原子加工装置を用い
て、前記表面原子加工装置によって前記第２の原子を付
着加工された試料表面と前記探針との間に流れるトンネ
ル電流が一定となるようにして前記探針を前記試料表面
上で走査した時に生じる前記探針の上下動を検出し、こ
の上下動の大きさを複数のレベル範囲に区切って、ある
一つのレベル範囲内に存在する時にそれを一つの記録単
位に対応させて記録・検出することを特徴とする表面原
子記録・検出方法。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3001912A JP2992355B2 (ja) | 1991-01-11 | 1991-01-11 | 表面原子加工方法及び装置、並びに表面原子記録・検出方法 |
| EP92902728A EP0522168A1 (en) | 1991-01-11 | 1992-01-10 | Surface atom machining method and apparatus |
| PCT/JP1992/000015 WO1992012528A1 (en) | 1991-01-11 | 1992-01-10 | Surface atom machining method and apparatus |
| US07/934,672 US5416331A (en) | 1991-01-11 | 1992-01-10 | Surface atom fabrication method and apparatus |
| US08/441,700 US5689494A (en) | 1991-01-11 | 1995-05-15 | Surface atom fabrication method and apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3001912A JP2992355B2 (ja) | 1991-01-11 | 1991-01-11 | 表面原子加工方法及び装置、並びに表面原子記録・検出方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04241238A JPH04241238A (ja) | 1992-08-28 |
| JP2992355B2 true JP2992355B2 (ja) | 1999-12-20 |
Family
ID=11514797
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3001912A Expired - Fee Related JP2992355B2 (ja) | 1991-01-11 | 1991-01-11 | 表面原子加工方法及び装置、並びに表面原子記録・検出方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2992355B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3335790B2 (ja) * | 1995-03-24 | 2002-10-21 | 日本電子株式会社 | 微細加工方法および装置 |
| US6827979B2 (en) * | 1999-01-07 | 2004-12-07 | Northwestern University | Methods utilizing scanning probe microscope tips and products therefor or produced thereby |
| US6635311B1 (en) | 1999-01-07 | 2003-10-21 | Northwestern University | Methods utilizing scanning probe microscope tips and products therefor or products thereby |
| FR2892560B1 (fr) * | 2005-10-21 | 2008-06-27 | Centre Nat Rech Scient | Pointe, tete et dispositif de lecture/ecriture, et son utilisation, et procede de fabrication d'un tel dispositif |
-
1991
- 1991-01-11 JP JP3001912A patent/JP2992355B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04241238A (ja) | 1992-08-28 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |