JP3624212B2 - 走査型トンネル顕微鏡、その探針、その探針の処理方法及び微細構造物作製方法 - Google Patents
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Description
本発明は、走査型トンネル顕微鏡、その探針の処理方法及び微細構造物作製方法に関するものである。
【0001】
(背景技術)
従来、このような分野の技術としては、例えば以下に開示されるようなものがあった。
(1)H.J.Mamin,P.H.Guethner and D.Rugar:Phys.Rev.Lett.65(1990)2418
(2)C.S.Chang,W.B.Su and Tien T.Tsong:Phys.Rev.Lett.72(1994)574
(3)M.Takai,H.Andoh,H.Miyazaki and T.Tsuruhara:Microelectronic Engineering 35(1997)353
STM(走査型トンネル顕微鏡)による微細構造物の作製方法は、幾つか報告されているが、本発明に近い従来例として以下のものがある。
【0002】
尚、STMとは、導電性の探針を導電性の基板に1ナノメートル程度まで近づけ、前記探針と前記基板との間で加える電圧やその間を流れるトンネル電流を測定または制御することにより、前記基板の表面微細構造を観測することを指す場合が多い。しかし、本発明においてのSTMとは、前記電圧やトンネル電流の測定または制御することによる前記表面微細構造の観察を目的とする装置のみならず、前記探針と前記基板との間に加えられる前記電圧や前記トンネル電流による効果を利用した前記探針あるいは前記基板の表面微細加工を目的とする装置も含むものとする。
【0003】
第1図はかかる従来の走査型トンネル顕微鏡とそれによる微細構造物の作製方法の原理を示す模式図である。
【0004】
この図に示すように、作製する構造物を構成する金属からなる細線をSTM探針101に用いて、このSTM探針101と基板102との間に電圧とトンネル電流を加え、その電圧とトンネル電流の効果により前記STM探針101の先端から基板102上に金属原子103を付与して微細構造物を構築する。なお、100は3次元駆動装置である。
【0005】
また、第2図に示すように、他の金属111を金属112で被覆した細線をSTM探針110に用いて、このSTM探針110と基板との間に電圧とトンネル電流を加え、その電圧とトンネル電流の効果により前記STM探針110の先端から基板上に金属原子を付与して微細構造物を構築するようにしていた。
【0006】
(発明の開示)
しかしながら、これら従来の手法では、探針先端から原料金属が固まりとなって不連続に基板上に付与されるか、または数個の金属原子しか連続的に付与することができない。つまり、探針から基板上への金属原子の連続的な供給が困難であった。
【0007】
そのため、従来の手法では、連続的な微細構造物を構築することは困難である。
【0008】
本発明は、上記問題点を解決するために、連続的な微細構造物を容易に構築することができる走査型トンネル顕微鏡、その探針、その探針の処理方法及び微細構造物作製方法を提供することを目的とする。
【0009】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔1〕走査型トンネル顕微鏡において、Ag 2 S単結晶からなる、イオン導電性と電子導電性とを兼ね備えた混合導電体材料からなる走査型トンネル顕微鏡の探針を具備することを特徴とする。
【0010】
〔2〕上記〔1〕記載の走査型トンネル顕微鏡において、前記探針は、該探針と基板との間に電圧とトンネル電流を加えることにより生じる、Ag 2 S単結晶の先端での突起物(ミニチップ)の成長あるいは収縮現象を利用して得られる探針であることを特徴とする。
【0011】
〔3〕走査型トンネル顕微鏡の探針の処理方法において、イオン導電性と電子導電性とを兼ね備えた混合導電体材料からなる走査型トンネル顕微鏡の探針を用意する工程と、前記探針と基板の間に電圧とトンネル電流を加えることにより、前記混合導電体材料内の可動金属イオンを移動させ、前記探針の先端にその金属イオン(原子)から構成される突起物(ミニチップ)を成長させる工程と、前記突起物の成長後、加えられる電圧極性を反対にすることにより成長した前記突起物を構成する金属イオン(原子)を混合導電体材料中に再溶解させて前記突起物を収縮させる工程とを施すことを特徴とする。
【0012】
〔4〕上記〔3〕記載の走査型トンネル顕微鏡の探針の処理方法において、前記混合導電体材料としてAg2 S単結晶を用いることを特徴とする。
【0013】
〔5〕走査型トンネル顕微鏡の探針の処理方法において、上記〔3〕又は〔4〕記載の走査型トンネル顕微鏡の探針の処理方法によって得られた走査型トンネル顕微鏡の探針と基板との間に電圧とトンネル電流を加えることにより、前記基板の表面微細構造を観測することを特徴とする。
【0014】
〔6〕走査型トンネル顕微鏡を用いた微細構造物作製方法において、イオン導電性と電子導電性とを兼ね備えたAg 2 S単結晶を顕微鏡探針として用いて、前記探針と基板との間に電圧とトンネル電流を加えることにより、前記Ag 2 S単結晶の可動イオンあるいはAg 2 S単結晶を構成する原子を、基板上に付与して、該基板上に微細構造物を形成することを特徴とする。
【0015】
(発明を実施するための最良の形態)
以下、本発明の実施の形態について図を参照しながら詳細に説明する。
【0016】
第3図は本発明の走査型トンネル顕微鏡とそれによる微細構造物の構築原理を示す模式図である。
【0017】
この図において、1は3次元駆動装置、2はその3次元駆動装置に連結されたSTM探針であり、このSTM探針2は、イオン導電性と電子導電性とを兼ね備えた混合導電体材料からなる。3は基板、4は電圧・電流を供給する電源、5は可動イオン、6はトンネル電流であり、STM探針2と基板3間に電源4から電圧・電流を供給してトンネル電流6を発生させることができる。
【0018】
走査型トンネル顕微鏡(STM)は、適当な基板上にナノメートルサイズさらには原子サイズでの微細構造物の構築を可能にするための有力な装置である。STMを用いて、その探針からの原子付与によって微細構造物を構築するためには、「作製した構造物の確認のために基板表面の構造が観察できること」および「探針の先から基板上へ金属原子などが連続的に付与できること」といった条件を満たすSTM探針が必要である。
【0019】
しかし、従来技術で述べたように、従来のSTMを用いた微細構造物の構築技術では、探針から基板上への金属原子の連続的な供給が困難であった。
【0020】
本発明では、第3図に示すように、イオンと電子が結晶中を容易に可動する混合導電体材料をSTM探針2に用いる。この混合導電体をSTM探針に用いることにより、電子導電性によるトンネル電流を利用して基板表面構造の観察が容易であり、さらにイオン導電性による可動イオン5を利用してSTM探針先から基板上へ可動イオン又は原子の連続的な付与が可能になる。
【0021】
この実施例では、混合導電体材料の中でも銀イオンと電子が伝導するAg2 S単結晶をSTM探針に用いて、この探針による基板表面の構造の観察ならびにこの探針から基板上への銀原子の付与による微細構造物の構築を行う。
【0022】
以下、本発明の実施例を示す微細構造物の構築について説明する。
【0023】
〔1〕まず、STM探針に用いる混合導電体Ag2 S単結晶は、気相成長法により作製する。特に、STM探針に利用できるように、Ag2 S単結晶の成長速度と成長方向を制御して、針状の形をしたAg 2 S単結晶を作製する(ステップS1)。
【0024】
第4図は本発明の実施例を示す走査型トンネル顕微鏡の探針としてのAg2 S単結晶育成装置の概略構成図である。
【0025】
第4図において、11は電気炉、12はガラス管、13は毛細管、14は銀線、15は硫黄粉末である。
【0026】
第4図に示すように、銀線14と硫黄粉末15をガラス管12中に真空封入し、銀線14と硫黄粉末15から生成する硫黄ガスを反応させることにより、銀線14の先端にAg2 S単結晶を作製する。この時、STM探針として利用できるように、針状の形をしたAg 2 S単結晶を作製する。そのため、一端を封じた毛細管13内に銀線14を入れて、Ag2 S単結晶の成長方向および成長速度を制御する。さらに、ガラス管12中の銀線14と硫黄粉末15の温度を電気炉11に適温に保持することにより、Ag2 S単結晶の成長速度を制御することができる。
【0027】
第5図は上記した方法により銀線上に育成した針状のAg2 S単結晶を示す図である。
【0028】
この銀線上のAg2 S単結晶をSTM探針として用いる。
【0029】
〔2〕また、作製したAg2 S単結晶をそのまま用いたSTM探針では、その探針先端が十分に尖鋭でないために、基板の表面構造を観察することができない。そこで、Ag2 S単結晶からなる探針と基板との間に適当な電圧とトンネル電流を加えることにより、混合導電体Ag2 S結晶中の可動銀イオンを探針の先端に移動して、さらに銀原子としてAg2 S表面上に析出させる。多くの銀原子を表面上に析出させることにより、Ag2 S単結晶からなる探針の先端に銀原子から構成する銀突起物を成長させる。この銀突起物(ミニチップ)を先端に成長させたAg2 SをSTM探針として用いることにより、基板表面の構造および基板表面に構築した微細構造物の観察が可能になる(ステップS2)。
【0030】
ここで、Ag2 S単結晶上への銀突起物の作製及びこのAg2 S単結晶探針による基板表面構造の観察について説明する。
【0031】
上記したAg2 S単結晶をSTM探針として用いて、この探針と基板との間に適当な電圧とトンネル電流を加えることにより、その探針の先端にこの銀金属から構成される突起物を成長させる。この銀突起物の成長過程を第6図に示す。
【0032】
サンプルバイアス電圧(Vs)が負の極性で、トンネル電流(It)が小さい条件(図中の条件1:Vsは−2.0V,Itは0.05nA)は銀突起物の成長は起こらないが、トンネル電流値が大きい条件(図中の条件2:Vsは−2.0V,Itは1.35nA)では銀突起物の成長が始まる。
【0033】
また、加えるサンプルバイアス電圧(Vs)の極性を正に変えた場合は、トンネル電流(It)が小さい条件(図中の条件3:Vsは2.0V,Itは0.05nA)では、成長した銀突起物に変化は起こらないが、トンネル電流値が大きい条件(図中の条件4:Vsは2.0V,Itは0.35nA)では銀突起物は収縮(Ag2 S単結晶内へ再溶解)する。
【0034】
すなわち、電圧の極性を反対に変えることにより、銀突起物を伸ばしたり、縮めたりすることができる。銀突起物の成長は、探針と基板との間に加えた電圧とトンネル電流の効果により、Ag2 S混合導電体結晶内の可動銀イオンが探針の先端に移動した後、銀金属原子となって混合導電体結晶内部からその表面上に出るために起こる。
【0035】
一方、銀突起物の収縮は、加える電圧の極性を反対にすることにより、上記の成長過程と反対方向の反応が起こることに起因する。この銀原子からなる突起を先端に成長させたAg2 S混合導電体結晶をSTM探針として用いることにより、基板表面の構造および基板表面に構築した微細構造物の観察が可能になる。これは、Ag2 S単結晶の先端の銀突起物がミニチップとして働くためである。
【0036】
第7図は本発明の実施例を示す銀突起物(ミニチップ)を先端に作製したAg2 S単結晶をSTM探針として用いて観察したシリコン表面の原子構造を示す図である。
【0037】
(3)次いで、Ag2 SのSTM探針による基板上への極微細構造物の作製方法について説明する。つまり、銀突起物を先端に成長させたAg2 S単結晶のSTM探針と基板との間に適当な電圧とトンネル電流を加えることにより、このSTM探針の先端からAg2 S単結晶内を可動する銀イオンあるいは銀原子を基板上に連続的に付与させる。この時、その探針を基板上で走査することにより、この銀原子によって微細構造物を基板上に作製することができる(ステップS3)。
【0038】
第8図は上記した方法によりシリコン基板上に作製した幅15nm、長さ150nm、厚さ0.3nm程度の細線状の微細構造物である。
【0039】
また、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【0040】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、次のような効果を奏することができる。
【0041】
(A)混合導電体をSTM探針に用いることにより、電子導電性によるトンネル電流を利用して基板表面構造の観察が容易であり、さらにイオン導電性による可動イオンを利用してSTM探針先から基板上へ可動イオン又は原子の連続的な付与が可能になり、連続的な微細構造物を容易に構築することができる。
【0042】
(B)混合導電体材料の中でも銀イオンと電子が伝導するAg2 S単結晶をSTM探針に用いて、この探針による基板表面の構造の観察ならびにこの探針から基板上への銀原子の付与による微細構造物の構築を行うことができる。
【0043】
(C)シリコン基板上に、例えば、幅15nm、長さ150nm、厚さ0.3nm程度の細線状の微細構造物を作製することができる。
【0044】
(産業上の利用可能性)
本発明の走査型トンネル顕微鏡、その探針、その探針の処理方法及びそれを用いた微細構造物作製方法によれば、基板表面の原子構造の観察や、連続的なナノサイズ構造の構築に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の走査型トンネル顕微鏡とそれによる微細構造物の作製方法の原理を示す模式図である。
【図2】従来の他の走査型トンネル顕微鏡の探針を示す図である。
【図3】本発明の実施例を示す走査型トンネル顕微鏡とそれによる微細構造物の構築原理を示す模式図である。
【図4】本発明の実施例を示す走査型トンネル顕微鏡の探針としてのAg2 S単結晶育成装置の概略構成図である。
【図5】第4図に示す装置により銀線上に育成した針状のAg2 S単結晶を示す図である。
【図6】走査型トンネル顕微鏡の探針の先端への銀突起物の成長過程を示す図である。
【図7】本発明の実施例を示す銀突起物(ミニチップ)を先端に作製したAg2 S単結晶をSTM探針として用いて観察したシリコン表面の原子構造を示す図である。
【図8】本発明の実施例を示すシリコン基板上に作製した幅15nm、長さ150nm、厚さ0.3nm程度の細線状の微細構造物を示す図である。
Claims (6)
- 走査型トンネル顕微鏡において、
Ag 2 S単結晶からなる、イオン導電性と電子導電性とを兼ね備えた混合導電体材料からなる走査型トンネル顕微鏡の探針を具備することを特徴とする走査型トンネル顕微鏡。 - 請求項1記載の走査型トンネル顕微鏡において、前記探針は、該探針と基板との間に電圧とトンネル電流を加えることにより生じる、Ag 2 S単結晶の先端での突起物(ミニチップ)の成長あるいは収縮現象を利用して得られる探針。
- 走査型トンネル顕微鏡の探針の処理方法において、
(a)イオン導電性と電子導電性とを兼ね備えた混合導電体材料からなる走査型トンネル顕微鏡の探針を用意する工程と、
(b)前記探針と基板の間に電圧とトンネル電流を加えることにより、前記混合導電体材料内の可動金属イオンを移動させ、前記探針の先端にその金属イオン(原子)から構成される突起物(ミニチップ)を成長させる工程と、
(c)前記突起物の成長後、加えられる電圧極性を反対にすることにより成長した前記突起物を構成する金属イオン(原子)を混合導電体材料中に再溶解させて前記突起物を収縮させる工程とを施すことを特徴とする走査型トンネル顕微鏡の探針の処理方法。 - 請求項3記載の走査型トンネル顕微鏡の探針の処理方法において、前記混合導電体材料としてAg2 S単結晶を用いることを特徴とする走査型トンネル顕微鏡の探針の処理方法。
- 請求項3又は4記載の走査型トンネル顕微鏡の探針の処理方法によって得られた走査型トンネル顕微鏡の探針と基板との間に電圧とトンネル電流を加えることにより、前記基板の表面微細構造を観測することを特徴とする走査型トンネル顕微鏡の探針の処理方法。
- 走査型トンネル顕微鏡を用いた微細構造物作製方法において、イオン導電性と電子導電性とを兼ね備えたAg 2 S単結晶を顕微鏡探針として用いて、前記探針と基板との間に電圧とトンネル電流を加えることにより、前記Ag 2 S単結晶の可動イオンあるいはAg 2 S単結晶を構成する原子を、基板上に付与して、該基板上に微細構造物を形成することを特徴とする走査型トンネル顕微鏡を用いた微細構造物作製方法。
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