JPH02116044A - サブミクロンスケールで表面を変形させる方法及びその装置 - Google Patents

サブミクロンスケールで表面を変形させる方法及びその装置

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JPH02116044A
JPH02116044A JP1243275A JP24327589A JPH02116044A JP H02116044 A JPH02116044 A JP H02116044A JP 1243275 A JP1243275 A JP 1243275A JP 24327589 A JP24327589 A JP 24327589A JP H02116044 A JPH02116044 A JP H02116044A
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control voltage
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Loenen Evert J Van
エバート・ヤン・フアン・ロエネン
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Philips Gloeilampenfabrieken NV
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、走査トンネルマイクロスコープのティップを
用いて、サブミクロンスケールで表面を変形させる方法
であって、 前記表面に平行な走査方向に前記ティップを移動させる
制御手段を使用して、当該表面の所望の加工パターンに
応じて前記表面に平行な面に、前記ティップによりパス
を描かせ、 当該パスを描く際ティップ高さ制御部品に第一電気制御
電圧を与えることによって当該ティップを前記表面から
一定の距離の参照レベルに維持さ当該電圧が、前記表面
と前記ティップの間に与えろえる一定トンネル電圧の結
果から得られる前記ティップと前記表面との間のトンネ
ル電流によって制御される負帰還制御ループによって供
給される、サブミクロンスケールで表面を変形させる方
法に間する。本発明は、又前記方法を実行する装置、情
報を書き込む方法、情報書き込み読み出し装置及び前記
方法と前記装置により書き込まれた記録担体に関するも
のでもある。
ＳＴＭとも称される走査トンネルマイクロスコープは、
しばらくの間原子スケールで表面構造を調べるために大
いなる成功を持って使用されてきた。
このマイクロスコープは非常に小さなティップを有する
例えばタングステンの非常に細い針を有していて、その
針は例えばピエゾエレクトリック制御部品により制御さ
れる位置決め素子上にマウントされている。ティップは
、それらの内の２本（×及びＹ方向）の方向は検査され
る表面に平行な面に位置し３番目（Ｚ方向）の方向はそ
の表面に垂直である、３本の非常に正確な相互に垂直な
方向で、位置決めさせることが出来る。これにより、例
えば０．０１ｎｍの精度でティップの位置決めを行うこ
とが可能となる。
２、つまりティップ高さ、制御部品はティップと表面の
間の距離を調整する調整部品である。この制御部品は表
面に対してティップを移動させるために針に接続させる
か、ティップに対しこの材料を移動させるために材料の
ホルダーに接続させることが可能である。検査する導電
表面を走査する間、ティップとこの表面の間の距離はＺ
方向のティップ制御部品により一定に維持される。この
制御部品は負帰還ループによって制御される。ティップ
と表面の間の距離は非常に小さく例えば０．５ｎｍのオ
ーダーである。所定の電圧、いわゆるトンネル電圧、が
ティップと表面の間に与えられると、いわゆるトンネル
電流がこれらの電極の間に流れ始める。このトンネル電
流はサーボループ内でティップと表面との閏の所望の距
離により決定される参照電流と比較される。このように
して得られた信号は、トンネル電流を参照電流に等しく
し、その結果、ティップと表面の距離が所望の距離に等
しくなるようにティップのＺ位置を補正するために使用
される。この表面を走査する目的で表面に対してこの表
面ｌこ平行な方向でティップを移動させることは、２個
の他の制御部品、Ｘ及びＶ制御部品、によって実現され
る。
表面を調査する際、Ｚ軸方向のティップ高さ制御部品の
制御信号に比例する信号が、ティップのＸ及びＶの位置
の函数としてティップと表面の間の距離の変化を表し、
表面形状の像を得るために使用される。
走査トンネルマイクロスコープの先端を用いて表面に変
形部を形成する実験が最近行われている。
これらの実験の一つは”ＩＢＭ　Ｊｏｕｒ、　Ｒｅｓ、
　Ｏｅｖ、”Ｖｏｌ、　３０．　ｎｏ、　５．　Ｓｅｐ
ｔｅｍｂｅｒ　１９８６．　Ｐｆｌ−４９２−９の”走
査トンネルマイクロスコープによる表面変形”の記事に
記載されている。この実験に於てティップは金の様な柔
らかい材料の表面に降下されている。そして１５ｎｍの
オーダーの直径を有する表面の変形部分が形成されたこ
とが見いだされた。この記事は、更に、この技術は潜在
的に高密度の記録システム及びマイクロ加工目的に使用
することが出来ると述べている。しかしこの方法に於て
は、所望の変形のみならず、所望の変形部分の中心から
？Ｏｎｍの距離に達する部分にも更に付加表面変形部分
が発生する。この付加変形部分は不安定で、１７分と言
うオーダーのかなり長い時間の後、消失してしまうと言
う事実がある。多くの変形部分を表面上で互いに密接さ
せて形成する場合には、変形部分を連続して形成する間
に実際、Ｅ耐えがたいほど長い待時間を考慮しなければ
ならない。何故ならば不安定な付加変形部分に領域を作
ることは不可能であるからである。更に付加変形部分が
消失した後でさえ、もし第二の変形部分がそこから短い
距離の位置に形成された場合第一の変形部分がどの様に
影響されるかと言う点は不明である。
情報を分離した間隔のあいた情報領域の形で表面に書き
込む場合には、第一の情報領域を形成した後、ティップ
を早急に付加変形部分の外側の場所に移動させ、この位
置に次の情報を形成することによってこの長い待ち時間
を避けることは可能であろう。しかしながら、この場合
走査トンネルマイクロスコープを用いた記録システムの
潜在的に非常に高い情報密度は充分に使用されていない
事にする。
本発明の目的は、前述の欠点を有せず、形成後は常に安
定である表面の変形部分を、トンネルマイクロスコープ
を用いた加工処理には従来使用されたことの無い材料と
共に形成する可能性を与える方法を提供することにある
。この方法の特徴とするところは、当該負帰還制御ルー
プを中断することにより表面に変形部分を発生させ、前
記ティップ高さ制御部品を、その振幅が時間の函数とし
て増大し且つその制御電圧が規定された最終値を有する
第二電気ＩＩ御電電圧より駆動し、その結果前記ティッ
プが前記参照レベルから規定された深さまで前記表面に
降下し、これにより正確に規定された幾何学構造を有す
るピットが形成され、 続いて、次のピットが形成される前に前記ティップをそ
の参照レベルに移動させるように、前記ティップを前記
表面の上部に引き込ませかつ前記負帰還コントロールル
ープを再びスイッチオンさせる、ことを特徴とする この方法によって形成後は常に安定であるピットを、容
易にフローせず、拡散が少なく且つ金よりも硬い材料に
形成することが出来る。
本発明は、数ｎｍの直径を有するティップは硬い材料に
挿入さでも損傷も摩耗もせずシャープなままであると言
う驚くべき予測すら出来なかった効果をうまく利用する
ことが出来ると言う認識に基づいている。
”Ｊｏｕｒｎ、　Ｖａｃ、　Ｓｃｉ、　Ｔｅｃｈｎｏｌ
ｏｇｙ”、　Ａ６　（２）　ｐｐ。
５３７−５３９　（１９８Ｂ）の記事”走査トンネルマ
イクロスコープによるナノメーター領域の表面変形”に
は、金より硬い材料、つまり金属ガラス内に走査トンネ
ルマイクロスコープの先端によって変形部分を形成する
実験が記載されている。この実験に於てティップ高さに
対する負帰還制御ループは変形部分が形成されている際
にも駆動状態にある。変形部分が形成されなければなら
ない位置にティップが到達すると、ティップと表面との
間の電圧は２ｖに増大され、さらにトンネル電流はこの
電流が振動を開始する約数百ｎＡに増加される。約３秒
後に電流は再び減少し、３０ｎｍの直径と１５ｎｎ＋の
高さを有するヒロックが形成されたことを確認すること
が出来る。この現象の説明として、この記事は、一定量
の材料がティップの下で溶融し、この材料が表面とティ
ップの間の強い電界（この電界はその溶融された材料が
冷却される間にも存在している）によってティップの方
向に引き寄せられると述べている６本発明の方法と本発
明により得られる変形部分は両者とも最後に述べた記事
に記述されたそれらとは異なる。
本発明の望ましい方法の更に特徴とするところは、前記
第二電気制御電圧が、前記負帰還制御ループを中断する
瞬間に前記第一制御電圧が有している値と、その振幅が
時間の函数として増大し規定の最終値を有する第三の電
圧とを加算することである。
第一制御電圧がピットの形成開始時点で有している瞬時
の値が、このピットの形成後まで維持されるので、ティ
ップはピットの形成後すぐにその参照レベルに到達する
ことが出来る。
原理的には本発明の方法は数多くの材料に用いることが
可能である。この方法の望ましい実施例の更に特徴とす
る所は、その材料がシリコンである点である。この材料
はかなり固くかつティップ高さの制御に必要とされるト
ンネル電流を実現するのに充分な高い導電度を有してい
る。
”Ｊｏｕｒｎ、　Ｖａｃ、Ｓｃｉ、　Ｔｅｃｈｎｏｌｏ
ｇｙ”　Ａ６（２）　（１９８８）、　ｐｐ、　５３７
−５３９の前記記事に於て、ラインも又この記事に記載
された方法で形成することが可能であることは注目され
る。しかしながらこれらのラインは不規則な形状を有し
、熱ドリフトの結果孔れている。これに対して本発明の
方法は、もし本発明の方法の更に特徴とする点が複数の
ピットをそれらの中心の間の相互の距離がティップの走
査方向のピットの寸法よりも短くなるように形成する点
にある場合には、表面にラインまたはトラックを形成す
るのに非常に適している。この時この様に形成されかつ
互いに重なり合っているピットは一様な形状を有したト
ラックを構成する。この方法は、従来の方法では決して
製造することが出来ない極端に小さな詳細部分を有する
表面構造を製造するのに極めて適している。この方法の
重要な応用は、構造を直接シリコン基板に形成する事が
出来、または先ずマスクに形成し、その後にそれを基板
にコピーするような集積回路を製造する分野である。
非常に小さくかつ良く制御されたピットを形成すること
が出来るので、本発明の方法の実施例は記録担体に情報
を書き込むのに極めて適している。
この実施例の更に特徴とする点は、書き込まれる前記情
報を示す電気信号が、前記ティップの前記走査方向の移
動を時間制御するためと、・前記ティップ高さ制御ルー
プをそれぞれ中断またはクローズする時点であって、か
つそれらの時点の間で当該第二制御電圧が前記ティップ
高さ制御部品に与えられる時点を決定するためとに使用
される点である。
この方法によって書き込まれる記録担体は、情報を書き
込むのに使用されるものと同一の走査トンネルマイクロ
スコープにより読み出すことが出来る。読み出しの間マ
イクロスコープは既知の方法、つまりトンネル電流を一
定にした方法で走査することが出来る。２制御部品の制
御電圧の変化は読み出された信号を表している。この状
況では記録担体の書き込み領域は、記録担体表面の面の
上一定高さにティップを保持する様にＺ制御部品に制御
電圧を与えた状態で走査するのが望ましい。そのような
電圧を情報に依存しない電圧と呼ぶことにする。Ｚ制御
部品がこの様な電圧で制御されるとき、変化するトンネ
ル電流は読み出された情報を表す。走査の間ティップは
記録担体の粗いスロープに従うことを除いてＺ軸方向に
は移動しない。そして走査は非常に速いスピードで行う
ことが出来る。
走査トンネルマイクロスコープを用いて記録担体の情報
領域を読み出すこと自体は、米国特許第４．５７５，８
２２号により知られていることは注目される。
当該特許明細書はかなり広範な範囲でどの様にして情報
領域を多層記録担体の２層の間の電気チャージパケット
の°形で書き込むことが出来るかと言う点を記載してい
る。当該明細書には、情報領域を、いわゆる物理的プロ
ーブと表面との間の物理的接触により形成することが出
来る表面の物理的乱れの形状とすることが出来る点も記
載されているが、この点はそれ以上に詳細に示されてい
るわけではなく単なる指摘に過ぎない。例えば、プロー
ブがトンネルマイクロスコープ・のティップであると言
う点は述べられていない。米国特許第４，５７５，８２
２号には、特別な制御によって規定された方法で記録担
体表面内にティップを降下させ、かつティップが摩耗し
ないと言う確認された驚くべき事実を効果的に使用する
と言う思想は示されていない。
本発明は又本発明の方法により書き込まれた新規な記録
担体にも間している。この記録担体は既知の記録担体と
同様に情報を一連の情報領域の形でトラックの方向にエ
ンコードさせたトラックに配置させた情報領域を有して
いるが、それの特徴とする点は前記情報領域が０．０１
μｍ２より小さい表面領域の一様な幾何学構造を有する
表面内のピットである点である。
これらの一様なピットは、例えばｌＯｎｍの直径を有す
る球である。この事はこの新しい記録担体の１個の情報
ユニット、つまりピット、は例えばｌＯｘｌｏｎｍ２の
表面領域を占有していることを意味する。
既知の「コンパクトディスク」の様な光学的に読み出し
可能な記録担体の場合には、情報ピットはほぼｌ×１μ
ｍ２の表面領域を占有している。本発明を使用すること
により、このようにして、既知の記録担体の情報密度よ
りもｔｏ、ｏｏｏ倍のオーダーも大きい記録密度を有す
る記録担体を書き込み及び読み出しすることが出来る。
本発明は又表面を変形させる新規な方法を実行する装置
にも関している。この装置は、加工される前記材料を保
持するホルダー　細い導電体の針、前記針と前記ホルダ
ーを前記ホルダーの面に平行な互いに垂直な２本の方向
に各々移動させる第一及び第二制御部品、前記ティップ
と前記表面との間の前記距離を調整するティップ高さ制
御部品、および前記ティップ高さ制御部品に第一制御電
圧を与える電気負帰還制御ループとを有するもので、そ
の特徴とするところは、電子回路が、前記表面上に形成
されるパターンについての情報を有する電気信号を受け
る入力端を有し、当該回路が、第一及び第二制御信号を
供給する、前記第一及び前記第二制御部品に接続されて
いる第一及び第二出力端と、前記ティップ高さ制御ルー
プを一時的に中断する所定の時間間隔の間に信号を供給
する第三出力端とを有する事と、 電圧源が、当該時閉間隔の間前記ティップ高さ制御部品
にその振幅が前記第一制御電圧のそれよりも大きい、規
定の最終値に向かって時間と共に増大する第二制御電圧
を供給する事である。
この装置の望ましい実施例の特徴は、前記ティップ高さ
制御ループが、その制御入力端が前記電子回路の第三出
力端に接続されているサンプルホールド回路を有し、 前記ティップ高さ制御ループの出力端が、その第二人力
端が前記サンプルホールド回路と同期して制御されかつ
振幅が増大する電圧を供給する電圧源に接続されている
、加算素子の第一入力端に接続されていて、 かつ前記加算素子の出力端が前記ティップ高さ制御部品
に接続されている点である。
本発明は、又情報を書き込むための上述の書き込み装置
が設けられている、記録担体の表面に互いに分離された
一連の情報ピットの形で情報を書き込み及び読み出す装
置にも間している。この情報書き込み読み出し装置の特
徴とするところは、前記情報読み出し書き込み装置の読
み出しセクションが、前記ティップ高さ制御部品が当該
第一制御電圧あるいは情報に依存しない制御電圧のみに
よって制御されている当該書き込み装置によって構成さ
れている点である。
もし、ティップ高さ制御部品が前記第一制御電圧によっ
て制御される場合には、この電圧の変化は読み出された
情報を表す。この制御部品を一定の制御電圧によって制
御する場合には、トンネル電流の変化が読み出される情
報を表す。
［実施例］ 添付の図面により本発明を更に詳細に説明する。
本発明をより良く理解するために、先ず表面を調査する
ために使用される既知の走査トンネルマイクロスコープ
の原理を説明する。第５図に示されたブロック図は、例
えば米国特許第４，３４３，９９３号に広範に記載され
ているこの種のマイクロスコープの基本的な部品を示す
。
第５図に於て、参照番号１５はテーブルまたはホルダー
４に保持されている被測定体を示す。非常に微細なティ
ップを有する導電体の針５は、被測定体の上に配置され
第一電極として機能する。これも導電体である被測定体
１５は第二電極として機能する。
理解し易いようにこれらの２本の電極は拡大して描かれ
ている。このティップと被測定体は、座標系ｘｖｚによ
って線図的に示されている相互に垂直な３本の方向に移
動させることが出来る。この目的のためにマイクロスコ
ープは３個の独立して駆動されるアクチュエーター　つ
まり駆動部品６，７及び８、を有する複合位置決めシス
テムを有している。これらの制御部品はｌｎｍの１００
分の１のオーダーの動きが達成できるピエゾエレクトリ
ック素子を有するのが望ましい。駆動部品６及び７は・
各々ティップ１４とテーブル４をＸ及びＹ方向に移動さ
せる。これらのエレメントによってテーブルをティップ
に対して移動させることが出来るが、ティップをテーブ
ルに対して移動させる方が望ましい。Ｚ方向のティップ
と表面の間の距離はピエゾエレクトリック駆動部品８に
よフて調整させることが出来る。針５を移動させるため
に駆動部品８を針５に接続させることも可能である。針
５に対してこのテーブルを移動させるために駆動部品８
をテーブル４に接続することも可能である。この針は、
電気的には駆動部品６゜７及び８から絶縁されている。
これらの駆動部品を有する針５及び材料１５を有するテ
ーブルは、真空ポンプ２により高真空に保たれているチ
ェンバー１に配置させることが出来る。このチェンバー
は更に冷却器３、例えば極低温冷却器によって低温に維
持させることが出来る。しかしながら走査トンネルマイ
クロスコープは、又真空及び冷却を用いずに、空気中で
動作させることも可−能である。
トンネルマイクロスコープは更に電気制御測定回路９を
有している。この回路はＸ及びＹ制御部品６及び７に制
御信号を供給し、これらの制御部品によって発生する変
移を測定する０回路９は、又、２、つまりティップ高さ
、制御部品に対して、この明細書でトンネル電圧と称す
る電圧をティップと表面の間に印加したときに電子がテ
ィップと表面の間を移動することが出来るようにティッ
プを表面に対して例えば０．１〜ｌｎｍのオーダーの距
離に近接させておく、制御信号を供給する。この電圧は
第５図に示されるように制御測定回路９によって供給さ
れる。
トンネル電流はティップと表面の間の距離に大きく依存
するのでティップのＺ軸方向の調整はきわめて正確に、
例えば充分な分解能を得るためには０．０１ｎａ＋の正
確さで実行されるべきである。
表面を調査する際１．トンネルマイクロスコープは様々
なモード、例えばトンネル電流を一定にした条件あるい
は２制御電圧を情報とは無間係にする条件などで走査さ
せることが出来る。前者の方法の記述は試験的には充分
である。一定のトンネル電圧を与える場合には、ティッ
プ４と表面の間の距離が充分に小さくなるとトンネル電
流が流れ始める。ティップが表面の平坦な部分を走査す
る限りはトンネル電流は一定である。しかしながらもし
ティップが平坦でないところ、例えばピットまたはヒロ
ックを通過する場合には、トンネル電流はティップと表
面の間の距離の変化に応じてかなり変化する。しかしな
がらトンネル電流は電気回路９によって測定され、この
回路が発生する表面上のティップの所望の高さを表す参
照電流と比較される。この比較の結果は電気信号の形で
Ｚ制御部品の制御のために制御回路ｌＯに与えられる。
これによりトンネル電流が参照電流に等しく維持される
様にティップの高さが補正される。ティップのＺ方向の
動きは２制御部品に与えられる信号によって決定される
。２方向のその様な位置の変化が発生する位置でのティ
ップのＸ及びＶの位置情報とこの情報から、走査される
表面の「トンネル像」が信号処理ユニットｌｌ内に形成
され、この像はプロッター１２またはデイスプレィスク
リーン１３によって映像化させることが出来る。
零発期によると一定で且つ非常に正確に決定された幾何
学構造を有する表面の変形部分を前述のトンネルマイク
ロスコープのティップをこの表面に降下させることによ
って表面上に設けることが出来る。
第１図はこの方法を実行することが出来る改良されたト
ンネルマイクロスコープを線図的に示す。
この図に於て参照番号１５も又、例えば情報領域３１の
ような、変形部分が形成される表面を示し、参照番号１
４は位置決めシステムに固定されている導電体の針５の
ティップを示す、このシステムは例えば３個の別々の形
状の異なったピエゾエレクトリック素子６．７及び８を
有するか、各々の移動方向に各々の電極対を設けた、例
えば円柱状をした、単一のピエゾエレクトリック素子で
あっても良い。制御部品６，７及び８に印加される制御
電圧Ｖｌｌｌｌ＊　ｖｐ９及びＶ、Ｚの変化によってこ
れらの部品の長さを、ティップ１４が表面１５に対しｘ
、■及び２方向に移動する事が可能となるように、変化
させることが出来る。
加工される材料をテーブル４に配置した後、プリセット
素子（図示せず）によってティップを表面上の所定のｘ
Ｙスタート位置に向ける。更にこのティップをこの表面
から非常に短い距離に配置する。
例えば１ｖの直流電圧の形でトンネル電圧を与える電圧
１１６が針と表面に接続されると、電流センサー１７に
よって測定することが可能なトンネル電流が流れ始める
。こうしてティップと表面の間の距離を一定に保持して
表面を走査することが出来る。
この目的のためにこの加工装置は第５図の回路９の部分
を構成する制御回路１８を有している。
制御回路１８は、トンネル電流１ｔを受は取る第一入力
端を有する差動アンプ１９を有している。ティツブと表
面の間の所望の距離に比例し且つ参照電圧Ｒ２０によっ
て与えられる参照電流ＩｒｅＦが、このアンプの第二入
力端に与えられる。アンプ１９の出力信号は、それを制
御電圧ＶｌｌＺ、ＩとしてＺ制御部品８に与える前に、
積分器２１を通過させることが出来る。高電圧アンプ２
３を制御回路に配置させることもできる。
一様なピット３１の形で情報を書き込む場合には、Ｘ方
向のライン３２、続いて第二のライン３３を走査し、こ
のようにして全ての情報が書き込まれるまで走査を続け
る。Ｘ方向の走査の移動は連続ではなく、情報領域が形
成されなければならない所定のＸ軸の位置に対応する時
点毎に中断される。この連続しないＸ方向の走査の移動
は、処理信号を受は取ることとその出力端２７から制御
電圧Ｖ、Ｘを供給する制御回路２６とによって制御され
る。表面１５に形成されなければならないパターンにつ
いてのデータを有する信号Ｓ、は電気回路２６の入力端
３０に与えられる。
これらのデータに基づいて制御部品６，７及び８が時間
の函数として実行しなければならない移動量及び制御部
品６及び７に対する制御電圧ＶＩＩＸ及びｖｐｖは回路
２６で決定され、出力端２７　、２８及び２９に表れる
スイッチ信号Ｓ０が発生する。
第２ａ図は書き込まれるべきデジタル信号の一部分の一
例を示す。この信号は、パルス幅Ｔを有する多くの標準
パルスからなり、相互時間間隔が変化している。信号Ｓ
、の時間軸ｔは回路２６を介してＸ方向のティップの移
動に結合している。時点ｔ１で、針の移動を停止させ、
ティップを材料に向けて降下させなければならない。こ
の目的にはスイッチング信号Ｓ０が使用される。この信
号は負帰還制御回路１７．１８を不活性化させる。制御
部品８も、又、Ｖｐｚ、＋とは異なる制御電圧ＶＤＺに
よってティップ１４がトンネル距離、つまりトンネル電
流が発生し得る際のティップ表面間距離、より大となる
距離、下に移動するように活性化される。
この移動は、電圧Ｖ。、電がＺ制御部品に与えられなく
なるように制御回路の出力端と制御部品８との間の接続
を中断する事と、時間と共にその振幅が増大し、規定最
終値を有する所定の電圧によってこの制御部品を駆動す
る事とによって実現させることが出来る。
しかしながら、このティップの下向きの移動は第１図に
示される回路１８と加算素子２４によって実現させるこ
とが望ましい。第５図の回路の９と比較して第１図の制
御回路１８は更にサンプルホールド回路２２を有してい
る。この回路はスイッチング信号Ｓ０によってスイッチ
オンされ、その出力電圧が制御電圧Ｖｌ）Ｉ！、１がス
イッチオン時点での電圧に等しい状態のスイッチオンさ
れる時点（第２ａ図のｔ＋、ｈ。
ｔｓ）からはその出力電圧が一定である。回路２２の出
力電圧は、別の電圧源２５からも信号が与えられる加算
素子に与えられる。電圧源２５は時間と共にその振幅が
増大する電圧を供給する。この電圧源は信号Ｓ０のスイ
ッチオン及びスイッチオフに同期してスイッチオン及び
オフされる。この新規な制御信号Ｖｐｚ＝Ｖｐｚ、＋＋
Ｖｐｚ、２によっでティップが確実に下方に移動し材料
にまで降下することが可能どなる。時点ｔ２で電圧パル
スＶ１１２．２は終了する。次いでティップは再び引っ
込む。サンプルホールド回路２２もスイッチオフされ制
御部品８に対する制御ルー１１８が再び活性化される。
その結果、ティップと局所表面部分との距離は、制御ル
ープ１７．１８を非活性化させる前のそれと正確に同一
のものとなろう。これの大きな利点は、各ピットの形成
に対し、ティップの下向きの移動が表面からのティップ
の相対２位置が同一の位置から開始されるので、電圧Ｖ
Ｄ２．２の同一最終値でティップが常に等しい深さで材
料にプレスされる事である。
ティップが引き戻された後には、安定なピットが表面に
残る。この様なピットの形状は、電圧Ｖｐ　ｚ　、２の
最終値と材料にプレスされたティップの部分の形状によ
って決まる。ティップが材料にプレスされるときそれは
摩耗しないと言う驚くべき事実が判明したので、原理的
には同一形状のピットを無数に形成することが可能とな
る。
第２ｃ図はＸＩ、Ｘ２及びｘ３の位置で上述した方法に
より形成されるいくつかのピットＰ　ｔ　ｌ　ｇ　Ｐ　
ｔ　２　ｇ　Ｐ　ｉ　３を線図的に示している。これら
の位置はティップの走査方向の速度が０になる時点に対
応し、これらの時点は供給された情報信号Ｓ１における
各時点ｔｌ。
ｔ３及びｔ５に対応している。第２ｂ図は、一連のピッ
トが書き込まれる時間間隔の閏の電圧成分ｖ１．１と電
圧成分が変化するＶ。、２からなる制御電圧ｖ２□を示
す。
形成される情報領域の表面領域は、現在までに知られて
いる最小情報領域、つまり光学記録担体のそれ、の一部
分の−のオーダーにすることが出来る。その結果記録担
体上の情報密度を本発明を使用することによって一万倍
のオーダーに増大させることが出来る。実験によると、
そのピットがプレスされた材料からなるほぼ５ｎｍの幅
のリッジによって囲まれていて、約５ｎｍの直径の丸い
ピットが形成されたその結果ピットの重なり合わない実
効直径はほぼ１５ｒｖ＋となる。これらのピットはｌｎ
ｍのオーダーの深さを有していた。
これらのピットが書き込まれた後、それらのピットは、
第１図に示されるものと同一のトンネルマイクロスコー
プによって、制御目的のための書き込みプロセスの間及
びそれを処理する必要があるときの後の処理段階の両方
に於て読み出すことが出来る。読み出しの閏サンプルホ
ールド回路２２は動作せず、エクストラ電圧Ｖ９Ｚ、２
は使用されない。
読み出しはトンネル電流を一定に保持することによって
実行することが出来、制御電圧ｖ１．１の変化が読み出
された情報を示している。しかしながら、記録担体の書
き込まれた領域を読み出す際、情報とは独立した制御電
圧Ｖｐｚによって走査することも可能である。この領域
は既に書き込みの間に走査されているのでその非平坦度
を知ることが可能である。この時はトンネル電流の変化
が読み出される情報を示している。
記録担体に書き込むことが出来かつその記録担体から読
み出すことが出来る信号がデジタル信号であると言う事
実は、情報それ自身が例えばコンピュータから得られる
、あるいはコンピュータへ送られるデジタルデータに限
られることを意味するものではない。原理的にはこの記
録担体は、ビデオ及び／またはオーディオプログラム、
グラフィック表示、Ｘ線像、その他、デジタル化するこ
とが出来る全ての種類の情報を記録するのに適している
０本発明の方法によると、ピットパターンの代わりに、
第３ａ、　３ｂ及び３Ｃ図に示されるいくつかの例のよ
うな連続する、直線または曲線のトラックを表面に形成
することも可能である。これにより従来得られなかった
スケール、つまりナノメータの範囲で、直接材料を加工
することが可能となる。その重要な応用はシリコンの様
な半導体材料に直接構造を形成することで、その結果も
はや集積回路の製造に厄介なフォトリソグラフィックプ
ロセスを使用す、る必要がなくなる。本発明はまたＸ線
リソグラフィーのマスクの製造にも使用することが出来
る。本発明の方法は機械加工の処理を精密化する代替手
段となるのみならず、これに加えるものと考えることが
出来る。何故ならばより精致な構造が本方法によって実
現させることが出来るからである。
表面に連続したトラックを形成するには、走査方向の２
個のピットの形成の間、ティップを走査方向にティップ
の寸法よりも小さい距離で移動させる。この時、形成さ
れるピットは第４図に示されるように大なり小なり互い
に重なり合っている。トラック４３のエツジ４４及び４
５の平坦さは連続するピッ）Ｐｚ・・・Ｐｉｎの重ね具
合によって決まる。形成されるトラックはその長さ方向
に間して深さが一定である。何故ならティップのＸ位置
は次のピットの形成前毎に参照レベルに一致させである
からである。トラックの任意の形状はティップのＸ及び
Ｙ方向の制御によって実現させることが出来る。第３ａ
図のパターン、を形成するには、ティップを先ずパター
ンの部分４０を形成するためにＶの位置を一定にしＸ方
向に所定の距離だけ移動させ、その後パターンの部分４
１を形成するためにＸ位置を固定してＶ方向に所定位置
だ、け移動させる。第３ｂ図のパターンを形成するには
、この移動を逆の方向に反復させる。第３Ｃ図のパター
ンの楕円形状４２は、ティップをティップのＸ及びＶ位
置を同時に制御することによって実現される。
特に、非常に小さな情報領域を記録担体に書き込む際に
は、書き込まれた情報が再度追跡出来る様にかつそれが
書き込みのない表面に既に存在している可能性のある非
規則性の間に埋もれてしまわないように充分にその表面
を平坦にしておかなければならない、所望の、例えば原
子レベルの、平坦さは、例えばシリコン（１１Ｇ）表面
の、いわゆるテラスに形成することが出来る。これらの
テラスは少なくとも２倍の最小長さ方向を有していなけ
ればならず、望ましくはピット長さの数多くの倍数の長
さを有していなければならない。
タングステンティップとニッケルを僅かに含むシリコン
（１１０）材料の組合せにより顕著な結果が得られるこ
とが判明した。結晶シリコン基板の表面の他に結晶シリ
コン基板上に設けられたシリコンを含む非晶質層も又本
発明の方法によって加工することが可能である。シリコ
ンの利点はそれが自然界に大量に存在し原理的には低順
な材料であると言う点である。更にシリコンは集積回路
に最も多く使用され多くの技術の蓄積が得られているの
で、シリコンピットメモリを集積回路のような他のシリ
コン構造に集積化することも考えられる。
シリコンピットメモリを書き込み及び読み出す際、その
処理は第５図で示されるような真空室または別の不活性
雰囲気中で行われなければならない。
トンネルマイクロスコープによるピットの形成及びその
後の検査またはこれらのピットの読み出しは、空気中で
実行することも可能である。しかしながら、この際には
金よりも硬くフローが少ない不活性材料を使用しなけれ
ばならない。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の装置の実施例を線図的に示し、第２ａ
、　２ｂ及び２ｃ図は情報を書き込む素子に与えられる
情報信号とティップ高さ制御部品の関連する制御信号の
両方を時間の函数として及び記録担体の関連するピット
を示し、 第３ａ、　３ｂ及び３ｃ図は本発明による表面に形成さ
れることが出来る異なったパターンを示し、第４図は本
発明によって表面に形成されるトラックの構造を示し、 第５図は既知の走査トンネルマイクロスコープの原理を
示す。 １−・・チェンバー ３・・・冷却器、 ５・・・導電体の針、　　　６，７゜ ８・・・制御部品、 １０・・・制御回路、 １２・・・プロッター １４・・・ティップ、 １６・・・電圧源、 １？、　１Ｂ・・・負帰還制御回路、 ２０・・・参照電圧源、 ２２・・・サンプルホールド回路、 ２３・・・高電圧アンプ、 ２５・・・電圧源、 ２７、２８．２９−・・出力端、 ３１・・・ピット、　　　　　３２゜ ４０、４１−・・パターン部分、 ４３−）ラック、　　　　４４゜ ２・・・真空ポンプ、 ４・・・テーブル、 ８・・・駆動部品、 ９・・・電気制御測定回路、 １！・・・信号処理ユニット、 １３・・・デイスプレィスクリーン、 １５・・・被測定体、表面、 １７・・・電流センサー １９・・・差動アンプ、 ２１・・・積分器、 ２４−・・加算素子、 ２６・・・制御回路、 ３０・・・入力端、 ３３−・・ライン、 ４２・・・楕円形状パターン、 ４５−・・エツジ、 ｌ・・・チｌ＞パー、　　　　　２・・・真空ポシブ、
　３・・・冷却器４・・トブル、　　　５・・・導電体
の針。 ６、　？、　８・・駆動部品、９・・・電気制ａＩＩ測
定回路。 １０・・・制御Ｈ１１１，１１・・・信号処理ユニット
。 １２・・・ブ０フクー、１３・・・デイスプレィスクリ
ーン。 １４・・・？＜ツブ、　　　　　　１５・・・被測定体
。 １６・・・電圧源、１７・・・１１流セント。 １８・・・負帰還刺１Ｉ１１回路、１９・・作動１シフ
。 ２０・・参照電圧源、２１・・・積分曹。 ２２・・・ｔシブル本−ルＦ＠路、　　　２３・・・高
１ｘ圧ラシ九２４・・加算素子、２５・・電圧源。 ２６・・制御回路、　２７．２８．２９・・・出力端。

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）走査トンネルマイクロスコープのティップを用い
    て、サブミクロンスケールで表面を変形させる方法であ
    って、 前記表面に平行な走査方向に前記ティップを移動させる
    制御手段を使用して、当該表面の所望の加工パターンに
    応じて前記表面に平行な面に、前記ティップによりパス
    を描かせ、 当該パスを描く際ティップ高さ制御部品に第一電気制御
    電圧を与えることによって当該ティップを前記表面から
    一定の距離の参照レベルに維持させ、 当該電圧が、前記表面と前記ティップの間に与えらえる
    一定トンネル電圧の結果から得られる前記ティップと前
    記表面との間のトンネル電流によって制御される負帰還
    制御ループによって供給される、サブミクロンスケール
    で表面を変形させる方法に於て、 当該負帰還制御ループを中断することにより表面に変形
    部分を発生させ、 前記ティップ高さ制御部品を、その振幅が時間の函数と
    して増大し且つその制御電圧が規定された最終値を有す
    る第二電気制御電圧により駆動し、その結果前記ティッ
    プが前記参照レベルから規定された深さまで前記表面に
    降下し、これにより正確に規定された幾何学構造を有す
    るピットが形成され、 続いて、次のピットが形成される前に前記ティップをそ
    の参照レベルに移動させるように、前記ティップを前記
    表面の上部に引き戻しかつ前記負帰還コントロールルー
    プを再びスイッチオンさせる、ことを特徴とするサブミ
    クロンスケールで表面を変形させる方法。
  2. （２）前記第二電気制御電圧が、前記負帰還制御ループ
    を中断する瞬間に前記第一制御電圧が有している値と、
    その振幅が時間の函数として増大し規定の最終値を有す
    る第三の電圧とを加算することにより得られることを特
    徴とする請求項（１）記載の方法。
  3. （３）前記ピットがシリコン層に形成されていることを
    特徴とする請求項（１）または（２）記載の方法。
  4. （４）複数のピットを、それらの中心間の相互距離が前
    記チップの走査方向のピットの寸法よりも短くなる様に
    形成する事を特徴とする請求項（１）、（２）または（
    ３）記載の方法。
  5. （５）書き込まれる前記情報を示す電気信号が、前記テ
    ィップの前記走査方向の移動を時間制御するためと、前
    記ティップ高さ制御ループをそれぞれ中断またはクロー
    ズする時点であって、かつそれらの時点の間で当該第二
    制御電圧が前記ティップ高さ制御部品に与えられる時点
    を決定するためとに使用されることを特徴とする請求項
    （１）、（２）または（３）記載の方法。
  6. （６）トラックに配置された情報領域を有し、前記情報
    が前記トラック方向で一連の前記情報領域にエンコード
    されている、請求項（５）に記載の方法により書き込ま
    れている記録担体において、前記情報領域が０．０１μ
    ｍ＾２より小さい表面領域の一様な幾何学構造を有する
    表面内のピットであることを特徴とする記録担体。
  7. （７）加工される前記材料を保持するホルダー、細い導
    電体の針、前記針と前記ホルダーを前記ホルダーの面に
    平行な互いに垂直な２本の方向に各々移動させる第一及
    び第二制御部品、前記ティップと前記表面との間の前記
    距離を調整するティップ高さ制御部品、および前記ティ
    ップ高さ制御部品に第一制御電圧を与える電気負帰還制
    御ループとを有する請求項（１）、（２）、（３）、（
    ４）または（５）記載の方法を実行する装置に於て、電
    子回路が、前記表面上に形成されるパターンについての
    情報を有する電気信号を受ける入力端を有し、当該回路
    が、第一及び第二制御信号を供給する、前記第一及び前
    記第二制御部品に接続されている第一及び第二出力端と
    、前記ティップ高さ制御ループを一時的に中断する所定
    の時間間隔の間に信号を供給する第三出力端とを有する
    事と、 電圧源が、当該時間間隔の間前記ティップ高さ制御部品
    にその振幅が前記第一制御電圧のそれよりも大きい、規
    定の最終値に向かって時間と共に増大する第二制御電圧
    を供給する事とを、特徴とする装置。
  8. （８）前記ティップ高さ制御ループが、その制御入力端
    が前記電子回路の第三出力端に接続されているサンプル
    ホールド回路を有し、 前記ティップ高さ制御ループの出力端が、その第二入力
    端が前記サンプルホールド回路と同期して制御されかつ
    振幅が増大する電圧を供給する電圧源に接続されている
    、加算素子の第一入力端に接続されていて、 かつ前記加算素子の出力端が前記ティップ高さ制御部品
    に接続されている、事とを特徴とする請求項（７）記載
    の装置。
  9. （９）記録担体表面に互いに分離した一連の情報ピット
    の形で情報を書き込みおよび読み出す、請求項（７）ま
    たは（８）に記載の情報書き込み装置を備えた情報書き
    込み読み出し装置において、前記情報読み出し書き込み
    装置の読み出しセクションが、前記ティップ高さ制御部
    品が当該第一制御電圧あるいは情報に依存しない制御電
    圧のみによって制御されている当該書き込み装置によっ
    て構成されている事を特徴とする情報書き込み読み出し
    装置。
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