JPH04241238A - 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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- JPH04241238A JPH04241238A JP191291A JP191291A JPH04241238A JP H04241238 A JPH04241238 A JP H04241238A JP 191291 A JP191291 A JP 191291A JP 191291 A JP191291 A JP 191291A JP H04241238 A JPH04241238 A JP H04241238A
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Landscapes
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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。
め要約のデータは記録されません。
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 Ｍｉｃｒ
ｏｓｃｏｐｅ；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 Ｍｉｃｒ
ｏｓｃｏｐｅ；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 Ｌｅｔｔｅｒ
ｓ）第５５巻第１３号（１９８９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 Ｌｅｔｔｅｒ
ｓ）第５５巻第１３号（１９８９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
Claims (11)
- 【請求項１】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ことを特徴とする表面原子加工方式
。 - 【請求項２】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ことを特徴とする表面原子加工方
式。 - 【請求項３】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
請求項１あるいは請求項２の表面原子加工方式を行うこ
とを特徴とする表面原子加工方式。 - 【請求項４】請求項１、請求項２、請求項３の表面原子
加工方式において、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ことを特徴と
する表面原子加工方式。 - 【請求項５】請求項１、請求項２、請求項３の表面原子
加工方式において、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ことを特
徴とする表面加工方式。 - 【請求項６】請求項１、請求項２、請求項３の表面原子
加工方式において、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
は両方を加熱することを特徴とする表面原子加工方式。 - 【請求項７】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、請求項１、請
求項２、請求項３の表面原子加工方式を実施することを
特徴とする表面原子加工方式。 - 【請求項８】請求項３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
界蒸発させることを特徴とする表面原子加工・記録方式
。 - 【請求項９】請求項１あるいは請求項３の表面原子加工
方式において、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、上記探針に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ことを特徴とする表
面原子加工・記録方式。 - 【請求項１０】請求項９の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
位に対応させることを特徴とする表面原子記録・検出方
式。 - 【請求項１１】請求項２の表面原子加工方式において、
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行
うことを特徴とする表面原子加工方式。
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 |
| PCT/JP1992/000015 WO1992012528A1 (en) | 1991-01-11 | 1992-01-10 | Surface atom machining method and apparatus |
| EP92902728A EP0522168A1 (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 true JPH04241238A (ja) | 1992-08-28 |
| JP2992355B2 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) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH08257838A (ja) * | 1995-03-24 | 1996-10-08 | Jeol Ltd | 微細加工方法および装置 |
| JP2003534141A (ja) * | 2000-05-26 | 2003-11-18 | ノースウエスタン ユニバーシティ | 走査プローブ顕微鏡チップの使用方法及び該使用方法を実施するための製品又は該使用方法によって製造される製品 |
| JP2007276109A (ja) * | 1999-01-07 | 2007-10-25 | Northwestern Univ | 走査プローブ顕微鏡チップの使用方法及び該使用方法を実施するための製品又は該使用方法によって製造される製品 |
| JP2009512847A (ja) * | 2005-10-21 | 2009-03-26 | サントル ナショナル デ ラ ルシェルシュ シィアンティフィク （セ．エヌ．エール．エス．） | 読み取り／書き込みチップ、ヘッドおよび装置、およびその使用法、およびその製造方法 |
-
1991
- 1991-01-11 JP JP3001912A patent/JP2992355B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH08257838A (ja) * | 1995-03-24 | 1996-10-08 | Jeol Ltd | 微細加工方法および装置 |
| JP2007276109A (ja) * | 1999-01-07 | 2007-10-25 | Northwestern Univ | 走査プローブ顕微鏡チップの使用方法及び該使用方法を実施するための製品又は該使用方法によって製造される製品 |
| US8247032B2 (en) | 1999-01-07 | 2012-08-21 | Northwestern University | Methods utilizing scanning probe microscope tips and products therefor or produced thereby |
| JP2003534141A (ja) * | 2000-05-26 | 2003-11-18 | ノースウエスタン ユニバーシティ | 走査プローブ顕微鏡チップの使用方法及び該使用方法を実施するための製品又は該使用方法によって製造される製品 |
| JP2009512847A (ja) * | 2005-10-21 | 2009-03-26 | サントル ナショナル デ ラ ルシェルシュ シィアンティフィク （セ．エヌ．エール．エス．） | 読み取り／書き込みチップ、ヘッドおよび装置、およびその使用法、およびその製造方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2992355B2 (ja) | 1999-12-20 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |