JPH04296604A - 走査型トンネル顕微鏡及びその製造方法 - Google Patents

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、集積された走査型ト
ンネル顕微鏡の製造方法に関し、特に、空気圧及び静電
駆動される走査型トンネル顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）は、導
電性のティップにより、導電性の表面に非常に近接した
位置関係で、すなわち数原子分の直径の間隔以内（約０
．５ｎｍ以内）で試料の表面を走査する。これらの条件
下では、ティップと表面との間にトンネル電流が流れる
。すなわち、ティップ内の原子の電子の確率密度関数は
、表面の原子の電子の確率密度関数と空間的に重なる。 その結果、これらの二つの導体の間に適切なバイアス電
圧が印加されると、ティップ及と表面との間には電子流
の形でトンネルが生じる。典型的には、ティップ・試料
間距離が数ｎｍ、バイアス電圧が数ミリボルトの場合、
トンネル電流は１ナノアンペアとなる。

【０００３】走査型トンネル顕微鏡はＢｉｎｎｉｇとＲ
ｏｈｒｅｒとにより最初に作られた（ＩＢＭ　Ｊ．　Ｒ
ＥＳ．　ＤＥＶＥＬＯＰ．，　ＶＯＬ．　３０，　ＮＯ
．　４，　ＪＵＬＹ　１９８６，　ｐｐ．　３５５−３
６９，　Ｇ．　Ｂｉｎｎｉｇ　ａｎｄ　Ｈ．　Ｒｏｈｒ
ｅｒ，　”ＳＣＡＮＮＩＮＧ　ＴＵＮＮＥＬＩＮＧ　Ｍ
ＩＣＲＯＳＣＯＰＹ”及びＩＢＭ　ＴＥＣＨＮＩＣＡＬ
　ＤＩＳＣＬＯＳＵＲＥ　ＢＵＬＬＥＴＩＮ，　ＶＯＬ
．　２７，　ＮＯ．　１０Ｂ，　ＭＡＲＣＨ　１９８５
，　ｐｐ．　５９７６−５９７７，　Ｇ．　Ｂｉｎｎｉ
ｇ　ｅｔ　ａｌ．　”ＦＡＳＴ　ＳＣＡＮ　ＰＩＥＺＯ
　ＤＲＩＶＥ”）　。これらの文献に記載された走査型
トンネル顕微鏡は、圧電三脚を使用する。この三脚は、
接合部で接合された圧電材料から成る三本の棒から成る
。 各棒は、三つの直交座標軸のうちの一つの方向に伸縮す
る。ティップは、これらの三本の棒の接合部に取り付け
られる。このティップは、粗な位置決め装置により表面
に接近させられる。その後、これらの圧電三脚は、ティ
ップを表面で走査してこの表面の画像を得るために使用
される。

【０００４】集積走査型トンネル顕微鏡の製造方法を教
示する一つの文献がある。この文献は、米国特許出願通
し番号第１４９２３６号の分割出願である米国特許出願
通し番号第３４８７０７号に基づいて１９９０年４月３
日に特許された米国特許第４９１２８２２号である。こ
の特許には、集積トンネル顕微鏡及び集積圧電トランス
デューサ並びにそれらの製造方法が記載されている。こ
の装置は、標準的な集積回路製造工程を用いたマイクロ
マシーニングにより形成された一つまたは二つのアーム
状圧電バイモルフカンチレバーにより構成されている。 これらのカンチレバーは、基板のある領域に取り付けら
れており、制御回路により発生された適当な電圧の印加
により発生され、バイモルフカンチレバー構造の一体部
として形成された電極対に加えられる圧電力の影響下で
移動自在となっている。圧電バイモルフは、制御電圧に
より発生された電場により、設計で決められる範囲内で
所望の方法で移動される。このバイモルフカンチレバー
は、シャドーマスクを通しての導電材料の蒸着によりそ
の上に形成された先端が非常に尖ったティップを有する
。これらのティップは、制御回路及び圧電バイモルフの
作用により、導電表面の非常に小さな距離内に保たれる
ように移動される。圧電材料により制御される全てのＳ
ＴＭの制御は、高い絶対精度に対しては理想的でないヒ
ステリシス効果を有するという欠点を有している。

【０００５】Ｘ、Ｙ及びＺ方向の全ての移動が静電力の
制御下にある集積走査型トンネル顕微鏡を教示する一つ
の文献がある。この文献は、１９８５年３月７日に出願
されたヨーロッパ特許出願第８５１０２５５４．４に基
づいて１９８９年８月２日に発行されたヨーロッパ特許
第０１９４３２３号の特許明細書である。この特許には
、半導体チップに集積された走査型トンネル顕微鏡が記
載されている。この半導体チップには、第１のストライ
プ対によって中間部と接続されている中心部を形成する
ためにスロットがエッチングされている。そして、この
中間部は、第２のストライプ対によってチップ本体と接
続されている。これらのスロットは、これらのスロット
によって規定されたストライプとそれらの反対の壁との
間に発生される静電力の制御下で中心部がＸ及びＹ方向
に移動可能なように、相互に直交する方向を持つように
エッチングされている。中心部には、静電力によってＺ
方向に移動させることが可能な、突き出たティップが形
成されている。上述のヨーロッパ特許に記載された集積
ＳＴＭをうまく製造することは極めて困難であろう。 さらに、この集積ＳＴＭは、一片の材料から、Ｘ、Ｙ及
びＺ移動が互いに独立ではなく、従って最高の精度での
ティップの移動に対しては理想的でない方法で製造され
たものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従って、半導体集積回
路の製造プロセスを用いて容易に製造することができる
、ティップを移動させるために空気圧及び静電力を用い
る走査型トンネル顕微鏡の集積版に対する要求が生じて
いた。

【０００７】この発明の目的は、請求項１ないし８によ
る走査型トンネル顕微鏡によって達成される。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明による走査型ト
ンネル顕微鏡は、試料表面からＺ軸方向に実質的に一定
の距離に保持された少なくとも一つの電子放出ティップ
と、このティップを試料表面上でマトリクス状に走査す
るためのＸＹ駆動装置と、トンネル電流を制御して上記
距離を実質的に一定に保つための手段とを具備する。上
記ＸＹ駆動装置は対向電極から離れた少なくとも四つの
電極から成る。これらの四つの電極は部材上に配設され
た上部電極または基板上に配設された下部電極である。 上記対向電極は膜と接続されている。ティップは上記膜
の一体部を形成する試料表面に垂直なＺ軸方向に移動す
ることが可能である。

【０００９】

【実施例】図１は走査型トンネル顕微鏡のシステムを示
す。図１において、表面性状の特徴２及び４その他を有
する導電表面１が導電ティップ６によって走査される。 このティップはその先端が非常に細くなっており、その
先端８において単一の原子で終端しているのが好ましい
。この先端８は、静電トランスデューサ１０により、Ｘ
−Ｙ平面で複数のラスタ走査線を規定することによって
導電表面１上を走査される。このトランスデューサ１０
はまた、ティップの先端８とティップが走査される表面
性状の特徴の最上部との間の距離が比較的一定に保たれ
るようにティップがＸ−Ｙ面内で走査される時に、Ｚ軸
方向にこのティップを前後に移動させる。この距離は通
常、約０．１〜１ｎｍであり、ティップの原子とティッ
プが現在走査している所の表面性状の特徴の最上部の領
域における原子との電子の確率密度関数の重なり領域の
中になければならない。ティップと表面との間の距離が
この重なり領域の中にあり、バイアス電圧がこの接合部
に印加される限り、矢印ＩＴ　の記号で示されたトンネ
ル電流がティップの先端８と導電表面との間に流れる。 このトンネル電流ＩＴ　の大きさは、ティップと表面と
の間の距離に対して指数関係にある。バイアス電圧は、
バイアス電圧源１２によってティップ６と導電表面１と
の間に印加される。電流検出器１４は、トンネル電流Ｉ
Ｔ　の大きさを検出し、このトンネル電流の大きさに比
例した帰還信号をライン１６上に出力する。帰還回路制
御システム１８は、この帰還信号を受け取って適切な静
電トランスデューサ駆動信号をバス２０上に発生し、こ
れによってトンネル電流ＩＴ　が比較的一定の値に保た
れるように静電トランスデューサによりティップ６を移
動させる。制御システム１８はまた、適切なトランスデ
ューサ駆動信号をバス２０上に発生してティップ６を導
電表面１上でラスタ走査させる。

【００１０】図２Ａはこの発明による走査型トンネル顕
微鏡の機械的詳細を示す。このＳＴＭは、上述のように
静電Ｘ−Ｙ−Ｚ偏位に好適なものである。薄い膜２４の
底面にはＳＴＭティップ２５が保持されている。ティッ
プ２５とシリコン基板２１の一部には金属コーティング
２９が形成されている。この目的のための好ましいコー
ティングは、約０．１μｍの厚さの白金コーティングで
ある。この膜はシリコン基板２１によってガラスブロッ
ク３０に密着固定されている。この膜２４の上面は基板
表面より数μｍ下側にある。ガラスブロック３０上には
、２対の金属電極Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２（２７、２８
）が配設されている。これらの電極の厚さは約０．１〜
１μｍの範囲内にあり、好ましくは約１μｍである。 典型的には数μｍの厚さであるガラスブロック３０には
穴２３が設けられている。これらの穴２３は、図２Ｂの
上面図に示されているようにスロットの形態を有してよ
い。

【００１１】ガスケット３１を介してガラスブロック３
０に固定されている図２Ａに示す端片３２は、圧力発生
チェンバ（図示せず）の部分を形成している。このチェ
ンバはまた、ティップを有する膜をガラスブロックに対
して移動させる１気圧以下の圧力を発生する真空チェン
バとすることもできる。図３Ａ〜図３ＧによるＳＴＭは
、好ましくは１気圧以下の圧力を使用する。一方、図４
Ａ〜図４ＥによるＳＴＭは、好ましくは１気圧以上の圧
力を使用する。調べるべき試料の所望の領域上にティッ
プを位置合わせした後、Ｚ方向のティップの粗な接近が
使用される。ティップをＺ方向に大まかに移動させるた
めに、圧力発生チェンバによりガラスブロック３０のス
ロット２３を通じて膜２４に加えられる圧力が変化され
る。この工程の間に、膜２４の一体部を形成するティッ
プ２５は、調べるべき試料に対して数μｍ以内に接近さ
せられる。

【００１２】膜／ティップアセンブリに対しては多くの
技術的必要条件があり、それらには膜の応力や膜の固有
振動数ｆ０　が含まれる。膜の剛性はこの膜に対しては
無視することができる。応力の典型的な値はＴ＝１０Ｎ
／ｍｍ２　であり、固有振動数の典型的な値はｆ０　≧
１０ｋＨｚである。応力及びｆ０　は、上述のようにテ
ィップを基板に大まかに近づける時に膜に圧力を加える
ことによって、必要に応じて変化させることができる。

【００１３】また、走査動作の間、膜の減衰は、環境の
幾何学条件の関数として、例えばガラスブロック３０の
穴の直径の関数として明確に制御することができる。

【００１４】粗な接近の間、ＳＴＭ全体（ティップを含
む）は、例えば光学的制御手段を用いて、調べるべき試
料表面に対して数μｍ以内に前進される。非動作状態で
は、ガラスブロック３０上のＸ−Ｙ電極２７、２８と膜
２４（図２Ａ）上のＺ電極２６との間に最大電圧、例え
ばＵＺ　＝２００Ｖが印加される。その後、微細な接近
のために、この電極電圧ＵＺ　は、ティップ２５がトン
ネルモードになるまで減少される。このトンネルモード
は例えばＵＺ＝１００Ｖで起きる。ティップと試料との
間の距離は電圧ＵＺ　の関数として制御される。ティッ
プの走査のためには、電圧ＵＸ１、ＵＸ２及びＵＹ１、
ＵＹ２がそれぞれ使用される。Ｘ−走査は、ＵＸ１を増
加させ、ＵＸ２を減少させることによって行われる。こ
れによって、膜２４のわずかな回転運動、従ってティッ
プ２５、２９の走査運動が生じる。Ｙ−走査も同様にし
て行われる。直線的なティップ走査をもたらすＵＸ１、
ＵＸ２及びＵＹ１、ＵＹ２のそれぞれの正確な電圧曲線
は、マトリクス試験で決定されなければならない。ＵＸ
　はマトリクス中に自乗値として現れることを指摘して
おく。

【００１５】最大Ｘ−Ｙ走査は、第１にはＳＴＭ配置の
幾何学的条件（膜の大きさ、ティップの長さなど）に依
存する。もし例えばティップの長さｌが膜の辺の長さａ
の半分であれば、最大Ｘ偏位はＺ偏位と等しい。

【００１６】以下の計算により、ＳＴＭ配置の機械的及
び電気的パラメータの両方が実現可能であることが示さ
れる。膜はＴ＝１０Ｎ／ｍｍ２　の引張り応力を有する
。 この膜は一辺の長さがａの正方形の形状である。

【００１７】たわみ波の速さは次式のとおりである。

【数１】 共振周波数は次式のとおりである。

【数２】 膜の厚さｄ＝２μｍ、膜の辺の長さａ＝２ｍｍに対して
共振周波数は次式のとおりである。

【数３】 膜の厚さｄ＝１μｍ、膜の辺の長さａ＝１０ｍｍに対し
て共振周波数は次式のとおりである。

【数４】 その場合、表面負荷ｑでの最大偏位量Δｄは次式のとお
りである。

【数５】 電圧Ｕが印加された時に膜に加わる力により最大偏位量
が次式のとおり生じる（ｑ＝平板キャパシタの静電力）
。

【数６】 ここで、ｅはキャパシタの極板間の距離である。

【００１８】 例１： 　　　　　　　　　　　　　　　　ｅ＝５μｍ　　　　
　　　　　　　　　　　　Ｕ＝±１００Ｖ　　　　　　
　　　　　　　　　　ａ＝２ｍｍ　　　　　　　　　　
　　　　⇒Δｄ＝２．６μｍ　　　　　　　　　　　　
　　　　Ｔ＝１０Ｎ／ｍｍ２　　　　　　　　　　　　
　　　　　ｄ＝２μｍ空気圧で膜を約１．３μｍたわま
せるためには、約８０Ｐａの圧力が必要であろう。

【００１９】 例２： 　　　　　　　　　　　　　　　　ｅ＝２０μｍ　　　
　　　　　　　　　　　　　ａ＝１０ｍｍ　　　　　　
　　　　　　　　⇒Δｄ＝８μｍ　　　　　　　　　　
　　　　　　ｄ＝１μｍ　　　　　　　　　　　　　　
　　その他は同じ。 ○　　板の剛性は無視する（すなわち、膜の引張り応力
だけを考慮する。これは薄い膜に対して成立する。）。 ○　　ｄはほぼ一定。

【００２０】これらの計算は約２００Ｖの最大電圧に基
づいたものである。電極間隔はそれぞれ５μｍ及び２０
μｍである。もしＳＴＭが通常の空気圧で使用されるな
らば、電圧破壊が生じるか否かを決定しなければならな
い。空気ギャップを有する従来の電気的アクチュエータ
の破壊強度は、空気の電気的破壊によって約３×１０６
　Ｖ／ｍに制限される。２００Ｖの最大電圧及び１０μ
ｍのギャップの場合、２×１０７　Ｖ／ｍの破壊強度が
すでに得られている。

【００２１】３×１０６　Ｖ／ｍの値はもはや加わらな
いが、ギャップ間隔が臨界値に近づくにつれて増加し始
める。これについては、Ｓｅｎｓｏｒｓ　ａｎｄ　Ａｃ
ｔｕａｔｏｒｓ　、１４（１９８８）ｐｐ．２６９−２
９２を参照されたい。１２．５μｍのギャップに対して
この論文で与えられた値は３．２×１０７　Ｖ／ｍであ
る。この論文における他の値は最大３×１０８　Ｖ／ｍ
から始まる（ｐ．２７３　参照）。これらのより高い値
は、この発明によるＳＴＭが実現可能なものであること
を示している。

【００２２】図３Ａ〜図３Ｇには、Ｚ方向のティップ移
動の空気圧及び静電制御とティップのＸ及びＹ走査の静
電制御とを用いた集積走査型トンネル顕微鏡を製造する
ためのいくつかの工程から成る第１のプロセスが示され
ている。製造は基板３１（図３Ａ）を用いて開始する。 この基板は好ましくはシリコンまたは集積電子回路を形
成するのに好適な何らかの他の基板である。製造工程の
第１の工程は、基板３１の両面に二酸化シリコン層３２
を被着することである。窒化シリコン層を使用すること
もできる。次に、前面の二酸化シリコン層３２及び基板
３１に数μｍの深さの穴がウエットまたはドライエッチ
ングされる。ここで、二酸化シリコン層３２のエッチン
グには例えばバーファードフッ酸が用いられ、シリコン
基板のエッチングには例えば３７．５％のＫＯＨ熱水溶
液が用いられる。この穴の大きさは、後に形成される膜
の大きさ（例えば、辺の長さが２ｍｍ）に対応する。次
に、前面の残りの二酸化シリコン層が除去される。平坦
な微細エッチングされた穴は、耐性のあるマスク層３３
（図３Ｂ）で覆われる。マスク材料としては、例えば二
酸化シリコンまたはアルミニウムを用いることができる
。穴の中心のマスク層３３に一つの開口が設けられる。 その後、基板３１（図３Ｃ）を貫通して穴がエッチング
される。このエッチング工程は、塩素または臭素ガスを
用いたドライエッチング工程であってよい。マスク層３
３は除去され、深い穴を含む前面は引っ張り応力を有す
る膜３４で覆われる。好ましくは炭化シリコンまたは窒
化シリコンである膜材料は、プラズマエンハンスト化学
気相成長により被着される。膜の厚さは例えば２μｍで
ある。この穴は、エッチングプロセスに応じて２μｍよ
りもずっと大きな直径を有しているため、穴の側壁及び
底だけがこの膜材料で覆われる。その結果、後に形成さ
れるティップは中空となるが、これは重量上の理由によ
り適切なものである。

【００２３】次に、裏面の二酸化シリコンマスク３２が
開口され、こうして形成された窓を通じて基板３１は膜
３４までエッチングされて薄くされる。モリブデンアパ
ーチャマスクを用いて膜３４（図３Ｅ）の前面にＡｕま
たはＡｌから成る金属電極３６が気相成長される。モリ
ブデンアパーチャマスクを用いたＡｕまたはＡｌ（図３
Ｆ）の気相成長により、２対の金属電極Ｘ１　、Ｘ２、
Ｙ１　及びＹ２　（３７、３８）がガラスブロック４０
上に形成される。ガラスブロック４０の寸法は例えば３
×３×２ｍｍである。上述のように、ガラスブロック４
０には、ティップ３５のＺ方向の空気圧による粗な接近
を可能とする穴４３が設けられている。次に、ガラスブ
ロック４０は、Ｘ、Ｙ電極３７、３８が膜３４上のＺ電
極３６の上方に位置するようにシリコン基板３１、３４
に接着される。Ｚ電極はガラスブロック４０の下面に設
けられている。接着は約３００℃及び１０００Ｖで行わ
れる「マローリー（ｍａｌｌｏｒｙ）」接着である。ガ
ラスブロックと基板との間の接着は、炭化シリコンの中
間層によって確実なものとなる（図３Ｇ）。

【００２４】この工程までは、ティップ３５はその周囲
のシリコン基板３１から突き出ていないので、裏面の残
りの二酸化シリコン層３２は除去され、基板はエッチン
グにより薄くされる。膜材料は絶縁体であるので、ティ
ップ３５、膜３４の一部及びシリコン基板３１の裏面の
一部に導電層３９（図３Ｇ）を設けてトンネル電流のた
めの電圧を得なければならない。この層の好ましい材料
は白金であり、約０．１μｍの厚さに形成される。

【００２５】その跡が後のティップ３５を形成する深い
穴（図３Ｃ）は、２０〜１００μｍの直径を有するよう
に形成される。この膜の穴により走査中に問題が生じる
場合、この穴は以下の追加の工程によって部分的または
完全に閉じられなければならない。炭化シリコンまたは
窒化シリコンの被着工程（図３Ｄ）に続いて、この穴は
樹脂材料、好ましくはポリイミドで満たされ、平坦化さ
れる。約４００℃でのベーキング工程の後、第２の炭化
シリコンまたは窒化シリコン層が形成される（図示せず
）。満たされた穴の上のこの第２の炭化シリコンまたは
窒化シリコン層は、適切なマスクとして格子構造を有す
るモリブデンマスクを用いた反応性イオンエッチング工
程で部分的に開口される。酸素プラズマエッチング工程
において、ポリイミドは重量のためにティップから除去
される。この工程により、穴に張り渡された格子が形成
され、これによって後お走査の間に膜の張力が開放され
ない。しかし、直径が５０μｍよりも小さいかなり小さ
な穴の場合には、そのような支持構造は必要ないと考え
られる。

【００２６】図４Ａ〜図４Ｅには、集積走査型トンネル
顕微鏡を製造するためのプレーナ技術から成る第２のプ
ロセスが示されている。

【００２７】モリブデンアパーチャマスクを用いた気相
成長により、導電材料の層、例えば０．１μｍの白金層
が基板４１上に被着され、これによって後にティップの
Ｘ、Ｙ及びＺ移動のための下部電極として用いられる四
つの四分円形の電極４２Ａ、４２Ｂ（図４Ａ）が得られ
る。基板はシリコンまたは集積電子回路の形成に好適な
何らかの他の基板材料である。例えばプラズマエンハン
スト化学気相成長によって電極４２Ａ、４２Ｂの表面に
これらを覆う二酸化シリコン層４４が被着される。約２
〜５μｍの範囲内の厚さを有するこの二酸化シリコン層
は、下部及び上部電極の間のスペーサ層として働き、こ
れらの電極の間に間隙を設けるために後に選択エッチン
グにより除去されるものである。

【００２８】次に、モリブデンアパーチャマスクを用い
た気相成長により、二酸化シリコン層４４上に環状の金
属導体４５、例えば厚さが０．１μｍの白金導体が被着
される。下部電極４２Ａ、４２Ｂとほぼ同一の領域を覆
うこの環状金属導体は、四つの四分円形の電極の共通対
向電極を形成する。例えばプラズマエンハンスト化学気
相成長によってこの環状金属導体４５（図４Ｂ）の上に
誘電体層４６、例えば炭化シリコンまたは窒化シリコン
が被着される。この材料は、バッファードフッ酸による
二酸化シリコン層４４のエッチング中に侵されない。

【００２９】反応性イオンエッチングによって円形のサ
ンドイッチ構造の中心に穴が設けられた後、シリコン基
板４１を貫通してのテーパ穴４７の反応性イオンエッチ
ングまたは例えば３７．５％のＫＯＨ熱水溶液を用いた
異方性ウエットエッチングによる逆ピラミッドの形成が
行われる。シリコン基板４１のほぼ全体を貫通して延在
するこの穴は、トンネル接触材料により満たされ、かつ
下部電極から分離される、後に形成されるティップのネ
ガを形成する。

【００３０】深い穴を含むサンドイッチ構造は、トンネ
ル接触材料４８、例えばモリブデンアパーチャマスクを
用いた気相成長によって被着される０．１μｍの厚さの
白金層により覆われる。トンネル電流は、このようにし
て形成された導体を通じてティップから試料に供給され
る。この導体及び構造全体に、例えばプラズマエンハン
スト化学気相成長を用いて炭化シリコンまたは窒化シリ
コンから成る誘電体層４９が形成される。この層の厚さ
は２μｍであってよい。この層は、誘電体層４６及び導
体４８（図４Ｄ）により上部電極４５が接続されている
振動膜４９を示す。

【００３１】底面から及び構造化酸化物マスク（図示せ
ず）を用いて、例えば３７．５％のＫＯＨ熱水溶液によ
るエッチングにより、ティップを取り囲むシリコンが除
去される。その後、基板全体は同一の溶液を用いて三本
のスタッド５０の周囲が少し薄くされる。これらのスタ
ッドを用いて、走査型トンネル顕微鏡が調べるべき基板
上に位置合わせされる。電極４２Ａ、４２Ｂと電極４５
との間の二酸化シリコン層４４は、バッファードフッ酸
によるエッチングによって完全に除去される。これによ
って、電極に電界が印加された時にＸ、Ｙ及びＺ軸方向
に膜を移動させるための隙間が形成される。この白金−
炭化シリコンのティップは膜に接続され、この膜によっ
て自在に移動させることができる。

【００３２】図４Ａ〜図４Ｅに関連して述べた走査型ト
ンネル顕微鏡の上部には、膜／ティップアセンブリのＺ
軸（図示せず）方向の空気圧による粗な接近を可能とす
るためにガラスブロックを設けてもよい。膜４９とガラ
スブロックとの間には、膜の振動を可能とするためにキ
ャビティが設けられる。このガラスブロックは、膜に圧
力を加えることによりこの膜の減衰を変化させるために
穴をあけてもよいし、あるいは、ガラスブロックと膜と
の間のキャビティを接着前に真空排気し、接着によって
真空封止を行うようにしてもよい。

【００３３】

【発明の効果】この発明による走査トンネル顕微鏡によ
れば、ヒステリシスのないＸ−Ｙ−Ｚ駆動を行うことが
できるとともに、質量が小さく大きさも小さいことによ
り検出器ヘッドの機械的及び熱的安定性が高い。その結
果、この配置は外部振動をほとんど受けない。ティップ
の距離制御のための電流供給の制御回路は、同一の半導
体基板上に集積される。さらに、走査により発生する信
号は、同一基板上に集積される回路によって検出器の直
ぐ近傍で処理することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】典型的な走査型トンネル顕微鏡の図である。

【図２】この発明による走査型トンネル顕微鏡の断面図
及びその上部の上面図である。

【図３】この発明による走査型トンネル顕微鏡の好まし
い構造の製造の第１のプロセスにおける中間工程の断面
図である。

【図４】この発明による走査型トンネル顕微鏡の好まし
い構造の製造の第２のプロセスにおける中間工程の断面
図である。

【符号の説明】

２１、３１　　シリコン基板 ２４、３４　　膜 ２５　　ティップ ３０　　ガラスブロック

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　試料表面からＺ軸方向に実質的に一定
   の距離に保持された少なくとも一つの電子放出ティップ
   と、上記ティップを上記試料表面上でマトリクス状に走
   査するためのＸＹ駆動装置と、トンネル電流を制御して
   上記距離を実質的に一定に保つための手段とを具備し、
   上記ＸＹ駆動装置は対向電極（２６、３６、４５）から
   離れた少なくとも四つの電極（２７、２８；３７、３８
   ；４２Ａ、４２Ｂ）から成り、上記四つの電極（２７、
   ２８；３７、３８；４２Ａ、４２Ｂ）は部材（４０）上
   に配設された上部電極または基板（４１）上に配設され
   た下部電極であり、上記対向電極（２６、３６、４５）
   は膜（２４、３４、４９）と接続され、上記ティップ（
   ２５；３５、３９；４８、４９）は上記膜（２４、３４
   、４９）の一体部を形成する上記試料表面に垂直なＺ軸
   方向に移動することが可能であることを特徴とする走査
   型トンネル顕微鏡。
2. 【請求項２】　　上記走査型トンネル顕微鏡は集積回路
   製造工程を用いたマイクロマシーニングにより製造され
   ることを特徴とする請求項１記載の走査型トンネル顕微
   鏡。
3. 【請求項３】　　上記走査型トンネル顕微鏡はプレーナ
   バッチ技術により製造されることを特徴とする請求項２
   記載の走査型トンネル顕微鏡。
4. 【請求項４】　　上記膜（２４、３４、４９）は誘電体
   材料から成り、上記膜の一体部を形成する上記ティップ
   （２５、３５、４９）には導電材料（２９、３９、４８
   ）が設けられ、かつ上記ティップを上記試料表面に垂直
   なＺ軸方向に移動させるために電圧が印加される個々の
   電極と接続されていることを特徴とする請求項１〜３記
   載の走査型トンネル顕微鏡。
5. 【請求項５】　　上記膜（２４、３４、４９）は炭化シ
   リコンまたは窒化シリコンから成り、上記ティップのコ
   ーティングは白金であることを特徴とする請求項４記載
   の走査型トンネル顕微鏡。
6. 【請求項６】　　部材（３０、４０）は圧力または真空
   発生室の部分を形成する多孔質ガラスブロックである請
   求項１記載の走査型トンネル顕微鏡。
7. 【請求項７】　　上記膜及び上記ティップのＺ軸方向の
   粗な接近のためには上記膜への圧力が変化され、上記膜
   及び上記ティップのＺ軸方向の微細な接近のためにはＺ
   電極（２６、３６、４５）に電圧ＵＺ　が印加され、上
   記ティップと上記試料との間の距離はＵＺ　の関数とし
   て制御されることを特徴とする請求項１〜６記載の走査
   型トンネル顕微鏡。
8. 【請求項８】　　基板（２１、３１、４１）は、上記テ
   ィップの距離制御の電流供給及び走査により発生する信
   号の処理のための電子素子を含むことを特徴とする請求
   項１〜７のいずれか１項または複数項記載の走査型トン
   ネル顕微鏡。
9. 【請求項９】　　ティップ移動の空気圧及び静電制御を
   用いた請求項１〜８記載の走査型トンネル顕微鏡の製造
   方法であって、 ａ）基板（３１）の両面にマスキング層（３２）を被着
   し、前面の上記マスキング層（３２）及び上記基板（３
   １）に数μｍの深さの穴を後に形成される膜の大きさに
   対応する大きさにエッチングする工程と、ｂ）上記前面
   のマスキング層（３２）を除去し、上記微細エッチング
   された穴の上に耐性のあるマスキング層（３３）を被着
   する工程と、 ｃ）上記穴の中心の上記マスキング層（３３）に開口を
   形成し、上記基板（３１）を貫通して穴（３５）をエッ
   チングする工程と、 ｄ）残りのマスキング層（３３）を除去し、上記穴（３
   ５）を含む上記基板（３１）の前面を引張り応力を有す
   る膜（３４）で覆う工程と、 ｅ）裏面の上記マスキング層（３２）に開口を形成し、
   上記基板（３１）を薄くして上記膜（３４）及び上記テ
   ィップ（３５）を露出させ、上記前面の上記引張り応力
   を有する膜（３４）に金属層（３６）を形成し、上記穴
   上に延在するように第１の電極をパターニングする工程
   と、 ｆ）部材（４０）に金属層を形成し、第２の電極（３７
   、３８）をパターニングする工程と、ｇ）上記第２の電
   極（３７、３８）を有する上記部材（４０）を、上記膜
   （３４）上の上記第１の電極（３６）の上方に位置する
   上記第２の電極（３７、３８）を有する基板（３１、３
   ４）にボンディングし、上記基板（３１）の裏面から残
   りのマスキング層（３２）を除去し、上記基板（３１）
   をエッチングにより薄くし、上記ティップ（３５）及び
   上記基板（３１）の一部分に金属コーティング（３９）
   を形成する工程とを具備することを特徴とする走査型ト
   ンネル顕微鏡の製造方法。
10. 【請求項１０】　　上記マスキング層（３２）を被着す
    る上記工程ａ）はシリコン基板（３１）の両面に二酸化
    シリコン層または窒化シリコン層を形成することから成
    る請求項９記載の走査型トンネル顕微鏡の製造方法。
11. 【請求項１１】　　上記耐性のあるマスキング層（３３
    ）を被着する上記工程ｂ）は二酸化シリコンまたはアル
    ミニウムを被着することから成る請求項９記載の走査型
    トンネル顕微鏡の製造方法。
12. 【請求項１２】　　穴（３５）を含む上記基板（３１）
    の前面を引張り応力を有する膜（３４）で覆う上記工程
    ｄ）はプラズマエンハンスト化学気相成長により炭化シ
    リコンまたは窒化シリコンを被着することから成る請求
    項９記載の走査型トンネル顕微鏡の製造方法。
13. 【請求項１３】　　マスキング層のエッチング工程は、
    二酸化シリコンに対してバッファードフッ酸を用いたウ
    エットエッチング工程から成る請求項９記載の走査型ト
    ンネル顕微鏡の製造方法。
14. 【請求項１４】　　シリコン基板のエッチング工程は、
    ＫＯＨの３７．５％熱水溶液を用いたウエットエッチン
    グまたは塩素もしくは臭素ガスを用いたドライエッチン
    グから成る請求項９記載の走査型トンネル顕微鏡の製造
    方法。
15. 【請求項１５】　　上記第１及び第２の電極の被着及び
    パターニングは、金属、好ましくは白金をアパーチャマ
    スクを用いて化学気相成長させることから成る請求項９
    記載の走査型トンネル顕微鏡の製造方法。
16. 【請求項１６】　　ティップ移動の空気圧及び静電制御
    を用いた請求項１〜８記載の走査型トンネル顕微鏡の製
    造方法であって、 ａ）基板（４１）上に金属層を形成し、第１の電極（４
    ２Ａ、４２Ｂ）をパターニングし、上記第１の電極（４
    ２Ａ、４２Ｂ）の表面に上記第１の電極を覆う誘電体層
    （４４）を形成する工程と、 ｂ）上記誘電体層（４４）上に金属層を形成し、この金
    属層をパターニングして上記第１の電極（４２Ａ、４２
    Ｂ）とほぼ同一の領域を覆い、かつ第２の電極を形成す
    る円環状導体（４５）を形成し、上記円環状導体（４５
    ）の上面に誘電体層（４６）を被着する工程と、ｃ）円
    形のサンドイッチ構造の中心に開口を形成し、基板（４
    １）を貫通して穴（４７）をエッチングする工程と、 ｄ）上記穴を含む上記円形のサンドイッチ構造をトンネ
    ル接触材料の層（４８）で覆い、このトンネル接触材料
    の層（４８）及び構造全体に誘電体層（４９）を形成す
    る工程と、 ｅ）ティップを取り囲む基板材料を構造化酸化物マスク
    を用いたエッチングにより除去し、上記基板をエッチン
    グにより薄くし、電界印加時にＸ、Ｙ及びＺ軸方向に移
    動させるために、上記誘電体層（４９）と上記層（４９
    、４８）の一体部としてのティップ（４７）を有するト
    ンネル接触材料の層（４８）と上記誘電体層（４６）と
    上記円環状導体（４５）とから成るサンドイッチ構造の
    ための間隙が得られるように上記誘電体層（４４）をエ
    ッチング除去する工程とを具備することを特徴とする走
    査型トンネル顕微鏡の製造方法。
17. 【請求項１７】　　上記誘電体層（４４）を被着する上
    記工程ａ）は、スペーサ材料として働き、後の工程ｅ）
    でバッファードフッ酸を用いたエッチングにより除去さ
    れる二酸化シリコンを被着することから成る請求項１６
    記載の走査型トンネル顕微鏡の製造方法。
18. 【請求項１８】　　上記第１の電極（４２Ａ、４２Ｂ）
    、上記円環状導体（４５）及び上記トンネル接触材料の
    層（４８）の被着及びパターニングの上記工程ａ）、ｂ
    ）及びｄ）は金属、好ましくは白金をアパーチャマスク
    を用いて気相成長させることから成る請求項１６記載の
    走査型トンネル顕微鏡の製造方法。
19. 【請求項１９】　　上記誘電体層（４４、４９）を被着
    する上記工程ｂ）及びｄ）はプラズマエンハンスト化学
    気相成長により炭化シリコンまたは窒化シリコンを被着
    することから成り、誘電体層（４９）は上記膜を示す請
    求項１６記載の走査型トンネル顕微鏡の製造方法。
20. 【請求項２０】　　走査型トンネル顕微鏡の上部にガラ
    スブロックを設け、上記ガラスブロックと上記膜（４９
    ）との間にキャビティを残して試料表面に垂直なＺ軸方
    向の膜／ティップアセンブリの空気圧による粗な接近を
    可能とする工程をさらに具備する請求項１６〜１９記載
    の走査型トンネル顕微鏡の製造方法。