JPH04368762A - 走査型トンネル顕微鏡による超微細加工方法 - 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】本発明は走査型トンネル顕微鏡（
Ｓｃａｎｎｉｎｇ　　Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　　Ｍｉｃｒ
ｏｓｃｏｐｅ：ＳＴＭ）を使用して試料面の超微細加工
を行う方法に関し、特に、試料表面を原子オーダの寸法
で平坦化するのに好適な走査型トンネル顕微鏡による超
微細加工方法に関する。

【０００２】走査型トンネル顕微鏡は、原子一つ一つを
直接観察できる装置として最近注目を浴びてきており、
半導体や金属表面の原子配列の様子を原子スケールで観
察できる検査装置としての利用が検討されている。

【０００３】本発明は、この走査型トンネル顕微鏡を材
料の超微細加工装置として使用するもので、トンネル電
流により原子１個のオーダで試料表面を加工するもので
あり、従来の加工技術とは全くその原理を異にする新規
な加工方法である。

【０００４】

【従来の技術】材料の表面加工技術としては、放電加工
や、エッチングあるいはスパッタ等が現在利用されてい
る。これらはいずれもその加工寸法の下限が現在のとこ
ろせいぜいサブミクロンのオーダである。

【０００５】加工装置ではないが、原子スケールすなわ
ちｎｍオーダの観察ができる装置として走査型トンネル
顕微鏡がある。これは、タングステンのような材料でで
きた先端部がほとんど原子１個の大きさの探針を有し、
探針は圧電素子により上下左右にｎｍオーダで移動でき
る。

【０００６】この探針と被観察試料表面との間に電圧を
加えて両者の間隔を１ｎｍ程度まで非接触で接近させる
とトンネル電流が流れる。このトンネル電流値は探針と
試料表面との距離によって大きく変化するため、試料表
面と探針間の距離変化をトンネル電流の変化としてとら
え、これを画像化すれば試料表面の凸凹が原子１個１個
のスケールで区別して観察できるものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来の加工技術よりも
さらに微細な原子１個１個のオーダでの加工が走査型ト
ンネル顕微鏡を使用してできる可能性が指摘されており
、シリコン基板表面に文字を描くことが発表されている
。しかし、その方法は探針を直接試料に接触させるため
に試料が汚染される問題がある。

【０００８】本発明の目的は、走査型トンネル顕微鏡を
使用して、試料を汚染することなくまた走査型トンネル
顕微鏡に特別な装置を付加することなく、トンネル電流
により試料表面を原子スケールで加工できる新規な超微
細加工方法を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明による超微細加工
方法は、加工される試料の試料面に対して垂直および水
平に移動可能な探針を有する走査型トンネル顕微鏡を用
い、探針と試料との間に流れるトンネル電流を一定に保
つように探針の垂直位置を制御しつつ探針を試料面に対
して平行走査する工程と、平行走査工程の間に探針が最
も垂直上方に移動したときの垂直位置を検出する工程と
、探針が最も垂直上方に移動したときの垂直位置近傍を
保つよう探針を制御しつつ平行走査工程と同じ走査範囲
を探針で走査してトンネル電流を流し、その時のトンネ
ル電流により試料面を加工する工程とを含む。

【００１０】

【作用】最初に、探針と試料との間に流れるトンネル電
流を一定に保つように探針の垂直位置を制御しつつ探針
を試料面に対して平行走査する工程では、探針の先端と
試料表面との距離が常に同じになるように制御される。 その平行走査工程の間に探針が最も垂直上方に移動した
ときの垂直位置を検出すると、走査範囲内で試料表面の
最も高い位置が検出される。

【００１１】試料表面の最も高い位置、すなわち、探針
が最も垂直上方に移動したときの垂直位置が検出される
と、今度はその垂直位置を保つよう探針を制御し、平行
走査工程と同じ走査範囲を同時に探針で走査してトンネ
ル電流を流す。

【００１２】すると、探針はその垂直位置を変えず同じ
高さで走査されるため、トンネル電流の大きさは探針と
試料表面との距離に依存する。すなわち、距離が大きけ
ればトンネル電流は少なく、距離が小さければトンネル
電流は大きい。従って、試料表面の高い部分はトンネル
電流が多くながれ、低い部分はトンネル電流が少なくな
がれる。

【００１３】試料面の原子が取り去られる程度はトンネ
ル電流の大小に依存する。すなわち、試料表面の高い部
分ではトンネル電流が大きいので、他の低い部分より先
に原子が取り去られていく。

【００１４】従って、トンネル電流が変化しなくなるま
で走査を繰り返すことにより、ついには試料表面が原子
レベルで均一の高さに平坦化されることになる。トンネ
ル電流は１〜１０ｎＡ程度で極めて小さく、加工部分以
外への損傷や悪影響がなく、また放電加工のような特別
な高電圧装置を必要としない。

【００１５】

【実施例】以下に、図面を参照して本発明による超微細
加工方法の実施例について説明する。

【００１６】図１は超微細加工方法に使用される走査型
トンネル顕微鏡のシステムのブロックダイヤグラムであ
る。図１において、１は加工される試料、２は探針、３
は矢印で示すＸ、Ｙ、Ｚ方向に探針２を走査移動する圧
電素子を用いたアクチュエータ、４はトンネル電流を増
幅する増幅回路、５は試料１と探針２との間に電圧を与
えてトンネル電流を流すためのバイアス電源、６はトン
ネル電流を所定値に制御するためのサーボ回路、７は探
針２の走査信号を発生し、またトンネル電流の変化を探
針２の走査に同期させて試料１の表面の凹凸を表す画像
信号に変換するコンピュータ、８はコンピュータ７から
の走査信号によりアクチュエータ３を駆動する走査回路
、９は画像表示装置である。

【００１７】まず、走査型トンネル顕微鏡をハイト（Ｈ
ｅｉｇｈｔ）モードで動作させる。ハイトモードはトン
ネル電流を常に一定になるように探針２のＺ方向の高さ
を制御して試料１の表面を走査するものである。

【００１８】この場合、サーボ回路６によりアクチュエ
ータ３を制御して、探針２のＺ軸方向の距離を変化させ
てトンネル電流値が一定になるようにフィードバック制
御する。従って、ハイトモードではアクチュエータ３の
Ｚ軸方向の変位量が試料２の表面の凹凸と正確に対応す
る。

【００１９】図２にハイトモードにおけるＸ方向の走査
状態を示す。最初、試料１には図２のような断面のＺ方
向の凹凸があるものとする。これらの凹凸は原子レベル
での凹凸に対応する。

【００２０】コンピュータ７から走査信号が走査回路８
に与えられてアクチュエータ３をＸ軸のＡ地点からＥ地
点まで走査する。圧電素子を使用したアクチュエータ３
の探針のＸ、Ｙ方向の分解能は１Å程度、走査範囲は数
Å〜数十μｍ程度である。深針のＺ方向の分解能は０．
１Å程度、走査範囲は数Å〜数十μｍ程度である。トン
ネル電流の大きさは１ｎＡ〜１０ｎＡの範囲で加工程度
に従って適切な固定値が選択される。

【００２１】トンネル電流の値と探針２と試料表面との
間の距離とは対応しているため、トンネル電流が一定値
になるようにアクチュエータ３のＺ軸方向の変位量が制
御されることにより、Ｘ軸の走査期間にわたって探針２
の先端と試料１の表面間の距離も一定になる。

【００２２】すなわち、図２の点線で示すのは走査期間
における探針２の先端部の軌跡であり、これは試料１の
表面の凹凸と対応する。Ｘ軸の走査期間中で探針２ある
いはアクチュエータ３のＺ軸方向の移動量が最も大きい
のは、試料１の凸部の最も高いＣ地点か試料１の凹部の
最も低いＤ地点である。

【００２３】Ｘ軸上のＣ地点における探針２のＺ軸の位
置Ｈを保持しておき、次に高さ位置Ｈを固定したまま、
カレント（Ｃｕｒｒｅｎｔ）モードで動作させる。カレ
ントモードの場合には、探針２のＺ軸方向の位置は固定
されているため、試料１の表面の凹凸に応じて探針２と
試料面との距離が変化する。

【００２４】距離の変化はトンネル電流の変化に対応す
る。つまり、Ｚ軸方向の距離が大きくなるとトンネル電
流は減少し、Ｚ軸方向の距離が小さくなるとトンネル電
流は増大する。このカレントモードの場合にはトンネル
電流の値の変化が試料１の凹凸に対応する。

【００２５】探針２の高さ位置Ｈを固定したまま、カレ
ントモードでハイトモードと同じ走査範囲を走査させる
状態を図３に示す。カレントモードの場合、探針２と試
料面との距離が最も小さなＣ地点でトンネル電流が最も
多く流れ（例えば、１ｎＡ程度）、距離が最も大きなＤ
地点でトンネル電流が最も少なく（例えば、０．１ｎＡ
程度）流れる。試料面の内、トンネル電流がより多く流
れる部分では原子がより多く飛ばされて試料１から離脱
して、Ｃ地点のＺ軸方向の高さは低くなって他の地点の
高さと近付く。

【００２６】このカレントモードの動作を繰り返すと、
次第に試料面の突出した部分はトンネル電流により削り
取られ、その部分の距離が増加し、トンネル電流は減少
する。最終的には、カレントモードでのＸ軸の走査期間
中トンネル電流がほぼ一定値に達するまで走査を繰り返
せば、試料１の表面は図４に示すようにほぼ平坦な形状
に加工されることになる。

【００２７】Ｙ軸方向にも同様の工程を行えば２次元平
面で平坦加工が可能である。また、平坦加工した後に、
トンネル電流を制御することにより特定の範囲の領域を
他の領域よりも深く削ることも可能である。

【００２８】また走査範囲とトンネル電流の両方を制御
すれば、試料１の任意の領域を任意の深さと形状に原子
レベルの寸法精度で加工する装置とすることもできる。 以上説明した加工動作は試料１を真空中においても空気
中あるいは他の気体雰囲気中においても可能である。

【００２９】試料１としてＳｉ（シリコン）を用いて、
その表面を加工する場合には、空気中で行うと、トンネ
ル電流は電流密度が高いため（２０００〜３０００Ａ／
ｃｍ２　）、試料が加熱され試料表面のＳｉ原子が空気
中の酸素と結合してＳｉＯ２　ができてしまい、これが
絶縁膜となってトンネル電流が流れにくくなり、加工が
困難となる。

【００３０】このようなＳｉ試料の加工の場合には、ふ
っ素ラジカル雰囲気中で温度を６０Ｋ程度として加工を
行うとよい。こうすると、Ｓｉ表面にＳｉＦ（ふっ化シ
リコン）が形成されて、ＳｉＦを加工することになり、
加工が容易となる。また、低温で加工するのでＳｉＦが
飛散することもない。ふっ素の他には、塩素や臭素の雰
囲気中でも同様な効果が得られる。

【００３１】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば、
種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者
に自明であろう。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、被加工試料表面が原子
レベルで加工できる。平坦化する場合は、試料表面を極
めて均一な高さにすることができる。また、トンネル電
流は極めて小さく、加工部分以外への損傷や汚染を防止
でき、また放電加工のような特別な高電圧装置を必要と
しない。

【００３３】また、走査範囲とトンネル電流の両方を制
御すれば、試料の任意の領域を任意の深さと形状に原子
レベルの寸法精度で加工することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に用いる走査型トンネル顕微鏡
を使用した加工装置のブロックダイヤグラムである。

【図２】走査型トンネル顕微鏡によるハイトモードの動
作を説明するための図である。

【図３】走査型トンネル顕微鏡によるカレントモードの
動作を説明するための図である。

【図４】本発明による加工方法により加工された試料の
状態を示す模式図である。

【符号の説明】

１　　（加工される）試料 ２　　探針 ３　　アクチュエータ ４　　増幅回路 ５　　バイアス電源 ６　　サーボ回路 ７　　コンピュータ ８　　走査回路 ９　　画像表示装置

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　加工される試料（１）の試料面に対し
   て垂直および水平に移動可能な探針（２）を有する走査
   型トンネル顕微鏡の前記探針（２）と前記試料（１）と
   の間に流れるトンネル電流を一定に保つように前記探針
   （２）の垂直位置（Ｚ）を制御しつつ前記探針（２）を
   前記試料面に対して平行走査する工程と、前記平行走査
   工程の間に前記探針（２）が最も垂直上方に移動したと
   きの垂直位置（Ｈ）を検出する工程と、前記探針が最も
   垂直上方に移動したときの垂直位置（Ｈ）近傍を保つよ
   う前記探針（２）を制御しつつ前記平行走査工程と同じ
   走査範囲を前記探針（２）で走査してトンネル電流を流
   し、前記トンネル電流により前記試料面を加工する工程
   とを有する走査型トンネル顕微鏡による超微細加工方法
   。
2. 【請求項２】　　前記試料（１）がシリコンであり、少
   なくとも前記加工前記各工程はふっ素、塩素あるいは臭
   素のいずれかの雰囲気中で行われる請求項１記載の走査
   型トンネル顕微鏡による超微細加工方法。
3. 【請求項３】　　さらに、前記試料面を加工する工程を
   前記トンネル電流が実質的に一定となるまで繰り返す工
   程をさらに含む請求項１あるいは２記載の走査型トンネ
   ル顕微鏡による超微細加工方法。