JPH0737540A

JPH0737540A - 表面微細加工製造および記録，消去装置

Info

Publication number: JPH0737540A
Application number: JP18247093A
Authority: JP
Inventors: Hajime Koyanagi; 肇小柳
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-07-23
Filing date: 1993-07-23
Publication date: 1995-02-07

Abstract

(57)【要約】【構成】ディスク１７と、ディスク１７表面に垂直な方
向及び動径方向制御手段１８，１８′により動径方向に
それぞれ独立に動かすことが可能な導体から成る探針、
或いは多層構造として最表面に導電層１６を設けた探針
１４と水素やホウ素等のイオンを注入して導電性を持た
せたダイヤモンド製探針１と、二個の探針とディスク１
７との間に電圧を印加するための電圧印加手段６，６′
から構成される。【効果】大気中、且つ、常温下でもナノメータスケール
から原子スケールの加工，記録，消去が可能であり、絶
縁膜表面上でも可能な加工，記録，消去方式が実現され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、固体表面の微細加工及
びそれを利用した情報の記録，消去方式に係り、特に、
ナノメータスケールから原子スケールまでの表面加工
と、その記録，消去装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、情報化社会の進展は目覚ましく、
より多くの情報を記憶できる技術の開発が要求されてい
る。現在、半導体素子やファイルメモリの研究分野で
は、ナノメータスケールから原子スケールの微細化，高
密度化を可能とする技術が求められている。

【０００３】このような状況の下、将来有望な技術とし
て走査型トンネル顕微鏡（ScanningTunneling Microsco
pe；ＳＴＭ）の技術を利用したものがある。走査型トン
ネル顕微鏡に関する技術は、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ナ
ノメータスケールの表面加工及び記録，検出技術の例
は、フィジカルレビューレターズ（Physical Revie
wLetters)第６５巻第１９号（１９９０年）第２４１
８頁から第２４２１頁に示されている。そこでは、大気
中、且つ、常温下で、トンネル電流の発生に使用する金
の探針と金単結晶表面との間に電界を印加することによ
って探針先端の金原子を電界蒸発させ、その金原子が金
単結晶表面上に堆積することでナノメータスケールの金
凸構造を形成し、その凸構造をＳＴＭで読み取ることを
行っている。また原子スケールの表面加工，記録，検出
技術の例としては、ネイチャ(NATURE)第３４４巻（１９
９０年）第５２４頁から第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、探針とキセノ
ン原子との間に働くファンデルワー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Ｓ
ＴＭで検出している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前者の従来技術では、
絶縁膜表面上では使用出来ない。即ち、絶縁膜表面上に
金凸構造を形成することが出来ない。また形成した金凸
構造を基板表面上から消去することが出来ない。また大
気中でその技術を使用するためには、大気中で表面に自
然酸化膜が形成されない金，白金等の特定の材料が基板
表面として必要になり、応用面で問題がある。また後者
の従来技術でも、同様に応用面での問題がある。またニ
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、常温や大気
中では使用出来ないという実用上大きな問題がある。

【０００６】本発明の目的は、新規なナノメータスケー
ルから原子スケールの加工，記録，消去方式を提供する
ことにある。即ち、大気中且つ常温下でもナノメータス
ケールから原子スケールの加工，記録，消去が可能であ
り、且つ絶縁膜表面上でも可能な加工，記録，消去装置
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、本発明では次のような手段が提供される。

【０００８】走査型プローブ顕微鏡及び応用装置におい
て、凸構造を持つ試料表面と、導電性の探針或いは多層
構造として最表面に導電層を設けた探針との距離を一定
に制御している過程で、前記探針が前記凸構造の直上に
位置した時に、前記探針と該試料との間に電圧を印加す
る手段を構成して、前記凸構造を小さくする、もしくは
除去する。

【０００９】また前記消去装置において、前記探針を、
水素あるいはホウ素等のイオンを注入して導電性を持た
せたダイヤモンド製探針とする。

【００１０】また前記消去装置において、前記試料表面
上に凸構造を形成する手段を併用する。

【００１１】また前記表面加工，消去装置において、前
記試料表面上に凸構造を形成する手段を、導電性の探針
或いは多層構造として最表面に導電層を設けた探針と前
記試料表面との距離を一定に制御している過程で、前記
探針と前記試料との間に電圧を印加する手段とする。

【００１２】また前記表面加工，消去装置において、試
料表面上に凸構造を形成するための探針と、凸構造を除
去するための探針とをそれぞれ複数個持つ。

【００１３】また前記表面加工，消去装置において、試
料表面上での凸構造の形成及び除去を回転座標系で行
う。

【００１４】また前記表面加工，消去装置において、試
料をディスク状とする。

【００１５】更に前記表面加工，消去装置において、試
料表面上の凸構造の有無を２進情報の“１”，“０”に
対応させる。

【００１６】

【作用】探針を多層構造として最表面に導電層を設ける
ことは探針先端に電荷を供給するように作用し、またそ
の導電層は試料表面への物質供給源となるように作用す
る。

【００１７】また導電性探針と試料との間に電圧を印加
することは、電流効果、或いは電界効果、或いはそれら
の二次的な効果により試料表面上での凸構造の形成及び
除去を行わせるように作用する。

【００１８】また導電性探針と試料との間に作用する原
子間力を検出して導電性探針と試料表面の距離を制御
し、導電性探針と試料の間に電圧を印加することは、絶
縁性の試料表面上での凸構造の形成及び除去を可能にす
るように作用する。

【００１９】また、導電性探針、或いはイオンを注入し
て導電性を持たせたダイヤモンド製探針が、試料表面上
の凸構造の直上に位置した時に、その探針と試料表面と
の間に電圧を印加することは、電流効果、或いは電界効
果、或いはそれらの二次的な効果により凸構造を小さく
する、或いは除去するように作用する。

【００２０】更に試料表面上の凸構造の有無を記録単位
の“１”，“０”に対応せしめることにより、情報記録
装置として応用することができる。

【００２１】以上の作用により、大気中、且つ、常温下
でもナノメータスケールから原子スケールの加工，記
録，消去が可能であり、且つ絶縁膜表面上でも可能な加
工，記録，消去方式が実現される。

【００２２】

【実施例】

（実施例１）図１に本発明の一実施例である消去表面微
細加工装置の構成を示す。これは原子間力顕微鏡(Atomi
c Force Microscope；ＡＦＭ）の原理を応用した場合を
示している。原子間力顕微鏡の技術は、フィジカルレ
ビューレターズ（PhysicalReview Letters）第５６巻
（１９８６年）第９３０頁にある。

【００２３】探針１は水素やホウ素等のイオンを注入し
て導電性を持たせたダイヤモンド製探針であり、導電性
を持ったカンチレバー２の先端に設けられている。試料
４は、Ａｕ単結晶基板やグラファイトやモリブデナイト
のような導電性の表面を持つ導体基板、或いはＡｌ，Ｓ
ｎ等の単結晶基板のような大気中で表面に自然酸化膜が
形成され、絶縁性の表面を持つ導体基板、或いは大気中
で表面に自然酸化膜が形成され、絶縁性の表面を持つＳ
ｉウェハ等の半導体基板を選択することができる。この
実施例及び以下の実施例では試料４としてＳｉウェハを
用いた場合を示す。Ｓｉウェハは大気中で表面にＳｉＯ
₂から成る絶縁膜５が厚さ２ｎｍ程度形成される。

【００２４】探針１を試料４表面に接近させるとそれら
の間に原子間力が作用する。この時、ＸＹ走査回路１１
とＸＹ走査手段１０によって探針１を試料４表面上で相
対的に走査し、探針１と試料４の間に作用する原子間力
をカンチレバー２のたわみとしてたわみ検出器７で検出
し、Ｚ方向サーボ回路８とＺ方向制御手段９によって探
針１を試料４表面上で相対的に上下させ、原子間力が一
定になるように制御する。探針１のＸＹ走査の各点にお
ける探針１の上下動をコンピュータ１２を通して表示装
置１３に表示する。

【００２５】この過程において、探針１が試料４表面上
の凸構造３の直上に位置した時に、探針１と試料４表面
との間に電圧印加手段６により電圧をパルス状に印加す
る。このパルス印加に伴う電流効果、或いは電界効果、
或いはそれらの二次的な効果により試料４表面上の凸構
造３は小さくなる、或いは除去される。この動作によ
り、大気中、常温下で絶縁膜５上のナノメータスケール
から原子スケールの凸構造３を除去することが可能とな
り、ナノメータスケールから原子スケールの表面加工装
置が実現される。

【００２６】（実施例２）図２に本発明の他の実施例で
ある表面微細加工装置の構成を示す。探針１４は半導体
プロセスで作製され、カンチレバー１５と一体となって
おり、その寸法は長さが数１００μｍ，厚みが数μｍで
あり、探針１４の先端曲率半径は集束イオンビーム加工
を行うことにより数１０ｎｍになる。探針１４及びカン
チレバー１５は通常ＳｉＯ₂，Ｓｉ₃Ｎ₄等の絶縁性材料
から成るので、Ａｕ，Ｐｔ等の導電性材料で被覆するこ
とにより表面に厚さ１００ｎｍ程度の導電層１６を設
け、探針１４先端に電荷を供給できるようにする。Ｓｉ
ウェハをディスク状に形成したＳｉ製ディスク１７は回
転手段１９によって回転できるような構成になってい
る。ダイヤモンド製探針１と探針１４を図２のようにデ
ィスク１７上でそれぞれ対向させて配置する。

【００２７】探針１４に作用する原子間力を検出して探
針１４とディスク１７との間隔を一定に制御する過程に
おいて、電圧印加手段６′で探針１４に電圧をパルス状
に印加する。このパルス印加に伴う電流効果、或いは電
界効果、或いはそれらの二次的な効果により探針１４先
端で導電層１６から導電性材料をディスク１７表面上に
付着させる。

【００２８】また、ダイヤモンド製探針１に実施例１の
凸構造の消去を行わせる。

【００２９】以上の動作により、大気中、常温下で絶縁
膜５上にナノメータスケールから原子スケールの導体材
料から成る凸構造３を形成或いは消去することが可能と
なり、ナノメータスケールから原子スケールの表面加
工，消去方式が実現される。

【００３０】またディスク１７上の凸構造３の有無を記
録単位の“１”，“０”に対応させることにより、ナノ
メータスケールから原子スケールの記録，消去が可能と
なる。また再生は、ディスク１７とダイヤモンド製探針
１或いは探針１４の間に作用する原子間力を検出するこ
とで行うことができる。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、大気中、且つ、常温下
でもナノメータスケールから原子スケールの加工，記
録，消去が可能であり、且つ絶縁膜表面上でも可能な加
工，記録，消去方式が実現される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による消去方式を表すブロック図。

【図２】本発明による表面微細加工，記録，消去方式を
表すブロック図。

【符号の説明】

1…ダイヤモンド製探針、２…導電性カンチレバー、３
…凸構造、４…試料、５…絶縁膜、６，６′…電圧印加
手段、７，７′…たわみ検出器、８，８′…Ｚ方向サー
ボ回路、９，９′…Ｚ方向制御手段、１０…ＸＹ走査手
段、１１…ＸＹ走査回路、１２…コンピュータ、１３…
表示装置、１４…探針、１５…カンチレバー、１６…導
電層、１７…ディスク、１８，１８′…動径方向制御手
段、１９…回転手段。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】導電性の探針或いは多層構造として最表面
に導電層を設けた探針と、前記探針と凸構造を持つ試料
表面との距離を一定に制御する手段と、前記制御の過程
で、前記探針が前記凸構造の直上に位置した時に、前記
探針と前記試料との間に電圧を印加する手段を有し、前
記試料面上の前記凸構造を加工することを特徴とする表
面微細加工装置。
【請求項２】請求項１において、前記探針は、水素ある
いはホウ素等のイオンを注入して導電性を持たせたダイ
ヤモンドからなる表面微細加工装置。
【請求項３】請求項１または２において、前記試料表面
上に前記凸構造を形成する手段を付加してなる表面微細
加工装置。
【請求項４】請求項３において、前記試料表面上に前記
凸構造を形成する手段は、導電性の探針或いは多層構造
として最表面に導電層を設けた探針と前記試料表面との
距離を一定に制御する手段と、前記制御の過程で、前記
探針と前記試料との間に電圧を印加する手段を有してな
る表面微細加工装置。
【請求項５】請求項４において、前記試料表面上に前記
凸構造を形成するための探針と、前記凸構造を除去する
ための探針とをそれぞれ複数個持つ表面微細加工装置。
【請求項６】請求項１，２，３，４または５において、
前記試料表面上での前記凸構造の形成及び除去を回転座
標系で行う表面微細記録，消去装置。
【請求項７】請求項６において、前記試料をディスク状
とする表面微細記録，消去装置。
【請求項８】請求項１，２，３，４，５，６または７に
おいて、前記試料表面上の前記凸構造の有無を２進情報
の“１”，“０”に対応させる表面微細記録，消去装
置。