NL8802335A

NL8802335A - Werkwijze en inrichting voor het op sub-mikron schaal bewerken van een materiaal-oppervlak.

Info

Publication number: NL8802335A
Application number: NL8802335A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1988-09-21
Filing date: 1988-09-21
Publication date: 1990-04-17
Also published as: CN1041468A; CN1020976C; EP0360337A2; US5038322A; BR8904687A; JPH02116044A; EP0360337A3; AU4155189A; KR900005391A

Description

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het op sub-mikron schaal deformeren van een materiaal-oppervlak met behulp van een naaldpunt van een raster-tunnelmikroskoop, waarbij de besturingsmiddelen voor het bewegen van de naaldpunt in een aftastrichting evenwijdig aan het oppervlak worden gebruikt om de naaldpunt een baan in een vlak evenwijdig aan het oppervlak te laten beschrijven overeenkomstig het gewenste bewerkingspatroon in dit oppervlak en tijdens het beschrijven van deze baan de naaldpunt op een referentieniveau met een konstante afstand tot het oppervlak gehouden wordt met behulp van een eerste elektrische stuurspanning aangelegd aan een naaldpunthoogte-aandrijver welke spanning geleverd wordt door een tegengekoppelde regellus die gestuurd wordt door een tunnelstroom tussen de naaldpunt en het oppervlak, welke stroom het gevolg is van een tussen het oppervlak en de naaldpunt aangelegde, konstante, tunnelspanning. De uitvinding heeft ook betrekking op een inrichting voor het uitvoeren van de werkwijze, op een werkwijze voor het inschrijven van informatie, op een inrichting voor het inschrijven en uitlezen van informatie en op een registratiedrager ingeschreven met behulp van de werkwijze en inrichting.

De raster-tunnelmikroskoop, ook wel STM (van: “Scanning Tunneling Microscope") genoemd, wordt sinds enige tijd met groot succes ingezet voor de bestudering op atomaire schaal van oppervlakte strukturen. Deze mikroskoop bevat een dunne naald van bijvoorbeeld Wolfraam met een zeer fijne punt, welke naald gemonteerd is op een, bijvoorbeeld met piëzo-elektrische aandrijvers gekontroleerde, positioneerinrichting waarmee de naaldpunt zeer nauwkeurig gepositioneerd kan worden in drie onderling loodrechte richtingen, waarvan er twee (de X- en Y-richting) gelegen zijn in een vlak evenwijdig aan het te onderzoeken oppervlak en de derde (de Z-richting) loodrecht op dit oppervlak is. Daarbij is het mogelijk de naaldpunt met een nauwkeurigheid van bijvoorbeeld 0,01 nanometer te positioneren.

De Z- of naaldpunthoogte-aandrijver is een instelelement waarmee de afstand tussen de naaldpunt en het materiaal-oppervlak ingesteld kan worden. Deze aandrijver kan verbonden zijn met de naald voor het bewegen van de naaldpunt ten opzichte van het oppervlak of verbonden zijn met een houder voor het materiaal om dit materiaal ten opzichte van de naaldpunt te bewegen.

Tijdens het aftasten van het te onderzoeken, elektrisch geleidend, oppervlak wordt de afstand tussen de naaldpunt en dit oppervlak konstant gehouden met behulp van de naaldpunt-aandrijver voor de Z-richting. Deze aandrijver wordt gestuurd door een tegengekoppelde regellus. De afstand tussen de naaldpunt en het oppervlak is zo klein, bijvoorbeeld in de orde van 0,5 nanometer, dat bij het aanleggen van een bepaalde spanning, de zogenaamde tunnelspanning, tussen de naaldpunt en het oppervlak er een zogenaamde tunnelstroom tussen deze elementen gaat lopen. Deze tunnelstroom wordt in de servolus vergeleken met een referentiestroom die bepaald wordt door de gewenste afstand tussen de naaldpunt en het oppervlak. Het zo verkregen signaal wordt gebruikt om de Z-positie van de naaldpunt bij te regelen zodanig dat de tunnelstroom gelijk is aan de referentiestroom, en dus de afstand tussen de naaldpunt en het oppervlak gelijk is aan de gewenste afstand. De beweging van de naaldpunt ten opzichte van het oppervlak in een richting evenwijdig aan dit oppervlak, ten behoeve van het aftasten van dit oppervlak, wordt gerealiseerd met behulp van de twee andere aandrijvers, de X- en Y-aandrijvers.

Bij het onderzoek van materiaal-oppervlakken wordt een signaal dat evenredig is met het stuursignaal voor de naaldpunthoogte-aandrijver voor de Z-richting gebruikt om de verandering in de afstand tussen de naaldpunt en het oppervlak als funktie van de X- en Y-positie van de naaldpunt weer te geven, en dus een beeld van de oppervlakte topologie te verkrijgen.

Meer recent zijn experimenten om de naaldpunt van een raster-tunnelmikroskoop ook te gebruiken om deformaties in een oppervlak aan te brengen. Een van deze experimenten is beschreven in het artikel: "Surface Modification with the Scanning Tunneling Microscope" in "IBM Jour. Res. Dev.,“ Vol. 30, nr. 5, september 1986, pag. 492-9. Daarbij werd de naaldpunt tegen een oppervlak van goud, een zacht materiaal, gedrukt en werd gekonstateerd dat een oppervlakte vervorming ontstaat met een diameter in de orde van 15 nm. Er wordt verder uitgesproken dat deze techniek potentieel bruikbaar is in massagegeheugen systemen en voor bewerkingen óp mikro schaal. Bij deze werkwijze treedt echter behalve de gewenste vervorming een additionele oppervlakte vervorming op tot op een afstand van 70 nm van het centrum van de gewenste vervorming. Weliswaar is de additionele vervorming niet stabiel en herstelt het oppervlak zich ter plaatse weer, maar dat vraagt een relatief lange tijd, in de orde van 17 minuten. Dat betekent dat indien men een aantal vervormingen dicht bij elkaar op het oppervlak wil aanbrengen er een voor de praktijk ontoelaatbare lange wachttijd tussen het aanbrengen van de opeenvolgende vervormingen in acht genomen moet worden omdat in het gebied van de instabiele additionele vervorming niet gewerkt kan worden. Bovendien is nog onduidelijk hoe een eerste vervorming zich gedraagt indien op korte afstand daarvan een tweede vervorming wordt aangebracht, zelfs na het verdwijnen van de additionele vervorming. Indien men in het oppervlak informatie wil inschrijven in de vorm van discrete op afstand van elkaar gelegen informatiegebiedjes zou de lange wachttijd vermeden kunnen worden door na het aanbrengen van een eerste informatiegebiedje de naaldpunt snel naar een lokatie buiten de additionele vervorming te brengen en daar het volgende informatiegebiedje aan te brengen. Dan wordt echter geen optimaal gebruik gemaakt van de potentieel zeer hoge informatiedichtheid van een geheugensysteem met een raster-tunnelmikroskoop.

De onderhavige uitvinding heeft ten doel een werkwijze te verschaffen die bovengenoemde nadelen niet vertoont, met welke werkwijze, in kombinatie met tot nu toe niet voor bewerkingen met een tunnelmikroskoop gebruikte materialen, oppervlakte deformaties tot stand gebracht kunnen worden die stabiel in de tijd zijn. Deze werkwijze vertoont het kenmerk, dat een oppervlakte deformatie tot stand gebracht wordt door de genoemde tegengekoppelde regellus te onderbreken, de naaldpunthoogte-aandrijver te bekrachtigen met een tweede elektrische stuurspanning waarvan de amplitude in de tijd toeneemt en een voorafbepaalde eindwaarde heef, als gevolg waarvan de naaldpunt vanaf het referentieniveau tot een gedefinieerde diepte in het materiaaloppervlak gedrukt wordt waardoor een putje met nauwkeurig gedefinieerde geometrie ontstaat, vervolgens de naaldpunt tot boven het oppervlak terug getrokken wordt en de tegengekoppelde regellus weer ingeschakeld wordt zodat de naaldpunt eerst weer op het referentieniveau gebracht wordt, alvorens een volgend putje aangebracht wordt.

Op deze wijze kunnen in materialen die niet zo gemakkelijk vloeien als, minder diffusie vertonen en harder zijn dan, goud putjes gevormd worden die stabiel zijn in de tijd.

De uitvinding berust op het inzicht dat met veel voordeel gebruik gemaakt kan worden van het zeer verrassende, tegen alle verwachtingen in optredenden, effekt dat de naaldpunt met een diameter van enkele nanometers, niet afbreekt of slijt indien hij in het harde materiaal gestoken wordt, maar juist aangescherpt wordt.

Opgemerkt wordt dat in het artikel "Surface Modification in the Nanometer range by the Scanning Tunneling Microscope" in "Journ. Vac. Sci. Technology", A6(2) pag. 537-539 (1988) een experiment beschreven is om met behulp van de naaldpunt van een raster-tunnelmikroskoop oppervlakte deformaties aan te brengen in een materiaal da harder is dan goud, namelijk in een metallisch glas. Tijdens het aanbrengen van de deformaties blijft de tegengekoppelde regellus voor de naaldpunthoogte ingeschakeld. Indien de naaldpunt aangekomen is op een lokatie waar een deformatie moet worden aangebracht, wordt de spanning tussen de naaldpunt en het oppervlak vergroot tot twee Volt en bovendien wordt de tunnelstroom vergroot tot ongeveer driehonderd nA waarop deze stroom begint te oscilleren. Na ongeveer drie seconden wordt de stroom weer verkleind en kan gekonstateerd worden dan een heuveltje met een diameter van 30 nm en een hoogte van 15 mm is gevormd. Als verklaring voor dit verschijnsel wordt gegeven dat onder de naaldpunt een hoeveelheid materiaal gesmolten is en dat dit materiaal naar de naaldpunt getrokken wordt vanwege het sterke elektrische veld tussen het oppervlak en de naaldpunt, welk elektrisch veld ook nog aanwezig is gedurende de afkoeling van het gesmolten materiaal. Zowel de werkwijze als de verkregen deformaties volgens de uitvinding zijn verschillend van die beschreven in het laatstgenoemde artikel.

De werkwijze volgens de uitvinding vertoont bij voorkeur als verder kenmerk, dat de tweede elektrische stuurspanning wordt verkregen door het sommeren van de momentane waarde die de eerste stuurspanning heeft op het moment dat de tegengekoppelde regellus onderbroken wordt en een derde spanning waarvan de amplitude in de tijd toeneemt en een vooraf bepaalde eindwaarde heeft.

Doordat de momentane waarde die de eerste stuurspanning heeft op het moment dat de vorming van een putje start bewaard blijft tot na de vorming van dat putje, wordt bereikt dat onmiddellijk na de putvorming de naaldpunt weer op het referentieniveau komt.

De werkwijze volgens de uitvinding kan in principe op talrijke materialen toegepast worden. Een voorkeursuitvoeringsvorm van de werkwijze vertoont als verder kenmerk dat het materiaal silicium is. Dit materiaal heeft een relatieve grote hardheid en vertoont een voldoende groot elektrisch geleidingsvermogen voor het realiseren van een, voor de naaldpunthoogte regeling vereiste, tunnelstroom.

In het genoemde artikel in: "Journ. Vac. Sci. Technology" A6(2) (1988), pag. 537-539 wordt opgemerkt dat met de daarin beschreven werkwijze ook lijnen gevormd kunnen worden. Deze lijnen vertonen echter een onregelmatige geometrie en zijn verstoord als gevolg van thermische drift. Daarentegen is de werkwijze volgens de uitvinding goed geschikt om lijnen of sporen in een materiaal-oppervlak aan te brengen indien deze werkwijze als verder kenmerkt vertoont, dat een aantal putjes aangebracht wordt zodanig dat de onderlinge afstand tussen hun centra kleiner is dan de afmeting van een putje in de aftastrichting van de naaldpunt, De zo gevormde in elkaar overlopende putjes vormen dan een spoor met regelmatige geometrie. Deze werkzijze is uitermate geschikt voor het vervaardigen van oppervlakte strukturen met extreem kleine details die met konventionele werkwijzen niet meer vervaardigd kunnen worden. Een belangrijke toepassing van deze werkwijze ligt op het gebied van de fabrikage van geïntegreerde schakelingen, waarbij strukturen rechtstreeks op een silicium substraat aangebracht kunnen worden of eerste aangebracht worden op een masker dat naderhand op het substraat gekopieerd wordt.

Vanwege de zeer kleine en goed gedefinieerde putjes die gevormd kunnen worden is een uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding uitermate geschikt om informatie in te schrijven in een registratiedrager. Deze uitvoeringsvorm vertoont als verder kenmerk, dat een, de in te schrijven informatie representerend, elektrisch signaal wordt gebruikt voor het in de tijd sturen van de beweging die de naaldpunt in de aftastinrichting uitvoert en voor het bepalen van de tijdstippen waarop de naaldpunthoogte regellus onderbroken, respektievelijk gesloten, wordt en waartussen de genoemde tweede stuurspanning aan de naaldpunthoogte-aandrijver aangelegd is.

De met behulp van deze werkwijze ingeschreven registratiedrager kan uitgelezen worden met dezelfde raster-tunnelmikroskoop die gebruikt is bij het inschrijven van de informatie. Tijdens het uitlezen kan de mikroskoop op de bekende manier bedreven worden dat wil zeggen met konstant gehouden tunnelstroom. Daarbij is de variatie van de stuurspanning voor de Z-aandrijver representatief voor het uitgelezen signaal. Onder omstandigheden verdient het de voorkeur om het ingeschreven gebied van de registratiedrager af te tasten met konstante stuurspanning voor de Z-aandrijver, dus met een konstante hoogte van de naaldpunt. Dan representeert de variërende tunnelstroom de uitgelezen informatie. De naaldpunt wordt dan tijdens de aftasting niet in de Z-richting bewogen en er kan met grote snelheid worden afgetast.

Opgemerkt wordt dat het uit het Amerikaanse oktrooischrift 4.575.822 op zichzelf bekend is een raster-tunnelmikroskoop te gebruiken voor het uitlezen van informatiegebiedjes in een registratiedrager. In dit oktrooischrift wordt relatief uitvoerig beschreven hoe de informatiegebiedjes ingeschreven kunnen worden in de vorm van ladingspakketjes tussen twee lagen van een meerlagige registratiedrager. Er wordt ook gesteld dat de informatiegebiedjes de vorm van physieke verstoringen van het oppervlak kunnen hebben, welke verstoringen aangebracht kunnen worden door physiek kontakt tussen een zogenaamde physieke tastpen en het oppervlak, maar dat is slechts een opmerking die niet verder uitgewerkt wordt. Zo wordt er bijvoorbeeld niet gesteld dat de tastpen gevormd wordt door de naald van de tunnelmikroskoop. Het Amerikaanse oktrooischrift 4.575.822 openbaart niet de gedachte om de naaldpunt op gedefinieerde wijze, door middel van een speciale sturing, in het registratiedrager oppervlak te drukken, daarbij een effektief gebruik makende van het gebleken verrassende feit dat de naaldpunt niet slijt.

De uitvinding heeft ook betrekking op een nieuwe registratiedrager die ingeschreven is met behulp van de werkwijze volgens de uitvinding. Deze registratiedrager, die evenals bekende registratiedrager voorzien is van volgens sporen gerangschikte informatiegebiedjes waarbij de informatie is vastgelegd in de opeenvolging van de informatiegebiedjes in de spoorrichting, vertoont als kenmerk, dat de informatiegebiedjes worden gevormd door putjes in een materiaal-oppervlak, welke putjes een uniforme geometrie met een o oppervlakte kleiner dan 0,01 μια hebben.

De uniforme putjes zijn bijvoorbeeld rond met een diameter van 10 nm. Dat betekent dat een informatie-eenheid, of -bit, van de nieuwe registratiedrager een oppervlak van bijvoorbeeld

O

10 x 10 nnr inneemt. Voor een optisch uitleesbare registratiedrager, zoals de bekende "Compact Disc", geldt dat een informatiebit een oppervlak van ongeveer 1 x 1 ynr inneemt. Door toepassing van de onderhavige uitvinding kunnen dus registratiedragers ingeschreven en uitgelezen worden waarvan de informatiedichtheid in de orde van 10.000 x groter is dan die van de bekende registratiedragers.

De uitvinding heeft verder betrekking op een inrichting voor het uitvoeren van de nieuwe wijze van deformeren van een materiaaloppervlak. Deze inrichting bevat een houder voor het opnemen van het te bewerken materiaal, een dunne geleidende naald, een eerste en tweede aandrijver voor het verplaatsen van de naald en de houder ten opzichte van elkaar in twee onderling loodrechte richtingen evenwijdig aan het vlak van de houder, een naaldpunthoogte-aandrijver voor het instellen van de afstand tussen de naaldpunt en het materiaal-oppervlak en een elektronische tegengekoppelde regellus voor het leveren van een eerste stuurspanning aan de naaldpunthoogte-aandrijver en is gekenmerkt door een elektronisch circuit dat voorzien is van een ingang voor het ontvangen van een elektrisch signaal dat informatie bevat over een op het oppervlak aan te brengen patroon, van een eerste en tweede uitgang voor het leveren van een eerste en tweede stuursignaal die verbonden zijn met de eerste en tweede aandrijver en van een derde uitgang voor het gedurende bepaalde tijdsintervallen leveren van een signaal, ter tijdelijke onderbreking van de naaldpunthoogte-regellus, en door een spanningsbron die gedurende de genoemde tijdsintervallen een tweede stuurspanning voor de naaldpunthoogte-aandrijver levert van welke tweede stuurspanning de amplitude in de tijd toeneemt tot een voorafbepaalde eindwaarde die groter is dan die van de eerste stuurspanning.

Een voorkeursuitvoeringsvorm van de Z-inrichting vertoont als kenmerk, dat naaldpunthoogte-regellus voorzien is van bemonster- en houdcircuit waarvan een stuuringang verbonden is met de derde uitgang van het elektronische circuit, dat de uitgang van de naaldpunthoogte-regellus verbonden is met een eerste ingang van een sommator waarvan een tweede ingang verbonden is met een synchroon met het bemonster- en houdcircuit gestuurde spanningsbron die een spanning met toenemende amplitude levert, en dat de uitgang van de sommator met de naaldpunthoogte-aandrijver verbonden is.

De uitvinding heeft ook betrekking op een apparaat voor het inschrijven en uitlezen van informatie in de vorm van een opeenvolging van, van elkaar gescheiden, informatieputjes in een registratiedrager oppervlak, welk apparaat voorzien is van de hierboven genoemde inrichting voor het inschrijven van informatie. Dit apparaat vertoont als kenmerk, dat het uitleesgedeelte van het apparaat wordt gevormd door de genoemde inrichting waarin de naaldpunthoogte-aandrijver wordt gestuurd door slechts de genoemde eerste stuurspanning of een konstante stuurspanning.

Indien de naaldpunthoogte-aandrijver wordt gestuurd door de eerste stuurspanning representeert de variatie van deze spanning de uitgelezen informatie. Bij het sturen van deze aandrijver met een konstante stuurspanning representeert de variatie van de tunnelstroom de uitgelezen informatie.

De uitvinding zal nu worden toegelicht aan de hand van de tekening. Daarin tonen:

Figuur 1 het principe van een bekende raster-tunnelmikroskoop,

Figuur 2 schematisch, een uitvoeringsvorm van een inrichting volgens de uitvinding,

De Figuren 3a, 3b en 3c respektievelijk het verloop van een aan de inschrijfinrichting aangeboden informatiesignaal en de daarbij behorende stuurspanning van de naaldpunthoogte-aandrijver, beide als funktie van de tijd, en de daarbij behorende putjes in de registratiedrager,

De Figuren 4a, 4b en 4c verschillende patronen die volgens de uitvinding in een materiaal-oppervlak aangebracht kunnen worden, en

Figuur 5 de opbouw van een volgens de uitvinding in een materiaal-oppervlak gevormde spoor.

Voor een beter begrip van de onderhavige uitvinding zal eerst in het kort worden ingegaan op het principe van de bekende raster-tunnelmikroskoop die gebruikt worden voor het onderzoek van materiaaloppervlakken. Het blokdiagram van figuur 1 toont de essentiële onderdelen van een dergelijke mikroskoop, die uitvoerig beschreven is in bijvoorbeeld het Amerikaanse oktrooischrift 4,343,993.

In figuur 1 is 15 een te onderzoeken voorwerp dat op een tafel of houder 4 aangebracht is. Boven dit voorwerp bevindt zich een geleidende naald 5 met een zeer fijne punt die fungeert als eerste elektrode. Het eveneens geleidende voorwerp 15 vormt een tweede elektrode. Duidelijkheidshalve zijn de beide elektroden overdreven groot weergegeven. De naaldpunt en het voorwerp kunnen in drie onderling loodrechte richtingen ten opzichte van elkaar bewogen worden, hetgeen schematisch is aangegeven door het assenkruis XYZ. Daartoe is de mikroskoop voorzien van een samengesteld positioneringsstelsel bestaande uit drie, onafhankelijk van elkaar bedreven, aktuatoren, of aandrijvers, 6, 7 en 8. Deze aandrijvers bestaan bij voorkeur uit piëzo-elektrische elementen waarmee minimale verplaatsingen in de orde van honderdsten van nanometers gerealiseerd kunnen worden. De aandrijvers 6 en 7 bewegen de naaldpunt 14 en de tafel 4 ten opzichte van elkaar in de X- en Y-richting. Deze elementen kunnen de tafel verplaatsen ten opzichte van de naaldpunt, bij voorkeur echter wordt de naaldpunt ten opzichte van de tafel bewogen. Met de piëzo-elektrische aandrijver 8 kan de afstand tussen de naaldpunt en het materiaal-oppervlak, in de Z-richting, ingesteld. De aandrijver 8 kan verbonden zijn met de naald 5 voor het bewegen van deze naald ten opzichte van de tafel 4. Het is ook mogelijk dat de aandrijver 8 verbonden is met de tafel 4 voor het bewegen van deze tafel ten opzichte van de naald 5. De naald is elektrisch geïsoleerd van de aandrijvers 6, 7 en 8.

De naald 5 met de aandrijvers en de tafel met het materiaal 15 kunnen aangebracht zijn in een kamer 1 waarin een hoog vakuüm gerealiseerd kan worden met behulp van een vakuümpomp 2.

Verder kan deze kamer op een lage temperatuur houden worden met behulp van een koeler 3, bijvoorbeeld een kryogene koeler. Een raster-tunnelmikroskoop kan echter ook in lucht bedreven worden zonder vakuüm en koeling.

De tunnel-mikroskoop is verder voorzien van een elektronisch stuur- en meetcircuit 9. Dit circuit levert de stuurspanningen voor de X- en Y-aandrijvers 6 en 7 en meet de verplaatsingen die door deze aandrijvers tot stand gebracht worden.

Tevens levert het circuit 9 een stuurspanning voor de Z- of naaldpunthoogte-aandrijver zodanig dat de naaldpunt zo dicht bij, bijvoorbeeld op een afstand inde orde van 0,1 tot 1 nm., het materiaaloppervlak wordt geplaatst dat tussen de naaldpunt en het oppervlak elektronen kunnen oversteken indien een spanning, in deze beschrijving tunnelspanning genoemd, tussen de naaldpunt en het materiaal-oppervlak wordt aangelegd. Deze spanning wordt geleverd door het stuur- en meetcircuit 9, zoals in figuur 1 is aangêgeven.

Omdat de tunnelstroom sterk afhankelijk is van de afstand tussen de naaldpunt en het oppervlak meet de Z-instelling van de naaldpunt met zeer grote nauwkeurigheid geschieden, bijvoorbeeld tot 0,01 nm nauwkeurig om een voldoende resolutie te verkrijgen.

Bij het onderzoek van materiaal-oppervlakken kan de tunnelmikroskoop in diverse modes bedreven worden, bijvoorbeeld met konstante tunnelstroom of met konstante Z-stuurspanning. Voorlopig kan volstaan worden met een beschrijving van de eerstgenoemde mode. Bij het aanleggen van een konstante tunnelspanning gaat er een tunnelstroom lopen indien de afstand tussen de naaldpunt 4 in het oppervlak voldoende klein is. Zolang de naaldpunt nog een vlak gedeelte van het oppervlak aftast blijft de tunnelstroom konstant. Beweegt de naaldpunt echter over een deformatie, bijvoorbeeld een kuiltje of een heuveltje dan heeft de tunnelstroom vanwege de verandering in de afstand tussen de naaldpunt en het oppervlak, de neiging sterk te veranderen. De tunnelstroom wordt echter in het elektronische circuit 9 gemeten en vergeleken met een in dit circuit opgewekte referentiestroom, die representatief is voor de gewenste hoogte van de naaldpunt boven het oppervlak. Het resultaat van deze vergelijking wordt in de vorm van een elektrisch signaal toegevoerd aan een kontrole circuit 10 voor de Z-aandrijver. Deze regelt de hoogte van de naaldpunt bij zodanig dat de tunnelstroom gelijk blijft aan de referentiestroom. De Z-verplaatsing van de naaldpunt wordt bepaald uit het signaal toegevoerd aan de Z-aandrijver. Uit deze informatie tesamen met de informatie over die X- en Y-posities van de naaldpunt waarvoor dergelijke veranderingen in Z-positie optreden kan in een signaalverwerkingseenheid 11 een "tunnelbeeld" van het afgetaste oppervlak worden samengesteld, welk beeld zichtbaar gemaakt kan worden met behulp van een schrijver 12 of een beeldscherm 13.

Volgens de uitvinding kunnen oppervlakte deformaties met een konstante en zeer nauwkeurig bepaalde geometrie in het materiaaloppervlak aangebracht worden door de naaldpunt van de beschreven tunnelmikroskoop in dit oppervlak te drukken.

Figuur 2 toont schematisch een gemodificeerde tunnelmikroskoop waarmee deze werkwijze uitgevoerd kan worden. In deze figuur is 15 weer het oppervlak waarin deformaties, bijvoorbeeld informatiegebiedjes 21, aangebracht moeten worden en 14 de punt van de geleidende naald 5 die bevestigd is op het positioneerstelsel. Dit stelsel bestaat bijvoorbeeld uit drie afzonderlijke piëzo-elementen 6, 7 en 8, die verschillende vormen kunnen hebben, of uit één enkel piëzo-element bijvoorbeeld in de vorm van een cylinder waarop verschillende elektrodenparen voor de verschillende bewegingsrichtingen aangebracht zijn. Door variatie van de aan de aandrijvers 6, 7 en 8 aangelegde stuurspanningen Vpx, Vpy en Vpz kunnen de lengtes van deze elementen veranderd worden, waardoor de naaldpunt 14 in de X-, Y- en Z-richtingen ten opzichte van het materiaaloppervlak 15 bewogen kan worden.

Nadat het te bewerken materiaal op de tafel 4 is aangebracht wordt met een niet weergegeven vóórstelinrichting er voor gezorgd dat de naaldpunt gericht is op een bepaalde XY-beginpositie op het materiaaloppervlak. Tevens wordt de naaldpunt op zeer korte afstand tot dit oppervlak gebracht. Indien de spanningsbron 16 die een tunnelspanning, in de vorm van een gelijkspanning van bijvoorbeeld 1 Volt, levert op de naald en het oppervlak aangesloten is gaat een tunnelstroom lopen die gemeten kan worden met de stroomsensor 17. Dan kan het materiaaloppervlak afgetast worden onder handhaving van een konstante afstand tussen de naaldpunt en het oppervlak. Daartoe is de bewerkingsinrichting voorzien van een regelcircuit 18, dat deel is van het circuit 9 in figuur 1.

Het regelcircuit 18 bevat een verschilversterker 19 aan een eerste ingang waarvan de tunnelstroom It wordt toegevoerd. Aan de tweede ingang van deze versterker is een referentiestroom Iref gelegd die evenredig is met de gewenste afstand tussen de naaldpunt en het materiaal-oppervlak en welke stroom geleverd wordt door een referentiebron 20. Het uitgangssignaal van de versterker 19 kan door een integrator 21 gestuurd worden alvorens het als stuurspanning Vpz,1, aan de Z-aandrijver 8 wordt toegevoerd. In het regelcircuit kan nog een hoogspanningsversterker 23 aangebracht zijn.

Bij het inschrijven van informatie in de vorm van uniforme putjes 21 wordt eerst een lijn 20!, in de X-richting, afgetast, vervolgens een tweede lijn 2Ο2 enzovoorts totdat alle informatie ingeschreven is. De aftastbeweging in de X-richting is niet kontinu maar wordt steeds onderbroken op die tijdstippen die korresponderen met bepaalde X-posities waar een informatiegebiedje gevormd moet worden. Deze diskontinue X-aftastbeweging wordt gestuurd vanuit een bewerkingssignaalontvangst- en stuurcircuit 26 dat op zijn uitgang 27 een stuurspanning Vpx levert. Aan de ingang 30 van het elektronische circuit 26 wordt een signaal Si toegevoerd dat de gegevens bevat over het patroon dat op het materiaaloppervlak 15 aangebracht moet worden. Aan de hand van deze gegevens wordt in het circuit 26 bepaald welke bewegingen de aandrijvers 6, 7 en 8 in de tijd moeten uitvoeren en worden stuurspanningen voor de aandrijvers 6 en 7, Vpx en Vpy, en een schakelsignaal Sc gegenereerd die aan de uitgangen 27, 28 en 29 verschijnen.

In figuur 3a is een voorbeeld van een klein gedeelte van een digitaal signaal dat ingeschreven moet worden weergegeven. Dit signaal bestaat uit een aantal eenheidsimpulsen met impulsduur T op variërende onderlinge tijdsafstanden. De tijdas t van het signaal Si is via het circuit 26 gekoppeld aan de beweging van de naaldpunt in de X-richting. Op het tijdstip t1 wordt de naaldbeweging gestopt en moet de naaldpunt in het materiaal gedrukt worden. Daarvoor wordt het schakelsignaal Sc gebruikt. Dit signaal deaktiveert de tegengekoppelde regelkring 17, 18. Tevens wordt de aandrijver 8 bekrachtigd met een stuurspanning Vpz, verschillend van Vpz,1, zodanig dat de naaldpunt 14 naar beneden bewogen wordt over een afstand groter dan de tunnelafstand, dat wil zeggen de afstand tussen de naaldpunt en het oppervlak waarbij een tunnelstroom kan optreden.

Deze beweging kan gerealiseerd worden door de verbinding tussen de uitgang van het regelcircuit en de aandrijver 8 te verbreken, zodat de spanning Vpz,1 niet meer aan de Z-aandrijver gelegd is, een deze aandrijver te bekrachtigen met een gedefinieerde spanning met in de tijd toenemende amplitude met vooraf bepaalde eindwaarde.

Bij voorkeur wordt echter de beneden-waartse beweging van de naaldpunt gerealiseerd met behulp van het in figuur 2 weergegeven circuit 18 en een sommator 24. Ten opzichte van het circuit 9 in figuur 1 bevat het regelcircuit 18 van figuur 2 als extra element een bemonster- en houdcircuit 22. Dit circuit wordt ingeschakeld door het schakelsignaal Sc en heeft vanaf het moment van inschakelen (t^, t3, tg in figuur 3a) een konstante uitgangsspanning die gelijk is aan de momentane waarde die de stuurspanning Vpz,1 heeft op het moment van inschakelen. De uitgangsspanning van het circuit 22 wordt toegevoerd aan een sommator waaraan ook het signaal van een extra spanningsbron 25 wordt toegevoerd. De spanningsbron 25 levert een spanning waarvan de amplitude in de tijd toeneemt. Deze spanningsbron wordt in- en uitgeschakeld symchroon met het in- en uitschakelen van het signaal Sc. De nieuwe stuurspanning Vpz = Vpz,1 + Vpz,2 zorgt ervoor dat de naaldpunt naar beneden bewogen en in het materiaal gedrukt wordt. Op het tijdstip t2 eindigt de spanningsimpuls Vpz,2. Dan wordt de naaldpunt weer naar boven getrokken. Tevens wordt het bemonster- en houdcircuit 22 uitgeschakeld zodat de regellus 18 voor de aandrijver 8 weer geaktiveerd wordt. Daardoor wordt de afstand tussen de naaldpunt en het lokale oppervlaktedeel exakt dezelfde als die afsttand was vóór het deaktiveren van de regellus 17, 18. Het grote voordeel daarvan is dat bij elke putjesvorming de benedenwaartse beweging van de naaldpunt gestart wordt vanuit dezelfde relatieve Z-positie van de naaldpunt en het materiaal-oppervlak ten opzichte van elkaar zodat, bij gelijkblijvende eindwaarde van de spanning Vpz,2 de naaldpunt steeds even diep in het materiaal gedrukt wordt.

Nadat de naaldpunt terug getrokken is, blijft een putje in het oppervlak achter dat stabiel is in de tijd. De geometrie van een dergelijk putje wordt bepaald door de eindwaarde van de spanning Vpz,2 en de geometrie van dat gedeelte van de naaldpunt dat in het materiaal gedrukt wordt. Omdat, zoals verrassenderwijs gebleken is, de naaldpunt bij het indrukken niet slijt, kunnen in principe een groot aantal putjes met dezelfde geometrie gevormd worden.

In figuur 3c zijn schematisch enkele putjes Pi^, P12 en Pi3 aangegeven die op de bovenbeschreven wijze gevormd worden op de posities X^, X2 en X3> Deze posities zijn gerelateerd aan de tijdstippen waarop de snelheid in de aftastrichting van de naaldpunt nul geworden is, welke tijdstippen weer gerelateerd zijn aan respektievelijk de tijdstippen t-j, t3 en tg in het aangeboden informatiesignaal Si. Figuur 3b toont de stuurspanning Vpz gedurende het tijdsinterval waarin de reeks van putjes ingeschreven wordt, welke spanning is samengesteld uit afwisselend spanningskomponenten Vpz,2 en spanningskomponenten Vpzf1.

Het oppervlak van de gevormde informatiegebiedjes kan in de orde van 10.000 kleiner zijn dan die van de tot nu toe bekende kleinste informatiegebiedjes, die van optische registratiedragers, zodat door toepassing van de uitvinding een verhoging van de informatiedichtheid op een registratiedrager met een faktor in de orde van 10.000 bereikt kan worden. In een experimentele opstelling werden ronde putjes met een diameter van ongeveer 5 nm gevormd, welke putjes omgeven waren door een rand van uit de put gedrukt materiaal, welke rand een breedte van eveneens ongeveer 5 nm had, zodat de effektieve diameter van de, niet overlappende, putjes ongeveer 15 nm was. De putjes hadden een diepte in de orde van 1 nm.

Nadat de putjes ingeschreven zijn, kunnen zij met dezelfde tunnel-mikroskoop, zoals in figuur 2 weergegeven, worden uitgelezen, zowel tijdens het inschrijfproces voor kontrole doeleinden, als naderhand wanneer men de ingeschreven informatie nodig heeft om deze te verwerken. Tijdens het uitlezen is het bemonster- en houdcircuit 22 niet werkzaam en wordt geen extra spanning Vpz,2 gebruikt. Het uitlezen kan geschieden met konstant gehouden tunnelstroom, waarbij de variatie van de stuurspanning Vpz,1 de uitgelezen informatie representeert. Het is echter ook mogelijk om bij het uitlezen van een ingeschreven deel van de registratiedrager, welk deel reeds afgetast is bij het inschrijven en waarvan derhalve de ruwheid bekend kan zijn, met een in principe konstante stuurspanning Vpz af te tasten. De variatie van de tunnelstroom representeert dan de uitgelezen informatie.

Dat het signaal dat in de registratiedrager ingeschreven en van deze registratiedrager uitgelezen kan worden een digitaal signaal is, betekent niet dat de informatie zelf uitsluitend digitaal data, bijvoorbeeld afkomstig van of bestemd voor een rekenmachine, kunnen zijn. In principe is de registratiedrager geschikt voor het opslaan van alle soorten informatie, zoals een video- en/of audioprogramma, grafische voorstelllingen, röntgenbeelden en dergelijke, mits deze informatie gedigitaliseerd kan worden.

In plaats van een patroon van putjes kunnen met de werkwijze volgens de uitvinding ook kontinue, rechte of gekromde, sporen, waarvan in de figuren 4a, 4b en 4c enkele voorbeelden gegeven zijn, in het materiaal-oppervlak aangebracht worden. Dit biedt de mogelijkheid van direkte materiaalbewerking op tot nu toe ongekende kleine schaalgrootte, namelijk in het nanometer gebied. Een belangrijke toepassing daarvan is het rechtstreeks aanbrengen van strukturen in halfgeleider materialen, zoals silicium, zodat het omslachtige fotolithografische proces niet meer gebruikt hoeft te worden bij de vervaardiging van geïntegreerde schakelingen. De uitvinding kan ook toegepast worden bij de vervaardiging van maskers voor het röntgenlithografie. Behalve als een alternatief voor fijn mechanische bewerkingen kan de werkwijze volgens de uitvinding beschouwd worden als een aanvulling daarop, omdat met deze werkwijze veel fijnere strukturen gerealiseerd kunnen worden.

Bij het aanbrengen van kontinue sporen in het materiaaloppervlak wordt tussen de vorming van twee putjes de naaldpunt in de aftastrichting verplaatst over een afstand die kleiner is dan de afmeting van de naaldpunt in de aftastrichting. De gevormde putjes lopen dan in meerdere of mindere mate in elkaar over zoals in figuur 5 getoond wordt. De gladheid van de randen 44 en 45 van het spoor 43 wordt bepaald door de overlap van de opeenvolgende putjes Pi^ ... Pin. Het gevormde spoor heeft over zijn hele lengte een konstante diepte omdat telkens vóór het aanbrengen van een volgend putje de Z-positie van de naaldpunt op het referentieniveau wordt ingesteld.

Door aanpassing van de X- en Y-sturing van de naaldpunt kunnen sporen met willekeurige vormen gerealiseerd worden. Voor het vormen van het patroon volgens figuur 4a legt de naaldpunt eerst een bepaalde afstand in de X-richting af met konstante Y-positie voor het vormen van het patroongedeelte 40, waarna een bepaalde afstand in de Y-richting met konstante X-positie wordt afgelegd voor het vormen van het patroongedeelte 41. Voor het vormen van het patroon volgens figuur 4b wordt deze beweging, maar dan in omgekeerde richtingen herhaald, De elliptische vorm 42 van het patroon volgens figuur 4c wordt gerealiseerd onder gelijktijdige sturing van de X- en Y-posities van de naaldpunt.

Vooral bij het inschrijven van de zeer kleine informatiegebiedjes in een registratiedrager moet er voor gezorgd worden dat het materiaal-oppervlak voldoende glad is, zodat de ingeschreven informatie ook terug gevonden kan worden en niet verborgen is tussen onregelmatigheden die in het onbeschreven oppervlak al aanwezig kunnen zijn. De vereiste, bijvoorbeeld atomaire, vlakheid is gerealiseerd in bijvoorbeeld de zogenaamde terrassen van een silicium [100] oppervlak. Deze terrassen moeten een minimale lengte-afmeting van minstens twee en liefst een groter aantal malen de putjeslengte hebben.

Het is gebleken dat met een kombinatie van een wolfraam naaldpunt en het materiaal silicium [100] dat enigszins met nikkel verontreinigd is uitstekende resultaten behaald kunnen worden. Behalve het oppervlak van een kristallijn silicium-substraat kan ook een silicium bevattende amorfe laag aangebracht op een kristallijn silicium substraat met de werkwijze volgens de uitvinding gedeformeerd worden.

Het voordeel van silicium is dat het in grote hoeveelheden in de natuur aanwezig is en daardoor een in principe goedkope grondstof is. Bovendien is het de meeste gebruikte grondstof voor geïntegreerde schakelingen en is er reeds veel technologische ervaring meer opgedaan zodat ook gedacht kan worden aan integratie van een silicium putjesgeheugen met andere silicium strukturen, zoals geïntegreerde schakelingen.

Bij het inschrijven en uitlezen van een silicium putjesgeheugen moet in een vakuümkamer zoals in figuur 1 getoond gewerkt worden. Het met behulp van een tunnelmikroskoop modificeren en naderhand kontroleren of uitlezen van deze modificaties kan echter ook in lucht geschieden. Dan moet echter een inert materiaal dan minder vloeit en harder is dan grond gebruikt worden.

Claims

1. Werkwijze voor het op sub-mikron schaal deformeren van een materiaal oppervlak met behulp van een naaldpunt van een raster-tunnelmikroskoop, waarbij de besturingsmiddelen voor het bewegen van de naaldpunt in een aftastrichting evenwijdig aan het oppervlak worden gebruikt om de naaldpunt een baan in een vlak evenwijdig aan het oppervlak te laten beschrijven overeenkomstig het gewenste bewerkingspatroon in dit oppervlak en tijdens het beschrijven van deze baan de naaldpunt op een referentieniveau met een konstante afstand tot het oppervlak gehouden wordt met behulp van een eerste elektrische stuurspanning aangelegd aan een naaldpunthoogte-aandrijver, welke spanning geleverd wordt door een tegengekoppelde regellus die gestuurd wordt door een tunnelstroom tussen de naaldpunt en het oppervlak, welke stroom het gevolg is van een tussen het oppervlak en de naaldpunt aangelegde, konstante, tunnelspanning, met het kenmerk, dat een oppervlakte deformatie tot stand gebracht wordt door de genoemde tegengekoppelde regellus te onderbreken, de naaldpunthoogte-aandrijver te bekrachtigen met een tweede elektrische stuurspanning waarvan de amplitude in de tijd toeneemt en een voorafbepaalde eindwaarde heeft, als gevolg waarvan de naaldpunt vanaf het referentieniveau tot een gedefinieerde diepte in het materiaal gedrukt wordt waardoor een putje met een nauwkeurig gedefinieerde geometrie ontstaat, vervolgens de naaldpunt tot boven het oppervlak terug getrokken wordt en de tegengekoppelde regellus weer ingeschakeld wordt zodat de naaldpunt eerst weer op het referentieniveau gebracht wordt, alvorens een volgend putje aangebracht wordt,

2. Werkwijze volgen conclusie 1, met het kenmerk, dat de tweede elektrische stuurspanning wordt verkregen door het sommeren van de momentane waarde die de eerste stuurspanning heeft op het moment dat de tegengekoppelde regellus onderbroken wordt en een derde spanning waarvan de amplitude in de tijd toeneemt en een voorafbepaalde eindwaarde heeft.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de putjes aangebracht worden in een laag silicium.

4. Werkwijze volgens conclusie 1, 2 of 3, met het kenmerk, dat een aantal putjes aangebracht wordt zodanig dat de onderlinge afstand tussen hun centra kleiner is dan de afmeting van een putje in de aftastrichting van de naaldpunt.

5. Werkwijze volgens conclusie 1, 2 of 3 voor het inschrijven van informatie in een registratiedrager, met het kenmerk, dat een, de in te schrijven informatie representeerd, elektrisch signaal wordt gebruikt voor het in de tijd sturen van de beweging die de naaldpunt in de aftastrichting uitvoert en voor het bepalen van de tijdstippen waarop de naaldpunthoogte regellus onderbroken, respektievelijk weer gesloten wordt en waartussen de genoemde tweede stuurspanning aan de naaldpunthoogte-aandrijver aangelegd is.

6. Registratiedrager voorzien van volgens sporen gerangschikte informatiegebiedjes waarbij de informatie is vastgelegd in de opeenvolging van de informatiegebiedjes in de spoorrichting, welke registratiedrager is ingeschreven met behulp van de werkwijze volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat de informatiegebiedjes worden gevormd door putjes in een materiaal-oppervlak welke putjes een uniforme geometrie met een oppervlak kleiner dan 0,01 pm^ hebben.

7. Inrichting voor het uitvoeren van de werkwijze volgens conclusie 1, 2, 3, 4 of 5, welke inrichting bevat een houder voor het opnemen van het te bewerken materiaal, een dunne geleidende naald, een eerste en tweede aandrijver voor het verplaatsen van de naald en de houder ten opzichte van elkaar in twee onderling loodrechte richtingen evenwijdig aan het vlak van de houder, een naaldpunthoogte-aandrijver voor het instellen van de afstand tussen de naaldpunt en het materiaal oppervlak en een tegengekoppelde regellus voor het leveren van een eerste stuurspanning voor de naaldpunthoogte-aandrijver, gekenmerkt door een elektronisch circuit dat voorzien is van een ingang voor het ontvangen van een elektrisch signaal dat informatie bevat over een op het oppervlak aan te brengen patroon, van een eerste en tweede uitgang voor het leveren van een eerste en tweede stuursignaal die verbonden zijn met de eerste en tweede aandrijver en van een derde uitgang voor het gedurende bepaalde tijdsintervallen leveren van een signaal, die tijdelijke onderbreking van de naaldpunthoogte-regellus, en door een spanningsbron die gedurende de genoemde tijdsintervallen een tweede stuurspanning voor de naaldpunthoogte-aandrijver levert van welke tweede stuurspanning de amplitude in de tijd toeneemt tot een voorafbepaalde eindwaarde die groter is dan die van de eerste stuurspanning.

8. Inrichting volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat de naaldpunthoogte-regellus voorzien is van bemonster- en houdcircuit waarvan een stuuringang verbonden is met de derde uitgang van het elektronische circuit, dat de uitgang van de naaldpunthoogte-regellus verbonden is met een eerste ingang van een sommator waarvan een tweede ingang verbonden is met een synchroon met het bemonster- en houdcircuit gestuurde spanningsbron die een spanning met toenemende met toenemende amplitude levert, en dat de uitgang van de sommator met de naaldpunthoogte-aandrijver verbonden is.

9. Apparaat voor het inschrijven en uitlezen van informatie in de vorm van een opeenvolging van, van elkaar gescheiden, informatieputjes in een registratiedrager-oppervlak, welke apparaat voorzien is van een inrichting volgens conclusie 7 of 8 voor het inschrijven van de informatie, met het kenmerk, dat het uitleesgedeelte van het apparaat wordt gevormd door de genoemde inrichting waarin de naaldpunthoogte-aandrijver wordt gestuurd door slechts de genoemde eerste stuurspanning of een konstante stuurspanning.