WO2005103646A1 - 走査プローブ顕微鏡探針及びその製造方法並びに走査プローブ顕微鏡及びその使用方法並びに針状体及びその製造方法並びに電子素子及びその製造方法並びに電荷密度波量子位相顕微鏡並びに電荷密度波量子干渉計 - Google Patents

走査プローブ顕微鏡探針及びその製造方法並びに走査プローブ顕微鏡及びその使用方法並びに針状体及びその製造方法並びに電子素子及びその製造方法並びに電荷密度波量子位相顕微鏡並びに電荷密度波量子干渉計 Download PDF

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Satoshi Tanda
Migaku Oda
Katsuhiko Inagaki
Hiroyuki Ohkawa
Tsuyoshi Toshima
Naoki Momono
Munehiro Nishida
Masayuki Ido
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y15/00—Nanotechnology for interacting, sensing or actuating, e.g. quantum dots as markers in protein assays or molecular motors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
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    • G01Q70/08—Probe characteristics
    • G01Q70/10—Shape or taper
    • G01Q70/12—Nanotube tips

Definitions

  • the present invention relates to a scanning probe microscope microscope, a method for manufacturing the same, a scanning probe microscope, a method for using the same, a needle-like body, a method for manufacturing the same, an electronic element, a method for manufacturing the same, a charge density wave quantum phase microscope, and a charge Regarding density wave quantum interferometers, for example, fabrication of new devices using charge density wave nanostructures, determination of the structure of biopolymers, surface exploration of various substances including superconductors, and semiconductors It is suitable for use in devices and the like.
  • CDW charge density waves
  • quantum Hall liquids where the conduction electrons in a conductor such as metal become macroscopically quantum coherent. Without external operations, it is no exaggeration to say that the former two.
  • the CDW body exhibits a phase transition at room temperature, devices and measurement devices using the CDW macroscopic quantum phase have attracted attention because of their potential over semiconductor technology in practical use.
  • a CDW three-terminal electric field / current drive device and a memory device in the femtosecond region have been devised, and new effects have been demonstrated as new quantum functional devices, respectively (for example, Appl. Phys. Lett. 80, 871 (2002)).
  • tools for evaluating devices using CDW nanostructures are indispensable, but as far as the present inventors know, specific proposals for effective tools have been made so far. The fact is that nothing has been done.
  • SPM scanning probe microscopy
  • the problem to be solved by the present invention is to actively utilize the macroscopic quantum phase information of the charge density wave to analyze the charge density wave nanostructure and determine the structure of the biopolymer with high accuracy.
  • Scanning probe microscope such as charge-density-wave quantum phase microscope that can be performed and can be configured in a small size, and is suitable for use in this.
  • An object of the present invention is to provide a simple scanning probe microscope probe and a method for manufacturing the same.
  • Another problem to be solved by the present invention is, more generally, to provide various needle-like bodies including the above-described scanning probe microscope probe, a method of manufacturing the same, and an electronic element and a method of manufacturing the same.
  • Another problem to be solved by the present invention is to provide a charge density wave quantum interferometer capable of measuring a local electric field with high accuracy by actively utilizing macroscopic quantum phase information of the charge density wave. Is to do.
  • Still other problems to be solved by the present invention include research on nanoscale non-uniform superconducting state, observation of flux line lattice, study of electronic state in magnetic flux, and observation of unevenness image of sample surface.
  • An object of the present invention is to provide a scanning probe microscope suitable for application and a method of using the same.
  • CDW nanostructures In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have actively created theoretically designed CDW nanostructures from the standpoint of material science, and have been working to generate electricity when these substances are exposed to external stimuli. We considered the development of applications while clarifying changes in elasticity and optical properties. In particular, we decided to actively utilize the macroscopic quantum phase information of CDW to develop a compact and high-performance microscope. This is not only an indispensable tool for fabricating devices using CDW nanostructures, but also a major tool for determining the structure of biological molecules represented by DNA and developing quantum computers using quantum phase information. It can be a development.
  • the CDW is pinned by the influence of impurities and the sample edge, but when an electric field higher than the threshold electric field is applied, sliding occurs, and To contribute.
  • This sliding of CD W is a collective translational movement of electrons, a characteristic phenomenon of low-dimensional conductors.
  • the AC current having a frequency proportional to the DC current component carried by the CDW, that is, a narrow band signal (BS) (narrow band noise: NBN) )). That is, if an excess current portion flowing when an electric field equal to or greater than the threshold electric field is applied is J CDW , and the frequency of the above NBS is NBS, then NBS ⁇ JC DW. Therefore, the change in the threshold electric field
  • NB S By measuring the frequency NB s of NB S, measurement can be performed with high accuracy. Since the threshold electric field changes due to the slight stress generated in the CDW crystal, simply attaching an electrode to the needle of the CDW and measuring the NBS can provide a high-level function that exceeds the capability of an atomic force microscope (AFM). An accurate microscope can be made. For example, if a needle-like CDW crystal with a length of 100 nm is used, a microscope with a resolution of 1 pm can be realized with the sensitivity of the frequency meter set to 1 Hz.
  • AFM atomic force microscope
  • the displacement of the probe of the cantilever is detected by irradiating the force cantilever with laser light.
  • this CDW microscope does not require such an optical system, so it has a very small configuration. It can be. For this reason, for example, there is a great advantage that it can be directly introduced into a living body like a needle.
  • the present inventors have conducted various experiments. As a result, when trying to grow a needle-like crystal at the tip of a cone made of, for example, Si using the irradiation of an energy beam such as an electron beam, After depositing the growth material on the surface of the body, it is difficult to grow a needle-shaped crystal on the tip of this cone by irradiating the tip with an energy beam, but the tip is separated from the tip. It has been found that a needle-shaped crystal can be easily grown at the tip by irradiating the site with an energy beam.
  • Another method is to selectively irradiate the surface of the substrate with an energy beam such as an electron beam, and recrystallize the substrate at the irradiated area, thereby obtaining a needle-like crystal in a continuous form with the substrate.
  • an energy beam such as an electron beam
  • recrystallize the substrate at the irradiated area thereby obtaining a needle-like crystal in a continuous form with the substrate.
  • a CDW needle crystal By growing a CDW needle crystal by these methods and using it as a probe, a CDW probe microscope can be realized.
  • a needle-like crystal of another material and using it as a probe it becomes possible to realize various scanning probe microscopes.
  • by these methods for example, by growing a needle-like semiconductor crystal, it is possible to produce a fine semiconductor element.
  • the present inventors have developed a tool that is effective for studying nanoscale non-uniform superconducting state by using a pressure-sensitive superconducting probe with a scanning probe microscope. It has been found that it is effective to use a pressure-induced superconducting material that can control the superconducting state by applying voltage.
  • the present invention has been devised based on the above study.
  • the first invention is:
  • the growth material is deposited on the surface of the cone-shaped or blade-shaped substrate, and the substrate is not melted at a predetermined distance along the side from the front end of the substrate.
  • a scanning probe microscope probe manufactured by growing an acicular crystal using the above-mentioned growth material by irradiating an energy beam under a suitable condition.
  • the second invention is a first invention.
  • a growth material is deposited on the surface of a cone-shaped or blade-shaped substrate, and an energy beam is irradiated to a portion at a predetermined distance along the side surface from the front end of the substrate under conditions that the substrate does not melt.
  • the third invention is a first invention.
  • a growth material is deposited on the surface of a cone-shaped or blade-shaped substrate, and an energy beam is irradiated to a portion at a predetermined distance along the side surface from the front end of the substrate under conditions that the substrate does not melt.
  • a scanning probe microscope having a probe manufactured by growing a needle-like crystal using the growth material.
  • the fourth invention is a first invention.
  • the fifth invention is a first invention.
  • a scanning probe characterized in that needle-like crystals are grown using growth raw materials. This is a method for manufacturing a probe microscope probe.
  • the sixth invention is a first invention.
  • the seventh invention is a first invention.
  • the first growth material is deposited on the surface of the cone-shaped or blade-shaped substrate, and the second growth material is supplied while the substrate is not melted at a predetermined distance along the side surface from the tip of the substrate while supplying the second growth material.
  • the probe is manufactured by growing a needle-like crystal using the first growth material and the second growth material. is there.
  • the eighth invention is a first invention.
  • the first growth material is deposited on the surface of the cone-shaped or blade-shaped substrate, and the second growth material is supplied while the substrate is not melted at a predetermined distance along the side surface from the tip of the substrate while supplying the second growth material. Irradiating an energy beam under the conditions to grow a needle-like crystal using the first growth material and the second growth material. is there.
  • the ninth invention is a first invention.
  • the first growth material is deposited on the surface of the cone-shaped or blade-shaped substrate, and the second growth material is supplied while the substrate is not melted at a predetermined distance along the side surface from the tip of the substrate while supplying the second growth material.
  • the first growth material and the second growth material can be used.
  • a scanning probe microscope having a probe manufactured by growing a needle-like crystal.
  • the substrate is made of a substance having a melting point high enough not to soften when irradiated with an energy beam, for example, a melting point of 800 ° C. or more.
  • the cone-shaped substrate may be a cone-shaped substrate or a polygonal-pyramid-shaped substrate such as a triangular pyramid or a quadrangular pyramid, as long as the cross-sectional area decreases at least toward the front end.
  • the energy beam for example, an electron beam, an ion beam, a laser beam, or the like can be used.
  • the laser beam a laser beam from an excimer laser, a YAG laser, an Ar laser, or the like can be used.
  • the cross-sectional shape of the energy beam is not particularly limited, and may be, for example, a circle, an ellipse, a rectangle, or the like.
  • an energy beam having a flat rectangular cross-sectional shape is used, and the energy beam is irradiated over the plurality of conical portions to irradiate these energy beams. It is possible to grow needle-like crystals in the cone at once.
  • An energy beam having such a flat rectangular cross-sectional shape can be easily obtained, for example, by forming a laser beam using an optical system including a lens.
  • the temperature between the energy beam irradiation part of the substrate and the tip is 10 ° C / "m or more and 100 ° C / ⁇ m or less with the tip being the low-temperature side.
  • the thickness of the needle-shaped crystal is determined as necessary, but is generally 5 nm or more and 1 m or less. Therefore, the growth is preferably performed in a vacuum or a hydrogen gas atmosphere.
  • the needle-shaped crystal is, for example, MX P (where M is at least one element selected from the group consisting of Ta and Nb, X Is at least one element selected from the group consisting of S, 36 and 6; 1.8 ⁇ p ⁇ 2.2), MX, (where M is selected from the group consisting of Ta and Nb least one element also, X is S, one element at least selected from the group consisting of S e and T e, 2. 7 ⁇ q ⁇ 3.
  • the needle-shaped crystal may be made of a metal such as Ni or Cu, or a superconducting substance (such as an oxide superconductor).
  • the tenth invention is
  • a growth material is deposited on the surface of a cone-shaped or blade-shaped substrate, and an energy beam is irradiated to a portion at a predetermined distance along the side surface from the front end of the substrate under conditions that the substrate does not melt.
  • the eleventh invention is a first invention.
  • a needle-like crystal characterized by growing a needle-like crystal using a growth material. It is a manufacturing method.
  • the eleventh invention is a first invention.
  • the first growth material is deposited on the surface of the cone-shaped or blade-shaped substrate, and the second growth material is supplied while the substrate is not melted at a predetermined distance along the side surface from the tip of the substrate while supplying the second growth material.
  • a method for producing a needle-like body characterized in that a needle-like crystal is grown using the first growth raw material and the second growth raw material by irradiating an energy beam under conditions.
  • the needle-shaped body includes a needle-shaped crystal used for a probe of a scanning probe microscope, as well as a variety of other uses, and the material of the needle-shaped crystal is also included. It may be of various kinds.
  • the thirteenth invention is a first invention.
  • a growth material is deposited on the surface of a cone-shaped or blade-shaped substrate, and an energy beam is irradiated to a portion at a predetermined distance along the side surface from the front end of the substrate under conditions that the substrate does not melt. Further, there is provided a method of manufacturing an electronic element, wherein a needle-like crystal is grown using the above-mentioned growth raw material.
  • the fourteenth invention is a first invention.
  • the fifteenth invention is The first growth material is deposited on the surface of the cone-shaped or blade-shaped substrate, and the second growth material is supplied while the substrate is not melted at a predetermined distance along the side surface from the tip of the substrate while supplying the second growth material.
  • a method for manufacturing an electronic element characterized in that needle-like crystals are grown using the first growth material and the second growth material by irradiating an energy beam under conditions.
  • the electronic element includes various elements such as a superconductor element, a ferroelectric element, and a magnetic element in addition to the semiconductor element.
  • the statements made in relation to the first to ninth inventions are satisfied, as long as they do not contradict their properties.
  • the sixteenth invention is a first invention.
  • a scanning probe microscope probe manufactured by irradiating a predetermined portion of the surface of a substrate with an energy beam and growing a needle crystal by recrystallization.
  • the seventeenth invention is
  • a method for manufacturing a scanning probe and a microscope probe characterized in that a predetermined portion of the surface of a substrate is irradiated with an energy beam and a needle crystal is grown by recrystallization.
  • the eighteenth invention is a first invention.
  • a scanning probe microscope characterized by having a probe manufactured by irradiating a predetermined portion of a surface of a substrate with an energy beam and growing a needle-like crystal by recrystallization.
  • the nineteenth invention is a first invention.
  • a method for producing a needle-like body characterized in that a predetermined portion of a surface of a substrate is irradiated with an energy beam and a needle-like crystal is grown by recrystallization.
  • the 20th invention is
  • a method for manufacturing an electronic element characterized in that a predetermined portion of a surface of a substrate is irradiated with an energy beam and a needle crystal is grown by recrystallization.
  • a needle crystal is grown at the front end by irradiating the energy beam to a site separated from the front end by a predetermined distance.
  • a needle-like crystal grows by irradiating a predetermined portion of the surface of the substrate with an energy beam.
  • the change in the threshold electric field of the charge density wave crystal is represented by the frequency of a narrow band signal (NBS). Is measured by measuring.
  • NBS narrow band signal
  • the charge density wave state of the sample can be measured by using the charge density wave tunneling generated between the probe and the sample when approaching the sample.
  • the second invention is a first invention.
  • the change in the threshold electric field of the charge density wave crystal when a gate voltage is applied to the side surface of the needle-like crystal is measured by measuring the frequency of a narrow band signal.
  • basically any charge density wave crystal may be used, but preferably, MX P (where M is composed of Ta and Nb At least one element selected from the group; X is at least one element selected from the group consisting of S, Se, and Te; 1.8 ⁇ 2.2), MX q (where M is Ta And at least one element selected from the group consisting of Nb and Nb; X is at least one element selected from the group consisting of S, Se and Te; 2.7 ⁇ q ⁇ 3.3) or MX r (where M is at least one element selected from the group consisting of Ta and Nb, X is at least one element selected from the group consisting of S, Se and Te; 3.6 ⁇ r ⁇ 4.4).
  • MXp and T a S e 2 and T a S 2 Specific examples of MXp and T a S e 2 and T a
  • Charge density wave crystals typically consist of acicular crystals.
  • the charge density wave crystal or the needle crystal includes a tubular crystal such as a nanotube, and may be not only a single crystal but also a polycrystal.
  • the threshold electric field of the charge density wave caused by the stress generated in the probe is generated.
  • the change can be measured with high accuracy by measuring the frequency of the narrowband signal.
  • the charge density wave state of the sample can be measured using the charge density wave tunneling that occurs between the tip and the surface of the sample.
  • an optical system for detecting the displacement of the probe required for the AFM is unnecessary.
  • a change in a threshold electric field of a charge density wave caused when a gate voltage is applied to a needle-shaped crystal made of a charge density wave crystal is measured by measuring a frequency of a narrow band signal. Measurement with higher accuracy it can.
  • the thirteenth invention is a first invention.
  • various materials can be used as the pressure-induced superconducting material.
  • the material is not limited to an inorganic material, and may be an organic material, and can be appropriately selected depending on the application.
  • LRBCO low-dimensional electronic materials
  • strong A magnetic metal material Fe is also included.
  • Tips made of pressure-induced superconducting material typically consist of needle-like crystals (including tubular crystals such as nanotubes).
  • the present invention is characterized in that the probe scans along the surface of the sample while passing a constant current between the probe and the sample.
  • the tip of the probe becomes normal and superconducting due to surface irregularities. And the voltage between the probe and the sample changes accordingly, and the current-voltage characteristics between the probe and the sample change. By imaging this, irregularities on the sample surface can be observed. Also, particularly when the sample is a superconducting sample, a superconducting state region and a non-superconducting state region are present on the sample surface in a mixed state, such as a state in which magnetic flux lines penetrate into the superconducting sample.
  • the current-voltage characteristics between the probe and the sample are different between when the probe made of the pressure-induced superconducting material is above the superconducting state region and when it is above the non-superconducting state region. Change. Therefore, it is possible to observe the magnetic flux lattice and the superconducting / non-superconducting inhomogeneous state. In addition, it is possible to measure the mobility of carriers in a sample.
  • the twenty-fifth invention is a first invention.
  • the probe is scanned along the surface of the sample while being changed.
  • the probe made of the pressure-induced superconducting material is moved along the surface of the sample while flowing a constant current between the probe and the sample, for example.
  • Scanning for example, when a superconducting sample has a nanoscale non-uniform superconducting state or a magnetic flux line lattice, the state can be easily observed using Andre-F reflection. .
  • the unevenness image of the sample surface can be easily observed in the same manner. Furthermore, by using both of them, it is possible to remove the unevenness of the sample surface and obtain a precise image of the magnetic flux line grating.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a CDW quantum phase microscope according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a probe used in a CDW quantum phase microscope according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a schematic diagram for explaining the principle of measurement by the CDW quantum phase microscope according to the first embodiment of the present invention
  • FIGS. 4A to 4D are schematic diagrams of the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic diagram for explaining a method of manufacturing a probe used in the CDW quantum phase microscope according to the embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a schematic diagram illustrating a probe used in the CDW quantum phase microscope according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a SEM photograph showing a probe produced by the method for producing a needle
  • FIG. 6 is a photograph showing an atomic image obtained by a CDW quantum phase microscope according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 7 is a photograph showing a CDW image obtained by the CDW quantum phase microscope according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 8 is a schematic view showing a CDW quantum phase microscope according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing a CDW quantum interferometer according to a third embodiment of the present invention
  • FIG. 10 is a multi-probe CDW quantum phase microscope according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing a CDW quantum interferometer according to a third embodiment of the present invention
  • FIG. 10 is a multi-probe CDW quantum phase microscope according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a schematic diagram showing a multi-probe CDW quantum phase microscope according to a fifth embodiment of the present invention
  • FIG. 12 is a semiconductor device according to an eighth embodiment of the present invention.
  • FIGS. 13A to 13D are cross-sectional views showing a method for manufacturing a semiconductor device according to the eighth embodiment of the present invention
  • FIGS. 15A to 15C are cross-sectional views showing a method for manufacturing a semiconductor device according to the ninth embodiment.
  • FIGS. 16A and 16B are cross-sectional views showing a method for manufacturing a quantum dot array according to the tenth embodiment of the present invention.
  • FIGS. 16A and 16B show a method for manufacturing a probe according to the eleventh embodiment of the present invention.
  • FIG. 20 is a schematic diagram for explaining a method of using the Andreev reflection scanning probe microscope according to the 12th embodiment of the present invention.
  • FIG. 21 is a schematic diagram showing the 12th embodiment of the present invention.
  • FIG. 22A to 22D are schematic diagrams showing changes in the I-V characteristic between the probe and the sample due to the applied pressure in the Andreev reflection scanning probe microscope according to the embodiment.
  • FIG. 9 is a schematic diagram for explaining a method of manufacturing an LBC0 probe used in the Andreev reflection scanning probe microscope according to the 12th embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows a CDW quantum phase microscope according to a first embodiment of the present invention.
  • a probe 12 made of a CDW needle-like crystal is attached to the lower part of a piezoelectric controller 11 similar to a general scanning probe microscope.
  • the probe 12 can be three-dimensionally scanned in the ⁇ and ⁇ z directions by the piezoelectric control device 11.
  • the probe 11 is provided with electrodes 13 and 14, and an external circuit including a power supply 15 and a frequency meter 16 is provided between the electrodes 13 and 14. It is connected. Then, the frequency of the NBS is measured by the frequency meter 16, whereby the change of the threshold electric field can be measured.
  • a probe 12 is brought into contact with the surface of a sample 17 composed of a CDW nanostructure, and scanning is performed.
  • the tip of the probe 12 is displaced, thereby generating stress on the probe 12.
  • This stress changes the threshold electric field of the probe 12, thereby changing the frequency of the NBS flowing through the probe 12.
  • the change in the frequency of the NBS is converted into a surface image.
  • Conversion to a surface image in other words, visualization of the surface shape of an object includes, for example, visualization of the output of a frequency-to-voltage (current) converter, or visualization of a control signal constituting feedback.
  • Figure 3 shows the ion arrangement and CDW of Sample 17 in the CDW state.
  • (Charge density / 0 (x)) the arrangement of ions of the probe 12 and the CDW are shown.
  • p (x) is expressed by the following equation.
  • PKX P 0 + P 1
  • X is the spatial coordinates of the one-dimensional axis
  • P i is the amplitude of the charge density wave
  • Q is at wave number vector (nesting vector)
  • Q 2 k F (k P is Fermi wave number)
  • P. Singlet er (n e is the density of electrons)
  • 0 indicates the phase.
  • V th is a voltage (threshold voltage) corresponding to the threshold electric field.
  • 0 S changes accordingly, and this causes a change in ⁇ ⁇ ⁇ s, which changes V th , and thus the threshold electric field. This is measured as a change in the frequency of the NBS.
  • the probe 12 is brought close to the surface of the sample 17 consisting of the CDW nanostructure and scanned.
  • a cone 21 is prepared.
  • the cone 21 has a melting point such that it is not softened by heating when a CDW substance is grown by irradiation of an electron beam described later, for example, a melting point of 800 ° C. or more.
  • any material may be used, as long as it is, for example, Si, Si 3 N 4, Si ⁇ 2 , diamond, aluminum (sapphire), T a S 2 , G aAs, N i, and T a can be used.
  • a raw material film 22 of a CDW substance to be grown is formed on the surface of the cone 21 in a vacuum.
  • This raw material film 22 is formed by a film forming method such as a vacuum evaporation method, a sputtering method, a chemical vapor deposition (CVD) method, a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method, a molecular beam epitaxy (MBE) method, or the like.
  • a point P is set at a predetermined distance L, for example, about l to 3 wm away from the tip of the cone 21 on which the raw material film 22 is formed along the side surface. And irradiate the electron beam 23 at room temperature.
  • the spot size of the electron beam 23 is, for example, about 50 nm to 1 m.
  • the CDW needle-like crystal 24 grows not in the irradiated portion of the electron beam 23 but in the vicinity of the tip of the cone 21.
  • the temperature between the irradiation part of the electron beam 23 and the growth part of the CDW needle crystal 24 is 10 to 100 ° C./j
  • the temperature gradient In this case, the temperature of the irradiated part of the electron beam 23 is higher than the growth temperature of the CDW needle-like crystal 14, but the growth part of the CDW needle-like crystal 24 is lower in temperature and is most suitable for growth. Temperature is up.
  • the growth of the CDW needle-like crystal 24 is considered to be due to solid-phase epitaxial growth.
  • the thickness (diameter) of the CDW needle crystal 24 is, for example, about 5 nm to 1 ⁇ m, and the length is, for example, 10 nm to 2 nm. ⁇ M, or 10 to 50 O nm, and the aspect ratio (length / thickness) is generally 100 or less.
  • a Ta film and a Se film are sequentially formed on the surface of a cone 21 made of Si by a vacuum evaporation method, a cone on which a raw material film 22 made of the Ta film and the Se film is formed.
  • the electron beam 13 was applied to a part of the tip of 21 that was separated by L-2 along the side of the tip.
  • the thickness of the Ta film was 100 nm
  • the thickness of the Se film was 200 nm.
  • Spot size of the electron beam 1 3 was 1 m
  • the acceleration voltage is 2 5 kV
  • the amount of emission current 1 X 1 0- 7 A the amount of emission current 1 X 1 0- 7 A
  • irradiation time and 3 0 minutes are sequentially formed on the surface of a cone 21 made of Si by a vacuum evaporation method.
  • the irradiation with the electron beam 13 was performed in a vacuum at a pressure of 3 to 4 ⁇ 10 16 T 0 rr.
  • T a S e 2 acicular crystals of approximately diameter at a site distant about 0. 5 wm from the tip 0.4 is grown to a length of about 1. 5 m.
  • Figure 5 shows a scanning electron microscope (SEM) photograph.
  • SEM scanning electron microscope
  • This T a S e 2 acicular crystals with the probe 1 2 was scanned T a S e 2 surface of a sample, a good atomic image as shown in FIG. 6 is obtained. Then, was scanned the T a S e z needles in the electrode 1 3, 1 4 T a by C DW quantum phase microscope was used to form the probe 1 2 S e 2 surface of the sample, A CDW image as shown in FIG. 7 was obtained.
  • This CDW quantum phase microscope is a high-precision microscope that has functions beyond AFM. For example, if a probe with a length of 100 nm is used as the probe 1, assuming that the sensitivity of the frequency meter 16 is 1 Hz, the probe 1 Resolution can be obtained. Also, unlike the AFM, the CDW quantum phase microscope does not require an optical system, and thus has the advantage that it can be made smaller accordingly.
  • a probe 32 made of Si or the like is attached to the lower part of the tip of a cantilever 31.
  • the other end of the cantilever 31 is attached to a piezoelectric control device (not shown).
  • a CDW needle-shaped crystal 33 is physically provided on the cantilever 31. Electrodes 34, 35 are provided at both ends of the needle crystal 33, and an external circuit including a power source 36 and a frequency meter 37 is connected between the electrodes 34, 35. ing. Then, the frequency of the NBS is measured by the frequency meter 37, whereby the change of the threshold electric field can be measured.
  • a probe 32 is brought into contact with the surface of a sample 17 composed of a CDW nanostructure, and scanning is performed.
  • the tip of the probe 32 is displaced, and accordingly, the tip of the force cantilever 31 is displaced, whereby the CDW on the cantilever 31 is moved.
  • the acicular crystal 33 expands and contracts to generate stress. Due to this stress, The threshold electric field of the needle crystal 33 changes, and the frequency of the NBS flowing through the CDW needle crystal 33 changes accordingly. Then, the change in the frequency of the NBS is converted into a surface image.
  • the third embodiment is the same as the first embodiment.
  • the same advantages as in the first embodiment are obtained. be able to.
  • a CDW quantum interferometer according to a third embodiment of the present invention will be described.
  • Fig. 9 shows this CDW quantum interferometer.
  • electrodes 42 and 43 are provided at both ends of the CDW needle crystal 41, and between these electrodes 42.43. External circuits including the power supply 44 and the frequency meter 45 are connected.
  • a gate electrode 46 is provided on the center side surface of the CDW needle-shaped crystal 41 so that a gate voltage can be applied to the CDW needle-shaped crystal 41 by the gate electrode 46. I'm familiar. Then, the frequency of the NBS is measured by the frequency meter 45, whereby the change of the threshold electric field can be measured.
  • V th 2 V.
  • C s is the gate capacitance
  • e is the elementary charge.
  • a CDW quantum interferometer that actively utilizes macroscopic quantum phase information of the CDW can be realized.
  • This C DW According to the quantum interferometer, a local electric field can be measured with high accuracy.
  • a probe 12 made of a ferromagnetic material manufactured by a method similar to that of the first embodiment is used. Specifically, for example, a Ni film is formed on the surface of the cone 21 and is irradiated with an electron beam 23 in the same manner as in the first embodiment, thereby forming a needle-like crystal made of Ni. Let it grow, and use it as probe 12.
  • a magnetic probe microscope using a good probe 12 made of a ferromagnetic material can be realized. Then, it is possible to perform a high-accuracy search for ferromagnetic materials using the magnetic probe microscope.
  • a probe 12 made of a diamagnetic material manufactured by the same method as in the first embodiment is used. Specifically, for example, a Cu film is formed on the surface of the cone 21, and an electron beam 23 is irradiated on the Cu film in the same manner as in the first embodiment, thereby forming a needle-like Cu film. A crystal is grown, and this is used as a probe 12.
  • a diamagnetic probe microscope using a good probe 12 made of a diamagnetic material can be realized. Then, it becomes possible to perform the search for the diamagnetic material with high accuracy using the diamagnetic probe microscope.
  • a large number of cones 5 are formed in a two-dimensional array on a substrate 51, and a first portion is provided at the tip of each cone 52.
  • a probe having a probe 53 made of a CDW needle-like crystal formed by the same method as that of the embodiment is used.
  • a wide area of the CDW sample can be searched collectively and with high accuracy.
  • each probe 63 is formed in a one-dimensional array, and when the plurality of blade-shaped portions 62 are viewed as a whole, a probe in which the probes 63 are arranged in a two-dimensional array is used.
  • the formation of each probe 63 is performed by irradiating an electron beam 23 to a portion away from the tip of the blade-shaped portion 62 in the same manner as in the first embodiment.
  • a wide area of the CDW sample can be searched collectively and with high accuracy.
  • a large number of cones 72 are formed in a two-dimensional array on an n-type GaAs substrate 71, and each cone 72 is formed.
  • a needle-shaped semiconductor crystal 73 made of, for example, n-type GaAs is formed on the tip of the body 72 by the same method as in the first embodiment.
  • an insulating film 74 such as, for example, a SiO 2 film is formed on the n-type GaAs substrate 71 so as to be substantially at the center of the needle-like semiconductor crystal 73. Fill up to the height of the part.
  • a gate electrode 75 is formed by forming a Schottky electrode material on the insulating film 74 so as to bury the periphery of the acicular semiconductor crystal 73.
  • an insulating film 76 such as a Si 2 film is formed on the gate electrode 75 so as to be slightly lower than the height of the upper end of the needle-shaped semiconductor crystal 73. Fill to low height.
  • a ohmic electrode material is formed on the insulating film 76 to form a drain electrode 77 in ohmic contact with the upper end of the acicular semiconductor crystal 73.
  • a source electrode 78 is formed by forming an ohmic electrode material on the back surface of the n-type GaAs substrate 71.
  • the shot key gate FET is formed.
  • an integrated FET in which ultra-small Schottky gate FETs using a needle-shaped semiconductor crystal 73 are arranged in a two-dimensional array is replaced by a step of forming a cone 72. It can be easily manufactured without using lithography technology.
  • the gate electrode 75 and the drain electrode 77 are patterned for each FET.
  • Each gate electrode 75 is connected to each other by a predetermined wiring (not shown), and each drain electrode 77 is also connected to each other by a predetermined wiring (not shown). In this case, each FET can be driven independently.
  • a large number of cones 82 are formed in a two-dimensional array on a GaAs substrate 81, for example.
  • the AlGaAs layer 83a and the GaAs layer 83b are formed at the tip of each cone 82 by the same method as in the first embodiment. And a needle-like semiconductor crystal 84 composed of the A 1 GaAs layer 83 c.
  • an AlGaAs layer 85 is epitaxially grown on the entire surface to fill a portion between the acicular semiconductor crystals 84.
  • the GaAs layer 83 b serving as a well layer becomes the barrier layer A 1 GaAs layer 83 a, the AlGaAs layer 83 c and the A 10 & 3 layer 85.
  • An enclosed structure, that is, an A1GaAs / GaAs quantum dot is formed.
  • a two-dimensional quantum dot array can be easily manufactured.
  • an eleventh embodiment of the present invention will be described.
  • a method different from that of the first embodiment will be described as a method of manufacturing the probe 12 made of the CDW needle-like crystal.
  • a CDW crystal substrate 91 is prepared, and a predetermined portion of the surface is irradiated with the electron beam 3 at room temperature.
  • the spot size of the electron beam 23 is, for example, 50 ⁇ ! ⁇ 1 m.
  • the CDW crystal substrate 91 is heated to a temperature substantially equal to its melting point at the irradiated portion of the electron beam 23.
  • the melted CDW crystal substrate 91 is recrystallized, and as a result, as shown in FIG. 16B, a needle-like crystal 24 grows.
  • the thickness (diameter) of this CDW needle crystal 24 is, for example, 5 nm or more.
  • the length is about 10 nm, for example, 10 nm to 2 m, or 10 to 500 nm, and the aspect ratio (length) is generally 100 or less. It is.
  • a predetermined portion of the surface of the CDW crystal substrate 91 made of TaSe2 crystal was irradiated with the electron beam 23.
  • the CDW crystal substrate 91 is a square having a side length of about 40 m.
  • Spot size of the electron beam 2 3 was 1 Aim, acceleration voltage 2 5 kV, the amount of emission current 8 X 1 0- 8 A, irradiation time and 3 0 minutes.
  • the irradiation of the electron beam 2 3 was carried out in vacuum of pressure of 3 ⁇ 4 X 1 0- 6 T orr.
  • the CDW crystal substrate 91 and the crystal were grown to a length of about 15 O nm in a continuous form.
  • FIG. 17 shows this Andreev reflection scanning probe microscope.
  • Fig. 18 shows the phase diagram of L a 2 — x B a, C u ⁇ 4 .
  • X 1 Z8
  • the spin-charge stripe order is stabilized at a low temperature, the system becomes an insulator, and superconductivity is suppressed.
  • Fig. 19 when a small pressure is applied to this system, the spin-charge stripe order is suppressed and the superconductivity is restored. In this case, if the critical temperature of superconductivity is ⁇ ⁇ and the applied pressure is P, then T.
  • the tip can be made superconductive only by applying a force of 0.1 g weight to the LBCO probe 112 having a tip with a diameter of several nanometers.
  • the LBC 0 probe 111 having such superconductivity sensitive to pressure is brought into contact with the surface of the sample 113, and the tip of the LBC tip 111 is placed in the superconducting state described above.
  • the tip of the LBCO probe 112 becomes insulative before contact and becomes superconductive, and the LBC is reflected by Andre-F reflection.
  • the I-V characteristics between the 0 probe 1 1 2 and the sample 1 1 3 change.
  • the LB ⁇ probe 12
  • the LB is cooled to a temperature lower than the superconducting critical temperature when pressure is applied and higher than the superconducting critical temperature when no pressure is applied.
  • the following measurement can be performed using the change in the IV characteristics described above.
  • the unevenness on the surface of the sample 113 is imaged using the change in the IV characteristic. That is, as shown in FIG. 20, the constant current source 114 supplies a constant current between the LBCO probe 112 and the sample 113, and the LBCO probe 112 is moved to the sample 110. 13. Scan along the surface of 3.
  • the sample 113 may be of any type without particular limitation.
  • the LBC tip between the probe 112 and the sample 113 may be used.
  • the LBC ⁇ probe 1 1 2 is scanned along the surface of the sample 1 13.
  • LB ⁇ Tip 1 1 2 height
  • the sample 113 is a superconducting sample.
  • the LBCO probe 1 I-V characteristics between LBC 0 probe 1 1 2 and sample 1 1 3 change when 1 2 is above the superconducting state or above the non-superconducting state I do. Therefore, the change in IV characteristics enables observation of the magnetic flux lattice of sample 113 and observation of the superconducting / non-superconducting inhomogeneous state.
  • One method is to fabricate LBC tip 12 by processing LBC crystal of Balta.
  • a cone 21 is prepared.
  • This cone 21 has a melting point such that it is not heated and softened when LBCO needle-like crystals are grown by irradiation with an electron beam described later, for example, a melting point of 800 ° C. or more.
  • a raw material film 22 of LBCO crystal to be grown is formed on the surface of the cone 21 in a vacuum.
  • the raw material film 2 for example, L a film or L a 2 0 3 film, B a membrane or B A_ ⁇ film, in addition to using a film such as a Cu film or Cu 2 0 layer, a LB CO membrane itself Is also good.
  • the raw material film 22 can be formed by, for example, any one of a film forming method such as a vacuum evaporation method, a sputtering method, a CVD method, a MOCVD method, and an MBE method, or an appropriate combination thereof.
  • the target is irradiated with an electron beam 23 at room temperature.
  • Spot size of the electron beam 2 for example 5 0 nm to 1 m approximately, acceleration voltage 2. 5 to 2 0 0 k V, the emission current amount 1 x 1 0 7 A, while upon irradiation 3 0 minutes to 1 hour.
  • the irradiation of the electron beam 3 is performed in a vacuum at a pressure of, for example, 3 to 4 xl O- 6 Torr. At this time, as shown in FIG.
  • the LBCO needle-like crystal 115 grows not at the irradiation site of the electron beam 23 but near the tip of the cone 21.
  • the temperature between the irradiated part of the electron beam 23 and the growth part of the LBCO needle-shaped crystal 115 is 10 to 100 ° C /
  • the temperature of the irradiation site of the electron beam 23 is higher than the growth temperature of the LBCO needle crystal 115, but the growth site of the LBC 0 needle crystal 115 is lower in temperature and is most suitable for growth.
  • Temperature The growth of this LBCO needle-like crystal 115 is thought to be due to solid-phase epitaxial growth.
  • the thickness (diameter) of this LBCO needle crystal 1 15 is, for example, 5 ⁇ !
  • the length is, for example, 10 nm to 2 Lm. Or 10 to 50 O nm, and the aspect ratio (length / thickness) is generally 100 or less.
  • observation of an uneven image of a sample surface and study of a nano-scale inhomogeneous superconducting state (self-organization phenomenon) occurring in a high-temperature superconductor or a heavy electron system.
  • This makes it possible to realize a scanning probe microscope that is extremely useful for observing the flux line lattice and studying the state of electrons in the magnetic flux.
  • the numerical values, configurations, materials, raw materials, processes, and the like listed in the above embodiments and examples are merely examples, and different numerical values, configurations, materials, raw materials, processes, and the like may be used as necessary. You may.
  • another energy beam such as a laser beam or an ion beam may be used.
  • the growth may be performed by irradiating the electron beam 23 while supplying a growth raw material. Further, the growth may be performed by irradiating the electron beam 23 while supplying another growth material while a part of the material film is formed.
  • the analysis of a charge density wave nanostructure and the determination of the structure of a biopolymer can be performed with high precision by actively utilizing the macroscopic quantum phase information of the charge density wave.
  • a probe microscope such as a charge density wave quantum phase microscope that can be configured in a small size can be realized. 'Furthermore, it is possible to manufacture electronic devices such as extremely small semiconductor devices without using lithography technology.
  • the analysis of charge density wave nanostructures and the determination of the structure of biological macromolecules can be performed with high accuracy by actively utilizing the macroscopic quantum phase information of charge density waves. Further, a charge density wave quantum phase microscope that can be configured in a small size can be realized.
  • a charge density wave quantum interferometer capable of measuring a local electric field with high accuracy by positively utilizing macroscopic quantum phase information of a charge density wave. it can.
  • a scanning probe microscope that is extremely effective for studying nano-scale non-uniform superconducting state, observing a magnetic flux line lattice, studying an electronic state in a magnetic flux, and observing an uneven image of a sample surface is realized. can do.

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Abstract

Ｓｉなどからなる円錐体の表面に原料膜を堆積させ、円錐体の先端部からその側面に沿って所定距離離れた部位に円錐体が融解しない条件で電子ビームを照射することにより、原料膜を用いて針状結晶を成長させ、走査プローブ顕微鏡探針を製造する。また、電荷密度波結晶からなる探針を用いて電荷密度波量子位相顕微鏡を構成する。また、電荷密度波結晶からなる針状結晶を用いて電荷密度波量子干渉計を構成する。また、走査プローブ顕微鏡の探針として圧力誘起超伝導物質からなるものを用いる。

Description

走査プローブ顕微鏡探針及びその製造方法並びに走査プローブ顕微 鏡及びその使用方法並びに針状体及びその製造方法並びに電子素子及 びその製造方法並びに電荷密度波量子位相顕微鏡並びに電荷密度波量 子干渉計 技術分野
この発明は、 走査プローブ顕明微鏡探針及びその製造方法並びに走査 プローブ顕微鏡及びその使用方法並細びに針状体及びその製造方法並び に電子素子及びその製造方法並びに電荷密度波量子位相顕微鏡並びに 電荷密度波量子干渉計に関し、 例えば、 電荷密度波ナノ構造体を用い た新規なデバイスの作製や生体高分子の構造決定、 あるいは超伝導物 質を始めとする各種物質の表面探査など、 さらには半導体素子などに 用いて好適なものである。
背景技術
金属などの導体中の伝導電子が巨視的な量子コヒーレント状態にな るのは、 超伝導、 電荷密度波 （C D W ) 、 量子ホール液体の 3例しか ない。 外部からの操作なしでは、 前 2者であるといっても過言ではな い。 特に、 C D W体は室温で相転移を示すので、 実用上、 C D W巨視 的量子位相を利用した素子並びに計測デバイスが半導体テクノロジー を超える潜在性を有しており注目されている。 最近、 こう した背景の 下、 C D W 3端子電界 ·電流駆動素子、 フェム ト秒領域のメモリ素子 などが考案され、 それぞれ新しい量子機能素子として新たな効果が実 証されている （例えば、 App l . Phys. Lett. 80， 871 (2002) ) 。 C DWナノ構造体を用いたデバイスの作製には、 その評価を行うた めのツールが不可欠と考えられるが、 本発明者らの知る限り、 これま で、 有効なツールについての具体的な提案は何らなされていないのが 実情である。
一方、 走査プローブ顕微鏡 （ S PM) はナノサイエンスやナノテク ノロジ一の重要なツールであり、 各種の物質の表面探査や材料 . デバ イス開発など多岐にわたり応用されている。
他方、 近年、 高温超伝導体や重い電子系で起こるナノ · スケール不 均一超伝導状態 （自己組織化現象） の研究が行われている。 銅酸化物 高温超伝導体 L a2— x B ax C u 04 の x = 1 / 8近傍では、 スピン -電荷ストライプ秩序が低温で安定化して系は絶縁体的となり、 超伝 導が抑制されることが知られている （例えば、 J. M. Tranquada et a 1·， Nature Vol.357 (1995) 561 ) 。 また、 この系に小さな圧力を印加 すると、 スピン ·電荷ストライプ秩序が抑制され、 超伝導が回復する ことが知られている （例えば、 N. Yamada and M. Ido, Physica C Vo 1.203 (1992) 240及び M. Ido et al.， J. Low Temp. Phys. Vol.105(19 96)311) 。
しかしながら、 従来の走査プローブ顕微鏡は、 上記のナノ · スケ一 ル不均一超伝導状態の研究には、 有力なツールとはなり得なかった。 このため、 新たなツールが求められているが、 これまで有効なツール は提案されていないのが実情である。 ，
そこで、 この発明が解決しょうとする課題は、 電荷密度波の巨視的 量子位相情報を積極的に活用することで電荷密度波ナノ構造体の解析 や生体高分子の構造の決定などを高精度で行うことができ、 しかも小 型に構成することができる電荷密度波量子位相顕微鏡、 この電荷密度 波量子位相顕微鏡などの走査プローブ顕微鏡並びにこれに用いて好適 な走査プローブ顕微鏡探針及びその製造方法を提供することにある。 この発明が解決しょうとする他の課題は、 より一般的には、 上記の 走査プローブ顕微鏡探針を含む各種の針状体及びその製造方法並びに 電子素子及びその製造方法を提供することにある。
この発明が解決しょうとする他の課題は、 電荷密度波の巨視的量子 位相情報を積極的に活用することで局所的な電場を高精度で測定する ことができる電荷密度波量子干渉計を提供することにある。
この発明が解決しょうとするさらに他の課題は、 ナノ · スケール不 均一超伝導状態の研究を始めとして、 磁束線格子の観測や磁束内電子 状態の研究、 さらには試料表面の凹凸像の観測に適用して好適な走査 プロ一ブ顕微鏡及びその使用方法を提供することにある。
上記課題及びその他の課題は、 添付図面を参照した本明細書の以下 の記述により明らかとなるであろう。 発明の開示
本発明者らは、 上記課題を解決するために、 理論的に設計された C D Wナノ構造体を積極的に物質科学の立場から創製し、 これらの物質 が外部刺激を受けた際に生ずる電気 ·弾性 ·光学的性質の変化を明ら かにしながら応用への展開を図ることを考えた。 特に、 C D Wの巨視 的量子位相情報を積極的に活用し、 小型で高性能な顕微鏡の開発を目 指すこととした。 これは、 C D Wナノ構造体を用いたデバイスの作製 に不可欠なツールであるばかりでなく、 D N Aに代表される生体高分 子の構造決定や量子位相情報を用いた量子コンピュータ一の開発など に大きな発展をもたらすものとなり得る。
一方、 C D Wは不純物や試料端の影響でピン止めされているが、 し きい電場以上の電場を印加するとスライディングを起こし、 電気伝導 に寄与する。 この CD Wのスライディングは電子の集団的な並進運動 であり、 低次元導体に特徴的な現象である。 CDWがピン止めポテン シャル中をスライディングすることにより、 CDWの運ぶ直流電流成 分に比例した振動数の交流電流、 すなわち狭帯域信号 （narrow band signal： B S) (狭帯域雑音 （narrow band noise ： NBN) とも 呼ばれる） が生ずる。 すなわち、 しきい電場以上の電場を印加したと きに流れる過剰電流部分を J CDW 、 上記の NB Sの振動数をリ NBS と すると、 リ NBS ∞ J C DW である。 よって、 しきい電場の変化は、 この
NB Sの振動数 NB s を測定することにより高精度で測定することが 可能である。 このしきい電場は C DW結晶に生ずるわずかな応力によ つて変化するので、 C DWの針に電極を付けて NB Sを測定するだけ で、 原子間力顕微鏡 （AFM) を越える機能を持つ高精度な顕微鏡を 作ることができる。 例えば、 長さが 1 0 0 nmの針状 CDW結晶を用 いれば、 周波数計の感度が 1 H zとして、 1 p mの分解能を持つ顕微 鏡の実現が可能である。 また、 例えば AFMにおいてカンチレバーの 探針の変位は力ンチレバーにレーザー光を照射することにより検出し ているが、 この CDW顕微鏡では、 そのような光学系が不要となるた め、 非常に小型の構成とすることができる。 このため、 例えば、 注射 針のように生体に直接導入できるという大きな利点を持つ。
また、 高純度で微小な C DW"針状結晶では、 試料の両端でのピン止 め力が強め合うか弱め合うかは、 CDWの波長； LCDW と試料の長さと の兼ね合いで決まる。 CDW針状結晶へのゲート電圧の印加による波 長； LCDW の変化とともにしきい電場は振動する。 これは超伝導量子干 渉計 （SQU I D) とまったく同様な振る舞いであり、 電圧を測定す る一種の量子干渉計となる。 このしきい電場の変化を NB Sの測定に よって検出することにより、 局所的な電場 （電荷） を測定する高精度 な顕微鏡を作ることが可能である。 .
一方、 本発明者らは、 種々実験を行った結果、 電子ビームのような エネルギービームの照射を利用して例えば S iからなる円錐体の先端 に針状結晶を成長させようとする場合、 円錐体の表面に成長原料を堆 積させた後、 この円錐体の先端部にエネルギービームを照射してもそ の先端部に針状結晶を成長させることは困難であるが、 先端部から離 れた部位にエネルギービームを照射すると、 先端部に針状結晶を容易 に成長させることができることを見出した。 さらに、 別の方法として、 基体の表面に電子ビームのようなエネルギービームを選択的に照射し、 この照射部位で基体の再結晶化を行うことにより、 基体と結晶が連続 した形で針状結晶を成長させることができることも見出した。 これら の方法により C D W針状結晶を成長させ、 これを探針として用いるこ とにより、 C D Wプローブ顕微鏡の実現が可能となる。 また、 他の物 質の針状結晶を成長させ、 これを探針として用いることにより、 各種 の走査プローブ顕微鏡の実現が可能となる。 さらに、 これらの方法に より例えば針状半導体結晶を成長させることにより、 微小な半導体素 子を作ることが可能である。
さらにまた、 本発明者らは、 ナノ · スケール不均一超伝導状態の研 究に有効なツールの実現には、 走査プローブ顕微鏡の探針に、 圧力に 敏感な超伝導特性を持ち、 小さな圧力の印加によって超伝導状態の制 御が可能な圧力誘起超伝導物質を用いることが有効であることを見出 した。
この発明は、 上記の検討に基づいて案出されたものである。
すなわち、 上記課題を解決するために、 第 1の発明は、
錐状または刃状の基体の表面に成長原料を堆積させ、 上記基体の先 端部からその側面に沿って所定距離離れた部位に上記基体が融解しな い条件でエネルギービームを照射することにより、 上記成長原料を用 いて針状結晶を成長させることにより製造されたことを特徴とする走 查プローブ顕微鏡探針である。
第 の発明は、
錐状または刃状の基体の表面に成長原料を堆積させ、 上記基体の先 端部からその側面に沿って所定距離離れた部位に上記基体が融解しな い条件でエネルギービームを照射することにより、 上記成長原料を用 いて針状結晶を成長させるようにしたことを特徴とする走査プローブ 顕微鏡探針の製造方法である。
第 3の発明は、
錐状または刃状の基体の表面に成長原料を堆積させ、 上記基体の先 端部からその側面に沿って所定距離離れた部位に上記基体が融解しな い条件でエネルギービームを照射することにより、 上記成長原料を用 いて針状結晶を成長させることにより製造された探針を有することを 特徴とする走査プロ一ブ顕微鏡である。
第 4の発明は、
錐状または刃状の基体の表面に成長原料を供給しながら、 上記基体 の先端部からその側面に沿って所定距離離れた部位に上記基体が融解 しない条件でエネルギービームを照射することにより、 上記成長原料 を用いて針状結晶を成長させることにより製造されたことを特徴とす る走査プ口一ブ顕微鏡探針である。
第 5の発明は、
錐状または刃状の基体の表面に成長原料を供給しながら、 上記基体 の先端部からその側面に沿って所定距離離れた部位に上記基体が融解 しない条件でエネルギービームを照射することにより、 上記成長原料 を用いて針状結晶を成長させるようにしたことを特徴とする走査プロ ーブ顕微鏡探針の製造方法である。
第 6の発明は、
錐状または刃状の基体の表面に成長原料を供給しながら、 上記基体 の先端部からその側面に沿って所定距離離れた部位に上記基体が融解 しない条件でエネルギービームを照射することにより、 上記成長原料 を用いて針状結晶を成長させることにより製造された探針を有するこ とを特徴とする走査プ口一ブ顕微鏡である。
第 7の発明は、
錐状または刃状の基体の表面に第 1の成長原料を堆積させ、 第 2の 成長原料を供給しながら上記基体の先端部からその側面に沿つて所定 距離離れた部位に上記基体が融解しない条件でエネルギービームを照 射することにより、 上記第 1の成長原料及び上記第 2の成長原料を用 いて針状結晶を成長させることにより製造されたことを特徴とする走 查プローブ顕微鏡探針である。
第 8の発明は、
錐状または刃状の基体の表面に第 1の成長原料を堆積させ、 第 2の 成長原料を供給しながら上記基体の先端部からその側面に沿つて所定 距離離れた部位に上記基体が融解しない条件でエネルギービームを照 射することにより、 上記第 1の成長原料及び上記第 2の成長原料を用 いて針状結晶を成長させるようにしたことを特徴とする走査プローブ 顕微鏡探針の製造方法である。
第 9の発明は、
錐状または刃状の基体の表面に第 1の成長原料を堆積させ、 第 2の 成長原料を供給しながら上記基体の先端部からその側面に沿つて所定 距離離れた部位に上記基体が融解しない条件でエネルギービームを照 射することにより、 上記第 1 の成長原料及び上記第 2の成長原料を用 いて針状結晶を成長させることにより製造された探針を有することを 特徴とする走査プロ一ブ顕微鏡である。
第 1〜第 9の発明において、 基体としては、 エネルギービームの照 射時に軟化しない程度に高い融点、 例えば 8 0 0 °C以上の融点を有す る物質からなるものが用いられる。 錐状の基体は円錐状の基体のほか、 三角錐状、 四角錐状などの多角錐状の基体であってよく、 最低限、 先 端部に向かって断面積が減少するものであればよい。 エネルギービー ムとしては、 例えば電子ビーム、 イオンビーム、 レーザービームなど を用いることができる。 レーザービームとしては、 エキシマ一レーザ ―、 YAGレーザ一、 Arレーザーなどによるレーザ一ビームを用い ることができる。 このエネルギービームの断面形状は特に問わず、 例 えば円形、 楕円形、 矩形などであってよい。 基体が錐状部を複数有す るものである場合、 エネルギービームとして偏平な矩形の断面形状を 有するものを用い、 これを複数の錐状部にまたがる形で照射すること により、 これらの複数の錐状部に一括して針状結晶を成長させること が可能である。 このような偏平な矩形の断面形状を有するエネルギー ビームは、 例えば、 レンズなどを含む光学系を用いてレーザ一ビ一ム を成形することにより容易に得ることができる。 成長原料の堆積また は供給には、 例えば、 真空蒸着法、 スパッ夕リング法、 化学気相成長 (CVD) 法、 有機金属化学気相成長 （MO CVD) 法、 分子線ェピ 夕キシ一 （ΜΒ Ε) 法などの成膜法のいずれか、 またはこれらを適宜 組み合わせて用いることができる。 エネルギービームの照射時には、 一般的に、 基体のエネルギービームの照射部位と先端部との間に、 先 端部を低温側として 1 0°C/"m以上 1 0 0°C/^m以下の温度勾配 が存在する。 針状結晶の太さは必要に応じて決められるが、 一般的に は 5 nm以上 1 m以下である。 針状結晶は、 酸化などを防止するた め、 好適には、 真空中または水素ガス雰囲気中において成長させる。 針状結晶は、 走査プローブ顕微鏡が例えば電荷密度波量子位相顕微 鏡である場合には、 例えば、 MXP (ただし、 Mは T a及び Nbから なる群より選ばれた少なく とも一種の元素、 Xは S、 3 6及び丁 6か らなる群より選ばれた少なくとも一種の元素、 1 . 8≤p≤ 2. 2 ) 、 MX, (ただし、 Mは T a及び Nbからなる群より選ばれた少なく と も一種の元素、 Xは S、 S e及び T eからなる群より選ばれた少なく とも一種の元素、 2. 7≤ q≤ 3. 3 ) または MXr (ただし、 Mは T a及び N bからなる群より選ばれた少なく とも一種の元素、 Xは S、 S e及び T eからなる群より選ばれた少なく とも一種の元素、 3. 6 ≤ r ≤ A . 4 ) からなる。 MXP の具体例を挙げると T a S e 2 や T a S 2 、 MXq の具体例を挙げると Nb S e 3 や Nb S 3 、 MX- の 具体例を挙げると Nb T e 4 などである。 針状結晶は、 プローブ顕微 鏡の用途によっては、 このほか、 N iや C uなどの金属からなるもの や超伝導物質 （酸化物超伝導体など） などであってもよい。
第 1 0の発明は、
錐状または刃状の基体の表面に成長原料を堆積させ、 上記基体の先 端部からその側面に沿って所定距離離れた部位に上記基体が融解しな い条件でエネルギービームを照射することにより、 上記成長原料を用 いて針状結晶を成長させるようにしたことを特徴とする針状体の製造 方法である。
第 1 1の発明は、
錐状または刃状の基体の表面に成長原料を供給しながら、 上記基体 の先端部からその側面に沿って所定距離離れた部位に上記基体が融解 しない条件でエネルギービームを照射することにより、 上記成長原料 を用いて針状結晶を成長させるようにしたことを特徴とする針状体の 製造方法である。
第 1 1の発明は、
錐状または刃状の基体の表面に第 1の成長原料を堆積させ、 第 2の 成長原料を供給しながら上記基体の先端部からその側面に沿つて所定 距離離れた部位に上記基体が融解しない条件でエネルギービームを照 射することにより、 上記第 1の成長原料及び上記第 2の成長原料を用 いて針状結晶を成長させるようにしたことを特徴とする針状体の製造 方法である。
第 1 0〜第 1 2の発明において、 針状体には、 走査プローブ顕微鏡 の探針に用いる針状結晶が含まれるほか、 その他の各種の用途のもの が含まれ、 針状結晶の材料も各種のものであつ.てよい。
第 1 0〜第 1 2の発明においては、 その性質に反しない限り、 第 1 〜第 9の発明に関連して述べたことが成立する。
第 1 3の発明は、
錐状または刃状の基体の表面に成長原料を堆積させ、 上記基体の先 端部からその側面に沿って所定距離離れた部位に上記基体が融解しな い条件でエネルギービームを照射することにより、 上記成長原料を用 いて針状結晶を成長させるようにしたことを特徴とする電子素子の製 造方法である。
第 1 4の発明は、
錐状または刃状の基体の表面に成長原料を供給しながら、 上記基体 の先端部からその側面に沿つて所定距離離れた部位に上記基体が融解 しない条件でエネルギ一ビームを照射することにより、 上記成長原料 を用いて針状結晶を成長させるようにしたことを特徴とする電子素子 の製造方法である。
第 1 5の発明は、 錐状または刃状の基体の表面に第 1の成長原料を堆積させ、 第 2の 成長原料を供給しながら上記基体の先端部からその側面に沿つて所定 距離離れた部位に上記基体が融解しない条件でエネルギービームを照 射することにより、 上記第 1の成長原料及び上記第 2の成長原料を用 いて針状結晶を成長させるようにしたことを特徴とする電子素子の製 造方法である。
第 1 3〜第 1 5の発明において、 電子素子には、 半導体素子のほか、 超伝導体素子、 強誘電体素子、 磁気素子などの各種のものが含まれる。 第 1 3〜第 1 5の発明においては、 その性質に反しない限り、 第 1 〜第 9の発明に関連して述べたことが成立する。
第 1 6の発明は、
基体の表面の所定の部位にエネルギービームを照射し、 再結晶化に より針状結晶を成長させることにより製造されたことを特徴とする走 査プロ一ブ顕微鏡探針である。
第 1 7の発明は、
基体の表面の所定の部位にエネルギービームを照射し、 再結晶化に より針状結晶を成長させるようにしたことを特徴とする走査プローブ 顕微鏡探針の製造方法である。
第 1 8の発明は、
基体の表面の所定の部位にエネルギービームを照射し、 再結晶化に より針状結晶を成長させることにより製造された探針を有することを 特徴とする走査プロ一ブ顕微鏡である。
第 1 9の発明は、
基体の表面の所定の部位にエネルギービ一ムを照射し、 再結晶化に より針状結晶を成長させるようにしたことを特徴とする針状体の製造 方法である。 第 2 0の発明は、
基体の表面の所定の部位にエネルギービームを照射し、 再結晶化に より針状結晶を成長させるようにしたことを特徴とする電子素子の製 造方法である。
第 1 6〜第 2 0の発明においては、 その性質に反しない限り、 第 1 〜第 1 5の発明に関連して述べたことが成立する。
上述のように構成された第 1〜第 1 5の発明においては、 先端部か ら所定距離離れた部位にエネルギービームを照射することにより、 先 端部に針状結晶が成長する。
また、 第 1 6〜第 2 0の発明においては、 基体の表面の所定の部位 にエネルギービームを照射することにより、 針状結晶が成長する。 第 2 1の発明は、
電荷密度波結晶からなる探針を用いたことを特徴とする電荷密度波 量子位相顕微鏡である。
この第 2 1の発明では、 典型的には、 電荷密度波結晶からなる探針 を試料に接触させたときのその電荷密度波結晶のしきい電場の変化を 狭帯域信号 （N B S ) の振動数を測定することにより測定する。
あるいは、 探針を試料に接近させたときにそれらの間に生ずる電荷 密度波トンネリングを利用して試料の電荷密度波状態を測定すること もできる。
第 2 2の発明は、
電荷密度波結晶からなる針状結晶を用いたことを特徴とする電荷密 度波量子干渉計である。
この第 2 2の発明では、 典型的には、 針状結晶の側面にゲート電圧 を印加したときの電荷密度波結晶のしきい電場の変化を狭帯域信号の 振動数を測定することにより測定する。 第 2 1及び第 2 2の発明において、 電荷密度波結晶としては、 基本 的にはどのようなものを用いてもよいが、 好適には、 MXP (ただし、 Mは T a及び Nbからなる群より選ばれた少なくとも一種の元素、 X は S、 S e及び T eからなる群より選ばれた少なくとも一種の元素、 1. 8≤ ≤ 2. 2 ) 、 MXq (ただし、 Mは T a及び Nbからなる 群より選ばれた少なく とも一種の元素、 Xは S、 S e及び T eからな る群より選ばれた少なく とも一種の元素、 2. 7≤ q≤ 3. 3 ) また は MXr (ただし、 Mは T a及び Nbからなる群より選ばれた少なく とも一種の元素、 Xは S、 S e及び T eからなる群より選ばれた少な く とも一種の元素、 3. 6≤ r≤ 4. 4 ) からなるものが用いられる。 MXp の具体例を挙げると T a S e 2 や T a S 2 、 MXq の具体例を 挙げると Nb S e 3 や Nb S 3 、 ΜΧΓ の具体例を挙げると N b T e 4 などである。
電荷密度波結晶は、 典型的には針状結晶からなる。 電荷密度波結晶 あるいは針状結晶には、 ナノチューブのような管状晶も含まれ、 また、 単結晶だけでなく、 多結晶であってもよい。
上述のように構成された第 2 1の発明においては、 電荷密度波結晶 からなる探針を試料の表面に接触させたとき、 探針に応力が生ずるこ とによる電荷密度波のしきい電場の変化を狭帯域信号の振動数を測定 することにより高精度で測定することができる。 あるいは、 探針を試 料の表面に接近させたとき、 それらの間に生ずる電荷密度波トンネリ ングを利用して試料の電荷密度波状態を測定することができる。 また、 AFMで必要な探針の変位の検出のための光学系が不要である。
また、 第 2 2の発明においては、 電荷密度波結晶からなる針状結晶 にゲ一ト電圧を印加したときに生ずる電荷密度波のしきい電場の変化 を狭帯域信号の振動数を測定することにより高精度で測定することが できる。
第 I 3の発明は、
圧力誘起超伝導物質からなる探針を用いたことを特徴とする走査プ ローブ顕微鏡である。
ここで、 圧力誘起超伝導物質としては各種のものを用いることがで き、 無機物質に限られず、 有機物質であってもよく、 用途などに応じ て適宜選ぶことができる。 最も代表的な例を挙げると、 銅酸化物高温 超伝導体の一種である L a 2 B a, C u 04 (略称 LB CO) であ り、 特に B a濃度 xが 1 Z 8近傍 （典型的には、 X = 1 / 8 ± 0. 0 3 ) のものである。 この x= 1 /8近傍の 8( 〇では、 スピン ·電 荷ストライプ秩序が低温で安定化して系は絶縁体的となり、 超伝導が 抑制される。 一方、 この系に小さな圧力を印加すると、 スピン .電荷 ストライプ秩序が抑制され、 超伝導が回復する。 圧力誘起超伝導物質 としては、 L a2-X B a x Cu04 の関連物質である L a 2-x— y Ry B ax C u 04 (略称 LRBCO、 Rは N dなどの希土類元素） もあ り、 特に x= 1 /8近傍、 0≤y<〜0. 5 (典型的には、 0≤y< 0. 5 ) のものである。 圧力誘起超伝導物質としては、 そのほかに、 低次元電子系物質 Nb S e 3 、 重い電子系物質 C e T I n5 (T = R h、 I r、 C 0 ) 、 強磁性金属物質 F eなども挙げられる。
圧力誘起超伝導物質からなる探針は、 典型的には針状結晶 （ナノチ ュ一ブのような管状晶も含む） からなる。
圧力誘起超伝導物質からなる探針を試料表面に接触させると、 それ に伴って探針の先端部に加わる圧力によりこの先端部が超伝導状態と なり、 探針と試料との間の電流 （ I ) 一電圧 （V) 特性が変化する。 この I一 V特性の変化は、 超伝導体一常伝導体界面で起こるアンドレ —エフ （Andreev)反射のためである。 ここで、 アンドレ一エフ反射と は、 常伝導体内から入射した電子 （ホール） が超伝導体内にクーパー 対として侵入するために同位相のホール （電子） が返ってくる現象の ことをいう。 この I 一 V特性の変化を利用して様々な測定あるいは観 測を行うことができる。 .
そこで、 第 2 4の発明は、
圧力誘起超伝導物質からなる探針を用いた走査プローブ顕微鏡の使 用方法であって、
上記探針と試料との間に一定電流を流しながら上記探針を上記試料 の表面に沿って走査するようにしたことを特徴とするものである。
ここで、 圧力誘起超伝導物質からなる探針と試料との間に一定電流 を流しながら探針を試料表面に沿って走査すると、 表面の凹凸により 探針先端部が常伝導状態と超伝導状態との間を変化し、 それに伴って 探針と試料との間の電圧が変化し、 探針と試料との間の電流一電圧特 性が変化する。 これを画像化することにより、 試料表面の凹凸を観察 することができる。 また、 特に試料が超伝導試料である場合、 この超 伝導試料内に磁束線が侵入した状態のように、 超伝導状態の領域と非 超伝導状態の領域とが混在して試料表面に存在する場合、 圧力誘起超 伝導物質からなる探針が超伝導状態の領域の上にあるときと非超伝導 状態の領域の上にあるときとで、 探針と試料との間の電流一電圧特性 が変化する。 したがって、 磁束格子の観測や超伝導 ·非超伝導不均一 状態の観測が可能である。 さらに、 試料中のキャリアの移動度の測定 を行うことも可能である。
第 2 5の発明は、
圧力誘起超伝導物質からなる探針を用いた走査プローブ顕微鏡の使 用方法であって、
上記探針と試料との間の電圧を一定に保つように上記探針の高さを 変化させながら上記探針を上記試料の表面に沿って走査するようにし たことを特徴とするものである。
ここで、 探針の高さの変化を画像化することにより、 試料表面の凹 凸を観察することができる。
第 2 4及び第 2 5の発明においては、 その性質に反しない限り、 第 2 3の発明に関連したことが成立する。
上述のように構成された第 2 3〜第 2 5の発明においては、 圧力誘 起超伝導物質からなる探針を、 例えば探針と試料との間に一定電流を 流しながら試料の表面に沿って走査することにより、 例えば超伝導試 料にナノ · スケール不均一超伝導状態や磁束線格子などが存在する場 合、 アンドレ一エフ反射を利用して、 その状態を簡便に観測すること ができる。 また、 試料表面の凹凸像も同様にして簡便に観測するこ ^: ができる。 さらに、 両者を併用することにより、 試料表面の凹凸を除 去して磁束線格子の精密な像を得ることができる。 図面の簡単な説明
第 1図は、 この発明の第 1の実施形態による C D W量子位相顕微鏡 を示す略線図、 第 2図は、 この発明の第 1の実施形態による C D W量 子位相顕微鏡において用いられる探針を示す略線図、 第 3図は、 この 発明の第 1の実施形態による C D W量子位相顕微鏡による測定原理を 説明するための略線図、 第 4図 A〜第 4図 Dは、 この発明の第 1の実 施形態による C D W量子位相顕微鏡において用いられる探針の作製方 法を説明するための略線図、 第 5図は、 この発明の第 1の実施形態に よる C D W量子位相顕微鏡において用いられる探針の作製方法により 作製された探針を示す S E M写真、 第 6図は、 この発明の第 1の実施 形態による C D W量子位相顕微鏡により得られた原子像を示す写真、 第 7図は、 この発明の第 1の実施形態による C D W量子位相顕微鏡に より得られた C D W像を示す写真、 第 8図は、 この発明の第 2の実施 形態による C D W量子位相顕微鏡を示す略線図、 第 9図は、 この発明 の第 3の実施形態による C D W量子干渉計を示す略線図、 第 1 0図は、 この発明の第 4の実施形態によるマルチプローブ C D W量子位相顕微 鏡を示す略線図、 第 1 1図は、 この発明の第 5の実施形態によるマル チプローブ C D W量子位相顕微鏡を示す略線図、 第 1 2図は、 この発 明の第 8の実施形態による半導体素子の製造方法を示す斜視図、 第 1 3図 A〜第 1 3図 Dは、 この発明の第 8の実施形態による半導体素子 の製造方法を示す断面図、 第 1 4図は、 この発明の第 9の実施形態に よる半導体素子の製造方法を示す断面図、 第 1 5図 A〜第 1 5図 Cは、 この発明の第 1 0の実施形態による量子ドッ トアレーの製造方法を示 す断面図、 第 1 6図 A及び第 1 6図 Bは、 この発明の第 1 1の実施形 態による探針の製造方法を示す断面図、 第 1 7図は、 この発明の第 1 2の実施形態によるアンドレ一エフ反射走査プロ一ブ顕微鏡を示す略 線図、 第 1 8図は、 L a 2— x B a x C u 0 4 の相図、 第 1 9図は、 L a 2 -x B a x C u 0 4 の B a濃度 xと超伝導臨界温度 T c との関係を 印加圧力をパラメータとして示す略線図、 第 2 0図は、 この発明の第 1 2の実施形態によるアンドレ一エフ反射走査プローブ顕微鏡の使用 方法を説明するための略線図、 第 2 1図は、 この発明の第 1 2の実施 形態によるアンドレーエフ反射走査プ口一ブ顕微鏡において探針一試 料間の I一 V特性の印加圧力による変化を示す略線図、 第 2 2図 A〜 第 2 2図 Dは、 この発明の第 1 2の実施形態によるアンドレーエフ反 射走査プローブ顕微鏡において用いられる L B C 0探針の作製方法を 説明するための略線図である。 発明を実施するための最良の形態
以下、 この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。 第 1図はこの発明の第 1の実施形態による C DW量子位相顕微鏡を 示す。
第 1図に示すように、 この C DW量子位相顕微鏡においては、 一般 的な走査プローブ顕微鏡と同様な圧電制御装置 1 1の下部に C DW針 状結晶からなる探針 1 2が取り付けられており、 圧電制御装置 1 1に よりこの探針 1 2を χ、 γ z方向に三次元的に走査することができ るようになっている。 第 1図に示すように、 探針 1 1には電極 1 3、 1 4が設けられており、 これらの電極 1 3、 1 4の間に電源 1 5及び 周波数計 1 6を含む外部回路が接続されている。 そして、 周波数計 1 6により、 NB Sの振動数を測定し、 それによつてしきい電場の変化 を測定することができるようになつている。
次に、 この CDW量子位相顕微鏡の使用方法を説明する。 ここでは、 一例として C DWナノ構造体からなる試料を用いる場合を考える。 第 1図に示すように、 C DWナノ構造体からなる試料 1 7の表面に 探針 1 2を接触させ、 走査する。 探針 1 2が試料 1 7の表面に接触す ると、 探針 1 2の先端が変位し、 それによつて探針 1 2に応力が生ず る。 この応力により、 探針 1 2のしきい電場が変化し、 それにより探 針 1 2を流れる NB Sの振動数が変化する。 そして、 この NB Sの振 動数の変化が表面像に変換される。 表面像への変換、 言い換えると物 体の表面形状などの可視化には、 例えば、 周波数一電圧 （電流） 変換 器の出力の可視化、 あるいはフィ一ドバックを構成する制御信号の可 視化がある。
もう一つの使用方法を説明する。
第 3図に、 試料 1 7の CDW状態におけるイオンの配置及び C DW (電荷密度 /0 ( x) ) と探針 1 2のイオンの配置及び C DWとを示す。 p (x ) は次式で表される。
P K X = P 0 + P 1 C O S ( Q X + ^ ) ただし、 Xは 1次元軸方向の空間座標、 P i は電荷密度波の振幅、 Q は波数ベク トル （ネスティングベク トル） で Q= 2 kF (kP はフエ ルミ波数） 、 P。 =一 e r (ne は電子の密度） 、 0は位相を示す。 探針 1 と試料 1 7との接触点において、 探針 1 2の先端の C DW の位相を 0 p 、 試料 1 7の表面の C DWの位相を 0 s とすると、 0 p 一 Θ s ∞Vthが成立する。 ただし、 Vthはしきい電場に対応する電圧 (しきい電圧） である。 探針 1 2の先端が走査に伴い変位すると、 そ れに伴って 0 S が変化し、 これが Θ Ρ - Θ s の変化をもたらして Vth、 従ってしきい電場が変化することとなる。 そして、 これが NB Sの振 動数の変化として測定される。
さらにもう一つの使用方法を説明する。 これは C DWトンネリング を利用するものである。
C DWナノ構造体からなる試料 1 7の表面に探針 1 2 を接近させ、 走査する。 探針 1 2の先端の C DWの位相を Θ Ρ 、 試料 1 7の表面の C DWの位相を 0 S とする。 探針 1 2の先端が走査に伴い変位すると、 それに伴って 0 S が変化し、 これが S P - Θ s の変化をもたらし、 探 針 1 2 と試料 1 7との間に流れるトンネリング電流が変化する。 そし て、 この電流あるいは電圧の変化が表面像に変換される。
次に、 C DW針状結晶からなる探針 1 2の作製方法について説明す る。
まず、 第 4図 Aに示すように、 円錐体 2 1 を作製する。 この円錐体 2 1は、 後述の電子ビームの照射により C DW物質を成長させる際に 加熱されて軟化しない程度の融点、 例えば 8 0 0 °C以上の融点を有す るものであれば、 基本的にはどのような材料からなるものでもよいが、 具体的には、 例えば S i、 S i 3 N 4 、 S i 〇2 、 ダイヤモンド、 ァ ルミナ （サファイア） 、 T a S 2 、 G aA s、 N i、 T aなどを用い ることができる。
次に、 第 4図 Bに示すように、 真空中において、 この円錐体 2 1の 表面に、 成長させようとする C DW物質の原料膜 2 2を形成する。 こ の原料膜 2 2としては、 例えば C DW物質として T a S e 2 を用いる 場合には、 T a膜及び S e膜からなる二層膜を用いるほか、 T a S e 2 膜そのものであってもよい。 この原料膜 2 2は、 例えば真空蒸着法、 スパッタリング法、 化学気相成長 （ C V D ) 法、 有機金属化学気相成 長 （MO CVD) 法、 分子線エピタキシー （MB E) 法などの成膜法 のいずれか、 またはこれらを適宜組み合わせて形成することができる。 次に、 第 4図 Cに示すように、 こうして原料膜 2 2を形成した円錐 体 2 1の先端部からその側面に沿って所定距離 L、 例えば l〜3 wm 程度離れた点 Pを目掛けて電子ビーム 2 3を室温で照射する。 この電 子ビーム 2 3のスポッ トサイズは、 例えば 5 0 nm〜 1 m程度とす る。 このとき、 第 4図 Dに示すように、 この電子ビーム 2 3の照射部 位ではなく、 円錐体 2 1の先端部近傍に C D W針状結晶 2 4が成長す る。 電子ビーム 2 3の照射時には一般に、 電子ビーム 2 3の照射部位 と C DW針状結晶 2 4の成長部位との間に、 先端部を低温側として 1 0〜 1 0 0 °C/jti mの温度勾配が存在する。 この場合、 電子ビーム 2 3の照射部位の温度は C DW針状結晶 1 4の成長温度よりも高いが、 C DW針状結晶 2 4の成長部位はより温度が低くなつて成長に最も適 した温度になっている。 この C DW針状結晶 2 4の成長は、 固相ェピ タキシャル成長によるものと考えられる。 この C DW針状結晶 2 4の 太さ （径） は例えば 5 nm〜 1 〃m程度、 長さは例えば 1 0 nm〜 2 〃m、 あるいは 1 0〜 5 0 O nmであり、 アスペク ト比 （長さ/太さ） は一般的には 1 0 0以下である。
実施例 1
S iからなる円錐体 2 1の表面に T a膜及び S e膜を真空蒸着法に より順次形成した後、 これらの T a膜及び S e膜からなる原料膜 2 2 が形成された円錐体 2 1の先端部からその側面に沿って L- 2 離 れた部位に電子ビーム 1 3を照射した。 T a膜の厚さは 1 0 0 nm、 S e膜の厚さは 2 0 0 nmとした。 電子ビーム 1 3のスポッ トサイズ は 1 m、 加速電圧は 2 5 kV、 照射電流量は 1 X 1 0— 7 A、 照射 時間は 3 0分とした。 また、 電子ビーム 1 3の照射は 3〜4 X 1 0一6 T 0 r rの圧力の真空中で行った。 その結果、 先端部から約 0. 5 w m離れた部位に直径約 0. 4 の T a S e 2 針状結晶が約 1. 5 mの長さに成長した。 その走査型電子顕微鏡 （ S EM) 写真を第 5図 に示す。 この場合、 電子ビーム 2 3の照射部位の円錐体 2 1の温度は 8 0 0〜 8 5 0 °C程度、 成長部位の温度は 6 0 0〜 7 0 0 °C程度と考 えられる。
この T a S e 2 針状結晶を探針 1 2に用いて T a S e 2 試料の表面 を走査したところ、 第 6図に示すような良好な原子像が得られた。 次に、 この T a S e z 針状結晶に電極 1 3、 1 4を形成したものを 探針 1 2に用いた C DW量子位相顕微鏡により T a S e 2 試料の表面 を走査したところ、 第 7図に示すような C DW像が得られた。
以上のように、 この第 1の実施形態によれば、 C DWの巨視的量子 位相情報を積極的に活用した C DW量子位相顕微鏡を実現することが できる。 この C DW量子位相顕微鏡は、 AF Mを越える機能を持つ高 精度な顕微鏡である。 例えば、 探針 1 として長さが 1 0 0 nmのも のを用いれば、 周波数計 1 6の感度が 1 H zであるとして、 1 p mの 分解能を得ることができる。 また、 この C DW量子位相顕微鏡は AF Mなどと異なり光学系が不要なため、 その分だけ小型に構成すること ができるという利点がある。
次に、 この発明の第 1の実施形態による C DW量子位相顕微鏡につ いて説明する。
第 8図に示すように、 この C DW量子位相顕微鏡においては、 カン チレバー 3 1の先端下部に S iなどからなる探針 3 2が取り付けられ ている。 カンチレバー 3 1の他端は圧電制御装置 （図示せず） に取り 付けられている。 カンチレバー 3 1の上に、 C DW針状結晶 3 3がー 体的に設けられている。 この C DW針状結晶 3 3の両端には電極 3 4、 3 5が設けられており、 これらの電極 3 4、 3 5の間に電源 3 6及び 周波数計 3 7を含む外部回路が接続されている。 そして、 周波数計 3 7により、 NB Sの振動数を測定し、 それによつてしきい電場の変化 を測定することができるようになつている。
次に、 この C DW量子位相顕微鏡の使用方法を説明する。 ここでは、 一例として C DWナノ構造体からなる試料を用いる場合を考える。 第 8図に示すように、 C DWナノ構造体からなる試料 1 7の表面に 探針 3 2を接触させ、 走査する。 探針 3 2が試料 1 7の表面に接触す ると、 探針 3 2の先端が変位し、 それに伴って力ンチレバー 3 1の先 端が変位し、 それによつてカンチレパー 3 1上の C DW針状結晶 3 3 が伸縮して応力が生ずる。 この応力により、 。 0¥針状結晶 3 3のし きい電場が変化し、 それにより C DW針状結晶 3 3を流れる NB Sの 振動数が変化する。 そして、 この NB Sの振動数の変化が表面像に変 換される。
上記以外のことは第 1の実施形態と同様である。
この第 2の実施形態によれば、 第 1の実施形態と同様な利点を得る ことができる。
次に、 この発明の第 3の実施形態による C D W量子干渉計について 説明する。 この C DW量子干渉計を第 9図に示す。
第 9図に示すように、 この C DW量子干渉計においては、 C DW針 状結晶 4 1の両端に電極 4 2、 4 3が設けられており、 これらの電極 4 2. 4 3の間に電源 4 4及び周波数計 4 5を含む外部回路が接続さ れている。 C DW針状結晶 4 1の中央部側面にはゲート電極 4 6が設 けられており、 このゲート電極 4 6により C DW針状結晶 4 1にゲ一 ト電圧を印加することができるようになつている。 そして、 周波数計 4 5により、 N B Sの振動数を測定し、 それによつてしきい電場の変 化を測定することができるようになつている。
この C DW量子干渉計の使用方法を説明する。
高純度で微小な C D W針状結晶 4 1では、 両端でのピン止め力が強 め合うか弱め合うかは、 C DWの波長； lCDW と C DW針状結晶 4 1の 長さとの兼ね合いで決まる。 C DW針状結晶 4 1の電極 4 2側の一端 における C D Wの位相を 0 , 、 電極 4 3側の他端における CD Wの位 相を 02 とする。 C DW針状結晶 4 1にゲート電極 4 6によりゲート 電圧 Vs が印加されると、 C DWの波長； lCDW が変化し、 それによつ て Θ — Θ 2 の値が変化し （Vs ∞ θ , - Θ z ) 、 それとともにしき い電圧 Vth、 従ってしきい電場が変化する。 ここで、
Vth= 2 V。 | c o s (;r Cs Vs / 2 e ) I である。 ただし、 V。 は定数、 Cs はゲート容量、 eは電荷素量であ る。 このしきい電場の変化を NB Sの振動数を測定することによって 検出することにより、 局所的な電場を測定することができる。
この第 3の実施形態によれば、 C DWの巨視的量子位相情報を積極 的に活用した C DW量子干渉計を実現することができる。 この C DW 量子干渉計によれば、 局所的な電場を高精度で測定することができる。 次に、 この発明の第 4の実施形態による磁気プローブ顕微鏡につい て説明する。
この磁気プローブ顕微鏡においては、 第 1 の実施形態と同様な方法 により作製された強磁性材料からなる探針 1 2を用いる。 具体的には、 円錐体 2 1の表面に例えば N i膜を形成し、 これに第 1の実施形態と 同様な方法で電子ビーム 2 3を照射することにより、 N iからなる針 状結晶を成長させ、 これを探針 1 2とする。
その他のことは第 1の実施形態と同様である。
この第 4の実施形態によれば、 強磁性材料からなる良好な探針 1 2 を用いた磁気プローブ顕微鏡を実現することができる。 そして、 この 磁気プローブ顕微鏡を用いて強磁性材料の探査を高精度で行うことが 可能となる。
次に、 この発明の第 5の実施形態による反磁性プローブ顕微鏡につ いて説明する。
この反磁性プローブ顕微鏡においては、 第 1 の実施形態と同様な方 法により作製された反磁性材料からなる探針 1 2を用いる。 具体的に は、 円錐体 2 1の表面に例えば C u膜を形成し、 これに第 1の実施形 態と同様な方法で電子ビーム 2 3を照射することにより、 C uからな る針状結晶を成長させ、 これを探針 1 2とする。
その他のことは第 1の実施形態と同様である。
この第 5の実施形態によれば、 反磁性材料からなる良好な探針 1 2 を用いた反磁性プローブ顕微鏡を実現することができる。 そして、 こ の反磁性プローブ顕微鏡を用いて反磁性材料の探査を高精度で行うこ とが可能となる。
次に、 この発明の第 6の実施形態によるマルチプローブ C D W量子 位相顕微鏡について説明する。
第 1 0図に示すように、 このマルチプローブ C D W量子位相顕微鏡 においては、 基板 5 1上に多数の円錐体 5 を 2次元アレイ状に形成 し、 各円錐体 5 2の先端部に第 1の実施形態と同様な方法により C D W針状結晶からなる探針 5 3を形成したものを用いる。
その他のことは第 1の実施形態と同様である。
この第 6の実施形態によれば、 C D W試料の広範な領域を一括して、 しかも高精度に探査することができる。
次に、 この発明の第 7の実施形態によるマルチプローブ C D W量子 位相顕微鏡について説明する。
第 1 1図に示すように、 このマルチプローブ C 量子位相顕微鏡 においては、 基板 6 1上に多数の刃状部 6 2をストライプ状に互いに 平行に形成し、 各刃状部 6 2の先端部に探針 6 3を 1次元アレイ状に 形成し、 複数の刃状部 6 2の全体で見た場合には探針 6 3が 2次元ァ レイ状に配列されたものを用いる。 各探針 6 3の形成は、 刃状部 6 2 の先端から離れた部位に第 1の実施形態と同様にして電子ビーム 2 3 を照射することにより行う。
その他のことは第 1の実施形態と同様である。
この第 7の実施形態によれば、 C D W試料の広範な領域を一括して、 しかも高精度に探査することができる。
次に、 この発明の第 8の実施形態による半導体素子の製造方法につ いて説明する。
この第 8の実施形態においては、 まず、 第 1 2図に示すように、 例 えば n型 G a A s基板 7 1上に多数の円錐体 7 2を 2次元アレイ状に 形成し、 各円錐体 7 2の先端部に第 1 の実施形態と同様な方法により 例えば n型 G a A sからなる針状半導体結晶 7 3を形成する。 次に、 第 1 3図 Aに示すように、 n型 G a A s基板 7 1上に例えば S i 0 2 膜のような絶縁膜 7 4を形成して針状半導体結晶 7 3のほぼ 中央部の高さまで埋める。
次に、 第 1 3図 Bに示すように、 絶縁膜 7 4上に針状半導体結晶 7 3の周りを埋め込むようにショッ トキ一電極材料を形成してゲート電 極 7 5を形成する。
次に、 第 1 3図 Cに示すように、 このゲート電極 7 5上に例えば S i 〇2 膜のような絶縁膜 7 6を形成して針状半導体結晶 7 3の上端部 の高さより少し低い高さまで埋める。
次に、 第 1 3図 Dに示すように、 絶縁膜 7 6上にォ一ミック電極材 料を形成して針状半導体結晶 7 3の上端とォーミック接触したドレイ ン電極 7 7を形成する。 一方、 n型 G a A s基板 7 1の裏面にォーミ ック電極材料を形成してソース電極 7 8を形成する。
以上により、 ショッ トキーゲート F E Tが形成される。
この第 8の実施形態によれば、 針状半導体結晶 7 3を用いた極微小 のショッ トキーゲート F E Tが 2次元アレイ状に配列された集積型 F E Tを、 円錐体 7 2を形成する工程を除いて、 リソグラフィ一技術を 用いることなく簡便に製造することができる。
次に、 この発明の第 9の実施形態による半導体素子の製造方法につ いて説明する。
この第 9の実施形態においては、 第 1 4図に示すように、 ゲート電 極 7 5及びドレイン電極 7 7を各 F E T毎にパターユングする。 各ゲ —ト電極 7 5は所定の配線 （図示せず） により相互に接続され、 各ド レイン電極 7 7も所定の配線 （図示せず） により相互に接続される。 この場合、 各 F E Tは独立駆動が可能である。
次に、 この発明の第 1 0の実施形態による量子ドッ トアレーの製造 方法について説明する。
この第 1 0の実施形態においては、 まず、 第 1 5図 Aに示すように、 例えば G a A s基板 8 1上に多数の円錐体 8 2を 2次元アレイ状に形 成する。
次に、 第 1 5図 Bに示すように、 各円錐体 8 2の先端部に第 1の実 施形態と同様な方法により A l G aA s層 8 3 a、 G aA s層 8 3 b 及び A 1 G aA s層 8 3 cからなる針状半導体結晶 8 4を形成する。 次に、 第 1 5図 Cに示すように、 A l G aA s層 8 5を全面にェピ タキシャル成長させて各針状半導体結晶 8 4の間の部分を埋める。 こ れによって、 井戸層となる G aA s層 8 3 bが障壁層となる A 1 G a A s層 8 3 a、 A l G aAs層 8 3 c及び A 1 0 & 3層8 5にょり 囲まれた構造、 すなわち A 1 G aA s/G aA s量子ドッ 卜が形成さ れる。
この第 1 0の実施形態によれば、 二次元量子ドッ トアレーを容易に 製造することができる。
次に、 この発明の第 1 1の実施形態について説明する。 この第 1 1 の実施形態においては'、 C DW針状結晶からなる探針 1 2の作製方法 として、 第 1の実施形態と異なる方法について説明する。
すなわち、 この第 1 1の実施形態においては、 第 1 6図 Aに示すよ うに、 まず、 C DW結晶基板 9 1 を用意し、 その表面の所定の部位に 電子ビーム 3を室温で照射する。 この電子ビーム 2 3のスポッ トサ ィズは、 例えば 5 0 ηπ！〜 1 m程度とする。 このとき、 この電子ビ ーム 2 3の照射部位では C DW結晶基板 9 1がその融点とほぼ等しい 温度に加熱される。 これによつて融解した C D W結晶基板 9 1が再結 晶化することにより、 第 1 6図 Bに示すように、 じ 0¥針状結晶 2 4 が成長する。 この C DW針状結晶 2 4の太さ （径） は例えば 5 nm〜 1 〃m程度、 長さは例えば 1 0 nm〜 2〃m、 あるいは 1 0〜 5 0 0 nmであり、 ァスぺク ト比 （長さノ太さ） は一般的には 1 0 0以下で ある。
実施例
T a S e 2 結晶からなる C D W結晶基板 9 1の表面の所定の部位に 電子ビーム 2 3を照射した。 C DW結晶基板 9 1は一辺の長さが約 4 0 mの正方形である。 電子ビーム 2 3のスポッ トサイズは 1 Aim、 加速電圧は 2 5 kV、 照射電流量は 8 X 1 0— 8A、 照射時間は 3 0分 とした。 また、 電子ビーム 2 3の照射は 3〜4 X 1 0— 6T o r rの圧 力の真空中で行った。 その結果、 T a S e 2 結晶からなる C DW結晶 基板 9 1上に直径約 5 0 nmの単結晶の T a S e 2 針状結晶 （ナノフ アイバ一） からなる C DW針状結晶 2 4が、 C DW結晶基板 9 1 と結 晶が連続した形で約 1 5 O nmの長さに成長した。
この第 1 1の実施形態によれば、 C DW量子位相顕微鏡に用いて好 適な C DW針状結晶 2 4を得ることができる。
次に、 この発明の第 1 2の実施形態によるアンドレ一エフ反射走査 プロ一ブ顕微鏡について説明する。
第 1 7図はこのアンドレーエフ反射走査プローブ顕微鏡を示す。 第 1 7図に示すように、 このアンドレーエフ反射走査プローブ顕微 鏡においては、 一般的な走査プローブ顕微鏡と同様な圧電制御装置 1 1 1の下部に、 x= l / 8の L a2— x B ax C u 04 (L B C O) 針 状結晶からなる L B C O探針 1 1 2が取り付けられており、 圧電制御 装置 1 1 1によりこの L B C◦探針 1 1 2を試料 1 1 3上で x、 y、 z方向に三次元的に走查することができるようになつている。
次に、 このアンドレ一エフ反射走査プローブ顕微鏡の使用方法を説 明する。 第 1 8図に L a 2— x B a, C u〇4 の相図を^す。 第 1 8図に示す ように、 X = 1 Z 8の近傍では、 スピン ·電荷ス卜ライプ秩序が低温 で安定化して系は絶縁体的となり、 超伝導が抑制される。 一方、 第 1 9図に示すように、 この系に小さな圧力を印加すると、 スピン ·電荷 ストライプ秩序が抑制され、 超伝導が回復する。 この場合、 超伝導臨 界温度を Τ\ 、 印加圧力を Pとすると、 T。 の圧力係数 dTc /d P は一 3 K/kb a rと従来型超伝導体に比べて 2桁から 3桁大きい。 このため、 例えば先端の直径が数ナノメートルの LBCO探針 1 1 2 に〜 0. 1 g重の力が加わるだけで、 先端部を超伝導化することが できる。
そこで、 このような圧力に敏感な超伝導特性を持つ L B C 0探針 1 1 2を試料 1 1 3の表面に接触させ、 この L B C◦探針 1 1 1の先端 部に、 上記の超伝導状態が回復する圧力以上の圧力が加わるようにす ると、 この LBCO探針 1 1 2の先端部は、 接触前には絶縁体的であ つたものが超伝導状態となり、 アンドレ一エフ反射により L B C 0探 針 1 1 2と試料 1 1 3との間の I一 V特性が変化する。 ただし、 L B ( 〇探針1 1 2は、 圧力印加時の超伝導臨界温度よりも低く、 かつ圧 力印加がない状態の超伝導臨界温度よりも高い温度に冷却しておく も のとする。
上記の I一 V特性の変化を利用して例えば次のような測定を行うこ とができる。
第 1の例では、 I—V特性の変化を利用して試料 1 1 3の表面の凹 凸を画像化する。 すなわち、 第 2 0図に示すように、 LBCO探針 1 1 2と試料 1 1 3との間に定電流源 1 1 4により一定電流を流しなが ら、 LBCO探針 1 1 2を試料 1 1 3の表面に沿って走査する。 する と、 凸部では LBCO探針 1 1 2の先端部に圧力が加わって超伝導状 態となり、 凹部では L B C O探針 1 1 2の先端部に圧力が加わらなく なって常伝導状態となるため、 試料 1 1 3の表面の凹凸に応じて L B (： 0探針 1 1 2の先端部が常伝導状態と超伝導状態との間を変化し、 それに伴って L B C◦探針 1 1 1と試料 1 1 3 との間の電圧が変化し、 それらの間の I一 V特性が変化する。 例えば、 第 2 1図に示すように、 I — V曲線が A→B→Cのように変化する。 そこで、 これを画像化す ることにより、 試料 1 1 3の表面の凹凸を観察することができる。 こ の第 1の例では、 試料 1 1 3は特に問わず、 各種のものであってよい。 第 1の例では、 L B C◦探針 1 1 2 と試料 1 1 3 との間の電圧を一 定に保つように L B C 0探針 1 1 2の高さを変化させながら、 L B C 〇探針 1 1 2を試料 1 1 3の表面に沿って走査する。 この場合、 L B ( 〇探針 1 1 2の高さの変化を画像化することにより、 試料 1 1 3の 表面の凹凸を観察することができる。 この第 2の例でも、 試料 1 1 3 は特に問わず、 各種のものであってよい。
第 3の方法では、 試料 1 1 3が超伝導試料とする。 このような超伝 導試料内に磁束線が侵入した状態のように、 超伝導状態の領域と非超 伝導状態の領域とが試料 1 1 3の表面に存在する場合には、 L B C O 探針 1 1 2が超伝導状態の領域の上にあるか、 非超伝導状態の領域の 上にあるときとで L B C 0探針 1 1 2と試料 1 1 3 との間の I 一 V特 性が変化する。 したがって、 この I —V特性の変化により、 試料 1 1 3の磁束格子の観測や超伝導 ·非超伝導不均一状態の観測を行うこと ができる。
次に、 L B C O探針 1 1 2の作製方法について説明する。
一つの方法は、 バルタの L B C 0結晶を加工して L B C◦探針 1 1 2を作製する方法である。
もう一つの作製方法は、 次のとおりである。 まず、 第 2 2図 Aに示すように、 円錐体 2 1を作製する。 この円錐 体 2 1は、 後述の電子ビームの照射により L B CO針状結晶を成長さ せる際に加熱されて軟化しない程度の融点、 例えば 8 0 0 °C以上の融 点を有するものであれば、 基本的にはどのような材料からなるもので もよいが、 具体的には、 例えば S i、 S i 3 4 、 S i 02 、 ダイヤ モンド、 アルミナ （サフアイャ） 、 Ta S2 、 GaAs、 N i、 T a などを用いることができる。
次に、 第 2 2図 Bに示すように、 真空中において、 この円錐体 2 1 の表面に、 成長させようとする LBCO結晶の原料膜 2 2を形成する。 この原料膜 2 2としては、 例えば L a膜または L a 2 03 膜、 B a膜 または B a〇膜、 Cu膜または Cu2 0膜などの膜を用いるほか、 L B CO膜そのものであってもよい。 この原料膜 2 2は、 例えば真空蒸 着法、 スパッタリ ング法、 CVD法、 MOCVD法、 MBE法などの 成膜法のいずれか、 またはこれらを適宜組み合わせて形成することが できる。
次に、 第 2 2図 Cに示すように、 こうして原料膜 2 2を形成した円 錐体 2 1の先端部からその側面に沿って所定距離 L、 例えば 1〜3 m程度離れた点 Pを目掛けて電子ビーム 2 3を室温で照射する。 この 電子ビーム 2 3のスポッ トサイズは、 例えば 5 0 nm〜 1 m程度、 加速電圧は 2 5〜 2 0 0 k V、 照射電流量は 1 x 1 0 7 A、 照射時 間は 3 0分〜 1時間とする。 また、 電子ビーム ΐ 3の照射は例えば 3 〜4 x l O-6To r rの圧力の真空中で行う。 このとき、 第 2 2図 D に示すように、 この電子ビーム 2 3の照射部位ではなく、 円錐体 2 1 の先端部近傍に LB CO針状結晶 1 1 5が成長する。 電子ビーム 2 3 の照射時には一般に、 電子ビーム 2 3の照射部位と LB CO針状結晶 1 1 5の成長部位との間に、 先端部を低温側として 1 0〜 1 0 0°C/ mの温度勾配が存在する。 この場合、 電子ビーム 2 3の照射部位の 温度は L B C O針状結晶 1 1 5の成長温度よりも高いが、 L B C 0針 状結晶 1 1 5の成長部位はより温度が低くなつて成長に最も適した温 度になっている。 この L B C O針状結晶 1 1 5の成長は、 固相ェピ夕 キシャル成長によるものと考えられる。 この L B C O針状結晶 1 1 5 の太さ （径） は例えば 5 η π！〜 1 m程度、 長さは例えば 1 0 n m〜 2 L m . あるいは 1 0〜 5 0 O n mであり、 アスペク ト比 （長さ/太 さ） は一般的には 1 0 0以下である。
以上のように、 この第 1 2の実施形態によれば、 試料表面の凹凸像 の観測、 高温超伝導体や重い電子系で起こるナノ · スケール不均一超 伝導状態 （自己組織化現象） の研究、 磁束線格子の観測や磁束内電子 状態の研究に極めて有用な走査プロ一ブ顕微鏡を実現することができ る。
以上、 この発明の実施形態及び実施例について具体的に説明したが、 この発明は、 上述の実施形態及び実施例に限定されるものではなく、 この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、 上述の実施形態及び実施例において挙げた数値、 構成、 材 料、 原料、 プロセスなどはあくまでも例に過ぎず、 必要に応じてこれ らと異なる数値、 構成、 材料、 原料、 プロセスなどを用いてもよい。 また、 電子ビーム 2 3の代わりに、 レーザービームやイオンビーム などの他のエネルギービームを用いてもよい。 また、 電子ビーム 2 3 の照射前に原料膜 2 をあらかじめ形成しておくのではなく、 成長原 料を供給しながら電子ビーム 2 3を照射することにより成長を行うよ うにしてもよい。 さらに、 一部の原料膜を形成した状態で他の成長原 料を供給しながら電子ビーム 2 3を照射することにより成長を行うよ うにしてもよい。 この発明によれば、 電荷密度波の巨視的量子位相情報を積極的に活 用することで電荷密度波ナノ構造体の解析や生体高分子の構造の決定 などを高精度で行うことができ、 しかも小型に構成することができる 電荷密度波量子位相顕微鏡などのプロ一ブ顕微鏡を実現することがで きる。 'また、 リソグラフィ一技術を用いることなく、 極微小な半導体 素子などの電子素子を製造することができる。
また、 この発明によれば、 電荷密度波の巨視的量子位相情報を積極 的に活用することで電荷密度波ナノ構造体の解析や生体高分子の構造 の決定などを高精度で行うことができ、 しかも小型に構成することが できる電荷密度波量子位相顕微鏡を実現することができる。
また、 この発明によれば、 電荷密度波の巨視的量子位相情報を積極 的に活用することで局所的な電場を高精度で測定することができる電 荷密度波量子干渉計を実現することができる。
また、 この発明によれば、 ナノ ' スケール不均一超伝導状態の研究、 磁束線格子の観測や磁束内電子状態の研究、 さらには試料表面の凹凸 像の観測に極めて有効な走査プローブ顕微鏡を実現することができる。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 錐状または刃状の基体の表面に成長原料を堆積させ、 上記基体の 先端部からその側面に沿って所定距離離れた部位に上記基体が融解し ない条件でエネルギービームを照射することにより、 上記成長原料を 用いて針状結晶を成長させることにより製造されたことを特徴とする 走査プローブ顕微鏡探針。
2 . 錐状または刃状の基体の表面に成長原料を堆積させ、 上記基体の 先端部からその側面に沿つて所定距離離れた部位に上記基体が融解し ない条件でエネルギービームを照射することにより、 上記成長原料を 用いて針状結晶を成長させるようにしたことを特徴とする走査プロ一 ブ顕微鏡探針の製造方法。
3 . 錐状または刃状の基体の表面に成長原料を堆積させ、 上記基体の 先端部からその側面に沿って所定距離離れた部位に上記基体が融解し ない条件でエネルギービームを照射することにより、 上記成長原料を 用いて針状結晶を成長させることにより製造された探針を有すること を特徴とする走査プロ一ブ顕微鏡。
4 . 錐状または刃状の基体の表面に成長原料を供給しながら、 上記基 体の先端部からその側面に沿って所定距離離れた部位に上記基体が融 解しない条件でエネルギービームを照射することにより、 上記成長原 料を用いて針状結晶を成長させることにより製造されたことを特徴と する走査プロ一ブ顕微鏡探針。
5 . 錐状または刃状の基体の表面に成長原料を供給しながら、 上記基 体の先端部からその側面に沿って所定距離離れた部位に上記基体が融 解しない条件でエネルギービームを照射することにより、 上記成長原 料を用いて針状結晶を成長させるようにしたことを特徴とする走査プ ローブ顕微鏡探針の製造方法。
6 . 錐状または刃状の基体の表面に成長原料を供給しながら、 上記基 体の先端部からその側面に沿って所定距離離れた部位に上記基体が融 解しない条件でエネルギービームを照射することにより、 上記成長原 料を用いて針状結晶を成長させることにより製造された探針を有する ことを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
7 . 錐状または刃状の基体の表面に第 1の成長原料を堆積させ、 第 2 の成長原料を供給しながら上記基体の先端部からその側面に沿つて所 定距離離れた部位に上記基体が融解しない条件でエネルギービームを 照射することにより、 上記第 1の成長原料及び上記第 2の成長原料を 用いて針状結晶を成長させることにより製造されたことを特徴とする 走査プローブ顕微鏡探針。
8 . 錐状または刃状の基体の表面に第 1の成長原料を堆積させ、 第 2 の成長原料を供給しながら上記基体の先端部からその側面に沿つて所 定距離離れた部位に上記基体が融解しない条件でエネルギービームを 照射することにより、 上記第 1の成長原料及び上記第 2の成長原料を 用いて針状結晶を成長させるようにしたことを特徴とする走査プロ一 ブ顕微鏡探針の製造方法。
9 . 錐状または刃状の基体の表面に第 1の成長原料を堆積させ、 第 2 の成長原料を供給しながら上記基体の先端部からその側面に沿つて所 定距離離れた部位に上記基体が融解しない条件でエネルギービームを 照射することにより、 上記第 1の成長原料及び上記第 2の成長原料を 用いて針状結晶を成長させることにより製造された探針を有すること を特徴とする走査プロ一ブ顕微鏡。
1 0 . 錐状または刃状の基体の表面に成長原料を堆積させ、 上記基体 の先端部からその側面に沿って所定距離離れた部位に上記基体が融解 しない条件でエネルギービームを照射することにより、 上記成長原料 を用いて針状結晶を成長させるようにしたことを特徴とする針状体の 製造方法。
1 1 . 錐状または刃状の基体の表面に成長原料を供給しながら、 上記 基体の先端部からその側面に沿って所定距離離れた部位に上記基体が 融解しない条件でエネルギービームを照射することにより、 上記成長 原料を用いて針状結晶を成長させるようにしたことを特徴とする針状 体の製造方法。
1 2 . 錐状または刃状の基体の表面に第 1の成長原料を堆積させ、 第 2の成長原料を供給しながら上記基体の先端部からその側面に沿つて 所定距離離れた部位に上記基体が融解しない条件でエネルギービーム を照射することにより、 上記第 1の成長原料及び上記第 2の成長原料 を用いて針状結晶を成長させるようにしたことを特徴とする針状体の 製造方法。
1 3 . 錐状または刃状の基体の表面に成長原料を堆積させ、 上記基体 の先端部からその側面に沿って所定距離離れた部位に上記基体が融解 しない条件でエネルギービームを照射することにより、 上記成長原料 を用いて針状結晶を成長させるようにしたことを特徴とする電子素子 の製造方法。
1 4 . 錐状または刃状の基体の表面に成長原料を供給しながら、 上記 基体の先端部からその側面に沿つて所定距離離れた部位に上記基体が 融解しない条件でエネルギービームを照射することにより、 上記成長 原料を用いて針状結晶を成長させるようにしたことを特徴とする電子 素子の製造方法。
1 5 . 錐状または刃状の基体の表面に第 1の成長原料を堆積させ、 第 2の成長原料を供給しながら上記基体の先端部からその側面に沿つて 所定距離離れた部位に上記基体が融解しない条件でエネルギービーム を照射することにより、 上記第 1 の成長原料及び上記第 2の成長原料 を用いて針状結晶を成長させるようにしたことを特徴とする電子素子 の製造方法。
1 6 . 基体の表面の所定の部位にエネルギービームを照射し、 再結晶 化により針状結晶を成長させることにより製造されたことを特徴とす る走査プローブ顕微鏡探針。
1 7 . 基体の表面の所定の部位にエネルギービームを照射し、 再結晶 化により針状結晶を成長させるようにしたことを特徴とする走査プロ ーブ顕微鏡探針の製造方法。
1 8 . 基体の表面の所定の部位にエネルギービームを照射し、 再結晶 化により針状結晶を成長させることにより製造された探針を有するこ とを特徴とする走査プロ一ブ顕微鏡。
1 9 . 基体の表面の所定の部位にエネルギービームを照射し、 再結晶 化により針状結晶を成長させるようにしたことを特徴とする針状体の 製造方法。
2 0 . 基体の表面の所定の部位にエネルギービームを照射し、 再結晶 化により針状結晶を成長させるようにしたことを特徴とする電子素子 の製造方法。
2 1 . 電荷密度波結晶からなる探針を用いたことを特徴とする電荷密 度波量子位相顕微鏡。
2 2 . 電荷密度波結晶からなる針状結晶を用いたことを特徴とする電 荷密度波量子干渉計。
3 . 圧力誘起超伝導物質からなる探針を用いたことを特徴とする走 查プローブ顕微鏡。
2 4 . 圧力誘起超伝導物質からなる探針を用いた走査プローブ顕微鏡 の使用方法であって、
上記探針と試料との間に一定電流を流しながら上記探針を上記試料 の表面に沿って走査するようにしたことを特徴とする走査プローブ顕 微鏡の使用方法。
2 5 . 圧力誘起超伝導物質からなる探針を用いた走査プローブ顕微鏡 の使用方法であって、
上記探針と試料との間の電圧を一定に保つように上記探針の高さを 変化させながら上記探針を上記試料の表面に沿って走査するようにし たことを特徴とする走査プローブ顕微鏡の使用方法。
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