JPH07326316A - 試料表面の微細加工方法および情報の記録・再生方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 走査トンネル顕微鏡による試料表面の微再加
工および情報の記録・再生を再現性良く行う。 【構成】 探針を試料表面の加工指定位置に移動させた
のち、フィードバック回路サンプル・ホールド信号１を
ＯＮにして探針試料間距離の制御を中断し、探針・試料
間電圧２を瞬間的に変化させて加工を行なうが、１回の
距離制御中断中に複数回探針・試料間電圧を変化させる
ことによって加工の成功確率を向上させる。１回目の探
針・試料電圧変化で穴が形成された場合、探針の位置は
固定されたままであるため、２回目以降の探針・試料間
電圧によって穴の形状が変化しにくい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は走査探針顕微鏡を用いた
試料表面の微細加工方法、特にそれを用いた情報の記録
・再生方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より固体表面の構造をnmオーダーで
観察できる装置として、走査トンネル顕微鏡（以後ＳＴ
Ｍと呼ぶ）が提案されている。ＳＴＭは観察のみなら
ず、探針と試料の相互作用を用いてnmオーダーの微細加
工にも用いられている。ＳＴＭによる微細加工は高密度
記録への展開が期待されている。高密度・大容量の記録
媒体として実用化されている光ディスクのビット面積は
１μm²程度であるので、ＳＴＭによって形成される直径
数nmの穴や隆起を１ビットに対応させるとすれば、記録
密度は数万倍に向上する。また電子のコヒーレント長以
下の微細な構造にすることによってあらわれる量子効果
素子の作成にもＳＴＭによる微細加工が期待されてお
り、研究が進められている。

【０００３】従来このような微細加工の方法にＳＴＭの
探針を試料表面の指定の場所で固定し、探針と試料の間
に１ms以下のパルス電圧を印加して微小な穴を形成する
方法がとられてきた。「アプライド・フィジックス・レ
ター61」(13)(1992)，1528頁から1530頁（Appl.Phys.Le
tt.61(13)(1992)1528-1530）によれば、通常ＳＴＭ観察
をするとき、探針・試料間距離を一定に保つようフィー
ドバック制御しているが、試料表面の指定の場所に探針
を移動させ、フィードバック制御を止め圧電体の感度か
ら計算される電圧を圧電体に印加して探針を試料に観察
時より0.5nm接近させて固定し、試料探針間にパルス電
圧を印加して直径1nm以下の穴が形成されている。

【０００４】微細加工の原理は定かではないが、試料表
面の探針直下に瞬間的に高電界が発生し、この電界によ
って試料表面の物質をはぎとるものとされている。この
現象は電界蒸発とよばれている。またパルス電圧の立ち
上がりにおける電界の時間変化が影響するという説もあ
る（「アプライド・フィジックス・レター60」(19)2338
頁〜2340頁(1992)（Appl.Phys.Lett.60(19)2338-2340(1
992)））。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな微細加工の方法は再現性が悪いという欠点がある。
従って、この方法で情報を記録するときに、穴または隆
起を形成したつもりが、実際には形成されておらず、再
生するときに情報を誤ってしまう恐れがあった。また加
工時に探針を試料に接近させる方法については、従来例
では探針を加工点まで移動させた後に、接近距離に相当
する圧電体の電圧を感度から計算して加えるが、この場
合は探針試料間の距離の初期値が分からないため探針を
試料に接触させてしまう危険性があった。

【０００６】本発明はかかる点に鑑み、走査トンネル顕
微鏡による微細加工の再現性およびそれを用いた情報の
記録・再生の信頼性を向上させることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するため、走査トンネル顕微鏡を用いて、探針と試料の
間の距離制御を中断し、探針と試料の間の電圧を一時的
に変化させて戻す工程による試料表面の微細加工方法
で、１回の距離制御中断中に前記探針と試料の間の電圧
を一時的に変化させて戻す工程を複数回繰り返す試料表
面の微細加工方法およびこれを用いた情報の記録・再生
方法である。

【０００８】また、トンネル電流を設定値に保つよう探
針試料間距離を制御しながら加工点へ探針を移動させる
第１の工程と、探針と試料の間の電圧を一時的に変化さ
せて戻すことによって試料表面の微細領域の構造または
性質を変化させ情報を記録する第２の工程と、前記第１
の工程における設定値よりも小さい設定値に前記トンネ
ル電流を保つよう前記探針・試料間距離を制御しながら
試料表面を探針で走査して情報を再生する第３の工程か
らなる情報の記録・再生方法である。

【０００９】

【作用】従来のこのような走査探針顕微鏡の微細加工方
法では、１回の探針試料間の距離制御中断中に、探針・
試料間の電圧を変化させる工程が１回しかなかった。１
回の電圧の変化で試料表面の構造が変化する確率をｐと
すれば、ｎ回の物理量の変化ではこの確率がｎ×ｐに向
上する。本発明では１回の距離制御中断中に複数回探針
・試料間電圧を変化させるために再現性を向上すること
ができる。

【００１０】本発明では試料表面に高電界がかかる時間
と、電圧変化の立ち上がり時の電界の時間の両方を増加
させるため試料表面の構造が変化する確率が向上する。

【００１１】ＳＴＭによる微細な穴形成を例に、さらに
詳細に説明する。ＳＴＭでは探針は３次元方向に微動す
る圧電体にとりつけられている。フィードバック回路は
トンネル電流を一定に保つよう圧電体に電圧を印加し
て、探針と試料の間の距離を制御する。探針・試料間の
電圧を増加させると、同時に電流が増加するので、距離
を制御している状態では、探針が試料表面から離れてし
まい、試料表面に電界が効果的にかからない。そこで距
離制御を中断し、探針の位置を三次元的に固定してから
探針・試料間電圧を変化させる。

【００１２】図２は従来の方法におけるサンプル・ホー
ルド信号と探針・試料間電圧の時間変化を示す図であ
る。サンプル・ホールド信号２１はフィードバック回路
の出力を制御する信号で、ＯＮにすると入力に関わらず
直前の出力を保持する。サンプル・ホールド信号２１を
ＯＮにしてから、探針・試料間電圧２２をパルス的に１
度だけ変化させるのが従来の方法である。

【００１３】図１は本発明におけるサンプル・ホールド
信号と探針・試料間電圧の時間変化を示す図である。サ
ンプル・ホールド信号１がＯＮになっている間に、探針
・試料間電圧２をパルス的に複数回変化させるのが本発
明の特徴である。

【００１４】再現性の向上のためには、従来の方法を複
数回繰り返すことも考えられる。しかし従来法の繰り返
しでは１回目のパルス的電圧変化時に穴が形成された場
合、２回目の以降のパルス的電圧変化で穴の大きさを大
きくしてしまう恐れがある。図３に従来例による(a)サ
ンプル・ホールド信号と探針試料間電圧の時間変化を、
(b)探針と試料の位置関係の時間変化を示す。時刻ｔａ
にサンプル・ホールド信号３１がＯＮになり、この後探
針・試料間電圧３２がパルス的に変化する。パルス的電
圧変化直後の時刻ｔｂでは、まだサンプル・ホールド信
号３１がＯＮのために、探針３３と試料３４の距離は時
刻ｔａのそれに比べ大きくなっている。しかし、この後
サンプル・ホールド信号３１が一旦ＯＦＦになり探針３
１が試料３４に近づくため、時刻ｔｃにサンプル・ホー
ルド信号３１を再びＯＮにしたときには探針３３と試料
３４の距離は時刻ｔａのそれと同じになる。この距離で
２回目のパルス的電圧変化がおこなわれるため、変化後
の時刻ｔｄでは穴の大きさはさらに大きくなってしま
う。

【００１５】ところが本発明では探針の位置を固定した
ままで複数回パルス的に電圧を変化させるので、穴の大
きさが大きくなる可能性は小さい。図４に本発明による
(a)サンプル・ホールド信号と探針試料間電圧の時間変
化を、(b)探針と試料の位置関係の時間変化を示す。時
刻ｔｅにサンプル・ホールド信号４１がＯＮになり、こ
の後探針・試料間電圧４２がパルス的に変化する。パル
ス的電圧変化直後の時刻ｔｆでは、まだサンプル・ホー
ルド信号４１がＯＮのために、探針４３と試料４４の距
離は時刻ｔｅのそれに比べ大きくなっている。２回目の
パルス的電圧変化がおこなわれる時刻ｔｇにおいても、
まだサンプル・ホールド信号がＯＮのため、探針４３と
試料４４の距離は時刻ｔｅのそれに比べ大きく、パルス
的電圧変化時の探針４３と試料４４の間に発生する電界
は時刻ｔｅに比べ小さい。従って２回目のパルス的電圧
変化で、穴の大きさが大きく変化しないという特徴があ
る。

【００１６】なお、前回のパルス的電圧変化で試料表面
に穴を形成できなかったときは、探針・試料間距離は変
わらないので、再度のパルス電圧印加により穴を形成す
ることが可能である。

【００１７】また本発明では上記のように穴が形成でき
たときは、探針・試料間距離が大きくなるためトンネル
電流が小さくなる。したがって、トンネル電流の変化か
ら試料表面の構造の変化を検出することが可能である。

【００１８】また加工時に探針を試料に接近させる方法
については、トンネル電流を監視しながら接近させてい
るので接触する危険性はない。またあらかじめ接近した
状態で探針を次の加工点に移動するので、加工点に移動
する度に接近しなおす必要がないので、工程を一つ少な
くすることができる。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の実施例について、図面を参照
しながら説明する。まず、図５に本発明を実施するにあ
たり使用したＳＴＭの構成図を示す。

【００２０】図５に示すように、ＳＴＭは、圧電体から
なる探針微動機構５２に探針５１が固定されており、探
針５１は試料５８と対向している。制御コンピュータ５
６は走査信号をピエゾアンプ５５を通して探針微動機構
５２に印加して、探針５１を試料表面に平行な方向に走
査する。探針５１と試料５２の間に流れる電流は電流電
圧変換器５３によって電圧に変換され、フィードバック
回路５４に入力する。フィードバック回路５４は入力値
とあらかじめ設定した値の差に応じた電圧をピエゾアン
プ５５に出力する。ピエゾアンプ５５の出力電圧は探針
微動機構５２に印加され、探針５１と試料５８の距離を
制御する。

【００２１】フィードバック回路５４の出力または入力
（トンネル電流）は制御コンピュータ５６に送られ画像
化されるとともに、オシロスコープ５７にも送られその
時間変化を見ることが出来る。探針５１の電位は接地電
位に固定され、試料５８はパルス電圧発生器５９から発
生するオフセット電位に保たれる。制御コンピュータ５
６はフィードバック回路５４にサンプルホールド信号を
送り、サンプルホールド信号がＯＮのときにはフィード
バック回路５４は入力にかかわらず出力を保持する。制
御コンピュータ５６はパルス電圧発生器５９にトリガ信
号を送り、試料５８の電位を瞬間的に変化させることが
できる。

【００２２】試料は二硫化モリブデンを直前にへき開し
たもので、探針は電解研磨により先鋭化した白金イリジ
ウム合金（Pt80at%Ir20%）の細線で、先端曲率半径100n
m以下のものを用いた。試料電位とトンネル電流の設定
値は加工時も観察時も、それぞれ1.0V,0.1nAとした。

【００２３】（比較例）ここで比較のため、上記ＳＴＭ
を使用した従来の方法による加工例を示す。まず試料の
１μｍ×１μｍの領域の表面粗さをＳＴＭ測定したとこ
ろ、0.5nm程度であった。次に制御コンピュータ５６に
５００点の加工位置を指定して、パルス電圧印加による
加工を行った。

【００２４】制御コンピュータ５６は探針５１を指定し
た位置にまで移動させたのちサンプルホールド信号を5
μsecＯＮにしたまま、パルス電圧発生器５９にトリガ
信号を送った。

【００２５】図６は従来の方法におけるサンプル・ホー
ルド信号と探針・試料間電圧の時間変化を示す図であ
る。図６に示すように、パルス電圧発生器５９はサンプ
ルホールド信号がＯＮになった時刻から約１μsec遅れ
て、高さ5.4V、幅300nsecのシングルパルスを出力し
た。指定した全点でのパルス電圧印加を終えてから、再
びＳＴＭ観察を行ったところ、500点のうち495点で直径
10nm、深さ1〜2nmの穴が形成されていたが、残り５点で
は穴は形成されていなかった。上記の５００点の加工を
２０回繰り返したところ、指定点で穴が形成されなかっ
た確率は平均１％であった。

【００２６】（実施例１）次に本発明による加工例を示
す。使用したＳＴＭ装置、試料、探針は比較例のものと
同じである。試料電位とトンネル電流の設定値は加工時
も観察時も、それぞれ1.0V,0.1nAとした。比較例と同じ
ように、１μｍ×１μｍの領域を観察して試料の表面粗
さが十分に小さいことを確認したのち、制御コンピュー
タ５６に５００点の加工位置を指定して、パルス電圧印
加による加工を行った。制御コンピュータ５６は探針５
１を指定された位置まで移動させたのちサンプルホール
ド信号を5μsecＯＮにしたまま、パルス電圧発生器５９
にトリガ信号を送った。

【００２７】図７は本発明の実施例におけるサンプル・
ホールド信号および探針・試料間電圧の時間変化を示す
図である。パルス電圧発生器５９は、図７に示すよう
に、サンプルホールド信号がＯＮになった時刻から約１
μsec遅れて、高さ5.4V、幅300nsecのパルスを１μsec
の間隔で２度出力した。指定した全点でのパルス電圧印
加を終えてから、再びＳＴＭ観察を行ったところ、500
点のうち498点で直径10nm、深さ1〜2nmの穴が形成され
ていたが、残り2点では穴は形成されていなかった。上
記の５００点の加工を２０回繰り返したところ、指定点
で穴が形成されなかった確率は平均0.4％で、比較例に
比べ約0.6％減少した。

【００２８】なお、本実施例ではパルスの印加回数を２
回にしているが、２回に限定するものではなく３回以上
でもよい。ただし、パルス的電圧変化回数を増やすと、
１点あたりの加工時間が長くなりスループットが悪くな
る。したがって、パルス的電圧変化をするたびにトンネ
ル電流の変化を制御コンピュータ５６で検出し、トンネ
ル電流が減少する、すなわち穴が形成されて探針試料間
距離が大きくなった時点で、その位置でのパルス的電圧
変化を終了させることが望ましい。

【００２９】また、印加するパルス電圧の極性を逆にす
ると電界の方向が逆になり、探針先端の物質がとんで試
料表面の探針直下に付着して隆起を形成する。この場合
図８に示すように、穴が形成された場合と違って、隆起
が形成される前後で探針・試料間距離はほとんど変わら
ないので、２回目以降のパルス的電圧変化で隆起が必要
以上に大きくなってしまう恐れがある。したがって隆起
が形成される場合は、パルス的電圧変化の度にトンネル
電流の変化を制御コンピュータで検出し、隆起が形成さ
れた時点でパルス的電圧変化を終了することが望まし
い。

【００３０】なお、二硫化モリブデンの他に二セレン化
タングステンなどのカルコゲナイドの層状物質や、高配
向性グラファイト、雲母基板の上に蒸着した金の薄膜な
どを試料にした場合も同様な結果が得られた。

【００３１】（実施例２）本実施例は微細加工を行なう
前にトンネル電流の設定値を大きくし、探針を試料に近
づけた状態で微細加工および複数の加工点間の移動を行
い、その後トンネル電流の設定値を小さくして探針を試
料から離した状態で試料表面の観察を行なった例であ
る。穴の形成は実施例１による方法を用い、試料は二硫
化モリブデンを直前にへき開したもので、探針は電解研
磨により先鋭化した白金イリジウム合金（Pt80at%Ir20
%）の細線で、先端曲率半径100nm以下のものを用いた。

【００３２】試料電位は1.0Vに固定したまま、記録の工
程と再生の工程におけるトンネル電流の設定値を変化さ
せた。またパルス電圧の高さも変化させ、穴が形成され
る最小の電圧である穴形成しきい値電圧を求めた。（表
１）に記録の工程と再生の工程におけるトンネル電流の
設定値と再生時に観察された穴の大きさと穴形成しきい
値電圧を示す。

【００３３】

【表１】

【００３４】再生時のトンネル電流の設定値を10nAとし
たときには、穴の端が長い尾をひくように観察され、全
体的にノイズが大きかった。１０回程度観察を繰り返す
と穴の形状が大きくなるのが観察された。これは試料の
二硫化モリブデンの導電性が不十分で探針を走査したと
きに試料表面に接触しかかっている状態であるためと思
われる。トンネル電流の設定値が0.3nAのときには安定
な観察が行えた。

【００３５】記録時のトンネル電流の設定値が10nAのと
きは0.3nAのときよりも穴形成しきい値電圧が小さく、
また穴の直径の大きさのばらつきが小さかった。一般に
探針が試料に0.1nm近づくとトンネル電流は10倍になる
といわれ、これから記録時のトンネル電流の設定値を0.
3nAから10nAにすることによって、探針は0.2nm程度試料
に近づいていると思われる。したがって試料表面の電界
蒸発をおこすための電界をより小さい電圧で発生できる
ためと思われる。以上から再生時はトンネル電流の設定
値を小さく、記録時にはトンネル電流の設定を大きくし
たほうが望ましいということが言える。

【００３６】（実施例３）本実施例はＳＴＭを用いて、
ＡＳＣＩＩコードによって２進コード化した文字列を記
録・再生した実施例である。試料は二硫化モリブデンを
直前にへき開したもので、探針は電解研磨により先鋭化
した白金イリジウム合金（Pt80at%Ir20%）の細線で、先
端曲率半径100nm以下のものを用いた。使用したＳＴＭ
装置は実施例１で使用したものと同じである。なお、記
録・再生ともに試料電位は1.0Vにした。

【００３７】トンネル電流を0.1nAに設定して試料表面
の５μｍ×５μｍ領域をＳＴＭで観察し、試料表面が十
分に平坦であることを確認した後、トンネル電流を10nA
に設定し、試料表面の１点に直径30nmの隆起を形成して
始点とした。始点を含むＳＴＭの走査線上の右側、50nm
間隔を記録点とし、２進コードのビット列を順に読み取
りビットが１のときは穴を形成して次の記録点に探針を
移動させ、０のときは微細加工を行なわずに次の記録点
に探針を移動させた。穴の形成には図７に示したような
サンプル・ホールド信号と探針試料電圧の変化を与え
た。このようにして記録したのちトンネル電流の設定値
を0.1nAに戻してＳＴＭ観察を行なった。ＳＴＭ画像か
ら隆起を含む走査線上の隆起から50nmおきの記録場所の
凹凸を調べ、記録場所の周囲に比べ凹んでいる場合を
１、周囲とほぼ同じ高さの場合を０としてビット列を再
生し、ビット列を解読した結果「１２３４５６７８９」
と記録したのと同じ文字列を得ることができた。この操
作を１００回繰り返したが文字列を誤って記録・再生し
た確率は0.4%であった。

【００３８】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、走査トン
ネル顕微鏡による微細加工の再現性を向上し、また記録
・再生の信頼性を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のサンプル・ホールド信号と探針・試料
間電圧の時間変化を示す図

【図２】従来例のサンプル・ホールド信号と探針・試料
間電圧の時間変化を示す図

【図３】（ａ）は従来例のサンプル・ホールド信号と探
針試料間電圧の時間変化を示す図 （ｂ）は同探針と試料の位置関係の時間変化を示す図

【図４】（ａ）は本発明のサンプル・ホールド信号と探
針試料間電圧の時間変化を示す図 （ｂ）は同探針と試料の位置関係の時間変化を示す図

【図５】本発明および従来例で使用する走査トンネル顕
微鏡の構成を示す図

【図６】従来例のサンプル・ホールド信号と探針・試料
間電圧の時間変化を示す図

【図７】本発明の一実施例におけるサンプル・ホールド
信号および探針・試料間電圧の時間変化を示す図

【符号の説明】

１ フィードバック回路サンプル・ホールド信号 ２ 探針・試料間電圧 ４１ サンプル・ホールド信号 ４２ 探針・試料間電圧 ４３ 探針 ４４ 試料 ５１ 探針 ５２ 探針微動機構 ５３ 電流電圧変換器 ５４ フィードバック回路 ５５ ピエゾアンプ ５６ 制御コンピュータ ５７ オシロスコープ ５８ 試料 ５９ パルス電圧発生器 ７１ サンプル・ホールド信号 ７２ 探針試料間電圧

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】走査トンネル顕微鏡を用いて、探針と試料
   の間の距離制御を中断し、前記探針と前記試料の間の電
   圧を一時的に変化させて戻す工程による試料表面の微細
   加工方法であって、１回の距離制御中断中に前記探針と
   前記試料の間の電圧を一時的に変化させて戻す工程を複
   数回繰り返すことを特徴とする試料表面の微細加工方
   法。
2. 【請求項２】探針と試料との距離の変化を検出し前記距
   離の変化に基づいて、前記探針と前記試料の間の電圧を
   一時的に変化させて戻す工程の繰り返しを中断すること
   を特徴とした請求項１記載の試料表面の微細加工方法。
3. 【請求項３】請求項１または２記載の試料表面の微細加
   工方法により情報を記録し、走査トンネル顕微鏡を用い
   て試料表面の電子的な凹凸を観察することにより記録さ
   れた情報を再生することを特徴とする情報の記録・再生
   方法。
4. 【請求項４】走査トンネル顕微鏡を用いた情報の記録・
   再生方法で、トンネル電流を設定値に保つよう探針試料
   間距離を制御しながら加工点へ探針を移動させる第１の
   工程と、前記探針と前記試料の間の電圧を一時的に変化
   させて戻すことによって前記試料表面の微細領域の構造
   または性質を変化させ情報を記録する第２の工程と、前
   記第１の工程における設定値よりも小さい設定値に前記
   トンネル電流を保つよう前記探針・試料間距離を制御し
   ながら試料表面を前記探針で走査して情報を再生する第
   ３の工程からなる情報の記録・再生方法。
5. 【請求項５】第２の工程が請求項１または請求項２記載
   の試料表面の微細加工方法であることを特徴とする請求
   項４記載の情報の記録・再生方法。