JPH0696714A - 表面加工装置および記録装置 - Google Patents

表面加工装置および記録装置

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JPH0696714A
JPH0696714A JP4244508A JP24450892A JPH0696714A JP H0696714 A JPH0696714 A JP H0696714A JP 4244508 A JP4244508 A JP 4244508A JP 24450892 A JP24450892 A JP 24450892A JP H0696714 A JPH0696714 A JP H0696714A
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probe
sample surface
sample
recording
processing apparatus
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肇 小柳
Sumio Hosaka
純男 保坂
Akira Imura
亮 井村
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Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、導体から絶縁体まで計測できるSP
Mを用いた表面微細加工および情報記録に関し、nmオ−
ダもしくは原子レベルの表面加工技術および大気中且つ
常温で安定に動作する、記録単位がnmオ−ダもしくは原
子レベルの高密度記録が高速で行なえる情報記録装置お
よび半導体デバイス加工装置を提供することにある。 【構成】 導電性プロ−ブ1を持った導体から絶縁体ま
で計測できるSPM装置と、加工対象試料4と、プロ−ブと
試料間に電圧を印加するための電圧印加装置12から構成
される。 【効果】 導体から絶縁体まで計測できるSPMを用いて
表面加工を行なうため、大気中常温で高速且つ安定なnm
オ−ダもしくは原子レベルの表面加工を実現することが
できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は微細加工技術とその技術
を応用した情報の記録装置に係り、特に導体から絶縁体
までの全ての物質を観察しうる走査型プロ−ブ顕微鏡を
用いた加工および大容量の情報を記録、再生する記録装
置に関する。
【０００２】
【従来の技術】現在、情報記録装置として磁気ディスク
及び光ディスクが広く普及している。しかし、ヘッド媒
体間のスペ−シングや検出出力の実用限界と光の回折限
界等から、その記録密度は何れも100Gb/in2が限界と考
えられ、現在の推移で高密度化が進むと、21世紀初頭に
は記録限界に達すると予想される。従って、21世紀にむ
けてTb/in2級の新しい情報記録技術が必要とされてい
る。
【０００３】このような状況の下、走査型プロ−ブ顕微
鏡(Scanning Probe Microscope:SPM)を用いた微細加工
技術に注目が集められている。SPMを用いた加工技術と
しては走査型トンネル顕微鏡(Scanning Tunneling Micr
oscope:STM)によるものが主である。STMに関する技術は
米国特許第4,343,993号にある。
【０００４】STMを用いた表面加工技術および記録技術
の一例が特開昭61-80536号公報に示されている。それ
は、原子の吸着、解離現象を利用したものである。記録
方法としては、電子顕微鏡内に採用されるような従来の
電子光学装置により発生される電子ビ−ムやSTMの探針
からのトンネル電流を利用して原子を結晶表面に吸着あ
るいは吸着原子を結晶表面から解離させ、吸着原子の有
無を記録情報の"1"、"0"に対応させる。読出し方法とし
ては、STMにより吸着原子の有無を読み取る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】前記従来技術では、SP
Mを用いた微細加工技術はSTMを用いたものに限られてい
る、低温や高真空等の外部からの影響がなるべくない環
境下で清浄な試料表面を必要とする、情報の書き込みの
際に通常の動作状態よりも探針を記録媒体面に近づける
作業が必要であり高速化が要求される情報記録において
記録時間が長くなる、記録媒体として絶縁体を使用する
ことができず媒体の選択が制限される等の問題がある。
【０００６】本発明の目的は、導体から絶縁体までの全
ての物質を観察できるSPMを用いたnmオ−ダもしくは原
子レベルの微細加工技術およびその微細加工技術を用い
た大気中且つ常温で安定に動作する、記録単位がnmオ−
ダもしくは原子レベルの高密度記録が高速で行なえる情
報記録装置およびその記録媒体を提供することにある
【０００７】。
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は以下の手段を有する。
【０００８】導体から絶縁体までの全ての物質を観察で
きるSPMにおいて、先端に電荷が供給されるように絶縁
性の探針に導電性を持たせ、探針と試料表面の間に電圧
を印加するための電圧印加装置とからなることを特徴と
する。
【０００９】上記装置で探針に導電性を持たせるために
導電性材料でコ−ティングし、また加工時にはそのコ−
ティング材料が試料表面への物質供給源となるように作
用する。
【００１０】
【作用】導体から絶縁体までの全ての物質を観察できる
SPMの探針に導電性を持たせることは、探針先端に電荷
を供給するように作用し、電気的にnmオ−ダあるいは原
子レベルの表面加工が可能となる。
【００１１】SPMの探針を導電性材料でコ−ティングす
ることは、そのコ−ティング材料が試料表面への物質供
給源となるように作用する。
【００１２】その加工技術を用いて情報の記録を行うこ
とは、大気中常温で高速且つ安定に高密度情報記録がで
きるように作用する。
【００１３】以上の作用により、nmオ−ダもしくは原子
レベルの記録密度を持つ、大気中常温で高速且つ安定に
記録することができる記録技術が提供できる。
【００１４】
【実施例】以下に、本発明を実施例により詳細に説明す
る。
【００１５】実施例 １ 図1は、導体から絶縁体までの全ての物質を観察できるS
PMの一つである原子間力顕微鏡(Atomic Force Microsco
pe:AFM)を用いた表面微細加工装置の概略図である。AFM
の技術は、フィジカル レビュ− レタ−ズ (Physical R
eview Letters) 第56巻 (1986年) 第930頁に示されてい
る。プロ−ブはカンチレバ−2の先端に設けられた探針1
である。探針1の先端原子と試料4表面原子との間に働く
力を、カンチレバ−2の背面から反射されるレ−ザ光の
変位をポジションセンサ7で感知することにより検出
し、カンチレバ−2のそりが一定に保たれる様に試料台
が制御され、試料4の動きから表面像を得る。表面加工
機能を付加するために、プロ−ブに導電性を持たせ、探
針1と試料4の間に印加し得る加工電圧印加装置12を備え
る。プロ−ブは半導体プロセスで作製され、カンチレバ
−2の長さは数100μmあり、探針1の先端曲率半径は集束
イオンビ−ム加工を行うことにより数100nmになる。プ
ロ-ブは通常SiO2、Si3N4等の絶縁性材料から成るので、
Au、Ga等の導電性材料でコ−ティングすることによりプ
ロ−ブ表面に導体層3を設け、探針1先端に電荷を供給す
る。コ−ティングを厚くすると探針先端の曲率半径が大
きくなり加工サイズも大きくなるので、コ−ティングの
厚さは、導電性を持ち且つ加工サイズが大きくならない
程度がよい。Auをコ−ティングする場合は50nm程度あれ
ばよい。また、そのコ−ティング材料は加工時には試料
4表面への物質供給源となる。加工電圧印加装置12によ
り探針1と試料4の間に電圧を印加し、試料4に表面加工
を施す。印加電圧はコ−ティング材料と試料材料の組み
合わせにより多少異なると思われるが、コ−ティング材
料がAu、試料材料がグラファイト劈開面の場合、数ボル
トから数10ボルト必要である。電圧をパルス状に印加す
ることにより試料表面上にピットまたはマウンドを形成
することができる。
【００１６】実施例 ２ 図2は、走査型光近視野顕微鏡(Near Field Optical Sca
nning microscope:NFOS)を用いた表面微細加工装置の概
略図である。以下図2、3、4は表面加工機能を付加する
ために変更した部分のみを表わしている。NFOSの技術
は、アイ ビ−エム ジャ−ナル オブ リサ−チ アンド
デベロップメント (IBM Journal ofResearch and Devel
opment) 第30巻 (1986年) 第478頁に示されている。プ
ロ−ブは水晶チップ13にAlの薄膜14を付けた後、先端を
ガラス面に押し付け、形成された20nm径程度の小さなピ
ンホ−ル15により構成される。これにレ−ザ光が導入さ
れ、先端のピンホ−ル15からレ−ザ光が試料4表面にし
み出す。ピンホ−ル15から出射した光はすぐに広がって
しまうのでピンホ−ル15と試料4とを10nm以下に保つ必
要があるので、先端に突起16を設け、その突起16と試料
の間を流れるトンネル電流でその間隔を制御する。加工
電圧印加装置12により突起16と試料4の間に電圧を印加
し、試料4に表面加工を施す。
【００１７】実施例 ３ 図3は、熱感知型顕微鏡(Scanning Thermal Profiler:ST
P)を用いた表面微細加工装置の概略図を示す。STPの技
術は、アプライド フィジックス レタ−ズ (Applied
Physics Letters) 第49巻 (1986年) 第1587頁に示され
ている。プロ−ブは100nm程度の尖端部を熱電対19にし
た温度センサで、相似形の2つの円錐形導体#1 20、#2 2
1の間に絶縁体#1 22を介した構造である。加熱した探針
の温度は探針と試料間の熱伝導で変化するので、サ−ボ
系を用いて温度を一定に制御することにより試料4の表
面像を得る。表面加工機能を付加するために、探針表面
に更に絶縁層#2 23、その上に導体層24を設け、探針と
試料4の間に印加し得る加工電圧印加装置12を備える。
加工電圧印加装置12により探針と試料4の間に電圧を印
加し、試料4に表面加工を施す。
【００１８】実施例 ４ 図4は、トンネル音響顕微鏡(Tunneling Acoustic Micro
scope:TAM)を用いた表面微細加工装置の概略図を示す。
TAMの技術は、フィジカル レビュ− レタ−ズ(Physical
Review Letters) 第55巻 (1989年) 第1718頁に示され
ている。プロ−ブは先端が尖ったSTM探針と同様の探針2
5である。探針25は絶縁体で形成することもできるが、
表面加工機能を付加するために、導体で形成する、ある
いは導体でコ−ティングすることにより導電性を持た
せ、探針25と試料4の間に印加し得る加工電圧印加装置1
2を備える。加工電圧印加装置12により探針25と試料4の
間に電圧を印加し、試料4に表面加工を施す。
【００１９】実施例 ５ 探針と試料の間に電圧をパルス状に印加することによ
り、試料表面上に凸構造26あるいは凹構造27を形成する
ことができる。図5に示されるように凸構造26の有無あ
るいは凹構造27の有無を記録単位の"1"、"0"に対応させ
ることにより情報記録を行なうことができる。また、
凹、凸両構造を用いることにより3値記録を行なうこと
もできる。
【００２０】
【発明の効果】本発明によれば、導体から絶縁体まで計
測できるSPMを用いた表面加工および記録単位がnmオ−
ダもしくは原子レベルの高密度記録、大気中常温で高速
且つ安定な記録を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図1は、本発明によるAFMを用いた表面微細加工
法を表す構成概略図である。
【図２】図2は、本発明によるNFOSを用いた表面微細加
工法を表す構成概略図である。
【図３】図3は、本発明によるSTPを用いた表面微細加工
法を表す構成概略図である。
【図４】図4は、本発明によるTAMを用いた表面微細加工
法を表す構成概略図である。
【図５】図5は、本発明による表面微細加工法を用いた
記録方法を表す概略図である。
【符号の説明】
1…AFM探針、2…カンチレバ−、3…導体層、4…試料、5
…XYZ駆動装置、6…半導体レ−ザ、7…ポジションセン
サ、8…変位検出回路、9…サ−ボ回路、10…XY駆動制御
装置、11…表示装置、12…加工電圧印加装置、13…水晶
チップ、14…導電性薄膜、15…ピンホ−ル、16…トンネ
ル電流用突起、17…コリメ−タ、18…対物レンズ、19…
熱電対、20…導体#1、21…導体#2、22…絶縁体#1、23…
絶縁体#2、24…導電性材料、25…TAM探針、26…凸構
造、27…凹構造。

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】走査型プロ−ブ顕微鏡において、絶縁性の
    プロ−ブに電荷を供給するために、プロ−ブを多層構造
    として表面に導体層を設け、そのプロ−ブ先端と試料表
    面の間に電圧を印加するための電圧印加手段を構成し
    て、試料表面を加工することを特徴とする表面加工装
    置。
  2. 【請求項２】請求項１記載の表面加工装置において、前
    記プロ−ブ先端と試料表面の間に作用する力を検出物理
    量とし、プロ−ブもしくは試料表面を走査することを特
    徴とする表面加工装置。
  3. 【請求項３】請求項１記載の表面加工装置において、試
    料表面と相互作用する光を検出物理量とし、プロ−ブも
    しくは試料表面を走査することを特徴とする表面加工装
    置。
  4. 【請求項４】請求項１記載の表面加工装置において、プ
    ロ−ブ先端と試料表面との間を伝導する熱量を検出物理
    量とし、プロ−ブもしくは試料表面を走査することを特
    徴とする表面加工装置。
  5. 【請求項５】請求項１記載の表面加工装置において、プ
    ロ−ブを試料表面に接近させ、斥力により発生する音あ
    るいは歪波を検出物理量とし、プロ−ブもしくは試料表
    面を走査することを特徴とする表面加工装置。
  6. 【請求項６】請求項１記載の表面加工装置において、絶
    縁性のプロ−ブに電気的な導電性を持たせるためにプロ
    −ブを第二の導電性材料でコ−ティングし、また加工時
    にはそのコ−ティング材料が試料表面への物質供給源と
    なることを特徴とする表面加工装置。
  7. 【請求項７】プロ−ブはSiO2、Si3N4等の絶縁性材料か
    ら成り、そのプロ−ブに電気的な導電性を待たせるため
    に表面に設けられた導体層がAu、Ga等の導電性材料から
    成ることを特徴とする請求項６記載の表面加工装置。
  8. 【請求項８】情報を蓄積するための試料表面と、絶縁性
    のプロ−ブに電荷を供給するために、プロ−ブを多層構
    造として表面に導体層を設け、そのプロ−ブ先端と試料
    表面の間に電圧を印加するための電圧印加手段を構成し
    て、上記試料表面に外部信号に従って情報を記録するた
    めの記録手段と、上記試料表面から情報を検出するため
    の検出手段とを有することを特徴とする記録装置。
  9. 【請求項９】請求項８記載の記録装置を用いて試料表面
    に形成された凹凸構造を２進情報の"1"、"0"に対応させ
    ることを特徴とする記録装置。
  10. 【請求項１０】請求項８記載の記録装置を用いて試料表
    面に形成された凹凸構造を3進情報に対応させることを
    特徴とする記録装置。
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