JPS6360196A - 表面処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、処理すべき表面上で原子的尺度で表面原子
配列を制御する方法に関するものである。

（従来の技術） 材料の表面を改質させる、あるいは表面に薄膜を堆積さ
せる技術は、化学工業、機械工業のみならずエレクトロ
ニクス産業など極めて広い分野において重要な技術であ
る。今日、表面を処理する技術の一層の超微細化により
、より高機能化あるいは新機能創出の動力が多くの材料
分野で払われている。例えば、高エネルギー粒子を全面
あるいは局所的に照射し、その部分の物理的・化学的性
質を改質する技術はすでに多くの分野で利用されている
。また、数原子層の尺度で多層薄膜を形成し表面あるい
は界面の材料物性を制御する技術は半導体デバイスある
いは新機能受動薄膜デバイスの分野で多くの研究開発努
力が払われている。今日、対象とする各種材料の表面を
一原子層の膜厚精度で改質あるいは堆積させる技術には
種々の方法が提案され実験的にも一部実証されている。

（発明が解決しようとする問題点） さらに材料特性を高性能化するため、あるいは全く新規
の物性を創出することを狙って表面上に微細パターンを
加工する技術の開発も進められている。例えば１ミクロ
ン程度のオーダーで表面に線状あるいは曲線状の溝加工
により光学的性質を局所的に制御することにより各種グ
レーティング、反射率制御あるいはファイルメモリなど
が形成される。半導体デバイスにおいても集積回路はも
ちろん回折格子内蔵型レーザあるいは量子細線デバイス
などに北いてもサブミクロンあるいはそれ以下の寸法の
表面パターン加工技術が不可欠である。

しかしながら、パターンの横幅のは加工限界としては光
学的手法ではせいぜい０．１ミクロンが下限であり、Ｘ
線は集束イオン線を用いてせいぜい数１０オングストロ
ーム以上の幅にしか加工精度は得られない。集束電子線
を用いた表面処理技術においては電子線の直径が数オン
グストローム前後まで集束できるが、集束に必要な高加
速電圧による高エネルギー電子が引き起こすバックスキ
ャツタリングなどの表面近傍で生じる２次効果のため必
ずしも集束電子線直径と同じ寸法の加工精度が得られな
い。また、たとえ加速電圧が低い場合でも電子線を使う
以上高真空装置内で加工する必要が生じ、材料によって
は真空内に持ち込めないものもある。

このような理由により、表面上でのパターン加工精度は
数１０オングストロームが下限である。しかしながら、
なお−層の新材料物性を追求する上で更に微細な精度、
即ち最終的には単原子の尺度での表面処理技術が、要求
されるが、従来の方法ではこれに対応することは殆ど不
可能である。

この発明の目的とするところは、上述した表面処理にお
ける微細加工の加工限界を飛躍的に改善しほぼ原子１個
の精度で表面原子配列を制御しようというものである。

（問題点を解決するための手段） すなわち、処理すべき表面に吸着させた原子または分子
に先端が原子尺度で尖鋭な操作針を近接させ、その位置
あるいは該表面の他の位置まで該操作針で移動させた位
置において、該操作針と表面との間に電圧あるいは磁場
を印加するあるいは表面波あるいは光などの外部刺激を
加えるなどにより、その位置に吸着原子あるいは分子を
そのまま形、あるいは該外部刺激によって引き起こされ
た化学反応後に生じた原子あるいは分子の形で定着させ
ることを特徴とする表面処理方法によって原子尺度でコ
ントロールされた加工表面を得ようとするものである。

（作用） 第１図は処理表面１の上に吸着原子２，３および４が配
列されている状態を示す。吸着原子２のうちこれから移
動させようとする原子４に、先端が原子尺度で尖鋭な操
作針５の先端原子６を近接させ表面と操作針との間に電
圧を印加しトンネル電流を測定し一定の大きさの電流に
なるまで操作針を接近させた後、吸着原子４を表面から
完全に離脱させることなく表面上を移動させ他の種類の
原子から成る表面原子群の横の位置７に運ぶ。この移動
の際、適当な波長の光を照射あるいは表面波を外部から
供給するなどにより表面上の移動を容易にすることも可
能である。位置７の地点で外部印加電界を切り操作針を
表面から遠ざけ移動した原子を位置７に定着させる。次
に吸着原子２の残りを同様にして所定の位置に移動させ
る。あるいは吸着原子を他の種類のものに取り換えた後
全く同様な方法で位置７の隣の地点に先に移動させた原
子とは種類の異なる原子を定着させることも可能である
。

このような表面移動操作を行う際の表面温度に関しては
重要である。もし表面温度が高いと移動している最中に
操作針先端から移動原子が離脱してしまうばかりでなく
せっかく定着させた原子が表面マイグレーションを始め
希望しない地点に移動してしまうおそれが多い。従って
表面温度は適度に低く、出来れば２００〜３００°Ｃ以
下の低温に保つことが望ましい。操作針先端の原子と移
動させたい表面原子との相互作用力を変化させるために
適当な強さの磁場の印加することも場合によっては有効
である。すなわち磁場存在下で原子の外殻電子の波動関
数の分布を変化させ表面直下の原子あるいは操作針先端
との相互作用力を変化させることができるからである。

一方吸着種が分子の場合も全く同様に表面を移動させる
ことができる。移動させた分子をその地点で化学反応を
起こさせるべく第２の反応ガスを供給し生成した原子ま
たは分子のみを所望の地点に定着させる方法も可能であ
る。

一般に固体表面での吸着ポテンシャルエネルギーは表面
原子の配列に従った凹凸が存在するから、表面原子を移
動する際はポテンシャルの低い峠の部分を通していくこ
とが望ましい。

（実施例） （実施例１） 不活性ガス（Ｈｅ）雰囲気中に置かれた原子的に鏡面に
化学研磨された砒化ガリウム（ＧａＡｓ）単結晶基板を
用意した。表面の結晶学的方位は（１００）面であり、
保持温度は１５０’Ｃとした。この状態において、濃度
が０．００１％のトリメチルアルミニウムを含むＨｅガ
スを１秒間該表面に供給し有機アルミニウム分子を表面
被覆率０．１程度で吸着させる。この後、圧電アクチュ
エータでその動きをコントロールできるタングステンか
ら成る操作針を表面に接近させ、走査型トンネル顕微鏡
の原理と同様にトンネル電流を測定しながら表面に吸着
している有機アルミニウム分子の真上に操作針を接近さ
せる。この状態で０．１秒以下の短い時間だけ赤外線ラ
ンプから赤外線を照射し操作針真下にある有機アルミニ
ウム分子以外の吸着分子を蒸発させる。然る後に操作針
を静かに表面と平行に移動させ有機アルミニウム分子を
他の有機アルミニウム分子と１０原子距離はなれた所定
の位置に移動させる。この状態のまま、次に濃度が０．
００１％のトリメチルガリウムを含む水素ガスを１秒間
表面に供給し操作針真下の有機アルミニウム分子の周囲
全面に有機ガリウム分子を吸着させる。次に操作針を表
面から遠ざけ、出力２ｗ程度の直径１ｍｍのアルゴンレ
ーザを０゜１秒間照射し吸着有機ガリウムからいくつか
のアルキル基を抜き去ったラジカル状態とする。この後
砒素蒸気を０．０１％の濃度で含む水素ガスを供給し表
面吸着層と化学反応させ砒化アルミニウム分子同志が互
いに１０原子間隔離れた構造を有する砒化ガリウム分子
層が形成される。

（実施例２） シリコン単結晶（１１１）面を有する基板を予め（７Ｘ
７）表面超構造が発達する様に超高真空下で清浄化プロ
セスを含む高温アルコールを行う。反射電子線回折で（
７Ｘ７）構造が保存されていることを確認しながら基板
を室温まで冷却する。この表面にＧｅ原子を全体の被覆
率が１１３６程度の量になる様に蒸着する。この状態の
基板を実施例１と同様に走査型トンネル顕微鏡の下に設
置しＧｅ原子を探す。シリコン（７Ｘ　７）構造個有の
特異点（７×７構造の３角形のコーナー）にＧｅが納っ
ていることが判ったらそのＧｅ原子はそのままにし他の
Ｇｅ原子を探し、もしそのＧｅ原子が（７Ｘ７）構造の
特異点にない場合は操作針をさらに近接し重水素ランプ
からの紫外光線を照射した状態で該操作針を静かに移動
・して最も近くの空いた（７Ｘ７）構造特異点までＧｅ
原子を運ぶ。この状態でシリコン表面に平行に磁場を加
える。この時の磁場の向きはタングステン操作針とＧｅ
原子との総合力が弱まりＧｅ原子とＳｉ基板の総合が最
も強くなる方向に調達する。磁場の大きさは通常１〜５
テスラ一程度が望ましい。この様にして、当初任意の位
置にいたＧｅ原子を表面処理をしようとする表面の領域
の内部においてすべて（７Ｘ　７）超構造の特異点に納
める。この後室温のままシリコンを１原子層程度の厚さ
で蒸着してから５００６Ｃ程度に昇温し、さらに７〜１
０原子層の厚さ蒸着しシリコンエピタキシャル成長を行
う。このサンプルを取りはずしＸ線回折により界面状態
を調べた結果、（７Ｘ７）構造に基づく信号が検出され
、（７Ｘ７）構造の経過にＧｅ原子が存在した状態で全
体の構造が保存されていることが判明した。

（発明の効果） 以上本発明の方法によればほぼ原子−個の精度で表面原
子配列を制御することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は表面上の原子配列が制御された表面処理方法を
示したもので、１は基板、２，３および４は表面吸着原
子、５は先端が原子尺度で尖鋭な操作針、６は先端の原
子、７は吸着原子を移動させ定着させ第１図 １処理表面 手続補正書（自発） ６２．１１．−５ 昭和　　年　　月　　日 ２、発明の名称 表面処理方法 ３、補正をする者 事件との関係　　　　　　　　出願人 東京都港区芝五丁目３３番１号 （４２３）　　日本電気株式会社 代表者　関本忠弘 ４、代理人 ５、補正の対象 明細書の発明の詳細な説明の欄 ６、補正の内容 １）明細書第９頁第４行に「アルコール」とあるのを「
アニールｊと補正する。 ２）明細書第９頁第２０行に「調達」とあるのを「調節
」と補正する。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 処理すべき表面に吸着させた原子または分子に先端が原
   子尺度で尖鋭な操作針を近接させ、その位置あるいは該
   操作針と表面との間に電圧あるいは磁場を印加するある
   いは表面波あるいは光などの外部刺激を加えるなどの状
   態で該表面の他の位置まで該操作針で移動させた位置に
   おいて、吸着原子あるいは吸着分子をそのまま形あるい
   は該外部刺激で引き起こさせた化学反応後に生じた原子
   あるいは分子の形で定着させることを特徴とする表面処
   理方法。