(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
走査型トンネル顕微鏡において、
Ａｇ2 Ｓ単結晶からなる、イオン導電性と電子導電性とを兼ね備えた混合導電体材料からなる走査型トンネル顕微鏡の探針を具備することを特徴とする走査型トンネル顕微鏡。
【請求項２】
請求項１記載の走査型トンネル顕微鏡において、前記探針は、該探針と基板との間に電圧とトンネル電流を加えることにより生じる、Ａｇ2 Ｓ単結晶の先端での突起物（ミニチップ）の成長あるいは収縮現象を利用して得られる探針。
【請求項３】
走査型トンネル顕微鏡の探針の処理方法において、
（ａ）イオン導電性と電子導電性とを兼ね備えた混合導電体材料からなる走査型トンネル顕微鏡の探針を用意する工程と、
（ｂ）前記探針と基板の間に電圧とトンネル電流を加えることにより、前記混合導電体材料内の可動金属イオンを移動させ、前記探針の先端にその金属イオン（原子）から構成される突起物（ミニチップ）を成長させる工程と、
（ｃ）前記突起物の成長後、加えられる電圧極性を反対にすることにより成長した前記突起物を構成する金属イオン（原子）を混合導電体材料中に再溶解させて前記突起物を収縮させる工程とを施すことを特徴とする走査型トンネル顕微鏡の探針の処理方法。
【請求項４】
請求項３記載の走査型トンネル顕微鏡の探針の処理方法において、前記混合導電体材料としてＡｇ2 Ｓ単結晶を用いることを特徴とする走査型トンネル顕微鏡の探針の処理方法。
【請求項５】
請求項３又は４記載の走査型トンネル顕微鏡の探針の処理方法によって得られた走査型トンネル顕微鏡の探針と基板との間に電圧とトンネル電流を加えることにより、前記基板の表面微細構造を観測することを特徴とする走査型トンネル顕微鏡の探針の処理方法。
【請求項６】
走査型トンネル顕微鏡を用いた微細構造物作製方法において、イオン導電性と電子導電性とを兼ね備えたＡｇ2 Ｓ単結晶を顕微鏡探針として用いて、前記探針と基板との間に電圧とトンネル電流を加えることにより、前記Ａｇ2 Ｓ単結晶の可動イオンあるいはＡｇ2 Ｓ単結晶を構成する原子を、基板上に付与して、該基板上に微細構造物を形成することを特徴とする走査型トンネル顕微鏡を用いた微細構造物作製方法。
【発明の詳細な説明】
（技術分野）
本発明は、走査型トンネル顕微鏡、その探針の処理方法及び微細構造物作製方法に関するものである。
【０００１】
（背景技術）
従来、このような分野の技術としては、例えば以下に開示されるようなものがあった。
（１）Ｈ．Ｊ．Ｍａｍｉｎ，Ｐ．Ｈ．Ｇｕｅｔｈｎｅｒ  ａｎｄ  Ｄ．Ｒｕｇａｒ：Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．６５（１９９０）２４１８
（２）Ｃ．Ｓ．Ｃｈａｎｇ，Ｗ．Ｂ．Ｓｕ  ａｎｄ  Ｔｉｅｎ  Ｔ．Ｔｓｏｎｇ：Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．７２（１９９４）５７４
（３）Ｍ．Ｔａｋａｉ，Ｈ．Ａｎｄｏｈ，Ｈ．Ｍｉｙａｚａｋｉ  ａｎｄ  Ｔ．Ｔｓｕｒｕｈａｒａ：Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  ３５（１９９７）３５３
ＳＴＭ（走査型トンネル顕微鏡）による微細構造物の作製方法は、幾つか報告されているが、本発明に近い従来例として以下のものがある。
【０００２】
尚、ＳＴＭとは、導電性の探針を導電性の基板に１ナノメートル程度まで近づけ、前記探針と前記基板との間で加える電圧やその間を流れるトンネル電流を測定または制御することにより、前記基板の表面微細構造を観測することを指す場合が多い。しかし、本発明においてのＳＴＭとは、前記電圧やトンネル電流の測定または制御することによる前記表面微細構造の観察を目的とする装置のみならず、前記探針と前記基板との間に加えられる前記電圧や前記トンネル電流による効果を利用した前記探針あるいは前記基板の表面微細加工を目的とする装置も含むものとする。
【０００３】
第１図はかかる従来の走査型トンネル顕微鏡とそれによる微細構造物の作製方法の原理を示す模式図である。
【０００４】
この図に示すように、作製する構造物を構成する金属からなる細線をＳＴＭ探針１０１に用いて、このＳＴＭ探針１０１と基板１０２との間に電圧とトンネル電流を加え、その電圧とトンネル電流の効果により前記ＳＴＭ探針１０１の先端から基板１０２上に金属原子１０３を付与して微細構造物を構築する。なお、１００は３次元駆動装置である。
【０００５】
また、第２図に示すように、他の金属１１１を金属１１２で被覆した細線をＳＴＭ探針１１０に用いて、このＳＴＭ探針１１０と基板との間に電圧とトンネル電流を加え、その電圧とトンネル電流の効果により前記ＳＴＭ探針１１０の先端から基板上に金属原子を付与して微細構造物を構築するようにしていた。
【０００６】
（発明の開示）
しかしながら、これら従来の手法では、探針先端から原料金属が固まりとなって不連続に基板上に付与されるか、または数個の金属原子しか連続的に付与することができない。つまり、探針から基板上への金属原子の連続的な供給が困難であった。
【０００７】
そのため、従来の手法では、連続的な微細構造物を構築することは困難である。
【０００８】
本発明は、上記問題点を解決するために、連続的な微細構造物を容易に構築することができる走査型トンネル顕微鏡、その探針、その探針の処理方法及び微細構造物作製方法を提供することを目的とする。
【０００９】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕走査型トンネル顕微鏡において、Ａｇ2 Ｓ単結晶からなる、イオン導電性と電子導電性とを兼ね備えた混合導電体材料からなる走査型トンネル顕微鏡の探針を具備することを特徴とする。
【００１０】
〔２〕上記〔１〕記載の走査型トンネル顕微鏡において、前記探針は、該探針と基板との間に電圧とトンネル電流を加えることにより生じる、Ａｇ2 Ｓ単結晶の先端での突起物（ミニチップ）の成長あるいは収縮現象を利用して得られる探針であることを特徴とする。
【００１１】
〔３〕走査型トンネル顕微鏡の探針の処理方法において、イオン導電性と電子導電性とを兼ね備えた混合導電体材料からなる走査型トンネル顕微鏡の探針を用意する工程と、前記探針と基板の間に電圧とトンネル電流を加えることにより、前記混合導電体材料内の可動金属イオンを移動させ、前記探針の先端にその金属イオン（原子）から構成される突起物（ミニチップ）を成長させる工程と、前記突起物の成長後、加えられる電圧極性を反対にすることにより成長した前記突起物を構成する金属イオン（原子）を混合導電体材料中に再溶解させて前記突起物を収縮させる工程とを施すことを特徴とする。
【００１２】
〔４〕上記〔３〕記載の走査型トンネル顕微鏡の探針の処理方法において、前記混合導電体材料としてＡｇ2 Ｓ単結晶を用いることを特徴とする。
【００１３】
〔５〕走査型トンネル顕微鏡の探針の処理方法において、上記〔３〕又は〔４〕記載の走査型トンネル顕微鏡の探針の処理方法によって得られた走査型トンネル顕微鏡の探針と基板との間に電圧とトンネル電流を加えることにより、前記基板の表面微細構造を観測することを特徴とする。
【００１４】
〔６〕走査型トンネル顕微鏡を用いた微細構造物作製方法において、イオン導電性と電子導電性とを兼ね備えたＡｇ2 Ｓ単結晶を顕微鏡探針として用いて、前記探針と基板との間に電圧とトンネル電流を加えることにより、前記Ａｇ2 Ｓ単結晶の可動イオンあるいはＡｇ2 Ｓ単結晶を構成する原子を、基板上に付与して、該基板上に微細構造物を形成することを特徴とする。
【００１５】
（発明を実施するための最良の形態）
以下、本発明の実施の形態について図を参照しながら詳細に説明する。
【００１６】
第３図は本発明の走査型トンネル顕微鏡とそれによる微細構造物の構築原理を示す模式図である。
【００１７】
この図において、１は３次元駆動装置、２はその３次元駆動装置に連結されたＳＴＭ探針であり、このＳＴＭ探針２は、イオン導電性と電子導電性とを兼ね備えた混合導電体材料からなる。３は基板、４は電圧・電流を供給する電源、５は可動イオン、６はトンネル電流であり、ＳＴＭ探針２と基板３間に電源４から電圧・電流を供給してトンネル電流６を発生させることができる。
【００１８】
走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）は、適当な基板上にナノメートルサイズさらには原子サイズでの微細構造物の構築を可能にするための有力な装置である。ＳＴＭを用いて、その探針からの原子付与によって微細構造物を構築するためには、「作製した構造物の確認のために基板表面の構造が観察できること」および「探針の先から基板上へ金属原子などが連続的に付与できること」といった条件を満たすＳＴＭ探針が必要である。
【００１９】
しかし、従来技術で述べたように、従来のＳＴＭを用いた微細構造物の構築技術では、探針から基板上への金属原子の連続的な供給が困難であった。
【００２０】
本発明では、第３図に示すように、イオンと電子が結晶中を容易に可動する混合導電体材料をＳＴＭ探針２に用いる。この混合導電体をＳＴＭ探針に用いることにより、電子導電性によるトンネル電流を利用して基板表面構造の観察が容易であり、さらにイオン導電性による可動イオン５を利用してＳＴＭ探針先から基板上へ可動イオン又は原子の連続的な付与が可能になる。
【００２１】
この実施例では、混合導電体材料の中でも銀イオンと電子が伝導するＡｇ2 Ｓ単結晶をＳＴＭ探針に用いて、この探針による基板表面の構造の観察ならびにこの探針から基板上への銀原子の付与による微細構造物の構築を行う。
【００２２】
以下、本発明の実施例を示す微細構造物の構築について説明する。
【００２３】
〔１〕まず、ＳＴＭ探針に用いる混合導電体Ａｇ2 Ｓ単結晶は、気相成長法により作製する。特に、ＳＴＭ探針に利用できるように、Ａｇ2 Ｓ単結晶の成長速度と成長方向を制御して、針状の形をしたＡｇ2 Ｓ単結晶を作製する（ステップＳ１）。
【００２４】
第４図は本発明の実施例を示す走査型トンネル顕微鏡の探針としてのＡｇ2 Ｓ単結晶育成装置の概略構成図である。
【００２５】
第４図において、１１は電気炉、１２はガラス管、１３は毛細管、１４は銀線、１５は硫黄粉末である。
【００２６】
第４図に示すように、銀線１４と硫黄粉末１５をガラス管１２中に真空封入し、銀線１４と硫黄粉末１５から生成する硫黄ガスを反応させることにより、銀線１４の先端にＡｇ2 Ｓ単結晶を作製する。この時、ＳＴＭ探針として利用できるように、針状の形をしたＡｇ2 Ｓ単結晶を作製する。そのため、一端を封じた毛細管１３内に銀線１４を入れて、Ａｇ2 Ｓ単結晶の成長方向および成長速度を制御する。さらに、ガラス管１２中の銀線１４と硫黄粉末１５の温度を電気炉１１に適温に保持することにより、Ａｇ2 Ｓ単結晶の成長速度を制御することができる。
【００２７】
第５図は上記した方法により銀線上に育成した針状のＡｇ2 Ｓ単結晶を示す図である。
【００２８】
この銀線上のＡｇ2 Ｓ単結晶をＳＴＭ探針として用いる。
【００２９】
〔２〕また、作製したＡｇ2 Ｓ単結晶をそのまま用いたＳＴＭ探針では、その探針先端が十分に尖鋭でないために、基板の表面構造を観察することができない。そこで、Ａｇ2 Ｓ単結晶からなる探針と基板との間に適当な電圧とトンネル電流を加えることにより、混合導電体Ａｇ2 Ｓ結晶中の可動銀イオンを探針の先端に移動して、さらに銀原子としてＡｇ2 Ｓ表面上に析出させる。多くの銀原子を表面上に析出させることにより、Ａｇ2 Ｓ単結晶からなる探針の先端に銀原子から構成する銀突起物を成長させる。この銀突起物（ミニチップ）を先端に成長させたＡｇ2 ＳをＳＴＭ探針として用いることにより、基板表面の構造および基板表面に構築した微細構造物の観察が可能になる（ステップＳ２）。
【００３０】
ここで、Ａｇ2 Ｓ単結晶上への銀突起物の作製及びこのＡｇ2 Ｓ単結晶探針による基板表面構造の観察について説明する。
【００３１】
上記したＡｇ2 Ｓ単結晶をＳＴＭ探針として用いて、この探針と基板との間に適当な電圧とトンネル電流を加えることにより、その探針の先端にこの銀金属から構成される突起物を成長させる。この銀突起物の成長過程を第６図に示す。
【００３２】
サンプルバイアス電圧（Ｖｓ）が負の極性で、トンネル電流（Ｉｔ）が小さい条件（図中の条件１：Ｖｓは−２．０Ｖ，Ｉｔは０．０５ｎＡ）は銀突起物の成長は起こらないが、トンネル電流値が大きい条件（図中の条件２：Ｖｓは−２．０Ｖ，Ｉｔは１．３５ｎＡ）では銀突起物の成長が始まる。
【００３３】
また、加えるサンプルバイアス電圧（Ｖｓ）の極性を正に変えた場合は、トンネル電流（Ｉｔ）が小さい条件（図中の条件３：Ｖｓは２．０Ｖ，Ｉｔは０．０５ｎＡ）では、成長した銀突起物に変化は起こらないが、トンネル電流値が大きい条件（図中の条件４：Ｖｓは２．０Ｖ，Ｉｔは０．３５ｎＡ）では銀突起物は収縮（Ａｇ2 Ｓ単結晶内へ再溶解）する。
【００３４】
すなわち、電圧の極性を反対に変えることにより、銀突起物を伸ばしたり、縮めたりすることができる。銀突起物の成長は、探針と基板との間に加えた電圧とトンネル電流の効果により、Ａｇ2 Ｓ混合導電体結晶内の可動銀イオンが探針の先端に移動した後、銀金属原子となって混合導電体結晶内部からその表面上に出るために起こる。
【００３５】
一方、銀突起物の収縮は、加える電圧の極性を反対にすることにより、上記の成長過程と反対方向の反応が起こることに起因する。この銀原子からなる突起を先端に成長させたＡｇ2 Ｓ混合導電体結晶をＳＴＭ探針として用いることにより、基板表面の構造および基板表面に構築した微細構造物の観察が可能になる。これは、Ａｇ2 Ｓ単結晶の先端の銀突起物がミニチップとして働くためである。
【００３６】
第７図は本発明の実施例を示す銀突起物（ミニチップ）を先端に作製したＡｇ2 Ｓ単結晶をＳＴＭ探針として用いて観察したシリコン表面の原子構造を示す図である。
【００３７】
（３）次いで、Ａｇ2 ＳのＳＴＭ探針による基板上への極微細構造物の作製方法について説明する。つまり、銀突起物を先端に成長させたＡｇ2 Ｓ単結晶のＳＴＭ探針と基板との間に適当な電圧とトンネル電流を加えることにより、このＳＴＭ探針の先端からＡｇ2 Ｓ単結晶内を可動する銀イオンあるいは銀原子を基板上に連続的に付与させる。この時、その探針を基板上で走査することにより、この銀原子によって微細構造物を基板上に作製することができる（ステップＳ３）。
【００３８】
第８図は上記した方法によりシリコン基板上に作製した幅１５ｎｍ、長さ１５０ｎｍ、厚さ０．３ｎｍ程度の細線状の微細構造物である。
【００３９】
また、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００４０】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、次のような効果を奏することができる。
【００４１】
（Ａ）混合導電体をＳＴＭ探針に用いることにより、電子導電性によるトンネル電流を利用して基板表面構造の観察が容易であり、さらにイオン導電性による可動イオンを利用してＳＴＭ探針先から基板上へ可動イオン又は原子の連続的な付与が可能になり、連続的な微細構造物を容易に構築することができる。
【００４２】
（Ｂ）混合導電体材料の中でも銀イオンと電子が伝導するＡｇ2 Ｓ単結晶をＳＴＭ探針に用いて、この探針による基板表面の構造の観察ならびにこの探針から基板上への銀原子の付与による微細構造物の構築を行うことができる。
【００４３】
（Ｃ）シリコン基板上に、例えば、幅１５ｎｍ、長さ１５０ｎｍ、厚さ０．３ｎｍ程度の細線状の微細構造物を作製することができる。
【００４４】
（産業上の利用可能性）
本発明の走査型トンネル顕微鏡、その探針、その探針の処理方法及びそれを用いた微細構造物作製方法によれば、基板表面の原子構造の観察や、連続的なナノサイズ構造の構築に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の走査型トンネル顕微鏡とそれによる微細構造物の作製方法の原理を示す模式図である。
【図２】従来の他の走査型トンネル顕微鏡の探針を示す図である。
【図３】本発明の実施例を示す走査型トンネル顕微鏡とそれによる微細構造物の構築原理を示す模式図である。
【図４】本発明の実施例を示す走査型トンネル顕微鏡の探針としてのＡｇ2 Ｓ単結晶育成装置の概略構成図である。
【図５】第４図に示す装置により銀線上に育成した針状のＡｇ2 Ｓ単結晶を示す図である。
【図６】走査型トンネル顕微鏡の探針の先端への銀突起物の成長過程を示す図である。
【図７】本発明の実施例を示す銀突起物（ミニチップ）を先端に作製したＡｇ2 Ｓ単結晶をＳＴＭ探針として用いて観察したシリコン表面の原子構造を示す図である。
【図８】本発明の実施例を示すシリコン基板上に作製した幅１５ｎｍ、長さ１５０ｎｍ、厚さ０．３ｎｍ程度の細線状の微細構造物を示す図である。
【図１】
0003624212.tif 000002
【図２】
0003624212.tif 000003
【図３】
0003624212.tif 000004
【図４】
0003624212.tif 000005
【図５】
0003624212.tif 000006
【図６】
0003624212.tif 000007
【図７】
0003624212.tif 000008
【図８】
0003624212.tif 000009