(57)【要約】本発明は、導電性材料のコーティング（９）で覆われた耐火材料の芯（３）からなり、トンネル顕微鏡法によって表面（１７ａ）に関する情報を取得するために、トンネル効果による外部顕微鏡の針の形状を有するニードル状に構成された、読み取り／書き込みチップに関する。ニードル（２）は、導電性材料の層（９）から荷電粒子を放出して、表面を形成する。チップは、液化されてチップに沿って流れることのできるリザーバ（１１）を有している。
2009512847.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性材料の層（９）で少なくとも部分的に覆われた耐火材料の芯（３）で形成されたニードル（２）状に構成された読み取り／書き込みチップであって、
前記ニードルが、前記ニードルに電位を印加するための発電機（１５）との接続部（４）を有し、
前記ニードルが、表面（１７ａ）を有する導電性基板に近接した動作位置に配置されるようになっており、
前記ニードルが、トンネル顕微鏡の針の幾何学的外形を有し、読み取りモードでは検出システム（２４）に接続されて、前記発電機（１５）によって前記基板と前記ニードルとの間に印加される第１の電位差の影響下で、トンネル顕微鏡法によって前記表面に関するデータ項目を取得するようになっており、
前記ニードルが、書き込みモードでは、前記発電機によって前記基板と前記ニードルとの間に印加された、前記第１の電位差とは逆の符号を有する第２の電位差の影響下で、第１の極性の荷電粒子を前記導電性材料の前記層（９）から前記基板の前記表面（１７ａ）の方向に放出して、前記基板の前記表面を形成するようになっており、
前記チップが、前記層を形成する前記導電性材料の予備を有し、前記層と流体連通するリザーバ（１１）と、作動時には前記リザーバに含有されている前記導電性材料を液化して前記チップに沿って流すようになっている伝熱装置（１０）と、をさらに有する、読み取り／書き込みチップ。
【請求項２】
前記ニードルが、前記表面に面して配置されるようになっている尖端部を有し、該尖端部が、約０．１から２マイクロメートル（μｍ）までの間の曲率半径を有する、請求項１に記載の読み取り／書き込みチップ。
【請求項３】
前記芯（３）が、０．１から０．４ミリメートル（ｍｍ）までの間の直径を有するテーパー状の本体を有し、該本体が、前記本体からの距離が離れるにつれて直径が小さくなるテーパー状の端部（６）を通じて延びている、請求項１または２に記載の読み取り／書き込みチップ。
【請求項４】
前記芯（３）が、前記層の前記導電性材料の融点より実質的に高い融点を有する材料で作られており、
前記伝熱装置（１０）が、作動時に、前記ニードルおよび前記リザーバを、前記導電性材料の融点と前記芯材料の融点との間の温度にするようになっている、請求項１から３のいずれか１項に記載の読み取り／書き込みチップ。
【請求項５】
前記芯（３）が、縦方向マイクロチャネル状の粗さを有する柱状材料で作られており、前記縦方向マイクロチャネルによって、前記導電性材料の融点と前記芯材料の融点との間の前記温度で液化された前記導電性材料の前記芯に沿った流れと、毛細管現象による前記導電性材料の前記芯上での滞留とが共に可能になるようにされている、請求項４に記載の読み取り／書き込みチップ。
【請求項６】
前記リザーバ（１１）が前記層（９）と流体連通して前記ニードルを取り囲んでいる気泡状の前記導電性材料を有し、前記伝熱装置がフィラメント（１０）を有し、該フィラメントが、
前記ニードルを取り囲み、前記導電性材料からなる前記リザーバ内に浸漬された少なくとも１つの巻き（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）と、
ジュール効果によって前記リザーバの前記導電性材料を液化するように前記フィラメントに電力を流すことができる発電機（１９）との接続部と、を有する、請求項１から５のいずれか１項に記載の読み取り／書き込みチップ。
【請求項７】
第１の極性の前記荷電粒子がカチオンである、請求項１から６のいずれか１項に記載の読み取り／書き込みチップ。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項に記載の少なくとも１つのチップ（１）を支持する支持体（１２）を有し、該支持体が、前記ニードルの前記接続部と電気的に接続され、前記ニードルに電位を印加するための前記発電機（１５）に接続されるようになっている、第１の接続帯（１３）を有する、読み取り／書き込み装置ヘッド。
【請求項９】
請求項１から７のいずれか１項に記載のチップ（１）をそれぞれが支持する複数の支持体（１２）を有し、該各支持体が、前記各ニードルの前記接続部（１３）と電気的に接続され、前記各ニードルに独立した電位を印加するための前記発電機（１５）に接続されるようになっている、第１の接続帯を有する、読み取り／書き込み装置ヘッド。
【請求項１０】
請求項８または９に記載の読み取り／書き込み装置ヘッドと、
前記各チップに面する前記表面部（１７ａ）を有する前記基板を受け入れるようになっているサンプルホルダ（１６）と、
前記チップと前記表面とを相対的に移動させることができる変位システム（１８）と、
前記チップと該チップに面する前記表面部との間に、独立した前記第１の電位差および該第１の電位差とは逆の符号を有する独立した前記第２の電位差を印加するために前記各チップの前記接続部に接続され、前記チップの前記伝熱装置（１０）を作動させるために前記伝熱装置と電気的に接続されている前記発電機（１５）と、を有する、読み取り／書き込み装置。
【請求項１１】
前記ニードルと電気的に接続されて、前記第１の電位差の影響下でトンネル顕微鏡法によって前記表面に関するデータ項目を取得するようになっている前記検出システム（２４）を有する、請求項１０に記載の読み取り／書き込み装置。
【請求項１２】
（ａ）請求項１から７のいずれか１項に記載の読み取り／書き込みチップ（１）が、前記表面を有する前記導電性基板（１７）に近接した動作位置に配置され、
（ｂ）前記発電機（１５）が、前記第１の電位差とは逆の符号を有する前記第２の電位差を前記基板と前記ニードルとの間に印加し、前記基板の前記表面を形成するために、前記ニードルが、前記第１の極性の前記荷電粒子を前記導電性材料の前記層から前記基板の前記表面の方向に放出する、書き込み方法。
【請求項１３】
段階（ｂ）において、前記第２の電位差の影響下で、前記チップの前記層から剥離された導電性金属の粒子が前記表面に堆積することによって、前記表面（１７ａ）が形成される、請求項１２に記載の書き込み方法。
【請求項１４】
段階（ｂ）において、前記伝熱装置（１０）が、前記チップに沿って前記リザーバに含有されている前記導電性材料を固体状態で保持する、請求項１３に記載の書き込み方法。
【請求項１５】
段階（ｂ）において、前記第２の電位差の影響下で、前記チップの前記層（９）から剥離された導電性金属の粒子の衝撃によって前記表面を食刻することによって、前記表面が形成される、請求項１２に記載の書き込み方法。
【請求項１６】
段階（ｂ）において、前記伝熱装置（１０）が、前記チップに沿って前記リザーバに含有されている前記導電性材料を液体状態で保持する、請求項１５に記載の書き込み方法。
【請求項１７】
前記発電機（１５）が、前記リザーバおよび前記層の前記導電性材料を液体状態で保持するのに十分な電力を前記伝熱装置（１０）に印加する、請求項１６に記載の書き込み方法。
【請求項１８】
段階（ａ）において、各ニードルに独立した電位を印加するための前記発電機（１５）にそれぞれが接続された、請求項１から７のいずれか１項に記載の複数の読み取り／書き込みチップ（１）が、前記表面を有する前記導電性基板（１７）に近接した動作位置に配置され、
段階（ｂ）が前記各ニードルについて独立して実施される、請求項１５から１７のいずれか１項に記載の書き込み方法。
【請求項１９】
２つの連続する段階（ｂ）の間に、前記基板（１７）と少なくとも１つの前記チップとの相対的な移動が行われる、請求項１２から１８のいずれか１項に記載の書き込み方法。
【請求項２０】
前記伝熱装置（１０）によって前記リザーバに含有されている前記導電性材料が液化され前記チップに沿って流される段階（ｃ）が実施される、請求項１から７のいずれか１項に記載の読み取り／書き込みチップの再生方法。
【請求項２１】
（ｄ）請求項１から７のいずれか１項に記載のチップが、前記表面を有する前記導電性基板に近接した動作位置に配置され、
（ｅ）前記発電機が、前記基板と前記ニードル（２）との間に前記第１の電位差を印加し、
（ｆ）前記ニードルに接続された前記検出システム（２４）が、前記第１の電位差の影響下で、トンネル顕微鏡法によって前記表面に関するデータ項目を取得する、読み取り方法。
【請求項２２】
前記チップと前記基板との相対的な移動が行われて、段階（ｄ）、（ｅ）、および（ｆ）が繰り返される、請求項２１に記載の読み取り方法。
【請求項２３】
請求項２１または２２に記載の読み取り方法の少なくとも１つの方法と、請求項１２から１９のいずれか１項に記載の書き込み方法から選択された１つの方法と、請求項２０に記載の再生方法とが、単一のチップに対して連続的に実施される、表面処理方法。
【請求項２４】
コンピュータプログラムであって、前記プログラムがコンピュータ（２５）上で実行されるときに、請求項１２から２３のいずれか１項に記載の方法の複数の段階を実行するための複数のプログラムコード部分を有する、コンピュータプログラム。
【請求項２５】
読み取り／書き込みチップを製造する製造方法であって、
（ｚ）耐火材料の芯（３）が形成され、
（ｙ）前記芯が導電性材料の層（９）で少なくとも部分的に覆われて、ニードル（２）が形成され、
前記ニードルに電流を印加するための発電機との接続部が前記ニードルに形成され、
前記ニードルが、表面を有する導電性基板に近接した動作位置に配置されるようになっており、
（ｘ）トンネル顕微鏡の針の幾何学的外形が前記ニードルに与えられ、
前記ニードル（２）が、読み取りモードでは検出システム（２４）に接続されて、前記発電機（１５）によって前記基板と前記ニードルとの間に印加される第１の電位差の影響下で、トンネル顕微鏡法によって前記表面に関するデータ項目を取得するようになっており、
前記ニードルが、書き込みモードでは、前記発電機によって前記基板と前記ニードルとの間に印加された、前記第１の電位差と逆の符号を有する第２の電位差の影響下で、第１の極性の荷電粒子を前記導電性材料の前記層（９）から前記基板の前記表面の方向に放出して、前記基板の前記表面を形成するようになっており、
（ｗ）前記層を形成する前記導電性材料の予備を有するリザーバ（１１）が、前記層と流体連通するように配置され、（ｖ）作動時には前記リザーバに含有されている前記導電性材料を液化して前記チップに沿って流すようになっている伝熱装置（１０）が、前記ニードルに接続される、読み取り／書き込みチップを製造する製造方法。
【請求項２６】
段階（ｚ）において、
（ｚ１）前記芯（３）が前記導電性材料に対する毛細管現象を向上させるために化学エッチングによって粗面化されて、前記芯に縦方向マイクロチャネルが形成される、請求項２５に記載の製造方法。
【請求項２７】
フィラメント（１０）を備えた前記芯（２）を導電性材料の溶融浴に浸漬させることによって、段階（ｗ）および（ｙ）が同時に実施され、前記フィラメントが、
前記リザーバの前記導電性材料を液化するために前記フィラメントに電力を流すようになっている発電機との接続部（１０ｄ）と、
前記ニードルを取り囲み、前記導電性材料からなる前記リザーバ内に浸漬された少なくとも１つの巻き（１０ａ）と、を有する、請求項２５または２６に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、読み取り／書き込み装置のチップおよびヘッド、読み取り／書き込み装置、および当該装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
論文「ナノテクノロジーのための改良されたガリウム液体金属イオン源（An improved gallium liquid-metal ion source geometry for nanotechnology）」（Van Es et al., Microelectronic Engineering 73-74, (2004); 132-138）には、液体金属イオン源の一例が記載されている。このようなイオン源は、一般に、導電性材料（この論文ではガリウム）の層で部分的に覆われた耐火材料（この論文ではタングステン）の芯で形成されたニードル状に構成されたチップを有しており、
前記ニードルが、ニードルに電位を印加するための発電機との接続部を有し、
前記ニードルが、表面を有する導電性基板にそれ自体が面している静電光学システム内に配置されるようになっており、
前記ニードルが、発電機によって基板とニードルとの間に印加される電位差の影響下で、第１の極性の荷電粒子を導電性材料の層から基板の表面の方向に放出して、基板の表面を形成するようになっており、
前記チップが、層を形成する導電性材料の予備を有し、層と流体連通するリザーバと、熱発生装置（この論文では発電機）に接続され、熱発生装置の作動下で、リザーバに含有されている導電性材料を液化してチップに沿って流すようになっている伝熱装置と、をさらに有している。
【０００３】
このような方法で使用されるニードルは、一般に（直径が０．４ミリメートル程度の）粗い形状を有している。これによって、イオンビームを発生させ、および／または、基板上に約１０または１００ナノメートル程度のサイズで材料を蓄積させることができる。チップから基板上へと材料が失われると腐食が起こるが、その腐食は、伝熱装置によって流体状に維持されている材料がリザーバから流れることにより補償される。
【０００４】
さらに、カルバートソン（Culbertson）らの論文「高強度ガリウムイオン源のアトムプローブ電界イオン顕微鏡法（Atom-probe field-ion microscopy of a high intensity gallium ion source）」には、上述した種類のチップが開示されており、そこでは、堆積させる材料の融点より低い温度でイオン放出が行われている。したがって、固相の金属からのイオン放出を実施することが可能となっている。このようなチップでは、ほぼ原子精度で、基板の表面を形成することが可能である。しかし、このようなイオン源の自立性は、ニードル上にあるときには蒸発すべき材料が固体的性質を有するため、比較的限定的なままである。この固体的性質によって、ニードルの活性部位への材料の流れが妨げられ、その結果、この種のチップではリザーバは使用されない。
【０００５】
さらに、ビーニッヒ（Binnig）およびローラー（Rohrer）は、例えば「走査型トンネル顕微鏡法−誕生から青年期まで（Scanning tunneling microscopy- from birth to adolescence）」（Review of Modem Physics, vol. 59, no 3, Part 1, July 1987）において、発電機に接続されたチップを備えたトンネル効果を用いた電子顕微鏡を示しており、その発電機は、チップと基板との間で電位差を発生させ、それによりチップにおける電子の剥離を可能している。このような顕微鏡は、チップと基板との間を流れる電流を測定することによって基板の表面に関するデータ項目を決定することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、これらの機能は、現在のところ別個の装置によって実施されている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、主として、導電性材料の層で少なくとも部分的に覆われた耐火材料の芯で形成されたニードル状に構成された読み取り／書き込みチップに関し、
前記ニードルが、前記ニードルに電位を印加するための発電機との接続部を有し、
前記ニードルが、表面を有する導電性基板に近接した動作位置に配置されるようになっており、
前記ニードルが、トンネル顕微鏡の針の幾何学的外形を有し、読み取りモードでは検出システムに接続されて、前記発電機によって前記基板と前記ニードルとの間に印加される第１の電位差の影響下で、トンネル顕微鏡法によって前記表面に関するデータ項目を取得するようになっており、
前記ニードルが、書き込みモードでは、前記発電機によって前記基板と前記ニードルとの間に印加された、前記第１の電位差とは逆の符号を有する第２の電位差の影響下で、第１の極性の荷電粒子を前記導電性材料の前記層から前記基板の前記表面の方向に放出して、前記基板の前記表面を形成するようになっており、
前記チップが、前記層を形成する前記導電性材料の予備を有し、前記層と流体連通するリザーバと、作動時には前記リザーバに含有されている前記導電性材料を液化して前記チップに沿って流すようになっている伝熱装置と、をさらに有している。この材料は、毛細管現象によって、チップに沿って流れることになる。
【０００８】
これらの構成のために、単一のチップを、基板の表面特性の読み取り操作を実施するためのトンネル顕微鏡のチップと、液体または固体金属イオンの供給源として基板の表面を形成する書き込みチップの両方として、使用することができる。このようなチップは、書き込み段階と読み取り段階を交互に行うことが容易に可能であるという利点を有しており、このことは、外付けの顕微鏡システムを使用する必要なく書き込みが行われる場所を容易に見つけられるようにするために、実用上有用である。
【０００９】
読み取り機能から書き込み機能に切り換えるには、チップと基板との間に印加される電位差を反転させるだけでよい。
【００１０】
液体金属イオン放出モードで書き込みを行う場合には、芯を覆う金属が流動することで、以後の読み取りに依然として適したチップ形状を維持することが可能となる。
【００１１】
（より低い温度での）固体金属イオン放出モードで書き込みを行った後は、チップが局所腐食効果を受けることがあり得る。伝熱装置によって、チップの再生工程が実施可能であり、読み取りモードに適したチップの初期の幾何学的形状に回復することが可能となる。
【００１２】
その結果、本発明は、従来はそれぞれが独立した手段で実施されていた３つの機能を実施することのできるチップを提案する。
【００１３】
本発明の好適な実施形態では、以下の構成のうちのいずれかを任意に利用することも可能である。すなわち、
−前記ニードルが、前記表面に面して配置されるようになっている尖端部を有し、該尖端部が、約０．１から２マイクロメートル（μｍ）までの間の曲率半径を有しており；
−前記芯が、０．１から０．４ミリメートル（ｍｍ）までの間の直径を有するテーパー状の本体を有し、該本体が、前記本体からの距離が離れるにつれて直径が小さくなるテーパー状の端部を通じて延びており；
−前記芯が、前記層の前記導電性材料の融点より実質的に高い融点を有する材料で作られており、
−前記伝熱装置が、作動時に、前記ニードルおよび前記リザーバを、前記導電性材料の融点と前記芯材料の融点との間の温度にするようになっており；
−前記芯が、縦方向マイクロチャネル状の粗さを有する柱状材料で作られており、前記縦方向マイクロチャネルによって、前記導電性材料の融点と前記芯材料の融点との間の前記温度で液化された前記導電性材料の前記芯に沿った流れと、毛細管現象による前記導電性材料の前記芯上での滞留とが共に可能になるようにされており；
−前記リザーバが前記層と流体連通して前記ニードルを取り囲んでいる気泡状の前記導電性材料を有し、前記伝熱装置がフィラメントを有し、該フィラメントが、
−前記ニードルを取り囲み、前記導電性材料からなる前記リザーバ内に浸漬された少なくとも１つの巻きと、
−ジュール効果によって前記リザーバの前記導電性材料を液化するように前記フィラメントに電力を流すことができる発電機との接続部と、を有しており；
−第１の極性の前記荷電粒子がカチオンである。
【００１４】
他の態様によれば、本発明は、少なくとも１つの上記のチップを支持する支持体を有し、該支持体が、前記ニードルの前記接続部と電気的に接続され、前記ニードルに電位を印加するための前記発電機に接続されるようになっている、第１の接続帯を有する、読み取り／書き込み装置ヘッドに関する。
【００１５】
他の態様によれば、本発明は、上記のチップをそれぞれが支持する複数の支持体を有し、該各支持体が、前記各ニードルの前記接続部と電気的に接続され、前記各ニードルに独立した電位を印加するための前記発電機に接続されるようになっている、第１の接続帯を有する、読み取り／書き込み装置ヘッド。
【００１６】
他の態様によれば、本発明は、
−上記の読み取り／書き込み装置ヘッドと、
−前記各チップに面する前記表面部を有する前記基板を受け入れるようになっているサンプルホルダと、
−前記チップと前記表面とを相対的に移動させることができる変位システムと、
−前記チップと該チップに対向して面する前記表面部との間に、独立した前記第１の電位差および該第１の電位差とは逆の符号を有する独立した前記第２の電位差を印加するために前記各チップの前記接続部に接続され、前記伝熱装置を作動させるために前記伝熱装置と電気的に接続されている前記発電機と、を有する、読み取り／書き込み装置に関する。
【００１７】
好ましい実施形態では、上記の装置が、前記ニードルと電気的に接続されて、前記第１の電位差の影響下でトンネル顕微鏡法によって前記表面に関するデータ項目を取得するようになっている、前記検出システムを備えるようにすることも可能である。
【００１８】
他の態様によれば、本発明は、
（ａ）上記の読み取り／書き込みチップが、前記表面を有する前記導電性基板に近接した動作位置に配置され、
（ｂ）前記発電機が、前記第１の電位差とは逆の符号を有する前記第２の電位差を前記基板と前記ニードルとの間に印加し、前記基板の前記表面を形成するために、前記ニードルが、前記第１の極性の前記荷電粒子を前記導電性材料の前記層から前記基板の前記表面の方向に放出する、書き込み方法に関する。
【００１９】
特定の実施形態では、以下の構成のうちのいずれかを設けることもできる。すなわち、
−段階（ｂ）において、前記第２の電位差の影響下で、前記チップの前記層から剥離された導電性金属の粒子が前記表面に堆積することによって、前記表面が形成され；
−段階（ｂ）において、前記伝熱装置が、前記チップに沿って前記リザーバに含有されている前記導電性材料を固体状態で保持し；
−段階（ｂ）において、前記第２の電位差の影響下で、前記チップの前記層から剥離された導電性金属の粒子の衝撃によって前記表面を食刻することによって、前記表面が形成され；
−段階（ｂ）において、前記伝熱装置が、前記チップに沿って前記リザーバに含有されている前記導電性材料を液体状態で保持し；
−前記発電機が、前記リザーバおよび前記層の前記導電性材料を液体状態で保持するのに十分な電力を前記伝熱装置に印加し；
−段階（ａ）において、各ニードルに独立した電位を印加するための前記発電機にそれぞれが接続された、複数の上記の読み取り／書き込みチップが、前記表面を有する前記導電性基板に近接した動作位置に配置され、
段階（ｂ）が前記各ニードルについて独立して実施され；
−２つの連続する段階（ｂ）の間に、前記基板と少なくとも１つの前記チップとの相対的な移動が行われる。
【００２０】
他の態様によれば、本発明は、前記伝熱装置によって前記リザーバに含有されている前記導電性材料が液化され前記チップに沿って流される段階（ｃ）が実施される、上記の読み取り／書き込みチップの再生方法に関する。
【００２１】
他の態様によれば、本発明は、
（ｄ）上記のチップが、前記表面を有する前記導電性基板に近接した動作位置に配置され、
（ｅ）前記発電機が、前記基板と前記ニードルとの間に前記第１の電位差を印加し、
（ｆ）前記ニードルに接続された前記検出システムが、前記第１の電位差の影響下で、トンネル顕微鏡法によって前記表面に関するデータ項目を取得する、読み取り方法に関する。
【００２２】
一実施形態では、前記チップと前記基板との相対的な移動を行えるようにして、段階（ｄ）、（ｅ）、および（ｆ）を繰り返すことも可能である。
【００２３】
他の態様によれば、本発明は、上記の読み取り方法の少なくとも１つの方法と、上記の書き込み方法から選択された１つの方法と、上記の再生方法とが、単一のチップに対して連続的に実施される、表面処理方法に関する。
【００２４】
他の態様によれば、本発明は、コンピュータプログラムであって、前記プログラムがコンピュータ上で実行されるときに、上記の方法の複数の段階を実行するための複数のプログラムコード部分を有する、コンピュータプログラムに関する。
【００２５】
他の態様によれば、本発明は、読み取り／書き込みチップを製造する製造方法であって、
（ｚ）耐火材料の芯が形成され、
（ｙ）前記芯が導電性材料の層で少なくとも部分的に覆われて、ニードルが形成され、
前記ニードルに電位を印加するための発電機との接続部が前記ニードルに形成され、
前記ニードルが、表面を有する導電性基板に近接した動作位置に配置されるようになっており、
（ｘ）トンネル顕微鏡の針の幾何学的外形が前記ニードルに与えられ、
前記ニードルが、読み取りモードでは検出システムに接続されて、前記発電機によって前記基板と前記ニードルとの間に印加される第１の電位差の影響下で、トンネル顕微鏡法によって前記表面に関するデータ項目を取得するようになっており、
前記ニードルが、書き込みモードでは、前記発電機によって前記基板と前記ニードルとの間に印加された、前記第１の電位差と逆の符号を有する第２の電位差の影響下で、第１の極性の荷電粒子を前記導電性材料の前記層から前記基板の前記表面の方向に放出して、前記基板の前記表面を形成するようになっており、
（ｗ）前記層を形成する前記導電性材料の予備を有するリザーバが、前記層と流体連通するように配置され、（ｖ）作動時には前記リザーバに含有されている前記導電性材料を液化して前記チップに沿って流すようになっている伝熱装置が、前記ニードルに接続される、読み取り／書き込みチップを製造する製造方法に関する。
【００２６】
特定の実施形態では、以下の構成のうちのいずれかを実施することも可能である。すなわち、
−段階（ｚ）において、
（ｚ１）前記芯が化学エッチングによって粗面化されて、前記芯に縦方向マイクロチャネルが形成されることにより、前記導電性材料に対する毛細管現象を向上させ、
導電性材料の溶融浴に前記芯を浸漬させることによって、段階（ｗ）および（ｙ）が同時に実施され、前記芯がフィラメントを備え、該フィラメントが、
前記リザーバの前記導電性材料を液化するために前記フィラメントに電力を流すようになっている発電機との接続部と、
前記ニードルを取り囲み、前記導電性材料からなる前記リザーバ内に浸漬された少なくとも１つの巻きと、を有している。
【００２７】
本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照した、非制限的な例により与えられる、本発明のいくつかの実施形態の１つについての以下の説明において明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
様々な図において、同じ参照番号は同一または類似の構成要素を示す。
【００２９】
図１は、読み取り／書き込みチップの一部を示している（理解しやすくするために原寸通りではない）。このチップ１は一般に、チップの近位部４および中間部５の両方の部分を延びるほぼ円柱状の本体３と、本体３の延長上にある遠位部７を延びる尖端部６とを有するニードル２の形状となっている。１０分の数ミリメートルにわたって延びる尖端部６は、トンネル顕微鏡のチップの幾何学的外形を有している。走査型顕微鏡によって測定されたチップの先端曲率半径は、約０．１から２マイクロメートルの間、好ましくは０．３から１マイクロメートルの間である。したがって、尖端部６の外面６ａは、読み取り／書き込みヘッドをトンネル顕微鏡針として使用するのに適した、完全な幾何学的形状を与えられることになる。
【００３０】
ニードル２は、例えば金のような導電性材料の微細層９で覆われた、例えばタングステンのような耐火材料からなる長いテーパー状の芯８を有している。一例として、所与の実施形態では、芯８は、直径０．２５ｍｍのタングステンワイヤから形成され、厚さ数ミクロンの金膜で少なくとも部分的に、少なくとも遠位部７の部分が覆われている。
【００３１】
チップ１の中間部５には、電気フィラメント１０となるいくつかの巻き１０ａ、１０ｂ、１０ｃが配置されている。一例として、図１では３つの巻きに番号を付しているが、これらは、中間部においてニードル２の縦軸の周りに巻かれており、例えば直径約０．１ｍｍのタングステンワイヤで作られている。所与の例では、巻きは、導電性材料からなるリザーバ１１を取り囲む直径約０．５ｍｍの円を形成している。
【００３２】
図２に示すように、上述のチップ１は、例えば、数ミリメートルの外径を有するトンネル顕微鏡ヘッドのような、読み取り／書き込み装置のヘッド１２に取り付けられている。このようなヘッド１２は、例えば、発電機（図２には図示せず）に接続することができる中央キャピラリ１３と、互いに電気的に絶縁された複数のクロスピース１４ａ、１４ｃとを有している。
【００３３】
図１に示したチップ１は、第１の端部１０ｄおよび第２の端部１０ｅを有し、端部同士の間を巻き１０ａ、１０ｂ、１０ｃが延びているフィラメント１０と、ニードル２とを備えており、ヘッド１２と電気的に接続されている。一方、チップの近位部４は、第１のクロスピース１４ａから電力が供給される中央キャピラリ１３と電気的に接続されている。ここで、フィラメント１０の第１の端部１０ｄは、ニードル２と電気的に接続されて、単一の電気接点を形成する。電気加熱回路を閉じるために、フィラメント１０の第２の端部１０ｅは、例えば圧着やスポット溶接によって、絶縁されたクロスピースの１つ、例えばクロスピース１４ｂと電気的に接続されている。
【００３４】
図３に示すように、第１および第２のクロスピース１４ａ、１４ｃは、図４および図５ａから図５ｄに関連して以下でより詳細に説明される発電機１５に接続されている。クロスピース１４ｃは、その一部については、キャピラリ１３と電気的に接続されている。読み取り／書き込みヘッド１２は、基板１７を保持しているサンプルホルダ１６に近接して配置されており、その基板は、チップ１の方に向けられ、チップ１によって読み取られるか、または形成されるようになっている表面１７ａを有している。チップ１と表面１７ａとの間の距離は、例えば１００ミクロン程度である。発電機１５は、基板１７とチップ１との間に電位差を印加するために、サンプルホルダ１６とも電気的に接続されている。
【００３５】
変位装置１８によって、表面１７ａとチップ１との、一次元、二次元、または三次元の相対的な移動が可能となっている。このような変位装置は、標準的には、例えば、材料に電流が流れることで伸長可能な圧電素子を利用した装置のような、トンネル顕微鏡法で使用されるタイプの変位装置であってよい。所与の例では、３つの矢印Ｘ、Ｙ、Ｚで示すように、サンプルホルダを、固定された状態の読み取り／書き込みヘッドに対して３方向に変位させることができる。他の変形実施形態も可能である。特に、方向Ｘまたは方向Ｙへの「水平」変位をサンプルホルダ１６で実施する一方で、基板の表面１７ａに対するチップ１の高さの調整を、方向Ｚには固定された状態のサンプルホルダに対してヘッド１２を方向Ｚに変位させることで実施することが可能である。
【００３６】
所与の例では、発電機１５は、一方では電流発生装置１９を有しており、２つのクロスピース１４ａおよび１４ｃに接続された電流発生装置によって、フィラメント１０に加熱電流が流れることとなる。発電機１５は電圧発生装置２０も有しており、この電圧発生装置によって、チップと基板１７との間に、第１の符号の電位差、または第１の符号とは逆の第２の符号の電位差を印加させることができる。
【００３７】
したがって、発電機１５は、単に、単一の電圧発生装置の分極を反転させるような構成とすることができる。一変形によれば、図４に示すように、逆極性を有する２つの独立した電圧発生装置２０ａ、２０ｂを使用することができる。スイッチ２１によって、スイッチの端子ａと端子ｂのどちらの位置が選択されるかに応じて、発生装置２０ａか発生装置２０ｂかの選択を制御することが可能である。
【００３８】
第１の電圧発生装置２０ａは、読み取り／書き込み装置を書き込みモード（液体または固体金属イオン源）で使用することを可能にする。したがって、例えば、サンプルホルダ１６を接地した状態で、チップ１に０から５キロボルト程度の正電圧を印加するような発生装置を使用することが可能となる。第１の発生装置２０ａによって供給される電流は、例えば１から１０マイクロアンペア程度である。
【００３９】
第２の電圧発生装置２０ｂに関しては、サンプルホルダ１６が基板に接続されている間は、チップ１に数ボルト程度の負電圧を印加することができる。そのとき、チップと基板との間に、１ピコアンペア未満から３００ナノアンペア程度までが可能な電流を流すことができる。
【００４０】
上述の読み取り／書き込み装置は、図５ａに示すように、書き込みモードで液体金属イオン源として使用することができる。スイッチ２１を位置ａにセットすることによって、第１の発生装置２０は、チップ１と基板１７との間に数キロボルト程度の正の電位差を印加することになる。同時に、電流発生装置１９は、（例えば所与の幾何学的形状では数アンペア程度の）十分な電流をフィラメント１０に流すことによって伝熱装置を作動させ、巻きの下の導電性材料を少なくともその融点と等しい温度まで加熱することができる。所与の幾何学的形状では、リザーバが約１０００℃の温度に達するには、１．５Ｗの電力で十分である。この動作モード、すなわち液体イオン放出による書き込みモードでは、チップからイオンを剥離しようとする印加電界の拮抗作用と、ニードルを覆う液体金属膜の表面張力とにより、チップの端部にテイラーコーンが形成される。また、チップ１と基板１７との間に印加される電位差によって、電界蒸発によって層９の導電性金属イオンのビームが形成される。これらによって、反対側の基板１７部分が形成される。基板１７部分は、例えば、前述のイオンの衝撃を受けて食刻されることになる。このようにして、１００ナノメートル程度の分解能を有するパターンを形成することができる。チップ１から材料が抽出されることで起こる腐食は、電流発生装置１９から発生したエネルギーを伝達するフィラメントの巻きによって液化された、リザーバ１１の導電性材料がニードルに沿って流れることによって補償される。したがって、ニードルの端部にある材料は連続的に補給されて、高耐用性を有する書き込みモードの利用が可能となる。
【００４１】
図５ｂに示すように、読み取り／書き込み装置は、スイッチ２１を位置ａにセットすることで固体金属イオンビーム２３が放出されることによって書き込みモードで使用することができる。この位置では、第１の電圧発生装置２０ａは、チップ１と基板１７との間に数キロボルトの正の電位差を印加することになる。このモードでは、電流発生装置は、リザーバ１１の導電性材料をこの材料の融点以下の温度、通常は表面拡散効果を生じさせる、融点の約１／２の温度になるまで加熱することができる電流をフィラメントに放出する。このモードでは、イオンビーム２３がチップ１の端部に位置する原子サイズを有する部位から基板１７の方向に切り離され、前述の材料のイオンが堆積して基板１７の表面１７ａが形成される。このように形成されたパターンの分解能は、数ナノメートルに達しうる。このようなモードは、層の固体的性質により材料がニードルに沿って流れることができないため、それほどの高耐用性を有していない。
【００４２】
図５ｃに示すように、スイッチ２１を位置ｂにセットすることによって、第２の電圧発生装置２０ｂが、チップ１と基板１７との間に数ボルトの負の電位差を印加して、トンネル顕微鏡法による読み取りモードの動作が行われる。この電位差の影響下では、例えば、チップ１と基板１７との間に１ナノメートル程度の電流が流れると、チップ１がトンネル顕微鏡のチップとして動作することになる。測定電流を始めとする、基板１７の表面１７ａに関するデータ項目を取得するためにトンネル顕微鏡法で使用されるタイプの適切な検出装置２４が、この情報を検出するために使用される。このような検出装置は、トンネル顕微鏡法の分野では標準的なので、ここではさらに詳しくは説明しない。本明細書に記載されたシステムでは、ガリウムヒ素の基板上で原子分解能を得ることができる。
【００４３】
図５ｄに示すように、再生モードでは、ニードル２の端部の幾何学的外形を再生することができる。実際に、例えば固体金属イオン放出モードでの書き込みの後では、チップ１の端部は激しく腐食していることがあり、チップ１を以後に使用できるようにこの端部の幾何学的形状を再生するのが適切である。このモードでは、チップ１と基板１７との間に電位差が印加されることなく、リザーバに含有されている導電性材料が、電流発生装置１９による加熱によって液化されて、チップが幾何学的形状の原形を回復するまでこの材料がチップに沿って流れることになる。
【００４４】
上述の装置を使用して、例えば、以下の表面処理を実施することが可能である。すなわち、
ヘッド１２をサンプルホルダ１６に面するように配置して、
液体金属イオン放出書き込みモードでは、基板に対してチップを相対的に水平方向に（イオン放出方向と垂直に）任意に移動させながら、イオン食刻によって位置合わせマークを形成して、
以後の使用において、読み取りモードでは、事前に形成されたマークを検出してから、基板１７において構造が形成されるべき場所に達するまで、チップをサンプル１６に対して変位させ、
固体金属イオンビームの放出による書き込みモードでは、基板１７の表面を所望の方法で形成して、その後、
再生モードでは、以後の読み取りまたは書き込みのために、ニードル２の幾何学的外形を再生する。
【００４５】
図６に示すように、多数の読み取り／書き込みヘッド１２（図６には２つを図示）を単一の基板１７に対して並行に動作させて、この基板の表面を形成することが可能である。これらのヘッドのニードルは、すべて同じ導電性材料か、またはすべて異なる堆積材料を有することができる。放出方向Ｚにおける各ヘッドの位置と同様に、各ヘッド１２の動作モードは、中央ユニット２５により、予め確立された方法に従って互いに独立して調整することが可能である。中央ユニット２５は、基板１７の他の２つの方向Ｘ、Ｙにおける変位を制御することもできる。上述の動作の自動化およびシステム化を、事前に定義して、中央ユニット２５内のメモリに格納されたデータ処理プログラムによって制御することが可能であることに留意されたい。図６の装置では、前述の装置のように、例えばニードル２に面して数ナノメートルの直径を有する開口部２８が貫通したマスク２７を備えた加速装置２６を使用することができる。この加速装置は、ニードル２から放出されたイオンビームを加速可能な極性に設定された（ニードル２に面する）上面上および（基板１７に面する）下面上に、電極２９ｃ、２９ｂを有してもよい。
【００４６】
上述の装置の可能な用途として、例えば生物学の分野において、基板１７が生体分子か細胞であることが想定できる。その生体分子や細胞には、調査中の構造に対する原子の影響を評価することが求められるとき、および、事前に行われる堆積に続いて、読み取りモード中に調査中の細胞の特性における変化が検出されるときに、１つ以上の原子が書き込みモード中に導入されるかまたは堆積させられる。こうして、図６の装置を使用して、非常に少ない量の試薬で、一連の検査を並行して実施することができる。
【００４７】
一用途として、書き込みモードで表面に関する情報を格納して、その後読み取りモードでこの情報にアクセスすることによって、ナノメートルスケールのデータ保存を実施することが想定可能である。
【００４８】
一用途として、読み取りモードでは、基板上の電子ナノ部材の場所を特定することも想定可能であり、そして、書き込みモードでは、この電子ナノ部材を外部の電子部材などに接続する電線のような電気的構造を形成して、ナノ部材に電流を供給することも想定可能である。
【００４９】
各読み取りまたは書き込み動作の前には、チップの幾何学的外形を再生するために、あるいは必要であれば、熱蒸発を使用して、直前の使用からチップ上に堆積している可能性のある不純物（例えば酸化物）をチップから除去するために、加熱による再生機能が実施可能であることに留意されたい。
【００５０】
このようなチップの製造については、ニードルの芯を形成するための耐火材料でワイヤを作製することにより着手することができる。タングステンワイヤは、例えば、タングステン粉末を押出機で熱圧することによって作製することができる。こうして形成されたワイヤの外面は、表面の毛細管現象を向上させるために粗面化される。この粗面化は、例えば、交流電流を使用して、水酸化ナトリウム溶液中でワイヤを数分間電解エッチングすることによって実施可能である。この段階によって、ナノ柱状構造を芯の表面に形成でき、それにより、溶融した金属が芯の表面に沿って流れて保持されることが可能となる。
【００５１】
フィラメントは、例えば、前述の幾何学的形状を有するタングステンワイヤとして作製され、芯の周りに巻かれており、その組立体は、図７ａに示すような装置ヘッド１２上に固定することができる。芯の遠位端の細長い形状は、例えば電気化学のような適切な方法によって得られている。そして、ヘッド１２を電流発生装置に接続した後に、フィラメントに加熱電流を流して、特に、芯の表面に存在する酸化物を芯から除去する。それから、図７ｂに示すように、芯を被覆する所望の導電性材料を含んだるつぼ３０が設けられる。この材料は、書き込みモードで堆積させられる材料であって、芯材料の融点以下の適切な温度でこの材料のみを溶融させることができるように、芯を形成する耐火材料の融点より著しく低い融点を有することが好ましい。また、この導電性材料については、耐火性の芯材料と合金を形成しない材料を選択することが可能である。所与の例では、るつぼ３０の中には金が含まれており、るつぼ３０を取り囲んでいるフィラメント３１に、例えば１００アンペア程度の大電流を流すことによって溶融状態で保持されている。溶融した金を含んだるつぼにチップ１を浸漬させることによって、金が毛細管現象によって芯上に堆積して、導電性材料の層９が形成される。さらに、金の毛細管現象によって、一方では中間部の芯８上に、他方ではフィラメント１０の巻き１０ａ、１０ｂ、および１０ｃ上に、リザーバ１１が形成される。
【００５２】
図８ａの左側は、走査型電子顕微鏡法によって得られた、凹形状芯の第１の実施形態における、溶融した金の溶液中に浸漬させる前のタングステン芯端部を示す図であり、目盛りが５００ミクロンである４４倍の拡大図である。右側には、凸形状の変形実施形態を示す。
【００５３】
図８ｂは、第１の実施形態の拡大図であり、目盛りが１０ミクロンである２７７４倍の拡大図である。このスケールでは、図８ｂに破線で概略的に示したような、芯に形成された縦方向マイクロチャネル状の柱状構造を識別することができる。液化された導電性材料はこれらのチャネルを流れ、それにより外部汚染から保護されることになる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】読み取り／書き込みチップの部分概略図である。
【図２】図１のチップを搭載した読み取り／書き込みヘッドの概略斜視図である。
【図３】図２のヘッドを搭載した読み取り／書き込み装置の概略図である。
【図４】図３の読み取り／書き込み装置の機能図である。
【図５ａ】液体金属イオン源書き込みモードにおける読み取り／書き込み装置を、図４に対応して示す図である。
【図５ｂ】固体金属イオン源書き込みモードにおける読み取り／書き込み装置を、図４に対応して示す図である。
【図５ｃ】読み取りモードにおける読み取り／書き込み装置を、図４に対応して示す図である。
【図５ｄ】再生モードにおける図４の読み取り／書き込み装置を、図４に対応して示す図である。
【図６】第２の実施形態による読み取り／書き込み装置を、図３に対応して示す図である。
【図７ａ】読み取り／書き込みチップの製造段階を示す図である。
【図７ｂ】読み取り／書き込みチップの製造段階を示す図である。
【図８ａ】走査型電子顕微鏡法によって得られた、２つの実施形態によるチップ形状の一例を示す図である。
【図８ｂ】図８ａの第１の実施形態の端部を拡大して示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図５ｃ】
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【図５ｄ】
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【図６】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【国際調査報告】
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