JP2819518B2 - 走査型トンネル顕微鏡及びその製造方法 - Google Patents
走査型トンネル顕微鏡及びその製造方法Info
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- G01Q10/00—Scanning or positioning arrangements, i.e. arrangements for actively controlling the movement or position of the probe
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- G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
- G01Q60/10—STM [Scanning Tunnelling Microscopy] or apparatus therefor, e.g. STM probes
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、集積された走査型ト
ンネル顕微鏡の製造方法に関し、特に、空気圧及び静電
駆動される走査型トンネル顕微鏡に関する。
ンネル顕微鏡の製造方法に関し、特に、空気圧及び静電
駆動される走査型トンネル顕微鏡に関する。
【０００２】走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）は、導電
性のティップにより、導電性の表面に非常に近接した位
置関係で、すなわち数原子分の直径の間隔以内（約０．
５ｎｍ以内）で試料の表面を走査する。これらの条件下
では、ティップと表面との間にトンネル電流が流れる。
すなわち、ティップ内の原子の電子の確率密度関数は、
表面の原子の電子の確率密度関数と空間的に重なる。そ
の結果、これらの二つの導体の間に適切なバイアス電圧
が印加されると、ティップと表面との間には電子流の形
でトンネルが生じる。典型的には、ティップ・試料間距
離が数ｎｍ、バイアス電圧が数ミリボルトの場合、トン
ネル電流は１ナノアンペアとなる。
性のティップにより、導電性の表面に非常に近接した位
置関係で、すなわち数原子分の直径の間隔以内（約０．
５ｎｍ以内）で試料の表面を走査する。これらの条件下
では、ティップと表面との間にトンネル電流が流れる。
すなわち、ティップ内の原子の電子の確率密度関数は、
表面の原子の電子の確率密度関数と空間的に重なる。そ
の結果、これらの二つの導体の間に適切なバイアス電圧
が印加されると、ティップと表面との間には電子流の形
でトンネルが生じる。典型的には、ティップ・試料間距
離が数ｎｍ、バイアス電圧が数ミリボルトの場合、トン
ネル電流は１ナノアンペアとなる。
【０００３】走査型トンネル顕微鏡はBinnigとRohrerと
により最初に作られた（IBM J. RES. DEVELOP., VOL. 3
0, NO. 4, JULY 1986, pp. 355-369, G. Binnig and H.
Rohrer, "SCANNING TUNNELING MICROSCOPY"及びIBM TE
CHNICAL DISCLOSURE BULLETIN, VOL. 27, NO. 10B, MAR
CH 1985, pp. 5976-5977, G. Binnig et al. "FAST SCA
N PIEZO DRIVE") 。これらの文献に記載された走査型ト
ンネル顕微鏡は、圧電三脚を使用する。この三脚は、接
合部で接合された圧電材料から成る三本の棒から成る。
各棒は、三つの直交座標軸のうちの一つの方向に伸縮す
る。ティップは、これらの三本の棒の接合部に取り付け
られる。このティップは、粗な位置決め装置により表面
に接近させられる。その後、これらの圧電三脚は、ティ
ップを表面で走査してこの表面の画像を得るために使用
される。
により最初に作られた（IBM J. RES. DEVELOP., VOL. 3
0, NO. 4, JULY 1986, pp. 355-369, G. Binnig and H.
Rohrer, "SCANNING TUNNELING MICROSCOPY"及びIBM TE
CHNICAL DISCLOSURE BULLETIN, VOL. 27, NO. 10B, MAR
CH 1985, pp. 5976-5977, G. Binnig et al. "FAST SCA
N PIEZO DRIVE") 。これらの文献に記載された走査型ト
ンネル顕微鏡は、圧電三脚を使用する。この三脚は、接
合部で接合された圧電材料から成る三本の棒から成る。
各棒は、三つの直交座標軸のうちの一つの方向に伸縮す
る。ティップは、これらの三本の棒の接合部に取り付け
られる。このティップは、粗な位置決め装置により表面
に接近させられる。その後、これらの圧電三脚は、ティ
ップを表面で走査してこの表面の画像を得るために使用
される。
【０００４】集積走査型トンネル顕微鏡の製造方法を教
示する一つの文献がある。この文献は、米国特許出願通
し番号第１４９２３６号の分割出願である米国特許出願
通し番号第３４８７０７号に基づいて１９９０年４月３
日に特許された米国特許第４９１２８２２号である。こ
の特許には、集積トンネル顕微鏡及び集積圧電トランス
デューサ並びにそれらの製造方法が記載されている。こ
の装置は、標準的な集積回路製造工程を用いたマイクロ
マシーニングにより形成された一つまたは二つのアーム
状圧電バイモルフカンチレバーにより構成されている。
これらのカンチレバーは、基板のある領域に取り付けら
れており、制御回路により発生された適当な電圧の印加
により発生され、バイモルフカンチレバー構造の一体部
として形成された電極対に加えられる圧電力の影響下で
移動自在となっている。圧電バイモルフは、制御電圧に
より発生された電場により、設計で決められる範囲内で
所望の方法で移動される。このバイモルフカンチレバー
は、シャドーマスクを通しての導電材料の蒸着によりそ
の上に形成された先端が非常に尖ったティップを有す
る。これらのティップは、制御回路及び圧電バイモルフ
の作用により、導電表面の非常に小さな距離内に保たれ
るように移動される。圧電材料により制御される全ての
ＳＴＭの制御は、高い絶対精度に対しては理想的でない
ヒステリシス効果を有するという欠点を有している。
示する一つの文献がある。この文献は、米国特許出願通
し番号第１４９２３６号の分割出願である米国特許出願
通し番号第３４８７０７号に基づいて１９９０年４月３
日に特許された米国特許第４９１２８２２号である。こ
の特許には、集積トンネル顕微鏡及び集積圧電トランス
デューサ並びにそれらの製造方法が記載されている。こ
の装置は、標準的な集積回路製造工程を用いたマイクロ
マシーニングにより形成された一つまたは二つのアーム
状圧電バイモルフカンチレバーにより構成されている。
これらのカンチレバーは、基板のある領域に取り付けら
れており、制御回路により発生された適当な電圧の印加
により発生され、バイモルフカンチレバー構造の一体部
として形成された電極対に加えられる圧電力の影響下で
移動自在となっている。圧電バイモルフは、制御電圧に
より発生された電場により、設計で決められる範囲内で
所望の方法で移動される。このバイモルフカンチレバー
は、シャドーマスクを通しての導電材料の蒸着によりそ
の上に形成された先端が非常に尖ったティップを有す
る。これらのティップは、制御回路及び圧電バイモルフ
の作用により、導電表面の非常に小さな距離内に保たれ
るように移動される。圧電材料により制御される全ての
ＳＴＭの制御は、高い絶対精度に対しては理想的でない
ヒステリシス効果を有するという欠点を有している。
【０００５】Ｘ、Ｙ及びＺ方向の全ての移動が静電力の
制御下にある集積走査型トンネル顕微鏡を教示する一つ
の文献がある。この文献は、１９８５年３月７日に出願
されたヨーロッパ特許出願第８５１０２５５４．４に基
づいて１９８９年８月２日に発行されたヨーロッパ特許
第０１９４３２３号の特許明細書である。この特許に
は、半導体チップに集積された走査型トンネル顕微鏡が
記載されている。この半導体チップには、第１のストラ
イプ対によって中間部と接続されている中心部を形成す
るためにスロットがエッチングされている。そして、こ
の中間部は、第２のストライプ対によってチップ本体と
接続されている。これらのスロットは、これらのスロッ
トによって規定されたストライプとそれらの反対の壁と
の間に発生される静電力の制御下で中心部がＸ及びＹ方
向に移動可能なように、相互に直交する方向を持つよう
にエッチングされている。中心部には、静電力によって
Ｚ方向に移動させることが可能な、突き出たティップが
形成されている。上述のヨーロッパ特許に記載された集
積ＳＴＭをうまく製造することは極めて困難であろう。
さらに、この集積ＳＴＭは、一片の材料から、Ｘ、Ｙ及
びＺ移動が互いに独立ではなく、従って最高の精度での
ティップの移動に対しては理想的でない方法で製造され
たものである。
制御下にある集積走査型トンネル顕微鏡を教示する一つ
の文献がある。この文献は、１９８５年３月７日に出願
されたヨーロッパ特許出願第８５１０２５５４．４に基
づいて１９８９年８月２日に発行されたヨーロッパ特許
第０１９４３２３号の特許明細書である。この特許に
は、半導体チップに集積された走査型トンネル顕微鏡が
記載されている。この半導体チップには、第１のストラ
イプ対によって中間部と接続されている中心部を形成す
るためにスロットがエッチングされている。そして、こ
の中間部は、第２のストライプ対によってチップ本体と
接続されている。これらのスロットは、これらのスロッ
トによって規定されたストライプとそれらの反対の壁と
の間に発生される静電力の制御下で中心部がＸ及びＹ方
向に移動可能なように、相互に直交する方向を持つよう
にエッチングされている。中心部には、静電力によって
Ｚ方向に移動させることが可能な、突き出たティップが
形成されている。上述のヨーロッパ特許に記載された集
積ＳＴＭをうまく製造することは極めて困難であろう。
さらに、この集積ＳＴＭは、一片の材料から、Ｘ、Ｙ及
びＺ移動が互いに独立ではなく、従って最高の精度での
ティップの移動に対しては理想的でない方法で製造され
たものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】従って、半導体集積回
路の製造プロセスを用いて容易に製造することができ
る、ティップを移動させるために空気圧及び静電力を用
いる走査型トンネル顕微鏡の集積版に対する要求が生じ
ていた。
路の製造プロセスを用いて容易に製造することができ
る、ティップを移動させるために空気圧及び静電力を用
いる走査型トンネル顕微鏡の集積版に対する要求が生じ
ていた。
【０００７】この発明の目的は、請求項１ないし８によ
る走査型トンネル顕微鏡によって達成される。
る走査型トンネル顕微鏡によって達成される。
【０００８】
【課題を解決するための手段】この発明による走査型ト
ンネル顕微鏡は、試料表面からＺ軸方向に実質的に一定
の距離に保持される少なくとも一つの電子放出ティップ
と、上記ティップを上記試料表面上で走査するためのＸ
Ｙ駆動装置と、トンネル電流を検出して上記距離を実質
的に一定に保つための手段とを具備し、上記ＸＹ駆動装
置は、少なくとも四つの電極（２７、２８；３７、３
８；４２Ａ、４２Ｂ）と該少なくとも四つの電極から離
れた対向電極（２６、３６、４５）とから成り、上記Ｘ
Ｙ駆動装置は膜を含み、上記少なくとも四つの電極の全
て、又は上記対向電極（２６、３６、４５）は、該膜
（２４、３４、４９）と接続され、上記ティップ（２
５；３５、３９；４８、４９）は、上記膜（２４、３
４、４９）と一体に形成され、上記膜の移動に伴って上
記試料表面に垂直なＺ軸方向に移動することが可能であ
る。
ンネル顕微鏡は、試料表面からＺ軸方向に実質的に一定
の距離に保持される少なくとも一つの電子放出ティップ
と、上記ティップを上記試料表面上で走査するためのＸ
Ｙ駆動装置と、トンネル電流を検出して上記距離を実質
的に一定に保つための手段とを具備し、上記ＸＹ駆動装
置は、少なくとも四つの電極（２７、２８；３７、３
８；４２Ａ、４２Ｂ）と該少なくとも四つの電極から離
れた対向電極（２６、３６、４５）とから成り、上記Ｘ
Ｙ駆動装置は膜を含み、上記少なくとも四つの電極の全
て、又は上記対向電極（２６、３６、４５）は、該膜
（２４、３４、４９）と接続され、上記ティップ（２
５；３５、３９；４８、４９）は、上記膜（２４、３
４、４９）と一体に形成され、上記膜の移動に伴って上
記試料表面に垂直なＺ軸方向に移動することが可能であ
る。
【０００９】
【実施例】図１は走査型トンネル顕微鏡のシステムを示
す。図１において、表面性状の特徴２及び４その他を有
する導電表面１が導電ティップ６によって走査される。
このティップはその先端が非常に細くなっており、その
先端８において単一の原子で終端しているのが好まし
い。この先端８は、静電トランスデューサ１０により、
Ｘ−Ｙ平面で複数のラスタ走査線を規定することによっ
て導電表面１上を走査される。このトランスデューサ１
０はまた、ティップの先端８とティップが走査される表
面性状の特徴の最上部との間の距離が比較的一定に保た
れるようにティップがＸ−Ｙ面内で走査される時に、Ｚ
軸方向にこのティップを前後に移動させる。この距離は
通常、約０．１〜１ｎｍであり、ティップの原子とティ
ップが現在走査している所の表面性状の特徴の最上部の
領域における原子との電子の確率密度関数の重なり領域
の中になければならない。ティップと表面との間の距離
がこの重なり領域の中にあり、バイアス電圧がこの接合
部に印加される限り、矢印ＩT の記号で示されたトンネ
ル電流がティップの先端８と導電表面との間に流れる。
このトンネル電流ＩT の大きさは、ティップと表面との
間の距離に対して指数関係にある。バイアス電圧は、バ
イアス電圧源１２によってティップ６と導電表面１との
間に印加される。電流検出器１４は、トンネル電流ＩT
の大きさを検出し、このトンネル電流の大きさに比例し
た帰還信号をライン１６上に出力する。帰還回路制御シ
ステム１８は、この帰還信号を受け取って適切な静電ト
ランスデューサ駆動信号をバス２０上に発生し、これに
よってトンネル電流ＩT が比較的一定の値に保たれるよ
うに静電トランスデューサによりティップ６を移動させ
る。制御システム１８はまた、適切なトランスデューサ
駆動信号をバス２０上に発生してティップ６を導電表面
１上でラスタ走査させる。
す。図１において、表面性状の特徴２及び４その他を有
する導電表面１が導電ティップ６によって走査される。
このティップはその先端が非常に細くなっており、その
先端８において単一の原子で終端しているのが好まし
い。この先端８は、静電トランスデューサ１０により、
Ｘ−Ｙ平面で複数のラスタ走査線を規定することによっ
て導電表面１上を走査される。このトランスデューサ１
０はまた、ティップの先端８とティップが走査される表
面性状の特徴の最上部との間の距離が比較的一定に保た
れるようにティップがＸ−Ｙ面内で走査される時に、Ｚ
軸方向にこのティップを前後に移動させる。この距離は
通常、約０．１〜１ｎｍであり、ティップの原子とティ
ップが現在走査している所の表面性状の特徴の最上部の
領域における原子との電子の確率密度関数の重なり領域
の中になければならない。ティップと表面との間の距離
がこの重なり領域の中にあり、バイアス電圧がこの接合
部に印加される限り、矢印ＩT の記号で示されたトンネ
ル電流がティップの先端８と導電表面との間に流れる。
このトンネル電流ＩT の大きさは、ティップと表面との
間の距離に対して指数関係にある。バイアス電圧は、バ
イアス電圧源１２によってティップ６と導電表面１との
間に印加される。電流検出器１４は、トンネル電流ＩT
の大きさを検出し、このトンネル電流の大きさに比例し
た帰還信号をライン１６上に出力する。帰還回路制御シ
ステム１８は、この帰還信号を受け取って適切な静電ト
ランスデューサ駆動信号をバス２０上に発生し、これに
よってトンネル電流ＩT が比較的一定の値に保たれるよ
うに静電トランスデューサによりティップ６を移動させ
る。制御システム１８はまた、適切なトランスデューサ
駆動信号をバス２０上に発生してティップ６を導電表面
１上でラスタ走査させる。
【００１０】図２Ａはこの発明による走査型トンネル顕
微鏡の機械的詳細を示す。このＳＴＭは、上述のように
静電Ｘ−Ｙ−Ｚ偏位に好適なものである。薄い膜２４の
底面にはＳＴＭティップ２５が保持されている。ティッ
プ２５とシリコン基板２１の一部には金属コーティング
２９が形成されている。この目的のための好ましいコー
ティングは、約０．１μｍの厚さの白金コーティングで
ある。この膜はシリコン基板２１によってガラスブロッ
ク３０に密着固定されている。この膜２４の上面は基板
表面より数μｍ下側にある。ガラスブロック３０上に
は、２対の金属電極Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２（２７、２
８）が配設されている。これらの電極の厚さは約０．１
〜１μｍの範囲内にあり、好ましくは約１μｍである。
典型的には数μｍの厚さであるガラスブロック３０には
穴２３が設けられている。これらの穴２３は、図２Ｂの
上面図に示されているようにスロットの形態を有してよ
い。
微鏡の機械的詳細を示す。このＳＴＭは、上述のように
静電Ｘ−Ｙ−Ｚ偏位に好適なものである。薄い膜２４の
底面にはＳＴＭティップ２５が保持されている。ティッ
プ２５とシリコン基板２１の一部には金属コーティング
２９が形成されている。この目的のための好ましいコー
ティングは、約０．１μｍの厚さの白金コーティングで
ある。この膜はシリコン基板２１によってガラスブロッ
ク３０に密着固定されている。この膜２４の上面は基板
表面より数μｍ下側にある。ガラスブロック３０上に
は、２対の金属電極Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２（２７、２
８）が配設されている。これらの電極の厚さは約０．１
〜１μｍの範囲内にあり、好ましくは約１μｍである。
典型的には数μｍの厚さであるガラスブロック３０には
穴２３が設けられている。これらの穴２３は、図２Ｂの
上面図に示されているようにスロットの形態を有してよ
い。
【００１１】ガスケット３１を介してガラスブロック３
０に固定されている図２Ａに示す端片３２は、圧力発生
チェンバ（図示せず）の部分を形成している。このチェ
ンバはまた、ティップを有する膜をガラスブロックに対
して移動させる１気圧以下の圧力を発生する真空チェン
バとすることもできる。図３Ａ〜図３ＧによるＳＴＭ
は、好ましくは１気圧以下の圧力を使用する。一方、図
４Ａ〜図４ＥによるＳＴＭは、好ましくは１気圧以上の
圧力を使用する。調べるべき試料の所望の領域上にティ
ップを位置合わせした後、Ｚ方向のティップの粗な接近
が使用される。ティップをＺ方向に大まかに移動させる
ために、圧力発生チェンバによりガラスブロック３０の
スロット２３を通じて膜２４に加えられる圧力が変化さ
れる。この工程の間に、膜２４の一体部を形成するティ
ップ２５は、調べるべき試料に対して数μｍ以内に接近
させられる。
０に固定されている図２Ａに示す端片３２は、圧力発生
チェンバ（図示せず）の部分を形成している。このチェ
ンバはまた、ティップを有する膜をガラスブロックに対
して移動させる１気圧以下の圧力を発生する真空チェン
バとすることもできる。図３Ａ〜図３ＧによるＳＴＭ
は、好ましくは１気圧以下の圧力を使用する。一方、図
４Ａ〜図４ＥによるＳＴＭは、好ましくは１気圧以上の
圧力を使用する。調べるべき試料の所望の領域上にティ
ップを位置合わせした後、Ｚ方向のティップの粗な接近
が使用される。ティップをＺ方向に大まかに移動させる
ために、圧力発生チェンバによりガラスブロック３０の
スロット２３を通じて膜２４に加えられる圧力が変化さ
れる。この工程の間に、膜２４の一体部を形成するティ
ップ２５は、調べるべき試料に対して数μｍ以内に接近
させられる。
【００１２】膜／ティップアセンブリに対しては多くの
技術的必要条件があり、それらには膜の応力や膜の固有
振動数ｆ0 が含まれる。膜の剛性はこの膜に対しては無
視することができる。応力の典型的な値はＴ＝１０Ｎ／
ｍｍ2 であり、固有振動数の典型的な値はｆ0 ≧１０ｋ
Ｈｚである。応力及びｆ0 は、上述のようにティップを
基板に大まかに近づける時に膜に圧力を加えることによ
って、必要に応じて変化させることができる。
技術的必要条件があり、それらには膜の応力や膜の固有
振動数ｆ0 が含まれる。膜の剛性はこの膜に対しては無
視することができる。応力の典型的な値はＴ＝１０Ｎ／
ｍｍ2 であり、固有振動数の典型的な値はｆ0 ≧１０ｋ
Ｈｚである。応力及びｆ0 は、上述のようにティップを
基板に大まかに近づける時に膜に圧力を加えることによ
って、必要に応じて変化させることができる。
【００１３】また、走査動作の間、膜の減衰は、環境の
幾何学条件の関数として、例えばガラスブロック３０の
穴の直径の関数として明確に制御することができる。
幾何学条件の関数として、例えばガラスブロック３０の
穴の直径の関数として明確に制御することができる。
【００１４】粗な接近の間、ＳＴＭ全体（ティップを含
む）は、例えば光学的制御手段を用いて、調べるべき試
料表面に対して数μｍ以内に前進される。非動作状態で
は、ガラスブロック３０上のＸ−Ｙ電極２７、２８と膜
２４（図２Ａ）上のＺ電極２６との間に最大電圧、例え
ばＵZ ＝２００Ｖが印加される。その後、微細な接近の
ために、この電極電圧ＵZ は、ティップ２５がトンネル
モードになるまで減少される。このトンネルモードは例
えばＵZ＝１００Ｖで起きる。ティップと試料との間の
距離は電圧ＵZ の関数として制御される。ティップの走
査のためには、電圧ＵX1、ＵX2及びＵY1、ＵY2がそれぞ
れ使用される。Ｘ−走査は、ＵX1を増加させ、ＵX2を減
少させることによって行われる。これによって、膜２４
のわずかな回転運動、従ってティップ２５、２９の走査
運動が生じる。Ｙ−走査も同様にして行われる。直線的
なティップ走査をもたらすＵX1、ＵX2及びＵY1、ＵY2の
それぞれの正確な電圧曲線は、マトリクス試験で決定さ
れなければならない。ＵX はマトリクス中に自乗値とし
て現れることを指摘しておく。
む）は、例えば光学的制御手段を用いて、調べるべき試
料表面に対して数μｍ以内に前進される。非動作状態で
は、ガラスブロック３０上のＸ−Ｙ電極２７、２８と膜
２４（図２Ａ）上のＺ電極２６との間に最大電圧、例え
ばＵZ ＝２００Ｖが印加される。その後、微細な接近の
ために、この電極電圧ＵZ は、ティップ２５がトンネル
モードになるまで減少される。このトンネルモードは例
えばＵZ＝１００Ｖで起きる。ティップと試料との間の
距離は電圧ＵZ の関数として制御される。ティップの走
査のためには、電圧ＵX1、ＵX2及びＵY1、ＵY2がそれぞ
れ使用される。Ｘ−走査は、ＵX1を増加させ、ＵX2を減
少させることによって行われる。これによって、膜２４
のわずかな回転運動、従ってティップ２５、２９の走査
運動が生じる。Ｙ−走査も同様にして行われる。直線的
なティップ走査をもたらすＵX1、ＵX2及びＵY1、ＵY2の
それぞれの正確な電圧曲線は、マトリクス試験で決定さ
れなければならない。ＵX はマトリクス中に自乗値とし
て現れることを指摘しておく。
【００１５】最大Ｘ−Ｙ走査は、第１にはＳＴＭ配置の
幾何学的条件（膜の大きさ、ティップの長さなど）に依
存する。もし例えばティップの長さｌが膜の辺の長さａ
の半分であれば、最大Ｘ偏位はＺ偏位と等しい。
幾何学的条件（膜の大きさ、ティップの長さなど）に依
存する。もし例えばティップの長さｌが膜の辺の長さａ
の半分であれば、最大Ｘ偏位はＺ偏位と等しい。
【００１６】以下の計算により、ＳＴＭ配置の機械的及
び電気的パラメータの両方が実現可能であることが示さ
れる。膜はＴ＝１０Ｎ／ｍｍ2 の引張り応力を有する。
この膜は一辺の長さがａの正方形の形状である。
び電気的パラメータの両方が実現可能であることが示さ
れる。膜はＴ＝１０Ｎ／ｍｍ2 の引張り応力を有する。
この膜は一辺の長さがａの正方形の形状である。
【００１７】たわみ波の速さは次式のとおりである。
【数１】 共振周波数は次式のとおりである。
【数２】 膜の厚さｄ＝２μｍ、膜の辺の長さａ＝２ｍｍに対して
共振周波数は次式のとおりである。
共振周波数は次式のとおりである。
【数３】 膜の厚さｄ＝１μｍ、膜の辺の長さａ＝１０ｍｍに対し
て共振周波数は次式のとおりである。
て共振周波数は次式のとおりである。
【数４】 その場合、表面負荷ｑでの最大偏位量Δｄは次式のとお
りである。
りである。
【数５】 電圧Ｕが印加された時に膜に加わる力により最大偏位量
が次式のとおり生じる（ｑ＝平板キャパシタの静電
力）。
が次式のとおり生じる（ｑ＝平板キャパシタの静電
力）。
【数６】 ここで、ｅはキャパシタの極板間の距離である。
【００１８】 例１： ｅ＝５μｍ Ｕ＝±１００Ｖ ａ＝２ｍｍ ⇒Δｄ＝２．６μｍ Ｔ＝１０Ｎ／ｍｍ2 ｄ＝２μｍ 空気圧で膜を約１．３μｍたわませるためには、約８０
Ｐａの圧力が必要であろう。
Ｐａの圧力が必要であろう。
【００１９】 例２： ｅ＝２０μｍ ａ＝１０ｍｍ ⇒Δｄ＝８μｍ ｄ＝１μｍ その他は同じ。 ○ 板の剛性は無視する（すなわち、膜の引張り応力だ
けを考慮する。これは薄い膜に対して成立する。）。 ○ ｄはほぼ一定。
けを考慮する。これは薄い膜に対して成立する。）。 ○ ｄはほぼ一定。
【００２０】これらの計算は約２００Ｖの最大電圧に基
づいたものである。電極間隔はそれぞれ５μｍ及び２０
μｍである。もしＳＴＭが通常の空気圧で使用されるな
らば、電圧破壊が生じるか否かを決定しなければならな
い。空気ギャップを有する従来の電気的アクチュエータ
の破壊強度は、空気の電気的破壊によって約３×１０6
Ｖ／ｍに制限される。２００Ｖの最大電圧及び１０μｍ
のギャップの場合、２×１０7 Ｖ／ｍの破壊強度がすで
に得られている。
づいたものである。電極間隔はそれぞれ５μｍ及び２０
μｍである。もしＳＴＭが通常の空気圧で使用されるな
らば、電圧破壊が生じるか否かを決定しなければならな
い。空気ギャップを有する従来の電気的アクチュエータ
の破壊強度は、空気の電気的破壊によって約３×１０6
Ｖ／ｍに制限される。２００Ｖの最大電圧及び１０μｍ
のギャップの場合、２×１０7 Ｖ／ｍの破壊強度がすで
に得られている。
【００２１】３×１０6 Ｖ／ｍの値はもはや加わらない
が、ギャップ間隔が臨界値に近づくにつれて増加し始め
る。これについては、Sensors and Actuators 、14(198
8)pp.269-292を参照されたい。１２．５μｍのギャップ
に対してこの論文で与えられた値は３．２×１０7 Ｖ／
ｍである。この論文における他の値は最大３×１０8 Ｖ
／ｍから始まる（p.273 参照）。これらのより高い値
は、この発明によるＳＴＭが実現可能なものであること
を示している。
が、ギャップ間隔が臨界値に近づくにつれて増加し始め
る。これについては、Sensors and Actuators 、14(198
8)pp.269-292を参照されたい。１２．５μｍのギャップ
に対してこの論文で与えられた値は３．２×１０7 Ｖ／
ｍである。この論文における他の値は最大３×１０8 Ｖ
／ｍから始まる（p.273 参照）。これらのより高い値
は、この発明によるＳＴＭが実現可能なものであること
を示している。
【００２２】図３Ａ〜図３Ｇには、Ｚ方向のティップ移
動の空気圧及び静電制御とティップのＸ及びＹ走査の静
電制御とを用いた集積走査型トンネル顕微鏡を製造する
ためのいくつかの工程から成る第１のプロセスが示され
ている。製造は基板３１（図３Ａ）を用いて開始する。
この基板は好ましくはシリコンまたは集積電子回路を形
成するのに好適な何らかの他の基板である。製造工程の
第１の工程は、基板３１の両面に二酸化シリコン層３２
を被着することである。窒化シリコン層を使用すること
もできる。次に、前面の二酸化シリコン層３２及び基板
３１に数μｍの深さの穴がウエットまたはドライエッチ
ングされる。ここで、二酸化シリコン層３２のエッチン
グには例えばバーファードフッ酸が用いられ、シリコン
基板のエッチングには例えば３７．５％のＫＯＨ熱水溶
液が用いられる。この穴の大きさは、後に形成される膜
の大きさ（例えば、辺の長さが２ｍｍ）に対応する。次
に、前面の残りの二酸化シリコン層が除去される。平坦
な微細エッチングされた穴は、耐性のあるマスク層３３
（図３Ｂ）で覆われる。マスク材料としては、例えば二
酸化シリコンまたはアルミニウムを用いることができ
る。穴の中心のマスク層３３に一つの開口が設けられ
る。その後、基板３１（図３Ｃ）を貫通して穴がエッチ
ングされる。このエッチング工程は、塩素または臭素ガ
スを用いたドライエッチング工程であってよい。マスク
層３３は除去され、深い穴を含む前面は引っ張り応力を
有する膜３４で覆われる。好ましくは炭化シリコンまた
は窒化シリコンである膜材料は、プラズマエンハンスト
化学気相成長により被着される。膜の厚さは例えば２μ
ｍである。この穴は、エッチングプロセスに応じて２μ
ｍよりもずっと大きな直径を有しているため、穴の側壁
及び底だけがこの膜材料で覆われる。その結果、後に形
成されるティップは中空となるが、これは重量上の理由
により適切なものである。
動の空気圧及び静電制御とティップのＸ及びＹ走査の静
電制御とを用いた集積走査型トンネル顕微鏡を製造する
ためのいくつかの工程から成る第１のプロセスが示され
ている。製造は基板３１（図３Ａ）を用いて開始する。
この基板は好ましくはシリコンまたは集積電子回路を形
成するのに好適な何らかの他の基板である。製造工程の
第１の工程は、基板３１の両面に二酸化シリコン層３２
を被着することである。窒化シリコン層を使用すること
もできる。次に、前面の二酸化シリコン層３２及び基板
３１に数μｍの深さの穴がウエットまたはドライエッチ
ングされる。ここで、二酸化シリコン層３２のエッチン
グには例えばバーファードフッ酸が用いられ、シリコン
基板のエッチングには例えば３７．５％のＫＯＨ熱水溶
液が用いられる。この穴の大きさは、後に形成される膜
の大きさ（例えば、辺の長さが２ｍｍ）に対応する。次
に、前面の残りの二酸化シリコン層が除去される。平坦
な微細エッチングされた穴は、耐性のあるマスク層３３
（図３Ｂ）で覆われる。マスク材料としては、例えば二
酸化シリコンまたはアルミニウムを用いることができ
る。穴の中心のマスク層３３に一つの開口が設けられ
る。その後、基板３１（図３Ｃ）を貫通して穴がエッチ
ングされる。このエッチング工程は、塩素または臭素ガ
スを用いたドライエッチング工程であってよい。マスク
層３３は除去され、深い穴を含む前面は引っ張り応力を
有する膜３４で覆われる。好ましくは炭化シリコンまた
は窒化シリコンである膜材料は、プラズマエンハンスト
化学気相成長により被着される。膜の厚さは例えば２μ
ｍである。この穴は、エッチングプロセスに応じて２μ
ｍよりもずっと大きな直径を有しているため、穴の側壁
及び底だけがこの膜材料で覆われる。その結果、後に形
成されるティップは中空となるが、これは重量上の理由
により適切なものである。
【００２３】次に、裏面の二酸化シリコンマスク３２が
開口され、こうして形成された窓を通じて基板３１は膜
３４までエッチングされて薄くされる。モリブデンアパ
ーチャマスクを用いて膜３４（図３Ｅ）の前面にＡｕま
たはＡｌから成る金属電極３６が気相成長される。モリ
ブデンアパーチャマスクを用いたＡｕまたはＡｌ（図３
Ｆ）の気相成長により、２対の金属電極Ｘ1 、Ｘ2、Ｙ
1 及びＹ2 （３７、３８）がガラスブロック４０上に形
成される。ガラスブロック４０の寸法は例えば３×３×
２ｍｍである。上述のように、ガラスブロック４０に
は、ティップ３５のＺ方向の空気圧による粗な接近を可
能とする穴４３が設けられている。次に、ガラスブロッ
ク４０は、Ｘ、Ｙ電極３７、３８が膜３４上のＺ電極３
６の上方に位置するようにシリコン基板３１、３４に接
着される。Ｚ電極はガラスブロック４０の下面に設けら
れている。接着は約３００℃及び１０００Ｖで行われる
「マローリー（mallory)」接着である。ガラスブロック
と基板との間の接着は、炭化シリコンの中間層によって
確実なものとなる（図３Ｇ）。
開口され、こうして形成された窓を通じて基板３１は膜
３４までエッチングされて薄くされる。モリブデンアパ
ーチャマスクを用いて膜３４（図３Ｅ）の前面にＡｕま
たはＡｌから成る金属電極３６が気相成長される。モリ
ブデンアパーチャマスクを用いたＡｕまたはＡｌ（図３
Ｆ）の気相成長により、２対の金属電極Ｘ1 、Ｘ2、Ｙ
1 及びＹ2 （３７、３８）がガラスブロック４０上に形
成される。ガラスブロック４０の寸法は例えば３×３×
２ｍｍである。上述のように、ガラスブロック４０に
は、ティップ３５のＺ方向の空気圧による粗な接近を可
能とする穴４３が設けられている。次に、ガラスブロッ
ク４０は、Ｘ、Ｙ電極３７、３８が膜３４上のＺ電極３
６の上方に位置するようにシリコン基板３１、３４に接
着される。Ｚ電極はガラスブロック４０の下面に設けら
れている。接着は約３００℃及び１０００Ｖで行われる
「マローリー（mallory)」接着である。ガラスブロック
と基板との間の接着は、炭化シリコンの中間層によって
確実なものとなる（図３Ｇ）。
【００２４】この工程までは、ティップ３５はその周囲
のシリコン基板３１から突き出ていないので、裏面の残
りの二酸化シリコン層３２は除去され、基板はエッチン
グにより薄くされる。膜材料は絶縁体であるので、ティ
ップ３５、膜３４の一部及びシリコン基板３１の裏面の
一部に導電層３９（図３Ｇ）を設けてトンネル電流のた
めの電圧を得なければならない。この層の好ましい材料
は白金であり、約０．１μｍの厚さに形成される。
のシリコン基板３１から突き出ていないので、裏面の残
りの二酸化シリコン層３２は除去され、基板はエッチン
グにより薄くされる。膜材料は絶縁体であるので、ティ
ップ３５、膜３４の一部及びシリコン基板３１の裏面の
一部に導電層３９（図３Ｇ）を設けてトンネル電流のた
めの電圧を得なければならない。この層の好ましい材料
は白金であり、約０．１μｍの厚さに形成される。
【００２５】その跡が後のティップ３５を形成する深い
穴（図３Ｃ）は、２０〜１００μｍの直径を有するよう
に形成される。この膜の穴により走査中に問題が生じる
場合、この穴は以下の追加の工程によって部分的または
完全に閉じられなければならない。炭化シリコンまたは
窒化シリコンの被着工程（図３Ｄ）に続いて、この穴は
樹脂材料、好ましくはポリイミドで満たされ、平坦化さ
れる。約４００℃でのベーキング工程の後、第２の炭化
シリコンまたは窒化シリコン層が形成される（図示せ
ず）。満たされた穴の上のこの第２の炭化シリコンまた
は窒化シリコン層は、適切なマスクとして格子構造を有
するモリブデンマスクを用いた反応性イオンエッチング
工程で部分的に開口される。酸素プラズマエッチング工
程において、ポリイミドは重量のためにティップから除
去される。この工程により、穴に張り渡された格子が形
成され、これによって後お走査の間に膜の張力が開放さ
れない。しかし、直径が５０μｍよりも小さいかなり小
さな穴の場合には、そのような支持構造は必要ないと考
えられる。
穴（図３Ｃ）は、２０〜１００μｍの直径を有するよう
に形成される。この膜の穴により走査中に問題が生じる
場合、この穴は以下の追加の工程によって部分的または
完全に閉じられなければならない。炭化シリコンまたは
窒化シリコンの被着工程（図３Ｄ）に続いて、この穴は
樹脂材料、好ましくはポリイミドで満たされ、平坦化さ
れる。約４００℃でのベーキング工程の後、第２の炭化
シリコンまたは窒化シリコン層が形成される（図示せ
ず）。満たされた穴の上のこの第２の炭化シリコンまた
は窒化シリコン層は、適切なマスクとして格子構造を有
するモリブデンマスクを用いた反応性イオンエッチング
工程で部分的に開口される。酸素プラズマエッチング工
程において、ポリイミドは重量のためにティップから除
去される。この工程により、穴に張り渡された格子が形
成され、これによって後お走査の間に膜の張力が開放さ
れない。しかし、直径が５０μｍよりも小さいかなり小
さな穴の場合には、そのような支持構造は必要ないと考
えられる。
【００２６】図４Ａ〜図４Ｅには、集積走査型トンネル
顕微鏡を製造するためのプレーナ技術から成る第２のプ
ロセスが示されている。
顕微鏡を製造するためのプレーナ技術から成る第２のプ
ロセスが示されている。
【００２７】モリブデンアパーチャマスクを用いた気相
成長により、導電材料の層、例えば０．１μｍの白金層
が基板４１上に被着され、これによって後にティップの
Ｘ、Ｙ及びＺ移動のための下部電極として用いられる四
つの四分円形の電極４２Ａ、４２Ｂ（図４Ａ）が得られ
る。基板はシリコンまたは集積電子回路の形成に好適な
何らかの他の基板材料である。例えばプラズマエンハン
スト化学気相成長によって電極４２Ａ、４２Ｂの表面に
これらを覆う二酸化シリコン層４４が被着される。約２
〜５μｍの範囲内の厚さを有するこの二酸化シリコン層
は、下部及び上部電極の間のスペーサ層として働き、こ
れらの電極の間に間隙を設けるために後に選択エッチン
グにより除去されるものである。
成長により、導電材料の層、例えば０．１μｍの白金層
が基板４１上に被着され、これによって後にティップの
Ｘ、Ｙ及びＺ移動のための下部電極として用いられる四
つの四分円形の電極４２Ａ、４２Ｂ（図４Ａ）が得られ
る。基板はシリコンまたは集積電子回路の形成に好適な
何らかの他の基板材料である。例えばプラズマエンハン
スト化学気相成長によって電極４２Ａ、４２Ｂの表面に
これらを覆う二酸化シリコン層４４が被着される。約２
〜５μｍの範囲内の厚さを有するこの二酸化シリコン層
は、下部及び上部電極の間のスペーサ層として働き、こ
れらの電極の間に間隙を設けるために後に選択エッチン
グにより除去されるものである。
【００２８】次に、モリブデンアパーチャマスクを用い
た気相成長により、二酸化シリコン層４４上に環状の金
属導体４５、例えば厚さが０．１μｍの白金導体が被着
される。下部電極４２Ａ、４２Ｂとほぼ同一の領域を覆
うこの環状金属導体は、四つの四分円形の電極の共通対
向電極を形成する。例えばプラズマエンハンスト化学気
相成長によってこの環状金属導体４５（図４Ｂ）の上に
誘電体層４６、例えば炭化シリコンまたは窒化シリコン
が被着される。この材料は、バッファードフッ酸による
二酸化シリコン層４４のエッチング中に侵されない。
た気相成長により、二酸化シリコン層４４上に環状の金
属導体４５、例えば厚さが０．１μｍの白金導体が被着
される。下部電極４２Ａ、４２Ｂとほぼ同一の領域を覆
うこの環状金属導体は、四つの四分円形の電極の共通対
向電極を形成する。例えばプラズマエンハンスト化学気
相成長によってこの環状金属導体４５（図４Ｂ）の上に
誘電体層４６、例えば炭化シリコンまたは窒化シリコン
が被着される。この材料は、バッファードフッ酸による
二酸化シリコン層４４のエッチング中に侵されない。
【００２９】反応性イオンエッチングによって円形のサ
ンドイッチ構造の中心に穴が設けられた後、シリコン基
板４１を貫通してのテーパ穴４７の反応性イオンエッチ
ングまたは例えば３７．５％のＫＯＨ熱水溶液を用いた
異方性ウエットエッチングによる逆ピラミッドの形成が
行われる。シリコン基板４１のほぼ全体を貫通して延在
するこの穴は、トンネル接触材料により満たされ、かつ
下部電極から分離される、後に形成されるティップのネ
ガを形成する。
ンドイッチ構造の中心に穴が設けられた後、シリコン基
板４１を貫通してのテーパ穴４７の反応性イオンエッチ
ングまたは例えば３７．５％のＫＯＨ熱水溶液を用いた
異方性ウエットエッチングによる逆ピラミッドの形成が
行われる。シリコン基板４１のほぼ全体を貫通して延在
するこの穴は、トンネル接触材料により満たされ、かつ
下部電極から分離される、後に形成されるティップのネ
ガを形成する。
【００３０】深い穴を含むサンドイッチ構造は、トンネ
ル接触材料４８、例えばモリブデンアパーチャマスクを
用いた気相成長によって被着される０．１μｍの厚さの
白金層により覆われる。トンネル電流は、このようにし
て形成された導体を通じてティップから試料に供給され
る。この導体及び構造全体に、例えばプラズマエンハン
スト化学気相成長を用いて炭化シリコンまたは窒化シリ
コンから成る誘電体層４９が形成される。この層の厚さ
は２μｍであってよい。この層は、誘電体層４６及び導
体４８（図４Ｄ）により上部電極４５が接続されている
振動膜４９を示す。
ル接触材料４８、例えばモリブデンアパーチャマスクを
用いた気相成長によって被着される０．１μｍの厚さの
白金層により覆われる。トンネル電流は、このようにし
て形成された導体を通じてティップから試料に供給され
る。この導体及び構造全体に、例えばプラズマエンハン
スト化学気相成長を用いて炭化シリコンまたは窒化シリ
コンから成る誘電体層４９が形成される。この層の厚さ
は２μｍであってよい。この層は、誘電体層４６及び導
体４８（図４Ｄ）により上部電極４５が接続されている
振動膜４９を示す。
【００３１】底面から及び構造化酸化物マスク（図示せ
ず）を用いて、例えば３７．５％のＫＯＨ熱水溶液によ
るエッチングにより、ティップを取り囲むシリコンが除
去される。その後、基板全体は同一の溶液を用いて三本
のスタッド５０の周囲が少し薄くされる。これらのスタ
ッドを用いて、走査型トンネル顕微鏡が調べるべき基板
上に位置合わせされる。電極４２Ａ、４２Ｂと電極４５
との間の二酸化シリコン層４４は、バッファードフッ酸
によるエッチングによって完全に除去される。これによ
って、電極に電界が印加された時にＸ、Ｙ及びＺ軸方向
に膜を移動させるための隙間が形成される。この白金−
炭化シリコンのティップは膜に接続され、この膜によっ
て自在に移動させることができる。
ず）を用いて、例えば３７．５％のＫＯＨ熱水溶液によ
るエッチングにより、ティップを取り囲むシリコンが除
去される。その後、基板全体は同一の溶液を用いて三本
のスタッド５０の周囲が少し薄くされる。これらのスタ
ッドを用いて、走査型トンネル顕微鏡が調べるべき基板
上に位置合わせされる。電極４２Ａ、４２Ｂと電極４５
との間の二酸化シリコン層４４は、バッファードフッ酸
によるエッチングによって完全に除去される。これによ
って、電極に電界が印加された時にＸ、Ｙ及びＺ軸方向
に膜を移動させるための隙間が形成される。この白金−
炭化シリコンのティップは膜に接続され、この膜によっ
て自在に移動させることができる。
【００３２】図４Ａ〜図４Ｅに関連して述べた走査型ト
ンネル顕微鏡の上部には、膜／ティップアセンブリのＺ
軸（図示せず）方向の空気圧による粗な接近を可能とす
るためにガラスブロックを設けてもよい。膜４９とガラ
スブロックとの間には、膜の振動を可能とするためにキ
ャビティが設けられる。このガラスブロックは、膜に圧
力を加えることによりこの膜の減衰を変化させるために
穴をあけてもよいし、あるいは、ガラスブロックと膜と
の間のキャビティを接着前に真空排気し、接着によって
真空封止を行うようにしてもよい。
ンネル顕微鏡の上部には、膜／ティップアセンブリのＺ
軸（図示せず）方向の空気圧による粗な接近を可能とす
るためにガラスブロックを設けてもよい。膜４９とガラ
スブロックとの間には、膜の振動を可能とするためにキ
ャビティが設けられる。このガラスブロックは、膜に圧
力を加えることによりこの膜の減衰を変化させるために
穴をあけてもよいし、あるいは、ガラスブロックと膜と
の間のキャビティを接着前に真空排気し、接着によって
真空封止を行うようにしてもよい。
【００３３】
【発明の効果】この発明による走査トンネル顕微鏡によ
れば、ヒステリシスのないＸ−Ｙ−Ｚ駆動を行うことが
できるとともに、質量が小さく大きさも小さいことによ
り検出器ヘッドの機械的及び熱的安定性が高い。その結
果、この配置は外部振動をほとんど受けない。ティップ
の距離制御のための電流供給の制御回路は、同一の半導
体基板上に集積される。さらに、走査により発生する信
号は、同一基板上に集積される回路によって検出器の直
ぐ近傍で処理することができる。
れば、ヒステリシスのないＸ−Ｙ−Ｚ駆動を行うことが
できるとともに、質量が小さく大きさも小さいことによ
り検出器ヘッドの機械的及び熱的安定性が高い。その結
果、この配置は外部振動をほとんど受けない。ティップ
の距離制御のための電流供給の制御回路は、同一の半導
体基板上に集積される。さらに、走査により発生する信
号は、同一基板上に集積される回路によって検出器の直
ぐ近傍で処理することができる。
【図１】典型的な走査型トンネル顕微鏡の図である。
【図２】この発明による走査型トンネル顕微鏡の断面図
及びその上部の上面図である。
及びその上部の上面図である。
【図３】この発明による走査型トンネル顕微鏡の好まし
い構造の製造の第１のプロセスにおける中間工程の断面
図である。
い構造の製造の第１のプロセスにおける中間工程の断面
図である。
【図４】この発明による走査型トンネル顕微鏡の好まし
い構造の製造の第２のプロセスにおける中間工程の断面
図である。
い構造の製造の第２のプロセスにおける中間工程の断面
図である。
２１、３１ シリコン基板 ２４、３４ 膜 ２５ ティップ ３０ ガラスブロック
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 オーラフ・ヴォルター ドイツ連邦共和国、アイドリンゲン３、 ヴァッハオルダーヴェーク８
Claims (13)
- 【請求項１】 試料表面からＺ軸方向に実質的に一定の
距離に保持される少なくとも一つの電子放出ティップ
と、上記ティップを上記試料表面上で走査するためのＸ
Ｙ駆動装置と、トンネル電流を検出して上記距離を実質
的に一定に保つための手段とを具備し、 上記ＸＹ駆動装置は、部材(３０、４０)と膜（２４、３
４、４９）とで構成され、上記部材の上に配置された少
なくとも四つの電極（２７、２８；３７、３８；４２
Ａ、４２Ｂ）と該電極に対向した位置に上記膜の上に形
成された別の電極（２６、３６、４５）とを有し、 上記ティップ（２５；３５、３９；４８、４９）は、上
記膜の一体部として形成され、上記膜の移動に伴って上
記試料表面に垂直なＺ軸方向に移動することが可能であ
ることを特徴とする走査型トンネル顕微鏡。 - 【請求項２】 上記膜は誘電体材料から成り、上記ティ
ップ（２５、３５、４９）は導電材料（２９、３９、４
８）によりコーティングされ、上記ティップを上記試料
表面に垂直なＺ軸方向に移動させるために上記四つの電
極及び別の電極の各々に電圧を印加することを特徴とす
る請求項１に記載の走査型トンネル顕微鏡。 - 【請求項３】 上記膜は炭化シリコンまたは窒化シリコ
ンから成り、上記導電材料は白金であることを特徴とす
る請求項２に記載の走査型トンネル顕微鏡。 - 【請求項４】上記ＸＹ駆動装置は、上記部材と上記膜と
により画定される圧力または真空発生チャンバーを含む
ことを特徴とする請求項１に記載の走査型トンネル顕微
鏡。 - 【請求項５】 上記部材はガラスブロックであることを
特徴とする請求項４に記載の走査型トンネル顕微鏡。 - 【請求項６】 上記膜及び上記ティップのＺ軸方向の粗
な接近のためには、上記膜に加える圧力を変化させ、上
記膜及び上記ティップのＺ軸方向の微細な接近のために
は上記別の電極に電圧ＵZ を印加し、上記ティップと上
記試料との間の距離はＵZ の関数として制御されること
を特徴とする請求項４または５に記載の走査型トンネル
顕微鏡。 - 【請求項７】 ティップの動きを気体力学的及び静電的
に制御する走査型トンネル顕微鏡の製造方法であって、 ａ）基板（３１）の両面にマスキング層（３２）を被着
し、後に形成される膜の大きさに一致するように前面の
上記マスキング層（３２）及び上記基板（３１）をエッ
チングして数μｍの深さの穴を形成するエッチングする
工程と、 ｂ）上記前面のマスキング層（３２）を除去し、上記微
細エッチングされた穴の上に耐性のあるマスキング層
（３３）を被着する工程と、 ｃ）上記穴の中心の上記マスキング層（３３）に開口を
形成し、上記基板（３１）を貫通して穴（３５）をエッ
チングする工程と、 ｄ）残りのマスキング層（３３）を除去し、上記穴（３
５）を含む上記基板（３１）の前面を引張り応力を有す
る膜（３４）で覆う工程と、 ｅ）裏面の上記マスキング層（３２）に開口を形成し、
上記基板（３１）を薄くして上記膜（３４）及び上記テ
ィップ（３５）を露出させ、上記前面の上記引張り応力
を有する膜（３４）に金属層（３６）を形成し、上記穴
上に延在するように第１の電極をパターニングする工程
と、 ｆ）部材（４０）に金属層を形成し、第２の電極（３
７、３８）をパターニングする工程と、 ｇ）上記第２の電極（３７、３８）が上記膜（３４）上
の上記第１の電極（３６）の上方に位置するように、上
記部材（４０）を上記基板（３１、３４）にボンディン
グし、上記基板（３１）の裏面から残りのマスキング層
（３２）を除去し、上記基板（３１）をエッチングによ
り薄くし、上記ティップ（３５）及び上記基板（３１）
の一部分に金属コーティング（３９）を形成する工程と
を具備することを特徴とする走査型トンネル顕微鏡の製
造方法。 - 【請求項８】 上記マスキング層（３２）を被着する上
記工程ａ）はシリコン基板（３１）の両面に二酸化シリ
コン層または窒化シリコン層を形成することから成る請
求項７記載の走査型トンネル顕微鏡の製造方法。 - 【請求項９】 上記耐性のあるマスキング層（３３）を
被着する上記工程ｂ）は二酸化シリコンまたはアルミニ
ウムを被着することから成る請求項７記載の走査型トン
ネル顕微鏡の製造方法。 - 【請求項１０】 穴（３５）を含む上記基板（３１）の
前面を引張り応力を有する膜（３４）で覆う上記工程
ｄ）はプラズマエンハンスト化学気相成長により炭化シ
リコンまたは窒化シリコンを被着することから成る請求
項７記載の走査型トンネル顕微鏡の製造方法。 - 【請求項１１】 上記第１及び第２の電極の被着及びパ
ターニングは、金属、好ましくは白金をアパーチャマス
クを用いて化学気相成長させることから成る請求項８記
載の走査型トンネル顕微鏡の製造方法。 - 【請求項１２】 ティップの動きを気体力学的及び静電
的に制御する走査型トンネル顕微鏡の製造方法であっ
て、 ａ）基板（４１）上に金属層を形成し、第１の電極（４
２Ａ、４２Ｂ）をパターニングし、上記第１の電極（４
２Ａ、４２Ｂ）の表面に上記第１の電極を覆う誘電体層
（４４）を形成する工程と、 ｂ）上記誘電体層（４４）上に金属層を形成し、この金
属層をパターニングして上記第１の電極（４２Ａ、４２
Ｂ）とほぼ同一の領域を覆い、かつ第２の電極を形成す
る円環状導体（４５）を形成し、上記円環状導体（４
５）の上面に誘電体層（４６）を被着する工程と、 ｃ）円形のサンドイッチ構造の中心に開口を形成し、基
板（４１）を貫通して穴（４７）をエッチングする工程
と、 ｄ）上記穴を含む上記円形のサンドイッチ構造をトンネ
ル接触材料の層（４８）で覆い、このトンネル接触材料
の層（４８）及び構造全体に膜の層（４９）を形成する
工程と、 ｅ）ティップを取り囲む基板材料を構造化酸化物マスク
を用いたエッチングにより除去し、上記基板をエッチン
グにより薄くし、電界印加時にＸ、Ｙ及びＺ軸方向に移
動させるために、上記膜の層（４９）と上記層（４９、
４８）の一体部としてのティップ（４７）を有するトン
ネル接触材料の層（４８）と上記誘電体層（４６）と上
記円環状導体（４５）とから成るサンドイッチ構造のた
めの間隙が得られるように上記誘電体層（４４）をエッ
チング除去する工程とを具備することを特徴とする走査
型トンネル顕微鏡の製造方法。 - 【請求項１３】 試料表面に垂直なＺ軸方向の膜及びテ
ィップの空気圧によ る粗な接近を可能とするために、上
記膜の層上にガラスブロックを設け該ガラスブロックと
上記膜の層との間にキャビティを残す工程をさらに具備
する請求項１２に記載の走査型トンネル顕微鏡の製造方
法
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