JPH06204034A - Magnetic element and its manufacture - Google Patents

Abstract

PURPOSE:To acquire a hyperfine structure by atomic order which extends in two dimensions and three dimensions by performing fine treatment on an atomic order by using a probe of a scanning tunnelling microscope to a constituent part of a magnetic element. CONSTITUTION:A tunnel current is made to flow by making a tip of a probe 10 of a scanning tunnelling microscope close to a surface of a thin film 11 at a distance of 0.1 to several nm. Then, a position of the probe 10 is fixed and a pulse voltage 44 of 1 to 20V is applied between the probe 10 and a sample 12 (thin film 11) at several ten m sec to several sec alpha time width. An extremely large electric field of 10<7> to 10<8>V/cm is applied between the thin film 11 and the probe 10 through voltage application at such a fine distance, thus causing atomic emission phenomenon from the thin film 11 called field evaporation. Thereby, a fine part of the thin film 11 is sublimated in a region of atomic order and a fine recessed part 13 is formed in a surface. Since field evaporation is carried out while moving the probe 10 in a specified direction, a groove of a fine width can be formed its a specified direction.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【０００１】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、磁性素子（例えば、磁
気記録媒体や磁気記録／再生装置の磁性部品等）及びそ
の製造方法に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a magnetic element (for example, a magnetic recording medium or a magnetic component of a magnetic recording / reproducing apparatus) and a method for manufacturing the same.

【０００２】[0002]

【従来の技術】現在、磁性材料の分野では、スパッタ、
蒸着及びＭＢＥ（分子線エピタクシ）等で作製した磁性
薄膜が磁気記録媒体や磁気ヘッドに実用化されており、
更に最近では磁性原子を原子レベルのオーダで人工的に
積層した人工格子膜の研究も盛んになっている。これら
の人工格子膜では、その構造に起因する新しい物理現象
やそれを利用した新材料の研究が報告されており、例え
ば、積層構造から誘起される垂直磁気異方性を利用した
磁気記録媒体や、及び巨大磁気抵抗を応用した磁気セン
サー等の報告が挙げられる。2. Description of the Related Art Currently, in the field of magnetic materials, sputtering,
Magnetic thin films prepared by vapor deposition and MBE (Molecular Beam Epitaxy) have been put to practical use in magnetic recording media and magnetic heads.
In addition, recently, research on artificial lattice films in which magnetic atoms are artificially stacked on the order of the atomic level has become popular. In these artificial lattice films, research on new physical phenomena due to their structure and new materials utilizing them have been reported. For example, magnetic recording media using perpendicular magnetic anisotropy induced by a laminated structure and , And reports of magnetic sensors and the like using giant magnetoresistance.

【０００３】これらは、図２（ａ）のように、原子を平
面的に積重ねた薄膜（２種の薄膜32、35が交互に積層）
であり、膜に垂直な方向には原子レベルで変調されてい
る。然し乍ら、平面図では何等変調されてはおらず、い
うならば膜厚方向の一次元のみの変調構造という意味で
一次元人工格子膜と呼ぶことができる。このような一次
元人工格子膜は、既存の成膜技術や結晶成長技術で作製
することが可能である。As shown in FIG. 2A, these are thin films in which atoms are stacked in a plane (two kinds of thin films 32 and 35 are alternately laminated).
And is modulated at the atomic level in the direction perpendicular to the film. However, there is no modulation in the plan view, and it can be called a one-dimensional artificial lattice film in the sense that it is a one-dimensional modulation structure in the film thickness direction. Such a one-dimensional artificial lattice film can be manufactured by the existing film forming technique or crystal growth technique.

【０００４】然し乍ら、これらの従来技術では、二次
元、三次元に及ぶ微細構造の素子を作製することはでき
ない。However, with these conventional techniques, it is not possible to fabricate a device having a fine structure extending in two dimensions or three dimensions.

【０００５】図２（ａ）の一次元人工格子膜を発展させ
て、平面内の一方向にも変調を取り入れた二次元人工格
子膜構造、三次元人工格子膜構造（いずれも２種の薄膜
32、35からなる）、更には、縞状細線構造、ドット構造
等のより複雑な構造も期待されている。このような種々
の次元で変調された微細構造を有する磁性素子では、そ
の構造から派生する新しい物理現象を利用した新材料の
創製や微細な構造を作製する技術の応用によって微小な
素子及びデバイスの創製が期待される。A two-dimensional artificial lattice film structure and a three-dimensional artificial lattice film structure (both two kinds of thin films are developed by developing the one-dimensional artificial lattice film of FIG. 2A and incorporating modulation also in one direction in a plane.
32, 35), and more complex structures such as striped fine line structure and dot structure are also expected. In such a magnetic element having a fine structure modulated in various dimensions, the creation of a new material using a new physical phenomenon derived from the structure or the application of a technique for producing a fine structure can reduce the size of a fine element or device. Creation is expected.

【０００６】然し乍ら、上記のような素子を創製するに
は、nmオーダで構造の制御された磁性素子作製技術が必
須であるが、前述したように、従来の技術では、上記の
ような微細で複雑な構造の素子を作製することは不可能
であり、新規な薄膜形成技術の開発が必要である。However, in order to create the above-mentioned element, a technology for producing a magnetic element whose structure is controlled on the order of nm is indispensable. It is impossible to fabricate a device having a complicated structure, and it is necessary to develop a new thin film forming technique.

【０００７】[0007]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の事情
に鑑みてなされたものであって、二次元、三次元に及ぶ
原子オーダでの超微細構造の磁性素子及びその製造方法
を提供することを目的としている。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a magnetic element having an ultrafine structure on the order of atoms in two dimensions and three dimensions, and a method for manufacturing the same. Is intended.

【０００８】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明は、走査形トンネ
ル顕微鏡の探針による原子オーダでの微細処理で形成さ
れた磁性体パターンを有する磁性素子に係る。The present invention relates to a magnetic element having a magnetic material pattern formed by fine processing on the atomic order by a probe of a scanning tunneling microscope.

【０００９】本発明は、更に、磁性素子の構成部分に対
し、走査形トンネル顕微鏡の探針を用いて原子オーダで
の微細処理を施し、所定パターンの磁性体を形成する工
程を有する、磁性素子の製造方法に係るものである。The present invention further includes a step of forming a magnetic material having a predetermined pattern by subjecting constituent parts of the magnetic element to fine processing in atomic order using a probe of a scanning tunneling microscope. The present invention relates to a manufacturing method of.

【００１０】本発明の方法において、次のようにするの
が好ましい。 (1).走査形トンネル顕微鏡の探針と磁性素子の磁性体層
との間隔を 0.1〜数十nmとし、前記探針と前記磁性体層
との間に１〜20Ｖの電圧を印加して 10⁷〜10⁸Ｖ／cmの
電界を発生させ、電界蒸発によって微細処理を施すこ
と。 (2).磁性体層に走査形トンネル顕微鏡の探針の先端を侵
入させて微細処理施すこと。In the method of the present invention, the following is preferable. (1). The distance between the probe of the scanning tunneling microscope and the magnetic layer of the magnetic element is 0.1 to several tens nm, and a voltage of 1 to 20 V is applied between the probe and the magnetic layer. Generate an electric field of 10 ⁷ to 10 ⁸ V / cm and perform fine processing by field evaporation. (2). The tip of the probe of the scanning tunneling microscope should be inserted into the magnetic layer to perform fine processing.

【００１１】[0011]

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。以下の例
は、磁気記録媒体、特にハードディスクについての例で
ある。EXAMPLES Examples of the present invention will be described below. The following example is for a magnetic recording medium, especially a hard disk.

【００１２】図１はハードディスクの拡大部分斜視図
で、同図（ａ）は磁性薄膜を原子オーダで加工された微
細な凸条として設けた例を示し、同図（ｂ）は磁性薄膜
を原子オーダで加工された微細なドット状凸部として設
けた例を示す。これらの磁性パターンの幅は、nmの原子
オーダからμｍオーダまで実現でき、また磁性薄膜の材
料としては、例えばニッケル、コバルトを使用できる。FIG. 1 is an enlarged partial perspective view of a hard disk. FIG. 1 (a) shows an example in which a magnetic thin film is provided as a fine ridge processed by atomic order, and FIG. 1 (b) shows the magnetic thin film as an atomic part. An example in which fine dot-shaped convex portions processed by the order are provided is shown. The width of these magnetic patterns can be realized in the atomic order of nm to the order of μm, and nickel or cobalt can be used as the material of the magnetic thin film.

【００１３】図１（ａ）では、ディスク基板31上に全体
として渦巻状に磁性凸条32ａを設けている。磁性凸条32
ａは、一旦全面に成膜した磁性薄膜32に互いに平行な溝
33を、後述する微細加工によってＹ方向に設けることに
よって形成される。図１（ａ）の構造のハードディスク
では、各磁性凸条32ａをトラックとして垂直磁化が可能
である上に、各トラックが互いに完全に分離することに
なり、トラック間の相互作用（クロストーク等）が防止
される。In FIG. 1 (a), a spiral magnetic protrusion 32a is provided on the disk substrate 31 as a whole. Magnetic ridge 32
a is a groove parallel to the magnetic thin film 32 once formed on the entire surface.
It is formed by providing 33 in the Y direction by the fine processing described later. In the hard disk having the structure shown in FIG. 1A, perpendicular magnetization is possible with each magnetic ridge 32a as a track, and the tracks are completely separated from each other, resulting in an interaction between the tracks (crosstalk, etc.). Is prevented.

【００１４】図１（ｂ）では、ディスク基板31上にドッ
ト状に磁性凸部32ｂをＸ方向及びＹ方向に整然と設け、
全体として渦巻き状になっている（図４参照）。磁性凸
部32ｂも磁性薄膜32から後述する微細加工によって形成
されたものである。図１（ｂ）のハードディスクは、各
磁性凸部32ｂを個々の記録磁区として選択的に磁化する
ことができ、各凸部間の相互作用の防止がトラック方向
でも行え、一層確実になる。また、図１（ａ）の構造と
同様に垂直磁化が可能である。なお、磁性凸部32ｂに替
えて微細凹部を設け、磁性薄膜を格子状に形成すること
も可能である。In FIG. 1B, dot-like magnetic projections 32b are provided on the disk substrate 31 in order in the X and Y directions.
It has a spiral shape as a whole (see FIG. 4). The magnetic protrusions 32b are also formed from the magnetic thin film 32 by fine processing described later. In the hard disk of FIG. 1 (b), each magnetic protrusion 32b can be selectively magnetized as an individual recording magnetic domain, and the interaction between each protrusion can be prevented in the track direction as well, so that it becomes more reliable. Further, perpendicular magnetization is possible as in the structure of FIG. It should be noted that it is possible to form the magnetic thin film in a lattice shape by providing fine concave portions instead of the magnetic convex portions 32b.

【００１５】上記の垂直磁化を可能とする磁気記録媒体
は、短波長化、狭トラック化による記録密度の著しい向
上を可能にするものである。The above-mentioned magnetic recording medium capable of perpendicular magnetization enables the recording density to be remarkably improved by shortening the wavelength and narrowing the track.

【００１６】図１（ａ）の磁性凸条32ａを、非磁性薄膜
（例えば白金薄膜）35を介してＺ方向に積層すると、図
２（ｂ）のように、原子オーダで二次元に微細加工され
た周期性のある二次元人工格子膜構造となる。図１
（ｂ）の磁性凸部32ｂを同様に積層すると、図２（ｃ）
のように、原子オーダで三次元に微細加工された周期性
のある三次元人工格子膜構造となる。When the magnetic ridges 32a of FIG. 1 (a) are laminated in the Z direction via a non-magnetic thin film (for example, a platinum thin film) 35, as shown in FIG. 2 (b), two-dimensional microfabrication is performed on the atomic order. It becomes a two-dimensional artificial lattice film structure with periodicity. Figure 1
When the magnetic protrusions 32b of (b) are laminated in the same manner, as shown in FIG.
As described above, the structure becomes a three-dimensional artificial lattice film structure with periodicity that is three-dimensionally microfabricated in the atomic order.

【００１７】図２（ｂ）の二次元人工格子膜構造は、上
記と同様の磁気記録媒体として、薄膜32のＹ方向及びＺ
方向の部分でその両側の磁性薄膜のスピンの方向（磁気
モーメントの配向方向）を変えるようにでき、垂直磁気
記録を行え、かつ超微細パターンであるために超高密度
記録が可能となる。The two-dimensional artificial lattice film structure of FIG. 2 (b) is used as a magnetic recording medium similar to the above, in the Y direction and Z direction of the thin film 32.
It is possible to change the spin direction (orientation direction of the magnetic moment) of the magnetic thin films on both sides of the direction portion, perpendicular magnetic recording can be performed, and ultra-high density recording is possible because of the ultrafine pattern.

【００１８】図２（ｃ）の三次元人工格子膜構造は、
Ｘ、Ｙ及びＺ方向でスピンの方向を変えられるため、磁
気記録媒体その他のデバイス構成磁性部分として種々の
目的に対応でき、広範囲な適用分野が期待される。ま
た、超高密度記録に加え、クロストーク防止等の一層の
性能向上が期待できる。The three-dimensional artificial lattice film structure of FIG. 2 (c) is
Since the spin direction can be changed in the X, Y, and Z directions, it can be used for various purposes as a magnetic portion of a magnetic recording medium or other device-constituting device, and a wide range of application fields are expected. In addition to ultra-high density recording, further performance improvement such as crosstalk prevention can be expected.

【００１９】図３は、図１（ｂ）のハードディスクの表
面に保護膜を設けた例を示す。基板31上に磁性凸部32ｂ
が形成され、更にこの上の全面を保護膜36が被着してハ
ードディスクが構造されている。図４は図３の構造のハ
ードディスク全体の斜視図である。FIG. 3 shows an example in which a protective film is provided on the surface of the hard disk of FIG. 1 (b). Magnetic protrusion 32b on substrate 31
Is formed, and a protective film 36 is further deposited on the entire surface to form a hard disk. FIG. 4 is a perspective view of the entire hard disk having the structure of FIG.

【００２０】図５（ａ）のハードディスクは、磁性薄膜
32に線条状の溝33を設け、その上に保護膜36を被着させ
ている。上記の溝には保護膜36が侵入して下方に向けて
突出する線条状の保護膜部分（凸部）36ａが形成され、
その間にトラックとなる磁性薄膜部分32ａが形成され
る。この例では、保護膜凸部36ａを光学的に検出してこ
れをトラッキングに供するようにしている（これは図１
の例でも同様）。The hard disk shown in FIG. 5A is a magnetic thin film.
A line-shaped groove 33 is provided in 32, and a protective film 36 is deposited on the groove 33. A line-shaped protective film portion (projection) 36a is formed in the groove so that the protective film 36 enters and projects downward.
In the meantime, a magnetic thin film portion 32a which becomes a track is formed. In this example, the protection film convex portion 36a is optically detected and used for tracking (this is shown in FIG.
The same applies to the example).

【００２１】図５（ｂ）のハードディスクは、ドット状
磁性凸部32ｂ間のＹ方向の溝33を上記と同様にトラッキ
ングに供する例を示す（図１（ｂ）又は図３の例でも同
様）。The hard disk of FIG. 5B shows an example in which the grooves 33 in the Y direction between the dot-shaped magnetic protrusions 32b are used for tracking in the same manner as described above (the same applies to the example of FIG. 1B or 3). .

【００２２】以上の例は、いずれも後述するように、走
査形トンネル顕微鏡の探針による微細加工によって夫々
のパターンを形成するので、走査形トンネル顕微鏡の原
子オーダでの解像度の故に、超微細なパターンの形成が
可能であり、従来のハードディスクに較べて記録密度が
飛躍的に向上する。また、ハードディスクを著しくコン
パクトにすることも可能である。In each of the above examples, since each pattern is formed by fine processing by the probe of the scanning tunneling microscope, as will be described later, because of the resolution in the atomic order of the scanning tunneling microscope, an ultrafine pattern is formed. Patterns can be formed, and the recording density is dramatically improved compared to conventional hard disks. It is also possible to make the hard disk extremely compact.

【００２３】ハードディスクの製造に使用する装置の全
体は、図18に正面図で示すように、主として、走査形ト
ンネル顕微鏡（以下、ＳＴＭと呼ぶ）部分（ＳＴＭ室
１）、成膜機能部分（成膜室２）及びＳＴＭ室１、成膜
室２に夫々接続された排気装置部分（排気ポンプ６、
８）からなるＳＴＭ室１及び成膜室２は、被処理物（以
下、試料と呼ぶ）が常に清浄な表面を保つために、10^-8
Pa程度の超高真空室にすることが望ましいが、必ずしも
この限りではない。薄膜形成や処理は大気中でも行え
る。ＳＴＭ室１内に設置されたＳＴＭ（図示せず）は、
試料表面状態をnmの原子オーダの解像度を以て観察でき
るものである。As shown in the front view of FIG. 18, the whole apparatus used for manufacturing a hard disk is mainly composed of a scanning tunneling microscope (hereinafter referred to as STM) part (STM chamber 1) and a film forming function part (forming part). The film chamber 2), the STM chamber 1, and the exhaust device portion (exhaust pump 6, which is connected to the film forming chamber 2 respectively)
The STM chamber 1 and the film forming chamber 2 composed of 8) have a temperature of 10 ^{−8 in} order to maintain a clean surface of the object to be treated (hereinafter referred to as “sample”).
It is desirable to use an ultra-high vacuum chamber of about Pa, but this is not always the case. Thin film formation and processing can be performed in the atmosphere. The STM (not shown) installed in the STM room 1 is
The surface condition of the sample can be observed with a resolution of atomic order of nm.

【００２４】ＳＴＭ室１及び成膜室２は、防振台９、９
上に台板８を介して載置されている。排気ポンプ６、７
は、台板８の貫通孔８ａ、８ｂを通ってＳＴＭ室１、成
膜室２の下側に連結している。そして、ＳＴＭ室１と成
膜室２との間には、真空を破ることなく試料を搬送でき
るように、ゲートバルブ４Ｃが設けられ、成膜室２には
成膜室２とＳＴＭ室１との間で試料を搬送するための試
料搬送治具５Ｂが往復動可能に取付けられている。The STM chamber 1 and the film forming chamber 2 are provided with a vibration isolation table 9, 9.
It is mounted on the base plate 8 via the base plate 8. Exhaust pump 6, 7
Is connected to the lower side of the STM chamber 1 and the film forming chamber 2 through the through holes 8a and 8b of the base plate 8. A gate valve 4C is provided between the STM chamber 1 and the film forming chamber 2 so that the sample can be conveyed without breaking the vacuum. The film forming chamber 2 includes the film forming chamber 2 and the STM chamber 1. A sample transfer jig 5B for transferring the sample between the two is reciprocally attached.

【００２５】図19は図18の装置の概略平面図である。成
膜室２の裏側には成膜室２に連通する試料交換室３が位
置し、試料交換室３、成膜室２間にはゲートバルブ４
Ａ、４Ｂが設けられている。試料交換室３内に装入され
た試料は、試料搬送治具５Ａによって成膜室２に搬送さ
れ、成膜処理が施される。成膜処理が終了すると、試料
は、試料搬送治具５ＢによってＳＴＭ室１に搬送され、
微細加工が施される。FIG. 19 is a schematic plan view of the device of FIG. A sample exchange chamber 3 communicating with the film formation chamber 2 is located on the back side of the film formation chamber 2, and a gate valve 4 is provided between the sample exchange chamber 3 and the film formation chamber 2.
A and 4B are provided. The sample loaded in the sample exchange chamber 3 is transferred to the film forming chamber 2 by the sample transfer jig 5A and subjected to the film forming process. When the film forming process is completed, the sample is transferred to the STM chamber 1 by the sample transfer jig 5B,
Fine processing is applied.

【００２６】試料が成膜室２、ＳＴＭ室１に止まってい
る間は、試料搬送治具５Ａ、５Ｂは後退して元の位置に
戻っている。ゲートバルブ４Ａ、４Ｂ、４Ｃは、試料が
搬送されて当該ゲートバルブを通過するときのみ開き、
その他の時期は閉じている。試料搬送治具５Ａ、５Ｂ
は、試料を載置するフォークを先端に設けた棒状治具と
しているが、このフォークは、軌条上を往復動する台車
に設けても良い。While the sample remains in the film forming chamber 2 and the STM chamber 1, the sample transfer jigs 5A and 5B are retracted and returned to their original positions. The gate valves 4A, 4B and 4C are opened only when the sample is conveyed and passes through the gate valve.
It is closed at other times. Sample transfer jig 5A, 5B
Uses a rod-shaped jig having a fork for mounting a sample at its tip, but this fork may be provided on a carriage that reciprocates on a rail.

【００２７】図２（ｂ）に示す二次元人工格子膜構造を
形成するには、成膜室２で基板（試料）に所定の薄膜を
形成し、次いでＳＴＭ室１でこの薄膜に互いに平行に微
細加工を施す。次に、成膜室２で、微細加工が施された
薄膜上に他の薄膜を形成する。この操作を繰り返すこと
により、図２（ｂ）の二次元人工格子膜構造が形成され
る。To form the two-dimensional artificial lattice film structure shown in FIG. 2 (b), a predetermined thin film is formed on the substrate (sample) in the film forming chamber 2 and then parallel to the thin film in the STM chamber 1. Perform fine processing. Next, in the film forming chamber 2, another thin film is formed on the finely processed thin film. By repeating this operation, the two-dimensional artificial lattice film structure of FIG. 2B is formed.

【００２８】図２（ｃ）に示す三次元人工格子膜構造を
形成するには、微細加工を互いに平行な加工とこの加工
方向に直交する方向の微細加工とを施し、その他は上記
二次元人工格子膜構造の形成に準ずれば良い。なお、最
初に試料に微細加工を施し、次に成膜を施すようにして
も良い。In order to form the three-dimensional artificial lattice film structure shown in FIG. 2C, microfabrication is performed in parallel with each other and microfabrication in a direction orthogonal to the machining direction, and the other two-dimensional artificial lattices are used. It suffices to conform to the formation of the lattice film structure. Note that the sample may be first subjected to microfabrication and then subjected to film formation.

【００２９】成膜は、スパッタ、蒸着、ＭＢＥ、ＣＶＤ
（化学的気相成長）その他の公知の薄膜形成の手法によ
ることができる。前記の格子構造形成の手順について
は、後に図７、図８によって詳述する。The film is formed by sputtering, vapor deposition, MBE, CVD
(Chemical vapor deposition) Other known thin film forming techniques can be used. The procedure for forming the lattice structure will be described later in detail with reference to FIGS.

【００３０】図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は微
細加工の原理を説明するための概略図である。FIGS. 6A, 6B, 6C and 6D are schematic views for explaining the principle of fine processing.

【００３１】図６（ａ）は、電界蒸発によって薄膜に微
細な凹部（例えば溝）を形成する例を示す。ＳＴＭの探
針10の先端を薄膜11の表面に対して 0.1〜数nmの距離に
近付けてトンネル電流が流れるようにし、次いで探針10
の位置を固定し、探針10と試料12（薄膜11）との間に数
十msec〜数sec の時間幅で１〜20Ｖのパルス電圧44を印
加する。このような微小距離での電圧印加により、薄膜
11と探針10との間に 10⁷〜10⁸V／cmの極めて大きな電界
が加わることになり、これが電界蒸発と呼ばれる、薄膜
11からの原子放出現象を惹き起こす。FIG. 6A shows an example of forming fine recesses (eg, grooves) in a thin film by field evaporation. The tip of the STM probe 10 is brought closer to the surface of the thin film 11 by a distance of 0.1 to several nm so that a tunnel current flows, and then the probe 10
The position is fixed, and a pulse voltage 44 of 1 to 20 V is applied between the probe 10 and the sample 12 (thin film 11) with a time width of several tens of msec to several sec. By applying the voltage at such a minute distance, the thin film
An extremely large electric field of 10 ⁷ to 10 ⁸ V / cm is applied between the probe 11 and the probe 10, and this is called field evaporation.
It causes the phenomenon of atomic emission from 11.

【００３２】これにより、原子オーダの領域で薄膜の微
小部分が昇華し、表面に微細な凹部13が形成される。探
針を所定方向に走査させながら上記の電界蒸発を行う
と、所定方向に微小幅の溝が形成される。As a result, a minute portion of the thin film sublimes in the region of atomic order, and a minute recess 13 is formed on the surface. When the electric field evaporation is performed while scanning the probe in a predetermined direction, a groove having a minute width is formed in the predetermined direction.

【００３３】図６（ｂ）は、図６（ａ）におけると同様
にして探針10を構成する原子を電界蒸発させ、これを薄
膜11上に堆積させて微小凸部14を形成する要領を示して
いる。図６（ａ）のように凹部が形成されるか、或いは
同図（ｂ）のように凸部が形成されるかは、薄膜の探針
の材料及び加工条件に依存する。FIG. 6B shows a procedure for forming the minute convex portions 14 by electric field evaporation of the atoms forming the probe 10 and depositing them on the thin film 11 in the same manner as in FIG. 6A. Shows. Whether the concave portion is formed as shown in FIG. 6A or the convex portion is formed as shown in FIG. 6B depends on the material of the thin film probe and the processing conditions.

【００３４】図６（ｃ）は、ＳＴＭ室内を一旦超真空に
しておいてから、目的の反応ガスを所定の真空度になる
ように導入し、然る後、同図（ｂ）におけると同様の操
作によって反応ガス成分中の原子15を薄膜11上に析出さ
せ、凸部14を形成する要領を示している。In FIG. 6 (c), the STM chamber is once brought to an ultra-vacuum state, and then the reaction gas of interest is introduced so as to have a predetermined degree of vacuum, and thereafter, the same as in FIG. 6 (b). By this operation, atoms 15 in the reaction gas component are deposited on the thin film 11 to form the protrusions 14.

【００３５】図６（ｄ）は、上記した電気的な作用によ
るのではなく（即ち、探針10−薄膜11間にはパルス電圧
を印加しないで）、探針10の先端を薄膜11に突き刺し、
機械的に凹部を形成する要領を示す。探針10を薄膜11に
突き刺した状態で探針10を矢印のように走査させると、
この矢印の方向に溝16が形成されていく。即ち、図６
（ｄ）は、切削の機構によって凹部（溝）を形成する要
領を示している。In FIG. 6 (d), the tip of the probe 10 is pierced into the thin film 11 rather than by the above-mentioned electrical action (that is, no pulse voltage is applied between the probe 10 and the thin film 11). ,
A procedure for mechanically forming a recess is shown. When the probe 10 is scanned as shown by the arrow while the probe 10 is pierced into the thin film 11,
The groove 16 is formed in the direction of this arrow. That is, FIG.
(D) shows how to form a recess (groove) by a cutting mechanism.

【００３６】次に、図18、図19中のＳＴＭ室１の詳細に
ついて説明する。Next, details of the STM chamber 1 in FIGS. 18 and 19 will be described.

【００３７】図17は、ＳＴＭを利用した微細加工装置の
システムを示す概略図である。この装置は、図18、図19
のＳＴＭ室１に設置されている。FIG. 17 is a schematic diagram showing a system of a microfabrication apparatus using STM. This device is
It is installed in STM room 1.

【００３８】試料ステージ21上に試料12が水平に載置さ
れる。そして、試料12の薄膜11の表面に、ピエゾ素子23
に固定された探針10が垂直に位置している。試料ステー
ジ21は、互いに直交する水平のＸ方向、Ｙ方向に移動可
能にしてあり、試料12のＸ方向、Ｙ方向の位置決めを行
うには、夫々レーザ測長機22Ｘ、22Ｙによる計測結果を
マイクロコンピュータ29に入力し、マイクロコンピュー
タ29によって駆動手段（図示省略）を制御して駆動させ
る。The sample 12 is horizontally placed on the sample stage 21. Then, on the surface of the thin film 11 of the sample 12, the piezoelectric element 23
The probe 10 fixed to is positioned vertically. The sample stage 21 is movable in horizontal X and Y directions which are orthogonal to each other, and in order to position the sample 12 in the X and Y directions, the measurement results obtained by the laser length measuring machines 22X and 22Y are microscopically measured. The data is input to the computer 29, and the microcomputer 29 controls and drives a driving means (not shown).

【００３９】試料12に対する探針10の精密な位置決め
は、ほぼ円筒形のピエゾ素子23により、次のようにして
なされる。The precise positioning of the probe 10 with respect to the sample 12 is performed by the substantially cylindrical piezo element 23 as follows.

【００４０】ピエゾ素子23のＸ方向の内周端及び外周端
はＸ方向走査回路25に接続し、同Ｙ方向の内周端及び外
周端はＹ方向走査回路26に接続し、同Ｚ方向（鉛直方
向）の上下端はＺ方向駆動・サーボ回路27に接続してい
る。ピエゾ素子23のＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の各回路へ
の接続端は、対称位置に夫々２組づつ設けているが、図
３では一方の１組のみ示し、他方の１組は図示省略して
ある。The X-direction inner peripheral edge and outer peripheral edge of the piezo element 23 are connected to the X-direction scanning circuit 25, and the Y-direction inner peripheral edge and outer peripheral edge thereof are connected to the Y-direction scanning circuit 26. The upper and lower ends (in the vertical direction) are connected to the Z-direction drive / servo circuit 27. Two pairs of connecting ends of the piezo element 23 to each circuit in the X direction, Y direction, and Z direction are provided at symmetrical positions, but only one set is shown in FIG. 3 and the other one set is not shown. I am doing it.

【００４１】Ｘ方向走査回路25、Ｙ方向走査回路26及び
Ｚ方向駆動・サーボ回路27はマイクロコンピュータ29に
接続している。マイクロコンピュータ29はフィードバッ
ク回路28を介してＸ方向走査回路25、Ｙ方向走査回路2
6、Ｚ方向駆動・サーボ回路27に接続している。探針10
と薄膜11とにトンネル電流電源24を接続し、トンネル電
流電源24はマイクロコンピュータ29に接続している。The X-direction scanning circuit 25, the Y-direction scanning circuit 26 and the Z-direction driving / servo circuit 27 are connected to a microcomputer 29. The microcomputer 29 uses an X-direction scanning circuit 25 and a Y-direction scanning circuit 2 via a feedback circuit 28.
6. Connected to Z direction drive / servo circuit 27. Probe 10
A tunnel current power supply 24 is connected to the thin film 11 and the tunnel current power supply 24 is connected to a microcomputer 29.

【００４２】そして、マイクロコンピュータ29には陰極
線管（ＣＲＴ）30Ａ及びプリンタ30Ｂを接続し、ＳＴＭ
による薄膜11の表面状態を観察してこれを記録できるよ
うになっている。上記表面状態は、前述したように、Ｓ
ＴＭによってnmの原子オーダの解像度を以て観察でき
る。先ず、ＣＲＴ30Ａを監視しながら、ピエゾ素子23に
対し、マイクロコンピュータ29の作動により、Ｘ方向走
査回路25及びＹ方向走査回路26からピエゾ素子23に電圧
を印加し、ピエゾ素子23のＸ方向及びＹ方向の寸法を制
御し、探針10を薄膜11の所望の位置直上に正確に位置さ
せる。A cathode ray tube (CRT) 30A and a printer 30B are connected to the microcomputer 29, and the STM
The surface state of the thin film 11 can be observed and recorded. As described above, the surface condition is S
It can be observed by TM with a resolution of atomic order of nm. First, while monitoring the CRT 30A, a voltage is applied to the piezo element 23 from the X-direction scanning circuit 25 and the Y-direction scanning circuit 26 to the piezo element 23 by the operation of the microcomputer 29, and the piezo element 23 in the X direction and Y direction. The size of the direction is controlled to accurately position the probe 10 just above the desired position of the thin film 11.

【００４３】図６（ａ）の微細加工を例に挙げると、上
記以降の手順は次の通りである。Taking the fine processing of FIG. 6A as an example, the procedure after the above is as follows.

【００４４】探針10のＸ方向、Ｙ方向の位置を所定の一
点に止め、次いでＺ方向駆動・サーボ回路27による電圧
印加によってピエゾ素子23のＺ方向の寸法を変化させ、
探針10の先端を薄膜11に対して 0.1〜数十nmの距離に近
付け、トンネル電流が流れるようにする。次いで、フィ
ードバック回路28内のＺ方向駆動・サーボ回路27に接続
するフィードバック回路部分をＯＦＦして探針10先端の
位置を固定する。The position of the probe 10 in the X and Y directions is stopped at a predetermined point, and then the Z direction of the piezo element 23 is changed by the voltage application by the Z direction drive / servo circuit 27.
The tip of the probe 10 is brought closer to the thin film 11 at a distance of 0.1 to several tens nm so that a tunnel current flows. Next, the feedback circuit portion connected to the Z-direction drive / servo circuit 27 in the feedback circuit 28 is turned off to fix the position of the tip of the probe 10.

【００４５】次に、探針10と薄膜11との間に接続された
パルス電源44から探針10と薄膜11との間に、数十nsec〜
数sec の時間幅を以て１〜20Ｖのパルス電圧を印加す
る。このとき、Ｚ方向のフィードバック回路28をＯＦＦ
しているので、パルス電圧印加中は探針先端と薄膜表面
との距離は変化しない。そして前述したように、探針先
端と薄膜表面との間に大きな電界を発生させ、これによ
って惹き起こされる電界蒸発により、薄膜11の極めて狭
い領域に凹部（図６（ａ）の凹部13）を形成させる。Next, from the pulse power source 44 connected between the probe 10 and the thin film 11 to between the probe 10 and the thin film 11 several tens of nsec.
A pulse voltage of 1 to 20 V is applied with a time width of several seconds. At this time, the Z-direction feedback circuit 28 is turned off.
Therefore, the distance between the tip of the probe and the surface of the thin film does not change during application of the pulse voltage. Then, as described above, a large electric field is generated between the tip of the probe and the surface of the thin film, and the electric field evaporation caused by this causes a concave portion (the concave portion 13 in FIG. 6A) to be formed in an extremely narrow region of the thin film 11. Let it form.

【００４６】前記のように、探針10と薄膜11の表面との
距離を常に一定に保った儘、そしてこのように一定に保
っていることを電気的にＺ方向のフィードバックを切る
ことで確認することにより、所望の時間だけ大きな電界
を探針先端のみに、或いは探針の先に位置する薄膜表面
の極めて限られた領域のみに確実に加えることができ
る。以上の理由から、パルス印加時にはＺ方向のフィー
ドバックを切るのが望ましい。但し、一定の条件では、
Ｚ方向のフィードバックを切った状態でトンネル電流は
流れていても良いが、あえて流す必要はない。As described above, the distance between the probe 10 and the surface of the thin film 11 is always kept constant, and it is confirmed by electrically turning off the feedback in the Z direction that the distance is kept constant. By doing so, a large electric field for a desired time can be surely applied only to the tip of the probe, or only to a very limited region of the thin film surface located at the tip of the probe. For the above reasons, it is desirable to turn off feedback in the Z direction when applying a pulse. However, under certain conditions,
The tunnel current may flow with the feedback in the Z direction turned off, but it is not necessary to flow it.

【００４７】パルス電圧の印加後、すぐにピエゾ素子23
のＺ方向のフィードバックを回復させ、再びトンネル電
流により探針をコントロールできるようにする。次に微
細加工を行ないたい場所にＸ、Ｙ方向のピエゾ素子をコ
ントロールして移動させ、上述と同様にしてパルス印加
する。これらは総て、コンピュータでコントロールが可
能であり、従って任意の間隔で、或いは任意の形になる
ように、加工ができる。例えば、線状に加工を施したい
場合には、間隔を非常に小さくすればよい。Immediately after applying the pulse voltage, the piezo element 23
It recovers the feedback in the Z direction and enables the probe to be controlled by the tunnel current again. Next, the piezo elements in the X and Y directions are controlled and moved to a place where fine processing is desired, and pulses are applied in the same manner as described above. All of these are computer controllable and thus can be manipulated at any interval or in any shape. For example, when it is desired to perform linear processing, the interval may be made very small.

【００４８】平面加工が終了したら、成膜部に移動し
て、下地材料或いは保護膜を作製する。これを繰り返す
ことにより、三次元的な素子を創製することが可能とな
る。これらは高真空下で行われるため、酸化し易い元素
も全く懸念することなしに取り扱うことができる。After the flattening process is completed, the substrate is moved to the film forming section to prepare the base material or the protective film. By repeating this, it becomes possible to create a three-dimensional element. Since these are performed under a high vacuum, an element that easily oxidizes can be handled without any concern.

【００４９】前記凹部13を連続的に形成して所望の方向
に線状の溝を形成することができる。その一つの方法
は、Ｘ方向走査回路25及びＹ方向走査回路26のいずれか
一方又は双方を駆動し、探針10を前記の所望の方向に走
査させながら前記の操作を繰り返し行う。即ち、パルス
電圧を印加後、直ちにピエゾ素子のＺ方向のフィードバ
ックを回復させ、再びトンネル電流によりピエゾ素子を
制御できるようにする。次いでＸ方向及びＹ方向にピエ
ゾ素子を制御して探針を微小距離だけ移動させ、前記と
同様にしてＺ方向のフィードバックを切っておいてパル
ス印加する。The recess 13 can be continuously formed to form a linear groove in a desired direction. One method is to drive one or both of the X-direction scanning circuit 25 and the Y-direction scanning circuit 26 to repeat the above operation while scanning the probe 10 in the desired direction. That is, the Z-direction feedback of the piezo element is immediately recovered after the pulse voltage is applied, and the piezo element can be controlled by the tunnel current again. Then, the piezo element is controlled in the X direction and the Y direction to move the probe by a minute distance, and in the same manner as described above, feedback in the Z direction is cut off and pulse application is performed.

【００５０】他の一つの方法は、ピエゾ素子のＺ方向の
フィードバックを切らないで、パルス電圧を微小なパル
ス幅で次々と印加しながらＸ方向及び／又はＹ方向にピ
エゾ素子を制御して探針を移動させ、前記の所望の方向
に溝を形成する。Another method is to control the piezo element in the X direction and / or the Y direction while sequentially applying pulse voltage with a minute pulse width without turning off the feedback in the Z direction of the piezo element. The needle is moved to form the groove in the desired direction.

【００５１】前記のドット状凹部の形成や線状溝の形成
は、いずれもトンネル電流を流しながらＣＲＴ30Ａで薄
膜表面状態をモニタして遂行できる。このようにするこ
とにより、正確なパターンで複数の凹部や線状溝を形成
することができる。また、図17の微細加工装置は、非加
工時にはＳＴＭとして使用できる。The formation of the above-mentioned dot-shaped concave portions and the formation of linear grooves can be performed by monitoring the surface state of the thin film with the CRT 30A while passing a tunnel current. By doing so, it is possible to form a plurality of recesses and linear grooves in an accurate pattern. Further, the fine processing apparatus of FIG. 17 can be used as an STM when not processing.

【００５２】図６（ｂ）のように探針から原子を電界蒸
発させてこれを薄膜11上に堆積させ、凸部14を形成する
場合も、前記の凹部形成と同様にして行う。As shown in FIG. 6B, when the atoms are field-evaporated from the probe to deposit them on the thin film 11 to form the protrusions 14, the formation of the recesses is also performed.

【００５３】図６（ｃ）のように反応ガスからこのガス
成分中の原子15を薄膜11上に析出させて凸部を形成する
には、一旦ＳＴＭ室内を超真空にした状態から、目的の
ガスを所望の真空度になる迄導入し、その中で行うが、
基本的な原理は前記の電界蒸発で述べた方法と同じで、
探針と基板間へのパルス状の電圧印加によりなし得る。As shown in FIG. 6C, in order to deposit the atoms 15 in this gas component from the reaction gas on the thin film 11 to form the convex portion, once the STM chamber is in the ultra-vacuum state, The gas is introduced until the desired vacuum degree is reached, and the process is carried out in the gas.
The basic principle is the same as the method described in the field evaporation above,
This can be done by applying a pulsed voltage between the probe and the substrate.

【００５４】図６（ｄ）のように探針10を薄膜11に突き
刺して溝16や凹部を形成する場合は、Ｚ方向にピエゾ素
子をコントロールして探針10を薄膜11に近付け、更にそ
の先端を埋め込ませる深さはピエゾ素子に加える電圧を
コントロールすれば容易かつ任意に設定することが出来
る。凹部の場合にはその形成後に、探針10を上昇させれ
ばよく、また、線状溝にする場合には、探針10を埋め込
ませた状態でＸ及び／又はＹ方向にピエゾ素子のコント
ロールにより移動させて加工を行う。When the probe 10 is pierced into the thin film 11 to form the groove 16 or the recess as shown in FIG. 6D, the piezo element is controlled in the Z direction to bring the probe 10 closer to the thin film 11, and The depth at which the tip is embedded can be easily and arbitrarily set by controlling the voltage applied to the piezo element. In the case of a concave portion, the probe 10 may be raised after its formation, and in the case of forming a linear groove, the piezoelectric element can be controlled in the X and / or Y direction with the probe 10 embedded. To move and process.

【００５５】以上のようにして、平面的な加工は、ドッ
ト状、線状等の任意のパターンで行え、その大きさもnm
の原子オーダからμｍオーダ迄自由に作製可能である。As described above, the planar processing can be performed in an arbitrary pattern such as a dot shape or a linear shape, and the size thereof is nm.
It is possible to freely manufacture from the atomic order to the μm order.

【００５６】次に、上記の如き微細加工の具体例につい
て説明する。Next, a specific example of the fine processing as described above will be described.

【００５７】例１ 市販のＳＴＭ装置を使用し、高配向焼結グラファイト
（ＨＯＰＧ）基板の表面に対し、直径 250μｍ、長さ８
mmで先端を電解研磨法により鋭角に尖らせたニッケルの
探針を用いて探針−基板間にバイアス電圧 100mV、トン
ネル電流１nAで２nm×２nmの正方形領域を走査した。か
くして得られた立体像を図９に示す。図９には黒鉛の原
子像が観察され、各六角形の頂点が炭素原子に相当す
る。 Example 1 Using a commercially available STM device, a diameter of 250 μm and a length of 8 were measured with respect to the surface of a highly oriented sintered graphite (HOPG) substrate.
A 2 nm × 2 nm square area was scanned between the probe and the substrate with a bias voltage of 100 mV and a tunnel current of 1 nA using a nickel probe whose tip was sharpened by an electropolishing method in mm. The three-dimensional image thus obtained is shown in FIG. In FIG. 9, an atomic image of graphite is observed, and the vertices of each hexagon correspond to carbon atoms.

【００５８】次に、走査領域を 0.1nm×0.１nmとし、探
針をＸ、Ｙ方向の一点に固定した状態でＺ方向のフィー
ドバック回路を切り、基板と探針との間に 2.8Ｖ（基板
側をプラス）、パルス幅20msecのパルス電圧を印加し
た。このパルス電圧印加終了直後にＺ方向のフィードバ
ック回路を回復（オン）させ、パルス電圧印加箇所を中
心として50nm×50nmのスキャンサイズで基板表面をＳＴ
Ｍ観察した。観察された像を図10に示す。Next, the scanning area is set to 0.1 nm × 0.1 nm, the Z direction feedback circuit is cut off while the probe is fixed at one point in the X and Y directions, and 2.8 V ( A pulse voltage with a pulse width of 20 msec was applied. Immediately after this pulse voltage application is completed, the Z-direction feedback circuit is restored (turned on), and the substrate surface is scanned with a scan size of 50 nm × 50 nm centering on the pulse voltage application location.
M was observed. The observed image is shown in FIG.

【００５９】図10には、直径６nm、高さ0.5nm の円錐形
のニッケル付着が観測された。これは、ニッケル探針の
先端から電界蒸発によってニッケル原子が飛び出して基
板に付着、堆積したものである。このように、ＳＴＭ装
置を用いて磁性元素の微小ドットの形成が可能である。In FIG. 10, a conical nickel deposit having a diameter of 6 nm and a height of 0.5 nm was observed. In this case, nickel atoms are ejected from the tip of the nickel probe by electric field evaporation and adhered to and deposited on the substrate. In this way, it is possible to form fine dots of a magnetic element using the STM device.

【００６０】図11は図10以外の３ヵ所に上記と同様の加
工を施した結果を示すＳＴＭ像である。図10の微小ドッ
ト（位置Ａで示す）形成の後、ニッケル探針を約15nm離
れたＢ点迄移動し、再び上記と同様にして探針−基板間
に３Ｖ、20msec幅のパルス電圧を印加した。図10の場合
より、電圧が高いことを反映して、直径10nm、高さ１nm
と、形成された堆積ドットが大きくなった。図10のＣ、
Ｄは、夫々 2.5Ｖ、20msec幅、及び 2.5Ｖ、１msec幅の
条件で作製したニッケルのドットを示す。後者の場合は
直径３nm、高さ 0.2nmの極めて微小なニッケルの堆積ド
ットが形成された。FIG. 11 is an STM image showing the result of processing similar to the above at three places other than FIG. After forming the minute dots (shown at position A) in FIG. 10, move the nickel probe to point B, which is about 15 nm away, and apply a pulse voltage of 3 V, 20 msec width between the probe and the substrate again in the same manner as above. did. Reflecting the higher voltage than in the case of Fig. 10, diameter 10 nm, height 1 nm
Then, the deposited dots formed became larger. C in FIG.
D shows nickel dots produced under the conditions of 2.5 V, 20 msec width, and 2.5 V, 1 msec width, respectively. In the latter case, extremely fine nickel deposition dots having a diameter of 3 nm and a height of 0.2 nm were formed.

【００６１】また、ドットＡとＤとはピーク間隔で約４
nm離れているが、充分にそれらのドットは分離されてお
り、この結果は高い密度で磁性のドットを形成出来るこ
とを示している。また、この結果は線状の加工を行う場
合には、ピーク間隔を４nm以下にして行えばよいことも
示唆している。The dots A and D have a peak interval of about 4
Although they are separated by nm, the dots are well separated, and this result shows that magnetic dots can be formed with high density. Further, this result also suggests that the peak interval may be set to 4 nm or less when performing linear processing.

【００６２】ニッケル探針とグラファィト基板の組み合
わせの場合に上記の現象が起こる条件は、電圧 2.4Ｖ以
上、パルス幅 100μsec 以上であった。また、電圧が５
Ｖ、パルス幅が５sec を越えると、再現性に劣る場合が
あり、これ以下が好ましい。以上のように、ＳＴＭによ
る微細加工技術を応用して、磁性の微小ドットを形成す
ることが可能である。In the case of the combination of the nickel probe and the graphit substrate, the above-mentioned phenomenon occurs under the condition that the voltage is 2.4 V or more and the pulse width is 100 μsec or more. Also, the voltage is 5
When V and the pulse width exceed 5 sec, the reproducibility may be deteriorated, and a value less than this is preferable. As described above, it is possible to form the magnetic fine dots by applying the fine processing technique by the STM.

【００６３】例２ スパッタ装置によってガラス基板上に成膜したコバルト
薄膜（膜厚200nm)を用い、前記と同様な形状のタングス
テンの探針を用いて、前記と同じＳＴＭ装置により、そ
の表面構造を観測した。図12はその結果を示す像であ
り、10〜50nmの直径を持つ島状結晶が観察された。図13
は探針とコバルト薄膜間に 3.5Ｖ、パルス幅 500μsec
のパルス電圧を加えた後、その表面を観測した像であ
る。この場合は、直径約８nm、深さ５nmの略円筒形の穴
が形成された。この穴は経時変化なく、安定に存在し
た。この現象も電界蒸発によるものであり、この場合に
は基板上の薄膜からコバルト原子が蒸発して穴が形成さ
れたものである。 Example 2 A cobalt thin film (film thickness 200 nm) formed on a glass substrate by a sputtering apparatus was used, and a tungsten probe having the same shape as described above was used. Observed. FIG. 12 is an image showing the result, and island crystals having a diameter of 10 to 50 nm were observed. Figure 13
Is 3.5V between the probe and cobalt thin film, pulse width 500μsec
This is an image of the surface observed after applying the pulse voltage of. In this case, a substantially cylindrical hole having a diameter of about 8 nm and a depth of 5 nm was formed. These holes did not change with time and existed stably. This phenomenon is also due to electric field evaporation, and in this case, the holes are formed by evaporation of cobalt atoms from the thin film on the substrate.

【００６４】また、探針10を金(Au)やニッケル(Ni)にす
ると前記と同じ様な探針からの電界蒸発の現象が観測さ
れた。これを図14に模式的に示す。このように、コバル
ト(Co)等の磁性薄膜11上に他の金属元素や磁性元素で構
成される微小堆積物14も形成することが出来る。また、
一旦穴11ａを開けておき、次に別の探針に変えてその穴
の部分に他の原子14を埋めることも可能である。これを
図15に模式的に示す。更に、これらを周期的に形成する
ことは容易である。When the probe 10 was made of gold (Au) or nickel (Ni), the same phenomenon of electric field evaporation from the probe was observed. This is schematically shown in FIG. In this way, the micro-deposit 14 composed of another metal element or magnetic element can also be formed on the magnetic thin film 11 of cobalt (Co) or the like. Also,
It is also possible to open the hole 11a once and then change to another probe to fill the other atom 14 in the hole portion. This is schematically shown in FIG. Furthermore, it is easy to form them periodically.

【００６５】以上のように、基板材料や下地（薄膜）材
料及び探針材料の選択の組み合わせにより、原理的には
全ての材料（但し、導電性は必要）で上記の方法によ
り、平面的な任意の微小構造物を形成出来る。As described above, in principle, all materials (however, conductivity is required) can be planarized by the above method by the combination of selection of the substrate material, the base (thin film) material and the probe material. Any microstructure can be formed.

【００６６】前記と同様のＳＴＭ装置を用い、被加工物
にスパッタ法で成膜したニッケル薄膜を、探針にはタン
グステンの探針を用いた。そして、先ず図16のＡ点に探
針を固定しておいてその先端を膜中に10nm侵入させたと
ころ、図示したような穴が形成された。次に探針をＢ点
に移動させ、同様して穴を形成した。これらの穴は経時
変化がなく、安定に存在した。Using the same STM apparatus as described above, a nickel thin film formed by a sputtering method was used for the work piece, and a tungsten probe was used as the probe. Then, first, when the probe was fixed at point A in FIG. 16 and the tip of the probe was allowed to penetrate into the film by 10 nm, a hole as shown was formed. Next, the probe was moved to point B, and a hole was formed in the same manner. These holes did not change with time and existed stably.

【００６７】図９〜図16の例はいずれもドット状の加工
を行う例であるが、Ｘ、Ｙ方向の探針制御により、連続
した線条状の加工ができることは言う迄もない。Although all of the examples shown in FIGS. 9 to 16 are examples of performing dot-shaped processing, it goes without saying that continuous linear processing can be performed by controlling the probe in the X and Y directions.

【００６８】次に、上記した例１、例２等の加工法を応
用して、図２（ｂ）、（ｃ）に示した二次元、三次元人
工格子膜構造を作製する手順について説明する。Next, the procedure for producing the two-dimensional and three-dimensional artificial lattice film structures shown in FIGS. 2B and 2C by applying the processing methods of Examples 1 and 2 described above will be described. .

【００６９】図７は図２（ｂ）の二次元人工膜構造を形
成する手順を示す概略図である。FIG. 7 is a schematic view showing the procedure for forming the two-dimensional artificial membrane structure of FIG. 2 (b).

【００７０】先ず、図７（ａ）に示すように、基板（例
えばガラスやプラスチックの基板）31上に、前述した成
膜室で例えばコバルトの薄膜32を直流スパッタ（投入パ
ワー： 0.2〜１Ａ、 300Ｖ）により形成する。First, as shown in FIG. 7A, a thin film 32 of cobalt, for example, is DC sputtered (input power: 0.2-1 A, 300 V).

【００７１】次に、図７（ｂ）に示すように、コバルト
薄膜32に、前述したＳＴＭ室で図６（ａ）の電界蒸発
（又は図６（ｄ）の探針による切削）によって複数の溝
33を互いに平行に形成する。Next, as shown in FIG. 7B, a plurality of thin cobalt films 32 are formed by the field evaporation shown in FIG. 6A (or cutting by the probe shown in FIG. 6D) in the STM chamber described above. groove
Form 33 parallel to each other.

【００７２】次に、その上に図７（ｃ）に示すように、
前述した成膜室で例えば白金の薄膜35を直流スパッタ
（投入パワー： 0.2〜１Ａ、 300Ｖ）或いは高周波スパ
ッタ（投入パワー： 200〜500 Ｗ）によって形成する。
この成膜で、図７（ｂ）の溝33は白金によって充填さ
れ、白金膜35が全面に堆積する。Next, as shown in FIG. 7 (c),
In the film forming chamber described above, for example, a platinum thin film 35 is formed by DC sputtering (input power: 0.2 to 1 A, 300 V) or high frequency sputtering (input power: 200 to 500 W).
By this film formation, the groove 33 in FIG. 7B is filled with platinum, and the platinum film 35 is deposited on the entire surface.

【００７３】次に、更にその上に図７（ｄ）に示すよう
に、コバルトの薄膜32を前記と同様に形成し、次いで同
図（ｂ）の工程と同様にして複数の溝33を形成し、同図
（ｅ）のようにする。Next, as shown in FIG. 7D, a cobalt thin film 32 is formed thereon, and then a plurality of grooves 33 are formed in the same manner as in the step of FIG. 7B. Then, as shown in FIG.

【００７４】上記の各工程を順次繰り返すことにより、
図２（ｂ）に示した二次元人工格子膜構造が作製され
る。By sequentially repeating the above steps,
The two-dimensional artificial lattice film structure shown in FIG. 2B is produced.

【００７５】図８は、図２（ｃ）の三次元人工格子膜構
造を形成する手順を示す概略図である。FIG. 8 is a schematic view showing a procedure for forming the three-dimensional artificial lattice film structure of FIG. 2 (c).

【００７６】図７（ａ）の工程を経てから同図（ｂ）の
工程において、図８（ａ）に示すように、前記と同様に
して複数の溝33を互いに平行に形成すると共に、溝33に
交差する方向に複数の溝34を互いに平行に形成する。In the step of FIG. 7B after the step of FIG. 7A, as shown in FIG. 8A, a plurality of grooves 33 are formed in parallel with each other in the same manner as described above, and A plurality of grooves 34 are formed parallel to each other in a direction intersecting with 33.

【００７７】次に、その上に図８（ｂ）に示すように、
例えば白金の薄膜35を直流スパッタ（投入パワー： 0.2
〜１Ａ、 300Ｖ）或いは高周波スパッタ（投入パワー：
200〜500 Ｗ）によって形成する。この成膜で、図８
（ａ）の溝33、34は白金によって充填される。Next, as shown in FIG. 8 (b),
For example, a platinum thin film 35 is DC sputtered (input power: 0.2
~ 1A, 300V) or high frequency sputtering (input power:
200-500 W). With this film formation,
The grooves 33, 34 in (a) are filled with platinum.

【００７８】次に、更にその上に図８（ｃ）に示すよう
に、コバルトの薄膜32を前記のように形成し、次いで同
図（ａ）の工程と同様にして複数の溝33を形成し、同図
（ｄ）のようにする。Next, as shown in FIG. 8C, a cobalt thin film 32 is further formed thereon as described above, and then a plurality of grooves 33 are formed in the same manner as in the step of FIG. 8A. Then, as shown in FIG.

【００７９】上記の各工程を順次繰り返すことにより、
図２（ｃ）に示した三次元人工格子膜構造が作製され
る。By sequentially repeating the above steps,
The three-dimensional artificial lattice film structure shown in FIG. 2C is produced.

【００８０】図７、図８において、一旦全面に成膜して
から溝を形成する工程（図７の（ａ）→（ｂ）及び
（ｄ）→（ｅ）並びに図の７（ａ）→図８の（ａ）、図
８の（ｃ）→（ｄ））に替えて、図６（ｂ）、（ｃ）の
電界蒸発又は反応ガスからの析出の方法によって線条状
又は格子縞状の凸部又は溝を形成するようにもできる。7 and 8, a step of forming a film on the entire surface and then forming a groove ((a) → (b) and (d) → (e) of FIG. 7 and (a) → of FIG. 7] 8 (a) and FIG. 8 (c) → (d)), a striped or lattice-striped pattern is formed according to the method of field evaporation or deposition from the reaction gas of FIGS. 6 (b) and (c). It is also possible to form protrusions or grooves.

【００８１】以上、本発明の実施例を説明したが、本発
明の技術的思想に基いて前記の実施例に例えば次のよう
な種々の変形を加えることができる。Although the embodiments of the present invention have been described above, the following various modifications can be added to the above embodiments based on the technical idea of the present invention.

【００８２】図６に示した微細加工は、一本の探針を用
いてるが、図20に示すように探針を複数設けることがで
きる。The fine processing shown in FIG. 6 uses one probe, but a plurality of probes can be provided as shown in FIG.

【００８３】図20（ａ）では、複数の探針10を１列に
（この例ではＸ方向に）相互間の位置を固定して設けて
いる。この例では、各探針10をＹ方向に走査させながら
加工を行うことにより、互いに平行な複数の線条状溝33
を同時に形成することができる。これは、図７（ｂ）の
工程にも適用可能である。In FIG. 20 (a), a plurality of probes 10 are provided in one row (in this example, in the X direction) with their positions fixed. In this example, processing is performed while scanning each probe 10 in the Y direction, so that a plurality of parallel linear grooves 33 are formed.
Can be formed simultaneously. This can also be applied to the process of FIG.

【００８４】図20（ｂ）では、複数の探針10を同一間隔
でＸ、Ｙ方向に相互間の位置を固定してマトリックス状
に配置している。この例では、各探針10を探針ピッチの
寸法だけＸ方向とＹ方向とに２回に別けて走査するだけ
で、図１（ｂ）や図８（ａ）に示した多数のドット状凸
部32ｂを一挙に形成することができる。In FIG. 20 (b), a plurality of probes 10 are arranged in a matrix at fixed intervals in the X and Y directions at the same intervals. In this example, by scanning each probe 10 separately in two times in the X direction and the Y direction by the size of the probe pitch, a large number of dot shapes shown in FIGS. 1B and 8A are obtained. The convex portion 32b can be formed all at once.

【００８５】図18、図19の装置では、成膜室を１個設け
ており、このような装置では複数種の蒸着源やターゲッ
トを配し、これらを選択的に用いて互いに異なる材料で
複数種の成膜を行うことが可能である。然し、異なる種
類の成膜方法で２種類の薄膜を形成することはできな
い。図21は、これを可能とした装置の概略平面図であ
る。The apparatus shown in FIGS. 18 and 19 is provided with one film forming chamber. In such an apparatus, a plurality of kinds of vapor deposition sources and targets are arranged, and these are selectively used to make a plurality of materials different from each other. It is possible to deposit a seed. However, two kinds of thin films cannot be formed by different kinds of film forming methods. FIG. 21 is a schematic plan view of a device that enables this.

【００８６】図21の装置では、２個の成膜室２Ａ、２Ｂ
（例えば、一方は蒸着室、他方はスパッタ室）を設ける
と共に、中央分配室52を設けている。中央分配室52の両
側にはこれに連通するＳＴＭ室１及び第二の成膜室２Ｂ
が配設されている。ＳＴＭ室１、中央分配室52及び第二
の成膜室２Ｂを結ぶ線に交差する方向に、中央分配室52
の両側にこれに連通する試料交換室３及び第一の成膜室
２Ａが配設されている。図中、４Ｄ、４Ｅはゲートバル
ブである。その他は図19の装置におけると同様である。In the apparatus shown in FIG. 21, two film forming chambers 2A and 2B are provided.
(For example, one is a vapor deposition chamber, the other is a sputtering chamber) and a central distribution chamber 52 is provided. The STM chamber 1 and the second film forming chamber 2B communicating with the central distribution chamber 52 are provided on both sides of the central distribution chamber 52.
Is provided. In the direction intersecting the line connecting the STM chamber 1, the central distribution chamber 52 and the second film forming chamber 2B, the central distribution chamber 52
A sample exchange chamber 3 and a first film forming chamber 2A communicating with the sample exchange chamber 3 are provided on both sides of the chamber. In the figure, 4D and 4E are gate valves. Others are the same as in the device of FIG.

【００８７】図19の装置では、薄膜を２層以上形成する
には、試料は成膜室２とＳＴＭ室１との間を往復する。
図21の装置では、試料は、先ず試料交換室３から中央分
配室52に入り、次に第一の成膜室２Ａに入って第一の薄
膜が形成される。次に試料は、中央分配室52に戻ってか
らＳＴＭ室１に送られ、加工が施される。加工が終了し
た試料は再び中央分配室52に戻り、次いで第二の成膜室
２Ｂに入っ第二の薄膜が形成される。In the apparatus of FIG. 19, in order to form two or more thin films, the sample reciprocates between the film forming chamber 2 and the STM chamber 1.
In the apparatus of FIG. 21, the sample first enters the sample exchange chamber 3 into the central distribution chamber 52 and then into the first film forming chamber 2A to form a first thin film. The sample then returns to the central distribution chamber 52 before being sent to the STM chamber 1 for processing. The processed sample returns to the central distribution chamber 52 again, and then enters the second film forming chamber 2B to form a second thin film.

【００８８】このようにして第一の薄膜形成、微細加工
及び第二の薄膜形成の工程を繰り返すのであるが、第
一、第二の成膜室２Ａ、２Ｂでは、共通の成膜装置を使
用できない異種の成膜方法（例えば蒸着とＭＢＥ）によ
って異種の第一、第二の薄膜を形成するようにできる。
成膜室を３個以上とすることができることは言う迄もな
い。In this way, the steps of forming the first thin film, fine processing and forming the second thin film are repeated. In the first and second film forming chambers 2A and 2B, a common film forming apparatus is used. It is possible to form different first and second thin films by different kinds of film forming methods (for example, vapor deposition and MBE) which cannot be performed.
Needless to say, the number of film forming chambers can be three or more.

【００８９】以上の例は、いずれもハードディスクにつ
いての例であるが、本発明は、ハードディスク以外の磁
気記録媒体や、磁気記録媒体以外の磁性素子に対しても
適用可能である。例えば、磁性薄膜が表面に被着されて
なる磁気ヘッドコアに、ＳＴＭによる微細加工によって
上記磁性薄膜に超幅狭の磁気ギャップを形成することが
できる。また、上記の磁気ヘッドコアの磁気ギャップ面
に高透磁率材料の薄膜を被着させて磁気ヘッドの特性を
向上させることができる。The above examples are all examples of hard disks, but the present invention is also applicable to magnetic recording media other than hard disks and magnetic elements other than magnetic recording media. For example, in a magnetic head core having a magnetic thin film deposited on the surface thereof, a super narrow magnetic gap can be formed in the magnetic thin film by microfabrication by STM. In addition, the characteristics of the magnetic head can be improved by depositing a thin film of a high magnetic permeability material on the magnetic gap surface of the magnetic head core.

【００９０】更に、上述した成膜の材質やその成膜方法
も目的に応じて種々に変更してよい。また、加工パター
ンも種々であってよい。Further, the material of the above-mentioned film formation and the film formation method thereof may be variously changed according to the purpose. Further, the processing pattern may be various.

【００９１】[0091]

【発明の作用効果】本発明は、走査形トンネル顕微鏡の
探針による原子オーダでの微細処理で磁性体パターンを
形成しているので、この超微細な磁性体パターンの故
に、磁気記録や磁界発生を原子オーダの極めて狭い領域
で行うことができる。その結果、超高記録密度等の磁性
素子の飛躍的な特性向上とコンパクト化が可能である。According to the present invention, since the magnetic material pattern is formed by the fine processing on the atomic order by the probe of the scanning tunneling microscope, the magnetic recording and the magnetic field generation are caused by the ultrafine magnetic material pattern. Can be performed in an extremely narrow region of atomic order. As a result, it is possible to dramatically improve the characteristics of a magnetic element such as ultra-high recording density and make it compact.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図１】本発明の実施例による微細加工磁性体パターン
を例示する斜視図である。FIG. 1 is a perspective view illustrating a microfabricated magnetic material pattern according to an embodiment of the present invention.

【図２】同他の微細加工磁性パターンを例示する斜視図
である。FIG. 2 is a perspective view illustrating another microfabricated magnetic pattern.

【図３】保護膜を被着させた同微細加工磁性体パターン
を例示する斜視図である。FIG. 3 is a perspective view illustrating the same microfabricated magnetic material pattern having a protective film deposited thereon.

【図４】同磁性体パターンを有するハードディスクの斜
視図である。FIG. 4 is a perspective view of a hard disk having the same magnetic material pattern.

【図５】保護膜を被着させた同微細加工磁性体パターン
（図３とは異なる例）を例示する斜視図である。FIG. 5 is a perspective view illustrating the same microfabricated magnetic material pattern (an example different from FIG. 3) having a protective film deposited thereon.

【図６】同微細加工の原理を各種の例について説明する
ための概略図である。FIG. 6 is a schematic diagram for explaining various examples of the principle of the fine processing.

【図７】同微細加工された二次元人工格子膜構造を作製
する手順を示す概略斜視図である。FIG. 7 is a schematic perspective view showing a procedure for producing the microfabricated two-dimensional artificial lattice film structure.

【図８】同微細加工された三次元人工格子膜構造を作製
する手順を示す概略斜視図である。FIG. 8 is a schematic perspective view showing a procedure for producing the microfabricated three-dimensional artificial lattice film structure.

【図９】走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）による高配向
焼結グラファイト（ＨＯＧＰ）の表面の立体像である。FIG. 9 is a stereoscopic image of the surface of highly oriented sintered graphite (HOGP) by a scanning tunneling microscope (STM).

【図10】同微細加工による電界蒸発で微細堆積加工が施
されたＨＯＧＰの表面を示す、ＳＴＭによる立体像であ
る。FIG. 10 is a stereoscopic image by STM showing the surface of HOGP that has been subjected to fine deposition processing by electric field evaporation by the same fine processing.

【図11】同電界蒸発によって微細堆積加工が４箇所に施
されたＨＯＧＰの表面を示す、ＳＴＭによる立体像であ
る。FIG. 11 is a stereoscopic image by STM showing the surface of HOGP in which fine deposition processing is performed at four places by the same field evaporation.

【図12】コバルト薄膜表面のＳＴＭによる立体像であ
る。FIG. 12 is a stereoscopic image of the surface of a cobalt thin film by STM.

【図13】同電界蒸発によって微細穴加工が施されたコバ
ルト薄膜表面のＳＴＭによる立体像である。FIG. 13 is a three-dimensional image by STM of the surface of a cobalt thin film that has been subjected to fine hole processing by the same field evaporation.

【図14】同電界蒸発によって微細堆積加工が施された薄
膜を模式的に示す概略断面図である。FIG. 14 is a schematic cross-sectional view schematically showing a thin film that has been subjected to fine deposition processing by the same field evaporation.

【図15】薄膜表面に微細堆積加工が施され、この穴が電
界蒸発によって埋められた薄膜を模式的に示す概略断面
図である。FIG. 15 is a schematic cross-sectional view schematically showing a thin film in which the surface of the thin film is subjected to fine deposition processing and the holes are filled by field evaporation.

【図16】同ＳＴＭの探針侵入によって微細穴加工が施さ
れたニッケル薄膜表面のＳＴＭによる立体像である。FIG. 16 is a three-dimensional image by STM of the surface of the nickel thin film that has been subjected to fine hole processing by the probe penetration of the same STM.

【図17】同ＳＴＭ室内部の微細加工システムの概略図で
ある。FIG. 17 is a schematic view of a microfabrication system inside the STM chamber.

【図18】同ＳＴＭを有する薄膜形成装置全体の正面図で
ある。FIG. 18 is a front view of the entire thin film forming apparatus having the same STM.

【図19】同薄膜形成装置全体の概略平面図である。FIG. 19 is a schematic plan view of the entire thin film forming apparatus.

【図20】本発明の他の実施例による微細加工の原理を説
明するための概略図（同図（ａ）は断面斜視図、同図
（ｂ）は平面図）である。FIG. 20 is a schematic diagram for explaining the principle of microfabrication according to another embodiment of the present invention (FIG. 20A is a sectional perspective view and FIG. 20B is a plan view).

【図21】本発明の更に他の実施例による薄膜形成装置全
体の概略平面図である。FIG. 21 is a schematic plan view of the entire thin film forming apparatus according to still another embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１・・・ＳＴＭ室 ２、２Ａ、２Ｂ・・・成膜室 ３・・・試料交換室 ４、４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ、４Ｅ・・・ゲートバルブ ５Ａ、５Ｂ・・・試料搬送治具 ６、７・・・排気ポンプ 10・・・探針 11、32、35・・・薄膜 12、31・・・基板（試料） 13・・・凹部 14、15、17・・・堆積原子 16、33、34・・・溝 23・・・ピエゾ素子 24・・・トンネル電流電源 25・・・Ｘ方向走査回路 26・・・Ｙ方向走査回路 27・・・Ｚ方向駆動・サーボ回路 28・・・フィードバック回路 29・・・マイクロコンピュータ 30Ａ・・・陰極線管（ＣＲＴ） 30Ｂ・・・プリンタ 32ａ・・・凸条 32ｂ・・・ドット状凸部 44・・・パルス電源 1 ... STM chamber 2, 2A, 2B ... Film forming chamber 3 ... Sample exchange chamber 4, 4A, 4B, 4C, 4D, 4E ... Gate valve 5A, 5B ... Sample transport jig 6, 7 ... Exhaust pump 10 ... Probe 11, 32, 35 ... Thin film 12, 31 ... Substrate (sample) 13 ... Recesses 14, 15, 17 ... Deposited atoms 16, 33, 34 ... Groove 23 ... Piezo element 24 ... Tunnel current power supply 25 ... X-direction scanning circuit 26 ... Y-direction scanning circuit 27 ... Z-direction driving / servo circuit 28 ... Feedback circuit 29 ・ ・ ・ Microcomputer 30A ・ ・ ・ Cathode ray tube (CRT) 30B ・ ・ ・ Printer 32a ・ ・ ・ Projection 32b ・ ・ ・ Dot-shaped projection 44 ・ ・ ・ Pulse power supply

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｆ 41/14 // Ｇ１１Ｂ 9/00 9075−5Ｄ Ｈ０１Ｊ 37/28 Ｚ ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. ⁵ Identification code Internal reference number FI technical display location H01F 41/14 // G11B 9/00 9075-5D H01J 37/28 Z

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】 走査形トンネル顕微鏡の探針による原子
オーダでの微細処理で形成された磁性体パターンを有す
る磁性素子。1. A magnetic element having a magnetic material pattern formed by fine processing on the atomic order by a probe of a scanning tunneling microscope. 【請求項２】 磁性素子の磁性体層に対し、走査形トン
ネル顕微鏡の探針を用いて原子オーダでの微細処理を施
し、所定パターンの磁性体を形成する工程を有する、磁
性素子の製造方法。2. A method of manufacturing a magnetic element, which comprises a step of subjecting a magnetic layer of a magnetic element to fine processing in an atomic order using a probe of a scanning tunneling microscope to form a magnetic material having a predetermined pattern. . 【請求項３】 走査形トンネル顕微鏡の探針と磁性素子
の磁性体層との間隔を 0.1〜数十nmとし、前記探針と前
記磁性体層との間に１〜20Ｖの電圧を印加し、電界蒸発
によって微細処理を施す、請求項２に記載された方法。3. The distance between the probe of the scanning tunneling microscope and the magnetic layer of the magnetic element is 0.1 to several tens nm, and a voltage of 1 to 20 V is applied between the probe and the magnetic layer. The method according to claim 2, wherein the fine treatment is performed by field evaporation. 【請求項４】 磁性体層に走査形トンネル顕微鏡の探針
の先端を侵入させて微細処理施す、請求項２に記載され
た方法。4. The method according to claim 2, wherein the tip of a probe of a scanning tunneling microscope is penetrated into the magnetic layer to perform fine processing.