專利名稱：表面亞微米處理方法及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過使用掃描隧道顯微鏡的尖端在亞微米級上使表面變形的方法，在所述的掃描隧道顯微鏡中，使用一種使所述尖端以平行于所述表面的掃描方向移動的驅(qū)動裝置，根據(jù)在所述表面上欲加工的圖樣，在與所述表面平行的平面上所述尖端描繪路徑，在描繪所述路徑時，借助于把第一控制電壓加到尖端高度驅(qū)動件，將所述尖端保持在距離所述表面恒定距離的參照高度，所述電壓由負(fù)反饋控制回路供給，而該負(fù)反饋控制回路由所述尖端和所述表面間的隧道電流控制，所述隧道電流起因于加在所述表面與所述尖端間的恒定的隧道電壓。本發(fā)明還涉及執(zhí)行所述方法的設(shè)備，涉及記錄信息的方法，涉及記錄和讀出信息的裝置以及由所述方法和設(shè)備記錄的記錄介質(zhì)。
掃描隧道顯微鏡也可稱作STM，有段時期，它已成功地用于原子級的表面結(jié)構(gòu)的研究。該顯微鏡有一非常細(xì)的帶有極細(xì)尖端例如鎢制的觸針，該觸針裝在定位裝置上，該定位裝置由例如壓電驅(qū)動件控制，用此壓電驅(qū)動件可將尖端以三個相互垂直的方向非常精確地定位，其中兩個方向(X和Y方向)置于欲觀察表面平行的平面上，而第三方向(Z方向)與此平面垂直，這使得以例如0.01nm的精度給尖端定位成為可能。
Z或尖端高度驅(qū)動件為調(diào)整元件，利用此驅(qū)動件來調(diào)整尖端與表面之間的距離，可將此驅(qū)動件和觸針連接，以相對于表面移動尖端，或者和材料托架相連接，使該材料相對于尖端移動。
在掃描欲觀察導(dǎo)電表面期間，借助于Z方向的尖端驅(qū)動件維持尖端和該表面間的距離不變。該驅(qū)動件由負(fù)反饋回路控制。尖端和表面間距是如此之小，例如為0.5nm的數(shù)量級，使得當(dāng)將一給定電壓、即、所謂隧道電壓加在尖端和表面之間時，所謂隧道電流開始在這些元件之間流動。在伺服回路中，該隧道電流和基準(zhǔn)電流進(jìn)行比較，后者是由尖端與表面所要求距離所確定的。這樣得到的信號用于校正尖端的Z位置，以這種方式，使得隧道電流等于基準(zhǔn)電流，以及尖端與表面的距離等于所要求距離。尖端在與表面平行的方向上相對于表面的移動，旨在掃描該表面，是借助于另兩個驅(qū)動件X和Y驅(qū)動件來實現(xiàn)的。
研究表面情況時，利用與尖端高度驅(qū)動件Z方向控制信號成正比的信號，將尖端與表面間距離的變動表示為該尖端的X和Y位置的函數(shù)，從而得到該表面布局的圖象。
在較近的一些實驗中，還利用掃描隧道顯微鏡的尖端在表面產(chǎn)生變形。這些實驗中的一個，已經(jīng)描述于“IBMJour.Res.Dev.”Vol.30，no.5，1986年9月，PP492-9中的文章“用掃描隧道顯微鏡的表面變形”。在該實驗中，將尖端降落到金箔、一種軟質(zhì)材料上，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了15nm數(shù)量級直徑的表面變形。該文進(jìn)一步提出，這項技術(shù)有可能用于高密度存貯系統(tǒng)和微加工。然而，用這種方法不但產(chǎn)生所希望的變形，而且會在和所希望變形中心相距達(dá)70nm范圍內(nèi)出現(xiàn)額外變形。確實，額外變形不穩(wěn)定，只要在17分鐘左右的相當(dāng)長時間后便會消失。如果在表面產(chǎn)生相互接近的大量變形，那么，這就意味著連續(xù)變形間的等待時間，在實際中長得不可接受，由于在不穩(wěn)定的額外變形區(qū)中加工是不可能的，故而必須對這個等待時間加以考慮。再，只要在距離第一變形較短距離處出現(xiàn)第二變形，即使額外變形消失后，對第一變形的作用并不清楚。如果要將信息以分立的、隔開的信息區(qū)的形式記錄于表面，那么，可通過將尖端在產(chǎn)生第一信息區(qū)之后迅速放到額外變形外的位置上，以便在該位置處產(chǎn)生下一信息區(qū)。但是，就使用掃描隧道顯微鏡的可能的非常高信息密度的存貯裝置而言，卻沒有做到最佳的利用。
本發(fā)明的一個目的是提供沒有上述缺點的方法，該方法在與至今為止沒有采用隧道顯微鏡進(jìn)行加工處理的材料相結(jié)合方面提供了產(chǎn)生能及時穩(wěn)定的表面變形的可能性。這種方法的特征在于(1)由中斷所述負(fù)反饋控制回路來產(chǎn)生表面變形，(2)由第二控制電壓來激勵尖端高度驅(qū)動件，第二電子控制電壓的幅度作為時間的函數(shù)而增加，而且該電壓有一預(yù)定的終值，該終值的結(jié)果是使尖端從基準(zhǔn)高度降低到進(jìn)入該表面的限定的深度，這樣產(chǎn)生的凹坑具有精確限定的幾何形狀，(3)緊接著將尖端抽回到表面之上，并且再次接通負(fù)反饋控制回路，使得在下一凹坑產(chǎn)生之前將尖端提升到其基準(zhǔn)高度。
這樣，可以在那些不易流動、不太擴(kuò)散并比金要硬的材料上形成能及時穩(wěn)定的凹坑。
本發(fā)明基于這樣的認(rèn)識采用非常優(yōu)越的方法可產(chǎn)生令人驚奇的、完全不能預(yù)料的效果，即，在將幾毫微米直徑的尖端插入硬材料時，不會斷裂或磨損，甚至變得更鋒利。
應(yīng)當(dāng)注意，“Journ，Vac.Sci.Technology”，A6(2)PP537-539(1988)中的文章“用掃描隧道顯微鏡的毫微米范圍內(nèi)的表面變形”描述了借助于掃描隧道顯微鏡的尖端在比金更硬、換言之，在金屬玻璃材料中產(chǎn)生變形的實驗。在該實驗中，在形成變形時，尖端高度的負(fù)反饋回路維持運轉(zhuǎn)。當(dāng)尖端到達(dá)必須產(chǎn)生變形的位置時，尖端與表面間電壓增加到2伏特，而隧道電流增到大約300nA，這時，該電流開始振蕩。大約3秒后，該電流又下降，可以確定，已經(jīng)形成了一個30nm直徑，15nm高度的小丘。作為這種現(xiàn)象的一種解釋，該文認(rèn)為大量材料在尖端下熔解，而且，由于表面與尖端間的強(qiáng)電場，此材料被引向尖端，該電場在熔解的金屬冷卻時也存在。根據(jù)本發(fā)明的方法及得到的變形均不同于上面提及的文章所述的方法及得到的變形。
根據(jù)本發(fā)明的方法的另一特征在于第二控制電壓是通過將負(fù)反饋控制回路被中斷瞬間的第一控制電壓瞬時值和第三電壓相加得到的，其中，后者的幅度作為時間函數(shù)而增加，并且，有一預(yù)定的終值。
由于凹坑開始變形瞬間的第一控制電壓的瞬時值保持到形成凹坑為止，所以，可以實現(xiàn)在凹坑變形后，尖端立即到達(dá)其基準(zhǔn)高度。
原則上根據(jù)本發(fā)明的方法可用于各種材料。本方法最佳實施例的另一特征在于該材料為硅。該材料有相當(dāng)大的硬度以及足夠高的導(dǎo)電率，以實現(xiàn)尖端高度控制所需的隧道電流。
在“Journ.Vac.Sci.Technology”A6(2)(1988)PP.537-539中的所述文章中，已經(jīng)注意到用該文所描述的方法也可形成若干線條。然而，這些線條有不規(guī)則的幾何形狀，并由于熱漂移而受到干擾。相反，如果根據(jù)本發(fā)明的方法還具有這樣的特征，即，以這樣方式產(chǎn)生大量凹坑，使得它們中心的相互距離小于尖端掃描方向的凹坑的尺度，那么，該方法也適合于在表面形成線條或軌跡。這樣形成的凹坑相互合并，然后，構(gòu)成具有規(guī)則幾何形狀的軌跡。這種方法非常適合于制造有極為微細(xì)細(xì)節(jié)的表面結(jié)構(gòu)，這種微細(xì)細(xì)節(jié)是用常規(guī)方法所不能制出的。這種方法的重要應(yīng)用為集成電路制造領(lǐng)域，在集成電路中，直接在硅襯底上形成各種結(jié)構(gòu)，或在掩模上先產(chǎn)生各種結(jié)構(gòu)，然后將掩模復(fù)制到襯底上。
由于能夠形成非常小和精確限定的凹坑，所以，根據(jù)本發(fā)明的方法的實施例非常適合于在記錄介質(zhì)上記錄信息。該實施例的另一特征在于表示欲記錄信息的電信號可用于對掃描方向的尖端運動進(jìn)行時間控制，并且，用于確定尖端高度控制回路中斷和閉合的時刻;在這兩個時刻之間，將所述第二控制電壓加到尖端高度驅(qū)動件上。
用該方法記錄的記錄介質(zhì)可用相同的用于記錄信息的掃描隧道顯微鏡來讀出。讀出期間，顯微鏡以已知方式工作，即，以不變的隧道電流工作。Z驅(qū)動件控制電壓的變動足以代表已讀出的信號。在這種環(huán)境下，最好以將尖端保持在記錄介質(zhì)表平面上恒定高度處的Z驅(qū)動件的控制電壓，來掃描記錄介質(zhì)上的記錄區(qū)。這樣的電壓稱為信息無關(guān)的控制電壓。如這種電壓控制Z驅(qū)動件，那么，變化的隧道電流表示已讀出的信息。掃描期間，除了在記錄載體表面的最后大斜坡后面的部分之外，尖端在Z方向上不移動，因此，能夠以很多的速率進(jìn)行掃描。
應(yīng)當(dāng)注意，從美國專利說明書4，575，822本身就知道了使用掃描隧道顯微鏡來讀出記錄介質(zhì)上的信息區(qū)。所述專利說明書比較透徹地描述了信息區(qū)如何以多層記錄介質(zhì)中的兩層之間的電荷包的形式進(jìn)行記錄的。所述說明書還闡述了信息區(qū)可能有表面物理擾動的形態(tài)，所述擾動可由所述物理探針與表面間的物理接觸產(chǎn)生，但對此沒有進(jìn)一步詳細(xì)說明。例如，它沒有說明探針是隧道顯微鏡的尖端。美國專利說明書4，575，822并沒有展示這樣觀點，即，借助于特定控制以限定的方式把尖端落到記錄介質(zhì)表面，以及有效利用肯定令人驚異的事實，即，尖端無磨損。
本發(fā)明還涉及用本發(fā)明的方法進(jìn)行記錄的新記錄載體。該記錄載體(類似已知的其信息區(qū)按軌道排列、而軌道內(nèi)信息以軌道方向按信息區(qū)順序進(jìn)行編碼的記錄介質(zhì))的特征在于信息區(qū)是表面上的凹坑，這些凹坑具有其表面面積小于0.01μm一致的幾何形狀。
一致的凹坑，例如為10nm直徑的圓。這就意味著新記錄介質(zhì)的信息單元或比特占用例如10X10nm2的表面積。對于任意的一種可讀的記錄介質(zhì)，如已知的“小型磁盤”，它擁有的信息比特占用大約1X1μm2的表面區(qū)域。通過使用本發(fā)明，就可以對其信息密度比已知記錄介質(zhì)的信息密度大10，000倍左右的記錄介質(zhì)進(jìn)行信息記錄和讀出。
本發(fā)明還涉及一種實現(xiàn)表面變形和新穎方法的設(shè)備。該設(shè)備包括用于夾持待加工材料的托架，細(xì)的導(dǎo)電觸針，用于使觸針和托架在平行于托架平面的相互垂直的兩個方向上彼此相對移動的第一和第二驅(qū)動件，用于調(diào)整尖端和表面間距的尖端驅(qū)動件和用于將第一控制電壓加到尖端驅(qū)動件上的電子負(fù)反饋控制回路，該設(shè)備的特征在于(1)，一種電子電路，它具有用于接收包含有關(guān)在表面上欲產(chǎn)生圖樣信息的電子信號的輸入端，所述電路具有第一，第二和第三輸出端，其中，第一和第二輸出端用來供給第一和第二控制信號，這些輸出端連接到第一和第二驅(qū)動件，而第三輸出端用于在給定時間間隔內(nèi)提供瞬時地中斷尖端高度控制回路的信號;(2)，在所述時間間隔內(nèi)提供尖端高度驅(qū)動件的第二控制電壓的電壓源，所述第二控制電壓幅度作為時間的函數(shù)增至預(yù)定的終值，該終值大于第一控制電壓的預(yù)定終值。
本裝置的最佳實施例的特征在于(1)，尖端高度控制回路具有采樣保持電路，該電路的控制輸入連接到所述電子電路第三輸出端，(2)，尖端高度控制回路的輸出連接到累加裝置的第一輸入端，累加裝置的第二輸入端連接到由采樣保持電路同步控制的電壓源上，該電壓源提供具有遞增幅度的電壓，(3)，累加裝置的輸出還接到尖端高度驅(qū)動件。
本發(fā)明還涉及在記錄載體表面以相互分開的信息凹坑的順序的形式記錄和讀出信息的裝置，該裝置備有上述記錄信息的設(shè)備。該裝置的特征在于其讀出部分是由所述設(shè)備構(gòu)成的，在所述設(shè)備中，尖端高度驅(qū)動件僅由所述第一控制電壓或與信息無關(guān)的控制電壓控制。
如果尖端高度驅(qū)動件由第一控制電壓控制，那么，該電壓的變化代表已讀出的信息。當(dāng)用一恒定控制電壓控制該驅(qū)動件時，隧道電流的變化就代表已讀出信息。
現(xiàn)在參考附圖，更詳細(xì)地描述本發(fā)明，其中，

圖1說明了已知的掃描隧道顯微鏡的原理，圖2以圖解法示出了本發(fā)明的設(shè)備的實施例，圖3a，3b和3c示出了加到用于記錄信息的設(shè)備上的信息信號、尖端高度驅(qū)動件的相關(guān)控制電壓(上述兩者均為時間函數(shù))的變化情況以及記錄載體上相關(guān)的凹坑。
圖4a，4b和4c示出了按本發(fā)明可在表面形成的不同的圖樣，以及圖5示出了按本發(fā)明在表面上形成的軌跡的結(jié)構(gòu)。
為更好地理解本發(fā)明，首先給出用于研究表面的已知的掃描隧道顯微鏡原理的簡短描述。圖1的方框圖示出了這種顯微鏡的基本元件，例如，在美國專利4，343，993中透徹地說明該顯微鏡。
圖1中，標(biāo)號15為置于工作臺或托架4上的待觀察物體。具有極細(xì)尖端的導(dǎo)電的觸針置于該物體之上，起第一電極的作用。也導(dǎo)電的物體15構(gòu)成了第二電極。為清楚起見，以放大的尺寸示出這兩個電極。尖端和該物體可以三個相互正交的方向彼此相對移動，三個相互正交方向用XYZ坐標(biāo)系統(tǒng)圖解地說明。為此，顯微鏡有一個含有三個獨立驅(qū)動的激勵器或驅(qū)動件7、8、9的組合定位系統(tǒng)。這些驅(qū)動件最好包含壓電元件，用這些壓電元件，能實現(xiàn)百分之一毫微米數(shù)量級的最小的移動。驅(qū)動件6和7使尖端14和工作臺4在X和Y方向上彼此相對移動。這些元件可相對于尖端移動工作臺，但最好是尖端相對于工作臺移動。Z方向上尖端和表面的距離，可用壓電驅(qū)動件8校正。驅(qū)動件8可連接到觸針5，以便相對于工作臺4移動該觸針。驅(qū)動件8也可以連接到工作臺4，以便相對于觸針5移動工作臺4。觸針5與驅(qū)動件6、7和8電絕緣。
帶驅(qū)動件的觸針5和帶材料15的工作臺置于容器1中，在該容器中，用真空泵2實現(xiàn)高真空。還借助于冷卻器3(例如低溫冷卻器)將該容器維持在低溫。然而，掃描隧道顯微鏡也可以工作于沒有真空和冷卻的空氣中。
隧道顯微鏡進(jìn)一步包含電子控制和測量電路9。該電路給X和Y驅(qū)動件6和7提供控制電壓，并測量由這些驅(qū)動件產(chǎn)生的位移。電路9還以這樣的方式為Z或尖端高度驅(qū)動件提供控制電壓，以致使尖端如此接近表面，例如，相距0.1-1nm數(shù)量級的距離，如果將一電壓(在本說明書中稱為隧道電壓)加到尖端和表面之間，那么，電子可穿行于尖端和表面之間。該電壓由圖1所示的控制和測量電路9供給。
既然隧道電流很大程度上取決于尖端和表面間的距離，故而要以很高的精度來進(jìn)行尖端的Z的調(diào)整，例如，以0.01nm數(shù)量級的精度，以便得到足夠的分辨率。
在觀察表面時，可在各種方式下進(jìn)行隧道顯微鏡操作，例如，用恒定的隧道電流或用與信息無關(guān)的Z控制電壓。前一種所述方式的描述暫定已夠了。如果尖端4與表面的距離足夠小，那么，當(dāng)加上恒定的隧道電壓時，隧道電流便開始流動。只要尖端掃描表面的平坦部分，隧道電流就保持不變。但是，如果尖端移過一變形部分，例如一凹坑或一小丘，則由于尖端與表面間距離變化的結(jié)果，隧道電流會顯著變化。無論如何，用電子電路9來測量該隧道電流，并與該電路中產(chǎn)生的基準(zhǔn)電流比較，該基準(zhǔn)電流表示了尖端高出表面所希望的高度。該比較的結(jié)果以電子信號形式加到Z驅(qū)動件的控制電路10。該控制電路以這樣的方式校正尖端高度，即，使隧道電流維持與基準(zhǔn)電流相等。通過將信號加到Z驅(qū)動件的方法來確定尖端的Z運動。由該信息以及關(guān)于尖端的那些X和Y位置的信息(這些位置與發(fā)生這種Z位置變化相對應(yīng))，可以在信號處理部件11中構(gòu)成被掃描表面的“隧道圖象”，該圖象可借助于劃線器12或顯示屏幕13觀察到。
根據(jù)本發(fā)明，可通過將所述隧道顯微鏡的尖端落到表面上，在該表面上形成帶有不變的和非常精確限定的幾何圖形的表面變形。
圖2圖示了可用來實現(xiàn)本方法的修改的隧道顯微鏡。在該圖中，標(biāo)號15還表示必須產(chǎn)生變形(例如信息區(qū)21)的表面，標(biāo)號14指固定在定位系統(tǒng)中的導(dǎo)電觸針5的尖端。該定位系統(tǒng)包含例如三個分開的可有不同形狀的壓電元件6、7和8，也可包含單個壓電元件，例如，可在上面布置用于不同移動方向的不同電極對的圓柱體。通過改變加在驅(qū)動件6、7和8的控制電壓Vpx、Vpy和Vpz，使這些元件的長度變化，從而，能夠使尖端14相對于表面15，沿X、Y和Z方向移動。
當(dāng)待加工材料放置于工作臺4上之后，一個預(yù)置設(shè)備(未示出)保證尖端對準(zhǔn)表面上給定的XY起始位置。而且，將尖端置于距該表面很短距離的位置上。如果電壓源16提供直流電壓形式的(例如，1伏特)隧道電壓，將此電壓源連接到觸針和表面，那么，隧道電流開始流動。該電流可由電流傳感器17測量。然后，在維持尖端和表面距離恒定的同時，掃描該表面。為此，加工設(shè)備有一控制電路18，它構(gòu)成圖1中電路9的一部分。
控制電路18包含差動放大器19，該放大器的第一輸入端接收隧道電流It。與尖端和表面所希望距離成比例的基準(zhǔn)電流Iref，由基準(zhǔn)電源20供給，并加至該放大器的第二輸入端?？梢詫⒎糯笃?9的輸出信號在作為控制電壓Vpz，1加到Z驅(qū)動件8之前，先通過積分器21，高電壓放大器21也置于該控制電路中。
當(dāng)記錄具有一致的凹坑21形式的信息時，首先掃描X方向的行20，接著掃描第二行20，直至記完所有信息。X方向的掃描運動并不連續(xù)，每次中斷于那些對應(yīng)于必須形成X信息區(qū)的給定的X位置的瞬間。該不連續(xù)的X掃描運動由處理信號接收和控制電路26控制，該電路從其輸出端27供給控制電壓Vpx。將包含必須在表面15形成的圖樣的有關(guān)數(shù)據(jù)的信號Si加到電子電路26的輸入端30。借助于這些數(shù)據(jù)在電路26中，確定驅(qū)動件6、7和8必須完成的移動(該移動是時間的函數(shù))，以及產(chǎn)生出現(xiàn)在輸出端27，28和29的驅(qū)動件6和7的控制電壓Vpx、Vpy和開關(guān)信號Sc。
圖3a示出了必須記錄的小部分?jǐn)?shù)字信號的實例。該信號包含許多標(biāo)準(zhǔn)脈沖，這些脈沖具有彼此不同的時間間隔和相同的脈寬T。信號Si的時間軸通過電路26與尖端沿X方向的移動相關(guān)聯(lián)。在時刻t1，觸針運動停止而同時必須將尖端落到正加工的材料上。開關(guān)信號Sc用于此目的。該信號使負(fù)反饋控制電路17、18去激勵。再用控制電壓Vpz激勵驅(qū)動件8，控制電壓Vpz以這樣的方式區(qū)別于Vpz，1，即，使尖端14向下移過大于隧道距離的距離，其中，隧道距離即為有隧道電流時尖端到表面的距離。
實現(xiàn)所述移動的方法是中斷控制電路的輸出端與驅(qū)動件8之間的連接，使得電壓Vpz，1不再加到Z驅(qū)動件8，并且，用其幅度為帶有預(yù)定終值的時間遞增函數(shù)的確定電壓來激勵該驅(qū)動件。
然而，尖端的下移最好由圖2所示的電路18和累加裝置24實現(xiàn)。和圖1電路9相比較，圖2的控制電路18包含取樣和保持電路22這一額外元件。該電路由開關(guān)信號Sc接通，并從接通的時刻(圖3a中t1，t3，t5)起，有一個其電壓值等于接通瞬間控制電壓Vpz.1瞬時值的恒定輸出電壓。電路22的輸出電壓加到累加裝置，來自附加電壓源25的信號也加到該累加裝置。電壓源25提供其幅度作為時間函數(shù)而增加的電壓。該電壓源與開關(guān)信號Sc同步地接通和斷開。新的控制電壓Vpz＝Vpz，1+Vpz，2確保尖端朝下移動并落到所加工的材料上。在時刻t2，電壓脈沖Vpz，2終止。于是，尖端縮回。采樣保持電路22也關(guān)閉，使驅(qū)動件8的控制回路18又被激勵。結(jié)果，尖端和局部的表面部分間的距離和在給控制回路17、18去激勵前保持完全相同。其優(yōu)點在于對每一凹坑變形而言，尖端的下移運動從關(guān)于所述表面的同一相對的Z位置開始，因此，對于電壓Vpz，2的相同的終值，尖端總能以相同的深度壓入該材料中。
尖端縮回后，凹坑及時穩(wěn)定地保留在表面。這種凹坑的幾何形狀由電壓Vpz，2的終值以及壓入材料的尖端部分的幾何形狀所確定。既然如已經(jīng)令人驚奇地證實了的，當(dāng)尖端壓入材料時并無磨損，所以，原則上說來，形成大量相同幾何形狀的凹坑是可能的。
圖3c用圖解法示出了在位置X1，X2和X3，用上述方式形成的幾個凹坑Pi1，Pi2和Pi3。這些位置和掃描方向上尖端速度為零的時刻相關(guān)，而這些時刻分別與所提供的信息信號Si的時刻t1，t3和t5相關(guān)。圖3b示出在記錄一串凹坑的時間間隔內(nèi)的控制電壓Vpz，該電壓由電壓分量Vpz，1與電壓分量Vpz，2交錯排列組成。
所形成的信息區(qū)的表面積可能比迄今已知的最小信息區(qū)，即，光學(xué)記錄載體的信息區(qū)的表面積要小10，000倍左右，因此，使用本發(fā)明能使記錄載體的信息密度提高10，000倍左右。在實驗裝置中，形成了具有大約5nm直徑的圓形凹坑，這些凹坑由被壓出凹坑的材料邊緣所包圍，這些邊緣也只有大約5nm的寬度，因此，非覆蓋凹坑的有效直徑大約為15nm。凹坑深度大約為1nm。
在記錄了凹坑之后，可用如圖2所示相同的隧道顯微鏡讀出這些凹坑(在為了控制目的的記錄過程中以及在后一階段需對已記錄的信息處理時，都可利用圖2所示的隧道顯微鏡)。在讀出期間，取樣保持電路關(guān)閉，并且，不用額外電壓Vpz，2?？稍谒淼离娏鞑蛔兊那闆r下進(jìn)行讀出，此時控制電壓Vpz，1的變化表示已讀出的信息。但是，在讀出記錄介質(zhì)已記錄部分時，用與信息無關(guān)的控制電壓Vpz來掃描也是可能的(其中，已記錄部分在寫入期間已被掃描過，所以，其光潔度是已知的)。于是，隧道電流的變化表示已讀出的信息。
可在記錄載體上記錄并從該記錄載體中讀出的信號為數(shù)字信號這一事實并不意味信息本身僅僅是來自或用于例如計算機(jī)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，原則上說，該記錄載體適合于存貯所有各種信息，例如視頻和/或音頻節(jié)目、圖形表示、X射線圖象等等，只要該信息可數(shù)字化。
除了凹坑圖樣之外，用本發(fā)明的方法，在表面上形成連續(xù)的、直線或曲線的軌跡也是可能的，其中一些例子示于圖4a、4b和4c中。這提供了以迄今為止前所未有的等級，即在亞微米范圍內(nèi)進(jìn)行直接的材料加工的可能性。一種重要的應(yīng)用是直接構(gòu)成半導(dǎo)體材料例如硅的各種結(jié)構(gòu)，以致在制造集成電路中不再需要使用繁瑣的光刻制版工藝。本發(fā)明也可用于X射線平版印刷術(shù)的掩模的制造。本發(fā)明的方法不僅可作為精細(xì)機(jī)械加工的一種選擇，而且也可作為它的一種補(bǔ)充，因為，用本方法可實現(xiàn)精細(xì)得多的結(jié)構(gòu)。
當(dāng)在表面上形成連續(xù)軌跡時，在兩凹坑變形之間，沿掃描方向?qū)⒓舛艘七^一距離，該距離小于掃描方向上尖端的尺寸。此時，所形成的凹坑以或大或小的量度彼此合并，如圖5所示。軌跡43的邊界44和45的光滑度由相繼的凹坑Pi1，…Pin的重疊確定。因為，在每次產(chǎn)生下一個凹坑之前將尖端的Z位置調(diào)整到基準(zhǔn)高度，所以，所形成的軌跡在其整個長度上有恒定的深度。
通過改變尖端的X和Y的控制信號，可實現(xiàn)具有任意形狀的軌跡。為形成圖4a的圖樣，首先將尖端在X方向移過給定距離，而Y位置不變，以形成圖形部分40，然后，將尖端在Y方向移過給定距離，而X位置不變，以形成圖形部分41。為形成圖4b的圖形，以相反方向重復(fù)尖端運動。而實現(xiàn)圖4c的橢圓形圖形42時，同時要對尖端的X和Y位置進(jìn)行控制。
具體來說，在記錄載體上記錄非常小的信息區(qū)時，必須保證表面足夠光滑，使得所記錄信息還能取回，而不被隱藏在可能已經(jīng)存在于未記錄表面的缺陷之間。例如，需要在硅(100)表面的所謂平臺上實現(xiàn)原子光潔度。這些平臺必須有至少為尖端長度2倍、最好更多倍的最小的縱向長度。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在鎢尖端和有輕微的鎳摻雜的硅(110)材料相配合的情況下，可以取得顯著效果。除了晶體硅襯底表面之外，用本發(fā)明方法也可對在晶體硅襯底上形成的含非晶層的硅進(jìn)行變形加工。硅的優(yōu)點在于它大量存在于自然界中，因此，原則上說，它是一種廉價材料。此外，它還是最經(jīng)常用于集成電路的并已取得很多技術(shù)經(jīng)驗的原材料，因此，硅凹坑存儲器與其它硅結(jié)構(gòu)例如集成電路的集成化，也可加以考慮。
在寫入和讀出硅凹坑存儲器時，必須在如圖1所示的真空室中進(jìn)行操作。但是，也可以用隧道顯微鏡在空氣中實現(xiàn)變形，以及進(jìn)行隨后的檢驗或讀出這些變形的操作。然而，必須使用不太流動并比金要硬的不活潑的材料。
權(quán)利要求
1.一種利用掃描隧道顯微鏡的尖端產(chǎn)生亞微米級的表面變形方法，其中，利用使尖端沿平行于表面的掃描方向移動的驅(qū)動裝置使尖端按照所述表面需要加工的圖樣在與該表面平行的平面上描繪路徑，在描繪所述路徑時，通過將第一控制電壓加到尖端高度驅(qū)動件上，把所述尖端保持在距離所述表面恒定距離的基準(zhǔn)高度上，所述電壓由負(fù)反饋控制回路供給，該負(fù)反饋控制回路由尖端與表面間的隧道電流控制，所述電流出自加在所述表面與所述尖端之間的恒定隧道電壓，這種變形方法的特征在于表面變形由中斷所述負(fù)反饋控制回路引起，用第二控制電壓激勵尖端高度驅(qū)動件，第二控制電壓的幅度作為時間函數(shù)而增加，并有一預(yù)定終值，達(dá)到該終值的結(jié)果是尖端從基準(zhǔn)高度向下以限定的深度落入該表面中，由此產(chǎn)生具有精確限定的幾何形狀的凹坑，接著，將該尖端縮回到所述表面之上，再次接通負(fù)反饋控制回路，使得在下一凹坑產(chǎn)生之前，先將尖端提高至其基準(zhǔn)高度。
2.權(quán)利要求1的方法，其特征在于通過把負(fù)反饋控制回路中斷瞬間第一控制電壓的瞬時值和其幅度作為時間函數(shù)而增長并有預(yù)定終值的第三電壓相加來得到第二控制電壓。
3.權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于在硅層中形成凹坑。
4.權(quán)利要求1、2或3的方法，其特征在于以這樣的方式產(chǎn)生大量凹坑，即，使得它們的中心之間相互距離小于尖端掃描方向上凹坑的尺寸。
5.權(quán)利要求1、2或3的用于在記錄載體上記錄信息的方法，其特征在于表示待記錄信息的電信號用于對尖端在掃描方向上的移動進(jìn)行時間控制，并且，用于分別確定尖端高度控制回路中斷或閉合的時刻，而在中斷和閉合時刻之間，將所述第二控制電壓加到尖端高度驅(qū)動件。
6.一種備有排列在軌跡上的信息區(qū)的記錄載體，其中，按軌跡方向上各信息區(qū)的連續(xù)性對該信息編碼，用權(quán)利要求5的方法在該記錄載體上記錄信息，該記錄載體的特征在于所述信息區(qū)為表面凹坑，這些凹坑具有小于0.01平方微米的表面面積的一致的幾何形狀。
7.用于執(zhí)行如權(quán)利要求1、2、3、4或5中所述方法的設(shè)備，該設(shè)備包括用于夾持待加工的材料的托架，細(xì)導(dǎo)電觸針，用于使觸針和托架在平行于托架平面的相互正交的兩個方向上相對移動的第一和第二驅(qū)動件，用于調(diào)整尖端與表面距離的尖端高度驅(qū)動件以及用于將第一控制電壓加至尖端驅(qū)動件的負(fù)反饋控制回路，其特征在于(1)一種電子電路，它具有用于接收包含有關(guān)在表面上欲產(chǎn)生圖樣信息的電子信號的輸入端，所述電路具有第一，第二和第三輸出端，其中，第一和第二輸出端用于提供第一和第二控制信號，這些輸出端連接到第一和第二驅(qū)動件，而第三輸出端用于在給定時間間隔內(nèi)提供瞬時地中斷尖端高度控制回路的信號，(2)，在所述時間間隔內(nèi)將尖端高度驅(qū)動件的第二控制電壓提供給該尖端高度控制回路的電壓源，所述第二控制電壓作為時間函數(shù)而增長并具有大于第一控制電壓終值的終值。
8.權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其特征在于尖端高度控制回路具有采樣保持電路，該電路的控制輸入端連接到所述電子電路的第三輸出端，尖端高度控制回路的輸出端連接到累加裝置的第一輸入端，累加裝置的第二輸入端連接到由采樣保持電路同步控制的電壓源，該電壓源提供具有遞增幅度的電壓，所述累加裝置的輸出端連接到尖端高度驅(qū)動件。
9.一種以記錄載體表面的相互分隔開的凹坑的連續(xù)格式來記錄和讀出信息的裝置，該裝置備有權(quán)利要求7或8所述的記錄信息的設(shè)備，其特征在于該裝置讀出部分由所述設(shè)備構(gòu)成，該設(shè)備中，尖端高度驅(qū)動件僅由所述第一控制電壓或與信息無關(guān)的控制電壓所控制。
全文摘要
敘述了亞微米級表面變形的方法和設(shè)備，例如用于記錄信息的目的。在掃描該表面期間，掃描隧道顯微鏡的尖端(14)由受控于尖端與表面間隧道電流的負(fù)反饋控制回路(18)保持于距離表面一恒定距離上，以及，為了在表面(15)上形成凹坑(21)，將控制回路去激勵，并由一控制電壓(V
文檔編號G11B11/00GK1041468SQ8910745
公開日1990年4月18日 申請日期1989年9月18日 優(yōu)先權(quán)日1988年9月21日
發(fā)明者埃弗特·簡·范洛恩倫 申請人:菲利浦光燈制造公司