量子デバイス作成装置、量子デバイス作成方法及び量子デバイス
【課題】表面における原子の配列を確認することなく、原子を効率的に配列させて量子デバイスを作成する量子デバイス作成装置、量子デバイス作成方法及び量子デバイス作成方法によって作成された量子デバイスを提供する。
【解決手段】作用針の先端原子（４０）を試料の表面原子（５０）に近づけると、先端原子と表面原子との間に作用する相互作用が大きくなり、相互作用に基づく物理量Ｑが徐々に変化する（領域Ａ）。さらに、先端原子を表面原子に近づけると、物理量Ｑが急激に変化し（領域Ｂ）、先端原子と表面原子とが交換される。つまり、交換前の系の状態と交換後の系の状態とが明確な相違として物理量に現れるので、閾値ΔＱｔｈを設定しておき、物理量の変化量ΔＱが閾値ΔＱｔｈより大きい場合、原子の交換が生じたと判定し、物理量の変化量ΔＱが閾値ΔＱｔｈより小さい場合、原子の交換は起こっていないと判定する。
【解決手段】作用針の先端原子（４０）を試料の表面原子（５０）に近づけると、先端原子と表面原子との間に作用する相互作用が大きくなり、相互作用に基づく物理量Ｑが徐々に変化する（領域Ａ）。さらに、先端原子を表面原子に近づけると、物理量Ｑが急激に変化し（領域Ｂ）、先端原子と表面原子とが交換される。つまり、交換前の系の状態と交換後の系の状態とが明確な相違として物理量に現れるので、閾値ΔＱｔｈを設定しておき、物理量の変化量ΔＱが閾値ΔＱｔｈより大きい場合、原子の交換が生じたと判定し、物理量の変化量ΔＱが閾値ΔＱｔｈより小さい場合、原子の交換は起こっていないと判定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は量子デバイス作成装置、量子デバイス作成方法及び量子デバイスに関し、より具体的には、２つの原子の位置交換を繰り返すことによって量子デバイスを作成する場合に、２つの原子の位置交換が完了したか否かを定量的に判断して量子デバイスの作成に要する時間を短縮することができる量子デバイス作成装置、量子デバイス作成方法及び量子デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のデバイス及び機能性物質の作成方法は、半導体（主にＳｉ）上にエッチング、熱硬化、ＣＶＤ，ＦＩＢ加工などの処理によって行なわれている。つまり、半導体という大きなウェハ基板から小さな構造を作るトップダウンアプローチによって行なわれてきた。トップダウンアプローチの手法は、微細化に限界があると考えられ、原子１つ１つからデバイスを作成するボトムアップアプローチの手法の開発が求められつつある。
【０００３】
例えば、１０年後の半導体においては、加工線幅が１０ｎｍ程度になると考えられている。このような線幅では、電気伝導を担うドーパントの分布が規則的に配列されるべきである。しかしながら、現時点において、ドーパントを規則的に配列する技術は実現されていない。
【０００４】
走査型プローブ顕微鏡は、先鋭な作用針を試料表面に近づけた場合に作用針と試料との間に作用する相互作用（トンネル電流、力、キャパシタ、近接場光など）を検出し、試料表面の状態及び特性（凹凸や磁性、表面ポテンシャルなど）を測定することが可能である。また、走査型プローブ顕微鏡を用いることによって、鋭利に研磨した電極針を非常に微細な隙間を残して被加工物体の表面に接近させ、電極針と被加工物体との間に電圧を印加したときにそれらの間に流れるトンネル電流によって被加工物体の微細加工を行なうことが可能である（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
また、本発明者は、非接触型原子間力顕微鏡における一つの未解決課題、すなわち、試料表面の原子位置の近傍で作用針を横方向に走査することで、試料表面の原子の位置を交換する方法を報告している（例えば、非特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開平６−２１５７２２号公報
【非特許文献１】杉本宜昭、他５名、「原子間力顕微鏡を用いた室温環境下での原子嵌め込みの実現（Atom inlays performed at room temperature using atomic force microscopy）」、ネイチャ・マテリアル（Nature Material）、２００５年２月、第４巻、ｐ．１５６−１５９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、原子の交換プロセスは、量子効果が作用することから、例えば１回の作用針走査によって確実に原子が交換されるとは限らないことから、観測者が試料表面の状態を観察して実際に原子の交換が生じたか否かを判断する必要があった。また、試料表面の状態を観察する場合、原子交換を行なう場合より作用針を遠ざけた状態で行なうことから、作用針の移動ステップが増加してしまい、効率的に量子デバイスを作成することは極めて困難であった。
【０００７】
本発明者は、走査型プローブ顕微鏡を用いて原子の位置交換プロセスについて研究を行った結果、原子が交換されたときに、力、周波数シフト、トンネル電流、近接場光及びキャパシタンスのような物理量が急激に変化するとの知見を得た。つまり、原子の交換前の系の状態と交換後の系の状態とが明確な相違として現れるので、物理量が離散的に変化するとの知見を得た。
【０００８】
本発明は、この知見を得てなされたものであり、試料の表面原子の略中心位置を通る試料の垂線上に作用針が走査された状態で、作用針と試料との距離を制御して作用針を試料の表面と垂直な方向に走査し、次いで、作用針の先端原子及び試料の表面原子の距離に基づく相互作用に起因する物理量、又はその物理量の値を１回以上の微分若しくは１回以上の積分、その他一般的なフィルタ処理による新たな物理量（これらまとめて物理量という）を検出し、検出された物理量の変化量（ここで変化量は物理量の変化の大きさ（絶対値）のことをいう）を算出し、そして、算出された変化量が基準量より大きいか否かを判定し、変化量が基準量を超えたと判定された場合に、表面原子及び作用針の先端原子の位置が交換されたと判断することにより、表面における原子の配列を確認することなく、２つの原子（作用針の先端原子及び試料の表面原子）の位置交換が完了したか否かを基準量に基づいて定量的に判断することができ、原子を効率的に配列させて量子デバイスを作成する量子デバイス作成装置及び量子デバイス作成方法の提供を目的とする。
【０００９】
また本発明は、試料の表面上の第１原子及び第２原子の略中間位置を通る試料の垂線上に作用針が走査された状態で、作用針と試料との距離を制御して作用針を試料の表面と垂直な方向に走査し、次いで、試料の表面上の第１原子及び第２原子によって作用針に作用する相互作用に起因する物理量、又はその物理量の値を１回以上の微分若しくは１回以上の積分、その他一般的なフィルタ処理による新たな物理量（これらまとめて物理量という）を検出し、検出された物理量の変化量を算出し、そして、算出された変化量が基準量より大きいか否かを判定し、変化量が基準量を超えたと判定された場合に、第１原子及び第２原子の位置が交換されたと判断することにより、表面における原子の配列を確認することなく、２つの原子（試料の表面上の第１原子及び第２原子）の位置交換が完了したか否かを基準量に基づいて定量的に判断することができ、原子を効率的に配列させて量子デバイスを作成する量子デバイス作成装置及び量子デバイス作成方法の提供を目的とする。
【００１０】
さらに本発明は、作用針がカンチレバーに設けられており、カンチレバーの周波数変化を物理量として検出することにより、作用針及び試料表面の原子が導電性である必要がないことから、すべての物質を原子操作の対象とすることができ、その適用範囲が極めて広い量子デバイスを作成する量子デバイス作成装置の提供を目的とする。
【００１１】
さらにまた本発明は、作用針と試料との間に流れる電流を物理量として検出することにより、作用針及び試料が電流を検出できる材料系である場合、作用針に作用する力を検出する部分が必要でなくなることから、装置構成が比較的簡単であっても安定に測定でき、かつ装置を小さくすることができる量子デバイス作成装置の提供を目的とする。
【００１２】
さらにまた本発明は、作用針又は試料に光を照射して近接場光を生じさせ、作用針と試料との近接場相互作用に基づく散乱光のスペクトル分布及び強度を物理量として検出することにより、検出された散乱光のスペクトル分布及び強度の変化量の大きさに基づいて、原子の交換が起こったか否かを判断することができる量子デバイス作成装置の提供を目的とする。
【００１３】
さらにまた本発明は、作用針と試料との間の静電容量を物理量として検出することにより、検出された静電容量の変化量の大きさに基づいて、原子の交換が起こったか否かを判断することができる量子デバイス作成装置の提供を目的とする。
【００１４】
さらにまた本発明は、無秩序に分布している原子を操作し、ボトムアップアプローチにより目的の位置に原子を配置したり、逆に抜き出したりして、原子レベルでの配列を操作して所望の構造を有する量子デバイスの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
第１発明に係る量子デバイス作成装置は、２つの原子の位置交換を繰り返すことによって量子デバイスを作成する量子デバイス作成装置であって、作用針を試料の表面と水平な方向に走査する水平走査手段と、前記作用針を前記試料の表面と垂直な方向に走査する垂直走査手段と、作用針の先端原子及び試料の表面原子の距離に基づく相互作用に起因する物理量を検出する検出手段と、検出された物理量の変化量を算出する算出手段と、算出された変化量が基準量より大きいか否かを判定する判定手段とを備え、前記垂直走査手段は、前記水平走査手段によって、前記表面原子の略中心位置を通る前記試料の垂線上に前記作用針が走査された状態で、前記作用針を前記試料の表面と垂直な方向に走査し、前記判定手段にて前記変化量が基準量より大きいと判定された場合に、前記表面原子及び前記先端原子の位置が交換されたと判断するようにしてあることを特徴とする。
【００１６】
第２発明に係る量子デバイス作成装置は、２つの原子の位置交換を繰り返すことによって量子デバイスを作成する量子デバイス作成装置であって、作用針を試料の表面と水平な方向に走査する水平走査手段と、前記作用針を前記試料の表面と垂直な方向に走査する垂直走査手段と、前記試料の表面上の第１原子及び第２原子によって前記作用針に作用する相互作用に起因する物理量を検出する検出手段と、検出された物理量の変化量を算出する算出手段と、算出された変化量が基準量より大きいか否かを判定する判定手段とを備え、前記垂直走査手段は、前記水平走査手段によって、前記第１原子及び前記第２原子の略中間位置を通る前記試料の垂線上に前記作用針が走査された状態で、前記作用針を前記試料の表面と垂直な方向に走査し、前記判定手段にて前記変化量が基準量より大きいと判定された場合に、前記第１原子及び前記第２原子の位置が交換されたと判断するようにしてあることを特徴とする。
【００１７】
第３発明に係る量子デバイス作成装置は、前記作用針が配されたカンチレバーを備え、前記検出手段は、前記物理量として前記カンチレバーの周波数変化を検出するようにしてあることを特徴とする。
【００１８】
第４発明に係る量子デバイス作成装置は、前記検出手段は、前記物理量として前記作用針と前記試料との間に流れる電流を検出するようにしてあることを特徴とする。
【００１９】
第５発明に係る量子デバイス作成装置は、前記作用針又は前記試料に光を照射して近接場光を生じさせる照射部を備え、前記検出手段は、前記物理量として前記作用針と前記試料との近接場相互作用に基づく散乱光のスペクトル分布及び強度を検出するようにしてあることを特徴とする。
【００２０】
第６発明に係る量子デバイス作成装置は、前記検出手段は、前記物理量として前記作用針と前記試料との間の静電容量を検出するようにしてあることを特徴とする。
【００２１】
第７発明に係る量子デバイス作成方法は、２つの原子の位置交換を繰り返すことによって量子デバイスを作成する量子デバイス作成方法であって、試料の表面原子の略中心位置を通る試料の垂線上に作用針を走査するステップと、該ステップで前記作用針が走査された状態で、前記作用針を前記試料の表面と垂直な方向に走査するステップと、作用針の先端原子及び試料の表面原子の距離に基づく相互作用に起因する物理量を検出するステップと、検出された物理量の変化量を算出するステップと、算出された変化量が基準量より大きいか否かを判定するステップとを含み、前記変化量が基準量より大きいと判定された場合に、前記表面原子及び前記先端原子の位置が交換されたと判断することを特徴とする。
【００２２】
第８発明に係る量子デバイス作成方法は、２つの原子の位置交換を繰り返すことによって量子デバイスを作成する量子デバイス作成方法であって、試料の表面上の第１原子及び第２原子の略中間位置を通る試料の垂線上に作用針を走査するステップと、該ステップで前記作用針が走査された状態で、前記作用針を前記試料の表面と垂直な方向に走査するステップと、前記第１原子及び前記第２原子によって前記作用針に作用する相互作用に起因する物理量を検出するステップと、検出された物理量の変化量を算出するステップと、算出された変化量が基準量より大きいか否かを判定するステップとを含み、前記変化量が基準量より大きいと判定された場合に、前記第１原子及び前記第２原子の位置が交換されたと判断することを特徴とする。
【００２３】
第９発明に係る量子デバイスは、上述した第７発明又は第８発明の量子デバイス作成方法で原子を操作してボトムアップアプローチにより作成されたことを特徴とする。
【００２４】
第１発明及び第７発明にあっては、試料の表面原子の略中心位置を通る試料の垂線上に作用針が走査された状態で、作用針と試料との距離を制御して作用針を試料の表面と垂直な方向に走査する。そして、作用針の先端原子及び試料の表面原子の距離に基づく相互作用に起因する物理量を検出し、検出された物理量の変化量を算出する。そして、算出された変化量が基準量より大きいか否かを判定し、変化量が基準量を超えたと判定された場合に、表面原子及び先端原子の位置が交換されたと判断する。このような判断のもとに、２つの原子の位置交換を繰り返すことによって量子デバイスを作成する。これにより、作用針と試料との間に作用する相互作用を検出し、２次元的にマッピングした画像を出力して試料の表面状態、すなわち表面における原子の配列を確認することなく、２つの原子の位置交換が完了したか否かを基準量に基づいて定量的に判断することができる。したがって、量子デバイスの作成に要する時間を短縮することができ、また、交換の都度、原子の配列を確認する必要がなくなるので、作業者の負担を削減することができる。
【００２５】
第２発明及び第８発明にあっては、試料の表面上の第１原子及び第２原子の略中間位置を通る試料の垂線上に作用針が走査された状態で、作用針と試料との距離を制御して作用針を試料の表面と垂直な方向に走査する。そして、試料の表面上の第１原子及び第２原子によって作用針に作用する相互作用に起因する物理量を検出し、検出された物理量の変化量を算出する。そして、算出された変化量が基準量より大きいか否かを判定し、変化量が基準量を超えたと判定された場合に、第１原子及び第２原子の位置が交換されたと判断する。このような判断のもとに、２つの原子の位置交換を繰り返すことによって量子デバイスを作成する。これにより、作用針と試料との間に作用する相互作用を検出し、２次元的にマッピングした画像を出力して試料の表面状態、すなわち表面における原子の配列を確認することなく、２つの原子の位置交換が完了したか否かを基準量に基づいて定量的に判断することができる。したがって、量子デバイスの作成に要する時間を短縮することができ、また、交換の都度、原子の配列を確認する必要がなくなるので、作業者の負担を削減することができる。なお、ここで、第１原子及び第２原子の略中間位置としたのは、第１原子及び第２原子の原子種や作用針の状態によって作用針の水平方向の位置が決定されるためである。
【００２６】
第３発明にあっては、作用針がカンチレバーに設けられており、カンチレバーの周波数変化を物理量として検出する。つまり、検出される物理量は、作用針の先端原子と試料表面の原子との間に作用する相互作用に基づいており、作用針及び試料表面の原子が導電性である必要がない。これにより、すべての物質が原子操作の対象となることから、その適用範囲が極めて広い。
【００２７】
第４発明にあっては、作用針と試料との間に流れる電流（トンネル電流）を物理量として検出する。トンネル電流を検出できる材料系に本発明を適用する場合、作用針に作用する力を検出する部分が必要でなくなる。そのため、装置構成が比較的簡単であっても安定に測定でき、かつ装置を小さくすることができる。したがって、原子操作の対象原子が導電性である場合には、導電性の作用針を用いてトンネル電流を検出するようにすれば、極めて高精度での実施が可能である。
【００２８】
第５発明にあっては、作用針又は試料に光を照射して近接場光を生じさせ、作用針と試料との近接場相互作用に基づく散乱光のスペクトル分布及び強度を物理量として検出する。
【００２９】
第６発明にあっては、作用針と試料との間の静電容量を物理量として検出する。
【００３０】
第９発明にあっては、上述した方法によって原子を操作してボトムアップアプローチにより作成されることから、無秩序に分布している原子を操作し、目的の位置に原子を配置したり、逆に抜き出したりすることができるので、原子レベルでの配列を操作して所望の構造を有する量子デバイスとすることができる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、試料の表面原子の略中心位置を通る試料の垂線上に作用針が走査された状態で、作用針と試料との距離を制御して作用針を試料の表面と垂直な方向に走査し、次いで、作用針の先端原子及び試料の表面原子の距離に基づく相互作用に起因する物理量を検出し、検出された物理量の変化量を算出し、そして、算出された変化量が基準量より大きいか否かを判定し、変化量が基準量を超えたと判定された場合に、表面原子及び先端原子の位置が交換されたと判断することとしたので、表面における原子の配列を確認することなく、２つの原子（作用針の先端原子及び試料の表面原子）の位置交換が完了したか否かを基準量に基づいて定量的に判断することができる。したがって、このような判断のもとに、２つの原子の位置交換を繰り返すことによって原子を効率的に配列させて量子デバイスの作成することができる。特に、量子デバイスの作成に要する時間を短縮することができ、また、交換の都度、原子の配列を確認する必要がなくなるので、作業者の負担を削減することができる。
【００３２】
本発明によれば、試料の表面上の第１原子及び第２原子の略中間位置を通る試料の垂線上に作用針が走査された状態で、作用針と試料との距離を制御して作用針を試料の表面と垂直な方向に走査し、次いで、試料の表面上の第１原子及び第２原子によって作用針に作用する相互作用に起因する物理量を検出し、検出された物理量の変化量を算出し、そして、算出された変化量が基準量より大きいか否かを判定し、変化量が基準量を超えたと判定された場合に、第１原子及び第２原子の位置が交換されたと判断することとしたので、表面における原子の配列を確認することなく、２つの原子（試料の表面上の第１原子及び第２原子）の位置交換が完了したか否かを基準量に基づいて定量的に判断することができる。したがって、このような判断のもとに、原子を効率的に配列させて量子デバイスを作成することができる。
【００３３】
本発明によれば、作用針がカンチレバーに設けられており、カンチレバーの周波数変化を物理量として検出する構成としたので、作用針及び試料表面の原子が導電性である必要がなく、すべての物質を原子操作の対象とすることができ、その適用範囲が極めて広い。
【００３４】
本発明によれば、作用針と試料との間に流れる電流を物理量として検出する構成としたので、作用針及び試料が電流を検出できる材料系である場合、作用針に作用する力を検出する部分が必要でなくなることから、装置構成が比較的簡単であっても安定に測定でき、かつ装置を小さくすることができる。
【００３５】
本発明によれば、作用針又は試料に光を照射して近接場光を生じさせ、作用針と試料との近接場相互作用に基づく散乱光のスペクトル分布及び強度を物理量として検出する構成としたので、検出された散乱光のスペクトル分布及び強度の変化量の大きさに基づいて、原子の交換が起こったか否かを判断することができる。
【００３６】
本発明によれば、作用針と試料との間の静電容量を物理量として検出する構成としたので、検出された静電容量の変化量の大きさに基づいて、原子の交換が起こったか否かを判断することができる。
【００３７】
本発明によれば、無秩序に分布している原子を操作し、ボトムアップアプローチにより目的の位置に原子を配置したり、逆に抜き出したりして、原子レベルでの配列を操作して所望の構造を有する量子デバイスを実現することができる。例えば、２種類以上の原子を複数個組み合わせて、特定の機能を有するデバイスや機能材料の探索に極めて有効である。さらに、薬学及び生命科学分野においては、機能性物質及び生体の原子種を交換して、その機能の変化を実際に確認することが可能となる。さらにまた、自己組織化の手法では作成できないような材料探索や、カンチレバー及び作用針をアレイ状又はマトリクス状に並べて本発明を実施することで、一度に大量の原子操作による材料作成及び評価が可能となり、効率よく新しい機能を有する材料を原子レベルで探索する、いわゆるコンビナトリアルの手法にも適用することが可能となる等、優れた効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。
【００３９】
図１乃至図４は本発明による量子デバイス作成方法の原理を説明するための図であり、本発明による量子デバイス作成方法は２つのパターンに大別される。
【００４０】
（第１の方法：図１及び図２）
図１は作用針の先端原子４０と表面原子５０との相対位置を、図２（ａ）は先端原子４０と表面原子５０との間に作用する相互作用に基づく物理量を、図２（ｂ）は物理量の変化量を、それぞれ示す。
【００４１】
作用針の先端原子４０を試料の表面原子５０に近づけると（図１（ａ））、先端原子４０と表面原子５０との間に作用する相互作用（原子間力など）が大きくなり、相互作用に基づく物理量Ｑ（力、周波数シフト、トンネル電流、近接場光及びキャパシタンスなど）が徐々に変化する（図２：領域Ａ）。さらに、先端原子４０を表面原子５０に近づけると（図１（ｂ））、物理量Ｑが急激に変化し（図２：領域Ｂ）、先端原子４０と表面原子５０とが交換される（図１（ｃ））。
【００４２】
このように、第１の方法では、表面原子５０の略中心位置を通る試料の垂線上に作用針の先端原子４０を走査した状態で、作用針（先端原子４０）を試料の表面に近づける垂直走査を行なって、先端原子４０と表面原子５０とを交換する。原子の交換が完了したか否かは、図２（ｂ）に示すように、物理量の変化量ΔＱの大きさに基づいて判断する。つまり、交換前の系の状態と交換後の系の状態とが明確な相違として物理量に現れる。そこで、閾値ΔＱｔｈを設定しておき、物理量の変化量ΔＱが閾値ΔＱｔｈより大きい場合、原子の交換が生じたと判定し、物理量の変化量ΔＱが閾値ΔＱｔｈより小さい場合、原子の交換は起こっていないと判定する。
【００４３】
（第２の方法：図３及び図４）
図３は作用針の先端原子４０と表面原子５０との相対位置を、図４（ａ）は先端原子４０と表面原子５０との間に作用する相互作用に基づく物理量を、図４（ｂ）は物理量の変化量を、それぞれ示す。
【００４４】
作用針の先端原子４０を試料表面に沿って走査（水平走査）させ、試料表面上の第１原子５０ａ及び第２原子５０ｂの略中間位置を通る試料の垂線上に作用針の先端原子４０を配置させた後に、作用針の先端原子４０を試料表面に近づける（図３（ａ））。この走査によって、先端原子４０と第１原子５０ａ及び第２原子５０ｂとの間に作用する相互作用が大きくなり、相互作用に基づく物理量Ｑが徐々に変化する（図４：領域Ａ）。さらに、先端原子４０を試料表面に近づけると（図３（ｂ））、物理量Ｑが急激に変化し（図４：領域Ｂ）、先端原子４０の下方の相隣する原子、つまり第１原子５０ａと第２原子５０ｂとが交換される（図３（ｃ））。
【００４５】
このように、第２の方法では、試料表面上の相隣する第１原子及び第２原子の略中間位置を通る試料の垂線上に作用針の先端原子４０を走査した状態で、作用針（先端原子４０）を試料の表面に近づける垂直走査を行なって、第１原子５０ａと第２原子５０ｂとを交換する。原子の交換が完了したか否かは、図４（ｂ）に示すように、物理量の変化量ΔＱの大きさに基づいて判断する。つまり、第１の方法と同様に、交換前の系の状態と交換後の系の状態とが明確な相違として物理量に現れることから、閾値ΔＱｔｈを設定しておき、物理量の変化量ΔＱが閾値ΔＱｔｈより大きい場合、原子の交換が生じたと判定し、物理量の変化量ΔＱが閾値ΔＱｔｈより小さい場合、原子の交換は起こっていないと判定する。
【００４６】
図５は本発明に係る量子デバイス作成装置の構成例を示すブロック図である。
本発明に係る量子デバイス作成装置は、ＣＰＵで構成された制御部１０を備えている。制御部１０は、ＲＯＭ１１、ＲＡＭ１２、操作部１３、判定部１４、表示部１５及びＡＦＭ２０と接続され、これら各部を制御し、ＲＯＭ１１に予め格納されているコンピュータプログラムに従って種々の機能を実行し、各部と連携して又は単独で本発明における各種の手段として機能する。ＲＡＭ１２は、制御部１０によるコンピュータプログラムの実行時に発生する一時的なデータを記憶するもので、例えばＤＲＡＭ、ＳＤＲＡＭなどにより構成される。
【００４７】
ＡＦＭ２０は、カンチレバー２１、カンチレバー２１の一端に取り付けられた作用針２２、及びカンチレバー２１の他端に取り付けられた加振部２３、並びに、試料Ｓを載置するための試料台２４、試料台２４を３次元方向に操作するための垂直位置走査部２５、及び水平位置走査部２６から構成される走査ユニットと、変位検出部２７、加振制御部２８、周波数検出部２９、垂直位置制御部３０及び水平位置制御部３１から構成される制御ユニットとを備えている。なお、走査ユニットは、真空チャンバー内に設けられており、作用針２２の走査を超高真空中（１０-9Ｐａ）で行なえるようになっている。
【００４８】
カンチレバー２１は、その長さが１００〜２００μｍの微小な板バネであって、国有の振動数（共振周波数）ｆｒにて振動し、その振動が作用針２２に伝播する。共振周波数ｆｒは、概略、カンチレバー２１のバネ定数ｋ，作用針２２の質量ｍを用いると、ｆｒ＝１／２π×√（ｋ／ｍ）である。周波数変調方式では、共振周波数ｆｒ及び所定の振幅Ｒで作用針２２を振動させた状態で試料Ｓに近づける。作用針２２が試料Ｓの表面に近づいたとき、作用針２２と試料Ｓの表面原子との間に力学的相互作用が作用する。このとき、カンチレバー２１の共振周波数ｆｒが変化する（周波数シフトΔｆ）。周波数シフトΔｆは、作用針２２と試料Ｓの表面原子との間に引力が作用したときには負の値となり、斥力が作用したときには正の値となる。
【００４９】
作用針２２は、半導体の微細加工技術によって得た微細なものであって、例えば、長さが１０μｍ、先端が数ｎｍφの弧状のシリコンを用いる。もちろん、作用針２２の材料については限定されるものではないが、例えば、表面観察用のシリコン製のものを用いる場合、作用針の表面に被覆されている酸化物及びゴミなどを除去することにより、より力学的相互作用の感度を高めて分解能を向上させることが好ましい。
【００５０】
加振部２３は、カンチレバー２１に振動を与えて作用針２２を振動させるためのもので、例えば、電圧を印加することで変位が生じる圧電体によって構成される。また、カンチレバー２１の作用針取付部には作用針支持部が配されており、消耗品である作用針２２を容易に取り付ける（取り替える）ことができるようになっている。
【００５１】
垂直位置走査部２５は、作用針２２と試料Ｓとの垂直方向の位置、つまり試料表面に対して垂直方向の作用針２２−試料Ｓ間の相対位置を変化させるためのものであり、例えば、電圧を印加することで変位が生じる圧電体からなる。水平位置走査部２６は、作用針２２と試料Ｓとの水平方向の位置、つまり試料表面に対して水平方向の作用針２２−試料Ｓ間の相対位置を変化させるためのものであり、垂直位置走査部２５と同様に圧電体からなる。圧電体の形態は、例えば、円筒形状のチューブスキャナ型、圧電体を一層又は複数層を重ね合わせたものである。
【００５２】
本例では、試料台２４に垂直位置走査部２５と水平位置走査部２６とが配置されているが、それぞれの方向で作用針２２と試料Ｓとの相対位置を変化させることができるならば、いずれか一方又は両方を作用針２２側に配置していてもかまわない。また、垂直位置走査部２５と水平位置走査部２６とが一体になっているが別体であってもよい。さらに、チューブスキャナ型では、水平走査信号に垂直走査信号を加算して水平位置走査部２６に与えることで、水平位置走査部２６を垂直位置走査部２５として利用してもよい。さらにまた、加振部２３を垂直位置走査部２５として利用してもよい。
【００５３】
加振制御部２８は、作用針２２の振動を制御するものであり、作用針２２の振動振幅を一定にするモード（振動振幅一定モード）と、加振部２３に与える信号の振幅を一定にするモード（加振一定モード）とがある。効率良く作用針２２を加振するために移相器を用いるようにしてもよい。振動振幅の信号に利得（ゲイン）をかけ、加振部２３に信号を与える方法、周波数検出部２９と併用してＰＬＬの発信器の信号を利用する方式などがあげられる。
【００５４】
変位検出部２７は、作用針２２の変位を信号として検出するものであり、例えば、光源と分割された光検出器から構成され市販のＡＦＭに利用されている光テコ方式（森田清三編著、「走査型プローブ顕微鏡：基礎と未来予測」丸善）、光ファイバーの干渉を利用する光干渉方式（D.Ruger et. al, Applied Physics Letters, Vol.55, p2588(1989)）、作用針に水晶が配され水晶の微小な電流変化を電圧に変換するチューニング方式（P.Guthner et al, Applied Physics B, Vol.48, p.89(1989)）、Ｑパルスセンサー方式（F.J.Giessibl, Applied Physics Letters, Vol.73）、作用針の変位が抵抗変化としてとらえられるピエゾ抵抗方式（F.J.Giessibl, Science, Vol.267, p68(1995)）、作用針の変位が電圧変化として検出できるピエゾ圧電方式（J.Rychen et al, Review of Scientific Instrumrnts, Vol.70, p2765(1999)）などを用いる。
【００５５】
周波数検出部２９は、作用針２２の先端原子４０と試料Ｓの表面原子５０との間に作用する相互作用に基づく物理量である共振周波数の変化（周波数シフトΔｆ）を検出するものであり、例えば位相同期ループ（ＰＬＬ）、インダクタとキャパシタとを用いた共振回路、各種フィルタなどを用いて構成する。
【００５６】
先端原子４０を表面原子５０に接近させた場合、先端原子４０と表面原子５０との間に作用する相互作用によって、カンチレバー２１の実効的なばね定数が変化して共振周波数が変化する。そこで、変位検出部２７にて、作用針２２（カンチレバー２１の一端側）の変位量を検出し、検出された変位量に基づいて、作用針２２と試料Ｓと相互作用によるカンチレバー２１の共振周波数の変化量（周波数シフトΔｆ）を周波数検出部２９にて検出する。
【００５７】
垂直位置制御部３０は、作用針２２と試料Ｓとの相対位置変化のうち、試料Ｓと垂直方向の動きＺ，ΔＺを補正すべく、垂直位置走査部２５に補正信号を与えてフィードバック制御を行なう。同様に、水平位置制御部３１は、作用針２２と試料Ｓとの相対位置変化のうち、試料Ｓと平行方向の動きＸ，ΔＸ及びＹ，ΔＹを補正すべく、水平位置走査部２６に補正信号を与えてフィードバック制御を行なう。
【００５８】
操作部１３は、量子デバイス作成装置を操作するためのものであり、ターゲット設定部１３ａと閾値設定部１３ｂとを備える。本発明では、交換したい原子をターゲット設定部１３ａにて指定する。ターゲット設定部１３ａは、上述した第１の方法によって原子を交換する場合には、試料の表面原子を１つ指定する。一方、上述した第２の方法によって原子を交換する場合には、試料の表面原子を２つ指定する。また、閾値設定部１３ｂでは、原子の交換が生じた場合の基準値である閾値ΔＱｔｈを設定するものであり、閾値ΔＱｔｈは、交換する原子の種類、試料の表面状態などに応じて適宜設定される。
【００５９】
制御部１０は、ＡＦＭ２０の周波数検出部２９にて検出された周波数シフトΔｆの変化量ΔＱを算出する本発明に係る算出手段として機能し、判定部１４は、制御部１０によって算出された周波数シフトΔｆの変化量ΔＱが閾値ΔＱｔｈより大きいか否かを判定する。
【００６０】
ＡＦＭ２０は、従来と同様、作用針２２を試料表面に近づけた場合に作用針２２と試料Ｓとの間に作用する相互作用を検出し、２次元的にマッピングした画像として出力することができるので、液晶ディスプレイ，ＣＲＴディスプレイなどの表示部１５にて、試料Ｓの表面状態、すなわち表面における原子の配列を表示することも可能であるが、本発明では、表面における原子の配列を表示部１５に表示することなく、設定した閾値ΔＱｔｈに基づいて、物理量（ここでは周波数シフトΔｆ）の変化量ΔＱが閾値ΔＱｔｈより大きい場合、原子の交換が生じたと判定し、物理量の変化量ΔＱが閾値ΔＱｔｈより小さい場合、原子の交換は起こっていないと判定する。
【００６１】
次に、上述した量子デバイス作成装置を用いて量子デバイスを作成する方法について説明する。
【００６２】
（第１の方法）
図６は本発明に係る量子デバイス作成方法（第１の方法）の概念図である。
第１の方法では、表面上の原子の種類が異なる２つの基板７０ａ，７０ｂを用意する。一方の基板７０ａの表面上には第１原子５０ａが配置されており、他方の基板７０ｂの表面上には第２原子５０ｂが配置されている。先ず、基板７０ａの表面上の第１原子５０ａ（基板７０ａの表面上のいずれの原子であってもよい）の上方に作用針２２を走査させる。このとき作用針２２の先端には先端原子４０が付着されているものとする（図６（ａ））。
【００６３】
次いで、作用針２２を基板７０ａの表面と垂直方向に走査して、先端原子４０を第１原子５０ａに近づける。この走査の際、量子デバイス作成装置は、物理量（周波数シフト）を検出し、さらに検出された物理量から、物理量の変化量ΔＱを算出し、物理量の変化量ΔＱが閾値ΔＱｔｈより大きいか否かを判定する。そして、物理量の変化量ΔＱが閾値ΔＱｔｈより大きくなった場合、先端原子４０と第１原子５０ａとの位置交換が生じたと判断する（図６（ｂ））。
【００６４】
そして、作用針２２を基板７０ａから遠ざけ、基板７０ｂの表面上の複数の第２原子のうちから、作用針２２の先端に付着している第１原子５０ａと交換したい第２原子５０ｂを交換ターゲットとして設定する。この設定に基づいて、基板７０ｂの表面上の第２原子５０ｂの上方に作用針２２を走査させる。このとき作用針２２の先端には第１原子５０ａが付着されている（図６（ｃ））。
【００６５】
さらに、作用針２２を基板７０ｂの表面と垂直方向に走査して、第１原子５０ａを第２原子５０ｂに近づける。この走査の際、量子デバイス作成装置は、上述と同様に、物理量（周波数シフト）を検出し、さらに検出された物理量から、物理量の変化量ΔＱを算出する。そして、物理量の変化量ΔＱが閾値ΔＱｔｈより大きいか否かを判定し、物理量の変化量ΔＱが閾値ΔＱｔｈより大きくなった場合、第１原子５０ａと第２原子５０ｂとの位置交換が生じたと判断する（図６（ｄ））。
【００６６】
図７は本発明に係る量子デバイス作成装置によって算出された周波数シフトを示すグラフ、図８は原子操作前の基板表面の原子の配列を示す画像、図９は原子操作後の基板表面の原子の配列を示す画像である。図８及び図９において、明るい輝点がＳｎ原子、暗い輝点はＳｉ原子を示す。図７に示すように、作用針２２の先端に付着したＳｎと基板上のＳｉ原子との距離Ｚが略１Åになった場合、周波数シフトΔｆが急激に変化していることが分かった。また、図９に示すように、図８と比較して、Ｓｉ原子５５を引き抜き、引き抜いたＳｉ原子５５をＳｎ原子５６の位置に挿入されていることが分かる。
【００６７】
なお、周波数シフトは、交換する原子の種類、試料の表面状態などに応じて異なり、例えば、図７に示したＳｎ原子とＳｉ原子とが逆の状態、すなわち、作用針２２の先端にＳｉ原子が付着した状態で基板上のＳｎ原子と交換させる場合、周波数シフトのグラフの形状は図１０のようになる。図１０を図７と比較すると、Ｓｎ原子とＳｉ原子との距離Ｚが略２Åに近づくまでは略同一の形状を示しているが、距離Ｚが略２Åより小さくなると、グラフ形状が相違していることが分かる。これは、原子の交換プロセスが、作用針及び基板などを構成する原子からの影響を受けるため、単に交換対象の２つの原子のみによって決定されるものではないと推定される。そこで、作用針及び基板などを構成する原子からの影響を予め考慮し、交換が完了したか否かの判定に用いる閾値Ｑｔｈを、マージンを取って設定することにより、本発明を様々な状態において適用することが可能である。
【００６８】
このようにして、基板７０ｂの第２原子５０ｂの位置に第１原子５０ａが挿入される。図６（ａ）〜図６（ｄ）の操作を繰り返すことによって、所望の構造を有する量子デバイスを作成することができる。ＡＦＭ２０は、試料Ｓの表面状態、すなわち表面における原子の配列を表示部１５に表示して、先端原子４０及び第１原子５０ａの交換、第１原子５０ａ及び第２原子５０ｂの交換を確認することも可能であるが、本例のように、閾値ΔＱｔｈに基づいて、物理量の変化量ΔＱが閾値ΔＱｔｈより大きい場合に原子の交換が生じたと判定することによって、作業者が交換を視認することなく、原子の交換処理を順次行なうことができるので、量子デバイスの作成に要する時間を短縮することができる。また、交換の都度、原子の配列を確認する必要がなくなるので、作業者の負担を削減することができる。特に、原子を操作してボトムアップアプローチにより量子デバイスを作成する場合には、原子の交換回数が極めて多くなることから、本例のような交換発生の有無を判断することが極めて有効である。
【００６９】
（第２の方法）
図１１は本発明に係る量子デバイス作成方法（第２の方法）の概念図である。
第２の方法では、表面上に複数種類の原子が表出されている基板７０を用意する。
基板７０の表面上には複数の第１原子及び複数の第２原子が配置されており、基板７０の表面上の複数の第１原子及び複数の第２原子のうちから、互いに交換させたい第１原子５０ａ及び第２原子５０ｂをターゲットとして設定する。なお、設定する２つのターゲットは、隣接する原子であるものとする。そして、ターゲットとして設定した第１原子５０ａ及び第２原子５０ｂの略中間の上方に作用針２２を走査させる。このとき作用針２２の先端には先端原子４０が付着されているものとし、先端原子４０は上述した図６の場合と異なり作用針２２の操作によって第１原子５０ａ及び第２原子５０ｂのそれぞれに作用する相互作用の起点となるものであって、先端原子４０が交換対象となるものではない（図１１（ａ））。
【００７０】
次いで、作用針２２を基板７０の表面と垂直方向に走査して、先端原子４０を第１原子５０ａ及び第２原子５０ｂの中間位置（谷間）に近づける。この走査の際、量子デバイス作成装置は、物理量（周波数シフト）を検出し、さらに検出された物理量から、物理量の変化量ΔＱを算出し、物理量の変化量ΔＱが閾値Ｑｔｈより大きいか否かを判定する。そして、物理量の変化量ΔＱが閾値ΔＱｔｈより大きくなった場合、第１原子５０ａと第２原子５０ｂとの位置交換が生じたと判断する（図１１（ｂ））。
【００７１】
そして、作用針２２を基板７０から遠ざけ、基板７０の表面上の複数の第１原子及び複数の第２原子のうちから、互いに交換させたい第１原子５０ａ及び第２原子５０ｂをターゲットとして設定する。そして、ターゲットとして設定した第１原子５０ａ及び第２原子５０ｂの略中間の上方に作用針２２を走査させる。（図１１（ｃ））
【００７２】
さらに、作用針２２を基板７０の表面と垂直方向に走査して、先端原子４０を第１原子５０ａ及び第２原子５０ｂに近づける。この走査の際、量子デバイス作成装置は、上述と同様に、物理量（周波数シフト）を検出し、さらに検出された物理量から、物理量の変化量ΔＱを算出する。そして、物理量の変化量ΔＱが閾値ΔＱｔｈより大きいか否かを判定し、物理量の変化量ΔＱが閾値ΔＱｔｈより大きくなった場合、第１原子５０ａと第２原子５０ｂとの位置交換が生じたと判断する（図１１（ｄ））。
【００７３】
図１２は本発明に係る量子デバイス作成装置によって算出された周波数シフトを示すグラフ、図１３は原子操作前の基板表面の原子の配列を示す画像、図１４は原子操作後の基板表面の原子の配列を示す画像である。図１３及び図１４において、明るい輝点がＳｎ原子、暗い輝点はＳｉ原子を示す。図１２に示すように、作用針２２の先端の先端原子と、Ｓｎ原子５７及びＳｉ原子５８との距離Ｚが略３Åになった場合、周波数シフトΔｆが急激に変化していることが分かった。また、図１４に示すように、図１３と比較して、ターゲットとして設定したＳｎ原子５７とＳｉ原子５８との位置（矢印の領域）が交換されていることが分かる。なお、図１２においては、周波数シフト曲線が上側（正の向き）へジャンプしているが、逆、すなわち下側（負の向き）へジャンプする場合もある。
【００７４】
このような原子交換処理を実行して、基板７０の第１原子５０ａ（Ｓｎ原子５７）と第２原子５０ｂ（Ｓｉ原子５８）との位置を交換する。図１１（ａ）〜図１１（ｄ）の操作を繰り返すことによって、所望の構造を有する量子デバイスを作成することができる。第２の方法の場合も、第１の方法と同様、作業者が交換を視認することなく、原子の交換処理を順次行なうことができるので、量子デバイスの作成に要する時間を短縮することができるなどの効果を有する。
【００７５】
次に、第１の方法と第２の方法との相違について説明する。
第１の方法では、作用針２２の先端原子４０及び第１原子５０ａを交換する処理と、第１原子５０ａ及び第２原子５０ｂを交換する処理との２つの処理で、基板７０ａの所望の位置に第１原子５０ａを配置することができる。一方、第２の方法では、相隣する第１原子５０ａ及び第２原子５０ｂの略中間位置の上方で作用針２２を垂直走査することによって第１原子５０ａと第２原子５０ｂとを交換することから、第１原子を配置したい位置の隣に、第１原子５０ａが存在しない場合は、水平走査による原子の交換処理を繰り返す必要がある。ただし、第１原子を配置したい位置の近傍に、第１原子５０ａが存在する場合は、１回の垂直走査によって第１原子５０ａを目的の位置に配置することができる。
【００７６】
上述したように、相隣する２つの原子を交換する場合、第１の方法を用いれば２回の交換処理が必要であり、第２の方法を用いれば１回の交換処理で済むことから、第２の方法が好ましい。また、２つ隣りの位置の原子を交換する場合、第１の方法及び第２の方法ともに２回の交換処理が必要であり、どちらの方法であっても大差がない。さらに、Ｎ個（Ｎ＞３）以上隣りの位置の原子を交換する場合、第２の方法を用いればＮ回の交換処理が必要であるが、第１の方法を用いれば２回の交換処理で済むことから、第１の方法が好ましい。つまり、交換したい原子の互いの位置関係に応じて第１の方法と第２の方法とを使い分けることによって、さらに、量子デバイスの作成に要する時間を短縮することができる。また、第１の方法は、第２の方法では移動が無理な場合、例えばステップを越えた移動や、その他原子間のポテンシャルが高く移動が困難な場合に有効である。
【００７７】
なお、作用針の表面上の原子（蒸着してもよいし、作用針そのものの材料でも良い）をインクのように利用してもよい。例えば、図１５に示すように、基板７０の原子５０ａと交換させたい原子５０ｂを作用針２２の表面に蒸着し、蒸着した作用針２２を基板７０の表面に近づける（図１５（ａ））。これにより、第１の方法と同様にして、原子５０ａと原子５０ｂとが交換され、基板７０の目的の位置に原子５０ｂを配置することができる（図１５（ｂ））。さらに、次のターゲットの位置に作用針２２を移動させ（図１５（ｃ））、原子５０ａと原子５０ｂとを交換させる（図１５（ｄ））。これを繰り返すことによって、基板７０上に原子５０ｂの文字を形成することができる。このように、作用針２２の表面上の原子５０ｂをあたかもインクのように用いることができる。
【００７８】
ところで、第１の方法では基板７０ｂ、第２の方法では基板７０の表面上の原子に着目すれば、所望の位置に原子を配置できたことになるので、本発明をドーパント原子に利用することで、半導体ＬＳＩ上に規則的にドーパント原子が配列された状態を作成することができる。なお、作成後は低温プロセスでカバーすればよい。さらに、Ｋａｎｅが提唱し、開発が行なわれているシリコン量子コンピュータの作成に利用することが可能となる。このように、本発明に係る量子デバイス作成方法は、数世代先の量子デバイスを作成する重要な技術となる。特に集積化が可能なＫａｎｅ型量子コンピュータ（例えば、Ｂ．Ｅ．ケーン（B.E.Kane）、「シリコンベースの核スピン量子コンピュータ（A silicon-based nuclear spin quantum computer）」、ネイチャ（Nature）、１９９８年５月、第３９３巻、ｐ．１３３−１３７参照）の実現には、本手法で作成する方法が極めて有効である。
【００７９】
なお、量子デバイス作成装置として、図５に示したように、制御部１０がＡＦＭ２０の周波数検出部２９にて検出された周波数シフトΔｆの変化量ΔＱを算出し、判定部１４が、制御部１０によって算出された周波数シフトΔｆの変化量ΔＱが閾値ΔＱｔｈより大きいか否かを判定することによって、原子の交換が完了したか否かを判断する形態について説明したが、トンネル電流、近接場光及びキャパシタンスのような物理量の変化量に基づいて、原子の交換が完了したか否かを判断してもよい。
【００８０】
図１６は本発明に係る量子デバイス作成装置の他の構成例を示すブロック図である。
本発明に係る量子デバイス作成装置は、ＣＰＵで構成された制御部１０を備えている。制御部１０は、ＲＯＭ１１、ＲＡＭ１２、操作部１３、判定部１４、表示部１５及びＳＴＭ１２０と接続されている。ＳＴＭ１２０は、作用針２２と、試料Ｓを載置するための試料台２４と、試料台２４を３次元方向に駆動制御する垂直位置走査部２５及び水平位置走査部２６とを備えている。さらに、ＳＴＭ１２０は、電圧印加／電流検出部１２１と垂直位置制御部３０及び水平位置制御部３１とを備えている。
【００８１】
電圧印加／電流検出部１２１によって作用針２２と試料Ｓとの間に電圧を印加するとともに、作用針２２を試料Ｓの表面に接近させ、作用針２２と試料Ｓとの間に流れるトンネル電流を電圧印加／電流検出部１２１にて検出する。作用針２２と試料Ｓとに働く相互作用の大きさに応じて、トンネル電流の大きさが決定されることから、電圧印加／電流検出部１２１にて検出されたトンネル電流の値によって作用針２２と試料Ｓとに働く相互作用を推定することができる。特に、本例でも、上述と同様に、トンネル電流の変化量ΔＱが急激に変化した場合に原子の交換がなされたと判断する。その他の構成は、図５と同様であるので、対応する部分には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００８２】
図１７は本発明に係る量子デバイス作成装置の他の構成例を示すブロック図である。
本発明に係る量子デバイス作成装置は、ＣＰＵで構成された制御部１０を備えている。制御部１０は、ＲＯＭ１１、ＲＡＭ１２、操作部１３、判定部１４、表示部１５及び近接場光学顕微鏡（ＮＳＯＭ：Near-field Scanning Optical Microscopy）２２０と接続されている。ＮＳＯＭ２２０は、作用針２２と、試料Ｓを載置するための試料台２４と、試料台２４を３次元方向に駆動制御する垂直位置走査部２５及び水平位置走査部２６とを備えている。さらに、ＮＳＯＭ２２０は、レーザ２２１、偏光素子２２２、第１ハーフミラー２２３、レンズ２２４、光ファイバ２２５、第２ハーフミラー２２６、分光素子２２７、検出部２２８、垂直位置制御部３０及び水平位置制御部３１を備えている。
【００８３】
レーザ２２１から照射された光は、偏光素子２２２によって偏光され、第１ハーフミラー２２３へ導光される。第１ハーフミラー２２３を直進した光は、レンズ２２４によって集光され、光ファイバ２２５の一端側へ導光される。光ファイバ２２５の他端側は作用針２２に接続されている。作用針２２の先端は微小な開口部２２ａを有しており、開口部２２ａを通じて試料Ｓに光を照射する。試料Ｓ自体の構造によって、試料Ｓの表面には、その特徴的なサイズ程度に局在した近接場が存在しており、作用針２２と試料Ｓとの近接場相互作用に基づいて散乱光が生じる。なお、開口部２２ａの直径が空間分解能（すなわち距離分解能）となることから、化学的エッチングなどを行なうことによって作用針２２の先鋭化を図ることが好ましい。
【００８４】
散乱光は、光ファイバ２２５を通じて、レンズ２２４に導光される。そして、散乱光は、レンズ２２４にて集光され、第１ハーフミラー２２３及び第２ハーフミラー２２６の表面で反射され、その進行方向が変えられて分光素子２２７へ導光される。分光素子２２７によって分光された散乱光は、検出部２２８にて検出される。作用針２２と試料Ｓとの距離に応じて、その近接場相互作用の大きさが決定されることから、検出部２２８にて検出された散乱光のスペクトル分布及び強度によって、作用針２２と試料Ｓとに働く相互作用の大きさを推定することができる。特に、本例でも、上述と同様に、散乱光のスペクトル分布及び強度の変化量ΔＱが急激に変化した場合に原子の交換がなされたと判断する。その他の構成は、図５と同様であるので、対応する部分には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００８５】
なお、図１７では、試料Ｓに近接場照射するとともに、近接場相互作用に基づいて生じた散乱光を集光する場合に作用針２２の開口部２２ａを利用するIllumination-Collection（I-C）モードの例について説明したが、試料Ｓに近接場照射する場合に作用針２２の開口部２２ａを利用するIllumination（I）モード、近接場相互作用に基づいて生じた散乱光を集光する場合に作用針２２の開口部２２ａを利用するCollection（C）モードであってもよい。
【００８６】
図１８は本発明に係る量子デバイス作成装置の他の構成例を示すブロック図である。
本発明に係る量子デバイス作成装置は、ＣＰＵで構成された制御部１０を備えている。制御部１０は、ＲＯＭ１１、ＲＡＭ１２、操作部１３、判定部１４、表示部１５及び走査型キャパシタンス顕微鏡（ＳＣＭ：Scanning Capacitance Microscopy）３２０と接続されている。ＳＣＭ３２０は、作用針２２と、試料Ｓを載置するための試料台２４と、試料台２４を３次元方向に駆動制御する垂直位置走査部２５及び水平位置走査部２６とを備えている。さらに、ＳＣＭ３２０は、バイアス電源３２１、交流電源３２２、静電容量検出部３２３、ロックインアンプ３２４、垂直位置制御部３０及び水平位置制御部３１を備えている。
【００８７】
バイアス電源３２１及び交流電源３２２を用いて、作用針２２と試料Ｓとの間にオフセットされた交流電圧を印加する。そして、作用針２２と試料Ｓとの間の静電容量を静電容量検出部３２３にて検出し、静電容量の変化量をロックインアンプ３２４にて検出する。そして、本例でも、上述と同様に、作用針２２と試料Ｓとの間の静電容量の変化量ΔＱが急激に変化した場合に原子の交換がなされたと判断する。その他の構成は、図５と同様であるので、対応する部分には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００８８】
上述した各構成の量子デバイス作成装置を用いて、実施の形態と同様の方法を行って２つの原子を交換して量子デバイスを作成することができるが、その方法は、実施の形態と同様であるため、その詳細な説明を省略する。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】量子デバイス作成方法（第１の方法）の原理を説明するための図である。
【図２】量子デバイス作成方法（第１の方法）の原理を説明するための図である。
【図３】量子デバイス作成方法（第２の方法）の原理を説明するための図である。
【図４】量子デバイス作成方法（第２の方法）の原理を説明するための図である。
【図５】本発明に係る量子デバイス作成装置の構成例を示すブロック図である。
【図６】本発明に係る量子デバイス作成方法（第１の方法）の概念図である。
【図７】本発明に係る量子デバイス作成装置によって算出された周波数シフトを示すグラフである。
【図８】原子操作前の基板表面の原子の配列を示す画像である。
【図９】原子操作後の基板表面の原子の配列を示す画像である。
【図１０】周波数シフトを示すグラフである。
【図１１】本発明に係る量子デバイス作成方法（第２の方法）の概念図である。
【図１２】本発明に係る量子デバイス作成装置によって算出された周波数シフトを示すグラフである。
【図１３】原子操作前の基板表面の原子の配列を示す画像である。
【図１４】原子操作後の基板表面の原子の配列を示す画像である。
【図１５】本発明に係る量子デバイス作成方法（第１の方法）の他の一例の概念図である。
【図１６】本発明に係る量子デバイス作成装置の他の構成例を示すブロック図である。
【図１７】本発明に係る量子デバイス作成装置の他の構成例を示すブロック図である。
【図１８】本発明に係る量子デバイス作成装置の他の構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００９０】
１０ 制御部
１３ 操作部
１３ａ ターゲット設定部
１３ｂ 閾値設定部
１４ 判定部
２０ ＡＦＭ
２１ カンチレバー
２２ 作用針
２３ 加振部
２７ 変位検出部
２８ 加振制御部
２９ 周波数検出部
３０ 垂直位置制御部
３１ 水平位置制御部
【技術分野】
【０００１】
本発明は量子デバイス作成装置、量子デバイス作成方法及び量子デバイスに関し、より具体的には、２つの原子の位置交換を繰り返すことによって量子デバイスを作成する場合に、２つの原子の位置交換が完了したか否かを定量的に判断して量子デバイスの作成に要する時間を短縮することができる量子デバイス作成装置、量子デバイス作成方法及び量子デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のデバイス及び機能性物質の作成方法は、半導体（主にＳｉ）上にエッチング、熱硬化、ＣＶＤ，ＦＩＢ加工などの処理によって行なわれている。つまり、半導体という大きなウェハ基板から小さな構造を作るトップダウンアプローチによって行なわれてきた。トップダウンアプローチの手法は、微細化に限界があると考えられ、原子１つ１つからデバイスを作成するボトムアップアプローチの手法の開発が求められつつある。
【０００３】
例えば、１０年後の半導体においては、加工線幅が１０ｎｍ程度になると考えられている。このような線幅では、電気伝導を担うドーパントの分布が規則的に配列されるべきである。しかしながら、現時点において、ドーパントを規則的に配列する技術は実現されていない。
【０００４】
走査型プローブ顕微鏡は、先鋭な作用針を試料表面に近づけた場合に作用針と試料との間に作用する相互作用（トンネル電流、力、キャパシタ、近接場光など）を検出し、試料表面の状態及び特性（凹凸や磁性、表面ポテンシャルなど）を測定することが可能である。また、走査型プローブ顕微鏡を用いることによって、鋭利に研磨した電極針を非常に微細な隙間を残して被加工物体の表面に接近させ、電極針と被加工物体との間に電圧を印加したときにそれらの間に流れるトンネル電流によって被加工物体の微細加工を行なうことが可能である（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
また、本発明者は、非接触型原子間力顕微鏡における一つの未解決課題、すなわち、試料表面の原子位置の近傍で作用針を横方向に走査することで、試料表面の原子の位置を交換する方法を報告している（例えば、非特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開平６−２１５７２２号公報
【非特許文献１】杉本宜昭、他５名、「原子間力顕微鏡を用いた室温環境下での原子嵌め込みの実現（Atom inlays performed at room temperature using atomic force microscopy）」、ネイチャ・マテリアル（Nature Material）、２００５年２月、第４巻、ｐ．１５６−１５９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、原子の交換プロセスは、量子効果が作用することから、例えば１回の作用針走査によって確実に原子が交換されるとは限らないことから、観測者が試料表面の状態を観察して実際に原子の交換が生じたか否かを判断する必要があった。また、試料表面の状態を観察する場合、原子交換を行なう場合より作用針を遠ざけた状態で行なうことから、作用針の移動ステップが増加してしまい、効率的に量子デバイスを作成することは極めて困難であった。
【０００７】
本発明者は、走査型プローブ顕微鏡を用いて原子の位置交換プロセスについて研究を行った結果、原子が交換されたときに、力、周波数シフト、トンネル電流、近接場光及びキャパシタンスのような物理量が急激に変化するとの知見を得た。つまり、原子の交換前の系の状態と交換後の系の状態とが明確な相違として現れるので、物理量が離散的に変化するとの知見を得た。
【０００８】
本発明は、この知見を得てなされたものであり、試料の表面原子の略中心位置を通る試料の垂線上に作用針が走査された状態で、作用針と試料との距離を制御して作用針を試料の表面と垂直な方向に走査し、次いで、作用針の先端原子及び試料の表面原子の距離に基づく相互作用に起因する物理量、又はその物理量の値を１回以上の微分若しくは１回以上の積分、その他一般的なフィルタ処理による新たな物理量（これらまとめて物理量という）を検出し、検出された物理量の変化量（ここで変化量は物理量の変化の大きさ（絶対値）のことをいう）を算出し、そして、算出された変化量が基準量より大きいか否かを判定し、変化量が基準量を超えたと判定された場合に、表面原子及び作用針の先端原子の位置が交換されたと判断することにより、表面における原子の配列を確認することなく、２つの原子（作用針の先端原子及び試料の表面原子）の位置交換が完了したか否かを基準量に基づいて定量的に判断することができ、原子を効率的に配列させて量子デバイスを作成する量子デバイス作成装置及び量子デバイス作成方法の提供を目的とする。
【０００９】
また本発明は、試料の表面上の第１原子及び第２原子の略中間位置を通る試料の垂線上に作用針が走査された状態で、作用針と試料との距離を制御して作用針を試料の表面と垂直な方向に走査し、次いで、試料の表面上の第１原子及び第２原子によって作用針に作用する相互作用に起因する物理量、又はその物理量の値を１回以上の微分若しくは１回以上の積分、その他一般的なフィルタ処理による新たな物理量（これらまとめて物理量という）を検出し、検出された物理量の変化量を算出し、そして、算出された変化量が基準量より大きいか否かを判定し、変化量が基準量を超えたと判定された場合に、第１原子及び第２原子の位置が交換されたと判断することにより、表面における原子の配列を確認することなく、２つの原子（試料の表面上の第１原子及び第２原子）の位置交換が完了したか否かを基準量に基づいて定量的に判断することができ、原子を効率的に配列させて量子デバイスを作成する量子デバイス作成装置及び量子デバイス作成方法の提供を目的とする。
【００１０】
さらに本発明は、作用針がカンチレバーに設けられており、カンチレバーの周波数変化を物理量として検出することにより、作用針及び試料表面の原子が導電性である必要がないことから、すべての物質を原子操作の対象とすることができ、その適用範囲が極めて広い量子デバイスを作成する量子デバイス作成装置の提供を目的とする。
【００１１】
さらにまた本発明は、作用針と試料との間に流れる電流を物理量として検出することにより、作用針及び試料が電流を検出できる材料系である場合、作用針に作用する力を検出する部分が必要でなくなることから、装置構成が比較的簡単であっても安定に測定でき、かつ装置を小さくすることができる量子デバイス作成装置の提供を目的とする。
【００１２】
さらにまた本発明は、作用針又は試料に光を照射して近接場光を生じさせ、作用針と試料との近接場相互作用に基づく散乱光のスペクトル分布及び強度を物理量として検出することにより、検出された散乱光のスペクトル分布及び強度の変化量の大きさに基づいて、原子の交換が起こったか否かを判断することができる量子デバイス作成装置の提供を目的とする。
【００１３】
さらにまた本発明は、作用針と試料との間の静電容量を物理量として検出することにより、検出された静電容量の変化量の大きさに基づいて、原子の交換が起こったか否かを判断することができる量子デバイス作成装置の提供を目的とする。
【００１４】
さらにまた本発明は、無秩序に分布している原子を操作し、ボトムアップアプローチにより目的の位置に原子を配置したり、逆に抜き出したりして、原子レベルでの配列を操作して所望の構造を有する量子デバイスの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
第１発明に係る量子デバイス作成装置は、２つの原子の位置交換を繰り返すことによって量子デバイスを作成する量子デバイス作成装置であって、作用針を試料の表面と水平な方向に走査する水平走査手段と、前記作用針を前記試料の表面と垂直な方向に走査する垂直走査手段と、作用針の先端原子及び試料の表面原子の距離に基づく相互作用に起因する物理量を検出する検出手段と、検出された物理量の変化量を算出する算出手段と、算出された変化量が基準量より大きいか否かを判定する判定手段とを備え、前記垂直走査手段は、前記水平走査手段によって、前記表面原子の略中心位置を通る前記試料の垂線上に前記作用針が走査された状態で、前記作用針を前記試料の表面と垂直な方向に走査し、前記判定手段にて前記変化量が基準量より大きいと判定された場合に、前記表面原子及び前記先端原子の位置が交換されたと判断するようにしてあることを特徴とする。
【００１６】
第２発明に係る量子デバイス作成装置は、２つの原子の位置交換を繰り返すことによって量子デバイスを作成する量子デバイス作成装置であって、作用針を試料の表面と水平な方向に走査する水平走査手段と、前記作用針を前記試料の表面と垂直な方向に走査する垂直走査手段と、前記試料の表面上の第１原子及び第２原子によって前記作用針に作用する相互作用に起因する物理量を検出する検出手段と、検出された物理量の変化量を算出する算出手段と、算出された変化量が基準量より大きいか否かを判定する判定手段とを備え、前記垂直走査手段は、前記水平走査手段によって、前記第１原子及び前記第２原子の略中間位置を通る前記試料の垂線上に前記作用針が走査された状態で、前記作用針を前記試料の表面と垂直な方向に走査し、前記判定手段にて前記変化量が基準量より大きいと判定された場合に、前記第１原子及び前記第２原子の位置が交換されたと判断するようにしてあることを特徴とする。
【００１７】
第３発明に係る量子デバイス作成装置は、前記作用針が配されたカンチレバーを備え、前記検出手段は、前記物理量として前記カンチレバーの周波数変化を検出するようにしてあることを特徴とする。
【００１８】
第４発明に係る量子デバイス作成装置は、前記検出手段は、前記物理量として前記作用針と前記試料との間に流れる電流を検出するようにしてあることを特徴とする。
【００１９】
第５発明に係る量子デバイス作成装置は、前記作用針又は前記試料に光を照射して近接場光を生じさせる照射部を備え、前記検出手段は、前記物理量として前記作用針と前記試料との近接場相互作用に基づく散乱光のスペクトル分布及び強度を検出するようにしてあることを特徴とする。
【００２０】
第６発明に係る量子デバイス作成装置は、前記検出手段は、前記物理量として前記作用針と前記試料との間の静電容量を検出するようにしてあることを特徴とする。
【００２１】
第７発明に係る量子デバイス作成方法は、２つの原子の位置交換を繰り返すことによって量子デバイスを作成する量子デバイス作成方法であって、試料の表面原子の略中心位置を通る試料の垂線上に作用針を走査するステップと、該ステップで前記作用針が走査された状態で、前記作用針を前記試料の表面と垂直な方向に走査するステップと、作用針の先端原子及び試料の表面原子の距離に基づく相互作用に起因する物理量を検出するステップと、検出された物理量の変化量を算出するステップと、算出された変化量が基準量より大きいか否かを判定するステップとを含み、前記変化量が基準量より大きいと判定された場合に、前記表面原子及び前記先端原子の位置が交換されたと判断することを特徴とする。
【００２２】
第８発明に係る量子デバイス作成方法は、２つの原子の位置交換を繰り返すことによって量子デバイスを作成する量子デバイス作成方法であって、試料の表面上の第１原子及び第２原子の略中間位置を通る試料の垂線上に作用針を走査するステップと、該ステップで前記作用針が走査された状態で、前記作用針を前記試料の表面と垂直な方向に走査するステップと、前記第１原子及び前記第２原子によって前記作用針に作用する相互作用に起因する物理量を検出するステップと、検出された物理量の変化量を算出するステップと、算出された変化量が基準量より大きいか否かを判定するステップとを含み、前記変化量が基準量より大きいと判定された場合に、前記第１原子及び前記第２原子の位置が交換されたと判断することを特徴とする。
【００２３】
第９発明に係る量子デバイスは、上述した第７発明又は第８発明の量子デバイス作成方法で原子を操作してボトムアップアプローチにより作成されたことを特徴とする。
【００２４】
第１発明及び第７発明にあっては、試料の表面原子の略中心位置を通る試料の垂線上に作用針が走査された状態で、作用針と試料との距離を制御して作用針を試料の表面と垂直な方向に走査する。そして、作用針の先端原子及び試料の表面原子の距離に基づく相互作用に起因する物理量を検出し、検出された物理量の変化量を算出する。そして、算出された変化量が基準量より大きいか否かを判定し、変化量が基準量を超えたと判定された場合に、表面原子及び先端原子の位置が交換されたと判断する。このような判断のもとに、２つの原子の位置交換を繰り返すことによって量子デバイスを作成する。これにより、作用針と試料との間に作用する相互作用を検出し、２次元的にマッピングした画像を出力して試料の表面状態、すなわち表面における原子の配列を確認することなく、２つの原子の位置交換が完了したか否かを基準量に基づいて定量的に判断することができる。したがって、量子デバイスの作成に要する時間を短縮することができ、また、交換の都度、原子の配列を確認する必要がなくなるので、作業者の負担を削減することができる。
【００２５】
第２発明及び第８発明にあっては、試料の表面上の第１原子及び第２原子の略中間位置を通る試料の垂線上に作用針が走査された状態で、作用針と試料との距離を制御して作用針を試料の表面と垂直な方向に走査する。そして、試料の表面上の第１原子及び第２原子によって作用針に作用する相互作用に起因する物理量を検出し、検出された物理量の変化量を算出する。そして、算出された変化量が基準量より大きいか否かを判定し、変化量が基準量を超えたと判定された場合に、第１原子及び第２原子の位置が交換されたと判断する。このような判断のもとに、２つの原子の位置交換を繰り返すことによって量子デバイスを作成する。これにより、作用針と試料との間に作用する相互作用を検出し、２次元的にマッピングした画像を出力して試料の表面状態、すなわち表面における原子の配列を確認することなく、２つの原子の位置交換が完了したか否かを基準量に基づいて定量的に判断することができる。したがって、量子デバイスの作成に要する時間を短縮することができ、また、交換の都度、原子の配列を確認する必要がなくなるので、作業者の負担を削減することができる。なお、ここで、第１原子及び第２原子の略中間位置としたのは、第１原子及び第２原子の原子種や作用針の状態によって作用針の水平方向の位置が決定されるためである。
【００２６】
第３発明にあっては、作用針がカンチレバーに設けられており、カンチレバーの周波数変化を物理量として検出する。つまり、検出される物理量は、作用針の先端原子と試料表面の原子との間に作用する相互作用に基づいており、作用針及び試料表面の原子が導電性である必要がない。これにより、すべての物質が原子操作の対象となることから、その適用範囲が極めて広い。
【００２７】
第４発明にあっては、作用針と試料との間に流れる電流（トンネル電流）を物理量として検出する。トンネル電流を検出できる材料系に本発明を適用する場合、作用針に作用する力を検出する部分が必要でなくなる。そのため、装置構成が比較的簡単であっても安定に測定でき、かつ装置を小さくすることができる。したがって、原子操作の対象原子が導電性である場合には、導電性の作用針を用いてトンネル電流を検出するようにすれば、極めて高精度での実施が可能である。
【００２８】
第５発明にあっては、作用針又は試料に光を照射して近接場光を生じさせ、作用針と試料との近接場相互作用に基づく散乱光のスペクトル分布及び強度を物理量として検出する。
【００２９】
第６発明にあっては、作用針と試料との間の静電容量を物理量として検出する。
【００３０】
第９発明にあっては、上述した方法によって原子を操作してボトムアップアプローチにより作成されることから、無秩序に分布している原子を操作し、目的の位置に原子を配置したり、逆に抜き出したりすることができるので、原子レベルでの配列を操作して所望の構造を有する量子デバイスとすることができる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、試料の表面原子の略中心位置を通る試料の垂線上に作用針が走査された状態で、作用針と試料との距離を制御して作用針を試料の表面と垂直な方向に走査し、次いで、作用針の先端原子及び試料の表面原子の距離に基づく相互作用に起因する物理量を検出し、検出された物理量の変化量を算出し、そして、算出された変化量が基準量より大きいか否かを判定し、変化量が基準量を超えたと判定された場合に、表面原子及び先端原子の位置が交換されたと判断することとしたので、表面における原子の配列を確認することなく、２つの原子（作用針の先端原子及び試料の表面原子）の位置交換が完了したか否かを基準量に基づいて定量的に判断することができる。したがって、このような判断のもとに、２つの原子の位置交換を繰り返すことによって原子を効率的に配列させて量子デバイスの作成することができる。特に、量子デバイスの作成に要する時間を短縮することができ、また、交換の都度、原子の配列を確認する必要がなくなるので、作業者の負担を削減することができる。
【００３２】
本発明によれば、試料の表面上の第１原子及び第２原子の略中間位置を通る試料の垂線上に作用針が走査された状態で、作用針と試料との距離を制御して作用針を試料の表面と垂直な方向に走査し、次いで、試料の表面上の第１原子及び第２原子によって作用針に作用する相互作用に起因する物理量を検出し、検出された物理量の変化量を算出し、そして、算出された変化量が基準量より大きいか否かを判定し、変化量が基準量を超えたと判定された場合に、第１原子及び第２原子の位置が交換されたと判断することとしたので、表面における原子の配列を確認することなく、２つの原子（試料の表面上の第１原子及び第２原子）の位置交換が完了したか否かを基準量に基づいて定量的に判断することができる。したがって、このような判断のもとに、原子を効率的に配列させて量子デバイスを作成することができる。
【００３３】
本発明によれば、作用針がカンチレバーに設けられており、カンチレバーの周波数変化を物理量として検出する構成としたので、作用針及び試料表面の原子が導電性である必要がなく、すべての物質を原子操作の対象とすることができ、その適用範囲が極めて広い。
【００３４】
本発明によれば、作用針と試料との間に流れる電流を物理量として検出する構成としたので、作用針及び試料が電流を検出できる材料系である場合、作用針に作用する力を検出する部分が必要でなくなることから、装置構成が比較的簡単であっても安定に測定でき、かつ装置を小さくすることができる。
【００３５】
本発明によれば、作用針又は試料に光を照射して近接場光を生じさせ、作用針と試料との近接場相互作用に基づく散乱光のスペクトル分布及び強度を物理量として検出する構成としたので、検出された散乱光のスペクトル分布及び強度の変化量の大きさに基づいて、原子の交換が起こったか否かを判断することができる。
【００３６】
本発明によれば、作用針と試料との間の静電容量を物理量として検出する構成としたので、検出された静電容量の変化量の大きさに基づいて、原子の交換が起こったか否かを判断することができる。
【００３７】
本発明によれば、無秩序に分布している原子を操作し、ボトムアップアプローチにより目的の位置に原子を配置したり、逆に抜き出したりして、原子レベルでの配列を操作して所望の構造を有する量子デバイスを実現することができる。例えば、２種類以上の原子を複数個組み合わせて、特定の機能を有するデバイスや機能材料の探索に極めて有効である。さらに、薬学及び生命科学分野においては、機能性物質及び生体の原子種を交換して、その機能の変化を実際に確認することが可能となる。さらにまた、自己組織化の手法では作成できないような材料探索や、カンチレバー及び作用針をアレイ状又はマトリクス状に並べて本発明を実施することで、一度に大量の原子操作による材料作成及び評価が可能となり、効率よく新しい機能を有する材料を原子レベルで探索する、いわゆるコンビナトリアルの手法にも適用することが可能となる等、優れた効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。
【００３９】
図１乃至図４は本発明による量子デバイス作成方法の原理を説明するための図であり、本発明による量子デバイス作成方法は２つのパターンに大別される。
【００４０】
（第１の方法：図１及び図２）
図１は作用針の先端原子４０と表面原子５０との相対位置を、図２（ａ）は先端原子４０と表面原子５０との間に作用する相互作用に基づく物理量を、図２（ｂ）は物理量の変化量を、それぞれ示す。
【００４１】
作用針の先端原子４０を試料の表面原子５０に近づけると（図１（ａ））、先端原子４０と表面原子５０との間に作用する相互作用（原子間力など）が大きくなり、相互作用に基づく物理量Ｑ（力、周波数シフト、トンネル電流、近接場光及びキャパシタンスなど）が徐々に変化する（図２：領域Ａ）。さらに、先端原子４０を表面原子５０に近づけると（図１（ｂ））、物理量Ｑが急激に変化し（図２：領域Ｂ）、先端原子４０と表面原子５０とが交換される（図１（ｃ））。
【００４２】
このように、第１の方法では、表面原子５０の略中心位置を通る試料の垂線上に作用針の先端原子４０を走査した状態で、作用針（先端原子４０）を試料の表面に近づける垂直走査を行なって、先端原子４０と表面原子５０とを交換する。原子の交換が完了したか否かは、図２（ｂ）に示すように、物理量の変化量ΔＱの大きさに基づいて判断する。つまり、交換前の系の状態と交換後の系の状態とが明確な相違として物理量に現れる。そこで、閾値ΔＱｔｈを設定しておき、物理量の変化量ΔＱが閾値ΔＱｔｈより大きい場合、原子の交換が生じたと判定し、物理量の変化量ΔＱが閾値ΔＱｔｈより小さい場合、原子の交換は起こっていないと判定する。
【００４３】
（第２の方法：図３及び図４）
図３は作用針の先端原子４０と表面原子５０との相対位置を、図４（ａ）は先端原子４０と表面原子５０との間に作用する相互作用に基づく物理量を、図４（ｂ）は物理量の変化量を、それぞれ示す。
【００４４】
作用針の先端原子４０を試料表面に沿って走査（水平走査）させ、試料表面上の第１原子５０ａ及び第２原子５０ｂの略中間位置を通る試料の垂線上に作用針の先端原子４０を配置させた後に、作用針の先端原子４０を試料表面に近づける（図３（ａ））。この走査によって、先端原子４０と第１原子５０ａ及び第２原子５０ｂとの間に作用する相互作用が大きくなり、相互作用に基づく物理量Ｑが徐々に変化する（図４：領域Ａ）。さらに、先端原子４０を試料表面に近づけると（図３（ｂ））、物理量Ｑが急激に変化し（図４：領域Ｂ）、先端原子４０の下方の相隣する原子、つまり第１原子５０ａと第２原子５０ｂとが交換される（図３（ｃ））。
【００４５】
このように、第２の方法では、試料表面上の相隣する第１原子及び第２原子の略中間位置を通る試料の垂線上に作用針の先端原子４０を走査した状態で、作用針（先端原子４０）を試料の表面に近づける垂直走査を行なって、第１原子５０ａと第２原子５０ｂとを交換する。原子の交換が完了したか否かは、図４（ｂ）に示すように、物理量の変化量ΔＱの大きさに基づいて判断する。つまり、第１の方法と同様に、交換前の系の状態と交換後の系の状態とが明確な相違として物理量に現れることから、閾値ΔＱｔｈを設定しておき、物理量の変化量ΔＱが閾値ΔＱｔｈより大きい場合、原子の交換が生じたと判定し、物理量の変化量ΔＱが閾値ΔＱｔｈより小さい場合、原子の交換は起こっていないと判定する。
【００４６】
図５は本発明に係る量子デバイス作成装置の構成例を示すブロック図である。
本発明に係る量子デバイス作成装置は、ＣＰＵで構成された制御部１０を備えている。制御部１０は、ＲＯＭ１１、ＲＡＭ１２、操作部１３、判定部１４、表示部１５及びＡＦＭ２０と接続され、これら各部を制御し、ＲＯＭ１１に予め格納されているコンピュータプログラムに従って種々の機能を実行し、各部と連携して又は単独で本発明における各種の手段として機能する。ＲＡＭ１２は、制御部１０によるコンピュータプログラムの実行時に発生する一時的なデータを記憶するもので、例えばＤＲＡＭ、ＳＤＲＡＭなどにより構成される。
【００４７】
ＡＦＭ２０は、カンチレバー２１、カンチレバー２１の一端に取り付けられた作用針２２、及びカンチレバー２１の他端に取り付けられた加振部２３、並びに、試料Ｓを載置するための試料台２４、試料台２４を３次元方向に操作するための垂直位置走査部２５、及び水平位置走査部２６から構成される走査ユニットと、変位検出部２７、加振制御部２８、周波数検出部２９、垂直位置制御部３０及び水平位置制御部３１から構成される制御ユニットとを備えている。なお、走査ユニットは、真空チャンバー内に設けられており、作用針２２の走査を超高真空中（１０-9Ｐａ）で行なえるようになっている。
【００４８】
カンチレバー２１は、その長さが１００〜２００μｍの微小な板バネであって、国有の振動数（共振周波数）ｆｒにて振動し、その振動が作用針２２に伝播する。共振周波数ｆｒは、概略、カンチレバー２１のバネ定数ｋ，作用針２２の質量ｍを用いると、ｆｒ＝１／２π×√（ｋ／ｍ）である。周波数変調方式では、共振周波数ｆｒ及び所定の振幅Ｒで作用針２２を振動させた状態で試料Ｓに近づける。作用針２２が試料Ｓの表面に近づいたとき、作用針２２と試料Ｓの表面原子との間に力学的相互作用が作用する。このとき、カンチレバー２１の共振周波数ｆｒが変化する（周波数シフトΔｆ）。周波数シフトΔｆは、作用針２２と試料Ｓの表面原子との間に引力が作用したときには負の値となり、斥力が作用したときには正の値となる。
【００４９】
作用針２２は、半導体の微細加工技術によって得た微細なものであって、例えば、長さが１０μｍ、先端が数ｎｍφの弧状のシリコンを用いる。もちろん、作用針２２の材料については限定されるものではないが、例えば、表面観察用のシリコン製のものを用いる場合、作用針の表面に被覆されている酸化物及びゴミなどを除去することにより、より力学的相互作用の感度を高めて分解能を向上させることが好ましい。
【００５０】
加振部２３は、カンチレバー２１に振動を与えて作用針２２を振動させるためのもので、例えば、電圧を印加することで変位が生じる圧電体によって構成される。また、カンチレバー２１の作用針取付部には作用針支持部が配されており、消耗品である作用針２２を容易に取り付ける（取り替える）ことができるようになっている。
【００５１】
垂直位置走査部２５は、作用針２２と試料Ｓとの垂直方向の位置、つまり試料表面に対して垂直方向の作用針２２−試料Ｓ間の相対位置を変化させるためのものであり、例えば、電圧を印加することで変位が生じる圧電体からなる。水平位置走査部２６は、作用針２２と試料Ｓとの水平方向の位置、つまり試料表面に対して水平方向の作用針２２−試料Ｓ間の相対位置を変化させるためのものであり、垂直位置走査部２５と同様に圧電体からなる。圧電体の形態は、例えば、円筒形状のチューブスキャナ型、圧電体を一層又は複数層を重ね合わせたものである。
【００５２】
本例では、試料台２４に垂直位置走査部２５と水平位置走査部２６とが配置されているが、それぞれの方向で作用針２２と試料Ｓとの相対位置を変化させることができるならば、いずれか一方又は両方を作用針２２側に配置していてもかまわない。また、垂直位置走査部２５と水平位置走査部２６とが一体になっているが別体であってもよい。さらに、チューブスキャナ型では、水平走査信号に垂直走査信号を加算して水平位置走査部２６に与えることで、水平位置走査部２６を垂直位置走査部２５として利用してもよい。さらにまた、加振部２３を垂直位置走査部２５として利用してもよい。
【００５３】
加振制御部２８は、作用針２２の振動を制御するものであり、作用針２２の振動振幅を一定にするモード（振動振幅一定モード）と、加振部２３に与える信号の振幅を一定にするモード（加振一定モード）とがある。効率良く作用針２２を加振するために移相器を用いるようにしてもよい。振動振幅の信号に利得（ゲイン）をかけ、加振部２３に信号を与える方法、周波数検出部２９と併用してＰＬＬの発信器の信号を利用する方式などがあげられる。
【００５４】
変位検出部２７は、作用針２２の変位を信号として検出するものであり、例えば、光源と分割された光検出器から構成され市販のＡＦＭに利用されている光テコ方式（森田清三編著、「走査型プローブ顕微鏡：基礎と未来予測」丸善）、光ファイバーの干渉を利用する光干渉方式（D.Ruger et. al, Applied Physics Letters, Vol.55, p2588(1989)）、作用針に水晶が配され水晶の微小な電流変化を電圧に変換するチューニング方式（P.Guthner et al, Applied Physics B, Vol.48, p.89(1989)）、Ｑパルスセンサー方式（F.J.Giessibl, Applied Physics Letters, Vol.73）、作用針の変位が抵抗変化としてとらえられるピエゾ抵抗方式（F.J.Giessibl, Science, Vol.267, p68(1995)）、作用針の変位が電圧変化として検出できるピエゾ圧電方式（J.Rychen et al, Review of Scientific Instrumrnts, Vol.70, p2765(1999)）などを用いる。
【００５５】
周波数検出部２９は、作用針２２の先端原子４０と試料Ｓの表面原子５０との間に作用する相互作用に基づく物理量である共振周波数の変化（周波数シフトΔｆ）を検出するものであり、例えば位相同期ループ（ＰＬＬ）、インダクタとキャパシタとを用いた共振回路、各種フィルタなどを用いて構成する。
【００５６】
先端原子４０を表面原子５０に接近させた場合、先端原子４０と表面原子５０との間に作用する相互作用によって、カンチレバー２１の実効的なばね定数が変化して共振周波数が変化する。そこで、変位検出部２７にて、作用針２２（カンチレバー２１の一端側）の変位量を検出し、検出された変位量に基づいて、作用針２２と試料Ｓと相互作用によるカンチレバー２１の共振周波数の変化量（周波数シフトΔｆ）を周波数検出部２９にて検出する。
【００５７】
垂直位置制御部３０は、作用針２２と試料Ｓとの相対位置変化のうち、試料Ｓと垂直方向の動きＺ，ΔＺを補正すべく、垂直位置走査部２５に補正信号を与えてフィードバック制御を行なう。同様に、水平位置制御部３１は、作用針２２と試料Ｓとの相対位置変化のうち、試料Ｓと平行方向の動きＸ，ΔＸ及びＹ，ΔＹを補正すべく、水平位置走査部２６に補正信号を与えてフィードバック制御を行なう。
【００５８】
操作部１３は、量子デバイス作成装置を操作するためのものであり、ターゲット設定部１３ａと閾値設定部１３ｂとを備える。本発明では、交換したい原子をターゲット設定部１３ａにて指定する。ターゲット設定部１３ａは、上述した第１の方法によって原子を交換する場合には、試料の表面原子を１つ指定する。一方、上述した第２の方法によって原子を交換する場合には、試料の表面原子を２つ指定する。また、閾値設定部１３ｂでは、原子の交換が生じた場合の基準値である閾値ΔＱｔｈを設定するものであり、閾値ΔＱｔｈは、交換する原子の種類、試料の表面状態などに応じて適宜設定される。
【００５９】
制御部１０は、ＡＦＭ２０の周波数検出部２９にて検出された周波数シフトΔｆの変化量ΔＱを算出する本発明に係る算出手段として機能し、判定部１４は、制御部１０によって算出された周波数シフトΔｆの変化量ΔＱが閾値ΔＱｔｈより大きいか否かを判定する。
【００６０】
ＡＦＭ２０は、従来と同様、作用針２２を試料表面に近づけた場合に作用針２２と試料Ｓとの間に作用する相互作用を検出し、２次元的にマッピングした画像として出力することができるので、液晶ディスプレイ，ＣＲＴディスプレイなどの表示部１５にて、試料Ｓの表面状態、すなわち表面における原子の配列を表示することも可能であるが、本発明では、表面における原子の配列を表示部１５に表示することなく、設定した閾値ΔＱｔｈに基づいて、物理量（ここでは周波数シフトΔｆ）の変化量ΔＱが閾値ΔＱｔｈより大きい場合、原子の交換が生じたと判定し、物理量の変化量ΔＱが閾値ΔＱｔｈより小さい場合、原子の交換は起こっていないと判定する。
【００６１】
次に、上述した量子デバイス作成装置を用いて量子デバイスを作成する方法について説明する。
【００６２】
（第１の方法）
図６は本発明に係る量子デバイス作成方法（第１の方法）の概念図である。
第１の方法では、表面上の原子の種類が異なる２つの基板７０ａ，７０ｂを用意する。一方の基板７０ａの表面上には第１原子５０ａが配置されており、他方の基板７０ｂの表面上には第２原子５０ｂが配置されている。先ず、基板７０ａの表面上の第１原子５０ａ（基板７０ａの表面上のいずれの原子であってもよい）の上方に作用針２２を走査させる。このとき作用針２２の先端には先端原子４０が付着されているものとする（図６（ａ））。
【００６３】
次いで、作用針２２を基板７０ａの表面と垂直方向に走査して、先端原子４０を第１原子５０ａに近づける。この走査の際、量子デバイス作成装置は、物理量（周波数シフト）を検出し、さらに検出された物理量から、物理量の変化量ΔＱを算出し、物理量の変化量ΔＱが閾値ΔＱｔｈより大きいか否かを判定する。そして、物理量の変化量ΔＱが閾値ΔＱｔｈより大きくなった場合、先端原子４０と第１原子５０ａとの位置交換が生じたと判断する（図６（ｂ））。
【００６４】
そして、作用針２２を基板７０ａから遠ざけ、基板７０ｂの表面上の複数の第２原子のうちから、作用針２２の先端に付着している第１原子５０ａと交換したい第２原子５０ｂを交換ターゲットとして設定する。この設定に基づいて、基板７０ｂの表面上の第２原子５０ｂの上方に作用針２２を走査させる。このとき作用針２２の先端には第１原子５０ａが付着されている（図６（ｃ））。
【００６５】
さらに、作用針２２を基板７０ｂの表面と垂直方向に走査して、第１原子５０ａを第２原子５０ｂに近づける。この走査の際、量子デバイス作成装置は、上述と同様に、物理量（周波数シフト）を検出し、さらに検出された物理量から、物理量の変化量ΔＱを算出する。そして、物理量の変化量ΔＱが閾値ΔＱｔｈより大きいか否かを判定し、物理量の変化量ΔＱが閾値ΔＱｔｈより大きくなった場合、第１原子５０ａと第２原子５０ｂとの位置交換が生じたと判断する（図６（ｄ））。
【００６６】
図７は本発明に係る量子デバイス作成装置によって算出された周波数シフトを示すグラフ、図８は原子操作前の基板表面の原子の配列を示す画像、図９は原子操作後の基板表面の原子の配列を示す画像である。図８及び図９において、明るい輝点がＳｎ原子、暗い輝点はＳｉ原子を示す。図７に示すように、作用針２２の先端に付着したＳｎと基板上のＳｉ原子との距離Ｚが略１Åになった場合、周波数シフトΔｆが急激に変化していることが分かった。また、図９に示すように、図８と比較して、Ｓｉ原子５５を引き抜き、引き抜いたＳｉ原子５５をＳｎ原子５６の位置に挿入されていることが分かる。
【００６７】
なお、周波数シフトは、交換する原子の種類、試料の表面状態などに応じて異なり、例えば、図７に示したＳｎ原子とＳｉ原子とが逆の状態、すなわち、作用針２２の先端にＳｉ原子が付着した状態で基板上のＳｎ原子と交換させる場合、周波数シフトのグラフの形状は図１０のようになる。図１０を図７と比較すると、Ｓｎ原子とＳｉ原子との距離Ｚが略２Åに近づくまでは略同一の形状を示しているが、距離Ｚが略２Åより小さくなると、グラフ形状が相違していることが分かる。これは、原子の交換プロセスが、作用針及び基板などを構成する原子からの影響を受けるため、単に交換対象の２つの原子のみによって決定されるものではないと推定される。そこで、作用針及び基板などを構成する原子からの影響を予め考慮し、交換が完了したか否かの判定に用いる閾値Ｑｔｈを、マージンを取って設定することにより、本発明を様々な状態において適用することが可能である。
【００６８】
このようにして、基板７０ｂの第２原子５０ｂの位置に第１原子５０ａが挿入される。図６（ａ）〜図６（ｄ）の操作を繰り返すことによって、所望の構造を有する量子デバイスを作成することができる。ＡＦＭ２０は、試料Ｓの表面状態、すなわち表面における原子の配列を表示部１５に表示して、先端原子４０及び第１原子５０ａの交換、第１原子５０ａ及び第２原子５０ｂの交換を確認することも可能であるが、本例のように、閾値ΔＱｔｈに基づいて、物理量の変化量ΔＱが閾値ΔＱｔｈより大きい場合に原子の交換が生じたと判定することによって、作業者が交換を視認することなく、原子の交換処理を順次行なうことができるので、量子デバイスの作成に要する時間を短縮することができる。また、交換の都度、原子の配列を確認する必要がなくなるので、作業者の負担を削減することができる。特に、原子を操作してボトムアップアプローチにより量子デバイスを作成する場合には、原子の交換回数が極めて多くなることから、本例のような交換発生の有無を判断することが極めて有効である。
【００６９】
（第２の方法）
図１１は本発明に係る量子デバイス作成方法（第２の方法）の概念図である。
第２の方法では、表面上に複数種類の原子が表出されている基板７０を用意する。
基板７０の表面上には複数の第１原子及び複数の第２原子が配置されており、基板７０の表面上の複数の第１原子及び複数の第２原子のうちから、互いに交換させたい第１原子５０ａ及び第２原子５０ｂをターゲットとして設定する。なお、設定する２つのターゲットは、隣接する原子であるものとする。そして、ターゲットとして設定した第１原子５０ａ及び第２原子５０ｂの略中間の上方に作用針２２を走査させる。このとき作用針２２の先端には先端原子４０が付着されているものとし、先端原子４０は上述した図６の場合と異なり作用針２２の操作によって第１原子５０ａ及び第２原子５０ｂのそれぞれに作用する相互作用の起点となるものであって、先端原子４０が交換対象となるものではない（図１１（ａ））。
【００７０】
次いで、作用針２２を基板７０の表面と垂直方向に走査して、先端原子４０を第１原子５０ａ及び第２原子５０ｂの中間位置（谷間）に近づける。この走査の際、量子デバイス作成装置は、物理量（周波数シフト）を検出し、さらに検出された物理量から、物理量の変化量ΔＱを算出し、物理量の変化量ΔＱが閾値Ｑｔｈより大きいか否かを判定する。そして、物理量の変化量ΔＱが閾値ΔＱｔｈより大きくなった場合、第１原子５０ａと第２原子５０ｂとの位置交換が生じたと判断する（図１１（ｂ））。
【００７１】
そして、作用針２２を基板７０から遠ざけ、基板７０の表面上の複数の第１原子及び複数の第２原子のうちから、互いに交換させたい第１原子５０ａ及び第２原子５０ｂをターゲットとして設定する。そして、ターゲットとして設定した第１原子５０ａ及び第２原子５０ｂの略中間の上方に作用針２２を走査させる。（図１１（ｃ））
【００７２】
さらに、作用針２２を基板７０の表面と垂直方向に走査して、先端原子４０を第１原子５０ａ及び第２原子５０ｂに近づける。この走査の際、量子デバイス作成装置は、上述と同様に、物理量（周波数シフト）を検出し、さらに検出された物理量から、物理量の変化量ΔＱを算出する。そして、物理量の変化量ΔＱが閾値ΔＱｔｈより大きいか否かを判定し、物理量の変化量ΔＱが閾値ΔＱｔｈより大きくなった場合、第１原子５０ａと第２原子５０ｂとの位置交換が生じたと判断する（図１１（ｄ））。
【００７３】
図１２は本発明に係る量子デバイス作成装置によって算出された周波数シフトを示すグラフ、図１３は原子操作前の基板表面の原子の配列を示す画像、図１４は原子操作後の基板表面の原子の配列を示す画像である。図１３及び図１４において、明るい輝点がＳｎ原子、暗い輝点はＳｉ原子を示す。図１２に示すように、作用針２２の先端の先端原子と、Ｓｎ原子５７及びＳｉ原子５８との距離Ｚが略３Åになった場合、周波数シフトΔｆが急激に変化していることが分かった。また、図１４に示すように、図１３と比較して、ターゲットとして設定したＳｎ原子５７とＳｉ原子５８との位置（矢印の領域）が交換されていることが分かる。なお、図１２においては、周波数シフト曲線が上側（正の向き）へジャンプしているが、逆、すなわち下側（負の向き）へジャンプする場合もある。
【００７４】
このような原子交換処理を実行して、基板７０の第１原子５０ａ（Ｓｎ原子５７）と第２原子５０ｂ（Ｓｉ原子５８）との位置を交換する。図１１（ａ）〜図１１（ｄ）の操作を繰り返すことによって、所望の構造を有する量子デバイスを作成することができる。第２の方法の場合も、第１の方法と同様、作業者が交換を視認することなく、原子の交換処理を順次行なうことができるので、量子デバイスの作成に要する時間を短縮することができるなどの効果を有する。
【００７５】
次に、第１の方法と第２の方法との相違について説明する。
第１の方法では、作用針２２の先端原子４０及び第１原子５０ａを交換する処理と、第１原子５０ａ及び第２原子５０ｂを交換する処理との２つの処理で、基板７０ａの所望の位置に第１原子５０ａを配置することができる。一方、第２の方法では、相隣する第１原子５０ａ及び第２原子５０ｂの略中間位置の上方で作用針２２を垂直走査することによって第１原子５０ａと第２原子５０ｂとを交換することから、第１原子を配置したい位置の隣に、第１原子５０ａが存在しない場合は、水平走査による原子の交換処理を繰り返す必要がある。ただし、第１原子を配置したい位置の近傍に、第１原子５０ａが存在する場合は、１回の垂直走査によって第１原子５０ａを目的の位置に配置することができる。
【００７６】
上述したように、相隣する２つの原子を交換する場合、第１の方法を用いれば２回の交換処理が必要であり、第２の方法を用いれば１回の交換処理で済むことから、第２の方法が好ましい。また、２つ隣りの位置の原子を交換する場合、第１の方法及び第２の方法ともに２回の交換処理が必要であり、どちらの方法であっても大差がない。さらに、Ｎ個（Ｎ＞３）以上隣りの位置の原子を交換する場合、第２の方法を用いればＮ回の交換処理が必要であるが、第１の方法を用いれば２回の交換処理で済むことから、第１の方法が好ましい。つまり、交換したい原子の互いの位置関係に応じて第１の方法と第２の方法とを使い分けることによって、さらに、量子デバイスの作成に要する時間を短縮することができる。また、第１の方法は、第２の方法では移動が無理な場合、例えばステップを越えた移動や、その他原子間のポテンシャルが高く移動が困難な場合に有効である。
【００７７】
なお、作用針の表面上の原子（蒸着してもよいし、作用針そのものの材料でも良い）をインクのように利用してもよい。例えば、図１５に示すように、基板７０の原子５０ａと交換させたい原子５０ｂを作用針２２の表面に蒸着し、蒸着した作用針２２を基板７０の表面に近づける（図１５（ａ））。これにより、第１の方法と同様にして、原子５０ａと原子５０ｂとが交換され、基板７０の目的の位置に原子５０ｂを配置することができる（図１５（ｂ））。さらに、次のターゲットの位置に作用針２２を移動させ（図１５（ｃ））、原子５０ａと原子５０ｂとを交換させる（図１５（ｄ））。これを繰り返すことによって、基板７０上に原子５０ｂの文字を形成することができる。このように、作用針２２の表面上の原子５０ｂをあたかもインクのように用いることができる。
【００７８】
ところで、第１の方法では基板７０ｂ、第２の方法では基板７０の表面上の原子に着目すれば、所望の位置に原子を配置できたことになるので、本発明をドーパント原子に利用することで、半導体ＬＳＩ上に規則的にドーパント原子が配列された状態を作成することができる。なお、作成後は低温プロセスでカバーすればよい。さらに、Ｋａｎｅが提唱し、開発が行なわれているシリコン量子コンピュータの作成に利用することが可能となる。このように、本発明に係る量子デバイス作成方法は、数世代先の量子デバイスを作成する重要な技術となる。特に集積化が可能なＫａｎｅ型量子コンピュータ（例えば、Ｂ．Ｅ．ケーン（B.E.Kane）、「シリコンベースの核スピン量子コンピュータ（A silicon-based nuclear spin quantum computer）」、ネイチャ（Nature）、１９９８年５月、第３９３巻、ｐ．１３３−１３７参照）の実現には、本手法で作成する方法が極めて有効である。
【００７９】
なお、量子デバイス作成装置として、図５に示したように、制御部１０がＡＦＭ２０の周波数検出部２９にて検出された周波数シフトΔｆの変化量ΔＱを算出し、判定部１４が、制御部１０によって算出された周波数シフトΔｆの変化量ΔＱが閾値ΔＱｔｈより大きいか否かを判定することによって、原子の交換が完了したか否かを判断する形態について説明したが、トンネル電流、近接場光及びキャパシタンスのような物理量の変化量に基づいて、原子の交換が完了したか否かを判断してもよい。
【００８０】
図１６は本発明に係る量子デバイス作成装置の他の構成例を示すブロック図である。
本発明に係る量子デバイス作成装置は、ＣＰＵで構成された制御部１０を備えている。制御部１０は、ＲＯＭ１１、ＲＡＭ１２、操作部１３、判定部１４、表示部１５及びＳＴＭ１２０と接続されている。ＳＴＭ１２０は、作用針２２と、試料Ｓを載置するための試料台２４と、試料台２４を３次元方向に駆動制御する垂直位置走査部２５及び水平位置走査部２６とを備えている。さらに、ＳＴＭ１２０は、電圧印加／電流検出部１２１と垂直位置制御部３０及び水平位置制御部３１とを備えている。
【００８１】
電圧印加／電流検出部１２１によって作用針２２と試料Ｓとの間に電圧を印加するとともに、作用針２２を試料Ｓの表面に接近させ、作用針２２と試料Ｓとの間に流れるトンネル電流を電圧印加／電流検出部１２１にて検出する。作用針２２と試料Ｓとに働く相互作用の大きさに応じて、トンネル電流の大きさが決定されることから、電圧印加／電流検出部１２１にて検出されたトンネル電流の値によって作用針２２と試料Ｓとに働く相互作用を推定することができる。特に、本例でも、上述と同様に、トンネル電流の変化量ΔＱが急激に変化した場合に原子の交換がなされたと判断する。その他の構成は、図５と同様であるので、対応する部分には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００８２】
図１７は本発明に係る量子デバイス作成装置の他の構成例を示すブロック図である。
本発明に係る量子デバイス作成装置は、ＣＰＵで構成された制御部１０を備えている。制御部１０は、ＲＯＭ１１、ＲＡＭ１２、操作部１３、判定部１４、表示部１５及び近接場光学顕微鏡（ＮＳＯＭ：Near-field Scanning Optical Microscopy）２２０と接続されている。ＮＳＯＭ２２０は、作用針２２と、試料Ｓを載置するための試料台２４と、試料台２４を３次元方向に駆動制御する垂直位置走査部２５及び水平位置走査部２６とを備えている。さらに、ＮＳＯＭ２２０は、レーザ２２１、偏光素子２２２、第１ハーフミラー２２３、レンズ２２４、光ファイバ２２５、第２ハーフミラー２２６、分光素子２２７、検出部２２８、垂直位置制御部３０及び水平位置制御部３１を備えている。
【００８３】
レーザ２２１から照射された光は、偏光素子２２２によって偏光され、第１ハーフミラー２２３へ導光される。第１ハーフミラー２２３を直進した光は、レンズ２２４によって集光され、光ファイバ２２５の一端側へ導光される。光ファイバ２２５の他端側は作用針２２に接続されている。作用針２２の先端は微小な開口部２２ａを有しており、開口部２２ａを通じて試料Ｓに光を照射する。試料Ｓ自体の構造によって、試料Ｓの表面には、その特徴的なサイズ程度に局在した近接場が存在しており、作用針２２と試料Ｓとの近接場相互作用に基づいて散乱光が生じる。なお、開口部２２ａの直径が空間分解能（すなわち距離分解能）となることから、化学的エッチングなどを行なうことによって作用針２２の先鋭化を図ることが好ましい。
【００８４】
散乱光は、光ファイバ２２５を通じて、レンズ２２４に導光される。そして、散乱光は、レンズ２２４にて集光され、第１ハーフミラー２２３及び第２ハーフミラー２２６の表面で反射され、その進行方向が変えられて分光素子２２７へ導光される。分光素子２２７によって分光された散乱光は、検出部２２８にて検出される。作用針２２と試料Ｓとの距離に応じて、その近接場相互作用の大きさが決定されることから、検出部２２８にて検出された散乱光のスペクトル分布及び強度によって、作用針２２と試料Ｓとに働く相互作用の大きさを推定することができる。特に、本例でも、上述と同様に、散乱光のスペクトル分布及び強度の変化量ΔＱが急激に変化した場合に原子の交換がなされたと判断する。その他の構成は、図５と同様であるので、対応する部分には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００８５】
なお、図１７では、試料Ｓに近接場照射するとともに、近接場相互作用に基づいて生じた散乱光を集光する場合に作用針２２の開口部２２ａを利用するIllumination-Collection（I-C）モードの例について説明したが、試料Ｓに近接場照射する場合に作用針２２の開口部２２ａを利用するIllumination（I）モード、近接場相互作用に基づいて生じた散乱光を集光する場合に作用針２２の開口部２２ａを利用するCollection（C）モードであってもよい。
【００８６】
図１８は本発明に係る量子デバイス作成装置の他の構成例を示すブロック図である。
本発明に係る量子デバイス作成装置は、ＣＰＵで構成された制御部１０を備えている。制御部１０は、ＲＯＭ１１、ＲＡＭ１２、操作部１３、判定部１４、表示部１５及び走査型キャパシタンス顕微鏡（ＳＣＭ：Scanning Capacitance Microscopy）３２０と接続されている。ＳＣＭ３２０は、作用針２２と、試料Ｓを載置するための試料台２４と、試料台２４を３次元方向に駆動制御する垂直位置走査部２５及び水平位置走査部２６とを備えている。さらに、ＳＣＭ３２０は、バイアス電源３２１、交流電源３２２、静電容量検出部３２３、ロックインアンプ３２４、垂直位置制御部３０及び水平位置制御部３１を備えている。
【００８７】
バイアス電源３２１及び交流電源３２２を用いて、作用針２２と試料Ｓとの間にオフセットされた交流電圧を印加する。そして、作用針２２と試料Ｓとの間の静電容量を静電容量検出部３２３にて検出し、静電容量の変化量をロックインアンプ３２４にて検出する。そして、本例でも、上述と同様に、作用針２２と試料Ｓとの間の静電容量の変化量ΔＱが急激に変化した場合に原子の交換がなされたと判断する。その他の構成は、図５と同様であるので、対応する部分には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００８８】
上述した各構成の量子デバイス作成装置を用いて、実施の形態と同様の方法を行って２つの原子を交換して量子デバイスを作成することができるが、その方法は、実施の形態と同様であるため、その詳細な説明を省略する。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】量子デバイス作成方法（第１の方法）の原理を説明するための図である。
【図２】量子デバイス作成方法（第１の方法）の原理を説明するための図である。
【図３】量子デバイス作成方法（第２の方法）の原理を説明するための図である。
【図４】量子デバイス作成方法（第２の方法）の原理を説明するための図である。
【図５】本発明に係る量子デバイス作成装置の構成例を示すブロック図である。
【図６】本発明に係る量子デバイス作成方法（第１の方法）の概念図である。
【図７】本発明に係る量子デバイス作成装置によって算出された周波数シフトを示すグラフである。
【図８】原子操作前の基板表面の原子の配列を示す画像である。
【図９】原子操作後の基板表面の原子の配列を示す画像である。
【図１０】周波数シフトを示すグラフである。
【図１１】本発明に係る量子デバイス作成方法（第２の方法）の概念図である。
【図１２】本発明に係る量子デバイス作成装置によって算出された周波数シフトを示すグラフである。
【図１３】原子操作前の基板表面の原子の配列を示す画像である。
【図１４】原子操作後の基板表面の原子の配列を示す画像である。
【図１５】本発明に係る量子デバイス作成方法（第１の方法）の他の一例の概念図である。
【図１６】本発明に係る量子デバイス作成装置の他の構成例を示すブロック図である。
【図１７】本発明に係る量子デバイス作成装置の他の構成例を示すブロック図である。
【図１８】本発明に係る量子デバイス作成装置の他の構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００９０】
１０ 制御部
１３ 操作部
１３ａ ターゲット設定部
１３ｂ 閾値設定部
１４ 判定部
２０ ＡＦＭ
２１ カンチレバー
２２ 作用針
２３ 加振部
２７ 変位検出部
２８ 加振制御部
２９ 周波数検出部
３０ 垂直位置制御部
３１ 水平位置制御部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの原子の位置交換を繰り返すことによって量子デバイスを作成する量子デバイス作成装置であって、
作用針を試料の表面と水平な方向に走査する水平走査手段と、
前記作用針を前記試料の表面と垂直な方向に走査する垂直走査手段と、
作用針の先端原子及び試料の表面原子の距離に基づく相互作用に起因する物理量を検出する検出手段と、
検出された物理量の変化量を算出する算出手段と、
算出された変化量が基準量より大きいか否かを判定する判定手段と
を備え、
前記垂直走査手段は、前記水平走査手段によって、前記表面原子の略中心位置を通る前記試料の垂線上に前記作用針が走査された状態で、前記作用針を前記試料の表面と垂直な方向に走査し、
前記判定手段にて前記変化量が基準量より大きいと判定された場合に、前記表面原子及び前記先端原子の位置が交換されたと判断するようにしてあること
を特徴とする量子デバイス作成装置。
【請求項２】
２つの原子の位置交換を繰り返すことによって量子デバイスを作成する量子デバイス作成装置であって、
作用針を試料の表面と水平な方向に走査する水平走査手段と、
前記作用針を前記試料の表面と垂直な方向に走査する垂直走査手段と、
前記試料の表面上の第１原子及び第２原子によって前記作用針に作用する相互作用に起因する物理量を検出する検出手段と、
検出された物理量の変化量を算出する算出手段と、
算出された変化量が基準量より大きいか否かを判定する判定手段と
を備え、
前記垂直走査手段は、前記水平走査手段によって、前記第１原子及び前記第２原子の略中間位置を通る前記試料の垂線上に前記作用針が走査された状態で、前記作用針を前記試料の表面と垂直な方向に走査し、
前記判定手段にて前記変化量が基準量より大きいと判定された場合に、前記第１原子及び前記第２原子の位置が交換されたと判断するようにしてあること
を特徴とする量子デバイス作成装置。
【請求項３】
前記作用針が配されたカンチレバーを備え、
前記検出手段は、
前記物理量として前記カンチレバーの周波数変化を検出するようにしてあること
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の量子デバイス作成装置。
【請求項４】
前記検出手段は、
前記物理量として前記作用針と前記試料との間に流れる電流を検出するようにしてあること
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の量子デバイス作成装置。
【請求項５】
前記作用針又は前記試料に光を照射して近接場光を生じさせる照射部を備え、
前記検出手段は、
前記物理量として前記作用針と前記試料との近接場相互作用に基づく散乱光のスペクトル分布及び強度を検出するようにしてあること
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の量子デバイス作成装置。
【請求項６】
前記検出手段は、
前記物理量として前記作用針と前記試料との間の静電容量を検出するようにしてあること
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の量子デバイス作成装置。
【請求項７】
２つの原子の位置交換を繰り返すことによって量子デバイスを作成する量子デバイス作成方法であって、
試料の表面原子の略中心位置を通る試料の垂線上に作用針を走査するステップと、
該ステップで前記作用針が走査された状態で、前記作用針を前記試料の表面と垂直な方向に走査するステップと、
作用針の先端原子及び試料の表面原子の距離に基づく相互作用に起因する物理量を検出するステップと、
検出された物理量の変化量を算出するステップと、
算出された変化量が基準量より大きいか否かを判定するステップと
を含み、
前記変化量が基準量より大きいと判定された場合に、前記表面原子及び前記先端原子の位置が交換されたと判断すること
を特徴とする量子デバイス作成方法。
【請求項８】
２つの原子の位置交換を繰り返すことによって量子デバイスを作成する量子デバイス作成方法であって、
試料の表面上の第１原子及び第２原子の略中間位置を通る試料の垂線上に作用針を走査するステップと、
該ステップで前記作用針が走査された状態で、前記作用針を前記試料の表面と垂直な方向に走査するステップと、
前記第１原子及び前記第２原子によって前記作用針に作用する相互作用に起因する物理量を検出するステップと、
検出された物理量の変化量を算出するステップと、
算出された変化量が基準量より大きいか否かを判定するステップと
を含み、
前記変化量が基準量より大きいと判定された場合に、前記第１原子及び前記第２原子の位置が交換されたと判断すること
を特徴とする量子デバイス作成方法。
【請求項９】
請求項７又は請求項８に記載の量子デバイス作成方法で原子を操作してボトムアップアプローチにより作成されたこと
を特徴とする量子デバイス。
【請求項１】
２つの原子の位置交換を繰り返すことによって量子デバイスを作成する量子デバイス作成装置であって、
作用針を試料の表面と水平な方向に走査する水平走査手段と、
前記作用針を前記試料の表面と垂直な方向に走査する垂直走査手段と、
作用針の先端原子及び試料の表面原子の距離に基づく相互作用に起因する物理量を検出する検出手段と、
検出された物理量の変化量を算出する算出手段と、
算出された変化量が基準量より大きいか否かを判定する判定手段と
を備え、
前記垂直走査手段は、前記水平走査手段によって、前記表面原子の略中心位置を通る前記試料の垂線上に前記作用針が走査された状態で、前記作用針を前記試料の表面と垂直な方向に走査し、
前記判定手段にて前記変化量が基準量より大きいと判定された場合に、前記表面原子及び前記先端原子の位置が交換されたと判断するようにしてあること
を特徴とする量子デバイス作成装置。
【請求項２】
２つの原子の位置交換を繰り返すことによって量子デバイスを作成する量子デバイス作成装置であって、
作用針を試料の表面と水平な方向に走査する水平走査手段と、
前記作用針を前記試料の表面と垂直な方向に走査する垂直走査手段と、
前記試料の表面上の第１原子及び第２原子によって前記作用針に作用する相互作用に起因する物理量を検出する検出手段と、
検出された物理量の変化量を算出する算出手段と、
算出された変化量が基準量より大きいか否かを判定する判定手段と
を備え、
前記垂直走査手段は、前記水平走査手段によって、前記第１原子及び前記第２原子の略中間位置を通る前記試料の垂線上に前記作用針が走査された状態で、前記作用針を前記試料の表面と垂直な方向に走査し、
前記判定手段にて前記変化量が基準量より大きいと判定された場合に、前記第１原子及び前記第２原子の位置が交換されたと判断するようにしてあること
を特徴とする量子デバイス作成装置。
【請求項３】
前記作用針が配されたカンチレバーを備え、
前記検出手段は、
前記物理量として前記カンチレバーの周波数変化を検出するようにしてあること
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の量子デバイス作成装置。
【請求項４】
前記検出手段は、
前記物理量として前記作用針と前記試料との間に流れる電流を検出するようにしてあること
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の量子デバイス作成装置。
【請求項５】
前記作用針又は前記試料に光を照射して近接場光を生じさせる照射部を備え、
前記検出手段は、
前記物理量として前記作用針と前記試料との近接場相互作用に基づく散乱光のスペクトル分布及び強度を検出するようにしてあること
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の量子デバイス作成装置。
【請求項６】
前記検出手段は、
前記物理量として前記作用針と前記試料との間の静電容量を検出するようにしてあること
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の量子デバイス作成装置。
【請求項７】
２つの原子の位置交換を繰り返すことによって量子デバイスを作成する量子デバイス作成方法であって、
試料の表面原子の略中心位置を通る試料の垂線上に作用針を走査するステップと、
該ステップで前記作用針が走査された状態で、前記作用針を前記試料の表面と垂直な方向に走査するステップと、
作用針の先端原子及び試料の表面原子の距離に基づく相互作用に起因する物理量を検出するステップと、
検出された物理量の変化量を算出するステップと、
算出された変化量が基準量より大きいか否かを判定するステップと
を含み、
前記変化量が基準量より大きいと判定された場合に、前記表面原子及び前記先端原子の位置が交換されたと判断すること
を特徴とする量子デバイス作成方法。
【請求項８】
２つの原子の位置交換を繰り返すことによって量子デバイスを作成する量子デバイス作成方法であって、
試料の表面上の第１原子及び第２原子の略中間位置を通る試料の垂線上に作用針を走査するステップと、
該ステップで前記作用針が走査された状態で、前記作用針を前記試料の表面と垂直な方向に走査するステップと、
前記第１原子及び前記第２原子によって前記作用針に作用する相互作用に起因する物理量を検出するステップと、
検出された物理量の変化量を算出するステップと、
算出された変化量が基準量より大きいか否かを判定するステップと
を含み、
前記変化量が基準量より大きいと判定された場合に、前記第１原子及び前記第２原子の位置が交換されたと判断すること
を特徴とする量子デバイス作成方法。
【請求項９】
請求項７又は請求項８に記載の量子デバイス作成方法で原子を操作してボトムアップアプローチにより作成されたこと
を特徴とする量子デバイス。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２００７−１７５８４６（Ｐ２００７−１７５８４６Ａ）
【公開日】平成１９年７月１２日（２００７．７．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３７９８２５（Ｐ２００５−３７９８２５）
【出願日】平成１７年１２月２８日（２００５．１２．２８）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１６年度文部科学省、研究テーマ「科学技術総合研究委託 戦略的研究拠点育成 フロンティア研究拠点構想」に関する委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（５０４１７６９１１）国立大学法人大阪大学 (1,536)
【公開日】平成１９年７月１２日（２００７．７．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１２月２８日（２００５．１２．２８）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１６年度文部科学省、研究テーマ「科学技術総合研究委託 戦略的研究拠点育成 フロンティア研究拠点構想」に関する委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（５０４１７６９１１）国立大学法人大阪大学 (1,536)
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