JP2006170967A - Probe manufacturing method, probe manufacture device, and probe - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a probe, a probe manufacturing method, and a probe manufacturing device capable of removing an impurity on a surface while holding a sharpness of the probe, and capable of manufacturing a property of a probe tip with satisfactory reproducibility. <P>SOLUTION: This probe manufacturing method comprises a process for heating a metal raw material under vacuum or inert gas atmosphere, a process for working the metal raw material into a needle body after the heating, a process for removing the impurity on the needle body surface by heating the needle body under reducing atmosphere, and a process for removing a reducing element adsorbed or diffused in the needle body after removing the impurity. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、走査プローブ顕微鏡(Scanning Probe Microscopy: SPM)、走査型トンネル顕微鏡(Scanning Tunneling Microscopy: STM)、原子間力顕微鏡(Atomic Force Microscopy: AFM)、電界イオン顕微鏡(Field Ion Microscopy: FIM)、電界放射顕微鏡(Field Emission Microscopy: FEM)等に使用される探針(tip, probe tip)の製造方法、探針製造装置及び探針に関する。   The present invention includes a scanning probe microscope (Scanning Probe Microscopy: SPM), a scanning tunneling microscope (Scanning Tunneling Microscopy: STM), an atomic force microscope (AFM), a field ion microscope (Field Ion Microscopy: FIM), The present invention relates to a method for manufacturing a probe (tip, probe tip) used in a field emission microscope (FEM) or the like, a probe manufacturing apparatus, and a probe.

走査型トンネル顕微鏡(STM)は、数Åという高い空間分解能を持ち、条件によっては原子一つ一つを分解して観察することが可能である顕微鏡である。これは、バイアス電圧を印加した探針を導体試料表面に数nmの距離まで近づけ、このとき流れるトンネル電流を利用して観察するものである。この探針には、曲率半径が数nm〜数十nm程度であるような極めて鋭い先端をもつ金属探針を用いる。この素材には、基本的に導体でありさえすればその種類は問わないが、主にタングステン(W),モリブデン(Mo),白金(Pt),イリジウム(Ir),ロジウム(Rh)といった高融点金属を用いる場合が多い。これらの金属棒を、一般的には、図3に概略を示した電解研磨法や機械研磨法を用いて探針形状に加工する。なお、図3に示す電解研磨法は、金属棒を電解液に浸し、陰極との間に電圧を加え、その結果、水面近くの部分が溶け出すことにより、くびれて徐々に細くなり、最後に切れて上下の部分に別れ、探針形状を形成するものである。
T. T. Tsong, “Atom-probefield ion microscopy”, Cambridge University Press, p.110, (1999) 小島勇夫, 倉橋正保, 表面科学,9,621, (1988) 越川孝範、表面科学,17,553, (1996))。
A scanning tunneling microscope (STM) is a microscope that has a high spatial resolution of several millimeters and can be observed by disassembling each atom depending on conditions. In this method, a probe to which a bias voltage is applied is brought close to the surface of a conductor sample to a distance of several nanometers, and observation is performed using a tunnel current flowing at this time. For this probe, a metal probe having a very sharp tip having a radius of curvature of about several nanometers to several tens of nanometers is used. This material can be of any type as long as it is basically a conductor, but mainly has a high melting point such as tungsten (W), molybdenum (Mo), platinum (Pt), iridium (Ir), rhodium (Rh). Metal is often used. These metal rods are generally processed into a probe shape using an electrolytic polishing method or a mechanical polishing method schematically shown in FIG. In the electropolishing method shown in FIG. 3, a metal rod is immersed in an electrolytic solution and a voltage is applied between the cathode and the portion near the surface of the water melts. It is cut and separated into upper and lower parts to form a probe shape.
TT Tsong, “Atom-probefield ion microscopy”, Cambridge University Press, p.110, (1999) Yasuo Kojima, Masaho Kurahashi, Surface Science, 9,621, (1988) Koshikawa Takanori, Surface Science, 17,553 (1996)).

走査型トンネル顕微鏡(STM)は、これまで、その高い空間分解能を生かした表面観察・表面計測・ナノ加工のための強力な手法として広く研究目的に用いられてきた。しかしながら、未だ産業用ナノ計測・ナノ加工法として工業的に用いられた例はない。その理由の一つは、この手法により得られる結果の再現性に問題があるからである。   The scanning tunneling microscope (STM) has been widely used for research purposes as a powerful technique for surface observation, surface measurement, and nanofabrication taking advantage of its high spatial resolution. However, there are no examples of industrial use as industrial nano-measurement / nano-processing methods. One reason is that there is a problem in the reproducibility of the results obtained by this method.

この手法では、鋭利な先端形状を持つ金属探針を利用する。再現性の良い結果を得るためには、この探針先端の尖鋭さを保持しながら、表面を清浄に作製することが不可欠であるが、これまでの探針では、これは不可能であった。ここで、再現性とは、同じ観察・加工過程を繰り返したときに、再び、同じ結果を得ることを言う。   In this method, a metal probe having a sharp tip shape is used. In order to obtain reproducible results, it is indispensable to make the surface clean while maintaining the sharpness of the tip of the probe, but this has not been possible with conventional probes. . Here, reproducibility means obtaining the same result again when the same observation / processing process is repeated.

以下にその理由について詳述する。走査型トンネル顕微鏡(STM)には、曲率半径が数nm〜数十nm程度であるような、極めて鋭い先端をもつ金属探針を用いる。この素材には、基本的に導体でありさえすればその種類は問わないが、主にタングステン(W),モリブデン(Mo),白金(Pt),イリジウム(Ir),ロジウム(Rh)といった高融点金属を用いる場合が多い。   The reason will be described in detail below. For a scanning tunneling microscope (STM), a metal probe having a very sharp tip having a radius of curvature of about several nanometers to several tens of nanometers is used. This material can be of any type as long as it is basically a conductor, but mainly has a high melting point such as tungsten (W), molybdenum (Mo), platinum (Pt), iridium (Ir), rhodium (Rh). Metal is often used.

これらの金属棒を、一般的には、図3に概略を示したように電解研磨法や機械研磨法を用いて探針形状に加工し、その後以下に述べるような処理を施した後、探針として用いている。研磨直後の探針表面は、顕微鏡を用いた観察実験において良好な空間分解能や安定性を得ようとする場合、不純物の無い清浄な金属表面が露出していることが望ましいが、図4(a)に示すように、酸素(O)や炭素(C)を主とする不純物で汚染されている場合が多い。探針表面が不純物で汚染されていると、観察又は加工中にこれらの不純物が根元部分から探針先端に移動し、探針先端の状態が変化することにより、顕微鏡としての動作が不安定化する。
走査型トンネル顕微鏡(STM)の観察・加工対象は、原子サイズであるため、極めてわずかな量の不純物による汚染が深刻な問題をもたらす。
In general, these metal rods are processed into a probe shape using an electrolytic polishing method or a mechanical polishing method as schematically shown in FIG. Used as a needle. The surface of the probe immediately after polishing is desirably exposed to a clean metal surface free of impurities in order to obtain good spatial resolution and stability in an observation experiment using a microscope. As shown in FIG. 2, there are many cases where it is contaminated with impurities mainly oxygen (O) and carbon (C). If the probe surface is contaminated with impurities, these impurities move from the root to the tip of the probe during observation or processing, and the state of the tip of the probe changes, which makes the operation of the microscope unstable. To do.
Since the object to be observed and processed by the scanning tunneling microscope (STM) is an atomic size, contamination by an extremely small amount of impurities causes a serious problem.

図5(a)はタングステン(W)ワイヤー(太さ0.3mm)を2N-NaOH水溶液中で数分間電解研磨した後の表面に付着した不純物を測定したオージェ電子スペクトルである。電解研磨後の表面にはタングステン(W),炭素(C),カルシュム(Ca),酸素(O)のピークが確認される。これらの不純物は主に金属酸化物や炭化水素化合物であり、これらは電解研磨過程およびその後のハンドリング中に試料表面に付着したものと考えられる。   FIG. 5 (a) is an Auger electron spectrum obtained by measuring impurities adhering to the surface after electrolytic polishing of a tungsten (W) wire (thickness: 0.3 mm) in a 2N-NaOH aqueous solution for several minutes. Peaks of tungsten (W), carbon (C), calcium (Ca), and oxygen (O) are confirmed on the surface after electrolytic polishing. These impurities are mainly metal oxides and hydrocarbon compounds, which are considered to have adhered to the sample surface during the electropolishing process and subsequent handling.

これらの不純物は真空中で約1000℃程度に加熱することで除去可能といわれている。そこで、この試料を超高真空中において965℃・60分の条件で加熱処理した後に得たオージェ電子スペクトルを図5(b)に示す。このスペクトルでは、炭素(C)のピークが見られなくなっているものの、依然酸素(O)のピークが残っており、また、カルシュム(Ca)のピークは大きくなった。一方、図5(a)には見られなかった、硫黄(S)に起因するピークが明瞭に観測されるようになった。この硫黄(S)はタングステン(W)バルク中に不純物として含まれているものであり、真空加熱時に表面偏析したものである(J. Vac. Sci. Technol. 7, S91 (1971))。表面偏析した硫黄(S)は硫化物を形成していると考えられるが、硫化物は極めて安定であるため加熱により表面から除去するためには1200℃以上の高温が必要となる。この結果から、超高真空中において965℃までの温度範囲で加熱しただけでは、不純物を除去できないことが明らかである。   These impurities are said to be removable by heating to about 1000 ° C. in a vacuum. Thus, FIG. 5 (b) shows an Auger electron spectrum obtained after heat-treating this sample in an ultrahigh vacuum at 965 ° C. for 60 minutes. In this spectrum, although the peak of carbon (C) was not seen, the peak of oxygen (O) still remained, and the peak of calcum (Ca) became large. On the other hand, a peak attributed to sulfur (S), which was not seen in FIG. 5 (a), was clearly observed. This sulfur (S) is contained as an impurity in the tungsten (W) bulk and segregates on the surface during vacuum heating (J. Vac. Sci. Technol. 7, S91 (1971)). The surface segregated sulfur (S) is considered to form sulfides, but sulfides are extremely stable, and therefore, a high temperature of 1200 ° C. or higher is required to remove them from the surface by heating. From this result, it is clear that impurities cannot be removed only by heating in a temperature range up to 965 ° C. in an ultrahigh vacuum.

表面の不純物を取り除くためには、(a)高電界中において探針先端の原子を電界蒸発させる方法、(b)スパッタリング等の方法によって探針先端を物理的に削る方法、(c)真空中や不活性ガス中で高温に加熱し、蒸発脱離させる方法、など様々な方法が行われている。しかしながら、(a)や(b)のような方法を用いた場合、図4(b)に示すように、先端の曲率半径が大きくなり尖鋭さが失われてしまうことや、図4(c)に示すように、極先端の不純物は取り除かれるが根元部分にはそれが残るため残留不純物が観察に悪影響を及ぼすという問題を生じる。一方、(c)の方法を用いた場合、不純物を完全に取り除くためには1200℃以上の極めて高い温度が必要であるが、探針をその温度まで加熱することは困難である場合が多い。一方、電子衝撃加熱法のように、1200℃以上の十分に高い温度を達成できる方法もあるが、加熱されるのが先端部分のみであり根元の不純物が除去できないことや、温度コントロールが難しく、探針自体を融かしてしまうといった問題がある。   In order to remove impurities on the surface, (a) a method of field evaporation of atoms at the tip of the probe in a high electric field, (b) a method of physically cutting the tip of the probe by a method such as sputtering, (c) in a vacuum Various methods such as heating to a high temperature in an inert gas and evaporating and desorbing are used. However, when using a method such as (a) or (b), as shown in FIG. 4 (b), the radius of curvature of the tip becomes large and sharpness is lost, or FIG. As shown in FIG. 4, the impurities at the pole tip are removed, but the impurities remain at the root portion, causing a problem that the residual impurities adversely affect the observation. On the other hand, when the method (c) is used, an extremely high temperature of 1200 ° C. or higher is necessary to completely remove impurities, but it is often difficult to heat the probe to that temperature. On the other hand, there is a method that can achieve a sufficiently high temperature of 1200 ° C or higher, such as the electron impact heating method, but only the tip part is heated and the impurities at the base cannot be removed, and temperature control is difficult, There is a problem that the probe itself is melted.

本発明の目的は、探針の尖鋭さを保持しながら、表面の不純物を除去し、探針先端の性状を再現性良く作製することを可能にした探針製造方法、探針製造装置及び探針を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a probe manufacturing method, a probe manufacturing apparatus, a probe manufacturing method and a probe manufacturing method capable of removing impurities on the surface while maintaining the sharpness of the probe and manufacturing the probe tip with good reproducibility. To provide a needle.

本発明は、上記の問題を解決するために、下記の手段を採用した。
第1の手段は、金属素材を真空中又は不活性ガス雰囲気中で加熱する工程と、前記加熱後、前記金属素材を針状体に加工する工程と、前記針状体を還元性雰囲気中において加熱して、前記針状体表面の不純物を除去する工程と、前記不純物の除去後、前記針状体を真空中で加熱することにより、前記針状体に吸着又は拡散している還元性元素を除去する工程とからなることを特徴とする探針製造方法。
The present invention employs the following means in order to solve the above problems.
The first means is a step of heating the metal material in vacuum or in an inert gas atmosphere, a step of processing the metal material into a needle-like body after the heating, and the needle-like body in a reducing atmosphere. A step of removing impurities on the surface of the needle-like body by heating, and a reducing element adsorbed or diffused on the needle-like body by heating the needle-like body in vacuum after the removal of the impurities And a step of removing the probe.

第2の手段は、第1の手段において、前記金属素材を真空中又は不活性ガス雰囲気中で加熱する工程は、前記金属素材を真空中又は不活性ガス雰囲気中において1200℃以上で加熱することであることを特徴とする探針製造方法である。   The second means is the first means wherein the step of heating the metal material in a vacuum or in an inert gas atmosphere is to heat the metal material in a vacuum or an inert gas atmosphere at 1200 ° C. or higher. It is a probe manufacturing method characterized by being.

第3の手段は、第1の手段において、前記金属素材を真空中又は不活性ガス雰囲気中で加熱する工程は、前記金属素材を真空中又は不活性ガス雰囲気中において直接通電によって1200℃以上で加熱することであることを特徴とする探針製造方法である。   A third means is the step of heating the metal material in a vacuum or an inert gas atmosphere in the first means, wherein the metal material is heated at 1200 ° C. or higher by direct energization in a vacuum or an inert gas atmosphere. A probe manufacturing method characterized by heating.

第4の手段は、第1の手段乃至第3の手段のいずれか1つの手段において、前記針状体を還元性雰囲気中において加熱して、前記針状体表面の不純物を除去する工程は、前記針状体を0.01Torr以上の水素分圧を持つ雰囲気中において800℃以上で加熱することであることを特徴とする探針製造方法である。   The fourth means, in any one of the first means to the third means, the step of heating the acicular body in a reducing atmosphere to remove impurities on the acicular body surface, In the probe manufacturing method, the needle-like body is heated at 800 ° C. or higher in an atmosphere having a hydrogen partial pressure of 0.01 Torr or higher.

第5の手段は、第1の手段乃至第4の手段のいずれか1つの手段において、前記不純物の除去後、前記針状体を真空中で加熱することにより、前記針状体に吸着又は拡散している還元性元素を除去する工程は、前記不純物の除去後、前記針状体を真空中において600℃以上で加熱することであることを特徴とする探針製造方法である。   The fifth means is one of the first means to the fourth means, wherein the needle-like body is adsorbed or diffused by heating the needle-like body in vacuum after removing the impurities. The step of removing the reducing element is a method for manufacturing a probe characterized by heating the needle-like body at 600 ° C. or higher in vacuum after the removal of the impurities.

第6の手段は、金属素材を真空中又は不活性ガス雰囲気中で加熱する加熱手段と、前記加熱後、前記金属素材を針状体に加工する針状体加工手段と、前記針状体を還元性雰囲気中において加熱して、前記針状体表面の不純物を除去する不純物除去手段と、前記不純物の除去後、前記針状体に吸着又は拡散している還元性元素を除去する還元性元素除去手段とから構成されていることを特徴とする探針製造装置である。   Sixth means includes heating means for heating the metal material in a vacuum or in an inert gas atmosphere, needle-like body processing means for processing the metal material into a needle-like body after the heating, and the needle-like body. Impurity removing means for removing impurities on the surface of the needle-like body by heating in a reducing atmosphere, and a reducing element for removing the reducing element adsorbed or diffused on the needle-like body after the removal of the impurities The probe manufacturing apparatus is characterized by comprising a removing means.

第7の手段は、第6の手段において、前記加熱手段は、前記金属素材を真空中又は不活性ガス雰囲気中において1200℃以上で加熱する手段から構成されていることを特徴とする記載の探針製造装置である。   A seventh means is the probe according to the sixth means, wherein the heating means comprises means for heating the metal material in a vacuum or in an inert gas atmosphere at 1200 ° C. or higher. It is a needle manufacturing device.

第8の手段は、第6の手段において、前記加熱手段は、前記金属素材を真空中又は不活性ガス雰囲気中において直接通電によって1200℃以上で加熱する手段から構成されていることを特徴とする探針製造装置である。   An eighth means is the sixth means characterized in that the heating means comprises means for heating the metal material at 1200 ° C. or higher by direct energization in a vacuum or in an inert gas atmosphere. This is a probe manufacturing device.

第9の手段は、第6の手段乃至第8の手段のいずれか1つの手段において、前記不純物除去手段は、前記針状体を0.01Torr以上の水素分圧を持つ雰囲気中において800℃以上で加熱する手段から構成されていることを特徴とする探針製造装置である。   The ninth means is any one of the sixth means to the eighth means, wherein the impurity removing means is a method in which the acicular body is not less than 800 ° C. in an atmosphere having a hydrogen partial pressure of 0.01 Torr or more. It is a probe manufacturing apparatus characterized by comprising heating means.

第10の手段は、第6の手段乃至第9の手段のいずれか1つの手段において、前記還元性元素除去手段は、前記不純物の除去後、前記針状体を真空中において600℃以上で加熱する手段から構成されていることを特徴とする探針製造装置である。   The tenth means is any one of the sixth means to the ninth means, wherein the reducing element removing means heats the acicular body in a vacuum at 600 ° C. or higher after removing the impurities. This is a probe manufacturing apparatus characterized by comprising means for performing

第11の手段は、真空中又は不活性ガス雰囲気中で加熱することによって不純物を除去したことを特徴とする探針作製用金属素材である。   The eleventh means is a metal material for producing a probe characterized by removing impurities by heating in a vacuum or in an inert gas atmosphere.

第12の手段は、第11の手段において、前記真空中又は不活性ガス雰囲気中における加熱は、真空中又は不活性ガス雰囲気中において1200℃以上で加熱することであることを特徴とする探針用金属素材である。   A twelfth means is the probe according to the eleventh means, wherein the heating in the vacuum or the inert gas atmosphere is heating at 1200 ° C. or higher in the vacuum or the inert gas atmosphere. It is a metal material.

第13の手段は、真空中又は不活性ガス雰囲気中で加熱して得られた金属素材を素材として用いたことを特徴とする探針である。   A thirteenth means is a probe characterized in that a metal material obtained by heating in a vacuum or in an inert gas atmosphere is used as a material.

第14の手段は、金属素材を真空中又は不活性ガス雰囲気中で加熱後、針状体に加工して還元性雰囲気中において加熱して表面の不純物を除去し、更に前記針状体を真空中で加熱することにより吸着又は拡散している還元性元素を除去したことを特徴とする探針である。   The fourteenth means is to heat the metal material in a vacuum or in an inert gas atmosphere, then process it into a needle-like body and heat it in a reducing atmosphere to remove surface impurities, and further vacuum the needle-like body. It is a probe characterized by removing reducing elements adsorbed or diffused by heating in the inside.

第15の手段は、第13乃至第14の手段において、前記真空中又は不活性ガス雰囲気中における加熱は、真空中又は不活性ガス雰囲気中において1200℃以上で加熱することであることを特徴とする探針である。   A fifteenth means is characterized in that, in the thirteenth to fourteenth means, the heating in the vacuum or the inert gas atmosphere is heating at 1200 ° C. or higher in the vacuum or the inert gas atmosphere. It is a probe to do.

第16の手段は、第14の手段乃至第15の手段のいずれか1つの手段において、前記針状体の還元性雰囲気中における加熱は、前記針状体を0.01Torr以上の水素分圧を持つ雰囲気中において800℃以上で加熱することであることを特徴とする探針である。   The sixteenth means is the heating means according to any one of the fourteenth means to the fifteenth means, wherein the heating of the acicular body in a reducing atmosphere has a hydrogen partial pressure of 0.01 Torr or more. The probe is characterized by heating at 800 ° C. or higher in an atmosphere.

第17の手段は、第14の手段乃至第16の手段のいずれか1つの手段において、前記針状体の真空中における加熱は、前記針状体を真空中において600℃以上で加熱することであることを特徴とする探針である。   In the seventeenth means, in any one of the fourteenth means to the sixteenth means, the heating of the needle-like body in a vacuum is performed by heating the needle-like body in a vacuum at 600 ° C. or higher. It is a probe characterized by being.

請求項1に記載の発明によれば、探針先端形状を損なうような高温加熱を行うことなく、探針全体の表面を、探針素材である金属が露出しかつ不純物が存在しない極めて清浄な状態にすることができる。   According to the invention of claim 1, the surface of the entire probe is extremely clean without exposing the metal as a probe material and without impurities without performing high-temperature heating that impairs the probe tip shape. Can be in a state.

請求項2に記載の発明によれば、探針作製に用いる金属素材中に含まれる微量な硫黄を除去することができ、探針形状に加工後、表面の不純物を除去する際に、硫化物が表面に形成されるのを防ぐことができる。   According to the invention of claim 2, a trace amount of sulfur contained in a metal material used for probe production can be removed, and sulfides can be removed when removing impurities on the surface after processing into a probe shape. Can be prevented from being formed on the surface.

請求項3に記載の発明によれば、前記金属素材中に含まれる微量な硫黄の除去を行う際に、金属素材を効率よく簡便に低コストで加熱することができる。   According to the invention of claim 3, when removing a trace amount of sulfur contained in the metal material, the metal material can be efficiently and simply heated at a low cost.

請求項4に記載の発明によれば、金属素材を針状体に加工する際に、針状体表面に付着した酸化物や炭化水素等の不純物を、探針先端形状を損なうような高温加熱を行うことなく、完全に除去することができる。   According to the invention of claim 4, when processing a metal material into a needle-like body, impurities such as oxides and hydrocarbons adhering to the surface of the needle-like body are heated at a high temperature so as to impair the shape of the probe tip. It can be completely removed without performing.

請求項5に記載の発明によれば、針状体表面の酸化物や炭化水素等の不純物を除去する際に針状体に吸着または拡散した還元性元素を、探針先端形状を損なうような高温加熱を行うことなく、簡便かつ完全に取り除くことができる。   According to the invention described in claim 5, the reducing element adsorbed or diffused on the needle-like body when removing impurities such as oxides and hydrocarbons on the surface of the needle-like body may damage the tip shape of the probe. It can be removed easily and completely without heating at high temperature.

請求項6に記載の発明によれば、探針全体に探針素材である金属の表面が露出し、不純物が存在しない極めて清浄な表面をもつ探針を、探針先端形状を損なうような高温加熱を行うことなく、製造することができる。   According to the invention described in claim 6, the surface of the metal that is the probe material is exposed on the entire probe, and the probe having an extremely clean surface free of impurities is present at a high temperature that impairs the probe tip shape. It can be manufactured without heating.

請求項7に記載の発明によれば、探針形状に加工後、表面に付着した酸化物や炭化水素等の不純物を除去する際に、表面に硫化物が形成されないような探針用金属素材を製造することができる。   According to the invention of claim 7, after removing the impurities such as oxides and hydrocarbons adhering to the surface after processing into the probe shape, the metal material for the probe is such that no sulfide is formed on the surface. Can be manufactured.

請求項8に記載の発明によれば、前記金属素材中に含まれる微量な硫黄を除去した探針用金属素材を効率よく簡便に低コストで製造することができる。   According to the invention described in claim 8, a probe metal material from which a trace amount of sulfur contained in the metal material is removed can be produced efficiently and simply at low cost.

請求項9に記載の発明によれば、探針表面に酸化物や炭化水素等の不純物が付着していない探針を、探針先端形状を損なうような高温加熱を行うことなく、製造することができる。 According to the invention described in claim 9, a probe in which impurities such as oxides and hydrocarbons are not attached to the probe surface is manufactured without performing high-temperature heating that impairs the probe tip shape. Can do.

請求項10に記載の発明によれば、針状体表面の不純物を除去する際に針状体表面に吸着した還元性元素を除去した極めて清浄な表面を持つ探針を、探針先端形状を損なうような高温加熱を行うことなく、製造することができる。   According to the invention of claim 10, a probe having a very clean surface from which reducing elements adsorbed on the surface of the needle-like body are removed when removing impurities on the surface of the needle-like body, It can be manufactured without performing high-temperature heating that impairs it.

請求項11記載の発明によれば、加熱しても硫黄が探針表面に偏析しない探針を作製することが可能となる。   According to the invention of claim 11, it is possible to produce a probe in which sulfur does not segregate on the probe surface even when heated.

請求項12記載の発明によれば、金属素材中の硫黄成分を効率よく除去することができ、加熱しても硫黄が探針表面に偏析しない探針を作製することが可能となる。 According to the invention of claim 12, the sulfur component in the metal material can be efficiently removed, and a probe in which sulfur does not segregate on the probe surface even when heated can be produced.

請求項13に記載の発明によれば、探針を加熱しても硫黄が探針表面に偏析しないため、探針先端が硫化物で汚染されることが無い。このため、これを用いることにより、探針加熱後も安定したSTM測定を行うことができる。 According to the invention of claim 13, since the sulfur does not segregate on the probe surface even when the probe is heated, the tip of the probe is not contaminated with sulfide. Therefore, by using this, stable STM measurement can be performed even after the probe is heated.

請求項14に記載の発明によれば、探針先端形状を損なうような高温加熱を行うことなく探針全体に極めて清浄な金属表面を露出させることができるため、高空間分解能でかつ安定したSTM測定を行うことができる。 According to the invention described in claim 14, since a very clean metal surface can be exposed to the entire probe without performing high temperature heating that impairs the probe tip shape, high spatial resolution and stable STM Measurements can be made.

請求項15に記載の発明によれば、探針が、不純物として硫黄を含まないため、これを加熱したとしても表面に硫化物が形成されない。このため、加熱後も安定したSTM測定を行うことができる。 According to the invention described in claim 15, since the probe does not contain sulfur as an impurity, no sulfide is formed on the surface even when the probe is heated. For this reason, stable STM measurement can be performed even after heating.

請求項16に記載の発明によれば、探針表面が酸化物や炭化水素等の不純物が付着していない状態であり、かつ、還元性元素が吸着した状態であるため、新たに不純物が吸着しにくい。したがって、比較的低温で清浄化が可能な探針となる。   According to the invention of claim 16, since the surface of the probe is not attached with impurities such as oxides and hydrocarbons, and the reducing element is adsorbed, the impurities are newly adsorbed. Hard to do. Therefore, the probe can be cleaned at a relatively low temperature.

請求項17に記載の発明によれば、探針先端形状を損なうような高温加熱を行うことなく探針全体に極めて清浄な金属表面を露出させることができるため、高空間分解能でかつ安定したSTM測定を行うことができる。   According to the invention of claim 17, since a very clean metal surface can be exposed to the entire probe without performing high temperature heating that impairs the probe tip shape, high spatial resolution and stable STM Measurements can be made.

さらに本発明によれば、探針全体を清浄な金属が露出した状態にすることが可能となり、その結果、探針先端の状態が常に一定となるため、良好な空間分解能や、産業目的に利用するために十分な観察・計測・加工作業において安定して用いることが期待される。さらには、これら観察・計測・加工過程において生じる現象のメカニズムを解明するために重要な効果をもつ。
また、本発明は、走査型トンネル顕微鏡(STM)のみならず、原子間力顕微鏡(AFM)をはじめとする走査プローブ顕微鏡(SPM)に用いるカンチレバーの先端清浄化、さらに電界イオン顕微鏡(FIM), 電界放射顕微鏡(FEM)といった針形状の試料を用いる顕微鏡における試料の清浄化方法として応用可能である。
Furthermore, according to the present invention, it becomes possible to leave the entire probe in a state in which clean metal is exposed. As a result, the state of the tip of the probe is always constant, so that it can be used for good spatial resolution and industrial purposes. Therefore, it is expected to be used stably in sufficient observation, measurement, and processing operations. Furthermore, it has an important effect for elucidating the mechanism of phenomena occurring in these observation, measurement, and processing processes.
Further, the present invention is not only for scanning tunneling microscope (STM), but also for cleaning the tip of a cantilever used in scanning probe microscopes (SPM) including atomic force microscope (AFM), and further, field ion microscope (FIM), The present invention is applicable as a sample cleaning method in a microscope using a needle-shaped sample such as a field emission microscope (FEM).

本発明の一実施形態を図1及び図2を用いて説明する。
金属探針の表面に付着している不純物は、主に金属酸化物や炭化水素化合物であるので、これらの不純物は、真空中で約1000℃以上に加熱することにより除去することが可能である。しかしながらこの際、先に指摘したタングステン(W),モリブデン(Mo),白金(Pt),イリジウム(Ir),ロジウム(Rh)等の金属中に共通に含まれる不純物である硫黄(S)が表面に偏析し、表面に硫化物が形成されてしまう。この硫化物は極めて安定であるため、これを加熱により表面から除去するためには1200℃以上の高温で加熱する必要がある。
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
Since impurities adhering to the surface of the metal probe are mainly metal oxides and hydrocarbon compounds, these impurities can be removed by heating to about 1000 ° C. or higher in a vacuum. . However, at this time, sulfur (S), which is an impurity commonly contained in the metals such as tungsten (W), molybdenum (Mo), platinum (Pt), iridium (Ir), rhodium (Rh), pointed out above, Segregate to form sulfide on the surface. Since this sulfide is extremely stable, it is necessary to heat at a high temperature of 1200 ° C. or higher in order to remove it from the surface by heating.

以下に、金属酸化物、炭化水素化合物、そして硫化物といった不純物の除去を可能にした本発明に係る探針製造方法及び探針製造装置について説明する。
まず、第1の工程として(又は加熱手段において)、図 1(a)に示すように、 金属素材を探針形状に加工する以前に、あらかじめ真空中または不活性ガス雰囲気中で1200℃以上に加熱し、金属素材中の硫黄成分を除去する。1200℃以上に加熱するためには、同図に示すように、金属素材に直接電流を流すことにより加熱する方法が最も簡便で効果的である。このとき、表面の金属酸化物や炭化水素化合物も同時に除去されるが、次に行う探針形状への形成過程においてこれらの不純物が再付着する。
Hereinafter, a probe manufacturing method and a probe manufacturing apparatus according to the present invention capable of removing impurities such as metal oxides, hydrocarbon compounds, and sulfides will be described.
First, as the first step (or in the heating means), as shown in Fig. 1 (a), before processing the metal material into a probe shape, the temperature is set to 1200 ° C or higher in a vacuum or in an inert gas atmosphere in advance. Heat to remove the sulfur component in the metal material. In order to heat to 1200 ° C. or higher, as shown in the figure, a method of heating by directly passing a current through a metal material is the simplest and most effective. At this time, the metal oxide and hydrocarbon compound on the surface are also removed at the same time, but these impurities are reattached in the subsequent formation process of the probe shape.

次に、第2の工程として(又は針状体加工手段において)、図1(b)に示すように、電解研磨により金属素材を探針形状に加工する。   Next, as a second step (or in the acicular body processing means), as shown in FIG. 1 (b), the metal material is processed into a probe shape by electrolytic polishing.

次に、第3の工程として(又は不純物除去手段において)、図1(c)に示すように、探針形状への加工後、金属針を還元性雰囲気中で加熱し、表面の酸化物および炭化物を還元除去する。例えば、0.01 Torr以上の水素分圧をもつ雰囲気中で800℃以上の温度に加熱する。探針を水素雰囲気中で加熱することにより、酸化物・炭化物の還元反応が生じ、水素が無い場合に比べ低い温度でこれら不純物を除去することができる。   Next, as the third step (or in the impurity removing means), as shown in FIG. 1 (c), after processing into the probe shape, the metal needle is heated in a reducing atmosphere, and the surface oxide and Carbide is reduced and removed. For example, heating is performed at a temperature of 800 ° C. or higher in an atmosphere having a hydrogen partial pressure of 0.01 Torr or higher. By heating the probe in a hydrogen atmosphere, an oxide / carbide reduction reaction occurs, and these impurities can be removed at a lower temperature than when there is no hydrogen.

次に、第4の工程として(又は還元性元素除去手段において)、図1(d)に示すように、不純物の除去後、探針を真空中で600℃以上に保持した状態で水素分圧を十分小さくすることにより、金属表面に吸着または金属中に拡散した還元性元素、例えば、水素を除去する。   Next, as the fourth step (or in the reducing element removing means), as shown in FIG. 1 (d), after removing the impurities, the hydrogen partial pressure is maintained with the probe held at 600 ° C. or higher in vacuum. Is sufficiently reduced to remove reducing elements adsorbed on the metal surface or diffused in the metal, for example, hydrogen.

以上の工程後(又は上記の各手段を用いることにより)、1000℃以下の加熱温度で探針先端を清浄化できることから、先端を融かすことなく清浄な金属表面を持つ尖鋭な探針を作製することが出来る。   After the above steps (or by using each of the above means), the tip of the probe can be cleaned at a heating temperature of 1000 ° C or less, so a sharp probe with a clean metal surface can be produced without melting the tip. I can do it.

ここで、従来の探針を製造する場合に比べて、本発明の探針製造方法及び探針製造装置によれば、表面が清浄な探針が得られることについて詳述する。
探針用金属素材として用いられるものとしては、1200℃以上の融点を有し、水素雰囲気中で加熱した場合に脆性破壊を起こさないものであれば何でもよく、ここでは、走査型トンネル顕微鏡(STM)用の探針として最もよく用いられるタングステン(W)を試料とした。
Here, it will be described in detail that a probe having a clean surface can be obtained according to the probe manufacturing method and the probe manufacturing apparatus of the present invention compared to the case of manufacturing a conventional probe.
Any material can be used as the probe metal material as long as it has a melting point of 1200 ° C. or higher and does not cause brittle fracture when heated in a hydrogen atmosphere. The sample used was tungsten (W), which is most often used as a probe.

本発明において、図1(a)に示すように、タングステン(W)ワイヤー(太さ0.3mm)を超真空中で1500℃に加熱し、ステンレス製のホルダーにセットした。これを真空中に導入し、表面に付着した不純物をオージェ電子分光法により評価したときのオージェ電子スペクトルを図2(a)に示す。   In the present invention, as shown in FIG. 1 (a), a tungsten (W) wire (thickness 0.3 mm) was heated to 1500 ° C. in an ultra vacuum and set in a stainless steel holder. FIG. 2 (a) shows an Auger electron spectrum when this is introduced into a vacuum and impurities adhering to the surface are evaluated by Auger electron spectroscopy.

図2(a)に示すように、約1500℃に加熱した試料表面には、わずかな量の酸素(O)が存在するものの、それ以外の不純物は検出されていない。すなわち、タングステン(W)中の硫黄(S)は完全に除去されていることが分る。
さらに、図2(b)に示すように、この試料を一度大気中に取り出して、電解研磨を施し、その後再び真空中に導入して、オージェ電子測定を行ったところ、不純物として酸素(O)が明瞭に捉えられており、電解研磨により酸素(O)が表面に付着したことがわかる。
さらに、図2(c)に示すように、この試料に対し、チェンバーを0.3 Torrの水素で満たして830℃,60分の加熱処理を行うと、タングステン(W)以外のピークは硫黄(S)も含めほぼノイズレベルにまで小さくなっており、十分に清浄なタングステン(W)表面が得られていることがわかる。すなわち、電解研磨前に約1500℃に加熱することでタングステン(W)中の硫黄(S)を除去することが可能であり、その後の水素中加熱過程において硫黄(S)が表面偏析することを防ぐことができ、結果として、清浄なタングステン(W)表面が得られることが可能となった。
As shown in FIG. 2 (a), a small amount of oxygen (O) is present on the sample surface heated to about 1500 ° C., but no other impurities are detected. That is, it can be seen that sulfur (S) in tungsten (W) is completely removed.
Furthermore, as shown in FIG. 2 (b), this sample was once taken out into the atmosphere, subjected to electrolytic polishing, and then introduced again into a vacuum, and Auger electron measurement was performed. As a result, oxygen (O) was used as an impurity. It can be seen that oxygen (O) was attached to the surface by electropolishing.
Furthermore, as shown in FIG. 2 (c), when this chamber is filled with 0.3 Torr of hydrogen and subjected to heat treatment at 830 ° C. for 60 minutes, peaks other than tungsten (W) show sulfur (S). It can be seen that a sufficiently clean tungsten (W) surface is obtained. That is, it is possible to remove sulfur (S) in tungsten (W) by heating to about 1500 ° C. before electropolishing, and that sulfur (S) is segregated on the surface during the subsequent heating in hydrogen. As a result, a clean tungsten (W) surface can be obtained.

本発明に係る探針作製過程を示す図である。It is a figure which shows the probe preparation process based on this invention. 本発明に係る探針の表面に付着した不純物を測定したオージェ電子スペクトルを示す図である。It is a figure which shows the Auger electron spectrum which measured the impurity adhering to the surface of the probe which concerns on this invention. 電解研磨による探針形状の作製過程を示す図である。It is a figure which shows the preparation process of the probe shape by electropolishing. 従来技術に係る探針先端の形状を示す図である。It is a figure which shows the shape of the probe tip which concerns on a prior art. 従来技術に係る探針の表面に付着した不純物を測定したオージェ電子スペクトルを示す図である。It is a figure which shows the Auger electron spectrum which measured the impurity adhering to the surface of the probe which concerns on a prior art.

Claims (17)

金属素材を真空中又は不活性ガス雰囲気中で加熱する工程と、前記加熱後、前記金属素材を針状体に加工する工程と、前記針状体を還元性雰囲気中において加熱して、前記針状体表面の不純物を除去する工程と、前記不純物の除去後、前記針状体を真空中で加熱することにより、前記針状体に吸着又は拡散している還元性元素を除去する工程とからなることを特徴とする探針製造方法。   Heating the metal material in a vacuum or in an inert gas atmosphere; processing the metal material into a needle-like body after the heating; heating the needle-like body in a reducing atmosphere; A step of removing impurities on the surface of the needle-like body, and a step of removing the reducing element adsorbed or diffused on the needle-like body by heating the needle-like body in vacuum after the removal of the impurities. A probe manufacturing method characterized by comprising: 前記金属素材を真空中又は不活性ガス雰囲気中で加熱する工程は、前記金属素材を真空中又は不活性ガス雰囲気中において1200℃以上で加熱することであることを特徴とする請求項1に記載の探針製造方法。   2. The step of heating the metal material in a vacuum or in an inert gas atmosphere is characterized in that the metal material is heated at 1200 ° C. or higher in a vacuum or in an inert gas atmosphere. Probe manufacturing method. 前記金属素材を真空中又は不活性ガス雰囲気中で加熱する工程は、前記金属素材を真空中又は不活性ガス雰囲気中において直接通電によって1200℃以上で加熱することであることを特徴とする請求項1に記載の探針製造方法。   The step of heating the metal material in a vacuum or in an inert gas atmosphere is characterized in that the metal material is heated at 1200 ° C. or higher by direct energization in a vacuum or in an inert gas atmosphere. The probe manufacturing method according to 1. 前記針状体を還元性雰囲気中において加熱して、前記針状体表面の不純物を除去する工程は、前記針状体を0.01Torr以上の水素分圧を持つ雰囲気中において800℃以上で加熱することであることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1つの請求項に記載の探針製造方法。   The step of removing the impurities on the surface of the acicular body by heating the acicular body in a reducing atmosphere heats the acicular body at 800 ° C. or higher in an atmosphere having a hydrogen partial pressure of 0.01 Torr or higher. The probe manufacturing method according to any one of claims 1 to 3, wherein the probe manufacturing method is characterized. 前記不純物の除去後、前記針状体を真空中で加熱することにより、前記針状体に吸着又は拡散している還元性元素を除去する工程は、前記不純物の除去後、前記針状体を真空中において600℃以上で加熱することであることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1つの請求項に記載の探針製造方法。   After the removal of the impurities, the step of removing the reducing element adsorbed or diffused on the needle-like body by heating the needle-like body in a vacuum includes the step of removing the needle-like body after the removal of the impurities. 5. The probe manufacturing method according to claim 1, wherein heating is performed at 600 ° C. or higher in a vacuum. 金属素材を真空中又は不活性ガス雰囲気中で加熱する加熱手段と、前記加熱後、前記金属素材を針状体に加工する針状体加工手段と、前記針状体を還元性雰囲気中において加熱して、前記針状体表面の不純物を除去する不純物除去手段と、前記不純物の除去後、前記針状体に吸着又は拡散している還元性元素を除去する還元性元素除去手段とから構成されていることを特徴とする探針製造装置。   Heating means for heating a metal material in a vacuum or in an inert gas atmosphere, needle-like body processing means for processing the metal material into a needle-like body after the heating, and heating the needle-like body in a reducing atmosphere An impurity removing means for removing impurities on the surface of the needle-like body, and a reducing element removing means for removing the reducing element adsorbed or diffused on the needle-like body after the removal of the impurities. The probe manufacturing apparatus characterized by the above-mentioned. 前記加熱手段は、前記金属素材を真空中又は不活性ガス雰囲気中において1200℃以上で加熱する手段から構成されていることを特徴とする請求項6に記載の探針製造装置。   The probe manufacturing apparatus according to claim 6, wherein the heating unit includes a unit that heats the metal material at 1200 ° C. or higher in a vacuum or in an inert gas atmosphere. 前記加熱手段は、前記金属素材を真空中又は不活性ガス雰囲気中において直接通電によって1200℃以上で加熱する手段から構成されていることを特徴とする請求項6に記載の探針製造装置。   7. The probe manufacturing apparatus according to claim 6, wherein the heating means includes means for heating the metal material at 1200 ° C. or higher by direct energization in a vacuum or in an inert gas atmosphere. 前記不純物除去手段は、前記針状体を0.01Torr以上の水素分圧を持つ雰囲気中において800℃以上で加熱する手段から構成されていることを特徴とする請求項6乃至請求項8のいずれか1つの請求項に記載の探針製造装置。 9. The impurity removing unit according to claim 6, wherein the impurity removing unit comprises a unit that heats the needle-like body at 800 ° C. or higher in an atmosphere having a hydrogen partial pressure of 0.01 Torr or higher. The probe manufacturing apparatus according to one claim. 前記還元性元素除去手段は、前記不純物の除去後、前記針状体を真空中において600℃以上で加熱する手段から構成されていることを特徴とする請求項6乃至請求項9のいずれか1つの請求項に記載の探針製造装置。   10. The reducing element removing means is constituted by means for heating the needle-shaped body in a vacuum at 600 ° C. or higher after removing the impurities. The probe manufacturing apparatus according to claim 1. 真空中又は不活性ガス雰囲気中で加熱して得られた探針作製用金属素材。   A metal material for preparing a probe obtained by heating in a vacuum or in an inert gas atmosphere. 前記真空中又は不活性ガス雰囲気中における加熱は、真空中又は不活性ガス雰囲気中において1200℃以上で加熱することであることを特徴とする請求項11に記載の金属素材。   12. The metal material according to claim 11, wherein the heating in the vacuum or in the inert gas atmosphere is heating at 1200 ° C. or higher in the vacuum or in the inert gas atmosphere. 真空中又は不活性ガス雰囲気中で加熱して得られた金属素材を素材として用いたことを特徴とする探針。   A probe using a metal material obtained by heating in a vacuum or in an inert gas atmosphere as a material. 金属素材を真空中又は不活性ガス雰囲気中で加熱後、針状体に加工して還元性雰囲気中において加熱して表面の不純物を除去し、更に前記針状体を真空中で加熱することにより吸着又は拡散している還元性元素を除去したことを特徴とする探針。   After heating the metal material in vacuum or in an inert gas atmosphere, processing it into a needle-like body, heating it in a reducing atmosphere to remove surface impurities, and further heating the needle-like body in vacuum A probe characterized by removing reducing elements adsorbed or diffused. 前記真空中又は不活性ガス雰囲気中における加熱は、真空中又は不活性ガス雰囲気中において1200℃以上で加熱することであることを特徴とする請求項13乃至請求項14に記載の探針。   15. The probe according to claim 13, wherein the heating in the vacuum or the inert gas atmosphere is heating at 1200 ° C. or higher in the vacuum or the inert gas atmosphere. 前記針状体の還元性雰囲気中における加熱は、前記針状体を0.01Torr以上の水素分圧を持つ雰囲気中において800℃以上で加熱することであることを特徴とする請求項14乃至請求項15のいずれか1つの請求項に記載の探針。   The heating of the acicular body in a reducing atmosphere is heating the acicular body at 800 ° C or higher in an atmosphere having a hydrogen partial pressure of 0.01 Torr or higher. The probe according to any one of claims 15. 前記針状体の真空中における加熱は、前記針状体を真空中において600℃以上で加熱することであることを特徴とする請求項14乃至請求項16のいずれか1つの請求項に記載の探針。
17. The heating of the needle-like body in a vacuum is heating the needle-like body at 600 ° C. or higher in a vacuum, according to any one of claims 14 to 16. Probe.
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