JP3106039B2 - 走査型トンネル顕微鏡 - Google Patents

走査型トンネル顕微鏡

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JP3106039B2 JP05194388A JP19438893A JP3106039B2 JP 3106039 B2 JP3106039 B2 JP 3106039B2 JP 05194388 A JP05194388 A JP 05194388A JP 19438893 A JP19438893 A JP 19438893A JP 3106039 B2 JP3106039 B2 JP 3106039B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、走査型トンネル顕微鏡
を使用して、材料を試料表面に付着させる材料の原子操
作に関する。
【0002】
【従来の技術】走査型トンネル顕微鏡(STM)は、バ
イアス電圧を印加し、トンネル電流を発生させることに
よって、さらにこのトンネル電流が一定となるように、
探針の試料との高さを調節しながら試料面内を操作する
ことによって、試料表面の微細な形状構造を知る装置で
ある。また、この装置の原理上、探針を試料表面に接触
しない程度に十分接近させる(約1nm)ことが可能で
ある。
【0003】したがって、この走査型トンネル顕微鏡を
用いると原子スケール表面の原子配列や構造を観察でき
るうえ、走査型顕微鏡(SEM)のように電子ビームを
プローブとしている場合と異なり、金属探針が試料表面
のおよそ1nm上を走査しているので原子1個1個を見
ていることになり、その1個1個の原子位置の真上に探
針を設定することが可能である。
【0004】以上の特徴を鑑み、走査型トンネル顕微鏡
を用いて、試料表面上での原子レベルの操作に関する様
々な試みがなされている。その主な手法を以下に示す。
【0005】(1) Eiglerらは、液体ヘリウム
で冷却(4°K)された単結晶ニッケル基板上に吸着し
たキセノン原子1個1個を走査して文字を描いている。
(D.M.Eigler and E.K.Schwe
izer:Nature 344,524,1990
年) (2) また、McCordらは、トンネル電流をごく
近距離から照射する収束電子ビームに見立てて電子ビー
ム描画と同様の手法による微細加工を用いて直線の描画
を行っている。(M.A.McCord and R.
F.W.Pease:J.Vac.Sci.& Tec
hnol.B4,86,1986年) その他に、(3)探針と試料の間に高電解を印加して、
電解蒸発を誘導することにより、探針先端の原子を試料
表面に蒸着したり、逆に試料表面の原子をはぎ取ったり
する試み、(4)探針で直接試料表面をつついたり、切
削する方法が行われている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、(1)
の方法では、試料表面を極低温の状態に維持し、かつ操
作できる元素が限定(不活性ガスの元素)されているの
で、装置が非常に大掛かりになり易いこと、あるいは、
(2)や(3)は、原子の操作を行う際には、探針ー試
料表面間に高電解を印加するので、トンネル電流以上の
電流を探針と試料の間に流れ、1個1個の原子を操作す
ることは、原理的にかなり困難であるのが実状である。
また、(4)は、探針で試料表面を機械的に接触させて
試料の原子をはぎ取るあるいは探針先端の原子を試料表
面に付着させるので、接触によって試料表面の原子配列
を撹乱したり、試料表面の状態(面方位、再配列)によ
って、原子をはぎ取るあるいは付着させるための種々の
パラメータが異なり、原子レベルでの操作が困難である
という欠点を有している。
【0007】本発明は、走査型トンネル顕微鏡を利用
し、容易に特定の原子を試料表面の任意の場所に付着さ
せる操作を、原子レベル(原子1つ1つの操作を可能と
する)で行い得ることを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は上述する課題を
解決するためになされたもので、トンネル電流を検出す
る中空構造の探針と、該探針の中空構造内に充填され、
探針材料とは異なる材質の充填材料と、前記探針近傍に
配置された加熱ヒータとを備え、前記加熱ヒーターによ
り前記充填材料を加熱することによって、試料表面上に
前記充填材料の原子を付着させることを特徴とする走査
型トンネル顕微鏡を提供するものである。
【0009】また、前記中空構造の探針上部には、前記
充填材料を探針から押し出す圧電素子が配置されてなる
走査型トンネル顕微鏡を提供するものである。
【0010】
【作用】針を中空構造にし、その中に異種の材料を装填
したものを、走査型トンネル顕微鏡用の探針とする。走
査型トンネル顕微鏡の機能を用いて、原子を付着させた
い位置までを探針を移動させる。この位置を維持したま
ま探針を加熱し、探針に注入された異種材料を選択的に
融解あるいは軟化させる。この時の注入材料自身の表面
張力あるいは、この状態で、探針微動装置または中空探
針に取り付けられた圧電素子を用いて、材料を試料表面
に付着させ、異種材料の原子を試料表面に付着させる。
また、探針に注入された異種材料を選択的に融点以上に
溶かし、材料原子を蒸発させることによって、試料表面
に原子を付着させる。以上の方法を用いることにより、
試料表面上の任意の原子の上に、装填材料の原子を付着
させることが可能となる。
【0011】
【実施例】以下、図面を参照しながら本発明の実施例を
説明する。
【0012】図3は本発明による走査型トンネル顕微鏡
の概略図である。外筐4は排気系5に接続され、10
-10Torr程度まで排気される。外筐4内には、X,
Y,Z3軸方向の微動機構を有した試料ステージ6が配
置され、この試料ステージ6には、ステージ6に配置さ
れる試料Sを加熱するための試料加熱ヒータ7が備えら
れる。前記外筐内の試料ステージ6斜め上方には試料S
の表面をイオンビーム照射によって清浄化するためのイ
オン銃8が配置される。外筐4にはゲートバルブ10を
介して試料導入用の予備真空室9が備えられる。試料ス
テージ6上方には中空構造の探針1が配置され、この中
空探針1はX、Y、Z3軸方向の探針微動装置12の下
面に固定される。この探針微動装置12は3軸方向に配
置された3つの圧電素子により構成され、該装置12に
より探針1が試料Sの観察面に調整される。
【0013】ここで、図3及び探針1の周辺拡大図(図
1)を参照しながら、本発明の第1の実施例を説明す
る。中空探針1はタングステンで形成され、その内部に
は充填材料としてガリウムが充填される。中空探針1の
周辺近傍には探針加熱ヒータ用2が配置され、必要に応
じて探針1を加熱する。中空探針1下方に配置された試
料Sの観察点はイオン銃8によるイオンビーム照射領域
の中心に位置する。
【0014】本発明の第1の実施例による試料表面付着
操作手順の一例を述べる。予備排気室9より試料ステー
ジ6上に試料Sを移した後、試料加熱ヒータ7により試
料Sを加熱して吸着物質を除去し、また、イオン銃8を
作動させて試料Sの観察面をイオンビームによりエッチ
ングして、試料Sの観察面を更に清浄にする。試料Sの
Z方向位置を調整し、探針1をX、Y方向に微動させて
試料Sの観察面の走査を行い、走査型トンネル顕微鏡像
を記録して原子を付着させる位置を探す。走査型トンネ
ル顕微鏡の映像信号は、探針1を試料Sの観察面でX,
Y方向に走査しながら探針1に流れる電流が一定になる
ように探針1をZ方向に微動させたときの探針微動装置
12のZ方向駆動信号である。
【0015】次に、走査型トンネル顕微鏡において探針
1が試料S表面に接触せず、トンネル電流が流れる条件
でZ位置を調整した状態で、探針1の周囲に設けられた
探針加熱用ヒータ2により探針1を50℃加熱してガリ
ウムをを融解し、表面張力によりガリウムを試料S表面
に接近させる。その後、探針微動装置12のZ軸を動か
して探針1先端のガリウム原子を試料S表面に接近させ
る。このようにして、探針1内に充填された原子を試料
S表面には付着させることができる。
【0016】次いで、図3及び探針1の周辺拡大図(図
1)を参照しながら、本発明の第2の実施例を説明す
る。
【0017】中空探針1は白金で形成され、その内部に
は充填材料としてアルミニウムが充填される。中空探針
1の周辺近傍には探針加熱用ヒータ2が配置され、必要
に応じて探針1を加熱する。中空探針1下方に配置され
た試料Sの観察点はイオン銃8によるイオンビーム照射
領域の中心に位置する。
【0018】本発明の第2の実施例による試料表面付着
操作手順の一例を述べる。予備排気室9より試料ステー
ジ6上に試料Sを移した後、試料加熱ヒータ7により試
料Sを加熱して吸着物質を除去し、また、イオン銃8を
作動させて試料Sの観察面をイオンビームによりエッチ
ングして試料Sの観察面を更に清浄にする。試料SのZ
方向を調整し、探針1をX,Y方向に微動させて試料S
面の観察面の走査を行い、走査型トンネル顕微鏡像を記
録して原子を付着させる位置を探す。走査型トンネル顕
微鏡の映像信号は、探針1を試料Sの観察面でX,Y方
向に走査しながら探針1に流れる電流が一定になるよう
に探針1をZ方向に微動させたときの探針微動装置12
のZ方向駆動信号である。
【0019】次に、走査型トンネル顕微鏡において探針
1が試料S表面に接触せず、トンネル電流が流れる条件
でZ位置を調整した状態で、探針1の周囲に設けられた
探針加熱用ヒータ2により探針1を700℃に加熱し、
アルミニウムを融解し、アルミニウム原子を蒸発させて
試料表面に付着する。このようにして、探針1内に充填
された原子を試料S表面に付着させることができる。
【0020】更に、図3及び探針1の周辺拡大図(図
2)を参照しながら、本発明の第3の実施例を説明す
る。
【0021】中空探針1は白金インジウムで形成され、
その内部には充填材料として亜鉛が充填される。中空探
針1の周辺近傍には探針加熱用・ヒータ2が配置され、
必要に応じて探針1を加熱する。また、中空探針1の上
部には圧電素子3が配置され、中空構造を覆う。中空探
針1下方に配置された試料Sの観察点はイオン銃による
イオンビーム照射領域の中心に位置する。
【0022】本発明の第3の実施例による試料表面付着
操作手順の一例を述べる。予備排気室9より試料ステー
ジ6上に試料Sを移した後、試料加熱ヒータ7により試
料Sを加熱して吸着物質を除去し、また、イオン銃8を
作動させて試料Sの観察面をイオンビームによりエッチ
ングして試料Sの観察面を更に清浄にする。試料SのZ
方向位置を調整し、探針1をZ,Y方向に微動させて試
料S面の観察面の走査を行い、走査型トンネル顕微鏡像
を記録して原子を付着させる位置を探す。走査型トンネ
ル顕微鏡の映像信号は、探針1を試料Sの観察面でX,
Y方向に走査しながら探針1に流れる電流が一定になる
ように探針1をZ方向に微動させたときの探針微動装置
12のZ方向駆動信号である。
【0023】次に、走査型トンネル顕微鏡において探針
1が試料S表面に接触せず、トンネル電流が流れる条件
でZ位置を調整した状態で、探針1の周囲に設けられた
探針加熱用ヒータ2により探針1を400〜510℃に
加熱し、亜鉛を融解し、表面張力により亜鉛を試料S表
面に接近させる。その後、探針1上部に配置された圧電
素子3を動かして探針1先端の亜鉛原子を押し出し、試
料S表面に接触させる。このようにして、探針1内に充
填された原子を試料S表面に付着させることができる。
【0024】
【発明の効果】本発明による走査型トンネル顕微鏡を用
いることにより、試料表面の原子レベルの構造、付着原
子の付着状態を観察することによって、特定の場所に探
針を移動させ、その後探針自身を加熱することで、探針
内部の材料の融解あるいは軟化と、これに伴う表面張力
の発現あるいは蒸発現象を利用することによって、試料
表面を損傷させること無く、試料の特定の場所に材料原
子を付着させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1及び第2の実施例を説明するため
の中空探針周辺の詳細図である。
【図2】本発明の第3の実施例を説明するための中空探
針周辺の詳細図である。
【図3】本発明の第1乃至第3実施例を説明するための
走査型トンネル顕微鏡の概略図である。
【符号の説明】
1 中空探針 2 探針加熱用ヒータ 3 圧電素子 4 外筐 5 排気系 6 試料ステージ 7 試料加熱用ヒータ 8 イオン銃 9 予備排気室 10 ゲートバルブ 12 探針微動装置 S 試料
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平2−171601(JP,A) 特開 平2−4959(JP,A) 特開 平1−211848(JP,A) 特開 平3−254056(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 13/10 - 13/24 H01J 37/28 G01B 7/34 JICSTファイル(JOIS)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 トンネル電流を検出する中空構造の探針
    と、 該探針の中空構造内に充填され、探針材料とは異なる材
    質の充填材料と、 前記探針近傍に配置された加熱ヒータとを備え、前記加
    熱ヒーターにより前記充填材料を加熱することによっ
    て、試料表面上に前記充填材料の原子を付着させること
    を特徴とする走査型トンネル顕微鏡。
  2. 【請求項2】 前記中空構造の探針上部には、前記充填
    材料を探針から押し出す圧電素子が配置されてなること
    を特徴とする請求項1に記載の走査型トンネル顕微鏡。
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