JP3364817B2 - 走査型プローブ顕微鏡用探針の製造方法 - Google Patents
走査型プローブ顕微鏡用探針の製造方法Info
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- JP3364817B2 JP3364817B2 JP32566294A JP32566294A JP3364817B2 JP 3364817 B2 JP3364817 B2 JP 3364817B2 JP 32566294 A JP32566294 A JP 32566294A JP 32566294 A JP32566294 A JP 32566294A JP 3364817 B2 JP3364817 B2 JP 3364817B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、原子核の三次元座標の
決定、元素分析及び化学結合状態測定に用いることが可
能な走査型プローブ顕微鏡用探針の製造方法に係わり、
更に詳しくは長時間安定に作動し、１Å程度という高分
解能を実現できる鋭い探針の製造方法に関する。
決定、元素分析及び化学結合状態測定に用いることが可
能な走査型プローブ顕微鏡用探針の製造方法に係わり、
更に詳しくは長時間安定に作動し、１Å程度という高分
解能を実現できる鋭い探針の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の走査型プローブ顕微鏡用の探針
は、機械研磨、又は電解研磨、又は電界イオン顕微鏡内
における電界蒸発等により作製している。また探針の形
状は走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、電界イオン顕微鏡等
により評価している。それによると、従来の方法によっ
て作製された探針の先端曲率半径は、およそ数１００Å
以上であり、十分鋭いとは言えず、その先端にミニチッ
プが存在し、一原子が僅かに突出して偶然にプローブ原
子となっていると考えられている。
は、機械研磨、又は電解研磨、又は電界イオン顕微鏡内
における電界蒸発等により作製している。また探針の形
状は走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、電界イオン顕微鏡等
により評価している。それによると、従来の方法によっ
て作製された探針の先端曲率半径は、およそ数１００Å
以上であり、十分鋭いとは言えず、その先端にミニチッ
プが存在し、一原子が僅かに突出して偶然にプローブ原
子となっていると考えられている。
【０００３】探針先端のプローブ原子の安定性について
は、電界イオン顕微鏡内における電界蒸発等により作製
されたタングステン（Ｗ）単結晶のＷ＜１１１＞を探針
軸方位とする先端一原子探針が最も安定とされており、
信頼性が高く、稼働率は１００％まで達しており、分解
能も高く、数カ月にわたって使用できると報告されてい
る。しかし、そのような探針も、偶然の産物であって、
従来の製造方法は工業的とは言えないのである。また、
その他の条件で作製された探針は、不安定で、原子像の
観察可能な時間はせいぜい数時間程度しかないなど、信
頼性に乏しく稼働率も低かった。
は、電界イオン顕微鏡内における電界蒸発等により作製
されたタングステン（Ｗ）単結晶のＷ＜１１１＞を探針
軸方位とする先端一原子探針が最も安定とされており、
信頼性が高く、稼働率は１００％まで達しており、分解
能も高く、数カ月にわたって使用できると報告されてい
る。しかし、そのような探針も、偶然の産物であって、
従来の製造方法は工業的とは言えないのである。また、
その他の条件で作製された探針は、不安定で、原子像の
観察可能な時間はせいぜい数時間程度しかないなど、信
頼性に乏しく稼働率も低かった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明が解決しようと
するところは、従来の技術では不可能であった平均先端
曲率半径が数１０Åから数Å程度の非常に鋭くて細い円
錐状の安定な先端一原子探針を作製することが可能な走
査型プローブ顕微鏡用探針の製造方法を提供することに
あり、これにより、試料表面原子一個ごとの、原子核の
三次元座標の決定、並びに元素分析、更には化学結合状
態分析を可能ならしめる。
するところは、従来の技術では不可能であった平均先端
曲率半径が数１０Åから数Å程度の非常に鋭くて細い円
錐状の安定な先端一原子探針を作製することが可能な走
査型プローブ顕微鏡用探針の製造方法を提供することに
あり、これにより、試料表面原子一個ごとの、原子核の
三次元座標の決定、並びに元素分析、更には化学結合状
態分析を可能ならしめる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、前述の課題解
決のために、走査型プローブ顕微鏡を用いて、原子像観
察可能な常温又は冷却又は加熱した測定用探針により、
常温又は冷却又は加熱した被加工探針の原子配列を測定
し、即ち探針で探針の原子像を観察した後、又は観察し
ながら、被加工探針の取り除くべき原子又は付加すべき
原子又は動かすべき原子等を決定し、両探針間に、適切
な電圧且つ極性で、適切な幅のパルスを単発又は繰り返
し印加して、前記決定した原子を除去、付加又は移動さ
せて被加工探針の先端に一原子だけ安定に突出させ、鋭
い先端一原子探針を作製することを特徴とする走査型プ
ローブ顕微鏡用探針の製造方法を確立した。ここで、本
発明において、走査型プローブ顕微鏡とは、いわゆる走
査型トンネル顕微鏡、及び走査型原子間力顕微鏡等の走
査型トンネル顕微鏡より派生した顕微鏡を意味する。
決のために、走査型プローブ顕微鏡を用いて、原子像観
察可能な常温又は冷却又は加熱した測定用探針により、
常温又は冷却又は加熱した被加工探針の原子配列を測定
し、即ち探針で探針の原子像を観察した後、又は観察し
ながら、被加工探針の取り除くべき原子又は付加すべき
原子又は動かすべき原子等を決定し、両探針間に、適切
な電圧且つ極性で、適切な幅のパルスを単発又は繰り返
し印加して、前記決定した原子を除去、付加又は移動さ
せて被加工探針の先端に一原子だけ安定に突出させ、鋭
い先端一原子探針を作製することを特徴とする走査型プ
ローブ顕微鏡用探針の製造方法を確立した。ここで、本
発明において、走査型プローブ顕微鏡とは、いわゆる走
査型トンネル顕微鏡、及び走査型原子間力顕微鏡等の走
査型トンネル顕微鏡より派生した顕微鏡を意味する。
【０００６】また、前記被加工探針の表面が測定用探針
に垂直になるように調節するために、前記被加工探針又
は前記測定用探針の先端付近を回転中心にしたゴニオメ
ータ、回転ステージ及びＸＹＺステージ、及びデーター
処理用コンピュータを用いてなることが好ましい。
に垂直になるように調節するために、前記被加工探針又
は前記測定用探針の先端付近を回転中心にしたゴニオメ
ータ、回転ステージ及びＸＹＺステージ、及びデーター
処理用コンピュータを用いてなることが好ましい。
【０００７】
【作用】以上の如き内容からなる本発明の走査型プロー
ブ顕微鏡用探針の製造方法は、走査型プローブ顕微鏡を
用いて、可能な限り原子像観察可能な、例えばＷ＜１１
１＞を探針軸方位とする測定用探針により、例えばＷ＜
１１１＞を探針軸方位とする被加工探針の原子像を観測
し、取り除くべき又は付加すべき又は動かすべき被加工
探針の原子を決定し、両探針間にパルス電圧を加えるこ
とにより、測定用探針で被加工探針を成形するものであ
る。これにより、平均先端曲率半径が数１０Åから数Å
程度の非常に鋭くて細い円錐状の安定な先端一原子探針
を作製できるのである。本発明により作製された平均先
端曲率半径が数１０Åから数Å程度の非常に鋭くて細い
円錐状の安定な先端一原子探針を、走査型プローブ顕微
鏡による元素分析法の探針として用いると、高い分解能
で試料表面原子一個ごとの、原子核の三次元座標の決
定、並びに元素分析、更に化学結合状態分析が可能とな
る。
ブ顕微鏡用探針の製造方法は、走査型プローブ顕微鏡を
用いて、可能な限り原子像観察可能な、例えばＷ＜１１
１＞を探針軸方位とする測定用探針により、例えばＷ＜
１１１＞を探針軸方位とする被加工探針の原子像を観測
し、取り除くべき又は付加すべき又は動かすべき被加工
探針の原子を決定し、両探針間にパルス電圧を加えるこ
とにより、測定用探針で被加工探針を成形するものであ
る。これにより、平均先端曲率半径が数１０Åから数Å
程度の非常に鋭くて細い円錐状の安定な先端一原子探針
を作製できるのである。本発明により作製された平均先
端曲率半径が数１０Åから数Å程度の非常に鋭くて細い
円錐状の安定な先端一原子探針を、走査型プローブ顕微
鏡による元素分析法の探針として用いると、高い分解能
で試料表面原子一個ごとの、原子核の三次元座標の決
定、並びに元素分析、更に化学結合状態分析が可能とな
る。
【０００８】
【実施例】以下、添付図面に示した実施例に基づき本発
明の詳細を説明する。図１は、走査型プローブ顕微鏡ユ
ニットで、１は測定用探針、２は被加工探針、３はＸＹ
ステージ、４は２軸ゴニオメータ、５は回転ステージ、
６はＸＹＺステージ、７は２軸ゴニオメータ、８はＸＹ
Ｚピエゾスキャナ、９はＸＹＺステージ、１０は正及び
負のパルス電源、１１は加熱及び冷却装置である。
明の詳細を説明する。図１は、走査型プローブ顕微鏡ユ
ニットで、１は測定用探針、２は被加工探針、３はＸＹ
ステージ、４は２軸ゴニオメータ、５は回転ステージ、
６はＸＹＺステージ、７は２軸ゴニオメータ、８はＸＹ
Ｚピエゾスキャナ、９はＸＹＺステージ、１０は正及び
負のパルス電源、１１は加熱及び冷却装置である。
【０００９】図２及び図３は、作製する探針の例で、１
２はＷ＜１１１＞を軸方位とした探針である。先ず、走
査型プローブ顕微鏡で測定用探針１により被加工探針２
の原子像を観察しながら、ＸＹステージ３と２軸ゴニオ
メータ４を微調整することにより、ほぼ円錐状の被加工
探針２の中心線と回転ステージ５の回転中心線を一致さ
せる。次に、ＸＹＺステージ６を微調整して、被加工探
針２の先端位置を２軸ゴニオメータ７の回転中心に一致
させる。その後、被加工探針２の先端位置に測定用探針
１をＸＹＺピエゾスキャナ８とそのＸＹＺステージ９に
より近づける（このとき、被加工探針２の表面が測定用
探針１の中心軸に常にほぼ垂直となるように、２軸ゴニ
オメータ７と回転ステージ５を微調整する）。
２はＷ＜１１１＞を軸方位とした探針である。先ず、走
査型プローブ顕微鏡で測定用探針１により被加工探針２
の原子像を観察しながら、ＸＹステージ３と２軸ゴニオ
メータ４を微調整することにより、ほぼ円錐状の被加工
探針２の中心線と回転ステージ５の回転中心線を一致さ
せる。次に、ＸＹＺステージ６を微調整して、被加工探
針２の先端位置を２軸ゴニオメータ７の回転中心に一致
させる。その後、被加工探針２の先端位置に測定用探針
１をＸＹＺピエゾスキャナ８とそのＸＹＺステージ９に
より近づける（このとき、被加工探針２の表面が測定用
探針１の中心軸に常にほぼ垂直となるように、２軸ゴニ
オメータ７と回転ステージ５を微調整する）。
【００１０】そして、被加工探針２の先端周辺の原子配
列及び数１００ｎｍ領域の被加工探針２の立体像を、回
転ステージ５、ＸＹＺステージ６、２軸ゴニオメータ
７、ＸＹＺピエゾスキャナ８、ＸＹＺステージ９等の位
置情報をもとにコンピュータ処理して画像化する。この
結果をもとに被加工探針２の取り除くべき原子、付与す
べき原子、動かすべき原子を決める。次に、測定用探針
１で被加工探針２の原子像を観測しながら、正及び負の
パルス電源１０を用いて両探針間に数Ｖ、数１０ｍｓの
パルス電圧を単発又は繰り返し印加して電界蒸発等によ
り原子単位加工する。測定用探針１及び被加工探針２
の、それぞれの加熱又は冷却又は常温のままの設定は、
加熱及び冷却装置１１により行い、どの設定で加工する
かは、電圧の極性を含めて、原子単位加工の種類により
決定する。この操作を繰り返して、例えば、図２及び図
３のような設計どおりに原子配列したＷ＜１１１＞を軸
方位とし、先端一原子の探針１２を作製する。尚、図中
１３は先端の原子である。
列及び数１００ｎｍ領域の被加工探針２の立体像を、回
転ステージ５、ＸＹＺステージ６、２軸ゴニオメータ
７、ＸＹＺピエゾスキャナ８、ＸＹＺステージ９等の位
置情報をもとにコンピュータ処理して画像化する。この
結果をもとに被加工探針２の取り除くべき原子、付与す
べき原子、動かすべき原子を決める。次に、測定用探針
１で被加工探針２の原子像を観測しながら、正及び負の
パルス電源１０を用いて両探針間に数Ｖ、数１０ｍｓの
パルス電圧を単発又は繰り返し印加して電界蒸発等によ
り原子単位加工する。測定用探針１及び被加工探針２
の、それぞれの加熱又は冷却又は常温のままの設定は、
加熱及び冷却装置１１により行い、どの設定で加工する
かは、電圧の極性を含めて、原子単位加工の種類により
決定する。この操作を繰り返して、例えば、図２及び図
３のような設計どおりに原子配列したＷ＜１１１＞を軸
方位とし、先端一原子の探針１２を作製する。尚、図中
１３は先端の原子である。
【００１１】
【発明の効果】以上の内容からなる本発明の走査型プロ
ーブ顕微鏡用探針の製造方法によれば、任意の原子配列
を持った探針を作製することができるとともに、同時に
その原子配列を測定することができる。例えば、Ｗ＜１
１１＞を探針軸方位とする平均先端曲率半径が数１０Å
から数Å程度の非常に鋭くて細い円錐状の安定な先端一
原子探針作製して、これを走査型プローブ顕微鏡による
元素分析法の探針として用いると、高い分解能で試料表
面原子一個ごとの、原子核の三次元座標の決定、並びに
元素分析、更には化学結合状態分析が可能となる。
ーブ顕微鏡用探針の製造方法によれば、任意の原子配列
を持った探針を作製することができるとともに、同時に
その原子配列を測定することができる。例えば、Ｗ＜１
１１＞を探針軸方位とする平均先端曲率半径が数１０Å
から数Å程度の非常に鋭くて細い円錐状の安定な先端一
原子探針作製して、これを走査型プローブ顕微鏡による
元素分析法の探針として用いると、高い分解能で試料表
面原子一個ごとの、原子核の三次元座標の決定、並びに
元素分析、更には化学結合状態分析が可能となる。
【００１２】例えば、シリコンウエファ、カリウム砒素
ウエファ、及びＵＬＳＩにおける元素オーダーの表面元
素分布、及び不純物元素分布、化学結合状態の測定を可
能とし、半導体産業の発展に貢献できる。また、原子操
作によるアトムクラフトの実現に貢献できるし、高温超
伝導体のメカニズム解明と実用化に寄与するための表面
原子構造解析に役立つ上に、更に生命科学に於けるＤＮ
Ａ等の元素分析・化学結合状態分析に役立ち、ＤＮＡの
切断・結合、新ＤＮＡの合成等のＤＮＡ組み換えの道に
も繋がり、生物工学産業の発展に貢献できる。
ウエファ、及びＵＬＳＩにおける元素オーダーの表面元
素分布、及び不純物元素分布、化学結合状態の測定を可
能とし、半導体産業の発展に貢献できる。また、原子操
作によるアトムクラフトの実現に貢献できるし、高温超
伝導体のメカニズム解明と実用化に寄与するための表面
原子構造解析に役立つ上に、更に生命科学に於けるＤＮ
Ａ等の元素分析・化学結合状態分析に役立ち、ＤＮＡの
切断・結合、新ＤＮＡの合成等のＤＮＡ組み換えの道に
も繋がり、生物工学産業の発展に貢献できる。
【図１】本発明の走査型プローブ顕微鏡用探針の製造方
法に基づいて探針を作製する装置を示す概略図である。
法に基づいて探針を作製する装置を示す概略図である。
【図２】本発明によって作製する探針の例を示す概略側
面図である。
面図である。
【図３】同じく探針を先端から見た平面図である。
１ 測定用探針
２ 被加工探針
３ ＸＹステージ
４ ２軸ゴニオメータ
５ 回転ステージ
６ ＸＹＺステージ
７ ２軸ゴニオメータ
８ ＸＹＺピエゾスキャナ
９ ＸＹＺステージ
１０ 正及び負のパルス電源
１１ 加熱及び冷却装置
１２ Ｗ＜１１１＞を軸方位とする探針
１３ 先端原子
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 平１−227343（ＪＰ，Ａ)
特開 平２−82186（ＪＰ，Ａ)
特開 平６−124680（ＪＰ，Ａ)
特開 平７−221077（ＪＰ，Ａ)
特開 平７−326316（ＪＰ，Ａ)
特開 平１−287404（ＪＰ，Ａ)
特開 平５−215509（ＪＰ，Ａ)
特開 平５−205613（ＪＰ，Ａ)
特許2702672（ＪＰ，Ｂ２)
Ｇｒｅｇｏｒ Ｓ．Ｈｓｉａｏ ａｎ
ｄ Ｒｅｇｉｎａｌｄ Ｍ．Ｐｅｎｎｅ
ｒ，”Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｍ
ｅｔａｌ ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｓ ｏｎｔｏ Ｓｉ（111）ｓｕｒｆａ
ｃｅｓ ｂｙ ｆｉｅｌｄ ｅｖａｐｉ
ｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ＳＴ
Ｍ”，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ
Ｌｅｔｔｅｒｓ，米国，Ａｍｅｒｉｃ
ａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｈ
ｙｓｉｃｓ，1994年３月14日，第64巻、
第11号，ｐ．1350−1352
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G01N 13/10 - 13/24
G12B 21/00 - 21/24
ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (2)
- 【請求項１】 走査型プローブ顕微鏡を用いて、原子像
観察可能な常温又は冷却又は加熱した測定用探針によ
り、常温又は冷却又は加熱した被加工探針の原子配列を
測定し、即ち探針で探針の原子像を観察した後、又は観
察しながら、被加工探針の取り除くべき原子又は付加す
べき原子又は動かすべき原子等を決定し、両探針間に、
適切な電圧且つ極性で、適切な幅のパルスを単発又は繰
り返し印加して、前記決定した原子を除去、付加又は移
動させて被加工探針の先端に一原子だけ安定に突出さ
せ、鋭い先端一原子探針を作製することを特徴とする走
査型プローブ顕微鏡用探針の製造方法。 - 【請求項２】 前記被加工探針の表面が測定用探針に垂
直になるように調節するために、前記被加工探針又は前
記測定用探針の先端付近を回転中心にしたゴニオメー
タ、回転ステージ及びＸＹＺステージ、及びデーター処
理用コンピュータを用いてなる請求項１記載の走査型プ
ローブ顕微鏡用探針の製造方法。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32566294A JP3364817B2 (ja) | 1994-12-27 | 1994-12-27 | 走査型プローブ顕微鏡用探針の製造方法 |
| PCT/JP1995/002702 WO1996020406A1 (fr) | 1994-12-27 | 1995-12-26 | Procede d'analyse elementaire par microscope a sonde de balayage utilisant un procede d'application de haute tension a impulsions ultracourtes |
| US08/849,719 US5898176A (en) | 1994-12-27 | 1995-12-26 | Element analyzing method with a scanning type probe microscope and super short high voltage pulse applying method using the element analyzing method |
| EP95941903A EP0801310A4 (en) | 1994-12-27 | 1995-12-26 | METHOD FOR ELEMENTAL ANALYSIS WITH A SCREEN SAMPLING MICROSCOPE USING A METHOD REFERRED TO IT WITH SHORT HIGH VOLTAGE PULSES |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32566294A JP3364817B2 (ja) | 1994-12-27 | 1994-12-27 | 走査型プローブ顕微鏡用探針の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08178935A JPH08178935A (ja) | 1996-07-12 |
| JP3364817B2 true JP3364817B2 (ja) | 2003-01-08 |
Family
ID=18179323
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP32566294A Expired - Fee Related JP3364817B2 (ja) | 1994-12-27 | 1994-12-27 | 走査型プローブ顕微鏡用探針の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3364817B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4860362B2 (ja) * | 2006-06-15 | 2012-01-25 | 国立大学法人東北大学 | 探針設計支援システム、探針設計支援方法及び探針設計支援プログラム |
| JP4866695B2 (ja) | 2006-09-21 | 2012-02-01 | みずほ情報総研株式会社 | シミュレーション装置、シミュレーション方法及びシミュレーションプログラム |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2702672B2 (ja) | 1994-06-20 | 1998-01-21 | 科学技術振興事業団 | 物質表面における原子移動の検出方法 |
-
1994
- 1994-12-27 JP JP32566294A patent/JP3364817B2/ja not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2702672B2 (ja) | 1994-06-20 | 1998-01-21 | 科学技術振興事業団 | 物質表面における原子移動の検出方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Ｇｒｅｇｏｒ Ｓ．Ｈｓｉａｏ ａｎｄ Ｒｅｇｉｎａｌｄ Ｍ．Ｐｅｎｎｅｒ，"Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｍｅｔａｌ ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｏｎｔｏ Ｓｉ（１１１）ｓｕｒｆａｃｅｓ ｂｙ ｆｉｅｌｄ ｅｖａｐｉｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ＳＴＭ"，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，米国，Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ，１９９４年３月１４日，第６４巻、第１１号，ｐ．１３５０−１３５２ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH08178935A (ja) | 1996-07-12 |
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