JP6044786B2 - Ａｆｍ先端を被膜するための方法、ａｆｍ先端、及びａｆｍ先端の使用 - Google Patents

Description

本発明は、イオンクラスタ源でナノ粒子の形態の材料を蒸着することによってＡＦＭ（原子間力顕微鏡）先端を被覆するための方法に関する。

現在の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の解像度限界は、測定プロセスのために使用される先端の幾何学的形状によって条件付けられる。一般に、例えば平坦なシリコン表面に蒸着されたコバルトナノ粒子、前記球形のナノ粒子から構成されたプロフィルのようなナノ対象物のトポグラフィーは、高さよりもはるかに大きな幅を示していることを理解することができる。このことは、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）のユーザの間で周知の事実であり、それは、対象物の、この場合、特性が測定される粒子の形態学による先端形状の畳み込みによる。より高いアスペクト比（先端長さと半径との差）を有する先端は、穴及び切れ目を走査するために先端をより近接して移動させることを可能にし、これによりＳＰＭ測定の解像度が向上する。一般に、ＡＦＭ先端は、７ｎｍの平均半径を有する通常正方形に基づくピラミッドである。より小さい曲率半径を有する高いアスペクト比の先端も市販されているが、イオンミリング技術を使用するそれらの個別化された製造プロセスは、より多くの従来の先端よりも短い平均寿命スパンをもたらす固有の脆性に加えて、非常に高いコストをもたらす。

先端の改変は、磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）測定、ピエゾ応答測定等に使用するために商業用先端が改変されるように、進歩したＳＰＭユーザの間でむしろ広範囲にわたっている。この機能化では、先端のアスペクト比の改変は試みられず、その化学組成を改変することによって特定の特性（磁気特性、圧電特性等）を達成することが試みられる［Ｇ．Ｍａｃｅｄｏ，Ｄ．Ａｎａｎｉａｓ，Ｐ．Ｓ．Ａｎｄｒｅ，Ｒ．Ａ．Ｓａ Ｆｅｒｒｅｉｒａ，Ａ．Ｌ．Ｋｈｏｌｋｉｎ，Ｌ．Ｄ．Ｃａｒｌｏｓ ａｎｄ Ｊ．Ｒｏｃｈａ，Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９ ５（２００８）２９５７０２］。さらに、時々使用される製造プロセスは、Ａ．Ｇｅｉｓｓｌｅｒらによる論文［Ａ．Ｇｅｉｓｓｌｅｒ，Ｍ．−Ｆ．Ｖａｌｌａｔ，Ｌ．Ｖｉｄａｌ，Ｊ．−Ｃ．Ｖｏｅｇｅｌ，Ｊ．Ｈｅｍｍｅｒｌｅ，Ｐ．Ｓｃｈａａｆ，ａｎｄ Ｖ．Ｒｏｕｃｏｕｌｅｓ，Ｌａｎｇｍｕｉｒ ２４（２００８）４８７４−４８８０］、及びＱｕｙ Ｋ．Ｏｎｇらによる論文［Ｑｕｙ Ｋ．Ｏｎｇ，Ｉｇｏｒ Ｓｏｋｏｌｏｖ，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｏｌｌｏｉｄ ａｎｄ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ，３１０（２００７）３８５−３９０］に記載されているようにアスペクト比の低減を含む。

他方、アスペクト比の向上における進歩は、Ｓ．Ｓ．Ｗｏｎｇらによる論文［Ｓ．Ｓ．Ｗｏｎｇ，Ａ．Ｔ．Ｗｏｏｌｌｅｙ，Ｅ．Ｊｏｓｅｌｅｖｉｃｈ，Ｃ．Ｍ．Ｌｉｅｂｅｒ，Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，３０６（１９９９）２１９−２２５］（高価な最近市販された先端）に記載されているように、炭素ナノチューブによって先端を機能化することを目的とする。このような改変が特定の用途のために先端化学の改変を簡単に可能にしないことを強調しなければならない。

本発明は、イオンクラスタ源（ＩＣＳ）でナノ粒子を蒸着することによって原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）先端を被覆するための方法を提供する。

本発明の第１の態様は、ナノ粒子の形態で被覆するための材料によるイオンクラスタ源技術によって、少なくとも１つのＡＦＭ先端を被覆するための方法に関する。

好ましい実施形態では、ＡＦＭ先端を被覆するために使用される材料は、金属材料、磁気材料、圧電材料、導電性材料、絶縁材料、誘電材料及びそれらの任意の組み合わせを含むリストから選択される。より好ましい実施形態では、材料は、金属材料、磁気材料又は半導体材料から選択される。この材料は、イオンクラスタ源と呼ばれる第１の室に配置される。

好ましい実施形態では、イオンクラスタ源技術は、第１の室の真空状態又は超高真空状態で、及び被覆されるべきＡＦＭ先端が配置されるイオンクラスタ源に接続された付属室で実行される。

本発明の方法は、制御されたサイズのナノ粒子を蒸着することによってＡＦＭ先端のアスペクト比の改変を提案する。本方法は、アスペクト比の向上が獲得されると、先端の化学組成の改変が達成されるように、所望の特定の材料（金属材料、磁気材料、圧電材料、導電性材料、絶縁材料．．．）のナノ粒子を蒸着する手段を伴い、言い換えれば、より優れた解像度の獲得を可能にし、かつ機能化されるＡＦＭ先端が達成される。

本発明の方法は、真空状態又は超高真空（ＵＨＶ）状態のイオンクラスタ源による蒸着からなるイオンクラスタ源技術によって実施される。この装置の操作は、ガス制御される雰囲気内の所望の材料のイオンプラズマを発生することからなる。前記ガスは、ナノ粒子を発生するために材料のイオンのクラスタに有利であることを前提として、好ましくはアルゴン、ヘリウム、窒素、酸素又はそれらの任意の組み合わせ、より好ましくはアルゴン又はヘリウムから選択される。

ナノ粒子被覆の精密なサイズ及び密度制御は、このようなＩＣＳによって達成される。

ＩＣＳの使用により、真空又はＵＨＶプロセスであるので、クラスタの化学的な純度が保証される。さらに、その使用により、任意の種類の表面（任意の市販の先端又は任意の当業者に公知の先端）における任意の種類の材料から制御されたサイズを有するクラスタの製造が可能である。他の製造方法と異なり、その使用は、蒸着プロセスの間のナノ粒子の適度な運動エネルギーの吸収、ソフトランディングの結果として元の先端を損傷することを防止する技術である。

ナノ粒子製造プロセスの精密な制御は、この技術により、ナノ粒子サイズ分布及び被覆されるべき表面（ＡＦＭ先端）の被覆密度の精密な制御と共に、制御を決定する異なる変数（ガス流量、マグネトロンパワー、クラスタ距離、時間．．．）を調整することによって達成される。この方法によって製造されたナノ粒子は、ＡＦＭ先端の小さな表面上で均質にかつランダムに分散される。

操作条件は、一般に、被覆時間、クラスタ距離、マグネトロンパワー及びガス流量であり、これらのすべては、使用すべき材料の種類による相互依存のパラメータ及び変数である。

第２の態様では、本発明は、本発明の方法によって得ることができる被覆されたＡＦＭ先端に関する。

真空室におけるスパッタリングプロセスは当業界ですでに通常使用されているので、本発明のＡＦＭ先端を改変する方法が、産業規模で実施することが容易であることを指摘することが重要である。ＡＦＭ先端の連続的な改変は、これらの既存の室にＩＣＳを結合することによって可能になるであろう。

本発明の第３の態様は、表面の形態学的な特徴付け、対象物及びナノ粒子の蒸着の磁気特性又は圧電特性の決定のための上述のようなＡＦＭ先端の使用に関する。他方、制御された化学組成を有するナノ粒子を蒸着することによってＡＦＭ先端を機能化することにより、それらの物理化学的特性の視点からナノ対象物を特徴づけることが可能である。例えば、ＡＦＭ先端を圧電材料又は磁気材料のナノ粒子で被覆して、ナノ対象物の圧電特性又は磁気特性を調査することができる。

説明及び特許請求の範囲の全体にわたって、「含む」という用語及びその変形は、他の技術的な特徴、補助法、構成要素又はステップを排除することを意図しない。当業者のために、本発明の他の目的、利点及び特徴は、一部は説明から、また一部は本発明の実施から推定されるであろう。次の実施例及び図面は一例として提供され、本発明を限定することを意図しない。

左の画像は、コバルトナノ粒子のＡＦＭによって得られるトポグラフィーを示し、（右）はナノ粒子プロフィルを示している。前記球形のナノ粒子から構成されるプロフィルから、幅が高さよりもはるかに大きいことが理解される。 イオンミリングによって得られる商業用先端（ナノセンサ）のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）画像の例を示している。 ａ）シリコン基板（１００）の２〜３ｎｍのナノ粒子のＡＦＭ画像、ｂ）ナノ粒子のプロフィル、ｃ）ナノ粒子を有するＡＦＭ先端部の図面を示している。 左：未改変の商業用先端で得られたＡＦＭ画像、右：ナノ粒子の蒸着によって改変された商業用先端で得られた同一のサンプルの画像、底部：先端画像の特定の領域のプロフィルである。

ＡＦＭ先端の表面を被覆するか又は改変するための本発明の方法の特異性及び有効性を明瞭に示す本発明者によって実行された、いくつかの試験によって、本発明について以下に説明する。

実行された試験は、得られたＡＦＭ画像と、未改変の商業用ＡＦＭ先端と、イオンクラスタ源によって発生されたナノ粒子を蒸着することによって改変された商業用先端とを比較することに焦点を合わせた。

蒸着は、Ｏｘｆｏｒｄ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈによって製造されたイオンクラスタ源及びＣｏ_９５Ａｕ_５合金ブランクを使用して超高真空状態で実行した。

ナノ粒子製造プロセスは最適化されており、この結果、２〜３ｎｍの球形ナノ粒子をＩＣＳの補助により製造した。そのため、関連するパラメータは、マグネトロンに印加した電力：２０ワット、クラスタ長さ：５０ｍｍ、アルゴン流量：６０ｓｃｃｍ、ヘリウム流量：５０ｓｃｃｍ、イオンクラスタ源とＡＦＭ先端との間の距離：１９０ｍｍ、蒸着時間：２分であった。図３のａ−ｂは、約２〜３ｎｍの直径のこれらのナノ粒子の蒸着の例を示しており、図３のａ−ｂでは、ナノ粒子は平坦なシリコン基板に蒸着される。商業用ＡＦＭ先端におけるこれらのナノ粒子の蒸着により、より優れたアスペクト比及び制御された化学組成を有する先端が得られる（図３ｃ）。

標準サンプルは、未改変の商業用ＡＦＭ先端及び２〜３ｎｍの直径のナノ粒子の蒸着による改変された商業用ＡＦＭ先端で測定された。図４は、標準サンプルの正確に同一の領域の両方の先端で行われた測定の比較を示している。画像は、４５０ｘ４５０ｎｍ^２の面積に対応する。商業用先端で記録された画像に現れなかった一連の構造は、改変されたＡＦＭ先端で記録された画像に明瞭に見ることができる。この理由は、より低い不確実度を有し、このことがより大きな解像度を有する解像構造を可能にするので、ナノ粒子で改変された先端が商業用先端よりも優れた解像度を有するからである。図４の底部に示されたプロフィルは、改変された先端の解像度の向上をより正確に示している。解像度の向上による測定構造（ピーク幅）のシステム上の低減をこれらのプロフィルに見ることができる。

図４は、ナノ粒子を商業用先端に蒸着する形態上の効果を示している。この形態上の効果は、各々の場合に、例えば、ＭＦＭ（磁気力顕微鏡）測定のためにこれらの先端の使用を可能にする磁気材料の蒸着のような化学的効果と組み合わされなければならない。

Claims (8)

1. 少なくとも１つのＡＦＭ先端を被膜するための方法であって、
   イオンクラスタ源技術によって前記ＡＦＭ先端をナノ粒子状態の材料で被膜するステップを含み、
   被膜されたＡＦＭ先端の化学的純度を保証するために真空に保たれた第１の室にイオンクラスタ源が配置され、
   前記第１の室から放出された球形のナノ粒子が、変形することなく第２の室に配置された前記ＡＦＭ先端に堆積することによって、前記ＡＦＭ先端のアスペクト比が向上することを特徴とする、方法。
2. 前記材料が、金属材料、磁気材料、圧電材料、導電性材料、絶縁材料、誘電材料、半導体材料及びそれらの任意の組み合わせを含むリストから選択される、請求項１に記載の方法。
3. 前記材料が、金属材料、磁気材料又は半導体材料から選択される、請求項２に記載の方法。
4. ヘリウム、アルゴン、酸素、窒素又はそれらの任意の組み合わせから選択されるガスが、前記イオンクラスタ源技術のクラスタ領域で使用される、請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の方法。
5. 前記ガスがアルゴン又はヘリウムから選択される、請求項４に記載の方法。
6. 前記イオンクラスタ源技術が、前記イオンクラスタ源技術のクラスタ領域に取り付けられた前記室内の真空状態又は超真空状態で実行される、請求項１〜５のうちいずれか１項に記載の方法。
7. 先端に球形のナノ粒子が被覆されたＡＦＭ先端であって、
   被覆された前記ナノ粒子は前記ＡＦＭ先端で球形の形状を維持し、
   被覆された前記ＡＦＭ先端は被覆前のＡＦＭ先端に比べてアスペクト比が向上し、
   化学的純度が保証されていることを特徴とする、ＡＦＭ先端。
8. 表面の形態学的な特徴付け、対象物及びナノ粒子の蒸着の磁気特性又は圧電特性の決定のための請求項７に記載の前記ＡＦＭ先端の使用。