JPH01135430A - 金属探針の作成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 本発明は金属探針の作成方法、特に走査トンネル顕微１
１１（ＳＴＭ）に用いる金属探針の形成方法に関し、 針先の長さを針の直径よりも小さくし、その固有振動数
を高くすることを目的とし、 金属材料の被研磨部分と電解液の表面部分との接触を維
持しながら、該金属材料を序々に引き上げ、その先端を
電解研磨することを含み構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は金属探針の作成方法に関するものであり、更に
詳しく言えば走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）に用いる金
属探針の形成方法に関するものである。

〔従来の技術〕

第４〜６図は従来例に係る説明図である。

第４図は従来例の金属探針を用いた日経マイクロデバイ
ス（１９８６年１１月号）の記事に基づく走査トンネル
顕微鏡の模式図である。図において、ｌは半導体基板等
の試料、２はピエゾ素子を用いた三次元圧電アクチュエ
ータ、３は金属探針２ａを試料表面上ＸＹ定走査るＸＹ
走査回路、４は試料表面と金属探針間の接近距離を一定
（１０人程度）に保つサーボ回路、５はトンネル電流増
幅器、６はメモリ、７は画像データを処理するマイクロ
コンピュータ、８は試料表面の画像を表示する表示装置
、Ｅｏはトンネル電流を供給する直流電源であり、これ
等により走査トンネル顕微鏡を構成する。なお破線円に
示す部分は、金属探針２ａと試料１との関係を原子レベ
ルに拡大した断面図である。

また、その動作は、試料表面の原子レベルの凹凸をトン
ネル電流の変化により検知し、圧電素子（アクチュエー
タ）を用いてトンネル電流を一定に保ちながら金属探針
２ａを試料表面に沿って走査する。ここで金属探針２８
が白部分に来るとトンネル電流が増えるので元の電流に
なる位置まで金属探針２ａを上げ、開部分では逆に金属
探針２ａを下げる。この金属探針２ａの上下動きが試料
表面の凹凸に対応し、これを画像化している。

第５図は従来例の金属探針２ａに係る説明図である。図
において、２ａはタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍ
、）及び白金（Ｐｔ）等を電解研磨により形成した金属
探針である。なお、その形状は針の直径ｄ　（０，４ａ
ａ程度）に対して針先の長さ１１が大きくなる鋭い大針
状をしている。

第６図は従来例の金属探針２ａの作成方法に係る説明図
であり、同図（ａ）は電解研磨装置を示している０図に
おいて、２ｂは金属探針２ａを形成するためのＷ、　Ｍ
、及びｐｔ等の金属材料、９は電解研磨をする容器、ｌ
Ｏは水酸化カリ、ラム（ＫＯＨ）等の電解液、１１は電
極、Ｅ、は電解研磨エネルギーを供給する直流電源であ
る。

同図（ｂ）は、金属材料２ｂを容器９にセットしてから
、電解研磨が進行して、電解液１０に漬けた金属材料２
ｂの中央附近が浸食されてくびれ部分１２を生じている
状態を示している。

同図（Ｃ）は、ある研磨時間の経過後に金属材料２ｂの
くびれ部分１２の下部２ｃが切れて落下し、その上部に
、金属探針２ａを形成している状態を示している。なお
、金属材料２ｂのくびれ部分１２の下部２ｃは錘の作用
をし、金属探針２ａの先端を尖鋭する。

〔発明が解決しようとする問題点］ ところで従来例の電解研磨方法によれば第５図に示すよ
うに金属探針２ａの形状は針の直径ｄに対して針先の長
さ１１が大きくなる大針状を有している。

−ｇに走査トンネルｇ微鏡の金属探針は外部振動の影響
を受は入れない、すなわちその固有振動数を無限大とす
る剛体の先端に単体原子、一つを露出する物体が望まし
い。

このため、金属探針２ａの針先の長さｒｌ、直径ｄによ
る大針状の固有振動数が、サーボ回路４の最高駆動周波
数（１０ＫＨｚ程度）やＸＹ走査回路３の走査周波数（
例えば１００　Ｈｚ）に共振して、試料表面に対して金
属探針２ａが横方向に振動する。

これにより、試料表面の凹凸データにノイズを生じ正確
な画像が開運に得られないという問題がある。

本発明はかかる従来の問題に鑑み創作されたものであり
、針先の長さを針の直径よりも小さくし、その固有振動
数を高くすることを可能とする金属探針の作成方法の提
供を目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の金属探針の作成方法はその一実施例を第１．２
図に示すように金属材料２１の被研磨部分２１ｂと電解
液の表面部分２３ａとの接触を維持しながら、該金属材
料２１を序々に引き上げ、その先端を電解研磨すること
を特徴とし、上記目的を達成する。

〔作用〕

本発明によれば金属材料の被研磨部分と電解液の表面部
分との接触を維持することによって、金属材料の先端は
電解液表面下よりも研磨速度が速くなる該電解液の表面
張力により盛り上がった液面部分により急激に研磨をさ
れる。

このため、急激に研磨される金属材料を断続的又は継続
的に引き上げることにより針の直径よりも針先の短い金
属探針を作成することが可能となる。

これにより従来例の尖鋭状の金属探針よりも固を振動数
の高い形状の金属探針を作成することが可能となる。

〔実施例〕 次に図を参照しながら本発明の実施例について説明する
。

第１．２図は本発明の実施例の金属探針の作成方法に係
る説明図であり、第１図は金属探針を形成する製造装置
を示している。

図において、２１は走査トンネル顕微鏡に用いる金属探
針を作成するための金属材料であり、タングステン（Ｗ
）、モリブデン（Ｍｅ）又は白金（Ｐｔ）等をワイヤー
状（直径０．４閣程度）にしたものである。２２は電解
研磨をする容器であり、ビーカー等のガラス容器である
。２３は電解液であり、飽和ＫＯＨ等の液体である。

２４は研磨電流の帰路となる電極であり、直流量ｆｉ　
Ｅ　ｚの負極に接続される。なおＥ２は金属材料２Ｉを
正極にして電解研磨エネルギーを供給する直流電源であ
り、その電圧の可変範囲は０〜ｌＯｖ程度である。

２５は金属材料２１を引き上げる引き上げ手段であり、
Ｓｘはその引き上げ距離である。

２６は引き上げ手段２５と、直流電源Ｅ２とを制御する
制御手段である。なお予め研磨速度と引き上げ速度との
関係を求め、目標値を設定することにより電解研磨を制
御する。

なお、破線に示している２１ａは金属材料２１の初期の
形状であり、電解研磨が進行するに従って被研磨部分２
１ｂに急、激にくびれを生ずる。また、２３ａは電解液
２３の表面部分であり、表面張力により液面が盛り上が
っている。なお、研磨速度は電解液２３の表面下よりも
表面張力により盛り上がった液面部分の方が早くなるこ
とが知られている。これ等により金属探針の製造装置を
構成している。

第２図は本発明の実施例に係る金属探針の形成に係る説
明図である０図において、まず予め従来法により針状に
した金属材料２１を電解液２３に挿入し、不図示のマイ
クロスコープ等を用いて、液面を観察しながら電解液の
表面に盛り上がり部分を形成し、引き上げ手段２５を介
して、引き上げ距＃ｌＳ、を保持する０次いで金属材料
２１と電極２４との間に直流電源Ｅ２を印加し、電解研
磨をスタートする（同図（ａ））。

次に不図示の制御手段２６により引き上げ手段２５と直
流電源Ｅ２とを制御し、金属材料２１の電解研磨を続行
する（同図（ｂ））。

さらに研磨が進行し、制御手段２６により引き上げ手段
２５を介して金属材料２１を断続的に引き上げ、直流電
源Ｅ２の出力を下げて研磨速度を制御Ｂする（同図（Ｃ
））。

次いで、電解研磨を継続することにより金属材料２１の
被研磨部分２１ｂが２．激に研磨される。

このとき、金属材料２１の上部と下部の錘り部分２１ｃ
とが明確にその領域を分離し始める。なお引き上げ距Ｈ
Ｓｚは制御手段１６により断続的に引き上げる方法から
電解研磨速度に比例した継続的に引き上げる方法に移行
し、研磨時間と共に変化する。また直流？ｆｔ　’ｌｌ
　Ｅ　ｚの出力をさらに弱めて研磨を続行する（同図（
ｄ））。

さらに電解研磨を継続することにより、金属材料２１の
上部と下部の錘り部分２１ｃとの分離直前に達する。

このとき、制御手段２６は引き上げ距離Ｓ４を維持した
まま、直流電源Ｅｘをさらに弱め電解研磨を続行する。

なお、錘り部分２１ｃの分離と共に電解研磨を終了する
（同図（ｅ））。

第３図は本発明の作成方法により形成された金属探針２
１ｄの断面図である０図において、ｄは金属探針の直径
であり、Ｉ！、つば針先の長さである。

なお、従来例に比べて本発明では針先の長さ１２を針の
直径よりも極めて小さくすることができる。

このようにして、金属材料２１の被研磨部分２１ｂと電
解液２３の表面部分２３ａとの接触を維持することによ
って金属材料２Ｉの先端は、電解液表面下よりも研磨速
度が速くなる該電解液２３の表面張力により盛り上がっ
た液面部分により急。

激に研磨される。

このため急激に研磨される金属材料２１を断続的又は継
続的に引き上げることにより針の直径よりも針先の長さ
の短い金属探針２１ｄを作成することが可能となる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、針の直径よりも針
先の長さの短い金属探針を作成することができる。

このため、従来例の金属探針の固有振動数よりも高い固
有振動数をもつ金属探針を形成することが可能となる。

これにより高速走査に共振することな（試料表面の凹凸
データを正確に取得することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る金属探針の作成方法の説
明図、 第２図は本発明の実施例の金属探針の作成に係る断面図
、 第３図は本発明の実施例に係る金属探針の断面図、 第４図は従来例の金属探針を用いた走査トンネル顕微鏡
の構成図、 第５図は従来例に係る金属探針の説明図、第６図は従来
例に係る説明図である。 （符号の説明） ｌ・・・試ｔ！）、 ２・・・三次元圧電アクチュエータ、 ２ａ、２１ｄ・・・金属探針、 ２ｂ、２１・・・金属材料、 ２ｃ、２１ｃ・・・下部又は錘り部分、３・・・Ｘ−Ｙ
走査回路、 ４・・・サーボ回路、 ５・・・トンネル電流増幅器、 ６・・・メモリ、 ７・・・マイクロコンビ二一夕、 ８・・・表示装置、 ９．２２・・・容器、 １０．２３・・・電解液、 １１．２４・・・電極、 １２・・・くびれ部分、 ２５・・・引上げ手段、 ２６・・・制御手段、 ２１ａ・・・初期形状、 ２１ｂ・・・被研磨部分、 Ｅｏ　、Ｅｌ　、ＥＸ・・・直流電源、１＋、ｅｚ・・
・針先の長さ、 ｄ・・・針の直径、 ＳＸ、３１〜Ｓ、・・・引き上げ距離。 （ｂ） ）を朗９喫プヒ俸りのζ汗硯財作峙て偉ろＪ牟面図纂２
図（１１） ｚ：５ ４ζでｐ月４）貸うシピイ万りぐ）（ｐ殴１１７６４と
１の作井（１てｅｌろＱ白Ｔｄカ〔Ｄ第２図はの２） 靴用ｔの惜ξ楚書冶）１ζ派う金冴ば駄奄士ψ竹慴バ図
纂３図 宅さと伺とイａｌ＋で孫る４ｉ４ＪＱｉｆφごｙ札月月
Ｆ匂第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 金属材料（２１）の被研磨部分（２１ｂ）と電解液の表
   面部分（２３ａ）との接触を維持しながら、該金属材料
   （２１）を序々に引き上げ、その先端を電解研磨するこ
   とを特徴とする金属探針の作成方法。