JPH01267401A

JPH01267401A - ダイヤモンド探針

Info

Publication number: JPH01267401A
Application number: JP9656588A
Authority: JP
Inventors: Toshimichi Ito; 伊藤　利通; Atsuhiko Masuda; 増田　敦彦; Yuji Eto; 江藤　祐士
Original assignee: Idemitsu Petrochemical Co Ltd
Current assignee: Idemitsu Petrochemical Co Ltd
Priority date: 1988-04-18
Filing date: 1988-04-18
Publication date: 1989-10-25

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】〔産業上の利用分野）本発明はダイヤモンド探針に関し、さらに詳しくは、固
体表面の原子の観察や、その表面原子像を直接に観察す
ることのできる走査型トンネル顕微鏡に使用される走査
型トンネル顕微鏡用探針又は原子間力を直接に測定して
表面原子像を直接に観察する原子開力顕微鏡に使用され
る原子開力顕微鏡用探針に好適に使用することかできる
ダイヤモンド探針に関する。

（従来技術）従来、固体表面の原子の観察に走査型トンネル顕微鏡が
用いられており、その顕微鏡の心臓部である走査型トン
ネル顕微鏡用探針は、圧電体゛によって生じる電流を検
知するために、タングステン、白金などの金属の如き、
電子の良導体を材料として、先端部を鋭く尖らせて針状
に形成されている。

一方、固体表面の原子像を解像して原子間力を直接に測
定する原子間力顕微鏡は、その顕微鏡の心臓部である原
子開力顕微鏡用探針が、前記走査型トンネル顕微鏡用探
針と同様に針状に形成されており、その先端部分に天然
のダイヤモンド粉体が固着されている。

〔発明か解決しようとする課題〕

しかしながら、このようなタングステンなどを用いた走
査型トンネルｊ１１ＷＫ鏡用探針は、不純物が付着し易
く、酸化され易い。

また、ダイヤモンド粒子か先端部に固着された原子開力
顕微鏡用探針は、天然のダイヤモンド粒子か高価である
ことや、該ダイヤモンド粒子の探針母材に対する密着性
が劣るので、測定中にダイヤモンド粒子が探針母材より
剥れ落ちてしまい、測定不能にしてしまうといったこと
かある。

本発明の目的は、前記走査型トンネル顕微鏡や原子開力
顕微鏡に好適なダイヤモンド探針を提供することである
。

〔課題を解決するための手段〕

前記課題を解決するための本発明は、探針基材にダイヤ
モンド薄膜を形成してなることを特徴とするダイヤモン
ド探針である。

以下に本発明の詳細な説明する。

（１）探針基材本発明においては、従来から使用されている走査型トン
ネル顕微鏡の探針或は原子開力顕微鏡の探針をそのまま
探針基材として使用することかできる。さらに言うと、
ダイヤモンド薄膜を形成する際の条件に耐えることがで
き、前記走査型トンネル顕微鏡用探針としであるいは原
子開力顕微鏡用探針として使用可能な物質であるかぎり
、特に制限なくそのような物質を使用することができる
。そのような物質として、例えばシリコン、タングステ
ン、モリブデンなどの金属、ステンレスなどの合金、タ
ンタル珪素、炭化モリブデン、炭化タングステン、アル
ミナ、ダイヤモンド、スピネル、炭化珪素、シリコンウ
ェハーなどの無機セラミックス、石英ガラスなどのガラ
スを挙げることができる。

これら母材を切削、研摩などの手段により、先端部を鋭
く尖がらせた針状に成形して、走査型トンネル顕微鏡用
あるいは原子開力顕微鏡用の探針基材とすることができ
る。

（２）ダイヤモンド薄膜本発明において、ダイヤモンド薄膜は、半導体の薄膜と
絶縁性の薄膜とに分けることがてきる。

半導体であるダイヤモンド薄膜を有するダイヤモンド探
針は、走査型トンネル顕微鏡に好適に使用される。また
絶縁性のダイヤモンド薄膜を有するダイヤモンド探針は
原子間力ｌＩｉ微鏡に好適に使用される。

■半導体であるダイヤモンド薄膜半導体であるダイヤモンド薄膜は、半導体のダイヤモン
ドおよび／または半導体のダイヤモンド状炭素により形
成することができる。

ダイヤモンドおよび／またはダイヤモンド状炭素に不純
物がドーピングされていると、Ｐ型またはＮ型の半導体
となる。

Ｐ型半導体であるダイヤモンドおよび／またはＰ型半導
体であるダイヤモンド状炭素を形成するための前記不純
物としては、周期律表第ｍｂ族元素を挙げることがてき
、Ｎ型半導体であるダイヤモンドおよび／またはＮ型半
導体であるダイヤモンド状炭素を形成するための不純物
としては、周期律表第ｖｂ族元素を挙げることができる
。

周期律表第ｍｂ族元素としてはホウ素、アルミニウム、
ガリウム、インジウム、タリウムなどを挙げることがで
き、周期律表第ｖｂ族元素としては窒素、リン、ヒ素、
アンチモン、ビスマスなどを挙げることができる。

前記不純物の単体および化合物のガスを、ダイヤモンド
および／またはダイヤモンド状炭素の合成に必要な原料
ガスに混合してダイヤモンド薄膜を形成すると、前記不
純物がドーピングされたダイヤモンド薄膜が得られる。

前記不純物の化合物としてはハロゲン化物、水素化物、
水酸化物、酸化物、炭化物または窒化物を挙げることが
できる。

前記不純物の単体および化合物の具体例としては、ＢＪ
ａ、Ｂ４１１１゜、ＣＨＪＣＭ　２　、　　（（：Ｈ＊
）ＪｌＣ見、［（ＣＨｓ）　Ａ！ＬＢｒ＊］ｔ　、　［
（ＣＨ３）３Ａｉ　ｌｔ、　ＧａＪ、、、（ＣＨ３）３
Ｇａ、（ｃｏ３）　、ＧａＢ１１．、（ＣＨ３）ｚｌｎ
、（Ｃ１ｌ、）！Ｔ見、ＮＨ，、ＰＨ，、ＡｓＨ，、Ｎ
２Ｈ４，Ｃｌ５ＡｓＢｒ＊　、　Ｃ）＋３ＡＳＨ１、（
ＣＨ３）ＪＳ、（ＣＨｚ）Ｊｉ、ＳｂＨ＊、ＣｆＬ　Ｃ
１１２ｓｂｃｉ　２、ＣＨｘＳｂＨｚ　、　（ＣＦｚ）
ｚｓｂなどが挙げられる。

本発明においては、周期律表第ｍｂ族元素の単体および
その化合物を一種単独で使用しても良いし、二種以上を
併用しても良い、同ｉに、周期律表第ｖｂ族元素の単体
およびその化合物を一種単独で使用しても良いし、二種
以上を併用しても良い。

■絶縁性のダイヤモンド薄膜絶縁性のダイヤモンド薄膜は、前記不純物を含んでいな
いか、含んでいたとしても半導体特性を与えない程度の
微量の前記不純物を含有するダイヤモンドおよび／また
はダイヤモンド状炭素である。

（３）ダイヤモンド薄膜の形成原料ガスを励起して得られるプラズマを探針基材に接触
させることにより、ダイヤモンド薄膜な探針基材の表面
に形成することかできる。

（Ｉ）原料ガス前記探針用母材の表面にダイヤモンド薄膜を形成するた
めの原料ガスとしては、炭素源ガスを使用することがで
きる。

皮ｉＬ虻ス上記炭素源ガスとしては、各種炭化水素、含酸素化合物
、含窒素化合物等のガスを使用することかできる。

炭化水素化合物としては、例えばメタン、エタン、プロ
パン、ブタン等のパラフィン系炭化水素；エチレン、プ
ロピレン、ブチレン等のオレフィン系炭化水素：アセチ
レン、アリレン等のアセチレン系炭化水素；ツタジエン
等のジオレフィン系炭化水素；シクロプロパン、シクロ
ブタン、シクロペンタン、シクロヘキサン等の脂環式炭
化水素二ジクロブタジェン、ベンゼン、トルエン、キシ
レン、ナフタレン等の芳香族炭化水素を挙げることがで
きる。

含酸素化合物としては、例えばアセトン、ジエチルケト
ン、ベンゾフェノン等のケトン類：メタノール、エタノ
ール等のアルコール類ニー酸化炭素、二酸化炭素等を挙
げることができる。

含窒素化合物としては、例えばトリメチルアミン、トリ
エチルアミンなどのアミン類等を挙げることができる。

また、炭素源として、単体ではないが、消防法に規定さ
れる第４類危険物；ガソリンなどの第１石油類、ケロシ
ン、テレピン油、しょう脳油、松根油などの第２石油類
、重油などの第３石油類、ギヤー油、シリンダー油など
の第４石油類などをも使用することができる。また前記
各種の炭素化合物を混合して使用することもてきる。

これらの炭素源ガスの中でも、メタン、エタン、プロパ
ン等のパラフィン系炭化水素等、特に好ましくはメタン
等を使用すると主としてダイヤモンド状炭素が形成され
、アセトン、ベンゾフェノンなどのケトン類、メタノー
ル、エタノール等のアルコール類、−酸化炭素、二酸化
炭素ガス等の含酸素化合物、特に好ましくは一酸化炭素
および／または二酸化炭素を使用すると主としてダイヤ
モンドが形成される。

前記−酸化炭素としては特に制限がなく、たとえば石炭
、コークスなどと空気または水蒸気を熱時反応させて得
られる発生炉ガスや水性ガスな充分に精製したものを用
いることができる。

また、原料ガスとして、炭素源ガスと水素とを組合わせ
るのが好ましい、炭素源ガスと水素とを組合わせた原料
ガスを使用すると、ダイヤモンド薄膜の成長速度が速い
。

厳１１ヌ前記水素ガスとしては、特に制限がなく、たとえば石油
類のガス化、天然ガス、水性ガスなどの変性、水の電解
、鉄と水蒸気との反応、石炭の完全ガス化などにより得
られるものを充分に精製した水素を用いることができる
。

水素と炭素源ガスとを原料ガスとして使用する場合のそ
れらの割合は、炭素源ガス／水素ガスのモル比で、通常
、０．１／１００以上である。このモル比が０．１／１
００未満の場合には、ダイヤモンド若しくはダイヤモン
ド状炭素の析出が起こらなったり、これらが析出しなく
なったりすることかある。

玉充」Ｌ九ス前記原料ガスには、不活性ガスを混入させても良い、不
活性ガスは炭素源ガスのキャリヤーガスとして用いるこ
とができる。

この不活性ガスとしては、たとえば窒素ガス。

ヘリウムガス、アルゴンガス、ネオンガス、キセノンガ
スなどが挙げられる。

（■）１起工且炭素源ガスの励起手段としては、ダイヤモンドおよび／
またはダイヤモンド状炭素の合成に従来より慣用されて
いる各種の方法の中から任意の方法を用いることができ
る。

具体的には、たとえば直流を印加してプラズマ分解する
方法、高周波を印加してプラズマ分解する方法、マイク
ロ波を印加してプラズマ分解する方法、あるいはプラズ
マ分解をイオン室またはイオン銃で行なわせ、電界によ
りイオンを引出すイオンビーム法などの各種プラズマ分
解法、熱フィラメントの加熱により熱分解する熱分解法
などが挙げられる。これらの中で好ましいものは前記各
種のプラズマ分解法である。

なお、前記炭素源ガスをプラズマ分解する場合のプラズ
マ出力は、通常、０．０５Ｋｗ以上である。

プラズマ出力が０．０５にＷ未満であると、プラズマが
充分に発生しないことがある。

１起ゑ１前記炭素源ガスを励起させるには通常、以下の条件下に
反応を進行させて、ダイヤモンド薄膜を形成する。

すなわち、探針基材の表面の温度は、前記気相合成法に
おける炭素源ガスの励起手段、基板の冷却によって異な
るので、−概に決定することはできないが、たとえばプ
ラズマ分解法を用いる場合には、通常、ダイヤモンドの
薄膜を形成するには、４００〜１，４００℃であり、好
ましくは４５０〜１．２００℃であり、ダイヤモンド状
炭素の薄膜を形成するには５通常、室温〜５００°Ｃで
あり、好ましくは室温〜４００°Ｃである。

反応圧力は、ダイヤモンドの薄膜を形成する場合、通常
、　１０−’　〜１０’　ｔｏｒｒ、好ましくはｌＯ弓
〜８００　ｔｏｒｒであり、ダイヤモンド状炭素の薄膜
を形成する場合、通常、　１０−’〜７６０　ｔｏｒｒ
、好ましくは１０−’〜１０ｔｏｒｒである。

反応圧力が１０−’ｔｏｒｒよりも低い場合には、ダイ
ヤモンドの薄膜が析出しなくなったりする。−方、１Ｇ
’　ｔｏｒｒより高くしてもそれに相当する効果は得ら
れない、同様に１反応圧力が１０−’ｔｏｒｒよりも低
い場合には、ダイヤモンド状炭素の薄膜が析出しなくな
ったりする。一方、７６０　ｔｏｒｒより高くしてもそ
れに相当する効果は得られない。

前記条件によってダイヤモンドの薄膜またはダイヤモン
ド状炭素の薄膜が形成されるのであるが、厳密に言うと
、ダイヤモンドの薄膜と言ってもダイヤモンド状炭素が
若干混入しているであろうし、またダイヤモンド状炭素
の薄膜と言ってもダイヤモンドが混入しているであろう
、したがって、本発明において、ダイヤモンドの薄膜と
言うとき、それは、ダイヤモンド状炭素が若干量混入す
ることのあるダイヤモンドの薄膜であり、ダイヤモンド
状炭素の薄膜と言うとき、それは、若干量のダイヤモン
ド結晶の混入することもあるダイヤモンド状炭素である
。

形成するダイヤモンド薄膜の厚みは１通常Ｏ０ｌ終■以
上であり、好ましくは０．５〜３０ｐｍある。

このダイヤモンド薄膜が余りにも薄いと探針基材の表面
を充分に被覆することができなくなることがあるし、ま
た、ダイヤモンド薄膜の厚みが余りに大きいと探針基材
とダイヤモンドまたはダイヤモンド状炭素との熱膨張の
相違によりダイヤモンド薄膜が剥離することがある。

（４）　　イ　モン′ このようにして探針基材の表面にダイヤモンド薄膜を形
成してなるダイヤモンド探針は、そのダイヤモンド薄膜
が半導体であると、走査型トンネル顕微鏡用探針として
好適であり、また、そのダイヤモンド薄膜が絶縁性を有
していると、原子開力顕微鏡用探針として好適である。

（実施例）本発明のダイヤモンド探針について、更に具体的に説明
するため以下にその実施例を挙げる。

（実施例１）第１図は本発明の一例であるダイヤモンド探針の縦断面
図である。

該ダイヤモンド探針は以下のようにして製造され、評価
された。

イヤモント　　の第１図に示される如く、先端部２ａか鋭く尖った針状の
タングステン製走査型トンネル顕微鏡用探針を本発明に
おける探針基材２として使用した。この探針基材２を、
反応室内に設置した後、原料ガスを流し、反応室内の圧
力を４０ｔｏｒｒにし、周波数２．４５（ｄｌｚのマイ
クロ波電源の出力を１２０Ｗに設定し、９ＱＱ’Ｃてダ
イヤモンドの合成を行なった。

原料ガスとしての一酸化炭素ガス２０ｓｅｃｍと水素ガ
ス５２ｓｅｃｍとジボラン／水素（Ｂ、　Ｈ，ｉｎ　　
Ｈ。

；　４．８　ｐｐｍ　）　　２８　ｓｅｃｍとをこの反
応室内で励起し、得られた励起ガスを２時間かけて前記
探針基材２の表面２ｂに接触させて、前記温度に制御し
た探針基材２の表面２ｂ上に厚さ１０終厘のダイヤモン
ドの薄ＷＪ３を形成して、ダイヤモンド探針ｌを得た。

匠−１得られたダイヤモンド探針ｌを走査型トンネル顕微鏡の
探針として用いて、グラファイトの表面を測定した結果
、従来のタングステン製の走査型トンネル顕微鏡用探針
に比較して不純物の生成や、酸化膜の生成が無くなり、
劣化の度合がｌ／１０になった。

（実施例２）第２図は本発明の他の例であるダイヤモンド探針の縦断
面である。

７モン　　　の第２図に示される如き、先端部５ａが鋭く尖った針状の
タングステン（Ｗ）製の原子間力ａｍ鏡用探針を本発明
における探針基材５として使用し、原料ガスとしてメタ
ン０．５　ｓｅｃ膳および水素１００　ｓｃｃｍを使用
し、合成時間を４０時間にした他は前記実施例１と同様
に実施した。

その結果、探針基材５の表面５ｂ上にダイヤモンド状炭
素の薄１Ｉ１６か２０ｐｍの厚みに形成されてなるダイ
ヤモンド探針４が得られた。

得られたダイヤモンド探針４を原子開力顕微鏡の探針と
して用いて、グラファイトの原子像を測定したところ、
山の高さが０．３人のものか［測され、天然ダイヤモン
ド粒を使用した従来の原子間力ｗ４微鏡用探針と同様な
測定性能を有することか判明した。

〔発明の効果〕本発明のダイヤモンド探針は、走査型トンネルｍ微鏡用
探針及び原子開力顕微鏡用探針に好適に使用される。

すなわち、不純物か付着し難く、表面硬度が大であり、
酸化により劣化したりすることがなく。

探針の寿命か著るしく長い。

また、従来のダイヤモンド粒子を接合した探針と比較し
て安価であり、しかも、ダイヤモンド薄膜が剥離し難い
ので、測定中にダイヤモンド粒子か探針基材より剥れ落
ちることかない。

さらに、本発明のダイヤモンド探針は、耐薬品性に優れ
ているので、本発明のダイヤモンド探針を使用すること
により、従来測定できなかった強アルカリ性液や強酸性
液中での固体表面の観察を行なうことができるようにな
った。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例の走査型トンネルＪＩｉＩ微鏡用
探針の縦断面図であり、第２図は本発明実施例の原子間
力ＪｉｉＩ微鏡用探針の縦断面図である。ｉ−・・走査型トンネル顕微鏡用探針、２・・・母材、
２ａ・・・母材先端、２ｂ・・・母材表面、３・・・ダ
イヤモンド状炭素膜、４・・・原子開力顕微鏡用探針。５・・・母材、５ａ・・・母材先端、５ｂ・・・母材表
面、６・・・ダイヤモンド状炭素膜

Claims

【特許請求の範囲】

（１）探針基材にダイヤモンド薄膜を形成してなること
を特徴とするダイヤモンド探針。
（２）前記ダイヤモンド薄膜が、半導体のダイヤモンド
および／または半導体のダイヤモンド状炭素で形成され
た薄膜である前記請求項１に記載のダイヤモンド探針。
（３）前記ダイヤモンド薄膜が絶縁性ダイヤモンドおよ
び／または絶縁性ダイヤモンド状炭素でで形成された薄
膜である前記請求項１に記載のダイヤモンド探針。