JPH03233303A

JPH03233303A - 微小プローブ電極及びその製造方法

Info

Publication number: JPH03233303A
Application number: JP2028468A
Authority: JP
Inventors: Yuuko Morikawa; 森川　有子; Toshimitsu Kawase; 俊光川瀬; Harunori Kawada; 河田　春紀; Toshihiko Takeda; 俊彦武田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1990-02-09
Filing date: 1990-02-09
Publication date: 1991-10-17

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、筋肉活動電流測定用電極や走査型トンネル顕
微鏡用金属ティップなどの電流ないし電位測定用微小プ
ローブ電極及びその製造方法に関し、特に、切削、塑性
及び電界研磨などによる製造方法、加工方法では得るこ
とのできない微細な先端径を有するプローブ電極及びそ
の製造方法に関する。

［従来の技術］被測定系への影響を可能な限り小さくした状況下での測
定や微小領域へのアクセス、すなわち微小面積を測定す
ることが要求される場合、微小プローブが多く用いられ
る。

例えば生体に於ける神経系の電位測定や筋肉活動電流測
定の場合、測定対象の大きさがμｍからせいぜいｍｍと
極めて小さいために、測定プローブの先端部の曲率半径
も叩オーダ乃至ｇｍ以下であることが必要とされる。ま
た、原子や分子サイズの分解能を有する観察方法として
近年多くの注目を集めているＳｃａｎｎｉｎｇ　Ｔｕｎ
ｎｅｌｉｎｇ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ　（走査型トンネ
ル顕微鏡、ＳＴＭ　）も、試料表面と対向するプローブ
先端の曲率半径が小さいほど分解能が高いとされている
。

更に、このＳＴＭの応用例の一つとして超高密度記録・
再生装置があるが、勿論、高い記録密度を達成するため
に先端部の曲率半径が小さいことが要求されている。と
同時に、記録・再生システムの機能向上、特に高速化の
観点から、多数のプローブを同時に駆動すること（プロ
ーブのマルチ化）が提案され、この為に同一基板上に作
製された特性の揃ったプローブが求められている。

従来、上記の様な電極面積あるいは先端部の曲率半径が
小さいプローブ電極は切削及び電界研磨法等を用いて製
造されていた。切削法では時計旋盤を用いて繊維状結晶
の線材を切削し曲率半径５乃至１０μｍの微小先端部を
もつプローブの製造が可能であり、ダイスによる線引加
工によれば曲率半径１０ｐｍ以下のものが可能である。

また、電界研磨法はプローブとなる線材（通常、直径１
　ｍｍ以下）を電界液中で電圧印加によって浸食させ先
端を尖らせるものであるが、先端曲率半径０．１乃至１
←ｍと切削法より微小なプローブを製造することができ
る。

［発明が解決しようとする課題］これら従来の微小プローブ製造方法のうち、切削法は先
端曲率を小さくすることに適していないばかりでなく、
プローブに応力が加わるために曲がり易いという欠点も
有している。また、電界研磨法で作製したプローブ先端
も決して原子、分子オーダの曲率半径を満足するもので
はない。更に、上述した従来の製造方法では微小な形状
を再現性よく作製することが難しく、製造工程での歩留
まりが低いと同時に、同一基板上に特性の揃った多数の
プローブを作製することは困難であった。

本発明の目的は、上述の従来法により作製した微小プロ
ーブ電極の持つ問題点に鑑み、プローブ先端部の曲率半
径がｍ以下の精度を有し、かつ再現性よく作製された微
小プローブ電極及びその製造方法を提供することにある
。また、支持体表面上あるいは該支持体上に形成された
薄膜上の所望の領域に多数個作製した微小プローブ電極
及びその製造方法を提供することも目的とする。

［課題を解決するための手段及び作用］本発明の特徴と
するところは、高分子材料からなる微小突起が、導電性
媒体で被覆されている微小プローブ電極にあり、または
、前記微小突起が、同一基板上に複数存在する微小プロ
ーブ電極にあり、または、前記微小突起が、円錐もしく
は角錐状の構造を有する微小プローブ電極にあり、また
は、前記微小突起が、金、銀、白金族等の貴金属、もし
くはその合金によって被覆されている微小プローブ電極
にある。

さらに、高分子材料表面上の微小領域を金属又は金属酸
化物で被覆形成し、該微小領域をマスクとして、該高分
子材料上にレーザーを照射することで微小突起を形成し
、更に電極配線を施すことでプローブ電極とすることに
特徴を有する微小プローブ電極の製造方法、あるいはま
た、前記レーザーとしてエキシマレーザ−を用いること
に特徴を有する微小プローブ電極の製造方法、としてい
る点にある。

すなわち本発明は、基板上に形成された微小突起が高分
子材料である、電流又は電圧測定用の微小プローブ電極
であり、また、その製造方法である。本発明における微
小プローブ電極の製造方法においては、同一基板上の任
意の箇所に同一形状の複数の突起を容易に形成すること
ができる。すなわち、微小な開口部面積をもつマスクを
基板上に設置し、金属ないし金属酸化物の微小領域を形
成したのち、従来公知のレーザーアブレーションを用い
て、基板上に高分子材料からなる先端曲率半径がｍ以下
の円錐もしくは角錐形の突起物を形威し、更に配線用金
属を付加することで、同一基板上に同一形状の複数のプ
ローブを任意の箇所に容易に形成できる。

本発明においては、炭酸ガスレーザー、　ＹＡＧレーザ
−エキシマレーザ−等を用いたレーザーアブレーション
技術により微小突起を形成するため、斯る微小突起材料
は、ポリイミド、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタ
レート、ナイロンなどの高分子材料が好ましい。また、
高分子材料は、ガラス等の絶縁性基板、シリコン等の半
導体性基板などの上面に形成してもよく、高分子材料そ
のものを基板として用いることも可能である。

次に、高分子材料上に形成する微小領域は、従来公知の
薄膜作製技術、フォトリソグラフ技術。

エツチング技術が適用できる他、金属粒子を高分子材料
に混入し、薄膜を形成することで得ることが可能であり
、その作製方法は、これらに何ら限定されるものではな
い。例えば、基板を回転させた状態で、基板上に対して
斜め方向から開口部に向って所望の材料を蒸着し、その
後マスクを除去することにより前記高分子材料上に微小
領域を形成することができる。その他、蒸着方向におい
ては、マスク開口部正面より蒸着してもよく、また、斜
め蒸着を２方向以上から同時に行えば基板を回転させる
必要がなくなる。更に、マスク蒸着だけでなく、フォト
リソグラフ技術、エツチング技術を適用することで、微
小領域の面積を小さくすることが可能となり、曲率半径
の小さなプローブ電極を得られる様になる。微小領域を
作製する手段として、蒸着による方法例を挙げたが、こ
こで言う蒸着法とは、抵抗加熱法や電子ビーム法による
真空蒸着以外にも、広く分子線ビームエピタキシャル法
やイオンビーム成長法等を含むものである。また、スパ
ッタリング法や化学気相成長法など他の一般的な薄膜成
長方法によっても作製することができる。

また、微小領域を形成する材料としては、金属、金属酸
化物などいずれでもよいが、経時及び環境に対する安定
性からＡｕ、　Ｐｔなどの貴金属やそれらの合金が望ま
しい。

一方、微小突起を形成するレーザーアブレーションにお
いては、従来技術ではＡｒＦ、　ＫｒＦ。

ＸｅＣＲ，ＸｅＦなどのエキシマレーザ−が好適であり
、かかるエキシマレーザ−照射によれば、目的とする表
面部分だけを容易に短時間で制御よく改質することがで
きる。また、ミクロンレベルまでの任意の形状９位置制
御が精度よく行える。従って、本発明において同一基板
上に同一形状の微小突起を形成する上で、かかるレーザ
ーアブレーションは非常に適している。更に、アブレー
ション過程は、発振波長９強度、パルス数などの照射条
件を変化させることで制御することが可能である。すな
わち、高分子材料上に作製した所望の微小領域をエキシ
マレーザ−照射におけるマスクとして利用し、かかる材
料にエキシマレーザ−を照射することで、微小領域に高
分子材料による微小突起を形成することができる。

この様にして形成された微小突起をプローブ電極として
用いるためには、微小突起に配線用の導電性材料を付加
すればよい。この導電性材料としては、金属でも導電性
薄膜でもよく、何ら限定するものではない。

以上の様にして、簡易な製造方法で同時に多数の該プロ
ーブ電極を形成することが可能になる。

更に、特性の揃ったプローブが得られることから、プロ
ーブ電極のマルチ化に大きく貢献することができる。更
に、プローブ電極の特性が揃っているので、電流又は電
圧の測定を再現性よく行うことができ、システムの機能
向上が可能になる。

また、プローブを交換しても、再現性のよい測定が可能
となる。

以下、本発明による微小プローブ電極の具体的な作製方
法、及び該プローブ電極が示す特性、並びに本発明の効
果について、実施例とともに詳述する。

［実施例］及施△」第１図に示す手順でプローブ電極の作製を行った。

洗浄したカプトン基板上（厚さ１００　ｕ＋）にヘキサ
メチルジシラザン（ＨＭＤＳ）をスピンナー塗布しベー
キングを行った後、ネガ型レジスト材料（商標名ＲＤ−
２００ＯＮ−１０）をスピンナー塗布しプリベークを行
う。この時、膜厚はｌｐｍになる様にした。

続いて、露光、現像、ポストベークを行い、所望のレジ
ストパターンを作製した（第１図■）。

斯る基板上にＡｕ　（膜厚５０００人）を蒸着した。蒸
着は、基板を回転させた状態で斜め方向（基板鉛直方向
に対して７５°方向）から行った。

次に、基板をアセトン超音波処理、ジメチルホルムアミ
ド（ＤＭＦ）超音波処理、純水洗浄、ベーキングを行い
、リフトオフによる２ＡＬｍφの微小領域を形成した（
第１図■）。

さらに、基板に波長３０８ｎｍのＸｅＣｊ）レーザーを
用いて、強度１００ｍＪ／ｃｍ２で３００シヨツト照射
した（第１図◎）。その結果、先端がＡｕで被覆された
円錐状の微小突起が形成された（第１図■）。

続いて、斯る基板上に真空蒸着法によって八２を膜厚５
０００人堆積させる。次にポジ型レジスト材料（商標名
ＯＭＲ−８３）を膜厚１．２Ｈとなるようにスピンナー
塗布し、露光、現像、ボストベークを行う。その後、Ｈ
−ＰＯ２：ＨＮＯ３：ＣＨｓＣＯＯＨ：Ｈ−０＝１６：
　１　：２：　１の溶液でＡＩ２を所望のパターンにエ
ツチングしたのち、基板をアセトン超音波処理、　ＤＭ
Ｆ超音波処理、純水洗浄によりレジストを剥離し、ベー
キングを行って所望の配線パターンを得た（第１図■）
。

以上の様にして作製したプローブ電極をＳＥＭ観察した
ところ、電極高さ３ｐｍ、プローブ先端曲率半径０．Ｉ
ＩＬｍであった。更に、斯るプローブ電極を用いてＳＴ
Ｍ観察を行い、この時得られた結果からプローブ電極特
性の評価を行った。具体的には、上述した方法によって
作製した微小プローブ電極および機械研磨法で作成され
た市販のＳＴＭ用ｐｔプローブ（デジタルインスッルメ
ント社製、ナノティップ）をそれぞれ２０本ずつ用意し
、各プローブを所望のＳＴＭ用距離駆動系（圧電体ＰＺ
Ｔ　）上に接着ないし装着しＳＴＭ観察を行い、その結
果得られる原子像を比較しプローブ特性の優劣を評価し
た。なお、３７Ｍ装置には自作のものを用い、測定対象
はグラファイトカーボン表面とした。第２図に３７Ｍ装
置の構成を示すブロック図を記す。

この３７Ｍ装置において、試料１３は、台座部２４上に
載置、固定されている。粗動機構２２は試料１３とプロ
ーブ電極１２との距離を所定の値に保つために、試料１
３の垂直方向の位置を粗動制御するためのもので、粗動
駆動回路２１により駆動される。粗動機構の下には、さ
らにＸＹステージ２３が設けられており、試料１３の位
置をＸＹ方向に移動可能である。電極１７は、プローブ
電極１２と試料１３との間に電圧を印加するためのもの
である。プローブ電流増幅器２０は、プローブ電極１２
のプローブ電流を増幅してサーボ回路１９に送出し、サ
ーボ回路１９は、プローブ電流増幅器２０からの電流が
所望の値になるように微動制御機構１８の垂直方向にお
ける移動を制御する。微動制御機構１８はＸＹ走査駆動
回路１６によりＸＹ方向の移動が制御される。各回路は
マイクロコンピュータ１５により統括制御され、マイク
ロコンピュータ■５の処理情報は表示装置１４に表示さ
れる。

以上のような装置を用いて、ＸＹステージ２３を移動し
ながら、微動制御機構１８を制御してプローブ電極１２
と試料１３の距離を一定（ｎｍオーダー）に保ちつつ、
試料１３に電圧を印加して試料の表面観察を行った。

その結果、ＳＴＭ像が安定して再現性よく得られ、かつ
、かかるＳＴＭ像が示す結晶の格子間距離が理論値（０
，２５ｎｍ）とよく一致したのは、本発明のプローブ電
極の場合２０本中１８本、前記市販のプローブ電極では
２０本中６本であった。特に、グラフディトカーボン表
面上の付着物ないし溝（クラック）等を観察した際に、
これらの構造物に対する像情報の安定性において本発明
によるプローブの特性向上には著しいものがあった。ま
た更に、プローブ電極の交換に対しても得られるＳＴＭ
像の再現性は高く、本発明によって極めて特性の揃った
プローブが得られたことが分かった。従来、斯るプロー
ブは一般に一本ずつ作製されており特性を揃えることは
難しく、この点に関しても本発明の効果は大きかった。

失」ｌ艷ｌ実施例１と同様にして、同一基板上の所望の位置に微小
プローブ電極を作製した。但し、プローブ先端を真空蒸
着法により膜厚３０００Åのｐｔで被覆した。斯る微小
プローブをＳＴＭ用プローブ電極として用い、実施例１
と同様にしてプローブ特性の評価を行った。その結果、
ＳＴＭ像が安定して再現性よく得られたのは、本発明の
プローブ電極の場合２０本中上６本、前記市販プローブ
電極の場合は２０本中上本であった。また、本発明によ
って作製したプローブ電極を３７Ｍ装置から取り外すこ
となく、同一基板上に作製した他のプローブ電極を用い
てＳＴＭ像の観察を行ったところ、プローブの交換に対
しても得られるＳＴＭ像の再現性は高かった。従って、
本発明により極めて特性の揃ったプローブが得られるこ
とが分かった。また、同一基板上に多数のプローブ電極
を作製することが可能となり、プローブ電極のマルチ化
を行う上で極めて有益であり、プローブの交換に対して
も、プローブを取り外すことなく容易にプローブ交換を
行うことも可能であり、簡便な測定が可能になった。

犬ＪＪ糺旦洗浄したガラス基板上に、膜厚が５０ｐｍになる様にナ
イロン６．６をスピンコード法により堆積し厚膜を得た
。続いて、実施例１と同様にしてナイロン６．６の厚膜
上に微小領域を形成した。但し、材料はＡｊ）□０３で
あり、膜厚３０００人とした。斯る基板上に実施例１と
同様にして、ＸｅＣル−ザーを照射した。但し、強度１
０ｍＪ／ｃｍ”、　３００シヨツトとした。続いて、斯
る基板上にＡｕを真空蒸着法によって膜厚３０００人堆
積し、プローブ先端を被覆する。その後、プローブを切
り出し、３７Ｍ装置に取り付ける。

以上の様にして作製したプローブ電極を、実施例１と同
様にして特性の評価を行った。その結果、ＳＴＭ像が安
定して再現性よく得られたのは、本発明のプローブ電極
の場合２０本中上４本、前記市販プローブ電極の場合は
２０本中上本であった。また、本発明のプローブ電極は
、交換に対しても得られる３丁Ｍ像の再現性は高かった
。この時のプローブ形状は、ＳＥＭによれば、曲率半径
０．０５ｍ。

プローブ底部の直径５←ｍ、電極高さ３μｍであった。

［発明の効果］以上述べたように、本発明の微小プローブ電極及びその
製造方法によれば、 ■同一基板上に同−形状及び同一特性の複数のプローブ
電極を、容易かつ再現性よく得ることができた。

■同一基板上の任意の箇所に多数のプローブを作製する
ことができたので、装置駆動系の向上が可能になる。

■簡便な製造プロセスで同一基板上に、多数のプローブ
を作製することができたので、コストの低下、生産性の
向上が期待できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の微小プローブ電極の製造過程を示す
図である。第２図は、３７Ｍ装置の構成を示すブロック図で１６・
・・ＸＹ走査駆動回路１７・・・電源１８・・・微動制御機構１９・・・サーボ回路２０・・・プローブ電流増幅器２１・・・粗動駆動回路２２・・・粗動機構２３・・・ＸＹステージ２４・・・台座部ピユータある。１・・・基板２・・・マスク３・・・微小領域４・・・エキシマレーザ− ５・・・配線用金属１１・・・基板１２・・・プローブ１３・・・試料１４・・・表示装置１５・・・マイクロコン

Claims

【特許請求の範囲】

（１）高分子材料からなる微小突起が、導電性媒体で被
覆されていることを特徴とする微小プローブ電極。
（２）前記微小突起が、同一基板上に複数存在すること
を特徴とする請求項１記載の微小プローブ電極。
（３）前記微小突起が、円錐もしくは角錐状の構造を有
することを特徴とする請求項１記載の微小プローブ電極
。
（４）前記微小突起が、貴金属もしくはその合金によっ
て被覆されていることを特徴とする請求項１記載の微小
プローブ電極。
（５）高分子材料表面上の微小領域を金属又は金属酸化
物で被覆形成し、該微小領域をマスクとして、該高分子
材料上にレーザーを照射することで微小突起を形成し、
更に電極配線を施すことでプローブ電極とすることを特
徴とする微小プローブの製造方法。
（６）前記レーザーが、エキシマレーザーであることを
特徴とする請求項５記載の微小プローブの製造方法。