JPH04184838A

JPH04184838A - 探針の製造方法及び製造装置

Info

Publication number: JPH04184838A
Application number: JP31141390A
Authority: JP
Inventors: Toshimitsu Kawase; 俊光川瀬; Hiroyasu Nose; 博康能瀬; Katsuhiko Shinjo; 克彦新庄; Akira Kuroda; 亮黒田; Toshihiko Miyazaki; 俊彦宮崎; Keisuke Yamamoto; 敬介山本
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1990-11-19
Filing date: 1990-11-19
Publication date: 1992-07-01

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、走査型トンネル顕微鏡のトンネル電流検知等
に使用される探針の製造方法及び製造装置に関する。

［従来の技術］近年において、導体の表面原子の電子構造を直接観測で
きる走査型トンネル顕微鏡（以後、ＳＴＭと略す）が開
発さｈ（Ｇ、Ｂｉｎｎｉｇａｔ　　ａｌ、、Ｐｈｙｓ、
Ｒｅｖ、Ｌｅｔｔ。

４９　（１９８２）５７）、単結晶、非晶室を問わず実
空間像を著しく高い分解能（ナノメートル以下）で測定
できるようになった。かかるＳＴＭは、金属の探針と導
電性物質の間に電圧を加えて、ｉｎｎ程度の距離まで近
づけるとトンネル電流が流れることを利用している。こ
の電流は両者の距離変化に非常に敏感であり、トンネル
電流を一定に保つように探針を走査することにより実空
間の表面構造を描くことができる。

従来、かかる探針の作製方法としては、機械研摩により
先端を円錐状に加工する方法や、電解エツチングあるい
はイオンスパッタエツチング等の加工方法が主流を成し
ている。このような電解エツチング、イオンスパッタエ
ツチングの方法によれば、探針先端の曲率半径は、数１
０ｎｍの加工が可能である。

また、他の作製方法として、結晶体の襞間を用いたもの
があり（特開昭６３−５５８４５号公報）、この方法に
よると、探針先端の曲率半径は５ｎｍ以下を達成できる
。

しかしながら、このような製造方法で、先端の曲率半径
が１０ｎｍ程度の探針を作製した場合、探針先端部分は
細長い形状を成すことになり、剛性の低いものが形成さ
れてしまう。かかる低剛性の探針を例えばＳ７Ｍ装置に
装着し、表面観察を行う際、 ■、リアルタイムで原子像の観察を行う場合、探針を高
速に走査する必要があるが、探針先端部分の剛性が低い
ために不安定となり、観察像が乱れやすい。

■、外乱（音響振動、床振動等）の影響で、探針先端が
試料に接触してしまった場合、剛性がないために折れ曲
がってしまう。

といったような欠点があった。

〔発明が解決しようとする課題］上述のような従来技術の問題点に鑑み、本発明の目的と
するところは、すなわち、 ■、探針の剛性を高く形成できる、 ■１例えばＳＴＭ等において、探針を高速走査あるいは
外乱の入力があっても、安定した観察像を得ることかで
きる、といった点を満足し得るトンネル電流検知用探針の製造
方法及び製造装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段及び作用］上記目的は、以
下に示すような構成を有する発明、すなわち、第１に、被加工材となる、下端部に括れ部を有する探針
用部材を、少なくとも該括れ部より下方が電解液に浸漬
するように垂設固定し、かつ、電解液中で探針用部材軸
を中心とする同心円状の位置に陰極を設け、該探針用部
材と陰極間に電圧を印加して電解研摩を生じさせ、探針
用部材がその括れ部にて分離した時点から、さらに任意
の設定時間電圧を印加することにより電解研摩を生じさ
せて先端部を形成する探針の製造方法、により達成され
る。

第２に、被加工材となる探針用部材の一部を電解液に浸
漬して垂設固定し得る支持台を有し、電解液中で探針用
部材軸を中心とする同心円状の位置に陰極を有し、該陰
極と探針用部材間に電圧を印加し得る手段を有し、該探
針用部材と陰極間に流れる電流の変化を検知する電流変
化検知回路を有し、該電流変化検知回路からの信号によ
り、前記電流変化時点から、さらに任意の設定時間電圧
を印加する電圧印加遅延回路を有した探針の製造装置、
により達成される。

以下、本発明の構成について詳述する。

先ず、本発明に係る被加工材たる探針用部材としては、
第１図１０１に示すように、その一方端部に括れ部を有
する導電性部材を通用する必要がある。ここで、予め、
かかる括れ部を必要とするのは、電解研摩が円錐形状に
進行するように、その方向性を調整するためである。

また、被加工材たる探針用部材を陽極として、電解液中
の陰極との間に電圧を印加することで電′解研摩作用を
生起させるわけであるが、かかる研摩作用が進行してい
くと、いずれ括れ部において切断されることになる。こ
の時点で研摩作用を終了させると、先端曲率半径の極め
て小さい探針が得られるが、この状態のままでは従来問
題とされている剛性、外乱による影響等の面で好ましく
ない。

そこで、括れ部にて切断分離された時点から一定時間さ
らに電解研摩を続けることにより、先端の極細の部分が
効率よく研摩除去され、充分な剛性が得られる曲率半径
を有した探針が形成されるものである。

尚、かかる追加研摩は、印加電圧、持続時間。

等の設定条件を適宜選択することにより、観察目的等に
応じた先端形状を有する探針な作製することができる。

［実施例］以下、本発明の実施例について説明する。

第１図は、本発明に係る探針製造装置の概略構成図及び
電気ブロック図であり、第２図は、第１図に示す装置を
駆動する場合のタイミングチャート、第４図は、完成し
た探針先端部分の模式図を示す。

′ｓ１図において、１０１はｗ、ｐｔ等の線材を真直に
矯正し、かつ下加工にて括れ部分を設けた探針用部材、
１０２は探針用部材１０１を電解研摩するための材料に
応じて作成された電解液、１０３はビーカー等の容器、
１０４はｐｔ等の線材をリング状にして電解液１０２中
に沈め探針用部材１０１がリング中心の上方に位置する
ように設置された陰極、１０５は探針用部材１０１を支
持するための探針支持台、１０６は基台、１０７は電解
液１゛０２中に探針用部材１０１の括れ部分が浸漬する
ように容器１０３の高さを上下させるための縦方向位置
制御手段、１０８は縦方向位置制御手段１０フを電気的
に制御するための縦方向位置制御回路、１０９は探針用
部材１０１と陰極１０４間にかかる電圧電源のＯＮ１０
　Ｆ　Ｆ用アナログスイッチ、１１０は探針用部材１０
１と陰極１０４間に任意電圧を掃引するための可変バイ
ア′ス電源、１１１は電解液に浸漬している括れ部分よ
り下の材料が落下した時の電流の変化を検知するための
電流変化検知回路、１１２は電流変化検知回路１１１か
ら送られてきたパルス信号の指令を受けた後ある一定の
時間おいてアナログスイッチ１０９に信号を送る遅延回
路、１１３は外部スイッチである。

次に、第１図及び第２図を用いて、本装置の動作方法に
ついて説明する。

第２図のｔｏにおいて、可変バイアス電源（Ｖｌ）１１
０には数Ｖの電圧が掃引されているが、アナログスイッ
チ（Ｓ、）１０９はＯＦＦの状態である。従って、この
状態では、３４１図の探針用部材１０１と陰極１０４間
に電圧はかかっていない、第２図のｔｌにおいて、外部
スイッチ１１３からアナログスイッチ（Ｓ、）１０９に
ＯＮの信号を送り、第１図の探針用部材１０１と陰極１
０４間に電圧がかかる。この状態で、探針用部材１０１
は電解液１０２に浸漬している部分の材料が、電解研摩
によりエツチングされていく（第２図、１．−１．間（
ａ））、そして、電解液１０２に浸漬している部分はか
かるエツチングにより細くなっていき、やがて電解液１
０２に浸漬していない部分から分離落下する。このとき
、第２図ｔ２にて、電流変化検知回路（１＋）１１１が
電流変化をとらえる。それと同時に、遅延回路（ＳＷｌ
）１１２に電流変化検知回路（Ｉｓ）１１１から信号が
送られ、ｔ、からｔ。

までの時間さらにエツチングを進行させ遅延回路１１２
からアナログスイッチ（Ｓ、）１０９に信号を送ってＯ
ＦＦにし、探針用部材１０１と陰極１０４間にかかる電
圧を切り、所望の先端径をもつ探針が完成する。

ここで、本発明の主要部分である遅延回路１１２につい
て、さらに第３図を用いて詳しく説明する。かかる遅延
回路１１２は、信号入力回路３０１、抵抗（Ｒ）とコン
デンサ（Ｃ）の時定数（ＲＣ）で決定されるパルス幅設
定回路をもつエツチング任意時間設定回路３０２．アナ
ログスイッチＯＦＦ信号送信回路３０３から構成されて
′いる。エツチング任意時間設定回路３０２の時定数（
ＲＣ）の値は、電解液１０２の溶液濃度及び可変バイア
ス電源１１０の電圧値によりて電解研摩の速度が異なる
ため、予め電解溶液濃度、電圧値、電圧掃引時間と探針
先端径との相関関係等を確認した上で決定する必要があ
る。このように、遅延回路１１２ではエツチング時間を
任意に設定できることにより、探針先端部の曲率半径を
大きくする方向で自由にコントロールすることができる
。

尚、本実施例の具体的な数値、材料等については、探針
用部材１０１としてφ１ｍｍのタングステン（Ｗ）＄１
を使用し、電解液１０２としては０．５ＮのＫＯＨ溶液
を用いた。可変バイアス電源１１０の値は５００ｍＶ、
遅延回路１１２内のエツチング任意時間設定回路３０２
の時間は０．５ｓｅｃ　（Ｃ＝１μＦ、Ｒ＝５００にΩ
）に設定した。

また、動作手順は、探針１０１を探針支持台１０５に固
定し、電解液１０２が入った容器１０３を縦方向位置制
御手段１０７と縦方向位置制御回路ｉｏａを用いて、探
針１０１の括れた部分が溶液に浸漬するまでルーペ観察
をしながらＢ動させセツティングした。この後、外部ス
イッチ１１３を押しアナログスイッチ１０９をＯＮＬ。

た、この状態で、探針用部材１０１を陽極側とした電界
が探針用部材１０１と陰極１０４間に掃引され、電解液
１０２に浸漬している探針用部材１０１の先端部が電解
研摩される。かかる電解研摩を１５分程度続行した時点
で、電解液１０２中のタングステン材料が分層落下し、
第４図（ａ）に示すように先端曲率半径（Ｒ１）０．０
５μｍの鋭利な探針が完成する。そして、落下と同時に
、電流変化検知回路１１１が電流変化を検知し、遅延回
路１１２へ信号が送られる。

ここで、エツチング時間任意設定回路３０２で０．５ｓ
ｅｃ間信号を遅延して、アナログスイッチＯＦＦ信号送
信回路３０３からアナログスイッチ１０９へＯＦＦ信号
を送信し、探針と陰極１０４間の電圧印加を止め、電解
研摩を終了する′ことで第４図（ｂ）に示すような、３
４４図（ａ）に比べて大きな曲率半径（Ｒ，＝０．５μ
ｍ）を有する探針が完成した。また、遅延回路１１２内
の設定時間を０．５ｓｅｃから１　ｓｅｃに変更して、
上述の動作方法と同様に探針を作製したところ、先端曲
率半径１μｍを有する探針ができた。

以上示したように、本発明の探針製造手段を用いれば、
所定の先端曲率半径を有する探針を、曲率半径を大きく
する方向で自由にコントロールできる。

なお、本実施例では、電解研摩した後の探針を遅延回路
を用いてさらに電解研摩したが、例えば、機械研摩した
後の探針や市販のＳＴＭ用探針を設置し、先端径を加工
してもよい。

［発明の効果］以上述べたように、本発明の電解研摩工程における遅延
手段を用いた探針の製造方法及びその製造装置によれば
、 ■、従来の方法に比べ、探針の先端曲率半径を大台くす
ることができ、その結果、探針そのものの先端剛性の向
上を図れる。

■、遅延条件の設定如何によっては、先端の曲率半径を
従来に比べ大きくする方向で任意に選定で鮒、観察装置
や観察目的に応じた探針の製造が可能となる。

■、探針の製造において歩留りの向上が図れる。

といったような効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の探針製造装置の概略構成図及び電気
ブロック図である。第２図は、′ｓ１図に示す装置を駆動する場合のタイミ
ングチャートである。第３図は、遅延回路内の構成図である。第４図は、完成した探針先端の模式図である。１０１・・・探針用部材　　１０２・・・電解液１０３
・・・容器　　　　　１０４・・・陰極１０５・・・探
針支持台　　１０６・・・基台１０フ・・・縦方向位置
制御手段１０８・・・縦方向位置制御回路 ′　１０９・・・アナログスイッチ１１０・・・可変バイアス電源１１１・・・電流変化検知回路

Claims

【特許請求の範囲】

（１）被加工材となる下端部に括れ部を有する探針用部
材を、少なくとも該括れ部より下方が電解液に浸漬する
ように垂設固定し、かつ、電解液中で探針用部材軸を中
心とする同心円状の位置に陰極を設け、該探針用部材と
陰極間に電圧を印加して電解研摩を生じさせ、探針用部
材がその括れ部にて分離した時点から、さらに任意の設
定時間電圧を印加することにより電解研摩を生じさせて
先端部を形成することを特徴とする探針の製造方法。
（２）被加工材となる探針用部材の一部を電解液に浸漬
して垂設固定し得る支持台及び電解液中で探針用部材軸
を中心とする同心円状の位置に陰極を有し、かつ、該陰
極と探針用部材間に電圧を印加し得る手段及び該探針用
部材と陰極間に流れる電流の変化を検知する電流変化検
知回路を有し、該電流変化検知回路からの信号により、
前記電流変化時点から、さらに任意の設定時間電圧を印
加する電圧印加遅延回路を有することを特徴とする探針
の製造装置。