WO1999030171A1 - Method of producing probe of tunnel scanning microscope and the probe - Google Patents

Method of producing probe of tunnel scanning microscope and the probe Download PDF

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WO1999030171A1
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scanning tunneling
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stm
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Inventor
Yoshihisa Yamamoto
Fumiko Yamaguchi
Dehuan Huang
Susumu Machida
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Japan Science And Technology Corporation
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
    • G01Q60/10—STM [Scanning Tunnelling Microscopy] or apparatus therefor, e.g. STM probes
    • G01Q60/16—Probes, their manufacture, or their related instrumentation, e.g. holders
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q70/00—General aspects of SPM probes, their manufacture or their related instrumentation, insofar as they are not specially adapted to a single SPM technique covered by group G01Q60/00
    • G01Q70/06—Probe tip arrays

Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a scanning tunneling microscope probe and the probe.
  • the probe material is heated from the outside when the STM probe is manufactured, and the tip shape of the probe material is not shaped by evaporation by an electric field.
  • the STM probe is manufactured in a field emission microscope (FEM), so that the distance between the STM probe and the substrate is 5 cm, and the applied force is 5 cm. Since it is manufactured by field emission of electrons at a voltage of 10 kV or more, it is necessary to heat the probe material from outside without heating by tunnel current. ⁇ Further, due to the large distance between the substrate, the electric field intensity in 2 X 1 0 5 V / m about the small fry, no evaporation of the probe material by the electric field is.
  • FEM field emission microscope
  • the present invention is directed to a scanning tunneling microscope probe that can eliminate the above problems, prevent contamination of the probe, and obtain high resolution using the operation function of the STM without making any modifications to the STM device.
  • An object of the present invention is to provide a manufacturing method and a probe thereof. Disclosure of the invention
  • a probe material and a scanning tunneling microscope sample are opposed to each other in a vacuum chamber of the scanning tunneling microscope, and a distance between the probe material and the scanning tunneling microscope sample is set.
  • a first voltage is adjusted to a first distance to apply a predetermined voltage to evaporate atoms at the tip of the probe material, and a tunnel current is applied to heat the probe material.
  • Evaporate to a second distance collect the atoms of the probe material by diffusing to the tip of the probe material, finally stop one atom at the tip of the probe material, and apply the applied voltage Is cut and cooled.
  • the probe material is tungsten.
  • the probe material is Si.
  • the first distance is 0.5 to 2 A.
  • the predetermined voltage is DC 10 to 20 V.
  • the heating temperature by the tunnel current is approximately / to / of the melting temperature of the probe material.
  • the second distance is 10 to 20 A.
  • FIG. 1 is a schematic view of an apparatus for manufacturing an STM probe according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a manufacturing process diagram of an STM probe showing a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic view of a multi-electrode probe manufacturing apparatus according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a plan view of a probe material of a method for manufacturing a multi-electrode probe according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a perspective view of a probe material of a method for manufacturing a multi-electrode probe according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a manufacturing process diagram of an STM probe showing a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is an experimental result showing characteristics of an STM probe manufactured using the first example of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic view of an apparatus for manufacturing an STM probe according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. FIG. 3 is a manufacturing process diagram of an STM probe showing a first example of the present invention.
  • a description will be given of a production example of the tungsten probe.
  • 1 is a tungsten probe material
  • 2 is an STM sample side substrate
  • 3 is an STM probe holder
  • 4 is an STM probe control device
  • 5 is a DC power supply
  • 6 is a tunnel current.
  • the tungsten probe material 1 manufactured by ordinary etching is mounted on the STM probe holder 13 in the vacuum chamber 1 of the STM device. As shown in FIG. 2 (a), the tip of the tungsten probe material 1 has a diameter of 30 to 50 persons, and the STM sample side substrate 2 uses a metal or a sample to be measured. Using the STM probe control device 4, set the distance between the tungsten probe material 1 and the STM sample side substrate 2 to 0.5 to 2 persons, and stop controlling the distance.
  • the atoms 7 are evaporated until the distance between the Tandasten probe material 1 and the STM sample-side substrate 2 becomes 10 to 20 persons. This evaporation removes contamination on the surface of the tip of the tungsten probe material 1, and performs atomic-level cleaning.
  • an STM tip having one atom 8 at the tip is obtained as shown in FIG. 2 (d).
  • atoms are collected by diffusion at the base 1A of the probe material and at the tip of the base 1A of the probe material, and the extra atoms diffused thereafter are collected.
  • a viramid-shaped portion 7A composed of atoms of the probe material left after being removed by evaporation, and a leading-edge portion composed of one atom of the probe material formed on the pyramid-shaped portion 7A. 8 A.
  • FIG. 3 is a schematic diagram of a multi-electrode probe manufacturing apparatus showing a second embodiment of the present invention
  • FIGS. 4 and 5 are diagrams for explaining a multi-electrode probe manufacturing method of the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a plan view
  • FIG. 5 is a perspective view thereof
  • FIG. 6 is a manufacturing process diagram of an STM probe showing a second embodiment of the present invention.
  • 11 is a Si substrate
  • 12 is a Si post for a probe formed on the Si substrate
  • 20 is an insulating layer
  • 21 is a normal STM probe (tungsten probe).
  • 22 is an STM probe holder
  • 23 is an STM probe control device
  • 24 is a DC power supply
  • 16 is a tunnel current.
  • a Si substrate 11 is used as a material of the multi-electrode probe, and the Si substrate 11 is etched to have a diameter of 30 to 5 mm.
  • a Si post 12 for the probe of 0 people is made, and each probe Si post 12 is electrically greened in the green layer 20.
  • the tungsten probe 21 is used for each probe Si boss 12 by the method shown in the first embodiment.
  • a multi-electrode probe made of the Si substrate 11 is manufactured on the Si post 12.
  • the atoms 17 are evaporated until the distance between the tip of the probe Si bost 12 and the tungsten probe 21 becomes 10 to 20 persons. This evaporation removes contamination on the surface of the tip of the probe Si boss 12 and performs atomic-level cleaning.
  • an STM probe having one atom 18 at the tip is obtained as shown in FIG. 6 (d).
  • the STM probe obtained in this manner has the base material 12A of the probe material and the atoms collected at the tip of the base material 12A of the probe material by diffusion, and then the extra material that has diffused.
  • the tungsten probe 21 is moved by the operation of the STM probe control device 23 to sequentially produce the STM probe of the Si post 12 for the probe.
  • the material for the STM probe is not limited to tungsten and Si, but may be polycrystal. However, since the single crystal has a unique atomic arrangement, a single crystal is used. It is possible to stably form the tip of an atomic probe.
  • the probe material is mainly heated by the tunnel current, and the probe is required to be more quickly evaporated and diffused by the probe. It is also effective to supplementally heat the material using a heating means other than the tunnel current.
  • a tungsten probe for STM was manufactured using the first embodiment of the present invention, and it was confirmed using an STM device that there was indeed one atom at the tip of the STM probe. The experimental results are shown.
  • the horizontal axis shows the applied voltage of the STM tip, and the vertical axis shows the differential conductance obtained from the tunnel current.
  • the trace (a) above shows the characteristic when only one atom exists at the tip of the STM probe, and shows the characteristic that the differential conductance increases discretely with the applied voltage. This is a phenomenon that occurs when a tunnel current flows through one atom at the tip because the electron tunneling is limited by the Coulomb opening effect.
  • the lower trace (b) shows the characteristics when one atom at the tip of the same tip is mechanically removed, and tunneling of electrons to many atoms (three in this case) at the tip. As a result, the Coulomb mouth effect is lost and does not show discrete characteristics.
  • a probe material of tungsten or silicon is used.
  • other probe materials such as gold and platinum can be used to produce a probe in the same manner.
  • the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made based on the gist of the present invention, and these are not excluded from the scope of the present invention.
  • Industrial applicability As described above, according to the present invention, the following effects can be obtained.
  • An STM probe can be manufactured by using the functions of the STM without making any modifications to the STM device.
  • an STM probe By adjusting the probe interval and passing a tunnel current, an STM probe can be manufactured at a low applied voltage.
  • the tip of the STM tip is heated only by the tunnel current, if the applied voltage is turned off, the tip is rapidly cooled and the tip shape is preserved.
  • the STM tip can be manufactured by heating the tip material by a tunnel current without externally heating the tip material when manufacturing the STM tip.
  • the tip of the STM tip can be a single atom, and the highest resolution can be obtained using this tip.

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Description

明 細 書 走査トンネル顕微鏡探針の作製方法及びその探針 技術分野
本発明は、 走査トンネル顕微鏡探針の作製方法及びその探針に関するものであ る。 背景技術
従来、 走査トンネル顕微鏡 （以下、 STMという） 探針の作製方法として、 例 えば、 以下の文献に開示されるようなものがあった。
( 1 ) V. T. B i n h, e t . a 1. ： "E l e c t r o n F i e l d Em i s s i o n f r om At om— S o u r c e s ： F a b r i c a t i o n, P r o p e r t i e s, a n d Ap p l i c a t i o n o f Na n o t i p s " , Ad v a n c e i n I ma g i n g a n d E 1 e c t r o n P h y s i c s, 95, 63— 153 Ac a d em i c P r e s s I n c. ( 1996 ) .
( 2 ) M. T o m i t o r i , e t . a 1 ： "R e p r o d u c i b i 1 i t y o f S c a nn i n g Tu n n e l i n g S p e c t r o s c o p y o f S i ( 1 1 1 ) 7 X 7 U s i n g a Bu i l d - up T i p" , S u r f a c e S c i e n c e 355, 2 1 -30 ( 1 996 ) .
上記した従来技術によれば、 S TM探針の作製時に探針素材を外部から加熱す るようにしており、 電界による蒸発による探針素材の先端形状の整形は行ってい ない。
しかしながら、 上記したような従来の技術では、 S T M探針は、 電界放出顕微 鏡 （F i e l d Em i s s i o n M i c r o s c o p y : F EM) 内で製作 するために、 STM探針と基板間間隔が 5 cm、 印加電圧が 1 0 kV以上による 電子の電界放出によって作製するために、 トンネル電流による加熱が行われず、 外部から探針素材を加熱する必要がある。 ― また、 基板との間隔が大きいために、 電界強度が 2 X 1 0 5 V /m程度と小さ いために、 電界による探針素材の蒸発が生じない。
本発明は、 上記問題点を除去し、 探針の汚染を防ぎ、 S T M装置に改良を加え ることなく、 S T Mの操作機能を使用して、 高い分解能を得ることができる走査 トンネル顕微鏡探針の作製方法及びその探針を提供することを目的とする。 発明の開示
本発明は、 上記目的を達成するために、
〔 1〕 走査トンネル顕微鏡探針の作製方法において、 走査トンネル顕微鏡の真 空チャンバ一内に、 探針素材と走査トンネル顕微鏡サンプルとを対向させ、 前記 探針素材と走査トンネル顕微鏡サンプルとの間隔を第 1の距離に調整して所定の 電圧を印加し、 前記探針素材の先端の原子を蒸発させると共に、 トンネル電流を 流して加熱し、 前記探針素材と走査トンネル顕微鏡サンプルとの間隔が、 第 2の 距離になるまで蒸発を行い、 前記探針素材の先端へ拡散することによって探針素 材の原子を集め、 最後に前記探針素材の先端に 1個の原子を止め、 前記印加電圧 を切り、 冷却するようにしたものである。
〔 2〕 上記 〔 1〕 記載の走査トンネル顕微鏡探針の作製方法において、 前記探 針素材はタングステンである。
〔 3〕 上記 〔 1〕 記載の走査トンネル顕微鏡探針の作製方法において、 前記探 針素材は S iである。
〔 4〕 上記 〔 3〕 記載の走査トンネル顕微鏡探針の作製方法において、 S i基 板上に複数の S iボストを形成し、 多電極探針を得るようにしたものである。
〔 5〕 上記 〔 1〕 記載の走査トンネル顕微鏡探針の作製方法において、 前記第 1の距離は、 0 . 5〜2 Aである。
〔 6〕 上記 〔 1〕 記載の走査トンネル顕微鏡探針の作製方法において、 前記所 定の電圧は直流 1 0〜2 0 Vである。
〔 7〕 上記 〔 1〕 記載の走査トンネル顕微鏡探針の作製方法において、 前記ト ンネル電流による加熱温度は、 探針素材の溶融温度の略 1 / 3〜 2 / 5の温度で ある。 〔 8〕 上記 〔 1〕 記載の走査トンネル顕微鏡探針の作製方法において、 前記第 2の距離は 1 0〜2 0 Aである。
〔9〕 走査トンネル顕微鏡探針において、 探針素材の基部と、 この探針素材の 基部の先端部に原子が拡散により集められ、 その後に拡散した余分な原子は蒸発 により排除されて残された探針素材の原子群から成るビラミッド形状部と、 この ビラミッド形状部上に形成される探針素材の 1個の原子から成る最先端部とを有 する。
〔 1 0〕 走查トンネル顕微鏡探針において、 S i基板上に形成される複数の S iポストの基部と、 この複数の S iポストの基部の先端部に原子が拡散により集 められ、 その後に拡散した余分な原子は蒸発により排除されて残された S iボス トの原子群から成るビラミッド形状部と、 このビラミッド形状部上に形成される S しポス トの 1個の原子から成る多電種の最先端部とを有する。 図面の簡単な説明
第 1図は、 本発明の第 1実施例を示す S T M探針の作製装置の模式図である。 第 2図は、 本発明の第 1実施例を示す S T M探針の作製工程図である。
第 3図は、 本発明の第 2実施例を示す多電極探針の作製装置の模式図である。 第 4図は、 本発明の第 2実施例を示す多電極探針の作製方法の探針素材の平面 図である。
第 5図は、 本発明の第 2実施例を示す多電極探針の作製方法の探針素材の斜視 図である。
第 6図は、 本発明の第 2実施例を示す S T M探針の作製工程図である。
第 7図は、 本発明の第 1実施例を用いて作製した S T M探針の特性を示す実験 結果である。 発明を実施するための最良の形態
以下、 本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。 まず、 本発明の第 1実施例について説明する。
第 1図は本発明の第 1実施例を示す S T M探針の作製装置の模式図、 第 2図は 本発明の第 1実施例を示す STM探針の作製工程図である。 ここでは、 タンダス テン探針の作製例について説明する。
第 1図において、 1はタングステン探針素材、 2は S T Mサンプル側基板、 3 は STM探針ホルダ一、 4は STM探針制御装置、 5は直流電源、 6はトンネル 電流である。
以下、 この実施例の STM探針の作製工程を第 1図及び第 2図を参照しながら 説明する。
( 1 ) まず、 通常のエッチングで作製したタングステン探針素材 1を STM装 置の真空チャンバ一内の STM探針ホルダ一 3に装着する。 第 2図 （a ) に示す ように、 このタングステン探針素材 1の先端形状は直径が 30〜50人であり、 S T Mサンプル側基板 2は金属または被測定用のサンプルを使用する。 タングス テン探針素材 1と S TMサンプル側基板 2の間隔を S TM探針制御装置 4を用い て、 0. 5〜2人にセッ トして間隔の制御を停止する。
(2) 次に、 タングステン探針素材 1側を （一） 、 STMサンプル側基板 2側 2を （十） になるように直流電源 5に接続して、 直流 1 0~20 Vの電圧を印加 し、 製作時はこの電圧を一定に保つ。 このようにすると、 タングステン探針素材 1の先端の電界が 1 X 1 0 V/m程度と大きくなり、 第 2図 （ b) に示すよう に、 タングステン探針素材 1の先端の原子 7が蒸発するようになる。 同時に、 大 きなトンネル電流 6が流れてタンダステン探針素材 1の先端がトンネル電流 6に よって加熱され、 タングステンの溶融温度の約 1 /3〜 2/5である 1 200て 程度に上昇する。
そこで、 タンダステン探針素材 1と S T Mサンプル側基板 2との間隔が 1 0〜 20人になるまで原子 7を蒸発させる。 この蒸発により、 タングステン探針素材 1の先端の表面の汚染が取り除かれ、 原子レベルのクリーニングが行われる。
(3) 次に、 原子 7の蒸発が止まると、 タングステン探針素材 1の探針表面の 原子 7は、 電界による拡散によって、 十電極 （基板） 2側に移動してタンダステ ン探針素材 1の先端に集まる。 この原子 7の移動によって、 タングステン探針素 材 1の先端の電界がさらに強くなり、 第 2図 （c ) に示すように、 タングステン 原子 7はビラミ ッ ド状になる。 タングステン探針素材 1の最先端の原子 8が 1個になると、 後から移動してき た 2つ目の原子 9は不安定なために蒸発し、 常に最先端は 1個の原子のみになる
( 4 ) 次に、 直流電源 5からの印加電圧を切り、 冷却すると、 第 2図 （d ) に 示すように、 先端が 1個の原子 8からなる S T M探針が得られる。 つまり、 この ようにして得られた S T M探針は、 探針素材の基部 1 Aと、 この探針素材の基部 1 Aの先端部に原子が拡散により集められ、 その後に拡散した余分な原子は蒸発 により排除されて残された探針素材の原子群から成るビラミッ ド形状部 7 Aと、 このピラミ ッド形状部 7 A上に形成される探針素材の 1個の原子から成る最先端 部 8 Aとを有する。
次に、 本発明の第 2実施例について説明する。
第 3図は本発明の第 2実施例を示す多電極探針の作製装置の模式図、 第 4図及 び第 5図は本発明の第 2実施例の多電極探針の作製方法の説明図であり、 第 4図 はその平面図、 第 5図はその斜視図、 第 6図は本発明の第 2実施例を示す S T M 探針の作製工程図である。
第 3図において、 1 1は S i基板、 1 2は S i基板に形成された探針用 S iポ ス ト、 2 0は絶緣層、 2 1は通常の S TM探針 （タングステン探針） 、 2 2は S T M探針ホルダー、 2 3は S T M探針制御装置、 2 4は直流電源、 1 6はトンネ ル電流である。
この実施例では、 多電極探針の素材としては、 第 4図及び第 5図に示すように 、 S i基板 1 1を用い、 この S i基板 1 1をエッチングして直径が 3 0〜5 0人 の探針用 S iポス ト 1 2を作り、 各探針用 S iポス ト 1 2を絶緑層 2 0で電気的 に絶緑する。
次に、 S TM装置の真空チャンバ一内に、 各探針用 S iボス ト 1 2に対して、 タングステン探針 2 1を用いて、 第 1実施例で示した方法により、 各探針用 S i ボスト 1 2に S i基板 1 1からなる多電極探針を作製する。
そこで、 その多電極探針の作製工程を第 3図〜第 6図を参照しながら説明する
( 1 ) まず、 S TM装置の真空チャンバ一内において、 第 6図 （a ) に示すよ うに、 上記したように作製した S ί基板の探針用 S iボスト 12を STMサンプ ル基板側に、 通常のェツチング工程で作製したタングステン探針 21を S TM探 針ホルダ一 22に装着する。 このタングステン探針 21の先端形状は、 直径が 3 0〜50人である。 タングステン探針 2 1と S i基板の探針用 S iポスト 1 2の 先端との間隔を STM探針制御装置 23を用いて 0. 5〜2人にセッ 卜して間隔 の制御を停止する。
( 2 ) 次に、 S i基板の探針用 S iボスト 12側を （一） に、 タングステン探 針 2 1側を （十） になるように直流電源 24に接続して直流 10〜20 Vの電圧 を印加し、 作製時はこの電圧を一定に保つ。 このようにすると、 探針用 S iボス ト 12の先端の電界が 1 X 10 V/m程度と大きくなり、 第 6図 （ b) に示す ように、 探針用 S iポスト 12の先端の原子 17が蒸発するようになる。 同時に 、 大きなトンネル電流 16が流れて探針用 S iポス ト 12の先端がトンネル電流
16によって加熱され、 S iの溶融温度の約 1/3〜2/5である 40 O'C程度 に上舁する。
そこで、 探針用 S iボスト 12の先端とタングステン探針 2 1との間隔が、 1 0〜20人になるまで原子 17を蒸発させる。 この蒸発により、 探針用 S iボス ト 12の先端の表面の汚染が取り除かれ、 原子レベルのクリーニングが行われる
( 3 ) 次に、 原子の蒸発が止まると、 探針用 S iボスト 12の表面の原子 17 は +電極 （タングステン探針） 側に拡散して探針用 S iボスト 12の先端に集ま る。 この拡散によって、 探針用 S iポスト 12の先端の電界がさらに強くなり、 第 6図 （ c ) に示すように、 原子 17はビラミッ ド状になる。
探針用 S iボスト 12の最先端の原子 18が 1個になると、 後から拡散してき た 2個目の原子 19は不安定であるために蒸発し、 常に最先端は 1個の原子のみ になる。
(4) 次に、 直流電源 24からの印加電圧を切り、 冷却すると、 第 6図 （d) に示すように、 先端が 1個の原子 18からなる STM探針が得られる。 つまり、 このようにして得られた STM探針は、 探針素材の基部 12Aと、 この探針素材 の基部 12 Aの先端部に原子が拡散により集められ、 その後に拡散した余分な原 子は蒸発により排除されて残された探針素材の原子群から成るビラミッド形状部
1 7 Aと、 このビラミツ ド形状部 1 7 A上に形成される探針素材の 1個の原子か ら成る最先端部 1 8 Aとを有する。
( 5 ) その後は、 タングステン探針 2 1を S T M探針制御装置 2 3の動作によ り移動させて、 順次探針用 S iポス ト 1 2の S T M探針を作製するようにする。 また、 第 1及び第 2実施例において、 S T M探針用素材はタングステン、 S i のみに限らず、 多結晶でもよいが、 単結晶は原子配列が一義的に决まっているの で、 単一原子からなる探針の最先端部を安定的に作ることができる。
更に、 第 1及び第 2実施例に述べたように、 探針用素材はトンネル電流によつ て主に加熱される力、 より速やかな原子の蒸発と拡散を行わせるためには、 探針 用素材をトンネル電流以外の加熱手段で補助的に加熱することも効果的である。 第 7図に、 本発明の第 1実施例を用いて、 S T M用タングステン探針を作製し 、 S T M装置を用いて、 S T M探針先端に確かに 1個の原子が存在することを確 認した実験結果を示す。 第 7図において、 横軸は S T M探針の印加電圧、 縦軸は トンネル電流より求めた微分コンダクタンスを示す。 上のトレース （a ) は S T M探針先端に 1個のみ原子が存在するときの特性で、 印加電圧に対して離散的に 微分コンダクタンスが大きくなる特性を示している。 これは、 先端の 1個の原子 にトンネル電流が流れるときに、 クーロンブ口ッケ一ド効果によって、 電子のト ンネリングが制限されるために生じる現象である。 下のト レース （ b ) は、 同じ 探針の先端の 1個の原子を機搣的に除去したときの特性であり、 先端の多数の原 子 （この場合は 3個） への電子のトンネリングのため、 クーロンブ口ッケード効 果が失われて、 離散的な特性を示していない。
なお、 本発明の上記実施例ではタングステン、 シリコンの探針素材を用いたが 、 金、 白金などその他の探針素材でも同様の方法で探針を作製することが可能で ある。
また、 本発明は上記実施例に限定されるものではなく、 本発明の趣旨に基づい て種々の変形が可能であり、 これらを本発明の範囲から排除するものではない。 産業上の利用可能性 以上、 詳細に説明したように、 本発明によれば、 以下のような効果を奏するこ とができる。
(A) STM装置の真空チャンバ一内で STM探針を作製するようにしたので 、 探針の汚染を防止することができる。
(B) STM装置に改良を加えることなく、 STMの機能を使用することによ り、 STM探針を作製することができる。
(C) 探針先端の原子を電界によって蒸発させて、 探針表面をクリーニングす るために、 原子が移動し易くなるとともに、 清浄な探針を作製することができる
(D) 探針間隔を調整して、 トンネル電流を流すことにより、 低電圧の印加電 圧で S TM探針を作製することができる。
S TM探針は先端のみがトンネル電流で加熱されるために印加電圧を切れば、 急速に冷却されて先端形状が保存される。
(E) STM探針を作製時に探針素材を外部から加熱することなく、 トンネル 電流によって加熱して、 S T M探針を作製することができる。
(F) STM探針の先端は原子 1個にすることができ、 この探針を用いれば、 最高の分解能を得ることができる。
(G) 電気的、 機械的な破壊によって先端の形状が変化しても、 STM真空チ ャンバ一内で、 先端形状を繰り返し再生することができる。
( H ) 多電極形の探針に外部電源等により物質表面に平行な電界を印加できる ために、 物質表面の新しレ、現象の観測が可能になる。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 走査トンネル顕微鏡探針の作製方法において、
( a ) 走査トンネル顕微鏡の真空チャンバ一内に、 探針素材と走査トンネル顕微 鏡サンプルとを対向させ、
( b ) 前記探針素材と走査トンネル顕微鏡サンプルとの間隔を第 1の距離に調整 して所定の電圧を印加し、
( c ) 前記探針素材の先端の原子を蒸発させると共に、 トンネル電流を流して加 熱し、
( d ) 前記探針素材と走査トンネル顕微鏡サンプルとの間隔が、 第 2の距離にな るまで蒸発を行い、
( e ) 前記探針素材の先端に拡散によって探針素材の原子を集め、 最後に前記探 針素材の先端に 1個の原子を止め、
( f ) 前記印加電圧を切り、 冷却する
ことを特徴とする走査トンネル顕微鏡探針の作製方法。
2 . 請求項 1記載の走査トンネル顕微鏡探針の作製方法において、 前記探針素材 はタングステンであることを特徴とする走査トンネル顕微鏡探針の作製方法。
3 . 請求項 1記載の走査トンネル顕微鏡探針の作製方法において、 前記探針素材 は S iであることを特徴とする走査トンネル顕微鏡探針の作製方法。
4 . 請求項 3記載の走査トンネル顕微鏡探針の作製方法において、 S i基板上に 複数の S i ボストを形成し、 多電極探針を得ることを特徴とする走査トンネル顕 微鏡探針の作製方法。
5 . 請求項 1記載の走査トンネル顕微鏡探針の作製方法において、 前記第 1の距 離は 0 . 5〜 2 Aであることを特徴とする走査トンネル顕微鏡探針の作製方法。
6 . 請求項 1記載の走査トンネル顕微鏡探針の作製方法において、 前記所定の電 圧は直流 1 0〜2 0 Vであることを特徴とする走査トンネル顕微鏡探針の作製方 法。
7 . 請求項 1記載の走査トンネル顕微鏡探針の作製方法において、 前記トンネル 電流による加熱温度は、 探針素材の溶融温度の略 1 / 3〜2 / 5の温度であるこ とを特徴とする走査トンネル顕微鏡探針の作製方法。
8. 請求項 1記載の走査トンネル顕微鏡探針の作製方法において、 前記第 2の距 離は 10〜20Aであることを特徴とする走査トンネル顕微鏡探針の作製方法。
9. 走査トンネル顕微鏡探針において、
(a ) 探針素材の基部と、
(b)該探針素材の基部の先端部に原子が拡散により集められ、 その後に拡散し た余分な原子は蒸発により排除されて残された探針素材の原子群から成るビラミ ッ ド形状部と、
( c )該ピラミッド形状部上に形成される探針素材の 1個の原子から成る最先端 部とを有する走査トンネル顕微鏡探針。
10. 走査トンネル顕微鏡探針において、
(a ) S i基板上に形成される複数の S iポストの基部と、
(b)該複数の S iボス卜の基部の先端部に原子が拡散により集められ、 その後 に拡散した余分な原子は蒸発により排除されて残された S iボストの原子群から 成るビラミ ッ ド形状部と、
( c ) 該ピラミ ツ ド形状部上に形成される S iポス トの 1個の原子から成る多電 極の最先端部とを有する走査トンネル顕微鏡探針。
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