JPH03233304A - 走査型トンネル電流検出装置 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、走査型トンネル電流検出装置に関する。

［従来の技術］ 最近、導体の表面原子の電子構造を直接観察できる走査
型トンネル顕微鏡（以後ＳＴＭと略す）が開発され［Ｇ
、　Ｂ１ｎｎ１ｇ　ｅｔ　ａｌ、、　Ｈｅ１ｖｅｔｉｃ
ａ　ＰｈｙｓｉｃａＡｃｔａ、　５５．７２６　（１９
８２）］　、単結晶、非晶質を問わず実空間像の高い分
解能の測定ができるようになり、しかも媒体に電流によ
る損傷を与えずに低電力で観測できる利点をも有し、さ
らに大気中でも動作し種々の材料に対して用いることが
できるため広範囲な応用が期待されている。

ＳＴＭは、金属の探針（プローブ電極）と導電性物質の
間に電圧を加えてｌｎｍ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、電流もしくは両者の平
均的な距離を一定に保つように探針を走査することによ
り実空間の表面情報を得ることができる。その際、面内
方向の分解能は１形成度である。

一方、従来、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
では時計旋盤等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１ｍｍ以下）を電界液
中で電圧印加によて浸食させた先端を尖らせるものであ
るが、先端曲率半径０．１乃至１間と切削法より微小な
プローブを製造することができる。と同時に、トンネル
電流検出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。

［発明が解決しようとする課題］ 上述のトンネル電流検出装置において、高い分解能で機
能的にトンネル電流を検出するには、先端曲率半径の小
さなプローブ電極を再現性よく製作することが必要であ
る。

しかし、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ｐｍ以下の精度を有し、かつ再現性よく作製された
微小プローブ電極を用いたトンネル電流検出装置を提供
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
小プローブ電極を用いたトンネル電流検出装置を提供す
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プローブ電極を有する走査型トンネ
ル電流検出装置、 または、前記プローブ電極が、円錐もしくは角錐状の構
造を有する微小突起で構成されている走査型トンネル電
流検出装置。

または、前記プローブ電極が、金、銀、白金。

パラジウムいずれかの貴金属もしくはそれらの合金によ
って被覆された微小突起で構成されている走査型トンネ
ル電流検出装置、 または、前記プローブ電極が、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
とで得られる微小突起で構成されている走査型トンネル
電流検出装置、または、前記プローブ電極に隣接して増
幅器を備えた構成を有する走査型トンネル電流検出装置
、 または、前記プローブ電極が、複数備えられている走査
型トンネル電流検出装置としている点にある。

すなわち本発明は、先端曲率半径の小さなプローブ電極
を再現性よく製作することにより、高分解能、高機能な
トンネル電流検出装置の提供を可能にした。

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
曲率半径が叩以下の円錐もしくは角錐形の突起物を形成
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、フォトリングラフ技術。

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、　Ａｇ、　Ｐｔ、　Ｐｄ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。

ＸｅＣｊ）、　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１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１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。

［実施例］ 及鳳狙ユ 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　Ｐｍ）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ブリベータを行
う。この時、膜厚はｌｐｍになる様にした。

続いて、露光、現像、ボストベークを行い、所望のレジ
ストパターンを作製した（第１図■）ａ斯る基板上にＡ
ｕ　（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２）Ｌｍφの微小領域を形成した（
第１図■）。

さらに、基板に波長３０８ｎｍのＸｅＣＲ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、斯かる基板上に真空蒸着法によってＡ２を膜厚
５０００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１．２ｐｍ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
、ＨｓＰＯ４：ＨＮＯｘ：ＣＨｓＣＯＯＨ：Ｈ２０＝　
１６：ｌ：２：１の溶液でＡ２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、　ＤＭＦ
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３）ｉｍ、プローブ先端曲率半径０．
１←ｍであった。更に斯かるプローブ電極を用いて３７
Ｍ観察により、トンネル電流の検出を行った。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製された市販のＳＴＭ用ｐｔプロー
ブ（デジタルインスツルメント社製、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ＰＺＴ　）上に接着ないし装着し
３７Ｍ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１５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本中上８本、前記市販のプローブ電極では
２０本中上本であった。特に、グラファイトカーボン表
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
極めて高い分解能で安定したトンネル電流が得られたこ
とが分かった。

尚、ここではＳＴＭとして用いたが、−数的なトンネル
電流の検出装置として用いることは可能である。

大１０仕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。斯かる微
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高い分解能で再現性のよいトンネ
ル電流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。

主五皿ユ 洗浄したガラス基板上に、膜厚が５０−ｍ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Ａ４ａＯｉであ
り、膜厚３０００人とした。斯かる基板上に実施例１と
同様にして、ＸｅＣ１’レーザーを照射した。但し、強
度１０ｍＪ／ｃｍ”、　３００シヨツトとした。続いて
、斯かる基板上にＡｕを真空蒸着法によって膜厚３００
０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
様にしてトンネル電流の検出を行った。

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、
本発明に係るプローブ電極は、交換に対しても得られる
ＳＴＭ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０．０５ｐｍ、プローブ底
部の直径５Ｈ，電極高さ３４ｍであった。

［発明の効果］ 以上述べたように、本発明のプローブ電極に特徴を有し
た走査型トンネル電流検出装置によれば、 ■プローブ電極の先端曲率半径をＨ以下にすることがで
きたので、高い分解能でトンネル電流を検出することが
可能になった。

■本発明に係るプローブ電極は、同一基板上の任意の箇
所に同−形状及び同一特性を有して複数個を容易かつ再
現性よく作製されたものであるため装置駆動系の高機能
化が可能になった。

【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ある。 １・・・基板　　　　　　　１６・・・ＸＹ走査駆動回
路２・・・マスク　　　　　　１７・・・電源３・・・
微小領域　　　　　１８・・・微動制御機構４・・・エ
キシマレーザ−１９・・・サーボ回路５・・・配線用金
属　　　　２０・・・プローブ電流増幅器１１・・・基
板　　　　　　　２１・・・粗動駆動回路１２・・・プ
ローブ電極　　　２２・・・粗動機構１３・・・試料　
　　　　　　２３・・・ＸＹステージ１４・・・表示装
置　　　　　２４・・・台座部１５・・・マイクロコン
ピュータ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）高分子材料からなる微小突起が導電性媒体で被覆
   されているプローブ電極を有することを特徴とする走査
   型トンネル電流検出装置。
2. （２）前記プローブ電極が、円錐もしくは角錐状の構造
   を有する微小突起で構成されていることを特徴とする請
   求項１記載の走査型トンネル電流検出装置。
3. （３）前記プローブ電極が、金、銀、白金、パラジウム
   いずれかの貴金属もしくはそれらの合金によって被覆さ
   れた微小突起で構成されていることを特徴とする請求項
   １記載の走査型トンネル電流検出装置。
4. （４）前記プローブ電極が、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
   で得られる微小突起で構成されていることを特徴とする
   請求項１記載の走査型トンネル電流検出装置。
5. （５）前記プローブ電極に隣接して増幅器を備えた構成
   を有することを特徴とする請求項１記載の走査型トンネ
   ル電流検出装置。
6. （６）前記プローブ電極が、複数備えられていることを
   特徴とする請求項１記載の走査型トンネル電流検出装置
   。