JPH08313543A

JPH08313543A - トンネル電流乃至は原子間力等を検知するプローブ及びその製造方法、並びに該プローブを用いた走査型プローブ顕微鏡又は情報処理装置

Info

Publication number: JPH08313543A
Application number: JP14406095A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Shimada; 康弘島田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1995-05-18
Filing date: 1995-05-18
Publication date: 1996-11-29

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、十分な導電性を有しないＺｎＯ針状
結晶ティップの導電性を向上させ、低い電気抵抗の試料
の観察を可能としたプローブと該プローブを用いた走査
型プローブ顕微鏡又は情報処理装置を提供すると共に、
そのティップを容易にプローブ構成部材の所定の位置に
接合することのできるプローブの製造方法を提供するこ
とを目的とするものである。【構成】本発明は上記目的を達成するために、トンネル
電流乃至は原子間力等を検知するプローブにおいて、十
分な導電性を有しない酸化亜鉛を主体とした針状結晶の
テイップを、５ｍｏｌ％以下の３価の金属イオンを含有
させた構成とするか、またはその表面に導電性の材料を
堆積した構成とすることによって、導電性の高いティッ
プを形成し、電気抵抗が低抵抗な試料においても観察を
行えるようにしたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ティップと試料間に発
生するトンネル電流または原子間力等を利用して試料表
面を観察する装置（ＳｃａｎｎｉｎｇＰｒｏｂｅＭ
ｉｃｒｏｓｃｏｐ．以下ＳＰＭという）またはＳＰＭを
応用した情報処理装置に係り、特に、トンネル電流乃至
は原子間力等を検知するプローブ及びその製造方法、並
びに該プローブを用いた走査型プローブ顕微鏡又は情報
処理装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ＳＰＭは、導体の表面原子・電子構造を
直接観察できる走査型トンネル顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎ
ｇＴｕｎｎｅｌｉｎｇＭｉｃｒｏｓｃｏｐ：ＳＴ
Ｍ）や、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の総称であり、これ
らは物質の表面を原子オーダーの分解能で観察でき、こ
れらの装置を用いることより金属、半導体、有機物質な
どの表面形状が観測される。さらに最近では単に表面形
状を観測するのみならず、ティップに電圧をかけて流れ
る電流電圧特性を測定したり、電圧印加により表面の電
気的特性を変化させたり、機械的に変化させるという技
術も発達している。例えばＡＦＭ（原子間力顕微鏡）の
ティップに導電物質をコートし、ＡＦＭの動作によりナ
ノスケールで位置を決定した後に、試料とティップとの
間に電圧を印加して電流を測定することにより、ＳＴＭ
（走査型トンネル顕微鏡）と同様に局所的な電流電圧測
定を行えることが特開平３−２１０４６５号公報に開示
されている。また、ＡＦＭ動作により像を得ると同時
に、ティップに電圧をかけた際に流れる電流をＡＦＭ像
と同時に画像化すれば表面形状とそれに対応した導電率
の情報を得ることが特開平３−２７７９０３号公報に開
示されている。また、ＡＦＭ動作により位置を確定した
後、電圧を印加することにより媒体に情報を記録し、そ
こでの電流特性により記録を読み出す手法も考案されて
いる。一方、ＡＦＭのティップとして、針状結晶を用い
ることが特開平５−７９８３５号公報に開示されている
（図７参照）。針状結晶は結晶の面方位に依存した一定
の形状を持つ先端が得られる。結晶が鋭利な先端曲率半
径を有する場合は、凹凸の多い表面の観察や、高分解能
の測定に有利である。特に３次元構造を持った酸化亜鉛
（ＺｎＯ）のテトラポッド型結晶は平面上に取りつける
ことが容易であるという優れた応用特性を持っている。
そこで、このＺｎＯのテトラポッド型結晶をティップ原
子間力の測定に用いるとともに、トンネル電流も測定す
る利用方法が考えられる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記した従来のテトラ
ポッド型ＺｎＯ結晶を弾性体上に搭載したＡＦＭ装置を
用いて、ティップと試料の間を流れる電流を観察するＳ
ＴＭ観察を行う場合、ＺｎＯは十分な導電性を有さない
ためにつぎのような点に問題がある。それは、まず第一
に、探針の抵抗よりも抵抗の小さい試料の正確な電流測
定ができないということである。そして、第二に、記録
媒体に対して電庄印加を行う際や、試料の交流測定を行
う際に、探針付近の容量成分および探針の抵抗成分によ
り所望の波形を持った電圧が印加できないということで
ある。さらにまた、上記のようなプローブの製造方法に
おいても、ティップを弾性体の所定の位置に接合するの
は困難であり、特に複数のプローブを同一基板上に形成
するのに適していないとう点に問題がある。

【０００４】そこで、本発明は上記した問題を解決し、
十分な導電性を有しないＺｎＯ針状結晶ティップの導電
性を向上させ、低い電気抵抗の試料の観察を可能とした
プローブと該プローブを用いた走査型プローブ顕微鏡又
は情報処理装置を提供すると共に、そのティップを容易
にプローブ構成部材の所定の位置に接合することのでき
るプローブの製造方法を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、トンネル電流乃至は原子間力等を検知す
るプローブにおいて、十分な導電性を有しない酸化亜鉛
を主体とした針状結晶のテイップを、５ｍｏｌ％以下の
３価の金属イオンを含有させた構成とするか、またはそ
の表面に導電性の材料を堆積した構成とすることによっ
て、導電性の高いティップを形成し、電気抵抗が低抵抗
な試料においても観察を行えるようにしたものである。
本発明のテイップは、弾性体上に設けられ、テイップを
構成する前記３価の金属はアルミニウムによることが好
ましい。また、本発明における請求項１〜請求項４のい
ずれか１項に記載のプローブは、基板上にプローブの弾
性体を形成する工程と、ティップ構成用の針状結晶を作
製する工程と、該基板上に該弾性体と該針状結晶とを接
合するための接着用材料を堆積しパターニングする工程
と、該針状結晶を該基板上に散布し該弾性体の所定の部
分に該針状結晶を接合する工程とを含むプローブの製造
方法により、製造することができる。そしてまた、この
プローブによって、試料の表面観察を行う走査型プロー
ブ顕微鏡、または記録媒に対して情報の記録再生等を行
う情報処理装置を構成することができる。

【０００６】

【作用】本発明は、上記したように十分な導電性を有し
ない酸化亜鉛を主体とした針状結晶のテイップを、５ｍ
ｏｌ％以下の３価の金属イオンを含有させた構成とする
か、またはその表面に導電性の材料を堆積した構成とす
ることによって、導電性の高いティップとして、電気抵
抗が低抵抗な試料においても観察を行えるようにしたも
のである。本発明において、この針状結晶のテイップの
導電率の向上は、つぎのように行われる。すなわち、酸
化亜鉛（ＺｎＯ）を主成分とする針状結晶は、そのＺｎ
Ｏはノンドープの状態では比抵抗ρがおよそ１×１０Ω
ｃｍのｎ型半導体であるが、本発明においては、これを
つぎの２つの方法でＺｎＯ針状結晶表面の電気抵抗を小
さくした。第一の方法は、針状結晶にドーピングする方
法である。ＺｎＯはアルミニウム（Ａｌ）やクロム（Ｃ
ｒ）等の３価の金属をドーピングすることにより抵抗率
が小さくなることが知られている。特にＡｌの場合、２
〜３ｍｏｌ％の濃度でおよそｌΩｃｍにまでなる。ドー
ピングの方法としては針状結晶を成長させる工程で有機
Ａｌガスを混入する方法や、既知の方法で針状結晶を成
長させた後にイオンインプランテーションによりＡｌを
ドープする方法がある。第二の方法は、針状結晶の表面
に白金（Ｐｔ），金（Ａｕ）等の金属材料をコーティン
グする方法である。金属材料の成膜には真空蒸着法、ス
パッタリング法などが用いられる。本発明においては第
一の方法及び第二の方法のいずれの方法を用いても良
い。

【０００７】また、本発明は、以下のような手法によっ
て上記したティップを弾性体上の所定の位置に接着する
プローブの製造方法を構成するものである。すなわち、
この製造方法は、針状結晶を所定の位置にのみ接着する
ために、まず基板上にレジストを塗布して所定の位置の
みパターニング除去し、次に導電性を有する接着層を成
膜し、次に針状結晶を表面に散布し、次に、接着層と針
状結晶を接着させ、最後にレジストを除去することによ
り行われる。弾性体としては、基板上に作製された片持
ち梁（カンチレバー）、両持ち梁、膜（メンブレン）、
バネ等が用いられ、その形状は本発明においては、特に
制限されるものではない。また、本発明に用いられる弾
性体はアクチュエータとしての機能を有していても良
い。

【０００８】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。［実施例１］図１は、本発明の実施例１によるトンネル
電流乃至は原子間力等を検知するプローブを示すもので
ある。同図において、半導体基板３を加工して作製され
た弾性体２の先端部分にアルミニウムを含有した酸化亜
鉛の針状結晶からなるティップ１が搭載されている。針
状結晶は電流検出用配線を経て半導体基板上の信号処理
回路に接続されている。本実施例によるプローブの製造
方法を、図２に基づいて以下に説明する。まず、既知の
半導体プロセス技術を用いて単結晶シリコン基板３に信
号処理回路１７を作製した。次に基板３の両面に窒化シ
リコン１８を３００ｎｍ堆積し、裏面をフォトリソグラ
フの方法を用いてドライエッチングによりパターニング
した。次に、加熱した水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液
にてシリコン基板３を３０μｍ残すように裏面からエッ
チングした（図２（ａ）参照）。次に、基板３表面をフ
ォトリソグラフの方法を用いてドライエッチングにより
パターニングし、弾性体となる部分、及びコンタクトホ
ールを形成した。次に、シリコン基板３の表面にクロム
を２ｎｍ、金を１００ｎｍ堆積し、フォトリソグラフの
方法を用いてウェットエッチングにより配線１６の形状
にパターニングした（図２（ｂ）参照）。次に、基板３
表面にレジスト１９を塗布・パターニングした後、イン
ジウムよりなる接着層２０をスパッタリング法にて１０
００ｎｍ堆積した。次に酸化亜鉛の針状結晶を作製す
る。亜鉛粉末をアルゴン及び酸素雰囲気中で１０００℃
に加熱し、更にトリメチルアルミニウムガスを混入し、
テトラポッド形状の結晶を作製した。この方法によりＺ
ｎＯ中に２ｍｏｌ％のアルミニウムを含有させることが
できた。次に、上記針状結晶を基板３表面に散布した
後、２００℃に加熱して接着層２０を溶解させることに
より、針状結晶と弾性体を接着しティップ１とした（図
２（ｃ）参照）。次に、レジスト１９をアセトンで溶解
し除去した。次に、ＳＦ₆を用いたドライエッチングに
より、シリコン基板３を裏面から再びエッチングし、貫
通させることにより弾性体２を形成した（図２（ｄ）参
照）。弾性体２の長さは２００μｍである。このように
して作製したプローブを用いて清浄なＡｕ表面の導電性
を観察したところ、安定な電流信号を得ることができ
た。

【０００９】［実施例２］図３に、本発明の実施例２に
よるトンネル電流乃至は原子間力等を検知するプローブ
の断面図を示す。同図において、半導体基板３を加工し
て作製された弾性体２の先端部分に酸化亜鉛の針状結晶
に白金コーティング層２１を堆積したＺｎＯティップ５
１が搭載されている。針状結晶は電流検出用配線１６を
経て半導体基板３上の信号処理回路１７に接続されてい
る。本実施例による弾性体２は実施例１と同様の方法で
作製した。ここでは実施例１と異なる部分のみを示す。
まず、針状結晶の製造方法において、亜鉛（Ｚｎ）粉末
をアルゴン及び酸素雰囲気中で１０００℃に加熱し、テ
トラポッド形状の結晶を作製した。次に、作製した針状
結晶を採集し、弾性体２の先端の接着層２０を２００℃
に加熱して接着し、ＺｎＯティップ５１とした。次に、
レジストを塗布し、針状結晶の部分のみパターニング除
去した後、スパッタリング法を用いてＰｔを３００ｎｍ
堆積し、レジストを除去することによりコーティング層
２１とした。最後に、実施例１と同様の方法により弾性
体を形成した。このようにして作製したプローブを用い
て清浄なＰｔ表面の導電性を観察したところ、安定な電
流信号を得ることができた。

【００１０】［実施例３］図４に、本発明の実施例３と
して、実施例１によるプローブを用いた、ＡＦＭおよび
ＳＴＭの機能を有する走査型プローブ顕微鏡のブロック
図を示す。つぎの本実施例の説明において、試料表面と
平行な面内方向をＸ−Ｙ方向、試料表面と垂直な方向を
Ｚ方向として説明する。図４において、実施例１による
プローブは先端にティップ１を有する弾性体２、および
弾性体２を支持する基板３からなる。ティップ１は観察
が行われる試料４に対向して配置される。試料４は電圧
を印加するための下地電極６上にカーボンペースト等を
用いて接着される。試料４および下地電極６はステージ
７上に載置されている。ステージ７はピエゾ素子８上に
設けられており、該ピエゾ素子８は、Ｚ方向駆動回路９
およびＸ−Ｙ方向駆動回路１０が出力する駆動用電圧に
よって変位してステージ７を移動させる。ＸＹ方向駆動
回路１０およびＺ方向駆動回路９は制御回路１１からの
信号により、ピエゾ素子８を駆動させることによりステ
ージ７をＸＹＺ方向に移動させることが可能である。電
圧印加回路１２は制御回路１１からの信号により、下地
電極６を通してティップ１−試料４間に印加する電圧を
発生する。電流検出回路１３は、ティップ１−試料４間
に流れる電流を検出し、制御回路１１に出力する。たわ
み量検出装置１４は光てこ方式によるものである。この
たわみ量検出装置１４で検出される量は、ティップ１を
支持している弾性体２の曲がり角であり、この量から検
出したティップ１の先端位置を制御回路１１に出力す
る。

【００１１】次に本発明による走査型プローブ顕微鏡の
観察方法を説明する。まず、Ｚ方向駆動回路９によりピ
エゾ素子８を駆動させて、ティップ１と試料４を原子間
力が働くほど接近させ、たわみ量検出装置１４により検
出されるたわみ量が一定の値となるようにする。その状
態でＸＹ方向駆動回路１０によりピエゾ素子をＸ−Ｙ方
向に走査することにより表面観察が行われる。ＡＦＭ観
察においては、ティップ１のＺ方向に加わる力を弾性体
２のたわみとしてたわみ量検出装置１４によって検出
し、ある基準値との差分を出力することにより試料表面
の微小な凹凸により変化したＡＦＭ信号を得る。ＳＴＭ
観察においては、電圧印加回路１２を通してティップ１
−試料４間に電圧を印加し、電流検出装置１３により試
料−ティップ間に流れる電流を検出することによりＳＴ
Ｍ信号を得る。上記のＡＦＭ信号及びＳＴＭ信号を制御
回路１１に取り込み、ＸＹ走査信号に同期して処理すれ
ばＡＦＭ像およびＳＴＭ像が得られる。ＡＦＭ像および
ＳＴＭ像は、画像処理、たとえば２次元ＦＦＴ（高速フ
ーリエ変換）などの処理をしてディスプレイ１５に表示
される。本実施例の走査型プローブ顕微鏡を用いて清浄
なＰｔ表面の導電性を観察したところ、安定なＳＴＭ像
を得ることができた。

【００１２】［実施例４］図５に、本発明の実施例４と
して、情報処理装置の一態様である記録再生装置のブロ
ック図を示す。本実施例の記録再生装置は、図６に示す
マルチプローブが用いられる。このマルチプローブは実
施例１の方法によリプローブを同一基板内に複数作製し
たものである。本発明の作製方法においては、パターニ
ングにより針状結晶の位置を正確に決定することができ
るため、図のように同一基板内に複数のプローブを作製
する際に有利である。つぎの、本実施例の説明におい
て、記録媒体表面と平行な面内方向をＸ−Ｙ方向、記録
媒体表面と垂直な方向をＺ方向として説明する。本実施
例は実施例１による複数のプローブを用いて記録媒体５
に対して、書き込み、読み込み動作を行うものである。
該書き込み、読み込み動作の制御は制御回路１１によっ
てなされる。ティップ１は記録媒体５に対向して配置さ
れる。記録媒体５は実施例１の試料４と同様に下地電極
６上に形成され、下地電極６はステージ７上に載置され
ている。弾性体２、基板３、ピエゾ素子８、Ｚ方向駆動
回路９、Ｘ−Ｙ方向駆動回路１０、電圧印加回路１２、
電流検出回路１３、たわみ量検出装置１４、の機能は、
実施例３と同様である。記録媒体５は、ティップ１から
発生する電圧や電流により記録媒体表面の形状を凸型
（Ｓｔａｕｆｅｒ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔｅｒ
ｓ，５１（４），２７，Ｊｕｌｙ，１９８７，ｐ２４４
参照）または凹型（Ｈｅｉｎｚｅｌｍａｎｎ，Ａｐｐ
ｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．５３，Ｎｏ．
２４Ｄｅｃ．，１９８８．ｐ２４４７参照）に変形する
ことが可能な金属、半導体、酸化物、有機薄膜、あるい
は電圧や電流により電気的性質が変化（たとえば電気的
メモリー効果を生ずる）する有機薄膜等よりなる。電気
特性が変化する有機薄膜としては、特開昭６３−１６１
５５２号公報に記載された材料が使用され、ラングミュ
ア・ブロジェット膜よりなるものが好ましい。本実施例
においては石英ガラス基板の上に下地電極６として真空
蒸着法によってＣｒを５ｎｍ堆積させ、さらにその上に
Ａｕを３０ｎｍ同法により蒸着したものを用い、その上
にラングミュア・ブロジェット法によってＳＯＡＺ（ス
クアリリウム−ビス−６−オクチルアズレン）を４層積
層したものを用いた。

【００１３】本実施例による記録再生装置の操作手順を
以下に示す。まず、Ｚ方向駆動回路９によりピエゾ素子
を駆動させて、ティップと記録媒体を原子間力が働くほ
ど接近させ、たわみ量検出装置１４により検出されるた
わみ量が一定の値となるようにする。その状態でＸ−Ｙ
方向駆動回路１０によりピエゾ素子をＸ−Ｙ方向に走査
することにより記録及び再生が行われる。この状態で制
御回路１１の指示により電圧印加回路１２が記録に必要
な波形、パルス幅、及び波高値を持った電圧信号をティ
ップ１−記録媒体５間に印加することにより情報の記録
が行われる。また、電圧印加回路１１を通してティップ
１−記録媒体５間にバイアス電圧を印加して電流検出装
置１３によりティップ１−記録媒体５間に流れる電流を
検出することにより情報の再生が行われる。本実施例の
情報処理装置を用いることによりパルス幅の短いパルス
電圧による情報の記録再生を安定におこなうことができ
た。

【００１４】

【発明の効果】本発明は、以上のように十分な導電性を
有しない酸化亜鉛を主体とした針状結晶のテイップを、
５ｍｏｌ％以下の３価の金属イオンを含有させた構成と
するか、またはその表面に導電性の材料を堆積した構成
とすることによって、ティップの導電性を大きくするこ
とができるから、このテイップを用いて走査型プローブ
顕微鏡を構成することにより、電気抵抗が低抵抗な試料
においても安定した観察を行うことができ、また、この
テイップを用いて情報記録装置を構成することにより、
短いパルス電圧印加による情報記録を安定して行うこと
ができる。さらに、本発明のプローブの製造方法による
と、ティップを弾性体上の所望の位置に接着することが
でき、特に、同一基板上に複数のプローブを基板上に容
易に形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１によるプローブを示す図であ
る。

【図２】実施例１によるプローブの製造工程を示す図で
ある。

【図３】本発明の実施例２によるプローブを示す断面図
である。

【図４】本発明の実施例３による走査型プローブ顕微鏡
を示すブロック図である。

【図５】本発明の実施例４による情報処理装置を示すブ
ロック図である。

【図６】本発明の実施例４に用いられるマルチプローブ
を示す図である。

【図７】従来例によるプローブを示す図である。

【符号の説明】

１・・Ａｌを含むＺｎＯティップ２・・カンチレバー３・・基板４・・試料５・・記録媒体６・・下地電極７・・ステージ８・・ピエゾ素子９・・Ｚ方向駆動回路１０・・Ｘ−Ｙ方向駆動回路１１・・制御回路１２・・電圧印加回路１３・・電流検出装置１４・・たわみ量検出装置１５・・ディスプレイ１６・・配線１７・・信号処理回路１８・・窒化シリコン１９・・レジスト２０・・接着層２１・・コーティング層５１・・ＺｎＯティップ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】トンネル電流乃至は原子間力等を検知す
るプローブにおいて、５ｍｏｌ％以下の３価の金属イオ
ンを含有する酸化亜鉛を主体とした針状結晶で構成した
ティップを有することを特徴とするプローブ。
【請求項２】前記３価の金属が、アルミニウムである
ことを特徴とする請求項１に記載のプローブ。
【請求項３】トンネル電流乃至は原子間力等を検知す
るプローブにおいて、表面に導電性の材料を堆積した酸
化亜鉛を主体とする針状結晶で構成したティップを有す
ることを特徴とするプローブ。
【請求項４】前記テイップが弾性体上に設けられてい
ることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項
に記載のプローブ。
【請求項５】請求項１〜請求項４のいずれか１項に記
載のプローブを製造する方法であって、基板上にプロー
ブの弾性体を形成する工程と、ティップ構成用の針状結
晶を作製する工程と、該基板上に該弾性体と該針状結晶
とを接合するための接着用材料を堆積しパターニングす
る工程と、該針状結晶を該基板上に散布し該弾性体の所
定の部分に該針状結晶を接合する工程とを含むことを特
徴とするプローブの製造方法。
【請求項６】請求項１〜請求項４のいずれか１項に記
載のプローブによって、試料の表面観察を行う走査型プ
ローブ顕微鏡を構成したことを特徴とする走査型プロー
ブ顕微鏡。
【請求項７】請求項１〜請求項４のいずれか１項に記
載のプローブによって、記録媒に対して情報の記録再生
等を行う情報処理装置を構成したことを特徴とする情報
処理装置。