專利名稱：導電性掃描型顯微鏡用探針及使用該探針的加工方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種使用導電性納米管對試樣表面的構造進行攝影的掃描型顯微鏡用探針，更為詳細地說，涉及這樣一種導電性掃描型顯微鏡用探針及使用該探針的加工方法，該導電性掃描型顯微鏡用探針由導電性堆積物、導電性被覆膜、及導電性涂覆膜使導電性納米管和懸臂進行電導通，可在導電性納米管與試樣間加電壓或通電。
現有的懸臂用平板印刷術、腐蝕等微細加工技術制作。該懸臂用凸出部的前端檢測試樣表面的原子間力，所以，由前端的尖銳度確定攝影精度。因此，在成為探針的凸出部前端的尖銳加工中，利用作為半導體加工技術的氧化工序和氧化膜的腐蝕工序。然而，由于現在的半導體加工技術也存在微小化的極限，所以，上述凸出部前端的尖銳度也存在物理的極限。
另一方面，作為新的碳構造，發(fā)現了納米碳管。該納米碳管的直徑約為1nm到數十nm，長度為數μm，縱橫比(長度/直徑)為100-1000左右。在現在的半導體技術中，制作直徑為1nm的探針較困難，從這一點考慮，納米碳管作為AFM用探針具有最高條件。
其中，H.Dai等在NATURE(Vol.384，14November 1996)中報告了將納米碳管粘貼到懸臂的凸出部的前端的AFM用探針。他們的探針具有劃時代的意義，但由于不過是使納米碳管附著到凸出部，所以具有在對試樣表面進行幾次掃描期間納米碳管從凸出部脫落的性質。
本發(fā)明者等為了解決該弱點，開發(fā)出將納米碳管牢固地固定到懸臂的凸出部的固定方法。作為該開發(fā)的成果，在日本特開2000-227435號公開了第1固定方法，在特開2000-249712號公開了第2固定方法。
上述第1固定方法將電子束照射到納米管的基端部，形成涂覆膜，由該涂覆膜將納米管被覆固定到懸臂凸出部。第2固定方法將電子束照射到納米管的基端部或對其通電，將納米管基端部熔接固定到懸臂凸出部。
如上述那樣，由于市場上出售的懸臂使用半導體加工技術生產，所以，其材質為硅或氮化硅。硅為半導體，而氮化硅為絕緣體。因此，即使將納米碳管等導電性納米管固定到懸臂的凸出部，由于懸臂自身沒有導電性，所以，也不能在導電性納米管探針與試樣間加電壓或在探針中流過電流。
在探針沒有通電性的場合，意味著其用途存在大的限制。例如，不能將該探針用于隧道顯微鏡(STM)。這是因為隧道顯微鏡通過檢測在探針與試樣間流過的隧道電流而對試樣進行攝影。
另外，不能使用該探針在試樣表面上堆積原子、使原子移動、或取出原子。為了這樣地對原子進行操作以對試樣進行加工，需要對探針加電壓。該納米加工被認為是與生物工程并列的21世紀的基本技術，不能進行納米加工意味著使探針自身的發(fā)展前景受到限制。
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種導電性掃描型顯微鏡用探針，該導電性掃描型顯微鏡用探針使由導電性納米管構成的探針與懸臂導通，可在導電性納米管與試樣間加電壓或使其通電。
方案2的發(fā)明為一種導電性掃描型顯微鏡用探針，該導電性掃描型顯微鏡用探針由固定于懸臂的導電性納米管探針的前端獲取試樣表面的物性信息；其特征在于由形成于上述懸臂表面的導電性被覆膜、將基端部接觸配置于該導電性被覆膜的所希望部位的表面的導電性納米管、覆蓋該基端部對導電性納米管進行固定的導電性堆積物構成，由導電性堆積物使導電性納米管和導電性被覆膜成為導通狀態(tài)。
方案3的發(fā)明為方案1或2所述的導電性掃描型顯微鏡用探針，其中，在上述導電性堆積物上進一步被覆形成到達導電性納米管和導電性被覆膜的導電性涂覆膜，使導電性納為管與懸臂的導通狀態(tài)可靠。
方案4的發(fā)明為一種導電性掃描型顯微鏡用探針，該導電性掃描型顯微鏡用探針由固定于懸臂的導電性納米管探針的前端部獲取試樣表面的物性信息；其特征在于由將基端部接觸配置于上述懸臂的所希望部位的表面的導電性納米管、覆蓋該基端部而將導電性納米管固定到懸臂的導電性堆積物、及從該導電性堆積物上到導電性納米管和懸臂地形成的導電性涂覆膜構成，使導電性納米管和懸臂成為導通狀態(tài)。
方案5的發(fā)明為方案3或4所述的導電性掃描型顯微鏡用探針，其中，上述導電性涂覆膜覆蓋納米管前端部和前端地形成。
方案6的發(fā)明為方案5所述的導電性掃描型顯微鏡用探針，其中，構成上述導電性涂覆膜的導電性物質為磁性物質。
方案7的發(fā)明為一種試樣加工方法，該試樣加工方法使用方案5所述的導電性掃描型顯微鏡用探針，由金屬膜形成該導電性涂覆膜作為金屬源，在該導電性掃描型顯微鏡用探針與試樣間加上規(guī)定的電壓，從納米管的前端到試樣表面由電場使屬于上述金屬源的金屬原子放出離子，在試樣表面形成金屬堆積物。
方案8的發(fā)明為方案7所述的加工方法，其中，上述金屬堆積物的直徑在50nm以下。
本發(fā)明人對導電性掃描型顯微鏡用探針的開發(fā)進行了認真的研究，結果想到了由導電性被覆膜或導電性涂覆膜對導電性納米管與懸臂之間進行電連接的方法。
基本構造為在懸臂形成導電性被覆膜并由導電性堆積物使該導電性被覆膜與導電性納米管導通的構造。為了使該導通性可靠，采用從導電性堆積物上形成導電性涂覆膜強制地使導電性納米管與導電性被覆膜導通的構造。
導電性納米管為具有電導通性的納米管。一般情況下，導電性納米管有納米碳管等，絕緣性納米管有BN系納米管、BCN系納米管等。然而，如在該絕緣性納米管的表面形成導電性被覆膜，則可將絕緣性納米管轉換成導電性納米管。導電性納米管包含由加工獲得導電性的納米管。
形成于懸臂的導電性被覆膜指金屬被覆膜和碳被覆膜等具有電導通性的被覆膜。其制造方法可利用蒸鍍·離子鍍·陰極濺鍍等物理蒸鍍法(PVD)和化學氣相反應法(CVD)、電鍍或無電場鍍等各種方法。這樣形成的導電性被覆膜具有連接外部電源的電極的功能。
使導電性納米管固定于懸臂的導電性堆積物由電子束或離子束等使烴系氣體或有機金屬氣體等有機氣體分解，使分解氣體堆積在所期望的部位。材料可利用碳堆積物或金屬堆積物等導電性材料。
在有機氣體為烴系氣體的場合，上述分解堆積物成為碳堆積物。一般情況下，在碳堆積物由石墨物質構成的場合具有導電性，但在由非晶碳構成的場合根據膜厚的不同在導電性和絕緣性之間的寬范圍內分布。對于非晶碳，當膜厚較薄時，具有導電性，當變厚時，具有絕緣性。因此，由導電性的極薄膜碳堆積物使導電性納米碳管固定到懸臂的所期望部位，確保導通。
在有機氣體為有機金屬氣體的場合，上述分解堆積物為金屬堆積物。該金屬堆積物具有導電性，所以，可用作本發(fā)明的導電性堆積物。金屬堆積不論膜厚的大小如何都具有導電性，所以，為了確實地具有導電性，金屬堆積物比碳堆積物的方便利用性高。
作為上述烴系物質，具有甲烷系烴、乙烯系烴、乙炔系烴、環(huán)狀烴等，具體地說，最好為乙烯和乙炔等分子量較小的烴。另外，作為有機金屬氣體，例如有W(CO)6、Cu(hfac)2(hfachexa-fluoro-acety1-acetonate)、(CH3)2A1H、A1(CH2-CH)(CH3)2、[(CH3)3A1]2、(C2H5)3A1、(CH3)3A1、(i-C4H9)3A1、(CH3)3A1CH3、Ni(CO)4、Fe(CO)4、Cr[C6H5(CH3)2]、Mo(CO)6、Pb(C2H5)4、Pb(C5H7O2)2、(C2H5)3PbOCH2C(CH3)2、(CH3)4Sn、(C2H5)4Sn、Nb(OC2H5)5、Ti(i-OC3H7)4、Zr(C11H19O2)4、La(C11H19O2)3、Sr[Ta(OC2H5)6]2、Sr[Ta(OC2H5)5(OC2H4OCH3)]2、Sr[Nb(OC2H5)5(OC2H4OCH3)]2、Sr(C11H19O2)2、Ba(C11H19O2)2、(Ba，Sr)3(C11H19O2)6、Pb(C11H19O2)2、Zr(OtC4H9)4、Zr(OiC3H7)(C11H19O2)3、Ti(OiC3H7)2(C11H19O2)2、Bi(OtC5H11)3、Bi(C6H5)3、Ta(OC2H5)5、Ta(OiC3H7)5、Nb(OiC3H7)5、Ge(OC2H5)4、Y(C11H19O2)3、Ru(C11H19O2)3、Ru(C5H4C2H5)2、Ir(C5H4C2H5)(C8H12)、Pt(C5H4C2H5)(CH3)3、Ti[N(CH3)2]4、Ti[N(C2H5)2]4、As(OC2H5)3、B(OCH3)3、Ca(OC2H3)2、Ce(OC2H5)3、Co(OiC3H7)2、Dy(OiC3H7)2、Er(OiC3H7)2、Eu(OiC3H7)2、Fe(OCH3)3、Ga(OCH3)3、Gd(OiC3H7)3、Hf(OCH3)4、In(OCH3)3、KOCH3、LiOCH3、Mg(OCH3)2、Mn(OiC3H7)2、NaOCH3、Nd(OiC3H7)3、Po(OCH3)3、Pr(OiC3H7)3、Sb(OCH3)3、Sc(OiC3H7)3、Si(OC2H5)4、VO(OCH3)3、Yb(OiC3H7)3、Zn(OCH3)2等。
導電性涂覆膜覆蓋導電性堆積物地形成，而且，從導電性納米管到導電性被覆膜地被覆形成。即，由導電性涂覆膜使導電性納米管和導電性被覆膜導通。另外，即使在沒有導電性被覆膜的場合，也將該導電性涂覆膜形成到懸臂部表面，用作電極膜。
因此，存在將導電性涂覆膜形成到極為狹小區(qū)域的場合，也存在沿寬區(qū)域形成的場合。在形成到狹小區(qū)域的場合，可采用導電性堆積物形成方法。即，在狹小區(qū)域中，利用電子束和離子束等分解有機氣體，使該分解氣體局部地堆積，形成導電性涂覆膜。另外，在寬區(qū)域中，可利用蒸鍍·離子鍍·陰極濺鍍等物理蒸鍍法(PVD)或化學氣相反應法(CVD)、電鍍或無電場鍍等各種方法。
在被覆納米管前端和前端部地形成導電性涂覆膜的場合，使納米管探針具有該導電性物質的性質。例如，作為導電性物質使用Fe、Co、Ni等強磁性金屬的場合，可由納米管探針檢測出試樣表面的磁性。即，該探針可起到檢測試樣的磁性分布等的磁力顯微鏡(MFM)的探針的功能。
如使由金屬被覆到前端的該導電性掃描型顯微鏡用探針接近試樣，使試樣為陰極、探針為陽極地在試樣與探針間加電壓，則由形成于納米管前端與試樣間的超高電場使納米管前端的金屬離子化。該金屬離子由電場的作用沖擊到試樣表面，在試樣表面形成金屬堆積物。這樣，可相對試樣進行金屬原子的移動和堆積等加工。
圖2為本發(fā)明導電性掃描型顯微鏡用探針的第2實施形式的示意說明圖。
圖3為本發(fā)明導電性掃描型顯微鏡用探針的第3實施形式的示意說明圖。
圖4為本發(fā)明導電性掃描型顯微鏡用探針的第4實施形式的示意說明圖。
圖5為本發(fā)明導電性掃描型顯微鏡用探針的第5實施形式的示意說明圖。
圖6為本發(fā)明導電性掃描型顯微鏡用探針的第6實施形式的示意說明圖。
圖7為使用本發(fā)明的導電性掃描型顯微鏡用探針在試樣表面形成微點的示意說明圖。
實施發(fā)明的最佳形式下面參照附圖詳細說明本發(fā)明的導電性掃描型顯微鏡用探針及使用該探針的加工方法的實施形式。


圖1為本發(fā)明導電性掃描型顯微鏡用探針的第1實施形式的示意說明圖。懸臂4為用作AFM的探針的構件，由懸臂部6和以凸出狀形成于其前端的凸出部8構成。在該懸臂4形成從懸臂部6到凸出部表面17的導電性被覆膜17。該導電性被覆膜17由金屬和碳等的導電性材料構成。
在凸出部表面10接觸配置納米碳管等導電性納米管12的基端部16，在該實施形式中，基端部16和導電性被覆膜17不接觸。導電性納米管12的前端部14朝外方凸出，其前端14a成為信號檢測用的探針前端。
基端部16由金屬或碳等導電性堆積物18牢固地固定到凸出部表面10，由該導電性堆積物18將導電性納米管12一體固定到懸臂4，完成導電性掃描型顯微鏡用探針20(以后稱探針)。由導電性堆積物18進行的固定越牢固，則導電性納米管12越不容易脫落，探針20的耐久性提高。
另外，該導電性堆積物18覆蓋導電性被覆膜17的一端地形成。因此，導電性納米管12和導電性被覆膜17在導電性堆積物18的作用下處于電導通狀態(tài)。懸臂部6的導電性被覆膜17具有電極膜的功能，可通過該電極在導電性納米管12加電壓，或使其通電。
圖2為本發(fā)明的導電性掃描型顯微鏡用探針的第2實施形式的示意說明圖。與圖1相同的部分采用相同符號，省略其說明，在下面說明不同的部分。在該實施形式中，導電性被覆膜17不僅在懸臂部6而且在凸出部8的整個表面形成。
導電性納米管12的基端部16接觸配置于凸出部表面10的導電性被覆膜17上。覆蓋該基端部表面地形成導電性堆積物18，將導電性納米管12牢固地固定到懸臂4，完成探針20。由于基端部16接觸于導電性被覆膜17，所以，兩者電導通。對于使該導通可靠，導電性堆積物18起到了作用。
在基端部16與導電性被覆膜17之間因為某種原因進入有污物等絕緣物的場合，基端部16與導電性被覆膜17的導通不可靠。在該場合，兩者的導通性由導電性堆積物18完成。即，在該實施形式中，由導電性納米管12與導電性被覆膜17的接觸和導電性堆積物對兩者間的強制導通這樣雙重的電導通，保證導通的可靠性。
圖3為本發(fā)明導電性掃描型顯微鏡用探針的第3實施形式的示意說明圖。該第3實施形式將導電性涂覆膜22形成于第2實施形式。即，覆蓋導電性堆積物18地從導電性納米管12到導電性被覆膜17形成導電性涂覆膜22，更可靠地保證導電性納米管12與導電性被覆膜17的電導通。
圖4為本發(fā)明導電性掃描型顯微鏡用探針的第4實施形式的示意說明圖。在該第4實施形式中，不將導電性被覆膜17形成于懸臂4。制作順序為，將導電性納米管12的基端部16接觸配置到懸臂4的凸出部表面10，從其上形成導電性堆積物18而牢固地固定，并進一步從其上形成導電性涂覆膜22，完成探針22。
該導電性涂覆膜22覆蓋導電性堆積物18地從導電性納米管12到懸臂部6地形成，懸臂部6上的導電性涂覆膜22作為電極膜起作用。因此，由該導電性涂覆膜22使導電性納米管12和懸臂4導通，從該導電性涂覆膜22由外部電源相對導電性納米管12加電壓或通電。
圖5為本發(fā)明的導電性掃描型顯微鏡用探針的第5實施形式的示意說明圖。在該第5實施形式中覆蓋導電性納米管12的前端部14地延長形成第3實施形式的導電性涂覆膜22。該導電性涂覆膜22被覆有前端22a，使探針具有導電性物質的性質。
在導電性涂覆膜由Fe、Co、Ni那樣的強磁性金屬原子構成的場合，納米探針具有檢測試樣的磁性的性質。即，探針前端的強磁性金屬檢測出試樣表面的磁性，可對試樣表面的磁性圖像進行攝影。
圖6為本發(fā)明的導電性掃描型顯微鏡用探針的第6實施形式的示意說明圖。在該第6實施形式中覆蓋導電性納米管12的前端部14地延長形成第4實施形式的導電性涂覆膜22。該導電性涂覆膜22被覆有前端22a，使探針具有導電性物質。該探針的功能與第5實施形式同樣，所以，省略其說明。
圖7為使用本發(fā)明的導電性掃描型顯微鏡用探針在試樣表面形成微點的示意說明圖。探針20為由第5實施形式制成的導電性掃描型顯微鏡用探針，在該探針20的導電性被覆膜17與試樣24之間連接電源26，例如加10V左右的直流電壓。
由金屬形成導電性涂覆膜22，將導電性被覆膜17作為陽極、試樣24為陰極地加電壓，則從前端22a到試樣表面如虛線那樣形成超高電場。由該電場，使金屬原子離子化，由電場力朝箭頭a方向加速，堆積到試樣表面，堆積形成微點28。
導電性納米管12的直徑最小約為1nm，將該細小的導電性納米管12形成為金屬源，所以，可容易地形成直徑50nm以下的微點。使用該微點28可在試樣24a形成納米電路和納米構造物等，所以，可使用本發(fā)明的探針20確立納米工程的一種手法。
本發(fā)明不限于上述實施例，當然不脫離本發(fā)明的技術思想的范圍內的各種變形例和設計變更等也包含于本發(fā)明的技術范圍內。
產業(yè)上利用的可能性按照方案1的發(fā)明，可提供一種導電性掃描型顯微鏡用探針，該導電性掃描型顯微鏡用探針由導電性分解堆積物使導電性納米管與導電性被覆膜成為導通狀態(tài)，所以，可將外部電源連接到導電性被覆膜，對導電性納米管加電壓或通電。
按照方案2的發(fā)明，將導電性納米管的基端部接觸配置到導電性被覆膜的所希望部位的表面，先將導電性被覆膜與導電性納米管導通，并且形成對基端部進行覆蓋的導電性堆積物，確實地保證兩者間的導通。因此，可提供一種能夠在導電性納米管的固定的同時確實地保證電壓的施加和通電的導電性掃描型顯微鏡用探針。
按照方案3的發(fā)明，可提供一種導電性掃描型顯微鏡用探針，該導電性掃描型顯微鏡用探針在導電性堆積物上進一步被覆形成到達導電性納米管和導電性被覆膜的導電性涂覆膜，所以，可使導電性納米管與懸臂的導通狀態(tài)更為可靠。
按照方案4的發(fā)明，可提供一種導電性掃描型顯微鏡用探針，該導電性掃描型顯微鏡用探針從導電性堆積物上到達導電性納米管和懸臂表面地形成導電性涂覆膜，將該導電性涂覆膜用作導電性被覆膜，所以，構造簡單而且可由低成本確保導通性。
按照方案5的發(fā)明，可覆蓋納米管前端部和前端地形成導電性涂覆膜，所以，可使納米管探針具有導電性物質的性質。使用具有該特定的性質的探針，可高靈敏度地檢測出該性質敏感地感應的試樣表面的特定物性。
按照方案6的發(fā)明，由于構成上述導電性涂覆膜的導電性物質為磁性金屬，所以，當使用該探針對試樣表面進行掃描時，可高靈敏度地檢測出試樣表面的原子級別的磁性信息。
根據方案7的發(fā)明，使用方案5所述的導電性掃描型顯微鏡用探針，通過加上電壓而使可使金屬原子從探針自由地移動試樣表面上，在試樣表面形成納米電路和納米構造物。
按照方案8的發(fā)明，可在試樣表面形成直徑50nm以下的極小的納米構造物，可確立納米工程的手法。
權利要求
1.一種導電性掃描型顯微鏡用探針，通過固定于懸臂的導電性納米管探針的前端來獲取試樣表面的物性信息；其特征在于由形成于上述懸臂表面的導電性被覆膜、將基端部接觸并配置于懸臂的所希望部位的表面的導電性納米管、及從該導電性納米管的基端部覆蓋上述導電性被覆膜的一部分對導電性納米管進行固定的導電性堆積物構成，由導電性分解堆積物使導電性納米管和導電性被覆膜成為導通狀態(tài)。
2.一種導電性掃描型顯微鏡用探針，通過固定于懸臂的導電性納米管探針的前端來獲取試樣表面的物性信息；其特征在于由形成于上述懸臂表面的導電性被覆膜、將基端部接觸并配置于該導電性被覆膜的所希望部位的表面的導電性納米管、覆蓋該基端部對導電性納米管進行固定的導電性堆積物構成，由導電性堆積物使導電性納米管和導電性被覆膜成為導通狀態(tài)。
3.根據權利要求1或2所述的導電性掃描型顯微鏡用探針，其中，在上述導電性堆積物上進一步被覆并形成到達導電性納米管和導電性被覆膜的導電性涂覆膜，使導電性納為管與懸臂的導通狀態(tài)可靠。
4.一種導電性掃描型顯微鏡用探針，通過固定于懸臂的導電性納米管探針的前端來獲取試樣表面的物性信息；其特征在于由將基端部接觸并配置于上述懸臂的所希望部位的表面的導電性納米管、覆蓋該基端部而將導電性納米管固定到懸臂的導電性堆積物、及從該導電性堆積物上到導電性納米管和懸臂地形成的導電性涂覆膜構成，使導電性納米管和懸臂成為導通狀態(tài)。
5.根據權利要求3或4所述的導電性掃描型顯微鏡用探針，其中，上述導電性涂覆膜覆蓋納米管前端部和前端地形成。
6.根據權利要求5所述的導電性掃描型顯微鏡用探針，其中，構成上述導電性涂覆膜的導電性物質為磁性物質。
7.一種試樣加工方法，其特征在于使用權利要求5所述的導電性掃描型顯微鏡用探針，用金屬膜形成該導電性涂覆膜并作為金屬源，在該導電性掃描型顯微鏡用探針與試樣間加上規(guī)定的電壓，從納米管的前端到試樣表面通過電場使屬于上述金屬源的金屬原子放出離子，在試樣表面形成金屬堆積物。
8.根據權利要求7所述的加工方法，其中，上述金屬堆積物的直徑在50nm以下。
全文摘要
本發(fā)明的導電性掃描型顯微鏡用探針(20)通過固定于懸臂(4)的導電性納米管探針(12)的前端(14a)獲取試樣表面的物性信息；其特征在于由形成于上述懸臂(4)表面的導電性被覆膜(17)、將基端部(16)接觸配置于懸臂(4)的所希望部位的表面的導電性納米管(12)、從該導電性納米管(12)的基端部(16)覆蓋上述導電性被覆膜(17)的一部分對導電性納米管(12)進行固定的導電性分解堆積物(18)構成，由導電性分解堆積物(18)使導電性納米管(12)和導電性被覆膜(17)成為導通狀態(tài)。這樣，可實現能夠在成為探針的導電性納米管與試樣間加電壓或通電的導電性掃描型顯微鏡用探針。
文檔編號B82B3/00GK1397010SQ01804104
公開日2003年2月12日 申請日期2001年9月28日 優(yōu)先權日2000年11月26日
發(fā)明者中山喜萬, 秋田成司, 原田昭雄, 大川隆, 高野雄一, 安武正敏, 白川部喜治 申請人:大研化學工業(yè)株式會社, 精工電子有限公司, 中山喜萬