JP5174896B2 - カーボンナノファイバー探針カンチレバー - Google Patents

Description

この発明は、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）用カンチレバー、特にカーボンナノファイバー（ＣＮＦ）を探針とするカーボンナノファイバー探針カンチレバーに関する。

最近の走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は、液中の生体試料の測定にも広く使用されており、さらに高速走査が必要とされている。そのためＳＰＭのカンチレバーとして高い共振周波数、軽量、かつ柔らかいバネ定数を有する、すなわち、短いレバー長で薄いレバー厚のカンチレバーが求められている。

一方、高分解能測定のために高アスペクト比の探針をもつＳＰＭカンチレバーも求められている。本件出願人は特開２００５−３０８６７５号公報にて、高アスペクト比を有し、機械的強度に優れたカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）またはカーボンナノファイバー（ＣＮＦ）を探針としたＳＰＭカンチレバーを提案している。ここで、ＣＮＴは炭素によって作られる六員環ネットワークを外壁とし内部が空洞の中空のチューブであり、その長手方向垂直断面は年輪状（同心円状）である。これに対して、ＣＮＦは内部まで炭素原子が充填された針状体である。

上記公報開示の技術では、真空チャンバー内に突起状探針部を形成したカンチレバーを装着し、該真空チャンバー内にカーボン化合物を供給しながらアルゴンイオン等の高エネルギービームをカンチレバーに照射することにより、突起状探針部の先端にＣＮＦを形成させて探針とし、ＣＮＦ探針カンチレバーを実現している。

しかしながら、上記のような構成のカンチレバーでは、次のような課題がある。すなわち、まず短く薄いレバー部への突起状の探針部は形成しにくいと共に、レバー部が薄いために探針部の自重によりレバー部が反ってしまうこともありうる。そのため、突起状の探針部先端に所望の向きおよび長さを有するＣＮＦを、カーボン化合物を供給しながらの高エネルギービームの照射により形成させることは容易ではない。また、探針部の形成時に突起部もしくは角部などがレバー部、または探針部に形成されていると、突起部もしくは角部などから不要なＣＮＦが形成されてしまう場合がある。

図１に不要なＣＮＦの形成されたＣＮＦ探針カンチレバー１００を示す。図１において、符号１０１はレバー部、符号１０２はレバー部自由端近傍に形成された突起状の探針部、符号１０３は探針部の先端から成長したＣＮＦを示しており、これらの構成要素でＣＮＦ探針カンチレバー１００を構成している。符号１０４はレバー部１１上の角部に形成された不要なＣＮＦ１０４を示している。この不要なＣＮＦ１０４は成長方向が定まらないばかりか、長さも一定ではなく、また直進性も損なっている。つまり、本来ＣＮＦを形成させたくない部分にも不特定な方向に不揃いな長さでＣＮＦ１０４が形成されることがある。

不要なＣＮＦ１０４が形成されている場合には、測定中に不要なＣＮＦ１０４がＣＮＦ探針カンチレバー１００から脱離してコンタミネーションとなって誤動作の原因となるおそれがある。あるいは長い不要なＣＮＦ１０４が形成されている場合には測定時にノイズの発生等の悪影響を及ぼし、測定が不安定となり、正確な高分解能測定ができないおそれがある。

本発明は、従来のＣＮＦ探針カンチレバー１００における上記課題を解決するためになされたもので、軽量で高速走査可能な態様を維持しながら常に安定して高分解能の測定が可能なＣＮＦ探針カンチレバーを提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、支持部から伸びたレバー部と、該レバー部の自由端先端部に形成された一本のＣＮＦ細線とで、ＣＮＦ探針カンチレバーを構成するＣＮＦ探針カンチレバーを提供することができる。

従来の不要ＣＮＦが形成されたＣＮＦ探針カンチレバーの斜視図である。 本発明の実施例のＣＮＦ探針カンチレバーの斜視図である。 本発明の実施例のＣＮＦ探針カンチレバーの上面図である。 本発明の実施例の変形例のＣＮＦ探針カンチレバーの斜視図である。

本発明に係るＣＮＦ探針カンチレバー１０の実施例について説明する。図２Ａは、本実施例に係るＣＮＦ探針カンチレバー１０のレバー部１を斜め上からみた斜視図で、図２Ｂはレバー部１の上面から見た上面図である。図２Ａおよび図２Ｂにおいて、符号１は単結晶シリコンウエハを加工して作製した支持部（図示せず）より伸びた窒化シリコン製レバー部、符号２はレバー部１の上面外縁の自由端先端部に形成された一本のＣＮＦ細線を示している。すなわち、ＣＮＦ探針カンチレバー１０は、支持部と、支持部から伸びたレバー部１と、レバー部１の上面外縁の自由端先端部に形成された一本のカーボンナノファイバーであるＣＮＦ細線２と、を有する。突起状の探針部を有していないＣＮＦ探針カンチレバー１０では、ＣＮＦ細線２がカンチレバーの探針として機能する。

図２Ｂに示すように、上面から見たレバー部１の形状は、細長い平板状で自由端先端部のみに鋭角の角部を有し、他の角部は丸みを有した形状となっている。すなわち、ＣＮＦ細線２を形成された角部のみが鋭角である。そして、レバー部１における自由端先端部の頂角αは５度以上９０度未満で、好ましくは５度以上４５度未満である。すなわちレバー部１の１８０度より小さい角部にのみＣＮＦ細線２が形成されるが、頂角αは鋭角、すなわち９０度未満であることが好ましい。

カーボンナノファイバー探針カンチレバーは、支持部から伸びた平板状で上面外縁の自由端先端部の一点のみに鋭角の角部を有するレバー部と、該レバー部の前記角部の先端に、真空チャンバー内で、カーボン化合物を供給しながら、あるいは前記レバー部にカーボン化合物をコーティングした後、高エネルギービームを照射することにより形成された一本の直線状のカーボンナノファイバー細線と、を有する。

ＣＮＦ細線２の形成方法は、特開２００５−３０８６７５号公報に開示した従来技術と同様である。すなわち、真空チャンバー内に、カンチレバーを装着し、カーボン化合物を供給しながら、あるいはレバー部１（１１）にカーボン化合物をコーティングした後、アルゴンイオン等の高エネルギービームをカンチレバーに照射する。すると自由端先端部のみに先鋭化された角部を有するレバー部１（１１）を備えたカンチレバーでは、レバー部の自由端先端部の先鋭化された角部からＣＮＦ細線２を成長させてＣＮＦ探針カンチレバー１０が得られる。

なお、ここでは窒化シリコン製レバー部を有するＣＮＦ探針カンチレバー１０を示したが、これに限定されず、シリコン製、金属製、カーボン製など他の材料で形成したレバー部でも有効であることは言うまでもない。

金属製レバー部の場合の金属材料としては、Ｐt 、Ａu 、Ｉr などの貴金属およびその合金、またはＭo 、Ｗ、Ｔi などの高融点金属及びその合金が適している。

レバー部に貴金属を用いた場合は、酸化されにくく、光てこ方式のＡＦＭ（原子間力顕微鏡）測定では高反射が得られ、高解像度が得られる。また高融点金属を用いた場合は、作製上高温プロセスにも耐えうるため、構造設計の自由度が向上する。 また、レバー部１の自由端先端部の先鋭化された角部以外のレバー部１のエッジは、面取り加工されていてもよい。

このように、レバー部１の自由端先端部のみに探針となるＣＮＦ細線２を形成することにより、レバー部１の高共振周波数および低バネ定数を維持できる。また、所望の位置のみに高アスペクト比のＣＮＦ細線２を形成できるため、ＣＮＦ探針カンチレバー１０を用いるとＡＦＭ測定時にノイズ等の影響を受けることなく高分解能測定が可能となる。つまり、突起状の探針部を有していない探針であるＣＮＦ細線２は軽量であるために、レバー部の反りまたは共振周波数の低下を引き起こすこともなく、短くて薄いレバー部１を備えたカンチレバーにも適用できる。また、ＣＮＦ細線２はレバー部１より成長し形成されるため、レバー部１とは強固に固定されている。さらに、ＣＮＦ細線２自体の剛性も高いため、レバー部１のレバー特性を劣化させることなく安定した高速走査が可能となる。すなわち、短く薄いレバー部１の自由端に形成されたＣＮＦ探針２を有するＣＮＦ探針カンチレバー１０は、液中での生体試料についても高速走査且つ高分解能測定が可能である。

本発明によれば、突起状の探針部を有していない短くて薄いレバー部１の自由端先端部に一本のＣＮＦ細線を形成しているため、高速走査を維持しながら共振周波数を低下させることなく、常に安定して高分解能測定が可能なＣＮＦ探針カンチレバー１０を実現することができる。

本発明によれば、高エネルギービーム照射法によりレバー部１の自由端の先端部のみにＣＮＦ細線２が形成され、レバー部１の自由端先端部以外にはＣＮＦは形成されていないので、常に安定した高分解能測定が可能なＣＮＦ探針カンチレバー１０を実現することができる。

本発明によれば、レバー部１を金属とすることにより、電気的測定および種々の分野に広く適用可能となるＣＮＦ探針カンチレバーを実現することができる。

関連出願へのクロスリファレンス
本出願は、２００８年４月１７日に日本国に出願された特願２００８−１０７４３５号を優先権の基礎として出願するものであり、上記開示内容は、本願明細書、請求の範囲、図面に引用されたものとする。

Claims (2)

1. 支持部から伸びた平板状で上面外縁の自由端先端部の一点のみに鋭角の角部を有するレバー部と、
   該レバー部の前記角部の先端に、真空チャンバー内で、カーボン化合物を供給しながら、あるいは前記レバー部にカーボン化合物をコーティングした後、高エネルギービームを照射することにより形成された一本の直線状のカーボンナノファイバー細線と、を有することを特徴とするカーボンナノファイバー探針カンチレバー。
2. 請求項１に記載のカーボンナノファイバー探針カンチレバーであって、
   前記レバー部は、金属材料からなる。

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