JPH04162339A - 表面観察装置用探針の製造方法及び表面観察装置 - 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、導体、絶縁体、磁性体試料と探針とを接近し
て発生する原子間力、磁気力およびトンネル電流を利用
する装置に係り、試料の表面形態と磁気的性質の情報を
得るのに好敵な走査型磁気力顕微鏡および走査型トンネ
ル顕微鏡あるいは原子開力顕微鏡もしくはその類似装置
に用いる表面Ｉ２察装置用探針の製造方法及び表面観察
装置に関する。

〔従来の技術〕

従来技術である走査型１−ンネル顕微鏡は、探針と試料
間に電圧を印加し、探針と試料との距離を接近したとき
に得られるトンネル電流および電界放射電流を利用して
４体試料の表面形態を調べる装置である。一方、原子開
力顕微鏡は導体、絶縁体試料に探針を接近したときに発
生する原子間力を利用して表面状態を調べる装置である
。磁気力顕微鏡は、探針として磁性体を用い、この磁性
探針と磁性試料の間に発生する磁気力を利用して試料の
磁化状態を調べる装置である。

従来、磁性探針と試料を接近して得られる磁気力を利用
した走査型磁気力顕微鏡における試料の磁気的情報の取
得方法１ついては、ジャーナルオブ　バキューム　サイ
エンス　テクノロジーＡ６（１９８８年）第２７９頁か
ら第２８２頁（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｖａｃｕｕｍ　
５ｃｉｅｎｃｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、　　Ａ　６　
。

１９８８、ｐｐ２７９−２８２）　、あるいはアプライ
ド　フィジックス　レターズ　５０巻（１９８７年）第
１４５５頁から第１４５７頁（ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓ
ｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ、ｖｏＱ、５０，１９８７．　
ｐ　ｐ１４５５−１４５７）において論じられている。

〔発明が解決しようとする課題〕

原子開力顕微鏡や磁気力顕微鏡は、探針と試料表面の相
互作用によって生ずる引力、あるいは斥力を探針を設置
したカンチレバーの変位に変換して試料の表面情報を検
出する装置である。

上記従来技術で用いる探針とカンチレバーで構成された
プローブは、半導体リソグラフィ技術とＳｉ等の異方性
エツチングにより、例えば第１図のように構成されてい
た。従来技術で構成したプローブでは、Ｓｉ等の異方性
エツチングにより探針１とカンチレバー２を構成してい
るため、例えばＳｉ　（１００）を異方性エツチングし
て形成した探針の先端部の頂角（Ｏ）３は約７０．６度
と大きい。しかも探針の先端部の曲率半径も大きいため
に高分解能の表面情報を再現性良く得ることが困難であ
った。また前記プローブに磁性体を付着して磁性プロー
ブを構成したとき、先端部以外に付着した磁性体により
試料表面の漏洩磁界分布が乱され、その結果、磁気力情
報の分解能が低下する問題があった。

本発明の目的は、高分解能、高感度の原子間力や磁気力
等の表面情報観察に好適な探針の製造方法及び表面観察
装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明においては半導体リ
ソブライ技術や機械加工等により小さなバネ定数と大き
な剛性を持ったカンチレバーを作製し、このカンチレバ
ーの一端に探針を形成してプローブを構成する。前記探
針は、カンチレバーと同一材料で一体に構成するか、も
しくはカンチレバーと異なる材料からなる探針をカンチ
レバーの一端に移植することにより作製する。探針の先
端部は、イオンビームの直径が０．２μｍ以下に小さく
集束した集束イオンビームにより任意の形状に加工し、
探針先端部の頂角は５５度以下、先端部の曲率半径は５
０ｎｍ以下に鋭く尖せらた。

また探針の表面に磁性体を付着させ、余分の磁性体は集
束イオンビームにより選択的にスパッタリングして除去
した。上記のごとく作製したプローブの先端の探針を観
察試料表面に接近して設置し、探針と試料表面の間に作
用した原子間力、または磁気力によるプローブ（カンチ
レバー）の撓みによる変位を、プローブの後方に設けた
変位検出手段、例えばトンネル電流の検出、あるいは光
学的な変位として検出する表面観察装置を構成した。

〔作用〕

本発明は次のように作用する。半導体リソグラフィ技術
や機械加工などによりカンチレバーを作製する。カンチ
レバーの材質としてはＳｉ、酸化珪素、窒化珪素、ダイ
ヤモンド、Ｗ、Ｎｉ、ステレレス鋼等を用いる。高感度
の力検出のためにカンチレバーのバネ定数は３　Ｎ　／
　ｍ以下が望ましい。

バネ定数は、カンチレバーの厚さや形状により任意に選
ぶことができる。続いて、カンチレバーの自由端側に探
針を構成する部材を接着し、さらに探針の先端部を集束
イオンビームにより鋭角に加工し、尖らせる。この工程
は、直径０．２μｍ以下に小さく集束したイオンビー１
１をカンチレバーの先端部で走査し、イオンビーム照射
により発生した２次電子像を観察し、カンチレバーと探
釦の形態を識別することにより行うことが出来る。探針
を構成する部材の材質はカンチレバーと同じか、または
異種のものでも良い。またカンチレバーの一端に探針を
構成する部材を一体に形成できることは言うまでもない
。集束イオンビームの直径は集束用のレンズ系を調節す
ることにより０．１μｍ以下に集束でき、このイオンビ
ームを用いることにより、さらに微細な任意の形態の探
針の加工が出来る。高分解能の表面情報を得るためには
、探針先端部の頂角は５５度以下が良く、望ましくは３
０度以下が良い。さらに探針先端部曲率半径は５０ｎｍ
以下が望ましい。カンチレバーと探針材料の接着は、カ
ンチレバーの近くに設置したカンチレバーや探釧部材と
同種あるいは異種の月料をイオンビームによりスパッタ
リングすることにより可能である。探針の材料としては
、Ｗ、ステンレス鋼、Ｎｉ、Ｆｅ、窒化珪素、酸化珪素
、ダイヤモンド等を用いる。以上により原子開力顕微鏡
等の表面ｌｌ！察装置に適したプローブが作製できる。

また上記のごとく作製した探針の先端部にＦｅ。

Ｎｉ、Ｃｏ、パーマロイあるいはこれらの合金。

酸化物、窒化物などの磁性体を付着した後、探針の先端
部以外に付着した磁性体を集束イオンビームにより除去
する。あるいはカンチレバー面や探針部材にあらかじめ
磁性体を付着した後、探針先端部を鋭角に加工すると共
に、余分の磁性体を集束イオンビームによりスパッタリ
ングして除去する。以上により磁気力顕微鏡等の磁気情
報ａ察装置に適したプローブが作製できる。

この構成により、探針と試料の間に作用した原子間力、
磁気力を探針により感知し、これによりカンチレバーに
撓みが生じる。この撓みの量をカンチレバーの後方に設
けた変位検出手段（例えばトンネル電流、または光学的
な方法、あるいは静電容量の変化）で検出することによ
り、試料の表面形態情報と、さらに正確な磁気力情報を
得る。

同様の計測手段は、試料と探針の間の原子間力、磁気力
の他に、音響、熱、光などによる試料と探針間の変位を
検出する走査型トンネル顕微鏡類似装置に適用できる。

〔実施例〕

以下、実施例でもって本発明を説明する。

実施例１ 第２図により、本実施例を説明する。半導体リングラフ
ィ技術などにより第２図のごとく一端が支持体４に固定
された片持ちのカンチレバー２を作製する。カンチレバ
ー２の材料としては、剛性が高く比重の小さいものが望
ましい。本実施例では、Ｓｉ、５ｉｎ２．Ｓｉ３Ｎ４．
Ｗ、Ｍｏ、ダイヤモンＩ〜状カーボン、あるいはステン
レス鋼を用いて同様の構成のカンチレバー２を作製した
がいずれも同様の効果が得られた。続いてカンチレバー
２の自由端側に探針を構成する探針部材５を付着する。

この工程は、集束イオンビームを用いた移植技術により
行う。すなわち、探針部材５を例えば圧電素子を用いた
移動機構で保持し、直径０．１μｍ以下に小さく収束し
たイオンビームによりカンチレバー２の先端部の２次電
子像を観察しながら、上記探鉗部材５をカンチレバー２
の所望の位置に搬送する。続いて、ガリウムイオンや探
針部材の一部を集束イオンビームによりスパッタリング
せしめることにより、前記カンチレバー２に探針部材５
を接着する。さらに集束イオンビームを探針部材５の先
端部に照射し、鋭い形態に加工する。これにより探針６
の先端部の頂角０３を約２０度、先端部の曲率半径を５
０ｎｍ以下に加工した。探針６の先端部の頂角θ３は、
加工時の集束イオンビームの走査方向を任意に買えるこ
とにより任意に変化できる。探針６を構成する探針部材
５の材質はカンチレバー２と異種、もしくは同種のいず
れでも効果は同じである。本実施例ではＷ、Ｎｉ、Ｔｉ
Ｃ，Ｆｅ、ＬａＢ、などを探針部材５として用いたが、
いずれも同様の高分解能表面情報の検出効果を持った原
子開力顕微鏡用の探針を得ることが出来た。

次に、前記探針６の先端部に磁性体を蒸着し、高分解能
の磁気力顕微鏡用の磁性探針を得ることが出来た。磁性
探針用の磁性体材料としてはＣｏ。

Ｆ”　ｅを主成分とし、これにＮ、ｉ、Ｃｒ、ｒ’１．
。

Ｚｒ、Ｃ，Ｎなどを添加した合金あるいは多層膜あるい
は酸化物を使用する。磁性探針の磁化容易軸の向きを制
御するために蒸着時の蒸着方向を変化した。磁性探針の
飽和磁化は１．　ＯＯｋ　Ａ　／　ｍ以上、保磁力は８
０Ａ／ｍ以」二が望ましく、これらの特性は磁性材料の
組成や蒸着時の温度を適切に選ぶことにより任意に制御
できる。

実施例２ 本発明の他の実施例を第３図（、）および第３図（ｂ）
により説明する。半導体リングラフィ技術にこより第３
図（ａ）のごとく、カンチレバー２と探針部７が一体に
構成されたプローブを作製する。カンチレバー２と探針
部７はＳ　ｉ　Ｏ２で構成されており、これらはお互い
に異なった角度で接続されている。カンチレバー２と探
針部７の厚さは約１μｍ、長さは約１８０μｍで、バネ
定数は約Ｉ　Ｎ　／　ｍであった。続いて探針部７の片
面に磁性体８を蒸着法、あるいはスパッタリング法によ
り付着する。次に集束イオンビームを用いて前記探針部
７をスパッタリング加工し、頂角θ３が約１８度、先端
部の曲率半径が約４０ｎｍの先端が鋭く尖った探針１を
作製した。同時に探針部以外のカンチレバー面に付着し
た磁性体は集束イオンビームによりスパッタリング加工
することにより除去した（第３図（ｂ））。これにより
高感度。

高分解能の磁気情報検出に適した磁性探針を得ることが
出来た。前記実施例において、磁性体を付着する工程を
省くことにより、同様に探針の先端の頂角が小さく、高
分解能表面情報検出に適した原子開力顕微鏡用の探針を
得ることが出来た。

本実施例では、酸化珪素でカンチレバー、探針部を構成
した場合を説明したが、これを窒化珪素。

Ｗ、Ｎｉ等で構成しても良いことは言うまでもない。

実施例３ 本発明により作製した探針を用いて原子間力や磁気力を
検出する表面観察装置に適用した例を第４図により説明
する。

実施例１，２のごとく作製した探針１１の先端が試料１
２の面に対して垂直になるように設置する。この探針お
よびカンチレバーの両面にはＡｕ。

ｐｔなどの電気導電性の被覆層１３を形成する。

試料１２と反対側のカンチレバー１４の面に接近させて
先端が鋭く尖った金属探針１５を設置し、カンチレバー
面と金属探針の間のトンネル電流を検出することにより
、試料と探針の間に作用する原子間力あるいは磁気力に
よるカンチレバーの変位を検出する。金属探針１５は、
先端が鋭く尖ったＷ線やｐｔ線で形成する。上記のごと
く構成した測定系により、磁性試料の表面における漏洩
磁界によるカンチレバーの変位を検出し、この結果より
磁性試料の磁区構造などの磁気力情報を得る。

また非磁性試料と探針の間に作用する原子間力によるカ
ンチレバーの変位を検出することにより表面形層等の表
面情報を得た。

磁性探針の表面に被覆層を形成することにより、空気中
や真空中、あるいは各種ガス雰囲気で長時間動作しても
、再現性の良い測定ができる。

被覆層としては、ｐｔの他にＲｕ、Ｒｈ、Ａｕ。

Ｐｄおよびこれを含む合金を用いても効果は同じである
。

本実施例では、カンチレバーの変位の検出手段としてカ
ンチレバー面と金属探針間のトンネル電流を用いて説明
したが、カンチレバーの後方にレーザービームなどを照
射して行う光学的な変位を検出する手段、あるいは静電
容量検出器による手段を用いても良いことは言うまでも
ない。

〔発明の効果〕

以上述べたごとく、カンチレバーの先端に設けた探針の
先端の頂角が５５度以下、曲率半径が５０ｎｍ以下の鋭
い探針で構成することにより、高感度、高分解能の表面
形態情報と磁気情報を再現性良く得られる表面情報観察
装置に好適な探針を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来技術の探針の斜視図、第２図は実施例１の
探針の斜視図、第３図（、）および第３図（ｂ）は実施
例２の製造工程図、第４図は実施例３の表面ａ蒸装置の
斜視図である。 １．６．１１・探針、２，１４・・・カンチレバー、３
・・・頂角、４・・・支持体、５・・・探針部材、７・
・・探針部、８・・・磁性体、１２・・・試料、１３・
・・被覆層、１５・・・金属探針。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、試料表面に接近して設置し、前記試料表面との間に
   力を作用させる先端部が尖った探針と、試料と探針の間
   に作用した力を変位に変換するカンチレバーとから構成
   されるプローブと、前記プローブの変位を検出する手段
   をもつ表面観察装置において、前記探針の先端部の頂角
   が５５度以下、探針の先端部の曲率半径が５０ｎｍ以下
   であることを特徴とした表面観察装置。 ２、前記プローブを構成する探針とカンチレバーの材質
   は異なる請求項１記載の表面観察装置。 ３、前記探針の先端部に磁性体が付着している請求項１
   又は２記載の表面観察装置。 ４、カンチレバーの一端に探針材料を移植する工程、お
   よび該探針の先端部を集束イオンビームにより頂角が５
   ５度以下になるように鋭く尖らせる工程を有することを
   特徴とする表面観察装置用探針の製造方法。 ５、半導体リソグラフィ技術により探針とカンチレバー
   を同一材料で一体的に形成する工程、および該探針の先
   端部を集束イオンビームにより頂角が５５度以下になる
   ように鋭く尖らせる工程を有することを特徴とする表面
   観察装置用探針の製造方法。 ６、前記探針の先端部を鋭く尖らせる工程の前に探針部
   およびカンチレバーの面に磁性体を付着せしめる工程を
   有し、かつ探針を構成する部分以外の面の磁性体を集束
   イオンビームで除去する工程を有する請求項４又は５記
   載の表面観察装置用探針の製造方法。