专利名称:垂直式扫描型显微镜用悬臂及使用该悬臂的垂直式扫描型显微镜用探针的制作方法
技术领域：
本发明涉及将纳米管用作探针从试样表面获得物性信息的扫描型显微镜用探针，更为详细地说，涉及相对试样表面大体垂直地立设纳米管探针从试样表面以高分辨率获得物性信息的高性能扫描型显微镜用悬臂及使用该悬臂的高性能扫描型显微镜用探针。
近年来，发现了具有新碳构造的纳米碳管。该纳米碳管的直径约为1nm到数十nm，长度为数μm，纵横比(长度/直径)为100-1000左右。在现在的半导体技术中，制作直径为1nm的探针较困难，从这一点考虑，纳米碳管作为AFM用探针具有最高条件。
H.Dai等在NATURE(Vol.384，14November 1996)中报告了将纳米碳管粘贴到悬臂的凸出部的前端的AFM用探针。他们的探针具有划时代的意义，但由于不过是使纳米碳管附着到凸出部，所以具有在扫描试样表面几次期间纳米碳管从凸出部脱落的性质。
本发明者等为了解决该弱点，开发出将纳米碳管牢固地固定到悬臂的凸出部的固定方法。该开发的成果已经在日本特开2000-227435号公开了第1固定方法，另外，在日本特开2000-249712号公开了第2固定方法。
上述第1固定方法在将电子束照射到纳米管的基端部，形成涂覆膜，由该涂覆膜将纳米管被覆固定到悬臂凸出部。第2固定方法将电子束照射到纳米管的基端部或对其通电，将纳米管基端部熔接固定到悬臂凸出部。
然而，即使将纳米管固定到由锥状体构成的悬臂凸出部，其配置也经常使检测信号的分辨率下降。
图14为现有扫描型显微镜用探针的立体构成图。扫描型显微镜用探针20由悬臂2和纳米管12构成。该悬臂2由悬臂部4、其后端的固定部6、及其前端的凸出部8(称为棱锥部)构成，凸出部8具有成为探针的尖锐的前端8a。纳米管12的基端部虽然固定于凸出部8，但总是通过前端8a地固定需要高度的技术，在大多数场合，如图所示那样不通过前端8a。
当由该探针20扫描试样22的试样表面24时，相对试样表面24将纳米管前端18和前端8a双方作为探针起作用。获得的表面图像通过重合由纳米管前端18获得的影像与由前端8a获得的影像而构成，图像自身的鲜明度下降。
图15为现有另一扫描型显微镜用探针的立体构成图。在该现有例中，纳米管12由于通过前端8a，所以，前端8a的探针作用被封杀。因此，仅纳米管前端18起到探针的作用。
可是，当使该纳米管前端18接触在试样表面24时，纳米管12与试样22的试样平均表面26不直交，按交叉角φ斜交。在斜交状态下，纳米管前端18不能追随试样表面24的大倾斜度的凹部和凸部，出现不能检测的空白区域。即，在该场合，也避免不了检测分辨率的下降。
这些弱点是因为现有的凸出部8形成为锥体状而必须具有尖锐的前端8a而导致的。换言之，将现有的AFM用探针依原样用作纳米管探针的支架，将出现这些弱点。
因此，本发明的目的在于提供一种悬臂凸出部没有尖锐的前端而且检测时纳米管前端相对试样面以大体垂直状接触的垂直式扫描型显微镜用探针。
发明的公开方案1的发明为垂直式扫描型显微镜用悬臂，扫描型显微镜用探针由固定于悬臂的纳米管探针的前端获得试样表面的物性信息；其特征在于在悬臂设置用于固定纳米管的基端部的安装区域，当相对试样面将悬臂配置成测定状态时使上述安装区域的高度方向成为相对试样面大体垂直的状态地设置。
方案2的发明为如方案1所述的垂直式扫描型显微镜用悬臂，其中，上述安装区域为安装平面。
方案3的发明为如方案1所述的垂直式扫描型显微镜用悬臂，其中，上述安装区域为将纳米管的基端部插入的安装孔，该安装孔的轴向成为上述高度方向。
方案4的发明为如方案1所述的垂直式扫描型显微镜用悬臂，其中，上述安装区域为将纳米管的基端部嵌入的安装槽，该安装槽的槽方向成为上述高度方向。
方案5的发明为如方案1所述的垂直式扫描型显微镜用悬臂，其中，上述安装区域为棱线部，该棱线的方向为上述高度方向。
方案6的发明为如方案1所述的垂直式扫描型显微镜用悬臂，其中，上述安装区域为安装曲面，当将悬臂相对试样面配置成测定状态时使上述安装曲面的切平面的高度方向相对试样面成为大体垂直状态地设置。
方案7的发明为如方案1所述的垂直式扫描型显微镜用悬臂，其中，上述安装区域为通过利用聚焦离子束加工、腐蚀工艺、或淀积工艺形成。
方案8的发明为垂直式扫描型显微镜用探针，该扫描型显微镜用探针由固定于悬臂的纳米管探针的前端获得试样表面的物性信息；其特征在于在悬臂设置用于固定纳米管的基端部的安装区域，当相对试样面将悬臂配置成测定状态时使上述安装区域的高度方向成为相对试样面大体垂直的状态地设置，将纳米管的基端部固定到该安装区域的高度方向。
方案9的发明为如方案8所述的垂直式扫描型显微镜用探针，其中，上述悬臂的悬臂部的轴向在测定状态下相对试样面以角度θ配置成尾部抬起状时，上述纳米管的轴线与悬臂部的轴向大体呈(θ+90)度的角度。
图2为第1实施形式的侧面图。
图3为本发明的第2实施形式(安装槽)的透视图。
图4为第2实施形式的侧面图。
图5为本发明第3实施形式(安装槽)的透视图。
图6为第3实施形式的侧面图。
图7为本发明的第4实施形式(安装槽的变形例)的透视图。
图8为第4实施形式的侧面图。
图9为本发明的第5实施形式(棱线部)的透视图。
图10为第5实施形式的侧面图。
图11为第6实施形式的透视图。
图12为第7实施形式的透视图。
图13为第8实施形式的透视图。
图14为现有扫描型显微镜用探针的立体构成图。
图15为现有另一扫描型显微镜用探针的立体构成图。
图1为本发明第1实施形式的透视图。垂直式扫描显微镜用悬臂2(以后称悬臂)由悬臂部4、固定部6、及凸出部8构成。凸出部8以长方体状凸设于悬臂部4的前端，其自身还有探针状的尖锐的前端。
凸出部8的周面由多个平面构成，其中至少一面成为纳米管12的安装平面10。该安装平面10的特征在于配置成立设状并且其高度方向在试样测定时相对由一点划线表示的试样平面26垂直。在该安装平面10朝其高度方向固定纳米管12的基端部14。
纳米管12有导电性的纳米碳管或绝缘性的BN(氮化硼)系纳米管、BCN(碳氮化硼)系纳米管等各种纳米管。用于隧道显微镜(STM)时需要检测隧道电流，所以，使用导电性纳米管，用于原子间力显微镜(AFM)时，可根据用途选择纳米管，可为导电性纳米管，或可为绝缘性管，或哪一种都可。
对于将纳米管12固定于安装平面10的方法，如已经说明的那样，具有2种方法。第1个方法为由涂覆膜将纳米管12的基端部14被覆的方法，第2个方法是由电子束或离子束或通过通电将基端部14热熔接于安装平面10的方法。
纳米管12固定于安装平面10并使其轴线垂直地立设于试样22的平均表面26。这样安装时，纳米管12的前端部16时常在测定状态下相对平均表面26垂直配置，可高效率地由前端18进行试样表面24的检测。
通过将纳米管12固定到悬臂2，完成垂直式扫描型显微镜用探针20(以后简称为探针)。该探针用于扫描型显微镜，不限于例如上述的AFM或STM，具有由摩擦力检测表面的不同的水平力显微镜(LFM)、检测磁相互作用的磁力显微镜(MFM)、检测电场力的梯度的电场力显微镜(EFM)、将化学官能团的表面分布图像化的化学力显微镜(CFM)等，由探针扫描检测试样表面的物理和化学作用，获得试样的原子级别的物性信息。
图2为第1实施形式的侧面图。当相对试样将探针配置为测定状态时，悬臂部4的轴向b相对试样平均表面26以角度θ使尾部朝上地倾斜。在该倾斜配置状态下，纳米管12的轴线与轴向b按角度(θ+90)度交叉，所以，纳米管12相对试样平均表面26按90度垂直立设。
纳米管12在试样平均表面26垂直配置，意味着其前端18确实地跟随凹凸的试样表面24。即，前端18成为探针前端，所以，可高分辨率地检测出试样表面的物理和化学信息。
图3为本发明的第2实施形式的透视图。在与第1实施形式作用效果相同的部分采用相同符号，省略其说明，仅说明不同的部分。在本实施形式中，在凸出部8形成安装孔28。该安装孔28配置成测定状态时，安装孔28的轴线方向垂直于试样平均表面26地形成。
纳米管12的基端部14插入固定到该安装孔28。通过将纳米管12插入到安装孔28即可由原子间力固定。然而，当安装孔28的断面直径变得比纳米管12大时，通过由有机气体的分解堆积物将孔埋住、照射电子束、或通电将表面熔接等方法也可确实地固定。
图4为第2实施形式的侧面图。当探针20处于测定状态时，悬臂部4的轴向b相对试样平均表面26按角度θ将尾部抬起地倾斜，这一点与第1实施形式相同。然而，即使在该倾斜配置中，由于纳米管12的轴线(高度方向)与悬臂部4的轴向离开角度(θ+90)，所以，纳米管12相对试样平均表面26垂直接触。因此，前端18可确实地跟随试样表面24的凹凸。
图5为本发明第3实施形式的透视图。在与第1实施形式作用效果相同的部分采用相同符号，省略其说明，仅说明不同的部分。在该实施形式中，在凸出部8的表面形成安装槽30，在该安装槽30配合纳米管12的基端部14。为了使该配合为牢固的固定，可对表面进行被覆地形成涂覆膜，也可用束照射或由通电使表面熔接。安装槽30的断面形状具有匚字形、V字形、半圆形等各种形状。
图6为第3实施形式的侧面图。如图所示，悬臂部的轴向b与纳米管12的轴线离开角度(θ+90)度地组装。即，安装槽30的槽方向(高度方向)相对固定部6具有角度(θ+90)度的张开角地设定。结果，测定时的固定部6的尾部抬起角为角度θ，所以，纳米管12相对试样平均表面26按角度90度垂直接触。因此，纳米管12的前端18可确实地跟随试样表面24的凹凸，高精度地检测试样表面的物性信息。
图7为本发明的第4实施形式的透视图。在与第1实施形式作用效果相同的部分采用相同符号，省略其说明，仅说明不同的部分。在该实施形式中，在凸出部8的表面形成平坦的切口部32，该切口部32的台阶32a的部分构成安装槽30。安装槽30为可将纳米管12配合的场所的总称，包含槽状、台阶状、及其它形状。
在该台阶状的安装槽30配合固定纳米管12的基端部14。固定方法可利用涂覆膜或熔接等。为了将纳米管12垂直接触在试样平均表面26，该安装槽30的轴向在测定状态下垂直于试样平均表面26垂直地形成。
图8为第4实施形式的侧面图。悬臂部4的尾部抬起角θ和悬臂部4与纳米管12的张开角(θ+90)度如上述那样，在这里不再反复说明。
图9为本发明的第5实施形式的透视图。在与第1实施形式作用效果相同的部分采用相同符号，省略其说明，仅说明不同的部分。在该实施形式中，凸出部8形成为三棱柱状，棱线34表示纳米管12的安装位置。即，由于棱线的方向为安装方向，所以，在棱线的近旁与棱线平行地固定纳米管12。
图10为第5实施形式的侧面图。棱线34的方向与纳米管12的轴线以接近状态平行，在测定状态下垂直于试样平均表面26地设定。此外与其它实施形式相同，所以省略其说明。
图11为第6实施形式的透视图。凸出部8的形状为圆柱状，其周面为安装纳米管12的安装曲面38。设于该周面的任意位置的切平面36的高度方向垂直于试样平均表面26地设置。在安装曲面38与切平面36的切线位置固定纳米管12的基端部14。此时，前端部16与试样平均表面26大体垂直，如设尾部抬起角为θ，则悬臂部4与纳米管12的交叉角为(θ+90)度。
图12为第7实施形式的透视图。凸出部8的形状为倾斜地切开的圆柱状，其周面中的大面积区域成为安装纳米管12的安装曲面38。设于该安装曲面38的切平面36的高度方向与试样平均表面26垂直地设定。在安装曲面38与切平面36的切线的位置固定纳米管12的基端部14。此时，前端部16大体垂直于试样平均表面26，可相对试样进行高分辨率的检测。如图所示，当将悬臂部4的尾部抬起角设定θ时，悬臂部4与纳米管12的交叉角成为(θ+90)度。
图13为第8实施形式的透视图。凸出部8的形状为周面弯曲的圆锥台状，其周面的下端周缘区域成为安装纳米管12的安装曲面38。设于该安装曲面38的切平面36的高度方向与试样平均表面26垂直地设定。在安装曲面38与切平面36的切线的位置固定纳米管12的基端部14。此时，前端部16大体垂直于试样平均表面26，可相对试样进行高分辨率的检测。如图所示，当设悬臂部4的尾部抬起角为θ时，悬臂部4与纳米管12的交叉角成为(θ+90)。
在本发明中，在悬臂2的凸出部8不形成尖锐的前端。这是因为，其前端成为探针，会在以后安装的纳米管的探针作用产生误差。成为探针的纳米管12安装于该凸出部8。对于这些安装部位，由于其方向在处于测定状态时垂直于试样平均表面26，所以，安装的纳米管12当然成为垂直于试样平均表面26的配置。由该垂直配置，纳米管12可检测出鲜明的试样表面图像。
为了在凸出部8形成安装平面10、安装孔28、安装槽30、棱线34或安装曲面38时，可利用聚焦离子束和电子束进行腐蚀和淀积，也可利用一般的半导体技术的腐蚀工艺或淀积工艺。
本发明不限于上述实施例，在不脱离本发明技术思想的范围内进行的各种变形例和设计变更等当然也包含在本发明的技术范围内。
产业上利用的可能性按照方案1的发明，在测定状态下成为与试样面大体垂直状态地将安装区域形成于悬臂，所以，可提供将纳米管沿其高度方向固定于该安装区域即能够制作垂直式探针的优良的垂直式扫描型显微镜用悬臂。
按照方案2的发明，在测定状态下与试样面大体垂直地将安装平面形成于悬臂，所以，可提供将纳米管沿其高度方向固定于该安装平面即能够制作垂直式探针的优良的垂直式扫描型显微镜用悬臂。
按照方案3的发明，在测定状态下成为与试样面大体垂直的状态地将安装孔形成于悬臂，所以，可提供将纳米管插入固定到该安装孔即能够制作垂直式探针的优良的垂直式扫描型显微镜用悬臂。
按照方案4的发明，在测定状态下成为与试样面大体垂直的状态地将安装槽形成于悬臂，所以，可提供将纳米管配合固定到该安装槽即能够制作垂直式探针的优良的垂直式扫描型显微镜用悬臂。
按照方案5的发明，在测定状态下成为与试样面大体垂直的状态地将棱线部形成于悬臂，所以，可提供将纳米管固定到该棱线部即能够制作垂直式探针的优良的垂直式扫描型显微镜用悬臂。
按照方案6的发明，在悬臂形成安装曲面，可提供将纳米管沿高度方向固定于该安装曲面的切平面即可将纳米管配置到相对试样面大体垂直状态的垂直式扫描型显微镜用悬臂。
按照方案7的发明，利用聚焦离子束加工、腐蚀工艺、或淀积工艺可容易地形成上述安装区域，更为具体地说，形成安装平面、安装槽、安装槽、棱线部或安装曲面等。
按照方案8的发明，在悬臂设置其高度方向与试样面垂直的安装区域，在该安装区域沿其高度方向固定纳米管的基端部，所以，可提供能够时常将探针前端垂直接触于试样面从而高分辨率地检测出试样表面图像的垂直式扫描型显微镜用探针。
按照方案9的发明，由于具有大体(θ+90)度的张开角地构成纳米管的轴线与悬臂部的轴向，所以，可提供在测定状态下使悬臂部成为角度θ的尾部抬起配置即可确实地跟随试样表面的凹凸的垂直式扫描型显微镜用探针。
权利要求
1.一种垂直式扫描型显微镜用悬臂，扫描型显微镜用探针通过固定于悬臂的纳米管探针的前端来获得试样表面的物性信息；其特征在于在悬臂上设置用于对成为探针的纳米管的基端部进行固定的安装区域，当相对平均试样面将悬臂配置成测定状态时使上述安装区域的高度方向成为相对试样面大体垂直的状态地设置。
2.根据权利要求
1所述的垂直式扫描型显微镜用悬臂，其中，上述安装区域为安装平面。
3.根据权利要求
1所述的垂直式扫描型显微镜用悬臂，其中，上述安装区域为将纳米管的基端部插入的安装孔，该安装孔的轴向成为上述高度方向。
4.根据权利要求
1所述的垂直式扫描型显微镜用悬臂，其中，上述安装区域为将纳米管的基端部嵌入的安装槽，该安装槽的槽方向成为上述高度方向。
5.根据权利要求
1所述的垂直式扫描型显微镜用悬臂，其中，上述安装区域为棱线部，该棱线的方向为上述高度方向。
6.根据权利要求
1所述的垂直式扫描型显微镜用悬臂，其中，上述安装区域为安装曲面，当将悬臂相对试样面配置成测定状态时使上述安装曲面的切平面的高度方向相对平均试样面成为大体垂直状态地设置。
7.根据如权利要求
1所述的垂直式扫描型显微镜用悬臂，其中，上述安装区域为通过利用聚焦离子束加工、腐蚀工艺、或淀积工艺而形成。
8.一种垂直式扫描型显微镜用探针，通过固定于悬臂的纳米管探针的前端获得试样表面的物性信息；其特征在于在悬臂上设置用于对成为探针的纳米管的基端部进行固定的安装区域，当相对平均试样面将悬臂配置成测定状态时使上述安装区域的高度方向成为相对平均试样面大体垂直的状态地设置，将纳米管的基端部固定到该安装区域的高度方向。
9.根据权利要求
8所述的垂直式扫描型显微镜用探针，其中，上述悬臂的悬臂部的轴向在测定状态下相对平均试样面以角度θ配置成尾部抬起状时，上述纳米管的轴线与悬臂部的轴向大体呈(θ+90)度的角度。
专利摘要
本发明的垂直式扫描型显微镜用探针(20)通过固定于悬臂(2)的纳米管探针的前端来获得试样表面(24)的物性信息；其特征在于在悬臂(2)设置固定纳米管(12)的基端部(14)的安装区域，当相对平均试样表面(26)将悬臂(2)配置成测定状态时，使上述安装区域的高度方向相对上述试样平均表面(26)成为垂直状态地设置，将纳米管(12)的基端部(14)固定于该安装区域的高度方向。这样，可实现将成为探针的纳米管前端相对试样面以大体垂直状接触从而可高灵敏度地检测试样的表面信息的垂直式扫描型显微镜用探针。
文档编号G01Q60/32GKCN1397011SQ01804103
公开日2003年2月12日 申请日期2001年9月28日
发明者中山喜万, 秋田成司, 原田昭雄, 大川隆, 高野雄一, 安武正敏, 白川部喜治 申请人:大研化学工业株式会社, 精工电子有限公司, 中山喜万导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan