(57)【要約】【課題】ナノチューブ特にカーボンナノチューブをプローブの探針に用いた場合の探針の剛性の確保による測定の信頼性と再現性の向上。【解決手段】ナノチューブ特にカーボンナノチューブよりなる探針を備えたプローブにおいて、長さを数１０ｎｍの精度で調整し、先端にかけて円筒型を保持する探針を有するプローブを走査型プローブ顕微鏡に応用する。【選択図】図１
2009109411.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナノチューブよりなる探針を有するプローブにおいて、前記探針は先端まで円筒型を保持していることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡用プローブ。
【請求項２】
ナノチューブよりなる探針を有するプローブにおいて、前記探針は先端が平坦であることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡用プローブ。
【請求項３】
前記ナノチューブがカーボンナノチューブよりなることを特徴とする請求項１または２に記載の走査型プローブ顕微鏡用プローブ。
【請求項４】
前記カーボンナノチューブよりなる探針の先端部分が非晶質になっていることを特徴とする請求項３に記載のプローブ。
【請求項５】
前記カーボンナノチューブよりなる探針が先端部分を含めてすべて結晶質であることを特徴とする請求項３に記載の走査型プローブ顕微鏡用プローブ。
【請求項６】
前記ナノチューブが、金属層を堆積させることによって探針ホルダーに固定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の走査型プローブ顕微鏡用プローブ。
【請求項７】
前記カーボンナノチューブよりなる探針がシリコン、窒化シリコン、金属コートシリコン、またはタングステンから選ばれた材料によって構成された探針ホルダーに固定されていることを特徴とする請求項３に記載の走査型プローブ顕微鏡用プローブ。
【請求項８】
ナノチューブを探針とするプローブの製造方法であって、前記ナノチューブよりなる探針を探針ホルダーに固定し、探針の先端部まで円筒型を保つ加工をすることを特徴とするプローブの製造方法。
【請求項９】
前記ナノチューブとしてカーボンナノチューブを用い、このカーボンナノチューブを前記探針ホルダーに固定し通電によって切断し、この切断を複数回繰り返して先端部まで円筒型を保ちつつ長さを調整することを特徴とする請求項８に記載のプローブの製造方法。
【請求項１０】
前記ナノチューブとしてカーボンナノチューブを用い、このカーボンナノチューブを通電によって切断したのち、切断面を平坦な部材に押し付けて移動させ磨耗させることによって切断面を平坦化することを特徴とするプローブの製造方法。
【請求項１１】
前記切断面を非晶質の部分が残る範囲で磨耗させ、先端部分に非晶質層を残存させることを特徴とする請求項１０に記載のプローブの製造方法。
【請求項１２】
前記切断面を非晶質の部分が消失するまで磨耗させて、全体が結晶質のカーボンナノチューブ探針とすることを特徴とする請求項１０に記載のプローブの製造方法。
【請求項１３】
前記ナノチューブよりなる探針を、四角錐、三角錐または円錐の形状を有し、その頂点部分が切り欠き状態になっている前記探針ホルダーの稜線部分または平面部分に固定し、その状態で探針の切断を行うことを特徴とする請求項８に記載のプローブの製造方法。
【請求項１４】
前記探針の前記探針ホルダーへの固定を、電子ビーム堆積により金属層を形成させることによって行うことを特徴とする請求項８に記載のプローブの製造方法。
【請求項１５】
ナノチューブよりなる探針を有するプローブを備えた走査型プローブ顕微鏡において、前記探針は先端まで円筒型を保持していることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１６】
前記ナノチューブがカーボンナノチューブよりなることを特徴とする請求項１５に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１７】
前記カーボンナノチューブよりなる探針の先端部分が非晶質になっていることを特徴とする請求項１６に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１８】
前記カーボンナノチューブよりなる探針の先端部分が結晶質になっていることを特徴とする請求項１６に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１９】
前記プローブが測定状態にあるときに前記探針が試料に対して概略垂直になるように前記探針が探針ホルダーに固定されていることを特徴とする請求項１５に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノチューブ特にカーボンナノチューブよりなる探針を有するプローブとその製造方法および走査型プローブ顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の半導体微細化に伴って高アスペクト比の微細構造が提案され、それに伴い計測技術にもナノメートルの精度が要求されるようになってきた。現状の半導体の微細化は４５ｎｍノードに突入しており、ますます計測が難しい状況にある。現在は計測技術として、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を使用し、試料を劈開あるいは集束イオンビーム（ＦＩＢ）加工して、その断面を観察する方法が採用されているが、破壊を伴う計測法であることから、非破壊での３次元計測が可能な技術が求められている。
【０００３】
その一つの解決法として、走査型プローブ顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｐｒｏｂｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ：ＳＰＭ）による半導体の３次元計測が注目されている。ＳＰＭを用いた表面状態の測定技術の一つである、探針を試料と接触もしくは非接触状態にして表面形状を測定する原子間力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ：ＡＦＭ）において、忠実な形状計測と高い再現性を得るには、プローブに取り付けられた探針の探針ごとの個体差を防止しかつ高強度化、長い寿命化することが必要である。
また、ＡＦＭ以外の表面物性計測である、表面電位を検出するケルビンフォース顕微鏡（ＫＦＭ）、表面磁場を検出する磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）、化学官能基の表面分布を検出する化学力顕微鏡（ＣＦＭ）等においては、探針のアスペクト比がその分解能に影響するため、表面物性計測における高分解能化に探針の高アスペクト化も必要である。
【０００４】
このような中で、近年、カーボンナノチューブがＡＦＭの探針として用いられるようになった。カーボンナノチューブはその直径が極めて小さく、最小直径は約１ｎｍである。さらにカーボンナノチューブの優れた弾性から物理的な衝撃による座屈や曲げを生じても復元するため、探針として高強度化され、長寿命化するといった特徴を有する。以上の点からカーボンナノチューブはＡＦＭの探針として優れている。
【０００５】
従来のＡＦＭは主に表面形態の観察やラフネス評価に用いられることがほとんどであったが、カーボンナノチューブ探針の登場により３次元的な構造の定量的な評価にも用いられつつある。しかし、３次元形状測定では探針−試料間に働く力の影響による像の歪みやノイズが発生することによって、分解能が低下することがしばしば起こる。カーボンナノチューブ探針の場合には特に顕著であることが知られており、例えばライン＆スペースの測定では、ファンデルワールス力による側壁部への凝着や探針滑り、もしくは曲げによる像への影響が測定の信頼性の問題となりうるが、その測定画像の再現性も重要な課題である。これら問題の解決のためには探針ごとの個体差がないことが求められ、そのためには探針形状が制御されることは必項である。
【０００６】
これまでカーボンナノチューブ探針形状を制御する方法がいくつか提案されてきたが、直径を制御する方法はカーボンナノチューブ製造法に依存してしまうため、加工によって長さの制御を行う場合が多い。特にカーボンナノチューブ探針の作製時に切断する方法が最もよく使用される。例えばカーボンナノチューブ探針の作製方法は特許文献１に、カーボンナノチューブを走査型電子顕微鏡内でマニピュレーターを用いてプローブに担持させ、炭素物質によってコーティングする製造方法が記載されている。また、カーボンナノチューブを実用的な長さに調節する方法としては、例えば特許文献２、３に放電による先端の研削や収束イオンビームによる切断を行う方法が記載されている。これらの長さ調整法はカーボンナノチューブ探針が先鋭化されるといった特徴がある。
【０００７】
【特許文献１】特許第３４４１３９６号公報
【特許文献２】特開２００２−３４７０００号公報
【特許文献３】特開２００５−３１９５８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
カーボンナノチューブ探針の長さと直径が異なると剛性に個体差が生じるため、結果的に得られる測定画像が再現しないといった問題が生じる。よってカーボンナノチューブプローブにおいて長さ、直径による探針の剛性の制御が重要である。しかし、カーボンナノチューブ探針が先鋭化したり、ばらついていたりすると、ある値の長さと直径によって得られる最大の探針剛性が確保できなくなる。
【０００９】
さらには探針の先端が先鋭化していると、探針が接触しない領域ができる。これはある程度の大きさの直径（１０〜５０ｎｍ）を有する多層カーボンナノチューブを探針にすると、測定対象物がカーボンナノチューブの直径と同程度以下のサイズである場合、カーボンナノチューブの先鋭化形状が測定画面上にコンボリュージョンされ、忠実な測定形状が得られないためである。例えばライン＆スペースのボトムのラフネスなどが考えられる。さらには直径が一様でないカーボンナノチューブ探針が磨耗して先端径が変化すると、試料との接触状態が変化するため画像が変化し、その解釈を困難にする。これはＡＦＭ像による試料形状の定量的評価を困難にする。
【００１０】
以上のことから測定画像の信頼性と再現性の向上のためにカーボンナノチューブ探針先端は先端まで円筒型を保つことが必要であると考えられる。
【００１１】
本発明の目的は、ナノチューブ特にカーボンナノチューブを探針に用いた場合の探針剛性を確保し測定画像の信頼性と再現性を向上するため、長さが制御され、かつ先端にかけて円筒型を保持しているプローブとその製造方法並びに走査型プローブ顕微鏡を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、ナノチューブよりなる探針を有するプローブにおいて、探針は円筒型であることを特徴とする。
【００１３】
また本発明は、ナノチューブよりなる探針を有するプローブにおいて、探針は先端が平坦な面になっていることを特徴とする。
【００１４】
また本発明は、ナノチューブよりなる探針を備えたプローブの製造方法であって、ナノチューブよりなる探針を探針ホルダーに固定し、探針の先端部にかけて円筒型を保持して長さを調整することを特徴とする。
【００１５】
また本発明は、ナノチューブ製の探針を有するプローブを備えた走査型プローブ顕微鏡において、前記探針は先端部まで円筒型であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
長さを高精度に調整され先端部まで円筒型を保持したナノチューブを探針とするプローブは、ある値の長さと直径によって得られる最大の探針剛性が確保できる。これによって凹凸の大きな試料の側面の形状や側面ラフネスを従来よりも忠実に捉えることが可能となり、またナノチューブ探針ごとの測定画像の再現性向上につながる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
ナノチューブ探針の長さと直径が異なると剛性に個体差が生じ測定画像が再現しないといった問題が生じる。よってナノチューブプローブにおいては長さ、直径による探針の剛性の制御が重要である。しかし、本発明に至る過程でナノチューブ探針が先鋭化したり、ばらついていたりすると、ある値の長さと直径によって得られる最大の探針剛性が確保できなくなることや、探針が接触しない領域ができることが測定画像の忠実性と再現性の問題になることを明らかにした。
【００１８】
本発明では、カーボンナノチューブの先端部を加工し先端まで円筒型を有する、さらには平坦面を形成することによって、あるいは先端まで円筒型ないし先端面が平坦なカーボンナノチューブを選別して探針に用いることによって、上記の問題を解決するに至った。
【００１９】
探針は、先端にかけて円筒型を保持していることが最も望ましいが、少なくともナノチューブ先端より、直径程度の長さまでが円筒型を保持していれば実用上差し支えない。
【００２０】
探針の先端は、全域に亘って平坦になっていることが望ましいが、少なくともナノチューブ先端面の８０％以上の領域が平坦になっていれば実用上差し支えない。
【００２１】
カーボンナノチューブは、物理的な衝撃による座屈や曲げを生じても復元する点から、本発明で用いる探針として最も好適である。カーボンナノチューブとしては、多層カーボンナノチューブ、ボロンや窒素をドープしたカーボンナノチューブ、金属原子やフラーレンを内包したナノチューブ、ナノチューブ先端に金属原子や金属微粒子をコートしたナノチューブなど、周知のカーボンナノチューブをいずれも使用できる。
【００２２】
カーボンナノチューブは探針ホルダーに添わせて接合する。探針ホルダーには、市販されているプローブの四角錐、三角錐、または円錐形の形をした探針の先端部分を切り落として、先端形状のばらつきを無視できるようにしたものを使用することができる。ホルダーの材料には、シリコン、窒化シリコン、金属コートシリコン、タングステンから選ばれたものを用いることが望ましい。またシリコンベースの探針ホルダーを用いる場合には、プローブのカンチレバーに反射膜の背面アルミニウムコートが施されているものを使用してもよい。
【００２３】
カーボンナノチューブを探針ホルダーへ固定する方法としては、ホルダー頂点で任意の方向より金属層を堆積させて固定する方法が好ましく、特にホルダー頂点で金属層を回りこませるように堆積させて固定する方法が、固定の容易さとカーボンナノチューブの位置保持のために好ましい。なお、カーボンナノチューブの径方向に金属層を堆積させる固定方法では、カーボンナノチューブを曲げて固定することが可能であり、探針の角度を調整しながらの固定が容易である。
【００２４】
金属層の堆積は電子ビーム堆積を用いる方法によって行うことが望ましい。この方法では、電子線照射により金属化合物ガスを分解し、生成物が堆積することによって形成される金属コーティング膜によってカーボンナノチューブが固定される。堆積物としてはタングステン、金、白金等を用いることができる。タングステンの場合には、カーボンナノチューブと探針ホルダーを接触させ、Ｗ（ＣＯ）６もしくはＷＦ２を加熱気化させたガスを真空度の高い走査型電子顕微鏡の試料室内部に導入し、Ｗ（ＣＯ）６もしくはＷＦ２のいずれかのガスを、ノズルを用いて前記接触部近傍に放出させる。これにより、探針とホルダーの接触部付近に前記ガスの雰囲気を形成し、前記接触部に電子ビームを照射して前記ガスを分解し、析出したタングステンを照射領域である前記接触部に堆積させる。
【００２５】
カーボンナノチューブ探針へのコンタミネーション付着の低減のために、ガスを分解する電子ビームの強度を一定範囲に設定し、カーボンナノチューブの裏側にまで回り込んだ状態の金属層を堆積させることが好ましい。電子ビームの強度は、照射させる電子ビームの加速電圧およびエミッション電流で調整される。ただし、エミッション電流が大きいほど、コンタミネーションを堆積させてしまう傾向がある。したがって、コンタミネーションの堆積量を減らし、十分な強度を有する程度に金属堆積層を設けるためには、エミッション電流は２０μＡ以下とすることが望ましい。
【００２６】
金属層の厚さはカーボンナノチューブ探針を固定するのに十分な厚さとし、具体的にはカーボンナノチューブの半径の二倍以上とすることが望ましい。例えばカーボンナノチューブの半径が５ｎｍの場合には、金属層の厚さは１０ｎｍ以上とすることが好ましい。これにより、例えば直径が１０ｎｍのカーボンナノチューブの周囲を金属層が取り囲み、全体の外径がカーボンナノチューブ直径の３倍（３０ｎｍ）以上となっているものが得られる。
【００２７】
金属層は、ホルダー上に露出するカーボンナノチューブの範囲が小さくなるように堆積させることが望ましく、また、カーボンナノチューブがホルダーのほぼ中心に保持されるように堆積させることが好ましい。カーボンナノチューブが位置的に偏心していると、金属層が薄い部分から金属層の破壊が発生する可能性が高くなる。
【００２８】
カーボンナノチューブ先端部まで円筒型を保持する加工方法は、例えば基材（探針ホルダー）に固定したカーボンナノチューブの先端部を、電極に担持されたもう１つのカーボンナノチューブの先端部と接触させ、探針ホルダーと電極の間にコンデンサ放電による電流を流して、接触部分でカーボンナノチューブを切削し、この切削を繰り返して行うことで達成される。
【００２９】
コンデンサ放電による電流を流す代わりにパルス電流を流しても、同様に円筒型を保持できる。
【００３０】
コンデンサ放電時の電流或いはパルス電流によって、カーボンナノチューブ同士の接触部分が瞬時に昇華されることによりカーボンナノチューブ先端部の切削が生じる。切削領域は一部消失するが、切削面よりカーボンナノチューブの層の厚み程度までが非晶質化した先端面が得られる。また、カーボンナノチューブの孔が閉じた形ないしは層間が先端部において融着した先端面が得られる。このような形になることで、測定時にファンデルワールス力等により試料側にチューブの中身が飛び出すのを防止できるという効果がある。
【００３１】
コンデンサ放電による電流又はパルス電流を流して切断する方法では、切削を複数回繰り返すことで、カーボンナノチューブの長さを最小で約５０ｎｍの精度で微調整していくことができる。切削後のカーボンナノチューブの先端部分は非晶質化するために再度切断を行うと先端の非晶質部分が先ず昇華されやすい。切断面近傍の非晶質層はカーボンナノチューブの層の厚み程度であるから、数１０ｎｍの精度で切断を行うことが可能である。この方法により短時間でカーボンナノチューブ先端形状を制御できる。特に直径が１０ｎｍ〜５０ｎｍ程度の大きさを持つ多層カーボンナノチューブに適用し、切断を複数回繰り返すことで先端形状を平坦にすることもできる。
【００３２】
コンデンサ放電の電圧は1Ｖから１０Ｖの範囲の値でよく、探針ホルダーに固定されたカーボンナノチューブのアスペクト比に応じて変えるのが望ましい。例えば直径２０ｎｍ、長さ１〜２μｍのカーボンナノチューブであれば２Ｖから５Ｖで切断する。コンデンサ放電による電圧の緩和時間は影響せず、立ち上がりの電流値が１０〜１００μＡ程度であれば十分に切断は生じる。
【００３３】
切断したカーボンナノチューブを試料表面にある一定の荷重で押し付けて前後左右に走査させ、磨耗させる方法によって、切断面を平坦化してもよい。この方法では、例えばコンタクトモードで使用する場合、カーボンナノチューブ探針が初期磨耗せず、最初から安定した画像を取得することが可能である。
【００３４】
カーボンナノチューブの切断面を試料表面に押し付けて磨耗させる場合、非晶質の部分を平らに成型すると良い。非晶質の先端面を有するカーボンナノチューブは表面活性であるため、金属を修飾させることができ、例えばコバルトのような磁性金属を修飾させた場合には、磁場のイメージングに使用できるという効果がある。また、全体が結晶質になっているカーボンナノチューブは、耐摩耗性に優れるという効果がある。
【００３５】
先端部にかけて円筒型を保持しているカーボンナノチューブ探針を得るための他の方法としては、例えば多くのカーボンナノチューブの中から選別する方法がある。
【００３６】
カーボンナノチューブ探針の長さと直径との比であるアスペクト比は、むやみに大きくすることは好ましくなく、アスペクト比を２０以下、１以上とすることが望ましい。カーボンナノチューブのヤング率は約１ＴＰａであり、バネ定数を算出するとアスペクト比が２０を超えるとそのバネ定数が０．５Ｎ／ｍ以下となり、０．１Ｎ／ｍ程度の低バネ定数のプローブとバネ定数が同等となるため、カーボンナノチューブの曲げが画像に顕著に現れ、走査性が悪くなる。
【００３７】
長さを数１０ｎｍ精度で調整され先端部まで円筒型を保持したナノチューブを探針とするプローブは、ある値の長さと直径によって得られる最大の探針剛性が確保できる。これによって凹凸のある試料の側面の形状や側面ラフネスを忠実に捉えることが可能となり、またナノチューブ探針ごとの測定画像の再現性向上につながり、生産性の低下を防止できる。
【００３８】
また、プローブが測定状態にあるときに、試料平坦面に対して概略垂直になるように探針をホルダーに固定し、測定することで、より形状を正確に捉えることが可能になる。
【００３９】
本発明のプローブが使用されるＡＦＭの一例は、プローブを装着し、試料とプローブ探針を接触させ、試料上を走査することにより表面状態を測定する装置であり、試料とプローブ探針との接触時の状態が一定になるようにプローブまたは試料を上下するフィードバック機構を有する。その結果、制御信号から試料の表面状態（例えば凹凸）が測定できる。例えば形状を測定するコンタクトモードやダイナミックモード、またはステップインモード等を用いるＡＦＭに適用可能である。
【００４０】
本発明の探針は先端にかけて円筒型を保つため剛性が高く、凝着や曲げの影響を受けにくい従来探針より高い信頼性と高い再現性を有する。また、プローブを金属コートもしくはタングステン製の導電性のものに変えることで、形状測定と同時に表面電位を検出するケルビンフォース顕微鏡（ＫＦＭ）やサンプル表面の電流を計測することができる。さらに先端部分が非晶質化しているカーボンナノチューブ探針は、非晶質部分を化学修飾させて化学官能基の表面分布を検出する化学力顕微鏡（ＣＦＭ）等に用いることができ、ナノ領域の形状および表面物性情報を得ることができる。また、研究用途のみならず、半導体やＨＤＤ等のように製造過程で高精度な表面状態の測定（検査工程）が求められる製品の製造にも利用できる。
【００４１】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明するが、これに限定されるものではない。なお、以下に示す実施例において、同じ部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【実施例１】
【００４２】
図６に本発明の一実施例による走査型プローブの構成を示す。本実施例の走査型プローブ顕微鏡用プローブはプローブ１のカンチレバー２をプローブのベースプレート１２に固定したものからなる。プローブ１は、先端が平坦なカーボンナノチューブ探針４と、それを固定している四角錘形状をした探針ホルダー３と、探針ホルダー３を固定しているカンチレバー２とから構成される。カーボンナノチューブ探針４は、四角錘形状をした探針ホルダー３の稜線に、先端接合部７、中間接合部６および末端接合部５の３箇所で固定されている。カンチレバー２には背面アルミニウムコート１３が施されている。
【００４３】
図１にプローブ１のカーボンナノチューブ探針４が試料平坦面８に対して垂直になるように配置された状態を示した。本発明では、プローブの測定状態において、一様の直径を有するカーボンナノチューブ探針４が、試料平坦面８に対して概略垂直に配置されるように、まず末端接合部５と中間接合部６で探針ホルダー３に固定する。その後、カーボンナノチューブ探針４が試料平坦面に対して略垂直になっているかどうかを確認し調整して先端接合部７で固定する。その後、探針先端部を加工して先端平坦面９を形成する。
【００４４】
カーボンナノチューブ探針４を探針ホルダー３の稜線もしくは面上に沿うように接合することにより、カーボンナノチューブを再現性良く同じ角度で探針ホルダー３に接合することが可能になる。
【００４５】
探針ホルダー３には、市販のシリコンプローブやタングステンプローブなどのように四角錐、三角錐、または円錐形の形をした探針の先端部分を切り欠いて先端形状のばらつきを無視できるようにしたものを用いることができる。探針ホルダー３の材料には、シリコン、窒化シリコン、金属コートシリコン、もしくはタングステンを用いることが望ましい。ここでは、探針ホルダーの材料をシリコンとし、またシリコンベースのカンチレバー２の背面に電子ビームによるチャージアップを防止するための反射膜として背面アルミニウムコート１３を施したものを用いた。
【００４６】
カーボンナノチューブ探針４の探針ホルダー３への固定は、探針ホルダー３上に担持させたカーボンナノチューブを末端接合部５とホルダー頂点の先端接合部７およびその中間地点の中間接合部６で、それぞれ金属層を堆積させて固定することによって行った。具体的にはホルダー頂点で金属層を回りこませて、カーボンナノチューブの径方向に金属層を３６０°方向より堆積させて、カーボンナノチューブを曲げて角度を調整しながら行った。
【００４７】
金属層の堆積は電子ビーム堆積を用いる方法によって行った。ここでは電子ビーム照射により金属化合物ガスを分解し生成物を堆積させる方法によって形成される金属コーティング膜によって固定した。また、堆積物としてはタングステンを用いた。
【００４８】
カーボンナノチューブ探針４へのコンタミネーション付着の低減のため、ガスを分解する電子ビーム強度を加速電圧５〜１５ｋＶ、エミッション電流を１０〜２０μＡに設定してタングステンの堆積を行った。金属層の厚さは固定に十分な程度に厚くするが、ここで用いたタングステンの堆積には１００×１００ｎｍのボックス状に５〜３０秒の電子ビーム照射によって十分な厚さに調節された。
【００４９】
カーボンナノチューブ探針４の長さの調整はその先端部を電極に担持された別のカーボンナノチューブの先端部と接触させ、探針ホルダー３と電極間にコンデンサ放電による電流を流して切削を行うことによって行った。この方法によって先端部まで円筒型を保持したカーボンナノチューブ探針が得られる。
【００５０】
回路は、探針ホルダー３と電極間に電荷を蓄積するためのコンデンサがあり、コンデンサに電荷を蓄積するための直流電源があり、スイッチによって充電と放電が切り替えられるものを用いた。このときコンデンサの放電は１Ｖから１０Ｖの範囲とし、探針ホルダー３に固定されたカーボンナノチューブのアスペクト比に応じて変えた。
【００５１】
切削を複数回繰り返し、数１０ｎｍのピッチで切削を行いながら先端を平坦化することも可能である。
【００５２】
なお、カーボンナノチューブには、直径が約２０ｎｍのものを選別して用い、切断によって５０ｎｍ〜４００ｎｍの長さに調節した。
【００５３】
図２に、このようにして構成されたプローブ１を有する走査型プローブ顕微鏡によるライン＆スペース１０の測定状態を示した。本実施例のプローブは例えば形状を測定するコンタクトモードやダイナミックモード、またはステップインモード等を用いるＡＦＭに適用可能である。また本実施例のカーボンナノチューブ探針４はアスペクト比２０以下と小さいので凝着の影響を受けにくく、しかも探針先端にかけて円筒型であることからライン＆スペース等のボトムエッジの実形状１０を反映した測定画像プロファイル１１が得られる。
【００５４】
なお、本実施例のプローブを、金属コートしたシリコンもしくはタングステンなどのように導電性のものに変えれば、形状測定と同時に表面電位を検出するケルビンフォース顕微鏡（ＫＦＭ）に用いることができ、またサンプル表面の電流を計測することも可能である。
【実施例２】
【００５５】
コンデンサ放電による電流を流してカーボンナノチューブ探針の先端部分を切削した場合、その先端面はカーボンナノチューブの層の厚み程度にわたって非晶質化する。
【００５６】
図３には、このコンデンサ放電による切断を複数回繰り返すことによってアスペクト比を調整したカーボンナノチューブ探針４の先端部分を試料平坦面８に、ある一定の荷重で押し付け、図中の矢印で示した方向に走査させて磨耗させる場合を示した。これにより、例えばコンタクトモードで使用する場合、カーボンナノチューブ探針が初期磨耗せず、最初から安定した画像を取得することが可能となる。
【実施例３】
【００５７】
図４は本発明の他の実施例によるカーボンナノチューブプローブの斜視図である。本実施例では、一様の直径を有し、かつ先端が平坦になっているカーボンナノチューブを数多くのカーボンナノチューブの中から選別して探針に用いた。そして、まず末端接合部５と中間接合部６で固定し、その後プローブが測定状態にあるときに試料平坦面８に対して概略垂直になるように角度を調整して先端接合部７で固定した。
【００５８】
探針のアスペクト比は先端接合部７から探針先端までの長さとナノチューブの直径との比で求められる。本実施例では、先端接合部７の幅を長くしてアスペクト比を調整した。また先端接合部７はカーボンナノチューブの径方向に金属層を３６０°回り込ませることによって形成した。
[比較例１]
図５はアスペクト比が大きい高アスペクトカーボンナノチューブ探針１５を有するプローブを具備する走査型プローブ顕微鏡によって、測定を行った場合の模式図である。
【００５９】
アスペクト比が高いとカーボンナノチューブ探針は側壁で凝着や滑りによって曲がるため、この曲がりに起因する画像ノイズ１６が生じることがある。ノイズの影響により側壁の形状を忠実にとらえることが困難となる。
[比較例２]
図７のように多角形先端形状が先鋭化もしくは全くばらついている場合には、側面形状で捉えられない領域が発生するため、測定画像プロファイル１１が発生してしまう。先鋭形状１４を有するカーボンナノチューブは、例えば通電によってカーボンナノチューブの外層より一枚ずつ蒸発する方法で作製される。収束イオンビームによってカーボンナノチューブを切断する方法でも作製できるが、先端は球状となる。いずれの方法も先端に向かってカーボンナノチューブが細くなる形をとるため、この場合も側面形状を忠実に捉えることは難しい。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の一実施例によるプローブを試料平面に対して配置した状態を示す斜視図。
【図２】本発明によるプローブによる測定状態の概略図。
【図３】カーボンナノチューブ探針の先端を試料に押し付けて摩耗させる状態を示した図。
【図４】本発明の他の実施例によるプローブを試料平面に対して配置した状態を示す斜視図。
【図５】比較例１のプローブによる測定状態の概略図。
【図６】プローブを具備するプローブの全体構成を示した概略図。
【図７】比較例２のプローブによる測定状態の概略図。
【符号の説明】
【００６１】
１…プローブ、２…カンチレバー、３…探針ホルダー、４…カーボンナノチューブ探針、５…末端接合部、６…中間接合部、７…先端接合部、８…試料平坦面、９…先端平坦面、１０…ライン＆スペースのボトムエッジの実形状、１１…測定画像プロファイル、１２…ベースプレート、１３…背面アルミニウムコート、１４…先鋭形状、１５…高アスペクトカーボンナノチューブ探針、１６…画像ノイズ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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