JP2000074930A - 走査型プローブ顕微鏡に用いる超短パルス高電圧発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 電荷量を制御した１ｎｓ以下の高電圧極短パ
ルスを探針に印加することができる走査型プローブ顕微
鏡に用いる超短パルス高電圧発生装置を提供する。 【解決手段】 探針４の近傍に金属極板と絶縁体による
微小容量部１６を設け、主同軸ケーブル１４とインピー
ダンス整合が取れた正負切り換え可能な高電圧の充電・
放電回路を備えた高電圧超短パルス用電源ユニット２を
有し、主同軸ケーブル１４の先端において高電圧を印加
する中心導体１４Ａを探針とは絶縁された容量部の金属
極板１７に接続するとともに、容量部の金属極板１７に
蓄積した正電荷を放電し、探針と電気的に接続されたも
う一方の電極に蓄積された負電荷を探針に印加してなる
こと、又は反対に蓄積した負電荷を放電し、正電荷を探
針に印加してなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、走査型プローブ顕
微鏡に用いる超短パルス高電圧発生装置に係わり、更に
詳しくは走査型プローブ顕微鏡において試料表面を原子
レベルで観察することができる本来の機能に加え、表面
原子一個毎の三次元的原子核座標の決定、元素分析及び
化学結合状態分析を行うことができるように、探針から
高運動エネルギーの電子を試料表面原子に照射して、オ
ージェ電子や特性Ｘ線を検出するための超短パルス高電
圧発生装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の元素分析、化学結合状態分析技術
の中で最も微小面積・極表面層分析が可能なものは走査
型オージェ電子分光法であるが、最新の技術でも直径数
１０ｎｍ、深さ数ｎｍの測定領域となっており、表面原
子一個一個を測定することはできない。

【０００３】一方、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）や
原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）等の走査型プローブ顕微鏡
（ＳＰＭ）では、原子オーダーの実空間分解能がある
が、その計測結果の解釈は必ずしも容易ではない。走査
型トンネル顕微鏡は、１０Å程度の間隔に配した探針と
試料間にバイアス電圧を印加し、探針と試料間の間隔
（Ｚ方向）をピエゾ素子で制御して両者間に流れるトン
ネル電流を一定に維持しながら、探針を試料表面の凹凸
に沿って走査（ＸＹ面）することにより、Ｚ方向ピエゾ
素子の制御電圧から試料表面の原子像を描き出すことが
できるものである。また、走査型原子間力顕微鏡は、バ
ネ定数の小さい「てこ」の先端に設けた探針と試料との
間隔を、両者間に原子間力（斥力）が作用する程度（２
〜３Å）に接近させ、試料表面の凹凸に沿って探針を走
査することによって、試料表面の凹凸に応じて「てこ」
が変形し、この原子オーダーの変形をＳＴＭやレーザー
光反射測定法、あるいは光干渉測定法によって測定して
試料表面の原子像を描き出すことができるものである。

【０００４】半導体や金属等の化学的性質は、バルクよ
りもむしろ表面における特性（原子構造や電子状態等）
が重要な役割を果たしている。現在、原子レベルの空間
分解能で表面の特性を解明しようと、多くの研究者によ
って理論的、実験的に研究が進められている。その中で
もＳＴＭを使った研究では、表面の幾何学的構造に関し
て原子レベルの空間分解能で計測が行われ、成果が挙げ
られている。しかし、ＳＴＭでは表面原子の元素分析が
できないため、表面に異種原子がある場合はＳＴＭ像か
ら表面構造を厳密に理解することはできない。

【０００５】そこで、本発明者は、特開平８−１７８９
３４号公報（走査型プローブ顕微鏡による元素分析法）
にて、走査型プローブ顕微鏡、特に走査型トンネル顕微
鏡（ＳＴＭ）を用いて試料表面の測定中に、表面上の任
意の点において、探針から高運動エネルギー（５０ｅＶ
以上）の電子を試料表面原子に照射し、その原子からオ
ージェ電子及び特性Ｘ線を発生させ、それによって試料
表面の個々の原子に対して元素分析を行う方法を提案し
てきた。その結果、試料表面の原子構造と局所的な電子
状態を同時に測定することができ、詳細な表面分析が可
能となった。以下、特にオージェ電子を検出する方法を
「ＳＴＭ−ＡＥＳ」、特性Ｘ線を検出する方法を「ＳＴ
Ｍ−ＸＭＡ」として定義する。

【０００６】ＳＴＭ−ＡＥＳ及びＳＴＭ−ＸＭＡを行う
上で、試料原子からオージェ電子及び特性Ｘ線を発生さ
せるためには、探針に高電圧を印加し、高運動エネルギ
ーの電子を試料表面原子に照射する必要があるが、その
ために本発明者らは特開平９−１７８７５９号公報（走
査型プローブ顕微鏡における超短パルス高電圧印加方
法）にて、パルス電源で発生させた短パルス高電圧を同
軸ケーブルを用いて真空チャンバーに導入し、探針−試
料間を開放端（インピーダンスが無限大）と仮定して、
探針あるいは試料に短パルス高電圧を印加する方法を提
案している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、実際に探針に
高電圧を印加する上で大きな問題が２つある。先ず第一
に、ＳＴＭ−ＡＥＳやＳＴＭ−ＸＭＡを行う条件では、
探針に高電圧が印加されると、探針−試料間が約１ｎｍ
と非常に接近しているため、１０⁷ Ｖ／ｍｍ以上の強電
界がかかり、それによって試料表面及び探針表面での電
界蒸発が起きる。そこで、この影響を防ぐために、探針
にかける高電圧をパルス状にして、そのパルス幅を１ｎ
ｓ以下にする必要がある。また第二に、パルス電圧印加
時には探針直下にあたる試料表面の極微小な領域に集中
して電荷が流れるためにジュール熱による試料表面の溶
融、蒸発が起こる。これに対しては、パルスによって試
料表面に照射される電荷量（電子の数）を制限し、パル
ス電圧印加時の電流を極力小さくする必要がある。

【０００８】そこで、本発明が前述の状況に鑑み、解決
しようとするところは、ＳＴＭ−ＡＥＳとＳＴＭ−ＸＭ
Ａを行う上で、オージェ電子や特性Ｘ線が発生するのに
十分な高運動エネルギー（５０ｅＶ以上）を持った電子
を試料原子に照射でき、電界蒸発やジュール熱によって
試料表面の構造変化を起こさせないために、電荷量を制
御した１ｎｓ以下の高電圧極短パルスを探針に印加する
ことができる走査型プローブ顕微鏡に用いる超短パルス
高電圧発生装置を提供する点にある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
めに、本発明は、走査型プローブ顕微鏡の探針と試料間
に超短パルス高電圧を印加するための超短パルス高電圧
発生装置であって、前記探針と電気的に接続された電極
を持つ微小容量を前記探針の近傍に設け、微小容量のも
う一方の電極に蓄積した正電荷を放電し、負電荷を探針
に印加してなること、又は反対に蓄積した負電荷を放電
し、正電荷を探針に印加してなることを特徴とし、容量
に蓄えられた微小電荷を利用した走査型プローブ顕微鏡
に用いる超短パルス高電圧発生装置を構成した。

【００１０】更に具体的には、本発明は、前記探針の近
傍に金属極板と絶縁体による容量部を設け、主同軸ケー
ブルとインピーダンス整合が取れた正負切り換え可能な
高電圧の充電・放電回路を備えた高電圧超短パルス用電
源ユニットを有し、前記主同軸ケーブルの先端において
高電圧を印加する中心導体を探針とは絶縁された前記容
量部の金属極板に接続するとともに、インピーダンス整
合するためのキャパシタンス若しくはインダクタンスを
付加して調整し、前記容量部に蓄積した正電荷を放電
し、負電荷を探針に印加してなること、又は蓄積した負
電荷を放電し、正電荷を探針に印加してなる走査型プロ
ーブ顕微鏡に用いる超短パルス高電圧発生装置を構成し
た。

【００１１】ここで、前記容量部として、前記探針と該
探針を駆動するための走査型プロープ顕微鏡用ＸＹＺピ
エゾスキャナーとの間に、該探針に高電圧を印加するた
めの高電圧充放電容量Ｃ₀ と主同軸ケーブルとのインピ
ーダンス整合するためのインピーダンス整合容量Ｃ_m と
を構成したもの、若しくは試料側に走査型プロープ顕微
鏡用ＸＹＺピエゾスキャナーを組み込み、該探針に高電
圧を印加するための高電圧充放電容量Ｃ₀ と主同軸ケー
ブルとのインピーダンス整合するためのインピーダンス
整合容量Ｃ_m とを構成したものもので、高電圧充放電容
量Ｃ₀ は探針と第１金属極板間に第１絶縁体を挟んで形
成し、インピーダンス整合容量Ｃ_m は第１金属極板と第
２金属極板間に第２絶縁体を挟んで形成し、前記主同軸
ケーブルの中心導体を第１金属極板に接続するととも
に、主同軸ケーブルの外部導体を第２金属極板に接続し
てなる構造を採用した。

【００１２】また、前記主同軸ケーブルの特性インピー
ダンスとインピーダンス整合が取れた抵抗Ｒ_m を介して
容量Ｃ₀ に蓄積された電荷を放電することにより、反射
波を抵抗で吸収、除去できるので、探針に印加するパル
ス波形が乱されないのである。

【００１３】また、前記容量部を構成する金属極板及び
絶縁体の材質として、圧電効果がなく且つ高剛性のもの
を用いてなることが、走査型プロープ顕微鏡用ＸＹＺピ
エゾスキャナーによる探針の高精度の位置決めのために
は必要である。

【００１４】ここで、本発明における「高電圧」とは、
通常の走査型トンネル顕微鏡における数Ｖのバイアス電
圧よりも充分に高いことを意味し、その電圧は数１０Ｖ
〜数１０ｋＶ程度であり、この電圧は試料又は探針を構
成する元素の種類又は励起する電子軌道のエネルギー準
位に応じて選択される。また、本発明における「超短パ
ルス」とは、原子を電界蒸発等させない程度の短い時間
の間だけ高電圧を印加できるように、また微小時間に多
量の電子が試料表面に入射して熱による試料溶融を防ぐ
よう一度に入射する電子の量を制限するための、時間幅
の非常に短いパルスを意味し、パルス幅は１ｎｓ以下で
ある。また、本発明において走査型プローブ顕微鏡と
は、いわゆる走査型トンネル顕微鏡、原子間力顕微鏡及
び走査型近接場光学顕微鏡等の走査型トンネル顕微鏡よ
り派生した原子オーダーの実空間分解能を有する顕微鏡
を意味する。

【００１５】本発明では、探針と試料間に超短パルス高
電圧を印加して、探針より放射される高運動エネルギー
電子によって試料原子の内殻電子（場合によっては原子
核を中心に球対称分布した価電子でもよい）を励起する
のである。そして、内殻電子の励起によって発生した空
孔に、この内殻電子よりエネルギー準位の高い電子が落
ち込むとき、光子又はオージェ電子を放出するが、この
光子又はオージェ電子のエネルギー分析と計数分析を行
うことによって、即ち、原子核を中心に球対称分布した
内殻電子等の情報を原子一個ごとに分析することによっ
て、表面原子一個毎の三次元的原子核座標の決定、元素
分析、化学結合状態分析を行えるのである。

【００１６】

【発明の実施の形態】次に本発明の詳細を添付図面に示
した実施形態に基づき更に説明する。図１は、本発明に
よるＳＴＭの探針に高電圧超短パルスを印加する装置の
一実施形態を示した概略図であり、図２はその等価回路
図であり、図中符号１はＳＴＭ本体、２は高電圧超短パ
ルス用電源ユニットをそれぞれ示している。

【００１７】前記ＳＴＭ本体１は、超高真空チャンバー
３の内部に探針４と試料５とを間隔を極めて狭くして配
設し、該探針４はＳＴＭ用ＸＹＺピエゾスキャナー６に
よって試料５の表面を走査されるようになっている。こ
こで、前記探針４を固定し、ＳＴＭ用ＸＹＺピエゾスキ
ャナー６を試料５側に設けて、試料５を移動させても良
い。また、前記探針４にはＳＴＭ測定用電源７からスイ
ッチ８を介してバイアス電圧を印加できるようになって
いる。そして、試料５に流れるトンネル電流は、抵抗Ｒ
_F1、抵抗Ｒ_F2、コンデンサＣ_F からなるローパスフィル
ター９を介してＳＴＭ用電流アンプ１０で増幅して測定
し、その値をＳＴＭ用ＸＹＺピエゾスキャナー６にフィ
ードバックすることでＳＴＭ測定をするのである。尚、
ＳＴＭ−ＸＭＡに関しては、フォトンを検出するため、
測定雰囲気は超高真空に限らず、大気中に対しても適用
可能であることから、前記超高真空チャンバー３は特に
必要としない。

【００１８】前記高電圧超短パルス用電源ユニット２
は、高電圧供給ケーブル１１の中心導体１１Ａに高電圧
電源１２を接続するとともに、外部導体１１Ｂを接地
し、前記高電圧供給ケーブル１１には同軸リレースイッ
チ１３を介して主同軸ケーブル１４と分岐同軸ケーブル
１５を接続し、該分岐同軸ケーブル１５の中心導体１５
Ａには抵抗Ｒ_m が直列に接続されて接地されている。こ
こで、前記同軸リレースイッチ１３と抵抗Ｒ_m を有する
分岐同軸ケーブル１５は、主同軸ケーブル１４とインピ
ーダンス整合している。尚、同軸リレースイッチ１３の
端子ａは高電圧供給ケーブル１１と主同軸ケーブル１４
を導通させて充電回路を構成するものであり、また端子
ｂは負荷側を高電圧電源１２から切離し、主同軸ケーブ
ル１４と分岐同軸ケーブル１５とを導通させて、抵抗Ｒ
_m を通して放電する放電回路を構成するものである。

【００１９】そして、前記探針４の極近傍に微小な容量
部１６を構成し、この容量部１６の一方の電極に前述の
高電圧超短パルス用電源ユニット２から主同軸ケーブル
１４を介して高電圧を印加することによって蓄積した正
負一方の電荷を、インピーダンス整合した前記同軸リレ
ースイッチ１３と分岐同軸ケーブル１５（抵抗Ｒ_m ）を
使って、急速に放電し、前記容量部１６の他方の電極に
取り残された正負他方の電荷を探針４に供給すること
で、探針４に高電圧超短パルスを発生させ、高運動エネ
ルギーの電子を試料５又は探針４へと照射するのであ
る。

【００２０】具体的には、図１において、前記容量部１
６は探針４とＳＴＭ用ＸＹＺピエゾスキャナー６との間
に金属極板と絶縁体を積層して形成する。つまり、ＳＴ
Ｍの探針４と第１金属極板１７との間に第１絶縁体１８
を挟んだ形で高電圧充放電容量Ｃ₀ を構成するととも
に、前記第１金属極板１７とＳＴＭ用ＸＹＺピエゾスキ
ャナー６側に設けた第２金属極板１９との間に第２絶縁
体２０を挟んだ形でインピーダンス整合容量Ｃ_m を構成
する。そして、前記主同軸ケーブル１４の先端の中心導
体１４Ａを前記第１金属極板１７に接続し、外部導体１
４Ｂを前記第２金属極板１９に接続する。ここで、前記
主同軸ケーブル１４の先端に露出させた中心導体１４Ａ
は不可避的にインダクタンスＬ_m を形成することが分か
っているが、超短パルス化においては、この部分をでき
るだけ短くし、インダクタンスＬ_mを小さくすることが
望ましい。

【００２１】先ず、図３に示すように、前記同軸リレー
スイッチ１３を端子ａに接続することで、前記第１金属
極板１７に前記主同軸ケーブル１４を介して数１０Ｖ〜
数１０ｋＶの高電圧（Ｖ₀ ）を印加する。この状態で、
探針近傍にあるスイッチ８をＯＮにすると、容量部１６
の高電圧充放電容量Ｃ₀ にはＶ₀ に相当する高電圧が印
加されているが、探針４自体の電位はＳＴＭ測定用電源
７の電圧Ｖ_s に準じるため、ＳＴＭ用電流アンプ１０で
トンネル電流を測定し、その値をＳＴＭ用ＸＹＺピエゾ
スキャナー６にフィードバックすることでＳＴＭ測定を
可能とする。通常、ＳＴＭ測定を行う場合は、このよう
にスイッチ８をＯＮ、同軸リレースイッチ１３を端子ａ
に接続して測定を行うのである。図３は、その様子を図
式的に示したものであり、高電圧電源１２による高電圧
Ｖ₀ に応じて、各高電圧充放電容量Ｃ₀ 、インピーダン
ス整合容量Ｃ_m には負電荷（電子）と正電荷とが移動す
ることなく定常に蓄えられている。ここで、前記高電圧
電源１２は、正負切り換え可能であり、通常のＳＴＭ−
ＡＥＳやＳＴＭ−ＸＭＡにおいて探針４から試料５へ電
子を照射する場合には、正の高電圧を高電圧充放電容量
Ｃ₀ に印加する。逆に、試料５から探針４へ電子を照射
する必要がある場合には、高電圧電源１２によって負の
高電圧を高電圧充放電容量Ｃ₀ に印加するのである。

【００２２】次に、ＳＴＭ−ＡＥＳやＳＴＭ−ＸＭＡを
行うために、探針４に超短パルス高電圧を印加する手順
について説明する。ＳＴＭ測定を行いながら、若しくは
ＳＴＭ測定を一時中断して、ＳＴＭ−ＡＥＳやＳＴＭ−
ＸＭＡを行うべき試料５の表面上の任意の点の上に、ト
ンネル領域まで近づけた状態で探針４をＳＴＭ用ＸＹＺ
ピエゾスキャナー６を使って移動させる。そこで、図４
に示すように、探針近傍にあるスイッチ８をＯＦＦに
し、主同軸ケーブル１４とインピーダンス整合を取った
同軸リレースイッチ１３を、端子ｂに接続すると、端子
ｂには主同軸ケーブル１４とインピーダンス整合を取っ
た抵抗Ｒ_m が接続されているため、主同軸ケーブル１４
の中心導体１４Ａに蓄えられていた電荷が抵抗Ｒ_m で消
費され、主同軸ケーブル１４の中心導体１４Ａの電位は
急速にアース電位に到達する。この時の高電圧充放電容
量Ｃ₀ の電極での電荷の動きを見ると、高電圧充放電容
量Ｃ ₀ の第１金属極板１７側に蓄えられていた正電荷は
主同軸ケーブル１４を伝達して抵抗Ｒ_m で消費されてア
ース電位になるが、反対の探針４側に蓄えられていた負
電荷（電子）はスイッチ８がＯＦＦになっているため、
探針４から試料５へと移動せざるを得ないので、この時
に高運動エネルギーを持った電子がパルス状に試料５表
面に照射されることになる。

【００２３】この場合、探針４に蓄えられていた負電荷
（電子）を探針４から試料５表面へと照射するだけなの
で、高電圧（Ｖ₀ ）によって負電荷（電子）が得ていた
ポテンシャルエネルギー（Ｃ₀ Ｖ₀ ²／２）を最小の損失
で運動エネルギーに変換して試料５表面に照射すること
ができ、試料５表面にダメージを与えないように必要最
小限のエネルギーで効率良くパルスが印加可能となる。
勿論、パルス印加時には、探針４−試料５間のインピー
ダンスによって、印加したパルスのエネルギーの一部が
反射波として、主同軸ケーブル１４中を伝達するが、同
軸リレースイッチ１３が端子ｂに接続されているため、
その反射波はインピーダンス整合を取った抵抗Ｒ_m によ
って吸収、除去され、再び探針４の方へ伝達してパルス
波形を乱すことはない。また、試料５側へ照射されたパ
ルスは、抵抗Ｒ_F1、抵抗Ｒ_F2、コンデンサＣ_F からなる
ローパスフィルター９によって除去されるため、ＳＴＭ
用電流アンプ１０には過負荷がかからない。

【００２４】前述のように探針４から試料５へパルスを
印加した後、スイッチ８をＯＮにして、同軸リレースイ
ッチ１３を端子ａに接続し直すと、再びＳＴＭ測定が可
能となり、高電圧充放電容量Ｃ₀ に高電圧Ｖ₀ に相当す
る電荷が蓄積される。以上のサイクルを繰り返し行い、
それとＳＴＭ測定の結果をリンクさせて、同時にコンピ
ュータ処理を行うと、ＳＴＭ像とＳＴＭ−ＡＥＳやＳＴ
Ｍ−ＸＭＡによる試料５表面の元素分析の結果を、同一
表面で得ることが可能となる。

【００２５】続いて、探針４及びＳＴＭ用ＸＹＺピエゾ
スキャナー６周辺の構造設計例を図５に示す。前述のプ
ロセスで、探針４に印加されるパルス波形は、理想的に
は、探針４−試料５間のインピーダンスの値で決定され
るが、実際の構造物を作製したときに生じる浮遊容量や
主同軸ケーブル１４の中心導体１４Ａ部分にあるインダ
クタンスＬ_m が無視できなくなってくる。超短パルスを
印加するためには、それらの意図しない回路成分も考慮
に入れて、構造そのものが回路になるようにインピーダ
ンス整合を行い、設計する必要がある。

【００２６】図５では、探針４はネジ２１によって取り
外しが可能なように設計し、該ネジ２１を設けた探針固
定用極板２２と第１金属極板１７との間、該第１金属極
板１７と前記第２金属極板１９との間に、第１絶縁体１
８及び第２絶縁体２０を挟むことにより、それぞれ高電
圧充放電容量Ｃ₀ 、インピーダンス整合容量Ｃ_m を構成
する。絶縁体の材質に関しては、アルミナなどの圧電効
果がなく且つ高剛性のものを用いる。そして、ＳＴＭ用
ＸＹＺピエゾスキャナー６の駆動面に容量部１６を一体
的に固定し、前記探針固定用極板２２に探針４を取付け
て構成するのである。また、高電圧の主同軸ケーブル１
４を接続する際に、その中心導体１４Ａ及び外部導体１
４Ｂがむき出しになることによって形成されるインダク
タンスをＬ_m としたことは前述の通りである。このイン
ダクタンスＬ_m は、主同軸ケーブル１４の種類やアース
に対するケーブルの位置等によって変化するため、予め
実験によって測定しておく必要がある。高電圧充放電容
量Ｃ₀ の大きさは、印加するパルスのエネルギーの大き
さと、高電圧Ｖ₀ に対する耐電圧によって、第１絶縁体
１８の面積と厚さが決定し、インピーダンス整合容量Ｃ
_m は高電圧主同軸ケーブル１４の特性インピーダンスを
Ｚとすると、Ｚ＝√〔Ｌ_m ／（Ｃ₀ ＋Ｃ_m ）〕を満たす
ように決定して、探針４周辺の設計を行う。これによっ
て、主同軸ケーブル１４との接続時に生じる浮遊容量は
全てＣ_m に比べれば小さいため、Ｃ_mと置き換えること
ができ、インダクタンスＬ_m は高電圧充放電容量Ｃ₀ と
インピーダンス整合容量Ｃ_m とを合わせて、特性インピ
ーダンスＺとなるため、電気的にはインピーダンス整合
は取れている状態となる。

【００２７】具体的には、オージェ電子や特性Ｘ線が発
生するのに十分な高運動エネルギー（５０ｅＶ以上）を
持った電子を試料５原子に照射でき、電界蒸発やジュー
ル熱によって試料５表面の構造変化を起こさせないため
に、前記高電圧充放電容量Ｃ ₀ を１ｐＦとした。そし
て、インダクタンスＬ_m は５ｎＨとし、主同軸ケーブル
１４の特性インピーダンス５０Ωにインピーダンス整合
を取るためにインピーダンス整合容量Ｃ_m は１ｐＦとし
た。

【００２８】また、前記探針４の近傍に容量部１６を設
けるための他の構造例として図６には、高電圧充放電容
量Ｃ₀ とインピーダンス整合容量Ｃ_m とを同軸状に構成
したものを示した。つまり、先端に探針４を取付けるた
めのネジ２３を形成した金属棒２４の中心に配し、該金
属棒２４の基端に固定した固定板２５を前記ＳＴＭ用Ｘ
ＹＺピエゾスキャナー６の駆動面に固定し、前記金属棒
２４の周囲には円筒状の第１絶縁体２６を設け、更に第
１絶縁体２６の外周にリング状の第１金属板２７を設け
て高電圧充放電容量Ｃ₀ を構成している。更に、前記第
１金属板２７の外周に空間ギャップを形成して又はリン
グ状の第２絶縁体２８を介してリング状の第２金属板２
９を設けて前記インピーダンス整合容量Ｃ_m を構成して
いる。そして、前記同様に主同軸ケーブル１４の中心導
体１４Ａを前記第１金属板２７に接続するとともに、外
部導体１４Ｂを前記第２金属板２９に接続している。こ
の場合、高電圧充放電容量Ｃ₀ とインピーダンス整合容
量Ｃ_m のキャパシタンスは、第１金属板２７と第２金属
板２９の軸方向の幅を変更することによって調整可能で
ある。

【００２９】そこで、高電圧電源１２の電圧Ｖ₀ を５ｋ
Ｖ、抵抗Ｒ_m を５０Ω、高電圧充放電容量Ｃ₀ 、インピ
ーダンス整合容量Ｃ_m を共に１ｐＦとし、インダクタン
スＬ _m を５ｎＨとし、パルス印加時に探針４−試料５間
が短絡すると仮定した場合について、探針４−試料５間
に流れる電流をシミュレーションを行った。その結果
を、図７及び図８に抵抗Ｒ_m にかかる電圧と抵抗Ｒ_m を
流れる電流の過渡現象をそれぞれ示し、図９及び図１０
に高電圧充放電容量Ｃ₀ にかかる電圧と高電圧充放電容
量Ｃ₀ に流れる電流の過渡現象をそれぞれ示している。
この高電圧充放電容量Ｃ₀ に流れる電流（図１０参照）
が探針４−試料５間に流れる電流とみなすことができ
る。この結果、探針４から試料５へ約２００〜３００ｐ
ｓの時間幅のパルスが印加されることが分かった。

【００３０】前記探針４に印加された超短パルス高電圧
波形を、直接測定する方法は見あたらないが、探針４か
ら放射された高運動エネルギー電子が、試料５表面で、
ある確率で弾性散乱されることを利用して、この弾性散
乱電子のエネルギー分析を電子エネルギー分析装置で行
って、その最大エネルギーから、探針４に印加されてい
る超短パルス高電圧の最高電圧を知ることができる。ま
た、探針４から放射された高運動エネルギー電子が試料
５表面に衝突した際に、ある確率で制動放射により光子
を放射する。この光子のエネルギー分析を光子エネルギ
ー分析装置で行って、その最大エネルギーから、探針４
に印加されている超短パルス高電圧の最高電圧を知るこ
とができる。

【００３１】そして、前記探針４より放射される高エネ
ルギー電子によって試料５の内殻電子（場合によっては
原子核を中心に球対称分布した価電子でもよい）を励起
でき、それによってできた空孔に、この内殻電子よりエ
ネルギー準位の高い電子が落ち込むとき、光子又はオー
ジェ電子を放出するので、この光子又はオージェ電子の
エネルギー分析と計数分析を行って、すなわち、原子核
を中心に球対称分布した内殻電子等の情報を原子一個毎
に分析することによって、表面原子一個毎の原子核の三
次元的座標の決定、元素分析、化学結合状態分析を行え
るのである。つまり、従来の走査型プローブ顕微鏡では
測定され得なかった原子の内殻電子の情報をも知ること
ができるのである。

【００３２】それにより、例えばシリコンウエファ、ガ
リウム砒素ウエファ及びＵＬＳＩにおける表面原子核配
列、及び表面不純物原子核分布、表面化学結合状態の測
定が可能となり、半導体産業の発展に貢献できる。また
原子操作による微細構造の構築の実現に貢献できるし、
高温超伝導体のメカニズム解明と実用化に寄与するため
の表面原子構造解析に役立つ上に、更に生命科学におけ
るＤＮＡ等の元素分析、化学結合状態分析に役立ち、Ｄ
ＮＡの切断、結合、新ＤＮＡの合成等のＤＮＡ組み換え
にも繋がり、生物工学産業の発展にも貢献できる。

【００３３】

【発明の効果】以上の内容からなる本発明の走査型プロ
ーブ顕微鏡に用いる超短パルス高電圧発生装置によれ
ば、探針の極近傍に設けた微小容量に蓄積した電荷で、
高電圧超短パルスを探針に印加することによって、パル
ス印加時に流れる電荷量（電流）を制限し、容量に印加
する電圧で探針から放射される電子の運動エネルギーを
制御することができる。即ち、ＳＴＭ−ＡＥＳとＳＴＭ
−ＸＭＡを行う上で、オージェ電子や特性Ｘ線が発生す
るのに十分な高運動エネルギー（５０ｅＶ以上）を持っ
た電子を試料原子に照射でき、電界蒸発やジュール熱に
よって試料表面の構造変化を起こさせないために、電荷
量を制御したパルス幅１ｎｓ以下の高電圧極短パルスを
探針に印加することができるのである。

【００３４】パルス印加時に探針−試料間のインピーダ
ンスが大きく変化することで生じる反射波を除去するた
めに、容量部に接続された主同軸ケーブルの他端に、該
ケーブルとインピーダンス整合を取った抵抗を接続して
いるので、不測な反射波はこの抵抗で完全に除去される
ため、パルス波形が乱されることが完全になくなるので
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の説明用概略図である。

【図２】同じく等価回路図である。

【図３】ＳＴＭ測定の場合を示した説明用概念図であ
る。

【図４】パルス印加時の場合を示した説明用概念図であ
る。

【図５】探針周辺の構造を示した部分側面図である。

【図６】探針周辺の他の構造を示した部分斜視図であ
る。

【図７】抵抗Ｒ_m にかかる電圧のシミュレーション結果
を示すグラフである。

【図８】抵抗Ｒ_m に流れる電流のシミュレーション結果
を示すグラフである。

【図９】高電圧充放電容量Ｃ₀ にかかる電圧のシミュレ
ーション結果を示すグラフである。

【図１０】高電圧充放電容量Ｃ₀ に流れる電流のシミュ
レーション結果を示すグラフである。

【符号の説明】

Ｃ₀ 高電圧充放電容量 Ｃ_m インピーダンス整合
容量 Ｒ_m 抵抗 Ｌ_m インダクタンス Ｖ₀ 高電圧電源の電圧 Ｖ_s ＳＴＭ測定用電源の
電圧 １ ＳＴＭ本体 ２ 高電圧超短パルス用電
源ユニット ３ 超高真空チャンバー ４ 探針 ５ 試料 ６ ＳＴＭ用ＸＹＺピエゾ
スキャナー ７ ＳＴＭ測定用電源 ８ スイッチ ９ ローパスフィルター １０ ＳＴＭ用電流アンプ １１ 高電圧供給ケーブル １１Ａ 中心導体 １１Ｂ 外部導体 １２ 高電圧電源 １３ 同軸リレースイッチ １４ 主同軸ケーブル １４Ａ 中心導体 １４Ｂ 外部導体 １５ 分岐同軸ケーブル １５Ａ 中心導体 １５Ｂ 外部導体 １６ 容量部 １７ 第１金属極板 １８ 第１絶縁体 １９ 第２金属極板 ２０ 第２絶縁体 ２１ ネジ ２２ 探針固定用極板 ２３ ネジ ２４ 金属棒 ２５ 固定板 ２６ 第１絶縁体 ２７ 第１金属板 ２８ 第２絶縁体 ２９ 第２金属板

フロントページの続き (72)発明者 堤 建一 大阪府大阪市住之江区新北島７丁目２番27 号 ノアーズ・アーク・住之江202号室 (72)発明者 岩槻 正志 東京都西多摩郡瑞穂町南平２丁目11番９号 Ｆターム(参考） 2G001 AA03 BA05 BA09 CA01 CA03 FA20 GA01 GA06 GA09 HA09 JA02 KA01 KA20 LA01 5C034 AB01

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 走査型プローブ顕微鏡の探針と試料間に
   超短パルス高電圧を印加するための超短パルス高電圧発
   生装置であって、前記探針と電気的に接続された電極を
   持つ微小容量を前記探針の近傍に設け、微小容量のもう
   一方の電極に蓄積した正電荷を放電し、負電荷を探針に
   印加してなること、又は反対に蓄積した負電荷を放電
   し、正電荷を探針に印加してなることを特徴とする走査
   型プローブ顕微鏡に用いる超短パルス高電圧発生装置。
2. 【請求項２】 前記探針の近傍に金属極板と絶縁体によ
   る容量部を設け、主同軸ケーブルとインピーダンス整合
   が取れた正負切り換え可能な高電圧の充電・放電回路を
   備えた高電圧超短パルス用電源ユニットを有し、前記主
   同軸ケーブルの先端において高電圧を印加する中心導体
   を探針とは絶縁された前記容量部の金属極板に接続する
   とともに、インピーダンス整合するためのキャパシタン
   ス若しくはインダクタンスを付加して調整し、前記容量
   部に蓄積した正電荷を放電し、負電荷を探針に印加して
   なること、又は蓄積した負電荷を放電し、正電荷を探針
   に印加してなる請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡に
   用いる超短パルス高電圧発生装置。
3. 【請求項３】 前記容量部として、前記探針と該探針を
   駆動するための走査型プロープ顕微鏡用ＸＹＺピエゾス
   キャナーとの間に、該探針に高電圧を印加するための高
   電圧充放電容量Ｃ₀ と主同軸ケーブルとのインピーダン
   ス整合するためのインピーダンス整合容量Ｃ_m とを構成
   したもの、若しくは試料側に走査型プロープ顕微鏡用Ｘ
   ＹＺピエゾスキャナーを組み込み、該探針に高電圧を印
   加するための高電圧充放電容量Ｃ₀ と主同軸ケーブルと
   のインピーダンス整合するためのインピーダンス整合容
   量Ｃ_m とを構成したものもので、高電圧充放電容量Ｃ₀
   は探針と第１金属極板間に第１絶縁体を挟んで形成し、
   インピーダンス整合容量Ｃ_m は第１金属極板と第２金属
   極板間に第２絶縁体を挟んで形成し、前記主同軸ケーブ
   ルの中心導体を第１金属極板に接続するとともに、主同
   軸ケーブルの外部導体を第２金属極板に接続してなる請
   求項２記載の走査型プローブ顕微鏡に用いる超短パルス
   高電圧発生装置。
4. 【請求項４】 前記主同軸ケーブルの特性インピーダン
   スとインピーダンス整合が取れた抵抗Ｒ_m を介して容量
   Ｃ₀ に蓄積された電荷を放電してなる請求項２又は３記
   載の走査型プローブ顕微鏡に用いる超短パルス高電圧発
   生装置。
5. 【請求項５】 前記容量部を構成する金属極板及び絶縁
   体の材質として、圧電効果がなく且つ高剛性のものを用
   いてなる請求項２又は３記載の走査型プローブ顕微鏡に
   用いる超短パルス高電圧発生装置。