JP2002365194A

JP2002365194A - 高周波パルス走査トンネル顕微鏡

Info

Publication number: JP2002365194A
Application number: JP2001177564A
Authority: JP
Inventors: Yuzo Mori; 勇藏森; Katsuyoshi Endo; 勝義遠藤; Toshihiko Kataoka; 俊彦片岡; Kenta Arima; 健太有馬
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-06-12
Filing date: 2001-06-12
Publication date: 2002-12-18

Abstract

(57)【要約】【課題】絶縁体試料表面の原子構造観察を可能とする
高周波パルス走査トンネル顕微鏡を提案し、顕微鏡とし
て装置化することである。【解決手段】探針８先端と絶縁体試料９の間隔を極め
て接近させ、探針と試料間に印加したバイアス電圧によ
ってトンネル電流を生じさせ、このトンネル電流を一定
に維持する条件でフィードバック信号を駆動系６に与え
て探針と試料を相対的に走査し、試料表面の原子オーダ
ー像を観察する走査トンネル顕微鏡であって、前記探針
と試料間に、高周波短パルスの交流バイアス電圧を印加
するとともに、探針と試料間のトンネル抵抗と浮遊容量
で決する時定数と、電流アンプ１１の入力インピーダン
スで決する時定数を略一致させて、トンネル電流成分だ
けを検出し整流してフィードバック信号とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、絶縁体あるいはワ
イドバンドギャップの半導体表面の原子スケールの幾何
学的構造を観察可能な高周波パルス走査トンネル顕微鏡
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】走査トンネル顕微鏡(Scanning Tunnelin
g Microscopy;ＳＴＭ)の開発以来、固体表面の原子構造
を実空間で観察することが可能となっている。しかし、
ＳＴＭはトンネル電流を利用するために、電流が流れる
導体もしくは半導体の原子構造の観察はできるが、絶縁
体では不可能である。ところが、表面の原子配列を問題
とする機能を持つ表面たとえば、光学レンズ・ミラー等
の光学素子の多くは絶縁体であり、また半導体デバイス
には多くの絶縁材料が用いられているため、絶縁体表面
の原子構造の観察が強く望まれている。

【０００３】これまで、絶縁体表面を観察するために、
Si表面上の薄い酸化膜に対する探針―試料間の高バイア
ス電圧によるＳＴＭや、マイクロ波領域の高周波を印加
したＳＴＭ、電子線および紫外線励起型のＳＴＭが提案
されている。Si表面上の酸化膜は、５Ｖ程度のバイアス
電圧でＳＴＭ観察されている（渡部等Applied Physics
Letters, Vol.72,No.16(1998)p1987）。しかし、原子サ
イズの分解能が得られておらず、酸化膜厚も数ｎｍ以下
に限られる。また、高周波ＳＴＭに関しては、マイクロ
波帯のバイアス電圧を印加してトンネルギャップ部で発
生する非線形効果の高周波成分でフィードバック制御
し、直流成分を用いずに絶縁体薄膜がＳＴＭ観察されて
いる（G.P.Kochanski Physical Review Letters,Vol.62
(1989)p2285）。それに続いて、マイクロ波共振器の最
大電場位置に探針を配置したＳＳＨＭ(Scanning Surfac
e Harmonic Microscopy) （W.Seifert等 Ultramicrosco
py,Vol.42-44(1992)p379およびB.Micheal等 Rev.Sci.In
strum.,Vol.63,No.9(1992)p4080）が開発され、またKバ
ンド帯での試みもある。一方、励起型ＳＴＭに関して
は、電子線・紫外線等を絶縁体に照射し、このエネルギ
ーによって絶縁体中に電子−正孔対からなるキャリアを
励起して導電性を持たせることで絶縁体表面をＳＴＭ観
察することも提案されている（和田等 Applied Physics
Letters, Vol.64(1994)p1100）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、いずれ
の場合にも原子像を観察する分解能には致っていない。
ここで、原子の分解能が得られない原因について考察し
てみる。高周波ＳＴＭの場合は、フィードバックの制御
信号が、トンネル電流成分だけで構成されていない可能
性がある。また、励起型ＳＴＭの場合は、直流成分でフ
ィードバック制御を行っているため、原理的に絶縁体部
を電子がトンネリングする薄膜の試料しか観察できず、
励起に使う電子や光の量によっては、充分にキャリアが
生成されずに帯電することが考えられる。

【０００５】このように、絶縁体材料において分解能が
上がっていない原因としては、以下の二つの現像を挙げ
ることができる。先ず、一つ目は試料表面の帯電であ
る。前述した高周波ＳＴＭにおいては、短い一周期の間
に電子が探針−試料間に行き来することを仮定している
が、探針−試料にポテンシャル障壁がある以上、探針側
から絶縁体試料側へトンネルした電子が必ず戻ってくる
とは限らない。しかも、この高周波ＳＴＭの場合には絶
縁体試料の伝導帯に電子をトンネルさせるということを
強く意識はしていないので、探針側へ戻らなかった電子
は拡散できずに、探針直下で欠陥準位に捕捉されて帯電
していることが予想される。ここで簡単な見積もり計算
によると、探針直下で帯電した電子一個が、探針−試料
間距離に相当する１ｎｍの地点に作る電界強度は、探針
−試料間に与えたバイアスにより作られる電界強度と略
同程度の大きさを持つようになる。即ち、少量の電子が
探針直下でチャージアップすることで、探針からの電子
のトンネルが妨げられることになり、フィードバック制
御の結果、探針と試料の衝突を引き起こすことになる。
また二つ目は、探針−試料間のバイアス電圧を交流で与
える場合は、トンネル電流成分が、それよりも遥かに大
きい探針−試料間その他の浮遊容量による電流成分の中
に埋もれてしまうため、三倍高調波成分等をフィードバ
ック信号として利用しているということである。理想的
には印加電圧と同じ周波数を持つ実トンネル電流成分を
検出する方が、高い空間分解能が得られると考えられる
からである。

【０００６】そこで、絶縁体表面でも原子の大きさの分
解能で観察するための条件について考えてみる。最も重
要なことは、トンネル電流成分の信号によってのみ、フ
ィードバック制御しなければならないことである。なぜ
なら、ＳＴＭの高い空間分解能は、トンネル電流の物理
的性質である探針−試料間距離依存性に支配されている
からである。次に、トンネル電流は絶縁体表面の帯電の
影響を受けてはならない。また、交流での測定の場合
は、探針−試料間の浮遊容量の影響を避けなければなら
ない。以上のことを考慮すれば、絶縁体表面をＳＴＭで
観察するために求められる要件は、次のようにまとめら
れる。 (1)試料の帯電を防ぐために、探針−試料間に交流電圧
を印加する。 (2)絶縁体試料の伝導帯に電子をトンネルさせるのに充
分なバイアス電圧を印加する。 (3)トンネル電流成分のみを検出して、それを探針−試
料表面間距離を一定にするフィードバック信号とする。 (4)探針直下の試料が帯電しないように、探針−試料間
のトンネルによる電荷の移動量をできるだけ小さくす
る。 (5)試料の欠陥準位（孤立準位）に捕捉された電子を励
起して、再びキャリアとして働かせる。

【０００７】そこで、本発明の目的は、前述の各項目を
達成して、絶縁体試料表面の原子スケール構造観察を可
能とする高周波パルス走査トンネル顕微鏡を提案し、顕
微鏡として装置化することである。光学素子等の絶縁体
の極表面の欠陥を評価する技術は、電気的特性を計測す
ることができないため従来皆無であったが、本発明によ
り絶縁体の原子スケールの幾何学的形状及び電子状態を
測定することによる原子レベルでの表面欠陥の計測評価
を可能にする。また、半導体デバイスには、従来用いら
れなかった多くの種類の絶縁体材料が使われるようにな
ってきており、本発明は従来のSiO₂を含めて半導体デバ
イスに用いられる絶縁体材料の微小領域の電子物性・電
気特性を計測評価する手段を提供する。

【０００８】

【課題を解決するための手段】これらの条件を満たすた
めに、１００ｋＨｚ〜１０ＧＨｚ程度の周期の矩形短パ
ルスバイアス電圧を印加する。更に、欠陥準位に捕捉さ
れた電子を再びキャリアに戻すのに充分でかつ、光電子
放出が発生しない程度のエネルギーを持つ光を照射す
る。

【０００９】即ち、(1)〜(4)の要件を満たすために、伝
導体に電子を注入するのに充分で且つ絶縁体試料表面の
帯電を極力少なくする目的で、１００ｋＨｚ〜１０ＧＨ
ｚ程度の周期で矩形の短パルスのバイアス電圧を交流で
印加する。ここに、交流電圧を印加した場合、最も大き
な問題は探針−試料間の浮遊容量である。何の工夫もせ
ずに交流を印加すると、トンネル成分は浮遊容量によっ
て流れる電流に埋もれて検出することができない。この
場合は、単なる静電容量を一定にする制御となり、顕微
鏡としては原子の分解能を望めない。そこで、矩形のパ
ルスを印加して、しかも探針−試料間のトンネル抵抗と
浮遊容量で決まる時定数と、電流アンプの入力インピー
ダンスで決まる時定数を略一致させることにより、トン
ネル電流成分のみを検出できる。また、一般にｍｓｅｃ
オーダーの時間で２〜３Ｖ以上のバイアス電圧を印加す
ると、原子が移動することはよく知られている。従っ
て、ｍｓｅｃ以下の短パルスを印加することによって、
試料表面原子の移動を防ぐことも可能になる。

【００１０】更に、絶縁体試料の伝導帯に電子を注入し
ても、その電子が欠陥準位に捕捉されると試料表面は帯
電してしまうので、捕捉された電子を伝導帯に戻すのに
充分で、なおかつ光電子放出しない程度のエネルギーの
光をトンネル接合部に照射すれば、欠陥準位に捕捉され
ることによる帯電を防ぐことができる。

【００１１】つまり、本発明は、探針先端と試料の間隔
を極めて接近させ、探針と試料間に印加したバイアス電
圧によってトンネル電流を生じさせ、このトンネル電流
を一定に維持する条件でフィードバック信号を駆動系に
与えて探針と試料を相対的に走査し、試料表面の原子ス
ケールの像を観察する走査トンネル顕微鏡であって、前
記探針と試料間に、高周波短パルスの交流バイアス電圧
を印加するとともに、探針と試料間のトンネル抵抗と浮
遊容量で決する時定数と、電流アンプの入力インピーダ
ンスで決する時定数を略一致させて、トンネル電流成分
だけを検出し整流してフィードバック信号とすることを
特徴とする高周波パルス走査トンネル顕微鏡である。

【００１２】ここで、前記交流バイアス電圧は、トンネ
ル電流を発生させるのに充分な電圧を有し且つ探針又は
試料表面の原子が移動しない程度の短パルス幅のバイア
スパルス部と、帯電した試料から電子を除去するための
逆電圧パルス部とを、交互に有するとともに、前記バイ
アスパルス部と逆電圧パルス部を独立にパルス幅を設定
したものである。

【００１３】更に、前記交流バイアス電圧の周波数が１
００ｋＨｚ〜１０ＧＨｚの範囲であり、フィードバック
信号として使用するトンネル電流が１ｐＡ〜１０ｎＡの
範囲であることが好ましい実施形態である。ここで、前
記交流バイアス電圧を変化させて、トンネル分光を行う
ようにすることも好ましい。

【００１４】また、本発明は、光電子が発生しない波長
で且つ欠陥準位に捕捉された電子を伝導帯に励起するの
に充分なエネルギーを持つ光を試料表面に照射してなる
ものである。

【００１５】そして、前記試料の表面に照射する光の波
長を変化させて、トンネル分光を行うようになした、あ
るいは前記試料の表面に一定波長の光を照射しながら、
バイアス電圧を変化させて、トンネル分光を行うように
なしたものである。

【００１６】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態を添付図
面に基づき更に詳細に説明する。先ず、図１（ａ）は本
発明に係る高周波パルス走査トンネル顕微鏡の装置構成
を示し、図１（ｂ）は試料９に高周波矩形短パルスの交
流バイアス電圧を印加する回路図、図１（ｃ）は探針８
に高周波矩形短パルスの交流バイアス電圧を印加する回
路図を示している。本装置は、防振台１の上にメインチ
ェンバー２を載せ、イオンポンプ３で内部を真空引きし
た該メインチェンバー２の内部に、バイトンとステンレ
ス板の積層構造からなる防振体４を固定部材５で空中に
取付け、前記防振体４の上に３次元ピエゾ駆動体６と試
料ホルダー７とを固定し、前記３次元ピエゾ駆動体６に
装着した探針８と、試料ホルダー７に装着した絶縁体試
料９とを近接させて配置した構造となっている。また、
前記３次元ピエゾ駆動体６には、高電圧アンプ１０から
高電圧を印加して、探針８を３次元走査することができ
るようになっている。また、前記探針８と試料９間に流
れるトンネル電流を測定する電流アンプ１１を備え、そ
のトンネル電流をフィードバック信号としてフィードバ
ック回路１２へ送り、トンネル電流が一定となるように
前記高電圧アンプ１０のＺ方向駆動電圧を制御して探針
８をＺ方向へ駆動して探針−試料間の間隔を調節するの
である。そして、図中符号１３はパルスジェネレーター
であり、前記探針８と試料９間に、高周波矩形短パルス
の交流バイアス電圧を印加するのである。また、前記３
次元ピエゾ駆動体６は、ＸＹ方向へは微小ピッチで探針
８を試料９の表面に沿って走査する。つまり、３次元ピ
エゾ駆動体６に供給するＸＹ方向駆動電圧が、試料表面
の位置座標に対応し、Ｚ方向駆動電圧が試料表面の原子
レベルの凹凸に対応し、もって試料表面の原子像が得ら
れるのである。

【００１７】ここで、図２及び図３には、それぞれ試料
が真性半導体（Si）と絶縁体（石英ガラス）である場合
について、探針−試料表面間隔をトンネル領域となるよ
うに非常に小さくしたときのポテンシャル図であり、各
図の（ａ）は探針−試料間にバイアス電圧を印加しない
場合、（ｂ）は探針−試料間にバイアス電圧を印加した
場合を模式的に表している。従来の手法でＳＴＭ像が得
られている半導体の場合は、バンドギャップが１ｅＶ程
度と小さいのに比べ、絶縁体の場合は約３ｅＶ以上と大
きく、トンネル電流を流すためには高いバイアス電圧が
必要である。しかし、一方でバイアス電圧を高くすると
試料表面の原子が移動して、元の表面状態から変化して
しまうといった問題がある。この問題に対してはバイア
ス電圧の印加時間を短くすれば、つまり短パルス化すれ
ば解決する。

【００１８】次に、図４に基づいて本発明の基礎概念を
説明する。図４（ａ）はタイムチャートであり、最上段
が探針−試料間に印加する短パルス矩形波からなるバイ
アス電圧、中段が探針−試料間に流れる電流を検出する
電流アンプの出力、最下段はフィードバック信号をそれ
ぞれ示している。タイムチャートの横軸は時間軸で、縦
軸は、バイアス電圧は電圧値、電流アンプの出力は電流
値である。ここで、バイアス電圧パルスの立上がりと立
下り時に、探針−試料間の浮遊容量による大きな電流が
流れ、その間でパルスのフラット部（直流バイアス電
圧）に相当する時にトンネル電流が流れる。このトンネ
ル電流を探針−試料間の距離を一定に保つフィードバッ
ク信号として用いるのである。

【００１９】ここで用いるバイアス電圧の大きさ、パル
ス幅に関しては、次のように決める。まず、パルス幅の
大きさを設定する必要がある。これは、浮遊容量に流れ
る電流とトンネル電流とが分離できるようにパルス幅を
大きくしなければならないという条件と、試料が帯電し
ないように且つ原子が移動しないようにパルス幅を小さ
くするという条件の二つを満たす最適なパルス幅であ
る。最後に、パルスの大きさであるが、探針から絶縁体
表面に電子を送り込む場合は、伝導帯に流れる程度の電
圧にしなければならない。また、逆の場合は、必ずしも
同じ絶対値の逆電圧を印可する必要はなく、逆電圧の値
とパルス幅については、試料表面の帯電を防ぐことがで
きるように調整する。つまり、前記交流バイアス電圧
は、トンネル電流を発生させるのに充分な電圧を有し且
つ探針又は試料表面の原子が移動しない程度の短パルス
幅のバイアスパルス部と、帯電した試料から電子を除去
するための逆電圧パルス部とを、交互に有するものであ
る。

【００２０】また、図４（ｂ）は、上記バイアス電圧波
形の各時点での探針−試料間に生ずる現像を図解したも
のである。図中（１）では短パルスバイアス電圧をかけ
ると電子がトンネルして、絶縁体の伝導帯に流れる様子
を示す。（２）ではトンネルした電子の一部は、探針直
下の試料表面に残り、試料表面が帯電する様子を示す。
（３）では逆電圧をかけて帯電した電子を抜き取る様子
を示す。（４）では帯電した電子がほぼなくなり、次に
バイアス電圧をかけたときに、電子のトンネルを妨げな
い状態を示す。図４（ａ）のように短パルスバイアス電
圧を探針にかけると、理想的には電子がトンネルして電
流が検出されるが、試料が絶縁体である場合には、トン
ネル電流は非常に小さいので、浮遊容量による電流成分
やノイズに隠れてしまうので、単純にはフィードバック
信号が得られない。

【００２１】実際に、試料を観察する場合の模式図は図
５（ａ）のようになる。図中符号Ｇは、バイアス電圧を
探針−試料間に印加するパルスジェネレータである。探
針８と試料９の間には、空間がある。等価回路として表
すと、トンネル抵抗Ｒ_Tと探針−試料間容量Ｃ₁が並列に
存在していると考えられる。これを回路図で表すと図５
（ｂ）のようになる。また、パルスバイアス電圧の立ち
上がり時と立ち下がり時に流れる探針−試料間容量Ｃ₁
による電流成分を消去する目的で、電流アンプの入力抵
抗Ｒ_Cに並列にコンデンサＣ₂を設けたトンネル電流検出
回路を構成し、その出力Ｉ₂，Ｉ₄，Ｖ_Cのシミュレ−シ
ョンを行った。

【００２２】探針−試料間の抵抗Ｒ_Tとその浮遊容量Ｃ₁
をかけた値を時定数Ｔ₁、電流アンプの入力抵抗Ｒ_Cとそ
れに平行につないだコンデンサＣ₂の積を時定数Ｔ₂と設
定する。そして、Ｃ₁＝０．１ｐＦ、Ｒ_T＝１ＧΩ、Ｃ₂
＝２００ｐＦ、Ｒ_C＝５ΩでＴ₁＝０．１μsec、Ｔ₂＝１
ｎsecの場合のシミュレ−ション結果を図６（ａ）に示
し、Ｃ₁＝０．１ｆＦ、Ｒ_T＝５ＧΩ、Ｃ₂＝１００ｎ
Ｆ、Ｒ_C＝５ΩでＴ₁＝Ｔ₂＝０．５μsecの場合のシミュ
レ−ション結果を図６（ｂ）に示す。この結果は、トン
ネル電流検出回路のＴ₂を調節してＴ₁＝Ｔ₂となるよう
にすれば、パルスバイアス電圧の立ち上がり時と立ち下
がり時に流れる探針−試料間容量Ｃ₁による電流成分が
電流アンプ１１で検出されず、Ｒ_Cに流れる電流波形が
Ｒ_Tに流れる電流波形と同じになる、即ちトンネル電流
のみを検出できる可能性を示している。

【００２３】実際に、絶縁体を観察する場合には、探針
と試料の間に空間と絶縁体が存在している。回路的に
は、トンネル抵抗Ｒ_Tと探針−試料間容量Ｃ₁が並列に存
在し、その前に（探針にバイアス電圧を印加する時はそ
の後ろに）絶縁体、即ちコンデンサがあると考えられる
（図５（ｂ）参照）。この場合のシミュレ−ション結果
も前述の場合と同様に時定数が一致した時（Ｔ₁＝
Ｔ₂）、Ｒ_CとＲ_Tに流れる電流が略同じ波形になること
も確かめている。また、トンネル接合部を模擬した電気
回路によって、浮遊容量Ｃ₁の影響を受けずにトンネル
電流が検出できることを実験的にも確かめた。尚、時定
数Ｔ₁と時定数Ｔ₂とは完全に一致させなくても、ある許
容範囲内でＴ₁≒Ｔ₂であれば、つまりトンネル電流に一
部浮遊容量による電流成分が含まれても原子像が観察で
きることを確認している。このことは、実際に未知の容
量を持つ絶縁体試料のＳＴＭ観察において非常に興味深
い現象である。

【００２４】次に、実際に作成したＳＴＭを用いて、矩
形パルス交流バイアス電圧を印加し、ダイオードで整流
した信号をフィードバックすることによってＳＴＭ観察
するシステムを構築した。図７にその回路図を示す。こ
こで、Ｃ₁とＲ_Tは、図１に示した実際のＳＴＭ装置のト
ンネル抵抗と浮遊容量である。試料として先ず導電材料
であるＨＯＰＧを用い、Ｔ₁＜Ｔ₂、Ｔ₁≒Ｔ₂、Ｔ₁＞Ｔ₂
の場合について測定した。ここで、前記電流アンプと直
列に可変抵抗Ｒ_Vを設け、検出回路系の時定数Ｔ₂を調節
した。矩形パルス交流バイアス電圧を２０ｋＨｚとした
場合の測定結果を図８に示している。図中左のオシログ
ラフは、パルスジェネレータＧで発生させたバイアス電
圧波形であり、右側のオシログラフは、電流アンプで検
出した電流波形である。この結果、パルスバイアス電圧
の周波数が低い場合ではあるが、時定数が略一致した時
（Ｔ₁＝Ｔ₂）、Ｒ_CとＲ_Tに流れる電流が略同じ波形にな
り、トンネル電流のみが検出できた。この時に得られた
ＳＴＭ像を図１０に示している。図１０（ａ）は１０ｎ
ｍ四方の範囲の観察結果、図１０（ｂ）は５ｎｍ四方の
範囲の観察結果である。また、図１１（ａ）は、矩形パ
ルス交流バイアス電圧を１００ｋＨｚとした場合のＨＯ
ＰＧのＳＴＭ像、図１１（ｂ）は矩形パルス交流バイア
ス電圧を２００ｋＨｚとした場合のＨＯＰＧのＳＴＭ像
であり、それぞれ５ｎｍ四方の範囲の観察結果である。
ここで、２００ｋＨｚの場合の解像度が悪いのは、整流
回路（ダイオード）の応答速度が低いためと思われる。
この観察結果は、パルスバイアス電圧を印加してトンネ
ル電流成分のみを検出し、それをフィードバック信号と
して使用し、ＳＴＭ像を観察することができる基本的な
システムができたことを意味し、半導体はもとより絶縁
体表面のＳＴＭ像の観察が原理的に可能であることを示
している。

【００２５】次に、試料を半導体（Siウェーハ水素終端
化表面）とした場合の前記同様な測定結果を図９に示し
ている。この場合も時定数が略一致した時（Ｔ₁＝
Ｔ₂）、Ｒ _CとＲ_Tに流れる電流が略同じ波形になり、Ｒ_C
に流れる電流がトンネル電流を反映しフィードバック信
号として充分に使用できることを示している。このSiウ
ェーハに関しては、電流アンプのＳ／Ｎの関係と試料の
前処理の影響から、原子スケールの像の観察には致って
いない。

【００２６】また、試料が絶縁体の場合には、バイアス
電圧のパルス幅をもっと短くし、感度が高く且つ高い周
波数電流の検出が可能な電流アンプを用いる必要があ
る。つまり、前記交流バイアス電圧の周波数を１００ｋ
Ｈｚ〜１０ＧＨｚの範囲に設定し、電流アンプもその周
波数に対応でき、フィードバック信号として使用するト
ンネル電流が１ｐＡ〜１０ｎＡの範囲も検出できるよう
にすれば、絶縁体のＳＴＭ像を充分に得ることができ
る。ここで、自然酸化膜SiO₂で覆われたSiを試料とし
て、矩形パルス交流バイアス電圧の周波数が１００ｋＨ
ｚでフィードバック制御が動作することを確認してい
る。

【００２７】更に、絶縁体の場合には、表面に多くの欠
陥準位が存在し、その欠陥準位に捕捉された電子に外部
からエネルギーを与えて伝導帯に励起することによっ
て、更に鮮明なＳＴＭ像を得ることができる。その励起
手段としては、光電子が発生しない波長で且つ欠陥準位
に捕捉された電子を伝導帯に励起するのに充分なエネル
ギーを持つ光を試料表面に照射する。この場合は、特に
光励起型高周波パルスＳＴＭと呼ぶことにする。この光
励起型高周波パルスＳＴＭの配置図を図１２に示してい
る。図１２に示したレーザー照射機構は、チャンバーの
外に配置した図示しないレーザー光源からのレーザー光
を対物レンズを通してファイバー１４に導き、チャンバ
ー内に配したファイバー１４の先端を角度を微調節でき
るレーザー台１５に固定し、試料ホルダー７に固定され
た試料８にレーザー光を照射するようにしている。本実
施形態では、試料８に対して入射角５°でレーザー光を
照射するように設定している。また、レーザー光の入射
側とは反対側にＣＣＤカメラ１６を配置して、観察領域
に対して正確にレーザー光を照射するためのモニターと
している。

【００２８】絶縁体試料が常温では導電性を持たない
１．１ｅＶのバンドギャップを持つ真性半導体Siであれ
ば、欠陥準位に捕捉された電子を伝導帯に励起するに
は、例えば波長λ＝８２０ｎｍの赤外線を照射すればよ
い。ここで、波長λ＝８２０ｎｍ（１．５１ｅＶ）、光
量１００ｍＷ、照射面積０．１６ｍｍ²の赤外線照射
は、周波数１００kHzの1パルス（１０μsec）で1原子当
たり２．６個の電子を励起できる光量である。この真性
半導体Siを試料として、矩形パルス交流バイアス電圧の
周波数が１００ｋＨｚでＳＴＭ観察する場合に、光（λ
＝８２０ｎｍ）照射をすることによって初めてフィード
バック制御が可能であることを実験的に確認し、絶縁体
試料での光照射の効果を明らかにした。また、絶縁体試
料がSi上の自然酸化膜SiO₂であれば、波長可変レーザー
を用いて、４ｅＶ程度のエネルギーを持つ励起光源を用
いる。その手段としては、前述のようにレーザー光をフ
ァイバーに入射して、探針直下の試料表面に照射する励
起光源を用いることが好ましい。他のレーザー光源とし
ては、半導体レーザー及び可視域の気体放電レーザーを
用いる。また、より高いエネルギーの光を照射する必要
がある場合には、真空紫外線を照射する。

【００２９】また、本発明のＳＴＭ装置は、単に試料表
面のＳＴＭ像を観察することに止まらず、探針−試料間
の電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）を測定し、微分コンダ
クタンスとコンダクタンスの比を演算することにより、
試料表面の局所状態密度を得ることができる。

【００３０】ＳＴＭで得られる表面凹凸像は、各サイト
でのトンネル電流の相対値を反映しているため、探針−
試料間に印加するバイアス電圧の大きさやその極性等の
測定条件によって変化する。トンネル現像を起こす電子
は、バイアス電圧に規定された、限られたエネルギー範
囲の電子のみである。このような特徴を生かしてバイア
ス電圧を変化させ、電流−電圧特性を測定すると、エネ
ルギーを関数とした局所的な状態密度のスペクトルを得
ることができる。これが、走査トンネル分光法（ＳＴ
Ｓ；Scanning Tunneling Spectroscopy）である。ま
た、ＳＴＳにも、各走査線を正負２極性の電圧で２度走
査する両極性トンネル電子映像法（ＤＰＴＩ；Dual-Pol
arity Tunneling Imaging）と、各画素でフィードバッ
ク信号を一時ホールドして探針のＺ方向の動きを止め、
この間に探針−試料間のバイアス電圧を掃引して電流−
電圧特性を測定・記録した後、再びＳＴＭ動作に戻る一
連の動作を走査範囲のすべての画素で繰り返す、電流映
像型トンネル電子分光法（ＣＩＴＳ；Current Imaging
Tunneling Spectroscopy）とがある。ＤＰＴＩ法では電
流方向により状態密度を反映したＳＴＭ像が得られ、Ｃ
ＩＴＳ法ではＳＴＭ像と同時に各画素での局所状態密度
を知ることができる。

【００３１】更に具体的には、本発明のＳＴＭ装置を用
いることにより、Siウェーハ表面に吸着した金属原子の
元素分析を行うことができる。即ち、ＳＴＭ／ＳＴＳで
金属原子が吸着している位置の局所状態密度(Local Den
sity of States;ＬＤＯＳ)を測定し、第一原理分子動力
学に基づくＬＤＯＳの計算結果との比較から、吸着元素
の同定を行なうものである。ＳＴＭ／ＳＴＳが原子レベ
ルの空間分解能を有するため、原理的には吸着原子１個
の元素分析が可能な究極の感度を持つ表面元素分析法に
なる。また、究極の表面加工法であるＥＥＭ(Elastic E
mission Machining)やプラズマＣＶＭ(Chemical Vapori
zation Machining)で超精密加工された絶縁体試料表面
を光励起型高周波パルスＳＴＭで観察することにより、
その加工の評価を原子レベルで行うことができる。その
他の用途は枚挙に暇が無いので割愛する。

【００３２】

【発明の効果】以上にしてなる本発明に係る高周波パル
ス走査トンネル顕微鏡は、探針先端と試料の間隔を極め
て接近させ、探針と試料間に印加したバイアス電圧によ
ってトンネル電流を生じさせ、このトンネル電流を一定
に維持する条件でフィードバック信号を駆動系に与えて
探針と試料を相対的に走査し、試料表面の原子スケール
の像を観察する走査トンネル顕微鏡であって、前記探針
と試料間に、高周波短パルスの交流バイアス電圧を印加
するとともに、探針と試料間のトンネル抵抗と浮遊容量
で決する時定数と、電流アンプの入力インピーダンスで
決する時定数を略一致させて、トンネル電流成分だけを
検出し整流してフィードバック信号とするので、絶縁体
表面の原子像の観察ができ、他に例が見られないもので
ある。勿論、半導体、導体の観察も可能である。

【００３３】また、高周波パルス走査トンネル顕微鏡や
光励起型高周波パルス走査トンネル顕微鏡により、これ
まで導体・半導体表面に限られていた原子スケールの分
解能で幾何学的構造と電子状態の計測が、絶縁体表面に
まで広がることになり、表面科学の分野に大きく貢献で
きる。

【００３４】更に、バイアス電圧や励起光の波長を変化
させ、トンネル分光を行なえば、絶縁体の電子状態も知
ることでき、表面科学の進歩に大きく貢献できることは
言うまでもなく、多くの絶縁体表面の機能を計測評価で
き、産業にも貢献することができる。

【００３５】本装置は、従来のＳＴＭに高周波パルスを
発生するファンクションジェネレータと簡単な検出回路
を含む高速・低ノイズ電流アンプ、励起用光源を組込め
ばシステムとして完成する。従って、従来のＳＴＭに付
加的な改造を加えるだけで実用化か達成される。これ
は、これまで提案されているマイクロ波を用いた高周波
ＳＴＭが、バイアス電圧の印加方法に始り、アンプを含
めて高周波信号の取扱いが全く異なってくるのとは、実
用化の困難さが大きく違う。但し、励起用光源に関して
は、観察する材料によって励起光の波長を選択し、欠陥
密度によって光量を調整しなければならない。

【００３６】また、光励起型高周波パルスＳＴＭよっ
て、これまで電気を流さないことから、計測法が制限さ
れていた絶縁体表面に関する表面科学の研究の道が拓か
れる。特に、表面原子構造のみならず、従来帯電のため
にほとんど不可能であった詳細な絶縁体の価電子構造の
計測や欠陥準位の同定等が導体と同様に可能になる。更
に、価電子分光のパラメータにトンネルバイアス電圧と
励起光波長を使えることは、自由度が高いため、計測法
としての可能性が大きい。

【００３７】更に、従来不可能であった光学材料となる
ガラス等の絶縁体表面の原子構造と表面欠陥準位が観察
できるようになるため、これらの超精密加工表面の評価
ができるようになる。そして、計測結果を加工プロセス
へフィードバックすることが可能となり、加工プロセス
の開発にも大きな貢献が期待できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るＳＴＭ装置の簡略説明図である。

【図２】探針−試料表面間隔がトンネル領域にある場合
で、試料が半導体である場合のポテンシャル図であり、
（ａ）はバイアス電圧を印加しないとき、（ｂ）はバイ
アス電圧を印加したときを示している。

【図３】探針−試料表面間隔がトンネル領域にある場合
で、試料が絶縁体である場合のポテンシャル図であり、
（ａ）はバイアス電圧を印加しないとき、（ｂ）はバイ
アス電圧を印加したときを示している。

【図４】本発明の基礎概念を示し、（ａ）はバイアス電
圧、電流アンプ出力及びフィードバック信号の各タイム
チャート、（ｂ）は探針−試料間における電位の挙動を
示した模式図である。

【図５】本発明の説明図であり、（ａ）は実際のＳＴＭ
装置の模式図、（ｂ）はその等価回路である。

【図６】図５（ｂ）の等価回路のシミュレ−ション結果
であり、（ａ）は時定数が異なる場合（Ｔ₁≠Ｔ₂）の電
流波形、（ｂ）は時定数が一致した場合（Ｔ₁＝Ｔ₂）の
電流波形である。

【図７】実際のＳＴＭ装置の回路図である。

【図８】試料としてＨＯＰＧを用いた場合の電流アンプ
で検出した電流波形を示すオシログラフである。

【図９】試料としてSiウェーハ水素終端化表面を用いた
場合のバイアス電圧と電流アンプで検出した電流波形を
示すオシログラフである。

【図１０】本発明の装置を用いてバイアス電圧の周波数
２０ｋＨｚで観察したＨＯＰＧのＳＴＭ像であり、
（ａ）は１０ｎｍ×１０ｎｍのスケール、（ｂ）は５ｎ
ｍ×５ｎｍのスケールである。

【図１１】本発明の装置を用いて観察したＨＯＰＧのＳ
ＴＭ像であり、（ａ）はバイアス電圧の周波数を１００
ｋＨｚとした場合、（ｂ）はバイアス電圧の周波数を２
００ｋＨｚとした場合のＳＴＭ像である。

【図１２】光励起型高周波パルスＳＴＭの光照射機構を
示す概略配置図である。

【符号の説明】

１防振台２メインチェンバー３イオンポンプ４防振体５固定部材６３次元ピエゾ駆動体７試料ホルダー８探針９絶縁体試料１０高電圧アンプ１１電流アンプ１２フィードバック回路１３パルスジェネレーター１４ファイバー１５レーザー台１６ＣＣＤカメラ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者遠藤勝義大阪府交野市森南１丁目49−８ (72)発明者片岡俊彦京都府京都市左京区松ヶ崎三反長町13 ラファミーユ201 (72)発明者有馬健太大阪府箕面市小野原東５−１−１−202 Ｆターム(参考） 2F063 AA43 CA08 CA09 CA17 DA01 DB05 DD02 EA16 EB23 FA07 LA06 LA07 LA11 LA29 LA30 MA05 2F069 AA60 DD19 GG04 GG06 GG07 GG62 HH09 HH30 JJ07 JJ25 LL03 NN02 QQ05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】探針先端と試料の間隔を極めて接近さ
せ、探針と試料間に印加したバイアス電圧によってトン
ネル電流を生じさせ、このトンネル電流を一定に維持す
る条件でフィードバック信号を駆動系に与えて探針と試
料を相対的に走査し、試料表面の原子スケールの像を観
察する走査トンネル顕微鏡であって、前記探針と試料間
に、高周波矩形短パルスの交流バイアス電圧を印加する
とともに、探針と試料間のトンネル抵抗と浮遊容量で決
する時定数と、電流アンプの入力インピーダンスで決す
る時定数を略一致させて、トンネル電流成分だけを検出
し整流してフィードバック信号とすることを特徴とする
高周波パルス走査トンネル顕微鏡。
【請求項２】前記交流バイアス電圧は、トンネル電流
を発生させるのに充分な電圧を有し且つ探針又は試料表
面の原子が移動しない程度の短パルス幅のバイアスパル
ス部と、帯電した試料から電子を除去するための逆電圧
パルス部とを、交互に有するとともに、前記バイアスパ
ルス部と逆電圧パルス部を独立にパルス幅を設定したも
のである請求項１記載の高周波パルス走査トンネル顕微
鏡。
【請求項３】前記交流バイアス電圧の周波数が１００
ｋＨｚ〜１０ＧＨｚの範囲であり、フィードバック信号
として使用するトンネル電流が１ｐＡ〜１０ｎＡの範囲
である請求項１又は２記載の高周波パルス走査トンネル
顕微鏡。
【請求項４】前記交流バイアス電圧を変化させて、ト
ンネル分光を行うようになした請求項１〜３何れかに記
載の高周波パルス走査トンネル顕微鏡。
【請求項５】光電子が発生しない波長で且つ欠陥準位
に捕捉された電子を伝導帯に励起するのに充分なエネル
ギーを持つ光を試料表面に照射してなる請求項１〜４何
れかに記載の高周波パルス走査トンネル顕微鏡。
【請求項６】前記試料の表面に一定波長の光を照射し
ながら、バイアス電圧を変化させて、トンネル分光を行
うようになした請求項５記載の高周波パルス走査トンネ
ル顕微鏡。
【請求項７】前記試料の表面に照射する光の波長を変
化させて、トンネル分光を行うようになした請求項５記
載の高周波パルス走査トンネル顕微鏡。