JP2008128767A - 走査型プローブ顕微鏡用探針 - Google Patents

Abstract

【課題】電子放出源を備えた走査型プローブ顕微鏡用探針を提供する。
【解決手段】円錐状の針部１０１ａを備えたカンチレバー状の基部１０１と、基部１０１の上に形成された絶縁層１０２と、絶縁層１０２の上に形成された電子放出層１０３とを備える。この探針は、これらの積層構造からなる探針部１１０と片持ちの梁部１１１とから構成されている。探針部１１０は、針部１０１ａの上に設けられた絶縁層１０２及び電子放出層１０３から構成され、この先端部に行くほど細くなるように形成されている。また、探針部１１０における電子放出層１０３の針部１１０の上面（探針部１１０の先端部上面）は、平坦に形成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscopy；ＡＦＭ）などの走査型プローブ顕微鏡に用いられる走査型プローブ顕微鏡用探針に関する。

走査型プローブ顕微鏡は、針状のチップを有するカンチレバー状の探針を用いて物質表面の凹凸を原子レベルで検出する顕微鏡である。また、酸化や放電現象を利用して、走査型プローブ顕微鏡により物質の加工を行う装置も市販されている。この加工によれば、原子レベルの物質を観測しながら加工できる。しかしながら、走査型プローブ顕微鏡を用いた酸化は、加工の精度が大気圧力や湿度などに敏感であり、また材料も限定される。また、放電現象を用いた加工では、探針及び試料が配置される空間を高い真空状態（低い圧力状態）にする必要があり、また高電圧の印加が必要となるので装置の構成が大がかりで複雑なものとなる。また、高電圧を印加するために、加工対象の物質や探針部に破損が発生しやすいという問題がある。また、いずれの加工においても、加工領域は探針の部分よりも広い範囲となり、加工領域の選択性があまりよくない。

一方、近年では、電子線を用いた表面処理などの加工技術が注目されている。電子線は、高いエネルギー利用効率，透過性，及びこれらの高い制御性を持ち、熱を伴わない常温処理などの優れた特徴が得られる。ここで、上述した走査型プローブ顕微鏡の探針の部分に、電子放出源を組み合わせることで、より微細な範囲の加工が可能になるなど、新たな加工技術の開発が期待できる。しかしながら、従来よりある熱電子放出や電界放出による電子源では、微細な探針部に同時に設けることができない。

C.A.Mead, "Operation of Tunnel-Emission Device", Journal of Applied Physics, Vol.32, No.4, pp.646-652,1961. K. Nishiguchi, et ul., "Multilevel memory using an electrically formed single-electron box", Applied Physics Letters, Vol.85, No.7, pp.1277-1279, 2004.

上述したように、従来の技術では、走査型プローブ顕微鏡を利用することで、ある程度微細な加工などが可能となるが、制御性に乏しく、また、装置が大がかりとなるなどの問題があった。また、電子線を用いることで、より多くの様々な加工が可能となるが、従来の技術では、走査型プローブ顕微鏡の探針部に電子放出源を組み合わせることが容易ではなかった。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、電子放出源を備えた走査型プローブ顕微鏡用探針を提供することを目的とする。

本発明に係る走査型プローブ顕微鏡用探針は、基部の上に設けられた探針部及び基部の上に設けられた電子放出部を備え、電子放出部は、所定の第１電圧が印加される電極層と、電極層の上に絶縁層を介して形成されて第１電圧より大きい第２電圧が印加される電子放出層とから構成されているものである。第１電圧と第２電圧の印加により、電極層の電子が絶縁層をトンネルして通過し、通過した一部の電子が電子放出層より放出される。

上記走査型プローブ顕微鏡用探針において、電子放出部は、探針部に設けられているものであればよい。この場合、電子放出部の先端部の上面は、平坦に形成されているとよい。また、基部は、探針部と探針部に続く梁部とから構成し、梁部に配置された電荷センサーを備えるようにしてもよい。

また、上記走査型プローブ顕微鏡用探針において、基部は、探針部と探針部に続く梁部とから構成され、電子放出部は、梁部に設けられているようにしてもよい。なお、上記走査型プローブ顕微鏡用探針において、基部が電極層であるようにしてもよい。

以上説明したように、本発明によれば、基部の上に、探針部とともに、所定の第１電圧が印加される電極層と、電極層の上に絶縁層を介して形成されて第１電圧より大きい第２電圧が印加される電子放出層とから構成された電子放出部を備えるようにしたので、電子放出源を備えた走査型プローブ顕微鏡用探針が提供できるという優れた効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
［実施の形態１］
はじめに、本発明における第１の実施の形態について、図１を用いて説明する。図１は、実施の形態１における走査型プローブ顕微鏡用探針の構成を示す平面図（ａ），断面図（ｂ），（ｃ）である。実施の形態１における探針は、円錐状の針部１０１ａを備えたカンチレバー状の基部１０１と、基部１０１の上に形成された絶縁層１０２と、絶縁層１０２の上に形成された電子放出層１０３とを備える。この探針は、これらの積層構造からなる探針部１１０と片持ちの梁部１１１とから構成されている。

基部１０１は、例えば、リンなどの不純物が高濃度に導入された導電性を備えた単結晶シリコンから構成されたものである。また、絶縁層１０２は、例えば基部１０１の表面を熱酸化することで形成された酸化シリコンから構成され、膜厚が１８ｎｍ程度に形成されたものである。また、電子放出層１０３は、高濃度に不純物が導入されたポリシリコンから構成され、膜厚１６ｎｍ程度に形成されたものである。

探針部１１０は、針部１０１ａの上に設けられた絶縁層１０２及び電子放出層１０３から構成され、この先端部に行くほど細くなるように形成されている。また、探針部１１０における電子放出層１０３の針部１１０の上面（探針部１１０の先端部上面）は、平坦に形成され、電子が上面より垂直に放出されて広がらないようにしている。なお、先端部が平坦である必要はない。また、探針部１１０の先端部（電子放出部）においては、絶縁層１０２が薄く形成された薄層領域１０２ａを設け、探針部１１０の先端部のみから電子が放出されやすいようにしている。なお、薄層領域１０２ａは、なくても良い。

例えば、探針部１１０の先端の先に所定距離離間して導電性を有するステージを配置し、このステージの上に試料となる物質を配置し、ステージに所定の電圧を印加した状態で、基部１０１と電子放出層１０３との間に電圧を印加することで、探針部１１０の先端より試料に向けて電子が放出されるようになる。

以下、上述した探針部１１０における電子放出についてより詳細に説明する。まず、図２に示すような、絶縁体層２０２を導電体層２０１と導電体層２０３で挾み、導電体層２０３に対して真空２０４を挟んで導電体層２０５が対向配置された構造について考える。ここで、導電体層２０１に電圧Ｖ₁，導電体層２０３に電圧Ｖ₂を印加すると（Ｖ₂＞Ｖ₁）、導電体層２０３の表面から真空２０４の側に電子が放出され、放出された電子が導電体層２０５に到達する。

この原理を図２（ｂ）に示したエネルギーバンド図で説明する。導電体層２０１に印加するＶ₁に対して導電体層２０３に印加するＶ₂の電圧を大きくすると、導電体層２０３のエネルギーポテンシャルが導電体層２０１に対して下がることで、絶縁体層２０２に電界がかかり、絶縁体層２０２のポテンシャルが斜めに傾く。これにより、導電体層２０１の電子２１１は、ｅ（Ｖ₂−Ｖ₁）分のエネルギーを与えられて絶縁体層２０２をトンネルして通り抜けることができる。なおｅは素電荷である。電子２１１は、絶縁体層２０２の中を非弾性散乱でエネルギーを失いながら通過し、導電体層２０３に達する。

この中で、エネルギーを大きく失った電子２１２は、導電体層２０３に流れ込み通常のトンネル電流となる。これに対し、エネルギーを失いながらも導電体層２０３の仕事関数φよりも大きなエネルギーを持って導電体層２０３の表面に達した電子２１３は、真空２０４中に放出される。従って、導電体層２０３より電子を放出させるためには、ｅ（Ｖ₂−Ｖ¹）＞φとなるように電圧を印加して散乱しても十分なエネルギーを与え、さらに散乱を減らして失うエネルギーを小さくすれば良い。

φは高くても６ｅＶ程度であることから、Ｖ₂−Ｖ₁を６Ｖ程度に小さくすることができるので、既存の電子放出素子よりも低電源化が可能となる。また、一度、導電体層２０３の表面から電子が放出してしまえば、放出された電子は簡単に導電体層２０５まで達することができるので、導電体層２０５に印加するＶ₃も、Ｖ₂程度に小さくすることができる。また、Ｖ₃は、大きくすることも可能なので、放出電子のエネルギーを広い範囲で簡単に制御できる。

放出された電子は、電界に沿って放出されるので、導電体層２０３の表面に対して垂直に放出される。これにより、放出電子が広がる（拡散する）ことを防ぐことが可能となり、導電体層２０３の形状通りに電子が放出されるので電子レンズを省くことができる。また、大面積や小面積の電子放出も容易であるといえる。駆動電圧が小さいことや発熱しないことから、導電体層２０３と導電体層２０５の間の空間は１０⁴Ｐａ程度の真空度でもよく、真空を維持するシステムも劇的に簡素化できる。これらのことから、図２の構造を利用した電子放出素子は、低電圧化，低真空度化，及びシステム簡素化が可能となる。

また、電子放出をより効率よく行うためには、絶縁体層２０２及び導電体層２０３を電子が伝導するときの散乱によるエネルギーの損失を小さくした方がよい。このためには、絶縁層２０２及び導電体層２０３の厚さを、１０ｎｍ程度とすればよい。前述した実施の形態１における探針では、基部１０１が図２の導電体層２０１に相当し、絶縁層１０２が図２の絶縁体層２０２に相当し、電子放出層１０３が図２の導電体層２０３に相当する。また、本実施の形態１における走査型プローブ顕微鏡用探針を用いた走査型プローブ顕微鏡では、前述したステージが、図２の導電体層２０５に相当する。

なお、前述した実施の形態１では、基部１０１を単結晶シリコンから構成したが、これに限るものではない、基部１０１は、例えばアルミニウムなどの金属から構成しても良い。また、絶縁層１０２は、酸化シリコンに限らず、窒化シリコンや酸化アルミニウムなどの絶縁材料から構成しても良い。また、電子放出層１０３も、ポリシリコンに限らず、アルミニウムなどの金属から構成することが可能である。なお、電子放出層１０３（導電体層２０３）にシリコンを用いれば、金属に比べて散乱確率が低いので、より多くの電子を放出することが可能となるだけでなく、金属に比べて薄くしやすいということも散乱をさらに下げることに貢献する。また、素子の作製に、シリコンＬＳＩの加工技術が利用できるので、集積化や素子の縮小化が容易である。

次に、本実施の形態１における探針による電子放出特性について説明する。まず、基部１０１に０Ｖ、電子放出層１０３に電圧１５Ｖ（Ｖ₂）を印加し、図２の導電体層２０５である上記ステージに電圧Ｖ₃を印加したときの、印加した電圧差と放出電子数との関係を図３（ａ）に示す。図３（ａ）から分かるように、電子放出層１０３に印加する電圧が１５Ｖ程度と小さくても電子が放出されており、また、電子放出層１０３とステージとの間の電圧差がなくても電子が放出されており、小さな電圧で電子放出動作が可能である。従って、探針をより多くの条件の設計寸法で作製することができる。

また、真空度と電子放出特性との関係について示すと、図３（ｂ）に示すように、真空度が１０⁴Ｐａ程度であれば電子放出が得られるので、高真空な環境が必要なく、走査型プローブ顕微鏡に容易に適用可能であることが分かる。また、このことより、様々なガスが存在する雰囲気において電子の放出が可能であることが分かり、様々なガス雰囲気での電子照射効果の検討が可能となる。なお、図３（ｂ）では、基部１０１に０Ｖ，電子放出層１０３に２０Ｖの電圧を印加した状態で、ステージに４０Ｖの電圧を印加した場合を白丸で示し、ステージに１００Ｖの電圧を印加した場合を黒丸で示している。

［実施の形態２］
次に、本発明における第２の実施の形態について、図４を用いて説明する。図４は、実施の形態２における走査型プローブ顕微鏡用探針の構成を示す平面図（ａ），断面図（ｂ），（ｃ）である。実施の形態２における探針は、まず、円錐状の針部４０１ａを備えたカンチレバー状の基部４０１を備えている。なお、基部４０１の針部４０１ａ形成領域を探針部４１０とし、これに続く部分を梁部４１１とする。本実施の形態２においては、基部４０１の梁部４１１の領域において、絶縁層４０２と、絶縁層４０２の上に形成された電子放出層４０３とを備えるようにしたものである。

実施例２における探針は、探針部４１０以外の梁部４１１に、基部４０１，絶縁層４０２，及び電子放出層４０３から構成された電子放出部を備えるようにしたものである。実施例２における探針では、図４（ｂ）に示すように、電子放出部を構成する絶縁層４０２の針部４０１ａに近い先端部の膜厚を、他の領域の絶縁層４０２より薄く形成している。このように構成することで、薄く形成している領域において、より電子が放出されやすい状態となり、当該領域より選択的に電子が放出されるようになる。例えば、厚い部分の絶縁層４０２の膜厚を、薄い部分の絶縁層４０２の膜厚の２倍にすれば、絶縁層４０２の厚い領域における電子放出層４０３からは、薄い部分に比較して電子放出が桁違いに発生しにくい状態となる。

本実施の形態２における走査型プローブ顕微鏡用探針では、探針部４１０とは異なる箇所から電子が放出される。例えば、探針部４１０の先端の先に所定距離離間して導電性のステージを配置し、このステージの上に試料となる物質を配置し、ステージに所定の電圧を印加した状態で、基部４０１と電子放出層４０３との間に電圧を印加することで、絶縁層４０２が薄くされた電子放出層４０３より試料に向けて電子が放出されるようになる。探針部４１０を用いて試料の表面を観察した後、この観察結果をもとに、所望の箇所に本実施例２の探針の上記電子放出部が配置されるように移動させれば、所望とする箇所に電子を照射することができる。本実施の形態２の探針によれば、実施の形態２の探針に比較して、電子放出部の形成がより容易である。また、電子放出部を、より平らで小さな構造とすることができるので、形状に依存する電子放出の広がりを抑制することができ、より微細な領域に電子放出をすることが可能となる。

［実施の形態３］
次に、本発明における第３の実施の形態について、図５を用いて説明する。図５は、実施の形態１における走査型プローブ顕微鏡用探針の構成を示す平面図（ａ），断面図（ｂ），（ｃ）である。実施の形態３における探針は、円錐状の針部５０１ａを備えたカンチレバー状の基部５０１と、基部５０１の上に形成された電極層５０２と、電極層５０２の上に形成された絶縁層５０３と、絶縁層５０３の上に形成された電子放出層５０４とを備える。この探針は、これらの積層構造からなる探針部５１０と片持ちの梁部５１１とから構成されている。

本実施の形態３の探針では、電極層５０２は、例えば、リンなどの不純物が高濃度に導入された導電性を備えたポリシリコンから構成されたものである。例えば、基部５０１の上に、よく知られたＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などにより導電性ポリシリコンを堆積することで、電極層５０２が形成可能である。また、電極層５０２は、アルミニウムなどの金属から構成しても良い。例えば、基部５０１の上に、よく知られたスパッタ法によりアルミニウムを堆積することで、電極層５０２が形成可能である。

また、絶縁層５０３は、例えばシリコンよりなる電極層５０２の表面を熱酸化することで形成された酸化シリコンから構成されたものであればよい。また、絶縁層５０３は、よく知られたＣＶＤ法により堆積された酸化シリコンより構成されたものであっても良い。また、電子放出層５０４は、高濃度に不純物が導入されたポリシリコンから構成され、膜厚１６ｎｍ程度に形成されたものである。また、電子放出層５０４は、電極層５０２と同様に、アルミニウムなどの金属から構成することも可能である。

探針部５１０は、針部５０１ａの上に設けられた電極層５０２，絶縁層５０３，及び電子放出層５０４から構成されている。なお、電子放出層５０４の針部５１０の上面を平坦に形成することで、電子が上面より垂直に放出されて広がらないようにすることができる。また、探針部５１０の先端部（電子放出部）においては、絶縁層５０３が薄く形成された薄層領域５０３ａを備え、探針部５１０の先端部のみから電子が放出されやすいようにしている。なお、薄層領域５０３ａは、設けなくても良い。本実施の形態３における探針によれば、カンチレバーとなる基部５０１を、任意の材料から構成することが可能となる。例えば、基部５０１は、導電性を備えない単結晶シリコンから構成することが可能である。

本実施の形態３においても、例えば、探針部５１０の先端の先に所定距離離間して導電性のステージを配置し、このステージの上に試料となる物質を配置し、ステージに所定の電圧を印加した状態で、電極層５０２と電子放出層５０４との間に電圧を印加することで、探針部５１０の先端より試料に向けて電子が放出されるようになる。

［実施の形態４］
次に、本発明における第４の実施の形態について、図６を用いて説明する。図６は、実施の形態４における走査型プローブ顕微鏡用探針の構成を示す平面図（ａ），断面図（ｂ），（ｃ），（ｄ）である。実施の形態４における探針は、円錐状の針部６０１ａを備えたカンチレバー状の基部６０１と、基部６０１の上に形成された絶縁層６０２と、絶縁層６０２の上に形成された電子放出層６０３とを備える。この探針は、これらの積層構造からなる探針部６１０の部分と、片持ちの梁部６１１の部分とから構成されている。梁部６１１において、絶縁層６０２の上に、電子放出層６０３に続く電子放出層配線６０３ａが配置されている。また、探針部６１０の先端部（電子放出部）においては、絶縁層６０２が薄く形成された薄層領域６０２ａを設け、探針部６１０の先端部のみから電子が放出されやすいようにしている。

基部６０１は、例えば、リンなどの不純物が高濃度に導入された導電性を備えた単結晶シリコンから構成されたものである。また、絶縁層６０２は、例えば基部６０１の表面を熱酸化することで形成された酸化シリコンから構成され、膜厚が１８ｎｍ程度に形成されたものである。また、電子放出層６０３は、高濃度に不純物が導入されたポリシリコンから構成され、膜厚１６ｎｍ程度に形成されたものである。なお、実施の形態１と同様に、他の材料から構成されていても良い。探針部６１０は、針部６０１ａの上に設けられた絶縁層６０２及び電子放出層６０３から構成されている。なお、電子放出層６０３の針部６１０の上面を平坦に形成することで、電子が上面より垂直に放出されて広がらないようにすることができる。

上述の構成は、前述した実施の形態１の探針にほぼ同様である。本実施の形態４の探針では、梁部６１１の絶縁層６０２の上に、新たに電荷センサー６２３を備えるようにしたものである。本実施の形態４においては、絶縁層６０２の上に制御配線層６２１を設け、制御配線層６２１の先端部の上に、絶縁層６２２を介して電荷センサー６２３を配置している。電荷センサー６２３は、電子が放出される探針部６１０から、所定領域離間して配置する。電荷センサー６２３の配置箇所は、探針部６１０から放出される電子が、照射されない領域が好ましい。また、電荷センサー６２３より発生する電界により、探針部６１０から放出される電子の方向が乱されないように、電荷センサー６２３を配置した方がよい。

電荷センサー６２３は、フォトダイオードやフォトトランジスタ及びファラデーカップなどであればよい。これらであれば、探針部６１０から放出された電子照射により対象物から発生した電子（２次電子など）を検出することが可能となる。また、電子照射した対象物の表面状態を観察可能とするためには、電荷センサー６２３が電位降下トランジスタから構成されていればよい。本実施の形態４の探針のように、電子を局所的に照射する場合、この照射によって発生する電子や電荷量は小さいものと考えられ、高感度な電荷センサーが必要になる場合がある。このような場合、微小電界トランジスタを用いればよい（非特許文献２参照）。この微小電界トランジスタを用いることで、単一の電子の検出が可能となる。

また、２次電子などを検出する場合、２次電子は無秩序に放出されるので、これを電荷センサー６２３に集める必要がある。本実施の形態４では、図６に示すように、制御配線層６２１の先端部の上に絶縁層６２２を介して電荷センサー６２３を配置しているので、制御配線層６２１に正の電圧を印加することで、電荷センサー６２３に効率的に２次電子を集めることが可能となり、集めた２次電子を電荷センサー６２３により検出することが可能となる。

本発明の実施の形態１における走査型プローブ顕微鏡用探針の構成を示す平面図（ａ），断面図（ｂ），（ｃ）である。 電子放出について説明するための説明図である。 印加した電圧の状態と放出電子数との関係を示す特性図である。 本発明の実施の形態２における走査型プローブ顕微鏡用探針の構成を示す平面図（ａ），断面図（ｂ），（ｃ）である。 本発明の実施の形態３における走査型プローブ顕微鏡用探針の構成を示す平面図（ａ），断面図（ｂ），（ｃ）である。 本発明の実施の形態４における走査型プローブ顕微鏡用探針の構成を示す平面図（ａ），断面図（ｂ），（ｃ），（ｄ）である。

符号の説明

１０１…基部、１０１ａ…針部、１０２…絶縁層、１０２ａ…薄層領域、１０３…電子放出層、１１０…探針部、１１１…梁部。

Claims (6)

1. 基部の上に設けられた探針部及び前記基部の上に設けられた電子放出部を備え、
   前記電子放出部は、
   所定の第１電圧が印加される電極層と、
   前記電極層の上に絶縁層を介して形成されて前記第１電圧より大きい第２電圧が印加される電子放出層と
   から構成されていることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡用探針。
2. 請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡用探針において、
   前記電子放出部は、前記探針部に設けられている
   ことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡用探針。
3. 請求項２記載の走査型プローブ顕微鏡用探針において、
   前記電子放出部の先端部の上面は、平坦に形成されている
   ことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡用探針。
4. 請求項２又は３記載の走査型プローブ顕微鏡用探針において、
   前記基部は、前記探針部と前記探針部に続く梁部とから構成され、
   前記梁部に配置された電荷センサーを備える
   ことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡用探針。
5. 請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡用探針において、
   前記基部は、前記探針部と前記探針部に続く梁部とから構成され、
   前記電子放出部は、前記梁部に設けられている
   ことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡用探針。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡用探針において、
   前記基部が前記電極層である
   ことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡用探針。

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