JP3240309B2 - 原子間力顕微鏡用プローバ及び原子間力顕微鏡 - Google Patents

原子間力顕微鏡用プローバ及び原子間力顕微鏡

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明はプローバを備えた原子
間力顕微鏡及びそこで使用するプローバに関するもので
ある。
【0002】
【従来の技術】原子間力顕微鏡はプローブの先端に取り
付けた探針を試料に数nm以下に近づけて、探針の先端
と試料の原子との間に作用する原子間力が一定になるよ
うにフィードバックを行いながら試料表面を走査し、表
面を観察する顕微鏡である。
【0003】この原子間力顕微鏡において、試料に関す
る加工を加えることや、試料を取り扱うことなどの必要
がある。例えば、微小かつ多数の電子素子を含む集積回
路の動作をチェックする場合には従来からプローバが使
用されているが、集積回路の動作チェックに用いられる
プローバは1本若しくは複数本のプローブを備えてい
て、光学顕微鏡の下でプローブの探針を回路上の電極パ
ッド等に接触させ、接触点間の電気特性を測定する。こ
の方法では、光学顕微鏡の分解能によって位置決め精度
が数ミクロンメートルに制限される。また、二つのプロ
ーブによって高い空間分解能を得る方法としてダブルチ
ップSTMが考案されているが、導電性のある試料しか
測定できないので、絶縁材料が含まれる微細構造の電気
特性評価を行うには困難がある。
【0004】しかるに最近では電子素子もナノスケール
のものが開発されて来ており、このナノスケールの電子
素子の動作評価には、従来のプローバでは位置の分解能
に問題がある。電子素子は半導体、金属、絶縁物の組み
合わせて作られており、その微細な構造を評価するため
には、ナノスケール以下の分解能をもつAFMが有力な
手法である。ナノスケールの構造の電子特性を評価する
ための手法として、導電性のAFMプローブを用い、基
板、あるいは表面に作られた電極との間の導電性を測定
する技術が開発されているが、より複雑な素子や構造を
評価するためには、ナノスケール以下の位置決め能力を
もつ第二の電極を試料表面の任意の狭い領域に設定する
必要がある。原理的には複数のプローブを有するマルチ
プローブのAFM装置により高分解能のプローバを実現
することは可能であるが、実際的には、試料の狭い領域
にカンチレバーと呼ばれるAFM用のプローブを制御し
て配置することは困難であり、実現するためには高度に
技術的な集積化などが要求されるであろう。
【0005】次にAFMを用いた微細加工技術が開発さ
れていて、導電性カンチレバーを使用して局所的に電圧
を印加することにより、誘電体のドメインを反転させた
り、半導体を酸化させることが可能である。しかし、こ
れらの実験では、導電性基板の上の非常に薄い絶縁膜が
加工の対象であり、基板とカンチレバーの間に発生する
大きな電界を利用しているため、完全な絶縁物表面の加
工は不可能であった。このように現実には原子間力顕微
鏡において、試料に対して加工を加える作業や試料を取
り扱う作業の必要性は大きいにもかかわらず、試料に特
定位置に接触可能な部材はプローブの探針だけであるの
で、可能な試料に対する加工や取り扱いの種類は、ごく
簡単で単純なものに限られていた。
【0006】この発明は上記の如き事情に鑑みてなされ
たものであって、従来のAMF装置に組み込んで、独立
に第二の電極となるプローブ探針を試料上で正確に位置
決めすることができ、また、試料に対する加工や取り扱
いに利用することができるプローバ及びそのようなプロ
ーバをもつ原子間力顕微鏡を提供することを目的とする
ものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】この目的に対応して、こ
の発明の原子間力顕微鏡プローブは、原子間力顕微鏡用
のプローブを有する前記原子間力顕微鏡の試料台の表面
上に位置決め可能で前記プローブとは独立して移動可能
探針と前記探針を前記試料台の表面に沿って移動させ
る駆動置と前記探針を前記試料台の表面に垂直な方向
に移動させる駆動装置とを備えることを特徴としてい
る。
【0008】またこの発明の原子間力顕微鏡は原子間力
顕微鏡用のプローブを有する前記原子間力顕微鏡の試料
台の表面上に位置決め可能で前記プローブとは独立して
移動可能な探針と前記探針を前記試料台の表面に沿って
移動させる駆動置と前記探針を前記試料台の表面に垂
直な方向に移動させる駆動装置とを備えるプローバを有
することを特徴としている。
【0009】
【実施例の説明】以下この発明の詳細を一実施例を示す
図面について説明する。
【0010】図において、1は原子間力顕微鏡である。
原子間力顕微鏡1はグローブボックス2内にスキャナ3
を有し、スキャナ3の上端に試料台4が取り付けられて
いる。試料台4はスキャナ3によって駆動される走査ス
テージから成っている。試料台4には試料5が設置可能
である。さらに試料台4の上方にはプローブ6が配置さ
れており、プローブ6の先端の下面に探針7が取り付け
られている。
【0011】プローブ6の上方には変位検出装置8が設
けられている。変位検出装置8はプローブ6に光を入射
する光学系11とプローブ6からの反射光の位置を検出
する光位置検出器12とを有している。以上の構成は従
来から知られている原子間力顕微鏡の構成と異ならな
い。本発明の特徴は次に説明するプローバ13に関する
構成である。すなわち、原子間力顕微鏡1はプローバ1
3を有する。プローバ13はプローバ本体14を有す
る。プローバ本体14は上下駆動機構15を介して1本
若しくは複数本のプローブ16を支持している。プロー
ブ16の先端下面がプローバ探針17を構成している。
【0012】プローバ本体14は、マイクロメートル程
度の領域に鋭く尖らせたプローバ探針17を精度良く位
置決めするために、インチワーム等の自走装置により移
動し、または原子間力顕微鏡1のスキャナ3の駆動装置
を利用した慣性駆動などの機構を利用して移動して原子
間力顕微鏡1の試料台4上で独立に位置を制御する。イ
ンチワームを利用した場合、原子間力顕微鏡の駆動装置
を利用しないので独立に移動させることが可能である。
インチワームは初期のSTM装置に広く用いられてき
た。原子間力顕微鏡の駆動装置(スキャナ)を利用した
慣性駆動を用いた場合、顕微鏡観察時の滑らかな走査動
作と異なり、急激な動作を組み合わせることで、空間的
同位置にとどめ、試料台上を相対的に移動させることが
可能である。緩やかに伸ばし急激に戻すという鋸歯状の
動作を繰り返すことで、試料台の上の探針機構を任意の
方向に任意の距離だけ、サブミクロンの精度で移動させ
ることが可能である。通常の走査動作では探針機構は試
料台上の同じ位置にとどまる。したがって、同一の駆動
装置を用いて独立に試料の走査と探針機構の移動が実現
できる。慣性駆動の論文としては、D. W. Pohl, Rev. S
ci. Instrum.58(1987)p.54-57.、B.L. Blackford and
M. H. Jericho, Rev. Sci. Instrum. 61(1990)p.182-18
4.などがある。プローバ探針17は、通常時および移動
時は試料5表面から十分な距離離れているが、第2図に
示すように、位置決め後の測定時にプローバに内臓した
圧電素子(PZT)、形状記憶合金等を利用した上下駆
動機構15により、試料表面に接触させる。
【0013】上記のように構成されたプローバ13を有
する原子間力顕微鏡1においては、通常時はプローバ探
針17は試料表面に接触しないので、試料5の表面、プ
ローバ探針17先端のいずれをも損傷することなく、プ
ローバ13を移動することができる。
【0014】試料表面の局所的電気特性測定、電圧印加
などには、導電性のAFMプローブ6の探針7、プロー
バ探針17を用い、外部電気回路を接続する。電気特性
測定は、第3図の下に示したような電圧源、電流測定器
等からなる電気特性測定回路18を付加することで可能
になる。電気的な測定を行う場合、プローバ探針17に
は金属ワイヤを用いるが、用途によってはプローバ探針
としてガラスチューブやグラスファイバーを引き伸ばし
たものを使って、光や薬液等の導入に利用することも可
能である。
【0015】
【実験例】この実験例は、市販(セイコー電子株式会社
製、型番SPA300,SPA300HV)のAFM装
置の試料台に合わせて設計されたプローバ13による実
験結果を示す。プローバは、AFMの試料台に搭載され
るため、小型軽量であり、AFM用の測定機構と接触し
ないように十分に薄く設計されなければならない。AF
Mプローブ6には、導電性のシリコンカンチレバーを用
い、プローバの探針17には電解エッチングによって先
端を細く尖らせた金線を用いた。セイコー電子製のAF
M装置では、試料台に固定した試料に対し、カンチレバ
ーの位置を微動ステージによって移動することができ
る。一方、プローバは、AFM用走査駆動機構によって
試料台を振る慣性駆動によりカンチレバーとは独立に移
動し、金線の先端をカンチレバーのごく近くに持ってく
ることができる。金線先端がAFMの走査範囲の内側に
移動できたところで、バイモルフPZTを使った上下駆
動機構を用いて金線を試料表面に接触させる。試料には
絶縁性の酸化被膜に覆われたシリコンを用いた。第4図
は、AFMによって金線先端の構造を観察した結果であ
り(第4図で白く表示されている部分は、構造的に高く
なっていることを示す。)、第5図には、同時に電流測
定を行った結果を示したが、金線部分にのみ電流が検出
されている(第5図で白くなっている部分は、探針とA
FMプローブ間に電流が流れていることを示す。)。ま
た、金線の一部分に電流が流れない領域があり、これ
は、AFMプローブが力を受けて変形したため、探針と
の接触部分がずれてプローブ先端のシリコン表面で酸化
膜の厚い部分に接触して電流が流れにくくなっていると
考えられる。
【0016】
【発明の効果】AFM装置自体は既に広く普及し、一つ
のプローブを用いたナノスケールの構造観察自体は容易
である。従って、既存のAFM装置に小型の第二のプロ
ーブを追加し、その導電性探針を試料表面の特定の部位
に移動、固定することでAFMプローブとの間の電位、
電流を測定してナノスケールの部位の電気特性を評価
や、電界を利用した加工などが容易に可能になる。従来
のプローバでは、光学顕微鏡を用いた数ミクロン程度の
位置決め精度であったが、本発明によってその精度を原
理的にはAFMの分解能程度まで高めることが可能にな
った。
【0017】導電性のAFMプローブと金属探針の間に
電圧を印加することにより薄膜の導電性測定、量子化コ
ンダクタンスの実験、あるいはナノスケールの電子素子
の動作評価が可能になる。走査型トンネル顕微鏡、電界
イオン顕微鏡などのプローブに使われる探針先端の構造
評価にも用いることができる。
【0018】電気物性測定だけでなく、表面の微細加工
に応用することも可能である。従来は特別な配置でのみ
可能であった電界を利用した加工が、絶縁体表面の任意
の場所で行うことができる。マイクロマシン、生体材料
などの微小な試料を接着することなく機械的に基板に押
さえつけて固定することで、AFMプローブによって観
察、加工、再利用することができる。カーボンナノチュ
ーブのような材料の一端を押さえて固定し、他端をAF
Mプローブで力を加えて機械的な強度を測定するような
応用、あるいはプローバ探針としてガラスチューブを用
いれば、吸引による細胞などの固定、AFMで構造観察
した微細領域に化学物質を注入して局所的な化学反応の
誘起を行うこともできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の原子間力顕微鏡を示す構成説明図。
【図2】AFM試料台上に搭載されたプローバと、試
料、AFMプローブの位置関係を示す側面図
【図3】AFM試料台上に搭載されたプローバと、試
料、AFMプローブの位置関係を示す側面図
【図4】実際に金属探針を絶縁性シリコン酸化膜の上に
接触させ、その構造と電流分布を同時に測定した結果を
示す顕微鏡写真
【図5】実際に金属探針を絶縁性シリコン酸化膜の上に
接触させ、その構造と電流分布を同時に測定した結果を
示す顕微鏡写真
【符号の説明】
1 原子間力顕微鏡 2 グローブボックス 3 スキャナ 4 試料台 5 試料 6 プローブ 7 探針 8 変位検出装置 11 光学系 12 光位置検出器 13 プローバ 14 プローバ本体 15 上下駆動装置 16 プローブ 17 プローバ探針 18 電気特性測定回路
フロントページの続き (72)発明者 井上 敦央 大阪市阿倍野区長池町22番22号 シャー プ株式会社内 審査官 郡山 順 (56)参考文献 特開 平5−283489(JP,A) 特開 昭64−73632(JP,A) 特開 平9−26436(JP,A) 特開 平5−251523(JP,A) 特開 平9−159677(JP,A) 特開 平8−250558(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 13/10 - 13/24 G12B 21/00 - 21/24 H01L 21/66 G01B 21/30 H01J 37/20 JICSTファイル(JOIS)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 原子間力顕微鏡用のプローブを有する前
    原子間力顕微鏡の試料台の表面上に位置決め可能で前
    記プローブとは独立して移動可能な探針と前記探針を前
    記試料台の表面に沿って移動させる駆動置と前記探針
    を前記試料台の表面に垂直な方向に移動させる駆動装置
    とを備えることを特徴とする原子間力顕微鏡用プローバ
  2. 【請求項2】原子間力顕微鏡用のプローブを有する前記
    原子間力顕微鏡の試料台の表面上に位置決め可能で前記
    プローブとは独立して移動可能な探針と前記探針を前記
    試料台の表面に沿って移動させる駆動置と前記探針を
    前記試料台の表面に垂直な方向に移動させる駆動装置と
    を備えるプローバを有することを特徴とする原子間力顕
    微鏡
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