JP3852287B2

JP3852287B2 - 走査型プローブ顕微鏡

Info

Publication number: JP3852287B2
Application number: JP2001006284A
Authority: JP
Inventors: 浩之渡邊; 宏一山田; 美穂渡辺; 大志重松; 正昭清水; 力真鍋
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd; Fujifilm Business Innovation Corp
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 2001-01-15
Filing date: 2001-01-15
Publication date: 2006-11-29
Anticipated expiration: 2021-01-15
Also published as: JP2002214112A

Description

【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関し、特に複数個のプローブを有し、極微小領域における電気的計測等の操作を可能にし得る走査型プローブ顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プローブ顕微鏡としては、走査型トンネル顕微鏡、走査型原子間力顕微鏡、走査型近接場光学顕微鏡等が考案されている。
最初に考案された走査型トンネル顕微鏡は、ピエゾアクチュエータに固定された金属性のプローブを試料に近づけ、プローブと試料との間に流れるトンネル電流を計測し、電気的フィードバック回路により、トンネル電流値でピエゾアクチュエータを制御することで、原子レベルの分解能で固体表面の形状観察やトンネル電流による電流電圧特性の測定を行うものである。このとき、試料は導体かもしくはバンドギャップが約１ｅＶ以下の半導体でなければならない。
【０００３】
それに対し、カンチレバーの先端に取り付けたプローブを試料の表面に直接当接させて走査し、その表面形状を前記カンチレバーのたわみ量から求める走査型原子間力顕微鏡は、絶縁性の試料でも測定可能であり、前記カンチレバーの応答特性やねじれ量から、試料の粘弾性や摩擦係数分布が求められるといった特徴がある。
さらに、エバネッセント光を用いることで、光の波長以下の分解能で試料を観察できる走査型近接場光学顕微鏡がある。
【０００４】
最近では、こうした走査型プローブ顕微鏡を用い、原子配列を並び替えたり、高密度のストレージメモリーを作製したりすることが可能になった。また、半導体ウエハーの表面形状の品質を管理するために用いたり、原子レベルで物質の電子構造を測定する計測手段としてもちいたり、と走査型プローブ顕微鏡の応用範囲は、基礎科学から工業的利用まで広がってきている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これまでの走査型プローブ顕微鏡は、物質の単一のプローブのみで試料の形態や各種物性（電流値、抵抗値、電位、粘弾性特性、摩擦係数等）を測定する装置であった。したがって、微小な物質に複数の探針を接続し、物質の電気抵抗値、電流値、電圧値等の電気特性を測定することは困難であった。また、物質を掴んだり、押したり、引っ張ったり等することで移動する物理的な操作（本発明において、かかる操作を単に「操作」と称する場合がある。）することもできなかった。
【０００６】
これまでにも、２つの独立したプローブをもつ走査型トンネル顕微鏡自体は、研究されてきた（計測と制御第１８巻、１２号、ｐ．７４２〜７４６、（１９９９年））が、２本のプローブが十分に細くなく、先端の曲率半径もそれに対応してあまり小さくすることができなかったことから、極めて微小な物質を測定対象とする場合、両プローブが衝突してしまうため、プローブ同士の距離を例えば１μｍ以下等、十分に近づけることはできていない。
【０００７】
また、Ｐ．ＫｉｍとＣ．Ｍ．Ｌｉｅｂｅｒは、２本の独立したナノチューブを用いて試料を操作したり、試料の電気特性を測定することに成功したが、これらは電子顕微鏡ではなく、単にナノチューブを操作や測定用の棒として用いているのみであり、また、取り扱える試料のサイズも最小５００ｎｍ程度が限界である（ＳｃｉｅｎｃｅＶｏｌ．２８６、ｐ．２１４８〜２１５０（２０００年））。
【０００８】
一方、１００ｎｍ以下程度の極めて微小な物質について、３本のプローブにより操作することや電気特性の測定をすることは、実現されていない。
したがって、本発明の目的は、電気的に独立した複数のプローブを有し、１００ｎｍ以下程度の微小な物質の、像観察、電気特性測定、並びに、物質の操作を可能とする走査型プローブ顕微鏡を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、以下の本発明により達成される。すなわち本発明は、電気的に独立した複数のプローブを有し、該プローブのうち、２本以上のプローブが対を成したナノチューブプローブであり、１本以上のプローブが像観察機能を備え、かつ、前記対を成したプローブの特性振動と位相が略１８０°シフトした振動で、前記対を成したプローブを加振させる加振装置を有することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡である。
【００１０】
本発明によれば、電気的に独立した複数のプローブを有するため、２本ないしは３本以上のプローブが自由に稼動し、また、該プローブのうち２本以上がナノチューブプローブであるため、プローブ間の干渉が低減され、１μｍ以下の、特に１００ｎｍ以下程度の微小な物質の操作が可能となり、また、該物質の像観察や電気特性（電圧値、電流値、抵抗値、電位等）の測定が可能になる。
【００１１】
すなわち本発明によれば、従来観察や電気的特性を測定することが困難であった微小な物質を、０．１ｎｍ以上１００ｎｍ以下程度の空間分解能で形態を観察することが可能であるとともに、同様の空間分解能で電気的特性を測定することも可能となる。
また、細い（１００ｎｍ以下程度）プローブで、特にナノチューブプローブで対を成すと、該対を成したプローブ間で、振動や揺らぎ等の特性振動が生じ、微小な物質を測定等の対象とするには、少なからず影響が生じてくる。しかし本発明によれば、前記加振装置により、前記特性振動と位相が略１８０°シフトした振動で前記対を成したプローブを加振させることで、前記特性振動が打ち消され、全体として前記特性振動の影響を実質的に無くすことができ、より精密かつ正確な、像観察、電気特性測定、並びに、物質の操作を実現することができる。
【００１２】
前記ナノチューブプローブとしては、導電性を有することが望ましく、その直径が、５ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることが望ましい。
【００１３】
前記ナノチューブプローブうち、少なくとも２本以上が電気特性を測定し得る端子の機能を備えることが望ましく、かかる態様の場合、電気特性を測定し得る端子の機能を備える２本以上のナノチューブプローブのほかに、独立して像観察機能を備えるプローブ（勿論、該プローブに他の機能を併せ持たせてもよい。）を有することもできる。独立して像観察機能を備えるプローブを有することで、電気特性を測定し得る端子の機能を備える２本以上のナノチューブプローブを測定対象としての試料に接触させ、該試料の電気特性（電圧値、電流値、抵抗値、電位等）を測定しつつ、その試料を観察することが可能となる。
【００１６】
上記本発明の走査型プローブ顕微鏡は、微小領域における物質の操作や測定手段として有用であり、例えば、半導体デバイス等の電子産業において活用することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について、図面を参照しながら、好ましい実施形態を挙げて説明する。なお、以下の説明において、「直径」との表現は、ナノチューブプローブや後述するプローブ支持体の断面が円形である場合は勿論、当該円の直径を意味するが、これらは必ずしも円形であることは要求されず、同断面が円形以外の形状である場合には、同一面積の円相当形を意味するものとする。
【００１８】
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態の走査型プローブ顕微鏡を示す概略構成図である。本実施形態の走査型プローブ顕微鏡においては、２つの独立したピエゾアクチュエータ１６ａ，１６ｂが存在し、そのそれぞれにプローブホルダー１２ａ，１２ｂが保持されている。プローブホルダー１２ａ，１２ｂには、先端にナノチューブプローブ１０ａ，１０ｂが接続されたプローブ支持体１４ａ，１４ｂが固定され、ナノチューブプローブ１０ａ，１０ｂは、独立した走査型トンネル顕微鏡としての像観察機能を備える。また、ピエゾアクチュエータ１６ａ，１６ｂは、振動防止のため弾性体１８ａ，１８ｂを介して架台２０に固定されている。架台２０には、測定対象となる物質（試料２４）が載せられた基板２２が載置されている。ナノチューブプローブ１０ａ，１０ｂは、基板２２に載せられた試料２４の像観察、電気特性測定および操作を可能とすべく、試料２４接触するように、あるいは近傍に位置するように、走査される。
【００１９】
なお、このように像観察機能を備えたプローブを２つ有する走査型プローブ顕微鏡のことを、以下、「Ｄ−ＳＴＭ」（「ｄｕａｌ−ｐｒｏｂｅｓｃａｎｎｉｎｇｔｕｎｎｅｌｉｎｇｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ」の略）と称することにする。
【００２０】
微細な試料を観察・測定するに際しての、Ｄ−ＳＴＭにおける最大の問題は、２つのプローブ間の干渉である。２つのプローブが接近すると、プローブ先端の曲率半径以下の領域は、プローブ同士の接触、もしくは静電力による影響で、電気特性測定、並びに、物質の操作が不可能になる。
【００２１】
上記２つのプローブ間の干渉を回避するためには、細いプローブを使用することが重要である。しかしながら、従来用いられてきた走査型トンネル顕微鏡のプローブは、タングステンや白金イリジウム合金を電気化学エッチングで鋭端化したものであるが、先端径としては１００ｎｍ程度が限界であり、プローブ先端の曲率半径もそれに応じて限界がある。したがって、こうしたプローブをマルチプローブの走査型トンネル顕微鏡に用いたのでは、観察分解能を１００ｎｍ以下にすることは、極めて困難である。
【００２２】
そこで本実施形態においては、上記２つのプローブとして、直径が５〜２０ｎｍ程度のナノチューブプローブ１０ａ，１０ｂを用いることでプローブの先端径を小さくし、２つのプローブ間の干渉を低減させている。すなわち、本実施形態によれば、複数のプローブが同時に稼動できる測定システムが構築できる。
【００２３】
ナノチューブプローブ１０ａ，１０ｂを構成するカーボンナノチューブとしては、直径が１〜５０ｎｍの範囲のものが好ましく、５〜２０ｎｍの範囲のものがより好ましく、７〜１５ｎｍの範囲のものがさらに好ましい。また、当該カーボンナノチューブの長さとしては、０．１〜２μｍの範囲のものが好ましく、０．５〜１．０μｍの範囲のものがより好ましい。
【００２４】
ナノチューブプローブ１０ａ，１０ｂは、導電性を有することが望ましい。導電性を有するカーボンナノチューブを用いることで、物質の電気特性をより精密に測定することができる。なお、ここで言う「導電性」とは、カーボンナノチューブの全長の抵抗値が、１００ｋΩ以下であることを意味する。
【００２５】
カーボンナノチューブには、６角網目のチューブが１枚の構造のシングルウォールナノチューブ（以下、「ＳＷＮＴ」と略称する）と、多層（多重壁）の６角網目のチューブから構成されているマルチウォールナノチューブ（以下、「ＭＷＮＴ」と略称する）と、があるが、本発明においては、いずれのカーボンナノチューブを用いてもよい。ただし、ＭＷＮＴを用いることが、高い弾性と靱性とを有することから好ましい。また、ＳＷＮＴでは半導体特性を示すことが多く、その意味でもＭＷＮＴを用いることが好ましい。
【００２６】
ナノチューブプローブ１０ａ，１０ｂを構成するカーボンナノチューブの製造方法としては、特に制限されるものではなく、触媒を用いる熱分解法（気相成長法と類似の方法）、アーク放電法、およびレーザー蒸発法等、従来公知のいずれの製造方法を採用しても構わない。
【００２７】
プローブ支持体１４ａ，１４ｂは、通常の走査型プローブ顕微鏡における一般的なプローブと同様のものであり、すなわち通常の走査型プローブ顕微鏡においては、プローブ支持体１４ａ，１４ｂの先端にナノチューブプローブ１０ａ，１０ｂが接続されていない状態でプローブとして用いられている。
【００２８】
プローブ支持体１４ａ，１４ｂの材質としては、タングステン、金、白金、シリコン、白金イリジウム合金、モリブデン、レニウム、ステンレス等が挙げられ、ナノチューブプローブ１０ａ，１０ｂとの導通を確保するためには、導電性を有することが望ましく、形状加工をしやすいことから、タングステン、白金イリジウム合金等の中から選択することが好ましい。
【００２９】
プローブ支持体１４ａ，１４ｂの形状としては、特に限定されないが、直径として１０μｍ〜０．５ｍｍ程度の範囲、長さとして１〜５ｍｍ程度の範囲から選択され、かつ、先端をエッチング等により（好ましくは、先端径が１００ｎｍ程度になるまで）先鋭化することが望ましい。
【００３０】
具体的なプローブ支持体の製造方法を、材料としてタングステンを用いた場合を例に挙げて以下に説明する。
まず、所望の直径のタングステンワイヤから所望の長さに切断して、タングステンチップを得て、さらに該タングステンチップの先端を水酸化カリウム水溶液（１規定）の中で、電気化学的にエッチングし、小径化する。電気化学エッチングは、直径３ｍｍ程度の白金ループを上下に設置したエッチング装置で行うが、そのときの条件としては、電流量がほぼ一定になるように電圧値を１〜１０Ｖの範囲で制御する。一般に電流量は、１００ｍＡ〜１Ａ程度の範囲内である。必要に応じて、さらに先端を尖らすために、電気化学的エッチングの後、イオンビームエッチングを行う。イオンビームエッチングは、回転型試料ホルダーにタングステンチップを固定し、左右方向からからアルゴンイオンビームを照射しながらタングステンチップ先端を（例えば、曲率半径を１００ｎｍ以下程度に）加工する方法である。このとき、アルゴンイオンビームの条件は、イオンビームエネルギーを３〜５ｋｅＶ、イオン電流値を１〜５ｍＡとすることが適している。
【００３１】
プローブ支持体１４ａ，１４ｂの先端に、マイクロマニュピレーター等でカーボンナノチューブを固定することでナノチューブプローブ１０ａ，１０ｂを得る。この際の固定には、導電性の接着剤を用いるか、もしくは、真空中で電子ビームによる固定が適している。特に、局所的に電子ビームを照射することができる電子ビームによる固定方法は、タングステンチップとナノチューブを固定するのに最適である。電子ビームの照射時における条件としては、加速エネルギーが３〜２０ｋｅＶの範囲、電子ビームの電流量が１０〜２０μＡの範囲と、それぞれすることが好ましい
【００３２】
プローブ支持体の材料としてタングステン（Ｗｔｉｐ）を用い、これに電子ビームの照射によりカーボンナノチューブ（Ｎａｎｏｔｕｂｅ）を固定して得たナノチューブプローブの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真（拡大倍率：５０００倍、ただし、写真の縮尺倍率により拡大倍率は多少変動する。以下、ＳＥＭ写真において同様。）を図２に示す。
【００３３】
本実施形態の如く、ナノチューブプローブのような細いプローブで対を成してＤ−ＳＴＭに用いると、該一対のプローブ間で、振動や揺らぎ等の特性振動が生じ、微小な物質を測定等の対象とするには、少なからず影響が生じてくる。したがって、当該一対のプローブ間の特性振動を除去するために、振動防止（雑音除去）機能を有する装置を備えることが望まれる。本実施形態においては、かかる機能を有する装置として、ピエゾ素子２６および弾性体１８ｃからなる加振装置２８が、プローブ支持体１４ａ，１４ｂを介して一対のナノチューブプローブ１０ａ，１０ｂにつながるプローブホルダー１２ａ，１２ｂ間に備えられている。かかる加振装置２８は、プローブ支持体１４ａ，１４ｂ間の特定振動を感知し得る図示しない感知装置からの信号によりプローブ支持体１４ａ，１４ｂ間の特定振動を測定し、さらに図示しない制御装置により、前記特性振動と位相が略１８０°シフトした振動でピエゾ素子２６を振動させる。すなわち、ピエゾ素子２６が前記制御装置からの信号により膨張し、かつ、弾性体１８ｃの復元力により復元することで所望の振動（前記特性振動と位相が略１８０°シフトした振動）で一対のナノチューブプローブ１０ａ，１０ｂが加振される。
【００３４】
このように本実施形態における加振装置２８は、ナノチューブプローブ１０ａ，１０ｂの特性振動数を感知し、それをフィードバック制御することにより、前記特性振動と位相が略１８０°シフトした振動でナノチューブプローブ１０ａ，１０ｂを加振させることで、前記特性振動が打ち消され、全体として前記特性振動の影響を実質的に無くすことができ、より精密かつ正確な、像観察、電気特性測定、並びに、物質の操作を実現することができる。本実施形態のように、長さ１μｍ前後のナノチューブプローブを使用した場合、本発明者らの検討結果によれば、１〜３ｎｍ程度の揺らぎが生ずるが、加振装置２８を稼動させると、０．５ｎｍ以下程度まで揺らぎを低減させ得ることがわかった。
【００３５】
なお、加振装置２８による振動の位相は、前記特性振動に対して正確に１８０°シフトしていることが望ましいが、正確に１８０°シフトさせることは精密な装置によっても容易ではなく、ある程度誤差を含んでいてもよい。具体的には、±１０％程度の誤差が存在しても前記特性振動低減効果は十分に認められ、さらに±５％程度の誤差の範囲内であれば、実質的に正確なものと認められ、前記特性振動低減効果が高い次元で達せられる。
【００３６】
本実施形態においては、ナノチューブプローブ１０ａ，１０ｂは、電気的に独立したプローブであり、かつ、両プローブとも像観察機能を備える。さらに、ナノチューブプローブ１０ａ，１０ｂの双方とも、電気特性を測定し得る端子の機能を備える。したがって、以上の如き本実施形態の走査型プローブ顕微鏡（Ｄ−ＳＴＭ）によれば、ナノチューブプローブ１０ａ，１０ｂを双方とも像観察機能を発揮させて、いわば２台の独立した走査型トンネル顕微鏡として稼働させ得るとともに、両プローブを２本の電気測定用のプローブとしても動作させることができる。例えば、ナノチューブプローブ１０ａ，１０ｂのいずれかで像観察を行いながら、他方を試料２４に接触させ、さらに位置決めした上で像観察に供したプローブを所望の位置に接触させることで、試料２４の電気特性を測定することができる。また、基板２２として導電性のものを用いるか、あるいはゲート電極を予め基板２２に設けておくことで、試料２４のトランジスタとしての特性を測定することもできる。
【００３７】
ナノチューブプローブ１０ａ，１０ｂそれぞれにより、またはナノチューブプローブ１０ａ，１０ｂで挟み込む等により、試料２４を物理的に操作することができる。
【００３８】
なお、本実施形態において、ナノチューブプローブ１０ａ，１０ｂ、および、プローブ支持体１４ａ，１４ｂ以外の構成要素は、特に限定されるものではなく、従来公知の材質、形状、構造の部材等が問題なく使用される。例えば、ピエゾアクチュエータ１６ａ，１６ｂやピエゾ素子２６には、従来公知のピエゾ素子を好適に用いることができる。また、弾性体１８ａ，１８ｂおよび２８としては、如何なる弾性体も適用し得るが、バネを用いることが精密性、安定性、経済性等の観点から好ましい。
【００３９】
＜第２の実施形態＞
図３は、本発明の第２の実施形態の走査型プローブ顕微鏡を示す概略構成図である。本実施形態の走査型プローブ顕微鏡においては、３つのプローブを用いており、かつ、そのうちの１つのナノチューブプローブ３０ａが原子間力顕微鏡（ａｔｏｍｉｃｆｏｒｃｅｍｉｃｏｒｏｓｃｏｐｅ；ＡＦＭ）用のプローブとなっている。ナノチューブプローブ３０ａは、プローブ支持体３４ａのピラミッド状の形態の走査部３６の先端に固定されている。また、他の２本のナノチューブプローブ３０ｂ，３０ｃは、１つのプローブ支持体３４ｂの先端に、「ハ」の字型にやや開いた状態で、それぞれ電気的に独立して固定されている。プローブ支持体３４ｂは、ピエゾアクチュエータ３２に接合され、３次元的に自由に動かすことができるように構成されている。なお、図３において、試料４４は基板４２に載せられている。
【００４０】
プローブ支持体３４ａは、通常のＡＦＭにおける一般的なカンチレバー型のプローブと同様のものであり、すなわち通常のＡＦＭにおいては、プローブ支持体３４ａの走査部３６の先端にナノチューブプローブ３０ａが接続されていない状態でプローブとして用いられる。
【００４１】
２本のナノチューブプローブ３０ｂ，３０ｃが固定されるプローブ支持体３４ｂは、絶縁性の針の形状のものであり、特にその材質は制限されないが、例えば、引き延ばしたガラス細管等が挙げられる。また、プローブ支持体３４ｂの先端径は、５０〜５００ｎｍ程度が望ましい。プローブ支持体３４ｂには、ナノチューブプローブ３０ｂに導通させるための配線３８が施される。図３においては、陰に隠れて見えないが、プローブ支持体３４ｂの裏側にも、ナノチューブプローブ３０ｃに導通させるための配線（不図示）が施される。配線３８および前記不図示の配線は、プローブ支持体３４ｂがガラスからなるものであるならば、Ｃｒ（厚さ１０〜１００ｎｍ程度）／Ａｕ（厚さ５０〜５００ｎｍ程度）の二重薄膜が、シリコンからなるものであるならば、Ｔｉ（厚さ１０〜１００ｎｍ程度）／Ａｕ（厚さ５０〜５００ｎｍ程度）の二重薄膜が、それぞれ望ましい。かかる配線用薄膜は、真空蒸着法かスパッタリング法で形成させ、そののち、電気的に独立させるように、イオンビームエッチング法で加工する。このとき、イオンビームの加速エネルギーは、配線用薄膜の種類にもよるが、２〜１０ｋｅＶ、イオン電流量は、１〜１０ｍＡが適当である。
【００４２】
また、ナノチューブプローブ３０ｂ，３０ｃとしては、直径が５〜２０ｎｍ程度、長さが０．５〜２μｍ程度のカーボンナノチューブを用いることが望ましい。なお、カーボンナノチューブプローブ３０ｂ，３０ｃの固定は、第１の実施形態において説明した方法と同様にして行うことができる。
【００４３】
以上のようにして、ナノチューブプローブ３０ｂ，３０ｃが固定された状態のＳＥＭ写真（拡大倍率：２９８００倍）を図４に示す。図４のＳＥＭ写真において、中央のやや左側の縦線がプローブ支持体３４ｂの先端部であり、その先にさらに左方向に延びる２本の線がカーボンナノチューブプローブ３０ｂ，３０ｃである。
【００４４】
電気的に独立した、この２本のナノチューブプローブ３０ｂ，３０ｃに電位をかけると、静電気力によりナノチューブプローブ３０ｂ，３０ｃが閉じたり開いたりする。かかるプローブの機能を最初に発表したのは、Ｌｉｅｂｅｒらである（ＳｃｉｅｎｃｅＶｏｌ．２８６、ｐ．２１４８〜２１５０、（２０００年））。彼らは、絶縁性の針（本実施形態におけるプローブ支持体３４ｂに対応）の先端径が５００ｎｍ程度のものを作製したが、本実施形態においては、１００ｎｍ程度のものを作製した。また、Ｌｉｅｂｅｒらの発表においては、かかる原理そのものを見出したまでであり、操作型プローブ顕微鏡のプローブとして用いることを意図したものではない。
【００４５】
プローブ支持体３４ａの先端に固定される、ＡＦＭ用のプローブであるナノチューブプローブ３０ａは、直径が１〜２０ｎｍ程度のナノチューブである。通常のＡＦＭにおいて用いられるカンチレバー型のプローブは、プローブ支持体３４ａと基本的に同一のものであり、シリコン製、もしくは、窒化シリコンや酸化シリコンを微細加工したピラミッド状の走査部３６を有しているのが一般であり、かかる状態のものが容易に市場から入手することができる。当該走査部３６は、そのままでは絶縁性ないし半導電性であるため、このカンチレバー型のプローブを電気特性測定用のプローブとして用いるには、表面にＡｕやＰｔ等の貴金属を蒸着しなければならない。この蒸着膜の影響で、走査部３６の曲率半径が大きくなり、このようにして得られた導電性のプローブを用いた場合、原子間力顕微鏡観察時の空間分解能が大幅に低下してしまう。
【００４６】
本実施形態においては、以上のようにして得られた導電性のプローブであるプローブ支持体３４ａの走査部３６の先端にナノチューブプローブ３０ａを固定することで、十分な導電性を保ちつつ、プローブ先端の曲率半径を極めて小さく（例えば、１０ｎｍ以下等）することができる。かかるナノチューブプローブ３０ａを用いれば、空間分解能を低下させずに像観察や電気特性の測定が可能になる。なお、ナノチューブプローブ３０ａの固定は、第１の実施形態において説明した方法と同様にして行うことができる。
【００４７】
以上のようにして、ナノチューブプローブ３０ａが、プローブ支持体３４ａの走査部３６の先端に固定された状態のＳＥＭ写真（拡大倍率：３００００倍）を図５に示す。図５のＳＥＭ写真において、中央から右方向にナノチューブプローブ３０ａが延びていることがわかる。
【００４８】
本実施形態においては、ナノチューブプローブ３０ａ，３０ｂ，３０ｃは、電気的に独立したプローブであり、かつ、ナノチューブプローブ３０ａが像観察機能を備える。また、ナノチューブプローブ３０ａ，３０ｂ，３０ｃのすべてが、電気特性を測定し得る端子の機能を備える。さらに、ナノチューブプローブ３０ｂ，３０ｃ間に電位をかけることで、試料４４を挟持することができ、試料２４を物理的に操作することができる。
【００４９】
したがって、以上の如き本実施形態の走査型プローブ顕微鏡（原子間力顕微鏡）によれば、ナノチューブプローブ３０ａにより像観察をしながら、ナノチューブプローブ３０ｂ，３０ｃにより試料４４を物理的に操作したり、試料４４の電気特性を測定したりすることができる。また、ナノチューブプローブ３０ａも電気特性を測定し得る端子の機能を備えることから、これも端子として用いて、例えば、試料４４のトランジスタとしての特性を測定することもできる。この場合、基板４２が絶縁性であっても測定が可能である。また、絶縁性の液体であるならば、該液体中においても試料の電気特性を測定することが可能になる。
【００５０】
なお、本実施形態において、ナノチューブプローブ３０ａ，３０ｂ，３０ｃ、および、プローブ支持体３４ａ，３４ｂ以外の構成要素は、図示を省略した構成要素を含め、特に限定されるものではなく、従来公知の材質、形状、構造の部材等が問題なく使用される。また、全ての構成要素において、本実施形態で特にその好ましい態様を示したものを除き、第１の実施形態の態様が好ましく適用される。
【００５１】
以上、２つの実施形態の走査型プローブ顕微鏡により、像観察、電気特性測定、並びに物理的な操作を、ナノレベルで実現することができる。勿論、本発明は、上記２つの実施形態の態様に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない限りにおいて、公知の知見により種々の変更を加えることができる。
【００５２】
また、第１の実施形態においては２つの、第２の実施形態においては３つの、ナノチューブプローブを用いた例を挙げて説明しているが、ナノチューブプローブの数は、これら２つや３つに限定されるものではなく、４つ以上であっても問題無い。さらに、３つ以上のプローブを有する走査型プローブ顕微鏡においては、それら全てがナノチューブプローブでなければならないわけではなく、少なくとも２つがナノチューブプローブであれば、本発明の効果は奏される。例えば、第２の実施形態において、ナノチューブプローブ３０ａが先端に固定されていない通常のＡＦＭにおける一般的なカンチレバー型のプローブ（すなわち、プローブ支持体３４ａ）をプローブとして用いたものも、本発明の範疇に含まれ、この場合であっても、残りの２本のナノチューブプローブ３０ｂ，３０ｃにより、微細な試料４４の電気特性の測定が可能であり、かつ、物理的な操作も可能であるという、本発明の卓越した効果が発揮される。
【００５３】
なお、３つのナノチューブプローブを用いた例である第２の実施形態においては、そのうちの２本のナノチューブプローブ３０ｂ，３０ｃが１のプローブ支持体３４ｂに固定された態様が示されているが、３つ以上のプローブを有する場合に、必ずしも２つのプローブが物理的に結合されていなくてもよく、相互に物理的に独立した態様であっても勿論構わない。
【００５４】
上記説明した本発明の走査型プローブ顕微鏡は、あらゆる技術分野、産業分野において、微小領域における物質の操作や測定手段として適用することができ、かつ、有用であり、例えば、半導体デバイス等の電子産業において活用することができる。
【００５５】
【実施例】
以下に、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に制限されるものではない。
（実施例１）
実施例１においては、図１に示す構造の走査型プローブ顕微鏡（Ｄ−ＳＴＭ）を組み立てた。ピエゾアクチュエータ１６ａ，１６ｂとしては、３方向に走査可能な円筒形のピエゾ素子（長さ２０ｍｍ、直径５ｍｍ；富士セラミックス社製）を用いた。また、プローブホルダー１２ａ，１２ｂ間に、板状のピエゾ素子２６を固定し、さらに、金属スプリングからなる弾性体１８ｃを配し、不図示の感知装置およびと弾性緩衝材で制御装置により、前記特性振動と位相が略１８０°シフトした振動でピエゾ素子２６を振動させる構造として、加振装置２８を構成した。また、弾性体１８ａ，１８ｂとしてリン青銅の板バネを用いて、ナノチューブプローブ１０ａ，１０ｂの振動を緩和させた。
【００５６】
ナノチューブプローブ１０ａ，１０ｂとしては、直径約１２ｎｍで長さ１．５μｍのＭＷＮＴのカーボンナノチューブを用い、直径０．２５ｍｍ、長さ１．０ｍｍ、先端の曲率半径１００ｎｍのタングステン細線からなるプローブ支持体１４ａ，１４ｂの先端に固定した。
試料２４としては、単一壁カーボンナノチューブから加工したナノチューブリング（リングの直径２０ｎｍ、カーボンナノチューブ自体の直径３．０ｎｍ）を用いた。
【００５７】
基板２２は、トンネル電流制御を行い、なおかつ、基板２２からゲート電圧をかけるために、多結晶シリコン層（膜厚３．５ｎｍ）／酸化シリコン層（膜厚２ｎｍ）／（１００）面単結晶シリコン基板（ｎ−型）／Ａｕ薄膜電極（膜厚２００ｎｍ）という多層の半導体基板を使用した。最表面の多結晶シリコン基板は、Ａｓがイオン注入法により１０¹⁸ｃｍ^-3程度ドープされており、ｎ型である。また、基板２２の表面は、安定化のために、フッ酸水溶液（２％）にて水素末端処理が行われている。この基板２２を用い、アクチュエータのトンネル電流制御は、最表面層の多結晶シリコン層とナノチューブプローブ１０ａ，１０ｂとの間で行い、ゲート電圧の制御は、それとは電気的に独立な単結晶シリコン層とＡｕ電極との間で行った。
【００５８】
以上の走査型トンネル顕微鏡で、第２プローブとしてのナノチューブプローブ１０ｂ（２ｎｄｐｒｏｂｅ）を用いて像観察を行った。図６は、その結果得られた走査型トンネル顕微鏡像である。すなわち、図６の写真は、試料２４のナノチューブリング（ＮＴｒｉｎｇ）に、第１プローブであるナノチューブプローブ１０ａ（１ｓｔｐｒｏｂｅ）が接近している様子を、第２プローブで観察したものである。さらに、２本のナノチューブプローブ１０ａ，１０ｂを試料２４のナノチューブリングに接続させる。このようにすることで、ナノチューブリングにソース電極とドレイン電極とが形成されたことになる。
【００５９】
この状態で電気特性の測定を行った。電気特性の測定は、ゲート電極の電位を変化させることで、ソース電極およびドレイン電極間の電流電圧特性に変化が現れることを確認して行った。すなわち、ゲート電極の電位（Ｖ_G）を０Ｖ〜５Ｖの間１Ｖ刻みで変化させて、ソース電極とドレイン電極との間の電流電圧特性を、ＫＥＩＴＨＬＥＹ社製エレクトロメーター６５１４を用いることにより測定した。なお、測定は室温（２３℃）中で行った。その結果を図７に示す。図７の電気特性評価のグラフから、試料２４であるナノチューブリングが、トランジスタ動作することがわかる。
以上のように、本実施例の走査型プローブ顕微鏡が、ナノレベルの像観察が可能であり、かつ、ナノレベルの測定装置として有効であることが実証できた。
【００６０】
（実施例２）
実施例２においては、実施例１と同様にして、図１に示す構造の走査型プローブ顕微鏡を組み立てた。
試料２４としては、単一壁カーボンナノチューブから加工したナノチューブリング（リングの直径５０ｎｍ、カーボンナノチューブ自体の直径１２ｎｍ）を用いた。試料２４は、基板２２としてのｎ型Ｓｉ（１１１）基板に固定した。基板２２には、Ａｓがイオン注入法により１０¹⁸ｃｍ^-3程度ドープされている。また、Ｓｉ基板表面は水素原子で末端化処理されており、空気中でも比較的安定している。
【００６１】
以上の走査型トンネル顕微鏡で、第２プローブとしてのナノチューブプローブ１０ｂ（２ｎｄｐｒｏｂｅ）を用いて像観察をしながら、試料２４としてのナノチューブリングの一端に、第１プローブであるナノチューブプローブ１０ａを接触させ固定した。図８は、その状態を撮影した走査型トンネル顕微鏡像である。すなわち、図８の写真は、試料２４のナノチューブリング（ＮＴｒｉｎｇ）に、第１プローブであるナノチューブプローブ１０ａ（１ｓｔｐｒｏｂｅ）が接触し固定されている様子を、第２プローブで観察したものである。このようにして、第１プローブであるナノチューブプローブ１０ａをゲート電極として機能させる。
【００６２】
さらに第２プローブであるナノチューブプローブ１０ｂを前記ナノチューブリングの中央の穴からＳｉ基板（基板２２）と直接接触させ、電圧を１５Ｖ程度印加し、ナノチューブプローブ１０ｂとＳｉ基板とを擬似オーミック接合させ、ソース電極とする。基板２２表面には、ナノチューブリング（試料２４）から約１００ｎｍ離れた位置にＡｕ電極を予め形成しておき、これをドレイン電極とする。このようにして、ソース、ゲート、ドレインからなるゲート幅１２ｎｍのＳｉトランジスタが構成できたことになる。
【００６３】
この状態で電気特性の測定を行った。電気特性の測定は、実施例１と同様にして行った。その結果を図９に示す。図９の電気特性評価のグラフから、試料２４であるナノチューブリングとＳｉ基板とで構成されるトランジスタが、トランジスタ動作することがわかる。
以上のように、本実施例の走査型プローブ顕微鏡が、ナノレベルの像観察が可能であり、かつ、ナノレベルの測定装置として有効であることが実証できた。
【００６４】
（実施例３）
実施例３においては、図３に示す構造の走査型プローブ顕微鏡（原子間力顕微鏡）を組み立てた。
２本のナノチューブプローブ３０ｂ，３０ｃが固定されるプローブ支持体３４ｂとしては、先端径１５０ｎｍのガラスキャピラリを用いた。
【００６５】
２本のナノチューブプローブ３０ｂ，３０ｃとしては、直径約１５ｎｍ、長さ約１．１μｍのカーボンナノチューブワイヤを用いた。
プローブ支持体３４ａとしては、通常のＳｉ製のＡＦＭプローブ（ＤｅｇｉｔａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製）にＡｕを約１００ｎｍ程度蒸着したものを用いた。
プローブ支持体３４ａの走査部３６の先端に固定されるナノチューブプローブ３０ａとしては、太さ約１２ｎｍ、長さ５２０ｎｍのカーボンナノチューブを用いた。
【００６６】
試料４４としては、単一壁カーボンナノチューブから加工したナノチューブリング（リングの直径５０ｎｍ、カーボンナノチューブ自体の直径３．０ｎｍ）を用いた。基板４２としては、厚さ３ｎｍの酸化膜を形成させた（１００）面単結晶Ｓｉ基板（ｎ型）を用い、該基板４２の酸化膜が形成された面に、試料４４を載置した。
【００６７】
以上の走査型トンネル顕微鏡で、第３プローブとしてのナノチューブプローブ３０ａ（３ｒｄｐｒｏｂｅ）を用いて像観察しつつ、試料４４としてのナノチューブリングを操作した。図１０は、かかる操作の状態を、（ａ）から（ｃ）へと順を追って撮影した走査型トンネル顕微鏡像である。
【００６８】
図１０（ａ）の写真は、試料４４のナノチューブリング（ＮＴｒｉｎｇ）に、第２プローブであるナノチューブプローブ３０ｃ（２ｎｄｐｒｏｂｅ）を当接させた状態を示すものであり、ナノチューブプローブ３０ｂ，３０ｃ間には電位がかかっていないため、開いた状態となっており、第１プローブであるナノチューブプローブ３０ｂ（１ｓｔｐｒｏｂｅ）は、ナノチューブリング（ＮＴｒｉｎｇ）から離れた所に位置している。
【００６９】
この状態でナノチューブプローブ３０ｂ，３０ｃ間に電位をかけることで、図１０（ｂ）の写真に示すように、ナノチューブプローブ３０ｂ（１ｓｔｐｒｏｂｅ）が矢印Ａ方向に移動するかたちで、第１プローブ（１ｓｔｐｒｏｂｅ）および第２プローブ（２ｎｄｐｒｏｂｅ）間が閉じ、ナノチューブリング（ＮＴｒｉｎｇ）を挟持することができる。このとき、両プローブを閉じるのに必要な電圧は、約１３Ｖ程度であった。
【００７０】
さらに、図１０（ｃ）の写真に示すように、第１プローブ（１ｓｔｐｒｏｂｅ）および第２プローブ（２ｎｄｐｒｏｂｅ）を基板に沿って動かすことにより、ナノチューブリング（ＮＴｒｉｎｇ）を矢印Ｂ方向に移動することができた。
以上のように、本実施例の走査型トンネル顕微鏡像によれば、１のプローブで像観察を行いつつ、試料を物理的に操作することができた。
【００７１】
さらに、ゲート電圧を基板４２の背面から印加し、ナノチューブプローブ３０ｂ，３０ｃをそれぞれソース電極、ドレイン電極として、試料４４としてのナノチューブリングの電気特性の測定を行った。電気特性の測定は、実施例１と同様にして行った。その結果を図１１に示す。図１１の電気特性評価のグラフから、試料４４としてのナノチューブリングが電界効果トランジスタとして機能し得ることがわかる。
【００７２】
以上のように、本実施例の走査型プローブ顕微鏡が、ナノレベルの像観察が可能であり、ナノレベルの物質を物理的に操作することが可能であり、かつ、ナノレベルの測定装置として有効であることが実証できた。
【００７３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、電気的に独立した複数のプローブを有し、１００ｎｍ以下程度の微小な物質の操作を可能とし、かつ電気測定を可能とする走査型プローブ顕微鏡を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の走査型プローブ顕微鏡を示す概略構成図である。
【図２】図１におけるナノチューブプローブがプローブ支持体に固定された状態を撮影した走査型電子顕微鏡写真である。
【図３】本発明の第２の実施形態の走査型プローブ顕微鏡を示す概略構成図である。
【図４】図３における２本のナノチューブプローブがプローブ支持体に固定された状態を撮影した走査型電子顕微鏡写真である。
【図５】図３におけるナノチューブプローブがカンチレバー型のプローブ支持体に固定された状態を撮影した走査型電子顕微鏡写真である。
【図６】実施例１において、走査型トンネル顕微鏡で像観察を行った、走査型トンネル顕微鏡像である。
【図７】実施例１において、走査型トンネル顕微鏡で測定した、ナノチューブリングのソース電極およびドレイン電極間の電流電圧特性である。
【図８】実施例２において、走査型トンネル顕微鏡で像観察を行った、走査型トンネル顕微鏡像である。
【図９】実施例２において、走査型トンネル顕微鏡で測定した、ナノチューブリングとＳｉ基板とで構成されるトランジスタのソース電極およびドレイン電極間の電流電圧特性である。
【図１０】実施例３において、走査型トンネル顕微鏡で像観察しつつ、試料を物理的に操作している状態を、図１０（ａ）から図１０（ｃ）へと順を追って撮影した、走査型トンネル顕微鏡像である。
【図１１】実施例３において、走査型トンネル顕微鏡で測定した、ナノチューブリングのソース電極およびドレイン電極間の電流電圧特性である。
【符号の説明】
１０ａ、１０ｂ、３０ａ、３０ｂ、３０ｃナノチューブプローブ
１２ａ、１２ｂプローブホルダー
１４ａ、１４ｂ、３４ａ、３４ｂプローブ支持体
１６ａ、１６ｂ、３２ピエゾアクチュエータ
１８ａ、１８ｂ、１８ｃ弾性体
２０架台
２２、４２基板
２４、４４試料
２６ピエゾ素子
２８加振装置
３６走査部
３８配線

Claims

電気的に独立した複数のプローブを有し、該プローブのうち、２本以上のプローブが対を成したナノチューブプローブであり、１本以上のプローブが像観察機能を備え、かつ、前記対を成したプローブの特性振動と位相が略１８０°シフトした振動で、前記対を成したプローブを加振させる加振装置を有することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
前記ナノチューブプローブが、導電性を有することを特徴とする請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
前記ナノチューブプローブの直径が、５ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
前記ナノチューブプローブのうち、少なくとも２本以上が電気特性を測定し得る端子の機能を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡。
少なくとも電気特性を測定し得る端子の機能を備える２本以上のナノチューブプローブと、少なくとも像観察機能を備える１本以上のプローブとを有することを特徴とする請求項４に記載の走査型プローブ顕微鏡。