JP4410700B2 - 走査形プローブ顕微鏡 - Google Patents

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Description

本発明は走査形トンネル顕微鏡、原子間力顕微鏡、磁気力顕微鏡、摩擦力顕微鏡、マイクロ粘弾性顕微鏡、表面電位差顕微鏡、走査形近接場顕微鏡及びその類似装置の総称である走査形プローブ顕微鏡に関するものである。
近年、試料と金属製探針との距離をlnm以下に保ち、これらの間に数V程度のバイアス電圧をかけると、探針と試料間の真空間隙を通って電子が移動しトンネル電流が流れるという、いわゆるトンネル効果の原理を利用する走査形トンネル顕微鏡(以下、STMという)が注目されている。
また、走査形トンネル顕微鏡を応用し、複数の探針を用いて試料の電気的特性を観察するマルチプローブ顕微鏡も開発されている。マルチプローブ顕微鏡では、試料の微小領域における測定を行うので他の部分の影響を排除する目的で、試料は絶縁されている。
探針を試料に接触させる場合には、接触させた一方の探針を電極として試料に電気を流して、他方の探針で電流を検出し、他方の探針をアプローチさせていた。
しかしながら、マルチプローブ顕微鏡の場合、測定対象物が電気的に絶縁されているケースが多く、従来の走査形プローブ顕微鏡のように探針側で電流検出ができ尚且つバイアス電圧が印加できるタイプでは、探針を試料に近づけ、試料に接近し、あるいは接触した時の電荷移動が小さすぎ、探針の粗動をとめることができなかった。
このため、図2のように装置に設置されている走査電子顕微鏡(以下、SEMという)等の他の方法を用いて拡大映像を確認しながらアプローチを行い、探針が試料に接触したことを確認する必要があった。
また、アプローチ後の電気計測では、探針間に流れる電流を計測するため、試料の電気伝導率にもよるが、試料側を電気的に浮かせる必要がある。更にI−V特性測定時等には電流がサブpAからuA領域と使用範囲が広くなるため、変位電流の影響が顕著に現れる恐れがあった。
さらに、I−V変換アンプのI−V特性等のバイアス電位をあるスピードで変化させる場合、バイアス電圧が印加されているトンネル電流検出ラインとそのシールドとの間の電位差がより大きくなって、その間の容量結合により生じる電流もより大きくなってしまう。そのために、トンネル電流検出ラインに流れる真のトンネル電流以外の疑似電流(ノイズ電流)がより大きくなり、正確なトンネル電流を検出することができないばかりでなく、大きすぎる電流値の検出感度(すなわちゲイン)を下げなければならなかった。
なお、従来技術としては、各探針ごと電流検知できる複数の探針を有する走査形トンネル顕微鏡がある(例えば、特許文献1)。
特開平7−55821
本発明が解決しようとする問題点は、マルチプローブ顕微鏡において、試料に独立してバイアス電圧が印加できなかったという点である。すなわち、探針のアプローチ時には試料バイアスを印加し、試料上のチャージ電荷を検出して所定の位置で停止させ、電流計測時には試料バイアスを切り離し、探針間の電流計測を行ことができなかった。更にその場合、探針側での電流計測における変位電流の影響を軽減することができなかったという点である。
請求項1の発明は、試料台に保持された試料に対向するように配置された少なくとも2個の探針と、前記試料台にバイアス電圧を印加するための試料バイアス電源と、前記探針にバイアス電圧を印加するための探針バイアス電源と、前記探針からの電流を電圧に変換する増幅器と、前記試料の被測定面に対し垂直方向に探針をアプローチさせるための探針駆動手段と、前記増幅器からの信号に基づいて前記探針駆動手段をコントロールする探針駆動制御手段と、を備えた走査形プローブ顕微鏡において、前記試料バイアス電源と前記試料台の間にスイッチを設け、前記試料の電気的特性を測定している時にはオフの状態に切り換え得るようにしたことを特徴とした走査形プローブ顕微鏡である。
請求項2の発明は、前記試料台と前記試料の間に電気絶縁性部材を挟むようにしたことを特徴とした請求項1記載の走査形プローブ顕微鏡である。
請求項3の発明は、前記増幅器の基準電圧が探針バイアス電圧となるように前記増幅器に前記探針バイアス電源を繋ぎ、前記増幅器と前記探針をシールド線で接続し、該シールド線の保護シースに探針バイアス電圧が印加されることを特徴とした請求項1又は2記載の走査形プローブ顕微鏡である。
請求項4の発明は、前記試料バイアス電源として、交流電源を使用することを特徴とした請求項1乃至3のいずれかに記載の走査形プローブ顕微鏡である。
請求項5の発明は、前記探針駆動手段は広い動作レンジを持つ粗動駆動手段と、狭い動作レンジを持つ微動駆動手段とから構成される請求項1乃至4のいずれかに記載の走査形プローブ顕微鏡であって、前記粗動駆動制御手段は、前記増幅器からの信号と基準信号を比較し、一致したら、前記粗動駆動手段による探針移動を停止させる様に成っており、且つ、前記一致により前記スイッチをオフに切り換えるように成した走査形プローブ顕微鏡である。
請求項6の発明は、位相シフタを介して前記シールド線の保護シースに探針バイアス電圧を印加する様に成した請求項3記載の走査形プローブ顕微鏡である。
請求項7の発明は、前記増幅器をシールド容器にてシールドし、該シールド容器に探針バイアス電圧を印加する様に成した請求項1乃至6のいずれかに記載の走査形プローブ顕微鏡である。
請求項8の発明は、位相シフタを介して前記シールド容器に探針バイアス電圧を印加する様に成した請求項7記載の走査形プローブ顕微鏡である。
本発明により、マルチプローブ顕微鏡において、アプローチ時に試料に独立してバイアス電圧が印加でき、計測時に試料バイアスを切り離し、探針間の電流計測を行ことを実現した。更にその場合、探針側での電流計測では変位電流の影響を軽減することができる。
本発明の構成を図1を用いて説明する。図1に本発明のマルチプローブ顕微鏡についての実施例を挙げる。本実施例では便宜上2探針のマルチプローブ顕微鏡について説明する。試料バイアス電源7(接地も含む)が印加された試料ホルダ1上に絶縁性の試料基板9が固定されており、その上にナノ構造物の試料2が形成されている。試料バイアス電源7は、探針3を試料2にアプローチするときに試料バイアススイッチ8をON状態にしてその電圧を印加するためのものである。そのときの電圧は高圧、交流電圧の方が効果的である。探針間での電気計測では試料バイアススイッチ8をOFF状態にし、試料ホルダ1への電圧印加を切ることができ、真の探針3−探針4間の電流が計測できる。なお、バイアススイッチ8は中央制御装置4からの指令によりON/OFFを行う。
一方の探針3は試料に対向するように配置され、チューブ型ピエゾ素子等で構成されている微動駆動機構14が設置され、さらにXYZテーブル等で構成される粗動駆動機構15が設置されている。探針3は同軸線10を介して電流−電圧変換アンプ5に接続されている。同軸線10は外側のシールドライン11と内側の電流検出ライン12で構成されている。他方の探針4も同様な接続が施されている。
電流−電圧変換アンプ5はバイアス電源6が基準電圧となっており、探針3に接続されているシールドライン11はバイアス電源6が印加される。そのシールドライン11をバイアス電源6に接続することで、I−V測定のような探針電圧が変動する計測において、同軸線10内での容量結合による変位電流を軽減できる。また、図示していないが、電流−電圧変換アンプ5をバイアス電源6でシールドすることで、そこでの容量結合による変位電流の発生を防ぐことができる。
また、微動駆動機構14にはXYZ方向の駆動信号を送る微動駆動機構制御回路16が電気的に接続されており、微動駆動機構制御回路16は中央制御装置4が接続されている。
粗動駆動機構15にはXYZ方向の駆動信号を送る粗動駆動機構制御回路17が電気的に接続されており、微動駆動機構制御回路16は中央制御装置4が接続されている。
他方の探針3’も探針3と同様の構成になっている。
以上、図1における各部の構成について説明したが、次に動作について説明する。試料バイアススイッチ8がON状態において、試料バイアス電源7としてDC、またはAC電圧のバイアス電圧が印加された試料ホルダ1上に絶縁性の試料基板9が固定されており、その上にナノ構造物の試料2が形成されている。
試料の電気的特性を測定する場合には、探針3、3’を試料2に接触させる必要がある。その場合、急激に探針3、3’を試料に近づけると、探針3、3’が試料2に衝突してしまい、探針3、3’が破壊されてしまう恐れがあるので、粗動駆動機構15により、探針3、3’を試料2表面近傍まで粗動させ、所定の距離まで近づけたらそこで一旦止め、その後は微動駆動機構14、14’にて微量づつ近づけて接触させている。
探針3、3’を粗動駆動機構15、15’により試料1に近づける際、試料バイアス電源7から試料ホルダ1にバイアス電圧を印加しておき、このバイアス電圧のDC電圧によりチャージされた電荷に基づく変位電流が、電流−電圧変換アンプ5、5’を介して粗動駆動制御回路17に送られる様にする。粗動駆動制御回路17、17’は、変位電流に対応した電圧が基準信号と一致したら、粗動駆動機構15、15’に停止信号を送り、探針3、3’の移動を停止させる。その際、探針側のピエゾ素子による微動駆動機構14により、予め設定された電流値で探針3−試料2間距離が一定に保つようにフィードバックが働く。
次に中央制御装置4は微動駆動機構制御回路16、16’に対して信号を送り、探針側の微動駆動機構14、14’により探針3、3’をnmレベルで、試料2からある一定距離に近づけ、さらに接触させる。次に、中央制御装置4はオペレータからの電気的特性の測定指令により試料バイアススイッチ8をOFF状態にする。すなわち、この試料バイアス電圧は、探針3、3’を電気的に絶縁されている試料にアプローチする場合に試料上のチャージ電荷を検出して所定の位置で停止させるために用いられ、I−V特性等の計測時には電気的に切り離せるように構成されている。もちろん、試料バイアス電流は探針の停止に連動してOFF状態になるよう構成されてもよい。
この状態において、中央制御装置4は信号を送り、電流−電圧変換アンプ5’の探針バイアス電源6’から探針3’へのバイアス電圧を0に固定し、電流−電圧変換アンプ5の探針バイアス電源6からの探針3へのバイアス電圧を漸次上げていく(スイープ)。このバイアス電圧を漸次上げる都度、試料2を通じて探針3−3’間に流れる電流と、各バイアス電圧とに基づいて、中央制御装置4は試料2の局所的な電気伝導率を測定する。
探針3と電流−電圧変換アンプ5間を接続している同軸線10のシールドライン11にバイアス電源6が印加されているため、そのバイアス電源6スイープ時に電流検出ライン12とシールドライン11との間に電位差が発生しないため、容量結合による変位電流が低減できる。また、図示していないが、電流−電圧変換アンプ5の周囲をバイアス電源6の電位を与えたシールド体で囲んでシールドすることで、そこでの容量結合による変位電流の発生を防ぐことができる。
つまり、I−V特性等の測定でバイアス電圧を比較的速くスイープする場合は、同軸線10のシールドライン11が探針バイアス電源6のバイアス電位になるので、電流検出ライン12とシールドライン11との間の容量結合がなくなり、その結果容量結合による疑似電流が発生しなくなる。したがって、電流検出ライン12には真のトンネル電流以外の疑似電流が流れないので、より正確なトンネル電流を検出することができるとともに、電流値が大きくなることはないので電流値の検出感度(すなわちゲイン)を下げる必要もなくなる。この変位電流の低減により、より高精度のI−V特性を測定できる。
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上記説明は、2探針マルチプローブ顕微鏡についてであるが、この場合には電気伝導率に探針と試料との接触抵抗の影響が含まれてしまうため、より精度の高い測定を行うためには4探針が望ましい。
また、同軸線10のシールドライン11へ位相シフタを介してバイアス電圧を印加し、スイープ時やバイアス電源6、6’に交流電圧を印加して直接微分コンダクタンスを測定する際の、実際の電流検出ライン12のバイアス電圧とシールドライン11の電圧を完全に一致させることで、更に変位電流を低減できる。電流−電圧変換アンプ5のシールドも同様である。
本発明によるマルチプローブ顕微鏡である。 従来技術によるマルチプローブ顕微鏡である。
符号の説明
1 試料ホルダ
2 試料
3 探針
4 中央制御装置
5 電流−電圧変換アンプ
6 探針バイアス電源
7 試料バイアス電源
8 試料バイアススイッチ
9 試料基板
10 同軸線
11 シールドライン
12 電流検出ライン
13 走査電子顕微鏡
14 微動駆動機構
15 粗動駆動機構
16 微動駆動機構制御回路
17 粗動駆動機構制御回路
18 表示装置

Claims (8)

  1. 試料台に保持された試料に対向するように配置された少なくとも2個の探針と、
    前記試料台にバイアス電圧を印加するための試料バイアス電源と、
    前記探針にバイアス電圧を印加するための探針バイアス電源と、
    前記探針からの電流を電圧に変換する増幅器と、
    前記試料の被測定面に対し垂直方向に探針をアプローチさせるための探針駆動手段と、
    前記増幅器からの信号に基づいて前記探針駆動手段をコントロールする探針駆動制御手段と、を備えた走査形プローブ顕微鏡において、
    前記試料バイアス電源と前記試料台の間にスイッチを設け、前記試料の電気的特性を測定している時にはオフの状態に切り換え得るようにしたことを特徴とした走査形プローブ顕微鏡。
  2. 前記試料台と前記試料の間に電気絶縁性部材を挟むようにしたことを特徴とした請求項1記載の走査形プローブ顕微鏡。
  3. 前記増幅器の基準電圧が探針バイアス電圧となるように前記増幅器に前記探針バイアス電源を繋ぎ、前記増幅器と前記探針をシールド線で接続し、該シールド線の保護シースに探針バイアス電圧が印加されることを特徴とした請求項1又は2記載の走査形プローブ顕微鏡。
  4. 前記試料バイアス電源として、交流電源を使用することを特徴とした請求項1乃至3のいずれかに記載の走査形プローブ顕微鏡。
  5. 前記探針駆動手段は広い動作レンジを持つ粗動駆動手段と、狭い動作レンジを持つ微動駆動手段とから構成される請求項1乃至4のいずれかに記載の走査形プローブ顕微鏡であって、
    前記粗動駆動制御手段は、前記増幅器からの信号と基準信号を比較し、一致したら、前記粗動駆動手段による探針移動を停止させる様に成っており、且つ、前記一致により前記スイッチをオフに切り換えるように成した走査形プローブ顕微鏡。
  6. 位相シフタを介して前記シールド線の保護シースに探針バイアス電圧を印加する様に成した請求項3記載の走査形プローブ顕微鏡。
  7. 前記増幅器をシールド容器にてシールドし、該シールド容器に探針バイアス電圧を印加する様に成した請求項1乃至6のいずれかに記載の走査形プローブ顕微鏡。
  8. 位相シフタを介して前記シールド容器に探針バイアス電圧を印加する様に成した請求項7記載の走査形プローブ顕微鏡。
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