JP4621908B2 - Surface state measuring method, surface state measuring device, microscope, information processing device - Google Patents
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Description
本発明は、2本以上の複数のプローブ(マルチプローブ)の互いの位置を安定して制御するために、変位検出回路およびプローブホルダにより、小型で高精度なマルチプローブ間距離制御して、計測対象物の表面状態を分子レベルにて計測できる表面状態計測方法、表面状態計測装置、それを用いた顕微鏡および情報処理装置に関するものである。 In the present invention, in order to stably control the positions of two or more probes (multi-probes), the displacement detection circuit and the probe holder are used to control the distance between the multi-probes with a small size and high accuracy, and to measure them. The present invention relates to a surface state measuring method, a surface state measuring device, a microscope using the same, and an information processing device that can measure the surface state of an object at a molecular level.
メモリなどのストレージデバイスにおいて、高密度記録のために分子レベルでの記録を実現するには、デバイスの分子材料に用いたその分子の各特性(電気特性、光学特性、磁気特性のほか機械的剛性など)の少なくとも一つを十分に知る必要がある。 In storage devices such as memory, in order to achieve recording at the molecular level for high-density recording, each characteristic of the molecule used in the molecular material of the device (electrical characteristics, optical characteristics, magnetic characteristics, as well as mechanical rigidity) Etc.) is necessary.
そのために、従来、上記分子の特性の計測方法として、数ミクロン程度のギャップを備えた電極を微細加工技術により作製し、上記ギャップにおいて偶発的に架橋した分子の諸特性を測定できることが知られている。 Therefore, conventionally, as a method for measuring the characteristics of the molecule, it is known that an electrode having a gap of about several microns can be produced by a microfabrication technique and various characteristics of the molecule accidentally crosslinked in the gap can be measured. Yes.
ところが、上記方法では、「光の回折限界」によって、上記微細加工には限界があるため、分子レベルといったナノメートルスケールでの分子特性の計測には限界がある。 However, in the above method, there is a limit to the measurement of molecular characteristics at the nanometer scale such as the molecular level because the microfabrication is limited by the “light diffraction limit”.
一方、微細形状の評価方法として原子レベルの分解能を有しているプローブ顕微鏡の一種である原子間力顕微鏡が期待されている。 On the other hand, an atomic force microscope which is a kind of probe microscope having atomic level resolution is expected as a fine shape evaluation method.
原子間力顕微鏡(AFM)は新規な絶縁性物質の表面形状観察手段として期待され、研究が進められている。その原理は先端を充分に鋭くしたプローブ(探針)と試料との間に働く原子間力を前記プローブが取り付けられているばね要素の変位として測定し、前記ばね要素の変位量を一定に保ちながら前記試料表面を走査し、前記ばね要素の変位量を一定に保つための制御信号を形状情報として、前記試料表面の形状を計測するものである。 Atomic force microscopy (AFM) is expected as a new means for observing the surface shape of insulating materials, and research is ongoing. The principle is that the atomic force acting between a probe with a sufficiently sharp tip and the sample is measured as the displacement of the spring element to which the probe is attached, and the amount of displacement of the spring element is kept constant. The sample surface is scanned while the shape of the sample surface is measured using shape information as a control signal for keeping the amount of displacement of the spring element constant.
ばね要素の変位検出手段としては光学的方式(光干渉法、光てこ法)およびバネ要素の変形ひずみを電気信号として検出する自己検出方式(ピエゾ抵抗検出法、圧電検出法)がある。 As the spring element displacement detection means, there are an optical method (optical interference method, optical lever method) and a self-detection method (piezoresistance detection method, piezoelectric detection method) for detecting deformation distortion of the spring element as an electric signal.
上記原子間力顕微鏡に用いられるプローブは、カンチレバーと称される片持ち梁状の支持部材の先端部に形成されており、主に四角垂状をしている。上記プローブの材質としてはシリコンが挙げられる。上記プローブにシリコンを用いる場合、上記プローブは異方性エッチング技術を用いて加工される。 The probe used in the atomic force microscope is formed at the tip of a cantilevered support member called a cantilever, and has a quadrangular shape mainly. An example of the material of the probe is silicon. When silicon is used for the probe, the probe is processed using an anisotropic etching technique.
このような原子間力顕微鏡(G. Binnig, C. F. Quate, Ch. Gerber : Phys. Rev. Lett. 56 (1986) 930.)のカンチレバーを特性計測用プローブとして用いることで、メモリ(ストレージデバイス)などの情報処理装置といった様々な分子系デバイスの特性を測定できると期待されている。 By using the cantilever of such an atomic force microscope (G. Binnig, CF Quate, Ch. Gerber: Phys. Rev. Lett. 56 (1986) 930.) as a characteristic measurement probe, memory (storage device) etc. It is expected to be able to measure the characteristics of various molecular devices such as information processing equipment.
そのような情報処理装置のプローブ制御回路が、特許文献1において、プローブとこれに対向する媒体との物理現象から生じる信号を検出信号として検出し、該検出信号に基づく位置制御信号によってプローブの位置制御を行うことが提案されている。
しかしながら、上記従来の構成および方法は、複数のプローブ間の相対位置を安定に制御する方法ではなく、複数のプロープによる計測において、分子材料などのナノスケールでの諸特性(前記電気特性、光学特性、磁気特性、機械的剛性など)を精度良く計測できなかったという問題点を有している。 However, the above-described conventional configuration and method are not a method for stably controlling the relative positions between a plurality of probes, but in measurement with a plurality of probes, various characteristics (such as the above-mentioned electrical characteristics and optical characteristics) of molecular materials, etc. , Magnetic characteristics, mechanical rigidity, etc.) cannot be measured with high accuracy.
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、従来の原子間力顕微鏡において重要であったプローブと試料間距離の制御ではなく、2本以上の複数のプローブにおいて、それぞれのプローブとプローブとの距離間を制御することで、分子材料などのナノスケールでの諸特性(前記電気特性、光学特性、磁気特性、機械的剛性など)を精度良く計測できる位置制御の手法を備えた表面状態計測方法、表面状態計測装置、それを用いた顕微鏡および情報処理装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and its purpose is not to control the distance between the probe and the sample, which is important in the conventional atomic force microscope, but to two or more probes. By controlling the distance between each probe, the position control can accurately measure various nanoscale characteristics (such as electrical characteristics, optical characteristics, magnetic characteristics, mechanical rigidity, etc.) of molecular materials. An object of the present invention is to provide a surface state measurement method, a surface state measurement device, a microscope and an information processing device using the method.
本発明に係る表面状態計測装置は、上記課題を解決するために、計測対象物と対向する複数のプローブと、上記各プローブを上記計測対象物に対しそれぞれ移動させるプローブ駆動部と、上記計測対象物および各プローブの間の物理現象から生じる検出信号を検出して出力する検出部と、上記検出信号に基づく位置制御信号によって各プローブ間の相対位置を制御するための第一制御部と、上記検出信号から上記計測対象物の表面状態を計測する計測部とを有していることを特徴としている。 In order to solve the above problems, a surface state measurement apparatus according to the present invention includes a plurality of probes facing a measurement object, a probe driving unit that moves each of the probes with respect to the measurement object, and the measurement object. A detection unit for detecting and outputting a detection signal resulting from a physical phenomenon between the object and each probe, a first control unit for controlling a relative position between the probes by a position control signal based on the detection signal, and And a measuring unit that measures the surface state of the measurement object from a detection signal.
上記構成によれば、プローブ駆動部により各プローブを計測対象物の表面に対して相対移動つまり走査することにより、上記走査に伴う検出信号を検出部によって得ることができ、上記走査に伴う検出信号から計測部により、計測対象物の表面状態(例えば表面形状)を計測できる。 According to the above configuration, each probe is moved relative to the surface of the measurement object by the probe driving unit, that is, the detection signal associated with the scanning can be obtained by the detection unit, and the detection signal associated with the scanning is detected. From the measurement unit, the surface state (for example, surface shape) of the measurement object can be measured.
その上、上記構成は、計測対象物と対向する複数のプローブをそれぞれ移動させて、各プローブ間の相対位置を制御するための第一制御部を備えているので、複数のプローブの位置制御をそれぞれ行うことができ、上記各プローブ間や、上記各プローブと計測対象物との間隔であるギャップ長を分子レベルや原子レベルでの計測が可能なように安定に制御できることになるため、計測対象物の表面状態をナノメートルスケールにて安定に計測できる。 In addition, the above configuration includes the first control unit for controlling the relative positions between the probes by moving the plurality of probes facing the measurement object, respectively, so that the position control of the plurality of probes can be performed. The gap length, which is the distance between each probe and between each probe and the measurement object, can be controlled stably so that measurement at the molecular level or atomic level can be performed. The surface state of an object can be stably measured on a nanometer scale.
この結果、上記構成は、計測対象物の表面状態をナノメートルスケールにて安定に計測できるので、原子間力顕微鏡といった顕微鏡や、メモリといったストレージデバイスである情報処理装置に用いると、上記顕微鏡の分解能を向上でき、また、上記情報処理装置の情報処理量を改善できるという効果を奏する。 As a result, since the above configuration can stably measure the surface state of the measurement object on the nanometer scale, the resolution of the microscope can be obtained when used in an information processing apparatus that is a microscope such as an atomic force microscope or a storage device such as a memory. And the amount of information processing of the information processing apparatus can be improved.
上記表面状態計測装置では、前記第一制御部は、各プローブを互いに近接させるようになっていることが好ましい。 In the surface state measuring apparatus, it is preferable that the first controller is configured to bring the probes close to each other.
上記表面状態計測装置においては、前記各プローブは、各プローブの先端部を互いに近接するようにそれぞれ配置されていることが望ましい。 In the surface state measuring apparatus, it is preferable that the probes are arranged so that the tip portions of the probes are close to each other.
上記表面状態計測装置では、さらに、前記プローブを先端に備えたカンチレバーを有するものであってもよい。 The surface state measuring apparatus may further include a cantilever having the probe at the tip.
上記表面状態計測装置においては、前記各プローブの先端部は、前記計測対象物と対向する方向に延びるように形成されていることが好ましい。 In the surface state measuring apparatus, it is preferable that the tip of each probe is formed so as to extend in a direction facing the measurement object.
上記表面状態計測装置では、前記各プローブは、先端が尖って形成されていることが望ましい。 In the surface condition measuring apparatus, it is preferable that each probe is formed with a sharp tip.
上記表面状態計測装置においては、前記各プローブの先端部には、各プローブの長手方向に沿って延びる突出部が形成されていてもよい。 In the surface state measuring apparatus, a protrusion extending along the longitudinal direction of each probe may be formed at the tip of each probe.
上記表面状態計測装置では、前記突出部は、その先が尖って形成されていてもよい。 In the surface condition measuring apparatus, the protruding portion may be formed with a pointed tip.
上記表面状態計測装置においては、前記突出部は、先端側が前記計測対象物に向かって折れ曲がる屈曲部を備えていてもよい。 In the said surface state measuring device, the said protrusion part may be equipped with the bending part by which the front end side bends toward the said measurement target object.
上記表面状態計測装置では、前記物理現象は、原子間力、トンネル電流、および静電気からなる群から選択された少なくとも一つであることが好ましい。 In the surface state measuring apparatus, the physical phenomenon is preferably at least one selected from the group consisting of an atomic force, a tunnel current, and static electricity.
上記表面状態計測装置においては、さらに、各プローブと計測対象物との間隔を前記検出信号に基づき一定するように各プローブ駆動部を制御する第二制御部を有し、前記計測部は、各プローブの位置を検出するプローブ位置検出部を備えていてもよい。 In the surface state measurement apparatus, the apparatus further includes a second control unit that controls each probe driving unit so that the interval between each probe and a measurement object is constant based on the detection signal, You may provide the probe position detection part which detects the position of a probe.
本発明の顕微鏡は、上記の何れかに記載の表面状態計測装置を有していることを特徴としている。 The microscope of the present invention is characterized by having any one of the above-described surface state measuring devices.
本発明の情報処理装置は、上記の何れかに記載の表面状態計測装置を有していることを特徴としている。 An information processing apparatus according to the present invention includes any one of the above-described surface state measurement apparatuses.
本発明の表面状態計測方法は、前記課題を解決するために、計測対象物と対向する複数のプローブを上記計測対象物との相対位置と上記各プローブ間の相対位置とをそれぞれ移動させ、上記計測対象物および各プローブの間の物理現象から生じる検出信号を検出し、上記検出信号から上記計測対象物の表面状態を計測することを特徴としている。 In order to solve the above problems, the surface state measurement method of the present invention moves a plurality of probes facing a measurement object to each of a relative position between the measurement object and a relative position between the probes, A detection signal generated from a physical phenomenon between the measurement object and each probe is detected, and the surface state of the measurement object is measured from the detection signal.
上記表面状態計測方法においては、前記物理現象は、原子間力、トンネル電流、および静電気からなる群から選択された少なくとも一つであることが望ましい。 In the surface state measurement method, the physical phenomenon is preferably at least one selected from the group consisting of an atomic force, a tunnel current, and static electricity.
上記表面状態計測方法では、前記各プローブの先端部を互いに近接するように各プローブをそれぞれ移動させることが好ましい。 In the surface state measuring method, it is preferable that the probes are moved so that the tips of the probes are close to each other.
本発明に係る表面状態計測装置は、以上のように、計測対象物と対向する複数のプローブと、上記各プローブを上記計測対象物に対しそれぞれ移動させるプローブ駆動部と、上記計測対象物および各プローブの間の物理現象から生じる検出信号を検出して出力する検出部と、上記検出信号に基づく位置制御信号によって各プローブ間の相対位置を制御するための第一制御部と、上記検出信号から上記計測対象物の表面状態を計測する計測部とを有する構成である。 As described above, the surface state measurement apparatus according to the present invention includes a plurality of probes facing the measurement object, a probe driving unit that moves each of the probes with respect to the measurement object, the measurement object, and each of the measurement objects. From the detection signal, a detection unit that detects and outputs a detection signal generated from a physical phenomenon between the probes, a first control unit for controlling the relative position between the probes by a position control signal based on the detection signal, and And a measurement unit that measures the surface state of the measurement object.
それゆえ、上記構成は、計測対象物と対向する複数のプローブをそれぞれ移動させて、各プローブ間の相対位置を制御するための第一制御部を備えているので、複数のプローブの位置制御をそれぞれ行うことができ、分子レベルや原子レベルの計測に至るギャップ長を安定に制御できることになるため、計測対象物の表面状態をナノメートルスケールにて安定に計測できる。 Therefore, the above-described configuration includes the first control unit for moving the plurality of probes facing the measurement object and controlling the relative position between the probes. Each can be performed, and the gap length leading to measurement at the molecular level or atomic level can be controlled stably, so that the surface state of the measurement object can be stably measured at the nanometer scale.
この結果、上記構成は、計測対象物の表面状態をナノメートルスケールにて安定に計測できるので、原子間力顕微鏡といった顕微鏡や、メモリといったストレージデバイスである情報処理装置に用いると、上記顕微鏡の分解能を向上でき、また、上記情報処理装置の情報処理量を改善できるという効果を奏する。 As a result, since the above configuration can stably measure the surface state of the measurement object on the nanometer scale, the resolution of the microscope can be obtained when used in an information processing apparatus that is a microscope such as an atomic force microscope or a storage device such as a memory. And the amount of information processing of the information processing apparatus can be improved.
本発明に係る表面状態計測装置の実施の一形態について図1ないし図13に基づいて説明すると以下の通りである。すなわち、上記表面状態計測装置では、図2に示すように、計測対象物1と対向するように複数のプローブ2(図2では一つのみ記載)が設けられている。計測対象物1は、図2に示すx−y方向(つまり計測対象物1の表面と略平行な水平方向)に二次元にて移動する載置台3上に装着されている。
An embodiment of the surface state measuring apparatus according to the present invention will be described below with reference to FIGS. That is, in the surface state measuring apparatus, as shown in FIG. 2, a plurality of probes 2 (only one is shown in FIG. 2) are provided so as to face the
上記各プローブ2の形状としては、先端に向かって順次細くなるテーパー形状を備えており、後述する相互作用の検出ができる形状であればよいが、例えば三角錘形状や、四角錐形状や、円錐形状が挙げられる。また、上記各プローブ2の素材としては、後述する相互作用の検出ができて、上記形状に成形し易いものであればよいが、例えばシリコンが挙げられる。各プローブ2にシリコンを用いた場合、その成形には異方性エッチング技術が好適なものである。
The shape of each
上記載置台3を駆動するためのスキャン部4がプローブ駆動部として取り付けられている。スキャン部4を制御するための制御信号を生成するスキャンシステム5が設けられている。
A
一方、上記表面状態計測装置においては、前記プローブ2を先端部に有するカンチレバー6が片もち梁のパイプ形状で長さ0.1mm〜1mmにて取り付けられている。プローブ2は、その先端が計測対象物1の表面に向かうようにカンチレバー6の先端部に設けられている。また、各カンチレバー6は、各プローブ2をそれぞれ備えた先端部の先端が互いに突き合わせるように、かつ各カンチレバー6の長手方向が計測対象物1の表面と略平行となるように取り付けられている。カンチレバー6の素材としては、相互作用の検出のための導電性を有し、後述する励振に耐える剛性を備えていればよいが、アルミニウム、銅、それらの合金、またはカーボン等が挙げられる。
On the other hand, in the surface state measuring apparatus, the
上記カンチレバー6の基端側には、プローブ2を上下方向(図2ではz方向)に往復移動させるための第一駆動部7と、プローブ2をカンチレバー6の長手方向に対し直交する水平方向(図2ではy方向)に往復移動させるための第二駆動部8と、プローブ2をカンチレバー6の長手方向に沿った方向(図2ではx方向)に往復移動させるための第三駆動部9とが、それぞれ、プローブ駆動部として形成されている。
On the proximal end side of the
第一駆動部7、第二駆動部8および第三駆動部9は、それぞれプローブ2をミクロンオーダー(最大駆動距離が0.1μm〜10μm)にて駆動できるものであればよいが、圧電素子、ステッピングモータまたはインパクトステージによる自動駆動、または手動ネジ式を用いた微動駆動機構が挙げられる。上記微動駆動機構の内、特に圧電素子からなるものが好適なものである。よって、第一駆動部7、第二駆動部8および第三駆動部9は、複数の各プローブ2を、それらの相対位置を互いに変化させるように、また、計測対象物1の表面に対する相対位置を変化させるために、それぞれ移動できるようになっている。
The
また、上記表面状態計測装置では、プローブ2の位置(特にz方向での)を光学的(光てこ法)に検出するための半導体レーザ10、ミラー11およびフォトダイオード12が装着されている。この光学的な検出のために、カンチレバー6の先端部における、プローブ2の取り付け位置の反対面(背面)は、鏡面仕上げとなっていることが好ましい。半導体レーザ10は、上記反対面に対しレーザ光を照射するものである。ミラー11は、上記反対面からのレーザ光の反射光をフォトダイオード12の受光面に導くものである。フォトダイオード12は、受光した光を、例えばプッシュプル法にて上記プローブ2の位置情報信号を含む電気信号に変換して出力するものである。
In the surface state measuring apparatus, a
さらに、上記表面状態計測装置においては、上記電気信号が入力されて、上記電気信号から上記プローブ2の位置情報信号から、計測対象物1の表面形状(表面状態)を算出して示す形状信号を出力する計測部13と、上記表面形状を上記形状信号に基づき表示するためのディスプレイ14と、そのディスプレイ14のためのビデオRAMであるメモリ15とが設けられている。
Furthermore, in the surface state measuring device, the shape signal is calculated by inputting the electric signal and calculating the surface shape (surface state) of the
そして、上記表面状態計測装置では、上記計測対象物1および各プローブ2の間の物理現象から生じる検出信号を検出して出力する検出部16と、上記検出信号に基づく位置制御信号によって各プローブ2間の相対位置を制御するための制御部17とが設けられている。上記物理現象としては、原子間力、トンネル電流、静電気力などの相互作用が挙げられる。
And in the said surface state measuring device, each
検出部16は、トンネル電流を検出する場合、計測対象物1とプローブ2との間に電圧を各配線A、Bを通して印加しておき、上記間隔が1ナノメートル(nm)程度までに近づくと生じるトンネル電流を検出できるようになっている。さらに、検出部16は、互いに隣り合う各プローブ2の間に電圧を各配線B、Bを通して印加しておき、上記間隔が1ナノメートル(nm)程度までに近づくと生じるトンネル電流を検出できるようになっている。これらトンネル電流は、上記間隔の変化に対し非常に精度良く変化するので、上記各間隔を少なくとも0.1nmの精度の分解能にて制御できるものである。
When detecting the tunnel current, the
制御部17は、計測部13からの形状信号から二次元での表面形状を生成して前記メモリ15に出力すると共に、上記検出信号からプローブ2と計測対象物1との間隔を一定に維持するように上記プローブ2の位置(つまり、カンチレバー6)をフィードバック制御するように第一駆動部7、第二駆動部8および第三駆動部9を制御できるものである。上記フィードバック制御は、図3(a)に示すように、カンチレバー6の先端部のプローブ2が計測対象物1の表面にナノメートルスケールにて接近すると、図3(b)に示すように、検出部16での検出信号の振幅が増減(または、周波数が増減)することを利用したものである。
The
その上、制御部17は、計測対象物1の表面を各プローブ2により二次元的に走査するように前記スキャンシステム5を制御できるようにもなっている。さらに、制御部17は、第一駆動部7を制御してカンチレバー6の先端部のプローブ2を上下方向(z方向)に往復移動、好ましくはカンチレバー6の共振周波数にて励振できるようにもなっている。
In addition, the
次に、上記表面状態計測装置を用いた表面状態計測方法について説明する。図1(a)に示すように、上記表面状態計測方法では、各プローブ2の間隔を制御するために、各プローブ2を励振しながら、プローブ2の少なくとも一方に設けた変位検出機構である検出部16および制御部17により、微動駆動機構である圧電素子からなる第三駆動部9によって、互いの距離を近づけていく。その際に、互いに隣り合うプローブ2とプローブ2との間において相互作用(トンネル電流)により、図1(b)に示すように、変位検出機構を持つプローブ2側の信号に変位が検出される。変位が設定値に到達することで、安定なプローブ位置制御がなされる。これは例えば目視などの際にはプローブとプローブが接触、あるいは激突して破壊する場合が考えられるが、上記変位検出機構を用いた場合には、そのような事由はない。
Next, a surface state measuring method using the surface state measuring apparatus will be described. As shown in FIG. 1A, in the surface state measurement method described above, detection is a displacement detection mechanism provided on at least one of the
本発明は、簡単な装置構成により、複数の各プローブ2間の相対位置の位置制御を行うことができ、分子や原子に至るギャップ長を安定に制御できることになるため、分子エレクトロニクスにおける研究進展を飛躍的に増進できるとともに、走査型トンネル顕微鏡の高分解能化、およびメモリなどのストレージデバイスに適用してその記憶容量を増大化できる。
Since the present invention can control the relative position between a plurality of
本実施の形態の一変形例として、図4に示すように、各プローブ2を励振せずに上記プローブ2間のトンネル電流をモニタしてもよい。また、本実施の形態における他の変形例として、図5に示すように、各プローブ2の一方を励振しながら他方を励振せずに、上記プローブ2間の原子間力をモニタしてもよい。本実施の形態のさらに他の変形例として、図6に示すように、各プローブ2の双方を励振しながら上記プローブ2間の原子間力をモニタしてもよい。
As a modification of the present embodiment, as shown in FIG. 4, the tunnel current between the
なお、本実施の形態では、プローブ2の形状としては、先端が計測対象物1の表面に向かう四角錐形状のものを挙げたが、上記各プローブ2間の位置制御のために、図7(a)に示すように、カンチレバー6の長手方向に延びる棒状の突出部18をプローブ2に形成することが望ましい。突出部18は、カンチレバー6の先端側のプローブ2に形成することがより望ましく、プローブ2の基端側に形成することがさらに望ましい。また、突出部18は、その形状を先端に向かって細くなるように形成されることが好ましく、先が尖ったテーパー形状がより好ましい。
In the present embodiment, the
さらに、突出部18は、図7(b)に示すように、突出部18の先端側が計測対象物1の表面の方向に折れ曲がった屈曲部18aを備えていることが、上記各プローブ2間の位置制御のために望ましい。屈曲部18aは、その形状を先端に向かって細くなるように形成されることが好ましく、先が尖ったテーパー形状がより好ましい。
Further, as shown in FIG. 7B, the
また、本実施の形態では、各プローブ2を図8(a)に示すように、2個、互いにつきあうように設けた例を挙げたが、図8(b)に示すように、3個、それらの先端側を互いにつきあうように設けてもよく、図8(c)に示すように、4個、それらの先端側を互いにつきあうように設けても、図8(d)に示すように、8個、それらの先端側を互いにつきあうように設けてもよい。
Further, in the present embodiment, as shown in FIG. 8 (a), two
以下に、前記物理現象としての、原子間力および静電気力といった相互作用についてそれぞれ説明する。まず、原子間力について説明すると、図9に示すように、本発明の表面状態計測装置では、プローブ2と計測対象物1の表面との間に働く原子間力を、プローブ2が取り付けられているカンチレバー6のたわみとして検出し、上記たわみを一定するように上記プローブ2の位置を制御して、上記表面形状を二次元的に走査することで、上記表面形状を計測して画像化できる。
Hereinafter, the interactions such as interatomic force and electrostatic force as the physical phenomenon will be described. First, the atomic force will be described. As shown in FIG. 9, in the surface state measurement apparatus of the present invention, the atomic force acting between the
原子間力とは、図10に示すように、無極性の中性原子間の相互作用であって、上記相互作用は、レナード(Lennard)−ジョーンズ(Jones)型のポテンシャルにて近似できるものである。ポテンシャルエネルギーU0と、原子間距離r0との関係は、以下の式(1)で表される。 As shown in FIG. 10, the interatomic force is an interaction between nonpolar neutral atoms. The above interaction can be approximated by a Lennard-Jones type potential. is there. The relationship between the potential energy U 0 and the interatomic distance r 0 is expressed by the following equation (1).
ここで、εLJは凝集エネルギー、σは平衡原子間距離である。 Here, ε LJ is the cohesive energy, and σ is the distance between the equilibrium atoms.
これらの原子間に働く原子間力F0は、以下の式(2)にて表される。 The interatomic force F 0 acting between these atoms is expressed by the following formula (2).
上記式(2)を変形し具体的な数値を代入し、プロットした結果を図11に示した。図11から、原子間距離が、約0.2nm以上では引力(attractive force)が働き、それ以上近づくと(0.2nm未満では)、斥力が働くことが分かる。 FIG. 11 shows the plotted results obtained by modifying the above equation (2) and substituting specific numerical values. From FIG. 11, it can be seen that an attractive force works when the interatomic distance is about 0.2 nm or more, and a repulsive force works when the distance is more than that (less than 0.2 nm).
このように、プローブ2の先端と計測対象物1の表面との間には、遠距離(0.2nm以上)においては引力が発生する。この引力は、分散力(言い換えると凝集力)によるものである。分散力とは、瞬間双極子(無極性原子でも瞬間的には電荷の偏りが発生している)によって他方の原子にも双極子が生成し、これらの双極子の間に働く力である。大きい原子分子ほど、電子を保持する力が弱いため瞬間双極子を生じ易く、結果として分散力が大きくなる。
Thus, an attractive force is generated between the tip of the
一方、プローブ2の先端と計測対象物1の表面との間に、0.2nm未満の近距離では、斥力が働く。この斥力は、交換相互作用によるものである。交換相互作用とは、2つの原子の電子雲が互いに重なり合うと、原子核の正電荷を電子雲が静電的に遮蔽できず、双方の各原子核における正電荷同士の間にクーロン(Coulomb)力が生じる。また、パウリ(Pauli)の禁則により、同一のエネルギーレベルの電子は同一空間を占めることはできない。それらのため、2つの原子が上記近距離に近づくと電子雲が歪み、結果としてプローブ2の先端と計測対象物1の表面との間に上記近距離では斥力が働くことになる。
On the other hand, repulsive force acts between the tip of the
次に、前記物理現象としての、静電気力といった相互作用について説明する。静電気力とは、図12に示すように、距離r0離れた各電荷Q1、Q2の間に働く静電気力F0であり、その静電気力F0は、下記の式(3)にて表される。 Next, interaction such as electrostatic force as the physical phenomenon will be described. The electrostatic force, as shown in FIG. 12, the distance r 0 away each charge was Q1, Q2 is the electrostatic force F 0 exerted between, the electrostatic force F 0 is expressed by the following equation (3) The
ここで、k=8.99×109(Nm2/C2)である。 Here, k = 8.99 × 10 9 (Nm 2 / C 2 ).
物理現象として静電気力を用いた場合、本発明の表面状態計測装置においては、プローブ2と計測対象物1の表面との間に働く静電気力を、プローブ2が取り付けられているカンチレバー6のたわみとして検出し、上記たわみを一定するように上記プローブ2の位置を制御して、上記表面形状を二次元的に走査することで、上記表面形状を計測して画像化できる。
When electrostatic force is used as a physical phenomenon, in the surface state measuring apparatus of the present invention, the electrostatic force acting between the
以上のように、本発明では、図13に示すように、複数のプローブ2を、互いに独立して、ナノスケールにて制御できるから、ナノテクノロジー分野において、計測対象物1の表面に形成された、個々の機能性素子(分子を含む)1a、例えばペンタセン分子の特性(どの程度電流が流れる、どの程度堅いなど)を直接的に評価することが可能となる。
As described above, in the present invention, as shown in FIG. 13, a plurality of
その上、複数の各プローブ2を互いの距離を安定に制御できれば、原子間力顕微鏡においては、多数の各プローブ2で表面形状を観察できるので、一度に、広範囲の表面を計測できて計測を迅速化できる。
In addition, if the distance between each of the plurality of
本発明の表面状態計測方法、表面状態計測装置は、計測対象物の表面状態を分子レベルにて精度よく計測できるので、顕微鏡などの表面形状測定装置といった測定分野や半導体製造分野およびメモリなどのストレージデバイスといった情報処理分野に好適に利用できる。 Since the surface state measuring method and the surface state measuring apparatus of the present invention can accurately measure the surface state of a measurement object at the molecular level, the measuring field such as a surface shape measuring device such as a microscope, the semiconductor manufacturing field, and the storage such as a memory It can be suitably used in the information processing field such as devices.
1 計測対象物
2 プローブ
6 カンチレバー
7 第一駆動部
9 第三駆動部
DESCRIPTION OF
Claims (16)
上記各プローブを上記計測対象物に対しそれぞれ移動させると共に、上記各プローブ間の相対位置を移動させるプローブ駆動部と、
上記各プローブおよび上記計測対象物の間に電圧を印加すると共に上記各プローブ間に電圧を印加して、上記各プローブおよび上記計測対象物の間のトンネル電流および上記各プローブ間のトンネル電流を検出して出力し、上記計測対象物および各プローブの間の物理現象から生じる検出信号を検出して出力する検出部と、
上記検出部による上記各プローブ間のトンネル電流によって上記各プローブ間の相対位置を制御すると共に、上記検出部による上記各プローブおよび上記計測対象物の間のトンネル電流によって上記各プローブおよび上記計測対象物の間隔を制御するように上記プローブ駆動部を制御するための第一制御部と、
上記検出信号から上記計測対象物の表面状態を計測する計測部とを有していることを特徴とする表面状態計測装置。 A plurality of probes facing the measurement object;
A probe driving unit that moves each of the probes with respect to the measurement object and moves a relative position between the probes;
A voltage is applied between each probe and the measurement object and a voltage is applied between the probes to detect a tunnel current between the probe and the measurement object and a tunnel current between the probes. and to output, the measurement object and detector which detects and outputs a detection signal arising from the physical phenomenon between each probe,
The relative position between the probes is controlled by the tunnel current between the probes by the detection unit, and the probes and the measurement object by the tunnel current between the probes and the measurement object by the detection unit. A first control unit for controlling the probe driving unit to control the interval of
A surface state measurement apparatus comprising: a measurement unit that measures a surface state of the measurement object from the detection signal.
前記第一制御部は、上記各プローブの先端部および上記計測対象物の間隔を、前記各プローブおよび上記計測対象物の間のトンネル電流によって制御するものであることを特徴とする請求項4記載の表面状態計測装置。 The tip of each probe is set to extend in a direction opposite to the measurement object ,
5. The first control unit controls a distance between a tip portion of each probe and the measurement object by a tunnel current between the probes and the measurement object. Surface state measuring device.
さらに、前記物理現象の力が加わった上記各プローブおよび上記計測対象物の間隔を前記検出信号に基づき一定に維持するように上記ブローブ駆動部をフィードバック制御する第二制御部を有していることを特徴とする請求項1ないし10の何れか1項に記載の表面状態計測装置。 The measurement unit includes a probe position detection unit that detects the position of each probe,
Furthermore, it has a second controller for feedback controlling the Burobu driving unit so as to maintain the spacing of the physical phenomenon above probe and the measurement object a force is applied in a constant based on the detection signal The surface state measuring apparatus according to claim 1, wherein
上記複数のプローブおよび上記計測対象物の相対位置を上記各プローブおよび上記計測対象物の間のトンネル電流により上記各プローブをそれぞれ移動させ、上記各プローブ間のトンネル電流により上記各プローブ間の相対位置をそれぞれ移動させ、
上記計測対象物および上記各プローブの間の物理現象から生じる検出信号を検出し、
上記各プローブの位置をそれぞれ位置情報信号として検出し、
上記検出信号から上記各プローブと上記計測対象物との間隔を一定に維持するように上記各プローブをフィードバック制御して、上記計測対象物の表面状態を計測することを特徴とする表面状態計測方法。 A voltage is applied between each of the plurality of probes facing the measurement object and the measurement object and a voltage is applied between the probes, and a tunnel current between the probe and the measurement object and each of the measurement objects. Detect tunnel current between probes,
The relative positions of the plurality of probes and the measurement object are moved by the tunnel currents between the probes and the measurement object, respectively , and the relative positions between the probes by the tunnel current between the probes. Move each
Detecting a detection signal arising from the physical phenomenon between the measurement object and the respective probe,
The position of each probe is detected as a position information signal,
A surface state measurement method, wherein the surface state of the measurement object is measured by feedback controlling each probe so as to maintain a constant distance between the probe and the measurement object from the detection signal. .
The surface state measuring method according to claim 14 or 15, wherein each probe is moved so that a tip portion of each probe is close to each other.
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