JPH07103988A - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 走査型プローブ顕微鏡の高温観察において、
試料の熱ドリフトを減少させ、試料上の温度分布を均一
とする加熱を可能とする走査型プローブ顕微鏡を提供す
る。 【構成】 試料１０の観察面側に探針３２を配置し、該
試料１０と探針３２との間に流れるトンネル電流を観察
する走査型トンネル顕微鏡等の走査型プローブ顕微鏡に
おいて、試料１０にスポット加熱を行なうためのレーザ
光源５２と、試料１０を載置するとともにレーザ光源５
２からのレーザ光を試料１０の観察面とは反対側の面に
照射するための貫通穴２１が形成された試料ホルダ２０
とを具備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、走査型プローブ顕微鏡
に関し、特に走査型プローブ顕微鏡における試料加熱機
構に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡として、例えばプ
ローブと試料表面との間に流れるトンネル電流を用いる
トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）や、プローブと試料表面間に
働く原子間力を測定する原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）が知
られている。

【０００３】例えば、トンネル顕微鏡は、探針を試料表
面に近づけて探針または試料の何れかを３次元方向に移
動可能とし、探針と試料表面との間に流れるトンネル電
流が一定となるように試料表面と探針先端部との間をサ
ブナノメータオーダーで制御することにより原子レベル
の分解能で得られる３次元形状の情報によって、物質表
面の原子配列の観察や、物質表面の表面形状の観察等を
行うものであり、原子間力顕微鏡は、探針と試料との間
の原子間力（引力または斥力）を検出してこれが一定に
なるように制御することによって、観察を行うものであ
る。

【０００４】この走査型プローブ顕微鏡により半導体基
板等の高温における表面状態を観察する場合には、従
来、試料に電極をネジ等によって取付け、その電極に電
圧を印加して通電を試料に直接行い、その試料の電気抵
抗により発生する熱を用いて加熱を行っている。しかし
ながら、この従来の半導体の通電による加熱では、熱ド
リフトにより試料が移動して観察位置がずれるという問
題点を有している。この熱ドリフトによる影響を減少さ
せる技術として、試料ステージを円形の形状とするとと
もに、試料ステージの固定方法を工夫することによって
試料ステージの中心位置に熱ドリフトが生じないように
するものが知られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記の
従来の走査型プローブ顕微鏡においては、以下のような
問題点がある。 （１）加熱手段として試料に固定した電極を用いている
ため、加熱位置と観察位置が異なり、熱ドリフトにより
試料の観察位置がずれる。また、試料の一端を固定する
と、その固定端が熱ドリフトの支点となるため、観察位
置が熱ドリフトに影響を受けないような固定は困難であ
る。 （２）通電による加熱方法ではネジ止め等の固定手段に
よって電極を試料に固定する。この電極の固定による生
じる応力は、試料中を流れる加熱電流にムラを生じさ
せ、そのため試料上の温度分布が不均一となる。

【０００６】そこで、本発明は前記した従来の走査型プ
ローブ顕微鏡の高温観察において試料の熱ドリフトを減
少させ、試料上の温度分布を均一とする加熱を可能とす
る走査型プローブ顕微鏡を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、試料の表面観
察を行う走査型プローブ顕微鏡において、試料にスポッ
ト加熱を行なうためのレーザ光源と、試料を載置すると
ともにレーザ光源からのレーザ光を試料の観察面とは反
対側の面に照射するための貫通穴が形成されるた試料ホ
ルダとを具備することにより、前記目的を達成する。

【０００８】本発明において、走査型プローブ顕微鏡の
高温観察は、試料にレーザ光源からレーザ光を照射する
スポット加熱によって試料を加熱することにより行なわ
れる。

【０００９】また、本発明の試料ホルダの試料の載置
は、そのホルダの支持面上に試料を置くことによっての
み行なうことができ、試料を試料ホルダに固定する何ら
の手段も必要としないものである。

【００１０】

【作用】前記構成とすることにより、走査型プローブ顕
微鏡において、試料の観察面側に探針を配置し、観察面
と反対側に設置されたレーザ光源から試料ホルダに形成
されている貫通穴を通して、試料の観察面と反対側の面
にレーザ光を照射してスポット加熱することにより、試
料を加熱する。そして、前記レーザ光によるスポット加
熱で加熱された試料の観察面を、該試料と対向して配置
された探針を用いて試料の表面状態の高温観察を行な
う。

【００１１】また、試料を試料ホルダに取り付けるに
は、試料を試料ホルダに固定する何らの手段を用いるこ
となく、単に試料ホルダ上に試料を乗せるだけで行なう
ことができる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の実施例を図を参照しながら詳
細に説明するが、本発明は実施例に限定されるものでは
ない。

【００１３】（実施例の構成）はじめに、本発明の実施
例の構成について、図１の本発明の走査型プローブ顕微
鏡のブロック図を用いて説明する。

【００１４】なお、以下の説明では、走査型プローブ顕
微鏡として走査型トンネル顕微鏡を例として説明する
が、原子間力顕微鏡にも同様に適用することができるも
のである。

【００１５】本発明の一実施例である走査型トンネル顕
微鏡は、走査型トンネル顕微鏡スキャナ（以下、ＳＴＭ
スキャナという）３０と、走査型トンネル顕微鏡コント
ローラ（以下、ＳＴＭコントローラという）４０と、表
示装置６０から構成される試料１０のＳＴＭ像を観察す
るための通常の走査型トンネル顕微鏡の構成部分と、試
料ホルダ２０と加熱手段５０から構成される本発明の走
査型トンネル顕微鏡の特徴である試料加熱機構部分とか
ら構成される。

【００１６】ＳＴＭスキャナ３０は、３次元アクチュエ
ータ３１と探針３２からなり、ＳＴＭコントローラ４０
は、ＸＹ走査回路４１、サーボ回路４２、トンネル電流
増幅器４３、メモリ４４、及びＣＰＵ４５から構成され
る。また、試料ホルダ２０は、試料１０を保持するもの
であり、試料１０の観察面側と反対側とを貫通するスポ
ット加熱用開口部２１が形成されている。加熱手段５０
は、加熱用レーザ５１を照射する加熱用レーザ光源５
２、温度コントローラ５３、放射温度計等の温度検出手
段５４から構成される。

【００１７】（実施例の作用）図１に示す走査型トンネ
ル顕微鏡において、試料１０は試料ホルダ２０上に配置
され、ＳＴＭスキャナ３０によりトンネル電流を検出し
て試料の表面形状を観察するとともに走査が行なわれて
ＳＴＭ像が得られ、表示装置６０に表示される。

【００１８】ＳＴＭスキャナ３０は、３次元アクチュエ
ータ３１と探針３２を有しており、３次元アクチュエー
タ３１は、探針３２と試料１０との間のＺ軸方向の距離
の制御を行なうとともに、試料１０上のＸ軸方向、及び
Ｙ軸方向の走査の制御を行う。また、探針３２は試料ホ
ルダ２０を通して試料１０との間に微小電圧を印加して
トンネル電流を流し、このトンネル電流により前記探針
３２と試料１０との間のＺ軸方向の距離の制御を行な
う。

【００１９】前記ＳＴＭスキャナ３０の制御は、ＳＴＭ
コントローラ４０により行なわれる。このＳＴＭコント
ローラ４０において、探針３２と試料１０との間の距離
であるＺ軸方向の制御は、トンネル電流をトンネル電流
増幅器４３により検出して増幅し、その増幅信号をサー
ボ回路４２に送り、例えば、前記トンネル電流が一定と
なるように３次元アクチュエータ３１のＺ軸方向の移動
を制御することにより行なわれる。また、ＳＴＭコント
ローラ４０の探針３２による試料１０上のＸ軸，Ｙ軸方
向の走査制御は、ＳＴＭコントローラ４０のＸ，Ｙ走査
回路４１により３次元アクチュエータ３１をＸ軸方向、
及びＹ軸方向に駆動することにより行なわれる。前記サ
ーボ回路４２による探針のＺ軸方向の制御信号、及び
Ｘ，Ｙ走査回路４１の制御信号は試料１０の表面状態を
表すデータを含んでおり、このデータをメモリ４４に記
憶し、ＣＰＵ４５を介して試料表面の分析を行なうとと
もに、表示装置６０に表示することができる。

【００２０】また、本発明の一実施例の走査型トンネル
顕微鏡の試料１０の加熱は、試料ホルダ２０及び加熱手
段５０により行なわれる。試料ホルダ２０は試料１０を
保持するとともに、試料１０を加熱する機構の一部を構
成するものであり、試料１０を支持する面と該面に形成
されるスポット加熱用開口部２１とから構成される。試
料１０の保持は、固定手段を用いることなく単に試料ホ
ルダ２０上に試料１０を乗せることにより行なわれる。
試料１０の加熱は、該スポット加熱用開口部２１を通し
て加熱用レーザ５１を試料１０の裏面に照射し、試料１
０を観察面とは反対側の面から加熱することにより行な
われる。試料１０の試料ホルダ２０への設置は単に試料
ホルダ２０の上面に試料１０を置くことにより行なわれ
て、試料１０の試料ホルダ２０に対する固定処置が無い
ため、熱ドリフトの支点を作ることが無く、従来のよう
な固定による試料１０への応力の発生は生じない。

【００２１】試料ホルダ２０の一実施例は、図２の本発
明の試料ホルダの構成図に示すように、円形形状とする
ことができ、スポット加熱用開口部２１を試料１０の観
察位置に対応する位置とし、表面と裏面を貫通して形成
される。したがって、試料ホルダ２０の中心位置に探針
３２を合わせ、その位置において試料１０を観察する場
合には、該スポット加熱用開口部２１は試料ホルダ２０
の中心位置に形成するものである。従って、ＳＴＭスキ
ャナ３０の探針３２と試料ホルダ２０のスポット加熱用
開口部２１と試料ホルダ２０の中心位置を一致させるこ
とにより、試料１０の観察位置を試料ホルダ２０の中心
位置に配置するだけで、観察位置への探針３２の位置合
わせと、観察位置と加熱位置の位置合わせとを同時に行
なうことができる。

【００２２】また、試料ホルダの形状も任意の形状とす
ることができる。例えば、図３の試料ホルダ２０の他の
実施例に示すように、矩形状の試料ホルダ２２を形成す
ることもできるが、試料１０と試料ホルダ２０間の熱伝
導、及び試料１０自身の熱伝導による試料１０の温度分
布に与える影響を考慮すると、試料１０を円形に加工す
るとともに試料ホルダ２０の形状を円形に形成したもの
が適当である。

【００２３】また、該スポット加熱用開口部２１の開口
径は、加熱用レーザ５１の透過に影響を与えず、試料１
０と試料ホルダ２０間の熱伝導による試料１０の温度分
布に影響を与えない限りにおいて、開口部の形状、及び
径は任意に設定することができる。例えば、スポット加
熱用開口部２１の径を観察点と比較して充分に大きくと
り、試料１０の周辺部において試料１０を支持すること
もできる。なお、図２の（ｂ）及び図２の（ａ）は、試
料１０を試料ホルダ２０，２２に取り付けた状態を示し
ている。

【００２４】加熱手段５０は、加熱用レーザ光源５２を
有しており、該加熱用レーザ光源５２が照射する加熱用
レーザ５１により試料１０を加熱する。この試料１０の
加熱温度の一例としては、例えば８００°Ｃ程度であ
り、このために要する加熱用レーザ光源５２として出力
Ｋｗ〜数１０Ｋｗオーダーのものが使用される。この加
熱用レーザ光源５２は、試料ホルダ２０に対して走査型
トンネル顕微鏡スキャナ３０と反対側に設置される、加
熱用レーザ５１を試料ホルダ２０に形成された開口部２
１を通して試料１０の探針３２による観察面とは反対側
の面に照射し、試料１０の観察面とは反対側の面を加熱
する。

【００２５】本発明の加熱機構は、加熱用レーザ５１の
よる照射によるため従来の加熱電極が不要であり、従来
のように加熱用の電極による熱ドリフトが生じず、また
加熱用の電極の固定により生じる応力の発生せず、試料
上の温度の不均一を減少させることができる。また、試
料の観察位置を加熱するため、熱ドリフトの最小位置で
ある熱ドリフトの中心位置を観察することができる。

【００２６】また、本発明の加熱機構は、従来の電極に
よる加熱のように試料中に加熱電流を流さないため、Ｓ
ＴＭ観察像に必要なトンネル電流に影響を与えない。ま
た、加熱用レーザ５１による照射を、試料１０を観察面
とは反対側の面から加熱を行なうため、加熱用レーザ５
１の励起によるトンネル電流に与える影響や、加熱用レ
ーザ５１による温度検出手段５４に対する誤動作等を防
止することもできる。

【００２７】また、試料１０の加熱の制御は、観察面側
に設置した放射温度計等の温度検出手段５４により検出
した温度信号を温度コントローラ５３に送り、加熱用レ
ーザ光源５２を制御することにより行なわれる。これに
より、観察面での温度制御を行なうことができる。ま
た、本発明の加熱機構では、試料１０の観察面の反対側
において加熱を行なっているため、加熱用レーザ５１に
よる温度検出に与える影響を除くことができる。

【００２８】次に、本発明の他の実施例として、本発明
の走査型プローブ顕微鏡の試料加熱の機構を原子間力顕
微鏡（ＡＦＭ，Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏ
ｓｃｏｐｅ）に適用する場合について説明する。この原
子間力顕微鏡は、先端が尖った探針を原子間のばね定数
よりも弱いばね定数を持つカンチレバーによって試料表
面に近づけ、探針と試料との間に働く小さな力（原子間
力）によって変位するカンチレバーを検知することによ
って観察を行うものであり、この原子間力顕微鏡の試料
の加熱機構は、前記実施例の走査型トンネル顕微鏡とほ
ぼ同様の構成のものが適用でき、前記実施例と同様にし
てレーザ光源によるスポット加熱を行うことができる。
レーザ光源は、試料を載置する試料ホルダに形成された
レーザ光通過用の開口部を通して、試料の観察面、とは
反対側の面を照射してスポット加熱を行う。

【００２９】本発明の加熱機構は加熱用レーザのよる照
射を、試料１０を観察面とは反対側の面から加熱を行な
うため、カンチレバーへの影響を防止することができ
る。

【００３０】（変形例）本発明の加熱機構は前記実施例
に限定されるものではなく、例えば、試料は円形に限定
されるものではなく、任意の形状のものに適用するする
こともできる。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
走査型プローブ顕微鏡の高温観察において試料の熱ドリ
フトを減少させ、試料上の温度分布を均一とする加熱を
可能とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の走査型トンネル顕微鏡のブロック図で
ある。

【図２】本発明の走査型トンネル顕微鏡の試料ホルダの
構成図である。

【図３】本発明の走査型トンネル顕微鏡の他の試料ホル
ダの構成図である。

【符号の説明】

１０…試料，２０…試料ホルダ，２１…スポット加熱用
開口部，３０…ＳＴＭスキャナ，３１…３次元アクチュ
エータ，３２…探針，４０…ＳＴＭコントローラ，４１
…ＸＹ走査回路，４２…サーボ回路，４３…トンネル電
流増幅器，４４…メモリ，４５…ＣＰＵ，５０…加熱手
段，５１…加熱用レーザ，５２…加熱用レーザ光源，５
３…温度コントローラ，５４…温度検出手段，６０…表
示装置

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料の表面観察を行う走査型プローブ顕
   微鏡において、（ａ）前記試料にスポット加熱を行なう
   ためのレーザ光源と、（ｂ）前記試料を載置するととも
   に、前記レーザ光源からのレーザ光を試料の観察面とは
   反対側の面に照射するための貫通穴が形成された試料ホ
   ルダとを具備することを特徴とする走査型プローブ顕微
   鏡。