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図面 (6)

課題

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17を試料5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

解決手段

原子間力顕微鏡の試料台4の表面上に位置決め可能な探針17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装置14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15とを備えること

概要

背景

原子間力顕微鏡プローブの先端に取り付けた探針試料に数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。

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電気特性評価を行うには困難がある。

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。

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印加することにより、誘電体ドメイン反転させたり、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。

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。

概要

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17を試料5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

原子間力顕微鏡の試料台4の表面上に位置決め可能な探針17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装置14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15とを備えること

目的

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
3件

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請求項1

原子間力顕微鏡試料台の表面上に位置決め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位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

請求項2

原子間力顕微鏡の試料台の表面上に位置決め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位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

技術分野

0001

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。

背景技術

0002

原子間力顕微鏡はプローブの先端に取り付けた探針試料に数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印加することにより、誘電体ドメイン反転させたり、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。

課題を解決するための手段

0007

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、原子間力顕微鏡の試料台の表面上に位置決め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位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の試料台の表面上に位置決め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位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

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13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。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

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。AFM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AFM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AFM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。

発明の効果

0016

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AFM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化学物質注入して局所的な化学反応誘起を行うこともできる。

図面の簡単な説明

0019

図1この発明の原子間力顕微鏡を示す構成説明図。
図2AFM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3AFM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

--

0020

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

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