(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
走査型プローブ顕微鏡の探針と試料間に超短パルス高電圧を印加するための超短パルス高電圧発生装置であって、前記探針と電気的に接続された探針固定用極板と第１金属極板との間に第１絶縁体を挟んだ構造を持つ微小容量からなる高電圧充放電容量Ｃ0を前記探針と一体的に設け、主同軸ケーブルとインピーダンス整合が取れた正負切り換え可能な高電圧の充電・放電回路を備えた高電圧超短パルス用電源ユニットを有し、前記主同軸ケーブルの先端において高電圧を印加する中心導体を前記第１金属極板に接続するとともに、インピーダンス整合するためのキャパシタンス若しくはインダクタンスを付加して調整し、高電圧充放電容量Ｃ0を構成する前記第１金属極板に蓄積した正電荷を放電し、負電荷を探針に印加してなること、又は反対に蓄積した負電荷を放電し、正電荷を探針に印加してなることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡に用いる超短パルス高電圧発生装置。
【請求項２】
前記容量部として、前記探針と該探針を駆動するための走査型プロープ顕微鏡用ＸＹＺピエゾスキャナーとの間に、該探針に高電圧を印加するための高電圧充放電容量Ｃ0と主同軸ケーブルとのインピーダンス整合するためのインピーダンス整合容量Ｃmとを一体的に構成したもの、若しくは試料側に走査型プロープ顕微鏡用ＸＹＺピエゾスキャナーを組み込み、該探針に高電圧を印加するための高電圧充放電容量Ｃ0と主同軸ケーブルとのインピーダンス整合するためのインピーダンス整合容量Ｃmとを一体的に構成したものもので、高電圧充放電容量Ｃ0は探針固定用極板と第１金属極板間に第１絶縁体を挟んで形成し、インピーダンス整合容量Ｃmは第１金属極板と第２金属極板間に第２絶縁体を挟んで形成し、前記主同軸ケーブルの中心導体を第１金属極板に接続するとともに、主同軸ケーブルの外部導体を第２金属極板に接続してなる請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡に用いる超短パルス高電圧発生装置。
【請求項３】
前記主同軸ケーブルの特性インピーダンスとインピーダンス整合が取れた抵抗Ｒmを介して容量Ｃ0に蓄積された電荷を放電してなる請求項１又は２記載の走査型プローブ顕微鏡に用いる超短パルス高電圧発生装置。
【請求項４】
前記容量部を構成する金属極板及び絶縁体の材質として、圧電効果がなく且つ高剛性のものを用いてなる請求項１又は２記載の走査型プローブ顕微鏡に用いる超短パルス高電圧発生装置。
【発明の詳細な説明】
【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用いる超短パルス高電圧発生装置に係わり、更に詳しくは走査型プローブ顕微鏡において試料表面を原子レベルで観察することができる本来の機能に加え、表面原子一個毎の三次元的原子核座標の決定、元素分析及び化学結合状態分析を行うことができるように、探針から高運動エネルギーの電子を試料表面原子に照射して、オージェ電子や特性Ｘ線を検出するための超短パルス高電圧発生装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の元素分析、化学結合状態分析技術の中で最も微小面積・極表面層分析が可能なものは走査型オージェ電子分光法であるが、最新の技術でも直径数１０ｎｍ、深さ数ｎｍの測定領域となっており、表面原子一個一個を測定することはできない。
【０００３】
一方、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）や原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）等の走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）では、原子オーダーの実空間分解能があるが、その計測結果の解釈は必ずしも容易ではない。走査型トンネル顕微鏡は、１０Å程度の間隔に配した探針と試料間にバイアス電圧を印加し、探針と試料間の間隔（Ｚ方向）をピエゾ素子で制御して両者間に流れるトンネル電流を一定に維持しながら、探針を試料表面の凹凸に沿って走査（ＸＹ面）することにより、Ｚ方向ピエゾ素子の制御電圧から試料表面の原子像を描き出すことができるものである。また、走査型原子間力顕微鏡は、バネ定数の小さい「てこ」の先端に設けた探針と試料との間隔を、両者間に原子間力（斥力）が作用する程度（２〜３Å）に接近させ、試料表面の凹凸に沿って探針を走査することによって、試料表面の凹凸に応じて「てこ」が変形し、この原子オーダーの変形をＳＴＭやレーザー光反射測定法、あるいは光干渉測定法によって測定して試料表面の原子像を描き出すことができるものである。
【０００４】
半導体や金属等の化学的性質は、バルクよりもむしろ表面における特性（原子構造や電子状態等）が重要な役割を果たしている。現在、原子レベルの空間分解能で表面の特性を解明しようと、多くの研究者によって理論的、実験的に研究が進められている。その中でもＳＴＭを使った研究では、表面の幾何学的構造に関して原子レベルの空間分解能で計測が行われ、成果が挙げられている。しかし、ＳＴＭでは表面原子の元素分析ができないため、表面に異種原子がある場合はＳＴＭ像から表面構造を厳密に理解することはできない。
【０００５】
そこで、本発明者は、特開平８−１７８９３４号公報（走査型プローブ顕微鏡による元素分析法）にて、走査型プローブ顕微鏡、特に走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）を用いて試料表面の測定中に、表面上の任意の点において、探針から高運動エネルギー（５０ｅＶ以上）の電子を試料表面原子に照射し、その原子からオージェ電子及び特性Ｘ線を発生させ、それによって試料表面の個々の原子に対して元素分析を行う方法を提案してきた。その結果、試料表面の原子構造と局所的な電子状態を同時に測定することができ、詳細な表面分析が可能となった。以下、特にオージェ電子を検出する方法を「ＳＴＭ−ＡＥＳ」、特性Ｘ線を検出する方法を「ＳＴＭ−ＸＭＡ」として定義する。
【０００６】
ＳＴＭ−ＡＥＳ及びＳＴＭ−ＸＭＡを行う上で、試料原子からオージェ電子及び特性Ｘ線を発生させるためには、探針に高電圧を印加し、高運動エネルギーの電子を試料表面原子に照射する必要があるが、そのために本発明者らは特開平９−１７８７５９号公報（走査型プローブ顕微鏡における超短パルス高電圧印加方法）にて、パルス電源で発生させた短パルス高電圧を同軸ケーブルを用いて真空チャンバーに導入し、探針−試料間を開放端（インピーダンスが無限大）と仮定して、探針あるいは試料に短パルス高電圧を印加する方法を提案している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、実際に探針に高電圧を印加する上で大きな問題が２つある。先ず第一に、ＳＴＭ−ＡＥＳやＳＴＭ−ＸＭＡを行う条件では、探針に高電圧が印加されると、探針−試料間が約１ｎｍと非常に接近しているため、１０7 Ｖ／ｍｍ以上の強電界がかかり、それによって試料表面及び探針表面での電界蒸発が起きる。そこで、この影響を防ぐために、探針にかける高電圧をパルス状にして、そのパルス幅を１ｎｓ以下にする必要がある。また第二に、パルス電圧印加時には探針直下にあたる試料表面の極微小な領域に集中して電荷が流れるためにジュール熱による試料表面の溶融、蒸発が起こる。これに対しては、パルスによって試料表面に照射される電荷量（電子の数）を制限し、パルス電圧印加時の電流を極力小さくする必要がある。
【０００８】
そこで、本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、ＳＴＭ−ＡＥＳとＳＴＭ−ＸＭＡを行う上で、オージェ電子や特性Ｘ線が発生するのに十分な高運動エネルギー（５０ｅＶ以上）を持った電子を試料原子に照射でき、電界蒸発やジュール熱によって試料表面の構造変化を起こさせないために、電荷量を制御した１ｎｓ以下の高電圧極短パルスを探針に印加することができる走査型プローブ顕微鏡に用いる超短パルス高電圧発生装置を提供する点にある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために、本発明は、走査型プローブ顕微鏡の探針と試料間に超短パルス高電圧を印加するための超短パルス高電圧発生装置であって、前記探針と電気的に接続された探針固定用極板と第１金属極板との間に第１絶縁体を挟んだ構造を持つ微小容量からなる高電圧充放電容量Ｃ0を前記探針と一体的に設け、主同軸ケーブルとインピーダンス整合が取れた正負切り換え可能な高電圧の充電・放電回路を備えた高電圧超短パルス用電源ユニットを有し、前記主同軸ケーブルの先端において高電圧を印加する中心導体を前記第１金属極板に接続するとともに、インピーダンス整合するためのキャパシタンス若しくはインダクタンスを付加して調整し、高電圧充放電容量Ｃ0を構成する前記第１金属極板に蓄積した正電荷を放電し、負電荷を探針に印加してなること、又は反対に蓄積した負電荷を放電し、正電荷を探針に印加してなることを特徴とし、容量に蓄えられた微小電荷を利用した走査型プローブ顕微鏡に用いる超短パルス高電圧発生装置を構成した。
【００１１】
ここで、前記容量部として、前記探針と該探針を駆動するための走査型プロープ顕微鏡用ＸＹＺピエゾスキャナーとの間に、該探針に高電圧を印加するための高電圧充放電容量Ｃ0と主同軸ケーブルとのインピーダンス整合するためのインピーダンス整合容量Ｃmとを一体的に構成したもの、若しくは試料側に走査型プロープ顕微鏡用ＸＹＺピエゾスキャナーを組み込み、該探針に高電圧を印加するための高電圧充放電容量Ｃ0と主同軸ケーブルとのインピーダンス整合するためのインピーダンス整合容量Ｃmとを一体的に構成したものもので、高電圧充放電容量Ｃ0は探針固定用極板と第１金属極板間に第１絶縁体を挟んで形成し、インピーダンス整合容量Ｃmは第１金属極板と第２金属極板間に第２絶縁体を挟んで形成し、前記主同軸ケーブルの中心導体を第１金属極板に接続するとともに、主同軸ケーブルの外部導体を第２金属極板に接続してなる構造を採用した。
【００１２】
また、前記主同軸ケーブルの特性インピーダンスとインピーダンス整合が取れた抵抗Ｒm を介して容量Ｃ0 に蓄積された電荷を放電することにより、反射波を抵抗で吸収、除去できるので、探針に印加するパルス波形が乱されないのである。
【００１３】
また、前記容量部を構成する金属極板及び絶縁体の材質として、圧電効果がなく且つ高剛性のものを用いてなることが、走査型プロープ顕微鏡用ＸＹＺピエゾスキャナーによる探針の高精度の位置決めのためには必要である。
【００１４】
ここで、本発明における「高電圧」とは、通常の走査型トンネル顕微鏡における数Ｖのバイアス電圧よりも充分に高いことを意味し、その電圧は数１０Ｖ〜数１０ｋＶ程度であり、この電圧は試料又は探針を構成する元素の種類又は励起する電子軌道のエネルギー準位に応じて選択される。また、本発明における「超短パルス」とは、原子を電界蒸発等させない程度の短い時間の間だけ高電圧を印加できるように、また微小時間に多量の電子が試料表面に入射して熱による試料溶融を防ぐよう一度に入射する電子の量を制限するための、時間幅の非常に短いパルスを意味し、パルス幅は１ｎｓ以下である。また、本発明において走査型プローブ顕微鏡とは、いわゆる走査型トンネル顕微鏡、原子間力顕微鏡及び走査型近接場光学顕微鏡等の走査型トンネル顕微鏡より派生した原子オーダーの実空間分解能を有する顕微鏡を意味する。
【００１５】
本発明では、探針と試料間に超短パルス高電圧を印加して、探針より放射される高運動エネルギー電子によって試料原子の内殻電子（場合によっては原子核を中心に球対称分布した価電子でもよい）を励起するのである。そして、内殻電子の励起によって発生した空孔に、この内殻電子よりエネルギー準位の高い電子が落ち込むとき、光子又はオージェ電子を放出するが、この光子又はオージェ電子のエネルギー分析と計数分析を行うことによって、即ち、原子核を中心に球対称分布した内殻電子等の情報を原子一個ごとに分析することによって、表面原子一個毎の三次元的原子核座標の決定、元素分析、化学結合状態分析を行えるのである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に本発明の詳細を添付図面に示した実施形態に基づき更に説明する。図１は、本発明によるＳＴＭの探針に高電圧超短パルスを印加する装置の一実施形態を示した概略図であり、図２はその等価回路図であり、図中符号１はＳＴＭ本体、２は高電圧超短パルス用電源ユニットをそれぞれ示している。
【００１７】
前記ＳＴＭ本体１は、超高真空チャンバー３の内部に探針４と試料５とを間隔を極めて狭くして配設し、該探針４はＳＴＭ用ＸＹＺピエゾスキャナー６によって試料５の表面を走査されるようになっている。ここで、前記探針４を固定し、ＳＴＭ用ＸＹＺピエゾスキャナー６を試料５側に設けて、試料５を移動させても良い。また、前記探針４にはＳＴＭ測定用電源７からスイッチ８を介してバイアス電圧を印加できるようになっている。そして、試料５に流れるトンネル電流は、抵抗ＲF1、抵抗ＲF2、コンデンサＣF からなるローパスフィルター９を介してＳＴＭ用電流アンプ１０で増幅して測定し、その値をＳＴＭ用ＸＹＺピエゾスキャナー６にフィードバックすることでＳＴＭ測定をするのである。尚、ＳＴＭ−ＸＭＡに関しては、フォトンを検出するため、測定雰囲気は超高真空に限らず、大気中に対しても適用可能であることから、前記超高真空チャンバー３は特に必要としない。
【００１８】
前記高電圧超短パルス用電源ユニット２は、高電圧供給ケーブル１１の中心導体１１Ａに高電圧電源１２を接続するとともに、外部導体１１Ｂを接地し、前記高電圧供給ケーブル１１には同軸リレースイッチ１３を介して主同軸ケーブル１４と分岐同軸ケーブル１５を接続し、該分岐同軸ケーブル１５の中心導体１５Ａには抵抗Ｒm が直列に接続されて接地されている。ここで、前記同軸リレースイッチ１３と抵抗Ｒm を有する分岐同軸ケーブル１５は、主同軸ケーブル１４とインピーダンス整合している。尚、同軸リレースイッチ１３の端子ａは高電圧供給ケーブル１１と主同軸ケーブル１４を導通させて充電回路を構成するものであり、また端子ｂは負荷側を高電圧電源１２から切離し、主同軸ケーブル１４と分岐同軸ケーブル１５とを導通させて、抵抗Ｒm を通して放電する放電回路を構成するものである。
【００１９】
そして、前記探針４の極近傍に微小な容量部１６を構成し、この容量部１６の一方の電極に前述の高電圧超短パルス用電源ユニット２から主同軸ケーブル１４を介して高電圧を印加することによって蓄積した正負一方の電荷を、インピーダンス整合した前記同軸リレースイッチ１３と分岐同軸ケーブル１５（抵抗Ｒm ）を使って、急速に放電し、前記容量部１６の他方の電極に取り残された正負他方の電荷を探針４に供給することで、探針４に高電圧超短パルスを発生させ、高運動エネルギーの電子を試料５又は探針４へと照射するのである。
【００２０】
具体的には、図１において、前記容量部１６は探針４とＳＴＭ用ＸＹＺピエゾスキャナー６との間に金属極板と絶縁体を積層して形成する。つまり、ＳＴＭの探針４と第１金属極板１７との間に第１絶縁体１８を挟んだ形で高電圧充放電容量Ｃ0 を構成するとともに、前記第１金属極板１７とＳＴＭ用ＸＹＺピエゾスキャナー６側に設けた第２金属極板１９との間に第２絶縁体２０を挟んだ形でインピーダンス整合容量Ｃm を構成する。そして、前記主同軸ケーブル１４の先端の中心導体１４Ａを前記第１金属極板１７に接続し、外部導体１４Ｂを前記第２金属極板１９に接続する。ここで、前記主同軸ケーブル１４の先端に露出させた中心導体１４Ａは不可避的にインダクタンスＬm を形成することが分かっているが、超短パルス化においては、この部分をできるだけ短くし、インダクタンスＬm を小さくすることが望ましい。
【００２１】
先ず、図３に示すように、前記同軸リレースイッチ１３を端子ａに接続することで、前記第１金属極板１７に前記主同軸ケーブル１４を介して数１０Ｖ〜数１０ｋＶの高電圧（Ｖ0 ）を印加する。この状態で、探針近傍にあるスイッチ８をＯＮにすると、容量部１６の高電圧充放電容量Ｃ0 にはＶ0 に相当する高電圧が印加されているが、探針４自体の電位はＳＴＭ測定用電源７の電圧Ｖs に準じるため、ＳＴＭ用電流アンプ１０でトンネル電流を測定し、その値をＳＴＭ用ＸＹＺピエゾスキャナー６にフィードバックすることでＳＴＭ測定を可能とする。通常、ＳＴＭ測定を行う場合は、このようにスイッチ８をＯＮ、同軸リレースイッチ１３を端子ａに接続して測定を行うのである。図３は、その様子を図式的に示したものであり、高電圧電源１２による高電圧Ｖ0 に応じて、各高電圧充放電容量Ｃ0 、インピーダンス整合容量Ｃm には負電荷（電子）と正電荷とが移動することなく定常に蓄えられている。ここで、前記高電圧電源１２は、正負切り換え可能であり、通常のＳＴＭ−ＡＥＳやＳＴＭ−ＸＭＡにおいて探針４から試料５へ電子を照射する場合には、正の高電圧を高電圧充放電容量Ｃ0 に印加する。逆に、試料５から探針４へ電子を照射する必要がある場合には、高電圧電源１２によって負の高電圧を高電圧充放電容量Ｃ0 に印加するのである。
【００２２】
次に、ＳＴＭ−ＡＥＳやＳＴＭ−ＸＭＡを行うために、探針４に超短パルス高電圧を印加する手順について説明する。ＳＴＭ測定を行いながら、若しくはＳＴＭ測定を一時中断して、ＳＴＭ−ＡＥＳやＳＴＭ−ＸＭＡを行うべき試料５の表面上の任意の点の上に、トンネル領域まで近づけた状態で探針４をＳＴＭ用ＸＹＺピエゾスキャナー６を使って移動させる。そこで、図４に示すように、探針近傍にあるスイッチ８をＯＦＦにし、主同軸ケーブル１４とインピーダンス整合を取った同軸リレースイッチ１３を、端子ｂに接続すると、端子ｂには主同軸ケーブル１４とインピーダンス整合を取った抵抗Ｒm が接続されているため、主同軸ケーブル１４の中心導体１４Ａに蓄えられていた電荷が抵抗Ｒm で消費され、主同軸ケーブル１４の中心導体１４Ａの電位は急速にアース電位に到達する。この時の高電圧充放電容量Ｃ0 の電極での電荷の動きを見ると、高電圧充放電容量Ｃ0 の第１金属極板１７側に蓄えられていた正電荷は主同軸ケーブル１４を伝達して抵抗Ｒm で消費されてアース電位になるが、反対の探針４側に蓄えられていた負電荷（電子）はスイッチ８がＯＦＦになっているため、探針４から試料５へと移動せざるを得ないので、この時に高運動エネルギーを持った電子がパルス状に試料５表面に照射されることになる。
【００２３】
この場合、探針４に蓄えられていた負電荷（電子）を探針４から試料５表面へと照射するだけなので、高電圧（Ｖ0 ）によって負電荷（電子）が得ていたポテンシャルエネルギー（Ｃ0 Ｖ02／２）を最小の損失で運動エネルギーに変換して試料５表面に照射することができ、試料５表面にダメージを与えないように必要最小限のエネルギーで効率良くパルスが印加可能となる。勿論、パルス印加時には、探針４−試料５間のインピーダンスによって、印加したパルスのエネルギーの一部が反射波として、主同軸ケーブル１４中を伝達するが、同軸リレースイッチ１３が端子ｂに接続されているため、その反射波はインピーダンス整合を取った抵抗Ｒm によって吸収、除去され、再び探針４の方へ伝達してパルス波形を乱すことはない。また、試料５側へ照射されたパルスは、抵抗ＲF1、抵抗ＲF2、コンデンサＣF からなるローパスフィルター９によって除去されるため、ＳＴＭ用電流アンプ１０には過負荷がかからない。
【００２４】
前述のように探針４から試料５へパルスを印加した後、スイッチ８をＯＮにして、同軸リレースイッチ１３を端子ａに接続し直すと、再びＳＴＭ測定が可能となり、高電圧充放電容量Ｃ0 に高電圧Ｖ0 に相当する電荷が蓄積される。以上のサイクルを繰り返し行い、それとＳＴＭ測定の結果をリンクさせて、同時にコンピュータ処理を行うと、ＳＴＭ像とＳＴＭ−ＡＥＳやＳＴＭ−ＸＭＡによる試料５表面の元素分析の結果を、同一表面で得ることが可能となる。
【００２５】
続いて、探針４及びＳＴＭ用ＸＹＺピエゾスキャナー６周辺の構造設計例を図５に示す。前述のプロセスで、探針４に印加されるパルス波形は、理想的には、探針４−試料５間のインピーダンスの値で決定されるが、実際の構造物を作製したときに生じる浮遊容量や主同軸ケーブル１４の中心導体１４Ａ部分にあるインダクタンスＬm が無視できなくなってくる。超短パルスを印加するためには、それらの意図しない回路成分も考慮に入れて、構造そのものが回路になるようにインピーダンス整合を行い、設計する必要がある。
【００２６】
図５では、探針４はネジ２１によって取り外しが可能なように設計し、該ネジ２１を設けた探針固定用極板２２と第１金属極板１７との間、該第１金属極板１７と前記第２金属極板１９との間に、第１絶縁体１８及び第２絶縁体２０を挟むことにより、それぞれ高電圧充放電容量Ｃ0 、インピーダンス整合容量Ｃm を構成する。絶縁体の材質に関しては、アルミナなどの圧電効果がなく且つ高剛性のものを用いる。そして、ＳＴＭ用ＸＹＺピエゾスキャナー６の駆動面に容量部１６を一体的に固定し、前記探針固定用極板２２に探針４を取付けて構成するのである。また、高電圧の主同軸ケーブル１４を接続する際に、その中心導体１４Ａ及び外部導体１４Ｂがむき出しになることによって形成されるインダクタンスをＬm としたことは前述の通りである。このインダクタンスＬm は、主同軸ケーブル１４の種類やアースに対するケーブルの位置等によって変化するため、予め実験によって測定しておく必要がある。高電圧充放電容量Ｃ0 の大きさは、印加するパルスのエネルギーの大きさと、高電圧Ｖ0 に対する耐電圧によって、第１絶縁体１８の面積と厚さが決定し、インピーダンス整合容量Ｃm は高電圧主同軸ケーブル１４の特性インピーダンスをＺとすると、Ｚ＝√〔Ｌm ／（Ｃ0 ＋Ｃm ）〕を満たすように決定して、探針４周辺の設計を行う。これによって、主同軸ケーブル１４との接続時に生じる浮遊容量は全てＣm に比べれば小さいため、Ｃm と置き換えることができ、インダクタンスＬm は高電圧充放電容量Ｃ0 とインピーダンス整合容量Ｃm とを合わせて、特性インピーダンスＺとなるため、電気的にはインピーダンス整合は取れている状態となる。
【００２７】
具体的には、オージェ電子や特性Ｘ線が発生するのに十分な高運動エネルギー（５０ｅＶ以上）を持った電子を試料５原子に照射でき、電界蒸発やジュール熱によって試料５表面の構造変化を起こさせないために、前記高電圧充放電容量Ｃ0 を１ｐＦとした。そして、インダクタンスＬm は５ｎＨとし、主同軸ケーブル１４の特性インピーダンス５０Ωにインピーダンス整合を取るためにインピーダンス整合容量Ｃm は１ｐＦとした。
【００２８】
また、前記探針４の近傍に容量部１６を設けるための他の構造例として図６には、高電圧充放電容量Ｃ0 とインピーダンス整合容量Ｃm とを同軸状に構成したものを示した。つまり、先端に探針４を取付けるためのネジ２３を形成した金属棒２４の中心に配し、該金属棒２４の基端に固定した固定板２５を前記ＳＴＭ用ＸＹＺピエゾスキャナー６の駆動面に固定し、前記金属棒２４の周囲には円筒状の第１絶縁体２６を設け、更に第１絶縁体２６の外周にリング状の第１金属板２７を設けて高電圧充放電容量Ｃ0 を構成している。更に、前記第１金属板２７の外周に空間ギャップを形成して又はリング状の第２絶縁体２８を介してリング状の第２金属板２９を設けて前記インピーダンス整合容量Ｃm を構成している。そして、前記同様に主同軸ケーブル１４の中心導体１４Ａを前記第１金属板２７に接続するとともに、外部導体１４Ｂを前記第２金属板２９に接続している。この場合、高電圧充放電容量Ｃ0 とインピーダンス整合容量Ｃm のキャパシタンスは、第１金属板２７と第２金属板２９の軸方向の幅を変更することによって調整可能である。
【００２９】
そこで、高電圧電源１２の電圧Ｖ0 を５ｋＶ、抵抗Ｒm を５０Ω、高電圧充放電容量Ｃ0 、インピーダンス整合容量Ｃm を共に１ｐＦとし、インダクタンスＬm を５ｎＨとし、パルス印加時に探針４−試料５間が短絡すると仮定した場合について、探針４−試料５間に流れる電流をシミュレーションを行った。その結果を、図７及び図８に抵抗Ｒm にかかる電圧と抵抗Ｒm を流れる電流の過渡現象をそれぞれ示し、図９及び図１０に高電圧充放電容量Ｃ0 にかかる電圧と高電圧充放電容量Ｃ0 に流れる電流の過渡現象をそれぞれ示している。この高電圧充放電容量Ｃ0 に流れる電流（図１０参照）が探針４−試料５間に流れる電流とみなすことができる。この結果、探針４から試料５へ約２００〜３００ｐｓの時間幅のパルスが印加されることが分かった。
【００３０】
前記探針４に印加された超短パルス高電圧波形を、直接測定する方法は見あたらないが、探針４から放射された高運動エネルギー電子が、試料５表面で、ある確率で弾性散乱されることを利用して、この弾性散乱電子のエネルギー分析を電子エネルギー分析装置で行って、その最大エネルギーから、探針４に印加されている超短パルス高電圧の最高電圧を知ることができる。また、探針４から放射された高運動エネルギー電子が試料５表面に衝突した際に、ある確率で制動放射により光子を放射する。この光子のエネルギー分析を光子エネルギー分析装置で行って、その最大エネルギーから、探針４に印加されている超短パルス高電圧の最高電圧を知ることができる。
【００３１】
そして、前記探針４より放射される高エネルギー電子によって試料５の内殻電子（場合によっては原子核を中心に球対称分布した価電子でもよい）を励起でき、それによってできた空孔に、この内殻電子よりエネルギー準位の高い電子が落ち込むとき、光子又はオージェ電子を放出するので、この光子又はオージェ電子のエネルギー分析と計数分析を行って、すなわち、原子核を中心に球対称分布した内殻電子等の情報を原子一個毎に分析することによって、表面原子一個毎の原子核の三次元的座標の決定、元素分析、化学結合状態分析を行えるのである。つまり、従来の走査型プローブ顕微鏡では測定され得なかった原子の内殻電子の情報をも知ることができるのである。
【００３２】
それにより、例えばシリコンウエファ、ガリウム砒素ウエファ及びＵＬＳＩにおける表面原子核配列、及び表面不純物原子核分布、表面化学結合状態の測定が可能となり、半導体産業の発展に貢献できる。また原子操作による微細構造の構築の実現に貢献できるし、高温超伝導体のメカニズム解明と実用化に寄与するための表面原子構造解析に役立つ上に、更に生命科学におけるＤＮＡ等の元素分析、化学結合状態分析に役立ち、ＤＮＡの切断、結合、新ＤＮＡの合成等のＤＮＡ組み換えにも繋がり、生物工学産業の発展にも貢献できる。
【００３３】
【発明の効果】
以上の内容からなる本発明の走査型プローブ顕微鏡に用いる超短パルス高電圧発生装置によれば、探針と一体的に設けた微小容量に蓄積した電荷で、高電圧超短パルスを探針に印加することによって、パルス印加時に流れる電荷量（電流）を制限し、容量に印加する電圧で探針から放射される電子の運動エネルギーを制御することができる。即ち、ＳＴＭ−ＡＥＳとＳＴＭ−ＸＭＡを行う上で、オージェ電子や特性Ｘ線が発生するのに十分な高運動エネルギー（５０ｅＶ以上）を持った電子を試料原子に照射でき、電界蒸発やジュール熱によって試料表面の構造変化を起こさせないために、電荷量を制御したパルス幅１ｎｓ以下の高電圧極短パルスを探針に印加することができるのである。
【００３４】
パルス印加時に探針−試料間のインピーダンスが大きく変化することで生じる反射波を除去するために、容量部に接続された主同軸ケーブルの他端に、該ケーブルとインピーダンス整合を取った抵抗を接続しているので、不測な反射波はこの抵抗で完全に除去されるため、パルス波形が乱されることが完全になくなるのである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の説明用概略図である。
【図２】同じく等価回路図である。
【図３】ＳＴＭ測定の場合を示した説明用概念図である。
【図４】パルス印加時の場合を示した説明用概念図である。
【図５】探針周辺の構造を示した部分側面図である。
【図６】探針周辺の他の構造を示した部分斜視図である。
【図７】抵抗Ｒm にかかる電圧のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図８】抵抗Ｒm に流れる電流のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図９】高電圧充放電容量Ｃ0 にかかる電圧のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図１０】高電圧充放電容量Ｃ0 に流れる電流のシミュレーション結果を示すグラフである。
【符号の説明】
Ｃ0   高電圧充放電容量    Ｃm   インピーダンス整合容量
Ｒm   抵抗                Ｌm   インダクタンス
Ｖ0   高電圧電源の電圧    Ｖs   ＳＴＭ測定用電源の電圧
１  ＳＴＭ本体            ２  高電圧超短パルス用電源ユニット
３  超高真空チャンバー    ４  探針
５  試料                  ６  ＳＴＭ用ＸＹＺピエゾスキャナー
７  ＳＴＭ測定用電源      ８  スイッチ
９  ローパスフィルター    １０  ＳＴＭ用電流アンプ
１１  高電圧供給ケーブル  １１Ａ  中心導体
１１Ｂ  外部導体          １２  高電圧電源
１３  同軸リレースイッチ  １４  主同軸ケーブル
１４Ａ  中心導体          １４Ｂ  外部導体
１５  分岐同軸ケーブル    １５Ａ  中心導体
１５Ｂ  外部導体          １６  容量部
１７  第１金属極板        １８  第１絶縁体
１９  第２金属極板        ２０  第２絶縁体
２１  ネジ                ２２  探針固定用極板
２３  ネジ                ２４  金属棒
２５  固定板              ２６  第１絶縁体
２７  第１金属板          ２８  第２絶縁体
２９  第２金属板
【図１】
0003671687.tif 000002
【図２】
0003671687.tif 000003
【図３】
0003671687.tif 000004
【図４】
0003671687.tif 000005
【図５】
0003671687.tif 000006
【図６】
0003671687.tif 000007
【図７】
0003671687.tif 000008
【図８】
0003671687.tif 000009
【図９】
0003671687.tif 000010
【図１０】
0003671687.tif 000011