(57)【要約】【課題】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、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ず、電流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ができなかったという点である。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なかったという点である。【解決手段】試料と探針との間に流れる電流を利用して前記試料の表面を観察する試料観察装置であって、前記試料に対向する少なくとも２個の前記探針と、前記試料を置載する試料台と、前記試料台にバイアス電流を印加する試料バイアス電流印加手段と、前記試料バイアス電流印加手段を前記試料台より電気的に切り離すスイッチと、を備え、前記探針が前記試料にアプローチするときには前記スイッチをＯＮとし、前記探針間の電気計測するときには前記スイッチをＯＦＦとする走査形プローブ顕微鏡。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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）。
【０００９】
【特許文献１】特開平７−５５８２１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【発明の効果】
【００１９】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明によるマルチプローブ顕微鏡である。
【図２】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】
【００３４】
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
【図１】
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【図２】
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