(57)【要約】【課題】  本発明は、電気検出電子スピン共鳴法において、接触抵抗等に由来する電流ノイズを低減可能とする試料ホルダの構造、及びその製造方法を提供するものである。【解決手段】  電気検出電子スピン共鳴装置において用いる試料ホルダの表面には、２本の配線２０１が形成されており、試料ホルダの先端には試料を固定するための電極パッド２０３が形成されており、その電極パッドは配線２０１の１本とつながっている。また、配線２０１のもう１本の先端には金属部材２１０と、更にその金属部材２１０の先端にはスプリングプローブ２１１が接続されている。ここでスプリングプローブ２１１は試料２０５に押圧力を発生させることにより、良好な電気的接続を確保するものである。【選択図】  図２（ｂ）
2011252813.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気検出電子スピン共鳴装置で用いる試料ホルダにおいて、
試料ホルダ基板と、
前記試料ホルダ基板上に形成された第１及び第２の配線と、
前記試料ホルダ基板上に形成され、前記第１の配線に接続され、その上に測定対象試料の第１の面を接続するための電極パッドと、
前記第２の配線に接続され、前記測定対象試料の前記第１の面とは反対側の第２の面に接続するための導電部材とを備え、
前記導電部材は、前記第２の面に対して押圧力を有することを特徴とする電気検出電子スピン共鳴装置用試料ホルダ。
【請求項２】
請求項１において、
前記導電部材は、非磁性の材料で形成されていることを特徴とする電気検出電子スピン共鳴装置用試料ホルダ。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、
前記導電部材は、前記第２の面を押圧するためのスプリングプローブと、当該スプリングプローブを支持するとともに、前記スプリングプローブを第２の配線と電気的に接続する金属部材とを備え、前記電極パッドと前記スプリングプローブによって前記測定対象試料を挟持することを特徴とする電気検出電子スピン共鳴装置用試料ホルダ。
【請求項４】
請求項３において、
前記スプリングプローブ及び前記金属部材は、非磁性の金属により形成されていることを特徴とする電気検出電子スピン共鳴装置用試料ホルダ。
【請求項５】
請求項３または請求項４において、
該スプリングプローブは、前記測定対象試料の第２の面に生じている自然酸化膜を突き破ることができ、かつ、前記測定対象試料に機械的なダメージを与えないように、その押し付け強さが１００〜２００Ｎ／ｍの範囲であることを特徴とする電気検出電子スピン共鳴装置用試料ホルダ。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかにおいて、
該試料ホルダ基板、前記導電部材を組み合わせたものの高さが前記試料ホルダ基板の幅よりも小さいことを特徴とする電気検出電子スピン共鳴装置用試料ホルダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気検出電子スピン共鳴装置に用いる試料ホルダに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から存在する電気検出電子スピン共鳴法は電子スピン共鳴法の応用の一種である。下部電極-絶縁膜-上部電極の積層構造を有する試料において、絶縁膜中の欠陥密度、起源を評価する手法であり、非常に高感度であることを特徴とする。試料に磁場を印加すると不対電子を有する欠陥の軌道がゼーマン分裂を起し、基底状態と励起状態の２つの軌道に分裂する。この段階では不対電子は基底状態の軌道に存在する。ここでゼーマン分裂幅に等しいエネルギーを有するマイクロ波を照射すると、基底状態に存在する不対電子はマイクロ波のエネルギーを吸収して励起状態へと遷移する。ここで下部電極と上部電極の間に電圧を印加してリーク電流を流した場合、欠陥内の不対電子と電極から流入する電子スピンの向きが平行である場合には電子間の反発が起こる。一方、反並行の場合には電子間の反発がない。そのためにリーク電流は欠陥内の不対電子の向きに依存する。一定の波長のマイクロ波を照射しながら磁場強度を掃引すると、ある磁場強度の元でマイクロ波の吸収が起こり欠陥内の電子スピンが反転する時にリーク電流量が変化することになる。このリーク電流量の変化量からは欠陥の密度、また、リーク電流量が変化する磁場強度からは欠陥の起源を評価することが可能となる。ここで課題となるのは、リーク電流の変化量の測定である。一般にリーク電流の変化量は10-5以下と非常に小さいためにロックインアンプを用いて検出されるが、やはり測定は非常に困難である。特に、試料と配線との間の電気的接触に不具合が存在し、接触抵抗が生じる場合には、非常に大きなノイズ源となってしまう。つまり、ノイズを低減するには、試料と配線との間の電機的接触を確実に確保し、接触抵抗を減らす必要がある。
【０００３】
電子スピン共鳴装置用の試料ホルダとしては、特許文献１のようなものが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平8-35919
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
試料に流れるリーク電流を高感度に検出するには、接触抵抗等に由来する電流ノイズを可能な限り低減する必要がある。しかしそのための最適な方法は確立されておらず、電気検出電子スピン共鳴法の大きな課題となっている。本発明は、電気検出電子スピン共鳴法において、接触抵抗等に由来する電流ノイズを低減可能とする試料ホルダの構造、を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するために、下部電極と上部電極の間に形成された絶縁膜を有する試料を、マイクロ波と磁場強度を照射し電圧を印加することにより、該絶縁膜中の欠陥を検出する電気検出電子スピン共鳴装置で用いる試料ホルダにおいて、試料ホルダ基板と、前記試料ホルダ基板上に形成された配線と、前記配線に接続され、その上に試料の下面を接続するためのパッドと、前記配線に接続され、試料上面に接続するための金属部材とスプリングプローブとを、有する電気検出電子スピン共鳴装置用試料ホルダとする。
【発明の効果】
【０００７】
以上により、電気検出電子スピン共鳴測定に対して、本試料ホルダを用いることで、接触抵抗に由来するノイズを大幅に低減でき、絶縁膜中欠陥の密度、起源の評価が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明にかかる試料ホルダを使用する電気検出電子スピン共鳴測定装置の実施形態を示す概略図である。
【図２（ａ）】本発明の一実施例における、試料ホルダの構造を示す図である。なお、試料ホルダを上から見た図である。
【図２（ｂ）】本発明の一実施例における、試料ホルダの構造を示す図である。なお、試料ホルダを横から見た図である。
【図３（ａ）】本発明の一実施例における、試料ホルダを用いて電気検出電子スピン共鳴測定を行う際の実施形態を説明する図である
【図３（ｂ）】本発明の一実施例における、試料ホルダを用いた電気検出電子スピン共鳴測定の結果を示す図である。
【図４（ａ）】本発明の一実施例の試料ホルダを用いた場合と、比較例の試料ホルダを用いた場合での、電気検出電子スピン共鳴測定で得られる信号を記載した図である。
【図４（ｂ）】比較例の一つにかかる試料ホルダを上から見た図である。
【図４（ｃ）】比較例の一つにかかる試料ホルダを横から見た図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の電気検出電子スピン共鳴装置における試料ホルダの実施形態を、図面を用いて具体的に説明する。
【実施例１】
【００１０】
図１は電気検出電子スピン共鳴装置の概略図である。直流磁場掃引用電磁石１０１、交流磁場印加用電磁石１０２、マイクロ波照射ユニット１０３、マイクロ波共振キャビティ１０４、マイクロ波共振キャビティ１０４中に導入される試料管１０５から構成される。更に、試料管１０５中には試料ホルダ１０６と測定試料１０７が挿入される。
【００１１】
続いて、本発明における電気検出電子スピン共鳴装置に用いる試料ホルダ１０６について説明する。
【００１２】
図２に示すように、試料ホルダ１０６の表面には配線２０１及び配線２０２が形成されている。なお、試料ホルダ１０６の幅は４ｍｍ以下である。これはマイクロ波キャビティ１０４の大きさの制約のため、試料管１０５の内径が４ｍｍに限定されているためである。ここで試料ホルダ基板１０６の材質はＦＲ−４樹脂である。また、配線２０１及び配線２０２はともに金メッキで形成している。試料ホルダ１０６の先端には試料を固定するための金パッド２０３が形成されており、配線２０２とつながっている。測定試料１０７は、例えば金-シリコン窒化膜-アルミニウムという下部電極２０４−絶縁膜２０５−上部電極２０６の構造になっており、絶縁膜２０５中には不対電子を有する欠陥２０７が存在している。本測定試料１０７の下部電極２０４は銀ペースト等の導電性を有する接着剤２０８で金パッド２０３に接続される。なお、上部電極２０６の上部には自然酸化膜２０９が生じている。配線２０１にはハンダや銀ペースト等の導電性を有する接着剤によって金属板２１０が接続されている。また、金属板２１０の先端付近にはスプリングプローブ２１１がハンダや銀ペースト等で接続されており、かつ、スプリングプローブ２１１の先端は上述の上部電極２０６に接触している。ここで、金属板２１０及びスプリングプローブ２１１の材質は銅や金など、非磁性の金属である必要がある。磁性を有する金属を用いた場合には、後述するように、外部から印加する磁場の影響でスプリングプローブ先端の位置が上部電極２０６からずれてしまうためである。なお、金属板２１０の上部から試料ホルダ１０６の下部までの距離は、試料ホルダ１０６の幅と同様に４ｍｍ以下である。これは、４ｍｍ以上の場合には試料管１０５の中に挿入することができず、電気検出電子スピン共鳴の測定が不可能になるためである。既存の試料ホルダ基板４０２に、金属板２１０及びスプリングプローブ２１１を取り付ける場合には、試料ホルダ１０６全体の高さが試料ホルダ０２の幅より小さくなるようにする。かつ、スプリングプローブ２１１は上部電極２０６に対する押し付け強さが、１００〜２００Ｎ／ｍであるようなものである必要がある。これは、押し付け強さが１００Ｎ／ｍ以下の場合には、スプリングプローブ２１１が上部電極２０６の上部に形成されている自然酸化膜２０９を突き破ることができないため、スプリングプローブ２１１と上部電極２０６との間に接触抵抗が生じてしまうためである。その場合には、良好な電気的コンタクトを確保することが困難になり、電気検出電子スピン共鳴の測定においてノイズ源となってしまう。また、押し付け強さが２００Ｎ／ｍ２以上の場合には、スプリングプローブ２１１は上部電極２０６の上部に生じている自然酸化膜２０９を突き破ることができるが、先端が絶縁膜２０５にまで達してしまうために、絶縁膜２０５に対して機械的なダメージを与えてしまい、信頼性のおける電気検出電子スピン共鳴のデーターを得ることが困難になる。押し付け強さは、スプリングプローブによって調整可能にしてもよい。
【００１３】
続いて、本発明における、試料ホルダ１０６を用いて電気検出電子スピン共鳴測定を行う手順について具体的に説明する。
【００１４】
図３（ａ）は電気検出電子スピン共鳴実験の実験手順を示す図である。測定試料１０７を設置した試料ホルダ１０６上の配線２０１及び配線２０２からはケーブル３０１が延ばしてあり、電源／電流計３０２に接続されている。ここで測定試料１０７として、下部電極２０４が金、絶縁膜２０５が厚み１ｎｍのシリコン窒化膜、上部電極２０６がアルミニウムで構成されている構造を例にして説明するが、この上部及び下部電極、また、絶縁膜の材料が変わっても本発明に支障はない。ここで直流磁場掃引用電磁石１０１で、３２７ｍＴから３３０ｍＴの直流磁場を試料１０７に印加、掃引する。同時に、交流磁場用電磁石１０２で、振幅０．５ｍＴ、かつ、周波数８０Ｈｚの交流磁場を印加する。更に、この状態に対してマイクロ波照射ユニット１０３を用いて、９．６ＭＨｚの周波数固定のマイクロ波を測定試料１０７に照射する。電源／電流計３０２から、測定試料１０７の下部電極２０４と上部電極２０６の間に０．１Ｖの電圧を印加する。そして、その際のリーク電流の変化量を、ロックインアンプ３０３を用いて検出し、掃引している直流磁場の強度に対してプロットすると図３（ｂ）に示すような、信号３０４を得ることができる。なお、ここで直流磁場の掃引範囲、交流磁場の振幅、周波数、マイクロ波周波数、測定試料１０７に印加する電圧の値を変えても同様の信号を得ることが可能であり、本発明には影響はない。
【００１５】
続いて、図４を用いて本発明における試料ホルダ１０６の効果を説明する。
【００１６】
図４（ａ）は本発明における試料ホルダ１０６を用いて測定した電気検出電子スピン共鳴の信号３０４である。一方、信号４０１は図４（ｂ）に示す比較例としての試料ホルダ４０２を用いて測定した結果であり、信号４０３は図４（ｃ）に示す比較例としての試料ホルダ４０４を用いて測定した結果である。ここで、試料ホルダ４０２では、上部電極２０６と配線２０１との間を、スプリングプローブ２１１を用いず、ワイヤボンディングによるアルミニウム細線４０５で接続している。また、試料ホルダ４０４では、スプリングプローブ２１１の代わりに、直径１ｍｍの円筒形の金属片４０６を用いて、上部電極２０６に接続している。ここで、信号４０１、信号４０３はともに１／１００倍した値を記載している。信号４０１ではノイズが非常に大きく測定が困難である。これはワイヤボインデイングの際の衝撃力によって絶縁膜２０５が物理的に破壊してしまい、大きなノイズが発生するためである。また、信号４０３では、信号３０４と同様な形状の信号は得られるが、やはりノイズが大きく、信頼性の低いデータとなっている。これは、金属片４０６を上部電極２０６に接触させただけでは、上部電極２０６上に形成されている自然酸化膜２０９を突き破ることができないため、接触抵抗が生じてしまい、金属片４０６と上部電極２０６との間の良好な電気的接触の確保が困難になり、ノイズが発生するためである。一方、信号３０４ではノイズが大幅に低減されている。また、信号３０４の生じる直流磁場強度の値からは本欠陥２０７の起源が窒素欠損であること、信号３０４の強度からは欠陥２０７の密度が９×１０１１／ｃｍ２であることが評価される。また、Ｓ／Ｎの大きさは本発明における試料ホルダ１０６では約１００であったのに対し、試料ホルダ４０２を用いた場合には約０．００１以下であった。この結果から、本試料ホルダ１０６の効果が検証された。
【符号の説明】
【００１７】
１０１・・・直流磁場掃引用電磁石、１０２・・・交流磁場印加用電磁石、１０３・・・マイクロ波照射ユニット、１０４・・・マイクロ波共振キャビティ、１０５・・・試料管、１０６・・・試料ホルダ、１０７・・・測定試料、２０１・・・配線、２０２・・・配線、２０３・・・金パッド、２０４・・・下部電極、２０５・・・絶縁膜、２０６・・・上部電極、２０７・・・欠陥、２０８・・・接着剤、２０９・・・自然酸化膜、２１０・・・金属板、２１１・・・スプリングプローブ、３０１・・・ケーブル、３０２・・・電源／電流計、３０３・・・ロックインアンプ、３０４・・・信号、４０１・・・信号、４０２・・・試料ホルダ、４０３・・・信号、４０４・・・試料ホルダ、４０５・・・アルミニウム細線、４０６・・・金属片。
【図１】
2011252813.tif 000003
【図２（ａ）】
2011252813.tif 000004
【図２（ｂ）】
2011252813.tif 000005
【図３（ａ）】
2011252813.tif 000006
【図３（ｂ）】
2011252813.tif 000007
【図４（ａ）】
2011252813.tif 000008
【図４（ｂ）】
2011252813.tif 000009
【図４（ｃ）】
2011252813.tif 000010