(57)【要約】【課題】改良された探針装置、更には、ナノメートルスケールでの物質の電子状態測定手法及びその画像化手法を提供すること。【解決手段】試料（２０）の表面に対向配置される探針（１０ａ）を備えたカンチレバー（１０）と、前記カンチレバーの振動振幅値をフィードバックすることにより所定の周波数で前記カンチレバーを自励振動させる手段と（１１、３１、３２、４０、４１、４２、４３）、前記試料又は前記探針にバイアスを印加する手段（２２）と、前記カンチレバーと前記試料間に働く電荷移動力に起因する周波数シフトを測定する手段（４４）と、を備えた。【選択図】　図１
2004085320.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料の表面に対向配置される探針を備えたカンチレバーと、
前記カンチレバーの振動振幅値をフィードバックすることにより所定の周波数で前記カンチレバーを自励振動させる手段と、
前記試料又は前記探針にバイアスを印加する手段と、
前記カンチレバーと前記試料間に働く電荷移動力に起因する周波数シフトを測定する手段と、を備えたことを特徴とする探針装置。
【請求項２】
請求項１に記載の探針装置において、前記試料を搭載し、前記試料を前記試料の表面と垂直な第１の方向に移動するピエゾ素子を更に備え、
前記ピエゾ素子に前記カンチレバーの振動振幅値をフィードバックすることにより、前記試料と前記探針間の距離を一定に保つことを特徴とする探針装置。
【請求項３】
請求項２に記載の探針装置において、前記ピエゾ素子は、前記試料を前記第１の方向と垂直な平面に移動可能であることを特徴とする探針装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の探針装置において、前記バイアスは可変であることを特徴とする探針装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、探針装置に関する。具体的には、本発明は、ナノデバイス表面、半導体のドーパント分析、サブサーフェイスの欠陥、及びメゾスコピック物質系などの、ナノスケールでの表面電子状態の評価と電気伝導度の評価を行うものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、試料のナノスケールオーダーでの局所的な電子状態を測定する手法として、走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）もしくは走査トンネル分光法（ＳＴＳ）を用いた測定手法が知られている。しかしこれらの手法では、探針と試料の間を流れるトンネル電流をフィードバックさせる必要があるため、導電性を有する試料しか測定できない。そのため、金属と絶縁体が混在するようなデバイス構造へのナノスケールオーダーでの電子状態測定は困難である。またその電子状態を実空間で画像化することもあわせて難しくなっている。
【０００３】
導電性のカンチレバーを使用して、コンタクトモード原子間力顕微鏡（以下、原子間力顕微鏡を「ＡＦＭ」と称する）による測定を行いながら電流及び電圧を測定するという測定手法がある。しかし、この方法では、探針と試料は常に接触しているので、試料の電子状態の測定はできず、探針と測定試料間の接合特性を含めた系全体の輸送現象の評価となる。
【０００４】
加えて、コンタクトモードＡＦＭによる測定では、カーボンナノチューブやＤＮＡなどの、基板と密着性の弱い物質を、測定中に探針で押しのけてしまうことが、測定する対象を狭める原因となっている。
【０００５】
従って、従来のＳＴＳやＡＦＭを用いた測定方法では絶縁体表面が混在した試料や、基板表面との密着性が弱い物質への電子状態を測定することが困難である。
【０００６】
また、近年、シリコンに代表されるようなデバイス構造は、著しい高性能化、微細化を実現し、その大きさはナノスケールオーダーのサイズに到達するまでに発達してきている。このようにデバイスがナノスケールの大きさになってしまうと、所定の機能を発揮している部分での電子的な特性をナノスケールオーダーで局所的に評価する手法が必要になってくる。しかし、このようなデバイス構造自体に金属や絶縁物が混在するため、既存の走査プローブのテクニックでは、このような測定試料の局所的な電子状態を測定することは困難である。
【０００７】
一方、上記のような金属と絶縁体の混合表面上でも電子状態を測定する手法として、コンタクトモードＡＦＭのフォースカーブによって電荷移動力を測定するという手法があるが、この測定手法では測定点一点一点を、一本一本フォースカーブを解析することによって評価する必要がある。このため、測定を行うのに非常に時間がかかり、試料をある一点で固定して、ナノスケールオーダーで電子状態を測定したり、その測定結果を画像化したりすることは困難であった。この電荷移動力の測定をダイナミックモードに発展させることにより、電荷移動力測定の高速化及び局所的な画像化への適用が容易になると考えられるが、周波数シフトを微弱な力の検出に利用したノンコンタクトモードＡＦＭでは、探針と試料の間隔の定義を力に依存する周波数シフトで行っているため、力の変化と探針と試料との距離とを同時に定義して測定することは難しい。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、改良された探針装置、更には、ナノメートルスケールでの物質の電子状態測定手法及びその画像化手法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、非接触原子間力顕微鏡（ノンコンタクトモードＡＦＭ）を基本とした新規の測定モードを用意することによって、ナノメートルスケールでの物質の電子状態の測定やその画像化を可能とした。本発明の概要は、以下の通りである。
【００１０】
あるバイアス条件下で探針と試料を近づけると、探針と試料との間にトンネル効果により電子の移動が生じる。電子が移動した直後においては、電子を与えた側は正の向き、電子を受け取った側は負の向きに帯電し、静電引力が探針と試料との間に働く。この電荷の移動を生じるトンネル効果は、試料もしくは探針の電子状態に依存する為、前述のような電荷の移動によって生じる静電引力もまた、試料もしくは探針の電子状態に依存した力を示す。このように電荷の移動により生じた静電引力は「電荷移動力」と呼ばれている。この電荷移動力を用いて電子状態を測定する手法は、すでにコンタクトモードＡＦＭのフォースカーブにより測定出来ることがすでに報告されている（Ｍ．　Ｓｈｉｍｉｚｕ　ｅｔ．　ａｌ．　Ｊ．　Ｃｈｅｍ．　Ｐｈｙｓ．　１１０，　１２１１６　（１９９９）参照）。しかし、この手法では、印加電圧をかえながら複数の測定点をプロットしなければならない。従って、試料の電子状態を測定するためには、測定点の１点１点をそれぞれ１本１本のフォースカーブから解析しなければならないために、膨大な時間を要するという問題があった。そのため、試料の局所的な電子状態を画像化することも困難であった。
【００１１】
そこで、本発明では、ＡＦＭの探針であるカンチレバーを自励発振させ、この時のカンチレバーの振動振幅値でフィードバック制御を行うことにより、探針と表面の間隔を一定に制御しながら、バイアス条件を変化させて探針と試料との間の力を検出している。この場合において、力の検出は、自励発振しているカンチレバーの共鳴周波数のズレ（すなわち、周波数シフト）によりおこない、この周波数シフトのバイアス依存性を測定する。この測定結果は試料の電子状態を反映し、試料の電子状態に応じて力の大きさが変化するため、試料の局所的な電子状態の測定を行うことができる。この場合において、既存の手法での１回毎のフォースカーブ測定が、本発明における振動しているカンチレバーの１周期に相当することになるため、電荷移動力測定が大幅に高速化する。
【００１２】
なお、上記の本発明に係る手法を用いて試料の局所的な電子状態の測定を行う方法を、「電荷移動力分光法」と称する。また、本発明に係る探針装置において、この電荷移動力分光法によって、試料の表面構造と同時に表面の電子物性を観察するための顕微鏡を、特に「電荷移動力顕微鏡」と称する。
【００１３】
この電荷移動力顕微鏡では、カンチレバーの振動振幅値をフィードバックすることにより、試料表面の立体的な構造の評価と同時に、表面の電子状態密度もしくは、電気伝導度等の電子物性を測定することができる。この場合において、電気伝導度については、力を発生させる帯電が試料の電気伝導によって拡散され、試料の電気伝導が良いほど帯電現象は起こりにくくなる。この現象を利用することにより、測定試料の電気伝導度もまた測定点に反映される。
【００１４】
また、本発明では、ＡＦＭによるフィードバックは試料の導電性の有無にかかわらず有効である。従って、これまでは測定することができなかった絶縁体の表面、或いはトンネル電流を感知できないような薄い絶縁体が存在した表面であっても試料の局所的な電子状態の測定が可能となった。
【００１５】
上記のように、本発明によれば、絶縁体を含む試料であっても高速に、更に、局所的に探針と試料の間隔を制御したまま電荷移動力の評価がおこなえるため、ナノスケールのデバイス構造への局所的な電子状態測定に、非常に有効である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る探針装置の概略構成を示す図である。なお、以下の説明においては、探針装置として、一般的に用いられる原子間力顕微鏡を例にとって説明する。
原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）として、探針１０ａを有する導電性のカンチレバー１０を用いたＡＦＭを利用する。なお、図１に示すように、探針１０ａに対向した位置には、試料２０が３軸移動可能なようにピエゾスキャナ２１上に配置されている。また、試料２０には、印加電圧が可変なバイアス２２により、所望の電圧が印加可能となっている。なお、本明細書においては、バイアスを試料に印加する実施の形態を説明するが、バイアスは、探針に印加しても良い。
【００１７】
ピエゾスキャナ２１は、Ｘ−Ｙ走査信号により、Ｘ−Ｙ平面に沿って移動可能になっており、所望の位置における表面状態の測定が可能となっている。また、ピエゾスキャナ２１は、詳細は後述するＺピエゾ駆動部２３からのＺ信号を入力して、Ｚ方向に移動可能になっており、このＺ信号により試料２０と探針１０ａとの距離が一定に保たれる。
【００１８】
具体的な、観察方法について、図１を参照して説明する。
例えば、雑音などによりエネルギーが与えられたカンチレバー１０は、振動を開始する。このカンチレバー１０の動きは、光源３１と検出器３２からなる光学系によって検出され、電気信号に変換されて、プリアンプ４０に出力される。プリアンプ４０から出力された周期信号は、移相器４１で、電気測定系の遅延が補償される。移相器４１から出力された信号は、波形変換器４２で矩形波信号に変換される。波形変換器４２から出力された矩形波信号は減衰器４３とＦＭ復調器４４とロックインアンプ４５に入力する。
【００１９】
減衰器４３は、入力した矩形波信号を所定の割合で減衰する。この減衰後の矩形波信号は、カンチレバー１０のピエゾに入力して、カンチレバー１０が所定の振動振幅で自動的に振動を継続することになる。これにより、カンチレバー１０が自励振動を行う。
【００２０】
ＦＭ復調器４４は、ＰＬＬ回路（Ｐｈａｓｅｄ　Ｌｏｃｋｅｄ　Ｌｏｏｐ　Ｃｉｒｃｕｉｔ）を備えており、ＦＭ復調器４４に入力した矩形波信号は、ＦＭ復調され、測定時の力の信号としての周波数シフトΔｆが検出される。
【００２１】
ロックインアンプ４５に入力した矩形波信号によって、カンチレバー１０の振動振幅値に係る信号が出力されて、エラーアンプ４６で参照信号との差が求められる。そして、エラーアンプ４６からの出力信号はフィルタ４７を介して凹凸像信号として、図示しない表示部（出力部）に出力される。また、フィルタ４７からの信号は、Ｚピエゾ駆動部２３にも出力されて、試料２０のＺ方向の移動を制御する。
【００２２】
そして、探針１０ａと試料２０の間の電位差を、バイアス２２による印加電圧を変化させて、制御することにより、それぞれの設定電圧での局所状態での周波数シフトの検出を行う。
【００２３】
上記のような構成において、その動作を説明する。
カンチレバー１０を、上記のように自励発振させながら、カンチレバー１０の振動振幅値を測定する。そして、振動振幅値を、試料２０とカンチレバー１０との間に働く力としてフィードバックすると共に、カンチレバー１０の発振の周波数シフトをＦＭ復調器４４で測定する。この時、カンチレバー１０は、タッピングモードＡＦＭのように試料２０表面をたたいているような状態になっている。
【００２４】
この時、カンチレバー１０の振動振幅の値は、セットポイントを図２（ａ）に示すように設定した場合に、振動中心と試料との距離に応じて変化はするものの、探針１０ａと試料２０との間に働く引力に対して即座に変化として表れてはこない。従って、振動振幅値でフィードバック制御を行うことにより、探針１０ａと試料２０との間に働く引力である電荷移動力の大小にあまり影響されず、カンチレバー１０の位置を設定することができる。これに対して、振動振幅値と同時に測定される周波数シフトの値は、引力に対し非常に敏感に変化する（例えば、バイアスの変化により周波数シフト値は、図２（ｂ）のグラフのａからｃのように変化する）。このため、カンチレバー１０の位置を定義したまま、電荷移動力の大きさを測定することができる。
【００２５】
従って、バイアス２２によって試料２０に印加される電圧を変化させながら、カンチレバー１０の共鳴周波数の周波数シフトを測定して、測定点におけるバイアス電圧の変化から試料２０の状態密度を測定することができる。また、上記の電荷移動力に係る情報を高さ情報と同時に画像化することにより、表面構造の状態密度や電気伝導度を実空間観察することが可能になる。
【００２６】
以下、本発明によって測定した結果を示す。
測定対象としては、還元チタン酸ストロンチウム単結晶と、ｐタイプ及ｎタイプのシリコンウェハの電子状態測定を行った。また、探針装置に関しては、水素終端シリコンウェハにおけるナノメートルスケールオーダーの電子状態分布の測定結果を示す。これらの測定対象サンプルの作成条件は以下の通りである。
【００２７】
（１）　還元チタン酸ストロンチウム単結晶
市販のチタン酸ストロンチウム単結晶を高真空チャンバーにて９００℃で１時間加熱して作成。
【００２８】
（２）　ｐタイプ及びｎタイプシリコンウェハ
市販のシリコンウェハ（１００）方位をエタノールで洗浄。
【００２９】
（３）　水素終端シリコンウェハ
市販のシリコンウェハ（１００）方位をフッ酸水溶液に５分間浸して作成。
【００３０】
上記の実験結果を図３から図５に示す。
図３は、還元チタン酸ストロンチウム単結晶における電子状態の測定結果を示す図であり、図４は、ｐタイプ及びｎタイプシリコンウェハにおける電子状態の測定結果を示す図であり、図５は、水素終端シリコンウェハの電子状態分布の測定結果を示す図である。なお、図３と図４の測定結果は、図２で示したセットポイントに探針１０ａと試料２０との距離とを固定して、バイアスを変化させた場合の結果である。
【００３１】
図３によれば、周波数シフト値が急激に変化している点（本明細書において「非連続点」と称する）が、約−２．５ｅＶと約０．５ｅＶになっている。この非連続点間の電位差は、約３ｅＶ（図３では、約３．１ｅＶと表記）であり、この値は、還元チタン酸ストロンチウム単結晶のバンドギャップに相当する値である。図４（ａ）（ｂ）も同様に、ｐタイプ及びｎタイプのシリコンウェハでは、非連続点間の電位差が約１．１ｅＶであり、この電位差もシリコンのバンドギャップに相当する値になっている。従って、上記の実施形態にかかる分光によって、試料２０の電子状態を測定することができる。
【００３２】
上記のように、金属と絶縁体との混合表面（デバイス構造）でもトンネル電流に頼ることなく、電荷移動力によって電子状態が測定できる。
【００３３】
また、図４ではシリコンウェハの特性結果を示したが、このシリコンウェハは洗浄以外の特別な処理行っていないため、酸化シリコン層がシリコン表面を約３ｎｍ程の厚さで覆っている。従って、従来の走査トンネル分光法（ＳＴＳ）による状態密度測定ではトンネル電流でフィードバックが困難なため、測定することはできない。しかし、本発明に係る分光法においては、酸化シリコン層の下のシリコンの電子状態を反映したような結果を測定することができると共に、ＳＴＳ以上に測定としての感度が高い。
【００３４】
図５には、バイアスを−５Ｖから５Ｖまで変化させた場合の、画像を示している。このように、平坦なシリコンウェハであっても、状態密度としてはナノメートルスケールでは不均一な部分があることがわかり、またその不均一性についても測定バイアスにより形を変えていくことを実際に測定できる。なお、図５において、コントラストが暗いほど状態密度が大きいことを示しており、また、各図において、矢印は同じ場所を示している。
【００３５】
本発明は、上記の発明の実施の形態に限定されるものではない。本発明の要旨を変更しない範囲で種々変形して実施できるのは勿論である。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、ナノスケールで、構造を確認しながら各点での電子状態、もしくは電気伝導度が、測定試料の導電性の有無にかかわらず測定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る探針装置の概略構成を示す図。
【図２】本発明の一実施形態に係る探針装置の原理を説明するための図。
【図３】本発明の一実施形態に係る探針装置を用いた観察結果の一例を示す図であって、還元チタン酸ストロンチウム（ＳＴＯ）単結晶の電荷移動力分光法の測定結果を示す図。
【図４】本発明の一実施形態に係る探針装置を用いた観察結果の一例を示す図であって、シリコンウェハ（ｐタイプ及びｎタイプ）の電荷移動力分光法の測定結果を示す図。
【図５】本発明の一実施形態に係る探針装置を用いた観察結果の一例を示す図であって、水素終端シリコンウェハ上における高さ情報を示す図。
【符号の説明】
１０ａ…探針
１０…カンチレバー
２０…試料
２１…ピエゾスキャナ
２２…バイアス
２３…Ｚピエゾ駆動部
３１…光源
３２…検出器
４０…プリアンプ
４１…移相器
４２…波形変換器
４３…減衰器
４４…ＦＭ復調器
４５…ロックインアンプ
４６…エラーアンプ
４７…フィルタ
【図１】
2004085320.tif 000003
【図２】
2004085320.tif 000004
【図３】
2004085320.tif 000005
【図４】
2004085320.tif 000006
【図５】
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