(57)【要約】【課題】有機分子薄膜中の炭素原子、または有機分子薄膜の膜厚をＳＴＭで高感度に計測する。【解決手段】強磁性金属元素からなる基板表面に有機分子を吸着して、有機分子を構成する炭素原子に局在するＬＤＯＳを計測する。ＬＤＯＳの分布から炭素原子が計測され、またＬＤＯＳの大きさから膜厚が計測される。基板を強磁性金属とすることで、基板に吸着した炭素原子に局在するＬＤＯＳが大きくなり、高感度の計測がなされる。【選択図】図１
2007047123.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
強磁性金属元素からなる強磁性金属基板表面に有機分子を吸着する工程と、
前記有機分子を構成する炭素原子に局在する局所状態密度の前記強磁性金属基板表面の面内分布を、走査トンネル顕微鏡を用いて計測する工程と、
前記面内分布を吸着した前記有機分子の分布として計測する工程とを有することを特徴とする有機分子薄膜の計測方法。
【請求項２】
強磁性金属元素からなる強磁性金属基板表面に有機分子を吸着して有機分子薄膜を形成する工程と、
前記有機分子を構成する炭素原子に局在する局所状態密度を、走査トンネル顕微鏡を用いて計測する工程と、
観測された前記局所状態密度に基づいて前記有機分子薄膜の膜厚を算出する工程とを有することを特徴とする有機分子薄膜の計測方法。
【請求項３】
前記強磁性金属元素がＮｉであることを特徴とする請求項１又は２記載の有機分子薄膜の計測方法。
【請求項４】
前記局所状態密度の計測は、前記走査トンネル顕微鏡の探針に対して前記強磁性金属基板が正電位となるバイアス電圧を印加して観測される占有状態の局所状態密度を計測することを特徴とする請求項１、２又は３記載の有機分子薄膜の計測方法。
【請求項５】
蒸着により基板上に有機分子を吸着させて有機分子薄膜を形成する有機分子薄膜の製造装置であって、
強磁性金属元素からなる強磁性金属基板と、
前記強磁性金属基板表面に吸着した有機分子を構成する炭素原子に局在する局所状態密度を観測する走査トンネル顕微鏡と、
観測された前記局所状態密度に基づいて前記有機分子薄膜の膜圧を算出する膜厚算出手段とを有する膜圧モニタを備えたことを特徴とする有機分子薄膜の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属基板表面に堆積された有機分子薄膜の計測方法及び有機分子薄膜の製造装置に関し、とくに、走査トンネル顕微鏡を用いて、有機分子中の炭素原子の位置又は有機分子薄膜の膜厚を計測する方法、及びこの膜厚の制御方法を用いた膜厚モニタを備えた有機分子薄膜の製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
単分子層から数分子層の有機分子を堆積して作製される有機分子薄膜は、いわゆるナノテクノロージー技術の一つとして微細な電子デバイスへの応用が期待されている。とくに有機分子は、自己組織化するため分子デバイスへの応用が期待されている。
【０００３】
かかる有機分子薄膜の応用には、有機分子薄膜の構造、とくに有機分子を構成する炭素元素位置、結合状態あるいは有機分子薄膜の膜厚の正確な計測が欠かせない。走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）は、薄膜表面の構造を原子レベルで計測することができる優れた位置分解能を有する計測装置である。しかし、有機分子薄膜は絶縁材料であるため、通常の走査トンネル顕微鏡では有機分子薄膜の構造を原子レベルで計測することは困難であった。
【０００４】
このため、絶縁性の有機分子薄膜の計測には、エリプソメータや蛍光を利用した光学的な膜厚測定方法が用いられている。しかし、光学的方法は原子レベルの位置分解能を有せず、有機分子薄膜の構造を原子レベルで計測することはできない。
【０００５】
一方、金属基板表面に堆積した絶縁膜を計測することができる走査トンネル顕微鏡が考案されている（例えば、特許文献１及び２を参照。）。
【０００６】
特開７−１９８３０８号公報には、走査トンネル顕微鏡の探針と試料の間隔を一定に保持して、探針と試料間にバイアス電圧を印加したとき流れるトンネル電流から、導電性試料の表面に形成した絶縁膜の膜厚を測定する方法が開示されている。この方法では、トンネル電流が、絶縁膜中のトンネル確率と絶縁膜の膜厚に依存することに基づき、絶縁膜の膜厚を算出する。この絶縁膜中のトンネル確率は、絶縁膜の固有の値でありかつ既知の値である。
【０００７】
特開２００２−３６５１９４号公報には、走査トンネル顕微鏡の探針と試料間にバルス状のバイアス電圧を印加し、アンプの時定数を適切にすることで、試料のチャージアップを防止しトンネル電流を精密に測定することができる絶縁膜の膜厚測定方法が開示されている。
【０００８】
走査トンネル顕微鏡を用いてトンネル電流から導電性試料の表面に形成された絶縁膜の膜厚を測定する上述した従来の方法は、いずれも絶縁膜の固有のトンネル確率に基づくトンネル電流、即ち広いバンドギャップを有する絶縁膜をトンネルする電流を観測している。このため、トンネル電流を大きくして観測精度を向上しようとすると、高いバイアス電圧を印加しなければならず、試料を破壊するおそれがある。また、金属表面に吸着した炭素原子は、かかる高いバイアス電圧の下ではトンネル電流に殆ど寄与しないため、トンネル電流から炭素原子を観測することは難しい。
【０００９】
本発明の発明者は、走査トンネル顕微鏡を用いて、トンネル電流から炭素原子を観測する方法を考案した（未公開の特許出願、特願２００５−０２２０８５号を参照。）。この未公開の方法は、金属基板の表面に吸着した有機分子の炭素原子が金属誘起ギャップ状態（ＭＩＧＳ）に起因する局所状態密度（ＬＤＯＳ）を有し、この局在する局所状態密度が特定のバイアス電圧の下でトンネル電流に大きな影響を与えることを利用している。
【００１０】
即ち、走査トンネル顕微鏡の探針から有機分子薄膜をトンネルして金属基板へ流れるトンネル電流は、有機分子を構成する炭素原子に局在する局所状態密度を介してトンネルするとき、かかる局所状態密度を介在させない場合に比べて非常に大きい。従って、この方法によれば、金属表面の炭素原子を鋭敏に計測することができる。
【００１１】
さらに、このような探針と金属基板間に存在する局所状態密度を介在して流れるトンネル電流は、探針と金属基板間のバイアス電圧を制御することで、他のトンネル電流、例えば絶縁膜を直接トンネルするトンネル電流と分離することができる。従って、適切なバイアス電圧の下でトンネル電流ないし局所状態密度を計測することで、金属表面の炭素原子を高いＳ／Ｎ比で計測することができる。また、このトンネル電流の大きさが有機分子薄膜の膜厚に依存することから、トンネル電流の大きさに基づき膜厚を測定することができる。
【特許文献１】特開７−１９８３０８号公報
【特許文献２】特開２００２−３６５１９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従来の走査トンネル顕微鏡では、有機分子薄膜が絶縁材料であることから、金属基板表面に形成された有機分子薄膜の膜厚を測定したり又は有機分子薄膜を構成する炭素原子を計測することは困難であった。探針と金属基板間にバイアス電圧を印加し、絶縁膜のトンネル電流から有機分子薄膜の膜厚を計測する方法では、大きなトンネル電流を得るために高いバイアス電圧が必要で、試料を破損するおそれがあった。また、かかる高いバイアス電圧を印加した状態でのトンネル電流は、金属基板表面の炭素原子の存否による顕著な変化が観測されず、このため炭素原子を計測することができない。
【００１３】
上述した本発明者の考案による方法、金属基板表面に吸着した有機分子を構成する炭素原子に局在する局所状態密度を介して有機分子薄膜をトンネルするトンネル電流を計測する方法では、有機分子を構成する炭素原子を原子レベルの位置分解能でしかも高いＳ／Ｎ比で計測することができる。また、有機分子薄膜の膜厚を原子層レベルで測定することもできる。一方、バイアス電圧は、絶縁膜を直接トンネルしてトンネル電流を計測する方法に比べて十分低く、試料を破損することが少ない。
【００１４】
しかし、この局所状態密度を介するトンネル電流を計測する方法では、Ｃｕを金属基板として用いており、このときの炭素原子の局在状態密度はあまり大きくはないためこの局所状態密度を介して流れるトンネル電流はまだ少なく、炭素元素を高感度に精度よく計測することは難しい。また膜厚が厚いとトンネル電流はさらに小さくなるため、厚い膜厚を有する有機分子薄膜の膜厚を測定することは難しいという問題がある。
【００１５】
本発明は、金属基板表面に吸着した有機分子を構成する炭素原子に局在する局所状態密度を介して有機分子薄膜をトンネルするトンネル電流を計測することで、金属基板表面に吸着した有機分子を構成する炭素原子を原子レベルで計測する又は金属基板表面に形成された有機分子薄膜の膜厚を測定する方法において、金属基板を強磁性金属とすることでトンネル電流を増加させ、よりＳ／Ｎ比の高い精密な計測をすることができる有機分子薄膜の計測方法を提供することを目的としている。さらに、その計測方法を膜厚モニタとして利用することで、単原子層の制御が可能な有機分子薄膜の製造装置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】
【００１６】
上記課題を解決するための本発明の第１構成にかかる有機分子薄膜の計測方法は、強磁性金属元素からなる強磁性金属基板表面に有機分子を吸着し、有機分子を構成する炭素原子に局在する局所状態密度の面内分布を、走査トンネル顕微鏡を用いて計測する。そして、計測された炭素原子の局所状態密度の面内分布を、炭素原子の分布、即ち吸着有機分子の分布として計測する。
【００１７】
上記本発明の第１構成では、有機分子が吸着する金属基板を強磁性金属基板とする。このような強磁性金属基板の表面に有機分子を吸着した場合、常磁性又は反磁性を有する金属基板の表面に有機分子を吸着した場合と比較して、有機分子を構成する炭素原子の局所状態密度が高くなり、この局所状態密度を介して流れるトンネル電流が増加する。本第１構成によれば、炭素原子を介して流れるトンネル電流が増加するので、金属基板表面に吸着した炭素元素を高感度で計測することができる。
【００１８】
強磁性金属として、不対電子を含む原子、例えばＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏを用いることができる。また、希土類元素のＧｄを用いることもできる。不対電子は、広い禁制帯を有する絶縁物の内部に浸透して、フェルミ準位近傍に高密度の局所状態を形成する。このため、これらの金属を基板とすると、基板上の炭素原子の局所状態密度が高濃度になり、これを介して流れるトンネル電流が大きくなる。
【００１９】
第１構成において、走査トンネル顕微鏡の探針と基板との間に、炭素原子に局在する局所状態密度が最大感度で検出されるバイアス電圧（バイアス電圧の増加分に対するトンネル電流の増加分が最大となるバイアス電圧）を印加することで、炭素原子に局在する局所状態密度を高いＳ／Ｎ比でかつ高感度に計測することができる。
【００２０】
このとき、探針に対して基板側が負電位となるバイアス電圧を印加して、占有状態の局所状態密度を計測することが好ましい。後述するように、強磁性金属基板に吸着した有機分子薄膜を構成する炭素原子に局在する局所状態密度は、占有状態の密度が非占有状態の密度よりも高いので、占有状態の局所状態密度を計測することで検出感度を高めることができるからである。
【００２１】
本発明の第２構成にかかる有機分子薄膜の計測方法は、強磁性金属元素からなる強磁性金属基板表面に有機分子を吸着し、有機分子を構成する炭素原子に局在する局所状態密度を、走査トンネル顕微鏡を用いて計測する。そして、計測された前記局所状態密度に基づいて前記有機分子薄膜の膜圧を算出する。
【００２２】
第２構成では、第１構成と同様にして有機分子薄膜を構成する炭素原子に局在する局所状態密度を走査トンネル顕微鏡により計測する。そして、計測された局所状態密度を、予め実験又は計算により求めた局所状態密度の膜厚依存性と比較することで、有機分子薄膜の膜厚を求める。
【００２３】
第２の構成は、第１構成と同様に強磁性金属基板を用いるから、第１構成と同様に高いＳ／Ｎ比で高感度の局所状態密度の計測ができる。このため、厚い有機分子薄膜についてもその膜厚を精密に測定することができる。
【００２４】
本発明の第３構成は、第２構成の方法を用いて有機分子薄膜の膜厚を測定する膜厚モニタを、有機分子薄膜の製造装置内に組み込んだ有機分子薄膜の製造装置である。この装置では、高い精度で膜厚をモニタすることができるので、膜厚精度の高い有機分子薄膜を製造することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、金属基板上に吸着された有機分子薄膜を構成する炭素原子に局在する局所状態密度を高めることができるので、絶縁性の有機分子薄膜の膜厚又は有機分子薄膜を構成する炭素原子位置を、高感度かつ精密に計測することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
先ず、本発明の原理についてより詳しく説明する。図１は本発明の原理説明図であり、金属基板上に有機分子膜を吸着したとき、その有機分子膜を構成する炭素原子の位置に発生する局所状態密度（ＬＤＯＳ）を密度汎関数法を用いて計算した結果を表している。この計算は、トンネル電流に大きな影響を与えるフェルミレベル近傍のＬＤＯＳについて行なった。なお、図１（ａ）はＮｉ基板上に、図２（ｂ）はＣｕ基板上に堆積した場合である。また、図１中の曲線イ及びロは、それぞれ占有状態及び非占有状態のＬＤＯＳを表している。これらの計算は、基板上に吸着したＴＴＣ（ＣｎＨ２ｎ＋２（ｎ＝４４）；ｔｅｔｒａｔｅｔｒａｃｏｎｔａｎｅ）分子についての結果である。
【００２７】
図１（ａ）を参照して、Ｎｉ基板表面からの距離が略０．２ｎｍと０．４ｎｍの位置に２つのＬＤＯＳのピークが発生している。これらのピークは、Ｎｉの３ｄ電子により誘起されたものである。さらに、基板表面からの距離が略０．７ｎｍの位置（炭素原子の位置）にＬＤＯＳのピークが認められる。このピークは、Ｎｉの３ｄ電子がこの位置にまで侵入し、この位置にある炭素原子とともに金属誘起準位（ＭＩＧＳ）を形成してＬＤＯＳを発生することで形成される。
【００２８】
図１（ｂ）を参照して、基板がＣｕのとき、基板表面から略０．４ｎｍ以下に、Ｃｕの電子により誘起された小さなＬＤＯＳのピークが生じている。さらに、基板表面から略０．７ｎｍの位置にＬＤＯＳのピークが存在する。
【００２９】
図１（ａ）と図１（ｂ）を比較して、Ｎｉ基板の場合は、Ｃｕ基板に比べて炭素原子のＬＤＯＳが高密度に発生する。本発明の発明者はこの理由を以下のように考えている。
【００３０】
Ｃｕでは、絶縁膜内部に侵入してフェルミ準位近傍にＭＩＧＳを形成する電子は、拡がった４ｓ電子ある。この４ｓ電子のフェルミ準位近傍の状態密度は小さいため、フェルミ準位近傍に形成されるＬＤＯＳは小さい。一方、Ｎｉは、フェルミ準位の近傍に３ｄ電子を有するので、Ｃｕに比べて高い密度でＬＤＯＳが形成される。
【００３１】
Ｎｉのこの３ｄ電子は不対電子であるため、スピンの方向が異なる電子は互いにその存在確率が異なる。このため、互いにスピンが異なるマジョリティ電子及びマイノリティ電子を構成している。マジョリテイ電子は主にフェルミ準位の下に分布し、フェルミ準位近傍の状態密度は小さいため、この電子により形成されるＬＤＯＳはあまり大きくはない。これに対して、マイノリティ電子は、マジョリテイ電子の準位よりも上にあり、フェルミ準位の近傍にも多く分布する。このため、マイノリティ電子はフェルミ準位の近傍に高密度のＬＤＯＳを生成する。これが、Ｎｉ基板ではＭＩＧＳに起因するＬＤＯＳが高密度に発生する原因と本発明の発明者は考察している。従って、フェルミ準位近傍に不対電子を有する磁性金属原子、例えばＮｉ、Ｆｅ、Ｃｏ上に吸着した有機分子薄膜では、有機分子薄膜を構成する炭素原子に高密度のＬＤＯＳが発生する。
【００３２】
図１中の曲線イ及び曲線ロで示すように、炭素原子に局在するＬＤＯＳは占有状態で高密度であり、非占有状態で低密度である。占有状態と非占有状態とのＬＤＯＳの比は、Ｃｕでは１．４、Ｎｉでは３．０であり、Ｎｉで大きい。従って、炭素原子に局在するＬＤＯＳの計測には、占有状態のＬＤＯＳを計測することが好ましい。なお、炭素原子に局在するＬＤＯＳは、占有状態ではＮｉ基板ではＣｕ基板より６倍高密度であり、非占有状態では２．８倍高密度である。従って、Ｎｉ基板を用いる方がＣｕ基板よりもより高感度かつ高Ｓ／ＮでＬＤＯＳを計測することができる。
【００３３】
以下、本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。本発明の第１実施形態は有機分子薄膜の計測方法に関する。
【００３４】
図２は、本発明の第１実施形態に用いたＳＴＭの構成図であり、走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）の主要な構成を表している。図３は、ＳＴＭを用いたＬＤＯＳの計測方法を説明する図であり、探針近くの基板表面の断面を表している。
【００３５】
本発明の第１実施形態には、図１を参照して、ステージ４上に載置されたＮｉ基板１の表面を走査する探針２を備えたＳＴＭ（走査トンネル顕微鏡）が用いられる。ステージ４は、ステージ制御装置８により駆動されるＸＹＺステージであり、ステージ４上に搭載した基板１の位置決めを行なう。探針２は、レバー保持台５に一端が固定されたカンチレバー３の他端の先端に設けられる。レバー制御装置６は、カンチレバーを制御して、探針２と基板１間距離を所定の距離に制御し、また探針２を基板１表面内で走査する。基板２にはバイアス回路からバイアス電圧が印加され、基板１と探針２間に流れるトンネル電流がトンネル電流測定装置により測定される。以上述べたＳＴＭの構成は、通常のＳＴＭと同様である。
【００３６】
本第１実施形態では、まず、Ｎｉ基板１の表面に有機分子を吸着させて有機分子薄膜１０を形成した。この有機分子薄膜はポリエチレンの薄膜からなり、ＴＴＣ（ＣｎＨ２ｎ＋２（ｎ＝４４））を充填したクヌードセンセルを高真空中で３００Ｋに加熱し、基板１表面にＴＴＣ分子を蒸着して形成した。また、この基板１の一部には、単分子膜（炭素原子が一層をなす有機分子薄膜）が形成された領域と、その単分子膜を除去して基板１表面を表出させた領域とが予め形成されている。
【００３７】
次いで、基板１上の有機分子薄膜を構成する炭素原子をＳＴＭを用いて計測した。図３を参照して、Ｎｉ基板１表面には、吸着した有機分子からなる有機分子薄膜１０が形成されている。ＳＴＭの探針２にはバイアス電圧源７からバイアス電圧が印加され、探針２から基板１へ流れるトンネル電流１３をトンネル電流測定装置９により測定する。ＬＤＯＳは、トンネル電流のバイアス電圧に対する増分として測定される。
【００３８】
探針２は、基板１表面から一定距離を保持しつつ、又は、基板１表面若しくは有機分子薄膜表面から一定距離を保持しつつ、基板１表面内を走査することができる。かかる探針２の保持は、カンチレバー３を表出する基板１表面に接触するカンチレバーに倣い走査することにより、又は、探針２を原子間力走査顕微鏡として走査させることで行なうことができる。
【００３９】
炭素原子の計測では、まず、図３を参照して、基板１が表出する位置Ａに探針２を位置決めしたのち、バイアス電圧を走査してトンネル電流の変化を測定し、これからＬＤＯＳを求める。ついで、探針２を、基板１表面からの距離を一定に保持しつつ、単層膜が形成された位置Ｂへ移動し、同様にしてＬＤＯＳを求める。
【００４０】
基板１表出面の位置Ａでは、トンネル電流は、電子が基板１・探針２間の真空（又空気）中をトンネルして流れる。これに対して、単層膜が存在する位置Ｂでは、基板１・探針２間の基板１の表面から０．７ｎｍの高さに炭素原子１１のＬＤＯＳが存在するため、実質的なトンネル障壁の厚さが薄くなり、トンネル電流はこの炭素原子１１のＬＤＯＳを介して流れる。このため、単層膜のトンネル電流は、単層膜がない基板１表面に比べて非常に大きい。従って、有機分子薄膜１０を構成する炭素原子が容易に計測されるので、炭素原子の基板１表面内の位置を容易に確認することができる。また、ＬＤＯＳは、炭素原子の結合状態及び基板１からの距離に依存するから、ＬＤＯＳから炭素原子が理想的な結合を有するか否かを判定することもできる。
【００４１】
ついで、蒸着により形成された有機分子薄膜１０のトンネル電流を測定する。有機分子薄膜１０が単層膜の領域では、上述したように炭素原子１１の位置でトンネル電流が増加するのでトンネル電流から炭素原子１１位置を計測することができる。さらに、単層膜の炭素原子１１に局在するＬＤＯＳを計測することで、有機分子薄膜が理想的な単層膜か否かが判定される。
【００４２】
上述した炭素原子の計測では、トンネル電流の面内分布を計測して炭素原子１１位置を確認する。このトンネル電流に代えて、炭素原子１１に局在するＬＤＯＳを計測することができる。即ち、予め形成されていた単分子膜で、炭素原子に局在するＬＤＯＳがピークとなるバイアス電圧を印加し、そのまま探針２を測定すべき有機分子薄膜１０上に移動する。そしてバイアス電圧を僅か変化させ、バイアス電圧の増分に対するトンネル電流の増分を炭素原子のＬＤＯＳとして計測する。そして、このＬＤＯＳの面内分布を炭素原子１１の分布として計測する。この方法では、炭素原子に局在するＬＯＤＳのみが計測されるから、Ｓ／Ｎが小さく炭素原子の計測を高感度に行なうことができる。なお、以上の方法及び効果はＣｕ基板１についても同様であるが、本第１実施形態のようにＮｉ基板１を使用すると、炭素原子に局在するＬＯＤＳが飛躍的に増大するので、Ｃｕ基板１に比べて高感度の計測が可能となる。
【００４３】
なお、有機分子薄膜１０が形成されておらず基板１表面が表出したままの領域では、トンネル電流は極めて少なくかつフェルミレベル近傍のＬＤＯＳが小さいことから、この領域には有機分子薄膜１０が形成されていないと判定することができる。                      
【００４４】
逆に、有機分子薄膜１０が多層膜（炭素原子が複数層に重畳している有機分子薄膜）をなす領域上（位置Ｃ）では、最上層の炭素原子１２及び下層の複数の炭素原子を介してトンネル電流が流れる。このとき、以下に述べるように、炭素原子１１に局在するＬＤＯＳは、膜厚に依存して変化する。
【００４５】
図４はＬＤＯＳの有機分子薄膜の膜厚依存性を表す図であり、膜厚が異なる有機分子薄膜について炭素原子に局在する占有状態のＬＤＯＳの計算値を表している。膜厚が薄い程ＬＤＯＳが大きく、薄いと小さくなる。なお、ＬＤＯＳ及び膜厚の層数は、基板１面内での平均値である。また、図４中の曲線ハ及び曲線ニは、それぞれＮｉ基板１及びＣｕ基板１での値を表している。
【００４６】
図４を参照して、有機分子薄膜１０中の炭素原子に局在するＬＤＯＳは、１層のとき大きく、膜厚が増加するにつれて単調に減少する。本第１実施形態では、この図４に有機分子薄膜１０で実測されたＬＤＯＳを内挿して、有機分子薄膜１０の膜厚を求める。このとき、Ｃｕ基板のときのＬＤＯＳの検出限界が例えば１層を検出可能な図１中の直線ホであると、Ｎｉ基板のＬＤＯＳはＣｕ基板の６倍程度大きいため、Ｎｉ基板では３．５層程度の膜厚まで計測することができる。このように、本発明によれば、厚い有機分子薄膜の膜厚をも測定することができる。
【００４７】
なお、炭素原子に局在するＬＤＯＳは、バイアス電圧を変化したときのＬＤＯＳのスペクトルから判別した。また、バイアス電圧を炭素原子に局在するＬＤＯＳがピークとなる電圧に合わせ、そのバイアス電圧の下で探針２を走査して炭素原子のＬＤＯＳの面内分布を計測した。このＬＤＯＳの面内分布を図４に内挿して、有機分子と薄膜１０の膜厚分布を求めた。この方法では、炭素原子のＬＤＯＳ分布に基づき膜厚分布を計測するので、高いＳ／Ｎで精密な計測をすることができる。
【００４８】
本発明の第２実施形態は、第１実施形態に係る有機分子薄膜の計測方法をモニタとして利用する有機分子薄膜の製造装置に関する。
【００４９】
図５は本発明の第２実施形態有機分子薄膜の製造装置断面図である。第２実施形態に係る有機分子薄膜の製造装置では、図５を参照して、内壁がシュラウド２５で覆われた真空容器２４の中に、有機分子薄膜を堆積する基板となるウェーハ２２が、主面を下方にしてウェーハ保持台２３の下面に保持される。真空容器２４の下部には、蒸着材料を加熱して分子ビームとして蒸発させるセル２６及びガスを励起するガスセル２６ａが配置され、各セル２６、２６ａの開口部には分子ビームの開閉を行なうシャッタ２７が設けられる。
【００５０】
有機材料、例えばＴＴＣは、セル２６に挿入され加熱されて分子ビームとなりウェーハ２２の主面に照射され、その主面に吸着されて有機分子薄膜を形成する。
【００５１】
分子ビームの強度は、ウェーハ保持台２３の上面に設けられたフラックスモニタ２９により監視される。また、ウェーハ２２主面に形成された有機分子薄膜表面に、真空容器２４の側面に設けられた電子銃３０から電子ビームが照射され、反射された回折ビームが真空容器２４の反対側の側面に設けられたＲＨＥＥＤスクリーン３１に投影される。このＲＨＥＥＤパターンにより有機分子薄膜の結晶構造を形成工程中リアルタイムで監視する。上述した製造装置は、従来の製造装置と同様である。
【００５２】
本構成の有機分子薄膜の製造装置は、さらに真空容器２４内のウェーハ２２に近接して設けられた膜厚モニタ装置３２を備える。膜厚モニタ装置３２のステージ４は、ウエーハ保持台２３の一部を構成し、モニタ基板２１をウェーハ２２と同じ高さに保持する。このモニタ基板２１の表面を走査する探針を先端に備えたカンチレバー３がレバー保持台５に固定されている。このレバー保持台５は図外のレバー制御装置６により駆動され、これにより探針はモニタ基板２１表面に沿って走査される。この膜厚モニタ装置３２は、モニタ基板２１を除き、第１実施形態で用いられたＳＴＭと同様の構成をなし同様に動作する。
【００５３】
モニタ基板２１は、Ｎｉ基板を用いた。その他の強磁性金属、例えばＦｅ又はＣｏからなる強磁性金属基板を用いることができる。なお、第１実施形態の基板１と異なり、単層膜が形成された領域及び基板が表出する領域を必ずしも設ける必要はない。
【００５４】
先ず、有機分子薄膜の蒸着前に、Ｎｉが表出するモニタ基板２１の表面のＬＤＯＳをバイアス電圧を走査して測定する。次いで、シャッター２７を開きセル２６から蒸発するＴＴＣ分子をウエーハ２２表面に照射する。ＴＴＣ分子は、ウェーハ２２とほぼ同一の高さに置かれたモニタ基板２１表面に吸着し、ウェーハ２２表面に形成される有機分子薄膜とほぼ同じ膜厚の有機分子薄膜を形成する。
【００５５】
この蒸着の間、ＴＴＣ分子が吸着するモニタ基板２１の表面のＬＤＯＳをバイアス電圧を走査して測定する。測定されたＬＤＯＳのスペクトルは、始めに測定されたＮｉ表出面のＬＤＯＳスペクトルと比較され、吸着したＴＴＣ分子を構成する炭素原子に局在するＬＤＯＳが算出される。この算出されたＬＤＯＳを、予め作成した図４に示す炭素原子に局在するＬＤＯＳの膜厚依存性のデータに内挿して吸着したＴＴＣ分子の膜厚を求める。このモニタ装置を用いると、有機分子薄膜の膜厚を原子層単位でリアルタイムに監視することができる。このため、有機分子薄膜を原子層単位で精密に制御して製造することができる。
【００５６】
上述したように，本明細書には以下の付記記載の発明が開示されている。
（付記１）強磁性金属元素からなる強磁性金属基板表面に有機分子を吸着する工程と、
前記有機分子を構成する炭素原子に局在する局所状態密度の前記強磁性金属基板表面の面内分布を、走査トンネル顕微鏡を用いて計測する工程と、
前記面内分布を吸着した前記有機分子の分布として計測する工程とを有することを特徴とする有機分子薄膜の計測方法。
（付記２）強磁性金属元素からなる強磁性金属基板表面に有機分子を吸着して有機分子薄膜を形成する工程と、
前記有機分子を構成する炭素原子に局在する局所状態密度を、走査トンネル顕微鏡を用いて計測する工程と、
計測された前記局所状態密度に基づいて前記有機分子薄膜の膜厚を算出する工程とを有することを特徴とする有機分子薄膜の計測方法。
（付記３）前記強磁性金属元素がＮｉであることを特徴とする付記１又は２記載の有機分子薄膜の計測方法。
（付記４）前記強磁性金属元素がＦｅであることを特徴とする付記１又は２記載の有機分子薄膜の計測方法。
（付記５）前記強磁性金属元素がＣｏであることを特徴とする付記１又は２記載の有機分子薄膜の計測方法。
（付記６）前記強磁性金属元素がＧｄであることを特徴とする付記１又は２記載の有機分子薄膜の計測方法。
（付記７）前記局所状態密度の計測は、前記走査トンネル顕微鏡の探針に対して前記強磁性金属基板が正電位となるバイアス電圧を印加して計測される占有状態の局所状態密度を計測することを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載の有機分子薄膜の計測方法。
（付記８）蒸着により基板上に有機分子を吸着させて有機分子薄膜を形成する有機分子薄膜の製造装置であって、
強磁性金属元素からなる強磁性金属基板と、
前記強磁性金属基板表面に吸着した有機分子を構成する炭素原子に局在する局所状態密度を計測する走査トンネル顕微鏡と、
計測された前記局所状態密度に基づいて前記有機分子薄膜の膜圧を算出する膜厚算出手段とを有する膜圧モニタを備えたことを特徴とする有機分子薄膜の製造装置。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明を有機分子薄膜の計測又は製造時のモニタに適用することで、有機分子を構成する炭素原子の位置及び結合状態を精密に高感度で計測することができ、また単原子層単位で精密に膜厚が制御された有機分子薄膜を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の原理説明図
【図２】本発明の第１実施形態に用いたＳＴＭの構成図
【図３】ＳＴＭによるＬＤＯＳの計測方法を説明する図
【図４】ＬＤＯＳの有機分子薄膜の膜厚依存性を表す図
【図５】本発明の第２実施形態有機分子薄膜の製造装置断面図
【符号の説明】
【００５９】
１  基板
２  探針
３  カンチレバー
４  ステージ
５  レバー保持台
６  レバー制御装置
７  バイアス電圧源
８  ステージ制御装置
９  トンネル電流測定装置
１０  有機分子薄膜
１１、１２  炭素原子
１３  トンネル電流
２１  モニタ
２２  ウェーハ
２３  ウェーハ保持台
２４  真空容器
２５  シュラウド
２６  セル
２６ａ  ガスセル
２７  シャッター
２８  ウェハ入口
２９  フラックスモニタ
３０  電子銃
３１  スクリーン
３２  膜厚モニタ
【図１】
2007047123.tif 000003
【図２】
2007047123.tif 000004
【図３】
2007047123.tif 000005
【図４】
2007047123.tif 000006
【図５】
2007047123.tif 000007