(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料の表面に垂直な棒状のプローブと、上記プローブを上記プローブの中心軸に直交する方向に加振する励振器と、上記プローブの振幅を検出する振幅検出手段と、特定の振動数における上記プローブの振幅を所定の振幅に制御することにより上記プローブの先端と上記試料との間の距離を制御する距離制御手段とを含んでなるプローブ制御装置において、上記プローブは、上記プローブの先端から電流を注入すると同時に同じプローブの先端から光を集光する、光透過性と導電性とを有し、上記プローブの先端と上記試料との間に電圧を印加する電圧印加機構を設け、上記振幅検出手段と上記プローブとの間が電気的に絶縁されており、上記電圧印加機構は、上記プローブの振動の位相に同期したパルス電圧を、上記プローブ先端が、上記プローブ先端の水平方向の振幅より縮小された計測対象範囲内にある間に、上記プローブ先端と上記試料との間に印加することを特徴とするプローブ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トンネル発光顕微装置のプローブの先端と試料との間の距離を制御するプローブ制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子の微小化や、分子の特性を利用する技術の発展に伴い、半導体のナノメータサイズの微小領域の特性評価や、ナノメータサイズの個々の分子の特性の計測に関する要望が強まっている。このため、先鋭化したプローブの先端から電流を注入して光を発生させることによりナノメータサイズ領域の電気的・光学的特性を測定するトンネル発光顕微装置が使用されている。近年には、集光効率を向上するためにプローブの先端から電流を注入すると同時に同じプローブの先端から光を集光する、光透過性と導電性とを有するプローブ（導電集光プローブ）が開発され、ナノメータサイズの微小領域の特性評価に威力を発揮している。
【０００３】
ところで、このようなプローブを用いて試料を計測する装置においては、トンネル電流は、プローブと試料表面との間の距離（以下、ギャップという。）とともに指数関数的に減衰し、ギャップの変化に非常に敏感であるので、ギャップの制御が極めて重要である。
【０００４】
従来は、プローブと試料との間に流れるトンネル電流を検出することによってギャップを制御している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような従来の制御方法は、導電性の試料を計測する場合に限定されるので、絶縁性の試料または高電気抵抗を有する試料、あるい絶縁性の領域と高電気抵抗の領域とが混在した試料に適用することが困難であるという問題があった。
【０００６】
実際にナノメータサイズの微小領域の特性評価が要望される計測対象には、導電性の試料のみではなく、絶縁性の領域と高電気抵抗の領域とが混在した試料が含まれる。そこで、絶縁性の領域と高電気抵抗の領域とが混在した試料にも適用可能な、トンネル電流を用いないでギャップを制御するプローブ制御装置が切望されていた。
【０００７】
トンネル電流を用いないギャップの制御方法としては、プローブの先端と試料との間に作用する引力や斥力などの原子間力を利用する方法がある。この方法は、フローブの先端が試料表面にきわめて接近したときに、両者間に生じる原子間力を検出して、検出した値がー定になるようにギャップを制御するものである。
【０００８】
原子間力を検出し、検出した値をギャップ制御のためにフィードバックする方法としては、光テコと片持ち梁形状の軟らかいプローブとを用いる方法がある。
【０００９】
この場合、プローブの微小な変位を検出するためにレーザ光が使用されるが、このレーザ光は、試料を計測するための検出信号光に比して非常に強いので、トンネル電流による微弱な発光を測定する際のＳＮ比を低下させるという問題があった。
【００１０】
また、プローブ内における光伝送損失を抑えるためには、直径１００μｍ前後の直線状の光ファイバで形成されたプローブを用いることが望ましいが、このようなプローブを、光テコに必要な片持ち梁形状の軟らかいプローブとして使用することは困難であるという問題があった。
【００１１】
さらに、試料の表面に垂直な棒状のプローブを、プローブの中心軸に直交する方向に加振し、特定の振動数におけるプローブの振幅の変化を測定することによって原子間力を検知する方法があるが、プローブの先端から電流を注入して光を発生させるためにプローブの先端と試料との間に電圧を印加すると、振幅を検出するセンシング用振動子に電流が流れて検出信号が乱れ、ギャップの制御が不安定になるので、プローブに電圧を印加することはできないという問題があった。
【００１２】
本発明は、上記問題を解決して、絶縁性の領域と高電気抵抗の領域とが混在した試料に適用可能で、トンネル電流による微弱な発光を測定する際のＳＮ比を低下させるレーザ光を用いることがなく、導電集光プローブとしての使用に適したプローブを用いることができ、プローブの先端から電流を注入して光を発生させるためにプローブ先端と試料との間に電圧を印加することが可能な、プローブ制御装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のプローブ制御装置は、試料の表面に垂直な棒状のプローブと、上記プローブを上記プローブの中心軸に直交する方向に加振する励振器と、上記プローブの振幅を検出する振幅検出手段と、特定の振動数における上記プローブの振幅を所定の振幅に制御することにより上記プローブの先端と上記試料との間の距離を制御する距離制御手段とを含んでなるプローブ制御装置において、上記プローブは、上記プローブの先端から電流を注入すると同時に同じプローブの先端から光を集光する、光透過性と導電性とを有し、上記プローブの先端と上記試料との間に電圧を印加する電圧印加機構を設け、上記振幅検出手段と上記プローブとの間が電気的に絶縁されており、上記電圧印加機構は、上記プローブの振動の位相に同期したパルス電圧を、上記プローブ先端が、上記プローブ先端の水平方向の振幅より縮小された計測対象範囲内にある間に、上記プローブ先端と上記試料との間に印加することを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係るプローブ制御装置の構成を示す図である。
図に示すように、本発明に係るプローブ制御装置は、プローブ１と、励振用振動子７と、励振用電源９と、センシング用振動子１０と、センシング信号処理回路１１と、試料位置駆動機構１２と、試料位置駆動機構用制御回路１３と、プローブバイアス電源１４と、導電性固定板１５と、支持構造１６とを含んでなる。
【００１６】
試料３の表面に対して垂直に設けられた棒状のプローブ１は、先端をテーパ加工して先鋭化され、光透過性を有する直径１００μｍ前後の直線状の光ファイバからなり、導電性を付与するために、その側面及びテーパ部に導電膜を塗布する。特にテーパ部は、集光機能を確保するために、透明性を有する導電膜である透明導電膜２を塗布する。プローブ１の先端から１〜２ｃｍ程度離れた個所を、導電性固定板１５を介して支持構造１６に固定する。
【００１７】
導電性固定板１５は、プローブバイアス電源１４の一端に接続されており、プローブバイアス電源１４から供給される電流を、導電性固定板１５を介して、プローブ１へ供給する。プローブバイアス電源１４の他端は試料３に接続され、プローブ１の先端と試料３との間に電圧を印加する電圧印加機構を構成する。
【００１８】
支持構造１６上に、プローブの中心軸に直交する方向に加振する励振器である励振用振動子７が設けられている。励振用振動子７は、励振用電源９に接続されており、振動の振幅を検出する振幅検出手段であるセンシング用振動子１０を介してプローブ１の先端から数ｍｍ離れた点を加振して、プローブ１を試料３の表面に平行な方向に振動させる。
【００１９】
センシング用振動子１０は、変位量（振幅）に比例した電圧を出力することにより、プローブ１の振動の振幅を検出する。センシング用振動子１０の出力は、センシング信号処理回路１１と試料位置駆動機構用制御回路１３とを介して、試料位置駆動機構１２へ伝送される。
【００２０】
試料位置駆動機構１２は、試料位置駆動機構用制御回路１３の出力を受け、試料３を移動させる。
【００２１】
センシング信号処理回路１１と、試料位置駆動機構用制御回路１３と、試料位置駆動機構１２とによって、プローブ１の先端と試料３との間の距離（ギャップ４）を制御する距離制御手段が構成される。
【００２２】
センシング用振動子１０とプローブ１との間、および励振用振動子７とセンシング用振動子１０との間は、それぞれ絶縁材料８１と絶縁材料８２によって電気的に絶縁する。
【００２３】
本発明に係るプローブ制御装置の動作は以下のとおりである。
センシング用振動子１０にプローブ１を搭載し、センシング用振動子１０によってプローブ１の中心軸に直交する方向に共振振動数で加振する。センシング用振動子１０からは、プローブ１の振動に対応した電圧が出力される。共振振動数の近傍では、振動数が僅かに変化すると、プローブ１の振幅は大きく変化する。そこで共振振動数から僅かに離れた特定の振動数においてセンシング用振動子１０でプローブ１の振幅をモニタする。この状態でプローブ１の先端を試料３の表面を接近させる。（以下、プローブ１を試料３の表面を接近させる動作をアプローチと呼ぶ。）
アプローチを開始しても、ギャップ４が大きくてプローブ１と試料との間に作用する原子間力が無視できる間は、プローブ１は一定の共振振動数と振幅で振動を続ける。したがって、この振動に対応してセンシング用振動子１０から出力される電圧の振幅も一定である。
【００２４】
次に、プローブ１が試料３の表面に更に接近して、両者間に作用する原子間力が大きくなると、この原子間力がプローブ１の振動運動に対する抵抗力（剪断力）として作用し、共振振動数が変化する。このため、センシング用振動子１０でモニタしている振動数におけるプローブ１の振幅が変化する。プローブ１の振幅が変化すると、センシング用振動子１０の出力電圧も同様に変化する。この出力電圧の振幅が所定の値になったときに、プローブのアプローチを停止する。その後は、モニタしている振動数におけるプローブ１の振幅が一定となるように、プローブ１と試料３の表面との間のギャップ４をフィードバック制御する。
【００２５】
プローブ１の先端から電流を注入するためにプローブ１に電圧を印加する際に、センシング用振動子１０へプローブ１の電流が流れることによって、センシング用振動子１０からの検出信号が乱れて、ギャップ４の制御が不安定になることを防止するために、プローブ１とセンシング用振動子１０とが接触する部分に絶縁材料８１を挿入して電気的に絶縁する。
【００２６】
原子間力は試料３が導電性であっても絶縁性であっても生じるので、試料３が導電性領域と絶縁性または高電気抵抗領域が混在した試料であっても、プローブ１と試料３の表面との間のギャップ４の制御を行うことができる。例えば、プローブ１が試料３の絶縁性領域の上に位置するときには、プローブ電流は流れないが、プローブ１と試料３の表面との間のギャップ４の制御は、原子間力によって正常に行われる。また、プローブ１が試料３の導電性領域の上に位置するときには、同じくギャップ４の制御は原子間力で行われるとともに、プローブ電流は流れるので、プローブ電流やプローブ電流による発光を検出することができる。
【００２７】
すなわち、トンネル電流によるギャップ４の制御が困難な絶縁性または高電気抵抗領域が混在した試料であっても、トンネル電流およびそれに伴う発光を計測することができる。また、ギャップ４の検出をセンシング用振動子１０で行い、レーザ光を用いないので、トンネル電流による微弱な発光を測定する際にも検出信号光のＳＮ比を低下させることがなく、高いＳＮ比で測定することができる。
また、片持ち梁状の軟らかいプローブを用いる必要がないので、導電集光プローブとしての使用に適した直径１００μｍ前後の直線状の光ファイバからなるプローブを使用することができる。
【００２８】
さらに、プローブ１とセンシング用振動子１０とが接触する部分に絶縁材料８１を挿入して電気的に絶縁するので、プローブ１に電圧を印加しても、センシング用振動子１０へプローブ１の電流が流れることによって、センシング用振動子１０からの検出信号が乱れて、ギャップ４の制御が不安定になることはない。
【００２９】
図２は、本発明に係るプローブ制御装置におけるプローブ１の先端の水平方向の振幅Ｂ−Ｂ′と試料３の計測対象範囲Ａ−Ａ′との関係を示す図であり、（ａ）はプローブ１の先端と試料３との相対位置を、（ｂ）はプローブ１の先端が時間軸に対して正弦波状に変位する状態を示す。
【００３０】
本発明に係るプローブ制御装置においては、プローブ１と試料３との間に作用する原子間力を利用してギャップ４を制御するので、原子間力による剪断力がプローブ１に十分に作用する必要がある。このため、プローブ１の先端の水平方向の振幅Ｂ−Ｂ′を数十ｎｍ程度より小さくすることが難しい。このため、測定の空間分解能は、この水平方向の振動の振幅Ｂ−Ｂ′によって制限される。
【００３１】
この制限を取り除くために、プローブ１から試料３へ注入する電流を、プローブ１の先端の水平方向の振動の位相に同期させてパルス的に注入する。電流を注入するタイミングは任意の位相に同期させることができるが、例えば図に示すように、プローブ１の先端が、振幅の中心Ｏの近傍である計測対象範囲Ａ−Ａ′にある間に、プローブバイアス電源１４からパルス電圧を印加して、電流をパルス的に注入する。これによりギャップ４を制御するために要するプローブ１の先端の水平方向の振幅Ｂ−Ｂ′が大きくても、トンネル電流およびトンネル電流による発光の測定の空間分解能は、計測対象範囲Ａ−Ａ′に縮小することが可能となる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るプローブ制御装置においては、絶縁性の領域と高電気抵抗の領域とが混在した試料にも適用可能で、トンネル電流による微弱な発光を測定する際のＳＮ比を低下させるレーザ光を用いることがなく、導電集光プローブとしての使用に適したプローブを用いることができ、プローブの先端から電流を注入して光を発生させるためにプローブ先端と試料との間に電圧を印加することができる、プローブ制御装置を提供することが可能となるという効果がある。
【００３３】
また、電圧印加機構は、プローブの振動の位相に同期したパルス電圧を、プローブ先端と試料との間に印加するので、ギャップを制御するために要するプローブの先端の水平方向の振幅が大きくても、トンネル電流およびトンネル電流による発光の測定の空間分解能を縮小することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るプローブ制御装置の構成を示す図である。
【図２】本発明に係るプローブ制御装置におけるプローブの先端の水平方向の振幅と試料の計測対象範囲との関係を示す図である。
【符号の説明】
１…プローブ
２…透明導電膜
３…試料
４…ギャップ
５…電子
６…光
７…励振用振動子
８１、８２…絶縁材料
９…励振用電源
１０…センシング用振動子
１１…センシング信号処理回路
１２…試料位置駆動機構
１３…試料位置駆動機構用制御回路
１４…プローブバイアス電源
１５…導電性固定板
１６…支持構造
Ｏ…振幅の中心
Ａ−Ａ′…計測対象範囲
Ｂ−Ｂ′…振幅
【図１】
0003764076.tif 000002
【図２】
0003764076.tif 000003