Vol.２９ No.３，２０１０

109
センターニュース

分析機器解説シリーズ（109）◆走査型プローブ顕微鏡を用いたナノスケール電気特性評価 … P1
株式会社東陽テクニカ

分析システム営業部

相蘇亨◆平成21年度 中央分析センター（筑紫地区）装置利用状況 … P6
◆平成21年度 中央分析センター伊都分室

利用状況◆平成21年度 産学官連携支援事業補助事業報告…………… P7…………………… P8

分析機器解説シリーズ（109）

走査型プローブ顕微鏡を用いたナノスケール電気特性評価
株式会社東陽テクニカ

1

は じ め に

走 査 型 プ ロ ー ブ 顕 微 鏡（SPM：Scanning ProbeMicrscope）技 術 は、1982年 の 走 査 型トン ネ ル 顕 微 鏡

2 AFM基本原理について（STM：ScanningTunneling Microscopy）の発明及び1986
年の原子間力顕 微 鏡（AFM：Atomic Force Microscopy）の発明に始まり現在に至るまで、ナノ領域での表面観察ツー

分析システム営業部

発した。ここでは AFMの基本原理に加え、高分解能KFMと走査型マイクロ波顕微鏡（SMM：ScanningMicrowave
1 は じ め にMicroscopy）について詳しく紹介する。

2

AFM基本原理について

AFMは図1に示すように、数だけでなく物性解析ツールに応用しようと、今まで無数のnmまで先鋭化した探針を先端に応用技術が発明されてきた。その中でも代表的なのが、走3 KFMについて形成した板バネ（カンチレバーと査型ケルビンフォース顕微鏡（KFM）や走査型キャパシ
SMMについて称される）を使い、非常に弱い力タンス顕微鏡（SCM）といった電磁気学的手法で物性解亨の電気特性評価に特化したSPM機能を世界に先駆けて開ルとして広く世界的に普及してきた。このAFMを形状観察
3 KFMについて

4相蘇を保ったまま表面をなぞり形状析する技術である。これらは半導体デバイス分野や材料科測定するツールである。このよ
4 SMMについて学分野などの様々な分野で広く利用されてきたが、それぞ

5 ま と めれに長所と短所があり、特に微細化が進む半導体分野におうな弱い力はこのカンチレバーいては、検出感度や面分解能、定量性・安定性の面で今でで制御される。反り量をモニタするには、図2に示すよう
ま と め

図1 カ ンチレバー先端の SEM 像の反り量をモニタリングすること

5もなお多くの課題がある。そこで電子計測とナノテク計測にレーザ光をカンチレバー背面に当て、その反射光を4 分の両分野で定評のある米国 Agilent Technologies 社は、こ割フォトディテクタで捉え、微小な反り量の変化を検出す（）分析機器解説シリーズ（109）極からなるコンデンサを振動させ、そのときの電荷の移動をキャンセルするように両電極間に印加されているバイアス電圧から、両電極間の仕事関数の差（接触電位差と呼ぶ）を測定する手法である。
KFMでは、カンチレバーと試料間の接触電位差を表面電位像としてイメージングする。仕事関数とは、真空準位とフェルミ準位のエネルギー差であり、ある物質内部の電子を外の真空領域に追い出すのに必要なエネルギーと定義されている。
KFM動作時のカンチレバーと測定対象物のバンド図の変化を図4に示す。例えば図4（a）のように互いに仕事関数の異なる金属製カンチレバーと半導体試料を図4
図 2 AFM における形状測定の原理（b）のように電気的に接触させると、両者のフェルミ準位が揃おうとするため半導体側のバンドが曲がり、電子るのである。この方式をコンタクトモードと呼ぶが、カンが接触界面に集まってそこに接触電位差が生じる。KFM

チレバーを振動させながらさらに弱い力で制御しながらイでは、図4（c）のように界面に集まった電荷間に働く静メージングする AC モードもある。

電気力をカンチレバーで検出し、その静電気力をキャン

AFMの一般的な装置構成としては、図2に示すようなセルするように両者間にDC電圧を印加する。その印加

レーザ、フォトディテクタに加え、カンチレバーを微小駆したDC電圧が表面電位像としてイメージングされる。

動させる為のピエゾ素子が XYZ 軸用に組み込まれている。
XY 軸ピエゾはスキャンに用いられるが、Z 軸ピエゾは探針−試料間に働く力を一定に保つようにフィードバック制御される。表面形状像として表示される信号は、実はこの Z軸ピエゾに印加している電圧を長さスケールに変換したものである。
市販 AFMは多種多様であるが、Agilent Technologies 社
製 AFMの特長は図3に示すように汎用型、環境制御型、大型試料用などに応じて筐体を選択でき、スキャナ自体は共通な為、用途に応じて組合わせるモジュール構造になっている。

図4 カ
 ンチレバーと試料のバンド構造の模式図

一般的に市販されている KFM は振幅変調方式で、上記で述べた静電気力を、カンチレバーの振動から直接1検出する。具体的には図 5 に示すように探針−試料間は じ め に（左上）汎用型 5420、（右上）大型試料用 5600
2 図 3AFM基本原理について

図 3 （左下）環境制御型 5500、（右下）AFM スキャナ

3KFMについて

3.1 KFMの動作原理
KFMとは、ケルビン法という測定技術を AFMに応用SMMについて4したものである。ケルビン法とは、2枚の異種金属製電（）5まとめ

図 5 振幅変調 KFM ブロック図

分析機器解説シリーズ（109）に AC 電圧を印加し、その AC 電圧周波数に同期した成分だけをロックイン検出する。そのロックイン検出した信号がキャンセルされるように DC 電圧を探針に重畳させる。

3.2 KFM測定例
実際の測定例を図6～8に示す。
用途としては、金属・半導体接合界面の仕事関数分布、動作中電子デバイス表面の電位勾配、トナー等の帯
図 9 位相変調 KFM ブロック図

電分布観察など多岐にわたる。

を取り出し、この成分をキャンセルするようにフィードバック制御する。このときのカンチレバーの変位は以下の式に表される。

上式の位相成分の最終項δωは静電気力による周波図 6 腐食した合金表面の形状（右）と表面電位像（左）数シフト量を表し、この項は静電気力の力勾配にあたる
為、検出感度と面分解能の向上に威力を発揮する［1］。図10にSi基板上に自己組織化したF14H20 を、従来の振幅変調KFMと位相変調KFMとで比較したデータを表す。

1は じ め に

2

AFM基本原理について

3

KFMについて図 10 振幅変調 KFM と位相変調 KFM の比較

4

SMMについて

図 7 化合物半導体デバイスの形状（右）と表面電位像（左）図 8 レーザプリンタトナーの形状（右）と表面電位像（左）4.1 SMMシステム概要
SMMは、マイクロ波通信解析に用いられるネットワー

3.3 位相変調KFM

ま と め
5クアナライザとAFMを組み合わせた画期的な手法で、次に Agilent Technologies 社製 AFMの特長である位試料表面のキャパシタンスをはじめとする様々な電気特相変調KFMを紹介する。従来の振幅変調型KFMは静電性のマッピングが可能である。マイクロ波領域の電磁気力に励起されるカンチレバーの微小振動を検出するた波を使用することにより分解能や定量性に優れ、従来め、カンチレバーが硬い場合や電位差が小さい場合に検のSCM等で行っていた半導体ドーパント解析はもちろ出感度が足りず、接触電位差が文献値に比べ小さめに出んのこと、誘電体材料や生体サンプルのインピーダンスる傾向があった。また、電場が空間的に広がっているこ

測定などにも応用可能である。SMMシステムは、ネッとから面分解能に限界があるなどの制限もあった。それ

トワークアナライザ（Agilent Technologies 社製PNAシらを克服するのに位相変調型KFMは最も効果的である。

リーズ）とAFM、プローブを含む共振回路系（SMMノー

図9にブロック図を示す。

ズコーンと称される）から構成されている。GHzオー

この方式は、位相信号の中に含まれる静電気力成分ダーの電磁波が VNA から共振回路を通じて、試料表面（）分析機器解説シリーズ（109）に接触している導電性カンチレバーに伝えられる。このカンチレバーはレシーバとしても機能し、プローブ接触点からの反射波を検出する。つまりSMMは反射係数（S11パラメータ）をスキャンしながら測定することで、トポグラフィ像と同時に試料表面のキャパシタンス像を図 13 プローブ周囲のブロック図マッピングすることができる。図11にSMMシステム構成を示す。

を組み合わせることでさらに多くの共振ピークが得られる。このことで感度が大幅に増すだけでなく、周波数選択の自由度も増える。実際の周波数スイープ波形を図14に示す。測定時はこの無数のピークから1つを選択し、試料のキャパスタンス変化を共振ピークのシフトとして捉える。

図 11 SMM システム構成

4.2 SMM動作原理

図 14 周波数スイープ波形（0.5 ～ 6GHz）

物性解析において、ベクトルネットワークアナライザ
は誘電体材料や半導体など様々な分野で用いられている［2］［3］

4.3 キャパシタンス定量測定

が、AFMと組み合わせてナノスケールの物性解析

SMMは、キャパシタンス校正試料と自動校正アルゴに用いる場合、aF（アトファラッド）オーダーの微小キャリズムにより、今まで定性的な測定しかできなかったパシタンスを測定できるだけの感度が必要になる。ベク

キャパシタンス値の定量測定が可能になった［5］。図15

トルネットワークアナライザ単体では当然不可能であるに示すように、同試料は、微小コンデンサが複数形成さが、プローブを含む特殊な共振回路を併用することで、れた構造になっている。

微小キャパシタンス計測が可能になる。
S11パラメータは（ZL −ZS）／（ZL ＋ZS）で表され、図12に示すように50Ω前後が最も高感度である［4］。
（ZL：測定対象インピーダンス、ZS：特性インピーダン
ス50Ω）

図 15 キャパシタンス校正サンプル（50nm、10nm 段さ）
図 12 インピーダンスと反射係数の関係

上図のキャパシタンス値は全て既知である為、測定値しかし測定対象物が常に50Ω付近であるとは限らず、探針近傍には極小キャパシタンスつまり高インピー可能となる。実際の測定データを図16に示すが、測定ダンスが形成される。そこで図13に示すように、プロー値とキャパシタンス値の相関関係が既にリニアであるこ

ブを含む半波長同軸共振器と並列接続された50Ω抵抗とが見て取れる。

によって共振回路を形成し、全範囲のインピーダンス測定が可能になる。
これらに加え、特殊にカスタマイズされた伝送線路（）とフィッティングすることで、キャパシタンスの校正が校正後に電極の無い部分の測定結果を図17に示すが、キャパシタンスノイズが約2aFと、微小なキャパシタンス変化を捉えていることがわかる。それだけでなく

分析機器解説シリーズ（109）−カンチレバー間の浮遊容量は大きな誤差要因になる。
そこでこの浮遊容量の影響を抑える為、プローブの探針高さが約100μmに設計されている。また、全てPt で作られているため、コーティングの磨耗による値の変化を気にする必要がなく、非常にデータの再現性が良い。

4.5 SMM測定例
SMMは試料のキャパシタンスを測定することが可能であるが、半導体材料の場合、マイクロ波と同時に AC電圧を加えて探針直下の空乏層領域を変化させることで、それをキャパシタンスとして捉え、従来のSCMなどのようなdC／dV の同時測定も可能である。図19に
図 16 キャパシタンス値と測定データとの相関関係

IMEC 製ドーパントステップの測定例を示す。

図 19 n 型ドーパントステップ

また、マイクロ波周波数をより高周波に設定することで、インピーダンスとしては下がるので反射係数の変化
図 17 キ ャパシタンスノイズレベル測定及び実効先端曲率測定率は増加する。図20に示すように実際にキャパシタンス感度が向上しているのがわかる。
SMMは図21に示すように、半導体材料に限らずPZT探針先端の実効的な曲率半径もこのデータから算出するなどの強誘電体材料にも応用可能である。左図ではPZTことも可能になる。のグレイン構造が観察されており、右図ではPFMによ4.4 固体金属プローブ

は分極方向の違うグレインごとで誘電率の違いが観察でる分極方向を表すイメージが取得できている。中央図でSMMでは、一般的な電気測定で用いられる金属コーきていると推察される。

トプローブではなく、特別にカスタマイズされた固体金

また、図22に示すように生体サンプルのインピーダ属プローブ（Pt 製）を標準使用する（図18 参照）。キャンス分布測定への応用が期待される。PNA Phaseイメーパシタンスの絶対値を測定できるSMMにとって、試料ジに現れている白い斑点がウイルスと推察され、金パ

図 18 専用プローブ光顕像（左）、SEM 像（右）図 20 2GHz と 18GHz でのキャパシタンス感度の比較（）分析機器解説シリーズ（109）／平成21年度 装置利用状況
ターンとウイルスのインピーダンスの差を明瞭に画像化している。

4

SMMについて

5

まとめ

KFMや SMMをはじめとした電気特性の評価手法は、SPMを単なる形状観察ツールとして陳腐化させることなく、仕事関数イメージングや半導体のキャリア濃度分布、定量的キャパシタンス測定、誘電率分布や生体サンプルのインピーダンス測定など、多くの分野にわたって様々な物性解析に応用できる。Agilent Technologies 社製 SPMは従
来強みであった環境制御やバイオアプリケーション分野に
図 21 PZT 薄膜の SMM ＋ PFM 同時測定

加え、同社製の汎用電子計測器とSPMを組み合わせることで、さらに多くの物性特性のソリューションを提供できるようになった。今後は物性評価ツールの標準機としてさらに応用範囲を広げていくことが期待される。

参考文献［1］L. Eng et al Phys. Rev. B 71（2005）125424［2］Agilent Technologies 社 アプリケーションノート“ベクトルネットワークアナライザ解析の基礎”、AN1287-1［3］Agilent Technologies 社 アプリケーションノート“誘電体測定の基礎”、AN1287-1［4］Agilent Technologies 社 ア プ リ ケ ー シ ョ ン ノ ート“Scanning Microwave Microscope Mode”、5989-8818EN

図 22 金パターン上ウイルスレセプターアレイ［5］Agilent Technologies 社 ア プ リ ケ ー シ ョ ン ノ ー ト“Attofarad Capacitance Measurement with Scanning
Microwave Microscopy”、5990-5702EN

中央分析センター（筑紫地区）装置利用状況（平成 21 年度）
センター（筑紫地区）所管機器名

��数
�時���
��
間

高周波 2 極スパッタ装置（SPF210HRF）

27178

雰囲気中液体急冷装置

5757

エスカ表面分析装置（AXIS165）

242

1, 0 0 4

原子間力顕微鏡（Nano Scope IIIa）

25255

顕微赤外分光分析装置（MFT2000）732

超高感度示差走査熱量計（DSC6100）

3286

高感度示差走査熱量計

2373

6

32

121634

25

24

5

16570

2, 3 9 1

オージェ電子分光分析装置（JAMP7800F）
核磁気共鳴装置
レーザー粒径解析装置（LPA300）
赤外分光分析装置計（）件

平成21年度 装置利用状況

中央分析センター伊都分室
伊都分室

所

管機器

利用状況（平成 21 年度）

名

超伝導核磁気共鳴吸収装置（JNM-ECP400）

件 ��数�時 ���
間

1,168

927

10,596675X 線回折計（XD-D1）

455

443

X 線回折計（MultiFlex）

1,321

1,261

X 線分析顕微鏡（XGT5000）

66

44

蛍光 X 線分析装置（EDX-800）

877

228

エネルギー分散型 X 線分析装置（電顕付属）（Genesis2000）

810

886

走査型電子顕微鏡（SS-550）

499

410

走査型電子顕微鏡（JSM-6701F）

783

889

35

82

走査型プローブ顕微鏡（D-3000）

108

253

フーリエ変換赤外分光光度計（FT／IR-620）

730

494

フーリエ変換赤外分光光度計（FT／IR-700）

104

52

熱分析システム（SSC5200）

228

564

イオンコーティング装置（IB-3）

199

25

イオンコーティング装置（JFC-1600）

656

68

計

18,6357,301

ICP 質量分析装置（Agilent7500c）

電子線 3次元粗さ解析装置（ERA-8900）

部

局

管理

機器

名管 ��理�

超伝導核磁気共鳴吸収装置（AV-300M）

人工酵素化学

円二色分散計（J-720）

バイオミメティクス

超高分解能走査型電子顕微鏡（S-5000）
高性能 X 線光電子分光解析装置（ESCA5800）

ナノ組織化学

レーザーラマン分光光度計（NRS-3100KK）
固体高分解能NMR（JNM-CMX300）
レーザーラマン分光光度計（NRS-2000）

応用無機化学

イオンスパッタ装置（E1030）
レーザー顕微鏡（VK-8500）
ICP 発光分光分析装置（OPTIMA3100RL）
原子吸光分光光度計（AA-6700）

機能組織化学
バイオプロセス化学

件���
��
数時��
�
間

826／30441／48

−／25

−／50

22／−

63／−

89／175284／391

1／2

2／2

−／276

−／1,701

−／10

−／18

644／−

44／−

−／2

−／9−／3−／7−／23−／83

磁化率測定装置（MPMS-XL7TZ）

極低温実験室−／30−／878

差動型高温示差熱天秤（TG-DTA2020SA）

環境制御工学3／6

4／11

内 部 利 用1,585838

他 部 門 利 用

582

3,198

合������
計�（）平成21年度 産学官連携支援事業補助事業報告

平成 21 年度

産学官連携支援事業補助事業報告（����������������1���������������）九州大学分析センターでは、�����������
「先端研究施設共用イノタッチパネルに用いる薄膜の密着性や耐薬品性の向ベーション創出事業」【講習機能を備えた大学先端分上、透明導電膜の界面構造解析、イメージセンサー材

析施設・機器の産業利用仕組みの構築】を平成���
19�
年

料評価、パワーデバイス金属前処理技術の評価、有機度下期から行っています。本事業の趣旨は、大学の先シリコン金属表面伝搬特性の評価、原子炉燃料など各端分析機器を企業へ開放し、各種問題解決に活用する種材料の高度化、基盤技術の改善に貢献しました。まことです。また、機器操作の講習会を行い、技術者のた、誘導結合プラズマ質量分析装置、��������
X 線分析顕微鏡、�������スキルアップも行っています。

蛍光 ����������������������
X 線分析装置、走査型電子顕微鏡群では、企業で���������������������製造する数々の化学物質の微量重金属不純物の特定、（����������������������������2���������������������������）平成�����������������������
21���������������������
年度は������������������
19����������������
件（戦略分野����������
1���������件、新規利用拡大 �
9世界各地の鉱物の組成分析、分布状態の分析、蛍光 X
�件、トライアルユース��������������
1�������������
件、平成���������
20�������
年度からの継続線分析装置用標準試料の開発の基礎研究、循環水路に8 ������������������������件）の課題を採択し実施しました。申請企業は金属、発生する異物の組成解析、農薬、動物用医薬品をはじ鉄鋼、半導体、建設、資源開発、原子力、自動車、化めとした種々の化学物質の食品中への残留物解析、ボ学、製薬、食品などの業界に渡っています。課題選定

ンディングワイヤの断面結晶観察など、半導体製造基は以下の基準に基づいて行いました。

礎工程の品質の改善、資源開発の発展、食品・衛生・①���������������������
�����������������������
分析センター所有分析装置の有効利用が図れ環境の安全性向上などに貢献しました。

るもの。
②���������������������
�����������������������
地場産業がかかえる技術上の問題解決に寄与できるもの。

（����������������������������4���������������������������）基礎分析セミナー�����������������
12���������������
回、ワークショップ ������
3�����
回、���X 線光��
電子分光分析装置実習講習会�����������
5����������
回、オージェ電子分光③���������������������������
平和利用に使われるもの。

分析装置実習講習会����������
2���������
回を開催しました。

④�������������
��������������
社会正義に反しないもの。
⑤��������������������
���������������������
技術者のキャリアアップにつながるもの。
⑥���������������
����������������
経済的なインパクトがあるもの（���������������������������5��������������������������）平成����������������������
22��������������������
年度からは利用にあたり料金が発生することになりました。主たる装置の企業からの機器利用料金は以下の通りです。

（������������3�����������）平成��������
21������
年度利用実績
施

設

設

名X ����������
線光電子分光分析装置
オージェ電子分光分析装置
電子線マイクロアナライザー
蛍光 ������X �����線分析装置
X ������
線分析顕微鏡走査型電子顕微鏡���
EDX
高分解能走査電子顕微鏡
誘導結合プラズマ質量分析装置
フーリエ変換赤外分光光度計
総計

本事業における利用実績
346.7��
時間
50��
時間
189��
時間
41��
時間
11.5��時間11��時間
11��時間25.3��
時間11��時間
696.5��
時間

X�����������������������
線光電子分光分析装置、オージェ電子分光分析装����������������������
置、電子線マイクロアナライザー装置群では、ダイヤモンドカーボン薄膜の特性評価、液晶ディスプレーや備ホームページアドレス

（）

利 用 料

オージェ電子分光分析装置（�����������
JAMP-7800F�
）28,700���円／件X ����������
線光電子分光分析装置（���������
AXIS-165�
）

21,700���円／件

超伝導核磁気共鳴装置（�������������
Varian INOVA�
）18,100���円／件

電子線マイクロアナライザー（����������
EPMA-1500�
）

46,000���円／件

誘導結合プラズマ質量分析装置（�������������
Agilent7500c�
）5,300����
円／時間

X ����������������
線分析顕微鏡（���������
XGT-5000�
）

2,200����
円／時間

蛍光 X
���������������
��������������
線分析装置（��������
EDX-800�
）

1,600����
円／時間

走査型電子顕微鏡（�������
SS-550�）

1,000����円／時間

技術指導料

10,000����
円／時間

九州大学中央分析センターニュース
九州大学中央分析センター（筑紫地区）〒816-8580 福岡県春日市春日公園6丁目1番地
TEL 092-583-7870／FAX 092-593-8421

名第109号 平成22年7月25日発行

九州大学中央分析センター伊都分室（伊都地区）〒819-0395 福岡市西区元岡744番地
TEL 092-802-2857／FAX 092-802-2858

http://www.bunseki.cstm.kyushu-u.ac.jp