JP2006258536A

JP2006258536A - 仕事関数測定装置

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Publication number: JP2006258536A
Application number: JP2005074678A
Authority: JP
Inventors: Yuji Yashiro; 有史八代
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2005-03-16
Filing date: 2005-03-16
Publication date: 2006-09-28

Abstract

【課題】深針の仕事関数が未知であっても試料の正確な仕事関数を測定することが可能な仕事関数測定装置を提供する。
【解決手段】仕事関数測定装置１００Ａは、光電子分光法により求められた標準試料３Ａの各領域の既知の仕事関数値と、導電性カンチレバー１Ａを有する走査型ケルビンフォース顕微鏡により計測された標準試料３Ａの各領域の表面電位値とから、導電性カンチレバー１Ａの深針２Ａの仕事関数を算出する。次に、深針２Ａの仕事関数Ａが具体的に算出された導電性カンチレバー１Ａを有する走査型ケルビンフォース顕微鏡を用いて、標準試料３Ａとは異なる未知試料の表面電位ｙを測定する。導電性カンチレバー１Ａの深針２Ａの仕事関数Ａと、未知試料の表面電位ｙとから、ｙ＝（Ａ−ｘ）／ｅの関係式に基づいて、未知試料の微小領域における仕事関数ｘを算出できる。
【選択図】図２

Description

この発明は、仕事関数測定装置に関し、より特定的には、走査型ケルビンフォース顕微鏡を用いる仕事関数測定装置に関する。

走査型プローブ顕微鏡の一つに、原子構造等を解明するために用いられる原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope）がある。原子間力顕微鏡では、先端部に深針が設けられたカンチレバーを走査プローブとして用いる。原子間力顕微鏡の被測定面となる試料表面に対して深針を走査させると、試料表面と深針との間に原子間力に基づく引力または斥力が発生する。その原子間力をカンチレバーのたわみ量などから検出することにより、試料表面の凹凸形状を原子レベルで観察することができる。

走査型プローブ顕微鏡には、上記の原子間力顕微鏡の他に、被測定面の磁気力を検出する走査型磁気力顕微鏡（ＭＦＭ：Magnetic Force Microscope）、被測定面の電位、静電気力等を検出する走査型マクスウェルフォース顕微鏡（ＳＭＭ：Scanning Maxwell Stress Microscope）、被測定面の接触電位差を検出する走査型ケルビンフォース顕微鏡（ＫＦＭ：Kelvin Force Microscope）などがある。

これらの走査型プローブ顕微鏡は、従来の顕微鏡と比較して、高分解能、表面形状の同時観察、情報取得の容易さなどの点で優れている。このため、走査型プローブ顕微鏡は、磁気媒体のドメイン解析、磁気材料の解析、半導体の電気的特性または故障解析、材料の仕事関数の測定などに応用されている。

従来の走査型仕事関数顕微鏡は、原子間力顕微鏡を用いて非接触で振動させながら導電性カンチレバーを走査し、カンチレバーと試料との間に流れるトンネル電流をカンチレバーの振動周波数で検波し測定する。これにより、トンネル電流の距離の微分を求め、その信号から試料の局所的な仕事関数を求める（たとえば、特許文献１参照）。

従来の走査型プローブ顕微鏡は、標準サンプルの製造方法において、サンプルとなる基板の所定領域の基板表面に対して垂直な壁面を有する一定の深さの穴を形成する工程と、上記工程で形成された穴に基板の材料と異なる物性値を有する材料を埋め込む工程と、上記物性値の異なる材料が埋め込まれた領域の表面と基板の表面とを平坦化する工程とを含む（たとえば、特許文献２参照）。
特開２０００−９６２８号公報特開平１１−３０４８２２号公報

上記の走査型プローブ顕微鏡のうち、走査型ケルビンフォース顕微鏡は、試料と深針との仕事関数差に応じた表面電位を測定する。しかし、従来の走査型ケルビンフォース顕微鏡において検出される表面電位は、導電性カンチレバー深針の仕事関数を基準とした相対的な値であって、試料本来の仕事関数ではない。そのため、試料の仕事関数を得るには、深針の仕事関数を正確に把握する必要があった。

それゆえに、この発明の目的は、深針の仕事関数が未知であっても試料の正確な仕事関数を測定することが可能な仕事関数測定装置を提供することである。

この発明は、仕事関数が既知である標準試料を用いて標準試料とは異なる試料の表面形状および表面電位を測定する仕事関数測定装置であって、先端に深針が取り付けられた導電性カンチレバーと、試料と深針との間に作用する物理量を検出する検出部とを備えている。検出部は、標準試料および試料の表面電位を計測し、標準試料の仕事関数と表面電位とを用いて算出される深針の仕事関数と、試料の表面電位とから、試料の仕事関数を算出する。

好ましくは、標準試料は、仕事関数が異なる領域を少なくとも２箇所有する。

好ましくは、標準試料は、シリコン基板にリンおよびホウ素を注入することにより作製される。

好ましくは、標準試料は、２種類以上の金属を含む。

好ましくは、深針は、化学的に不活性で気体吸着が無視できるほどに少ない導電体で作製される。

好ましくは、深針は、シリコンに金を蒸着することにより作製される。

好ましくは、深針は、シリコンに白金を蒸着することにより作製される。

好ましくは、深針は、導電性カーボンナノチューブを接合することにより作製される。

好ましくは、検出部は、走査型ケルビンフォース顕微鏡によって試料と深針との間の電位差を検出する。

この発明によれば、深針の仕事関数が未知であっても試料の正確な仕事関数を測定することが可能となる。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

この発明の実施の形態による仕事関数測定装置は、仕事関数が既知である標準試料で仕事関数の値が校正された気体吸着の少なく化学的に不活性な導電性カンチレバーの深針を用いることによって、標準試料とは異なる試料の微小領域の仕事関数を走査型ケルビンフォース顕微鏡により安定して測定することができる。以下、具体的に説明する。

＜装置の全体構成および動作＞
図１は、この発明の実施の形態による仕事関数測定装置１００の全体構成を示した概略図である。

図１を参照して、仕事関数測定装置１００は、導電性カンチレバー１と、導電性深針２と、圧電素子４と、交流電源５，６と、直流電源７と、導電性基板８と、光源９と、受光素子１０と、ロックインアンプ１１，１２と、電圧フィードバック回路１３と、Ｚサーボ回路１４と、スキャナ１５とを備える。仕事関数測定装置１００は、ケルビンフォース顕微鏡（ＫＦＭ）を用いたものであり、試料（測定物）の表面電位分布（表面電位像）と試料の表面形状（トポ像）とを同時かつ独立に測定することができる。仕事関数測定装置１００は、試料３の表面電位および形状を測定する。

導電性カンチレバー１の先端には、導電性深針２が取り付けられている。この導電性深針２は、試料３に対向配置されている。交流電源５は、圧電素子４に交流電圧Ｖｒ・ｓｉｎωｒｔを印加することで、導電性カンチレバー１の固定端に導電性カンチレバー１の共振周波数ωｒの振動を与える。これにより、導電性カンチレバー１は、共振周波数ωｒで振動する。

交流電源６は、導電性カンチレバー１の非共振周波数ωの交流電圧Ｖａｃ・ｓｉｎωｔを導電性基板８に印加する。直流電源７は、導電性カンチレバー１の直流オフセット電圧Ｖｄｃを導電性基板８に印加する。試料３のベースとなる導電性基板８は、交流電圧Ｖａｃ・ｓｉｎωｔと直流オフセット電圧Ｖｄｃとが重畳された電圧を受ける。これにより、導電性カンチレバー１の先端の導電性深針２と試料３の表面との間に静電引力が発生し、この静電引力により導電性カンチレバー１に非共振周波数ωの振動が生ずる。

光源９は、導電性カンチレバー１にレーザ光を照射する。光源９は、たとえばレーザダイオードである。受光素子１０は、導電性カンチレバー１に照射されるレーザ光の反射光を受光することによって、導電性カンチレバー１の位置を検出する。受光素子１０は、たとえば２分割フォトダイオードである。このように、導電性カンチレバー１の非共振周波数ωの振動は、光源９および受光素子１０を用いた光てこ法によって検出される。

ロックインアンプ１１は、受光素子１０の出力信号を受けて、交流電源５からの交流電圧Ｖｒ・ｓｉｎωｒｔを参照信号として、受信素子１０の出力信号を位相検波して増幅する。ロックインアンプ１２は、受光素子１０の出力信号を受けて、交流電源６からの交流電圧Ｖａｃ・ｓｉｎωｔを参照信号として、受信素子１０の出力信号を位相検波して増幅する。ロックインアンプ１１，１２により、導電性カンチレバー１の振動のω成分の振幅Ａωとωｒ成分の振幅Ａωｒとが分離増幅される。

電圧フィードバック回路１３は、振幅Ａωを分離増幅するロックインアンプ１２の出力信号を受けて、直流電源７の直流オフセット電圧Ｖｄｃを制御する。これにより、電圧フィードバック回路１３の直流オフセット電圧Ｖｄｃに対する制御量が、試料３の表面電位Ｖｓの測定結果として出力される。ここで、交流電源６から試料３に印加する交流電圧Ｖａｃ・ｓｉｎωｔの周波数ωは、導電性カンチレバー１の共振周波数の１／２以下としている。

Ｚサーボ回路１４は、試料３をｚ軸方向に駆動して導電性カンチレバー１の深針２と試料３との間の距離を可変するｚ軸アクチュエータ（図示せず）を有する。Ｚサーボ回路１４は、振幅Ａωｒを分離増幅するロックインアンプ１１の出力信号を受けて、ｚ軸アクチュエータを制御する。これにより、導電性カンチレバー１の深針２と試料３との間の距離を制御する。スキャナ１５は、試料３をｚ軸と垂直なｘｙ方向に走査する。これにより、Ｚサーボ回路１４のｚ軸アクチュエータに対する制御量が、試料３の表面形状（いわゆるトポ像：ＴＯＰＯＧＲＡＰＨＹ）の測定結果として出力される。

以上のようにして、仕事関数測定装置１００は、試料３と導電性カンチレバー１の深針２との間の仕事関数差に応じた表面電位を測定する。測定時における深針２の仕事関数変化を抑えるため、導電性カンチレバー１の深針２は、気体吸着が少なく、化学的に不活性であることが好ましい。たとえば、シリコン（Ｓｉ）の深針２に金（Ａｕ）または白金（Ｐｔ）を蒸着したもの、導電性カンチレバー１に導電性カーボンナノチューブを接合したものであってもよい。

＜標準試料の構成＞
試料３の標準となる標準試料は、仕事関数が異なる領域を少なくとも２箇所以上有する構造が好ましい。たとえば、シリコン（Ｓｉ）基板の同一平面上にリン（Ｐ）およびホウ素（Ｂ）を注入してｎ型シリコンおよびｐ型シリコンを形成したもの、同一平面上に異なる金属による層構造が存在するものであってもよい。

＜標準試料による深針の仕事関数校正＞
導電性カンチレバー１の深針２の仕事関数をＡ［ｅＶ］、試料３の仕事関数をｘ［ｅＶ］とする。このとき、仕事関数測定装置１００の走査型ケルビンフォース顕微鏡で出力される表面電位ｙ［Ｖ］は、ｙ＝（Ａ−ｘ）／ｅと表わせる。

仕事関数が既知であり、かつ、仕事関数が異なる領域を少なくとも２箇所以上有する標準試料の表面電位を測定することにより、ｙ＝（Ａ−ｘ）／ｅのうち、ｘ，ｙの値が二点以上定まる。このとき、導電性カンチレバー１の深針２の仕事関数Ａは、標準試料の各ポイントで求まる仕事関数の値の平均値となる。

［実施例１］
図２は、この発明の実施例１による仕事関数測定装置１００Ａの標準試料測定工程を示した図である。図２を参照して、実施例１の仕事関数測定装置１００Ａを用いた標準試料３Ａおよび未知試料の仕事関数測定方法を説明する。

まず、銅（Ｃｕ）板１６に、アルミニウム（Ａｌ）１７および白金（Ｐｔ）１８を各々幅約２０μｍで蒸着する。これにより、仕事関数測定装置１００Ａの走査型ケルビンフォース顕微鏡用の標準試料３Ａが作製される。標準試料３Ａにおける銅（Ｃｕ）板１６、アルミニウム（Ａｌ）１７、白金（Ｐｔ）１８の各領域の仕事関数は、光電子分光法により、４．４５ｅＶ、４．２０ｅＶ、５．３６ｅＶとそれぞれ求められる。

仕事関数測定装置１００Ａは、シリコン（Ｓｉ）の深針２Ａに白金（Ｐｔ）を蒸着した導電性カンチレバー１Ａを有する走査型ケルビンフォース顕微鏡により、標準試料３Ａの走査領域ＲＳの表面電位を５０μｍ幅で測定する。これにより、銅（Ｃｕ）板１６、アルミニウム（Ａｌ）１７および白金（Ｐｔ）の各領域を同時に走査できる。標準試料３Ａにおける銅（Ｃｕ）板１６、アルミニウム（Ａｌ）１７、白金（Ｐｔ）１８の各領域の表面電位は、０．８５Ｖ、１．２０Ｖ、０．０１Ｖとそれぞれ計測される。

次に、光電子分光法により求められた標準試料３Ａの各領域の既知の仕事関数値と、導電性カンチレバー１Ａを有する走査型ケルビンフォース顕微鏡により計測された標準試料３Ａの各領域の表面電位値とから、導電性カンチレバー１Ａの深針２Ａの仕事関数を算出する。具体的には、標準試料３Ａにおける銅（Ｃｕ）板１６、アルミニウム（Ａｌ）１７、白金（Ｐｔ）１８の各領域の仕事関数ｘ＝４．４５ｅＶ、４．２０ｅＶ、５．３６ｅＶと、表面電位ｙ＝０．８５Ｖ、１．２０Ｖ、０．０１Ｖとから、上記で説明したｙ＝（Ａ−ｘ）／ｅの式に基づいて、導電性カンチレバー１Ａの深針２Ａにおける仕事関数Ａ＝５．３６ｅＶを算出する。

仕事関数測定装置１００Ａは、深針２Ａの仕事関数Ａが具体的に算出された導電性カンチレバー１Ａを有する走査型ケルビンフォース顕微鏡により、標準試料３Ａとは異なる未知試料の表面電位ｙを測定する。これにより、深針２Ａの仕事関数Ａと未知試料の表面電位ｙとから、上記で説明したｙ＝（Ａ−ｘ）／ｅの式に基づいて、未知試料の微小領域における仕事関数ｘを算出できる。

以上のように、実施例１によれば、仕事関数が既知である標準試料で仕事関数が校正された深針の導電性カンチレバーを有する走査型ケルビンフォース顕微鏡を用いることにより、標準試料とは異なる未知試料の表面電位の測定から、当該未知試料の微小領域における仕事関数を算出することができる。また、気体吸着の少なく化学的に不活性な深針を有する導電性カンチレバーを用いることで、試料の表面電位測定中における深針の仕事関数の変化が抑えられ、安定して走査型ケルビンフォース顕微鏡による試料の微小領域の仕事関数を算出することができる。

［実施例２］
図３は、この発明の実施例２による仕事関数測定装置１００Ｂの標準試料測定工程を示した図である。図３を参照して、実施例２の仕事関数測定装置１００Ｂを用いた標準試料３Ｂおよび未知試料の仕事関数測定方法を説明する。

まず、シリコン（Ｓｉ）基板にホウ素（Ｂ）およびリン（Ｐ）を濃度１×１０¹⁸ａｔｍｓ／ｃｍ³程度となるように注入することで、ｐ型シリコン領域２０およびｎ型シリコン領域２１の２領域を形成する。これにより、仕事関数測定装置１００Ｂの走査型ケルビンフォース顕微鏡用の標準試料３Ｂが作製される。標準試料３Ｂにおけるｐ型シリコン領域２０、ｎ型シリコン領域２１の各領域の仕事関数は、光電子分光法により、５．０５ｅＶ、４．０５ｅＶとそれぞれ求められる。

仕事関数測定装置１００Ｂは、シリコン（Ｓｉ）の深針２Ｂに金（Ａｕ）を蒸着した導電性カンチレバー１Ｂを有する走査型ケルビンフォース顕微鏡により、標準試料３Ｂの所定領域内の表面電位を走査幅２０μｍで測定する。これにより、ｐ型シリコン領域２０およびｎ型シリコン領域２１の２領域を同時に走査できる。標準試料３Ｂにおけるｐ型シリコン領域２０、ｎ型シリコン領域２１の各領域の表面電位は、−０．１６Ｖ、０．８４Ｖとそれぞれ計測される。

次に、光電子分光法により求められた標準試料３Ｂの各領域の既知の仕事関数値と、導電性カンチレバー１Ｂを有する走査型ケルビンフォース顕微鏡により計測された標準試料３Ｂの各領域の表面電位値とから、導電性カンチレバー１Ｂの深針２Ｂの仕事関数を算出する。具体的には、標準試料３Ｂにおけるｐ型シリコン領域２０、ｎ型シリコン領域２１の各領域の仕事関数ｘ＝５．０５ｅＶ、４．０５ｅＶと、表面電位ｙ＝−０．１６Ｖ、０．８４Ｖとから、上記で説明したｙ＝（Ａ−ｘ）／ｅの式に基づいて、導電性カンチレバー１Ｂの深針２Ｂにおける仕事関数Ａ＝４．８９ｅＶを算出する。

仕事関数測定装置１００Ｂは、深針２Ｂの仕事関数Ａが具体的に算出された導電性カンチレバー１Ｂを有する走査型ケルビンフォース顕微鏡により、標準試料３Ｂとは異なる未知試料の表面電位ｙを測定する。これにより、深針２Ｂの仕事関数Ａと未知試料の表面電位ｙとから、上記で説明したｙ＝（Ａ−ｘ）／ｅの式に基づいて、未知試料の微小領域における仕事関数ｘを算出できる。

以上のように、実施例２によれば、ｐ型シリコン領域２０およびｎ型シリコン領域２１の２領域を有する標準試料で仕事関数が校正された金（Ａｕ）を蒸着した深針の導電性カンチレバーを有する走査型ケルビンフォース顕微鏡を用いた場合にも、実施例１と同様に、未知試料の微小領域における仕事関数を算出することができる。

［実施例３］
図４は、この発明の実施例３による仕事関数測定装置１００Ｃの標準試料測定工程を示した図である。図４を参照して、実施例３の仕事関数測定装置１００Ｃを用いた標準試料３Ｃおよび未知試料の仕事関数測定方法を説明する。

仕事関数測定装置１００Ｃの走査型ケルビンフォース顕微鏡用の標準試料３Ａは、実施例１と同様にして作製されるので、ここでは説明を繰り返さない。標準試料３Ａにおける銅（Ｃｕ）板１６、アルミニウム（Ａｌ）１７、白金（Ｐｔ）１８の各領域の仕事関数は、光電子分光法により、実施例１と同じく、４．４５ｅＶ、４．２０ｅＶ、５．３６ｅＶとそれぞれ求められる。

仕事関数測定装置１００Ｃは、導電性カーボンナノチューブを接合した深針２Ｃを有する導電性カンチレバー１Ｃの走査型ケルビンフォース顕微鏡により、標準試料３Ａの表面電位を実施例１と同じく５０μｍ幅で測定する。これにより、銅（Ｃｕ）板１６、アルミニウム（Ａｌ）１７および白金（Ｐｔ）の各領域を同時に走査できる。標準試料３Ａにおける銅（Ｃｕ）板１６、アルミニウム（Ａｌ）１７、白金（Ｐｔ）１８の各領域の表面電位は、実施例３では、０．７０Ｖ、１．００Ｖ、−０．２０Ｖとそれぞれ計測される。

次に、光電子分光法により求められた標準試料３Ａの各領域の既知の仕事関数値と、導電性カンチレバー１Ｃを有する走査型ケルビンフォース顕微鏡により計測された標準試料３Ａの各領域の表面電位値とから、導電性カンチレバー１Ｃの深針２Ｃの仕事関数を算出する。具体的には、標準試料３Ａにおける銅（Ｃｕ）板１６、アルミニウム（Ａｌ）１７、白金（Ｐｔ）１８の各領域の仕事関数ｘ＝４．４５ｅＶ、４．２０ｅＶ、５．３６ｅＶと、表面電位ｙ＝０．７０Ｖ、１．００Ｖ、−０．２０Ｖとから、上記で説明したｙ＝（Ａ−ｘ）／ｅの式に基づいて、導電性カンチレバー１Ｃの深針２Ｃにおける仕事関数Ａ＝５．１７ｅＶを算出する。

仕事関数測定装置１００Ｃは、深針２Ｃの仕事関数Ａが具体的に算出された導電性カンチレバー１Ｃを有する走査型ケルビンフォース顕微鏡により、標準試料３Ａとは異なる未知試料の表面電位ｙを測定する。これにより、深針２Ｃの仕事関数Ａと未知試料の表面電位ｙとから、上記で説明したｙ＝（Ａ−ｘ）／ｅの式に基づいて、未知試料の微小領域における仕事関数ｘを算出できる。

以上のように、実施例３によれば、仕事関数が既知である標準試料で仕事関数が校正された導電性カーボンナノチューブを接合した深針の導電性カンチレバーを有する走査型ケルビンフォース顕微鏡を用いた場合にも、実施例１，２と同様に、未知試料の微小領域における仕事関数を算出することができる。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態および実施例の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明の実施の形態による仕事関数測定装置１００の全体構成を示した概略図である。この発明の実施例１による仕事関数測定装置１００Ａの標準試料測定工程を示した図である。この発明の実施例２による仕事関数測定装置１００Ｂの標準試料測定工程を示した図である。この発明の実施例３による仕事関数測定装置１００Ｃの標準試料測定工程を示した図である。

符号の説明

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ導電性カンチレバー、２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ導電性深針、３試料、３Ａ，３Ｂ標準試料、４圧電素子、５，６交流電源、７直流電源、８導電性基板、９光源、１０受光素子、１１，１２ロックインアンプ、１３電圧フィードバック回路、１４Ｚサーボ回路、１５スキャナ、１６銅（Ｃｕ）板、１７アルミニウム（Ａｌ）蒸着膜、１８白金（Ｐｔ）蒸着膜、２０ｐ型シリコン領域、２１ｎ型シリコン領域、１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ仕事関数測定装置。

Claims

仕事関数が既知である標準試料を用いて前記標準試料とは異なる試料の表面形状および表面電位を測定する仕事関数測定装置であって、
先端に深針が取り付けられた導電性カンチレバーと、
前記試料と前記深針との間に作用する物理量を検出する検出部とを備え、
前記検出部は、前記標準試料および前記試料の表面電位を計測し、前記標準試料の前記仕事関数と前記表面電位とを用いて算出される前記深針の仕事関数と、前記試料の前記表面電位とから、前記試料の仕事関数を算出する、仕事関数測定装置。
前記標準試料は、仕事関数が異なる領域を少なくとも２箇所有する、請求項１に記載の仕事関数測定装置。
前記標準試料は、シリコン基板にリンおよびホウ素を注入することにより作製される、請求項２に記載の仕事関数測定装置。
前記標準試料は、２種類以上の金属を含む、請求項１に記載の仕事関数測定装置。
前記深針は、化学的に不活性で気体吸着が無視できるほどに少ない導電体で作製される、請求項１に記載の仕事関数測定装置。
前記深針は、シリコンに金を蒸着することにより作製される、請求項５に記載の仕事関数測定装置。
前記深針は、シリコンに白金を蒸着することにより作製される、請求項５に記載の仕事関数測定装置。
前記深針は、導電性カーボンナノチューブを接合することにより作製される、請求項５に記載の仕事関数測定装置。
前記検出部は、走査型ケルビンフォース顕微鏡によって前記試料と前記深針との間の電位差を検出する、請求項１〜８のいずれかに記載の仕事関数測定装置。