JP4471295B2 - 原子間力顕微鏡プローブ - Google Patents
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Description
AFM100の原理を、図1を用いて説明する(非特許文献1参照)。プローブの先端の探針110が試料160の表面から受ける斥力又は引力を変位に変換するカンチレバー120,カンチレバー120を保持する保持部130,カンチレバー120の変位を検出するレーザ光源142と変位検出器144,試料160を走査するために3次元の方向に高精度に移動させるためのスキャナー150から構成されている。これ全体が防振装置上に載せられており、検出器144の出力の処理やスキャナー150の3次元走査制御は図示しないコンピュータ・システムにより行われている。検出器144の出力から、画像処理が行われて顕微鏡の出力画像となる。図1に示すように、AFMのプローブは、探針110として、カンチレバー120と呼ばれる片持ちの板ばねの先端に微小突起を形成されたものを用いている。この場合は、V字形をした微小突起である。
最も適切な4探針プローブ法は、数十年の間、固体のバルク材の電気特性を理解するのに重要な役割を果たしている。伝導率は、電圧−電流比から求められるが、形状と大きさに関する幾何学効果を補償する必要がある。従来の4探針プローブ技術は、電極間隔に比較して十分大きな空間において伝導率が均質である場合に有効である。しかしながら、伝導率がある領域(電極間隔より小さい領域)で不均質の時、この技術はもはや有効ではない。また、サンプルが基板上の薄膜である時、測定電流は表面、インタフェース面、バルクの3個のチャンネルを通して流れるので、定量的に表面伝導率を評価することは不可能である。そのような難しい問題を解決するためには、不均質な寸法以下に電極間隔を小さくすることが望ましい。
最近、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)方法によって、より高い空間分解能を有する様々な4探針プローブが作製されている。今までのところ、商用で利用可能な電極間隔の最小値は5.0μmである(非特許文献2参照)。また、数百nmの電極間隔を持った4探針プローブも報告されている(非特許文献3参照)。しかしながら、プローブの構造と剛性のために、プローブとサンプルの表面の間の力をほとんど制御することができないので、これらのプローブをスキャンに使用することは難しい。
このように、試料の表面形状を観測する原子間力顕微鏡と、試料の表面の伝導率を計測する4探針プローブとは別々に開発されてきたので、表面の構造と伝導率の双方を計測することは未だ行われていない。
また、前記独立した伝導部分は、プローブ底面(裏側)の金属膜に設けるとよい。
上述の原子間力顕微鏡プローブを使用した原子間力顕微鏡において、前記2つの探針に印加した電流と、前記2つの探針間の電位差を用いて伝導率を計算し、該プローブ上面で照射されたレーザ光の反射を計測してたわみ量を計測し、前記伝導率は、前記電流と電位差から、以下の式で計算することを特徴とする原子間力顕微鏡も本発明である。
上述の4探針型のプローブは、従来からあるV字型の探針を備えるプローブを利用して、微細(FIB)加工により作製することにより、容易に作製することができる。
また、原子間力顕微鏡により、局所的表面形状を画像化することで、試料の微細構造が分かるとともに、同様の画像化処理により、局所的導電率分布の画像も得ることができる。
本発明の実施形態として、最小1.0μmの電極間隔を有した4探針型原子間力顕微鏡プローブ(4PAFMプローブ)について、図2,図3を用いて説明する。このプローブは、表面特性のイメージング能力だけでなく、同時に局所的伝導率を測定する能力も有している。そのうえ、表面への力は10pN以下である。この値は、非破壊測定ができ、またプローブとサンプルの間の十分な電気伝導を確保している。したがって、金属や、有機、無機のサンプルやバイオ材料などの様々な材料に測定を利用することができる。
図2(a)には、図3に示した写真の撮られた位置が示されている。図3(a)は、探針110の先端を示しており、3つのスリットにより、4つの探針部分が形成されている。図3(b)は、カンチレバー120の底面が4つの独立した伝導部分に分かれていることを示している。図3(c)は、プローブ付け根部分が4つの独立した伝導部分に分かれていることを示している。
図2(b)や、図3(a)に示されるように、4PAFMプローブの電極は、集束イオンビームシステム(FIB)を用いたカンチレバー120のチップ上に、3つのスリットを作製することにより構成されている。2つの内側の電極の間隔はおよそ1.0μmであり、外側の電極の間隔は1.5μmである。図3(b)と図3(c)は、カンチレバー底面とプローブの基板を示している。また、カンチレバー120の底面とプローブ基板は、図2(b),図3(b)や図3(c)に示されているように、コーティングされた金の薄膜をエッチングすることによって、4つの独立した伝導部分に分かれて、定電流源及びデジタル電圧計(図示せず)に接続されており、それぞれ電流と電位差信号を伝送する。プローブの2つの外側の電極は電流のソースとドレインとして動作し、電位差を内側の電極間を介して測定するとよい。
ここに提示された2つのイメージは同じものである。しかしながら、図4(a)の円で示した領域にでたらめな線が数個見受けられる。プローブのチップが4つの電極で作られているので、異なった電極間の力の不均質によって引き起こされているカンチレバーゆらぎを導き、反射したAFMレーザ信号のオフセットが増加したのかもしれない。4つの電極が同時にサンプルの表面に接触するかどうかについての検証は、後で議論する。
Claims (3)
- プローブ先端部の探針はV字形をしており、3つのスリットにより4つの部分に分かれて微小探針を形成し、それぞれを独立した伝導部分と接続し、2つの外側の探針から電流を印加し、内側の2つの探針から電位差を測定し、
該プローブ上面で照射されたレーザ光を反射する
ことを特徴とする原子間力顕微鏡プローブ。 - 請求項1に記載の原子間力顕微鏡プローブにおいて、
前記独立した伝導部分は、プローブ底面の金属膜に設けられていることを特徴とする原
子間力顕微鏡プローブ。 - 請求項1又は2に記載の原子間力顕微鏡プローブを使用した原子間力顕微鏡において、
前記2つの探針に印加した電流と、前記2つの探針間の電位差を用いて伝導率を計算し、
該プローブ上面で照射されたレーザ光の反射を計測してたわみ量を計測し、
前記伝導率は、前記電流と電位差から、以下の式で計算することを特徴とする原子間力顕微鏡。
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JP2005189630A JP4471295B2 (ja) | 2005-06-29 | 2005-06-29 | 原子間力顕微鏡プローブ |
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JP2005189630A JP4471295B2 (ja) | 2005-06-29 | 2005-06-29 | 原子間力顕微鏡プローブ |
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