JP5852445B2

JP5852445B2 - 高速走査プローブ顕微鏡

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Description

本発明は、走査プローブ顕微鏡法の分野に関する。

走査プローブ顕微鏡法（Ｓｃａｎｎｉｎｇｐｒｏｂｅｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ：ＳＰＭ）は、走査トンネル顕微鏡の発明とともに誕生している。走査プローブ顕微鏡法とは、簡単に述べると、物理的プローブを用いて試料表面の像を形成することを目的とするものである。ＳＰＭ技術は、そのようなプローブ、たとえば先鋭なチップを試料表面の直上で走査し、同時にプローブと表面との間の相互作用をモニターすることに基づいている。それによって、試料表面の像を得ることができる。一般的には、試料のラスタ走査が行われ、プローブ−表面間の相互作用が位置に応じて記録される。したがって、一般的に、データは、データ点の２次元グリッドとして得られる。

得られる分解能は、根底となる技術によって異なり、原子分解能が得られる場合もある。圧電アクチュエータを用いると、原子スケールより好ましいスケールまでの任意の所望の長さスケールで、正確かつ精密に運動を実行することができる。

ＳＰＭの主な２つのタイプは、おそらく、走査トンネル顕微鏡法（ｓｃａｎｎｉｎｇｔｕｎｎｅｌｉｎｇｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ：ＳＴＭ）および原子間力顕微鏡法（ａｔｏｍｉｃｆｏｒｃｅｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ：ＡＦＭ）である。ＳＴＭの発明に続いて、一連の関連技術（ＡＦＭなど）が急速に開発され、ＳＴＭとともにＳＰＭ技術を形成している。

ＳＴＭにおいてモニターされる相互作用は、導電性基板への至近距離に置かれた金属チップの間を通り抜ける電流である。ＳＴＭの名称は、量子力学の概念であるトンネル効果（ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ）に由来する。量子力学のトンネル効果では、粒子がポテンシャル障壁を通り抜けることが可能である。古典物理学のパラダイムによると、粒子がこの障壁を乗り越えることはできなかった。しかし、量子の世界では、古典的には通過を禁じられたチップと試料との間の空間を、電子が跳び抜けることができる。

その後、表面トポロジーのイメージングを２つのモードのうちの１つで実施することができる。すなわち、
−一定高さモードにて。このモードでは、チップが表面に対して平行に動かされながら、トンネル電流がモニターされる。
−一定電流モードにて。このモードでは、トンネル電流が一定に維持されながら、チップが表面に亘って走査され、チップの振れが測定される。

ＡＦＭ技術では、チップと表面との間の力がモニターされる。これは、近距離のパウリ斥力（コンタクト・モードにて）またはより長距離の引力（ノン・コンタクト・モードにて、純粋にファン・デル・ワールス力）のいずれかとすることができる。

ＳＴＭとＡＦＭの両方においては、試料またはチップのいずれかを動かすことによって、表面に対するチップの位置をきわめて精密にコントロールしなければならない（すなわち約０．１Å以内に）。通常、チップはきわめて先鋭である−表面に最も近づく先端部で、単一原子で終端をなすことが理想的である。

用いるプローブ・チップは、一般的に、白金／イリジウムまたは金で作製される。この点において、先鋭なプローブ・チップを得るための主な２つの方法、すなわち酸エッチングおよび切削が周知である。第１の方法は、最初にワイヤ端部を酸浴槽中に浸漬し、酸浴槽がワイヤを貫いてエッチングし、下部がなくなるまで待つことを意味する。こうして得られたチップは、端部で、直径で１原子とすることができる場合が多い。もう１つの、かつ、より速やかな方法は、細いワイヤを用いて、好都合なツールで切削することである。その後、この方法で作製されたチップを周知のプロフィルを有する試料上で試験すると、チップが好適であるか、否かがわかる。

ＳＴＭは、ＡＦＭの実際の先駆けであり、１９８０年代初期に、ゲルト・ビーニッヒ（ＧｅｒｄＢｉｎｎｉｇ）およびハインリッヒ・ローラー（ＨｅｉｎｒｉｃｈＲｏｈｒｅｒ）によって開発された。この開発によって、２人は１９８６年にノーベル物理学賞を受賞した。ビーニッヒ、クエート（Ｑｕａｔｅ）およびゲーバー（Ｇｅｒｂｅｒ）は、１９８６年に最初のＡＦＭを発明した。これ以降、ＳＰＭの方法およびデバイスの変形または改良が多数開示されている。

例として、特許文献１は、プローブと試料との間の距離をコントロールするためのサーボ系を、試料の表面条件とは無関係に、適正な条件で設定することができる走査型トンネル顕微鏡を提供している。同特許文献は、所望の走査範囲で所望の位置に走査動作の開始位置を設定することができる走査型トンネル顕微鏡をさらに開示している。その前に、所望の位置を常に正確に設定し、拡大像の信頼性を維持するために、プローブの垂直方向の運動に必要なラフな運動機構を用いることなく広範囲の走査動作を達成している。特に、先鋭なチップ端部を有する金属プローブとして用いるトンネル・プローブを、チューブ・スキャナの底面上に支持することができる。一般的に、トンネル・プローブは、装着されると１０ビットＤ／Ａコンバータによってバイアス電圧を供給される。一方、試料は頂面上に配置される。試料の表面に対してわずか約１ナノメートル（ｎａｎｏｍｅｔｅｒ：ｎｍ）の距離に設定されたトンネル・プローブを用いて、設定したバイアス電圧がそこに印加されると、トンネル電流が試料中に流れる。試料中を流れるトンネル電流は、サーボ回路、１２ビットＡ／Ｄコンバータに供給される。

別の例として、特許文献２は、微小電流または微小力を検出するための微細チップを製造する方法を提供している。この方法は、（ａ）第１の基板の表面に陥凹部を形成するステップ、（ｂ）前記第１の基板上に剥離レイヤを形成するステップ、（ｃ）前記剥離レイヤ上に微細チップ材料を積層するステップ、（ｄ）前記剥離レイヤ上の前記微細チップを第２の基板に接着するステップ、および（ｅ）前記剥離レイヤと前記第１の基板との間または前記剥離レイヤと前記微細チップとの間の界面上で剥離を行い、前記微細チップを前記第２の基板上に転写するステップを含む。

さらに別の例として、特許文献３は、走査トンネル顕微鏡を備えた電子顕微鏡を開示している。

特許文献だけではなく、多くの刊行物がＳＴＭ、およびＳＰＭプローブの製造について記載している。たとえば、非特許文献１の表題の論文中に、空気中で、室温にて試料を調査するための走査トンネル顕微鏡と組み合わされた高ＴＣＳＱＵＩＤプローブ顕微鏡が記載されている。高透磁率プローブ針が磁束ガイドとして用いられ、空間分解能が高められた。チップ半径が１００ｎｍ未満のプローブが、マイクロ電解研磨によって調製された。このプローブは、さらに、走査トンネル顕微鏡チップとして用いられた。走査トンネル顕微鏡によって高空間分解能で試料表面のトポグラフィを測定することが可能であった。試料表面からプローブ・チップまでの距離を一定に保持しながら、ＳＱＵＩＤプローブ顕微鏡像を観察することが可能であった。

米国特許第５０５９７９３号米国特許第５５４６３７５号米国特許第４８７４９４５号

"ＳＱＵＩＤＰｒｏｂｅＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅＣｏｍｂｉｎｅｄＷｉｔｈＳｃａｎｎｉｎｇＴｕｎｎｅｌｉｎｇＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ"，Ｈａｙａｓｈｉ，Ｔ．，Ｔａｃｈｉｋｉ，Ｍ．，Ｉｔｏｚａｋｉ，Ｈ．，ＡｐｐｌｉｅｄＳｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ，ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＶｏｌｕｍｅ１７，Ｉｓｓｕｅ２，Ｊｕｎｅ２００７Ｐａｇｅ（ｓ）：７９２−７９５（ＤＯＩ１０．１１０９／ＴＡＳＣ．２００７．８９８５５７）

走査プローブ顕微鏡、走査プローブ方法、および走査プローブ顕微鏡法用プローブが提供される。

１つの実施形態において、本発明は、トンネル電流導電性プローブ、およびプローブと試料との間のトンネル電流を動作中に測定するようになっている電子回路を備え、プローブはトンネル電流導電性部分およびトンネル電流絶縁性部分を備え、導電性部分と試料の表面との間の最小距離を絶縁性部分が決定するように両部分が構成される、走査プローブ顕微鏡を提供する。

他の実施形態において、前記走査プローブ顕微鏡は、以下の特徴の１つまたは複数を含んでもよい。
−導電性部分および絶縁性部分は、プローブが試料表面上でセルフレベリングするのに適するように構成される。
−走査プローブ顕微鏡は、プローブが試料表面上でセルフレベリングするのを可能にする手段を含む。
−導電性部分および絶縁性部分の感知表面は、ほぼ同一の高さである。
−前記絶縁性部分は、導電性部分を少なくとも部分的に囲繞し、たとえば、導電性部分は、外側の絶縁性部分に包まれた、プローブの内側部分である。
−導電性部分はシリコンおよび白金シリサイドを含み、絶縁性部分は二酸化シリコンを含む。
−絶縁性部分は、トンネル電流が実質的に試料内に向かうことが確実にできるように適合(conformed)している。

本発明は、別の実施形態において、上記の実施形態による走査プローブ顕微鏡を提供すること、走査プローブ顕微鏡内に試料を位置決めすること、プローブと位置決めされた試料との間のトンネル電流を前記回路によって測定することを含む、走査プローブ方法をさらに記載する。

さらなる実施形態において、この方法は、以下の特徴の１つまたは複数を含んでもよい。
−この方法は、プローブに作用すること、たとえば、試料表面に向かってプローブに力を加えることをさらに含む。
−この方法は、試料表面の上方でプローブを作動させることをさらに含む。
−この方法は、測定する前に、プローブを提供することをさらに含み、導電性部分はシリコンおよび白金シリサイドを含み、絶縁性部分は二酸化シリコンを含む。
−提供される走査プローブ顕微鏡のプローブの導電性部分および絶縁性部分の感知表面は、ほぼ同一の高さである。
−提供するステップで、提供されるデバイスは、突出している突起部を備え、この方法は、測定する前に、提供されるデバイスの導電性部分および絶縁性部分の感知表面がほぼ同一の高さになるまで試料表面上で前記突起部を研磨するステップをさらに含む。
−この方法は、測定されたトンネル電流を通して試料表面のトポグラフィの変動を捕らえることをさらに含む。

さらに別の実施形態において、本発明は、トンネル電流導電性部分、およびトンネル電流絶縁性部分を備え、動作中に導電性部分と走査プローブ顕微鏡による分析対象の試料の表面との間の最小距離を絶縁性部分が決定するように両部分が構成される、走査プローブ顕微鏡用のプローブを記載している。好ましくは、導電性部分および絶縁性部分は、プローブが試料表面上でセルフレベリングするのに適するように構成される。

本発明を具現化するシステムおよび方法を、非限定的な例として、添付の図面を参照しながら以下に記載することにする。

当該技術分野において周知の通りの、試料表面の上方で動作中のＳＰＭプローブの断面を概略的に図示する。本発明の実施形態によるＳＰＭプローブの断面図を示す。本発明の実施形態によるＳＰＭプローブの、プローブの端部チップを研磨する前の反転カラービットマップである。本発明の実施形態によるＳＰＭプローブの、プローブの端部チップを研磨した後の反転カラービットマップである。標準的なチップから得られたＳＰＭトポグラフィの像を示す。対応する振れ信号を表す。同標準的なチップから得られたＳＰＭ電流像を示す。対応する電流信号である。本発明の実施形態によるプローブで得られた、図５に対応する結果を示す。本発明の実施形態によるプローブで得られた、図６に対応する結果を示す。本発明の実施形態によるプローブで得られた、図７に対応する結果を示す。本発明の実施形態によるプローブで得られた、図８に対応する結果を示す。本発明の他の実施形態によるプローブを概略的に図示する。本発明の他の実施形態によるプローブを概略的に図示する。本発明の他の実施形態によるプローブを概略的に図示する。

図１を参照すると、当該技術分野において周知の通りのＳＰＭプローブ１０の断面が概略的に図示されている。このようなプローブは、走査トンネル顕微鏡またはＳＴＭ用に意図されたものであり、したがって、トンネル電流を導電するようになっている。

したがって、対応するＳＴＭは、プローブ１０と、試料表面１００、たとえばプローブ１０に対して至近距離にある導電性基板との間のトンネル電流７０を、動作中に測定するのに好適に設計された電子回路を備えていてもよい。量子力学のトンネル効果現象は、電子がプローブ１０と試料１００との間の範囲を移動することを可能にする。

チップと表面との相対的な位置を精密にコントロールすること、および、場合によっては、顕微鏡の優れた防振を確保することが可能になるように、エンジニアリング・ソリューション、これ自体が周知であるが、それがさらに提供されてもよい。これは、当該技術分野において周知の通り、高感度圧電位置決めデバイスを用いて実現することができる。したがって、一般的に、プローブの垂直５０および水平６０の両コントロールが、顕微鏡とともに提供される。したがって、表面トポロジーのイメージングは、一定高さモードまたは一定電流モードのいずれかで実施することができる。

プローブ１０は、試料表面の上方でラスタ走査される可能性が高い。基本的に、プローブ１０は、脆弱で先鋭なチップであり、酸エッチングまたは切削などの周知の方法によって得られる。周知の通り、精密な位置決めコントロールが利用可能な場合、振れ信号を測定することによって、試料表面のトポグラフィの変化について信頼性の高い測定値が得られる可能性が高い。一方、電流信号は、抵抗変動について信頼性の高い測定値を提供することになる。

試料は、たとえばいくつかのサブレイヤ１１０〜１５０から構成されていてもよい。頂面上のレイヤ１１０は、表面欠陥１１１を呈する可能性が高く、特に一定高さモードでは、これが走査に支障を来す可能性が高いことが知られている。

次に、図２を参照すると、図１にあるような断面図が示されているが、本発明の第１の実施形態によるＳＰＭプローブ２０に関連するものである。明確に述べると、第１の主な実施形態はＳＰＭプローブに関し、第２の主な実施形態は、このようなプローブを備えたＳＰＭに関し、第３の実施形態はＳＰＭ方法に関する。

図１の典型的なチップ１０とは対照的に、図２のプローブ２０は、トンネル電流導電性部分３０およびトンネル電流絶縁性部分４０を備える。重要なことであるが、導電性部分３０と試料表面との間の最小距離を絶縁性部分が決定するように、前記両部分がさらに構成される。

本発明の第２の実施形態では、ＳＰＭ器具に関し、上記プローブ２０を前記ＳＰＭ器具の一部分としてもよい。前記ＳＰＭ器具は、たとえばＳＴＭ器具であり、したがって、プローブ２０と試料１００との間のトンネル電流７０を測定するための回路を備えていてもよい。図１を参照して述べた通り、トンネル電流をモニターすることは周知の技術であり、上記回路の製造は、それ自体が周知である。

動作において、本発明の第３の実施形態によれば、試料１００はＳＰＭ器具内に位置決めされ、プローブ２０と位置決めされた試料１００との間のトンネル電流を好適な電子回路によって測定することができる。

試料表面１００までの距離が、実際に絶縁性部分４０によって決定されるため、試料表面に対するプローブ２０の垂直位置のコントロールは容易に迅速に実現される。すなわち、部分３０、４０の相対的な構成によって、自己制御型一定高さモードを可能にすることができ、部分３０は、感知される表面の上方で一定の高さになる。両部分の構成によって、試料表面の高速走査が可能になり、これによって高速イメージングを実現することができる。この実現のため、後述するように、部分３０、４０の様々な構造的形態を検討することができる。特に、特定の構造的形態によって、トンネル効果を通してトポグラフィの変動を精密に捕らえることが可能になる。

上記の通り、プローブの水平コントロール６０および防振を確保するために、問題にしているＳＰＭには、好都合なソリューションが場合によっては役に立つことがある。より一般的には、前記ＳＰＭは、プローブに作用する任意の好適な手段５５、６０を含んでもよい。このような手段５５は、たとえば、試料表面に向かってプローブに力を加えるように設計することができる。しかし、それは、試料に向かってプローブを適度に付勢するのに十分なものであることに留意されたい。したがって、これとは別に、試料表面１００までの距離は絶縁性部分４０によって決定されるため、垂直コントロールに必要な精度は、通常より大幅に厳密性が低い。

好ましくは、図２で例示したように、プローブが試料表面上でセルフレベリングするのに適するように、導電性部分および絶縁性部分が構成される。このことは、試料表面の上方でのプローブ２０の動作をさらに大幅に単純化し、したがって、試料表面が絶縁性部分によって損傷を受けるとすれば、高速走査速度が実現される。

様々な構造的形態によって好都合になる。図１３〜１５を参照されたい。たとえば、絶縁性部分４０が、部分的にまたは全体的に導電性部分３０（図１５）を囲繞してもよい。図２または１３の例では、導体３０が全体的に囲繞され、導電性部分および絶縁性部分の感知表面がほぼ同一の高さである。しかしこれは必須というわけではない。図１４または１５を参照されたい。絶縁性部分４０の平均断面は導電性部分３０の平均断面より大幅に大きい場合が多い。

加えて、場合によっては分析対象の試料の表面に基づいてプローブが設計され得ることを、当業者は理解することができる。たとえば、プローブの感知表面の直径ｄを、試料表面の欠損または構造の細部の間の平均距離Ｄによって設定してもよい。好ましくは、ｄはＤより大になるように設定するべきである。このようにして、プローブは、必然的に試料の上方で走査されながら試料表面上でセルフレベリングする。しかし、ほとんど完全に平面である表面（たとえばＳｉ）が分析対象として検討される場合は、試料の表面に基づいてｄを設定する必要はない。

再び図２を参照すると、試料表面に接触して置かれた場合、プローブ２０の底面は、必ずしも平滑および平坦というわけではない表面に接触する。たとえば、１つまたは複数の表面欠陥１１１に接触する可能性が高い。しかし、プローブの底面は、その形態のため、必然的に試料表面に順応することができる。

したがって、部分３０、４０は、試料までの最小距離を絶縁性部分４０が決定するように構成されるだけでなく、場合によっては、プローブ２０がセルフレベリングするように、すなわち試料１００の上方で走査されながら表面上で垂直方向に自己調整するように配備されてもよい。

しかし、導電性部分３０自体の寸法は依然として標準的で、すなわち小さく、表面の細部に関しては平滑である。したがって、振れ信号を測定すると、トポグラフィの変化は平均化されたものになるが、電流信号を測定すると、トンネル効果を通してトポグラフィの変動を精密に捕らえられる可能性が高い。

なお、絶縁性部分および導電性部分の底面は必ずしも同一の高さ（図２または１３にあるように）である必要はない。逆に、導電性部分の底面が、絶縁性部分の底面に対してわずかに内側に入り込んでいてもよく（図１４を参照）、これによって導電性部分が物理的に保護される。しかし、このようなプローブの構成は、プローブを導体の周囲で研磨する必要があるため、設計がより困難である可能性がある。したがって、試料表面までの最小距離を絶縁性部分４０が決定し、同時に導電性部分の底面が試料表面と接触することを不可能にするように、部分３０、４０を構成するのがよい。

特に図３および４を参照して後述するように、部分３０、４０の他の形態が検討されてもよい。

完全性を期するため、試料１００はいくつかのサブレイヤ１１０〜１５０から構成されてもよいことに再度留意されたい。図２の例では、頂面のレイヤ１１０は約６ｎｍの添加炭素である。これは表面欠陥１１１を呈する可能性が高い。次のレイヤ１２０は、２０ｎｍのアモルファスＧＳＴ、すなわちＧｅ_２Ｓｂ_２Ｔｅ_５の非晶相である。その下は、これより厚い別の添加炭素レイヤ１３０（ここでは１２８ｎｍであるが、数字の規模は実際的であることを意図するものではない）である。その次のレイヤ１４０、１５０は、ＳｉＯ_２およびＳｉとすることができる。

次に、図３は、本発明の実施形態による方法で用いられるＳＰＭプローブの加工初期段階での反転カラービットマップである。前述したように、プローブ２０は、トンネル電流導電性部分３０およびトンネル電流絶縁性部分４０を備える。この例において、導電性部分は、外側の絶縁性部分の内側に包まれたプローブの内側部分である。なお、図２と比べるとプローブの向きが逆であり、ここでは部分３０、４０の感知表面が最上部にある。

図３の例では、導電性部分３０はシリコンおよび白金シリサイドを含み、絶縁性部分は二酸化シリコンを含む。このことによって、製造に好都合となる。

このようなチップは、ナノ・テクノロジーまたは微細加工技術あるいはその両方を用いて製造することができるが、さらに、本発明の目的に好適に適合させることができる。たとえば、チップは、現存の先鋭な導電性カンチレバー（白金シリサイドのチップ先端を備えたシリコン・マイクロカンチレバーなど）を誘電体（プラズマ化学気相堆積を用いた二酸化シリコン堆積など）でコーティングし、その後このような材料をエッチングして導電性のコアを露出させることによって製造することができる。

さらに、導電性部分３０は、絶縁性部分４０から突出している突起部３２を示している。したがって、まだ、前記部分３０、４０は、試料表面までの最小距離を絶縁性部分が決定するように構成されていない。

動作可能なプローブを得るために、本発明による方法は、ある実施形態において、図４に図示したように、提供されるデバイスの導電性部分および絶縁性部分の感知表面がほぼ同一の高さになるまで、前記突起部３２を試料表面上で研磨するステップをさらに含んでもよい。すなわち、Ｓｉの小突起部３２は摩滅して酸化物４０と同一の高さになる。接触領域が増加するため、この時点で研磨は大幅に減速する。

図４では、プローブの突起部３２を研磨した後のものとして、図３のＳＰＭプローブの反転カラービットマップが示されている。なお、図４の図は、図３と比べると、垂直軸に対して回転したものである。

この例では、導電性部分の感知表面３４は約４７ｎｍの平均半径３５を有し、絶縁性部分の感知表面４４はこれより大幅に長い平均半径４５を有し、ここでは約１４７ｎｍである。

この時点でプローブ２０用として得られる構成によって、絶縁性部分４０は、ここで試料までの最小距離を決定する。加えて、上記の通り、プローブ２０が試料表面上で、少なくとも外側の絶縁性リングの感知表面の最小直径未満の間隔で置かれた表面細部に対してセルフレベリングすることができるように、部分３０、４０はさらに構成される。

さらに、図３および４の例にあるように、動作中にトンネル電流が実質的に試料内に向かうように絶縁性部分を適合させることができる。これを実現するため、絶縁性部分を十分に電子不透過性である可能性の高いものにすると、電子に対する最小抵抗の経路が、試料へのまたは試料からの中心部に沿う。このようにして、不要な周辺トンネル電流の影響は、除去されないとしても低減はされる。さらに、これによって横方向分解能および精度が著しく向上する。

図５は、図１を参照して上に述べた通りの、標準的なチップから得られたＳＰＭトポグラフィの像を示す。試料表面と直交するカンチレバーのずれをモニターするフォトダイオードを備えた特注装置を用いて、コンタクト・モード・イメージングを実施し、このようにして、本発明の実施形態によるプローブを用いて得られた結果と比較するために表面を測定した。

図５の像は、Ｘ−Ｙ平面に沿ったトポグラフィの変動を表す。両軸方向の単位は、ナノメートル（ｎｍ）である。Ｘ軸およびＹ軸の数字は、走査中のカンチレバーの位置を示す。

トポグラフィの変動は、チップ半径によって設定された分解能限界内で確実に捕らえられる。特に、図６で確認することができるように、捕らえられたトポグラフィの変動は２ｎｍ（垂直方向）未満である。図６は図５の断面を示し、Ｘ−Ｙ平面中の特定の線に沿った対応する振れ信号である。実際、図６において、垂直軸に用いられる単位はマイクロメートル（ｍｉｃｒｏｍｅｔｅｒ：μｍ）であり、０．００２μｍ未満の変動が実際に可視化されている。

図７および８は、図５および６と類似しているが、電流モードで得られた結果を示す（図８において縦軸の単位はマイクロアンペア（ｍｉｃｒｏａｍｐｅｒｅｓ：μＡ）である）。電流像および電流信号は、図５および６におけるものと同一の標準的なチップを用いて得られる。ここでは、表面の多様性に従って電流信号が変動し、信号分解能はチップの分解能限界を超えていない。

次に、図９〜１２は、図５〜８に対応する結果を示すが、本発明の実施形態によって得られたものである。特に、用いられたプローブは、試料表面までの最小距離を絶縁性部分が決定するように構成されている。

図９では、プローブの感知表面が、図５〜８において用いられた標準的なチップの感知表面より大幅に広いため、予想通り、トポグラフィカル・フィーチャは平均化されたものとなった。フィーチャのサイズは、ここではチップのサイズであるとみられる。

しかし、図１１〜１２の像は印象的な対比を示し、図７〜８に対して大幅に改良されている。ここで、電流における膨大な変動が見られることになる。図１２を参照されたい。事実、ここでは、トポグラフィカル・フィーチャがきわめて高い分解能で電流像の中に現れているように見える。

さらに、本発明の全ての実施形態は、絶縁性部分および導電性部分の両方の相対的な構成のため、固定したプローブ−試料の離隔距離を精密に制御する必要性を排除することができる、ということを想起する価値がある。これと同じ理由で、周知のソリューションと比較してきわめて高速でプローブを動作させることができる。上記の装置において、一般的な０．１ｍｍ／ｓの速度が達成されたが、これは大幅に改善され得る。しかも、プローブは標準的な先鋭なチップより大きく、耐性が優れている可能性が高いため、このプローブは破壊式プローブ手段として用いることができる。さらに明確に述べると、表面欠陥またはチップの先端あるいはその両方がプローブによって破壊されるような速度で、表面の上方でプローブをラスタ走査することが可能である。

最後に、図１３〜１５は、本発明のさらなる実施形態による種々のプローブ断面の概略図を示す。プローブ２０は、ここでも、トンネル電流導電性部分３０およびトンネル電流絶縁性部分４０を備え、動作中に導電性部分３０とＳＰＭによる分析対象の試料の表面との間の最小距離を絶縁性部分が決定するように両部分が構成される。

図１３では、プローブ２０は図２にあるものと全く同じである。

図１４では、上記の通り、導電性部分がわずかに内側に入り込んでいる。

図１５では、導電性部分は包まれていない、すなわち、絶縁性部分４０によって全体的に囲繞されているわけではない。しかし、上記で詳細に述べたように構成されているため、試料までの最小距離を絶縁性部分が決定する。同様に、種々の非対称形が検討可能である。

本発明は、一定の実施形態に関して記載されてきたが、本発明の範囲を逸脱することなく、種々の変更がなされてもよく、均等物に置換されてもよいことが、当業者に理解されるであろう。さらに、本発明の範囲から逸脱することなく、特定の状況または材料を本発明の教示に適合させるために、多くの変形がなされてもよい。したがって、本発明は、開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は、添付の特許請求の範囲の範囲内に入る全ての実施形態を含むことを意図するものである。たとえば、上記のもの以外の材料を用いて本発明によるプローブを製造してもよい。

Claims

トンネル電流導電性プローブと、
前記プローブと試料との間のトンネル電流を、動作中に測定する電子回路とを備え、
前記プローブは、トンネル電流導電性部分と、トンネル電流絶縁性部分とを備え、
前記両部分は、前記導電性部分の感知表面と前記試料の表面との間の最小距離を前記試料の表面の少なくとも一部に接触する前記絶縁性部分の平坦な表面が決定するように、前記導電性部分の感知表面を囲繞する前記絶縁性部分の平坦な表面の面積が前記導電性部分の感知表面の面積よりも大きくなるように構成される、走査プローブ顕微鏡。
前記導電性部分の感知表面および前記絶縁性部分の平坦な表面がほぼ同一の高さである、請求項１に記載の走査プローブ顕微鏡。
前記導電性部分の感知表面は前記絶縁性部分の平坦な表面よりも窪んでいる、請求項１に記載の走査プローブ顕微鏡。
前記導電性部分がシリコンおよび白金シリサイドを含み、前記絶縁性部分が二酸化シリコンを含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の走査プローブ顕微鏡。
前記プローブは下底が上底よりも短い逆台形の断面を有し、前記導電性部分の感知表面および前記絶縁性部分の平坦な表面は前記逆台形の断面の下底に位置する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の走査プローブ顕微鏡。
トンネル電流導電性プローブと、
前記プローブと試料との間のトンネル電流を、動作中に測定する電子回路とを備え、
前記プローブは、トンネル電流導電性部分と、トンネル電流絶縁性部分とを備え、
前記両部分は、前記導電性部分の感知表面と前記試料の表面との間の最小距離を前記試料の表面の少なくとも一部に接触する前記絶縁性部分の平坦な表面が決定するように、前記導電性部分の感知表面を囲繞する前記絶縁性部分の平坦な表面の面積が前記導電性部分の感知表面の面積よりも大きくなるように構成される、走査プローブ顕微鏡に適用される方法であり、
前記走査プローブ顕微鏡内に前記試料を位置決めするステップと、
前記プローブと前記位置決めされた試料との間のトンネル電流を前記回路によって測定するステップと、
を含む走査プローブ方法。
トンネル電流導電性部分と、
トンネル電流絶縁性部分とを備え、
前記両部分は、動作中に前記導電性部分の感知表面と走査プローブ顕微鏡法による分析対象の試料の表面との間の最小距離を前記試料の表面の少なくとも一部に接触する前記絶縁性部分の平坦な表面が決定するように、前記導電性部分の感知表面を囲繞する前記絶縁性部分の平坦な表面の面積が前記導電性部分の感知表面の面積よりも大きくなるように構成される、前記走査プローブ顕微鏡法用のプローブ。