探針、片持ち梁、走査型プローブ顕微鏡、及び走査型トンネル顕微鏡の測定方法
【課題】ＡＦＭを用いることで表面が金薄膜１０４で覆われた尖鋭部１０３と被測定試料
２０１との間の距離をトンネル電流が流れる距離にまで近接させることが出来るようにな
り、印加電圧−トンネル電流の関係の面内分布が測れるようになった。しかし、尖鋭部１
０３からの電界により被測定試料２０１中のバンド構造が歪められ、精密に測定を行うこ
とが困難であった。そこで、被測定試料２０１中のバンド構造をより精密に測定するため
の探針を提供する。
【解決手段】尖鋭部１０３を覆うように形成された金薄膜１０４を、さらに酸化シリコン
等からなるトンネル絶縁膜１０５で覆う。ＡＦＭの接触モードで尖鋭部１０３と被測定試
料２０１との距離が極めて近くなった場合でも、尖鋭部１０３を覆う金薄膜１０４と被測
定試料２０１との間にはトンネル絶縁膜１０５分の絶縁物が介在するため、被測定試料２
０１のバンド構造を乱さずに測定することができる。
２０１との間の距離をトンネル電流が流れる距離にまで近接させることが出来るようにな
り、印加電圧−トンネル電流の関係の面内分布が測れるようになった。しかし、尖鋭部１
０３からの電界により被測定試料２０１中のバンド構造が歪められ、精密に測定を行うこ
とが困難であった。そこで、被測定試料２０１中のバンド構造をより精密に測定するため
の探針を提供する。
【解決手段】尖鋭部１０３を覆うように形成された金薄膜１０４を、さらに酸化シリコン
等からなるトンネル絶縁膜１０５で覆う。ＡＦＭの接触モードで尖鋭部１０３と被測定試
料２０１との距離が極めて近くなった場合でも、尖鋭部１０３を覆う金薄膜１０４と被測
定試料２０１との間にはトンネル絶縁膜１０５分の絶縁物が介在するため、被測定試料２
０１のバンド構造を乱さずに測定することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、探針、片持ち梁、走査型プローブ顕微鏡、及び走査型トンネル顕微鏡の測定
方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
被測定試料の表面形状を測定するための装置として、原子間力顕微鏡（以下ＡＦＭとも
言う）が知られている。ＡＦＭとは、被測定試料の表面での原子の並びから受ける原子間
力を検出できるよう形成された尖鋭部を探針の先端に設け、尖鋭部を被測定試料と近接さ
せることで受ける原子間力を制御信号として尖鋭部と被測定試料との距離を制御しながら
被測定試料の表面を走査する装置である。
【０００３】
特に、探針の尖鋭部を被測定試料と近接させて測定する方法を接触モードの測定と呼び
、尖鋭部と被測定試料との間はトンネル電流が流れる程度に接近する。
【０００４】
ＡＦＭを用いることで得られる制御信号を基として、被測定試料の表面形状を知る技術
が公知とされている。例えば特許文献１として、ＡＦＭでおよその位置合わせを行い、更
に尖鋭部と被測定試料との間に流れるトンネル電流値を一定にするよう尖鋭部と被測定試
料との距離を制御し、被測定試料の表面形状を測定する技術が公知とされている。
【０００５】
さらに、尖鋭部と被測定試料との間に電位を与え、電位を掃引することで尖鋭部と被測
定試料との間に流れるトンネル電流と電位との関係を知る技術が例えば、特許文献２、３
、４で公知とされている。
【０００６】
測定により得られたトンネル電流と電位との関係から被測定試料の電子分布を知ること
ができ、例えばトンネル電流が流れ始める電位から、尖鋭部と、被測定試料の特定の位置
との間での仕事関数差を知ることができる。ここで、尖鋭部に仕事関数が既知の金属を用
いた場合には被測定試料の特定の位置での仕事関数を知ることが可能となる。
【０００７】
【特許文献１】特開昭６２−１３０３０２号公報
【特許文献２】特開平３−２１０４６５号公報
【特許文献３】特開平３−２７７９０３号公報
【特許文献４】特開平４−３６１１１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記した特許文献１の技術では、被測定試料に絶縁性のパーティクルが
付着していた場合等には、絶縁性のパーティクルにはトンネル電流が流れないため、尖鋭
部はトンネル電流を維持させるようパーティクルに接近し、場合によっては衝突してしま
うおそれがある。
【０００９】
また、尖鋭部がＡＦＭの接触モードで制御可能な程度に被測定試料と接近すると、尖鋭
部から被測定試料に流れ込むトンネル電流が過大となり、被測定試料のバンド構造が乱さ
れてしまい、被測定試料のバンド構造や仕事関数を知ることが困難になるという問題を有
している。
【００１０】
上記した特許文献２、３、４の技術では被測定試料と尖鋭部との間にトンネル電流が流
れるという記述しか例示されておらず、探針の構造については全く開示されていない。そ
のため、特許文献２、３、４の技術を用いても、被測定試料のバンド構造の乱れを抑えて
測定することは困難である。
【００１１】
そこで、本発明では従来のこのような問題を解決し、ＡＦＭの接触モードで安定するよ
うに被測定試料と尖鋭部とが近接した場合でもバンド構造の乱れを抑えられる探針、片持
ち梁、走査型プローブ顕微鏡、及び走査型トンネル顕微鏡の測定方法を提供することを目
的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
＜構成１＞上記課題を解決するために本発明の探針は、探針と被測定試料間に働く原子
間力を制御信号として前記探針と前記被測定試料との距離を制御する距離制御部を有し、
前記探針と前記被測定試料との間に、電圧を掃引するように印加することで発生するトン
ネル電流と、印加電圧との関係を測定する測定装置に用いられる探針であって、前記探針
は前記被測定試料に近接する側の端部に、導電部と前記導電部を包むよう配置された絶縁
部からなる尖鋭部を有し、前記導電部は、導体、又は導体を被覆されてなり、前記導電部
と前記被測定試料との間に流れる前記トンネル電流が検出されるよう形成され、前記絶縁
部は前記測定装置から前記導電部に印加された電圧に対し、前記トンネル電流が前記測定
装置により測定し得る電流強度が得られる厚さを有し、且つ前記被測定試料のバンド構造
に与える影響を抑制しうる厚さを有しており、加えて前記原子間力を制御信号として帰還
制御を行う場合に副次的に発生する応力による磨耗に対して耐性がある絶縁皮膜を用いて
形成され、且つ前記探針には前記測定装置により印加された電圧を前記尖鋭部の導電部に
導くための導電機構が形成されてなることを特徴とする。
【００１３】
この構成によれば、前記尖鋭部の前記導電部と前記被測定試料との間に、前記測定装置
から前記導電部に印加された電圧に対し、前記トンネル電流の強度が前記測定装置により
測定し得る厚さを有し、且つ前記被測定試料のバンド構造に与える影響を抑制しうる厚さ
を有する前記絶縁部を設けているため、測定精度を保ち、且つ前記被測定試料のバンド構
造に与える影響を抑えて前記被測定試料の前記バンド構造を抽出できる探針を構成するこ
とができる。
【００１４】
また、絶縁部は副次的に発生する応力による磨耗に対して耐性がある絶縁皮膜を用いて
いるため、測定に起因する探針の磨耗量が抑えられ、再現性の高い測定を行うことができ
る探針を得ることができる。
【００１５】
＜構成２＞また、上記した本発明の探針は、前記絶縁皮膜は、酸化シリコン、窒化シリ
コン、酸化ハフニウム又はチオール系自己組織化膜からなることを特徴とする。
【００１６】
この構成によれば、耐磨耗特性に優れ且つ容易に形成可能な前記絶縁皮膜を形成するこ
とができ、再現性の高い測定を行える探針を得ることができる。
【００１７】
＜構成３＞また、上記した本発明の探針は、前記導体は、表面状態が大気中で安定して
いる貴金属である金、ルテニウム又は白金からなることを特徴とする。
【００１８】
この構成によれば、金、ルテニウム又は白金は表面状態が大気中でも安定しているため
、前記導体の表面に寄生生成物が出来にくいため、仕事関数の値をより精密に算出しうる
探針を得ることができる。
【００１９】
＜構成４＞また、上記した本発明の片持ち梁は、前記原子間力により撓むよう弾性を有
する片持ち梁であって、前記片持ち梁の固定端部は前記片持ち梁を支える支持体と固定さ
れ、前記片持ち梁の自由端部は前記尖鋭部を備えた前記探針を固定してなり、又前記尖鋭
部と前記被測定試料間に働く前記原子間力を、前記原子間力により生じる前記片持ち梁の
撓み量として検出するための撓み検出部を備えてなり、更に前記片持ち梁は導体、又は導
体を被覆されてなり、前記支持体と前記探針とは電気的に接続されていることを特徴とす
る。
【００２０】
この構成を用いることで、前記尖鋭部と前記被測定試料間に働く前記原子間力を、前記
原子間力により生じる前記片持ち梁の撓み量として検出することができる。測定が困難な
前記原子間力を測定が容易な撓み量に変換して抽出することができるため、前記尖鋭部を
備えた前記探針と前記被測定試料との距離を制御する前記距離制御部へ前記原子間力を制
御信号として与えることができる。
【００２１】
そのため、前記撓み量を制御する帰還制御が可能となり、前記尖鋭部と前記被測定試料
との距離を制御することができる。更に、同時に前記尖鋭部と前記被測定試料との間の距
離を計測することができる。
【００２２】
また、前記片持ち梁は導体、又は導体を被覆されてなり、前記支持体と前記探針とを電
気的に接続してなるため、前記支持体から前記探針に電圧が伝えられる。前記探針は、前
記尖鋭部へ電圧を伝えるための前記導電機構を有しているため、前記支持体に電圧を印加
することで、前記尖鋭部に電圧を伝達することができる。
【００２３】
＜構成５＞また、上記した本発明の片持ち梁は、前記撓み検出部は、前記自由端部側に
あり前記探針の裏面に位置する光反射部を設け、光線を前記光反射部に照射し、前記光反
射部により反射された前記光線の投影位置を検出することで前記片持ち梁の変形量を抽出
する光てこであることを特徴とする。
【００２４】
この構成によれば、前記片持ち梁の前記自由端部側に設けられた前記光線の前記反射手
段に前記光線を照射し、前記光反射部により反射された前記光線の前記投影位置を検出す
る前記光てこを用いることで、前記片持ち梁の動作に影響を与えることなく前記片持ち梁
の変形量として表される前記尖鋭部と前記被測定試料との距離を抽出する片持ち梁を得る
ことができる。
【００２５】
＜構成６＞また、上記した本発明の走査型プローブ顕微鏡は、構成４に記載の片持ち梁
を用いた走査型プローブ顕微鏡であって、前記尖鋭部と前記被測定試料間に働く前記原子
間力を制御信号として前記尖鋭部と前記被測定試料との距離を各測定点において少なくと
も測定中は前記距離が保持されるよう制御可能であって、且つ前記被測定試料の表面方向
に沿って前記尖鋭部と前記被測定試料とが相対的に移動可能であることを特徴とする。
【００２６】
この構成によれば、前記片持ち梁に固定された前記探針の前記尖鋭部と、前記被測定試
料間に働く前記原子間力を制御信号として、前記尖鋭部と前記被測定試料との距離を測定
中は制御又は固定した状態を保ち、非測定の場合は前記被測定試料の表面方向に沿って前
記尖鋭部と前記被測定試料とが相対的に移動可能であるため、前記被測定試料内にある測
定すべき領域の電流−電圧特性測定を行う局所電流−電圧特性測定装置を得ることができ
る。
【００２７】
＜構成７＞また、上記した本発明の走査型プローブ顕微鏡を用いた測定方法は、構成４
に記載の片持ち梁に固定された前記探針を用いて、前記測定点の少なくとも一部の測定点
について前記尖鋭部と前記被測定試料との間に流れるトンネル電流を測定し、被測定試料
の局所的なバンド構造を抽出することを特徴とする。
【００２８】
この測定方法によれば、前記被測定試料の局所状態密度又はバンドギャップを調べるた
めに前記尖鋭部と前記被測定試料との間の電位を振り、前記電位に対応するトンネル電流
を測定する。前記トンネル電流は、ポテンシャルエネルギーがトンネル電流を発信する側
と同じポテンシャルエネルギーを受信する側が有していて、且つ受信する側のポテンシャ
ルエネルギーにあたる準位に空きがある場合、前記空きの準位密度に比例した量だけ流れ
ることができる。従って、この測定方法を用いることで一点若しくは多点で局所状態密度
又はバンドギャップを調べることができる。
【００２９】
＜構成８＞また、上記した本発明の走査型プローブ顕微鏡を用いた測定方法は、前記尖
鋭部と前記被測定試料との距離を制御する信号を用いて前記被測定試料の表面形状を同時
に測定することを特徴とする。
【００３０】
この測定方法によれば、前記被測定試料の形状と、バンド構造との相関を得ることがで
きる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明を具体化した実施例について図面に従って説明する。
【００３２】
（実施形態１）
図１（ａ）は、本発明に係る探針を備えた片持ち梁の構造を説明するための斜視図、図
１（ｂ）は本発明に係る片持ち梁の拡大断面図である。以下、図１（ａ）及び図１（ｂ）
を用いて探針、片持ち梁及び支持体の構造について説明する。
【００３３】
図１（ａ）に示されるように、酸化シリコンからなる厚さ１μｍ、長さ１５０μｍ、幅
２０μｍ程度の寸法を有する片持ち梁１０１は、厚さ５００μｍ程度のシリコン単結晶か
らなる支持体１０２と接合されている。
【００３４】
シリコン単結晶からなる探針１００は、一端が支持体１０２に固定されている片持ち梁
１０１の他端側に配置されている。
【００３５】
そして、一端が片持ち梁１０１と固定された探針１００の他端には尖鋭部１０３が形成
されている。尖鋭部１０３の先端角度は１０°程度であり、微細構造の観測に優れた構造
を有している。
【００３６】
また、片持ち梁１０１の、探針１００を固定している領域の裏面は、光反射部１０６と
して機能する。光反射部１０６に例えばレーザ光線を照射し、その反射光の振れを検出す
ることで、原子間力による片持ち梁１０１の撓みを片持ち梁１０１の動作に殆ど影響を与
えることなく抽出することができる。
【００３７】
また図１（ｂ）に示されるように探針１００、片持ち梁１０１、支持体１０２、尖鋭部
１０３には支持体１０２に印加された電位が片持ち梁１０１、探針１００を経由して尖鋭
部１０３に伝達されるよう、金薄膜１０４で覆われている。金薄膜１０４を用いた場合に
は、膜厚として１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度の膜厚を有することが好ましい。１０ｎｍ以上
の膜厚であれば電気的な寄生抵抗値はトンネル電流の測定に対して無視し得る程度の値に
抑えることができる。また、１００ｎｍ以下の膜厚であれば片持ち梁１０１の撓み動作に
与える影響を抑えることができるため好ましい。なお、金薄膜の形成方法としては、例え
ばスパッタ法等を用いることができる。
【００３８】
図１（ｂ）に示されるように尖鋭部１０３に位置する金薄膜１０４は、例えば酸化シリ
コン膜からなるトンネル絶縁膜１０５により覆われている。トンネル絶縁膜１０５は、支
持体１０２に印加された電位が直接被測定試料に印加されることによる被測定試料中のバ
ンドの曲がりを抑制するよう設けられている。トンネル絶縁膜１０５の厚みは、被測定試
料のバンド構造の曲がりを抑制し、且つトンネル電流の測定を行う場合にトンネル電流値
を測定困難な値にまで落とすことがないよう選択され、例えば１ｎｍから２ｎｍ程度の膜
厚を選ぶことができる。
【００３９】
尖鋭部１０３を有する探針１００を用いてトンネル電流・電圧測定（以下ＳＴＭと言う
）を行うことで、被測定試料のバンド構造に与える電気的な影響を抑制することができ、
被測定試料のバンド構造を忠実に反映したＳＴＭを行うことができる。
【００４０】
本実施形態では、トンネル絶縁膜１０５として酸化シリコン膜を用いているが、これは
窒化シリコン、酸化ハフニウム又はチオール系自己組織化膜等、接触モードでのＡＦＭ測
定に副次的に発生する応力による磨耗に対して耐性がある絶縁皮膜であれば特に制約はな
く、トンネル絶縁膜１０５に用いている酸化シリコン膜に代えて用いることができる。
【００４１】
また本実施形態では、支持体１０２から尖鋭部１０３に電位を伝えられるよう用いてい
る金薄膜１０４を用いているが、これは金薄膜に代えて金同様表面状態が大気中で安定し
ている貴金属であるルテニウム又は白金等の薄膜を用いても良い。
【００４２】
また、探針１００を形成する材質は単結晶シリコンに限定される事は無く、例えば窒化
シリコン等の材料を用いても良い。
【００４３】
（実施形態２）
図２は、実施形態１で説明した探針、片持ち梁、及び支持体を用いたＡＦＭ／ＳＴＭの
構成図である。以下、図２を用いてＡＦＭ／ＳＴＭの構成を説明する。なお、Ｚ軸は被測
定試料の測定面に対して法線方向に取っている。
【００４４】
被測定試料２０１は、Ｘ、Ｙ、Ｚ各方向に移動可能な導電性を有するステージ２０２上
に配置される。ステージ２０２は、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向に対して独立に変位可能なピエゾ駆動
装置２０３上に配置されている。
【００４５】
Ｚ軸サーボ回路２０８は、レーザ光源２０６と、４分割フォトダイオード等の検出素子
を有する光学系２０７からの信号を制御信号として動作し、片持ち梁１０１の撓み量を一
定に保つようステージ２０２の高さを制御する。この制御方法はＡＦＭ測定装置の構成及
び動作として公知のものである。
【００４６】
ＣＰＵ２１０からの信号に基づき、電圧源２０４より支持体１０２に印加された、例え
ば三角波状に変調された電圧は、片持ち梁１０１を経由して、探針１００、尖鋭部１０３
を通して被測定試料２０１に印加される。当該電圧が印加された場合の電流値は電流計２
０５により検出され、ＣＰＵ２１０に伝達され記憶及び処理が為される。ＣＰＵ２１０は
電圧値と電流値を元として信号処理を行い、ＣＲＴ２１１に信号処理結果などを表示させ
る。
【００４７】
Ｘ，Ｙ走査回路２０９は、上記した測定を規定された面内について測定するためにＣＰ
Ｕ２１０からの信号に基づき、ピエゾ駆動装置２０３をＸ，Ｙ方向に駆動することでステ
ージ２０２上の被測定試料２０１をＸ，Ｙ方向に駆動する。
【００４８】
上記した構成を用いることで印加電圧と、トンネル電流と、Ｘ，Ｙ座標との関係を面内
分布として得ることが可能となる。
【００４９】
（実施形態３）
実施形態２で説明した構成を用いて各測定点におけるトンネル電流の測定方法を以下に
説明する。同様の測定を規定された面内で多数回行うので、１点分の測定方法について説
明する。図４は、本測定方法を実行するためのフローチャートである。なお、Ｚ軸は被測
定試料の測定面に対して法線方向に取っている。
【００５０】
まず工程１として、レーザ光源２０６と光学系２０７からの信号をＺ軸サーボ回路２０
８で処理し制御信号として片持ち梁１０１の撓み量を一定に保つようステージ２０２の高
さを制御する。この処置により、尖鋭部１０３と被測定試料２０１の距離は規定された面
内について一定に保たれる。
【００５１】
次に工程２として、後述する電圧の印加による電磁気力による変位を避けるためＺ軸サ
ーボ回路２０８のサーボを停止し、ステージ２０２の高さを一定値に保持する。この処置
により、後述する電圧の印加による電磁気力に起因する尖鋭部１０３と被測定試料２０１
との間の距離の変化を抑えることができる。なお、この工程は必須のものではなく、測定
条件等によっては省略し、サーボを掛けた状態で以降の工程を行うことができる。
【００５２】
次に工程３として、尖鋭部１０３に例えば三角波状に変調された電圧を印加し、尖鋭部
１０３と被測定試料２０１との間に流れるトンネル電流を測定する。
【００５３】
ここで、トンネル電流を測定し処理することで得られる物理量の一例として有機発光体
の最小空分子軌道を求める例について説明する。
【００５４】
図３（ａ）及び図３（ｂ）は、導電性基板３０１上に有機発光体３０２を被覆した被測
定試料２０１を用い尖鋭部１０３と被測定試料２０１との間に電圧を掛けた場合のバンド
図である。図３（ａ）に示すように、導電性基板３０１上に形成された有機発光体３０２
のバンド構造は、最高被占分子軌道（図３にはＨＯＭＯとして記載）と最小空分子軌道（
図３にはＬＵＭＯとして記載）を含んでいる。
【００５５】
尖鋭部１０３に電子のポテンシャルエネルギーを上げるよう電圧を印加していくと、尖
鋭部１０３を被覆した金薄膜１０４からトンネル絶縁膜１０５を介してトンネル電流ｅが
有機発光体３０２中にトンネル現象により流れ込むようになる。トンネル電流は、同一の
エネルギー準位を有する状態に流れ込むので、トンネル電流が流れ始めた電圧を有機発光
体３０２の最小空分子軌道のポテンシャルエネルギーとして扱うことができる。
【００５６】
金薄膜１０４は、フェルミ準位（図面ではＦ．Ｌ．と示す）未満のエネルギーに対応し
た準位は電子により埋められ、フェルミ準位以上のエネルギーに対応した準位には電子が
存在しない典型的な金属の電子分布を有している。
【００５７】
図３（ａ）では、測定に対して被測定試料２０１に与える影響を軽減するため尖鋭部１
０３の金薄膜１０４を覆うようにトンネル絶縁膜１０５を介在させた場合のバンド図を示
している。印加された電圧が直接被測定試料２０１に掛かることによる分子軌道の乱れを
抑制するようトンネル絶縁膜１０５を形成しているため、有機発光体３０２中の分子軌道
情報を高い精度を持って求めることを可能としている。
【００５８】
図３（ｂ）では、尖鋭部１０３からトンネル絶縁膜１０５を除いた探針１００を用いた
場合のバンド図を示している。尖鋭部１０３の表面部に形成されている金薄膜１０４が直
接有機発光体３０２と接触するため、有機発光体３０２のバンド構造が歪められてしまう
。そのため有機発光体３０２と金薄膜１０４との間に流れるトンネル電流は求められず、
有機発光体３０２中に形成された三角状のポテンシャル３０３をトンネルするトンネル電
流が観測されてしまうため、最小空分子軌道等の測定が著しく困難となる。
【００５９】
次に工程４として、トンネル電流の測定を終えた後、ピエゾ駆動装置２０３を駆動させ
て探針１００を持ち上げ、次の測定点がある場合には（「全ての測定点について測定終了
？」でＮＯの場合）次の測定点に探針１００を移動させ、ステップ１の動作を行わせる。
そして全ての測定点を測定した場合（「全ての測定点について測定終了？」でＹＥＳの場
合）、測定を終了する。
【００６０】
ここで、被測定試料２０１と尖鋭部１０３との間の距離を一定に保つようＺ軸サーボ回
路２０８を制御する信号には被測定試料２０１の表面形状の信号が繰り込まれているため
、ＣＰＵ２１０によりＺ軸サーボ回路２０８からの信号を処理することでＳＴＭ信号と同
時にＡＦＭ信号を得ることができる。
【００６１】
次に、上述した実施形態１〜３の効果について説明する。
【００６２】
（１）探針１００の尖鋭部１０３を金薄膜１０４で覆い、更にトンネル絶縁膜１０５で
覆うため、被測定試料２０１と尖鋭部１０３とをＡＦＭの接触モードで近接させた場合に
被測定試料２０１のバンド構造の乱れを抑えて測定することができる。
【００６３】
（２）トンネル絶縁膜１０５の材質として、酸化シリコンを用いることで測定に起因す
る探針の磨耗量が抑えられ、再現性の高い測定を行うことができる。また、酸化シリコン
に代えて窒化シリコン、酸化ハフニウム又はチオール系自己組織化膜を用いても同様の効
果が得られる。
【００６４】
（３）探針１００の尖鋭部１０３を表面状態が大気中で安定している貴金属である金薄
膜１０４で覆ったため、表面電位が安定しており、トンネル電流と、印加電圧との関係を
再現性良く調査することができる。また、金薄膜１０４に代えてルテニウム又は白金の薄
膜を用いても同様の効果が得られる。
【００６５】
（４）探針１００を弾性を有する片持ち梁１０１に固定することで、探針１００に形成
された尖鋭部１０３に係る原子間力を測定可能な撓み量に変換して抽出することができる
。そのため尖鋭部１０３と被測定試料２０１との距離で定まる原子間力を直接制御する帰
還制御が可能となり、印加電圧と、トンネル電流との関係を再現性良く調査することがで
きる。また、原子間力を直接制御する帰還制御信号を処理することで同時に、被測定試料
２０１の表面形状を調査することができる。
【００６６】
（５）片持ち梁１０１の、探針１００を固定している領域の裏面を、光反射部１０６と
して機能させ、例えばレーザ光線を照射し、その反射光の振れを検出することで、原子間
力による片持ち梁１０１の撓みを片持ち梁１０１の動作に殆ど影響を与えることなく抽出
することができる。
【００６７】
（６）Ｘ，Ｙ方向に走査可能なステージ２０２に被測定試料２０１を載せて、トンネル
絶縁膜１０５を表面に有する尖鋭部１０３を備えた探針１００を用いてＸ，Ｙ方向に走査
するようステージ２０２を駆動し、印加電圧とトンネル電流との関係を測定することで、
被測定試料２０１のバンド構造の乱れを抑えて面内分布を計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】（ａ）は第１の実施形態に係る探針を備えた片持ち梁の構造を説明するための斜視図。（ｂ）は第１の実施形態に係る片持ち梁の断面図。
【図２】第２の実施形態に係るＡＦＭ／ＳＴＭの構成図。
【図３】（ａ）はトンネル絶縁層を形成した場合のバンド図、（ｂ）はトンネル絶縁層を形成しない場合のバンド図。
【図４】第３の実施形態に係る測定方法を実行するためのフローチャート。
【符号の説明】
【００６９】
１００…探針、１０１…片持ち梁、１０２…支持体、１０３…尖鋭部、１０４…導電部
としての金薄膜、１０５…絶縁皮膜としてのトンネル絶縁膜、１０６…光反射部、２０１
…被測定試料、２０２…ステージ、２０３…ピエゾ駆動装置、２０４…電圧源、２０５…
電流計、２０６…レーザ光源、２０７…光学系、２０８…Ｚ軸サーボ回路、２０９…Ｘ，
Ｙ走査回路、２１０…ＣＰＵ、２１１…ＣＲＴ、３０１…導電性基板、３０２…有機発光
体、３０３…三角状のポテンシャル。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、探針、片持ち梁、走査型プローブ顕微鏡、及び走査型トンネル顕微鏡の測定
方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
被測定試料の表面形状を測定するための装置として、原子間力顕微鏡（以下ＡＦＭとも
言う）が知られている。ＡＦＭとは、被測定試料の表面での原子の並びから受ける原子間
力を検出できるよう形成された尖鋭部を探針の先端に設け、尖鋭部を被測定試料と近接さ
せることで受ける原子間力を制御信号として尖鋭部と被測定試料との距離を制御しながら
被測定試料の表面を走査する装置である。
【０００３】
特に、探針の尖鋭部を被測定試料と近接させて測定する方法を接触モードの測定と呼び
、尖鋭部と被測定試料との間はトンネル電流が流れる程度に接近する。
【０００４】
ＡＦＭを用いることで得られる制御信号を基として、被測定試料の表面形状を知る技術
が公知とされている。例えば特許文献１として、ＡＦＭでおよその位置合わせを行い、更
に尖鋭部と被測定試料との間に流れるトンネル電流値を一定にするよう尖鋭部と被測定試
料との距離を制御し、被測定試料の表面形状を測定する技術が公知とされている。
【０００５】
さらに、尖鋭部と被測定試料との間に電位を与え、電位を掃引することで尖鋭部と被測
定試料との間に流れるトンネル電流と電位との関係を知る技術が例えば、特許文献２、３
、４で公知とされている。
【０００６】
測定により得られたトンネル電流と電位との関係から被測定試料の電子分布を知ること
ができ、例えばトンネル電流が流れ始める電位から、尖鋭部と、被測定試料の特定の位置
との間での仕事関数差を知ることができる。ここで、尖鋭部に仕事関数が既知の金属を用
いた場合には被測定試料の特定の位置での仕事関数を知ることが可能となる。
【０００７】
【特許文献１】特開昭６２−１３０３０２号公報
【特許文献２】特開平３−２１０４６５号公報
【特許文献３】特開平３−２７７９０３号公報
【特許文献４】特開平４−３６１１１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記した特許文献１の技術では、被測定試料に絶縁性のパーティクルが
付着していた場合等には、絶縁性のパーティクルにはトンネル電流が流れないため、尖鋭
部はトンネル電流を維持させるようパーティクルに接近し、場合によっては衝突してしま
うおそれがある。
【０００９】
また、尖鋭部がＡＦＭの接触モードで制御可能な程度に被測定試料と接近すると、尖鋭
部から被測定試料に流れ込むトンネル電流が過大となり、被測定試料のバンド構造が乱さ
れてしまい、被測定試料のバンド構造や仕事関数を知ることが困難になるという問題を有
している。
【００１０】
上記した特許文献２、３、４の技術では被測定試料と尖鋭部との間にトンネル電流が流
れるという記述しか例示されておらず、探針の構造については全く開示されていない。そ
のため、特許文献２、３、４の技術を用いても、被測定試料のバンド構造の乱れを抑えて
測定することは困難である。
【００１１】
そこで、本発明では従来のこのような問題を解決し、ＡＦＭの接触モードで安定するよ
うに被測定試料と尖鋭部とが近接した場合でもバンド構造の乱れを抑えられる探針、片持
ち梁、走査型プローブ顕微鏡、及び走査型トンネル顕微鏡の測定方法を提供することを目
的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
＜構成１＞上記課題を解決するために本発明の探針は、探針と被測定試料間に働く原子
間力を制御信号として前記探針と前記被測定試料との距離を制御する距離制御部を有し、
前記探針と前記被測定試料との間に、電圧を掃引するように印加することで発生するトン
ネル電流と、印加電圧との関係を測定する測定装置に用いられる探針であって、前記探針
は前記被測定試料に近接する側の端部に、導電部と前記導電部を包むよう配置された絶縁
部からなる尖鋭部を有し、前記導電部は、導体、又は導体を被覆されてなり、前記導電部
と前記被測定試料との間に流れる前記トンネル電流が検出されるよう形成され、前記絶縁
部は前記測定装置から前記導電部に印加された電圧に対し、前記トンネル電流が前記測定
装置により測定し得る電流強度が得られる厚さを有し、且つ前記被測定試料のバンド構造
に与える影響を抑制しうる厚さを有しており、加えて前記原子間力を制御信号として帰還
制御を行う場合に副次的に発生する応力による磨耗に対して耐性がある絶縁皮膜を用いて
形成され、且つ前記探針には前記測定装置により印加された電圧を前記尖鋭部の導電部に
導くための導電機構が形成されてなることを特徴とする。
【００１３】
この構成によれば、前記尖鋭部の前記導電部と前記被測定試料との間に、前記測定装置
から前記導電部に印加された電圧に対し、前記トンネル電流の強度が前記測定装置により
測定し得る厚さを有し、且つ前記被測定試料のバンド構造に与える影響を抑制しうる厚さ
を有する前記絶縁部を設けているため、測定精度を保ち、且つ前記被測定試料のバンド構
造に与える影響を抑えて前記被測定試料の前記バンド構造を抽出できる探針を構成するこ
とができる。
【００１４】
また、絶縁部は副次的に発生する応力による磨耗に対して耐性がある絶縁皮膜を用いて
いるため、測定に起因する探針の磨耗量が抑えられ、再現性の高い測定を行うことができ
る探針を得ることができる。
【００１５】
＜構成２＞また、上記した本発明の探針は、前記絶縁皮膜は、酸化シリコン、窒化シリ
コン、酸化ハフニウム又はチオール系自己組織化膜からなることを特徴とする。
【００１６】
この構成によれば、耐磨耗特性に優れ且つ容易に形成可能な前記絶縁皮膜を形成するこ
とができ、再現性の高い測定を行える探針を得ることができる。
【００１７】
＜構成３＞また、上記した本発明の探針は、前記導体は、表面状態が大気中で安定して
いる貴金属である金、ルテニウム又は白金からなることを特徴とする。
【００１８】
この構成によれば、金、ルテニウム又は白金は表面状態が大気中でも安定しているため
、前記導体の表面に寄生生成物が出来にくいため、仕事関数の値をより精密に算出しうる
探針を得ることができる。
【００１９】
＜構成４＞また、上記した本発明の片持ち梁は、前記原子間力により撓むよう弾性を有
する片持ち梁であって、前記片持ち梁の固定端部は前記片持ち梁を支える支持体と固定さ
れ、前記片持ち梁の自由端部は前記尖鋭部を備えた前記探針を固定してなり、又前記尖鋭
部と前記被測定試料間に働く前記原子間力を、前記原子間力により生じる前記片持ち梁の
撓み量として検出するための撓み検出部を備えてなり、更に前記片持ち梁は導体、又は導
体を被覆されてなり、前記支持体と前記探針とは電気的に接続されていることを特徴とす
る。
【００２０】
この構成を用いることで、前記尖鋭部と前記被測定試料間に働く前記原子間力を、前記
原子間力により生じる前記片持ち梁の撓み量として検出することができる。測定が困難な
前記原子間力を測定が容易な撓み量に変換して抽出することができるため、前記尖鋭部を
備えた前記探針と前記被測定試料との距離を制御する前記距離制御部へ前記原子間力を制
御信号として与えることができる。
【００２１】
そのため、前記撓み量を制御する帰還制御が可能となり、前記尖鋭部と前記被測定試料
との距離を制御することができる。更に、同時に前記尖鋭部と前記被測定試料との間の距
離を計測することができる。
【００２２】
また、前記片持ち梁は導体、又は導体を被覆されてなり、前記支持体と前記探針とを電
気的に接続してなるため、前記支持体から前記探針に電圧が伝えられる。前記探針は、前
記尖鋭部へ電圧を伝えるための前記導電機構を有しているため、前記支持体に電圧を印加
することで、前記尖鋭部に電圧を伝達することができる。
【００２３】
＜構成５＞また、上記した本発明の片持ち梁は、前記撓み検出部は、前記自由端部側に
あり前記探針の裏面に位置する光反射部を設け、光線を前記光反射部に照射し、前記光反
射部により反射された前記光線の投影位置を検出することで前記片持ち梁の変形量を抽出
する光てこであることを特徴とする。
【００２４】
この構成によれば、前記片持ち梁の前記自由端部側に設けられた前記光線の前記反射手
段に前記光線を照射し、前記光反射部により反射された前記光線の前記投影位置を検出す
る前記光てこを用いることで、前記片持ち梁の動作に影響を与えることなく前記片持ち梁
の変形量として表される前記尖鋭部と前記被測定試料との距離を抽出する片持ち梁を得る
ことができる。
【００２５】
＜構成６＞また、上記した本発明の走査型プローブ顕微鏡は、構成４に記載の片持ち梁
を用いた走査型プローブ顕微鏡であって、前記尖鋭部と前記被測定試料間に働く前記原子
間力を制御信号として前記尖鋭部と前記被測定試料との距離を各測定点において少なくと
も測定中は前記距離が保持されるよう制御可能であって、且つ前記被測定試料の表面方向
に沿って前記尖鋭部と前記被測定試料とが相対的に移動可能であることを特徴とする。
【００２６】
この構成によれば、前記片持ち梁に固定された前記探針の前記尖鋭部と、前記被測定試
料間に働く前記原子間力を制御信号として、前記尖鋭部と前記被測定試料との距離を測定
中は制御又は固定した状態を保ち、非測定の場合は前記被測定試料の表面方向に沿って前
記尖鋭部と前記被測定試料とが相対的に移動可能であるため、前記被測定試料内にある測
定すべき領域の電流−電圧特性測定を行う局所電流−電圧特性測定装置を得ることができ
る。
【００２７】
＜構成７＞また、上記した本発明の走査型プローブ顕微鏡を用いた測定方法は、構成４
に記載の片持ち梁に固定された前記探針を用いて、前記測定点の少なくとも一部の測定点
について前記尖鋭部と前記被測定試料との間に流れるトンネル電流を測定し、被測定試料
の局所的なバンド構造を抽出することを特徴とする。
【００２８】
この測定方法によれば、前記被測定試料の局所状態密度又はバンドギャップを調べるた
めに前記尖鋭部と前記被測定試料との間の電位を振り、前記電位に対応するトンネル電流
を測定する。前記トンネル電流は、ポテンシャルエネルギーがトンネル電流を発信する側
と同じポテンシャルエネルギーを受信する側が有していて、且つ受信する側のポテンシャ
ルエネルギーにあたる準位に空きがある場合、前記空きの準位密度に比例した量だけ流れ
ることができる。従って、この測定方法を用いることで一点若しくは多点で局所状態密度
又はバンドギャップを調べることができる。
【００２９】
＜構成８＞また、上記した本発明の走査型プローブ顕微鏡を用いた測定方法は、前記尖
鋭部と前記被測定試料との距離を制御する信号を用いて前記被測定試料の表面形状を同時
に測定することを特徴とする。
【００３０】
この測定方法によれば、前記被測定試料の形状と、バンド構造との相関を得ることがで
きる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明を具体化した実施例について図面に従って説明する。
【００３２】
（実施形態１）
図１（ａ）は、本発明に係る探針を備えた片持ち梁の構造を説明するための斜視図、図
１（ｂ）は本発明に係る片持ち梁の拡大断面図である。以下、図１（ａ）及び図１（ｂ）
を用いて探針、片持ち梁及び支持体の構造について説明する。
【００３３】
図１（ａ）に示されるように、酸化シリコンからなる厚さ１μｍ、長さ１５０μｍ、幅
２０μｍ程度の寸法を有する片持ち梁１０１は、厚さ５００μｍ程度のシリコン単結晶か
らなる支持体１０２と接合されている。
【００３４】
シリコン単結晶からなる探針１００は、一端が支持体１０２に固定されている片持ち梁
１０１の他端側に配置されている。
【００３５】
そして、一端が片持ち梁１０１と固定された探針１００の他端には尖鋭部１０３が形成
されている。尖鋭部１０３の先端角度は１０°程度であり、微細構造の観測に優れた構造
を有している。
【００３６】
また、片持ち梁１０１の、探針１００を固定している領域の裏面は、光反射部１０６と
して機能する。光反射部１０６に例えばレーザ光線を照射し、その反射光の振れを検出す
ることで、原子間力による片持ち梁１０１の撓みを片持ち梁１０１の動作に殆ど影響を与
えることなく抽出することができる。
【００３７】
また図１（ｂ）に示されるように探針１００、片持ち梁１０１、支持体１０２、尖鋭部
１０３には支持体１０２に印加された電位が片持ち梁１０１、探針１００を経由して尖鋭
部１０３に伝達されるよう、金薄膜１０４で覆われている。金薄膜１０４を用いた場合に
は、膜厚として１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度の膜厚を有することが好ましい。１０ｎｍ以上
の膜厚であれば電気的な寄生抵抗値はトンネル電流の測定に対して無視し得る程度の値に
抑えることができる。また、１００ｎｍ以下の膜厚であれば片持ち梁１０１の撓み動作に
与える影響を抑えることができるため好ましい。なお、金薄膜の形成方法としては、例え
ばスパッタ法等を用いることができる。
【００３８】
図１（ｂ）に示されるように尖鋭部１０３に位置する金薄膜１０４は、例えば酸化シリ
コン膜からなるトンネル絶縁膜１０５により覆われている。トンネル絶縁膜１０５は、支
持体１０２に印加された電位が直接被測定試料に印加されることによる被測定試料中のバ
ンドの曲がりを抑制するよう設けられている。トンネル絶縁膜１０５の厚みは、被測定試
料のバンド構造の曲がりを抑制し、且つトンネル電流の測定を行う場合にトンネル電流値
を測定困難な値にまで落とすことがないよう選択され、例えば１ｎｍから２ｎｍ程度の膜
厚を選ぶことができる。
【００３９】
尖鋭部１０３を有する探針１００を用いてトンネル電流・電圧測定（以下ＳＴＭと言う
）を行うことで、被測定試料のバンド構造に与える電気的な影響を抑制することができ、
被測定試料のバンド構造を忠実に反映したＳＴＭを行うことができる。
【００４０】
本実施形態では、トンネル絶縁膜１０５として酸化シリコン膜を用いているが、これは
窒化シリコン、酸化ハフニウム又はチオール系自己組織化膜等、接触モードでのＡＦＭ測
定に副次的に発生する応力による磨耗に対して耐性がある絶縁皮膜であれば特に制約はな
く、トンネル絶縁膜１０５に用いている酸化シリコン膜に代えて用いることができる。
【００４１】
また本実施形態では、支持体１０２から尖鋭部１０３に電位を伝えられるよう用いてい
る金薄膜１０４を用いているが、これは金薄膜に代えて金同様表面状態が大気中で安定し
ている貴金属であるルテニウム又は白金等の薄膜を用いても良い。
【００４２】
また、探針１００を形成する材質は単結晶シリコンに限定される事は無く、例えば窒化
シリコン等の材料を用いても良い。
【００４３】
（実施形態２）
図２は、実施形態１で説明した探針、片持ち梁、及び支持体を用いたＡＦＭ／ＳＴＭの
構成図である。以下、図２を用いてＡＦＭ／ＳＴＭの構成を説明する。なお、Ｚ軸は被測
定試料の測定面に対して法線方向に取っている。
【００４４】
被測定試料２０１は、Ｘ、Ｙ、Ｚ各方向に移動可能な導電性を有するステージ２０２上
に配置される。ステージ２０２は、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向に対して独立に変位可能なピエゾ駆動
装置２０３上に配置されている。
【００４５】
Ｚ軸サーボ回路２０８は、レーザ光源２０６と、４分割フォトダイオード等の検出素子
を有する光学系２０７からの信号を制御信号として動作し、片持ち梁１０１の撓み量を一
定に保つようステージ２０２の高さを制御する。この制御方法はＡＦＭ測定装置の構成及
び動作として公知のものである。
【００４６】
ＣＰＵ２１０からの信号に基づき、電圧源２０４より支持体１０２に印加された、例え
ば三角波状に変調された電圧は、片持ち梁１０１を経由して、探針１００、尖鋭部１０３
を通して被測定試料２０１に印加される。当該電圧が印加された場合の電流値は電流計２
０５により検出され、ＣＰＵ２１０に伝達され記憶及び処理が為される。ＣＰＵ２１０は
電圧値と電流値を元として信号処理を行い、ＣＲＴ２１１に信号処理結果などを表示させ
る。
【００４７】
Ｘ，Ｙ走査回路２０９は、上記した測定を規定された面内について測定するためにＣＰ
Ｕ２１０からの信号に基づき、ピエゾ駆動装置２０３をＸ，Ｙ方向に駆動することでステ
ージ２０２上の被測定試料２０１をＸ，Ｙ方向に駆動する。
【００４８】
上記した構成を用いることで印加電圧と、トンネル電流と、Ｘ，Ｙ座標との関係を面内
分布として得ることが可能となる。
【００４９】
（実施形態３）
実施形態２で説明した構成を用いて各測定点におけるトンネル電流の測定方法を以下に
説明する。同様の測定を規定された面内で多数回行うので、１点分の測定方法について説
明する。図４は、本測定方法を実行するためのフローチャートである。なお、Ｚ軸は被測
定試料の測定面に対して法線方向に取っている。
【００５０】
まず工程１として、レーザ光源２０６と光学系２０７からの信号をＺ軸サーボ回路２０
８で処理し制御信号として片持ち梁１０１の撓み量を一定に保つようステージ２０２の高
さを制御する。この処置により、尖鋭部１０３と被測定試料２０１の距離は規定された面
内について一定に保たれる。
【００５１】
次に工程２として、後述する電圧の印加による電磁気力による変位を避けるためＺ軸サ
ーボ回路２０８のサーボを停止し、ステージ２０２の高さを一定値に保持する。この処置
により、後述する電圧の印加による電磁気力に起因する尖鋭部１０３と被測定試料２０１
との間の距離の変化を抑えることができる。なお、この工程は必須のものではなく、測定
条件等によっては省略し、サーボを掛けた状態で以降の工程を行うことができる。
【００５２】
次に工程３として、尖鋭部１０３に例えば三角波状に変調された電圧を印加し、尖鋭部
１０３と被測定試料２０１との間に流れるトンネル電流を測定する。
【００５３】
ここで、トンネル電流を測定し処理することで得られる物理量の一例として有機発光体
の最小空分子軌道を求める例について説明する。
【００５４】
図３（ａ）及び図３（ｂ）は、導電性基板３０１上に有機発光体３０２を被覆した被測
定試料２０１を用い尖鋭部１０３と被測定試料２０１との間に電圧を掛けた場合のバンド
図である。図３（ａ）に示すように、導電性基板３０１上に形成された有機発光体３０２
のバンド構造は、最高被占分子軌道（図３にはＨＯＭＯとして記載）と最小空分子軌道（
図３にはＬＵＭＯとして記載）を含んでいる。
【００５５】
尖鋭部１０３に電子のポテンシャルエネルギーを上げるよう電圧を印加していくと、尖
鋭部１０３を被覆した金薄膜１０４からトンネル絶縁膜１０５を介してトンネル電流ｅが
有機発光体３０２中にトンネル現象により流れ込むようになる。トンネル電流は、同一の
エネルギー準位を有する状態に流れ込むので、トンネル電流が流れ始めた電圧を有機発光
体３０２の最小空分子軌道のポテンシャルエネルギーとして扱うことができる。
【００５６】
金薄膜１０４は、フェルミ準位（図面ではＦ．Ｌ．と示す）未満のエネルギーに対応し
た準位は電子により埋められ、フェルミ準位以上のエネルギーに対応した準位には電子が
存在しない典型的な金属の電子分布を有している。
【００５７】
図３（ａ）では、測定に対して被測定試料２０１に与える影響を軽減するため尖鋭部１
０３の金薄膜１０４を覆うようにトンネル絶縁膜１０５を介在させた場合のバンド図を示
している。印加された電圧が直接被測定試料２０１に掛かることによる分子軌道の乱れを
抑制するようトンネル絶縁膜１０５を形成しているため、有機発光体３０２中の分子軌道
情報を高い精度を持って求めることを可能としている。
【００５８】
図３（ｂ）では、尖鋭部１０３からトンネル絶縁膜１０５を除いた探針１００を用いた
場合のバンド図を示している。尖鋭部１０３の表面部に形成されている金薄膜１０４が直
接有機発光体３０２と接触するため、有機発光体３０２のバンド構造が歪められてしまう
。そのため有機発光体３０２と金薄膜１０４との間に流れるトンネル電流は求められず、
有機発光体３０２中に形成された三角状のポテンシャル３０３をトンネルするトンネル電
流が観測されてしまうため、最小空分子軌道等の測定が著しく困難となる。
【００５９】
次に工程４として、トンネル電流の測定を終えた後、ピエゾ駆動装置２０３を駆動させ
て探針１００を持ち上げ、次の測定点がある場合には（「全ての測定点について測定終了
？」でＮＯの場合）次の測定点に探針１００を移動させ、ステップ１の動作を行わせる。
そして全ての測定点を測定した場合（「全ての測定点について測定終了？」でＹＥＳの場
合）、測定を終了する。
【００６０】
ここで、被測定試料２０１と尖鋭部１０３との間の距離を一定に保つようＺ軸サーボ回
路２０８を制御する信号には被測定試料２０１の表面形状の信号が繰り込まれているため
、ＣＰＵ２１０によりＺ軸サーボ回路２０８からの信号を処理することでＳＴＭ信号と同
時にＡＦＭ信号を得ることができる。
【００６１】
次に、上述した実施形態１〜３の効果について説明する。
【００６２】
（１）探針１００の尖鋭部１０３を金薄膜１０４で覆い、更にトンネル絶縁膜１０５で
覆うため、被測定試料２０１と尖鋭部１０３とをＡＦＭの接触モードで近接させた場合に
被測定試料２０１のバンド構造の乱れを抑えて測定することができる。
【００６３】
（２）トンネル絶縁膜１０５の材質として、酸化シリコンを用いることで測定に起因す
る探針の磨耗量が抑えられ、再現性の高い測定を行うことができる。また、酸化シリコン
に代えて窒化シリコン、酸化ハフニウム又はチオール系自己組織化膜を用いても同様の効
果が得られる。
【００６４】
（３）探針１００の尖鋭部１０３を表面状態が大気中で安定している貴金属である金薄
膜１０４で覆ったため、表面電位が安定しており、トンネル電流と、印加電圧との関係を
再現性良く調査することができる。また、金薄膜１０４に代えてルテニウム又は白金の薄
膜を用いても同様の効果が得られる。
【００６５】
（４）探針１００を弾性を有する片持ち梁１０１に固定することで、探針１００に形成
された尖鋭部１０３に係る原子間力を測定可能な撓み量に変換して抽出することができる
。そのため尖鋭部１０３と被測定試料２０１との距離で定まる原子間力を直接制御する帰
還制御が可能となり、印加電圧と、トンネル電流との関係を再現性良く調査することがで
きる。また、原子間力を直接制御する帰還制御信号を処理することで同時に、被測定試料
２０１の表面形状を調査することができる。
【００６６】
（５）片持ち梁１０１の、探針１００を固定している領域の裏面を、光反射部１０６と
して機能させ、例えばレーザ光線を照射し、その反射光の振れを検出することで、原子間
力による片持ち梁１０１の撓みを片持ち梁１０１の動作に殆ど影響を与えることなく抽出
することができる。
【００６７】
（６）Ｘ，Ｙ方向に走査可能なステージ２０２に被測定試料２０１を載せて、トンネル
絶縁膜１０５を表面に有する尖鋭部１０３を備えた探針１００を用いてＸ，Ｙ方向に走査
するようステージ２０２を駆動し、印加電圧とトンネル電流との関係を測定することで、
被測定試料２０１のバンド構造の乱れを抑えて面内分布を計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】（ａ）は第１の実施形態に係る探針を備えた片持ち梁の構造を説明するための斜視図。（ｂ）は第１の実施形態に係る片持ち梁の断面図。
【図２】第２の実施形態に係るＡＦＭ／ＳＴＭの構成図。
【図３】（ａ）はトンネル絶縁層を形成した場合のバンド図、（ｂ）はトンネル絶縁層を形成しない場合のバンド図。
【図４】第３の実施形態に係る測定方法を実行するためのフローチャート。
【符号の説明】
【００６９】
１００…探針、１０１…片持ち梁、１０２…支持体、１０３…尖鋭部、１０４…導電部
としての金薄膜、１０５…絶縁皮膜としてのトンネル絶縁膜、１０６…光反射部、２０１
…被測定試料、２０２…ステージ、２０３…ピエゾ駆動装置、２０４…電圧源、２０５…
電流計、２０６…レーザ光源、２０７…光学系、２０８…Ｚ軸サーボ回路、２０９…Ｘ，
Ｙ走査回路、２１０…ＣＰＵ、２１１…ＣＲＴ、３０１…導電性基板、３０２…有機発光
体、３０３…三角状のポテンシャル。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
探針と被測定試料間に働く原子間力を制御信号として前記探針と前記被測定試料との距
離を制御する距離制御部を有し、前記探針と前記被測定試料との間に、電圧を掃引するよ
うに印加することで発生するトンネル電流と印加電圧との関係を測定する測定装置に用い
られる探針であって、
前記探針は前記被測定試料に近接する側の端部に、導電部と、前記導電部を包むよう配
置された絶縁部からなる尖鋭部を有し、
前記導電部は、導体、又は導体を被覆されてなり、前記導電部と前記被測定試料との間
に流れる前記トンネル電流が検出されるよう形成され、
前記絶縁部は前記測定装置から前記導電部に印加された電圧に対し、前記トンネル電流
が前記測定装置により測定し得る電流強度が得られる厚さを有し、且つ前記被測定試料の
バンド構造に与える影響を抑制しうる厚さを有しており、加えて前記原子間力を制御信号
として帰還制御を行う場合に副次的に発生する応力による磨耗に対して耐性がある絶縁皮
膜を用いて形成され、
且つ前記探針には前記測定装置により印加された電圧を前記尖鋭部の導電部に導くため
の導電機構が形成されてなることを特徴とする探針。
【請求項２】
前記絶縁皮膜は、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ハフニウム又はチオール系自己組
織化膜からなることを特徴とする請求項１に記載の探針。
【請求項３】
前記導体は、表面状態が大気中で安定している貴金属である金、ルテニウム又は白金か
らなることを特徴とする請求項１に記載の探針。
【請求項４】
請求項１に記載の距離制御部に用いられる、前記原子間力により撓むよう弾性を有する
片持ち梁であって、前記片持ち梁の固定端部は前記片持ち梁を支える支持体と固定され、
前記片持ち梁の自由端部は前記尖鋭部を備えた前記探針を固定してなり、又前記尖鋭部と
前記被測定試料間に働く前記原子間力を、前記原子間力により生じる前記片持ち梁の撓み
量として検出するための撓み検出部を備えてなり、更に前記片持ち梁は導体、又は導体を
被覆されてなり、前記支持体と前記探針とは電気的に接続されていることを特徴とする片
持ち梁。
【請求項５】
前記撓み検出部は、前記自由端部側にあり前記探針の裏面に位置する光反射部を設け、
光線を前記光反射部に照射し、前記光反射部により反射された前記光線の投影位置を検出
することで前記片持ち梁の変形量を抽出する光てこであることを特徴とする請求項４に記
載の片持ち梁。
【請求項６】
請求項４に記載の片持ち梁を用いた走査型プローブ顕微鏡であって、前記尖鋭部と前記
被測定試料間に働く前記原子間力を制御信号として前記尖鋭部と前記被測定試料との距離
を各測定点において少なくとも測定中は前記距離が保持されるよう制御可能であって、且
つ前記被測定試料の表面方向に沿って前記尖鋭部と前記被測定試料とが相対的に移動可能
であることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】
請求項４に記載の片持ち梁に固定された前記探針を用いて、前記測定点の少なくとも一
部の測定点について前記尖鋭部と前記被測定試料との間に流れるトンネル電流を測定し、
被測定試料の局所的なバンド構造を抽出することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡を用
いた測定方法。
【請求項８】
前記尖鋭部と前記被測定試料との距離を制御する信号を用いて前記被測定試料の表面形
状を同時に測定することを特徴とする請求項７に記載の走査型プローブ顕微鏡を用いた測
定方法。
【請求項１】
探針と被測定試料間に働く原子間力を制御信号として前記探針と前記被測定試料との距
離を制御する距離制御部を有し、前記探針と前記被測定試料との間に、電圧を掃引するよ
うに印加することで発生するトンネル電流と印加電圧との関係を測定する測定装置に用い
られる探針であって、
前記探針は前記被測定試料に近接する側の端部に、導電部と、前記導電部を包むよう配
置された絶縁部からなる尖鋭部を有し、
前記導電部は、導体、又は導体を被覆されてなり、前記導電部と前記被測定試料との間
に流れる前記トンネル電流が検出されるよう形成され、
前記絶縁部は前記測定装置から前記導電部に印加された電圧に対し、前記トンネル電流
が前記測定装置により測定し得る電流強度が得られる厚さを有し、且つ前記被測定試料の
バンド構造に与える影響を抑制しうる厚さを有しており、加えて前記原子間力を制御信号
として帰還制御を行う場合に副次的に発生する応力による磨耗に対して耐性がある絶縁皮
膜を用いて形成され、
且つ前記探針には前記測定装置により印加された電圧を前記尖鋭部の導電部に導くため
の導電機構が形成されてなることを特徴とする探針。
【請求項２】
前記絶縁皮膜は、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ハフニウム又はチオール系自己組
織化膜からなることを特徴とする請求項１に記載の探針。
【請求項３】
前記導体は、表面状態が大気中で安定している貴金属である金、ルテニウム又は白金か
らなることを特徴とする請求項１に記載の探針。
【請求項４】
請求項１に記載の距離制御部に用いられる、前記原子間力により撓むよう弾性を有する
片持ち梁であって、前記片持ち梁の固定端部は前記片持ち梁を支える支持体と固定され、
前記片持ち梁の自由端部は前記尖鋭部を備えた前記探針を固定してなり、又前記尖鋭部と
前記被測定試料間に働く前記原子間力を、前記原子間力により生じる前記片持ち梁の撓み
量として検出するための撓み検出部を備えてなり、更に前記片持ち梁は導体、又は導体を
被覆されてなり、前記支持体と前記探針とは電気的に接続されていることを特徴とする片
持ち梁。
【請求項５】
前記撓み検出部は、前記自由端部側にあり前記探針の裏面に位置する光反射部を設け、
光線を前記光反射部に照射し、前記光反射部により反射された前記光線の投影位置を検出
することで前記片持ち梁の変形量を抽出する光てこであることを特徴とする請求項４に記
載の片持ち梁。
【請求項６】
請求項４に記載の片持ち梁を用いた走査型プローブ顕微鏡であって、前記尖鋭部と前記
被測定試料間に働く前記原子間力を制御信号として前記尖鋭部と前記被測定試料との距離
を各測定点において少なくとも測定中は前記距離が保持されるよう制御可能であって、且
つ前記被測定試料の表面方向に沿って前記尖鋭部と前記被測定試料とが相対的に移動可能
であることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】
請求項４に記載の片持ち梁に固定された前記探針を用いて、前記測定点の少なくとも一
部の測定点について前記尖鋭部と前記被測定試料との間に流れるトンネル電流を測定し、
被測定試料の局所的なバンド構造を抽出することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡を用
いた測定方法。
【請求項８】
前記尖鋭部と前記被測定試料との距離を制御する信号を用いて前記被測定試料の表面形
状を同時に測定することを特徴とする請求項７に記載の走査型プローブ顕微鏡を用いた測
定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００７−１４７３４７（Ｐ２００７−１４７３４７Ａ）
【公開日】平成１９年６月１４日（２００７．６．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３３９７８１（Ｐ２００５−３３９７８１）
【出願日】平成１７年１１月２５日（２００５．１１．２５）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年６月１４日（２００７．６．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１１月２５日（２００５．１１．２５）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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