走査プローブ顕微鏡
所属 ナノスケール物性研究部門 発表者 浜田雅之 [email protected] 私は、ナノスケール物性研究部門・長谷川研究室で業務を行っている。主な業務としては、原子間力顕微鏡（Ａ ＦＭ）や走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）の維持管理・新しい手法の開発である。以下にそれらについて報告する。１．はじめに【走査トンネル顕微鏡(STM)、原子間力顕微鏡（AFM）について】
走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ： Scanning Tunneling Microscope） は図１のように先端の鋭利な金属探針と試料 の間に、バイアス電圧を印加しながら探針を試料表面から１ｎｍ 程度まで接近させたときに両者の間に流れるトン ネル電流を利用して、表面の凹凸や原子構造などの実空間像を高い空間分解能で得られる装置である。一方、原子間 力顕微鏡（ＡＦＭ: Atomic Force Microscope）は、走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）では観察することができなかっ た絶縁体の表面も原子スケールで観察することができるため、表面観察・評価装置として普及しつつある。その原理 は、試料表面に非常に小さなてこ（カンチレバー）を近づけて、試料表面とカンチレバーとの間に働く力（原子間力） を検出することによって、試料表面の形状を観察する装置である（図２）。そのため探針、試料ともに導電性の必要 がなく、絶縁体試料の観察が可能であり、これがＡＦＭの大きな特徴の一つとなっている。
２．陽極酸化法による超微細加工技術の開発
表面を観察するだけではなく、ＡＦＭの探針を陰極として半導体や金属の表面に電圧を加えて局所的に酸化膜を 作る陽極酸化現象（図３）を利用してナノスケールの構造物やデバイスを作ることが行われている。私はこの機能を 長谷川研究室で保有していたＡＦＭ装置（島津製作所製ＳＰＭ－９５００）に、制御プログラムを改良することによ って導入し、図４、図５に示すようなナノスケールのパターン作成に成功した。また、試料ステージを改良して、化 学的な処理を施した後の観察にも成功した（図５）。 図１ 走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）カンチレバー
（力検出用）
試料表面
図２ 原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）３．周波数変調力検出機構の導入
汎用的に用いられるＡＦＭ装置では、通常、ダイナミックモー ド（タッピングモードあるいは振幅変調モード）として知られる、 カンチレバーの振動振幅の減少から力を検出する測定モードで行わ れる。しかし、この方法では、探針に及ぼされる力による振幅減少 とエネルギー損失（ダンピング）による振幅減少を区別することが できず、正確な力の評価が困難である。そこで、私は、精度の良い 力計測を可能とする周波数変調法（ＦＭ法）を大気中動作ＡＦＭに 導入し、大気中動作ＡＦＭの持つ簡便さを損なわずに精密な力測定 を実現する装置の開発を試みた。開発した装置では、大気中のよう な粘性雰囲気中でも共鳴振動のＱ値が高い値を保持する自己検出型 の水晶振動子を採用した（図６）。水晶 振動子は、そのピエゾ効果のため振動信 号を電流信号として発生させるため、面 倒な光軸調整を要しない（図７）。音さ 型の水晶振動子の先端部分に集束イオン ビームで先鋭化した金属針を用いる以外 に、カンチレバーの探針を流用する技術 を確立した（図８）。この改良した装置 で、大気中の実験を行ったところ、図９ 図３ ＡＦＭによる陽極酸化 図７ 振動信号検出回路 図５ フッ酸で酸化物パターンを除去（白色は周囲より隆起し、黒色は窪んでいることを表す。） 図６ 水晶振動子型力検出プローブ 図４ 酸化物パターンのＡＦＭ像 500 nmのように大気中で安定してＡＦＭ像が取れた。
４．エネルギー散逸測定機能の導入
原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）測定時において、励振させている力センサーに、試料接近時と離れる時で異なる力す なわちヒステリシスを有する力（非保存的相互作用）が働くと、センサーの励振エネルギーの散逸が生じ、力センサ ーの振動振幅を一定に保つためには、励振振幅を上げてエネルギー散逸分を補てんする必要がある。周波数変調型（Ｆ Ｍ）－ＡＦＭでは、共振振動数変化による力測定と同時に、励振振幅の変化からエネルギー散逸量を測定することが できるので、トポグラフとの比較から表面局所構造との関連付けが可能である。このような非保存の力学過程を原 子・分子スケールで局所計測できれば、表面物性測定の幅を広げると期待できる。また、静電気力・磁気力などに起 因したエネルギー散逸測定により、帯電・誘電緩和・磁区構造の変化に関する情報を局所的に評価することも可能と なる。このような背景から、理論および実験の両面から多くの研究が行われているが、エネルギー散逸の起源に関し ては明確になっていない点も多い。私は、これにエネルギー散逸量測定機能を組み込み、その評価を行ったので紹介 する。エネルギー散逸量は、相互作用のない状態での励振電圧が力センサーの共振時のエネルギー損失（Ｑ値から求 められる）に相当するとして、励振電圧との比から定量的に求められる。図１０は、チューニングフォーク型水晶振 動子を力センサーとして測定したマイカへき開表面のトポグラフ（左）およびエネルギー散逸像（右）である。 図 1 f0～32kHz Q～1400 図９ Ｓｉ（１１１）表面像 図８ カンチレバーの探針を接着後折り取る4.0 nm
0 nm
0 (a.u.)
5 (a.u.)
図１０ マイカ表面のトポグラフ（左）とエネルギー散逸像（右）5．FM-AFM によるナノスケールリソグラフィーへの応用
ＡＦＭ探針と基板表面間に電圧を印加すると、電界蒸発により探針先端原子を基板表面に移動させることができ る（図１１）。この現象を利用して基板表面上にナノスケールでのパターン構造を描画するBias-assisted AFM lithographyと呼ばれる手法が研究されている。これまでの結果によると、その最小描画線幅はおよそ２５ｎｍ程度 であるが、この理由は、（１）カンチレバー探針を描画物質でコーティングするために、探針先端の曲率半径が大き くなる点（２）探針の位置制御性に乏しいＡＭ－ＡＦＭ（タッピ ングモード）で実験が行われている点、と私は考えている。そこ で、私は、力センサーとして水晶のチューニングフォークを用い、 力検出感度が高く空間分解能の優れたＦＭ－ＡＦＭによる実験 を試みた。チューニングフォークの先端には、１０μｍ径の金ワ イヤを接着し、ＦＩＢ（集束イオンビーム）で先端を研磨して、 従来のコーティングによる探針よりも細くしたものを用いてい る。この探針と基板間にパルス電圧を印加することによって描画 を行った。カンチレバーの振幅を１．４～１．９ｎｍ、シリコン 基板側のパルス電圧は－５．６～－５．８Ｖ、パルス幅は１msec に設定して実験を行ったところ、図１２～１４のように安定して、 金のナノスケールの構造物を作成できることが分かった。なおこ の結果は論文にまとめた[1]。[1] M. Hamada et al., Rev. Sci. Instrum. 79, 123706 (2008).
図１１ ＡＦＭにおける電界蒸発
図１３ 電界蒸発によるパターン形成
100nm
図１４ 電界蒸発によるパターン形成 図１２ 電界蒸発前のＡＦＭ像 電界蒸発後のＡＦＭ像
6．高温ＡＦＭ測定機能の導入
試料の温度を変えながらＡＦＭ測定したいという要望が所内からあったので、私はヒーターと温度モニタ用の熱 電対を組み込んだ温度可変型試料ステージの開発を試みた（図１５）。テスト試料としてＳｉ基板を測定した結果、 １１０℃程度まで加熱しても、安定してステップ構造が確認できた。現在、この装置で、形状記憶合金の共同研究を 行っている。７．走査トンネルポテンショメトリー機構の導入
走査トンネルポテンショメトリー （ＳＴＰ: scanning tunneling potentiometry）は、電流が流れている領域での表面電位分布を、 走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）によるトポグラフ像と同時に描き出 す手法である。ナノスケールでの空間分解能とμＶレベルの電位分 解能を有しており、ナノデバイスにおける電気伝導評価の極めて有 効な手段の一つと言える。この手法では、ゼロバイアス電圧でトン ネル電流がゼロになる条件から電位を決定しており、そのため、金 属的な試料を測定するのに適している。私は、この機構を大気中動 作型ＳＰＭ装置において、図１６のような回路系を構成して、Si 酸 化膜基板上に蒸着した金薄膜を試料として テストしたところ、図１７に示すように、 数μＶの分解能で電位分布を測定できるこ とが確認できた。この時に取得した表面構 造と電位分布を合成して三次元表示した図 １８を見ると、明らかに、金粒子のドメイ ン境界で電位が大きく変化していることが 分かる。また、バンドを有する半導体など 非金属試料でも測定できるように、改良す ることも成功した[2]。しかし、ＳＴＭをベースとした手法でありながら、表面系に対する測定はあまり行われていない。 清浄表面上での異種元素の吸着により誘起される超周期構造の中にも金属的な性質を持つ系が知られているが、超高真空 図１５ 温度可変型試料ステージ熱電対
ヒーター
図１６ ＳＴＰの回路系 図１７ Si 酸化膜基板上に蒸着した金薄膜のＳＴＰ測定（ＵＨＶ）中で表面上に電極を作成するのが困難なためか、 ＳＴＰ測定例は非常に少なく、特殊なＳＴＭ装置（４探針Ｓ ＴＭ）を用いて測定されたSi(111)√3x√3-Ag の例があるの みである。 そこで私は、次のステップとして、表面科学分野で興味が 持たれる超周期構造上でのＳＴＰ測定を実現することを目標 にした。これまで開発したＳＴＰ装置の回路系をオミクロン 社製の超高真空ＳＴＭ装置に導入した。次に、清浄表面での ＳＴＰ測定を行いたいが、清浄表面上の２か所で電気的接触 を取ることは簡単ではない。そこで、電気的接触を取る方法 としてＵＨＶ中での加熱に支障がないタンタル電極をアーク プラズマガンを用いて基板上にあらかじめ作成し、その基板 上に元素吸着を行わせることで超周期構造をもつ表面を作成する手法（図１９）と、あらかじめ基板の両面に電極を作成 した基板を超高真空中で劈開する（図２０、２１）ことにより清浄表面（図２２、２３）を作製し、吸着表面上でのＳＴ Ｐ測定を行う手法の二つの方法で、装置開発を進めている。
[2] M. Hamada et al., Japanese Journal of Applied Physics 51 (2012) 125202
図１８ 図１７の表面構造と電位分布の結果を合成
