多探針STM

概要

探針を複数持つＳＴＭ装置を開発し、測定条件を合わせての複数箇所の同時測定や、ナノ構造体の伝導特性測定を行おうというプロジェクトです。

通常のＳＴＭですと探針は１本のみですから、測定時には探針直下の一点の情報しか得ることができません。複数の探針による同時測定ができれば、ＳＴＭ測定が試料に与える影響を正確に評価したり、１つの探針から別の探針に流れる電流を測定したり、試料の特定箇所に電圧や電流を印加した影響を近傍に置いた探針で測定したり、物性測定の幅が一気に広がることになります。

これまでにも、ＬＳＩの評価を行う際に、精密動作が可能な導電性プローブを試料上の特定箇所に当て、デバイス上の個々の素子の評価を行うようなことはされてきました。しかし、これらの装置はナノメートル程度の精度でしかプローブ位置を制御できず、原子スケールに迫る近未来のデバイス評価には力不足でした。

我々の開発する装置では、４本のプローブがそれぞれ独立にＳＴＭとして動作可能であり、プローブ位置の制御精度は従来よりも数十～百倍程度優れたもの（０．１～０．０１Å）となります。さらに、熱雑音を抑えた極低温での測定、酸素や水分による試料の酸化を防ぐ超高真空での測定を可能にし、半導体や有機分子を活用する次世代デバイスの評価に役立てたいと考えています。

構成

多探針ＳＴＭ装置は超高真空チャンバーに組み込まれ、装置全体を保持する空気バネ除振台と、真空内の渦電流除振台により外部からの振動が測定に与える影響を軽減しています。

それぞれのＳＴＭ探針を試料上の適当な位置に配置するため、ＳＴＭ装置の上部には走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）が備えられており、１０ｎｍ程度の分解能で針先の位置を確認することができます。

液体ヘリウムタンクに冷媒を入れることで、試料室を１０ｋ以下に保ち、熱雑音の無い状態でのＳＴＭ測定、電気伝導測定を行うことが可能です。

試料室を低温に保つための熱シールドは上部を大きく開閉可能で、シールドを開けることでＳＥＭ観察時、光照射実験時の最適な測定条件を実現することができます。

試料準備室には探針ホルダを２セット（１セット＝４本）、試料ホルダを３つ保持できるパーキングがあり、また、試料交換室にも探針ホルダを１セット、試料ホルダを２つ保持できるパーキングがあり、試料や探針の交換は超高真空をやぶることなく用意に行うことが可能です。

顕微鏡の制御はＳＥＭ用とＳＴＭ用の２つのＰＣから行われます。

ＳＴＭ制御装置は４つのプリアンプ、１台のＰＣに差し込まれた４枚のＤＳＰカード、４つの高電圧アンプユニットからなっていて、４本の探針を１台のＰＣから制御することが可能です。

プリアンプ、高電圧ユニットは自作のものであり、多探針測定用に測定電流範囲を広く取ったり、複雑なフィードバック制御が行えるよう工夫されています。

ＳＥＭによるＳＴＭ探針観察

ＳＥＭ観察下でのＳＴＭ探針操作の様子です。0.3mm径のタングステン線を電解研磨して作成したＳＴＭ探針の先端を互いに～１００ｎｍ程度まで近づけることが容易にできます。

ＳＴＭとしての最大走査範囲は図中の網で示した部分になります。

ＳＴＭとしての動作

これまでに、装置がＳＴＭとして動作するのに十分な探針位置制御精度を持っていることが確認できました。

現在は、我々の開発した装置により高度な多探針測定を行うため、電気回路およびソフトウェアについてさらなる改良を加え、実際のデバイス構造などに応用していくことを目標に、研究を進めています。

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