金属探針を用いた非接触原子間力顕微鏡による試料表面抵抗測定

摘要

電子デバイスの微細化･薄膜化により、バルクとは異なる表面の抵抗を測定する必要性が高まっている。我々は、超高真空非接触原子間力顕微鏡(nc-AFM)を用いて、ジュール発熱に由来するカンチレバーのエネルギー散逸量(DJ)と静電引力による共振周波数変化(Δfele)の線形な関係性から、探針と探針直下の試料との合成表面抵抗を算出できることを示した[1]。本手法では、表面抵抗を非接触で且つ探針先端径程度の空間分解能で測定できる。参考文献1の研究では、Si探針を用いたため、求めた抵抗値は、試料よりも探針の抵抗寄与が大きかった。そこで本研究では、nc-AFMに金属探針を用いることで探針側の抵抗寄与を小さくし、試料側の表面抵抗を測定する。力センサーとして、高いQ値を実現できる共振再調整(Retuned tuning fork:RTF)力センサー[2]を用いた（音叉型水晶振動子の片側のプロングに探針を取り付け、その荷重分のプロングを削ることで2本のプロングの再調整を行う）。力センサーのQ値は、Δfの検出感度のみならずエネルギー散逸計測にも影響する。Q値の高いRTFセンサーを用いることによって、抵抗検出感度の向上も期待できる。探針作製法としては、酸化性炎の中でタングステン線を酸化・昇華することでタングステン線を先鋭化させる炎エッチング用いた。探針先端半径に比べて探針と試料の距離が十分に近い、しかしトンネル電流は流れない程度の距離(2 nm程度)において、試料印加電圧を変化させながらエネルギー散逸量と共振周波数変化(Δf)を同時取得した。この探針−試料間距離でのエネルギー散逸の起源はジュール発熱のみである。図は、試料として Si(111)-7×7 再構成表面を使用し、取得したΔfからVan der Waals成分(ΔfvdW)を引くことでΔfeleを算出し、DJを縦軸に、Δfeleを横軸にプロットしたグラフである。両者は式DJ = -16π3εrtipRJkA2Δfele (ε: 真空誘電率､rtip: 探針先端半径、k: ばね定数、A: 振幅、RJ: 表面抵抗)の線形な関係を持つ。プロット点を線形近似(図の赤線)することで傾きを求めた。表面抵抗RJ以外は既知の値であるので、近似直線の傾きと比較することで表面抵抗値を200 MΩと算出できた。