CN102654516B - 位移检测机构及使用该位移检测机构的扫描型探头显微镜 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于，提供一种非光学杠杆方式或自检测型的位移检测的悬臂位移检测机构以及使用该悬臂位移检测机构的扫描型探头显微镜。利用由LC谐振器和F‑V变换器构成的悬臂位移检测器，检测悬臂与试样表面间的静电电容变化，从而能够检测悬臂的位移。由此，能够在遮断光的状态下进行形状测定或物性测定，并且，能够测定由于有光无光引起的试样的形状或物性信息的变化。

Description

位移检测机构及使用该位移检测机构的扫描型探头显微镜

技术领域

本发明涉及高精度地测定悬臂的位移量的位移测定方法，尤其是涉及使用该方法的、能够通过使探针在试样表面扫描来观察试样的表面形状或物性信息的扫描型探头显微镜。

背景技术

扫描型探头显微镜(以下称作SPM)是测定试样的表面形状或物性信息的显微镜，至今为止提出了各种各样的测定模式。例如，有通过将在探针与试样间流过的隧道电流保持恒定来取得表面形状的扫描型隧道显微镜(以下称作STM)，以及通过检测探针与试样间的原子间作用力来取得表面形状的原子间作用力显微镜(以下称作AFM)。在AFM中，存在通过将悬臂的挠度保持恒定来取得表面形状的接触模式，以及通过对悬臂励振并将其振幅保持恒定来取得表面形状的动态力模式(以下称作DFM模式)。一般地，在接触模式下，探针与试样始终接触，在DFM模式下，探针与试样是间歇性地接触的。

在SPM中，能够进行在取得试样的表面形状的同时取得试样的物性信息的物性测定。尤其是当使用在探针上镀上金属的导电性悬臂时，能够测定试样表面的电物性。例如，可列举观察试样的表面电位的开尔文力(Kelvin Force)显微镜(以下称作KFM)、测定静电力的静电力显微镜(以下称作EFM)、能够观察磁力特性的磁力显微镜(以下称作MFM)等。在任何测定方法中，都是将探针与试样保持为非接触状态，检测探针与试样表面的物理相互作用作为悬臂的位移(例如参照非专利文献1)。

在使探针和试样接触的状态下，即在接触模式状态下，能够测定试样表面的各种物性信息。例如，可列举能够计测试样表面的静电电容变化的扫描型非线性介电显微镜(以下称作SNDM)。SNDM计测由于在导电性悬臂与试样间施加交流电压引起的试样的静电电容变化。作为静电电容变化的计测方法，将导电性悬臂安装在LC谐振器上，将探针正下面的静电电容变化变换成LC谐振器的谐振频率变化，进而用FM解调器等将该谐振频率变化变换成电压变化，从而将静电电容变化作为电压变化进行检测(例如参照专利文献1)。

另一方面，作为悬臂的位移检测方法，一般是光学杠杆方式。光学杠杆方式是指将激光等光照射在悬臂的背面，通过检测其反射光的位置来检测悬臂的挠度(位移)。作为不使用光的方法，存在利用压敏电阻的压敏电阻型自检测悬臂。在这种方式下，通过将压敏电阻体变形传感器搭载在悬臂上，将悬臂的挠度作为压敏电阻体的电阻的变化进行检测(例如参照专利文献2)。

【专利文献】

【专利文献1】日本特开平8-75806号公报

【专利文献2】日本特表2007-532923号公报

【非专利文献】

【非专利文献1】山岡武博著、材料技術Vol.23No.4(2005)211

【非专利文献2】M.Takahashi，T.Igarashi，T.Ujihara and T.Takahashi：“photovoltage Mapping on Polycrystalline Silicon Solar Cells by Kelvin ProveForce Microscopy with Piezoresistive Cantilever”，Jpn.J.Appl.Phys.，46，548(2007)

在AFM中，为了检测悬臂的位移一般采用光学杠杆方式。然而，有时由于光也被照射在试样上，因而在进行物性测定时受到该光的影响。尤其是在计测试样表面的电位或电流等时，有时试样本身由于光激励等而使物性值发生变化，无法测定正确的物性信息。另外，由于同样的理由，有时将光照射在试样上，测定由于有光无光引起的试样的物性信息的变化变得困难。

另一方面，使用压敏电阻型自检测悬臂的方法由于没有在悬臂的位移探测中使用光，因而没有上述的影响。然而，在测定KFM等电物性时产生各种限制。例如，使用的悬臂需要具有压敏电阻体，需要复杂的构造或特别的制造过程。当然，无法使用市场上销售的一般的悬臂。另外，在电物性测定中，一般是使用在探针上镀上金属的导电性悬臂，但是在探针上镀上金属的压敏电阻型自检测悬臂需要更加复杂的构造或制造过程，制作这样的压敏电阻型自检测悬臂本身就具有困难性。另外，KFM、EFM等在试样与探针间施加交流电场的测定中，施加的交流电场也被施加到压敏电阻传感器上，由此在压敏电阻体上产生的位移电流作为相对于臂的位移信号的噪音而混入，导致无法正确的测定。关于这一点，虽然报告了利用作用在探针与试样间的交流电场与作用在压敏电阻传感器上的交流电场的相位差的KFM的测定例子，但是装置结构复杂且分辨率差(参照非专利文献2)。

发明内容

本发明用于解决上述的问题，其目的在于，提供一种与现有的光学杠杆方式或者自检测型的悬臂位移检测方法不同的新的位移检测机构以及使用该位移检测机构的扫描型探头显微镜。

本发明的悬臂位移检测机构在悬臂发生位移时检测该位移，所述悬臂向与成为位置基准的基准台相对的方向进行恒定的振动，其特征在于，该悬臂位移检测机构具有静电电容变化检测单元，该静电电容变化检测单元检测基于所述悬臂的振动变化的、在该悬臂与所述基准台间产生的静电电容变化，根据所述静电电容变化来评价所述悬臂的位移。由此，能够排除光学杠杆方式或者自检测方式的不足。

另外，本发明中，作为静电电容变化检测单元使用了静电电容传感器。

另外，本发明中，作为另外一种静电电容变化检测单元，利用LC谐振器和F-V变换器、或者LC谐振器和FM解调器，评价基于静电电容变化的LC谐振器的谐振频率的变化作为电压变化。

另外，本发明中，扫描型探头显微镜具有使用了所述位移检测机构的位移检测部。

另外，本发明中，在具有使用了所述位移检测机构的位移检测部的扫描型探头显微镜中，该位移检测部能够检测悬臂的振动振幅和相位。由此，能够应用到不同测定模式的扫描型探头显微镜。另外，本发明中，能够在遮断光的状态下进行形状测定或物性测定，不受光激励的影响，能够比较由于有光无光引起的试样的形状或物性信息的变化。

根据本发明的扫描型探头显微镜，能够检测悬臂的位移作为悬臂的臂部与试样间的静电电容变化。

由此，由于不用像光学杠杆方式那样地使用光，因而不会受到由此带来的影响，能够取得测定试样的真实的物性信息，另外，能够观察由于有光无光引起的试样的物性信息的变化、由于光的强度的不同或光的频率的不同引起的、试样的物性信息的变化。

另外，不需要悬臂具有自检测型中的压敏电阻传感器，可以使用市场上出售的通用的悬臂(包含导电性悬臂)。并且，即使在对悬臂施加电场的情况下，由于没有压敏电阻传感器，因而没有受到影响的因素，能够容易地进行KFM、EFM等的电物性测定。

附图说明

图1是本发明的第一实施方式的扫描型探头显微镜的概略结构图。

图2的(a)是示出悬臂与试样间的静电电容的图。

图2的(b)是将悬臂与试样间的静电电容看作平行平板电容器的图。

图3是本发明的第二实施方式的扫描型探头显微镜的概略结构图。

图4是本发明的第三实施方式的扫描型探头显微镜的概略结构图。

标号说明

1：悬臂；2：探针；3：臂部；4：臂施振单元；5：LC谐振器；6：F-V变换器；7：悬臂位移检测部；8：控制部；9：XY驱动部；10：Z驱动部；11：三维致动器；12：试样台(基准)；13：显示部；14：锁相放大器；15：信号发生器；16：反馈电路；17：照明装置；S：试样(基准)；L：光。

具体实施方式

使用附图说明本发明的扫描型探头显微镜。

在图1中，示出与本发明的第一实施例相关的扫描型探头显微镜的结构的一个示例。

本发明的扫描型探头显微镜具有：具有探针2的悬臂1，该探针2被配置成针尖朝向设置在试样台12上方的试样的试样表面S，并且能够相对于该试样表面S进行与试样表面S平行的X、Y方向的扫描和与该试样表面S垂直的Z方向的移动；能够使该悬臂1振动的臂施振单元4；以及检测悬臂1的位移的悬臂位移检测部7。试样台12或者载置在其上部的试样S成为悬臂1的位置的基准，该试样台12或者试样S的表面与该悬臂1间的静电电容变得重要。

试样台12被安装在三维致动器11上，能够使探针2和试样表面S在所述X、Y以及Z方向相对移动。

在三维致动器11上，连接有驱动三维致动器11使试样表面S在X、Y、Z方向上扫描的XY驱动机构9和Z驱动机构10。

另外，XY驱动机构9和Z驱动机构10与控制部8连接，由此被控制部8控制。

悬臂位移检测部7由LC谐振器5和F-V变换器6构成。当悬臂1位移时，该悬臂1与试样表面S间的静电电容(或者悬臂1与试样台12间的静电电容)发生变化。通过检测该静电电容的变化，检测悬臂1的位移。

具体而言，LC谐振器5与悬臂1连接，当检测(识别)到所述静电电容的变化时，作为LC谐振器5的谐振频率的变化进行检测。由F-V变换器6检测(识别)该谐振频率的变化，作为电压的变化进行检测(变换)，并发送到控制部8。即，通过“悬臂的位移”、“静电电容的变化”、“谐振频率的变化”以及“电压的变化”的依次变换，检测悬臂的位移。

接着，对于悬臂与试样表面间的静电电容的变化量的计算方法进行说明。

将图2的(a)所示的悬臂与试样表面假定为图2的(b)所示的平行平板电容器时，该静电电容用以下的公式1表示。

$C={\∫}_0^{L\cos \mathrm{\θ}}\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{0}b}{t+x\tan \mathrm{\θ}}\mathrm{dx}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{0}b}{\tan \mathrm{\θ}}{\∫}_0^a\frac{1}{x+\frac{t}{\tan \mathrm{\θ}}}\mathrm{dx}$

$=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{0}b}{\tan \mathrm{\θ}}\log (\frac{L\cos \mathrm{\θ}\tan \mathrm{\θ}}{t}+1)$

这里，设臂的长度为L，设臂的宽度为b，设臂的倾斜度为θ，设探针的长度为t。假设一般的悬臂，L＝450μm，b＝30μm，θ＝13°，t＝12.5μm，作为悬臂的位移，倾斜度θ发生了0.01°的位移时的静电电容变化约为5×10^-19F。虽然由LC谐振器5和F-V变换器6构成的位移检测部7与专利文献1中记载的SNDM的结构大体上相同，但是一般的SNDM的静电电容的检测灵敏度达到1×10^-21F～10^-22F。因此，本发明的悬臂的位移检测灵敏度是能够充分地实现的。

如上所述，由悬臂位移检测部7检测到的悬臂的位移信息被发送到控制部8。控制部8能够基于发送来的信号，进行试样表面的形状测定。例如，通过检测悬臂的振动振幅并控制探针和试样间的距离以保持恒定，能够进行一般的DFM测定。另外，在探针与试样间施加交流电场时，悬臂由于开尔文力而振动，由所述悬臂位移检测单元7检测该振动，从而能够进行KFM测定或EFM测定。另外，对于由悬臂位移检测部7检测到的悬臂的位移信息，例如，可以通过RMS-DC(有效值-直流)变换来检测振幅，另外，也可以通过锁相放大器对任意的频率成分进行同步检波。前者的RMS-DC变换主要用于DFM测定，后者的锁相放大器往往用于KFM或EFM测定。

并且，虽然在本实施方式中为了将频率变换为电压而采用了F-V变换器，但是并不限于此，例如也可以使用FM解调器。

另外，虽然在本实施方式中作为检测静电电容的变化的方法采用了LC谐振器5和F-V变换器6，但是并不限于此，也可以使用静电电容传感器等能够检测静电电容的检测器。

在图3中，示出与本发明的第二实施例相关的扫描型探头显微镜的结构的一个示例。

试样台12连接有在探针和试样间施加交流电场的信号发生器15。另外，悬臂位移检测部7检测到的悬臂的位移信息被发送到锁相放大器14，能够同步检测与信号发生器15相同频率成分或者2倍以上频率成分的振幅和相位。这里，检测到的振幅或相位成分是起因于由交流电场引起的作用在探针与试样间的静电力的悬臂的振动振幅或相位成分，这些信号成为能够通过EFM测定而得到的信息。另外，为了使由锁相放大器14检测到的振幅为0，由反馈电路16向试样台12施加直流偏压，从而能够进行KFM测定。

在图4中，示出与本发明的第三实施例相关的扫描型探头显微镜的结构的一个示例。

该显微镜能够利用物性照明装置17向试样或/和探针照射光L。由此，在不照射光L的状态下进行EFM测定或KFM测定，此后，在照射了光L的状态下，进行EFM测定或KFM测定，从而能够取得由于有光无光引起的试样表面的形状信息或物性信息。另外，能够利用照明装置17改变光L的強度，观察基于该强度值或者差分的KFM测定或EFM测定结果的差异。由此，能够测定试样表面的形状信息或物性信息的光强度相关性。

另外，能够利用照明装置17改变光的频率，观察基于该频率值或者差分的KFM测定或EFM测定结果的差异。由此，能够测定试样表面的形状信息或物性信息的光频率相关性。并且，这里虽然采用了EFM测定或KFM测定，但是并不限于此，也可以进行形状测定、电流测定以及MFM测定等基于其它测定模式的形状测定或物性测定。

并且，虽然在本发明的扫描型探头显微镜中利用悬臂位移检测部7检测悬臂的位移，但是也可以与现有的光学杠杆方式进行组合。例如，也可以通过光学杠杆方式进行形状测定，利用悬臂位移检测部7进行EFM测定或KFM测定。

Claims (17)

1.一种悬臂位移检测机构，该悬臂位移检测机构具有：前端具有探针的悬臂；位于与所述探针的前端相对的一侧的成为位置基准的基准台，该悬臂位移检测机构检测所述悬臂振动时的该悬臂的位移，其中，

该悬臂位移检测机构具有静电电容变化检测单元，该静电电容变化检测单元检测基于所述悬臂的振动变化的、在该悬臂与所述基准台间的空间部分中产生的、由所述探针的长度、所述悬臂的长度、所述悬臂的宽度、所述悬臂的倾斜度这4个参数表示的静电电容变化，

根据所述静电电容变化来评价所述悬臂的位移，

在设所述悬臂的长度为L、所述悬臂的宽度为b、所述悬臂的倾斜度为θ、所述探针的长度为t、静电电容为C时，所述静电电容用下式表示，

$C=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{0}b}{\tan \mathrm{\θ}}log\left(\frac{L\cos \mathrm{\θ}\tan \mathrm{\θ}}{t}+1\right).$

2.根据权利要求1所述的悬臂位移检测机构，其中，所述静电电容变化检测单元是静电电容传感器。

3.根据权利要求1所述的悬臂位移检测机构，其中，

所述静电电容变化检测单元由振动频率和/或振动振幅检测单元和电信号检测单元构成，所述振动频率和/或振动振幅检测单元检测基于该静电电容变化的所述悬臂的振动频率和/或振动振幅，所述电信号检测单元检测基于该振动频率和/或振动振幅的电信号，

所述静电电容变化检测单元识别基于所述静电电容变化的所述悬臂的振动频率和/或振动振幅，并且，评价所述悬臂的位移作为基于该悬臂的振动频率和/或振动振幅的电信号。

4.根据权利要求3所述的悬臂位移检测机构，其中，所述振动频率和/或振动振幅检测单元是与所述悬臂电连接的LC谐振器，检测基于所述静电电容变化的该LC谐振器的谐振频率。

5.根据权利要求3所述的悬臂位移检测机构，其中，所述电信号检测单元是与所述振动频率和/或振动振幅检测单元电连接的F-V变换器或者与所述振动频率和/或振动振幅检测单元电连接的FM解调器，作为基于所述振动频率和/或振动振幅的电压进行检测。

6.一种扫描型探头显微镜，该扫描型探头显微镜具有：

前端具有探针的悬臂；

使所述悬臂振动的臂施振单元；

载置试样的试样台，所述试样放置在与所述探针的前端相对的位置上；

相对地向X、Y以及Z方向驱动所述试样表面和所述探针的XY驱动机构以及Z驱动机构；

检测所述悬臂的位移的悬臂位移检测部；以及

从该悬臂位移检测部检测到的悬臂的位移信息中提取所述试样表面的形状数据或物性数据的控制部，其中，

所述悬臂位移检测部具有权利要求1所述的悬臂位移检测机构，根据伴随由于所述悬臂的位移而产生的振动变化的、所述悬臂与所述试样的表面间的静电电容变化，评价所述悬臂的位移。

7.根据权利要求6所述的扫描型探头显微镜，其中，所述悬臂位移检测部检测所述悬臂的振动振幅、振动频率以及相位。

8.根据权利要求6所述的扫描型探头显微镜，其中，所述悬臂位移检测部检测由于所述臂施振单元而振动的悬臂的、与所述臂施振单元同一频率成分的振动振幅。

9.根据权利要求6所述的扫描型探头显微镜，其中，所述悬臂位移检测部检测由于所述臂施振单元而振动的悬臂的、与所述臂施振单元之间的相位差。

10.根据权利要求6所述的扫描型探头显微镜，其中，所述悬臂位移检测部检测由于在所述试样表面与所述探针间施加的交流电场而振动的悬臂的振动振幅和相位。

11.根据权利要求10所述的扫描型探头显微镜，其中，所述悬臂位移检测部检测由于在所述试样表面与所述探针间施加的交流电场而振动的悬臂的、与所述交流电场同一频率成分的振动振幅。

12.根据权利要求10所述的扫描型探头显微镜，其中，所述悬臂位移检测部检测由于在所述试样表面与所述探针间施加的交流电场而振动的悬臂的、与所述交流电场之间的相位差。

13.根据权利要求10所述的扫描型探头显微镜，其中，

所述悬臂位移检测部检测由于在所述试样表面与所述探针间施加的交流电场而振动的悬臂的、所述交流电场的至少2倍以上的频率成分的振动振幅和相位。

14.根据权利要求6所述的扫描型探头显微镜，其中，该扫描型探头显微镜具有用于向所述试样表面和/或探针照射光的照明装置。

15.根据权利要求14所述的扫描型探头显微镜，其中，检测由于开关从所述照明装置照射的光引起的、试样表面的形状和物性信息的不同。

16.根据权利要求14所述的扫描型探头显微镜，其中，检测由于从所述照明装置照射的光的频率的不同引起的、试样表面的形状和物性信息的不同。

17.根据权利要求14所述的扫描型探头显微镜，其中，检测由于从所述照明装置照射的光的强度的不同引起的、试样表面的形状和物性信息的不同。