JP2000097838A - 表面観察装置及び表面観察方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、試料表面の電圧分布をナノメートル
スケールの分解能で観察することができること、また、
試料表面の電圧分布をナノメートルスケールの分解能で
観察するに際して、プローブ及び試料の破壊を防ぎ安定
に観察することができる表面観察装置及び表面観察方法
を提供することを目的としている。 【解決手段】本発明は、弾性体で支持された導電性探針
を試料表面に接触させて該試料表面に水平な方向に走査
し、該弾性体の変位量を検出することにより前記探針の
試料表面に垂直な方向の位置を算出して、前記試料表面
の形状を測定するようにした表面観察装置または方法に
おいて、前記試料に電圧を印加し該試料中に電位分布を
発生させる電位分布発生手段と、前記探針による該試料
中の電位を検出する電位検出手段とを備え、前記探針の
試料表面に垂直な方向の位置の算出と、前記電位検出手
段による電位の検出とを、前記試料表面に水平な方向の
同じ位置で行い、試料表面の形状とそれに対応した電位
分布とを同時、若しくは、ほぼ同時に測定するようにし
たことを特徴とするものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は走査型探針顕微鏡を
応用した表面観察装置及び表面観察方法に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】近年、物質の表面を原子オーダーの分解
能で観察できる走査型トンネル顕微鏡（以下ＳＴＭとい
う）［Ｇ．Ｂｉｎｎｉｇ ｅｔ ａｌ．，Ｐｈｙｓｉｃ
ａｌＲｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ 第４９巻５７頁
（１９８２）］が開発され、原子、分子レベルの実空間
観察が可能になってきた。走査型トンネル顕微鏡は、ト
ンネル電流を一定に保つように探針電極、導電性試料の
距離を制御しながら走査し、その時の制御信号から試料
表面の電子雲の情報、試料の形状をサブナノメートルの
オーダーで観測することができる。また、物質の表面を
やはり高分解能で観察できる手段として原子間力顕微鏡
（以下ＡＦＭという）が開発されている。この方法によ
れば試料に流れる電流によらず、試料表面の形状を観察
することが可能である。ＡＦＭによる通常の観察方法
は、探針と試料表面を原子間力が働く程度に接近させ
て、この原子間力が一定になるように探針と試料表面の
距離を制御しながら走査し、その制御信号から試料表面
の形状を求めるものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このようにＡＦＭ、Ｓ
ＴＭを用いることにより試料表面の形状を分子レベルの
分解能で観察することが可能になったが、従来のものに
おいては、試料の電位分布に関するナノメートルオーダ
での情報を得ることができないという点に問題がある。
近年デバイスの微細化が進み、ナノメートルオーダでの
電圧分布を測定することがデバイスの動作解析に求めら
れている。例えば５０ｎｍのソースードレイン間隔を持
つデバイスではｎｍ程度の空間分解能で電圧分布を観察
することが要求される。

【０００４】そこで、本発明は、上記した従来のものに
おける課題を解決し、試料表面の電圧分布をナノメート
ルスケールの分解能で観察することができる表面観察装
置及び表面観察方法を提供することを目的としている。
また、本発明は、試料表面の電圧分布をナノメートルス
ケールの分解能で観察するに際して、プローブ及び試料
の破壊を防ぎ安定に観察することができる表面観察装置
及び表面観察方法を提供することを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を達
成するために、表面観察装置及び表面観察方法を、つぎ
のように構成したことを特徴としている。すなわち、本
発明の表面観察装置は、弾性体で支持された導電性探針
を試料表面に接触させて該試料表面に水平な方向に走査
し、該弾性体の変位量を検出することにより前記探針の
試料表面に垂直な方向の位置を算出して、前記試料表面
の形状を測定するようにした表面観察装置において、前
記試料に電圧を印加し該試料中に電位分布を発生させる
電位分布発生手段と、前記探針による該試料中の電位を
検出する電位検出手段とを備え、前記探針の試料表面に
垂直な方向の位置の算出と、前記電位検出手段による電
位の検出とを、前記試料表面に水平な方向の同じ位置で
行い、試料表面の形状とそれに対応した電位分布とを同
時、若しくは、ほぼ同時に測定するようにしたことを特
徴としている。また、本発明の表面観察装置は、前記試
料表面の形状を測定するための手段が、前記探針と試料
との位置を制御する位置制御手段と、該位置制御手段と
前記弾性体の変位量を検出する変位量検出手段からの信
号に基づいて前記探針の試料表面に垂直な方向の位置を
求める探針位置算出手段と、によって試料表面の形状を
算出する表面形状算出手段を構成していることを特徴と
している。また、本発明の表面観察装置は、前記電位分
布を測定するための手段が、前記電位検出手段と、前記
探針と試料との位置を制御する位置制御手段からの信号
に基づき前記試料表面の電位分布を算出する電位分布算
出手段と、で構成されていることを特徴としている。ま
た、本発明の表面観察装置は、前記電位検出手段が、可
変電圧源と検流計とで構成された平衡回路による電位測
定回路であることを特徴としている。また、本発明の表
面観察装置は、前記電位分布発生手段が、試料に電位分
布を発生するタイミングを制御する電位分布発生制御手
段を具備していることを特徴としている。また、本発明
の表面観察装置は、前記探針が、導電性材料上に絶縁性
薄膜が被覆されて形成されていることを特徴としてい
る。また、本発明の表面観察方法は、弾性体に支持され
かつ試料表面に対向して配置された導電性探針を試料表
面に接触させ、前記探針を試料表面に水平な方向に走査
するステップと、前記弾性体の変位量を検出するステッ
プと、前記検出された変位量から探針先端の試料表面に
垂直な方向の位置を求めるステップと、前記試料内部に
電位分布を発生させるステップと、前記探針により前記
試料内部の電位を検出するステップと、を少なくとも有
し、前記探針先端の試料表面に垂直な方向の位置を求め
るステップと、前記探針により電位を検出するステップ
とを、前記試料表面に水平な方向の同じ位置で行い、試
料表面の形状とそれに対応した電位分布とを同時、若し
くは、ほぼ同時に測定するようにしたことを特徴として
いる。また、本発明の表面観察方法は、前記電位を検出
するステップが、可変電圧源と検流計とで構成された平
衡回路による電圧測定回路により行われることを特徴と
している。また、本発明の表面観察方法は、前記弾性体
の変位量を検出するステップを行うとき、前記試料内部
に電位分布を発生させる動作を中止することを特徴とし
ている。また、本発明の表面観察方法は、前記探針が、
導電性材料上に絶縁性薄膜が被覆されて形成されている
ことを特徴としている。

【０００６】

【発明の実施の形態】本発明は、上記した構成を有する
表面観察装置によって達成されるが、より具体的には、
弾性体に支持されかつ試料表面に対向して配置された導
電性探針と、前記探針と試料との位置を制御する位置制
御手段と、前記位置制御手段からの信号に基づき、前記
探針と前記試料の位置を調節する位置調節手段と、前記
弾性体の変位量を検出する変位量検出手段と、前記試料
中に電位分布を発生させる電位分布発生手段と、前記探
針の電位を検出する電位検出手段と、前記位置制御手段
と前記変位量検出手段からの信号に基づき探針先端の試
料表面と垂直方向の位置を求める探針位置算出手段と、
前記位置制御手段と前記探針位置算出手段から試料表面
の形状を算出する表面形状算出手段と、前記電圧検出手
段と前記位置制御手段からの信号に基づき前記試料表面
の電位分布を算出する電位分布算出手段とを具備する表
面観察装置を構成することにより、実現することができ
る。

【０００７】上記表面観察装置の各構成について、さら
に具体的に説明すると、導電性探針は試料表面と接して
試料との間に力を発生する。本発明における探針は少な
くともその先端は導電性の材料で構成されており、試料
表面と電気的に接続され、試料表面と同電圧になり、試
料表面の電圧を測定するプローブとして動作する。この
導電性探針は弾性体により支持されているが、この弾性
体はＡＦＭにおいてカンチレバーと呼ばれている板バネ
状のものが一般的であり、バネ定数としては０．０１Ｎ
／ｍから１００Ｎ／ｍ程度のものが一般的である。ま
た、本発明においては、探針の先端が導電性材料に絶縁
性の薄膜がコートされている構造を採ることができる。
その際、導電性の材料の部分は電位検出手段と電気的に
接続されて電圧が測定され、探針表面には薄い絶縁性薄
膜がコートされるが、この膜厚はこの絶縁性薄膜の試料
表面と探針の導電性部との抵抗が、電圧を測定する系の
入力抵抗より十分低くなるような膜厚でなければならな
い。また、絶縁性薄膜の内部に電荷分布が発生すること
により生じる電位が、測定を行ないたい電位精度より、
低くなるような膜厚でなければならない。

【０００８】位置制御手段は、位置調節手段に導電性探
針の試料表面垂直方向（以下Ｚ方向という）及び試料表
面水平方向（以下ＸＹ方向という）の位置に関する制御
信号を送るもので、位置調節手段はこの信号に基づき、
探針と試料のＸＹ方向、及びＺ方向の位置を調節するも
のである。本発明においては導電性探針は弾性体により
支持されていることから位置調節手段は弾性体を取り付
ける部分と試料との相対的位置を変化させる。この場
合、弾性体の取り付け部を動かすものでもよく、また試
料を動かすものでもよく、また両者を動かすようなもの
でもよい。具体的な機構としてはステッピングモータを
利用した粗動機構とピエゾ素子を用いた微動機構の組み
合わせが実用性が高い。変位量検出手段は、前記弾性体
の変位量を検出するものである。この変位量検出手段と
しては光てこ方式という以下に示す方式が一般的であ
る。カンチレバーの試料と反対側にレーザを照射し、カ
ンチレバーから反射されたレーザ光を２分割フォトダイ
オードセンサで検出し、カンチレバーがたわむと２分割
フォトダイオードセンサの各々のフォトダイオードヘの
レーザ光入射強度が変化し、各出力が変化する。したが
ってこのフォトダイオードの出力を検出すれば変位量が
検出できる。探針位置算出手段は、探針先端のＺ方向の
位置を算出するのものである。前記変位量検出手段から
の出力と探針位置制御手段からの制御信号に基づき、探
針先端のＺ方向の位置を算出する。本発明においては観
察は探針先端を試料表面に接触させているので、探針先
端のＺ方向の位置は試料表面のＺ方向の位置となる。電
圧分布発生手段とは試料表面に電圧を印加して観察試料
表面に電圧の分布を発生させるものであり、電圧を発生
する電源と試料に電圧を印加する電極とから構成され
る。電位検出手段とは電位計等、電位を検出する手段で
ある。通常の電圧計でもよいが内部抵抗が高いことが望
ましい。また、より正確に求めるためにはポテンシャル
メータや平衡回路を用いるとよい。

【０００９】本発明において探針位置算出手段が試料表
面のＺ方向の位置を求めるときと電位検出手段が探針位
置での電圧を検出するのは探針が同じＸＹ方向の位置に
あるときに実施される。表面形状算出手段は位置制御手
段の信号により試料のＸＹ方向の位置を求め、そのとき
の探針位置算出手段の結果から試料表面のＺ方向の位置
を求め、これをマッピングすることにより試料表面の形
状を算出する。この算出方法は通常のＡＦＭの動作と同
様である。電位分布算出手段は位置制御手段の信号によ
り試料のＸＹ方向の位置を求め、そのときの電位測定手
段の結果から試料表面の電位を求め、これをマッピング
することにより試料表面の電位分布を算出する。本発明
では、探針位置算出手段と電位検出手段が同じＸＹ方向
の位置でそれぞれ試料表面の位置と電位を測定するの
で、試料表面とそれに対応した電位分布が同時に測定で
きる。また、上記表面観察装置に、前記電位分布発生手
段が試料に電位分布を発生するタイミングを制御する電
位分布発生制御手段を具備することにより、表面の形状
をより正確に測定することができる。電位分布発生制御
手段は上記変位量検出手段が前記弾性体の変位量を検出
するときに前記電位分布発生手段が観察する試料に電圧
を印加するのを中止する。この動作により、変位量検出
手段が変位を検出するときに探針や弾性体に静電力が働
くことが防止され、静電力による弾性体の変形に起因す
る誤差の発生が防止することができ、より正確に表面形
状を測定することができる。

【００１０】また、本発明では探針先端を絶縁性の薄膜
で覆う構成を採ることにより、観察試料のごく一部の領
域に電圧が集中して探針に損傷を与えないようにするこ
とができる。その様子を図６を用いて説明する。図６
（ａ）は探針６０２を用いて試料６０１を観察している
様子を示す。試料６０１には外部から電圧が印加されて
いる。例えば試料６０１の一部に非常に亀裂状に膜厚の
薄い部分６０４（以下亀裂部という）が存在していると
する。試料の抵抗率は低いがこの亀裂部は膜厚が薄くな
っているために電圧がこの非常に薄い部分に集中し、そ
の分布は図６（ｂ）に示すように電位勾配が発生してい
る場合を考える。このとき探針６０２が亀裂部６０４を
通過するとき、図６（ｃ）に示したように探針６０２が
亀裂部６０４の両側に接触する。このとき探針６０２表
面には絶縁性薄膜６０３が存在しているために亀裂の両
側が探針を介して短絡することが防止され、探針に過大
に電流が流れて探針が破壊されたり、試料が破壊された
りすることが防止できる。

【００１１】本発明は、上記した構成を有する表面観察
方法によって達成されるが、より具体的には、弾性体に
支持されかつ試料表面に対向して配置された導電性探針
を試料表面に接触させ、前記探針を試料表面に平行な方
向に走査するステップと前記弾性体の変位量を検出する
ステップと前記検出された変位量から探針先端の位置を
求めるステップと前記試料内部に電圧分布を発生させる
ステップと前記探針の電圧を検出するステップと、前記
試料表面の形状と電圧分布を算出するステップを含む表
面観察方法を構成することによって、実現することがで
きる。

【００１２】上記表面観察方法の各構成について、さら
に具体的に説明すると、本発明による表面観察方法では
まず弾性体に支持された導電性の探針を試料表面に接触
させる。なお、この弾性体と探針をあわせてプローブと
いう。この状態でプローブを試料表面をなぞるようにＸ
Ｙ方向に走査する。このとき探針は試料表面から力を受
けて変位が発生するが、この変位量を検出するＸＹ方向
の走査を行うときプローブのＺ方向の動きにフィードバ
ックをかけなければ、このプローブの変位量が探針の先
端の位置、すなわち試料表面の位置となる。また、通常
のＡＦＭの動作のように探針先端が試料表面から受ける
力が一定になるように、すなわち変位量が一定になるよ
うに試料とプローブのＺ方向の位置にフィードバックを
かけながら走査するときは、そのフィードバック信号か
ら試料表面の位置を求める。このようにしてＸＹ方向の
各点における試料表面の位置を求めながらＸＹ方向の走
査を行う。試料には外部から電圧が印加され試料表面に
は電位の分布が発生しているがＸＹ方向の走査を行って
いるとき、試料表面の探針の位置の検出を行った場所と
同じ場所で、同時にあるいはほぼ同時に探針先端の電圧
の測定も行う。このようにして求められたＸＹ方向の各
位置における試料表面の位置と電位から試料表面の形状
と電位分布を観察する。

【００１３】本発明に於いてはＸＹ方向の同じ位置で試
料表面の位置と電位を測定しており、試料表面の電位分
布をナノメートルスケールで正確に測定することが可能
である。また前記弾性体の変位量を検出するステップを
行うとき、前記試料内部に電位分布を発生させる動作を
中止することという動作を加えることにより、より正確
に測定を行なうことができる。上記弾性体の変位量を検
出するときに観察する試料に電圧を印加するのを中止す
る。この動作により、変位を検出するときに探針や弾性
体に静電力が働くことが防止され、静電力による弾性体
の変形に起因する誤差の発生が防止することができ、よ
り正確に表面形状を測定することができる。また、本発
明による表面観察方法で用いる探針に、前述の表面観察
装置の探針と同様で先端を絶縁性の薄膜で覆われている
探針を用いることによって、探針先端表面に存在する絶
縁膜が前述の表面観察装置で述べた場合と同様な効果を
発し、探針に過大に電流が流れて探針破壊されたり、試
料が破壊されたりすることを防止することができる。

【００１４】

【実施例】以下に、本発明の実施例について説明する。 ［実施例１］本発明の実施例を図１に示す構成図を用い
て説明する。本実施例は従来のＡＦＭを基本にした表面
観察装置である。観察試料１０１は本実施例に示す表面
観察装置により観察する試料である。本実施例において
探針１０２はバネ定数０．１Ｎ／ｍのカンチレバー１０
３先端につけられている。探針１０２は窒化シリコン製
で表面にＰｔ薄膜が形成されており、このＰｔ薄膜から
はカンチレバー１０３の内部に配したＡｌの配線により
電圧計１０９に接続されている。レーザ１０４は波長が
６７０ｎｍの半導体レーザでありレーザ光をカンチレバ
ー１０３の観察試料１０１と反対側の面を照射してお
り、ここで反射された光は２分割センサ１０５に入射し
この出力はたわみ量検出装置１１０に送られ、たわみ量
検出装置１１０がカンチレバー１０３のたわみを検出す
る。この検出方法は通常光てこ方式と呼ばれている方法
である。電源１０６は電極１０７、１０８を介して観察
試料１０１に接続されており、試料に電圧を印加する。
この電圧印加により試料１０１には電位分布が生じる。
たわみ量検出装置１１０は検出されたたわみ量を、Ｚ方
向位置制御回路１１１とマイクロコンピュータ１１５に
送る。Ｚ方向位置制御回路１１１は試料駆動機構１１３
のＺ方向の動きを制御し、ＸＹ方向位置制御回路１１２
は試料駆動機構１１３のＸＹ方向の動きを制御する。試
料駆動機構１１３は試料ホルダ１１４を図示ＸＹ及びＺ
方向に移動することにより、探針１０２と観察試料１０
１の位置を移動するものでありＸＹ方向の動作、Ｚ方向
の動作共に、ステッピングモータとピエゾ素子を用いて
いる。マイクロコンピュータ１１５は本表面観察装置の
動作全般をつかさどるものである。また、ディスプレー
１１６が接続されており、観察された情報を表示でき
る。

【００１５】本実施例に示す観察装置を用いて試料表面
の電圧分布を測定する方法を示す。まずマイクロコンピ
ュータ１１５の指示によりＸＹ方向位置制御回路１１２
が信号を出し、探針１０２の先端が観察試料１０１の観
察したい位置に来るように試料駆動機構１１３をＸＹ方
向に移動させる。次に電源１０６が動作して電極１０７
と電極１０８の間に電圧を印加する。この状態でマイク
ロコンピュータ１１５の指令によりＺ方向位置制御回路
１１１が働き、試料駆動機構１１３が動作し、試料ホル
ダ１１４を移動することにより観察試料１０１と探針１
０２を接近させる。探針１０２と観察試料１０１とが接
触するとカンチレバー１０３が急激にたわみ、このたわ
みの変化をたわみ量検出装置１１０が検知し、マイクロ
コンピュータ１１５に知らせる。次にマイクロコンピュ
ータ１１５はＺ方向の位置をカンチレバー１０３のたわ
み量として規定し、その値をＺ方向位置制御回路１１１
に送り、Ｚ方向位置制御回路１１１はたわみ量検出装置
１１０からの出力信号がこの既定値になるように試料駆
動機構１１３のＺ方向の位置を制御するというフィード
バック動作を開始する。このフィードバックを保ったま
までマイクロコンピュータ１１５はＸＹ方向位置制御回
路１１２に指令を出し、試料駆動機構１１３は試料ホル
ダ１１４をＸＹ方向に走査を開始する。このときマイク
ロコンピュータ１１５はその制御信号から常にＸＹ方向
の位置を監視している。この走査を実行している間にＺ
方向位置制御回路１１１は試料駆動機構１１３に送った
制御信号から試料駆動機構１１３のＺ方向の動きを算出
し、その値をマイクロコンピュータ１１５に送る。マイ
クロコンピュータ１１５はこのＺ方向の情報からＸＹ方
向の各位置での探針先端の位置を求め、ＸＹ方向のマッ
ピングを行うことにより試料１０１表面の形状を算出す
る。この動作は従来のＡＦＭの動作と同様のものであ
る。また探針１０２と観察試料１０１とが接触した後、
特にＺ方向の位置のフィードバックを行なわずにＸＹ方
向に走査を行い、このときのカンチレバーのたわみ量を
たわみ量検出装置１１０が検出しマイクロコンピュータ
１１５にその検出量を送り、マイクロコンピュータ１１
５がその値からＸＹ方向の各位置での探針先端の位置を
求め、ＸＹ方向のマッピングを行なって、試料１０１表
面の形状を算出してもよい。図２（ａ）に本実施例によ
りＸ方向に走査を行なったとき算出された試料表面形状
の例を示す。横軸が位置Ｘで縦軸が試料表面の位置Ｚで
ある。

【００１６】電圧計１０９はＸＹ方向の走査を行ってい
る間同時に探針１０２のポテンシャルを測定し、その結
果をマイクロコンピュータ１１５に送る。マイクロコン
ピュータ１１５はこのＺ方向の情報からＸＹ方向の各位
置での電位を求めＸＹ方向のマッピングを行うことによ
り試料１０１表面の電位分布を算出する。図２（ｂ）に
本実施例によりＸ方向に走査を行なったとき算出された
試料の電圧分布の例を示す。横軸が位置Ｘで縦軸が試料
表面の電位Ｖである。この横軸Ｘは図２（ａ）のＸと同
じであり、位置Ｘにおける試料表面形状と電位が同時に
観察可能となった。さらに２次元的に試料表面を走査
し、この分布をディスプレー１１６に表示することによ
り、試料表面とそれに対応する電位分布が２次元的にわ
かる。探針１０２先端のＺ方向の位置の情報、すなわち
試料表面形状の情報を取得するのと、電位の情報を取得
するのが同時に行なわれるため、試料表面の形状と正確
に対応したナノメートルレベルでの電位分布が測定でき
る。

【００１７】［実施例２］次に本発明による実施例２を
示す。実施例２は実施例１に示した表面観察装置及び観
察法と以下の点を除いて同じである。本実施例では電圧
計１０９の代わりに図３に示す電位測定回路３００を使
用している。電圧測定回路３００は平衡回路を用いた電
圧測定回路で、可変電圧源３０１と検流計３０２とから
構成される。検流計３０２は探針１０２に接続されてお
り、もう片側は図３に示すとおり、可変電圧源３０１に
接続されている。また検流計３０２で測定された値は可
変電圧源３０１に送られる。可変電圧源３０１は検流計
３０２で検出される電流が０となるように電圧を調節す
る。すなわち、可変電圧源３０１の動作により探針先端
と同じ電圧となっている。可変電圧源３０１の出力値は
マイクロコンピュータ１１５に送られ、この値が探針先
端の電圧値とされる。この電圧検出手段を用いる点が実
施例１と異なるだけで、実際の表面観察を行なう手順は
実施例１で示す方法と同様である。本実施例においては
電圧探針からみて電圧検出を行なう側の入力抵抗が無限
大となり、探針を試料表面に接触させたことにより生じ
る電位分布の乱れを抑制し、より正確な電位分布の情報
を得ることができる。

【００１８】［実施例３］次に本発明による表面観察装
置及び表面観察方法の実施例３を示す。実施例３で用い
る表面観察装置の構成は図１と同じであるが、次の点で
機能が異なる。電源１０６はマイクロコンピュータ１１
５からの指令により表面観察を実施している間において
も適当なタイミングで電圧の印加を中止する。本実施例
における表面観察は以下のようにして実施する。まず実
施例１で示した方法と同様な方法により探針１０２の先
端が観察試料１０１の観察したい位置に来るように試料
駆動機構１１３をＸＹ方向に移動させる。次に実施例１
で示したとおりマイクロコンピュータ１１５が指令し
て、実施例１のとおり探針１０２と観察試料１０１を接
触させる。その後、実施例１で示した方法と同様な方法
によりＺ方向のフィードバックを開始する。次にＸＹ方
向の走査を開始するが、その様子を図４を用いて説明す
る。図４は本実施例におけ表面観察のタイミングを示す
図である。図４（ａ）はマイクロコンピュータ１１５が
ＸＹ方向位置制御回路１１２に送るＸ方向の位置の制御
信号を示す。横軸は時間ｔ、縦軸にＸ方向の位置を示
す。ＸＹ方向の走査はＸ方向に一通り移動してからＹ方
向に移動する走査であり、Ｙ方向の動きに関しては特に
示さない。まず、Ｘ方向に０．１ｎｍ移動してＸ方向の
移動を停止する。この状態で図４（ｂ）に示すタイミン
グでマイクロコンピュータ１１５がＺ方向位置制御回路
１１１に信号を発し、これに応じてＺ方向位置制御回路
１１１がＺ方向位置の制御信号をマイクロコンピュータ
１１５に送る。その値から、マイクロコンピュータ１１
５はこの情報から探針１０２の先端の位置を算出し、観
察試料１０１表面の位置を算出する。本実施例ではこの
Ｚ方向の位置に関する情報を検出するときに試料には電
圧は印加されていない。

【００１９】次にマイクロコンピュータ１１５が電源１
０６に指令し、電極１０７と電極１０８を通して観察試
料１０１にあらかじめ決められた電圧Ｖ₀を印加する。
この電圧印加の時間を図４（ｃ）に示す。この電圧印加
を行なった状態で図４（ｄ）に示すタイミングでマイク
ロコンピュータ１１５が電圧計１０９に信号を発し、こ
れに応じて電圧計１０９が探針１０２先端の電位を計測
し、その値をマイクロコンピュータ１１５に送る。マイ
クロコンピュータ１１５はこの計測が終了したのち図４
（ｃ）に示すタイミングで電源電圧を０に戻し、その後
ＸＹ方向位置制御回路１１２に指令して、Ｘ方向に図４
（ａ）に示すようにＸ方向の位置を変化させる。以下、
実施例１と同様にして、試料表面とそれに対応する電圧
分布を得ることができ、これを２次元的にマッピングす
ることにより試料表面形状と電圧分布の情報を２次元的
に得ることができる。本実施例においても探針１０２先
端のＺ方向の位置の情報、すなわち試料表面形状の情報
を取得するのと、電圧の情報を取得するのが同時に行な
われるため、試料表面の形状と正確に対応したナノメー
トルレベルでの電圧分布が測定できる。しかも本実施例
においては探針１０２先端の位置を計測するとき、すな
わち観察試料１０１表面の位置を計測するとき観察試料
１０１には電圧が印加されておらず、したがって探針１
０２やカンチレバー１０３に不要な静電力が加わること
がなく、試料表面の位置をより正確に求めることができ
る。

【００２０】［実施例４］本発明の実施例４を図１に示
す構成図を用いて説明する。本実施例は実施例１に示し
た表面観察装置及び観察法と、探針を導電性材料上に絶
縁性薄膜が被覆されて形成した点を除いて同じである。
図５に本実施例の探針１０２及びカンチレバー１０３の
構成を断面図で示す。カンチレバー１０３及び探針１０
２はシリコン製で表面にＰｔ薄膜５０１がスパッタ法に
より形成されており、さらに膜厚５ｎｍの酸化シリコン
薄膜５０２がスパッタ法により形成されている。Ｐｔ薄
膜５０１は電圧計１０９に電気的に接続されている。レ
ーザ１０４は波長が６７０ｎｍの半導体レーザでありレ
ーザ光をカンチレバー１０３の観察試料１０１と反対側
の面を照射しており、ここで反射された光は２分割セン
サ１０５に入射しこの出力はたわみ量検出装置１１０に
送られ、たわみ量検出装置１１０がカンチレバー１０３
のたわみを検出する。この検出方法は通常光てこ方式と
呼ばれている方法である。電源１０６は電極１０７、１
０８を介して観察試料１０１に接続されており、試料に
電圧を印加する。この電圧印加により試料１０１には電
圧分布が生じる。たわみ量検出装置１１０は検出された
たわみ量を、Ｚ方向位置制御回路１１１とマイクロコン
ピュータ１１５に送る。Ｚ方向位置制御回路１１１は試
料駆動機構１１３のＺ方向の動きを制御し、ＸＹ方向位
置制御回路１１２は試料駆動機構１１３のＸＹ方向の動
きを制御する。試料駆動機構１１３は試料ホルダ１１４
を図示ＸＹ及びＺ方向に移動することにより，探針１０
２と観察試料１０１の位置を移動するものでありＸＹ方
向の動作、Ｚ方向の動作共に、ステッピングモータとピ
エゾ素子を用いている。マイクロコンピュータ１１５は
本表面観察装置の動作全般をつかさどるものである。ま
た、ディスプレー１１６が接続されており、観察された
情報を表示できる。本実施例に示す観察装置を用いて試
料表面の電位分布を測定する方法を示す。まずマイクロ
コンピュータ１１５の指示によりＸＹ方向位置制御回路
１１２が信号を出し、探針１０２の先端が観察試料１０
１の観察したい位置に来るように試料駆動機構１１３を
ＸＹ方向に移動させる。次に電源１０６が動作して電極
１０７と電極１０８の間に電圧を印加する。この状態で
マイクロコンピュータ１１５の指令によりＺ方向位置制
御回路１１１が働き、試料駆動機構１１３が動作し、試
料ホルダ１１４を移動することにより観察試料１０１と
探針１０２を接近させる。探針１０２と観察試料１０１
との接触が接触するとカンチレバー１０３が急激にたわ
み、このたわみの変化をたわみ量検出装置１１０が検知
し、マイクロコンピュータ１１５に知らせる。次にマイ
クロコンピュータ１１５はＺ方向の位置をカンチレバー
１０３のたわみ量として規定し、その値をＺ方向位置制
御回路１１１に送り、Ｚ方向位置制御回路１１１はたわ
み量検出装置１１０からの出力信号がこの既定値になる
ように試料駆動機構１１３のＺ方向の位置を制御すると
いうフィードバック動作を開始する。このフィードバッ
クを保ったままでマイクロコンピュータ１１５はＸＹ方
向位置制御回路１１２に指令を出し、試料駆動機構１１
３は試料ホルダ１１４をＸＹ方向に走査を開始する。こ
のときマイクロコンピュータ１１５はその制御信号から
常にＸＹ方向の位置を監視している。この走査を実行し
ている間にＺ方向位置制御回路１１１は試料駆動機構１
１３に送った制御信号から試料駆動機構１１３のＺ方向
の動きを算出し、その値をマイクロコンピュータ１１５
に送る。マイクロコンピュータ１１５はこのＺ方向の情
報からＸＹ方向の各位置での探針先端の位置を求め、Ｘ
Ｙ方向のマッピングを行うことにより試料１０１表面の
形状を算出する。この動作は従来のＡＦＭの動作と同様
のものである。また探針１０２と観察試料１０１とが接
触した後、特にＺ方向の位置のフィードバックを行なわ
ずにＸＹ方向に走査を行い、このときのカンチレバーの
たわみ量をたわみ量検出装置１１０が検出しマイクロコ
ンピュータ１１５にその検出量を送り、マイクロコンピ
ュータ１１５がその値からＸＹ方向の各位置での探針先
端の位置を求め、ＸＹ方向のマッピングを行なって、試
料１０１表面の形状を算出してもよい。図２（ａ）に本
実施例によりＸ方向に走査を行なったとき算出された試
料表面形状の例を示す。横軸が位置Ｘで縦軸が試料表面
の位置Ｚである。電圧計１０９はＸＹ方向の走査を行っ
ている間同時に探針１０２のポテンシャルを測定し、そ
の結果をマイクロコンピュータ１１５に送る。マイクロ
コンピュータ１１５はこのＺ方向の情報からＸＹ方向の
各位置での電位を求めＸＹ方向のマッピングを行うこと
により試料１０１表面の電位分布を算出する。図２
（ｂ）に本実施例によりＸ方向に走査を行なったとき算
出された試料の電位分布の例を示す。横軸が位置Ｘで縦
軸が試料表面の電位Ｖである。この横軸Ｘは図２（ａ）
のＸと同じであり、位置Ｘにおける試料表面形状と電位
が同時に観察可能である。さらに２次元的に試料表面を
走査し、この分布をディスプレー１１６に表示すること
により、試料表面とそれに対応する電位分布が２次元的
にわかる。本実施例では探針１０２の表面がシリコン酸
化膜５０２で被覆されているため、電圧が急激に変化す
るところにおいてもショートが発生せず、したがって探
針や試料が破壊されることが防止できる。

【００２１】［実施例５］次に本発明による実施例５を
示す。本実施例は実施例４に示した表面観察装置及び観
察方法と以下の点を除いて同じである。本実施例では、
電圧計１０９の代わりに図３に示す電圧測定回路３００
を使用しいる。電圧測定回路３００は平衡回路を用いた
電圧測定回路で、可変電圧源３０１と検流計３０２とか
ら構成される。検流計３０２は探針１０２に接続されて
おり、もう片側は図３に示すとおり、可変電圧源３０１
に接続されている。また検流計３０２で測定された値は
可変電圧源３０１に送られる。可変電圧源３０１は検流
計３０２で検出される電流が０となるように電圧を調節
する。すなわち、可変電圧源３０１の動作により探針先
端と同じ電圧となっている。可変電圧源３０１の出力値
はマイクロコンピュータ１１５に送られ、この値が探針
先端の電圧値とされる。この電圧検出手段を用いる点が
実施例４と異なるだけで、実際の表面観察を行なう手順
は実施例４で示す方法と同様である。本実施例において
も実施例４と同様に探針最表面にシリコン酸化膜がある
ため、電圧が集中している場所を観測しても探針や試料
が破壊されることを抑制できる。また本実施例では電圧
探針からみて電圧検出を行なう側の入力抵抗が無限大と
なり、探針再表面に存在するシリコン酸化膜５０２によ
る電圧降下の発生を抑制し、より正確に電圧を測定する
ことができる。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の表面観察
装置、表面観察方法によると、試料に電圧を印加し該試
料中に電位分布を発生させる電位分布発生手段と、探針
による該試料中の電位を検出する電位検出手段とを備
え、探針の試料表面に垂直な方向の位置の算出と、電位
検出手段による電位の検出とを、試料表面に水平な方向
の同じ位置で行い、試料表面の形状とそれに対応した電
位分布とを同時、若しくは、ほぼ同時に測定するように
構成することで、試料表面の形状を観察しながらそれに
対応した試料表面の電位をナノメートルスケールで観察
することができる。また、本発明によると、上記した表
面観察装置、表面観察方法における前記探針を、導電性
材料上に絶縁性薄膜を被覆して形成することにより、試
料表面の電位分布をナノメートルスケールの分解能で観
察するに際して、プローブ及び試料の破壊を防止して、
安定に観察することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１による表面観察装置。

【図２】実施例１に示した表面観察で得られた表面形状
と電圧。

【図３】実施例２に用いた電圧検測定回路。

【図４】実施例３における各種信号のタイミング。

【図５】実施例４で用いた探針及びカンチレバーの断面
図。

【図６】実施例４の探針の構成による効果を説明する
図。

【符号の説明】

１０１：観察試料 １０２：探針 １０３：カンチレバー １０４：レーザ １０５：２分割センサ １０６：電圧源 １０７：電極 １０８：電極 １０９：電圧計 １１０：たわみ量検出装置 １１１：Ｚ方向位置制御装置 １１２：ＸＹ方向位置制御装置 １１３：試料駆動機構 １１４：試料ホルダ １１５：マイクロコンピュータ １１６：ディスプレイ ３００：電圧測定回路 ３０１：可変電圧源 ３０２：検流計 ５０１：Ｐｔ薄膜 ５０２：酸化シリコン薄膜 ６０１：試料 ６０２：探針 ６０３：絶縁性薄膜 ６０４：亀裂部

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】弾性体で支持された導電性探針を試料表面
   に接触させて該試料表面に水平な方向に走査し、該弾性
   体の変位量を検出することにより前記探針の試料表面に
   垂直な方向の位置を算出して、前記試料表面の形状を測
   定するようにした表面観察装置において、 前記試料に電圧を印加し該試料中に電位分布を発生させ
   る電位分布発生手段と、前記探針による該試料中の電位
   を検出する電位検出手段とを備え、前記探針の試料表面
   に垂直な方向の位置の算出と、前記電位検出手段による
   電位の検出とを、前記試料表面に水平な方向の同じ位置
   で行い、試料表面の形状とそれに対応した電位分布とを
   同時、若しくは、ほぼ同時に測定するようにしたことを
   特徴とする表面観察装置。
2. 【請求項２】前記試料表面の形状を測定するための手段
   が、前記探針と試料との位置を制御する位置制御手段
   と、該位置制御手段と前記弾性体の変位量を検出する変
   位量検出手段からの信号に基づいて前記探針の試料表面
   に垂直な方向の位置を求める探針位置算出手段と、によ
   って試料表面の形状を算出する表面形状算出手段を構成
   していることを特徴とする請求項１に記載の表面観察装
   置。
3. 【請求項３】前記電位分布を測定するための手段が、前
   記電位検出手段と、前記探針と試料との位置を制御する
   位置制御手段からの信号に基づき前記試料表面の電位分
   布を算出する電位分布算出手段と、で構成されているこ
   とを特徴とする請求項１または請求項２に記載の表面観
   察装置。
4. 【請求項４】前記電位検出手段が、可変電圧源と検流計
   とで構成された平衡回路による電位測定回路であること
   を特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載
   の表面観察装置。
5. 【請求項５】前記電位分布発生手段が、試料に電位分布
   を発生するタイミングを制御する電位分布発生制御手段
   を具備していることを特徴とする請求項１〜請求項４の
   いずれか１項に記載の表面観察装置。
6. 【請求項６】前記探針が、導電性材料上に絶縁性薄膜が
   被覆されて形成されていることを特徴とする請求項１〜
   請求項５のいずれか１項に記載の表面観察装置。
7. 【請求項７】弾性体に支持されかつ試料表面に対向して
   配置された導電性探針を試料表面に接触させ、前記探針
   を試料表面に水平な方向に走査するステップと、 前記弾性体の変位量を検出するステップと、 前記検出された変位量から探針先端の試料表面に垂直な
   方向の位置を求めるステップと、 前記試料内部に電圧分布を発生させるステップと、 前記探針により前記試料内部の電位を検出するステップ
   と、 を少なくとも有し、前記探針先端の試料表面に垂直な方
   向の位置を求めるステップと、前記探針により電位を検
   出するステップとを、前記試料表面に水平な方向の同じ
   位置で行い、試料表面の形状とそれに対応した電位分布
   とを同時、若しくは、ほぼ同時に測定するようにしたこ
   とを特徴とする表面観察方法。
8. 【請求項８】前記電位を検出するステップが、可変電圧
   源と検流計とで構成された平衡回路による電位測定回路
   により行われることを特徴とする請求項７に記載の表面
   観察方法。
9. 【請求項９】前記弾性体の変位量を検出するステップを
   行うとき、前記試料内部に電位分布を発生させる動作を
   中止することを特徴とする請求項７または請求項８に記
   載の表面観察方法。
10. 【請求項１０】前記探針が、導電性材料上に絶縁性薄膜
    が被覆されて形成されていることを特徴とする請求項７
    〜請求項９のいずれか１項に記載の表面観察方法。