JP2000304756A - 走査型プローブによる信号検出装置、および原子間力顕微鏡 - Google Patents
走査型プローブによる信号検出装置、および原子間力顕微鏡Info
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】プローブを構成するピエゾ抵抗素子の抵抗変化
量として得られた出力電圧信号に含まれるオフセット信
号を、高感度に信号検出し、ピエゾ抵抗のばらつきによ
る影響をなくしマルチ化にも適した走査型プローブによ
る信号検出装置、及び該装置による原子間力顕微鏡を提
供する。 【解決手段】試料表面に対向配置のプローブを、試料表
面に近接二次元走査させ、試料表面とプローブの先端に
働く物理量を、プローブのたわみ量として検出し、該た
わみ量をプローブを構成するピエゾ抵抗素子のピエゾ抵
抗値の変化として検出する走査型プローブによる信号検
出装置であり、前記プローブに定電圧バイアスを印加し
て抵抗変化量として得た入力電流信号を、出力電圧信号
に変換する信号検出系と、該信号検出手段の出力電圧信
号に含まれるオフセット信号成分を検出除去するオフセ
ット信号検出系とを有する。
量として得られた出力電圧信号に含まれるオフセット信
号を、高感度に信号検出し、ピエゾ抵抗のばらつきによ
る影響をなくしマルチ化にも適した走査型プローブによ
る信号検出装置、及び該装置による原子間力顕微鏡を提
供する。 【解決手段】試料表面に対向配置のプローブを、試料表
面に近接二次元走査させ、試料表面とプローブの先端に
働く物理量を、プローブのたわみ量として検出し、該た
わみ量をプローブを構成するピエゾ抵抗素子のピエゾ抵
抗値の変化として検出する走査型プローブによる信号検
出装置であり、前記プローブに定電圧バイアスを印加し
て抵抗変化量として得た入力電流信号を、出力電圧信号
に変換する信号検出系と、該信号検出手段の出力電圧信
号に含まれるオフセット信号成分を検出除去するオフセ
ット信号検出系とを有する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、プローブと媒体を
接近させることによって生じる原子間力を利用した観察
装置や記録装置等に適用される走査型プローブによる信
号検出装置に関し、特に、これらの装置におけるオフセ
ット電流の制御技術に関するものである。
接近させることによって生じる原子間力を利用した観察
装置や記録装置等に適用される走査型プローブによる信
号検出装置に関し、特に、これらの装置におけるオフセ
ット電流の制御技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】原子間力顕微鏡（以下ＡＦＭ）とは、試
料表面とプローブの先端を近接、あるいは接触させたと
きに発生する原子間力を、プローブのたわみによって検
出する走査型プローブ顕微鏡である。この原子間力に
は、斥力や吸着力があるが、一般的に斥力が働く範囲を
接触領域として観察を行うものである。たわみ量の検出
方法として有名なのが光てこ方式である。これは、プロ
ーブの先端にレーザー光を照射し、プローブのたわみに
よって変化した反射光の変位を、フォトダイオード等の
光電変換素子で検出し、得られた変位の信号から試料の
表面形状を観察する方法である。このような光てこ方式
は、反射光の光路を長くすることによって、得られる変
位の度合いも大きくなり、解像度を向上することができ
る。反面、それにともなって、大きな光学系が必要とな
り、検出系が大きくなってしまうという難点もある。さ
らに、非常に微細な形状のプローブの先端に、レーザ光
を正確に照射しなくてはならず、操作上、扱いずらいと
いう難点もあった。
料表面とプローブの先端を近接、あるいは接触させたと
きに発生する原子間力を、プローブのたわみによって検
出する走査型プローブ顕微鏡である。この原子間力に
は、斥力や吸着力があるが、一般的に斥力が働く範囲を
接触領域として観察を行うものである。たわみ量の検出
方法として有名なのが光てこ方式である。これは、プロ
ーブの先端にレーザー光を照射し、プローブのたわみに
よって変化した反射光の変位を、フォトダイオード等の
光電変換素子で検出し、得られた変位の信号から試料の
表面形状を観察する方法である。このような光てこ方式
は、反射光の光路を長くすることによって、得られる変
位の度合いも大きくなり、解像度を向上することができ
る。反面、それにともなって、大きな光学系が必要とな
り、検出系が大きくなってしまうという難点もある。さ
らに、非常に微細な形状のプローブの先端に、レーザ光
を正確に照射しなくてはならず、操作上、扱いずらいと
いう難点もあった。
【０００３】他方、このたわみ量の検出方法の一つとし
て最近注目されているのが、プローブのたわみを、プロ
ーブの抵抗値変化として検出する方法である。この検出
素子としては、圧抵抗素子（ピエゾ抵抗素子）がプロー
ブに用いられている。このピエゾ抵抗素子は、外力によ
って外形のひずみだけでなく、エネルギー帯構造にも影
響し、導電現象に変化が現れ電気抵抗が変化する素子で
ある。このようなピエゾ抵抗素子を用いた方式は、上記
した光てこ方式のような光学系を必要としないので、非
常にコンパクトに、また、比較的簡易に扱うことができ
るＡＦＭである。
て最近注目されているのが、プローブのたわみを、プロ
ーブの抵抗値変化として検出する方法である。この検出
素子としては、圧抵抗素子（ピエゾ抵抗素子）がプロー
ブに用いられている。このピエゾ抵抗素子は、外力によ
って外形のひずみだけでなく、エネルギー帯構造にも影
響し、導電現象に変化が現れ電気抵抗が変化する素子で
ある。このようなピエゾ抵抗素子を用いた方式は、上記
した光てこ方式のような光学系を必要としないので、非
常にコンパクトに、また、比較的簡易に扱うことができ
るＡＦＭである。
【０００４】また最近では、ＡＦＭの大面積走査技術の
一環として、複数のプローブを並列に並べて試料表面を
走査させて同時に像を観察する、マルチプローブＡＦＭ
の研究が注目されている。ＡＦＭは、もともと試料表面
を原子レベルのオーダーで観察するものであるために、
大面積走査を行うことは難しかった。それは、ＡＦＭ
は、試料表面との間に発生する原子間力という非常に微
小な信号を扱うために、どうしても走査速度に限界が生
じたり、また、現実問題として、精度良く広範囲の面積
を走査できる装置を得ることは困難であるためである。
そこで、このマルチプローブＡＦＭでは、走査速度はそ
のままで、走査時に使用するプローブの数を増やして、
実効的な走査範囲を広げることを目標としている。この
実現のためには、観察方法として、光てこ方式よりもピ
エゾ抵抗値の変化によって、プローブのたわみ量を検出
する方法が適している。これは、光てこ方式であると、
プローブが複数存在するために、それぞれのプローブの
先端にレーザー光を正確に照射することは、非常に困難
を極めるためである。また、それに伴い、ＡＦＭの系も
非常に大きくなってしまうためでもある。
一環として、複数のプローブを並列に並べて試料表面を
走査させて同時に像を観察する、マルチプローブＡＦＭ
の研究が注目されている。ＡＦＭは、もともと試料表面
を原子レベルのオーダーで観察するものであるために、
大面積走査を行うことは難しかった。それは、ＡＦＭ
は、試料表面との間に発生する原子間力という非常に微
小な信号を扱うために、どうしても走査速度に限界が生
じたり、また、現実問題として、精度良く広範囲の面積
を走査できる装置を得ることは困難であるためである。
そこで、このマルチプローブＡＦＭでは、走査速度はそ
のままで、走査時に使用するプローブの数を増やして、
実効的な走査範囲を広げることを目標としている。この
実現のためには、観察方法として、光てこ方式よりもピ
エゾ抵抗値の変化によって、プローブのたわみ量を検出
する方法が適している。これは、光てこ方式であると、
プローブが複数存在するために、それぞれのプローブの
先端にレーザー光を正確に照射することは、非常に困難
を極めるためである。また、それに伴い、ＡＦＭの系も
非常に大きくなってしまうためでもある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上述したような、プロ
ーブのたわみ量をピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化として
検出するためには、そのプローブにある一定のバイアス
を印加しなくてはならない。具体的には、バイアスとし
て定電流バイアスや、定電圧バイアスなどがあり、対応
して、ピエゾ抵抗素子の抵抗値変化は、電圧と電流の変
化として検出される。しかし、この方式で用いられてい
るピエゾ抵抗素子は、固有の抵抗値を有しており（ピエ
ゾ抵抗値）、ピエゾ抵抗素子にバイアスを印加すること
によって、いわゆる直流（ＤＣ）的な信号が常に発生し
ている状態になる。また、プローブのたわみによって生
じる、ピエゾ抵抗素子のピエゾ抵抗値の変化量の割合
は、およそピエゾ抵抗素子の初期抵抗値の１０-8倍と非
常に微小なため、この変化量から得られるたわみ量の信
号も非常に微小である。したがって、これらの信号の検
出系には高感度なものが必要である。しかし、そのため
には、前記したＤＣ的な信号を除去しなくてはならない
という問題がある。
ーブのたわみ量をピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化として
検出するためには、そのプローブにある一定のバイアス
を印加しなくてはならない。具体的には、バイアスとし
て定電流バイアスや、定電圧バイアスなどがあり、対応
して、ピエゾ抵抗素子の抵抗値変化は、電圧と電流の変
化として検出される。しかし、この方式で用いられてい
るピエゾ抵抗素子は、固有の抵抗値を有しており（ピエ
ゾ抵抗値）、ピエゾ抵抗素子にバイアスを印加すること
によって、いわゆる直流（ＤＣ）的な信号が常に発生し
ている状態になる。また、プローブのたわみによって生
じる、ピエゾ抵抗素子のピエゾ抵抗値の変化量の割合
は、およそピエゾ抵抗素子の初期抵抗値の１０-8倍と非
常に微小なため、この変化量から得られるたわみ量の信
号も非常に微小である。したがって、これらの信号の検
出系には高感度なものが必要である。しかし、そのため
には、前記したＤＣ的な信号を除去しなくてはならない
という問題がある。
【０００６】さらに、このピエゾ抵抗素子は、温度によ
るピエゾ抵抗値の変化の影響が大きく、このことから、
前記したＤＣ的な信号は一定値ではなく、時間的に変化
するということに注意する必要がある。とくに、この温
度変化の影響が大きく現れるのが、試料表面とプローブ
を近接させるときで、両者の間に熱交換が行われ、ピエ
ゾ抵抗素子の温度が変化し、信号がドリフトしてしまう
という問題がある。また、ＡＦＭのプローブをマルチ化
した際、各プローブがもつ固有のピエゾ抵抗値は、必ず
しも一定値ではなく、ばらつきがあるという問題があ
る。このことにより、発生するＤＣ信号の値はもとよ
り、信号のドリフト量にもばらつきがあるという問題点
がある。
るピエゾ抵抗値の変化の影響が大きく、このことから、
前記したＤＣ的な信号は一定値ではなく、時間的に変化
するということに注意する必要がある。とくに、この温
度変化の影響が大きく現れるのが、試料表面とプローブ
を近接させるときで、両者の間に熱交換が行われ、ピエ
ゾ抵抗素子の温度が変化し、信号がドリフトしてしまう
という問題がある。また、ＡＦＭのプローブをマルチ化
した際、各プローブがもつ固有のピエゾ抵抗値は、必ず
しも一定値ではなく、ばらつきがあるという問題があ
る。このことにより、発生するＤＣ信号の値はもとよ
り、信号のドリフト量にもばらつきがあるという問題点
がある。
【０００７】そこで、本発明は上記した課題を解決し、
プローブを構成するピエゾ抵抗素子の抵抗変化量として
得られた出力電圧信号に含まれるオフセット信号を、簡
単な構成により除去することによって、高感度に信号検
出することができ、ピエゾ抵抗のばらつきによる影響を
なくすことによりマルチ化にも適した走査型プローブに
よる信号検出装置、および該装置による原子間力顕微鏡
を提供することを目的とするものである。
プローブを構成するピエゾ抵抗素子の抵抗変化量として
得られた出力電圧信号に含まれるオフセット信号を、簡
単な構成により除去することによって、高感度に信号検
出することができ、ピエゾ抵抗のばらつきによる影響を
なくすことによりマルチ化にも適した走査型プローブに
よる信号検出装置、および該装置による原子間力顕微鏡
を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【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、走査型プローブによる信号検出装置、およ
び原子間力顕微鏡を、つぎのように構成したことを特徴
とするものである。すなわち、本発明の走査型プローブ
による信号検出装置は、試料表面に対向して配置される
プローブを、前記試料表面に近接させ二次元走査させ、
前記試料表面と前記プローブの先端に働く物理量を、前
記プローブのたわみ量として検出し、該たわみ量を前記
プローブを構成するピエゾ抵抗素子のピエゾ抵抗値の変
化として検出する走査型プローブによる信号検出装置で
あって、前記プローブに定電圧バイアスを印加して抵抗
変化量として得られた入力電流信号を、出力電圧信号に
変換する信号検出系と、該信号検出手段の出力電圧信号
に含まれるオフセット信号成分を検出して除去するオフ
セット信号検出系と、を有することを特徴としている。
また、本発明の走査型プローブによる信号検出装置は、
前記オフセット信号検出系は、増幅器を備えていること
を特徴としている。また、本発明の走査型プローブによ
る信号検出装置は、前記オフセット信号検出系は、前記
信号検出系の出力電圧信号を参照して、オフセット信号
を出力する電圧制御部と、該オフセット信号を参照して
電流信号に変換する電流変換部とで構成されていること
を特徴としている。また、本発明の走査型プローブによ
る信号検出装置は、前記電圧制御部は、積分回路または
ローパスフィルタで構成されていることを特徴としてい
る。また、本発明の走査型プローブによる信号検出装置
は、前記電流変換部は、抵抗で構成されていることを特
徴としている。また、本発明の走査型プローブによる信
号検出装置は、前記オフセット信号が、前記定電圧バイ
アスによる印加電圧と、前記ピエゾ抵抗における固有の
抵抗値とで規定される直流電圧信号であることを特徴と
している。また、本発明の走査型プローブによる信号検
出装置は、前記オフセット信号が、ドリフト電圧信号で
あることを特徴としている。また、本発明の原子間力顕
微鏡は、試料表面に対向して配置されるプローブを、前
記試料表面に近接させ二次元走査させ、前記試料表面と
前記プローブの先端に働く物理量を、前記プローブのた
わみ量として検出し、該たわみ量を前記プローブを構成
するピエゾ抵抗素子のピエゾ抵抗値の変化として検出す
る走査型プローブによる信号検出装置を備えた原子間力
顕微鏡において、前記信号検出装置が上記した本発明の
いずれかの信号検出装置によって構成されていることを
特徴としている。
成するため、走査型プローブによる信号検出装置、およ
び原子間力顕微鏡を、つぎのように構成したことを特徴
とするものである。すなわち、本発明の走査型プローブ
による信号検出装置は、試料表面に対向して配置される
プローブを、前記試料表面に近接させ二次元走査させ、
前記試料表面と前記プローブの先端に働く物理量を、前
記プローブのたわみ量として検出し、該たわみ量を前記
プローブを構成するピエゾ抵抗素子のピエゾ抵抗値の変
化として検出する走査型プローブによる信号検出装置で
あって、前記プローブに定電圧バイアスを印加して抵抗
変化量として得られた入力電流信号を、出力電圧信号に
変換する信号検出系と、該信号検出手段の出力電圧信号
に含まれるオフセット信号成分を検出して除去するオフ
セット信号検出系と、を有することを特徴としている。
また、本発明の走査型プローブによる信号検出装置は、
前記オフセット信号検出系は、増幅器を備えていること
を特徴としている。また、本発明の走査型プローブによ
る信号検出装置は、前記オフセット信号検出系は、前記
信号検出系の出力電圧信号を参照して、オフセット信号
を出力する電圧制御部と、該オフセット信号を参照して
電流信号に変換する電流変換部とで構成されていること
を特徴としている。また、本発明の走査型プローブによ
る信号検出装置は、前記電圧制御部は、積分回路または
ローパスフィルタで構成されていることを特徴としてい
る。また、本発明の走査型プローブによる信号検出装置
は、前記電流変換部は、抵抗で構成されていることを特
徴としている。また、本発明の走査型プローブによる信
号検出装置は、前記オフセット信号が、前記定電圧バイ
アスによる印加電圧と、前記ピエゾ抵抗における固有の
抵抗値とで規定される直流電圧信号であることを特徴と
している。また、本発明の走査型プローブによる信号検
出装置は、前記オフセット信号が、ドリフト電圧信号で
あることを特徴としている。また、本発明の原子間力顕
微鏡は、試料表面に対向して配置されるプローブを、前
記試料表面に近接させ二次元走査させ、前記試料表面と
前記プローブの先端に働く物理量を、前記プローブのた
わみ量として検出し、該たわみ量を前記プローブを構成
するピエゾ抵抗素子のピエゾ抵抗値の変化として検出す
る走査型プローブによる信号検出装置を備えた原子間力
顕微鏡において、前記信号検出装置が上記した本発明の
いずれかの信号検出装置によって構成されていることを
特徴としている。
【０００９】
【発明の実施の形態】本発明は、上記した構成によっ
て、プローブの構成上、原理的に発生するＤＣ信号、あ
るいは時間的に変化するドリフト信号とを簡単な構成に
よって除去することができ、本来検出すべきプローブの
たわみ量として得られた微小な電流信号だけをより高感
度に検出することが可能となり、ピエゾ抵抗のばらつき
による影響をなくすことによりマルチ化にも適した走査
型プローブによる信号検出装置、および該装置による原
子間力顕微鏡を実現することができる。
て、プローブの構成上、原理的に発生するＤＣ信号、あ
るいは時間的に変化するドリフト信号とを簡単な構成に
よって除去することができ、本来検出すべきプローブの
たわみ量として得られた微小な電流信号だけをより高感
度に検出することが可能となり、ピエゾ抵抗のばらつき
による影響をなくすことによりマルチ化にも適した走査
型プローブによる信号検出装置、および該装置による原
子間力顕微鏡を実現することができる。
【００１０】
【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］図１は、本発明の実施例１におけるＡＦＭ
測定系の構成例である。まず、ＡＦＭ測定系全体の構成
を説明する。このＡＦＭ測定系では、印加電源１０１と
して一定電圧を加えている。試料１０７の表面形状はＸ
ＹＺステージ１０８をＸＹＺ方向駆動系１０６で駆動さ
せて面方向（ＸＹ方向）走査を行い、プローブ１０２の
たわみ量の変化に応じたピエゾ抵抗値の変化を検出して
いる。そのプローブのイメージを描いたものが図３であ
る。図３は、今回の実験で使用したプローブ形状のイメ
ージ図である。このプローブは、非常に平滑性の高いｐ
−Ｓｉ基板３０２上にＡｓイオンを注入することで、ｎ
型層を形成しピエゾ抵抗層３０１とされており、Ａｌ配
線３０３が接続されている。ステージ走査によって得ら
れたプローブのたわみ量ΔＺは、ピエゾ抵抗層３０１の
ピエゾ抵抗値３０５の変化として検出される。
測定系の構成例である。まず、ＡＦＭ測定系全体の構成
を説明する。このＡＦＭ測定系では、印加電源１０１と
して一定電圧を加えている。試料１０７の表面形状はＸ
ＹＺステージ１０８をＸＹＺ方向駆動系１０６で駆動さ
せて面方向（ＸＹ方向）走査を行い、プローブ１０２の
たわみ量の変化に応じたピエゾ抵抗値の変化を検出して
いる。そのプローブのイメージを描いたものが図３であ
る。図３は、今回の実験で使用したプローブ形状のイメ
ージ図である。このプローブは、非常に平滑性の高いｐ
−Ｓｉ基板３０２上にＡｓイオンを注入することで、ｎ
型層を形成しピエゾ抵抗層３０１とされており、Ａｌ配
線３０３が接続されている。ステージ走査によって得ら
れたプローブのたわみ量ΔＺは、ピエゾ抵抗層３０１の
ピエゾ抵抗値３０５の変化として検出される。
【００１１】このプローブには、電源３０４として、＋
Ｖを印加しているため、ピエゾ抵抗値変化は、電流信号
Δｉとして検出される。また、このピエゾ抵抗層３０１
には、固有のピエゾ抵抗値３０５を有しているため、実
際に検出される信号は、Δｉのほかに、印加電圧３０４
とピエゾ抵抗値３０５で規定されるＤＣ信号Ｉも同時に
検出される。印加電圧３０４とプローブのピエゾ抵抗値
３０５で規定されるＤＣ信号は、時間的にドリフトする
という現象がある。これは、プローブのピエゾ抵抗値３
０５は、温度変化に対して非常に敏感であるために、容
易に変化してしまうからである。
Ｖを印加しているため、ピエゾ抵抗値変化は、電流信号
Δｉとして検出される。また、このピエゾ抵抗層３０１
には、固有のピエゾ抵抗値３０５を有しているため、実
際に検出される信号は、Δｉのほかに、印加電圧３０４
とピエゾ抵抗値３０５で規定されるＤＣ信号Ｉも同時に
検出される。印加電圧３０４とプローブのピエゾ抵抗値
３０５で規定されるＤＣ信号は、時間的にドリフトする
という現象がある。これは、プローブのピエゾ抵抗値３
０５は、温度変化に対して非常に敏感であるために、容
易に変化してしまうからである。
【００１２】一般的に、ピエゾ抵抗を用いたプローブの
抵抗変化率は、ピエゾ抵抗値３０５に対して、およそ１
０-8倍と非常に小さな変化率しかない。そのために、そ
のプローブから検出される電流変化Δｉの変化率は、Ｄ
Ｃ信号Ｉに対して、この抵抗変化率に準じた値の信号し
か検出できない。そのために、微小信号Δｉの測定を行
うためには、まず、このＤＣ信号Ｉを除去する必要があ
る。これは、ＤＣ信号Ｉの存在下で微小信号Δｉを増幅
しようとすると、微小信号ΔｉとＤＣ信号Ｉのオーダー
に大きな差あるため、検出された信号には、微小信号成
分がＤＣ信号成分に埋もれ、微小信号成分が検出されな
いという問題がある。
抵抗変化率は、ピエゾ抵抗値３０５に対して、およそ１
０-8倍と非常に小さな変化率しかない。そのために、そ
のプローブから検出される電流変化Δｉの変化率は、Ｄ
Ｃ信号Ｉに対して、この抵抗変化率に準じた値の信号し
か検出できない。そのために、微小信号Δｉの測定を行
うためには、まず、このＤＣ信号Ｉを除去する必要があ
る。これは、ＤＣ信号Ｉの存在下で微小信号Δｉを増幅
しようとすると、微小信号ΔｉとＤＣ信号Ｉのオーダー
に大きな差あるため、検出された信号には、微小信号成
分がＤＣ信号成分に埋もれ、微小信号成分が検出されな
いという問題がある。
【００１３】オペアンプによって、微小信号Δｉを、検
出可能な領域にまで増幅しようとすると、ＤＣ信号Ｉの
存在のために、容易に飽和してしまい、測定ができなく
なる。そのために、微小信号Δｉを検出する場合には、
まず、このＤＣ成分を除去するという制御が必要とな
る。また、このＤＣ信号Ｉは、時間的にもドリフトして
いくという問題点も考慮しなくてはならず、除去方法と
しては、ドリフトするＤＣ信号を時間的に監視し、除去
していく制御方式が理想である。とくに、このドリフト
現象は、プローブの先端と試料表面を近接させたとき
に、顕著に表れる。この除去作業は、オフセット検出系
１０４で行われる。このように、微小信号検出系１０３
で検出された微小信号Δｉの画像化処理や、このＡＦＭ
測定系の全体的な制御は、コンピュータ１０５を介して
行われる。
出可能な領域にまで増幅しようとすると、ＤＣ信号Ｉの
存在のために、容易に飽和してしまい、測定ができなく
なる。そのために、微小信号Δｉを検出する場合には、
まず、このＤＣ成分を除去するという制御が必要とな
る。また、このＤＣ信号Ｉは、時間的にもドリフトして
いくという問題点も考慮しなくてはならず、除去方法と
しては、ドリフトするＤＣ信号を時間的に監視し、除去
していく制御方式が理想である。とくに、このドリフト
現象は、プローブの先端と試料表面を近接させたとき
に、顕著に表れる。この除去作業は、オフセット検出系
１０４で行われる。このように、微小信号検出系１０３
で検出された微小信号Δｉの画像化処理や、このＡＦＭ
測定系の全体的な制御は、コンピュータ１０５を介して
行われる。
【００１４】次に、このＡＦＭ測定系の動作を説明す
る。ＸＹＺステージ１０８を面方向に走査することによ
って、プローブから得られた電流信号（Ｉ＋Δｉ）は、
微小信号検出系１０３のフィードバック抵抗Ｒｆｂ１０
９によって電圧信号（Ｉ＋Δｉ）Ｒｆｂに変換される。
オフセット検出系１０４は、上記電圧信号からＤＣ信号
に相当する成分を参照し、ピエゾ抵抗から入力される電
流信号（Ｉ＋Δｉ）からＤＣ成分を差し引く。これによ
り、微小信号成分Δｉの成分だけを検出することが可能
になる。ここでは、このオフセット信号検出系１０４
が、常に微小信号検出系１０３の出力を監視して、ＤＣ
信号成分を入力にかえすというループを形成しているた
めに、時間的にドリフトするＤＣ信号成分にも対応する
ことができた。
る。ＸＹＺステージ１０８を面方向に走査することによ
って、プローブから得られた電流信号（Ｉ＋Δｉ）は、
微小信号検出系１０３のフィードバック抵抗Ｒｆｂ１０
９によって電圧信号（Ｉ＋Δｉ）Ｒｆｂに変換される。
オフセット検出系１０４は、上記電圧信号からＤＣ信号
に相当する成分を参照し、ピエゾ抵抗から入力される電
流信号（Ｉ＋Δｉ）からＤＣ成分を差し引く。これによ
り、微小信号成分Δｉの成分だけを検出することが可能
になる。ここでは、このオフセット信号検出系１０４
が、常に微小信号検出系１０３の出力を監視して、ＤＣ
信号成分を入力にかえすというループを形成しているた
めに、時間的にドリフトするＤＣ信号成分にも対応する
ことができた。
【００１５】次に、具体的なオフセット信号検出系１０
４の回路図を図２に示す。この回路構成として、ここで
は積分回路を使用した。微小信号検出系１０３から得ら
れた電圧信号を、ＣＲで定められるカットオフ周波数以
下の周波数をＤＣ成分の信号として周波数的に分離す
る。分離されたＤＣ成分の信号は、抵抗Ｒ1２０２にお
いて、再び電流信号に変換されて、微小信号検出系１０
３の入力から差し引いている。また、あくまでもこの積
分回路は一例であって、この回路構成に限定するもので
はなく、例えば、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）など周波
数的に分離できる回路構成でも同様の効果を得ることが
できる。
４の回路図を図２に示す。この回路構成として、ここで
は積分回路を使用した。微小信号検出系１０３から得ら
れた電圧信号を、ＣＲで定められるカットオフ周波数以
下の周波数をＤＣ成分の信号として周波数的に分離す
る。分離されたＤＣ成分の信号は、抵抗Ｒ1２０２にお
いて、再び電流信号に変換されて、微小信号検出系１０
３の入力から差し引いている。また、あくまでもこの積
分回路は一例であって、この回路構成に限定するもので
はなく、例えば、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）など周波
数的に分離できる回路構成でも同様の効果を得ることが
できる。
【００１６】次に、実際にこれらの検出系を使用して、
ＡＦＭ観察を行った。試料として、深さ方向１８［ｎ
ｍ］、ライン＆スペース５００［ｎｍ］の標準サンプル
を使用した。ここでは、オフセット検出系１０４のＣＲ
素子として、１［μＦ］のコンデンサと、１００［Ｍ
Ω］の抵抗を使用した。これらの素子から得られるカッ
トオフ周波数は、２［ｍＨｚ］である。ここで使用した
プローブのピエゾ抵抗値はおよそ７［ＫΩ］であった。
測定時のバイアスとして、３［Ｖ］の定電圧を使用し、
この時のプローブのピエゾ抵抗変化にともなう電流変化
Δｉの値は１７０［ｐＡ／ｎｍ］であった。このことか
ら、ピエゾ抵抗値変化は２．８［Ω／ｎｍ］と求められ
た。これらの値より、プローブのピエゾ抵抗値の変化の
割合は、およそ４×１０-7［／ｎｍ］と求められた。こ
の条件で得られたＺ方向の分解能は２［ｎｍ］であっ
た。また、横方向の分解能はすベてステージ走査に依存
するものの、ここでは、１［ｎｍ］であった。また、得
られたＡＦＭ像には、ＤＣ成分のドリフトによる影響は
みられず、試料表面の形状を反映した像を得ることがで
きた。
ＡＦＭ観察を行った。試料として、深さ方向１８［ｎ
ｍ］、ライン＆スペース５００［ｎｍ］の標準サンプル
を使用した。ここでは、オフセット検出系１０４のＣＲ
素子として、１［μＦ］のコンデンサと、１００［Ｍ
Ω］の抵抗を使用した。これらの素子から得られるカッ
トオフ周波数は、２［ｍＨｚ］である。ここで使用した
プローブのピエゾ抵抗値はおよそ７［ＫΩ］であった。
測定時のバイアスとして、３［Ｖ］の定電圧を使用し、
この時のプローブのピエゾ抵抗変化にともなう電流変化
Δｉの値は１７０［ｐＡ／ｎｍ］であった。このことか
ら、ピエゾ抵抗値変化は２．８［Ω／ｎｍ］と求められ
た。これらの値より、プローブのピエゾ抵抗値の変化の
割合は、およそ４×１０-7［／ｎｍ］と求められた。こ
の条件で得られたＺ方向の分解能は２［ｎｍ］であっ
た。また、横方向の分解能はすベてステージ走査に依存
するものの、ここでは、１［ｎｍ］であった。また、得
られたＡＦＭ像には、ＤＣ成分のドリフトによる影響は
みられず、試料表面の形状を反映した像を得ることがで
きた。
【００１７】［実施例２］図４は、本発明の実施例２に
おけるプローブをマルチ化したマルチプローブＡＦＭの
試料表面観察に用いたマルチプローブのイメージ図であ
る。図のように、ここで使用したマルチプローブ４０２
のプローブ本数は８本である。このマルチプローブにお
いて、各プローブの構成は図３と同様である。また、こ
の微小信号検出部４０３として、図１、図２と同様の検
出系を、各プローブに使用した。次に、実際にこれらの
検出系を使用して、ＡＦＭ観察を行った。試料として、
深さ方向１８［ｎｍ］、ライン＆スペース５００［ｎ
ｍ］の標準サンプルを使用した。観察範囲として、プロ
ーブ一本当たり１００［μｍ］×１００［μｍ］、計１
００×８００［μｍ2］の範囲の表面同時ＡＦＭ像観察
を行った。ここでは、オフセット検出系１０４のＣＲ素
子として、１［μＦ］のコンデンサと、１００［ＭΩ］
の抵抗を使用した。これらの素子から得られるカットオ
フ周波数は、２［ｍＨｚ］である。
おけるプローブをマルチ化したマルチプローブＡＦＭの
試料表面観察に用いたマルチプローブのイメージ図であ
る。図のように、ここで使用したマルチプローブ４０２
のプローブ本数は８本である。このマルチプローブにお
いて、各プローブの構成は図３と同様である。また、こ
の微小信号検出部４０３として、図１、図２と同様の検
出系を、各プローブに使用した。次に、実際にこれらの
検出系を使用して、ＡＦＭ観察を行った。試料として、
深さ方向１８［ｎｍ］、ライン＆スペース５００［ｎ
ｍ］の標準サンプルを使用した。観察範囲として、プロ
ーブ一本当たり１００［μｍ］×１００［μｍ］、計１
００×８００［μｍ2］の範囲の表面同時ＡＦＭ像観察
を行った。ここでは、オフセット検出系１０４のＣＲ素
子として、１［μＦ］のコンデンサと、１００［ＭΩ］
の抵抗を使用した。これらの素子から得られるカットオ
フ周波数は、２［ｍＨｚ］である。
【００１８】ここで使用したプローブのピエゾ抵抗値は
およそ７〜７．４［ＫΩ］であった。測定時のバイアス
として、３［Ｖ］の定電圧を使用し、この時のプローブ
のピエゾ抵抗変化にともなう電流変化Δｉの値は１６０
〜１９０［ｐＡ／ｎｍ］であった。このことから、ピエ
ゾ抵抗値変化は２．６〜３．２［ｍΩ／ｎｍ］と求めら
れた。これらの値より、プローブのピエゾ抵抗値の変化
の割合は、およそ３．７〜４．３×１０-7［／ｎｍ］と
求められた。この条件で得られたＺ方向の分解能は２
［ｎｍ］であった。また、横方向の分解能はすベてステ
ージ走査に依存するものの、ここでは、１［ｎｍ］であ
った。また、得られたＡＦＭ像には、ＤＣ成分のドリフ
トによる影響はみられず、試料表面の形状を反映した像
を得ることができた。さらに、各プローブのピエゾ抵抗
値のばらつきによる影響もみられず、この影響を無効化
することができた。
およそ７〜７．４［ＫΩ］であった。測定時のバイアス
として、３［Ｖ］の定電圧を使用し、この時のプローブ
のピエゾ抵抗変化にともなう電流変化Δｉの値は１６０
〜１９０［ｐＡ／ｎｍ］であった。このことから、ピエ
ゾ抵抗値変化は２．６〜３．２［ｍΩ／ｎｍ］と求めら
れた。これらの値より、プローブのピエゾ抵抗値の変化
の割合は、およそ３．７〜４．３×１０-7［／ｎｍ］と
求められた。この条件で得られたＺ方向の分解能は２
［ｎｍ］であった。また、横方向の分解能はすベてステ
ージ走査に依存するものの、ここでは、１［ｎｍ］であ
った。また、得られたＡＦＭ像には、ＤＣ成分のドリフ
トによる影響はみられず、試料表面の形状を反映した像
を得ることができた。さらに、各プローブのピエゾ抵抗
値のばらつきによる影響もみられず、この影響を無効化
することができた。
【００１９】
【発明の効果】以上に説明したように、本発明による
と、プローブの構成上、原理的に発生する印加電圧とピ
エゾ抵抗値とで規定される直流電圧信号、または時間的
に変化するドリフト信号を簡単な構成によって除去する
ことができ、本来検出すべきプローブのたわみ量として
得られた微小な電流信号だけを、より高感度に検出する
ことが可能となる。また、本発明によると、ピエゾ抵抗
のばらつきによる影響をなくすことができ、これらの作
業はすべてハンドフリーであるために、マルチ化にも適
した走査型プローブによる信号検出装置、および該装置
による原子間力顕微鏡を実現することができる。
と、プローブの構成上、原理的に発生する印加電圧とピ
エゾ抵抗値とで規定される直流電圧信号、または時間的
に変化するドリフト信号を簡単な構成によって除去する
ことができ、本来検出すべきプローブのたわみ量として
得られた微小な電流信号だけを、より高感度に検出する
ことが可能となる。また、本発明によると、ピエゾ抵抗
のばらつきによる影響をなくすことができ、これらの作
業はすべてハンドフリーであるために、マルチ化にも適
した走査型プローブによる信号検出装置、および該装置
による原子間力顕微鏡を実現することができる。
【図１】本発明のＡＦＭ測定系の一実施例の構成図であ
る。
る。
【図２】オフセット信号検出系の一実施例の回路構成図
である。
である。
【図３】ＡＦＭで使用されるプローブの一実施例であ
る。
る。
【図４】マルチプローブＡＦＭのモデル図である。
１０１、３０４、４０１：印加電源 １０２：プローブ １０３：微小信号検出系 １０４、２０１：オフセット信号検出系 １０５、４０４：表示・制御用コンピュータ １０６：ＸＹＺ方向駆動系 １０７：試料 １０８：ＸＹＺステージ １０９：フィードバック抵抗 ２０２：電圧／電流変換用抵抗 ３０１：ピエゾ抵抗層 ３０２：ｐ−Ｓｉ基板 ３０３：Ａｌ配線 ３０５：ピエゾ抵抗値のモデル ４０２：マルチプローブ ４０３：微小信号検出部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F063 AA43 CA09 DA01 DA04 DB05 DC08 DD02 EA16 EB01 FA07 FA10 GA57 LA11 2F069 AA60 DD19 GG04 GG06 GG52 GG62 HH02 JJ14 JJ25 MM04 QQ07
Claims (8)
- 【請求項１】試料表面に対向して配置されるプローブ
を、前記試料表面に近接させ二次元走査させ、前記試料
表面と前記プローブの先端に働く物理量を、前記プロー
ブのたわみ量として検出し、該たわみ量を前記プローブ
を構成するピエゾ抵抗素子のピエゾ抵抗値の変化として
検出する走査型プローブによる信号検出装置であって、 前記プローブに定電圧バイアスを印加して抵抗変化量と
して得られた入力電流信号を、出力電圧信号に変換する
信号検出系と、 該信号検出手段の出力電圧信号に含まれるオフセット信
号成分を検出して除去するオフセット信号検出系と、を
有することを特徴とする走査型プローブによる信号検出
装置。 - 【請求項２】前記オフセット信号検出系は、増幅器を備
えていることを特徴とする請求項１に記載の走査型プロ
ーブによる信号検出装置。 - 【請求項３】前記オフセット信号検出系は、前記信号検
出系の出力電圧信号を参照して、オフセット信号を出力
する電圧制御部と、該オフセット信号を参照して電流信
号に変換する電流変換部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に記載の走査型プローブ
による信号検出装置。 - 【請求項４】前記電圧制御部は、積分回路またはローパ
スフィルタで構成されていることを特徴とする請求項３
に記載の走査型プローブによる信号検出装置。 - 【請求項５】前記電流変換部は、抵抗で構成されている
ことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の走査
型プローブによる信号検出装置。 - 【請求項６】前記オフセット信号が、前記定電圧バイア
スによる印加電圧と、前記ピエゾ抵抗における固有の抵
抗値とで規定される直流電圧信号であることを特徴とす
る請求項１〜５のいずれか１項に記載の走査型プローブ
による信号検出装置。 - 【請求項７】前記オフセット信号が、ドリフト電圧信号
であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に
記載の走査型プローブによる信号検出装置。 - 【請求項８】試料表面に対向して配置されるプローブ
を、前記試料表面に近接させ二次元走査させ、前記試料
表面と前記プローブの先端に働く物理量を、前記プロー
ブのたわみ量として検出し、該たわみ量を前記プローブ
を構成するピエゾ抵抗素子のピエゾ抵抗値の変化として
検出する走査型プローブによる信号検出装置を備えた原
子間力顕微鏡において、前記信号検出装置が請求項１〜
７のいずれか１項に記載の信号検出装置によって構成さ
れていることを特徴とする原子間力顕微鏡。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11831199A JP3639743B2 (ja) | 1999-04-26 | 1999-04-26 | 走査型プローブによる信号検出装置、および原子間力顕微鏡 |
| US09/558,296 US6448553B1 (en) | 1999-04-26 | 2000-04-25 | Signal detector to be used with scanning probe and atomic force microscope |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11831199A JP3639743B2 (ja) | 1999-04-26 | 1999-04-26 | 走査型プローブによる信号検出装置、および原子間力顕微鏡 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000304756A true JP2000304756A (ja) | 2000-11-02 |
| JP3639743B2 JP3639743B2 (ja) | 2005-04-20 |
Family
ID=14733548
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11831199A Expired - Fee Related JP3639743B2 (ja) | 1999-04-26 | 1999-04-26 | 走査型プローブによる信号検出装置、および原子間力顕微鏡 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3639743B2 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7520165B2 (en) | 2005-06-09 | 2009-04-21 | Tdk Corporation | Micro structure, cantilever, scanning probe microscope and a method of measuring deformation quantity for the fine structure |
| CN102538661A (zh) * | 2011-12-30 | 2012-07-04 | 深圳市龙霖科技发展有限公司 | 一种快速检测型材平面度系统及其方法 |
| JP2012519299A (ja) * | 2009-03-01 | 2012-08-23 | ナノニクス・イメージング・リミテッド | 大気中または液体中におけるシングルまたは多重プローブ動作に対する干渉または幾何学的制約なしの走査プローブ顕微鏡 |
-
1999
- 1999-04-26 JP JP11831199A patent/JP3639743B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7520165B2 (en) | 2005-06-09 | 2009-04-21 | Tdk Corporation | Micro structure, cantilever, scanning probe microscope and a method of measuring deformation quantity for the fine structure |
| JP2012519299A (ja) * | 2009-03-01 | 2012-08-23 | ナノニクス・イメージング・リミテッド | 大気中または液体中におけるシングルまたは多重プローブ動作に対する干渉または幾何学的制約なしの走査プローブ顕微鏡 |
| CN102538661A (zh) * | 2011-12-30 | 2012-07-04 | 深圳市龙霖科技发展有限公司 | 一种快速检测型材平面度系统及其方法 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3639743B2 (ja) | 2005-04-20 |
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