JP2000329680A - 走査型ケルビンプローブ顕微鏡 - Google Patents
走査型ケルビンプローブ顕微鏡Info
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Abstract
料表面の電位情報を検出する場合に不要となる周波数成
分を抑圧し、測定される試料表面の電位情報のＳ／Ｎを
向上させることを目的とする。 【解決手段】 試料表面の凹凸を測定する場合には、導
電性カンチレバー探針２を振動させるための交流信号
と、試料の電位情報を測定するために導電性カンチレバ
ー探針と試料間に印可する交流電圧信号を同時に作用さ
せ、電位情報測定時には、導電性カンチレバー探針と試
料間に交流電圧信号を作用させ、試料表面を走査測定す
ることを特徴とする走査型ケルビンプローブ顕微鏡。
Description
微鏡の分野に属し、特にカンチレバー探針と試料間に働
く力を利用して物理量を測定する走査型原子間力顕微鏡
の分野に属する。
ブと試料を接近させた時の両者に作用する物理量を利用
することにあり、この種の顕微鏡は、前記物理量がプロ
ーブに及ぼす影響を測定することにより、試料表面物理
量観察を行う新しいタイプの顕微鏡の一種である。走査
型原子間力顕微鏡は、走査型プローブ顕微鏡の一種であ
り、カンチレバー探針と試料間に作用する原子間力を利
用して、カンチレバー探針と試料間の距離を制御するも
のである。走査型原子間力顕微鏡では、前記カンチレバ
ー探針と試料間の距離を一定に制御しながら、試料の面
内方向に、圧電素子などの３次元微動機構にて面内走査
し、カンチレバー探針と試料間の距離を制御する前記圧
電素子などの微動機構の制御量を画像化することによ
り、試料表面の形状あるいは物理量などを観察すること
ができる。
た物理量測定装置として走査型ケルビンプローブ顕微鏡
がある。この装置は、試料表面の凹凸情報と試料表面の
電位分布を測定することを目的としたものである。
図を図２に示す。測定対象となる試料１と導電性カンチ
レバー探針２間に交流電圧を印可する。この交流印可電
圧により、導電性カンチレバー探針と試料間には静電力
が作用する。前記導電性カンチレバー探針と試料間に印
可する交流電圧の周波数をωとすると、試料は導電性カ
ンチレバー探針に対して相対的に固定されている場合、
導電性カンチレバー探針は、周波数ωの交流電圧により
下記（１）式に記述する力Fの静電力を受けることにな
る。 ここでKは、導電性カンチレバー探針と試料間の距離に
依存する定数である。Vdcは試料の表面の電位、Vacは導
電性カンチレバー探針と試料間に印可する交流電圧、ω
は前記交流電圧Vacの角周波数、ｔは時間である。従っ
て、導電性カンチレバー探針に作用する静電力は、前記
試料の有する表面電位による直流成分項（第１項のVd
c2）と導電性カンチレバー探針と試料間に印可した角周
波数ωの交流電圧の周波数成分ω項（第２項の2・Vdc・
Vac・Sinωｔ）とその２倍の周波数成分２ω項（第３項
の（Vac2/2）・(1-Cos2ωt)）の力を受けることにな
る。
の表面電位を測定するために、前記（１）式の周波数成
分ω項の信号をロックインアンプ等で検出し、この検出
された信号の大きさが０となるように、試料と電気的に
接続された試料台の電位をフィードバック制御する。つ
まり、試料台に印可されるフィードバック電圧の逆極性
の電圧が、導電性カンチレバー探針直下の試料表面の電
位ということになる。従って、前記フィードバック操作
を行いながら、導電性カンチレバー探針と試料間の面内
の相対的位置関係を走査しながら測定すれば、試料表面
電位の２次元分布を得ることができる。前記ω項が０と
なるようなフィードバック制御が行われている場合、前
記導電性カンチレバー探針が試料から受ける静電力
（１）式で試料台の電位と試料の電位の合計である Vd
c = 0 が実現されており、従ってこの場合、導電性カ
ンチレバー探針が受ける静電力は下記（２）式となる。 F=K・(Vac2/2）・(1-Cos2ωt) （２） （２）式の力と導電性カンチレバー探針のバネ定数の釣
り合いで、導電性カンチレバー探針と試料間の距離の制
御が行われることになる。
理図では、試料表面の電位を検出するためのフィードバ
ックループと試料表面の凹凸情報を検出するためのフィ
ードバックループとの２つのフィードバックループで構
成される。またカンチレバーの変位を検出するために、
半導体レーザ８からのレーザ光を導電性カンチレバーに
照射し、前記カンチレバーから反射されたレーザ光をフ
ォトディテクタ９で検出する構成となっている。
バックループでは、検出されたフォトディテクタ９から
の信号は、導電性カンチレバーの励振信号を参照信号と
したロックインアンプ１１介して周波数成分ω項の信号
として出力される。この信号は、０電位と電位情報比較
器１２で比較され、電位情報ＰＩＤ制御器１３の操作を
施した後、試料台７に出力される。試料台に出力される
信号は、反転アンプ１４を介して試料表面の電位極性と
同極性に変換しＡ／Ｄ変換器１５に入力され、コンピュ
ータ１７に電位情報のデジタルデータとして取り込まれ
る。
のフィードバックループでは、検出されたフォトディテ
クタ９からの信号は、ＲＭＳ−ＤＣ変換器１８を介して
直流に変換され、導電性カンチレバー探針と試料間の距
離を設定する距離基準値発生器２１と距離情報比較器１
９で比較され距離情報ＰＩＤ制御器２０を経由して３次
元微動機構素子１０の導電性カンチレバー探針と試料間
の距離を制御する素子を駆動する。また、距離情報ＰＩ
Ｄ制御器２０の出力は、Ａ／Ｄ変換器１６にに入力さ
れ、コンピュータ１７に試料表面の凹凸情報のデジタル
データとして取り込まれる。
ケルビンプローブ顕微鏡では、試料の電位情報を検出す
るために導電性カンチレバー探針と試料間に印可する角
周波数ωの交流電圧と、試料表面の凹凸情報を検出する
ために導電性カンチレバーを振動させるために圧電素子
３を駆動する交流信号ω0の２種類の周波数成分と前記
（１）式あるいは（２）式での２ωの周波数成分が、フ
ォトディテクタ９の出力に混在している状態にあり、試
料鏡面の電位情報の検出分解能を向上する観点からは問
題であった。本発明は、上記問題を解決することにあ
り、試料表面の電位情報を検出するための角周波数成分
ωの信号の検出のＳ／Ｎを向上させることにある。
出する場合に、導電性カンチチレバーから反射されてフ
ォトディテクタ９の信号として入力される信号成分に
は、導電性カンチレバー探針と試料間に印可される角周
波数ωの交流信号だけが重畳されているような状態とす
ることにより、試料表面の電位情報を検出する分解能を
向上させる。つまり、試料表面の電位情報を検出する場
合には、図１（ｂ）のようにカンチレバーを振動させる
ための圧電素子３には、交流信号を印可しない測定操作
とすることにより、角周波数ω0の周波数成分の混在を
除去する。また、導電性カンチレバ ー探針と試料間に
印可される角周波数ωの交流電圧により、導電性カンチ
レバーが受ける角周波数２ωの周波数成分力による信号
成分の混在を除去するために、角周波数２ωの周波数
が、導電性カンチレバーの共振周波数より充分高い周波
数となるように、導電性カンチレバー探針と試料間に印
可する角周波数ωの周波数を設定する。この様子の例を
図３に示す。このような周波数配置とすることで角周波
数２ωの信号成分は、導電性カンチレバー探針の共振周
波数より充分高い周波数領域にあり、導電性カンチレバ
ーの応答は著しく減衰し、ひいては２ωの周波数成分の
抑圧に寄与する。
探針の共振角周波数であり、導電性カンチレバー探針と
試料間に印可する角周波数ωと導電性カンチレバーが受
ける角周波数２ωの周波数のちょうど中間に配置した例
である。市販されているバネ定数３Ｎ／ｍのシリコンカ
ンチレバーの場合、ωLは２０ＫＨｚ程度 であり、ωを
１３ＫＨｚ程度に設定すれば、２ωは２６ＫＨｚ程度と
なる。このカンチレバーの場合３０ＫＨｚでの応答性は
著しく減衰しており、２ωの周波数成分の抑圧に寄与す
ることになる。
施形態を説明する。
ック図である。電気的スイッチ６でカンチレバーを振動
させるための圧電素子３に交流信号を印可するかしない
かを制御する。試料表面の電位情報を測定する場合には
電気的スイッチ６をＯＦＦ状態とし、圧電素子３を無励
振の状態とする。
ク図である。
チレバー探針の共振角周波数ωL、導電性カンチレバー
を振動させるために圧電素子３を駆動する交流信 号
ω0、試料の電位情報を検出するために導電性カンチレ
バー探針と試料間に印 可する角周波数ωの交流電圧信
号と、導電性カンチレバー探針と試料間に印可される角
周波数ωの交流電圧により、導電性カンチレバーが受け
る角周波数２ωの周波数成分力による信号の周波数成分
の配置を示した図である。
チレバー探針の共振角周波数ωL、導電性カンチレバー
を振動させるために圧電素子３を駆動する交流信 号
ω0、試料の電位情報を検出するために導電性カンチレ
バー探針と試料間に印 可する角周波数ω1の交流電圧信
号と、導電性カンチレバー探針と試料間に印可される角
周波数ωの交流電圧により、導電性カンチレバーが受け
る角周波数２ωの周波数成分力による信号の周波数成分
の配置を示した図である。
チレバー探針の共振角周波数ωL、導電性カンチレバー
を振動させるために圧電素子３を駆動する交流信号
ω0、試料の電位情報を検出するために導電性カンチレ
バー探針と試料間に印可する角周波数ωの交流電圧信号
と、導電性カンチレバー探針と試料間に印可される角周
波数ωの交流電圧により、導電性カンチレバーが受ける
角周波数２ωの周波数成分力による信号の周波数成分の
配置を示した図である。
周波数配置を行った場合の測定フローの一例である。試
料表面の凹凸情報を測定する場合には、図４の電気的ス
イッチ６をＯＮした状態で前記凹凸情報の測定を行い、
試料表面の電位情報を測定する場合には、電気的スイッ
チ６をＯＦＦした状態で前記電位情報を測定する。
周波数配置を行った場合の測定フローの一例である。試
料表面の凹凸情報を測定する場合には、図４の電気的ス
イッチ６をＯＮした状態で前記凹凸情報の測定を行う。
この時、導電性カンチレバー探針と試料間に印可する交
流電圧信号の角周波数はωである。試料表面の電位情報
を測定する場合には、電気的スイッチ６をＯＦＦした状
態で、前記電位情報を測定する。この時、導電性カンチ
レバー探針と試料間に印可する交流電圧信号の角周波数
はω1である。
の周波数配置を行った場合の測定フローの一例である。
試料表面の凹凸情報を測定する場合には、図４の電気的
スイッチ６をＯＮした状態で前記凹凸情報の測定を行
い、試料表面の電位情報を測定する場合には、電気的ス
イッチ６をＯＦＦした状態で前記電位情報を測定する。
するために導電性カンチレバー探針と試料間に印可する
角周波数ωの交流電圧と、試料表面の凹凸情報を検出す
るために導電性カンチレバーを振動させるために圧電素
子３を駆動する交流信号ω0の交流信号と、導電性カン
チレバー探針と試料間に印可される角周波数ωの交流電
圧により、導電性カンチレバーが受ける角周波数２ωの
周波数成分の信号の分離が行われ、フォトディテクタ９
の出力からの角周波数ω成分の信号を検出することによ
って得られる、試料表面の電位情報の検出分解能を向上
させた走査型ケルビンプローブ顕微鏡の制御装置を構成
することができる。
情報測定時、（ｂ）は試料の電位情報測定時の図であ
る。
ある。
チレバー探針と試料間に印可する交流電圧信号の角周波
数ωと、このωの交流電圧により発生する角周波数２ω
の周波数成分の周波数配置の一例である。
と導電性カンチレバー探針と試料間に印可する交流電圧
信号の角周波数ωと、このωの交流電圧により発生する
角周波数２ωの周波数成分の周波数配置図である。
と導電性カンチレバー探針と試料間に印可する交流電圧
信号の角周波数ωと、このωの交流電圧により発生する
角周波数２ωの周波数成分の周波数配置図である。
と導電性カンチレバー探針と試料間に印可する交流電圧
信号の角周波数ωと、このωの交流電圧により発生する
角周波数２ωの周波数成分の周波数配置図である。
の測定フローである。
の測定フローである。
例の測定フローである。
流電圧発生器 ６ 電気的スイッチ ７ 試料台 ８ 半導体レーザ ９ フォトディテクタ １０ ３次元微動素子 １１ ロックインアンプ １２ 電位情報比較器 １３ 電位情報ＰＩＤ制御器 １４ 反転アンプ １５ Ａ／Ｄ変換器 １６ Ａ／Ｄ変換器 １７ コンピュータ １８ ＲＭＳ−ＤＣ変換器 １９ 距離情報比較器 ２０ 距離情報ＰＩＤ制御器 ２１ 距離基準値発生器 ２２ 面内走査器 ２３ サンプルホールド回路
図を図２に示す。測定対象となる試料１と導電性カンチ
レバー探針２間に交流電圧を印加する。この交流印加電
圧により、導電性カンチレバー探針と試料間には静電力
が作用する。前記導電性カンチレバー探針と試料間に印
加する交流電圧の周波数をωとすると、試料は導電性カ
ンチレバー探針に対して相対的に固定されている場合、
導電性カンチレバー探針は、周波数ωの交流電圧により
下記（１）式に記述する力Fの静電力を受けることにな
る。 ここでKは、導電性カンチレバー探針と試料間の距離に
依存する定数である。Vdcは試料の表面の電位、Vacは導
電性カンチレバー探針と試料間に印加する交流電圧、ω
は前記交流電圧Vacの角周波数、ｔは時間である。従っ
て、導電性カンチレバー探針に作用する静電力は、前記
試料の有する表面電位による直流成分項（第１項のVd
c2）と導電性カンチレバー探針と試料間に印加した角周
波数ωの交流電圧の周波数成分ω項（第２項の2・Vdc・
Vac・Sinωｔ）とその２倍の周波数成分２ω項（第３項
の（Vac2/2）・(1-Cos2ωt)）の力を受けることにな
る。
の表面電位を測定するために、前記（１）式の周波数成
分ω項の信号をロックインアンプ等で検出し、この検出
された信号の大きさが０となるように、試料と電気的に
接続された試料台の電位をフィードバック制御する。つ
まり、試料台に印加されるフィードバック電圧の逆極性
の電圧が、導電性カンチレバー探針直下の試料表面の電
位ということになる。従って、前記フィードバック操作
を行いながら、導電性カンチレバー探針と試料間の面内
の相対的位置関係を走査しながら測定すれば、試料表面
電位の２次元分布を得ることができる。前記ω項が０と
なるようなフィードバック制御が行われている場合、前
記導電性カンチレバー探針が試料から受ける静電力
（１）式で試料台の電位と試料の電位の合計である Vd
c = 0 が実現されており、従ってこの場合、導電性カ
ンチレバー探針が受ける静電力は下記（２）式となる。 F =K・(Vac2/2）・(1-Cos2ωt) （２） （２）式の力と導電性カンチレバー探針のバネ定数の釣
り合いで、導電性カンチレバー探針と試料間の距離の制
御が行われることになる。
ケルビンプローブ顕微鏡では、試料の電位情報を検出す
るために導電性カンチレバー探針と試料間に印加する角
周波数ωの交流電圧と、試料表面の凹凸情報を検出する
ために導電性カンチレバーを振動させるために圧電素子
３を駆動する交流信号ω0の２種類の周波数成分と前記
（１）式あるいは（２）式での２ωの周波数成分が、フ
ォトディテクタ９の出力に混在している状態にあり、試
料鏡面の電位情報の検出分解能を向上する観点からは問
題であった。本発明は、上記問題を解決することにあ
り、試料表面の電位情報を検出するための角周波数成分
ωの信号の検出のＳ／Ｎを向上させることにある。
出する場合に、導電性カンチチレバーから反射されてフ
ォトディテクタ９の信号として入力される信号成分に
は、導電性カンチレバー探針と試料間に印加される角周
波数ωの交流信号だけが重畳されているような状態とす
ることにより、試料表面の電位情報を検出する分解能を
向上させる。つまり、試料表面の電位情報を検出する場
合には、図１（ｂ）のようにカンチレバーを振動させる
ための圧電素子３には、交流信号を印加しない測定操作
とすることにより、角周波数ω0の周波数成分の混在を
除去する。また、導電性カンチレバ ー探針と試料間に
印加される角周波数ωの交流電圧により、導電性カンチ
レバーが受ける角周波数２ωの周波数成分力による信号
成分の混在を除去するために、角周波数２ωの周波数
が、導電性カンチレバーの共振周波数より充分高い周波
数となるように、導電性カンチレバー探針と試料間に印
加する角周波数ωの周波数を設定する。この様子の例を
図３に示す。このような周波数配置とすることで角周波
数２ωの信号成分は、導電性カンチレバー探針の共振周
波数より充分高い周波数領域にあり、導電性カンチレバ
ーの応答は著しく減衰し、ひいては２ωの周波数成分の
抑圧に寄与する。
探針の共振角周波数であり、導電性カンチレバー探針と
試料間に印加する角周波数ωと導電性カンチレバーが受
ける角周波数２ωの周波数のちょうど中間に配置した例
である。つまり、ω≒２ωL／３の関係にある。市販さ
れているバネ定数３Ｎ／ｍのシリコンカンチレバーの場
合、ωLは２０ＫＨｚ程度 であり、ωを１３ＫＨｚ程度
に設定すれば、２ωは２６ＫＨｚ程度となる。このカン
チレバーの場合３０ＫＨｚでの応答性は著しく減衰して
おり、２ωの周波数成分の抑圧に寄与することになる。
ック図である。電気的スイッチ６でカンチレバーを振動
させるための圧電素子３に交流信号を印加するかしない
かを制御する。試料表面の電位情報を測定する場合には
電気的スイッチ６をＯＦＦ状態とし、圧電素子３を無励
振の状態とする。
チレバー探針の共振角周波数ωL、導電性カンチレバー
を振動させるために圧電素子３を駆動する交流信 号
ω0、試料の電位情報を検出するために導電性カンチレ
バー探針と試料間に印加する角周波数ωの交流電圧信号
と、導電性カンチレバー探針と試料間に印加される角周
波数ωの交流電圧により、導電性カンチレバーが受ける
角周波数２ωの周波数成分力による信号の周波数成分の
配置を示した図である。
チレバー探針の共振角周波数ωL、導電性カンチレバー
を振動させるために圧電素子３を駆動する交流信 号
ω0、試料の電位情報を検出するために導電性カンチレ
バー探針と試料間に印加する角周波数ω1の交流電圧信
号と、導電性カンチレバー探針と試料間に印加される角
周波数ωの交流電圧により、導電性カンチレバーが受け
る角周波数２ωの周波数成分力による信号の周波数成分
の配置を示した図である。
チレバー探針の共振角周波数ωL、導電性カンチレバー
を振動させるために圧電素子３を駆動する交流信号
ω0、試料の電位情報を検出するために導電性カンチレ
バー探針と試料間に印加する角周波数ωの交流電圧信号
と、導電性カンチレバー探針と試料間に印加される角周
波数ωの交流電圧により、導電性カンチレバーが受ける
角周波数２ωの周波数成分力による信号の周波数成分の
配置を示した図である。
周波数配置を行った場合の測定フローの一例である。試
料表面の凹凸情報を測定する場合には、図４の電気的ス
イッチ６をＯＮした状態で前記凹凸情報の測定を行う。
この時、導電性カンチレバー探針と試料間に印加する交
流電圧信号の角周波数はωである。試料表面の電位情報
を測定する場合には、電気的スイッチ６をＯＦＦした状
態で、前記電位情報を測定する。この時、導電性カンチ
レバー探針と試料間に印加する交流電圧信号の角周波数
はω1である。
するために導電性カンチレバー探針と試料間に印加する
角周波数ωの交流電圧と、試料表面の凹凸情報を検出す
るために導電性カンチレバーを振動させるために圧電素
子３を駆動する交流信号ω0の交流信号と、導電性カン
チレバー探針と試料間に印加される角周波数ωの交流電
圧により、導電性カンチレバーが受ける角周波数２ωの
周波数成分の信号の分離が行われ、フォトディテクタ９
の出力からの角周波数ω成分の信号を検出することによ
って得られる、試料表面の電位情報の検出分解能を向上
させた走査型ケルビンプローブ顕微鏡の制御装置を構成
することができる。
チレバー探針と試料間に印加する交流電圧信号の角周波
数ωと、このωの交流電圧により発生する角周波数２ω
の周波数成分の周波数配置の一例である。
と導電性カンチレバー探針と試料間に印加する交流電圧
信号の角周波数ωと、このωの交流電圧により発生する
角周波数２ωの周波数成分の周波数配置図である。
と導電性カンチレバー探針と試料間に印加する交流電圧
信号の角周波数ωと、このωの交流電圧により発生する
角周波数２ωの周波数成分の周波数配置図である。
と導電性カンチレバー探針と試料間に印加する交流電圧
信号の角周波数ωと、このωの交流電圧により発生する
角周波数２ωの周波数成分の周波数配置図である。
流電圧発生器 ６ 電気的スイッチ ７ 試料台 ８ 半導体レーザ ９ フォトディテクタ １０ ３次元微動素子 １１ ロックインアンプ １２ 電位情報比較器 １３ 電位情報ＰＩＤ制御器 １４ 反転アンプ １５ Ａ／Ｄ変換器 １６ Ａ／Ｄ変換器 １７ コンピュータ １８ ＲＭＳ−ＤＣ変換器 １９ 距離情報比較器 ２０ 距離情報ＰＩＤ制御器 ２１ 距離基準値発生器 ２２ 面内走査器 ２３ サンプルホールド回路
Claims (4)
- 【請求項１】 導電性カンチレバー探針と試料間に作用
する物理量を検出して試料表面の形状及び試料の電位情
報を測定する走査型ケルビンプローブ顕微鏡において、
試料表面の凹凸情報を測定する場合には、導電性カンチ
レバー探針を振動させるための交流信号と、導電性カン
チレバー探針と試料間に印可する交流電圧信号の両方を
作用させ、電位情報測定時には、前記交流信号のうち、
前記導電性カンチレバー探針と試料間に印加する交流電
圧信号のみを作用させて試料表面を走査測定することを
特徴とする走査型ケルビンプローブ顕微鏡。 - 【請求項２】 前記走査型ケルビンプローブ顕微鏡にお
いて、試料表面の凹凸情報を測定する場合は、導電性カ
ンチレバー探針を前記カンチレバーの共振周波数近傍の
周波数で振動させるための交流信号と、導電性カンチレ
バー探針と試料間に印可する前記カンチレバーの非共振
周波数の交流電圧信号を同時に作用させ、試料表面の電
位情報を測定する場合には、導電性カンチレバー探針と
試料間に前記カンチレバーの非共振周波数の交流電圧を
印可して試料表面を走査測定することを特徴とする請求
項１に記載した走査型ケルビンプローブ顕微鏡。 - 【請求項３】 前記走査型ケルビンプローブ顕微鏡にお
いて、試料表面の凹凸情報を測定する場合は、導電性カ
ンチレバー探針を前記カンチレバーの共振周波数近傍の
周波数で振動させるための交流信号と、導電性カンチレ
バー探針と試料間に印可する前記カンチレバーの非共振
周波数の交流電圧信号を同時に作用させ、試料表面の電
位情報を測定する場合には、導電性カンチレバー探針と
試料間に前記カンチレバーの共振周波数近傍の交流電圧
を印可して試料表面を走査測定することを特徴とする請
求項１に記載した走査型ケルビンプローブ顕微鏡。 - 【請求項４】 前記走査型ケルビンプローブ顕微鏡にお
いて、試料表面の凹凸情報を測定する場合は、導電性カ
ンチレバー探針を前記カンチレバーの共振周波数近傍の
周波数で振動させるための交流信号と、導電性カンチレ
バー探針と試料間に印可する前記カンチレバーの共振周
波数近傍の交流電圧信号を同時に作用させ、試料表面の
電位情報を測定する場合には、導電性カンチレバー探針
と試料間に前記カンチレバーの共振周波数近傍の交流電
圧を印可して試料表面を走査測定することを特徴とする
請求項１に記載した走査型ケルビンプローブ顕微鏡。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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