JP2004109052A - 走査型プローブ顕微鏡用プローブ及びそれを用いた走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents
走査型プローブ顕微鏡用プローブ及びそれを用いた走査型プローブ顕微鏡 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】従来の走査型プローブ顕微鏡においては、金属層は非常に薄いため、高インピーダンス、つまり低導電性となる。この結果、容量センサの感度が低下する。また、プローブ先端の曲率半径が大きいので、空間分解能を大きくできないという課題がある。
【解決手段】一端を先鋭化した金属ワイアと、水晶振動子と、これらを支持するホルダーから成るプローブであって、該ワイアの先端を試料表面に対して垂直方向を主成分とした方向に配置されるように水晶振動子に固定し、さらに該ワイアの基部を別にホルダーに固定するというこれらの２箇所の固定部を有する。このような構成で金属ワイアと水晶振動子を組み合わせたものを走査型プローブ顕微鏡用のプローブとする。この結果、低インピーダンスの金属ワイアを高い精度で、かつ非光学的な距離制御手法を持って走査型プローブ顕微鏡用のプローブとして使用することが可能となり、容量センサの感度が向上する。
【選択図】 図１
【解決手段】一端を先鋭化した金属ワイアと、水晶振動子と、これらを支持するホルダーから成るプローブであって、該ワイアの先端を試料表面に対して垂直方向を主成分とした方向に配置されるように水晶振動子に固定し、さらに該ワイアの基部を別にホルダーに固定するというこれらの２箇所の固定部を有する。このような構成で金属ワイアと水晶振動子を組み合わせたものを走査型プローブ顕微鏡用のプローブとする。この結果、低インピーダンスの金属ワイアを高い精度で、かつ非光学的な距離制御手法を持って走査型プローブ顕微鏡用のプローブとして使用することが可能となり、容量センサの感度が向上する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は走査型プローブ顕微鏡たとえば走査型容量顕微鏡及び走査型プローブ顕微鏡用のプローブに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の走査型プローブ顕微鏡を図４、図５を参照して説明する（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
図４においては、原子間力顕微鏡と走査型容量顕微鏡とを組合せてある。すなわち、試料１０１（例えば半導体デバイス）は圧電素子１０２上に搭載され、この結果、試料１０１は圧電素子１０２によりＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動できる。導電性プローブユニット１０３は試料１０１の表面に近接し、他方、試料１０１と導電性プローブユニット１０１との間に接続された電圧変調回路１０４によって交流／直流変調電圧が試料１０１に供給される。また、容量センサ１０５は導電性プローブユニット１０３と電圧変調回路１０４との間に接続されている。さらに、レーザダイオード１０６は光ビームを導電性プローブユニット１０３に照射し、他方、検出器１０７は導電性プローブユニット１０３から反射光ビームを検出し、これにより、導電性プローブユニット１０３の変位を検出できる。
【０００４】
図５の（Ａ）に図４の導電性プローブユニット１０３の概略図を示す。すなわち、導電性プローブユニット１０３は、その自由端に鋭利なプローブ１０３１ａを有するカンチレバー１０３１及び該カンチレバー１０３１を保持するホルダー１０３２よりなる。
【０００５】
図５の（Ｂ）は図４の導電性プローブユニット１０３の断面図である。すなわち、プローブ１０３１ａを含むカンチレバー１０３１はシリコン酸化層あるいはシリコン窒化層（図示せず）で覆われた単結晶シリコン基板２０１及び単結晶シリコン基板２０１を覆うＡｕ、Ｐｔ／ＩｒあるいはＣｏ／Ｃｒなどよりなる厚さ約１００ｎｍの金属層２０２よりなる。従って、カンチレバー１０３１はスプリングとして作用する。
【０００６】
図４、図５に示す走査型プローブ顕微鏡においては、検出器１０７がカンチレバー１０３１からの反射光ビームによってカンチレバー１０３１の変位を検出する。換言すればプローブ１０３１ａの試料１０１に対する接触圧力を検出する。他方、試料１０１とプローブ１０３１ａとのＺ方向の相対的な距離は圧電素子１０２によって、プローブ１０３１ａの試料１０１に対する接触圧力があらかじめ設定されたある一定値になるように制御される。また、試料１０１とプローブ１０３１ａとの間の容量に関わる情報が、ＬＣ共振回路、発振回路、ダイオードを含む検波回路からなる容量センサ１０５を用いて検出される。この結果、試料１０１の容量情報が２次元的に画像化されると共に試料１０１の表面の凹凸も２次元的に画像化される。
【０００７】
【特許文献１】
特開平８−５４４０３号公報（第２−５頁、図１、図２、図５）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図４、図５に示す走査型プローブ顕微鏡においては、金属層２０２は非常に薄く、従って、金属層２０２は高インピーダンス、つまり低導電性となり、この結果、容量センサ１０５の感度が低下するという課題がある。
【０００９】
また、カンチレバー１０３１の金属層２０２はプローブ１０３１ａの金属層２０２より大きい面積を有するので、カンチレバー１０３１と試料１０１との間に大きな浮遊容量が発生し、この結果、容量センサ１０５の感度が低下するという課題がある。
【００１０】
さらに、プローブ１０３１ａの先端の曲率半径が大きいので、空間分解能を大きくできないという課題がある。この空間分解能を大きくするために、金属層２０２の膜厚を小さくしてプローブ１０３１ａの先端の曲率半径を減少させなくてはならないが、この場合には、金属層２０２のインピーダンスが増大してしまう。
【００１１】
さらに、金属層２０２は単結晶シリコン基板２０１上に被覆されているので、金属層２０２と試料１０１との接触による摩擦によって金属層２０２が剥れ易いという課題がある。
【００１２】
さらに、プローブ１０３１ａと試料１０１間に直流電流が流れると、ジュール熱が発生してプローブ１０３１ａの先端に滞り、この結果、プローブ１０３１ａの先端の金属層２０２が溶融し、単結晶シリコン基板２０１が露出することによりプローブ１０３１ａの導電率が減少するという課題がある。
【００１３】
従って、本発明の目的は、低インピーダンス、小浮遊容量、曲率半径が小さく、剥れにくくかつ溶融しにくい先端を有する導電性プローブを提供することにある。
【００１４】
また、他の目的は、上述の導電性プローブを用いた走査型プローブ顕微鏡を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明による走査型プローブ顕微鏡用のプローブでは、
一端を先鋭化した金属製ワイアと、圧電素子と、これらを支持するホルダーから成るプローブであって、該ワイアの先端を試料表面に対して垂直方向を主成分とした方向に配置されるように圧電素子に固定し、さらに該ワイアの基部を別にホルダーに固定するというこれらの２箇所の固定部を有することを特徴とする。
【００１６】
また、本発明による走査型プローブ顕微鏡用のプローブでは、
前記ワイアは、前記圧電素子との固定部と前記ワイア先端の間において、前記先端が試料表面に対してほぼ垂直となるような曲げ部を有していることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明による前記プローブを用いた走査型プローブ顕微鏡では、
前記走査型プローブ顕微鏡用のプローブの振動を検出する手段によって検出される信号が、前記ワイア先端と前記試料との相互作用の変化によって変化するところの前記プローブに関わる共振振動の振幅、共振周波数、あるいは共振のＱ値であることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明による走査型プローブ顕微鏡用のプローブでは、
前記圧電素子が、水晶振動子であってもよい。
【００１９】
また、本発明による走査型プローブ顕微鏡用のプローブでは、
前記水晶振動子として音叉型振動子であってもよく、その場合、プロンジの向きは金属ワイアの２箇所の固定点間の方向に対して垂直であることを特徴とする。
【００２０】
また、本発明による走査型プローブ顕微鏡用のプローブでは、
前記圧電素子が、それに固有の共振周波数近傍で前記ワイアの先鋭化した先端を振動させることを特徴とする。
【００２１】
また、本発明によるプローブを用いた走査型プローブ顕微鏡では、
前記金属ワイア先端を励振する圧電素子によって、前記プローブの振動状態を電気的に検出することを特徴とする。
【００２２】
また、本発明によるプローブを用いた走査型プローブ顕微鏡では、
前記金属ワイア先端と前記試料の間の容量情報を検出するに際して、前記金属ワイアと電気的にカップルするラインにより該情報に関わる信号を検出し、次にダイオードにより該信号を検波し、検波された信号から前記金属ワイア先端と前記試料の間に印加された交流電圧と同じ周波数の成分を検出することを特徴とする。
【００２３】
また、本発明による導電性プローブを用いた走査型プローブ顕微鏡では、
前記金属ワイア先端と前記試料の間の容量情報を検出するに際して、前記検波信号から前記金属ワイア先端と前記試料の間に印加された交流電圧の周波数の２倍の周波数で変化する成分を検出することを特徴とする。
【００２４】
また、本発明による導電性プローブを用いた走査型プローブ顕微鏡では、
前記金属ワイア先端と前記試料の間の容量情報を検出するに際して、前記検波信号から前記金属ワイア先端の変位の振動周波数と同じ周波数成分を検出することを特徴とする。
【００２５】
また、本発明による導電性プローブを用いた走査型プローブ顕微鏡では、
前記金属ワイア先端と前記試料の間の容量情報を検出するに際して、前記検波信号から、前記金属ワイア先端と前記試料の間に印加された交流電圧と同じ周波数の成分を検出し、該検出成分からさらに前記金属ワイア先端の変位の振動周波数と同じ周波数の成分を検出することを特徴とする。
【００２６】
また、本発明による導電性プローブを用いた走査型プローブ顕微鏡では、
前記金属ワイア先端と前記試料の間の容量情報を検出するに際して、前記金属ワイアを含んで構成された電気的共振器の、試料と電気的にカップルすることによるＱ値の変化を検出することを特徴とする。
【００２７】
また、本発明による導電性プローブを用いた走査型プローブ顕微鏡では、
前記金属ワイア先端と前記試料の間の容量情報を検出するに際して、前記金属ワイア先端と前記試料との力学的相互作用による前記金属ワイア先端の振動に由来する前記負帰還系内の信号から得られる試料の表面形状に関わる情報と、
前記検波信号から得られるところの
前記印加交流電圧と同じ周波数の成分と、
前記印加交流電圧の２倍周波数成分と、
前記金属ワイア先端の変位の振動周波数成分と
さらには
前記印加交流電圧の周波数成分中で前記金属ワイア先端の変位の振動周波数で変化する成分と、
において、これらのすべてあるいは一部を一度の走査により同時に画像化することを特徴とする。
【００２８】
また、本発明による導電性プローブを用いた走査型プローブ顕微鏡では、
前項記載の走査座標を一にする各画像を用いてそれらのすべてあるいは一部を単に重ね合わせあるいは画像により透過度を変化させて重ね合わせる手段と重ね合わせた合成画像を表示する手段を有することを特徴とする。
【００２９】
このように、本発明は、プローブの先端を導電性の高い金属のみで構成することによって、（１）低インピーダンス、（２）浮遊容量を小さくすることが出来る、（３）金属コート層が無いために、探針先端の曲率半径を小さくすることが出来る、（４）金属コート層が擦過して剥がれるという恐れが無い、（５）直流的な電圧あるいは電流に対しての耐性を持たせる、などの効果を奏することができ、また、プローブを圧電素子によって試料面に垂直な面内で振動させることにより、試料表面の静電容量分布に関わる情報を高い精度で、かつ表面形状と同時に測定することができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の原理を示す図である。図１においては、例えば半導体デバイスのような試料１は走査用圧電素子２上に載置され、この結果、試料１は走査用圧電素子２によってＸ，Ｙ，Ｚ方向に移動できる。
【００３１】
金属ワイア３は試料１の表面と近接するように設けられている。金属ワイア３は約２０〜１００μｍ直径のＷ、Ｐｔ／ＩｒあるいはＮｉの金属棒よりなり、鋭利な先端３ａを有する。この先端３ａは金属棒に電解研磨プロセスを実施することによって得られる。この場合、先端３ａの曲率半径は、電解液の濃度、印加電圧あるいは電解液に浸している時間によって調整され、従って、先端３ａの曲率半径は再現性よく実現できる。なお、電解研磨プロセスの代りに、放電加工プロセス等を用いることもできる。
【００３２】
また、金属ワイア３は励振用の音叉型水晶振動子４に固定部４ｂにおいて固定されているとともに、金属ワイア３の基部は金属ワイア３を保持するためのホルダー９に固定部９ｂにおいて固定されている。また金属ワイア３は固定部４ｂとその先端３ａの間、望ましくは固定部４ｂのなるべく近傍において、先端３ａが試料表面に対してほぼ垂直となるよう曲げ部を有している。
【００３３】
ここで図１に示すように、励振用の音叉型水晶振動子４は、そのプロンジの向きが前記金属製ワイアの２箇所の固定点間の方向に対して垂直となるよう配置されている。このような方向で取り付けることにより、固定部４ｂの占める面積を小さくすることができる。
【００３４】
また、金属ワイア３の先端３ａを含む部分が試料表面に対して必ずしも厳密に垂直となるように配置されている必要は無く、先端３ａが試料表面に対して垂直方向を主成分とした方向に配置されていれば良い。
【００３５】
励振用の水晶振動子４には、駆動電圧を供給する発振器５が接続されている。なお、金属ワイア３と水晶振動子４とは電気的に絶縁されており、かつ、金属ワイア３は水晶振動子４によって、水晶振動子４固有の共振周波数状態近傍で励振される。この励振周波数をｆ０する。ｆ０の周波数が３０ｋＨｚ近辺の水晶振動子が利用できる。また、水晶振動子４は金属ワイア３を励振すると同時に、自身の変形を圧電効果による電流信号として出力する。これにより例えば図４に述べられているような従来の光てこ方式とは異なり、光学的手法を用いなくとも金属ワイア先端３ａと試料１との距離制御を行うことが出来る。この距離制御の精度は水晶振動子４の共振特性に依存し、精度を向上するためには水晶振動子４が力学的に高いＱ値を持つことが必要である。
【００３６】
水晶振動子４からの電流信号は、検出器６に入力され、電流−電圧変換され、水晶振動子４の振動の振幅、あるいは水晶振動子４の共振周波数、あるいは水晶振動子４の共振のＱ値に関わる信号などの出力信号を得る。
【００３７】
金属ワイア３は水晶振動子４固有の共振周波数近傍で励振され、またその振動振幅や共振周波数は金属ワイア３と試料１との相互作用により変化する。この時、金属ワイア３は９ｂと４ｂの２箇所で固定されているが、力学的に高いＱ値を持つ水晶振動子４の固有の共振特性をできるだけ損なわぬようにしなくてはならない。
水晶振動子４の共振特性に影響を与えるのは前記金属ワイア３の質量と、固定部４ｂにおける接着剤の質量、そして金属ワイア３のバネ定数である。例えば特開平９−１１３５２１では、先端が先鋭化された金属ワイアに中折れ部を設け、カンチレバーとして利用している。すなわち、金属ワイアはホルダー上の一箇所でのみ固定されている。しかしながら本発明ではホルダー上の固定部９ｂと水晶振動子上の固定部４ｂを別に設けている。これにより水晶振動子４に金属ワイア３全体の質量が負荷とならないように配置できる。
【００３８】
また図１において水晶振動子４への負荷となる金属製ワイア３の質量及び固定部４ｂにおける接着剤の質量を小さくするために、固定部４ｂから先端３ａまでの長さは該４ｂとホルダー上の固定部９ｂとの間の長さより極めて短くする。また固定部４ｂにおいて水晶振動子４のプロンジと金属ワイア３は直交する向きとなっている。
【００３９】
また金属ワイア３は固定部４ｂとその先端３ａの間、望ましくは固定部４ｂの近傍において、先端３ａが試料表面に対してほぼ垂直となるよう曲げ部を有している。この効果により、また前述したように固定部４ｂから先端３ａまでの距離を短くすることにより、先端３ａを含む先端は水晶振動子４の振動に対して剛体として追随することが可能となる。
【００４０】
さらに、水晶振動子４への負荷となる金属ワイア３のバネ定数を小さくするためにホルダー上の固定部９ｂから水晶振動子上の固定部４ｂは出来るだけ長くすることが望ましい。具体的には、金属ワイア３の直径が１００μｍの場合、ホルダー上の固定部９ｂから水晶振動子上の固定部４ｂの長さが１ｃｍあれば金属ワイア３のバネ定数はおよそ５Ｎ／ｍとなり水晶振動子４のバネ定数８０００Ｎ／ｍに対して十分無視しうる。
【００４１】
金属ワイア３と水晶振動子４を図１に示すような構成で用いることにより、本発明では水晶振動子４の共振特性を出来るだけ損なわずに非光学的な手法を持って高い精度で金属ワイア先端３ａと試料１との間の距離制御を行うことが出来る。
【００４２】
走査用圧電素子２には、Ｚ方向の位置制御およびＸＹ方向の走査を制御する制御装置１０が接続されている。検出器６から出力される水晶振動子４の振動振幅、あるいは水晶振動子４の共振周波数に関わる信号は、制御装置１０に入力され、制御装置１０の出力は走査用圧電素子２に印加されて試料１をＺ方向に上下動させ、水晶振動子４の振動振幅、あるいは水晶振動子４の共振周波数があらかじめ設定したある一定値になるように試料１と金属ワイア先端３ａとの相対的な距離を負帰還制御する。
【００４３】
さらに、周波数ｆ１を有する交流電圧が電圧変調回路７によって試料１に供給される。この場合、交流電圧の周波数ｆ１は発振器５の周波数ｆ０と干渉しないよう、これより高い周波数範囲に設定されることが望ましい。たとえば、ｆ１の周波数は〜１ＭＨｚである。
【００４４】
さらに、容量センサ８を金属ワイア３に接続し、これにより、金属ワイア先端３ａと試料１との間の容量に関わる信号を検出する。
【００４５】
図１に示す走査型プローブ顕微鏡において、金属ワイア３は低インピーダンスであり、容量センサ８と試料との間の直列抵抗が図５Ａ、図５Ｂに示す通常の金属コートプローブの使用時とに比べれば低下するので容量センサ８の感度は向上する。
【００４６】
また、金属ワイア３は試料１に対して小さな投影面積しか有さないので、金属ワイア３と試料１との間に発生する浮遊容量は小さくなり、従って、容量センサ８の信号のＳ／Ｎ比に与える影響は低い。
【００４７】
さらに、金属ワイア３の先端３ａの曲率半径を小さくでき、空間分解能を向上できる。
【００４８】
さらに、金属ワイア３はその先端３ａと一体で単一の材料よりなるので、金属ワイア３の先端３ａは先端３ａと試料１との摩擦によって剥れるという恐れは無い。
【００４９】
さらに、先端３ａと試料１との間に直流電流が流れると、ジュール熱が発生するが、結果として溶融しても、全体が単一の材料からなるので導電性が失われることは無い。このようにして、金属ワイア３の導電率は減少しない。
【００５０】
次に、図１の本発明の原理を適用した発明の実施の形態を説明する。
【００５１】
図２は本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の第１の実施の形態を示すブロック図である。
【００５２】
図２において、金属ワイア３は水晶振動子４により水晶振動子４固有の共振周波数近傍の周波数で励振される。同時に、振動は水晶振動子４の変形の圧電効果による電流信号として検出される。さらに、プリアンプ６ａによって増幅された振動信号は、ＦＭ復調器６ｂにより共振周波数の変移に関わる出力信号となる。ここで、この変移は振動信号周波数と水晶振動子４の共振周波数極近傍の基準周波数からの変移であり、金属ワイア先端３ａと試料１の相互作用により変化する。ところで、プリアンプ６ａによって増幅された振動信号は、フェイズシフター５ｂを介してオートマチックゲインコントロール５ａへとフィードバックされ、水晶振動子４を常に一定の振幅値をもって共振するよう自励発振させる。次に、ＦＭ復調器６ｂの出力は差動アンプ１０ｂに入力され、差動アンプ１０ｂはその出力を圧電素子２に印加して試料１をＺ方向に上下動させ、振動信号周波数があらかじめ定めたある一定値となるよう試料１と金属ワイア先端３ａとの相対的な距離に負帰還される。
【００５３】
また、本実施例の走査型プローブ顕微鏡では、水晶振動子４の振動状態は、水晶振動子４自身によって電気的に検出されるため、図４に示した従来例のように、金属ワイア３と試料１との距離を制御するための光学系を必要としない。それゆえ、試料１及び金属ワイア３及び水晶振動子４を真空チャンバー中やクライオスタット中などの小空間に導入することが容易になるという利点もある。
【００５４】
同時に、コンピューター１０ａは、試料１のあらかじめ定めた領域を金属ワイア先端３ａが走査するように、走査回路１１に圧電素子２に加える電圧を指示する。これにより、金属ワイア先端３ａは、試料１の表面の凹凸に沿って、試料１との間の相互作用を一定に保ちながら、試料１の表面を走査する。また、コンピューター１０ａは、内蔵する記憶手段に圧電素子２のＺ方向の移動量に相当する差動アンプ１０ｂの出力を金属ワイア先端３ａのＸＹ方向の位置と対応させて格納する。
【００５５】
このようにして、図３（Ａ）に示すごとく、圧電素子２のＺ方向の移動量を用いて試料１のトポ像（表面形状像）をコンピューター１０ａによってトポ像表示装置１２上に得ることができる。この図３（Ａ）は２．５μｍ×２．５μｍの範囲で走査した結果である。
【００５６】
容量センサ８は、金属ワイアの先端３ａと試料１との間の容量に関わる信号Ｃを出力する。
例えば試料１が半導体試料の場合、金属ワイア先端３ａと試料１との間の容量には電圧によって変調される成分が存在する。ロックインアンプ１４は電圧変調回路７によって試料１に印加した交流電圧の周波数ｆ１を参照して容量センサ８の出力信号を検波し、金属ワイア先端３ａと試料１との間の容量の電圧微分に相当するｄＣ／ｄＶ信号を検出する。ここで、試料１が半導体試料であれば、ｄＣ／ｄＶ信号の符号から金属ワイア先端３ａ直下のドーパントの極性が決まり、また、ｄＣ／ｄＶ信号の大きさはドーパントの密度に関する情報を与える。このｄＣ／ｄＶ信号を金属ワイア先端３ａのＸＹ方向の位置と対応させてコンピューター１０ａの内蔵する記憶手段に格納することにより、試料１のｄＣ／ｄＶ信号の走査面内の分布画像がコンピューター１０ａによってｄＣ／ｄＶ表示装置１５上に表示される。ｄＣ／ｄＶ像の一例である図３の（Ｂ）は、図３の（Ａ）に同じく２．５μｍ×２．５μｍの範囲で走査して得られたものである。
【００５７】
また、容量センサ８からの出力信号は水晶振動子４の振動周波数によっても変調されている。ロックインアンプ１３はオートマチックゲインコントローラー５ａから供給される周波数ｆ０を参照して容量センサ８の出力信号を検波し、金属ワイア先端３ａと試料１との間の容量の高さ方向微分に相当するｄＣ／ｄＺ信号を検出する。ここでＺは金属ワイア３の振動する方向である。ｄＣ／ｄＺ信号は金属ワイア先端３ａのＸＹ方向の位置と対応させてコンピューター９の内蔵する記憶手段に格納することにより、試料１のｄＣ／ｄＺ信号の走査面内の分布画像がコンピューター９によってｄＣ／ｄＺ表示装置１７上に表示されることになる。図３の（Ｃ）に示すｄＣ／ｄＺ像の一例は図３の（Ａ）、（Ｂ）と同じく２．５μｍ×２．５μｍの範囲で走査した結果である。
【００５８】
このｄＣ／ｄＺ信号を測定することにより、試料表面の局所的な容量の分布がわかる。プローブ−試料間ギャップの容量をＣｇ、試料の容量をＣｓ、測定される容量をＣとすると、次式となりｄＣ／ｄＺ信号はおおよそ試料の容量の２乗に比例する。
【００５９】
【数１】
【００６０】
（ε０：プローブ−試料間ギャップの誘電率、Ｓ：プローブ先端の面積）
ゆえにｄＣ／ｄＺ像は試料表面の局所的な容量の変化を強調するような画像情報を与える。従来のＳＣＭではｄＣ／ｄＺ信号のように外部から印加した変調交流電圧に応答する容量情報を主に検出しているが、今回の発明による効果であるｄＣ／ｄＺ信号では電圧に応答しない容量情報例えば高誘電率膜の局所的な誘電率の変化であっても高感度に測定できる。
【００６１】
また、図２に示す本発明による第１の実施の形態では、ｄＣ／ｄＺ信号を検出するために容量センサ８からの出力信号をまずオートマチックゲインコントローラー５ａの周波数ｆ０においてロックインアンプ１３によって検波するという構成としたが、本発明はこれに限定されるものではなく容量センサ８からの出力信号をまず電圧変調回路７によって試料１に印加された交流電圧の周波数ｆ１において復調し、その後オートマチックゲインコントローラー５ａの周波数ｆ０を参照して検波することによりｄ２Ｃ／ｄＶｄＺ信号を得るという構成にしても良い。この場合、ｄＣ／ｄＺ画像の中で電圧によって変調される成分が選択的に画像化される。
【００６２】
また、ロックインアンプ１６は電圧変調回路７によって試料１に印加された交流電圧の周波数ｆ１の第二高調波、すなわち２ｆ１を参照して容量センサ８の出力信号を検波し、２ｆ信号を検出する。この２ｆ信号は金属ワイア先端３ａのＸＹ方向の位置と対応させてコンピューター１０ａの内蔵する記憶手段に格納し、この記憶データから試料１の２ｆ信号の走査面内の分布に関する画像をコンピューター１０ａによって２ｆ表示装置１８上に表示する。２ｆ像の一例を図３の（Ｄ）に示す。この図３の（Ｄ）は、図３の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に同じく２．５μｍ×２．５μｍの範囲で走査した結果である。また図３の図３の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）の画像は、図２に示す本発明による第一の実施の形態により一度の走査によって同時に取得されたものである。
この２ｆ像では、先に出願した特願２００１−２４７８６３にも述べたように、半導体のｐ−ｎ接合位置に関する情報が得られる。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明においては金属ワイアと水晶振動子を組み合わせたものを走査型プローブ顕微鏡用のプローブとする構成を取っている。金属ワイアは低インピーダンスであり、この結果、容量センサの感度が向上できる。また、金属ワイアの試料に対する投影面積は僅少であり、金属ワイアと試料との間の浮遊容量を低減し、この結果、容量センサからの信号感度を向上できる。さらに、従来のＳｉ製感知レバーに金属コートするなどの手法にくらべて金属ワイアでは先端の曲率半径を小さくできるので、空間分解能を向上できる。さらに、金属ワイアはその先端と一体で単一の材料よりなるので、先端と試料との摩擦によって導電性の先端が剥れ、導電性が失われるという恐れは無い。さらに、先端と試料との間に直流電流が流れると、ジュール熱が発生するが、結果として溶融しても金属ワイアはその先端と一体で単一の材料よりなるので、導電性が失われることは無い。
【００６４】
また、本発明における走査型プローブ顕微鏡用のプローブでは、金属ワイアを水晶振動子によって励振する構成としており、さらに金属ワイアはホルダー上と水晶振動子上の２箇所で固定されている。この効果により金属ワイアの質量やバネ定数により水晶振動子の共振特性を損なう恐れが最小限となるので、高い精度を持って金属ワイアの先端と被測定試料との間の距離を制御することが可能となる。
【００６５】
また、本発明における走査型プローブ顕微鏡用のプローブでは、金属製ワイアを励振する水晶振動子によって振動の検出を電気的に行うので、従来用いられるような光学系を必要とはせず、走査型プローブ顕微鏡装置の簡略化を図ることが可能となる。ゆえに走査型プローブ顕微鏡装置を真空チャンバーやクライオスタットなどの小空間内に導入することが容易となる。
【００６６】
また、本発明における走査型プローブ顕微鏡では、金属製ワイア先端を試料面に対して垂直方向に、周波数ｆ０で振動させ、金属ワイアには容量センサを接続し、それらの検出系からの出力信号を周波数ｆ０で検波することにより、ｄＣ／ｄＺ信号を得ることができる。このｄＣ／ｄＺ像は試料表面の局所的な容量の変化を強調するような画像情報を与える。従来のＳＣＭにおいてはｄＣ／ｄＶ信号のように外部から印加した変調交流電圧に応答する容量情報を主に検出しているが、今回の発明による効果であるｄＣ／ｄＺ信号では電圧に応答しない容量情報例えば高誘電率膜の局所的な誘電率の変化などでも高感度に測定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の原理を示す図である。
【図２】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の第一の実施の形態である。
【図３】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の第一の実施の形態によって取得された画像の一例である。
【図４】従来の走査型容量顕微鏡の原理を示す図である。
【図５】従来の走査型容量顕微鏡に用いられる金属コートされたＳｉ製カンチレバーの構造を示す図であり、Ａは斜視図、Ｂは断面図である。
【符号の説明】
１ 試料
２ 走査用圧電素子
３ 金属ワイア
３ａ 金属ワイアの先端
４ 水晶振動子
４ｂ 金属ワイア３の、水晶振動子４上での固定部
５ 発振器
５ａ オートマチックゲインコントローラー
５ｂ フェイズシフター
６ 検出器
６ａ プリアンプ
６ｂ ＦＭ復調器
７ 電圧変調回路
８ 容量センサ
９ 金属ワイア用ホルダー
９ｂ 金属ワイア３の、金属ワイア用ホルダー９上での固定部
１０ 制御装置
１０ａ コンピューター
１０ｂ 差動アンプ
１１ ＸＹ走査回路
１２ Ｔｏｐｏ表示装置
１３ ロックインアンプ３
１４ ロックインアンプ１
１５ ｄＣ／ｄＶ表示装置
１６ ロックインアンプ２
１７ ｄＣ／ｄＺ表示装置
１８ ２ｆ表示装置
１０１ 試料
１０２ 圧電素子
１０３ 金属ワイアユニット
１０３１ カンチレバー
１０３１ａ プローブ
１０３２ ホルダー
１０４ 電圧変調回路
１０５ 容量センサ
１０６ レーザダイオード
１０７ 検出器
２０１ 単結晶シリコン基板
２０２ 金属層
【発明の属する技術分野】
本発明は走査型プローブ顕微鏡たとえば走査型容量顕微鏡及び走査型プローブ顕微鏡用のプローブに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の走査型プローブ顕微鏡を図４、図５を参照して説明する（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
図４においては、原子間力顕微鏡と走査型容量顕微鏡とを組合せてある。すなわち、試料１０１（例えば半導体デバイス）は圧電素子１０２上に搭載され、この結果、試料１０１は圧電素子１０２によりＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動できる。導電性プローブユニット１０３は試料１０１の表面に近接し、他方、試料１０１と導電性プローブユニット１０１との間に接続された電圧変調回路１０４によって交流／直流変調電圧が試料１０１に供給される。また、容量センサ１０５は導電性プローブユニット１０３と電圧変調回路１０４との間に接続されている。さらに、レーザダイオード１０６は光ビームを導電性プローブユニット１０３に照射し、他方、検出器１０７は導電性プローブユニット１０３から反射光ビームを検出し、これにより、導電性プローブユニット１０３の変位を検出できる。
【０００４】
図５の（Ａ）に図４の導電性プローブユニット１０３の概略図を示す。すなわち、導電性プローブユニット１０３は、その自由端に鋭利なプローブ１０３１ａを有するカンチレバー１０３１及び該カンチレバー１０３１を保持するホルダー１０３２よりなる。
【０００５】
図５の（Ｂ）は図４の導電性プローブユニット１０３の断面図である。すなわち、プローブ１０３１ａを含むカンチレバー１０３１はシリコン酸化層あるいはシリコン窒化層（図示せず）で覆われた単結晶シリコン基板２０１及び単結晶シリコン基板２０１を覆うＡｕ、Ｐｔ／ＩｒあるいはＣｏ／Ｃｒなどよりなる厚さ約１００ｎｍの金属層２０２よりなる。従って、カンチレバー１０３１はスプリングとして作用する。
【０００６】
図４、図５に示す走査型プローブ顕微鏡においては、検出器１０７がカンチレバー１０３１からの反射光ビームによってカンチレバー１０３１の変位を検出する。換言すればプローブ１０３１ａの試料１０１に対する接触圧力を検出する。他方、試料１０１とプローブ１０３１ａとのＺ方向の相対的な距離は圧電素子１０２によって、プローブ１０３１ａの試料１０１に対する接触圧力があらかじめ設定されたある一定値になるように制御される。また、試料１０１とプローブ１０３１ａとの間の容量に関わる情報が、ＬＣ共振回路、発振回路、ダイオードを含む検波回路からなる容量センサ１０５を用いて検出される。この結果、試料１０１の容量情報が２次元的に画像化されると共に試料１０１の表面の凹凸も２次元的に画像化される。
【０００７】
【特許文献１】
特開平８−５４４０３号公報（第２−５頁、図１、図２、図５）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図４、図５に示す走査型プローブ顕微鏡においては、金属層２０２は非常に薄く、従って、金属層２０２は高インピーダンス、つまり低導電性となり、この結果、容量センサ１０５の感度が低下するという課題がある。
【０００９】
また、カンチレバー１０３１の金属層２０２はプローブ１０３１ａの金属層２０２より大きい面積を有するので、カンチレバー１０３１と試料１０１との間に大きな浮遊容量が発生し、この結果、容量センサ１０５の感度が低下するという課題がある。
【００１０】
さらに、プローブ１０３１ａの先端の曲率半径が大きいので、空間分解能を大きくできないという課題がある。この空間分解能を大きくするために、金属層２０２の膜厚を小さくしてプローブ１０３１ａの先端の曲率半径を減少させなくてはならないが、この場合には、金属層２０２のインピーダンスが増大してしまう。
【００１１】
さらに、金属層２０２は単結晶シリコン基板２０１上に被覆されているので、金属層２０２と試料１０１との接触による摩擦によって金属層２０２が剥れ易いという課題がある。
【００１２】
さらに、プローブ１０３１ａと試料１０１間に直流電流が流れると、ジュール熱が発生してプローブ１０３１ａの先端に滞り、この結果、プローブ１０３１ａの先端の金属層２０２が溶融し、単結晶シリコン基板２０１が露出することによりプローブ１０３１ａの導電率が減少するという課題がある。
【００１３】
従って、本発明の目的は、低インピーダンス、小浮遊容量、曲率半径が小さく、剥れにくくかつ溶融しにくい先端を有する導電性プローブを提供することにある。
【００１４】
また、他の目的は、上述の導電性プローブを用いた走査型プローブ顕微鏡を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明による走査型プローブ顕微鏡用のプローブでは、
一端を先鋭化した金属製ワイアと、圧電素子と、これらを支持するホルダーから成るプローブであって、該ワイアの先端を試料表面に対して垂直方向を主成分とした方向に配置されるように圧電素子に固定し、さらに該ワイアの基部を別にホルダーに固定するというこれらの２箇所の固定部を有することを特徴とする。
【００１６】
また、本発明による走査型プローブ顕微鏡用のプローブでは、
前記ワイアは、前記圧電素子との固定部と前記ワイア先端の間において、前記先端が試料表面に対してほぼ垂直となるような曲げ部を有していることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明による前記プローブを用いた走査型プローブ顕微鏡では、
前記走査型プローブ顕微鏡用のプローブの振動を検出する手段によって検出される信号が、前記ワイア先端と前記試料との相互作用の変化によって変化するところの前記プローブに関わる共振振動の振幅、共振周波数、あるいは共振のＱ値であることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明による走査型プローブ顕微鏡用のプローブでは、
前記圧電素子が、水晶振動子であってもよい。
【００１９】
また、本発明による走査型プローブ顕微鏡用のプローブでは、
前記水晶振動子として音叉型振動子であってもよく、その場合、プロンジの向きは金属ワイアの２箇所の固定点間の方向に対して垂直であることを特徴とする。
【００２０】
また、本発明による走査型プローブ顕微鏡用のプローブでは、
前記圧電素子が、それに固有の共振周波数近傍で前記ワイアの先鋭化した先端を振動させることを特徴とする。
【００２１】
また、本発明によるプローブを用いた走査型プローブ顕微鏡では、
前記金属ワイア先端を励振する圧電素子によって、前記プローブの振動状態を電気的に検出することを特徴とする。
【００２２】
また、本発明によるプローブを用いた走査型プローブ顕微鏡では、
前記金属ワイア先端と前記試料の間の容量情報を検出するに際して、前記金属ワイアと電気的にカップルするラインにより該情報に関わる信号を検出し、次にダイオードにより該信号を検波し、検波された信号から前記金属ワイア先端と前記試料の間に印加された交流電圧と同じ周波数の成分を検出することを特徴とする。
【００２３】
また、本発明による導電性プローブを用いた走査型プローブ顕微鏡では、
前記金属ワイア先端と前記試料の間の容量情報を検出するに際して、前記検波信号から前記金属ワイア先端と前記試料の間に印加された交流電圧の周波数の２倍の周波数で変化する成分を検出することを特徴とする。
【００２４】
また、本発明による導電性プローブを用いた走査型プローブ顕微鏡では、
前記金属ワイア先端と前記試料の間の容量情報を検出するに際して、前記検波信号から前記金属ワイア先端の変位の振動周波数と同じ周波数成分を検出することを特徴とする。
【００２５】
また、本発明による導電性プローブを用いた走査型プローブ顕微鏡では、
前記金属ワイア先端と前記試料の間の容量情報を検出するに際して、前記検波信号から、前記金属ワイア先端と前記試料の間に印加された交流電圧と同じ周波数の成分を検出し、該検出成分からさらに前記金属ワイア先端の変位の振動周波数と同じ周波数の成分を検出することを特徴とする。
【００２６】
また、本発明による導電性プローブを用いた走査型プローブ顕微鏡では、
前記金属ワイア先端と前記試料の間の容量情報を検出するに際して、前記金属ワイアを含んで構成された電気的共振器の、試料と電気的にカップルすることによるＱ値の変化を検出することを特徴とする。
【００２７】
また、本発明による導電性プローブを用いた走査型プローブ顕微鏡では、
前記金属ワイア先端と前記試料の間の容量情報を検出するに際して、前記金属ワイア先端と前記試料との力学的相互作用による前記金属ワイア先端の振動に由来する前記負帰還系内の信号から得られる試料の表面形状に関わる情報と、
前記検波信号から得られるところの
前記印加交流電圧と同じ周波数の成分と、
前記印加交流電圧の２倍周波数成分と、
前記金属ワイア先端の変位の振動周波数成分と
さらには
前記印加交流電圧の周波数成分中で前記金属ワイア先端の変位の振動周波数で変化する成分と、
において、これらのすべてあるいは一部を一度の走査により同時に画像化することを特徴とする。
【００２８】
また、本発明による導電性プローブを用いた走査型プローブ顕微鏡では、
前項記載の走査座標を一にする各画像を用いてそれらのすべてあるいは一部を単に重ね合わせあるいは画像により透過度を変化させて重ね合わせる手段と重ね合わせた合成画像を表示する手段を有することを特徴とする。
【００２９】
このように、本発明は、プローブの先端を導電性の高い金属のみで構成することによって、（１）低インピーダンス、（２）浮遊容量を小さくすることが出来る、（３）金属コート層が無いために、探針先端の曲率半径を小さくすることが出来る、（４）金属コート層が擦過して剥がれるという恐れが無い、（５）直流的な電圧あるいは電流に対しての耐性を持たせる、などの効果を奏することができ、また、プローブを圧電素子によって試料面に垂直な面内で振動させることにより、試料表面の静電容量分布に関わる情報を高い精度で、かつ表面形状と同時に測定することができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の原理を示す図である。図１においては、例えば半導体デバイスのような試料１は走査用圧電素子２上に載置され、この結果、試料１は走査用圧電素子２によってＸ，Ｙ，Ｚ方向に移動できる。
【００３１】
金属ワイア３は試料１の表面と近接するように設けられている。金属ワイア３は約２０〜１００μｍ直径のＷ、Ｐｔ／ＩｒあるいはＮｉの金属棒よりなり、鋭利な先端３ａを有する。この先端３ａは金属棒に電解研磨プロセスを実施することによって得られる。この場合、先端３ａの曲率半径は、電解液の濃度、印加電圧あるいは電解液に浸している時間によって調整され、従って、先端３ａの曲率半径は再現性よく実現できる。なお、電解研磨プロセスの代りに、放電加工プロセス等を用いることもできる。
【００３２】
また、金属ワイア３は励振用の音叉型水晶振動子４に固定部４ｂにおいて固定されているとともに、金属ワイア３の基部は金属ワイア３を保持するためのホルダー９に固定部９ｂにおいて固定されている。また金属ワイア３は固定部４ｂとその先端３ａの間、望ましくは固定部４ｂのなるべく近傍において、先端３ａが試料表面に対してほぼ垂直となるよう曲げ部を有している。
【００３３】
ここで図１に示すように、励振用の音叉型水晶振動子４は、そのプロンジの向きが前記金属製ワイアの２箇所の固定点間の方向に対して垂直となるよう配置されている。このような方向で取り付けることにより、固定部４ｂの占める面積を小さくすることができる。
【００３４】
また、金属ワイア３の先端３ａを含む部分が試料表面に対して必ずしも厳密に垂直となるように配置されている必要は無く、先端３ａが試料表面に対して垂直方向を主成分とした方向に配置されていれば良い。
【００３５】
励振用の水晶振動子４には、駆動電圧を供給する発振器５が接続されている。なお、金属ワイア３と水晶振動子４とは電気的に絶縁されており、かつ、金属ワイア３は水晶振動子４によって、水晶振動子４固有の共振周波数状態近傍で励振される。この励振周波数をｆ０する。ｆ０の周波数が３０ｋＨｚ近辺の水晶振動子が利用できる。また、水晶振動子４は金属ワイア３を励振すると同時に、自身の変形を圧電効果による電流信号として出力する。これにより例えば図４に述べられているような従来の光てこ方式とは異なり、光学的手法を用いなくとも金属ワイア先端３ａと試料１との距離制御を行うことが出来る。この距離制御の精度は水晶振動子４の共振特性に依存し、精度を向上するためには水晶振動子４が力学的に高いＱ値を持つことが必要である。
【００３６】
水晶振動子４からの電流信号は、検出器６に入力され、電流−電圧変換され、水晶振動子４の振動の振幅、あるいは水晶振動子４の共振周波数、あるいは水晶振動子４の共振のＱ値に関わる信号などの出力信号を得る。
【００３７】
金属ワイア３は水晶振動子４固有の共振周波数近傍で励振され、またその振動振幅や共振周波数は金属ワイア３と試料１との相互作用により変化する。この時、金属ワイア３は９ｂと４ｂの２箇所で固定されているが、力学的に高いＱ値を持つ水晶振動子４の固有の共振特性をできるだけ損なわぬようにしなくてはならない。
水晶振動子４の共振特性に影響を与えるのは前記金属ワイア３の質量と、固定部４ｂにおける接着剤の質量、そして金属ワイア３のバネ定数である。例えば特開平９−１１３５２１では、先端が先鋭化された金属ワイアに中折れ部を設け、カンチレバーとして利用している。すなわち、金属ワイアはホルダー上の一箇所でのみ固定されている。しかしながら本発明ではホルダー上の固定部９ｂと水晶振動子上の固定部４ｂを別に設けている。これにより水晶振動子４に金属ワイア３全体の質量が負荷とならないように配置できる。
【００３８】
また図１において水晶振動子４への負荷となる金属製ワイア３の質量及び固定部４ｂにおける接着剤の質量を小さくするために、固定部４ｂから先端３ａまでの長さは該４ｂとホルダー上の固定部９ｂとの間の長さより極めて短くする。また固定部４ｂにおいて水晶振動子４のプロンジと金属ワイア３は直交する向きとなっている。
【００３９】
また金属ワイア３は固定部４ｂとその先端３ａの間、望ましくは固定部４ｂの近傍において、先端３ａが試料表面に対してほぼ垂直となるよう曲げ部を有している。この効果により、また前述したように固定部４ｂから先端３ａまでの距離を短くすることにより、先端３ａを含む先端は水晶振動子４の振動に対して剛体として追随することが可能となる。
【００４０】
さらに、水晶振動子４への負荷となる金属ワイア３のバネ定数を小さくするためにホルダー上の固定部９ｂから水晶振動子上の固定部４ｂは出来るだけ長くすることが望ましい。具体的には、金属ワイア３の直径が１００μｍの場合、ホルダー上の固定部９ｂから水晶振動子上の固定部４ｂの長さが１ｃｍあれば金属ワイア３のバネ定数はおよそ５Ｎ／ｍとなり水晶振動子４のバネ定数８０００Ｎ／ｍに対して十分無視しうる。
【００４１】
金属ワイア３と水晶振動子４を図１に示すような構成で用いることにより、本発明では水晶振動子４の共振特性を出来るだけ損なわずに非光学的な手法を持って高い精度で金属ワイア先端３ａと試料１との間の距離制御を行うことが出来る。
【００４２】
走査用圧電素子２には、Ｚ方向の位置制御およびＸＹ方向の走査を制御する制御装置１０が接続されている。検出器６から出力される水晶振動子４の振動振幅、あるいは水晶振動子４の共振周波数に関わる信号は、制御装置１０に入力され、制御装置１０の出力は走査用圧電素子２に印加されて試料１をＺ方向に上下動させ、水晶振動子４の振動振幅、あるいは水晶振動子４の共振周波数があらかじめ設定したある一定値になるように試料１と金属ワイア先端３ａとの相対的な距離を負帰還制御する。
【００４３】
さらに、周波数ｆ１を有する交流電圧が電圧変調回路７によって試料１に供給される。この場合、交流電圧の周波数ｆ１は発振器５の周波数ｆ０と干渉しないよう、これより高い周波数範囲に設定されることが望ましい。たとえば、ｆ１の周波数は〜１ＭＨｚである。
【００４４】
さらに、容量センサ８を金属ワイア３に接続し、これにより、金属ワイア先端３ａと試料１との間の容量に関わる信号を検出する。
【００４５】
図１に示す走査型プローブ顕微鏡において、金属ワイア３は低インピーダンスであり、容量センサ８と試料との間の直列抵抗が図５Ａ、図５Ｂに示す通常の金属コートプローブの使用時とに比べれば低下するので容量センサ８の感度は向上する。
【００４６】
また、金属ワイア３は試料１に対して小さな投影面積しか有さないので、金属ワイア３と試料１との間に発生する浮遊容量は小さくなり、従って、容量センサ８の信号のＳ／Ｎ比に与える影響は低い。
【００４７】
さらに、金属ワイア３の先端３ａの曲率半径を小さくでき、空間分解能を向上できる。
【００４８】
さらに、金属ワイア３はその先端３ａと一体で単一の材料よりなるので、金属ワイア３の先端３ａは先端３ａと試料１との摩擦によって剥れるという恐れは無い。
【００４９】
さらに、先端３ａと試料１との間に直流電流が流れると、ジュール熱が発生するが、結果として溶融しても、全体が単一の材料からなるので導電性が失われることは無い。このようにして、金属ワイア３の導電率は減少しない。
【００５０】
次に、図１の本発明の原理を適用した発明の実施の形態を説明する。
【００５１】
図２は本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の第１の実施の形態を示すブロック図である。
【００５２】
図２において、金属ワイア３は水晶振動子４により水晶振動子４固有の共振周波数近傍の周波数で励振される。同時に、振動は水晶振動子４の変形の圧電効果による電流信号として検出される。さらに、プリアンプ６ａによって増幅された振動信号は、ＦＭ復調器６ｂにより共振周波数の変移に関わる出力信号となる。ここで、この変移は振動信号周波数と水晶振動子４の共振周波数極近傍の基準周波数からの変移であり、金属ワイア先端３ａと試料１の相互作用により変化する。ところで、プリアンプ６ａによって増幅された振動信号は、フェイズシフター５ｂを介してオートマチックゲインコントロール５ａへとフィードバックされ、水晶振動子４を常に一定の振幅値をもって共振するよう自励発振させる。次に、ＦＭ復調器６ｂの出力は差動アンプ１０ｂに入力され、差動アンプ１０ｂはその出力を圧電素子２に印加して試料１をＺ方向に上下動させ、振動信号周波数があらかじめ定めたある一定値となるよう試料１と金属ワイア先端３ａとの相対的な距離に負帰還される。
【００５３】
また、本実施例の走査型プローブ顕微鏡では、水晶振動子４の振動状態は、水晶振動子４自身によって電気的に検出されるため、図４に示した従来例のように、金属ワイア３と試料１との距離を制御するための光学系を必要としない。それゆえ、試料１及び金属ワイア３及び水晶振動子４を真空チャンバー中やクライオスタット中などの小空間に導入することが容易になるという利点もある。
【００５４】
同時に、コンピューター１０ａは、試料１のあらかじめ定めた領域を金属ワイア先端３ａが走査するように、走査回路１１に圧電素子２に加える電圧を指示する。これにより、金属ワイア先端３ａは、試料１の表面の凹凸に沿って、試料１との間の相互作用を一定に保ちながら、試料１の表面を走査する。また、コンピューター１０ａは、内蔵する記憶手段に圧電素子２のＺ方向の移動量に相当する差動アンプ１０ｂの出力を金属ワイア先端３ａのＸＹ方向の位置と対応させて格納する。
【００５５】
このようにして、図３（Ａ）に示すごとく、圧電素子２のＺ方向の移動量を用いて試料１のトポ像（表面形状像）をコンピューター１０ａによってトポ像表示装置１２上に得ることができる。この図３（Ａ）は２．５μｍ×２．５μｍの範囲で走査した結果である。
【００５６】
容量センサ８は、金属ワイアの先端３ａと試料１との間の容量に関わる信号Ｃを出力する。
例えば試料１が半導体試料の場合、金属ワイア先端３ａと試料１との間の容量には電圧によって変調される成分が存在する。ロックインアンプ１４は電圧変調回路７によって試料１に印加した交流電圧の周波数ｆ１を参照して容量センサ８の出力信号を検波し、金属ワイア先端３ａと試料１との間の容量の電圧微分に相当するｄＣ／ｄＶ信号を検出する。ここで、試料１が半導体試料であれば、ｄＣ／ｄＶ信号の符号から金属ワイア先端３ａ直下のドーパントの極性が決まり、また、ｄＣ／ｄＶ信号の大きさはドーパントの密度に関する情報を与える。このｄＣ／ｄＶ信号を金属ワイア先端３ａのＸＹ方向の位置と対応させてコンピューター１０ａの内蔵する記憶手段に格納することにより、試料１のｄＣ／ｄＶ信号の走査面内の分布画像がコンピューター１０ａによってｄＣ／ｄＶ表示装置１５上に表示される。ｄＣ／ｄＶ像の一例である図３の（Ｂ）は、図３の（Ａ）に同じく２．５μｍ×２．５μｍの範囲で走査して得られたものである。
【００５７】
また、容量センサ８からの出力信号は水晶振動子４の振動周波数によっても変調されている。ロックインアンプ１３はオートマチックゲインコントローラー５ａから供給される周波数ｆ０を参照して容量センサ８の出力信号を検波し、金属ワイア先端３ａと試料１との間の容量の高さ方向微分に相当するｄＣ／ｄＺ信号を検出する。ここでＺは金属ワイア３の振動する方向である。ｄＣ／ｄＺ信号は金属ワイア先端３ａのＸＹ方向の位置と対応させてコンピューター９の内蔵する記憶手段に格納することにより、試料１のｄＣ／ｄＺ信号の走査面内の分布画像がコンピューター９によってｄＣ／ｄＺ表示装置１７上に表示されることになる。図３の（Ｃ）に示すｄＣ／ｄＺ像の一例は図３の（Ａ）、（Ｂ）と同じく２．５μｍ×２．５μｍの範囲で走査した結果である。
【００５８】
このｄＣ／ｄＺ信号を測定することにより、試料表面の局所的な容量の分布がわかる。プローブ−試料間ギャップの容量をＣｇ、試料の容量をＣｓ、測定される容量をＣとすると、次式となりｄＣ／ｄＺ信号はおおよそ試料の容量の２乗に比例する。
【００５９】
【数１】
（ε０：プローブ−試料間ギャップの誘電率、Ｓ：プローブ先端の面積）
ゆえにｄＣ／ｄＺ像は試料表面の局所的な容量の変化を強調するような画像情報を与える。従来のＳＣＭではｄＣ／ｄＺ信号のように外部から印加した変調交流電圧に応答する容量情報を主に検出しているが、今回の発明による効果であるｄＣ／ｄＺ信号では電圧に応答しない容量情報例えば高誘電率膜の局所的な誘電率の変化であっても高感度に測定できる。
【００６１】
また、図２に示す本発明による第１の実施の形態では、ｄＣ／ｄＺ信号を検出するために容量センサ８からの出力信号をまずオートマチックゲインコントローラー５ａの周波数ｆ０においてロックインアンプ１３によって検波するという構成としたが、本発明はこれに限定されるものではなく容量センサ８からの出力信号をまず電圧変調回路７によって試料１に印加された交流電圧の周波数ｆ１において復調し、その後オートマチックゲインコントローラー５ａの周波数ｆ０を参照して検波することによりｄ２Ｃ／ｄＶｄＺ信号を得るという構成にしても良い。この場合、ｄＣ／ｄＺ画像の中で電圧によって変調される成分が選択的に画像化される。
【００６２】
また、ロックインアンプ１６は電圧変調回路７によって試料１に印加された交流電圧の周波数ｆ１の第二高調波、すなわち２ｆ１を参照して容量センサ８の出力信号を検波し、２ｆ信号を検出する。この２ｆ信号は金属ワイア先端３ａのＸＹ方向の位置と対応させてコンピューター１０ａの内蔵する記憶手段に格納し、この記憶データから試料１の２ｆ信号の走査面内の分布に関する画像をコンピューター１０ａによって２ｆ表示装置１８上に表示する。２ｆ像の一例を図３の（Ｄ）に示す。この図３の（Ｄ）は、図３の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に同じく２．５μｍ×２．５μｍの範囲で走査した結果である。また図３の図３の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）の画像は、図２に示す本発明による第一の実施の形態により一度の走査によって同時に取得されたものである。
この２ｆ像では、先に出願した特願２００１−２４７８６３にも述べたように、半導体のｐ−ｎ接合位置に関する情報が得られる。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明においては金属ワイアと水晶振動子を組み合わせたものを走査型プローブ顕微鏡用のプローブとする構成を取っている。金属ワイアは低インピーダンスであり、この結果、容量センサの感度が向上できる。また、金属ワイアの試料に対する投影面積は僅少であり、金属ワイアと試料との間の浮遊容量を低減し、この結果、容量センサからの信号感度を向上できる。さらに、従来のＳｉ製感知レバーに金属コートするなどの手法にくらべて金属ワイアでは先端の曲率半径を小さくできるので、空間分解能を向上できる。さらに、金属ワイアはその先端と一体で単一の材料よりなるので、先端と試料との摩擦によって導電性の先端が剥れ、導電性が失われるという恐れは無い。さらに、先端と試料との間に直流電流が流れると、ジュール熱が発生するが、結果として溶融しても金属ワイアはその先端と一体で単一の材料よりなるので、導電性が失われることは無い。
【００６４】
また、本発明における走査型プローブ顕微鏡用のプローブでは、金属ワイアを水晶振動子によって励振する構成としており、さらに金属ワイアはホルダー上と水晶振動子上の２箇所で固定されている。この効果により金属ワイアの質量やバネ定数により水晶振動子の共振特性を損なう恐れが最小限となるので、高い精度を持って金属ワイアの先端と被測定試料との間の距離を制御することが可能となる。
【００６５】
また、本発明における走査型プローブ顕微鏡用のプローブでは、金属製ワイアを励振する水晶振動子によって振動の検出を電気的に行うので、従来用いられるような光学系を必要とはせず、走査型プローブ顕微鏡装置の簡略化を図ることが可能となる。ゆえに走査型プローブ顕微鏡装置を真空チャンバーやクライオスタットなどの小空間内に導入することが容易となる。
【００６６】
また、本発明における走査型プローブ顕微鏡では、金属製ワイア先端を試料面に対して垂直方向に、周波数ｆ０で振動させ、金属ワイアには容量センサを接続し、それらの検出系からの出力信号を周波数ｆ０で検波することにより、ｄＣ／ｄＺ信号を得ることができる。このｄＣ／ｄＺ像は試料表面の局所的な容量の変化を強調するような画像情報を与える。従来のＳＣＭにおいてはｄＣ／ｄＶ信号のように外部から印加した変調交流電圧に応答する容量情報を主に検出しているが、今回の発明による効果であるｄＣ／ｄＺ信号では電圧に応答しない容量情報例えば高誘電率膜の局所的な誘電率の変化などでも高感度に測定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の原理を示す図である。
【図２】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の第一の実施の形態である。
【図３】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の第一の実施の形態によって取得された画像の一例である。
【図４】従来の走査型容量顕微鏡の原理を示す図である。
【図５】従来の走査型容量顕微鏡に用いられる金属コートされたＳｉ製カンチレバーの構造を示す図であり、Ａは斜視図、Ｂは断面図である。
【符号の説明】
１ 試料
２ 走査用圧電素子
３ 金属ワイア
３ａ 金属ワイアの先端
４ 水晶振動子
４ｂ 金属ワイア３の、水晶振動子４上での固定部
５ 発振器
５ａ オートマチックゲインコントローラー
５ｂ フェイズシフター
６ 検出器
６ａ プリアンプ
６ｂ ＦＭ復調器
７ 電圧変調回路
８ 容量センサ
９ 金属ワイア用ホルダー
９ｂ 金属ワイア３の、金属ワイア用ホルダー９上での固定部
１０ 制御装置
１０ａ コンピューター
１０ｂ 差動アンプ
１１ ＸＹ走査回路
１２ Ｔｏｐｏ表示装置
１３ ロックインアンプ３
１４ ロックインアンプ１
１５ ｄＣ／ｄＶ表示装置
１６ ロックインアンプ２
１７ ｄＣ／ｄＺ表示装置
１８ ２ｆ表示装置
１０１ 試料
１０２ 圧電素子
１０３ 金属ワイアユニット
１０３１ カンチレバー
１０３１ａ プローブ
１０３２ ホルダー
１０４ 電圧変調回路
１０５ 容量センサ
１０６ レーザダイオード
１０７ 検出器
２０１ 単結晶シリコン基板
２０２ 金属層
Claims (14)
- 一端を先鋭化した金属製ワイアと、圧電素子と、これらを支持するホルダーから構成されるプローブであって、該ワイアの先端が試料表面に対して垂直方向を主成分とした方向に配置されるように圧電素子に固定され、該ワイアの基部は別にホルダーに固定され、これらの２箇所の固定部を有することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡用のプローブ。
- 前記ワイアは、前記圧電素子との固定部と前記ワイアの先端の間において、前記先端が試料表面に対してほぼ垂直となるような曲げ部を有していることを特徴とする請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡用のプローブ。
- 前記走査型プローブ顕微鏡用のプローブの振動を検出する手段によって検出される信号が、前記ワイア先端と前記試料との相互作用の変化によって変化するところの前記プローブに関わる共振振動の振幅、共振周波数、あるいは共振のＱ値であることを特徴とする請求項１記載のプローブを用いた走査型プローブ顕微鏡。
- 前記圧電素子が、水晶振動子であることを特徴とする請求項１記載のプローブ。
- 前記水晶振動子が音叉型であり、そのプロンジの向きは前記金属製ワイアの２箇所の固定点間の方向に対して垂直であることを特徴とする請求項１記載のプローブ。
- 前記圧電素子が、それに固有の共振周波数近傍で前記金属製ワイア先端を振動させることを特徴とする請求項１記載のプローブ。
- 前記金属製ワイア先端を励振する圧電素子によって、金属製ワイア先端の振動状態を電気的に検出することを特徴とする請求項３記載の走査型プローブ顕微鏡。
- 前記金属ワイア先端と前記試料の間の容量情報を検出するに際して、前記金属ワイアと電気的にカップルするラインにより該情報に関わる信号を検出し、次にダイオードにより該信号を検波し、検波された信号から前記金属ワイア先端と前記試料の間に印加された交流電圧と同じ周波数の成分を検出することを特徴とする請求項１記載のプローブを用いた走査型プローブ顕微鏡。
- 前記金属ワイア先端と前記試料の間の容量情報を検出するに際して、前記検波信号から前記金属ワイア先端と前記試料の間に印加された交流電圧の周波数の２倍の周波数で変化する成分を検出することを特徴とする請求項１記載のプローブを用いた走査型プローブ顕微鏡。
- 前記金属ワイア先端と前記試料の間の容量情報を検出するに際して、前記検波信号から前記金属ワイア先端の変位の振動周波数と同じ周波数成分を検出することを特徴とする請求項１記載のプローブを用いた走査型プローブ顕微鏡。
- 前記金属ワイア先端と前記試料の間の容量情報を検出するに際して、前記検波信号から、前記金属ワイア先端と前記試料の間に印加された交流電圧と同じ周波数の成分を検出し、該検出成分からさらに前記金属ワイア先端の変位の振動周波数と同じ周波数の成分を検出することを特徴とする請求項１記載のプローブを用いた走査型プローブ顕微鏡。
- 前記金属ワイア先端と前記試料の間の容量情報を検出するに際して、前記金属ワイアを含んで構成された電気的共振器の、試料と電気的にカップルすることによるＱ値の変化を検出することを特徴とする請求項１記載のプローブを用いた走査型プローブ顕微鏡。
- 前記金属ワイア先端と前記試料の間の容量情報を検出するに際して、前記金属ワイア先端と前記試料との力学的相互作用による前記金属ワイア先端の振動に由来する前記負帰還系内の信号から得られる試料の表面形状に関わる情報と、
前記検波信号から得られるところの
前記印加交流電圧と同じ周波数の成分と、
前記印加交流電圧の２倍周波数成分と、
前記金属ワイア先端の変位の振動周波数成分と
さらには
前記印加交流電圧の周波数成分中で前記金属ワイア先端の変位の振動周波数で変化する成分と、
において、これらのすべてあるいは一部を一度の走査により同時に画像化することを特徴とする請求項１記載のプローブを用いた走査型プローブ顕微鏡。 - 前項記載の走査座標を一にする各画像を用いてそれらのすべてあるいは一部を単に重ね合わせあるいは画像により透過度を変化させて重ね合わせる手段と重ね合わせた合成画像を表示する手段を有することを特徴とする請求項１記載のプローブを用いた走査型プローブ顕微鏡。
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| JP2002275271A JP2004109052A (ja) | 2002-09-20 | 2002-09-20 | 走査型プローブ顕微鏡用プローブ及びそれを用いた走査型プローブ顕微鏡 |
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Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007218803A (ja) * | 2006-02-17 | 2007-08-30 | Research Institute Of Biomolecule Metrology Co Ltd | 走査型プローブ顕微鏡システム及び観察方法 |
| JP2009025037A (ja) * | 2007-07-17 | 2009-02-05 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 走査型プローブ顕微鏡用プローブ及びそれを用いた走査型プローブ顕微鏡 |
| JP2010271297A (ja) * | 2009-05-20 | 2010-12-02 | Inha-Industry Partnership Inst | 音叉−走査探針結合振動計 |
| KR101211013B1 (ko) | 2010-10-26 | 2012-12-11 | 광주과학기술원 | 주사탐침 현미경 |
| CN112985251A (zh) * | 2021-03-24 | 2021-06-18 | 新乡学院 | 一种微观表面形貌测量装置及方法 |
-
2002
- 2002-09-20 JP JP2002275271A patent/JP2004109052A/ja not_active Withdrawn
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