JP2005164544A - プローブ装置、走査型プローブ顕微鏡および試料表示方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 プローブ先端と試料との間の距離を示す情報を得るための構成の簡略化を図ることが可能なプローブ装置、走査型プローブ顕微鏡および試料表示方法を提供する。
【解決手段】 プローブ先端としての先端３ａを有する金属ワイア３は、ホルダー９と水晶振動子４とで保持されている。水晶振動子４は、圧電効果により自己の振動を示す振動情報を出力する。金属ワイア３と水晶振動子４とからなる共振器は共振によ振動するが、先端３ａと試料１との間の相互作用により、先端３ａと試料１との間の距離に応じた力を受けるので、共振器の振動は、先端３ａと試料１との間の距離に応じて変動する。このため、水晶振動子４が出力する振動情報は、先端３ａと試料１との間の距離を示す。よって、従来、先端３ａと試料１との間の距離を示す情報を得るために必要であった投光器と受光器とを不要にできる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、プローブ装置、走査型プローブ顕微鏡および試料表示方法に関する。

従来、種々の走査型プローブ顕微鏡が知られている。

例えば、特許文献１（特開平８−５４４０３号公報）には、走査型静電容量顕微鏡と原子間力顕微鏡とを含む走査型プローブ顕微鏡が記載されている。

図６は、走査型静電容量顕微鏡と原子間力顕微鏡とを含む走査型プローブ顕微鏡の概略構成を示した説明図である。

図６において、半導体デバイス等の試料１０１を測定する走査型プローブ顕微鏡は、圧電素子１０２と、導電性プローブユニット１０３と、電圧変調回路１０４と、容量センサ１０５と、レーザダイオード１０６と、検出器１０７とを含む。

図７（ａ）は、図６に示した導電性プローブユニット１０３の概略構成を示した概略構成図である。図７（ａ）において、導電性プローブユニット１０３は、カンチレバー１０３１と、カンチレバー１０３１の自由端１０３１ｂに設けられた鋭利なプローブ（探針）１０３１ａと、カンチレバー１０３１を保持するホルダー１０３２とを含む。

図７（ｂ）は、図７（ａ）に示した導電性プローブユニット１０３のＡ−Ａ線断面図である。図７（ｂ）において、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と、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とを含む。なお、カンチレバー１０３１は、スプリング（板バネ）として作用する。

なお、特許文献１には、金属層を有さない導電性のプローブ探針を有するプローブも記載されている。

図６に戻って、走査型プローブ顕微鏡において、走査型静電容量顕微鏡は、圧電素子１０２と、導電性プローブユニット１０３と、電圧変調回路１０４および容量センサ１０５とを含み、原子間力顕微鏡は、圧電素子１０２と、導電性プローブユニット１０３と、レーザダイオード１０６と、検出器１０７とを含む。

試料１０１は圧電素子１０２上に搭載される。試料１０１は圧電素子１０２の動作によりＸＹ（水平）方向およびＺ（鉛直）方向に移動（走査）される。導電性プローブユニット１０３のプローブ１０３１ａは、試料１０１の表面に近接される。

ここで、図６に示した走査型プローブ顕微鏡が有する走査型静電容量顕微鏡について説明する。

電圧変調回路１０４は、試料１０１に電圧を供給する。プローブ１０３１ａと試料１０１の表面の電荷とで静電容量が形成される。

ＬＣ共振回路、発振回路およびダイオードとを含む検波回路を有する容量センサ１０５は、プローブ１０３１ａと試料１０１の表面の電荷とで形成される静電容量の値を測定する。

容量センサ１０５の検出結果を利用することにより、試料１０１の表面における容量の状態を示す容量情報を２次元的に画像化することが可能となるとともに試料１０１の表面の凹凸を２次元的に画像化することが可能となる。

次に、図６に示した走査型プローブ顕微鏡が有する原子間力顕微鏡について説明する。

導電性プローブユニット１０３は、自己と試料１０１の原子との間で働く原子間力により撓む。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に照射する。検出器１０７は、導電性プローブユニット１０３によって反射された光ビームを検出することによって、導電性プローブユニット１０３の撓みによる変位、換言すると、試料１０１の表面の状態を検出する。

試料１０１とプローブ１０３１ａとのＺ方向の相対的な距離は、検出器１０７の出力に基づいて圧電素子１０２を動作させることによって、あらかじめ設定された一定値になるように制御される。
特開平８−５４４０３号公報（第２−５頁、図１、図２、図５）

図６および図７に示す走査型プローブ顕微鏡では、プローブ１０３１ａ先端と試料との間の距離を示す情報を得るために、レーザダイオードと検出部とを用いている。この場合、部品が多くなり、また、レーザダイオードの発光の向きと検出部の受光の向きとの関係が所定の条件を満たすように、レーザダイオードと検出部とを配設しなければならないという問題が生じてしまう。

本発明の目的は、プローブ先端と試料との間の距離を示す情報を得るための構成の簡略化を図ることが可能なプローブ装置、走査型プローブ顕微鏡および試料表示方法を提供することである。

上記目的を達成するため、本発明のプローブ装置は、試料とプローブ先端との距離を示す距離情報を出力するプローブ装置であって、前記プローブ先端としての先鋭化された一端が前記試料と対向するように設けられ、かつ、該一端と該試料との間の距離に応じた力を受ける検出部と、前記検出部の第１箇所を保持する保持部と、前記検出部の第１箇所と異なる第２箇所を保持し、かつ、入力される駆動信号に基づいて共振するとともに該共振に基づいた振動を示す振動情報を前記距離情報として出力する圧電素子とを含み、前記検出部のバネ定数が、前記圧電素子のバネ定数の１０％以下であることを特徴とする。

上記の発明によれば、検出部を保持部と圧電素子とで保持している。圧電素子の共振特性は、圧電素子にかかる検出部の質量が大きくなるほど悪化する。圧電素子の共振特性が悪化すると、検出部の一端と試料との間の距離に応じた力を受けた際の圧電素子の振動の変化が少なくなってしまう。このため、圧電素子が出力する振動情報は、検出部の一端と試料との間の距離を十分に示さなくなってしまう。

上記の発明では、検出部を保持部と圧電素子とで保持することによって、圧電素子の共振特性の悪化を少なくし、圧電素子が出力する振動情報が、検出部の一端と試料との間の距離を示さなくなってしまうことを防止することが可能となる。

また、圧電素子の共振特性は、検出部のバネ定数が大きくなるほど悪化する。上記の発明では、検出部のバネ定数を圧電素子のバネ定数の１０％以下にすることによって、圧電素子の共振特性の悪化を少なくし、圧電素子が出力する振動情報が、導電性部材の一端と試料との間の距離を示さなくなってしまうことを防止することが可能となる。

また、本発明のプローブ装置は、試料とプローブ先端との距離を示す距離情報を出力するプローブ装置であって、前記プローブ先端としての先鋭化された一端が前記試料と対向するように設けられ、かつ、該一端と該試料との間の距離に応じた力を受ける検出部と、前記検出部の第１箇所を保持する保持部と、入力される駆動信号に基づいて共振するとともに該共振に基づいた振動を示す振動情報を前記距離情報として出力する圧電素子と、前記圧電素子の質量の１０％以下の質量を有し、前記検出部の第１箇所と異なる第２箇所を前記圧電素子に固着する固着部材とを含むことを特徴とする。

上記の発明によれば、検出部を保持部と圧電素子とで保持している。圧電素子の共振特性は、圧電素子にかかる検出部の質量が大きくなるほど悪化する。上記の発明では、検出部を保持部と圧電素子とで保持することによって、圧電素子の共振特性の悪化を少なくし、圧電素子が出力する振動情報が、検出部の一端と試料との間の距離を示さなくなってしまうことを防止することが可能となる。

また、圧電素子の共振特性は、固着部材の質量が大きくなるほど悪化する。上記の発明では、固着部材の質量を圧電素子の質量の１０％以下にすることによって、圧電素子の共振特性の悪化を少なくし、圧電素子が出力する振動情報が、検出部の一端と試料との間の距離を示さなくなってしまうことを防止することが可能となる。

また、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、上記プローブ装置を用いる走査型プローブ顕微鏡であって、前記試料は、半導体試料であり、前記圧電素子が出力する振動情報は、該圧電素子と前記検出部とを含む共振器の振動の振幅を示し、前記検出部の一端と前記試料との間の距離に応じた力に応じて変化する前記共振器のＱ値を前記振動情報が示す共振器の振動の振幅に基づいて検出するＱ値検出部と、前記試料内のドーパント密度を示すドーパント密度表示を前記Ｑ値検出部によって検出されたＱ値に基づいて行うドーパント密度表示部とを含むことを特徴とする。

また、本発明の試料表示方法は、上記プローブ装置を用いる走査型プローブ顕微鏡が行う試料表示方法であって、前記試料は、半導体試料であり、前記圧電素子が出力する振動情報は、該圧電素子と前記検出部とを含む共振器の振動の振幅を示し、前記検出部の一端と前記試料との間の距離に応じた力に応じて変化する前記共振器のＱ値を前記振動情報が示す共振器の振動の振幅に基づいて検出するＱ値検出ステップと、前記試料内のドーパント密度を示すドーパント密度表示を前記Ｑ値検出ステップで検出したＱ値に基づいて行うドーパント密度表示ステップとを含むことを特徴とする。

上記の発明によれば、圧電素子が出力する振動情報から、検出部材の一端と試料との間の距離に応じた力に応じて変化する共振器のＱ値を検出する。試料として半導体デバイスを用いた場合、検出部と圧電素子とを含む共振器のＱ値は、半導体中のドーパントの密度に関する情報を示す。このため、圧電素子が出力する振動情報に基づいて試料を観察することが可能となる。

また、上記走査型プローブ顕微鏡において、前記圧電素子が出力する振動情報は、さらに、前記共振器の振動の周波数を示し、前記検出部は、導電性であり、前記試料の表面形状を示す表面形状表示を前記振動情報によって示される共振器の振動の周波数に基づいて行う表面形状表示部と、前記試料に所定の周波数の交流電圧を印加する交流電圧印加部と、前記検出部の一端と前記試料との間の静電容量を検出する静電容量検出部と、前記試料内のドーパント密度を示す第２ドーパント密度表示を、前記静電容量検出部によって検出される静電容量および前記所定の周波数とに基づいて行う第２ドーパント密度表示部と、前記試料内の容量の変化を示す容量変化表示を、前記静電容量検出部によって検出される静電容量および前記振動情報によって示される共振器の振動の周波数とに基づいて行う容量変化表示部と、前記試料のｐ−ｎ接合位置を示すｐ−ｎ接合位置表示を、前記静電容量検出部によって検出される静電容量および前記所定の周波数の２倍の周波数とに基づいて行うｐ−ｎ接合位置表示部とを含むことが望ましい。

また、上記試料表示方法において、前記圧電素子が出力する振動情報は、さらに、前記共振器の振動の周波数を示し、前記検出部は、導電性であり、前記試料の表面形状を示す表面形状表示を前記振動情報によって示される共振器の振動の周波数に基づいて行う表面形状表示ステップと、前記試料に所定の周波数の交流電圧が印加する交流電圧印加ステップと、前記検出部の一端と前記試料との間の静電容量を検出する静電容量検出ステップと、前記試料内のドーパント密度を示す第２ドーパント密度表示を、前記静電容量検出ステップで検出した静電容量および前記所定の周波数とに基づいて行う第２ドーパント密度表示ステップと、前記試料内の容量の変化を示す容量変化表示を、前記静電容量検出ステップで検出した静電容量および前記振動情報によって示される共振器の振動の周波数とに基づいて行う容量変化表示ステップと、前記試料のｐ−ｎ接合位置を示すｐ−ｎ接合位置表示を、前記静電容量検出ステップで検出した静電容量および前記所定の周波数の２倍の周波数とに基づいて行う容量変化度表示ステップとを含むことが望ましい。

上記の発明によれば、ドーパント密度表示、表面形状表示、第２ドーパント密度表示、容量変化表示およびｐ−ｎ接合位置表示を表示する。このため、走査型プローブ顕微鏡のユーザは、試料を多角的に観察することが可能となる。

また、上記走査型プローブ顕微鏡において、前記ドーパント密度表示、前記表面形状表示、前記第２ドーパント密度表示、前記容量変化表示および前記ｐ−ｎ接合位置表示の中の少なくとも２つの表示を同時に表示させる表示制御部をさらに含むことが望ましい。

また、上記の試料表示方法において、前記ドーパント密度表示、前記表面形状表示、前記第２ドーパント密度表示、前記容量変化表示および前記ｐ−ｎ接合位置表示の中の少なくとも２つの表示を同時に表示する表示制御ステップをさらに含むことが望ましい。

上記の発明によれば、走査型プローブ顕微鏡のユーザは、複数種類の表示を同時に観察することが可能となり、試料の観察が容易になる。

また、上記の走査型プローブ顕微鏡において、前記表示制御部は、前記ドーパント密度表示、前記表面形状表示、前記第２ドーパント密度表示、前記容量変化表示および前記ｐ−ｎ接合位置表示の中の少なくとも２つの表示を重ね合わせて表示部に表示させることが望ましい。

また、試料表示方法において、前記表示制御ステップは、前記ドーパント密度表示、前記表面形状表示、前記第２ドーパント密度表示、前記容量変化表示および前記ｐ−ｎ接合位置表示の中の少なくとも２つの表示を重ね合わせて表示することが望ましい。

上記の発明によれば、走査型プローブ顕微鏡のユーザは、試料に関する情報を詳細に得ることが可能となる。

本発明によれば、圧電素子の共振特性の悪化を少なくし、圧電素子が出力する振動情報が、検出部の一端と試料との間の距離を示さなくなってしまうことを防止することが可能となる。

また、圧電素子が出力する振動情報から、検出部材の一端と試料との間の距離に応じた力に応じて変化する共振器のＱ値を検出する。試料として半導体デバイスを用いた場合、共振器のＱ値は、半導体中のドーパントの密度に関する情報を示す。このため、圧電素子が出力する振動情報に基づいて試料を観察することが可能となる。

以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施例の走査型プローブ顕微鏡を示したブロック図である。

図１において、半導体デバイス等の試料１を観察するための走査型プローブ顕微鏡は、走査用圧電素子２と、検出部としての金属ワイア３と、圧電素子としての音叉型水晶振動子４と、発振器５と、検出器６と、電圧変調回路７と、静電容量検出部としての容量センサ８と、保持部としてのホルダー９と、制御装置１０とを含む。なお、プローブ装置３０は、導電性の金属ワイア３と、音叉型水晶振動子４と、ホルダー９とを含む。

試料１は、走査用圧電素子２上に載置される。

走査用圧電素子２は、試料１をＸＹ（水平）方向およびＺ（鉛直）方向に移動する。

金属ワイア３は鋭利な先端３ａを有する。先端３ａは、試料１の表面と近接するように設けられている。先端３ａと試料１との間には物理的相互作用（例えば、先端３ａと試料１との間に働く原子間力）が働く。先端３ａと試料１との間に働く原子間力は、先端３ａと試料１との間に距離に応じて変化する。

金属ワイア３は、直径約２０〜１００μｍのＷ、Ｐｔ／ＩｒあるいはＮｉなどの金属棒である。先端３ａは、金属棒３に電解研磨プロセスを実施することによって得られる。電解研磨プロセスにより先端３ａを形成した場合、先端３ａの曲率半径の大きさは、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る。したがって、先端３ａの曲率半径は再現性よく調整できる。なお、先端３ａの先鋭化は、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によっても実現できる。

金属ワイア３は、絶縁性接着剤等の固定部４ｂによって励振用の音叉型水晶振動子４に固定されている。また、金属ワイア３の基部３ｂは、接着剤等の固定部９ｂによってホルダー９に固定されている。

金属ワイア３は、固定部４ｂと先端３ａの間、望ましくは固定部４ｂと先端３ａの間における固定部４ｂのなるべく近傍において、先端３ａが試料１表面に対して垂直となるようにする曲げ部３ｃを有している。ここで「垂直」とは、試料１表面に対して厳密に９０度を傾いている場合だけではなく、試料１表面に対して９０度±１０度程度の誤差を有して傾いている場合も含む。

音叉型水晶振動子４は、２つの板状バネ部（以下プロンジ）４ａ１、４ａ２を有する。

金属ワイア３は、自己の長さ方向がプロンジ４ａ１、４ａ２の長手軸の方向に対して直角方向を向くように、プロンジ４ａ１、４ａ２の中で試料１に近い方のプロンジ４ａ２の外縁部４ａ２１に固定されている。ここで「直角」とは、プロンジ４ａ１、４ａ２の長手軸の方向に対して金属ワイア３の長さ方向が厳密に９０度を傾いている場合だけではなく、プロンジ４ａ１、４ａ２の長手軸の方向に対して金属ワイア３の長さ方向が９０度±１０度程度の誤差を有して傾いている場合も含む。

音叉型水晶振動子４およびホルダー９は、さらに大きな同一の保持材（不図示）に固定されており、音叉型水晶振動子４とホルダー９とは力学的に繋がっている。

発振器５は、音叉型水晶振動子４を共振により振動させるための駆動電圧を音叉型水晶振動子４に供給する。なお、発振器５が出力する駆動電圧は、音叉型水晶振動子４を共振させる周波数の駆動電圧である。

金属ワイア３は音叉型水晶振動子４に固定されているので、金属ワイア３は音叉型水晶振動子４固有の共振周波数の近傍の周波数（励振周波数）で音叉型水晶振動子４とともに励振される。なお、金属ワイア３と音叉型水晶振動子４との励振周波数は、先端３ａと試料１との間の物理的相互作用によって変動する。以下、この励振周波数をｆ₀する。なお、発振器５が出力する駆動電圧の周波数は、励振周波数をｆ₀とほぼ同じなので、以下では、発振器５が出力する駆動電圧の周波数をｆ₀と示す。水晶振動子４としてはｆ₀が３０ｋＨｚ近辺となるものを利用することが望ましい。

音叉型水晶振動子４は、金属ワイア３を励振すると同時に、振動による自身の変形を示す電流信号（振動情報）を圧電効果により発生する。

音叉型水晶振動子４に固定されている金属ワイア３は、音叉型水晶振動子４固有の共振周波数近傍で励振されるが、その振動（振動振幅および共振周波数）は、金属ワイア３と試料１との間の相互作用により変化する。

例えば、音叉型水晶振動子４に固定されている金属ワイア３は、先端３ａと試料１との間での原子間力を受ける。先端３ａと試料１との間での原子間力は、先端３ａと試料１との間に距離に応じて変化する。このため、音叉型水晶振動子４と金属ワイア３とを含む共振器の振動（具体的には、振動の周波数）は、先端３ａと試料１との間に距離に応じて変化する。したがって、音叉型水晶振動子４が出力する電流信号は、先端３ａと試料１との間に距離を示す情報となる。

音叉型水晶振動子４が出力する電流信号を用いれば、金属ワイア先端３ａと試料１との距離を検出することが可能となる。したがって、例えば、図６に示したように光学的手法を用いなくても、金属ワイア先端３ａと試料１との距離を制御することができ、構成の簡略化が図れる。

また、音叉型水晶振動子４と金属ワイア３とを含む共振器の振動（具体的には、振動の振幅）は、金属ワイア３と音叉型水晶振動子４との共振のＱ値に関わる情報を示す。

検出器６は、音叉型水晶振動子４から出力された電流信号を電圧信号に変換する。したがって、金属ワイア３と音叉型水晶振動子４の振動の振幅、あるいは金属ワイア３と音叉型水晶振動子４の共振周波数、あるいは金属ワイア３と音叉型水晶振動子４の共振のＱ値に関わる情報は、検出器６が出力する電圧信号に基づいて求めることが可能となる。

なお、音叉型水晶振動子４と金属ワイア３とを含む共振器の振動は、音叉型水晶振動子４の共振特性が良いほど、具体的には水晶振動子４が力学的に高いＱ値を持つほど、先端３ａと試料１との間に距離に応じて変化する。

金属ワイア先端３ａと試料１との間の距離制御の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。

本実施例では、固定部４ｂで用いられる固定法は、力学的に高いＱ値を持つ音叉型水晶振動子４の固有の共振特性をできるだけ損なわないようにしている。

音叉型水晶振動子４の共振特性に影響を与えるのは、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。

本実施例では、音叉型水晶振動子４の共振特性に悪影響を与えないように、音叉型水晶振動子４にかかる金属ワイア３の質量を小さくし、固定部４ｂにおける接着剤の質量を小さくし、金属ワイア３のバネ定数を小さくしている。

まず、音叉型水晶振動子４にかかる金属ワイア３の質量を小さくする手法について説明する。

例えば、特開平９−１１３５２１号公報に記載の技術では、先端が先鋭化された金属ワイアに中折れ部を設け、金属ワイアをカンチレバーとして利用している。具体的には、金属ワイアはホルダー上の一箇所でのみ片持ち梁として固定されている。この場合、金属ワイアの質量は、ホルダーに集中してしまう。

これに対して、本実施例では、金属ワイア３を、ホルダー９の固定部９ｂと音叉型水晶振動子４の固定部４ｂとで固定しているため、音叉型水晶振動子４に金属ワイア３全体の質量が負荷としてかからず、音叉型水晶振動子４の共振特性に悪影響を与えないようにしている。

また、音叉型水晶振動子４にかかる金属ワイア３の質量を小さくするために、本実施例では、金属ワイア３上の固定部４ｂから先端３ａまでの長さを、金属ワイア３上の固定部４ｂから金属ワイア３上の固定部９ｂまでの長さより極めて短くしている。

次に、音叉型水晶振動子４にかかる固定部４ｂの接着剤の質量を小さくする手法について説明する。

本実施例では、固定部４ｂにおいて、音叉型水晶振動子４のプロンジ４ａ２の長手軸の方向は金属ワイア３の長さ方向と直交するようにしてある。これによって固定部４ｂにおける接着剤の質量を最小とすることが可能となる。なお、固定部４ｂの接着剤の質量を、音叉型水晶振動子４の質量の１０％以下にした場合、良好な結果が得られた。

次に、金属ワイア３のバネ定数を小さく手法について説明する。

本実施例では、金属ワイア３は、固定部４ｂと先端３ａとの間、望ましくは固定部４ｂと先端３ａとの間で固定部４ｂの近傍において、先端３ａが試料１の表面に対して垂直となるよう曲げ部３ｃを有している。さらに、固定部４ｂから先端３ａまでの距離を短くしている。このため、金属ワイア３の中で、曲げ部３ｃから先端３ａを含む部分は、音叉型水晶振動子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。よって、金属ワイア３のバネ定数は低減する。なお、固定部４ｂから先端３ａまでの距離は、１ｍｍ以下であることが望ましい。

また、音叉型水晶振動子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９の固定部９ｂから音叉型水晶振動子４の固定部４ｂまでの距離をできるだけ長くすることが望ましい。

例えば、音叉型水晶振動子４のバネ定数が８０００Ｎ／ｍであり、金属ワイア３の直径が１００μｍである場合、固定部９ｂから固定部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、音叉型水晶振動子４のバネ定数８０００Ｎ／ｍに対して十分無視しうる値となる。なお、ホルダー上の固定部９ｂから水晶振動子上の固定部４ｂまでの距離と、金属ワイアの直径および材質とで決まる金属ワイア３のバネ定数が、圧電素子としての音叉型水晶振動子４のバネ定数の１０％以下にした場合、良好な結果が得られた。

本実施例では、音叉型水晶振動子４が圧電効果によって発生する振動を示す情報を利用することによって、金属ワイア先端３ａと試料１との間の距離を制御することが可能となる。

制御装置１０は、検出器６が出力する電圧信号を受け付ける。制御装置１０は、受け付けた電圧信号に基づいて、音叉型水晶振動子４の振動振幅、あるいは音叉型水晶振動子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走査用圧電素子２を制御する。つまり、制御装置１０は、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。

走査用圧電素子２は、制御装置１０による制御に基づいて、試料１のＺ方向の位置制御および試料１のＸＹ方向の走査を行う。

電圧変調回路７は、周波数ｆ₁の交流電圧を試料１に供給する。交流電圧の周波数ｆ₁は発振器５から供給される水晶振動子４の駆動周波数ｆ₀と干渉しないよう、駆動周波数ｆ₀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４０ｋＨｚ〜１ＭＨｚである。

容量センサ８は、金属ワイア３と接続し、金属ワイア先端３ａと試料１との間の静電容量を検出する。

次に、図１に示した走査型プローブ顕微鏡の動作を説明する。

走査用圧電素子２上に試料１が載せられた状態で、発振器５が音叉型水晶振動子４に駆動用周波数ｆ０の駆動電圧を供給すると、音叉型水晶振動子４と金属ワイア３とで構成される共振器は振動する。

音叉型水晶振動子４と金属ワイア３とで構成される共振器の振動は、金属ワイア３と試料１との間の距離に応じて変化する金属ワイア３と試料１との間の相互作用により影響を受け、先端３ａと試料１との間に距離に応じて変化する。このため、音叉型水晶振動子４が出力する電流信号（振動情報）は、金属ワイア３と試料１との間の距離に応じて変化する。

検出器６は、音叉型水晶振動子４が出力する電流信号を電圧信号に変換する。制御装置１０は、検出器６が出力する電圧信号に基づいて、音叉型水晶振動子４の振動振幅、あるいは音叉型水晶振動子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走査用圧電素子２を制御する。

本実施例では、試料１と金属ワイア３との距離を、音叉型水晶振動子４が出力する振動情報に基づいて制御することが可能となる。したがって、試料１と金属ワイア３との距離を得るために、投光部と受光部とを設ける必要が無くなり、構成の簡略化を図ることが可能となる。

なお、図１において、金属ワイア３を用いることによって、容量センサ８と試料１との間の直列抵抗が、図７（ｂ）に示す金属コート層付のプローブ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。

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。

さらに、図７（ｂ）に示す導電性プローブユニット１０３のような金属コート層を有しないので、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。

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がれるという恐れは無い。

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。

次に、図１の本実施例を適用した本発明の実施の形態を説明する。

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。なお、図２において、図１に示したものと同一構成のものには同一符号を附してある。

半導体デバイス等の試料１を観察するための本走査型プローブ顕微鏡は、圧電素子２と、金属ワイア３と、音叉型水晶振動子４と、発振器５と、検出器６と、電圧変調回路７と、容量センサ８と、ホルダー９と、制御装置１０と、ＸＹ走査回路１１と、表面形状表示部としてのトポ像表示装置１２と、ロックインアンプ１３と、ロックインアンプ１４と、第２ドーパント密度表示部としてのｄＣ／ｄＶ表示装置１５と、ロックインアンプ１６と、容量変化表示部としてのｄＣ／ｄＺ表示装置１７と、ｐ−ｎ接合位置表示部としての２ｆ表示装置１８とを含む。

発振器５は、オートマチックゲインコントローラ５ａと、フェイズシフター５ｂとを含む。また、検出器６は、プリアンプ６ａと、ＦＭ（周波数変調）復調器６ｂとを含む。また、制御装置１０は、コンピューター１０ａと、差動アンプ１０ｂとを含む。

図２において、プリアンプ６ａは、音叉型水晶振動子４の変形の圧電効果によって発生する電流信号を増幅し、増幅した電流信号を電圧信号に変更して出力する。よって、プリアンプ６ａの出力の周波数は、金属ワイア３と音叉型水晶振動子４との共振器の共振周波数を示す。

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る。

オートマチックゲインコントロール５ａは、フェイズシフター５ｂからの入力に基づいて、入力される音叉型水晶振動子４を常に一定の振幅値をもって共振するように、音叉型水晶振動子４を自励発振させるための周波数ｆ０の駆動信号を出力する。

ＦＭ復調器６ｂは、金属ワイア３と音叉型水晶振動子４との共振器の共振周波数の変移を示す出力をプリアンプ６ａの出力に基づいて生成する。

ここで、共振周波数の変移は、金属ワイア３と音叉型水晶振動子４との共振器の共振周波数が、発振器５（具体的には、オートマチックゲインコントローラ５ａ）の周波数からどれほど離れているかを示す情報であり、この情報は金属ワイア先端３ａと試料１の相互作用により変化する。

差動アンプ１０ｂは、ＦＭ復調器６ｂの出力を基準値ＳＰと比較し、その比較結果を出力する。

走査用圧電素子２は、音叉型水晶振動子４が出力する電流信号の周波数があらかじめ定めたある一定値となるように、差動アンプ１０ｂの出力に基づいて試料１をＺ方向に上下させる。本実施例では、音叉型水晶振動子４が出力する電流信号は、試料１と金属ワイア先端３ａとの相対的な距離を制御するために、走査用圧電素子２に負帰還される。

本実施例の走査型プローブ顕微鏡では、試料１と金属ワイア先端３ａとの相対的な距離に応じて変化する水晶振動子４の振動の変化が、水晶振動子４自身によって電気的に検出されるため、図６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および金属ワイア３および水晶振動子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中に導入することが容易になるという利点もある。

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、ＸＹ走査回路１１に対して、ＸＹ走査回路１１が走査用圧電素子２に供給する電圧を指示する。

本実施例では、走査用圧電素子２が試料１のＺ方向およびＸＹ方向を制御するので、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。

コンピューター１０ａは、内蔵する記憶手段（不図示）に、走査用圧電素子２のＺ方向の移動量に相当する差動アンプ１０ｂから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。

トポ像表示装置１２は、コンピューター１０ａに対応されて格納された、走査用圧電素子２のＺ方向の移動量に相当する差動アンプ１０ｂからの出力と金属ワイア先端３ａのＸＹ方向の位置とに基づいて試料１のトポ像（表面形状像）を表示する。

図３（ａ）は、トポ像表示装置１２の表示の一例を示した説明図である。なお、図３（ａ）は２．５μｍ×２．５μｍの範囲で試料１を走査した結果である。

図２に戻って、容量センサ８は、金属ワイアの先端３ａと試料１との間の静電容量を示す信号Ｃを出力する。

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が試料１に印加した交流電圧の周波数ｆ₁を用いて容量センサ８の出力信号Ｃを検波し、金属ワイア先端３ａと試料１との間の静電容量の電圧微分に相当するｄＣ／ｄＶ信号を検出する。

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。

コンピューター１０ａは、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、内蔵する記憶手段（不図示）に格納する。

ｄＣ／ｄＶ表示装置１５は、試料１のｄＣ／ｄＶ信号の走査面内の分布画像を、コンピューター１０ａに対応されて格納されたｄＣ／ｄＶ信号と金属ワイア先端３ａのＸＹ方向の位置とに基づいて表示する。

図３（ｂ）は、ｄＣ／ｄＶ像の一例を示した説明図である。なお、図３（ｂ）は、図３（ａ）と同じく２．５μｍ×２．５μｍの範囲で試料１を走査して得られたものである。

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５ａから供給される周波数ｆ₀を用いて容量センサ８の出力信号Ｃ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。

コンピューター１０ａは、ｄＣ／ｄＺ信号を金属ワイア先端３ａのＸＹ方向の位置と対応させて、内蔵する記憶手段（不図示）に格納する。

ｄＣ／ｄＺ表示装置１７は、試料１のｄＣ／ｄＺ信号の走査面内の分布画像を、コンピューター１０ａに対応されて格納されたｄＣ／ｄＺ信号と金属ワイア先端３ａのＸＹ方向の位置とに基づいて表示する。

図３（ｃ）は、ｄＣ／ｄＺ像の一例を示した説明図である。なお、図３（ｃ）は、図３（ａ）、（ｂ）と同じく２．５μｍ×２．５μｍの範囲で試料１を走査した結果である。

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Ｃ_g、試料の容量をＣ_s、測定される容量をＣとすると、次式となり、次式よりｄＣ／ｄＺ信号はおおよそ試料の容量の２乗に比例することが示される。

（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。

従来の走査型静電容量顕微鏡（ＳＣＭ）では、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、本実施例では、ｄＣ／ｄＺ信号を用いることにより、試料１における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。

本実施例では、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５の出力の周波数ｆ₀を用いてロックインアンプ１３で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、例えば、容量センサ８の出力信号を、まず電圧変調回路７が試料１に印加する交流電圧の周波数ｆ₁を用いて復調し、その後、復調した信号をオートマチックゲインコントローラ５ａの出力の周波数ｆ₀を参照して検波することによりｄ²Ｃ／ｄＶｄＺ信号を得るという手段を有する構成にしてもよい。いずれかの表示装置にてｄ²Ｃ／ｄＶｄＺ信号に基づく表示を行えば、ｄＣ／ｄＺ画像の中で電圧によって変調される成分を選択的に画像化することが可能となる。

ロックインアンプ１６は、電圧変調回路７が試料１に供給する交流電圧の周波数ｆ₁の第二高調波、すなわち２ｆ₁を用いて容量センサ８の出力信号を検波し、２ｆ信号を検出する。

コンピューター１０ａは、２ｆ信号を金属ワイア先端３ａのＸＹ方向の位置と対応させて、内蔵する記憶手段（不図示）に格納する。

２ｆ表示装置１８は、試料１の２ｆ信号の走査面内の分布画像を、コンピューター１０ａに対応づけて格納された２ｆ信号と金属ワイア先端３ａのＸＹ方向の位置とに基づいて表示する。

図３（ｄ）は、２ｆ像の一例を示した説明図である。なお、図３（ｄ）は、図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に同じく２．５μｍ×２．５μｍの範囲で試料１を走査した結果である。

なお、図３（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試料１の一度の走査によって同時に取得されたものである。

２ｆ像は、先に出願した特願２００１−２４７８６３号にも述べたように、半導体のｐ−ｎ接合位置に関する情報が得られる。

本実施例では、金属ワイアと水晶振動子と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する。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。また、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。また、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がれ、導電性が失われるという恐れは無い。また、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、ジュール熱の発生により先端が溶融しても、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金属ワイアの導電性が失われることは無い。

また、本実施例の走査型プローブ顕微鏡用のプローブ装置は、金属ワイアが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、水晶振動子にかかる金属ワイアの質量および金属ワイアのバネ定数により、水晶振動子の共振特性が悪化してしまう恐れを小さくすることが可能となり、高い精度で金属ワイアの先端と試料との間の距離を制御することが可能となる。

また、本実施例の走査型プローブ顕微鏡用のプローブ装置は、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。

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。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、本実施例では、ｄＣ／ｄＺ信号を用いることにより、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することが可能となる。

次に、本発明の第二の実施の形態の走査型プローブ顕微鏡を説明する。

図４は、本発明の第二の実施の形態の走査型プローブ顕微鏡を示したブロック図である。なお、図４において、図１または図２に示したものと同一構成のものには同一符号を附してある。

図４に示した走査型プローブ顕微鏡は、図２に示した走査型プローブ顕微鏡に、離散像表示装置１９を加えたものである。

図４において、コンピューター１０ａは、オートゲインコントローラ５ａが音叉型水晶振動子４に供給する励振電圧（駆動電圧）の振幅を金属ワイア先端３ａのＸＹ方向の位置と対応させて、内蔵する記憶手段（不図示）に格納する。

なお、オートゲインコントローラ５ａの出力の振幅は、音叉型水晶振動子４の出力の振幅に応じて変化するので、コンピューター１０ａは、音叉型水晶振動子４の出力の振幅を金属ワイア先端３ａのＸＹ方向の位置と対応させて記憶したことにもなる。

オートマチックゲインコントロール５ａが供給する励振電圧の振幅の変化により、水晶振動子４と金属ワイア３からなる複合振動子（共振器）のＱ値の変化が判る。

振動するプローブのＱ値の変化を測定することによって、半導体中のドーパントの密度に関する情報が得られることが、T. D. Stowe, T. W. Kenny, D. J. Thomson and D. Rugar: Appl. Phys. Lett. 75 (1999) 2785. に記載されている。

この文献では、プローブ−半導体試料間に流れる電流のジュール散逸を補償する結果、半導体試料表面に対して平行面内で横振動するプローブの共振エネルギーの散逸は、半導体試料中のドーパント濃度が低いほど増大することが記載されている。このようにして試料中の電気的な構造を、振動するプローブのＱ値の変化によって観察することが可能である。

離散像表示置１９は、試料１における励振電圧の振幅の走査面内の分布画像を、コンピューター１０ａに対応づけて格納された励振電圧の振幅と金属ワイア先端３ａのＸＹ方向の位置とに基づいて表示する。

図５（ａ）は、散逸像の一例を示した説明図である。なお、図５（ａ）は、ｄＣ／ｄＶ像である図５（ｂ）と同時走査によって、試料１の１．８μｍ×１．８μｍの範囲で得られたものである。

図５（ａ）に示す散逸像の一例では、ｄＣ／ｄＶ像である図５（ｂ）と同様に、ＦＥＴのソース／ドレイン構造が観察されている。

次に、図４に示した本発明に関わる第二の実施の形態の動作を説明する。なお、以下では、図４に示した第二の実施の形態の動作の中で、図２に示した第一の実施の形態の動作と異なる点を中心に説明する。

コンピューター１０ａは、オートオートゲインコントローラ５ａが音叉型水晶振動子４に供給する励振電圧（駆動電圧）の振幅を金属ワイア先端３ａのＸＹ方向の位置と対応させて、内蔵する記憶手段に格納する。離散像表示置１９は、試料１における励振電圧の振幅の走査面内の分布画像を、コンピューター１０ａに対応づけて格納された励振電圧の振幅と金属ワイア先端３ａのＸＹ方向の位置とに基づいて表示する。

また、コンピューター１０ａは、内蔵する記憶手段（不図示）に、走査用圧電素子２のＺ方向の移動量に相当する差動アンプ１０ｂから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。トポ像表示装置１２は、コンピューター１０ａに対応されて格納された、走査用圧電素子２のＺ方向の移動量に相当する差動アンプ１０ｂからの出力と金属ワイア先端３ａのＸＹ方向の位置とに基づいて試料１のトポ像（表面形状像）を表示する。

また、ロックインアンプ１４は、電圧変調回路７が試料１に印加した交流電圧の周波数ｆ₁を用いて容量センサ８の出力信号Ｃを検波し、金属ワイア先端３ａと試料１との間の静電容量の電圧微分に相当するｄＣ／ｄＶ信号を検出する。

コンピューター１０ａは、ロックインアンプ１４が出力した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、内蔵する記憶手段（不図示）に格納する。

ｄＣ／ｄＶ表示装置１５は、試料１のｄＣ／ｄＶ信号の走査面内の分布画像を、コンピューター１０ａに対応されて格納されたｄＣ／ｄＶ信号と金属ワイア先端３ａのＸＹ方向の位置とに基づいて表示する。

また、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５ａから供給される周波数ｆ₀を用いて容量センサ８の出力信号Ｃ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。

コンピューター１０ａは、ｄＣ／ｄＺ信号を金属ワイア先端３ａのＸＹ方向の位置と対応させて、内蔵する記憶手段（不図示）に格納する。

ｄＣ／ｄＺ表示装置１７は、試料１のｄＣ／ｄＺ信号の走査面内の分布画像を、コンピューター１０ａに対応されて格納されたｄＣ／ｄＺ信号と金属ワイア先端３ａのＸＹ方向の位置とに基づいて表示する。

また、ロックインアンプ１６は、電圧変調回路７が試料１に供給する交流電圧の周波数ｆ₁の第二高調波、すなわち２ｆ₁を用いて容量センサ８の出力信号を検波し、２ｆ信号を検出する。

コンピューター１０ａは、２ｆ信号を金属ワイア先端３ａのＸＹ方向の位置と対応させて、内蔵する記憶手段（不図示）に格納する。

２ｆ表示装置１８は、試料１の２ｆ信号の走査面内の分布画像を、コンピューター１０ａに対応づけて格納された２ｆ信号と金属ワイア先端３ａのＸＹ方向の位置とに基づいて表示する。

図４に示した本発明に関わる第二の実施の形態では、試料１の１回の走査によって、水晶振動子４と金属ワイア３からなる複合振動子のＱ値の変化である散逸像を、ｄＣ／ｄＶ像、ｄＣ／ｄＺ像、２ｆ像などと同時に取得することで、それらが各々単独で画像化された場合よりも詳細に、試料における電気的構造に関する情報を得ることが可能となる。

例えば、図５に示すような研磨処理を施されたＦＥＴの断面を観察した場合、ｄＣ／ｄＶ像においては、シリコン基板あるいはポリシリコン電極と酸化シリコンで形成された表面保護膜との界面は不鮮明である。なぜならば、ドーパント濃度が高いシリコン基板表面近傍やポリシリコン電極ではｄＣ／ｄＶ信号の感度は低いからである。一方で、ソース／ドレインの接合近傍では大きなｄＣ／ｄＶ信号が得られる。これはドーパント濃度が低いほうがｄＣ／ｄＶ信号の感度は高くなるからである。

それに対して散逸像では、シリコン基板と酸化シリコンで形成された表面保護膜との界面に存在する研磨処理によって生じた微小な段差により、水晶振動子４と金属ワイア３からなる複合振動子のＱ値は大きく変化する。ゆえに、図５（ａ）に示すように、散逸像ではシリコン基板表面がｄＣ／ｄＶ像に比べてより強調されて画像化される。また同様の理由で、ポリシリコン電極とシリコン基板との境界も強調されて画像化される。

逆に、散逸像では、ソース／ドレインの接合近傍などのような電気的な構造によるＱ値の変化は、段差などによるＱ値の変化に比べてはるかに小さい。このため、散逸像のみで試料の電気的な構造を観察しようとすれば、試料表面の凹凸などによる影響を受けてしまい正確な電気的構造を読み取ることができない。

したがって、散逸像とｄＣ／ｄＶ像とを同時走査により取得し、それらの画像を重ね合わせて比較することによりシリコン基板表面からの深さ方向にわたるドーパントの分布に関わる情報をより詳細に得ることが可能となる。例えば、コンピューター１０ａが、散逸像とｄＣ／ｄＶ像の重ね合わせ画像を形成し、この重ね合わせ画像を散逸像表示装置１９に表示させる。

なお、コンピューター１０ａは、散逸像とｄＣ／ｄＶ像とを重ね合わせる際、散逸像のＸＹ座標とｄＣ／ｄＶ像のＸＹ座標とが重なるようにすることが望ましい。走査型プローブ顕微鏡のユーザは、この重ね合わせ画像に基づいて、ポリシリコン電極端からソース／ドレインの接合位置までの距離のようにデバイス特性に重大な影響を与えるパラメーターを得ることができる。

なお、第二の実施の形態では、オートマチックゲインコントロール５ａは、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ていたが、本発明はこれに限定されるものではなく、オートマチックゲインコントロール５ａから水晶振動子４へと供給される励振電圧の振幅は一定であっても良い。この場合、水晶振動子４の振動振幅の変化によって水晶振動子４と金属ワイア３からなる複合振動子のＱ値の変化が判る。ゆえに、コンピューター１０ａが、水晶振動子４の振動振幅と金属ワイア先端３ａのＸＹ方向の位置と対応させて、内蔵する記憶手段に格納し、試料１における水晶振動子４の振動振幅の分布画像を散逸像表示装置１９上に表示される。

なお、コンピューター１０ａは、ドーパント密度表示、表面形状表示、第２ドーパント密度表示、容量変化表示およびｐ−ｎ接合位置表示の中の少なくとも２つの表示を同時に表示させるようにしてもよい。この場合、走査型プローブ顕微鏡のユーザは、複数種類の表示を同時に観察することが可能となり、試料の観察が容易になる。

また、コンピューター１０ａは、ドーパント密度表示、表面形状表示、第２ドーパント密度表示、容量変化表示およびｐ−ｎ接合位置表示の中の少なくとも２つの表示を重ね合わせて表示部に表示させるようにしてもよい。この場合、コンピューター１０ａは、表示を重ね合わせる際、重ね合わせる像同士のＸＹ座標が重なるようにすることが望ましい。なお、コンピューター１０ａは、表示を重ね合わせる際、重ね合わせる表示の透過度を変化させた表示を重ね合わせることが望ましい。この場合、走査型プローブ顕微鏡のユーザは、試料に関する情報を詳細に得ることが可能となる。

本実施例では、水晶振動子４と金属ワイア３からなる複合振動子のＱ値の変化を、ｄＣ／ｄＶ像、ｄＣ／ｄＺ像、２ｆ像などと同時に画像化することにより、シリコン基板中におけるドーパントの分布に関わる情報をより詳細に得ることが可能となる。

以上説明した各実施例において、図示した構成は単なる一例であって、本発明はその構成に限定されるものではない。

本発明の一実施例の走査型プローブ顕微鏡を示したブロック図である。 本発明の第一の実施の形態の走査型プローブ顕微鏡を示したブロック図である。 図２に示した走査型プローブ顕微鏡によって取得された画像の一例を示した説明図である。 本発明の第二の実施の形態の走査型プローブ顕微鏡を示したブロック図である。 図４に示した走査型プローブ顕微鏡によって取得された画像の一例を示した説明図である。 従来の走査型プローブ顕微鏡を示したブロック図である。 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した説明図である。

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
３ｂ 基部
３ｃ 曲げ部
４ 水晶振動子
４ａ１、４ａ２ プロンジ
４ｂ 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 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 トポ層表示装置
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
１９ 散逸像表示装置

Claims (10)

1. 試料とプローブ先端との距離を示す距離情報を出力するプローブ装置であって、
   前記プローブ先端としての先鋭化された一端が前記試料と対向するように設けられ、かつ、該一端と該試料との間の距離に応じた力を受ける検出部と、
   前記検出部の第１箇所を保持する保持部と、
   前記検出部の第１箇所と異なる第２箇所を保持し、かつ、入力される駆動信号に基づいて共振するとともに該共振に基づいた振動を示す振動情報を前記距離情報として出力する圧電素子とを含み、
   前記検出部のバネ定数が、前記圧電素子のバネ定数の１０％以下であることを特徴とするプローブ装置。
2. 試料とプローブ先端との距離を示す距離情報を出力するプローブ装置であって、
   前記プローブ先端としての先鋭化された一端が前記試料と対向するように設けられ、かつ、該一端と該試料との間の距離に応じた力を受ける検出部と、
   前記検出部の第１箇所を保持する保持部と、
   入力される駆動信号に基づいて共振するとともに該共振に基づいた振動を示す振動情報を前記距離情報として出力する圧電素子と、
   前記圧電素子の質量の１０％以下の質量を有し、前記検出部の第１箇所と異なる第２箇所を前記圧電素子に固着する固着部材とを含むことを特徴とするプローブ装置。
3. 請求項１または２に記載のプローブ装置を用いる走査型プローブ顕微鏡であって、
   前記試料は、半導体試料であり、
   前記圧電素子が出力する振動情報は、該圧電素子と前記検出部とを含む共振器の振動の振幅を示し、
   前記検出部の一端と前記試料との間の距離に応じた力に応じて変化する前記共振器のＱ値を前記振動情報が示す共振器の振動の振幅に基づいて検出するＱ値検出部と、
   前記試料内のドーパント密度を示すドーパント密度表示を前記Ｑ値検出部によって検出されたＱ値に基づいて行うドーパント密度表示部とを含むことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
4. 請求項３に記載の走査型プローブ顕微鏡において、
   前記圧電素子が出力する振動情報は、さらに、前記共振器の振動の周波数を示し、
   前記検出部は、導電性であり、
   前記試料の表面形状を示す表面形状表示を前記振動情報によって示される共振器の振動の周波数に基づいて行う表面形状表示部と、
   前記試料に所定の周波数の交流電圧を印加する交流電圧印加部と、
   前記検出部の一端と前記試料との間の静電容量を検出する静電容量検出部と、
   前記試料内のドーパント密度を示す第２ドーパント密度表示を、前記静電容量検出部によって検出される静電容量および前記所定の周波数とに基づいて行う第２ドーパント密度表示部と、
   前記試料内の容量の変化を示す容量変化表示を、前記静電容量検出部によって検出される静電容量および前記振動情報によって示される共振器の振動の周波数とに基づいて行う容量変化表示部と、
   前記試料のｐ−ｎ接合位置を示すｐ−ｎ接合位置表示を、前記静電容量検出部によって検出される静電容量および前記所定の周波数の２倍の周波数とに基づいて行うｐ−ｎ接合位置表示部とを含むことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
5. 請求項４に記載の走査型プローブ顕微鏡において、
   前記ドーパント密度表示、前記表面形状表示、前記第２ドーパント密度表示、前記容量変化表示および前記ｐ−ｎ接合位置表示の中の少なくとも２つの表示を同時に表示させる表示制御部をさらに含むことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
6. 請求項５に記載の走査型プローブ顕微鏡において、
   前記表示制御部は、前記ドーパント密度表示、前記表面形状表示、前記第２ドーパント密度表示、前記容量変化表示および前記ｐ−ｎ接合位置表示の中の少なくとも２つの表示を重ね合わせて表示部に表示させることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
7. 請求項１または２に記載のプローブ装置を用いる走査型プローブ顕微鏡が行う試料表示方法であって、
   前記試料は、半導体試料であり、
   前記圧電素子が出力する振動情報は、該圧電素子と前記検出部とを含む共振器の振動の振幅を示し、
   前記検出部の一端と前記試料との間の距離に応じた力に応じて変化する前記共振器のＱ値を前記振動情報が示す共振器の振動の振幅に基づいて検出するＱ値検出ステップと、
   前記試料内のドーパント密度を示すドーパント密度表示を前記Ｑ値検出ステップで検出したＱ値に基づいて行うドーパント密度表示ステップとを含むことを特徴とする試料表示方法。
8. 請求項７に記載の試料表示方法において、
   前記圧電素子が出力する振動情報は、さらに、前記共振器の振動の周波数を示し、
   前記検出部は、導電性であり、
   前記試料の表面形状を示す表面形状表示を前記振動情報によって示される共振器の振動の周波数に基づいて行う表面形状表示ステップと、
   前記試料に所定の周波数の交流電圧が印加する交流電圧印加ステップと、
   前記検出部の一端と前記試料との間の静電容量を検出する静電容量検出ステップと、
   前記試料内のドーパント密度を示す第２ドーパント密度表示を、前記静電容量検出ステップで検出した静電容量および前記所定の周波数とに基づいて行う第２ドーパント密度表示ステップと、
   前記試料内の容量の変化を示す容量変化表示を、前記静電容量検出ステップで検出した静電容量および前記振動情報によって示される共振器の振動の周波数とに基づいて行う容量変化表示ステップと、
   前記試料のｐ−ｎ接合位置を示すｐ−ｎ接合位置表示を、前記静電容量検出ステップで検出した静電容量および前記所定の周波数の２倍の周波数とに基づいて行う容量変化度表示ステップとを含むことを特徴とする試料表示方法。
9. 請求項８に記載の試料表示方法において、
   前記ドーパント密度表示、前記表面形状表示、前記第２ドーパント密度表示、前記容量変化表示および前記ｐ−ｎ接合位置表示の中の少なくとも２つの表示を同時に表示する表示制御ステップをさらに含むことを特徴とする試料表示方法。
10. 請求項９に記載の試料表示方法において、
    前記表示制御ステップは、前記ドーパント密度表示、前記表面形状表示、前記第２ドーパント密度表示、前記容量変化表示および前記ｐ−ｎ接合位置表示の中の少なくとも２つの表示を重ね合わせて表示することを特徴とする試料表示方法。