JP2006145490A - 走査型プローブ顕微鏡を用いた測定方法およびその走査型プローブ顕微鏡、並びに、ケルビンフォース顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】 高い定量精度を有する走査型プローブ顕微鏡を用いた測定方法、および、その走査型プローブ顕微鏡を提供する。
【解決手段】 本発明に係る走査型プローブ顕微鏡を用いた測定方法は，
探針１１６と参照試料２０との間に作用する物理量を検出して参照試料２０の物性値を測定する工程と、
参照試料２０の物性値を測定する工程によって得られた測定結果の測定誤差を算出する工程と、
探針１１６と試料４との間に作用する物理量を検出して試料４の物性値を測定する工程と、
試料４の物性値を測定する工程によって得られた測定結果を、前記測定誤差を基に補正する工程と、を含む。
【選択図】 図２

Description

本発明は、走査型プローブ顕微鏡を用いた測定方法およびその走査型プローブ顕微鏡、並びに、ケルビンフォース顕微鏡に関する。

走査型プローブ顕微鏡（Scanning Probe Microscope：ＳＰＭ）は、探針の先端を試料に近づけた際に、試料と探針の間に働く原子間力などの相互作用を測定量として、試料表面の物理量の分布を可視化できる顕微鏡である。この走査型プローブ顕微鏡の一種として、ケルビンフォース顕微鏡（Kelvin Probe Force Microscope：ＫＦＭ）がある。この顕微鏡は、試料表面の凹凸情報および電位分布を測定できる。
特開２０００−３２９６８０号公報

本発明の目的は、高い定量精度を有する走査型プローブ顕微鏡を用いた測定方法、および、その走査型プローブ顕微鏡を提供することにある。また、本発明の目的は、高い定量精度を有するケルビンフォース顕微鏡を提供することにある。

本発明に係る走査型プローブ顕微鏡を用いた測定方法は、
探針と参照試料との間に作用する物理量を検出して該参照試料の物性値を測定する工程と、
前記参照試料の物性値を測定する工程によって得られた測定結果の測定誤差を算出する工程と、
探針と試料との間に作用する物理量を検出して該試料の物性値を測定する工程と、
前記試料の物性値を測定する工程によって得られた測定結果を、前記測定誤差を基に補正する工程と、を含む。

この走査型プローブ顕微鏡を用いた測定方法では、前記参照試料の物性値の測定によって得られた測定結果の測定誤差を基に、前記試料の物性値の測定によって得られた測定結果を補正する。これにより、前記試料の物性値の精密な測定を行うことができる。

なお、本発明において、前記参照試料の物性値を測定する工程によって得られた測定結果とは、前記参照試料の物性値自体の測定結果と、前記参照試料の物性値を求める過程において測定される物理量の測定結果と、を含む。同様に、前記試料の物性値を測定する工程によって得られた測定結果とは、前記試料の物性値自体の測定結果と、前記試料の物性値を求める過程において測定される物理量の測定結果と、を含む。

本発明に係る走査型プローブ顕微鏡を用いた測定方法において、
前記探針と前記参照試料とに、同じ材料を用いることができる。

本発明に係る走査型プローブ顕微鏡を用いた測定方法において、
前記参照試料の物性値を測定する工程および前記測定誤差を算出する工程は、前記探針を交換した際に行うことができる。

本発明に係る走査型プローブ顕微鏡を用いた測定方法において、
前記試料の物性値を測定する工程によって得られた測定結果を補正する工程は、前記試料の物性値を測定する工程によって得られた測定結果に前記測定誤差を加算または減算することができる。

本発明に係る走査型プローブ顕微鏡を用いた測定方法において、
前記物理量は、静電気力であり、
前記物性値は、仕事関数であり、
前記走査型プローブ顕微鏡は、ケルビンフォース顕微鏡であることができる。

本発明に係る走査型プローブ顕微鏡は、
探針と参照試料との間に作用する物理量を検出して該参照試料の物性値を測定でき、かつ、前記探針と試料との間に作用する物理量を検出して該試料の物性値を測定する測定部と、
前記参照試料の物性値を測定させることができ、かつ、前記試料の物性値を測定させる測定制御部と、
前記参照試料の物性値の測定によって得られた測定結果の測定誤差の算出を行うことができる算出部と、
前記測定誤差を基に、前記試料の物性値の測定によって得られた測定結果の補正を行う補正部と、を含み、
前記測定部は、
カンチレバーと、
前記カンチレバーの自由端に支持された前記探針と、
前記参照試料および前記試料が搭載される試料台と、
前記参照試料および前記試料に対する前記探針の位置を調整する位置調整部と、を含む。

この走査型プローブ顕微鏡によれば、前記補正を行わない場合に比べ、走査型プローブ顕微鏡１００の定量精度を向上させることができる。

なお、本発明において、前記参照試料の物性値の測定によって得られた測定結果とは、前記参照試料の物性値自体の測定結果と、前記参照試料の物性値を求める過程において測定される物理量の測定結果と、を含む。同様に、前記試料の物性値の測定によって得られた測定結果とは、前記試料の物性値自体の測定結果と、前記試料の物性値を求める過程において測定される物理量の測定結果と、を含む。

本発明に係る走査型プローブ顕微鏡において、
前記探針と前記参照試料とは、同じ材料からなることができる。

本発明に係る走査型プローブ顕微鏡において、
前記算出部は、前記探針を交換した際に、前記算出を行うことができる。

本発明に係る走査型プローブ顕微鏡において、
前記補正部は、前記試料の物性値の測定によって得られた測定結果に前記測定誤差を加算または減算することができる。

本発明に係る走査型プローブ顕微鏡は、
第１探針と参照試料との間に作用する物理量を検出して該参照試料の物性値を測定できる第１測定部と、
第２探針と試料との間に作用する物理量を検出して該試料の物性値を測定する第２測定部と、
前記参照試料の物性値を測定させることができる第１測定制御部と、
前記試料の物性値を測定させる第２測定制御部と、
前記参照試料の物性値の測定によって得られた測定結果の測定誤差の算出を行うことができる算出部と、
前記測定誤差を基に、前記試料の物性値の測定によって得られた測定結果の補正を行う補正部と、を含み、
前記第１測定部は、
第１カンチレバーと、
前記第１カンチレバーの自由端に支持された前記第１探針と、
前記参照試料が搭載される第１試料台と、
前記参照試料に対する前記第１探針の位置を調整する第１位置調整部と、を含み、
前記第２測定部は、
第２カンチレバーと、
前記第２カンチレバーの自由端に支持された前記第２探針と、
前記試料が搭載される第２試料台と、
前記試料に対する前記第２探針の位置を調整する第２位置調整部と、を含む。

本発明に係るケルビンフォース顕微鏡は、
探針と参照試料との間に作用する静電気力を検出して該参照試料の仕事関数を測定でき、かつ、前記探針と試料との間に作用する静電気力を検出して該試料の仕事関数を測定する測定部と、
前記参照試料の仕事関数を測定させることができ、かつ、前記試料の仕事関数を測定させる測定制御部と、
前記参照試料の仕事関数の測定によって得られた測定結果の測定誤差の算出を行うことができる算出部と、
前記測定誤差を基に、前記試料の仕事関数の測定によって得られた測定結果の補正を行う補正部と、を含み、
前記測定部は、
カンチレバーと、
前記カンチレバーの自由端に支持された前記探針と、
前記参照試料および前記試料が搭載される試料台と、
前記参照試料および前記試料に対する前記探針の位置を調整する位置調整部と、を含む。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。

１．走査型プローブ顕微鏡
図１は、本実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡１００の機能ブロック図の一例である。図２は、本実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡１００の測定部１１０を模式的に示す斜視図である。本実施形態においては、走査型プローブ顕微鏡１００が、その一種であるケルビンフォース顕微鏡である場合について説明する。なお、本実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡１００は、図１の構成要素（各部）を全て含む必要はなく、その一部を省略した構成とすることもできる。

本実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡１００は、図１に示すように、測定部１１０と、表示部１３０と、入力部１３２と、コンピュータ１５０と、を含む。以下に、本実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡１００を構成する各部について説明する。

測定部１１０は、プローブ１１２と、試料台１１８と、位置調整部１２０と、電源回路部１２２と、を含む。プローブ１１２は、図１および図２に示すように、カンチレバー１１４と、カンチレバー１１４の自由端に支持された探針１１６と、カンチレバー１１４を支持する支持部１１５と、を含む。試料台１１８には、図２に示すように、参照試料２０および試料４が搭載されている。位置調整部１２０は、参照試料２０および試料４に対する探針１１６の位置を調整する。図２に示す例では、位置調整部１２０は、圧電素子により試料台１１８を移動させて、参照試料２０および試料４に対する探針１１６の位置を調整する。より具体的には、圧電素子は、図２に示すように、Ｘ方向に試料台１１８を移動させる第１圧電素子１と、Ｙ方向に試料台１１８を移動させる第２圧電素子２と、Ｚ方向に試料台１１８を移動させる第３圧電素子３と、を含む。第１圧電素子１、第２圧電素子２、および第３圧電素子３は、試料台１１８を微動させることができる。参照試料２０および試料４に対する探針１１６の走査は、圧電素子駆動装置（図示せず）より発生した電圧を、Ｘ方向の第１圧電素子１およびＹ方向の第２圧電素子２に印加することにより行う。

電源回路部１２２は、プローブ１１２（より具体的には、探針１１６）、および、試料台１１８（より具体的には、参照試料２０および試料４）のうちの少なくとも一方に電圧を印加することができる。電源回路部１２２は、例えば、交流電源と、所望の回路構成を有する電気配線と、からなることができる。なお、本実施形態では、プローブ１１２は接地され、電源回路部１２２は、試料台１１８に電圧を印加する例について説明する。

測定部１１０は、探針１１６と参照試料２０との間に作用する静電気力を検出して参照試料２０の仕事関数φ_Ｓを測定でき、かつ、探針１１６と試料４との間に作用する静電気力を検出して試料４の仕事関数を測定する。詳細については、後述する。

表示部１３０は、走査型プローブ顕微鏡１００の設定状態あるいは作動状態（制御状態）などを画像出力するものであり、その機能は、ＣＲＴ、ＬＣＤ、あるいはタッチパネル型ディスプレイなどのハードウェアにより実現できる。

入力部１３２は、走査型プローブ顕微鏡１００のオペレータが各種の設定データや操作データを入力するためのものであり、その機能は、キーボード、操作ボタン、タッチパネル型ディスプレイ、あるいは操作レバーなどのハードウェアにより実現できる。

コンピュータ１５０は、測定制御部１５２と、情報処理部１５７と、記憶部１６０と、を含む。

測定制御部１５２（プロセッサ）は、測定部１１０からの測定データ、入力部１３２からの入力データ、記憶部１６０に格納された制御プログラムなどに基づいて各種の制御処理を行う。また、測定制御部１５２は、記憶部１６０をワーク領域として各種処理を行う。この測定制御部１５２の機能は、各種プロセッサ（ＣＰＵ、ＤＳＰ等）やＡＳＩＣ（ゲートアレイ等）などのハードウェアや、プログラム（制御プログラム）により実現できる。

測定制御部１５２は、位置制御部１５４と、電源回路制御部１５５と、を含む。位置制御部１５４は、位置調整部１２０を制御する。具体的には、位置制御部１５４は、試料台１１８の位置と、プローブ１１２（具体的には、探針１１６）の位置との組合せにより、試料台１１８上の試料４または参照試料２０に対して、プローブ１１２の位置を算出し、算出結果に基づく所定位置に試料台１１８、またはプローブ１１２、あるいは、試料台１１８およびプローブ１１２の両方を移動させる制御処理を行う。

電源回路制御部１５５は、電源回路部１２２によるプローブ１１２および試料台１１８のうちの少なくとも一方への電圧印加を制御する処理を行うものである。

測定制御部１５２は、参照試料２０の仕事関数を測定させることができ、かつ、試料４の仕事関数を測定させる。詳細については、後述する。

情報処理部１５７（プロセッサ）は、測定部１１０からの測定データ、入力部１３２からの入力データ、記憶部１６０に格納された情報処理プログラムなどに基づいて各種の情報処理を行う。また、情報処理部１５７は、記憶部１６０をワーク領域として各種処理を行う。この情報処理部１５７の機能は、各種プロセッサ（ＣＰＵ、ＤＳＰ等）やＡＳＩＣ（ゲートアレイ等）などのハードウェアや、プログラム（情報処理プログラム）により実現できる。

情報処理部１５７は、算出部１５６と、補正部１５８と、を含む。算出部１５６は、参照試料２０の仕事関数の測定によって得られた測定結果の測定誤差を算出する。補正部１５８は、参照試料２０の仕事関数の測定によって得られた測定結果の測定誤差を基に、試料４の仕事関数の測定によって得られた測定結果を補正する。これらの詳細については、後述する。

記憶部１６０は、各種の設定データ（例えば、位置制御用データ、電源回路制御用データなど）を記憶する他に、測定制御部１５２および情報処理部１５７などの各種処理機能を実現するためのワーク領域となるもので、その機能はＲＡＭ、ＲＯＭ、光ディスク（ＣＤ、ＤＶＤ）、光磁気ディスク（ＭＯ）、磁気ディスク、あるいは磁気テープなどのハードウェアにより実現できる。記憶部１６０には、本実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡１００の各部を機能させるためのプログラム（各部の処理をコンピュータ１５０により実行させるためのプログラム）が記憶される。

２．走査型プローブ顕微鏡を用いた測定方法
次に、本実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡１００を用いた測定方法について、図１〜図４を用いて説明する。

（１）まず、図２に示すように、カンチレバー１１４の先端部に探針１１６が取り付けられているプローブ１１２を用意する。また、試料台１１８の上に参照試料２０および試料４を配置する。参照試料２０としては、探針１１６（より具体的には、探針１１６の先端をコーティングしている材料）と同じ材料を用いることが好ましい。試料４は、その物性値（例えば、仕事関数）を求めたい目的物である。

（２）次に、探針１１６の下に参照試料２０が位置するように、試料台１１８を移動させる。次に、探針１１６と参照試料２０との間に作用する物理量を検出して参照試料２０の物性値を測定する。例えば、走査型プローブ顕微鏡１００がケルビンフォース顕微鏡である場合では、探針１１６と参照試料２０との間に作用する静電気力を検出して参照試料２０の仕事関数φ_Ｓを測定する。具体的には、以下の通りである。

まず、カンチレバー１１４の先端部に設けられた探針１１６を参照試料２０の表面に接近させる。その結果、探針１１６は、参照試料２０より相互作用（静電気力）を受け、カンチレバー１１４にたわみとねじれが生じる。カンチレバー１１４のたわみとねじれは、光てこ方式により検出される。光てこ方式とは、例えば、図２に示すように、半導体レーザ７から出射されたレーザ光を、レンズ８によりカンチレバー１１４上に集光し、その反射光を四分割フォトダイオード９により検出する方式である。半導体レーザ７の出力は、例えば数ｍＷとすることができる。四分割フォトダイオード９は、第１分割部Ａ、第２分割部Ｂ、第３分割部Ｃ、および第４分割部Ｄの４つに分割される。第１分割部Ａおよび第３分割部Ｃは、参照試料２０と反対側へのカンチレバー１１４のたわみにより生じるレーザ光の変位を検出することができる。逆に、第２分割部Ｂおよび第４分割部Ｄは、参照試料２０側へのカンチレバー１１４のたわみにより生じるレーザ光の変位を検出することができる。

第１分割部Ａ、第２分割部Ｂ、第３分割部Ｃ、第４分割部Ｄの出力をそれぞれａ、ｂ、ｃ、ｄとすると、たわみは（ａ＋ｃ）−（ｂ＋ｄ）で算出され、ねじれは（ａ＋ｂ）−（ｃ＋ｄ）の絶対値として算出される。算出されたたわみとねじれは、その各々に対して設定値と比較される。例えば、原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscope：ＡＦＭ）では、この比較結果に応じて、位置制御部１５４が制御信号を発信し、制御電圧がＺ方向の第３圧電素子３に印加される。より具体的には、算出されたたわみが設定値よりも大きい場合には、制御電圧は、参照試料２０が探針１１６から離れるように、即ち、第３圧電素子３が縮むように印加される。逆に、算出されたたわみが設定値よりも小さい場合には、参照試料２０が探針１１６へ近づくように、即ち、第３圧電素子３が伸びるように印加される。このようにして、参照試料２０と探針１１６との間に働く力が一定になるようにフィードバック制御が行われる。さらに、ケルビンフォース顕微鏡（ＫＦＭ）では、参照試料２０と探針１１６との間に電圧などを印加することによりフィードバック制御を行う。これらのフィードバック信号をコンピュータ１５０またはストレージオシロスコープなどにより画像化することにより、参照試料２０の表面の物理情報（凹凸情報、表面電位情報など）を画像化することができる。

本実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡（ケルビンフォース顕微鏡）１００では、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の原理により測定した参照試料２０の表面の凹凸情報を元に、探針１１６と参照試料２０との間の距離を一定に保った状態で生じる静電気力に起因するカンチレバー１１４のたわみをキャンセルするように、探針１１６と参照試料２０との間にオフセット電圧Ｖ_ｏｆｆを印加している。これにより、参照試料２０の仕事関数φ_Ｓを測定できる。具体的には、以下の通りである。

図３および図４は、本実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡１００を用いた仕事関数の測定方法の原理を模式的に示すエネルギー図である。図３および図４では、参照試料２０として、ｎ型シリコンを用いた場合について示す。

図３は、探針１１６と参照試料２０とが導通状態にあり、フェルミレベルＥ_Ｆが共通である場合を示している。この場合、参照試料２０の表面と、接地された探針１１６とにより構成されるコンデンサの両極に誘起される誘導電荷間の静電気力Ｆ_Ｅの発生原因（即ち、真空準位Ｅ_ｖａｃの違いが生じる原因）は、探針１１６の仕事関数φ_Ｔと参照試料２０の仕事関数φ_Ｓとの差Δφである。次に、図４に示すように、静電気力Ｆ_Ｅをキャンセルするように参照試料２０にオフセット電圧Ｖ_ｏｆｆを電源回路部１２２から印加する。即ち、真空準位Ｅ_ｖａｃが共通となるようにオフセット電圧Ｖ_ｏｆｆを印加する。オフセット電圧Ｖ_ｏｆｆは、以下の式で示される。

Ｖ_ｏｆｆ＝（φ_Ｔ−φ_Ｓ）／ｅ＝Δφ／ｅ
従って、探針１１６の仕事関数φ_Ｔが既知である場合、オフセット電圧Ｖ_ｏｆｆを測定することにより、参照試料２０の仕事関数φ_Ｓを求めることができる。なお、ｅは、電気素量である。

以上のようにして測定された参照試料２０の仕事関数φ_Ｓの測定結果は、コンピュータ１５０の記憶部１６０に保存されることができる。

（３）次に、コンピュータ１５０の算出部１５６により、参照試料２０の仕事関数φ_Ｓの測定によって得られた測定結果の測定誤差を算出する。本実施形態において、参照試料２０の仕事関数φ_Ｓの測定によって得られた測定結果とは、参照試料２０の仕事関数φ_Ｓ自体の測定結果と、参照試料２０の仕事関数φ_Ｓを求める過程において測定されるオフセット電圧Ｖ_ｏｆｆの測定結果と、を含む。従って、本実施形態において、参照試料２０の仕事関数φ_Ｓの測定によって得られた測定結果の測定誤差とは、参照試料２０の仕事関数φ_Ｓの測定誤差αと、オフセット電圧Ｖ_ｏｆｆの測定誤差βと、を含む。

走査型プローブ顕微鏡１００を用いて、例えば探針１１６と同一の材料の参照試料２０の仕事関数φ_Ｓを測定すると、理想的には、探針１１６の仕事関数φ_Ｔと参照試料２０の仕事関数φ_Ｓは一致するはずであるから、探針１１６に働く静電気力Ｆ_Ｅはゼロになり、オフセット電圧Ｖ_ｏｆｆもゼロ（Ｖ）となる。しかし、実際には、探針１１６などに起因する測定誤差が生じ、オフセット電圧Ｖ_ｏｆｆはゼロにならない場合がある。つまり、この場合のオフセット電圧Ｖ_ｏｆｆの測定値が、走査型プローブ顕微鏡１００の全体に起因するオフセット電圧Ｖ_ｏｆｆの測定誤差βとなる。そして、このオフセット電圧Ｖ_ｏｆｆの測定誤差βより、参照試料２０の仕事関数φ_Ｓの測定結果の測定誤差αを算出することができる。なお、参照試料２０として、探針１１６と異なる材料であって、仕事関数φ_Ｓが既知のものを用いることにより、参照試料２０の仕事関数φ_Ｓの測定結果の測定誤差αを算出することもできる。

上述した走査型プローブ顕微鏡１００の全体に起因する測定誤差αは、例えば、探針１１６の先端の電子状態のばらつきに起因する場合がある。探針１１６の先端の曲率半径は、例えば約１０ｎｍという微小な値が要求されるが、加工上のばらつきが生じる場合がある。さらに、導電性の探針１１６の場合、その先端に対して白金（Ｐｔ）などの導電性材料をメッキ法にてコーティングしている。しかし、このコーティング層の膜厚などを精度良く所望の値にすることは困難な場合がある。上述の理由により、探針１１６の先端の電子状態を制御することが難しいため、測定誤差αが生じる場合がある。また、測定誤差αは、例えば、参照試料２０と探針１１６との間の物質（例えば、空気）の誘電率のばらつきに起因する場合がある。なお、探針１１６を交換する場合には、探針１１６ごとに上述した測定誤差要因の程度が異なるため、探針１１６ごとに異なる測定誤差αを生じさせる場合がある。

なお、参照試料２０の仕事関数φ_Ｓの測定によって得られた測定結果の測定誤差を求める本工程は、次に述べる試料４の物性値を測定する工程の後に行うこともできる。

（４）次に、探針１１６の下に試料４が位置するように、試料台１１８を移動させる。次に、探針１１６と試料４との間に作用する物理量を検出して試料４の物性値を測定する。例えば、走査型プローブ顕微鏡１００がケルビンフォース顕微鏡である場合では、探針１１６と試料４との間に作用する静電気力を検出して試料４の仕事関数を測定する。試料４の物性値（仕事関数）の測定は、上述した参照試料２０の物性値（仕事関数）の測定方法と同様にして行うことができる。測定された試料４の物性値の測定結果は、コンピュータ１５０の記憶部１６０に保存されることができる。

（５）次に、コンピュータ１５０の補正部１５８により、測定誤差αを基に、試料４の仕事関数の測定によって得られた測定結果を補正する。本実施形態において、試料４の仕事関数の測定によって得られた測定結果とは、試料４の仕事関数自体の測定結果と、試料４の仕事関数を求める過程において測定されるオフセット電圧の測定結果と、を含む。

具体的に補正は、例えば、試料４の仕事関数の測定結果に測定誤差αを加算または減算することにより行うことができる。測定誤差αを加算するか減算するかは、走査型プローブ顕微鏡１００の装置構成により適宜決定される。ここでいう走査型プローブ顕微鏡１００の装置構成とは、例えば、オフセット電圧Ｖ_ｏｆｆが参照試料２０側に印加されるか探針１１６側に印加されるかなどである。

なお、コンピュータ１５０の補正部１５８により、オフセット電圧Ｖ_ｏｆｆの測定結果の測定誤差βを基に、試料４の仕事関数の測定におけるオフセット電圧を補正することもできる。その結果、試料４の仕事関数の測定結果を補正することができる。従って、この場合、上述した参照試料２０の仕事関数φ_Ｓの測定結果の測定誤差αを算出せずに、試料４の仕事関数の測定結果を補正することができる。具体的にこの場合の補正は、例えば、試料４の仕事関数の測定におけるオフセット電圧に、測定誤差βを加算または減算することにより行うことができる。

（６）次に、必要に応じて、試料４の仕事関数の測定結果の補正結果を表示部１３０により表示することができる。

なお、上述したように、探針１１６を交換する場合には、探針１１６ごとに異なる測定誤差を生じさせる場合がある。このため、上述した参照試料２０の物性値を測定する工程および測定誤差を算出する工程は、探針１１６を交換した際に行うことが好ましい。

３．作用・効果
本実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡１００を用いた測定方法では、参照試料２０の物性値（仕事関数）の測定によって得られた測定結果の測定誤差を基に、試料４の物性値（仕事関数）の測定によって得られた測定結果を補正する。これにより、試料４の物性値の精密な測定を行うことができる。

同様に、本実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡１００によれば、上述した補正を行わない場合に比べ、走査型プローブ顕微鏡１００の定量精度を向上させることができる。

４．実験例
上述の走査型プローブ顕微鏡１００を用いた測定方法に基づき実験を行った。

探針１１６としては、先端を白金（Ｐｔ）によりコーティングされているものを用いた。コーティング層の厚みは、約２５ｎｍである。

参照試料２０としては、シリコン基板上に、ＳｉＯ_２およびＴｉＯ_２を介して成膜した白金（Ｐｔ）を用いた。成膜は、電子線蒸着法を用いて行った。

試料４としては、シリコン基板上に、ＴｉＷを介して成膜した金（Ａｕ）を用いた。成膜は、スパッタ法を用いて行った。

まず、参照試料２０の測定結果を表１に示す。なお、測定条件は、測定回数を２回、測定範囲を１０μｍ^２、走査速度（スキャンレート）を０．５Ｈｚ、探針１１６と参照試料２０との距離（リフトハイト）を５ｎｍとした。

本実験例では、参照試料２０と、探針１１６のコーティング層とは、同じ材料（白金）を用いているため、この測定結果より、測定誤差αが約３０．０ｍｅＶ（測定誤差βが約−３０．０ｍＶ）であることが分かる。

次に、試料４の測定結果を表２および図５に示す。なお、測定条件は、測定回数を７回、測定範囲を１０μｍ^２、走査速度（スキャンレート）を０．５Ｈｚ、探針１１６と試料４との距離（リフトハイト）を５ｎｍとした。

この測定結果より、補正前の試料４の仕事関数は、５．３７±０．０２ｅＶであることが分かる。この結果を、前記測定誤差αに基づき補正すると、５．３４±０．０２ｅＶとなる。なお、探針１１６の仕事関数φ_Ｔは、５．６５ｅＶとした。

また、試料４の材料として用いた金（Ａｕ）の仕事関数は、結晶面ごとに異なるので、試料４における金（Ａｕ）の層の配向をＸＲＤ法により調べた。その測定結果を図６に示す。この結果より、試料４における金（Ａｕ）の層は、（１１１）配向していることが確認された。金（Ａｕ）の（１１１）単結晶の仕事関数の文献値は、５．３１ｅＶである（小間篤編，“表面工学ハンドブック”，４月３０日第３刷発行，丸善(株)，１９９５）。上述したように、本実験例では、補正前の仕事関数が５．３７±０．０２ｅＶであり、補正後の仕事関数が５．３４±０．０２ｅＶであった。従って、試料４の測定結果を補正する本発明によれば、試料４の仕事関数をより正確に測定できることが確認された。

５．変形例
上述した例では、１つの測定部を用いて、参照試料の測定および試料の測定を行う場合について説明したが、例えば、図７に示すように、参照試料の測定と試料の測定とは、別の測定部を用いて行うこともできる。図７は、本実施形態の変形例に係る走査型プローブ顕微鏡２００の機能ブロック図である。参照試料の測定は、第１測定部２１０を用いて行われ、試料の測定は、第２測定部２１１を用いて行われる。これにより、走査型プローブ顕微鏡２００を用いた測定方法の自由度を向上させることができる。

図７に示すように、本変形例の走査型プローブ顕微鏡２００は、第１探針２１６と参照試料との間に作用する物理量を検出して参照試料の物性値を測定できる第１測定部２１０と、第２探針２１７と試料との間に作用する物理量を検出して試料の物性値を測定する第２測定部２１１と、表示部２３０と、入力部２３２と、コンピュータ２５０と、を含む。コンピュータ２５０は、参照試料の物性値を測定させることができる第１測定制御部２５２（第１位置制御部２５４と、第１電源回路制御部２５５と、を含む。）と、試料の物性値を測定させる第２測定制御部２５１（第２位置制御部２５３と、第２電源回路制御部２５９と、を含む。）と、情報処理部２５７（算出部２５６と、補正部２５８と、を含む。）と、記憶部２６０と、を含む。そして、第１測定部２１０は、第１プローブ２１２（第１カンチレバー２１４と、第１カンチレバー２１４の自由端に支持された第１探針２１６と、を含む。）と、参照試料が搭載される第１試料台２１８と、参照試料に対する第１探針２１６の位置を調整する第１位置調整部２２０と、第１電源回路部２２２と、を含む。また、第２測定部２１１は、第２プローブ２１３（第２カンチレバー２１５と、第２カンチレバー２１５の自由端に支持された第２探針２１７と、を含む。）と、試料が搭載される第２試料台２１９と、試料に対する第２探針２１７の位置を調整する第２位置調整部２２１と、第２電源回路部２２３と、を含む。本変形例の走査型プローブ顕微鏡２００は、参照試料の測定を、第１測定部２１０を用いて行い、試料の測定を、第２測定部２１１を用いて行うという点以外は、上述した走査型プローブ顕微鏡１００と基本的に同様である。従って、本変形例の走査型プローブ顕微鏡２００の各構成要素についての詳細な説明は省略する。

上記のように、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。

例えば、上述した実施形態では、走査型プローブ顕微鏡が、ケルビンフォース顕微鏡である場合について説明したが、本発明は、測定される試料の物性値に応じて、他の種類の走査型プローブ顕微鏡にも適用可能である。他の種類の走査型プローブ顕微鏡としては、例えば、走査型表面電位顕微鏡（Scanning Surface Potential Microscope：ＳＳＰＭ）、原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscope：ＡＦＭ）、走査型磁気力顕微鏡（Magnetic Force Microscope：ＭＦＭ）、走査型マクスウェル応力顕微鏡（Scanning Maxwell Stress Microscope：ＳＭＭ）などが挙げられるが、特にこれらに限定されるわけではない。

本実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の機能ブロック図。 本実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の測定部を模式的に示す斜視図。 本実施形態の走査型プローブ顕微鏡を用いた測定方法の原理を示す模式図。 本実施形態の走査型プローブ顕微鏡を用いた測定方法の原理を示す模式図。 実験例における試料の仕事関数の測定結果を示す図。 実験例における試料のＸＲＤパターンを示す図。 本実施形態の変形例に係る走査型プローブ顕微鏡の機能ブロック図。

符号の説明

１ 第１圧電素子、２ 第２圧電素子、３ 第３圧電素子、４ 試料、７ 半導体レーザ、８ レンズ、９ 四分割フォトダイオード、２０ 参照試料、１００ 走査型プローブ顕微鏡、１１０ 測定部、１１２ プローブ、１１４ カンチレバー、１１５ 支持部、１１６ 探針、１１８ 試料台、１２０ 位置調整部、１２２ 電源回路部、１３０ 表示部、１３２ 入力部、１５０ コンピュータ、１５２ 測定制御部、１５４ 位置制御部、１５５ 電源回路制御部、１５６ 算出部、１５７ 情報処理部、１５８ 補正部、１６０ 記憶部、２００ 走査型プローブ顕微鏡、２１０ 第１測定部、２１１ 第２測定部、２１２ 第１プローブ、２１３ 第２プローブ、２１４ 第１カンチレバー、２１５ 第２カンチレバー、２１６ 第１探針、２１７ 第２探針、２１８ 第１試料台、２１９ 第２試料台、２２０ 第１位置調整部、２２１ 第２位置調整部、２２２ 第１電源回路部、２２３ 第２電源回路部、２３０ 表示部、２３２ 入力部、２５０ コンピュータ、２５１ 第２測定制御部、２５２ 第１測定制御部、２５３ 第２位置制御部、２５４ 第１位置制御部、２５５ 第１電源回路制御部、２５６ 算出部、２５７ 情報処理部、２５８ 補正部、２５９ 第２電源回路制御部、２６０ 記憶部

Claims (11)

1. 探針と参照試料との間に作用する物理量を検出して該参照試料の物性値を測定する工程と、
   前記参照試料の物性値を測定する工程によって得られた測定結果の測定誤差を算出する工程と、
   探針と試料との間に作用する物理量を検出して該試料の物性値を測定する工程と、
   前記試料の物性値を測定する工程によって得られた測定結果を、前記測定誤差を基に補正する工程と、を含む、走査型プローブ顕微鏡を用いた測定方法。
2. 請求項１において、
   前記探針と前記参照試料とに、同じ材料を用いる、走査型プローブ顕微鏡を用いた測定方法。
3. 請求項１または２において、
   前記参照試料の物性値を測定する工程および前記測定誤差を算出する工程は、前記探針を交換した際に行う、走査型プローブ顕微鏡を用いた測定方法。
4. 請求項１〜３のいずれかにおいて、
   前記試料の物性値を測定する工程によって得られた測定結果を補正する工程は、前記試料の物性値を測定する工程によって得られた測定結果に前記測定誤差を加算または減算する、走査型プローブ顕微鏡を用いた測定方法。
5. 請求項１〜４のいずれかにおいて、
   前記物理量は、静電気力であり、
   前記物性値は、仕事関数であり、
   前記走査型プローブ顕微鏡は、ケルビンフォース顕微鏡である、走査型プローブ顕微鏡を用いた測定方法。
6. 探針と参照試料との間に作用する物理量を検出して該参照試料の物性値を測定でき、かつ、前記探針と試料との間に作用する物理量を検出して該試料の物性値を測定する測定部と、
   前記参照試料の物性値を測定させることができ、かつ、前記試料の物性値を測定させる測定制御部と、
   前記参照試料の物性値の測定によって得られた測定結果の測定誤差の算出を行うことができる算出部と、
   前記測定誤差を基に、前記試料の物性値の測定によって得られた測定結果の補正を行う補正部と、を含み、
   前記測定部は、
   カンチレバーと、
   前記カンチレバーの自由端に支持された前記探針と、
   前記参照試料および前記試料が搭載される試料台と、
   前記参照試料および前記試料に対する前記探針の位置を調整する位置調整部と、を含む、走査型プローブ顕微鏡。
7. 請求項６において、
   前記探針と前記参照試料とは、同じ材料からなる、走査型プローブ顕微鏡。
8. 請求項６または７において、
   前記算出部は、前記探針を交換した際に、前記算出を行う、走査型プローブ顕微鏡。
9. 請求項６〜８のいずれかにおいて、
   前記補正部は、前記試料の物性値の測定によって得られた測定結果に前記測定誤差を加算または減算する、走査型プローブ顕微鏡。
10. 第１探針と参照試料との間に作用する物理量を検出して該参照試料の物性値を測定できる第１測定部と、
    第２探針と試料との間に作用する物理量を検出して該試料の物性値を測定する第２測定部と、
    前記参照試料の物性値を測定させることができる第１測定制御部と、
    前記試料の物性値を測定させる第２測定制御部と、
    前記参照試料の物性値の測定によって得られた測定結果の測定誤差の算出を行うことができる算出部と、
    前記測定誤差を基に、前記試料の物性値の測定によって得られた測定結果の補正を行う補正部と、を含み、
    前記第１測定部は、
    第１カンチレバーと、
    前記第１カンチレバーの自由端に支持された前記第１探針と、
    前記参照試料が搭載される第１試料台と、
    前記参照試料に対する前記第１探針の位置を調整する第１位置調整部と、を含み、
    前記第２測定部は、
    第２カンチレバーと、
    前記第２カンチレバーの自由端に支持された前記第２探針と、
    前記試料が搭載される第２試料台と、
    前記試料に対する前記第２探針の位置を調整する第２位置調整部と、を含む、走査型プローブ顕微鏡。
11. 探針と参照試料との間に作用する静電気力を検出して該参照試料の仕事関数を測定でき、かつ、前記探針と試料との間に作用する静電気力を検出して該試料の仕事関数を測定する測定部と、
    前記参照試料の仕事関数を測定させることができ、かつ、前記試料の仕事関数を測定させる測定制御部と、
    前記参照試料の仕事関数の測定によって得られた測定結果の測定誤差の算出を行うことができる算出部と、
    前記測定誤差を基に、前記試料の仕事関数の測定によって得られた測定結果の補正を行う補正部と、を含み、
    前記測定部は、
    カンチレバーと、
    前記カンチレバーの自由端に支持された前記探針と、
    前記参照試料および前記試料が搭載される試料台と、
    前記参照試料および前記試料に対する前記探針の位置を調整する位置調整部と、を含む、ケルビンフォース顕微鏡。

Images