JP2006258429A - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 先端に探針2を有するカンチレバー3と、該カンチレバー3を支持する支持部4と、カンチレバー3の変位量に応じて抵抗値が変化するピエゾ抵抗素子5とを有する自己検知型プローブ6と、ピエゾ抵抗素子5を流れる電流値を検出してカンチレバー3の変位量を検出する検出手段と、試料を載置する試料台と探針2とを、XY方向及びZ方向に相対移動させる移動手段と、探針2と試料表面との距離が一定になるように移動手段を制御すると共に試料Sの表面形状を測定する制御手段と、探針2と試料表面との間に所定の電圧を印加する印加手段と、印加された電圧に起因する電気物性情報を測定する測定手段とを備え、探針2が、カンチレバー3の基端側まで延びると共に測定手段に電気的接続可能な導電膜28に電気的に接続されている走査型プローブ顕微鏡を提供する。
【選択図】 図2
Description
この測定の際、カンチレバーの撓み(反り)を光てこ方式と呼ばれる方式で測定し、この測定結果に基づいて、探針と試料表面との距離が常に一定の距離になるように制御を行っている。
また、この際に、カンチレバーに所定の電圧や電流を印加しながら走査を行うことで、試料の電気的測定を測定することができる。
即ち、光てこ方式により、光源からカンチレバーにレーザ光を照射した際に、レーザ光の一部が測定対象となる試料表面にも、漏れ光として照射されてしまう不都合があった。従って、測定された電気的物性は、光てこ方式の漏れ光が照射された試料の物性となってしまう。つまり、試料は、ノイズの原因となる漏れ光により光励起された状態となってしまうので、該試料の真の電気的物性を測定することができなかった。
本発明の走査型プローブ顕微鏡は、導電性を有する探針を試料表面に接触又は近接させた状態で、試料の電気物性情報を測定する走査型プローブ顕微鏡であって、前記探針が先端に設けられたカンチレバーと、該カンチレバーの基端側を片持ち状態に支持する支持部と、カンチレバーに設けられ、該カンチレバーの変位量に応じて抵抗値が変化するピエゾ抵抗素子とを有する自己検知型プローブと、前記ピエゾ抵抗素子に所定の電圧を印加すると共に、ピエゾ抵抗素子を流れる電流値を検出して前記カンチレバーの変位量を検出する検出手段と、前記探針に対して対向配置された前記試料を載置する試料台と、該試料台と前記探針とを、前記試料表面に平行なXY方向及び試料表面に垂直なZ方向に相対移動させる移動手段と、前記検出手段の検出結果に基づいて、前記探針と前記試料表面との距離が一定になるように前記移動手段を制御すると共に前記試料の表面形状を測定する制御手段と、前記探針と前記試料表面との間に所定の電圧を印加する印加手段と、該印加手段により印加された電圧に起因する前記電気物性情報を測定する測定手段とを備え、前記探針が、前記カンチレバーの基端側まで延びると共に前記測定手段に電気的接続可能な導電膜に電気的に接続されていることを特徴とするものである。
制御手段は、この検出結果、即ち、カンチレバーの変位量に基づいて試料台をZ方向に移動させるよう移動手段を制御し、探針と試料表面との距離を常に一定にさせる。また、制御手段は、この制御と同時に、カンチレバーのZ方向の変位量とXY方向への走査量とを対応させることで、試料の表面形状(凹凸形状)を測定する。
このように、導電性の探針を有しているので、試料の表面形状の測定と同時に、試料の電気的物性の測定を行うことができる。
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡1は、導電性を有する探針2を試料表面S1に接触又は近接させた状態で、試料Sの電気物性情報を測定するものであって、探針2が先端に設けられたカンチレバー3と、該カンチレバー3の基端側を片持ち状態に支持する支持部4と、カンチレバー3に設けられ、該カンチレバー3の変位量に応じて抵抗値が変化するピエゾ抵抗素子5とを有する自己検知型プローブ6と、ピエゾ抵抗素子5に所定の電圧を印加すると共にピエゾ抵抗素子5に流れる電流値を検出してカンチレバー3の変位量を検出する検出手段7と、探針2に対して対向配置された試料Sを載置する試料台8と、該試料台8と探針2とを、試料表面S1に平行なXY方向及び試料表面S1に垂直なZ方向に相対移動させる3次元駆動機構(移動手段)9と、検出手段7の検出結果に基づいて、探針2と試料表面S1との距離が一定になるように3次元駆動機構9を制御すると共に試料Sの表面形状を測定する制御部(制御手段)10と、探針2と試料表面S1との間に所定の電圧を印加するバイアス電圧供給部(印加手段)11と、該バイアス電圧供給部11により印加された電圧に起因する電気物性情報を測定する測定手段12とを備えている。
そして、カンチレバー3及び探針2は、シリコン活性層22から形成されており、支持部4は、シリコン支持層20、酸化層21及びシリコン活性層22の3層から形成されている。なお、探針2は、金属膜24により被膜されており、導電性を有するようになっている。
また、カンチレバー3と支持部4との接合部であるカンチレバー3の基端側には、2つの開口25が形成されており、カンチレバー3が基端側でより屈曲して撓み易くなっている。なお、この開口25の数は、2つに限定されるものではなく、自由に設けて形成して構わないし、形成しなくても構わない。
また、図3に示すように、支持部4及びカンチレバー3の基端側に亘ってピエゾ抵抗素子5を覆うように、絶縁膜27が成膜されている。これにより、ピエゾ抵抗素子5は、外部と電気的に接触しないようになっている。
なお、このレファレンスレバー30を自己検知型プローブ6に必ず設けなくても構わない。
また、試料台8には、上記バイアス電圧供給部11が接続されており、試料台8を介して試料表面S1と探針2との間に電圧を印加できるようになっている。
また、この差分測定部32には、例えば、カンチレバー3の撓み量(変位量)が“0”のときに、該差分測定部32の出力を“0”とする基準信号が基準発生部33から入力されている。そして、差分測定部32は、この基準信号と電流測定部31から送られてくる出力信号とを比較して、その差である誤差信号を上記制御部10に出力するようになっている。即ち、この誤差信号は、カンチレバー3の変位量に対応するものである。これら測定部31、差分測定部32及び基準発生部33は、上記検出手段7を構成している。
まず、探針2と試料表面S1とを接触させる初期設定を行う。即ち、試料台8上に試料Sを載置した後、3次元駆動機構9をゆっくりZ方向に移動させる。また、この際、測定部31からピエゾ抵抗素子5に所定の電圧を印加させて、ピエゾ抵抗素子5に流れる電流を検出しておく。この状態で試料台8の移動により、試料表面S1と探針2とが接触すると、試料Sに探針2が押されてカンチレバー3が若干撓んで変位する。これに応じて、ピエゾ抵抗素子5も同様に変位するので、抵抗値が変化して測定部31で測定される電流値が変化する。従って、試料表面S1と探針2とが接触したことを確実に判断することができる。
これにより、制御部10は、送られてきた誤差信号に基づいてカンチレバー3の変位量を検出することができる。そして、制御部10は、この誤差信号に基づいて試料台8をZ方向に移動させるように3次元駆動機構9を制御し、探針2と試料表面S1との距離を一定にさせる。つまり、誤差信号を“0”に近づけるように、試料台8を制御する。これにより、探針2と試料表面S1との接触圧力は、常に一定の状態となる。
また、制御部10は、この制御と同時に、カンチレバー3のZ方向の変位量とXY方向への走査量とを対応させて、試料Sの表面形状(凹凸形状)を測定し、該表面形状画像を表示部34に表示する。これにより、試料Sの表面形状の観察を行うことができる。
このように、導電性の探針2を備えているので、試料Sの表面形状と試料Sの電気物性情報、即ち、試料表面S1の電位分布とを同時に測定することができる。
上記キャパシタンスセンサ42は、試料Sの静電容量の変化を発振周波数に変換する準マイクロ波発振器44と、該準マイクロ発振器41で変換された発振周波数を直流の電圧値に変換して出力信号として出力するFM復調器45とを備えている。また、ロックインアンプ43には、発振器41から参照信号が入力されるようになっている。
走査を行っている際に、ロックインアンプ43には、発振器41からの参照信号が入力される。一方、キャパシタンスセンサ42は、探針2と試料表面S1との静電容量変化を検出する。即ち、準マイクロ波発振器44は、試料Sの静電容量の変化を発振周波数に変換し、FM復調器45がこれを直流の電圧値に変換し、出力信号としてロックインアンプ43に出力する。該ロックインアンプ43は、FM復調器45から送られてきた出力信号のうち、参照信号を参照して試料Sに印加した発振周波数と同じ周波数の信号(同期信号)を検出する。これにより、試料Sに形成された空乏層の厚みの変化による探針2と試料Sとの間の静電容量の変化を検出することができる。
このように構成することで、漏れ光の影響を受けることなく、試料Sの表面形状測定と、試料表面S1の電位分布測定とを同時に高精度に行うことができる。
S1 試料表面
1 走査型プローブ顕微鏡
2 探針
3 カンチレバー
4 支持部
5 ピエゾ抵抗素子
6 自己検知型プローブ
7 検出手段
8 試料台
9 3次元駆動機構(移動手段)
10 制御部(制御手段)
11 バイアス電圧供給部(印加手段)
12 測定手段
28 導電膜
35 電流測定部(電流測定手段)
40 静電容量測定手段
Claims (4)
- 導電性を有する探針を試料表面に接触又は近接させた状態で、試料の電気物性情報を測定する走査型プローブ顕微鏡であって、
前記探針が先端に設けられたカンチレバーと、該カンチレバーの基端側を片持ち状態に支持する支持部と、カンチレバーに設けられ、該カンチレバーの変位量に応じて抵抗値が変化するピエゾ抵抗素子とを有する自己検知型プローブと、
前記ピエゾ抵抗素子に所定の電圧を印加すると共に、ピエゾ抵抗素子を流れる電流値を検出して前記カンチレバーの変位量を検出する検出手段と、
前記探針に対して対向配置された前記試料を載置する試料台と、
該試料台と前記探針とを、前記試料表面に平行なXY方向及び試料表面に垂直なZ方向に相対移動させる移動手段と、
前記検出手段の検出結果に基づいて、前記探針と前記試料表面との距離が一定になるように前記移動手段を制御すると共に前記試料の表面形状を測定する制御手段と、
前記探針と前記試料表面との間に所定の電圧を印加する印加手段と、
該印加手段により印加された電圧に起因する前記電気物性情報を測定する測定手段とを備え、
前記探針は、前記カンチレバーの基端側まで延びると共に前記測定手段に電気的接続可能な導電膜に電気的に接続されていることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。 - 請求項1記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記探針と前記試料表面とが、接触するよう配されており、
前記測定手段が、前記探針と前記試料表面との間を流れる電流を測定する電流測定手段を備えていることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。 - 請求項1記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記探針と前記試料表面とが、接触するよう配されており、
前記測定手段が、前記探針と前記試料表面との間の静電容量を測定する静電容量測定手段を備えていることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。 - 請求項1記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記カンチレバーを所定の共振周波数で振動させる加振手段を備え、
前記探針と前記試料表面とが、近接するよう配されており、
前記印加手段が、前記所定の電圧として交流電圧及び直流電圧を印加し、
前記測定手段が、前記交流電圧及び直流電圧の印加による合成電界で発生した静電気力に対する前記カンチレバーの変位量に基づいて、試料表面の電位を測定する電位測定手段を備えていることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
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