JP3402512B2 - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents
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Description
関し、試料の表面をサブナノメーターの分解能でその表
面から得られる形状情報、表面の電位情報、表面の静電
容量分布等表面の電気的物性情報が得られる走査型プロ
ーブ顕微鏡に関するものである。
間の引力を利用してZ軸を制御するAFMとしてY.Mart
in等により始められた(J.Applied physics 61(10) 15
may,1987) 。又、レバー付き探針間に交流の静電気力を
印加する方法はにJ.M.R.Weaver等により考案され(J.Vo
c,Sci, Technol B9 (1991) 1559) 、異種の金属のコン
タクトポテンシャルの測定例がM.Nonnenmacher等により
紹介されている(Appl,Phys.lett. 58 (1991) 2921)。
の文献にも、正しい表面電位を得るための、Z軸の制御
系及び得られる像の分解能の向上の方法及び試料の絶対
電位の計測法及び電気回路測定時の探針と試料の材質の
異なりによるコンタクトポテンシャルの除去方法につい
ても述べられていない。従来の制御方法では、試料面と
の接触等で正確な測定が難しく、又接触を防ぐために、
試料と探針間の距離を広くとるために、表面の凹凸像の
分解能が低かった。又、大気中での測定のため、試料の
絶対電位も得られにくかった。
料の材質の異なりによるコンタクトポテンシャルの影響
を受けた。
決するためのもので、試料面を完全な非接触の状態で、
サブナノメーターの分解能で試料表面の表面電位、静電
容量分布を得るもので、ある。
の走査型プローブ顕微鏡は、レバー付き探針101を試
料100の極近傍に配し、レバー振動用発振器104及
び振動源105により導体のレバー101を振動する。
一方、導体のレバー101及び試料台電極108の間に
交流電圧発振器106及び直流電圧発振器(電圧フィー
ドバック回路)107が挿入され、交流及び直流電圧が
印加されている。一方、レバーの振動振幅は変位検出器
102にて検出され、変位位相検出器103により各角
周波数ごとの信号が検出され、前記直流電圧発生器10
7のコントロール及び三次元スキャナコントローラー1
10のZ入力信号となる。又、三次元スキャナコントロ
ーラー110から、XYスキャンコントローラー111
のX、Y信号に対応した出力と、前記Z信号に対応した
出力が三次元スキャナー109に出力され、試料探針間
距離を制御しながら、所定の領域を走査し、三次元画像
データが得られる。
針101と試料台108の間に働く静電結合力は、この
間の静電容量をC、距離をZ、電圧をVとすると、
圧としてVAC sinωt と直流電圧発生器107よりの電
圧をVoff とし、求める表面電位をVS とすると、
接近すると、レバーはωおよび2ωで振動する。一方、
レバー付き探針は、レバー振動用発振器104及び振動
源105により、レバーの共振周波数ωr により強制振
動されている。従って、前記レバーが試料近傍に接近す
ると、ωr 付近の振動振幅は、試料探針間のファンデル
ワァールス力
Aだけ減衰する。
位相検出器103により各角周波数ωr 、ω、2ωごと
に各角周波数の平均値を検出する。以下にそれぞれの信
号成分を説明する。ωr 成分は
ナコントローラー110及び三次元スキャナー109を
用いて、探針と試料のZ方向距離を制御しながらXYス
キャンコントローラー111により画像走査を行うと、
ファンデルワァールス力及び静電気力一定のトポ像が得
られる。
以下の式で求められる。
07により、探針試料間の電位を調整する(すなわち、
VS =−Voff )。こうすると(∂C/∂Z)の大きさ
によらず表面電位VS が求まる。
値)は以下の式で求められる。
容量分布が求まる。
説明する。ここでは、レバー付き探針101の変位検出
を光テコ方式AFMを利用した例を示す。最初に構成を
説明する。図2において100は試料(金属又は100
μm程度までの膜厚の絶縁薄膜)、101は導体又は金
属をコート(通常は金をコート)したレバー付き探針、
102は光テコ方式の変位検出器、103は変位位相検
出器、104は前記レバーを振動させる発振器で出力は
Vr sinωrt で、振幅Vr は1〜5V、角周波数ωr は
レバーの共振角周波数ωr (約数10kHz) に合わせ
る。105は、ピエゾ板等の振動源で、レバーの共振角
周波数ωr より十分高い共振周波数を有する。106は
交流電圧発生器で出力はVAC sinωt で、振幅VACは0
〜10V可変、角周波数ωは2ω≪ωr の条件で可変で
きる。107は、直流電圧発生器(電圧フィードバック
回路)で探針と試料間の電位を常に設定電圧(通常は0
V)に保つ。108は試料台電極(通常は金をコートし
たもの)で、レバー付き探針とともにコンデンサーを形
成する。109は、三次元ピエゾスキャナーで、110
のZサーボ系とともに、探針と試料間の距離を制御す
る。111は、XYスキャンコントローラーで前述の三
次元スキャナーをXY方向に走査する。112は加算器
で、前回電圧フィードバック回路107の出力と、外部
較正用電源113の出力を加算出力する。
方向の位置制御を説明する。表面電位及び静電容量分布
を正確に測定するためには、試料と探針間が一定の距離
を保ち正確に試料表面をトレースする必要がある。この
条件を満たすために、以下に示す探針のZ軸制御を行っ
ている。
すようにレバー振動用発振器104の出力信号を
位相遅れをφとすると
ネル)103のかけ算器103−1で演算を行うと
カットオフ周波数)を通すと、出力V4 は
力V4 が一定となるように、三次元スキャナー109に
より探針試料間の距離を制御する。探針が試料面に周期
的に衝突する場合を考えると、その点で位相φが大きく
変化し、出力V4が周期的に変化し、結果として三次元
スキャナー109がZ方向に振動し、画像信号上周期的
ノイズで表示される。このようなことは、探針試料間の
距離よりも探針の振動振幅が大きくなった時、又は、Z
サーボ系の制御の定数が大きすぎてサーボ系が発振して
いる時に生じる。従って前記のような周期的なノイズが
トポ像に生じないように探針試料間距離及びサーボの定
数を設定することによって、探針が試料表面一定の距離
でトレースし、正確な表面電位が得られる。
る。通常は、変位位相検出器103よりのAωr の平均
値をZサーボ系110に入力し、Zサーボ系の出力が試
料表面のトポ像を、Aω1 の平均値が表面電位の信号を
与え、この信号が直流電圧発生器107に入力し、数7
で示した項が常にAω=0となるような電圧(−VS =
Voff )が表面電位を与える。通常、表面電位が±10
Vの範囲ではこの電圧フィードバックモードを使用す
る。又、A2ωの平均値は、静電容量の微分値の空間分
布を与える。次に、表面電位がフィードバック電源10
7の補償範囲、例えば±10Vを越えた場合は、電圧フ
ィードバック回路107を使用せず直接Aω1 の平均値
を計測し、同じ探針及び同一制御条件で較正用直流電源
113より既知の直流電圧を印加し、測定したAω1 の
平均値より表面電位VS を較正する。
0V程度までの表面電位の測定が可能になる。このモー
ドの測定は、探針と試料間に高電圧が発生するため、探
針と試料間を100nm以上離す必要がある。次に、画
像走査モードを説明する。
うにトポ像(表面凹凸像)、表面電位差像、静電容量分
布像が同時に測定可能である。従って、同時に測定する
場合は、計測チャンネルは、3つ必要となる。一方、数
7に示すように、印加交流電圧(VAC)を大きくする
と、表面電位差像の検出感度は向上するが、数6及び図
4に示すように、トポ像の分解能は低下してしまう。
下の手順で行う。 (1) 最初のX方向の走査を、交流電圧(VAC)を表面電
位の分解能の高く取れる状態、例えばVAC=20Vで走
査し、電位差データ及び静電容量データを取り込む。 (2) 次に同じライン上を−X方向に走査し、出発点に戻
る。 (3) 次に交流電圧を0V(VAC=0V)にし、トポ像の
分解能の良い状態で同一ライン上をX方向に走査し、ト
ポ像データを取り込む。 (4) 次に同一ライン上を−X方向に走査し、出発点に戻
る。次にY方向に1走査ライン分だけ移動し、(1) 〜
(4) の手順を繰り返し1画像を取り込む。従って、1画
像の走査より、電位差像及び静電容量像とトポ像の3つ
の画像が得られ、トポ像を取り込む時は、図5に示すよ
うに探針試料間距離d0 で、電位差像及び静電容量像を
取り込む時は、d20のように探針試料間距離を変えてデ
ータを取り込む。この場合、サーボの設定条件AOPは同
一でVACのON−OFFで前記探針試料間距離が変わ
る。このように走査することにより分解能の良いトポ像
が得られる。
顕微鏡は理想的には、図1に示すEO (アース電位)を
基準として、試料表面電位VS が求まるが、以下に示す
理由により表面の絶対電位が得られにくい。装置的ノイ
ズ原因としては、変位検出器102にω成分の外来ノイ
ズの混入、変位位相検出器103及び直流電圧発生器1
07の出力のドリフト及びオフセット等がある。又、他
の要因としては試料100とレバー付き探針101の汚
染、接触による表面電位の変化がある。
は少ないと仮定し、探針及び試料面の変化を軽減する方
法を以下に述べる。 (1) 標準試料100−S(Siウェハーの小片)と測定
用レバー付き探針を同時に、同一の金属(通常は金)で
スパッタコートする。 (2) 測定用試料100−1〜100−3及び前記標準試
料を図6に示す試料台電極108に取り付ける。 (3) 計測ユニット(図2の120)又は探針101及び
試料100の周囲を乾燥した窒素ガス等で置換する。こ
れは大気中の水分及びゴミ等により試料及び探針の汚染
を防止するためである。 (4) 標準試料100−Sを測定し、電位ES1を求める。
次に測定用試料100−1を測定し電位E11を求め、E
100-1 =E11−ES1を試料100−1の電位とする。 (5) 試料100−2以下も同様の測定を行い、
E100-2 、E100-3 を求める。
試料と探針間の電位を基準にして試料間の電位を測定す
るために、測定中に装置ノイズの変化が少ない場合は、
各試料の正しい絶対電位が得られる。次に、電気回路等
の測定例を図7に示す。試料100(電気回路) を三次
元スキャナー107上に載せる。外部電源114により
印加された電圧E114 がプローバー115の両端に印加
され、一方のプローバーが直流電圧発生器107のアー
ス電位E0 と等しくなっている。試料100上の任意の
点の電位を測定する場合以下の手順で行う。
部電源114をON−OFFし、その時の表面電位をそ
れぞれVSON 、VSOFFとする。VSOFF時の表面電位は、
探針と試料間の材質の差によるコンタクトポテンシャル
である。従って、VS =VSO N −VSOFFを演算回路11
6で求める。前記VS が外部電源114により回路に発
生した各画素又は、各走査1ラインごとの電位である。
及び静電容量分布が求まり、又走査中に探針試料間の距
離を変えて走査を行うと分解能の良いトポ像が求まる。
又、試料探針周辺の雰囲気を制御し、探針と同一の材質
の金属でスパッタコートした標準試料を用いることによ
り、今まで測定の難しかった試料表面電位の絶対値が求
まる。又、電気回路測定用のプローバーを設け、外部電
源をON−OFFすることにより、探針と回路材質の差
によるコンタクトポテンシャルを除去し、外部電源によ
る回路の正しい電位応答の計測が可能となった。
微鏡の機能図である。
微鏡の構成図である。
微鏡のZ軸制御系機能図である。
と探針試料間距離を示す図である。
と探針試料間距離(同一動作点Aopで走査した時)を示
す図である。
Claims (5)
- 【請求項1】 導電性のレバー付き探針を試料の極近傍
で強制振動させ、レバーの共振周波数付近での共振振幅
及び位相の変化より得た信号により、Z方向に伸縮する
位置決め機構により探針試料距離を制御し、かつ、導電
性探針と試料間に交流電圧を印加し、静電結合により印
加角周波数ωおよびその2倍の角周波数2ωで前記レバ
ーに振動を重畳させ、その交流信号ω成分を常に0Vに
するように試料探針間に直流電圧を印加し、試料表面の
表面電位を直読し、又、2ωの成分より試料探針間の静
電容量を得る走査型プローブ顕微鏡において、前記探針と試料面との接触を周期的ノイズから検知し、
画像上に接触した箇所を表示し、前記接触した箇所の測
定値が不正確であることを表示し、Z方向制御のパラメ
ーターの設定を可能にし、前記探針と試料面とは非接触
で測定できることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。 - 【請求項2】 表面形状像(トポ像)を得る時と表面電
位ならびに静電容量分布を得る時とでは、前記交流電圧
と試料探針間の距離の少なくとも一方を変えて走査する
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。 - 【請求項3】 試料及び探針の周囲の雰囲気を制御し、
試料の測定の前後に探針と同一材質で同時にコートした
標準試料を用いて探針と標準試料間の表面電位を測定
し、前記表面電位と試料の表面電位を比較することによ
って試料の絶対電位を求めることを特徴とする請求項1
または2記載の走査型プローブ顕微鏡。 - 【請求項4】 複数の微少金属接触端子を有し、前記微
小金属接触端子うちの1個が探針又は試料台(測定する
表面電位と同等又は極近傍の電極)と直流的に接続さ
れ、残りの前記微小金属接触端子のうちの1個がアース
電位に接続されていることを特徴とする請求項1から3
のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。 - 【請求項5】 試料表面に電位分布を与える電源を各画
像取り込みの画素、又は、走査1ラインごとにON−O
FFし、ON時の表面電位信号よりOFF時の表面電位
信号を除去する機能を有することを特徴とする請求項1
から4のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
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