JP4342739B2

JP4342739B2 - 走査型プローブ顕微鏡

Info

Publication number: JP4342739B2
Application number: JP2001098067A
Authority: JP
Inventors: 張暁美; 中本圭一
Original assignee: Jeol Ltd; Toshiba Corp
Current assignee: Jeol Ltd; Toshiba Corp
Priority date: 2001-03-30
Filing date: 2001-03-30
Publication date: 2009-10-14
Anticipated expiration: 2021-03-30
Also published as: JP2002296168A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、先端に探針を有するカンチレバーを備え、探針と試料との間に働く力でカンチレバーが撓むようになっている走査型プローブ顕微鏡の技術分野に属し、特に、探針から試料への電界放出量の測定をも行う走査型プローブ顕微鏡の技術分野に属するものである。
【０００２】
【従来の技術】
走査型プローブ顕微鏡である原子間力顕微鏡においては、カンチレバー先端の探針を試料にそれらの間の距離が数ｎｍ程度になるまで近づけて探針と試料間に引力もしくは斥力が働くようにし、カンチレバーのＺ方向への撓みが一定となるように探針のＺ方向位置をフィードバックしながらＸＹ方向に走査する。そして、このときのＺ方向の位置のフィードバックを画像化することによって試料表面の凹凸を測定する。また、カンチレバーと試料間の力は、探針を試料にコンタクトさせたコンタクトモードを用いる場合はカンチレバーと試料間に斥力が働くようにして、このときのカンチレバーの撓みから測定され、ＡＣモードを用いる場合はカンチレバーを共振点付近で振動させて、カンチレバーの振幅や共振周波数の変化から測定する。
【０００３】
更に、試料の磁気力の測定を行う場合は、リフトモードが使用される。このリフトモードは、図４（ａ）ないし（ｃ）に示すように、試料の表面形状を得るために前述の方法で磁性材料でコーティングしたカンチレバーと試料間の距離を一定として試料表面の凹凸を測定し、その後一定の高さ分を加えた距離だけカンチレバーを試料に対してリフトして、そのときのカンチレバーの共振から位相の変化を画像化することにより磁気力を測定する手法である。その場合、図４（ａ）に示すリフト方式は、１点、１点で探針を試料に対してリフトする方式でPoint by Point方式と呼ばれるものであり、また、図４（ｂ）に示すリフト方式は、１ライン毎に１回目の凹凸分に一定の距離だけ探針を試料に対してリフトする方式でLine by Line方式と呼ばれるものであり、更に、図４（ｃ）に示すリフト方式は、１画面毎に一定の距離だけ探針を試料に対してリフトする方式でFrame by Frame方式と呼ばれるものである。
【０００４】
ところで、リフトモードのこれらの方式を応用して、探針から試料への電界放出量を測定する方法が考えられる。この電界放出量の測定方法では、導電性のカンチレバーを使用して探針を試料の表面にコンタクトした状態で斥力を一定に制御する斥力一定モード（コンタクトモード）を用いて、試料にバイアス電圧を加えて走査を行い、このときのカンチレバーの撓みに基づいて試料の凹凸像を得、また、前述のように試料にバイアス電圧を加えた状態で探針を試料からリフトさせたリフトモードを用いて探針を流れる電流量を測定することにより、電界放出による電流量を測定することが可能となる。この電流量は、試料表面の電界放出のしやすさを表し、ダイヤモンド薄膜等の研究に利用される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、電界放出に必要なバイアス電圧には数Ｖから数百Ｖの電圧が必要となるが、前述のような電界放出量の測定をも行う場合には、試料の凹凸像を得るにあたりコンタクトモードで走査を行うため、コンタクト時にこれだけの電圧を試料に加えると、試料−探針間に大きな電流が流れ、試料もしくは探針が損傷してしまう。そこで、バイアス電圧をこの損傷が起こらない程度まで下げると、今度は電界放出が起こらなくなり、電界放出量の測定ができなくなってしまう。なお、コンタクトモードではカンチレバーを流れる電流を測定して電流像をえることもある。
【０００６】
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、コンタクトモードで試料の凹凸像の測定およびカンチレバーの電流の測定を行い、またリフトモードで電界放出のような高バイアス電圧を必要とする測定を、探針、カンチレバーや試料に損傷を与えることなく行うことのできる走査型プローブ顕微鏡を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために、請求項１の発明は、先端に探針を有する可撓性のカンチレバーと、前記探針が試料に対してリフトするように前記試料を前記探針に対して相対移動する試料移動手段とを備え、バイアス電圧を加えられる試料と前記探針との間に働く力でカンチレバーが撓むようになっている走査型プローブ顕微鏡において、前記探針が前記試料にコンタクトした状態で前記試料の凹凸測定を行うコンタクトモードと、前記探針が前記試料から一定の距離だけリフトされた状態で前記試料と前記探針との間の電界放出量の測定を行うリフトモードとが設定されており、前記探針が前記試料上の各点で前記凹凸測定を行うことで試料の凹凸像を得ると共に、試料上の前記各点で前記電界放出量測定を行うことで試料の電界放出像を得るように構成されており、前記電界放出量測定時における前記探針と前記試料間の距離が、凹凸のある前記試料上のどの位置でも一定に保たれるように制御されており、更に、前記コンタクトモード時に前記バイアス電圧を低電圧に設定するとともに、前記リフトモード時に前記バイアス電圧を高電圧に設定するようバイアス電圧切替手段を備えていることを特徴としている。
【０００８】
また、請求項２の発明は、前記バイアス電圧切替手段が、前記探針の前記試料に対するリフトに同期して前記バイアス電圧を切り替えることを特徴としている。
更に、請求項３の発明は、前記探針が前記試料に対して前記試料移動手段より大きくリフトするように前記試料を前記探針に対して大きく相対移動する第２の試料移動手段とを備えていることを特徴としている。
更に、請求項４の発明は、前記コンタクトモード時には、前記試料の凹凸像の測定および前記カンチレバーを流れる電流像の測定の少なくとも１つを行うことを特徴としている。
更に、請求項５の発明は、試料上の各点で凹凸測定が行われる毎に、前記探針がリフトされて前記電界放出量測定が行われることを特徴としている。
更に、請求項６の発明は、試料上の１ラインについて凹凸測定が行われる毎に、前記探針がリフトされて前記電界放出量測定が行われることを特徴としている。
【０００９】
【作用】
このように構成された本発明の走査型プローブ顕微鏡においては、試料の測定時には、走査型プローブ顕微鏡が、探針を試料にコンタクトさせたコンタクトモードに設定される。このときには、バイアス電圧切替手段から低バイアス電圧が試料に加えられる。したがって、探針と試料とがコンタクトした状態で試料に高バイアス電圧が加えられなく、試料−探針間に大きな電流が流れないので、試料や探針等の損傷が防止される。
このようにして、試料や探針等が損傷することなく、試料の測定像が得られるようになる。
【００１０】
一方、電界放出量の測定時には、走査型プローブ顕微鏡は、探針を試料からリフトさせたリフトモードに設定される。このときには、バイアス電圧切替手段からのバイアス電圧が切り替えられ、高バイアス電圧が試料に加えられる。そして、電界放出量測定時における探針と試料間の距離が、凹凸のある試料上のどの位置でも一定に保たれるように制御される。したがって、試料−探針間で電界放出が確実に起こるようになって、電界放出量が測定可能となり、電界放出像が確実に得られる。
【００１１】
特に、請求項２の発明においては、バイアス電圧切替手段によりバイアス電圧が探針のリフトと同期して切り替えられる。したがって、試料に加えられるバイアス電圧が各モードに応じてより確実に切り替えられるようになる。
また、請求項３の発明においては、試料が載置されるステージが第２の試料移動手段によって、探針が試料に対して前述の試料移動手段より大きくリフトするように移動させることが可能となる。これにより、リフトモードでの電界放出の測定を行う際に、探針のリフト量を、小さいリフト量の試料移動手段の駆動範囲を超えて更に大きく設定することができるようになる。
更に、請求項４の発明においては、試料や探針等が損傷することなく、試料の凹凸像および試料表面の導電性を表すカンチレバーを流れる電流像が測定されるようになる。
更に、請求項５の発明においては、試料上の各点で凹凸測定が行われる毎に、探針がリフトされて前記電界放出量測定が行われる。
更に、請求項６の発明においては、試料上の１ラインについて凹凸測定が行われる毎に、前記探針がリフトされて前記電界放出量測定が行われる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の実施の形態の一例を示す図である。
【００１３】
図１に示すように、この例の走査型プローブ顕微鏡は試料１が載置されるスキャナ２（本発明の試料移動手段に相当）を備えている。このスキャナ２は、Ｘ方向スキャナ２ａ、Ｙ方向スキャナ２ｂ、およびＺ方向スキャナ２ｃから構成され、各スキャナ２ａ,２ｂ,２ｃはいずれも圧電素子から形成されている。ＸおよびＹ方向スキャナ２ａ,２ｂは、それぞれ、ＸおよびＹ走査波形回路３,４からＸおよびＹ走査波形信号が入力されるようになっているとともに、これらのＸおよびＹ走査波形信号に基づいてそれぞれＸおよびＹ方向に試料１をスキャンするようになっている。また、Ｚ方向スキャナ２ｃは、Ｚ制御回路５からｚ方向制御信号が入力されるようになっているとともに、このｚ方向制御信号に基づいてＸおよびＹ方向に試料１をスキャンするようになっている。
【００１４】
一方、試料１の表面を走査する探針６が可撓性でかつ導電性のカンチレバー７の先端に設けられている。このカンチレバー７にはレーザ光が照射されるとともに、その反射光がフォトダイオード（ＰＤ）８で検出されるようになっている。この反射光はカンチレバー７の撓み量に関係している。このフォトダイオード（ＰＤ）８で検出された反射光は電気信号に変換されてＺ制御回路５に供給され、Ｚ制御回路５はこの電気信号に基づいて試料表面の凹凸像を形成する。更に、カンチレバー７に流れる電流をプリアンプ９を介して検出され、検出した電流に基づいて電流像が得られるようになっている。この電流像は、後述するコンタクトモードでは試料１表面の導電性を示す像であり、また、後述するリフトモードでは試料１ー探針６間の電界放出量を示す像である。
【００１５】
更に、試料１には、バイアス電圧切替回路１０からバイアス電圧が加えられる。その場合、図２に示すようにこのバイアス電圧切替回路１０は、探針６が試料１の表面に接触したコンタクトモードが設定されているときには比較的低電圧のバイアス電圧（例えば、０〜０.１Ｖ）を試料１に加え、また、探針６が試料１からリフトしたリフトモードが設定されているときには比較的高電圧のバイアス電圧（例えば、１００Ｖ）を試料１に加えるように、試料１に加えるバイアス電圧を切り替えるようになっている。図２に示すように、リフト量は一定となっている。
【００１６】
ＸおよびＹ走査波形回路３,４、Ｚ制御回路５、およびバイアス電圧切替回路１０には、クロック発生回路１１からクロック信号がそれぞれ供給されるようになっており、これらのＸおよびＹ走査波形回路３,４、Ｚ制御回路５、およびバイアス電圧切替回路１０はそのクロック信号に基づいて作動制御される。特に、Ｚ制御回路５には、クロック発生回路１１からのクロック信号がリフト信号として供給され、Ｚ制御回路５はこのリフト信号に基づいて探針６のリフト量、つまり探針６と試料１との間の距離を設定し、Ｚ方向スキャナ２ｃにリフト制御信号を出力する。Ｚ方向スキャナ２ｃはこのリフト制御信号に基づいて試料１を降下する、つまり探針６を試料１に対してリフト制御信号に基づいてリフトする。これと同時に、バイアス電圧切替回路１０はＺ制御回路５へのクロック信号の供給と同時にクロック発生回路１１から供給されるクロック信号に基づいて、Ｚ制御回路５へのクロック信号がリフト信号であるときはリフト時の高バイアス電圧を試料１に加え、また、Ｚ制御回路５へのクロック信号がコンタクト信号であるときはコンタクト時の低バイアス電圧を試料１に加えるように、試料１に加えるバイアス電圧を探針６のリフトに同期して切替制御する。
【００１７】
このように構成されたこの例の走査型プローブ顕微鏡においては、試料１の凹凸像およびカンチレバー７を流れる電流の電流像の測定時には、走査型プローブ顕微鏡は、探針６を試料１にコンタクトさせたコンタクトモードに設定される。このときには、前述のようにバイアス電圧切替回路１０から低バイアス電圧が試料１に加えられる。したがって、探針６と試料１とがコンタクトした状態で試料１に高バイアス電圧が加えられなく、試料１−探針６間に大きな電流が流れないので、試料１や探針６等の損傷が防止される。
このようにして、試料１や探針６等が損傷することなく、試料１の凹凸像および試料表面の導電性を表すカンチレバー７を流れる電流像を得ることができるようになる。
【００１８】
一方、電界放出量の測定時には、走査型プローブ顕微鏡は、探針６を試料１からリフトさせたリフトモードに設定される。このときには、前述のようにバイアス電圧切替回路１０からのバイアス電圧が探針６のリフトと同期して切り替えられ、高バイアス電圧が試料１に加えられる。したがって、試料１−探針６間で電界放出が確実に起こるようになって、電界放出量が測定可能となり、電界放出像が確実に得られる。
この例の走査型プローブ顕微鏡は、前述の図４（ａ）ないし（ｃ）に示すどの方式にも適用することができる。
【００１９】
図３は、本発明の走査型プローブ顕微鏡の変形例を部分的に示す図である。
前述の例では、探針６のリフトつまり試料１と探針６とのＺ方向の距離を、Ｚ方向スキャナ２ｃのみによって設定しているが、この例の走査型プローブ顕微鏡では、図３に示すように探針６のリフトを、Ｚ方向スキャナ２ｃに加えて、試料を支持するステージ（不図示）を第２の試料移動手段（不図示）によってＺ方向に移動させることでも設定可能にしている。
【００２０】
このようにステージをＺ方向に移動させることにより、リフトモードでの電界放出の測定を行う際に、探針６のリフト量をＺ方向スキャナ２ｃの駆動範囲を超えて、更に大きく設定することができるようになる。その場合、リフト量はステージのＺ方向移動量とＺ方向スキャナ２ｃによるリフト分を加えてもよいし、特にステージのＺ方向移動量がＺ方向スキャナ２ｃの駆動範囲に比べて大きいときは、Ｚ方向スキャナ２ｃによるリフト分は無視できるのでリフト量に加えなくてもよい。
この変形例の走査型プローブ顕微鏡の他の構成および他の作用効果は、前述の例と同じである。
また、この変形例の走査型プローブ顕微鏡も前述の図４（ａ）ないし（ｃ）に示すどの方式にも適用することができる。
【００２１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明に係る走査プローブ顕微鏡によれば、コンタクトモードでの試料の測定時には、低バイアス電圧を試料に加えるようにしているので、試料や探針等の損傷を防止できる。したがって、試料や探針等を損傷させることなく、試料の測定像を得ることができる。
一方、リフトモードでの電界放出量の測定時には、高バイアス電圧を試料に加えると共に、電界放出量測定時における探針と試料間の距離を、凹凸のある試料上のどの位置でも一定に保つように制御しているので、試料−探針間で電界放出を確実に起こさせることができるようになる、したがって、電界放出像を確実に得ることができる。
【００２２】
特に、請求項２の発明によれば、バイアス電圧を探針のリフトと同期して切り替えるようにしているので、試料に加えるバイアス電圧を各モードに応じてより確実に切り替えることができる。
また、請求項３の発明によれば、試料が載置されるステージを大きく移動できるようにしているので、リフトモードでの電界放出の測定を行う際に、探針のリフト量を、小さいリフト量の試料移動手段の駆動範囲を超えて更に大きく設定することができるようになる。
更に、請求項４の発明によれば、試料や探針等を損傷させることなく、試料の凹凸像および試料表面の導電性を表すカンチレバーを流れる電流像を測定することができるようになる。
更に、請求項５の発明によれば、試料上の各点で凹凸測定を行う毎に、探針をリフトして電界放出量測定を行うことができる。
更に、請求項６の発明においては、試料上の１ラインについて凹凸測定を行う毎に、探針をリフトして電界放出量測定を行うことができる。
【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実施の形態の一例を示す図である。
【図２】コンタクトモード時およびリフトモード時でのバイアス電圧を示す図である。
【図３】本発明の変形例を部分的に示す図である。
【図４】従来のリフト方式を示し、（ａ）はPoint by Point方式を示す図、（ｂ）はLine by Line方式を示す図、（ｃ）はFrame by Frame方式を示す図である。
【符号の説明】
１…試料、２…スキャナ、２ｃ…Ｚ方向スキャナ、５…Ｚ制御回路、６…探針、７…カンチレバー、８…フォトダイオード（ＰＤ）、１０…バイアス電圧切替回路、１１…クロック発生回路

Claims

先端に探針を有する可撓性のカンチレバーと、前記探針が試料に対してリフトするように前記試料を前記探針に対して相対移動する試料移動手段とを備え、バイアス電圧を加えられる試料と前記探針との間に働く力でカンチレバーが撓むようになっている走査型プローブ顕微鏡において、
前記探針が前記試料にコンタクトした状態で前記試料の凹凸測定を行うコンタクトモードと、前記探針が前記試料から一定の距離だけリフトされた状態で前記試料と前記探針との間の電界放出量の測定を行うリフトモードとが設定されており、
前記探針が前記試料上の各点で前記凹凸測定を行うことで試料の凹凸像を得ると共に、試料上の前記各点で前記電界放出量測定を行うことで試料の電界放出像を得るように構成されており、
前記電界放出量測定時における前記探針と前記試料間の距離が、凹凸のある前記試料上のどの位置でも一定に保たれるように制御されており、
更に、前記コンタクトモード時に前記バイアス電圧を低電圧に設定するとともに、前記リフトモード時に前記バイアス電圧を高電圧に設定するようバイアス電圧切替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。
前記バイアス電圧切替手段は、前記探針の前記試料に対するリフトに同期して前記バイアス電圧を切り替え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。
前記探針が前記試料に対して前記試料移動手段より大きくリフトするように前記試料を前記探針に対して大きく相対移動する第２の試料移動手段とを備えてい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。
前記コンタクトモード時には、前記カンチレバーを流れる電流の測定を行うことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１記載の走査型プローブ顕微鏡。
試料上の各点で凹凸測定が行われる毎に、前記探針がリフトされて前記電界放出量測定が行われることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１記載の走査型プローブ顕微鏡。
試料上の１ラインについて凹凸測定が行われる毎に、前記探針がリフトされて前記電界放出量測定が行われることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１記載の走査型プローブ顕微鏡。