JPH06201373A - 物性情報測定装置 - Google Patents
物性情報測定装置Info
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- JPH06201373A JPH06201373A JP34858492A JP34858492A JPH06201373A JP H06201373 A JPH06201373 A JP H06201373A JP 34858492 A JP34858492 A JP 34858492A JP 34858492 A JP34858492 A JP 34858492A JP H06201373 A JPH06201373 A JP H06201373A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 ＡＦＭの応用で試料表面の電位分布、および
誘電率の分布をナノメーターオーダで測定する。 【構成】 従来のＡＦＭ装置の探針に導電性の物を使用
し、発振器より試料と探針の間に交流電圧を印加し、探
針を強制振動させ、この信号を離散的フーリエ変換を用
いたアナログ演算系で検出する。 【効果】 従来の装置より高速約１／１０の時間で表面
電位及び誘電率の分布がナノメータの分解能で求まる。
誘電率の分布をナノメーターオーダで測定する。 【構成】 従来のＡＦＭ装置の探針に導電性の物を使用
し、発振器より試料と探針の間に交流電圧を印加し、探
針を強制振動させ、この信号を離散的フーリエ変換を用
いたアナログ演算系で検出する。 【効果】 従来の装置より高速約１／１０の時間で表面
電位及び誘電率の分布がナノメータの分解能で求まる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、高分解能で高速で試
料の表面の物性情報を得ることが可能な走査型プローブ
顕微鏡に関する。
料の表面の物性情報を得ることが可能な走査型プローブ
顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】絶縁物の表面形状を原子オーダーで測定
できる原子間力顕微鏡(Atomic ForceMicroscope ; AFM)
は、１９８６年にGbinnig C.F Quate らによって発明
された。このＡＦＭの応用でＰ−Ｎ接合の表面電位をサ
ブナノメータの高分解能で測定した例が Y.Martin et a
l(Appl.phys.Letle.,52,1103 1988)によって示され最近
では、H.Yokoyama et al(Mal,Electronics.Bioelectron
ics,3,79 1992)によってアルミニウムと白金の接触電位
差を測定している。図２に、横山らの装置構成を示す。
できる原子間力顕微鏡(Atomic ForceMicroscope ; AFM)
は、１９８６年にGbinnig C.F Quate らによって発明
された。このＡＦＭの応用でＰ−Ｎ接合の表面電位をサ
ブナノメータの高分解能で測定した例が Y.Martin et a
l(Appl.phys.Letle.,52,1103 1988)によって示され最近
では、H.Yokoyama et al(Mal,Electronics.Bioelectron
ics,3,79 1992)によってアルミニウムと白金の接触電位
差を測定している。図２に、横山らの装置構成を示す。
【０００３】試料１又は試料台２と、導電性のレバー及
び探針３の間に、探針励振用の交流電圧（ＶAC sinω）
を発振器４より、及び試料電位調節用の直流電位（Ｖ
Bias)を直流バイアス電源５を用いて印加できるように
し、探針３を試料の極近傍に近づけると、静電結合によ
って探針が強制励振を起こす。この振幅を光テコ６等の
変位検出系で検出し、ロックインアンプ７によって励起
周波数の２ω成分を検出し試料と探針間の静電容量の勾
配を、励起周波数のω成分をロックインアンプ８より探
針直下の表面電位Ｖｓとして求めるものである。これら
静電容量の勾配と表面電位を画像化するために、静電容
量の勾配
び探針３の間に、探針励振用の交流電圧（ＶAC sinω）
を発振器４より、及び試料電位調節用の直流電位（Ｖ
Bias)を直流バイアス電源５を用いて印加できるように
し、探針３を試料の極近傍に近づけると、静電結合によ
って探針が強制励振を起こす。この振幅を光テコ６等の
変位検出系で検出し、ロックインアンプ７によって励起
周波数の２ω成分を検出し試料と探針間の静電容量の勾
配を、励起周波数のω成分をロックインアンプ８より探
針直下の表面電位Ｖｓとして求めるものである。これら
静電容量の勾配と表面電位を画像化するために、静電容
量の勾配
【０００４】
【数１】
【０００５】が一定となるように探針と試料の距離をＺ
軸サーボ系９及びピエゾスキャナー１０を使い制御し、
この時の表面電位の分布を求めている。表面電位を求め
る方法としては、試料電位調節用の直流電源５に既知の
電位を与えてキャリブレーションを行う方法（キャリブ
レーション法）又は励起周波数のω成分がゼロになるよ
うに試料電位調節用の直流電源５をフィードバック制御
する方法（フィードバック法）が用いられている。
軸サーボ系９及びピエゾスキャナー１０を使い制御し、
この時の表面電位の分布を求めている。表面電位を求め
る方法としては、試料電位調節用の直流電源５に既知の
電位を与えてキャリブレーションを行う方法（キャリブ
レーション法）又は励起周波数のω成分がゼロになるよ
うに試料電位調節用の直流電源５をフィードバック制御
する方法（フィードバック法）が用いられている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】従来の装置構成は、交
流電圧として５〜１０ｋＨｚを用いプローブを励起し、
その変位信号をロックインアンプで検出している。従っ
てこの励起周波数に対して充分なＳ／Ｎ比を得るために
は、ロックインアンプの時定数を１０〜２０msec以上に
設定する必要があり、２００×２００の画素の画像を測
定するのに７〜１４分も要してしまう。又、前記の試料
電位調節用の直流電源５のフィードバック制御を行うと
画像の得られる時間は、このフィードバック系の応答を
含めてさらに遅れてしまう。又、従来技術では、表面の
電位差分布だけしか求められなかった。
流電圧として５〜１０ｋＨｚを用いプローブを励起し、
その変位信号をロックインアンプで検出している。従っ
てこの励起周波数に対して充分なＳ／Ｎ比を得るために
は、ロックインアンプの時定数を１０〜２０msec以上に
設定する必要があり、２００×２００の画素の画像を測
定するのに７〜１４分も要してしまう。又、前記の試料
電位調節用の直流電源５のフィードバック制御を行うと
画像の得られる時間は、このフィードバック系の応答を
含めてさらに遅れてしまう。又、従来技術では、表面の
電位差分布だけしか求められなかった。
【０００７】本発明の目的は、このような従来技術の問
題点を鑑み、高速で試料表面の誘電率及び表面電位の分
布を求める装置に関するものである。
題点を鑑み、高速で試料表面の誘電率及び表面電位の分
布を求める装置に関するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、前記目的を達
成するために、図２に示す２台のロックインアンプの代
わりに、図１に示す離散的フーリエ変換を用いたアナロ
グ演算器１７を使用し、高速に光テコの信号周波数２ω
及びω成分を得る。また試料電位調節用の直流電源バイ
アス電源５又は割算器５ａを有する。
成するために、図２に示す２台のロックインアンプの代
わりに、図１に示す離散的フーリエ変換を用いたアナロ
グ演算器１７を使用し、高速に光テコの信号周波数２ω
及びω成分を得る。また試料電位調節用の直流電源バイ
アス電源５又は割算器５ａを有する。
【０００９】
【作用】前記離散的フーリエ変換を用いたアナログ演算
器１７が高速に（時定数約１msec）ω及び２ωの周波数
成分を検出する。一方、前記割算器は、ω及び２ωの振
幅を割算し演算操作することにより試料の表面電位の分
布を求める。
器１７が高速に（時定数約１msec）ω及び２ωの周波数
成分を検出する。一方、前記割算器は、ω及び２ωの振
幅を割算し演算操作することにより試料の表面電位の分
布を求める。
【００１０】
【実施例】図１に本発明の第１の実施例の構成図を示
す。試料１は試料台２の上に載せられ、必要に応じて試
料面と試料台で導通を取る。導電性のレバー及び探針３
と試料１又は試料台の間に、探針励振用の交流電圧（Ｖ
AC sinω）を発振系４より、試料電位調節用の直流電圧
（ＶBias）を電源５より印加する。探針を試料に近づけ
ると、試料と探針間の静電的結合が増加し、探針が強制
振動を起こす。この振幅を光テコ６等の変位検出系で検
出し、この振幅信号周波数成分ω及び２ωを離散的フー
リエ変換を用いたアナログ演算器１７（以下アナログ演
算器１７と記す）により検出する。得られたω成分は表
面電位を、２ω成分は探針と試料間の静電容量の探針試
料方向（ｚ方向）の勾配となる。これら静電容量の勾配
と表面電位を画像化するためには、静電容量の勾配
す。試料１は試料台２の上に載せられ、必要に応じて試
料面と試料台で導通を取る。導電性のレバー及び探針３
と試料１又は試料台の間に、探針励振用の交流電圧（Ｖ
AC sinω）を発振系４より、試料電位調節用の直流電圧
（ＶBias）を電源５より印加する。探針を試料に近づけ
ると、試料と探針間の静電的結合が増加し、探針が強制
振動を起こす。この振幅を光テコ６等の変位検出系で検
出し、この振幅信号周波数成分ω及び２ωを離散的フー
リエ変換を用いたアナログ演算器１７（以下アナログ演
算器１７と記す）により検出する。得られたω成分は表
面電位を、２ω成分は探針と試料間の静電容量の探針試
料方向（ｚ方向）の勾配となる。これら静電容量の勾配
と表面電位を画像化するためには、静電容量の勾配
【００１１】
【数２】
【００１２】が一定となるように探針と試料の距離をサ
ーボ系９及びピエゾスキァーナ１０を使い制御しながら
ｘ，ｙ方向にｘ，ｙラスター走査系１２を使用しラスタ
ー走査することにより、表面電位及び静電容量の面内分
布が得られる。一方、表面電位は割算器５ａより演算操
作によっても同様に得られる。
ーボ系９及びピエゾスキァーナ１０を使い制御しながら
ｘ，ｙ方向にｘ，ｙラスター走査系１２を使用しラスタ
ー走査することにより、表面電位及び静電容量の面内分
布が得られる。一方、表面電位は割算器５ａより演算操
作によっても同様に得られる。
【００１３】次に原理を示す。静電的結合によって導電
性のレバーが受ける力は、
性のレバーが受ける力は、
【００１４】
【数３】
【００１５】
【数４】
【００１６】で表される。今、探針直下の表面電位をＶ
S とすると、 Ｖ＝ＶDC＋ＶACｓｉｎω ・・・・（２） ＶDC＝ＶBias＋ＶS ・・・・（３） となり、強制振動による。探針振幅は、
S とすると、 Ｖ＝ＶDC＋ＶACｓｉｎω ・・・・（２） ＶDC＝ＶBias＋ＶS ・・・・（３） となり、強制振動による。探針振幅は、
【００１７】
【数５】
【００１８】となる。また図３に示すように曲率Ｒの針
３が平らな試料１と向き合っているとすると針と試料の
間の静電容量のｚ方向の勾配は
３が平らな試料１と向き合っているとすると針と試料の
間の静電容量のｚ方向の勾配は
【００１９】
【数６】
【００２０】となる。今、ｋ＝一定 ＶAC＝一定 ε0
＝一定と仮定し、ロックインアンプ２ω項の出力は、 Ｖ 2ω∝（ＶAC 2 ／２)(１／ｋ)(ε0 πＲ／ｚ0 2） ∝（ａ／ｚ0 2） ・・・・（６） ａ：比例定数 となり、Ｖ 2ωを一定になるように、Ｚ軸サーボ系９及
びピエゾアクチュエータ１０を制御することにより、探
針と試料の距離を一定に制御することができる。従っ
て、上記制御をしながらｘ・ｙのラスター走査を行え
ば、２ω項よりは、試料表面の凹凸像が得られる。
＝一定と仮定し、ロックインアンプ２ω項の出力は、 Ｖ 2ω∝（ＶAC 2 ／２)(１／ｋ)(ε0 πＲ／ｚ0 2） ∝（ａ／ｚ0 2） ・・・・（６） ａ：比例定数 となり、Ｖ 2ωを一定になるように、Ｚ軸サーボ系９及
びピエゾアクチュエータ１０を制御することにより、探
針と試料の距離を一定に制御することができる。従っ
て、上記制御をしながらｘ・ｙのラスター走査を行え
ば、２ω項よりは、試料表面の凹凸像が得られる。
【００２１】次にロックインアンプのω項の出力をＶω
とすると Ｖω∝２ＶDCＶAC（１／ｋ)(ε0 πＲ／Ｚ0 2) ・・・・（７） 今、ＶAC，ε0 ，ｚ0 ，ｋが一定であるから、 Ｖω∝２（ＶBias＋ＶS ）ｂ ・・・・（８） ｂ：比例定数 となる。キャリブレーション法では、ＶS ＝０の時、Ｖ
Biasに既知の値を与え比例係数ｂを算出する。又、フィ
ードバック法では、常にＶω＝０になるように、ＶBias
をフィードバック制御し、ＶBias＝−ＶS より表面電位
を直読する。
とすると Ｖω∝２ＶDCＶAC（１／ｋ)(ε0 πＲ／Ｚ0 2) ・・・・（７） 今、ＶAC，ε0 ，ｚ0 ，ｋが一定であるから、 Ｖω∝２（ＶBias＋ＶS ）ｂ ・・・・（８） ｂ：比例定数 となる。キャリブレーション法では、ＶS ＝０の時、Ｖ
Biasに既知の値を与え比例係数ｂを算出する。又、フィ
ードバック法では、常にＶω＝０になるように、ＶBias
をフィードバック制御し、ＶBias＝−ＶS より表面電位
を直読する。
【００２２】ここでは、キャリブレーションも、フィー
ドバックも不要な割算器による演算操作による表面電位
の求め方を説明する。式（６），（７）より Ｖω／Ｖ2 ω＝４ＶDC／ＶAC＝α ・・・・（９） 式（９）、（３）より、 Ｖs ＝β（αＶAC／４) −ＶBias ・・・・（10） 今、ＶAC，α，ＶBias既知及びβの実測より表面電位Ｖ
s が求まる。尚、βはレバーをω、及び２ωで励起し、
振動させた時の振幅の比であり、２ωがレバーの機械的
共振周波数ω0 より小さい時、（２ω≦ω0)β≒１であ
る。又、レバーのＱ値及び機械的共振周波数が既知の場
合は、数７、(12)より求めてもよい。
ドバックも不要な割算器による演算操作による表面電位
の求め方を説明する。式（６），（７）より Ｖω／Ｖ2 ω＝４ＶDC／ＶAC＝α ・・・・（９） 式（９）、（３）より、 Ｖs ＝β（αＶAC／４) −ＶBias ・・・・（10） 今、ＶAC，α，ＶBias既知及びβの実測より表面電位Ｖ
s が求まる。尚、βはレバーをω、及び２ωで励起し、
振動させた時の振幅の比であり、２ωがレバーの機械的
共振周波数ω0 より小さい時、（２ω≦ω0)β≒１であ
る。又、レバーのＱ値及び機械的共振周波数が既知の場
合は、数７、(12)より求めてもよい。
【００２３】
【数７】
【００２４】 β＝ (Ａ（ω）／Ａ（２ω)) ・・・・（12） 次に、従来例の図１における交流電圧（ＶAC sinωｔ）
発振系４、直流バイアス（ＶBias）電源５及び周波数
ω、２ωの各成分の電圧振幅を検出するロックインアン
プ７、８の役割を担う制御回路部分である図２の１８に
ついて詳細に説明する（図４）。
発振系４、直流バイアス（ＶBias）電源５及び周波数
ω、２ωの各成分の電圧振幅を検出するロックインアン
プ７、８の役割を担う制御回路部分である図２の１８に
ついて詳細に説明する（図４）。
【００２５】図４の符号２１は、所定の周波数及び振幅
を有する正弦波交流電圧を発生する発振器（例えばディ
テル社製 ＲＯＪ１Ｋ）であり、発振器２１には減衰器
２２が接続され、減衰器２２の出力は、導電性の探針３
に印加される。また、前記発振器２１に接続され、入力
電圧Ａ，Ｂに対する出力電圧ＣがＣ＝Ａ・Ｂ／１０で与
えられる第１の乗算器２３（例えば、アナログデバイセ
ズ社製 ＡＤ５３２）では、発振器２１および図２のプ
リアンプ１１の出力ｚが入力され、両者の積の１／１０
の信号が出力される。第１の乗算器２３の出力は時定数
１ｍｓの第１のローパスフィルタ２４に送られて平滑化
され、さらに第２の増幅器２５により適切に増幅され、
ω周波数成分の信号とし、図１、図２の直流バイアス電
源５又は図２の割算器５ａに出力される。この間の入出
力の関係を数式を用いて表現すると、次のようになる。
を有する正弦波交流電圧を発生する発振器（例えばディ
テル社製 ＲＯＪ１Ｋ）であり、発振器２１には減衰器
２２が接続され、減衰器２２の出力は、導電性の探針３
に印加される。また、前記発振器２１に接続され、入力
電圧Ａ，Ｂに対する出力電圧ＣがＣ＝Ａ・Ｂ／１０で与
えられる第１の乗算器２３（例えば、アナログデバイセ
ズ社製 ＡＤ５３２）では、発振器２１および図２のプ
リアンプ１１の出力ｚが入力され、両者の積の１／１０
の信号が出力される。第１の乗算器２３の出力は時定数
１ｍｓの第１のローパスフィルタ２４に送られて平滑化
され、さらに第２の増幅器２５により適切に増幅され、
ω周波数成分の信号とし、図１、図２の直流バイアス電
源５又は図２の割算器５ａに出力される。この間の入出
力の関係を数式を用いて表現すると、次のようになる。
【００２６】
【数８】
【００２７】前述したように、ｚの周波数ω成分は試料
と探針３間の静電的結合による力に対応しており、運動
による逸脱エネルギーはないため、ＶAC sinωｔとｚの
ω成分との間の位相のずれはない。従って、数８の右辺
括弧内のｚのフーリエ正弦積分は、ｚのω成分の振幅を
表している。
と探針３間の静電的結合による力に対応しており、運動
による逸脱エネルギーはないため、ＶAC sinωｔとｚの
ω成分との間の位相のずれはない。従って、数８の右辺
括弧内のｚのフーリエ正弦積分は、ｚのω成分の振幅を
表している。
【００２８】一方、発振器２１の信号は、分岐点２６に
おいて２つに分岐され、それぞれ第２の乗算器２７に入
力され、第２の乗算器２７は発振器２１から発生された
正弦波電圧を２乗した値の１／１０の電圧を出力する。
第２の乗算器２７には、時定数１Ｓの第２のローパスフ
ィルタ２８が接続され、乗算器２７からの信号を平滑化
して出力する。符号２９は乗算器であり、第２の乗算器
２７および第２のローパスフィルタに接続されて両者の
差を出力する。減算器２９には、−２倍の利得を有する
反転増幅器３０が接続されている。発振器２１から反転
増幅器３０に至る入出力関係を数式を用いて表現すれ
ば、
おいて２つに分岐され、それぞれ第２の乗算器２７に入
力され、第２の乗算器２７は発振器２１から発生された
正弦波電圧を２乗した値の１／１０の電圧を出力する。
第２の乗算器２７には、時定数１Ｓの第２のローパスフ
ィルタ２８が接続され、乗算器２７からの信号を平滑化
して出力する。符号２９は乗算器であり、第２の乗算器
２７および第２のローパスフィルタに接続されて両者の
差を出力する。減算器２９には、−２倍の利得を有する
反転増幅器３０が接続されている。発振器２１から反転
増幅器３０に至る入出力関係を数式を用いて表現すれ
ば、
【００２９】
【数９】
【００３０】すなわち、発振器２１の出力振幅を１０Ｖ
とすれば反転増幅器３０の出力は、振幅が１０Ｖで周波
数が元の正弦波に比べて２倍の余弦波として与えられ
る。符号３１は第３の乗算器であり前記反転増幅器３０
と図２のプリアンプ１１とに接続され、両者の積層１／
１０の電圧を出力する。第３の乗算器３１には時定数
０．５ｍｓの第３のローパスフィルタ３２が接続され、
ｚの２ω成分の振幅を検出する。すなわち、
とすれば反転増幅器３０の出力は、振幅が１０Ｖで周波
数が元の正弦波に比べて２倍の余弦波として与えられ
る。符号３１は第３の乗算器であり前記反転増幅器３０
と図２のプリアンプ１１とに接続され、両者の積層１／
１０の電圧を出力する。第３の乗算器３１には時定数
０．５ｍｓの第３のローパスフィルタ３２が接続され、
ｚの２ω成分の振幅を検出する。すなわち、
【００３１】
【数10】
【００３２】であり、数10における括弧内、ｚのフーリ
エ余弦積分は、ｚの２ω成分の振幅を表している。第３
のローパスフィルタ３２の出力は第２の増幅器３３を介
してピエゾ制御回路９に送られ、ピエゾスキャナー１０
のｚ方向サーボ制御信号として用いられる。次に試料表
面の電位分布と同時に誘電率分布を求める方法を説明す
る。
エ余弦積分は、ｚの２ω成分の振幅を表している。第３
のローパスフィルタ３２の出力は第２の増幅器３３を介
してピエゾ制御回路９に送られ、ピエゾスキャナー１０
のｚ方向サーボ制御信号として用いられる。次に試料表
面の電位分布と同時に誘電率分布を求める方法を説明す
る。
【００３３】本発明の第２の実施例を図５に示す。測定
の方式は各画素ごとに試料の凹凸（ｄ）及び静電容量の
ｚ方向の勾配を一定にする距離（ｚ）を求める。手順
は、ある任意の画素で導電性探針３と試料１又は試料台
２間の交流電圧（ＶAC sinω）及び直流電圧（ＶBias）
をゼロにし、探針３を試料１面に接続させ、レバーの反
りが一定の値になるようにＺ軸サーボ系９がピエゾスキ
ャナー１０を使い制御する。この時の制御電圧が試料の
凹凸情報（ｄ）を与える（コンタクトモード）。
の方式は各画素ごとに試料の凹凸（ｄ）及び静電容量の
ｚ方向の勾配を一定にする距離（ｚ）を求める。手順
は、ある任意の画素で導電性探針３と試料１又は試料台
２間の交流電圧（ＶAC sinω）及び直流電圧（ＶBias）
をゼロにし、探針３を試料１面に接続させ、レバーの反
りが一定の値になるようにＺ軸サーボ系９がピエゾスキ
ャナー１０を使い制御する。この時の制御電圧が試料の
凹凸情報（ｄ）を与える（コンタクトモード）。
【００３４】次にピエゾスキャナー９にＺ軸サーボ系を
固定しオフセット電圧発生器１５より一定の電圧を与え
試料面より所定の距離だけ離す。次に発振器４より交流
電圧（ＶAC sinω）を印加する。探針が数５で示す振幅
で振動を開始し、ここでＶ2wの値が所定の値になるよう
にＺ軸サーボ系９を解除し、オフセット電圧発生器１５
の電圧をゼロに戻しながら、Ｚ軸サーボ系９及びヒエゾ
スキャナー１０を制御する。この時の制御電圧が試料と
探針間の静電容量を一定するための情報（ｚ）を得る
（キャパシタンスモード）。
固定しオフセット電圧発生器１５より一定の電圧を与え
試料面より所定の距離だけ離す。次に発振器４より交流
電圧（ＶAC sinω）を印加する。探針が数５で示す振幅
で振動を開始し、ここでＶ2wの値が所定の値になるよう
にＺ軸サーボ系９を解除し、オフセット電圧発生器１５
の電圧をゼロに戻しながら、Ｚ軸サーボ系９及びヒエゾ
スキャナー１０を制御する。この時の制御電圧が試料と
探針間の静電容量を一定するための情報（ｚ）を得る
（キャパシタンスモード）。
【００３５】以下各画素ごとに前記（ｄ）及び（ｚ）の
情報を測定し、一画面の情報を得る。前記方法は各画素
ごとに（ｄ）及び（ｚ）の情報が求まるが、測定時間が
長くなる。試料面の熱による移動が無視できる場合は、
各ラスター走査ごと、あるいは一画面ごとに探針の距離
を制御しコンタクトモードとキャパシタンスモードを切
り換えて別々にｄとｚの情報を測定しても良い。
情報を測定し、一画面の情報を得る。前記方法は各画素
ごとに（ｄ）及び（ｚ）の情報が求まるが、測定時間が
長くなる。試料面の熱による移動が無視できる場合は、
各ラスター走査ごと、あるいは一画面ごとに探針の距離
を制御しコンタクトモードとキャパシタンスモードを切
り換えて別々にｄとｚの情報を測定しても良い。
【００３６】次に得られたｄ及びｚより試料表面の誘電
率の分布を求める。以下の解析は図２又は図５で示す画
像処理演算処理系１３で行う。以下に誘電率を求めるア
ルゴリズムを示す。図６に示すように基板上に高さ誘電
率の異なるものが平行に並んだモデル（パラレルモデ
ル）及び図７に示す誘電率が異なるものが積層した（ス
タックモデル）の２つについて示す。図６、図７に示す
ような試料の断面は、図２、図５の画像処理系１３で処
理する。
率の分布を求める。以下の解析は図２又は図５で示す画
像処理演算処理系１３で行う。以下に誘電率を求めるア
ルゴリズムを示す。図６に示すように基板上に高さ誘電
率の異なるものが平行に並んだモデル（パラレルモデ
ル）及び図７に示す誘電率が異なるものが積層した（ス
タックモデル）の２つについて示す。図６、図７に示す
ような試料の断面は、図２、図５の画像処理系１３で処
理する。
【００３７】まず、パラレルモデルの説明をする。コン
タクトモードでの探針の軌跡を（ｄ）、キャパシタンス
モードの針の軌跡を（ｚ）とする。図６の領域０、１、
２、ｎ−１、ｎにおける誘電率をε0 、ε1 、ε2 〜ε
n-1 、εn と、試料の厚さをｄ1 、ｄ2 〜ｄn-1 、ｄn
とし、キャパシタンスモードの探針の軌跡と試料表面ま
での距離をｚ0 、ｚ1 、ｚ2 〜ｚn-1 、ｚn とする。ま
た各領域における基板と試料の間の静電容量が等しいの
で境界１で、 ｚ0 ＝ｚ1 ＋（ε0 ／ε1 ）ｄ1 ・・・・（15) Δｚ1 ＝ｚ1 ＋ｄ1 −ｚ0 ＝ｄ1 （１−（ε0 ／ε1 ))・・・・（16) Δｚ1 ／ｄ1 ＝（１−ε0 ／ε1 ） ・・・・（17) が成り立つ。
タクトモードでの探針の軌跡を（ｄ）、キャパシタンス
モードの針の軌跡を（ｚ）とする。図６の領域０、１、
２、ｎ−１、ｎにおける誘電率をε0 、ε1 、ε2 〜ε
n-1 、εn と、試料の厚さをｄ1 、ｄ2 〜ｄn-1 、ｄn
とし、キャパシタンスモードの探針の軌跡と試料表面ま
での距離をｚ0 、ｚ1 、ｚ2 〜ｚn-1 、ｚn とする。ま
た各領域における基板と試料の間の静電容量が等しいの
で境界１で、 ｚ0 ＝ｚ1 ＋（ε0 ／ε1 ）ｄ1 ・・・・（15) Δｚ1 ＝ｚ1 ＋ｄ1 −ｚ0 ＝ｄ1 （１−（ε0 ／ε1 ))・・・・（16) Δｚ1 ／ｄ1 ＝（１−ε0 ／ε1 ） ・・・・（17) が成り立つ。
【００３８】今、Δｚ1 、ｄ1 、ε0 （空気中の誘電
率）が既知のため（17）式よりε1 が求まる。同様に境
界２で演算を行うと、 ｚ1 ＋ (ε0 ／ε1)ｄ1 ＝ｚ2 ＋ (ε0 ／ε2)ｄ2 ・・・・（18) Δｚ2 ＝（ｄ2 ＋ｚ1 ）−（ｄ1 ＋ｚ1 ） ・・・・（19)
率）が既知のため（17）式よりε1 が求まる。同様に境
界２で演算を行うと、 ｚ1 ＋ (ε0 ／ε1)ｄ1 ＝ｚ2 ＋ (ε0 ／ε2)ｄ2 ・・・・（18) Δｚ2 ＝（ｄ2 ＋ｚ1 ）−（ｄ1 ＋ｚ1 ） ・・・・（19)
【００３９】
【数11】
【００４０】 ∴ (Δｚ2 ＋Δｚ1)／ｄ2 ＝（１− (ε0 ／ε2)) ・・・・（21) ｄ1 ＋ｄ21＝ｄ2 今、ｄ2 、Δｚ1 、Δｚ2 、ε0 既知よりε2 が求ま
る。
る。
【００４１】同様に、境界ｎで演算を行うと、 (Δｚn ＋Δｚn-1 ／ｄn)＝(1−ε0 ／εn ) ｄn ＝ｄn,n-1 ＋ｄn-1 ・・・・（22) Δｚn 、Δｚn-1 、ε0 既知よりεn が求まる。
【００４２】次に、スタックモデルでの解析を説明す
る。前記と同様にコンタクトモードでの探針の軌跡を
（ｄ）、キャパシタンスモードでの針の軌跡を（ｚ）と
する。領域０、１、２〜ｎ−１、ｎにおける誘電率をε
0 、ε1 、ε2 〜εn-1 、εn とし、試料の厚さを
ｄ1 、ｄ2 〜ｄn-1 、ｄn とし、キャパシタンスモード
の探針の軌跡と試料表面までの距離をｚ0 、ｚ1 、ｚ2
〜ｚn-1 、ｚn とする。また各領域における基板と試料
間の静電容量が等しいので境界１で、 ｚ0 ＝ｚ1 ＋ (ε0 ／ε1)ｄ1 ・・・・（15) Δｚ1 ／ｄ＝（１−ε0 ／ε1 ） ・・・・（17) が成り立つ。
る。前記と同様にコンタクトモードでの探針の軌跡を
（ｄ）、キャパシタンスモードでの針の軌跡を（ｚ）と
する。領域０、１、２〜ｎ−１、ｎにおける誘電率をε
0 、ε1 、ε2 〜εn-1 、εn とし、試料の厚さを
ｄ1 、ｄ2 〜ｄn-1 、ｄn とし、キャパシタンスモード
の探針の軌跡と試料表面までの距離をｚ0 、ｚ1 、ｚ2
〜ｚn-1 、ｚn とする。また各領域における基板と試料
間の静電容量が等しいので境界１で、 ｚ0 ＝ｚ1 ＋ (ε0 ／ε1)ｄ1 ・・・・（15) Δｚ1 ／ｄ＝（１−ε0 ／ε1 ） ・・・・（17) が成り立つ。
【００４３】今、Δｚ1 、ｄ1 、ε0 （空気中の誘電
率）が既知のため、（17）式よりε1が求まる。同様に
境界２で演算を行うと、 ｚ1 ＝ｚ2 ＋ (ε0 ／ε2)ｄ2 ・・・・（23) Δｚ2 ＝ｚ2 ＋ｄ2 −ｚ1 ＝ｄ2 （１− (ε0 ／ε2)）・・・・（24) （Δｚ2 ／ｄ2)＝（１− (ε0 ／εn )) ・・・・（25) 今、ｄ2 、Δｚ2 、ε0 既知よりε2 が求まる。同様に
境界ｎで演算を行うと、 （Δｚn ／ｄn ) ＝（１− (ε0 ／εn )) ・・・・（26) 今、Δｚn 、ｄn 、ε0 既知よりεn が求まる。
率）が既知のため、（17）式よりε1が求まる。同様に
境界２で演算を行うと、 ｚ1 ＝ｚ2 ＋ (ε0 ／ε2)ｄ2 ・・・・（23) Δｚ2 ＝ｚ2 ＋ｄ2 −ｚ1 ＝ｄ2 （１− (ε0 ／ε2)）・・・・（24) （Δｚ2 ／ｄ2)＝（１− (ε0 ／εn )) ・・・・（25) 今、ｄ2 、Δｚ2 、ε0 既知よりε2 が求まる。同様に
境界ｎで演算を行うと、 （Δｚn ／ｄn ) ＝（１− (ε0 ／εn )) ・・・・（26) 今、Δｚn 、ｄn 、ε0 既知よりεn が求まる。
【００４４】事前の物質の構造が、平行か積層か判って
いる場合は前記のモデルを適応して各領域の誘電率を求
めることができる。以上変位検出方式を光テコを用いた
系に基づいて説明したが、探針の変位検出に関しては光
干渉計等の他の技法を用いることもできる。
いる場合は前記のモデルを適応して各領域の誘電率を求
めることができる。以上変位検出方式を光テコを用いた
系に基づいて説明したが、探針の変位検出に関しては光
干渉計等の他の技法を用いることもできる。
【００４５】
【発明の効果】２台のロックインアンプによる電圧振幅
検出を離散的フーリエ変換回路に代替したことにより、
検出時定数を約１／１０に減少することができる。この
結果、１画面測定に要する時間を数１０分から数分に短
縮することができる。
検出を離散的フーリエ変換回路に代替したことにより、
検出時定数を約１／１０に減少することができる。この
結果、１画面測定に要する時間を数１０分から数分に短
縮することができる。
【００４６】また、交流電源および直流バイアス電源
は、離散的フーリエ変換回路の出力をそのまま使えるた
め、回路系が単純化され、結線が単純になるとともに、
計器の相対的な較正が不要になるという利点も得られ
る。又、従来マクロ的な情報しか得られなかった試料の
誘電率分布をサブミクロン以下の分解能で得られるよう
になった。
は、離散的フーリエ変換回路の出力をそのまま使えるた
め、回路系が単純化され、結線が単純になるとともに、
計器の相対的な較正が不要になるという利点も得られ
る。又、従来マクロ的な情報しか得られなかった試料の
誘電率分布をサブミクロン以下の分解能で得られるよう
になった。
【図１】本発明の第１の実施例である。
【図２】従来の実施例である。
【図３】探針と試料間の静電容量である。
【図４】電位差検出器である。
【図５】本発明の第２の実施例である。
【図６】誘電率解析モデル１（平行モデル）
【図７】誘電率解析モデル２（積層モデル）
１ 試料 ２ 試料台 ３ 導電性探針 ４ 発振系 ５ 直流バイアス電源及び電圧フィードバック回路 ６ 光テコ系 ９ Ｚ軸サーボ系 １０ ピエゾアクチュエータ １７ 離散的フーリエ変換を用いたアナログ演算器 １８ 電位差検出器
Claims (4)
- 【請求項１】 試料台に配置された試料と、前記試料に
対向して設けられ鋭い導電性の探針が先端についた弾性
的レバーと、前記レバーに正弦波電圧を印加する発振器
と、前記レバーの変位又は振幅を検出する変位検出手段
と、この変位又はレバーの振動振幅を一定に制御するサ
ーボ系及びピエゾアクチュエータと、上記レバーを試料
面と垂直方向に正弦波状に強制振動させる手段と、前記
ピエゾアクチュエータ上に固定された導電体又は半導体
又は薄膜試料と探針の間に直流電圧を与える手段と、レ
バーの振動振幅を離散的フーリエ変換を用いたアナログ
演算器にて測定し、試料表面の表面電位及び誘電率の分
布を演算する演算手段とから成ることを特徴とする物性
情報測定装置。 - 【請求項２】 前記レバーの振動振幅を離散的フーリエ
変換を用いるアナログ演算器は前記発振器及び前記変位
検出手段に接続され、両者の出力を乗算する第１の乗算
器と、第１の乗算器に接続されるとともに、第１の乗算
器の出力を平滑化する第１のローパスフィルタと、前記
第１のローパスフィルタに接続された第１の増幅器と、
前記発振器に接続されるとともに、発振器の出力を二乗
する第２の乗算器と、前記第２の乗算器に接続され、そ
の出力を平滑化する第２のローパスフィルタと、前記第
２の乗算器及び前記第２のローパスフィルタに接続され
両者の差信号を出力する減算器と、前記変位検出器およ
び減算器に接続され両者の出力の乗算をする第３の乗算
器と、第３の乗算器に接続されるとともに、第３の乗算
器の出力を平滑化する第３のローパスフィルタと、前記
第３のローパスフィルタに接続された第２の増幅器と前
記第２の増幅器の出力を割算する割算器あるいは、試料
電位調整用のフィードバック回路に与え、又前記第３の
増幅器の出力を前記ピエゾアクチュエータを制御するサ
ーボ系に出力する回路系より成ることを特徴とする請求
項１記載の物性情報測定装置。 - 【請求項３】 前記離散的フーリエ変換を用いるアナロ
グ演算器の第１の増幅器より得られる信号を、前記第２
の増幅器で得られる信号で割算を行い、この係数より演
算操作することにより、試料の表面電位の分布を求める
ことを特徴とする請求項２記載の物性情報測定装置。 - 【請求項４】 前記離散的フーリエ変換を用いるアナロ
グ演算器の第２の増幅器の出力と、試料表面の凹凸情報
を各画素ごとに求め、演算操作することにより試料の誘
電率の分布を求めることを特徴とする請求項２記載の物
性情測定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04348584A JP3084467B2 (ja) | 1992-12-28 | 1992-12-28 | 物性情報測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04348584A JP3084467B2 (ja) | 1992-12-28 | 1992-12-28 | 物性情報測定装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06201373A true JPH06201373A (ja) | 1994-07-19 |
| JP3084467B2 JP3084467B2 (ja) | 2000-09-04 |
Family
ID=18398001
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP04348584A Expired - Fee Related JP3084467B2 (ja) | 1992-12-28 | 1992-12-28 | 物性情報測定装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3084467B2 (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000028624A (ja) * | 1998-05-04 | 2000-01-28 | Internatl Business Mach Corp <Ibm> | 走査型力顕微鏡およびそのプロ―ブ・ティップの動きを制御する方法 |
| JP2002323431A (ja) * | 2001-02-26 | 2002-11-08 | Seiko Instruments Inc | 高次非線形誘電率を計測する走査型非線形誘電率顕微鏡 |
| JP2009544019A (ja) * | 2006-07-14 | 2009-12-10 | シュペックス・チューリヒ・ゲーエムベーハー | 走査プローブ顕微鏡及びその動作方法 |
| CN113567756A (zh) * | 2021-09-24 | 2021-10-29 | 深圳飞骧科技股份有限公司 | 一种基于差分振荡器的介电常数测量装置 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3402512B2 (ja) | 1994-05-23 | 2003-05-06 | セイコーインスツルメンツ株式会社 | 走査型プローブ顕微鏡 |
-
1992
- 1992-12-28 JP JP04348584A patent/JP3084467B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JP2000028624A (ja) * | 1998-05-04 | 2000-01-28 | Internatl Business Mach Corp <Ibm> | 走査型力顕微鏡およびそのプロ―ブ・ティップの動きを制御する方法 |
| JP2002323431A (ja) * | 2001-02-26 | 2002-11-08 | Seiko Instruments Inc | 高次非線形誘電率を計測する走査型非線形誘電率顕微鏡 |
| JP4693270B2 (ja) * | 2001-02-26 | 2011-06-01 | エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社 | 高次非線形誘電率を計測する走査型非線形誘電率顕微鏡 |
| JP2009544019A (ja) * | 2006-07-14 | 2009-12-10 | シュペックス・チューリヒ・ゲーエムベーハー | 走査プローブ顕微鏡及びその動作方法 |
| JP4960451B2 (ja) * | 2006-07-14 | 2012-06-27 | シュペックス・チューリヒ・ゲーエムベーハー | 走査プローブ顕微鏡及びその動作方法 |
| US8347411B2 (en) | 2006-07-14 | 2013-01-01 | Specs Zürich GmbH | Scanning probe microscope and method for operating the same |
| CN113567756A (zh) * | 2021-09-24 | 2021-10-29 | 深圳飞骧科技股份有限公司 | 一种基于差分振荡器的介电常数测量装置 |
| CN113567756B (zh) * | 2021-09-24 | 2021-12-07 | 深圳飞骧科技股份有限公司 | 一种基于差分振荡器的介电常数测量装置 |
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|---|---|
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