JPH06258072A

JPH06258072A - 圧電体薄膜評価装置、原子間力顕微鏡

Info

Publication number: JPH06258072A
Application number: JP4830793A
Authority: JP
Inventors: Keisuke Yamamoto; 敬介山本; Takehiko Kawasaki; 岳彦川崎; Yoshio Suzuki; 義勇鈴木; Harunori Kawada; 春紀河田; Masahiko Miyamoto; 雅彦宮本; Akira Kuroda; 亮黒田; Katsunori Aihara; 克紀相原
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1993-03-09
Filing date: 1993-03-09
Publication date: 1994-09-16

Abstract

(57)【要約】【目的】圧電体薄膜の圧電性を精度よく測定し、櫛形
電極を形成するためのリソグラフィーやパターニングを
必要としない。【構成】圧電体薄膜１０３上の上部電極１０４にカン
チレバー１０６の自由端部が接触した状態で、カンチレ
バー１０６の表面に光源１０９より光ビームが照射さ
れ、カンチレバー１０６より反射された反射光ビームの
位置が位置検出素子１１０により検出される。そして、
電流電圧測定器１１３により圧電体薄膜１０３の上下電
極間に電圧が印加されると、圧電体薄膜１０３が歪んで
カンチレバー１０６の自由端部が変位し、カンチレバー
１０６より反射する光ビームが位置検出素子１１０上に
てずれて入射される。したがって、このときの位置検出
素子１１０からの検出信号に基づいて、位置検出信号処
理回路１１１およびＣＰＵ１１４により圧電性薄膜の圧
電性が評価される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

［その１］本発明は、圧電体薄膜の圧電性を測定する圧
電体薄膜評価装置に関する。

【０００２】［その２］本発明は、固体表面の構造や三
次元形状を評価する原子間力顕微鏡装置（Ａｔｏｍｉｃ
ＦｏｒｃｅＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：以下「ＡＦＭ」
と記す）に関する。

【０００３】

【従来の技術】

［その１］６４Ｍ以降の大容量ＤＲＡＭや不揮発性メモ
リーへの応用を目指し、ＰＺＴで代表される高誘電率，
強誘電体材料の薄膜の研究が活発になっている。

【０００４】また、ＺｎＯ薄膜で代表される、表面弾性
波素子（ＳＡＷデバイス）等は、すでに実用化されて
いる。

【０００５】近年半導体プロセス技術を背景にして半導
体を機械的構造体として用いた半導体圧力センサー、半
導体加速度センサー、マイクロアクチュエーター等の機
械的電気素子（マイクロメカニクス）が脚光を浴びるよ
うになってきた。このような領域においても圧電体薄膜
はいろいろな応用が考えられる。一般に圧電体薄膜は、
スパッタ法や、ＣＶＤ法、ゾルゲル法等で作製される。

【０００６】近年、圧電体薄膜を使った機能性デバイス
を試作するうえで、圧電体薄膜の基礎特性を把握するこ
とは、重要となっている。

【０００７】従来から圧電体薄膜の圧電性の評価とし
て、弾性表面波による測定がある。図５は従来の圧電性
薄膜の圧電性評価方法を示した図である。この図のよう
に基板２０１の上に形成した圧電体薄膜２０２上に櫛形
電極２０３を形成し、圧電体薄膜からの圧電性により表
面波を励振させ、入力と出力間を測定し、表面波の伝搬
速度と、電気機械結合定数を算出する方法がある。

【０００８】［その２］ＡＦＭは、試料表面に対して１
ｎｍ以下の距離にまで探針を接近させた時に、試料と探
針間に働く原子間力を探針を支持しているカンチレバー
の撓み量（変位量）から検出し、この原子間力を一定に
保つように試料と探針との距離を制御しながら試料表面
を走査することにより、試料表面の三次元形状を１ｎｍ
以下の分解能で観察するものである（Ｂｉｎｎｉｇｅ
ｔ．ａｌ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．５６，９３０
（１９８６））。

【０００９】かかるＡＦＭによると、走査型トンネル顕
微鏡（ＳｃａｎｎｉｎｇＴｕｎｎｅｌｉｎｇＭｉｃ
ｒｏｓｃｏｐｅ，以下「ＳＴＭ」と記す）のように、試
料が導電性である必要がなく、導電性、絶縁性を問わず
あらゆる固体表面の構造や三次元形状を評価できる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】

［その１］従来の弾性表面波の測定には、櫛形電極を形
成する必要があった。通常櫛形電極を形成するには、リ
ソグラフィーとパターニングにより作製される。弾性表
面波やバルク波（弾性波動）による圧電性の測定は、得
られる値は電気機械結合定数であり、基板や圧電体薄膜
の膜厚が異なると薄膜特有の圧電性を直接評価できず、
理論値と実験値を一致させることで圧電定数を評価して
いた。一般には、圧電体セラミクスは、棒状や板上のセ
ラミクスを作製し、直接、電界をあたえ変位量を計測し
圧電性を測定している。例えばＰＺＴ等の圧電定数、ｄ
₃₃は３００×１０^-12 ｍ／Ｖである。この場合の破壊電
圧は大抵数ＭＶ／ｃｍである。この場合厚さ１ｍｍでは
電圧を１０ｋＶ以上印加でき、このときの圧電による変
位量は、３００×１０^-12 ｍ／Ｖ×１０ｋＶ＝３μｍと
なり、通常の光学的手法や電気的手法により容易に検出
することができる。しかし圧電体薄膜は通常０．１〜５
μｍ程度の厚さなので耐圧が低く、その結果、印加電圧
は数Ｖ程度しかかけれず、０．３ｎｍ程度の変位量しか
得られない。実質的にこのオーダーの測定は困難であっ
た。このために従来から、櫛形電極による弾性表面波の
測定で圧電性の評価を行っていた。

【００１１】本発明は上記従来技術にかかる課題に鑑み
てなされたものであって、圧電体薄膜の圧電性を精度よ
く測定し、櫛形電極を形成するためのリソグラフィーや
パターニングを必要としないことを目的とし、光てこ方
式を用いて微少変位を計測することができる圧電体薄膜
評価装置を提供することにある。

【００１２】［その２］また、従来のＡＦＭ技術では、
図１０のカンチレバーの概略構成図に示すような支持部
２４に支持された片側支持のカンチレバー（ｃａｎｔｉ
ｌｅｖｅｒ＝片持ち梁）１９が用いられており、又、こ
の例に限らず従来のＡＦＭにおいてはほとんどがカンチ
レバー方式が用いられている。この場合、カンチレバー
１９が試料２７表面を走査する際、図１１、１２に示す
ように走査方向によってカンチレバー１９の撓み方が異
なる為、探針２１の高さ方向の変位検出が不安定になる
という不都合が、特に走査速度を高めた場合に生じてい
た。

【００１３】こうした欠点を特開昭６４−１５６０２号
公報において、少なくとも２つの支持部をもった板材に
より改良が試みられている。しかしながら、この２つの
支持部による板材の場合も、図１３および図１４に示す
ように板材２２の長手方向と直角な走査方向２０に対し
ては、やはり探針２１の高さ方向の変位検出において走
査方向２０の影響を少なからず受けるとい問題点があっ
た。

【００１４】さらに、上記カンチレバーおよび板材等の
あらゆるＡＦＭにおける微少変位機構は、探針を有して
おり、この探針先端の良否がＡＦＭ像の分解能に影響す
る為、良好なＡＦＭ像が得られるように探針を選択する
場合や、走査を繰り返していくうちに探針先端にコンタ
ミ等が付着し、良好だったＡＦＭ像の分解能が低下す
る。したがって探針を交換する場合において、探針を含
んだカンチレバーや板材等の微少変位機構は、非常に頻
繁に着脱操作を行なう必要がある。ＡＦＭに用いるこう
した微少変位機構は、試料と探針とに作用する１×１０
^-9Ｎ〜１×１０^-7Ｎ程度の微弱な力を検出する為、ばね
定数が０．０２〜０．５Ｎ／ｍと非常に撓み易く、ちょ
っとした外力でも変形，破壊してしまう為、上述したよ
うな微少変位機構の頻繁な着脱操作は、非常に熟練を要
する手間のかかる操作であり、しばしばそのカンチレバ
ーや板材を破損させてしまうといった問題点もあった。

【００１５】本発明は上記従来技術にかかる問題点に鑑
みてなされたものであって、探針を含む微少変位機構の
取り扱いが容易であり、かつ得られるＡＦＭ像は走査方
向の影響を受けにくく常に安定で、早い走査速度にも対
応できる原子間力顕微鏡装置を提供することを目的とす
る。

【００１６】

【課題を解決するための手段】

［その１］上記目的を達成するための本発明の圧電体薄
膜評価装置は、表裏面にそれぞれ電極が形成された圧電
体薄膜の表電極に自由端部を接触させた片持ち梁部材
と、前記圧電体薄膜の表裏電極間に電圧を印加する電圧
印加手段と、前記片持ち梁部材の表面に光源より光ビー
ムを照射し、前記片持ち梁部材より反射された反射光ビ
ームの位置を検出する位置検出手段と、前記位置検出手
段からの検出信号をもとに、前記圧電性薄膜における変
位量および圧電定数を算出する算出手段とを備えたこと
を特徴とするものや、前記圧電体薄膜評価装置におい
て、前記片持ち梁部材は、電極を有するとともに、圧電
体薄膜の表電極に前記片持ち梁部材の電極を接触させて
おり、前記電圧印加手段に代えて、前記片持ち梁部材の
電極と前記圧電体薄膜の裏電極との間に電圧を印加し、
このときの圧電体薄膜の電気特性を測定する電気特性測
定手段が備えられたことを特徴とするもので、前記片持
ち梁部材の弾性定数が０．００２〜０．５Ｎ／ｍである
ことを特徴とするものでもよい。

【００１７】［その２］上記目的を達成するための本発
明は、試料の表面に微少変位機構の探針を接触走査し、
該探針の高さ方向の変位情報により該試料表面の構造や
三次元形状を評価する原子間力顕微鏡装置において、前
記微少変位機構が、共有する中心部より外側に向かって
各端部が互いに均等な角度で少なくとも三方向に延びる
変形可能な薄板と、前記中心部に設けられた探針と、前
記薄板を囲み、前記各端部を支持する枠状の板材とから
構成されたことを特徴とする。

【００１８】

【作用】

［その１］上記のとおり構成された本発明では、表裏面
にそれぞれ電極が形成された圧電体薄膜の表電極に片持
ち梁部材の自由端部が接触した状態で、前記片持ち梁部
材の表面に光源より光ビームが照射され、前記片持ち梁
部材より反射された反射光ビームの位置が位置検出手段
により検出される。

【００１９】ここで、電圧印加手段により前記圧電体薄
膜の表裏電極間に電圧が印加されると、前記圧電体薄膜
が逆圧電効果により歪み、前記片持ち梁部材の自由端部
が変位する。これにより、片持ち梁部材より反射する光
ビームが位置検出手段上にてずれて入射されるととも
に、そのずれ量が光てこの原理により前記片持ち梁部材
の自由端部の変位量に比べて拡大される。したがって、
前記圧電体薄膜の変位量が極微少でも位置検出手段から
の検出信号に基づいて、算出手段により前記圧電性薄膜
における変位量および圧電定数が算出される。

【００２０】［その２］上記説明した構成のとおり本発
明では、ＡＦＭの微少変位機構において枠状の板材の中
心部に探針が設けられ、共有する中心部より外側に向か
って各端部が互いに均等な角度で少なくとも三方向に延
びる変形可能な薄板を用いる事で、Ｘ−Ｙ方向のどの走
査方向に対しても走査方向の影響を受けにくくし、探針
の高さ方向の変位情報をより正確に抽出できるような原
子間力顕微鏡装置を与えるものである。

【００２１】さらに、この作用を与える探針を設けた変
形可能な薄板は、枠状の板材により周囲を取り囲まれた
構造となっている為、外力に非常に敏感で、破損しやす
い変形可能な薄板部が、枠状の板材により保護されてお
り、実際のＡＦＭ測定の際、頻繁に行われるであろう探
針を含む微少変位機構の着脱時においても枠状の板材部
分を取り扱う事で、容易かつ迅速な作業が可能な原子間
力顕微鏡装置をも与えるものである。

【００２２】

【実施例】

［その１］以下、本発明の圧電体薄膜評価装置の実施例
について図面を参照して具体的に詳述する。

【００２３】（第１の実施例）図１は本発明の圧電体薄
膜評価装置の第１の実施例の構成を示す概略構成図であ
る。

【００２４】この図に示すように本発明の圧電体薄膜評
価装置は、基板１０１上に下部電極１０２と圧電体薄膜
１０３と円盤状の上部電極１０４の順で形成される測定
試料１１５を用いて圧電体薄膜１０３を評価する装置で
あり、測定試料１１５は、通常の成膜方法として用いら
れるマスク蒸着で形状を作製している。

【００２５】この測定試料１１５は、マイクロメーター
でＸＹ軸方向に移動することができるＸＹステージ１０
５上に保持されており、さらにそのＸＹステージ１０５
は、図示していないが外的振動をさけるために除震台上
に設置されている。またＸＹステージ１０５上方には、
測定試料１１５を観察することができる顕微鏡１１２が
任意設置されている。

【００２６】一方、測定試料１１５上にはＳｉ基板から
形成した片持ち梁部材としてのカンチレバー１０６が設
けられており、カンチレバー１０６は、その一端部が圧
電体薄膜１０３上の上部電極１０４と接触した際に電気
的に導通できるように電極１１７と弾性体１１６とから
構成されている。そして、カンチレバー１０６の他端部
はＸＹＺ軸方向に移動可能なポジショナー１０７に取り
付けられている。

【００２７】また、測定試料１１５の上方には、レーザ
ー光などを出射する光源１０９と、カンチレバー１０７
に光ビームを照射するためレンズ等の光学系からなる照
射手段１０８とが設けられている。そして照射手段１０
８によりカンチレバー１０６に照射した光ビームは反射
光ビームとなって反射する。反射光ビームの反射方向に
は、この反射光ビームのずれ量を検出する位置検出素子
１１０が設けられている。このとき光源１０９からの光
ビームが照射手段１０８によりカンチレバー１０６に入
射し、カンチレバー１０６による反射光ビームが位置検
出素子１１０の中心に入射するように、光源１０９、照
射手段１０８および位置検出素子１１０はそれぞれ任意
に位置調整ができる構成となっている。

【００２８】いま、カンチレバー１０６の長さがｌ、カ
ンチレバー１０６上面から位置検出素子１１０までの距
離がＬであるとして、カンチレバー１０６の先端がΔＺ
だけ変位すると反射光ビームは位置検出素子１１０上で
２Ｌ／ｌΔＺだけのずれ量を生ずる。つまり、光て
この原理で変位量ΔＺが微少でも、ずれ量を計測すれば
良い。

【００２９】そこで反射光ビームのずれ量を検出する位
置検出素子１１０には、この位置検出素子１１０からの
信号をもとにカンチレバー１０６の先端の変位量ΔＺを
検出する位置検出信号処理回路１１１が接続されてい
る。一方、カンチレバー１０６の電極１１７と測定試料
１１５の下部電極１０２の間には電流電圧測定器１１３
が接続されており、これは直流および交流の電圧を発生
すると同時にその時の電流値を計測でき、さらにその容
量（キャパシタンス）等も計測することができるもので
ある。これらの位置検出信号処理回路１１１および電流
電圧測定器１１３はＣＰＵ１１４を介して自動的に測
定、解析できるように構成されている。

【００３０】ここでカンチレバーの長さを２００μｍ、
カンチレバーの上面から位置検出素子までの距離を１０
ｃｍの時、ΔＺの変位量は位置検出素子上で１０００倍
に拡大される。位置検出素子の分解能を０．０１μｍと
すると、ΔＺの分解能は０．１Åとなり、高性能の微少
変位を計測することができる。

【００３１】次に、本実施例の装置を用いたときの圧電
体薄膜の圧電性測定方法について述べる。

【００３２】まず測定者は、測定試料１０４をＸＹステ
ージ１０５にのせ、顕微鏡１１２から試料を観察しなが
らＸＹステージ１０５とポジショナー１０７を動かし、
カンチレバー１０６が圧電体薄膜１０３の上部電極１０
４上に接触するように調整する。なお、カンチレバー１
０６の電極１１７と圧電体薄膜の下部電極１０２との間
に電圧が加えられるように接続しており、カンチレバー
の電極１１７と上部電極１０４と接触させることによ
り、導通がとれるように圧電体薄膜１０３に電界が加え
られるようになっている。

【００３３】その後、カンチレバー１０６の上面にレー
ザー光等の入射光ビームが照射するように、さらに反射
光ビームが位置検出素子１１０の中心に入射するよう
に、光源１０９、照射手段１０８および位置検出素子を
任意に位置調整する。

【００３４】そして測定者はＣＰＵ１１４により電流電
圧測定回路１１３を介して、圧電体薄膜１０３の下部電
極１０２と、カンチレバー１０６の電極１１７が接触し
たことで導通がとれた上部電極１０４との間に直流の電
圧を印加する。これにより上下の電極間に電界が発生
し、この電界によって圧電体薄膜１０３は、縦方向（Ｚ
軸方向）、つまり膜厚方向に伸び縮みしΔＺだけ変位す
る。

【００３５】このような圧電体薄膜１０３の逆圧電効果
によりカンチレバー１０６はΔＺだけ変位するので、反
射光ビームは位置検出素子１１０上にて既述したように
２Ｌ／ｌ倍に拡大されたずれ量２Ｌ／ｌΔＺを生ず
る。このずれ量は位置検出信号処理回路よって計測さ
れ、単位電圧Ｖあたりの変位量ΔＺがＣＰＵ１１４によ
り計算されて出力される。

【００３６】一般に縦方向の圧電定数ｄ₃₃は次式で与え
られる。

【００３７】ｄ₃₃＝ΔＺ／Ｖこれにより本発明の装置では圧電定数ｄ₃₃を簡単に計測
できる。圧電薄膜のように耐印加電圧が低い場合でも、
高精度の微少変位量を観測すれば、その圧電性を評価す
ることができる。また本発明の装置においては、同時に
圧電薄膜の電流−電圧特性や、変位量−電圧特性、交流
によるインピーダンス測定から容量が計測でき、上部電
極面積と圧電体薄膜の膜厚から圧電体薄膜の比誘電率も
同時に評価できる。

【００３８】なお、変位量ΔＺの精密測定のために、測
定者は圧電定数ｄ₃₃が予め測定されてわかっている圧電
体セラミクス等を用いて計測を行い、位置検出素子の誤
差や光軸長の誤差等を補正すると、信頼性の高い測定が
行える。

【００３９】次に本発明の装置に使用されるカンチレバ
ー１０６の作製方法について述べる。

【００４０】まずＬＰＣＶＤ法によりＳｉ基板状にＳｉ
₃ Ｎ₄ 薄膜厚さ０．３μｍを形成し、長さ２００μｍ、
幅２０μｍのカンチレバー形状をパターニングする。つ
いで基板の裏面からＫＯＨによる異方性エッチングを行
いカンチレバーを形成する。なお、このＳｉ₃ Ｎ₄ 薄膜
は弾性体１１７となる。その後、両面に電子ビーム蒸着
法によりＷを０．１μｍ成膜し、これをカンチレバーの
電極１１７とする。

【００４１】このようにして作製したカンチレバーの撓
みに対する弾性定数は約０．０１Ｎ／ｍであった。この
弾性定数は、カンチレバーの長さ、幅、膜厚、構成材料
を変化させることにより種々の弾性定数をもつカンチレ
バーを作製することができる。しかし、この際に注意し
なければならないのは、カンチレバーの弾性定数が高い
と圧電性薄膜に弾性負荷を与えることになり、その結果
圧電による変位量が弾性負荷の影響で見かけ上、小さく
観測される。このため圧電体薄膜本来の圧電性を評価で
きないことになる。

【００４２】次に本実施例の装置による圧電体薄膜の一
測定結果について述べる。

【００４３】測定用試料としてＳｉ基板上にＰｔ下部電
極を形成し、次にスパッタ法により種々の膜厚をもつＰ
ＺＴ薄膜を形成した。その後、所定の温度で熱処理し、
メタルマスクして、Ｐｔ上部電極を所望の大きさに形成
したものを用いた。この測定試料の本実施例の圧電体薄
膜評価装置による、圧電定数ｄ₃₃および比誘電率の測定
結果を図２に示す。図２は、本発明の圧電体薄膜評価装
置の第１の実施例による圧電体薄膜特性結果を示すグラ
フである。この図に示すように圧電定数ｄ₃₃および比誘
電率の膜厚依存性が精度良く測定が行えた。

【００４４】本発明においては、電界を加えた時に、圧
電体薄膜のように極小さな変化量、および極小さな発生
力しか示さないものに対しても測定ができるように、弾
性定数の少ないカンチレバーを用いることに特徴があ
る。つまり、測定時における弾性負荷の影響をさけるた
めに、弾性定数の少ないカンチレバーを採用している。
また、電極取りだしによる荷重負荷の影響を極力さける
ために、電極を有するカンチレバーから圧電体薄膜の上
部電極との導通をとることも、本発明の特徴といえる。
しかし、圧電体薄膜の材料、形状および硬さ等により圧
電特性は種々であるが、圧電測定にこの弾性負荷の影響
を無視できる、あるいは補正によって考慮ができるとい
う点でカンチレバーの弾性定数は、０．００２〜０．５
Ｎ／ｍであることが好ましい。また、圧電体電極におけ
る内部応力等の影響は、極力さけることが好ましい。

【００４５】また測定試料の形状は薄膜に限らず、厚膜
や焼結体で圧電体に上下間に電極を形成してあれば良
く、カンチレバー上に形成してある電極と圧電体薄膜の
上部電極と容易に導通が取れれば問題はない。

【００４６】（第２の実施例）図３は本発明の圧電薄膜
評価装置の第２の実施例の構成を示す概略構成図であ
る。

【００４７】本実施例においては、圧電性の弱い圧電材
料でも精度良く計測できるように測定分解能を向上させ
た圧電体薄膜評価装置について述べる。また、カンチレ
バーの形状等の構成は第１の実施例とほとんど同じであ
るので、ここでは第１の実施例と異なる点について述べ
ることとする。

【００４８】第１の実施例と異なる点は図２に示すよう
に、微少変位を計測できるように、電流電圧測定器１１
３から圧電体薄膜１０３に交流電界を加え、それを参照
信号として、また位置検出信号処理回路からの出力を入
力信号として、ロッキングアンプ１１５に接続している
点である。これは、外的ノイズや、装置の振動等による
ΔＺの変位信号のノイズを除去できる。また、交流によ
ってサンプリング回数を多く取ると、精度良い変位量測
定が行える。この方法によると、第１の実施例での分解
能が０．１Åであったのに対し、この方法によれば、交
流信号１００Ｈｚで分解能を０．０１Å、１０Ｈｚで
０．０３Åまで向上させることができる。

【００４９】次に本実施例の圧電体薄膜評価装置におけ
る測定結果の一例を示す。

【００５０】測定試料１１５として、ガラス基板上に形
成したＡｕ下部電極（厚さ０．１μｍ）、圧電体薄膜１
０３として、種々の膜厚をもつＺｎＯ薄膜をスパッタ法
により作製し、その後、上電極をマスク蒸着した。この
測定試料の圧電性結果と比誘電率の結果を図４に示す。
図４は、本発明の圧電体薄膜評価装置の第２の実施例に
よる圧電体薄膜特性結果を示すグラフである。

【００５１】この図のようにＰＺＴ薄膜にくらべて１桁
圧電性が低いＺｎＯ薄膜においても、高精度に測定する
ことができた。

【００５２】［その２］次に本発明の原子間力顕微鏡：ＡＦＭの実施例について
図面を参照して以下詳述する。

【００５３】図６は、本発明の原子間力顕微鏡装置の一
実施例に使用される微少変位機構を示す概略斜視図であ
る。図７は図６に示す微少変位機構を用いた本発明の原
子間力顕微鏡装置の一実施例の構成を示す概略構成図で
ある。

【００５４】微少変位機構は図６に示すように、リング
状板材５を有しており、リング状板材５の内孔壁には、
変形可能な薄板２が３点の各支持部４より支持されリン
グ状板材５の中心部３にて結ばれるように形成されてい
る。リング状板材５の中心部３には、先端を下向きにし
た探針１が設けられている。

【００５５】一方、本発明の原子間力顕微鏡装置には図
７に示すように、上述した探針１と薄板２とそれらを支
持するリング状板材５からなる図６で説明した微少変位
機構が用いられている。探針１の先端と対向する位置に
は、固体の表面や三次元形状を評価するための試料７が
設けられており、試料７はナノ・メートルレベルで高精
度に微動駆動するための三次元ピエゾスキャナー９上に
配置されている。そして、三次元ピエゾスキャナー９
は、試料７の位置を任意に変えるための粗動機構１０上
に設けられており、粗動機構１０下部には、装置全体を
外部振動から遮断する除振機構１１が取り付けられてい
る。一方、探針１が取り付けられた側と反対側のリング
状板材５の中心部３近傍には、薄板２の微少変位を検出
する変位測定手段８が配設されている。

【００５６】変位測定手段８には、探針１のＺ方向の変
位を電気信号に処理するＺ方向フィードバック信号回路
１２が接続され、Ｚ方向フィードバック信号回路１２に
は、これにより得られた信号により三次元ピエゾスキャ
ナー９のＺ方向に駆動するＺ方向駆動回路１３が接続さ
れている。また、三次元ピエゾスキャナー９にはＡＦＭ
走査を行なう際にＸ−Ｙ方向に駆動するためのＸ−Ｙ方
向走査回路が、粗動機構１０には試料７の位置を任意に
変えるよう粗動駆動する粗動駆動回路が、それぞれ接続
されている。これらの信号処理回路や駆動回路等にはコ
ンピューター１６が接続されており、そしてコンピュー
ター１６には、得られた画像を表示する表示モニター１
７、画像を打ち出す出力装置１８が接続されている。コ
ンピューター１７は上記信号処理回路および駆動回路等
をすべて集中制御するとともに、得られた試料表面の三
次元形状データを画像に処理し、表示モニター１７にそ
の画像を表示する。また適宜、出力装置１８により画像
を打ち出すことができる。

【００５７】上記微少変位機構の構成において、図６に
よりさらに具体的に説明する。今回、本実施例の微少変
位機構の材質としては、厚さ約０．５ｍｍのＳｉ単結晶
を用いた。これをエッチングプロセスにより、３点支持
による変形可能な薄板２とそれを支持するリング状板材
５とを一体で複数個作成した。

【００５８】リング状板材５の中心部３から各支持部４
へ３方向に伸びたそれぞれの薄板２の大きさは、長さ２
５００μｍ、幅２００μｍ、厚さ１０μｍで、この３点
支持の薄板２のばね定数は、およそ０．５Ｎ／ｍとなっ
た。また、探針１は、Ｓｉの異方性エッチと酸化プロセ
スによって得られる周知の技術によるもので、底面の直
径が４μｍ、高さ３．５μｍの円錐形の探針を作成し
た。リング状板材５の部分は、エッチングで抜いた内径
が約５ｍｍ、外径が１０ｍｍの寸法である。

【００５９】次に、作成された微少変位機構の動作につ
いて図７により説明する。まず測定者は、上記のように
作成した全体が単結晶Ｓｉからなる直径１０ｍｍの微少
変位機構を図７で示した位置に装着したが、破損しやす
い薄板２に全く外力を与える事なく、外径１０ｍｍのリ
ング状板材５をピンセットで保持できる為、容易かつ安
全に装着作業を行なう事ができた。

【００６０】実際の試料の観察においては、Ｍｉｃａへ
き開面を試料７に用いた。通常、カンチレバーを用い
て、走査方向がＡＦＭ像に影響を及ぼす場合、走査の開
始点となる画像の片側が極端に落ち込んだり盛り上がっ
たＡＦＭ像となってしまうが、本発明の３点支持による
微少変位機構を用いた場合は、どの走査方向の影響も受
けにくい為、そういった不良画像は全く得られず、良好
なＭｉｃａ原子像が得られた。これは、走査範囲２０ｎ
ｍ×２０ｎｍ、走査速度１５０Ｈｚといった比較的高速
走査において達成されている。

【００６１】以上述べたＡＦＭ動作は、試料７の表面と
探針１の先端との距離が１ｎｍ以下まで近づいた時に試
料７と探針１の先端とに働く原子間力を３点支持の薄板
２の変位として変位測定手段８により検出し、Ｚ方向フ
ィードバック信号回路１２、Ｚ方向駆動回路１３、Ｘ−
Ｙ方向走査回路１４がコンピューター１６で制御処理さ
れ、表示モニター１７に画像表示される、といった一般
的なＡＦＭと同様のものである。

【００６２】さらに、走査を繰り返していくうちに、Ａ
ＦＭ像の解像度が悪くなった為、本発明の探針を含む微
少変位機構を交換する必要が生じたが、先に述べた装着
作業同様、容易に交換作業を行なえた事は言うまでもな
い。

【００６３】次に本発明に使用される微少変位機構の他
の構成例について述べる。図８および図９は、それぞれ
本発明に使用される微少変位機構の他の構成例を示す平
面図である。これらの図に示すように、以上の本発明で
用いた微少変位機構の形状は、３点以上の支持部を有す
る変形可能な薄板２、および枠状の板材５はいかなる形
状であってもかまわない。

【００６４】また、材質はＳｉに限定されず、ばね定数
等の様々な仕様に応じていかなる材料を単独、または組
み合わせて用いてもかまわない。例えば、ＣＶＤ、蒸
着、スパッタリング等の薄膜作成技術とエッチング技術
を利用して、Ｓｉ、ＳｉＯ₂ 、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 等を用い、薄
板部と枠状の板材を同一の材質でも異なった材質でも作
成できる。

【００６５】また探針は、薄板部を薄膜作成技術で作成
する際に、同時に薄板と同じ材質で作り込む事も、後か
ら異なった材質で作成する事もできる。いずれにしろ構
成材料は本発明を限定するものではない。

【００６６】

【発明の効果】

［その１］以上説明したような本発明では、以下に記載
する効果を奏する。

【００６７】請求項１に記載の本発明は、圧電体薄膜の
表電極に、自由端部を接触させた片持ち梁部材と、前記
圧電体薄膜の表裏電極間に電圧を印加する電圧印加手段
と、前記片持ち梁部材の表面に光源より光ビームを照射
し、前記片持ち梁部材より反射された反射光ビームの位
置を検出する位置検出手段とを備えているので、極微少
な変位も光てこの原理により測定することができ、圧電
体薄膜のような圧電性による変位量が小さいものでも安
定して測定することができる。

【００６８】請求項２に記載の本発明は、片持ち梁部材
が電極を有しているので、電極取りだしによる圧電体薄
膜への荷重負荷の影響を極力さけることができる。また
電圧印加と同時に圧電体薄膜の電気的特性が測定でき
る。

【００６９】請求項３に記載の本発明では、片持ち梁部
材の弾性定数が、０．００２〜０．５Ｎ／ｍであるとす
ることで、圧電体薄膜の材料、形状および硬さ等により
圧電特性は種々であるが、圧電測定における弾性負荷の
影響を無視できる、あるいは補正によって考慮ができ
る。

【００７０】［その２］以上説明したように請求項４に
記載の本発明では、枠状の板材の中心部に設けられた探
針と、共有する中心部より外側に向かって各端部が互い
に均等な角度で少なくとも三方向に延びる変形可能な薄
板と、該薄板を囲んで支持する枠状の板材とから構成さ
れている。

【００７１】したがって、このような変形可能な薄板周
囲を枠状の板材が取り囲む構造を有した微少変位機構を
用いた本発明のＡＦＭにおいては、探針を含む微少変位
機構の取り扱いが容易でかつ得られるＡＦＭ像は走査方
向の影響を受けにくく常に安定で、早い走査速度にも対
応できる為、迅速に再現性の優れたデータを得る事が可
能である。また本発明によれば、操作性の優れた高性能
な原子間力顕微鏡装置が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧電体薄膜評価装置の第１の実施例の
構成を示す概略構成図である。

【図２】本発明の圧電体薄膜評価装置の第１の実施例に
よる圧電体薄膜特性結果を示すグラフである。

【図３】本発明の圧電体薄膜評価装置の第２の実施例の
構成を示す概略構成図である。

【図４】本発明の圧電体薄膜評価装置の第２の実施例に
よる圧電体薄膜特性結果を示すグラフである。

【図５】従来の圧電性薄膜の圧電性評価方法を示した図
である。

【図６】本発明の原子間力顕微鏡装置の一実施例に使用
される微少変位機構を示す概略斜視図である。

【図７】図６に示す微少変位機構を用いた本発明の原子
間力顕微鏡装置の一実施例の構成を示す概略構成図であ
る。

【図８】本発明に使用される微少変位機構の他の構成例
を示す平面図である。

【図９】本発明に使用される微少変位機構の他の構成例
を示す平面図である。

【図１０】従来のＡＦＭに用いられるカンチレバーの概
略構成図である。

【図１１】従来のＡＦＭに用いられるカンチレバーの走
査状態を示した摸式図である。

【図１２】従来のＡＦＭに用いられるカンチレバーの走
査状態を示した摸式図である。

【図１３】従来のＡＦＭに用いられる２つの支持部を有
する板材の走査状態を示した摸式図である。

【図１４】従来のＡＦＭに用いられる２つの支持部を有
する板材の走査状態を示した摸式図である。

【符号の説明】

１，２１探針２薄板３中心部４，２４支持部５リング状板材、枠状の板材７，２７試料８変位測定手段９三次元ピエゾスキャナー１０粗動機構１１除振機構１２Ｚ方向フィードバック信号回路１３Ｚ方向駆動回路１４Ｘ−Ｙ方向走査回路１５粗動駆動回路１６コンピューター１７表示モニター１８出力装置１９カンチレバー２０走査方向２２板材１０１基板１０２下部電極１０３圧電体薄膜１０４上部電極１０５ＸＹステージ１０６カンチレバー１０７ポジショナー１０８照射手段１０９光源１１０位置検出素子１１１位置検出信号処理回路１１２顕微鏡１１３電流電圧測定器１１４ＣＰＵ１１５ロッキングアンプ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者河田春紀東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内 (72)発明者宮本雅彦東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内 (72)発明者黒田亮東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内 (72)発明者相原克紀東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】表裏面にそれぞれ電極が形成された圧電
体薄膜の表電極に、自由端部を接触させた片持ち梁部材
と、前記圧電体薄膜の表裏電極間に電圧を印加する電圧印加
手段と、前記片持ち梁部材の表面に光源より光ビームを照射し、
前記片持ち梁部材より反射された反射光ビームの位置を
検出する位置検出手段と、前記位置検出手段からの検出信号をもとに、前記圧電性
薄膜における変位量および圧電定数を算出する算出手段
とを備えた圧電体薄膜評価装置。
【請求項２】請求項１に記載の圧電体薄膜評価装置に
おいて、前記片持ち梁部材は、電極を有するとともに、圧電体薄
膜の表電極に前記片持ち梁部材の電極を接触させてお
り、前記電圧印加手段に代えて、前記片持ち梁部材の電極と
前記圧電体薄膜の裏電極との間に電圧を印加し、このと
きの圧電体薄膜の電気特性を測定する電気特性測定手段
が備えられたことを特徴とする圧電体薄膜評価装置。
【請求項３】前記片持ち梁部材の弾性定数が０．００
２〜０．５Ｎ／ｍであることを特徴とする請求項１また
は請求項２に記載の圧電体薄膜評価装置。
【請求項４】試料の表面に微少変位機構の探針を接触
走査し、該探針の高さ方向の変位情報により該試料表面
の構造や三次元形状を評価する原子間力顕微鏡装置にお
いて、前記微少変位機構が、共有する中心部より外側に向かって各端部が互いに均等
な角度で少なくとも三方向に延びる変形可能な薄板と、前記中心部に設けられた探針と、前記薄板を囲み、前記各端部を支持する枠状の板材とか
ら構成されたことを特徴とする原子間力顕微鏡。