JPH07318568A - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

走査型プローブ顕微鏡

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JPH07318568A
JPH07318568A JP6108756A JP10875694A JPH07318568A JP H07318568 A JPH07318568 A JP H07318568A JP 6108756 A JP6108756 A JP 6108756A JP 10875694 A JP10875694 A JP 10875694A JP H07318568 A JPH07318568 A JP H07318568A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 試料面と探針が完全な非接触の状態で、サブ
ナノメータの分解能で試料表面の表面電位、静電容量分
布を得ることを目的とする。 【構成】 レバー付き探針101を試料100の極近傍
に配し、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の間に交流及び直流
電圧を印加する。レバー101の振動振幅を変位検出器
102にて検出した後、変位位相検出器103により各
角周波数ごとの信号を検出し、直流電圧発生器107の
コントロール及び3次元スキャナコントローラー110
のZ入力信号とする。3次元スキャナコントローラー1
10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3
次元スキャナ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、3次元画像データを得
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、一般的には測定装置に
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。
【0002】
【従来の技術】表面の電位を求める試みは、試料と探針
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)。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし上記したいずれ
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。
【0004】一方、電気回路の電位の測定時は探針と試
料の材質の異なりによるコンタクトポテンシャルの影響
を受けた。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
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。
【0006】図1に本発明の機能構成図を示す。本発明
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。
【0007】
【作用】以下に本装置の動作を説明する。レバー付き探
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、
【0008】
【数1】 で表される。電圧Vは、交流電圧発生器106よりの電
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、
【0009】
【数2】 となる。数2を数1に代入すると、
【0010】
【数3】 となる。この静電気力により、レバー付き探針が試料に
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
【0011】
【数4】 と前記静電気力の力を受け、一定の振動振幅AO よりΔ
Aだけ減衰する。
【0012】
【数5】 レバーの振動振幅を変位検出器102にて検出し、変位
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
【0013】
【数6】 となり、ΔAの平均値が一定となるように三次元スキャ
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。
【0014】ω成分の平均振動振幅(Aωの平均値)は
以下の式で求められる。
【0015】
【数7】 常にAωの平均値が0となるように、直流電圧発生器1
07により、探針試料間の電位を調整する(すなわち、
S =−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。
【0016】2ω成分の平均振動振幅(A2ωの平均
値)は以下の式で求められる。
【0017】
【数8】 となり、VAC既知より(∂C/∂Z)の値すなわち静電
容量分布が求まる。
【0018】
【実施例】以下に、本発明の一実施例を図2に基づいて
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
r sinωrt で、振幅Vr は1〜5V、角周波数ωr
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。
【0019】次に、表面電位を正確に測定するためのZ
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。
【0020】図3にZ軸制御系機能図を示す。図3に示
すようにレバー振動用発振器104の出力信号を
【0021】
【数9】 とする。変位検出器102の検出信号は、位相遅れをφ
とすると
【0022】
【数10】 となる。この2つの信号を、変位位相検出器(ωr チャ
ネル)103のかけ算器103−1で演算を行うと
【0023】
【数11】 となり、ローパスフィルター103−2(ωc ≪ωr
カットオフ周波数)を通すと、出力V4
【0024】
【数12】 となる。この出力V4 をZサーボ系110に入力し、出
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
遅れ出力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。
【0025】次に図2を参照して測定のモードを説明す
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
off )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
平均値より表面電位VS を較正する。
【0026】このモードを電圧較正モードとし、数10
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。
【0027】この顕微鏡は、数6、数7、数8に示すよ
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。
【0028】上記問題を解決するために、画像走査を以
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。
【0029】次に絶対電位の測定方法を説明する。この
顕微鏡は理想的には、図1に示すE O (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。
【0030】ここでは、装置的ノイズは一定で時間変化
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、
100-2 、E100-3 を求める。
【0031】上記のような測定方法を行った場合、標準
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。
【0032】測定する各画素又は走査1ラインごとに外
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。
【0033】
【発明の効果】本発明により、試料面の正確な表面電位
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。
【図面の簡単な説明】
【図1】電位差、静電容量分布測定用走査型プローブ顕
微鏡の機能図である。
【図2】電位差、静電容量分布測定用走査型プローブ顕
微鏡の構成図である。
【図3】電位差、静電容量分布測定用走査型プローブ顕
微鏡のZ軸制御系機能図である。
【図4】交流印加電圧をパラメーターとしたレバー振幅
と探針試料間距離を示す図である。
【図5】交流印加電圧をパラメーターとしたレバー振幅
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。
【図6】試料台を示す図である。
【図7】電気回路試料測定図である。
【符号の説明】
100 試料 101 レバー付導電性探針 102 変位検出器 103 変位位相検出器 104 レバー振動用発振器 105 振動源 106 交流電圧発生器 107 直流電圧発生器 108 試料台電極 109 三次元スキャナー 110 三次元スキャナコントローラー 111 XYスキャンコントローラー

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【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、 探針と試料が衝突することによって試料の表面電位が変
    化することを防止する目的で、探針が試料面に接触する
    と画像上に接触した箇所を表示し、その箇所の測定値が
    不正確であることを表示し、正しいZ方向制御のパラメ
    ーターの設定を可能にしたことを特徴とする走査型プロ
    ーブ顕微鏡。
  2. 【請求項2】 前記プローブ顕微鏡において得られる表
    面形状像(トポ像)、表面電位差像、静電容量分布像を
    最適の分解能で得るために、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の試料探針間の距離を変
    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。
  3. 【請求項3】 絶対電位を計測する目的で、試料及び探
    針の周囲の雰囲気を制御し、又、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、この電位と試料の電
    位を比較することによって探針の汚染等で試料の表面電
    位の測定誤差が増加しても、正しい試料の絶対電位が求
    ま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。
  4. 【請求項4】 試料表面に電位分布を与えるために複数
    個の微少金属接触端子を有し、そのうちの1ヶの端子が
    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ていることを特徴とする請求
    項1から3までいずれか記載の走査型プローブ顕微鏡。
  5. 【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までいずれか記載の走査型プローブ顕微鏡。
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