JPH08248082A - 電位分布測定方法および走査型顕微鏡 - Google Patents

電位分布測定方法および走査型顕微鏡

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JPH08248082A
JPH08248082A JP4820495A JP4820495A JPH08248082A JP H08248082 A JPH08248082 A JP H08248082A JP 4820495 A JP4820495 A JP 4820495A JP 4820495 A JP4820495 A JP 4820495A JP H08248082 A JPH08248082 A JP H08248082A
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JP
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signal
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potential
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JP4820495A
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English (en)
Inventor
Masabumi Tanimoto
正文 谷本
Bateru Oribie
バテル オリビエ
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 被測定試料の表面電位を探針−試料間で決ま
る容量に依存せずに高精度に測定する。 【構成】 探針1aと試料3との間に交流信号発生器9
から交流信号を印加し、このとき、探針1aが受ける力
をレーザーダイオード4からの光を用い、探針1aの背
面で反射した光をフォトダイオード5で検出し、検出さ
れた信号の交流信号のf1 成分と2f1 成分とをフーリ
エ変換器6で測定し、2f1 成分を除算器101を用い
て交流信号振幅値で除した値で、f1 成分を除算器10
2を用いて除し、この信号を零にするように電圧制御回
路11で直流信号発生器12を制御することにより、被
測定試料の表面電位を測定することで探針−試料間で決
まる容量に依存せずに高精度に被測定試料の表面電位を
測定することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、数μm以下の微細構造
素子表面の電位分布を測定する電位分布測定方法および
走査型顕微鏡に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来より、数μm以下の微細構造素子内
部の電位分布を測定する手段として走査型トンネル顕微
鏡(STM)や走査型力顕微鏡(SFM)が用いられて
いる。STMを用いたものは、文献1(IBM Journal of
Research and Development,pp.443-450,vol.30,No.5,1
986 )に述べられているようにSTMで試料表面の凹凸
を測定するときに用いられている直流バイアスに交流信
号を重畳し、この交流信号を用いてSTM探針と測定試
料との間に流れるトンネル電流値が零になるように電位
測定用の信号を測定試料の電極に印加し、この時の信号
電圧を測定することによって任意の個所の試料表面電位
を決定している。
【0003】さらにSTM探針を試料表面上で走査する
ことにより、1次元,2次元の電位分布の測定が可能で
ある。しかし、STMを用いた電位分布測定方法では、
測定対象が導電性材料に限られるので、集積回路などで
用いられている絶縁層で囲まれている素子の能動領域の
電位測定を行うことはできない。
【0004】一方、SFMを用いた電位分布測定方法に
ついては、文献2(Applied Physics Letters,pp.2921-
2923,vol.58,No.25,1991)に述べられているように試料
表面が絶縁体でも測定が可能である。この測定方法で
は、探針が先端についている導電性のカンチレバーを試
料表面に近接させておき、探針と試料との間に周波数f
1 の交流信号を印加し、このとき、探針に働く静電気力
を光てこ方式を用いて検出するが、その静電気力信号の
うち、周波数f1 の信号の振幅が零の値になるように試
料に電位測定用の直流信号電圧Voff を印加し、このと
きの直流信号電圧Voff を測定することにより、任意の
個所の試料表面電位Vs を決定する。さらにSFM探針
を試料表面上で走査することにより、1次元,2次元の
電位分布の測定が可能である。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
たSFMを用いた測定方法では、周波数f1 の信号の振
幅に表面電位の情報の他に探針と試料との間で形成され
る容量の探針−試料間距離依存性の影響が存在するた
め、試料表面の電位を高精度に測定することが難しいと
いう問題があった。
【0006】したがって本発明は、前述した従来の課題
を解決するためになされたものであり、その目的は、微
細構造素子の表面電位を高精度にかつナノメータスケー
ルの分解能で評価することができる電位分布測定方法お
よび走査型顕微鏡を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために本発明による電位分布測定方法は、顕微鏡の探
針と被測定試料との間に所定周波数の交流信号と所定電
位の直流信号とを印加し、交流信号の所定周波数の静電
気力の振動信号強度と所定周波数の2倍の周波数の静電
気力の振動信号強度とを測定し、2倍の周波数の静電気
力の振動信号強度を交流信号の強度で除算し、この除算
結果の信号で所定周波数の静電気力の振動信号強度を除
算し、この除算結果の信号を零にするように直流信号を
制御することにより、被測定試料の表面電位を測定する
ようにしたものである。
【0008】また、本発明による電位分布測定方法に用
いる走査型顕微鏡は、被測定試料の表面に近接して配置
された探針と、被測定試料に所定の周波数の交流信号を
印加する交流信号器と、被測定試料に所定電位の直流信
号を印加する直流信号器と、探針の背面に光を照射し、
その反射光を受光して探針と被測定試料との間に働く静
電気力を検出する検出手段と、検出された静電気力を交
流信号の所定の周波数およびその2倍の周波数に対応し
て振動信号強度にそれぞれ変換するフーリエ変換器と、
2倍の周波数の振動信号強度を交流信号の強度で除算し
た後、この除算結果で所定の周波数の振動信号強度を除
算する除算器と、この除算器から出力される除算結果の
信号を入力し、この信号が零になるように直流信号を制
御する電圧制御回路とを有して構成されている。
【0009】
【作用】本発明においては、探針と被測定試料との間の
距離で定まる探針−試料間容量の影響を除去されるの
で、被測定試料表面の電位を高い精度に測定できる。
【0010】
【実施例】以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に
説明する。図1は、本発明による電位分布測定方法の一
実施例を説明するための走査型顕微鏡の構成を示すブロ
ック図である。図1において、1は先端部に探針1aを
有する走査型力顕微鏡カンチレバーであり、このカンチ
レバー1は、例えば微細加工技術を用いてシリコンを母
材として形成されており、さらに探針1a側に金属を蒸
着して導電性を持たせて形成されている。
【0011】この探針1a付きカンチレバー1は、圧電
素子2により加振され、例えば20kHz程度のカンチ
レバーの固有振動数f0 で振動している。このカンチレ
バー1の探針1aを試料3の表面に接近させると、この
探振1aは試料3からの力を受け、探針1aの振動振幅
が変調される。この探針1aの動きを、レーザーダイオ
ード4から出力された光を探針1aの背面で反射させ、
この反射光をフォトダイオード5で検出することによ
り、探針1aと試料3との間に働く力が検出される。
【0012】探針1aと試料3との間の距離は、探針1
aと試料3との間に働くファンデルワールス力を用いて
制御する。探針1aの振動による周波数f0成分をf0フ
ーリエ変換器61により検出し、この値が一定となるよ
うにピエゾ制御回路7の出力信号によりピエゾ素子8を
駆動して探針1aと試料3との間の距離を制御する。
【0013】また、試料3と探針1aとの間には、交流
信号器9から出力された周波数f1(例えば5kHz)
の交流信号と、直流信号器12から出力された直流信号
(電位Voff )とが印加されている。試料3の表面電位
を測定するには、この交流信号と直流信号とを用いて行
う。交流信号により探針1aが受ける静電気力は、直流
項とf1 項および2f1 項とからなり、f1 成分とf1
の2倍の周波数の成分である2f1 成分とは、それぞれ
f1 フーリエ変換器62と2f1 フーリエ変換器63と
により検出される。
【0014】2f1 成分の振幅は探針1aと試料3との
間に印加した交流信号の強度(電圧値)Vacの2乗と、
探針1aと試料3との間で形成される容量の距離の微分
値dC/dZとに比例し、その値は、計算により、Vac
2 ・dC/dZであることが判っている。ここで、交流
信号の振幅値Vacは、外部から印加する信号であるの
で、その値は判っている。一方、f1 成分の強度(振
幅)は、試料3の表面電位をVs とすると、計算によ
り、(Voff+Vs)Vac(dC/dZ)であることが判
っている。
【0015】そこで、まず、除算器101において、フ
ーリエ変換器63から出力された交流信号の2f1 成分
の強度Vac2 ・dC/dZを交流信号器9から出力され
た交流信号の強度Vacで除算する。次に除算器102に
おいて、この除算した値Vac・dC/dZでフーリエ変
換器62から出力された交流信号のf1 成分の強度(V
off+Vs)Vac(dC/dZ)を除算する。この除算結
果は(Voff+Vs)となるので、電圧制御回路11にお
いて直流信号器12を制御して(Voff+Vs)が零にな
るようにすると、このときの直流電位Voff から表面電
位を求めることができる。すなわち、このときの表面電
位はVs=−Voffとして求められる。
【0016】前述した文献2に述べられている方式で
は、検出される静電気力の周波数f1成分の強度を零に
するように試料3に印加する直流信号電圧Voff を制御
する。しかし、制御回路で用いられている比較器の零電
位は完全には零でなく、有限の値V0であるため、f1成
分の強度を制御しても、試料表面の電位は、Vs=V0/
(Vac・dC/dZ)−Voff となる。したがって、こ
の方式では、dC/dZの影響が測定電位Vs に現れて
くる。
【0017】一例として、この従来の方式を用いて探針
と試料との間の距離を変化させて試料の表面電位を測定
した結果を図2に示す。図中、丸印と四角印とは同じ測
定条件で繰り返し測定した結果であり、再現性が確認さ
れている。図2から明かなように探針と試料との間の距
離が小さい場合には、測定される電位は小さいが、探針
と試料との間の距離が大きくなるにしたがって電位も大
きくなる。さらに探針と試料との間の距離が150nm
以上となると、測定電位は飽和してくる。図2に示すよ
うに探針と試料との間の距離が変化すると、正確な電位
の測定ができないことが判る。
【0018】図2中の実線は、理論計算によりdC/d
Zの値の探針−試料間距離依存性を求め、その結果から
試料表面電位Vs =V0 /(Vac・dC/dZ)−Vof
f の式を用いて表面電位を計算した結果である。探針−
試料間距離が小さい場合には探針−試料間で決まる容量
の探針−試料間距離依存性dC/dZが大きいので、測
定される電位は小さい。一方、探針−試料間距離が大き
くなるにしたがって探針−試料間容量が小さくなるとと
もに、その変化が小さくなるので、測定される電位が大
きくなり、また、電位の変化が小さくなる。
【0019】このように実験値と論理値とが一致するこ
とから、探針−試料間容量の影響が大きいことが明かで
ある。したがって、従来方式では、探針−試料間距離を
高精度に制御しなければ、試料表面電位を精度良く測定
することができず、また、測定の度に探針−試料間距離
を一定しなければ、試料表面電位は測定の度に違った値
となってしまう。
【0020】一方、本実施例の測定方法を用いれば、前
述したように探針−試料間容量の影響を除くことができ
るので、探針−試料間距離に関係なく、試料表面電位を
高精度に測定することができる。
【0021】
【発明の効果】以上、説明したように本発明によれば、
探針と試料との間に印加する交流電圧の周波数の2倍の
周波数の探針の振動信号強度を測定し、この値を交流信
号の振幅値で除し、この値で印加交流電圧の周波数の探
針の振動信号強度を除した信号が零の値になるように試
料と探針との間に直流信号電圧を印加し、この時の直流
信号電圧を測定することにより、任意の個所の試料表面
電位を高精度に測定できるという極めて優れた効果が得
られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明による電位分布測定方法の一実施例を
説明するための走査型顕微鏡の構成を示すブロック図で
ある。
【図2】 従来の走査型顕微鏡により測定した試料表面
電位の探針−試料間距離依存性を示す図である。
【符号の説明】
1…カンチレバー、1a…探針、2…圧電素子、3…試
料、4…レーザーダイオード、5…フォトダイオード、
6…フーリエ変換器、61…f0 フーリエ変換器、62
…f1 フーリエ変換器、63…2f1 フーリエ変換器、
7…ピエゾ制御回路、8…ピエゾ素子、9…交流信号
器、10…除算器、101…除算器、102…除算器、
11…電圧制御回路、12…直流信号器。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 顕微鏡の探針と被測定試料との間に所定
    周波数の交流信号と所定電位の直流信号とを印加し、 前記交流信号の所定周波数の静電気力の振動信号強度と
    所定周波数の2倍の周波数の静電気力の振動信号強度と
    を測定し、 前記2倍の周波数の静電気力の振動信号強度を前記交流
    信号の強度で除算し、 この除算結果の信号で前記所定周波数の静電気力の振動
    信号強度を除算し、 この除算結果の信号を零にするように前記直流信号を制
    御することにより、 前記被測定試料の表面電位を測定することを特徴とした
    電位分布測定方法。
  2. 【請求項2】 被測定試料の表面に近接して配置された
    探針と、 前記被測定試料に所定の周波数の交流信号を印加する交
    流信号器と、 前記被測定試料に所定電位の直流信号を印加する直流信
    号器と、 前記探針の背面に光を照射し、その反射光を受光して前
    記探針と被測定試料との間に働く静電気力を検出する検
    出手段と、 検出された静電気力を前記交流信号の所定の周波数およ
    びその2倍の周波数に対応して振動信号強度にそれぞれ
    変換するフーリエ変換器と、 前記2倍の周波数の振動信号強度を前記交流信号の強度
    で除算した後、この除算結果で前記所定の周波数の振動
    信号強度を除算する除算器と、 前記除算器から出力される除算結果の信号を入力し、こ
    の信号が零になるように前記直流信号を制御する電圧制
    御回路と、を備えたことを特徴とした走査型顕微鏡。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR19980081247A (ko) * 1997-04-09 1998-11-25 이토기요시 주사식 프로브 현미경
JP2002529743A (ja) * 1998-11-06 2002-09-10 トレック・インコーポレーテッド カンチレバーおよびシールドを備えた静電気力検出器
KR100526217B1 (ko) * 1997-04-10 2006-01-12 에스아이아이 나노 테크놀로지 가부시키가이샤 주사식 프로브 현미경을 이용한 가공장치와, 주사식 프로브 현미경을 이용한 기록 및 재생장치
JP2008185429A (ja) * 2007-01-29 2008-08-14 Canon Inc 電位測定装置、及び画像形成装置

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