JPH085643A

JPH085643A - 複合顕微鏡

Info

Publication number: JPH085643A
Application number: JP6156692A
Authority: JP
Inventors: Takafumi Yao; 隆文八百; Masamitsu Yoshimura; 雅満吉村; Hiroshi Kawami; 浩川見
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd
Priority date: 1994-06-14
Filing date: 1994-06-14
Publication date: 1996-01-12

Abstract

(57)【要約】【目的】探針と試料との間のトンネル電流により表面
の凹凸を求める走査型トンネル顕微鏡と、探針と試料と
の間の容量を求め試料の電荷分布などを求める走査型静
電容量顕微鏡と、カンチレバ−と試料原子との間の原子
間力を求める原子間力顕微鏡の機能を一体化した複合顕
微鏡を提供すること。【構成】試料に対向し電流、容量、原子間力を求める
ものとして、導電性のカンチレバ−を用いる。試料は圧
電素子により三次元的変位ができるようにする。試料と
カンチレバ−の間に直流バイアスを与えてトンネル電流
を流し、これを電流検出回路により検出する。試料とカ
ンチレバ−の間の静電容量を容量センサにより検出す
る。電流検出センサと、容量センサとは切り替えスイッ
チによって切り替えるようになっている。カンチレバ−
の撓みを検出して原子間力を求めることができる。原子
間力顕微鏡と走査型トンネル顕微鏡として同時に機能さ
せるか、あるいは原子間力顕微鏡と走査型静電容量顕微
鏡として同時に機能させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、走査型トンネル顕微
鏡（ＳＴＭ）と原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）と走査型静電
容量顕微鏡（ＳＣａＭ）を複合化した評価装置に関す
る。３種類の顕微鏡を結合したものである。それぞれの
顕微鏡を説明する。鋭く尖った探針を試料に数ｎｍの程
度に近付け、探針と試料の間に電圧を加えると、量子力
学的効果によりトンネル電流が流れる。走査型トンネル
顕微鏡というのは尖った導電性の探針を試料表面に近付
け、試料と探針の間に電圧を印加し、試料と探針の間に
流れるトンネル電流を測定し、試料表面の微細な形状や
電子状態を観測するものである。電流を一定値に保つよ
うにすると試料表面の凹凸を原子レベルで観察すること
ができる。

【０００２】静電容量顕微鏡というのは、導電性の探針
を試料に接近させ、探針と試料表面の電荷との間で形成
される静電容量を測定し、試料表面の静電容量分布を検
出するものである。原子間力顕微鏡は、絶縁性のカンチ
レバ−を試料に接近させ、カンチレバ−と試料表面の原
子との間に働く原子間力によりカンチレバ−が撓むの
で、撓み量を検出し、試料表面の凹凸像を得る。カンチ
レバ−は撓みやすいことが重要であるから、Ｓｉ₃ Ｎ₄
などのヤング率の低い材料を用いる。カンチレバ−は板
ばねという人もいるし、単にバネともいう。いずれも試
料表面を原子レベルで観察するためのものである。

【０００３】

【従来の技術】走査型トンネル顕微鏡は、鋭く尖った金
属の探針を試料表面に近付け、探針と試料の間にバイア
ス電圧を印加し、探針と試料に流れる微小電流を検出す
る。電流は探針と試料表面の距離によって著しく変化す
る。距離が一定であればトンネル電流も一定である。距
離が増えると電流が減少する。トンネル電流というの
は、試料と探針の間のポテンシャル障壁をトンネル効果
によって電子が通過することによって流れる電流のこと
である。距離と電流の変化は、金属探針の仕事関数や試
料の仕事関数による。

【０００４】そこで探針を試料の表面近くで走査し、探
針と試料の間に流れるトンネル電流を測定し、固体表面
の状態を知ることができる。探針を走査し、トンネル電
流によって試料表面の形状変化を検出するので走査型ト
ンネル顕微鏡という。一般に探針と試料の距離が０．５
〜１．５ｎｍの程度で、トンネル電流は数ｎＡの程度で
ある。探針はＰｔ−Ｉｒの針の先端を機械的に研磨した
ものや、Ｗ（タングステン）ワイヤをＫＯＨ溶液、Ｎａ
ＯＨ溶液などの電解液で電解研磨したものを使用する。
探針の先の一つの原子が試料との間にトンネル電流を発
生させる。探針は、高さ方向および面方向に移動できる
ように支持しなければならない。このために、一般に圧
電素子アクチュエ−タを用いる。これによる微小変位を
利用して、探針を二次元的に走査し、探針−試料間距離
を変化させる。

【０００５】圧電素子は圧電効果を有する材料を用いた
素子である。圧電効果は固体結晶に力が加わると応力に
より結晶表面に電荷が発生する現象である。反対に電圧
を印加することにより内部に応力を発生させ機械的歪み
を起こさせることができる。電圧に比例して微少量の歪
みを起こさせることができるから、ｎｍ程度の探針位置
の制御をすることができる。ＳＴＭの代表的な測定モ−
ドとして二つある。定電流モ−ドと、可変電流モ−ドで
ある。定電流モ−ドは、トンネル電流を一定に（例えば
１ｎＡ）保持するように圧電素子電圧を制御するもので
ある。つまり探針と試料の距離を一定に保つようにする
モ−ドである。探針の軸方向の変位が試料表面の凹凸形
状に対応する。試料表面を２次元的に走査しながら、探
針の変位つまり圧電素子の変位を取出し画像に表す。可
変電流モ−ドは、探針は軸方向に動かさず試料表面を走
査し、電流の変化を画像に表すものである。いずれのモ
−ドによっても試料表面の凹凸を原子オ−ダ−で求める
ことができる。

【０００６】図１によって走査型トンネル顕微鏡の概略
構成を説明する。ＳＴＭの試料を保持し、探針を走査保
持する空間をトンネルユニットと呼ぶ。図１はトンネル
ユニットの部分の断面図である。試料１をトンネルユニ
ットの底部に固定し、探針２を上から対向させる。板バ
ネ３により探針２を保持する探針ホルダ４に弾性力が与
えられる。トンネルユニットのケ−シングは円筒形の外
枠５、とこの内部に同心に設けられる内枠６とよりな
る。外枠５、内枠６は熱膨張率の小さいス−パ−インバ
−を用いている。圧電素子７が探針ホルダ４を上から支
持する。圧電素子７はアクチュエ−タとして、探針を上
下方向（軸方向、Ｚ方向）にも、面方向（ＸＹ方向）に
も微小変位させることができる。圧電素子は水晶、チタ
ン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸鉛など
の材料を用いる。

【０００７】内枠６、圧電素子７、探針２は一体となっ
てマイクロメ−タ８により上昇下降できるようになって
いる。マイクロメ−タ８は、上頂部のＤＣモ−タ９、ギ
ヤ１０により回転し、微小量ずつ上昇下降できる。板バ
ネ１１が外枠５と内枠６の間に設けられる。これは内枠
６の外枠５に対する振動を抑制する。マイクロメ−タに
は粗動用のつまみと微動用のつまみがあり、１回転あた
りの進みは例えば、０．５ｍｍ、０．０２５ｍｍであ
る。図２はＳＴＭの原理を示す図である。試料１と探針
２の間にバイアス電源１３をつなぎ適当な直流バイアス
を与える。探針をｎｍのオ−ダ−まで接近させてトンネ
ル電流を流させる。圧電素子７により探針２を試料１の
面に平行に走査する。この走査において、トンネル電流
値が一定になるように圧電素子７により探針の高さを調
整する。この結果、試料表面から一定の距離ｄを保ちな
がら探針２が動いてゆく。

【０００８】図３は圧電素子７や板バネなどの分解斜視
図である。探針ホルダ４は絶縁板１２’とア−ス板１２
を介して圧電素子アクチュエ−タ７に結合される。圧電
素子アクチュエ−タは電極を５分割した円筒形の素子
（チュ−ブ形圧電素子）である。マイクロメ−タの下端
に圧電素子を固定する。探針の微小な変位は圧電素子に
より行なう。圧電素子の各電極に加える電圧により探針
が変位する。Ｘ、Ｙ方向には例えば７０Å／Ｖの微動が
できる。Ｚ方向は粗動と微動のモ−ドがある。これは電
極を選ぶことによって区別できる機能である。微動は例
えば８Å／Ｖ、粗動は例えば３２Å／Ｖである。これに
より三次元的な変位を行なわせることができる。

【０００９】板バネ３はコの字型の金属板である。中央
に開口がある。探針２が開口を貫き、試料１の上面に対
向している。試料１とア−スの間にはバイアス電源１３
があり、試料に電圧を印加している。探針ホルダ４から
トンネル電流を信号として取り出す。これは電流電圧変
換回路１４に送られる。図４はＳＴＭの基本構成を示す
図である。トンネルユニット１５は図１により既に説明
したものである。これは探針微動機構、試料保持台、探
針粗動機構よりなる。トンネル電流はｎＡの程度の微小
なものである。これが電流電圧変換回路１４によって電
圧信号に変換される。電圧信号になったものが、サ−ボ
回路１６に送られ、探針と試料間の距離を制御する。前
述のようにモ−ドが二つあり得る。電流を一定にし凹凸
情報を得るモ−ドと、探針の高さを一定にし電流情報を
得るモ−ドである。いずれの場合も、これをオシロスコ
−プに表示する。探針の走査はアナログ走査回路１７ま
たはＡＤ／ＤＡコンバ−タ１９によって行なう。

【００１０】電流デ−タあるいは凹凸デ−タは、ＡＤ変
換してパ−ソナルコンピュ−タ２０に入力される。コン
ピュ−タ２０は走査位置をＸ−Ｙ軸、デ−タをＺ軸に表
すように画像処理する。コンピュ−タによって処理され
画像デ−タになったものは、ＣＲＴ２２に表示されると
共に必要に応じてプリンタ２１に出力される。また、必
要に応じて磁気記録媒体に記録される。ＣＲＴでは凹凸
情報または電流情報を濃淡表示する。走査型静電容量顕
微鏡（ＳＣａＭ）は、微小な電極を試料表面近傍に走査
させ、試料と電極の間の静電容量を測定し、試料表面の
電荷分布や形状に関する情報を求める装置である。図５
に検出部を示す。電極は絶縁性の針２５の側面に張り付
けたものである。針はダイヤモンドなどを使う。針は電
極の高さを試料面から一定高さに維持するために用いら
れる。電極は容量センサ２７に接続される。電極と試料
１の間の静電容量を測定する。静電容量を調べると半導
体のｎ型、ｐ型領域やｉ型領域などを区別することがで
きる。導電性の部分は容量が低く、絶縁性の部分は容量
が高くなる。ｐｎ接合近傍の空乏層の厚みやバンドの歪
みを検出することもできる。

【００１１】静電容量は例えば図６のような回路によっ
て測定することができる。発振器３０により周波数ω₀
の一定振幅の信号を発生する。試料と電極の間の容量を
ΔＣとし、電極とグランドとの他の容量をＣとし、これ
に適当なコイル３２をつないでＬＣ共振回路３３を構成
する。発振器３０の信号をコイル３１により、コイル３
２に結合する。さらにコイル３２の振幅が第３のコイル
３４によって検知される。これはダイオ−ド３５によっ
て整流され、コンデンサ３７と抵抗３８よりなるピ−ク
検出器３６に入り、ピ−ク検出される。これが増幅器３
９によって増幅されて容量センサの出力となる。図７
は、この回路の原理を示すための周波数特性を表すグラ
フである。周波数を横軸に、縦軸をゲインにしている。

【００１２】ＬＣ共振器のΔＣがない時の共振周波数を
ω_r とする。ΔＣ＝０の時の周波数・ゲイン特性は破線
に示す通りである。発振器はω₀ の周波数の信号を発生
するので、ゲインはＧ１のようになる。電極と出力の間
の容量ΔＣが並列に加わると、共振周波数がずれてゲイ
ン曲線が実線のようになる。発振器の周波数ω₀ におい
てゲインがＧ２のようになる。ゲインの違いは、ΔＣに
よって発生する。二つのゲインの値からΔＣの値を求め
ることができる。原子間力顕微鏡は、近接した原子の間
に働く原子間力を検知することにより情報を得る顕微鏡
である。撓みやすいカンチレバ−を用いて、試料表面の
原子とプロ−ブ先端の原子との引力または斥力を検出す
る。カンチレバ−は極めて撓みやすい絶縁材料で作られ
る。カンチレバ−の先端が試料表面に近接すると、極め
て弱い原子間力が働く。これは１０^-9Ｎの程度の力であ
る。

【００１３】無極性の中性原子の間には、比較的遠距離
では分散力による引力が働く。近距離ではパウリの排他
律による斥力が発生する。ＡＦＭにおいては曲率半径の
小さい探針を持つ板ばねのカンチレバ−の反りや撓みを
測定し、探針と試料間での局所的な力を検出し、試料表
面の力の２次元的情報から像を得る。カンチレバ−はヤ
ング率の低い撓みやすい材料によって作られなければな
らない。ＳｉＯ₂ 、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 、Ｓｉなどの薄膜カンチ
レバ−が用いられる。カンチレバ−の先端に探針を付け
て探針と試料の間で原子間力が働くようにする。試料原
子と探針の間に発生する力は、探針先端の曲率半径に反
比例する。従ってＡＦＭの探針も極めて先鋭なものであ
る必要がある。撓みやすいという条件だけでなく、振動
の影響を受けず走査速度を速くするために、カンチレバ
−の共振周波数がある程度高くなくてはならない。これ
らの条件を満足するために、カンチレバ−は短いてこで
ある必要がある。このために１００μｍ程度の短いカン
チレバ−が、原子間力の検出に用いられる。

【００１４】原子間力は先端の先鋭さに比例して強くな
る。このためにカンチレバ−の先端にも鋭利な先端を持
つ探針を付ける。先に説明した顕微鏡は電流や容量を観
測量とするものであったが、原子間力顕微鏡は力を観測
量とする。カンチレバ−の撓み（変位）が力に比例す
る。撓みを検出する方法として、図８〜図１０に示す方
法が知られている。図８のものはトンネルプロ−ブ法で
ある。カンチレバ−４０の先端には鋭い先端を持つ探針
４１が固着されている。カンチレバ−４０の上にはトン
ネルプロ−ブ４２が設けられる。カンチレバ−４０はホ
ルダ４５に取り付けられていて、ホルダ４５とトンネル
プロ−ブ４２の間にバイアス４３があり、これが両者の
間に直流電圧を印加している。ＳＴＭと同じ原理で、カ
ンチレバ−の上面の原子と、プロ−ブの原子の間でトン
ネル電流が流れる。トンネル電流を増幅器４４で増幅す
る。

【００１５】図８のトンネルプロ−ブ法はＳＴＭの技術
をそのまま流用することができるし、構造も簡単であ
る。しかし、カンチレバ−４０が導電性でなくてはいけ
ない。さらにトンネルプロ−ブとカンチレバ−との間に
も原子間力Ｈが働き、この力が、カンチレバ−と試料と
の原子間力Ｆと混合してしまう。歪みは（Ｆ−Ｈ）にな
ってしまう。カンチレバ−とプロ−ブの間の力Ｈを他の
方法で予め決定する必要がある。また力Ｈのために、検
出限界が狭くなってしまう。図９に示すのは、光の干渉
を用いるものである。ヘリウムネオンレ−ザ４６の光を
偏光分離素子４７に通し、光ファイバ４８に入射する。
光ファイバ４８の他端はカンチレバ−４０の直ぐ上にあ
って、レ−ザ光がカンチレバ−に当たる。これが反射さ
れて光ファイバに戻る。偏光分離素子４７の背後、検出
器４９の反対側には例えばミラ−（図示せず）のような
ものがあり、分岐光の一部を偏光分離素子側に戻してい
る。この直接の戻り光と、カンチレバ−背面からの戻り
光が、光検出器４９の受光面で干渉する。干渉光の強度
を、光検出器４９が検出する。カンチレバ−が動くと明
暗の交替する干渉縞ができる。干渉縞の数を数えること
によりカンチレバ−の変位を求めることができる。

【００１６】図１０の構成は光てこによるものである。
ヘリウムネオンレ−ザ５０の光を、光ファイバ５１によ
ってカンチレバ−４０の上に当てる。反射光５２が２分
割光検出器５３に入る。これは同等の光検出器を上下に
二つ並べたものである。上の検出器の出力をＱ、下の検
出器の出力をＲとする。カンチレバ−４０が上に撓み、
反射光が上に変位するとＱが増える。反対にカンチレバ
−４０が下に撓み、反射光が下に動くとＲが増える。そ
こで（Ｒ−Ｑ）／（Ｒ＋Ｑ）によりカンチレバ−の変位
を求めることができる。光の干渉を使う方法も、光てこ
の方法も光をカンチレバ−の上面に当てるので光による
圧力がかかるが、これは１０^-11 〜１０^-13 Ｎ（１Ｎ＝
１０⁵ ｄｙｎｅ）程度であり問題でない（カンチレバ−
にかかる原子間力は１０^-9Ｎの程度）。図１１により原
子間力顕微鏡の基本構成を説明する。

【００１７】ＡＦＭヘッド６０というのは、試料、試料
台、カンチレバ−、レ−ザ、二分割光検出器、走査装置
などを含む。走査は圧電素子によって行なうことができ
るが、ＳＴＭと違いカンチレバ−を平面的に動かすのが
難しいので、試料の方を圧電素子によって動かす。試料
を圧電素子の上に戴置する。圧電素子に加える電圧を加
減して、試料を３次元的に移動させることができる。カ
ンチレバ−の撓みは、光によって検出（図１０の方法）
している。２分割光検出器の出力（Ｒ−Ｑ）／（Ｒ＋
Ｑ）が検出信号となる。これがサ−ボ回路６２に入力さ
れる。これにも二つのモ−ドがある。カンチレバ−の撓
みを一定に保つように試料とカンチレバ−の距離を制御
するものである。これによって試料の凹凸情報を得るこ
とができる。またカンチレバ−の高さを一定に保ち、力
の変動を調べるものである。これにより力情報を得るこ
とができる。これはオシロスコ−プ６３に波形として表
示される。同じ力情報、凹凸情報はＡＤ／ＤＡコンバ−
タ６６によりデジタル値に変換されてパ−ソナルコンピ
ュ−タ６７に入射される。コンピュ−タは、２次元的な
力分布あるいは凹凸分布の情報を計算し、グラフィック
デ−タとする。これはＣＲＴ６９にグラフィック表示さ
れる同じものが、必要に応じてビデオプリンタ６８に出
力されて印刷される。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】ＳＴＭはトンネルを探
針と試料間に流して、電流が一定になるように探針を昇
降しながら走査する。これは金属など導電性の材料でな
いと適用することができない。ＳＣａＭは容量の微小な
分布を求めることができるが微細な形状は分からない。
ＡＦＭは微細形状は分かるが、電気的な特性は分からな
い。相補的な関係にある顕微鏡である。これら３つの顕
微鏡の機能を一体化できれば、同じ試料の同じ位置にお
ける、凹凸、電荷分布、電流分布などがわかる。ＳＣａ
Ｍは圧電素子で走査する絶縁針に電極を取り付ける構造
であるし、ＳＴＭは圧電素子で走査する探針により電流
検出する。ＡＦＭはカンチレバ−を使い、試料を走査す
る。これらの３者を容易に結合することができない。

【００１９】これらの顕微鏡を結合した複合顕微鏡は既
にいくつか提案されている。１．特開昭６３−２３６９０３号（Ｓ６３．１０．３）
はＳＴＭ＋ＳＣａＭの複合型を提案している。ＳＴＭの
場合、探針を試料の表面近くｎｍのオ−ダ−までに降ろ
すという微動動作が難しい。トンネル電流が流れるため
には探針と試料とが極めて近くでないといけない。しか
し探針が試料に接触すると探針先端が破壊される。そこ
で探針と試料の間の静電容量を計る。静電容量と、探針
・試料間距離Ｌは一定の関係にある。そこで距離Ｌを容
量Ｃによってモニタし、探針を１ｎｍの近くまで変位さ
せる。これはＳＣａＭを探針のガイドに使っているだけ
である。探針が試料にぶつからないようにＳＣａＭを併
用している。静電容量の方が、トンネル電流よりもレン
ジが長いので、容量変化により距離をモニタしている。
ＳＣａＭにより試料の容量測定を積極的に行おうとはし
ていない。

【００２０】２．特開平２−２２８５０４号（Ｈ２．
９．１１）はＳＴＭ＋ＳＣａＭの複合顕微鏡を提案して
いる。これも探針が試料にぶつかってはいけないので、
静電容量を計って、試料と探針の距離を求める。ＳＣａ
Ｍを距離計測に使っているだけである。１では探針の外
周部と試料の間の容量も測定値に含まれており、正確な
探針・試料間の距離が分からないという欠点があった、
という。そこで、これは試料の上に置くべき円筒形の引
き込み電極を設け、引き込み電極と探針の間の容量をモ
ニタする。引き込み電極は試料の上に置くので試料に対
する高さが決まっている。そこで引き込み電極と探針間
の容量Ｃと、探針試料間の距離Ｌが対応することにな
る。引き込み電極と探針間に高周波を加え、容量を計り
つつ探針を下げて行き、試料の直上１ｎｍの距離まで降
ろす。これもＳＣａＭは、探針を試料に衝突させないた
めにモニタ用に使われている。ＳＣａＭで試料の検査を
しようという積極的な姿勢はない。

【００２１】３．特開平４−７２５０５号（Ｈ４．３．
６）はＡＦＭ＋ＳＴＭの複合顕微鏡を提案している。Ｓ
ＴＭは電流を測定するために、表面に電荷があると余分
な電流が流れる。この場合、表面の凹凸と無関係に電流
が発生するので、厳密な凹凸情報が得られないという欠
点を指摘している。そこでこれは、電荷に左右されず表
面情報を取り出すことができるＡＦＭをＳＴＭに結合す
る。試料は圧電素子により下から変位可能に支持され
る。センサ部分はカンチレバ−である。カンチレバ−を
電流検出と、力の検出の両方に用いている。カンチレバ
−の撓みの検出は、この上にさら探針を設けて、探針と
カンチレバ−間に直流バイアスを与え、これによるトン
ネル電流を測定することによっている。

【００２２】これは図８に示す検出機構である。これに
ついては、探針とカンチレバ−の間の原子間力がノイズ
となるので望ましくないことを先に説明している。カン
チレバ−を導電性とし、カンチレバ−と試料の間に直流
電圧を印加しトンネル電流を測定している。この機構
は、電流測定も、力の測定も同様にトンネル電流を利用
している。カンチレバ−にはいずれの電流も流れるか
ら、電流測定と、力の測定を同時に行うことができな
い。ＡＦＭとして用いる時は、カンチレバ−と試料の間
の直流バイアスを断つ。ＳＴＭとする時は、カンチレバ
−と上の探針の間の直流バイアスを切る。ＡＦＭとＳＴ
Ｍはいずれも試料の観察に利用される。しかし同時にＡ
ＦＭ＋ＳＴＭとして使用することができない。

【００２３】４．特開平２−９３３０４号（Ｈ２．４．
４）はＳＴＭ＋ＳＣａＭを提案している。これはＳＣａ
Ｍで試料面内の観察すべき領域を捜し出し、ＳＴＭでこ
の狭い範囲を走査するものである。これはＳＴＭがトン
ネル電流に依存しており、探針と試料間距離が極めて短
いために走査範囲が狭い（１００ｎｍ×１００ｎｍ）と
いう欠点を解決するものである。ＳＣａＭは容量である
から走査範囲が広く（１４０μｍ×１５０μｍ）、走査
速度も速いので、まずＳＣａＭで観測すべき位置を見い
出す。これが分かると次にＳＴＭで試料の表面を観察す
る。前述の１と２は縦方向の探針位置をＳＣａＭで安全
に位置決めするものであったが、これは横方向の探針位
置をＳＣａＭで迅速に見い出そうとするものである。検
出部は圧電素子に取り付けられている探針である。ＡＦ
Ｍはこれには存在しない。

【００２４】このように二つの顕微鏡を原理的に結合し
たものは既にいくつか提案されている。しかし３者を結
合したものは未だ存在しない。提案もされていない。本
発明はＳＴＭ＋ＳＣａＭ＋ＡＦＭの複合顕微鏡を提供す
ることを目的とする。

【００２５】

【課題を解決するための手段】本発明は走査型トンネル
顕微鏡（ＳＴＭ）、走査型静電容量顕微鏡（ＳＣａ
Ｍ）、原子間力顕微鏡（ＡＦＴ）を結合した複合的な顕
微鏡である。本発明の顕微鏡は、試料を戴置するための
試料台と、試料台を上下方向と面方向に微小変位させる
ための試料台の下に取り付けられる圧電素子アクチュエ
−タと、圧電素子に走査電圧を与え試料台を走査するた
めのサ−ボ回路と、導電性であって一端が固定され他端
が試料表面を走査するようにしたカンチレバ−と、試料
台とカンチレバ−の間に直流電圧を印加しトンネル電流
を測定する電流検出回路と、試料台とカンチレバ−の間
に交流電圧を与えて、カンチレバ−と試料の間の容量を
測定する容量センサ−と、容量センサ−と電流検出回路
のいずれか一方をカンチレバ−に択一的に接続するため
の切り替えスイッチと、カンチレバ−の撓みを検出する
撓み検出機構とを含む。

【００２６】

【作用】圧電素子により試料台を動かすので、２次元的
な走査を行なうことができる。また上下方向にも圧電素
子により微小変位させることができる。カンチレバ−を
検出端子としているので、本発明の装置はもちろん原子
間力顕微鏡として利用することができる。従来はカンチ
レバ−が絶縁性であったので、電流の測定ができない。
ところが本発明はカンチレバ−を導電性のものとしてい
るから、電流測定もできるし容量の測定にも使うことが
できる。カンチレバ−を用いるので原子間力顕微鏡とし
ての使い方は従来のものと同様である。カンチレバ−の
探針は試料に一定の力で接触した状態に保つ。しかし電
流測定および容量測定は単純にＳＴＭ、ＳＣａＭの場合
とは違う。静電容量を測定するＳＣａＭにおいて、探針
の下端が試料の表面に接触した状態で走査する。つまり
探針と試料表面の間にギャップがない。このため表面の
凹凸の影響を受けず真の容量を測定することができる。

【００２７】さらに、本発明の装置によると、ＡＦＭ測
定とＳＣａＭ測定とは同時に進行させることができる。
このため試料表面の凹凸を容量測定と同時、独立に測定
できる。しかしＳＣａＭとＳＴＭとは同時に測定できな
い。測定回路が違うからである。このために切り替えス
イッチを使って、探針を電流検出回路と容量センサのい
ずれかに択一的につなぐことになっている。ＳＴＭとし
て使う場合は、カンチレバ−の先端の探針を試料から僅
かに離して、トンネル電流を測定する。原子間力は独自
に検出できるので、ＳＴＭとＡＦＭは同時測定すること
ができる。つまり本発明の装置は次のような二つのモ−
ドの使い方が可能である。

【００２８】（１）切り替えスイッチを容量センサ側に
切り替える。ＡＦＭでフィ−ドバックしつつ、ＡＦＭ／
ＳＣａＭの同時測定を行なう。この後、切り替えスイッ
チを電流検出回路側に切り替える。そしてＳＴＭ／ＡＦ
Ｍの同時測定を行なう。（２）切り替えスイッチを高速で切り替えつつ、ＡＦＭ
でフィ−ドバックしつつＳＴＭ／ＡＦＭ同時測定と、Ｓ
ＣａＭ／ＡＦＭの同時測定を交互に行う。走査速度が遅
ければ、３種類の測定がほぼ平行して行なわれることに
なる。

【００２９】

【実施例】図１２に本発明の実施例に係る複合顕微鏡の
概略構成を示す。ＳＴＭとして利用できるために、電流
検出回路７０を設ける。これは試料と探針の間のトンネ
ル電流を測定する。ＳＣａＭとして使えるように、容量
センサ−７１も設ける。これらは試料と探針の静電容量
を測定する。トンネル電流を測定するには直流電圧を印
加しなけれればならない。両者を同時に行うことはでき
ない。そこで、電流検出回路７０と容量センサ−７１
は、切り替えスイッチ７２によって切り替えるようにな
っている。導電性のカンチレバ−７７により試料１を走
査し、試料のさまざまな情報をカンチレバ−によって得
るようにしている。

【００３０】原子間力顕微鏡のセンサ部としてのカンチ
レバ−を用いるが、絶縁性のものではなくて導電性のカ
ンチレバ−を用いる。カンチレバ−の撓みは光学的に検
出している。図１０に示す光てこを用いている。レ−ザ
ダイオ−ド７３の光をカンチレバ−７７の上面に当てて
反射光を２分割ホトダイオ−ド７４によって検出する。
ここではレ−ザダイオ−ドの光を、光ファイバを使わず
直接にカンチレバ−に当てている。てこ（カンチレバ
−）の撓みにより反射方向が変わるので、二つのホトダ
イオ−ドに入る光の割合が変化する。これは図１０に関
連して既に説明した。ホトダイオ−ドに入る光の割合か
ら光てこ（カンチレバ−）の撓みを求め、サ−ボ回路７
５に入力するようになっている。

【００３１】試料１は圧電素子８０の上に取り付けられ
る。圧電素子８０は試料を二次元的に走査し、さらに試
料を上下に変位させるものである。ＳＴＭやＳＣａＭの
ように試料は固定で、探針、電極が圧電素子に固定され
て走査するというのではない。反対に試料を圧電素子に
乗せて試料を走査するようになっている。振動しやすい
カンチレバ−を走査することができないので、原子間力
顕微鏡でも試料を走査するようになっている。ＳＴＭ或
いはＳＣａＭとして用いる場合は、試料にバイアスＶ
_biasを与える。バイアスのためにＳＴＭとＳＣａＭとは
両立しない。同時にＳＴＭ、ＳＣａＭとして利用できな
い。だから、切り替えスイッチ７２によりいずれかを選
択する必要がある。しかしバイアスに不要な原子間力顕
微鏡（ＡＦＭ）としての機能は、ＳＴＭともＳＣａＭと
も両立する。従って、ＡＦＭとＳＴＭと同時に機能させ
ること（ＡＦＭ＋ＳＴＭ）ができる。或はＡＦＭとＳＣ
ａＭを同時に機能させることもできる（ＡＦＭ＋ＳＣａ
Ｍ）。これによって、試料表面の凹凸と、容量分布を独
立に平行して計測することができる。

【００３２】本発明はこのように３つの顕微鏡を組み合
わせたものである。しかし単なる組合せではない。カン
チレバ−を検出部に用いることによりＳＣａＭ、ＳＴＭ
にも新しい利益が発生している。図５の従来のＳＣａＭ
の場合は絶縁性針の側面に電極を付けて、電極と試料の
間に交流電圧を加えている。この場合針と試料の間の静
電容量と、電極と試料の間の静電容量が加わったものに
なる。分解能が針の大きさによって制限されるという欠
点があった。ところが本発明は、針に電極を取り付けな
い。容量は探針と試料の間に発生する。鋭い探針と試料
の間の容量であるから面積は小さいが距離が短いのでか
なりの容量がある。しかも絶縁性の針のようなものがな
いのでノイズが少ない。

【００３３】本発明においてＡＦＭとＳＴＭとを結合す
るためにカンチレバ−として導電性のものを使用してい
るところに大きい特徴がある。カンチレバ−は後述する
ものの外、Ｓｉ₃ Ｎ₄ などの薄膜の少なくとも接触面側
に、Ｃｒ、Ａｕなどの金属膜を蒸着し、その先端にＷ、
Ｐｔを固着したものを用いてもよいのは勿論である。

【００３４】金属はＳｉ₃ Ｎ₄ などに比べるとヤング率
が高く、撓みにくいので、金属をカンチレバ−にするの
は抵抗がある。しかし本発明者は敢えて金属のカンチレ
バ−を製作した。厚さ５０μｍのＰｔ、Ａｕ箔を、幅
０．３ｍｍ〜０．５ｍｍに切り、支点からの有効バネ長
さが１．５ｍｍ〜３．０ｍｍになるように、ステンレス
板に瞬間接着剤と銀ペ−ストによって接着した。そして
ＰｔまたはＡｕホイルの先端を山形に切断した。図１３
にこのようなカンチレバ−を示す。ステンレス板７６に
金属カンチレバ−７７が接着されている。これは探針の
ないカンチレバ−である。金属の先端が直接に試料に対
向する。

【００３５】このカンチレバ−を図１４のようにホルダ
−７９に絶縁体７８を介して固着する。バイアス電圧が
試料とホルダ−７９の間に印加されるので、ホルダ−７
９とステンレス板７６の間の容量Ｃ１、ステンレス板７
６と試料１の間の容量Ｃ２、カンチレバ−と試料の間の
容量ΔＣが存在する。Ｃ１、Ｃ２は計測対象であるΔＣ
に並列に入る。Ｃ２、Ｃ１は試料・カンチレバ−間の容
量ΔＣの変動を検出しにくくする。そこでＣ１やＣ２は
小さくしなければならない。そこで図１４において絶縁
体７８（例えばガラスエポキシ）は長くし（約２ｍ
ｍ）、ステンレス板７６は小さくした。このような金属
製で探針のないカンチレバ−の他に、ダイヤモンド探針
にイオン注入し、導電性を与えたものをステンレスの板
バネに接着したものも、本発明の導電性カンチレバ−と
して用いることができる。この場合ステンレス板が弾性
体として機能している。金属製のカンチレバ−のバネ定
数ｋは

【００３６】ｋ＝Ｅｂｔ³ ／４ｌ³ （１）

【００３７】によって計算することができる。Ｅはヤン
グ率、ｂはカンチレバ−の幅、ｔはカンチレバ−の厚
み、ｌはカンチレバ−の有効長である。例えば、カンチ
レバ−としてＰｔ製でバネ定数ｋが６７０Ｎ／ｍのもの
を製作し使用した。さらに別のカンチレバ−として、Ａ
ｕ製のｋ＝３４Ｎ／ｍのものも製作した。あるいは、ダ
イヤモンドの探針を付けたステンレス製のカンチレバ−
も製作した。このダイヤモンド探針はＢをド−プして導
電性を与えている。バネ定数はｋ＝２Ｎ／ｍである。ス
テンレスのカンチレバ−でも、厚みや長さや幅を適当に
設計して柔らかい撓みやすいものが得られるということ
である。

【００３８】図１５は実施例に係る複合顕微鏡の構成図
である。これは図１２の原理図に対して容量の電圧微分
ｄＣ／ｄＶを付け加えている。試料１は試料台８１の上
に固定される。試料台８１は圧電素子８０の上に取り付
けられる。検出部は導電性のカンチレバ−７７である。
カンチレバ−の一端には探針９０が描かれているが、こ
れはなくてもよい。図１３のような探針でも良い。カン
チレバ−の他端は固定され、これから出た端子がスイッ
チ７２により、電流検出センサ７０と容量センサ７１に
選択的に接続される。容量センサ７１はロックインアン
プ８２につながっている。ロックインアンプ８２は正弦
波の信号Ｖ_mod （ω）を生成する。加算器８３は正弦波
Ｖ_mod （ω）とＶ_biasとを加えて試料電圧として、試料
１に印加する。正弦波Ｖ_mod （ω）は容量Ｃの電圧微分
ｄＣ／ｄＶを計算するために、試料バイアスに重畳す
る。これは例えば振幅が１．５Ｖで、周波数は７０ｋＨ
ｚである。ロックインアンプが正弦波を発生する。これ
は容量センサ−から容量信号を同期増幅してｄＣ／ｄＶ
を得ることができる。

【００３９】レ−ザダイオ−ド７３が光を発生し、カン
チレバ−の背面に当てる。反射光が２分割ホトダイオ−
ド７４に入る。ＰＳＤ回路８７によりホトダイオ−ドの
光入力の差を求める。これがカンチレバ−の撓みを表
す。サ−ボ回路７５によりサ−ボ電圧を発生し、圧電素
子駆動用アンプ８４に入れる。これは試料台８１の高さ
を調整し、原子間力を一定に保持するようにする。パ−
ソナルコンピュ−タ８６が走査電圧とバイアス電圧を生
成する。これがＡＤ／ＤＡコンバ−タ８５によりＤＡ変
換されて、圧電素子駆動用アンプ８４に入る。これは圧
電素子を２次元的に変位させて、試料を２次元的に走査
する。サ−ボ回路からの凹凸情報はＡＤ／ＤＡコンバ−
タによりＡＤ変換されてパ−ソナルコンピュ−タ８６に
入力される。これはＡＦＭ像を与える。バイアス電圧を
変化させるので、ロックインアンプにおいてｄＣ／ｄＶ
を求めることができる。

【００４０】容量センサ−からの容量Ｃ、ロックインア
ンプ８２からのｄＣ／ｄＶは同じようにＡＤ変換されて
コンピュ−タ８６に入力される。バイアス電圧を変化さ
せることにより、Ｃ−Ｖ曲線と（ｄＣ／ｄＶ）−Ｖ曲線
を求めることができる。以上がＡＦＭ＋ＳＣａＭとして
の使用法である。ＡＦＭ＋ＳＴＭとしての使用法は、ス
イッチを切り替えて、トンネル電流を計測する。バイア
スを一定にして電流像を観察することができる。あるい
はバイアスをかえてＩ−Ｖ曲線を得ることができる。

【００４１】

【発明の効果】本発明は、導電性のカンチレバ−を用い
て、試料と探針の間のトンネル電流、静電容量、原子間
力の３つを測定できるようにしている。つまり従来３つ
の顕微鏡であった、走査型トンネル顕微鏡、走査型静電
容量顕微鏡、原子間力顕微鏡を一つにまとめている。こ
の顕微鏡だけで、試料の容量分布、表面電流分布、表面
粗さ（凹凸）を計測することができる。半導体産業にお
いて表面の形状、電荷状態、接合の状態などを原子レベ
ルで観察することが強く要望されている。本発明はこの
ような目的に答えることができる。絶縁体／半導体、例
えばシリコン酸化膜／シリコン、強誘電体／シリコン、
イオン注入シリコン表面などを本発明の複合顕微鏡装置
によって原子レベルで評価することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】走査型トンネル顕微鏡の検出部の概略を示す断
面図。

【図２】走査型トンネル顕微鏡の原理を説明する斜視
図。

【図３】走査型トンネル顕微鏡の圧電素子、探針、試料
の部分の概略斜視図。

【図４】走査型トンネル顕微鏡の基本構成を示すブロッ
ク図。

【図５】走査型静電容量顕微鏡の容量検出部の概略図。

【図６】発振器、ＬＣ共振器、ピ−ク検出器などの容量
検出回路の図。

【図７】試料と電極間の容量が変わることにより、共振
周波数がずれ、発振器の周波数に対して出力が変動する
ことを示す周波数・ゲインのグラフ。

【図８】原子間力顕微鏡のカンチレバ−の撓みを検出す
るトンネルプロ−ブ法の概略構成図。

【図９】原子間力顕微鏡のカンチレバ−の撓みを検出す
るレ−ザ干渉法の概略構成図。

【図１０】原子間力顕微鏡のカンチレバ−の撓みを検出
する光てこ法の概略構成図。

【図１１】原子間力顕微鏡の基本構成を示すブロック
図。

【図１２】走査型トンネル顕微鏡、走査型静電容量顕微
鏡、原子間力顕微鏡を一つに結合した本発明の顕微鏡シ
ステムの概略構成図。

【図１３】カンチレバ−の斜視図。

【図１４】カンチレバ−の取り付け部の断面図。

【図１５】本発明の実施例を示す構成図。

【符号の説明】

１試料２探針３板バネ４探針ホルダ５外枠６内枠７圧電素子８マイクロメ−タ９ＤＣモ−タ１０ギヤ１１板バネ１２ア−ス板１２’絶縁板１３バイアス電源１４電流電圧変換回路１５トンネルユニット１６サ−ボ回路１７アナログ走査回路１８オシロスコ−プ１９ＡＤ／ＤＡコンバ−タ２０パ−ソナルコンピュ−タ２１プリンタ２２ＣＲＴ

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｊ 37/28 Ｚ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料を戴置するための試料台と、試料台
を上下方向と面方向に微小変位させるため試料台の下に
取り付けられる圧電素子アクチュエ−タと、圧電素子ア
クチュエ−タに走査電圧を与え試料台を走査するための
走査回路と、導電性であって一端が固定され他端が試料
表面を走査するようにしたカンチレバ−と、試料台とカ
ンチレバ−の間に直流電圧を印加しトンネル電流を測定
する電流検出回路と、カンチレバ−と試料の間の容量を
測定する容量センサ−と、容量センサ−と電流検出回路
のいずれか一方をカンチレバ−に択一的に接続するため
の切り替えスイッチと、カンチレバ−の撓みを検出する
撓み検出機構とを含むことを特徴とする複合顕微鏡。