JPH09113521A - 金属カンチレバー、原子間力顕微鏡／走査型静電容量顕微鏡複合装置と原子間力顕微鏡／走査型静電容量顕微鏡／走査型トンネル顕微鏡複合装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 原子間力顕微鏡のカンチレバーと静電容量顕
微鏡の両方に利用できる導電性のカンチレバーを与える
こと。製造容易で同一のものが簡単にできるようなカン
チレバーを与える。 【解決手段】 金属ワイヤを切断し、先端をとがらせ、
中間部を曲げてカンチレバーとする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は原子間力顕微鏡（Ａ
ＦＭ）と走査型静電容量顕微鏡（ＳＣａＭ）を組み合わ
せた顕微鏡のカンチレバーの改良に関する。さらに改良
されたカンチレバーを利用した原子間力顕微鏡／走査静
電型容量顕微鏡複合装置に関する。この顕微鏡は試料の
表面を原子オーダの細かさで観察できるし、表面電荷状
態も検出できるから半導体などの表面の評価装置として
有用である。あるいはこれら２つの顕微鏡に、走査型ト
ンネル顕微鏡を複合した３機能を備える顕微鏡装置をも
提供する。

【０００２】

【従来の技術】原子間力顕微鏡は既に良く知られた装置
である。走査型容量顕微鏡も公知の装置である。両者は
測定の対象、目的が異なる。両者を複合した装置は双方
の装置の機能を合わせ備えるので、半導体、誘電体など
の評価をする上で極めて有用な装置になり得る。初めに
原子間力顕微鏡と走査型静電容量顕微鏡を別々に説明す
る。さらに両者を複合した顕微鏡について述べ、カンチ
レバーについての問題を明らかにする。

【０００３】［１．原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）：図２］
原子間力顕微鏡は、試料表面の原子と、カンチレバーの
先端の原子との間に働く原子間力を検知することによ
り、試料表面の凹凸情報を知ることができるようにした
装置である。図２に原子間力顕微鏡の概略図を示す。原
子間力はカンチレバーの撓みを光学的に検出する事によ
って求める。撓みと原子間力が比例することから、撓み
によって原子間力を測定できる。

【０００４】図２において、試料１の表面近くに、ホル
ダ−２の先端に取り付けたカンチレバー３を近づける。
カンチレバーの運動には３つのモードがある。接触型、
非接触型、間欠接触型である。接触型ではカンチレバー
３は表面に接触しながら表面を走査する。非接触型で
は、カンチレバー３は表面と一定距離を保ちながら表面
を走査できるようになっている。

【０００５】何れにしても試料に対するホルダ−の高さ
と傾きが一定であれば、カンチレバーの撓みが試料の凹
凸を正確に反映しているはずである。レ−ザ４から光を
カンチレバー３の背面に当て、反射光が二つ割り検出器
５に入射するようにする。カンチレバーの上下方向の撓
みによって、背面の傾角が変化し、反射光の方向が変わ
る。

【０００６】半導体検出器５の二つの受光面に入射する
光量のバランスが変化するので、反射光の方向がわか
る。こうして、カンチレバーの撓みを光学的に検知でき
る。撓みは表面の凹凸を反映しているから、これによっ
て表面の凹凸を検出することができる。このようにカン
チレバーの背面にレ−ザ光を当てて反射光を２分割光検
出器によって検出するようにしたものを「光てこ方式」
と呼ぶ。

【０００７】試料をカンチレバーに対して相対移動させ
ることによって、試料表面の凹凸の二次元分布を求める
ことができる。カンチレバーに対して課せられる条件
は、撓みやすいこと、先端が尖っていること、摩耗し難
いことなどである。撓みによって原子間力の変動を検知
するから、検出感度はカンチレバーの撓みやすさによっ
て決まる。撓み易さはカンチレバーの必須の条件であ
る。

【０００８】試料の原子とカンチレバーの先端原子の間
に働く原子間力（ファンデルワールス力）を検知するか
らカンチレバーの先端が尖っていなくてはならない。耐
摩耗性の点はカンチレバーのモードにもよる。先述のよ
うにＡＦＭには三つの測定モードがある。一つは接触モ
ード（コンタクトモード）である。今一つは非接触モー
ド（ノンコンタクトモ−ド）である。中間的なものが、
周期的にカンチレバーを試料に接触させるタッピングモ
ード（サイクリックコンタクトモード）である。

【０００９】接触モード（コンタクトモード）の場合、
カンチレバーが試料表面に常時接触している。試料表面
の凹凸を最も正確に求めることができる。しかしこの場
合は探針（カンチレバー）の摩耗、試料の破壊の問題が
ある。

【００１０】ノンコンタクトモードの場合、探針を振動
させて振幅の変動によってカンチレバーと試料表面の距
離を知る。探針の先と試料表面の間に働く原子間力はフ
ァンデルワールス力である。これは距離によって大きく
変化するので、振動の共振周波数が変動する。同じ周波
数の振動を与えている時は、振幅が変化するので距離が
求められる。これは探針と試料が接触しないから探針
（カンチレバー）が摩耗しないし、試料も傷つかないと
いう利点がある

【００１１】カンチレバーは撓み易さ、加工性、耐摩耗
性などの条件から、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 、ＳｉＯ₂ 、Ｓｉなどの
材料によって作られる。何れも絶縁体、半絶縁体であ
る。半導体プロセスの微細加工によって、極めて小さく
てしかも精度の高いものが作製できる。

【００１２】［２．走査型静電容量顕微鏡（ＳＣａ
Ｍ）］図３に概略の構成を示す。走査型静電容量顕微鏡
は導電性の探針６を試料１に接近させ、試料１と探針６
の間にバイアス電圧７を印加し、試料１と探針６の間の
静電容量Ｃを容量センサー８によって測定し、試料表面
の静電容量Ｃの分布を求める。圧電素子によって試料を
２次元的に移動させることができる。これによって試料
表面の電荷の分布や状態を求めることができる。

【００１３】探針と試料表面との間の容量を測定するか
ら、探針は当然に導電性のあるものでなければならな
い。反対に、撓む必要はない。ＳＣａＭは例えば半導体
ウエハにおいて、ｐｎ接合近傍の空乏層の広がり、厚み
分布などを知るために用いることができる。絶縁膜の良
否、酸化膜の欠陥準位の空間的分布などを測定すること
もできる。

【００１４】このように二つの顕微鏡装置は、探針を試
料に接近させて試料の特性を測定するのであるが、対象
になる物性が異なり測定手段も違う。プローブもＡＦＭ
の場合はカンチレバーと言う。カンチレバーは片持ち梁
（cantilever）という意味である。これは撓むことによ
って試料状態を検出する。ＳＣａＭの場合は撓まない
で、試料の一点を探るという意味を込めて探針という。
しかし本発明は原子間力顕微鏡と静電容量顕微鏡を統合
するものであるから、以下両者を区別しないで共用する
こともある。

【００１５】もしも一つの顕微鏡が、両方の機能を兼ね
備えるようにすることができれば、連続して同じ試料の
異なる性質を測定できるようになる。試料の移動などの
手数が不要になり、より便利になる。また二つの装置を
兼ねるから装置を置くスペースを節減できる。さらに装
置コストも削減できる。試料台、探針を用い、探針によ
って試料の表面を走査する点では二つの装置は共通する
ところがある。両者を結合するためには、まずセンサで
ある探針を改良する必要がある。

【００１６】［３．走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）］
圧電素子を備えた試料台に試料を取り付け、試料に探針
を接近させ、試料と探針の間に電圧を印加してトンネル
電流を流すようにしたものである。トンネル電流が流れ
るのであるから試料と探針は極めて接近した位置にあ
る。トンネル電流を一定に保つように圧電素子を伸縮さ
せる。トンネル電流が一定という事は探針と試料の距離
が一定であるという事である。試料を探針に対して走査
する事によって試料表面の高さ、つまり凹凸の分布を原
子の大きさのオーダーで求めることができる。探針は当
然に導電性がなければならない。本発明のカンチレバー
は３つの顕微鏡の複合装置にも利用する事ができる。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】ＡＦＭとＳＣａＭを結
合して一つの複合顕微鏡とするには、次の条件を満たす
ようなカンチレバー（探針）が必要である。 （１）導電性があること。 （２）探針と試料間の測定したい容量が大きくて、浮遊
容量が小さいこと。 （３）一定の先端形状を持ったものが作製できること。 （４）撓み易いこと。

【００１８】（１）の導電性が必要なのは、ＳＣａＭ測
定の時に、カンチレバーが容量測定の探針になるからで
ある。電圧を探針と試料の間に加える必要があるから導
電性が要求される。ＡＦＭには不要な性質であった。

【００１９】（２）は探針先端・試料間の容量よりも、
非先端の探針・試料間の容量の方が小さくあるべきだと
いうことである。浮遊容量が大きいと信号がこれに埋も
れてしまい、試料の上の容量、電荷の正確な分布が分か
らない。

【００２０】探針先端・試料間の容量Ｃｓは先端部の面
積に比例する。これに対して非先端・試料間の容量Ｃｎ
はカンチレバーの先端部以外の部分の面積が大きい場合
に増大する。Ｃｎを下げるためには、カンチレバーの大
部分を試料から遠ざける必要がある。Ｃｓを増やすため
には、探針の先端の曲率半径を大きくし面積を増やすと
いうことが有効である。

【００２１】（３）の性質が要求されるのは、先端形状
にばらつきがあると、信頼性の高い測定ができないため
である。カンチレバーは摩耗するので取り替える必要が
ある。その度に試料、探針間の容量に変動があるようで
は、それまでの測定とこれからの測定について、結果を
そのまま比較することができない。であるから同一形状
のものが作製されなければならない。

【００２２】（４）はＡＦＭのカンチレバーに要求され
る性質である。撓まないと、探針の先端の原子と試料表
面の原子の間に働く原子間力を、撓みによって求めるこ
とができない。

【００２３】従来例に係るＡＦＭのカンチレバーは、Ｓ
ｉ₃ Ｎ₄ 、ＳｉＯ₂ 、Ｓｉなど撓み易い誘電体によって
作られる。これらは半導体プロセスによって正確に作ら
れるから同一形状、寸法のものが幾つも作製される。Ａ
ＦＭはカンチレバーが絶縁体であっても良いのでこれら
の材料が好適であった。しかしＡＦＭとＳＣａＭを複合
した顕微鏡とする場合、上記の材料のカンチレバーは役
に立たない。導電性がないからである。導電性がない
と、探針・試料間の静電容量を測ることができない。

【００２４】導電性を与えるために、カンチレバーに金
属を被覆するなどの工夫をする。絶縁体に金属を被覆す
ると浮遊容量が大きい、剛性が高いなどの問題が発生す
る。本出願人は、ＡＦＭとＳＣａＭを結合して複合顕微
鏡とするものについていくつかの提案をしている。

【００２５】 特願平６−１５６６９２号「複合顕微
鏡」 これは走査型トンネル顕微鏡＋原子間力顕微鏡＋走査型
静電容量顕微鏡を初めて与えるものである。カンチレバ
ーは導電性を持たなければならないので、金属板バネの
カンチレバーを採用している。カンチレバーの撓みの検
出は従来の原子間力顕微鏡と同じように光てこ方式を用
いている。

【００２６】 特願平６−２０９２６６号「複合顕微
鏡の導電性カンチレバー構造」 これは走査型静電容量顕微鏡＋原子間力顕微鏡の複合顕
微鏡を与える。カンチレバーは金属板とする。金属板の
先端に探針を取り付けている。金属板の探針以外の部分
と試料との間の静電容量は浮遊容量ということになる。
これは探針・試料間の容量測定に対してはノイズにな
る。

【００２７】そこでカンチレバーの探針以外の部分は絶
縁体によって被覆しさらにその上を金属被膜によって覆
い、これを接地している。静電遮蔽されるから、探針以
外の部分と試料との間の容量が一定値になり、ノイズと
はならない。金属／絶縁／金属の３層構造とすることに
よって、浮遊容量の問題を回避しようとする。これも光
てこ方式によってカンチレバーの撓みを求めている。

【００２８】 特願平６−２３０４８７号「複合顕微
鏡の導電性カンチレバーとホルダ−」 これも走査型静電容量顕微鏡＋原子間力顕微鏡の複合顕
微鏡を与えるものである。導電性のカンチレバーとして
３種類のものを提案している。一つは、絶縁物（Ｓｉ₃
Ｎ₄ 、ＳｉＯ₂ など）に金属線を細くコートしたもので
ある。今一つは２等辺三角形状の金属の梁からなるもの
である。細い梁にするのは撓み易くするためである。金
属は先述のＳｉ₃ Ｎ₄ などに比べて剛性が高く撓み難い
から細く加工しなければならない。さらに３つの縦穴を
穿孔した金属板のカンチレバーも提案されている。

【００２９】 特願平６−２９２２８３号「非接触モ
ード原子間力顕微鏡／静電容量顕微鏡複合装置」 原子間力顕微鏡の場合、カンチレバーが試料に接触する
もの、間欠的に接触するもの、非接触のものがあるとい
うことは既に説明した。原子間力顕微鏡と静電容量顕微
鏡を結合して複合顕微鏡とした場合、カンチレバーは接
触型としていた。その方が構造が単純であって作製し易
いからである。これはカンチレバーを試料から離し、カ
ンチレバーを振動させて共振周波数のずれから試料とカ
ンチレバー探針の距離を求めることができるようにした
ものである。これは絶縁体に金属薄膜をコ−ティングし
たカンチレバーを用いている。光てこ式によってカンチ
レバーの撓み検出している。

【００３０】以上に述べたものは本発明者、本出願人に
なるものである。本発明者は導電性のカンチレバーにつ
いて様々の工夫をしてきた。この他に本発明者以外の手
になるものとして次のものがある。

【００３１】 特開平７−１２０４８２号「原子間力
と電気容量とを同時に検出するための原子間力顕微鏡用
プローブおよびその製造方法」 これも試料の電気容量を求めるにはカンチレバーとして
導電性のものが必要であることを述べている。ＳｉＮｘ
のカンチレバーの全体に金属薄膜を被覆すると、試料と
の間の静電容量が大きくなって試料の電荷状態を知るこ
とができないということを述べている。そこでこれは絶
縁体（ＳｉＮｘ）のカンチレバーの裏に極細い金属のパ
ターンを形成し、これによって電流を流すようにしてい
る。このパターンは幅が１μｍである。浮遊容量を減ら
す為の工夫である。撓み易さを重視するので主体は絶縁
体である。

【００３２】 千葉徳男、村松宏、中島邦雄、安宅龍
明、藤平正道、「ＳＮＯＡＭ用新規プローブ変位検出機
構」１９９５年春期応用物理学会学術講演会予稿集、ｐ
４７９、３０ｐ−Ｂ−８ これは原子間力顕微鏡のカンチレバーに光ファイバを用
い、光ファイバカンチレバーにレ−ザの光を側方から照
射し、その影を二分割フォトダイオードによって検出す
る方法が提案されている。光てこ方式に代わるものであ
る。側方にレ−ザやレンズ、フォトダイオードを設置
し、カンチレバーの上方の空間が空くのでここに光学系
を置くことができる。

【００３３】

【課題を解決するための手段】本発明の原子間力顕微
鏡、静電容量顕微鏡のカンチレバーは、金属ワイヤをと
がらせ、折り曲げたワイヤ型のカンチレバーである。ワ
イヤ型のカンチレバーを試料に接近させて試料、探針間
の容量を測定し、さらに試料表面の凹凸を検出する。ワ
イヤ型カンチレバーを用いる事が本発明の特徴である。

【００３４】例えば、タングステン（Ｗ）ワイヤの先を
尖鋭化し、約９０度折り曲げたＬ字状のワイヤをカンチ
レバーとして用いるのである。先を鋭く研磨するには電
解研磨法を用いることができる。電解研磨法にはいくつ
かのパラメータがある。電解液の種類、電解液の濃度、
電圧値、研磨時間などである。これらの研磨パラメータ
を調整することによって、ワイヤ先端の曲率半径を自在
に決定することができる。曲率半径を大きくすれば試料
・カンチレバー先端間の静電容量を大きくすることがで
きる。

【００３５】Ｌ字型のワイヤの折曲点より先を縦方向部
分（探針部）とし、折曲点より元の方を横方向部分（撓
み部）ということにしよう。縦方向部分の長さＨを増や
すと、浮遊容量を減らすことができる。また横方向部分
の長さＳを増やすと撓み易さが増える。

【００３６】金属のワイヤであるから、その直径は厳密
に管理されている。長さがパラメータになる。長さを決
めれば応力・撓みの関係は決まってしまう。先端部の形
状は電解研磨の条件を一定にすることによって、一定の
形状に揃えることができる。金属箔を切断するものに比
べて、同一の形状寸法のものを作り易い。

【００３７】先に従来技術を概観した。これまで、絶縁
体に金属薄膜をコ−ティングしたものや、金属箔をカン
チレバーにしたものが提案されている。しかしながら、
今も尚、原子間力顕微鏡、静電容量顕微鏡のカンチレバ
ーとしてワイヤを用いた例がない。ワイヤは剛性が大き
すぎるという懸念があろう。しかし径を細くすることに
よってワイヤの剛性を下げることができる。

【００３８】ワイヤを用いることのもう一つの難点は、
撓み検出に光てこ方式を利用することができないという
ことである。ワイヤは丸い面を持ち反射平面を持たない
から、レ−ザ光を当てて反射光を二つ割り受光素子によ
って受光するという訳にはいかない。そこでワイヤの側
方から収束光を当ててワイヤの影を投影し、投影位置を
位置検出機能を持つ検出器によって検出する。

【００３９】

【発明の実施の形態】本発明は、原子間力顕微鏡と静電
容量顕微鏡を複合して一つの顕微鏡とする。センサ部分
であるカンチレバーは、金属ワイヤの先端を尖らせたも
のを用いる。適当な剛性のある金属を選ぶ必要がある。
例えば、タングステン（Ｗ）、ステンレスなどのワイヤ
を用いる。

【００４０】タングステンの針は走査型トンネル顕微鏡
などの探針に用いられる。此の場合は直線状の針であっ
て曲がりがない。本発明の場合は、Ｌ字型に曲げる必要
がある。金属ワイヤの直径は０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍ
の程度である。ここでは直径０．１ｍｍのタングステン
ワイヤを採用する。

【００４１】ワイヤの先端を尖らせるには機械的研磨も
可能であるが、ここでは電解研磨法を用いる。電解研磨
とは、電解液の中に、研磨すべき材料と対向電極を漬け
て、対向電極と材料の間に電圧を印加し、被研磨材料を
電解液に溶かすことによって表面を徐々に研磨する方法
である。タングステンを被研磨材料とするので、電解液
を水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）溶液、或いは水酸化カ
リウム（ＫＯＨ）溶液とする。対向電極はイオン化せ
ず、液に接触して電流を流すものである。導電性があっ
てしかも耐食性が要求される。このような条件からカー
ボン電極などを対向電極とすることができる。

【００４２】電解液に中に、タングステンワイヤとカー
ボン電極を漬けて、１０Ｖ〜３０Ｖの交流電圧をワイ
ヤ、電極間に加える。研磨時間は数分である。電解液の
濃度、電圧、研磨時間を適当に調節することによって、
研磨部の先端の曲率半径、先鋭部の傾斜角度、太さを調
整することができる。

【００４３】ワイヤ９の先端を尖鋭化した後、長さを１
ｍｍ〜４ｍｍにしてカンチレバーホルダ−１０に取り付
ける。これが図４（底面図）に示す状態である。尖鋭化
したワイヤ９をホルダ−１０の先に取り付けてある。さ
らに実体顕微鏡によって観察しながら、先端から０．５
ｍｍ〜１ｍｍの箇所を約９０度下方に折り曲げる。

【００４４】これが図５に示す状態である。折り曲げ部
１１より先の縦方向部分が探針１２になる。折り曲げ部
１１よりホルダ−側の横方向部分１３は撓み（曲げ）を
起こす部分である。横方向部分１３の曲げによって、試
料表面の凹凸に応じてカンチレバーが上下する。つまり
カンチレバーの横方向部分の上下の歪によって、探針の
部分が上下動することができる。

【００４５】試料と横方向部の間の静電容量は浮遊容量
Ｃｎになる。縦方向部の高さＨを大きくすると試料と横
方向部が遠く離れるので浮遊容量Ｃｎが小さくなる。横
方向部の長さＳを増やすと撓みが大きくなる。

【００４６】丸棒のワイヤをカンチレバーとするから、
このカンチレバーの撓みを従来の光てこ方式によっては
検出することができない。光てこ方式の場合は、カンチ
レバーの背面に平坦な部分が必要である。レ−ザ光を反
射するためである。ところがワイヤの場合は平坦な面が
ない。ために光てこ方式を使うことができない。

【００４７】もっとも、ワイヤの背面に小さい反射鏡を
取り付けたり、或いはワイヤの背面を平坦に削り、金、
アルミ等を蒸着して反射面とすることも考えられよう。
しかし細いワイヤ（０．１ｍｍ〜０．０１ｍｍφ）にそ
のような細工をするのは難しい。

【００４８】そこで本発明はカンチレバーの側方から収
束光を照射し、カンチレバーの影の高さを位置検出機能
のある受光素子によって検出して、カンチレバーの撓み
を検出することとする。カンチレバーの影を投影する方
法であるから、これをカンチレバー投影方式と呼ぶこと
にする。

【００４９】位置検出機能のある受光素子というのは、
例えば受光領域が２分割されている２分割フォトダイオ
ード、あるいは受光領域の４辺に４電極を設けた半導体
２次元位置検出器などである。

【００５０】光てこ方式の場合はレ−ザをカンチレバー
の直上に設置するので、カンチレバーの様子を上方から
観察できないという難点があった。しかしカンチレバー
投影方式を採用すると、カンチレバーの上方の空間が空
くので、ここに光学顕微鏡を設けてカンチレバーを観察
することができる。カンチレバーと試料の位置合わせが
より容易になる。その他にも、試料上方の空間に測定装
置を設置する事ができるようになる。

【００５１】図６はカンチレバー投影方式を説明するた
めの側面図である。光源は半導体レ−ザ、発光ダイオー
ド、ランプなど任意の発光体を用いることができる。光
の波長も任意である。可視光、近赤外光などを利用でき
る。寸法や集光性からは半導体レ−ザが適している。カ
ンチレバー９の横方向部分１３に向かって半導体レ−ザ
１４から光を当てる。ここではＧａＡｓレ−ザを光源に
している。

【００５２】レ−ザ４の光をレンズ１５によって絞る。
点Ｏに集光する。点Ｏからレ−ザ光は円錐光線束２０を
描いて発散する。カンチレバーの横方向部分１３が、レ
−ザ光の光線束２０の中にある。カンチレバー１３は横
に延びているから、その背後に影１９を作る。検出器１
６は２つ割フォトダイオードであるから、二つの独立の
センサ部分１７、１８を持つ。もしもワイヤの影１９が
センサ部分１７、１８の中点にあれば、センサ部分１
７、１８の光電流Ｉ₁ 、Ｉ₂ は同一である。影１９が何
れかに片寄ると、その部分のセンサの光電流が減り、反
対側のセンサ部分の光電流が増える。

【００５３】センサ部分の光電流の差（Ｉ₁ −Ｉ₂ ）に
よってカンチレバーの横方向部分の中心位置からの変位
Ｙが分かる事になる。収束光によってカンチレバーの影
を投影するから、カンチレバーの動きを倍増してセンサ
に反映させることができる。カンチレバーの変位とセン
サでの変位の倍率は、集光点Ｏとカンチレバーとの距離
Ｂによって、集光点Ｏと検出器の距離Ｃを割った値Ｃ／
Ｂとなる。

【００５４】図７はカンチレバーと集光点Ｏの関係を反
対にしたものである。レ−ザ１４から出た光はレンズ１
５によって点Ｏに収束する。カンチレバーの横方向部分
１３はレンズと集光点Ｏの間にある。この場合も倍率
は、集光点とカンチレバーの距離Ｄによって、集光点と
センサ間の距離Ｃを割った値になる（Ｄ／Ｃ）。

【００５５】センサとしては２分割フォトダイオードの
他に、入射点の位置を連続的に検出出きる半導体位置検
出器をも利用することができる。図８に位置検出器３２
の場合を示す。例えばｎ型のＳｉ基板の上に広い角型の
ｐ型拡散領域を形成し、基板の底部にはｎ側の電極を設
けている。さらに角型の受光領域の４辺に電極Ｘ１、Ｘ
２、Ｙ１、Ｙ２を互いに９０度の角度をなすように設け
たものである。４つの電極Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２から
光電流を取り出すことができる。これらの光電流から、
入射点のＸ座標とＹ座標を正確に求めることができる。

【００５６】つまり２次元センサである。受光領域が５
ｍｍ角程度のものが作られている。これを１次元的に使
って、カンチレバーの影１９の高さを電極Ｙ１とＹ２の
光電流から求めることができるようになっている。

【００５７】

【実施例】図１によって本発明の実施例を説明する。こ
れは原子間力顕微鏡＋走査型静電型容量顕微鏡＋走査型
トンネル顕微鏡とする場合の例である。試料１は試料台
（図示しない）に乗せてあるが、試料台は走査用圧電素
子２１によって三次元的に微小運動できるようになって
いる。カンチレバーの上下の運動に追随するために圧電
素子はＺ方向に運動する。また水平方向にも圧電素子が
動き得る。これは観察点を移動させるためである。これ
はＸ方向、Ｙ方向の運動であり走査と呼ぶ。試料１には
バイアス電圧７が印加される。これは図３の容量顕微鏡
としての用途があるからである。

【００５８】試料１の上面には、ワイヤを曲げて作った
カンチレバー９が設けられる。カンチレバー９は前記の
ホルダ−１０によって支持されている。ホルダ−はここ
では図示しない。走査は試料を動かしても良いし、カン
チレバーの方を動かしても良い。ここでは走査回路２３
によって、試料をＸＹ方向に走査している。

【００５９】カンチレバーを非接触モードで使う場合
は、カンチレバー振動用圧電素子２６をホルダ−に固定
し、圧電素子にカンチレバーに取り付ける。発振器２７
によって圧電素子には交流電圧が印加される。これによ
って圧電素子が伸縮する。圧電素子２６はホルダ−１０
とカンチレバー９の間に介在し、カンチレバーに微小の
振動を与えるものである。

【００６０】接触モードの場合は、このようなカンチレ
バーの振動機構は不要である。その場合は図４のように
カンチレバーが直接にホルダ−に固定される。カンチレ
バー９の電圧信号はホルダ−を経て外部に取り出され
る。これが、リレー２８によって、容量センサー８と電
流検出回路２９に振り分けられる。リレ−は例えば水銀
リレ−を利用できる。

【００６１】静電容量顕微鏡＋原子間力顕微鏡として用
いる場合は、リレー２８をａ接点に切り替える。すると
カンチレバー９の信号が容量センサー８に導かれる。容
量センサーはカンチレバーの先端と試料１の間に存在す
る静電容量Ｃを測定する。容量センサーは幾つもの機構
のものがある。例えば一定の周波数、振幅の電圧を印加
したときに、カンチレバー・試料間に形成されるコンデ
ンサを含む共振回路の電圧の変化によって容量を求める
ようにしたものがある。容量信号はパソコン３０に送ら
れる。パソコン３０は走査回路２３に走査信号を送っ
て、圧電素子をＸＹ方向に走査させる。

【００６２】パソコン３０は試料１上の探針の位置
（Ｘ，Ｙ）を知っているから、その位置に、測定された
容量Ｃを対応させてメモリに記憶させる。パソコン３０
は走査回路２３によって圧電素子２１を駆動し、探針先
端を次の測定点に送る。次の測定点で同じ容量測定を行
う。その点での探針の座標と容量Ｃを記憶する。このよ
うな事を測定点を変えて繰り返す。

【００６３】原子間力顕微鏡とする場合は、カンチレバ
ーの撓みを２分割フォトダイオード（検出器）１６によ
って検出し、カンチレバーの撓みを検出する。初めに述
べたように原子間力顕微鏡は非接触モードと接触モード
がある。

【００６４】接触モードの場合は、探針が表面に接触し
ているからカンチレバーの上下の撓みは試料表面の高さ
Ｈ（凹凸）に等しい。走査回路２３によって試料をＸＹ
方向に走査することによって、試料の全面での凹凸の分
布Ｈ（Ｘ，Ｙ）を求めることができる。しかし接触モー
ドは、ワイヤの摩耗や曲がりの心配がある。

【００６５】非接触モードの場合は、カンチレバーを発
振器２７、圧電素子２６によって上下に振動させる。原
子間力の本質はファンデルワールス力である。試料の表
面から極僅かな部分にしか及ばない。短距離力である。
ために力の勾配がある。試料と探針先端の間の距離ｄに
よって原子間力ｆ（ｄ）が異なる。すると、カンチレバ
ーの振動の振幅が距離ｄによって変動する。

【００６６】カンチレバーの振動の振幅は、フォトダイ
オード１６の信号によって分かる。振幅を監視しこれを
一定に保つように圧電素子を駆動することによって、カ
ンチレバー先端と試料の間隔を一定に保つ事ができる。
試料の全体を走査し同様の測定を行う事によって、試料
の表面の高さ分布Ｈ（Ｘ，Ｙ）を求めることができる。
非接触モードでは、探針が曲がらず摩滅しない。

【００６７】走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）として使
う場合は、リレー２８の可動接点をｂ接点に切り替え
る。カンチレバーの出力が電流検出回路２９に接続され
る。カンチレバーと試料の間に電圧が加えられる。カン
チレバー先端（探針）を試料に近づけると、探針と試料
の原子間にトンネル電流Ｉｔが流れる。走査回路２３に
より探針を試料面上で相対移動させる。走査しながら、
トンネル電流Ｉｔが一定になるように試料を圧電素子に
よって上下させると、試料表面の凹凸を求める事ができ
る。

【００６８】これは３つの顕微鏡として利用する場合の
実施例である。もしも走査型静電容量顕微鏡と原子間力
顕微鏡とを組み合わせただけであれば、リレー２８、電
流検出回路などが不要になる。

【００６９】

【発明の効果】本発明は、一つの顕微鏡装置を原子間力
顕微鏡としても、静電容量顕微鏡としても、走査型トン
ネル顕微鏡としても利用できる。半導体試料などの表面
観察、表面近傍の電荷分布の測定などを同じ装置によっ
て行うことができる。試料の取り外しや移動などの手数
が不要であって、同一領域の表面状態、電荷状態を一対
一に対応させて調べることができる。これを可能にした
のが、導電性のカンチレバーを用いて容量測定も行える
ようにした構成である。本発明は導電性のカンチレバー
として先端を研磨した金属ワイヤを採用する。ワイヤを
カンチレバーにしたことによって、次の効果を挙げるこ
とができる。

【００７０】（１）カンチレバーに導電性を賦与するこ
とができる。このために静電容量顕微鏡の探針としても
用いることができる。 （２）ワイヤカンチレバーのサイズが金属薄膜カンチレ
バーなどよりも狭い面積を持つ。カンチレバー先端と試
料の間の測定容量に対して、先端以外のカンチレバーの
部分と試料の間にできる浮遊容量を小さくできる。

【００７１】（３）ワイヤを切断し先端を研磨して尖ら
せるのであるから、一定の形状のカンチレバーを幾つで
も作製することができる。カンチレバーを交換した場合
でも、同じ形状のカンチレバーに取り替える事によって
引き続き信頼性の高い測定を行うことができる。

【００７２】（４）絶縁体に金属薄膜を付けたマイクロ
カンチレバーよりも製作容易である。ワイヤの直径は厳
密に決まっており、長さと折れ曲がり点、先端の形状が
製作の条件になる。これらは簡単に管理できる。

【００７３】（５）電解研磨によって先端を任意の曲率
半径の探針にすることができる。電解研磨のパラメータ
は、電解液の種類、電解質の濃度、電圧値、研磨時間な
どがある。これによってワイヤの先端の尖り方を任意の
ものにすることができる。またこれらのパラメータを一
定に保つことによって、同じ曲率半径の先端部を作製で
きる。

【００７４】さらにカンチレバーの撓み検出として、光
てこ方式ではなくて投影方式を用いる。この方式は、 （６）平坦な反射面を持たない丸い金属ワイヤであって
も、その変位や撓みを検出することができる。 （７）カンチレバーの上方の空間が空くので、ここに光
学顕微鏡を設置することができる。これによって、試料
の光学観察、位置合わせなどがより容易になる。などの
利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】原子間力顕微鏡と走査型静電容量顕微鏡とを複
合した本発明の装置の概略全体構成図。

【図２】原子間力顕微鏡の原理図。

【図３】走査型静電容量顕微鏡の原理図。

【図４】ホルダ−に尖鋭化したワイヤを取り付けた状態
の底面図。

【図５】ホルダ−に固定したワイヤをある点において折
り曲げた状態の側面図。

【図６】本発明がカンチレバーの変位を検出するために
採用するカンチレバー投影方式を説明するための光学系
構成図。

【図７】本発明がカンチレバーの変位を検出するために
採用する他のカンチレバー投影方式を説明するための光
学系構成図。

【図８】半導体位置検出器によってカンチレバーの影の
位置を検出することができることを説明する図。

【符号の説明】

１ 試料 ２ ホルダ− ３ カンチレバー ４ レ−ザ ５ 検出器 ６ 探針 ７ バイアス電圧 ８ 容量センサー ９ カンチレバー １０ ホルダ− １１ 折れ曲がり点 １２ 縦方向部 １３ 横方向部 １４ レ−ザ １５ レンズ １６ 検出器 １７ センサ部 １８ センサ部 １９ カンチレバーの影 ２０ 光線束 ２１ 走査用圧電素子 ２２ サーボ回路 ２３ 走査回路 ２６ カンチレバー振動用圧電素子 ２７ 発振器 ２８ リレー ２９ 電流検出回路 ３０ パソコン ３１ ディスプレイ ３２ 位置検出器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川見 浩 京都府京都市右京区梅津高畝町47番地日新 電機株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直径が０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍの金属
   ワイヤから作られ、尖鋭化された先端部と中間の折れ曲
   がり部とを有し、原子間力顕微鏡のカンチレバーと静電
   容量顕微鏡の探針として共通に使用できる金属カンチレ
   バー。
2. 【請求項２】 試料にカンチレバーを接近させ試料を走
   査させながらカンチレバーの撓みを測定する事によって
   試料表面の凹凸分布を求める原子間力顕微鏡の機能と、
   試料に導電性探針を対向させ試料を走査させながら探針
   と試料の間の静電容量を測定することによって試料表面
   の容量分布を求める静電容量顕微鏡の機能を備え、直径
   が０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍの金属ワイヤから作られ尖
   鋭化された先端部と中間の折れ曲がり部とを有する金属
   カンチレバーを原子間力顕微鏡のカンチレバーとして利
   用し、側方から収束光をカンチレバーに当てカンチレバ
   ーの影を位置検出機能を持つ光検出器に投影し、影の位
   置からカンチレバーの変位を求める事とし、かつ同じ金
   属カンチレバーを静電容量顕微鏡の探針として使用し容
   量センサーによって探針と試料との間の静電容量を測定
   するようにした事を特徴とする原子間力顕微鏡／走査型
   静電容量顕微鏡複合装置。
3. 【請求項３】 試料にカンチレバーを接近させ試料を走
   査させながらカンチレバーの撓みを測定する事によって
   試料表面の凹凸分布を求める原子間力顕微鏡の機能と、
   試料に導電性探針を対向させ試料を走査させながら探針
   と試料の間の静電容量を測定することによって試料表面
   の容量分布を求める静電容量顕微鏡の機能と、試料に探
   針を接近させ探針と試料の間に電圧を印加しトンネル電
   流を流しトンネル電流を一定に保持しながら探針によっ
   て試料表面を走査し試料表面の凹凸を求める走査型トン
   ネル顕微鏡の機能とを備え、直径が０．０１ｍｍ〜０．
   １ｍｍの金属ワイヤから作られ尖鋭化された先端部と中
   間の折れ曲がり部とを有する金属カンチレバーを原子間
   力顕微鏡のカンチレバーとして利用し、側方から収束光
   をカンチレバーに当てカンチレバーの影を位置検出機能
   を持つ光検出器に投影し、影の位置からカンチレバーの
   変位を求める事とし、かつ同じ金属カンチレバーを静電
   容量顕微鏡の探針として使用し容量センサーによって探
   針と試料との間の静電容量を測定し、さらに金属カンチ
   レバーを走査型トンネル顕微鏡の探針として使用し探針
   と試料の間にトンネル電流を流しこれが一定になるよう
   に試料を上下させながら探針によって試料表面を走査す
   る事により試料の表面の凹凸を求めるようにした事を特
   徴とする原子間力顕微鏡／走査型静電容量顕微鏡／走査
   型トンネル顕微鏡複合装置。