JPH0921829A - 容量測定用探針およびこれを用いた容量測定装置ならびに走査型容量顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 金属上の絶縁膜を介しての静電容量が測定で
きるようにすることによって該絶縁膜の評価を可能にす
る。 【構成】 走査型容量顕微鏡において、探針（７）とし
て導電性針状部材（３９）上に誘電体層（４１）がコー
ティングされたものを使用する。このような探針を導電
体基材（１）の上に形成された絶縁膜（４３）に所定の
接触圧で接触させ（３，２１，２３，２５）、探針の導
電性針状部材と絶縁体基材との間に少なくとも交流のバ
イアス電圧を印加する（１３）。前記強誘電体層の誘電
率がバイアス電圧に応じて変化し、したがって該強誘電
体層と試料の絶縁膜とを挟んでの探針の導電性針状部材
と導電体基材１との間の静電容量に変調がかけられる。
これによって絶縁膜（４３）に関連する静電容量の計測
が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、容量測定用探針、
容量測定装置および走査型容量顕微鏡に関し、特に金属
のような導電体上に形成された絶縁膜の微小静電容量の
検出を可能にして絶縁膜の構造や誘電率の分布を検出し
かつ画像化する技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、試料表面を探針で走査して探
針と試料との静電容量を計測する走査型容量顕微鏡が知
られている。走査型容量顕微鏡においては、微小な静電
容量を計測しなければならないため、その絶対値の計測
は困難であり、通常静電容量の変化を計測する。静電容
量の変化は次の３通りの方法により誘起される。 （１）試料表面の構造の相違による試料の場所による変
化 （２）試料と探針との距離の変化 （３）試料内部の特性の変化による容量変化

【０００３】したがって、これらのうちのいずれかの方
法により静電容量の変化を生じさせて静電容量の変化分
を計測する。すなわち、これらいずれかの方法によって
静電容量に変調をかけて静電容量の変化分を検出する。

【０００４】試料の場所による容量変化を利用するもの
は、例えばビデオディスクのように、試料の表面に凹凸
を設け静電容量の変化を生じさせて静電容量の変化量を
計測する。また、試料と探針との距離の変化を利用する
ものでは、探針と試料との距離を所定の変調周波数の信
号で変化させて静電容量の変化を生じさせる。また、試
料内部の容量変化を利用するものでは、例えばシリコン
などの半導体基板の上に酸化シリコンの絶縁膜を形成し
たものを使用し、金属の探針を試料に接触させ、探針と
半導体基板との間の電圧に変調をかける。これによっ
て、基板内の半導体に生じる空乏層の深さが変化しこれ
に応じて静電容量の変化が生じる。このように静電容量
に変調をかけてその変化分を計測することにより、探針
と試料との間の静電容量のような微小な静電容量をも計
測することが可能になる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記３つの方法のう
ち、（１）の試料の場所による容量変化を利用する変調
方法では、試料表面に特殊な加工が必要になるなど、使
用できる試料が制限される。

【０００６】また、前記（２）の試料と探針との距離の
変化を利用して変調を行なう方法および（３）の試料内
部の容量変化を利用して変調を行なう方法では、探針の
走査速度に対して、充分高い周波数で探針と試料との距
離の変化あるいは試料内部の容量の変化を起こさせるこ
とにより、積算して測定精度を向上させることができる
点において優れている。しかしながら、（２）の方法で
は探針と試料との間に一定の距離をおく必要があるた
め、静電容量顕微鏡などに使用した場合には分解能が低
下し、かつ試料と探針との距離を一定に維持するための
計測手段を静電容量を利用したもの以外に独立に得るこ
とが困難であるという不都合があった。

【０００７】また、前記（３）の試料内部の容量変化を
利用するものにおいても、走査速度に対して、充分高い
周波数で内部容量の変化を起こさせることにより、積算
して測定精度を向上させることが可能であった。しかし
ながら、内部容量の変化を生じさせるために半導体基板
の空乏層のバイアス電圧による容量変化を利用するた
め、基板が半導体に制限され、したがって、金属上の絶
縁膜の評価などには使用できないという問題があった。

【０００８】したがって、本発明の目的は、前述の従来
例の装置における問題点に鑑み、簡単な装置構造によ
り、半導体に制限されず金属のような導体上の絶縁膜を
介しての静電容量も的確に計測できるようにすることに
ある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明によれば、新規な変調手法を導入した容量測
定用探針およびそのような探針を用いた容量測定装置、
ならびに走査型容量顕微鏡が提供される。

【００１０】すなわち、本発明の第１の態樣では、容量
測定用探針が提供され、該容量測定用探針は、少なくと
も外側面が導電材料で形成された導電性針状部材と、前
記導電性針状部材上に被着された強誘電体層とを具備
し、導電体基材の上に配置された絶縁膜を介して該導電
体基材と前記導電性針状部材との間で静電容量を計測す
るために使用される。

【００１１】上記第１の態樣に係わる容量測定用探針
は、前記導電性針状部材と前記導電性基材との間で絶縁
膜および前記強誘電体層を挟んである静電容量を持たせ
ることができる。そして、前記導電性針状部材の外面に
被着された強誘電体層は電圧により誘電率が大きく変化
する性質を有する。したがって前記導電性針状部材の導
電材料部と前記導電体基材との間に加える電圧を変える
ことにより前記強誘電体層の誘電率を変えることがで
き、それに応じて前記静電容量の値も変化する。すなわ
ち、前記導電性針状部材の導電材料と前記導電体基材と
の間の静電容量を、これらの間に印加する電圧を変える
ことによって静電容量の変化として計測することがで
き、探針と導電体基材との間の静電容量のような微小な
静電容量をも計測することが可能になる。

【００１２】また、このような探針では、前記導電性針
状部材の導電材料部と前記導電体基材との間に交流の
み、あるいは交流および直流のバイアス電圧を印加して
前記静電容量を変化させることにより、極めて効率的に
微小な静電容量の測定を行なうことが可能になる。交流
のバイアス電圧を印加した場合には、前記導電性針状部
材と前記導電体基材との間の静電容量がこの交流電圧に
応じて変化し、その静電容量の変化分を周知の容量セン
サまたは容量測定器によって計測することができる。こ
の場合、交流のバイアス電圧に加えて適切な電圧の直流
のバイアス電圧を印加することにより、バイアス電圧の
変化に対する静電容量の変化の大きさを増大することが
でき、より高感度の測定が可能となる。

【００１３】また、前述のように、導電性針状部材は窒
化シリコンで形成した針状部材の表面上に金属、例えば
ニッケルクロムや金をコーティングして作製することに
より導電性を有する針状の基本となる部材が作製でき
る。この基本となる針状の部材の上に強誘電体材料とし
て例えばＰＺＴをコーティングすることにより、導電性
針状部材の上に強誘電体層が被着された探針が実現でき
る。ＰＺＴは通常電圧の変化によって３０％〜４０％の
静電容量の変化を得ることができ、このような構造によ
って高感度の容量測定用探針が実現できる。

【００１４】また、本発明の第２の態樣では、導電体基
材上に絶縁膜が配置されてなる被測定試料の前記絶縁膜
を介して静電容量を測定する容量測定装置において、少
なくとも外側面が導電材料で形成された導電性針状部材
の表面上に強誘電体層を形成してなる探針を備えたカン
チレバーと、該カンチレバーの探針を前記導電体基材上
の試料絶縁膜に所定の接触圧で接触させる付勢手段と、
前記導電体基材と前記カンチレバーの探針の導電性針状
部材との間にバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加
手段と、前記導電体基材と前記カンチレバーの探針の導
電性針状部材との間の静電容量を測定する容量検出手段
とを設ける。

【００１５】このような本発明の第２の態樣における容
量測定装置では、上述のような探針がカンチレバーに取
り付けられあるいはカンチレバーと一体的に形成されて
使用される。圧電素子などで構成される付勢手段がこの
ようなカンチレバーの探針を導電体基材上の絶縁膜に所
定の接触圧で接触させる。そして、バイアス電圧印加手
段が、前記導電体基材と前記探針の導電性針状部材との
間にバイアス電圧を印加する。このバイアス電圧を変化
させることにより、前記導電性基材と探針の導電性針状
部材との間の静電容量が変化する。この静電容量の変化
は、前述のように導電体基材と探針の導電性針状部材と
の間に介在する前記強誘電体層の誘電率が印加電圧に応
じて変化するためである。したがって、容量検出手段
は、このようなバイアス電圧印加手段によって印加する
電圧を変えることによって導電体基材と探針の導電性針
状部材との間の静電容量を静電容量の変化として計測す
ることができる。

【００１６】この場合、例えば、導電体基材と探針の導
電性針状部材との間のバイアス電圧を所定の値だけ変化
させた場合の導電体基材と探針の導電性針状部材との間
の静電容量を予め種々の試料絶縁膜について求めておけ
ば、被測定試料の場合の容量変化からその容量を求める
ことができる。

【００１７】また、このような容量測定を、前記走査手
段によって探針と絶縁膜が配置された導電体基材とを相
対的に走査することにより絶縁膜の種々のポイントにお
いて行なうことによって、絶縁膜の容量分布データを
得、これから絶縁膜に関する種々の評価を行なうことも
可能になる。

【００１８】さらに、前記バイアス電圧印加手段が探針
の導電性針状部材と導電体基材との間に交流電圧のみ、
あるいは交流および直流のバイアス電圧を印加するよう
構成することにより、前述のように容量センサなどを使
用して効率的に静電容量の測定を行なうことができる。
また、この場合も交流のバイアス電圧に加えて適切な電
圧の直流のバイアス電圧を印加することにより、高感度
の測定が可能となる。

【００１９】さらに、本発明の第３の態樣では、導電体
基材上に少なくとも部分的に絶縁膜が配置されてなる試
料の走査像を得るための走査型容量顕微鏡において、少
なくとも外側面が導電材料で形成された導電性針状部材
の表面上に強誘電体層を形成してなる探針を備えたカン
チレバーと、該カンチレバーの探針を前記導電体基材上
の試料絶縁膜に所定の接触圧で接触させる付勢手段と、
前記カンチレバーの探針と前記導電体基材上に少なくと
も部分的に絶縁膜が配置されてなる試料とを相対的に走
査する走査手段と、前記導電体基材と前記カンチレバー
の探針の導電性針状部材との間にバイアス電圧を印加す
るバイアス電圧印加手段と、前記導電体基材と前記カン
チレバーの探針の導電性針状部材との間の静電容量を測
定する容量検出手段とを備えて構成する。

【００２０】このような本発明の第３の態様によれば、
前述のような構成によって導電体基材上に少なくとも部
分的に絶縁膜が配置されてなる試料の走査像を得るため
の走査型容量顕微鏡が実現できる。この走査型容量顕微
鏡では、前述の容量測定装置と同様に、前記付勢手段に
よってカンチレバーの探針を導電体基材上の試料絶縁膜
に所定の接触圧で接触させ、前記走査手段によって探針
と導電体基材とを相対的に走査し、かつ前記バイアス電
圧印加手段によって導電体基材と探針の導電性針状部材
との間にバイアス電圧を印加することにより、前記容量
検出手段によって試料上の種々のポイントで探針と導電
体基材との間の静電容量を計測することができる。これ
によって、試料の静電容量の分布を示すデータを得るこ
とができ、これを表示装置によって画像として表示し、
あるいはプリンタによって画像として印刷することもで
きる。

【００２１】

【発明の実施の形態】図１は、本発明に係わる走査型容
量顕微鏡の概略の構成を示す。同図の走査型容量顕微鏡
は、金属のような導電性材料で形成された導電体基材１
を該導電体基材１の上表面に沿った方向（Ｘ−Ｙ方向）
および垂直方向（Ｚ方向）などに駆動するための圧電ア
クチュエータ３を備えている。導電体基材１の表面上に
は試料となる絶縁薄膜（図示せず）が少なくとも部分的
に形成されているものとする。なお、試料としては、金
属のような導電性部材の表面上に薄膜が形成されたもの
でもよく、この場合は導電体基材１はなくてもよく、試
料の導電部材を直接圧電アクチュエータ３に載置または
固定してもよい。あるいは、導電体基材１とその上に形
成された薄膜とが試料であると考えることもできる。い
ずれにしても、試料としてのあるいは試料の１部として
の薄膜は金属のような導電体部材の上に形成されたもの
とされる。

【００２２】図１において、導電体基材１の上に形成さ
れた薄膜の上にはカンチレバー５に取り付けられたまた
はカンチレバー５と一体的に形成された探針７の先端部
が所定の接触圧で接触するよう配置される。探針７は、
後に詳細に説明するように金属層の上に強誘電体材料を
コーティングして形成されている。

【００２３】カンチレバー５の後部は結合部材１１によ
って図示しない固定部材、例えば顕微鏡の基台、に固定
されている。また、前記圧電アクチュエータ３によっ
て、探針７を導電体基材１に対して所定の接触圧で接触
するよう、カンチレバー５と導電体基材１の面とを相対
的に垂直方向（Ｚ方向）に移動させることができる。

【００２４】図１の走査型容量顕微鏡は、さらに、導電
体基材１とグランド間に直列接続された交流バイアス電
圧発生器１３および可変直流バイアス電圧発生器１５を
備えている。さらに、探針７およびカンチレバー５にわ
たり形成された導電層（図示せず）は周知の容量センサ
またはキャパシタンス測定装置１７の入力に接続されて
いる。該容量センサ１７の入力は電気的には容量センサ
１７の内部回路を通してグランドに接続されている。し
たがって、交流バイアス電圧発生器１３および直流バイ
アス電圧発生器１５から供給される交流および直流のバ
イアス電圧は導電体基材１と、グランドを介してカンチ
レバー５および探針７に形成された導電層との間に印加
されることになる。なお、交流バイアス電圧発生器１３
および直流バイアス電圧発生器１５は直接導電体基材１
とカンチレバー５および探針７の導電体層の間に接続し
てもよい。

【００２５】容量センサ１７の出力は該容量センサ１７
の出力信号を対応する容量値のアナログまたはデジタル
データに変換する静電容量計測器１９に接続され、該静
電容量計測器１９の出力は後に説明する制御装置２７に
供給されている。

【００２６】図１の装置はさらに、カンチレバー５の撓
みを計測するためにレーザ光源２１と受光素子２３とを
備えている。受光素子２３は、例えば２分割光センサで
あり、２つの分割されたフォトダイオード領域を備え、
レーザ光源２１から射出されカンチレバー５の表面で反
射した光を受ける。この光の受光位置に応じて、２つの
フォトダイオードの出力が相対的に変化し、したがって
カンチレバー５の撓みを求めることができる。なお、カ
ンチレバー５の表面は、レーザ光源２１からの光を反射
するよう鏡面仕上げとされる。あるいは、カンチレバー
５の表面に小型のミラー、反射シート、その他を設けて
もよい。

【００２７】参照番号２５は、受光素子２３からの出力
信号を受け入れてカンチレバー５の撓み成分を示すデー
タを出力するための撓み成分演算器であって、例えば各
種演算増幅器を含むアナログ回路で構成してもよく、あ
るいはゲート回路などを含むデジタル回路で構成しても
よく、あるいはマイクロプロセッサで構成してもよい。
なお、デジタル回路あるいはマイクロプロセッサで構成
する場合には必要に応じてＡ／Ｄ変換器なども含まれ
る。撓み成分演算器２５の出力は制御装置２７および演
算増幅器３１に供給される。

【００２８】制御装置２７は、例えばマイクロプロセッ
サによって構成され、カンチレバー５の走査などの機械
的制御および容量センサ１７によって計測された容量測
定データの処理などの信号処理をも行なう。なお、この
ような容量検出データを画像として表示するために表示
装置２８が接続されている。表示装置２８は、制御装置
２７からの出力データを画像として表示するＣＲＴディ
スプレイ装置、プリンタなどでよく、あるいは制御装置
２７からの出力データを記録する磁気ディスク装置、光
ディスク装置、その他でもよい。

【００２９】制御装置２７には、前述のように撓み成分
演算器２５からの出力データ、静電容量計測器１９から
の容量計測データなどが入力される。また、制御装置２
７は走査信号発生器３３に制御信号を送り、演算増幅器
３１に適切な電圧を供給して圧電アクチュエータ３の駆
動制御を行ない導電体基材１を探針７に対してＸ−Ｙ方
向に走査する。なお、演算増幅器３１には前記撓み成分
演算器２５からの信号も入力され、カンチレバー５の適
切な撓み量の状態で導電体基材１の走査を制御するよう
構成されている。

【００３０】以上のような構成を有する走査型容量顕微
鏡では、制御装置２７の制御の下に、レーザ光源２１か
らカンチレバー５にレーザ光を照射し、その反射光を受
光素子２３で検出し、撓み成分演算器２５で得られたカ
ンチレバー５の変位が一定になるように圧電アクチュエ
ータ３を作動させる。これにより、探針７は、常に一定
の接触圧により導電体基材１上の試料表面に接触させて
おくことができる。

【００３１】そして、交流バイアス電圧発生器１３によ
って例えば１００キロヘルツのサイン波交流電圧を探針
７と導電体基材１との間に印加する。容量センサ１７に
よってカンチレバー５を介してつながる探針７の導電層
と導電体基材１との間の容量変化を検出し、これを静電
容量計測器１９を介して静電容量データとして制御装置
２７に入力し、必要に応じて図示しない記憶装置に記憶
する。

【００３２】このような静電容量の測定を圧電アクチュ
エータ３によって探針７と導電体基材１とを相対的に走
査することによって試料各部で行ない、試料の２次元的
な静電容量の分布データを得る。このようなデータは必
要に応じて表示装置２８で表示されあるいは印刷が行な
われる。

【００３３】図２は図１の走査型容量顕微鏡に使用され
ているカンチレバー５に設けられた探針７の詳細な構造
を示す。図２において、カンチレバー５は例えば窒化シ
リコンで製作された細長い板状部材３５を基材として形
成されている。探針７はこのような板状部材３５の先端
部付近にリソグラフィ技術によって例えば同じ窒化シリ
コンで針状部材３７を形成して基材とする。このような
針状の部材をカンチレバーに形成する技術は従来の原子
間力顕微鏡などに使用されているカンチレバーの場合と
同様の方法によって製作できる。

【００３４】このような針状部材３７の外面および板状
部材３５の下面にニッケルクロムや金などの金属をコー
ティングして表面に導電層３９を形成する。さらに、こ
の導電層３９の表面に例えば１００ｎｍの厚さでＰＺＴ
（登録商標）をコーティングして強誘電体層４１を形成
する。以上の工程によって表面に強誘電体層を備えた本
発明の探針が完成する。

【００３５】次に、図３を参照して、このような探針を
使用して試料の静電容量を測定する方法につき説明す
る。図３は、図２に示される探針が導電体基材１上に形
成された絶縁膜４３に当接している状態を拡大して示
す。この図から明らかなように、探針５の導電層３９は
導電体基材１との間で探針５の強誘電体層４１および導
電体基材１上の絶縁膜４３を挟んである静電容量を持
つ。導電体基材１とグランド間には交流のバイアス電源
１３と調整可能な直流バイアス電源１５とが直列に接続
されている。また、探針７の導電層３９には周知の容量
センサ１７が接続されている。

【００３６】図３の構造において、交流バイアス電源１
３および直流バイアス電源１５によって探針７の導電層
３９と導電体基材１との間に交流および直流のバイアス
電圧を印加する。なお、バイアス電圧は交流のみでもよ
いが、適切な大きさの直流バイアス電圧を印加すること
により高感度で容量検出を行なうことが可能になる。こ
のようなバイアス電圧の印加によって導電体層３９と導
電体基材１との間に介在する強誘電体層４１の誘電率が
変化し、結局導電体層３９と導電体基材１との間の静電
容量も変化する。この容量変化を容量センサ１７によっ
て検出する。この容量変化分は、導電体基材１上の絶縁
膜４３の厚さ、誘電率その他によって変化するから、こ
のような静電容量の計測によって絶縁膜の評価などを行
なうことができる。

【００３７】図４は、図３の構造における導電体層３９
と導電体基材１との間の静電容量の等価回路を示す。図
４の（ａ）において、導電体層３９と絶縁体基材１との
間の静電容量は、平行平面電極間に、厚みがｄ_１で誘電
率がε_１の部分と厚みがｄ_２で誘電率がε_２の部分から
なる誘電体で満たされているものと考えることができ
る。厚みがｄ_１の部分は前記探針７の強誘電体層４１の
部分に対応し、厚みがｄ_２の部分は導電体基材１上に形
成された絶縁膜４３の部分に対応する。

【００３８】図４の（ａ）の平行平面電極間（Ａ−Ａ
間）の静電容量は、図４の（ｂ）に示されるように誘電
率がε_１の物質を満たした距離ｄ_１の平行平面電極間の
静電容量Ｃ_１と、誘電率ε_２の物質を満たした距離ｄ_２
の平行平面電極間の静電容量Ｃ_２とが直列接続された回
路と等価である。したがって、総合的な静電容量Ｃは次
のように表わされる。

【数１】Ｃ＝Ｃ_１Ｃ_２／（Ｃ_１＋Ｃ_２）

【００３９】この場合、端子Ａ−Ａ間の静電容量は、前
記容量Ｃ_１の値がバイアス電圧の変化に応じてΔＣ_１変
化する場合には次のようになる。

【数２】 （Ｃ＋）＝（Ｃ_１＋ΔＣ_１）Ｃ_２／（Ｃ_１＋ΔＣ_１＋Ｃ_２） （Ｃ−）＝（Ｃ_１−ΔＣ_１）Ｃ_２／（Ｃ_１−ΔＣ_１＋Ｃ_２） 上記数式２において、（Ｃ＋）は容量Ｃ_１の値がΔＣ_１
だけ増加した場合の静電容量を示し、（Ｃ−）は、容量
Ｃ_１の静電容量がΔＣ_１だけ減少した場合の値を示す。

【００４０】したがって、総合的な静電容量Ｃの変化分
ΔＣは次式で表わされる。

【数３】 ΔＣ＝（Ｃ＋）−（Ｃ−） ＝２Ｃ_２Ｃ_２ΔＣ_１／｛（Ｃ_１＋ΔＣ_１）（Ｃ_１−ΔＣ_１）＋ Ｃ_２Ｃ_２｝

【００４１】この場合、１例として、

【数４】Ｃ_１＝Ｃ_２＝１０ΔＣ_１ の場合には、すなわち容量Ｃ_１の変化分ΔＣ_１が容量Ｃ
_１の１０分の１である場合には、

【数５】ΔＣ＝０．２Ｃ_１／１．９９：＝０．１０Ｃ_１ となり、容量Ｃの変化分ΔＣはほぼ容量Ｃ_１の１０分の
１となる。但し記号“：＝”はほぼ等しいことを示す。

【００４２】これに対し、容量Ｃ_１が容量Ｃ_２より大き
く、例えば、

【数６】Ｃ_１＝０．５Ｃ_２＝１０ΔＣ_１ の場合には、容量Ｃの変化分ΔＣは次のようになる。

【数７】 ΔＣ＝０．８Ｃ_１／４．９９：＝０．１６Ｃ_１ すなわち、容量Ｃの変化分ΔＣは容量Ｃ_１のほぼ０．１
６倍となる。

【００４３】さらに、容量Ｃ_１が容量Ｃ_２より小さく、
例えば、

【数８】Ｃ_１＝２Ｃ_２＝１０ΔＣ_１ の場合には、

【数９】 ΔＣ＝０．０５Ｃ_１／１．２４：＝０．０４Ｃ_１ となり、容量Ｃの変化分ΔＣは容量Ｃ_１の約０．０４倍
となる。

【００４４】以上の結果から分かるように、容量Ｃ_１と
容量Ｃ_２の大小関係によってΔＣの大きさが変化する。
また、容量Ｃ_１を容量Ｃ_２より大きくした方が容量Ｃの
変化分ΔＣの大きさを大きくし、測定感度を高めること
が可能になり有利であることが分かる。

【００４５】また、特殊な例として、前記導電基材１上
に絶縁膜４３が形成されておらず、したがって探針７の
強誘電体層４１が直接導電体基材１の面に接触している
場合に、

【数１０】Ｃ_１＝１０ΔＣ_１， Ｃ_２＝∞ とした場合には、

【数１１】ΔＣ＝０．１Ｃ_１ となる。

【００４６】以上のように、直列に接続された容量
Ｃ_１，Ｃ_２のうち一方の容量を変化させることにより全
体としての容量Ｃを変化させることができる。したがっ
て、探針の導電層３９と導電体基材１との間に印加する
電圧を変化させて探針７の強誘電体層４１の誘電率を変
化させることにより、探針７の導電層３９と導電体基材
１との間の静電容量に対し変調をかけることが可能とな
る。探針の導電層と導電体基材との間に前述のように交
流電源１３および直流電源１５によって直流および交流
のバイアス電圧をかけ、静電容量の変調を行なうことが
できる。そして、直流電源１５の電圧を適切に選択する
ことにより変調感度を大きくし、したがって静電容量の
検出感度を増大させることができる。

【００４７】

【実施例】実際のテスト用試料として、ガラス基板の上
に導電体基材１を構成するために金をコーティングし、
その上に酸化シリコン膜を２０ｎｍの厚さで成膜し、さ
らにフォトレジストによりそれぞれ１ミクロン幅のライ
ンおよびスペースの縞状絶縁膜を形成した。そして、こ
のようなテスト用試料を図１の装置によって走査しかつ
静電容量を測定してラインおよびスペースに対応する画
像データを得、これを表示装置２８によって表示させ
た。このような実験によって、本発明による新しい変調
方法が適切に機能しかつ静電容量の計測が可能であるこ
とを確認した。

【００４８】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、従来の
原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）と同様の構成の顕微鏡におい
て、カンチレバーとして表面に強誘電体をコーティング
したものを使用することで、これまでは計測が困難であ
った、金属上の絶縁膜や金属上の一部に絶縁膜がコーテ
ィングされているような膜の静電容量を適切に測定する
ことが可能となり、このような膜の種々の特性を容易に
かつ適切に評価することが可能となる。

【００４９】また、従来の原子間力顕微鏡がほとんどそ
のまま使用できるため、装置に大きな変更を加えること
なく、従来通りの半導体を利用した変調方法と、本発明
による強誘電体を利用した変調方法とを、カンチレバー
の取替えのみによって使い分けることも可能になる。

【００５０】すなわち、本発明によれば、簡単な装置構
成および低価格の装置で、金属などの導体上の薄膜の特
性を、該薄膜を介しての微小な静電容量を計測できるよ
うにすることによって、適切に評価することが可能にな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる走査型容量顕微鏡の概略の構成
を示すブロック図である。

【図２】図１の走査型容量顕微鏡に使用されている探針
付きカンチレバーの詳細な構成を示す説明的断面図であ
る。

【図３】図２の探針を使用して試料の静電容量を測定す
るための装置の原理を示す説明図である。

【図４】図３の装置の原理を説明するための等価回路図
である。

【符号の説明】

１ 導電体基材 ３ 圧電アクチュエータ（チューブ型ピエゾ素子） ５ カンチレバー ７ 探針 １１ 結合部材 １３ 交流バイアス電圧発生器 １５ 可変直流バイアス電圧発生器 １７ 容量センサ １９ 静電容量計測器 ２１ レーザ光源 ２３ 受光素子 ２５ 撓み成分演算器 ２７ 制御装置 ２８ 表示装置 ３１ 演算増幅器 ３３ 走査信号発生器 ３５ 板状部材 ３７ 針状部材 ３９ 導電層 ４１ 強誘電体層 ４３ 絶縁膜

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも外側面が導電材料で形成され
   た導電性針状部材と、 前記導電性針状部材上に被着さ
   れた強誘電体層と、 を具備し、導電体基材の上に配置された絶縁膜を介して
   該導電体基材と前記導電性針状部材との間で静電容量を
   計測するために使用することを特徴とする容量測定用探
   針。
2. 【請求項２】 前記探針の導電性針状部材と前記導電体
   基材との間に交流のみ、あるいは交流および直流のバイ
   アス電圧を印加して前記静電容量を測定するために用い
   られることを特徴とする請求項１に記載の容量測定用探
   針。
3. 【請求項３】 前記導電性針状部材は窒化シリコンで形
   成された針状部材の表面上に金属をコーティングして作
   成され、前記強誘電体層はこの金属がコーティングされ
   た導電性針状部材の上にさらにＰＺＴをコーティングし
   て形成されることを特徴とする請求項１または２に記載
   の容量測定用探針。
4. 【請求項４】 導電体基材上に絶縁膜が配置されてなる
   被測定試料の前記絶縁膜を介して静電容量を測定する容
   量測定装置であって、 少なくとも外側面が導電材料で形成された導電性針状部
   材の表面上に強誘電体層を形成してなる探針を備えたカ
   ンチレバーと、 該カンチレバーの探針を前記導電体基材上の試料絶縁膜
   に所定の接触圧で接触させる付勢手段と、 前記導電体基材と前記カンチレバーの探針の導電性針状
   部材との間にバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加
   手段と、 前記導電体基材と前記カンチレバーの探針の導電性針状
   部材との間の静電容量を測定する容量検出手段と、 を具備することを特徴とする容量測定装置。
5. 【請求項５】 さらに、前記探針と前記絶縁膜が配置さ
   れた導電体基材とを相対的に走査する走査手段を具備す
   ることを特徴とする請求項４に記載の容量測定装置。
6. 【請求項６】 前記バイアス電圧印加手段は、前記探針
   の導電性針状部材と前記導電体基材との間に交流のみ、
   あるいは交流および直流のバイアス電圧を印加すること
   を特徴とする請求項４または５に記載の容量測定装置。
7. 【請求項７】 導電体基材上に少なくとも部分的に絶縁
   膜が配置されてなる試料の走査像を得るための走査型容
   量顕微鏡であって、 少なくとも外側面が導電材料で形成された導電性針状部
   材の表面上に強誘電体層を形成してなる探針を備えたカ
   ンチレバーと、 該カンチレバーの探針を前記導電体基材上の試料絶縁膜
   に所定の接触圧で接触させる付勢手段と、 前記カンチレバーの探針と前記導電体基材上に少なくと
   も部分的に絶縁膜が配置されてなる試料とを相対的に走
   査する走査手段と、 前記導電体基材と前記カンチレバーの探針の導電性針状
   部材との間にバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加
   手段と、 前記導電体基材と前記カンチレバーの探針の導電性針状
   部材との間の静電容量を測定する容量検出手段と、 を具備することを特徴とする走査型容量顕微鏡。