JPH10111301A - カンチレバーホルダーおよびこれを用いた走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】カンチレバーホルダーにおける浮遊容量を低減
し、しかも、カンチレバーと計測回路との電気的な接続
を容易に行うことのできるカンチレバーホルダーを備え
た走査型プローブ顕微鏡を提供する。 【解決手段】金属パターン２０２、２０３を有するカン
チレバー１と、カンチレバー１を保持するためのカンチ
レバーホルダー２と、試料を保持する試料ホルダーと、
試料とカンチレバーとを間隔を一定に保つための間隔保
持手段と、カンチレバーの金属パターンの電気信号を処
理する電気回路とを有する。カンチレバーホルダー２
は、基板２１上に、パット部２３と、接続端子部２４と
を備える。ボンディング等により、パット部２３をカン
チレバー１の配線パターン２０３に接続するとともに、
接続端子部２４を外部の電気回路に接続する。このよう
な構成により、試料とカンチレバーホルダーとの間の浮
遊容量を減少させることができるとともに、電気的接続
も容易になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、走査型プローブ顕
微鏡に関し、特に、走査型プローブ顕微鏡のカンチレバ
ーのホルダーに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来は、走査型プローブ顕微鏡のカンチ
レバーは、板バネによってホルダーに固定されていた。

【０００３】また、特公平７−３２１７７号公報のよう
に、半導体試料に交流電圧を印加し、プローブと試料と
の間のキャパシタンスの増減を検出することにより、半
導体試料の空乏層の変化を検出する装置も知られてい
る。この装置は、一般的には、走査型容量顕微鏡と呼ば
れている。

【０００４】このような走査型容量顕微鏡のプローブと
してカンチレバーを用いる場合には、カンチレバーを外
部計測回路と電気的に接続する必要がある。そのため、
従来は、カンチレバーを金属被膜でコーティングし、こ
の金属被膜に金属部品、例えば金属製の板バネ等を機械
的に接触させることにより、計測回路と電気的に接続し
ていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】カンチレバーと電気的
接続をとるために金属の板バネを用いる場合には、カン
チレバーの比較的広い部分に金属被膜がコートされてい
る必要がある。しかしながら、この広い金属被膜によっ
て生じる浮遊容量は、走査型容量顕微においては、大き
な問題となる。というのは、試料に印加した交流電圧
が、カンチレバーの広い金属被膜と試料との間の大きな
浮遊容量を介して計測回路に流れ込むために、Ｓ／Ｎが
悪くなるのである。

【０００６】本発明は以上の点を考慮し、カンチレバー
ホルダーにおける浮遊容量を低減し、しかも、カンチレ
バーと計測回路との電気的な接続を容易に行うことので
きるカンチレバーホルダー、およびこれを備えた走査型
プローブ顕微鏡を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明によれば、基板と、前記基板に搭載された金
属パターンとを有し、前記金属パターンは、カンチレバ
ーと電気的に接続するためのパット部と、外部の電気回
路と接続するための接続端子部とを備えるカンチレバー
ホルダーが提供される。

【０００８】また、上記目的を達成するために、本発明
によれば、以下のような走査型プローブ顕微鏡が提供さ
れる。

【０００９】すなわち、金属パターンを有するカンチレ
バーと、前記カンチレバーを保持するためのカンチレバ
ーホルダーと、試料を保持する試料ホルダーと、前記試
料と前記カンチレバーとの間隔を一定に保つための間隔
保持手段と、前記カンチレバーの金属パターンの電気信
号を処理する電気回路とを有し、前記カンチレバーホル
ダーは、基板と、前記基板に搭載された金属パターンと
を備え、前記金属パターンは、前記カンチレバーの金属
パターンと電気的に接続するためのパット部と、前記電
気回路と接続するための接続端子部とを備える走査型プ
ローブ顕微鏡である。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態につ
いて図面を用いて説明する。

【００１１】まず、本発明のカンチレバーホルダーを用
いた走査型容量顕微鏡の全体の構成について図１を用い
て説明する。

【００１２】金属のパターニングを有するカンチレバー
１は、金属のパターニングを有するカンチレバーホルダ
ー２に取り付けられている。カンチレバーホルダー２
は、スロット３０２により支持されている。また、カン
チレバーホルダー２には、キャパシタンスセンサ８が電
気的に接続されている。キャパシタンスセンサ８の出力
は、ロックインアンプ９、制御装置１２に順に入力され
処理される。制御装置１２には、表示装置１３が接続さ
れている。

【００１３】半導体の試料３は、金属製の試料ホルダー
４上に搭載される。試料ホルダー４は、チューブ型ピエ
ゾ素子５に取り付けられている。チューブ型ピエゾ素子
５には、ピエゾ素子駆動用電源６が接続されている。ま
た、試料ホルダー４には、８０ｋＨｚの交流電圧および
直流電圧を印加する発振器７が接続されている。発振器
７およびピエゾ素子駆動用電源６は、制御装置１２に接
続され、動作を制御されている。また、発振器７の出力
は、参照信号として、ロックインアンプ９にも入力され
る。

【００１４】また、カンチレバー１の上部には、光てこ
法でカンチレバー１の撓みを検出するために、半導体レ
ーザー１０と２分割光検出器１１が配置されている。２
分割光検出器１１の出力は、制御装置１２に入力され
る。

【００１５】つぎに、図１の走査型容量顕微鏡によっ
て、試料を観察する場合の各部の動作について説明す
る。

【００１６】制御装置１２は、発振器７および半導体レ
ーザー１０に動作開始を指示する。これにより、発振器
７から８０ｋＨｚの交流電圧および直流電圧が、試料ホ
ルダー４を介して半導体試料３に供給される。半導体試
料３には、直流電圧および交流電圧の印加によって、空
乏層が生じ、この空乏層の厚さが８０ｋＨｚの周波数で
変化する。この空乏層の厚さの変化により、カンチレバ
ー１の金属パターンと試料３との間のキャパシタンスも
変化する。キャパシタンスセンサー８は、カンチレバー
１の電圧信号からキャパシタンスを検出する。ロックイ
ンアンプ９は、８０ｋＨｚの参照信号を用いて、キャパ
シタンスセンサ８の出力信号のうち８０ｋＨｚの信号の
振幅を検出することにより、空乏層の厚さの変化による
キャパシタンスの変化量を検出する。

【００１７】また、カンチレバー１の撓みは、半導体レ
ーザー１０および２分割光検出器１１で光てこ法により
検出される。制御装置１２は、２分割光検出器１１の出
力を受け取り、カンチレバー１の撓みが一定になるよう
に試料３をＺ方向に上げ下げさせるために、ピエゾ素子
駆動用電源６にチューブ型ピエゾ素子５への電圧印加を
指示する。これにより、カンチレバー１と試料３表面と
の間の力を一定に保つことができる。同時に、制御装置
１２は、試料３の表面の予め定めた領域をカンチレバー
１が走査するように、試料３をＸＹ方向に移動させるた
めに、ピエゾ素子駆動用電源６にチューブ型ピエゾ素子
５への電圧印加を指示する。これにより、カンチレバー
１は、試料３の表面の凹凸に沿って、試料３との間隔を
一定に保ちながら、試料３の表面上を相対的に走査す
る。

【００１８】制御装置１２は、内蔵する記憶手段に、ロ
ックインアンプ９の検出したキャパシタンスの変化量
を、カンチレバー１のＸＹ方向の位置と対応させて格納
することにより、試料上の各点におけるキャパシタンス
変化量の分布画像を作成し、表示装置１３に表示させ
る。

【００１９】ここで、図１の走査型顕微鏡において、カ
ンチレバー１とカンチレバーホルダー２の構成について
図２（ａ），（ｂ）により詳しく説明する。

【００２０】カンチレバーホルダー２は、四角形の開口
部である窓２５と、テーパーのついた円形の貫通孔２８
とが形成された絶縁体の基板２１上に、金属パターンを
備えた構成である。金属パターンは、幅の狭い線状パタ
ーン２２と、その両端に接続されたパット部２３および
接続端子部２４とを有する。接続端子部２４は、貫通孔
２８の内側面に形成されている。また、パット部２３
は、窓２５の近くに配置されている。

【００２１】カンチレバー１は、支持体２６と、可撓性
のレバー部２９と探針３０とを有している。カンチレバ
ー１の上面には、金属パターンが形成されている。金属
パターンは、探針３０の上部から支持体２６にかけて配
置された幅の狭い線状パターン２０２と、支持体２６上
のパット部２０３とを有する。

【００２２】カンチレバー１は、カンチレバーホルダー
２の下側に接着剤により接着されている。このとき、ホ
ルダー２の窓２５からカンチレバー１のパット部２０３
が覗くように接着されている。そして、カンチレバー１
のパット部２０３と、カンチレバーホルダー２のパット
部２３とには、ボンディングワイヤー２７の端部がボン
ディングにより接続されている。したがって、カンチレ
バー１の金属パターンと、カンチレバーホルダー２の金
属パターンとは、ワイヤー２７により電気的に接続され
ている。

【００２３】カンチレバーホルダー２は、図３（ａ），
（ｂ）のように、走査型容量顕微鏡本体のスロット部３
０２に差し込まれ、ねじ３５とスロット部３０２の間に
挟まれて支持される。また、カンチレバーホルダー２の
接続端子２４に電気的な接続をとるピン３１を差し込む
空間を確保するために、スロット３０２には、切り込み
３０２が設けられている。

【００２４】ピン３１は金属製であり、ピンの基部に
は、不図示のリード線が接続されている。リード線は、
キャパシタンスセンサー８に電気的に接続されている。
したがって、ピン３１を、カンチレバーホルダー２の貫
通孔２８に差し込むことにより、接続端子部２４とピン
３１とを電気的に接続することができる。これにより、
カンチレバーホルダー２とキャパシタンスセンサー８と
を電気的に接続することができる。

【００２５】よって、予めカンチレバー１とカンチレバ
ーホルダー２とを接着し、ボンディングを施しておくこ
とにより、カンチレバー１の交換する場合には、カンチ
レバーホルダー２をスロット３０２に差し込み、ねじで
固定した上で、ピン３１を接続端子部２４に差し込むと
いう簡単な動作で行うことができる。よって、煩雑な作
業なしにカンチレバーを交換し、電気的にも接続でき
る。

【００２６】また、カンチレバー１上の金属パターンな
らびにカンチレバーホルダー２上の金属パターンは、面
積が小さいため、試料とこれらの金属パターンとの間に
生じる浮遊容量も小さい。よって、高いＳ／Ｎ比で試料
のキャパシタンス変化を検出できる。

【００２７】カンチレバーホルダー２の基板２１は、本
実施の形態ではガラス基板を用いている。カンチレバー
ホルダー２上の金属パターンは、本実施の形態では、ニ
ッケルクロム膜および金膜を真空蒸着法で成膜し、フォ
トリソグラフィー技術によって加工している。貫通孔２
８および窓２５は、ガラスの基板２１に機械的に穴をあ
けることにより、金属パターンの成膜に先立って形成さ
れる。なお、基板２１の材質は、ガラスに限らず、セラ
ミックやプラスチック等の絶縁体の基板を用いることも
できる。また、シリコンのような半導体基板や、導体の
表面に絶縁体層を形成した基板を基板２１として用いる
こともできる。また、金属パターンの材質ならびに作製
法も、上述のもの以外のものを用いることができる。

【００２８】なお、本実施の形態では、カンチレバー１
は接着によりカンチレバーホルダー２に取り付けている
が、金属の板バネ等により機械的に取り付けることも可
能である。

【００２９】例えば、カンチレバーホルダー２として、
図４のように、基板４１の下面側に、スペーサー４６を
介して、押さえ金具４４の端部をねじ５５により取り付
けたものを用いることができる。カンチレバーホルダー
２は、この押さえ金具４４と基板４１との間に、図２
（ａ），（ｂ）の構成のカンチレバー１の支持体部分を
挟んで保持する構成である。

【００３０】また、基板４１の端部には、基板４１面に
垂直に、接続端子を設けるため部材４８が接着され、基
板４１面から突出している。部材４８と基板４１には、
連続した貫通孔４９が空けられている。また、基板４１
には、窓４７が設けられている。部材４８の貫通孔４９
の上部には、径がテーパー状にすぼめられた金属製の円
筒の接続端子部４３が取り付けられる。この接続端子４
３と一体に形成された幅の狭い金属薄板４２が、貫通孔
４９の内側を通って、基板４１の下面に引き出されてい
る。金属薄板４２は、端部を窓４７から基板４１の上部
側に折り返すことにより基板４１に固定されている。

【００３１】カンチレバーホルダー２の金属薄板４２
は、押さえ金具４４に押さえられたカンチレバー１のパ
ット２０３と接触する。これにより、カンチレバー１と
カンチレバーホルダー２とを電気的に接続することがで
きる。

【００３２】また、カンチレバーホルダー２は、図３の
構成のスロット部３０２に差し込まれ保持される。この
とき、ピン３１をカンチレバーホルダー２の貫通孔４９
の上部から差し込むと、ピン３１は接続端子部４３と係
合し、カンチレバーホルダー２とキャパシタンスセンサ
ー８とを電気的な接続を取ることができる。

【００３３】図４のカンチレバーホルダー２の構成で
は、カンチレバー１とカンチレバーホルダー２とを接着
およびボンディングする必要がなく、カンチレバー１を
押さえ金具４４と基板４１との間に挟むだけで、カンチ
レバー１の固定と電気的接続を一度に行うことができ
る。よって、カンチレバー１をカンチレバーホルダー２
に固定および取り外す作業が容易になる。また、カンチ
レバーホルダー２を繰り返し使用することができる。

【００３４】また、図４のカンチレバーホルダー２の構
成では、接続端子部４３が基板４１面上に突出した部材
４８上に位置するため、接続端子部４３と試料３との距
離が離れている。これにより、試料３と接続端子部４３
との間の浮遊容量を低減することができ、Ｓ／Ｎ比を向
上させることができる。

【００３５】つぎに、本発明の別の実施の形態として、
カンチレバーホルダー自体に電気回路を搭載することに
より、カンチレバーの先端で検出される信号を効率よく
取り出す構成について図５を用いて説明する。

【００３６】図５のカンチレバーホルダー５０は、基板
５１上に電気回路５７を搭載している。電気回路５７
は、本実施の形態では、差動増幅機能を有する集積回路
（ＩＣ）チップである。また、基板５１には、金属パタ
ーンと、窓５８、貫通孔６２、６３、６４が形成されて
いる。

【００３７】金属パターンは、カンチレバー６０と電気
的に接続されるパット部５３、５４と、パット部５３、
５４の受け取った信号を電気回路５７へ導く線状パター
ン５２と、外部の回路に電気的に接続されるパット部５
５、５６と、電気回路５７の出力をパット部５６に導く
線状パターン５９と、パット５５に供給された電力を電
気回路５７に導く線状パターン６１とより構成されてい
る。パット５６は、貫通孔６２、６３の内側面上にそれ
ぞれ形成され、パット５５は、貫通孔６４の内側面上に
形成されている。

【００３８】また、電気回路５７と、線状パターン５
９、６１との接続は、図示されていないが、貫通孔の内
側面に形成された接続パットに電気回路５７の脚部を挿
入することにより接続されている。

【００３９】また、カンチレバー６０の上面には、材料
の異なる金属で形成された独立な２つの線状パターン６
５、６６が形成されている。線状パターン６５、６６
は、カンチレバー６０の先端部で接続され、微小な熱電
対６９を形成している。熱電対６９は、カンチレバー６
０の探針の先端の温度を起電力として検出する。線状パ
ターン６５、６６の端部には、パット部６７、６８が接
続されている。

【００４０】カンチレバー６０は、カンチレバーホルダ
ー５０に接着材により固定される。また、カンチレバー
６０のパット部６７、６８は、窓部６７を介して、カン
チレバーホルダー５０のパット部５３、５４とワイヤボ
ンディングにより接続される。

【００４１】また、カンチレバーホルダー５０は、走査
型プローブ顕微鏡の本体のスロットに保持され、接続端
子５６、５５にピンを差し込むことにより電気的に外部
回路と接続される。

【００４２】このようなカンチレバー６０およびカンチ
レバーホルダー５０を用いた走査型プローブ顕微鏡を動
作させると、カンチレバー６０の先端の温度により、熱
電対６９に起電力が生じ、２つの線状パターン６５、６
６間に電圧が生じる。２つの線状パターン６５、６６の
それぞれの電圧は、パット部６７、６８および５３、５
４を介して、電気回路５７に入力される。そして、電気
回路５７において差動増幅され、接続端子５６より走査
型プローブ顕微鏡本体の計測回路に出力される。

【００４３】カンチレバー６０を図１の走査型容量顕微
鏡と同様に光てこ法によりｚ方向に制御することによ
り、試料の凹凸画像と、試料表面の温度分布を同時に計
測することができる。

【００４４】このとき、図５の構成は、カンチレバーホ
ルダー５０に差動増幅機能を有する電気回路５７が搭載
されているため、熱電対６９の起電力により生じた非常
に微弱な電圧差をカンチレバーホルダー５０上で求める
ことができる。したがって、外部の計測回路まで信号を
引き回してノイズがのる前に、電圧差を求めることがで
きる。これにより、Ｓ／Ｎ比が向上し、精度よく温度分
布を検出することができる。

【００４５】また、図５の構成では、電気回路５７への
電力の供給を、外部の電源から接続端子５５を介して行
っているが、カンチレバーホルダー５０上に微小な電池
やソーラーセルを搭載して、これらより電力を供給する
構成にすることもできる。

【００４６】また、図５の構成では、カンチレバーホル
ダー５０の基板５１上に、電気回路５７を外付けする構
成であるが、基板５１として半導体基板を用い、基板５
１に電気回路５７を作り込むことも可能である。

【００４７】さらに別の実施の形態として、カンチレバ
ーの探針に光検出器を形成し、カンチレバーホルダーに
電流電圧変換機能を有する電気回路を搭載することもで
きる。カンチレバーの光検出器と電気回路とは、図５と
同様に配線パターンにより接続する。このようなカンチ
レバーとカンチレバーホルダーとを用いることにより、
試料からの光を光検出器で電流に変換し、電気回路で電
圧信号に変化することができるため、試料の光分布を検
出することが可能である。

【００４８】さらに別の実施の形態として、カンチレバ
ーホルダーに搭載した電気回路からカンチレバーに電力
を供給して、カンチレバーの探針の先端から試料に試料
に電力を供給することにより、試料の加工を行うことも
可能である。

【００４９】なお、上述の各実施の形態では、１つのカ
ンチレバーホルダーに対して、１つのカンチレバーを取
り付ける構成を示したが、カンチレバーホルダーに複数
個のカンチレバーを取り付ける構成にすることも可能で
ある。その際、カンチレバーホルダー上の１つの電気回
路によって、複数のカンチレバーを連動させて計測や加
工を行うことも可能である。

【００５０】

【発明の効果】上述のように、本発明によれば、カンチ
レバーホルダーにおける浮遊容量を低減し、しかも、カ
ンチレバーと計測回路との電気的な接続を容易に行うこ
とのできるカンチレバーホルダーおよびこれを備えた走
査型プローブ顕微鏡を提供することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態の走査型容量顕微鏡の全
体の構成を示すブロック図。

【図２】図１の走査型容量顕微鏡のカンチレバーとカン
チレバーホルダーの構成を示す（ａ）上面図、（ｂ）部
分断面図。

【図３】（ａ），（ｂ）図１の走査型容量顕微鏡のカン
チレバーホルダーをスロット部に取り付けた構成を示す
部分断面図。

【図４】図１の走査型容量顕微鏡に用いることのできる
別のカンチレバーホルダーの形態を示す（ａ）部分断面
図、（ｂ）下面図。

【図５】本発明の別の実施の形態のカンチレバーおよび
カンチレバーホルダーの構成を示すための上面図。

【符号の説明】

１・・・カンチレバー ２・・・カンチレバーホルダー ３・・・試料 ４・・・試料ホルダー ５・・・チューブ型ピエゾ素子 ６・・・ピエゾ駆動用電源 ７・・・発振器 ８・・・キャパシタンスセンサー ９・・・ロックインアンプ １０・・・半導体レーザー １１・・・２分割光検出器 １２・・・制御装置 ２１、５１・・・基板 ２２、５９、６１、６５、６６、２０２・・・線状パタ
ーン ２３、５３、５４、６７、６８、２０３・・・パット部 ２４・・・接続端子部 ２５・・・窓 ２７・・・ワイヤー ３１・・・ピン ３５・・・ねじ ４２・・・金属薄板 ４３、５６、５５・・・接続端子部 ４４・・・押さえ金具 ４６・・・スペーサー ５７・・・電気回路 ３０２・・・スロット部

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板と、前記基板に搭載された金属パター
   ンとを有し、 前記金属パターンは、カンチレバーと電気的に接続する
   ためのパット部と、外部の電気回路と接続するための接
   続端子部とを備えることを特徴とするカンチレバーホル
   ダー。
2. 【請求項２】請求項１において、前記パット部は、ボン
   ディングによりカンチレバーと接続するためのボンディ
   ングパットであることを特徴とするカンチレバーホルダ
   ー。
3. 【請求項３】請求項１において、前記基板は、外部の電
   気回路の端子を挿入する貫通孔を有し、前記接続端子部
   は、前記凹部の内壁に配置されていることを特徴とする
   カンチレバーホルダー。
4. 【請求項４】請求項１において、前記基板には、開口部
   が設けられ、前記開口部の近傍に前記パット部が配置さ
   れていることを特徴とするカンチレバーホルダー。
5. 【請求項５】請求項１において、前記金属パターンは、
   前記基板の下面側に搭載され、 前記基板の下面側には、前記カンチレバーを保持する保
   持機構が備えられていることを特徴とするカンチレバー
   ホルダー。
6. 【請求項６】請求項１において、前記基板上には、突起
   部が設けられ、前記接続端子部は、 前記突起部上に配置されていることを特徴とするカンチ
   レバーホルダー。
7. 【請求項７】請求項１において、前記基板には、さら
   に、電気回路が搭載され、前記金属パターンは、前記パ
   ット部と前記電気回路とを接続する配線パターン、およ
   び、前記電気回路と前記接続端子部とを接続する配線パ
   ターンを有することを特徴とするカンチレバーホルダ
   ー。
8. 【請求項８】ホルダー部と、前記ホルダー部に固定され
   たカンチレバー部とを有するカンチレバーにおいて、 前記カンチレバー部およびホルダー部は、それぞれ、金
   属パターンを有し、 前記カンチレバー部の金属パターンは、前記ホルダー部
   の金属パターンと電気的に接続するためのパット部を有
   し、 前記ホルダー部の金属パターンは、前記カンチレバー部
   の金属パターンと電気的に接続されるパット部と、外部
   の電気回路と接続される接続端子部とを備え、 前記カンチレバー部のパット部は、前記ホルダー部のパ
   ット部とボンディングワイヤーにより接続されているこ
   とを特徴とするカンチレバー。
9. 【請求項９】金属パターンを有するカンチレバーと、前
   記カンチレバーを保持するためのカンチレバーホルダー
   と、試料を保持する試料ホルダーと、前記試料と前記カ
   ンチレバーとの間隔を一定に保つための間隔保持手段
   と、前記カンチレバーの金属パターンの電気信号を処理
   する電気回路とを有し、 前記カンチレバーホルダーは、基板と、前記基板に搭載
   された金属パターンとを備え、 前記金属パターンは、前記カンチレバーの金属パターン
   と電気的に接続するためのパット部と、前記電気回路と
   接続するための接続端子部とを備えることを特徴とする
   走査型プローブ顕微鏡。
10. 【請求項１０】請求項９において、前記電気回路の少な
    くとも一部は、前記カンチレバーホルダーの基板に搭載
    され、前記金属パターンは、前記パット部と前記電気回
    路とを接続する配線パターン、および、前記電気回路と
    前記接続端子部とを接続する配線パターンを有すること
    を特徴とする走査型プローブ顕微鏡。