JPH11108976A - Permittivity measuring apparatus - Google Patents

Permittivity measuring apparatus

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JPH11108976A
JPH11108976A JP9275553A JP27555397A JPH11108976A JP H11108976 A JPH11108976 A JP H11108976A JP 9275553 A JP9275553 A JP 9275553A JP 27555397 A JP27555397 A JP 27555397A JP H11108976 A JPH11108976 A JP H11108976A
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JP
Japan
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dielectric constant
sample
voltage
change
probe
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JP9275553A
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Japanese (ja)
Inventor
Nobuyuki Nakagiri
伸行 中桐
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Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
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Publication date
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  • Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To evaluate a local ferroelectric substance characteristic of a thin film. SOLUTION: In a state where a signal voltage is applied to a sample 1, a change in the film thickness of a sample 1 is detected as deflection of a cantilever 4 by a beam light source 5 and a light position detector 6. An AC component of the signal voltage is used as control signal to perform an identical detection of the deflection with a lock-in amplifier 10, while an electrostatic capacitance between a probe 4a and a sample base 2 is detected by an electrostatic capacitance sensor 8, and the AC component of the signal voltage is used as control signal to perform an identical detection of the electrostatic capacitance with the lock-in amplifier 10. Thus, a value pertaining to a permittivity is determined by an information processor 12, based on the change in the thickness obtained by the identical detection with a lock-in amplifier 9, and a change in the electrostatic capacitance obtained by the identical detection with the lock-in amplifier 10.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、一方が探針である
電極間に被測定物を備え、電圧を印加する測定装置の一
種で、印加電圧を変化させたときの誘電率の変化の割合
である微分誘電率を示す物理量を計測するための誘電率
計測装置に係り、特に、薄膜の局所的な増分誘電率を示
す物理量を計測することに好適な誘電率計測装置に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a type of a measuring device in which an object to be measured is provided between electrodes, one of which is a probe, and a voltage is applied. The present invention relates to a dielectric constant measuring apparatus for measuring a physical quantity indicating a differential dielectric constant, and more particularly to a dielectric constant measuring apparatus suitable for measuring a physical quantity indicating a local incremental dielectric constant of a thin film.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、高密度のランダム・アクセス・メ
モリーや、不揮発性ランダム・アクセス・メモリーなど
の半導体デバイスへの応用から、強誘電体薄膜が注目を
集めている。このような応用には、高い誘電率、高い残
留分極(remnant polarization)、および、低い抗電場
(coercive field)などが必要である。多くの強誘電体
のうち、これらの要求を満たす強誘電体として、例え
ば、Pb(ZrxTi1-x)O3 (PZT)が挙げられ
る。ところが、薄膜の膜厚が薄くなると、これらの特性
が得られなくなることが知られている。この原因は未だ
明確ではない。
2. Description of the Related Art In recent years, ferroelectric thin films have attracted attention because of their application to semiconductor devices such as high-density random access memories and nonvolatile random access memories. Such applications require high dielectric constant, high remnant polarization, and low coercive field. Among many ferroelectrics, Pb (Zr x Ti 1-x ) O 3 (PZT) is an example of a ferroelectric that satisfies these requirements. However, it is known that these characteristics cannot be obtained when the thickness of the thin film is reduced. The cause is not yet clear.

【0003】この特性を明らかにするためには、強誘電
体薄膜の局所的な評価が必要である。この目的のため、
従来、走査型プローブ技術を用いた強誘電体薄膜の観察
が試みられている。その観察の方法は、次の3種類に分
類できる。
In order to clarify this characteristic, it is necessary to locally evaluate a ferroelectric thin film. For this purpose,
Conventionally, observation of a ferroelectric thin film using a scanning probe technique has been attempted. The observation method can be classified into the following three types.

【0004】第1の種類に分類される方法は、原子間力
顕微鏡のカンチレバーの探針に及ぼされる静電気力を、
探針を試料表面を走査しつつ計測する方法である。この
方法によれば、強誘電体薄膜の表面に表れている分極電
荷の分布が求められ、これから、強誘電体薄膜の分域構
造(domain structure)、ポーリングの状態に関する知
見を得ることができる。
[0004] A method classified into the first type is a method in which an electrostatic force exerted on a probe of a cantilever of an atomic force microscope is expressed by:
This is a method of measuring a probe while scanning the sample surface. According to this method, the distribution of the polarization charge appearing on the surface of the ferroelectric thin film is obtained, and from this, it is possible to obtain knowledge on the domain structure and the poling state of the ferroelectric thin film.

【0005】第2の種類に分類される方法は、原子間力
顕微鏡のカンチレバーの探針を試料表面に接触させた状
態で、探針と探針直下の強誘電体薄膜に電圧を印加し
て、膜厚の変化を局所的に計測する方法である。実際の
計測では、誘電体薄膜に電極を設け、これと探針との間
に交流電圧を印加して、膜厚の変化による探針の動きを
カンチレバーの撓み変化として検出している。
A method classified into the second type is such that a voltage is applied to the probe and a ferroelectric thin film immediately below the probe in a state where the probe of the cantilever of the atomic force microscope is in contact with the sample surface. This is a method of locally measuring a change in film thickness. In actual measurement, an electrode is provided on a dielectric thin film, an alternating voltage is applied between the electrode and the probe, and the movement of the probe due to a change in film thickness is detected as a change in bending of the cantilever.

【0006】第3の種類に分類される方法は、前記第2
の種類に分類される方法と同様に、探針を試料表面に接
触させ、探針と強誘電体薄膜の下の電極との間に電圧を
印加した状態とした上で、探針と電極との間の静電容量
を局所的に計測する方法である。計測された静電容量あ
るいは静電容量の電圧依存をマッピングすることによ
り、試料表面における、強誘電体特性の2次元分布を得
ることができる。
[0006] The method classified into the third type is based on the second method.
In the same way as the method classified into the type, the probe is brought into contact with the sample surface, and a voltage is applied between the probe and the electrode below the ferroelectric thin film. Is a method of locally measuring the capacitance during the period. By mapping the measured capacitance or the voltage dependence of the capacitance, a two-dimensional distribution of ferroelectric characteristics on the sample surface can be obtained.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】前述したように、従来
の技術によって、分極電荷の分布、ならびに、印加電圧
の変化に伴う、膜厚の変化および静電容量の変化の情報
をそれぞれ得ることができ、得られたそれぞれの情報
は、強誘電体特性を評価するために利用されている。
As described above, according to the conventional technique, it is possible to obtain information on the distribution of the polarization charge, and the change in the film thickness and the change in the capacitance with the change in the applied voltage. Each piece of obtained information is used to evaluate ferroelectric characteristics.

【0008】ところが、強誘電体特性を評価するために
は、前述した誘電率、残留分極、抗電場に関する情報を
得ることが好ましい。本発明者らの検討によれば、この
ような、強誘電体特性を示す情報を得るために、電圧の
変化に対する誘電率の変化の割合を示す微分誘電率を示
す物理量を計測することが有効であると考えられる。
However, in order to evaluate the ferroelectric characteristics, it is preferable to obtain the above-mentioned information on the dielectric constant, remanent polarization, and coercive electric field. According to the study of the present inventors, in order to obtain such information indicating the ferroelectric characteristics, it is effective to measure a physical quantity indicating a differential dielectric constant indicating a ratio of a change in a dielectric constant to a change in a voltage. It is considered to be.

【0009】本発明は、薄膜の局所的な微分誘電率を示
す物理量を計測することができる誘電率計測装置を提供
することを目的とする。
An object of the present invention is to provide a dielectric constant measuring apparatus capable of measuring a physical quantity indicating a local differential dielectric constant of a thin film.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明の一態様によれば、計測すべき試料の局所的
な微小領域で電圧の変化に対する誘電率の特性を計測す
る誘電率計測装置において、電極を有した試料台と、導
電性の探針が一端に設けられ、他端が固定されたカンチ
レバーと、前記試料台に設置された試料と前記探針とを
相対的に移動させる駆動機構と、前記探針および前記電
極間に印加する任意の波形の電圧を発生させる信号源
と、前記カンチレバーの変位を検出する変位検出部と、
前記探針および前記電極間の静電容量を検出し、前記信
号源から出力された電圧の変化に対する静電容量の変化
の割合を出力する第1の検出部と、前記変位検出部で検
出された信号のうち、前記信号源から出力された波形と
同周期で変化する波形成分を検出して、前記信号源から
出力された電圧の変化に対する前記カンチレバーの変位
の割合を出力する第2の検出部と、前記第1の検出部で
検出された信号と、前記第2の検出部で検出された信号
とから、前記試料の電圧に対する誘電率の変化を出力す
る演算部とを有することを特徴とする誘電率計測装置が
提供される。
According to one aspect of the present invention, a dielectric constant for measuring a characteristic of a dielectric constant with respect to a change in voltage in a local small area of a sample to be measured is provided. In the measuring device, a sample stage having electrodes, a conductive probe is provided at one end, and a cantilever having the other end fixed thereto, and a sample and the probe mounted on the sample stage are relatively moved. A driving mechanism, a signal source for generating a voltage having an arbitrary waveform to be applied between the probe and the electrode, and a displacement detection unit for detecting the displacement of the cantilever,
A first detection unit that detects a capacitance between the probe and the electrode and outputs a ratio of a change in the capacitance to a change in a voltage output from the signal source; A second detection that detects a waveform component that changes in the same cycle as the waveform output from the signal source, and outputs a ratio of the displacement of the cantilever to a change in the voltage output from the signal source. And a calculation unit that outputs a change in dielectric constant with respect to the voltage of the sample from a signal detected by the first detection unit and a signal detected by the second detection unit. Is provided.

【0011】[0011]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
実施の形態について説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0012】図1において、本実施の形態における誘電
率計測装置は、試料台2と、スキャナー3と、探針4a
が設けられたカンチレバー4と、ビーム光源5と、光位
置検出器6と、信号源7と、静電容量センサー8と、ロ
ックインアンプ9および10と、スキャナー制御装置1
1と、情報処理装置12と、表示装置13とを有して構
成される。
Referring to FIG. 1, a dielectric constant measuring apparatus according to the present embodiment includes a sample stage 2, a scanner 3, and a probe 4a.
, A beam light source 5, an optical position detector 6, a signal source 7, a capacitance sensor 8, lock-in amplifiers 9 and 10, and a scanner control device 1.
1, an information processing device 12, and a display device 13.

【0013】前記試料台2は、試料1を載置するための
ものである。試料台2は、導電性の材料で形成され、載
置される試料1と電気的に接続される。
The sample table 2 is for mounting the sample 1 thereon. The sample table 2 is formed of a conductive material, and is electrically connected to the sample 1 to be mounted.

【0014】前記スキャナー3は、試料台2に載置され
た試料1と探針4aとを相対的に移動させるためのもの
である。この移動は、試料1と探針4aとの距離を変化
させる方向、および、試料1の表面を走査する方向につ
いて行われる。試料1の表面を走査するための移動は、
例えば、試料1の表面に沿う面内で互いに直交する2方
向について行うことができる。
The scanner 3 is for relatively moving the sample 1 placed on the sample table 2 and the probe 4a. This movement is performed in a direction in which the distance between the sample 1 and the probe 4a is changed and a direction in which the surface of the sample 1 is scanned. The movement for scanning the surface of the sample 1 is as follows.
For example, it can be performed in two directions orthogonal to each other in a plane along the surface of the sample 1.

【0015】本実施の形態では、スキャナー3が、前記
試料台2を移動可能に支持するように構成される場合に
ついて説明するが、前記ホールダー4bを移動可能に支
持して、探針4aを移動させる構成としてもよい。
In this embodiment, a case will be described in which the scanner 3 is configured to movably support the sample stage 2. However, the scanner 4 is configured to movably support the holder 4b and to move the probe 4a. It is good also as a structure to make it.

【0016】スキャナー3は、例えば、チューブ型ピエ
ゾ素子を用いたチューブ型スキャナーを用いて構成する
ことができる。これによって、試料1と探針4aとの距
離を変化させるz方向と、試料1の表面に沿う面内で互
いに直交するx方向およびy方向とについて移動するこ
とができるスキャナーを単純な構成で実現することがで
きる。
The scanner 3 can be constituted by using, for example, a tube-type scanner using a tube-type piezo element. This realizes a scanner having a simple configuration capable of moving in the z direction that changes the distance between the sample 1 and the probe 4a and the x direction and the y direction that are orthogonal to each other in a plane along the surface of the sample 1. can do.

【0017】前記カンチレバー4は、探針4aが一方の
端に設けられ、他方の端がホールダー4bにより図示し
ていない支持体により支持されている。カンチレバー4
は、探針4aの先端からホールダー4bまで電気的な導
通が得られるように構成されている。導通を得るために
は、例えば、表面に導電性の物質をコートすることがで
きる。導電性の物質としては、例えば、金属、より具体
的には、ニッケルクロム(NiCr)などを用いること
ができる。
The cantilever 4 has a probe 4a at one end and the other end supported by a holder (not shown) by a holder 4b. Cantilever 4
Is configured such that electrical conduction can be obtained from the tip of the probe 4a to the holder 4b. In order to obtain conduction, for example, a conductive material can be coated on the surface. As the conductive substance, for example, a metal, more specifically, nickel chromium (NiCr) or the like can be used.

【0018】前記ビーム光源5および光位置検出器6
は、前記カンチレバー4の撓みを検出するためのもので
ある。ビーム光源5からカンチレバー4に照射されたビ
ーム光は、カンチレバー4の背面(探針4aが設けられ
た面とは反対側の面)において反射され、光位置検出器
6によりその位置が検出される。これによって、探針4
aに、試料1との間で相互作用が働くことによるカンチ
レバー4の撓みを検出することができる。
The beam light source 5 and the light position detector 6
Is for detecting the bending of the cantilever 4. The light beam emitted from the beam light source 5 to the cantilever 4 is reflected on the back surface of the cantilever 4 (the surface opposite to the surface on which the probe 4a is provided), and its position is detected by the light position detector 6. . Thereby, the probe 4
In a, the deflection of the cantilever 4 due to the interaction with the sample 1 can be detected.

【0019】前記ビーム光源5は、ビーム状の光束を射
出できればよく、例えば、レーザー光源、コリメート光
学系を備えた光源などを用いて構成することができる。
The beam light source 5 only needs to be capable of emitting a light beam in the form of a beam. For example, a laser light source or a light source having a collimating optical system can be used.

【0020】前記光位置検出器6は、カンチレバー4に
おける反射光を受光し、その受光位置の変化を検出でき
ればよく、例えば、2分割ホトセンサーを用いて構成す
ることができる。
The light position detector 6 only needs to receive the reflected light from the cantilever 4 and detect a change in the light receiving position. For example, the light position detector 6 can be configured using a two-division photo sensor.

【0021】前記信号源7は、一方を前記試料台2に接
続されている。他方を、アース接続している。これによ
り、カンチレバー4を介して探針4aと、試料台2との
間に信号電圧を印加することができる。すなわち、試料
台2に載置されている試料1に電圧を印加して局所的に
電場を形成することができる。
One of the signal sources 7 is connected to the sample table 2. The other is grounded. Thereby, a signal voltage can be applied between the probe 4 a and the sample table 2 via the cantilever 4. In other words, an electric field can be locally formed by applying a voltage to the sample 1 placed on the sample stage 2.

【0022】信号源7は、所望の周波数、振幅電圧の交
流成分が、指定されたバイアス電圧に重畳された信号電
圧を出力し、探針4aと試料台2との間に印加すること
ができる。これら、周波数、振幅電圧、および、バイア
ス電圧の指定は、予め信号源7に設定しておくことによ
って成されてもよいし、外部、例えば、コンピューター
等の情報処理装置12で信号源を制御することでもよ
い。
The signal source 7 outputs a signal voltage in which an AC component of a desired frequency and amplitude voltage is superimposed on a specified bias voltage, and can apply the signal voltage between the probe 4 a and the sample table 2. . The designation of the frequency, the amplitude voltage, and the bias voltage may be performed by setting the signal source 7 in advance, or the signal source is controlled by an external information processing device 12 such as a computer. It may be.

【0023】次に、静電容量センサー8は、一方を信号
源7に、他方をホールダー4bに接続されている。この
静電容量センサー8では、カンチレバー4を介して探針
4aと、試料台2との間の静電容量を検出し、静電容量
の大きさに応じた信号を出力する。
Next, one of the capacitance sensors 8 is connected to the signal source 7 and the other is connected to the holder 4b. The capacitance sensor 8 detects the capacitance between the probe 4a and the sample table 2 via the cantilever 4, and outputs a signal corresponding to the magnitude of the capacitance.

【0024】次に、ロックインアンプ9は、静電容量セ
ンサー8から出力される静電容量に関する出力信号と、
信号源7からの試料台−探針間に印加される出力電圧と
が入力される。そして、ロックインアンプ9では、静電
容量センサー8からの出力信号から、信号源7からの出
力信号と同周期の信号成分を検波し、信号源7からの出
力信号の変化量に対する試料台−探針間の静電容量の変
化量を検出する。
Next, the lock-in amplifier 9 outputs an output signal related to the capacitance output from the capacitance sensor 8,
An output voltage applied between the sample stage and the probe from the signal source 7 is input. Then, the lock-in amplifier 9 detects a signal component having the same cycle as the output signal from the signal source 7 from the output signal from the capacitance sensor 8, and detects a change in the output signal from the signal source 7 on the sample stage. The amount of change in capacitance between the probes is detected.

【0025】また、ロックインアンプ10は、光位置検
出器6から出力されるカンチレバー4の変位に関する出
力信号と、信号源7からの出力電圧とが入力される。そ
して、ロックインアンプ10では、光位置検出器6から
出力される信号から、信号源7からの出力信号と同周期
の信号成分を検波し、信号源7からの出力電圧の変化量
に対する試料の変位量を検出する。
The lock-in amplifier 10 receives an output signal from the optical position detector 6 relating to the displacement of the cantilever 4 and an output voltage from the signal source 7. Then, the lock-in amplifier 10 detects a signal component having the same cycle as the output signal from the signal source 7 from the signal output from the optical position detector 6, and detects the signal component of the sample with respect to the amount of change in the output voltage from the signal source 7. Detect the displacement.

【0026】次に、スキャナー制御装置11は、光位置
検出器6からの出力信号を用いて、探針4aおよび試料
1の距離を制御するためのものである。すなわち、光位
置検出器6からの出力から、予め定められた閾値周波数
より低い周波数の成分の信号を検出する。これは、走査
時において試料表面に形状に起因して変化したカンチレ
バーの撓みを検出するためである。そして、検出された
信号は、常に一定の信号となるように、スキャナー3を
駆動して、探針4aおよび試料1の距離を帰還制御して
いる。前記光位置検出器6からの信号は、カンチレバー
4の撓み量を表しているから、カンチレバー4の撓みを
一定とするように、前記スキャナー3を制御することが
できる。
Next, the scanner control device 11 controls the distance between the probe 4a and the sample 1 using the output signal from the optical position detector 6. That is, a signal of a component having a frequency lower than the predetermined threshold frequency is detected from the output from the optical position detector 6. This is to detect the bending of the cantilever that has changed due to the shape on the sample surface during scanning. Then, the scanner 3 is driven and the distance between the probe 4a and the sample 1 is feedback-controlled so that the detected signal always becomes a constant signal. Since the signal from the light position detector 6 indicates the amount of bending of the cantilever 4, the scanner 3 can be controlled so that the bending of the cantilever 4 is constant.

【0027】一般には、探針4aと試料台2との間に印
加される交流電圧の周波数に対して、走査速度に対する
試料表面の凹凸変化は、長い周期であるので、閾値周波
数は、信号源7が生成する信号電圧の交流成分の周波数
より低い周波数に定められている。
In general, the change in the unevenness of the sample surface with respect to the scanning speed has a long cycle with respect to the frequency of the AC voltage applied between the probe 4a and the sample table 2, so that the threshold frequency is determined by the signal source. 7 is set to a frequency lower than the frequency of the AC component of the signal voltage generated.

【0028】例えば、前述したように、光位置検出器6
として、2分割ホトディテクターが用いられる場合は、
カンチレバー4の撓み量に比例した電圧が出力されてい
るから、これが予め定められた一定値となるように、前
記探針4aおよび試料1の距離をスキャナー3によって
制御する。
For example, as described above, the optical position detector 6
If a two-segment photodetector is used,
Since a voltage proportional to the amount of deflection of the cantilever 4 is output, the distance between the probe 4a and the sample 1 is controlled by the scanner 3 so that the voltage becomes a predetermined constant value.

【0029】情報処理装置12は、ロックインアンプ9
によって検出された印加電圧の変化に対する静電容量の
変化分、および、前記ロックインアンプ10によって検
出された印加電圧の変化に対するカンチレバー4の撓み
の変化分に基づいて、試料1の誘電率に関する情報を求
めるためのものである。このための演算処理については
後述する。
The information processing device 12 includes a lock-in amplifier 9
On the dielectric constant of the sample 1 based on the change in the capacitance with respect to the change in the applied voltage detected by the lock-in amplifier 10 and the change in the deflection of the cantilever 4 with respect to the change in the applied voltage detected by the lock-in amplifier 10. It is for seeking. The calculation process for this will be described later.

【0030】情報処理装置12は、さらに、スキャナー
制御装置11から、試料表面の垂直方向についてスキャ
ナー3に与えた制御量を、試料1の表面の起伏を表す情
報として出力することができる。
The information processing device 12 can further output the control amount given to the scanner 3 in the vertical direction of the sample surface from the scanner control device 11 as information representing the undulation of the surface of the sample 1.

【0031】ところで、本装置は、前述の、印加電圧の
変化に対する静電容量の変化分、印加電圧の変化に対す
るカンチレバー4の撓みの変化分、および、走査時にお
けるカンチレバー4の撓みの変化を検出するに際し、こ
れらを相互に同期して検出することができる。この目的
のために、例えば、アナログ信号としてこれらの情報を
受け付け、標本化タイミングが互いに同期されたアナロ
グ−ディジタル変換器によってディジタル化されたデー
ターを受け付けることができる。このようなアナログ−
ディジタル変換器は、情報処理装置12におけるインタ
フェースとして設けられてもよいし、情報処理装置12
の前段に設けられるものであってもよい。
The present apparatus detects the change in the capacitance with respect to the change in the applied voltage, the change in the bending of the cantilever 4 with the change in the applied voltage, and the change in the bending of the cantilever 4 during scanning. In doing so, they can be detected in synchronization with each other. For this purpose, for example, such information can be received as an analog signal, and data digitized by an analog-digital converter whose sampling timing is synchronized with each other can be received. Such an analog
The digital converter may be provided as an interface in the information processing device 12, or may be provided as an interface in the information processing device 12.
May be provided in the preceding stage of.

【0032】このように計測の同期をとることにより、
これらの情報が取得される同時性を保証することができ
る。従って、探針4aを試料1の表面を走査しつつ計測
を行う場合の、計測部位の局所性を保証することができ
る。すなわち、各情報が取得される位置を含む領域を局
所化することができる。従って、試料1の強誘電体特性
を評価するための物理量を、それぞれの局所化された領
域についてそれぞれ取得することができる。
By synchronizing the measurement in this way,
Simultaneous acquisition of such information can be guaranteed. Therefore, when the measurement is performed while the probe 4a scans the surface of the sample 1, the locality of the measurement site can be guaranteed. That is, it is possible to localize an area including a position where each piece of information is obtained. Therefore, a physical quantity for evaluating the ferroelectric characteristics of the sample 1 can be obtained for each of the localized regions.

【0033】また、この目的のためには、試料1の表面
の走査を複数回行い、これらの走査位置が再現されると
いう条件のもとで、前述の計測をそれぞれの走査におい
てそれぞれ行ってもよい。
For this purpose, scanning of the surface of the sample 1 is performed a plurality of times, and the above-described measurement may be performed in each scanning under the condition that these scanning positions are reproduced. Good.

【0034】表示装置13は、情報処理装置12におい
て処理された結果を表示するためのものである。表示装
置13は、例えば、CRTなどのVDU(visual displ
ay unit)を用いて構成することができる。さらに、表
示装置13は、情報処理装置12に対する操作を受け付
けるためのマンマシンインタフェースとしても用いるこ
とができる。
The display device 13 is for displaying the result processed by the information processing device 12. The display device 13 is, for example, a VDU (visual displ.
ay unit). Further, the display device 13 can also be used as a man-machine interface for receiving an operation on the information processing device 12.

【0035】また、処理された結果を、紙、磁気ディス
クなどの記録媒体に出力するための出力装置を備えても
よい。
Further, an output device for outputting the processed result to a recording medium such as paper or a magnetic disk may be provided.

【0036】次に、図2を参照して、本発明を適用した
誘電率計測装置の作用について説明する。
Next, the operation of the dielectric constant measuring apparatus to which the present invention is applied will be described with reference to FIG.

【0037】図2に、第1の実施の形態における探針4
a(図1参照)の近傍を拡大して示す。図2において、
一方の面に電極1aが形成された強誘電体薄膜1が、試
料として試料台2に載置されている。また、強誘電体薄
膜1の他方の面に探針4aが接する状態で、カンチレバ
ー4が支持されている。
FIG. 2 shows a probe 4 according to the first embodiment.
a (see FIG. 1) is shown in an enlarged manner. In FIG.
A ferroelectric thin film 1 having an electrode 1a formed on one surface is placed on a sample table 2 as a sample. The cantilever 4 is supported with the probe 4a in contact with the other surface of the ferroelectric thin film 1.

【0038】探針4aを面積Sの電極とみなすと、探針
4aと強誘電体薄膜1の下の電極1aとの間の静電容量
Cは、
Assuming that the probe 4a is an electrode having an area S, the capacitance C between the probe 4a and the electrode 1a under the ferroelectric thin film 1 becomes

【0039】[0039]

【数1】 (Equation 1)

【0040】と表される。ここで、zは、探針4aと電
極1aとの間の距離であり、aは、強誘電体薄膜1の誘
電率である。探針4aと電極1aとの間に信号電圧Vを
印加すると、aと、zとが変化する。従って、Cの全微
分をとると、
## EQU4 ## Here, z is the distance between the probe 4a and the electrode 1a, and a is the dielectric constant of the ferroelectric thin film 1. When a signal voltage V is applied between the probe 4a and the electrode 1a, a and z change. Therefore, taking the total derivative of C,

【0041】[0041]

【数2】 (Equation 2)

【0042】となる。すなわち、信号電圧Vを変化させ
たときに誘起される静電容量の変化は、誘電率の変化に
由来するものと、膜厚の変化に由来するものとが合わさ
った量であることが示される。
Is as follows. That is, it is shown that the change in the capacitance induced when the signal voltage V is changed is the sum of the change due to the change in the dielectric constant and the change due to the change in the film thickness. .

【0043】実際には、式(1)は単純化されている
が、基本的には、静電容量は誘電率と、探針−電極間の
距離との関数であり、任意の探針4aの形状に対して、
シミュレーションなどによって、近似的な関数を得るこ
とができる。式(2)において、(dC/dV)および
(∂z/∂V)が計測できれば、(∂a/∂V)が求め
られる。ここで、aは、誘電率εに関する量であること
から、(∂a/∂V)は、微分誘電率を示す物理量であ
り、誘電率、残留分極、抗電場に関する情報を得ること
ができる。従って、強誘電体薄膜における、同一の局所
的な部位について、(dC/dV)および(∂z/∂
V)を同時に計測することにより、局所的な強誘電体特
性を評価することができる。
In practice, the equation (1) is simplified, but basically, the capacitance is a function of the dielectric constant and the distance between the probe and the electrode. For the shape of
An approximate function can be obtained by simulation or the like. In Expression (2), if (dC / dV) and (∂z / ∂V) can be measured, (∂a / ∂V) is obtained. Here, since a is a quantity related to the dielectric constant ε, (∂a / ∂V) is a physical quantity indicating a differential dielectric constant, and information about the dielectric constant, remanent polarization, and coercive electric field can be obtained. Therefore, for the same local site in the ferroelectric thin film, (dC / dV) and (∂z / ∂
By simultaneously measuring V), local ferroelectric characteristics can be evaluated.

【0044】なお、実際の計測においては、信号電圧の
変分、すなわち、履歴曲線の非線形性を無視するに十分
な程度に、交流成分の振幅を小さくとることにより、微
分とみなすことができる。
In actual measurement, the variation of the signal voltage, that is, the amplitude of the AC component is made small enough to ignore the non-linearity of the hysteresis curve, and can be regarded as differentiation.

【0045】ここで、探針aと、電極1aとの間隔zが
既知であることから、信号電圧の変分は、強誘電体薄膜
1に形成される電場の変分に置き換えることができる。
従って、有限の電圧変分を与えて計測される誘電率を示
す量aの変分から、膜厚変化を考慮に入れてない微分誘
電率(∂ε/∂E)を示す量を得ることもできる。
Here, since the distance z between the probe a and the electrode 1 a is known, the variation of the signal voltage can be replaced by the variation of the electric field formed on the ferroelectric thin film 1.
Accordingly, from the variation of the quantity a indicating the dielectric constant measured by giving a finite voltage variation, it is possible to obtain the quantity indicating the differential dielectric constant (∂ε / ∂E) without taking the film thickness change into account. .

【0046】さらに、(∂a/∂V)の計測を、信号電
圧の直流バイアス成分を変化させつつ行うことにより、
強誘電体薄膜1の履歴曲線を調べることができる。そし
て、この履歴曲線から、残留分極、抗電場などを求める
ことができる。
Further, by measuring (∂a / ∂V) while changing the DC bias component of the signal voltage,
The history curve of the ferroelectric thin film 1 can be examined. Then, from this hysteresis curve, remanent polarization, coercive electric field and the like can be obtained.

【0047】なお、以上の説明では、強誘電体薄膜を評
価する場合について説明したが、同様な計測を、反強誘
電体薄膜を対象として行って、反強誘電体薄膜の局所的
な性質の評価に適用してもよい。
In the above description, the case where the ferroelectric thin film is evaluated has been described. However, the same measurement is performed for the antiferroelectric thin film, and the local property of the antiferroelectric thin film is measured. It may be applied to evaluation.

【0048】(実施例)次に、図1を参照して、本発明
の実施例について説明する。
(Embodiment) Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

【0049】試料1は、シリコンウエハー上に白金を厚
さ200nmとなるように、スパッタリングで成膜して
電極1a(図2参照)とした後、強誘電体薄膜としてP
bTiO3膜をゾル−ゲル法で、厚さ100nmに作成
した。
Sample 1 was formed by sputtering a platinum film on a silicon wafer to a thickness of 200 nm to form an electrode 1a (see FIG. 2).
A bTiO 3 film was formed to a thickness of 100 nm by a sol-gel method.

【0050】この試料1は、金属製の試料台2に取り付
けた。これにより、電極1a(図2参照)と試料台2と
は電気的に接続された。
The sample 1 was mounted on a metal sample stand 2. Thus, the electrode 1a (see FIG. 2) and the sample stage 2 were electrically connected.

【0051】試料台2は、チューブ型スキャナーを用い
て構成したスキャナー3に取り付けた、これにより、試
料1をx、y、zの3方向に動かすことができる。
The sample table 2 is attached to a scanner 3 configured using a tube-type scanner, so that the sample 1 can be moved in three directions of x, y, and z.

【0052】カンチレバー4は、先端に探針4aが形成
されたものを用い、他方の端をホールダー4bにより保
持した。カンチレバー4は、金属NiCrをコートし、
探針4aの先端からホールダー4bまで電気的導通を得
た。
The cantilever 4 used had a probe 4a formed at the tip, and the other end was held by a holder 4b. The cantilever 4 is coated with metallic NiCr,
Electrical conduction was obtained from the tip of the probe 4a to the holder 4b.

【0053】カンチレバー4の探針4aと、試料1との
間に発生する相互作用によるカンチレバー4の撓みは、
ビーム光源5から射出されたビーム光の、カンチレバー
4による反射光を光位置検出器6でモニターした。ビー
ム光源には、レーザー光源を用い、光位置検出器6は、
2分割ホトディテクターを用いて構成した。
The deflection of the cantilever 4 due to the interaction between the probe 4a of the cantilever 4 and the sample 1 is as follows.
The reflected light of the beam light emitted from the beam light source 5 by the cantilever 4 was monitored by the optical position detector 6. A laser light source is used as a beam light source, and the optical position detector 6
It was configured using a two-part photodetector.

【0054】試料1には、試料台2を通して100kH
z、電圧振幅4Vの交流電圧を、信号源7により印加し
た。カンチレバー4の探針4aと、試料1の電極1a
(図2参照)との間の静電容量は、静電容量センサー8
により検出し、信号源7から信号電圧の交流成分を参照
信号として、ロックインアンプ9で同波検波して測定し
た。これにより、試料−探針間に印加された交流成分に
対する静電容量の変化、すなわち、(dC/dV)が得
られた。
The sample 1 was passed through the sample stage 2 at 100 kHz.
z, an AC voltage having a voltage amplitude of 4 V was applied by the signal source 7. The probe 4a of the cantilever 4 and the electrode 1a of the sample 1
(Refer to FIG. 2).
, And an AC component of the signal voltage from the signal source 7 was used as a reference signal, and the lock-in amplifier 9 performed the same wave detection and measured. As a result, a change in capacitance with respect to the AC component applied between the sample and the probe, that is, (dC / dV) was obtained.

【0055】カンチレバー4の撓み量は、光位置検出器
6からの出力を、ロックインアンプ10で同波検波して
測定した。この場合も、参照信号は、信号源7からの信
号電圧の交流成分とした。これにより、交流成分に対す
る膜厚の変化(∂z/∂V)が計測された。
The amount of deflection of the cantilever 4 was measured by detecting the output from the optical position detector 6 with the lock-in amplifier 10 for the same wave. Also in this case, the reference signal was an AC component of the signal voltage from the signal source 7. As a result, a change in film thickness (Δz / ΔV) with respect to the AC component was measured.

【0056】また、光位置検出器6からの出力の直流成
分が一定になるように、スキャナー3をスキャナー制御
装置11で制御した。ここで、光位置検出器6として用
いた2分割ホトディテクターからは、カンチレバー4の
撓み量に比例した電圧が出力されているため、カンチレ
バー4の撓みが一定になるように制御することができ
た。
The scanner 3 was controlled by the scanner controller 11 so that the DC component of the output from the optical position detector 6 was constant. Here, since a voltage proportional to the amount of bending of the cantilever 4 is output from the two-segment photodetector used as the optical position detector 6, the bending of the cantilever 4 could be controlled to be constant. .

【0057】このカンチレバー4の撓み量の設定、スキ
ャナー3に与えた信号、ロックインアンプ9,10から
の信号は、情報処理装置12で集中して管理した。得ら
れたデーターについて、演算処理して(∂a/∂V)を
求めることができた。求めた(∂a/∂V)は、スキャ
ナー3に走査を支持した移動量とからマッピングし、強
誘電体薄膜1における2次元上の微分誘電率の分布を示
す情報を得ることができた。この分布は、CRTを用い
て構成した表示装置13によって表示した。
The setting of the amount of deflection of the cantilever 4, the signal given to the scanner 3, and the signals from the lock-in amplifiers 9 and 10 were centrally managed by the information processing device 12. An arithmetic operation was performed on the obtained data to obtain (∂a / ∂V). The obtained (∂a / ∂V) was mapped from the movement amount that supported the scanning by the scanner 3, and information indicating a two-dimensional differential dielectric constant distribution in the ferroelectric thin film 1 could be obtained. This distribution was displayed by the display device 13 configured using a CRT.

【0058】[0058]

【発明の効果】本発明によれば、強誘電体薄膜の局所的
な微分誘電率を示す物理量を計測することができる。
According to the present invention, a physical quantity indicating a local differential dielectric constant of a ferroelectric thin film can be measured.

【0059】また、試料に印加する信号電圧の直流バイ
アス成分を変えつつ、各直流バイアスに対応する微分誘
電率に関する量を計測することにより、試料の履歴曲
線、誘電率、残留分極、抗電場に関する知見を得ること
ができる。
Also, while changing the DC bias component of the signal voltage applied to the sample and measuring the quantity related to the differential dielectric constant corresponding to each DC bias, the hysteresis curve, the dielectric constant, the remanent polarization, and the coercive electric field of the sample are measured. Knowledge can be obtained.

【0060】そして、このようにして得られた知見は、
薄膜の局所的な強誘電体特性を評価することに利用する
ことができる。
The findings thus obtained are as follows:
It can be used to evaluate local ferroelectric properties of thin films.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明を適用した誘電率計測装置の構成を示
すブロック図である。
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a dielectric constant measuring apparatus to which the present invention is applied.

【図2】 本発明を適用した誘電率計測装置の、探針近
傍における拡大断面図である。
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view in the vicinity of a probe of a dielectric constant measuring device to which the present invention is applied.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…試料、1a…電極、2…試料台、3…スキャナー、
4…カンチレバー、4a…探針、4b…ホールダー、5
…ビーム光源、6…光位置検出器、7…信号源、8…静
電容量センサー、9,10…ロックインアンプ、11…
スキャナー制御装置、12…情報処理装置、13…表示
装置。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... sample, 1a ... electrode, 2 ... sample stand, 3 ... scanner,
4 cantilever, 4a probe, 4b holder, 5
... Beam source, 6 Optical position detector, 7 Signal source, 8 Capacitance sensor, 9, 10 Lock-in amplifier, 11
Scanner control device, 12 information processing device, 13 display device.

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 計測すべき試料の局所的な微小領域で電
圧の変化に対する誘電率の特性を計測する誘電率計測装
置において、 電極を有した試料台と、 導電性の探針が一端に設けられ、他端が固定されたカン
チレバーと、 前記試料台に設置された試料と前記探針とを相対的に移
動させる駆動機構と、 前記探針および前記電極間に印加する任意の波形の電圧
を発生させる信号源と、 前記カンチレバーの変位を検出する変位検出部と、 前記探針および前記電極間の静電容量を検出し、前記信
号源から出力された電圧の変化に対する静電容量の変化
の割合を出力する第1の検出部と、 前記変位検出部で検出された信号のうち、前記信号源か
ら出力された波形と同周期で変化する波形成分を検出し
て、前記信号源から出力された電圧の変化に対する前記
カンチレバーの変位の割合を出力する第2の検出部と、 前記第1の検出部で検出された信号と、前記第2の検出
部で検出された信号とから、前記試料の電圧に対する誘
電率の変化を出力する演算部とを有することを特徴とす
る誘電率計測装置。
1. A dielectric constant measuring device for measuring a characteristic of a dielectric constant with respect to a voltage change in a local minute region of a sample to be measured, wherein a sample stage having electrodes and a conductive probe are provided at one end. A cantilever having the other end fixed thereto, a driving mechanism for relatively moving the sample and the probe placed on the sample stage, and a voltage having an arbitrary waveform applied between the probe and the electrode. A signal source to be generated, a displacement detection unit that detects a displacement of the cantilever, a capacitance between the probe and the electrode, and a change in capacitance with respect to a change in voltage output from the signal source. A first detection unit that outputs a ratio, and among the signals detected by the displacement detection unit, a waveform component that changes in the same cycle as the waveform output from the signal source is detected and output from the signal source. Voltage change A second detector that outputs a ratio of displacement of the cantilever; a dielectric constant with respect to a voltage of the sample, based on a signal detected by the first detector and a signal detected by the second detector. A dielectric constant measuring device, comprising: a calculating unit that outputs a change in the dielectric constant.
【請求項2】 請求項1記載の誘電率計測装置におい
て、 前記変位検出部によって検出された信号のうち、前記信
号源から発せられた電圧の波形の周期とは異なる周期を
有した波形を検出して、前記異なる波形の振幅が所定の
値になるように前記移動機構を制御する駆動制御部と、 前記演算部から出力される前記試料の電圧に対する誘電
率の変化と、前記駆動制御部から前記移動機構に出力さ
れる制御信号とを同時に出力する信号処理部とを更に備
えたことを特徴とする誘電率計測装置。
2. The dielectric constant measurement device according to claim 1, wherein a waveform having a period different from a period of a waveform of a voltage emitted from the signal source is detected from signals detected by the displacement detection unit. And a drive control unit that controls the moving mechanism so that the amplitude of the different waveform becomes a predetermined value; a change in a dielectric constant with respect to a voltage of the sample output from the arithmetic unit; And a signal processing unit that simultaneously outputs a control signal output to the moving mechanism.
【請求項3】 請求項1記載の誘電率計測装置におい
て、 前記演算部は、さらに、前記駆動制御部により前記移動
機構が制御された制御量を前記駆動制御部から受け付
け、これに基づき前記試料台に載置されている試料の起
伏形状を求めることを特徴とする誘電率計測装置。
3. The dielectric constant measuring apparatus according to claim 1, wherein the arithmetic unit further receives from the drive control unit a control amount for controlling the moving mechanism by the drive control unit, and based on the received control amount, A dielectric constant measuring apparatus for determining an undulating shape of a sample placed on a table.
【請求項4】 請求項3記載の誘電率計測装置におい
て、 前記信号処理部は、前記演算部から出力される前記試料
の電圧に対する誘電率の変化と、前記駆動制御部から前
記移動機構に出力される制御信号と、前記移動機構が制
御された制御量とを同時に出力することを特徴とする誘
電率計測装置。
4. The dielectric constant measurement device according to claim 3, wherein the signal processing unit changes a dielectric constant with respect to a voltage of the sample output from the arithmetic unit and outputs the change from the drive control unit to the moving mechanism. A control signal to be output and a control amount controlled by the moving mechanism at the same time.
【請求項5】 請求項1から4記載の誘電率計測装置に
おいて、 前記信号源は更に、前記探針と前記電極間に印加する直
流バイアス電圧を発生させる直流電圧電源を備えている
ことを特徴とする誘電率計測装置。
5. The dielectric constant measuring apparatus according to claim 1, wherein the signal source further comprises a DC voltage power supply for generating a DC bias voltage applied between the probe and the electrode. Permittivity measuring device.
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