JPH11118858A

JPH11118858A - 電位計測装置および回路検査装置

Info

Publication number: JPH11118858A
Application number: JP9281911A
Authority: JP
Inventors: Takuma Yamamoto; ▲琢▼磨山本
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1997-10-15
Filing date: 1997-10-15
Publication date: 1999-04-30

Abstract

(57)【要約】【課題】微小領域について、時間変化する電位の絶対
的な値を計測する。【解決手段】被測定物２に予め定められた周期で繰り
返される試験信号を信号発生源１７により印加した状態
において、前記試験信号と同一の周期で繰り返され、カ
ンチレバー１の共振周波数より小さい変調周波数で振幅
変調されたパルス信号を探針１ａに信号発生部２０によ
り印加する。そして、前記カンチレバー１の前記変調周
波数における振動振幅をロックインアンプ１６により測
定し、この振動振幅が小さくなるように、前記パルス信
号に直流バイアス電圧を直流バイアス回路１４により加
える。前記振動振幅が予め定められた振幅より小さいと
きのバイアス電圧から、被測定物２の電位をコントロー
ラー１００により求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、試料の微小部位に
おける電位を計測するための電位計測装置および回路検
査装置に係り、特に、時間的に変化する電位を計測する
ことに好適な電位計測装置および回路検査装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】被測定物の電位を高空間分解能で測定す
る装置として、例えば、Applied Physics Ltters 58,19
91,2921-2923に記載される走査型電気力顕微鏡が挙げら
れる。走査型電気力顕微鏡は、鋭い先端を有する導電性
の探針と、探針を支持するためのカンチレバーと、カン
チレバーの変位を検出するための変位検出部と、探針に
電圧を印加して電位を操作するための電圧印加部とを有
して構成される。

【０００３】前記探針を被測定物に近接する状態で、前
記探針に電圧を印加すると、探針と被測定物との間に、
前記探針と被測定物との間の電位差に対応して静電気力
が働く。この静電気力によるカンチレバーの変位を前記
変位検出部により検出し、変位が最小になるように探針
の電位を前記電圧印加部によりフィードバック制御す
る。

【０００４】探針と被検物との間に働く力はそれらの電
位差に比例するから、カンチレバーの変位が最小となる
ときに探針に印加されている電圧から、被測定物の絶対
的な電位を求めることができる。

【０００５】しかし、被測定物の電位が変化する周波数
が、カンチレバーの共振周波数よりも高い場合には、こ
の方法では電位を測定することはできない。

【０００６】このように高い周波数で、被測定物の電位
が変化する場合であっても、電位を測定するための方法
として、ボルテージプローブという手法が提案されてい
る（Optical and Quantum Eiectronics 28 1996,819-84
1）。このボルテージプローブは、被測定物の電位変化
が繰り返し信号である場合に適用される。

【０００７】ボルテージプローブでは、被測定物の電位
の繰り返し周波数（ｆ）に対して、差周波数（Δｆ）だ
け異なる周波数（ｆ−Δｆ、または、ｆ＋Δｆ）で探針
にパルス電圧を印加する。これにより、探針には、周波
数Δｆの繰り返し周波数で静電気力が働く。従って、前
記差周波数（Δｆ）を、カンチレバーの共振周波数より
小さく選ぶことにより、静電気力が変化する周波数は、
カンチレバーの共振周波数より小さくすることができ
る。このようにして、カンチレバーが静電気力によって
振動する振幅から、電位が時間変化する変化幅を測定す
ることを可能としている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、ボルテージプ
ローブの手法では、電位の絶対的な値を求めることが困
難であるという問題がある。

【０００９】また、カンチレバーの機械的な変位を介し
て電位を測定するため、電位の測定感度および電位分解
能は、カンチレバーの変位が静電気力に応答する感度お
よび分解能により制限されるという問題がある。

【００１０】さらに、カンチレバーの変位を、電位の変
化に変換するため、これらの関係についてのキャリブレ
ーションが要求される。

【００１１】ところで、発明者らは、電気回路、特に、
基板上に形成された集積回路の検査において、微小領域
ごとに電気的特性を測定して、回路検査を行うことを検
討している。このためには、電気回路に時間的に変化す
る試験信号を与えておき、各微小領域における、試験信
号に対する応答を測定することが有効であると考えてい
る。

【００１２】本発明は、被測定物における時間的に変化
する電位の絶対的な値を、高感度、高電位分解能で計測
することができる電位計測装置を提供することを第１の
目的とする。

【００１３】また、各微小領域における、試験信号に対
する応答を測定することができる回路検査装置を提供す
ることを第２の目的とする。

【００１４】さらに、電位を測定する感度および分解能
が向上されたで走査型電気力顕微鏡を提供することを第
３の目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】前記第１の目的を達成す
るために、本発明の第１の態様によれば、被測定物にお
ける、既知の周波数で繰り返して時間変化する電位を計
測するための電位計測装置において、前記被測定物に近
接した状態で支持される、導電性の探針と、前記既知の
周波数で繰り返し印加され、かつ、パルス高が予め定め
られた変調周波数で変化するパルス電圧を、前記探針に
印加するためのパルス印加部と、前記探針に加わる力
の、前記変調周波数で変化する成分を測定するための力
測定部と、前記力測定部により測定された力から、前記
被測定物の電位を求めるための演算部とを有し、前記変
調周波数は、前記探針の機械的な変位が前記被測定物と
前記探針とに働く静電気力に応答可能な周波数に定めら
れることを特徴とする電位計測装置が提供される。

【００１６】本発明の第２の態様によれば、被測定物に
おける、既知の周波数で繰り返して時間変化する電位を
計測するための電位計測装置において、導電性を有する
探針と、前記探針を前記被測定物に近接した状態で支持
するためのカンチレバーと、前記既知の周波数で繰り返
し印加され、かつ、パルス高が前記カンチレバーの共振
周波数より低い変調周波数で変化するパルス電圧を、前
記探針に印加するためのパルス印加部と、前記カンチレ
バーの前記変調周波数における振動振幅を測定するため
の振動測定部と、前記振動測定部により測定された振動
振幅から、電位を求めるための演算部とを備えることを
特徴とする電位計測装置が提供される。

【００１７】本発明の第３の態様によれば、被測定物に
おける、既知の周波数で繰り返して時間変化する電位を
計測するための電位計測装置において、導電性を有する
探針と、前記探針を前記被測定物に近接した状態で支持
するためのカンチレバーと、前記既知の周波数で繰り返
し印加され、かつ、パルス高が前記カンチレバーの共振
周波数より低い変調周波数で変化するパルス電圧を、前
記探針に印加するためのパルス印加部と、前記カンチレ
バーの前記変調周波数における振動振幅を測定するため
の振動測定部と、前記振動測定により測定される振動振
幅がより小さくなるように、前記パルス電圧に直流バイ
アス電圧を加えるためのバイアス印加部とを有し、前記
バイアス印加部により印加された直流バイアス電圧を、
被測定物における電位として計測することを特徴とする
電位計測装置が提供される。

【００１８】前記第２の目的を達成するために、本発明
の第４の態様によれば、回路を検査するための回路検査
装置において、予め定められた繰り返し周波数で第１の
パルス電圧を回路に印加するための第１のパルス印加部
と、回路に近接した状態で支持される、導電性の探針
と、前記探針の先端を、前記回路における線路に沿って
走査させるための移動機構と、前記予め定められた繰り
返し周波数で印加され、かつ、パルス高が予め定められ
た変調周波数で変化する第２のパルス電圧を、前記探針
に印加するための第２のパルス印加部と、前記探針に加
わる力の、前記変調周波数で変化する成分を測定するた
めの力測定部と、前記探針の先端が、前記被測定物の予
め定められた位置に対応する状態で、前記力測定部によ
り測定される力が大きくなるように、前記第１のパルス
が印加される位相を制御するための移相部と、前記力測
定部により測定される力の、前記移動機構による走査に
伴う変化を検出するための力変化検出部とを有すること
を特徴とする回路検査装置が提供される。

【００１９】本発明の第５の態様によれば、回路を検査
するための回路検査装置において、パルス電圧の繰り返
し周波数を指示するための指示部と、前記指示部により
指示された繰り返し周波数を有する第１のパルス電圧を
回路に印加するための第１のパルス印加部と、回路に近
接した状態で支持される、導電性の探針と、前記指示部
により指示された繰り返し周波数を有し、かつ、パルス
高が予め定められた変調周波数で変化する第２のパルス
電圧を、前記探針に印加するための第２のパルス印加部
と、前記探針に加わる力の、前記変調周波数で変化する
成分を測定するための力測定部と、前記力測定部により
測定された力の、前記指示部が指示する周波数に対する
依存性から、回路における電気信号伝搬の周波数依存性
を測定することを特徴とする回路検査装置が提供され
る。

【００２０】前記第３の目的を達成するために、本発明
の第６の態様によれば、被測定物の電位を測定するため
の走査型電気力顕微鏡において、被測定物に非接触モー
ドで支持される、導電性の探針と、前記探針に、パルス
電圧を印加するためのパルス印加部と、前記探針に加わ
る力を測定するための力測定部とを備え、前記パルス印
加部は、パルス信号を予め定められた繰り返し周波数で
生成し、生成したパルス信号が印加される位相を操作す
るための位相遅れ機能を有するパルス発生器と、サイン
波を生成するための発振器と前記パルス信号とサイン波
とを乗算するための乗算回路と直流バイアス電圧を生成
するための直流バイアス回路と、前記乗算回路により乗
算された信号と、前記直流バイアス回路により生成され
たバイアス電圧とを加算するための加算回路とを有して
構成され、前記力測定部は、前記探針に加わる力の、前
記サイン波の周波数で変化する成分を測定することを特
徴とする走査型電気力顕微鏡が提供される。

【００２１】

【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。

【００２２】先ず、図１および図２を参照して、本発明
の第１の実施の形態について説明する。

【００２３】図１において、本実施の形態における電位
計測装置は、導電性の探針１ａを有するカンチレバー１
と、カンチレバー１を保持するためのホルダー３と、探
針１ａを被測定物表面に対して垂直方向に振動させるた
めのセラミック振動子４と、セラミック振動子４に電圧
を供給するための発振器６と、探針１ａを被検物に対し
て３次元的に走査させるための３次元スキャナー５と、
３次元スキャナー５に電圧を供給するための電源７と、
カンチレバー１の撓みを光てこ法により検出するための
半導体レーザー８および２分割光検出器９と、カンチレ
バー１の、セラミック振動子４で振動させた周波数での
振動を検出するためのロックインアンプ１０と、探針１
ａに信号を印加するための信号発生部２０と、カンチレ
バーの振動状態を検出するためのロックインアンプ１６
と、被測定物２に信号を供給する信号発生器１７と、制
御と各種の信号取り込みを行うためのコントローラ１０
０とを有して構成される。

【００２４】前記探針１ａは、先端が鋭い形状に形成さ
れている。これにより、被測定物２における微小な領域
についての計測が可能となる。

【００２５】前記カンチレバー１は、前記探針１ａを支
持するためのものであり、前記探針１ａと前記信号発生
部２０とを接続するために、導電性を有して構成され
る。カンチレバー１に導電性を持たせるために、例え
ば、カンチレバー１を金属で構成すること、誘電体で構
成されたカンチレバー１に導電性のコーティングをする
ことができる。また、カンチレバー１は、その変形を光
を用いて検出するために、光を反射する反射面が形成さ
れる。

【００２６】前記セラミック振動子４は、前記探針１ａ
を被測定物２に対して非接触モードの状態で支持するた
めのものである。このため、カンチレバー１を被測定物
２の表面に垂直な方向に振動させることができればよ
く、他の振動源を用いてもよい。なお、セラミック振動
子４が励振する周波数は、カンチレバー１の共振周波数
より高い周波数に選ばれる。これは、被測定物２の表面
の近くを探針１ａによってなぞるとき、被測定物２の表
面から検出されるファンデルワールス力の引力勾配によ
り、カンチレバー１の共振周波数が変化することに対応
するためである。

【００２７】前記３次元スキャナー５は、前記探針１ａ
と被測定物２との間隔（ｚ）を調整し、かつ、探針１ａ
の先端が対応する、被測定物２における領域を走査する
ためのものである。３次元スキャナー５としては、例え
ば、チューブ型ピエゾ素子を用いることができる。

【００２８】前記半導体レーザー８および２分割光検出
器９は、カンチレバー１の撓み変形を検出するためのも
のである。これは、カンチレバー１の反射面に、半導体
レーザー８からレーザー光を照射し、反射光の位置を２
分割光検出器９により検出する。このとき、反射による
レバー比を大きくとることにより、反射光の位置の微小
な変化を検出することができる。これを、光てこ法とい
う。なお、カンチレバー１の撓み変形を検出する方法
は、この光てこ法に限らない。例えば、光干渉法を用い
て撓み変形を検出してもよい。

【００２９】なお、図１において、前記３次元スキャナ
ー５による走査に伴う光位置の変動を避けるために、カ
ンチレバー１を保持するホルダー３、半導体レーザー
８、および、２分割光検出器９は、共通して支持アーム
１９に支持されている。また、探針１ａの非接触モード
を振動により実現する場合は、さらにセラミック振動子
４を介してホルダー３が前記支持アーム１９に支持され
る。

【００３０】なお、半導体レーザー８および２分割光検
出器９は、おのおの、全体が前記支持アーム１９に共通
して支持される場合に限らない。例えば、半導体レーザ
８からのレーザー光を導くための光学系、および、反射
光を２分割光検出器９に導くための光学系を支持アーム
により支持し、半導体レーザー８および２分割光検出器
９の本体を固定的に設置してもよい。

【００３１】前記ロックインアンプ１０は、前記２分割
光検出器９から出力される光位置の変化から、前記セラ
ミック振動子４の振動周波数における変化成分を抽出し
て検出するためのものである。ロックインアンプ１０を
用いることにより、他の要因で発生する光位置の影響を
低減し、信号／雑音比を向上させることができる。

【００３２】前記信号発生部２０は、探針１ａに予め定
められた電圧を印加するためのものである。すなわち、
予め定められた周波数で繰り返し印加されるパルス電圧
を、パルス高の電圧値を予め定められた変調周波数で変
調し、さらに、バイアス電圧を操作して、探針１ａに印
加するためのものである。信号発生部２０は、例えば、
パルス発生器１１と、発振器１２と、乗算回路１３と、
直流バイアス回路１４と、加算回路１５とを有して構成
することができる。なお、シンセサイザー型発振器など
の、電圧、波形などを制御して発振することができる信
号生成器を用いてもよい。

【００３３】前記ロックインアンプ１６は、前記２分割
光検出器９から出力される光位置の変化から、前記信号
発生部２０で生成される信号の変調周波数における変化
成分を抽出して検出するためのものである。ロックイン
アンプ１０を用いることにより、他の要因で発生する光
位置の影響を低減し、信号／雑音比を向上させることが
できる。

【００３４】次に、図１および図２を参照して、本発明
の電位計測装置において、探針１ａに印加される信号お
よび測定の原理について説明する。

【００３５】まず、本発明における信号の説明に先だっ
て、ボルテージプローブにおける波形、および、測定の
原理について説明する。

【００３６】ここで、被測定物２の電位は、周期Ｔ_sで
繰り返される電気信号であるとする。例えば、周期Ｔ_s
として０．１μ秒である場合を考える。このとき、電気
信号の周波数ｆ_sは、１０ＭＨｚとなる。そして、繰り
返される電気信号の信号波形は、さらに高い周波数とな
る。

【００３７】一方、カンチレバー１の共振周波数は、多
くの場合、数百ｋＨｚ以下である。

【００３８】このため、カンチレバー１と被測定物２と
の間の電位差によりカンチレバー１に働く静電気力を実
時間で測定することは不可能である。これを可能にする
ために考え出されたのが、上述したボルテージプローブ
という手法である。

【００３９】ボルテージプローブにおいては、図２
（ａ）のように探針（プローブ）に、周期Ｔ_Pで幅τの
パルス電圧を印加する。ここで、周期Ｔ_pは、周期Ｔ_sと
ほんの僅かだけ異なるようにしておく。このとき、探針
１ａに加わるパルスの周波数ｆ_ｐとサンプルの電気信号
の繰り返し周波数ｆ_ｓとの差の周波数｜ｆ_s−ｆ_p｜の周
波数で、電気信号がカンチレバー１の変位として検出さ
れる。例えば、ｆ_pが９．９９９ＭＨｚであれば、その
差は１ｋＨｚとなり、カンチレバー１で検出可能な周波
数となる。

【００４０】以下に、この原理について詳細に説明す
る。

【００４１】探針１ａおよび被測定物２と、これらの間
の空間とで構成されるキャパシターに蓄えられる電荷Ｑ
は、キャパシターの容量をＣ、探針と被測定物の電位差
をＶとするとＱ＝ＣＶで表される。このとき、キャパシターに蓄えられるエネ
ルギーＥは、

【００４２】

【数１】

【００４３】である。探針と被測定物との間に働く静電
気力Ｆは、探針と被測定物との間隔をｚとすると

【００４４】

【数２】

【００４５】で表される。

【００４６】前記静電気力は時間とともに変化するので
Ｆ（ｔ）とする。また、探針の電位をＶ_p（ｔ）、被測
定物の電位をＶ_s（ｔ）とすると、

【００４７】

【数３】

【００４８】となる。

【００４９】ここで、カンチレバー１の変位ｘは、カン
チレバー１のバネ定数をｋとすると、

【００５０】

【数４】

【００５１】となる。一方、カンチレバー１は、その共
振周波数より高い周波数で変化する力に対しては応答で
きない。このため、カンチレバー１は、与えられた力に
対して、機械的な積分器としての振る舞いを示す。この
ときのカンチレバー１の変位は、探針と被測定物との間
に働く力を、ある時間において積分したものに比例す
る。そこで、被測定物にかかる繰り返し電圧の周期Ｔ_s
にわたって積分を行い、時間ｔにおけるカンチレバー１
の変位ｘ（ｔ）は、変数ｓを用いて、

【００５２】

【数５】

【００５３】で表される。

【００５４】探針に加えられるパルス電圧の電圧値をＶ
₁、パルス幅をτとし、パルス幅をτは周期Ｔ_sに比べて
非常に短く無視できるとすると、

【００５５】

【数６】

【００５６】で表される。ここで、Ｖ_stはパルス電圧Ｖ
₁が印加されているときの被測定物の電位である。被測
定物には周期Ｔ_sの繰り返し信号が掛かっているため、
式（６）のはじめの項はいつでも一定値をとる。従っ
て、式（６）は、任意の定数Ａ，Ｂを用いて

【００５７】

【数７】

【００５８】と書かける。すなわち、カンチレバー１
は、パルス電圧が印加されているときの被測定物の電位
に依存した変位を示す。そこで、パルスの周期Ｔ_pを被
測定物の繰り返し信号の周期Ｔ_sに対してわずかにずら
すことで、繰り返し信号においてパルスが印加される場
所を順次変えていく。これによって、周期Ｔ_sの繰り返
し信号を、周期｜Ｔ_s−Ｔ_p｜でのカンチレバー１の変位
の変化に転写することができる。

【００５９】次に、図２（ｂ）および図２（ｃ）を参照
して、本発明の電位計測装置において、探針１ａ（図１
参照）に印加される信号、および、測定の原理について
説明する。

【００６０】本発明においては、図２（ｂ）に示すよう
に、パルス電圧を周波数ｆ_mのサイン波で振幅変調させ
る。これにより、カンチレバー１は、周波数ｆ_mで振動
する。この振動振幅はレバーの電位と被測定物の電位の
差に依存する。よって、周波数ｆ_mでのカンチレバー１
の振動の振幅からパルスが印加されているときの、被測
定物の電位が求められる。

【００６１】さらには、図２（ｃ）のように、パルス電
圧とともに直流電圧を印加し、周波数ｆ_mでのカンチレ
バー１の振動振幅がある一定値になるように直流電圧を
制御することにより被測定物の電位の絶対的な値を求め
ることができる。

【００６２】以下に、この原理について説明する。

【００６３】前記周波数ｆ_mのサイン波で振幅変調され
るパルス電圧値は、式（５）において、定数Ｖ₀，Ｖ₁を
用いて、

【００６４】

【数８】

【００６５】と表される。ここで、２πｆ_mをω_mとかく
と、前述と同様にパルス幅τがＴ_sに比べて無視できる
として、

【００６６】

【数９】

【００６７】とかける。式（７）における第２項の［］
の部分は、

【００６８】

【数１０】

【００６９】と展開することができる。式（８）の第１
項は、加法定理を用いて、２ω_m成分と定数成分との和
でかける。

【００７０】従って、式（８）におけるω_m成分は、第
２項のみである。

【００７１】式（７）および（８）により示されるよう
に、カンチレバー振動のω_m成分は、（Ｖ₀−Ｖ_st）に比
例する。そこで、カンチレバー振動のω_m成分が０にな
るようにＶ₀を設定すると、Ｖ₀＝Ｖ_st となり、被測定物の電位が求められる。

【００７２】さらに、パルスの周期Ｔ_pを、被測定物の
繰り返し信号の周期Ｔ_sとわずかにずらすことで、繰り
返し信号においてパルスが印加される場所（位相位置）
を順次変えていく。これによって、周期Ｔ_sの繰り返し
信号を周期｜Ｔ_s−Ｔ_p｜でのカンチレバー振動の振幅変
化に転写する。

【００７３】また、パルスの周期Ｔ_pを被測定物の繰り
返し信号の周期Ｔ_sと同一とし、パルスの繰り返し信号
に対する位相を順次変化させることでも、繰り返し信号
の波形を計測できる。

【００７４】次に、図１および図２（ｃ）を参照して、
本実施の形態の電位計測装置を用いた表面電位測定のプ
ロセスについて説明する。

【００７５】本実施の形態の電位計測装置では、表面電
位計測においては、探針を被測定物２上の一定の場所に
止めておいて、そこでの波形を計測する第１の計測方法
と、被測定物２表面を、探針を被測定物２に近接させて
走査させながら電位を計測し、被測定物２の場所の違い
による信号変化を調べる第２の計測方法とを行うことが
できる。

【００７６】まず、第１の計測方法におけるプロセスに
ついて説明する。

【００７７】はじめに、カンチレバー１の共振周波数２
５０ｋＨｚより僅かに高い周波数のサイン波を発振器６
によりセラミック振動子４に対してに印加して、カンチ
レバー１を強制的に被測定物２に対して垂直方向に振動
させる。そして、この状態で、探針１ａを被測定物２の
表面に近接させる。

【００７８】探針１ａが被測定物２の表面に近づくと、
カンチレバー１の振動状態が、探針１ａと被測定物２と
の間に働くファンデルワールス力により変化する。この
振動状態の変化を、２分割光検出器９ならびにロックイ
ンアンプ１０により検知して、３次元スキャナー５のＺ
軸（被測定物２の表面に垂直な方向）駆動に対してフィ
ードバックをかける。このようにすることにより、探針
１ａを被測定物２表面に近接させた状態で保持すること
ができる。

【００７９】また、探針１ａを被測定物２表面に近接さ
せた状態とすることは、探針１ａをいったん被測定物２
表面に接触させた後に、微小量だけ被測定物２から引き
離すことによっても実現することができる。この場合に
は、セラミック振動子４およびロックインアンプ１０を
省略することができる。

【００８０】上述のようにして、探針１ａを被測定物２
表面に近接させた状態で、探針１ａに図２（ｃ）の波形
の電気信号を信号発生部２０により印加する。この図２
（ｃ）の波形は、信号発生部２０において、パルス発生
器１１からのパルス波形と、発振器１２からのサイン波
を乗算回路１３で掛け合わせ、さらに加算回路１５によ
り直流バイアス回路１４からの直流バイアスと足し合わ
せることで作成することができる。

【００８１】被測定物２としては、例えば、ＬＳＩ（大
規模集積回路）を対象することができる。そして、被測
定物２における電位を与えるものとして、例えば、１０
ＭＨｚの繰り返し周波数の繰り返し信号を信号発生源１
７により供給することができる。

【００８２】本実施の形態では、信号発生源１７からの
１０ＭＨｚのトリガー信号をパルス発生器１１に取り込
みトリガーとして利用しているが、トリガー信号は、必
ずしも必要ではなく、パルス発生回路１１自体によりパ
ルス発生のタイミングを決定することも可能である。

【００８３】パルス発生回路１１は、位相遅れ機能を有
しており、トリガーに対して任意の位相遅れを生じさせ
ることができる。波形の測定においては、位相遅れ時間
を０から、１周期時間である０．１μ秒まで徐々に変え
ていくことにより、被測定物２に信号発生源１７によっ
て加えられている繰り返し信号の波形を計測できる。

【００８４】また、ロックインアンプ１６で検出される
発振器１２からのパルス電圧の電圧値の変調周波数１０
０ｋＨｚでのカンチレバーのふれが最小になるように、
直流バイアス回路１４からの直流バイアス電源をフィー
ドバック制御し、この状態での直流バイアス電圧をコン
トローラー１００に取り込むことにより、被測定物２に
おける繰り返し信号の電圧を計測することができる。

【００８５】ここで、変調周波数は、１００ｋＨｚに限
られるものではなく、これ以上でもこれ以下でもよい。
特に、カンチレバーの共振周波数よりも高い周波数を用
いることも可能である。また、周波数をシフトさせる回
路をパルス発生回路１１に付加して、信号発生源１５の
繰り返し周波数と僅かに異なる周波数のパルス波を発生
させることにより、サンプル信号の波形を計測すること
も可能である。

【００８６】次に、前記第２の測定方法におけるプロセ
スについて説明する。この測定方法は、被測定物２の表
面を探針１を被測定物２に近接させて走査させながら電
位を計測し、被測定物２における場所の違いによる信号
変化を調べるものである。

【００８７】ここでは、被測定物２として導波路を対象
とされ、導波路の片側の端が信号発生源１７に接続され
ており、信号発生源１７から、周波数５０ＭＨｚのパル
ス電圧が印加されている場合について説明する。

【００８８】はじめに、発振器６によりセラミック振動
子４に対してカンチレバー１の共振周波数２５０ｋＨｚ
より僅かに高い周波数のサイン波を印加してカンチレバ
ーを強制的に被計測物に対して垂直方向に振動させた状
態で、カンチレバー１の振動が一定状態に保たれるよう
に、カンチレバー１のｚ変位（Ｚ軸方向の移動量）を３
次元スキャナー５にフィードバックする。そして、この
状態で、３次元スキャナー５をＸ軸および／またはＹ軸
方向に駆動する。このようにして、探針１ａを被測定物
２に対して近接させた状態で走査させることができる。

【００８９】このとき、上述した第１の計測方法と同様
に、図２（ｃ）に示される電気信号を探針１ａに印加す
る。パルス発生回路１１の位相遅れは、走査の間一定値
に保持しておく。この位相遅れの量は、被測定物２の予
め定められた位置に探針１ａが対応している状態で、カ
ンチレバー１の振動振幅が最大となるように定める。前
記位相遅れの基準となるトリガーとしては、前記信号発
生源１７からの信号をパルス発生器１１にも取り込み、
これをトリガーとして利用することができる。

【００９０】そして、直流バイアス回路１４からの直流
バイアスを、パルスの無いときの被測定物２の電位と同
じ０Ｖとする。この場合、探針１ａに加わるパルスのタ
イミングと、被測定物２の探針１ａ直下の部分に加わる
パルスのタイミングが一致したときに、パルス電圧の電
圧値の変調周波数１００ｋＨｚでのカンチレバー１のふ
れが大きくなる。

【００９１】そこで、被測定物２の導波路の信号発生源
１７との接続側でカンチレバー１のふれが大きくなるよ
うに位相遅れを調節した状態で、探針１ａを被測定物２
上を走査させることにより、導波路上で信号の位相が変
化している場所が検出できる。

【００９２】このような導波路における位相が変化して
いる場所を検出することにより、その導波路が含まれる
回路を検査することができる。

【００９３】信号発生源１７から被測定物２に印加する
波形としてパルス波ではなく、例えばサイン波やのこぎ
り波を用いてもよい。

【００９４】さらに、前記信号発生源１７により印加さ
れる波形として、サイン波やのこぎり波を用いた場合
に、カンチレバー１の１００ｋＨｚでの振幅が一定にな
るようにパルス発生回路１１の位相遅れ時間をフィード
バック制御し、この位相遅れ時間をコントローラー１０
０に記録することも可能である。

【００９５】なお、上述した説明では、信号発生源１７
からの信号として５０ＭＨｚの信号を用いたが、周波数
はこれに限定されるものではない。また、この信号の周
波数を一定に保つことは必ずしも必要ではなく、この周
波数を目的に合わせて変化させてもよい。例えば、導波
路が形成された電気回路を被測定物とし、導波路に沿う
経路長に応じて周波数を変化させることができる。これ
により、導波路中の電気信号伝搬の周波数特性を調べる
ことが可能となる。

【００９６】このように、周波数特性を調べることによ
っても、回路の検査を行うことができる。

【００９７】さらに、上述したような、信号発生部２０
を用い、変調成分の信号をロックインアンプにより抽出
することにより、走査型電気力顕微鏡の電位を計測する
感度および分解能を向上させることができる。

【００９８】

【発明の効果】本発明により、被検物表面の高い周波数
での電位変化を、高感度、高い電位分解能で、かつ絶対
的な値として計測することができる電位計測装置が提供
される。

【００９９】また、前記電位計測装置と、被測定物に試
験信号を印加するための信号源とを組み合わせることに
より、被測定物の回路としての性質を検査することがで
きる回路検査装置が提供される。

【０１００】さらに、感度および分解能を向上した走査
型電気力顕微鏡が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電位計測装置の構成例を示すブロッ
ク図である。

【図２】探針に印加される電気信号の電圧波形を示す
グラフであって、（ａ）：パルスが繰り返される信号、
（ｂ）：（ａ）の信号にパルス高がサイン波で変調され
た信号、（ｃ）：（ｂ）のパルス信号に直流バイアスが
加えられた信号である。

【符号の説明】

１…カンチレバー、１ａ…探針、２…被測定物、３…ホ
ルダー、４…セラミック振動子、５…３次元スキャナ
ー、６…発振器、７…電源、８…半導体レーザー、９…
２分割光検出器１０…ロックインアンプ、１１…パルス
発生器、１２…発振器、１３…乗算回路、１４…直流バ
イアス回路、１５…加算回路、１６…ロックインアン
プ、１７…信号発生源、１９…支持アーム、２０…信号
発生部、１００…コントローラー。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定物における、既知の周波数で繰り
返して時間変化する電位を計測するための電位計測装置
において、前記被測定物に近接した状態で支持される、導電性の探
針と、前記既知の周波数で繰り返し印加され、かつ、パルス高
が予め定められた変調周波数で変化するパルス電圧を、
前記探針に印加するためのパルス印加部と、前記探針に加わる力の、前記変調周波数で変化する成分
を測定するための力測定部と、前記力測定部により測定された力から、前記被測定物の
電位を求めるための演算部とを有し、前記変調周波数は、前記探針の機械的な変位が前記被測
定物と前記探針とに働く静電気力に応答可能な周波数に
定められることを特徴とする電位計測装置。
【請求項２】被測定物における、既知の周波数で繰り
返して時間変化する電位を計測するための電位計測装置
において、導電性を有する探針と、前記探針を前記被測定物に近接した状態で支持するため
のカンチレバーと、前記既知の周波数で繰り返し印加され、かつ、パルス高
が前記カンチレバーの共振周波数より低い変調周波数で
変化するパルス電圧を、前記探針に印加するためのパル
ス印加部と、前記カンチレバーの前記変調周波数における振動振幅を
測定するための振動測定部と、前記振動測定部により測定された振動振幅から、電位を
求めるための演算部とを備えることを特徴とする電位計
測装置。
【請求項３】被測定物における、既知の周波数で繰り
返して時間変化する電位を計測するための電位計測装置
において、導電性を有する探針と、前記探針を前記被測定物に近接した状態で支持するため
のカンチレバーと、前記既知の周波数で繰り返し印加され、かつ、パルス高
が前記カンチレバーの共振周波数より低い変調周波数で
変化するパルス電圧を、前記探針に印加するためのパル
ス印加部と、前記カンチレバーの前記変調周波数における振動振幅を
測定するための振動測定部と、前記振動測定により測定される振動振幅がより小さくな
るように、前記パルス電圧に直流バイアス電圧を加える
ためのバイアス印加部とを有し、前記バイアス印加部により印加された直流バイアス電圧
を、被測定物における電位として計測することを特徴と
する電位計測装置。
【請求項４】請求項１から３のいずれか一項記載の電
位計測装置において、前記パルス印加部は、前記パルス電圧が印加される位相
を、前記被測定物の電位の変化が繰り返される位相に対
して変化させるための移相部を備えることを特徴とする
電位計測装置。
【請求項５】請求項１から３のいずれか一項記載の電
位計測装置において、前記パルス印加部は、前記既知の周波数と予め定められ
た周波数差を有する周波数で、パルス電圧の印加を繰り
返すことを特徴とする電位計測装置。
【請求項６】請求項１から５のいずれか一項記載の電
位計測装置において、前記探針の先端を、前記被測定物の表面上を走査させる
ための移動機構を有することを特徴とする電位計測装
置。
【請求項７】請求項６記載の電位計測装置において、前記探針の変位を測定するための変位測定部をさらに備
え、前記探針は、被測定物に対し非接触モードで支持され、前記探針の変位から被測定物の表面起伏を検知すること
を特徴とする電位計測装置。
【請求項８】回路を検査するための回路検査装置にお
いて、予め定められた繰り返し周波数で第１のパルス電圧を回
路に印加するための第１のパルス印加部と、回路に近接した状態で支持される、導電性の探針と、前記探針の先端を、前記回路における線路に沿って走査
させるための移動機構と、前記予め定められた繰り返し周波数で印加され、かつ、
パルス高が予め定められた変調周波数で変化する第２の
パルス電圧を、前記探針に印加するための第２のパルス
印加部と、前記探針に加わる力の、前記変調周波数で変化する成分
を測定するための力測定部と、前記探針の先端が、前記被測定物の予め定められた位置
に対応する状態で、前記力測定部により測定される力が
大きくなるように、前記第１のパルスが印加される位相
を制御するための移相部と、前記力測定部により測定される力の、前記移動機構によ
る走査に伴う変化を検出するための力変化検出部とを有
することを特徴とする回路検査装置。
【請求項９】回路を検査するための回路検査装置にお
いて、パルス電圧の繰り返し周波数を指示するための指示部
と、前記指示部により指示された繰り返し周波数を有する第
１のパルス電圧を回路に印加するための第１のパルス印
加部と、回路に近接した状態で支持される、導電性の探針と、前記指示部により指示された繰り返し周波数を有し、か
つ、パルス高が予め定められた変調周波数で変化する第
２のパルス電圧を、前記探針に印加するための第２のパ
ルス印加部と、前記探針に加わる力の、前記変調周波数で変化する成分
を測定するための力測定部と、前記力測定部により測定された力の、前記指示部が指示
する周波数に対する依存性から、回路における電気信号
伝搬の周波数依存性を測定することを特徴とする回路検
査装置。
【請求項１０】請求項９記載の回路検査装置におい
て、前記探針の先端を、前記回路における線路に沿って走査
させるための移動機構を有することを特徴とする回路検
査装置。
【請求項１１】被測定物の電位を測定するための走査
型電気力顕微鏡において、被測定物に非接触モードで支持される、導電性の探針
と、前記探針に、パルス電圧を印加するためのパルス印加部
と、前記探針に加わる力を測定するための力測定部とを備
え、前記パルス印加部は、パルス信号を予め定められた繰り返し周波数で生成し、
生成したパルス信号が印加される位相を操作するための
位相遅れ機能を有するパルス発生器と、サイン波を生成するための発振器と前記パルス信号とサ
イン波とを乗算するための乗算回路と直流バイアス電圧
を生成するための直流バイアス回路と、前記乗算回路により乗算された信号と、前記直流バイア
ス回路により生成されたバイアス電圧とを加算するため
の加算回路とを有して構成され、前記力測定部は、前記探針に加わる力の、前記サイン波
の周波数で変化する成分を測定することを特徴とする走
査型電気力顕微鏡。