JPH1130622A - 走査型静電容量顕微鏡 - Google Patents
走査型静電容量顕微鏡Info
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- JPH1130622A JPH1130622A JP9186663A JP18666397A JPH1130622A JP H1130622 A JPH1130622 A JP H1130622A JP 9186663 A JP9186663 A JP 9186663A JP 18666397 A JP18666397 A JP 18666397A JP H1130622 A JPH1130622 A JP H1130622A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 走査型静電容量顕微鏡では、ＬＣ共振回路の
傾きが急なところで測定した場合にもっとも感度がよい
が、ＬＣ共振回路の共振周波数はもちいるカンチレバー
や測定する試料もしくはそれらの位置関係により順次変
化してしまうためその都度発振周波数を設定する必要が
あり、そのためには、共振回路特性を知るために何らか
の信号をモニターする必要がある。従来は検波回路にお
いてピーク検波した直流電圧をモニターしていたが、直
流であるためにＳ／Ｎが悪いという問題があった。 【解決手段】 本発明は、発振回路と共振回路と検波回
路からなるキャパシタンスセンサーを有する走査型静電
容量顕微鏡において、共振回路中の可変容量ダイオード
の容量変化による共振回路特性の変化を読みとることに
より、測定感度が最適となるように、発振回路の発振周
波数もしくは共振回路の共振周波数を調整することを特
徴とする走査型静電容量顕微鏡を提供する。
傾きが急なところで測定した場合にもっとも感度がよい
が、ＬＣ共振回路の共振周波数はもちいるカンチレバー
や測定する試料もしくはそれらの位置関係により順次変
化してしまうためその都度発振周波数を設定する必要が
あり、そのためには、共振回路特性を知るために何らか
の信号をモニターする必要がある。従来は検波回路にお
いてピーク検波した直流電圧をモニターしていたが、直
流であるためにＳ／Ｎが悪いという問題があった。 【解決手段】 本発明は、発振回路と共振回路と検波回
路からなるキャパシタンスセンサーを有する走査型静電
容量顕微鏡において、共振回路中の可変容量ダイオード
の容量変化による共振回路特性の変化を読みとることに
より、測定感度が最適となるように、発振回路の発振周
波数もしくは共振回路の共振周波数を調整することを特
徴とする走査型静電容量顕微鏡を提供する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、静電容量を検出す
ることの出来る走査型プローブ顕微鏡に関するものであ
る。
ることの出来る走査型プローブ顕微鏡に関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】先端の鋭い探針により試料表面を走査す
ることで、試料表面の情報を原子レベルの高空間分解能
で調べる技術として、様々なタイプの走査型プローブ顕
微鏡が提案されている。走査型プローブ顕微鏡の代表的
なものとしては、探針と試料間のトンネル電流を利用す
る走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）や、探針と試料間に
働く微小な力を使用する原子間力顕微鏡（以下、「ＡＦ
Ｍ」と称す）や、探針と試料との間の静電容量を計測す
る走査型静電容量顕微鏡などがある。走査型静電容量顕
微鏡は主としてＡＦＭをベースにしており、ＡＦＭによ
り探針を試料表面に走査させながら同時に静電容量の情
報を取得するが、静電容量情報は発振回路、共振回路、
検波回路からなるキャパシタンスセンサーにより探針−
試料間のキャパシタンス変化をＬＣ共振回路の共振周波
数変化として検出する。
ることで、試料表面の情報を原子レベルの高空間分解能
で調べる技術として、様々なタイプの走査型プローブ顕
微鏡が提案されている。走査型プローブ顕微鏡の代表的
なものとしては、探針と試料間のトンネル電流を利用す
る走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）や、探針と試料間に
働く微小な力を使用する原子間力顕微鏡（以下、「ＡＦ
Ｍ」と称す）や、探針と試料との間の静電容量を計測す
る走査型静電容量顕微鏡などがある。走査型静電容量顕
微鏡は主としてＡＦＭをベースにしており、ＡＦＭによ
り探針を試料表面に走査させながら同時に静電容量の情
報を取得するが、静電容量情報は発振回路、共振回路、
検波回路からなるキャパシタンスセンサーにより探針−
試料間のキャパシタンス変化をＬＣ共振回路の共振周波
数変化として検出する。
【０００３】ところで、キャパシタンスセンサーは、発
振周波数は発振回路中の可変容量コンデンサのトリマー
をドライバー等を用いて回すことでおよそ９３０〜１０
５０ＭＨｚの範囲で変化する。また、前記キャパシタン
スセンサーのＬＣ共振回路中にはバリキャップダイオー
ドがありここに検波回路からの電圧をフィードバックし
て共振周波数を調節するする機構を有している。
振周波数は発振回路中の可変容量コンデンサのトリマー
をドライバー等を用いて回すことでおよそ９３０〜１０
５０ＭＨｚの範囲で変化する。また、前記キャパシタン
スセンサーのＬＣ共振回路中にはバリキャップダイオー
ドがありここに検波回路からの電圧をフィードバックし
て共振周波数を調節するする機構を有している。
【０００４】
【発明・考案が解決しようとする課題】走査型静電容量
顕微鏡では、ＬＣ共振回路の傾きが急なところで測定し
た場合にもっとも感度がよいが、ＬＣ共振回路の共振周
波数はもちいるカンチレバーや測定する試料もしくはそ
れらの位置関係により順次変化してしまうためその都度
発振周波数を設定する必要があり、そのためには、共振
回路特性を知るために何らかの信号をモニターする必要
がある。従来は検波回路においてピーク検波した直流電
圧をモニターしていたが、直流であるためにＳ／Ｎが悪
いという問題があった。
顕微鏡では、ＬＣ共振回路の傾きが急なところで測定し
た場合にもっとも感度がよいが、ＬＣ共振回路の共振周
波数はもちいるカンチレバーや測定する試料もしくはそ
れらの位置関係により順次変化してしまうためその都度
発振周波数を設定する必要があり、そのためには、共振
回路特性を知るために何らかの信号をモニターする必要
がある。従来は検波回路においてピーク検波した直流電
圧をモニターしていたが、直流であるためにＳ／Ｎが悪
いという問題があった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は以上の点を考慮
したものであり、発振回路と共振回路と検波回路からな
るキャパシタンスセンサーを有する走査型静電容量顕微
鏡において、共振回路中の可変容量ダイオードの容量変
化による共振回路特性の変化を読みとることにより、測
定感度が最適となるように、発振回路の発振周波数もし
くは共振回路の共振周波数を調整することを特徴とする
走査型静電容量顕微鏡を提供する。
したものであり、発振回路と共振回路と検波回路からな
るキャパシタンスセンサーを有する走査型静電容量顕微
鏡において、共振回路中の可変容量ダイオードの容量変
化による共振回路特性の変化を読みとることにより、測
定感度が最適となるように、発振回路の発振周波数もし
くは共振回路の共振周波数を調整することを特徴とする
走査型静電容量顕微鏡を提供する。
【０００６】
【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態を説明す
る。まず最初に、図２を用いて本発明における共振特性
計測機構について説明する。図２（ａ）は発振回路、共
振回路、検波回路からなる静電容量測定機構の概略図で
ある。発振回路で発生した高周波信号は共振回路を経て
検波回路へと伝わり、高周波信号の振幅がピーク検波さ
れる。図２（ｂ）は共振回路の共振特性を示しており、
横軸は高周波の周波数、縦軸はピーク検波される高周波
の振幅である。検波回路に伝わる高周波の振幅は高周波
の周波数が共振回路の共振周波数（ωｒ）に一致したと
きに最大であり、高周波の周波数が共振周波数からずれ
るに従って小さくなる。例えば発振周波数をωｏとする
と、図２（ｂ）中に示したωｏにおいて共振特性のカー
ブは右下がりの傾きを有しており、共振回路中のキャパ
シタンスの増加により共振周波数および共振特性のカー
ブが左（低周波）側にシフトし検波される振幅は小さく
なる。一方、発振周波数（ωｏ）が共振周波数（ωｒ）
よりも左側にあるときにはキャパシタンスの増加により
検波される振幅が逆に大きくなる。また、キャパシタン
ス変化を検出する感度は共振特性のカーブの傾きが急な
ところほど高くなる。図２（ｃ）は、図２（ｂ）の共振
特性を有する共振回路中の可変容量ダイオードに、交流
電圧を印加したときにロックインアンプにより検出され
る前記交流電圧の周波数における容量変化の様子（ｄＣ
／ｄＶ）を示しているが、これはすなわち、図２（ｂ）
の微分値の絶対値を示している。ロックインアンプで検
出される容量変化は図２（ｂ）において共振特性のカー
ブの傾きの大きいところほど大きな値を有しており、こ
の点において、走査型容量顕微鏡としての感度が最大と
なる。
る。まず最初に、図２を用いて本発明における共振特性
計測機構について説明する。図２（ａ）は発振回路、共
振回路、検波回路からなる静電容量測定機構の概略図で
ある。発振回路で発生した高周波信号は共振回路を経て
検波回路へと伝わり、高周波信号の振幅がピーク検波さ
れる。図２（ｂ）は共振回路の共振特性を示しており、
横軸は高周波の周波数、縦軸はピーク検波される高周波
の振幅である。検波回路に伝わる高周波の振幅は高周波
の周波数が共振回路の共振周波数（ωｒ）に一致したと
きに最大であり、高周波の周波数が共振周波数からずれ
るに従って小さくなる。例えば発振周波数をωｏとする
と、図２（ｂ）中に示したωｏにおいて共振特性のカー
ブは右下がりの傾きを有しており、共振回路中のキャパ
シタンスの増加により共振周波数および共振特性のカー
ブが左（低周波）側にシフトし検波される振幅は小さく
なる。一方、発振周波数（ωｏ）が共振周波数（ωｒ）
よりも左側にあるときにはキャパシタンスの増加により
検波される振幅が逆に大きくなる。また、キャパシタン
ス変化を検出する感度は共振特性のカーブの傾きが急な
ところほど高くなる。図２（ｃ）は、図２（ｂ）の共振
特性を有する共振回路中の可変容量ダイオードに、交流
電圧を印加したときにロックインアンプにより検出され
る前記交流電圧の周波数における容量変化の様子（ｄＣ
／ｄＶ）を示しているが、これはすなわち、図２（ｂ）
の微分値の絶対値を示している。ロックインアンプで検
出される容量変化は図２（ｂ）において共振特性のカー
ブの傾きの大きいところほど大きな値を有しており、こ
の点において、走査型容量顕微鏡としての感度が最大と
なる。
【０００７】次に上述の現象を利用した本発明の実施の
形態を説明する。本発明の実施の形態である走査型容量
顕微鏡を図１に示す。なお、本発明は本実施例に限られ
るものではない。本発明の実施の形態である走査型静電
容量顕微鏡は、カンチレバー１とカンチレバーホルダー
２と導線３とキャパシタンスセンサー４と試料５と試料
ホルダー６とチューブ型ピエゾ素子７と半導体レーザー
８と２分割光検出器９とインターフェースボックス１０
とロックインアンプ１１とピエゾ駆動電源１２とコンピ
ュータ１３とＣＲＴ１４とからなる。
形態を説明する。本発明の実施の形態である走査型容量
顕微鏡を図１に示す。なお、本発明は本実施例に限られ
るものではない。本発明の実施の形態である走査型静電
容量顕微鏡は、カンチレバー１とカンチレバーホルダー
２と導線３とキャパシタンスセンサー４と試料５と試料
ホルダー６とチューブ型ピエゾ素子７と半導体レーザー
８と２分割光検出器９とインターフェースボックス１０
とロックインアンプ１１とピエゾ駆動電源１２とコンピ
ュータ１３とＣＲＴ１４とからなる。
【０００８】カンチレバー１は先端付近に探針を有する
シリコン製のカンチレバーにコバルトならびにクロムを
コートしたものであり、導線３によりキャパシタンスセ
ンサー４に電気的に接続されている。カンチレバーホル
ダー２は浮遊容量の低減のため絶縁物であるポリカーボ
ネートからなるが、セラミック等の他の絶縁物で作って
もよい。試料５はシリコン基板であり、表面は酸化膜で
覆われており裏面にはアルミニウムの電極が形成されて
いる。試料５は導電性ペーストによりアルミニウム製の
試料ホルダー６に取り付けられており、さらに試料ホル
ダー６は試料５をカンチレバー１に対して走査させるた
めのチューブ型ピエゾ素子７に取り付けられている。カ
ンチレバー１の撓みは半導体レーザー８および２分割光
検出器９を用いて光てこ法により検出する。試料５は、
ピエゾ駆動電源１２にチューブ型ピエゾ素子７に電圧を
印加することによりカンチレバー１に対して走査させる
が、２分割光検出器９の信号によりカンチレバー１の撓
みが一定になるようにチューブ型ピエゾ素子７にフィー
ドバック電圧を印加する。このとき得られる試料５の表
面形状の情報は静電容量の情報とともにコンピュータ１
３に取り込まれる。
シリコン製のカンチレバーにコバルトならびにクロムを
コートしたものであり、導線３によりキャパシタンスセ
ンサー４に電気的に接続されている。カンチレバーホル
ダー２は浮遊容量の低減のため絶縁物であるポリカーボ
ネートからなるが、セラミック等の他の絶縁物で作って
もよい。試料５はシリコン基板であり、表面は酸化膜で
覆われており裏面にはアルミニウムの電極が形成されて
いる。試料５は導電性ペーストによりアルミニウム製の
試料ホルダー６に取り付けられており、さらに試料ホル
ダー６は試料５をカンチレバー１に対して走査させるた
めのチューブ型ピエゾ素子７に取り付けられている。カ
ンチレバー１の撓みは半導体レーザー８および２分割光
検出器９を用いて光てこ法により検出する。試料５は、
ピエゾ駆動電源１２にチューブ型ピエゾ素子７に電圧を
印加することによりカンチレバー１に対して走査させる
が、２分割光検出器９の信号によりカンチレバー１の撓
みが一定になるようにチューブ型ピエゾ素子７にフィー
ドバック電圧を印加する。このとき得られる試料５の表
面形状の情報は静電容量の情報とともにコンピュータ１
３に取り込まれる。
【０００９】静電容量の計測は、直流バイアスならびに
〜１００ｋＨｚのモジュレーション電圧を発振器を内蔵
するロックインアンプ１１よりインターフェースボック
ス１０および試料ホルダー６を介して試料５に印加し、
アース電位のカンチレバー１との間の電圧により試料５
中に形成される空乏層の厚みの変化に伴う探針試料間の
モジュレーション周波数での静電容量変化をキャパシタ
ンスセンサー４ならびにロックインアンプ１１により検
出する。このロックインアンプ１１は、〜１０0ｋＨｚ
の交流電圧出力ならびに４つの−１０．５Ｖ〜＋１０．
５Ｖの直流出力を有している。また、ロックインアンプ
１１は２相ロックインアンプであり、２つの信号出力を
有しており、チャンネル１（ＣＨ１）には、Ｘもしくは
振幅（Ｒ）を、そしてチャンネル２（ＣＨ２）には、Ｙ
もしくは位相を選択することができる。なお、本発明者
は、ロックインアンプ１１としてここではStanford Res
each Systems社のModel SR830 DSP Lock-in amplifier
を用いたがこれに限定されるものではない。
〜１００ｋＨｚのモジュレーション電圧を発振器を内蔵
するロックインアンプ１１よりインターフェースボック
ス１０および試料ホルダー６を介して試料５に印加し、
アース電位のカンチレバー１との間の電圧により試料５
中に形成される空乏層の厚みの変化に伴う探針試料間の
モジュレーション周波数での静電容量変化をキャパシタ
ンスセンサー４ならびにロックインアンプ１１により検
出する。このロックインアンプ１１は、〜１０0ｋＨｚ
の交流電圧出力ならびに４つの−１０．５Ｖ〜＋１０．
５Ｖの直流出力を有している。また、ロックインアンプ
１１は２相ロックインアンプであり、２つの信号出力を
有しており、チャンネル１（ＣＨ１）には、Ｘもしくは
振幅（Ｒ）を、そしてチャンネル２（ＣＨ２）には、Ｙ
もしくは位相を選択することができる。なお、本発明者
は、ロックインアンプ１１としてここではStanford Res
each Systems社のModel SR830 DSP Lock-in amplifier
を用いたがこれに限定されるものではない。
【００１０】次に図３により、キャパシタンスセンサー
４と試料５とインターフェースボックス１０とロックイ
ンアンプ１１との間の信号の往来を説明する。キャパシ
タンスセンサー４は発振回路中に可変容量ダイオードを
有しており、発振周波数を外部電圧により変化させる機
能を有している。なお、この技術は、本出願人が出願し
た未公開の技術である特願平９−１０１６６５号に詳細
に記載されている。発振回路中の可変容量ダイオード
は、外部回路からプラスの電圧をかけたときに空乏層が
生じるように取り付けられている。このため、本実施例
においては、ロックインアンプ１１の直流出力１からの
電圧にインターフェースボックスにおいて＋１０Ｖを加
えた電圧を可変容量ダイオードに対して印加する。キャ
パシタンスセンサー４は共振回路を例えば、図４に示さ
れるような回路構成を有しており、外部電圧を共振回路
中の可変容量ダイオードに印加することが可能である。
共振回路中の可変容量ダイオードは、外部回路からプラ
スの電圧をかけたときに空乏層が生じるように取り付け
られているため、ロックインアンプ１１の直流出力２か
らの電圧にインターフェースボックスにおいて＋１０Ｖ
を加えた電圧を可変容量ダイオードに対して印加する。
また、インターフェースボックス１１中のスイッチの切
り替えによりにより共振回路中の可変容量ダイオードに
対して直流電圧とともに交流電圧を印加することも可能
である。ここで、スイッチは、ロックインアンプ１１か
らの交流電圧出力を共振回路もしくは試料のいずれかに
印加するかを選択する機能を有している。ここで、試料
に対しては直流電圧出力３と交流電圧出力を加えた電圧
を印加することが出来る。また、キャパシタンスセンサ
ー４の信号出力は、インターフェースボックス１０を介
してロックインアンプ１１の信号入力端子に接続されて
いる。
４と試料５とインターフェースボックス１０とロックイ
ンアンプ１１との間の信号の往来を説明する。キャパシ
タンスセンサー４は発振回路中に可変容量ダイオードを
有しており、発振周波数を外部電圧により変化させる機
能を有している。なお、この技術は、本出願人が出願し
た未公開の技術である特願平９−１０１６６５号に詳細
に記載されている。発振回路中の可変容量ダイオード
は、外部回路からプラスの電圧をかけたときに空乏層が
生じるように取り付けられている。このため、本実施例
においては、ロックインアンプ１１の直流出力１からの
電圧にインターフェースボックスにおいて＋１０Ｖを加
えた電圧を可変容量ダイオードに対して印加する。キャ
パシタンスセンサー４は共振回路を例えば、図４に示さ
れるような回路構成を有しており、外部電圧を共振回路
中の可変容量ダイオードに印加することが可能である。
共振回路中の可変容量ダイオードは、外部回路からプラ
スの電圧をかけたときに空乏層が生じるように取り付け
られているため、ロックインアンプ１１の直流出力２か
らの電圧にインターフェースボックスにおいて＋１０Ｖ
を加えた電圧を可変容量ダイオードに対して印加する。
また、インターフェースボックス１１中のスイッチの切
り替えによりにより共振回路中の可変容量ダイオードに
対して直流電圧とともに交流電圧を印加することも可能
である。ここで、スイッチは、ロックインアンプ１１か
らの交流電圧出力を共振回路もしくは試料のいずれかに
印加するかを選択する機能を有している。ここで、試料
に対しては直流電圧出力３と交流電圧出力を加えた電圧
を印加することが出来る。また、キャパシタンスセンサ
ー４の信号出力は、インターフェースボックス１０を介
してロックインアンプ１１の信号入力端子に接続されて
いる。
【００１１】ところで、キャパシタンスセンサー４は、
図２（ａ）により説明した回路構成を有すしている。キ
ャパシタンスセンサー４内の共振回路は導線３ならびに
カンチレバー１に接続されており、カンチレバー１と周
囲との浮遊容量により共振回路の共振周波数が変化す
る。このため、共振周波数および共振特性を計測し、そ
の共振特性に対応させて発振周波数を決定する必要があ
る。以下に、最適な測定条件を得るための発振周波数な
らびに共振回路特性のチューニング過程について説明す
る。 （チューニング方法１）試料５に交流電圧を印加した状
態でカンチレバー１の探針と試料５とを近接させる。こ
のとき、試料５とカンチレバー１との間の浮遊容量を通
じて、試料に印加した交流電圧の一部が図４に示される
ような共振回路に流れ込む。この共振回路は、コンデン
サ４１、抵抗体４２、抵抗体４３、可変容量ダイオード
４４，ストリップライン４５を備えている。ところで、
この電圧の一部は可変容量ダイオード４４（１Ｔ３６
５）の両端に印加され容量変化を生じさせる。このと
き、共振回路中の可変容量ダイオード４４に対して、例
えば＋５Ｖを印加しておく。また、図４に示したコンデ
ンサ４１としては１０ｐＦのコンデンサーを用いている
が、これに限定されるものではない。
図２（ａ）により説明した回路構成を有すしている。キ
ャパシタンスセンサー４内の共振回路は導線３ならびに
カンチレバー１に接続されており、カンチレバー１と周
囲との浮遊容量により共振回路の共振周波数が変化す
る。このため、共振周波数および共振特性を計測し、そ
の共振特性に対応させて発振周波数を決定する必要があ
る。以下に、最適な測定条件を得るための発振周波数な
らびに共振回路特性のチューニング過程について説明す
る。 （チューニング方法１）試料５に交流電圧を印加した状
態でカンチレバー１の探針と試料５とを近接させる。こ
のとき、試料５とカンチレバー１との間の浮遊容量を通
じて、試料に印加した交流電圧の一部が図４に示される
ような共振回路に流れ込む。この共振回路は、コンデン
サ４１、抵抗体４２、抵抗体４３、可変容量ダイオード
４４，ストリップライン４５を備えている。ところで、
この電圧の一部は可変容量ダイオード４４（１Ｔ３６
５）の両端に印加され容量変化を生じさせる。このと
き、共振回路中の可変容量ダイオード４４に対して、例
えば＋５Ｖを印加しておく。また、図４に示したコンデ
ンサ４１としては１０ｐＦのコンデンサーを用いている
が、これに限定されるものではない。
【００１２】発振回路中の可変容量ダイオードに加える
電圧により発振周波数をスイープさせ、その時ロックイ
ンアンプ１１のＣＨ１において、共振回路中の可変容量
ダイオード４４の容量変化に伴うキャパシタンスセンサ
ー４の信号（ｄＣ／ｄＶ）を例えば振幅Ｒにより、すな
わち ｜ｄＣ／ｄＶ｜を、モニターする。｜ｄＣ／ｄＶ
｜信号の大きい発振周波数を選択し、探針と試料５とを
接触させて試料５の測定を行う。コンピュータ１３に
は、ＣＨ２の出力を取り込むが、ＣＨ２においては探針
試料間の容量変化による信号が最大となるように位相の
調節をおこなう。
電圧により発振周波数をスイープさせ、その時ロックイ
ンアンプ１１のＣＨ１において、共振回路中の可変容量
ダイオード４４の容量変化に伴うキャパシタンスセンサ
ー４の信号（ｄＣ／ｄＶ）を例えば振幅Ｒにより、すな
わち ｜ｄＣ／ｄＶ｜を、モニターする。｜ｄＣ／ｄＶ
｜信号の大きい発振周波数を選択し、探針と試料５とを
接触させて試料５の測定を行う。コンピュータ１３に
は、ＣＨ２の出力を取り込むが、ＣＨ２においては探針
試料間の容量変化による信号が最大となるように位相の
調節をおこなう。
【００１３】なお、探針を試料５に接触させた状態でチ
ューニングを行うことも可能である。 （チューニング方法２）チューニング方法１と同様に、
試料５に交流電圧を印加した状態でカンチレバー１の探
針と試料５とを近接させる。ただし、共振回路中の可変
容量ダイオード４４に対して、印加電圧変化に対する容
量変化量の大きな電圧、例えば、＋１Ｖを印加してお
く。
ューニングを行うことも可能である。 （チューニング方法２）チューニング方法１と同様に、
試料５に交流電圧を印加した状態でカンチレバー１の探
針と試料５とを近接させる。ただし、共振回路中の可変
容量ダイオード４４に対して、印加電圧変化に対する容
量変化量の大きな電圧、例えば、＋１Ｖを印加してお
く。
【００１４】この状態で、発振回路中の可変容量ダイオ
ードに加える電圧により発振周波数をスイープさせ、そ
の時ロックインアンプ１１のＣＨ１において、共振回路
中の可変容量ダイオードの容量変化に伴うキャパシタン
スセンサー４の信号（ｄＣ／ｄＶ）を例えば振幅Ｒによ
り、すなわち ｜ｄＣ／ｄＶ｜を、モニターする。発振
周波数チューニングの電圧を｜ｄＣ／ｄＶ｜のピークの
電圧よりも例えば１〜２Ｖ程度高く、すなわち発振周波
数を高く設定する。
ードに加える電圧により発振周波数をスイープさせ、そ
の時ロックインアンプ１１のＣＨ１において、共振回路
中の可変容量ダイオードの容量変化に伴うキャパシタン
スセンサー４の信号（ｄＣ／ｄＶ）を例えば振幅Ｒによ
り、すなわち ｜ｄＣ／ｄＶ｜を、モニターする。発振
周波数チューニングの電圧を｜ｄＣ／ｄＶ｜のピークの
電圧よりも例えば１〜２Ｖ程度高く、すなわち発振周波
数を高く設定する。
【００１５】共振回路中の可変容量ダイオード４４に印
加する電圧を増加させる、すなわち共振回路の共振周波
数を増加させることにより発振周波数におけるキャパシ
タンス変化検出の感度を増加させる。本チューニング方
法においては、試料測定中の共振回路中の可変容量ダイ
オード４４の容量変化に伴うオフセット信号を小さく抑
えることが可能となる。 （チューニング方法３）カンチレバー１の探針と試料５
とを近接させた状態で、図３に示されるスイッチにより
共振回路中の可変容量ダイオード４４に対して例えば、
１００ｋＨｚ、５００ｍＶｐ−ｐの交流電圧ならびに＋
５Ｖの直流電圧を印加する。
加する電圧を増加させる、すなわち共振回路の共振周波
数を増加させることにより発振周波数におけるキャパシ
タンス変化検出の感度を増加させる。本チューニング方
法においては、試料測定中の共振回路中の可変容量ダイ
オード４４の容量変化に伴うオフセット信号を小さく抑
えることが可能となる。 （チューニング方法３）カンチレバー１の探針と試料５
とを近接させた状態で、図３に示されるスイッチにより
共振回路中の可変容量ダイオード４４に対して例えば、
１００ｋＨｚ、５００ｍＶｐ−ｐの交流電圧ならびに＋
５Ｖの直流電圧を印加する。
【００１６】この状態で、発振回路中の可変容量ダイオ
ードに加える電圧により発振周波数をスイープさせ、そ
の時ロックインアンプ１１のＣＨ１において、共振回路
中の可変容量ダイオード４４の容量変化に伴うキャパシ
タンスセンサー４の信号（ｄＣ／ｄＶ）を例えば振幅Ｒ
により、すなわち ｜ｄＣ／ｄＶ｜を、モニターする。
ードに加える電圧により発振周波数をスイープさせ、そ
の時ロックインアンプ１１のＣＨ１において、共振回路
中の可変容量ダイオード４４の容量変化に伴うキャパシ
タンスセンサー４の信号（ｄＣ／ｄＶ）を例えば振幅Ｒ
により、すなわち ｜ｄＣ／ｄＶ｜を、モニターする。
【００１７】｜ｄＣ／ｄＶ｜信号の大きい発振周波数を
選択し、図３中に示されるスイッチにより試料に交流電
圧を印加するとともに、探針と試料５とを接触させて試
料５の測定を行う。本チューニング方法においては共振
回路中の可変容量コンデンサ４４に大きな交流電圧を印
加することにより容量変化を大きくできるため、図４中
のコンデンサＣ１として例えば２ｐＦと小さいものを選
択してもチューニングに充分な｜ｄＣ／ｄＶ｜を得るこ
とが出来る。このため、測定中において共振回路中の可
変容量ダイオード４４の容量変化によるオフセット信号
を小さくすることが可能となる。
選択し、図３中に示されるスイッチにより試料に交流電
圧を印加するとともに、探針と試料５とを接触させて試
料５の測定を行う。本チューニング方法においては共振
回路中の可変容量コンデンサ４４に大きな交流電圧を印
加することにより容量変化を大きくできるため、図４中
のコンデンサＣ１として例えば２ｐＦと小さいものを選
択してもチューニングに充分な｜ｄＣ／ｄＶ｜を得るこ
とが出来る。このため、測定中において共振回路中の可
変容量ダイオード４４の容量変化によるオフセット信号
を小さくすることが可能となる。
【００１８】また、可変容量ダイオード４４に加えた電
圧と発振周波数の関係は予めスペクトラムアナライザー
を用いて校正しておく。
圧と発振周波数の関係は予めスペクトラムアナライザー
を用いて校正しておく。
【００１９】
【発明考案の効果】本発明により、キャパシタンスセン
サーの共振回路の共振特性を効率よく測定し、共振特性
に対応させて発振周波数を設定する機能が提供される。
サーの共振回路の共振特性を効率よく測定し、共振特性
に対応させて発振周波数を設定する機能が提供される。
【図１】は、本発明の走査型静電容量顕微鏡の概略図で
ある。
ある。
【図２】は、キャパシタンスセンサーならびに共振特性
計測機能の原理を説明するための概略図である。
計測機能の原理を説明するための概略図である。
【図３】は、本実施例の回路構成を説明するための概略
図である。
図である。
【図４】は、本実施例の共振回路の回路構成の概略図で
ある。
ある。
【符号の説明】 １・・・カンチレバー ２・・・カンチレバーホルダー ３・・・導線 ４・・・キャパシタンスセンサー ５・・・試料 ６・・・試料ホルダー ７・・・チューブ型ピエゾ素子 ８・・・半導体レーザー ９・・・２分割光検出器 １０・・インターフェースボックス １１・・ロックインアンプ １２・・ピエゾ駆動電源 １３・・コンピュータ １４・・ＣＲＴ ４１・・コンデンサ ４２，４３・・・抵抗体 ４４・・可変容量ダイオード ４５・・ストリップライン
Claims (7)
- 【請求項１】発振回路と共振回路と検波回路からなるキ
ャパシタンスセンサーを有する走査型静電容量顕微鏡に
おいて、共振回路中の可変容量ダイオードの容量変化に
よる共振回路特性の変化を読みとる手段と、測定感度が
最適となるように、発振回路の発振周波数もしくは共振
回路の共振周波数を調整する手段を有することを特徴と
する走査型静電容量顕微鏡 - 【請求項２】請求項１において、共振回路中の可変容量
ダイオードに空乏層を生じさせる方向のバイアス電圧を
印加しておき、試料に印加する交流のモジュレーション
電圧が、試料とカンチレバーとの間の浮遊容量により共
振回路に流れこむことによる可変容量ダイオード容量の
モジュレーション電圧周波数での変化量をロックインア
ンプにより検出することを特徴とする走査型静電容量顕
微鏡。 - 【請求項３】請求項１において、外部電源により共振回
路中の可変容量ダイオードに空乏層を生じさせる方向の
バイアス電圧ならびに交流電圧を印加し、前記交流電圧
による前記可変容量コンデンサーの容量変化をロックイ
ンアンプにより検出することを特徴とする走査型静電容
量顕微鏡。 - 【請求項４】請求項２および３において、発振周波数を
スイープさせながらロックインアンプの出力を取り込む
ことにより、発振周波数に対する可変容量ダイオードの
容量変化の信号変化をモニター上に表示し、それにより
最適な発振周波数を選択出来る機能を有することを特徴
とする走査型静電容量顕微鏡。 - 【請求項５】請求項３において、交流電圧を共振回路も
しくは試料に印加する切り替え手段を有することを特徴
とする走査型静電容量顕微鏡。 - 【請求項６】請求項２および３において、ロックインア
ンプとして２チャンネルを有するものを用い、１つのチ
ャンネルにおいて信号の振幅値を検出するとともに、も
う１つのチャンネルにおいて位相を調節することによ
り、探針試料間の容量変化による信号成分を検出するこ
とを特徴とする走査型容量顕微鏡。 - 【請求項７】請求項２および３において、可変容量ダイ
オードの容量がバイアス電圧に対して大きく変化するバ
イアス電圧を可変容量ダイオードに印加した状態で共振
回路特性を測定した後、容量のバイアス電圧に対する変
化量の小さいバイアス電圧を印加して試料の計測を行う
ことを特徴とする走査型静電容量顕微鏡。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9186663A JPH1130622A (ja) | 1997-07-11 | 1997-07-11 | 走査型静電容量顕微鏡 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9186663A JPH1130622A (ja) | 1997-07-11 | 1997-07-11 | 走査型静電容量顕微鏡 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1130622A true JPH1130622A (ja) | 1999-02-02 |
Family
ID=16192504
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9186663A Pending JPH1130622A (ja) | 1997-07-11 | 1997-07-11 | 走査型静電容量顕微鏡 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH1130622A (ja) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002323432A (ja) * | 2001-02-26 | 2002-11-08 | Seiko Instruments Inc | 走査型非線形誘電率顕微鏡を応用した超高感度変位計測方式 |
| JP2002323431A (ja) * | 2001-02-26 | 2002-11-08 | Seiko Instruments Inc | 高次非線形誘電率を計測する走査型非線形誘電率顕微鏡 |
| US7145325B2 (en) | 2004-05-20 | 2006-12-05 | Hitachi-Omron Terminal Solutions, Corp. | Displacement detection apparatus and displacement detection method |
| KR100721586B1 (ko) | 2005-07-12 | 2007-05-23 | 파크시스템스 주식회사 | 주사 정전용량 현미경, 그 구동방법 및 이를 수행하기 위한프로그램이 기록된 기록매체 |
| JP2008046138A (ja) * | 2001-09-10 | 2008-02-28 | Pioneer Electronic Corp | 誘電率測定装置、誘電体測定方法、及び情報記録・再生装置 |
| JP2011075571A (ja) * | 2001-02-26 | 2011-04-14 | Sii Nanotechnology Inc | 走査型非線形誘電率顕微鏡を応用した超高感度変位計測方式 |
| JP2012184959A (ja) * | 2011-03-03 | 2012-09-27 | Sii Nanotechnology Inc | 変位検出機構およびそれを用いた走査型プローブ顕微鏡 |
| JP2015172597A (ja) * | 2015-06-02 | 2015-10-01 | 株式会社日立ハイテクサイエンス | 変位検出機構およびそれを用いた走査型プローブ顕微鏡 |
| CN110938534A (zh) * | 2019-11-20 | 2020-03-31 | 东南大学 | 一种无源无线细胞分选系统 |
-
1997
- 1997-07-11 JP JP9186663A patent/JPH1130622A/ja active Pending
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002323432A (ja) * | 2001-02-26 | 2002-11-08 | Seiko Instruments Inc | 走査型非線形誘電率顕微鏡を応用した超高感度変位計測方式 |
| JP2002323431A (ja) * | 2001-02-26 | 2002-11-08 | Seiko Instruments Inc | 高次非線形誘電率を計測する走査型非線形誘電率顕微鏡 |
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| JP4693270B2 (ja) * | 2001-02-26 | 2011-06-01 | エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社 | 高次非線形誘電率を計測する走査型非線形誘電率顕微鏡 |
| JP2008046138A (ja) * | 2001-09-10 | 2008-02-28 | Pioneer Electronic Corp | 誘電率測定装置、誘電体測定方法、及び情報記録・再生装置 |
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| US8869311B2 (en) | 2011-03-03 | 2014-10-21 | Sii Nanotechnology Inc. | Displacement detection mechanism and scanning probe microscope using the same |
| JP2015172597A (ja) * | 2015-06-02 | 2015-10-01 | 株式会社日立ハイテクサイエンス | 変位検出機構およびそれを用いた走査型プローブ顕微鏡 |
| CN110938534A (zh) * | 2019-11-20 | 2020-03-31 | 东南大学 | 一种无源无线细胞分选系统 |
| CN110938534B (zh) * | 2019-11-20 | 2022-07-29 | 东南大学 | 一种无源无线细胞分选系统 |
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