JPH0868802A - 複合顕微鏡の導電性カンチレバ−とホルダ− - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 原子間力顕微鏡と静電容量顕微鏡を合体した
顕微鏡を作ろうとすると、センサ部分に導電性のカンチ
レバ−を必要とする。カンチレバ−の先端下部に探針を
設け、探針と試料との間の静電容量を検出する。しかし
カンチレバ−の全体、ホルダ−の全体を金属にすると、
これらと試料の間の静電容量が大きくなり、探針と試料
の間の容量変化を検出することができない。探針・試料
間の容量変化を正確に測定できるようにすることが目的
である。 【構成】 ホルダ−の全体を絶縁体で作り一部に金属線
を形成する。ホルダ−と試料間の容量が減少する。金属
製のカンチレバ−に穴を穿ち面積を減らす。縦穴や三角
形のカンチレバ−の形状に対応した穴を穿つ。或いは絶
縁性のカンチレバ−に細い金属線を蒸着する。これによ
りカンチレバ−の容量を減らすことができる。カンチレ
バ−やホルダ−と試料間の容量が少なくなるので、探針
と試料間の容量の変化を検知することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は複合顕微鏡のセンサ部と
して利用される導電性のカンチレバ−、ホルダ−に関す
る。ここで複合顕微鏡というのは、次の３種類の顕微鏡
を合体したものである。走査型トンネル顕微鏡（ＳＴ
Ｍ）、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、走査型静電容量顕微
鏡（ＳＣａＭ）の３種類である。これら３つの顕微鏡の
機能を結合し、１台の顕微鏡により、試料のさまざまな
性質、特性を調べる事ができるようにしたものである。
しかし本発明で直接に関係するのは、原子間力顕微鏡と
静電容量顕微鏡の二つである。

【０００２】走査型トンネル顕微鏡は、尖った探針を試
料に数ｎｍの程度に近づけ、試料と探針の間に電圧を印
加し、試料と探針の間に流れるトンネル電流を測定し、
試料表面の微細な形状や、電子状態を観測する。電流を
一定値に保持するようにすれば、試料表面の凹凸の状態
を原子レベルで観察する事ができる。検出部は、探針で
ある。鋭く短い金属の針である。たわむ事はない。探針
は圧電素子に取り付けられており、上下（Ｚ方向）、水
平方向（ＸＹ）に動く事ができる。試料と探針の間隔
は，０．５ｎｍ〜１．５ｎｍの程度である。トンネル電
流は数ｎＡの程度である。試料を相対移動させて、試料
表面の形状を調べるので走査型というのである。

【０００３】走査型静電容量顕微鏡は、導電性の探針を
試料に接近させ、探針と試料表面の電荷との間で形成さ
れる静電容量を測定し、試料表面の静電容量分布を検出
するものである。これもセンサ部は、金属の短い探針で
ある。撓む必要はない。試料面に垂直に電流を流す事が
できるから、探針の他の部分と、試料の間に生ずる静電
容量は小さくする事ができる。原理図を図２に示す。

【０００４】原子間力顕微鏡は、絶縁性の撓み易い部材
を試料に接近させ、この部材と試料原子の間に働く原子
間力による部材の撓みを、光学的或いは静電的に検出す
るものである。片持ちばりであり、よく撓むので、この
部材をカンチレバーと呼ぶ。カンチレバーは絶縁性で撓
み易いのが条件である。Ｓｉ₃ Ｎ₄ 、Ｓｉ０₂ 、Ｓｉ等
のヤング率の低い材料の薄膜を用いる。カンチレバー
は、板バネとも、バネともいう人がいる。探針を試料表
面に接近させると、試料原子とカンチレバーの先に力が
生じるのでこの力を測定する。電気的な機構を用いない
ので、カンチレバーは絶縁性でよいのである。カンチレ
バーの撓みは、レ−ザ光を当てて反射する光の変位を受
光素子によって検出して求める。原理図を図１に示す。

【０００５】

【従来の技術】これら３つの顕微鏡は、別々の目的と構
造を持つものである。本発明者はこれらの三者を一体に
結合した複合顕微鏡を提案している。この場合、試料に
対向し試料の状態を検知するものは、探針とカンチレバ
ーの２種類がある。複合顕微鏡とするには、両者の性質
を兼ね備える必要がある。そこで本発明者は、カンチレ
バーの先に短い探針を取り付けた構造のものをセンサに
採用する事にした。原子間力顕微鏡は電気的な測定でな
く、部材の撓みを検出すれば良いのである。これは光学
的に検出する。ところが静電容量と、トンネル電流の場
合は、いずれも電気的な信号を必要とする。静電容量を
測定するには、高周波電圧を印加して探針、試料間の容
量を検出する。トンネル電流の場合は、探針と試料の間
に直流電圧を印加して僅かなトンネル電流を測定する。

【０００６】印加する電圧の形態が違うので、同じ探針
を同時にふたつの目的に使うことができない。そこで、
切り替えスイッチを用いて、高周波電圧と、直流電圧を
択一的に印加するようにした。本発明者は、このように
３つの顕微鏡機能を合体することに鋭意努力した。もう
ひとつの問題は、板バネつまりカンチレバ−である。原
子間力顕微鏡に用いるカンチレバ−は絶縁体であり、ヤ
ング率の低い撓みやすい材料を選びやすい。しかしトン
ネル顕微鏡、静電容量顕微鏡とする場合は、カンチレバ
−の他に探針を設けるということができないので、カン
チレバ−の先に探針を付けることになる。

【０００７】探針からの電流を導くためにカンチレバ−
自体が導電性のものでなければならなくなる。従来のよ
うに絶縁物によりカンチレバ−を作るという訳にはゆか
ない。この問題は、原子間力顕微鏡と静電容量顕微鏡を
結合することによって生ずる問題である。トンネル顕微
鏡を欠いた２種類の複合顕微鏡において導電性のカンチ
レバ−が必要になる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】導電性のカンチレバ−
というものはこれまでになかったものである。静電容量
顕微鏡を原子間力顕微鏡に結合するために必要性が発生
したのである。しかし単に絶縁体を金属にすればよいと
いうようなものでないことが分かってきた。カンチレバ
−は長い棒状の部材であるが、これを金属にすると、カ
ンチレバ−と試料の間にも静電容量Ｃ₂ が発生する。探
針と試料の間の静電容量Ｃ₁ の変化を正確に捕らえる必
要がある。試料と探針の距離が短く、試料の電荷分布状
態が変化した時に、大きく容量が変化するのは、探針・
試料間のＣ₁ である。試料・カンチレバ−間の容量Ｃ₂
は試料の電荷分布によってあまり変動しない。ところが
カンチレバ−と、試料の間に高周波を印加し容量測定す
る時に、容量の多くはＣ₂ から来る。これは信号Ｃ₁ に
対するノイズとなる。

【０００９】本発明者が作成した、原子間力静電容量顕
微鏡において、印加電圧を変えて半導体の空乏層の厚み
の電圧に対する変化を測定したが、−１０Ｖ〜＋１０Ｖ
の印加電圧の範囲で容量の変化を観測することができな
かった。これはどうしてか？本発明者はカンチレバ−・
試料間の容量Ｃ₂ が大きすぎて、探針・試料間の容量Ｃ
₁ の変化を覆い隠しているのであろうと考える。印加す
る電圧が変動すると、空乏層が増えたり、減ったりす
る。空乏層が広がると、探針・試料間の容量Ｃ₁が減る
はずである。しかしカンチレバ−・試料間の容量Ｃ₂ が
大きいために、信号の変動が分からないのであると考え
る。

【００１０】カンチレバ−・試料間の静電容量は、導電
性のカンチレバ−を採用することにより初めて発生した
ものである。カンチレバ−＋探針により、原子間力顕微
鏡と、静電容量顕微鏡、トンネル顕微鏡のセンサとする
ところから、カンチレバ−を導電性にしなければならな
い。導電性のカンチレバ−はこれにより初めて登場した
訳である。従来、静電容量顕微鏡の場合は小さい探針の
みに高周波電圧を印加していたので、その他の部分と試
料の間の容量は問題にならなかった。しかしカンチレバ
−のように面積の広いものを探針の上に取り付けると、
カンチレバ−と試料間の静電容量が問題になる。

【００１１】それでは探針・試料間、カンチレバ−・試
料間の容量がどのぐらいであるのかを評価する。探針の
下方は半球状であると仮定する。そこで図３のように、
球体（導体球）と無限に広がる導体面（大地）との間の
容量を計算する。半球の場合電荷が分布するのは下半分
であるから、球が存在するとしても同じことである。図
３において、球の半径をｒ、球の下端と導体面の距離を
ｓ、球の中心と導体面の距離をｄとする（ｄ＝ｓ＋
ｒ）。導体面をＸＺ面とする。これに直角の方向がＹ軸
である。球の中心の座標は（０，ｄ，０）である。この
球に＋Ｑの電荷があるとする。導体面を電位０にするた
めに、鏡像球を考える。（０，−ｄ，０）の位置に−Ｑ
の電荷の鏡像球がある。球を結ぶ線状の点Ｐ（０，ｙ，
０）での電界強度Ｅは、（ε₀ は真空の誘電率）

【００１２】 Ｅ＝Ｑ（４πε₀ ）^-1｛（ｄ−ｙ）^-2＋（ｄ＋ｙ）^-2｝ （１） である。これをｙによって０〜ｓまで積分したものが電
圧Ｖである。

【００１３】 Ｖ＝∫Ｅｄｙ＝Ｑ（２πε₀ ）^-1｛ｒ（２ｓ＋ｒ）｝^-1ｓ（２） となる。コンデンサとしての容量Ｃ₁ は、

【００１４】 Ｃ₁ ＝（２πε₀ ）｛ｒ（２ｓ＋ｒ）｝ｓ^-1 （３） となる。これは探針と試料（導体面）との間の、静電容
量である。

【００１５】一例を考える。探針の先が試料と距離ｓ＝
５ｎｍ離れており、探針の先端の曲率半径ｒが０．５μ
ｍであるとする。これを（３）に代入すると、Ｃ₁ ＝
２．８ｆＦである。きわめて小さい値である。次に図４
により、カンチレバ−と試料（導体面）との間の容量に
ついて考える。間隔ｄ、面積Ｓの平行平板電極の容量
は、εＳ／ｄである。無限に広がる導体面の上に距離ｄ
を隔てて存在する導体片（面積Ｓ）が、導体面との間に
作る容量は、同じようにεＳ／ｄである。カンチレバ−
の場合は傾斜しており、一方の端Ａは試料に極めて接近
しており、他方の（ホルダ−に支持される部分）端Ｂは
試料から遠い。斜めの導体が電荷＋Ｑを有する。試料面
をＸＺ面として鏡像を考える。鏡像は−Ｑの電荷を持
つ。

【００１６】実電極と鏡像電極の間に電気力線ができる
が、これは真っすぐではなくて円弧状に彎曲する。電極
（カンチレバ−）の導体面に一番近い端Ａでの面との距
離をｄとする。導体面（ＸＺ面）に対する電極の傾き角
をΘとする。電極の端Ａからの電極の任意の点Ｐまでの
距離をｌとする。これと導体面との円弧電気力線の長さ
は（ｄ＋ｌΘ）によって与えられる。電界Ｅは電気力線
に沿って一様であると仮定して、Ｅ（ｄ＋ｌΘ）が定数
ｃになる。また電極近傍の閉空間にガウスの定理を適用
して、Ｐ点での表面電荷ηは、η＝ε₀ Ｅである。全電
荷Ｑはηをｌにより０からＬまで積分したものに電極幅
ｗを掛けたものである。

【００１７】 Ｑ＝ｗ∫ηｄｌ＝ｃε₀ ｗ∫（ｄ＋ｌΘ）^-1ｄｌ＝ｃε₀ ｗΘ^-1ｌｏｇ｛（ｄ＋ ＬΘ）／ｄ｝（４） ｃ＝ＱΘ／［ｗε₀ ｌｏｇ｛（ｄ＋ＬΘ）／ｄ｝］（５）

【００１８】電圧Ｖは、電界ＥをＹ方向に積分したもの
である。 Ｖ＝−∫Ｅｄｙ＝ＱΘ／［ｗε₀ ｌｏｇ｛（ｄ＋ＬΘ）／ｄ｝］ （６）

【００１９】静電容量Ｃは、 Ｃ₂ ＝ｗε₀ ［ｌｏｇ｛（ｄ＋ＬΘ）／ｄ｝］／Θ （７） これはΘが０の極限でε₀ ｗＬ／ｄになり前記のような
ε₀ Ｓ／ｄに合致する。

【００２０】ｄはカンチレバ−と試料の距離であるが、
探針がほぼ試料に接触する程度に近いので、ｄは探針の
長さの程度である。一例を考える。カンチレバ−の長
さ、幅、傾き角、距離を次のように仮定する。Ｌ＝２．
０ｍｍ、ｗ＝０．３ｍｍ、Θ＝１０°、ｄ＝５．０μ
ｍ。するとＣ₂ ＝６４ｆＦとなる。

【００２１】カンチレバ−の方が大きいので、カンチレ
バ−の静電容量が、探針の容量よりもずっと大きい。こ
のために、試料と探針の間の容量が、カンチレバ−と試
料の間の信号に埋もれてしまう。であるから、探針と試
料の間にバイアス電圧を加えて、探針と試料間の容量を
変化させても、これが容量の変化として検出できない。
さらに、カンチレバ−は撓むので、撓みにより試料との
間の容量が変動する。撓みによるカンチレバ−の容量の
変動に信号が埋まるので、信号の変化を正確に捕らえる
ことができない。このような導電性カンチレバ−やホル
ダ−の静電容量を小さくして、探針と試料間の容量の変
化を検知できるようにするのが本発明の目的である。

【００２２】

【課題を解決するための手段】本発明は、ホルダ−の金
属部分の面積を減少させることにより、ホルダ−による
容量を減少させる。このためには、絶縁性のホルダ−の
一部に金属線を形成して導電線として用いる。さらにカ
ンチレバ−自体の金属部の面積を減らし、カンチレバ−
の容量を減らす。細長い金属のカンチレバ−に長手方向
に長い穴を開けるようにする。或は、三角形のカンチレ
バ−を採用し中心部を除去した形態にする。ホルダ−や
カンチレバ−の金属部分の面積を減らすことにより浮遊
容量を減少させる。探針による容量が相対的に増加する
ので、試料と探針間の容量の変化を感知することができ
るようになる。

【００２３】

【作用】ホルダ−やカンチレバ−による浮遊容量が減少
し、探針と試料間の容量が相対的に増加するので、Ｓ／
Ｎ比が増加する。静電容量顕微鏡として利用する場合、
試料表面の電荷分布、空乏層の厚みなどをより正確に求
めることができる。走査型トンネル顕微鏡、走査型静電
容量顕微鏡、原子間力顕微鏡の３様の機能を兼ね備える
複合顕微鏡としての機能を向上させることができる。

【００２４】

【実施例】カンチレバ−の導電体の部分の面積を減らす
ことにより、浮遊容量を減少させるというのが本発明の
要旨である。このために、例えば次のような改良が可能
である。

【００２５】 穴の開いた金属製のカンチレバ−（長
手方向に細い穴を開ける。図５に示す。丸穴をいくつも
開ける。） 三角形のカンチレバ−であり、中心部分に広い穴の
ある金属カンチレバ−（図６に示す）。 絶縁体の薄膜の上に細い導電線を形成する（図７に
示す）。 カンチレバ−が支持されているホルダ−に細い金属
線を設けて、ホルダ−の容量を減少させたもの。

【００２６】図５の例は、細長いカンチレバ−に縦方向
に溝を切ったことにより容量を減らすものである。短冊
状で先端部が尖っている。このカンチレバ−は金属箔を
切断したものである。前端の下面には探針（図示しな
い）が取り付けられる。後端はホルダ−２に固定され
る。ホルダ−の全体を金属にすると容量が増えるので、
絶縁体によりホルダ−を形成する。しかしそれだけでは
電気信号を伝えることができないので、ホルダ−２の上
面或いは下面に金属線をコ−トする。これは蒸着により
簡単に形成することができる。

【００２７】重要なことは、カンチレバ−１の長手方向
にストライプ状の穴（溝）４が形成されているというこ
とである。この縦溝のために、金属部分の面積が減る。
ためにカンチレバ−の試料との間の容量が減少する。原
子間力顕微鏡として利用するときは光をカンチレバ−に
当てて反射光のずれを観測する。この場合は、光が金属
箔カンチレバ−１の前端に当たるようにするので、溝の
存在が光の反射の障害にはならない。このような構造に
しても、カンチレバ−の剛性をある程度維持できなけれ
ばならない。この溝４は、エッチングにより形成するこ
とができる。溝４を切ることにより、カンチレバ−の容
量を１／３程度減らすことができる。

【００２８】図６の例は、金属を三角形状に切り、中を
切り除いたものである。例えばプレス裁断のような方法
により三角形状の穴を開ける。カンチレバ−６は三角枠
形状をなす。内部は穴７になっている。これの端部が絶
縁物のホルダ−８の前端に固着される。ホルダ−８には
細い金属線コ−ト９がある。電流は、金属線コ−ト９、
カンチレバ−６を伝って流れることができる。原子間力
顕微鏡とする時は、光１０をカンチレバ−６の前端部に
当てるので、穴７のために光が反射しないということは
ない。

【００２９】図７の例は、絶縁体のカンチレバ−１１の
一部に金属線１２を長手方向にコ−トしたものである。
ホルダ−１３には、一部に金属線が被覆されている。カ
ンチレバ−の前端は、全体が金属膜１５によって覆われ
る。金属線１４から、カンチレバ−の金属線１２、前端
金属膜１５に電流が流れる。探針１６は先端の金属膜の
下に固着される。

【００３０】

【発明の効果】本発明は、ホルダ−とカンチレバ−の金
属の部分の面積を狭くすることにより、試料とカンチレ
バ−、ホルダ−の間の静電容量を減らすことができる。
ために探針と試料間の静電容量変化が相対的に検知しや
すくなる。従って静電容量顕微鏡として用いる場合にＳ
／Ｎ比が高まる。

【００３１】全体を金属で作ったカンチレバ−、ホルダ
−を用い、Ｓｉを試料として、直流電圧を−１０Ｖ〜＋
１０Ｖの範囲で印加し、試料と探針間の容量変化を測定
した。しかしバイアスが−１０Ｖ〜＋１０Ｖの範囲で、
容量変化を検知することができなかった。Ｓｉの場合、
高密度に不純物をド−プすると、空乏層は数十μｍの厚
みを持ち、低濃度にド−プすると、空乏層は数百μｍの
厚みを持つ筈である。電圧によりこれが変化し、容量変
化を引き起こす筈である。しかし出力は無変化であっ
た。図５のカンチレバ−を用いると、同じ−１０Ｖ〜＋
１０Ｖのバイアス変化に対して、容量の変化を検出する
ことができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】原子間力顕微鏡の測定原理図。

【図２】静電容量顕微鏡の測定原理図。

【図３】平面導体に対向する球が持つ容量を計算するた
めの説明図。

【図４】平面導体に対向する長方形板が持つ容量を計算
するための説明図。

【図５】本発明の実施例に係り、カンチレバ−の長手方
向にストライプ穴を穿って面積を減らしたものを示す斜
視図。

【図６】本発明の実施例に係り、三角形のカンチレバ−
の内部を三角形に切って面積を減らしたものを示す斜視
図。

【図７】本発明の実施例に係り、絶縁物の薄膜上に金属
線を形成したものを示す斜視図。

【符号の説明】

１ 短冊型のカンチレバ− ２ 絶縁性のホルダ− ３ 金属線コ−ト ４ ストライプ状の穴 ５ 原子間力顕微鏡として使う場合に光の当たる場所 ６ 三角形状のカンチレバ− ７ 三角形状の穴 ８ 絶縁物のホルダ− ９ 金属線コ−ト １０ 光の当たる場所 １１ 絶縁性のカンチレバ− １２ 金属線 １３ 絶縁物のホルダ− １４ 金属コ−ト １５ 金属膜 １６ 探針

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｊ 37/28 Ｚ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも走査型静電容量顕微鏡と原子
   間力顕微鏡の機能を合体した複合顕微鏡の、試料に対向
   し試料原子との間に働く原子間力によって撓む導電性の
   カンチレバ−を支持するホルダ−であって、絶縁物でで
   きており、細い金属線がコ−トされ、金属線の先端がカ
   ンチレバ−に接続されていることを特徴とする複合顕微
   鏡の導電性カンチレバ−とホルダ−。
2. 【請求項２】 カンチレバ−が、金属でできており面に
   直角方向に穴を穿孔してあることを特徴とする複合顕微
   鏡の導電性カンチレバ−とホルダ−。
3. 【請求項３】 カンチレバ−が、絶縁物でできており、
   絶縁物の表面に金属線が形成され、金属線が前記ホルダ
   −の金属線に接続されていることを特徴とする複合顕微
   鏡の導電性カンチレバ−とホルダ−。