JPH0894651A - 集積型ｓｐｍセンサー及び測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】簡単な構成で高分解能のＡＦＭ及びＬＦＭ測定
を可能とする。 【構成】中間ビームとしての第１のビーム２２と、この
第１のビーム２２の両側に配置された第２、第３の２本
のビーム２１、２３とからなる３本のビームの一端を一
致させて略Ｅ字型に形成され、一致部分に探針２０が設
けられたカンチレバー２００と、３本のビームのうち、
第１のビーム２２に電圧を印加する正電圧源１７と、上
記カンチレバーの変位に応じて発生した第２及び第３の
ビーム２１、２３からの電気信号をそれぞれ検出する電
圧検出回路１５、１９と、検出された第２及び第３のビ
ーム２１、２３からの電気信号の間で所定の演算を施し
て、カンチレバー２００の変位量を測定する制御回路１
６とを具備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、集積型ＳＰＭセンサー
及び測定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】BinnigやRohrer等によって発明された走
査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ；Scanning Tunneling Mic
roscope ）は、試料を原子サイズオーダーの分解能で観
察できる装置としてよく知られている。ところが、ＳＴ
Ｍが観察できる試料は導電性のものに限られている。

【０００３】そこでＳＴＭにおけるサーボ技術を始めと
する要素技術を利用しながら、ＳＴＭでは測定し難かっ
た絶縁性の試料を原子サイズオーダーの精度で観察する
ことのできる顕微鏡として原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）が
提案された。このＡＦＭは、例えば、特開昭６２−１３
０３０２号公報（ＩＢＭ、Ｇ．ビニッヒ、サンプル表面
の像を形成する方法及び装置）に開示されている。

【０００４】ＡＦＭの構造はＳＴＭに類似しており、走
査型プローブ顕微鏡の一つとして位置づけられる。ＡＦ
Ｍでは、自由端に鋭い突起部分（探針部）を持つカンチ
レバーを、試料に対向・近接してあり、探針の先端の原
子と試料原子との間に働く相互作用力により、変位する
カンチレバーの動きを電気的あるいは光学的にとらえて
測定しつつ、試料をＸＹ方向に走査し、カンチレバーの
探針部との位置関係を相対的に変化させることによっ
て、試料の凹凸情報などを原子サイズオーダで三次元的
にとらえることができる。

【０００５】ところで、ＡＦＭにおいては、カンチレバ
ーの変位を測定する変位測定センサーは、カンチレバー
とは別途に設けるのが一般的である。しかし最近では、
カンチレバー自体に変位を測定できる機能を付加した集
積型ＡＦＭセンサーがM.Tortonese らにより提案されて
いる。この集積型ＡＦＭセンサーは、例えば、M.Torton
ese,H.Yamada,R.C.Barrett and C.F.Quate:Transducers
and Sensors'91:Atomic force microscopy using a pi
ezoresistive cantilever やＰＣＴ出願ＷＯ９２／１２
３９８等に開示されている。

【０００６】集積型ＡＦＭセンサーの測定原理としては
圧電抵抗効果を利用している。すなわち、探針先端を測
定試料に近接させると、探針と試料間に働く相互作用力
によりカンチレバー部がたわみ、歪みを生じる。カンチ
レバー部には抵抗層が積層されていて、カンチレバー部
の歪みに応じてその抵抗値が変化する。従って、抵抗層
に対して電極部より定電圧を加えておけば、カンチレバ
ーの歪み量に応じて抵抗層を流れる電流が変化し、電流
の変化を検出することにより、カンチレバーの変位量を
知ることが出来る。

【０００７】この様な集積型ＡＦＭセンサーは、構成が
極めて簡単で小型であることから、カンチレバー側を走
査するいわゆるスタンドアロン型のＡＦＭを構成できる
ようになると期待されている。従来のＡＦＭでは試料を
ＸＹ方向に動かしてカンチレバー先端の探針との相対的
位置関係を変化させるため、試料の大きさが最大数ｃｍ
程度に限られるが、スタンドアロン型のＡＦＭは、この
ような試料の大きさの制限を取り除くことができると言
う利点がある。

【０００８】以下に、上記した集積型ＡＦＭセンサーの
製造方法について説明する。スタートウェハー１００と
して、図４（ａ）に示すように、シリコンウェハー１１
０の上に酸化シリコンの分離層１１２を介してシリコン
層１１４を設けたもの、例ええば貼り合わせウェハーを
用意する。このシリコン層１１４の極表面にイオンイン
プランテーションによりボロン（Ｂ）を打ち込んでピエ
ゾ抵抗層１１６を形成し、図４（ｄ）に図示した形状に
パターニングした後、表面を酸化シリコン膜１１８で覆
う。

【０００９】そしてカンチレバーの固定端側にボンディ
ング用の穴をあけ、アルミニウムをスパッタリングして
電極１２０を形成する。さらに、シリコンウェハー１１
０の下側にレジスト層１２２を形成し、このレジスト層
に湿式異方性エッチングにより開口を形成して図４
（ｂ）を得る。

【００１０】続いて、オーミックコンタクトをとるため
の熱処理をした後、レジスト層１２２をマスクとしてフ
ッ酸により分離層１１２までエッチングしてカンチレバ
ー部１２４を形成して集積型ＡＦＭセンサーが完成す
る。その側断面図を図４（ｃ）に、その上面図を図４
（ｄ）に示す。

【００１１】このようにして作製した集積型ＡＦＭセン
サーでは、測定の際に、２つの電極１２０の間に数ボル
ト以下のＤＣ電圧を印加し、カンチレバー部１２４の先
端を試料に接近させる。カンチレバー部１２４の先端と
試表面の間に相互作用力が働くと、カンチレバー部１２
４が変位する。これに応じてピエゾ抵抗層１１６の抵抗
値が変化するため、カンチレバー部１２４の変位が２つ
の電極１２０の間に流れる電流信号として得られる。

【００１２】図５は上記した集積型ＡＦＭセンサーを用
いて変位量測定を行う回路を示す。カンチレバー部１２
４の端子１２０には、直流定電圧電源３０２と電流計測
用のオペアンプ３０３が接続されている。例えば、直流
定電圧電源３０２の電位を＋５Ｖとすれば、同図の上側
のカンチレバー部１２４の端子１２０の電位は＋５Ｖに
保たれる。もう一方のカンチレバー部１２４の端子１２
０は、オペアンプ３０３の非反転入力端子（＋）がＧＮ
Ｄ電位に保たれていることから、ＧＮＤ電位に保たれ
る。

【００１３】また、特願平４ー２５６８５５号は、ねじ
れを検出できるカンチレバーとして一対のピエゾ抵抗層
を配置した構成を開示している。しかしながら、従来の
集積型ＡＦＭセンサーにおいては、ピエゾ抵抗層１１６
（図４）全体の歪みによる抵抗値の変化つまり電流値の
変化をＺ方向の変位量として検出している。このため、
検出される変位量には、カンチレバー部１２４のＺ方向
の変位にねじれ方向の変位が加算されており、従って、
実際の表面形状と得られたＡＦＭ像とが一致しないとい
う欠点があった。

【００１４】また１対のピエゾ抵抗層を有するものにお
いては、ねじれ測定のために設けた２系統のピエゾ抵抗
層がカンチレバー型の集積型ＡＦＭセンサーの構成を複
雑にしている。

【００１５】そこで、特願昭５−６３５４７号は上記し
た問題を解決するために、カンチレバーの歪に応じて抵
抗値の変化するセンサ部を略Ｅ字型の形状に形成するこ
とによって、簡略な構成でカンチレバーのねじれ方向の
変位量が検出できる集積型ＳＰＭセンサーを開示してい
る。

【００１６】図６はこのような集積型ＳＰＭセンサー１
００と、この集積型ＳＰＭセンサー１００を用いてその
変位量測定を行う回路を示す図である。集積型ＳＰＭセ
ンサー１００は、図４に示したプロセスに準じて作製さ
れるが、従来はＵ字型であったカンチレバー部（センサ
部）としてのピエゾ抵抗層１０１を、特願昭５−６３５
４７号では、図６に示すようにＥ字型に形成するととも
に、その一端にはＳＰＭ駆動回路に接続される端子１１
０、１１１、１１２を３個形成する。

【００１７】端子１１０と１１２の間には、集積型ＳＰ
Ｍセンサー１００がＺ方向に反った時、その反り量（変
位量）を検出する為に所定の電位差が与えられ、電流計
１１３によりピエゾ抵抗層１０１に流れる電流の変化を
読み取る。その電位差は探針位置に於いて試料あるいは
試料台との間の電位差が０Ｖとなるように正電圧源１１
５と負電圧源１１６からピエゾ抵抗層１０１に端子１１
０と端子１１２を介して印加されており、例えば、＋３
Ｖと−３Ｖがそれぞれ印加されている。

【００１８】ピエゾ抵抗層１０１がねじれ方向の変位を
受けた場合、端子１１０と探針間の抵抗値と、端子１１
２と探針間の抵抗値の変化量が異なるため、探針の電位
が０Ｖから変化する。この変化した電位量を電圧検出回
路１１７によって検出し、ピエゾ抵抗層１０１のねじれ
による変位信号、いわゆるＬＦＭ信号出力としてデータ
取り込みを行い、例えば、コンピュータのモニター上で
マッピングしてピエゾ抵抗層１０１のねじれに関する２
次元像を得る。

【００１９】なお通常の変位信号は、いわゆるＡＦＭ信
号として電流計１１３から検出され先のねじれ像と同時
にコンピュータに取り込まれて、ＡＦＭ像としてモニタ
ーに出力する。勿論、サーボ制御を行なう場合は、この
ＡＦＭ信号はサーボ制御回路に取り込まれることにな
る。

【００２０】このように、特願昭５−６３５４７号で
は、センサ部を略Ｅ字型の形状に形成して、集積型カン
チレバーを流れる電流あるいはその変化をＡＦＭ信号と
して検出するとともに、探針付近の電位をＬＦＭ信号と
して同時に検知することを可能にしている。

【００２１】また、ピエゾ抵抗層１０１を略Ｅ字型とし
たので、ピエゾ抵抗層１０１を表面に形成したカンチレ
バー部の構造が簡略化され、繁雑なモードの歪みが生じ
難くなって、より正確なＡＦＭ、ＬＦＭ同時測定が可能
となっている。

【００２２】なお、ＡＦＭ測定のみを行なう場合は、カ
ンチレバーができるだけねじれないようにするため、Ｘ
走査方向はカンチレバーの長手方向にとられるが、ＬＦ
Ｍ測定の場合、それとは直角な方向にＸ走査方向が選ば
れる。このことはＡＦＭ／ＬＦＭ同時測定においても同
様である。

【００２３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た特願昭５−６３５４７号は、ＡＦＭ信号及びＬＦＭ信
号を検出するために、カンチレバーの探針位置の電位を
変化のない状態で０Ｖに保つような正負２つの電源が必
要になるという欠点がある。

【００２４】本発明の集積型ＳＰＭセンサー及び測定方
法の目的とするところは、この点を改良しようとするも
のである。すなわち、単一電源を使用してＡＦＭ信号と
ＬＦＭ信号とを検出し、測定回路を簡素化することにあ
る。

【００２５】また、従来のピエゾ抵抗効果あるいはピエ
ゾ圧電効果等を用いた集積型ＳＰＭセンサーは、圧電効
果を最大限に発揮するため、できるだけ圧電層をカンチ
レバーの極表面に配置して、歪みが圧電層に集中するよ
うに設計される。具体的にはカンチレバー全体の厚さを
厚くしてカンチレバー厚み方向の中心位置から圧電層ま
での距離を長く取るようにするが、このようにするとカ
ンチレバーのバネ定数が大きくなり、バネ定数の小さな
カンチレバーとした時と比較して、同じ試料表面から相
互作用力を得た時にカンチレバーが変位する量が小さく
なり逆に感度が低下してしまう。すなわち、ここにトレ
ードオフが存在し、ＡＦＭ測定及びＬＦＭ測定に適した
カンチレバー形状の最適化が施されることになる。

【００２６】ＡＦＭ測定については、カンチレバーを試
料表面に接触させ走査して表面の凹凸情報を得ようとす
るいわゆるコンタクトモードのＡＦＭ測定に加えて、カ
ンチレバーをＺ方向に励振させるノンコンタクトモード
のＡＦＭ測定方法が提案されている。この方法はカンチ
レバーを励振させることからＡＣモード測定とも呼ばれ
るが、この方法を用いればＡＦＭ測定については先に述
べたトレードオフを回避して高分解能にてＡＦＭ測定を
行なうことが可能である。ＡＣモードＡＦＭ測定におい
ては、より機械的Ｑ値の大きなカンチレバーすなわち厚
いバネ定数のカンチレバーを使うことにより、カンチレ
バー先端の探針と試料表面との相互作用力の検出感度が
向上することから、集積型ＳＰＭセンサーのカンチレバ
ー部の厚さを厚くし、カンチレバーの厚み方向中心位置
からその表面にある圧電層までの距離を長くとること
で、２つの相乗効果でＡＦＭ測定の感度を上げることが
できるからである。

【００２７】しかしながら、ＬＦＭ測定においては探針
と試料表面との摩擦等を測定するため、基本的に両者が
コンタクトした状態で測定せざるを得ず、ＡＦＭ測定の
ように測定モードでトレードオフを回避することができ
ない。

【００２８】本発明の集積型ＳＰＭセンサー及び測定方
法はこのような点に着目して、出力信号の演算方法を工
夫してこのトレードオフを小さくするべくＬＦＭ測定の
検出感度を向上させようとするものである。すなわち、
本発明の他の目的は、高感度なＬＦＭ測定を可能とした
修正型ＳＰＭセンサー及び測定方法を提供することにあ
る。

【００２９】

【課題を解決するための手段及び作用】上記の目的を達
成するために、第１の発明に係る集積型ＳＰＭセンサー
は、中間ビームとしての第１のビームと、この第１のビ
ームの両側に配置された第２、第３の２本のビームとか
らなる３本のビームの一端を一致させて略Ｅ字型に形成
され、前記一致部分に探針が設けられたカンチレバー
と、上記３本のビームのうち、前記第１のビームに電圧
を印加する電圧印加手段と、上記カンチレバーの変位に
応じて変化した上記第２及び第３のビームからの電気信
号をそれぞれ検出する検出手段と、この検出手段によっ
て検出された上記第２及び第３のビームからの電気信号
の間で所定の演算を施して、上記カンチレバーの変位量
を測定する測定手段とを具備する。

【００３０】また、第２の発明に係る集積型ＳＰＭセン
サーは、中間ビームとしての第１のビームと、この第１
のビームの両側に配置された第２、第３の２本のビーム
とからなる３本のビームの一端を一致させて略Ｅ字型に
形成され、前記一致部分に探針が設けられたカンチレバ
ーにおいて、上記３本のビームのうち、前記第１のビー
ムに電圧を印加する電圧印加工程と、上記カンチレバー
の変位に応じて変化した上記第２及び第３のビームから
の電気信号をそれぞれ検出する検出工程と、この検出工
程において検出された上記第２及び第３のビームからの
電気信号の間で所定の演算を施して、上記カンチレバー
の変位量を測定する測定工程とを具備する。

【００３１】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。図１は本発明の第１実施例に係る集積型Ｓ
ＰＭセンサーの構成を示す図であり、図２は、その等価
回路を示す図である。

【００３２】図１に示すように、本実施例のカンチレバ
ー２００は、中間ビームとしての第１のビーム２２と、
この中間ビームの両側に配置された第２、第３の２本の
ビーム２１、２３とからなる３本のビームの一端を一致
させて略Ｅ字型に形成され、その表面部分にはピエゾ抵
抗層が形成され、また前記一致部分には探針２０が設け
られている。第１のビーム２２上のピエゾ抵抗層はその
他端に設けられた端子１２を介して正電圧源１７に接続
されている。第２のビーム２１上のピエゾ抵抗層はその
他端に設けられた端子１１を介して、Ｉ／Ｖ変換回路１
４に接続され、このＩ／Ｖ変換回路１４は電圧検出回路
１５を介して制御回路１６に接続されている。また、第
３のビーム２３上のピエゾ抵抗層はその他端に設けられ
た端子１３を介してＩ／Ｖ変換回路１８に接続され、こ
のＩ／Ｖ変換回路１８は電圧検出回路１９を介して制御
回路１６に接続されている。

【００３３】図からも理解されるように電源は１つであ
り、本実施例においては、検出回路が簡単に構成されて
いる。このような端子１１を通ってＩ／Ｖ変換回路１４
より出力される信号をＶＲ、端子１３を通ってＩ／Ｖ変
換回路１８より出力される信号をＶＬとすると、ＡＦＭ
測定のためにはＶＲ＋ＶＬなる演算が施され、この信号
を基に探針と試料間の相互作用力が一定となるようにフ
ィードバック回路（図示せず）によりステージ駆動回路
（図示せず）を介して試料を保持するステージ（図示せ
ず）が駆動される。またそれと同時にＡＦＭ像をモニタ
ー上に表示するため、そのフィードバック信号がデータ
取り込みＡ／Ｄボード（図示せず）よりコンピュータに
送り込まれる。一方、ＬＦＭ信号としてＶＲ−ＶＬなる
演算が施され、この信号は別のデータ取り込みＡ／Ｄボ
ード（図示せず）よりコンピュータに送り込まれ、ＡＦ
Ｍ像と同時にＬＦＭ像がモニター上に表示されるように
構成される。

【００３４】なお、上述してきた実施例においては、カ
ンチレバー上にピエゾ抵抗層を形成する構成としてきた
が、特に、これに限定されるものではなく、図４に示し
たようなシリコン層１１４にイオンインプランテーショ
ンにより、ボロン（Ｂ）を打ち込んでピエゾ抵抗層１１
６を形成しても、上述してきた実施例と同様の効果を奏
する略Ｅ字型のカンチレバーを得ることができる。

【００３５】次に、同様な検出回路を用いてＬＦＭ信号
を高い感度で取り込むことを可能にする本発明の第２実
施例について説明する。第１実施例においては、ＬＦＭ
信号がＶＲ−ＶＬなる演算より得たが、差分信号は線形
演算である。この演算に代えて非線形演算を施し、ＬＦ
Ｍ信号を高感度で得ることを可能にしたのが本実施例で
ある。具体的にはＶＲ／ＶＬのように除算演算を施す。

【００３６】一般にｙ＝ｘなる演算とｚ＝１／ｘを比較
したとき、ｘ＜１においては、ｙよりもｚの変化率（傾
き）が大きいが、本実施例ではこの考え方を利用してい
る。すなわち、除算演算を施し、ｚ＝１／ｘなる一般式
においてｘ＜１となるような領域にて信号演算を行なう
ことにより、ＬＦＭ測定の検出感度を向上させる。

【００３７】このように、ＶR ／ＶL の除算演算をして
高感度でＬＦＭ信号を得ようとする時、ピエゾ抵抗層の
タイプにより、分母と分子とを選んで除算がなされる。
例えば、シリコンをピエゾ抵抗材料として用いたとき、
ｎ型とｐ型でそのふるまいが異なる。シリコンにボロン
をドープしてｐ型のピエゾ抵抗層としたときは、ピエゾ
抵抗層が圧縮されるようにカンチレバーが歪むと、ピエ
ゾ抵抗層の抵抗値が増加する。一方、リンをドープして
ｎ型のピエゾ抵抗層としたときは逆の動作をする。

【００３８】従って、図７（ａ）、（ｂ）に示すよう
に、試料を固定し、集積型ＳＰＭセンサーの探針を試料
に接触させた状態でレバーの長手方向と直角な方向（Ｘ
走査方向）に走査すると、２番目と３番目のビーム上の
ピエゾ抵抗層の抵抗値は、ピエゾ抵抗層がｎ型の場合で
カンチレバーの材料側（探針側）に形成されている場合
は、走査方向の進行方向側のピエゾ抵抗層（ＲR ）が後
側の抵抗層（ＲL ）に比べ大きな圧縮応力を受けるの
で、ＲR ＞ＲL となる。したがって、除算演算はＲR ／
ＲL となるように選ぶことにより高感度のＬＦＭ信号を
得ることができる。ここで、ピエゾ抵抗層がｐ型の場合
や、ピエゾ抵抗層がカンチレバーの裏側に形成されてい
る場合はこの逆となる。なお、このように除算演算を行
なう本実施例の場合、Ｘ方向に往復動作した場合、往時
に感度が高ければ復時は感度が低くなったようなＬＦＭ
信号が得られる。しかし、これはデータ取り込みはＸ方
向に関しては通常、往時のみのデータが取り込まれ、コ
ンピュータのモニター上に表示されるので、往時と復時
とで感度が異なっていても全く問題なく、いずれか感度
が高くなる方向を選択してＬＦＭ信号とすればよい。

【００３９】以下に上記した集積型ＳＰＭセンサーによ
るカンチレバーの変位測定動作を図３のＰＡＤを参照し
て説明する。まず、中間ビームとしての第１のビーム２
２上のピエゾ抵抗層に正電圧源１７より定電圧を印加し
て、第２のビーム２１上及び第３のビーム２３上のそれ
ぞれのピエゾ抵抗層に定電流を流す（ステップ１）。次
に、探針２０の先端が測定試料に近接したときに、この
探針２０と試料間に働く相互作用力によってカンチレバ
ー２００が変位する。この変位によって第２のビーム２
１上のピエゾ抵抗層には図２に示すように電流ｉR が流
れる。また、第３のビーム２３上のピエゾ抵抗層には電
流ｉL が流れる。これらの電流ｉR 、ｉL はそれぞれ、
Ｉ／Ｖ変換回路１４、１８によって所定の電圧に変換さ
れて、電圧検出回路１５、１９において検出される（ス
テップＳ２）。検出された電圧ＶR 、ＶL は制御回路１
６に供給されて以下のような信号演算が行われる。

【００４０】すなわち、まず、電圧検出回路１５、１９
からの電圧ＶR とＶL とを加算することにより、合成電
圧Ｖcompを求めるとともに、電圧ＶR からＶL を減算す
ることによって差分電圧Ｖsub を求める（ステップＳ
３）。ここで、合成電圧Ｖcompは試料表面の凹凸を表す
ＡＦＭ信号として用いられ、フィードバック制御回路
（図示せず）に入力されて以下の処理が施される。すな
わち、フィードバック制御回路は合成電圧Ｖcompを試料
表面の凹凸信号としてＰＩ制御回路等を経てデータ取り
込みＡ／Ｄボード（図示せぬ）に送信し、これをモニタ
（図示せず）上に２次元的に表示する。また、フィード
バック制御回路は、ＰＩ制御回路、ステージ駆動回路
（図示せず）を介して試料を保持するステージ（図示せ
ず）を駆動させ、探針２０と試料表面との間に働く相互
作用もしくはそれらの関係を一定に保つ信号として合成
電圧Ｖcompを使用する。

【００４１】次に、電圧検出回路１５、１９からの電圧
ＶR 、ＶL の間で除算演算を行い、ＶR ／ＶL を求める
（ステップＳ４）。得られたＶR ／ＶL は前記したＶco
mpとともに、各チャンネルＣｈ１、Ｃｈ２を介してデー
タ取り込みＡ／Ｄボード（図示せず）にデジタル入力値
として取り込まれる。各チャンネルから入力された信号
は次のような信号として図示せぬモニター上に表示され
る。すなわち、合成電圧Ｖcompは前記したように試料表
面の凹凸を表す基信号として用いられ、ＶR ／ＶL はね
じれ信号として、試料表面の凹凸に起因する摩擦力、ま
たは物質の相違に起因する摩擦力の違いを検出する信号
（ＬＦＭ信号）として用いられる。

【００４２】ＬＦＭ測定は前述したように、カンチレバ
ーの長手方向に直角な方向をＸ軸方向にとって走査され
るが、探針を試料に接触させ走査する場合は、探針が試
料に接触せずにカンチレバーがねじれていない状態と比
較すると、Ｘ軸方向に１ライン走査している間は、必ず
１方向のねじれしか生ぜず、カンチレバーが左右にねじ
れることはない。しかも、このねじれ状態がねじれゼロ
の状態になることもなく必ず傾きのオフセットを持って
いるので、ｙ＝ｘのようなゼロ点に対して対称的な演算
すなわちＶＲ−ＶＬの代わりに、ｚ＝１／ｘのような演
算すなわち、ＶＲ／ＶＬ演算（除算演算）を行なうこと
ができる（ゼロで割ることがないから）。そしてこのよ
うな除算演算は前述のようにｘ＜１となるような領域に
て、線形な減算演算よりも傾きが大きくなり、ＬＦＭ測
定においては検出感度を向上させることができる。

【００４３】また、ＶＲ／ＶＬなる除算演算を行なうこ
とにより別の効果が期待できる。略Ｅ字型をした集積型
ＳＰＭセンサーからの出力信号及び演算信号は図２の等
価回路より以下の式で求めることができる。

【００４４】 ＶR ＝Ｅ・ＲL ／（ＲR ・ＲC ＋ＲC ・ＲL ＋ＲL ・ＲR ） …（１） ＶL ＝Ｅ・ＲR ／（ＲR ・ＲC ＋ＲC ・ＲL ＋ＲL ・ＲR ） …（２） ＶR ＋ＶL ＝Ｖcomp＝Ｅ・（ＲR ＋ＲL ）／（ＲR ・ＲC ＋ＲC ・ＲL ＋ＲL ・ＲR ）＝Ｅ／Ｒcomp …（３） ＶR −ＶL ＝Ｖsub ＝Ｅ・（ＲR −ＲL ）／（ＲR ・ＲC ＋ＲC ・ＲL ＋ＲL ・ＲR ） …（４） ＶR ／ＶL ＝ＲL ／ＲR …（５） なお、ＶR 、ＶL は、通常電流値として、ｉR 、ｉL と
表記されるべきであるが、Ｉ／Ｖ変換器を経た信号を最
終的に利用しているので、ここではそれぞれＶR 、ＶL
と記す。

【００４５】また、（５）式のように、除算演算ＶＲ／
ＶＬは第２と第３のビーム上のピエゾ抵抗層の抵抗値の
みの比として表され、（４）式の差分信号ＶＲ−ＶＬよ
り簡単な形になっている。すなわち、演算信号をＬＦＭ
信号として用いたとき、カンチレバー部分のねじれ方と
演算信号との対応付けがし易くなっている。

【００４６】上記したように本実施例では単一電源を使
用するので構成が簡単になるとともに、ＡＦＭ信号、Ｌ
ＦＭ信号ともにカンチレバーを流れる電流に基づいて加
算及び除算演算により求めているので２つの信号の対応
付けが容易になり、結果的に高分解能のＡＦＭ及びＬＦ
Ｍ測定が可能となる。

【００４７】なお、演算結果が簡単な式で表されるとい
う観点からはＶsub ／Ｖcomp＝（ＲR −ＲL ）／（ＲR
＋ＲL ） …（６） をＬＦＭ信号として用いることも有効である。

【００４８】

【発明の効果】以上、本発明によれば、単一電源を使用
するので構成が簡単になるとともに、除算演算を施した
場合はＬＦＭ信号を高感度に検出できる。しかも信号の
対応付けが容易になり、結果的に高分解能のＡＦＭ及び
ＬＦＭ測定が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る集積型ＳＰＭセンサー
の構成を示す図である。

【図２】図１に示す集積型ＳＰＭセンサーの等価回路で
ある。

【図３】集積型ＳＰＭセンサーによるカンチレバーの変
位測定動作を説明するためのＰＡＤである。

【図４】従来の集積型ＡＦＭセンサーの製造方法を説明
するための図である。

【図５】従来の集積型ＡＦＭセンサーの構成を示す図で
ある。

【図６】他の従来例としての略Ｅ字型の集積型ＳＰＭセ
ンサーの構成を示す図である。

【図７】第２実施例における動作を説明するための図で
ある。

【符号の説明】

１１、１２、１３…端子、１４、１８…Ｉ／Ｖ変換回
路、１５、１９…電圧変換回路、１６…制御回路、２０
…探針、２２…第１のビーム、２１、２３…第２、第３
のビーム、２００…カンチレバー。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 中間ビームとしての第１のビームと、こ
   の第１のビームの両側に配置された第２、第３の２本の
   ビームとからなる３本のビームの一端を一致させて略Ｅ
   字型に形成され、前記一致部分に探針が設けられたカン
   チレバーと、 上記３本のビームのうち、前記第１のビームに電圧を印
   加する電圧印加手段と、 上記カンチレバーの変位に応じて変化した上記第２及び
   第３のビームからの電気信号をそれぞれ検出する検出手
   段と、 この検出手段によって検出された上記第２及び第３のビ
   ームからの電気信号の間で所定の演算を施して、上記カ
   ンチレバーの変位量を測定する測定手段と、 を具備することを特徴とする集積型ＳＰＭセンサー。
2. 【請求項２】 中間ビームとしての第１のビームと、こ
   の第１のビームの両側に配置された第２、第３の２本の
   ビームとからなる３本のビームの一端を一致させて略Ｅ
   字型に形成され、前記一致部分に探針が設けられたカン
   チレバーにおいて、上記３本のビームのうち、前記第１
   のビームに電圧を印加する電圧印加工程と、 上記カンチレバーの変位に応じて変化した上記第２及び
   第３のビームからの電気信号をそれぞれ検出する検出工
   程と、 この検出工程において検出された上記第２及び第３のビ
   ームからの電気信号の間で所定の演算を施して、上記カ
   ンチレバーの変位量を測定する測定工程と、 を具備することを特徴とする集積型ＳＰＭセンサーの測
   定方法。