JPH1026627A

JPH1026627A - 走査型プローブ顕微鏡

Info

Publication number: JPH1026627A
Application number: JP8183390A
Authority: JP
Inventors: Takuma Yamamoto; ▲琢▼磨山本; Nobuyuki Nakagiri; 伸行中桐; Hiroyuki Sugimura; 博之杉村
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1996-07-12
Filing date: 1996-07-12
Publication date: 1998-01-27

Abstract

(57)【要約】【課題】試料の表面もしくは内部の導電体のパターンを
高い空間分解能で検出することができる走査型プローブ
顕微鏡を提供する。【解決手段】試料４に交流電圧印加手段１１から交流電
圧信号を印加する。また、カンチレバー１を振動手段３
により、共振周波数付近で試料４に向かって振動させ
る。カンチレバーが共振周波数付近で振動しているた
め、カンチレバー１の先端と試料４との間の静電容量が
振動周波数で変化し、カンチレバー１に伝わる高周波電
圧の振幅は、振動周波数と等しい周波数で変化する。そ
こで、カンチレバー１に試料４から伝達した高周波電圧
を検波手段８で検波し、検波された高周波の振幅信号の
うち、カンチレバー１の振動周波数と等しい周波数成分
を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、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い空間分解
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、探針と試料との距離を一定に保つた
めに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、探針と試料との距離を一定に
保つために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（ＡＦＭ）や、探針と試料との距離を一定に
保ちながら探針と試料との間の静電容量を計測する走査
型容量顕微鏡等がある。

【０００３】また、内部に配線パターンを有する絶縁体
の試料に高周波の交流電圧を加えた状態で、試料表面で
カンチレバー型のプローブを走査し、絶縁体を介してプ
ローブへ伝わる交流電圧量を検出することにより、絶縁
体内部の配線のパターンをイメージングすることが、”
G.E. Bridge and D.J. Thomson, Ultramicroscopy 42-4
4 (1992) 321-328”に記載されている。この文献では、
プローブの探針以外の部分から、試料の高周波がプロー
ブへ伝達するのを防ぐために、プローブの探針以外の部
分、すなわちカンチレバーのレバー部分等にシールドを
施すことが記載されている。

【０００４】また、原子間力顕微鏡の測定モードの一形
態として、カンチレバーを機械的に共振周波数付近で振
動させて試料表面に近づけたときに探針と試料表面との
間の原子間力により生じるカンチレバーの振動振幅もし
くは振動周波数の変化を検出し、前記振動振幅もしくは
振動周波数が一定になるようにして試料表面を走査して
試料表面の形状を測定する非接触モードが行われてい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述の文献では、試料
に印加した高周波の交流電圧が、プローブの探針以外の
部分から伝達するのを防ぐために、プローブのレバー部
分等にシールドを施している。しかしながら、シールド
によって、完全にその部分からの高周波の交流電圧の伝
達を防ぐことができるかどうかは不明である。また、シ
ールドを施しにくい探針の基部の部分や、探針の側面の
部分からプローブに伝達される交流電圧を防ぐことはで
きない。このように探針の先端以外の部分から交流電圧
が伝達された場合には、探針の先端から伝達された交流
電圧と区別することはできない。そのため、試料内部の
導体パターンを高い空間分解能で検出することは困難で
ある。また、シールドを施したカンチレバー型のプロー
ブを製造するのは困難であり、製造コストがかかるとい
う問題もある。

【０００６】また、従来のカンチレバーを振動させるこ
とにより、非接触モードで試料表面を走査する方法は、
試料の凹凸を検出することは可能であるが、試料の凹凸
以外の情報、例えば、電気的な情報を得ることはできな
い。

【０００７】本発明はこの問題を解決し、試料の表面も
しくは内部の導電体のパターンを高い空間分解能で、か
つ、表面形状と同時に検出することができる走査型プロ
ーブ顕微鏡を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、以下のような走査型プローブ顕微鏡を提
供する。

【０００９】すなわち、導電性探針を有するカンチレバ
ーを保持するカンチレバーホルダーと、前記カンチレバ
ーに対向する位置に試料を保持する試料ホルダーと、前
記カンチレバーを振動させる振動手段と、前記カンチレ
バーと前記試料との間隔を一定に保つ間隔保持手段と、
前記試料に交流電圧信号を印加する交流電圧印加手段
と、前記カンチレバーに前記試料から伝達した電圧信号
を検出する検波手段とを有し、前記検波手段は、前記カ
ンチレバーの振動周波数と等しい周波数成分の電圧信号
を検出する走査型プローブ顕微鏡である。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態を図
面を用いて説明する。

【００１１】まず、本発明の第１の実施の形態の走査型
プローブ顕微鏡の構成について、図１を用いて説明す
る。

【００１２】図１のように、導電性探針を有するカンチ
レバー１を保持するカンチレバーホルダー２には、カン
チレバーホルダー２を振動させるための積層型ピエゾ３
が取り付けられ、積層型ピエゾ３には、駆動電圧を供給
するピエゾ駆動用電圧印加装置７が接続されている。ま
た、カンチレバー１には、電気信号を検波するための検
波回路８が電気的に接続されている。検波回路８には、
検波した信号のうち特定の周波数の信号の振幅を検出す
るためにロックインアンプ９が接続されている。

【００１３】また、カンチレバー１に対向する位置に
は、試料４を保持するために、導電性の試料ホルダー５
が配置されている。試料ホルダー５には、試料１をＸＹ
Ｚ方向に移動させるためにチューブ型ピエゾ６が取り付
けられている。導電性の試料ホルダー５には、試料４に
高周波を印加するために高周波電源１１が電気的に接続
されている。チューブ型ピエゾ６には、駆動電圧を供給
するピエゾ駆動用電圧印加装置１２が接続されている。

【００１４】また、カンチレバー１に光を照射する位置
には、半導体レーザー１３が配置される。また、半導体
レーザー１３から照射されカンチレバー１で反射された
光が入射する位置には、２分割光検出器１４が配置され
る。２分割光検出器１４には、検出した信号のうち特定
の周波数の信号の振幅を検出するためにロックインアン
プ１５が接続されている。

【００１５】また、ロックインアンプ１５、ロックイン
アンプ９およびピエゾ駆動用電圧印加装置７には、これ
らに特定の周波数の信号を参照信号として出力するファ
ンクションジェネレータ１０が接続されている。また、
ロックインアンプ１５およびロックインアンプ９には、
これらの出力信号を用いて、試料４の表面形状画像およ
び導体パターン画像を形成する制御装置１０１が接続さ
れている。制御装置１０１には、ピエゾ駆動用電圧印加
装置１２、ピエゾ駆動用電圧印加装置７、高周波電源１
１およびファンクションジェネレータ１０も接続されて
おり、これらの動作を制御する。

【００１６】カンチレバー１は、支持体１ｃと、支持体
１ｃに片持ち支持された可撓性のレバー部１ｂと、レバ
ー部１ｂの先端に形成された四角錐形状の探針１ａとに
より構成される。また、カンチレバー１の試料４側の面
には、探針１ａの先端から支持体１ｃまで導電性被膜が
コーティングされている。検波回路８は、支持体１ｃの
導電性被膜に電気的に接続される。本実施の形態では、
探針１ａおよびレバー部１ｂを窒化シリコンで形成し、
導電性被膜としてチタン膜を用いている。また、カンチ
レバー１の共振周波数は、およそ４９．８ｋＨｚであ
る。

【００１７】つぎに、図１の走査型プローブ顕微鏡によ
り、試料４の表面形状と試料４の導電体のパターンを観
察する場合の各部の動作について説明する。

【００１８】制御装置１０１は、ファンクションジェネ
レータ１０、ピエゾ駆動用電圧印加装置７、高周波電源
１１に動作開始を指示する。

【００１９】ファンクションジェネレータ１０は、共振
周波数よりわずかに高い周波数、例えば５０ｋＨｚのサ
イン波の参照信号をロックインアンプ９、ロックインア
ンプ１５、ピエゾ駆動用電圧印加装置７に出力する。ピ
エゾ駆動用電圧印加装置７は、参照信号を用いて共振周
波数よりわずかに高い周波数、例えば５０ｋＨｚの電圧
信号を形成し、積層型ピエゾ３に供給する。これによ
り、積層型ピエゾ３は、５０ｋＨｚでカンチレバー１を
ｚ方向に振動させる。

【００２０】半導体レーザー１３からは、カンチレバー
１へ向かってレーザ光が照射され、反射光が２分割検出
器１４で検出される。これにより、カンチレバー１の振
動は、半導体レーザー１３と２分割光検出器１４によっ
て、光てこ法により計測される。ロックインアンプ１５
は、ファンクションジェネレータ１０からの５０ｋＨｚ
の参照信号を用いて、検出器１４が検出した信号のうち
周波数５０ＫＨｚの信号の振幅を検出する。これによ
り、カンチレバー１の振動の振幅を検出することができ
る。

【００２１】ロックインアンプ１５の出力は、制御装置
１０１に入力される。カンチレバー１の振動の振幅は、
試料４とカンチレバー１との間の距離に応じてカンチレ
バー１との間に働く力によって変化するため、制御装置
１０１は、この振動振幅が一定になるように、チューブ
型ピエゾ６のＺ方向を変位させるための出力をピエゾ駆
動用電圧印加装置１２に指示する。ピエゾ駆動用電圧印
加装置１２は、制御装置１０１の指示に応じて、チュー
ブ型ピエゾ６をＺ方向に変位させる電圧を出力し、試料
４をＺ方向に変位させる。これにより、試料４の表面の
凹凸がある場合にも、カンチレバー１の探針１ａの先端
と、試料４の表面との距離が一定に保たれる。

【００２２】また、制御装置１０１は、試料４の予め定
めた範囲をカンチレバー１の探針１ａが走査するよう
に、チューブ型ピエゾ６をＸＹ方向に変位させるための
出力をピエゾ駆動用電圧印加装置１２に指示する。ピエ
ゾ駆動用電圧印加装置１２は、制御装置１０１の指示に
従って、チューブ型ピエゾ６に電圧を出力して、試料４
をＸＹ方向に移動させる。

【００２３】これにより、カンチレバー１の探針１ａの
先端は、試料４の凹凸に合わせて試料４の表面と一定の
距離を保ちつつ、試料４の表面上を走査し、しかも、５
０ｋＨｚで一定の振幅で振動する。

【００２４】試料４には、試料ホルダー５を介して、高
周波電源１１から１ＧＨｚの高周波電圧が印加されるた
め、試料４の導体部分には、１ＧＨｚの高周波電圧信号
が流れる。上述のように、カンチレバー１の探針１ａ
が、試料４と間隔を保ちながら試料４上を走査すると、
試料４の導体部分の上部では、試料４の導体部分とカン
チレバー１の探針１ａとの間の静電容量を介して、試料
４の導体部分の電圧信号がカンチレバー１の探針１ａに
伝わる。カンチレバー１は５０ｋＨｚでｚ方向に振動し
ているため、カンチレバー１と試料４との間隔は、５０
ｋＨｚの周波数で周期的に近づいたり離れたりしてい
る。そのため、カンチレバー１と試料４の導体部分との
間の静電容量も５０ｋＨｚの周波数で変化する。よっ
て、カンチレバー１に伝達される１ＧＨｚの高周波の電
圧の振幅変化は、５０ｋＨｚの周期的な成分を有する。
また、カンチレバー１に伝達された１ＧＨｚの高周波の
振幅の５０ｋＨｚでの変化量は、カンチレバー１の振動
によるカンチレバー１と試料４の導体との間の静電容量
の変化量に比例するため、カンチレバー１に伝達された
１ＧＨｚの高周波の振幅の５０ｋＨｚでの変化量を検出
することにより、試料４の導体のパターンを検出するこ
とができる。

【００２５】検波回路８は、カンチレバー１に伝達され
た電圧信号を検波し、ロックインアンプ９が、５０ｋＨ
ｚの参照信号を用いて、検波回路８の出力のうちカンチ
レバー１の振動周波数と等しい周波数５０ｋＨｚの信号
の振幅を検出する。

【００２６】制御装置１０１は、ロックインアンプ９の
出力を、その時のカンチレバー１の試料４上のＸＹ方向
の位置とを対応させて内蔵する記憶手段に記憶させ、試
料４から伝達された電圧信号の試料４上での分布画像を
作成する。そして、この画像を表示装置１０２に表示さ
せる。さらに、制御装置１０１は、ピエゾ駆動用電圧印
加装置１２に指示した試料４のＺ方向の変位を、ＸＹ方
向の位置とを対応させて、内蔵する別の記憶手段に記憶
させ、試料４の表面の凹凸画像を作成する。この凹凸画
像も表示装置１０２に表示させる。

【００２７】なお、本実施の形態では、カンチレバー１
を共振周波数付近で振動させるているため、カンチレバ
ーの先端すなわち探針１ａのみが効率よく振動し、カン
チレバー１の支持体１ｃならびにレバー部１ｂの振動は
小さい。さらに、支持体１ｃならびにレバー部１ｂは、
探針１ａに比べて試料４から離れている。そのため、支
持体１ｃならびにレバー部１ｂと、試料４との間の静電
容量の変化は、無視できるほど小さい。したがって、カ
ンチレバー１の周波数５０ｋＨｚ電圧信号は、ほとんど
が、カンチレバー１の探針１ａと試料４との間の静電容
量の変化によって生じたものである。

【００２８】また、対向する導体間の静電容量の変化量
は、後で詳しく述べるように、対向する導体間の距離に
平方に反比例して小さくなるために、探針１ａのなかで
も、特に探針１ａの”先端”と試料４との間の静電容量
の変化量が大きく、探針１ａの根本部と試料４との間の
静電容量の変化量は小さい。

【００２９】よって、本実施の形態では、試料４に加え
た１ＧＨｚの高周波が、カンチレバー１と試料４との間
の静電容量を介して、カンチレバー１に伝達する量は、
支持体１ｃならびにレバー部１ｂでは、ほぼ一定量であ
り、高周波の伝達量のカンチレバー１の振動周波数での
変化は、大部分が探針１ａの先端への伝達量の変化によ
るものである。

【００３０】このため、検波回路８およびロックインア
ンプ９で、カンチレバー１に伝わった高周波の振幅が５
０ｋＨｚで変化する量を検出することにより、試料４か
ら探針１ａの先端への高周波の伝達特性を検出すること
ができる。

【００３１】このように、本実施の形態では、カンチレ
バー１の探針１への高周波の伝達を選択的に検出できる
ため、Ｓ／Ｎ比が向上するとともに検出位置を探針１ａ
の先端に特定することができるため、空間分解能を向上
させることができる。

【００３２】ここで、静電容量の変化量が、対向する導
体間の距離の平方に反比例して小さくなることをさらに
詳しく説明する。一般的に、２つの導電性を有する平行
平面板の間のキャパシタンスＣは、平行平面板の面積を
Ｓ、平行平面板間の距離をｄ、平行平面板間を満たして
いる物質の誘電率をεとして、

【００３３】

【数１】

【００３４】で表される。また、キャパシタンスＣの距
離ｄによる変化量は、

【００３５】

【数２】

【００３６】で表される。本実施の形態のカンチレバー
１の場合には、四角錐の探針１ａを用いているため、図
６（ａ），（ｂ）のように、四角錐の探針１ａの先端か
ら高さｘの部分の表面積ΔＳ（ｘ）は、ｘに比例して増
加する。すなわち、ΔＳ（ｘ）∝ｘである。よって、試
料４が導電体である場合、探針１ａ先端と試料４との距
離をＤとすると、探針１ａ先端から高さｘの位置の探針
表面と、試料４との間のキャパシタンスの距離ｄの微小
な変化による変化量は、ｄ＝Ｄ＋ｘより

【００３７】

【数３】

【００３８】で表される。

【００３９】よって、試料４と探針１ａの表面との間の
静電容量の変化量（∂Ｃ／∂ｄ）はｘ＞＞Ｄの領域で
は、探針１ａの先端からの距離ｘに反比例して小さくな
る。

【００４０】したがって、静電容量の変化により、検波
回路８およびロックインアンプ９で検出される周波数５
０ｋＨｚの信号は、探針１ａの先端で伝達された高周波
に重み付けされており、本実施の形態では、カンチレバ
ー１の探針１ａの先端部によって、試料４からカンチレ
バー１に伝達される高周波電圧を検出することができ
る。

【００４１】このように、本実施の形態の走査型プロー
ブ顕微鏡では、カンチレバー１を共振周波数付近で振動
させ、カンチレバー１に試料４から伝達される高周波電
圧の振幅のレバーの振動周波数での変化を検出するとい
う構成を用いることにより、カンチレバー１にシールド
等の施すことなく、カンチレバー１の探針の先端１ａ以
外の部分からの高周波電圧の伝達の成分を取り除くこと
ができるため、高感度かつ高空間分解能で試料４の導電
体のパターンを検出することができる。

【００４２】また、カンチレバー１の振動振幅を光学的
に検出し、この振幅が一定になるように試料４とカンチ
レバー１の探針１ａとの距離を保つことにより、非接触
モードで試料の表面を走査させることができる。これに
より、試料４の表面の凹凸形状を、試料４からの高周波
電圧の伝達とは独立して計測することができる。

【００４３】また、探針１ａと試料４とが非接触である
ため、本実施の形態の走査型プローブ顕微鏡では、表面
が導電体の試料４であっても、試料４の導電体パターン
を検出することができる。

【００４４】また、カンチレバー１にシールドを施す必
要がないため、カンチレバーの製造コストを低くするこ
とができる。

【００４５】ここで、本実施の形態の走査型プローブ顕
微鏡を用いた測定例を図２（ａ），（ｂ），（ｃ）およ
び図３（ａ），（ｂ），（ｃ）により説明する。

【００４６】まず、図２（ａ）のように、誘電体２１
と、誘電率の低い誘電体２２とが、金属基板２３上に搭
載された試料を測定したところ、チューブ型ピエゾ６に
加えた電圧は図２（ｂ）のようになり、試料表面がｘ方
向について平坦であることが測定された。また、ロック
インアンプ９の出力は、図２（ｃ）のように、誘電体２
２が搭載されている部分で凹部となり、この部分では試
料４とカンチレバー１の探針１ａとの間の静電容量変化
が小さいことが検出できた。

【００４７】また、図３（ａ）のように、凹部３１ａを
有する金属基板３１上に、凸部３２ｂを有する絶縁体薄
膜３２を搭載した試料を測定したところ、チューブ型ピ
エゾ６に加えた電圧は図３（ｂ）のようになり、試料表
面形状の凸部３２ｂが測定された。また、ロックインア
ンプ９の出力は、図３（ｃ）のように、図３（ａ）の部
分３１ａと凸部３２ｂにおいて小さく、この部分では試
料４とカンチレバー１との間の静電容量変化が小さいこ
とが検出できた。

【００４８】つぎに、本発明の第２の実施の形態の走査
型プローブ顕微鏡について、図４を用いて説明する。

【００４９】図４の走査型プローブ顕微鏡は、カンチレ
バー１に高周波電圧を印加し、カンチレバー１の高周波
を試料４によって反射させ、試料４において反射された
高周波を再びカンチレバー１に伝達させてこれを検出す
る構成である。このために、カンチレバー１には、方向
性結合器４８を介して、ネットワークアナライザー４９
が接続される。ネットワークアナライザー４９には、制
御装置５０が接続される。他の構成は、図１と同様の構
成であるため、図４において、図１と同じ構成には、同
じ符号を付して説明を省略する。

【００５０】ネットワークアナライザー４９は、高周波
発信部および信号検出部を内蔵している。ネットワーク
アナライザー４９の高周波発信部から発せられた１ＧＨ
ｚの高周波は、入力波として方向性結合器４８を介して
カンチレバー１に供給される。カンチレバー１の高周波
のうち、試料４において反射された高周波は、方向性結
合器４８により入力波と分離され、ネットワークアナラ
イザー４９の信号検出部に導かれ検波される。ネットワ
ークアナライザー４９において検波された信号は制御装
置５０に伝えられてフーリエ変換され、カンチレバー１
の振動周波数と等しい周波数成分が検出される。制御装
置５０は、この周波数成分の振幅および位相を検出す
る。また、制御装置５０は、検出した振幅および位相
を、試料４の探針１ａ先端付近で反射される高周波の情
報として、試料４のＸＹ方向の位置と対応させて内蔵す
る記憶手段に記憶させ、反射波の振幅情報画像および位
相情報画像を作成し、表示装置１０２に表示させる。

【００５１】カンチレバー１の振動は、半導体レーザー
１３と２分割光検出器１４を用いて光てこ法により計測
され、振動の振幅がロックインアンプ１５により検出さ
れる。また、制御装置５０は、ロックインアンプ１５の
出力から、カンチレバー１の振動振幅が一定になるよう
にピエゾ駆動用電圧印加装置１２にチューブ型ピエゾ６
のＺ方向の変位させるよう指示する。また、制御装置５
０は、ピエゾ駆動用電圧印加装置１２に、試料４をカン
チレバー１に対してＸＹ方向に走査させるための電圧を
供給するよう指示する。そして、Ｚ方向の変位を、ＸＹ
方向の位置と対応させて内蔵する記憶手段に記憶させ、
試料４の表面の凹凸画像を作成し、表示装置１０２に表
示させる。

【００５２】また、制御装置５０は、ピエゾ駆動用電圧
印加装置７に５０ｋＨｚの参照信号を受け渡し、カンチ
レバー１を共振周波数付近で振動させる電圧信号を出力
させる。

【００５３】図４の走査型プローブ顕微鏡の測定例を図
５（ａ），（ｂ），（ｃ）により説明する。試料４は、
図５（ａ）のように、凹部６１ａを有する酸化シリコン
６１に埋め込まれたのアルミニウム配線６２から構成さ
れている。アルミニウム配線６２は、凹部６１ａの位置
に、凹部６２ａを有している。図５（ｂ）は、チューブ
型ピエゾ６に加えた電圧であり、凹部６１ａを検出して
いる。また、図５（ｃ）は試料４で反射された高周波の
振幅情報を示しており、アルミニウム配線６２の外形が
検出されている。

【００５４】なお、上述の第１および第２の実施の形態
では、カンチレバー１として共振周波数がおよそ４９．
８ｋＨｚのものを用い、試料４に１ＧＨｚの高周波電圧
を加えているが、本発明は、これに限定されるものでは
ない。試料に印加する高周波は、カンチレバーの共振周
波数よりも高い周波数であれば良く、１ＧＨｚ以外の周
波数を用いることができる。

【００５５】また、試料４に加える高周波の周波数を変
化させながら測定できる構成にすることも可能である。
この場合には、カンチレバー１に伝わる高周波の周波数
依存特性を検出することができる。

【００５６】また、試料４とカンチレバー１との間にバ
イアス電圧を負荷する機能をさらに配置することによ
り、試料４が半導体の場合には、半導体の空乏層の存在
等を検出することができる。

【００５７】また、上述の実施の形態では、カンチレバ
ー１の試料４側の面全体をチタン膜でコーティングした
ものを用いたが、このチタン層をパターニングして幅の
狭い配線の形状にしておくことにより、チタン層による
浮遊容量を小さくすることができ、Ｓ／Ｎ比をより向上
させることができる。

【００５８】また、カンチレバーの探針としては、上述
の四角錐の探針よりも、可能であれば、より鋭い探針の
方が望ましい。

【００５９】また、カンチレバーとしては、本実施の形
態では、窒化シリコンに導電性のチタン膜をコーティン
グしているが、先端を鋭くしたワイヤーをカンチレバー
として用いてもよい。このようなワイヤーは、バルク金
属であるため、チタン膜のような薄膜よりも電気伝導性
に優れており、より高感度にカンチレバーの電気信号を
伝えることができると考えられる。

【００６０】また、第１および第２の実施の形態では、
カンチレバー１の探針１ａと試料４の表面との間隔を検
出するために、ロックインアンプ１５により、カンチレ
バー１の振動振幅を検出する構成であったが、カンチレ
バーの振動周波数の変化を検出する構成にすることもで
きる。この場合には、振動周波数を一定に保つように制
御装置１０１が制御することにより、カンチレバー１と
試料４の距離を一定に保つことができる。

【００６１】

【発明の効果】本発明では、カンチレバーを共振周波数
で振動させ、試料に高周波を印加し、カンチレバーに伝
わる高周波電圧の振幅の前記共振周波数での変化量を検
出することにより、試料の表面もしくは内部の導電体パ
ターンを高い空間分解能で検出することができる。ま
た、この方法では、試料の表面形状も同時に検出するこ
とが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態の走査型プローブ顕微鏡
の構成を説明するためのブロック図。

【図２】図１の走査型プローブ顕微鏡で測定した（ａ）
試料の断面図、（ｂ）および（ｃ）測定結果を示す説明
図。

【図３】図１の走査型プローブ顕微鏡で測定した（ａ）
試料の断面図、（ｂ）および（ｃ）測定結果を示す説明
図。

【図４】本発明の一実施の形態の走査型プローブ顕微鏡
の構成を説明するためのブロック図。

【図５】図１の走査型プローブ顕微鏡で測定した（ａ）
試料の断面図、（ｂ）および（ｃ）測定結果を示す説明
図。

【図６】図１の走査型プローブ顕微鏡のカンチレバーの
探針の表面の一部分と試料とのキャパシタンスおよびそ
の変化量を説明するための（ａ）カンチレバーの側面
図、（ｂ）カンチレバーの仮面図。

【符号の説明】

1・・・カンチレバー２・・・カンチレバーホルダー３・・・積層型ピエゾ４・・・試料５・・・試料ホルダー６・・・チューブ型ピエゾ７・・・ピエゾ駆動用電圧印加装置８・・・検波回路９・・・ロックインアンプ１０・・ファンクションジェネレータ１１・・高周波電源１２・・ピエゾ駆動用電圧印加装置１３・・半導体レーザ１４・・２分割光検出器１５・・ロックインアンプ２１、２２・・誘電体２３、３１・・金属基板３２・・絶縁体薄膜４８・・方向性結合器４９・・ネットワークアナライザー５０・・コンピュータ６１・・酸化シリコン６２・・アルミニウム配線５０、１０１・・・制御装置１０２・・・表示装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】導電性探針を有するカンチレバーを保持す
るカンチレバーホルダーと、前記カンチレバーに対向す
る位置に試料を保持する試料ホルダーと、前記カンチレ
バーを振動させる振動手段と、前記カンチレバーと前記
試料との間隔を一定に保つ間隔保持手段と、前記試料に
交流電圧信号を印加する交流電圧印加手段と、前記カン
チレバーに前記試料から伝達した電圧信号を検出する検
波手段とを有し、前記検波手段は、前記カンチレバーの振動周波数と等し
い周波数成分の電圧信号を検出することを特徴とする走
査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】導電性探針を有するカンチレバーを保持す
るカンチレバーホルダーと、前記カンチレバーに対向す
る位置に試料を保持する試料ホルダーと、前記カンチレ
バーを振動させる振動手段と、前記カンチレバーと前記
試料との間隔を一定に保つ間隔保持手段と、前記カンチ
レバーに交流電圧信号を印加する交流電圧印加手段と、
前記カンチレバーに印加された前記交流電圧信号のうち
前記試料で反射されて再び前記カンチレバーに伝達した
電圧信号を検出する検波手段とを有し、前記検波手段は、前記カンチレバーの振動周波数と等し
い周波数成分の電圧信号を検出することを特徴とする走
査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】請求項１または２において、前記検波手段
により検波される前記電圧信号において、前記周波数成
分の振幅を検出することを特徴とする走査型プローブ顕
微鏡。
【請求項４】請求項１または２において、前記検波手段
により検波される前記電圧信号において、前記周波数成
分の位相を検出することを特徴とする走査型プローブ顕
微鏡。
【請求項５】請求項１または２において、前記交流電圧
印加手段の印加する交流電圧の周波数は、前記共振周波
数よりも高いことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】請求項２において、前記交流電圧印加手段
が前記カンチレバーに印加する交流電圧信号と、前記試
料で反射されて再び前記カンチレバーに伝達した電圧信
号とを分離する分離手段を有することを特徴とする走査
型プローブ顕微鏡。
【請求項７】請求項１または２において、前記間隔保持
手段は、前記カンチレバーの振動振幅または振動周波数
を検出する手段と、検出した振動振幅または振動周波数
が一定になるように前記試料を前記カンチレバーに近づ
ける方向または遠ざける方向に相対的に移動させる移動
手段とを有することを特徴とする走査型プローブ顕微
鏡。
【請求項８】請求項７において、前記カンチレバーを前
記試料上で走査させるために、前記カンチレバーを前記
試料の表面に平行な方向に相対的に移動させる走査手段
と、記憶手段と、前記走査手段の移動量と前記間隔保持
手段の移動手段の移動量とを対応させて前記記憶手段に
記憶させることにより、前記試料表面の凹凸画像を作成
する制御手段と、前記制御手段の作成した凹凸画像を表
示する表示装置とを有することを特徴とする走査型プロ
ーブ顕微鏡。
【請求項９】請求項１または２において、前記カンチレ
バーを前記試料上で走査させるために、前記カンチレバ
ーを前記試料の表面に平行な方向に相対的に移動させる
走査手段と、記憶手段と、前記走査手段の移動量と前記
検波手段の検波結果とを対応させて前記記憶手段に記憶
させることにより、前記試料表面の静電容量分布画像を
作成する制御手段と、前記制御手段の作成した静電容量
分布画像を表示する表示装置とを有することを特徴とす
る走査型プローブ顕微鏡。