JPH1048223A

JPH1048223A - 走査型プローブ顕微鏡

Info

Publication number: JPH1048223A
Application number: JP8208389A
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: 1996-08-07
Filing date: 1996-08-07
Publication date: 1998-02-20

Abstract

(57)【要約】【課題】探針および試料表面を痛めることなく、しか
も、静電容量の情報の信号を十分な強度で得ることが可
能な走査型プローブ顕微鏡を提供する。【解決手段】試料５を搭載する試料ホルダーと、探針３
１と、探針３１を試料５上で相対的に走査させるための
走査手段と、探針３１と試料５との間に電圧を印加し、
探針３１と試料５との間の静電容量を検出する静電容量
検出手段と、探針３１の先端に液体の膜３３を形成する
ための手段とを有する。膜３３は誘電率が大きいため、
領域Ｉに加えて、液体により探針３１と試料５との間が
満たされた領域ＩＩにおいても静電容量が計測される。
これにより、静電容量検出手段の出力が大きくなる。

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。

【０００３】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、探針と試料との間に働
く微小な力を利用する原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）や、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。

【０００４】走査型静電容量顕微鏡は、主として原子間
力顕微鏡（ＡＦＭ）をベースにしており、ＡＦＭにより
探針を試料表面で走査させながら同時に静電容量の情報
を取得する。走査型静電容量顕微鏡は、主に半導体試料
に対して用いられ、半導体中の空乏層の増減に伴う探針
試料間の静電容量変化を検出する。静電容量変化の検出
には、キャパシタンス変化をＬＣ共振器の共振周波数変
化として検出するキャパシタンスセンサーが用いられて
いる。

【０００５】走査型プローブ顕微鏡の大多数は、大気中
で動作させるタイプのものであるが、超高真空中での走
査型プローブ顕微鏡や、水中観察用の走査型プローブ顕
微鏡も開発されている。また、大気中で動作させるタイ
プのものでも、グローブボックスを備えることにより制
御された雰囲気中で測定を行えるタイプの走査型プロー
ブ顕微鏡が開発されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】原子間力顕微鏡は、測
定条件によっては原子像が得られるほどの高い空間分解
能を有しており、探針と試料の接触面積は通常１ｎｍ²
よりも小さいと考えられる。このような小さな接触面積
では、探針と試料と間の静電容量もしくはその変化量が
小さく、従来、静電容量の情報を得ることが困難であっ
た。そのため、静電容量の情報を精度良く得るために
は、探針と試料との接触面積が、１００ｎｍ²程度であ
ることが望まれる。接触面積を大きくするためには、例
えば、導電性の探針として先端の曲率半径の大きなもの
を用い、これを試料表面に押しつけて接触させることに
より接触面積を大きくさせることが考えられる。しかし
ながら、この場合にはＡＦＭにより得られる試料の表面
形状像の分解能が劣化してしまうことや、強い接触圧に
よって探針先端や試料表面を痛めてしまうことが予想さ
れる。

【０００７】本発明は以上の点を考慮し、探針および試
料表面を痛めることなく、静電容量の情報の信号を十分
な強度で得ることが可能な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】上記目的を達成するため
に、本発明によれば、試料を搭載する試料ホルダーと、
探針と、前記探針を前記試料上で相対的に走査させるた
めの走査手段と、前記探針と試料との間に電圧を印加
し、前記探針と試料との間の静電容量を検出する静電容
量検出手段と、前記探針の先端に液体の膜を形成するた
めの手段とを有する走査型プローブ顕微鏡が提供され
る。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の一実施の形態について図
面を用いて説明する。

【００１０】まず、図１を用いて、本実施の形態の走査
型プローブ顕微鏡の構成について説明する。

【００１１】図１の走査型静電容量顕微鏡においては、
試料５は、アルミニウム製の試料ホルダー６に搭載され
る。試料ホルダー６には、試料５をＸＹＺ方向に移動さ
せるためにチューブ型ピエゾ素子７に搭載されている。
また、チューブ型ピエゾ素子７は、粗動機構８に搭載さ
れている。また、試料５上には、探針３１を備えたカン
チレバー１がカンチレバーホルダー２によって支持され
る。カンチレバー１の上部の空間には、カンチレバー１
の撓みを検出するために、半導体レーザ９と２分割光検
出器１０とが配置されている。これらは、すべてチャン
バー１９の内部に配置されている。

【００１２】試料ホルダー６には、試料５に電圧を印加
するための発振器１１が接続される。また、チューブ型
ピエゾ素子７には、電圧印加装置１３が接続されてい
る。カンチレバー１は、キャパシタンスセンサー４と電
気的に接続されている。キャパシタンスセンサー４の出
力は、ロックインアンプ１２に入力される。また、ロッ
クインアンプ１２には、発振器１１から参照信号が入力
される。ロックインアンプ１２の出力および２分割光検
出器１０の出力は、制御装置２５に入力される。電圧印
加装置１３には、制御装置２５から制御信号が入力され
る。キャパシタンスセンサー４、ロックインアンプ１
２、発振器１１、電圧印加装置１３、および、制御装置
２５は、チャンバー１９の外部に配置されている。

【００１３】また、チャンバー１９内部には、内径１ｍ
ｍのガラス製のチューブ１４と、これを保持するホルダ
ー１５と、チューブ１４の先端を移動させるための駆動
機構１６とが配置されている。チューブ１４の先端は、
試料５に向けられている。試料５の近傍には、温湿度計
２３も配置されている。

【００１４】チューブ１４のもう一方の端部は、チャン
バー１９の外部に引き出され、水蒸気供給装置１８に接
続されている。また、チャンバー１９の内部に乾燥空気
を供給するための乾燥空気供給装置２１がコネクタ２０
を介してチャンバー１９に接続されている。また、内部
の圧力を測定するための圧力計２４がチャンバー１９内
に配置されている。また、チャンバー１９は、排気装置
２２を有している。

【００１５】駆動機構１６、水蒸気供給装置１８、乾燥
空気供給装置２１および排気装置２２には、制御装置２
５から制御信号が入力される。温湿度計２３および圧力
計２４の出力は、制御装置２５に入力される。

【００１６】なお、本実施の形態では、カンチレバー１
として、窒化シリコン製の探針３１およびレバー部をニ
ッケルクロム膜および金膜によってコートしたカンチレ
バーを用いている。カンチレバー１とキャパシタンスセ
ンサー４との電気的な接続には、導線３を用いている。
カンチレバーホルダー２は、浮遊容量の低減のため絶縁
物であるデルリンからなる。

【００１７】また、試料５は、不純物のドープ濃度に２
次元分布を有するシリコン基板を用いている。試料５の
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
る。

【００１８】つぎに、図１の走査型プローブ顕微鏡を用
いて、試料５の静電容量の計測、および、試料表面の形
状を計測する場合の各部の動作について説明する。

【００１９】まず、粗動機構８により試料５をＸＹＺ方
向に粗動させ、試料５の表面に、カンチレバー１の探針
３１の先端を接触させる。カンチレバー１の撓みを、半
導体レーザー９および２分割光検出器１０を用いて光て
こ法により検出する。２分割光検出器１０の出力を用い
て、制御装置２５は、撓みを所定の値に保持するため
に、試料５をＺ方向に変位させるフィードバック信号を
形成し、電圧印加装置１３に出力する。電圧印加装置１
３は、このフィードバック信号にもとづいてチューブ型
ピエゾ素子７に電圧を印加することにより、試料５をＺ
方向に変位させ、カンチレバー１の撓みを一定に保つ。
また、制御装置２５は、探針３１を試料５上の所定の領
域で相対的に走査させるために、試料５をＸＹ方向に走
査させる電圧信号を形成し、電圧印加装置１３に出力す
る。電圧印加装置１３は、チューブ型ピエゾ素子７に電
圧を印加することにより、試料５をＸＹ方向に走査させ
る。これにより、コンタクトモードで、探針３１と試料
５との間の力を一定に保持しながら、探針３１を試料５
上で相対的に走査させることができる。制御装置２５
は、試料５のＺ方向の変位量と、ＸＹ方向の走査量とを
対応させることにより、試料５の表面の凹凸形状を表す
２次元画像情報を形成し、不図示の表示装置に表示させ
る。

【００２０】また、制御装置２５は、探針３１を試料５
上で走査させながら、発振器１１から直流バイアス電
圧、および、１０〜１００ｋＨｚの間の予め定めた周波
数のサイン波を試料ホルダー６を介して試料５の裏面の
電極膜に印加させる。同時に、制御装置２５は、駆動機
構１６を動作させて、チューブ１４の先端を試料５付近
に移動させ、水蒸気供給装置１８に水蒸気の供給を指示
する。これにより、水蒸気供給装置１８が供給した水蒸
気が、チューブ１４の先端から試料５の表面に吹き付け
られる。

【００２１】キャパシタンスセンサー４は、探針３１と
試料５との間の静電容量変化を検出する。ロックインア
ンプ１２は、発振器１１からの参照信号を用いて、キャ
パシタンスセンサー４の出力信号のうち、試料５に印加
したサイン波と同じ周波数の信号の振幅を検出する。こ
れにより、探針３１と電極膜との間の電圧によって試料
５に形成された空乏層の厚みの変化による試料５と探針
３１との間の静電容量変化が検出される。

【００２２】このとき、チューブ１４の先端から試料５
の表面に吹き付けられた水蒸気によって、探針３１の先
端と試料５の表面に、図２のように水のカラム３３が形
成される。このように水のカラム３３を形成させること
により、探針３１と試料５との接触面積を大きくなるた
め、ロックインアンプ１２の検出する信号の振幅を大き
くすることができる。これを以下さらに説明する。

【００２３】大気が乾燥した状態では、図２の水のカラ
ム３３は形成されず、探針３１と試料５との間の静電容
量は領域Ｉにおいてのみ計測される。領域Ｉは、探針３
１と試料５とが機械的に接触している領域である。一
方、チューブ１４から水蒸気を供給し、湿度が高くなる
と探針３１と試料５との接触点付近に、湿度に依存した
大きさの水のカラム３３が形成される。水は誘電率が大
きいため領域Ｉに加えて、水により探針３１と試料５と
の間が満たされた領域ＩＩにおいても静電容量が計測さ
れる。なお、領域ＩＩＩは、空気の層を介しており静電
容量情報に寄与しない。よって、チューブ１４から水蒸
気を供給し、水のカラム３３を形成することにより、キ
ャパシタンスセンサーで検出される静電容量変化は大き
くなる。これにより、ロックインアンプ１２の出力も大
きくなる。

【００２４】制御装置２５は、ロックインアンプ１２の
出力した静電容量変化と、試料５のＸＹ方向の走査量と
を対応させることにより、試料５の静電容量変化の２次
元分布を表す画像を作成し、不図示の表示装置に表示さ
せる。

【００２５】このとき、本実施の形態では、水蒸気を供
給して図２に示される水のカラム３３を形成しているた
め、ロックインアンプ１２の出力レベルが大きく、高い
感度で静電容量変化を検出することができる。静電容量
変化は、試料のドーピング濃度に対応しているため、本
実施の形態の走査型プローブ顕微鏡を用いることによ
り、試料のドーピング密度の２次元分布を高分解能に表
示することができる。

【００２６】なお、水のカラム３３は、探針３１と試料
５を接触させたり離したりする場合には探針３１に大き
な力を及ぼすが、本実施の形態のように一定の力で探針
３１を試料５に接触させ、この状態で走査させるコンタ
クモードでは、水のカラム３３は探針３１にほとんど力
を及ぼさない。したがって、検出される試料表面の凹凸
画像の空間分解能は、領域Ｉで検出した場合と同じであ
り、高い空間分解能が得られる。

【００２７】さらに、本実施の形態では、探針３１と試
料５との接触面積を大きくするために、水のカラム３３
を用いており、探針３１と試料５との間の力を従来のＡ
ＦＭと同じく弱い力に設定することができるため、試料
５に探針３１が押しつけられることにより、探針３１や
試料５が傷つくのを防ぐことが出来る。

【００２８】なお、本実施の形態では、水のカラム３３
の大きさ、すなわち領域ＩＩの面積は、ロックインアン
プ１２の出力信号の強度レベルに応じて制御する。すな
わち、試料５上の同位置において、ロックインアンプ１
２の出力レベルが、大きければ水のカラム３３が大き
く、出力レベルが小さければ水のカラム３３は小さいと
判定する。制御装置２５は、ロックインアンプ１２の出
力レベルが小さすぎる場合には、水蒸気供給装置１８が
供給する水蒸気量を増加させることにより、水のカラム
３３を大きくさせ、ロックインアンプ１２の出力レベル
が大きすぎる場合には、水蒸気供給装置１８が供給する
水蒸気量を低減させ、乾燥空気供給装置２１から乾燥空
気を供給させるよう制御し、水のカラム３３を小さくさ
せる。また、制御装置２５は、圧力計２４の出力によ
り、チャンバー１９内の圧力が、水蒸気の供給や乾燥空
気の供給により予め定めた圧力よりも高くなったことを
検出した場合には、排気装置２２に排気を指示する。

【００２９】なお、水のカラム３３の大きさは、温湿度
計２３の検出する湿度にほぼ対応しているため、ロック
インアンプ１２の出力の代わりに、温湿度計２３の検出
する湿度に応じて、水蒸気供給装置１８および乾燥空気
供給装置２１および排気装置２２を制御装置２５が制御
する構成にすることもできる。

【００３０】本実施の形態では、チューブ１４により試
料５に対して水蒸気を吹き付け、乾燥空気供給装置２１
や排気装置２２で周囲の空間を乾燥させる機能を有する
ので、半導体レーザ９や光検出器１０等のチャンバー内
の他の機器に結露等の悪影響が生じるのを防止すること
ができる。

【００３１】また、チューブ１４の先端を鋭く加工する
ことによって、試料５上のごく局所的な領域のみに水蒸
気を供給することも可能である。

【００３２】なお、本実施の形態は、カンチレバー１に
レーザー光を照射し、光てこ法によってカンチレバー１
のたわみを測定し、試料５をフィードバック制御してい
るが、試料によっては、レーザ光の漏れ光が照射される
ことによって電荷が生じる等の悪影響が生じ場合もあ
る。この場合には、半導体レーザー９を消灯させ、高さ
一定モードで静電容量のみの計測を行うことも可能であ
る。

【００３３】また、本実施の形態では、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デルリ
ンから形成しているが、セラミック等の他の絶縁物で作
ることもできる。

【００３４】また、本実施の形態では、探針の回りに水
のカラムを形成しているが、誘電率の大きな液体であれ
ば水以外の他の液体や溶液を用いることももちろん可能
である。また、イオンを含む液体を用いて、液体のカラ
ム自体を電極として働かせることも可能である。

【００３５】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３を用いて説明する。

【００３６】図３の走査型プローブ顕微鏡において、試
料５をカンチレバー１に対して走査させるための機構、
静電容量の情報を計測する機構、および、カンチレバー
１の撓みを検出する機構は、第１の実施の形態の図１の
構成と同様であるので説明を省略する。

【００３７】図３の構成では、カンチレバー１の探針３
１の回りに水のカラム３３を形成させるための構成が図
１とは異なっている。具体的には、図３では、試料ホル
ダー１０６として、厚さ０．５ミリのセラミックス板の
両面に銅板を張り付けたものを用いている。２枚の銅板
は電気的に絶縁されているが、試料５側の銅板は、発振
器１１に接続されている。チューブ型ピエゾ素子７側の
銅板は、金属棒１２１により冷却装置１２２に接続され
ている。冷却装置１２２は、水槽と、水槽の中の水を冷
却するための冷却機構からなる。金属棒１２１は、冷却
装置１２２の水槽の温度を、試料ホルダー１０６の下側
の銅板に伝導し、これがセラミックス板および上側の銅
板を介して試料５に伝わる。これにより、試料５が冷却
される。一方、チャンバー１９には、チューブ１１５と
コネクタ１１４によって高湿度気体供給装置１１６が接
続されており、水蒸気を含む不活性ガス等の高湿度気体
をチャンバー１９内部に供給する。また、チャンバー１
９内には、温湿度計１１９と圧力計１２０も配置されて
いる。

【００３８】このように、図３の走査型プローブ顕微鏡
では、チャンバー１９内に高湿度気体を供給し、試料５
を冷却することにより、試料５の表面に水を効率的に凝
結させ、図２の水のカラム３３を形成する。制御装置２
５は、ロックインアンプ１２の出力レベルが小さい場合
には、高湿度気体供給装置１１６の供給量を増加させ、
湿度を高める。水のカラム３３は露点において急激に大
きくなるため、制御装置２５は、試料５の温度を露点の
少し上に保つように、冷却装置１２２を制御する。ま
た、制御装置２５は、圧力計１２０の出力を用いて、チ
ャンバー１９内の圧力を所定に保つように排気装置２２
を制御する。制御装置２５は、水のカラム３３の制御の
ために、ロックインアンプ１２の出力の代わりに、温湿
度計１１９の湿度の出力を用い、湿度を一定に保つよう
に高湿度気体供給装置１１６を制御することもできる。

【００３９】また、冷却装置１２２としては、液体窒素
等を用いることにより試料５を急速にもしくは低温まで
冷却する装置を用いることも可能である。

【００４０】図３の走査型プローブ顕微鏡においては、
水のカラム３３を介して探針と試料とを接触させること
ができるため、図１の構成と同様に、高感度に静電容量
を検出することができる。また、図３の構成は、試料５
を冷却することにより水のカラム３３を形成しているた
め、試料５と試料ホルダー１０６以外の装置に結露が生
じにくく、結露による悪影響を与えにくいという利点が
ある。

【００４１】なお、上述の第一および第二の実施の形態
では、試料および探針の周辺の湿度を上げ、結露させる
ことにより水のカラム３３を形成したが、本発明はこの
方法に限定されるものではない。探針の先端の回りに水
の膜が形成されれば他の方法を用いることもできる。例
えば、探針の先端に直接液体を供給する方法を用いるこ
ともできる。

【００４２】また、本実施の形態では、探針の回りの水
のカラムを静電容量の計測のためにのみ用いているが、
水の代わりに試料５と反応する液体を用いることによ
り、探針の回りの液体によって試料を加工することも可
能である。

【００４３】

【発明の効果】上述してきたように、本発明によれば、
探針および試料表面を痛めることなく、静電容量の情報
の信号を十分な強度で得ることができる走査型プローブ
顕微鏡を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施の形態の走査型プローブ顕
微鏡の構成を示すブロック図。

【図２】図１の走査型プローブ顕微鏡において探針３１
の回りに形成される水のカラム３３を示す断面図。

【図３】本発明の第二の実施の形態の走査型プローブ顕
微鏡の構成を示すブロック図。

【符号の説明】

１・・・カンチレバー、２・・・カンチレバーホルダ
ー、３・・・導線、４・・・キャパシタンスセンサー、
５・・・試料、６、１０６・・・試料ホルダー、７・・
・チューブ型ピエゾ素子、８・・・粗動機構、９・・・
半導体レーザー、１０・・２分割光検出器、１１・・発
振器、１２・・ロックインアンプ、１３・・電圧印加装
置、１４、１１５・・・ガラス製チューブ、１５・・・
ホルダー、１６・・・駆動機構、１７、２０、１１４・
・コネクター、１８・・・水蒸気供給装置、１９・・チ
ャンバー、２１・・・乾燥空気供給装置、２２・・排気
装置、２３、１１９・・温度湿度計、２４、１２０・・
圧力計、２５・・制御装置、３１・・・探針、３３・・
・水のカラム、１２１・・金属棒、１２２・・冷却装
置。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料を搭載する試料ホルダーと、探針と、
前記探針を前記試料上で相対的に走査させるための走査
手段と、前記探針と試料との間に電圧を印加し、前記探
針と試料との間の静電容量を検出する静電容量検出手段
と、前記探針の先端に液体の膜を形成するための手段と
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２】請求項１において、前記液体の膜を形成す
るための手段は、前記探針の周囲の空間に水蒸気を含む
気体を供給する加湿手段であ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２において、前記試料を冷却する手
段をさらに有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２において、前記加湿手段は、前記
探針の周囲の空間まで水蒸気を含む気体を導く手段を有
することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】請求項２において、前記加湿手段の供給す
る水蒸気量を制御するための制御手段をさらに有し、前
記制御手段は、前記静電容量検出手段の出力する信号レ
ベルに対応して前記水蒸気量を増減させることを特徴と
する走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】請求項１において、前記探針と試料との間
の力を検出する検出手段と、前記検出手段の検出する力
を一定に保つために、前記試料を前記探針に対して相対
的に上下動させる移動手段とをさらに有することを特徴
とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】請求項１において、前記試料と探針とを内
部に配置するためのチャンバーをさらに有することを特
徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項８】請求項１において、前記液体が、イオンを
含む液体であることを特徴とする走査型プローブ顕微
鏡。