JPH1048224A - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

走査型プローブ顕微鏡

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JPH1048224A
JPH1048224A JP8209872A JP20987296A JPH1048224A JP H1048224 A JPH1048224 A JP H1048224A JP 8209872 A JP8209872 A JP 8209872A JP 20987296 A JP20987296 A JP 20987296A JP H1048224 A JPH1048224 A JP H1048224A
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probe
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cantilever
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JP8209872A
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Katsuhiro Matsuyama
克宏 松山
Nobuaki Sakai
信明 酒井
Seizo Morita
清三 森田
Yasuhiro Sugawara
康弘 菅原
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Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Optical Co Ltd
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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
    • G01Q60/24—AFM [Atomic Force Microscopy] or apparatus therefor, e.g. AFM probes
    • G01Q60/30—Scanning potential microscopy
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    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y35/00—Methods or apparatus for measurement or analysis of nanostructures
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10S977/852—Manufacture, treatment, or detection of nanostructure with scanning probe for detection of specific nanostructure sample or nanostructure-related property

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Abstract

(57)【要約】 【課題】試料表面の正確な凹凸像を得られる、試料表面
の電気的特性を調べるための走査型プローブ顕微鏡を提
供する。 【解決手段】カンチレバー１０２はチューブスキャナー
１０６に支持されている。交流電源１１０は探針試料間
へ交流電圧を印加し、カンチレバー１０２を振動させ
る。ＦＭ復調器１２２はその変位信号を出力し、同期検
波器１２６は変位信号から交流電源１１０の二倍の角振
動数に関する成分を抽出する。減算器１２８は変位信号
から同期検波器１２６の出力信号を減算した信号を出力
し、Ｚコントローラー１１２は減算器１２８の出力信号
が一定に保たれるようにチューブスキャナー１０６を制
御する。情報処理部１３０はＸＹ走査回路１１４からの
ＸＹ情報に対応させてＺコントローラー１１２からの凹
凸情報と同期検波器１２４からの表面電荷情報をマッピ
ングして試料表面の凹凸像と電荷分布像を得る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、試料表面の電気的
特性を調べるための走査型プローブ顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】ケルビンプローブ顕微鏡と走査型マクス
ウェル顕微鏡は、試料表面の電位分布を調べるための走
査型プローブ顕微鏡であり、既に商品化されている。両
者は非常に似た構成をしている。以下では、まずケルビ
ンプローブ顕微鏡について詳しく説明し、続いて走査型
マクスウェル顕微鏡について相違箇所を重点に説明しよ
う。
【０００３】ケルビンプローブ顕微鏡の概略的な構成を
図３に示す。カンチレバー３０６は、自由端に探針３０
８を備えており、圧電素子３３０によって支持されてい
る。圧電素子３３０は交流電圧電源３３２から交流電圧
の印加を受けて振動し、この振動はカンチレバー３０６
を振動させる。観察対象である試料３０２は試料台３０
４の上に載置される。試料台３０４はチューブスキャナ
ー３１０の自由端に固定されている。Ｚコントローラー
３１２は、探針先端と試料表面の間隔が一定に保たれる
ように、チューブスキャナー３１０の自由端のＺ方向の
位置を制御する。ＸＹ走査回路３１４は、探針は試料表
面にわたり走査されるように、チューブスキャナー３１
０の自由端のＸＹ方向の位置を制御する。
【０００４】試料３０２は金属か半導体で、試料台３０
４は導電性材料で作られており、両者は電気的に接続さ
れている。また、カンチレバー３０６と探針３０８は導
電性材料で作られている。カンチレバー３０６と試料台
３０４の間には可変直流電圧電源３１６と交流電圧電源
３１８によって交流電圧が印加される。この交流電圧は
探針先端と試料表面に互いに逆極性で周期的に変化する
電荷分布を生じさせ、この電荷分布は周期的に変化する
静電気力を発生させ、この静電気力はカンチレバー３０
６を振動させる。つまり、カンチレバー３０６は、圧電
素子３３０が発生する機械的な力と、探針試料間に発生
する電気的な力とを受けて振動する。
【０００５】変位計３２０は、カンチレバー３０６の自
由端の変位を示す信号（変位信号）を出力する。プリア
ンプ３２２は、変位計３２０からの変位信号を増幅し、
同期検波器３２４と同期検波器３２６に出力する。同期
検波器３２４は変位信号の中から交流電圧電源３３２の
角振動数に等しい角振動数に関する成分を抽出し、これ
をＺコントローラー３１２に出力する。Ｚコントローラ
３１２は同期検波器３２４からの信号に基づいてチュー
ブスキャナー３１０のＺ方向の変位を制御する。Ｚコン
トローラー３１２からの出力信号は試料表面の凹凸情報
として情報処理部３３６に取り込まれる。
【０００６】一方、同期検波器３２６は変位信号の中か
ら交流電圧電源３１８の角振動数に等しい角振動数に関
する成分を抽出し、これを電圧制御回路３２８に出力す
る。電圧制御回路３２８は同期検波器３２６からの信号
に基づいて可変直流電圧電源３１６の電圧値を制御す
る。電圧制御回路３２８からの出力信号は試料の表面電
位情報として情報処理部３３６に取り込まれる。
【０００７】情報処理部３３６は、ＸＹ走査回路３１４
からのＸＹ情報に対応させて、Ｚコントローラー３１２
からの凹凸情報と電圧制御回路３２８からの表面電位情
報とをマッピングして、試料表面の凹凸像と電位分布像
を得る。
【０００８】以下、この装置の動作について詳しく説明
する。カンチレバー３０６は、圧電素子３３０の振動に
よる力Ｆvib と、探針３０８が受ける静電気力Ｆesと、
探針３０８が受けるファンデルワールス力Ｆvdw とを受
けて振動する。つまり、カンチレバー３０６が受ける力
Ｆは、Ｆ＝Ｆvib ＋Ｆes＋Ｆvdw で表される。Ｆvibは
探針先端と試料表面の間隔に関係なく一定であり、Ｆes
とＦvdw は探針先端と試料表面の間隔に依存して変化す
る。このため、カンチレバー３０６の振動は探針先端と
試料表面の間隔に依存して変化する。
【０００９】Ｚコントローラー３１２は探針先端と試料
表面の間隔が一定に保たれるようにチューブスキャナー
３１０のＺ方向の変位を制御する。この制御にとって
は、カンチレバー３０６の振動の変化が必要な情報であ
り、これに影響を与えないＦvib は考慮から外しても構
わない。つまり、カンチレバーが受ける力Ｆは、Ｆ＝Ｆ
es＋Ｆvdw と想定して考察することが許される。以下で
はこの想定の基で話をすすめる。
【００１０】ここで、可変直流電圧電源３１６の電圧を
ＶDC、交流電圧電源３１８の電圧をＶe ｓｉｎωe ｔ、
交流電圧電源３３２の電圧をＶm ｓｉｎωm ｔとする。
交流電圧電源３３２の電圧の角振動数ωm は、カンチレ
バー３０６を大きな振幅で振動させるため、カンチレバ
ー３０６の共振周波数ｆ0 に対して、ωm ＝２πｆ0に
設定されていることが好ましい。カンチレバー３０６が
受ける力Ｆは、探針３０８と試料３０２の間の電圧をＶ
として、次式で表される。
【００１１】
【数１】
【００１２】ここで第一項が静電気力Ｆesである。電圧
Ｖは、試料３０２の電位をＶS として、Ｖ＝ＶS ＋ＶDC
＋Ｖe ｓｉｎωe ｔで表される。これを式１に代入して
次式が得られる。
【００１３】
【数２】
【００１４】変位計３２０から出力される変位信号は、
この式２に対応している。同期検波器３２６は、プリア
ンプ３２２からの変位信号から、ωe 成分すなわち式２
のｓｉｎωe ｔの係数成分を抽出する。電圧制御回路３
２８は、同期検波器３２６の出力信号が０に維持される
ように、つまりＶS ＋ＶDC＝０であるように、可変直流
電圧電源３１６の電圧ＶDCを制御する。従って、電圧制
御回路３２８から出力される制御信号は、試料３０２の
表面電位に対応しており、表面電位情報として情報処理
部３３６に取り込まれる。
【００１５】この制御のため、式２においてＶS ＋ＶDC
を含む項は消え、結局、カンチレバー３０６が受ける力
Ｆは次式で表され、これに対応する変位信号が変位計３
２０から出力される。
【００１６】
【数３】
【００１７】同期検波器３２４は、プリアンプ３２２か
らの変位信号から、直流成分すなわち式３の第一項と第
二項の成分を抽出する。第一項は第二項に比べて非常に
大きいため、同期検波器３２４からの信号は、第一項の
影響が支配的であり、第二項の影響は殆ど反映せず、実
質的に第一項に対応していると言える。
【００１８】Ｚコントローラー３１２は、同期検波器３
２４の出力信号が一定に維持されるように、チューブス
キャナー３１０のＺ方向の変位を制御する。従って、Ｚ
コントローラー３１２から出力される制御信号は、試料
３０２の凹凸に対応しており、凹凸情報として情報処理
部３３６に取り込まれる。
【００１９】情報処理部３３６は、ＸＹ走査回路３１４
からのＸＹ情報に対応させて、凹凸情報と表面電位情報
をマッピングして、試料表面の凹凸像と電位分布像を得
る。次に、走査型マクスウェル顕微鏡について説明す
る。走査型マクスウェル顕微鏡の概略的な構成を図４に
示す。走査型マスクウェル顕微鏡の構成は、図３のケル
ビンプローブ顕微鏡に非常に似ており、わずかにＺコン
トローラー３１２への入力信号源すなわち同期検波器３
３４が異なっている。
【００２０】同期検波器３３４は、プリアンプ３２２か
らの変位信号から、２ωe 成分すなわち式３のｃｏｓ２
ωe ｔの係数成分を抽出する。Ｚコントローラー３１２
は、同期検波器３３４の出力信号が一定に維持されるよ
うに、チューブスキャナー３１０のＺ方向の変位を制御
する。
【００２１】情報処理部３３６は、電圧制御回路３２８
から出力される制御信号を表面電位情報として取り込
み、Ｚコントローラー３１２から出力される制御信号を
凹凸情報として取り込む。情報処理部３３６は、ＸＹ走
査回路３１４からのＸＹ情報に対応させて、凹凸情報と
表面電位情報をマッピングして、試料表面の凹凸像と電
位分布像を得る。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】ケルビンプローブ顕微
鏡は実質的に式３の第一項の成分に基づいて凹凸情報を
得ており、走査型マクスウェル顕微鏡は式３の第三項の
ｃｏｓ２ωe ｔの係数の成分に基づいて凹凸情報を得て
いる。これらは負号の違いを除けば同じであり、ケルビ
ンプローブ顕微鏡も走査型マクスウェル顕微鏡もこれを
一定に維持することで凹凸情報を得ている。別の言い方
をすれば、静電容量勾配（容量Ｃのｚによる偏微分）を
一定に維持することで凹凸情報を得ている。
【００２３】しかしながら、探針と試料の間の静電容量
は試料表面の場所により必ずしも一定ではない。このた
め、静電容量勾配一定の制御下で得られる凹凸情報は試
料表面の形状を正確に反映していない。
【００２４】例えば、試料表面に対向する探針先端のｎ
ｍオーダーの領域で均一な導体が表面に露出している試
料に対しては、探針と試料の間の静電容量は探針先端と
試料表面の間隔に一義的に対応するが、表面の少なくと
も一部に絶縁膜が存在する試料に対しては、探針先端と
試料表面の間隔に一義的に対応しておらず、絶縁膜の膜
厚（絶縁膜の無い部分は膜厚が０であると考える）に依
存して変化する。このため静電容量勾配は当然のことな
がら絶縁膜の膜厚に依存して変化する。従って、表面の
少なくとも一部に絶縁膜を存在する試料に対して、静電
容量勾配が一定に維持されるように、探針先端と試料表
面の間隔の制御を行なったとき、探針先端と試料表面の
間隔は一定に保たれているとは限らない。結局、静電容
量勾配を一定に維持することによって得られる凹凸情報
は試料表面の形状を正確に反映しているとは言えない。
【００２５】本発明はこのような事情を踏まえて成され
たものであり、その主要な目的は試料表面の電気的特性
を調べるための走査型プローブ顕微鏡であって、しかも
試料表面の正確な凹凸像を得られる走査型プローブ顕微
鏡を提供することである。
【００２６】
【課題を解決するための手段】本発明は、試料表面の電
気的特性を調べるための走査型プローブ顕微鏡であり、
試料表面の近くに配置される導電性の探針と、探針を自
由端に支持するカンチレバーと、探針を試料表面にわた
り走査する走査手段と、探針先端と試料表面の間隔を制
御する探針試料間隔制御手段と、探針と試料の間に交流
電圧を印加する交流電圧印加手段と、カンチレバーの自
由端の変位を検知する変位検知手段と、変位検知手段で
得られるカンチレバーの変位情報から、調査対象である
電気的特性の情報を取り出す電気的特性情報取得手段
と、変位検知手段で得られるカンチレバーの変位情報か
ら、探針に働くファンデルワールス力に実質的に起因す
るカンチレバーの変位に関する成分を取り出す変位成分
取得手段と、走査手段からの位置情報に対応させて電気
的特性取得手段で得られる電気的特性情報と変位成分取
得手段で得られる変位成分情報とをマッピングして試料
表面の電気的特性分布像と凹凸像を得る情報処理手段と
を有している。
【００２７】より詳しくは、交流電圧印加手段は正弦波
形の交流電圧を生成する交流電圧電源を含み、変位成分
取得手段は、変位検知手段で得られるカンチレバーの変
位情報から交流電源の角振動数の二倍の角振動数に関す
る成分を取り出す二倍角振動数成分取得手段と、変位検
知手段で得られるカンチレバーの変位情報から二倍角振
動数成分取得手段で得られる二倍角振動数成分情報を減
算する減算手段と、減算手段で得られる情報から直流成
分を取り出す直流成分取得手段とを有している。
【００２８】走査型プローブ顕微鏡は例えば試料表面の
電荷分布像を得る装置であり、前述の構成において、電
気的特性情報取得手段は変位検知手段で得られるカンチ
レバーの変位信号から交流電源の角振動数に等しい角振
動数に関する成分を取り出す角振動数成分取得手段を含
み、情報処理手段は、角振動数成分取得手段で得られる
角振動数成分情報と二倍角振動数成分取得手段で得られ
る二倍角振動数成分情報とに基づいて試料表面の電荷情
報を求め、これを走査手段からの位置情報に対応させて
マッピングして試料表面の電荷分布像を得る。
【００２９】走査型プローブ顕微鏡は例えば試料表面の
電位分布像を得る装置であり、前述の構成において、交
流電圧印加手段は任意の直流電圧を生成する可変直流電
圧電源を含み、電気的特性情報取得手段は、変位検知手
段で得られるカンチレバーの変位信号から交流電源の角
振動数に等しい角振動数に関する成分を取り出す角振動
数成分取得手段と、角振動数成分取得手段で得られる角
振動数成分情報に基づいて可変直流電圧電源を制御する
電圧制御手段とを含み、情報処理手段は、電圧制御手段
で得られる試料表面の電位情報を走査手段からの位置情
報に対応させてマッピングして試料表面の電位分布像を
得る。
【００３０】
【発明の実施の形態】
〔第一の実施の形態〕第一の実施の形態について図１を
用いて説明する。本実施形態は試料表面の電荷分布を調
べるための走査型プローブ顕微鏡であり、その概略的な
構成を図１に示す。
【００３１】カンチレバー１０２は、自由端に探針１０
４を備えており、チューブスキャナー１０６の自由端に
取り付けられている。チューブスキャナー１０６は、Ｚ
コントローラー１１２から供給される交流電圧を受け
て、自由端がＺ方向に振動し、この振動はカンチレバー
１０２の自由端を振動させる。
【００３２】カンチレバー１０２と探針１０４は導電性
材料で作られており、カンチレバー１０２は接地されて
いる。試料１０８は金属か半導体であり、交流電圧電源
１１０によって交流電圧が印加される。交流電圧の印加
は、探針先端と試料表面に周期的に変化する逆極性の電
荷分布を生じさせ、この電荷分布は探針と試料の間に周
期的に変化する静電気力を発生させ、この静電気力はカ
ンチレバー１０２を振動させる。つまり、カンチレバー
１０２は、チューブスキャナー１０６が発生する機械的
な力と、探針１０４と試料１０８の間に発生する電気的
な力とを受けて振動する。
【００３３】Ｚコントローラー１１２は、探針先端と試
料表面の間隔が一定に保たれるように、チューブスキャ
ナー１０６の自由端のＺ方向の位置を制御する。ＸＹ走
査回路１１４は、探針１０４が試料表面にわたり走査さ
れるように、チューブスキャナー１０６の自由端のＸＹ
方向の位置を制御する。
【００３４】変位計１１６はカンチレバー１０２の自由
端の変位を示す信号を出力する。変位計１１６からの出
力信号は、ＡＧＣ（Automatic Gain Control）回路１１
８で振幅が制御され、移相器１２０で位相が調整され、
Ｚコントローラー１１２を介してチューブスキャナー１
０６に供給される。この信号の流れは正帰還ループを形
成しており、変位計１１６とＡＧＣ回路１１８と移相器
１２０は、Ｚコントローラー１１２と共に、カンチレバ
ー１０２を共振周波数ｆ0 で発振させる発振回路を構成
している。ＡＧＣ回路１１８は、カンチレバー１０２の
振動の振幅が一定に保たれるように、変位計１１６から
の出力信号の制御する。
【００３５】ＦＭ復調器１２２は、カンチレバー１０２
が受ける力のうちの探針試料間隔に依存して変化する成
分に対応する信号を出力する。同期検波器１２４は、Ｆ
Ｍ復調器１２２からの出力信号から、交流電圧電源１１
０の角振動数に等しい角振動数に関する成分を抽出す
る。同期検波器１２４からの出力信号は表面電荷情報と
して情報処理部１３０に取り込まれる。
【００３６】同期検波器１２６は、ＦＭ復調器１２２か
らの出力信号から、交流電圧電源１１０の角振動数の二
倍の角振動数に関する成分を抽出する。同期検波器１２
６からの出力信号は静電容量勾配情報として情報処理部
１３０に取り込まれる。
【００３７】減算器１２８は、ＦＭ復調器１２２の出力
信号から同期検波器１２６の出力信号を減算した信号を
Ｚコントローラー１１２に出力する。Ｚコントローラー
１１２は、減算器１２８からの出力信号に基づいて、探
針先端と試料表面の間隔が一定に維持されるようにチュ
ーブスキャナー１０６のＺ方向の変位を制御する。Ｚコ
ントローラーから出力される制御信号は、カンチレバー
を振動させるための交流成分ＺACと探針試料間隔を一定
に維持するための直流成分ＺDCとを含んでおり、この直
流成分は試料表面の凹凸情報として情報処理部１３０に
取り込まれる。
【００３８】情報処理部１３０は、ＸＹ走査回路１１４
からのＸＹ情報に対応させて、Ｚコントローラー１１２
からの凹凸情報と同期検波器１２４からの表面電荷情報
とをマッピングして、試料表面の凹凸像と電荷分布像を
得る。ここで補足しておくと、同期検波器１２４からの
表面電荷情報は、正確には表面電荷そのものを示す情報
ではなく、探針試料間の静電容量を含んでいる。情報処
理部１３０は、同期検波器１２６からの静電容量勾配情
報に基づいて静電容量を求め、これを用いて同期検波器
１２４からの表面電荷情報から、表面電荷そのものを示
す本当の表面電荷情報を得ている。
【００３９】以下、本実施形態の装置の動作について詳
しく説明する。カンチレバー１０２は、チューブスキャ
ナー１０６の振動による力Ｆvib と、探針１０４が受け
る静電気力Ｆesと、探針１０４が受けるファンデルワー
ルス力Ｆvdw とを受けて振動する。つまり、カンチレバ
ー１０２が受ける力Ｆは、Ｆ＝Ｆvib ＋Ｆes＋Ｆvdwで
表される。Ｆvib は探針先端と試料表面の間隔に関係な
く一定であり、ＦesとＦvdw は探針先端と試料表面の間
隔に依存して変化する。このため、カンチレバー１０２
の振動は、探針先端と試料表面の間隔の変化つまりＦes
とＦvdw の変化に応じて変化する。
【００４０】Ｚコントローラー１１２は探針先端と試料
表面の間隔が一定に保たれるようにチューブスキャナー
１０６の自由端のＺ方向の変位を制御する。この制御に
とってはカンチレバー１０２の振動の変化が重要であ
り、これに影響を与えないＦvib は考慮から外してよ
い。つまり、カンチレバーが受ける力ＦはＦ＝Ｆes＋Ｆ
vdw として考察してよい。
【００４１】ここで、カンチレバー１０２を振動させる
ためにＺコントローラー１１２からチューブスキャナー
１０６に供給される交流電圧をＶm ｓｉｎωm ｔとす
る。すなわち、Ｚコントローラーから出力される制御信
号の交流成分ＺAC＝Ｖm ｓｉｎωm ｔである。この交流
電圧の角振動数ωm は、カンチレバー１０２を大きな振
幅で振動させるため、カンチレバー１０２の共振周波数
ｆ0 に対して、ωm ＝２πｆ0 に設定されることが好ま
しい。
【００４２】また、交流電圧電源１１０から試料１０８
に供給される交流電圧をＶe ｓｉｎωe ｔとする。この
交流電圧の角振動数ωe は、その周波数ωe ／２πがカ
ンチレバー１０２の共振周波数ｆ0 よりも十分に小さく
なるように、例えばｆ0 の１／１０以下になるように設
定されている。
【００４３】試料表面に存在する酸化膜等の絶縁膜の膜
厚をｄ、表面電荷をＱs とする。勿論、絶縁膜が存在し
ない箇所ではｄ＝０、表面電荷が存在しない箇所ではＱ
s ＝０である。
【００４４】カンチレバー１０２が受ける力Ｆは、探針
先端と試料表面の間隔をｚ、探針と試料の間の静電容量
をＣ、探針と試料の間の電圧をＶ、探針先端に現れる電
荷をＱt として、次式で表される。
【００４５】
【数４】 探針と試料の間の静電容量Ｃは、探針先端の表面積をＳ
として、次式で表される。
【００４６】
【数５】 探針先端に現れる電荷Ｑt はＱt ＝−Ｑs ＋ＣＶで表さ
れ、電圧ＶはＶ＝Ｖeｓｉｎωe ｔで表される。これら
を式４に代入すると次式が得られる。
【００４７】
【数６】
【００４８】式６において、第一項と第二項と第三項が
直流成分であり、第一項は静電容量勾配を含んでおり、
これは探針試料間隔を忠実には反映していないが、第三
項はファンデルワールス力に関する成分であり、これは
探針試料間隔を忠実に反映している。第一項は第二項と
第三項に比べて非常に大きく、第三項は第二項に比べて
非常に大きい。このため、式６の直流成分は、第一項が
支配的であり、探針試料間隔を正確に示してはいない。
【００４９】ＦＭ復調器１２２からの出力信号は式６に
対応したものであり、同期検波器１２４からの出力信号
は第四項のｓｉｎωe ｔの係数に対応したものであり、
これは表面電荷情報として情報処理部１３０に取り込ま
れる。また、同期検波器１２６からの出力信号は第五項
のｃｏｓ２ωe ｔの係数に対応したものであり、これは
静電容量勾配情報として情報処理部１３０に取り込まれ
る。
【００５０】式６の第五項のｃｏｓ２ωe ｔの係数は負
号の違いを別にすれば第一項と同一であり、実際に同期
検波器１２６からの出力信号は式６の第一項と同負号で
ある。従って、減算器１２８からの出力信号は次式に対
応したものとなる。
【００５１】
【数７】
【００５２】Ｚコントローラー１１２は、式７に対応す
る信号から、バンドパスフィルター等を用いて周波数成
分である第三項に対応する成分と第四項に対応する成分
を除去して第一項と第二項に対応する直流成分を求め、
これが一定に保たれるようにチューブスキャナー１０６
のＺ方向の変位を制御する。式７において、第一項は第
二項に比べて非常に小さく、第一項のｚ依存性も第二項
のｚ依存性に比べて非常時に小さい。従って、探針先端
と試料表面の間隔は実質的にファンデルワールス力Ｆ
vdw に基づいて制御されると言える。ファンデルワール
ス力Ｆvdw は、静電容量Ｃの変動に影響されることな
く、つまり試料表面上の絶縁膜の有無に関係無く、純粋
に探針先端と試料表面の間隔ｚに依存して変化する。
【００５３】従って、Ｚコントローラー１１２から出力
される制御信号の直流成分ＺDCは、試料表面の凹凸を忠
実に反映している。この制御信号の直流成分ＺDCは試料
表面の凹凸情報として情報処理部１３０に取り込まれ
る。情報処理部１３０は、ＸＹ走査回路１１４からのＸ
Ｙ情報に対応させて、Ｚコントローラー１１２からの凹
凸情報すなわち制御信号の直流成分ＺDCをマッピングし
て、試料表面の凹凸像を得る。
【００５４】前述したように、同期検波器１２６からの
出力信号は第五項のｃｏｓ２ωe ｔの係数に対応したも
のであり、静電容量勾配情報として情報処理部１３０に
取り込まれる。探針先端と試料表面の間隔ｚはＺコント
ローラー１１２による制御によって予め定めらた一定値
に保たれるので、静電容量勾配は試料表面上の酸化膜等
の絶縁膜の厚さｄに依存して変化する。従って、静電容
量勾配情報から試料上に存在する絶縁膜の厚さｄが分か
る。
【００５５】前述したように、同期検波器１２４からの
出力信号は第四項のｓｉｎωe ｔの係数に対応したもの
であり、これは表面電荷情報として情報処理部１３０に
取り込まれる。これは、表面電荷Ｑs と静電容量Ｃを含
んでおり、静電容量Ｃは探針試料間隔ｚと膜厚ｄから式
５によって求められるので、表面電荷Ｑs を反映してい
る。つまり、情報処理部１３０は、同期検波器１２６か
らの静電容量勾配情報に基づいて静電容量を求め、これ
を用いて同期検波器１２４からの表面電荷情報に基づい
て試料表面に局所的に存在する表面電荷Ｑs を求め、こ
れをＸＹ走査回路１１４からのＸＹ情報に対応させてマ
ッピングして試料表面の電荷分布像を得る。
【００５６】このように、本実施形態の走査型プローブ
顕微鏡では、試料表面の凹凸像と電荷分布像が得られ、
試料表面に存在する酸化膜等の絶縁膜の膜厚が求められ
る。 〔第二の実施の形態〕次に、第二の実施の形態について
図２を用いて説明する。本実施形態は試料表面の電位分
布を調べるための走査型プローブ顕微鏡であり、その概
略的な構成を図２に示す。
【００５７】カンチレバー２０２は、自由端に探針２０
４を備えており、圧電素子２０６によって支持されてい
る。圧電素子２０６は交流電圧電源２０８から交流電圧
の印加を受けて振動し、この振動はカンチレバー２０２
を振動させる。試料２１０はチューブスキャナー２１２
の自由端の上に載置される。Ｚコントローラー２１４
は、探針先端と試料表面の間隔が一定に保たれるよう
に、チューブスキャナー２１２の自由端のＺ方向の位置
を制御する。ＸＹ走査回路２１６は、探針が試料表面に
わたり走査されるように、チューブスキャナー２１２の
自由端のＸＹ方向の位置を制御する。
【００５８】探針２０４とカンチレバー２０２は共に導
電性材料で作られており、カンチレバー２０２は接地さ
れている。試料２１０は金属か半導体であり、可変直流
電圧電源２１８と交流電圧電源２２０によって交流電圧
が印加される。この交流電圧は探針先端と試料表面に互
いに逆極性で周期的に変化する電荷分布を生じさせ、こ
の電荷分布は周期的に変化する静電気力を発生させ、こ
の静電気力はカンチレバー２０２を振動させる。つま
り、カンチレバー２０２は、圧電素子２０６が発生する
機械的な力と、探針と試料の間に発生する電気的な力と
によって振動される。
【００５９】変位計２２２はカンチレバー２０２の自由
端の変位に応じた変位信号を出力する。同期検波器２２
６は、変位計２２２からの出力信号から、交流電圧電源
２２０の角振動数に等しい角振動数に関する成分を抽出
して出力する。電圧制御回路２２８は、同期検波器２２
６からの出力信号に基づいて、可変直流電圧電源２１８
を制御する。この電圧制御回路２２８から出力される制
御信号は、試料の表面電位情報として、情報処理部２３
４に取り込まれる。
【００６０】同期検波器２２４は、変位計２２２からの
出力信号から、直流成分を抽出して出力する。同期検波
器２３０は、変位計２２２からの出力信号から、交流電
圧電源２２０の角振動数の二倍の角振動数に関する成分
を抽出して出力する。この同期検波器２３０からの出力
信号は静電容量勾配情報として情報処理部２３４に取り
込まれる。
【００６１】減算器２３２は、同期検波器２２４の出力
信号から同期検波器２３０の出力信号を減算した信号を
出力する。Ｚコントローラー２１４は、減算器２３２か
らの出力信号に基づいて、チューブスキャナー２１２の
自由端のＺ方向の位置を制御する。このＺコントローラ
ー２１４から出力される制御信号は、試料表面の凹凸情
報として、情報処理部２３４に取り込まれる。
【００６２】情報処理部２３４は、ＸＹ走査回路２１６
からのＸＹ情報に対応させて、Ｚコントローラー２１４
からの凹凸情報と電圧制御回路２２８からの表面電位情
報とをマッピングして、試料表面の凹凸像と電位分布像
を得る。
【００６３】以下、本実施形態の装置の動作について詳
しく説明する。カンチレバー２０２は、圧電素子２０６
の振動による力Ｆvib と、探針２０４が受ける静電気力
Ｆesと、探針２０４が受けるファンデルワールス力Ｆ
vdw とを受けて振動する。カンチレバー２０２の振動
は、静電気力Ｆesとファンデルワールス力Ｆvdw の変化
に応じて変化する。従って、カンチレバー２０２の振動
の変化の検出にとっては力Ｆvib は考慮から外すことが
でき、カンチレバー２０２が受ける力Ｆは実質的に前述
の式４で表される。
【００６４】ここで、交流電圧電源２０８の電圧をＶm
ｓｉｎωm ｔ、可変直流電圧電源２１８の電圧をＶDC、
交流電圧電源２２０の電圧をＶe ｓｉｎωe ｔとする。
カンチレバー２０２が受ける力Ｆは式１で表される。た
だし、探針と試料の間の電圧Ｖは、試料２１０の電位を
ＶS として、Ｖ＝ＶS ＋ＶDC＋Ｖe ｓｉｎωeｔで表さ
れる。これらを式１に代入すると式２が得られる。
【００６５】変位計２２２から出力される変位信号は式
２に対応したものであり、同期検波器２２６からの出力
信号は第三項のｓｉｎωe ｔの係数に対応したものであ
る。電圧制御回路２２８は、同期検波器２２６からの出
力信号に基づいて、ＶS ＋ＶDC＝０に維持されるよう
に、可変直流電圧電源２１８の電圧ＶDCを制御する。従
って、電圧制御回路２２８から出力される制御信号は、
試料２１０の表面電位に対応しており、表面電位情報と
して情報処理部２３４に取り込まれる。
【００６６】この制御によって、式２はＶS ＋ＶDCの項
が消えて式３になり、変位計２２２からの出力信号は式
３に対応したものとなる。同期検波器２２４からの出力
信号は式３の直流成分すなわち第一項と第二項に対応し
たものであり、同期検波器２３０からの出力信号は第三
項のｃｏｓ２ωeｔの係数に対応したもので、第一項と
同一である。従って、減算器２３２からの出力信号は、
式３の第二項に対応したものとなる。Ｚコントローラー
２１４は、減算器２３２からの出力信号が一定に保たれ
るように、チューブスキャナー２１２のＺ方向の変位を
制御する。つまり、探針先端と試料表面の間隔はファン
デルワールス力Ｆvdw に基づいて制御される。
【００６７】従って、Ｚコントローラー２１４から出力
される制御信号は、試料表面の凹凸を忠実に反映してい
る。この制御信号は試料表面の凹凸情報として情報処理
部２３４に取り込まれる。情報処理部２３４は、ＸＹ走
査回路２１６からのＸＹ情報に対応させて、Ｚコントロ
ーラー２１４からの凹凸情報をマッピングして、試料表
面の凹凸像を得る。
【００６８】前述したように、同期検波器２３０からの
出力信号は式３の第三項のｃｏｓ２ωe ｔの係数に対応
したものであり、静電容量勾配情報として情報処理部２
３４に取り込まれる。探針先端と試料表面の間隔ｚはＺ
コントローラー１１２による制御によって予め定めらた
一定値に保たれるので、静電容量勾配は試料表面上の酸
化膜等の絶縁膜の厚さｄに依存して変化する。従って、
静電容量勾配情報から試料上に存在する絶縁膜の厚さｄ
が分かる。
【００６９】前述したように、電圧制御回路２２８から
の出力信号は試料２１０の表面電位に対応したものであ
り、表面電位情報として情報処理部２３４に取り込まれ
る。情報処理部２３４は、ＸＹ走査回路２１６からのＸ
Ｙ情報に対応させて、電圧制御回路２２８からの表面電
位情報をマッピングして、試料表面の電位分布像を得
る。このように、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡で
は、試料表面の凹凸像と電位分布像が得られ、試料表面
に存在する酸化膜等の絶縁膜の膜厚が求められる。
【００７０】
【発明の効果】本発明によれば、試料表面の正確な凹凸
像を得られる、試料表面の電気的特性を調べるための走
査型プローブ顕微鏡が得られる。また、試料表面の電荷
分布を調べる走査型プローブ顕微鏡が得られる。
【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
微鏡の構成を示している。
【図２】本発明の第二の実施の形態の走査型プローブ顕
微鏡の構成を示している。
【図３】ケルビンプローブ顕微鏡の概略的な構成を示し
ている。
【図４】走査型マクスウェル顕微鏡の概略的な構成を示
している。
【符号の説明】
１０２ カンチレバー １０４ 探針 １０６ チューブスキャナー １０８ 試料 １１０ 交流電圧電源 １１２ Ｚコントローラー １１４ ＸＹ走査回路 １１６ 変位計 １２２ ＦＭ復調器 １２４ 同期検波器 １２６ 同期検波器 １２８ 減算器 １３０ 情報処理部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松山 克宏 東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号 オリ ンパス光学工業株式会社内 (72)発明者 酒井 信明 東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号 オリ ンパス光学工業株式会社内 (72)発明者 森田 清三 大阪府大阪市平野区喜連４丁目８番39号 太平第46ビル1201号室 (72)発明者 菅原 康弘 兵庫県西宮市枝川町17 浜甲子園合同宿舎 444

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】試料表面の電気的特性を調べるための走査
    型プローブ顕微鏡であり、 試料表面の近くに配置される導電性の探針と、 探針を自由端に支持するカンチレバーと、 探針を試料表面にわたり走査する走査手段と、 探針先端と試料表面の間隔を制御する探針試料間隔制御
    手段と、 探針と試料の間に交流電圧を印加する交流電圧印加手段
    と、 カンチレバーの自由端の変位を検知する変位検知手段
    と、 変位検知手段で得られるカンチレバーの変位情報から、
    調査対象である電気的特性の情報を取り出す電気的特性
    情報取得手段と、 変位検知手段で得られるカンチレバーの変位情報から、
    探針に働くファンデルワールス力に実質的に起因するカ
    ンチレバーの変位に関する成分を取り出す変位成分取得
    手段と、 走査手段からの位置情報に対応させて電気的特性取得手
    段で得られる電気的特性情報と変位成分取得手段で得ら
    れる変位成分情報とをマッピングして試料表面の電気的
    特性分布像と凹凸像を得る情報処理手段とを有してい
    る、試料表面の電気的特性を調べるための走査型プロー
    ブ顕微鏡。
  2. 【請求項２】請求項１において、交流電圧印加手段は正
    弦波形の交流電圧を生成する交流電圧電源を含み、 変位成分取得手段は、変位検知手段で得られるカンチレ
    バーの変位情報から交流電源の角振動数の二倍の角振動
    数に関する成分を取り出す二倍角振動数成分取得手段
    と、変位検知手段で得られるカンチレバーの変位情報か
    ら二倍角振動数成分取得手段で得られる二倍角振動数成
    分情報を減算する減算手段と、減算手段で得られる情報
    から直流成分を取り出す直流成分取得手段とを有してい
    る、走査型プローブ顕微鏡。
  3. 【請求項３】請求項２において、電気的特性情報取得手
    段は変位検知手段で得られるカンチレバーの変位信号か
    ら交流電源の角振動数に等しい角振動数に関する成分を
    取り出す角振動数成分取得手段を含み、 情報処理手段は、角振動数成分取得手段で得られる角振
    動数成分情報と二倍角振動数成分取得手段で得られる二
    倍角振動数成分情報とに基づいて試料表面の電荷情報を
    求め、これを走査手段からの位置情報に対応させてマッ
    ピングして試料表面の電荷分布像を得る、走査型プロー
    ブ顕微鏡。
  4. 【請求項４】請求項２において、交流電圧印加手段は任
    意の直流電圧を生成する可変直流電圧電源を含み、 電気的特性情報取得手段は、変位検知手段で得られるカ
    ンチレバーの変位信号から交流電源の角振動数に等しい
    角振動数に関する成分を取り出す角振動数成分取得手段
    と、角振動数成分取得手段で得られる角振動数成分情報
    に基づいて可変直流電圧電源を制御する電圧制御手段と
    を含み、 情報処理手段は、電圧制御手段で得られる試料表面の電
    位情報を走査手段からの位置情報に対応させてマッピン
    グして試料表面の電位分布像を得る、走査型プローブ顕
    微鏡。
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