走査型プローブ顕微鏡
【課題】 漏れ光の影響を受けることなく、試料の電気的物性を高精度に測定すること。
【解決手段】 先端に探針２を有するカンチレバー３と、該カンチレバー３を支持する支持部４と、カンチレバー３の変位量に応じて抵抗値が変化するピエゾ抵抗素子５とを有する自己検知型プローブ６と、ピエゾ抵抗素子５を流れる電流値を検出してカンチレバー３の変位量を検出する検出手段と、試料を載置する試料台と探針２とを、ＸＹ方向及びＺ方向に相対移動させる移動手段と、探針２と試料表面との距離が一定になるように移動手段を制御すると共に試料Ｓの表面形状を測定する制御手段と、探針２と試料表面との間に所定の電圧を印加する印加手段と、印加された電圧に起因する電気物性情報を測定する測定手段とを備え、探針２が、カンチレバー３の基端側まで延びると共に測定手段に電気的接続可能な導電膜２８に電気的に接続されている走査型プローブ顕微鏡を提供する。
【解決手段】 先端に探針２を有するカンチレバー３と、該カンチレバー３を支持する支持部４と、カンチレバー３の変位量に応じて抵抗値が変化するピエゾ抵抗素子５とを有する自己検知型プローブ６と、ピエゾ抵抗素子５を流れる電流値を検出してカンチレバー３の変位量を検出する検出手段と、試料を載置する試料台と探針２とを、ＸＹ方向及びＺ方向に相対移動させる移動手段と、探針２と試料表面との距離が一定になるように移動手段を制御すると共に試料Ｓの表面形状を測定する制御手段と、探針２と試料表面との間に所定の電圧を印加する印加手段と、印加された電圧に起因する電気物性情報を測定する測定手段とを備え、探針２が、カンチレバー３の基端側まで延びると共に測定手段に電気的接続可能な導電膜２８に電気的に接続されている走査型プローブ顕微鏡を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピエゾ抵抗素子を備えた自己検知型プローブを有する走査型プローブ顕微鏡に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Scanning Probe Microscope）の１つである原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope）は、試料の表面形状測定以外に、電流測定、誘電率測定やＫＦＭ（表面電位顕微鏡：Kelvin Prove Force Microscope）等による電位測定等の各種の電気的物性測定に用いられ、導電性を有する探針を先端に備えたカンチレバーを利用して測定を行っている。
この測定の際、カンチレバーの撓み（反り）を光てこ方式と呼ばれる方式で測定し、この測定結果に基づいて、探針と試料表面との距離が常に一定の距離になるように制御を行っている。
【０００３】
この光てこ方式とは、光源からカンチレバーの裏面に形成された反射面に向けてレーザ光を照射し、反射面で反射したレーザ光を２分割又は４分割された光検出器で検出することで、カンチレバーの撓みを測定する方式である。つまり、試料表面の凹凸に応じてカンチレバーが撓むと、該撓みに応じてレーザ光の反射位置が異なるので、光検出器に入射するレーザ光の入射位置が異なる。よって、このレーザ光の入射位置を検出することで、カンチレバーの撓みの測定を行うことができる。
【０００４】
また、光てこ方式で検出したカンチレバーの撓みに基づいて、試料を載置する試料台を試料表面に垂直な方向にフィードバック制御することで、上述したように探針と試料表面との距離を常に一定に制御しながら試料上を走査することが可能である。
また、この際に、カンチレバーに所定の電圧や電流を印加しながら走査を行うことで、試料の電気的測定を測定することができる。
【特許文献１】特開平２００４−２９４２１８号公報
【非特許文献１】Alexander Olbrich著、他２名、APPLIED PHYSICS LETTERS、VOLUME 73 NUMBER 21(米国)、「Conducting atomic force microscopy for nanoscale electrical characterization of thin SiO2」、23 NOVEMBER 1998、P.3114-3116
【非特許文献２】Yasuo Cho著、他２名、APPLIED PHYSICS LETTERS、VOLUME 75 NUMBER 18(米国)、「Scanning nonlinear dielectric microscopy with nanometer resolution」、1 NOVEMBER 1999、P.2833-2835
【非特許文献３】Joseph J.Kopanski著、他２名、Materials Science and Engineering B44、「Scanning capacitance microscopy applied to two-dimensional dopant profiling of semiconductors」、1997、P.46-51
【非特許文献４】R.Shikler著、他３名、APPLIED PHYSICS LETTERS、VOLUME 74 NUMBER 20(米国)、「Potential imaging of operating light-emitting devices using Keivin force microscopy」、17 MAY 1999、P.2972-2974
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した従来の光てこ方式による電気的物性の測定方法では、以下の課題が残されていた。
即ち、光てこ方式により、光源からカンチレバーにレーザ光を照射した際に、レーザ光の一部が測定対象となる試料表面にも、漏れ光として照射されてしまう不都合があった。従って、測定された電気的物性は、光てこ方式の漏れ光が照射された試料の物性となってしまう。つまり、試料は、ノイズの原因となる漏れ光により光励起された状態となってしまうので、該試料の真の電気的物性を測定することができなかった。
【０００６】
この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、漏れ光の影響を受けることなく、試料の電気的物性を高精度に測定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である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するために、この発明は以下の手段を提供している。
本発明の走査型プローブ顕微鏡は、導電性を有する探針を試料表面に接触又は近接させた状態で、試料の電気物性情報を測定する走査型プローブ顕微鏡であって、前記探針が先端に設けられたカンチレバーと、該カンチレバーの基端側を片持ち状態に支持する支持部と、カンチレバーに設けられ、該カンチレバーの変位量に応じて抵抗値が変化するピエゾ抵抗素子とを有する自己検知型プローブと、前記ピエゾ抵抗素子に所定の電圧を印加すると共に、ピエゾ抵抗素子を流れる電流値を検出して前記カンチレバーの変位量を検出する検出手段と、前記探針に対して対向配置された前記試料を載置する試料台と、該試料台と前記探針とを、前記試料表面に平行なＸＹ方向及び試料表面に垂直なＺ方向に相対移動させる移動手段と、前記検出手段の検出結果に基づいて、前記探針と前記試料表面との距離が一定になるように前記移動手段を制御すると共に前記試料の表面形状を測定する制御手段と、前記探針と前記試料表面との間に所定の電圧を印加する印加手段と、該印加手段により印加された電圧に起因する前記電気物性情報を測定する測定手段とを備え、前記探針が、前記カンチレバーの基端側まで延びると共に前記測定手段に電気的接続可能な導電膜に電気的に接続されていることを特徴とするものである。
【０００８】
この発明に係る走査型プローブ顕微鏡においては、まず、探針を試料表面に接触又は近接させた状態で、移動手段により試料台と探針とを試料表面に平行なＸＹ方向に移動させて走査を行う。この際、検出手段により、ピエゾ抵抗素子に所定の電圧が印加されていると共に、ピエゾ抵抗素子を流れる電流値が検出されている。そして、探針は、試料との間に働く原子間力による相互作用が働くので、走査を行っている際に試料表面の凹凸に応じてカンチレバーが変位する（撓む）。カンチレバーが変位すると、これに応じてピエゾ抵抗素子も変位し、抵抗値が変化する。よって、検出手段は、検出していた電流値に基づいてカンチレバーの変位量を検出することができる。
制御手段は、この検出結果、即ち、カンチレバーの変位量に基づいて試料台をＺ方向に移動させるよう移動手段を制御し、探針と試料表面との距離を常に一定にさせる。また、制御手段は、この制御と同時に、カンチレバーのＺ方向の変位量とＸＹ方向への走査量とを対応させることで、試料の表面形状（凹凸形状）を測定する。
【０００９】
また、走査を行っている際に、印加手段により、試料表面と探針との間に所定の電圧（直流電圧や交流電圧等）を印加する。そして、測定手段により、導電膜及び導電性を有する探針を介して、印加された電圧に起因する各種の電気物性情報（例えば、試料の表面電位分布等）を測定する。
このように、導電性の探針を有しているので、試料の表面形状の測定と同時に、試料の電気的物性の測定を行うことができる。
【００１０】
特に、ピエゾ抵抗素子を有する自己検知型プローブを備えているので、カンチレバーの変位（撓み）を測定する際に、従来の光てこ方式のように、カンチレバーの反射面にレーザ光を照射する必要がない。よって、従来のように、レーザ光が試料側に漏れてしまうことがなく、試料が漏れ光により光励起されることはない。従って、ノイズの原因となる漏れ光の影響を受けることなく、電気的物性を高精度に測定することができ、試料の真の電気的物性を調べることができる。
【００１１】
また、半発明の走査型プローブ顕微鏡は、上記本発明の走査型プローブ顕微鏡において、前記探針と前記試料表面とが、接触するよう配されており、前記測定手段が、前記探針と前記試料表面との間を流れる電流を測定する電流測定手段を備えていることを特徴とするものである。
【００１２】
この発明に係る走査型プローブ顕微鏡においては、探針と試料表面とが接触状態（コンタクトモード）とされており、この状態でＸＹ方向に走査を行う。そして、走査を行っている際に、電流測定手段は、印加手段により印加された電圧により、探針と試料表面との間を流れる電流の測定を行う。従って、漏れ光の影響を受けることなく、試料の表面形状測定と試料表面の電流分布測定とを同時に高精度に行うことができる。
【００１３】
また、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、上記本発明の走査型プローブ顕微鏡において、前記探針と前記試料表面とが、接触するよう配されており、前記測定手段が、前記探針と前記試料表面との間の静電容量を測定する静電容量測定手段を備えていることを特徴とするものである。
【００１４】
この発明に係る走査型プローブ顕微鏡においては、探針と試料表面とが接触状態（コンタクトモード）とされており、この状態でＸＹ方向に走査を行う。そして、走査を行っている際に、静電容量測定手段の一例は、探針と試料表面との間の電圧によって試料に発生した空乏層の厚みの変化による静電容量の測定を行う。従って、漏れ光の影響を受けることなく、試料の表面形状測定と試料表面の誘電率分布測定とを同時に高精度に行うことができる。
【００１５】
また、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、上記本発明の走査型プローブ顕微鏡において、前記カンチレバーを所定の共振周波数で振動させる加振手段を備え、前記探針と前記試料表面とが、近接するよう配されており、前記印加手段が、前記所定の電圧として交流電圧及び直流電圧を印加し、前記測定手段が、前記交流電圧及び直流電圧の印加による合成電界で発生した静電気力に対する前記カンチレバーの変位量に基づいて、試料表面の電位を測定する電位測定手段を備えていることを特徴とするものである。
【００１６】
この発明に係る走査型プローブ顕微鏡においては、探針が試料表面に近接した状態で、加振手段により所定の共振周波数で振動している。この状態において、印加手段により探針と試料表面との間に、交流電圧及び直流電圧を印加して、合成電界を生じさせる。そして、電位測定手段により、合成電界で発生した静電気力に対するカンチレバーの変位量を測定することで、試料表面の電位を測定できる。従って、漏れ光の影響を受けることなく、試料の表面形状測定と試料表面の電位分布とを同時に高精度に行うことができる。
【発明の効果】
【００１７】
この発明に係る走査型プローブ顕微鏡によれば、ピエゾ抵抗素子を有する自己検知型プローブを備えているので、従来の光てこ方式のようにカンチレバーの反射面にレーザ光を照射する必要がない。よって、従来のように、レーザ光が試料側に漏れてしまうことがなく、試料が漏れ光により光励起されることはない。従って、ノイズの原因となる漏れ光の影響を受けることなく、電気的物性を高精度に測定することができ、試料の真の電気的物性を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の一実施形態について、図１から図４を参照して説明する。なお、本実施形態では、電気物性情報として、試料表面の電流分布を測定する場合を例にして説明する。
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡１は、導電性を有する探針２を試料表面Ｓ１に接触又は近接させた状態で、試料Ｓの電気物性情報を測定するものであって、探針２が先端に設けられたカンチレバー３と、該カンチレバー３の基端側を片持ち状態に支持する支持部４と、カンチレバー３に設けられ、該カンチレバー３の変位量に応じて抵抗値が変化するピエゾ抵抗素子５とを有する自己検知型プローブ６と、ピエゾ抵抗素子５に所定の電圧を印加すると共にピエゾ抵抗素子５に流れる電流値を検出してカンチレバー３の変位量を検出する検出手段７と、探針２に対して対向配置された試料Ｓを載置する試料台８と、該試料台８と探針２とを、試料表面Ｓ１に平行なＸＹ方向及び試料表面Ｓ１に垂直なＺ方向に相対移動させる３次元駆動機構（移動手段）９と、検出手段７の検出結果に基づいて、探針２と試料表面Ｓ１との距離が一定になるように３次元駆動機構９を制御すると共に試料Ｓの表面形状を測定する制御部（制御手段）１０と、探針２と試料表面Ｓ１との間に所定の電圧を印加するバイアス電圧供給部（印加手段）１１と、該バイアス電圧供給部１１により印加された電圧に起因する電気物性情報を測定する測定手段１２とを備えている。
【００１９】
本実施形態の上記自己検知型プローブ６は、図２及び図３に示すように、シリコン支持層２０上に酸化層（シリコン酸化膜）２１を形成し、さらに該酸化層２１上にシリコン活性層２２を熱的に貼り合わせたＳＯＩ（Silicon on Insulater）基板２３を利用して製造されている。
そして、カンチレバー３及び探針２は、シリコン活性層２２から形成されており、支持部４は、シリコン支持層２０、酸化層２１及びシリコン活性層２２の３層から形成されている。なお、探針２は、金属膜２４により被膜されており、導電性を有するようになっている。
また、カンチレバー３と支持部４との接合部であるカンチレバー３の基端側には、２つの開口２５が形成されており、カンチレバー３が基端側でより屈曲して撓み易くなっている。なお、この開口２５の数は、２つに限定されるものではなく、自由に設けて形成して構わないし、形成しなくても構わない。
【００２０】
上記ピエゾ抵抗素子５は、支持部４及びカンチレバー３の基端側に亘って、Ｕ字状に形成されており、支持部４に位置する両端には外部と電気的に接続可能な外部接続端子２６が設けられている。つまり、ピエゾ抵抗素子５は、一方の外部接続端子２６から一方の開口２５の外側を通ってカンチレバー３の基端側に入り、他方の開口２５の外側を通って再度支持部４に戻って他方の外部接続端子２６に電気的接続するようになっている。また、このピエゾ抵抗素子５は、シリコン活性層２２上にイオン注入法や拡散法等により不純物を注入されて形成されたものである。
また、図３に示すように、支持部４及びカンチレバー３の基端側に亘ってピエゾ抵抗素子５を覆うように、絶縁膜２７が成膜されている。これにより、ピエゾ抵抗素子５は、外部と電気的に接触しないようになっている。
【００２１】
また、上記探針２は、図２及び図３に示すように、カンチレバー３の基端側まで延びると共に外部に電気的接続可能な導電膜２８に電気的接続されている。この導電膜２８は、２つの開口２５の間を通るようにカンチレバー３の中心に沿って形成され、一端側が探針２に被膜されている金属膜２４に電気的接続されていると共に、他端側が測定手段１２に電気的接続可能な外部接続端子２９に電気的に接続されている。また、この導電膜２８は絶縁膜２７上に形成されており、ピエゾ抵抗素子５とは電気的に独立している。
【００２２】
また、本実施形態の自己検知型プローブ６は、カンチレバー３に隣接して、参照用のレファレンスレバー３０が支持部４に片持ち状態に支持されている。このレファレンスレバー３０は、カンチレバー３より若干長さが短く形成され、上記カンチレバー３と同様に基端側に２つの開口２５が形成されていると共にピエゾ抵抗素子５が設けられている。このレファレンスレバー３０は、ピエゾ抵抗素子５の温度補償の為に使用される。
なお、このレファレンスレバー３０を自己検知型プローブ６に必ず設けなくても構わない。
【００２３】
上記試料台８は、図１に示すように、３次元駆動機構９上に載置されており、ＸＹ方向及びＺ方向に微小移動するようになっている。これにより、試料台８と探針２とが、ＸＹ方向及びＺ方向の３方向に向けて相対移動するようになっている。また、この３次元駆動機構９は、例えば、３方向に移動可能な圧電素子であり、印加された電圧に応じてそれぞれ３方向に移動するようになっている。
また、試料台８には、上記バイアス電圧供給部１１が接続されており、試料台８を介して試料表面Ｓ１と探針２との間に電圧を印加できるようになっている。
【００２４】
上記ピエゾ抵抗素子５の外部接続端子２６には、測定部３１が電気的に接続されている。この測定部３１は、ピエゾ抵抗素子５に所定の電圧を印加して電流を流すと共に、該電流値の検出を行っている。そして、測定部３１は、検出した電流値に応じた出力信号を増幅した後、差分測定部３２に出力するようになっている。
また、この差分測定部３２には、例えば、カンチレバー３の撓み量（変位量）が“０”のときに、該差分測定部３２の出力を“０”とする基準信号が基準発生部３３から入力されている。そして、差分測定部３２は、この基準信号と電流測定部３１から送られてくる出力信号とを比較して、その差である誤差信号を上記制御部１０に出力するようになっている。即ち、この誤差信号は、カンチレバー３の変位量に対応するものである。これら測定部３１、差分測定部３２及び基準発生部３３は、上記検出手段７を構成している。
【００２５】
また、制御部１０は、送られてきた誤差信号が“０”に近づくように、上記３次元駆動機構９に電圧を印加して試料台８をＺ方向に微小移動させている。これにより、探針２と試料表面Ｓ１との距離が常に一定になるように制御される。また、制御部１０は、この３次元駆動機構９の制御と同時に、誤差信号（Ｚ方向への移動量）とＸＹ方向への走査量とを対応させて試料Ｓの表面形状（凹凸形状）を測定し、表示部３４に表面形状画像（２次元画像情報）を表示するようになっている。なお、制御部１０は、上記各構成品を総合的に制御している。
【００２６】
また、上記測定手段１２は、探針２と試料表面Ｓ１との間を流れる電流を測定する電流測定部３５（電流測定手段）を備えている。この電流測定部３５は、探針２に電気的に接続された上記導電膜２８に外部接続端子２９を介して電気的に接続されており、導電膜２８及び探針２を通して、バイアス電圧供給部１１によって探針２と試料表面Ｓ１との間に流れる電流を測定している。そして、電流測定部３５は、測定した電流値の変化を制御部１０に出力している。また、制御部１０は、送られてきた電流値の変化とＸＹ方向への変位量とを対応させて試料表面Ｓ１の電流分布を測定し、その結果を表示部３４に表示するようになっている。即ち、電流測定部３５及び制御部１０は、上記測定手段１２を構成している。
【００２７】
次に、このように構成された走査型プローブ顕微鏡１により、試料Ｓの表面形状及び試料Ｓの表面電流分布を測定する場合について以下に説明する。
まず、探針２と試料表面Ｓ１とを接触させる初期設定を行う。即ち、試料台８上に試料Ｓを載置した後、３次元駆動機構９をゆっくりＺ方向に移動させる。また、この際、測定部３１からピエゾ抵抗素子５に所定の電圧を印加させて、ピエゾ抵抗素子５に流れる電流を検出しておく。この状態で試料台８の移動により、試料表面Ｓ１と探針２とが接触すると、試料Ｓに探針２が押されてカンチレバー３が若干撓んで変位する。これに応じて、ピエゾ抵抗素子５も同様に変位するので、抵抗値が変化して測定部３１で測定される電流値が変化する。従って、試料表面Ｓ１と探針２とが接触したことを確実に判断することができる。
【００２８】
制御部１０は、測定部３１で測定される電流値が所定の値に達するまで、試料台８を移動させ、所定の値に達した時点で試料台８を停止させる。これにより、試料表面Ｓ１と探針２との接触をより確実なものにすることができる。なお、この状態が、カンチレバー３が撓んでいない初期状態であり、この状態を基準として基準発生部３３は基準信号を発生させる。
【００２９】
上記初期設定が終了した後、３次元駆動機構９により試料台８をＸＹ方向に移動させて走査を行い、測定を開始する。この際、測定部３１により、ピエゾ抵抗素子５に所定の電圧が印加されていると共に、該ピエゾ抵抗素子５に流れる電流値が検出されている。そして、探針２は、試料Ｓとの間に働く原子間力によって引っ張られているので、走査を行っている際に試料表面Ｓ１の凹凸に応じてカンチレバー３が撓んで変位する。カンチレバー３が変位すると、これに応じてピエゾ抵抗素子５も変化して抵抗値が変化するので、測定部３１で検出していた電流値が変化する。そして、測定部３１は、この電流変化に応じた出力信号を差分測定部３２に出力する。
【００３０】
差分測定部３２は、送られてきた出力信号と基準発生部３３から送られてきた基準信号とを比較して、カンチレバー３の変位量に応じた誤差信号を算出すると共に、該誤差信号を制御部１０に出力する。
これにより、制御部１０は、送られてきた誤差信号に基づいてカンチレバー３の変位量を検出することができる。そして、制御部１０は、この誤差信号に基づいて試料台８をＺ方向に移動させるように３次元駆動機構９を制御し、探針２と試料表面Ｓ１との距離を一定にさせる。つまり、誤差信号を“０”に近づけるように、試料台８を制御する。これにより、探針２と試料表面Ｓ１との接触圧力は、常に一定の状態となる。
また、制御部１０は、この制御と同時に、カンチレバー３のＺ方向の変位量とＸＹ方向への走査量とを対応させて、試料Ｓの表面形状（凹凸形状）を測定し、該表面形状画像を表示部３４に表示する。これにより、試料Ｓの表面形状の観察を行うことができる。
【００３１】
また、走査を行っている際に、バイアス電圧供給部１１により、試料表面Ｓ１と探針２との間に所定の電圧を印加する。そして、この電圧印加により探針２と試料表面Ｓ１との間に流れる電流を電流測定部３５で測定する。つまり、電流測定部３５は、導電膜２８を介して導電性を有する探針２と電気的に接触しているので、電圧印加により流れる電流を確実に測定することができる。この電流測定の際、走査に応じて探針２と試料表面Ｓ１との接触箇所が変化すると、表面状態が変化するので、これに応じて測定する電流値が異なる。そして、制御部１０は、測定された電流値の値と、ＸＹ方向への変位量とを対応させることで、試料表面Ｓ１の電流分布を測定することができ、該結果を表示部３４に表示する。
このように、導電性の探針２を備えているので、試料Ｓの表面形状と試料Ｓの電気物性情報、即ち、試料表面Ｓ１の電位分布とを同時に測定することができる。
【００３２】
特に、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡１は、ピエゾ抵抗素子５を有する自己検知型プローブ６を備えているので、カンチレバー３の変位（撓み）を測定する際に、従来の光てこ方式のように、カンチレバー３の反射面にレーザ光を照射する必要がない。よって、従来のように、レーザ光が試料Ｓ側に漏れてしまうことがなく、試料Ｓが漏れ光によって光励起されることはない。従って、ノイズの原因となる漏れ光の影響を受けることなく、電気的物性を高精度に測定することができ、試料Ｓの真の電気的物性を調べることができる。
【００３３】
また、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡１は、レファレンスレバー３０を備えているので、ピエゾ抵抗素子５の温度影響をなくすことができる。即ち、ピエゾ抵抗素子５の抵抗値は、温度条件等の撓み以外の条件によっても変動してしまう。そこで、レファレンスレバー３０を参照することで、これら不要な変動情報を取り除くことができ、上述したように温度による影響をなくすことができる。その結果、測定結果の信頼性をより向上することができる。
【００３４】
なお、本発明の技術範囲は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。
【００３５】
例えば、上記実施形態では、電気物性情報として、試料表面Ｓ１の電位分布を測定したが、この場合に限らず、試料表面Ｓ１の静電容量を測定して、試料表面Ｓ１の誘電率分布を測定しても構わない。この場合には、測定手段１２が、探針２と試料表面Ｓ１との間の静電容量を測定する静電容量測定手段４０を備えていれば良い。
【００３６】
即ち、図４に示すように、静電容量測定手段４０は、試料Ｓと試料台８に接続され、試料Ｓに交流電圧を印加する発振器４１と、カンチレバー３の導電膜２８に電気的に接続されたキャパシタンスセンサ４２、該キャパシタンスセンサ４２から出力された出力信号が入力するロックインアンプ４３とを備えている。
上記キャパシタンスセンサ４２は、試料Ｓの静電容量の変化を発振周波数に変換する準マイクロ波発振器４４と、該準マイクロ発振器４１で変換された発振周波数を直流の電圧値に変換して出力信号として出力するＦＭ復調器４５とを備えている。また、ロックインアンプ４３には、発振器４１から参照信号が入力されるようになっている。
【００３７】
このように構成された静電容量測定手段４０により、試料表面Ｓ１の静電容量変化を測定する場合について説明する。
走査を行っている際に、ロックインアンプ４３には、発振器４１からの参照信号が入力される。一方、キャパシタンスセンサ４２は、探針２と試料表面Ｓ１との静電容量変化を検出する。即ち、準マイクロ波発振器４４は、試料Ｓの静電容量の変化を発振周波数に変換し、ＦＭ復調器４５がこれを直流の電圧値に変換し、出力信号としてロックインアンプ４３に出力する。該ロックインアンプ４３は、ＦＭ復調器４５から送られてきた出力信号のうち、参照信号を参照して試料Ｓに印加した発振周波数と同じ周波数の信号（同期信号）を検出する。これにより、試料Ｓに形成された空乏層の厚みの変化による探針２と試料Ｓとの間の静電容量の変化を検出することができる。
【００３８】
このように静電容量測定手段４０を有する走査型プローブ顕微鏡によれば、漏れ光の影響を受けることなく、試料Ｓの表面形状測定と、試料表面Ｓ１の誘電率分布測定とを同時に高精度に行うことができる。
【００３９】
また、電気物性情報として、試料表面Ｓ１の電位分布を測定しても構わない。この場合には、カンチレバー３を所定の共振周波数で振動させる加振手段を備え、探針２と試料表面Ｓ１とを近接させた状態で、印加手段により、探針２と試料表面Ｓ１との間に交流電圧及び直流電圧を印加させる。そして、測定手段１２が、交流電圧及び直流電圧の印加による合成電界で発生した静電気力に対するカンチレバー３の変位量に基づいて、試料表面Ｓ１の電位を測定する電位測定手段を備えれば良い。
このように構成することで、漏れ光の影響を受けることなく、試料Ｓの表面形状測定と、試料表面Ｓ１の電位分布測定とを同時に高精度に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明にかかる走査型プローブ顕微鏡の一実施形態を示す構成図である。
【図２】図１に示す走査型プローブ顕微鏡の自己検知型プローブを示す斜視図である。
【図３】図２に示す自己検知型プローブの断面矢視Ａ−Ａ図である。
【図４】図１に示す走査型プローブ顕微鏡の他の形態を示す図であって、静電容量測定手段の一例を示した構成図である。
【符号の説明】
【００４１】
Ｓ 試料
Ｓ１ 試料表面
１ 走査型プローブ顕微鏡
２ 探針
３ カンチレバー
４ 支持部
５ ピエゾ抵抗素子
６ 自己検知型プローブ
７ 検出手段
８ 試料台
９ ３次元駆動機構（移動手段）
１０ 制御部（制御手段）
１１ バイアス電圧供給部（印加手段）
１２ 測定手段
２８ 導電膜
３５ 電流測定部（電流測定手段）
４０ 静電容量測定手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピエゾ抵抗素子を備えた自己検知型プローブを有する走査型プローブ顕微鏡に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Scanning Probe Microscope）の１つである原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope）は、試料の表面形状測定以外に、電流測定、誘電率測定やＫＦＭ（表面電位顕微鏡：Kelvin Prove Force Microscope）等による電位測定等の各種の電気的物性測定に用いられ、導電性を有する探針を先端に備えたカンチレバーを利用して測定を行っている。
この測定の際、カンチレバーの撓み（反り）を光てこ方式と呼ばれる方式で測定し、この測定結果に基づいて、探針と試料表面との距離が常に一定の距離になるように制御を行っている。
【０００３】
この光てこ方式とは、光源からカンチレバーの裏面に形成された反射面に向けてレーザ光を照射し、反射面で反射したレーザ光を２分割又は４分割された光検出器で検出することで、カンチレバーの撓みを測定する方式である。つまり、試料表面の凹凸に応じてカンチレバーが撓むと、該撓みに応じてレーザ光の反射位置が異なるので、光検出器に入射するレーザ光の入射位置が異なる。よって、このレーザ光の入射位置を検出することで、カンチレバーの撓みの測定を行うことができる。
【０００４】
また、光てこ方式で検出したカンチレバーの撓みに基づいて、試料を載置する試料台を試料表面に垂直な方向にフィードバック制御することで、上述したように探針と試料表面との距離を常に一定に制御しながら試料上を走査することが可能である。
また、この際に、カンチレバーに所定の電圧や電流を印加しながら走査を行うことで、試料の電気的測定を測定することができる。
【特許文献１】特開平２００４−２９４２１８号公報
【非特許文献１】Alexander Olbrich著、他２名、APPLIED PHYSICS LETTERS、VOLUME 73 NUMBER 21(米国)、「Conducting atomic force microscopy for nanoscale electrical characterization of thin SiO2」、23 NOVEMBER 1998、P.3114-3116
【非特許文献２】Yasuo Cho著、他２名、APPLIED PHYSICS LETTERS、VOLUME 75 NUMBER 18(米国)、「Scanning nonlinear dielectric microscopy with nanometer resolution」、1 NOVEMBER 1999、P.2833-2835
【非特許文献３】Joseph J.Kopanski著、他２名、Materials Science and Engineering B44、「Scanning capacitance microscopy applied to two-dimensional dopant profiling of semiconductors」、1997、P.46-51
【非特許文献４】R.Shikler著、他３名、APPLIED PHYSICS LETTERS、VOLUME 74 NUMBER 20(米国)、「Potential imaging of operating light-emitting devices using Keivin force microscopy」、17 MAY 1999、P.2972-2974
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した従来の光てこ方式による電気的物性の測定方法では、以下の課題が残されていた。
即ち、光てこ方式により、光源からカンチレバーにレーザ光を照射した際に、レーザ光の一部が測定対象となる試料表面にも、漏れ光として照射されてしまう不都合があった。従って、測定された電気的物性は、光てこ方式の漏れ光が照射された試料の物性となってしまう。つまり、試料は、ノイズの原因となる漏れ光により光励起された状態となってしまうので、該試料の真の電気的物性を測定することができなかった。
【０００６】
この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、漏れ光の影響を受けることなく、試料の電気的物性を高精度に測定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である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するために、この発明は以下の手段を提供している。
本発明の走査型プローブ顕微鏡は、導電性を有する探針を試料表面に接触又は近接させた状態で、試料の電気物性情報を測定する走査型プローブ顕微鏡であって、前記探針が先端に設けられたカンチレバーと、該カンチレバーの基端側を片持ち状態に支持する支持部と、カンチレバーに設けられ、該カンチレバーの変位量に応じて抵抗値が変化するピエゾ抵抗素子とを有する自己検知型プローブと、前記ピエゾ抵抗素子に所定の電圧を印加すると共に、ピエゾ抵抗素子を流れる電流値を検出して前記カンチレバーの変位量を検出する検出手段と、前記探針に対して対向配置された前記試料を載置する試料台と、該試料台と前記探針とを、前記試料表面に平行なＸＹ方向及び試料表面に垂直なＺ方向に相対移動させる移動手段と、前記検出手段の検出結果に基づいて、前記探針と前記試料表面との距離が一定になるように前記移動手段を制御すると共に前記試料の表面形状を測定する制御手段と、前記探針と前記試料表面との間に所定の電圧を印加する印加手段と、該印加手段により印加された電圧に起因する前記電気物性情報を測定する測定手段とを備え、前記探針が、前記カンチレバーの基端側まで延びると共に前記測定手段に電気的接続可能な導電膜に電気的に接続されていることを特徴とするものである。
【０００８】
この発明に係る走査型プローブ顕微鏡においては、まず、探針を試料表面に接触又は近接させた状態で、移動手段により試料台と探針とを試料表面に平行なＸＹ方向に移動させて走査を行う。この際、検出手段により、ピエゾ抵抗素子に所定の電圧が印加されていると共に、ピエゾ抵抗素子を流れる電流値が検出されている。そして、探針は、試料との間に働く原子間力による相互作用が働くので、走査を行っている際に試料表面の凹凸に応じてカンチレバーが変位する（撓む）。カンチレバーが変位すると、これに応じてピエゾ抵抗素子も変位し、抵抗値が変化する。よって、検出手段は、検出していた電流値に基づいてカンチレバーの変位量を検出することができる。
制御手段は、この検出結果、即ち、カンチレバーの変位量に基づいて試料台をＺ方向に移動させるよう移動手段を制御し、探針と試料表面との距離を常に一定にさせる。また、制御手段は、この制御と同時に、カンチレバーのＺ方向の変位量とＸＹ方向への走査量とを対応させることで、試料の表面形状（凹凸形状）を測定する。
【０００９】
また、走査を行っている際に、印加手段により、試料表面と探針との間に所定の電圧（直流電圧や交流電圧等）を印加する。そして、測定手段により、導電膜及び導電性を有する探針を介して、印加された電圧に起因する各種の電気物性情報（例えば、試料の表面電位分布等）を測定する。
このように、導電性の探針を有しているので、試料の表面形状の測定と同時に、試料の電気的物性の測定を行うことができる。
【００１０】
特に、ピエゾ抵抗素子を有する自己検知型プローブを備えているので、カンチレバーの変位（撓み）を測定する際に、従来の光てこ方式のように、カンチレバーの反射面にレーザ光を照射する必要がない。よって、従来のように、レーザ光が試料側に漏れてしまうことがなく、試料が漏れ光により光励起されることはない。従って、ノイズの原因となる漏れ光の影響を受けることなく、電気的物性を高精度に測定することができ、試料の真の電気的物性を調べることができる。
【００１１】
また、半発明の走査型プローブ顕微鏡は、上記本発明の走査型プローブ顕微鏡において、前記探針と前記試料表面とが、接触するよう配されており、前記測定手段が、前記探針と前記試料表面との間を流れる電流を測定する電流測定手段を備えていることを特徴とするものである。
【００１２】
この発明に係る走査型プローブ顕微鏡においては、探針と試料表面とが接触状態（コンタクトモード）とされており、この状態でＸＹ方向に走査を行う。そして、走査を行っている際に、電流測定手段は、印加手段により印加された電圧により、探針と試料表面との間を流れる電流の測定を行う。従って、漏れ光の影響を受けることなく、試料の表面形状測定と試料表面の電流分布測定とを同時に高精度に行うことができる。
【００１３】
また、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、上記本発明の走査型プローブ顕微鏡において、前記探針と前記試料表面とが、接触するよう配されており、前記測定手段が、前記探針と前記試料表面との間の静電容量を測定する静電容量測定手段を備えていることを特徴とするものである。
【００１４】
この発明に係る走査型プローブ顕微鏡においては、探針と試料表面とが接触状態（コンタクトモード）とされており、この状態でＸＹ方向に走査を行う。そして、走査を行っている際に、静電容量測定手段の一例は、探針と試料表面との間の電圧によって試料に発生した空乏層の厚みの変化による静電容量の測定を行う。従って、漏れ光の影響を受けることなく、試料の表面形状測定と試料表面の誘電率分布測定とを同時に高精度に行うことができる。
【００１５】
また、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、上記本発明の走査型プローブ顕微鏡において、前記カンチレバーを所定の共振周波数で振動させる加振手段を備え、前記探針と前記試料表面とが、近接するよう配されており、前記印加手段が、前記所定の電圧として交流電圧及び直流電圧を印加し、前記測定手段が、前記交流電圧及び直流電圧の印加による合成電界で発生した静電気力に対する前記カンチレバーの変位量に基づいて、試料表面の電位を測定する電位測定手段を備えていることを特徴とするものである。
【００１６】
この発明に係る走査型プローブ顕微鏡においては、探針が試料表面に近接した状態で、加振手段により所定の共振周波数で振動している。この状態において、印加手段により探針と試料表面との間に、交流電圧及び直流電圧を印加して、合成電界を生じさせる。そして、電位測定手段により、合成電界で発生した静電気力に対するカンチレバーの変位量を測定することで、試料表面の電位を測定できる。従って、漏れ光の影響を受けることなく、試料の表面形状測定と試料表面の電位分布とを同時に高精度に行うことができる。
【発明の効果】
【００１７】
この発明に係る走査型プローブ顕微鏡によれば、ピエゾ抵抗素子を有する自己検知型プローブを備えているので、従来の光てこ方式のようにカンチレバーの反射面にレーザ光を照射する必要がない。よって、従来のように、レーザ光が試料側に漏れてしまうことがなく、試料が漏れ光により光励起されることはない。従って、ノイズの原因となる漏れ光の影響を受けることなく、電気的物性を高精度に測定することができ、試料の真の電気的物性を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の一実施形態について、図１から図４を参照して説明する。なお、本実施形態では、電気物性情報として、試料表面の電流分布を測定する場合を例にして説明する。
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡１は、導電性を有する探針２を試料表面Ｓ１に接触又は近接させた状態で、試料Ｓの電気物性情報を測定するものであって、探針２が先端に設けられたカンチレバー３と、該カンチレバー３の基端側を片持ち状態に支持する支持部４と、カンチレバー３に設けられ、該カンチレバー３の変位量に応じて抵抗値が変化するピエゾ抵抗素子５とを有する自己検知型プローブ６と、ピエゾ抵抗素子５に所定の電圧を印加すると共にピエゾ抵抗素子５に流れる電流値を検出してカンチレバー３の変位量を検出する検出手段７と、探針２に対して対向配置された試料Ｓを載置する試料台８と、該試料台８と探針２とを、試料表面Ｓ１に平行なＸＹ方向及び試料表面Ｓ１に垂直なＺ方向に相対移動させる３次元駆動機構（移動手段）９と、検出手段７の検出結果に基づいて、探針２と試料表面Ｓ１との距離が一定になるように３次元駆動機構９を制御すると共に試料Ｓの表面形状を測定する制御部（制御手段）１０と、探針２と試料表面Ｓ１との間に所定の電圧を印加するバイアス電圧供給部（印加手段）１１と、該バイアス電圧供給部１１により印加された電圧に起因する電気物性情報を測定する測定手段１２とを備えている。
【００１９】
本実施形態の上記自己検知型プローブ６は、図２及び図３に示すように、シリコン支持層２０上に酸化層（シリコン酸化膜）２１を形成し、さらに該酸化層２１上にシリコン活性層２２を熱的に貼り合わせたＳＯＩ（Silicon on Insulater）基板２３を利用して製造されている。
そして、カンチレバー３及び探針２は、シリコン活性層２２から形成されており、支持部４は、シリコン支持層２０、酸化層２１及びシリコン活性層２２の３層から形成されている。なお、探針２は、金属膜２４により被膜されており、導電性を有するようになっている。
また、カンチレバー３と支持部４との接合部であるカンチレバー３の基端側には、２つの開口２５が形成されており、カンチレバー３が基端側でより屈曲して撓み易くなっている。なお、この開口２５の数は、２つに限定されるものではなく、自由に設けて形成して構わないし、形成しなくても構わない。
【００２０】
上記ピエゾ抵抗素子５は、支持部４及びカンチレバー３の基端側に亘って、Ｕ字状に形成されており、支持部４に位置する両端には外部と電気的に接続可能な外部接続端子２６が設けられている。つまり、ピエゾ抵抗素子５は、一方の外部接続端子２６から一方の開口２５の外側を通ってカンチレバー３の基端側に入り、他方の開口２５の外側を通って再度支持部４に戻って他方の外部接続端子２６に電気的接続するようになっている。また、このピエゾ抵抗素子５は、シリコン活性層２２上にイオン注入法や拡散法等により不純物を注入されて形成されたものである。
また、図３に示すように、支持部４及びカンチレバー３の基端側に亘ってピエゾ抵抗素子５を覆うように、絶縁膜２７が成膜されている。これにより、ピエゾ抵抗素子５は、外部と電気的に接触しないようになっている。
【００２１】
また、上記探針２は、図２及び図３に示すように、カンチレバー３の基端側まで延びると共に外部に電気的接続可能な導電膜２８に電気的接続されている。この導電膜２８は、２つの開口２５の間を通るようにカンチレバー３の中心に沿って形成され、一端側が探針２に被膜されている金属膜２４に電気的接続されていると共に、他端側が測定手段１２に電気的接続可能な外部接続端子２９に電気的に接続されている。また、この導電膜２８は絶縁膜２７上に形成されており、ピエゾ抵抗素子５とは電気的に独立している。
【００２２】
また、本実施形態の自己検知型プローブ６は、カンチレバー３に隣接して、参照用のレファレンスレバー３０が支持部４に片持ち状態に支持されている。このレファレンスレバー３０は、カンチレバー３より若干長さが短く形成され、上記カンチレバー３と同様に基端側に２つの開口２５が形成されていると共にピエゾ抵抗素子５が設けられている。このレファレンスレバー３０は、ピエゾ抵抗素子５の温度補償の為に使用される。
なお、このレファレンスレバー３０を自己検知型プローブ６に必ず設けなくても構わない。
【００２３】
上記試料台８は、図１に示すように、３次元駆動機構９上に載置されており、ＸＹ方向及びＺ方向に微小移動するようになっている。これにより、試料台８と探針２とが、ＸＹ方向及びＺ方向の３方向に向けて相対移動するようになっている。また、この３次元駆動機構９は、例えば、３方向に移動可能な圧電素子であり、印加された電圧に応じてそれぞれ３方向に移動するようになっている。
また、試料台８には、上記バイアス電圧供給部１１が接続されており、試料台８を介して試料表面Ｓ１と探針２との間に電圧を印加できるようになっている。
【００２４】
上記ピエゾ抵抗素子５の外部接続端子２６には、測定部３１が電気的に接続されている。この測定部３１は、ピエゾ抵抗素子５に所定の電圧を印加して電流を流すと共に、該電流値の検出を行っている。そして、測定部３１は、検出した電流値に応じた出力信号を増幅した後、差分測定部３２に出力するようになっている。
また、この差分測定部３２には、例えば、カンチレバー３の撓み量（変位量）が“０”のときに、該差分測定部３２の出力を“０”とする基準信号が基準発生部３３から入力されている。そして、差分測定部３２は、この基準信号と電流測定部３１から送られてくる出力信号とを比較して、その差である誤差信号を上記制御部１０に出力するようになっている。即ち、この誤差信号は、カンチレバー３の変位量に対応するものである。これら測定部３１、差分測定部３２及び基準発生部３３は、上記検出手段７を構成している。
【００２５】
また、制御部１０は、送られてきた誤差信号が“０”に近づくように、上記３次元駆動機構９に電圧を印加して試料台８をＺ方向に微小移動させている。これにより、探針２と試料表面Ｓ１との距離が常に一定になるように制御される。また、制御部１０は、この３次元駆動機構９の制御と同時に、誤差信号（Ｚ方向への移動量）とＸＹ方向への走査量とを対応させて試料Ｓの表面形状（凹凸形状）を測定し、表示部３４に表面形状画像（２次元画像情報）を表示するようになっている。なお、制御部１０は、上記各構成品を総合的に制御している。
【００２６】
また、上記測定手段１２は、探針２と試料表面Ｓ１との間を流れる電流を測定する電流測定部３５（電流測定手段）を備えている。この電流測定部３５は、探針２に電気的に接続された上記導電膜２８に外部接続端子２９を介して電気的に接続されており、導電膜２８及び探針２を通して、バイアス電圧供給部１１によって探針２と試料表面Ｓ１との間に流れる電流を測定している。そして、電流測定部３５は、測定した電流値の変化を制御部１０に出力している。また、制御部１０は、送られてきた電流値の変化とＸＹ方向への変位量とを対応させて試料表面Ｓ１の電流分布を測定し、その結果を表示部３４に表示するようになっている。即ち、電流測定部３５及び制御部１０は、上記測定手段１２を構成している。
【００２７】
次に、このように構成された走査型プローブ顕微鏡１により、試料Ｓの表面形状及び試料Ｓの表面電流分布を測定する場合について以下に説明する。
まず、探針２と試料表面Ｓ１とを接触させる初期設定を行う。即ち、試料台８上に試料Ｓを載置した後、３次元駆動機構９をゆっくりＺ方向に移動させる。また、この際、測定部３１からピエゾ抵抗素子５に所定の電圧を印加させて、ピエゾ抵抗素子５に流れる電流を検出しておく。この状態で試料台８の移動により、試料表面Ｓ１と探針２とが接触すると、試料Ｓに探針２が押されてカンチレバー３が若干撓んで変位する。これに応じて、ピエゾ抵抗素子５も同様に変位するので、抵抗値が変化して測定部３１で測定される電流値が変化する。従って、試料表面Ｓ１と探針２とが接触したことを確実に判断することができる。
【００２８】
制御部１０は、測定部３１で測定される電流値が所定の値に達するまで、試料台８を移動させ、所定の値に達した時点で試料台８を停止させる。これにより、試料表面Ｓ１と探針２との接触をより確実なものにすることができる。なお、この状態が、カンチレバー３が撓んでいない初期状態であり、この状態を基準として基準発生部３３は基準信号を発生させる。
【００２９】
上記初期設定が終了した後、３次元駆動機構９により試料台８をＸＹ方向に移動させて走査を行い、測定を開始する。この際、測定部３１により、ピエゾ抵抗素子５に所定の電圧が印加されていると共に、該ピエゾ抵抗素子５に流れる電流値が検出されている。そして、探針２は、試料Ｓとの間に働く原子間力によって引っ張られているので、走査を行っている際に試料表面Ｓ１の凹凸に応じてカンチレバー３が撓んで変位する。カンチレバー３が変位すると、これに応じてピエゾ抵抗素子５も変化して抵抗値が変化するので、測定部３１で検出していた電流値が変化する。そして、測定部３１は、この電流変化に応じた出力信号を差分測定部３２に出力する。
【００３０】
差分測定部３２は、送られてきた出力信号と基準発生部３３から送られてきた基準信号とを比較して、カンチレバー３の変位量に応じた誤差信号を算出すると共に、該誤差信号を制御部１０に出力する。
これにより、制御部１０は、送られてきた誤差信号に基づいてカンチレバー３の変位量を検出することができる。そして、制御部１０は、この誤差信号に基づいて試料台８をＺ方向に移動させるように３次元駆動機構９を制御し、探針２と試料表面Ｓ１との距離を一定にさせる。つまり、誤差信号を“０”に近づけるように、試料台８を制御する。これにより、探針２と試料表面Ｓ１との接触圧力は、常に一定の状態となる。
また、制御部１０は、この制御と同時に、カンチレバー３のＺ方向の変位量とＸＹ方向への走査量とを対応させて、試料Ｓの表面形状（凹凸形状）を測定し、該表面形状画像を表示部３４に表示する。これにより、試料Ｓの表面形状の観察を行うことができる。
【００３１】
また、走査を行っている際に、バイアス電圧供給部１１により、試料表面Ｓ１と探針２との間に所定の電圧を印加する。そして、この電圧印加により探針２と試料表面Ｓ１との間に流れる電流を電流測定部３５で測定する。つまり、電流測定部３５は、導電膜２８を介して導電性を有する探針２と電気的に接触しているので、電圧印加により流れる電流を確実に測定することができる。この電流測定の際、走査に応じて探針２と試料表面Ｓ１との接触箇所が変化すると、表面状態が変化するので、これに応じて測定する電流値が異なる。そして、制御部１０は、測定された電流値の値と、ＸＹ方向への変位量とを対応させることで、試料表面Ｓ１の電流分布を測定することができ、該結果を表示部３４に表示する。
このように、導電性の探針２を備えているので、試料Ｓの表面形状と試料Ｓの電気物性情報、即ち、試料表面Ｓ１の電位分布とを同時に測定することができる。
【００３２】
特に、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡１は、ピエゾ抵抗素子５を有する自己検知型プローブ６を備えているので、カンチレバー３の変位（撓み）を測定する際に、従来の光てこ方式のように、カンチレバー３の反射面にレーザ光を照射する必要がない。よって、従来のように、レーザ光が試料Ｓ側に漏れてしまうことがなく、試料Ｓが漏れ光によって光励起されることはない。従って、ノイズの原因となる漏れ光の影響を受けることなく、電気的物性を高精度に測定することができ、試料Ｓの真の電気的物性を調べることができる。
【００３３】
また、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡１は、レファレンスレバー３０を備えているので、ピエゾ抵抗素子５の温度影響をなくすことができる。即ち、ピエゾ抵抗素子５の抵抗値は、温度条件等の撓み以外の条件によっても変動してしまう。そこで、レファレンスレバー３０を参照することで、これら不要な変動情報を取り除くことができ、上述したように温度による影響をなくすことができる。その結果、測定結果の信頼性をより向上することができる。
【００３４】
なお、本発明の技術範囲は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。
【００３５】
例えば、上記実施形態では、電気物性情報として、試料表面Ｓ１の電位分布を測定したが、この場合に限らず、試料表面Ｓ１の静電容量を測定して、試料表面Ｓ１の誘電率分布を測定しても構わない。この場合には、測定手段１２が、探針２と試料表面Ｓ１との間の静電容量を測定する静電容量測定手段４０を備えていれば良い。
【００３６】
即ち、図４に示すように、静電容量測定手段４０は、試料Ｓと試料台８に接続され、試料Ｓに交流電圧を印加する発振器４１と、カンチレバー３の導電膜２８に電気的に接続されたキャパシタンスセンサ４２、該キャパシタンスセンサ４２から出力された出力信号が入力するロックインアンプ４３とを備えている。
上記キャパシタンスセンサ４２は、試料Ｓの静電容量の変化を発振周波数に変換する準マイクロ波発振器４４と、該準マイクロ発振器４１で変換された発振周波数を直流の電圧値に変換して出力信号として出力するＦＭ復調器４５とを備えている。また、ロックインアンプ４３には、発振器４１から参照信号が入力されるようになっている。
【００３７】
このように構成された静電容量測定手段４０により、試料表面Ｓ１の静電容量変化を測定する場合について説明する。
走査を行っている際に、ロックインアンプ４３には、発振器４１からの参照信号が入力される。一方、キャパシタンスセンサ４２は、探針２と試料表面Ｓ１との静電容量変化を検出する。即ち、準マイクロ波発振器４４は、試料Ｓの静電容量の変化を発振周波数に変換し、ＦＭ復調器４５がこれを直流の電圧値に変換し、出力信号としてロックインアンプ４３に出力する。該ロックインアンプ４３は、ＦＭ復調器４５から送られてきた出力信号のうち、参照信号を参照して試料Ｓに印加した発振周波数と同じ周波数の信号（同期信号）を検出する。これにより、試料Ｓに形成された空乏層の厚みの変化による探針２と試料Ｓとの間の静電容量の変化を検出することができる。
【００３８】
このように静電容量測定手段４０を有する走査型プローブ顕微鏡によれば、漏れ光の影響を受けることなく、試料Ｓの表面形状測定と、試料表面Ｓ１の誘電率分布測定とを同時に高精度に行うことができる。
【００３９】
また、電気物性情報として、試料表面Ｓ１の電位分布を測定しても構わない。この場合には、カンチレバー３を所定の共振周波数で振動させる加振手段を備え、探針２と試料表面Ｓ１とを近接させた状態で、印加手段により、探針２と試料表面Ｓ１との間に交流電圧及び直流電圧を印加させる。そして、測定手段１２が、交流電圧及び直流電圧の印加による合成電界で発生した静電気力に対するカンチレバー３の変位量に基づいて、試料表面Ｓ１の電位を測定する電位測定手段を備えれば良い。
このように構成することで、漏れ光の影響を受けることなく、試料Ｓの表面形状測定と、試料表面Ｓ１の電位分布測定とを同時に高精度に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明にかかる走査型プローブ顕微鏡の一実施形態を示す構成図である。
【図２】図１に示す走査型プローブ顕微鏡の自己検知型プローブを示す斜視図である。
【図３】図２に示す自己検知型プローブの断面矢視Ａ−Ａ図である。
【図４】図１に示す走査型プローブ顕微鏡の他の形態を示す図であって、静電容量測定手段の一例を示した構成図である。
【符号の説明】
【００４１】
Ｓ 試料
Ｓ１ 試料表面
１ 走査型プローブ顕微鏡
２ 探針
３ カンチレバー
４ 支持部
５ ピエゾ抵抗素子
６ 自己検知型プローブ
７ 検出手段
８ 試料台
９ ３次元駆動機構（移動手段）
１０ 制御部（制御手段）
１１ バイアス電圧供給部（印加手段）
１２ 測定手段
２８ 導電膜
３５ 電流測定部（電流測定手段）
４０ 静電容量測定手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性を有する探針を試料表面に接触又は近接させた状態で、試料の電気物性情報を測定する走査型プローブ顕微鏡であって、
前記探針が先端に設けられたカンチレバーと、該カンチレバーの基端側を片持ち状態に支持する支持部と、カンチレバーに設けられ、該カンチレバーの変位量に応じて抵抗値が変化するピエゾ抵抗素子とを有する自己検知型プローブと、
前記ピエゾ抵抗素子に所定の電圧を印加すると共に、ピエゾ抵抗素子を流れる電流値を検出して前記カンチレバーの変位量を検出する検出手段と、
前記探針に対して対向配置された前記試料を載置する試料台と、
該試料台と前記探針とを、前記試料表面に平行なＸＹ方向及び試料表面に垂直なＺ方向に相対移動させる移動手段と、
前記検出手段の検出結果に基づいて、前記探針と前記試料表面との距離が一定になるように前記移動手段を制御すると共に前記試料の表面形状を測定する制御手段と、
前記探針と前記試料表面との間に所定の電圧を印加する印加手段と、
該印加手段により印加された電圧に起因する前記電気物性情報を測定する測定手段とを備え、
前記探針は、前記カンチレバーの基端側まで延びると共に前記測定手段に電気的接続可能な導電膜に電気的に接続されてい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記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記探針と前記試料表面とが、接触するよう配されており、
前記測定手段が、前記探針と前記試料表面との間を流れる電流を測定する電流測定手段を備えてい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記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記探針と前記試料表面とが、接触するよう配されており、
前記測定手段が、前記探針と前記試料表面との間の静電容量を測定する静電容量測定手段を備えてい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記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記カンチレバーを所定の共振周波数で振動させる加振手段を備え、
前記探針と前記試料表面とが、近接するよう配されており、
前記印加手段が、前記所定の電圧として交流電圧及び直流電圧を印加し、
前記測定手段が、前記交流電圧及び直流電圧の印加による合成電界で発生した静電気力に対する前記カンチレバーの変位量に基づいて、試料表面の電位を測定する電位測定手段を備えていることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１】
導電性を有する探針を試料表面に接触又は近接させた状態で、試料の電気物性情報を測定する走査型プローブ顕微鏡であって、
前記探針が先端に設けられたカンチレバーと、該カンチレバーの基端側を片持ち状態に支持する支持部と、カンチレバーに設けられ、該カンチレバーの変位量に応じて抵抗値が変化するピエゾ抵抗素子とを有する自己検知型プローブと、
前記ピエゾ抵抗素子に所定の電圧を印加すると共に、ピエゾ抵抗素子を流れる電流値を検出して前記カンチレバーの変位量を検出する検出手段と、
前記探針に対して対向配置された前記試料を載置する試料台と、
該試料台と前記探針とを、前記試料表面に平行なＸＹ方向及び試料表面に垂直なＺ方向に相対移動させる移動手段と、
前記検出手段の検出結果に基づいて、前記探針と前記試料表面との距離が一定になるように前記移動手段を制御すると共に前記試料の表面形状を測定する制御手段と、
前記探針と前記試料表面との間に所定の電圧を印加する印加手段と、
該印加手段により印加された電圧に起因する前記電気物性情報を測定する測定手段とを備え、
前記探針は、前記カンチレバーの基端側まで延びると共に前記測定手段に電気的接続可能な導電膜に電気的に接続されてい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記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記探針と前記試料表面とが、接触するよう配されており、
前記測定手段が、前記探針と前記試料表面との間を流れる電流を測定する電流測定手段を備えてい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記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記探針と前記試料表面とが、接触するよう配されており、
前記測定手段が、前記探針と前記試料表面との間の静電容量を測定する静電容量測定手段を備えてい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記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記カンチレバーを所定の共振周波数で振動させる加振手段を備え、
前記探針と前記試料表面とが、近接するよう配されており、
前記印加手段が、前記所定の電圧として交流電圧及び直流電圧を印加し、
前記測定手段が、前記交流電圧及び直流電圧の印加による合成電界で発生した静電気力に対する前記カンチレバーの変位量に基づいて、試料表面の電位を測定する電位測定手段を備えていることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００６−２５８４２９（Ｐ２００６−２５８４２９Ａ）
【公開日】平成１８年９月２８日（２００６．９．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−７２２６０（Ｐ２００５−７２２６０）
【出願日】平成１７年３月１５日（２００５．３．１５）
【出願人】（５０３４６０３２３）エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社 (330)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年９月２８日（２００６．９．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年３月１５日（２００５．３．１５）
【出願人】（５０３４６０３２３）エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社 (330)
【Ｆターム（参考）】
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