JP5813966B2

JP5813966B2 - 変位検出機構およびそれを用いた走査型プローブ顕微鏡

Info

Publication number: JP5813966B2
Application number: JP2011046806A
Authority: JP
Inventors: 龍介廣瀬
Original assignee: Hitachi High Tech Science Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Science Corp
Priority date: 2011-03-03
Filing date: 2011-03-03
Publication date: 2015-11-17
Anticipated expiration: 2031-03-03
Also published as: CN102654516B; JP2012184959A; CN102654516A; US8869311B2; US20120227138A1

Description

本発明は、カンチレバーの変位量を精度よく測定する変位測定方法に関わり、特に、当
該方法を用いた、探針を試料表面で走査することで試料の表面形状や物性情報を観察する
ことが可能な走査型プローブ顕微鏡に関するものである。

走査型プローブ顕微鏡（以下、ＳＰＭ）は試料の表面形状や物性情報を測定する顕微鏡
であり、これまでに様々な測定モードが提案されている。例えば、探針と試料間に流れる
トンネル電流を一定に保つことで表面形状を取得する走査型トンネル顕微鏡（以下、ＳＴ
Ｍ）や、探針と試料間の原子間力を検出することで表面形状を取得する原子間力顕微鏡（
以下、ＡＦＭ）がある。ＡＦＭの中でも、カンチレバーの撓みを一定に保つことで表面形
状を取得するコンタクトモードや、カンチレバーを励振させその振幅を一定に保つことで
表面形状を取得するダイナミックフォースモード（以下、ＤＦＭモード）がある。一般的
に、コンタクトモードでは探針と試料とは常に接触しており、ＤＦＭモードでは探針と試
料とは間欠的に接触している。

ＳＰＭでは試料の表面形状と同時に試料の物性情報を取得する物性測定が可能である。
特に探針に金属をコートした導電性カンチレバーを用いると試料表面の電気物性を測定す
ることが可能である。例えば、試料の表面電位を観察するケルビンフォース顕微鏡（以下
、ＫＦＭ）、電気力を測定する電気力顕微鏡（以下、ＥＦＭ）、磁気特性を観察できる磁
気力顕微鏡（以下、ＭＦＭ）などが挙げられる。いずれの測定方法でも、探針を試料と非
接触状態に保ち、探針と試料表面との物理的相互作用をカンチレバーの変位として検出し
ている（例えば非特許文献１参照）。

探針と試料とを接触させた状態で、つまりコンタクトモード状態で、試料表面の様々な
物性情報を測定することが可能である。例えば、試料表面の静電容量変化を計測すること
ができる走査型非線形誘電率顕微鏡（以下、ＳＮＤＭ）が挙げられる。ＳＮＤＭは、導電
性カンチレバーと試料間に交流電圧を印加することによる試料の静電容量変化を計測して
いる。静電容量変化の計測方法としては、導電性カンチレバーがＬＣ共振器に取り付けら
れており、探針直下の静電容量変化をＬＣ共振器の共振周波数変化に変換し、さらにこの
共振周波数変化をＦＭ復調器などで電圧変化に変換することで、静電容量変化を電圧変化
として検出している（例えば特許文献１参照）。

一方、カンチレバーの変位検出方法としては、光テコ方式が一般的である。光テコ方式
とは、レーザーなどの光をカンチレバーの背面に照射し、その反射光の位置を検出するこ
とでカンチレバーの撓み（変位）を検出するものである。光を使わない方法としては、ピ
エゾ抵抗を利用したピエゾ抵抗型自己検知カンチレバーがある。この方式では、ピエゾ抵
抗体歪センサーをカンチレバーに搭載することで、カンチレバーの撓みをピエゾ抵抗体の
電気抵抗の変化として検出するものである（例えば特許文献２参照）。

特開平８−７５８０６号公報特表２００７−５３２９２３号公報

山岡武博著、材料技術Vol.２３No.４（２００５）２１１ M.Takahashi, T.Igarashi, T.Ujihara and T.Takahashi : "Photovoltage Mapping on Polycrystalline Silicon Solar Cells by Kelvin Prove Force Microscopy with Piezoresistive Cantilever", Jpn. J. Appl. Phys., 46, 548 (2007)

ＡＦＭではカンチレバーの変位を検出するのに光テコ方式を利用するのが一般的である
。しかしながら、光が試料にも照射されるため物性測定する際にその光の影響を受ける場
合がある。特に試料表面の電位や電流などを計測する際には、試料そのものが光励起など
により物性値に変化をきたしてしまい正確な物性情報を測定できないことがある。また、
同様の理由により、試料に光を照射し、その光の有無による試料の物性情報の変化を測定
することも困難となることがある。

一方、ピエゾ抵抗型自己検知カンチレバーによる方法は、カンチレバーの変位計測に光
を使用していないため上述したような影響は無い。しかしながら、ＫＦＭなどの電気物性
を測定する際に様々な制限が生じる。例えば、使用するカンチレバーは、ピエゾ抵抗体を
備える必要があり複雑な構造や特別な製造過程が必要とされる。当然のことながら市販さ
れている一般的なカンチレバーを使用することはできない。また、電気物性測定では探針
に金属がコートされた導電性カンチレバーを使用するのが一般的であるが、探針が金属コ
ートされたピエゾ抵抗型自己検知カンチレバーはさらに複雑な構造や製造過程が必要とさ
れ、それを作製すること自体に困難性がある。また、ＫＦＭやＥＦＭなど試料と探針間に
交流電場を印加するような測定では、印加している交流電場がピエゾ抵抗センサーにも印
加されてしまい、それによりピエゾ抵抗体に発生した変位電流が、レバーの変位信号に対
するノイズとして混入し正確な測定ができなくなる。この点については、探針と試料間に
作用する交流電場とピエゾ抵抗センサーに作用する交流電場との位相差を利用したＫＦＭ
の測定例が報告されているが、装置構成が複雑であり分解能も悪い（非特許文献２参照）
。

本発明の走査型プローブ顕微鏡は、上述したような問題を解決するものであり、従来の
光てこ方式あるいは自己検知型のカンチレバーの変位検出方法とは異なる、新たな変位検
出機構ならびにそれを用いた走査型プローブ顕微鏡を提供することを目的とする。

本発明のカンチレバーの変位検出機構は、先端に探針を有し、一定の振動を行うカンチレバーと、前記探針の先端が対向する側に配置され、前記カンチレバーの位置の基準となる基準台と、を備え、前記カンチレバーが前記基準台に向けて振動した際の当該カンチレバーの変位を検出するカンチレバーの変位検出機構であって、前記カンチレバーの振動の変化に基づく該カンチレバーと前記基準台との間に生じる静電容量の変化を下記の数式により算出する静電容量変化検出手段を備え、前記カンチレバーの変位を、前記静電容量の変化に基づいて評価することを特徴とする。このようにすることで、光てこ方式や自己検知式の欠点を排除可能となる。

Ｌ：カンチレバーの長さ、ｔ：探針の長さ、ｂ：カンチレバーの幅、θ：カンチレバーの傾き

また、本発明では、静電容量変化検出手段として、静電容量センサーを用いた。
また、本発明では、別途の静電容量変化検出手段として、ＬＣ共振器とＦ−Ｖ変換器、またはＬＣ共振器とＦＭ復調器による、静電容量変化に基づくＬＣ共振器の共振周波数の変化を電圧変化として評価するものとした。
また、本発明では、走査型プローブ顕微鏡において、上記の変位検出機構を利用した変位検出部を備えたものとした。

また、本発明では、上記の変位検出機構を利用した変位検出部を備えた走査型プローブ顕微鏡において、該変位検出部にカンチレバーの振動振幅と位相を検出可能とした。このようにすることで、異なる測定モードの走査型プローブ顕微鏡への利用が可能となる。
また、本発明では、光を遮断した状態で形状測定や物性測定が可能となり、光励起の影響を受けないことから、光の有無による試料の形状や物性情報の変化を比較可能とした。

本発明による走査型プローブ顕微鏡によれば、カンチレバーの変位をカンチレバーのレバー部と試料間の静電容量の変化として検出することが可能となる。

このようにすることで、光てこ方式のように光を使用していないため、それによる影響を受けることが無く、測定試料の真の物性情報を取得することが可能であり、また、光の有無による試料の物性情報の変化や、光の強度の違いや光の周波数の違いによる試料の物性情報の変化を観察することが可能となる。

また、自己検知型におけるピエゾ抵抗センサーをカンチレバーに備える必要が無く、市販されている汎用的なカンチレバー（導電性カンチレバーを含む）を使用することが可能となる。更に、カンチレバーに対して電場がかかる場合でも、ピエゾ抵抗センサーを有さないため影響を受ける要因が無く、ＫＦＭやＥＦＭなどの電気物性測定も容易に行うことが可能となる。

本発明における第一の実施形態の走査型プローブ顕微鏡の概略構成図である。（ａ）カンチレバーと試料間の静電容量を示す図である。（ｂ）カンチレバーと試料間お静電容量を平行平板コンデンサに見立てた図である。本発明における第二の実施形態の走査型プローブ顕微鏡の概略構成図である。本発明における第三の実施形態の走査型プローブ顕微鏡の概略構成図である。

本発明の走査型プローブ顕微鏡について、図を用いて説明する。
図１には、本発明に第一の実施例に係わる走査型プローブ顕微鏡の構成の一例を示す。

本発明の走査型プローブ顕微鏡においては、試料台１２の上に設置された試料の試料表面Ｓに対し針先が向かうように配置されるとともに、試料表面Ｓに平行なＸ，Ｙ方向の走査と該試料表面Ｓに垂直なＺ方向の移動とを該試料表面Ｓに対して相対的に行える探針２を有するカンチレバー１と、該カンチレバー１を振動させることが可能なレバー加振手段４と、カンチレバー１の変位を検出するカンチレバー変位検出部７とを備えている。試料台１２あるいはその上部に載置した試料Ｓは、カンチレバー１の位置の基準となり、この試料台１２あるいは試料Ｓの表面と該カンチレバー１との間の静電容量が重要となる。

試料台１２は、三次元アクチュエータ１１に取付けられており、探針２と試料表面Ｓとを前記Ｘ，ＹおよびＺ方向の相対的に移動させることが可能である。

三次元アクチュエータ１１には、三次元アクチュエータ１１を駆動して試料表面ＳをＸ，Ｙ，Ｚ方向に走査させるＸＹ駆動機構９とＺ駆動機構１０が接続されている。

また、ＸＹ駆動機構９とＺ駆動機構１０は制御部８に接続されており、それによって制御されている。

カンチレバー変位検出部７は、ＬＣ共振器５とＦ−Ｖ変換器６とから構成されている。カンチレバー１が変位すると、該カンチレバー１と試料表面Ｓとの間の静電容量（またはカンチレバー１と試料台１２との間の静電容量）が変化する。この静電容量の変化を検出することでカンチレバー１の変位を検出している。

具体的には、ＬＣ共振器５はカンチレバー１と接続されており、前記静電容量の変化を検出（認知）するとＬＣ共振器５の共振周波数の変化として検出する。この共振周波数の変化はＦ−Ｖ変換器６により検出（認知）され、電圧の変化として検出（変換）され、制御部８へと送られる。つまり、「カンチレバーの変位」、「静電容量の変化」、「共振周波数の変化」、「電圧の変化」と順次変換することによりカンチレバーの変位を検出している。

次に、カンチレバーと試料表面との間の静電容量の変化量について算出方法を説明する。
図２（ａ）に示したようなカンチレバーと試料表面とを、図２(ｂ)に示すような平行平板コンデンサであると仮定すると、その静電容量は以下の数１で表される。

ここで、レバーの長さをＬ、レバーの幅をｂ、レバーの傾きをΘ、探針の長さをｔとしている。一般的なカンチレバーを想定して、Ｌ＝４５０μｍ、ｂ＝３０μｍ、Θ＝１３°、ｔ＝１２．５μｍとして、カンチレバーの変位として傾きθが０．０１°変位したときの静電容量の変化は約５ｘ１０^-19Ｆである。ＬＣ共振器５とＦ−Ｖ変換器６から構成される変位検出部７は特許文献１に記載されているＳＮＤＭとほぼ同じ構成であるが、一般的なＳＮＤＭによる静電容量の検出感度は１ｘ１０^-21Ｆから１０^-22Ｆに達する。そのため、本発明によるカンチレバーの変位検出感度は十分に実現できるものである。

上述のようにカンチレバー変位検出部７により検出されたカンチレバーの変位情報は制御部８へと送られる。制御部８では、送られてきた信号を元に、試料表面の形状測定を行うことが可能である。例えば、カンチレバーの振動振幅を検出し一定に保つように探針と試料との間の距離を制御することで一般的なＤＦＭ測定が可能である。また、探針と試料間に交流電場を印加するとケルビンフォースによりカンチレバーが振動するが、この振動を前記カンチレバー変位検出手段７により検出することでＫＦＭ測定やＥＦＭ測定が可能である。また、カンチレバー変位検出部７により検出されたカンチレバーの変位情報を、例えば、ＲＭＳ−ＤＣ（実効値-直流）変換により振幅を検出してもよく、またロックインアンプにより任意の周波数成分を同期検波しても良い。前者のＲＭＳ−ＤＣ変換は主に
ＤＦＭ測定に利用され、後者のロックインアンプはＫＦＭやＥＦＭ測定に利用されることが多い。

なお、本実施形態において、周波数を電圧に変換するのにＦ−Ｖ変換器６としたが、これに限らず例えばＦＭ復調器を用いても良い。

また、本実施形態において、静電容量の変化を検出する方法としてＬＣ共振器５とＦ−Ｖ変換器６としたが、これに限らず、静電容量センサーなど静電容量を検出可能な検出器を用いても良い。

図３には、本発明の第二の実施例に係わる走査型プローブ顕微鏡の構成の一例を示す。
試料台１２は、探針と試料間に交流電場を印加する信号発生器１５が接続されている。また、カンチレバー変位検出部７が検出したカンチレバーの変位情報をロックインアンプ１４に送られ、信号発生器１５と同じ周波数成分、または２倍以上周波数成分の振幅と位相を同期検出することができる。ここで検出した振幅や位相成分は、交流電場による探針と試料間に働く静電気力に起因したカンチレバーの振動振幅や位相成分であり、これらの信号がＥＦＭ測定により得られる情報となる。また、ロックインアンプ１４により検出した振幅がゼロになるように、フィードバック回路１６により直流バイアスを試料台１２に印加することでＫＦＭ測定が可能となる。

図４には、本発明に第三の実施例に係わる走査型プローブ顕微鏡の構成の一例を示す。
当該顕微鏡は、物性照明装置１７により試料または／および探針に光Ｌを照射できるようにした。このようにすることで、光Ｌを照射しない状態でＥＦＭ測定やＫＦＭ測定を行い、その後、光Ｌを照射した状態でＥＦＭ測定やＫＦＭ測定を行うことで、光の有無による試料表面の形状情報や物性情報を取得することが可能となる。また、照明装置１７により光Ｌの強度を変化させることにより、該強度値あるいは差分によるＫＦＭ測定やＥＦＭ測定の結果の違いを観察することが可能となる。このようにすることで、試料表面の形状情報や物性情報の光強度依存性を測定することが可能となる。

また、照明装置１７により光の周波数を変化させることにより、その周波数の値あるいは差分によるＫＦＭ測定やＥＦＭ測定結果の違いを観察することが可能である。これにより試料表面の形状情報や物性情報の光周波数依存性を測定することが可能となる。なお、ここではＥＦＭ測定やＫＦＭ測定としたが、これに限らず、形状測定、電流測定及びＭＦＭ測定など他の測定モードによる形状測定や物性測定を行うことも可能である。

なお、本発明による走査型プローブ顕微鏡では、カンチレバー変位検出部７によりカンチレバーの変位を検出しているが、従来の光テコ方式と組み合わせることも可能である。例えば、光テコ方式により形状測定を行い、カンチレバー変位検出部７によりＥＦＭやＫＦＭ測定を行っても良い。

１カンチレバー
２探針
３レバー部
４レバー加振手段
５ＬＣ共振器
６Ｆ−Ｖ変換器
７カンチレバー変位検出部
８制御部
９ＸＹ駆動部
１０Ｚ駆動部
１１３次元アクチュエータ
１２試料台（基準）
１３表示部
１４ロックインアンプ
１５信号発生器
１６フィードバック回路
１７照明装置
Ｓ試料（基準）
Ｌ光

Claims

先端に探針を有し、一定の振動を行うカンチレバーと、
前記探針の先端が対向する側に配置され、前記カンチレバーの位置の基準となる基準台と、を備え、
前記カンチレバーが前記基準台に向けて振動した際の当該カンチレバーの変位を検出するカンチレバーの変位検出機構であって、
前記カンチレバーの振動の変化に基づく該カンチレバーと前記基準台との間に生じる静電容量の変化を下記の数式により算出する静電容量変化検出手段を備え、
前記カンチレバーの変位を、前記静電容量の変化に基づいて評価することを特徴とするカンチレバーの変位検出機構。

Ｌ：カンチレバーの長さ、ｔ：探針の長さ、ｂ：カンチレバーの幅、θ：カンチレバーの傾き
前記静電容量変化検出手段が、静電容量センサーである請求項１に記載のカンチレバーの変位検出機構。
前記静電容量変化検出手段が、
該静電容量の変化に基づく前記カンチレバーの振動周波数及び／又は振動振幅検出手段と、
当該振動周波数及び／又は振動振幅に基づく電気信号検出手段とからなり、
前記静電容量の変化に基づく前記カンチレバーの振動周波数及び／又は振動振幅を認知し、更に、そのカンチレバーの振動周波数及び／又は振動振幅に基づく電気信号として前記カンチレバーの変位を評価する請求項１に記載のカンチレバーの変位検出機構。
前記振動周波数及び／又は振動振幅検出手段が、前記カンチレバーと電気的に接続されたＬＣ共振器であり、前記静電容量の変化に基づく該ＬＣ共振器の共振周波数を検出する請求項３に記載のカンチレバーの変位検出機構。
前記電気信号検出手段が、前記振動周波数及び／又は振動振幅検出手段と電気的に接続されたＦ-Ｖ変換器またはＦＭ復調器のいずれかであり、前記振動周波数及び／又は振動振幅に基づく電圧として検出する請求項３又は４に記載のカンチレバーの変位検出機構。
先端に探針を有するカンチレバーと、前記カンチレバーを振動させるレバー加振手段と、
前記探針の先端に対向する位置に備わる試料を載置する試料台と、前記試料表面と前記探針とを相対的にＸ,Ｙ及びＺ方向へ駆動させるＸＹ駆動機構及びＺ駆動機構と、前記カンチレバーの変位を検出するカンチレバー変位検出部と、当該カンチレバー変位検出部が検出したカンチレバーの変位情報から前記試料表面の形状データや物性データを採取する制御部と、を備えた走査型プローブ顕微鏡であって、
前記カンチレバー変位検出部が、請求項１〜５のいずれかに記載のカンチレバーの変位検出機構を備え、前記カンチレバーの変位により生じる振動の変化に伴う、前記カンチレバーと前記試料の表面との間の静電容量の変化に基づいて前記カンチレバーの変位を評価することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
請求項６に記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記カンチレバー変位検出部が、前記カンチレバーの振動振幅と振動周波数と位相を検出するものである走査型プローブ顕微鏡。
請求項６又は７に記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記カンチレバー変位検出部が、前記レバー加振手段により振動するカンチレバーの、前記レバー加振手段と同一周波数成分の振動振幅を検出するものである走査型プローブ顕微鏡。
請求項６から８のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記カンチレバー変位検出部が、前記レバー加振手段により振動するカンチレバーの、前記レバー加振手段との位相差を検出するものである走査型プローブ顕微鏡。
請求項６から９のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記カンチレバー変位検出部が、前記試料表面と前記探針との間に印加した交流電場により振動するカンチレバーの振動振幅と位相を検出するものである走査型プローブ顕微鏡。
請求項１０に記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記カンチレバー変位検出部が、前記試料表面と前記探針との間に印加した交流電場により振動するカンチレバーの、前記交流電場と同一の周波数成分の振動振幅を検出するものである走査型プローブ顕微鏡。
請求項１０又は１１に記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記カンチレバー変位検出部が、前記試料表面と前記探針との間に印加した交流電場により振動するカンチレバーの、前記交流電場との位相差を検出するものである走査型プローブ顕微鏡。
請求項１０から１２のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記カンチレバー変位検出部が、前記試料表面と前記探針との間に印加した交流電場により振動するカンチレバーの、前記交流電場の少なくとも２倍以上の周波数成分の振動振幅と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６から１３のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記試料表面及び／又は探針に光を照射するための照明装置を有するものである走査型プローブ顕微鏡。
請求項１４に記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記照明装置から照射される光のオンとオフによる、試料表面の形状と物性情報の違いを検出するものである走査型プローブ顕微鏡。
請求項１４又は１５のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記照明装置から照射される光の周波数の違いによる、試料表面の形状と物性情報の違いを検出するものである走査型プローブ顕微鏡。
請求項１４から１６のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記照明装置から照射される光の強度の違いによる、試料表面の形状と物性情報の違いを検出するものである走査型プローブ顕微鏡。