JPH0830708B2 - 原子間力顕微鏡 - Google Patents
原子間力顕微鏡Info
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- G01—MEASURING; TESTING
- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、原子間力顕微鏡検査
（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ：
ＡＦＭ）、より詳細には表面電位、容量、トポグラフィ
カルな測定を提供可能な、改良型原子間力顕微鏡検査装
置に関する。
（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ：
ＡＦＭ）、より詳細には表面電位、容量、トポグラフィ
カルな測定を提供可能な、改良型原子間力顕微鏡検査装
置に関する。
【０００２】
【従来の技術】走査型トンネル顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎ
ｇ Ｔｕｎｎｅｌ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＴＭ）の
開発は、サブミクロンの基板特徴の目視を可能とする一
連の走査型プローブ顕微鏡を提供してきた。追加の走査
型プローブ装置が、基板表面に関する磁力と静電力の撮
像を可能とするために開発されてきた。静電力顕微鏡
は、電荷を帯びた振動プローブを使用している。プロー
ブの振動振幅は、走査対象の試料内の電荷からの静電力
により影響を受ける。静電力顕微鏡は、このように非常
に微小なスケールで、マイクロ回路の電気特性のマッピ
ングを可能とする。このような顕微鏡は、電荷、誘電
率、絶縁層の膜厚、光電圧、表面電位を測定するために
使用されてきた。
ｇ Ｔｕｎｎｅｌ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＴＭ）の
開発は、サブミクロンの基板特徴の目視を可能とする一
連の走査型プローブ顕微鏡を提供してきた。追加の走査
型プローブ装置が、基板表面に関する磁力と静電力の撮
像を可能とするために開発されてきた。静電力顕微鏡
は、電荷を帯びた振動プローブを使用している。プロー
ブの振動振幅は、走査対象の試料内の電荷からの静電力
により影響を受ける。静電力顕微鏡は、このように非常
に微小なスケールで、マイクロ回路の電気特性のマッピ
ングを可能とする。このような顕微鏡は、電荷、誘電
率、絶縁層の膜厚、光電圧、表面電位を測定するために
使用されてきた。
【０００３】Ｎｏｎｎｅｎｍａｃｈｅｒ等は、”Ｋｅｌ
ｖｉｎ Ｐｒｏｂｅ ＦｏｒｃｅＭｉｃｒｏｓｃｏｐ
ｙ”Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｉｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ
Ｖｏｌ．５８，Ｎｏ ２５，２４ Ｊｕｎｅ，１９９
１の中で、プローブ・ヘッドと走査対象表面との間の電
位差の決定に対する静電力顕微鏡の適用について説明し
ている。その静電力顕微鏡は、２個の電極が微小間隔平
行板コンデンサとして配置された（一方の電極はプロー
ブである）改良型ケルビン法を使用している。プローブ
に供給される周期的信号は、供給周波数でプローブを振
動させる力を誘起させる。この力の値はプローブと表面
との間の電位差に関係するので、生じる振動は、周波数
を示している。実際の測定は、平行板間に、その間の空
間に電界が無くなり、その結果、力が零になるまで、追
加の逆電圧を加えることにより行われる。したがって、
この逆電圧は、電位差と等しい。
ｖｉｎ Ｐｒｏｂｅ ＦｏｒｃｅＭｉｃｒｏｓｃｏｐ
ｙ”Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｉｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ
Ｖｏｌ．５８，Ｎｏ ２５，２４ Ｊｕｎｅ，１９９
１の中で、プローブ・ヘッドと走査対象表面との間の電
位差の決定に対する静電力顕微鏡の適用について説明し
ている。その静電力顕微鏡は、２個の電極が微小間隔平
行板コンデンサとして配置された（一方の電極はプロー
ブである）改良型ケルビン法を使用している。プローブ
に供給される周期的信号は、供給周波数でプローブを振
動させる力を誘起させる。この力の値はプローブと表面
との間の電位差に関係するので、生じる振動は、周波数
を示している。実際の測定は、平行板間に、その間の空
間に電界が無くなり、その結果、力が零になるまで、追
加の逆電圧を加えることにより行われる。したがって、
この逆電圧は、電位差と等しい。
【０００４】同様な装置は、半導体内でのラテラル・ド
ーパント・プロファイルのマッピングに応用されている
（たとえばＡｂｒａｈａｍ等著書の”Ｌａｔｅｒａｌ
Ｄｏｐａｎｔ Ｐｒｏｆｉｌｉｎｇ ｉｎ Ｓｅｍｉｃ
ｏｎｄｕｃｔｏｒｓ ｂｙＦｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃ
ｏｐｙ Ｕｓｉｎｇ Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ Ｄｅｔｅ
ｃｔｉｏｎ”、Ｊ．Ｖａｃ． Ｓｏｃ．Ｔｅｃｈｎｏｌ
ｏｇｙ Ｂ，Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｐｒ
ｏｃｅｓｓ．Ｐｈｅｎｏｍ．Ｖｏｌ．９，Ｎｏ．２，Ｐ
Ｔ．２，Ｍａｒ，Ａｐｒｉｌ １９９１，ｐｐ ７０３
−７０６参照）。
ーパント・プロファイルのマッピングに応用されている
（たとえばＡｂｒａｈａｍ等著書の”Ｌａｔｅｒａｌ
Ｄｏｐａｎｔ Ｐｒｏｆｉｌｉｎｇ ｉｎ Ｓｅｍｉｃ
ｏｎｄｕｃｔｏｒｓ ｂｙＦｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃ
ｏｐｙ Ｕｓｉｎｇ Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ Ｄｅｔｅ
ｃｔｉｏｎ”、Ｊ．Ｖａｃ． Ｓｏｃ．Ｔｅｃｈｎｏｌ
ｏｇｙ Ｂ，Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｐｒ
ｏｃｅｓｓ．Ｐｈｅｎｏｍ．Ｖｏｌ．９，Ｎｏ．２，Ｐ
Ｔ．２，Ｍａｒ，Ａｐｒｉｌ １９９１，ｐｐ ７０３
−７０６参照）。
【０００５】この装置は、数百ミクロン長で先端から５
０ミクロンの所で機械的に直角に曲げられているタング
ステン線エッチド・カンチレバーより構成されている。
その先端（チップ）は撮像の間、表面プローブとして働
く。圧電変換器は試料上のセンサ・ヘッドを走査する。
チップはその共振周波数の１つで振動し、その結果生じ
る動きは光ヘテロダイン検波の使用により測定される。
チップと試料との間の力勾配による共振周波数のシフト
は、振動振幅の変化を生じさせる。この変化は、試料上
のチップの高さを制御するための帰還ループに用いられ
る。このようにして得られた表面画像は、一定の勾配の
等高線を示した。
０ミクロンの所で機械的に直角に曲げられているタング
ステン線エッチド・カンチレバーより構成されている。
その先端（チップ）は撮像の間、表面プローブとして働
く。圧電変換器は試料上のセンサ・ヘッドを走査する。
チップはその共振周波数の１つで振動し、その結果生じ
る動きは光ヘテロダイン検波の使用により測定される。
チップと試料との間の力勾配による共振周波数のシフト
は、振動振幅の変化を生じさせる。この変化は、試料上
のチップの高さを制御するための帰還ループに用いられ
る。このようにして得られた表面画像は、一定の勾配の
等高線を示した。
【０００６】ドーパント濃度を測定するためには、チッ
プは、ＤＣ電圧（半導体試料の表面を空乏化するため選
択された電圧）とカンチレバーの共振周波数でチップの
機械的振動を誘発するＡＣ電圧との和の電圧でバイアス
される。信号の振幅変化は、基本的に空乏容量したがっ
てドーパントの濃度の変化に対応している。
プは、ＤＣ電圧（半導体試料の表面を空乏化するため選
択された電圧）とカンチレバーの共振周波数でチップの
機械的振動を誘発するＡＣ電圧との和の電圧でバイアス
される。信号の振幅変化は、基本的に空乏容量したがっ
てドーパントの濃度の変化に対応している。
【０００７】Ａｂｒａｈａｍ等は、測定値の分離を行な
うために、カンチレバーの２つの別個の共振（たとえば
基本波と第二調波）を検出している。第二調波付勢に応
じたカンチレバーの運動は、カンチレバーの端部では小
さな振動であり、中間部ではかなり大きな振動である。
基本波共振振動では、カンチレバーの端部でその振動は
大きく、中央部でより小さくなる。それゆえ、与えられ
た励振に対しては、第二調波共振は基本波共振よりも応
答性が低い。
うために、カンチレバーの２つの別個の共振（たとえば
基本波と第二調波）を検出している。第二調波付勢に応
じたカンチレバーの運動は、カンチレバーの端部では小
さな振動であり、中間部ではかなり大きな振動である。
基本波共振振動では、カンチレバーの端部でその振動は
大きく、中央部でより小さくなる。それゆえ、与えられ
た励振に対しては、第二調波共振は基本波共振よりも応
答性が低い。
【０００８】ＡＦＭ装置に関し特許された従来技術は、
広範囲にわたる。米国特許第４，６６８，８６５号明細
書は、基板表面を撮像するために、鋭利なプローブ・チ
ップと基板との間に発生するトンネル電流の変化が用い
られている走査型トンネル顕微鏡について記述してい
る。米国特許第４，７２４，３１８号および再発行特許
第３３，３８７号明細書は、画像視覚化にトンネル電流
を使用した走査型トンネル顕微鏡を最初に記述した文献
の１つである。米国特許第４，８５１，６７１号明細書
には、ＡＦＭ静電力測定装置が記述されている。この装
置では、プローブを振動させ、その周波数の偏移を用い
て、測定対象表面からのプローブの距離を制御し、表面
電位の等高線の画像をプロットしている。
広範囲にわたる。米国特許第４，６６８，８６５号明細
書は、基板表面を撮像するために、鋭利なプローブ・チ
ップと基板との間に発生するトンネル電流の変化が用い
られている走査型トンネル顕微鏡について記述してい
る。米国特許第４，７２４，３１８号および再発行特許
第３３，３８７号明細書は、画像視覚化にトンネル電流
を使用した走査型トンネル顕微鏡を最初に記述した文献
の１つである。米国特許第４，８５１，６７１号明細書
には、ＡＦＭ静電力測定装置が記述されている。この装
置では、プローブを振動させ、その周波数の偏移を用い
て、測定対象表面からのプローブの距離を制御し、表面
電位の等高線の画像をプロットしている。
【０００９】米国特許第４，９４１，７５３号明細書
は、誘電吸収型の別のＡＦＭ静電力顕微鏡を記述してい
る。米国特許第４，９９２，６５９号明細書は、試料の
表面上の磁界の測定にＡＦＭに応用する例を記述し、米
国特許第５，０４７，６３３号明細書は、走査対象試料
のトポグラフィを視覚化するためのマルチプローブＡＦ
Ｍを記述している。
は、誘電吸収型の別のＡＦＭ静電力顕微鏡を記述してい
る。米国特許第４，９９２，６５９号明細書は、試料の
表面上の磁界の測定にＡＦＭに応用する例を記述し、米
国特許第５，０４７，６３３号明細書は、走査対象試料
のトポグラフィを視覚化するためのマルチプローブＡＦ
Ｍを記述している。
【００１０】多数の特許は、ＡＦＭ装置用や環境検出マ
イクロチップおよび／またはカンチレバーのいろいろな
製造方法について記述している。そのような開示は以下
の特許に見いだすことができる。それらは、米国特許第
５，０２０，３７６号、第５，０２１，３６４号、第
４，６７０，０９２号、第４，９６８，５８５号、第
４，９４３，７１９号、第４，９１６，００２号、第
４，９０６，８４０号および第４，８００，２７４号明
細書などである。加速度計に対する同様な構造を、米国
特許第４，７８３，２３７号、第４，６００，９３４
号、第４，８５１，０８０号明細書に見いだすことがで
きる。
イクロチップおよび／またはカンチレバーのいろいろな
製造方法について記述している。そのような開示は以下
の特許に見いだすことができる。それらは、米国特許第
５，０２０，３７６号、第５，０２１，３６４号、第
４，６７０，０９２号、第４，９６８，５８５号、第
４，９４３，７１９号、第４，９１６，００２号、第
４，９０６，８４０号および第４，８００，２７４号明
細書などである。加速度計に対する同様な構造を、米国
特許第４，７８３，２３７号、第４，６００，９３４
号、第４，８５１，０８０号明細書に見いだすことがで
きる。
【００１１】ＳＴＭおよびＡＦＭ装置に関する他の特許
は、ＳＴＭおよびＡＦＭ装置に対する対物レンズの結
合、トンネル電流の検出によりＡＦＭカンチレバーの動
きを測定するマイクロ機構センサ・ヘッド、ＡＦＭおよ
びＳＴＭの中のプローブ・チップの保持機構、ＳＴＭの
微調整機構を記述している。これらの教示は以下の特許
に見いだすことができる。それらは、米国特許第５，０
４１，７８３号、第４，８０６，７５５号、第４，８８
３，９５９号、第４，９４５，２３５号明細書である。
ＳＴＭ状プローブはまた絶縁体表面に微細線パターンを
製造するために使用されている（米国特許第５，０４
７，６４９号明細書を参照）。ピックアップに振動力を
与える考え（他の分野における）は、米国特許第４，４
２４，５８３号明細書に記述されている。
は、ＳＴＭおよびＡＦＭ装置に対する対物レンズの結
合、トンネル電流の検出によりＡＦＭカンチレバーの動
きを測定するマイクロ機構センサ・ヘッド、ＡＦＭおよ
びＳＴＭの中のプローブ・チップの保持機構、ＳＴＭの
微調整機構を記述している。これらの教示は以下の特許
に見いだすことができる。それらは、米国特許第５，０
４１，７８３号、第４，８０６，７５５号、第４，８８
３，９５９号、第４，９４５，２３５号明細書である。
ＳＴＭ状プローブはまた絶縁体表面に微細線パターンを
製造するために使用されている（米国特許第５，０４
７，６４９号明細書を参照）。ピックアップに振動力を
与える考え（他の分野における）は、米国特許第４，４
２４，５８３号明細書に記述されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、試料
の高精度なトポグラフィカルおよび物理的、電気的な表
面測定を可能とする改善されたＡＦＭ装置を提供するこ
とにある。
の高精度なトポグラフィカルおよび物理的、電気的な表
面測定を可能とする改善されたＡＦＭ装置を提供するこ
とにある。
【００１３】本発明の他の目的は、トポグラフィカル測
定から表面電位測定を分離することを可能とするＡＦＭ
用の、改善されたカンチレバー・ビーム・プローブを提
供することにある。
定から表面電位測定を分離することを可能とするＡＦＭ
用の、改善されたカンチレバー・ビーム・プローブを提
供することにある。
【００１４】本発明の更に他の目的は、付勢周波数の選
択的供給により、試料の表面電位に対する静電容量の変
化を検出することを可能とするＡＦＭを提供することに
ある。
択的供給により、試料の表面電位に対する静電容量の変
化を検出することを可能とするＡＦＭを提供することに
ある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】試料上で原子間力と表面
電位の両方の測定を行なう原子間力顕微鏡は、ある第一
の機械的共振周波数を示す第一部分と、異なった第二の
機械的共振周波数を示す第二部分との２つの部分から成
る導電性プローブ・ビームを備えている。アクチュエー
タは、第一の機械的共振周波数でプローブ・ビームに振
動を生じさせる。発振器は、第二の機械的共振周波数に
等しい周波数を持つ信号をプローブ・ビームに与える。
プローブ・ビームと試料との電位の差により、プローブ
・ビームを振動させる力が発生する。プローブ・ビーム
は試料と平行に試料の表面上を移動する。光ヘテロダイ
ン装置は、第一および第二共振周波数の双方でプローブ
・ビームの動きを検出し、プローブ・ビームの第二部分
の第二共振周波数運動を示す出力信号を与える。他の実
施例では、第二共振周波数の第二、第三調波はプローブ
・ビームに与えられ、プローブ・ビームと試料表面との
間の容量変化と、試料表面の電位に対する容量の変化の
測定を可能とする。
電位の両方の測定を行なう原子間力顕微鏡は、ある第一
の機械的共振周波数を示す第一部分と、異なった第二の
機械的共振周波数を示す第二部分との２つの部分から成
る導電性プローブ・ビームを備えている。アクチュエー
タは、第一の機械的共振周波数でプローブ・ビームに振
動を生じさせる。発振器は、第二の機械的共振周波数に
等しい周波数を持つ信号をプローブ・ビームに与える。
プローブ・ビームと試料との電位の差により、プローブ
・ビームを振動させる力が発生する。プローブ・ビーム
は試料と平行に試料の表面上を移動する。光ヘテロダイ
ン装置は、第一および第二共振周波数の双方でプローブ
・ビームの動きを検出し、プローブ・ビームの第二部分
の第二共振周波数運動を示す出力信号を与える。他の実
施例では、第二共振周波数の第二、第三調波はプローブ
・ビームに与えられ、プローブ・ビームと試料表面との
間の容量変化と、試料表面の電位に対する容量の変化の
測定を可能とする。
【００１６】
【実施例】図１において、ＡＦＭプローブ・ビーム１２
は、機械的共振周波数ｆ1を示す第一部分１４を有して
いる。より小さな断面および小さな質量を有する第二部
分１６は、より高い共振周波数ｆ2を示し、プローブ・
チップ１８を持つ。プローブ・ビーム１２は、導電性で
あり、ＰＺＴ（チタンジルコン酸鉛）アクチュエータ２
０により駆動されるように取り付けられている。プロー
ブ・ビーム１２は、絶縁層２２によりＰＺＴ２０から絶
縁されている。ＰＺＴアクチュエータ２０の上部には、
試料２８の表面２６の付近でのプローブ・ビーム１２の
運動を可能とするｘｙｚ駆動部２４が設けられている。
は、機械的共振周波数ｆ1を示す第一部分１４を有して
いる。より小さな断面および小さな質量を有する第二部
分１６は、より高い共振周波数ｆ2を示し、プローブ・
チップ１８を持つ。プローブ・ビーム１２は、導電性で
あり、ＰＺＴ（チタンジルコン酸鉛）アクチュエータ２
０により駆動されるように取り付けられている。プロー
ブ・ビーム１２は、絶縁層２２によりＰＺＴ２０から絶
縁されている。ＰＺＴアクチュエータ２０の上部には、
試料２８の表面２６の付近でのプローブ・ビーム１２の
運動を可能とするｘｙｚ駆動部２４が設けられている。
【００１７】ＰＺＴアクチュエータ２０は、好適には、
発振器３０から周波数ｆ1の信号が供給されるバイモル
・アクチュエータである。ＰＺＴアクチュエータ２０
は、このように第一部分１４の共振周波数ｆ1で、矢印
３２で示される垂直方向にビーム１２を往復運動させ
る。往復運動は、第一部分１４と第二部分１６に周波数
ｆ1で共振を引き起こす。発振器３４は、周波数ｆ2の信
号をプローブ・ビーム１２に直接与える。さらに、可変
ＤＣ源３６は、ＤＣ電圧をプローブ・ビーム１２に供給
する。
発振器３０から周波数ｆ1の信号が供給されるバイモル
・アクチュエータである。ＰＺＴアクチュエータ２０
は、このように第一部分１４の共振周波数ｆ1で、矢印
３２で示される垂直方向にビーム１２を往復運動させ
る。往復運動は、第一部分１４と第二部分１６に周波数
ｆ1で共振を引き起こす。発振器３４は、周波数ｆ2の信
号をプローブ・ビーム１２に直接与える。さらに、可変
ＤＣ源３６は、ＤＣ電圧をプローブ・ビーム１２に供給
する。
【００１８】容量走査型顕微鏡のように、プローブ・チ
ップ１８の先端と試料２８の表面との間に静電容量が存
在する。この容量は、表面２６の電位の変動に従って変
化する。もし、プローブ・チップ１８と表面２６との間
に電位の差があれば、周波数ｆ2信号をプローブ１２へ
与えると、共振周波数ｆ2で第二部分１６に振動が生じ
る。表面電位が表面２６上で変化するにつれて、第二部
分１６のｆ2振動の大きさが変化する。表面２６上の表
面電位に一致する電位に、可変ＤＣ源３６により第二部
分１６に供給されるＤＣ電位を調整することにより、プ
ローブ・チップ１８と表面２６との間のＤＣ静電力は負
になり、周波数ｆ2で第二部分１６の振動が停止する。
チップ１８と表面２６との間にＤＣ静電位が存在する場
合にのみ、第二部分１６に周波数ｆ2で振動が発生す
る。
ップ１８の先端と試料２８の表面との間に静電容量が存
在する。この容量は、表面２６の電位の変動に従って変
化する。もし、プローブ・チップ１８と表面２６との間
に電位の差があれば、周波数ｆ2信号をプローブ１２へ
与えると、共振周波数ｆ2で第二部分１６に振動が生じ
る。表面電位が表面２６上で変化するにつれて、第二部
分１６のｆ2振動の大きさが変化する。表面２６上の表
面電位に一致する電位に、可変ＤＣ源３６により第二部
分１６に供給されるＤＣ電位を調整することにより、プ
ローブ・チップ１８と表面２６との間のＤＣ静電力は負
になり、周波数ｆ2で第二部分１６の振動が停止する。
チップ１８と表面２６との間にＤＣ静電位が存在する場
合にのみ、第二部分１６に周波数ｆ2で振動が発生す
る。
【００１９】図１に示されるプローブ・ビーム装置の利
点は、プローブ・ビーム１２の２つの振動周波数が分離
され、別々に制御できることである。周波数ｆ1でのプ
ローブ・ビーム１２の振動は、ＰＴＺアクチュエータ２
０に与えられる信号により直接制御される。第二部分１
６は周波数ｆ1で振動するが、プローブ・チップ１８と
表面２６との間に電位差が存在する限り周波数ｆ2でも
振動する。電位差が零のとき、第二部分１６の運動は厳
密にはＰＺＴ２０の動作の関数となる。このように、第
二部分１６の運動を適切に監視することにより、２つの
共振周波数ｆ1とｆ2を検出し分離して、ＡＦＭにおいて
独立の現象検出機能を実行できる。
点は、プローブ・ビーム１２の２つの振動周波数が分離
され、別々に制御できることである。周波数ｆ1でのプ
ローブ・ビーム１２の振動は、ＰＴＺアクチュエータ２
０に与えられる信号により直接制御される。第二部分１
６は周波数ｆ1で振動するが、プローブ・チップ１８と
表面２６との間に電位差が存在する限り周波数ｆ2でも
振動する。電位差が零のとき、第二部分１６の運動は厳
密にはＰＺＴ２０の動作の関数となる。このように、第
二部分１６の運動を適切に監視することにより、２つの
共振周波数ｆ1とｆ2を検出し分離して、ＡＦＭにおいて
独立の現象検出機能を実行できる。
【００２０】図２は、図１の装置のＡＦＭ制御機構を備
えた装置のブロック図を示す。レーザ干渉計４０は、第
二部分１６上に光ビーム４２をフォーカスし、反射光ビ
ーム４４の位相変化によりその振動を検出する。レーザ
干渉計４０において、反射光ビーム４４が検出され、第
二部分１６の振動を示す電気信号が得られる。上述した
ように、それらの信号は、ＤＣ電位差が第二部分１６と
試料２８の表面２６との間に存在する場合に、両方の周
波数ｆ1とｆ2を持っている。
えた装置のブロック図を示す。レーザ干渉計４０は、第
二部分１６上に光ビーム４２をフォーカスし、反射光ビ
ーム４４の位相変化によりその振動を検出する。レーザ
干渉計４０において、反射光ビーム４４が検出され、第
二部分１６の振動を示す電気信号が得られる。上述した
ように、それらの信号は、ＤＣ電位差が第二部分１６と
試料２８の表面２６との間に存在する場合に、両方の周
波数ｆ1とｆ2を持っている。
【００２１】レーザ干渉計４０は、ＲＦ電子モジュール
４６にその出力を与える。ＲＦ電子モジュール４６は、
信号を増幅し、濾波して雑音を除去する。レーザ干渉計
４０とＲＦ電気モジュール４６は、ホモダインまたはヘ
テロダイン方式で動作することができる。ヘテロダイン
動作の方が、安定性のためには好ましい。ＲＦ電子モジ
ュール４６からの出力は、周波数ｆ1とｆ2の両方の成分
を持った信号波形である。その出力は、１対のロックイ
ン増幅器４８と５０に供給される。また周波数ｆ1の発
振器５２と周波数ｆ2の発振器５４からの信号は、入力
としてそれぞれロックイン増幅器４８と５０に与えられ
る。ロックイン増幅器は、既知のようにして、振幅が周
波数ｆ1の振動振幅に依存する正または負のＤＣ電圧を
生成する。その結果、もしロックイン増幅器への帰還ｆ
1信号成分の振幅が変化するならば、その出力の振幅に
比例して変化する。
４６にその出力を与える。ＲＦ電子モジュール４６は、
信号を増幅し、濾波して雑音を除去する。レーザ干渉計
４０とＲＦ電気モジュール４６は、ホモダインまたはヘ
テロダイン方式で動作することができる。ヘテロダイン
動作の方が、安定性のためには好ましい。ＲＦ電子モジ
ュール４６からの出力は、周波数ｆ1とｆ2の両方の成分
を持った信号波形である。その出力は、１対のロックイ
ン増幅器４８と５０に供給される。また周波数ｆ1の発
振器５２と周波数ｆ2の発振器５４からの信号は、入力
としてそれぞれロックイン増幅器４８と５０に与えられ
る。ロックイン増幅器は、既知のようにして、振幅が周
波数ｆ1の振動振幅に依存する正または負のＤＣ電圧を
生成する。その結果、もしロックイン増幅器への帰還ｆ
1信号成分の振幅が変化するならば、その出力の振幅に
比例して変化する。
【００２２】積分器／インバータ５６は、ロックイン増
幅器の出力を滑らかにし、反転し、加算器６０に１つの
入力として供給する。発振器５２からのｆ1信号も、加
算器６０に供給される。その結果、ＰＺＴアクチュエー
タ２０への帰還信号の値は、ロックイン増幅器４８への
２つの入力信号間の振幅変化を修正し、既知のようにし
てプローブ・ビーム１２の安定化を達成をするように変
化する。積分器／インバータ５６からの出力信号は、試
料２８のトポグラフィの表示としてライン６２を経て得
られる。
幅器の出力を滑らかにし、反転し、加算器６０に１つの
入力として供給する。発振器５２からのｆ1信号も、加
算器６０に供給される。その結果、ＰＺＴアクチュエー
タ２０への帰還信号の値は、ロックイン増幅器４８への
２つの入力信号間の振幅変化を修正し、既知のようにし
てプローブ・ビーム１２の安定化を達成をするように変
化する。積分器／インバータ５６からの出力信号は、試
料２８のトポグラフィの表示としてライン６２を経て得
られる。
【００２３】ロックイン増幅器５０と積分器／インバー
タ５８は、発振器５４から出力されるｆ2信号エネルギ
ーに対する以外は、上述したと同様に動作する。積分器
５８は、ロックイン増幅器５０の出力を滑らかにし、反
転する。その結果、ライン６４の電位は、ＲＦ電気モジ
ュール４６の出力中のｆ2信号成分の振幅変化に比例す
る反転ＤＣ電位になる。このＤＣ電位は、発振器５４か
らのｆ2信号とともに、加算器６６に与えられる。これ
らの信号は、加算器６６で加算され、帰還信号としてプ
ローブ・ビーム１２に与えられ、ｆ2振動を制御する。
タ５８は、発振器５４から出力されるｆ2信号エネルギ
ーに対する以外は、上述したと同様に動作する。積分器
５８は、ロックイン増幅器５０の出力を滑らかにし、反
転する。その結果、ライン６４の電位は、ＲＦ電気モジ
ュール４６の出力中のｆ2信号成分の振幅変化に比例す
る反転ＤＣ電位になる。このＤＣ電位は、発振器５４か
らのｆ2信号とともに、加算器６６に与えられる。これ
らの信号は、加算器６６で加算され、帰還信号としてプ
ローブ・ビーム１２に与えられ、ｆ2振動を制御する。
【００２４】もしプローブ・ビーム１２のＤＣ電位が試
料２８の表面電位より大きいならば、第二部分１６の振
動は発振器５４から与えられたｆ2信号の位相を進ま
せ、反対に小さければ遅らせる。このように帰還装置
は、積分器／インバータ５８からの帰還ＤＣ電位をゆっ
くりと変化するように調整して、プローブ・ビーム１２
上のＤＣ電位が、試料２８上の表面電位に等しくなるよ
うに連続的に調整する。
料２８の表面電位より大きいならば、第二部分１６の振
動は発振器５４から与えられたｆ2信号の位相を進ま
せ、反対に小さければ遅らせる。このように帰還装置
は、積分器／インバータ５８からの帰還ＤＣ電位をゆっ
くりと変化するように調整して、プローブ・ビーム１２
上のＤＣ電位が、試料２８上の表面電位に等しくなるよ
うに連続的に調整する。
【００２５】プローブ・ビーム１２上の電位と試料２８
上の表面電位とが等しいかぎり、第二部分１６は周波数
ｆ2で振動しない。そのため、もし帰還信号と発振器５
４の出力との間に位相の進みがあるならば（プローブ・
ビーム１２の電位が試料２８の表面電位より高く、第二
部分１６が周波数ｆ2で振動することを示している）、
積分器／インバータ５８の出力は振動が終了するまで低
下する。振動がふたたび始まると、帰還は積分器／イン
バータ５８の出力をふたたび変化させる。このように、
帰還ＤＣ電位（ライン７０に与えられる）は、試料２８
上の表面電位に直接関係する。
上の表面電位とが等しいかぎり、第二部分１６は周波数
ｆ2で振動しない。そのため、もし帰還信号と発振器５
４の出力との間に位相の進みがあるならば（プローブ・
ビーム１２の電位が試料２８の表面電位より高く、第二
部分１６が周波数ｆ2で振動することを示している）、
積分器／インバータ５８の出力は振動が終了するまで低
下する。振動がふたたび始まると、帰還は積分器／イン
バータ５８の出力をふたたび変化させる。このように、
帰還ＤＣ電位（ライン７０に与えられる）は、試料２８
上の表面電位に直接関係する。
【００２６】図３に本発明の他の実施例を示す。この実
施例では、プローブ・ビーム１２が容量性力顕微鏡にお
けるように動作する。図２に示される要素と同じ図３の
要素には、同一参照番号を付与している。図３の回路
は、ロックイン増幅器５０からプローブ・ビーム１２ま
での帰還路が削除されている。ロックイン増幅器５０へ
の入力と発振器５４との間にスイッチ７１が設けられて
いる。追加の発振器７２と７４が設けられ、スイッチ７
３と７５を経てロックイン増幅器５０への入力へ接続さ
れている。発振器５４の周波数は、第二部分１６の共振
周波数のままである。発振器７２の周波数は発振器５４
の周波数の１／２であり、したがって第二部分１６の共
振周波数の１／２である。発振器７４の周波数は、発振
器５４の周波数の１／３（すなわち第二部分１６の共振
周波数の１／３）である。出力はロックイン増幅器５０
からのライン７０より得られる。
施例では、プローブ・ビーム１２が容量性力顕微鏡にお
けるように動作する。図２に示される要素と同じ図３の
要素には、同一参照番号を付与している。図３の回路
は、ロックイン増幅器５０からプローブ・ビーム１２ま
での帰還路が削除されている。ロックイン増幅器５０へ
の入力と発振器５４との間にスイッチ７１が設けられて
いる。追加の発振器７２と７４が設けられ、スイッチ７
３と７５を経てロックイン増幅器５０への入力へ接続さ
れている。発振器５４の周波数は、第二部分１６の共振
周波数のままである。発振器７２の周波数は発振器５４
の周波数の１／２であり、したがって第二部分１６の共
振周波数の１／２である。発振器７４の周波数は、発振
器５４の周波数の１／３（すなわち第二部分１６の共振
周波数の１／３）である。出力はロックイン増幅器５０
からのライン７０より得られる。
【００２７】後の説明で理解できるように、スイッチ７
１が閉じスイッチ７３と７５が開いているとき、図３に
示す装置は、容量性力顕微鏡として動作する。 このよ
うな状態で、第二部分１６は周波数ｆ2で振動し、振動
の振幅はプローブ・チップ１８と試料２８との間に存在
する容量性力により影響を受ける。振動振幅の変化は、
レーザ干渉計４０により検出され、ＲＦ電子モジュール
４６を経てロックイン増幅器５０に供給される。その結
果、ライン７０の出力は第二部分１６の振動振幅の変化
に従うゆっくりと変化する信号である。
１が閉じスイッチ７３と７５が開いているとき、図３に
示す装置は、容量性力顕微鏡として動作する。 このよ
うな状態で、第二部分１６は周波数ｆ2で振動し、振動
の振幅はプローブ・チップ１８と試料２８との間に存在
する容量性力により影響を受ける。振動振幅の変化は、
レーザ干渉計４０により検出され、ＲＦ電子モジュール
４６を経てロックイン増幅器５０に供給される。その結
果、ライン７０の出力は第二部分１６の振動振幅の変化
に従うゆっくりと変化する信号である。
【００２８】図３の装置は、表面電位の変化の影響を受
けることなく、プローブ・チップ１８と試料２８との間
の容量値に感応する容量性力顕微鏡に変更できる。これ
は、スイッチ７１と７５を開き、スイッチ７３を閉じ
て、第二部分１６の共振周波数の１／２の周波数を有す
る信号がプローブ・ビームに供給されるようにすること
により実現できる。周波数源５４は、ロックイン増幅器
５０に接続され、ｆ2信号を供給している状態のままで
あることに留意すべきである。
けることなく、プローブ・チップ１８と試料２８との間
の容量値に感応する容量性力顕微鏡に変更できる。これ
は、スイッチ７１と７５を開き、スイッチ７３を閉じ
て、第二部分１６の共振周波数の１／２の周波数を有す
る信号がプローブ・ビームに供給されるようにすること
により実現できる。周波数源５４は、ロックイン増幅器
５０に接続され、ｆ2信号を供給している状態のままで
あることに留意すべきである。
【００２９】スイッチ７３が閉じた状態では、第二部分
１６の共振周波数の１／２の周波数を有する信号の供給
が、依然として、第二部分１６にその共振周波数ｆ2の
振動を引き起こす。しかしながらこの状態では、プロー
ブ・チップ１８はそれ自身と試料２８との間に存在する
容量にのみ影響を受け、試料の表面電位には影響を受け
ない。その結果、第二部分１６の振動の振幅は、容量変
化により得られた力により変化を受ける。この振幅変化
は、レーザ干渉計４０により検出され、ＲＦ電子モジュ
ール４６を経てロックイン増幅器５０に帰還される。前
述のように、ロックイン増幅器５０は第二部分１６のｆ
2振動から生じる振幅部分を、帰還信号から取り出して
いる。これら振動の振幅は、プローブ・ビーム１２が試
料２８に対して動くに従って変化する容量を示すライン
７０上の比例電位に変換される。スイッチ７１と７３を
開きスイッチ７５を閉じて、 第二部分１６の共振周波
数の１／３の周波数を有する信号をプローブ・ビーム１
２に与えることによって、結果として得られる第二部分
１６の振動の振幅は、電圧に依存する容量変化のみによ
り影響を受ける。このような容量変化は、試料がドープ
半導体である場合に発生する。これは、誘電変化や酸化
膜の変化などの容量変化の別の原因との識別を可能にす
る。ロックイン増幅器５０の応答は、前述した通りであ
り、ライン７０上の出力は、このような電圧依存の容量
変化を示している。
１６の共振周波数の１／２の周波数を有する信号の供給
が、依然として、第二部分１６にその共振周波数ｆ2の
振動を引き起こす。しかしながらこの状態では、プロー
ブ・チップ１８はそれ自身と試料２８との間に存在する
容量にのみ影響を受け、試料の表面電位には影響を受け
ない。その結果、第二部分１６の振動の振幅は、容量変
化により得られた力により変化を受ける。この振幅変化
は、レーザ干渉計４０により検出され、ＲＦ電子モジュ
ール４６を経てロックイン増幅器５０に帰還される。前
述のように、ロックイン増幅器５０は第二部分１６のｆ
2振動から生じる振幅部分を、帰還信号から取り出して
いる。これら振動の振幅は、プローブ・ビーム１２が試
料２８に対して動くに従って変化する容量を示すライン
７０上の比例電位に変換される。スイッチ７１と７３を
開きスイッチ７５を閉じて、 第二部分１６の共振周波
数の１／３の周波数を有する信号をプローブ・ビーム１
２に与えることによって、結果として得られる第二部分
１６の振動の振幅は、電圧に依存する容量変化のみによ
り影響を受ける。このような容量変化は、試料がドープ
半導体である場合に発生する。これは、誘電変化や酸化
膜の変化などの容量変化の別の原因との識別を可能にす
る。ロックイン増幅器５０の応答は、前述した通りであ
り、ライン７０上の出力は、このような電圧依存の容量
変化を示している。
【００３０】以下の数学的解析は、図３の装置の動作を
理解するための一助となろう。プローブ・チップ１８と
試料２８との間に存在する容量性力は、以下の式で表わ
される。
理解するための一助となろう。プローブ・チップ１８と
試料２８との間に存在する容量性力は、以下の式で表わ
される。
【００３１】
【数１】
【００３２】プローブ・チップ１８と試料表面２６との
間の電圧は以下の式で表わされる。
間の電圧は以下の式で表わされる。
【００３３】
【数２】
【００３４】プローブ・チップ１８と試料２８との間の
容量は以下の式で表わされる。
容量は以下の式で表わされる。
【００３５】
【数３】
【００３６】上記３式から、ＤＣ電圧が供給される結果
プローブ・ビーム１２に働く力は、以下の式で表わされ
る。
プローブ・ビーム１２に働く力は、以下の式で表わされ
る。
【００３７】
【数４】
【００３８】信号が周波数ｆ2のとき、プローブ・ビー
ムに働く力は、以下の式で表わされる。
ムに働く力は、以下の式で表わされる。
【００３９】
【数５】
【００４０】実際には、数５の右辺の第２項は、その値
が第１項の式の値に比べ小さいため無視できる。
が第１項の式の値に比べ小さいため無視できる。
【００４１】もし第二部分１６の共振周波数の１／２の
周波数を有する励起信号が供給されれば、プローブ・ビ
ームは容量のみの変化の結果生成される力に対して敏感
である。数６はその関係を示している。
周波数を有する励起信号が供給されれば、プローブ・ビ
ームは容量のみの変化の結果生成される力に対して敏感
である。数６はその関係を示している。
【００４２】
【数６】
【００４３】もし第二部分１６の共振周波数の１／３の
周波数を有する励起信号が供給されれば、数７は、第二
部分１６により励起された力が、試料内のドーパント変
化から生じる容量の変化のみによって影響を受けること
を示している。
周波数を有する励起信号が供給されれば、数７は、第二
部分１６により励起された力が、試料内のドーパント変
化から生じる容量の変化のみによって影響を受けること
を示している。
【００４４】
【数７】
【００４５】
【発明の効果】本発明によれば、試料の高精度なトポグ
ラフィカルおよび電気的な表面測定が可能となる。
ラフィカルおよび電気的な表面測定が可能となる。
【００４６】また本発明によれば、トポグラフィカルな
測定値から表面電位測定の分離が可能となる。
測定値から表面電位測定の分離が可能となる。
【００４７】さらに本発明によれば、付勢周波数の選択
的供給により、試料の表面電位に対する静電容量の変化
を検出することが可能となる。
的供給により、試料の表面電位に対する静電容量の変化
を検出することが可能となる。
【図１】本発明で使用するＡＦＭプローブ・ビーム装置
の側面図である。
の側面図である。
【図２】本発明の改良型プローブ・ビームを使用して、
トポグラフィカルな測定および表面電位の測定を可能と
したＡＦＭのブロック図である。
トポグラフィカルな測定および表面電位の測定を可能と
したＡＦＭのブロック図である。
【図３】試料の選択された電気特性の測定ができるよう
に、調波付勢をプローブ・ビームに供給する本発明の第
二の実施例のブロック図である。
に、調波付勢をプローブ・ビームに供給する本発明の第
二の実施例のブロック図である。
１０ ＡＭＦプローブ・ビーム １２ プローブ・ビーム １４ 第一部分 １６ 第二部分 １８ プローブ・チップ ２０ ＰＺＴアクチュエータ ２２ 絶縁層 ２４ ｘｙｚ駆動部 ２６ 試料表面 ２８ 試料 ３０，３４，５２，５４，７２，７４ 発振器 ３２ 振動方向矢印 ３６ 可変ＤＣ源 ４０ レーザ干渉計 ４２ 光ビーム ４４ 反射光ビーム ４６ ＲＦ電子モジュール ４８，５０ ロックイン増幅器 ５６，５８ 積分器／インバータ ６０，６６ 加算器 ６２，６４，７０ ライン ７１，７３，７５ スイッチ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−61519（ＪＰ，Ａ)
Claims (6)
- 【請求項１】試料上で原子間力と表面電位を測定する原
子間力顕微鏡において、 機械的共振周波数ｆ1を示す第一部分と、機械的共振周
波数ｆ2を示す第二部分との２つの部分から成る導電性
プローブ・ビームと、 前記プローブ・ビームに機械的に結合され、前記周波数
ｆ1で前記プローブ・ビームを振動させるアクチュエー
タ手段と、 前記プローブ・ビームに電気的に接続され、周波数ｆ2
の信号を供給する発振器手段と、 前記試料の表面を横切る方向に、前記試料と前記プロー
ブ・ビームとの間の相対運動を生起させる手段と、 前記試料の表面に直交する前記プローブ・ビームの動き
を検出し、前記プローブ・ビームの前記第二部分の動き
を示す出力信号を供給する手段と、 を備えることを特徴とする原子間力顕微鏡。 - 【請求項２】周波数ｆ2が周波数ｆ1より高いことを特徴
とする請求項１記載の原子間力顕微鏡。 - 【請求項３】前記プローブ・ビームの前記第一部分が、
前記第二部分よりも、大きい質量および断面積を有する
ことを特徴とする請求項２記載の原子間力顕微鏡。 - 【請求項４】前記プローブ・ビームにバイアス電圧を与
え、前記検出手段からの前記出力信号に応答して、前記
プローブ・ビームに近接する前記試料上の表面電位に近
づくように前記バイアス電圧を変化させる帰還手段を備
えることを特徴とする請求項１記載の原子間力顕微鏡。 - 【請求項５】前記検出手段および前記帰還手段が、 前記プローブ・ビームの前記第二部分から反射されたレ
ーザ光を検出する干渉計と、 周波数ｆ2の信号を供給する発振器手段と、 前記発振器手段の出力と、周波数ｆ2信号成分を含む前
記干渉計からの出力とに応答して、前記バイアス電圧を
与えるロックイン増幅装置と、 を有することを特徴とする請求項４記載の原子間力顕微
鏡。 - 【請求項６】試料の特性を決定する原子間力顕微鏡にお
いて、 周波数ｆ1で機械的共振周波数を示す第一部分と、周波
数ｆ2（ｆ2はｆ1より大きい）で機械的共振周波数を示
す第二部分とから成る導電性プローブ・ビームと、 前記プローブ・ビームに機械的に結合され、前記周波数
ｆ1で前記プローブ・ビームを振動させるアクチュエー
タ手段と、 前記プローブ・ビームに接続され、前記周波数ｆ2の周
波数成分を有するＡＣ信号を、前記プローブ・ビームに
供給する発振器手段と、 前記プローブ・ビームの第二部分の動きを検出し、前記
周波数ｆ2での前記第二部分の動きを示す出力を供給す
る干渉手段と、 を備えることを特徴とする原子間力顕微鏡。
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