JPH10293137A - 走査型静電容量顕微鏡および静電容量測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 静電容量を測定するための高周波の周波数設
定を、共振部の共振特性に対応して行うことを容易にす
る。 【解決手段】 試料５と探針５２０との間の静電容量
が、その周波数特性に反映される共振部２０４に、発振
部２１０により高周波信号を印可し、出力される信号の
強度を、測定部２１１により測定し、上記発振部２１０
により印可した高周波信号の周波数と、上記測定された
信号の強度とを対応させて、情報処理装置１００により
表示する。

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、および、静電容量測定装置に係り、特に、試料表
面および内部の状態を静電容量を用いて高空間分解能で
検出することに好適な走査型静電容量顕微鏡、および、
これに好適に用いることができる静電容量測定装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】試料表面を、原子レベルの高い空間分解
能で調べるために走査型プローブ顕微鏡（Scanning Pro
be Microscope；ＳＰＭ）が提案されている。走査型プ
ローブ顕微鏡は、鋭い先端を有する探針によって、試料
の表面を走査して、試料の表面の状態の分布を取得する
ものである。

【０００３】走査型プローブ顕微鏡としては、探針と試
料との間に流れるトンネル電流を用いる走査型トンネル
顕微鏡（Scanning Tunneling Microscope；ＳＴＭ）、
および、探針と試料間に働く微小な力を用いる原子間力
顕微鏡（Atomic Force Microscope；ＡＦＭ）などが挙
げられる。また、探針と試料との間の静電容量（以下、
被検容量という。）を用いる走査型静電容量顕微鏡（Sc
anning Capacitance Microscope；ＳＣａＭ）が提案さ
れ、その実用化が進められている。

【０００４】従来の走査型静電容量顕微鏡では、上記被
検容量（tip-sample capacitance）の情報を取得するた
めの静電容量測定装置として、ＲＣＡ（ Radio Corpora
tionof America ）によりビデオディスク用に開発され
たキャパシタンスセンサーが使用されている。このキャ
パシタンスセンサーは、高周波信号を発振するための発
振回路と、回路定数に被検容量を有するＬＣ共振回路
と、該ＬＣ共振回路を通過した上記高周波信号を検波す
るための検波回路と、検波信号の大きさを測定する強度
測定回路とを有して構成される。そして、上記キャパシ
タンスセンサーは、探針−試料間の容量の変化を、上記
ＬＣ共振回路の共振周波数の変化として検出する。

【０００５】また、上記発振回路は、可変容量コンデン
サを有し、このトリマーをドライバー等を用いて回すこ
とで、発振周波数を、およそ９３０〜１０５０ＭＨｚの
範囲で調整することができる。

【０００６】また、上記ＬＣ共振回路は、上記被検容量
に並列に接続される状態でバリキャップダイオードを備
えている。そして、このバリキャップダイオードに、上
記検波回路で検波された信号の電圧をフィードバックし
ている。これは、共振周波数を調節する機構として用い
られている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述した形式の静電容
量測定装置を用いる走査型静電容量顕微鏡では、ＬＣ共
振回路の共振特性（インピーダンスの周波数依存性）に
おける傾きが最大になる周波数を用いて測定を行うと
き、感度が最もよくなる。ところが、ＬＣ共振回路の共
振特性は、探針および試料の間だけでなく、カンチレバ
ーおよび試料の間に寄生する容量にも依存する。従っ
て、カンチレバー、試料を変更することに伴って共振特
性が変動し得る。また、試料の観察部位を変更するなど
して、試料とカンチレバーの相対位置関係が変化すると
き、これに伴う共振特性の変動等が生じることが考えら
れる。このため、上記共振特性の変動が想定される測定
条件の変更が行われるときは、発振回路の発振周波数を
設定し直す必要がある。

【０００８】上記発振周波数の設定は、従来のキャパシ
タンスセンサーでは、検波回路の出力の大きさを測定し
つつ、発振回路の可変容量コンデサの容量を変化させて
行っている。可変容量コンデンサの容量は、それに設け
られたトリマーをドライバー等により手動調整して、変
化させている。すなわち、この発振周波数を設定する作
業は、トリマーの角度位置の操作量に対する応答（検波
回路の出力の大きさの変化）を最大とするように行われ
ている。従って、共振特性の局所的な変化に基づいて、
感度が向上する向きに、発振周波数を変化させることに
なる。

【０００９】しかし、この作業においては、作業者が、
大局的な共振特性を把握することが困難である。このた
め、発振回路の発振周波数が、共振回路の共振周波数よ
りも、高いか低いかすら曖昧な状態で、作業が行われて
いる。このような作業は、幾度もの試行錯誤を繰り返す
ことが必要であり、面倒なものとなっている。

【００１０】また、トリマー調整による可変容量コンデ
ンサの容量設定は、その分解能が低く、再現性に乏しい
という問題がある。さらに、トリマーの角度位置と、容
量との間の直線性が十分に確保されていないことが多
い。

【００１１】本発明の第１の目的は、共振回路の共振特
性を作業者が把握することが容易な静電容量計測装置、
および、それを備えた走査型静電容量顕微鏡を提供する
ことにある。

【００１２】本発明の第２の目的は、発振回路における
発振周波数の設定を支援するための支援機能を有する静
電容量計測機構、および、それを備えた走査型静電容量
顕微鏡を提供することにある。

【００１３】本発明の第３の目的は、感度を設定する分
解能が高く、かつ、その再現性に優れた静電容量測定装
置、および、それを備えた走査型静電容量顕微鏡を提供
することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記第１の目的を達成す
るために、本発明の第１の態様によれば、試料に対して
直流的に絶縁された状態で支持される探針と、上記探針
を、上記試料上を走査させるための移動機構と、上記探
針および試料の間に接続される検出部と、上記検出部の
応答の大きさを、上記移動機構の走査量と共に表示する
ための表示装置とを有し、上記検出部は、静電容量を測
定するための静電容量測定装置において、信号を生成す
るための信号生成部と、上記探針および試料の間の静電
容量が、その周波数特性に反映される共振回路と、上記
信号生成部により生成された信号が、上記共振回路を通
過する大きさを測定するための信号測定部とを有し、上
記信号測定部は、上記信号の大きさを、その信号の周波
数と共に表示することを特徴とする走査型静電容量顕微
鏡が提供される。

【００１５】上記第２の目的を達成するために、本発明
の第２の態様によれば、試料に対して直流的に絶縁され
た状態で支持される探針と、上記探針を、上記試料上を
走査させるための移動機構と、高周波を発振するための
発振回路と、上記探針および試料の間の静電容量が、そ
の周波数特性に反映される共振回路と、上記発振回路で
発振され、上記共振回路を通過する高周波を検波するた
めの検波回路と、上記検波回路からの検波出力の大きさ
が、上記発振回路の発振周波数に対してプロットされた
グラフを作成するための情報処理装置とを有することを
特徴とする走査型静電容量顕微鏡が提供される。

【００１６】上記第３の目的を達成するために、本発明
の第３の態様によれば、試料に対して直流的に絶縁され
た状態で支持される探針と、上記探針を、上記試料上を
走査させるための移動機構と、上記探針および試料の間
の被検容量を測定するための静電容量測定部とを有し、
上記静電容量測定部は、信号を生成するための信号生成
部と、上記被検容量が、その周波数特性に反映される共
振回路と、上記信号生成部により生成された信号が、上
記共振回路を通過する大きさを測定するための信号測定
部と、上記共振回路の周波数特性を計測するための計測
手段とを有し、上記共振回路は、その素子定数が制御さ
れたている素子、および、固定定数の素子を有して構成
される共振回路を有することを特徴とする走査型静電容
量顕微鏡が提供される。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下に、図面を参照して、本発明
の実施の形態について説明する。

【００１８】先ず、図１から図４、および、図６から図
９を参照して、本発明の第１の実施の形態について説明
する。

【００１９】図１において、走査型静電容量顕微鏡１０
００は、試料の状態を探査するための探査部５００と、
探査部位を走査可能に試料を支持するための試料支持部
４００と、静電容量を測定するための静電容量測定部２
００と、試料の平面形状を測定するための撓み検知部３
００と、上記各部を制御し、また、上記測定された結果
を処理するための情報処理装置１００とを有して構成さ
れる。

【００２０】上記探査部５００は、探針５２０と、カン
チレバー５０１と、カンチレバーホルダー５０２とを有
して構成される。

【００２１】上記カンチレバー５０１は、その先端付近
に、探針５２０として用いられる錘状の突起が形成され
る。カンチレバー５０１は、少なくともその表面が導電
性であって、かつ、少なくとも一部に反射面５０１ａを
有して構成される。そして、導線によって静電容量測定
部２００に電気的に接続されている。カンチレバー５０
１は、例えば、上記探針５２０を有する形状の窒化シリ
コンで形成される。そして、その表面に、例えば、まず
ニッケルクロムが、その上に金がコートされる。

【００２２】カンチレバーホルダー５０２は、上記カン
チレバー５０１を支持するためのものであり、絶縁体で
構成される。カンチレバーホルダー５０２が絶縁体で構
成されることにより、カンチレバーホルダー５０２とカ
ンチレバー５０１との間に生じる浮遊容量を低減するこ
とができる。カンチレバーホルダー５０２を構成するた
めの絶縁体としては、例えば、デルリン、セラミック等
が挙げられる。

【００２３】上記試料支持部４００は、試料ホルダー４
０６と、ステージ４０７と、ステージ制御装置４１２と
を有して構成される。

【００２４】上記試料ホルダー４０６は、試料５を、そ
れと導通する状態で支持するためのものであり、少なく
ともその表面が導電性に構成される。試料ホルダー４０
６は、例えば、無垢の良導体で形成される。具体的に
は、アルミニウム、銅などの金属によって形成される。
試料ホルダー４０６への試料５の取り付けは、導電性ペ
ーストにより行われる。試料ホルダー４０６は、試料５
をカンチレバー５０１に対して走査させるためのステー
ジ４０７に取り付けられている。ステージ４０７は、微
動駆動手段と、粗動駆動手段とを有して構成される。上
記微動駆動手段は、例えば、チューブ型ピエゾ素子を用
いたチューブスキャナーを有して構成される。上記粗動
駆動手段は、ステージ全体を移動させるためのものであ
る。例えば、顕微鏡により試料表面を観察しながら、上
記粗動駆動機構を手動で操作することによって、試料の
計測部分を探針に対応するように、ステージ全体を移動
させることができる。

【００２５】上記静電容量測定部２００は、発振部２１
０と、共振部２０４と、測定部２１１とを有する。

【００２６】上記発振部２１０は、高周波信号を、その
発振周波数を変更可能に発振するためのものである。こ
の発振周波数の変更幅は、上記共振部２０４の共振の鋭
さＱに応じて設定される。例えば、上記共振特性の半値
全幅程度に選ぶことができる。より具体的には、例え
ば、発振周波数の中心値を１ＧＨｚとし、その変更幅を
１０％とすることができる。すなわち、上記発振部２１
０は、０．９〜１．１ＧＨｚの高周波を発振可能とする
ように構成される。

【００２７】上記共振部２０４は、被検容量が共振特性
に反映される共振回路を有して構成される。そして、被
検容量の変化によって共振特性（共振の周波数特性）が
変化することを用いて、共振特性の変化から逆に被検容
量の変化を測定するためのものである。共振部２０４
は、上記共振回路に被検容量を反映させるための端子を
有する。この端子は、上記カンチレバー５０１に接続さ
れ、カンチレバー５０１と試料ホルダー４０６との間の
静電容量が、共振特性に反映される。ここで、カンチレ
バー５０１および試料ホルダー４０６は、導体であるか
ら、上記静電容量は、探針５２０と試料５との間の被検
容量となる。

【００２８】上記測定部２１１は、上記共振部２０４に
おいて共振する高周波の強度を測定するためのものであ
る。そして、これと、共振部２０４に入力された高周波
の強度とから、その周波数における共振の程度が求めら
れる。

【００２９】このような静電容量測定部２００が構成さ
れることにより、被検容量の変化は、上記共振の程度の
変化として測定される。

【００３０】ここで、被検容量の変化は、微小量である
ため、これをノイズから区別して測定するために、その
測定には、ロックインアンプが用いられる。すなわち、
上記試料５に印可されるバイアス電圧を参照信号により
変調し、この参照信号に同期して変化する成分を抽出し
て測定する。参照信号の周波数は、例えば、１０〜１０
０ｋＨｚのいずれかの周波数とすることができる。

【００３１】上記撓み検出部３００は、光源３０８と、
光位置検出器３０９とを有する。撓み検出部３００は、
光てこ法を用いてカンチレバーの撓みを検出するための
ものである。すなわち、光源３０８から射出されて、カ
ンチレバー５０１の反射面５０１ａで反射される光線の
位置を、光位置検出器３０９によって検出する。上記光
源３０８としては、例えば、半導体レーザーが、上記光
位置検出器３０９は、例えば、２分割光検出器を用いて
構成することができる。

【００３２】次に、図２および図３を参照して、本走査
型静電顕微鏡１０００における、静電容量を測定する作
用について説明する。

【００３３】先ず、図２を参照して、本走査型静電顕微
鏡１０００における静電容量測定部２００の構成例につ
いて詳細に説明する。

【００３４】図２において、発振部２１０で発振された
高周波は、共振部２０４を経て、測定部２１１に送られ
る。測定部２１１において、検波回路２１１ｃで高周波
の振幅がピーク検波され、その大きさが、強度測定器２
１１ｍで測定される。

【００３５】なお、発振部２１０は、発振回路を備えて
いる。この発振部は、発振周波数を選択するための可変
定数の素子が組み込まれており、上記可変定数の素子と
しては、例えば、可変コンダクタンス素子、可変インダ
クタンス素子を用いることができる。

【００３６】上記可変コンダクタンス素子としては、例
えば、可変容量ダイオード（バリキャップダイオー
ド）、導体板相互の相対位置関係を変更可能なコンデン
サ、導体板間に変位可能な誘電体が介在するコンデンサ
等を用いることができる。

【００３７】上記可変インダクタンス素子としては、例
えば、コアが挿入される深さを変更可能な有芯コイル等
を用いることができる。

【００３８】上記可変定数の素子の操作量（例えば、可
変容量ダイオードに印可される逆バイアス電圧）と、発
振回路２１０ｃにおいて発振される発振周波数との関係
を予め校正しておくことにより、周波数設定の精度を向
上させることができる。この校正は、上記操作量を変更
しつつ、スペクトラムアナライザーによって発振周波数
を観測すること等によって行うことができる。

【００３９】共振部２０４は、例えば、２０４ｃに示さ
れるような共振回路を有して構成される。被検容量Ｃ_T
（Tip-sample Capacitance）の変化は、共振回路２０４
ｃの共振特性の変化に反映される。

【００４０】測定部２１１は、例えば、２１１ｃに示さ
れるような検波回路、および、検波回路により検波され
た出力の強度（例えば、変調周波数での交流電圧振幅）
を測定するための強度測定器２１１ｍを有して構成され
る。

【００４１】次に、図２および図３を参照して、図２に
構成を示した静電容量測定部２００の動作について詳細
に説明する。

【００４２】図３は、共振回路２０４ｃの共振特性を示
すグラフであって、横軸に周波数、縦軸にそれぞれの周
波数における信号強度を示す。これは、発振部２１０に
よって発振される高周波に対する、それぞれの周波数に
おける検波回路２１１ｃの振幅に相当する。ここで、発
振部２１０によって発振される高周波の振幅が、周波数
に依存して変化する場合には、高周波の振幅に対する信
号の強度、すなわち、通過率を用いる。

【００４３】すなわち、検波回路２１１ｃに伝わる高周
波の振幅は、高周波の周波数が共振回路２０４ｃの共振
周波数ω_rに一致したときに最大となる。また、高周波
の周波数が共振周波数ω_rからずれるに従って小さくな
る。例えば、高周波の発振周波数がω_oであるとき、図
３における共振特性は、発振周波数ω_oにおいて右下が
りの傾きを有する。

【００４４】次に、被検容量Ｃ_Tが増加した場合につい
て説明する。共振回路２０４ｃにおける被検容量Ｃ_Tの
増加に伴い、共振周波数および共振特性のカーブが左
（低周波）側にシフトし、破線に示すような共振特性と
なる。上記のように発振周波数がω_Oであるとき、強度
測定器２１１ｍで測定される検波信号の大きさは、小さ
くなる。

【００４５】一方、発振周波数が、共振周波数ω_rより
も小さい（図中左側の）ω_O’である場合は、被検容量
Ｃ_Tの増加に伴って、検波出力の振幅が逆に大きくな
る。

【００４６】また、被検容量Ｃ_Tの変化を検出する感度
は、共振特性のカーブの傾きの絶対値に依存し、この傾
きの絶対値が急なところほど高くなる。そして、共振特
性のカーブの傾きの絶対値が極大のとき、この感度は極
大となり、かつ、感度の周波数依存性は極小となる。

【００４７】従って、上記共振特性のカーブの傾きの絶
対値が極大となる周波数において測定を行うことが、被
検容量Ｃ_Tを精度良く測定するために効果的である。

【００４８】次に、図１および図９を参照して、本実施
の形態における走査型静電容量顕微鏡１０００の共振特
性計測機能について説明する。

【００４９】本共振特性計測機能は、上述した情報処理
装置１００によって実現される。

【００５０】すなわち、本実施の形態における走査型静
電容量顕微鏡１０００では、情報処理装置１００は、試
料５の走査に先だって、試料５と探針５２０との相対位
置関係を固定した状態で、上記発振部２１０が発振する
周波数を掃引させる。そして、上記掃引された各周波数
における上記測定部２１１において測定される信号強度
を取得し、各周波数ごとに格納する。

【００５１】次に、上記格納されている信号強度を、そ
の周波数ごとにプロットし、図３に示すような信号強度
の周波数依存性を表すグラフを作成する。すなわち、こ
のグラフは、共振部２０４について計測された共振特性
を示す。上記作成したグラフを、情報処理装置１００に
組み込まれた表示部によって表示する。上記共振特性を
示すグラフを表示することによって、作業者が、共振部
２０４の共振特性を容易に把握することができるように
なる。

【００５２】また、情報処理装置１００は、共振特性の
カーブに対応して発振周波数を選択することを支援する
ことができる。すなわち、この支援のために、情報処理
装置１００は、格納されている信号強度、および、その
周波数の情報に基づいて、周波数変化Δωに対する信号
強度の変化ΔＭの比（ΔＭ／Δω）を、各周波数ごとに
求める。そして、上記比の値の絶対値｜ΔＭ／Δω｜が
最大になる点を示す表示を上記表示部によって行う。

【００５３】これによって、作業者に、測定を、高感度
かつ安定して行うために選択すべき発振周波数を認知さ
せることができる。このとき、上記図３に示すような、
共振特性を示すグラフと共に表示することによって、こ
の周波数を選択することの妥当性が把握しやすい状態で
表示することができる。

【００５４】なお、上記比の値の絶対値｜ΔＭ／Δω｜
が最大となる周波数を、情報処理装置１００が、発振周
波数として選択し、この選択の可否を確認することを促
す表示を行い、情報処理装置１００に備えられている入
力手段により、可否を示す指示を受け付けてもよい。こ
れによって、作業者の作業量を減らし、また、発振周波
数を設定する際のミスを防止することができる。

【００５５】次に、図１、図４、図６、および、図７を
参照して、上述のように構成される走査型静電容量顕微
鏡１０００を用いた測定について説明する。この説明で
は、試料５として、表面が酸化膜で覆われているシリコ
ン基板が用いられる場合について説明する。

【００５６】先ず、図１を参照して、測定のためのセッ
トアップについて説明する。

【００５７】先ず、試料５のシリコン基板の裏面（測定
しようとする面の反対側）に、アルミニウムの電極を予
め形成しておく。

【００５８】試料５を、導電性ペーストによって試料ホ
ルダー４０６に取り付ける。この状態で、予め定められ
た電圧だけ、直流バイアスされ、かつ、変調信号を、発
振部１２０により試料ホルダー４０６を介して試料５に
印加する。一方、カンチレバー５０１は、アース電位に
接続する。

【００５９】このように、試料５に電圧を印可すると、
試料５の内部に形成される空乏層の厚みが変化し、この
変化に伴って、探針５２０と試料５との間の静電容量が
変化する。この静電容量の変化は、上記変調信号の周波
数（モジュレーション周波数）に追従して生じる。

【００６０】上記静電容量変化を、共振部２０４および
測定部２１１により測定する。測定部２１１が、ロック
インアンプを有して構成されることにより、上記参照信
号に追従して変化する変化分が抽出されて測定される。
測定された信号の大きさは、情報処理装置１００に送ら
れる。

【００６１】次に、図４、および、図６を参照して、試
料表面を走査するための初期設定について説明する。

【００６２】上述のようにして、探針５２０（図１参
照）と試料５（図１参照）との間の静電容量の変化が測
定されている状態で、先ず、共振特性の計測を行い、次
に、発振周波数の設定を行う。

【００６３】先ず、図４を参照して、共振特性の計測に
ついて説明する。

【００６４】図４を参照して、情報処理装置１００と、
静電容量測定部２００との間の情報、および信号の送受
について説明する。

【００６５】先ず、情報処理装置１００が、発振周波数
ω_iを、静電容量測定部２００の発振部２１０に指示す
る。

【００６６】静電容量測定部２００において、発振部２
１０は、上記指示された周波数ω_ｉで発振する。そし
て、周波数ω_ｉの高周波を、共振部２０４に送る。測定
部２１１は、共振部２０４を経て到来した高周波の強度
ｍを測定する。そして、この測定値ｍを情報処理装置１
００に送る。情報処理装置１００では、静電容量測定部
２００から送られる強度ｍを、上記指定した周波数ω_i
における信号強度ｍ_iとして蓄積する。

【００６７】上記のようにして、静電容量測定部２００
における発振周波数ω_i、および、それに対応する信号
強度ｍ_iをモニターしている状態で、情報処理装置１０
０は、指定する周波数ω_iを逐次変更し、予め定められ
た範囲の周波数ω_S〜ω_Eについて、スイープ（掃引）す
る。そして、スイープすべき周波数範囲の信号強度が取
得されたら、これら、周波数ω_i、信号強度ｍ_i（ｉ＝
Ｓ、…、Ｅ）の情報に基づいて共振特性を示すグラフを
作成する。

【００６８】情報処理装置１００は、図６に示すように
作成したグラフを表示装置（図示せず）によって表示さ
せる。そして、周波数を指定する指示を入力装置（図示
せず）により受け付ける。

【００６９】次に、図１を参照して、試料５の表面の走
査について説明する。

【００７０】ステージ制御装置４１２により、ステージ
４０７の位置を制御して、試料５をカンチレバー５０１
に対して走査させる。走査は、試料５の表面に沿って行
われる。

【００７１】ステージ４０７の高さ方向については、ス
テージ制御装置４１２が、撓み検知部３００の検知信号
に基づいて、カンチレバー５０１の撓みが一定になるよ
うに制御を行う。この高さ方向の制御は、例えば、ステ
ージ制御装置４１２が、ステージ４０７の高さを、撓み
検知部３００の検知信号に対して帰還制御することがで
きる。このとき、ステージ４０７の高さ方向の移動量
は、試料５の表面形状の情報として、静電容量の情報と
共に、情報処理装置１００に送られる。

【００７２】このようにして、予め定められた走査領域
について、試料５に走査が行われ、その各位置における
表面形状の情報、および、静電容量が、その位置ごと
に、上記情報処理装置１００に格納される。上記走査領
域を設定する指示は、例えば、図１０のイメージ範囲指
定領域７３０に対する操作として受け付けることができ
る。このインタフェースについては後述する。

【００７３】そして、情報処理装置１００は、上記表面
形状の情報、および、静電容量の情報を、イメージング
して、各情報が示す試料５の状態の分布図を作成し、こ
れを表示する。

【００７４】次に、図６、図７および図１０を参照し
て、上記のようにして行われる測定における、情報処理
装置１００の処理例を、ユーザインタフェース処理を中
心に説明する。

【００７５】情報処理装置１００は、ウィンドウ形式の
ユーザインタフェースシステムを備え、ウインドウ内の
表示によりユーザに情報を与え、また、アイコン（ウイ
ンドウ内のボタン状に表示される指示領域（クリッカブ
ルボタン））をポインタで指定することにより、指示を
受ける機能を有する。

【００７６】先ず、図１０を参照して、ベース画面につ
いて説明する。ベース画面は、測定のメニューを選択す
るためのものである。図１０において、ベース画面７０
０には、イメージングにおける高周波の周波数を指定す
る入力を受け付けるための周波数指定領域７１０と、共
振特性を計測する指示を受け付けるための共振特性計測
領域指定領域７２０と、イメージングを行う際の、ステ
ージ４０７（図１参照）を走査する範囲を指定するため
のイメージング範囲指定領域７３０と、オフライン解析
ボタン７４１と、終了ボタン７５１と、イメージングボ
タン７８０とが表示される。

【００７７】上記イメージング周波数指定領域７１０に
は、イメージング周波数を作業者が入力することを指示
するためのボタン７１１と、周波数を入力するための領
域７１３が表示される。

【００７８】上記共振特性計測領域７２０には、共振特
性計測機能を起動させるためのボタン７２１と、共振特
性を計測する周波数範囲を指定するための領域７２３が
表示される。

【００７９】上記イメージング範囲指定領域７３０に
は、イメージング範囲指定領域機能を起動させるための
ボタン７３１と、走査領域を表示するため、および、走
査領域を指示する走査を受け付けるための領域７３２、
７３３が表示される。イメージング範囲指定領域７３０
において、例えば、イメージングを行う範囲を、ステー
ジ４０７（図１参照）が移動する２つの方向における座
標によって指定する表示を行うことができる。領域７３
２は、Ｘ軸方向の始点の座標（Ｘstart）、および、終
点の座標（Ｘend）を指定するためのユーザインタフェ
ース表示である。同様に領域７３３は、Ｙ軸方法につい
て、始点および終点の座標を指定するためのユーザイン
タフェース表示である。

【００８０】上記ボタン７４１は、既に、情報処理装置
１００（図１参照）に格納されている情報について、表
示、解析等を行うためのユーザインタフェース表示であ
る。

【００８１】上記ボタン７５１は、本測定プログラムを
終了させる指示を受け付けるためのものである。

【００８２】上記イメージングボタン７８０は、試料の
走査、および、走査によって得られた情報を画像化（イ
メージング）を開始する指示を受け付けるためのもので
ある。このボタン７８０が指定されたとき、その状態で
表示されている条件で、測定を開始する。すなわち、静
電容量情報、表面形状情報を取得しつつ、試料５の走査
を行う。走査が終了したら、取得した情報を、空間分布
を整理してイメージングし、その結果を表示する。

【００８３】以下に、図６および図７を参照して、上記
共振特性計測ボタン７２１によって、共振特性を計測す
ることが指示された場合について詳細に説明する。

【００８４】図７において、上記ベース画面７００（図
１０参照）における共振特性計測ボタン７２１を指定す
るクリック操作を受け付けたとき（ステップＳ４０
０）、共振特性の計測を支援を開始する。

【００８５】先ず、図６に示すウィンドウ８００を表示
する（ステップＳ４１０）。

【００８６】図６において、ウインドウ８００には、周
波数のスイープを開始させるためのスイープボタン８１
０と、表示さている周波数を、イメージングを行うため
の周波数として入力することを指示するためのＯＫボタ
ン８２０と、共振特性を示すグラフを表示するための領
域８６０と、共振周波数、すなわち、共振特性のピーク
の周波数を表示するための領域８３０と、共振の鋭さＱ
の値を表示するための領域８４０と、領域８６０に表示
されるグラフ上で指定されている周波数、ならびに、そ
の周波数における、検波信号の強度、および、共振特性
の傾きを表示するための領域８５０とが表示される。

【００８７】上記ウインドウ８００において、スイープ
ボタン８１０についてのクリック指示を受け付けたとき
（ステップＳ４３０）、発振部２１０（図１参照）に、
発振すべき周波数を示す命令を与える。

【００８８】このステップＳ４３０において、発振部２
１０に与える発振周波数の指示値を変化させることで発
振周波数のスイープを行う。

【００８９】情報処理装置１００は、測定部２０４の検
波回路でピーク検波される高周波の振幅を、上記発振周
波数の指示値に対応させてプロットする。そして、プロ
ットされたグラフを、上記ウィンドウ８００の領域８６
０に表示する（ステップＳ４４０）。さらに、このグラ
フのピーク周波数を領域８３０に、Ｑ値を領域８４０に
それぞれ表示する（ステップＳ４５０）。

【００９０】そして、ステップＳ４６０において、領域
８６０に表示しているグラフ上に、ポインタ８８０が置
かれた状態で、クリックされ、その点を指定する操作を
受け付けたとき、当該指定されている点における、周波
数、検波信号の振幅電圧、共振特性の傾きを、領域８５
０に表示する。

【００９１】指定される点の変更は、グラフ上の他の点
にポインタ８８０が置かれた状態でクリックされること
により受け付け、このクリックされたことを契機とし
て、上記領域８５０に表示する情報を更新する。

【００９２】次に、ＯＫボタン８２０を指定する操作を
受け付ける（ステップＳ４７０）。

【００９３】そして、上記領域８５０に表示している周
波数を、イメージングのための発振周波数として格納す
る（ステップＳ４８０）。周波数を格納したら、ウイン
ドウ８００を閉じ、イメージングを行う（ステップＳ４
９０）。

【００９４】次に、図８、および、図９を参照して、本
発明の第２の実施の形態について説明する。本実施の形
態において、上記試料５に印可されるバイアス電圧Ｖの
変化と、それに伴う探針−試料間の静電容量Ｃの変化と
の関係（ｄＣ／ｄＶ）が測定される。

【００９５】なお、本実施の形態における画面表示の基
本構成、および、プロセスの基本的な手順は、図６およ
び図７を参照して上述した、画面表示および、手順とそ
れぞれ、同様であるので、ここでは、相違点を中心にし
て説明する。

【００９６】先ず、図８および９を参照して、作業者の
操作手順を中心に説明する。

【００９７】ベース画面から、共振特性測定を指示する
ためのアイコンがクリックされることを契機に、共振特
性の計測機能が起動される（ステップＳ５００）。

【００９８】共振特性の計測を支援するためのウインド
ウ９００（図８参照）を表示する（ステップＳ５１
０）。

【００９９】ウインドウ９００のスイープボタン９１０
に対するクリック操作を受け付け（ステップＳ５２
０）、情報処理装置１００は、静電容量測定部２００に
おける発振部２１０に指示を与え、試料５に印可するバ
イアス電圧を、参照信号の周波数で振幅変調する。ま
た、予め定められた範囲（例えば、図１０における領域
７２３で指示された周波数範囲）において発振周波数を
スイープさせる（ステップＳ５３０）。

【０１００】逆バイアス電圧を振幅変調する参照信号の
周波数は、例えば、５０ｋＨｚの変調周波数とすること
ができる。

【０１０１】また、共振部２０４を経て測定部２１１に
到達した信号は、上記バイアス電圧の変調に追従する変
化成分（ｄＣ／ｄＶ ）、すなわち、上記バイアス電圧
の変調幅（ｄＶ）に対する、試料−探針間の静電容量の
変化（ｄＣ）が、ロックインアンプ２１１Ｌによって抽
出される。そして、抽出された変化成分が、情報処理装
置１００に送られる。

【０１０２】情報処理装置１００は、各発振周波数にお
ける上記ｄＣ／ｄＶをプロットする（ステップＳ５４
０）。そして、プロットしたグラフを、ウインドウ９０
０における領域９６０に表示する。このグラフ表示は、
周波数の掃引と共に、逐次、表示点を加えてもよいし、
周波数掃引後、まとめて、曲線を描画してもよい。

【０１０３】また、このようにして求めた各周波数にお
けるｄＣ／ｄＶの、最大値および最大値を与える周波
数、ならびに、最小値および最小値を与える周波数を求
め、これらを領域９３０に表示する。また、領域９４０
には、変調周波数を表示する。

【０１０４】グラフ上にポインタを表示し、そのポイン
タが指定するグラフ上の位置に対応して、選択された周
波数、および、その周波数におけるｄＣ／ｄＶの値を、
領域９５０に表示する（Ｓ５５０）。ポインタを移動す
る指示を受け付けたとき、そのポインタ位置における周
波数、ｄＣ／ｄＶの値に表示を更新する。（ステップＳ
５６０） 以下、ＯＫボタン９２０が、指定される指示を受け付け
た以降の処理は、上述した図７におけるプロセスと同様
であるので、詳細な説明は省略する。

【０１０５】次に、図５を参照して、本発明の第３の実
施の形態について説明する。

【０１０６】本実施の形態における走査型静電容量顕微
鏡の基本的な構成は、上述した第２の実施の実施の形態
における走査型静電容量顕微鏡と同様であり、情報処理
装置が行う処理において異なる。従って、ここでは、相
違点を中心に説明する。

【０１０７】本実施の形態における走査型静電容量顕微
鏡は、試料の表面を走査する際の構成は、上記第２の実
施の形態における静電容量顕微鏡と同様であり、図１に
示すように構成される。また、この状態における動作も
同様である。

【０１０８】本実施の形態における走査型静電容量顕微
鏡は、共振特性の計測において、共振部２０４の共振特
性に摂動を与えて、この摂動に対する応答によって各周
波数における微分共振特性を計測する。

【０１０９】図５を参照して、共振特性の測定におけ
る、静電容量測定部２００および情報処理装置１００の
間のデータおよび信号の流れについて説明する。

【０１１０】先ず、静電容量測定部２００の構成につい
て相違点を中心に説明する。

【０１１１】共振部２０４は、共振回路２０４ｃには、
可変容量コンデンサが、被検容量に並列に可変容量器が
接続される。従って、静電容量測定部２００によって測
定された信号の大きさは、被検容量Ｃ_Tと、この可変容
量器の容量Ｃ_Mとの和である、Ｃ_T＋Ｃ_Mに対応する量と
なる。

【０１１２】そして、共振部２０４には、上記可変容量
コンデンサの容量Ｃ_Mを変調するための容量制御部２０
４ｖが備えられる。

【０１１３】また、測定部２１１は、検波回路２１１ｃ
と、その検波出力を測定するためのロックインアンプ２
１１Ｌとを有して構成される。

【０１１４】次に、本実施の形態における、微分共振特
性を計測するための動作について説明する。

【０１１５】情報処理装置１００から、発振周波数を指
定する指示（Ｄ１００）が、発振部２１０に与えられ
る。

【０１１６】発振部２１０は、予め定められた周波数
（例えば、５０ｋＨｚ）の参照信号、および、指示Ｄ１
００により指定された周波数の高周波を共振部２０４に
送る。

【０１１７】上記参照信号は、容量制御部２０４ｖに送
られ、共振回路２０４_Cの共振特性に摂動を与える。こ
の状態で、上記高周波信号が、共振回路２０４ｃを経
て、測定部２１１に送られる。

【０１１８】測定部２１１では、共振回路２０４を経て
与えられる高周波信号を、検波回路２１１ｃによって検
波する。そして、検波された信号の振幅を、ロックイン
アンプ２１１Ｌで測定する。このとき、上記発振部２１
０で生成された参照信号に追従して変化する成分が抽出
される。

【０１１９】このようにして、上記共振回路の共振特性
の摂動に対する、応答の変化が測定される。これは、各
発振周波数（高周波信号の搬送波周波数）における、微
分共振特性に対応する。

【０１２０】このようにして、微分共振特性を測定する
ことによって、より直接的に感度を測定することができ
る。

【０１２１】

【発明の効果】本発明によれば、共振回路の共振特性を
計測し、これをグラフとして表示することが可能にな
る。このため、共振回路の共振特性を作業者が目視で把
握することが容易になる。

【０１２２】また、上記計測した共振特性における予め
定義された点、すなわち、感度が極大となる点を候補と
して表示することができる。これによって、発振周波数
の設定を支援することができる。

【０１２３】さらに、共振回路における回路定数を、電
気的に変更し、かつ、その指示をソフトウエアによって
おこなうことができる。これによって、静電容量測定装
置における、感度を設定する分解能が高く、かつ、その
再現性に優れたものにすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の走査型静電容量顕微鏡の構成を示す
ブロック図である。

【図２】 静電容量測定部における回路例を示す回路図
である。

【図３】 共振部の共振特性と、発振部の発振周波数と
の関係を示すグラフである。

【図４】 第１の実施の形態における共振特性計測のた
めのデータ、信号の流れを示す機能チャートである。

【図５】 第２の実施の形態における共振特性計測のた
めのデータ、信号の流れを示す機能チャートである。

【図６】 第１の実施の形態における共振特性計測を支
援するための画面表示例を示す説明図である。

【図７】 第１の実施の形態における共振特性計測のプ
ロセスを中心とするフローチャートである。

【図８】 第２の実施の形態における共振特性計測を支
援するための画面表示例を示す説明図である。

【図９】 第２の実施の形態における共振特性計測のプ
ロセスを中心とするフローチャートである。

【図１０】 走査型静電容量顕微鏡の操作を支援するた
めの画面表示例を示す説明図である。

【符号の説明】

５…試料、１００…情報処理装置、２００…静電容量測
定部、２０４…共振部、２０４ｃ…共振回路、２０４ｖ
…容量制御部、２１０…発振部、２１０ｃ…発振回路、
２１１…測定部、２１１ｃ…検波回路、２１１Ｌ…ロッ
クインアンプ、２１１ｍ…強度測定回路、３００…撓み
検知部、３０８…光源、３０９…光位置検出器、４００
…試料支持部、４０６…試料ホルダー、４０７…ステー
ジ、４１２…ステージ制御装置、５００…探査部、５０
１…カンチレバー、５０１ａ…反射面、５０２…カンチ
レバーホルダー、５２０…探針。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】試料に対して直流的に絶縁された状態で支
   持される探針と、 上記探針を、上記試料上を走査させるための移動機構
   と、 高周波を発振するための発振回路と、 上記探針および試料の間の静電容量が、その周波数特性
   に反映される共振回路と、 上記発振回路で発振され、上記共振回路を通過する高周
   波を検波するための検波回路と、 上記検波回路からの検波出力の大きさが、上記発振回路
   の発振周波数に対してプロットされたグラフを作成する
   ための情報処理装置とを有することを特徴とする走査型
   静電容量顕微鏡。
2. 【請求項２】 請求項１記載の走査型静電容量顕微鏡に
   おいて、 上記情報処理装置は、 上記作成したグラフを表示するための表示部と、 上記表示部において表示されるグラフ上のいずれかの周
   波数を指定する指示を受け付けるための入力部とを有
   し、 上記受け付けた周波数の高周波を発振する指示を、上記
   発振回路に与えることを特徴とする走査型静電容量顕微
   鏡。
3. 【請求項３】試料に対して直流的に絶縁された状態で支
   持される探針と、 上記探針を、上記試料上を走査させるための移動機構
   と、 上記探針および試料の間の被検容量を測定するための静
   電容量測定部とを有し、 上記静電容量測定部は、 信号を生成するための信号生成部と、 上記被検容量が、その周波数特性に反映される共振回路
   と、 上記信号生成部により生成された信号が、上記共振回路
   を通過する大きさを測定するための信号測定部と、 上記共振回路の周波数特性を計測するための計測手段と
   を有することを特徴とする走査型静電容量顕微鏡。
4. 【請求項４】 請求項３記載の走査型静電容量顕微鏡に
   おいて、 上記計測手段は、上記共振回路を通過する信号の大きさ
   の、上記信号生成部に生成される信号の周波数変化に対
   する応答を測定することを特徴とする走査型静電容量顕
   微鏡。
5. 【請求項５】 請求項３記載の走査型静電容量顕微鏡に
   おいて、 上記共振回路の周波数特性の計測は、 上記探針を、上記試料上を走査させるに先だって行われ
   ることを特徴とする走査型静電容量顕微鏡。
6. 【請求項６】 請求項３記載の走査型静電容量顕微鏡に
   おいて、 上記共振回路の周波数特性の計測は、 上記探針が、上記試料上を走査されている状態で行われ
   ることを特徴とする走査型静電容量顕微鏡。
7. 【請求項７】 請求項３記載の走査型静電容量顕微鏡に
   おいて、 上記共振回路は、 その素子定数が制御されている素子、および、固定定数
   の素子を有して構成されることを特徴とする静電容量測
   定装置。