JPH1130623A - 走査型静電容量顕微鏡 - Google Patents

走査型静電容量顕微鏡

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JPH1130623A
JPH1130623A JP9186665A JP18666597A JPH1130623A JP H1130623 A JPH1130623 A JP H1130623A JP 9186665 A JP9186665 A JP 9186665A JP 18666597 A JP18666597 A JP 18666597A JP H1130623 A JPH1130623 A JP H1130623A
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JP
Japan
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circuit
resonance
frequency
sample
capacitance
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JP9186665A
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Takuma Yamamoto
琢磨 山本
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Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 走査型静電容量顕微鏡では、LC共振回路の
傾きが急なところで測定した場合にもっとも感度がよい
が、LC共振回路の共振周波数は用いるカンチレバーや
測定する試料もしくはそれらの位置関係により順次変化
してしまうためその都度発振周波数を設定する必要があ
るが、そのためには、共振回路特性を知るために何らか
の信号をモニターする必要がある。従来は検波回路にお
いてピーク検波した直流電圧をモニターしていたが、直
流であるためにS/Nが悪いという問題があった。 【課題手段】 本発明は、発振回路と共振回路と検波回
路からなるキャパシンタンスセンサーを有する走査型静
電容量顕微鏡において、共振回路特性の変化を読みとる
手段と、測定感度が最適となるように、発振回路の発振
周波数もしくは共振回路の共振周波数を調整する手段を
有するとともに発振周波数を変調する手段を有すること
を特徴とする走査型静電容量顕微鏡を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、静電容量を検出す
ることのできる走査型プローブ顕微鏡に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】先端の鋭い探針により試料表面を走査す
ることで、試料表面の情報を原子レベルの高空間分解能
で調べる技術として、様々なタイプの走査型プローブ顕
微鏡が提案されている。走査型プローブ顕微鏡の代表的
なものとしては、探針と試料間のトンネル電流を利用す
る走査型トンネル顕微鏡(STM)や、探針と試料間に
働く微小な力を使用する原子間力顕微鏡(以下、「AF
M」と称す)や、探針と試料との間の静電容量を計測す
る走査型静電容量顕微鏡等がある。走査型静電容量顕微
鏡は、主としてAFMをベースにしており、AFMによ
り探針を試料表面に走査させながら同時に静電容量の情
報を取得するが、静電容量情報は発振回路、共振回路、
検波回路からなるキャパシタンスセンサーにより探針−
試料間のキャパシタンス変化をLC共振回路の共振周波
数変化として検出する。
【0003】キャパシタンスセンサーにおける発振周波
数は、発振回路中の可変容量コンデンサのトリマーをド
ライバー等を用いて回すことでおよそ930〜1050
MHzの範囲で変化する。また、キャパシタンスセンサ
ーのLC共振回路中にはバリキャップダイオードがあり
ここに検波回路からの電圧をフィードバックして共振周
波数を調節するする機構を有している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】走査型静電容量顕微鏡
では、LC共振回路の傾きが急なところで測定した場合
にもっとも感度がよいが、LC共振回路の共振周波数は
用いるカンチレバーや測定する試料もしくはそれらの位
置関係により順次変化してしまうためその都度発振周波
数を設定する必要があるが、そのためには、共振回路特
性を知るために何らかの信号をモニターする必要があ
る。従来は検波回路においてピーク検波した直流電圧を
モニターしていたが、直流であるためにS/Nが悪いと
いう問題があった。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は以上の点を考慮
したものであり、発振回路と共振回路と検波回路からな
る容量センサーを有する走査型静電容量顕微鏡におい
て、共振回路特性の変化を読みとる手段と、測定感度が
最適となるように、発振回路の発振周波数もしくは共振
回路の共振周波数を調整する手段を有するとともに発振
周波数を変調する手段を有することを特徴とする走査型
静電容量顕微鏡を提供する。
【0006】
【発明の実施の形態】まず最初に、図2を用いて共振特
性計測機構について説明する。図2(a)は発振回路、
共振回路、検波回路からなる静電容量測定機構の概略図
である。発振回路で発生した高周波信号は、共振回路を
経て検波回路へと伝わり、高周波の振幅がピーク検波さ
れる。図2(b)は共振回路の共振特性を示しており、
横軸は高周波信号の周波数、縦軸はピーク検波される高
周波信号の振幅である。検波回路に伝わる高周波信号の
振幅は高周波信号の周波数が共振回路の共振周波数(ω
r)に一致したときに最大であり、高周波信号の周波数
が共振周波数からずれるに従って小さくなる。例えば、
高周波信号の発振周波数をωoとすると、図2(b)中
に示したωoにおいて共振特性のカーブは右下がりの傾
きを有しており、共振回路中のキャパシタンスの増加に
より共振周波数および共振特性のカーブが左(低周波)
側にシフトし検波される振幅は小さくなる。一方、発振
周波数(ωo)が共振周波数(ωr)よりも左側にある
ときにはキャパシタンスの増加により検波される振幅が
逆に大きくなる。また、キャパシタンス変化を検出する
感度は共振特性のカーブの傾きが急なところほど高くな
る。図2(c)は、図2(b)の共振特性を有する共振
回路中の可変容量ダイオードに、交流電圧を印加したと
きにロックスインアンプにより検出される交流電圧の周
波数における容量変化の様子(dC/dV)を示してい
るが、これはすなわち、図2(b)の微分値を示してい
る。ロックインアンプで検出される容量変化は図2
(b)において共振特性のカーブの傾きの大きいところ
ほど大きな絶対値を有しており、この点において、走査
型容量顕微鏡としての感度が最大となる。
【0007】以下に、図1により本発明の実施の形態で
ある走査型容量顕微鏡を説明するが、本発明はこの形態
に限られるものではない。ところで、本発明の実施の形
態である走査型静電容量顕微鏡は、カンチレバー1とカ
ンチレバーホルダー2と導線3とキャパシタンスセンサ
ー4と試料5と試料ホルダー6とチューブ型ピエゾ素子
7と半導体レーザー8と2分割光検出器9とインターフ
ェースボックス10とロックインアンプ11とピエゾ駆
動電源12とコンピュータ13とCRT14とからな
る。
【0008】カンチレバー1は先端付近に探針を有する
シリコン製のカンチレバーにコバルトならびにクロムを
コートしたものであり、導線3によりキャパシタンスセ
ンサー4に電気的に接続されている。カンチレバーホル
ダー2は浮遊容量の低減のため絶縁物であるポリカーボ
ネートからなるが、セラミック等の他の絶縁物で作って
もよい。試料5はシリコン基板であり、表面は酸化膜で
覆われており裏面にはアルミニウムの電極が形成されて
いる。試料5は導電性ペーストによりアルミニウム製の
試料ホルダー6に取り付けられており、さらに試料ホル
ダー6は試料5をカンチレバー1に対して走査させるた
めのチューブ型ピエゾ素子7に取り付けられている。カ
ンチレバー1の撓みは半導体レーザー8および2分割光
検出器9を用いて光てこ法により検出する。試料5は、
ピエゾ駆動電源12によりチューブ型ピエゾ素子7に電
圧を印加することによりカンチレバー1に対して走査さ
せるが、2分割光検出器9の信号によりカンチレバー1
の撓みが一定になるようにチューブ型ピエゾ素子7にフ
ィードバック電圧を印加する。このとき得られる試料5
の表面形状の情報は静電容量の情報とともにコンピュー
タ13に取り込まれる。
【0009】静電容量の計測は、直流バイアスならびに
〜100kHzのモジュレーション電圧を発振器を内蔵
するロックインアンプ11よりインターフェースボック
ス10および試料ホルダー6を介して試料5に印加し、
アース電位のカンチレバー1との間の電圧により試料5
中に形成される空乏層の厚みの変化に伴う探針−試料間
のモジュレーション周波数での静電容量変化をキャパシ
タンスセンサー4ならびにロックインアンプ11により
検出する。ロックインアンプ11は、〜100kHzの
交流電圧出力ならびに4つの−10.5V〜+10.5
Vの直流出力を有しているものを使用した。また、この
ロックインアンプ11は2相ロックインアンプであるの
で、2つの信号出力を有しており、チャンネル1(CH
1)にはXもしくは振幅(R)をチャンネル2(CH
2)にはYもしくは位相を選択することができる。な
お、本発明者らは、ロックインアンプ11として、Stan
ford Reseach Systems社のModel SR830 DSP Lock-in am
plifierを用いている。
【0010】次に図3により、キャパシタンスセンサー
4と試料5とインターフェースボックス10とロックイ
ンアンプ11との間の信号の往来について説明する。キ
ャパシタンスセンサー4は発振回路中に可変容量ダイオ
ードを有しており、発振周波数を外部電圧により変化さ
せる機能を有している。なお、この技術は、本出願人が
出願した未公開の技術である特願平9−101665号
に詳細に記載されている。共振回路中の可変容量ダイオ
ードは、外部回路からプラスの電圧をかけたときに空乏
層が生じるように取り付けられている。このため、ロッ
クインアンプ11の直流出力1からの電圧にインターフ
ェースボックスにおいて+10Vを加えた電圧を可変容
量ダイオードに対して印加する。発振回路中の可変容量
ダイオードは、外部回路からプラスの電圧をかけたとき
に空乏層が生じるように取り付けられているため、ロッ
クインアンプ11の直流出力2からの電圧にインターフ
ェースボックスにおいて+10Vを加えた電圧を可変容
量ダイオードに対して印加する。また、インターフェー
スボックス11中のスイッチの切り替えによりにより発
振回路中の可変容量ダイオードに対して直流電圧ととも
に交流電圧を印加することも可能である。ここで、スイ
ッチはロックインアンプ11からの交流電圧出力を共振
回路もしくは試料のいずれかに選択して印加するための
機能を備えている。なお、本発明の実施の形態である走
査型静電容量顕微鏡は、試料に対しては直流電圧出力3
と交流電圧出力を加えた電圧が印加することが可能であ
る。また、キャパシタンスセンサー4の信号出力は、イ
ンターフェースボックス10を介してロックインアンプ
11の信号入力端子に接続されている。
【0011】ところで、キャパシタンスセンサー4は、
図2により説明した回路構成を有するものである。キャ
パシタンスセンサー4内の共振回路は導線3ならびにカ
ンチレバー1に接続されており、カンチレバー1と周囲
との浮遊容量により共振回路の共振周波数が変化する。
このため、共振周波数および共振特性を計測し、その共
振特性に対応させて発振周波数を決定する必要がある。
以下に、最適な測定条件を得るための発振周波数ならび
に共振回路特性のチューニング過程について説明する。
【0012】まず、カンチレバー1の探針と試料5とを
近接させた状態で、図3に示されるスイッチにより発振
回路中の可変容量ダイオードに対して例えば、100k
Hz、100mVp−pの交流電圧を印加する。この状
態で、発振回路中の可変容量ダイオードに加える直流電
圧をスイープさせ、その時ロックインアンプ11のCH
1において、キャパシタンスセンサー4の信号の100
kHz成分をモニターする。ロックインアンプ11で検
出される信号の大きい発振周波数を選択し、図3中に示
されるスイッチにより試料に交流電圧を印加するととも
に、探針と試料5とを接触させて試料5の測定を行う。
【0013】また、発振回路中の可変容量ダイオードに
対して加える直流電圧を一定にしておいて、共振回路中
の可変容量ダイオードに対して加える直流電圧を変化さ
せることにより、最適な測定条件を求めることも可能で
ある。
【0014】
【発明考案の効果】本発明により、キャパシタンスセン
サーの共振回路の共振特性を効率よく測定し、共振特性
に対応させて発振周波数もしくは共振回路の共振周波数
を設定する機能が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】は、本発明の走査型静電容量顕微鏡の概略図で
ある。
【図2】は、キャパシタンスセンサーならびに共振特性
計測機能の原理を説明するための概略図である。
【図3】は、本実施例の回路構成を説明するための概略
図である。
【符号の説明】
1・・・カンチレバー 2・・・カンチレバーホルダー 3・・・導線 4・・・キャパシタンスセンサー 5・・・試料 6・・・試料ホルダー 7・・・チューブ型ピエゾ素子 8・・・半導体レーザー 9・・・2分割光検出器 10・・インターフェースボックス 11・・ロックインアンプ 12・・ピエゾ駆動電源 13・・コンピュータ 14・・CRT(モニター)

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】発振回路と共振回路と検波回路からなるキ
    ャパシタンスセンサーを有する走査型静電容量顕微鏡に
    おいて、前記共振回路特性の変化を読みとる手段と、測
    定感度が最適となるように、発振回路の発振周波数もし
    くは共振回路の共振周波数を調整する手段を有するとと
    もに発振周波数を変調する手段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において、発振周波数の変調を、
    発振回路中の可変容量ダイオードに直流ならびに交流電
    圧を印加することにより行うことを特徴とする走査型静
    電容量顕微鏡。
  3. 【請求項3】請求項1において、変調周波数での容量セ
    ンサーの出力信号変化をロックインアンプにより検出す
    る機能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において、発振周波数をスイープ
    させながらロックインアンプの出力を記憶装置に取り込
    み、発振周波数に対する検波回路でピーク検波される信
    号変化を表示装置上に表示し、それにより最適な発振周
    波数を選択出来る機能を有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において、交流電圧を発振回路も
    しくは試料に印加する切り替え手段を有することを特徴
    とする走査型静電容量顕微鏡。
JP9186665A 1997-07-11 1997-07-11 走査型静電容量顕微鏡 Pending JPH1130623A (ja)

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