(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピエゾ抵抗を実装したカンチレバーによって形成されたプローブを備え、該プローブを接近制御部によって媒体に接近させ、媒体に対して相対走査し、バイアス印加手段によってピエゾ抵抗に一定バイアスを印加して該ピエゾ抵抗の変化を信号検出手段によって測定し、媒体の表面特性等を測定する走査型プローブによる信号検出装置であって、
前記信号検出手段は、ピエゾ抵抗を流れる電流を測定する電流測定手段と、該ピエゾ抵抗を流れる電流に含まれるオフセット電流を除去するためのオフセット電流除去手段とを有し、該オフセット電流除去手段が、一定電圧を発生する電圧源とトランジスタおよびトランジスタ制御部からなり、
該トランジスタ制御部が、前記電流測定手段の出力を参照して該トランジスタの電流値を制御し、
該トランジスタが、該トランジスタ制御部に制御されて前記電流測定手段に入力される電流からオフセット電流を差し引くフィードバック回路を構成していることを特徴とする走査型プローブによる信号検出装置。
【請求項２】
前記トランジスタ制御部が、前記電流測定手段の低周波成分を検出してトランジスタの電流値を制御する構成を備えていることを特徴とする請求項１に記載の走査型プローブによる信号検出装置。
【請求項３】
前記トランジスタ制御部が、積分器であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の走査型プローブによる信号検出装置。
【請求項４】
前記トランジスタ制御部が、積分器と加算器及び増幅器によって構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の走査型プローブによる信号検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、探針と媒体を接近させることによって生じる物理現象を利用した観察装置や記録再生装置等に適用される走査型プローブによる信号検出装置に係り、特に探針と試料との間に働く物理的な力を測定し、それらの力信号の変化から観察対象物表面の微細な表面特性を測定する走査型プローブ顕微鏡に適用される変位検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、探針と試料とを接近させ、その時に生じる物理現象（トンネル現象、原子間力等）を利用して、物質表面及び表面近傍の電子構造を直接観察できる走査型プローブ顕微鏡（以下ＳＰＭと略す）が開発され、単結晶、非晶質を問わず様々な物理量の実空間像を高い分解能で測定できるようになっている。
産業分野においては、ＳＰＭの原子あるいは分子サイズの高分解能を有する原理に着目し、特開昭６３−１６１５５２号公報および特開昭６３−１６１５５３号公報に開示されているように、媒体に記録層を用いることによる情報記録再生装置への応用、実用化が精力的に進められている。
【０００３】
また上述のような装置への応用に際しては、そのスループットの向上のために、複数プローブの並列処理（マルチ化）が必要であり、その方面についても開発が進んでいる。プローブ作製技術については従来の半導体プロセスをベースにしてＳＯＩ基板などを用いた複数レバーの作製が行われている。
また、検出技術については、レーザー光をプローブ先端に当ててプローブの撓み量を戻り光の位置ずれから測定する光てこによる方式が従来は一般的であったが、マルチプローブからの信号検出の場合にはＡＦＭを光てこによる検出系で行なうことは光学系の構成が非常に複雑になるばかりでなく、系自体の大きさも相当大きな物となってしまうことから、現在ではピエゾ抵抗体を利用した歪み検出をＡＦＭレバーに設けることで、レバー撓み量をピエゾ抵抗体の抵抗変化で読み取るという方式が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来、ピエゾ抵抗体を用いたＡＦＭ（以降、ピエゾ抵抗ＡＦＭと記す）はその抵抗値を測定する為に抵抗ブリッジ回路等を用いて行なってきたが、その時の大きな問題点としてピエゾ抵抗の温度によるドリフトがあった。
ピエゾ抵抗はその名のとおり抵抗体であり、電流を流すことにより発熱する為、その熱によって抵抗体は温度変化を起こし、自らの抵抗値を変化させる。
プローブを含む空間が空気の流れなどがなく安定で、なお且つ近傍に何も物体がない場合には、熱平衡状態をとり、ある抵抗値に落ち着くが、実際のＡＦＭではそのような状況は考えられない。すなわち、大気中でのＡＦＭを考えた場合には空気の流れなどが生じることによってプローブの温度変化が生じている。
また、加えてＳＰＭは全般に、プローブを観察試料に対して極めて小さな距離まで接近させる。この過程においてプローブと試料との間に熱交換が起こり、プローブの温度は変化する。
これらの現象による温度変化は、時間的には試料の凹凸信号などよりもゆっくりとした変化を示すが、ピエゾ抵抗自体の抵抗率を大きく変化させる為に、レバーの撓みによる抵抗変化のような微小な信号を検出する際に、大きな低周波ノイズとして感度やＳ／Ｎ比の低下を起こし問題となっている。
【０００５】
そこで、本発明は、上記従来のものにおける課題を解決し、ピエゾ抵抗レバーの変位に伴う抵抗変化を電流測定によって行なう際に、撓んでいない状態の初期抵抗によって生じるオフセット電流を効率よく除去し、撓みによる抵抗変化に伴う電流変化を検出することによって、高感度に信号検出することができるピエゾ抵抗カンチレバーを備えた走査型プローブによる信号検出装置を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を達成するために、ピエゾ抵抗カンチレバーを備えた走査型プローブによる信号検出装置を、つぎのように構成したことを特徴とするものである。
すなわち、ピエゾ抵抗を実装したカンチレバーによって形成されたプローブを備え、該プローブを接近制御部によって媒体に接近させ、媒体に対して相対走査し、バイアス印加手段によってピエゾ抵抗に一定バイアスを印加して該ピエゾ抵抗の変化を信号検出手段によって測定し、媒体の表面特性等を測定する走査型プローブによる信号検出装置であって、
前記信号検出手段は、ピエゾ抵抗を流れる電流を測定する電流測定手段と、該ピエゾ抵抗を流れる電流に含まれるオフセット電流を除去するためのオフセット電流除去手段とを有し、該オフセット電流除去手段が、一定電圧を発生する電圧源とトランジスタおよびトランジスタ制御部からなり、
該トランジスタ制御部が、前記電流測定手段の出力を参照して該トランジスタの電流値を制御し、
該トランジスタが、該トランジスタ制御部に制御されて前記電流測定手段に入力される電流からオフセット電流を差し引くフィードバック回路を構成していることを特徴としている。
また、本発明の信号検出装置は、前記トランジスタ制御部が、前記電流測定手段の低周波成分を検出してトランジスタの電流値を制御する構成を備えていることを特徴としている。
また、本発明の信号検出装置は、前記トランジスタ制御部が、積分器であることを特徴としている。
また、本発明の信号検出装置は、前記トランジスタ制御部が、積分器と加算器及び増幅器によって構成されていることを特徴としている。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明は、上記した構成により、ピエゾ抵抗体を歪み検出器として備えたＳＰＭプローブにおいて、ピエゾ抵抗レバーの変位に伴う抵抗変化を電流測定によって行なう際に、撓んでいない状態の初期抵抗によって生じるオフセット電流をフィードバックにより効率よく除去し、撓みによる抵抗変化に伴う電流変化を検出することによって、高感度に信号を検出することができる。
【０００８】
【実施例】
以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
本発明の実施例１に係るピエゾ抵抗ＡＦＭ装置の概略を示すブロック図を図２に示す。
図２において、２０１はピエゾ抵抗を撓み検出素子として実装したカンチレバー型の変位検出プローブである。
このレバー型プローブの具体的な構成は、図３に示されている。図３において、３０１はレバー先端部上に配置されている円錐型の探針であり、レバー先端部ピエゾ抵抗体３０４上に電気的に接触する形で配置されている。３０３はシリコン基板、３０２は配線パターン、３０５は基板と配線の電気的な絶縁をとる為のシリコン酸化膜である。このプローブの大きさは、今回作製したカンチレバーはＷとして２０μｍ、Ｌとして１００μｍ、Ｈとして２μｍとした。このレバーの共振周波数はおよそ１５ｋＨｚであった。
【０００９】
つぎに、図２に基づいてピエゾ抵抗ＡＦＭ装置の作動を説明する。
まず、レバー型プローブ２０１と観察試料２０２とは、原子間力などにより相互に力を及ぼし合うように、接近制御部２０９によって接近させる。所定の力にまでプローブと試料２０２を接近させた後、走査信号生成部２０７によって走査信号が生成され、その信号がアンプ２０８をとおってステージ２０３のＸＹ駆動機構に印加されると、ステージは試料面内方向に駆動される。それによりプローブ２０１は試料面内を相対走査し、力変化の情報すなわち試料面の凹凸情報をレバーの撓みとして受け、ピエゾ抵抗の変化という形で出力する。
すなわち、ピエゾ抵抗の変化は、バイアス印加手段によってピエゾ抵抗に一定バイアスを印加して該ピエゾ抵抗の変化を信号測定部２０４により測定し、その情報は制御部２１０に伝達する。
制御部２１０は、主に接近制御部２０９、走査信号生成部２０７に対して、設定部２０６によりオペレータ等が入力した設定値に基づいた制御を行なっている。また、加えて信号測定部２０４からの信号を可視化する為の画像信号を生成しモニタ２０５へ送る仕事も行なっている。
【００１０】
次に本発明で特徴的な信号測定部２０４の詳細を述べる。
信号測定部２０４はピエゾ抵抗レバーの撓み量をピエゾ抵抗値の変化から検出する部分である。
抵抗の変化量を測定するには従来、図７に示すような抵抗ブリッジによる方法が一般的であった。そこでは、ピエゾ抵抗に直列に抵抗Ｒを入れ、ピエゾ抵抗にかかるバイアスに対する参照バイアスを新たに設けたＲとＲREFにより設定し、その差をアンプにより増幅するように構成されている。
しかしながらこの方法によれば、レバーのピエゾ抵抗値に合わせてＲREFを設定する必要があり、温度変化などによってピエゾ抵抗が変化して釣り合いが崩れた場合には更に調整が必要となってくる。またその上、それらの変化を見込んだ上で後段の差動アンプのゲインを設定する必要があり、そのためにゲインを大きく取れないという点で問題があった。
【００１１】
そこで、本発明における回路では、撓み信号検出を、ピエゾ抵抗に一定電圧を印加し出力される電流値のレバー撓みによる成分のみを測定することにより行なう。図１に示すようにレバー部ピエゾ抵抗は撓みがない場合のピエゾ抵抗Ｒｓと撓んだときの抵抗変化ΔＲｓによりなる。したがって、そこを流れる電流もＲｓによる電流ｉとΔＲｓによる電流Δｉに分けることができる。両方の電流の和が電流電圧変換部に入力されるが、そこからｉ成分のみを電源−ＶｓとＭＯＳトランジスタ（Ｐチャネル）によって設定される電流によって差し引くように構成する。この際ＭＯＳのゲート電圧Ｖｃは電流制御回路１０１が電流電圧変換部の出力Ｖｏを参照して決定するようになっている。すなわちフィードバック回路を構成している。ここで、電流制御回路１０１はＶｏの低周波数成分を検出する回路である為、各種ローパスフィルタやアンプなどいろいろなものが考えられるが、本実施例では図４に示すような積分器を用いた。ここでＰチャネルＭＯＳトランジスタのゲート電圧・ドレイン電流特性は図５（ａ）に示すような形をしている為、積分器は非反転のものを用意し、ループゲインを調整する為の可変抵抗Ｒｃを設けている。また、図１における電流電圧変換部の抵抗Ｒｆは１０ＭΩを用い、これにより変換ゲインは１０6となる。
【００１２】
本実施例において、以上のように構成されたＡＦＭ測定器によってＡＦＭ測定を行なったところ、従来のピエゾ抵抗ＡＦＭにはない高感度、すなわち観測面に垂直方向の分解能として０．１ｎｍが得られた。その時作製したレバーのピエゾ抵抗値は１０ｋΩ、測定した撓みに対する抵抗変化の割合はΔＲｓ／Ｒｓ＝１０-6（変位０．１ｎｍあたり）であった。このため図１におけるｉの値は約０．１ｍＡでありΔｉの値は０．１ｎＡである。
本実施例ではまた、本回路構成においてＭＯＳトランジスタを用いた部分に図５（ｂ）に示したバイポーラトランジスタを用いた場合でも、全く同様に動作し、同様の分解能を得ることが可能であった。
なお、本実施例においては、プローブと試料との接近による相互作用として原子間力の例を行なったが、本発明においてはプローブと試料との間に物理的な力が働くことによってプローブが撓むことが必要なのであり、その力と原子間力を限定するものではない。たとえば、静電気力や磁力などによる力の相互作用も考えられる。
【００１３】
［実施例２］
実施例１に示した回路において、ＭＯＳトランジスタを図６（ｂ）に示す接合型電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）にした場合の実施例を示す。
本実施例ではＰチャネルＪＦＥＴを用いた。この場合にはトランジスタのゲート電圧・ドレイン電流の特性が図６（ａ）のようになる為、ゼロバイアスではＯＦＦしないことから、図１に示す電流制御回路１０１を図８に示すものと交換した。
これは、積分器に一定電圧を足し込む回路を付けたもので図のＶD、Ｒ1〜Ｒ4を調節することにより図６（ａ）のオフセット電圧Ｖoffをキャンセルすることが可能である。
実施例１と同様のピエゾ抵抗カンチレバーをプローブとして用いてＡＦＭ測定を行なったところ観測面に垂直方向の分解能として０．１ｎｍが得られた。なお、図１における抵抗値などのその他の定数は全く同様に設定した。
【００１４】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、ピエゾ抵抗レバーの変位に伴う抵抗変化を電流測定によって行なう際に、撓んでいない状態の初期抵抗によって生じるオフセット電流をフィードバックにより効率よく除去し、撓みによる抵抗変化に伴う電流変化を検出することによって、高感度に信号を検出することができる。
また、本発明によれば、レバーのピエゾ抵抗値は作製プロセスの誤差等によって個々のプローブでばらつきを生じるが、その場合でもオフセット電流を適切に除去できるため、プローブの固有の抵抗値に合わせた回路の素子値の設定などの煩雑さを解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１に係るピエゾ抵抗測定回路の構成を示す概略図。
【図２】本発明の実施例１に係るピエゾ抵抗ＡＦＭ装置の概略を示すブロック図。
【図３】本発明の実施例１に係るピエゾ抵抗レバーの構成図。
【図４】本発明の実施例１に係る電流制御回路を説明する図。
【図５】本発明の実施例１に係るＰチャネルＭＯＳトランジスタの特性図。
【図６】本発明の実施例２に係るＪＦＥＴの特性図。
【図７】従来のブリッジによる抵抗変化測定を説明する図。
【図８】本発明の実施例２に係る電流制御回路を説明する図。
【符号の説明】
１０１：電流制御回路
２０１：レバー型プローブ
２０２：試料
２０３：ステージ
２０４：信号測定部
２０５：モニタ
２０６：設定部
２０７：走査信号生成部
２０８：アンプ
２０９：接近制御部
２１０：制御部
３０１：探針
３０２：配線パターン
３０３：シリコン基板
３０４：シリコン酸化膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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