(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料表面に対向して配置されるプローブを、前記試料表面に近接させ二次元走査させ、前記試料表面と前記プローブの先端に働く物理量を、前記プローブのたわみ量として検出し、該たわみ量を前記プローブを構成するピエゾ抵抗素子のピエゾ抵抗値の変化として検出する走査型プローブによる信号検出装置であって、
前記プローブに定電圧バイアスを印加して抵抗変化量として得られた入力電流信号を、出力電圧信号に変換する信号検出系と、該信号検出系の出力電圧信号に含まれるオフセット信号成分を検出して除去するオフセット信号検出系と、
を有し、前記オフセット信号検出系は、前記信号検出系の出力電圧信号に含まれるオフセット信号成分を電流信号に変換し、該変換されたオフセット信号成分を前記入力電流信号から差し引くループを形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】
前記オフセット信号検出系は、増幅器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】
前記オフセット信号検出系は、前記信号検出系の出力電圧信号を参照して、オフセット信号を出力する電圧制御部と、該オフセット信号を参照して電流信号に変換する電流変換部とで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。
【請求項４】
前記電圧制御部は、積分回路またはローパスフィルタで構成されていることを特徴とする請求項３に記載の走査型プローブによる信号検出装置。
【請求項５】
前記電流変換部は、抵抗で構成されていることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の走査型プローブによる信号検出装置。
【請求項６】
前記オフセット信号が、前記定電圧バイアスによる印加電圧と、前記ピエゾ抵抗における固有の抵抗値とで規定される直流電圧信号であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の走査型プローブによる信号検出装置。
【請求項７】
前記オフセット信号が、ドリフト電圧信号であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の走査型プローブによる信号検出装置。
【請求項８】
試料表面に対向して配置されるプローブを、前記試料表面に近接させ二次元走査させ、前記試料表面と前記プローブの先端に働く物理量を、前記プローブのたわみ量として検出し、該たわみ量を前記プローブを構成するピエゾ抵抗素子のピエゾ抵抗値の変化として検出する走査型プローブによる信号検出装置を備えた原子間力顕微鏡において、前記信号検出装置が請求項１〜７のいずれか１項に記載の信号検出装置によって構成されていることを特徴とする原子間力顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プローブと媒体を接近させることによって生じる原子間力を利用した観察装置や記録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関し、特に、これらの装置におけるオフセット電流の制御技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
原子間力顕微鏡（以下ＡＦＭ）とは、試料表面とプローブの先端を近接、あるいは接触させたときに発生する原子間力を、プローブのたわみによって検出する走査型プローブ顕微鏡である。この原子間力には、斥力や吸着力があるが、一般的に斥力が働く範囲を接触領域として観察を行うものである。
たわみ量の検出方法として有名なのが光てこ方式である。これは、プローブの先端にレーザー光を照射し、プローブのたわみによって変化した反射光の変位を、フォトダイオード等の光電変換素子で検出し、得られた変位の信号から試料の表面形状を観察する方法である。このような光てこ方式は、反射光の光路を長くすることによって、得られる変位の度合いも大きくなり、解像度を向上することができる。反面、それにともなって、大きな光学系が必要となり、検出系が大きくなってしまうという難点もある。さらに、非常に微細な形状のプローブの先端に、レーザ光を正確に照射しなくてはならず、操作上、扱いずらいという難点もあった。
【０００３】
他方、このたわみ量の検出方法の一つとして最近注目されているのが、プローブのたわみを、プローブの抵抗値変化として検出する方法である。この検出素子としては、圧抵抗素子（ピエゾ抵抗素子）がプローブに用いられている。このピエゾ抵抗素子は、外力によって外形のひずみだけでなく、エネルギー帯構造にも影響し、導電現象に変化が現れ電気抵抗が変化する素子である。このようなピエゾ抵抗素子を用いた方式は、上記した光てこ方式のような光学系を必要としないので、非常にコンパクトに、また、比較的簡易に扱うことができるＡＦＭである。
【０００４】
また最近では、ＡＦＭの大面積走査技術の一環として、複数のプローブを並列に並べて試料表面を走査させて同時に像を観察する、マルチプローブＡＦＭの研究が注目されている。ＡＦＭは、もともと試料表面を原子レベルのオーダーで観察するものであるために、大面積走査を行うことは難しかった。それは、ＡＦＭは、試料表面との間に発生する原子間力という非常に微小な信号を扱うために、どうしても走査速度に限界が生じたり、また、現実問題として、精度良く広範囲の面積を走査できる装置を得ることは困難であるためである。そこで、このマルチプローブＡＦＭでは、走査速度はそのままで、走査時に使用するプローブの数を増やして、実効的な走査範囲を広げることを目標としている。
この実現のためには、観察方法として、光てこ方式よりもピエゾ抵抗値の変化によって、プローブのたわみ量を検出する方法が適している。これは、光てこ方式であると、プローブが複数存在するために、それぞれのプローブの先端にレーザー光を正確に照射することは、非常に困難を極めるためである。また、それに伴い、ＡＦＭの系も非常に大きくなってしまうためでもある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような、プローブのたわみ量をピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化として検出するためには、そのプローブにある一定のバイアスを印加しなくてはならない。具体的には、バイアスとして定電流バイアスや、定電圧バイアスなどがあり、対応して、ピエゾ抵抗素子の抵抗値変化は、電圧と電流の変化として検出される。
しかし、この方式で用いられているピエゾ抵抗素子は、固有の抵抗値を有しており（ピエゾ抵抗値）、ピエゾ抵抗素子にバイアスを印加することによって、いわゆる直流（ＤＣ）的な信号が常に発生している状態になる。また、プローブのたわみによって生じる、ピエゾ抵抗素子のピエゾ抵抗値の変化量の割合は、およそピエゾ抵抗素子の初期抵抗値の１０-8倍と非常に微小なため、この変化量から得られるたわみ量の信号も非常に微小である。したがって、これらの信号の検出系には高感度なものが必要である。しかし、そのためには、前記したＤＣ的な信号を除去しなくてはならないという問題がある。
【０００６】
さらに、このピエゾ抵抗素子は、温度によるピエゾ抵抗値の変化の影響が大きく、このことから、前記したＤＣ的な信号は一定値ではなく、時間的に変化するということに注意する必要がある。とくに、この温度変化の影響が大きく現れるのが、試料表面とプローブを近接させるときで、両者の間に熱交換が行われ、ピエゾ抵抗素子の温度が変化し、信号がドリフトしてしまうという問題がある。
また、ＡＦＭのプローブをマルチ化した際、各プローブがもつ固有のピエゾ抵抗値は、必ずしも一定値ではなく、ばらつきがあるという問題がある。このことにより、発生するＤＣ信号の値はもとより、信号のドリフト量にもばらつきがあるという問題点がある。
【０００７】
そこで、本発明は上記した課題を解決し、プローブを構成するピエゾ抵抗素子の抵抗変化量として得られた出力電圧信号に含まれるオフセット信号を、簡単な構成により除去することによって、高感度に信号検出することができ、ピエゾ抵抗のばらつきによる影響をなくすことによりマルチ化にも適した走査型プローブによる信号検出装置、および該装置による原子間力顕微鏡を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【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、走査型プローブによる信号検出装置、および原子間力顕微鏡を、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、本発明の走査型プローブによる信号検出装置は、試料表面に対向して配置されるプローブを、前記試料表面に近接させ二次元走査させ、前記試料表面と前記プローブの先端に働く物理量を、前記プローブのたわみ量として検出し、該たわみ量を前記プローブを構成するピエゾ抵抗素子のピエゾ抵抗値の変化として検出する走査型プローブによる信号検出装置であって、
前記プローブに定電圧バイアスを印加して抵抗変化量として得られた入力電流信号を、出力電圧信号に変換する信号検出系と、該信号検出系の出力電圧信号に含まれるオフセット信号成分を検出して除去するオフセット信号検出系と、
を有し、前記オフセット信号検出系は、前記信号検出系の出力電圧信号に含まれるオフセット信号成分を電流信号に変換し、該変換されたオフセット信号成分を前記入力電流信号から差し引くループを形成していることを特徴としている。
また、本発明の走査型プローブによる信号検出装置は、前記オフセット信号検出系は、増幅器を備えていることを特徴としている。
また、本発明の走査型プローブによる信号検出装置は、前記オフセット信号検出系は、前記信号検出系の出力電圧信号を参照して、オフセット信号を出力する電圧制御部と、該オフセット信号を参照して電流信号に変換する電流変換部とで構成されていることを特徴としている。
また、本発明の走査型プローブによる信号検出装置は、前記電圧制御部は、積分回路またはローパスフィルタで構成されていることを特徴としている。
また、本発明の走査型プローブによる信号検出装置は、前記電流変換部は、抵抗で構成されていることを特徴としている。
また、本発明の走査型プローブによる信号検出装置は、前記オフセット信号が、前記定電圧バイアスによる印加電圧と、前記ピエゾ抵抗における固有の抵抗値とで規定される直流電圧信号であることを特徴としている。
また、本発明の走査型プローブによる信号検出装置は、前記オフセット信号が、ドリフト電圧信号であることを特徴としている。
また、本発明の原子間力顕微鏡は、試料表面に対向して配置されるプローブを、前記試料表面に近接させ二次元走査させ、前記試料表面と前記プローブの先端に働く物理量を、前記プローブのたわみ量として検出し、該たわみ量を前記プローブを構成するピエゾ抵抗素子のピエゾ抵抗値の変化として検出する走査型プローブによる信号検出装置を備えた原子間力顕微鏡において、前記信号検出装置が上記した本発明のいずれかの信号検出装置によって構成されていることを特徴としている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明は、上記した構成によって、プローブの構成上、原理的に発生するＤＣ信号、あるいは時間的に変化するドリフト信号とを簡単な構成によって除去することができ、本来検出すべきプローブのたわみ量として得られた微小な電流信号だけをより高感度に検出することが可能となり、ピエゾ抵抗のばらつきによる影響をなくすことによりマルチ化にも適した走査型プローブによる信号検出装置、および該装置による原子間力顕微鏡を実現することができる。
【００１０】
【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］
図１は、本発明の実施例１におけるＡＦＭ測定系の構成例である。
まず、ＡＦＭ測定系全体の構成を説明する。
このＡＦＭ測定系では、印加電源１０１として一定電圧を加えている。試料１０７の表面形状はＸＹＺステージ１０８をＸＹＺ方向駆動系１０６で駆動させて面方向（ＸＹ方向）走査を行い、プローブ１０２のたわみ量の変化に応じたピエゾ抵抗値の変化を検出している。そのプローブのイメージを描いたものが図３である。
図３は、今回の実験で使用したプローブ形状のイメージ図である。このプローブは、非常に平滑性の高いｐ−Ｓｉ基板３０２上にＡｓイオンを注入することで、ｎ型層を形成しピエゾ抵抗層３０１とされており、Ａｌ配線３０３が接続されている。ステージ走査によって得られたプローブのたわみ量ΔＺは、ピエゾ抵抗層３０１のピエゾ抵抗値３０５の変化として検出される。
【００１１】
このプローブには、電源３０４として、＋Ｖを印加しているため、ピエゾ抵抗値変化は、電流信号Δｉとして検出される。また、このピエゾ抵抗層３０１には、固有のピエゾ抵抗値３０５を有しているため、実際に検出される信号は、Δｉのほかに、印加電圧３０４とピエゾ抵抗値３０５で規定されるＤＣ信号Ｉも同時に検出される。
印加電圧３０４とプローブのピエゾ抵抗値３０５で規定されるＤＣ信号は、時間的にドリフトするという現象がある。これは、プローブのピエゾ抵抗値３０５は、温度変化に対して非常に敏感であるために、容易に変化してしまうからである。
【００１２】
一般的に、ピエゾ抵抗を用いたプローブの抵抗変化率は、ピエゾ抵抗値３０５に対して、およそ１０-8倍と非常に小さな変化率しかない。そのために、そのプローブから検出される電流変化Δｉの変化率は、ＤＣ信号Ｉに対して、この抵抗変化率に準じた値の信号しか検出できない。
そのために、微小信号Δｉの測定を行うためには、まず、このＤＣ信号Ｉを除去する必要がある。これは、ＤＣ信号Ｉの存在下で微小信号Δｉを増幅しようとすると、微小信号ΔｉとＤＣ信号Ｉのオーダーに大きな差あるため、検出された信号には、微小信号成分がＤＣ信号成分に埋もれ、微小信号成分が検出されないという問題がある。
【００１３】
オペアンプによって、微小信号Δｉを、検出可能な領域にまで増幅しようとすると、ＤＣ信号Ｉの存在のために、容易に飽和してしまい、測定ができなくなる。そのために、微小信号Δｉを検出する場合には、まず、このＤＣ成分を除去するという制御が必要となる。
また、このＤＣ信号Ｉは、時間的にもドリフトしていくという問題点も考慮しなくてはならず、除去方法としては、ドリフトするＤＣ信号を時間的に監視し、除去していく制御方式が理想である。とくに、このドリフト現象は、プローブの先端と試料表面を近接させたときに、顕著に表れる。この除去作業は、オフセット検出系１０４で行われる。
このように、微小信号検出系１０３で検出された微小信号Δｉの画像化処理や、このＡＦＭ測定系の全体的な制御は、コンピュータ１０５を介して行われる。
【００１４】
次に、このＡＦＭ測定系の動作を説明する。
ＸＹＺステージ１０８を面方向に走査することによって、プローブから得られた電流信号（Ｉ＋Δｉ）は、微小信号検出系１０３のフィードバック抵抗Ｒｆｂ１０９によって電圧信号（Ｉ＋Δｉ）Ｒｆｂに変換される。オフセット検出系１０４は、上記電圧信号からＤＣ信号に相当する成分を参照し、ピエゾ抵抗から入力される電流信号（Ｉ＋Δｉ）からＤＣ成分を差し引く。これにより、微小信号成分Δｉの成分だけを検出することが可能になる。ここでは、このオフセット信号検出系１０４が、常に微小信号検出系１０３の出力を監視して、ＤＣ信号成分を入力にかえすというループを形成しているために、時間的にドリフトするＤＣ信号成分にも対応することができた。
【００１５】
次に、具体的なオフセット信号検出系１０４の回路図を図２に示す。
この回路構成として、ここでは積分回路を使用した。微小信号検出系１０３から得られた電圧信号を、ＣＲで定められるカットオフ周波数以下の周波数をＤＣ成分の信号として周波数的に分離する。分離されたＤＣ成分の信号は、抵抗Ｒ1２０２において、再び電流信号に変換されて、微小信号検出系１０３の入力から差し引いている。また、あくまでもこの積分回路は一例であって、この回路構成に限定するものではなく、例えば、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）など周波数的に分離できる回路構成でも同様の効果を得ることができる。
【００１６】
次に、実際にこれらの検出系を使用して、ＡＦＭ観察を行った。試料として、深さ方向１８［ｎｍ］、ライン＆スペース５００［ｎｍ］の標準サンプルを使用した。
ここでは、オフセット検出系１０４のＣＲ素子として、１［μＦ］のコンデンサと、１００［ＭΩ］の抵抗を使用した。これらの素子から得られるカットオフ周波数は、２［ｍＨｚ］である。
ここで使用したプローブのピエゾ抵抗値はおよそ７［ＫΩ］であった。測定時のバイアスとして、３［Ｖ］の定電圧を使用し、この時のプローブのピエゾ抵抗変化にともなう電流変化Δｉの値は１７０［ｐＡ／ｎｍ］であった。このことから、ピエゾ抵抗値変化は２．８［Ω／ｎｍ］と求められた。これらの値より、プローブのピエゾ抵抗値の変化の割合は、およそ４×１０-7［／ｎｍ］と求められた。
この条件で得られたＺ方向の分解能は２［ｎｍ］であった。また、横方向の分解能はすベてステージ走査に依存するものの、ここでは、１［ｎｍ］であった。また、得られたＡＦＭ像には、ＤＣ成分のドリフトによる影響はみられず、試料表面の形状を反映した像を得ることができた。
【００１７】
［実施例２］
図４は、本発明の実施例２におけるプローブをマルチ化したマルチプローブＡＦＭの試料表面観察に用いたマルチプローブのイメージ図である。
図のように、ここで使用したマルチプローブ４０２のプローブ本数は８本である。
このマルチプローブにおいて、各プローブの構成は図３と同様である。また、この微小信号検出部４０３として、図１、図２と同様の検出系を、各プローブに使用した。
次に、実際にこれらの検出系を使用して、ＡＦＭ観察を行った。試料として、深さ方向１８［ｎｍ］、ライン＆スペース５００［ｎｍ］の標準サンプルを使用した。観察範囲として、プローブ一本当たり１００［μｍ］×１００［μｍ］、計１００×８００［μｍ2］の範囲の表面同時ＡＦＭ像観察を行った。
ここでは、オフセット検出系１０４のＣＲ素子として、１［μＦ］のコンデンサと、１００［ＭΩ］の抵抗を使用した。これらの素子から得られるカットオフ周波数は、２［ｍＨｚ］である。
【００１８】
ここで使用したプローブのピエゾ抵抗値はおよそ７〜７．４［ＫΩ］であった。測定時のバイアスとして、３［Ｖ］の定電圧を使用し、この時のプローブのピエゾ抵抗変化にともなう電流変化Δｉの値は１６０〜１９０［ｐＡ／ｎｍ］であった。このことから、ピエゾ抵抗値変化は２．６〜３．２［ｍΩ／ｎｍ］と求められた。これらの値より、プローブのピエゾ抵抗値の変化の割合は、およそ３．７〜４．３×１０-7［／ｎｍ］と求められた。
この条件で得られたＺ方向の分解能は２［ｎｍ］であった。また、横方向の分解能はすベてステージ走査に依存するものの、ここでは、１［ｎｍ］であった。また、得られたＡＦＭ像には、ＤＣ成分のドリフトによる影響はみられず、試料表面の形状を反映した像を得ることができた。さらに、各プローブのピエゾ抵抗値のばらつきによる影響もみられず、この影響を無効化することができた。
【００１９】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によると、プローブの構成上、原理的に発生する印加電圧とピエゾ抵抗値とで規定される直流電圧信号、または時間的に変化するドリフト信号を簡単な構成によって除去することができ、本来検出すべきプローブのたわみ量として得られた微小な電流信号だけを、より高感度に検出することが可能となる。
また、本発明によると、ピエゾ抵抗のばらつきによる影響をなくすことができ、これらの作業はすべてハンドフリーであるために、マルチ化にも適した走査型プローブによる信号検出装置、および該装置による原子間力顕微鏡を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＡＦＭ測定系の一実施例の構成図である。
【図２】オフセット信号検出系の一実施例の回路構成図である。
【図３】ＡＦＭで使用されるプローブの一実施例である。
【図４】マルチプローブＡＦＭのモデル図である。
【符号の説明】
１０１、３０４、４０１：印加電源
１０２：プローブ
１０３：微小信号検出系
１０４、２０１：オフセット信号検出系
１０５、４０４：表示・制御用コンピュータ
１０６：ＸＹＺ方向駆動系
１０７：試料
１０８：ＸＹＺステージ
１０９：フィードバック抵抗
２０２：電圧／電流変換用抵抗
３０１：ピエゾ抵抗層
３０２：ｐ−Ｓｉ基板
３０３：Ａｌ配線
３０５：ピエゾ抵抗値のモデル
４０２：マルチプローブ
４０３：微小信号検出部
【図１】
0003639743.tif 000002
【図２】
0003639743.tif 000003
【図３】
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【図４】
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