(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）テスト中のサンプル上の静電荷によりチップに静電気力が誘導されるように配置され、一方の端部に形成部を有しているカンチレバーアームを備えている検出器と、
（ｂ）チップにおいて誘導された静電気力によるカンチレバーアームの湾曲を、検出器のチップにおいて誘導された静電気力の周波数成分を含む電気信号に変換する光学システムと、
（ｃ）交流バイアス電圧および直流バイアス電圧の組合せを前記検出器に供給する手段と、
（ｄ）静電気力とテスト中のサンプルのフィルムの厚さの両者が同時に測定されることができるように、２倍の周波数に対応している検出器のチップで誘導された静電気力の周波数成分を検出する手段と、
（ｅ）表面上にサンプルを支持し、サンプルの上方に設置されている前記検出器の位置を検出する圧電装置とを具備している静電気力およびサンプルのフィルムの厚さを測定するための静電気力顕微鏡。
【請求項２】
制御された直流バイアス電圧源に前記検出手段の出力を供給するフィードバック手段をさらに具備している請求項１項１記載の静電気力顕微鏡。
【請求項３】
直流バイアス電圧をテスト中に供給する手段をさらに具備している請求項１記載の静電気力顕微鏡。
【請求項４】
前記検出器のカンチレバーアームは、ニッケル箔のストリップで構成されている請求項１記載の静電気力顕微鏡。
【請求項５】
前記検出器の前記チップ形成部は、テスト中のサンプルに対向しており、テスト中のサンプルを含む平面に実質的に平行な平面に配置された端部面を有する柱状形状である請求項１記載の静電気力顕微鏡。
【請求項６】
前記チップ形成部は、テスト中のサンプルに対向している半球形の端部を有する円錐形状である請求項１記載の静電気力顕微鏡。
【請求項７】
前記チップ形成部は、テスト中のサンプルを対向している尖頭端部を有する円錐形状である請求項１記載の静電気力顕微鏡。
【請求項８】
静電気力顕微鏡の検出器上においてその表面上の静電荷により検出された静電気力の情報を使用してテスト中のサンプルの表面上の静電荷を測定するための静電気力顕微鏡において、
ニッケル箔のストリップから形成されたカンチレバー検出器アームを含み、テスト中のサンプルに対向しているアームの一方の端部にチップ形成部を有し、前記チップ形成部の形状が予め定められた静電荷測定解像度を提供するように選択され、
サンプルを支持し、サンプルの上方に設置されている前記検出器の位置を検出する圧電装置を備えている静電気力顕微鏡。
【請求項９】
前記検出器の前記チップ形成部は、テスト中のサンプルに対向して、テスト中のサンプルを含む平面に実質的に平行な平面に配置された端部面を有する柱状形状である請求項８記載の静電気力顕微鏡。
【請求項１０】
前記チップ形成部は、テスト中のサンプルに対向している半球形にされた端部を有する円錐形状である請求項８記載の静電気力顕微鏡。
【請求項１１】
前記チップ形成部は、テスト中のサンプルを対向している尖頭端部を有する円錐形状である請求項８記載の静電気力顕微鏡。
【請求項１２】
静電気力顕微鏡のカンチレバーアーム検出器とテスト中のサンプルの表面上の静電荷との間に誘起される静電気力を決定する方法において、
（ａ）サンプル表面上の静電荷による検出器とサンプル表面との間の静電電圧分布を決定し、
（ｂ）ステップ（ａ）で得られた静電電圧分布を使用して、検出器およびテスト中のサンプルの周囲の静電界分布を決定し、
（ｃ）ステップ（ｂ）で得られた静電界分布とステップ（ａ）で得られた静電電圧分布とを使用して、検出器とテスト中のサンプル上の電荷との間に誘導された静電気力を決定するステップを含んでおり、
（ｄ）サンプルの上方に配置されている前記検出器の位置はサンプルを支持している圧電装置によって検出されている静電気力の決定方法。
【請求項１３】
請求項１記載の静電気力顕微鏡を使用してテスト中のサンプルの表面上の誘電体フィルムの厚さを測定する方法において、
（ａ）検出器のチップが誘電体フィルムと接触して基準点を較正するように、静電気力顕微鏡の検出器とテスト中のサンプルとの間に相対運動を生じさせ、
（ｂ）  表面上にサンプルを支持している圧電装置を使用して、テスト中のサンプルの表面の上方の間隔を隔てた位置に配置されている前記検出器の位置を検出し、
（ｃ）検出器の変位による移動を検出し、
（ｄ）フィルムの厚さが決定されることができるように、検出器チップとテスト中の表面との間の固定された距離における誘電体フィルムの厚さに対する周波数の２倍に対応している検出器のチップにおいて誘導される静電気力の周波数成分を決定するステップを含んでいる方法。
【請求項１４】
２倍周波数成分は、フィルムの厚さの変化によるエラーを減少させるために供給された直流バイアス電圧から検出される請求項１３記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電気力顕微鏡用のカンチレバーを備えた静電気力検出器に関する。
【従来の技術】
高い空間解像度を有するハードコピーおよび良好な品質のフルカラー画像は、電子写真技術において常に期待されている。受光装置は、高品質のハードコピーを得るための重要な装置である。受光装置ドラム上の電荷分布を正確に測定することが要求されているが、現在利用可能な装置の空間解像度はかなり低い。電子写真および半導体リサーチの両者において、非常に高い空間解像度による電荷分布測定が要求される。静電気力の使用により直径１０μｍより小さい空間解像度を電荷分布測定を可能にする測定システムを実現するための研究を行うことが望まれている。レーザプリンタの空間解像度はすでに６００ｄｐｉ以上になっており、これは各画素の直径がほぼ２１μｍということである。走査静電気力顕微鏡に関する研究が行われているが、これらの研究の理論の特徴は、単に平行板モデルの解析に拡張されただけであり、検出器の針が電荷分布測定に対して与える影響は全く論じられなかった。
【発明が解決しようとする課題】
したがって、空間解像度の測定がどの程度正確に行われることができるのか、電荷量検出が受ける検出器の形状の影響の程度、フィルムの厚さの変化およびテスト中のサンプルの誘電率が測定に与える影響の程度をこれまで知ることができなかった。
【課題を解決するための手段】
本発明によると、テスト中の表面上の絶対電荷量の測定を操作する有限エレメント法で検出器の近くの電圧分布を計算することによりいくつかの異なった形状の検出器上の電界分布を得ることによって検出器に与えられる静電気力が決定され、それによって解析と平行板モデルからの結果との間の差を規定することができる。電荷検出のエラーが発生する程度およびテストされるべき誘電体材料の厚さの変化は重要である。静電気力顕微鏡（ＥＦＭ）としてニッケル箔から形成された１０μの空間解像度に対して適切な形状を有するカンチレバーを備えた検出器が提供され、そこで生じた静電気力が計算される。
【発明の実施の形態】
図１には、本発明による静電顕微鏡の代表的な形態が示されている。このシステムは、アーム12および針またはチップ14を有する全体を10で示されたカンチレバーを備えた微細検出器と、レーザ22および光検出器24を含む光学システム20と、検出回路30と、圧電駆動装置のようなアクチュエータ44と動作するように関連付けられ、それによってアクチュエータ44用のスキャナ48と動作するように関連付けられているテスト中のサンプル40と、検出回路30の出力に接続されたプロセッサ50と、直流電圧の制御可能な電源60と、検出回路30の出力に接続された入力および直流電源60に対する関係を制御する時に接続される出力を有するフィードバック回路70と、交流電源80とから構成されている。直流電源60と接地または基準電位との間にはテスト中のサンプル40が接続されている。直流電源60および交流電源80の組合せは、検出器アーム12および検出回路30に接続されている。
【０００２】
テスト中の表面40上の電荷により、検出器のチップ14に静電気力が誘導される。この静電気力は、２つの端部の一方がトランスデューサ90の堅牢な本体に固定されているカンチレバーを湾曲させる。湾曲量は、オプティカル・レバー方法により電気信号として変換される。直流および交流から構成されている外部バイアス電圧は、導体92を介して検出器に供給され、電荷の極性を識別する。バイアス電圧Ｖt は、以下の式（１）によって与えられる。その後、検出器は、ωおよび２×ωの周波数成分を含む振動力を受取る。検出器のチップと金属基板との間の関係が図２に示されている平行板モデルとして考えられる場合、以下の式（２）および（３）がプローブのチップに生じる静電気力からのωおよび２×ω成分の情報を提供する。
【０００３】
【数１】
0004584446.tif 000002
上記の各式において、Ｖt は外部バイアス電圧であり、ρは電荷分布の密度であり、εはテスト中のサンプルの誘電率であり、ｄo は検出器チップとテスト中の表面との間の距離であり、ｄは検出器チップと金属基板と間の距離であり、Ｓは平行板の板の面積である。εおよびｄo が知られている場合、Ｆω（静電気力のω成分）を検出するか、あるいはＦωをゼロにするフィードバックとして検出器に与えられるＶDCを測定することによってρを得ることが可能である。ｄo がゼロならば、それはテスト中の表面が固体金属であることを意味する。Ｆ 2ωは、これを一定にするようにｄを制御することによりテスト中の表面の粗さの情報を提供する。誘電体フィルム100 上の電荷分布を測定しなければならないため、ｄo ＝０の状態は現実的ではなく、したがって、Ｆ 2ωを直接測定しなければならない。
【０００４】
最初に、検出器とテスト中の表面電荷との間に誘導された静電気力を得るためにテスト中の表面上の電荷のためにテスト中の表面と検出器との間のスペース中に生じた静電電圧分布を計算しなければならない。電圧分布を得ることによりポアッソンの式が解かれる：
【数２】
0004584446.tif 000003
ここで、Ｖはこの計算から得られる電圧であり、ρは電荷分布の密度であり、εo は真空中の誘電率である。静電電圧は、数値データのコンピュータ増強により視覚化されることができる。有限エレメント法、日本総研（ジャパン・リサーチ・インスティチュート・リミテッド）により指定されたＵＮＩＸワークステーション用のソフトウェアが、コンピュータ強化のために使用される。
【０００５】
次に、上述した電圧分布を使用することにより、検出器およびテスト中の表面の周囲の静電界分布が決定される。第３に、検出器とテスト中の表面上の電荷との間に誘起された静電気力を、前の２つのステップから得られたデータから計算する。
【０００６】
３つの異なった形状の検出器に対する静電気力が計算されている。１つの検出器において、チップ110 の形状は図１０のＡに示されている柱状であり、そのチップにおける直径は２０μｍであり、チップの長さは５０μｍであり、別の検出器において、チップ112 は図１０のＢに示されているように円錐形であり、この直径はカンチレバーにおいて２０μｍであり、先端に直径５μｍの半球113 を備えている。さらに別の検出器は、図１０のＣに示されている完全な円錐形または直円錐形のチップ114 を有し、この円錐はカンチレバーにおける直径が２０μｍであり、高さが１０μｍである。図３には、柱状検出器に対するＦＥＭ計算用のメッシュ構造120 が示されている。検出器のチップに近い領域に対して、微細な計算が行われる。この計算は、検出器から比較的遠い領域では大ざっぱに行われる傾向がある。計算は、次の条件に基づいて行われる：
（１）テスト中の表面は、金属基板と、比誘電率が３である厚さ１５μｍ乃至２５μｍの誘電体フィルムの層とを含んでいる。
（２）検出器は、テスト中の表面の上方に配置されている。検出器のチップと金属基板との間の距離は３０μｍである。
（３）テスト中の表面上の検出器の下方に、１ｆＣ（１×１０−１５Ｃ）の電荷が配置される。
【０００７】
静電気力の各計算は、３つの異なった形状の検出器に対して行われた。計算において、誘電体フィルムの厚さは、１５μｍから２５μｍに変化された。これらの計算の結果、検出器形状の相違が電荷検出に対して与える影響に関する情報が得られる。
【０００８】
図４乃至６における計算値は、検出器上で発生された静電気力の、テスト中の表面に対して垂直な成分を示す。テスト中の表面と平行な先端部の面積がより広い検出器がより大きい静電気力を発生できることが確認できる。この結果は、もっと高い空間解像度が要求された場合、感度を犠牲にしなければならず、高い感度が要求された場合は、空間解像度を犠牲にしなければならないことを示している。ただし、検出器の形状は常に、要求された空間解像度に基づいて考慮する必要がある。テスト中の表面に向いている検出器のチップの面積が広くなると、それだけ一層検出される静電気力が大きくなることが認められている。
【０００９】
通常の平行板モデルについて、テスト中の表面上の電荷量は、最初に静電気力を検出器上で使用してキャパシタンスを獲得し、次に使用されたキャパシタを上記の式（２）の定数として使用することにより電荷量を獲得することによって得られる。これは、柱状検出器用の平行板モデルと等価な面積をｄo ＝２０［μｍ］の位置で獲得し、ｄo の変化に関する平行板モデルの静電気力の変化を図４の曲線で表すということである。この平行板モデルの実際の面積は２８２［μｍ］2 である。とくに、図４を参照すると、曲線130 は図１０のＡにおいて110 で示されている柱状検出器に対するものであり、曲線132 は図１０のＢの半球タイプのチップ112 を有する円錐に対するものであり、曲線134 は図１０のＣの円錐タイプ114 に対するものであり、曲線136 は平行板モデルに対するものである。３つの異なったモデルのうち形状が平行板モデルに非常に近い柱状検出器から得られた結果でさえ、平行板モデルの結果とは異なっていたことが認められる。
【００１０】
平行板モデルと新しい計算との間のエラーは、検出器とテスト中の表面との間の距離（ｄ−ｄo ）が減少したときに増加し、その距離がｄo ＝２５［μｍ］に達したときに、５０％のエラーを想定しなければならない。この結果は、実際の検出器における面積平行板モデルにおいて等価な面積が、誘電体材料のフィルム（テスト中の表面）の厚さが変化したときには常に変化することを示している。
【００１１】
２×ω成分の使用によるフィルムの厚さの測定を考えるために、フィルムの厚さの差に基づいたいくつかの異なった場所で等価な面積を平行板モデルにおいて獲得するか、あるいは検出器上に生じた実際の静電気力を直接解析する必要がある。図５には、参考としてｄo ＝２０［μｍ］のフィルムの厚さの変化に関連したエラーが示されている。とくに、曲線140 は図１０のＡにおいて110 で示された柱状検出器に対するものであり、曲線142 は図１０のＢの半球タイプのチップ112 を有する円錐に対するものであり、曲線144 は図１０のＣの円錐タイプ114 に対するものである。２０［μｍ］±５［μｍ］のフィルムの厚さにしたがって−５０％乃至２５０％のエラーが認められ、とくに、検出器がテスト中の表面に近付いたときにエラーが増加することが認められることができる。したがって、この結果は、テスト中の表面が完全に平坦でなければ、平行板モデルにより正確な電荷量を得ることができないことを示唆している。エラーを１０％より低く抑制するために、０．１乃至０．５［μｍ］の分解能でフィルムの厚さの測定を行う必要がある。
【００１２】
誘電率が無限ではなく、テスト中の表面の底部が平坦である場合、フィルムの厚さは以下の方法で測定されることができる。はじめに、基準点が較正されるように、検出器チップがテスト中の表面の下面部分に接触させられる。その後、図１に示されている圧電素子44とスキャナ48との組合せを使用して、検出器の位置が上方に移動され、検出器の位置はその高い地点に設定される。検出器の変位によって移動する量は、圧電素子における電圧変化を測定することによって検出される。その後、計算された結果がフィルムの厚さ測定用のパラメータとして使用されることができるように、誘電体フィルムの種々の膜厚に対する各Ｆ 2ω成分が検出器のチップとテスト中の表面との間の固定した距離において予め計算される。このようにして、測定データと計算結果からフィルムの厚さを得ることができる。
【００１３】
検出器に対する静電気力（Ｆ 2ω成分）は、フィルムの厚さ変化に関連して計算される。１０Ｖの交流バイアス電圧が検出器に供給される。その結果は図６に示されている。とくに、曲線150 は図１０のＡにおいて110 で示された柱状検出器に対するものであり、曲線152 は図１０のＢの半球タイプのチップ112 を有する円錐に対するものであり、曲線154 は図１０のＣの円錐タイプ114 に対するものである。最小の静電気力は小さい円錐形の検出器モデルから得られると予測される。０．５［μｍ］のフィルムの厚さ変化によりほぼ１２［ｐＮ］の静電気力の差が検出されることができ、フィルムの厚さ変化により検出可能な静電気力は、力検出時に通常の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の解像度より大きい。これによって、０．５［μｍ］の解像度によるｄo の測定が軽いてこ装置を使用して行われなければならないことが計算ベースで確認された。
【００１４】
上記の計算結果に基づいて、そのチップの直径が数十［μｍ］である各カンチレバーに取付けられたいくつかの検出器が製造される。検出器として選択された材料は、ばね定数が数十ｍＮ／ｍの範囲であるニッケル箔である。図７の表には、製造されている検出器およびカンチレバーの物理的寸法およびばね定数と、カンチレバーを備えた市販の原子力顕微鏡（ＡＦＭ）検出器のこれらの特性とが示されている。上述のように、製造されたカンチレバーのばね定数は、通常のＡＦＭカンチレバーのばね定数とほとんど同じに選択される。チップの直径が５［μｍ］より小さい検出器が得られる。検出器チップ上において数［ｐＮ］の静電気力を発生させる可能性のある１［ｆＣ］ｃ未満の静電荷測定分解能が、１０［μｍ］の空間解像度で達成されなければならない。第２に、検出器上に生じた静電気力が図４に示されている計算方法どおりに計算された。計算モデルおよびその結果は、図８および９にそれぞれ示されている。とくに、ＦＥＭ計算用のメッシュ構造160 が図８に示されており、図９における曲線162 および164 はそれぞれＦωおよびＦ 2ω成分に対するものである。しかしながら、この計算は、コンピュータシステムのメモリ記憶容量に対する制限のために計算モデルの対称性を使用して実際の３次元モデルの１／４の部分に与えられたに過ぎず、検出器の針が比較的長いため、このＦＥＭに関して非常に多くの要素およびノードを計算する必要があることに注意しなければならない。
【００１５】
これらの計算結果から、２０［μｍ］を有するフィルムに対する［μｍ］ごとの検出エラーは１９．５％であることが認められ、検出エラーを１０％／μｍ未満に減少させるためには、０．５［μｍ］より低い解像度でフィルムの厚さ測定を行う必要がある。検出器に対してＶＡＣ＝１５Ｖが供給された場合、交流電界によりＦ 2ωは１ｐＮ／μｍの割合で変化した。したがって、フィルムの厚さの測定は０．５［μｍ］の解像度で行われることができる。測定に対する上記のバイアス条件下において、検出器のチップにおける電界強度は５．８×１０6 ［Ｖ／ｍ］であった。この電界強度は、コロナ放電が始まると想定される１０9 ［Ｖ／ｍ］の電界強度に比較して十分に低いため、コロナ発生は予想されない。したがって、本発明の検出器を使用してフィルムの厚さおよびテストサンプルの電荷量の両者を測定することが可能である。それに加えて、フィルムの厚さの変化による電荷量の読取りエラーは、１０％未満に減少させられることができる。
【００１６】
図１１のシステマティック・ヘッドの概略図は、本発明の静電気力顕微鏡をさらに示している。検出器170 は、カンチレバーアーム174 の一方の端部にチップ172 を有し、アーム174 の他端部はカンチレバー角度およびマイクロメータヘッド用の制御装置178 に関連して動作できるように本体176 に固定されている。レーザヘッド180 はビーム182 を供給し、レンズ184 がこのビーム182 の焦点を検出器170 上に結ばせる。反射鏡186 は、反射されたビーム188 を円筒レンズ190 に導き、この円筒レンズ190 がビームを光検出器192 上に集中させる。テスト表面194 は、Ｘ−Ｙ段198 と動作するように関連された圧電アクチュエータ196 上に位置している。
【００１７】
図１２のＡおよび１２のＢは、本発明の検出器の製造方法を示す。図１２のＡにおいて、複数のニッケル箔ストリップが基板本体202 の表面上に配置され、これらストリップの１つが200 で示されている。長さ約５ｃｍ、幅０．５ｍｍ、厚さ５μである各ストリップが検出器のアームを形成する。ニッケル箔には、良好な振動性能にとって十分なフレキシビリティ、導電率、耐腐蝕性を有し、および製造が容易である利点がある。図１２のＢは、焦点を結ばれたイオンビームにより研削してシャープにされた検出器チップの形成を示す。
【００１８】
比較的広い面積を走査する本発明の方法および装置により、たとえば数百ｃｍ3 が比較的高い空間解像度を与えられ、電荷分布が正確に測定される。検出器のチップまたは針の形状の影響が考慮され、また、テスト中のサンプル上の誘電体フィルムの厚さの変化の影響が補正される。上述のように有限エレメント法を使用して検出器上の静電気力を解析することにより、検出器の形状およびフィルムの厚さの変化による影響が評価される。正確な電荷分布量を測定するために、フィルムの厚さの測定を行う必要がある場合、フィルムの厚さに基づいてエラーが計算され、本発明によるフィルムの厚さの測定方法はＦ2wを検出することによって行われる。
【００１９】
結論として、カンチレバーを備えた静電気力検出器は、導電性表面上に設けられた誘電体フィルム上で静電荷が検出されることができるように設計および製造されている。静電気力を得ることによりある厚さｄo のフィルム上の静電荷量を知る方法によって、テスト中の表面に向いている等価な検出器のチップの面積がｄo の変化によって変わるため、フィルムの厚さｄo の変化にしたがって静電気力が変化することが確認された。数個の具体的なサンプルもまた示されている。フィルムの厚さの変化によって発生されたエラーの絶対量が計算され、誘電体フィルムの厚さ変化を知ることによってデータを補償することなしにフィルム上の静電荷の絶対量を知ることはできないことが確認された。供給された交流バイアス電圧からＦ2w成分を検出することによるフィルムの厚さ測定方法が提案されており、また、フィルムの厚さｄo の変化によるエラーを理論上１０％未満に減少させることができることが確認されている。カンチレバーを備えた検出器は、ニッケル箔から形成された。１ｆＣ未満の感度および１０［μｍ］の空間解像度により静電荷検出が可能なことを確認するために、検出器上に生じた静電気力が計算された。これらの結果から、静電荷およびテスト中のサンプルのフィルムの厚さの両者を同時に測定できるため、テスト中のサンプル上の静電荷の絶対量の測定値が期待されることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による静電気力顕微鏡の概略図。
【図２】  平行板モデルの概略図。
【図３】  ＦＥＭ計算のためのメッシュを示す概略図。
【図４】  本発明の特徴を示すグラフ。
【図５】  本発明の特徴を示すグラフ。
【図６】  本発明の特徴を示すグラフ。
【図７】  本発明の検出器におけるカンチレバーの感度を表す比較データを示す表。
【図８】  有限要素計算のためのメッシュを示す概略図。
【図９】  本発明の別の特徴を示すグラフ。
【図１０】  本発明による異なった形状の検出器を示す概略図。
【図１１】  本発明による静電気力顕微鏡のシステマティック・ヘッドを示す概略斜視図。
【図１２】  本発明による検出器の形成方法を示す斜視図。
【図１】
0004584446.tif 000004
【図２】
0004584446.tif 000005
【図３】
0004584446.tif 000006
【図４】
0004584446.tif 000007
【図５】
0004584446.tif 000008
【図６】
0004584446.tif 000009
【図７】
0004584446.tif 000010
【図８】
0004584446.tif 000011
【図９】
0004584446.tif 000012
【図１０】
0004584446.tif 000013
【図１１】
0004584446.tif 000014
【図１２】
0004584446.tif 000015