(57)【要約】【課題】  凹凸のある試料であっても局所的電気特性を高い精度で測定できる走査プローブ顕微鏡を提供する。【解決手段】  先端部に針状のプローブ２３を設けたカンチレバー２２を振動させて試料表面の高さ情報を情報取得し、前記カンチレバー２２の振動及び走査を停止したときに、前記試料表面の高さ情報に基づいて、プローブ２３の先端を試料表面から一定の距離に保つようにカンチレバー２２の位置を制御し、そのカンチレバー２２の高さを保った状態からカンチレバー２２を湾曲させ、プローブ２３の先端を試料５１に押し込む。プローブ２３の先端と試料表面とは一定の距離に保たれているため、カンチレバー２２を一定量湾曲させるだけで、凹凸のある試料５１に対してもプローブ２３の押し込み深さを一定とすることができる。これにより、凹凸のある試料５１であっても局所的電気特性を高い精度で測定できる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端部に針状のプローブを設けたカンチレバーを振動させて試料表面の高さ情報を取得する試料高さ情報取得手段と、
前記カンチレバーの振動及び走査を停止したときに、前記試料表面の高さ情報に基づいて、プローブの先端を試料表面から一定の距離に保つようにカンチレバーの位置を制御するカンチレバー高さ制御手段と、
前記一定の距離に保った状態から前記カンチレバーを湾曲させることにより、前記プローブの先端を前記試料に押し込むカンチレバー湾曲手段と、
前記プローブが試料に押し込まれたときに前記試料に測定信号を印加して前記プローブを介して前記試料の局所的な電気特性を測定する電気特性測定装置と、
前記試料の高さ情報及び局所的な電気特性の分布を測定するため、前記プローブを前記試料表面に沿って走査させるプローブ走査機構と、を備えたことを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記カンチレバー湾曲手段は、前記カンチレバーに取り付けられた圧電素子からなることを特徴とする請求項１に記載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項３】
前記カンチレバー湾曲手段は、一端が前記カンチレバーの先端側の上面又は下面に接続され、他端が前記カンチレバーを保持するホルダーに固定された圧電素子であって、電圧の印加により前記カンチレバーを押し下げる方向の力を与える圧電素子からなることを特徴とする請求項１に記載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項４】
前記カンチレバー湾曲手段は、前記カンチレバーの上面及び下面にそれぞれ設けられた複数の圧電体膜により構成され、上面に設けられた圧電体膜と下面に設けられた圧電体膜とに差動的な電圧を印加することにより、前記カンチレバーの上面側に伸張する方向の力を与えると共に前記カンチレバーの下面側に収縮する方向の力を与えることを特徴とする請求項１に記載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項５】
前記カンチレバー湾曲手段によるカンチレバーの湾曲量が一定値であることを特徴とする請求項１に記載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項６】
先端に針状のプローブが形成されたカンチレバーを振動させて試料の高さ情報を取得するステップと、
前記プローブの走査を停止すると共に前記カンチレバーの振動を停止し、前記試料の高さ情報に基づいて前記プローブの先端を前記試料の表面から一定の距離に保つようにカンチレバーの高さを制御するステップと、
前記カンチレバーの高さを保持しつつ前記カンチレバーを湾曲させて前記プローブを前記試料内に押し込むステップと、
前記プローブを前記試料内に押し込んだ状態で前記試料に測定信号を印加し、前記プローブから測定信号を検出することにより、前記試料の局所的な電気特性を測定するステップと、を備えたことを特徴とする局所的電気特性の測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料の導電率や誘電率といった電気的特性を局所的に測定できる走査プローブ顕微鏡及びこれを用いた局所的電気特性測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＬＳＩ等の半導体装置の高集積化にともない、半導体装置を構成するトランジスタ等の素子が微細化している。従来、半導体装置の評価を行うため、プローバを用いて個々の素子に電極を接続し、測定信号を印加して素子の電気的特性の測定をおこなっていた。しかし、微細化の進展にともない、プローバによる素子の電気的特性の評価が困難になりつつある。
【０００３】
素子の微細化にあたっては、局所的な不純物の分布が素子の特性に大きな影響を及ぼすため、素子全体の電気的特性のみならず素子内の電気的特性を局所的に測定することが求められている。このような電気的特性の測定は、素子の微細化に伴う製造プロセス（製造条件）の複雑化及び高度化に伴い、不良発生原因の解明のためにも重要である。
【０００４】
半導体装置の局所的電気特性を測定する方法としてＡＦＭ（Atomic Force Microscope：原子間力顕微鏡）等のプローブ（探針）を用いた測定方法がある。この方法は、ＡＦＭのプローブを試料に接触または接近させて走査しながら、プローブと試料との間に所定の電圧を印加することにより試料の電気的特性を局所的に測定することができる（例えば特許文献１）。また、自然酸化膜等の絶縁膜が形成された試料についての局所的電気特性の測定には、プローブの走査の途中で、プローブの先端を試料中に押し込むことにより、試料表面の自然酸化膜を突き破ってプローブと試料内部とを電気的に接触させて電気的特性を測定する方法がある。
【特許文献１】特開２００５−６４０６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の走査プローブを用いた試料の測定では、プローブを試料に接触させた状態で走査をおこなうコンタクトモードで試料表面の形状を測定し、電気的特性の測定は、カンチレバーの湾曲量を圧電素子などで検出しながら湾曲量が一定となるようにプローブを押し付けて行っていた。しかし、この方法では、試料表面の状態により測定誤差が大きくなる場合がある。図１及び図２に従来の問題点を示す。ここで、図１において１０１は試料１０５を構成する半導体基板であり、１０２はその表面の自然酸化膜である。また、図２において、１０４はプローブ１０３を支持するカンチレバーである。
【０００６】
例えば、図１に示すような表面を有する試料１０５について測定を行う場合には、試料表面が比較的平坦な領域Iの部分と、傾斜を有する領域IIとの間では摩擦力が異なり、カンチレバー１０４の湾曲量を一定に保つ制御のみでは、プローブ１０３の接触圧を一定に保つことができない。また、カンチレバー１０４の湾曲量によって押し込み量を制御した場合には、試料表面との摩擦が少ない部分（領域I）では図２（ａ）に示すような押し込み量ｄ１が得られるのに対し、試料表面との摩擦力が大きい領域（領域II）では、図２（ｂ）のような押し込み量ｄ２となり、試料表面で均一な押し込み量とすることができない。このため、プローブ１０３と試料１０５との間の接触面積等が変化し、測定結果に試料表面の形状に起因する誤差が入ってしまい、凹凸の有る試料では、試料自体の有する電気的特性を高い精度で測定を行うことができなかった。
【０００７】
したがって、従来の方法では高精度で試料の電気的特性を測定するには、測定前に試料を研磨して試料表面の二乗平均面粗さ（ＲＭＳ）を０．２ｎｍ以下にする必要があった。しかしながら、ＲＭＳが０．２ｎｍ以下といった試料を調整するのは非常に手間がかかるという問題があった。さらに、鏡面研磨に適さない構造を有する試料については、精度の高い局所的電気特性の測定ができない。
【０００８】
本発明の目的は、凹凸がある試料であっても高い精度で電気的特性を測定することのできる走査プローブ顕微鏡及びこれを用いた局所的電気特性の測定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一観点によれば、先端部に針状のプローブを設けたカンチレバーを振動させて試料表面の高さ情報を取得する試料高さ情報取得手段と、前記カンチレバーの振動及び走査を停止したときに、前記試料表面の高さ情報に基づいて、プローブの先端を試料表面から一定の距離に保つようにカンチレバーの位置を制御するカンチレバー高さ制御手段と、前記一定の距離に保った状態から前記カンチレバーを湾曲させることにより、前記プローブの先端を前記試料に押し込むカンチレバー湾曲手段と、前記プローブが試料に押し込まれたときに前記試料に測定信号を印加して前記プローブを介して前記試料の局所的な電気特性を測定する電気特性測定装置と、前記試料の高さ情報及び局所的な電気特性の分布を測定するため、前記プローブを前記試料表面に沿って走査させるプローブ走査機構と、を備えたことを特徴とする走査プローブ顕微鏡が提供される。
【００１０】
上記観点によれば、カンチレバーを振動（タッピング）させて試料の高さ情報を取得する。これにより従来のコンタクトモードに比べて凹凸のある試料表面へのプローブの追随性が向上する。さらに、カンチレバーの押し込み動作を行う際に、カンチレバーの振動及び走査を停止して、カンチレバー高さ制御手段によりプローブ先端を試料表面から一定の距離となるようにカンチレバーの高さを制御する。これにより、試料表面状態（傾斜や凹凸）に影響されること無く、カンチレバー押し込み直前の条件を常に等しくすることができる。ここで、“一定の距離”には、プローブ先端と試料表面との距離が零である場合、すなわち、プローブ先端が試料表面に接触している状態を含むものとする。
【００１１】
プローブの押し込み動作は、カンチレバー高さ制御手段によりカンチレバーの高さを一定に保ったまま、カンチレバー湾曲手段によりカンチレバーのみを湾曲させることによりプローブの先端を試料内に押し込むことにより行われる。このように、プローブに近接したカンチレバーの湾曲によりプローブを押し込むため、カンチレバー全体の高さを押し下げてプローブを押し込む場合と比較して、試料表面状態に影響されること無く、制御性良く確実にプローブを試料内に押し込むことができる。したがって、上記観点の走査プローブ顕微鏡によれば、試料表面に凹凸を有する試料であってもプローブの押し込み量を一定とすることができ、局所的な電気特性を高い精度で測定することができる。
【００１２】
さらに、本発明によれば、上述のカンチレバー湾曲手段を、カンチレバーに設けた圧電素子で構成した走査プローブ顕微鏡が提供される。圧電素子を用いることにより、プローブの自由端をｎｍオーダといった高い精度で制御することができる。
【００１３】
尚、カンチレバー湾曲手段を圧電素子で構成する場合には、一端がカンチレバーの先端側の上面又は下面に接続され、他端がカンチレバーを保持するホルダーに固定された圧電素子であって、電圧の印加により前記カンチレバーを押し下げる方向の力を与える圧電素子によって構成できる。このような構成とすれば、複数の圧電体を積層した積層型を用いることができる。また、前記カンチレバー湾曲手段を、前記カンチレバー上面及び下面に設けられた複数の圧電体膜であって、上面及び下面に設けられた圧電体膜に差動的な電圧を印加することにより前記カンチレバーの上面側に伸張する方向の力を与え、前記カンチレバーの下面側に収縮する方向の力を与える複数の圧電体膜によって構成してもよい。この場合には、圧電体膜及びその電極を成膜プロセス及びエッチング等の半導体製造プロセスを用いて作製することができる。
【００１４】
さらに、本発明の上記観点では、押し込みを行う直前のカンチレバーの高さが、プローブ先端が試料表面から一定の距離となるように保たれている。このため、前記カンチレバー湾曲手段によるカンチレバーの湾曲量を一定にするだけで、プローブの押し込み深さを一定とすることができる。このように、カンチレバー湾曲手段の制御は一定量の湾曲を行わせるだけであり、制御装置の構成を簡単にできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して説明する。
【００１６】
図３は、本発明の一実施形態に係わる走査プローブ顕微鏡を示すブロック図である。図４（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係わる走査プローブ顕微鏡に使用するカンチレバーを示す側面図である。以下の説明において、Ｘ−Ｙ方向とは、試料ステージ５２及び試料５１の表面と平行な方向を指し、Ｚ方向とは試料５１の表面と垂直な方向を意味する。
【００１７】
図３に示す本発明の一実施形態に係わる走査プローブ顕微鏡１０において、試料高さ情報取得手段は、光センサ６２、振幅検出回路４２、全体制御回路４１、及びＺ方向送り制御回路４４からなるフィードバックループによって構成され、カンチレバー高さ制御手段は、全体制御回路４１及びＺ方向送り制御回路４４で構成され、カンチレバー湾曲手段はカンチレバー湾曲部材７０で構成され、電気特性測定装置は、電気特性測定回路４５及び測定電圧制御回路４７で構成され、プローブ走査機構はＸ−Ｙ方向送り機構３１で構成されている。以下、本実施形態に係わる走査プローブ顕微鏡１０の各部の構成について更に詳細に説明する。
【００１８】
Ｘ−Ｙ方向送り機構３１は、後述するホルダー３３及びこれに取り付けられたプローブ（探針）２３をＸ−Ｙ方向に送るための機構であり、所定の走査領域内にわたって、プローブ２３を試料５１の表面と平行に走査させることができる。Ｘ−Ｙ方向送り機構３１は例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などの圧電体を用いた駆動素子によって構成することができ、カンチレバー２２及びその先端に形成されているプローブ２３を、１ｎｍ以下のステップで移動させることができる。
【００１９】
Ｚ方向送り機構３２は、Ｘ−Ｙ方向送り機構３１の可動部分に取り付けられ、カンチレバー２２及びその先端に取り付けられたプローブ２３をＺ方向に例えば０．０５ｎｍ程度（光てこ方式の最小解像度）のステップで送ることができる。Ｚ方向送り機構３２は、例えばＰＺＴ等の圧電体を用いた駆動素子によって構成される。Ｚ方向送り機構３２は、更にカンチレバー２２にその共振周波数（例えば３００ｋＨｚ）付近であって、Ｚ方向の振幅を有する振動を与えることができる。Ｚ方向送り機構３２の送りの量は後述するＺ方向送り制御回路４４からの制御出力によって定められる。
【００２０】
ホルダー３３は、カンチレバー２２を保持するための部材であり、Ｚ方向送り機構３２の可動部に取り付けられている。ホルダー３３には、カンチレバー２２が脱着可能に取り付けられている。
【００２１】
カンチレバー２２は、一端がホルダー３３に固定され、他方の一端が自由端となっており、その自由端には、プローブ２３が形成されている。カンチレバー２２は、例えば中抜きの三角形状又は矩形状の薄板であって、その厚さは０．１〜５μｍ程度、長さは数十μｍ程度とすることができる。カンチレバー２２は、例えば、Ｓｉ又はＳｉＮ単結晶の薄板を用いることができる。カンチレバー２２には、カンチレバー湾曲制御回路４６によって駆動されるカンチレバー湾曲部材７０が設けられている。このカンチレバー湾曲部材７０によりＺ方向送り機構３２と独立してカンチレバー２２をＺ方向に湾曲させることができ、カンチレバー２２の自由端側に取り付けられたプローブ２３を、試料表面に押し付けることができる。カンチレバー２２の湾曲量は、カンチレバー湾曲部材７０に印加する制御電圧によって調整することができる。例えば、試料５１が半導体装置（Ｓｉ単結晶）について測定を行う場合には、自然酸化膜の厚さは１〜３ｎｍ程度なので、カンチレバー２２を湾曲させる直前のプローブ２３と試料５１の表面との間隔に加えて、プローブ２３が半導体等の自然酸化膜を突き破るのに必要な１〜３ｎｍのプローブ押し下げ量が得られるようにカンチレバー２２を湾曲させる。
【００２２】
プローブ２３は、カンチレバー２２の自由端側の一面から突出して形成されている。プローブ２３は、先端にかけて細くなるように形成されその先端部は、例えば、１〜５０ｎｍ程度の曲率半径を有する。本実施形態のプローブ２３は、自然酸化膜を突き破って試料内部と電気的に接触するため、機械的な強度の高い材料を用いることが好ましく、例えば、ＣＶＤ法等によって形成された導電性を有するＤＬＣ（Diamond Like Carbon）等を用いることができる。また、プローブ２３の導電性を良くするため、スパッタ法等により金属薄膜（例えばＰｔＩｒ等）をその表面に形成しても良い。その他、プローブ２３には硬度の高いＰｔＩｒ又はＮｉＳｉ等を用いることができる。
【００２３】
以下図４（ａ）及び（ｂ）を参照しつつ、本実施形態のカンチレバー湾曲部材７０の構成例について説明する。
【００２４】
図４（ａ）に示すように、本実施形態のカンチレバー湾曲部材７０の第１の構成例は、カンチレバー２２に取り付けられた圧電素子７１によって構成される。圧電素子７１の一端は接合部材７３によってカンチレバー２２に取り付けられ、他方の端は、例えば、スペーサ７４及び支持板７２等の構造物を介してホルダー３３に固定されている。この圧電素子７１は、多数の圧電体膜を重ねて棒状に形成した積層型の圧電素子を使用でき、電圧の変化により厚み方向（図中Ｉ方向）に伸縮する。この構成例のカンチレバー２２では、圧電素子７１に電圧を印加することにより、圧電素子７１が紙面の上下方向（矢印Ｉ方向）に収縮し、カンチレバー２２の自由端を矢印Ａ方向に押し下げることができる。尚、圧電素子７１をカンチレバー２２の上方に取り付けて、圧電素子７１を伸張させることによりカンチレバー２２を押し下げる構成としても良い。
【００２５】
図４（ｂ）は、本実施形態のカンチレバー湾曲部材７０の第２の構成例であり、カンチレバー２２の上下の両面に、圧電素子７５及び７６が積層された、バイモルフ構造となっている。圧電素子７５及び７６には、例えばＳｉ単結晶薄板のカンチレバー２２の表面にスパッタ法やＣＶＤ法等によって形成されたＰＺＴ膜等を使用できる。また、圧電素子７５及び７６の電極は公知の半導体製造プロセスにより作製できる。本構成例のカンチレバー湾曲部材７０は、圧電素子７５及び７６にそれぞれ差動的な（符合の異なる）電圧を印加することにより、圧電素子７５を矢印II方向に収縮させるとともに、圧電素子７６を矢印III方向に伸張させることができる。圧電素子７５及び７６の伸縮によりカンチレバー２２に反りが生じ、その自由端側が矢印Ａ方向に押し下げられる。尚、図示の例では、カンチレバー２２の表面の一部にのみ圧電素子７５及び７６を形成したが、これらをカンチレバー２２の全面に形成しても良い。
【００２６】
上記の構成例では、カンチレバー２２に圧電素子を設けて反りを生じさせる構成であるが、本実施形態はこれらに限られず、カンチレバー２２の自由端側を試料５１の方に変位させるための各種構成を用いることができ、例えば、熱膨張率の異なる金属を張り合わせたバイメタルをカンチレバー２２に取り付け、電流による発熱によってカンチレバー２２を押し下げる方向の力を与えてカンチレバー２２を湾曲させる構成や、磁気若しくは静電気による吸引力又は反発力を用いた構成とすることができる。
【００２７】
以上の本実施形態では、プローブ２３を試料５１に押し付けるための部材として、カンチレバー２２にカンチレバー湾曲部材７０が形成されている。これにより、Ｚ方向送り制御手段を用いてプローブ２３の押し込み動作をする場合と比較して、より強い力で制御性良くプローブ２３を試料５１に押し込むことができる。
【００２８】
図３に戻り、走査プローブ顕微鏡１０の他の構成について説明する。
【００２９】
レーザ光源６１と光センサ６２は、カンチレバー２２のＺ方向の変移を検出するセンサを構成する。レーザ光源６１からの光は、カンチレバー２２の自由端付近の上面に照射され、反射したレーザ光は光センサ６２上に所定の像を形成するように構成されている。光センサ６２は例えば４分割したフォトダイオードによって構成できる。カンチレバー２２のＺ方向の変位に応じて、光センサ６２に形成される反射光の像が変化し、光センサ６２を構成するそれぞれのフォトダイオードの出力が変化する。この光センサ６２からの出力は振動状態検出回路４２に送られる。
【００３０】
試料５１は、図８に示すように、例えば、半導体装置を切断したものであり、測定電圧を印加するための電極１１４が形成されている。この電極１１４には測定信号制御回路４７が接続され、電気的特性の測定時に所定の直流電圧又は交流電圧（測定電圧）が試料５１に印加される。尚、図８において１１０はゲート、１１１及び１１２は不純物拡散領域、１１３はシリコン基板を示している。本実施形態の走査プローブ顕微鏡１０によれば、例えばＺ方向送り機構３２を構成する圧電素子に５０００ｎｍの伸張幅を有する素子を用いたときには、二乗平均面粗さ（ＲＭＳ）が２５００ｎｍ程度までの試料について局所的な電気特性を測定することができる。試料ステージ５２は、試料５１を保持するものであり、特に図示しないが、測定領域付近までの大まかな送り運動を与える粗動機構が設けられている。
【００３１】
次に本実施形態の走査プローブ顕微鏡１０の制御部について説明する。本実施形態の制御部は、振動状態検出回路４２、Ｘ−Ｙ方向送り制御回路４３、Ｚ方向送り制御回路４４、電気特性測定回路４５、カンチレバー湾曲制御回路４６、測定信号制御回路４７、及びこれらの制御回路全体を制御する全体制御回路４１によって構成される。
【００３２】
振動状態検出回路４２は、光センサ６２からの検出信号に基づいて、カンチレバー２２の振動の振幅を計測する。カンチレバー２２の振動運動によりプローブ２３が試料５１と接近または接触すると、試料５１の表面の原子とプローブ２３との間で原子間力が働き、カンチレバー２２の振幅に変化が生ずる。この振幅値が所定の基準値を超えたとき又は所定の基準値を下まわった場合には、検出された振幅値と基準値との差に応じた出力を有するエラー信号が全体制御回路４１に送出される。全体制御回路４１は、このエラー信号がゼロとなるように、すなわちプローブ２３と試料５１との間隔を一定に保ってカンチレバー２２の振幅が一定となるように、Ｚ方向送り制御回路４４に制御信号を出力する。振動状態検出回路４２からのエラー信号がゼロとなった時点でのＺ方向送り制御回路４４への制御出力は、試料５１の高さ情報を与える。このように、本実施形態に係わる走査プローブ顕微鏡１０では、振動状態検出回路４２、全体制御回路４１、及びＺ方向送り制御回路４４によって、フィードバックループが形成され、プローブ２３と試料５１との間隔は一定に保たれる。
【００３３】
Ｘ−Ｙ方向送り制御回路４３は全体制御回路４１からの制御信号に基づいて、Ｘ−Ｙ方向送り機構３１に制御出力を送出する。この制御出力に基づいてＸ−Ｙ方向送り機構３１はプローブ２３（カンチレバー２２）を試料５１の表面に沿って走査させる。
【００３４】
Ｚ方向送り制御回路４４は、全体制御回路４１からの制御信号に基づいて、カンチレバー２２のＺ方向の送り運動を与えるべく、直流成分の制御電圧をＺ方向送り制御機構３２に与える。また、Ｚ方向送り制御回路４４は、Ｚ方向送り制御機構３２に一定振幅の交流成分の制御電圧を、上述の直流成分の制御電圧に重畳して印加する。この交流成分の制御電圧の周波数は、カンチレバー２２の共振周波数付近の周波数であり、これによりカンチレバー２２を共振周波数（例えば３００ｋＨｚ）付近でＺ方向に振動させる。尚、後述するプローブ２３の押し込み動作時には、交流成分の制御電圧の印加は停止され、直流成分の制御電圧のみがＺ方向送り機構３２に印加される。
【００３５】
電気特性測定回路４５は、プローブ２３と電気的に接続され、試料５１に所定の測定信号を印加したときに、プローブ２３に流れる電流値や、信号レベルを検出する。例えば、試料５１の局所的な容量ＣやｄＣ／ｄＶの分布測定をおこなう場合には、容量計等を用いることができ、試料５１の局所的な抵抗値ＲやｄＩ／ｄＶの分布測定をおこなう場合には、電流計を用いることができる。また、電気特性測定回路４５は、容量計及び電流計の両方を備え測定目的に応じて切り替えて使用するものであっても良い。電気特性測定回路４５の測定結果は全体制御回路４１に送出される。
【００３６】
カンチレバー湾曲制御回路４６は、全体制御回路４１からの制御信号に基づいて、カンチレバー湾曲部材７０に所定の制御電圧を印加する。例えば、カンチレバー湾曲部材７０に積層型圧電素子を用いる図４（ａ）の構成例では、一定の制御電圧を圧電素子７１に印加することによりカンチレバー２２の自由端側に取り付けられたプローブ２３を一定量押し下げる。また、図４（ｂ）に示す構成例のように、カンチレバー湾曲部材７０を圧電素子７５及び７６を積層したバイモルフ構造とした場合には、圧電素子７５と圧電素子７６にそれぞれ差動的な（符号の異なる）制御電圧を印加する。上述のフィードバックループによりプローブ２３と試料５１の表面との間隔は常に一定値に制御されているため、カンチレバー湾曲制御回路４６から圧電素子７１、又は圧電素子７５及び７６に印加する電圧を一定値としておけば、プローブ２３の先端の押し下げ量（試料５１への押し込み量）は、試料５１の表面の凹凸の状態によらずに常に一定値に保たれる。
【００３７】
測定電圧制御回路４７は、試料５１に取り付けられた電極と接続されており、全体制御回路４１からの制御信号に基づいて試料５１に各種の測定信号を印加する。例えば、Ｉ−Ｖ特性の測定の場合は、定電圧電源により試料５１に一定電圧を印加する。ｄＩ／ｄＶ特性の測定時には印加電圧を一定速度で変化する電圧を印加する。また、容量Ｃ測定の場合には、試料５１に所定振幅の交流電圧を、必要に応じて所定の直流電圧に重畳させながら、印加する。
【００３８】
全体制御回路４１は、上述の各種制御回路４２〜４７に制御信号を送信して制御を行うと共に、振動状態検出回路４２及び電気特性測定回路４５からの検出信号を受信する。この外特に図示しないが、外部のインターフェースを介して測定データの出力及び各種動作指令の受信を行う。
【００３９】
次に本実施形態の走査プローブ顕微鏡１０の動作について、図５乃至図７を参照しつつ説明する。ここで、図５は、本発明の一実施形態に係わる走査プローブ顕微鏡の測定手順の一例を示すフローチャートであり、図６（ａ）は、本発明の一実施形態に係わる走査プローブ顕微鏡の測定時におけるプローブの動作を示す模式図であり、図６（ｂ）は、押し込み動作時のカンチレバーの湾曲の様子を示す側面図であり、図７は、本発明の一実施形態に係わる走査プローブ顕微鏡の測定時の制御信号の波形の一例を示す図である。図８は、本発明の一実施形態に係わる走査プローブ顕微鏡の測定の様子を示す斜視図である。
【００４０】
以下、本実施形態の走査プローブ顕微鏡１０の動作を図６（ａ）に示すような凹凸を有する試料５１の表面に沿ってプローブ２３を走査しながら局所的電気特性を測定する場合を例に説明する。
【００４１】
先ず、試料ステージ５２の粗動機構（不図示）を使って測定領域付近をプローブ２３の付近に接近させる。その後、Ｚ方向送り機構３２により、カンチレバー２２を共振周波数付近で振動させながらプローブ２３を試料５１の表面に接近させる（ステップＳ１０）。
【００４２】
次に、振動状態検出回路４２、全体制御回路４１及びＺ方向送り制御回路４４のフィードバックループによりプローブ２３を試料５１の表面から一定の距離に保ちつつ、Ｘ−Ｙ方向送り機構３１によりプローブ２３を試料５１の表面に沿って一定速度で一定時間（例えばｔ0〜ｔ1）移動（走査）させる（ステップＳ２０）。このとき、プローブ２３は、図６（ａ）で、矢印ｔ0〜ｔ1の部分を振動（タッピング）しながら移動していく。時間ｔ1の直前において、プローブ２３は、破線２３ｂ及び２３ｃに示す位置で振動している。また、時間ｔ0〜ｔ1の間、Ｚ方向送り制御回路４４からの制御電圧は、例えば、図７の波形（Ｂ）に示すように変化する。ここで、波形（Ｂ）において横軸は時間を表し、縦軸は制御電圧を示す。ｔ0〜ｔ1にかけて、カンチレバー２２を振動させるため、交流成分の制御電圧がＺ方向送り機構３２に印加されている。さらに、カンチレバー２２の振幅が一定となるように、上述のフィードバックループによって制御された直流成分の制御電圧が印加されている。図６（ａ）に示すように、ｔ0〜ｔ1にかけてプローブ２３が移動する部分では試料５１の高さが一定であるため、Ｚ方向送り制御回路４４からの直流成分の制御電圧も図７の波形（Ｂ）に示すように一定値である。一方、プローブ２３のＺ方向の位置（高さは）は、図７の波形（Ａ）に示すように変化する。ここで、波形（Ａ）の横軸は時間を示し、縦軸はプローブ２３の先端部分のＺ方向の位置（高さ）を表す。図７の波形（Ａ）に示すように、時間ｔ0〜ｔ1にかけてプローブ２３の先端はカンチレバー２２の振動によりＺ方向に一定の振幅で振動している。
【００４３】
次に、Ｚ方向送り制御回路４４からの交流成分の制御電圧の印加を停止して、Ｚ方向送り機構３２の振動を止めるとともに、Ｘ−Ｙ方向の送り運動を停止して、プローブ２３の走査を停止する（ステップＳ３０）。これにより、図６（ａ）の破線２３ｃに示すように、試料５１の表面から所定の間隔を置いた位置で停止する。このとき、Ｚ方向送り制御回路４４からの制御電圧及びプローブ２３のＺ方向の位置（高さ）は、図７の時間ｔ1におけるそれぞれの値をとる。
【００４４】
次に時間ｔ1〜ｔ2にかけて、カンチレバー２２を湾曲させてプローブ２３を試料５１の表面に接触させ、又は試料５１の内部に押し込む（ステップＳ４０）。例えば、試料５１が半導体等のように自然酸化膜５１ｂを形成する試料についてｄＩ／ｄＶ（Ｉ／Ｖ）特性の測定を行う場合には、プローブ２３の先端を、図６（ａ）に示すように、試料５１の内部に押し込む。尚、容量Ｃの測定をおこなう場合には、プローブ２３を試料内部に押し込まず、試料表面と接触する程度にカンチレバー２２を湾曲させる。
【００４５】
このとき、Ｚ方向送り制御回路４４からの制御電圧は、図７の波形（Ｂ）で交流成分の制御電圧の印加を停止する直前（時刻ｔ1）の直流成分の制御電圧に保たれる。一方、カンチレバー湾曲制御回路４６からは時間ｔ1〜ｔ2にかけて、例えば、図７の波形（Ｃ）に示す制御電圧がカンチレバー湾曲部材７０の圧電素子７１に印加される。ここに、波形（Ｃ）の横軸は時間であり、縦軸はカンチレバー湾曲回路４６からの制御電圧を示す。これによりカンチレバー２２が湾曲し、自由端側が試料表面方向に下がり、プローブ２３が試料内に押し込まれる。時間ｔ1〜ｔ2にかけてプローブ２３の先端のＺ方向の位置は、図７の波形（Ａ）に示すように変化する。
【００４６】
また、時間ｔ1〜ｔ2にかけて、例えば、測定電圧制御回路４７から試料５１に図７の波形（Ｄ）に示すような測定電圧を印加して試料５１の局所的電気特性の測定をおこなう（ステップＳ５０）。尚、図７の波形はｄＩ／ｄＶ測定をおこなうときの一例であり、抵抗測定のみをおこなう場合にはｔ1〜ｔ2にかけて電圧値を一定値に保った直流電圧の測定信号を印加する。また、容量測定の場合には直流電圧に交流信号を重畳した測定電圧を印加する。ｔ1〜ｔ2にかけての電気的特性の測定は数ミリ秒の間行われる。
【００４７】
次に時間ｔ2に、カンチレバー２２の湾曲を戻し、プローブ２３の先端を試料表面又は試料内部から引き上げる（ステップＳ６０）。これにより、図６（ａ）の破線２３ｃに示すように、プローブ２３は試料表面から所定の高さに移動する。
【００４８】
次に、カンチレバー２２を振動させる（ステップＳ７０）。同時に振動状態検出回路４２、全体制御回路４１、Ｚ方向送り制御回路４４のフィードバックループを作動させて、プローブ２３と試料５１の表面との間隔を一定に保つようにＺ方向送り機構３２の制御を行う。
【００４９】
以降、上述のステップＳ２０に戻り、プローブ２３の走査が終了するまで、ステップＳ２０〜Ｓ７０までの処理を繰り返しながら、試料５１の局所的電気特性の測定をおこなっていく。この間、プローブ２３は、例えば、図６（ａ）に示すように、紙面の右から左へ移動して行き、一定の間隔毎にプローブ２３を試料５１に押し込んで局所的電気特性を測定する。局所的電気特性の測定位置の間隔（ピッチ）は、測定範囲や測定時間の観点から適宜設定することができるが、最も高い空間的解像度で測定を行う場合には１ｎｍピッチで行うこともできる。このような、プローブ２３の押し込み動作において、プローブ２３が押し込まれる直前のプローブ２３と試料５１の表面との間隔は、試料表面の高さや摩擦に影響されること無く一定に保たれる。これにより、図６（ｂ）に示すように、押し込み直前のカンチレバー２２ｂ及び押し込み動作時の撓んだカンチレバー２２ａでのプローブ２３の押し込み量Ｄは試料表面の状態（摩擦や傾斜）によらず一定となる。
【００５０】
以上のように、本実施形態の走査プローブ顕微鏡１０によれば、プローブ２３と試料５１の表面との間隔は、フィードバックループによって一定に保たれるとともに、カンチレバー２２のカンチレバー湾曲部材に一定の制御電圧を与えるだけで、試料の凹凸によらずにプローブ２３を試料内部に一定量押し込むことができる。これにより凹凸のある試料であっても局所的電気特性を精度良く測定することができる。このため、試料の鏡面研磨を行う必要が無く、測定結果を得るまでの作業工数を削減できる。また、研磨に適さない表面構造を有する試料についても局所的電気特性を精度良く測定できる。
【００５１】
以下、本発明の諸態様を、付記としてまとめて記載する。
【００５２】
（付記１）  先端部に針状のプローブを設けたカンチレバーを振動させて試料表面の高さ情報を取得する試料高さ情報取得手段と、前記カンチレバーの振動及び走査を停止したときに、前記試料表面の高さ情報に基づいて、プローブの先端を試料表面から一定の距離に保つようにカンチレバーの位置を制御するカンチレバー高さ制御手段と、前記一定の距離に保った状態から前記カンチレバーを湾曲させることにより、前記プローブの先端を前記試料に押し込むカンチレバー湾曲手段と、前記プローブが試料に押し込まれたときに前記試料に測定信号を印加して前記プローブを介して前記試料の局所的な電気特性を測定する電気特性測定装置と、前記試料の高さ情報及び局所的な電気特性の分布を測定するため、前記プローブを前記試料表面に沿って走査させるプローブ走査機構と、を備えたことを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【００５３】
（付記２）  前記カンチレバー湾曲手段は、前記カンチレバーに取り付けられた圧電素子からなることを特徴とする付記１に記載の走査プローブ顕微鏡。
【００５４】
（付記３）  前記カンチレバー湾曲手段は、一端が前記カンチレバーの先端側の上面又は下面に接続され、他端が前記カンチレバーを保持するホルダーに固定された圧電素子であって、電圧の印加により前記カンチレバーを押し下げる方向の力を与える圧電素子からなることを特徴とする付記１に記載の走査プローブ顕微鏡。
【００５５】
（付記４）  前記カンチレバー湾曲手段は、前記カンチレバーの上面及び下面にそれぞれ設けられた複数の圧電体膜により構成され、上面に設けられた圧電体膜と下面に設けられた圧電体膜とに差動的な電圧を印加することにより、前記カンチレバーの上面側に伸張する方向の力を与えると共に前記カンチレバーの下面側に収縮する方向の力を与えることを特徴とする付記１に記載の走査プローブ顕微鏡。
【００５６】
（付記５）  前記カンチレバー湾曲手段は、前記カンチレバーの上面又は下面に設けられた異なる熱膨張率を有する金属を積層した金属積層膜によって構成され、電流による発熱により前記カンチレバーに押し下げる方向の力を与えることを特徴とする付記１に記載の走査プローブ顕微鏡。
【００５７】
（付記６）  前記電気特性測定装置は、前記試料に直流電圧を測定信号として印加して、前記試料の局所的な電流・電圧特性を測定することを特徴とする付記１に記載の走査プローブ顕微鏡。
【００５８】
（付記７）  前記電気特性測定装置は、前記試料と前記プローブとの間に、直流電圧に重畳した交流電圧を測定信号として印加して、前記試料の局所的な容量・電圧（ｄＣ／ｄＶ）特性を測定することを特徴とする付記１に記載の走査プローブ顕微鏡。
【００５９】
（付記８）  前記カンチレバー湾曲手段による前記カンチレバーの湾曲量が一定値であることを特徴とする付記１に記載の走査プローブ顕微鏡。
【００６０】
（付記９）  先端に針状のプローブが形成されたカンチレバーを振動させて試料の高さ情報を取得するステップと、前記プローブの走査を停止すると共に前記カンチレバーの振動を停止し、前記試料の高さ情報に基づいて前記プローブの先端を前記試料表面から一定の距離に保つようにカンチレバーの高さを制御するステップと、前記カンチレバーの高さを保持しつつ前記カンチレバーを湾曲させて前記プローブを前記試料内に押し込むステップと、前記プローブを前記試料内に押し込んだ状態で前記試料に測定信号を印加し、前記プローブから測定信号を検出することにより、前記試料の局所的な電気特性を測定するステップと、を備えたことを特徴とする局所的電気特性の測定方法。
【００６１】
（付記１０）  前記カンチレバーの湾曲量を一定値にすることにより、プローブ押し込み深さを一定とすることを特徴とする付記９に記載の局所的電気特性の測定方法。
【００６２】
（付記１１）  前記電気特性を測定するステップは、前記試料に直流電圧を測定信号として印加して、前記試料の局所的な電流・電圧特性を測定することを特徴とする付記９に記載の局所的電気特性の測定方法。
【００６３】
（付記１２）  前記電気特性を測定するステップは、前記試料に直流電圧に重畳した交流電圧を測定信号として印加して、前記試料の局所的な容量・電圧（ｄＣ／ｄＶ）特性を測定することを特徴とする付記１に記載の走査プローブ顕微鏡。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】図１は、従来の走査プローブ顕微鏡による局所的な電気特性測定時の問題点を示す模式図である（その１）。
【図２】図２は、従来の走査プローブ顕微鏡による局所的な電気的特性の測定時の問題点を示す模式図である（その２）。
【図３】図３は、本発明の一実施形態に係わる走査プローブ顕微鏡を示すブロック図である。
【図４】図４（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係わる走査プローブ顕微鏡に使用するカンチレバーを示す側面図である。
【図５】図５は、本発明の一実施形態に係わる走査プローブ顕微鏡の測定手順の一例を示すフローチャートである。
【図６】図６（ａ）は、本発明の一実施形態に係わる走査プローブ顕微鏡の測定時におけるプローブの動作を示す模式図である。図６（ｂ）は、押し込み動作時のカンチレバーの湾曲の様子を示す側面図である。
【図７】図７は、本発明の一実施形態に係わる走査プローブ顕微鏡の測定時の制御信号の波形の一例を示す図である。
【図８】図８は、本発明の一実施形態に係わる走査プローブ顕微鏡による測定に使用する試料の一例を示す模式図である。
【符号の説明】
【００６５】
１０…走査プローブ顕微鏡、２２…カンチレバー、２３…プローブ、３１…Ｘ−Ｙ方向送り機構、３２…Ｚ方向送り機構、３３…ホルダー、４１…全体制御回路、４２…振動状態検出回路、４３…Ｘ−Ｙ方向送り制御回路、４４…Ｚ方向送り制御回路、４５…電気特性測定回路、４６…カンチレバー湾曲制御回路、４７…測定電圧制御回路、５１…試料、５２…試料ステージ、６１…レーザ光源、６２…光センサ、７０…カンチレバー湾曲部材、７１…圧電素子、７２…支持板、７３…接合部材、７４…スペーサ、７５、７６…電素子、１０１…半導体基板、１０２…自然酸化膜、１０３…プローブ２３、１０４…カンチレバー、１０５…試料、１１０…ゲート、１１１、１１２…不純物拡散領域、１１３…シリコン基板、１１４…電極。
【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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