專利名稱:位移檢測機構(gòu)及使用該位移檢測機構(gòu)的掃描型探頭顯微鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高精度地測定懸臂的位移量的位移測定方法，尤其是涉及使用該方法的、能夠通過使探針在試樣表面掃描來觀察試樣的表面形狀或物性信息的掃描型探頭顯微鏡。
背景技術(shù)：
掃描型探頭顯微鏡(以下稱作SPM)是測定試樣的表面形狀或物性信息的顯微鏡，至今為止提出了各種各樣的測定模式。例如，有通過將在探針與試樣間流過的隧道電流保持恒定來取得表面形狀的掃描型隧道顯微鏡(以下稱作STM)，以及通過檢測探針與試樣間的原子間作用力來取得表面形狀的原子間作用力顯微鏡(以下稱作AFM)。在AFM中，存在通過將懸臂的撓度保持恒定來取得表面形狀的接觸模式，以及通過對懸臂勵振并將其振幅保持恒定來取得表面形狀的動態(tài)カ模式(以下稱作DFM模式)。一般地，在接觸模式下，探針與試樣始終接觸，在DFM模式下，探針與試樣是間歇性地接觸的。
在SPM中，能夠進行在取得試樣的表面形狀的同時取得試樣的物性信息的物性測定。尤其是當(dāng)使用在探針上鍍上金屬的導(dǎo)電性懸臂時，能夠測定試樣表面的電物性。例如，可列舉觀察試樣的表面電位的開爾文力(Kelvin Force)顯微鏡(以下稱作KFM)、測定靜電力的靜電カ顯微鏡(以下稱作EFM)、能夠觀察磁力特性的磁力顯微鏡(以下稱作MFM)等。在任何測定方法中，都是將探針與試樣保持為非接觸狀態(tài)，檢測探針與試樣表面的物理相互作用作為懸臂的位移(例如參照非專利文獻I)。
在使探針和試樣接觸的狀態(tài)下，即在接觸模式狀態(tài)下，能夠測定試樣表面的各種物性信息。例如，可列舉能夠計測試樣表面的靜電電容變化的掃描型非線性介電顯微鏡(以下稱作SNDM)。SNDM計測由于在導(dǎo)電性懸臂與試樣間施加交流電壓引起的試樣的靜電電容變化。作為靜電電容變化的計測方法，將導(dǎo)電性懸臂安裝在LC諧振器上，將探針正下面的靜電電容變化變換成LC諧振器的諧振頻率變化，進而用FM解調(diào)器等將該諧振頻率變化變換成電壓變化，從而將靜電電容變化作為電壓變化進行檢測(例如參照專利文獻I)。
另ー方面，作為懸臂的位移檢測方法，一般是光學(xué)杠桿方式。光學(xué)杠桿方式是指將激光等光照射在懸臂的背面，通過檢測其反射光的位置來檢測懸臂的撓度(位移)。作為不使用光的方法，存在利用壓敏電阻的壓敏電阻型自檢測懸臂。在這種方式下，通過將壓敏電阻體變形傳感器搭載在懸臂上，將懸臂的撓度作為壓敏電阻體的電阻的變化進行檢測(例如參照專利文獻2)。
專利文獻
專利文獻I
日本特開平8-75806號公報
專利文獻2
日本特表2007-532923號公報
非專利文獻

非專利文獻I
山岡武博著、材料技術(shù)Vol.23No. 4(2005)211
非專利文獻2
M. Takahashi, T. Igarashi, T. Ujihara and T. Takahashi “photovoltage Mapping on Polycrystalline Silicon Solar Cells by Kelvin ProveForce Microscopy with Piezoresistive Cantilever，，, Jpn. J. Appl. Phys. , 46, 548 (2007)
在AFM中，為了檢測懸臂的位移一般采用光學(xué)杠桿方式。然而，有時由于光也被照射在試樣上，因而在進行物性測定時受到該光的影響。尤其是在計測試樣表面的電位或電流等時，有時試樣本身由于光激勵等而使物性值發(fā)生變化，無法測定正確的物性信息。另夕卜，由于同樣的理由，有時將光照射在試樣上，測定由于有光無光引起的試樣的物性信息的變化變得困難。
另ー方面，使用壓敏電阻型自檢測懸臂的方法由于沒有在懸臂的位移探測中使用光，因而沒有上述的影響。然而，在測定KFM等電物性時產(chǎn)生各種限制。例如，使用的懸臂需要具有壓敏電阻體，需要復(fù)雜的構(gòu)造或特別的制造過程。當(dāng)然，無法使用市場上銷售的ー般的懸臂。另外，在電物性測定中，一般是使用在探針上鍍上金屬的導(dǎo)電性懸臂，但是在探針上鍍上金屬的壓敏電阻型自檢測懸臂需要更加復(fù)雜的構(gòu)造或制造過程，制作這樣的壓敏電阻型自檢測懸臂本身就具有困難性。另外，KFM、EFM等在試樣與探針間施加交流電場的 測定中，施加的交流電場也被施加到壓敏電阻傳感器上，由此在壓敏電阻體上產(chǎn)生的位移電流作為相對于臂的位移信號的噪音而混入，導(dǎo)致無法正確的測定。關(guān)于這一點，雖然報告了利用作用在探針與試樣間的交流電場與作用在壓敏電阻傳感器上的交流電場的相位差的KFM的測定例子，但是裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜且分辨率差(參照非專利文獻2)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明用于解決上述的問題，其目的在于，提供一種與現(xiàn)有的光學(xué)杠桿方式或者自檢測型的懸臂位移檢測方法不同的新的位移檢測機構(gòu)以及使用該位移檢測機構(gòu)的掃描型探頭顯微鏡。
本發(fā)明的懸臂位移檢測機構(gòu)在懸臂發(fā)生位移時檢測該位移，所述懸臂向與成為位置基準(zhǔn)的基準(zhǔn)臺相対的方向進行恒定的振動，其特征在干，該懸臂位移檢測機構(gòu)具有靜電電容變化檢測單元，該靜電電容變化檢測單元檢測基于所述懸臂的振動變化的、在該懸臂與所述基準(zhǔn)臺間產(chǎn)生的靜電電容變化，根據(jù)所述靜電電容變化來評價所述懸臂的位移。由此，能夠排除光學(xué)杠桿方式或者自檢測方式的不足。
另外，本發(fā)明中，作為靜電電容變化檢測單元使用了靜電電容傳感器。
另外，本發(fā)明中，作為另外ー種靜電電容變化檢測單元，利用LC諧振器和F-V變換器、或者LC諧振器和FM解調(diào)器，評價基于靜電電容變化的LC諧振器的諧振頻率的變化作為電壓變化。
另外，本發(fā)明中，掃描型探頭顯微鏡具有使用了所述位移檢測機構(gòu)的位移檢測部。
另外，本發(fā)明中，在具有使用了所述位移檢測機構(gòu)的位移檢測部的掃描型探頭顯微鏡中，該位移檢測部能夠檢測懸臂的振動振幅和相位。由此，能夠應(yīng)用到不同測定模式的掃描型探頭顯微鏡。另外，本發(fā)明中，能夠在遮斷光的狀態(tài)下進行形狀測定或物性測定，不受光激勵的影響，能夠比較由于有光無光引起的試樣的形狀或物性信息的變化。
根據(jù)本發(fā)明的掃描型探頭顯微鏡，能夠檢測懸臂的位移作為懸臂的臂部與試樣間的靜電電容變化。
由此，由于不用像光學(xué)杠桿方式那樣地使用光，因而不會受到由此帶來的影響，能夠取得測定試樣的真實的物性信息，另外，能夠觀察由于有光無光引起的試樣的物性信息的變化、由于光的強度的不同或光的頻率的不同引起的、試樣的物性信息的變化。
另外，不需要懸臂具有自檢測型中的壓敏電阻傳感器，可以使用市場上出售的通用的懸臂(包含導(dǎo)電性懸臂)。并且，即使在對懸臂施加電場的情況下，由于沒有壓敏電阻傳感器，因而沒有受到影響的因素，能夠容易地進行KFM、EFM等的電物性測定。


圖I是本發(fā)明的第一實施方式的掃描型探頭顯微鏡的概略結(jié)構(gòu)圖。
圖2的(a)是示出懸臂與試樣間的靜電電容的圖。
圖2的(b)是將懸臂與試樣間的靜電電容看作平行平板電容器的圖。圖3是本發(fā)明的第二實施方式的掃描型探頭顯微鏡的概略結(jié)構(gòu)圖。
圖4是本發(fā)明的第三實施方式的掃描型探頭顯微鏡的概略結(jié)構(gòu)圖。
標(biāo)號說明
I :懸臂；2 :探針；3 :臂部；4 :臂施振単元；5 LC諧振器；6 =F-V變換器；7 :懸臂位移檢測部；8 :控制部；9 :XY驅(qū)動部；10 :Z驅(qū)動部；11 :三維致動器；12 :試樣臺(基準(zhǔn))；13 顯示部；14 :鎖相放大器；15 :信號發(fā)生器；16 :反饋電路；17 :照明裝置；S :試樣(基準(zhǔn))；L :光。
具體實施方式
使用
本發(fā)明的掃描型探頭顯微鏡。
在圖I中，示出與本發(fā)明的第一實施例相關(guān)的掃描型探頭顯微鏡的結(jié)構(gòu)的ー個示例。
本發(fā)明的掃描型探頭顯微鏡具有具有探針2的懸臂1，該探針2被配置成針尖朝向設(shè)置在試樣臺12上方的試樣的試樣表面S，并且能夠相對于該試樣表面S進行與試樣表面S平行的X、Y方向的掃描和與該試樣表面S垂直的Z方向的移動；能夠使該懸臂I振動的臂施振単元4 ;以及檢測懸臂I的位移的懸臂位移檢測部7。試樣臺12或者載置在其上部的試樣S成為懸臂I的位置的基準(zhǔn),該試樣臺12或者試樣S的表面與該懸臂I間的靜電電容變得重要。
試樣臺12被安裝在三維致動器11上，能夠使探針2和試樣表面S在所述X、Y以及Z方向相對移動。
在三維致動器11上，連接有驅(qū)動三維致動器11使試樣表面S在X、Y、Z方向上掃描的XY驅(qū)動機構(gòu)9和Z驅(qū)動機構(gòu)10。
另外，XY驅(qū)動機構(gòu)9和Z驅(qū)動機構(gòu)10與控制部8連接，由此被控制部8控制。
懸臂位移檢測部7由LC諧振器5和F-V變換器6構(gòu)成。當(dāng)懸臂I位移吋，該懸臂I與試樣表面S間的靜電電容(或者懸臂I與試樣臺12間的靜電電容)發(fā)生變化。通過檢測該靜電電容的變化，檢測懸臂I的位移。
具體而言，LC諧振器5與懸臂I連接，當(dāng)檢測(識別)到所述靜電電容的變化吋，作為LC諧振器5的諧振頻率的變化進行檢測。由F-V變換器6檢測(識別)該諧振頻率的變化，作為電壓的變化進行檢測(變換)，并發(fā)送到控制部8。即，通過“懸臂的位移”、“靜電電容的變化”、“諧振頻率的變化”以及“電壓的變化”的依次變換，檢測懸臂的位移。
接著，對于懸臂與試樣表面間的靜電電容的變化量的計算方法進行說明。
將圖2的(a)所示的懸臂與試樣表面假定為圖2的(b)所示的平行平板電容器吋，該靜電電容用以下的公式I表示。
權(quán)利要求
1.一種懸臂位移檢測機構(gòu)，該懸臂位移檢測機構(gòu)在懸臂發(fā)生位移時檢測該位移，所述懸臂向與成為位置基準(zhǔn)的基準(zhǔn)臺相対的方向進行恒定的振動，其中， 該懸臂位移檢測機構(gòu)具有靜電電容變化檢測單元，該靜電電容變化檢測單元檢測基于所述懸臂的振動變化的、在該懸臂與所述基準(zhǔn)臺間產(chǎn)生的靜電電容變化， 根據(jù)所述靜電電容變化來評價所述懸臂的位移。
2.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的懸臂位移檢測機構(gòu)，其中，所述靜電電容變化檢測單元是靜電電容傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的懸臂位移檢測機構(gòu)，其中， 所述靜電電容變化檢測單元由振動頻率和/或振動振幅檢測單元和電信號檢測單元構(gòu)成，所述振動頻率和/或振動振幅檢測單元檢測基于該靜電電容變化的所述懸臂的振動頻率和/或振動振幅，所述電信號檢測單元檢測基于該振動頻率和/或振動振幅的電信號，所述靜電電容變化檢測單元識別基于所述靜電電容變化的所述懸臂的振動頻率和/或振動振幅，并且，評價所述懸臂的位移作為基于該懸臂的振動頻率和/或振動振幅的電信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求
3所述的懸臂位移檢測機構(gòu)，其中，所述振動頻率和/或振動振幅檢測單元是與所述懸臂電連接的LC諧振器，檢測基于所述靜電電容變化的該LC諧振器的諧振頻率。
5.根據(jù)權(quán)利要求
3所述的懸臂位移檢測機構(gòu)，其中，所述電信號檢測單元是與所述振動頻率和/或振動振幅檢測單元電連接的F-V變換器或者與所述振動頻率和/或振動振幅檢測單元電連接的FM解調(diào)器，作為基于所述振動頻率和/或振動振幅的電壓進行檢測。
6.—種掃描型探頭顯微鏡,該掃描型探頭顯微鏡具有 前端具有探針的懸臂； 使所述懸臂振動的臂施振単元； 載置試樣的試樣臺，所述試樣放置在與所述探針的前端相対的位置上； 相對地向X、Y以及Z方向驅(qū)動所述試樣表面和所述探針的XY驅(qū)動機構(gòu)以及Z驅(qū)動機構(gòu)； 檢測所述懸臂的位移的懸臂位移檢測部；以及 從該懸臂位移檢測部檢測到的懸臂的位移信息中提取所述試樣表面的形狀數(shù)據(jù)或物性數(shù)據(jù)的控制部，其中， 所述懸臂位移檢測部具有權(quán)利要求
I所述的懸臂位移檢測機構(gòu)，根據(jù)伴隨由于所述懸臂的位移而產(chǎn)生的振動變化的、所述懸臂與所述試樣的表面間的靜電電容變化，評價所述懸臂的位移。
7.根據(jù)權(quán)利要求
6所述的掃描型探頭顯微鏡，其中，所述懸臂位移檢測部檢測所述懸臂的振動振幅、振動頻率以及相位。
8.根據(jù)權(quán)利要求
6所述的掃描型探頭顯微鏡，其中，所述懸臂位移檢測部檢測由于所述臂施振単元而振動的懸臂的、與所述臂施振単元同一頻率成分的振動振幅。
9.根據(jù)權(quán)利要求
6所述的掃描型探頭顯微鏡，其中，所述懸臂位移檢測部檢測由于所述臂施振単元而振動的懸臂的、與所述臂施振単元之間的相位差。
10.根據(jù)權(quán)利要求
6所述的掃描型探頭顯微鏡，其中，所述懸臂位移檢測部檢測由于在所述試樣表面與所述探針間施加的交流電場而振動的懸臂的振動振幅和相位。
11.根據(jù)權(quán)利要求
10所述的掃描型探頭顯微鏡，其中，所述懸臂位移檢測部檢測由于在所述試樣表面與所述探針間施加的交流電場而振動的懸臂的、與所述交流電場同一頻率成分的振動振幅。
12.根據(jù)權(quán)利要求
10所述的掃描型探頭顯微鏡，其中，所述懸臂位移檢測部檢測由于在所述試樣表面與所述探針間施加的交流電場而振動的懸臂的、與所述交流電場之間的相位差。
13.根據(jù)權(quán)利要求
10所述的掃描型探頭顯微鏡，其中， 所述懸臂位移檢測部檢測由于在所述試樣表面與所述探針間施加的交流電場而振動的懸臂的、所述交流電場的至少2倍以上的頻率成分的振動振幅和相位。
14.根據(jù)權(quán)利要求
6所述的掃描型探頭顯微鏡，其中，該掃描型探頭顯微鏡具有用于向所述試樣表面和/或探針照射光的照明裝置。
15.根據(jù)權(quán)利要求
14所述的掃描型探頭顯微鏡，其中，檢測由于開關(guān)從所述照明裝置照射的光引起的、試樣表面的形狀和物性信息的不同。
16.根據(jù)權(quán)利要求
14所述的掃描型探頭顯微鏡，其中，檢測由于從所述照明裝置照射的光的頻率的不同引起的、試樣表面的形狀和物性信息的不同。
17.根據(jù)權(quán)利要求
14所述的掃描型探頭顯微鏡，其中，檢測由于從所述照明裝置照射的光的強度的不同引起的、試樣表面的形狀和物性信息的不同。
專利摘要
本發(fā)明的目的在于，提供一種非光學(xué)杠桿方式或自檢測型的位移檢測的懸臂位移檢測機構(gòu)以及使用該懸臂位移檢測機構(gòu)的掃描型探頭顯微鏡。利用由LC諧振器和F-V變換器構(gòu)成的懸臂位移檢測器，檢測懸臂與試樣表面間的靜電電容變化，從而能夠檢測懸臂的位移。由此，能夠在遮斷光的狀態(tài)下進行形狀測定或物性測定，并且，能夠測定由于有光無光引起的試樣的形狀或物性信息的變化。
文檔編號G01Q10/00GKCN102654516SQ201210052249
公開日2012年9月5日 申請日期2012年3月1日
發(fā)明者廣瀬龍介 申請人:精工電子納米科技有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan