JPH07248335A - 表面形状測定装置及び測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 構成が簡単でしかも作製が容易なＡＦＭカン
チレバーを備えた表面形状測定装置を提供する。 【構成】 原子間力検出用探針付きカンチレバーと、カ
ンチレバー上に二つの電極に挟まれて形成されカンチレ
バーの共振周波数付近の振動を励起するための圧電薄膜
と、圧電薄膜のインピーダンスを測定する手段を設けた
構造とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、原子間力を検出してナ
ノメータオーダで物体の表面形状を測定する表面形状測
定装置および測定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】高分解能を有する表面測定装置には、原
子間力顕微鏡（ＡＦＭ）があり、探針と被検物が接触す
るコンタクトモードではオングストロームオーダの解像
力を持つ装置が既に作製されている。しかしながら、コ
ンタクトモードでは探針と被検物の間の接触圧力が強
く、フォトレジスト等の柔らかい表面の測定では被検物
に傷を与えてしまい、またシリコン等の被検物では両者
の間に化学的結合が生ずること等の問題がある。さら
に、より高い解像力を得ることが要求されているため、
探針と被検物が接触しないノンコンタクトモードへの要
求が高まっている。このモードではカンチレバーを共振
させて使うため、通常のＡＦＭの場合には複雑な変位検
出機構に加えて、セラミックス圧電振動子をカンチレバ
ーの励振のためにカンチレバー近傍に取り付ける必要が
ある。

【０００３】また、もう一つのＡＦＭ開発の方向とし
て、カンチレバーの変位検出の手段として従来広く用い
られてきた光てこ等の光学的検出方法に換え、外部変位
検出機構の必要の無い単独で変位検出機構を持ったカン
チレバーの開発が挙げられる。このようなカンチレバー
に作り込むことのできる変位検出機構としては、カンチ
レバー上に圧電、ピエゾ抵抗部位を形成し、応力の変化
に対応するこれら特性の変化を読む方法、キャパシター
を形成して電気容量の変化を読む方法、さらにカンチレ
バー上に光導波路を形成して光学的干渉を測定する方法
などがある。

【０００４】上記二つのアプローチを同時に行うとすれ
ば、変位検出機構を持ったカンチレバーを励振用圧電セ
ラッミクス振動子と接合するか、あるいは励振用の圧電
薄膜を変位検出機構に併せて作製する必要がある。この
ことは素子デザインに大きな制限を加えると共に、カン
チレバー作製プロセスを極めて複雑なものとしてしま
う。

【０００５】この問題を回避する一つの手段として、音
叉型水晶振動子を原子間力検出用プローブとして用い、
ノンコンタクトモードでしかも外部変位検出手段を用い
ずに、表面形状を測定した例が報告されている（P. Gun
ther et al., Appl. Phys. B48,89-92）。また、この例
では水晶振動子を発振回路の一部として組み込み機械系
の共振点で安定な発振が得られるようにしてある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たような音叉型水晶振動子を用いる方法では、水晶振動
子の先端に探針を形成することが困難で横分解能が極め
て低い。P. GuntherらのＡＦＭでは大きな等価的な接触
面積を利用し空気抵抗が振動子に作用することを利用し
て初めて動作が可能になり、仮に振動子先端を鋭利に加
工できたとしても作用面積が小さくなり感度が落ちる。
また振動子のバネ定数が極めて高く、振動子が硬いた
め、力の感度即ち縦分解能を極めて低く設定する必要が
ある。また発振回路を構成しているため振動子の振幅が
大きくなっていることからも縦分解能を高くすることが
できない。

【０００７】本発明はこのような従来技術の問題に鑑み
て、先端に鋭利な探針を持ちしかも適切なバネ定数を有
し、単独で変位検出機構を備えノンコンタクトモードで
使われる、構成が簡単でしかも作製が容易なＡＦＭカン
チレバーを備えた表面形状測定装置を提供することを目
的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、従来ＡＦ
Ｍカンチレバーの変位検出機構の一つとして使われてい
たカンチレバー上に形成された圧電薄膜をカンチレバー
を振動させるための駆動手段として使い、圧電薄膜のイ
ンピーダンス変化を測定することで、カンチレバーの振
動状態、言い換えると探針と被検物との間に働く力を知
ることができるとの着想を得た。

【０００９】よって本発明は「原子間力を検出して物体
の表面形状を測定する表面形状測定装置において、原子
間力検出用探針付きカンチレバーと、該カンチレバー上
に二つの電極に挟まれて形成されカンチレバーの共振周
波数付近の振動を励起するための圧電薄膜と、該圧電薄
膜のインピーダンスを測定する手段とからなることを特
徴とする表面形状測定装置（請求項１）」および、「原
子間力を検出して物体の表面形状を測定する表面形状測
定方法において、原子間力検出用探針付きカンチレバー
を、カンチレバー上に二つの電極に挟まれて形成された
圧電材料からなる薄膜によりカンチレバーの共振周波数
付近で振動させ、同時に圧電薄膜のインピーダンスを測
定して振動状態の変化を検出し、これにより表面形状を
測定することを特徴とする表面形状測定方法（請求項
６）」を提供する。

【００１０】

【作用】圧電薄膜の両側の電極に電界を加えると、横方
向の逆圧電効果（圧電定数ｄ₃₁で表される）により圧電
薄膜が膜面方向に伸縮しようとし、この薄膜が固着して
いるカンチレバーの長さは不変であるため、いわゆるユ
ニモルフとしての片持ち振動がカンチレバーに励起され
る。この時、駆動用電圧が圧電薄膜に印加された際の薄
膜に流れる電流を検出すれば圧電薄膜のインピーダンス
を知ることができる。圧電振動子のインピーダンスは加
える交流電圧の周波数が振動子に固有の共振周波数に近
づくとその前後で大きく変化する。従って、共振周波数
付近の周波数を持つ交流電圧を圧電薄膜に加えカンチレ
バーを振動させている場合、探針と被検物の間に原子間
力が作用するとカンチレバーの共振周波数がカンチレバ
ー単独の共振周波数からずれるため、インピーダンスが
大きく変化する。このインピーダンスの変化量から原子
間力を知ることができ、従って表面の形状に関する情報
を得ることができる。

【００１１】圧電薄膜を駆動・検出兼用の電気系の一部
として組み込み、帰還回路を構成すれば、駆動用電圧を
リファレンスとして、圧電薄膜に流れる電流を容易に位
相検波することができる。また、帰還回路の増幅率と位
相を調整すれば、ＡＦＭカンチレバーと回路からなる系
全体の振動のクオリティーファクター（Ｑ値）をＡＦＭ
カンチレバーの単独のＱ値より高めることができ、結果
として検出感度が向上する。

【００１２】効率の良いカンチレバーの励振を行うため
には、鉛系複合酸化物強誘電材料、特にチタン酸ジルコ
ニウム酸鉛複合酸化物の相境界領域組成からなる強誘電
材料を使用することが望ましい。鉛はカンチレバーを構
成するシリコン、窒化珪素、酸化珪素等の材料と極めて
反応性が高い。従って、鉛系複合酸化物を薄膜材料とし
て用いた場合、薄膜とカンチレバーの間に形成される電
極がこれらの化学反応に対する原子拡散バリヤーとして
の機能が高くないと、成膜時に鉛とカンチレバー材料の
間で反応が起こってしまう。白金はこの原子拡散バリヤ
ーとしての効果が著しく高い。

【００１３】

【実施例】本発明に基づく、駆動用圧電薄膜が形成され
た探針付きＡＦＭカンチレバーの基本構成を図１に示
す。作製方法としては、特願平５ー１８０５３２で開示
された方法に準じた。すなわち、シリコン基板（１）上
に窒化珪素膜（４）をＣＶＤ法で形成し、反応性ドライ
エッチングにより探針（３）に当たる部分の窒化珪素膜
を除去し、水酸化カリウムで異方性エッチングにより探
針となるエッチピットを形成する。ＣＶＤ法によりさら
に窒化珪素を堆積し、この上にバッファー層となる酸化
マグネシウム（５）をスパッタ法により成膜する。続い
て、通常のフォトリソグラフィーとスパッタ法により白
金下部電極（６）パターンを形成する。さらに、フォト
リソグラフィーによりレジストパターンを形成し、カン
チレバー（２）本体とその基体となる部分以外の酸化マ
グネシウム、窒化珪素膜を反応性ドライエッチングによ
り除去し、異方性エッチングによりカンチレバー本体を
形成する。この後、スパッタ法によりＰＺＴ膜（７）を
形成し、最後に白金上部電極（８）をマスク蒸着により
作製する。尚、圧電効果をより有効に取り出すため、
上、下部電極を用いてＰＺＴ膜に対して分極処理を施す
ことが望ましい。

【００１４】この様に従来のシリコンプロセスを応用す
れば、本発明のＡＦＭカンチレバーは、従来のカンチレ
バーと同程度の鋭利な探針と適切なバネ定数を持つこと
が可能であり、またＰＺＴ膜及び電極の構造が単純であ
るためプロセスに対する負担は殆ど変わらない。また、
圧電膜をカンチレバーに載せたことで、自分自身が単独
で駆動できるという、水晶振動子プローブと基本的に同
じ作用を持つことができるようになった。

【００１５】図２に、本発明に基づく圧電薄膜を持つＡ
ＦＭカンチレバーを使用し圧電薄膜を帰還回路の一部と
した表面形状測定の一態様を示す。発振器（９）よりＡ
ＦＭカンチレバー（１３）の共振周波数付近の交流駆動
信号をカンチレバー上の圧電薄膜へ加える。共振周波数
付近では圧電薄膜のインピーダンスは図３に示すように
大きく変化する。例えば、図中（ａ）で示される周波数
でカンチレバーを駆動するとする。圧電薄膜に流れる電
流は検出抵抗（１２）により電圧として高抵抗差動アン
プ（１４）により検出し、位相補正回路（１５）により
駆動信号に対して位相を合わせ、同時にゲイン可変アン
プ（１０）によりゲインを調整し、ロックインアンプ
（１１）により位相検波を行い、測定する。この際、正
帰還回路の増幅率と位相を調整してＡＦＭカンチレバー
と電気回路とからなる系全体のＱ値をカンチレバー単独
のＱ値より高めることにより、検出感度をさらに向上さ
せることもできる。

【００１６】共振しているＡＦＭカンチレバーの探針と
被検物との間に力が働くと、共振特性は図３中に示すよ
うに低周波数側へシフトする。この時、圧電薄膜のイン
ピーダンスは（ａ）から（ａ’）へと変化し、これをロ
ックインアンプで検出すれば、原子間力の変化、すなわ
被検物の表面形状を知ることができる。また、従来のＡ
ＦＭのフィードバックモードのように、インピーダンス
一定になるようにＡＦＭ走査系に帰還することで引力走
査状態を保ちながら被検物に与えるダメージを極めて少
なくして測定することが可能である。

【００１７】

【発明の効果】以上の通り、本発明に従えば、ノンコン
タクトモードで使われ、単独で変位検出機構を備え、適
切なバネ定数を有し、しかも構成が簡単で作製が容易な
ＡＦＭカンチレバーを備えた表面形状測定装置が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に基づく、駆動用圧電薄膜が形成され
た探針付きＡＦＭカンチレバーの基本構成を示す図であ
る。

【図２】 本発明に基づく、圧電薄膜を持つＡＦＭカン
チレバーを使用し圧電薄膜を帰還回路の一部とした表面
形状測定の一態様を示す図である。

【図３】 圧電薄膜のインピーダンスの共振特性を示す
図である。

【符号の説明】

１ 基板 ２ カンチレバー ３ 探針 ４ 窒化珪素膜 ５ 酸化マグネシウム膜 ６ 下部電極 ７ ＰＺＴ膜 ８ 上部電極 ９ 発振器 １０ ゲイン可変アンプ １１ ロックインアンプ １２ 電流検出用抵抗 １３ ＡＦＭカンチレバー １４ 高抵抗作動アンプ １５ 位相補正回路

フロントページの続き (72)発明者 三五 貴敬 東京都千代田区丸の内３丁目２番３号 株 式会社ニコン内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】原子間力を検出して物体の表面形状を測定
   する表面形状測定装置において、原子間力検出用探針付
   きカンチレバーと、該カンチレバー上に二つの電極に挟
   まれて形成されカンチレバーの共振周波数付近の振動を
   励起するための圧電薄膜と、該圧電薄膜のインピーダン
   スを測定する手段とからなることを特徴とする表面形状
   測定装置。
2. 【請求項２】請求項１に記載の表面形状測定装置におい
   て、カンチレバー上の圧電薄膜が帰還回路の一部を構成
   することを特徴とする表面形状測定装置。
3. 【請求項３】請求項１に記載の表面形状測定装置におい
   て、圧電材料が鉛系複合酸化物強誘電材料であることを
   特徴とする表面形状測定装置。
4. 【請求項４】請求項１に記載の表面形状測定装置におい
   て、圧電材料がチタン酸ジルコニウム酸鉛強誘電材料で
   あることを特徴とする表面形状測定装置。
5. 【請求項５】請求項３または請求項４に記載の表面形状
   測定装置において、圧電材料からなる薄膜とカンチレバ
   ーの間に形成される電極が白金であることを特徴とする
   表面形状測定装置。
6. 【請求項６】原子間力を検出して物体の表面形状を測定
   する表面形状測定方法において、原子間力検出用探針付
   きカンチレバーを、カンチレバー上に二つの電極に挟ま
   れて形成された圧電材料からなる薄膜によりカンチレバ
   ーの共振周波数付近で振動させ、同時に圧電薄膜のイン
   ピーダンスを測定して振動状態の変化を検出し、これに
   より表面形状を測定することを特徴とする表面形状測定
   方法。