JP2534439B2 - 非接触位置決め方法及び走査型プロ―ブ顕微鏡 - Google Patents

非接触位置決め方法及び走査型プロ―ブ顕微鏡

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JP2534439B2 JP5130602A JP13060293A JP2534439B2 JP 2534439 B2 JP2534439 B2 JP 2534439B2 JP 5130602 A JP5130602 A JP 5130602A JP 13060293 A JP13060293 A JP 13060293A JP 2534439 B2 JP2534439 B2 JP 2534439B2
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    • Y10S977/849—Manufacture, treatment, or detection of nanostructure with scanning probe
    • Y10S977/85—Scanning probe control process
    • Y10S977/851—Particular movement or positioning of scanning tip

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は走査型プローブ顕微鏡(S
PM)用の微細加工マイクロミニアチュア検出プローブを
自動的に位置決めする方法及び装置に関する。詳細にい
えば、本発明は精度を徐々に上げながら検出プローブを
位置決めするとともに、プロセス全体にわたって検出プ
ローブとターゲット表面の間に非接触モードの操作を維
持する方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡は表面形状に関す
る高解像度の情報を提供する装置である。ターゲット表
面全体にわたる検出プローブのラスタ走査手順に応じた
検出プローブの垂直運動を使用して、ターゲット表面形
状を決定する。SPM装置の実現は、一定のプローブ・タ
ーゲット表面間ギャップすなわち距離を維持するための
原子、電位、磁気、容量性または化学ポテンシャルを始
めとする力の相互作用に基づくものである。これらの装
置の一般的な使用法の1つは個々の原子の画像を形成す
る能力を有するいくつかのタイプのSPMを使用して画像
を形成することである。
【０００３】表面形状の画像の形成に加えて、SPMを使
用して、数オングストロームから数百ミクロンの範囲に
わたり、各種の物理的特性または化学的特性を詳細に測
定することができる。これらの用途の場合、SPMは他の
タイプの装置では得ることのできない横方向及び縦方向
の解像度を提供することができる。これらの用途の例と
しては、トランジスタ、シリコン・チップ、ディスク表
面、結晶、セルなどの表面特性の画像の作成または測定
が挙げられる。
【０００４】SPMの最適な作動をもたらすために、検出
プローブをターゲット表面から分子と同程度の距離、す
なわち原子1個ないし2個、すなわち数10オングストロー
ムの距離に配置する。検出プローブを使用した従来方法
は通常、ターゲット表面から希望する位置にプローブを
手動で、すなわちプローブがターゲット表面に接触でき
るようにし、その後、プローブをターゲット表面から遠
ざけることによって配置していた。このような例はたと
えば、米国特許第5025658号に開示されている。
【０００５】検出プローブ先端部を位置決めする従来方
法には、いくつかの欠点がある。微細範囲の公差での初
期位置決めプロセスは、本質的に臨界的なものである。
上記のように、最適な走査型プローブ顕微鏡の操作に
は、ターゲット表面から分子と同程度の距離にプローブ
を位置決めすることが必要である。人間の介在が必要で
あることによって、信頼性が疑わしいものとなり、しか
も時間がかかることとなる。さらに、較正または設定中
にターゲット表面との検出プローブの物理的接触は認め
ることは、ターゲット装置/物質または操作先端部を傷
つけたり、あるいは使用不能とする。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明の
目的は操作員の介在を必要としない自動初期位置決め手
順を使用した走査型プローブ顕微鏡を提供することであ
る。
【０００７】本発明の他の目的はターゲット表面に接触
することなく、ターゲット表面上方に走査型プローブ顕
微鏡の検出プローブを位置決めする方法を提供すること
である。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明はターゲット表面
上方に検出プローブを自動的に位置決めする装置及び手
順を提供する。検出プローブは一端にマイクロミニアチ
ュア先端部が一体的に形成ないし取り付けられたカンチ
レバーからなっている。カンチレバーはカンチレバー/
先端部の組合せを振動させる圧電素子によって付勢され
る。振動カンチレバーは振動振幅の共振周波数をレーザ
干渉技法によって決定できることを特徴としている。検
出プローブの位置は振動カンチレバーの振動振幅とター
ゲット表面からのカンチレバーの距離の関係によって推
論できる。したがって、位置決め手順は検出先端部の精
確な初期位置決めをもたらすものであり、かつ検出先端
部が結像または測定対象のターゲットとまったく接触し
ないものである。この自動位置決め手順は徐々に精度が
高くなる3つのステップで達成されるものである。
【０００９】まず、振動検出プローブを集束システムに
よって決定されるターゲット表面上方の設定位置まで急
速に下げる。その方法は光学整合または集束方法/手法
などの任意の方法のものでかまわない。
【００１０】接近プロセスの第2ステップ及び第3ステッ
プでは振動カンチレバーの振動振幅を利用する。すなわ
ち、接近する検出プローブの位置は振動カンチレバーの
振動振幅を追跡し、かつ振幅距離勾配(dA/dD)を追跡す
ることによって制御される。
【００１１】詳細にいえば、接近プロセスの第2ステッ
プにおいては、振動カンチレバーが音響結合領域へ下げ
られる。振動カンチレバーの底部がサンプルの表面に近
づくと、カンチレバーとターゲット表面の間の空気が圧
縮され、振動カンチレバーの振動振幅は減衰するが、作
動周波数での振動を継続する。音響結合領域全体にわた
る振動カンチレバーの減衰は検出可能である。したがっ
て、カンチレバーがターゲット表面に接近すると、振動
カンチレバーの結果として生じる振動振幅は無減衰信号
の割合として処理される。所定の設定率に達した場合、
通常、ターゲット表面から1ないし10ミクロン以下の距
離において、接近プロセスは音響結合領域から遷移領域
を経て、原子間相互作用領域へ検出プローブを移動させ
る最終接近ステップに切り替わる。
【００１２】接近プロセスの第3ステップでは、先端部
の原子とターゲット表面上の原子がファン・デル・ワー
ルスの力によって引き寄せられる。ファン・デル・ワー
ルスの力は保存性のバネ状の原子間力であり、先端部を
ターゲット表面へさらに引き寄せ、振動カンチレバーの
共振周波数をシフトさせる。したがって、カンチレバー
がターゲット表面へさらに接近したら、生じた振幅距離
勾配(dA/dD)を希望する勾配となっているかどうかにつ
いて監視する。希望する勾配に達した場合には、位置決
め手法は完了する。この最後のもっとも精度の高いステ
ップの接近は先端部を、ターゲット表面にまったく接す
ることなく、ターゲット表面から約30オングストローム
の理想的な走査距離にもたらす。
【００１３】一実施例において、振動カンチレバーと先
端部を有する検出プローブをターゲット表面上方へ位置
決めする非接触方法は、次のステップを含んでいる。標
準的な集束方法によって、検出プローブをターゲット表
面上方の第1位置へ下げる。次に、ターゲット表面上方
で、かつ振動カンチレバーがターゲット表面と音響的に
相互作用する領域内の第2位置へ、検出プローブをさら
に下げる。最後に、ターゲット表面上方で、先端部が原
子的にターゲット表面と相互作用する領域内の第3の最
終位置へ、検出プローブをさらに下げる。
【００１４】検出プローブの非接触位置決めは製品ある
いは検出プローブを傷つけたり、破壊したりすることな
く測定を行えるようにするものであるから、いくつかの
製造プロセスで重要なものである。プローブの先端がタ
ーゲット表面とまったく接触しないので、サンプルがい
かなる点でも変えられることがなく、このプロセスは破
壊テストにともなう損失を排除する。次いで、測定した
製品を製造プロセスに再度挿入することができる。
【００１５】
【実施例】図1のアセンブリを検出プローブ顕微鏡に使
用する。これはバイモルフ検出プローブ・アセンブリ12
の移動の基準となる基準面をもたらす基板10を含んでい
る。一対の接近アクチュエータ14 (Burleigh Instrumen
ts Inc.が製造し、IW-701として市販しているもの)がホ
ルダ・プレート16に取り付けられ、接近アクチュエータ
14の最下端が基板10の上面に載るようになっている。ホ
ルダ・プレート16は較正されたＺピエゾ・アクチュエー
タ17を有しており、このアクチュエータ17は下方へ延び
ており、下端で、顕微鏡対物部13を担持している。ピエ
ゾ・アクチュエータ17は走査手順で本質的に使用される
ものである。顕微鏡対物部13は下端で検出プローブ12を
担持している。顕微鏡対物部13はレーザを集束する対物
レンズを含んでいる。対物レンズの機能は、検出プロー
ブ12の位置決めに重要なものではなく、本質的にサンプ
ル(図示せず)を見るために使用される。この検出プロー
ブ12はしたがって、基板10に関してプレート16を上下に
動かす接近アクチュエータ14の作動によって、検出プロ
ーブ12下方のターゲット表面(図示せず)に関して上下動
させられる。本発明の好ましい実施例において、接近ア
クチュエータ14は縦に移動する。他の実施例において
は、独立して移動する3つ以上の接近アクチュエータ14
を使用して、位置決めを調節し、傾斜機能をもたらす
が、実際には、これが望ましい。米国特許第5103095号
明細書のプローブ傾斜機能は、これが本システムの一部
として望まれる場合に、この機能を達成することのでき
る機構を説明するものである。
【００１６】次に、図2を参照すると、走査型プローブ
顕微鏡の制御及び位置決め回路のブロック線図が示され
ている。検出プローブ12は一端にマイクロミニアチュア
先端部19が一体的に形成または取り付けられているカン
チレバー18を含んでおり、また他端の小型の圧電素子24
はサンプル22のターゲット表面20上方に垂直に配置され
る。励起信号がカンチレバー/先端部の組合せを、カン
チレバー18の共振周波数よりも若干高い周波数で振動さ
せる。圧電素子24を使用して、振動カンチレバー18の一
定振幅の振動をもたらす。さらに、圧電素子24(適切な
電圧信号を印加した場合)は、ターゲット表面20に関し
てカンチレバー18を上下に(Z方向に)移動させ、きわめ
て細かい調節(1ミクロン未満)を行うこともできる。好
ましい実施例において、圧電素子24はバイモルフ圧電素
子(すなわち、結合した圧電スラブ)であるが、圧電プレ
ートまたは圧電管であってもよい。圧電素子24はカンチ
レバー18の先端部を約1ミクロン上下でき、設定ギャッ
プによって画定される最適な作動点が設定できるような
ものである必要がある。
【００１７】振動カンチレバー18の振動振幅はヘテロダ
イン・レーザ干渉計30によって監視される。レーザ干渉
技法は周知のものであり、干渉計30の出力は振動カンチ
レバー18の振動振幅を表し、その後、制御装置32及びア
ナログ・サーボ回路15に供給される。好ましい実施例に
おいて、ヘテロダイン・レーザ干渉計30は振動カンチレ
バーの振動振幅を監視するが、他の監視技法が当分野の
技術者によって認識されよう。したがって、振動カンチ
レバー18に入射するレーザ光源はレーザ干渉計30へ反射
される。カンチレバー18から戻る反射レーザ光は先端部
ビームに関して80MHz周波数シフトされている基準ビー
ムと組み合わされる。80MHzの正弦うなり周波数をもた
らす干渉は、先端部の振動によって位相変調される。位
相復調ロック増幅器(レーザ干渉計30の一部)は先端部振
動の変調を、大きさが先端部の振動振幅に比例している
電圧Vaに変換する。
【００１８】制御装置32からの制御信号出力はピエゾ・
ドライバ38に与えられ、このドライバ38は接近アクチュ
エータ14を直接、あるいは平滑フィルタ40を介して駆動
し、検出プローブ12の垂直位置の垂直位置決め、制御、
または維持に役立つ。平滑フィルタ40は制御装置32によ
って任意に選択可能であり、ピエゾ・ドライバ38が発生
する駆動信号を平滑化し、かつ検出プローブ12をターゲ
ット表面20に衝突させる受入れがたい大きな運動、雑
音、あるいはスパイクを排除するのに役立つ。接近アク
チュエータ14は平滑フィルタ40とともに、調節可能な運
動速度(2mm/秒ないし10ミクロン/秒)、迅速な減速、高
解像度、一様な平滑度、単軸運動、剛性及び温度安定性
を始めとする用途が広く精密な性能をもたらす。好まし
い実施例において、平滑フィルタ40は検出プローブ12を
ターゲット表面20上方へ下げるという第2及び第3の位置
決めステップの間、活動状態である。
【００１９】制御装置32を単一の供給元、分散した供給
元、あるいは供給元の組合せからのハードウェアもしく
はソフトウェアによって構成できる。制御装置32はメモ
リ36を含んでいるコンピュータ34に任意に接続すること
ができ、さらに、制御装置32は走査回路(図示せず)及び
ピエゾ・アクチュエータ17にX及びYの位置信号を与える
X及びY制御電子装置(図示せず)に位置の要求を出力す
る。本発明の好ましい実施例において、制御装置32のハ
ードウェアはローカル・プロセッサ(図示せず)、リモー
ト・プロセッサ(図示せず)、プログラム式ディジタル信
号プロセッサ(PDSP)(図示せず)、及びPS/2 (PS/2はイン
ターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーシ
ョンの商標である)コンピュータ(図示せず)で構成され
ている。さらに、先端部19をターゲット表面20を横切っ
て走査した場合、ならびに先端部−ターゲット表面ギャ
ップが変化した場合、レーザ干渉計30は振動カンチレバ
ーの振動振幅の変化を検出し、電圧Ｖaを入力として、
アナログ・サーボ回路15に与える。アナログ・サーボ回
路15は信号を圧電素子24に与え、先端部の位置を上下に
調節し、振動カンチレバーの元の振動振幅を維持する。
好ましい実施例のハードウェア装置の各々の階層的な入
力、プロセス、及び出力を、表Ａに示す。
【００２０】 表A 3フェーズの自動接近に対するソフトウェア制御 フェーズI ローカル・プロセッサ 入力 プロセス 出力 PDSPからのコマンド タスク・ループ インチワームのクロ リモートからの状況 Ifタイムアウト ック・ライン 内部タイマ すべての動きを停止 PDSPへの状況 リモートへのコマンド タスク終了 内部タイマ タスク・ループ リモートへのコマン Ifリモートからの状況 ド タイマをリセット Endタスク タスク・ループ ケースの高速運動 PDSPからのコマンド 高速クロック・オン ケースの低速運動 PDSPからのコマンド トグル速度を運動タイマ にセット ケース・コマンドをリモー トへ送る タスク終了 リモート・プロセッサ 入力 プロセス 出力 位置検出器 アルゴリズム比較 接近ユニットの状況 (粗集束) 接続チェック 上下集束 位置検出器 近接度チェック 粗位置決め運動の (自動接近) 雑音チェック 禁止/非禁止 ローカルからのコマンド 絶対位置のチェック PDSP 入力 プロセス 出力 リモートからの状況 タスク・ループ 制御装置の状況 PS/2からのコマンド リモートから ローカルIW制御 インチワームからの状況 状況を取得する への運動コマンド Endタスク リモートへの タスク・ループ コマンド If PS/2からの コマンド 状況ゲット・ケース 状況を送る インチワーム移動ケース コマンドを送る End If Endタスク タスク・ループ Ifフィードバック・ システムからの信号喪失 インチワームのすべての 運動停止 End If Endタスク PS/2 入力 プロセス 出力 PDP Sからの状況 While自動接近 PDSPへの ユニットが焦点上 コマンド Move High Speed システム・ログ コマンドをPDSPへ 画面表示 送る End While タスク・ループ PDSPとの通信接続 をチェック Endタスク タスク・ループ 表示更新 Endタスク タスク・ループ システム・ログ更新 Endタスク フェーズII PS/2 入力 プロセス 出力 パラメータ・ファイル PDSPからデータ取得 画面表示 グラフィカル・ユーザ・ 事象検出のための閾値を PDSPコマンド インタフェース 決定する PDSP Get Value PDSPが返した 閾値及び事象条件を コマンド 信号データ PDSPへ送る PDSP Set Value PDSPを返した "APPROACH"コマンドを コマンド 状況 PDSPへ送る While制御装置の 状況が . NE. APPROACHED 待機 End While PDSP 入力 プロセス 出力 PS/2からのコマンド 値をPS/2からメモリへ PS/2への状況 PS/2からの値 取得する ローカルへの DACからの値 信号値をDACから取得する コマンド ループ If信号値がPS/2が セットした事象について PS/2が計算した閾値 の範囲内 Stop Motionコマンドを 送る 状況をON SURFACEに セット Exitループ End If DACから信号値を取得 インチワームの低速運動の ためのローカルへの コマンド Endループ タスク・ループ Ifフィードバック・ システムからの信号喪失 インチワームのすべての 運動を停止 End If Endタスク ローカル 入力 プロセス 出力 ＊＊＊＊＊＊＊ フェーズI ＊＊＊＊＊＊＊ フェーズIII PS/2 入力 プロセス 出力 PDSPからの値 閾値でのdA/dDまで 画面表示 パラメータ・ファイル ループ PDSPへの ユーザ入力 n回ループ コマンド 設定点遅延の変更 PDSPへの値 深さ値を取得 Endループ dA/dDの計算 必要に応じ、インチワ ーム位置を上下に 調節 必要に応じ、励起値を 上下に調節 Endループ PDSP 入力 プロセス 出力 PS/2からのコマンド タスク・ループ PS/2への状況 PS/2からの値 Motionコマンド・ケース ローカルへの DACからの値 Motionコマンドを コマンド ローカルへ送る PS/2への値 値セット・ケース 適切なADCをセット 値取得ケース 適切なDAC値を 取得し、PS/2 へ送る Endタスク タスク・ループ Ifフィードバック・ システムからの信号喪失 インチワームのすべての 運動を停止 End If Endタスク ローカル。
【００２１】接近プロセスの第1ステップにおいて、検
出プローブはターゲット表面上方の第1位置P1まで迅速
に下げられる。接近する検出プローブ12は2mm/秒程度の
比較的早い速度で下げられる。その方法は検出プローブ
12及びターゲット表面20の間の光学的焦点を検出するこ
とによる光学的整合または集束方法/手法などの任意周
知の方法でよい。
【００２２】検出プローブ12を第1位置からターゲット
表面へさらに接近させる際に、2つの異なる現象が振動
カンチレバーの振動の性質及び振幅に影響を及ぼす。図
3は振動カンチレバーの振動振幅と先端部−ターゲット
表面間ギャップのグラフであり、2つの現象の影響を示
している。図3に示すように、接近する検出プローブ12
は振動振幅の現象、すなわち勾配を示し、音響結合領域
42、遷移領域44、及び相互作用領域46を通る。勾配を以
下では、接近している検出プローブ12の距離の増分に対
する振動カンチレバー18の振動振幅の増分であるとす
る。したがって、勾配はdA/dDと定義され、図3の振動振
幅と距離の曲線の傾斜ないし導関数として表される。
【００２３】振動振幅と距離の曲線に沿った設定点ない
し勾配は制御装置32に、本発明の好ましい実施例で適宜
説明するように、ターゲット表面20上方に検出プローブ
12を位置決めし、制御する手段を提供する。
【００２４】接近プロセスの第2ステップにおいて、振
動カンチレバー18は第1位置P1から音響結合領域42へ下
げられ、この領域において、振動カンチレバー18の振動
振幅が振動カンチレバー18とターゲット表面20の間の音
響結合の結果として減衰される。音響結合力によってカ
ンチレバー18にかかる力は、検出プローブ12がターゲッ
ト表面20に接近した場合に、振動カンチレバー18の振動
振幅を変える。好ましい実施例において、第2ステップ
中の接近速度は100ミクロン/秒である。
【００２５】この領域における減衰現象は、振動カンチ
レバーの底部がサンプル表面に近づいた場合に生じる。
振動カンチレバー18とターゲット表面20の間の空気は圧
縮され、空気力勾配を生じ、振動カンチレバー18の振動
振幅を減衰させる。音響減衰の一般的な影響を図4に示
す。図示のように、減衰信号62の振動振幅は未減衰信号
60の振幅よりも小さく、同じ共振周波数を維持する。
【００２６】したがって、設定率は未減衰の振動カンチ
レバーの振動振幅に対する減衰された振動カンチレバー
の振動振幅の比と定義される。好ましい実施例におい
て、設定率の値は第2位置P2における結果に対して確立
される。第2位置P2はさらに、約1ないし10ミクロンとい
う先端部−ターゲット表面間ギャップを定義する。
【００２７】接近プロセスの第3ステップにおいて、検
出プローブ12は第2位置P2からターゲット表面20に接近
する。音響結合とともに、ファン・デル・ワールス力の
勾配が、接近中の振動カンチレバー18の共振周波数を変
化させる。ファン・デル・ワールス力はバネ状の力であ
り、先端部12の端部の原子(図示せず)及びターゲット表
面20上の原子(図示せず)が弱い相互作用をする。振動カ
ンチレバー18及び先端部19に対するファン・デル・ワー
ルス力の影響は、「AFM - Force Mapping and Profilin
g on a Sub 100 Angstrom Scale」, Martin他という文
献、及び付録Ａに記載されている。
【００２８】相互作用領域46において、先端部19が表面
に充分近づくと、このファン・デル・ワールスの相互作
用がもっとも影響力がある分力となり、振動カンチレバ
ー18の振動振幅に影響を及ぼす。音響結合は依然存在し
ているが、ファン・デル・ワールス力の勾配の影響に埋
没してしまう。相互作用領域46は先端部−ターゲット表
面間ギャップの関数としての、振動カンチレバーの振動
振幅の感度が高いことも特徴としている。自動接近の最
終ステップの指標として測定され、使用されるのは、こ
の高い感度である。すなわち、先端部−ターゲット表面
間ギャップの増分は相互作用領域46における振動振幅の
大幅な変化をもたらす。好ましい実施例において、第2
位置Ｐ2からターゲット表面に向かう接近速度は10ミク
ロン/秒である。
【００２９】接近プロセスの第3ステップ中に、まず、
励起信号が増加し、振動カンチレバー18の振動振幅を設
定点Sにセットする。結果として、励起信号が高くなっ
ているため、先端部19は大きな振幅で振動しようとす
る。これに応じて、アナログ・サーボ回路15は圧電素子
24を使用して、先端部19をターゲット表面に近づけ、一
定の振動振幅を維持する。この場合、接近アクチュエー
タ14は検出プローブ12をターゲット表面20に向かって移
動させようとし、アナログ・サーボ回路15は検出プロー
ブ12をターゲット表面20から遠ざけ、圧電素子24の延び
を最小限のものとするとともに、先端部−ターゲット表
面間ギャップを維持しようとする。次いで、励起信号を
交流状に変化させて、まず振動カンチレバーの振動振幅
に増分を生じさせることによって、勾配(dA/dD)を測定
する。アナログ・サーボ回路15が圧電素子24を使用し
て、先端部をターゲット表面20に近づけるか、遠ざける
かすると、先端部−ターゲット表面間ギャップの増分が
生じる。この場合、勾配は先端部−ターゲット表面間ギ
ャップの振動振幅の増分に対する振動カンチレバーの振
動振幅の増分の比として確立される。当初、まだ音響結
合領域内にある間に、勾配dA/dDは約0.0001未満の値を
有する。勾配dA/dDが0.01超となるまで、上記のプロセ
スを反復する。すなわち、傾斜が0.01超となるまで、接
近が反復される。この時点で、先端部19は第3の最終位
置Ｐ3、すなわち約30オングストロームのほぼ最適化さ
れた走査距離及び希望する設定点ギャップに達する。
【００３０】カンチレバー/先端部アセンブリに対する
好ましい作動周波数の選択を、振動カンチレバーの振幅
周波数特性によって説明する。未減衰の振動カンチレバ
ーの振幅周波数特性を、図5の52で示す。周波数依存装
置で典型的なように、振動カンチレバーは最大周波数、
すなわち共振周波数を示し、最大振幅をもたらす。バネ
状の力(ファン・デル・ワールス力などの)が存在してい
る場合の振動カンチレバーの振幅周波数特性は、図5に
おいてシフトされた挙動50を表す。この場合も、周波数
依存装置であれば、図5の50は外部のバネ状の力を受け
る装置の振幅周波数特性と等しくなる。したがって、所
与の周波数に対して、バネ状の力による振動振幅の変化
は図5の2つの振幅周波数曲線50、52の振幅の変化を比較
することから予測可能である。
【００３１】本発明の好ましい実施例において、カンチ
レバーは共振周波数よりも数分の1パーセント低い駆動
周波数で振動するよう付勢される。典型的なカンチレバ
ーの共振周波数の範囲は、約20KHzから1MHzである。た
とえば、400KHzの共振周波数を有するカンチレバーは、
周波数のシフトの大きさの実施例を示す401ＫＨＺの駆
動周波数で付勢される。振動カンチレバー18がターゲッ
ト表面20に接近した場合、力が振動カンチレバー18の共
振特性をシフトさせようとする。この外部のバネ状の力
(ファン・デル・ワールス力などの)がかけられた場合、
振動カンチレバー18の振動振幅の変化は、所与の駆動周
波数に対する2つの共振周波数曲線50、52に対する振幅
の変化に等しくなる。共振周波数が駆動周波数に近づい
た場合、振動カンチレバーの振動振幅は増加し、したが
って、共振周波数が駆動周波数から遠ざかった場合に減
少する。
【００３２】図6に示すように、共振周波数(f0)に等し
い駆動周波数は、共振周波数がシフトしている振動カン
チレバー18に対する振動振幅54にほとんど変化をもたら
さない。図6にさらに示されているように、共振周波数
よりも若干高い駆動周波数は所与の駆動周波数(f1)に対
する振動振幅56により大きな変化をもたらす。したがっ
て、振幅に大きな検出可能な変化をもたらすには、共振
周波数よりも若干高い駆動周波数が選択される。
【００３３】本発明を検出プローブ12とターゲット表面
20の間の原子間相互作用の影響の監視を含めて、好まし
い実施例に関して上記で説明した。好ましい実施例の検
出プローブ12は先端部19とターゲット表面20の間のファ
ン・デル・ワールス力の相互作用を検出する。しかしな
がら、走査型プローブ顕微鏡の他の実施例の検出プロー
ブは、電位差力、磁力、容量性力、あるいは化学ポテン
シャル力などの力を検出する。当分野の技術者には、本
発明の他の実施例を本明細書で開示した方法を適用する
ことによって、特許請求の範囲に記載した本発明の精神
及び範囲を逸脱しない他の実施例を実現し、電位差力、
磁力、容量性力、あるいは化学ポテンシャル力を含める
ようにできることが容易に認識されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】走査型プローブ顕微鏡の先端部接近システムの
展開斜視図である。
【図２】本発明による走査型プローブ顕微鏡の走査型プ
ローブ位置決めシステムの実施形態を示すブロック線図
である。
【図３】本発明による振動カンチレバーの振動振幅と先
端部−ターゲット表面間ギャップのグラフである。
【図４】振動カンチレバーにおける音響減衰の効果を示
すグラフである。
【図５】振動カンチレバーの共振周波数に対するファン
・デル・ワールスの力の効果を示すグラフである。
【図６】共振周波数のシフトによる減衰された振動カン
チレバーに対する振動振幅の変化を示すグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マーチン・アレン・クロス アメリカ合衆国33433−3524、フロリダ 州ボカ・ラトン、パルメット・サーク ル・サウス6972、アパートメント 509 (72)発明者 イブ・マーチン アメリカ合衆国10562、ニューヨーク州、 オッシング、シェアウット・アベニュー 35 (72)発明者 ケネス・ギルバート・ルースラー アメリカ合衆国33431、フロリダ州ボ カ・ラトン、サーティース・ロード、 2096エス・ダブリュー (72)発明者 ロバート・マーシャル・ストウェル アメリカ合衆国33444、フロリダ州デル レイ・ビーチ、フェーブ・レーン 3103 (56)参考文献 特開 平３−40355（ＪＰ，Ａ) 特表 平３−500213（ＪＰ，Ａ) ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＡＰＰＬＩＥ Ｄ ＰＨＹＳＩＣＳ，69〜２！（1991) ＰＰ．668−673

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】振動カンチレバー及び先端部を有する検出
    プローブを第1位置からターゲット表面上方に位置決め
    する非接触位置決め方法において、 前記検出プローブを、前記ターゲット表面上方にあって
    前記検出プローブが前記ターゲット表面と音響的に相互
    作用する領域内にある第2位置へ降下するステップ及び
    前記検出プローブを、前記ターゲット表面上方にあって
    前記検出プローブが前記ターゲット表面と原子的に相互
    作用する領域内にある第3の最終位置へさらに降下する
    ステップを含み、 前記音響的相互作用は前記振動カンチレバーの振動振幅
    の減衰を促進するものであり、前記原子的相互作用は前
    記振動カンチレバーに対して振動振幅の減衰をさらに促
    進するものであり、 前記音響的相互作用を前記振動カンチレバーの減衰され
    た振動振幅と減衰されない振動振幅の比で監視して前記
    第2位置を検出するステップ並びに前記原子的相互作用
    を前記振動カンチレバーの減衰された振幅の変化と前記
    先端部及び前記ターゲット表面間の距離の変化の比で監
    視して前記第3位置を検出するステップをさらに含む非
    接触位置決め方法。
  2. 【請求項２】振動カンチレバー及び先端部を有する検出
    プローブをターゲット表面上方に自動的に位置決めする
    非接触位置決め方法において、 前記検出プローブを前記ターゲット表面上方の第1位置
    へ光学的集束作用を使用して降下するステップ、前記検
    出プローブを、前記ターゲット表面上方にあって前記振
    動カンチレバーが前記ターゲット表面と音響的に相互作
    用する領域内にある第2位置へさらに降下するステップ
    及び前記検出プローブを、前記ターゲット表面上方にあ
    って前記先端部が前記ターゲット表面と原子的に相互作
    用する領域内にある第3の最終位置へさらに降下するス
    テップを含み、 前記光学的集束作用は前記検出プローブ及び前記ターゲ
    ット表面間の光学的焦点を検出するものであり、前記音
    響的相互作用は空気力勾配によるものであり、前記原子
    的相互作用はファン・デル・ワールス力によるものであ
    り、 前記音響的相互作用は前記振動カンチレバーの振動振幅
    の減衰を促進するものであり、前記原子的相互作用は前
    記振動カンチレバーに対して振動振幅の減衰をさらに促
    進するものであり、 前記音響的相互作用を前記振動カンチレバーの減衰され
    た振動振幅と減衰されない振動振幅の比で監視して前記
    第2位置を検出するステップ並びに前記原子的相互作用
    を前記振動カンチレバーの減衰された振幅の変化と前記
    先端部及び前記ターゲット表面間の距離の変化の比で監
    視して前記第3位置を検出するステップをさらに含む非
    接触位置決め方法。
  3. 【請求項３】非接触垂直運動を行うよう取り付けられた
    検出プローブを有し前記検出プローブをターゲット表面
    上方に位置決めするための走査型プローブ顕微鏡におい
    て、前記検出プローブにより担持されたカンチレバーで
    あって一端にマイクロミニアチュア先端部を有し他端に
    前記カンチレバーを所定の振動周波数で振動させる圧電
    バイモルフを有するカンチレバーと、 前記振動カンチレバーの振動振幅を監視するための手段
    と、 前記監視手段に応答して前記検出プローブを、前記ター
    ゲット表面上方の第1位置から前記ターゲット表面上方
    にあって前記検出プローブが前記ターゲット表面と音響
    的に相互作用する領域内にある第2位置へ、さらに前記
    ターゲット表面上方にあって前記検出プローブが前記タ
    ーゲット表面と原子的に相互作用する領域内にある第3
    の最終位置へ降下する位置決め手段と、 を含み、 前記音響的相互作用は前記振動カンチレバーの振動振幅
    の減衰を促進するものであり、前記原子的相互作用は前
    記振動カンチレバーに対して振動振幅の減衰をさらに促
    進するものであり、 前記位置決め手段は前記音響的相互作用を前記振動カン
    チレバーの減衰された振動振幅と減衰されない振動振幅
    の比で監視して前記第2位置を検出し前記原子的相互作
    用を前記振動カンチレバーの減衰された振幅の変化と前
    記先端部及び前記ターゲット表面間の距離の変化の比で
    監視して前記第3位置を検出する手段を含む走査型プロ
    ーブ顕微鏡。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000028624A (ja) * 1998-05-04 2000-01-28 Internatl Business Mach Corp <Ibm> 走査型力顕微鏡およびそのプロ―ブ・ティップの動きを制御する方法
JP3485244B2 (ja) 1997-06-02 2004-01-13 インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション 単一パス２重振幅モード走査力顕微鏡による場の検出

Families Citing this family (40)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5155361A (en) * 1991-07-26 1992-10-13 The Arizona Board Of Regents, A Body Corporate Acting For And On Behalf Of Arizona State University Potentiostatic preparation of molecular adsorbates for scanning probe microscopy
EP0596494B1 (en) * 1992-11-06 1998-09-02 Hitachi, Ltd. Scanning probe microscope and method of control error correction
US5308974B1 (en) * 1992-11-30 1998-01-06 Digital Instr Inc Scanning probe microscope using stored data for vertical probe positioning
US5406832A (en) * 1993-07-02 1995-04-18 Topometrix Corporation Synchronous sampling scanning force microscope
US5440920A (en) * 1994-02-03 1995-08-15 Molecular Imaging Systems Scanning force microscope with beam tracking lens
US5646339A (en) * 1994-02-14 1997-07-08 International Business Machines Corporation Force microscope and method for measuring atomic forces in multiple directions
US5509300A (en) * 1994-05-12 1996-04-23 Arizona Board Of Regents Acting For Arizona State University Non-contact force microscope having a coaxial cantilever-tip configuration
US5753814A (en) * 1994-05-19 1998-05-19 Molecular Imaging Corporation Magnetically-oscillated probe microscope for operation in liquids
US5513518A (en) * 1994-05-19 1996-05-07 Molecular Imaging Corporation Magnetic modulation of force sensor for AC detection in an atomic force microscope
US5515719A (en) * 1994-05-19 1996-05-14 Molecular Imaging Corporation Controlled force microscope for operation in liquids
US5866805A (en) * 1994-05-19 1999-02-02 Molecular Imaging Corporation Arizona Board Of Regents Cantilevers for a magnetically driven atomic force microscope
JPH08220110A (ja) * 1995-02-17 1996-08-30 Agency Of Ind Science & Technol 電気力プローブ顕微鏡走査方法
WO1996028837A1 (en) * 1995-03-10 1996-09-19 Molecular Imaging Corporation Hybrid control system for scanning probe microscopes
US5614712A (en) * 1995-03-24 1997-03-25 Quesant Instrument Corporation Method of engaging the scanning probe of a scanning probe microscope with a sample surface
JP2730673B2 (ja) * 1995-12-06 1998-03-25 工業技術院長 超音波を導入するカンチレバーを用いた物性の計測方法および装置
US5773824A (en) * 1997-04-23 1998-06-30 International Business Machines Corporation Method for improving measurement accuracy using active lateral scanning control of a probe
RU2145055C1 (ru) 1999-02-08 2000-01-27 Ао "Автэкс" Способ сбора и обработки информации о поверхности образца
US6672144B2 (en) * 1999-03-29 2004-01-06 Veeco Instruments Inc. Dynamic activation for an atomic force microscope and method of use thereof
US6545492B1 (en) 1999-09-20 2003-04-08 Europaisches Laboratorium Fur Molekularbiologie (Embl) Multiple local probe measuring device and method
US6583411B1 (en) * 2000-09-13 2003-06-24 Europaisches Laboratorium Für Molekularbiologie (Embl) Multiple local probe measuring device and method
US6590208B2 (en) * 2001-01-19 2003-07-08 Veeco Instruments Inc. Balanced momentum probe holder
JP2003202284A (ja) 2002-01-09 2003-07-18 Hitachi Ltd 走査プローブ顕微鏡およびこれを用いた試料観察方法およびデバイス製造方法
US6986280B2 (en) * 2002-01-22 2006-01-17 Fei Company Integrated measuring instrument
JP2003227788A (ja) * 2002-02-05 2003-08-15 Inst Of Physical & Chemical Res 走査型プローブ顕微鏡及び試料の表面構造測定方法
JP2004264039A (ja) 2003-01-30 2004-09-24 Hitachi Ltd 走査プローブ顕微鏡及びｃｄ・断面プロファイル計測方法並びに半導体デバイス製造方法
US6845655B2 (en) * 2003-03-17 2005-01-25 Wisconsin Alumni Research Foundation Heterodyne feedback system for scanning force microscopy and the like
US20050092907A1 (en) * 2003-11-04 2005-05-05 West Paul E. Oscillating scanning probe microscope
JP4502122B2 (ja) * 2004-11-26 2010-07-14 セイコーインスツル株式会社 走査型プローブ顕微鏡及び走査方法
US20060213289A1 (en) * 2005-03-24 2006-09-28 Kjoller Kevin J Probe for a scanning probe microscope and method of manufacture
JP4571554B2 (ja) * 2005-07-28 2010-10-27 日本電子株式会社 走査型プローブ顕微鏡の探針と試料表面との距離測定方法及び走査型プローブ顕微鏡
US7278300B2 (en) * 2005-09-29 2007-10-09 International Business Machines Corporation Gas filled reactive atomic force microscope probe
JP5189009B2 (ja) * 2009-02-24 2013-04-24 日本電子株式会社 Ｓｐｍにおけるプローブアプローチ方法
US8335049B1 (en) 2010-06-07 2012-12-18 Western Digital Technologies, Inc. Disk drive detecting crack in microactuator
US8547657B1 (en) 2010-06-10 2013-10-01 Western Digital Technologies, Inc. Disk drive detecting defective microactuator
US8322235B1 (en) * 2011-02-18 2012-12-04 Western Digital Technologies, Inc. Microactuator test assembly comprising a spreader pin for engaging a load beam of an actuator arm
US8605383B1 (en) 2012-05-21 2013-12-10 Western Digital Technologies, Inc. Methods, devices and systems for characterizing polarities of piezoelectric (PZT) elements of a two PZT element microactuator
US9122625B1 (en) 2012-12-18 2015-09-01 Western Digital Technologies, Inc. Error correcting code encoder supporting multiple code rates and throughput speeds for data storage systems
US8797664B1 (en) 2012-12-22 2014-08-05 Western Digital Technologies, Inc. Polarity detection of piezoelectric actuator in disk drive
US9153283B1 (en) 2014-09-30 2015-10-06 Western Digital Technologies, Inc. Data storage device compensating for hysteretic response of microactuator
US10883934B2 (en) 2016-05-23 2021-01-05 International Business Machines Corporation Optical sensor with luminescent quantum nanoprobes

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0290647B1 (en) * 1987-05-12 1991-07-24 International Business Machines Corporation Oscillating quartz atomic force microscope
DE3820518C1 (ja) * 1988-06-16 1990-01-11 Wild Leitz Gmbh, 6330 Wetzlar, De
US5079958A (en) * 1989-03-17 1992-01-14 Olympus Optical Co., Ltd. Sensor having a cantilever
US4952857A (en) * 1989-03-24 1990-08-28 Quanscan, Inc. Scanning micromechanical probe control system
JP2909828B2 (ja) * 1989-07-05 1999-06-23 セイコーインスツルメンツ株式会社 複合走査型トンネル顕微鏡
US5059793A (en) * 1989-10-04 1991-10-22 Olympus Optical Co., Ltd. Scanning tunneling microscope having proper servo control function
US5025658A (en) * 1989-11-28 1991-06-25 Digital Instruments, Inc. Compact atomic force microscope
US5148026A (en) * 1990-11-20 1992-09-15 Kabushiki Kaisha Toshiba Scanning probe microscopy

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＡＰＰＬＩＥＤＰＨＹＳＩＣＳ，６９〜２！（１９９１）ＰＰ．６６８−６７３

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3485244B2 (ja) 1997-06-02 2004-01-13 インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション 単一パス２重振幅モード走査力顕微鏡による場の検出
JP2000028624A (ja) * 1998-05-04 2000-01-28 Internatl Business Mach Corp <Ibm> 走査型力顕微鏡およびそのプロ―ブ・ティップの動きを制御する方法

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Publication number Publication date
JPH0674754A (ja) 1994-03-18
CA2098040C (en) 2000-02-15
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US5262643A (en) 1993-11-16
DE69310612T2 (de) 1997-10-30
DE69310612D1 (de) 1997-06-19
ATE153128T1 (de) 1997-05-15
EP0574234B1 (en) 1997-05-14
CA2098040A1 (en) 1993-12-13

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