JP2654336B2 - サンプル表面の２次元輪郭描写の装置 - Google Patents
サンプル表面の２次元輪郭描写の装置Info
- Publication number
- JP2654336B2 JP2654336B2 JP5212110A JP21211093A JP2654336B2 JP 2654336 B2 JP2654336 B2 JP 2654336B2 JP 5212110 A JP5212110 A JP 5212110A JP 21211093 A JP21211093 A JP 21211093A JP 2654336 B2 JP2654336 B2 JP 2654336B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- tip
- force
- cantilever
- sample
- motion
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 230000004044 response Effects 0.000 claims description 8
- 238000004630 atomic force microscopy Methods 0.000 description 16
- 238000000034 method Methods 0.000 description 11
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 9
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 6
- 230000008859 change Effects 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 3
- 230000003534 oscillatory effect Effects 0.000 description 3
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 3
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 description 3
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 2
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 2
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005674 electromagnetic induction Effects 0.000 description 1
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 1
- 238000004628 non contact atomic force microscopy Methods 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000004886 process control Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
- G01Q10/00—Scanning or positioning arrangements, i.e. arrangements for actively controlling the movement or position of the probe
- G01Q10/04—Fine scanning or positioning
- G01Q10/06—Circuits or algorithms therefor
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
- G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
- G01Q60/24—AFM [Atomic Force Microscopy] or apparatus therefor, e.g. AFM probes
- G01Q60/32—AC mode
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
- G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
- G01Q60/24—AFM [Atomic Force Microscopy] or apparatus therefor, e.g. AFM probes
- G01Q60/36—DC mode
- G01Q60/363—Contact-mode AFM
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
- G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
- G01Q60/24—AFM [Atomic Force Microscopy] or apparatus therefor, e.g. AFM probes
- G01Q60/38—Probes, their manufacture, or their related instrumentation, e.g. holders
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
- G01Q70/00—General aspects of SPM probes, their manufacture or their related instrumentation, insofar as they are not specially adapted to a single SPM technique covered by group G01Q60/00
- G01Q70/08—Probe characteristics
- G01Q70/10—Shape or taper
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10S977/00—Nanotechnology
- Y10S977/84—Manufacture, treatment, or detection of nanostructure
- 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
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Radiology & Medical Imaging (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、接触モード原子間力顕
微鏡（ＡＦＭ）を使用した、集積回路に於ける線と溝の
側壁の輪郭描写作成に関するものである。
微鏡（ＡＦＭ）を使用した、集積回路に於ける線と溝の
側壁の輪郭描写作成に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】市場には、接触モードで、すなわち尖端
がサンプルを走査するとき尖端とサンプルが接触して、
動作する原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）が存在する。このよ
うな装置は、M.P. Rodgers及びK.M. Monahanによる「Us
ing the Atomic Force Microscope to Measure Submicr
on Dimensions of Integrated Circuit Devices and Pr
ocesses」(SPIE Vol.1464 Integrated Circuit Metrolo
gy,Inspection and Process Control V.1991,ページ358
-366)という題名の記事の中で記述されている。
がサンプルを走査するとき尖端とサンプルが接触して、
動作する原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）が存在する。このよ
うな装置は、M.P. Rodgers及びK.M. Monahanによる「Us
ing the Atomic Force Microscope to Measure Submicr
on Dimensions of Integrated Circuit Devices and Pr
ocesses」(SPIE Vol.1464 Integrated Circuit Metrolo
gy,Inspection and Process Control V.1991,ページ358
-366)という題名の記事の中で記述されている。
【０００３】接触モード原子間力顕微鏡の主な利点は、
構造の簡単さにある。これらの原子間力顕微鏡の主たる
欠点は、急勾配で且つ高縦横比構造に対する輪郭描写が
できないことである。接触モードＡＦＭは、尖端運動の
測定に使用する検出システムが単純であるため、長くて
狭い角度の尖端すなわち長靴型の尖端に容易に適応でき
ない。
構造の簡単さにある。これらの原子間力顕微鏡の主たる
欠点は、急勾配で且つ高縦横比構造に対する輪郭描写が
できないことである。接触モードＡＦＭは、尖端運動の
測定に使用する検出システムが単純であるため、長くて
狭い角度の尖端すなわち長靴型の尖端に容易に適応でき
ない。
【０００４】本発明は、接触モードＡＦＭを使用するこ
とによる表面の２次元輪郭描写、特に集積回路における
急勾配の線と溝の側壁の２次元輪郭描写に関し、これら
の欠点を克服している。本発明は、サンプル表面におけ
る尖端の走査の制御に関して、尖端運動の２次元検出に
依存している。本発明はまた、原子間力顕微鏡のカンチ
レバと尖端の大きさの最適化に関わっている。
とによる表面の２次元輪郭描写、特に集積回路における
急勾配の線と溝の側壁の２次元輪郭描写に関し、これら
の欠点を克服している。本発明は、サンプル表面におけ
る尖端の走査の制御に関して、尖端運動の２次元検出に
依存している。本発明はまた、原子間力顕微鏡のカンチ
レバと尖端の大きさの最適化に関わっている。
【０００５】１次元における尖端運動の検出は、トンネ
ル効果法、電気容量法、電磁誘導法、或いは光学的方法
に関わっている。これらの方法は、２次元における測定
ができるように修正することが可能である。
ル効果法、電気容量法、電磁誘導法、或いは光学的方法
に関わっている。これらの方法は、２次元における測定
ができるように修正することが可能である。
【０００６】尖端運動の２次元検出は、メヤー(G.Meye
r), エイマ(N.M.Amer)による「Simultaneous Measureme
nt of Lateral and Normal Forces With an Optical-Be
am-Deflection Atomic Force Microscope」（Apr. Phy
s. Lett. 57(20),12 November1990 ページ 2089-2091）
という題名の記事の中で記述されている。その装置の記
述では、尖端はバネ状のカンチレバに付けられている。
垂直の尖端運動では、普通の上下動のようにカンチレバ
が撓む。横方向の尖端運動では、カンチレバは長手方向
の軸に沿ってねじれる。そのカンチレバから偏向された
レーザービームが、４象限検出器によって検出される。
垂直尖端運動および横の尖端運動は、４個の検出された
信号から測定される。
r), エイマ(N.M.Amer)による「Simultaneous Measureme
nt of Lateral and Normal Forces With an Optical-Be
am-Deflection Atomic Force Microscope」（Apr. Phy
s. Lett. 57(20),12 November1990 ページ 2089-2091）
という題名の記事の中で記述されている。その装置の記
述では、尖端はバネ状のカンチレバに付けられている。
垂直の尖端運動では、普通の上下動のようにカンチレバ
が撓む。横方向の尖端運動では、カンチレバは長手方向
の軸に沿ってねじれる。そのカンチレバから偏向された
レーザービームが、４象限検出器によって検出される。
垂直尖端運動および横の尖端運動は、４個の検出された
信号から測定される。
【０００７】別の２次元検出方法は、カンチレバの撓み
の圧電抵抗測定に関するものである。この方法では、カ
ンチレバは部分的にドープ(Dope)処理されたシリコンの
ような半導体物質でできている。カンチレバの撓みに応
じてカンチレバ内に誘発された歪が、該半導体物質の抵
抗値に変化を生じ、その抵抗値が測定される。
の圧電抵抗測定に関するものである。この方法では、カ
ンチレバは部分的にドープ(Dope)処理されたシリコンの
ような半導体物質でできている。カンチレバの撓みに応
じてカンチレバ内に誘発された歪が、該半導体物質の抵
抗値に変化を生じ、その抵抗値が測定される。
【０００８】カンチレバは、そのカンチレバの２次元運
動を測定するための２つの独立した低抗値信号を提供す
るため、２股に分かれている。両方の２股に分けられた
区域は、ドープ処理された半導体物質の区域を含んでい
る。電気的接点が、それぞれの区域の末梢部と２つの区
域が結合する中央に設けられている。２つの抵抗回路、
すなわち中央と各区域、からのこれら３つの接点は、ブ
リッジ回路に挿入される。２つの低抗値の差がブリッジ
回路で測定される。更に、２つの区域の結合直列抵抗が
垂直方向におけるカンチレバの全体の撓みの値となる。
動を測定するための２つの独立した低抗値信号を提供す
るため、２股に分かれている。両方の２股に分けられた
区域は、ドープ処理された半導体物質の区域を含んでい
る。電気的接点が、それぞれの区域の末梢部と２つの区
域が結合する中央に設けられている。２つの抵抗回路、
すなわち中央と各区域、からのこれら３つの接点は、ブ
リッジ回路に挿入される。２つの低抗値の差がブリッジ
回路で測定される。更に、２つの区域の結合直列抵抗が
垂直方向におけるカンチレバの全体の撓みの値となる。
【０００９】非接触走査フォース顕微鏡を使う基板垂直
面の輪郭描写については、米国特許出願第07/830,804号
（後に米国特許第5,283,442号となった）に述べられて
いる。
面の輪郭描写については、米国特許出願第07/830,804号
（後に米国特許第5,283,442号となった）に述べられて
いる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】従来の原子間力顕微鏡
の主たる欠点は、急勾配で且つ高縦横比構造に対する輪
郭描写ができないことである。接触モードＡＦＭは、尖
端運動の測定に使用する検出システムが単純であるた
め、長くて狭い角度の尖端すなわち長靴型の尖端に容易
に適応できない。
の主たる欠点は、急勾配で且つ高縦横比構造に対する輪
郭描写ができないことである。接触モードＡＦＭは、尖
端運動の測定に使用する検出システムが単純であるた
め、長くて狭い角度の尖端すなわち長靴型の尖端に容易
に適応できない。
【００１１】本発明の目的は、接触モードＡＦＭを使用
することによる表面の２次元輪郭描写、特に集積回路に
おける急勾配の線と溝の側壁の２次元輪郭描写に関し、
これらの欠点を克服することにある。
することによる表面の２次元輪郭描写、特に集積回路に
おける急勾配の線と溝の側壁の２次元輪郭描写に関し、
これらの欠点を克服することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明は、原子間力顕微
鏡で使用される尖端とカンチレバの寸法の最適化と尖端
運動のフィードバック制御によって接触モード原子間力
顕微鏡における２次元尖端運動の検出と制御を提供する
ものである。
鏡で使用される尖端とカンチレバの寸法の最適化と尖端
運動のフィードバック制御によって接触モード原子間力
顕微鏡における２次元尖端運動の検出と制御を提供する
ものである。
【００１３】いわゆる「Ｄ．Ｃ．」モードと呼ばれる第
一の具体例において、尖端はサンプルの表面にそって表
面に平行な方向に走査される。表面における尖端の正味
の力(net force）をほぼ一定に維持するため、２軸フィ
ードバック制御を使用している。
一の具体例において、尖端はサンプルの表面にそって表
面に平行な方向に走査される。表面における尖端の正味
の力(net force）をほぼ一定に維持するため、２軸フィ
ードバック制御を使用している。
【００１４】尖端のサンプル表面におけるＺ軸すなわち
垂直方向の力と、Ｘ軸すなわち尖端が表面上を引きずっ
て動くときに発生する走査方向の摩擦力を測定するセン
サが使用される。Ｘ軸及びＺ軸の測定信号に応答して、
次の走査ステップの方向とフィードバック調整の方向が
決定される。このような方法で尖端は表面の輪郭に沿っ
て動く。
垂直方向の力と、Ｘ軸すなわち尖端が表面上を引きずっ
て動くときに発生する走査方向の摩擦力を測定するセン
サが使用される。Ｘ軸及びＺ軸の測定信号に応答して、
次の走査ステップの方向とフィードバック調整の方向が
決定される。このような方法で尖端は表面の輪郭に沿っ
て動く。
【００１５】いわゆる「Ａ．Ｃ．」モードと呼ばれるも
う１つの具体例においては、尖端は垂直方向にある尖端
の長手方向の軸に対して平行な軸と、尖端の長手方向の
軸に対して直交し全体としてサンプル表面の面と平行な
方向にある水平軸、の双方に沿って約１ＫＨｚ以上の微
少振幅の振動運動が与えられる。尖端の近傍における表
面のその位置での傾斜を決定するため垂直及び水平方向
の信号が検出される。尖端の位置はサンプル表面のその
位置での傾斜に応答して動かされる。更に本発明からの
教示によれば、カンチレバと尖端の最適な寸法が計算さ
れ、集積回路における側壁の２次元接触モード原子間力
顕微鏡を可能にしている。従って本発明の主たる目的は
サンプルにおける急勾配の輪郭の２次元接触モード原子
間力顕微鏡を提供することにある。本発明のもう１つの
目的は、集積回路において線や溝のような構造物の側壁
に対する２次元接触モード原子間力顕微鏡を提供するこ
とにある。更に本発明の目的は、サンプル表面の２次元
輪郭描写に使用する尖端とカンチレバの最適な寸法を提
供することにある。
う１つの具体例においては、尖端は垂直方向にある尖端
の長手方向の軸に対して平行な軸と、尖端の長手方向の
軸に対して直交し全体としてサンプル表面の面と平行な
方向にある水平軸、の双方に沿って約１ＫＨｚ以上の微
少振幅の振動運動が与えられる。尖端の近傍における表
面のその位置での傾斜を決定するため垂直及び水平方向
の信号が検出される。尖端の位置はサンプル表面のその
位置での傾斜に応答して動かされる。更に本発明からの
教示によれば、カンチレバと尖端の最適な寸法が計算さ
れ、集積回路における側壁の２次元接触モード原子間力
顕微鏡を可能にしている。従って本発明の主たる目的は
サンプルにおける急勾配の輪郭の２次元接触モード原子
間力顕微鏡を提供することにある。本発明のもう１つの
目的は、集積回路において線や溝のような構造物の側壁
に対する２次元接触モード原子間力顕微鏡を提供するこ
とにある。更に本発明の目的は、サンプル表面の２次元
輪郭描写に使用する尖端とカンチレバの最適な寸法を提
供することにある。
【００１６】
【実施例】原子間力顕微鏡については米国特許第４，７
２４，３１８号に記述されており、本明細書にも参照さ
れている。その特許の教示によれば、カンチレバの終端
区域に接続された尖端が調査すべきサンプルの表面にあ
まりに接近するため、尖端側の原子とサンプル表面の間
に生ずる力（force）がバネ状のカンチレバを偏らせ
る。カンチレバの偏りはトンネル電流の変動をもたら
し、この変動が、例えばＸＹＺ駆動装置の手段によって
尖端がサンプルの表面を走査する際尖端とサンプルの間
の力を一定に維持するように、尖端とサンプルの表面の
距離を制御するために使われている。
２４，３１８号に記述されており、本明細書にも参照さ
れている。その特許の教示によれば、カンチレバの終端
区域に接続された尖端が調査すべきサンプルの表面にあ
まりに接近するため、尖端側の原子とサンプル表面の間
に生ずる力（force）がバネ状のカンチレバを偏らせ
る。カンチレバの偏りはトンネル電流の変動をもたら
し、この変動が、例えばＸＹＺ駆動装置の手段によって
尖端がサンプルの表面を走査する際尖端とサンプルの間
の力を一定に維持するように、尖端とサンプルの表面の
距離を制御するために使われている。
【００１７】図１ａから図１ｄを参照すれば、原子間力
顕微鏡において、カンチレバ１２と連結された尖端１０
が図示されており（スケールは示されていない）、そこ
では尖端が基盤２０上の溝１４，輪郭描写すべき側壁１
６及び１８の内部に配置されている。尖端は溝又は線の
底の隅を検知できるように、長靴形の横断面を有するこ
とが望ましい。
顕微鏡において、カンチレバ１２と連結された尖端１０
が図示されており（スケールは示されていない）、そこ
では尖端が基盤２０上の溝１４，輪郭描写すべき側壁１
６及び１８の内部に配置されている。尖端は溝又は線の
底の隅を検知できるように、長靴形の横断面を有するこ
とが望ましい。
【００１８】いわゆる「Ｄ．Ｃ．」モードでは尖端はサ
ンプルの表面に接触したままである。ほとんどの物質に
関して、尖端は、１０ ー 7 ニュートン程度のバァン・デル
・ウォール(van der Walls)、毛細管及び電気的な力に
よってサンプルの表面に引きつけられる。尖端がサンプ
ルを図１ａの矢印２２の方向へ走査するとき、尖端はサ
ンプルの表面に沿って引きずって動く。この分野におけ
る技術知識を有する人には良く知られているように、一
定の偏向信号を維持するために、つまり尖端を表面に接
触させたままで一定のＺ軸の力を維持するために、一般
的なＺ軸叉は垂直フィードバック制御方式が用いられて
いる。同時に、走査方向叉は尖端のＸ軸方向の運動は、
メヤー(Meyer)他による記事に記述されている方法によ
って監視されており、その方法は本明細書に参考として
編入されている。
ンプルの表面に接触したままである。ほとんどの物質に
関して、尖端は、１０ ー 7 ニュートン程度のバァン・デル
・ウォール(van der Walls)、毛細管及び電気的な力に
よってサンプルの表面に引きつけられる。尖端がサンプ
ルを図１ａの矢印２２の方向へ走査するとき、尖端はサ
ンプルの表面に沿って引きずって動く。この分野におけ
る技術知識を有する人には良く知られているように、一
定の偏向信号を維持するために、つまり尖端を表面に接
触させたままで一定のＺ軸の力を維持するために、一般
的なＺ軸叉は垂直フィードバック制御方式が用いられて
いる。同時に、走査方向叉は尖端のＸ軸方向の運動は、
メヤー(Meyer)他による記事に記述されている方法によ
って監視されており、その方法は本明細書に参考として
編入されている。
【００１９】Ｘ軸及びＺ軸方向における正味の力が事前
設定値を越えたとき、尖端が上向きの斜面にさしかかっ
ていることを示すのであるが、このとき尖端の位置は表
面の輪郭に沿って上向きに動かされる。この過程を図４
ａー図４ｄの説明と共に以下に詳細を述べる。
設定値を越えたとき、尖端が上向きの斜面にさしかかっ
ていることを示すのであるが、このとき尖端の位置は表
面の輪郭に沿って上向きに動かされる。この過程を図４
ａー図４ｄの説明と共に以下に詳細を述べる。
【００２０】ここで使われているように、Ｚ軸なる用語
は、尖端の長手方向の軸に平行な方向として理解され
る。Ｘ軸なる用語は、走査方向であり、実質的に尖端の
長手方向の軸に垂直で、一般的にサンプルの表面の面に
平行であると理解される。
は、尖端の長手方向の軸に平行な方向として理解され
る。Ｘ軸なる用語は、走査方向であり、実質的に尖端の
長手方向の軸に垂直で、一般的にサンプルの表面の面に
平行であると理解される。
【００２１】尖端の運動は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の運動方
向に対して圧電気駆動機構の使用により制御される。尖
端が垂直方向に動いている間、サンプル上の尖端のＸ軸
叉は走査方向における力が走査中、比較的一定に維持さ
れることを保証するために、Ｘ軸方向の偏向信号は事前
設定ウィンドウすなわち一定の範囲内に維持される。尖
端１０が側壁１８の頂上に到達すると、測定された力又
は検出電流は上記ウィンドウ以下の値に減少し、再び正
常な水平走査運動を続ける。
向に対して圧電気駆動機構の使用により制御される。尖
端が垂直方向に動いている間、サンプル上の尖端のＸ軸
叉は走査方向における力が走査中、比較的一定に維持さ
れることを保証するために、Ｘ軸方向の偏向信号は事前
設定ウィンドウすなわち一定の範囲内に維持される。尖
端１０が側壁１８の頂上に到達すると、測定された力又
は検出電流は上記ウィンドウ以下の値に減少し、再び正
常な水平走査運動を続ける。
【００２２】上記装置は上述のごとく良好に動作する
が、尖端が下り斜面（図１ｂ）にさしかかると問題が起
こる。傾斜が約４５°以上のとき、尖端は表面の輪郭に
追随出来なくなり、従ってサンプルとの接触を失う。こ
の問題に対する１つの解決策はＺ軸のフィードバック・
ループを変更してＩＺ＋｜ＩＸ｜を一定に保つことであ
る。ここでＩＺはＺ軸方向の力を示し、ＩＸは走査方向
における力の信号表示である。尖端が平面の区域から下
がり斜面へ走査していくとき、摩擦力の方向が代わるた
めＩＸは負の値（尖端が表面上を引きずられる摩擦力の
ため）から殆どゼロに変化する。これを補正するため、
ＩＺの値が増加し、尖端は下方へ動き、従ってサンプル
との接触が維持される（図１ｃ）。
が、尖端が下り斜面（図１ｂ）にさしかかると問題が起
こる。傾斜が約４５°以上のとき、尖端は表面の輪郭に
追随出来なくなり、従ってサンプルとの接触を失う。こ
の問題に対する１つの解決策はＺ軸のフィードバック・
ループを変更してＩＺ＋｜ＩＸ｜を一定に保つことであ
る。ここでＩＺはＺ軸方向の力を示し、ＩＸは走査方向
における力の信号表示である。尖端が平面の区域から下
がり斜面へ走査していくとき、摩擦力の方向が代わるた
めＩＸは負の値（尖端が表面上を引きずられる摩擦力の
ため）から殆どゼロに変化する。これを補正するため、
ＩＺの値が増加し、尖端は下方へ動き、従ってサンプル
との接触が維持される（図１ｃ）。
【００２３】もし図１ｂに見られるように尖端が表面と
の接触を失うと、尖端は図１ｃのように溝の底面で接触
が再確立するまで下へ下げられる。このとき走査方向は
図１ｄのように、負の傾斜部分を走査するため、短い距
離だけ矢印２６の方向へ反転する。
の接触を失うと、尖端は図１ｃのように溝の底面で接触
が再確立するまで下へ下げられる。このとき走査方向は
図１ｄのように、負の傾斜部分を走査するため、短い距
離だけ矢印２６の方向へ反転する。
【００２４】下り斜面の輪郭描写に役立つ別の具体例で
は、尖端１０にサンプルの表面を高振動数、典型的には
１ＫＨｚ以上の振動数、で軽くたたくようにさせること
である。図２は、サンプル表面のＡ．Ｃ．モードでの輪
郭描写のための装置の概略表示である。この具体例は
「Ａ．Ｃ．」モードとして参照されている。
は、尖端１０にサンプルの表面を高振動数、典型的には
１ＫＨｚ以上の振動数、で軽くたたくようにさせること
である。図２は、サンプル表面のＡ．Ｃ．モードでの輪
郭描写のための装置の概略表示である。この具体例は
「Ａ．Ｃ．」モードとして参照されている。
【００２５】尖端１０と共にカンチレバには、Ｘ軸及び
Ｚ軸方向に対する迅速且つ正確な尖端１０の制御のため
高速ＸーＺ圧電管スキャナ３０に連結している。レーザ
発生器２８が視準レンズ３２を透してレーザビームをカ
ンチレバ１２の裏側に照射し、そこで、該レーザビーム
は反射し２次元移動センサ３４に到達する。上記２次元
移動センサは、前記メヤー(Meyer)他による記事に書か
れている４象限光検出器を含んでいることが望ましい。
一方２次元移動センサは、圧電抵抗式カンチレバ、電気
容量式、電磁誘導式、トンネル効果式、光学的、或いは
干渉計型機器からなるものであってよい。光検出器３４
は、カンチレバと尖端の移動と方位を正確に検出し、走
査方向及び垂直方向における尖端に対する力を表示する
信号ＩＸとＩＺを提供する。これら信号の振幅と正負の
符号は、コンピュータ３６で受信され、記録される。尖
端１０の位置は、サンプルの上面における尖端の走査に
対しては、コンピュータからｘｙ−圧電器３８への走査
信号に応答して、また尖端の垂直叉は深度方向の移動に
対しては、ｚ−圧電器４０への走査信号に応答して決定
される。
Ｚ軸方向に対する迅速且つ正確な尖端１０の制御のため
高速ＸーＺ圧電管スキャナ３０に連結している。レーザ
発生器２８が視準レンズ３２を透してレーザビームをカ
ンチレバ１２の裏側に照射し、そこで、該レーザビーム
は反射し２次元移動センサ３４に到達する。上記２次元
移動センサは、前記メヤー(Meyer)他による記事に書か
れている４象限光検出器を含んでいることが望ましい。
一方２次元移動センサは、圧電抵抗式カンチレバ、電気
容量式、電磁誘導式、トンネル効果式、光学的、或いは
干渉計型機器からなるものであってよい。光検出器３４
は、カンチレバと尖端の移動と方位を正確に検出し、走
査方向及び垂直方向における尖端に対する力を表示する
信号ＩＸとＩＺを提供する。これら信号の振幅と正負の
符号は、コンピュータ３６で受信され、記録される。尖
端１０の位置は、サンプルの上面における尖端の走査に
対しては、コンピュータからｘｙ−圧電器３８への走査
信号に応答して、また尖端の垂直叉は深度方向の移動に
対しては、ｚ−圧電器４０への走査信号に応答して決定
される。
【００２６】コンピュータ３６からの信号に応答して与
えられる走査運動に加えて、尖端はＺ軸方向に１ＫＨｚ
以上の振動数で振動させられる。該振動は、発振器４２
から圧電管スキャナ３０への信号によって、振幅が数オ
ングストロームのとき、１ＫＨｚ−１００ＫＨｚ，典型
的には振動数１０ＫＨｚで振幅１０Åが望ましい。
えられる走査運動に加えて、尖端はＺ軸方向に１ＫＨｚ
以上の振動数で振動させられる。該振動は、発振器４２
から圧電管スキャナ３０への信号によって、振幅が数オ
ングストロームのとき、１ＫＨｚ−１００ＫＨｚ，典型
的には振動数１０ＫＨｚで振幅１０Åが望ましい。
【００２７】尖端１０はまた、Ｘ軸方向の名目上の位置
で高周波振動を受ける。この振動もまた、１ＫＨｚ以
上、典型的には１ＫＨｚと１００ＫＨｚの間であるが、
Ｚ軸方向とは異なった振動数である。Ｘ軸方向の運動
は、数オングストロームの振幅、典型的には、１５ＫＨ
ｚの振動数のとき１０Åである。
で高周波振動を受ける。この振動もまた、１ＫＨｚ以
上、典型的には１ＫＨｚと１００ＫＨｚの間であるが、
Ｚ軸方向とは異なった振動数である。Ｘ軸方向の運動
は、数オングストロームの振幅、典型的には、１５ＫＨ
ｚの振動数のとき１０Åである。
【００２８】Ｘ軸方向の振動運動は、発振器４４から圧
電管スキャナ３０への信号によって与えられる。光検出
回路（図示されていない）の一部である追加の電子回路
が、この技術分野では良く知られているように、光検出
器信号を適度なＩＸ及びＩＺ信号に変換する。光検出回
路からのＩＸ及びＩＺ信号は、コンピュータ３６によっ
て受信され記録される。ＩＸとＩＺの比が尖端と接触し
ている点におけるサンプルの傾斜を表している。サンプ
ルの輪郭は、コンピュータ３６から与えられる信号に応
じて、デイスプレイ４６に表示される。水平な表面上で
は、カンチレバはＸ軸叉は走査方向でねじれ運動を受け
ないため、ＩＺの大きさが最大でＩＸの大きさは、実質
上ゼロである。垂直の表面上では、ＩＸ信号が最大で、
ＩＺ信号は最小である。更に、ＩＸ信号の符号は、表面
の傾斜が上向きか下向きかを示している。更にＩＸ信号
の位相は、表面の傾斜によってＸ−圧電励起信号と同調
しているか、或いはＸ−圧電励起信号から１８０°であ
る。
電管スキャナ３０への信号によって与えられる。光検出
回路（図示されていない）の一部である追加の電子回路
が、この技術分野では良く知られているように、光検出
器信号を適度なＩＸ及びＩＺ信号に変換する。光検出回
路からのＩＸ及びＩＺ信号は、コンピュータ３６によっ
て受信され記録される。ＩＸとＩＺの比が尖端と接触し
ている点におけるサンプルの傾斜を表している。サンプ
ルの輪郭は、コンピュータ３６から与えられる信号に応
じて、デイスプレイ４６に表示される。水平な表面上で
は、カンチレバはＸ軸叉は走査方向でねじれ運動を受け
ないため、ＩＺの大きさが最大でＩＸの大きさは、実質
上ゼロである。垂直の表面上では、ＩＸ信号が最大で、
ＩＺ信号は最小である。更に、ＩＸ信号の符号は、表面
の傾斜が上向きか下向きかを示している。更にＩＸ信号
の位相は、表面の傾斜によってＸ−圧電励起信号と同調
しているか、或いはＸ−圧電励起信号から１８０°であ
る。
【００２９】平均的な尖端とサンプルの間隙は、ＩＸ信
号とＩＺ信号の２乗の大きさから求められる。尖端とサ
ンプルの間の既知の平均的間隙及び与えられた点におけ
るサンプルの傾斜に基づいて、コンピュータは尖端をサ
ンプルに追随させ、サンプルとの接触を維持しながら、
しかも走査運動を中断することなく、適切な方向へ動か
すことができる。
号とＩＺ信号の２乗の大きさから求められる。尖端とサ
ンプルの間の既知の平均的間隙及び与えられた点におけ
るサンプルの傾斜に基づいて、コンピュータは尖端をサ
ンプルに追随させ、サンプルとの接触を維持しながら、
しかも走査運動を中断することなく、適切な方向へ動か
すことができる。
【００３０】図２に示される装置が容易にＤ．Ｃ．モー
ドの動作に変更できることは、この分野の技術知識があ
る人には明白である。Ｄ．Ｃ．モードにおいて尖端は、
振動運動を受けないために、発振器４２および４４は削
除される。カンチレバから反射したレーザビームが、高
周波成分を含まないため、従って信号ＩＸ及びＩＺを取
得するための信号処理が簡素化されるので、光検出回路
は変更される。
ドの動作に変更できることは、この分野の技術知識があ
る人には明白である。Ｄ．Ｃ．モードにおいて尖端は、
振動運動を受けないために、発振器４２および４４は削
除される。カンチレバから反射したレーザビームが、高
周波成分を含まないため、従って信号ＩＸ及びＩＺを取
得するための信号処理が簡素化されるので、光検出回路
は変更される。
【００３１】上述の動作モードの変更において、振動運
動は１方向だけに、好ましくはＸ軸すなわち走査方向だ
けに与えるのが望ましい。この混合構成の利点は、尖端
が短く且つＸ軸方向には剛直性が大きく、Ｚ軸方向には
剛直性が小さいような一般的尖端が使えることである。
動は１方向だけに、好ましくはＸ軸すなわち走査方向だ
けに与えるのが望ましい。この混合構成の利点は、尖端
が短く且つＸ軸方向には剛直性が大きく、Ｚ軸方向には
剛直性が小さいような一般的尖端が使えることである。
【００３２】高精度測定のためには、Ｘ軸及びＺ軸の圧
電駆動装置の線形性が大であり、すなわち最大非線形度
は０．３％、かつ履歴特性は最小でなければならない。
これらの条件を達成するため圧電抵抗式、電気容量式、
誘導式或いは光学式センサのような独立したＸ軸及びＺ
軸の運動センサが使用されている。
電駆動装置の線形性が大であり、すなわち最大非線形度
は０．３％、かつ履歴特性は最小でなければならない。
これらの条件を達成するため圧電抵抗式、電気容量式、
誘導式或いは光学式センサのような独立したＸ軸及びＺ
軸の運動センサが使用されている。
【００３３】尖端運動のコンピュータ制御を理解するた
めに図４ａから図４ｄが参照される。尖端１０は事前に
測定された信号ＩＸとＩＺによって決定される走査方向
θsでサンプル２０の表面２２に沿って走査する。位置
が変わる毎に信号ＩＸとＩＺは測定される。これらの信
号に基づいて、尖端はフィードバック方向θfbに修正の
ため毎回動かされ、この手順が繰り返される。
めに図４ａから図４ｄが参照される。尖端１０は事前に
測定された信号ＩＸとＩＺによって決定される走査方向
θsでサンプル２０の表面２２に沿って走査する。位置
が変わる毎に信号ＩＸとＩＺは測定される。これらの信
号に基づいて、尖端はフィードバック方向θfbに修正の
ため毎回動かされ、この手順が繰り返される。
【００３４】２方向に対して上記手順が使われる。垂直
方向がゼロと定義されている。走査方向はθs、アナグ
ロ・サーボ制御のためのフィードバック方向はθfbであ
る。従って、上述の手順は次のように書くことができ
る。 １．尖端の移動：尖端を事前に設定した長さＳだけθs
の方向へ進める。 ２．表面の追跡：ＩＺとＩＸを測定し、ＩＺとＩＸの函
数、好ましくはＩＺ＋｜ＩＸ｜、が一定となるように最
適化するためθfbの方向に尖端を動かす。 ３．方向の変更：θsは新しいＩＸとＩＺの値を使って
定義される。それはまた平均法によって新しい点と前の
点の中間に定義されるその位置での傾斜の函数である。
θfbの値はθsの函数である。θfb＝０．５（θsー９０
°）叉はθfb＝（θ s ー９０°）叉はこれら２つの値の
中間であることが望ましい。以下に述べる３つの場合
が、ＩＸとＩＺの函数としてθsとθfbの値を定める。 ４．ステップ３の結果に従って、θfbを調整する。
方向がゼロと定義されている。走査方向はθs、アナグ
ロ・サーボ制御のためのフィードバック方向はθfbであ
る。従って、上述の手順は次のように書くことができ
る。 １．尖端の移動：尖端を事前に設定した長さＳだけθs
の方向へ進める。 ２．表面の追跡：ＩＺとＩＸを測定し、ＩＺとＩＸの函
数、好ましくはＩＺ＋｜ＩＸ｜、が一定となるように最
適化するためθfbの方向に尖端を動かす。 ３．方向の変更：θsは新しいＩＸとＩＺの値を使って
定義される。それはまた平均法によって新しい点と前の
点の中間に定義されるその位置での傾斜の函数である。
θfbの値はθsの函数である。θfb＝０．５（θsー９０
°）叉はθfb＝（θ s ー９０°）叉はこれら２つの値の
中間であることが望ましい。以下に述べる３つの場合
が、ＩＸとＩＺの函数としてθsとθfbの値を定める。 ４．ステップ３の結果に従って、θfbを調整する。
【００３５】図４ａは、平坦な表面の輪郭描写を示して
いる。カンチレバは尖端を表面に押しつけ、尖端は表面
に沿って引きずって動く。図に示した軸では垂直方向の
実際の力Ｉ’Ｚが正（下向きに押しつける力）、水平方
向の実際の力Ｉ’Ｘは正（引きずり抗力の向き）とな
る。Ｉ’ＺoとＩ’Ｘoの値は平坦な表面におけるＩ’Ｚ
及びＩ’Ｘの初期値である。これら初期値は、Ｉ’Ｚ及
びＩ’Ｘのオフセット値として用いられ、ハードウェア
及び光学系を調整してＩＺ及びＩＸがそれぞれ（Ｉ’Ｚ
−初期値Ｉ’Ｚo）及び（Ｉ’Ｘ−Ｉ’Ｘo）で表される
ようにすることができる。従って、平坦な表面の場合に
は、ＩＺ＝０、ＩＸ＝０、θs＝９０°、θfb＝０°で
ある。
いる。カンチレバは尖端を表面に押しつけ、尖端は表面
に沿って引きずって動く。図に示した軸では垂直方向の
実際の力Ｉ’Ｚが正（下向きに押しつける力）、水平方
向の実際の力Ｉ’Ｘは正（引きずり抗力の向き）とな
る。Ｉ’ＺoとＩ’Ｘoの値は平坦な表面におけるＩ’Ｚ
及びＩ’Ｘの初期値である。これら初期値は、Ｉ’Ｚ及
びＩ’Ｘのオフセット値として用いられ、ハードウェア
及び光学系を調整してＩＺ及びＩＸがそれぞれ（Ｉ’Ｚ
−初期値Ｉ’Ｚo）及び（Ｉ’Ｘ−Ｉ’Ｘo）で表される
ようにすることができる。従って、平坦な表面の場合に
は、ＩＺ＝０、ＩＸ＝０、θs＝９０°、θfb＝０°で
ある。
【００３６】図４ｂは、上向き斜面の輪郭描写を示して
いる。Ｉ’Ｘの値は引きずり抗力が増加するためＩ’Ｘ
oより大きくなる（つまりＩＸは０から正になる）。原
子間力顕微鏡はＩＺ＋｜ＩＸ ｜を一定に維持するため
ＩＺを減少させ、尖端を押しつける力を弱める。
いる。Ｉ’Ｘの値は引きずり抗力が増加するためＩ’Ｘ
oより大きくなる（つまりＩＸは０から正になる）。原
子間力顕微鏡はＩＺ＋｜ＩＸ ｜を一定に維持するため
ＩＺを減少させ、尖端を押しつける力を弱める。
【００３７】θsの値は、９０°から０°に向けて変化
し、或いは更にＩ’ＸーＩ’Ｘoが負に増大するにつれ
て、０°を越える。それに応じてθfbの値は、必要に応
じて０°からー９０°に向けて負に増大する。そのため
にフィードバック方向は、図において左へ傾いて尖端を
押しつける力を弱める。斜面の勾配はＩＺ／ＩＸで与え
られる正の勾配である。
し、或いは更にＩ’ＸーＩ’Ｘoが負に増大するにつれ
て、０°を越える。それに応じてθfbの値は、必要に応
じて０°からー９０°に向けて負に増大する。そのため
にフィードバック方向は、図において左へ傾いて尖端を
押しつける力を弱める。斜面の勾配はＩＺ／ＩＸで与え
られる正の勾配である。
【００３８】図４ｃは、下向き斜面の輪郭描写を示して
いる。引きずり抗力は減少し、Ｉ’ＸはＩ’Ｘoに近づ
き（ＩＸは０に近づく）、ＩＺは、ＩＺ＋｜ＩＸ｜を一
定に保つため増加して尖端を下方に押しつける力が増大
する。更に斜面を下るとＩ’ＸはＩ’Ｘoより小さくな
り（ＩＸは負になる）、ＩＺは、ＩＺ＋｜ＩＸ｜を一定
に保つため減少し始める。尖端の移動方向θsは、その
直前の値から＋１８０°へ向けて変 化し、或いはＩＸ
の函数に従って、その中間に変化する。同様に、θfb
の方向は、正の値に向けて変化する。下向き斜面の或点
においてＩＸは斜面に押されて負の方向に向きを変え
る。この点から先のＩＸの大きさは斜面の傾きによる。
このようにしてＩＸは正の大きさから減少し、０にな
り、そして負の大きさになる。これに伴いＩＺは最初大
きさを増大し、そして或大きさになるとそれから先は減
少する。これにより尖端は最初下向きに増大する力を受
けて斜面に沿い、或点から先はそれ以上大きくならない
かまたは大きさを減じて尖端が過度に押しつけられない
ようにする。斜面の勾配はＩＺ／ＩＸで与えられる負の
勾配である。
いる。引きずり抗力は減少し、Ｉ’ＸはＩ’Ｘoに近づ
き（ＩＸは０に近づく）、ＩＺは、ＩＺ＋｜ＩＸ｜を一
定に保つため増加して尖端を下方に押しつける力が増大
する。更に斜面を下るとＩ’ＸはＩ’Ｘoより小さくな
り（ＩＸは負になる）、ＩＺは、ＩＺ＋｜ＩＸ｜を一定
に保つため減少し始める。尖端の移動方向θsは、その
直前の値から＋１８０°へ向けて変 化し、或いはＩＸ
の函数に従って、その中間に変化する。同様に、θfb
の方向は、正の値に向けて変化する。下向き斜面の或点
においてＩＸは斜面に押されて負の方向に向きを変え
る。この点から先のＩＸの大きさは斜面の傾きによる。
このようにしてＩＸは正の大きさから減少し、０にな
り、そして負の大きさになる。これに伴いＩＺは最初大
きさを増大し、そして或大きさになるとそれから先は減
少する。これにより尖端は最初下向きに増大する力を受
けて斜面に沿い、或点から先はそれ以上大きくならない
かまたは大きさを減じて尖端が過度に押しつけられない
ようにする。斜面の勾配はＩＺ／ＩＸで与えられる負の
勾配である。
【００３９】図４ｄは、底の隅の輪郭描写を示してい
る。尖端が図４ｄに示す位置にあるとき、ＩＸの過渡値
は、フィードバック方向に関し尖端を損傷するような値
（影をつけた区域５０）、すなわち図４ｄの具体化にお
ける負の値へ変化させないことが重要である。この問題
を排除するため、サンプルのその位置の傾斜がθfbの値
を限定している。図４ｄの場合には、θfbの許容値はサ
ンプルのその位置の傾斜が９０°以上のとき０度より大
である。逆にサンプルの傾斜が９０°以下のとき、θfb
の許容値は０度より小である。
る。尖端が図４ｄに示す位置にあるとき、ＩＸの過渡値
は、フィードバック方向に関し尖端を損傷するような値
（影をつけた区域５０）、すなわち図４ｄの具体化にお
ける負の値へ変化させないことが重要である。この問題
を排除するため、サンプルのその位置の傾斜がθfbの値
を限定している。図４ｄの場合には、θfbの許容値はサ
ンプルのその位置の傾斜が９０°以上のとき０度より大
である。逆にサンプルの傾斜が９０°以下のとき、θfb
の許容値は０度より小である。
【００４０】本発明の重要な視点は、尖端とカンチレバ
の寸法である。Ｘ軸及びＺ軸方向での剛直性定数は、同
一のオーダーの大きさであるべきである。これら２つの
剛直性定数の比は、 ２Ｌ2／３（１＋ν）ｈ2＝Ｏ．６Ｌ2／ｈ2である。 ここで、ν＝ポアソン比、Ｌ＝カンチレバの長さ、ｈ＝
尖端の高さである。従って、尖端の高さとカンチレバの
長さの理想的な関係は、ｈ＝０．６Ｌである。しかしな
がら、現存するほとんどの尖端については、ｈは０．１
Ｌから０．０１Ｌの範囲であり、従ってＸ軸方向の剛直
性は、Ｚ軸方向の剛直性よりはるかに大きい。
の寸法である。Ｘ軸及びＺ軸方向での剛直性定数は、同
一のオーダーの大きさであるべきである。これら２つの
剛直性定数の比は、 ２Ｌ2／３（１＋ν）ｈ2＝Ｏ．６Ｌ2／ｈ2である。 ここで、ν＝ポアソン比、Ｌ＝カンチレバの長さ、ｈ＝
尖端の高さである。従って、尖端の高さとカンチレバの
長さの理想的な関係は、ｈ＝０．６Ｌである。しかしな
がら、現存するほとんどの尖端については、ｈは０．１
Ｌから０．０１Ｌの範囲であり、従ってＸ軸方向の剛直
性は、Ｚ軸方向の剛直性よりはるかに大きい。
【００４１】メヤー(Meyer)他によるセンサの高感度化
を達成するためにカンチレバに投射するレーザビームは
カンチレバの広い区域からそのレーザビームが反射され
るように緩くフォーカスすべきである。カンチレバはＸ
軸方向及びＺ軸方向に偏向するためカンチレバの反射区
域の最良の形は円である。
を達成するためにカンチレバに投射するレーザビームは
カンチレバの広い区域からそのレーザビームが反射され
るように緩くフォーカスすべきである。カンチレバはＸ
軸方向及びＺ軸方向に偏向するためカンチレバの反射区
域の最良の形は円である。
【００４２】望ましいカンチレバの設計が図３に示され
ている。レーザビームの出力が１ｍｗであると想定し、
検出の帯域幅を１０ＫＨｚと想定すると測定可能な最小
移動値はｄmin＝２．４×１０ー 8Ｄである。ここで、Ｄ
は移動方向によってカンチレバの長さ叉は尖端の高さで
ある。
ている。レーザビームの出力が１ｍｗであると想定し、
検出の帯域幅を１０ＫＨｚと想定すると測定可能な最小
移動値はｄmin＝２．４×１０ー 8Ｄである。ここで、Ｄ
は移動方向によってカンチレバの長さ叉は尖端の高さで
ある。
【００４３】それ故、ｄminz＝０．０１２Å、ｄminx＝
０．００５Åである。２つの剛直性定数は上述の各モー
ドの動作のためにカンチレバの厚みＴを調整することに
よって最適化されている。
０．００５Åである。２つの剛直性定数は上述の各モー
ドの動作のためにカンチレバの厚みＴを調整することに
よって最適化されている。
【００４４】Ｄ．Ｃ．モード動作の場合、カンチレバの
撓みによる尖端に対する追加の力が小さくなるように、
剛直性を小さく選んでいる。例えば、Ｔ＝０．５μｍ，
ｋz＝０．５Ｎ／ｍ、ｋx＝１．２Ｎ／ｍである。
撓みによる尖端に対する追加の力が小さくなるように、
剛直性を小さく選んでいる。例えば、Ｔ＝０．５μｍ，
ｋz＝０．５Ｎ／ｍ、ｋx＝１．２Ｎ／ｍである。
【００４５】Ａ．Ｃ．モード動作の場合には、各点にお
ける尖端とサンプルの間の比較的大きな引っ張り力に打
ち勝つために、カンチレバの剛直性は大きくなければな
らない。すなわち、圧電気と尖端の振動運動が比較的小
さな振幅に維持できるように、例えば１００Å以下、剛
直性は２０Ｎ／ｍである。
ける尖端とサンプルの間の比較的大きな引っ張り力に打
ち勝つために、カンチレバの剛直性は大きくなければな
らない。すなわち、圧電気と尖端の振動運動が比較的小
さな振幅に維持できるように、例えば１００Å以下、剛
直性は２０Ｎ／ｍである。
【００４６】ここで、Ｔ＝１．５μｍ、ｋz＝１２Ｎ／
ｍ、ｋx＝３０Ｎ／ｍである。接触モード原子間力顕微
鏡を用いてのサンプルの２次元輪郭描写について図示し
説明してきたが、発明の範囲はここに述べる請求項の範
囲のみに限定される。けれども、本発明の広範囲の主旨
から離れることなくこの分野の技術知識を有する人が、
容易に変更することができることは明らかである。
ｍ、ｋx＝３０Ｎ／ｍである。接触モード原子間力顕微
鏡を用いてのサンプルの２次元輪郭描写について図示し
説明してきたが、発明の範囲はここに述べる請求項の範
囲のみに限定される。けれども、本発明の広範囲の主旨
から離れることなくこの分野の技術知識を有する人が、
容易に変更することができることは明らかである。
【００４７】
【発明の効果】従来の原子間力顕微鏡の主たる欠点は、
急勾配で且つ高縦横比構造に対する輪郭描写ができない
ことである。接触モードＡＦＭは、尖端運動の測定に使
用する検出システムが単純であるため、長くて狭い角度
の尖端或いは長靴型の尖端に容易に適応できない。
急勾配で且つ高縦横比構造に対する輪郭描写ができない
ことである。接触モードＡＦＭは、尖端運動の測定に使
用する検出システムが単純であるため、長くて狭い角度
の尖端或いは長靴型の尖端に容易に適応できない。
【００４８】本発明は、接触モードＡＦＭを使用するこ
とによる表面の２次元輪郭描写、特に集積回路における
急勾配の線と溝の側壁の２次元輪郭描写に関し、これら
の欠点を克服している。更に集積回路において線や溝の
ような構造物の側壁に対する２次元接触フォース原子間
力顕微鏡を提供し、サンプル表面の２次元輪郭描写に使
用する最適な尖端とカンチレバの寸法を提供している。
とによる表面の２次元輪郭描写、特に集積回路における
急勾配の線と溝の側壁の２次元輪郭描写に関し、これら
の欠点を克服している。更に集積回路において線や溝の
ような構造物の側壁に対する２次元接触フォース原子間
力顕微鏡を提供し、サンプル表面の２次元輪郭描写に使
用する最適な尖端とカンチレバの寸法を提供している。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１ａー図１ｄは溝を有するサンプルに対する
尖端走査の概略表示である。
尖端走査の概略表示である。
【図２】図２は本発明の望ましい具体例における概略の
ブロックダイアグラムである。
ブロックダイアグラムである。
【図３】本発明の実施に役立つ尖端とカンチレバの図で
ある。
ある。
【図４】図４ａー図４ｄは異なった表面の走査を図示す
る。
る。
１０ 尖端
１２ カンチレバ
１６、１８ 側壁
２０ サンプル（基盤）
２８ レーザ発生器
３０ 圧電管スキャナ
３２ レンズ
３６ コンピュータ
３８ ｘｙ−圧電器
４０ ｚ−圧電器
４２，４４ 発振器
４６ デイスプレイ
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 ヘマンサ・クマール・ウィックラマシン
ゲ
アメリカ合衆国 10514 ニューヨーク
州・チャパカ キング・ストリート
800
(56)参考文献 特開 平１−224616（ＪＰ，Ａ)
特開 平４−230801（ＪＰ，Ａ)
特開 昭63−135807（ＪＰ，Ａ)
実開 昭63−187006（ＪＰ，Ｕ)
Claims (2)
- 【請求項１】第１の方向である長手方向の軸を有し、前
記第１の方向と直交する第２の方向である走査方向に運
動を与えられる接触モード原子間力顕微鏡の尖端を使用
してサンプル表面の２次元輪郭を描写する装置であっ
て、 上記尖端とサンプル表面との接触を維持するために上記
尖端に上記第１の方向の力を加える手段と、 サンプル表面と接触する尖端が上記第１の方向において
受ける力Ｉ’Ｚ及び上記第２の方向において受ける引き
ずり抗力Ｉ’Ｘを検知する手段と、 平坦なサンプル表面と接触する尖端が上記第１の方向に
おいて受ける力Ｉ’Ｚ0及び上記第２の方向において受
ける引きずり抗力Ｉ’Ｘ0を検知する手段と、 第１の方向の力ＩＺ＝Ｉ’Ｚ−Ｉ’Ｚ0と第２の方向の
力ＩＸ＝Ｉ’Ｘ−Ｉ’Ｘ0に応答してＩＺ＋｜ＩＸ｜を
一定に保つように、上記尖端に上記第１の方向の力を加
える手段を制御する手段と、 ＩＸとＩＺとの比に基づいてサンプル表面の上記第１の
方向及び第２の方向の２次元輪郭を検知する手段と、 を含むサンプル表面の２次元輪郭描写の装置。 - 【請求項２】上記２次元輪郭を検知する手段と上記制御
する手段に接続された、表面の輪郭を表示するための表
示手段を更に含む請求項１に記載のサンプル表面の２次
元輪郭描写の装置。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US07/948,503 | 1992-09-22 | ||
| US07/948,503 US5347854A (en) | 1992-09-22 | 1992-09-22 | Two dimensional profiling with a contact force atomic force microscope |
| US7/948,503 | 1992-09-22 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06194154A JPH06194154A (ja) | 1994-07-15 |
| JP2654336B2 true JP2654336B2 (ja) | 1997-09-17 |
Family
ID=25487917
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5212110A Expired - Fee Related JP2654336B2 (ja) | 1992-09-22 | 1993-08-05 | サンプル表面の２次元輪郭描写の装置 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5347854A (ja) |
| EP (1) | EP0589815B1 (ja) |
| JP (1) | JP2654336B2 (ja) |
| DE (1) | DE69312412T2 (ja) |
Families Citing this family (36)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| USRE36488E (en) * | 1992-08-07 | 2000-01-11 | Veeco Instruments Inc. | Tapping atomic force microscope with phase or frequency detection |
| US5519212A (en) * | 1992-08-07 | 1996-05-21 | Digital Instruments, Incorporated | Tapping atomic force microscope with phase or frequency detection |
| US5400647A (en) * | 1992-11-12 | 1995-03-28 | Digital Instruments, Inc. | Methods of operating atomic force microscopes to measure friction |
| US5481908A (en) * | 1993-04-28 | 1996-01-09 | Topometrix Corporation | Resonance contact scanning force microscope |
| US5681987A (en) * | 1993-04-28 | 1997-10-28 | Topometrix Corporation | Resonance contact scanning force microscope |
| US5534359A (en) * | 1994-06-07 | 1996-07-09 | International Business Machines Corporation | Calibration standard for 2-D and 3-D profilometry in the sub-nanometer range and method of producing it |
| EP0676614B1 (en) * | 1994-04-11 | 2001-06-20 | International Business Machines Corporation | Calibration standards for profilometers and methods of producing them |
| US6520005B2 (en) * | 1994-12-22 | 2003-02-18 | Kla-Tencor Corporation | System for sensing a sample |
| US5948972A (en) | 1994-12-22 | 1999-09-07 | Kla-Tencor Corporation | Dual stage instrument for scanning a specimen |
| WO1996028837A1 (en) * | 1995-03-10 | 1996-09-19 | Molecular Imaging Corporation | Hybrid control system for scanning probe microscopes |
| US5528033A (en) * | 1995-03-29 | 1996-06-18 | International Business Machines Corporation | Automatic surface profiling for submicron device |
| US5874668A (en) | 1995-10-24 | 1999-02-23 | Arch Development Corporation | Atomic force microscope for biological specimens |
| JP3290378B2 (ja) * | 1996-06-13 | 2002-06-10 | 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 | Ａｆｍ／ｓｔｍ形状測定のためのマイクロメカニカル・センサ |
| US5866806A (en) * | 1996-10-11 | 1999-02-02 | Kla-Tencor Corporation | System for locating a feature of a surface |
| US5955661A (en) * | 1997-01-06 | 1999-09-21 | Kla-Tencor Corporation | Optical profilometer combined with stylus probe measurement device |
| 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 |
| US5801381A (en) * | 1997-05-21 | 1998-09-01 | International Business Machines Corporation | Method for protecting a probe tip using active lateral scanning control |
| US6246054B1 (en) | 1997-06-10 | 2001-06-12 | Olympus Optical Co., Ltd. | Scanning probe microscope suitable for observing the sidewalls of steps in a specimen and measuring the tilt angle of the sidewalls |
| US6223591B1 (en) * | 1997-11-28 | 2001-05-01 | Nikon Corporation | Probe needle arrangement and movement method for use in an atomic force microscope |
| US6169281B1 (en) | 1998-07-29 | 2001-01-02 | International Business Machines Corporation | Apparatus and method for determining side wall profiles using a scanning probe microscope having a probe dithered in lateral directions |
| US6473708B1 (en) * | 1999-12-20 | 2002-10-29 | Bechtel Bwxt Idaho, Llc | Device and method for self-verifying temperature measurement and control |
| US7155964B2 (en) | 2002-07-02 | 2007-01-02 | Veeco Instruments Inc. | Method and apparatus for measuring electrical properties in torsional resonance mode |
| US6945099B1 (en) * | 2002-07-02 | 2005-09-20 | Veeco Instruments Inc. | Torsional resonance mode probe-based instrument and method |
| US7168301B2 (en) * | 2002-07-02 | 2007-01-30 | Veeco Instruments Inc. | Method and apparatus of driving torsional resonance mode of a probe-based instrument |
| US6715346B2 (en) * | 2002-08-13 | 2004-04-06 | Infineon Technologies Ag | Atomic force microscopy scanning methods |
| JP2006512606A (ja) * | 2002-12-30 | 2006-04-13 | コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ | ディスプレイの接続 |
| US6823713B2 (en) * | 2003-04-11 | 2004-11-30 | Infineon Technologies Ag | Scanning tip orientation adjustment method for atomic force microscopy |
| JP2005069972A (ja) * | 2003-08-27 | 2005-03-17 | Hitachi Kenki Fine Tech Co Ltd | 走査型プローブ顕微鏡の探針移動制御方法 |
| US7693587B2 (en) * | 2004-02-03 | 2010-04-06 | Ut-Battelle, Llc | Control of friction at the nanoscale |
| US7767961B2 (en) * | 2005-06-09 | 2010-08-03 | Hitachi Global Storage Technologies Netherlands B.V. | Method for determining material interfacial and metrology information of a sample using atomic force microscopy |
| KR100761059B1 (ko) * | 2006-09-29 | 2007-09-21 | 파크시스템스 주식회사 | 오버행 샘플 측정이 가능한 주사 탐침 현미경 |
| US7770439B2 (en) * | 2006-10-17 | 2010-08-10 | Veeco Instruments Inc. | Method and apparatus of scanning a sample using a scanning probe microscope |
| US7797991B2 (en) * | 2007-10-18 | 2010-09-21 | Texas Instruments Incorporated | Rocking Y-shaped probe for critical dimension atomic force microscopy |
| DE102014212311A1 (de) * | 2014-06-26 | 2015-12-31 | Carl Zeiss Smt Gmbh | Rastersondenmikroskop und Verfahren zum Untersuchen einer Oberfläche mit großem Aspektverhältnis |
| US10545170B2 (en) * | 2015-06-23 | 2020-01-28 | Toshiba Memory Corporation | Measuring method of scanning probe microscopy using penetrative pressing force |
| WO2018140024A1 (en) * | 2017-01-26 | 2018-08-02 | Ozgur Sahin | Afm with suppressed parasitic signals |
Family Cites Families (26)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US2620655A (en) * | 1949-10-08 | 1952-12-09 | Physicists Res Company | Instrument for recording or measuring the size and shape of surface irregularities |
| US2943719A (en) * | 1958-02-10 | 1960-07-05 | Fuller Mfg Co | Change gear system |
| CH549438A (fr) * | 1971-03-01 | 1974-05-31 | Far Fab Assortiments Reunies | Dispositif de transmission simultanee des mouvements d'un palpeur a au moins deux organes de lecture. |
| US4888550A (en) * | 1981-09-14 | 1989-12-19 | Texas Instruments Incorporated | Intelligent multiprobe tip |
| US4724318A (en) * | 1985-11-26 | 1988-02-09 | International Business Machines Corporation | Atomic force microscope and method for imaging surfaces with atomic resolution |
| US4780961A (en) * | 1986-11-10 | 1988-11-01 | Shelton Russell S | Probe assembly and circuit for measuring machine |
| JPH079371B2 (ja) * | 1986-11-28 | 1995-02-01 | 日立建機株式会社 | プロ−ブ姿勢制御装置 |
| EP0290647B1 (en) * | 1987-05-12 | 1991-07-24 | International Business Machines Corporation | Oscillating quartz atomic force microscope |
| EP0440268B1 (en) * | 1987-05-12 | 1994-08-17 | International Business Machines Corporation | Atomic force sensor head with interferometric measurement of the properties of a data store |
| JPS63187006U (ja) * | 1987-05-25 | 1988-11-30 | ||
| JP2566794B2 (ja) * | 1987-10-15 | 1996-12-25 | セイコー電子工業株式会社 | 走査型トンネル顕微鏡の測定方法 |
| JP2594452B2 (ja) * | 1988-03-04 | 1997-03-26 | 日本電信電話株式会社 | 表面形状測定装置 |
| JP2936545B2 (ja) * | 1988-06-24 | 1999-08-23 | 株式会社日立製作所 | 走査プローブ顕微鏡 |
| US4889988A (en) * | 1988-07-06 | 1989-12-26 | Digital Instruments, Inc. | Feedback control for scanning tunnel microscopes |
| US4935634A (en) * | 1989-03-13 | 1990-06-19 | The Regents Of The University Of California | Atomic force microscope with optional replaceable fluid cell |
| US5017010A (en) * | 1989-05-16 | 1991-05-21 | International Business Machines Corporation | High sensitivity position sensor and method |
| JPH087135B2 (ja) * | 1989-08-31 | 1996-01-29 | 株式会社島津製作所 | 表面特性測定装置 |
| US5003815A (en) * | 1989-10-20 | 1991-04-02 | International Business Machines Corporation | Atomic photo-absorption force microscope |
| US5025658A (en) * | 1989-11-28 | 1991-06-25 | Digital Instruments, Inc. | Compact atomic force microscope |
| JP2716569B2 (ja) * | 1990-04-25 | 1998-02-18 | パイオニア株式会社 | 光学式情報読取り装置 |
| DE4013742C2 (de) * | 1990-04-28 | 1994-06-30 | Focus Mestechnik Gmbh & Co Kg | Abtastkopf für eine Maschine zum Ausmessen der Mikrooberflächenkontur von Werkstücken |
| US5198715A (en) * | 1990-05-23 | 1993-03-30 | Digital Instruments, Inc. | Scanner for scanning probe microscopes having reduced Z-axis non-linearity |
| JPH04102008A (ja) * | 1990-08-21 | 1992-04-03 | Brother Ind Ltd | 原子間力顕微鏡 |
| JPH04161807A (ja) * | 1990-10-26 | 1992-06-05 | Olympus Optical Co Ltd | 走査型プローブ顕微鏡 |
| JP2821511B2 (ja) * | 1990-11-20 | 1998-11-05 | キヤノン株式会社 | 傾き調整方法 |
| JP2939006B2 (ja) * | 1991-06-05 | 1999-08-25 | キヤノン株式会社 | 傾斜測定機構 |
-
1992
- 1992-09-22 US US07/948,503 patent/US5347854A/en not_active Expired - Lifetime
-
1993
- 1993-08-05 JP JP5212110A patent/JP2654336B2/ja not_active Expired - Fee Related
- 1993-09-21 EP EP93480144A patent/EP0589815B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1993-09-21 DE DE69312412T patent/DE69312412T2/de not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH06194154A (ja) | 1994-07-15 |
| DE69312412T2 (de) | 1998-01-22 |
| US5347854A (en) | 1994-09-20 |
| EP0589815A3 (en) | 1995-02-01 |
| EP0589815A2 (en) | 1994-03-30 |
| EP0589815B1 (en) | 1997-07-23 |
| DE69312412D1 (de) | 1997-09-04 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP2654336B2 (ja) | サンプル表面の２次元輪郭描写の装置 | |
| US5283442A (en) | Surface profiling using scanning force microscopy | |
| US5412980A (en) | Tapping atomic force microscope | |
| US6008489A (en) | Method for improving the operation of oscillating mode atomic force microscopes | |
| US6234009B1 (en) | Controlling motion of a scanning force microscope probe tip moving into engagement with a sample surface | |
| JP2837083B2 (ja) | 形状を除く表面のパラメータを正確に測定し、または形状に関連した仕事を行うための方法および相互作用装置 | |
| EP0536827B1 (en) | Combined scanning force microscope and optical metrology tool | |
| US5852232A (en) | Acoustic sensor as proximity detector | |
| JP4595041B2 (ja) | 原子間力顕微鏡用能動型探針及びその使用方法 | |
| US5553487A (en) | Methods of operating atomic force microscopes to measure friction | |
| JP3266267B2 (ja) | 位相または周波数の検出を用いる軽打原子間力顕微鏡 | |
| JP2580244B2 (ja) | 原子間力を検出するための機構、撓みを検出する方法 | |
| USRE36488E (en) | Tapping atomic force microscope with phase or frequency detection | |
| Barrett et al. | High‐speed, large‐scale imaging with the atomic force microscope | |
| WO1998029707A9 (en) | Acoustic sensor as proximity detector | |
| US20030089162A1 (en) | Dual stage instrument for scanning a specimen | |
| JPH0734032B2 (ja) | 磁力測定装置及び方法 | |
| TW200537070A (en) | Method of operating a probe microscope | |
| US5801381A (en) | Method for protecting a probe tip using active lateral scanning control | |
| JP3515364B2 (ja) | サンプル表面の形状的特徴を調べる装置、方法および記録媒体 | |
| JPH10142240A (ja) | 走査型プローブ顕微鏡とこの走査型プローブ顕微鏡を備えた加工装置 | |
| JPH09166607A (ja) | 走査型プローブ顕微鏡およびその測定方法 | |
| JP2001249067A (ja) | 走査型プローブ顕微鏡を用いて輪郭走査を実行する装置および方法 | |
| JP3008583B2 (ja) | 原子間力顕微鏡およびその制御方法 | |
| JP2004069445A (ja) | 走査型プローブ顕微鏡 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |