JP2848539B2 - Cantilever deflection sensor and method of using the same - Google Patents

Cantilever deflection sensor and method of using the same

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、一般に、たとえば原子間力顕微鏡(AFM)
の分野で使用されるカンチレバー型素子の力または振れ
を測定する手段に関する。本発明は、更に、材料特性を
決定するための方法及び装置に関する。詳細には、加え
た電磁界の高調波の発生及び検出を伴う、走査プローブ
顕微鏡に基づくドーパント・プロファイラに関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention generally relates to, for example, an atomic force microscope (AFM).
To measure the force or deflection of a cantilever-type element used in the field of: The invention further relates to a method and an apparatus for determining material properties. In particular, it relates to a scanning probe microscope based dopant profiler with the generation and detection of harmonics of the applied electromagnetic field.

発明の背景 米国特許A4724318号明細書で最初に知られ、G.ビニン
グ(Binning)、C.F.クエート(Quate)及びCh.ガーバ
ー(Gerber)によりPhys.Rev.Letters,Vol.56,No.9,198
6年3月、pp.930〜933に記載された原子間力顕微鏡は、
調査する表面のプロファイルを走査するために、ばね状
のカンチレバー・ビームに取り付けた鋭く尖ったチップ
を使用する。必要な距離の所で、チップの頂点にある原
子と表面にある原子の間に微小な力が発生し、その結果
カンチレバーがわずかに振れる。米国特許A4724138号で
は、導電性トンネル・チップをやはり導電性のカンチレ
バー・ビームの背後のトンネル距離内に配置し、トンネ
ル顕微鏡によってこの振れを測定し、トンネル電流の変
化を利用して振れを決定する。カンチレバー・ビームの
特性がわかっていると、AFMチップと調査中の表面との
間で生じる力を決定することができる。
BACKGROUND OF THE INVENTION It was first known in U.S. Pat. No. 4,727,318 and is described by G. Binning, CF Quate and Ch. Gerber in Phys. Rev. Letters, Vol. 56, No. 9, 198.
The atomic force microscope described in March, 6 pp. 930-933,
Use a sharp pointed tip mounted on a spring-like cantilever beam to scan the profile of the surface to be investigated. At the required distance, a small force is created between the atom at the tip of the tip and the atom at the surface, resulting in a slight swing of the cantilever. In U.S. Patent No. A4724138, a conductive tunnel tip is placed within a tunnel distance behind a cantilever beam, which is also conductive, and this deflection is measured by a tunnel microscope to determine the deflection using changes in tunnel current. . With the properties of the cantilever beam known, the force generated between the AFM tip and the surface under investigation can be determined.

鋭いチップと表面との間に生じる力は、通常、ファン
デルワールスカ、共有結合力、イオン力、またはコア反
発力である。
The force that develops between the sharp tip and the surface is typically van der Waalska, covalent, ionic, or core repulsion.

AFMの重要な態様は、カンチレバーの振れを正確に決
定することである。このような振れ測定方法の1つのグ
ループは、カンチレバーを距離に感応する別の顕微鏡に
結合することに基づくものである。カンチレバーと走査
トンネル顕微鏡の組み合わせは、たとえば、前述の米国
特許第A4724318号に記載されている。微小波結合センサ
を利用する別の手法は、走査近視野光学顕微鏡(SNOM)
または走査トンネル光学顕微鏡(STOM)としても知ら
れ、ディアスプロ(Diaspro)とアギュラ(Aguilar)に
よって、Ultramicroscopy42〜44(1992)、pp.1668〜16
70に記載されている。
An important aspect of AFM is to accurately determine cantilever deflection. One group of such shake measurement methods is based on coupling the cantilever to another distance sensitive microscope. Combinations of cantilevers and scanning tunneling microscopes are described, for example, in the aforementioned U.S. Pat. No. 4,747,318. Another approach using microwave coupled sensors is scanning near-field optical microscopy (SNOM)
Also known as scanning tunneling optical microscope (STOM), Ultramicroscopy 42-44 (1992), pp. 1668-16, by Diaspro and Aguilar.
70.

検出方法の別のグループは、周知の圧電効果またはピ
エゾ抵抗効果に基づくものである。その例は、M.トート
ニーズ(Tortonese)他によりAppl.Phys Lett.62
(8)、1993年、pp.834〜836に記載されている。これ
らの方法は、振れ検出器をカンチレバーに組み込んだ検
出方式を提供する。
Another group of detection methods is based on the well-known piezoelectric or piezoresistive effect. An example is Appl. Phys Lett. 62 by M. Tortonese et al.
(8), 1993, pp. 834-836. These methods provide a detection scheme that incorporates a shake detector into the cantilever.

カンチレバーの変位を検出するさらに別の可能な方法
は、キャパシタンスの検出に基づくもので、ジョイス
(Joyce)他によるRev.Sci.Instr.62(1991)、p.710、
ゴデンヘンリッヒ(Gddenhenrich)他によるJ.Vac.S
ci.Technol.A8(1990)、p.383、及び欧州特許出願A029
0648号から知られる。
Yet another possible method of detecting cantilever displacement is based on the detection of capacitance, see Joyce et al., Rev. Sci. Instr. 62 (1991), p. 710,
J. Vac.S by Gddenhenrich et al.
ci.Technol.A8 (1990), p.383, and European Patent Application A029
Known from 0648.

上記出願ならびに米国特許第A4851671号によって知ら
れる方法では、可撓性素子の共振周波数とその高調波の
変化を利用してその曲がりを測定する。周波数は、水晶
発振器あるいはカンチレバーに付加的に取り付けられた
キャパシタンスによって検出される。
In the method known from the above-mentioned application and U.S. Pat. No. 4,485,671, the bending of a flexible element is measured by using the change of the resonance frequency and its harmonics. The frequency is detected by a crystal oscillator or a capacitance additionally mounted on the cantilever.

可撓性素子の変位は、ビーム偏向法や干渉計使用法な
どの光学的な方法を利用しえ測定することもできる。ビ
ーム偏向法では、レバーの長さを利用する。一般には、
好ましくはレーザ・ダイオードで生成されるかまたは光
ファイバを通して導かれた光ビームをレバーに照射す
る。レバーの小さな振れで、反射角が適度に変化し、そ
れにより、反射光ビームの振れが生じ、それをバイセル
(bicell)や他の適切な光検出器で測定する。ビーム偏
向法は、簡単で信頼性が高い。これは、たとえば、マイ
ヤ(Myer)とアメール(Amer)により、Appl.Phys.Let
t.53(1988)、pp.1045〜1047に記載されている。干渉
計使用法は、たとえば、マーチン(Martin)他によるJ.
Appl.Phys.61(1987)、p.4723、サリッド(Sarid)他
によるOpt.Lett.12(1288)、p.1057、及びオシオ(Osh
io)他によるUltramicroscopy 42〜44(1992)、pp.310
〜314に記載されている。Qを維持しつつ極めて高い共
振周波数を有するカンチレバーを作成することによりSP
Mの感度を高めることができるので、カンチレバーが小
さくなる傾向がある。このようなカンチレバーでは、反
射率の低下とレーザ・ビームの焦点サイズの制限から生
じる問題とによって、前述の光学的な方法は失敗しやす
い。
The displacement of the flexible element can be measured using an optical method such as a beam deflection method or an interferometer. In the beam deflection method, the length of the lever is used. Generally,
The lever is irradiated with a light beam, preferably generated by a laser diode or guided through an optical fiber. A small deflection of the lever causes a moderate change in the angle of reflection, which causes a deflection of the reflected light beam, which is measured by a bicell or other suitable photodetector. The beam deflection method is simple and reliable. This is because, for example, by Myer and Amer, Appl.Phys.Let
t.53 (1988), pp. 1045-1047. Interferometer usage is described, for example, by Martin et al.
Appl. Phys. 61 (1987), p. 4723, Opt. Lett. 12 (1288) by Salid et al., P. 1057, and Oshio (Osh).
io) Ultramicroscopy 42-44 (1992), pp. 310 by others.
314. SP by creating a cantilever with extremely high resonance frequency while maintaining Q
Since the sensitivity of M can be increased, the cantilever tends to be smaller. With such cantilevers, the aforementioned optical methods are liable to fail due to reduced reflectivity and problems arising from the limitation of the focal size of the laser beam.

今日の超大規模集積回路(VLSI)技術は、基材または
主材料に導入される活性成分(ドーパント)の3次元す
べてにおける空間的な広がり、密度、または分散に関す
る正確な知識を必要とする。VLSIで作成される最も一般
的なデバイスは、バイポーラまたは金属酸化膜半導体電
界効果型トランジスタ(MOSFET)、ダイオード、キャパ
シタである。その特徴的な長さスケールは、現在は約0.
5ミクロンであるが、将来は、350nmあるいはさらに100n
mにまで短縮するであろう。半導体デバイスの活性領域
におけるヒ素、ホウ素、リンなどのドーパントの濃度
は、通常1015/cm3〜1020/cm3の範囲である。デバイス
挙動の予測及び製造プロセスの制御を実施するには、10
nmの横解像度と2nm〜3nmの縦解像度でドーパントの変動
またはプロファイルを制御することが必要になるであろ
う。しかしながら、現在既知のドーパント・プロファイ
ラは、少なくとも3次元すべてにおいて、この高い精度
を提供することができない。
Today's very large scale integrated circuit (VLSI) technology requires accurate knowledge of the spatial extent, density, or dispersion in all three dimensions of the active component (dopant) introduced into a substrate or main material. The most common devices made with VLSI are bipolar or metal oxide semiconductor field effect transistors (MOSFETs), diodes, and capacitors. Its characteristic length scale is currently about 0.
5 microns, but in the future 350nm or even 100n
will be reduced to m. Arsenic in the active region of the semiconductor device, boron, the concentration of the dopant such as phosphorus, is usually in the range of 10 15 / cm 3 ~10 20 / cm 3. To predict device behavior and control manufacturing processes, 10
It may be necessary to control the variation or profile of the dopant with a lateral resolution of nm and a vertical resolution of 2 nm to 3 nm. However, currently known dopant profilers cannot provide this high accuracy in at least all three dimensions.

ドーパント・プロファイリングの既知の手法には、S.
T.アン(Ahn)とW.A.チラー(Tiller)によりJ.Elector
chem.Soc.135(1988)、p.2370に記載された接合部染
色、H.セルバ(Cerva)によりJ.Vac.Sci.Technol.B10
(1992)、p.491に記載された透過電子顕微鏡(TEM)に
よるドーパント密度選択エッチング、たとえばS.M.シェ
(Sze)著「VLSI Technology」、McGraw−Hill Book C
o.,New York,1983(特に5章ないし10章)に記載されて
いる二次イオン質量分光分析(SIMS)、広がり抵抗(S
R)、巨視的容量−電圧(C−V)測定がある。現在開
発中のその他の方法は、L.P.サドウィック(Sadwick)
他によるJ.Vac.Sci.Technol.B10(1992)、p.468から知
られる、走査トンネル顕微鏡(STM)によるドーパント
密度選択エッチング、H.E.ヘッセル(Hessel)他により
J.Vac.Sci.Technol.B9(1991)、p.690に記載されたプ
レーナSTM、ならびにJ.M.ハルボート(Halbout)及びM.
B.ジョンソン(Johnson)によりJ.Vac.Sci.Technol.b10
(1992)、p.508に記載された断面STMである。これらの
技法は、ある側面では有用であるが、いくつかの欠点が
あり、つまり、破壊的かあるいはサンプルの慎重な調製
が必要であり、横解像度またはドーパント感度に制限が
ある。
Known techniques for dopant profiling include S.
J. Elector by T. Ahn and WA Tiller
Chem. Soc. 135 (1988), J. Vac. Sci. Technol. B10 by H. Cerva, described in J. Vac.
(1992), p.491, p.491, selective etching of dopant density by transmission electron microscopy (TEM), for example, "VLSI Technology" by SM Sze, McGraw-Hill Book C
o., New York, 1983 (especially Chapters 5 to 10), secondary ion mass spectroscopy (SIMS), spreading resistance (S
R), macroscopic capacitance-voltage (CV) measurement. Another method currently under development is LP Sadwick.
J. Vac. Sci. Technol. B10 (1992), p. 468, by Dopant Density Selective Etching by Scanning Tunneling Microscopy (STM), HE Hessel et al.
J. Vac. Sci. Technol. B9 (1991), Planar STM described in p. 690, and JM Halbout and M.
J.Vac.Sci.Technol.b10 by B. Johnson
(1992), section STM described on page 508. While useful in certain aspects, these techniques have some drawbacks: they are destructive or require careful sample preparation, and have limited lateral resolution or dopant sensitivity.

ドーパント濃度を決定するための最新の方法の1つ
は、米国特許第A5065103号に記載された走査キャパシタ
ンス顕微鏡である。これは、走査プローブ顕微鏡と従来
のC−V技術の特徴を有する。しかし、走査キャパシタ
ンス顕微鏡でも、将来必要となる十分な横解像度は得ら
れない。さらに、漂遊容量による雑音を減少させるため
にロックイン技法を利用しており、したがって走査プロ
セスの速度が遅く、この方法による高いスループットは
実現しそうもない。
One of the latest methods for determining dopant concentration is the scanning capacitance microscope described in U.S. Patent No. A5065103. It has the features of a scanning probe microscope and conventional CV technology. However, even a scanning capacitance microscope does not provide sufficient lateral resolution required in the future. In addition, lock-in techniques are used to reduce noise due to stray capacitance, thus slowing the scanning process, and high throughput with this method is unlikely to be realized.

米国特許第A5267471号明細書に記載されたもう1つの
方法では、異なる2つの機械共振周波数を有するカンチ
レバーを使用する。この装置をキャパタシタンス・セン
サとして使用するときは、共振周波数の一部分をカンチ
レバーに加え、そのカンチレバーの動きをレーザ干渉計
とその次のロックイン増幅器で監視する。前述のよう
に、ロックイン増幅器を使用すると、測定の帯域幅が著
しく制限される。
Another method described in U.S. Pat. No. A5267471 uses a cantilever having two different mechanical resonance frequencies. When the device is used as a capacitance sensor, a portion of the resonant frequency is applied to the cantilever, and the movement of the cantilever is monitored by a laser interferometer and subsequent lock-in amplifier. As mentioned above, the use of lock-in amplifiers severely limits the bandwidth of the measurement.

電磁誘導された高調波発生(SHM)に基づく走査ブロ
ーブ顕微鏡の原理は、たとえば、G.P.コチャンスキ(Ko
chanski)によりPhys.Rev.Lett.62(1989)、No.19、p
p.2285〜2288に、W.シファート(Seifert)他によりUlt
ramicroscopy 42〜44(1992)、pp.379〜387に、B.ミッ
シェル(Michel)他によりRev.Sci.Instrum.63(9)、
1992年9月、pp.4080〜4085に、S.J.ストラニック(Str
anick)及びP.S.ワイス(Weiss)により、Rev,Sci.Inst
rum.64(5)、1993年5月、pp.1232〜1234に記載され
ている。SHM技法においては、無線周波数(RF)から光
周波数までの電磁場を、従来の走査トンネル顕微鏡(ST
M)のトンネル・ギャップに加える。電流−電圧曲線の
非直線性または空間電荷効果であると思われるトンネル
・ギャップのいくつかの電気特性によって、より高い周
波数(高調波)が作り出される。STMチップ位置決め装
置のフィードバックとしてこれらの高調波を使用するこ
とにより、絶縁膜と半導体を走査することができる。た
だし、このフィードバック・ループは導電体表面上では
うまくいかず、壊れやすいチップが表面にぶつかって壊
れる。集積回路上には導電性領域が規則的に現れるの
で、この間違った考えのために、ドーパント・プロファ
イリング用の計器としてSHMを大規模に使用することが
できない。
The principle of a scanning probe microscope based on electromagnetically induced harmonic generation (SHM) is described in, for example, GP Kochanski (Ko
chanski), Phys. Rev. Lett. 62 (1989), No. 19, p.
Ult by W. Seifert et al.
ramicroscopy 42-44 (1992), pp. 379-387, Rev. Sci. Instrum. 63 (9), by B. Michel et al.
In September 1992, pp. 4080-4085, SJ Strnic (Str
anick) and PS Weiss, Rev, Sci. Inst
rum.64 (5), May 1993, pp.1232-1234. In the SHM technique, electromagnetic fields from the radio frequency (RF) to the optical frequency are transmitted through a conventional scanning tunneling microscope (ST).
M) Add to the tunnel gap. Higher frequencies (harmonics) are created by some electrical properties of the tunnel gap, which may be due to the non-linearity of the current-voltage curve or space charge effects. By using these harmonics as feedback for the STM chip positioning device, the insulating film and the semiconductor can be scanned. However, this feedback loop does not work on the conductor surface and the fragile tip hits the surface and breaks. This misconception prevents the SHM from being used extensively as an instrument for dopant profiling, as conductive regions appear regularly on the integrated circuit.

したがって、本発明の目的は、当技術の上記の制限に
関して、寸法が小さくしたがって極めて高い共振周波数
を有するカンチレバーに特に適した、カンチレバーの振
れを決定するための装置を提供することである。本発明
の他の目的は、100nm以下に拡張可能な解像度で、材料
の特性、特にドーパント・プロファイルを決定するため
の非破壊的な方法及び装置を提供することであ。この方
法及び装置は、導電性表面にも非導電性表面にも等しく
適用することができる。本発明の他の目的は、既知の装
置に関する振れ測定の帯域幅を広げることである。
Accordingly, it is an object of the present invention to provide a device for determining cantilever deflection which is particularly suitable for cantilevers having small dimensions and therefore a very high resonance frequency, with regard to the above limitations of the art. It is another object of the present invention to provide a non-destructive method and apparatus for determining material properties, particularly dopant profiles, with a resolution scalable to 100 nm and below. The method and apparatus are equally applicable to both conductive and non-conductive surfaces. Another object of the invention is to increase the bandwidth of the runout measurement for known devices.

発明の概要 上記その他の目的及び利点は、併記の請求の範囲に記
載した本発明の原理に従って達成される。
Summary of the Invention The above and other objects and advantages are achieved in accordance with the principles of the present invention as set forth in the appended claims.

したがって、基本的変形において、本発明による装置
は、柔軟なカンチレバーと、装置の動作中に調査するサ
ンプルまたは「ピギーバック(piggybacked)」基準面
またはチップとカンチレバーとの間に直流電圧を印加す
る電圧バイアス手段と、MHzまたはGHzあるいはその両方
の範囲の放射線を受信するアンテナ手段と、この周波数
範囲で動作するように設計された増幅手段とを有する。
カンチレバーと第2の表面との界面の抵抗−電圧特性ま
たはキャパシタンス−電圧特性が非直線性であるため
に、界面から出る放射線は、1つの(基本)周波数だけ
でなく、同時により高い周波数の成分、いわゆうる高調
波信号を含む。原理的には、これらの高調波のすべての
成分を使用することができるが、本発明のいくつかの実
施形態においては、後で説明するように、高調波信号、
特に第2及び第3高調波信号を測定用に利用すると有利
である。周波数の好ましい範囲は、100MHz〜100GHzであ
り、この下限は、高調波発生の効率によって設定され、
上限は、現在利用可能な高周波信号の発生及び検出用装
置によって決まる。
Thus, in a basic variant, the device according to the invention comprises a flexible cantilever and a voltage which applies a DC voltage between the sample and the "piggybacked" reference surface or tip and the cantilever to be investigated during operation of the device. It has biasing means, antenna means for receiving radiation in the MHz and / or GHz range, and amplifying means designed to operate in this frequency range.
Due to the non-linearity of the resistance-voltage or capacitance-voltage characteristics of the interface between the cantilever and the second surface, radiation exiting the interface is not only at one (fundamental) frequency, but also at higher frequency components at the same time. And so-called harmonic signals. In principle, all components of these harmonics can be used, but in some embodiments of the present invention, as described below, the harmonic signal,
In particular, it is advantageous to use the second and third harmonic signals for measurement. A preferred range of frequencies is 100 MHz to 100 GHz, the lower limit being set by the efficiency of harmonic generation,
The upper limit is determined by the currently available high frequency signal generation and detection equipment.

高調波が発生するためには、通常、カンチレバーと、
サンプルあるいは「ピギーバック」面またはチップの表
面である第2の表面とが、半導体または非導電体の境界
と導体の境界からなる界面を形成しなければならない。
しかし、本発明による装置の感度は、両方の表面が半導
体材料からなる実施形態をサポートすることが分かっ
た。したがって、この装置は、第2の境界の性質とは関
係なしに、高調波信号の発生において高い効率を示す。
本発明のもう1つの利点として、たとえばカンチレバー
の走査中に様々な表面材料と遭遇するときに、再調査を
必要とすることなく一定の直流バイアス電圧を選択する
ことができる。
In order for harmonics to be generated, usually a cantilever and
The sample or "piggyback" surface or the second surface, which is the surface of the chip, must form an interface consisting of a semiconductor or non-conductor boundary and a conductor boundary.
However, it has been found that the sensitivity of the device according to the invention supports embodiments in which both surfaces consist of semiconductor material. Thus, the device exhibits high efficiency in generating harmonic signals, independent of the nature of the second boundary.
Another advantage of the present invention is that a constant DC bias voltage can be selected without the need for re-examination, for example, when different surface materials are encountered during cantilever scanning.

2つの境界は、好ましくは0.1nm〜100nmだけ離され
る。電圧バイアス手段を利用して、この界面に直流電圧
を印加することができる。次に、界面のキャパシタンス
−電圧特性が非線形であるため、カンチレバーの振動に
よって共振周波数とその高調波によって振動する電界信
号の放射が起こる。放射された電界は、アンテナと、好
ましくはスペクトル分析器を構成する増幅器またはカス
ケード接続した増幅器及びフィルタによって検出する。
カンチレバーのチップに作用する力の変化を、したがっ
てカンチレバーの振れを、電界信号の周波数の変化また
はカンチレバーの振動の振幅の変化として検出すること
ができる。
The two boundaries are preferably separated by 0.1 nm to 100 nm. A DC voltage can be applied to this interface by using voltage bias means. Next, since the capacitance-voltage characteristic of the interface is non-linear, the oscillation of the cantilever causes the emission of an electric field signal oscillating by the resonance frequency and its harmonics. The radiated electric field is detected by an antenna and preferably by an amplifier or cascaded amplifiers and filters that make up a spectrum analyzer.
A change in force acting on the tip of the cantilever, and thus a deflection of the cantilever, can be detected as a change in the frequency of the electric field signal or a change in the amplitude of the vibration of the cantilever.

たとえば当技術分野では周知の圧電精密位置決めシス
テムのような位置決め手段を制御するフィードバック手
段に増幅器の出力信号を加えることによって、本発明の
基本的変形を振れ検出制御装置に拡張することができ、
カンチレバーの位置を原子精度で制御することが可能に
なる。本発明のこの実施形態は、数百MHz以上の共振周
波数を有するカンチレバーに特に適している。このよう
なカンチレバーは小さすぎて、光をうまく収束すること
ができず、カンチレバーで反射した光の量が電流検出し
きい値を下回るため、ビーム偏向や干渉計使用法などの
既知の光学的手法に利用することができない。
For example, by adding the output signal of the amplifier to feedback means for controlling the positioning means, such as a piezoelectric precision positioning system known in the art, the basic variant of the invention can be extended to a runout detection control device,
It becomes possible to control the position of the cantilever with atomic accuracy. This embodiment of the invention is particularly suitable for cantilevers having a resonance frequency above a few hundred MHz. Such cantilevers are too small to converge light well, and the amount of light reflected by the cantilever is below the current detection threshold, so known optical techniques such as beam deflection and interferometer usage Can not be used for

米国特許A−4724318号に関して説明したように、
「ピギーバック型」走査トンネル顕微鏡(STM)を使っ
てAFMカンチレバーの振れを検出することは原則的に既
知である。しかし、本発明における相違によりいくつか
の利点が得られることは明らかである。トンネル電流を
検出するには、チップをレバーの後ろ1nm以下にまで近
づける必要がある。この近い距離は、大きな減衰を引き
起こし、大きな力及び力の勾配を測定するとき、すなわ
ち大きな振れを測定するときには実際的ではない。市販
のAFM顕微鏡においてこの方法の使用を妨げているもう
1つの理由は、周囲条件の下でトンネル・ギャップが安
定していないことである。本発明の装置を用いると、ギ
ャップ幅を最高50nmまで広げることができる。シリコン
・カンチレバーの減衰は小さくなり、振れの測定感度を
極めて高いレベルで維持することができる。さらに、こ
の新装置は、振れのトンネル電流検出によって、AFMに
特徴的な安定性の問題がない。さらに、たとえば酸化物
や窒化物などの絶縁体の層で覆われた表面で実施するこ
ともできる。
As described with respect to U.S. Patent No. 4,724,318,
It is known in principle to detect the deflection of an AFM cantilever using a "piggybacked" scanning tunneling microscope (STM). However, it is clear that the differences in the present invention provide several advantages. To detect tunneling current, the tip needs to be closer than 1 nm behind the lever. This close distance causes a large damping and is not practical when measuring large forces and force gradients, i.e. large swings. Another reason that has prevented the use of this method in commercial AFM microscopes is that the tunnel gap is not stable under ambient conditions. With the device of the present invention, the gap width can be increased up to 50 nm. The attenuation of the silicon cantilever is reduced, and the measurement sensitivity of the runout can be maintained at an extremely high level. Furthermore, the new device does not have the stability problem characteristic of AFM due to the detection of the tunnel current of the deflection. Furthermore, it can be carried out on a surface covered with a layer of an insulator such as an oxide or a nitride.

本発明の実施形態は、カンチレバー自体の正確な調整
または交換の必要なしに、既存の任意の型式のカンチレ
バーに適用することができる。本発明による装置は、良
好な信号対雑音比を有するので、ロックイン増幅器を必
要とせず、それにより振れ測定の帯域幅が広がることが
分かった。
Embodiments of the present invention can be applied to any existing type of cantilever without the need for precise adjustment or replacement of the cantilever itself. It has been found that the device according to the invention has a good signal-to-noise ratio and therefore does not require a lock-in amplifier, thereby increasing the bandwidth of the swing measurement.

本発明の範囲は、1つの支持部を有する単純なビーム
型カンチレバーに限定されないことは明らかである。た
とえば、複数の支持点を有する渦巻状などの複雑な設計
のカンチレバーにも容易に適用することができる。
Obviously, the scope of the invention is not limited to a simple beam cantilever with one support. For example, the present invention can be easily applied to a cantilever having a complicated design such as a spiral shape having a plurality of support points.

本発明のさらに別の実施形態は、界面から放射された
電界を受信するアンテナに関する。このアンテナは、離
散形の導体素子でも、カンチレバー、サンプル支持体ま
たはピギーバック型素子の一体部分でもよい。後者の場
合、「バイアスT字」コネクタなど、バイアス電圧及び
その他の低周波成分を高周波信号から分離する手段が設
けられる。このアンテナはまた、たとえば、B.マイケル
(Michel)他によりRev.Sci.Instrum.63(9)、1992年
9月、pp.4080〜4085に記載されているように、キャビ
ティ、好ましくは同調可能なキャビティ内に組み入れる
こともできる。キャビティを使用して、キャビティを信
号の周波数に同調させれば、大部分の信号出力を検出す
ることができる。キャビティがない場合は、測定及び装
置設計に高い融通性が得られる。ただし、この場合は、
特別設計の高インピーダンス・フィルタ及び増幅器を使
用することによって、感度の低下を補償することができ
る。
Yet another embodiment of the present invention relates to an antenna for receiving an electric field radiated from an interface. The antenna may be a discrete conductor element or an integral part of a cantilever, sample support or piggyback element. In the latter case, means are provided to separate the bias voltage and other low frequency components from the high frequency signal, such as a "biased T" connector. This antenna may also be tuned, preferably tunable, as described, for example, by B. Michel et al., Rev. Sci. Instrum. 63 (9), September 1992, pp. 4080-4085. It can be incorporated into a simple cavity. Most of the signal output can be detected by using the cavity and tuning the cavity to the frequency of the signal. Without cavities, high flexibility in measurement and instrument design is obtained. However, in this case,
By using specially designed high impedance filters and amplifiers, the loss of sensitivity can be compensated.

本発明の特定の態様は、異質の表面を調査するため、
特に高度集積回路をプローブ検査するため、すなわちド
ーパント・プロファイル作成のために、上記のような柔
軟なカンチレバーと高調波電気信号を検出する手段とを
含む装置を使用するものである。
Certain aspects of the invention are directed to investigating foreign surfaces,
Especially for probing advanced integrated circuits, i.e. for dopant profiling, use is made of an apparatus comprising a flexible cantilever as described above and means for detecting harmonic electrical signals.

チップとサンプルとの間のギャップから放射される電
気信号が界面の境界を作る材料に依存することは周知で
ある。しかし、ICで見られる複雑な表面に対処するため
に十分な融通性のある既知の機器はなく、適切なドーパ
ント・プロファイラの導入は失敗している。走査キャパ
シタンス顕微鏡は、原則的には、どんな表面でも横切っ
て走査することができるが、そのような任意の表面条件
の下で高い解像度を維持することは不可能であった。本
発明は、原子間力モードで動作可能な装置を使用してこ
の問題を解決し、前述の方法のうちのいずれかによって
カンチレバーの振れを検出し、同時にギャップ領域から
放射された電気信号の検出を可能にする。
It is well known that the electrical signal emitted from the gap between the chip and the sample depends on the material that bounds the interface. However, there are no well-known instruments that are flexible enough to handle the complex surfaces found in ICs, and the introduction of a suitable dopant profiler has failed. Scanning capacitance microscopes can, in principle, scan across any surface, but have been unable to maintain high resolution under any such surface conditions. The present invention solves this problem by using a device operable in atomic force mode to detect cantilever deflection by any of the aforementioned methods, while simultaneously detecting the electrical signal emitted from the gap region. Enable.

別の実施形態は、さらに、振動電界を発生させる手段
と、その電界をカンチレバーに加える結合手段とを含
む。この実施形態では、カンチレバーのチップとサンプ
ル表面との間のギャップを変調する周波数は、カンチレ
バーの共振周波数によって決定されず、所定の値に調整
することができる。この値は、調査するサンプル表面の
構造及び組成に依存する。無線周波数またはマイクロ波
周波数の電界を使用することが好ましい。この実施形態
は、外部から供給された信号によって不明瞭になった基
本周波数をその高調波から分離する適切なフィルタ手段
を提供することによってさらに改善される。
Another embodiment further includes means for generating an oscillating electric field and coupling means for applying the electric field to the cantilever. In this embodiment, the frequency that modulates the gap between the cantilever tip and the sample surface is not determined by the resonance frequency of the cantilever, but can be adjusted to a predetermined value. This value depends on the structure and composition of the sample surface to be investigated. It is preferred to use radio frequency or microwave frequency electric fields. This embodiment is further improved by providing appropriate filter means to separate the fundamental frequency obscured by an externally supplied signal from its harmonics.

この実施形態の変形においては、外部から供給される
振動電界を利用して、カンチレバーの振幅と振動周波数
を制御する。この制御は、外部供給電界をカンチレバー
の共振周波数に同調させると特に効率が良い。カンチレ
バー本体の一部を構成する圧電素子またはピエゾ抵抗素
子を、外部から供給された電気信号によって励起させ
て、カンチレバーの振動を引き起こすときも同様の効果
が達成できる。振動を引き起こすもう1つの代替方法
は、カンチレバーに十分な量の熱エネルギーを提供する
ことであり、この場合には、熱膨張係数の異なる材料を
含むバイモルフ構造を備えていなければならない。適切
な加熱素子をカンチレバー構造に組み込むことによって
カンチレバーへの熱供給を強化することができる。
In a modification of this embodiment, the amplitude and vibration frequency of the cantilever are controlled by using an externally supplied oscillating electric field. This control is particularly efficient when the externally supplied electric field is tuned to the resonance frequency of the cantilever. The same effect can be achieved when the piezoelectric element or the piezoresistive element constituting a part of the cantilever body is excited by an externally supplied electric signal to cause the cantilever to vibrate. Another alternative to causing vibration is to provide a sufficient amount of thermal energy to the cantilever, in which case a bimorph structure containing materials with different coefficients of thermal expansion must be provided. Heat supply to the cantilever can be enhanced by incorporating a suitable heating element into the cantilever structure.

本発明のもう1つの実施形態では、チップと表面との
間のギャップを通って流れる電流を測定する手段にチッ
プを取り付ける。これにより、上記のSTMから既知の
(直流)トンネル電流を決定することができ、あるい
は、コチャンスキによって記載されているように、印加
した交流電磁界の影響下で、調査する表面との間でトン
ネリングするわずかな数の電子から生じる交流電流を決
定することができる。後者の場合は、絶縁体にも適用さ
れる。
In another embodiment of the invention, the chip is attached to means for measuring the current flowing through the gap between the chip and the surface. This allows the known (DC) tunneling current to be determined from the STM described above, or tunneling to and from the surface to be investigated under the influence of an applied AC field, as described by Kochanski. An alternating current resulting from a small number of electrons can be determined. The latter case also applies to insulators.

位置決め装置のフィードバック・ループへの入力信号
として両方の電流が使用でき、本発明による装置のオペ
レータは、チップとサンプルの間のギャップ幅を制御す
るのに2つないし4つの異なる方法をとることができ
る。
Both currents can be used as input signals to the feedback loop of the positioning device, and the operator of the device according to the invention can take two to four different ways to control the gap width between tip and sample. it can.

本発明の特定の好ましい実施形態では、力センサのチ
ップとカンチレバーが、導電性のクラッドまたは被覆に
よって原子間力カンチレバーに結合される。このクラッ
ドは、当技術分野では周知の適切な付着技術によって、
通常のAFMカンチレバーに付着することができる。この
チップ一体化構造によって、従来の走査調波顕微鏡(SH
M)の(金属)チップと平行に原子間力センサを用いな
ければならない装置に比べて技術的オーバヘッドがかな
り減少する。
In certain preferred embodiments of the present invention, the force sensor tip and cantilever are coupled to the atomic force cantilever by a conductive cladding or coating. The cladding is formed by suitable deposition techniques well known in the art.
Can attach to normal AFM cantilevers. With this chip integrated structure, a conventional scanning harmonic microscope (SH
The technical overhead is significantly reduced compared to devices that have to use atomic force sensors parallel to the (metal) chip of M).

この信号検出を、それぞれわずかに異なる共振周波数
に同調させたカンチレバーのアレイに使用することも直
ちに可能である。各カンチレバーの振れは、入力直流電
圧または入力電磁波をこれらのカンチレバーのそれぞれ
に選択的に結合するか、あるいは周波数検出装置をその
共振周波数に同調させることによって実現することがで
きる。
It is immediately possible to use this signal detection on an array of cantilevers tuned to slightly different resonance frequencies. The deflection of each cantilever can be achieved by selectively coupling an input DC voltage or input electromagnetic wave to each of these cantilevers, or by tuning a frequency detection device to its resonant frequency.

たとえば、既知の走査表面調波顕微鏡の場合に、J.−
P.ボーゴン(Bourgoin)他により(International Conf
erence on Micro− and Nano−Engineering MNE '94,Da
vo,Switzeland,1994年9月26〜29日)記載された密閉チ
ャンバと界面領域内の湿度を制御する手段とを利用する
ことによって、装置の効率をさらに高めることができ
る。湿度を適切な値に設定すると、界面領域に小滴が形
成され、それによりこの領域に電界が集中する。
For example, in the case of the known scanning surface harmonic microscope, J.-
By P. Bourgoin et al. (International Conf.
erence on Micro− and Nano−Engineering MNE '94, Da
vo, Switzeland, September 26-29, 1994), the efficiency of the apparatus can be further increased by utilizing the enclosed chamber and means for controlling the humidity in the interface region. When the humidity is set to an appropriate value, droplets are formed in the interface area, which concentrates the electric field in this area.

本発明にとって特徴的と思われる上記その他の新規な
機能は、併記の請求の範囲に記載されている。しかしな
がら、本発明自体ならびに好ましい使用モード、さらに
その目的及び利点は、例示的実施形態に関する以下の詳
細の説明を添付図面と併せ読めば、最もよく理解される
であろう。
These and other novel features which are believed to be characteristic of the invention are set forth in the appended claims. The invention itself, however, as well as the preferred mode of use, as well as its objects and advantages, will best be understood by reference to the following detailed description of an illustrative embodiment when read in conjunction with the accompanying drawings.

図面の説明 以下の図面を参照して本発明を詳細に説明する。Description of the drawings The present invention will be described in detail with reference to the following drawings.

第1図は、チップ−サンプル間のギャップのモデルを
示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing a model of a gap between a chip and a sample.

第2図は、本発明による振れセンサの第1の実施形態
を示す図である。
FIG. 2 is a view showing a first embodiment of a shake sensor according to the present invention.

第2B図は、本発明の第2の実施形態を含むESR測定装
置を示す図である。
FIG. 2B is a diagram showing an ESR measuring device including a second embodiment of the present invention.

第3A図、第3B図は、本発明による振れセンサのさらに
別の変形を示す図である。
3A and 3B are views showing still another modification of the shake sensor according to the present invention.

第4A図、第4B図、第4C図は、様々な実施形態による表
面調査用の装置としての本発明の使用を示す図である。
4A, 4B, and 4C illustrate the use of the present invention as a device for surface investigation according to various embodiments.

第5A図、第5B図は、実験結果を示す図である。 FIG. 5A and FIG. 5B are diagrams showing experimental results.

第6A図、第6B図、第6C図は、さらに別の実験結果を示
す図である。
6A, 6B, and 6C are diagrams showing still another experimental result.

発明の実施の形態 次に、第1図を参照すると、カンチレバーと第2の表
面を隔てる界面またはギャップ内での高調波の発生につ
いて理解しやすくするためのモデルとしてRC並列回路1
を示す。RC並列回路1は、このギャップの電気モデルで
あり、直流電圧が印加される。マイクロ波発生器(図示
せず)で生成された入力マイクロ波信号ωが、たとえば
チップまたはサンプル・ホルダを介してギャップ部分に
結合される。入力マイクロ波信号は、周波数ωを有す
る。ギャップから出る放射線は、高調波周波数nωを有
する成分を含む。これらの成分は、電圧に対する抵抗R
(V)またはキャパシタンスC(V)の非直線性により
発生する。
Next, referring to FIG. 1, an RC parallel circuit 1 will be described as a model for facilitating understanding of generation of harmonics in an interface or a gap separating a cantilever and a second surface.
Is shown. The RC parallel circuit 1 is an electric model of this gap, and a DC voltage is applied. An input microwave signal ω generated by a microwave generator (not shown) is coupled to the gap, for example, via a tip or a sample holder. The input microwave signal has a frequency ω. The radiation exiting the gap contains a component having a harmonic frequency nω. These components are the resistance R
(V) or the nonlinearity of the capacitance C (V).

次に、第2A図を参照すると、本発明の基本的変形例を
概略的に示す。先端にチップを備えた柔軟なカンチレバ
ー220と、サンプル231を備えたサンプル・ホルダ230が
直流電圧源250に接続され、電圧源250は界面の両側にバ
イアス電圧を提供する。共振周波数または外部供給信号
の周波数でカンチレバーが振動するために、チップとサ
ンプルの間のギャップが変調され、基本周波数ωと高調
波周波数nωの信号を含む電磁波を放射する。これらの
信号は、アンテナ261で受信され、次の処理(表示、制
御など)のためにマイクロ波増幅器260で増幅される。
本発明のこの簡単な変形例は、カンチレバーの大きなア
レイを作成する際に特に重要である。アレイの各カンチ
レバーをそれぞれ異なる基本周波数に同調させることも
できる。次に、スペクトル分析器を使って、検出信号に
対する各カンチレバーの寄与分を分離すると、アレイに
おける各カンチレバーの振れが容易に観測可能となる。
カンチレバーのエネルギー消散のバランスをとるために
必要な励起エネルギーは、この基本的変形例では、たと
えば加熱や放射などによって外部から提供しなければな
らない。外部から電磁波を供給しないときは、共振周波
数の高いカンチレバーを備えることが望ましい。0.01GH
z〜1.0GHzの周波数で共振するカンチレバーは、ビン(B
inh)他によるSurface Science 301(1994)、L224から
既知である。
Next, referring to FIG. 2A, a basic modification of the present invention is schematically shown. A flexible cantilever 220 with a tip on the tip and a sample holder 230 with a sample 231 are connected to a DC voltage source 250, which provides a bias voltage on both sides of the interface. Because the cantilever vibrates at the resonance frequency or the frequency of the externally supplied signal, the gap between the tip and the sample is modulated, emitting electromagnetic waves including signals at the fundamental frequency ω and the harmonic frequency nω. These signals are received by the antenna 261 and amplified by the microwave amplifier 260 for the next processing (display, control, etc.).
This simple variation of the invention is particularly important in creating large arrays of cantilevers. Each cantilever of the array can be tuned to a different fundamental frequency. Next, using a spectrum analyzer to separate the contribution of each cantilever to the detected signal, the deflection of each cantilever in the array can be easily observed.
In this basic variant, the excitation energy required to balance the energy dissipation of the cantilever must be provided externally, for example by heating or radiation. When an electromagnetic wave is not supplied from outside, it is desirable to provide a cantilever having a high resonance frequency. 0.01GH
A cantilever that resonates at a frequency of z to 1.0 GHz is a bin (B
inh) et al. from Surface Science 301 (1994), L224.

第2B図は、電磁放射線240によってレバーの共振を外
部から引き起こす手段を示す。サンプルの電子スピン共
鳴(ESR)を測定する装置が示されているが、この装置
は、ルガー(Rugar)他によりNATURE 360,563(1992)
に記載されたものとは、ESRサンプルを支持するカンチ
レバー232と金属チップ222を備える第2の(基準または
「ピビーバック」)面との間にギャップに生成された高
調波を検出することによってカンチレバーの振れを検出
する点で異なる。高周波コイル240、磁石291、及び掃引
コイル292は、ESR測定装置の標準的な部品である。サン
プルにおける磁界の変調によって、通常は振幅約1ナノ
メートルのカンチレバーの振動が生じ、それが高調波信
号の変化として検出される。この信号は、チップ222と
シリコン・カンチレバー232の間のギャップに発生す
る。信号発生器293は、磁界を掃引して、カンチレバー
の共振周波数の半分の印加高周波周波数でスピンを共振
させる。検出回路262は、この共振周波数の高調波に同
調される。
FIG. 2B shows the means by which electromagnetic radiation 240 causes lever resonance from the outside. A device for measuring the electron spin resonance (ESR) of a sample is shown, which is described in Nature 360,563 (1992) by Rugar et al.
By detecting the harmonics created in the gap between the cantilever 232 supporting the ESR sample and the second (reference or "pibby back") surface comprising the metal tip 222, The difference is that the shake is detected. High frequency coil 240, magnet 291 and sweep coil 292 are standard components of an ESR measurement device. Modulation of the magnetic field at the sample results in oscillation of the cantilever, typically about 1 nanometer in amplitude, which is detected as a change in the harmonic signal. This signal occurs in the gap between tip 222 and silicon cantilever 232. The signal generator 293 sweeps the magnetic field to resonate the spin at an applied high frequency of half the resonant frequency of the cantilever. The detection circuit 262 is tuned to a harmonic of this resonance frequency.

本発明のもう1つの変形を第3A図に示す。この例で
は、顕微鏡は、特に、マイクロ波電源340に接続されそ
の背面が金属チップ323に面する半導体材料321からなる
カンチレバー320を有する。チップ323とカンチレバー32
0には直流電圧が印加される。この電圧は、カンチレバ
ーの材料に適した値に調整することができる。さらに、
チップとカンチレバーの間の距離を50〜100nmのデフォ
ルト値に保持するための固定手段(図示せず)が設けら
れている。このギャップ幅は、電子のトンネル作用が生
じる距離よりも十分に大きいこと、すなわち米国特許A4
724318号明細書に記載されたピギーバック式STMの場合
よりもかなり大きいことに留意されたい。また、このギ
ャップ幅は、通常の条件下でチップ323とカンチレバー3
20の衝突を防ぐのに十分に大きく、したがって、チップ
に別のフィードバック・ループで制御される位置決めシ
ステムを設ける必要はない。一方、本発明のこの変形例
を、一般に力走査顕微鏡の分野で「力一定モード」とし
て既知のモードで実施するために、サンプルの位置決め
手段331を制御する集積回路371が、フィードバック・ル
ープ370の一部として設けられる。
Another variation of the present invention is shown in FIG. 3A. In this example, the microscope has, in particular, a cantilever 320 made of a semiconductor material 321 connected to a microwave power supply 340, the back side of which faces the metal chip 323. Tip 323 and cantilever 32
DC voltage is applied to 0. This voltage can be adjusted to a value suitable for the material of the cantilever. further,
Fixing means (not shown) are provided to keep the distance between the tip and the cantilever at a default value of 50-100 nm. This gap width is sufficiently larger than the distance at which electron tunneling occurs, that is, US Pat.
Note that it is much larger than the piggyback STM described in 724318. In addition, the gap width is set between the tip 323 and the cantilever 3 under normal conditions.
There is no need to provide a chip with a positioning system that is large enough to prevent 20 collisions and thus controlled by a separate feedback loop. On the other hand, in order to implement this variant of the invention in a mode generally known as "constant force mode" in the field of force scanning microscopes, an integrated circuit 371 for controlling the sample positioning means 331 comprises a feedback loop 370. Provided as part.

さらに、前述の変形例では、外部マイクロ波信号がチ
ップ323を介してチップとカンチレバーの間のギャップ
に送られる。入力マイクロ波信号源340は、バイアスT34
1によって直流電圧回路に接続される。放出された放射
線ωとnωは、アンテナ361によって受信される。増幅
回路は、1GHz〜4GHzの範囲の帯域幅と40dBの増幅率を有
する前置増幅器362と、信号から雑音及び不要な周波数
成分を除去する帯域フィルタ363(2.1GHz〜3.5GHz)と
を含む。次のスペクトル分析器364は、信号の周波数分
解した表示を生成する。あるいは、スペクトル分析器の
出力を、集積回路371への入力として使用することもで
きる。
Further, in the above-described variant, an external microwave signal is sent via the tip 323 to the gap between the tip and the cantilever. The input microwave signal source 340 has a bias T34
1 connects to the DC voltage circuit. The emitted radiation ω and nω are received by the antenna 361. The amplifier circuit includes a preamplifier 362 having a bandwidth in the range of 1 GHz to 4 GHz and an amplification factor of 40 dB, and a band filter 363 (2.1 GHz to 3.5 GHz) for removing noise and unnecessary frequency components from the signal. The next spectrum analyzer 364 produces a frequency resolved representation of the signal. Alternatively, the output of the spectrum analyzer can be used as an input to integrated circuit 371.

本発明のさらに別の態様として、マイクロ波源、アン
テナ、増幅器、フィードバック回路を含み既知の原子間
力顕微鏡(AFM)に接続可能な装置を作成することもで
きる。AFMカンチレバーの振れは、市販のAFMにおいてST
Mベースの検出方法の利用を妨げていた安定性の問題を
起こすことなく、約10ピコメートルの精度で検出するこ
とができる。
In yet another embodiment of the present invention, a device that includes a microwave source, an antenna, an amplifier, and a feedback circuit and that can be connected to a known atomic force microscope (AFM) can be created. The deflection of the AFM cantilever is ST
It can be detected with an accuracy of about 10 picometers without causing stability problems that have hindered the use of M-based detection methods.

第3B図に、本発明によるコンパクト設計を示すが、こ
こでは、追加の金属チップがカンチレバー320の金属被
覆322で置き換えられている。さらに、スペクトル分析
器364の出力が、2つのフィードバック・ループ370、35
0の一部分を構成する位相動機ループ(PLL)372の入力
に接続され、フィードバック・ループ370は、カンチレ
バーの共振周波数にロックされる。このループは、加算
器374を含み、カンチレバー320の振動を静電気的に引き
起こすために使用される。PLLは信号の周波数シフトに
応答するので、図示した装置を使ってカンチレバーの振
動の減衰を測定することができる。PLLのRMS(根二乗平
均)出力を、積分器373によってさらに平滑化した後
で、サンプル・ホルダ330の位置決め手段331に制御信号
として接続することによって、減衰を一定にすることが
できる。
FIG. 3B shows a compact design according to the invention, in which the additional metal tip has been replaced by a metallization 322 of the cantilever 320. In addition, the output of spectrum analyzer 364 provides two feedback loops 370, 35
Connected to the input of a phase motivation loop (PLL) 372 which forms part of zero, the feedback loop 370 is locked to the resonant frequency of the cantilever. This loop includes an adder 374 and is used to electrostatically cause the cantilever 320 to vibrate. Since the PLL responds to the frequency shift of the signal, the illustrated device can be used to measure the attenuation of the cantilever oscillation. After further smoothing the RMS (root-mean-square) output of the PLL by the integrator 373, it can be connected to the positioning means 331 of the sample holder 330 as a control signal to keep the attenuation constant.

次に、第4A図、第4B図、及び第4C図を参照し、本発明
による、表面検査ツール、たとえばドーパント・プロフ
ァイラの変形例を示す。第4A図に示した第1の変形例
は、前述(第3A図)のように静電気的に引き起こした本
発明の変形例であり、切換手段475を備える。スイッチ
が位置1のとき、高調波の検出が振れの制御に利用され
る。一方、位置2では、マイクロ波源がカンチレバー42
0とサンプル・ホルダ430の間のギャップに接続され、ド
ーパント・プロファイル作成が可能になる。また、第2
の基本周波数を第2のマイクロ波源に提供することも可
能である。この特定の実施形態を利用して、カンチレバ
ーの振れの検出とサンプル表面の検査が同時に可能であ
る。
Referring now to FIGS. 4A, 4B, and 4C, a variation of a surface inspection tool, such as a dopant profiler, according to the present invention is shown. The first modified example shown in FIG. 4A is a modified example of the present invention caused electrostatically as described above (FIG. 3A), and includes a switching means 475. When the switch is in position 1, harmonic detection is used to control runout. On the other hand, at position 2, the microwave source is the cantilever 42.
Connected to the gap between zero and sample holder 430 to allow for dopant profiling. Also, the second
May be provided to the second microwave source. Utilizing this particular embodiment, detection of cantilever deflection and inspection of the sample surface are possible at the same time.

上記の例に関して、第4B図及び第4C図のドーパント・
プロファイラは、カンチレバーの振れを検出する追加の
手段を含み、前記手段は、原理が既知で一部前述した方
法に基づく。ピエゾ抵抗法(第4B図)によって、または
カンチレバー(第4C図)の背面で反射されたレーザ・ビ
ームの強度を測定するビーム偏向装置によって、カンチ
レーザの振れを測定する例を示す。しかし、この代わり
に、他のどんな既知の振れ検出方法を利用してもよい。
For the above example, the dopants of FIGS. 4B and 4C
The profiler includes additional means for detecting cantilever deflection, said means being based on a method whose principle is known and partially described above. Examples of measuring the deflection of a cantilever by a piezoresistive method (FIG. 4B) or by a beam deflecting device that measures the intensity of the laser beam reflected at the back of the cantilever (FIG. 4C) are shown. However, any other known shake detection method may be used instead.

どちらの実施形態でも、カンチレバー420の金属被覆4
22が、カンチレバーをSTM方式で動作させるために電流
/電圧変換器490に接続される。このとき、スイッチ476
は、様々な入力信号を自動的に選択できるフィードバッ
ク回路470を備える。たとえば、IC製造の場合のように
サンプルのトポロジーが正確に分かっている場合には、
スイッチを外部装置でプログラムするまたは制御するこ
とができる。別法では、現在入力信号をフィードバック
回路470に供給しているものと平行な少なくとも第2の
振れ検出方法で振れを監視する。後者の場合、スイッチ
476は、現在の印加信号がその期待値から著しく外れる
ときにその位置を自動的に変更する。
In either embodiment, the metallization 4 of the cantilever 420
22 is connected to the current / voltage converter 490 to operate the cantilever in the STM mode. At this time, switch 476
Includes a feedback circuit 470 that can automatically select various input signals. For example, if you know the exact topology of the sample, as in the case of IC manufacturing,
The switch can be programmed or controlled by an external device. Alternatively, the shake is monitored with at least a second shake detection method that is parallel to what is currently providing the input signal to the feedback circuit 470. In the latter case, the switch
476 automatically changes its position when the current applied signal deviates significantly from its expected value.

第4B図と第4C図に示した2つの変形例は、ギャップ部
分から放出される放射線を受け取る方法が異なり、第4A
図の実施形態は、たとえばマイケル他によって記載され
ているような同調可能キャビティ465を含み、信号周波
数の事前選択と、信号の高感度の検出、狭い帯域幅での
放射線の高感度の検出が可能である。この実施形態で
は、共鳴器としてキャビティの特性に干渉しない振れ測
定方法を利用することが好ましい。したがって、ピエゾ
抵抗層423が、カンチレバー本体420に組み込まれてい
る。ピエゾ抵抗素子は、抵抗を測定しカンチレバー420
の振れを求めるためのホイールストン・ブリッジ配置48
0の主要部分である。ピエゾ抵抗走破、カンチレバーの
曲がりに応じた電圧を生成する圧電素子で置き換えるこ
とができる。
The two variants shown in FIGS. 4B and 4C differ in the way they receive radiation emitted from the gap,
The illustrated embodiment includes a tunable cavity 465, for example, as described by Michael et al., Which allows for pre-selection of signal frequency, sensitive detection of signals, and sensitive detection of radiation in a narrow bandwidth. It is. In this embodiment, it is preferable to use a shake measurement method that does not interfere with the characteristics of the cavity as the resonator. Therefore, the piezoresistive layer 423 is incorporated in the cantilever body 420. Piezoresistive element measures the resistance and cantilever 420
Wheelstone bridge arrangement 48 to find runout
This is the main part of 0. It can be replaced with a piezoelectric element that generates a voltage in accordance with piezoresistance running and bending of the cantilever.

第4C図の実施形態においては、キャビティは使用せ
ず、カンチレバーの導電性被覆422でアンテナが形成さ
れる。高周波信号の入力経路及び出力経路は、バイアス
T素子441、466によって直流回路450から分離されてい
る。前述のように、キャビティがないために、より広範
囲の様々な振れ測定方法を使用することができる。図示
した実施形態では、反射したレーザ・ビーム482の強度
が測定され、この強度はカンチレバー420の曲がりに応
じて変化する。
In the embodiment of FIG. 4C, no cavities are used, and the antenna is formed with the conductive coating 422 of the cantilever. The input path and the output path of the high-frequency signal are separated from the DC circuit 450 by the bias T elements 441 and 466. As described above, a wider range of different runout measurement methods can be used due to the lack of cavities. In the illustrated embodiment, the intensity of the reflected laser beam 482 is measured, and this intensity changes as the cantilever 420 bends.

前述の実施形態の様々な素子を組み合わせ、特に入力
信号をギャップに結合し出力信号を増幅器カスケードに
結合する特定の方法を選択し、カンチレバーの導電性被
覆を導電性基材からなるカンチレバーで置き換え、ある
いは被覆を第3A図に示したようなピギーバック型チップ
で置き換えることは、当業者には自明の作業である。
Combining the various elements of the previous embodiments, in particular selecting a particular method of coupling the input signal to the gap and coupling the output signal to the amplifier cascade, replacing the conductive coating of the cantilever with a cantilever made of a conductive substrate, Alternately, replacing the coating with a piggyback tip as shown in FIG. 3A is a task that would be obvious to one skilled in the art.

前述のように、本発明による新しい顕微鏡は、集積回
路(IC)の表面の特性を調べるために使用すると有利で
ある。第5図は、ホウ素イオンでドープしたn型シリコ
ンのサンプルを調べて得た結果を示す。第5A図は、nド
ープ・シリコンとp+ドープ・シリコンの交互のストラ
イプからなるサンプル構造を示す。各ストライプは、約
10μmの幅を有する。このような格子は、PMOSデバイス
のソース/チャネル/ドレイン領域と同様の形で見られ
る。第5B図において、第2高調波信号の強度は、nドー
プとp+ドープのストライプに対して垂直に延びる線に
沿ったチップの位置とバイアス電圧の関数として示され
る。線走査が、−1.45V(a)、−0.55V(b)及び1.2V
(c)でそれぞれ行われる。分かり易くするために、曲
線の始点をずらし、曲線bを5倍に拡大してある。これ
らの走査を利用して、ドーパントが高濃度の領域を、低
濃度領域、または空乏領域と区別することができる。第
6図は、ヒ素(n+)でドープしたサンプルを調べて得
た結果を示す。1.15V(a)、−1.15V(b)及び−1.50
V(c)のバイアス電圧でそれぞれ行った線走査は、横
方向のドーパント・プロファイルを明瞭に示す。最大振
幅は、高ドープ領域よりも低ドープ領域の方がずっと大
きい。得られた解像度は、35nm以下である。顕微鏡内の
湿度を制御することによって、解像度を高めることがで
きる。同時に記録した線走査(d)は、顕微鏡のSTM及
びAFM動作方式で測定したサンプルの物理的高さを示
す。また、測定値は、それぞれバイアス電圧をボルトで
位置をナノメートルで表した水平軸を有する3次元プロ
ット(第6C図)で描かれる。垂直軸は、第2高調波信号
をナノボルト(nV)で示す。
As mentioned above, the new microscope according to the invention is advantageously used for characterizing the surface of integrated circuits (ICs). FIG. 5 shows the results obtained by examining a sample of n-type silicon doped with boron ions. FIG. 5A shows a sample structure consisting of alternating stripes of n-doped silicon and p + -doped silicon. Each stripe is about
It has a width of 10 μm. Such a lattice is found in a manner similar to the source / channel / drain regions of a PMOS device. In FIG. 5B, the intensity of the second harmonic signal is shown as a function of tip position and bias voltage along a line extending perpendicular to the n-doped and p + -doped stripes. Line scan is -1.45V (a), -0.55V (b) and 1.2V
(C). For the sake of clarity, the starting point of the curve is shifted, and the curve b is magnified five times. These scans can be used to distinguish high-concentration dopant regions from low-concentration regions or depletion regions. FIG. 6 shows the results obtained by examining a sample doped with arsenic (n +). 1.15V (a), -1.15V (b) and -1.50
Line scans, each performed at a bias voltage of V (c), clearly show a lateral dopant profile. The maximum amplitude is much higher in the lightly doped region than in the heavily doped region. The resolution obtained is less than 35 nm. By controlling the humidity inside the microscope, the resolution can be increased. The simultaneously recorded line scan (d) shows the physical height of the sample measured by the STM and AFM operating modes of the microscope. The measured values are plotted in a three-dimensional plot (FIG. 6C) having a horizontal axis with the bias voltage in volts and the position in nanometers. The vertical axis shows the second harmonic signal in nanovolts (nV).

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ミッシェル、ブルーノ スイス国ガッティコン、オープストガル テンヴァーク 13 (56)参考文献 特開 平4−361110(JP,A) 特公 平6−103176(JP,B2) A.S.Hou et.al,”PI COSECOND ELECTRICA L SAMPLING USING A SCANNING FORCE MI CROSCOPE”,ELECTRON ICS LETTERS,(UK), 1992.12.03,Vol.28,No.25, p.2302−p.2303 W.Krieger et.al," Generation of micr owave radiation in the tunneling jub ction of a scannin g tunneling nicros cope,”Physical Rev iew B(CONDENSED MA TTER),(USA),1990.5. 15,Vol.41,No.14,p.10229 −p.10232 (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01N 37/00 G01B 21/30 JICSTファイル(JOIS)[“A FM”+“原子間力顕微鏡”]*“高調 波"────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Michel, Bruno Gatticon, Switzerland, Optostall Tenvark 13 (56) References JP-A-4-361110 (JP, A) JP-B-6-103176 (JP, B2) A . S. Hou et. al, "PI COSECCON ELECTRIC L SAMPLING USING A SCANNING FORCE MI CROSCOPE", ELECTRON ICS LETTERS, (UK), 1992.12.03, Vol. 28, No. 25, p. 2302-p. 2303 W. Krieger et. al, "Generation of microwave radiation in the tunneling job of a scanning tunneling microscope," Physical Review, B. (1990), Physical Review B (CONTENS. RESERV. 41, No. 14, p. 10229-p. 10232 (58) Field surveyed (Int. Cl. 6 , DB name) G01N 37/00 G01B 21/30 JICST file (JOIS) ["A FM" + "Atomic force microscope"] * "Harmonics"

Claims (14)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】(イ)原子間力顕微鏡の可撓性のカンチレ
バー(220、232、320、420)に直流電圧を印加する手段
と、 (ロ)前記可撓性のカンチレバーに高周波電気信号を印
加して該カンチレバーの振動を開始させ、電磁波を放出
させる高周波電気信号印加手段(240、340、440)と、 (ハ)前記電磁波を受信するアンテナ手段(261、263、
361、461)と、 (ニ)該アンテナ手段に接続された増幅手段(260、26
2、362〜364、462〜464)とを有する、前記原子間力顕
微鏡の可撓性のカンチレバーに加わる力またはその振れ
を測定する装置。
(A) means for applying a DC voltage to flexible cantilevers (220, 232, 320, 420) of an atomic force microscope; (b) high-frequency electric signals are applied to the flexible cantilevers. High-frequency electric signal applying means (240, 340, 440) for applying the applied electromagnetic wave to start the oscillation of the cantilever and emitting an electromagnetic wave; (c) antenna means for receiving the electromagnetic wave (261, 263,
(D) amplifying means (260, 26) connected to the antenna means;
2, 362 to 364, 462 to 464) for measuring the force applied to the flexible cantilever of the atomic force microscope or the deflection thereof.
【請求項2】前記高周波電気信号印加手段は、前記カン
チレバーとサンプルとの間のギャップに前記高周波電気
信号を印加することを特徴とする請求項1に記載の装
置。
2. The apparatus according to claim 1, wherein said high-frequency electric signal applying means applies said high-frequency electric signal to a gap between said cantilever and a sample.
【請求項3】前記高周波電気信号印加手段は、前記カン
チレバーと該カンチレバーの背面に設けられた金属チッ
プ(323)との間のギャップに前記高周波電気信号を印
加することを特徴とする請求項1に記載の装置。
3. The high-frequency electric signal applying means applies the high-frequency electric signal to a gap between the cantilever and a metal chip (323) provided on a rear surface of the cantilever. An apparatus according to claim 1.
【請求項4】前記増幅手段が、前記電磁波(ω)の高周
波(nω)を検出することを特徴とする請求項1に記載
の装置。
4. The apparatus according to claim 1, wherein said amplification means detects a high frequency (nω) of said electromagnetic wave (ω).
【請求項5】前記増幅手段が、10MHz〜100GHzの範囲の
周波数で動作することを特徴とする請求項1に記載の装
置。
5. Apparatus according to claim 1, wherein said amplifying means operates at a frequency in the range of 10 MHz to 100 GHz.
【請求項6】前記サンプルがサンプル保持手段(330)
に保持され、前記カンチレバー、前記サンプル保持手段
及び前記チップ(323)のうちの少なくとも1つが、前
記アンテナ手段の一部を構成することを特徴とする請求
項2に記載の装置。
6. The apparatus according to claim 6, wherein said sample is a sample holding means.
3. The apparatus according to claim 2, wherein at least one of the cantilever, the sample holding means and the tip (323) forms part of the antenna means.
【請求項7】前記カンチレバー(420)を取り囲む導電
体壁を有するキャビティ(465)をさらに含み、前記壁
の一方が他方に対して相対的に移動可能であることを特
徴とする請求項1に記載の装置。
7. The apparatus of claim 1, further comprising a cavity (465) having a conductive wall surrounding the cantilever (420), wherein one of the walls is movable relative to the other. The described device.
【請求項8】前記カンチレバーが、導電性材料(322、4
22)の被覆を含むことを特徴とする請求項1に記載の装
置。
8. The method according to claim 8, wherein the cantilever is made of a conductive material (322, 4).
22. The device according to claim 1, comprising the coating of 22).
【請求項9】前記カンチレバーとサンプルの表面との間
の距離を制御するための圧電アクチュエータ手段と、カ
ンチレバーの振れを測定する力検出手段(480)と、前
記アクチュエータを制御する切換式フィードバック手段
(470)とをさらに含み、前記フィードバック手段が、
前記力検出手段または増幅手段の出力に切換可能であ
り、ドーパント・プロファイラとして働くことを特徴と
する請求項1に記載の装置。
9. A piezoelectric actuator for controlling the distance between the cantilever and the surface of the sample, a force detecting means for measuring the deflection of the cantilever, and a switching feedback means for controlling the actuator. 470), wherein the feedback means comprises:
2. The apparatus of claim 1, wherein said apparatus is switchable to the output of said force detection means or amplification means and serves as a dopant profiler.
【請求項10】前記カンチレバーのチップと前記サンプ
ルの間のトンネル電流を検出する手段(490)を含み、
前記フィードバック手段が、前記トンネル電流、前記力
検出手段、または増幅手段の出力に切換可能であること
を特徴とする請求項9に記載の装置。
10. Means (490) for detecting a tunnel current between the cantilever tip and the sample,
The apparatus according to claim 9, wherein the feedback means is switchable to an output of the tunnel current, the force detection means, or the amplification means.
【請求項11】請求項1に記載の直流電圧を印加する手
段と、高周波電気信号印加手段と、アンテナ手段と、増
幅手段とを含み、更に、測定した力または振れの信号を
処理して画面表示を行うためにサンプルを位置決めする
手段と、処理した力または振れの信号を磁気媒体に永久
的に記憶する手段とを含むサンプル分析装置。
11. A screen for applying a DC voltage according to claim 1, a high-frequency electric signal applying means, an antenna means, and an amplifying means, and further processing a measured force or shake signal to display the image. A sample analyzer comprising: means for positioning a sample for display; and means for permanently storing a processed force or deflection signal on a magnetic medium.
【請求項12】原子間力顕微鏡の可撓性のカンチレバー
(220、232、320、420)に直流電圧を印加すると共に、
前記可撓性のカンチレバーに高周波電気信号を印加して
該カンチレバーの振動を開始させ、電磁波を放出させる
ステップと、 前記電磁波を受信して増幅し、該受信した電磁波の周波
数の変化又は振幅の変化を調べるステップとを含む、前
記原子間力顕微鏡の可撓性のカンチレバーに加わる力ま
たはその振れを測定する方法。
12. A DC voltage is applied to flexible cantilevers (220, 232, 320, 420) of an atomic force microscope,
Applying a high-frequency electric signal to the flexible cantilever to start oscillation of the cantilever and emit an electromagnetic wave; receiving and amplifying the electromagnetic wave; and changing the frequency or the amplitude of the received electromagnetic wave. Determining the force applied to the flexible cantilever of the atomic force microscope or the deflection thereof.
【請求項13】前記高周波電気信号が、前記カンチレバ
ーとサンプルとの間のギャップに印加されることを特徴
とする請求項12に記載の方法。
13. The method of claim 12, wherein said high frequency electrical signal is applied to a gap between said cantilever and a sample.
【請求項14】前記高周波電気信号が、前記カンチレバ
ーと該カンチレバーの背面に設けられた金属チップ(32
3)との間のギャップに印加されることを特徴とする請
求項12に記載の方法。
14. The cantilever and a metal chip (32) provided on a back surface of the cantilever, wherein the high-frequency electric signal is transmitted to the cantilever.
13. The method according to claim 12, wherein the voltage is applied to the gap between 3).
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