JPH06273111A - 走査型探針顕微鏡及びそれを用いた加工装置 - Google Patents

走査型探針顕微鏡及びそれを用いた加工装置

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JPH06273111A
JPH06273111A JP8395193A JP8395193A JPH06273111A JP H06273111 A JPH06273111 A JP H06273111A JP 8395193 A JP8395193 A JP 8395193A JP 8395193 A JP8395193 A JP 8395193A JP H06273111 A JPH06273111 A JP H06273111A
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JP
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electrode
sample
scanning
probe
probe microscope
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JP8395193A
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English (en)
Inventor
Nobuo Watanabe
信男 渡邊
Osamu Takamatsu
修 高松
Yoshimasa Okamura
好真 岡村
Yoshihiro Yanagisawa
芳浩 柳沢
Yasuhiro Shimada
康弘 島田
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Canon Inc
Original Assignee
Canon Inc
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 S/N比を改善し高い分解能を有する静電駆
動型走査型トンネル顕微鏡を提供する。 【構成】 梁状構造体205に形成された、静電駆動用
電極204とトンネル電流を検知するための電極配線2
08との間に、接地レベルのシールド用電極206が形
成されていることを特徴とする走査型トンネル顕微鏡。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は走査型トンネル顕微鏡
(STM)や走査型電界放射顕微鏡等の走査型探針顕微
鏡あるいはそれらを用いた加工装置に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】近年、導体の表面原子の電子構造を直接
観測できる走査型トンネル顕微鏡(以下、STMと略
す)がジー・ビーニッヒらにより開発(フェルベティカ
フィジィカ アクタ,55,726(1982).)
されて以来、先端の尖った探針を走査する事により様々
な情報を得る走査型探針顕微鏡(以下、SPMと略す)
装置や、更に基板に電気的、化学的あるいは物理的作用
を及ぼす事を目的としたSPMを応用した微細加工技術
の研究開発が行われている。更に、半導体加工技術やマ
イクロメカニクス技術により、例えば薄膜で形成した梁
の上に探針を作製したコンパクトなSPM装置などが開
発されている。
【0003】この梁の駆動方法としては、例えば、梁を
圧電バイモルフ構造とした圧電型や、梁自体あるいは梁
に形成された電極と基板上に形成された対向電極とに電
圧を印加することにより静電引力を働かせて梁を変位さ
せる静電型とがあり、静電型は構成が簡単である特徴を
有する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】従来の静電駆動型ST
M装置を一例に、本発明が解決しようとする課題につい
て説明する。一般にSTM測定方法としては、探針と試
料とに流れるトンネル電流を一定に保った状態で試料表
面を面内方向(XY方向)で走査する事による走査面に
垂直な方向(Z方向)の変位を検知する電流一定モード
と、探針と試料との距離を一定に保った状態で試料表面
をXY走査する事によるトンネル電流値の変化を検知す
る距離一定モードがある。前者は、1×10-9アンペア
程度以下の小さなトンネル電流値を一定に保つように、
探針先端部と試料表面との距離を梁・対向電極間の印加
電圧によりフィードバック制御するものである。この様
な小さな電流値を検出する際、梁・対向電極間の印加電
圧の変動がノイズの発生源となり、S/N比が低下し、
分解能が低下するという問題があった。
【0005】本発明は、上記従来技術が有する問題点に
鑑み、対向電極との間に電圧を印加して静電力により梁
を変位させる静電駆動方式の走査型探針顕微鏡におい
て、トンネル電流を検出する際のノイズを低減し、分解
能を向上することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段及び作用】上記目的を達成
するために成された本発明は、梁状構造体に設けられた
探針を試料表面に接近させて走査すると共に、その梁状
構造体自体あるいはそれに形成された静電駆動用電極と
対向電極との間に静電力を働かせ、その梁状構造体を走
査面に垂直な方向に変位させ得る静電駆動方式の走査型
探針顕微鏡において、前記梁状構造体が、前記探針と試
料間に流れる電流を検知するための電極配線に対するシ
ールド用電極を有することを特徴とする走査型探針顕微
鏡であり、更には上記走査型探針顕微鏡の構成を、試料
表面の特性を変化させることに用いた加工装置である。
【0007】本発明において、前記シールド用電極は梁
状構造体自体あるいはそれに形成された静電駆動用電極
を利用することができるが、好ましくは、静電駆動用電
極とトンネル電流を検知するための電極配線との間に形
成され、更に好ましくは、電極配線を包囲するように形
成される。
【0008】本発明に係る梁状構造体を、それに設けら
れた探針と試料とに流れる微小電流を一定に保った状態
で静電駆動する場合、例えば、梁状構造体あるいはそれ
に形成された静電駆動用電極と、梁を支持する基板に形
成された対向電極との間に電圧を印加する。この印加電
圧は試料表面の凹凸や導電性の違い等により変動する
が、その際に、前記シールド用電極を一定電位、好まし
くは接地レベルとすることにより、前記梁状構造体に設
けられた探針と試料との間に流れる微小電流の検出にお
いて、上記印加電圧の変動によるノイズが、探針に接続
されている電極配線に乗るのを防止するように作用す
る。これにより、探針・試料間の微小電流を検出する際
のS/N比を従来法よりも改善することが可能となり、
試料表面の凹凸等にかかわらず分解能等の性能が向上す
る。
【0009】また、本発明において前記探針が設けられ
た梁状構造物を複数設けた装置においては、同時に複数
箇所の観察が可能となり、更に複数の顕微鏡を一つの装
置とした複合顕微鏡では、例えばSTM測定したあるい
は原子間力顕微鏡(AFM)測定した同一試料の同一領
域を、STMモード及びAFMモードで観察することに
より、表面形状と導電性分布との両方の情報を混同する
ことなく調べることができる。
【0010】また、本発明の走査型探針顕微鏡構成を有
する加工装置では、試料表面への選択堆積あるいはエッ
チングなどの加工により、試料表面の導電性等の特性を
変化させる場合において、より精度良く有効に作用する
ものである。
【0011】
【実施例】以下、実施例を示し本発明を具体的に説明す
る。
【0012】実施例1 本発明を静電駆動型STM装置に適用した例を、図1を
用いて説明する。
【0013】図1は本実施例で作製したSTM装置と試
料とを模式的に示した断面図である。図中、101は絶
縁性基板、102は対向電極、103は絶縁性の支持
体、104は片持ち梁に形成した電極であり、本実施例
においては静電駆動用電極とシールド用電極を兼ねてい
る。105は絶縁性の片持ち梁、106はトンネル電流
用電極配線、107は先端の尖った導電性の探針、10
8は空間、109は導電性試料、110は静電駆動ユニ
ット、111はトンネル電流検出ユニット、112はユ
ニット111で得られたトンネル電流を一定に保つ様に
制御信号を静電駆動ユニット110へ送る制御ユニット
である。
【0014】試料109の表面観察では、先ず、電極1
04側を接地レベルとして対向電極102と電極104
とにバイアスVBを印加して片持ち梁を対向電極側へ若
干変位させた状態で、ユニット111で検出される電流
が10pAとなる様に、図1の装置を試料109表面へ
接近させた。次に、対向電極102と電極104とに電
圧ΔVを印加する事によりトンネル電流を一定に保ちな
がら、即ち、探針の先端と試料表面との距離を一定に保
ちながら、試料表面をXY走査した。この電圧ΔVの値
をZ軸変位に換算し、走査したXY軸にプロットする事
により、試料表面の凹凸とするSTM像とした。
【0015】ここで、上記本発明によるSTM像と、対
向電極102側を接地レベルとして片持ち梁上の電極1
04に電圧ΔVを印加して測定した場合のSTM像とで
は、本発明によるSTM像の方が高い分解能が得られ
た。これは、従来法が、ΔVの変動に伴うノイズがトン
ネル電流にのってしまいS/N比が悪かったのに対し
て、本発明においては、接地レベルの電極104がトン
ネル電流の電極配線106に対するシールド用電極を兼
ねることによるものである。
【0016】実施例2 梁状構造体に静電駆動用電極とは別のシールド用電極を
有する例について説明する。図2は本実施例で作製した
静電駆動型STM装置と試料とを模式的に示した断面図
である。図中、201は絶縁性基板、202は対向電
極、203は絶縁性の支持体、204は片持ち梁に形成
した静電駆動用電極、205は絶縁性の片持ち梁、20
6はシールド用電極、207は絶縁膜、208はトンネ
ル電流用電極配線、209は先端の尖った導電性の探
針、210は空間、211は導電性試料、212は静電
駆動ユニット、213はトンネル電流検出ユニット、2
14はユニット213で得られたトンネル電流を一定に
保つ様に制御信号を静電駆動ユニット212へ送る制御
ユニットである。
【0017】実施例1と同様に、ユニット213で検出
される電流が10pAとなる様に対向電極202と静電
駆動用電極204とにVB+ΔVを印加して片持ち梁を
変位させながら試料211表面をXY走査することでS
TM像を観測した。尚、シールド用電極206は接地レ
ベルとしている。本装置は、シールド用電極206の無
い従来の静電駆動型STMよりも、ノイズの少ない良好
なSTM像が得られた。
【0018】ここで本発明の応用例を図3及び図4に示
す。これらの図において、図2と同一符号のものは同様
な部材を示しており、図3(a)は全体の構成を示した
模式図であり、図3(b)は片持ち梁部のA−A断面図
の一例である。図4は片持ち梁の探針方向からの斜視図
を模式的に示したものであり、図4(a)は図3(b)
の構成に相当している。
【0019】図4(a)〜(c)に示す構成は、いずれ
も基本的にはシールド用電極206がトンネル電流用電
極配線208を取り囲む様に構成されていることを特徴
としている。これらの内では、図4(c)の構成が最も
S/N比が良好であり、分解能が高かった。
【0020】実施例3 実施例2で説明した本発明の静電駆動型STM装置を、
STM/AFM装置として使用した例を説明する。装置
は実施例2と同様に図2に示した構成で良い。但し、2
12は片持ち梁駆動機能と静電容量検出機能とを有する
ユニットである。この様な装置は、実施例2に示した測
定法によりSTMとして使用可能であると共に、試料表
面に弱い力で探針を接触させてXY走査し、その時の探
針の変位を片持ち梁上の電極204と対向電極202と
の静電容量の変化から検出する事により、AFMとして
使用することも可能である。例えば、STMモードで観
測した試料表面の同一領域を、次にAFMモードで観測
することにより、電気的に観測した表面状態(導電性分
布を含む)と、物理的な表面状態との両方の情報を混同
することなく調べることが可能となるため、試料表面の
状態を正確に得ることが可能である。
【0021】実施例4 本実施例では、探針が設けられた片持ち梁を複数個有す
る本発明のマルチSTM装置について説明する。
【0022】本実施例のマルチSTM装置は基本的に
は、実施例2と同様に図2に示したSTM構成を同一基
板内に複数個形成して構成される。基板としてシリコン
ウエハーを用い、半導体プロセス技術とマイクロメカニ
クス技術とで作製することにより、容易に、かつ、ばら
つき無く複数個のSTM構成を形成可能である。また、
それらを駆動/制御するIC回路をも同一基板内に作り
込む事も可能である。即ち、同時に複数のSTM観察が
可能となる。複数の片持ち梁あるいは探針の配置につい
ては、直線状以外にも、マトリクス状など2次元配列す
ることが容易である。また、実施例3と同様にSTM/
AFM複合機をマルチ化して用いることも可能である。
【0023】実施例5 実施例2で示した静電駆動型STM装置(図2参照)
と、試料として金(Au)を表面に堆積したシリコンウ
エハーとを、真空排気したチャンバー内に配置し、チャ
ンバー内の真空度が約1×10-4Torrとなるように
6フッ化タングステン(WF6)ガスを導入した。この
状態で試料表面のSTM観察を行なったところ、探針の
走査領域に対応して、WがAu表面に堆積した。この様
なSTM構成による試料表面への選択堆積あるいはエッ
チング等の加工にもシールド用電極を具備する本発明の
装置は加工精度において非常に有効であった。
【0024】
【発明の効果】以上説明したように、本発明は以下の効
果を奏する。
【0025】(1)シールド用電極を設けた本発明の走
査型探針顕微鏡は、探針と試料との間に流れるトンネル
電流を検出する際に、静電駆動用電極と対向電極間に印
加される電圧の変動によるノイズが探針に接続されてい
る電極配線に乗るのを防止でき、S/N比の改善が図ら
れ、試料表面の凹凸状態等にかかわらず高い分解能を確
保することができる。
【0026】(2)本発明の走査型探針顕微鏡の構成を
有する加工装置では、試料表面への加工精度の向上が図
られた。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の静電駆動型STMの一実施例を示す概
念図である。
【図2】本発明の他の静電駆動型STMの概念図であ
る。
【図3】本発明の他の静電駆動型STMの概念図であ
る。
【図4】本発明の他の静電駆動型STMの片持ち梁の概
念図である。
【符号の説明】
101 絶縁性基板 102 対向電極 103 絶縁性の支持体 104 片持ち梁に形成した電極 105 絶縁性の片持ち梁 106 トンネル電流用電極配線 107 先端の尖った導電性の探針 108 空間 109 試料 110 静電駆動ユニット 111 トンネル電流検出ユニット 112 制御ユニット 201 絶縁性基板 202 対向電極 203 絶縁性の支持体 204 静電駆動用電極 205 絶縁性の片持ち梁 206 シールド用電極 207 絶縁膜 208 トンネル電流用電極配線 209 導電性の探針 210 空間 211 試料 212 静電駆動ユニット 213 トンネル電流検出ユニット 214 制御ユニット
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 柳沢 芳浩 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 島田 康弘 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キヤ ノン株式会社内

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 梁状構造体に設けられた探針を試料表面
    に接近させて走査すると共に、その梁状構造体自体ある
    いはそれに形成された静電駆動用電極と対向電極との間
    に静電力を働かせ、その梁状構造体を走査面に垂直な方
    向に変位させ得る静電駆動方式の走査型探針顕微鏡にお
    いて、前記梁状構造体が、前記探針と試料間に流れる電
    流を検知するための電極配線に対するシールド用電極を
    有することを特徴とする走査型探針顕微鏡。
  2. 【請求項2】 前記シールド用電極が、前記静電駆動用
    電極を兼ねることを特徴とする請求項1に記載の走査型
    探針顕微鏡。
  3. 【請求項3】 前記シールド用電極が、前記静電駆動用
    電極と前記電極配線との間に形成されていることを特徴
    とする請求項1に記載の走査型探針顕微鏡。
  4. 【請求項4】 前記シールド用電極が、前記電極配線を
    包囲するように形成されていることを特徴とする請求項
    1に記載の走査型顕微鏡。
  5. 【請求項5】 前記シールド用電極が、接地レベルの電
    極であることを特徴とする請求項1〜4いずれかに記載
    の走査型探針顕微鏡。
  6. 【請求項6】 前記梁状構造物を複数個有することを特
    徴とする請求項1〜5いずれかに記載の走査型探針顕微
    鏡。
  7. 【請求項7】 請求項1〜6いずれかに記載の顕微鏡の
    うち、すくなくとも2種類の顕微鏡を一つの装置とした
    複合顕微鏡。
  8. 【請求項8】 請求項1〜7いずれかに記載の走査型探
    針顕微鏡構成を、試料表面の特性を変化させることに用
    いた加工装置。
JP8395193A 1993-03-19 1993-03-19 走査型探針顕微鏡及びそれを用いた加工装置 Withdrawn JPH06273111A (ja)

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