JPH0888179A - Method and equipment for formation, working, and evaluation analysis of semiconductor material - Google Patents

Method and equipment for formation, working, and evaluation analysis of semiconductor material

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JPH0888179A
JPH0888179A JP24851594A JP24851594A JPH0888179A JP H0888179 A JPH0888179 A JP H0888179A JP 24851594 A JP24851594 A JP 24851594A JP 24851594 A JP24851594 A JP 24851594A JP H0888179 A JPH0888179 A JP H0888179A
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Abstract

PURPOSE: To precisely attach single atoms or molecules on arbitrary position of the surface of solid material, by irradiating, with light, atoms or melecules to be moved, out of atoms or molecules which exist on a probe and the surface of specimen solid, and by selectively relieving or moving the atoms or molecules, with a lower voltage. CONSTITUTION: A carbon plate or a graphite plate is used as the source of carbon 2 to be attached, and moved under a probe 5. It is made to approach the plate, and a negative bias voltage is applied to the probe 5. The carbon 2 atoms are ionized, relieved, and attached on the tip of the probe 5. A tungsten substrate 1 is moved under the the probe 5 on which the carbon 2 atoms are attached. The probe 5 is made to approach the tungsten substrate 1, and the distance is kept to be about 2nm. The carbon 2 attached on the probe 2 is irradiated with ultraviolet rays capable of exciting the oscillation of Si-C bonds. A positive bias voltage is applied to the probe 5 and gradually increased, and the carbon 2 is moved on the tungsten substrate 1.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、半導体材料の形成、加
工、評価分析方法およびそれらに用いる装置に関し、詳
しくは、個々の原子または分子を直接に取扱い、ナノメ
ータ以下の精度で制御された半導体材料の形成、加工、
評価分析方法およびそれらに用いる装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for forming, processing, evaluating and analyzing a semiconductor material, and an apparatus used therefor. More specifically, the present invention deals directly with individual atoms or molecules and controls semiconductors with an accuracy of nanometer or less. Material formation, processing,
The present invention relates to an evaluation analysis method and an apparatus used for them.

【0002】[0002]

【従来の技術】LSIなどの半導体素子の製造プロセス
では、集積度が高くなるにつれて加工精度、材料の組成
や構造などに厳密な制御が必要となってくる。従って、
半導体素子の形成にあたっては原子や分子の単位での制
御を行い所望の位置に原子または分子を配置し、半導体
材料中の不要な不純物を除去して純度を高め、さらに、
半導体材料表面あるいは断面の状態を観察、評価解析す
る技術が不可欠となる。
2. Description of the Related Art In the manufacturing process of semiconductor devices such as LSI, strict control of processing accuracy, material composition and structure, etc. is required as the degree of integration increases. Therefore,
In forming a semiconductor element, the atoms or molecules are controlled in units of atoms or molecules, and the atoms or molecules are arranged at desired positions to remove unnecessary impurities in the semiconductor material to improve the purity.
Technology for observing, evaluating and analyzing the state of the surface or cross section of semiconductor materials is indispensable.

【0003】これらの半導体素子製造のために微小領域
の加工を行う代表的な手段として、集束した電子線を試
料に照射して気体分子からエピタキシャル成長を行わせ
る電子ビームエピタキシャル法やイオンを加速、集束し
てエッチングしたりまたは基板に付着させるFIB技
術、フォトエッチング技術などがある。
As a typical means for processing a minute region for manufacturing these semiconductor elements, an electron beam epitaxial method for irradiating a sample with a focused electron beam to cause epitaxial growth from gas molecules, and accelerating and focusing ions. Then, there are FIB technology, photo-etching technology, etc. for etching or adhering to the substrate.

【0004】また、半導体材料の表面の微小領域の原子
の種類を判別する代表的な手段としては、集束した電子
線を試料に照射し、発生する元素固有のX線により原子
の種類を判定するX線マイクロアナライザー、試料に電
子線を照射して発生する2次電子を検出するオージェ電
子分光装置、イオンを加速、集束して試料に照射し発生
する2次イオンを検出する2次イオン質量分析装置、レ
ーザで吸着成分を脱離イオン化させて質量分析計で分析
する方法、さらに、半導体や金属などを対象として、先
端を鋭く研ぎだした探針を試料表面のごく近傍に近づ
け、試料と探針の間に電圧を印加し、試料と探針間に流
れるトンネル電流の変化で試料表面の形態を観察し、そ
の表面原子を一つ一つ識別することができる走査トンネ
ル顕微鏡(STM)や探針を試料表面のごく近傍に近づ
け、探針の原子と試料表面の原子との間に働く反発力に
より生じる探針の動きをレーザ干渉計などで測定するこ
とにより表面原子を識別する原子間力顕微鏡(AFM)
などの走査プローブ顕微鏡が知られている。一方、半導
体素子の形態、構造評価のためには、試料に電子線を照
射し、反射または透過した電子により物質の拡大像を得
る電子顕微鏡が用いられている。
Further, as a typical means for discriminating the kind of atoms in a minute region on the surface of a semiconductor material, a sample is irradiated with a focused electron beam and the kind of atoms is judged by the X-ray peculiar to the generated element. X-ray microanalyzer, Auger electron spectroscope for detecting secondary electrons generated by irradiating sample with electron beam, Secondary ion mass spectrometry for accelerating and focusing ions and irradiating sample to detect secondary ions generated Equipment, a method of desorbing and ionizing adsorbed components with a laser, and analyzing with a mass spectrometer.In addition, for semiconductors and metals, a probe with a sharpened tip is brought close to the sample surface, and the probe is Scanning tunneling microscope (STM) that can identify each surface atom by observing the morphology of the sample surface by changing the tunnel current flowing between the sample and the probe by applying a voltage between the needles. By positioning the probe close to the sample surface and measuring the movement of the probe caused by the repulsive force acting between the atom of the probe and the atom of the sample surface with a laser interferometer, etc. Force microscope (AFM)
Scanning probe microscopes are known. On the other hand, in order to evaluate the morphology and structure of a semiconductor element, an electron microscope is used in which a sample is irradiated with an electron beam and an enlarged image of a substance is obtained by reflected or transmitted electrons.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかし、電子ビームエ
ピタキシャル法やFIB法のような薄膜形成法におけ
る、半導体素子の形成の加工できる精度は数ナノメータ
が限界であり、半導体材料の表面に一様に原子または分
子を付着させることはできるが、半導体材料の特定の位
置に原子オーダーの精度で付着させることは困難であっ
た。
However, in the thin film forming method such as the electron beam epitaxial method and the FIB method, the accuracy of processing of the formation of the semiconductor element is limited to several nanometers, and the surface of the semiconductor material is uniformly processed. Although atoms or molecules can be attached, it has been difficult to attach them to a specific position of a semiconductor material with atomic order accuracy.

【0006】また、この電子ビームエピタキシャル技術
などの薄膜形成装置で作成された半導体素子では、炭素
や酸素などの不純物の混入が避けられず、不純物が少な
い半導体素子薄膜などの形成は困難であった。半導体素
子中の不純物を除くため、半導体素子を加熱すれば、不
純物以外の原子も拡散する結果となり、一般には適用で
きない。また、集束した電子線を試料に照射して表面を
局部的に加熱する方法であっても、加熱される領域は数
100〜数1000nmの深さで、広さも数10nmに
達し、ナノメータオーダーの領域での不純物の除去は困
難であった。
Further, in the semiconductor element produced by the thin film forming apparatus such as the electron beam epitaxial technique, it is inevitable that impurities such as carbon and oxygen are mixed, and it is difficult to form a semiconductor element thin film having a small amount of impurities. . Since the impurities in the semiconductor element are removed, heating the semiconductor element results in diffusion of atoms other than impurities, which is not generally applicable. Further, even in the method of locally heating the surface by irradiating the sample with a focused electron beam, the heated region has a depth of several hundred to several thousand nm and a width of several tens nm, which is on the order of nanometers. It was difficult to remove impurities in the area.

【0007】さらに、形成された半導体素子が設計どお
りの組成、構造となっているかまた不純物や吸着成分が
半導体表面の原子配列のどの位置に存在しているかなど
を評価確認するため分析が必要となる。しかし、これら
の半導体表面分析については、前述のX線マイクロアナ
ライザーなどの分析方法では、いずれも電子線などを照
射するために分析できる最小の範囲は100ナノメータ
が限界であり、個々の原子または分子レベルでの分析は
できない。
Further, it is necessary to analyze in order to evaluate and confirm whether the formed semiconductor element has the composition and structure as designed, and where in the atomic arrangement on the semiconductor surface the impurities and adsorbed components are present. Become. However, regarding the semiconductor surface analysis, in the above-mentioned analysis methods such as the X-ray micro-analyzer, the minimum range that can be analyzed for irradiating an electron beam is 100 nanometers, and individual atoms or molecules are analyzed. No level analysis is possible.

【0008】一方、近年開発された走査トンネル顕微鏡
は、先端を鋭く研ぎだした探針を試料のごく近傍に近づ
け、試料と探針の間に電圧を印加し、探針に流れるトン
ネル電流の変化を検出するもので、半導体表面原子の一
つ一つ識別し表面の凹凸を見ることができる、最も位置
分解能の高い装置であり、さらに半導体表面の電子状態
の評価もすることができる装置ではあるが、表面に存在
している原子や分子の種類を判別することはできないと
いう欠点を有している。
On the other hand, in the recently developed scanning tunneling microscope, a probe with its sharpened tip is brought close to the sample, and a voltage is applied between the sample and the probe to change the tunnel current flowing through the probe. It is a device with the highest positional resolution that can identify the individual semiconductor surface atoms and see the surface irregularities, and is also a device that can evaluate the electronic state of the semiconductor surface. However, it has a drawback that it is not possible to discriminate the types of atoms and molecules existing on the surface.

【0009】また、走査トンネル顕微鏡のように探針を
有する走査プローブ顕微鏡は、試料と探針の間に電圧を
印加することにより量子力学的なトンネル効果により電
子が放出されるがこのトンネル電子ばかりでなく、試料
表面の原子または分子や探針に付着している原子または
分子も電界電離によってイオン化され、試料表面または
探針から放出される。その結果、放出された原子または
分子は試料と探針の間を移動し、原子または分子を探針
から試料表面に付着させたり、試料表面から取り除いた
りすることができる。また、この電界電離による原子ま
たは分子の放出は、試料を加熱することによりさらに容
易に起こるようになることが知られている。しかし、こ
の原子または分子の移動を常に目的とする特定の原子ま
たは分子のみに選択的に起きるように制御することはで
きず半導体素子の製造には使用することができなかっ
た。
In a scanning probe microscope having a probe such as a scanning tunneling microscope, electrons are emitted due to quantum mechanical tunneling effect when a voltage is applied between the sample and the probe. In addition, atoms or molecules on the sample surface or atoms or molecules attached to the probe are also ionized by electric field ionization and emitted from the sample surface or the probe. As a result, the released atom or molecule moves between the sample and the probe, and the atom or molecule can be attached to the sample surface from the probe or removed from the sample surface. Further, it is known that the emission of atoms or molecules due to this electric field ionization becomes easier to occur by heating the sample. However, this movement of atoms or molecules cannot always be controlled so as to selectively occur only in a specific target atom or molecule, and it cannot be used for manufacturing a semiconductor device.

【0010】従って、本発明は固体材料表面の任意の位
置に単一の原子または分子を精度よく付着させた材料の
形成方法およびその装置の提供を目的とし、また、固体
材料表面の極微小な領域の不純物を選択的に除去する加
工方法およびその装置の提供を目的とする。
Therefore, an object of the present invention is to provide a method for forming a material in which a single atom or molecule is accurately attached to an arbitrary position on the surface of a solid material, and an apparatus therefor. An object of the present invention is to provide a processing method and an apparatus for selectively removing impurities in a region.

【0011】さらに、本発明は、固体材料表面あるいは
割断面において、原子または分子の配列や存在を精密に
評価でき原子または分子の種類を判別することができる
分析評価方法およびそのための装置を提供することを目
的とする。
Further, the present invention provides an analytical evaluation method and an apparatus therefor capable of precisely evaluating the arrangement or existence of atoms or molecules on the surface of a solid material or a fractured surface and discriminating the kind of atoms or molecules. The purpose is to

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】本発明者は、前述の走査
プローブ顕微鏡における電界電離により生じる試料また
は探針からの原子または分子の離脱の選択的な制御につ
いて鋭意研究を重ねた結果、試料または探針に特定の光
を照射することにより選択的に原子または分子を離脱し
うることを見いだし、この知見に基づいて本発明をなす
に至った。
The present inventor has conducted extensive studies on selective control of detachment of atoms or molecules from a sample or a probe caused by field ionization in the above-mentioned scanning probe microscope, and as a result, It was found that atoms or molecules can be selectively released by irradiating the probe with specific light, and the present invention has been completed based on this finding.

【0013】すなわち本発明は、固体表面に半導体材料
を形成する方法であって、半導体を形成するための原子
または分子を探針に付着させる付着工程と、特定の原子
または分子を付着した探針を固体表面の半導体材料を形
成する位置に合わせるため、探針と固体表面の位置を移
動し、探針と固体表面との距離を所望の間隔に保持する
位置合わせ工程と、光を探針に付着している原子または
分子に照射し、原子または分子を励起する光照射工程
と、探針と固体表面との間に印加されている電圧によっ
て励起された原子または分子を探針から離脱し、固体表
面に移動させる脱離移動工程と、固体表面に移動した原
子または分子を固体表面上に沈着させ、固体表面に半導
体材料を形成する沈着工程とを含む半導体材料の形成方
法からなる。
That is, the present invention is a method of forming a semiconductor material on a solid surface, which comprises an attaching step of attaching atoms or molecules for forming a semiconductor to a probe, and a probe attached with a specific atom or molecule. In order to adjust the position of the solid surface to form the semiconductor material, the position of the probe and the solid surface is moved to maintain the distance between the probe and the solid surface at a desired interval, and the light is transmitted to the probe. A light irradiation step of irradiating the attached atoms or molecules and exciting the atoms or molecules, and separating the atoms or molecules excited by the voltage applied between the probe and the solid surface from the probe, It comprises a method of forming a semiconductor material, including a desorption transfer step of moving the solid material surface to the solid surface and a deposition step of depositing the atoms or molecules transferred to the solid surface on the solid surface to form the semiconductor material on the solid surface.

【0014】また、本発明は、固体表面に半導体材料を
形成する方法であって、探針を固体表面中の除去する原
子または分子が存在している位置に合わせるため、探針
と固体表面の位置を移動し、探針と固体表面との距離を
所望の間隔に保持する位置合わせ工程と、光を固体表面
中の除去する原子または分子に照射し、原子または分子
を励起する光照射工程と、探針と固体表面との間に印加
されている電圧によって励起された原子または分子を固
体表面から離脱し、探針に移動させる脱離移動工程と、
探針に移動した原子または分子を探針に付着させ、固体
表面から原子または分子を除去する除去工程とを含む半
導体材料の形成方法からなる。
Further, the present invention is a method of forming a semiconductor material on a solid surface, wherein the probe and the solid surface are adjusted so that the probe is aligned with the position of the atom or molecule to be removed on the solid surface. Positioning step of moving the position and maintaining the distance between the probe and the solid surface at a desired interval, and a light irradiation step of irradiating light to the atoms or molecules to be removed in the solid surface and exciting the atoms or molecules. A detachment transfer step of detaching an atom or a molecule excited by a voltage applied between the probe and the solid surface from the solid surface and moving it to the probe,
A method of forming a semiconductor material, which comprises a step of attaching atoms or molecules that have moved to the probe to the probe and removing the atoms or molecules from the solid surface.

【0015】また、本発明は、半導体材料の固体表面を
評価分析する方法であって、探針を固体表面中の評価分
析する原子または分子が存在している位置に合わせるた
め、探針と固体表面の位置を移動し、探針と固体表面と
の距離を所望の間隔に保持する位置合わせ工程と、光を
固体表面中の評価分析する原子または分子に照射し、原
子または分子を励起する光照射工程と、探針と固体表面
との間に印加されている電圧によって励起された原子ま
たは分子を固体表面から離脱し、探針に移動させ、移動
したことを探針と固体表面との間に流れる電流の変化に
より検出する検出工程とを含み照射した光の波長によ
り、離脱、移動した原子または分子の種類を判別するこ
とを特徴とした半導体材料の固体表面の原子または分子
の評価、分析方法からなり、また、前記光照射工程の原
子または分子の励起がイオン化による励起である半導体
材料の固体表面の原子または分子の評価、分析方法であ
る。
Further, the present invention is a method for evaluating and analyzing a solid surface of a semiconductor material, which comprises aligning the probe with a position on the solid surface where an atom or molecule to be evaluated and analyzed is present. Positioning process that moves the position of the surface and keeps the distance between the probe and the solid surface at a desired distance, and light that irradiates the atoms or molecules to be analyzed in the solid surface with light to excite the atoms or molecules. During the irradiation process, atoms or molecules excited by the voltage applied between the probe and the solid surface are released from the solid surface and moved to the probe, and the fact that the atom or molecule has moved is detected between the probe and the solid surface. Of the atoms or molecules on the solid surface of the semiconductor material, characterized by distinguishing the type of atoms or molecules that have departed or moved, depending on the wavelength of the irradiated light, including the detection step of detecting the change in the current flowing through Way or Will also evaluate the atoms or molecules of the solid surface of the semiconductor material excited atoms or molecules of the light irradiation step is excitation by ionization, an analytical method.

【0016】さらに、本発明は、探針を固体表面の特定
の位置に合わせるため、探針と固体表面の位置を移動
し、探針と固体表面との距離を所望の間隔に保持する位
置合わせ手段と、光を探針または固体表面に照射し、原
子または分子を励起する光照射手段と、探針と固体表面
との間に印加されている電圧によって励起された原子ま
たは分子を固体表面から離脱し、探針に移動させ、移動
したことを探針と固体表面との間に流れる電流の変化に
より検出する検出手段と、を備える半導体材料の形成、
加工、分析評価装置からなる。
Further, according to the present invention, in order to adjust the probe to a specific position on the solid surface, the positions of the probe and the solid surface are moved to maintain the distance between the probe and the solid surface at a desired interval. Means for irradiating the probe or the solid surface with light to excite the atom or molecule, and the atom or molecule excited by the voltage applied between the probe and the solid surface from the solid surface Forming a semiconductor material, comprising: a detachment means, a moving means, a detecting means for detecting the movement by a change in an electric current flowing between the probe and the solid surface,
It consists of processing and analysis and evaluation equipment.

【0017】[0017]

【作用】本発明によると、探針と試料固体表面との間に
印加された電圧で電界電離により原子または分子を離
脱、移動させる場合において、探針および試料固体表面
に存在している原子または分子のうち移動させる原子ま
たは分子に特定の波長の光を照射し、原子または分子は
光のエネルギーにより励起され共鳴振動またはイオン化
をを起こし、目的とする原子または分子をより低い電圧
で選択的に離脱、移動させることにより、固体表面に原
子または分子を沈着させるかもしくは固体表面から特定
原子または分子を除去するという構成をとっているた
め、半導体材料の形成、加工において原子オーダーでの
制御ができ、照射した光の波長により原子または分子の
種類も判別できるため、固体表面の分析、評価ができる
ことになる。
According to the present invention, when an atom or molecule is detached and moved by electric field ionization by a voltage applied between the probe and the surface of the sample solid, the atoms or molecules present on the surface of the probe and the sample solid are moved. The atoms or molecules to be moved among the molecules are irradiated with light of a specific wavelength, and the atoms or molecules are excited by the energy of the light to cause resonance vibration or ionization, selectively targeting the atoms or molecules at a lower voltage. By detaching or moving, atoms or molecules are deposited on the solid surface or specific atoms or molecules are removed from the solid surface, so that it is possible to control on the atomic order in the formation and processing of semiconductor materials. Since the type of atom or molecule can be discriminated by the wavelength of the irradiated light, the solid surface can be analyzed and evaluated.

【0018】前述のように、走査トンネル顕微鏡などの
走査プローブ顕微鏡は、先端を先端を鋭く研ぎだした探
針と試料固体表面との間に電圧を印加し、探針に流れる
トンネル電流を検出することにより、原子または分子を
一つ一つ識別し固体表面の個々の構成原子または分子の
像を得ることができる。また、探針と試料固体表面とを
トンネル電流が流れる程度に近づけ、探針と試料固体表
面間にある程度以上の電位差を与えると、トンネル電子
ばかりでなく探針表面または試料固体表面に存在してい
る原子または分子もイオン化し探針表面または試料固体
表面から離脱し他方の表面に向かって移動し付着するこ
とがいわゆる電界電離として知られている。
As described above, in a scanning probe microscope such as a scanning tunneling microscope, a voltage is applied between the probe whose tip is sharply sharpened and the solid surface of the sample to detect the tunnel current flowing through the probe. By doing so, it is possible to identify each atom or molecule and obtain an image of the individual constituent atoms or molecules on the solid surface. In addition, when the probe and the sample solid surface are brought close to the extent that a tunnel current flows and a potential difference of more than a certain level is given between the probe and the sample solid surface, not only tunnel electrons but also the probe surface or the sample solid surface exist. It is known that so-called electric field ionization is that the atoms or molecules existing therein are also ionized and depart from the probe surface or the sample solid surface and move toward the other surface to adhere.

【0019】しかし、探針または試料固体のいづれの固
体表面から原子または分子の離脱が起こるか、また離脱
の起こる電圧は固体表面の組成や構造、離脱する原子ま
たは分子の種類と試料表面での存在状態、吸着状態によ
り変化し、単に電圧を印加するだけではどの原子または
分子が離脱し、移動するか特定することはできずでき
ず、また離脱した原子または分子の種類も判定すること
はできない。
However, the detachment of atoms or molecules from either the solid surface of the probe or the sample solid and the voltage at which the detachment occurs depend on the composition and structure of the solid surface, the type of detached atoms or molecules and the sample surface. It changes depending on the state of existence and the state of adsorption, and it is not possible to specify which atom or molecule will leave and move by simply applying a voltage, and it is also impossible to determine the type of atom or molecule that has left. .

【0020】そこで、移動させようとする原子または分
子に特定の波長の光、すなわち、移動させようとする原
子または分子に共鳴振動やイオン化を起こすことができ
るエネルギーを有する一定波長の光を照射することによ
って、原子または分子を選択的に励起し、より低い電圧
で離脱、移動することを可能とした。この結果、目的と
する原子または分子を選択的に操作することができる。
Then, the atom or molecule to be moved is irradiated with light of a specific wavelength, that is, the atom or molecule to be moved is irradiated with light of a constant wavelength having energy capable of causing resonance vibration or ionization. By doing so, it was possible to selectively excite atoms or molecules and dissociate or move at a lower voltage. As a result, the target atom or molecule can be selectively manipulated.

【0021】図1は離脱の状態を模式的に示した図であ
り、図2はそのときの印加電圧に対するトンネル電流の
変化を示す模式図である。すなわち、図1において、
「○」は構成する同一の原子を示し、「斜線で描かれた
○」は異種の原子を示している。異種の原子30は、特
定の波長の光を吸収し励起することにより共鳴振動また
はイオン化が起こり、試料と探針とのバイアス電圧によ
り離脱し探針に向けて移動し探針に付着する。このと
き、探針に流れるトンネル電流が図2に示すように変化
する。すなわち、探針と試料固体表面間の電圧を上げて
いくに従い、探針に流れるトンネル電流も徐々に増加し
ていくが、ある電圧で急激に大きくなり、その後は再び
最初と同じように徐々に増加するようになる。このトン
ネル電流が大きく変化した時に原子または分子の移動が
おこっている。
FIG. 1 is a diagram schematically showing a detached state, and FIG. 2 is a schematic diagram showing a change in tunnel current with respect to an applied voltage at that time. That is, in FIG.
“O” indicates the same atoms that make up, and “O” drawn by hatching indicates different atoms. The different type of atoms 30 absorb and excite light of a specific wavelength to cause resonance vibration or ionization. The different atoms 30 are separated due to a bias voltage between the sample and the probe, move toward the probe, and attach to the probe. At this time, the tunnel current flowing through the probe changes as shown in FIG. That is, as the voltage between the probe and the solid surface of the sample increases, the tunnel current flowing through the probe also gradually increases, but it increases rapidly at a certain voltage, and then gradually again as in the beginning. Will increase. Atoms or molecules move when the tunnel current changes significantly.

【0022】以上のように、特定の波長の光を照射する
ことにより目的とする原子または分子を選択的に移動さ
せることができるため、次に示すような応用が可能とな
る。
As described above, the target atom or molecule can be selectively moved by irradiating with light of a specific wavelength, so that the following applications are possible.

【0023】(1)探針に付着した原子または分子を基
板上に沈着することにより、半導体素子などの製造にお
いて、固体表面の任意の位置に単一の原子または分子を
精度よく付着させ原子オーダーの精度で制御された半導
体材料を得ることができる。
(1) By depositing atoms or molecules attached to a probe on a substrate, a single atom or molecule can be attached accurately at any position on a solid surface in the production of semiconductor devices, etc. It is possible to obtain a semiconductor material controlled with the accuracy of

【0024】(2)固体表面から目的とする原子または
分子を選択的に離脱させることにより、固体材料表面に
ある不純物を原子または分子の単位で除去することがで
き、原子オーダーで制御された半導体材料を得ることが
できる。
(2) By selectively releasing target atoms or molecules from the solid surface, impurities on the surface of the solid material can be removed in units of atoms or molecules, and the semiconductor is controlled in atomic order. The material can be obtained.

【0025】(3)励起に用いた波長と電圧との関係よ
り、対象となる離脱した原子または分子の種類を判別す
ることにより、従来、走査トンネル顕微鏡ではできなか
った原子または分子の種類を判別することが可能とな
り、半導体表面または割断面における原子、分子の種類
や配列などを精密に評価することができる。
(3) The type of atom or molecule that has been separated by the conventional scanning tunneling microscope can be determined by determining the type of the detached atom or molecule of interest from the relationship between the wavelength used for excitation and the voltage. Therefore, it is possible to precisely evaluate the types and arrangements of atoms and molecules on the semiconductor surface or the fractured surface.

【0026】以下、実施例に従い本発明を説明する。The present invention will be described below with reference to examples.

【0027】[0027]

【実施例】 (1)半導体材料を原子オーダーの精度で形成するため
の方法を説明する。
EXAMPLES (1) A method for forming a semiconductor material with an atomic accuracy will be described.

【0028】試料片を試料載置台に載置し、真空に排気
した後、光学顕微鏡によって試料片と走査プローブ顕微
鏡の探針とを観察しながら、試料載置台を移動し、走査
プローブ顕微鏡で試料片表面の原子配置像を観察し、原
子または分子を付着させる位置を確認する。
After mounting the sample piece on the sample mounting table and evacuating it to a vacuum, the sample mounting table is moved while observing the sample piece and the probe of the scanning probe microscope with an optical microscope, and the sample is scanned with the scanning probe microscope. Observe the atomic arrangement image on one surface to confirm the position where the atom or molecule is attached.

【0029】次に、付着工程により半導体材料として組
み込む特定の原子または分子を探針に付着させる。付着
工程としては、例えば、探針を目的の原子または分子の
純物質よりなる材料表面に移動させ、探針を試料表面か
らおよそ1〜5nmの高さに近づけて電圧を印加し、目
的の原子または分子を探針に付着させることにより行
う。また、その他の付着方法としては、特別の前処理室
を設け、処理室内で原子または分子エピタキシー、金属
または分子蒸着などの方法により探針表面に目的とする
原子または分子を付着させる方法などがあげられる。
Next, a specific atom or molecule to be incorporated as a semiconductor material is attached to the probe by the attaching step. As the attaching step, for example, the probe is moved to a material surface made of a pure substance of the target atom or molecule, the probe is brought close to a height of about 1 to 5 nm from the sample surface, and a voltage is applied to the target atom. Alternatively, the molecule is attached to the probe. In addition, as another attachment method, a method of attaching a target atom or molecule to the probe surface by a method such as providing a special pretreatment chamber and performing atom or molecule epitaxy, metal or molecule vapor deposition in the treatment chamber, and the like can be given. To be

【0030】このようにして、先端に原子または分子が
付着した探針は、次の位置合わせ工程により、半導体材
料を組み込もうとする位置に合わせられ、探針と試料間
の距離を一定にするように調整され保持される。位置合
わせのための移動は、試料を載置した試料載置台をステ
ップモータなどにより移動し、ミクロンオーダーでおお
まかに位置合わせしたのち、さらに探針をピエゾ素子な
どで制御しナノメータ以下の精度で精密に位置合わせを
行う。さらに、探針と試料表面との間隔についてもピエ
ゾ素子により同様にナノメータ以下の精度で調整され保
持される。
In this way, the probe with the atom or molecule attached to the tip is aligned with the position where the semiconductor material is to be incorporated in the next alignment step, and the distance between the probe and the sample is kept constant. Is adjusted and held. For positioning movement, the sample mounting table on which the sample is placed is moved by a step motor, etc., and roughly aligned in the micron order, and then the probe is controlled with a piezo element, etc. Align to. Further, the distance between the probe and the sample surface is also adjusted and held with accuracy of nanometer or less by the piezo element.

【0031】その後、光照射工程により特定波長の光を
探針に付着している原子または分子に照射し、光によっ
て原子または分子が励起される。探針と試料表面との間
に印加されている電圧により、励起された原子または分
子が探針から離脱し、試料表面に移動する。試料表面に
移動した原子または分子が試料表面に沈着される沈着工
程とをへて半導体材料が形成される。すなわち、光を探
針に照射し、探針に付着させた原子または分子を励起
し、探針と固体表面との間に電圧を印加し、電圧を次第
に大きくしていくと前記探針に付着した原子または分子
は電界電離により離脱、移動し試料固体表面に沈着され
る。
After that, in the light irradiation step, light having a specific wavelength is irradiated to the atoms or molecules attached to the probe, and the atoms or molecules are excited by the light. A voltage applied between the probe and the sample surface causes excited atoms or molecules to leave the probe and move to the sample surface. A semiconductor material is formed through a deposition step in which atoms or molecules that have migrated to the sample surface are deposited on the sample surface. That is, the probe is irradiated with light to excite the atoms or molecules attached to the probe, a voltage is applied between the probe and the solid surface, and when the voltage is gradually increased, the probe adheres to the probe. The generated atoms or molecules are detached and moved by electric field ionization and deposited on the surface of the sample solid.

【0032】照射工程における、照射する光の波長は目
的の原子または分子の共鳴振動を励起することができる
エネルギーをもつ波長であり、対象とする原子または分
子の種類により変化するが、一般には、可視光から遠赤
外光の波長を用いることができる。励起する共鳴振動の
対象としては、原子の場合には、当該原子の周囲にある
原子との結合間の固有振動などがあり、分子の場合に
は、吸着サイトや反応サイトと分子間との結合間の固有
振動または分子自体の内部結合の固有振動などを用いる
ことができる。このような共鳴振動を励起することがで
きる光の波長は、例えば、シリコン表面の炭素を移動し
たい場合には、Si−C結合を励起する16.5μmの
波長、また、シリコン上の酸素を移動したい場合には、
Si−O結合の励起する8.5μmや9.1μmの波長
を用いることができる。また、分子の場合には、例え
ば、N−アルキルジアゾピペリジンジオンを移動したい
場合にはファンデルワールス力ほどの波長を用いること
ができる。
The wavelength of the irradiation light in the irradiation step is a wavelength having energy capable of exciting the resonance vibration of the target atom or molecule, and it varies depending on the type of the target atom or molecule, but in general, Wavelengths from visible light to far infrared light can be used. In the case of an atom, the target of the resonant vibration to be excited is the natural vibration between the bond with an atom around the atom, and in the case of a molecule, the bond between the adsorption site or the reaction site and the molecule. For example, the natural vibration between the molecules or the natural vibration of the internal bond of the molecule itself can be used. The wavelength of light that can excite such resonance oscillation is, for example, 16.5 μm that excites Si—C bonds when it is desired to move carbon on the surface of silicon, and oxygen that moves on silicon. If you want to
A wavelength of 8.5 μm or 9.1 μm that excites the Si—O bond can be used. Further, in the case of a molecule, for example, when it is desired to move the N-alkyldiazopiperidinedione, a wavelength of van der Waals force can be used.

【0033】さらに、目的とする分子が分極するような
場合には、マイクロ波を使用し分極を起こさせても同様
の目的を達成することができる。
Further, in the case where the target molecule is polarized, the same purpose can be achieved by using microwaves to cause polarization.

【0034】一方、光の種類としては、輝度が高く単色
の強力な光線が得られるレーザ光が好ましいが、連続光
源を光学フィルター、プリズムまたは回折格子などで分
光した特定波長の光も使用することができる。
On the other hand, as the kind of light, laser light having a high brightness and a strong monochromatic light beam is preferable, but light of a specific wavelength obtained by dispersing a continuous light source with an optical filter, a prism or a diffraction grating should also be used. You can

【0035】このようにして、以上の操作を繰り返すこ
とにより、試料固体表面に次々と原子または分子を植え
付けることができる。また、探針に付着させる原子また
は分子の種類を変えることにより異なる原子または分子
を試料固体表面に沈着させることができ種々の組成を有
する半導体材料を形成することができる。
By repeating the above operation in this manner, atoms or molecules can be successively implanted on the surface of the sample solid. Further, different atoms or molecules can be deposited on the surface of the sample solid by changing the kind of atoms or molecules attached to the probe, and semiconductor materials having various compositions can be formed.

【0036】(2)固体材料表面にある不純物を原子ま
たは分子の単位で除去し、半導体材料を原子オーダーの
精度で形成するための方法を説明する。
(2) A method for removing impurities on the surface of a solid material in units of atoms or molecules to form a semiconductor material with an accuracy of atomic order will be described.

【0037】この場合も、上述と同じように、固体表面
上の除去したい原子または分子に対向してトンネル電流
が流れる程度の間隔をあけて探針を調整し保持した後、
探針と固体表面との間にバイアス電圧を印加する。その
後、固体表面から除去したい原子または分子に固有な振
動を励起する特定の波長の光を固体表面に照射する。こ
れにより、前記固体表面上の除去したい原子または分子
は励起され、探針と固体表面との間に印加されている電
圧により、固体表面上の除去したい原子または分子は離
脱し、探針へと移動する。探針に付着した原子または分
子は上述の方法で探針より除去する。これにより原子オ
ーダーでの不純物の除去など半導体材料の加工がナノメ
ータ以下の精度でできるようになる。
In this case also, as described above, after the probe is adjusted and held at a distance such that a tunnel current flows, facing the atom or molecule to be removed on the solid surface,
A bias voltage is applied between the probe and the solid surface. Then, the solid surface is irradiated with light having a specific wavelength that excites vibrations peculiar to the atoms or molecules to be removed from the solid surface. As a result, the atom or molecule to be removed on the solid surface is excited, and the atom or molecule to be removed on the solid surface is released due to the voltage applied between the probe and the solid surface, and the atom or molecule is removed to the probe. Moving. Atoms or molecules attached to the probe are removed from the probe by the method described above. This enables processing of semiconductor materials such as removal of impurities on the atomic order with an accuracy of nanometer or less.

【0038】(3)半導体表面または割断面における原
子、分子の種類を判別し、原子、分子の配列などを精密
に評価するための方法を説明する。
(3) A method for discriminating the kinds of atoms and molecules on the semiconductor surface or the fractured surface and precisely evaluating the arrangement of atoms and molecules will be described.

【0039】試料片を試料載置台に載置し系を真空に排
気した後、試料を試料載置台に設けられた冷却器により
液体窒素などで低温に冷却し、光学顕微鏡によって試料
片と走査プローブ顕微鏡の探針とを観察しながら、試料
載置台に付加したステップモータにて試料位置を調整
し、走査プローブ顕微鏡の探針位置に試料片の測定部位
を合わる。表面の吸着物あるいは酸化膜をイオンビーム
照射装置などを用い、イオンビームによりエッチング除
去し、クリーンな面を露出させ、走査プローブ顕微鏡で
試料片表面の原子配列像を観察する。観察は探針に流れ
るトンネル電流が一定になるように探針の高さを調整す
る定電流モードで行う。
After mounting the sample piece on the sample mounting table and evacuating the system to a vacuum, the sample is cooled to a low temperature with liquid nitrogen or the like by a cooler provided on the sample mounting table, and the sample piece and the scanning probe are scanned by an optical microscope. While observing the probe of the microscope, the sample position is adjusted by the step motor added to the sample mounting table, and the measurement site of the sample piece is aligned with the probe position of the scanning probe microscope. The adsorbed material or oxide film on the surface is removed by etching with an ion beam using an ion beam irradiation device or the like to expose a clean surface, and an atomic array image on the surface of the sample piece is observed with a scanning probe microscope. The observation is performed in a constant current mode in which the height of the probe is adjusted so that the tunnel current flowing through the probe is constant.

【0040】得られた原子配列像から分析目的の原子ま
たは分子を選定し、探針をその真上に調整し保持するよ
うにする。この位置合わせ工程では、探針の高さを試料
表面からおよそ1〜5nmの範囲の一定距離に保つよう
にする。
An atom or molecule to be analyzed is selected from the obtained atomic array image, and the probe is adjusted and held right above it. In this alignment step, the height of the probe is kept at a constant distance within a range of about 1 to 5 nm from the sample surface.

【0041】ついで、光照射工程において、前述のよう
に、目的の原子または分子の共鳴振動を励起することが
できるエネルギーをもつ波長の光を、試料表面の分析目
的の原子または分子に向けて照射し、励起する。
Then, in the light irradiation step, as described above, light of a wavelength having energy capable of exciting the resonance vibration of the target atom or molecule is irradiated toward the target atom or molecule on the sample surface for analysis. And excite.

【0042】また、光により原子または分子を励起する
には、光によりイオン化させることによっても達成する
ことができる。原子または分子をイオン化するために
は、分析目的である原子または分子が持つ電子のイオン
化エネルギーよりも大きなエネルギーを有する光を照射
しなければならない。一般には、これらの原子または分
子のイオン化エネルギーは大きいため、照射する光は、
真空紫外線、X線、γ線など波長が短くエネルギーが高
い光線が用いられる。
Excitation of atoms or molecules by light can also be achieved by ionization by light. In order to ionize an atom or molecule, it is necessary to irradiate with light having an energy larger than the ionization energy of the electron possessed by the atom or molecule for analysis. Generally, since the ionization energies of these atoms or molecules are large, the irradiation light is
Light rays having a short wavelength and high energy such as vacuum ultraviolet rays, X-rays, and γ rays are used.

【0043】また、このようなイオン化は、真空紫外線
などのようなエネルギーが充分に高い短波長の光を照射
して一段階でイオン化するのではなく、より長波長のエ
ネルギーの低い光を用いて段階的に励起しイオン化する
こともできる。すなわち、原子または分子に特有な原子
軌道や分子軌道を励起することができる波長の光とイオ
ン化エネルギーとこの励起状態のエネルギーの差に相当
するエネルギーを持つ波長の光を同時に照射することに
より、原子または分子を励起状態をへて段階的にイオン
化することができる。この場合、一段階のイオン化の場
合に比べて低いエネルギーを持つ、波長の長い紫外光〜
可視光〜赤外光の領域を光を用いることができる。
Further, such ionization is not performed by irradiating short wavelength light having sufficiently high energy, such as vacuum ultraviolet rays, to ionize in a single step, but using light having longer wavelength and lower energy. It can also be excited and ionized stepwise. That is, by simultaneously irradiating light having a wavelength capable of exciting an atomic orbital or molecular orbital peculiar to an atom or molecule and light having a wavelength corresponding to the difference between the ionization energy and the energy of this excited state, Alternatively, the molecule can be ionized in a stepwise excited state. In this case, long-wavelength ultraviolet light with lower energy than in the case of one-step ionization ~
Light can be used in the visible light to infrared light region.

【0044】すなわち、分析目的の原子または分子をイ
オン化するために大きなエネルギーを持つ光を照射する
と、イオン化エネルギーが分析目的の原子または分子よ
りも小さい分析目的以外の原子または分子もイオン化さ
れてしまうが、波長の長いエネルギーの小さい光の照射
により多段階にイオン化する場合には、分析目的以外の
原子または分子がイオン化されてしまう確率は少なくな
り、分析精度が向上する。
That is, when light having a large energy is irradiated to ionize the atoms or molecules to be analyzed, the atoms or molecules having a smaller ionization energy than the atoms or molecules to be analyzed are also ionized. In the case of multi-stage ionization by irradiation with light having a long wavelength and a small energy, the probability that atoms or molecules other than the purpose of analysis are ionized is reduced, and the analysis accuracy is improved.

【0045】原子または分子を光照射によりイオン化す
るには、可視光〜赤外光の波長であり、例えば、N−ア
ルキルジアゾピペリジンジオンの分析に対しては、赤外
光を使用することができる。
For ionizing atoms or molecules by light irradiation, wavelengths of visible light to infrared light can be used. For example, infrared light can be used for analysis of N-alkyldiazopiperidinedione. .

【0046】ついで、探針にバイアス電圧を0Vより徐
々に印加しながら探針に流れるトンネル電流を測定し、
電流の変化を検出する。トンネル電流が目的の原子また
は分子の離脱電圧において急激に変化すれば、当該原子
または分子が離脱したことを示し、目的の原子または分
子が存在しなければ離脱電圧において電流の変化は生じ
ない。すなわち、分析目的の原子または分子に照射した
共鳴振動やイオン化を励起する光の波長と離脱電圧との
関係から原子または分子の種類を判別することができ
る。一方、分析の結果固体表面上から離脱し、探針に移
動し探針に付着した原子または分子は(1)に述べた方
法と同様な方法で探針より除去する。この一連の操作を
繰り返して行うことにより原子または分子の固体表面で
の分布状態を測定することができる。
Next, the tunnel current flowing through the probe was measured while gradually applying a bias voltage from 0 V to the probe,
Detect changes in current. If the tunnel current changes abruptly at the detachment voltage of the target atom or molecule, it indicates that the atom or molecule has detached. If the target atom or molecule does not exist, the current does not change at the detachment voltage. That is, the type of atom or molecule can be discriminated from the relationship between the wavelength of light that excites resonance vibration or ionization that is applied to the atom or molecule of interest for analysis and the desorption voltage. On the other hand, as a result of the analysis, the atom or molecule that has detached from the solid surface, moved to the probe, and attached to the probe is removed from the probe by the same method as described in (1). By repeating this series of operations, the distribution state of atoms or molecules on the solid surface can be measured.

【0047】以上の説明では、探針と固体表面との距離
を一定にし、探針と固体表面間の電圧を変化させた場合
のトンネル電流の変化から原子または分子の種類を判別
する場合を説明したが、一定の電圧を印加しながら、照
射する光の波長を変化させることによっても同様な結果
を得ることができる。
In the above description, the case where the kind of atom or molecule is discriminated from the change in tunnel current when the distance between the probe and the solid surface is kept constant and the voltage between the probe and the solid surface is changed is explained. However, the same result can be obtained by changing the wavelength of the irradiation light while applying a constant voltage.

【0048】さらに、探針と固体表面間に一定の電圧を
印加し、探針と固体表面との距離を変化させることによ
っても同様にトンネル電流の変化から原子または分子の
種類を判別することができる。具体的には、探針と固体
表面間に一定の電圧を印加しながら特定の波長を有する
光を固体表面に照射し、探針を固体表面に対して近づけ
両者間の間隔を狭くしていった場合に、原子または分子
の離脱にともなうトンネル電流の変化を検出することが
できる。
Further, by applying a constant voltage between the probe and the surface of the solid and changing the distance between the probe and the surface of the solid, it is possible to discriminate the kind of atom or molecule from the change of the tunnel current. it can. Specifically, while applying a constant voltage between the probe and the solid surface, the solid surface is irradiated with light having a specific wavelength, and the probe is brought closer to the solid surface to narrow the gap between them. In this case, it is possible to detect a change in tunnel current due to detachment of atoms or molecules.

【0049】なお、試料は液体窒素や液体ヘリウムなど
で冷却することにより、光により共鳴振動やイオン化を
起こした分析目的の原子または分子以外の原子または分
子の振動を抑えることができるため、ノイズの少ない測
定が可能となり分析精度が向上する。
By cooling the sample with liquid nitrogen, liquid helium, or the like, it is possible to suppress vibrations of atoms or molecules other than the analysis target atom or molecule that has undergone resonance vibration or ionization by light, and thus noise Less measurement is possible and analysis accuracy is improved.

【0050】以上の方法により半導体表面または半導体
内部構造を評価するため半導体材料を劈開したような割
断面における原子、分子の種類を判別し、原子、分子の
配列などを精密に評価することができる。
In order to evaluate the semiconductor surface or the semiconductor internal structure by the above method, it is possible to discriminate the kinds of atoms and molecules in a cleavage plane where a semiconductor material is cleaved, and to precisely evaluate the arrangement of atoms and molecules. .

【0051】次に、以上の方法を行うために用いられる
装置について説明する。
Next, an apparatus used for performing the above method will be described.

【0052】図3は本発明の装置の走査プローブ部分の
一例を示す図であり、図4は装置全体の構成の概略の一
例を示す図である。図3において、参照符号1は分析や
形成の対象となる半導体材料試料を示し、参照符号2は
半導体材料に原子または分子を植え込む場合に原子また
は分子を探針5に付着供給する純物質のソース試料物質
か、あるいは、半導体材料から不純物質の除去精製また
は半導体材料の評価する場合に探針5に付着した原子ま
たは分子を探針から離脱除去するために付着させる試料
物質を示している。
FIG. 3 is a diagram showing an example of a scanning probe portion of the apparatus of the present invention, and FIG. 4 is a diagram showing an example of a schematic configuration of the entire apparatus. In FIG. 3, reference numeral 1 indicates a semiconductor material sample to be analyzed or formed, and reference numeral 2 is a pure substance source for supplying atoms or molecules to the probe 5 when implanting atoms or molecules in the semiconductor material. It is a sample substance or a sample substance to be attached in order to remove and remove atoms or molecules attached to the probe 5 when removing impurities from the semiconductor material for purification or evaluation of the semiconductor material.

【0053】半導体材料試料1および試料物質2は試料
載置台3に載せられ、試料載置台3はステップモータ4
により載置台に平行および垂直な方向に独立に移動され
半導体材料試料1の特定部位へ探針5がくるようにミク
ロンオーダーでの位置合わせができるように制御され
る。探針5は先端を鋭く研ぎだした微細なチップで、例
えばシリコンやタングステン、白金などの金属で作られ
ている。この探針5はピエゾ素子6により載置台に平行
および垂直な方向に独立に可動し、試料表面の特定の位
置に0.1nm以下の精度で制御される。従って、ステ
ップモータ4およびピエゾ素子6により、探針5は、半
導体材料試料1と試料物質2との間を相互に移動でき、
半導体材料試料1上を走査できるようになっており、ま
た各々の試料表面の特定の原子または分子の位置に極め
て高い精度で位置決めができるように構成されている。
The semiconductor material sample 1 and the sample substance 2 are placed on the sample mounting table 3, and the sample mounting table 3 is step motor 4
Is controlled so that the probe 5 can be independently moved in a direction parallel and perpendicular to the mounting table and the probe 5 can be positioned at a specific portion of the semiconductor material sample 1 in micron order. The probe 5 is a fine chip whose tip is sharply sharpened, and is made of metal such as silicon, tungsten, or platinum. The probe 5 is independently movable in a direction parallel to and perpendicular to the mounting table by the piezo element 6, and is controlled to a specific position on the sample surface with an accuracy of 0.1 nm or less. Therefore, by the step motor 4 and the piezo element 6, the probe 5 can move between the semiconductor material sample 1 and the sample substance 2,
The semiconductor material sample 1 can be scanned and the position of a specific atom or molecule on the surface of each sample can be positioned with extremely high accuracy.

【0054】また、試料載置台3には、試料を冷却また
は加熱することができるように外部に加熱冷却装置7が
接続されている。冷却はおもに光により励起された原子
または分子以外の原子または分子の振動などを抑制する
ために、また加熱は原子または分子の離脱を容易にする
ため、さらに試料を熱処理を施すような場合に使用され
る。一般に、冷却手段としては液体窒素や液体ヘリウム
の循環、加熱手段としては電気ヒーターなどが用いられ
ている。
A heating / cooling device 7 is externally connected to the sample mounting table 3 so that the sample can be cooled or heated. Cooling is mainly used to suppress vibration of atoms or molecules other than those excited by light, and heating is used to facilitate the detachment of atoms or molecules. To be done. Generally, liquid nitrogen or liquid helium is circulated as a cooling means, and an electric heater or the like is used as a heating means.

【0055】図3では構成を分かりやすく説明するため
試料物質2は半導体素子試料1とともに試料載置台3上
に並べて載置している状態で説明しているが、試料物質
2はそれぞれの試料温度を別々に制御できるように別の
載置台を設け載置するか、または、別に試料物質2を収
納する前処理室を設けると操作の上から好ましい。この
前処理室内では、探針への原子または分子を付着させる
ために、例えば蒸着装置や原子または分子エピタキシー
装置などを組み込むことができる。
In FIG. 3, the sample substance 2 is illustrated as being placed side by side on the sample stage 3 together with the semiconductor element sample 1 in order to make the structure easy to understand. It is preferable from the standpoint of operation that a separate mounting table is provided so that the sample substances 2 can be controlled separately, and that the mounting is performed, or that a pretreatment chamber that stores the sample substance 2 is separately provided. In this pretreatment chamber, for example, a vapor deposition device or an atom or molecule epitaxy device can be incorporated in order to attach atoms or molecules to the probe.

【0056】そして、これらは透明窓9を有するチャン
バー8内に格納され、真空下でも操作が可能なように構
成されている。
Then, these are housed in a chamber 8 having a transparent window 9 so that they can be operated even under vacuum.

【0057】参照符号10は光線照射装置を示し、試料
固体表面もしくは探針から特定の原子または分子を離脱
させるため、探針または試料に特定波長の光を照射する
装置である。光線照射装置としては輝度が高く単色の光
線が得られるレーザ光照射装置を用いるのが好ましい
が、連続光源をフィルター、プリズムまたは回折格子な
どで分光することにより得られる単色光を照射する装置
も使用することができる。光はチャンバー8に設けられ
た透明窓9を介して試料または探針に対して照射され
る。
Reference numeral 10 indicates a light beam irradiation device, which is a device for irradiating the probe or the sample with light of a specific wavelength in order to separate a specific atom or molecule from the solid surface of the sample or the probe. As the light beam irradiation device, it is preferable to use a laser light irradiation device that can obtain a monochromatic light beam with high brightness, but a device that irradiates monochromatic light obtained by dispersing a continuous light source with a filter, a prism or a diffraction grating is also used. can do. The light is applied to the sample or the probe through the transparent window 9 provided in the chamber 8.

【0058】参照符号11はイオンビーム照射装置を示
し、試料表面の付着物や酸化物などを剥離して清浄表面
を露出するために用いられるもので、一般にアルゴンな
どの不活性ガスが用いられる。イオンビームの照射はチ
ャンバー8内で試料表面に向けて照射される。
Reference numeral 11 indicates an ion beam irradiation apparatus, which is used for peeling off deposits and oxides on the sample surface to expose a clean surface, and generally an inert gas such as argon is used. Ion beam irradiation is performed toward the sample surface in the chamber 8.

【0059】参照符号12は光学顕微鏡を示し、試料と
探針とを観察するために設けたものであり、チャンバー
8に設けた透明窓9を介して観察することができるよう
になっている。
Reference numeral 12 indicates an optical microscope, which is provided for observing the sample and the probe, and can be observed through a transparent window 9 provided in the chamber 8.

【0060】図4は走査プローブ部を含む装置全体の構
成を示した図で、半導体材料試料1および試料物質2と
探針5との間は、任意のバイアス電圧を印加することが
できる構成20をとっている。探針5からのトンネル電
流は電流検出回路21で検出され、また、探針5の位置
を定めるピエゾ素子6を制御するサーボ回路22にフィ
ードバックされ、探針に一定の電流が流れるように半導
体材料試料1と探針5との間隔が調整される。
FIG. 4 is a diagram showing the configuration of the entire apparatus including the scanning probe section. A configuration 20 capable of applying an arbitrary bias voltage between the probe 5 and the semiconductor material sample 1 or sample material 2 is shown. Is taking. The tunnel current from the probe 5 is detected by the current detection circuit 21 and is also fed back to the servo circuit 22 that controls the piezo element 6 that determines the position of the probe 5, so that a constant current flows through the probe. The distance between the sample 1 and the probe 5 is adjusted.

【0061】これらの各部はコンピュータ23によりコ
ントロールされ、画像装置24で原子配置像などが表示
できるような構成となっている。
Each of these units is controlled by the computer 23, and the image arrangement 24 can display an atomic arrangement image and the like.

【0062】以下、実施例1〜4によりさらに説明す
る。
The first to fourth examples will be further described below.

【0063】実施例1 図4に示す装置を用いて、タングステン板上に炭素を付
着させた。用いた装置の探針はn型シリコン結晶の円錐
状チップで、直径20μmφ、高さ30μmφ、円錐先
端の曲率半径が10nmφのもので、先端は真空装置内
でフラッシングをおこなって酸化膜を除去した。付着さ
せる炭素のソースとしては炭素またはグラファイトの板
を用い、イオンビームで表面をスパッタエッチングする
ことにより表面の吸着成分を除去した後、探針の下に移
動し探針を近づけて探針にマイナスのバイアス電圧を印
加し、炭素原子をイオン化脱離させ探針の先端に付着さ
せた。
Example 1 Carbon was deposited on a tungsten plate using the apparatus shown in FIG. The probe used was a conical tip of n-type silicon crystal with a diameter of 20 μmφ, a height of 30 μmφ, and a conical tip with a radius of curvature of 10 nmφ. The tip was flushed in a vacuum device to remove the oxide film. . A carbon or graphite plate is used as the source of carbon to be attached, and after removing the adsorbed components on the surface by sputter etching the surface with an ion beam, move it to the bottom of the probe and bring it closer to the probe. Was applied to apply ionization and desorption of carbon atoms to attach the carbon atoms to the tip of the probe.

【0064】次に、タングステン基板を炭素原子が付着
した探針の下に移動し、探針をタングステン板に近づけ
て約2nmの距離に保ち、Si−C結合の振動を励起で
きる波長16.5μmの赤外光を探針に付着した炭素に
照射し、探針にプラスのバイアス電圧を印加して0Vか
ら徐々に電圧を増加した。電圧の増加に対して、探針に
流れるトンネル電流は徐々に増加し、約10Vで急激に
上昇した。この変化は炭素がタングステン板上に移動し
たことを示している。その後、タングステン基板上を走
査することにより、炭素原子がタングステン基板上に沈
着していることが確認した。
Next, the tungsten substrate is moved under the probe having carbon atoms attached thereto, and the probe is brought close to the tungsten plate and kept at a distance of about 2 nm to excite the vibration of the Si--C bond at a wavelength of 16.5 μm. The infrared light of No. 2 was irradiated on the carbon attached to the probe, and a positive bias voltage was applied to the probe to gradually increase the voltage from 0V. As the voltage increased, the tunnel current flowing through the probe gradually increased, and sharply increased at about 10V. This change indicates that carbon has migrated onto the tungsten plate. Then, by scanning on the tungsten substrate, it was confirmed that carbon atoms were deposited on the tungsten substrate.

【0065】実施例2 図4に示す装置を用いて、シリコンエピタキシャル膜中
の酸素原子の除去を行った。用いた装置の探針はタング
ステンチップで、直径20μmφ、高さ30μmφ、円
錐先端の曲率半径が10nmφのものである。探針を試
料表面から約2nmの高さに保ち、Si−O結合の振動
を励起できる波長8.5μmのPbSe半導体レーザで
試料表面を照射し、探針に+10Vのパルス電圧を印加
して試料表面を走査することにより、Si結晶の格子間
に存在する酸素を脱離させた。レーザ照射前後の原子配
列像を比較し、酸素の脱離を確認した。
Example 2 Oxygen atoms in the silicon epitaxial film were removed by using the apparatus shown in FIG. The probe of the device used is a tungsten tip having a diameter of 20 μmφ, a height of 30 μmφ, and a radius of curvature of the tip of the cone of 10 nmφ. Keep the probe at a height of about 2 nm from the sample surface, irradiate the sample surface with a PbSe semiconductor laser with a wavelength of 8.5 μm that can excite Si-O bond vibration, and apply a +10 V pulse voltage to the probe By scanning the surface, oxygen existing between lattices of the Si crystal was desorbed. The desorption of oxygen was confirmed by comparing the atomic arrangement images before and after laser irradiation.

【0066】実施例3 図4に示す装置を用い、シリコン表面に存在する酸素の
分析を行った。用いた装置の探針は、n型シリコン結晶
の円錐状チップで、直径20μmφ、高さ20μmφ、
円錐先端の曲率半径が10nmφである。原子の励起に
はSi−O振動を励起できる波数1100cm-1の赤外
光を炭酸ガスレーザで照射して行い、試料は液体窒素温
度に冷却した。試料と探針との距離を2nmに保持し、
電圧は探針をマイナスとして、0Vから徐々に増加させ
た。電圧の増加に対してトンネル電流も増加したが約+
1.3Vとなったとき断続的な変化がみられた。これに
より試料固体表面の酸素原子が脱離したことが確認され
た。
Example 3 Using the apparatus shown in FIG. 4, the oxygen present on the silicon surface was analyzed. The probe of the device used was a conical tip of n-type silicon crystal, and had a diameter of 20 μmφ, a height of 20 μmφ,
The radius of curvature of the tip of the cone is 10 nmφ. Atomization was performed by irradiating infrared light having a wave number of 1100 cm −1 capable of exciting Si—O vibration with a carbon dioxide gas laser, and the sample was cooled to liquid nitrogen temperature. Keep the distance between the sample and the probe at 2 nm,
The voltage was gradually increased from 0 V with the probe being negative. The tunnel current increased with the increase in voltage, but about +
Intermittent changes were observed at 1.3V. This confirmed that the oxygen atoms on the surface of the sample solid were desorbed.

【0067】実施例4 図4に示す装置を用いて、シリコン表面に吸着したN−
アルキルピペリジンジオン分子の分析を行った。用いた
装置の探針は、白金−イリジウムを材料とした金属性チ
ップで、直径20μmφ、高さ30μmφの円錐状で、
円錐先端の曲率半径が10nmφ以下のものである。ま
た、分子のイオン化のための光としては波長532nm
のNd・YAGレーザ光線を用い、分析試料は液体窒素
温度に冷却した。試料と探針との距離は約5nmに保持
し、電圧は探針をマイナスとして、0Vから徐々に電圧
を増加させた。電圧の増加に対してトンネル電流も増大
し、+2.5Vにおけるトンネル電流の断続的な変化か
らN−アルキルピペリジンジオン分子が脱離し、探針に
付着したことが確認された。
Example 4 Using the apparatus shown in FIG. 4, N- adsorbed on the silicon surface was used.
Analysis of the alkyl piperidine dione molecule was performed. The probe of the device used is a metallic tip made of platinum-iridium, and has a conical shape with a diameter of 20 μmφ and a height of 30 μmφ.
The radius of curvature of the tip of the cone is 10 nmφ or less. The wavelength of light for ionizing molecules is 532 nm.
The analysis sample was cooled to the liquid nitrogen temperature using Nd.YAG laser beam. The distance between the sample and the probe was kept at about 5 nm, and the voltage was gradually increased from 0 V with the probe being negative. It was confirmed that the tunnel current also increased as the voltage increased, and the N-alkylpiperidinedione molecule was desorbed from the intermittent change of the tunnel current at +2.5 V and attached to the probe.

【0068】以上のように、本発明によれば従来困難で
あった原子または分子を直接操作し、極微少な領域で目
的の組成、構造の材料を形成することができ、また、極
微少な領域での材料表面に存在する不純物原子または分
子を選択的に除去することができるため、例えば、
(1)原子、分子のオーダーで大規模集積回路素子や化
合物半導体材料を形成することができる。(2)磁気テ
ープや磁気ディスクなどの記録材料や超格子構造を有す
る光半導体材料を得ることができる。
As described above, according to the present invention, it is possible to directly manipulate an atom or molecule, which has been difficult in the past, to form a material having a desired composition and structure in a very small area, and to make a material in the extremely small area. Since it is possible to selectively remove impurity atoms or molecules present on the material surface of
(1) Large-scale integrated circuit elements and compound semiconductor materials can be formed on the order of atoms and molecules. (2) A recording material such as a magnetic tape or a magnetic disk or an optical semiconductor material having a superlattice structure can be obtained.

【0069】さらに、従来困難であった原子または分子
の種類を直接判別することができるため、例えば、
(1)試料表面の原子配列像を観察し、観察された原子
または分子についてそのものの種別を判別することがで
き、特定原子または分子の2次元での分布を知ることが
できる。(2)分析を行うに際しても、前もって試料を
研磨やミーリングなど前処理をしなくともそのまま直接
分析ができるため、分析が容易となるなど半導体基板や
LSIプロセスの評価においてきわめて有功な手段とな
る。
Furthermore, since it is possible to directly discriminate the kind of atom or molecule, which has been difficult in the past, for example,
(1) By observing the atomic array image on the sample surface, the type of the observed atom or molecule can be determined, and the two-dimensional distribution of the specific atom or molecule can be known. (2) When performing the analysis, the sample can be directly analyzed directly without pretreatment such as polishing or milling, which facilitates the analysis and is an extremely effective means for evaluating the semiconductor substrate or the LSI process.

【0070】なお、本明細書では、おもに半導体材料や
半導体素子の形成、評価を例として説明したが、本発明
は半導体に限らず、個々の原子または分子自体をナノメ
ータ以下の精度で配置、制御、観察することが必要とさ
れる場合、例えば、触媒の調製、開発、また、単分子膜
の形成などのような場合にも広く適用することができ
る。
In the present specification, the formation and evaluation of semiconductor materials and semiconductor elements have been mainly described as an example, but the present invention is not limited to semiconductors, and individual atoms or molecules themselves are arranged and controlled with an accuracy of nanometer or less. When it is necessary to observe, it can be widely applied to cases such as preparation and development of catalysts and formation of monomolecular films.

【0071】[0071]

【発明の効果】本発明に従って、原子または分子を直接
操作してナノメータ以下の精度で目的の組成、構造の半
導体材料を形成し、加工することができる。また、原子
または分子の種類を直接判別することができるようにな
るため、半導体材料表面の評価分析が可能になる。
According to the present invention, atoms or molecules can be directly manipulated to form and process a semiconductor material having a desired composition and structure with an accuracy of nanometer or less. Further, since it becomes possible to directly discriminate the type of atom or molecule, it becomes possible to evaluate and analyze the surface of the semiconductor material.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】原子または分子の離脱の状態を模式的に示した
図である。
FIG. 1 is a diagram schematically showing a state in which atoms or molecules are released.

【図2】バイアス電圧に対するトンネル電流の変化を示
す模式図である。
FIG. 2 is a schematic diagram showing a change in tunnel current with respect to a bias voltage.

【図3】本発明の装置の探針部分の構成の一例を示す図
である。
FIG. 3 is a diagram showing an example of a configuration of a probe portion of the device of the present invention.

【図4】本発明の装置全体の構成の一例を示す図であ
る。
FIG. 4 is a diagram showing an example of the configuration of the entire apparatus of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 半導体材料試料 2 試料物質 3 試料載置台 4 ステップモータ 5 探針 6 ピエゾ素子 7 加熱冷却装置 8 チャンバー 9 透明窓 10 光線照射装置 11 イオンビーム照射装置 12 光学顕微鏡 30 異種原子 1 semiconductor material sample 2 sample substance 3 sample mounting table 4 step motor 5 probe 6 piezo element 7 heating / cooling device 8 chamber 9 transparent window 10 light beam irradiation device 11 ion beam irradiation device 12 optical microscope 30 heteroatom

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 竹中 みゆき 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1 株式会 社東芝研究開発センター内 (72)発明者 本間 美規 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1 株式会 社東芝研究開発センター内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (72) Inventor Miyuki Takenaka 1 Komukai Toshiba-cho, Sachi-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa Toshiba Research & Development Center (72) Inventor Miki Honma Komukai-Toshiba, Kawasaki-shi, Kanagawa Machi 1 Stock Company Toshiba Research and Development Center

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 固体表面に半導体材料を形成する方法で
あって、半導体を形成するための原子または分子を探針
に付着させる付着工程と、特定の原子または分子を付着
した探針を固体表面の半導体材料を形成する位置に合わ
せるため、探針と固体表面の位置を移動し、探針と固体
表面との距離を所望の間隔に保持する位置合わせ工程
と、光を探針に付着している原子または分子に照射し、
原子または分子を励起する光照射工程と、探針と固体表
面との間に印加されている電圧によって励起された原子
または分子を探針から離脱し、固体表面に移動させる脱
離移動工程と、固体表面に移動した原子または分子を固
体表面上に沈着させ、固体表面に半導体材料を形成する
沈着工程と、を含む半導体材料の形成方法。
1. A method for forming a semiconductor material on a solid surface, comprising: an attaching step of attaching atoms or molecules for forming a semiconductor to a probe; and a step of attaching a specific atom or molecule to the probe. In order to match the position of forming the semiconductor material, the position of the probe and the solid surface is moved to maintain the distance between the probe and the solid surface at a desired interval, and the light is attached to the probe. Irradiating the atom or molecule
A light irradiation step to excite atoms or molecules, an atom or molecule excited by a voltage applied between the probe and the solid surface is detached from the probe, and a desorption transfer step of moving to the solid surface, A method of forming a semiconductor material, comprising: a step of depositing atoms or molecules transferred to a solid surface on the solid surface to form a semiconductor material on the solid surface.
【請求項2】 固体表面に半導体材料を形成する方法で
あって、探針を固体表面中の除去する原子または分子が
存在している位置に合わせるため、探針と固体表面の位
置を移動し、探針と固体表面との距離を所望の間隔に保
持する位置合わせ工程と、光を固体表面中の除去する原
子または分子に照射し、原子または分子を励起する光照
射工程と、探針と固体表面との間に印加されている電圧
によって励起された原子または分子を固体表面から離脱
し、探針に移動させる脱離移動工程と、探針に移動した
原子または分子を探針に付着させ、固体表面から原子ま
たは分子を除去する除去工程と、を含む半導体材料の形
成方法。
2. A method of forming a semiconductor material on a solid surface, wherein the position of the probe and the solid surface is moved in order to align the probe with the position of the atom or molecule to be removed on the solid surface. A positioning step of keeping a distance between the probe and the solid surface at a desired interval, a light irradiation step of irradiating light to an atom or molecule to be removed in the solid surface to excite the atom or molecule, and a probe. An atom or molecule that is excited by the voltage applied to the solid surface is released from the solid surface and is moved to the probe, and the atom or molecule that has moved to the probe is attached to the probe. And a removal step of removing atoms or molecules from the solid surface, the method for forming a semiconductor material.
【請求項3】 半導体材料の固体表面を評価分析する方
法であって、探針を固体表面中の評価分析する原子また
は分子が存在している位置に合わせるため、探針と固体
表面の位置を移動し、探針と固体表面との距離を所望の
間隔に保持する位置合わせ工程と、光を固体表面中の評
価分析する原子または分子に照射し、原子または分子を
励起する光照射工程と、探針と固体表面との間に印加さ
れている電圧によって励起された原子または分子を固体
表面から離脱し、探針に移動させ、移動したことを探針
と固体表面との間に流れる電流の変化により検出する検
出工程と、を含み照射した光の波長により、離脱、移動
した原子または分子の種類を判別することを特徴とした
半導体材料の固体表面の原子または分子の評価、分析方
法。
3. A method for evaluating and analyzing the solid surface of a semiconductor material, wherein the position of the probe and the solid surface is adjusted so that the probe is aligned with the position of the atom or molecule to be evaluated and analyzed in the solid surface. A step of moving and maintaining the distance between the probe and the solid surface at a desired interval, and a light irradiation step of irradiating light to the atoms or molecules to be evaluated and analyzed in the solid surface, and exciting the atoms or molecules, Atoms or molecules excited by the voltage applied between the probe and the solid surface are released from the solid surface, moved to the probe, and the movement is detected by the current flowing between the probe and the solid surface. A method of evaluating and analyzing an atom or molecule on a solid surface of a semiconductor material, characterized by determining the type of atom or molecule that has desorbed or moved, depending on the wavelength of the irradiated light, including a detection step of detecting the change.
【請求項4】 前記光照射工程の原子または分子の励起
がイオン化による励起であることを特徴とする請求項3
に記載の半導体材料の固体表面の原子または分子の評
価、分析方法。
4. The excitation of atoms or molecules in the light irradiation step is excitation by ionization.
5. A method for evaluating or analyzing atoms or molecules on the solid surface of the semiconductor material according to.
【請求項5】探針を固体表面の特定の位置に合わせるた
め、探針と固体表面の位置を移動し、探針と固体表面と
の距離を所望の間隔に保持する位置合わせ手段と、光を
探針または固体表面に照射し、原子または分子を励起す
る光照射手段と、探針と固体表面との間に印加されてい
る電圧によって励起された原子または分子を固体表面か
ら離脱し、探針に移動させ、移動したことを探針と固体
表面との間に流れる電流の変化により検出する検出手段
と、を備える半導体材料の形成、加工、分析評価装置。
5. A positioning means for moving the positions of the probe and the solid surface to keep the distance between the probe and the solid surface at a desired interval in order to align the probe with a specific position on the solid surface, and an optical device. The probe or solid surface is irradiated with light to excite atoms or molecules, and the atoms or molecules excited by the voltage applied between the probe and the solid surface are decoupled from the solid surface and probed. A device for forming, processing, and analyzing and evaluating a semiconductor material, comprising: a detection unit that is moved to a needle and detects the movement based on a change in a current flowing between a probe and a solid surface.
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