【発明の詳細な説明】
カンチレバー振れセンサ及びその使用方法
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。
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.タエート（Quate）及びＣｈ．ガーバー（Gerber）によりPhys．Rev．Le
tters，Vol.56，No.9,1986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Ａ４７２４３１８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。
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力、共有結
合力、イオン力、またはコア反発力である。
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.
1668〜1670に記載されている。
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。
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
90）、ｐ.383、及び欧州特許出願Ａ０２９０６４８号から知られる。
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。
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
して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．Lett．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(1988)、p.1057、及びオシオ（Oshio）他によるUltramicro
scopy 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ＳＰＭ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。
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（ＭＯＳＦ
ＥＴ）、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１００ｎｍ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、１０ｎｍ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。
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．Electorchem．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 Co.，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（ＳＲ）、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。
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Ａ５０６５
１０３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。
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。
電磁誘導された高調波発生（ＳＨＭ）に基づく走査プローブ顕微鏡の原理は、
たとえば、Ｇ．Ｐ．コチャンスキ（Kochanski）によりPhys.Rev．Lett．62(1989
)、No.19、pp.2285〜2288に、Ｗ．シファート（Seifert）他によりUltramicrosc
opy 42〜44(1992)、pp.379〜387に、Ｂ．ミッシェル（Michel）他によりRev．Sc
i．Instrum．63(9)、1992年９月、pp.4080〜4085に、Ｓ．Ｊ．ストラニック（St
ranick）及びＰ．Ｓ．ワイス（Weiss）によりRev，Sci．Instrum．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（ＳＴＭ）の
トンネル・キャップに加える。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・キ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。
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、１
００ｎｍ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る。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。
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。
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−電圧特性か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。
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、再調整を必要と
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。
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。
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ＭＨ
ｚ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。
米国特許Ａ−４７２４３１８号に関して説明したように、「ピキーバック型」
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。
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。
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。
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.408
0〜4085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。
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。
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。
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キ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。
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。
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、従来の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。
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。
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（ＳＨＭ）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。
この信号検出を、それそ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そ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。
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（Bourgoi
n）他により（International Conference on Micro- and Nano-Engineering MNE
’94，Davo，Switzerland，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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
第５Ａ図、第５Ｂ図は、実験結果を示す図である。
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。
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・ホルダを介してキ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。
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２６
０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それ異なる基本周
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。０．０１ＧＨｚ〜
１．０ＧＨｚの周波数で共振するカンチレバーは、ビン（Binh）他によるSurfac
e Science 301(1994)、L224から既知である。
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「ピギーバック」）面との間のギ
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、Ｅ
ＳＲ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２３
２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２
６２は、この共振周波数の高調波に同調される。
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５０〜１００
ｎｍ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Ａ４７２４３１８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３２０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。
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Ｔ３４１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ｎ
ω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〜３．５ＧＨ
ｚ）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。
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ＳＴＭ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。
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、３５０
の一部分を構成する位相同期ループ（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。
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４７４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４
２０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。
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、カンチレバー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。
どちらの実施形態でも、カンチレバー４２０の金属被覆４２２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。
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カンチレバー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トストン・ブリッジ配置４８０の主要部
分である。ピエゾ抵抗層は、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。
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。
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。
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−１．５０Ｖ（ｃ）のバイアス電圧でそれそれ行った線走査は、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、それそ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次元プロツト（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。The present invention relates generally to means for measuring force or deflection of a cantilevered element used in the field of atomic force microscopy (AFM), for example. The invention further relates to a method and apparatus for determining material properties. In particular, it relates to a scanning probe microscope based dopant profiler with the generation and detection of applied electromagnetic field harmonics. BACKGROUND OF THE INVENTION First known in US Pat. Binning, CF Taate and Ch. Phys. By Gerber. Rev. Letters, Vol. 56, No. 9, March 1986, pp. 930-933, the atomic force microscope was mounted on a spring-like cantilever beam to scan the profile of the surface under investigation. Use sharp, pointed tips. At the required distance, a small force is generated between the atom at the top of the tip and the atom on the surface, resulting in a slight cantilever swing. In US Pat. No. 4,724,318, a conductive tunnel tip is placed within the tunnel distance behind a cantilever beam, which is also conductive, and the deflection is measured with a tunneling microscope to determine the deflection using changes in tunnel current. . Knowing the properties of the cantilever beam can determine the forces that occur between the AFM tip and the surface under investigation. The forces that occur between the sharp tip and the surface are typically van der Waals forces, covalent forces, ionic forces, or core repulsion forces. An important aspect of AFM is the accurate determination of cantilever deflection. One group of such shake measurement methods is based on coupling the cantilever to another microscope which is sensitive to distance. A combination of a cantilever and a scanning tunneling microscope is described, for example, in the aforementioned US Pat. No. 4,724,318. Another approach that utilizes microwave coupled sensors, also known as scanning near-field optical microscope (SNOM) or scanning tunneling optical microscope (STOM), has been described by Diaspro and Aguilar in Ultramicroscopy 42-44 (1992). ), Pp. 1668-1670. Another group of detection methods is based on the well known piezo or piezoresistive effect. An example is the M. Appl. By Tortonese et al. Phys Lett. 62 (8), 1993, pp.834-836. These methods provide a detection scheme that incorporates a shake detector into the cantilever. Yet another possible method of detecting cantilever displacement is based on capacitance detection, as described by Joyce et al., Rev. Sci. Instr. 62 (1991), p. 710, Goden Henrich 90), p. 383, and European patent application A 0290648. The method known from the above application and U.S. Pat. No. A4851671 utilizes the change in the resonant frequency of a flexible element and its harmonics to measure its bending. The frequency is detected by a crystal oscillator or a capacitance additionally attached to the cantilever. The displacement of the flexible element can also be measured using an optical method such as a beam deflection method or an interferometer usage method. In the beam deflection method, the length of the lever is used. In general, the lever is illuminated with a light beam, preferably produced by a laser diode or directed through an optical fiber. A small deflection of the lever causes a modest change in the reflection angle, which results in 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 can be done, for example, by Apper. Phys. Lett. 53 (1988), pp. 1045-1047. Interferometer usage is described, for example, by Martin et al. Appl. Phys. 61 (1987), p. 4723, Sarid et al., Opt. Lett. 12 (1988), p.1057, and Oshio et al., Ultramicroscopy 42-44 (1992), pp.310-314. Since the sensitivity of SPM can be increased by creating a cantilever having an extremely high resonance frequency while maintaining Q, the cantilever tends to be small. In such cantilevers, the optical methods described above are prone to failure due to reduced reflectivity and problems resulting from laser beam focus size limitations. 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 ingredient (dopant) introduced into the substrate or host material. The most common devices made with VLSI are bipolar or metal oxide semiconductor field effect transistors (MOSFETs), diodes, capacitors. Its characteristic length scale is currently about 0.5 microns, but in the future it will be reduced to 350 nm or even 100 nm. The concentration of dopants such as arsenic, boron and phosphorus in the active region of semiconductor devices is typically 10 Fifteen / Cm Three -10 20 / Cm Three Range. Predicting device behavior and implementing manufacturing process controls will require controlling dopant variations or profiles with lateral resolution of 10 nm and vertical resolution of 2-3 nm. However, currently known dopant profilers cannot provide this high accuracy in at least all three dimensions. Known techniques for dopant profiling include S. T. Ahn and W. A. By Tiller, J. Electorchem. Soc. 135 (1988), p. 2370, the joint dyeing described in H. 2370; C. Jer. Vac. Sci. Technol. B10 (1992), p. Dopant Density Selective Etching by Transmission Electron Microscopy (TEM) described in S. M. "VLSI Technology" by Sze, McGraw-Hill Book Co. , New York, 1983 (especially Chapters 5 to 10), secondary ion mass spectroscopy (SIMS), spreading resistance (SR), macroscopic capacitance-voltage (CV) measurements. Another method currently under development is L.S. P. J. by Sadwick et al. Vac. Sci. Technol. B10 (1992), p. Scanning Tunneling Microscope (STM) Dopant Density Selective Etching, known from H.468. E. FIG. Hessel et al. Vac. Sci. Technol. B9 (1991), p. 690 and the planar STM described in J. 690; M. Halbout and M.L. B. J. by Johnson. Vac. Sci. Technol. B10 (1992), p. 508 is a cross-sectional STM described in 508. While useful in some respects, these techniques have some drawbacks: they are either destructive or require careful sample preparation, and have limited lateral resolution or dopant sensitivity. One of the latest methods for determining dopant concentration is the scanning capacitance microscope described in US Pat. No. 5,506,103. It has the features of scanning probe microscopy and conventional CV technology. However, even the scanning capacitance microscope cannot obtain a sufficient lateral resolution required in the future. In addition, it utilizes lock-in techniques to reduce noise due to stray capacitance, thus slowing the scanning process, and high throughput with this method is unlikely to be achieved. Another method, described in US Pat. No. 5,267,471, uses a cantilever with two different mechanical resonance frequencies. When this 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 then a lock-in amplifier. As mentioned above, the use of lock-in amplifiers severely limits the measurement bandwidth. The principle of scanning probe microscopy based on electromagnetically induced harmonic generation (SHM) is described, for example, in G.W. P. Phys. By Kochanski. Rev. Lett. 62 (1989), No. 19, pp. 2285-2288, W. Ultramicrosc opy 42-44 (1992), pp. 379-387, B. Rev. by Michel et al. Sc i. Instrum. 63 (9), September 1992, pp. 4080-4085, S. J. St ranick and P. S. Rev, Sci. By Weiss. Instrum. 64 (5), May 1993, pp. 1232-1234. In the SHM technique, an electromagnetic field from radio frequency (RF) to optical frequency is applied to the tunnel cap of a conventional scanning tunneling microscope (STM). Higher frequencies (harmonics) are created by some electrical properties of the tunnel cap, which are believed to be the non-linearity of the current-voltage curve or space charge effects. By using these harmonics as feedback for the STM chip positioner, the insulating film and the semiconductor can be scanned. However, this feedback loop does not work well on the surface of the conductor and the fragile chip hits the surface and breaks. This misconception does not allow the SHM to be used extensively as an instrument for dopant profiling, since the conductive regions regularly appear on integrated circuits. It is therefore an object of the present invention, with regard to the above limitations of the art, to provide a device for determining the deflection of a cantilever, which is particularly suitable for cantilevers having small dimensions and thus having a very high resonance frequency. Another object of the present invention is to provide a non-destructive method and apparatus for determining material properties, in particular dopant profile, with resolution scalable to 100 nm and below. The method and apparatus are equally applicable to conductive and non-conductive surfaces. Another object of the invention is to increase the bandwidth of shake measurements for known devices. SUMMARY OF THE INVENTION The above and other objects and advantages are achieved in accordance with the principles of the invention as recited in the appended claims. Thus, in a basic variant, the device according to the invention comprises a flexible cantilever and a voltage applied to the sample or “piggybacked” reference plane or tip to be investigated during operation of the device or a direct voltage between the tip and the cantilever. 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 resistance-voltage or capacitance-voltage characteristics or non-linearity of the interface between the cantilever and the second surface, the radiation emanating from the interface is not only at one (fundamental) frequency, but at the same time higher frequency components. , Including so-called harmonic signals. In principle, all components of these harmonics can be used, but in some embodiments of the invention, as will be explained later, the harmonic signal, in particular the second and third harmonics, is used. It is advantageous to use the wave signal for measurement. A preferred range of frequencies is 100 MHz to 100 GHz, with a lower limit set by the efficiency of harmonic generation and an upper limit determined by currently available high frequency signal generation and detection equipment. In order for harmonics to occur, the cantilever and the second surface, which is the sample or "piggyback" surface or the surface of the chip, usually form an interface consisting of a semiconductor or non-conductor boundary and a conductor boundary. Must. However, the sensitivity of the device according to the invention has been found to support embodiments in which both surfaces consist of semiconductor material. Therefore, this device exhibits a high efficiency in the generation of 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, for example when encountering different surface materials during cantilever scanning, without the need for reconditioning. The two boundaries are preferably 0. They are separated by 1 nm to 100 nm. A DC voltage can be applied to this interface using voltage biasing means. Second, because the capacitance-voltage characteristic of the interface is non-linear, vibration of the cantilever causes emission of an electric field signal that oscillates at the resonant frequency and its harmonics. The radiated electric field is detected by the antenna and preferably by amplifiers or cascaded amplifiers and filters forming a spectrum analyzer. Changes in the force acting on the tip of the cantilever, and thus swinging of the cantilever, can be detected as changes in the frequency of the electric field signal or changes in the amplitude of the vibration of the cantilever. The basic variation of the invention can be extended to a shake detection controller by adding the output signal of the amplifier to a feedback means for controlling the positioning means, such as a piezoelectric precision positioning system known in the art, the cantilever. It becomes possible to control the position of with atomic precision. This embodiment of the invention is particularly suitable for cantilevers having a resonant frequency of several hundred MHz or higher. Such cantilevers are too small to focus 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. Cannot be used for. It is known in principle to detect the deflection of an AFM cantilever using a "Pickyback" scanning tunneling microscope (STM), as described with respect to U.S. Pat. However, it is clear that the differences in the present invention provide several advantages. In order to detect the tunnel current, it is necessary to bring the tip to 1 nm or less behind the lever. This close distance causes large damping and is impractical when measuring large forces and force gradients, ie large deflections. Another reason preventing 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 silicon cantilever has low attenuation, and the shake measurement sensitivity can be maintained at an extremely high level. In addition, the new device does not have the stability problems characteristic of AFMs due to runout tunneling current detection. Furthermore, it can also be carried out on a surface covered with a layer of an insulator such as an oxide or a nitride. 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, which increases the bandwidth of the runout measurement. Obviously, the scope of the invention is not limited to simple beam cantilevers with one support. For example, it can be easily applied to a cantilever having a complicated design such as a spiral shape having a plurality of support points. Yet another embodiment of the invention relates to an antenna that receives 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 type element. In the latter case, a means for separating the bias voltage and other low frequency components from the high frequency signal is provided, such as a "biased T" connector. This antenna may also be, for example, B. Rev. by Michael et al. Sci. Instrum. 63 (9), September 1992, pp. It can also be incorporated into a cavity, preferably a tunable cavity, as described in 4080-4085. The cavity can be used to tune most of the signal output by tuning the cavity to the frequency of the signal. The lack of cavities allows for greater flexibility in measurement and device design. However, in this case, the sensitivity loss can be compensated by using a specially designed high impedance filter and amplifier. A particular aspect of the invention is to detect flexible cantilevers and harmonic electrical signals as described above for probing foreign surfaces, especially for probing highly integrated circuits, ie for dopant profiling. And a device including the means. It is well known that the electrical signal emitted from the gap between the tip and the sample depends on the material that bounds the interface. However, there is no known instrument that is flexible enough to deal with 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 it was not possible to maintain high resolution under any such surface conditions. The present invention solves this problem by using a device operable in the atomic force mode to detect cantilever deflection by any of the methods described above while at the same time detecting the electrical signal emitted from the gap region. To enable. Another embodiment further comprises 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 cap between the cantilever tip and the sample surface is not determined by the resonant frequency of the cantilever but can be adjusted to a predetermined value. This value depends on the structure and composition of the sample surface investigated. It is preferred to use radio frequency or microwave frequency electric fields. This embodiment is further improved by providing suitable filtering means for separating the fundamental frequency obscured by the externally supplied signal from its harmonics. In a modification of this embodiment, an oscillation electric field supplied from the outside is used to control the amplitude and the oscillation frequency of the cantilever. This control is particularly efficient if the externally supplied electric field is tuned to the resonant frequency of the cantilever. The same effect can be achieved when a piezoelectric element or a piezoresistive element forming a part of the cantilever body is excited by an electric signal supplied from the outside to cause vibration of the cantilever. Another alternative way to induce vibration is to provide the cantilever with a sufficient amount of thermal energy, in which case it must be equipped with a bimorph structure containing materials with different coefficients of thermal expansion. The heat supply to the cantilevers can be enhanced by incorporating appropriate heating elements into the cantilever structure. In another embodiment of the invention, the chip is attached to a 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 conventional STMs, or, as described by Kochanski, tunneling to and from the surface under investigation under the influence of an applied AC field. It is possible to determine the alternating current resulting from the small number of electrons that do. The latter case also applies to insulators. Both currents can be used as input signals to the positioner feedback loop and the operator of the device according to the invention can take two or four different ways to control the gap width between the tip and the sample. it can. In certain preferred embodiments of the present invention, the force sensor tip and the cantilever are coupled to the atomic force cantilever by a conductive cladding or coating. The cladding can be attached to a conventional AFM cantilever by any suitable attachment technique known in the art. This chip-integrated structure reduces the technical overhead considerably compared to a device which has to use an atomic force sensor in parallel with the (metal) chip of a conventional scanning harmonic microscope (SHM). It is immediately possible to use this signal detection for an array of cantilevers tuned to slightly different resonance frequencies. The deflection of each cantilever can be achieved by selectively coupling the input DC voltage or the input electromagnetic wave to that of these cantilevers, or by tuning the frequency detection device to its resonant frequency. For example, in the case of the known scanning surface harmonic microscope, J. -P. By Bourgoi et al. (International Conference on Micro- and Nano-Engineering MNE '94, Davo, Switzerland, 26-29 September 1994) a means for controlling the humidity in closed chambers and interfacial areas. Can be used to further increase the efficiency of the device. When the humidity is set to a suitable value, droplets are formed in the interfacial area, which concentrates the electric field in this area. The above and other novel features believed to be characteristic of the invention are set forth in the appended claims. However, the invention itself as well as preferred modes of use, as well as its objects and advantages, will be best understood when the following detailed description of the exemplary embodiments is read in conjunction with the accompanying drawings. DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The present invention will be described in detail with reference to the following drawings. FIG. 1 is a diagram showing a model of a gap between a chip and a sample. FIG. 2 is a diagram showing a first embodiment of the shake sensor according to the present invention. FIG. 2B is a diagram showing an ESR measuring device including the second embodiment of the present invention. 3A and 3B are views showing still another modification of the shake sensor according to the present invention. Figures 4A, 4B, and 4C show the use of the present invention as a device for surface inspection according to various embodiments. 5A and 5B are diagrams showing the experimental results. FIG. 6A, FIG. 6B, and FIG. 6C are diagrams showing further experimental results. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Next, referring to FIG. 1, an RC parallel circuit 1 is shown as a model for facilitating understanding of generation of harmonics in an interface or a gap separating a cantilever and a second surface. The RC parallel circuit 1 is an electric model of this gap, to which a DC voltage is applied. An input microwave signal ω generated by a microwave generator (not shown) is coupled to the cap portion, for example via a tip or sample holder. The input microwave signal has a frequency ω. The radiation leaving the gap contains a component having a harmonic frequency nω. These components are caused by the non-linearity of the resistance R (V) or capacitance C (V) with respect to the voltage. 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 across the interface. As the cantilever oscillates at the resonance frequency or the frequency of the externally supplied signal, the gap between the tip and the sample is modulated and emits an electromagnetic wave containing 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 especially important in making large arrays of cantilevers. It is also possible to tune each cantilever of the array to a different fundamental frequency. Next, when the contribution of each cantilever to the detection signal is separated using a spectrum analyzer, the swing of each cantilever in the array can be easily observed. The excitation energy needed to balance the energy dissipation of the cantilevers must be provided externally in this basic variant, for example by heating or radiation. When electromagnetic waves are not supplied from the outside, it is desirable to provide a cantilever having a high resonance frequency. 0. 01 GHz-1. A cantilever that resonates at a frequency of 0 GHz is known from Binh et al., Surface Science 301 (1994), L224. FIG. 2B shows the means by which electromagnetic resonance 240 externally causes the resonance of the lever. An apparatus for measuring electron spin resonance (ESR) of a sample is shown, which is different from that described by Rugar et al. In NATURE 360, 563 (1992) for supporting an ESR sample. The difference is that it detects the cantilever deflection by detecting the harmonics generated in the gap between 232 and the second (reference or "piggyback") surface comprising the metal tip 222. The high frequency coil 240, the magnet 291, and the sweep coil 292 are standard components of the ESR measurement device. Modulation of the magnetic field in the sample causes oscillation of the cantilever, which typically has an amplitude of about 1 nanometer, which is detected as a change in the harmonic signal. This signal occurs in the gap between the tip 222 and the silicon cantilever 232. The signal generator 293 sweeps the magnetic field to resonate the spin at an applied high frequency that is half the resonance frequency of the cantilever. The detection circuit 2 62 is tuned to harmonics of this resonant frequency. Another variation of the invention is shown in Figure 3A. In this example, the microscope comprises in particular a cantilever 320 made of a semiconductor material 321 which is connected to a microwave power supply 340 and whose rear surface faces the metal tip 323. A DC voltage is applied to the tip 323 and the cantilever 320. This voltage can be adjusted to a value suitable for the material of the cantilever. Further, a fixing means (not shown) is provided for keeping the distance between the tip and the cantilever at a default value of 50 to 100 nm. Note that this gap width is much larger than the distance at which electron tunneling occurs, ie, much larger than in the piggyback STM described in US Pat. No. 4,724,318. Also, this gap width is large enough to prevent collision of tip 323 with cantilever 320 under normal conditions, so the tip need not be provided with a separate feedback loop controlled positioning system. On the other hand, in order to carry out this variant of the invention in a mode known in the field of force scanning microscopy as the "force-constant mode", the integrated circuit 371 controlling the sample positioning means 331 comprises a feedback loop 370. Provided as part. Further, in the above-described modification, the external microwave signal is sent to the gap between the tip and the cantilever via the tip 323. The input microwave signal source 340 is connected to the DC voltage circuit by the bias T341. The emitted radiations ω and n ω 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 bandpass filter 363 (2. 1 GHz to 3. 5 GHz z). 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. As yet another aspect of the present invention, a device that includes a microwave source, an antenna, an amplifier, and a feedback circuit and can be connected to a known atomic force microscope (AFM) can be manufactured. AFM cantilever runout can be detected with an accuracy of about 10 picometers without the stability problems that have prevented the use of STM-based detection methods in commercial AFMs. FIG. 3B shows a compact design according to the present invention, where the additional metal tip is replaced by the metallization 322 of the cantilever 320. In addition, the output of the spectrum analyzer 364 is connected to the input of a phase locked loop (PLL) 372 which forms part of two feedback loops 370, 350, which feedback loop 370 is locked to the resonant frequency of the cantilever. . This loop includes adder 374 and is used to electrostatically cause vibration of cantilever 320. Since the PLL responds to frequency shifts in the signal, the illustrated device can be used to measure damping of cantilever oscillations. The RMS (root mean square) output of the PLL can be further smoothed by an integrator 373 and then connected as a control signal to the positioning means 331 of the sample holder 330 to provide a constant damping. Referring now to Figures 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 modification shown in FIG. 4A is a modification of the present invention caused electrostatically as described above (FIG. 3A), and includes a switching means 474. When the switch is in position 1, harmonic detection is used to control the runout. On the other hand, in position 2, the microwave source is connected to the gap between the cantilever 420 and the sample holder 430, allowing dopant profiling. It is also possible to provide the second fundamental frequency to the second microwave source. This particular embodiment can be used to simultaneously detect cantilever deflection and inspect the sample surface. With respect to the above example, the dopant profiler of FIGS. 4B and 4C includes additional means for detecting cantilever wobble, said means being known in principle and based in part on the methods described above. An example is shown of measuring the cantilever deflection by the piezoresistive method (Fig. 4B) or by a beam deflector measuring the intensity of the laser beam reflected on the back surface of the cantilever (Fig. 4C). However, any other known shake detection method may be used instead. In either embodiment, the metallization 422 of the cantilever 420 is connected to the current / voltage converter 490 to operate the cantilever in the STM mode. At this time, the switch 476 includes a feedback circuit 470 that can automatically select various input signals. The switch can be programmed or controlled by an external device if the topology of the sample is known exactly, as is the case, for example, in IC manufacturing. Alternatively, the shake is monitored with at least a second shake detection method that is parallel to what is currently supplying 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. The two variants shown in FIGS. 4B and 4C differ in the way they receive the radiation emitted from the gap portion, and the embodiment of FIG. 4A shows a tunable cantilever such as that described by Michael et al. 465, which allows preselection of signal frequencies, sensitive detection of signals, and sensitive detection of radiation in a narrow bandwidth. 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. The piezoresistive element is the main part of the Wheatstone bridge arrangement 480 for measuring resistance and determining the deflection of the cantilever 420. The piezoresistive layer can be replaced by a piezoelectric element that produces a voltage depending on the bending of the cantilever. In the embodiment of FIG. 4C, no cavity is used and the cantilever conductive coating 422 forms the antenna. 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 mentioned above, a wider range of different shake 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 varies depending on the bending of the cantilever 420. Combining the various elements of the previous embodiments, in particular choosing a particular method of coupling the input signal to the gap and the output signal to the amplifier cascade, replacing the conductive coating of the cantilever with a cantilever consisting of a conductive substrate, Alternatively, replacing the coating with a piggyback-type chip as shown in Figure 3A is a matter of ordinary skill to those skilled in the art. 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 has a width of about 10 μm. Such a lattice is found in a manner similar to the source / channel / drain regions of PMOS devices. 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. The line scan is -1. 45V (a), -0. 55V (b) and 1. It is performed at 2V (c), respectively. For ease of understanding, the starting point of the curve is shifted and the curve b is magnified five times. These scans can be used to distinguish regions of high dopant concentration from low or depleted regions. FIG. 6 shows the results obtained by examining a sample doped with arsenic (n +). 1. 15V (a), -1. 15V (b) and -1. Line scans performed each with a bias voltage of 50 V (c) clearly show the lateral dopant profile. The maximum amplitude is much larger in the lightly doped region than in the heavily doped region. The obtained resolution is 35 nm or less. The resolution can be increased by controlling the humidity in the microscope. The line scan (d) recorded at the same time shows the physical height of the sample measured with the STM and AFM operating modes of the microscope. Also, the measurements are drawn on a three-dimensional plot (Fig. 6C) with the horizontal axis representing the bias voltage in volts and position in nanometers. The vertical axis shows the second harmonic signal in nanovolts (nV).
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(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────────────────────────────────────────────────── ───
Continuation of front page
(72) Inventor Michelle, Bruno
Gaustcon, Switzerland, Opstgarte
Nverk 13