JPH10132832A - Scanning probe microscope - Google Patents

Scanning probe microscope

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JPH10132832A
JPH10132832A JP28525496A JP28525496A JPH10132832A JP H10132832 A JPH10132832 A JP H10132832A JP 28525496 A JP28525496 A JP 28525496A JP 28525496 A JP28525496 A JP 28525496A JP H10132832 A JPH10132832 A JP H10132832A
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JP
Japan
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probe
cantilever
junction
fixed end
displacement
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Application number
JP28525496A
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Japanese (ja)
Inventor
Hisahiro Nishimoto
尚弘 西本
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Shimadzu Corp
Original Assignee
Shimadzu Corp
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a scanning probe microscope in a simple structure without using an optical system by forming a p-n junction at the fixed end part of a cantilever and detecting the displacements of a probe from changes in the current-voltage characteristics of the p-n junction part. SOLUTION: A cantilever chip 1 is provided with a cantilever part 1b, a base 1c supporting this, and a probe 1a provided for the free end of the cantilever part 1b, and an p-n junction diode 2 is formed on the fixed end part of the cantilever part 1b. In the p-n junction diode 2, p-type area is formed on a n-type layer and electrodes 3a and 3b are formed on the p-type area and n-type contact area respectively to extract signals to the outside. When the probe 1a receives attraction or repulsion from the surface atoms of a sample S, stress occurs at the flexible lever fixed end part of the cantilever part 1b to change the current-voltage characteristics of the p-n junction part of the p-n junction diode. This change is detected with scanning the sample S with the probe 1a to obtain the displacement information of the probe 1a and, consequently, information on the inside of the sample surface.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は走査型プローブ顕微
鏡に関する。
The present invention relates to a scanning probe microscope.

【0002】[0002]

【従来の技術】図1に、走査型プローブ顕微鏡の一つで
あるAFM(原子間引力顕微鏡)の従来の構成例を示
す。このAFMは、先端に曲率半径の小さい探針を備え
たカンチレバーLと、このカンチレバーLの変位を検出
する光学系Dによって構成されており、探針を試料Sの
表面に近づけると、試料Sと探針との間に働く力によ
り、カンチレバーLが撓む点を利用し、そのカンチレバ
ーの撓みを光学系Dによって検出する、いわゆる光てこ
方式を採用した顕微鏡である。
2. Description of the Related Art FIG. 1 shows an example of a conventional configuration of an AFM (Atomic Force Microscope) which is one of scanning probe microscopes. The AFM includes a cantilever L having a tip with a small radius of curvature at the tip and an optical system D for detecting displacement of the cantilever L. When the tip approaches the surface of the sample S, the AFM This is a microscope that employs a so-called optical lever system in which a point at which the cantilever L is bent by a force acting between the probe and the probe is detected by the optical system D.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】ところで、図1に示し
た構造の場合、カンチレバーチップとは別に、変位検出
用の光学系が必要で装置が大型になるという問題があ
る。また、高真空中で測定行いたい場合には検出系も真
空槽内に配置する必要があり、構成に制限を受けること
になる。さらに、カンチレバーチップは使用量が多くな
れば先端探針が摩耗するためチップの交換が必要になる
が、チップの交換ごとに、都度、精密な光軸調整を行う
必要がある。
However, in the case of the structure shown in FIG. 1, there is a problem that an optical system for detecting displacement is required separately from the cantilever chip, and the device becomes large. Further, when it is desired to perform measurement in a high vacuum, the detection system also needs to be arranged in a vacuum chamber, and the configuration is limited. Further, when the used amount of the cantilever tip increases, the tip probe becomes worn, so that the tip needs to be replaced. However, it is necessary to perform precise optical axis adjustment every time the tip is replaced.

【0004】また、近年、AFM観察の応用として生体
試料などの液中観察に興味が持たれているが、水中と空
気中では光の屈折率に違いがあるため光軸調整が困難と
なることから、図1の構造の場合、そのような応用の実
現化が難しい。
[0004] In recent years, there has been interest in the observation of biological samples and the like in liquids as an application of AFM observation, but it is difficult to adjust the optical axis due to the difference in the refractive index of light between water and air. Therefore, in the case of the structure of FIG. 1, it is difficult to realize such an application.

【0005】本発明はそのような実情に鑑みてなされた
もので、カンチレバー先端の探針の変位を光学系を用い
ることなく検出できる、簡単な構造の走査型プローブ顕
微鏡の提供を目的とする。
The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a scanning probe microscope having a simple structure capable of detecting the displacement of a probe at the tip of a cantilever without using an optical system.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、第1の発明の走査型プローブ顕微鏡は、測定に使用
するカンチレバーチップが、カンチレバー部とこのレバ
ー部の自由端に形成された探針を備えた構造で、カンチ
レバー部の少なくとも固定端部にpn接合が形成され、
そのpn接合部の電流−電圧特性の変化から探針の変位
を検出するように構成されていることによって特徴づけ
られる。
In order to achieve the above object, a scanning probe microscope according to a first aspect of the present invention comprises a probe having a cantilever tip used for measurement and a cantilever portion formed at a free end of the lever portion. With a structure having a needle, a pn junction is formed at least at a fixed end of the cantilever portion,
It is characterized by being configured to detect the displacement of the probe from the change in the current-voltage characteristic of the pn junction.

【0007】以上の構成において、探針が試料表面の原
子から、引力あるいは斥力を受けてカンチレバー部が撓
むとレバー固定端部に応力が生じ、その応力によってp
n接合部の禁制帯幅が変化する。ここでpn接合におい
て、外部応力により禁制帯幅が変化すると、pn接合部
の電流−電圧特性にもその応力に応じた変化が生じる
(高橋清著;「半導体工学」森北出版 p.289〜p.290 参
照)ことから、電流−電圧特性の変化を外部回路で検出
すれば、その検出値からカンチレバー部の撓み、つまり
探針の変位を知ることができる。
In the above arrangement, when the probe receives an attractive or repulsive force from atoms on the surface of the sample and the cantilever is bent, a stress is generated at the fixed end of the lever.
The forbidden band width of the n-junction changes. Here, in the pn junction, if the forbidden band width changes due to external stress, the current-voltage characteristics of the pn junction also change according to the stress (Kiyo Takahashi; “Semiconductor Engineering” Morikita Publishing p.289-p. .290), if the change in the current-voltage characteristics is detected by an external circuit, the deflection of the cantilever portion, that is, the displacement of the probe, can be known from the detected value.

【0008】なお、第1の発明において、カンチレバー
チップのカンチレバー部の少なくとも固定端部にpn接
合ダイオードを形成し、その電流−電圧特性の変化をそ
のまま検出することにより、探針の変位検出信号を得る
ように構成してもよいし、あるいは、カンチレバー部の
少なくとも固定端部にバイポーラトランジスタを形成
し、そのベース−エミッタ接合(pn接合)の電流−電
圧特性の変化を、エミッタ−コレクタ間で増幅して検出
することにより、探針の変位検出信号を得るように構成
してもよい。
In the first aspect, a pn junction diode is formed at least at a fixed end of the cantilever portion of the cantilever tip, and a change in the current-voltage characteristic is detected as it is, so that a displacement detection signal of the probe can be obtained. Or a bipolar transistor may be formed at least at the fixed end of the cantilever, and a change in current-voltage characteristics of the base-emitter junction (pn junction) may be amplified between the emitter and collector. The detection may be performed to obtain a probe displacement detection signal.

【0009】第2の発明の走査型プローブ顕微鏡は、同
じ目的を達成するため、測定に使用するカンチレバーチ
ップが、カンチレバー部とこのレバー部の自由端に形成
された探針を備えた構造で、カンチレバー部の少なくと
も固定端部に接合型電界効果トランジスタが形成され、
その接合型電界効果トランジスタの出力変化から探針の
変位を検出するように構成されていることによって特徴
づけられる。
In order to achieve the same object, the scanning probe microscope of the second invention has a structure in which a cantilever tip used for measurement is provided with a cantilever portion and a probe formed at a free end of the lever portion. A junction field-effect transistor is formed at least at a fixed end of the cantilever portion,
It is characterized by being configured to detect the displacement of the probe from the output change of the junction field effect transistor.

【0010】この第2の発明では、カンチレバー部の少
なくとも固定端部に形成した接合型電界効果トランジス
タの出力が、カンチレバー部のが撓みより生じる応力に
応じて変化することを利用して探針の変位を検出する。
In the second aspect of the present invention, the output of the junction field effect transistor formed at least at the fixed end of the cantilever portion is changed by utilizing the fact that the output of the cantilever portion changes according to the stress generated by bending. Detect displacement.

【0011】すなわち、カンチレバーチップに形成した
接合型電界効果トランジスタのゲート−チャンネル間の
pn接合には、外部からのバイアス電圧Vo と接合の内
蔵電位Vbiの和;VG =(Vo +Vbi)がかかってい
る。いま、カンチレバー部先端の探針が変位すると、前
記したようにレバー固定端部に応力が生じ、ゲート−チ
ャンネル間のpn接合部に応力が生じる。ここでpn接
合の内蔵電位(Vbi)は外部応力によって変化する(高
橋清著;「半導体工学」森北出版p.290 参照)ので、p
n接合部に応力が生じるとVG が変化し、これに伴って
素子固有の伝達特性にしたがってドレイン電流が変化す
る。従ってその電流変化を検出すれば、その検出値から
探針の変位を知ることができる。
That is, the sum of the external bias voltage Vo and the internal potential Vbi of the junction; VG = (Vo + Vbi) is applied to the pn junction between the gate and the channel of the junction field effect transistor formed on the cantilever chip. I have. Now, when the probe at the tip of the cantilever is displaced, stress is generated at the lever fixed end as described above, and stress is generated at the pn junction between the gate and the channel. Here, the built-in potential (Vbi) of the pn junction changes due to external stress (see Kiyoshi Takahashi; "Semiconductor Engineering", Morikita Publishing, p.290).
When a stress is applied to the n-junction, VG changes, and accordingly, the drain current changes according to the transfer characteristics inherent to the element. Therefore, if the change in the current is detected, the displacement of the probe can be known from the detected value.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】まず、第1の発明の実施の形態を
図2及び図3に基づいて説明する。この実施の形態の走
査型プローブ顕微鏡は、図1に示した公知の顕微鏡と同
様に、探針をもつカンチレバーチップと、試料Sを走査
するためのステージ等によって構成されているが、その
カンチレバーチップの構造に特徴がある。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS First, an embodiment of the first invention will be described with reference to FIGS. The scanning probe microscope according to this embodiment includes a cantilever tip having a probe, a stage for scanning the sample S, and the like, similarly to the known microscope shown in FIG. Is characterized by its structure.

【0013】すなわち、この例のカンチレバーチップ1
は、図2(a),(b) に示すように、カンチレバー部1bと
これを支持する台座1cと、カンチレバー部1bの自由
端に設けられた探針1aを備えたシリコン製のチップ
で、そのカンチレバー部1bの固定端部に変位検出用の
pn接合ダイオード2が形成されている。
That is, the cantilever chip 1 of this embodiment
As shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b), is a silicon chip provided with a cantilever 1b, a pedestal 1c for supporting the same, and a probe 1a provided at a free end of the cantilever 1b. A pn junction diode 2 for detecting displacement is formed at a fixed end of the cantilever portion 1b.

【0014】そのpn接合ダイオード2は、図3(a),
(b) の模式図に示すように、n型層にp型領域2aを形
成した素子で、このp型領域2a及びn型コンタクト領
域2bにそれぞれ導通する電極3a及び3bを利用し
て、pn接合部の電流−電圧特性の変化を電気信号とし
て外部に取り出すことができる。
The pn junction diode 2 is shown in FIG.
As shown in the schematic diagram of (b), in a device in which a p-type region 2a is formed in an n-type layer, pn The change in the current-voltage characteristic of the junction can be taken out as an electric signal.

【0015】以上の構成において、探針1aが試料Sの
表面原子から引力あるいは斥力を受けると、カンチレバ
ー部1bが撓みレバー固定端部に応力が生じる。このと
き、カンチレバー部1bの固定端部に形成されたpn接
合ダイオード2のpn接合部の電流−電圧特性には、そ
の応力に応じた変化が生じる。従ってpn接合ダイオー
ド2の電流−電圧特性の変化を外部の検出回路等によっ
て検出すれば、探針1aの変位情報を得ることができ
る。そして、図1に示したような構成により、試料Sと
カンチレバーチップの探針1aとを相対的に移動させな
がら、探針1aの変位情報を採取すれば試料面内の情報
を得ることができる。
In the above configuration, when the probe 1a receives an attractive force or a repulsive force from surface atoms of the sample S, the cantilever portion 1b bends and a stress is generated at the lever fixed end. At this time, the current-voltage characteristics of the pn junction of the pn junction diode 2 formed at the fixed end of the cantilever 1b change according to the stress. Therefore, if a change in the current-voltage characteristic of the pn junction diode 2 is detected by an external detection circuit or the like, displacement information of the probe 1a can be obtained. With the configuration as shown in FIG. 1, if the displacement information of the probe 1a is collected while the sample S and the probe 1a of the cantilever tip are relatively moved, information in the sample plane can be obtained. .

【0016】次に、図2の構造のカンチレバーチップ1
を作製する手順を、以下、図4に示す工程 (1)〜(8) を
参照して説明する。 (1) まず、n型SOIウェハ11(Silicon on Insulat
or;シリコン中に酸化膜層11aがあるウェハ)を材料
とする。
Next, the cantilever chip 1 having the structure shown in FIG.
Will be described below with reference to steps (1) to (8) shown in FIG. (1) First, an n-type SOI wafer 11 (Silicon on Insulat
or; a wafer having an oxide film layer 11a in silicon).

【0017】(2) ウェハ11の表面に酸化膜を形成し、
これをフォトリソグラフィ技術を用いて円形にパターニ
ングし、このパターニング後の酸化膜12をマスクとし
てウェハ11のエッチングを行って探針1aを形成す
る。ここではドライエッチング(RIE;反応性イオン
エッチング)を用いるが、KOHなどを用いたウェット
エッチングであってもよいし、あるいはこれらの組み合
わせでもよい。
(2) An oxide film is formed on the surface of the wafer 11,
This is patterned into a circle by using the photolithography technique, and the wafer 11 is etched using the patterned oxide film 12 as a mask to form the probe 1a. Here, dry etching (RIE; reactive ion etching) is used, but wet etching using KOH or the like may be used, or a combination thereof.

【0018】(3) 熱酸化を行い、ウェハ11の表面に酸
化膜13を形成する。 (4) カンチレバー部1bの固定端部となる部分(図2参
照)に、選択的にホウ素をイオン注入した後、アニール
を施してp型領域2aを形成する。
(3) Thermal oxidation is performed to form an oxide film 13 on the surface of the wafer 11. (4) Boron is selectively ion-implanted into a portion (see FIG. 2) serving as a fixed end of the cantilever portion 1b, and annealing is performed to form a p-type region 2a.

【0019】(5) 選択的にリンイオン注入を行って、基
板コンタクトのためのn型コンタクト領域2bを形成す
る。 (6) 酸化膜13の一部にp型領域2a用及びn型コンタ
クト領域2b用のコンタクトホールを形成した後、スパ
ッタリング等により電極用のAlを成膜し、そのAl膜
をパターニングして、各領域2a及び2bに導通する電
極3a及び3bを形成する。この後、シンタリングを施
す。
(5) An n-type contact region 2b for substrate contact is formed by selectively performing phosphorus ion implantation. (6) After forming contact holes for the p-type region 2a and the n-type contact region 2b in a part of the oxide film 13, Al for an electrode is formed by sputtering or the like, and the Al film is patterned. Electrodes 3a and 3b that are electrically connected to the respective regions 2a and 2b are formed. Thereafter, sintering is performed.

【0020】(7) 酸化膜11aの上部のシリコンをカン
チレバーチップ形状にエッチングし、カンチレバー部1
bの酸化膜を除去する。 (8) ウェハ11の裏面側でカンチレバーチップ1の台座
1cとなる部分のみを酸化膜(図示せず)で覆った状態
で、ウェハ11の裏面から水酸化カリウム溶液を用いた
シリコンのエッチングを行った後、BHF(バファード
フッ酸)を用いた酸化膜11aのエッチングを行う。
(7) The silicon on the oxide film 11a is etched into a cantilever chip shape, and the cantilever portion 1 is etched.
The oxide film of b is removed. (8) Silicon is etched from the back surface of the wafer 11 using a potassium hydroxide solution while only the portion serving as the pedestal 1c of the cantilever chip 1 on the back surface side of the wafer 11 is covered with an oxide film (not shown). After that, the oxide film 11a is etched using BHF (buffered hydrofluoric acid).

【0021】以上の工程で図2に示した構造のチップ、
すなわち変位検出のためのpn接合ダイオード2がカン
チレバー部1bの固定端部に形成された構造のカンチレ
バーチップ1が完成する。
The chip having the structure shown in FIG.
That is, the cantilever chip 1 having the structure in which the pn junction diode 2 for detecting the displacement is formed at the fixed end of the cantilever portion 1b is completed.

【0022】図5は第1の発明の実施の形態に用いるカ
ンチレバーチップの他の構成例を模式的に示す図であ
る。この実施の形態が、先の図2の構造と相違するとこ
ろは、カンチレバー部1bの固定端部にバイポーラトラ
ンジスタ102を形成し、そのエミッタ−ベース接合
(pn接合)の電流−電圧特性の変化から探針1aの変
位を検出するように構成した点にある。
FIG. 5 is a diagram schematically showing another configuration example of the cantilever chip used in the embodiment of the first invention. This embodiment differs from the structure of FIG. 2 in that the bipolar transistor 102 is formed at the fixed end of the cantilever 1b, and the current-voltage characteristics of the emitter-base junction (pn junction) change. The point is that the displacement of the probe 1a is detected.

【0023】そのバイポーラトランジスタ102は、図
6(a),(b) に示すように、n型層に素子分離領域105
が形成され、この部分にエミッタ領域102E 、ベース
領域102B 及びコレクタ領域102C が形成された素
子で、その各領域にそれぞれ導通する電極103E 、1
03C 及び103B が形成されており、これら電極を利
用してエミッタ−ベース間のpn接合の電流−電圧特性
の変化を増幅してエミッタ−コレクタ間の電気信号とし
て外部に取り出すことができる。
As shown in FIGS. 6A and 6B, the bipolar transistor 102 has an element isolation region 105 in an n-type layer.
Are formed, and an emitter region 102E, a base region 102B, and a collector region 102C are formed in this portion.
03C and 103B are formed, and by using these electrodes, a change in the current-voltage characteristics of the pn junction between the emitter and the base can be amplified and taken out as an electric signal between the emitter and the collector.

【0024】そして、この実施の形態においても、先の
図2に示した実施の形態と同様に、カンチレバー部1b
の固定端部に応力が生じ、その応力に応じてエミッタ−
ベース間のpn接合の電流−電圧特性が変化する。従っ
てその電流−電圧特性の変化を外部の検出回路等によっ
て検出すれば、探針1aの変位情報を得ることができ
る。
In this embodiment, as in the embodiment shown in FIG.
Stress occurs at the fixed end of the emitter, and the emitter
The current-voltage characteristics of the pn junction between the bases change. Therefore, if the change in the current-voltage characteristic is detected by an external detection circuit or the like, displacement information of the probe 1a can be obtained.

【0025】次に、図5の構造のカンチレバーチップ1
01を作製する手順を、以下、図7に示す工程 (1)〜
(8) を参照して説明する。 (1) n型SOIウェハ11を材料とする。
Next, the cantilever chip 1 having the structure shown in FIG.
01 is described below in steps (1) to (1) shown in FIG.
This will be described with reference to (8). (1) The n-type SOI wafer 11 is used as a material.

【0026】(2) ウェハ11の表面に酸化膜を形成し、
これをフォトリソグラフィ技術を用いて円形にパターニ
ングし、この酸化膜12をマスクとしてシリコンのエッ
チングを行い、探針1aを形成する。
(2) An oxide film is formed on the surface of the wafer 11,
This is patterned into a circle using photolithography technology, and silicon is etched using the oxide film 12 as a mask to form the probe 1a.

【0027】(3) 熱酸化を行い、ウェハ11の表面に酸
化膜13を形成する。 (4) カンチレバー部1bの固定端部となる部分(図5参
照)に、選択的にホウ素イオン注入及び拡散を行って素
子分離領域105を形成する。
(3) Thermal oxidation is performed to form an oxide film 13 on the surface of the wafer 11. (4) An element isolation region 105 is formed by selectively implanting and diffusing boron ions in a portion (see FIG. 5) serving as a fixed end of the cantilever portion 1b.

【0028】(5) 選択的にホウ素イオン注入を行いp型
領域(ベース領域)102B を形成する。 (6) エミッタ領域102E 及びコレクタコンタクト領域
104C の各領域を形成するためのリンイオン注入及び
そのアニールを行う。
(5) Boron ions are selectively implanted to form a p-type region (base region) 102B. (6) Phosphorus ion implantation for forming each of the emitter region 102E and the collector contact region 104C and annealing thereof are performed.

【0029】(7) 酸化膜13の一部に、各領域102E,
102B,104C 用のコンタクトホールを形成した後、
電極用のAlを成膜し、そのAl膜をパターニングして
各領域に導通する電極103E,103B,103C を形成
しシンタリングを施す。この後、酸化膜11aの上部の
シリコンをカンチレバーチップ形状にエッチングし、カ
ンチレバー部13の酸化膜を除去する。
(7) Each region 102E,
After forming contact holes for 102B and 104C,
An Al film for an electrode is formed, and the Al film is patterned to form electrodes 103E, 103B, and 103C that are electrically connected to respective regions, and sintering is performed. Thereafter, the silicon on the oxide film 11a is etched into a cantilever chip shape to remove the oxide film on the cantilever portion 13.

【0030】(8) ウェハ11の裏面から水酸化カリウム
溶液を用いたシリコンのエッチングを行った後、BHF
を用いた酸化膜11aのエッチングを行う。以上の工程
で図5に示した構造のチップ、すなわち変位検出のため
のバイポーラトランジスタ102がカンチレバー部1b
の固定端部に形成された構造のカンチレバーチップ10
1が完成する。
(8) After etching the silicon from the back surface of the wafer 11 using a potassium hydroxide solution,
Is performed on the oxide film 11a by using the above. In the above steps, the chip having the structure shown in FIG. 5, that is, the bipolar transistor 102 for detecting the displacement is
Cantilever tip 10 having a structure formed at the fixed end thereof
1 is completed.

【0031】ここで、以上の二つの実施の形態では、p
n接合ダイオード2またはバイポーラトランジスタ10
2を、探針の変位を検出する部分(センサ部)のみに形
成しているが、図8に示すように、同様な構造のバイポ
ーラトランジスタ102′(またはpn接合ダイオー
ド)を、温度補償用としてカンチレバー部1bの撓みに
よる応力が及ばない位置に形成しておけば、素子の温度
特性を向上させることができる。
Here, in the above two embodiments, p
n-junction diode 2 or bipolar transistor 10
2 is formed only in a portion (sensor portion) for detecting the displacement of the probe. As shown in FIG. 8, a bipolar transistor 102 '(or a pn junction diode) having a similar structure is used for temperature compensation. The temperature characteristics of the element can be improved if it is formed at a position where the stress due to the bending of the cantilever portion 1b does not reach.

【0032】また、変位検出用のpn接合ダイオード2
及びバイポーラトランジスタ102の形成部位は、カン
チレバー部1bの固定端部だけに限られず、カンチレバ
ー部1b自体にも形成しておいてもよい。
Also, a pn junction diode 2 for detecting displacement
The formation site of the bipolar transistor 102 is not limited to the fixed end of the cantilever portion 1b, and may be formed on the cantilever portion 1b itself.

【0033】さらに、このようなpn接合ダイオード2
やバイポーラトランジスタ102の構成は、集積回路作
製プロセスとの整合性があるため、他の回路との集積化
も可能であることから、カンチレバーチップに出力増幅
用の増幅器を実装することも可能である。この場合、変
位検出信号のSNを高めることができる。
Further, such a pn junction diode 2
Since the configuration of the bipolar transistor 102 is compatible with the integrated circuit manufacturing process, integration with other circuits is also possible. Therefore, an amplifier for output amplification can be mounted on a cantilever chip. . In this case, the SN of the displacement detection signal can be increased.

【0034】図9は第2の発明の実施の形態に用いるカ
ンチレバーチップの構造を模式的に示す図である。この
実施の形態は、カンチレバー部1bの固定端部に接合型
電界効果トランジスタ202を形成し、その出力変化か
ら探針1aの変位を検出するように構成したところに特
徴がある。
FIG. 9 is a diagram schematically showing the structure of a cantilever tip used in the embodiment of the second invention. This embodiment is characterized in that a junction field effect transistor 202 is formed at a fixed end of a cantilever portion 1b, and the displacement of a probe 1a is detected from a change in output.

【0035】その接合型電界効果トランジスタ202
は、図10(a),(b) に示すように、n型層中に、ソース
領域202S 、ドレイン領域202D 及びゲート領域2
02Gが形成された素子で、その各領域にそれぞれ導通
する電極203S 、203D 及び203G が形成されて
いる。
The junction type field effect transistor 202
As shown in FIGS. 10A and 10B, a source region 202S, a drain region 202D and a gate region 2D are formed in an n-type layer.
In the element in which 02G is formed, electrodes 203S, 203D and 203G which are electrically connected to the respective regions are formed.

【0036】この実施の形態において、探針1aが試料
の表面原子から引力あるいは斥力を受けてカンチレバー
部1bが撓みレバー固定端部に応力が生じると、その応
力に応じて、カンチレバー部1bの固定端部に形成され
た接合型電界効果トランジスタ202の出力(ドレイン
電流)が変化する。従ってその出力変化を外部の検出回
路等によって検出すれば、探針1aの変位情報を得るこ
とができる。そして、図1に示したような構成により、
試料Sとカンチレバーチップの探針1aとを相対的に移
動させながら、探針1aの変位情報を採取すれば試料面
内の情報を得ることができる。
In this embodiment, when the probe 1a receives an attractive force or a repulsive force from the surface atoms of the sample and the cantilever portion 1b is bent and stress is generated at the lever fixed end portion, the cantilever portion 1b is fixed according to the stress. The output (drain current) of the junction field effect transistor 202 formed at the end changes. Therefore, if the output change is detected by an external detection circuit or the like, displacement information of the probe 1a can be obtained. Then, with the configuration shown in FIG.
If the displacement information of the probe 1a is collected while relatively moving the sample S and the probe 1a of the cantilever tip, information in the sample plane can be obtained.

【0037】次に、図9の構造のカンチレバーチップ2
01を作製する手順を、以下、図11に示す工程 (1)〜
(8) を参照して説明する。 (1) n型SOIウェハ11を材料とする。
Next, the cantilever chip 2 having the structure shown in FIG.
01 is described in the following steps (1) to (1) shown in FIG.
This will be described with reference to (8). (1) The n-type SOI wafer 11 is used as a material.

【0038】(2) ウェハ11の表面に酸化膜を形成し、
これをフォトリソグラフィ技術を用いて円形にパターニ
ングし、この酸化膜12をマスクとしてシリコンのエッ
チングを行い、探針1aを形成する。
(2) An oxide film is formed on the surface of the wafer 11,
This is patterned into a circle using photolithography technology, and silicon is etched using the oxide film 12 as a mask to form the probe 1a.

【0039】(3) 熱酸化を行い、ウェハ11の表面に酸
化膜13を形成する。 (4) カンチレバー部1bの固定端部となる部分(図9参
照)に、選択的にホウ素イオン注入及び拡散を行って、
ソース領域、ドレイン領域及びチャンネル領域を形成す
る。
(3) Thermal oxidation is performed to form an oxide film 13 on the surface of the wafer 11. (4) Boron ion implantation and diffusion are selectively performed on the fixed end of the cantilever portion 1b (see FIG. 9),
A source region, a drain region, and a channel region are formed.

【0040】(5) ゲート領域となる部分に、選択的にリ
ンイオン注入及び拡散を行ってゲート領域202G を形
成する。 (6) 酸化膜13の一部に、各領域202S,202D,ゲー
ト領域202G 用のコンタクトホールを形成した後、ス
パッタリング等により電極用のAlを成膜し、そのAl
膜をパターニングして、各領域202S,202D,202
G に導通する電極203S,203D,203G を形成す
る。この後、シンタリングを施す。
(5) A gate region 202G is formed by selectively implanting and diffusing phosphorus ions in a portion to be a gate region. (6) After forming contact holes for each of the regions 202S and 202D and the gate region 202G in a part of the oxide film 13, an Al film for an electrode is formed by sputtering or the like, and the Al film is formed.
By patterning the film, each region 202S, 202D, 202
The electrodes 203S, 203D, and 203G that conduct to G are formed. Thereafter, sintering is performed.

【0041】(7) 酸化膜11aの上部のシリコンをカン
チレバーチップ形状にエッチングし、カンチレバー部1
bの酸化膜13を除去する。 (8) ウェハ11の裏面から水酸化カリウム溶液を用いた
シリコンのエッチングを行った後、BHFを用いた酸化
膜11aのエッチングを行う。
(7) The silicon on the oxide film 11a is etched into a cantilever chip shape, and the cantilever portion 1 is etched.
The oxide film 13 of b is removed. (8) After etching silicon using a potassium hydroxide solution from the back surface of the wafer 11, the oxide film 11a is etched using BHF.

【0042】以上の工程で図9に示した構造のチップ、
すなわち変位検出のための接合型電界効果トランジスタ
202がカンチレバー部1bの固定端部に形成された構
造のカンチレバーチップ201が完成する。
The chip having the structure shown in FIG.
That is, the cantilever chip 201 having the structure in which the junction field effect transistor 202 for detecting the displacement is formed at the fixed end of the cantilever portion 1b is completed.

【0043】なお、以上の工程では、接合型電界効果ト
ランジスタを2重拡散方式により作製する場合の例を示
したが、これに限られることなく、例えば、p型ウェハ
にn型層をエピタキシャル成長させ、そのn型層に素子
分離領域及びゲート部を形成するといった作製方法を採
ってもよい。この場合、図11の工程(8) で行うシリコ
ンエッチングの際に、電気化学的なエッチングストップ
技術 (IEEE,Transactions on Electron Devices vol.3
6,No.4,1989) を用いてカンチレバー部を形成すればよ
い。
In the above-described steps, an example in which the junction field-effect transistor is manufactured by the double diffusion method has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, an n-type layer is epitaxially grown on a p-type wafer. Alternatively, a manufacturing method of forming an element isolation region and a gate portion in the n-type layer may be adopted. In this case, an electrochemical etching stop technique (IEEE, Transactions on Electron Devices vol.3) is used in the silicon etching performed in step (8) of FIG.
6, No. 4, 1989) to form the cantilever portion.

【0044】ここで、図9に示した実施の形態では、接
合型電界効果トランジスタ202をセンサ部のみに形成
しているが、図12に示すように、同様な構造の接合型
電界効果トランジスタ202′を、温度補償用としてカ
ンチレバー部1bの撓みによる応力が及ばない位置に形
成しておけば、素子の温度特性を向上させることができ
る。
Here, in the embodiment shown in FIG. 9, the junction type field effect transistor 202 is formed only in the sensor portion, but as shown in FIG. Is formed at a position where stress due to bending of the cantilever portion 1b does not reach for temperature compensation, temperature characteristics of the element can be improved.

【0045】また、変位検出用の接合型電界効果トラン
ジスタ202の形成部位は、カンチレバー部1bの固定
端部だけに限られず、カンチレバー部1b自体にも形成
しておいてもよい。さらに、このような接合型電界効果
トランジスタ202の構成は、集積回路作製プロセスと
の整合性があるため、他の回路との集積化も可能である
ことから、カンチレバーチップに接合型電界効果トラン
ジスタの出力増幅用の増幅器を実装することも可能であ
り、この場合、変位検出信号のSNを高めることができ
る。
Further, the formation portion of the junction field effect transistor 202 for detecting the displacement is not limited to the fixed end of the cantilever portion 1b, but may be formed on the cantilever portion 1b itself. Further, since the structure of the junction field-effect transistor 202 is compatible with an integrated circuit manufacturing process and can be integrated with another circuit, the junction field-effect transistor can be mounted on a cantilever chip. It is also possible to mount an amplifier for output amplification, and in this case, it is possible to increase the SN of the displacement detection signal.

【0046】ここで、第2の発明の走査型プローブ顕微
鏡では、探針の変位検出に接合型電界効果トランジスタ
を用いているので、温度安定性に優れた検出を行うこと
ができる。
Here, in the scanning probe microscope of the second invention, since the junction field effect transistor is used for detecting the displacement of the probe, detection with excellent temperature stability can be performed.

【0047】すなわち、接合型電界効果トランジスタで
は、空乏層の温度特性とキャリア移動度の温度特性によ
り、温度変化しても動作点が変化しない点IQ が存在す
る(山崎・大久保著;「MOS−ICとFET」電子科
学シリーズ27、産報参照)ので、カンチレバーチップ
に形成した接合型電界効果トランジスタにおいて動作点
がIQ となる駆動条件(ドライブ電圧)をあらかじめ測
定により求めておき、その測定結果に基づいて接合型電
界効果トランジスタを駆動することで、素子単独で温度
安定性の優れたセンサを作ることができる。
That is, in the junction field effect transistor, there is a point IQ at which the operating point does not change even if the temperature changes due to the temperature characteristics of the depletion layer and the temperature characteristics of the carrier mobility (by Yamazaki and Okubo; IC and FET ”Electronics Science Series 27, refer to the industry report), so that the driving conditions (drive voltage) at which the operating point becomes IQ in the junction type field effect transistor formed on the cantilever chip are determined in advance by measurement, and the measurement results By driving the junction field effect transistor on the basis of this, a sensor having excellent temperature stability can be manufactured using the element alone.

【0048】[0048]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
カンチレバー部の少なくとも固定端部に形成したpn接
合部の電流−電圧特性の変化、またはカンチレバー部の
少なくとも固定端部に形成した接合型電界効果トランジ
スタの出力変化から探針の変位を検出するように構成し
たから、カンチレバーチップに自己変位検出機能を持た
せることができ、従来用いられていた変位検出用光学系
が不要となる。これにより、簡単な構成の走査型プロー
ブ顕微鏡を実現できる。またカンチレバーチップ交換時
における光軸調整も不要となることから、観察に必要な
時間を短縮することができる。さらに走査型プローブ顕
微鏡を、AFM観察の応用として注目されている生体試
料などの液中観察に容易に適用することができる。
As described above, according to the present invention,
Displacement of a probe is detected from a change in current-voltage characteristics of a pn junction formed at least at a fixed end of a cantilever portion or a change in output of a junction field effect transistor formed at least at a fixed end of a cantilever portion. With this configuration, the cantilever chip can be provided with a self-displacement detection function, and the conventional displacement detection optical system is not required. Thereby, a scanning probe microscope having a simple configuration can be realized. Further, since the optical axis adjustment at the time of exchanging the cantilever tip is not required, the time required for observation can be reduced. Further, the scanning probe microscope can be easily applied to observation in a liquid such as a biological sample, which has attracted attention as an application of AFM observation.

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

【図1】走査型プローブ顕微鏡(AFM)の従来の構造
例を示す図
FIG. 1 is a diagram showing an example of a conventional structure of a scanning probe microscope (AFM).

【図2】第1の発明の実施の形態に用いるカンチレバー
チップの構造を模式的に示す図で、(a) 及び(b) はそれ
ぞれ平面図及び側面図
FIGS. 2A and 2B are diagrams schematically showing the structure of a cantilever tip used in the embodiment of the first invention, wherein FIGS. 2A and 2B are a plan view and a side view, respectively.

【図3】そのカンチレバーチップに形成したpn接合ダ
イオードの構造を模式的に示す図で、(a) は図2のA部
詳細図、(b) は(a) のB−B断面図
3A and 3B are diagrams schematically showing the structure of a pn junction diode formed on the cantilever chip, wherein FIG. 3A is a detailed view of a portion A in FIG. 2 and FIG. 3B is a cross-sectional view taken along line BB of FIG.

【図4】図2に示すカンチレバーチップの作製方法を説
明する図
FIG. 4 is a diagram illustrating a method for manufacturing the cantilever chip shown in FIG.

【図5】第1の発明の実施の形態に用いるカンチレバー
チップの他の構造例を模式的に示す図
FIG. 5 is a view schematically showing another example of the structure of the cantilever tip used in the embodiment of the first invention.

【図6】そのカンチレバーチップに形成したバイポーラ
トランジスタの構造を模式的に示す図で、(a) は図5の
C部詳細図、(b) は(a) のD−D断面図
6A and 6B are diagrams schematically showing the structure of a bipolar transistor formed on the cantilever chip, wherein FIG. 6A is a detailed view of a portion C in FIG. 5, and FIG. 6B is a sectional view taken along line DD of FIG.

【図7】図5に示すカンチレバーチップの作製方法を説
明する図
FIG. 7 illustrates a method for manufacturing the cantilever chip shown in FIG.

【図8】第1の発明の実施の形態に用いるカンチレバー
チップの変形例を示す図
FIG. 8 is a view showing a modified example of the cantilever tip used in the embodiment of the first invention.

【図9】第2の発明の実施の形態に用いるカンチレバー
チップの構造を模式的に示す図
FIG. 9 is a diagram schematically showing a structure of a cantilever tip used in the embodiment of the second invention.

【図10】そのカンチレバーチップに形成した接合型電
界効果トランジスタの構造を模式的に示す図で、(a) は
図9のE部詳細図、(b) は(a) のF−F断面図
10A and 10B are diagrams schematically showing a structure of a junction field-effect transistor formed on the cantilever chip, wherein FIG. 10A is a detailed view of a portion E in FIG. 9 and FIG. 10B is a sectional view taken along line FF of FIG.

【図11】図9に示すカンチレバーチップの作製方法を
説明する図
FIG. 11 illustrates a method for manufacturing the cantilever chip shown in FIG.

【図12】第2の発明の実施の形態に用いるカンチレバ
ーチップの変形例を示す図
FIG. 12 is a view showing a modified example of the cantilever tip used in the embodiment of the second invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1,101,201 カンチレバーチップ 1a 探針 1b カンチレバー部 1c 台座 2 pn接合ダイオード 102 バイポーラトランジスタ 202 接合型電界効果トランジスタ 1,101,201 Cantilever tip 1a Probe 1b Cantilever part 1c Pedestal 2 pn junction diode 102 Bipolar transistor 202 Junction type field effect transistor

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 探針をもつカンチレバーチップと、この
チップの探針と試料とを2次元方向に相対的に移動する
機構を有し、その移動過程で探針の変位を検出して試料
表面の微細構造の測定情報を得る顕微鏡において、上記
カンチレバーチップには、カンチレバー部の少なくとも
固定端部にpn接合が形成され、そのpn接合部の電流
−電圧特性の変化から上記探針の変位を検出するように
構成されていることを特徴とする走査型プローブ顕微
鏡。
1. A cantilever tip having a probe, and a mechanism for relatively moving a probe of the tip and the sample in a two-dimensional direction, and detecting a displacement of the probe in the moving process to detect a surface of the sample. In the microscope for obtaining the measurement information of the microstructure of the above, a pn junction is formed on at least the fixed end of the cantilever tip on the cantilever tip, and the displacement of the probe is detected from a change in current-voltage characteristics of the pn junction. A scanning probe microscope, characterized in that the scanning probe microscope is configured to:
【請求項2】 上記カンチレバー部の少なくとも固定端
部にpn接合ダイオードが形成され、その電流−電圧特
性の変化を検出することにより上記探針の変位検出信号
を得ることを特徴とする、請求項1に記載の走査型プロ
ーブ顕微鏡。
2. The probe according to claim 1, wherein a pn junction diode is formed at least at a fixed end of the cantilever portion, and a displacement detection signal of the probe is obtained by detecting a change in current-voltage characteristics. 2. The scanning probe microscope according to 1.
【請求項3】 上記カンチレバー部の少なくとも固定端
部にバイポーラトランジスタが形成され、そのベース−
エミッタ接合の電流−電圧特性の変化をエミッタ−コレ
クタ間で増幅して検出することにより、上記探針の変位
検出信号を得ることを特徴とする、請求項1に記載の走
査型プローブ顕微鏡。
3. A bipolar transistor is formed at least at a fixed end of the cantilever, and a base thereof is formed.
2. The scanning probe microscope according to claim 1, wherein a change detection signal of the probe is obtained by amplifying and detecting a change in current-voltage characteristics of the emitter junction between the emitter and the collector.
【請求項4】 探針をもつカンチレバーチップと、この
チップの探針と試料とを2次元方向に相対的に移動する
機構を有し、その移動過程で探針の変位を検出して試料
表面の微細構造の測定情報を得る顕微鏡において、上記
カンチレバーチップには、カンチレバー部の少なくとも
固定端部に接合型電界効果トランジスタが形成され、そ
の接合型電界効果トランジスタの出力変化から上記探針
の変位を検出するように構成されていることを特徴とす
る走査型プローブ顕微鏡。
4. A cantilever tip having a probe, and a mechanism for relatively moving the probe of the tip and the sample in a two-dimensional direction, and detecting the displacement of the probe during the moving process to detect the surface of the sample. In the microscope for obtaining measurement information of the microstructure, a junction field-effect transistor is formed on the cantilever tip at least at a fixed end of the cantilever portion, and the displacement of the probe is determined from a change in output of the junction field-effect transistor. A scanning probe microscope configured to detect.
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