JPH11160334A - Probe for scanning probe microscope and method for detecting force - Google Patents

Probe for scanning probe microscope and method for detecting force

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JPH11160334A
JPH11160334A JP9344143A JP34414397A JPH11160334A JP H11160334 A JPH11160334 A JP H11160334A JP 9344143 A JP9344143 A JP 9344143A JP 34414397 A JP34414397 A JP 34414397A JP H11160334 A JPH11160334 A JP H11160334A
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JP
Japan
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probe
layer
support
detecting
section
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Application number
JP9344143A
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Japanese (ja)
Inventor
Katsushi Nakano
勝志 中野
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Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a probe for scanning probe microscope which can be inserted into the very narrow groove, etc., of a semiconductor sample and can detect an interactive force between the probe and the internal surface of the sample, and a method for detecting the force that acts on the probe. SOLUTION: A probe for scanning probe microscope is provided with a supporting section 2, a probe section 4, and a detecting section 3 which is positioned between the supporting section 2 and the probe section 4 and detects an interactive force between the probe section 4 and a sample, with the detecting section 3 and the probe section 4 being substantially formed on the same axis. Since the detecting section 3 and the probe section 4 are formed on the same axis, the spatial restriction to the probe section 4 becomes smaller and the section 4 can be inserted into the very narrow groove, etc., of the sample. When the probe is excited to make torsional resonant motions and the change of the torsionally vibrating state of the probe which occurs when a force acts on the probe section 4 is detected, the interactive force between he section 4 and the sample can be detected with high sensitivity.

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
微鏡の探針および力検出方法に関し、特に微細な凸凹形
状を有する試料を計測するのに適した走査型プローブ顕
微鏡の探針、探針の作製方法、および探針と試料の間に
作用する力の検出方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a probe of a scanning probe microscope and a method of detecting force, and more particularly to a probe of a scanning probe microscope suitable for measuring a sample having fine irregularities. The present invention relates to a manufacturing method and a method for detecting a force acting between a probe and a sample.

【0002】[0002]

【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡は、探針の微小な
カンチレバーの先端からほぼ垂直方向に突出した鋭い探
針部を試料の表面に近接または接触させ、カンチレバー
を試料に対して相対的に走査させたときの、試料の表面
と探針部との間の物理または化学的な相互作用を利用し
て、試料表面の凹凸像、電気特性の分布、熱分布などを
微小なスケール(例えばナノメートルのオーダー)で計
測するものである。
2. Description of the Related Art In a scanning probe microscope, a sharp probe protruding almost vertically from the tip of a small cantilever of a probe is brought close to or in contact with the surface of a sample, and the cantilever is scanned relative to the sample. By utilizing the physical or chemical interaction between the surface of the sample and the probe when it is made, the unevenness image on the surface of the sample, the distribution of electrical properties, the heat distribution, etc. can be reduced to a minute scale (for example, nanometers). Of the order).

【0003】試料表面と探針部の間の力を検出する原子
間力顕微鏡(AFM)は、代表的な走査型プローブ顕微
鏡であり、試料の立体形状に応じて探針部の先端に作用
する力によって生じるカンチレバーのたわみの変化を、
光てこ法などで検出することにより、試料の表面形状を
高分解能でかつ精密に観察することができる。
An atomic force microscope (AFM) for detecting a force between a sample surface and a probe is a typical scanning probe microscope, and acts on the tip of the probe according to the three-dimensional shape of the sample. The change in cantilever deflection caused by force
By detecting with an optical lever method or the like, the surface shape of the sample can be observed with high resolution and precision.

【0004】原子間力顕微鏡などの走査型プローブ顕微
鏡が広く用いられている工業分野、特に半導体分野にお
いては、垂直に近い側壁を有する形状の試料を観察ある
いは測定する必要性があった。しかしながら、従来の走
査型プローブ顕微鏡では、探針部と探針部の真下にある
試料との間の相互作用しか検出できないため、垂直な形
状を精密に観察することは困難であった。試料を傾けれ
ば、試料の垂直な側壁と探針部との間の力を検知するこ
とはできるが、微細な垂直形状の精密な観察は難しかっ
た。
In the industrial field in which a scanning probe microscope such as an atomic force microscope is widely used, particularly in the field of semiconductors, it is necessary to observe or measure a sample having a shape having a nearly vertical side wall. However, the conventional scanning probe microscope can only detect the interaction between the probe portion and the sample immediately below the probe portion, so that it has been difficult to precisely observe the vertical shape. If the sample is tilted, the force between the vertical side wall of the sample and the probe can be detected, but precise observation of a fine vertical shape is difficult.

【0005】この問題を解決するために、横方向に尖っ
た縁を有する探針部を用い、そのような探針部と試料の
側壁との間の相互作用を検出して、試料の側壁形状を測
定する原子間力顕微鏡が報告されている(Yves M
artin and H.Kumar Wickram
asinghe,Appl.Phys.Lett.64
(19),9 May 1994,”Method f
or imagingsidewalls by at
omic force microscopy”)。こ
のような原子間力顕微鏡においては、カンチレバーを縦
方向に共振周波数に近い周波数で励振しながら、ゆっく
りと横方向に探針部を往復運動させ、探針部に作用する
遠隔力が変化することにより生じるカンチレバーの共振
周波数の変化を検出することにより、探針部と探針部の
横にある試料側壁との間の相互作用の力を検出し、垂直
な側壁を有する試料の観察を可能としていた。
In order to solve this problem, a probe having a laterally sharp edge is used, and the interaction between such a probe and the side wall of the sample is detected to determine the shape of the side wall of the sample. Atomic force microscope has been reported (Yves M)
artin and H.S. Kumar Wickram
asinghe, Appl. Phys. Lett. 64
(19), 9 May 1994, "Method f
or imagingsidewalls by at
In such an atomic force microscope, the cantilever slowly reciprocates in the horizontal direction while exciting the cantilever at a frequency close to the resonance frequency, and acts on the probe portion. By detecting the change of the resonance frequency of the cantilever caused by the change of the remote force, the force of the interaction between the probe part and the sample side wall beside the probe part is detected, and the vertical side wall is provided. The observation of the sample was enabled.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】半導体の集積度は年々
向上し、それに応じてパターンの幅はより細くなってき
ているため、垂直でしかもアスペクト比が高く微細な凹
凸形状、例えばおよそ200nmの幅の溝やトレンチな
どを有する試料を観察する必要性が生じてきている。
Since the degree of integration of semiconductors has been improving year by year, and the width of patterns has been getting narrower accordingly, fine irregularities which are vertical and have a high aspect ratio, for example, a width of about 200 nm. It has become necessary to observe a sample having a groove or a trench.

【0007】しかしながら、前述の横方向に尖った縁を
有する探針部を用いた従来の原子間力顕微鏡では、探針
部の先端の直径を小さくすることなどが難しいため、探
針部を半導体試料の微細な溝に差し入れることは困難で
あった。また、探針部を半導体試料の微細な溝に差し入
れることができたとしても、力検出のために探針部を横
方向に往復運動させるのに十分な空間がなかった。この
ため、従来の原子間力顕微鏡では、凸形状の試料は観察
できても、半導体試料の微細な溝などの凹形状を精密に
観察することは困難であった。これは、原子間力顕微鏡
に限らず、走査型電気容量顕微鏡、走査型静電気力顕微
鏡および走査型磁気力顕微鏡などの他の走査型プローブ
顕微鏡においても同様であった。
However, in the conventional atomic force microscope using the above-described probe having a laterally sharp edge, it is difficult to reduce the diameter of the tip of the probe. It was difficult to insert into the fine grooves of the sample. Further, even if the probe part can be inserted into the fine groove of the semiconductor sample, there is not enough space to reciprocate the probe part in the lateral direction for detecting the force. For this reason, it has been difficult for a conventional atomic force microscope to accurately observe a concave shape such as a fine groove of a semiconductor sample, even though a convex sample can be observed. This is not limited to the atomic force microscope, but also applies to other scanning probe microscopes such as a scanning capacitance microscope, a scanning electrostatic force microscope, and a scanning magnetic force microscope.

【0008】また、探針の先端にカーボンナノチューブ
を形成することも報告されているが(Nature.V
ol384.111 November 1996)、
探針を安定して作製するのが困難であった。また、探針
部であるカーボンナノチューブに対してレバー部の剛性
が高く、探針部先端に作用する力がカンチレバーまで上
手く伝わらないため、実用上問題が多かった。
It has also been reported that carbon nanotubes are formed at the tip of a probe (Nature. V).
ol384.111 November 1996),
It has been difficult to stably produce the probe. Further, the rigidity of the lever portion is high with respect to the carbon nanotube as the probe portion, and the force acting on the tip of the probe portion is not transmitted well to the cantilever, so that there are many practical problems.

【0009】本発明の目的は、このような従来の装置に
おける問題点に鑑み、半導体試料の微細な溝などに差し
入れることが可能な走査型プローブ顕微鏡の探針とその
探針の作製方法を提供することである。
An object of the present invention is to provide a probe for a scanning probe microscope which can be inserted into a fine groove or the like of a semiconductor sample and a method for manufacturing the probe in view of the problems in the conventional apparatus. To provide.

【0010】本発明の他の目的は、半導体試料の微細な
溝などに差し入れることが可能な走査型プローブ顕微鏡
の探針と試料の垂直に近い側壁との間に生じる相互作用
の力を高感度で検出する方法を提供することである。
Another object of the present invention is to increase the interaction force between a probe of a scanning probe microscope which can be inserted into a fine groove or the like of a semiconductor sample and a nearly vertical side wall of the sample. It is to provide a method of detecting with sensitivity.

【0011】本発明の更に他の目的は、垂直でアスペク
ト比が高く微細な凹凸形状を有する試料を精密に観察ま
たは測定することができる走査型プローブ顕微鏡の探針
および探針に作用する力の検出方法を提供することであ
る。
Still another object of the present invention is to provide a probe of a scanning probe microscope capable of precisely observing or measuring a sample having a vertical, high aspect ratio, and fine irregularities, and a force acting on the probe. It is to provide a detection method.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項1に記載の発明では、走査型プローブ顕微鏡
の探針は、支持部と、探針部と、前記支持部と前記探針
部との間に設けられ前記探針部と試料との相互作用を検
出する検出部とを備え、前記検出部および探針部が実質
的に同一軸上に形成されているよう構成される。検出部
および探針部が同一軸上に形成されているので空間的な
制約は少なく、探針を半導体試料の微細な溝などに容易
に差し入れることが可能となる。
In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, a probe of a scanning probe microscope includes a support portion, a probe portion, the support portion, and the probe. A detecting unit provided between the probe unit and the probe unit for detecting an interaction between the probe unit and the sample, wherein the detecting unit and the probe unit are formed substantially on the same axis. Since the detecting section and the probe section are formed on the same axis, there is little spatial restriction, and the probe can be easily inserted into a fine groove or the like of the semiconductor sample.

【0013】また、請求項2に記載の発明では、請求項
1に係る走査型プローブ顕微鏡の探針において、前記検
出部が光を反射する光反射部を有するよう構成される。
これにより、光てこ法を用いて探針部と試料との間に生
じる相互作用の力を高感度で検出することが可能とな
る。
[0013] According to the second aspect of the present invention, in the probe of the scanning probe microscope according to the first aspect, the detecting section is configured to have a light reflecting section for reflecting light.
This makes it possible to detect the interaction force generated between the probe section and the sample with high sensitivity using the optical lever method.

【0014】また、請求項3に記載の発明では、請求項
1に係る走査型プローブ顕微鏡の探針において、前記検
出部に少なくとも1つのコイルパターンを有するよう構
成される。これにより、探針を磁場中に設置し、コイル
パターンに交流電流を流すことで探針をねじれ共振状態
に励振し、またはコイルパターンにながれる誘導電流を
検出することで検出部の振動状態を検出することができ
る。探針をねじれ共振状態に励振し、探針部に力が作用
したことによる検出部の振動状態の変化を検出できるの
で、探針部と試料との間に生じる相互作用の力を非接触
で高感度に検出することが可能となる。
According to a third aspect of the present invention, in the probe of the scanning probe microscope according to the first aspect, the detection unit has at least one coil pattern. This allows the probe to be placed in a magnetic field and an alternating current to flow through the coil pattern to excite the probe into a torsional resonance state, or to detect the induced current flowing through the coil pattern to detect the vibration state of the detector. can do. The probe is excited to a torsional resonance state, and the change in the vibration state of the detector due to the force acting on the probe can be detected. It becomes possible to detect with high sensitivity.

【0015】また、請求項4に記載の発明では、請求項
1に係る走査型プローブ顕微鏡の探針において、前記検
出部に圧電薄膜を有するよう構成される。これにより、
探針部と試料との間に生じる相互作用の力を高感度に検
出することが可能となる。
According to a fourth aspect of the present invention, in the probe of the scanning probe microscope according to the first aspect, the detection section is configured to have a piezoelectric thin film. This allows
The interaction force generated between the probe section and the sample can be detected with high sensitivity.

【0016】また、請求項5に記載の発明では、請求項
1に係る走査型プローブ顕微鏡の探針において、前記検
出部に抵抗体を有するよう構成される。これにより、探
針部と試料との間に生じる相互作用の力を高感度に検出
することが可能となる。
According to a fifth aspect of the present invention, in the probe of the scanning probe microscope according to the first aspect, the detection section has a resistor. This makes it possible to detect the interaction force generated between the probe section and the sample with high sensitivity.

【0017】また、請求項6に記載の発明では、請求項
1に係る走査型プローブ顕微鏡の探針において、前記支
持部、検出部、および探針部が実質的に同一平面上に形
成されているよう構成される。これによって、空間的な
制約がより少なく、かつ検出部での探針部と試料との相
互作用の検出がより容易な走査型プローブ顕微鏡の探針
を提供することが可能となる。
According to the sixth aspect of the present invention, in the probe of the scanning probe microscope according to the first aspect, the support portion, the detection portion, and the probe portion are formed substantially on the same plane. It is configured to be. Accordingly, it is possible to provide a probe of a scanning probe microscope in which the spatial restriction is less and the detection of the interaction between the probe and the sample in the detection unit is easier.

【0018】また、請求項7に記載の発明では、走査型
プローブ顕微鏡の探針は、支持体と、探針部と、前記支
持体と探針部とを接続するカンチレバーとを備え、前記
探針部に該探針部の中心軸を中心とした共振運動をさせ
るときの質量部を前記カンチレバーに設けるよう構成さ
れる。これにより、探針をねじれ共振状態に励振したと
きに探針部に力が作用すれば、質量部の存在により探針
の慣性モーメントが大きく変化する。この慣性モーメン
トの変化を検出することにより、探針部と試料との間に
生じる相互作用の力を非接触で高感度に検出することが
可能となる。
Further, according to the present invention, the probe of the scanning probe microscope comprises a support, a probe portion, and a cantilever connecting the support and the probe portion, and The cantilever is provided with a mass portion for causing the needle portion to resonate around the central axis of the probe portion. Accordingly, if a force acts on the probe when the probe is excited to the torsional resonance state, the moment of inertia of the probe greatly changes due to the presence of the mass. By detecting the change in the moment of inertia, it is possible to detect the interaction force generated between the probe section and the sample with high sensitivity without contact.

【0019】また、請求項8に記載の発明では、走査型
プローブ顕微鏡の探針は、支持体と、探針部と、前記支
持体と探針とを接続するカンチレバーとを備え、前記カ
ンチレバーに前記探針部の変位を検出するための光反射
部を前記探針部と同一平面上となるように設け、前記探
針部を幅200nm以下かつ長さ1μm以上に形成す
る。これによって、空間的な制約が少なく、半導体試料
の微細な溝などに差し入れることが可能な走査型プロー
ブ顕微鏡の探針が提供される。
According to the invention of claim 8, the probe of the scanning probe microscope comprises a support, a probe portion, and a cantilever connecting the support and the probe. A light reflecting portion for detecting displacement of the probe is provided so as to be flush with the probe, and the probe is formed to have a width of 200 nm or less and a length of 1 μm or more. Accordingly, a probe of a scanning probe microscope which can be inserted into a fine groove or the like of a semiconductor sample with little spatial restriction is provided.

【0020】また、請求項9に記載の発明では、走査型
プローブ顕微鏡の探針は、支持体と、該支持体につなが
る振動励起部と、該振動励起部につながる振動部と、該
振動部につながりかつ該振動部より幅の狭い探針部とを
備え、前記振動励起部、振動部、および探針部が実質的
に同一軸上に形成されているよう構成される。これによ
って、空間的な制約が少なく、半導体試料の微細な溝な
どに差し入れることが可能な走査型プローブ顕微鏡の探
針が提供される。また、探針をねじれ共振状態に励振
し、探針部に力が作用したことによる振動部の振動状態
の変化を検出すれば、探針部と試料との間に生じる相互
作用の力を非接触で高感度に検出することが可能とな
る。探針は振動励起部を備えているので、外部に探針の
加振機構を設ける必要がなく、システムを簡素化するこ
ともできる。
According to the ninth aspect of the present invention, the probe of the scanning probe microscope includes a support, a vibration excitation unit connected to the support, a vibration unit connected to the vibration excitation unit, and a vibration unit connected to the vibration excitation unit. And a probe section narrower than the vibrating section. The vibration exciting section, the vibrating section, and the probe section are formed substantially on the same axis. Accordingly, a probe of a scanning probe microscope which can be inserted into a fine groove or the like of a semiconductor sample with little spatial restriction is provided. Also, by exciting the probe to a torsional resonance state and detecting a change in the vibration state of the vibrating portion due to the force acting on the probe portion, the interaction force generated between the probe portion and the sample can be reduced. The contact can be detected with high sensitivity. Since the probe is provided with the vibration excitation section, there is no need to provide a vibration mechanism for the probe outside, and the system can be simplified.

【0021】また、請求項10に記載の発明では、請求
項9に係る走査型プローブ顕微鏡の探針において、前記
振動励起部、振動部、および探針部が前記支持体から突
出した一体薄膜プレートからなるよう構成される。これ
によって、より作製が容易な走査型プローブ顕微鏡の探
針を提供することができる。
According to a tenth aspect of the present invention, in the probe of the scanning probe microscope according to the ninth aspect, the vibration excitation part, the vibration part, and the probe part project from the support. It consists of. This makes it possible to provide a scanning probe microscope probe that is easier to manufacture.

【0022】また、請求項11に記載の発明では、請求
項9または10のいずれかに記載の走査型プローブ顕微
鏡の探針において、前記振動励起部に駆動用コイルパタ
ーンまたは駆動用圧電薄膜を有するよう構成される。こ
れによって、外部に探針の加振機構を設けなくとも的確
に探針を加振することができる。
According to the eleventh aspect of the present invention, in the probe of the scanning probe microscope according to any one of the ninth and tenth aspects, the vibration excitation section has a driving coil pattern or a driving piezoelectric thin film. It is configured as follows. Accordingly, the probe can be vibrated accurately without providing a probe vibrating mechanism outside.

【0023】また、請求項12に記載の発明では、走査
型プローブ顕微鏡の探針の作製方法は、半導体基板を準
備する段階、前記半導体基板上に第1の層を形成する段
階、前記第1の層上に第2の層を形成する段階、前記第
2の層をパターン化して第1の部分、第2の部分、第3
の部分、第4の部分、および第5の部分を有するパター
ン化された第2の層を形成する段階であって、前記第1
の部分は前記第2の部分に向かって先細りの形状を有
し、前記第2の部分は前記第1の部分に向かって先細り
の形状を有し、それによって前記第1の部分および第2
の部分が接して幅が狭められた部位を形成し、前記第3
の部分は前記第2の部分と接しかつ前記第2の部分より
広い幅を有し、前記第4の部分は前記第3の部分と接し
かつ前記第3の部分より狭い幅を有し、そして前記第5
の部分は前記第4の部分と接しかつ前記第4の部分より
広い幅を有しているもの、前記パターン化された第2の
層をマスクとして前記第1の層をエッチングする段階、
前記パターン化された第2の層を除去する段階、前記半
導体基板の少なくとも一部分を除去する段階を備えてい
る。これによって、空間的な制約が少なく、半導体試料
の微細な溝などに容易に差し入れることが可能な走査型
プローブ顕微鏡の探針を、容易かつ的確に作製すること
が可能となる。
According to a twelfth aspect of the present invention, in the method for manufacturing a probe of a scanning probe microscope, the steps of: preparing a semiconductor substrate; forming a first layer on the semiconductor substrate; Forming a second layer on the first layer, patterning the second layer to form a first portion, a second portion, and a third portion.
Forming a patterned second layer having a portion, a fourth portion, and a fifth portion, wherein
Portion has a tapered shape toward the second portion, and the second portion has a tapered shape toward the first portion, whereby the first portion and the second portion are tapered.
Are in contact with each other to form a narrowed portion, and the third
A portion contacting the second portion and having a wider width than the second portion, the fourth portion contacting the third portion and having a smaller width than the third portion, and The fifth
Having a width in contact with the fourth portion and having a greater width than the fourth portion, and etching the first layer using the patterned second layer as a mask;
Removing the patterned second layer; and removing at least a portion of the semiconductor substrate. This makes it possible to easily and accurately manufacture a probe of a scanning probe microscope which has little spatial restriction and can be easily inserted into a fine groove or the like of a semiconductor sample.

【0024】また、請求項13に記載の発明では、走査
型プローブ顕微鏡の探針の作製方法は、半導体基板を準
備する段階、前記半導体基板上に第1の層を形成する段
階、前記第1の層上に第2の層を形成する段階、前記第
2の層をパターン化して開口部を形成する段階、前記パ
ターン化された第2の層および前記開口部上に金属層を
形成する段階、前記パターン化された第2の層を前記パ
ターン化された第2の層上の前記金属層とともに除去し
それによって前記開口部に対応する位置でかつ前記第1
の層上に前記金属層からなる金属部分を形成する段階、
前記第1の層および前記金属部分上に第3の層を形成す
る段階、前記第3の層をパターン化して第1の部分、第
2の部分、第3の部分、第4の部分、および第5の部分
を有するパターン化された第3の層を形成する段階であ
って、前記第1の部分は前記第2の部分に向かって先細
りの形状を有し、前記第2の部分は前記第1の部分に向
かって先細りの形状を有し、それによって前記第1の部
分および第2の部分が接して幅が狭められた部位を形成
し、前記第3の部分は前記金属部分を覆いながら前記第
2の部分と接しかつ前記第2の部分より広い幅を有し、
前記第4の部分は前記第3の部分と接しかつ前記第3の
部分より狭い幅を有し、そして前記第5の部分は前記第
4の部分と接しかつ前記第4の部分より広い幅を有して
いるもの、前記パターン化された第3の層をマスクとし
て、前記第1の層をエッチングする段階、前記パターン
化された第3の層を除去する段階、前記半導体基板の少
なくとも一部分を除去する段階を備えている。これによ
って、空間的な制約が少なく、半導体試料の微細な溝な
どに容易に差し入れることが可能な走査型プローブ顕微
鏡の探針を、容易かつ的確に作製することが可能とな
る。
According to a thirteenth aspect of the present invention, in the method for manufacturing a probe of a scanning probe microscope, a step of preparing a semiconductor substrate; a step of forming a first layer on the semiconductor substrate; Forming a second layer on the second layer, patterning the second layer to form an opening, forming a metal layer on the patterned second layer and the opening Removing said patterned second layer together with said metal layer on said patterned second layer, thereby removing said first layer at a position corresponding to said opening and said first layer.
Forming a metal part comprising the metal layer on the layer of
Forming a third layer on the first layer and the metal portion, patterning the third layer to form a first portion, a second portion, a third portion, a fourth portion, and Forming a patterned third layer having a fifth portion, wherein the first portion has a tapered shape toward the second portion, and wherein the second portion has A tapered shape toward the first portion, whereby the first and second portions meet to form a narrowed portion, and the third portion covers the metal portion; While contacting the second portion and having a wider width than the second portion;
The fourth portion is in contact with the third portion and has a smaller width than the third portion, and the fifth portion is in contact with the fourth portion and has a wider width than the fourth portion. Having, etching the first layer using the patterned third layer as a mask, removing the patterned third layer, removing at least a portion of the semiconductor substrate. Removing step. This makes it possible to easily and accurately manufacture a probe of a scanning probe microscope which has little spatial restriction and can be easily inserted into a fine groove or the like of a semiconductor sample.

【0025】また、請求項14に記載の発明では、請求
項12または13のいずれかに記載の走査型プローブ顕
微鏡の探針の作製方法において、半導体基板を準備する
段階の後でかつ前記半導体基板上に第1の層を形成する
段階の前に、前記半導体基板をエッチングして前記半導
体基板に傾斜部と平坦部を形成する段階を具備し、前記
第1の部分および第2の部分は少なくとも部分的に前記
半導体基板の傾斜部上にあり、前記第3の部分、第4の
部分、および第5の部分は前記半導体基板の平坦部上に
あり、そして前記第1の部分および第2の部分が接する
前記幅が狭められた部位が前記半導体基板の傾斜部上に
あるよう構成される。これによって、探針の先端部分は
横または斜め方向に突出するよう形成されるので、半導
体試料の溝などの側壁形状をより的確に観察することが
可能な走査型プローブ顕微鏡の探針を容易かつ的確に作
製することができる。
According to a fourteenth aspect of the present invention, in the method for manufacturing a probe of a scanning probe microscope according to any one of the twelfth and thirteenth aspects, after the step of preparing a semiconductor substrate and the semiconductor substrate, Forming a slope and a flat portion in the semiconductor substrate by etching the semiconductor substrate before forming the first layer thereon, wherein the first portion and the second portion are at least formed. Partially on an inclined portion of the semiconductor substrate, the third portion, the fourth portion, and the fifth portion are on a flat portion of the semiconductor substrate, and the first portion and the second portion. The reduced-width portion where the portion is in contact is located on the inclined portion of the semiconductor substrate. As a result, the tip portion of the probe is formed so as to protrude laterally or obliquely, so that the probe of the scanning probe microscope that can observe the shape of the side wall such as the groove of the semiconductor sample more easily and easily is provided. It can be produced accurately.

【0026】また、請求項15に記載の発明では、請求
項12〜15のいずれか1項に記載の走査型プローブ顕
微鏡の探針の作製方法において、前記半導体基板がシリ
コン基板であり、かつ前記第1の層が窒化珪素層または
酸化珪素層のいずれかであるよう構成される。これによ
って、より容易かつ的確に、走査型プローブ顕微鏡の探
針を作製することができる。
According to a fifteenth aspect of the present invention, in the method for manufacturing a probe of a scanning probe microscope according to any one of the twelfth to fifteenth aspects, the semiconductor substrate is a silicon substrate, and The first layer is configured to be either a silicon nitride layer or a silicon oxide layer. Thereby, the probe of the scanning probe microscope can be manufactured more easily and accurately.

【0027】また、請求項16に記載の発明では、走査
型プローブ顕微鏡の力検出方法は、探針に、該探針の中
心軸を中心とした所定の往復回転運動をさせ、前記往復
回転運動の変化を検出することにより前記探針に作用す
る力を検出するよう構成される。これによって、探針に
作用する力を非接触で高感度に検出することができる。
空間的な制約も少ない。
According to a sixteenth aspect of the present invention, in the method for detecting a force of the scanning probe microscope, the probe is caused to perform a predetermined reciprocating rotation about the center axis of the probe, and the reciprocating rotation is performed. It is configured to detect a force acting on the probe by detecting a change in. As a result, the force acting on the probe can be detected with high sensitivity without contact.
There are few spatial constraints.

【0028】また、請求項17に記載の発明では、走査
型プローブ顕微鏡の力検出方法は、支持体と、該支持体
から突出しかつ実質的に同一軸上に形成された支持部、
該支持部につながりかつ該支持部より幅の広い検出部、
および該検出部につながりかつ該検出部より幅の狭い探
針部とを有する探針を用いた走査型プローブ顕微鏡の力
検出方法であって、前記検出部にねじれ共振を励起し、
かつ前記検出部の慣性モーメントの変化を検出すること
によって前記探針部に作用する力を検出するよう構成さ
れる。これによって、探針部に作用する力を非接触で高
感度に検出することができる。また、空間的な制約も少
ない。
In the invention according to claim 17, the force detection method of the scanning probe microscope is characterized in that the support comprises: a support, a support protruding from the support and formed substantially on the same axis;
A detection unit that is connected to the support unit and is wider than the support unit;
And a force detection method of a scanning probe microscope using a probe having a probe portion having a narrower width than the detection portion and connected to the detection portion, wherein torsional resonance is excited in the detection portion,
Further, it is configured to detect a force acting on the probe unit by detecting a change in the moment of inertia of the detection unit. Thereby, the force acting on the probe can be detected in a non-contact manner with high sensitivity. In addition, there are few spatial restrictions.

【0029】また、請求項18に記載の発明では、走査
型プローブ顕微鏡の力検出方法は、支持体と、該支持体
から突出しかつ実質的に同一軸上に形成された支持部、
該支持部につながりかつ該支持部より幅の広い検出部、
および該検出部につながりかつ該検出部より幅の狭い探
針部とを有する探針を用いた走査型プローブ顕微鏡の力
検出方法であって、前記検出部にねじれ共振を励起し、
かつ前記検出部のねじれ方向の振幅の変化を検出するこ
とによって前記探針部に作用する力を検出するよう構成
される。これによって、探針部に作用する力を非接触で
容易かつ高感度に検出することができる。また、空間的
な制約も少ない。
Further, in the invention according to claim 18, the force detection method of the scanning probe microscope comprises a support, and a support portion projecting from the support and formed substantially on the same axis;
A detection unit that is connected to the support unit and is wider than the support unit;
And a force detection method of a scanning probe microscope using a probe having a probe portion having a narrower width than the detection portion and connected to the detection portion, wherein torsional resonance is excited in the detection portion,
Further, a force acting on the probe unit is detected by detecting a change in the amplitude of the detection unit in the twisting direction. Thus, the force acting on the probe can be detected easily and with high sensitivity without contact. In addition, there are few spatial restrictions.

【0030】また、請求項19に記載の発明では、走査
型プローブ顕微鏡の力検出方法は、支持体と、該支持体
から突出しかつ実質的に同一軸上に形成された支持部、
該支持部につながりかつ該支持部より幅の広い検出部、
および該検出部につながりかつ該検出部より幅の狭い探
針部とを有する探針を用いた走査型プローブ顕微鏡の力
検出方法であって、前記検出部にねじれ共振を励起し、
かつ前記検出部のねじれ共振の周波数変化を検出するこ
とによって前記探針部に作用する力を検出するよう構成
される。これによって、探針部に作用する力を非接触で
容易かつ高感度に検出することができる。また、空間的
な制約も少ない。
Further, in the invention according to claim 19, the force detecting method of the scanning probe microscope comprises: a support; and a support protruding from the support and formed substantially on the same axis;
A detection unit that is connected to the support unit and is wider than the support unit;
And a force detection method of a scanning probe microscope using a probe having a probe portion having a narrower width than the detection portion and connected to the detection portion, wherein torsional resonance is excited in the detection portion,
Further, it is configured to detect a force acting on the probe section by detecting a frequency change of the torsional resonance of the detection section. Thus, the force acting on the probe can be detected easily and with high sensitivity without contact. In addition, there are few spatial restrictions.

【0031】また、請求項20に記載の発明では、請求
項17〜19のいずれか1項に記載の走査型プローブ顕
微鏡の力検出方法において、前記支持体を振動子で加振
することによって前記ねじれ共振を励起させるよう構成
される。これによって、的確にねじれ共振を励起させる
ことができる。
According to a twentieth aspect of the present invention, in the method for detecting a force of the scanning probe microscope according to any one of the seventeenth to nineteenth aspects, the support is vibrated by a vibrator. It is configured to excite torsional resonance. Thereby, torsional resonance can be excited accurately.

【0032】また、請求項21に記載の発明では、請求
項17〜19のいずれか1項に記載の走査型プローブ顕
微鏡の力検出方法において、前記支持部に駆動用圧電薄
膜または駆動用コイルパターンを形成した振動励起部を
設け、前記駆動用圧電薄膜に交流電流を流すことによっ
てまたは前記探針を外部磁場中に設置しかつ前記駆動用
コイルパターンに交流電流を流すことによって前記ねじ
れ共振を励起させるよう構成される。探針は振動励起部
を備えているので、外部に探針の加振機構を設ける必要
がなく、システムを簡素化することができる。
According to a twenty-first aspect of the present invention, in the method for detecting a force of a scanning probe microscope according to any one of the seventeenth to nineteenth aspects, the supporting portion includes a driving piezoelectric thin film or a driving coil pattern. Is provided, and the torsional resonance is excited by passing an alternating current through the driving piezoelectric thin film or by placing the probe in an external magnetic field and passing an alternating current through the driving coil pattern. It is configured to Since the probe is provided with the vibration excitation section, there is no need to provide a vibration mechanism for the probe outside, and the system can be simplified.

【0033】[0033]

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る走査型プロー
ブ顕微鏡の探針および力検出方法につき図面を参照して
説明する。図1は本発明の第1の実施形態に係る走査型
プローブ顕微鏡の探針を概念的に示す斜視図である。ま
た、図1およびこれ以降の図では、理解しやすくするた
めに、探針を実際の比とは異なる比で部分的に任意に伸
び縮みさせてある。この伸び縮みの比は各図共通ではな
い。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a probe and a force detecting method for a scanning probe microscope according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view conceptually showing a probe of the scanning probe microscope according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 1 and subsequent figures, the probe is partially arbitrarily expanded and contracted at a ratio different from the actual ratio for easy understanding. This ratio of expansion and contraction is not common to each drawing.

【0034】図1に示される走査型プローブ顕微鏡の探
針は、支持体1、支持部またはカンチレバー部2、検出
部3、探針部4を備えている。カンチレバー部2、検出
部3、および探針部4は実質的に同一軸上に連続して形
成され、かつ支持体1とも連続して形成されている。
The probe of the scanning probe microscope shown in FIG. 1 includes a support 1, a support or cantilever 2, a detector 3, and a probe 4. The cantilever part 2, the detection part 3, and the probe part 4 are formed substantially continuously on the same axis, and also formed continuously with the support 1.

【0035】探針部4は、幅が好ましくは200nm以
下、例えば100〜200nm程度、長さが好ましくは
1μm以上、例えば3μm程度の大きさを有している。
探針部4は細くて長いため、半導体試料のトレンチ5や
溝などにも容易に差し入れることができる。探針部4の
先端部分は好ましくは図1のように横または斜め方向に
突出しているが、直線的であってもよい。また、探針部
4の先端部分は先鋭化していればより好ましい。
The probe portion 4 has a width of preferably 200 nm or less, for example, about 100 to 200 nm, and a length of preferably 1 μm or more, for example, about 3 μm.
Since the probe part 4 is thin and long, it can be easily inserted into the trench 5 or the groove of the semiconductor sample. The tip portion of the probe 4 preferably projects in the horizontal or oblique direction as shown in FIG. 1, but may be linear. It is more preferable that the tip of the probe part 4 is sharpened.

【0036】検出部3は、例えば一辺(長辺)が50μ
m程度の大きさを有する平板形状のものであり、カンチ
レバー部2および探針部4とはほぼ同一平面上に形成さ
れている。また、検出部3は光を反射する光反射面すな
わちミラー部分を有している。カンチレバー部2は探針
部4に力が働くとたわむものであり、探針部4および検
出部3を支持体1に接続しかつ支持している。支持体1
は例えばミリメートルのオーダーの大きさを有する平板
形状のものである。
The detecting section 3 has, for example, a side (long side) of 50 μm.
The cantilever 2 and the probe 4 are formed on substantially the same plane. Further, the detection unit 3 has a light reflection surface that reflects light, that is, a mirror portion. The cantilever 2 bends when a force acts on the probe 4, and connects and supports the probe 4 and the detector 3 to the support 1. Support 1
Is, for example, a flat plate having a size on the order of millimeters.

【0037】本実施形態の探針は、探針部4が細くて長
く、更にカンチレバー部2、検出部3、および探針部4
が同一軸上に形成されているため、空間的な制約が少な
い。このため、微細な溝に探針部を差し入れることが可
能で、かつ探針を微細な凹凸形状を有する試料上に走査
させることができる。
The probe according to the present embodiment has a thin and long probe portion 4, and further includes a cantilever portion 2, a detection portion 3, and a probe portion 4.
Are formed on the same axis, and there are few spatial restrictions. Therefore, the probe portion can be inserted into the fine groove, and the probe can be scanned over a sample having fine irregularities.

【0038】次にこのような構成を有する走査型プロー
ブ顕微鏡の探針の製造方法について、説明する。図2は
図1に示される走査型プローブ顕微鏡の探針の探針部4
の先端部分が直線的な場合の製造工程を示す概略図であ
る。
Next, a method for manufacturing a probe of a scanning probe microscope having such a configuration will be described. FIG. 2 shows a probe section 4 of the probe of the scanning probe microscope shown in FIG.
FIG. 7 is a schematic view showing a manufacturing process when the tip portion of is straight.

【0039】半導体基板11として、例えば厚さ約25
0μm、(100)面方位のシリコン単結晶基板を用
い、LP−CVD法(減圧CVD法)などにより半導体
基板11の両面に例えば厚さ約0.1μmの窒化珪素膜
12、13を形成する(図2(a))。
As the semiconductor substrate 11, for example, a thickness of about 25
Using a silicon single crystal substrate having a 0 μm (100) plane orientation, silicon nitride films 12 and 13 having a thickness of, for example, about 0.1 μm are formed on both surfaces of the semiconductor substrate 11 by LP-CVD (low pressure CVD) or the like ( FIG. 2 (a)).

【0040】基板11上の窒化珪素膜12の上にレジス
ト膜14を塗布し、リソグラフィー法を用いて後述のミ
ラー部分に対応する例えば四角形状の開口部をレジスト
膜14に形成する。その上にニッケルクロムを薄く蒸着
し、さらにその上から金層15(図2(b)で斜線で示
されている部分)を全面に蒸着する(図2(b))。ニ
ッケルクロムを窒化珪素膜12と金層15の間の下地と
すると、その後の金層15の耐性が強くなり、金層15
の剥がれなどが生じなくなる。リフトオフ法を用いて金
層15の不要な部分をレジスト膜14とともに取り除
き、窒化珪素膜12上に金のミラー部分16(図2
(c)で斜線で示されている部分)をパターニングする
(図2(c))。ミラー部分16は、探針の検出部3の
光反射面またはミラー部分に対応するものである。
A resist film 14 is applied on the silicon nitride film 12 on the substrate 11, and a rectangular opening corresponding to a mirror portion to be described later is formed in the resist film 14 by lithography. A thin layer of nickel chromium is vapor-deposited thereon, and a gold layer 15 (portion indicated by oblique lines in FIG. 2B) is vapor-deposited on the entire surface (FIG. 2B). If nickel chromium is used as a base between the silicon nitride film 12 and the gold layer 15, the resistance of the subsequent gold layer 15 is increased, and
Peeling etc. will not occur. Unnecessary portions of the gold layer 15 are removed together with the resist film 14 using a lift-off method, and a gold mirror portion 16 (FIG.
Patterning is performed on the portion shown by oblique lines in FIG. 2C (FIG. 2C). The mirror part 16 corresponds to the light reflecting surface or the mirror part of the detection part 3 of the probe.

【0041】窒化珪素膜12、13およびミラー部分1
6上にレジスト膜17を塗布し、リソグラフィー法を用
いて、支持体1、カンチレバー部2、検出部3、探針部
4および探針部4と対向する薄膜部18の所定の形状に
合わせて、パターニングを施す。ここで、後のエッチン
グ処理により、探針部4の先端部分が薄膜部18から切
り離されるように、探針部4に対応する部分のレジスト
膜17と薄膜部18に対応する部分のレジスト膜17と
の間には、リソグラフィー法の解像度ぎりぎり程度、す
なわち光の波長程度の細いくびれ部分19がある(図2
(d))。
Silicon nitride films 12 and 13 and mirror portion 1
6 is coated with a resist film 17 and, using a lithography method, according to the predetermined shape of the support 1, the cantilever 2, the detector 3, the probe 4, and the thin film 18 facing the probe 4. And patterning. Here, the resist film 17 in the portion corresponding to the probe portion 4 and the resist film 17 in the portion corresponding to the thin film portion 18 are separated so that the tip portion of the probe portion 4 is separated from the thin film portion 18 by a later etching process. 2 has a narrow constricted portion 19 almost at the very end of the resolution of the lithography method, that is, about the wavelength of light (FIG. 2).
(D)).

【0042】その後、基板11の上面および下面の窒化
珪素膜12、13の不要部分をドライエッチング法など
による等方性エッチングにより取り除く(図2
(e))。このとき、窒化珪素膜12は等方的にエッチ
ングされるため、レジスト膜17により保護されている
窒化珪素膜12はアンダーエッチングを生じる。このア
ンダーエッチングにより、窒化珪素膜12の探針部4を
形成する部分は、レジスト膜17の探針部4に対応する
部分よりも幅が細くなる。
Thereafter, unnecessary portions of the silicon nitride films 12 and 13 on the upper and lower surfaces of the substrate 11 are removed by isotropic etching such as dry etching (FIG. 2).
(E)). At this time, since the silicon nitride film 12 is isotropically etched, the silicon nitride film 12 protected by the resist film 17 is under-etched. Due to this under-etching, the portion of the silicon nitride film 12 where the probe 4 is formed becomes narrower than the portion of the resist film 17 corresponding to the probe 4.

【0043】図2(f)は、探針部4に対応する部分の
周辺領域の窒化珪素膜12がアンダーエッチングされた
様子を示す概略的な平面拡大図である。図2(f)で
は、レジスト膜17下でのアンダーエッチングを示すた
めに、レジスト膜17下の窒化珪素膜12を点線で示し
てある。図2(f)にもあるように、アンダーエッチン
グによって窒化珪素膜12の探針部4を形成する部分は
レジスト膜17の形状より細くなっている。また、窒化
珪素膜12は、くびれ部分19の下でアンダーエッチン
グによって、窒化珪素膜12の薄膜部18の下の部分と
窒化珪素膜12の探針部4を形成する部分とに切り離さ
れる。このため、窒化珪素膜12の探針部4を形成する
部分の先端部分は鋭く細くなり、極めて先鋭化される。
FIG. 2F is a schematic enlarged plan view showing a state in which the silicon nitride film 12 in a peripheral region of a portion corresponding to the probe part 4 is under-etched. In FIG. 2F, the silicon nitride film 12 under the resist film 17 is shown by a dotted line to show under-etching under the resist film 17. As shown in FIG. 2F, the portion of the silicon nitride film 12 where the probe 4 is formed by the under-etching is thinner than the shape of the resist film 17. The silicon nitride film 12 is separated into a portion below the thin film portion 18 of the silicon nitride film 12 and a portion of the silicon nitride film 12 where the probe 4 is formed by underetching under the constricted portion 19. For this reason, the tip portion of the silicon nitride film 12 where the probe portion 4 is formed becomes sharp and thin and extremely sharp.

【0044】最後に、レジスト膜17を取り除き、水酸
化カリウム(KOH)水溶液またはテトラメチルアンモ
ニウムハイドロオキサイド(TMAH)水溶液などのシ
リコン用のエッチング液に含浸し、窒化珪素膜12、1
3をマスクとして、基板11の露出した部分を異方性エ
ッチングにより取り除く(図2(g)、(h))。これ
によって、窒化珪素膜および金よりなる走査型プローブ
顕微鏡の探針を、半導体製造技術を利用して一括して安
価に製造することができる。
Finally, the resist film 17 is removed and impregnated with an etching solution for silicon such as an aqueous solution of potassium hydroxide (KOH) or an aqueous solution of tetramethylammonium hydroxide (TMAH).
Using the mask 3 as a mask, the exposed portion of the substrate 11 is removed by anisotropic etching (FIGS. 2G and 2H). Thus, the probe of the scanning probe microscope made of the silicon nitride film and the gold can be manufactured at a low cost collectively by using the semiconductor manufacturing technology.

【0045】シリコン基板に窒化珪素膜を形成すること
で窒化珪素膜および金よりなる走査型プローブ顕微鏡の
探針を製造する工程を示したが、例えばシリコン基板に
酸化珪素膜を形成することで、酸化珪素膜および金より
なる走査型プローブ顕微鏡の探針を製造することもでき
る。
The process of manufacturing a probe of a scanning probe microscope made of a silicon nitride film and gold by forming a silicon nitride film on a silicon substrate has been described. For example, by forming a silicon oxide film on a silicon substrate, A probe for a scanning probe microscope made of a silicon oxide film and gold can also be manufactured.

【0046】このような製造方法で作成した走査型プロ
ーブ顕微鏡の探針は、探針部4が直線的であったが、次
のような方法で、探針部4の先端部分が横または斜め方
向に突出した走査型プローブ顕微鏡の探針を作成するこ
とができる。
In the probe of the scanning probe microscope manufactured by such a manufacturing method, the probe portion 4 is linear, but the tip portion of the probe portion 4 is laterally or obliquely formed by the following method. The probe of the scanning probe microscope protruding in the direction can be formed.

【0047】図3は図1に示される走査型プローブ顕微
鏡の探針の探針部4の先端部分が横または斜め方向に突
出している場合の製造工程を示す概略図である。図3に
おいては、図2中の各構成要素と対応する構成要素には
同一符号を付している。
FIG. 3 is a schematic view showing a manufacturing process in the case where the tip of the probe portion 4 of the probe of the scanning probe microscope shown in FIG. 1 is projected in the horizontal or oblique direction. In FIG. 3, components corresponding to the components in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals.

【0048】半導体基板11として、例えば厚さ約25
0μm、(100)面方位のシリコン単結晶基板を用
い、LP−CVD法(減圧CVD法)などにより半導体
基板11の両面に例えば厚さ約0.1μmの窒化珪素膜
12、13を形成する。リソグラフィー法およびドライ
エッチング法を用いて窒化珪素膜12をパターニング
し、窒化珪素膜12の所定箇所に基板11を露出させる
開口20を形成する(図3(a))。
As the semiconductor substrate 11, for example, a thickness of about 25
Using a silicon single crystal substrate having a 0 μm (100) plane orientation, silicon nitride films 12 and 13 having a thickness of, for example, about 0.1 μm are formed on both surfaces of a semiconductor substrate 11 by LP-CVD (low pressure CVD) or the like. The silicon nitride film 12 is patterned using a lithography method and a dry etching method, and an opening 20 for exposing the substrate 11 is formed at a predetermined position of the silicon nitride film 12 (FIG. 3A).

【0049】次に、水酸化カリウム(KOH)水溶液ま
たはテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド(T
MAH)水溶液などのシリコン用のエッチング液に含浸
し、窒化珪素膜12、13をマスクとして、基板11の
開口20から露出した部分を異方性エッチングし、開口
20と連続しかつ傾斜面22を有する深さ約2μmの溝
21を基板11に形成する(図3(b))。基板11に
は(100)面方位のシリコン単結晶が用いられている
ので、傾斜面22はシリコン単結晶の(111)面であ
り、傾斜面22が溝21の底面すなわち基板11表面に
対してなす角度は約54.74゜となる。後述するよう
に、この角度が、探針の先端部分が探針部4、検出部3
およびカンチレバー部に対して傾斜して突出する角度と
なる。
Next, an aqueous solution of potassium hydroxide (KOH) or tetramethylammonium hydroxide (T
MAH) Impregnated with an etching solution for silicon such as an aqueous solution, and anisotropically etching the portion exposed from the opening 20 of the substrate 11 using the silicon nitride films 12 and 13 as a mask to form an inclined surface 22 continuous with the opening 20. A groove 21 having a depth of about 2 μm is formed in the substrate 11 (FIG. 3B). Since a silicon single crystal having a (100) plane orientation is used for the substrate 11, the inclined surface 22 is a (111) surface of the silicon single crystal, and the inclined surface 22 is located on the bottom surface of the groove 21, that is, the surface of the substrate 11. The angle formed is about 54.74 °. As will be described later, this angle is determined by the tip portion of the probe, the probe portion 4 and the detection portion 3.
And it becomes the angle which inclines and protrudes with respect to the cantilever part.

【0050】次に、再びLP−CVD法などにより半導
体基板11の両面に例えば厚さ約0.1μmの窒化珪素
膜23、24を形成し、図2の場合と同様に、リフトオ
フ法などを用いて窒化珪素膜23上に金のミラー部分1
6(図3(c)で斜線で示された部分)をパターニング
する(図3(c))。
Next, silicon nitride films 23 and 24 having a thickness of, for example, about 0.1 μm are formed on both surfaces of the semiconductor substrate 11 again by the LP-CVD method or the like, and the lift-off method or the like is used as in the case of FIG. Mirror part 1 on silicon nitride film 23
6 (portion indicated by oblique lines in FIG. 3C) is patterned (FIG. 3C).

【0051】窒化珪素膜23、24およびミラー部分1
6上にレジスト膜を塗布し、リソグラフィー法を用い
て、支持体1、カンチレバー部2、検出部3、探針部4
および探針部4と対向する薄膜部の所定の形状に合わせ
て、レジスト膜をパターン化する。ここで探針部4と対
向する薄膜部を用いる理由は図2の場合と同様、探針部
4の先端部分を鋭く細くするためである。また、探針部
4に対応するレジスト膜の部分とそれに対向する薄膜部
に対応するレジスト膜の部分との間の細いくびれ部分は
斜面22上に形成される。
Silicon nitride films 23 and 24 and mirror part 1
6, a support 1, a cantilever 2, a detector 3, and a probe 4 using a lithography method.
The resist film is patterned according to a predetermined shape of the thin film portion facing the probe portion 4. Here, the reason why the thin film portion facing the probe portion 4 is used is to make the tip portion of the probe portion 4 sharp and thin similarly to the case of FIG. Further, a narrow portion between the resist film portion corresponding to the probe portion 4 and the resist film portion corresponding to the thin film portion opposed thereto is formed on the slope 22.

【0052】その後、基板上面および下面上の窒化珪素
膜12、13、23および24の不要部分をドライエッ
チング法などによる等方性エッチングにより取り除く
(図3(d))。このとき、窒化珪素膜23は等方的に
エッチングされるため、レジスト膜により保護されてい
る窒化珪素膜23はアンダーエッチングを生じる。この
ため、図2の場合と同様、窒化珪素膜23の探針部4を
形成する部分は、レジスト膜の探針部4に対応する部分
よりも幅が細くなり、かつ先端部分は極めて先鋭化され
る。さらに、窒化珪素膜23の探針部4を形成する部分
の先端部分は横または斜め方向に突出するよう形成され
る。
Thereafter, unnecessary portions of the silicon nitride films 12, 13, 23 and 24 on the upper and lower surfaces of the substrate are removed by isotropic etching such as dry etching (FIG. 3D). At this time, since the silicon nitride film 23 is isotropically etched, the silicon nitride film 23 protected by the resist film is under-etched. Therefore, as in the case of FIG. 2, the portion of the silicon nitride film 23 where the probe 4 is formed is narrower than the portion corresponding to the probe 4 of the resist film, and the tip is extremely sharpened. Is done. Further, the tip portion of the portion of the silicon nitride film 23 where the probe portion 4 is formed is formed so as to protrude laterally or obliquely.

【0053】最後に、レジスト膜を取り除き、水酸化カ
リウム(KOH)水溶液またはテトラメチルアンモニウ
ムハイドロオキサイド(TMAH)水溶液などのシリコ
ン用のエッチング液に含浸し、窒化珪素膜23、24を
マスクとして、基板11の露出した部分を異方性エッチ
ングにより取り除く。これによって、窒化珪素膜および
金よりなりかつ先端部分が横または斜め方向に突出して
いる走査型プローブ顕微鏡の探針を得ることができる
(図3(e)、(f))。
Finally, the resist film is removed, and the substrate is immersed in an etching solution for silicon such as an aqueous solution of potassium hydroxide (KOH) or an aqueous solution of tetramethylammonium hydroxide (TMAH). The exposed portion 11 is removed by anisotropic etching. This makes it possible to obtain a probe of a scanning probe microscope which is made of a silicon nitride film and gold and whose tip protrudes laterally or obliquely (FIGS. 3E and 3F).

【0054】次に、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡
の探針を用いた、探針と試料との間に作用する相互作用
力の検出方法について説明する。図4は、本実施形態の
走査型プローブ顕微鏡の探針を用いた、探針と試料との
間に作用する力の検出方法を概念的に示す斜視図であ
る。
Next, a method for detecting an interaction force acting between the probe and the sample using the probe of the scanning probe microscope of the present embodiment will be described. FIG. 4 is a perspective view conceptually showing a method of detecting a force acting between the probe and the sample using the probe of the scanning probe microscope of the present embodiment.

【0055】本実施形態の走査型プローブ顕微鏡の探針
は、探針部4が細く長いため、半導体試料のトレンチ5
や溝に差し入れることができる。探針部4の先端部分ま
たは側面部分と半導体試料のトレンチ5の側壁または底
面などの内壁との間に相互作用力が働けば、それに応じ
てカンチレバー部2などがたわみ、高い感度で検出部3
の光反射面が傾く。検出部3の光反射面の角度の変化
は、光てこ法などにより検出することができる。例え
ば、検出部3の光反射面にレーザー6などによりレーザ
ー光を照射し、その反射光を分割型フォトダイオード7
で受光すれば、高い感度で検出部3の光反射面の角度変
化を検出することができる。分割型フォトダイオード7
には4分割フォトダイオードを用いるが、左右に分割さ
れた2分割フォトダイオードでもよい。
In the probe of the scanning probe microscope of the present embodiment, since the probe portion 4 is thin and long, the trench 5 of the semiconductor sample is formed.
And can be inserted into the groove. When an interaction force acts between the tip portion or the side portion of the probe portion 4 and the inner wall such as the side wall or the bottom surface of the trench 5 of the semiconductor sample, the cantilever portion 2 or the like bends accordingly, and the detecting portion 3 has high sensitivity.
Light reflecting surface tilts. The change in the angle of the light reflecting surface of the detection unit 3 can be detected by an optical lever method or the like. For example, the light reflecting surface of the detecting section 3 is irradiated with laser light by a laser 6 or the like, and the reflected light is split into a split photodiode
, It is possible to detect a change in the angle of the light reflecting surface of the detection unit 3 with high sensitivity. Split type photodiode 7
Although a four-division photodiode is used in the above, a two-division photodiode divided into right and left may be used.

【0056】探針部4の側面に作用する力は、半導体試
料のトレンチ5の側壁との間の相互作用を反映したもの
であり、探針部4の先端に作用する力は、トレンチ5の
底面との間の相互作用を反映したものである。このた
め、探針部4に力が作用することによってたわむ検出部
3の光反射面の角度変化を検出することで、探針部4と
半導体試料のトレンチ5の内壁との間の相互作用力を検
知でき、半導体試料のトレンチ5の内壁形状をイメージ
ングし、観察することができる。また、探針部4の先端
部分が横または斜め方向に突出していれば、半導体試料
のトレンチ5の側壁との間の相互作用力をより高感度に
検出することが可能である。
The force acting on the side surface of the probe 4 reflects the interaction between the semiconductor sample and the side wall of the trench 5, and the force acting on the tip of the probe 4 is It reflects the interaction with the bottom. Therefore, by detecting the change in the angle of the light reflecting surface of the detection unit 3 that is deflected by the force acting on the probe 4, the interaction force between the probe 4 and the inner wall of the trench 5 of the semiconductor sample is detected. Can be detected, and the shape of the inner wall of the trench 5 of the semiconductor sample can be imaged and observed. Further, if the tip portion of the probe portion 4 protrudes laterally or obliquely, it is possible to detect the interaction force between the semiconductor sample and the side wall of the trench 5 with higher sensitivity.

【0057】また、探針部4が細くて長いと、探針部4
の剛性が低くなり、探針部4と試料との相互作用力がカ
ンチレバー部まで上手く伝わらなくなるが、本実施形態
の探針においては、探針部と連続して検出部3の光反射
面が形成されているため、探針部4と試料の側壁との間
に相互作用力が働くと、高い効率で光反射面の角度が変
化する。このため、柔らかい探針部4に作用する力も高
感度に検出し、半導体試料のトレンチ5の内壁をイメー
ジングすることができる。
If the probe 4 is thin and long, the probe 4
The rigidity of the probe becomes low, and the interaction force between the probe portion 4 and the sample is not transmitted to the cantilever portion. However, in the probe of the present embodiment, the light reflecting surface of the detection portion 3 is continuous with the probe portion. Because of this, when an interaction force acts between the probe part 4 and the side wall of the sample, the angle of the light reflecting surface changes with high efficiency. Therefore, the force acting on the soft probe portion 4 can be detected with high sensitivity, and the inner wall of the trench 5 of the semiconductor sample can be imaged.

【0058】次に、図1に示される探針を用いた走査型
プローブ顕微鏡の全体の構成について説明する。図5
は、図1に示される探針を用いた走査型プローブ顕微鏡
の全体構成図であり、図6は動作の概略を示すブロック
図である。
Next, the overall configuration of the scanning probe microscope using the probe shown in FIG. 1 will be described. FIG.
FIG. 6 is an overall configuration diagram of a scanning probe microscope using the probe shown in FIG. 1, and FIG. 6 is a block diagram schematically showing an operation.

【0059】探針の支持体1は、クリップ30により、
圧電体素子であるZ軸方向駆動用PZT素子31の自由
端側に保持されている。Z軸方向駆動用PZT素子31
の他端は、ブロック32に固定されている。圧電体素子
であるX軸方向駆動用PZT素子33およびY軸方向駆
動用PZT素子34のそれぞれの自由端は共にブロック
32に固定され、それぞれの固定端はフレーム35に固
定されている。フレーム35は3つのマイクロメーター
36のより支えられている。半導体レーザー6、4分割
フォトダイオード7、およびミラー37は、それぞれ位
置調整されてブロック32に固定されている。半導体レ
ーザー6からの発光や4分割フォトダイオード7からの
出力は、フレーム35上に設けられた電気回路38によ
り処理される。クリップ30の下面には、ノンコンタク
トモードの観察用に振動子39が設けられている。
The support 1 of the probe is held by the clip 30
It is held on the free end side of a Z-axis direction driving PZT element 31 which is a piezoelectric element. PZT element 31 for driving in Z-axis direction
Is fixed to the block 32. The free ends of the PZT element 33 for driving in the X-axis direction and the PZT element 34 for driving in the Y-axis direction, which are piezoelectric elements, are both fixed to the block 32, and the fixed ends are fixed to the frame 35. The frame 35 is supported by three micrometers 36. The positions of the semiconductor laser 6, the four-division photodiode 7, and the mirror 37 are adjusted and fixed to the block 32. The light emitted from the semiconductor laser 6 and the output from the four-division photodiode 7 are processed by an electric circuit 38 provided on the frame 35. A vibrator 39 is provided on the lower surface of the clip 30 for observation in a non-contact mode.

【0060】このような構成の走査型プローブ顕微鏡は
次のような動作により、試料5の表面形状のイメージン
グを行う。デジタルシグナルプロセッサ(DSP)40
により発生された探針駆動信号は、DA変換回路41に
より電圧に変換され、ハイボルテージアンプ42により
昇圧された後、探針駆動用のPZT素子33および34
に印加される。これによって、探針が試料の平面方向に
移動し、探針の探針部4と試料5との相対距離が変化す
る。従って、試料5と探針部4との間の相互作用力が変
化し、探針の検出部3がたわみ、検出部3の光反射面の
角度が変化する。
The scanning probe microscope having such a configuration performs imaging of the surface shape of the sample 5 by the following operation. Digital signal processor (DSP) 40
Is converted into a voltage by a DA conversion circuit 41 and boosted by a high voltage amplifier 42, and thereafter, the PZT elements 33 and 34 for driving the probe are driven.
Is applied to As a result, the probe moves in the plane direction of the sample, and the relative distance between the probe portion 4 of the probe and the sample 5 changes. Therefore, the interaction force between the sample 5 and the probe unit 4 changes, the detecting unit 3 of the probe bends, and the angle of the light reflecting surface of the detecting unit 3 changes.

【0061】一方、半導体レーザー6によりミラー37
を介して検出部3の光反射面に照射された光は、反射さ
れ、4分割フォトダイオード7により検出される。4分
割フォトダイオード7により検出された検出部3の光反
射面の角度変化すなわち試料5と探針の探針部4との間
の相互作用力の変化に対応する信号は、プリアンプ43
で増幅され、ロックインアンプ44を経て、AD変換器
45によりデジタル化され、DSP40に入力される。
On the other hand, the mirror 37 is driven by the semiconductor laser 6.
The light applied to the light reflecting surface of the detection unit 3 via the light is reflected and detected by the four-division photodiode 7. A signal corresponding to a change in the angle of the light reflecting surface of the detection unit 3 detected by the four-division photodiode 7, that is, a change in the interaction force between the sample 5 and the probe unit 4 of the probe is output to the preamplifier 43.
, And is digitized by the AD converter 45 through the lock-in amplifier 44 and input to the DSP 40.

【0062】DSP40内部では試料5と探針の探針部
4との間の相互作用力の変化に対応して試料と探針の探
針部4との相対距離を一定に保つサーボの計算が行わ
れ、フィードバック信号がDA41とハイボルテージア
ンプ42を経てZ軸方向駆動用PZT41に印加され
る。このフィードバック信号は試料5の表面形状を反映
するものであり、DSP40につながれたパソコン47
によってディスプレイに表示され、データは記憶され
る。
In the DSP 40, servo calculation for keeping the relative distance between the sample and the probe 4 constant in accordance with the change in the interaction force between the sample 5 and the probe 4 of the probe is performed. Then, the feedback signal is applied to the Z-axis direction driving PZT 41 via the DA 41 and the high voltage amplifier 42. This feedback signal reflects the surface shape of the sample 5, and the personal computer 47 connected to the DSP 40
Is displayed on the display and the data is stored.

【0063】探針を試料上で走査させ、探針と試料との
間に作用する力を検出することによって試料形状をイメ
ージングする方法には、探針を試料に接触させる接触モ
ード以外にも、探針を試料に接触させない非接触モード
(ノンコンタクトモード)がある。本実施形態の探針を
用いれば、非接触モードの場合、次のような方法で探針
と試料との間に作用する力を検出し、試料形状をイメー
ジングすることができる。
A method of imaging a sample shape by scanning a probe on a sample and detecting a force acting between the probe and the sample includes a contact mode in which the probe is brought into contact with the sample. There is a non-contact mode (non-contact mode) in which the probe is not brought into contact with the sample. By using the probe of the present embodiment, in the non-contact mode, the force acting between the probe and the sample can be detected by the following method, and the shape of the sample can be imaged.

【0064】図7は探針と試料との間に作用する力を非
接触で検出するための方法を示す概念図である。本実施
形態の探針に、カンチレバー部2、検出部3、および探
針部4の中心軸9を中心とした往復回転運動の共振振動
すなわちねじれ共振が励起される。このねじれ共振は、
例えば振動子により探針の支持体1を探針の共振周波数
に等しい周波数で加振することにより励起される(図7
(a))。
FIG. 7 is a conceptual diagram showing a method for detecting the force acting between the probe and the sample in a non-contact manner. In the probe of the present embodiment, resonance vibration of reciprocating rotational movement around the central axis 9 of the cantilever portion 2, the detection portion 3, and the probe portion 4, that is, torsional resonance is excited. This torsional resonance is
For example, it is excited by vibrating the support 1 of the probe with a vibrator at a frequency equal to the resonance frequency of the probe (FIG. 7).
(A)).

【0065】このねじれ共振が励起された状態で探針部
4を半導体試料のトレンチ5の中に挿入する。探針部4
の先端部分または側面部分にファンデルワールス力8な
どの力が作用したとすると、探針部4はその力の方向に
引寄せられる(図7(b))。
The probe 4 is inserted into the trench 5 of the semiconductor sample in a state where the torsional resonance is excited. Probe part 4
If a force such as Van der Waals force 8 acts on the tip or side surface of the probe, the probe 4 is pulled in the direction of the force (FIG. 7B).

【0066】この場合、検出部3および探針部4が共振
振動の回転軸9から外れるため、回転軸9の回りの慣性
モーメントが急激に増大する。慣性モーメントが増大す
ると、ねじれ方向(回転軸9の回りの回転方向)の共振
周波数が低くなるため、探針はねじれの共振状態から外
れ、検出部3のねじれ方向の振幅が小さくなる。この検
出部3の振幅の変化は、光てこ法などにより検出され
る。従って、探針に往復回転運動の共振振動を励起し、
探針の検出部3のねじれ方向の振幅の変化を検出するこ
とによって、探針部4と試料との間に作用する力を検出
し、試料形状をイメージングすることができる。
In this case, since the detecting section 3 and the probe section 4 deviate from the rotating shaft 9 of the resonance vibration, the moment of inertia around the rotating shaft 9 increases sharply. When the moment of inertia increases, the resonance frequency in the torsional direction (the direction of rotation about the rotating shaft 9) decreases, so that the probe deviates from the torsional resonance state, and the amplitude of the detector 3 in the torsional direction decreases. The change in the amplitude of the detection unit 3 is detected by an optical lever method or the like. Therefore, the resonance vibration of the reciprocating rotary motion is excited on the probe,
By detecting a change in the amplitude in the torsional direction of the detector 3 of the probe, a force acting between the probe 4 and the sample can be detected, and the shape of the sample can be imaged.

【0067】探針は、カンチレバー部2、検出部3、お
よび探針部4が同一軸上に形成されており、かつこの軸
を中心とした往復回転運動すなわちねじれ振動を励起す
るので、探針を試料上に走査させる上での機械的、空間
的な制約は小さい。従って、半導体のトレンチのような
狭い溝にも、探針にねじれ振動を励起した状態で探針部
4を容易に差し入れることができ、非接触で探針部4と
試料との間の相互作用を検出することができる。
In the probe, the cantilever portion 2, the detection portion 3, and the probe portion 4 are formed on the same axis and excite reciprocating rotational movement around this axis, that is, torsional vibration. There are few mechanical and spatial restrictions on scanning the sample on the sample. Therefore, the probe portion 4 can be easily inserted into a narrow groove such as a semiconductor trench while exciting the torsional vibration to the probe, and the mutual contact between the probe portion 4 and the sample can be made in a non-contact manner. The effect can be detected.

【0068】また、検出部3のねじれ方向の振幅の変化
ではなく、例えば周波数変調法などにより、慣性モーメ
ントの増大による検出部3のねじれ方向の共振周波数の
変化を検出してもよい。探針部4に力が作用すれば慣性
モーメントの増大により共振周波数も変化するので、共
振周波数の変化を検出することによって探針部4と試料
との間に作用する力を検出することができる。
Instead of the change in the amplitude of the detecting section 3 in the torsional direction, a change in the resonance frequency of the detecting section 3 in the torsional direction due to an increase in the moment of inertia may be detected by, for example, a frequency modulation method. If a force acts on the probe part 4, the resonance frequency also changes due to an increase in the moment of inertia. Therefore, the force acting between the probe part 4 and the sample can be detected by detecting the change in the resonance frequency. .

【0069】次に、この力検出方法の感度について説明
する。まず探針の慣性モーメントの変化を計算するた
め、慣性モーメントの大部分を占める検出部3について
典型的なモデルにより計算する。図8は、面密度ρ、対
角線の長さがaの正方形の物体48が、物体48を二分
する方向の軸49から角度θだけ傾いた状態を示す概念
図であり、物体48は探針の検出部3に対応するもので
ある。この軸49から角度θ傾いた物体48の軸49に
対する慣性モーメントIは、次式
Next, the sensitivity of this force detection method will be described. First, in order to calculate a change in the moment of inertia of the probe, the detection unit 3 occupying most of the moment of inertia is calculated using a typical model. FIG. 8 is a conceptual diagram showing a state in which a square object 48 having a surface density ρ and a diagonal length a is inclined by an angle θ from an axis 49 in a direction that bisects the object 48. This corresponds to the detection unit 3. The moment of inertia I of the object 48 at an angle θ from the axis 49 with respect to the axis 49 is expressed by the following equation.

【数1】I(θ)=aρ/48+7aρsin
(θ)/48 で表される。このうち物体48が角度θ傾いたことによ
る慣性モーメントの増加分は、前式の第2項で表された
部分である。
I (θ) = a 4 ρ / 48 + 7a 4 ρsin
2 (θ) / 48. Of these, the increase in the moment of inertia due to the object 48 being inclined by the angle θ is the portion expressed by the second term in the preceding equation.

【0070】一般に、従来の走査型顕微鏡のノンコンタ
クトモードで用いられている周波数検出法などでは、探
針のねじれ共振周波数が100kHz程度であるとき、
共振周波数のずれを1Hzの感度で十分検出することが
できる。従って、探針のねじれ共振周波数を100kH
zと仮定し、そのねじれ共振周波数が1Hz変化すると
きの物体48の回転軸49からのずれをθ′とする。共
振周波数は慣性モーメントのルート(二分の一乗)に比
例するので、次式
In general, in the frequency detection method used in the non-contact mode of the conventional scanning microscope, when the torsional resonance frequency of the probe is about 100 kHz,
The deviation of the resonance frequency can be sufficiently detected with a sensitivity of 1 Hz. Therefore, the torsional resonance frequency of the probe is set to 100 kHz.
Assuming z, the deviation of the object 48 from the rotation axis 49 when the torsional resonance frequency changes by 1 Hz is defined as θ ′. Since the resonance frequency is proportional to the root (half) of the moment of inertia,

【数2】 100kHz:1Hz =(aρ/48)1/2:(7aρsin(θ′)/48)1/2 が成り立つ。この場合、θ′は約4μラジアンとなる。## EQU2 ## 100 kHz: 1 Hz = (a 4 ρ / 48) 1/2 : (7a 4 ρsin 2 (θ ′) / 48) 1/2 holds. In this case, θ ′ is about 4 μradian.

【0071】探針のカンチレバー部2から先の長さを5
0μm(すなわちaを約50μm)とした場合、この探
針を4μラジアン回転させたときの探針の先端部分の回
転軸からのずれは、約0.2nmとなる。従って、本実
施形態の探針にねじれ共振を励起し、探針と試料との間
に作用する力、すなわち探針の探針部4と試料との間に
作用する力を検出する方法は、探針の先端部分が約0.
2nm移動する力をおおよそ検出できることを示してお
り、高い力検出感度を有していることがわかる。
The length from the cantilever portion 2 of the probe to 5
When 0 μm (that is, a is about 50 μm), the deviation of the tip of the probe from the rotation axis when the probe is rotated by 4 μradian is about 0.2 nm. Therefore, the method of exciting the torsional resonance to the probe of the present embodiment and detecting the force acting between the probe and the sample, that is, the force acting between the probe portion 4 of the probe and the sample, is as follows. The tip of the probe is approx.
This indicates that a force moving by 2 nm can be roughly detected, indicating that the device has high force detection sensitivity.

【0072】このように、探針にねじれ共振を励起し、
探針と試料との間に作用する力を検出する方法を用い
て、試料表面形状をイメージングする場合の走査型プロ
ーブ顕微鏡の動作を、図5および6を用いて説明する。
Thus, torsional resonance is excited in the probe,
The operation of the scanning probe microscope when imaging the sample surface shape using the method of detecting the force acting between the probe and the sample will be described with reference to FIGS.

【0073】デジタルシグナルプロセッサ(DSP)4
0により制御された発振回路46により、探針のねじれ
共振周波数とほぼ等しい正弦波を発生させ、振動子39
に入力する。これによって振動子39は探針の支持体1
を振動させ、探針のカンチレバー部2にねじれ共振を生
じさせる。
Digital signal processor (DSP) 4
The oscillating circuit 46 controlled by 0 generates a sine wave that is substantially equal to the torsional resonance frequency of the probe.
To enter. As a result, the vibrator 39 is attached to the support 1
Vibrates to cause torsional resonance in the cantilever portion 2 of the probe.

【0074】DSP40により発生された探針駆動信号
は、DA変換回路41により電圧に変換され、ハイボル
テージアンプ42により昇圧された後、探針駆動用のP
ZT素子33および34に印加される。これによって、
探針が試料の平面方向に移動し、探針の探針部4と試料
5との相対距離が変化する。従って、試料5と探針の探
針部4との間の相互作用力が変化し、探針のねじれ共振
周波数が変化し、探針のねじれ共振の振幅も変化する。
The probe drive signal generated by the DSP 40 is converted into a voltage by the DA conversion circuit 41, boosted by the high voltage amplifier 42, and then converted to a P for driving the probe.
It is applied to ZT elements 33 and 34. by this,
The probe moves in the plane direction of the sample, and the relative distance between the probe portion 4 of the probe and the sample 5 changes. Therefore, the interaction force between the sample 5 and the probe portion 4 of the probe changes, the torsional resonance frequency of the probe changes, and the amplitude of the torsional resonance of the probe also changes.

【0075】一方、半導体レーザー6によりミラー37
を介して探針の検出部3の光反射面に照射された光は、
反射され、4分割フォトダイオード7により検出され
る。4分割フォトダイオード7で検出された探針の検出
部3のねじれ共振の振幅の変化すなわち試料5と探針の
探針部4との間の相互作用力の変化に対応する信号は、
プリアンプ43で増幅され、ロックインアンプ44に入
力される。ロックインアンプ44では、発振回路46か
らの信号とほぼ等しい周波数成分だけを増幅し、出力す
る。ロックインアンプ44により増幅された探針のねじ
れ振動の振幅に対応した信号は、AD変換器45により
デジタル化され、DSP40に入力される。
On the other hand, the mirror 37 is
The light emitted to the light reflecting surface of the detection unit 3 of the probe through
The light is reflected and detected by the four-division photodiode 7. A signal corresponding to a change in the amplitude of the torsional resonance of the detection unit 3 of the probe detected by the four-division photodiode 7, that is, a change in the interaction force between the sample 5 and the probe unit 4 of the probe is:
The signal is amplified by the preamplifier 43 and input to the lock-in amplifier 44. The lock-in amplifier 44 amplifies and outputs only a frequency component substantially equal to the signal from the oscillation circuit 46. The signal corresponding to the amplitude of the torsional vibration of the probe amplified by the lock-in amplifier 44 is digitized by the AD converter 45 and input to the DSP 40.

【0076】DSP40内部では試料5と探針の探針部
4との間の相互作用力の変化に対応して試料5と探針の
探針部4との相対距離を一定に保つサーボの計算が行わ
れ、フィードバック信号がZ軸方向駆動用PZT31に
印加される。このフィードバック信号は試料5の表面形
状を反映するものであり、DSP40につながれたパソ
コン47によってディスプレイに表示され、データは記
憶される。
In the DSP 40, a servo calculation for keeping the relative distance between the sample 5 and the probe 4 constant in accordance with the change in the interaction force between the sample 5 and the probe 4 of the probe. Is performed, and the feedback signal is applied to the PZT 31 for driving in the Z-axis direction. This feedback signal reflects the surface shape of the sample 5, is displayed on a display by a personal computer 47 connected to the DSP 40, and the data is stored.

【0077】また、このように探針にねじれ共振を励起
して探針と試料との間に作用する力を検出する方法にお
いては、探針を試料表面に対して傾斜させて走査し、試
料形状をイメージングすることもできる。この場合の力
検出方法の概念図を図9に示す。
In the method of detecting the force acting between the probe and the sample by exciting the torsional resonance in the probe, the probe is scanned with the probe inclined with respect to the sample surface. Shapes can also be imaged. FIG. 9 shows a conceptual diagram of the force detection method in this case.

【0078】試料50の表面形状はトレンチなどの深い
溝を有した形状ではない。探針を試料50の表面に対し
て斜め方向に保持し、探針にねじれ共振を励起させて探
針の探針部4を試料50の表面に近付けると、探針部4
と試料50との間に相互作用力が作用し、探針がねじれ
の回転軸からはずれる。これによって探針の慣性モーメ
ントが増加し、探針のねじれ振動の振幅が減少する。前
述のように、レーザー6から発せられたレーザー光の検
出部3のミラー部分での反射光を4分割フォトダイオー
ド7で検知することによって探針のねじれ振動の振幅の
変化を検出することで、試料50の表面の3次元形状を
イメージングすることができる。
The surface shape of the sample 50 is not a shape having a deep groove such as a trench. When the probe is held obliquely with respect to the surface of the sample 50 and torsional resonance is excited in the probe to bring the probe 4 of the probe close to the surface of the sample 50, the probe 4
An interaction force acts between the probe and the sample 50, and the probe deviates from the rotation axis of the twist. As a result, the moment of inertia of the probe increases, and the amplitude of the torsional vibration of the probe decreases. As described above, the change in the amplitude of the torsional vibration of the probe is detected by detecting the reflected light of the laser beam emitted from the laser 6 at the mirror portion of the detection unit 3 by the four-division photodiode 7. The three-dimensional shape of the surface of the sample 50 can be imaged.

【0079】図10は本発明の第2の実施形態に係る走
査型プローブ顕微鏡の探針を概念的に示す斜視図であ
る。本実施形態の探針では、ねじれ共振を励起させる方
法として、前述の振動子の振動による機械的励振ではな
く、電磁気力であるローレンツ力を用いる。
FIG. 10 is a perspective view conceptually showing a probe of a scanning probe microscope according to the second embodiment of the present invention. In the probe of the present embodiment, as a method of exciting torsional resonance, Lorentz force, which is an electromagnetic force, is used instead of the above-described mechanical excitation by the vibration of the vibrator.

【0080】図10に示される探針は、支持体1、カン
チレバー部2、および検出部3にかけて設けられている
金などの金属からなる配線51と、支持体1に設けられ
ている金属からなる2つのパッド52および53とを有
している以外は、図1の探針とほぼ同様の構成を有す
る。配線51は検出部3においてコイルを形成し、かつ
配線51の両端部は支持体1において2つのパッド52
および53に接続されている。検出部3の光反射面また
はミラー部分は、配線51と接触しないように、例えば
配線51が形成するコイル内にギャップを介して形成さ
れている。
The probe shown in FIG. 10 includes a wiring 51 made of a metal such as gold provided over the support 1, the cantilever 2 and the detection section 3, and a metal provided on the support 1. Except for having two pads 52 and 53, it has a configuration substantially similar to that of the probe of FIG. The wiring 51 forms a coil in the detection unit 3, and both ends of the wiring 51 are connected to two pads 52 in the support 1.
And 53. The light reflecting surface or the mirror portion of the detection unit 3 is formed, for example, with a gap in a coil formed by the wiring 51 so as not to contact the wiring 51.

【0081】このような探針を磁場中で保持し、かつ配
線51すなわちパッド52および53間に電流を流すこ
とで、探針にローレンツ力を発生させることができる。
流す電流の向きを探針のねじれ共振周波数と等しい周波
数で変化させることにより、探針をねじれ共振状態に励
振または加振することができる。振動子などの外部の加
振機構が必要ないので、その分システムが簡素化でき
る。
By holding such a probe in a magnetic field and passing a current between the wiring 51, that is, the pads 52 and 53, a Lorentz force can be generated in the probe.
By changing the direction of the flowing current at a frequency equal to the torsional resonance frequency of the probe, the probe can be excited or excited to a torsional resonance state. Since no external vibration mechanism such as a vibrator is required, the system can be simplified accordingly.

【0082】図10のようなローレンツ力を発生させる
ための配線を有する探針は、図11に概略的に示される
ような方法で製造することができる。なお、図11にお
いては、図3中の各構成要素と対応する構成要素には同
一符号を付している。
A probe having wiring for generating Lorentz force as shown in FIG. 10 can be manufactured by a method schematically shown in FIG. In FIG. 11, the same reference numerals are given to the components corresponding to the respective components in FIG.

【0083】図3に示される方法と同様の方法で、半導
体基板11の両面に窒化珪素膜12、13を形成し、窒
化珪素膜12をパターニングして、窒化珪素膜12の所
定箇所に基板11を露出させる開口20を形成する(図
11(a))。更に、図3と同様の方法で、開口20と
連続しかつ傾斜面22を有する溝21を基板11に形成
する(図11(b))。
In a method similar to that shown in FIG. 3, silicon nitride films 12 and 13 are formed on both surfaces of semiconductor substrate 11, and silicon nitride film 12 is patterned, so that substrate 11 Is formed (FIG. 11A). Further, a groove 21 continuous with the opening 20 and having an inclined surface 22 is formed in the substrate 11 in the same manner as in FIG. 3 (FIG. 11B).

【0084】次に、図3の場合と同様に、LP−CVD
法などにより半導体基板11の両面に例えば厚さ約0.
1μmの窒化珪素膜23、24を形成し、リフトオフ法
などを用いて窒化珪素膜23上に金の層(図11中の斜
線で示される部分)をパターニングするが、図3の場合
とは異なり、ミラー部分16とともに配線51、パッド
52および53もパターニングする(図11(c))。
Next, as in the case of FIG.
For example, a thickness of about 0.
1 μm silicon nitride films 23 and 24 are formed, and a gold layer (a portion shown by oblique lines in FIG. 11) is patterned on the silicon nitride film 23 using a lift-off method or the like. The wiring 51 and the pads 52 and 53 are also patterned together with the mirror portion 16 (FIG. 11C).

【0085】図3と同様の方法で、窒化珪素膜23およ
び24と、ミラー部分16や配線51などに対応する金
の層上にレジスト膜を塗布し、リソグラフィー法を用い
て、支持体1、カンチレバー部2、検出部3、探針部4
および探針部4と対向する薄膜部の所定の形状に合わせ
て、レジスト膜をパターン化する。その後、図3の場合
と同様に、基板上面および下面上の窒化珪素膜12、1
3、23および24の不要部分を等方性エッチングによ
り取り除く(図11(d))。
In the same manner as in FIG. 3, a resist film is applied on the silicon nitride films 23 and 24 and the gold layer corresponding to the mirror portion 16 and the wiring 51 and the like. Cantilever part 2, detection part 3, probe part 4
The resist film is patterned according to a predetermined shape of the thin film portion facing the probe portion 4. Thereafter, as in the case of FIG. 3, the silicon nitride films 12, 1 on the upper and lower surfaces of the substrate are formed.
Unnecessary portions 3, 23 and 24 are removed by isotropic etching (FIG. 11D).

【0086】最後に、図3と同様の方法で、レジスト膜
を取り除き、窒化珪素膜23、24をマスクとして、基
板11の露出した部分を異方性エッチングにより取り除
く。これによって、図9のような金よりなる配線51お
よびパッド52、53を有する探針を得ることができる
(図11(e)、(f))。
Finally, in the same manner as in FIG. 3, the resist film is removed, and the exposed portion of the substrate 11 is removed by anisotropic etching using the silicon nitride films 23 and 24 as a mask. As a result, a probe having the gold wiring 51 and the pads 52 and 53 as shown in FIG. 9 can be obtained (FIGS. 11E and 11F).

【0087】図12は本発明の第3の実施形態に係る走
査型プローブ顕微鏡の探針の概念的な正面図である。図
12に示される走査型プローブ顕微鏡の探針は、支持体
61と支持体から突出している振動励起部62、振動部
63、および探針部64などから構成されている。
FIG. 12 is a conceptual front view of a probe of a scanning probe microscope according to the third embodiment of the present invention. The probe of the scanning probe microscope shown in FIG. 12 includes a support 61, a vibration excitation section 62, a vibration section 63, and a probe section 64 protruding from the support.

【0088】支持体61、振動部63、および探針部6
4は、それぞれ図1の探針における支持体1、検出部
3、および探針部4にほぼ対応したものであるが、本実
施形態の探針では、支持部またはカンチレバー部に振動
励起部62が設けられている。この振動励起部62と振
動部63はねじれ剛性の小さな、すなわち幅の小さな連
結ねじれ部65で接続されている。また、振動励起部6
2および振動部63は平板形状のものである。
Support 61, vibrating section 63, and probe section 6
Numeral 4 substantially corresponds to the support 1, the detecting section 3 and the probe section 4 in the probe of FIG. 1, respectively. In the probe of the present embodiment, the vibration exciting section 62 is provided on the support section or the cantilever section. Is provided. The vibration exciting part 62 and the vibration part 63 are connected by a connecting torsion part 65 having a small torsional rigidity, that is, a small width. In addition, the vibration excitation unit 6
2 and the vibrating part 63 are of a flat plate shape.

【0089】振動励起部62、振動部63、および探針
部64は実質的に同一軸上で同一平面上に連続して形成
され、かつ支持体61とも連続して形成されている。図
1の探針と同様、探針部64は、例えば幅が100〜2
00nm、長さが3μm程度の大きさを有している。探
針部104の先端部分は好ましくは横または斜め方向に
突出しているが、直線的であってもよい。また、探針部
64の先端部分は先鋭化していればより好ましい。
The vibration excitation section 62, the vibration section 63, and the probe section 64 are formed substantially continuously on the same axis on the same plane, and are also formed continuously with the support 61. Like the probe of FIG. 1, the probe portion 64 has a width of 100 to 2 for example.
It has a size of about 00 nm and a length of about 3 μm. The tip portion of the probe portion 104 preferably projects in the lateral or oblique direction, but may be linear. It is more preferable that the tip of the probe portion 64 is sharpened.

【0090】振動励起部62には金属などからなる駆動
用コイル66が形成されており、駆動用コイル66の両
端部は支持体61においてパッド68、69にそれぞれ
接続されている。振動部63には光反射面の代わりに振
動部63の振動状態を検出するための振動検出用コイル
67が形成されている。振動検出用コイル67の両端部
は支持体61においてパッド70、71にそれぞれ接続
されている。
A drive coil 66 made of metal or the like is formed in the vibration excitation section 62, and both ends of the drive coil 66 are connected to pads 68 and 69 on the support 61, respectively. A vibration detection coil 67 for detecting the vibration state of the vibration unit 63 is formed in the vibration unit 63 instead of the light reflecting surface. Both ends of the vibration detecting coil 67 are connected to pads 70 and 71 on the support 61, respectively.

【0091】このような構成を有する探針は振動部63
の幅方向と平行な磁場中に設置される。更に、パッド6
8および69間に交流電流を流して駆動用コイル66が
形成された振動励起部62にねじれの方向にローレンツ
力を生じさせ、かつパッド68および69間に流す電流
の向きを探針のねじれ共振周波数と等しい周波数で変化
させる。これによって、振動励起部62、振動部63、
および探針部64をねじれ共振状態に励振することがで
きる。このような探針のねじれ振動に伴い、振動部63
の検出用コイル67を通る磁束も変化するので、検出用
コイル67には誘導電流が流れる。従って、パッド70
および71間の電流を検出すれば、振動部63のねじれ
振動の振幅や振動の周波数を検知することができる。
The probe having such a configuration is used for the vibrating section 63.
It is installed in a magnetic field parallel to the width direction of. In addition, pad 6
An AC current is passed between 8 and 69 to generate a Lorentz force in the direction of torsion in the vibration excitation section 62 in which the driving coil 66 is formed, and the direction of the current flowing between the pads 68 and 69 is determined by the torsional resonance of the probe. Change at a frequency equal to the frequency. Thereby, the vibration excitation unit 62, the vibration unit 63,
And the probe part 64 can be excited to a torsional resonance state. With such torsional vibration of the probe, the vibrating portion 63
Since the magnetic flux passing through the detection coil 67 changes, an induced current flows through the detection coil 67. Therefore, pad 70
By detecting the current between the oscillating section 63 and the oscillating section 71, the amplitude and frequency of the torsional vibration of the vibrating section 63 can be detected.

【0092】探針の探針部64と試料との間に相互作用
力が生じれば、探針部64が力の方向に引き寄せられ、
探針部64および振動部63は回転軸から外れる。それ
に伴い慣性モーメントが増大するので、探針の振動部6
3のねじれ振動の状態すなわち振幅や周波数が変化す
る。この探針の振動部63のねじれ振動の振幅や周波数
の変化は振動部63の検出用コイル67を流れる誘導電
流により検出することができる。従って、検出用コイル
67を流れる誘導電流の大小や周波数を検出することに
より、探針の探針部64と試料との間の相互作用力を検
出し、試料形状をイメージングすることが可能となる。
When an interaction force is generated between the probe portion 64 of the probe and the sample, the probe portion 64 is drawn in the direction of the force,
The probe part 64 and the vibrating part 63 deviate from the rotation axis. Accordingly, the moment of inertia increases.
3, the state of the torsional vibration, that is, the amplitude and the frequency change. The change in the amplitude and frequency of the torsional vibration of the vibrating portion 63 of the probe can be detected by the induced current flowing through the detection coil 67 of the vibrating portion 63. Therefore, by detecting the magnitude and frequency of the induced current flowing through the detection coil 67, the interaction force between the probe portion 64 of the probe and the sample can be detected, and the shape of the sample can be imaged. .

【0093】図13は本発明の第4の実施形態に係る走
査型プローブ顕微鏡の探針の概念的な正面図である。図
13に示される探針は、探針上に形成されているコイル
の形状以外は、図12の探針とほぼ同様の構成を有す
る。
FIG. 13 is a conceptual front view of a probe of a scanning probe microscope according to a fourth embodiment of the present invention. The probe shown in FIG. 13 has substantially the same configuration as the probe of FIG. 12, except for the shape of the coil formed on the probe.

【0094】図13の探針では、振動励起部62には金
属などからなる2つの駆動用コイル72、73が形成さ
れており、駆動用コイル72、73のそれぞれの両端部
は支持体61においてパッド74、75、76、77に
それぞれ接続されている。
In the probe shown in FIG. 13, two driving coils 72 and 73 made of metal or the like are formed in the vibration excitation section 62, and both ends of the driving coils 72 and 73 are supported by the support 61. The pads are connected to pads 74, 75, 76, and 77, respectively.

【0095】図13の探針においても、図12の探針と
同様、探針を磁場中に設置して駆動用コイル72および
73に流す電流の向きを探針のねじれ共振周波数と等し
い周波数で変化させることにより、探針をねじれ共振状
態に励振し、かつ検出用コイル67を流れる誘導電流の
大小や周波数を検出することにより、探針の探針部64
と試料との間の相互作用力を検出し、試料形状をイメー
ジングすることが可能である。
Also in the probe of FIG. 13, similarly to the probe of FIG. 12, the probe is set in a magnetic field and the direction of the current flowing through the driving coils 72 and 73 is set at a frequency equal to the torsional resonance frequency of the probe. By changing it, the probe is excited into a torsional resonance state, and by detecting the magnitude and frequency of the induced current flowing through the detection coil 67, the probe portion 64 of the probe is detected.
It is possible to detect the interaction force between the sample and the sample, and to image the sample shape.

【0096】図14は本発明の第5の実施形態に係る走
査型プローブ顕微鏡の探針の概念的な正面図である。図
14に示される探針は、検出用コイル67の代わりに振
動検出用圧電薄膜78が形成されている以外は、図13
の探針とほぼ同様の構成を有する。振動検出用圧電薄膜
78は、探針の振動励起部62と振動部63との間の連
結ねじれ部65に一体化して形成され、支持体61のパ
ッド79および80に接続されている。
FIG. 14 is a conceptual front view of a probe of a scanning probe microscope according to a fifth embodiment of the present invention. The probe shown in FIG. 14 is different from the probe shown in FIG. 13 in that a vibration detecting piezoelectric thin film 78 is formed instead of the detecting coil 67.
Has almost the same configuration as that of the probe. The vibration detecting piezoelectric thin film 78 is formed integrally with the coupling torsion portion 65 between the vibration excitation portion 62 and the vibration portion 63 of the probe, and is connected to the pads 79 and 80 of the support 61.

【0097】図14の探針においても、図13の探針と
同様、探針を磁場中に設置して、駆動用コイル72およ
び73に流す電流の向きを探針のねじれ共振周波数と等
しい周波数で変化させることにより、探針をねじれ共振
状態に励振させる。振動検出用圧電薄膜78では、ねじ
れ振動による歪みによって起電力が生じる。この起電力
は、ねじれ振動の振幅や周波数によって変化する。従っ
て、探針の探針部64と試料との間の相互作用力の変化
は、振動検出用圧電薄膜78において生じる起電力の大
小や周波数を検出することによって検知することができ
る。
In the probe of FIG. 14, similarly to the probe of FIG. 13, the probe is set in a magnetic field, and the direction of the current flowing through the driving coils 72 and 73 is set to a frequency equal to the torsional resonance frequency of the probe. , The probe is excited to a torsional resonance state. In the vibration detecting piezoelectric thin film 78, an electromotive force is generated by distortion due to torsional vibration. This electromotive force changes depending on the amplitude and frequency of the torsional vibration. Therefore, the change in the interaction force between the probe portion 64 of the probe and the sample can be detected by detecting the magnitude and frequency of the electromotive force generated in the vibration detecting piezoelectric thin film 78.

【0098】図15は本発明の第6の実施形態に係る走
査型プローブ顕微鏡の探針の概念的な正面図である。図
15に示される探針は、駆動用コイル72、73の代わ
りに駆動用圧電薄膜81、82が形成されている以外
は、図14の探針とほぼ同様の構成を有する。駆動用圧
電薄膜81、82は振動励起部62に一体化して形成さ
れ、それぞれ支持体61のパッド83、84、85、8
6に接続されている。
FIG. 15 is a conceptual front view of a probe of a scanning probe microscope according to a sixth embodiment of the present invention. The probe shown in FIG. 15 has substantially the same configuration as the probe of FIG. 14 except that piezoelectric thin films 81 and 82 for driving are formed instead of the coils 72 and 73 for driving. The driving piezoelectric thin films 81 and 82 are formed integrally with the vibration excitation unit 62, and the pads 83, 84, 85 and 8 of the support 61 are respectively provided.
6 is connected.

【0099】図15の探針においては、駆動用圧電薄膜
81および82に交流電圧を印加することで探針を加振
することができる。探針の探針部64と試料との間の相
互作用力の変化は、図14の探針と同様、振動検出用圧
電薄膜78において生じる起電力の大小や周波数を検出
することによって検知することができる。図15の探針
では、圧電薄膜により探針の加振および振動の検出を行
うので、外部磁場の印加は不要である。
In the probe shown in FIG. 15, the probe can be vibrated by applying an AC voltage to the driving piezoelectric thin films 81 and. The change in the interaction force between the probe portion 64 of the probe and the sample is detected by detecting the magnitude and frequency of the electromotive force generated in the vibration detecting piezoelectric thin film 78, similarly to the probe of FIG. Can be. In the probe shown in FIG. 15, since the excitation and vibration of the probe are detected by the piezoelectric thin film, it is not necessary to apply an external magnetic field.

【0100】図16は本発明の第7の実施形態に係る走
査型プローブ顕微鏡の探針の概念的な正面図である。図
16に示される探針は、振動検出用圧電薄膜78の代わ
りに図13の探針に形成されているような検出用コイル
67が形成されている以外は、図15の探針とほぼ同様
の構成を有する。検出用コイル67は振動部63に形成
され、その両端部はそれぞれ支持体61においてパッド
70、71に接続されている。
FIG. 16 is a conceptual front view of a probe of a scanning probe microscope according to a seventh embodiment of the present invention. The probe shown in FIG. 16 is substantially the same as the probe of FIG. 15 except that a detection coil 67 such as that formed on the probe of FIG. 13 is formed instead of the piezoelectric thin film 78 for vibration detection. It has a configuration of The detection coil 67 is formed on the vibrating section 63, and both ends of the detection coil 67 are connected to the pads 70 and 71 on the support 61, respectively.

【0101】図16の探針においては、図15の探針と
同様、駆動用圧電薄膜81および82に交流電圧を印加
することで探針を加振することができる。また、探針の
探針部64と試料との間の相互作用力の変化は、図13
の探針と同様、磁場中に設置した検出用コイル67を流
れる誘導電流の大小や周波数を検出することにより検知
することができる。
In the probe of FIG. 16, similarly to the probe of FIG. 15, the probe can be vibrated by applying an AC voltage to the driving piezoelectric thin films 81 and 82. The change in the interaction force between the probe portion 64 of the probe and the sample is shown in FIG.
As in the case of the probe described above, the detection can be performed by detecting the magnitude and frequency of the induced current flowing through the detection coil 67 provided in the magnetic field.

【0102】図17は本発明の第8の実施形態に係る走
査型プローブ顕微鏡の探針の概念的な正面図である。図
17に示される探針は、振動検出用コイル67の代わり
に圧電抵抗素子などの抵抗体からなる振動検出用抵抗8
7が形成されている以外は、図13の探針とほぼ同様の
構成を有する。振動検出用抵抗87は、探針の振動励起
部62と振動部63との間の連結ねじれ部65に一体化
して形成され、支持体61のパッド88、89に接続さ
れている。
FIG. 17 is a conceptual front view of a probe of a scanning probe microscope according to an eighth embodiment of the present invention. The probe shown in FIG. 17 has a vibration detecting resistor 8 made of a resistor such as a piezoresistive element instead of the vibration detecting coil 67.
Except for the formation of 7, the probe has substantially the same configuration as the probe of FIG. The vibration detection resistor 87 is formed integrally with the coupling torsion portion 65 between the vibration excitation portion 62 and the vibration portion 63 of the probe, and is connected to the pads 88 and 89 of the support 61.

【0103】図17の探針においては、図13の探針と
同様、探針を磁場中に設置して駆動用コイル72および
73に流す電流の向きを探針のねじれ共振周波数と等し
い周波数で変化させることにより、探針をねじれ共振状
態に励振させる。また、振動検出用抵抗87では、ねじ
れ振動による歪みによって抵抗値が変化する。このた
め、ねじれ振動の振幅や周波数の変化に応じて、振動検
出用抵抗87の抵抗値が変化する。従って、探針の探針
部64と試料との間の相互作用力の変化は、振動検出用
抵抗87の抵抗値の変化を検出することにより検知する
ことができる。
In the probe shown in FIG. 17, similarly to the probe shown in FIG. 13, the probe is set in a magnetic field and the direction of the current flowing through the driving coils 72 and 73 is set at a frequency equal to the torsional resonance frequency of the probe. By changing it, the probe is excited to a torsional resonance state. The resistance of the vibration detecting resistor 87 changes due to distortion caused by torsional vibration. For this reason, the resistance value of the vibration detecting resistor 87 changes according to the change in the amplitude and frequency of the torsional vibration. Therefore, a change in the interaction force between the probe portion 64 of the probe and the sample can be detected by detecting a change in the resistance value of the vibration detection resistor 87.

【0104】図18は本発明の第9の実施形態に係る走
査型プローブ顕微鏡の探針の概念的な正面図である。図
18に示される探針は、振動検出用圧電薄膜78の代わ
りに図17の探針に形成されているような圧電抵抗素子
などの抵抗体からなる振動検出用抵抗87が形成されて
いる以外は、図15の探針とほぼ同様の構成を有する。
FIG. 18 is a conceptual front view of a probe of a scanning probe microscope according to a ninth embodiment of the present invention. The probe shown in FIG. 18 has a vibration detecting resistor 87 made of a resistor such as a piezoresistive element formed on the probe of FIG. 17 instead of the vibration detecting piezoelectric thin film 78. Has almost the same configuration as the probe of FIG.

【0105】図18の探針においては、図15の探針と
同様、駆動用圧電薄膜81および82に交流電圧を印加
することで探針を加振することができる。また、探針の
探針部64と試料との間の相互作用力の変化は、図17
の探針と同様、振動検出用抵抗87の抵抗値の変化を検
出することにより検知することができる。図18の探針
では、外部磁場の印加は不要である。
In the probe shown in FIG. 18, similarly to the probe shown in FIG. 15, the probe can be vibrated by applying an AC voltage to the driving piezoelectric thin films 81 and 82. The change in the interaction force between the probe portion 64 of the probe and the sample is shown in FIG.
As in the case of the probe of the above, it can be detected by detecting a change in the resistance value of the vibration detecting resistor 87. The probe of FIG. 18 does not require application of an external magnetic field.

【0106】図12〜18の探針は、励振構造を探針自
身に備えている。このため、ねじれ共振を励起するの
に、図1の探針の場合のように振動子などの外部機構を
用いる必要はない。また、探針のねじれ共振の振幅また
は周波数の変化を、図1の探針の場合のように光てこ法
では検出しない。このため、走査型プローブ顕微鏡にお
いて、振動子、半導体レーザー、および4分割フォトダ
イオードなどが不要となり、またレーザーから探針の光
反射面を経て4分割フォトダイオードに至る光学経路を
確保する必要もないので、装置の小型化、簡素化が可能
である。光てこ法で必要なレーザービームのアライメン
トなどのわずらわしい調整作業も必要なく、観察または
測定に要する時間の短縮が可能となる。
The probe shown in FIGS. 12 to 18 has an excitation structure in the probe itself. Therefore, it is not necessary to use an external mechanism such as a vibrator to excite torsional resonance as in the case of the probe of FIG. The change in the amplitude or the frequency of the torsional resonance of the probe is not detected by the optical lever method as in the case of the probe of FIG. Therefore, in the scanning probe microscope, an oscillator, a semiconductor laser, a four-division photodiode, and the like are not required, and it is not necessary to secure an optical path from the laser to the four-division photodiode via the light reflecting surface of the probe. Therefore, the device can be reduced in size and simplified. There is no need for troublesome adjustment work such as laser beam alignment required by the optical lever method, and the time required for observation or measurement can be reduced.

【0107】次に、図12〜16の探針の製造方法につ
いて説明する。図19は図12〜16の探針の製造工程
を示す概略図、図20はそれを上からみた場合の概略図
である。
Next, a method of manufacturing the probe shown in FIGS. FIG. 19 is a schematic view showing a manufacturing process of the probe shown in FIGS. 12 to 16, and FIG. 20 is a schematic view when it is viewed from above.

【0108】まず、図2と同様の方法で、半導体基板1
1の両面に例えば厚さ約0.1μmの窒化珪素膜12、
13を形成する。次に、図2とほぼ同様の方法で、窒化
珪素膜12および13をドライエッチング法によりパタ
ーニングし、支持体61、振動励起部62、振動部6
3、および探針部64の形状を形成する(図19
(a)、図20(a))。
First, in the same manner as in FIG.
1, a silicon nitride film 12 having a thickness of about 0.1 μm,
13 is formed. Next, the silicon nitride films 12 and 13 are patterned by a dry etching method in substantially the same manner as in FIG.
3 and the shape of the probe portion 64 are formed (FIG. 19).
(A), FIG. 20 (a)).

【0109】次に、パターン化された窒化珪素膜12上
に、リフトオフ法により、駆動用コイル、振動検出用コ
イル、振動検出用圧電薄膜、駆動用圧電薄膜、およびパ
ッドのうちの必要なものに対応した厚さ約10nmの金
属膜90あるいは金属膜および圧電体薄膜をパターニン
グする(図19(b)、図20(b))。
Next, on the patterned silicon nitride film 12, a required one of a driving coil, a vibration detecting coil, a vibration detecting piezoelectric thin film, a driving piezoelectric thin film, and a pad is formed by a lift-off method. The corresponding metal film 90 or a metal film and a piezoelectric thin film having a thickness of about 10 nm are patterned (FIGS. 19B and 20B).

【0110】最後に、図2とほぼ同様の方法で、水酸化
カリウム(KOH)水溶液などに含浸し、不要な基板1
1の部分を取り除く(図19(c)、図20(c))。
これによって、図12〜16のような駆動用コイル、振
動検出用コイル、振動検出用圧電薄膜、駆動用圧電薄
膜、パッドなどが形成された探針を、半導体技術を利用
して一括して安価に製造することができる。
Finally, the substrate 1 is impregnated with an aqueous solution of potassium hydroxide (KOH) in substantially the same manner as in FIG.
1 is removed (FIGS. 19C and 20C).
Thus, the probe having the driving coil, the vibration detecting coil, the vibration detecting piezoelectric thin film, the driving piezoelectric thin film, the pad, etc. as shown in FIGS. Can be manufactured.

【0111】また、このような製造方法で作成した探針
は探針部の先端が直線的であるが、図3のような方法に
おいて、駆動用コイル、振動検出用コイル、振動検出用
圧電薄膜、駆動用圧電薄膜およびパッドなどに対応した
金属膜あるいは圧電体薄膜をパターニングすることで探
針部の先端部分が横または斜め方向に突出した走査型プ
ローブ顕微鏡の探針を作成することもできる。
Although the tip of the probe formed by such a manufacturing method is linear, a driving coil, a vibration detecting coil, and a vibration detecting piezoelectric thin film are used in the method shown in FIG. By patterning a metal film or a piezoelectric thin film corresponding to a driving piezoelectric thin film and a pad, it is also possible to form a probe of a scanning probe microscope in which a tip portion of a probe portion protrudes laterally or obliquely.

【0112】次に、図17の探針の製造方法について説
明する。図21は図17の探針の製造工程を示す概略図
である。
Next, a method of manufacturing the probe shown in FIG. 17 will be described. FIG. 21 is a schematic view showing a manufacturing process of the probe of FIG.

【0113】まず、例えば厚さ約500μmの単結晶シ
リコン基板101と、例えば厚さ約500nmの酸化珪
素膜102と、例えば厚さ約200nmの単結晶シリコ
ン層103とからなるSOI基板を準備し、この基板の
両面を酸化して例えば厚さ約50nmの酸化珪素膜10
4、105を形成する。
First, an SOI substrate including a single-crystal silicon substrate 101 having a thickness of, for example, about 500 μm, a silicon oxide film 102 having a thickness of, for example, about 500 nm, and a single-crystal silicon layer 103 having a thickness of, for example, about 200 nm is prepared. Both surfaces of this substrate are oxidized to, for example, a silicon oxide film 10 having a thickness of about 50 nm.
4 and 105 are formed.

【0114】次に、基板上面の酸化珪素膜104を湿式
エッチング法により部分的に除去して開口106を形成
する。
Next, the opening 106 is formed by partially removing the silicon oxide film 104 on the upper surface of the substrate by a wet etching method.

【0115】次に、開口106を介して、シリコン層1
03の露出した部分に熱拡散法により例えばボロンなど
を拡散し、図17の振動検出用抵抗87に対応する抵抗
体107を形成する(図21(a))。
Next, the silicon layer 1 is
For example, boron or the like is diffused into the exposed portion of the substrate 03 by a thermal diffusion method to form a resistor 107 corresponding to the vibration detecting resistor 87 of FIG. 17 (FIG. 21A).

【0116】次に、基板上面が酸化珪素膜108で覆わ
れるように基板を再び酸化する(図21(b))。
Next, the substrate is oxidized again so that the upper surface of the substrate is covered with the silicon oxide film 108 (FIG. 21B).

【0117】次に、基板上面の酸化珪素膜108を部分
的に湿式エッチングにより除去し、図17の支持体6
1、振動励起部62、振動部63、探針部64に対応す
る形状にパターニングする。更に、シリコン層103の
露出した部分をTMAH水溶液やKOH水溶液などのシ
リコンエッチング液で除去してパターニングする(図2
1(c))。このときの基板の上面からみた概念図を図
21(g)に示してある。
Next, the silicon oxide film 108 on the upper surface of the substrate is partially removed by wet etching, and the support 6 shown in FIG.
1. Patterning into a shape corresponding to the vibration excitation section 62, the vibration section 63, and the probe section 64. Further, the exposed portion of the silicon layer 103 is removed and patterned using a silicon etching solution such as a TMAH aqueous solution or a KOH aqueous solution (FIG. 2).
1 (c)). FIG. 21 (g) is a conceptual diagram of the substrate as viewed from above.

【0118】次に、パターニングしたシリコン層103
の側壁部分に酸化珪素膜を形成し、シリコン層103の
上面および側壁が酸化珪素膜109で覆われるようにす
る。次に、抵抗体107が露出するよう酸化珪素膜10
9を部分的に除去し、開口110を形成する(図21
(d))。
Next, the patterned silicon layer 103
A silicon oxide film is formed on the side wall of the silicon layer 103 so that the upper surface and the side wall of the silicon layer 103 are covered with the silicon oxide film 109. Next, the silicon oxide film 10 is exposed so that the resistor 107 is exposed.
9 is partially removed to form an opening 110 (FIG. 21).
(D)).

【0119】次に、リフトオフ法により、駆動用コイ
ル、パッド、振動検出用抵抗とパッドとの間の配線など
に対応する金属膜111をパターニングする。金属膜1
11には例えば、金、ニクロム、アルミニウムどを用い
ることができる。また、金属膜111は開口110を介
して抵抗体107にも接触している(図21(e))。
このときの基板の上面からみた概念図を図21(h)に
示してある。
Next, the metal film 111 corresponding to the driving coil, the pad, the wiring between the vibration detecting resistor and the pad, and the like is patterned by the lift-off method. Metal film 1
For example, gold, nichrome, aluminum or the like can be used for 11. The metal film 111 is also in contact with the resistor 107 via the opening 110 (FIG. 21E).
FIG. 21 (h) is a conceptual diagram of the substrate as viewed from above.

【0120】次に、基板の裏面の酸化珪素膜105を部
分的に除去し、シリコン基板101の露出した部分をT
MAH水溶液やKOH水溶液などのシリコンエッチング
液で除去する(図21(f))。これにより、図17の
ような駆動用コイル、振動検出用抵抗、パッドなどが形
成された探針を、半導体技術を利用して一括して安価に
製造することができる。
Next, the silicon oxide film 105 on the back surface of the substrate is partially removed, and the exposed portion of the silicon
It is removed with a silicon etching solution such as an MAH aqueous solution or a KOH aqueous solution (FIG. 21F). As a result, the probe on which the driving coil, the vibration detecting resistor, the pad, and the like as shown in FIG. 17 are formed can be collectively and inexpensively manufactured using the semiconductor technology.

【0121】次に、図18の探針の製造方法について説
明する。図22は、図18の探針の製造方法のうち、特
に駆動用圧電薄膜、パッド、パッドと駆動用圧電薄膜ま
たは振動検出用抵抗との間の配線を形成する方法を示す
概念図である。また、図22(a)は図21(d)を上
面からみた図に対応するものである。図18の探針は、
駆動用圧電薄膜とパッドの形成以外は、図17の探針と
ほぼ同様の方法で製造することができる。
Next, a method of manufacturing the probe shown in FIG. 18 will be described. FIG. 22 is a conceptual diagram showing a method of forming the piezoelectric thin film for driving, a pad, and wiring between the pad and the piezoelectric thin film for driving or the resistance for vibration detection among the manufacturing methods of the probe of FIG. FIG. 22A corresponds to FIG. 21D as viewed from above. The probe of FIG.
Except for the formation of the piezoelectric thin film for driving and the pad, it can be manufactured by a method substantially similar to the probe of FIG.

【0122】まず、図22(a)に示される基板上に、
リフトオフ法により、パッド84、86、88および8
9と、駆動用圧電薄膜81および82の下部電極と、振
動検出用抵抗87とパッド88および89との間の配線
と、駆動用圧電薄膜81および82とパッド84および
86との間の配線に対応する部分に下部金属膜121を
パターニングする(図22(b))。
First, on the substrate shown in FIG.
The pads 84, 86, 88 and 8 are lifted off by the lift-off method.
9, the lower electrodes of the driving piezoelectric thin films 81 and 82, the wiring between the vibration detecting resistor 87 and the pads 88 and 89, and the wiring between the driving piezoelectric thin films 81 and 82 and the pads 84 and 86. The lower metal film 121 is patterned on the corresponding portions (FIG. 22B).

【0123】次に、下部金属膜121の駆動用圧電薄膜
81および82の下部電極に対応する部分上に圧電体薄
膜122をパターニングする(図22(c))。
Next, the piezoelectric thin film 122 is patterned on portions of the lower metal film 121 corresponding to the lower electrodes of the driving piezoelectric thin films 81 and 82 (FIG. 22C).

【0124】次に、パッド83および85と、駆動用圧
電薄膜81および82とパッド83および85との間の
配線とに対応する部分と、圧電体薄膜122上とに上部
金属膜123をパターニングする(図22(d))。
Next, the upper metal film 123 is patterned on the portions corresponding to the pads 83 and 85, the wiring between the driving piezoelectric thin films 81 and 82 and the pads 83 and 85, and on the piezoelectric thin film 122. (FIG. 22D).

【0125】これによって、金属膜で挟まれた圧電体薄
膜よりなる駆動用圧電薄膜などを形成することができ
る。図21に示される製造方法において、金属膜111
の代わりに図21に示される下部金属膜121、圧電体
薄膜122、および上部金属膜123を形成すれば、図
18のような駆動用圧電薄膜、振動検出用抵抗、パッド
などが形成された探針を製造することができる。
As a result, it is possible to form a driving piezoelectric thin film composed of a piezoelectric thin film sandwiched between metal films. In the manufacturing method shown in FIG.
When the lower metal film 121, the piezoelectric thin film 122, and the upper metal film 123 shown in FIG. 21 are formed instead of FIG. Needles can be manufactured.

【0126】次に、図12〜18に示される探針を用い
た走査型プローブ顕微鏡の全体の構成について説明す
る。図23は、図12〜18に示される探針を用いた走
査型プローブ顕微鏡の全体構成図であり、図24は図2
3の走査型プローブ顕微鏡の動作の概略を示すブロック
図である。なお、図5および6の走査型プローブ顕微鏡
の構成物と同じものに対しては同じ符号を付してある。
Next, the overall configuration of a scanning probe microscope using the probe shown in FIGS. 12 to 18 will be described. FIG. 23 is an overall configuration diagram of a scanning probe microscope using the probe shown in FIGS. 12 to 18, and FIG.
FIG. 6 is a block diagram illustrating an outline of an operation of the scanning probe microscope 3. The same components as those of the scanning probe microscope in FIGS. 5 and 6 are denoted by the same reference numerals.

【0127】図5の走査型プローブ顕微鏡とは異なり、
図23の走査型プローブ顕微鏡においては、探針の支持
体61は、直接Z軸方向駆動用PZT31の自由端側に
保持または接着されている。Z軸方向駆動用PZT素子
31の他端は、ブロック32に固定されている。圧電体
素子であるX軸方向駆動用PZT素子33およびY軸方
向駆動用PZT素子34のそれぞれの自由端は共にブロ
ック32に固定され、それぞれの固定端はフレーム35
に固定されている。フレーム35は3つのマイクロメー
ター36より支えられている。また、図5にあるクリッ
プ30、振動子39、半導体レーザー6、ミラー37、
および4分割フォトダイオード7などは不要である。
Unlike the scanning probe microscope of FIG.
In the scanning probe microscope of FIG. 23, the support 61 of the probe is directly held or adhered to the free end side of the PZT 31 for driving in the Z-axis direction. The other end of the Z-axis direction driving PZT element 31 is fixed to a block 32. The free ends of the PZT element 33 for driving in the X-axis direction and the PZT element 34 for driving in the Y-axis direction, both of which are piezoelectric elements, are fixed to the block 32.
It is fixed to. The frame 35 is supported by three micrometers 36. Also, the clip 30, the vibrator 39, the semiconductor laser 6, the mirror 37 shown in FIG.
Also, the four-division photodiode 7 and the like are unnecessary.

【0128】このような構成の走査型プローブ顕微鏡は
次のような動作により、試料5の表面形状のイメージン
グを行う。まず、図12〜14、16、17の探針を用
いた場合は、図示しない電磁石などによって、静止状態
の探針の振動部63と平行な方向の磁場(図23の場合
はX軸方向)を発生させ、探針が磁場中に保持されるよ
うにする。また、図15および18の探針を用いた場合
はこのような磁場は不要である。
The scanning probe microscope having such a configuration performs imaging of the surface shape of the sample 5 by the following operation. First, when the probe shown in FIGS. 12 to 14, 16, and 17 is used, a magnetic field in a direction parallel to the vibrating portion 63 of the stationary probe (in the X-axis direction in FIG. 23) by an electromagnet (not shown) or the like. To cause the probe to be held in the magnetic field. When the probe shown in FIGS. 15 and 18 is used, such a magnetic field is unnecessary.

【0129】次に、DSP40により発生された励振信
号によって制御される信号発生器91は、探針のねじれ
共振周波数に対応する交流信号を出力する。加振電源9
2は信号発生器91の出力信号を入力し、増幅した信号
を出力して、探針の振動励起部62に形成された駆動用
コイルまたは駆動用圧電薄膜に入力する。これによっ
て、探針を加振し、探針にねじれ共振を励起する。
Next, the signal generator 91 controlled by the excitation signal generated by the DSP 40 outputs an AC signal corresponding to the torsional resonance frequency of the probe. Excitation power supply 9
Numeral 2 receives an output signal of the signal generator 91, outputs an amplified signal, and inputs the amplified signal to a driving coil or a driving piezoelectric thin film formed in the vibration excitation unit 62 of the probe. As a result, the probe is vibrated, and torsional resonance is excited in the probe.

【0130】一方、DSP40により発生された探針駆
動信号は、DA変換回路41により電圧に変換され、ハ
イボルテージアンプ42により昇圧された後、探針駆動
用のPZT素子33および34に印加される。これによ
って、探針が試料の平面方向に移動し、探針の探針部6
4と試料5との相対距離が変化する。従って、試料5と
探針の探針部64との間の相互作用力が変化し、探針の
ねじれ共振周波数や振幅も変化する。
On the other hand, the probe drive signal generated by the DSP 40 is converted into a voltage by the DA conversion circuit 41, boosted by the high voltage amplifier 42, and then applied to the probe driving PZT elements 33 and 34. . As a result, the probe moves in the plane direction of the sample, and the probe portion 6 of the probe is moved.
The relative distance between the sample 4 and the sample 5 changes. Accordingly, the interaction force between the sample 5 and the probe portion 64 of the probe changes, and the torsional resonance frequency and amplitude of the probe also change.

【0131】探針のねじれ振動に応じて、探針の振動部
63に設けられた振動検出用コイルあるいは探針の連結
ねじれ部に設けられた振動検出用圧電薄膜または振動検
出用抵抗によって生じる電圧信号は、試料5と探針の探
針部64との間の相互作用力の情報を含んでいる。この
電圧信号は、プリアンプ43で増幅され、ロックインア
ンプ44に入力される。
In accordance with the torsional vibration of the probe, the voltage generated by the vibration detecting coil provided in the vibrating portion 63 of the probe or the piezoelectric thin film or the vibration detecting resistor provided in the connecting torsion of the probe. The signal includes information on the interaction force between the sample 5 and the probe portion 64 of the probe. This voltage signal is amplified by the preamplifier 43 and input to the lock-in amplifier 44.

【0132】ロックインアンプ44は、加振周波数成分
(すなわち信号発生器91が出力した交流信号の周波数
と同じ周波数の成分)または加振周波数と僅かに異なる
周波数成分を増幅して出力する。ロックインアンプ44
により増幅された探針のねじれ振動の周波数や振幅に対
応した信号は、AD変換器45によりデジタル化され、
DSP40に入力される。
The lock-in amplifier 44 amplifies and outputs an excitation frequency component (ie, a component having the same frequency as the frequency of the AC signal output from the signal generator 91) or a frequency component slightly different from the excitation frequency. Lock-in amplifier 44
The signal corresponding to the frequency and amplitude of the torsional vibration of the probe amplified by is digitized by the AD converter 45,
Input to the DSP 40.

【0133】DSP40内部では試料5と探針の探針部
64との間の相互作用力の変化に対応して試料5と探針
の探針部64との相対距離を一定に保つサーボの計算が
行われ、フィードバック信号がDA変換回路41および
ハイボルテージアンプ42を経てZ軸方向駆動用PZT
31に印加される。このフィードバック信号は試料5の
表面形状を反映するものであり、DSP40につながれ
たパソコン47によってディスプレイに表示され、デー
タは記憶される。
In the DSP 40, a servo calculation for keeping the relative distance between the sample 5 and the probe 64 constant corresponding to the change in the interaction force between the sample 5 and the probe 64 of the probe. Is performed, and the feedback signal is passed through the DA conversion circuit 41 and the high-voltage amplifier 42 so that the PZT
31 is applied. This feedback signal reflects the surface shape of the sample 5, is displayed on a display by a personal computer 47 connected to the DSP 40, and the data is stored.

【0134】具体的な実施形態をあげたが、本発明は前
述の実施形態には限定されない。また、本発明は、原子
間力顕微鏡に限らず、例えば探針の探針部の先端に金属
膜などの導電膜や磁性体膜を形成すれば、走査型トンネ
ル顕微鏡、走査型電気容量顕微鏡、走査型静電気力顕微
鏡、走査型磁気力顕微鏡など、種々の走査型プローブ顕
微鏡において適用することができる。
Although a specific embodiment has been described, the present invention is not limited to the above-described embodiment. Further, the present invention is not limited to the atomic force microscope, for example, if a conductive film such as a metal film or a magnetic film is formed at the tip of the probe portion of the probe, a scanning tunneling microscope, a scanning capacitance microscope, The present invention can be applied to various scanning probe microscopes such as a scanning electrostatic force microscope and a scanning magnetic force microscope.

【0135】[0135]

【発明の効果】以上のように、請求項1〜11記載の発
明によれば、半導体試料の微細な溝などに容易に差し入
れることが可能で、かつ試料との間の相互作用を的確に
検出することが可能な走査型プローブ顕微鏡の探針を提
供することができる。
As described above, according to the first to eleventh aspects of the present invention, it is possible to easily insert the semiconductor sample into a fine groove or the like, and to accurately determine the interaction with the sample. A probe of a scanning probe microscope capable of detecting the probe can be provided.

【0136】請求項12〜15記載の発明によれば、半
導体製造技術を用い、細く鋭い先端または探針部を有す
る走査型プローブ顕微鏡の探針を容易かつ安定して製造
することができる。探針の大量生産も容易で、製品の低
コスト化が可能である。
According to the present invention, a probe of a scanning probe microscope having a thin and sharp tip or a probe can be easily and stably manufactured by using a semiconductor manufacturing technique. The mass production of the probe is easy, and the cost of the product can be reduced.

【0137】請求項16〜21記載の発明によれば、走
査型プローブ顕微鏡の探針と試料との間に作用する力を
非接触で高感度に検出することができる。また、探針を
試料の微細な溝に差し入れる場合にも空間的な制約は少
ない。試料の垂直な側壁と探針との間の相互作用力も的
確に検出することができるので、微細な凹凸形状を有す
る試料を精密に観察または測定することが可能となる。
According to the present invention, the force acting between the probe of the scanning probe microscope and the sample can be detected with high sensitivity without contact. Also, there is little spatial restriction when inserting the probe into the fine groove of the sample. Since the interaction force between the vertical side wall of the sample and the probe can also be accurately detected, it is possible to precisely observe or measure the sample having fine irregularities.

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

【図1】本発明の第1の実施形態に係る走査型プローブ
顕微鏡の探針を概念的に示す斜視図である。
FIG. 1 is a perspective view conceptually showing a probe of a scanning probe microscope according to a first embodiment of the present invention.

【図2】図1の探針の探針部の先端部分が直線的な場合
の製造工程を示す概略図である。
FIG. 2 is a schematic view showing a manufacturing process when a tip portion of a probe portion of the probe of FIG. 1 is linear.

【図3】図1の探針の探針部の先端部分が斜め方向に突
出している場合の製造工程を示す概略図である。
FIG. 3 is a schematic view showing a manufacturing process in a case where a tip portion of a probe portion of the probe of FIG. 1 projects in an oblique direction.

【図4】図1の探針を用いて探針と試料との間に作用す
る力を検出する方法を概念的に示す斜視図である。
FIG. 4 is a perspective view conceptually showing a method of detecting a force acting between the probe and the sample using the probe of FIG.

【図5】図1の探針を用いた走査型プローブ顕微鏡の全
体構成図である。
5 is an overall configuration diagram of a scanning probe microscope using the probe of FIG. 1;

【図6】図5の走査型プローブ顕微鏡の動作を示すブロ
ック図である。
6 is a block diagram showing the operation of the scanning probe microscope of FIG.

【図7】図1の探針と試料との間に作用する力を非接触
で検出するための方法を示す概念図である。
7 is a conceptual diagram showing a method for detecting a force acting between a probe and a sample in FIG. 1 in a non-contact manner.

【図8】物体が軸から角度θだけ傾いた状態を示す概念
図である。
FIG. 8 is a conceptual diagram showing a state in which an object is inclined from an axis by an angle θ.

【図9】図1の探針を試料に対して傾斜させて走査する
ことで試料形状をイメージングする様子を示す概念図で
ある。
FIG. 9 is a conceptual diagram showing a state in which the shape of the sample is imaged by scanning the probe of FIG. 1 at an angle with respect to the sample.

【図10】本発明の第2の実施形態に係る走査型プロー
ブ顕微鏡の探針を概念的に示す斜視図である。
FIG. 10 is a perspective view conceptually showing a probe of a scanning probe microscope according to a second embodiment of the present invention.

【図11】図10の走査型プローブ顕微鏡の探針の製造
工程を示す概略図である。
FIG. 11 is a schematic view showing a manufacturing process of a probe of the scanning probe microscope of FIG.

【図12】本発明の第3の実施形態に係る走査型プロー
ブ顕微鏡の探針を概念的に示す正面図である。
FIG. 12 is a front view conceptually showing a probe of a scanning probe microscope according to a third embodiment of the present invention.

【図13】本発明の第4の実施形態に係る走査型プロー
ブ顕微鏡の探針を概念的に示す正面図である。
FIG. 13 is a front view conceptually showing a probe of a scanning probe microscope according to a fourth embodiment of the present invention.

【図14】本発明の第5の実施形態に係る走査型プロー
ブ顕微鏡の探針を概念的に示す正面図である。
FIG. 14 is a front view conceptually showing a probe of a scanning probe microscope according to a fifth embodiment of the present invention.

【図15】本発明の第6の実施形態に係る走査型プロー
ブ顕微鏡の探針を概念的に示す正面図である。
FIG. 15 is a front view conceptually showing a probe of a scanning probe microscope according to a sixth embodiment of the present invention.

【図16】本発明の第7の実施形態に係る走査型プロー
ブ顕微鏡の探針を概念的に示す正面図である。
FIG. 16 is a front view conceptually showing a probe of a scanning probe microscope according to a seventh embodiment of the present invention.

【図17】本発明の第8の実施形態に係る走査型プロー
ブ顕微鏡の探針を概念的に示す正面図である。
FIG. 17 is a front view conceptually showing a probe of a scanning probe microscope according to an eighth embodiment of the present invention.

【図18】本発明の第9の実施形態に係る走査型プロー
ブ顕微鏡の探針を概念的に示す正面図である。
FIG. 18 is a front view conceptually showing a probe of a scanning probe microscope according to a ninth embodiment of the present invention.

【図19】図11〜16の走査型プローブ顕微鏡の探針
の製造工程を示す概略図である。
FIG. 19 is a schematic view showing a manufacturing process of a probe of the scanning probe microscope of FIGS.

【図20】図19を上から見た概略図である。FIG. 20 is a schematic view of FIG. 19 as viewed from above.

【図21】図17の走査型プローブ顕微鏡の探針の製造
工程を示す概略図である。
FIG. 21 is a schematic view showing a manufacturing process of a probe of the scanning probe microscope of FIG.

【図22】図18の走査型プローブ顕微鏡の探針の駆動
用圧電薄膜およびパッドの形成工程を示す概略図であ
る。
FIG. 22 is a schematic view showing a step of forming a piezoelectric thin film for driving a probe and a pad of the scanning probe microscope of FIG. 18;

【図23】図12〜18の探針を用いた走査型プローブ
顕微鏡の全体構成図である。
FIG. 23 is an overall configuration diagram of a scanning probe microscope using the probe of FIGS.

【図24】図23の走査型プローブ顕微鏡の動作を示す
ブロック図である。
24 is a block diagram showing the operation of the scanning probe microscope of FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 支持体 2 カンチレバー部 3 検出部 4 探針部 5 トレンチ 6 半導体レーザー 7 分割型フォトダイオード 8 ファンデルワールス力 9 中心軸 11 半導体基板 12、13 窒化珪素膜 14 レジスト膜 15 金層 16 ミラー部分 17 レジスト膜 18 薄膜部 19 くびれ部分 20 開口 21 溝 22 傾斜面 23、24 窒化珪素膜 30 クリップ 31 Z軸方向駆動用PZT素子 32 ブロック 33 X軸方向駆動用PZT素子 34 Y軸方向駆動用PZT素子 35 フレーム 36 マイクロメーター 37 ミラー 38 電気回路 39 振動子 40 デジタルシグナルプロセッサ 41 DA変換回路 42 ハイボルテージアンプ 43 プリアンプ 44 ロックインアンプ 45 AD変換器 46 発振回路 47 パソコン 48 物体 49 軸 50 試料 51 配線 52、53 パッド 61 支持体 62 振動励起部 63 振動部 64 探針部 65 連結ねじれ部 66 駆動用コイル 67 振動検出用コイル 68〜71 パッド 72、73 駆動用コイル 74〜77 パッド 78 振動検出用圧電薄膜 79、80 パッド 81、82 駆動用圧電薄膜 83〜86 パッド 87 振動検出用抵抗 88、89 パッド 90 金属膜 91 信号発生器 92 加振電源 101 シリコン基板 102 酸化珪素膜 103 シリコン層 104、105 酸化珪素膜 106 開口 107 抵抗体 108、109 酸化珪素膜 110 開口 111 金属膜 121 下部金属膜 122 圧電体薄膜 123 上部金属膜 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Support body 2 Cantilever part 3 Detection part 4 Probe part 5 Trench 6 Semiconductor laser 7 Split type photodiode 8 Van der Waals force 9 Central axis 11 Semiconductor substrate 12, 13 Silicon nitride film 14 Resist film 15 Gold layer 16 Mirror part 17 Resist film 18 Thin film portion 19 Constricted portion 20 Opening 21 Groove 22 Inclined surface 23, 24 Silicon nitride film 30 Clip 31 PZT element for driving in Z-axis direction 32 Block 33 PZT element for driving in X-axis direction 34 PZT element for driving in Y-axis direction 35 Frame 36 Micrometer 37 Mirror 38 Electric circuit 39 Transducer 40 Digital signal processor 41 DA conversion circuit 42 High voltage amplifier 43 Preamplifier 44 Lock-in amplifier 45 AD converter 46 Oscillation circuit 47 Personal computer 48 Object 49 Axis 50 Sample 5 Wiring 52, 53 Pad 61 Supporting body 62 Vibration excitation part 63 Vibration part 64 Probe part 65 Connection torsion part 66 Driving coil 67 Vibration detecting coil 68-71 Pad 72, 73 Driving coil 74-77 Pad 78 Vibration detecting Piezoelectric thin film 79, 80 Pad 81, 82 Piezoelectric thin film for driving 83 to 86 Pad 87 Resistance for vibration detection 88, 89 Pad 90 Metal film 91 Signal generator 92 Vibration power supply 101 Silicon substrate 102 Silicon oxide film 103 Silicon layer 104, 105 Silicon oxide film 106 Opening 107 Resistor 108, 109 Silicon oxide film 110 Opening 111 Metal film 121 Lower metal film 122 Piezoelectric thin film 123 Upper metal film

Claims (21)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 支持部と、 探針部と、 前記支持部と前記探針部との間に設けられ、前記探針部
と試料との相互作用を検出する検出部と、 を具備し、前記検出部および探針部が実質的に同一軸上
に形成されていることを特徴とする走査型プローブ顕微
鏡の探針。
1. A support unit, a probe unit, and a detection unit provided between the support unit and the probe unit, for detecting an interaction between the probe unit and a sample, The probe of a scanning probe microscope, wherein the detection section and the probe section are formed substantially on the same axis.
【請求項2】 前記検出部は光を反射する光反射部を有
することを特徴とする請求項1に記載の走査型プローブ
顕微鏡の探針。
2. The probe according to claim 1, wherein the detection unit includes a light reflection unit that reflects light.
【請求項3】 前記検出部に少なくとも1つのコイルパ
ターンを有することを特徴とする請求項1に記載の走査
型プローブ顕微鏡の探針。
3. The probe according to claim 1, wherein the detection unit has at least one coil pattern.
【請求項4】 前記検出部に圧電薄膜を有することを特
徴とする請求項1に記載の走査型プローブ顕微鏡の探
針。
4. The probe according to claim 1, wherein the detection section has a piezoelectric thin film.
【請求項5】 前記検出部に抵抗体を有することを特徴
とする請求項1に記載の走査型プローブ顕微鏡の探針。
5. The probe according to claim 1, wherein the detection section has a resistor.
【請求項6】 前記支持部、検出部、および探針部が実
質的に同一平面上に形成されていることを特徴とする請
求項1に記載の走査型プローブ顕微鏡の探針。
6. The probe according to claim 1, wherein the support, the detector, and the probe are formed on substantially the same plane.
【請求項7】 支持体と、探針部と、前記支持体と探針
部とを接続するカンチレバーとを備え、前記探針部に該
探針部の中心軸を中心とした共振運動をさせるときの質
量部を前記カンチレバーに設けたことを特徴とする走査
型プローブ顕微鏡の探針。
7. A probe, comprising a support, a probe portion, and a cantilever connecting the support and the probe portion, and causing the probe portion to resonate around a central axis of the probe portion. A probe for a scanning probe microscope, wherein a mass part at the time is provided on the cantilever.
【請求項8】 支持体と、探針部と、前記支持体と探針
とを接続するカンチレバーとを備え、前記カンチレバー
に前記探針部の変位を検出するための光反射部を前記探
針部と同一平面上となるように設け、前記探針部を幅2
00nm以下かつ長さ1μm以上に形成したことを特徴
とする走査型プローブ顕微鏡の探針。
8. A probe, comprising: a support, a probe portion, and a cantilever connecting the support and the probe, wherein the cantilever is provided with a light reflecting portion for detecting displacement of the probe portion. The probe is provided on the same plane as the
A probe for a scanning probe microscope, wherein the probe is formed to be not more than 00 nm and not less than 1 μm in length.
【請求項9】 支持体と、 該支持体につながる振動励起部と、 該振動励起部につながる振動部と、 該振動部につながりかつ該振動部より幅の狭い探針部
と、 を具備し、前記振動励起部、振動部、および探針部が実
質的に同一軸上に形成されていることを特徴とする走査
型プローブ顕微鏡の探針。
9. A support, a vibration excitation unit connected to the support, a vibration unit connected to the vibration excitation unit, and a probe unit connected to the vibration unit and having a smaller width than the vibration unit. A probe for a scanning probe microscope, wherein the vibration excitation section, the vibration section, and the probe section are formed substantially on the same axis.
【請求項10】 前記振動励起部、振動部、および探針
部が前記支持体から突出した一体薄膜プレートからなる
ことを特徴とする請求項9に記載の走査型プローブ顕微
鏡の探針。
10. The probe according to claim 9, wherein the vibration excitation section, the vibration section, and the probe section are formed of an integral thin film plate protruding from the support.
【請求項11】 前記振動励起部に駆動用コイルパター
ンまたは駆動用圧電薄膜を有することを特徴とする請求
項9または10のいずれかに記載の走査型プローブ顕微
鏡の探針。
11. The probe of a scanning probe microscope according to claim 9, wherein the vibration excitation section has a driving coil pattern or a driving piezoelectric thin film.
【請求項12】 半導体基板を準備する段階、 前記半導体基板上に第1の層を形成する段階、 前記第1の層上に第2の層を形成する段階、 前記第2の層をパターン化して第1の部分、第2の部
分、第3の部分、第4の部分、および第5の部分を有す
るパターン化された第2の層を形成する段階であって、
前記第1の部分は前記第2の部分に向かって先細りの形
状を有し、前記第2の部分は前記第1の部分に向かって
先細りの形状を有し、それによって前記第1の部分およ
び第2の部分が接して幅が狭められた部位を形成し、前
記第3の部分は前記第2の部分と接しかつ前記第2の部
分より広い幅を有し、前記第4の部分は前記第3の部分
と接しかつ前記第3の部分より狭い幅を有し、そして前
記第5の部分は前記第4の部分と接しかつ前記第4の部
分より広い幅を有しているもの、 前記パターン化された第2の層をマスクとして、前記第
1の層をエッチングする段階、 前記パターン化された第2の層を除去する段階、 前記半導体基板の少なくとも一部分を除去する段階、 を具備することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の探
針の作製方法。
12. preparing a semiconductor substrate, forming a first layer on the semiconductor substrate, forming a second layer on the first layer, patterning the second layer. Forming a patterned second layer having a first portion, a second portion, a third portion, a fourth portion, and a fifth portion, comprising:
The first portion has a shape that tapers toward the second portion, and the second portion has a shape that tapers toward the first portion, whereby the first portion and The second portion is in contact with and forms a narrowed portion, the third portion is in contact with the second portion and has a wider width than the second portion, and the fourth portion is The third portion is in contact with the third portion and has a width smaller than the third portion, and the fifth portion is in contact with the fourth portion and has a wider width than the fourth portion; Etching the first layer using the patterned second layer as a mask, removing the patterned second layer, and removing at least a portion of the semiconductor substrate. A method for manufacturing a probe of a scanning probe microscope, characterized by comprising:
【請求項13】 半導体基板を準備する段階、 前記半導体基板上に第1の層を形成する段階、 前記第1の層上に第2の層を形成する段階、 前記第2の層をパターン化して開口部を形成する段階、 前記パターン化された第2の層および前記開口部上に金
属層を形成する段階、 前記パターン化された第2の層を前記パターン化された
第2の層上の前記金属層とともに除去し、それによって
前記開口部に対応する位置でかつ前記第1の層上に前記
金属層からなる金属部分を形成する段階、 前記第1の層および前記金属部分上に第3の層を形成す
る段階、 前記第3の層をパターン化して第1の部分、第2の部
分、第3の部分、第4の部分、および第5の部分を有す
るパターン化された第3の層を形成する段階であって、
前記第1の部分は前記第2の部分に向かって先細りの形
状を有し、前記第2の部分は前記第1の部分に向かって
先細りの形状を有し、それによって前記第1の部分およ
び第2の部分が接して幅が狭められた部位を形成し、前
記第3の部分は前記金属部分を覆いながら前記第2の部
分と接しかつ前記第2の部分より広い幅を有し、前記第
4の部分は前記第3の部分と接しかつ前記第3の部分よ
り狭い幅を有し、そして前記第5の部分は前記第4の部
分と接しかつ前記第4の部分より広い幅を有しているも
の、 前記パターン化された第3の層をマスクとして、前記第
1の層をエッチングする段階、 前記パターン化された第3の層を除去する段階、 前記半導体基板の少なくとも一部分を除去する段階、 を具備することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の探
針の作製方法。
13. preparing a semiconductor substrate, forming a first layer on the semiconductor substrate, forming a second layer on the first layer, patterning the second layer. Forming an opening by forming a metal layer on the patterned second layer and the opening; forming the patterned second layer on the patterned second layer; Forming a metal part made of the metal layer at a position corresponding to the opening and on the first layer, thereby forming a metal part on the first layer and the metal part. Forming a third layer; patterning the third layer to form a patterned third having a first portion, a second portion, a third portion, a fourth portion, and a fifth portion. Forming a layer of
The first portion has a shape that tapers toward the second portion, and the second portion has a shape that tapers toward the first portion, whereby the first portion and A second portion is in contact with the first portion to form a narrowed portion, the third portion is in contact with the second portion while covering the metal portion, and has a wider width than the second portion; A fourth portion is in contact with the third portion and has a smaller width than the third portion, and the fifth portion is in contact with the fourth portion and has a wider width than the fourth portion. Etching the first layer using the patterned third layer as a mask; removing the patterned third layer; removing at least a portion of the semiconductor substrate Scanning probe, comprising: How to make a microscope probe.
【請求項14】 半導体基板を準備する段階の後でかつ
前記半導体基板上に第1の層を形成する段階の前に、前
記半導体基板をエッチングして前記半導体基板に傾斜部
と平坦部を形成する段階を具備し、前記第1の部分およ
び第2の部分は少なくとも部分的に前記半導体基板の傾
斜部上にあり、前記第3の部分、第4の部分、および第
5の部分は前記半導体基板の平坦部上にあり、そして前
記第1の部分および第2の部分が接する前記幅が狭めら
れた部位が前記半導体基板の傾斜部上にあることを特徴
とする請求項12または13のいずれかに記載の走査型
プローブ顕微鏡の探針の作製方法。
14. After the step of preparing the semiconductor substrate and before the step of forming the first layer on the semiconductor substrate, the semiconductor substrate is etched to form an inclined portion and a flat portion on the semiconductor substrate. And wherein the first portion and the second portion are at least partially on an inclined portion of the semiconductor substrate, and wherein the third portion, the fourth portion, and the fifth portion are the semiconductor portions. 14. The semiconductor device according to claim 12, wherein the reduced-width portion on the flat portion of the substrate and where the first portion and the second portion contact each other is on an inclined portion of the semiconductor substrate. A method for producing a probe for a scanning probe microscope according to any one of the above.
【請求項15】 前記半導体基板がシリコン基板であ
り、かつ前記第1の層が窒化珪素層または酸化珪素層の
いずれかであることを特徴とする請求項12〜14のい
ずれか1項に記載の走査型プローブ顕微鏡の探針の作製
方法。
15. The semiconductor device according to claim 12, wherein the semiconductor substrate is a silicon substrate, and the first layer is one of a silicon nitride layer and a silicon oxide layer. Method for manufacturing a probe of a scanning probe microscope.
【請求項16】 探針に、該探針の中心軸を中心とした
所定の往復回転運動をさせ、前記往復回転運動の変化を
検出することにより前記探針に作用する力を検出するこ
とを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の力検出方法。
16. A method of causing a probe to make a predetermined reciprocating rotational movement about a central axis of the probe, and detecting a force acting on the probe by detecting a change in the reciprocating rotational movement. Characteristic force detection method for scanning probe microscope.
【請求項17】 支持体と、該支持体から突出しかつ実
質的に同一軸上に形成された支持部、該支持部につなが
りかつ該支持部より幅の広い検出部、および該検出部に
つながりかつ該検出部より幅の狭い探針部とを有する探
針を用いた走査型プローブ顕微鏡の力検出方法であっ
て、前記検出部にねじれ共振を励起し、かつ前記検出部
の慣性モーメントの変化を検出することによって前記探
針部に作用する力を検出することを特徴とする走査型プ
ローブ顕微鏡の力検出方法。
17. A support, a support protruding from the support and formed substantially coaxially, a detector connected to the support and wider than the support, and connected to the detector. And a force detecting method of a scanning probe microscope using a probe having a probe portion narrower than the detecting portion, wherein a torsional resonance is excited in the detecting portion, and a change in the moment of inertia of the detecting portion. Detecting a force acting on the probe section by detecting the force.
【請求項18】 支持体と、該支持体から突出しかつ実
質的に同一軸上に形成された支持部、該支持部につなが
りかつ該支持部より幅の広い検出部、および該検出部に
つながりかつ該検出部より幅の狭い探針部とを有する探
針を用いた走査型プローブ顕微鏡の力検出方法であっ
て、前記検出部にねじれ共振を励起し、かつ前記検出部
のねじれ方向の振幅の変化を検出することによって前記
探針部に作用する力を検出することを特徴とする走査型
プローブ顕微鏡の力検出方法。
18. A support, a support protruding from the support and formed substantially coaxially, a detector connected to the support and wider than the support, and connected to the detector. A force detecting method for a scanning probe microscope using a probe having a probe portion having a width smaller than that of the detecting portion, wherein a torsional resonance is excited in the detecting portion, and an amplitude of the detecting portion in a torsional direction is provided. A force detecting method for a scanning probe microscope, wherein a force acting on the probe portion is detected by detecting a change in the force.
【請求項19】 支持体と、該支持体から突出しかつ実
質的に同一軸上に形成された支持部、該支持部につなが
りかつ該支持部より幅の広い検出部、および該検出部に
つながりかつ該検出部より幅の狭い探針部とを有する探
針を用いた走査型プローブ顕微鏡の力検出方法であっ
て、前記検出部にねじれ共振を励起し、かつ前記検出部
のねじれ共振の周波数変化を検出することによって前記
探針部に作用する力を検出することを特徴とする走査型
プローブ顕微鏡の力検出方法。
19. A support, a support protruding from the support and formed substantially on the same axis, a detector connected to the support and wider than the support, and connected to the detector. And a force detecting method for a scanning probe microscope using a probe having a probe portion narrower than the detection portion, wherein a torsional resonance is excited in the detection portion, and a frequency of the torsional resonance of the detection portion. A force detecting method for a scanning probe microscope, wherein a force acting on the probe portion is detected by detecting a change.
【請求項20】 前記支持体を振動子で加振することに
よって前記ねじれ共振を励起させることを特徴とする請
求項17〜19のいずれか1項に記載の走査型プローブ
顕微鏡の力検出方法。
20. The force detection method for a scanning probe microscope according to claim 17, wherein the torsional resonance is excited by exciting the support with a vibrator.
【請求項21】 前記支持部に駆動用圧電薄膜または駆
動用コイルパターンを形成した振動励起部を設け、前記
駆動用圧電薄膜に交流電流を流すことによってまたは前
記探針を外部磁場中に設置しかつ前記駆動用コイルパタ
ーンに交流電流を流すことによって前記ねじれ共振を励
起させることを特徴とする請求項17〜19のいずれか
1項に記載の走査型プローブ顕微鏡の力検出方法。
21. A vibration excitation section having a driving piezoelectric thin film or a driving coil pattern formed on the support section, and the probe is set in an external magnetic field by passing an alternating current through the driving piezoelectric thin film. 20. The force detection method for a scanning probe microscope according to claim 17, wherein the torsional resonance is excited by passing an alternating current through the driving coil pattern.
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