JPH11352136A - プローブ及びこのプローブを用いた顕微鏡 - Google Patents
プローブ及びこのプローブを用いた顕微鏡Info
- Publication number
- JPH11352136A JPH11352136A JP10158758A JP15875898A JPH11352136A JP H11352136 A JPH11352136 A JP H11352136A JP 10158758 A JP10158758 A JP 10158758A JP 15875898 A JP15875898 A JP 15875898A JP H11352136 A JPH11352136 A JP H11352136A
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- Japan
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- cantilever
- probe
- resistor
- deflection
- resistance
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 カンチレバーのたわみを抵抗値の変化により
検出するプローブにおいて、抵抗値の温度による悪影響
を取り除いて正確なたわみのデータを得る。 【構成】 カンチレバー１１に形成した抵抗体１３の抵
抗値の変化から、カンチレバーのたわみを検出するプロ
ーブにおいて、カンチレバー１１に熱電対１４、１５を
設け、抵抗体１３の温度依存性を補償したプローブであ
る。
検出するプローブにおいて、抵抗値の温度による悪影響
を取り除いて正確なたわみのデータを得る。 【構成】 カンチレバー１１に形成した抵抗体１３の抵
抗値の変化から、カンチレバーのたわみを検出するプロ
ーブにおいて、カンチレバー１１に熱電対１４、１５を
設け、抵抗体１３の温度依存性を補償したプローブであ
る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術の分野】本発明は、プローブとプロ
ーブを有する顕微鏡に関し、カンチレバーのたわみを抵
抗体の抵抗値の変化により検出するプローブに適用して
好適なものである。
ーブを有する顕微鏡に関し、カンチレバーのたわみを抵
抗体の抵抗値の変化により検出するプローブに適用して
好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、半導体基板や光学素子基板の評価
が原子間力顕微鏡によって行われている。特に、高集積
化する半導体素子に形成した溝（トレンチ）の深さや形
状を測定するために、原子間力顕微鏡が注目されてい
る。多くの場合、観察試料への損傷を避けるため、探針
を試料に接触させない観察モードであるノンコンタクト
モードが用いられている。この測定モードは、薄膜カン
チレバーをその共振点近傍で振動させ、カンチレバーに
設けられた探針と試料間に作用する遠距離引力（主にフ
ンデルワールス力）により振動振幅の減少を検出し、こ
の値が一定になるように探針を三次元方向に走査させ
て、試料表面の凹凸像を計測している。特にこの計測方
法では、各測定点における振動振幅の値はロックインア
ンプを用いて計測し、特定周波数で振動するカンチレバ
ーの複数の振動を検出し、複数の振動（波）の振幅の平
均値をもって測定値とする。一般に測定時の振動振幅は
２０ｎｍ程度で、探針試料間距離は数ｎｍに保たれてお
り、用いる振動周波数はカンチレバーの共振周波数であ
る。カンチレバーの振動振幅の検出方法としては、
（１）レーザー光を用い、カンチレバーからの反射光の
位置移動からカンチレバーのたわみを検出する光てこ法
と、（２）カンチレバーに組み込まれた抵抗体の抵抗値
の変化よりカンチレバーのたわみを検出する抵抗検出法
とがある。装置の小型化を目指す場合には、抵抗検出法
が採用されている。図2に抵抗検出法における従来のカ
ンチレバーの構成と計測方法を示した。抵抗検出法で
は、支持体２４と、支持体２４から延設したカンチレバ
ー２１と、カンチレバー２１先端領域に設けられた探針
２２と、カンチレバー２１に設けられた無負荷状態の抵
抗体の抵抗をＲとする抵抗体２３と、からなるプローブ
が用いられている。抵抗体２３は、パッド２３ａ、 ２
３ｂを介してホイーストンブリッジ回路の端子Ａ−Ｄ間
に接続される。端子Ａ−Ｃ間には抵抗Ｒ１が、端子Ｂ−
Ｃ間には抵抗Ｒ１が、そして端子Ｂ−Ｄ間には抵抗Ｒが
それぞれ接続されている。端子Ａ−Ｂ間には電圧Ｖが印
加され、端子Ｃ−Ｄがアンプ２５の入力端子に接続され
る。その結果、カンチレバー２１の抵抗値の変化ΔＲを
出力電圧Ｖoutとして読み取ることができる。この出力
電圧Ｖoutはカンチレバー２１のたわみ（試料の表面の
凹凸）を表す。
が原子間力顕微鏡によって行われている。特に、高集積
化する半導体素子に形成した溝（トレンチ）の深さや形
状を測定するために、原子間力顕微鏡が注目されてい
る。多くの場合、観察試料への損傷を避けるため、探針
を試料に接触させない観察モードであるノンコンタクト
モードが用いられている。この測定モードは、薄膜カン
チレバーをその共振点近傍で振動させ、カンチレバーに
設けられた探針と試料間に作用する遠距離引力（主にフ
ンデルワールス力）により振動振幅の減少を検出し、こ
の値が一定になるように探針を三次元方向に走査させ
て、試料表面の凹凸像を計測している。特にこの計測方
法では、各測定点における振動振幅の値はロックインア
ンプを用いて計測し、特定周波数で振動するカンチレバ
ーの複数の振動を検出し、複数の振動（波）の振幅の平
均値をもって測定値とする。一般に測定時の振動振幅は
２０ｎｍ程度で、探針試料間距離は数ｎｍに保たれてお
り、用いる振動周波数はカンチレバーの共振周波数であ
る。カンチレバーの振動振幅の検出方法としては、
（１）レーザー光を用い、カンチレバーからの反射光の
位置移動からカンチレバーのたわみを検出する光てこ法
と、（２）カンチレバーに組み込まれた抵抗体の抵抗値
の変化よりカンチレバーのたわみを検出する抵抗検出法
とがある。装置の小型化を目指す場合には、抵抗検出法
が採用されている。図2に抵抗検出法における従来のカ
ンチレバーの構成と計測方法を示した。抵抗検出法で
は、支持体２４と、支持体２４から延設したカンチレバ
ー２１と、カンチレバー２１先端領域に設けられた探針
２２と、カンチレバー２１に設けられた無負荷状態の抵
抗体の抵抗をＲとする抵抗体２３と、からなるプローブ
が用いられている。抵抗体２３は、パッド２３ａ、 ２
３ｂを介してホイーストンブリッジ回路の端子Ａ−Ｄ間
に接続される。端子Ａ−Ｃ間には抵抗Ｒ１が、端子Ｂ−
Ｃ間には抵抗Ｒ１が、そして端子Ｂ−Ｄ間には抵抗Ｒが
それぞれ接続されている。端子Ａ−Ｂ間には電圧Ｖが印
加され、端子Ｃ−Ｄがアンプ２５の入力端子に接続され
る。その結果、カンチレバー２１の抵抗値の変化ΔＲを
出力電圧Ｖoutとして読み取ることができる。この出力
電圧Ｖoutはカンチレバー２１のたわみ（試料の表面の
凹凸）を表す。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】原子間力顕微鏡による
測定は、一定の温度環境で実施するのは不可能であり、
また抵抗変化を検出するため抵抗体に電流を流す必要が
あるため、カンチレバーのジュール熱による発熱と大気
揺らぎ（対流）によるカンチレバーからの熱放散量の揺
らぎのため、カンチレバーの温度はドリフトや揺らぎを
もつ。周知のように物質の抵抗値は、温度変化により変
化するため、このような状態で計測したカンチレバーの
たわみのデータには、たわみによるもの以外に温度変化
による抵抗値の変化が含まれてしまうため、正確な表面
形状が測定できないという欠点を有していた。本発明は
このような事情に鑑み、温度変化による悪影響を取り除
いて、正確なたわみのデータを得ることを目的とする。
測定は、一定の温度環境で実施するのは不可能であり、
また抵抗変化を検出するため抵抗体に電流を流す必要が
あるため、カンチレバーのジュール熱による発熱と大気
揺らぎ（対流）によるカンチレバーからの熱放散量の揺
らぎのため、カンチレバーの温度はドリフトや揺らぎを
もつ。周知のように物質の抵抗値は、温度変化により変
化するため、このような状態で計測したカンチレバーの
たわみのデータには、たわみによるもの以外に温度変化
による抵抗値の変化が含まれてしまうため、正確な表面
形状が測定できないという欠点を有していた。本発明は
このような事情に鑑み、温度変化による悪影響を取り除
いて、正確なたわみのデータを得ることを目的とする。
【０００４】
【課題を解決する手段】前記課題を解決するために、請
求項１に記載の発明は、薄膜状カンチレバーに形成した
抵抗体の抵抗値の変化から前記カンチレバーのたわみを
検出するプローブにおいて、前記カンチレバーに熱電対
を設けたプローブを提供する。また、請求項２に記載の
本発明は、薄膜状カンチレバーに形成した抵抗体の抵抗
値の変化から前記カンチレバーのたわみを検出するプロ
ーブを有する顕微鏡において、前記カンチレバーに熱電
対を設けると共に、前記抵抗値から得られる前記カンチ
レバーのたわみに依存した信号を、前記熱電対で検出し
た温度に依存した信号で補正して、温度に依存しない前
記たわみにのみ依存した信号を得る演算器を設けた顕微
鏡を提供する。
求項１に記載の発明は、薄膜状カンチレバーに形成した
抵抗体の抵抗値の変化から前記カンチレバーのたわみを
検出するプローブにおいて、前記カンチレバーに熱電対
を設けたプローブを提供する。また、請求項２に記載の
本発明は、薄膜状カンチレバーに形成した抵抗体の抵抗
値の変化から前記カンチレバーのたわみを検出するプロ
ーブを有する顕微鏡において、前記カンチレバーに熱電
対を設けると共に、前記抵抗値から得られる前記カンチ
レバーのたわみに依存した信号を、前記熱電対で検出し
た温度に依存した信号で補正して、温度に依存しない前
記たわみにのみ依存した信号を得る演算器を設けた顕微
鏡を提供する。
【０００５】
【発明の実施の形態】以下本発明の一実施の形態による
プローブについて、図面を参照して説明する。図1は、
本発明のプローブの一実施の形態である。図1（ａ）は
本発明のプローブの概念的な上面図、図1（ｂ）は図1
（ａ）のＡ−Ａ断面図、図1（ｃ）は本発明のプローブ
の概念的な側面図である。本実施の形態のプローブは、
支持体１０と、支持体１０から延設されたカンチレバー
１１と、抵抗体薄膜１３と、探針部１２と、熱電対を構
成する金属材料１４と１５とからなる。また、支持体１
０の上面には、抵抗体薄膜１３と接続される金属パッド
１３ａと１３ｂ、さらに金属材料14と接続される金属パ
ッド１４ａ、金属材料１５と接続される金属パッド１５
ａをもつ。本発明のプローブは、半導体の製造技術を利
用して、一括大量生産が可能である。図5は、本発明の
プローブの一実施例の製造方法を示す概略工程図を示
す。はじめに厚さ２５０μｍのシリコン基板５１の両面
に酸化珪素膜５２ａ、５２ｂ、を形成する（図５ａ）。
次にこの酸化膜を５２ａを部分的に除去してマスク５３
を設け（図５ｂ）、露出したシリコンをＫＯＨなどの水
溶液によりエッチングして突起５４を形成した（図５
ｃ）。次に、基板両面の酸化膜５２ａ、５２ｂを除去し
て、厚さ０．７μmの窒化珪素膜５５、５６をＬＰＣＶ
Ｄ法により成膜した（図5ｄ）。その後、リフトオフ法
を用いて、金、ニクロム、白金等の金属あるいは金属酸
化膜等の抵抗体１３と、白金、金、ニクロム、チタン、
クロメル、アルメル、白金ロジウム合金などで代表され
る材料から選んだ任意の異種材料の組み合わせからなる
熱電対薄膜１４、１５（薄膜１４は不図視）をリフトオ
フ法によりパターニングする（図５ｅ）。熱電対薄膜１
４，１５の形成に関しては、図１ｂに示したように、異
なる熱電対薄膜１４，１５をカンチレバー上で重ねて成
膜する。この基板５１の上面の窒化珪素膜５５をドライ
エッチング法により支持体１０とカンチレバー１１の形
状にパターニングした（図５ｆ）。カンチレバー１１の
サイズは、長さ１００μｍ、幅４０μｍとしたが、これ
に限定されるものではない。さらに、裏面の窒化珪素膜
５６もドライエッチング法により、支持体形状をパター
ニングした（図５ｆ）。最後に、基板５１をＴＭＡＨや
ＫＯＨなどのシリコンのエッチング液に侵漬して、不必
要なシリコン部分を溶出させることで、図１のプローブ
を得た。図３は、抵抗体の代表として金の電気抵抗（体
積抵抗率）の温度依存性を示す図である。このように、
抵抗体が置かれた温度環境に抵抗値が依存しているため
に、温度環境の変化の激しい測定環境や、精密な測定を
行う場合には、抵抗体の温度依存性を補正する必要があ
る。図４は、図１のプローブを用いて計測した信号の補
正回路を示す。図４では、電気回路のみを示すために、
プローブから抵抗体１３と、熱電対１４，１５のみを示
した。図２の従来技術と異なる点は、熱電対１４，１５
によるカンチレバー１１の温度信号を増幅する増幅器４
４と補正演算回路４５とを設けた点である。抵抗体１３
の抵抗値の変化は従来と同様にホイーストンブリッジ回
路の出力（端子Ｃ−Ｄ間の電圧）を増幅器２５で増幅し
たＶｏｕｔである。増幅器２５の出力であるＶｏｕｔ
は、試料表面の凹凸の情報が温度による抵抗値の変化の
影響を受けたものである。増幅器２５の出力は、演算器
４５に導入される。熱電対１４、１５の出力即ち熱起電
力は増幅器４４により増幅され温度信号Ｖｔとなる。演
算器４５は、抵抗体１３の温度係数と熱電対１４，１５
の出力特性で決まる補正係数ｋを予め有し、増幅器２５
の出力信号Ｖｏｕｔを、補正係数ｋと熱起電力Ｖｔの積
で除し、温度変化による抵抗変化を補正した凹凸信号Ｓ
を演算し、出力する。
プローブについて、図面を参照して説明する。図1は、
本発明のプローブの一実施の形態である。図1（ａ）は
本発明のプローブの概念的な上面図、図1（ｂ）は図1
（ａ）のＡ−Ａ断面図、図1（ｃ）は本発明のプローブ
の概念的な側面図である。本実施の形態のプローブは、
支持体１０と、支持体１０から延設されたカンチレバー
１１と、抵抗体薄膜１３と、探針部１２と、熱電対を構
成する金属材料１４と１５とからなる。また、支持体１
０の上面には、抵抗体薄膜１３と接続される金属パッド
１３ａと１３ｂ、さらに金属材料14と接続される金属パ
ッド１４ａ、金属材料１５と接続される金属パッド１５
ａをもつ。本発明のプローブは、半導体の製造技術を利
用して、一括大量生産が可能である。図5は、本発明の
プローブの一実施例の製造方法を示す概略工程図を示
す。はじめに厚さ２５０μｍのシリコン基板５１の両面
に酸化珪素膜５２ａ、５２ｂ、を形成する（図５ａ）。
次にこの酸化膜を５２ａを部分的に除去してマスク５３
を設け（図５ｂ）、露出したシリコンをＫＯＨなどの水
溶液によりエッチングして突起５４を形成した（図５
ｃ）。次に、基板両面の酸化膜５２ａ、５２ｂを除去し
て、厚さ０．７μmの窒化珪素膜５５、５６をＬＰＣＶ
Ｄ法により成膜した（図5ｄ）。その後、リフトオフ法
を用いて、金、ニクロム、白金等の金属あるいは金属酸
化膜等の抵抗体１３と、白金、金、ニクロム、チタン、
クロメル、アルメル、白金ロジウム合金などで代表され
る材料から選んだ任意の異種材料の組み合わせからなる
熱電対薄膜１４、１５（薄膜１４は不図視）をリフトオ
フ法によりパターニングする（図５ｅ）。熱電対薄膜１
４，１５の形成に関しては、図１ｂに示したように、異
なる熱電対薄膜１４，１５をカンチレバー上で重ねて成
膜する。この基板５１の上面の窒化珪素膜５５をドライ
エッチング法により支持体１０とカンチレバー１１の形
状にパターニングした（図５ｆ）。カンチレバー１１の
サイズは、長さ１００μｍ、幅４０μｍとしたが、これ
に限定されるものではない。さらに、裏面の窒化珪素膜
５６もドライエッチング法により、支持体形状をパター
ニングした（図５ｆ）。最後に、基板５１をＴＭＡＨや
ＫＯＨなどのシリコンのエッチング液に侵漬して、不必
要なシリコン部分を溶出させることで、図１のプローブ
を得た。図３は、抵抗体の代表として金の電気抵抗（体
積抵抗率）の温度依存性を示す図である。このように、
抵抗体が置かれた温度環境に抵抗値が依存しているため
に、温度環境の変化の激しい測定環境や、精密な測定を
行う場合には、抵抗体の温度依存性を補正する必要があ
る。図４は、図１のプローブを用いて計測した信号の補
正回路を示す。図４では、電気回路のみを示すために、
プローブから抵抗体１３と、熱電対１４，１５のみを示
した。図２の従来技術と異なる点は、熱電対１４，１５
によるカンチレバー１１の温度信号を増幅する増幅器４
４と補正演算回路４５とを設けた点である。抵抗体１３
の抵抗値の変化は従来と同様にホイーストンブリッジ回
路の出力（端子Ｃ−Ｄ間の電圧）を増幅器２５で増幅し
たＶｏｕｔである。増幅器２５の出力であるＶｏｕｔ
は、試料表面の凹凸の情報が温度による抵抗値の変化の
影響を受けたものである。増幅器２５の出力は、演算器
４５に導入される。熱電対１４、１５の出力即ち熱起電
力は増幅器４４により増幅され温度信号Ｖｔとなる。演
算器４５は、抵抗体１３の温度係数と熱電対１４，１５
の出力特性で決まる補正係数ｋを予め有し、増幅器２５
の出力信号Ｖｏｕｔを、補正係数ｋと熱起電力Ｖｔの積
で除し、温度変化による抵抗変化を補正した凹凸信号Ｓ
を演算し、出力する。
【０００６】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
温度変化による悪影響を取り除いて、正確なたわみのデ
ータを得ることができる。
温度変化による悪影響を取り除いて、正確なたわみのデ
ータを得ることができる。
【図１】図１は、本発明のプローブの一実施の形態を示
す概念図である。図１（ａ）は、本発明のプローブの上
面図、図１（ｂ）は図１（ａ）Ａ−Ａ断面図、図１
（ｃ）は本発明のプローブの側面図である。
す概念図である。図１（ａ）は、本発明のプローブの上
面図、図１（ｂ）は図１（ａ）Ａ−Ａ断面図、図１
（ｃ）は本発明のプローブの側面図である。
【図２】従来のプローブの構成と計測回路を示す図であ
る。
る。
【図３】薄膜抵抗体の体積抵抗率の温度依存性を示す図
である。
である。
【図４】本発明の計測回路の一実施の態様を示す図であ
る。
る。
【図５】本発明の一実施の形態のプローブの製造工程図
である。
である。
１０…支持体 １１、２１…カンチレバー １２、２２…探針部 １３、２３…抵抗体 １４、１５…熱電対材料薄膜 ２５、４４…増幅器 ４５…演算回路 ５１…シリコン基板 ５２ａ、５２ｂ…酸化珪素膜 ５３…マスク ５４…突起 ５５、５６…窒化珪素膜 ４４
Claims (2)
- 【請求項１】 薄膜状カンチレバーに形成した抵抗体の
抵抗値の変化から前記カンチレバーのたわみを検出する
プローブにおいて、前記カンチレバーに熱電対を設けた
ことを特徴とするプローブ。 - 【請求項２】 薄膜状カンチレバーに形成した抵抗体の
抵抗値の変化から前記カンチレバーのたわみを検出する
プローブを有する顕微鏡において、前記カンチレバーに
熱電対を設けると共に、前記抵抗値から得られる前記カ
ンチレバーのたわみに依存した信号を、前記熱電対で検
出した温度に依存した信号で補正して、温度に依存しな
い前記たわみにのみ依存した信号を得る演算器を設けた
ことを特徴とする顕微鏡。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10158758A JPH11352136A (ja) | 1998-06-08 | 1998-06-08 | プローブ及びこのプローブを用いた顕微鏡 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10158758A JPH11352136A (ja) | 1998-06-08 | 1998-06-08 | プローブ及びこのプローブを用いた顕微鏡 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11352136A true JPH11352136A (ja) | 1999-12-24 |
Family
ID=15678710
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10158758A Pending JPH11352136A (ja) | 1998-06-08 | 1998-06-08 | プローブ及びこのプローブを用いた顕微鏡 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH11352136A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2003096409A1 (en) * | 2002-05-08 | 2003-11-20 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Semiconductor probe with resistive tip and method of fabricating the same, and information recording apparatus, information reproducing apparatus, and information measuring apparatus having the semiconductor probe |
| JP2007532923A (ja) * | 2004-04-15 | 2007-11-15 | カリフォルニア インスティテュート オブ テクノロジー | マイクロメカニクスおよびナノメカニクス装置の金属薄膜ピエゾ抵抗変換および自己感知式ｓｐｍプローブへの応用 |
| JP2009198513A (ja) * | 2001-07-26 | 2009-09-03 | Board Of Trustees Of The Univ Of Illinois | ナノリソグラフィのための平行個別アドレス可能プローブ |
-
1998
- 1998-06-08 JP JP10158758A patent/JPH11352136A/ja active Pending
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009198513A (ja) * | 2001-07-26 | 2009-09-03 | Board Of Trustees Of The Univ Of Illinois | ナノリソグラフィのための平行個別アドレス可能プローブ |
| WO2003096409A1 (en) * | 2002-05-08 | 2003-11-20 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Semiconductor probe with resistive tip and method of fabricating the same, and information recording apparatus, information reproducing apparatus, and information measuring apparatus having the semiconductor probe |
| US7141999B2 (en) | 2002-05-08 | 2006-11-28 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Semiconductor probe with resistive tip and method of fabricating the same, and information recording apparatus, information reproducing apparatus, and information measuring apparatus having the semiconductor probe |
| US7442571B2 (en) | 2002-05-08 | 2008-10-28 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Semiconductor probe with resistive tip and method of fabricating the same, and information recording apparatus, information reproducing apparatus, and information measuring apparatus having the semiconductor probe |
| JP2007532923A (ja) * | 2004-04-15 | 2007-11-15 | カリフォルニア インスティテュート オブ テクノロジー | マイクロメカニクスおよびナノメカニクス装置の金属薄膜ピエゾ抵抗変換および自己感知式ｓｐｍプローブへの応用 |
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