JPH1138020A - Observation method of scanning probe microscope, probe for scanning probe microscope, and scanning probe microscope - Google Patents

Observation method of scanning probe microscope, probe for scanning probe microscope, and scanning probe microscope

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JPH1138020A
JPH1138020A JP19131697A JP19131697A JPH1138020A JP H1138020 A JPH1138020 A JP H1138020A JP 19131697 A JP19131697 A JP 19131697A JP 19131697 A JP19131697 A JP 19131697A JP H1138020 A JPH1138020 A JP H1138020A
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JP
Japan
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probe
elastic member
sample
scanning
microscope
Prior art date
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Application number
JP19131697A
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Japanese (ja)
Inventor
Akitoshi Toda
明敏 戸田
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Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Optical Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a probe for a scanning probe microscope to measure a part of a sample which has a vertical or almost vertical slope angle. SOLUTION: A probe 100 is provided with a support part 101, a cantilever- like elastic member 102 extended from the support part 101, and a probe part 103 formed on the free end of the support part 101. The probe part 103 is plane and triangular, and the thickness is thinner than the elastic member part 102. The normal direction on the surface of the probe part 103, a ridge line connecting between two points 106 and 107, and the normal direction on the surface of the elastic member 102 are parallel. A detection mechanism part 104 which detects the vibration of elastic member part 102 has been installed in the vicinity of the boundary part between the elastic member part 102 and the support part 101. The signals detected by the detection mechanism part 104 are taken out outside through two electrodes 105a and 105b. The detection mechanism part 104 is constituted with, for example, a sensor utilizing the piezo resistance effect.

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、IC半導体の電極
ラインパターン等の段差の側壁の粗さや傾き角を測定す
るための走査型プローブ顕微観察法およびこれを適用し
た走査型プローブ顕微鏡およびこれに用いるプローブに
関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a scanning probe microscopic observation method for measuring the roughness and inclination angle of a side wall of a step such as an electrode line pattern of an IC semiconductor, a scanning probe microscope using the same, and a scanning probe microscope using the same. The probe used.

【0002】[0002]

【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡(SPM)は、プ
ローブすなわち探針を試料表面に1μm以下まで近接さ
せた時、もしくは接触させた時に両者の間に働く相互作
用(例えば、原子間力、接触力など)を検出しながらX
Y方向あるいはXYZ方向に走査、もしくは移動するこ
とにより、その相互作用の二次元マッピングを行なう装
置であり、走査型トンネリング顕微鏡(STM)、原子
間力顕微鏡(AFM)、磁気力顕微鏡(MFM)、走査
型近接場光顕微鏡(SNOM)などの総称である。なか
でもAFMは、試料表面の凹凸情報を得る装置としてS
PMのなかで最も普及している。AFMは、カンチレバ
ー先端に形成した探針(突起)を試料表面に近づけた時
に、探針に働く力により生じるカンチレバーの変位を光
学式センサー等で検出することにより、間接的に試料表
面の凹凸情報を得ている。
2. Description of the Related Art Scanning probe microscopes (SPMs) use the interaction (for example, atomic force, contact force) between a probe or a probe when the probe is brought close to or less than 1 μm to the surface of the sample or when the probe is brought into contact with the sample. X) while detecting force
It is a device that performs two-dimensional mapping of the interaction by scanning or moving in the Y direction or XYZ direction, such as a scanning tunneling microscope (STM), an atomic force microscope (AFM), a magnetic force microscope (MFM), It is a general term for a scanning near-field optical microscope (SNOM) and the like. In particular, the AFM is a device that obtains information on the unevenness of the sample surface.
It is the most popular among PM. The AFM detects indirectly the unevenness of the sample surface by detecting the displacement of the cantilever caused by the force acting on the probe when the probe (protrusion) formed at the tip of the cantilever approaches the sample surface, using an optical sensor or the like. Have gained.

【0003】AFMに用いられる探針は、性能的および
コスト的に有利であることからバッチファブリケーショ
ン技術である半導体プロセスを利用して作製される。例
えば、「Europhys. Lett. 2(1987) p.1281 (T. Albrech
t et al)」には、酸化シリコン薄膜をパターニングして
作製するいわゆるフラットレバーについて報告があり、
また、特開平1−262403には、これを発展させた
いわゆるバーズビーク型のプローブが提案されている。
また、米国特許5399232号に記載されているピラ
ミッド形状の探針を持つ窒化シリコン製のカンチレバー
や米国特許5051379号に記載されているシリコン
製のカンチレバーは、既に製品化されており、市場から
入手可能である。このようなカンチレバーの探針はポイ
ントターミネート(一点終端)された、探針先端の突起
部を実質的な探針として使用しているが、探針全体を眺
めたとき、探針頂角は15度から90度に留まってい
る。
[0003] The probe used in the AFM is manufactured using a semiconductor process which is a batch fabrication technique because of its performance and cost advantages. For example, "Europhys. Lett. 2 (1987) p.1281 (T. Albrech
t et al) "reports on a so-called flat lever made by patterning a silicon oxide thin film.
Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. 1-262403 proposes a so-called bird's beak type probe which is developed from this.
Also, a silicon nitride cantilever having a pyramid-shaped probe described in U.S. Pat. No. 5,399,232 and a silicon cantilever described in U.S. Pat. It is. The probe of such a cantilever uses a point-terminated (one-point terminal) projection at the tip of the probe as a substantial probe. When the entire probe is viewed, the probe apex angle is 15 °. From 90 degrees to 90 degrees.

【0004】半導体ICのデザインルールは256MB
の記憶容量のデバイスで0.25μm則の試作品が作製
され、1GBデバイスでは0.15μm則が適用されよ
うとしている。これに伴ない、素子の形状検査機は、幅
が狭くアスペクト比の大きなものの線幅、さらには全体
形状を正確に測定することが求められている。このよう
な形状測定に走査型プローブ顕微鏡が適用可能として、
盛んに研究が進められている。
The design rule of a semiconductor IC is 256 MB.
A prototype device having a storage capacity of 0.25 μm is manufactured with a device having a storage capacity of, and a 0.15 μm rule is being applied to a 1 GB device. Along with this, a device for inspecting the shape of a device is required to accurately measure a line width of a narrow device having a large aspect ratio and further, an entire shape. As a scanning probe microscope can be applied to such shape measurement,
Research is being actively pursued.

【0005】Yves Martin やH. Kumar Wickramasinghe
は「Apply. Phys. Lett. Vol.64 No.19 (1994) PP.2489
-2500 」において垂直壁を画像化する新しい走査型プロ
ーブ顕微鏡を提案している。これに関する特許としては
日本国特許2501282号がある。この走査型プロー
ブ顕微鏡では、ブーツ型の探針(先端近くの胴がくびれ
た円柱状の探針)を使用することにより、試料の垂直壁
の測定を可能にしている。この様な探針は、前述のポイ
ントターミネートされた探針とは異なり、その先端のフ
レアー部分の異なる点が凹部の両側の側壁との相互作用
を起こす。つまり、ブーツ型の探針には、その先端部に
少なくとも二箇所以上に実質的な探針が存在し、これに
より実質的な探針頂角は0度以下となっている。
[0005] Yves Martin and H. Kumar Wickramasinghe
Is "Apply. Phys. Lett. Vol.64 No.19 (1994) PP.2489
-2500 ”proposes a new scanning probe microscope for imaging vertical walls. A patent related to this is Japanese Patent No. 2501282. In this scanning probe microscope, the vertical wall of the sample can be measured by using a boot-type probe (a cylindrical probe whose body near the tip is narrowed). Such a probe differs from the above-mentioned point-terminated probe in that different points of the flared portion at the tip cause interaction with the side walls on both sides of the concave portion. In other words, the boot-type probe has a substantial probe at at least two or more locations at the distal end thereof, so that the vertical angle of the probe is substantially 0 ° or less.

【0006】ブーツ型の探針は、φ2μm〜φ2.5μ
mのカンチレバー側の部分(太い部分)と、その先につ
ながる細い部分からなり、その細い部分はブーツの様な
形をしている。ブーツ状の部分の寸法は、長さ(高さ)
2.8μm、先端の探針はフレアー部分(先端)でφ3
60nm、それよりカンチレバーに近いくびれた部分で
φ210nmである。
The boot type probe has a diameter of φ2 μm to φ2.5 μm.
It consists of a part (thick part) on the cantilever side of m and a thin part connected to the tip, and the thin part has a shape like a boot. The size of the boot-shaped part is the length (height)
2.8 μm, tip of tip is φ3 at flare (tip)
The diameter is 60 nm, and φ210 nm in a constricted portion closer to the cantilever.

【0007】このプローブを用いて半導体のトレンチ溝
や穴の側壁を測定する時、この探針先端のフレアー部分
が張り出しているので、その部分が試料表面(側壁)に
最も接近する。従って、その様な探針の張り出した部分
と試料表面との間隔を一定に保って、探針を走査するこ
とにより、側壁の面荒れや傾き角度を測定することがで
きる。
When the side wall of a trench or a hole in a semiconductor is measured using this probe, the flare at the tip of the probe is overhanging, so that the portion comes closest to the sample surface (side wall). Therefore, by scanning the probe while keeping the distance between such a protruding portion of the probe and the sample surface constant, it is possible to measure the surface roughness and the inclination angle of the side wall.

【0008】特開平3−104136は、このようなブ
ーツ型の探針の作製方法を開示しており、探針は、単結
晶シリコンウェハーをスタートウェハーとし、フォトリ
ソグラフィーにより作製される。約φ1μm以下の円形
のマスクを形成した後、CF4 ガスでドライエッチング
して、シリコンウェハーをほぼ垂直に掘り下げることに
より、略円柱形状のシリコン製の探針部を形成する。ド
ライエッチングの条件を変化させると、略円柱形状の探
針部分は円柱部中腹が膨らんだり細ったりする。この条
件を選択することにより、円柱部中腹が細った単結晶シ
リコン製の略円柱状の探針を得る。この後、探針部をレ
ジスト等で保護し、レバー部のパターニングとウェハー
裏面からのエッチングを行ない、ブーツ型の探針を有す
るカンチレバーを得ている。
Japanese Unexamined Patent Publication No. 3-104136 discloses a method for manufacturing such a boot-type probe, and the probe is manufactured by photolithography using a single-crystal silicon wafer as a start wafer. After forming a circular mask of about φ1 μm or less, dry etching is performed with CF 4 gas, and the silicon wafer is dug down substantially vertically to form a silicon-shaped probe portion having a substantially cylindrical shape. When the dry etching conditions are changed, the center of the cylindrical portion of the probe bulges or narrows. By selecting these conditions, a substantially cylindrical probe made of single-crystal silicon with a narrow middle portion of the cylindrical portion is obtained. Thereafter, the probe portion is protected by a resist or the like, and patterning of the lever portion and etching from the back surface of the wafer are performed to obtain a cantilever having a boot-type probe.

【0009】一方、AFM用カンチレバーの探針は、測
定(走査)中の試料表面との接触により探針先端が摩耗
したり折れたりする可能性があり、探針材料は安定した
AFM測定を行なうために注意を払う必要がある。例え
ば、松山らは第55回応用物理学会学術講演会にて(予
稿集p.473)において、探針材料の摩耗に関して報告し
ている。単結晶シリコンや窒化シリコンは探針材料とし
て、よく用いられる材料であるが、両者を比較すれば単
結晶シリコンより窒化シリコン膜の方が摩耗し難く、さ
らに窒化シリコン膜の中では、シリコンと窒素とのスト
イキオメトリが3対4の窒化シリコン膜の方が更に摩耗
し難いことを報告している。
On the other hand, the tip of the probe of the cantilever for AFM has a possibility that the tip of the probe is worn or broken due to contact with the sample surface during measurement (scanning), and the probe material performs stable AFM measurement. You need to pay attention to it. For example, Matsuyama et al. Reported at the 55th Annual Conference of the Japan Society of Applied Physics (Preliminary Collection, p.473) on the wear of probe materials. Single crystal silicon and silicon nitride are often used as a probe material, but when compared, silicon nitride films are less likely to wear than single crystal silicon. Report that the silicon nitride film having a stoichiometry of 3 to 4 is more difficult to wear.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】Yves Martin らの垂直
壁を画像化する走査型プローブ顕微鏡によるまでもな
く、通常の走査型プローブ顕微鏡であっても、一般にア
スペクト比の高い試料の側壁の根本部分を出来るだけ正
確に測定するには、探針頂角が小さく、アスペクト比の
高い探針が必要である。
The root portion of the side wall of a sample having a high aspect ratio is not limited to a scanning probe microscope for imaging a vertical wall by Yves Martin et al. In order to measure as accurately as possible, a probe having a small apex angle and a high aspect ratio is required.

【0011】Apply. Phys. Lett. Vol.64 No.19 (1994)
PP.2498-2500 に記載されているYves Martin らの垂直
壁を画像化する走査型プローブ顕微鏡法は、ノンコンタ
クトモードAFMを応用した方法ではあるが、大気中で
の測定の間、ときどき探針が試料表面に接触してしまう
ことがある。すなわち、ノンコンタクトモードAFM測
定法を応用してはいるが、装置のフィードバック回路の
帯域が有限であることから、凹凸の大きな試料やステッ
プ状の段差部を有する試料に対して探針を全く接触させ
ることなく測定することは難しい。このあたり、例え
ば、同論文の著者であるイブ・マーチンらが特開平6−
194154において、探針を励振させながら行なうコ
ンタクトモードAFM法を応用して、同様の段差を持つ
試料の側壁を測定する方法を提案しているという事実
や、ヴァージル・ビー・エリングスらが特開平7−27
0434において、やはり探針を励振させながら行なう
コンタクトモードAFM法を応用して、側壁の測定を行
なえる顕微鏡を提案しているという事実から、完全なノ
ンコンタクトモードAFM測定法による垂直壁の測定の
難しさが推察される。
Apply. Phys. Lett. Vol. 64 No. 19 (1994)
The scanning probe microscopy of Yves Martin et al. For imaging vertical walls, described in PP.2498-2500, is an application of non-contact mode AFM, but occasionally uses a probe during measurements in air. May come into contact with the sample surface. In other words, although the non-contact mode AFM measurement method is applied, since the bandwidth of the feedback circuit of the apparatus is finite, the probe is completely in contact with a sample having large irregularities or a sample having a step-shaped step portion. It is difficult to measure without having to do it. In this regard, for example, the author of the paper, Eve Martin et al.
194154 proposes a method of measuring the side wall of a sample having a similar step by applying the contact mode AFM method performed while exciting the probe, and the fact that Virgil B. Elings et al. −27
0434, a microscope that can measure the side wall by applying the contact mode AFM method, which is also performed while exciting the probe, proposes the measurement of the vertical wall by the complete non-contact mode AFM measurement method. Difficulty is inferred.

【0012】試料に探針が接触すると、探針は摩耗した
り折れたりし、探針の形状が測定中に変化してしまう。
Yves Martin らの垂直壁を画像化する走査型プローブ顕
微鏡法は、例えば前述のように、サブミクロンのパター
ン則の半導体ICの電極パターンの形状測定を行なうの
に用いられるため、探針がわずか数十nm摩耗しただけ
でも、測定結果は10%以上も変化してしまう。このた
め、摩耗などによる探針の形状変化は極めて深刻な問題
である。一般に、測定器は高い再現性を有している必要
があるが、測定器としてYves Martin らの垂直壁を画像
化する走査型プローブ顕微鏡を考えたとき、探針が摩耗
により、この測定データの再現性を失わせることは非常
に問題である。
When the probe comes into contact with the sample, the probe is worn or broken, and the shape of the probe changes during the measurement.
Yves Martin et al.'S scanning probe microscopy for imaging vertical walls is used, for example, to measure the shape of the electrode pattern of a semiconductor IC according to the submicron pattern rule, as described above. Even if worn by only 10 nm, the measurement result changes by 10% or more. Therefore, a change in the shape of the probe due to wear or the like is a very serious problem. In general, measuring instruments need to have high reproducibility, but when considering a scanning probe microscope that images vertical walls by Yves Martin et al. Losing reproducibility is very problematic.

【0013】データの再現性を求めるなら、頻繁に探針
形状を校正することが考えられる。しかしながら、測定
試料を測定する前に、何度も校正のための操作を行なう
ことは、測定器に求められるスループットの点で問題で
ある。校正作業のために単位時間当たりに測定すること
のできる試料数が減ってしまうからである。また、その
校正に校正用の試料を測定と同等な方法を用いて測定す
る校正方法を採用すれば、校正作業中に探針が摩耗した
りして形状変化する可能性もあり、あまり頻繁に校正作
業を行なうのも問題がある。
To obtain the reproducibility of data, it is conceivable to frequently calibrate the probe shape. However, performing the operation for calibration many times before measuring the measurement sample is a problem in terms of the throughput required for the measuring instrument. This is because the number of samples that can be measured per unit time for the calibration work decreases. Also, if a calibration method that measures the sample for calibration using the same method as the measurement is used for the calibration, the probe may be worn out during the calibration work and may change its shape, Performing calibration work is also problematic.

【0014】さらに、Yves Martin らの論文に記載され
ている垂直壁を画像化する走査型プローブ顕微鏡法に用
いる探針は、特開平3−104136に記載されている
ように、単結晶シリコンをエッチングして作製される。
前述のようにシリコンは摩耗のし易い材料であり、摩耗
は探針材料の点からも大きな問題である。
Further, the probe used in the scanning probe microscopy for imaging a vertical wall described in the article by Yves Martin et al. Is a method for etching single crystal silicon as described in JP-A-3-104136. It is produced.
As described above, silicon is a material that easily wears, and wear is a major problem in terms of the probe material.

【0015】Apply Phys. Lett. Vol.64 No.19 (1994)
PP.2498-2500あるいは特開平3−104136に記載さ
れているような、単結晶シリコン製のブーツ型形状をし
た探針を作製するには、ドライエッチングが用いれらて
いるが、一般に数μm以上の深さ方向にわたって横方向
にサブミクロンのパターンニングを行なうためにドライ
エッチングを用いると、作製条件がわずかにずれるだけ
で探針形状が変化してしまうという問題がある。
[0015] Apply Phys. Lett. Vol. 64 No. 19 (1994)
As described in PP.2498-2500 or JP-A-3-104136, dry etching is used to produce a boot-shaped probe made of single crystal silicon, but it is generally several μm or more. When dry etching is used to perform submicron patterning in the horizontal direction over the depth direction, there is a problem that the shape of the probe changes due to a slight shift in manufacturing conditions.

【0016】また、サブミクロンオーダーの測定試料を
測定するにはそれより細い探針を使用する必要がある
が、その様な探針を均一性良く作製することは極めて難
しい。ウェハー間は勿論、一枚のウェハー内でも場所に
よって形状のばらつきが発生する。このことはサブミク
ロンオーダーのパターン則の半導体ICを作製するため
のドライエッチング装置と同等な装置を用いて、それよ
りも細い探針の作製を試みていることを考えれば、その
大変さは容易に理解できる。
Further, in order to measure a measurement sample on the order of submicrons, it is necessary to use a finer probe, but it is extremely difficult to produce such a probe with good uniformity. Not only between wafers, but also within a single wafer, variations in shape occur depending on the location. This is easy considering the fact that we are trying to produce a thinner probe using a device equivalent to a dry etching device for producing semiconductor ICs with a pattern rule on the order of submicrons. Can understand.

【0017】この探針形状(寸法)のばらつきは、最終
的には探針作製において、コストアップにつながり大き
な問題である。すなわち、非常に細かい測定試料凹凸部
分を測定するためには、少なくとも設計の寸法より細い
探針に仕上がっているか否かを、出荷時に慎重に検査す
る必要があるため、検査コストがかさむからである。無
論、探針形状のばらつきは、歩留まりもかなり悪くなる
ことから、さらにコストの上昇を招いてしまう。
The variation in the shape (dimensions) of the probe ultimately leads to an increase in cost in the manufacture of the probe, which is a serious problem. In other words, in order to measure a very fine uneven portion of the measurement sample, it is necessary to carefully inspect whether or not the probe is finished at least in a dimension smaller than the design dimension at the time of shipping, which increases the inspection cost. . Needless to say, variations in the shape of the probe lead to a considerable decrease in yield, which further increases the cost.

【0018】本発明の目的は、試料上の垂直もしくはそ
れに近いスロープ角度を有する部分を測定するための新
規な走査型プローブ顕微観察法およびこれを利用した新
規な走査型プローブ顕微鏡およびこれに用いる新規なプ
ローブを提供することである。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a novel scanning probe microscopic observation method for measuring a portion having a slope angle on a sample that is vertical or close to the sample, a novel scanning probe microscope using the same, and a novel scanning probe microscope using the same. Is to provide a simple probe.

【0019】[0019]

【課題を解決するための手段】本発明の走査型プローブ
顕微観察法は、少なくとも先端が三角形状をした片持ち
梁状の弾性部材を振動させ、振動する弾性部材の自由端
近傍の軌跡を実質的な探針として、この実質的な探針と
試料表面の間に働く相互作用により起こる弾性部材の振
動状態の変化を検出し、この検出情報に基づき前記弾性
部材の振動状態が所定の振動状態となるように前記試料
表面と前記弾性部材との位置関係を制御しながら、前記
試料表面と前記弾性部材を相対的に走査して、試料表面
の情報を得る。
According to the scanning probe microscopic observation method of the present invention, at least a triangular cantilever-shaped elastic member having a triangular tip is vibrated to substantially trace a trajectory near a free end of the vibrating elastic member. As a typical probe, a change in the vibration state of the elastic member caused by the interaction between the substantial probe and the sample surface is detected, and based on the detected information, the vibration state of the elastic member is changed to a predetermined vibration state. While controlling the positional relationship between the sample surface and the elastic member so as to satisfy the following condition, the sample surface and the elastic member are relatively scanned to obtain information on the sample surface.

【0020】本発明の走査型プローブ顕微鏡用プローブ
は、支持部と、該支持部に保持される片持ち梁状の弾性
部材部と、該弾性部材部の自由端に設けられた探針部
と、前記弾性部材の振動状態を検出する検出機構とを有
し、前記探針部の形状が平板三角形状であり、前記探針
部の面法線方向とその先端の二点を結ぶ稜線とが平行で
ある。
A probe for a scanning probe microscope according to the present invention comprises a support, a cantilever-like elastic member held by the support, and a probe provided at a free end of the elastic member. A detecting mechanism for detecting a vibration state of the elastic member, wherein the shape of the probe portion is a triangular flat plate, and a ridge line connecting the normal direction of the surface of the probe portion and two points at the tip thereof. Parallel.

【0021】本発明の走査型プローブ顕微鏡は、前述の
走査型プローブ顕微鏡用プローブと、前記走査型プロー
ブ顕微鏡用プローブに振動を加えて実質的な探針を得る
加振手段と、試料表面と前記実質的な探針の先端との間
の相互作用に基づく前記走査型プローブ顕微鏡用プロー
ブの振動状態の変化を検出する振動検出手段と、前記実
質的な探針と前記試料表面とを相対的に三次元方向に走
査する走査手段と、前記振動検出手段からの情報に応じ
て前記試料表面と前記実質的な探針との間の相互作用を
一定に保つように走査手段を制御する制御手段と、前記
制御手段からの制御信号に基づいて前記試料表面の凹凸
状態を得る情報処理手段とを有している。
The scanning probe microscope of the present invention comprises a probe for a scanning probe microscope as described above, vibration means for applying a vibration to the probe for a scanning probe microscope to obtain a substantial probe, Vibration detecting means for detecting a change in the vibration state of the scanning probe microscope probe based on the interaction between the substantial tip of the probe, and the substantial probe and the sample surface relatively Scanning means for scanning in a three-dimensional direction, and control means for controlling the scanning means so as to keep the interaction between the sample surface and the substantial probe constant according to information from the vibration detection means. And information processing means for obtaining the unevenness state of the sample surface based on a control signal from the control means.

【0022】[0022]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施の形態について説明する。本発明の実施の形態の
走査型プローブ顕微鏡用プローブについて図1を参照し
ながら説明する。図1(a)は走査型プローブ顕微鏡用
プローブの側面図、図1(b)はプローブの斜視図、図
1(c)はプローブの探針部の拡大斜視図である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. A scanning probe microscope probe according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 1A is a side view of a probe for a scanning probe microscope, FIG. 1B is a perspective view of the probe, and FIG. 1C is an enlarged perspective view of a probe part of the probe.

【0023】図1(a)と図1(b)に示されるよう
に、プローブ100は、支持部101から延びる弾性体
から成る片持ち梁(弾性部材部)102の自由端に探針
部103が形成されている。図1(c)の拡大図から分
かるように、探針部103は平板三角形状をしており、
その先端の二つの頂点106と107において三本の稜
線が終端している。平板三角形状の探針部103の面法
線方向とその先端の二つの終端点106と107を結ぶ
稜線は平行になっている。測定に際しては、これら二つ
の終端点106と107もしくはこられの二点を結ぶ稜
線が実質的な探針として作用し、試料表面との間で相互
作用(例えば、原子間力、接触力など)を生じる。な
お、実質的な探針については後に再度説明を加える。
As shown in FIGS. 1A and 1B, a probe 100 has a probe 103 at a free end of a cantilever (elastic member) 102 made of an elastic body extending from a support 101. Are formed. As can be seen from the enlarged view of FIG. 1C, the probe portion 103 has a flat plate triangular shape.
Three ridges terminate at the two vertices 106 and 107 at the tip. The ridge line connecting the surface normal direction of the triangular probe portion 103 and the two terminal points 106 and 107 at the tip is parallel. At the time of measurement, these two end points 106 and 107 or a ridge line connecting these two points acts as a substantial probe and interacts with the sample surface (for example, atomic force, contact force, etc.). Is generated. The actual probe will be described again later.

【0024】また、片持ち梁状の弾性部材部102と平
板三角形状の探針部103は、その面法線方向が平行で
あるが、その厚さと形状は異なっている。弾性部材部1
02の厚さは、所望の共振周波数等の機械振動特性を得
るに適した厚さであり、探針部103の厚さは、試料の
凹部に入り込めるように十分薄くなっている。
The cantilever-shaped elastic member 102 and the triangular probe 103 have the same surface normal direction, but different thicknesses and shapes. Elastic member 1
The thickness of 02 is a thickness suitable for obtaining a desired mechanical vibration characteristic such as a resonance frequency, and the thickness of the probe portion 103 is sufficiently small so as to be able to enter the concave portion of the sample.

【0025】弾性部材部102と支持部101との境界
付近には、弾性部材部102の振動状態を検出する検出
機構部104が設けられている。検出機構部104で検
出される弾性部材部102の振動状態を示す信号は、図
1(b)に示される二つの電極105aと105bを介
して外部に取り出される。図1(a)では二つの電極1
05aと105bを代表的に一つの符号105で示して
ある。
Near the boundary between the elastic member 102 and the support 101, a detecting mechanism 104 for detecting the vibration state of the elastic member 102 is provided. A signal indicating the vibration state of the elastic member 102 detected by the detection mechanism 104 is extracted to the outside through two electrodes 105a and 105b shown in FIG. In FIG. 1A, two electrodes 1 are shown.
05a and 105b are typically indicated by one reference numeral 105.

【0026】検出機構部104は、例えば、シリコンの
ピエゾ抵抗効果を利用したセンサーで構成される。しか
し、検出機構部104は、これに限定されるものではな
く、他の色々な素子を適用してもよい。例えば、前述の
センサーに代えて、ポリシリコンのピエゾ抵抗効果を利
用したセンサーを適用することも可能であり、あるい
は、酸化亜鉛やPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)等の圧
電効果を利用したセンサーを適用することも可能であ
る。一般に、ピエゾ抵抗効果を利用したセンサーは作製
が簡単であるという利点を有し、圧電効果を利用したセ
ンサーは熱雑音が少なく高感度であり、周波数帯域も高
く設計することができるという利点を有している。
The detection mechanism 104 is formed of, for example, a sensor utilizing the piezoresistance effect of silicon. However, the detection mechanism 104 is not limited to this, and other various elements may be applied. For example, a sensor using the piezoresistive effect of polysilicon can be used instead of the above-described sensor, or a sensor using a piezoelectric effect such as zinc oxide or PZT (lead zirconate titanate) can be used. It is also possible to apply. In general, sensors utilizing the piezoresistive effect have the advantage of being easy to fabricate, while sensors utilizing the piezoelectric effect have the advantage of low thermal noise, high sensitivity, and high frequency bandwidth. doing.

【0027】実際に作製したプローブ100の代表的な
寸法は、短冊形状の片持ち梁状の弾性部材部102は長
さ80μm、幅30μm、厚さ4.5μmであり、平板
三角形状の探針部103は軸方向長さ10μm、底辺幅
5μm、厚さ0.2μmである。また、弾性部材部10
2と探針部103を合わせた片持ち梁状部分の機械的共
振周波数は約600kHzであり、平板三角形状の探針
部103はこれよりも高い値の機械的共振周波数を有し
ている。
The typical dimensions of the probe 100 actually manufactured are as follows. The strip-shaped cantilever-shaped elastic member 102 has a length of 80 μm, a width of 30 μm, a thickness of 4.5 μm, and a flat triangular probe. The portion 103 has an axial length of 10 μm, a base width of 5 μm, and a thickness of 0.2 μm. The elastic member 10
The mechanical resonance frequency of the cantilever-shaped portion combining the probe 2 and the probe 103 is about 600 kHz, and the probe 103 having a triangular flat plate has a higher mechanical resonance frequency.

【0028】弾性部材部102は、測定回路の周波数帯
域等に応じて最適設計がされるが、長さは20〜300
μm、幅は10〜80μm、厚さは1〜8μm程度であ
る。また、探針部103は、弾性部材部102の共振周
波数と測定試料の形状を考慮して設計され、その厚さ寸
法には試料の凹部の幅よりも小さい値が選択され、軸方
向長さは3〜20μm、底辺幅2〜15μm、厚さは
0.05〜0.5μmである。
The elastic member 102 is optimally designed according to the frequency band of the measuring circuit, but has a length of 20 to 300.
μm, the width is about 10 to 80 μm, and the thickness is about 1 to 8 μm. The probe section 103 is designed in consideration of the resonance frequency of the elastic member section 102 and the shape of the measurement sample. A value smaller than the width of the concave portion of the sample is selected for the thickness dimension, and the axial length is selected. Has a width of 3 to 20 μm, a base width of 2 to 15 μm, and a thickness of 0.05 to 0.5 μm.

【0029】次に図2を参照しながらプローブと試料の
配置関係について説明する。図2(a)は試料表面の測
定時のプローブの配置状況を示し、図2(b)はプロー
ブの探針部の周辺を拡大して示している。
Next, the positional relationship between the probe and the sample will be described with reference to FIG. FIG. 2A shows an arrangement state of the probe at the time of measurement of the sample surface, and FIG. 2B shows an enlarged view of the vicinity of a probe portion of the probe.

【0030】図2(a)に示されるように、プローブ1
00は、その探針部103の軸方向(従って弾性部材部
102の軸方向)が、試料台202に載せられた試料2
01の平均的な面法線方向に平行となるように、プロー
ブ保持材203に固定されている。プローブ保持材20
3には、電極パターン204が印刷により形成されてお
り、この電極パターン204はワイヤー208を介して
プローブ100の電極105と電気的に接続される。こ
れにより、弾性部材部102の振動状態を反映する検出
機構部104からの信号は、電極パターン204を介し
て、振動検出回路(図4(b)に符号432で示され
る)に導かれる。
As shown in FIG. 2A, the probe 1
00 indicates that the axial direction of the probe portion 103 (therefore, the axial direction of the elastic member portion 102) corresponds to the sample 2 placed on the sample stage 202.
01 is fixed to the probe holding member 203 so as to be parallel to the average surface normal direction. Probe holding material 20
3, an electrode pattern 204 is formed by printing, and this electrode pattern 204 is electrically connected to the electrode 105 of the probe 100 via a wire 208. Accordingly, a signal from the detection mechanism 104 reflecting the vibration state of the elastic member 102 is guided to the vibration detection circuit (indicated by reference numeral 432 in FIG. 4B) via the electrode pattern 204.

【0031】実際には、プローブ100は図1(b)に
示されるように二つの電極105aと105bを有して
おり、従って、プローブ保持材203も二つの電極パタ
ーンを有し、それぞれ別々のワイヤーを介して電極10
5aと105bに接続されるが、図2(a)では、プロ
ーブ100の電極の一方を符号105で、ワイヤーの一
方を符号208で、プローブ保持材203の電極パター
ンの一方を符号204で代表的に示している。
In practice, the probe 100 has two electrodes 105a and 105b as shown in FIG. 1 (b). Therefore, the probe holding member 203 also has two electrode patterns, each of which has a separate electrode pattern. Electrode 10 through wire
2A, one of the electrodes of the probe 100 is represented by reference numeral 105, one of the wires is represented by reference numeral 208, and one of the electrode patterns of the probe holding member 203 is represented by reference numeral 204 in FIG. Is shown in

【0032】また、プローブ保持材203の反対側には
電極パターン206が印刷により形成されており、圧電
体205が接着されている。また、圧電体205の反対
側の電極207はワイヤー209を介して、プローブ保
持材203上に形成された(図示しない)別の電極に接
続されている。圧電体205は、これらの電極パターン
を介して圧電体駆動回路(図4(b)に符号433で示
される)に接続され、圧電体駆動回路で発生される交流
電圧を受けて、プローブ100の弾性部材部102と探
針部103を共振周波数付近の周波数で励振させる。
On the opposite side of the probe holding member 203, an electrode pattern 206 is formed by printing, and a piezoelectric body 205 is adhered. The electrode 207 on the opposite side of the piezoelectric body 205 is connected via a wire 209 to another electrode (not shown) formed on the probe holding member 203. The piezoelectric body 205 is connected to a piezoelectric body driving circuit (designated by reference numeral 433 in FIG. 4B) via these electrode patterns, receives an AC voltage generated by the piezoelectric body driving circuit, and The elastic member 102 and the probe 103 are excited at a frequency near the resonance frequency.

【0033】図2(b)に示されるように、弾性部材部
102の厚さは試料201の二つの突起の間の幅と同程
度であり、弾性部材部102は試料201の凹部には入
り込めないが、探針部103の厚さは弾性部材部102
の厚さに比べて薄く、探針部103は試料201の二つ
の突起の間に入り込める。しかも、探針部103は平板
状であり、図の方向から見たとき、試料201の二つの
突起の傾斜角より実質的に切り立っているので、試料2
01の二つの突起の根本の部分まで達することができ
る。
As shown in FIG. 2B, the thickness of the elastic member 102 is substantially equal to the width between the two projections of the sample 201, and the elastic member 102 enters the concave portion of the sample 201. Although the thickness of the probe part 103 cannot be
The probe portion 103 can enter between the two protrusions of the sample 201. In addition, since the probe portion 103 has a flat plate shape and is substantially raised from the inclination angle of the two projections of the sample 201 when viewed from the direction of the drawing, the sample 2
01 can reach the root of the two protrusions.

【0034】探針部103の先端の二つの終端点106
と107の一方もしくは両者を結ぶ稜線が試料201に
最も接近し、試料201に最も近い部分が相互作用を引
き起こす部位として作用する。図2(b)では、試料2
01の右側の突起の側壁に対しては終端点107が最も
近くに位置し、これが相互作用を引き起こす部位として
作用するが、試料201の右側の突起の側壁に対しては
終端点106が最も近くに位置し、これが相互作用を引
き起こす部位として作用する。また、試料201の二つ
の突起の間の底面に対しては二つの終端点106と10
7を結ぶ稜線が最も近くに位置し、これが相互作用を引
き起こす部位として作用する。
Two end points 106 at the tip of the probe 103
A ridge line connecting one or both of 107 and 107 comes closest to the sample 201, and a portion closest to the sample 201 acts as a site that causes interaction. In FIG. 2B, the sample 2
The terminal point 107 is located closest to the side wall of the right protrusion of FIG. 01, and this acts as a site that causes an interaction. However, the terminal point 106 is closest to the side wall of the right protrusion of the sample 201. , Which act as sites for causing interaction. In addition, two terminal points 106 and 10 are provided on the bottom surface between the two protrusions of the sample 201.
The ridge connecting 7 is located closest, which acts as a site for causing interaction.

【0035】続いて、本発明の走査型プローブ顕微観察
法について図3を参照しながら説明する。図3(a)は
基本モードで振動しているプローブの様子を示し、図3
(b)は高次のモードで振動しているプローブの様子を
示し、図3(c)は振動している片持ち梁の瞬間瞬間に
おける様子を示し、図3(d)は振動している片持ち梁
の一周期以上の時間間隔において見える様子を示してい
る。これらの図では、振動の状態を分かり易く示すた
め、弾性部材部と探針部は一つの片持ち梁として示して
ある。
Next, the scanning probe microscopic observation method of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3A shows the state of the probe vibrating in the fundamental mode.
(B) shows the state of the probe vibrating in a higher-order mode, FIG. 3 (c) shows the state of the vibrating cantilever at the moment, and FIG. 3 (d) vibrates. It shows how the cantilever is seen at a time interval of one cycle or more. In these figures, the elastic member portion and the probe portion are shown as one cantilever in order to clearly show the state of vibration.

【0036】図3(a)において、圧電体303を励振
すると、その振動エネルギーは支持部301を介して片
持ち梁302に伝わる。これが片持ち梁302の共振モ
ードに一致するとき、片持ち梁302は例えば図3
(a)に示されるように基本モードで振動し、あるいは
図3(b)に示されるように高次のモードで振動する。
片持ち梁302は自由端が最大の振幅を示し、実際の場
面では、この振幅は0.005〜0.3μm程度に設定
される。
In FIG. 3A, when the piezoelectric body 303 is excited, its vibration energy is transmitted to the cantilever 302 via the support 301. When this matches the resonance mode of the cantilever 302, the cantilever 302
Vibration occurs in the fundamental mode as shown in FIG. 3A, or in a higher mode as shown in FIG. 3B.
The free end of the cantilever 302 has a maximum amplitude, and in an actual scene, this amplitude is set to about 0.005 to 0.3 μm.

【0037】図3(c)に示されるように、振動してい
る片持ち梁302の一瞬一瞬における形状は、非常に薄
い一枚の三角形の板状であるが、振動の1周期以上の長
い時間でみた片持ち梁302の軌跡は、図3(d)に示
されるように、自由端が厚みを増した形となる。
As shown in FIG. 3C, the shape of the vibrating cantilever 302 at the moment is a very thin triangular plate, but it is longer than one cycle of the vibration. The trajectory of the cantilever beam 302 as viewed in time has a shape in which the free end has an increased thickness, as shown in FIG.

【0038】本発明の走査型プローブ顕微観察法では、
振動している片持ち梁302の軌跡を実質的な探針と見
なし、この実質的な探針と試料表面との間に働く相互作
用に基づいて、試料表面の観察を行なう。
In the scanning probe microscopic observation method of the present invention,
The trajectory of the vibrating cantilever 302 is regarded as a substantial probe, and observation of the sample surface is performed based on the interaction between the substantial probe and the sample surface.

【0039】実質的な探針は、図3(d)に示されるよ
うに、二つの頂点303と304およびこれらの二点を
結ぶ円弧状の稜線を有している。このような形状は片持
ち梁302を振動させることによって初めて得られるも
のであり、これを一つの立体として半導体プロセスを用
いて作製することは極めて難しい。
As shown in FIG. 3D, the substantial probe has two vertices 303 and 304 and an arc-shaped ridge connecting these two points. Such a shape can be obtained only by vibrating the cantilever beam 302, and it is extremely difficult to produce this shape as one solid using a semiconductor process.

【0040】次に、本発明による走査型プローブ顕微鏡
について図4を参照して説明する。図4(a)は走査型
プローブ顕微鏡の概略的な構成を示し、図4(b)はコ
ントローラの構成を示している。
Next, a scanning probe microscope according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 4A shows a schematic configuration of a scanning probe microscope, and FIG. 4B shows a configuration of a controller.

【0041】図4(a)に示されるように、プローブ1
00は試料401に対向させて配置される。装置ベース
407の上には、回転ステージ402とX粗動ステージ
403とY粗動ステージ405とからなる粗動ステージ
が設けられており、この上に試料401が保持される。
X粗動ステージ403とY粗動ステージ405は、コン
ピュータ419からの制御信号に基づいて、X粗動ステ
ージ駆動機構404とY粗動ステージ駆動機構406に
よって駆動され、これによりプローブ100と試料40
1の水平方向の相対位置を調節できる。また、回転ステ
ージ402も、コンピュータ419からの制御信号に基
づいて、図示しない駆動機構によって駆動され、これに
よりプローブ100の探針部103の面法線方向と測定
すべき試料401上の測定パターン等の延在方向との間
の相対調整を行なえる。
As shown in FIG. 4A, the probe 1
00 is arranged to face the sample 401. On the apparatus base 407, a coarse movement stage including a rotary stage 402, an X coarse movement stage 403, and a Y coarse movement stage 405 is provided, on which a sample 401 is held.
The X coarse movement stage 403 and the Y coarse movement stage 405 are driven by the X coarse movement stage drive mechanism 404 and the Y coarse movement stage drive mechanism 406 based on a control signal from the computer 419, whereby the probe 100 and the sample 40 are moved.
1 can adjust the relative position in the horizontal direction. The rotary stage 402 is also driven by a drive mechanism (not shown) based on a control signal from the computer 419, and thereby the normal direction of the surface of the probe 103 of the probe 100 and the measurement pattern on the sample 401 to be measured. Can be adjusted relative to the extension direction.

【0042】プローブ100は保持部材417を介して
スキャナ411に取り付けられ、スキャナ411はスキ
ャナ保持部材410に接着保持されている。スキャナ保
持部材410はZ粗動ステージ409を介して、装置ベ
ース407に立てられた支柱408取り付けられてい
る。Z粗動ステージ409を上下させることにより、ス
キャナ保持部材410とスキャナ411とプローブ10
0とが一緒に上下動し、プローブ100と試料401の
間隔を調整できる。
The probe 100 is attached to the scanner 411 via the holding member 417, and the scanner 411 is adhered and held by the scanner holding member 410. The scanner holding member 410 is attached via a Z coarse movement stage 409 to a column 408 erected on an apparatus base 407. By moving the Z coarse movement stage 409 up and down, the scanner holding member 410, the scanner 411, and the probe 10
0 moves up and down together, so that the distance between the probe 100 and the sample 401 can be adjusted.

【0043】スキャナ411は圧電体からなるチューブ
型のスキャナであり、コントローラ418およびコンピ
ュータ419からの制御駆動信号をスキャナ電極412
に印加することにより、XYおよびZ方向に微動する。
これによりスキャナ411に支持されたプローブ100
を試料401に対して走査させることができる。
The scanner 411 is a tube-type scanner made of a piezoelectric material, and transmits control drive signals from a controller 418 and a computer 419 to the scanner electrode 412.
To cause slight movement in the XY and Z directions.
Thus, the probe 100 supported by the scanner 411
Can be scanned with respect to the sample 401.

【0044】X変位センサー414とY変位センサー4
16は、スキャナ保持部材410に固定されたX変位セ
ンサー保持部413とY変位センサー保持部415によ
ってそれぞれ保持されている。このため、Z粗動ステー
ジ409の上下動に対して、X変位センサー414とY
変位センサー416はスキャナ411と一緒に上下し、
その相対位置は変化せず、一定に保たれる。スキャナ4
11の動きは、X変位センサー414とY変位センサー
416などによってモニタリングされ、それらからの出
力はコントローラ418あるいはコンピュータ419に
取り込まれる。
X displacement sensor 414 and Y displacement sensor 4
16 is held by an X displacement sensor holding section 413 and a Y displacement sensor holding section 415 fixed to the scanner holding member 410, respectively. For this reason, the X displacement sensor 414 and the Y
The displacement sensor 416 moves up and down together with the scanner 411,
Its relative position does not change and remains constant. Scanner 4
The movement of 11 is monitored by the X displacement sensor 414, the Y displacement sensor 416, and the like, and the output from them is taken into the controller 418 or the computer 419.

【0045】コントローラ418内には、図4(b)に
示されるように、各種の機能ユニット、具体的には、コ
ンピュータ419からの制御信号に基づいてプローブ1
00を所定の周波数で加振するための圧電体駆動回路4
33、プローブ100の検出機構部104からの信号を
増幅し弾性部材部102の振動状態の変化を検出する振
動検出回路432、振動検出回路432からの信号をコ
ンピュータ419から供給される一定の設定値に維持す
るようにスキャナ411をZ方向に駆動制御するサーボ
回路435、スキャナ411をZ方向に駆動するZ駆動
回路431、XY走査波形発生回路436からの信号を
もとにスキャナ411をXY方向に駆動するXY駆動回
路430、粗動ステージ403と405を駆動するため
の粗動ステージ駆動回路434などが含まれている。ま
た、粗動ステージの構成上、例えば、粗動ステージ駆動
回路434に回転ステージ402を駆動させるための機
能を持たせてもよい(図4(b)に示す)。更に、コン
ピュータ419は、コントローラ418のサーボ回路4
35の制御信号をもとに試料表面の凹凸状態を演算し、
表示手段であるモニター420に表示するほか、キーボ
ードなどの命令入力デバイスとして作用する。
In the controller 418, as shown in FIG. 4 (b), various functional units, specifically, the probe 1 based on a control signal from a computer 419.
Piezoelectric body driving circuit 4 for vibrating 00 at a predetermined frequency
33, a vibration detection circuit 432 that amplifies a signal from the detection mechanism unit 104 of the probe 100 and detects a change in the vibration state of the elastic member unit 102, and outputs a signal from the vibration detection circuit 432 to a certain set value supplied from the computer 419. The scanner 411 is driven in the X and Y directions based on signals from the servo circuit 435 that drives and controls the scanner 411 in the Z direction, the Z drive circuit 431 that drives the scanner 411 in the Z direction, and the XY scanning waveform generation circuit 436 so that the scanner 411 is maintained. An XY drive circuit 430 for driving, a coarse movement stage drive circuit 434 for driving the coarse movement stages 403 and 405, and the like are included. Further, due to the configuration of the coarse movement stage, for example, the coarse movement stage drive circuit 434 may have a function of driving the rotary stage 402 (shown in FIG. 4B). Further, the computer 419 controls the servo circuit 4 of the controller 418.
Calculates the unevenness of the sample surface based on the 35 control signals,
In addition to displaying on the monitor 420 which is a display means, it also functions as a command input device such as a keyboard.

【0046】図2(a)と図4(a)に示されるよう
に、プローブ100は探針部103の軸方向が平均的な
試料401の面法線方向と平行になるように配置され
る。プローブ100を励振するための圧電体205に
は、プローブ100の弾性部材部102と探針部103
の共振周波数付近の周波数の交流電圧が印加される。そ
の結果、プローブ100の弾性部材部102と探針部1
03は、試料401の平均的な面に平行な方向に振動す
る。
As shown in FIGS. 2A and 4A, the probe 100 is arranged so that the axial direction of the probe 103 is parallel to the average surface normal direction of the sample 401. . The piezoelectric member 205 for exciting the probe 100 includes the elastic member 102 and the probe 103 of the probe 100.
An AC voltage having a frequency near the resonance frequency is applied. As a result, the elastic member 102 of the probe 100 and the probe 1
03 vibrates in a direction parallel to the average plane of the sample 401.

【0047】プローブ100が励振されながら試料40
1に近づけられ、その探針部103の先端(厳密には図
3(d)に符号303と304で示される実質的な探針
の頂点もしくはそれらを結ぶ稜線)と試料401の表面
との間に相互作用が生じると、試料401上の突起の側
壁からは探針部103の面法線方向(試料の平均的な面
に平行な方向)に、試料401上の突起間の底面からは
探針部103の軸方向(試料の平均的な面法線方向)に
力を受けて、弾性部材部102の振動状態が変化する。
While the probe 100 is excited, the sample 40
1 and between the tip of the probe portion 103 (strictly, the vertices of the substantial probe indicated by reference numerals 303 and 304 in FIG. 3D or the ridge line connecting them) and the surface of the sample 401. When the interaction occurs, the side wall of the protrusion on the sample 401 is probed in the surface normal direction of the probe portion 103 (the direction parallel to the average surface of the sample), and the bottom surface between the protrusions on the sample 401 is probed. A force is applied in the axial direction of the needle portion 103 (in the direction of the normal to the average surface of the sample), and the vibration state of the elastic member portion 102 changes.

【0048】この振動状態の変化はプローブ100の検
出機構部104および振動検出回路432によって検出
される。サーボ回路435は、この検出信号をコンピュ
ータ419からの一定の設定値に保つように、駆動回路
431を介してスキャナ411のZ方向位置を駆動制御
する。コンピュータ419は、このときの制御信号を、
そのときの探針部103のXY方向位置における試料4
01のZ方向の位置情報として取り込み、XY方向位置
とZ方向位置情報とを対応させて演算処理することによ
り、試料401の表面形状を算出する。算出された表面
形状は、例えば、三次元像としてモニター420に表示
される。
The change in the vibration state is detected by the detection mechanism 104 of the probe 100 and the vibration detection circuit 432. The servo circuit 435 drives and controls the position of the scanner 411 in the Z direction via the drive circuit 431 so as to keep this detection signal at a constant set value from the computer 419. The computer 419 transmits the control signal at this time to:
The sample 4 at the XY direction position of the probe 103 at that time
01 is acquired as position information in the Z direction, and the XY direction position and the Z direction position information are subjected to arithmetic processing to calculate the surface shape of the sample 401. The calculated surface shape is displayed on the monitor 420 as a three-dimensional image, for example.

【0049】ところで、片持ち梁の自由端にそこからほ
ぼ垂直に突出する探針を備えたプローブを用いた従来の
走査型プローブ顕微鏡では、プローブの支持部が試料に
衝突するのを避けるために、プローブは片持ち梁が斜め
下方に延びるように装置に取り付けられる。その結果、
プローブは、探針の軸が試料の平均的な面法線方向に対
して傾斜した姿勢で支持される。このため、得られる情
報は、探針の傾斜方向に依存したものとなる。例えば、
探針の傾斜方向(試料の平均的な法線方向と探針の軸を
含む平面に平行な方向)に関して対称性を持つ試料を測
定した場合に得られる画像は、その方向に関する対称性
は保存されず、対称性を失った歪んだものとなる。
By the way, in the conventional scanning probe microscope using a probe having a probe which protrudes almost perpendicularly from the free end of the cantilever, it is necessary to prevent the support portion of the probe from colliding with the sample. The probe is mounted on the device such that the cantilever extends obliquely downward. as a result,
The probe is supported in a posture in which the axis of the probe is inclined with respect to the average surface normal direction of the sample. Therefore, the obtained information depends on the inclination direction of the probe. For example,
The image obtained when measuring a sample that has symmetry with respect to the tilt direction of the probe (the direction parallel to the plane including the average axis of the sample and the probe axis) retains the symmetry in that direction. Instead, it becomes distorted with no symmetry.

【0050】しかしながら、本発明の走査型プローブ顕
微鏡では、上述したように、プローブ100は、その探
針部103の軸が試料401の平均的な面法線方向に平
行となるように配置されるので、得られる情報は試料表
面の傾斜方向に依存しない。従って、探針部103の主
走査方向(図2(b)の面に平行な方向)に対称性を持
つ試料の測定結果は、その対称性が失われていない正確
なものとなる。
However, in the scanning probe microscope of the present invention, as described above, the probe 100 is arranged such that the axis of the probe 103 is parallel to the average surface normal direction of the sample 401. Therefore, the information obtained does not depend on the tilt direction of the sample surface. Therefore, a measurement result of a sample having symmetry in the main scanning direction of the probe unit 103 (a direction parallel to the plane in FIG. 2B) is accurate without losing the symmetry.

【0051】ここで、本発明の走査型プローブ顕微鏡と
従来のシアフォースモードAFMとの違いについて説明
する。シアフォースモードAFMは、例えば米国特許5
254854等に開示されており、プローブを振動させ
ている点だけに関しては、本発明の走査型プローブ顕微
鏡と似ているとも言える。
Here, the difference between the scanning probe microscope of the present invention and the conventional shear force mode AFM will be described. Shear force mode AFM is disclosed in US Pat.
254854, etc., and can be said to be similar to the scanning probe microscope of the present invention only in that the probe is vibrated.

【0052】しかしながら、従来のシアフォースモード
AFMでは、先端が一点に終端したプローブを用いてお
り、その先端の曲率半径は10nm程度である。また、
振動しているプローブの先端が描く軌跡は横方向分解能
を落とす要因となるため、プローブの振動状態を検出で
きさえすれば、プローブ先端の振動の軌跡の幅は出来る
限り小さくすることのが望ましい。
However, in the conventional shear force mode AFM, a probe whose tip is terminated at one point is used, and the radius of curvature of the tip is about 10 nm. Also,
Since the trajectory drawn by the tip of the vibrating probe lowers the lateral resolution, it is desirable that the width of the trajectory of the vibration of the probe tip be as small as possible as long as the vibration state of the probe can be detected.

【0053】このように、シアフォースモードAFM
は、プローブを振動させる点を除いては、プローブを振
動させたときの探針部の振動の軌跡を実質的な探針と
し、その形状の特徴を積極的に利用している本発明の走
査型プローブ顕微鏡とは大きく異なっている。
As described above, the shear force mode AFM
Except that the probe is vibrated, the scanning of the present invention, in which the trajectory of the vibration of the probe part when the probe is vibrated is used as a substantial probe, and the shape characteristic is positively used, It is very different from a scanning probe microscope.

【0054】以上の説明から分かるように、本実施形態
の走査型プローブ顕微鏡では、プローブ位置のZ方向の
みのフィードバック制御だけで、試料上の垂直もしくは
それに近いスロープ角度を有する部分を測定できるた
め、短時間で測定を行なうことができる。
As can be seen from the above description, in the scanning probe microscope of the present embodiment, a portion having a vertical or near slope angle on the sample can be measured only by feedback control of the probe position only in the Z direction. Measurement can be performed in a short time.

【0055】本実施形態では、プローブ位置のフィード
バック制御の方向をZ方向に関してのみ行なっている
が、ロックインアンプを用いて振幅の他に位相等により
プローブの振動状態をより詳しく検出して、それに基づ
きプローブ位置をZ方向から傾いた方向に動かすことも
可能である。これによれば、垂直壁に留まらず、わずか
にオーバーハングしたような部分を有する試料の側壁の
測定も可能になる。
In the present embodiment, the direction of the feedback control of the probe position is performed only in the Z direction. However, the vibration state of the probe is detected in more detail by using a lock-in amplifier in addition to the amplitude, and the phase is used. Based on this, it is also possible to move the probe position in a direction inclined from the Z direction. According to this, it is possible to measure not only the vertical wall but also the side wall of the sample having a portion that slightly overhangs.

【0056】また、本実施形態におけるフィードバック
制御は、試料測定(走査)の間、試料とプローブとの間
に働く相互作用を常に一定に保つように行なわれるが、
測定点毎に試料とプローブとを近接(アプローチ)させ
たり、離したりする制御を行なうことも有効である。
The feedback control in this embodiment is performed so that the interaction between the sample and the probe is always kept constant during the sample measurement (scanning).
It is also effective to control the approach and separation of the sample and the probe at each measurement point.

【0057】すなわち、通常、試料測定における1走査
ライン上には、測定点(例えば、等間隔で256点また
は512点)が設定されるため、この制御においては、
測定時に、これら測定点毎にプローブを停止し、プロー
ブと試料とを接近(アプローチ)させ、所望の試料情報
を取り込んだ後に両者を離し、次の測定点に移動する。
このプローブの上下動は、本実施の形態で説明したスキ
ャナ411を用いて行なうのが有効である。
That is, normally, measurement points (for example, 256 points or 512 points at equal intervals) are set on one scan line in sample measurement.
At the time of measurement, the probe is stopped at each of these measurement points, the probe and the sample are approached (approached), and after taking in the desired sample information, they are separated and moved to the next measurement point.
It is effective to perform the vertical movement of the probe using the scanner 411 described in the present embodiment.

【0058】このような制御を試料の測定(走査)領域
で繰り返し実行し、試料表面情報とすることができる。
この測定によれば、各測定点に移動する時は、プローブ
と試料とを離しながら移動するため、試料とプローブと
が必要以上に接触し破損してしまうという不具合を減少
させることができる。
Such control is repeatedly executed in the measurement (scanning) area of the sample, and can be used as sample surface information.
According to this measurement, when moving to each measurement point, the probe and the sample are moved while being separated from each other, so that it is possible to reduce a problem that the sample and the probe are unnecessarily contacted and damaged.

【0059】以下、プローブ100の作製方法について
図5を参照しながら説明する。まず、スタートウェハー
として面方位(100)の単結晶シリコン貼り合わせウ
ェハーを用意する(図5(a))。二枚の単結晶シリコ
ン501と503はその中間の酸化シリコン層502に
貼り付けられ接合されている。活性層501の厚さは1
0μm厚さのものを利用するが、次のプロセスに移る前
に、5.5μm厚さまでエッチングにより薄くしてお
く。
Hereinafter, a method for manufacturing the probe 100 will be described with reference to FIG. First, a single crystal silicon bonded wafer having a plane orientation (100) is prepared as a start wafer (FIG. 5A). The two single-crystal silicon layers 501 and 503 are attached to and bonded to an intermediate silicon oxide layer 502. The thickness of the active layer 501 is 1
Although a substrate having a thickness of 0 μm is used, it is thinned by etching to a thickness of 5.5 μm before proceeding to the next process.

【0060】この表面の活性層501の一部504をド
ライエッチングを用いたフォトリソグラフィーによりエ
ッチングした後、酸化シリコン膜505を形成し、再び
フォトリソグラフィーにより四角い開口を形成する。更
に拡散炉にて開口部からボロンを活性層501に拡散さ
せたうえでアニーリング処理を施してピエゾ抵抗層50
6を作製する(図5(b))。
After a portion 504 of the active layer 501 on this surface is etched by photolithography using dry etching, a silicon oxide film 505 is formed, and a square opening is formed again by photolithography. Further, after boron is diffused from the opening into the active layer 501 in a diffusion furnace, an annealing process is performed thereon to form the piezoresistive layer 50.
6 (FIG. 5B).

【0061】次に、表面の酸化シリコン層を505を除
去し、再度、酸化シリコン層507を堆積した後、フォ
トリソグラフィーによりパターニングを施し、ピエゾ抵
抗層506上の二カ所に開口を形成し、ピエゾ抵抗層5
06から電極を取り出す箇所を形成する(図5
(c))。
Next, after removing the silicon oxide layer 505 on the surface and depositing the silicon oxide layer 507 again, patterning is performed by photolithography, and openings are formed at two places on the piezoresistive layer 506. Resistance layer 5
6 is formed to take out an electrode (FIG. 5).
(C)).

【0062】続いて、図5(d)に示すように、表面に
窒化シリコン膜508をLP−CVD(低圧化学気相蒸
着法)により0.2μmの厚さ堆積し、図5(e)に示
すように、その一部509をパターニングして除去す
る。これにより、プローブの探針部の形状510がおよ
そ形成される。また、図5(f)に示すように、ピエゾ
抵抗層506の電極取り出し部分上の窒化シリコン膜を
取り除いて開口511を形成し、ピエゾ抵抗層506の
一部を露出させる。
Subsequently, as shown in FIG. 5D, a silicon nitride film 508 is deposited on the surface to a thickness of 0.2 μm by LP-CVD (low pressure chemical vapor deposition), and as shown in FIG. As shown, a portion 509 is patterned and removed. Thereby, the shape 510 of the probe part of the probe is approximately formed. Further, as shown in FIG. 5F, an opening 511 is formed by removing the silicon nitride film on the electrode lead-out portion of the piezoresistive layer 506 to expose a part of the piezoresistive layer 506.

【0063】図5(g)に示すように、電極を形成した
後、ピエゾ抵抗層506上の二つの開口部と電極パター
ン512およびそれらをつなぐ配線パターンを、リフト
オフプロセスを利用してクロムと金を真空蒸着しパター
ニングする。
As shown in FIG. 5G, after the electrodes are formed, the two openings on the piezoresistive layer 506, the electrode pattern 512, and the wiring pattern connecting them are made of chromium and gold using a lift-off process. Is vacuum-deposited and patterned.

【0064】次に、表面にポリイミド膜をコーティング
して湿式エッチング液に対する保護層513を形成した
後、ウェハー裏面の窒化シリコン層514をマスクとし
て、水酸化カリウム水溶液により湿式異方性エッチング
を行ない、シリコンウェハーの裏側の一部515を溶か
す。次に露出した酸化シリコン層516をフッ酸により
除去して(図5(i))、プローブを得る。
Next, after a polyimide film is coated on the surface to form a protective layer 513 against a wet etching solution, wet anisotropic etching is performed with an aqueous potassium hydroxide solution using the silicon nitride layer 514 on the back surface of the wafer as a mask. The part 515 on the back side of the silicon wafer is melted. Next, the exposed silicon oxide layer 516 is removed with hydrofluoric acid (FIG. 5 (i)) to obtain a probe.

【0065】図5(j)に示されるように、プローブを
プローブ保持材519に接着し、プローブの電極パター
ン512とプローブ保持材519の電極517をワイヤ
ー518で結ぶ。プローブ保持材519は例えばセラミ
ックス板であり、電極517は金ペーストを印刷しパタ
ーニングして形成する。図示していないが、好ましくは
ワイヤー518の回りは保護用の樹脂で封止する。
As shown in FIG. 5J, the probe is bonded to the probe holding member 519, and the electrode pattern 512 of the probe is connected to the electrode 517 of the probe holding member 519 by a wire 518. The probe holding member 519 is, for example, a ceramic plate, and the electrode 517 is formed by printing and patterning a gold paste. Although not shown, the periphery of the wire 518 is preferably sealed with a protective resin.

【0066】これまでに説明したように、プローブの探
針部は膜堆積で作製されるので、その膜厚のバラツキは
10%以内に納められ、同じ形状の探針部を容易に作る
ことができる。また、これにより検査コストの低減や歩
留まりの向上が図られ、比較的安価なプローブが提供さ
れる。
As described above, since the probe portion of the probe is formed by film deposition, the variation in the film thickness is kept within 10%, and the probe portion having the same shape can be easily formed. it can. In addition, this reduces the inspection cost and improves the yield, and provides a relatively inexpensive probe.

【0067】また、探針部は膜堆積で作製されるので、
薄くて高アスペクト比のプローブが安定に作製できる。
これにより探針部の厚さより広い凹部であれば、スロー
プ角が90度近辺までの側壁の測定が可能となる。
Further, since the probe portion is formed by film deposition,
A thin and high aspect ratio probe can be manufactured stably.
As a result, if the concave portion is wider than the thickness of the probe portion, it is possible to measure the side wall having a slope angle near 90 degrees.

【0068】更に、探針部の材料として窒化シリコン膜
を用いているので、探針部の磨耗が少ないプローブが提
供され、これは測定データの再現性を高める。また、探
針部と弾性部材部が平行であり一体の片持ち梁を構成し
ているので、それぞれの厚さや形状を違えてそれぞれの
目的の為に最適な形状に設計したときも、作製上発生す
る問題が少ない。このことより、プローブは安定して作
製することができる。
Further, since the silicon nitride film is used as the material of the probe portion, a probe with less wear of the probe portion is provided, which improves the reproducibility of the measurement data. In addition, since the probe part and the elastic member part are parallel and form an integral cantilever, even if the thickness and shape of each are different and designed to the optimal shape for each purpose, manufacturing There are few problems that occur. Thus, the probe can be manufactured stably.

【0069】さらに、弾性部材の振動状態の検出機構が
集積化されているので、そのための別のセンサーを外部
に設ける必要がなく、走査型プローブ顕微鏡を小型で簡
単な構成とすることができる。その結果、剛性の高い外
乱振動につよい安定した装置とすることができる。
Further, since the mechanism for detecting the vibration state of the elastic member is integrated, there is no need to provide another sensor for the purpose outside, and the scanning probe microscope can be made compact and simple. As a result, it is possible to provide a stable device that is resistant to disturbance vibration having high rigidity.

【0070】探針部の二つの終端点106と107を結
ぶ線に平行にプローブを見たときの探針部の形状は三角
形であり、その頂角は5〜30度程度と大きいが、これ
は測定対象部位として、例えば半導体ICの電極パター
ンが平行になっているところに限れば問題はなく、段差
の側壁(垂直壁)の粗さや傾き角を測定することが可能
になる。
When the probe is viewed parallel to the line connecting the two end points 106 and 107 of the probe, the shape of the probe is triangular, and its apex angle is as large as 5 to 30 degrees. There is no problem as long as the measurement target portion is limited to, for example, a place where the electrode pattern of the semiconductor IC is parallel, and it is possible to measure the roughness and the inclination angle of the side wall (vertical wall) of the step.

【0071】プローブを振動させたときの探針先端の軌
跡を実質的な探針として利用することにより、作製プロ
セス上形状が安定している探針を使用して、試料上の垂
直もしくはそれに近いスロープ角度を有する部分の測定
が可能になる。
By using the trajectory of the tip of the probe when the probe is vibrated as a substantial probe, a probe whose shape is stable in the fabrication process can be used, and the probe can be vertically or nearly perpendicular to the sample. Measurement of a portion having a slope angle becomes possible.

【0072】また、プローブはその探針部の軸が試料の
平均的な面法線方向に平行となるように配置され、プロ
ーブを振動させたときの探針先端の軌跡を実質的な探針
として利用することにより、対称性良く、試料上の垂直
もしくはそれに近いスローブ角度を有する部分の測定が
可能になる。
Further, the probe is arranged so that the axis of the probe portion is parallel to the average surface normal direction of the sample, and the trajectory of the probe tip when the probe is vibrated is substantially the same as the probe. By using as, a portion having a vertical or close-to-slope angle on the sample can be measured with good symmetry.

【0073】さらに、従来のシアフォースモードと同等
の制御方法によってプローブ位置をZ方向に制御するだ
けで、短時間の内に、試料上の垂直もしくはそれに近い
スローブ角度を有する部分の測定が可能になる。また、
プローブ位置をZ方向から傾けた方向に制御することに
より、より傾いた垂直壁を有する部分の測定が可能にな
る。
Further, only by controlling the probe position in the Z direction by a control method equivalent to the conventional shear force mode, it is possible to measure a portion having a vertical or near-slab angle on the sample in a short time. Become. Also,
By controlling the probe position in a direction inclined from the Z direction, it becomes possible to measure a portion having a more inclined vertical wall.

【0074】[0074]

【発明の効果】本発明によれば、プローブを振動させた
ときの探針部先端の軌跡を実質的な探針として利用する
ことにより、試料上の垂直もしくはそれに近いスローブ
角度を有する部分の測定を可能とする走査型プローブ顕
微観察法および走査型プローブ顕微鏡が実現される。ま
た、これに用いるための、作製時の形状ばらつきが少な
い低コストなプローブが提供される。
According to the present invention, by using the trajectory of the tip of the probe portion when the probe is vibrated as a substantial probe, the portion of the sample having a vertical or near-slab angle can be measured. A scanning probe microscopic observation method and a scanning probe microscope that enable the above are realized. Further, a low-cost probe to be used for this, which has less variation in shape at the time of manufacturing, is provided.

【0075】また、本発明の走査型プローブ顕微観察法
および走査型プローブ顕微鏡では、プローブの探針部の
軸が試料の平均的な面法線方向に平行であるので、試料
表面の凹凸を対称良く測定できる。
In the scanning probe microscopic observation method and the scanning probe microscope of the present invention, since the axis of the probe portion of the probe is parallel to the average normal direction of the sample, the unevenness of the sample surface is symmetric. Can measure well.

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

【図1】本発明の実施の形態による走査型プローブ顕微
鏡用プローブを示している。
FIG. 1 shows a probe for a scanning probe microscope according to an embodiment of the present invention.

【図2】図1の走査型プローブ顕微鏡用プローブの測定
時の状態を示している。
FIG. 2 shows a state at the time of measurement of the probe for a scanning probe microscope of FIG.

【図3】本発明の実施の形態による走査型プローブ顕微
観察法を説明するための図である。
FIG. 3 is a diagram for explaining a scanning probe microscopic observation method according to the embodiment of the present invention.

【図4】本発明の実施の形態による走査型プローブ顕微
鏡を示している。
FIG. 4 shows a scanning probe microscope according to an embodiment of the present invention.

【図5】図1の走査型プローブ顕微鏡用プローブの作製
方法を説明するための図である。
FIG. 5 is a diagram for explaining a method of manufacturing the probe for a scanning probe microscope in FIG. 1;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

100 プローブ 101 支持部 102 弾性部材部 103 探針部 104 検出機構部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Probe 101 Support part 102 Elastic member part 103 Probe part 104 Detection mechanism part

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】少なくとも先端が三角形状をした片持ち梁
状の弾性部材を振動させ、振動する弾性部材の自由端近
傍の軌跡を実質的な探針として、この実質的な探針と試
料表面の間に働く相互作用により起こる弾性部材の振動
状態の変化を検出し、この検出情報に基づき前記弾性部
材の振動状態が所定の振動状態となるように前記試料表
面と前記弾性部材との位置関係を制御しながら、前記試
料表面と前記弾性部材を相対的に走査して、試料表面の
情報を得る走査型プローブ顕微観察法。
1. A method according to claim 1, further comprising: vibrating a cantilevered elastic member having at least a triangular tip, and using a trajectory near a free end of the vibrating elastic member as a substantial probe. The change in the vibration state of the elastic member caused by the interaction between the two members is detected, and the positional relationship between the sample surface and the elastic member is adjusted so that the vibration state of the elastic member becomes a predetermined vibration state based on the detected information. A scanning probe microscopic observation method in which the sample surface and the elastic member are relatively scanned while controlling the information to obtain information on the sample surface.
【請求項2】支持部と、該支持部に保持される片持ち梁
状の弾性部材部と、該弾性部材部の自由端に設けられた
探針部と、前記弾性部材の振動状態を検出する検出機構
とを有し、前記探針部の形状が平板三角形状であり、前
記探針部の面法線方向とその先端の二点を結ぶ稜線とが
平行である走査型プローブ顕微鏡用プローブ。
2. A support, a cantilever-like elastic member held by the support, a probe provided at a free end of the elastic member, and detecting a vibration state of the elastic member. A probe for a scanning probe microscope, wherein the probe has a triangular flat plate shape, and a ridge line connecting two points at the tip of the probe is parallel to a surface normal direction of the probe. .
【請求項3】請求項2に記載の走査型プローブ顕微鏡用
プローブと、 前記走査型プローブ顕微鏡用プローブに振動を加えて実
質的な探針を得る加振手段と、 試料表面と前記実質的な探針の先端との間の相互作用に
基づく前記走査型プローブ顕微鏡用プローブの振動状態
の変化を検出する振動検出手段と、 前記実質的な探針と前記試料表面とを相対的に三次元方
向に駆動する駆動手段と、 前記振動検出手段からの情報に応じて前記試料表面と前
記実質的な探針との間の相互作用を一定に保つように駆
動手段を制御する制御手段と、 前記制御手段からの制御信号に基づいて前記試料表面の
凹凸状態を得る情報処理手段とを有している走査型プロ
ーブ顕微鏡。
3. A probe for a scanning probe microscope according to claim 2, vibration means for applying a vibration to the probe for a scanning probe microscope to obtain a substantial probe, Vibration detection means for detecting a change in the vibration state of the probe for a scanning probe microscope based on the interaction between the tip of the probe and the three-dimensional direction relative to the substantial probe and the sample surface A control unit that controls the driving unit so as to keep the interaction between the sample surface and the substantial probe constant according to information from the vibration detection unit; and the control. A scanning probe microscope having information processing means for obtaining the unevenness of the sample surface based on a control signal from the means.
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