WO2003067224A1 - Scanning probe microscope and specimen surface structure measuring method - Google Patents

Scanning probe microscope and specimen surface structure measuring method Download PDF

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WO2003067224A1
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cantilever
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moving
frequency
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PCT/JP2003/001168
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Tsuyoshi Hasegawa
Masakazu Aono
Tomonobu Nakayama
Sumio Hosaka
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Riken
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    • G01Q60/32—AC mode
    • G01Q60/34—Tapping mode
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01Q70/08—Probe characteristics
    • G01Q70/10—Shape or taper
    • G01Q70/12—Nanotube tips
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y15/00—Nanotechnology for interacting, sensing or actuating, e.g. quantum dots as markers in protein assays or molecular motors

Definitions

  • the present invention relates to a probe microscope capable of three-dimensionally measuring the surface structure of a sample with nanometer precision, and particularly to a surface having a fine structure on the order of nanometers and having a high aspect ratio. It relates to a probe microscope that can measure the structure accurately. Background art
  • the current minimum pore diameter of 180 nm will be 60 nm in 21010, and the aspect ratio will increase from 7 to 12; This is an area that is increasingly difficult to measure.
  • a method is used in which a sample is cleaved or processed with a focused ion beam (FIB) and its cross section is observed using a scanning electron microscope (SEM).
  • FIB focused ion beam
  • SEM scanning electron microscope
  • the sample and the probe are discretely scanned relative to each other with the probe separated from the sample, and the probe is searched at discrete measurement points.
  • There is a method of measuring the surface position by bringing the needle close to the sample Japanese Patent No. 2936565. This method moves the sample and the probe to the next pixel at a high speed, separating the probe from the gap at the time of physical quantity detection, and stops scanning during surface measurement. The position of the surface is measured by bringing the needle close to the sample.
  • the probe In the case of conventional contact-type digital probing (discrete) atomic force microscope (AFM), the probe repeatedly approaches and retreats to the sample surface at the pixel position.
  • AFM atomic force microscope
  • the cantilever 80 and the probe 81 are twisted as shown in FIG. 10 and an error occurs in the measurement position on the surface of the sample 82.
  • the measurement position error ⁇ : (in plane) and ⁇ (vertical direction) due to the deformation of the probe are expressed as follows.
  • F c Fcos 2 ⁇ (3)
  • F c is a controlled constant atomic force
  • 0 is the angle of the sample surface inclined from the vertical plane to the probe
  • k is the spring constant of the probe
  • E is the probe Young's modulus
  • 1 the length of the probe
  • t the thickness of the probe.
  • y a is called the aspect ratio of the probe.
  • the tip's peak ratio has roughly the same meaning as the sample's side ratio, and in this type of measurement, it is larger than the sample's side ratio. Measurements cannot be made unless the probe has a probe.
  • the force setting is about 10 to 18 N.
  • the atomic force F c is 1 0- 8 N
  • the probe of the Young's modulus E is 2 X 1 0 1: N / cm 2
  • the angle ⁇ becomes 80 degrees
  • ⁇ r becomes 11 nm and ⁇ ' ⁇ becomes 64 nm.
  • the present invention provides a scanning probe microscope capable of accurately measuring the shape of a surface structure having a high aspect ratio, and a surface of a sample having a high aspect ratio. It is an object to provide a structure measuring method. Disclosure of the invention
  • the measurement position error delta r in order to reduce the delta z is found to be by reducing the more constant controlled atomic force F c to the servo.
  • F c the more constant controlled atomic force
  • F c the more constant controlled atomic force
  • the interatomic force in the repulsion region was used. Shikakashi, these are between the minimum atomic force 1 0 _ 8 N before and after, when aiming the following measuring position error 1 nm, the force between the constant controlled atoms below 1 0 one 1 Q N There is a need.
  • the force detection method of the vibration system i.e., employ the force detection method of a non-contact manner.
  • the cantilever supporting the probe is vibrated at its resonance point, the resonance point shifted with respect to the external forcing is measured, and a weak force acting on the probe is detected (FM modulation).
  • FM modulation FM modulation
  • slope detection method There is one.
  • an interatomic force of about 10 to 13 N can be detected, and even if the slope of the sample cross section is 85 degrees, a probe position error of 1 nm or less can be achieved. It is possible to measure shapes with a ratio of 10 or more with sub-nanometer accuracy.
  • a high-aspect probe such as a carbon nanotube can be used as the probe.
  • the scanning probe microscope includes a sample stage on which a sample is placed, a probe, a cantilever to which the probe is fixed, and a first stage in which the probe is two-dimensionally moved in a direction along the sample surface.
  • a second probe moving means for moving the probe in a direction toward or away from the sample surface, a probe position detecting means for detecting the position of the probe, and a cantilever.
  • Control means for detecting a change in the vibration amplitude at the predetermined frequency, and measuring a position of the probe when the change in the vibration amplitude reaches a predetermined amount. I do.
  • the amplitude detecting means can be constituted by a lock-in amplifier.
  • the scanning probe microscope also includes a sample stage on which a sample is mounted, a probe, a cantilever to which the probe is fixed, and a first stage for moving the probe two-dimensionally in a direction along the sample surface.
  • Control means for detecting and measuring the position of the probe when the shift of the resonance frequency reaches a predetermined amount.
  • the resonance frequency shift detecting means can be constituted by a phase opening loop circuit.
  • the probe of the scanning probe microscope according to the present invention can be composed of carbon nanotubes.
  • a capacitance displacement meter, a strain gauge, an optical interferometer, or an optical lever can be used as the probe position detecting means.
  • the method for measuring the surface structure of a sample is a method for measuring the surface structure of a sample using a scanning probe microscope equipped with a cantilever having a fixed probe, wherein a servo for maintaining a constant gap between the probe and the sample surface is provided. Stopping the system, moving the probe to the measurement point along the sample surface with the probe away from the sample, and moving the probe close to the sample surface while vibrating the probe to apply a predetermined atomic force in the attractive region.
  • a step of measuring the position of the probe at the time of detection and a step of moving the probe in a direction away from the sample surface immediately after the measurement are repeated for each measurement point. In the step of moving the probe in a direction away from the sample surface, the probe is moved by a distance greater than the distance at which the effect of the sample adsorption force is eliminated.
  • the probe After the probe detects a predetermined atomic force, the probe is separated from the sample. At this time, the probe may collide with the sample surface due to a delay in a circuit system or the like. This makes measurement impossible if the tip of the probe breaks. To avoid this, when approaching the probe, the probe is connected to the sample using the distance control signal of the servo circuit (a circuit that controls the distance between the probe and the sample gap so that the desired atomic force is achieved). It is desirable to approach the surface. The probe may approach the sample at a constant speed. At this time, using the signal of the servo circuit It is necessary to avoid collision of the probe.
  • the distance control signal of the servo circuit a circuit that controls the distance between the probe and the sample gap so that the desired atomic force is achieved. It is desirable to approach the surface.
  • the probe may approach the sample at a constant speed. At this time, using the signal of the servo circuit It is necessary to avoid collision of the probe.
  • the frequency of the probe vibration is set to a frequency slightly deviated from the resonance point of the cantilever, and a predetermined atomic force can be detected based on a change in the vibration amplitude of the cantilever.
  • the frequency of the probe vibration may be the frequency of the resonance point of the cantilever, and a predetermined interatomic force may be detected based on the shift of the resonance frequency of the cantilever.
  • the scanning probe microscope of the present invention can be used for measuring the length of a fine element or for measuring a defect. It can also be used as a line monitor for semiconductor manufacturing processes.
  • the basic operation of the probe at the time of measurement is to stop scanning when measuring the surface, and to move the probe away from the sample surface when scanning.
  • a vibration method non-contact type
  • the aspect ratio is 10 or more, the error due to slip can be suppressed to 1 nm or less, and highly accurate shape measurement can be performed.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of digital probing AFM according to the present invention using a slope detection method.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing an example in which a probe is formed of carbon nanotubes.
  • Fig. 3 is a diagram schematically showing the procedure of measurement by the non-contact digital probing AFM by the movement of the probe.
  • FIG. 4 is a schematic configuration diagram of a lock-in amplifier.
  • Fig. 5 is a diagram showing the relationship between the distance between the probe and the sample surface and the amount of amplitude change detected by the mouth-in amplifier.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing another example of digital probing AFM according to the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic configuration diagram of a PLL circuit.
  • FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the distance between the probe and the sample surface and the resonance frequency detected by the PLL circuit.
  • FIG. 9 is a schematic diagram of a semiconductor inspection device according to the present invention.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating the force acting on the probe and the torsion of the probe when the probe is brought closer to the slope.
  • the digital probing AFM of the present invention has a detection system for detecting a force gradient (force gradient).
  • force gradient force gradient
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of digital probing AFM according to the present invention using a slope detection method.
  • This digital probing AFM has a vibration-type mechanism for detecting an atomic force gradient in addition to a normal AFM configuration.
  • the sample 11 is placed on the XY sample stage 12, and the XY sample stage 12 is roughly moved by the XY scanning circuit 25 so that the measurement area is located below the probe.
  • the cantilever 22 having a probe fixed to the tip is provided with a vibrating piezo element 23 and a cylindrical XYZ scanning piezo element 24.
  • As the force detector an ordinary optical lever type equipped with a semiconductor laser 31, a position detector 32, and a force detection circuit 34 was used.
  • the servo circuit 35 drives the probe in the Z direction by the piezo element 24 for XYZ scanning, and servo-controls the signal detected by the force detection circuit 34 to a constant value.
  • the XY scanning circuit 25 also drives the XY scanning piezo element 24 in the X and Y directions to move the probe in the X and Y directions on the surface of the sample 11.
  • an approach mechanism is provided for moving the probe closer to or farther from the surface of the sample 11 with a stroke larger than the Z movement by the XYZ scanning piezo element 24.
  • a lock-in amplifier 40 is used to detect a force gradient.
  • the control unit 37 controls the XY scanning circuit 25 and the servo circuit 35.
  • a probe having an aspect ratio of 10 or more is preferably manufactured using carbon nanotubes / carbon fibers or the like.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing an example in which a probe is formed of carbon nanotubes.
  • a carbon nanotube is adhered to the tip of a cantilever 22 made of a silicon film, a silicon nitride film or a silicon oxide film to form a probe 21. It is better to use a carbon nanotube with a diameter of about 10 to 50 nm and a length of 500 nm or more.
  • the carbon nanotube is fixed to a manipulator (not shown) and positioned at the tip of the cantilever. This can be done by irradiating a beam and then generating carbon.
  • FIG. 3 is a diagram schematically showing the procedure of measurement by the non-contact digital probing AFM shown in FIG. 1 by the movement of a probe.
  • Fig. 3 (a) is a schematic diagram showing the movement of the probe that moves repeatedly with respect to the sample surface
  • Fig. 3 (b) is a diagram illustrating the basic movement of the probe.
  • the probe 21 is driven in the Z direction by the XYZ scanning piezo element 24 while vibrating the probe 21 in the z direction at an amplitude of about several nm to several tens of nm, and is brought close to the surface of the sample 11 (1) 0
  • An excitation signal is output from the lock-in amplifier 40 or an external transmitter, input to the excitation piezo element 23, and the probe 21 is vibrated by the vibration of the piezo element 23.
  • the frequency of the vibration shall be slightly off the resonance point of the cantilever.
  • the driving of the probe 21 in the direction approaching the sample surface is stopped, and then the probe 21 is retracted from the sample surface in advance.
  • the distance ⁇ is set at least to a distance at which the effect of the adsorption force of the sample 11 on the probe 21 is eliminated or a distance larger than an expected surface irregularity.
  • the XY scanning circuit 25 drives the XYZ scanning piezo element 24 to move the probe 21 by ⁇ in the X direction, and moves the probe 21 to the next pixel. Set to position (3).
  • the surface structure of the sample 11 is measured.
  • the tip is moved a predetermined distance Y in the Y direction, and scanning in the X direction is repeated again to measure the three-dimensional structure of the sample surface.
  • the high-frequency signal output from the oscillator 45 is input to the excitation piezo element 23 and the multiplier 41 of the mouth-in amplifier 40.
  • the cantilever 22 is driven at a frequency ⁇ by a vibrating piezoelectric element 23.
  • the laser beam 33 emitted from the semiconductor laser 31 and reflected by the cantilever 22 is detected by a position detector 32 comprising a two-divided or four-divided photodetector.
  • the output of the force detection circuit (laser position detection circuit) 34 is multiplied by the output of the oscillator 45 in the multiplier 41 in the lock-in amplifier 40, and the output of the multiplier 41 is supplied to the low-pass filter 42. As a result, the amplitude of the frequency component that matches the frequency is detected.
  • the lock-in amplifier 40 regards the movement of the resonance point as a change in the amplitude of the vibration of the probe 21. This change in amplitude is detected as a change in the force gradient, and when the set amount of change in the force gradient is reached, it is determined that the probe 21 has reached the surface of the sample 11, and the control unit 37 determines at that time.
  • the coordinates of the probe 21, that is, the coordinates of the surface position (X, y, z) are measured.
  • Fig. 5 is a diagram showing the relationship between the distance between the probe and the sample surface and the amount of amplitude change detected by the mouth-in amplifier.
  • the horizontal axis is the gap between the probe and the sample, and the vertical axis is the amplitude of the frequency ⁇ component detected by the lock-in amplifier.
  • Curve ⁇ represents an amplitude change when the excitation frequency ⁇ is set to a frequency lower than the resonance frequency of the probe 21. In this case, when the probe 21 approaches the sample surface, the amplitude of the frequency ⁇ component increases.
  • Curve ⁇ represents the amplitude change when the excitation frequency ⁇ is set to a frequency higher than the resonance frequency of the probe 21.
  • the amplitude of the frequency ⁇ component decreases on the contrary. Therefore, by setting a threshold value for the amplitude change, when the detected amplitude change exceeds the threshold value, it can be determined that the probe 21 has reached the sample surface.
  • the ⁇ ⁇ scanning function by the ⁇ ⁇ scanning circuit 25 is completely stopped.
  • the probe 21 is retracted in the ⁇ direction from the sample surface by a predetermined distance ⁇ ⁇ .
  • the probe 21 is moved by ⁇ ⁇ ⁇ to the next pixel point by the ⁇ ⁇ scanning circuit 25. Then, follow the same procedure to bring the probe 21 close to the surface of the sample 11 and detect the surface position. You. In this way, the surface position (X, y, z) of the sample is measured at all pixels, and information on the surface structure of the sample is obtained.
  • the retreat amount ⁇ of the probe 21 is preferably set to be larger than the depth or the height in consideration of the depth or the height of the peak of the surface structure of the sample 11.
  • the displacement of the probe 21 is detected by an optical lever, but instead of using an optical lever, measurement may be performed by using another known measurement technique such as a capacitance displacement meter, a strain gauge, or an optical interferometer.
  • measurement may be performed by using another known measurement technique such as a capacitance displacement meter, a strain gauge, or an optical interferometer.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing another example of the digital probing AFM according to the present invention.
  • This digital probing AFM includes an atomic force gradient detector of an FM (frequency modulation) detection system in addition to a normal AFM configuration.
  • the force detector employs an optical lever system including a semiconductor laser 31, a position detector 32, and a force detection circuit 34.
  • a frequency is demodulated using a PLL (phase locked loop) circuit 50, and a change in the force gradient is detected from a change in the frequency.
  • the same servo system, scanning system, approach mechanism, probe position detector, and the like as used in the first embodiment are used for controlling the detected signal to a constant value.
  • the vibration of the probe differs from that of the first embodiment in that an external oscillator is not used, and a resonance circuit system is formed by an internal circuit network and used. That is, the closed loop of the probe, the vibrating piezo element 23, the oscillation circuit 51, the force detection circuit 34, and the optical lever probe position detector 32 is positively feedback-coupled to make the cantilever 22 the resonance point. To oscillate.
  • the measurement procedure is the same as in the first embodiment.
  • a closed loop is created with the probe, the excitation piezoelectric element 23, the oscillation circuit 51, the force detection circuit 34, and the optical lever probe position detector 32, and the positive feedback coupling is performed.
  • Probe Is brought close to the sample surface while vibrating.
  • the set atomic force gradient acts on the probe, it is determined that the probe has contacted the sample surface, surface surface information is obtained, and then the probe is retracted from the sample surface by a predetermined distance ⁇ .
  • the probe is moved to the next pixel position in the X direction, and the same surface position measurement operation is repeated.
  • the loop filter 54 outputs a low-frequency component signal of the frequency ( ⁇ ⁇ — ⁇ 2 ) of the signal from the phase comparator 53 to the loop amplifier 55.
  • Loop amplifier 5 5 the signal G ⁇ 5 ( ⁇ ⁇ - ⁇ 2) t ⁇ showing the frequency varying output.
  • FIG. 8 shows a change in the resonance frequency detected by the PLL circuit 50 when the probe approaches the sample surface.
  • a change in the force gradient is detected from the change in the resonance frequency, and when the change amount of the force gradient reaches the set value, it is determined that the probe has reached the surface of the sample 11. Therefore, the controller 37 immediately measures the surface position (X, y, z) of the sample 11 from the position of the probe. At this time, the XY scanning function by the XY scanning circuit 25 is completely stopped.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing an example in which a digital probing AFM using a slope detection method is applied to a semiconductor detection device.
  • the illustrated semiconductor inspection device includes an AFM having a function of detecting an atomic force gradient of a vibration type, a chip position recognition function for measuring at an arbitrary measurement position in a semiconductor chip, and a semiconductor device for automatic measurement. Total It has a computer processing function.
  • the AFM force detector employs an optical lever system composed of a semiconductor laser 31, a position detector 32, and a force detector 34, and the force gradient is controlled by a lock-in amplifier 40 as in the first embodiment. To detect. Furthermore, an approach mechanism is provided for bringing the probe 21 closer to the surface of the sample (semiconductor chip) 11 (not shown).
  • an optical microscope 60 for observing the probe 21 and the sample 11 at the same time is provided.
  • the optical microscope 60 has an objective lens 61 and an eyepiece 62, and can observe the sample surface and the cantilever 22 and the sample 11 simultaneously.
  • the epi-illumination system is omitted in the figure.
  • the illuminated sample 11 and the probe 21 are observed by the CCD camera 63.
  • the optical image captured by the CCD camera 63 is used to accurately recognize the position of the chip on the system. As a result, the chip arrangement in the wafer and the positional relationship in the inspection apparatus can be calculated and obtained. With this mating, the probe 21 can be accurately positioned at a position on the chip where the surface shape is to be measured.
  • the control unit 37 communicates with the host computer and with the robot for automatic wafer transfer, receives recipes for measurement locations and measurement conditions, controls automatic measurement, and loads wafers from the robot. Control unloading.
  • the control unit 37 instructs the XY scanning circuit 25 to drive the XY sample stage 12 and the XYZ scanning piezo element 24 so that the location specified by the host computer becomes the observation position, and the specified location is set. Measure.
  • the control unit 37 communicates the measurement data to the host computer or displays the measurement data on the display device 38. '
  • the present invention when the present invention is applied to shape measurement of a high-aspect structure having dimensions in the sub-micron region, it is possible to perform measurement with a precision of nanometers or less without a probe sliding on a slope. It can be used for length measurement and defect measurement of fine elements. It can also be used as a line monitor in semiconductor manufacturing processes. Industrial applicability
  • the probe when measuring the shape of a high-aspect structure having dimensions in the sub-micron region, the probe can be measured on the slope with no accuracy of nanometers or less without slippage. Can be.

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Description

明 細 書 走査型プローブ顕微鏡及び試料の表面構造測定方法
技術分野
本発明は、 試料の表面構造をナノメートルの精度で 3次元的に計測できるプロ ーブ顕微鏡に係わり、 特に、 ナノメートルオーダの微細構造を持ち、 かつ、 高ァ スぺク ト比を持つ表面構造を正確に計測できるプローブ顕微鏡に関するものであ る。 背景技術
近年、 情報化社会の進展により、 多くの情報を共用できる技術の開発が要求さ れている。 半導体素子の分野でも微細化が進められており、 現在最先端の素子に おいては約 0 . 1 3 μ mの最小線幅が求められている。 また、 これに伴い、 素子 分離技術、配線技術、コンタク ト技術などで高精度化や微細化が求められている。 加えて、 高ァスぺク ト比 （深さ 開口径） の構造が提案され、 その作製技術が求 められている。 作製技術と共に計測技術も求められ、 ナノメートルの精度を持つ た計測法の開発が要求されている。 具体的には、 半導体ロードマップによると、 現状の最小孔径 1 8 0 n mが 2 0 1 0年には 6 0 n mとなり、 かつ、 ァスぺク ト 比が 7から 1 2へと増加し、 ますます計測が難しい領域となる。 現状技術では、 走査型電子顕微鏡（S E M) を使用し、試料を劈開あるいは集束イオンビーム （F I B ) 加工してその断面を観察する方法が採用されている。
このような高ァスぺク ト比の表面構造をプローブ顕微鏡で観察する方法として、 試料から探針を離した状態で試料と探針を離散的に相対走査し、 離散的な測定点 において探針を試料に接近させて表面位置を計測する方法がある （特許第 2 9 3 6 5 4 5号)。 この方法は、 面内走査の際には、試料と探針を物理量検出時の間隙 より必要以上に離して高速で次のピクセルに移動し、 表面計測の時は、 走査を停 止し、 探針を試料に近づけて表面位置を測定するものである。
開口径が小さくァスぺク ト比が大きい試料表面を計測するには、 非常に細長い 探針がカンチレバーの先端についていることが必要である。 このため、 探針の横 方向の弾性が低くなり殆どカンチレバーの弾性定数と同じになる。 これにより、 探針が斜面に到達した際、 探針に変形が起こる。
従来の接触方式ディジタルプロ一ビング （離散的） 原子間力顕微鏡 （AFM : Atomic Force Microscope) の場合、 探針は画素の位置で試料表面への接近及び後 退を繰り返す。 探針が接近しながら試料表面を捉える際、 斜面が急峻であると、 図 1 0に示すようにカンチレバー 80と探針 8 1は捩れ、 試料 82の表面の計測 位置に誤差が生じる。 この探針の変形による計測位置誤差量 Δι: (面内）、 Δζ (垂 直方向） は、 次のように表される。
ΔΓ = F ctan0/k ( k = E 1 / ( 5 γ a 3) , γ a = 1 / t ) (1)
Δ ζ = Δ r tan θ (2)
F c = Fcos2 θ (3) ただし、 Fc ：制御された一定な原子間力、 0 ：探針に対する垂直面から傾いた 試料面の角度、 k ：探針のバネ定数、 E :探針のヤング率、 1 ：探針の長さ、 t ： 探針の厚さである。 y aは、 ここでは探針のアスペク ト比と呼ぶ。 探針のァスぺ ク ト比は、おおよそ試料側のァスぺク ト比と同じ意味を持ち、この種の測定では、 試料側のァスぺク ト比より大きなァスぺク ト比を持った探針でないと測定ができ なレ、。
光てこ方式等で原子間力を検出する接触方式の場合、力の設定は 1 0一8 N程度 となる。 例えば、 原子間力 F cの設定が 1 0— 8N、 角度 0が 4 5度、 探針のヤン グ率 Eが 2 X 1 01 :N/ cm2, 探針の長さ 1が 1 μ m、 探針の厚さ tが 50 n m (y a = 20) の時、 Δ r及び Δ ζは 2 nmとなる。 角度 Θが 80度となると、 Δ rは 1 1 nm、 Δ'ζは 64 nmとなる。 さらに、 角度 Θが 8 5度となると、 厶 rは 23 nm、 Δ ζは 26 1 nmとなり、 探針先端が試料斜面で滑ってしまうこ とが分かる。 これは、 従来技術では高ァスぺク ト比の表面構造の形状を正確に測 定できないことを示している。
本発明は、 このような従来技術の問題点に鑑み、 高アスペク ト比の表面構造の 形状を正確に測定することのできる走査型プローブ顕微鏡、 及び髙ァスぺク ト比 を有する試料の表面構造測定方法を提供することを目的とする。 発明の開示
上記式 （1 ) ( 2 ) から、 計測位置誤差 Δ r、 Δ zを小さくするには、 サーボに より一定に制御された原子間力 F cを小さくすれば良いことが分かる。 即ち、 シ ステムを小さい原子間力で制御することが重要である。 従来技術では斥力領域の 原子間力を利用していた。 しカゝし、これらは最小原子間力が 1 0 _ 8 N前後であり、 1 n m以下の計測位置誤差を目指す場合、 一定に制御された原子間力を 1 0一 1 Q N以下にする必要がある。
1 0— 1 Q N以下の原子間力を制御するために、 本発明では、 振動方式の力検出 法、 即ち、 非接触方式の力検出法を採用する。 この方式には、 探針を支持してい るカンチレバーをその共振点で振動させ、 外部の強制力に対してシフトした共振 点を測定し、 探針に作用する弱い力を検出する方式 （F M変調方式） と、 カンチ レバーをその共振点より少し外れた周波数で振動させ、 外部からの強制力により 振幅が変化するのを検出して微小な原子間力を計測する方式（スロープ検出方式） の 2つがある。 これらの検出方式を採用し、 引力領域の原子間力を検出する。 こ の方法によると 1 0— 1 3 N前後の原子間力を検出することができ、 試料断面のス ロープが 8 5度でも 1 n m以下の探針位置誤差を達成できるため、 ァスぺク ト比 1 0以上の形状をサブナノメートル精度で計測することが可能となる。 また、 探 針としてカーボンナノチューブのような高ァスぺク 卜な探針を使用することがで さる。
すなわち、 本発明による走査型プローブ顕微鏡は、 試料を載置する試料ステー ジと、 探針と、 探針を固定したカンチレバーと、 探針を試料表面に沿う方向に 2 次元的に移動させる第 1の探針移動手段と、 探針を試料表面に対して近づく方向 あるいは遠ざかる方向に移動させる第 2の探針移動手段と、 探針の位置を検出す る探針位置検出手段と、 カンチレバーをその共振点よりわずかに外れた所定の周 波数で振動させる手段と、 カンチレバーの前記所定の周波数成分の振動振幅を検 出する振幅検出手段と、 カンチレバーを試料表面に対して近づく方向に移動させ ながらカンチレバーの前記所定周波数の振動振幅の変化を検出し、 振動振幅の変 化が所定量に達したときの探針の位置を計測する制御手段とを含むことを特徴と する。 振幅検出手段はロックイン増幅器によって構成することができる。
本発明による走査型プローブ顕微鏡は、また、試料を載置する試料ステージと、 探針と、 探針を固定したカンチレバーと、 探針を試料表面に沿う方向に 2次元的 に移動させる第 1の探針移動手段と、 探針を試料表面に対して近づく方向あるい は遠ざかる方向に移動させる第 2の探針移動手段と、 探針の位置を検出する探針 位置検出手段と、探針を固定したカンチレバーをその共振点で振動させる手段と、 カンチレバーの共振周波数のシフトを検出する共振周波数シフト検出手段と、 力 ンチレバーを試料表面に対して近づく方向に移動させながらカンチレバーの共振 周波数のシフトを検出し、 共振周波数のシフトが所定量に達したときの探針の位 置を計測する制御手段とを含むことを特徴とする。 共振周波数シフト検出手段は フェイズ口ック ドループ回路によって構成することができる。
本発明による走査型プローブ顕微鏡の探針はカーボンナノチューブによって構 成することができる。 探針位置検出手段としては、 容量変位計、 歪みゲージ、 光 干渉計又は光てこを用いることができる。
本発明による試料の表面構造測定方法は、 探針を固定したカンチレバーを備え る走査型プローブ顕微鏡を用いて試料の表面構造を測定する方法において、 探針 と試料表面との間隙を一定に保つサーボ系を停止させ、 探針を試料から離した状 態で試料表面に沿う向に測定点まで移動させるステップと、 探針を振動させなが ら試料表面に近づけ引力領域で所定の原子間力を検出した時の探針の位置を測定 するステップと、 測定後直ちに探針を試料表面から離れる方向に移動させるステ ップとを測定点毎に反復することを特徴とする。 探針を試料表面から離れる方向 に移動させるステップでは、 探針を試料の吸着力の影響がなくなる距離以上移動 させる。
なお、 探針が所定の原子間力を検出した後、 探針を試料から引き離すが、 この 時、 回路系の遅れ等で探針が試料表面に衝突する場合がある。 これにより探針先 端がこわれると測定不能となる。 これを回避するため、 探針を接近する際にサ一 ボ回路 （所望の原子間力となるように探針 ·試料間隙の距離を制御する回路） の 距離制御信号を用いて探針を試料表面に接近することが望ましい。 また、 一定の スピードで探針を試料に接近してもよい。 この時、 サーボ回路の信号を使用して 探針の衝突を回避することが必要である。
具体的には、 探針振動の周波数をカンチレバーの共振点よりわずかに外れた周 波数とし、 カンチレバーの振動振幅の変化に基づいて所定の原子間力を検出する ようにすることができる。
あるいは、 探針振動の周波数をカンチレバーの共振点の周波数とし、 カンチレ バーの共振周波数のシフトに基づいて所定の原子間力を検出するようにすること ができる。
本発明の走査型プローブ顕微鏡は、 微細素子の測長計測に利用したり、 欠陥計 測に利用することができる。 また、 半導体製造プロセスのラインモニタとして使 用できる。 測定の際の探針動作の基本は、 表面を計測するときは、 走査を停止す ること、 走査する時は試料面から探針を離す動作を行うことである。 これと同時 に、 設定力を 1 0— 1 Q N以下とするため振動方式 （非接触方式） を採用したこと である。 これにより、 ァスぺク ト比 1 0以上でも、 すべりによる誤差を 1 n m以 下に抑えることができ、 高精度の形状計測が可能となる。 図面の簡単な説明
図 1は、 スロープ検出方式を用いた本発明によるディジタルプロ一ビング A F Mの一例を示す模式図である。
図 2は、カーボンナノチューブによって探針を構成した例を示す模式図である。 図 3は、 非接触方式のディジタルプロ一ビング A F Mによる計測の手順を探針 の動きによって模式的に示した図である。
図 4は、 ロックイン増幅器の概略構成図である。
図 5は、 探針と試料表面間の距離と口ックイン増幅器による振幅変化の検出量 の関係を表す図である。
図 6は、 本発明によるディジタルプロ一ビング A F Mの他の例を示す模式図。 図 7は、 P L L回路の概略構成図である。
図 8は、 探針と試料表面間の距離と P L L回路によって検出される共振周波数 の関係を示す図である。
図 9は、 本発明による半導体検査装置の概略図である。 図 1 0は、 探針を斜面に近づけた際に探針に作用する力と探針のねじれを説明 する図である。 発明を実施するための最良の形態
本発明をより詳細に説述するために、添付の図面にしたがつてこれを説明する。 本発明のディジタルプロ一ビング A F Mは、 力勾配 （フォースグラジェント） を 検出する検出系を持つ。以下の図において、同じ機能部分には同一の符号を付し、 重複する説明を省略する。
[実施形態 1 ]
図 1は、 スロープ検出方式を用いた本発明によるディジタルプロ一ビング A F Mの一例を示す模式図である。 このディジタルプロ一ビング A F Mは、 通常の A F Mの構成に加えて、 原子間力勾配を検出する振動方式の機構を備えている。 試料 1 1は X Y試料ステージ 1 2の上に載置され、 X Y試料ステージ 1 2は測 定領域が探針の下方に位置するように X Y走査回路 2 5によって粗移動される。 先端に探針が固定されたカンチレバー 2 2は、 加振用ピエゾ素子 2 3及び円筒型 の X Y Z走査用ピエゾ素子 2 4を備える。力検出器としては、半導体レーザ 3 1、 位置検出器 3 2、 力検出回路 3 4を備える通常の光てこ方式のものを採用した。 サーボ回路 3 5は、 X Y Z走査用ピエゾ素子 2 4によって探針を Z方向に駆動し て、 力検出回路 3 4で検出された信号を一定値にサーボ制御する。 X Y走査回路 2 5は、 また、 X Y Z走査用ピエゾ素子 2 4を X Y駆動して探針を試料 1 1面上 で X Y走查する。 また、 図示しないが、 X Y Z走査用ピエゾ素子 2 4による Z移 動より大きなストロークで探針を試料 1 1の表面に近づけたり遠ざけたりするた めの接近機構が設けられている。 本例では、 力勾配を検出するため、 ロックイン 増幅器 4 0を用いている。 制御部 3 7は、 X Y走査回路 2 5及びサーボ回路 3 5 を制御する。
探針は、 試料 1 1の持つ溝深さや山の高さを考慮して、 できるだけ細長い形状 とすることが望ましい。 特にアスペク ト比が 1 0以上の探針は、 カーボンナノチ ユーブゃカーボンファイバ等を使用して作製するのが好ましい。
図 2は、カーボンナノチューブによって探針を構成した例を示す模式図である。 シリコン膜、 シリコン窒化膜あるいはシリコン酸化膜で作ったカンチレバー 22 の先端に、 カーボンナノチューブを接着して探針 2 1とする。 カーボンナノチュ —ブは直径 1 0〜50 nm程度、長さは 500 n m以上のものを用いるのがよレ、。 また、 カンチレバー 22へのカーボンナノチューブの接着は、 カーボンナノチュ ーブを図示しないマニピュレータに固定してカンチレバーの先端に位置付け、 力 一ボンナノチューブのカンチレバー 22側の端部 （図の矢印位置） に電子ビーム を照射し、 その時発生するカーボンによって行うことができる。
図 3は、 図 1に示した非接触方式のディジタルプロ一ビング A FMによる計測 の手順を探針の動きによって模式的に示した図である。 図 3 (a) は試料表面に 対して反復して運動する探針の動きを示した模式図、 図 3 (b) は探針の基本的 な動きを説明する図である。
まず、 探針 2 1を z方向に振幅数 nm〜数十 nm程度で振動させながら XYZ 走査用ピエゾ素子 24によって Z方向に駆動し、 試料 1 1の表面に接近させる (1)0 この時、 ロックイン増幅器 40あるいは外部発信器から加振信号を出力し て、 加振用ピエゾ素子 23に入力し、 ピエゾ素子 23の振動により探針 2 1を振 動させる。 振動の周波数はカンチレバーの共振点よりわずかに外れた周波数とす る。 設定した原子間力勾配が探針 2 1に作用したとき、 振動振幅が変化し、 設定 値に一致する。 これを、 探針 2 1が試料 1 1の表面に接触したと判断して、 試料 表面に接近する方向への探針 2 1の駆動を停止し、 その後、 試料表面から後退す る方向に予め定めた距離 ΔΖだけ駆動する （2)。 距離 Δ Ζは、 少なくとも探針 2 1に対する試料 1 1の吸着力の影響がなくなる距離、 あるいは予想される表面凹 凸より大きな距離に設定しておく。次に、距離 Δ Zだけ後退した Z位置において、 XY走査回路 25によって XYZ走查用ピエゾ素子 24を駆動して探針 2 1を X 方向に ΔΧだけ移動させ、 探針 2 1を次の画素位置に設定する （3)。
この （1) (2) (3) からなる探針 2 1の動きを反復して行うことにより、 試 料 1 1の表面構造を測定する。 X方向の走査が終わったら、 Y方向に所定距離厶 Yだけ探針を移動し、 再び X方向走査することを反復することで、 試料表面の 3 次元構造を測定することができる。
次に、 図 4に示す口ックイン増幅器の概略構成図を用いて探針に作用する原子 間力勾配の測定について説明する。 発振器 4 5から出力される高周波信号は、 加 振用ピエゾ素子 2 3と口ックイン増幅器 4 0の乗算器 4 1に入力される。 カンチ レバー 2 2は、 加振用ピエゾ素子 2 3によって周波数 ωで駆動される。 半導体レ 一ザ 3 1から出射され、 カンチレバー 2 2で反射されたレーザビーム 3 3は、 2 分割あるいは 4分割光検出器からなる位置検出器 3 2で検出される。 力検出回路 (レーザ位置検出回路） 3 4の出力はロックイン増幅器 4 0中の乗算器 4 1で発 振器 4 5からの出力と乗算され、 乗算器 4 1の出力はローパスフィルタ 4 2を通 つて周波数 に一致した周波数成分の振幅が検出される。
探針 2 1が試料 1 1の表面に近づくと、 探針 2 1に原子間力が作用し、 カンチ レバー 2 2の共振点が移動する。 ロックイン増幅器 4 0は、 この共振点の移動を 探針 2 1の振動の振幅変化として捉える。 この振幅変化が力勾配の変動として検 出され、 設定された力勾配の変化量になった時、 探針 2 1が試料 1 1の表面に達 したと判断し、制御部 3 7は、その時の探針 2 1の座標すなわち表面位置座標（X , y , z ) を測定する。
図 5は、 探針と試料表面間の距離と口ックイン増幅器による振幅変化の検出量 の関係を表す図である。 横軸は探針と試料の間隙、 縦軸はロックイン増幅器で検 出された周波数 ω成分の振幅である。 曲線 Αは、 加振周波数 ωを探針 2 1の共振 周波数より低い周波数にセットした場合の振幅変化を表す。 この場合、 探針 2 1 が試料表面に近づく と周波数 ω成分の振幅は増大する。 また、 曲線 Βは、 加振周 波数 ωを探針 2 1の共振周波数より高い周波数にセットした場合の振幅変化を表 す。 この場合には、 探針 2 1が試料表面に近づくと周波数 ω成分の振幅は逆に減 少する。 従って、 振幅変化に閾値を設定しておくことにより、 検出された振幅変 化がその閾値を超えたとき、 探針 2 1が試料表面に達したと判定することができ る。
探針 2 1に作用する力勾配によって試料表面の位置を検出している時、 Χ Υ走 査回路 2 5による Χ Υ走査機能は完全に停止している。 探針座標の測定後、 直ち に探針 2 1を所定の距離 Δ Ζだけ試料表面から Ζ方向に後退させる。 Ζ方向への 後退後、 Χ Υ走査回路 2 5によって探針 2 1を次の画素点まで Δ Χだけ移動する。 その後、 同様の手順で探針 2 1を試料 1 1の表面に接近させ、 表面位置を検出す る。 こうして全ての画素で試料の表面位置 （X , y , z ) を計測して試料の表面 構造に関する情報を得る。
このように探針 2 1を駆動することにより、 連続的にサーボしながら探針 2 1 を走査することによる摩擦の影響を無くすことができる。 また、 非常に小さい力 を検出してシステムを動作させるため、 探針 2 1を試料 1 1に垂直に接近させる 際、 急峻なスロープ上での探針 2 1の滑りによる誤差を極力小さくすることがで きる。 本発明の方法によると、 将来必要となる高アスペク ト比の構造を精度良く 計測することができる。 なお、 探針 2 1の後退量 Δ Ζは、 試料 1 1の表面構造の 持つ深さあるいは山の高さを考慮して、 その深さあるいは高さより大きく設定す るのがよい。
図示した例では探針 2 1の変位を光てこによって検出しているが、 光てこに代 えて容量変位計、 歪みゲージ、 光干渉計等、 他の公知の測定技術を用いて測定す るようにしてもよレ、。
[実施形態 2 ]
図 6は、 本発明によるディジタルプロ一ビング A F Mの他の例を示す模式図で ある。 このディジタルプロ一ビング A F Mは、 通常の A F Mの構成に加えて、 F M (周波数変調） 検出方式の原子間力勾配検出器を備える。
図示の例では、 力検出器は、 半導体レーザ 3 1、 位置検出器 3 2、 力検出回路 3 4で構成される光てこ方式を採用している。 一方、 力勾配を検出するために、 P L L (フェーズロック ドループ） 回路 5 0を用いて周波数を復調し、 周波数の 変化から力勾配の変化を検出する。 また、 検出された信号を一定値に制御するた めのサーボ系、 走査系、 接近機構、 探針位置検出器等は実施形態 1と同じものを 使用している。 なお、探針の振動は、実施形態 1と異なり、外部発振器を使わず、 内部の回路網で共振回路系を構成し、 これを用いている。 即ち、 探針、 加振用ピ ェゾ素子 2 3、 発振回路 5 1、 力検出回路 3 4、 光てこ探針位置検出器 3 2の閉 ループを正帰還結合させてカンチレバー 2 2を共振点で発振させる。
測定手順は、 実施形態 1 と同じである。 まず、 上述のように、 探針、 加振用ピ ェゾ素子 2 3、 発振回路 5 1、 力検出回路 3 4、 光てこ探針位置検出器 3 2で閉 ループを作り、 正帰還結合させてカンチレバー 2 2を共振点で発振させる。 探針 を振動させながら試料表面に接近させる。 設定した原子間力勾配が探針に作用し たとき、探針が試料表面に接触したと判断して、表面位置情報を取得し、その後、 所定の距離 ΔΖだけ探針を試料表面から後退させる。 後退した Z位置において、 探針を X方向に次の画素位置まで移動させ、同様の表面位置計測動作を反復する。 次に、 図 7に示す P L L回路の概略構成図を用いて探針に作用する原子間力勾 配の測定について説明する。探針を振動させながら試料 1 1の表面に接近させる。 この時、 発振回路 5 1から加振信号を P L L回路 5 0に入力する。 P L L回路 5 0は復調機能を持ち、 共振周波数を低周波領域の信号に変換し、 サーボ回路 3 5 に入力する。 すなわち、発振回路 5 1からの共振周波数 ω の信号 ニ八じ^ i tは、 位相比較器 5 3で電圧制御発振器 5 6からの周波数 ω 2の信号 V2 = Bcos ω 2 tと掛け合わされる。 ループフィルタ 5 4は位相比較器 5 3からの信号のう ち周波数 （ω ι— ω 2) の低周波成分の信号をループ増幅器 5 5に出力する。 ルー プ増幅器 5 5は、 周波数変化を示す信号 G {οο5(ω ι-ω 2) t } を出力する。 電 圧制御発振器 5 6では、 ω 2= ω ι {cos(co i _ ω 2) t }、 (G= ω となるよう に、 すなわち常に ω 2 = ω ιとなるように制御される。
探針が試料表面に近づくと、 探針に原子間力が加わり、 カンチレバー 2 2の共 振点がシフトする。 図 8に、 探針と試料表面とが近づいたときの P L L回路 5 0 によって検出される共振周波数の変化を示す。 この共振周波数の変化から力勾配 の変動を検出し、 設定された力勾配の変化量になった時、 探針が試料 1 1の表面 に達したと判断する。 そこで、 制御部 3 7は、 直ちに探針の位置から試料 1 1の 表面位置 （X , y , z ) を測定する。 この時、 XY走査回路 2 5による XY走査 機能は完全に停止している。
探針の変位検出には、 図示した光てこに代えて、 容量変位計、 歪みゲージ、 光 干渉計等、 他の公知の測定技術を用いてもよい。
[実施形態 3]
図 9は、 スロープ検出方式を用いたディジタルプロ一ビング AFMを半導体検 查装置に適用した例を示す模式図である。 図示する半導体検査装置は、 振動方式 の原子間力勾配を検出する機能を備える AFMを備え、 更に、 半導体チップ内の 任意の測定位置で測定するためのチップ位置認識機能、 及び自動測定のための計 算機処理機能を備えている。
A F Mの力検出器は、 半導体レーザ 3 1、 位置検出器 3 2、 力検出器 3 4で構 成される光てこ方式を採用し、 力勾配は実施形態 1と同様にロックイン増幅器 4 0で検出する。 更に、 探針 2 1を試料 （半導体チップ） 1 1の表面に近づけるた めの接近機構を設けている （図示省略）。
この A F M測定手段に加えて、 探針 2 1 と試料 1 1を同時に観察するための光 学顕微鏡 6 0を備える。 光学顕微鏡 6 0は、 対物レンズ 6 1及び接眼レンズ 6 2 を有し、試料面やカンチレバー 2 2と試料 1 1とを同時に観察することができる。 なお、 図では落射照明系を省略している。 照明された試料 1 1や探針 2 1は C C Dカメラ 6 3で観察される。 C C Dカメラ 6 3で撮像された光学像は、 システム 上でチップの位置を正確に認識するために使用される。 これにより、 ウェハ内の チップ配列や検査装置内の位置関係など計算して求めることができる。 このマツ ビングにより、 表面形状を測定したいチップ上の場所に正確に探針 2 1を位置決 めすることができる。
制御部 3 7は、 ホストコンピュータとの通信やウェハ自動搬送ロボッ トとの通 信を行い、 測定箇所や測定条件のレシピを受け取り、 自動計測を制御し、 また、 ロボッ トからのウェハの搬入 '搬出を制御する。 制御部 3 7は、 ホス トコンビュ ータで指定された場所が観察位置となるように X Y走査回路 2 5に指令して X Y 試料ステージ 1 2及び X Y Z走査ピエゾ素子 2 4を駆動し、指定場所を測定する。 また、 制御部 3 7は、 測定データをホス トコンピュータに通信したり、 表示装置 3 8に表示する。 '
以上のように、 本発明をサブミクロン領域の寸法を持った高ァスぺク ト構造の 形状計測に適用すると、 斜面での探針のすべりがなくナノメートル以下の精度で 計測することができ、 微細素子の測長計測や欠陥計測に利用することができる。 また、 半導体製造プロセスのラインモニタとして使用することもできる。 産業上の利用可能性
本発明によれば、 サブミクロン領域の寸法を持った高ァスぺク ト構造の形状計 測にあたり、 斜面での探針のすべりがなくナノメートル以下の精度で計測するこ とができる。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 試料を载置する試料ステージと、
探針と、
前記探針を固定したカンチレバーと、
前記探針を試料表面に沿う方向に 2次元的に移動させる第 1の探針移動手段と、 前記探針を試料表面に対して近づく方向あるいは遠ざかる方向に移動させる第 2の探針移動手段と、
前記探針の位置を検出する探針位置検出手段と、
前記カンチレバーをその共振点よりわずかに外れた所定の周波数で振動させる 手段と、
前記カンチレバーの前記所定の周波数成分の振動振幅を検出する振幅検出手段 と、
前記カンチレバーを試料表面に対して近づく方向に移動させながら前記カンチ レバーの前記所定の周波数成分の振動振幅の変化を検出し、 前記振動振幅の変化 が所定量に達したときの前記探針の位置を計測する制御手段とを含むことを特徴 とする走査型プローブ顕微鏡。
2 . 請求項 1記載の走査型プローブ顕微鏡において、 前記振幅検出手段はロック ィン増幅器からなることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
3 . 試料を載置する試料ステージと、
探針と、
前記探針を固定した力ンチレバーと、
前記探針を試料表面に沿う方向に 2次元的に移動させる第 1の探針移動手段と、 前記探針を試料表面に対して近づく方向あるいは遠ざかる方向に移動させる第
2の探針移動手段と、
前記探針の位置を検出する探針位置検出手段と、
前記探針を固定したカンチレバーをその共振点で振動させる手段と、
前記カンチレパーの共振周波数のシフトを検出する共振周波数シフト検出手段 と、 前記カンチレバーを試料表面に対して近づく方向に移動させながら前記カンチ レバーの共振周波数のシフトを検出し、 前記共振周波数のシフトが所定量に達し たときの前記探針の位置を計測する制御手段とを含むことを特徴とする走査型プ ローブ顕微鏡。
4 . 請求項 3記載の走査型プローブ顕微鏡において、 前記共振周波数シフト検出 手段はフェイズ口ック ドループ回路からなることを特徴とする走査型プローブ顕 微鏡。
5 . 請求項 1〜4のいずれか 1項記載の走査型プローブ顕微鏡において、 前記探 針はカーボンナノチューブからなることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
6 . 請求項 1〜5のいずれか 1項記載の走查型プローブ顕微鏡において、 前記探 針位置検出手段として、 容量変位計、 歪みゲージ、 光干渉計又は光てこを用いる ことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
7 . 探針を固定したカンチレバーを備える走査型プローブ顕微鏡を用いて試料の 表面構造を測定する方法において、
前記探針と試料表面との間隙を一定に保つサーボ系を停止させ、 前記探針を試 料から離した状態で試料表面に沿う向に測定点まで移動させるステップと、 前記探針を振動させながら試料表面に近づけ引力領域で所定の原子間力を検出 した時の前記探針の位置を測定するステップと、
前記探針を試料表面から離れる方向に移動させるステップとを測定点毎に反復 することを特徴とする方法。
8 . 請求項 7記載の方法において、 前記探針を試料表面から離れる方向に移動さ せるステップでは、 前記探針を試料の吸着力の影響がなくなる距離以上移動させ ることを特徴とする方法。
9 . 請求項 7又は 8記載の方法において、 前記振動の周波数は前記カンチレバー の共振点よりわずかに外れた周波数であり、 前記カンチレバーの振動振幅の変化 に基づいて前記所定の原子間力を検出することを特徴とする方法。
1 0 . 請求項 7又は 8記載の方法において、 前記振動の周波数は前記カンチレバ 一の共振点の周波数であり、 前記カンチレバーの共振周波数のシフトに基づいて 前記所定の原子間力を検出することを特徴とする方法。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1653476A2 (en) * 2004-10-26 2006-05-03 Olympus Corporation Cantilever
CN103293341A (zh) * 2012-02-23 2013-09-11 清华大学 原子力显微镜探针
CN103288033A (zh) * 2012-02-23 2013-09-11 清华大学 碳纳米管微尖结构及其制备方法
RU2571446C2 (ru) * 2010-11-29 2015-12-20 Брукер Нано, Инк. Способ использования полуконтактного режима с фиксированным пиком силы для измерения физических свойств образца
CN114155219A (zh) * 2021-11-30 2022-03-08 东北林业大学 基于afm敲击加工轨迹测压电剪切叠堆高频运动位移的方法

Families Citing this family (41)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4427824B2 (ja) * 2003-09-03 2010-03-10 日立建機株式会社 プローブの製造方法、プローブおよび走査型プローブ顕微鏡
JP2006059701A (ja) * 2004-08-20 2006-03-02 Sii Nanotechnology Inc 荷電粒子ビーム装置およびそれを用いた狭ギャップ電極形成方法
US7444856B2 (en) * 2004-09-23 2008-11-04 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Sensors for electrochemical, electrical or topographical analysis
JP4502122B2 (ja) * 2004-11-26 2010-07-14 セイコーインスツル株式会社 走査型プローブ顕微鏡及び走査方法
KR100635546B1 (ko) 2004-12-24 2006-10-17 학교법인 포항공과대학교 전계 효과 트랜지스터 채널 구조를 갖는 스캐닝 프로브마이크로 스코프의 탐침 및 그 제조 방법
JP2006234507A (ja) * 2005-02-23 2006-09-07 Hitachi Constr Mach Co Ltd 走査型プローブ顕微鏡とその測定方法
US9423693B1 (en) 2005-05-10 2016-08-23 Victor B. Kley In-plane scanning probe microscopy tips and tools for wafers and substrates with diverse designs on one wafer or substrate
US7571638B1 (en) * 2005-05-10 2009-08-11 Kley Victor B Tool tips with scanning probe microscopy and/or atomic force microscopy applications
JP2008051556A (ja) * 2006-08-22 2008-03-06 Sii Nanotechnology Inc 光学式変位検出機構及びそれを用いた表面情報計測装置
KR100761059B1 (ko) * 2006-09-29 2007-09-21 파크시스템스 주식회사 오버행 샘플 측정이 가능한 주사 탐침 현미경
US8050802B2 (en) * 2006-11-03 2011-11-01 Bruker Nano, Inc. Method and apparatus of compensating for position shift
US8166567B2 (en) * 2007-03-16 2012-04-24 Bruker Nano, Inc. Fast-scanning SPM scanner and method of operating same
US8904560B2 (en) * 2007-05-07 2014-12-02 Bruker Nano, Inc. Closed loop controller and method for fast scanning probe microscopy
US7770231B2 (en) 2007-08-02 2010-08-03 Veeco Instruments, Inc. Fast-scanning SPM and method of operating same
FR2921192B1 (fr) * 2007-09-17 2010-08-20 Commissariat Energie Atomique Lentille a immersion solide et procede de realisation associe
CN101294887B (zh) * 2007-11-20 2011-01-26 中国科学院电工研究所 Spm高分辨图形数据处理方法
GB0801900D0 (en) * 2008-02-01 2008-03-12 Imp Innovations Ltd Scanning probe microscopy
DE102008062928A1 (de) * 2008-12-23 2010-07-01 Nawotec Gmbh Verfahren zum Ermitteln einer Reparaturform eines Defekts an oder in der Nähe einer Kante eines Substrats einer Photomaske
JP5351590B2 (ja) * 2009-04-01 2013-11-27 キヤノン株式会社 圧電素子駆動ユニット及び異物除去装置
KR101045059B1 (ko) * 2009-06-17 2011-06-29 (주)나노포커스 에이에프엠 측정 방법 및 에이에프엠 측정 시스템
RU2526295C2 (ru) * 2009-06-23 2014-08-20 Киото Юниверсити Сканирующий зондовый микроскоп и способ выявления близости его зондов
KR101598832B1 (ko) 2009-10-26 2016-03-03 삼성전자주식회사 기판의 결함 검사 방법
US20120047610A1 (en) 2010-04-09 2012-02-23 Boise State University Cantilever-based optical interface force microscope
US8549660B2 (en) 2010-04-09 2013-10-01 Boise State University Cantilever-based optical fiber probe interfacial force microscope for partial immersion in liquid
CN103295853B (zh) * 2012-02-23 2015-12-09 清华大学 场发射电子源及应用该场发射电子源的场发射装置
CN103515168B (zh) * 2012-06-20 2016-01-20 清华大学 热发射电子器件
US9778572B1 (en) 2013-03-15 2017-10-03 Victor B. Kley In-plane scanning probe microscopy tips and tools for wafers and substrates with diverse designs on one wafer or substrate
EP2816342A1 (en) * 2013-06-17 2014-12-24 CSM Instruments SA Measuring head for nanoindentation instrument and measuring method
CN104865409B (zh) * 2015-05-07 2017-12-05 天津大学 基于新型音叉探针的双频原子力测试系统与方法
CN105241908A (zh) * 2015-08-28 2016-01-13 广州市本原纳米仪器有限公司 一种改进的扫描探针显微镜扫描方法
CN105258786A (zh) * 2015-11-03 2016-01-20 中国科学院半导体研究所 高频谐振子的谐振频率及品质因子快速测量
EP3405769B1 (en) 2016-01-19 2020-03-04 Anton Paar TriTec SA Sample holder arrangement
KR102407818B1 (ko) 2016-01-26 2022-06-10 삼성전자주식회사 원자힘 현미경용 캔틸레버 세트, 이를 포함하는 기판 표면 검사 장치, 이를 이용한 반도체 기판의 표면 분석 방법 및 이를 이용한 미세 패턴 형성 방법
JP6963338B2 (ja) * 2017-03-28 2021-11-05 株式会社日立ハイテクサイエンス 走査型プローブ顕微鏡
WO2018211563A1 (ja) * 2017-05-15 2018-11-22 オリンパス株式会社 原子間力顕微鏡
TWI714418B (zh) * 2020-01-06 2020-12-21 精浚科技股份有限公司 聚焦式原子力顯微鏡
TWI730578B (zh) * 2020-01-06 2021-06-11 精浚科技股份有限公司 原子力顯微鏡
CN113125808A (zh) * 2020-01-10 2021-07-16 精浚科技股份有限公司 聚焦式原子力显微镜
KR102632891B1 (ko) * 2020-09-24 2024-02-06 파크시스템스 주식회사 측정 장치에 의해 측정 대상의 표면의 특성을 측정하는 방법, 이 방법이 수행되기 위한 원자 현미경 및 이 방법이 수행되기 위해 저장 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램
WO2022065928A1 (ko) * 2020-09-24 2022-03-31 파크시스템스 주식회사 측정 장치에 의해 측정 대상의 표면의 특성을 측정하는 방법, 이 방법이 수행되기 위한 원자 현미경 및 이 방법이 수행되기 위해 저장 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램
CN114088981B (zh) * 2021-10-21 2023-05-23 华南理工大学 一种侧壁扫描探针及其加工方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01169304A (ja) * 1987-10-15 1989-07-04 Agency Of Ind Science & Technol 走査型トンネル顕微鏡の測定方法
JPH05296761A (ja) * 1992-04-23 1993-11-09 Hitachi Ltd 走査型力顕微鏡
JPH1130619A (ja) * 1997-07-11 1999-02-02 Jeol Ltd 走査プローブ顕微鏡
JP2936545B2 (ja) * 1988-06-24 1999-08-23 株式会社日立製作所 走査プローブ顕微鏡
JP2000028511A (ja) * 1998-07-09 2000-01-28 Jeol Ltd カンチレバー振幅測定方法および非接触原子間力顕微鏡
JP2000321292A (ja) * 1999-05-16 2000-11-24 Yoshikazu Nakayama ナノチューブ、ナノチューブプローブ及びそれらの製造方法
JP2001108602A (ja) * 1999-10-13 2001-04-20 Seiko Instruments Inc 走査型プローブ顕微鏡

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE69309318T2 (de) * 1992-01-10 1997-10-30 Hitachi Ltd Verfahren und Vorrichtung zum Beobachten einer Fläche
US5262643A (en) * 1992-06-12 1993-11-16 International Business Machines Corp. Automatic tip approach method and apparatus for scanning probe microscope
US5412980A (en) * 1992-08-07 1995-05-09 Digital Instruments, Inc. Tapping atomic force microscope
JPH09152436A (ja) 1995-11-30 1997-06-10 Olympus Optical Co Ltd 走査型プローブ顕微鏡用プローブ及びその作製方法
DE19812987A1 (de) * 1998-03-24 1999-09-30 Boris Anczykowski Selbstanregungs-Kraftmikroskopie mit Amplituden und Frequenzregelung bei konstanter Anregungsamplitude
US6079254A (en) * 1998-05-04 2000-06-27 International Business Machines Corporation Scanning force microscope with automatic surface engagement and improved amplitude demodulation
US6666075B2 (en) * 1999-02-05 2003-12-23 Xidex Corporation System and method of multi-dimensional force sensing for scanning probe microscopy

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01169304A (ja) * 1987-10-15 1989-07-04 Agency Of Ind Science & Technol 走査型トンネル顕微鏡の測定方法
JP2936545B2 (ja) * 1988-06-24 1999-08-23 株式会社日立製作所 走査プローブ顕微鏡
JPH05296761A (ja) * 1992-04-23 1993-11-09 Hitachi Ltd 走査型力顕微鏡
JPH1130619A (ja) * 1997-07-11 1999-02-02 Jeol Ltd 走査プローブ顕微鏡
JP2000028511A (ja) * 1998-07-09 2000-01-28 Jeol Ltd カンチレバー振幅測定方法および非接触原子間力顕微鏡
JP2000321292A (ja) * 1999-05-16 2000-11-24 Yoshikazu Nakayama ナノチューブ、ナノチューブプローブ及びそれらの製造方法
JP2001108602A (ja) * 1999-10-13 2001-04-20 Seiko Instruments Inc 走査型プローブ顕微鏡

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
KADO H. ET AL., JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, vol. 74, 1993, pages 4354 - 4356, XP000402750 *
See also references of EP1482297A4 *

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1653476A2 (en) * 2004-10-26 2006-05-03 Olympus Corporation Cantilever
EP1653476A3 (en) * 2004-10-26 2006-09-06 Olympus Corporation Cantilever
RU2571446C2 (ru) * 2010-11-29 2015-12-20 Брукер Нано, Инк. Способ использования полуконтактного режима с фиксированным пиком силы для измерения физических свойств образца
CN103293341A (zh) * 2012-02-23 2013-09-11 清华大学 原子力显微镜探针
CN103288033A (zh) * 2012-02-23 2013-09-11 清华大学 碳纳米管微尖结构及其制备方法
CN114155219A (zh) * 2021-11-30 2022-03-08 东北林业大学 基于afm敲击加工轨迹测压电剪切叠堆高频运动位移的方法
CN114155219B (zh) * 2021-11-30 2024-05-14 东北林业大学 基于afm敲击加工轨迹测压电剪切叠堆高频运动位移的方法

Also Published As

Publication number Publication date
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