JP2848539B2

JP2848539B2 - カンチレバー振れセンサ及びその使用方法

Info

Publication number: JP2848539B2
Application number: JP8523916A
Authority: JP
Inventors: フィリップ、マリブルゴワン、ジャン; ジョンソン、マシュー、ブルース; ミッシェル、ブルーノ
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1995-02-07
Filing date: 1995-02-07
Publication date: 1999-01-20
Anticipated expiration: 2014-01-20
Also published as: JPH09505899A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、一般に、たとえば原子間力顕微鏡（AFM）
の分野で使用されるカンチレバー型素子の力または振れ
を測定する手段に関する。本発明は、更に、材料特性を
決定するための方法及び装置に関する。詳細には、加え
た電磁界の高調波の発生及び検出を伴う、走査プローブ
顕微鏡に基づくドーパント・プロファイラに関する。

発明の背景米国特許A4724318号明細書で最初に知られ、G.ビニン
グ（Binning）、C.F.クエート（Quate）及びCh.ガーバ
ー（Gerber）によりPhys.Rev.Letters,Vol.56,No.9,198
6年３月、pp.930〜933に記載された原子間力顕微鏡は、
調査する表面のプロファイルを走査するために、ばね状
のカンチレバー・ビームに取り付けた鋭く尖ったチップ
を使用する。必要な距離の所で、チップの頂点にある原
子と表面にある原子の間に微小な力が発生し、その結果
カンチレバーがわずかに振れる。米国特許A4724138号で
は、導電性トンネル・チップをやはり導電性のカンチレ
バー・ビームの背後のトンネル距離内に配置し、トンネ
ル顕微鏡によってこの振れを測定し、トンネル電流の変
化を利用して振れを決定する。カンチレバー・ビームの
特性がわかっていると、AFMチップと調査中の表面との
間で生じる力を決定することができる。

鋭いチップと表面との間に生じる力は、通常、ファン
デルワールスカ、共有結合力、イオン力、またはコア反
発力である。

AFMの重要な態様は、カンチレバーの振れを正確に決
定することである。このような振れ測定方法の１つのグ
ループは、カンチレバーを距離に感応する別の顕微鏡に
結合することに基づくものである。カンチレバーと走査
トンネル顕微鏡の組み合わせは、たとえば、前述の米国
特許第A4724318号に記載されている。微小波結合センサ
を利用する別の手法は、走査近視野光学顕微鏡（SNOM）
または走査トンネル光学顕微鏡（STOM）としても知ら
れ、ディアスプロ（Diaspro）とアギュラ（Aguilar）に
よって、Ultramicroscopy42〜44（1992）、pp.1668〜16
70に記載されている。

検出方法の別のグループは、周知の圧電効果またはピ
エゾ抵抗効果に基づくものである。その例は、M.トート
ニーズ（Tortonese）他によりAppl.Phys Lett.62
（８）、1993年、pp.834〜836に記載されている。これ
らの方法は、振れ検出器をカンチレバーに組み込んだ検
出方式を提供する。

カンチレバーの変位を検出するさらに別の可能な方法
は、キャパシタンスの検出に基づくもので、ジョイス
（Joyce）他によるRev.Sci.Instr.62（1991）、p.710、
ゴデンヘンリッヒ（Ｇddenhenrich）他によるJ.Vac.S
ci.Technol.A8（1990）、p.383、及び欧州特許出願A029
0648号から知られる。

上記出願ならびに米国特許第A4851671号によって知ら
れる方法では、可撓性素子の共振周波数とその高調波の
変化を利用してその曲がりを測定する。周波数は、水晶
発振器あるいはカンチレバーに付加的に取り付けられた
キャパシタンスによって検出される。

可撓性素子の変位は、ビーム偏向法や干渉計使用法な
どの光学的な方法を利用しえ測定することもできる。ビ
ーム偏向法では、レバーの長さを利用する。一般には、
好ましくはレーザ・ダイオードで生成されるかまたは光
ファイバを通して導かれた光ビームをレバーに照射す
る。レバーの小さな振れで、反射角が適度に変化し、そ
れにより、反射光ビームの振れが生じ、それをバイセル
（bicell）や他の適切な光検出器で測定する。ビーム偏
向法は、簡単で信頼性が高い。これは、たとえば、マイ
ヤ（Myer）とアメール（Amer）により、Appl.Phys.Let
t.53（1988）、pp.1045〜1047に記載されている。干渉
計使用法は、たとえば、マーチン（Martin）他によるJ.
Appl.Phys.61（1987）、p.4723、サリッド（Sarid）他
によるOpt.Lett.12（1288）、p.1057、及びオシオ（Osh
io）他によるUltramicroscopy 42〜44（1992）、pp.310
〜314に記載されている。Ｑを維持しつつ極めて高い共
振周波数を有するカンチレバーを作成することによりSP
Mの感度を高めることができるので、カンチレバーが小
さくなる傾向がある。このようなカンチレバーでは、反
射率の低下とレーザ・ビームの焦点サイズの制限から生
じる問題とによって、前述の光学的な方法は失敗しやす
い。

今日の超大規模集積回路（VLSI）技術は、基材または
主材料に導入される活性成分（ドーパント）の３次元す
べてにおける空間的な広がり、密度、または分散に関す
る正確な知識を必要とする。VLSIで作成される最も一般
的なデバイスは、バイポーラまたは金属酸化膜半導体電
界効果型トランジスタ（MOSFET）、ダイオード、キャパ
シタである。その特徴的な長さスケールは、現在は約0.
5ミクロンであるが、将来は、350nmあるいはさらに100n
mにまで短縮するであろう。半導体デバイスの活性領域
におけるヒ素、ホウ素、リンなどのドーパントの濃度
は、通常10¹⁵／cm³〜10²⁰／cm³の範囲である。デバイス
挙動の予測及び製造プロセスの制御を実施するには、10
nmの横解像度と2nm〜3nmの縦解像度でドーパントの変動
またはプロファイルを制御することが必要になるであろ
う。しかしながら、現在既知のドーパント・プロファイ
ラは、少なくとも３次元すべてにおいて、この高い精度
を提供することができない。

ドーパント・プロファイリングの既知の手法には、S.
T.アン（Ahn）とW.A.チラー（Tiller）によりJ.Elector
chem.Soc.135（1988）、p.2370に記載された接合部染
色、H.セルバ（Cerva）によりJ.Vac.Sci.Technol.B10
（1992）、p.491に記載された透過電子顕微鏡（TEM）に
よるドーパント密度選択エッチング、たとえばS.M.シェ
（Sze）著「VLSI Technology」、McGraw−Hill Book C
o.,New York,1983（特に５章ないし10章）に記載されて
いる二次イオン質量分光分析（SIMS）、広がり抵抗（S
R）、巨視的容量−電圧（Ｃ−Ｖ）測定がある。現在開
発中のその他の方法は、L.P.サドウィック（Sadwick）
他によるJ.Vac.Sci.Technol.B10（1992）、p.468から知
られる、走査トンネル顕微鏡（STM）によるドーパント
密度選択エッチング、H.E.ヘッセル（Hessel）他により
J.Vac.Sci.Technol.B9（1991）、p.690に記載されたプ
レーナSTM、ならびにJ.M.ハルボート（Halbout）及びM.
B.ジョンソン（Johnson）によりJ.Vac.Sci.Technol.b10
（1992）、p.508に記載された断面STMである。これらの
技法は、ある側面では有用であるが、いくつかの欠点が
あり、つまり、破壊的かあるいはサンプルの慎重な調製
が必要であり、横解像度またはドーパント感度に制限が
ある。

ドーパント濃度を決定するための最新の方法の１つ
は、米国特許第A5065103号に記載された走査キャパシタ
ンス顕微鏡である。これは、走査プローブ顕微鏡と従来
のＣ−Ｖ技術の特徴を有する。しかし、走査キャパシタ
ンス顕微鏡でも、将来必要となる十分な横解像度は得ら
れない。さらに、漂遊容量による雑音を減少させるため
にロックイン技法を利用しており、したがって走査プロ
セスの速度が遅く、この方法による高いスループットは
実現しそうもない。

米国特許第A5267471号明細書に記載されたもう１つの
方法では、異なる２つの機械共振周波数を有するカンチ
レバーを使用する。この装置をキャパタシタンス・セン
サとして使用するときは、共振周波数の一部分をカンチ
レバーに加え、そのカンチレバーの動きをレーザ干渉計
とその次のロックイン増幅器で監視する。前述のよう
に、ロックイン増幅器を使用すると、測定の帯域幅が著
しく制限される。

電磁誘導された高調波発生（SHM）に基づく走査ブロ
ーブ顕微鏡の原理は、たとえば、G.P.コチャンスキ（Ko
chanski）によりPhys.Rev.Lett.62（1989）、No.19、p
p.2285〜2288に、W.シファート（Seifert）他によりUlt
ramicroscopy 42〜44（1992）、pp.379〜387に、B.ミッ
シェル（Michel）他によりRev.Sci.Instrum.63（９）、
1992年９月、pp.4080〜4085に、S.J.ストラニック（Str
anick）及びP.S.ワイス（Weiss）により、Rev,Sci.Inst
rum.64（５）、1993年５月、pp.1232〜1234に記載され
ている。SHM技法においては、無線周波数（RF）から光
周波数までの電磁場を、従来の走査トンネル顕微鏡（ST
M）のトンネル・ギャップに加える。電流−電圧曲線の
非直線性または空間電荷効果であると思われるトンネル
・ギャップのいくつかの電気特性によって、より高い周
波数（高調波）が作り出される。STMチップ位置決め装
置のフィードバックとしてこれらの高調波を使用するこ
とにより、絶縁膜と半導体を走査することができる。た
だし、このフィードバック・ループは導電体表面上では
うまくいかず、壊れやすいチップが表面にぶつかって壊
れる。集積回路上には導電性領域が規則的に現れるの
で、この間違った考えのために、ドーパント・プロファ
イリング用の計器としてSHMを大規模に使用することが
できない。

したがって、本発明の目的は、当技術の上記の制限に
関して、寸法が小さくしたがって極めて高い共振周波数
を有するカンチレバーに特に適した、カンチレバーの振
れを決定するための装置を提供することである。本発明
の他の目的は、100nm以下に拡張可能な解像度で、材料
の特性、特にドーパント・プロファイルを決定するため
の非破壊的な方法及び装置を提供することであ。この方
法及び装置は、導電性表面にも非導電性表面にも等しく
適用することができる。本発明の他の目的は、既知の装
置に関する振れ測定の帯域幅を広げることである。

発明の概要上記その他の目的及び利点は、併記の請求の範囲に記
載した本発明の原理に従って達成される。

したがって、基本的変形において、本発明による装置
は、柔軟なカンチレバーと、装置の動作中に調査するサ
ンプルまたは「ピギーバック（piggybacked）」基準面
またはチップとカンチレバーとの間に直流電圧を印加す
る電圧バイアス手段と、MHzまたはGHzあるいはその両方
の範囲の放射線を受信するアンテナ手段と、この周波数
範囲で動作するように設計された増幅手段とを有する。
カンチレバーと第２の表面との界面の抵抗−電圧特性ま
たはキャパシタンス−電圧特性が非直線性であるため
に、界面から出る放射線は、１つの（基本）周波数だけ
でなく、同時により高い周波数の成分、いわゆうる高調
波信号を含む。原理的には、これらの高調波のすべての
成分を使用することができるが、本発明のいくつかの実
施形態においては、後で説明するように、高調波信号、
特に第２及び第３高調波信号を測定用に利用すると有利
である。周波数の好ましい範囲は、100MHz〜100GHzであ
り、この下限は、高調波発生の効率によって設定され、
上限は、現在利用可能な高周波信号の発生及び検出用装
置によって決まる。

高調波が発生するためには、通常、カンチレバーと、
サンプルあるいは「ピギーバック」面またはチップの表
面である第２の表面とが、半導体または非導電体の境界
と導体の境界からなる界面を形成しなければならない。
しかし、本発明による装置の感度は、両方の表面が半導
体材料からなる実施形態をサポートすることが分かっ
た。したがって、この装置は、第２の境界の性質とは関
係なしに、高調波信号の発生において高い効率を示す。
本発明のもう１つの利点として、たとえばカンチレバー
の走査中に様々な表面材料と遭遇するときに、再調査を
必要とすることなく一定の直流バイアス電圧を選択する
ことができる。

２つの境界は、好ましくは0.1nm〜100nmだけ離され
る。電圧バイアス手段を利用して、この界面に直流電圧
を印加することができる。次に、界面のキャパシタンス
−電圧特性が非線形であるため、カンチレバーの振動に
よって共振周波数とその高調波によって振動する電界信
号の放射が起こる。放射された電界は、アンテナと、好
ましくはスペクトル分析器を構成する増幅器またはカス
ケード接続した増幅器及びフィルタによって検出する。
カンチレバーのチップに作用する力の変化を、したがっ
てカンチレバーの振れを、電界信号の周波数の変化また
はカンチレバーの振動の振幅の変化として検出すること
ができる。

たとえば当技術分野では周知の圧電精密位置決めシス
テムのような位置決め手段を制御するフィードバック手
段に増幅器の出力信号を加えることによって、本発明の
基本的変形を振れ検出制御装置に拡張することができ、
カンチレバーの位置を原子精度で制御することが可能に
なる。本発明のこの実施形態は、数百MHz以上の共振周
波数を有するカンチレバーに特に適している。このよう
なカンチレバーは小さすぎて、光をうまく収束すること
ができず、カンチレバーで反射した光の量が電流検出し
きい値を下回るため、ビーム偏向や干渉計使用法などの
既知の光学的手法に利用することができない。

米国特許Ａ−4724318号に関して説明したように、
「ピギーバック型」走査トンネル顕微鏡（STM）を使っ
てAFMカンチレバーの振れを検出することは原則的に既
知である。しかし、本発明における相違によりいくつか
の利点が得られることは明らかである。トンネル電流を
検出するには、チップをレバーの後ろ1nm以下にまで近
づける必要がある。この近い距離は、大きな減衰を引き
起こし、大きな力及び力の勾配を測定するとき、すなわ
ち大きな振れを測定するときには実際的ではない。市販
のAFM顕微鏡においてこの方法の使用を妨げているもう
１つの理由は、周囲条件の下でトンネル・ギャップが安
定していないことである。本発明の装置を用いると、ギ
ャップ幅を最高50nmまで広げることができる。シリコン
・カンチレバーの減衰は小さくなり、振れの測定感度を
極めて高いレベルで維持することができる。さらに、こ
の新装置は、振れのトンネル電流検出によって、AFMに
特徴的な安定性の問題がない。さらに、たとえば酸化物
や窒化物などの絶縁体の層で覆われた表面で実施するこ
ともできる。

本発明の実施形態は、カンチレバー自体の正確な調整
または交換の必要なしに、既存の任意の型式のカンチレ
バーに適用することができる。本発明による装置は、良
好な信号対雑音比を有するので、ロックイン増幅器を必
要とせず、それにより振れ測定の帯域幅が広がることが
分かった。

本発明の範囲は、１つの支持部を有する単純なビーム
型カンチレバーに限定されないことは明らかである。た
とえば、複数の支持点を有する渦巻状などの複雑な設計
のカンチレバーにも容易に適用することができる。

本発明のさらに別の実施形態は、界面から放射された
電界を受信するアンテナに関する。このアンテナは、離
散形の導体素子でも、カンチレバー、サンプル支持体ま
たはピギーバック型素子の一体部分でもよい。後者の場
合、「バイアスＴ字」コネクタなど、バイアス電圧及び
その他の低周波成分を高周波信号から分離する手段が設
けられる。このアンテナはまた、たとえば、B.マイケル
（Michel）他によりRev.Sci.Instrum.63（９）、1992年
９月、pp.4080〜4085に記載されているように、キャビ
ティ、好ましくは同調可能なキャビティ内に組み入れる
こともできる。キャビティを使用して、キャビティを信
号の周波数に同調させれば、大部分の信号出力を検出す
ることができる。キャビティがない場合は、測定及び装
置設計に高い融通性が得られる。ただし、この場合は、
特別設計の高インピーダンス・フィルタ及び増幅器を使
用することによって、感度の低下を補償することができ
る。

本発明の特定の態様は、異質の表面を調査するため、
特に高度集積回路をプローブ検査するため、すなわちド
ーパント・プロファイル作成のために、上記のような柔
軟なカンチレバーと高調波電気信号を検出する手段とを
含む装置を使用するものである。

チップとサンプルとの間のギャップから放射される電
気信号が界面の境界を作る材料に依存することは周知で
ある。しかし、ICで見られる複雑な表面に対処するため
に十分な融通性のある既知の機器はなく、適切なドーパ
ント・プロファイラの導入は失敗している。走査キャパ
シタンス顕微鏡は、原則的には、どんな表面でも横切っ
て走査することができるが、そのような任意の表面条件
の下で高い解像度を維持することは不可能であった。本
発明は、原子間力モードで動作可能な装置を使用してこ
の問題を解決し、前述の方法のうちのいずれかによって
カンチレバーの振れを検出し、同時にギャップ領域から
放射された電気信号の検出を可能にする。

別の実施形態は、さらに、振動電界を発生させる手段
と、その電界をカンチレバーに加える結合手段とを含
む。この実施形態では、カンチレバーのチップとサンプ
ル表面との間のギャップを変調する周波数は、カンチレ
バーの共振周波数によって決定されず、所定の値に調整
することができる。この値は、調査するサンプル表面の
構造及び組成に依存する。無線周波数またはマイクロ波
周波数の電界を使用することが好ましい。この実施形態
は、外部から供給された信号によって不明瞭になった基
本周波数をその高調波から分離する適切なフィルタ手段
を提供することによってさらに改善される。

この実施形態の変形においては、外部から供給される
振動電界を利用して、カンチレバーの振幅と振動周波数
を制御する。この制御は、外部供給電界をカンチレバー
の共振周波数に同調させると特に効率が良い。カンチレ
バー本体の一部を構成する圧電素子またはピエゾ抵抗素
子を、外部から供給された電気信号によって励起させ
て、カンチレバーの振動を引き起こすときも同様の効果
が達成できる。振動を引き起こすもう１つの代替方法
は、カンチレバーに十分な量の熱エネルギーを提供する
ことであり、この場合には、熱膨張係数の異なる材料を
含むバイモルフ構造を備えていなければならない。適切
な加熱素子をカンチレバー構造に組み込むことによって
カンチレバーへの熱供給を強化することができる。

本発明のもう１つの実施形態では、チップと表面との
間のギャップを通って流れる電流を測定する手段にチッ
プを取り付ける。これにより、上記のSTMから既知の
（直流）トンネル電流を決定することができ、あるい
は、コチャンスキによって記載されているように、印加
した交流電磁界の影響下で、調査する表面との間でトン
ネリングするわずかな数の電子から生じる交流電流を決
定することができる。後者の場合は、絶縁体にも適用さ
れる。

位置決め装置のフィードバック・ループへの入力信号
として両方の電流が使用でき、本発明による装置のオペ
レータは、チップとサンプルの間のギャップ幅を制御す
るのに２つないし４つの異なる方法をとることができ
る。

本発明の特定の好ましい実施形態では、力センサのチ
ップとカンチレバーが、導電性のクラッドまたは被覆に
よって原子間力カンチレバーに結合される。このクラッ
ドは、当技術分野では周知の適切な付着技術によって、
通常のAFMカンチレバーに付着することができる。この
チップ一体化構造によって、従来の走査調波顕微鏡（SH
M）の（金属）チップと平行に原子間力センサを用いな
ければならない装置に比べて技術的オーバヘッドがかな
り減少する。

この信号検出を、それぞれわずかに異なる共振周波数
に同調させたカンチレバーのアレイに使用することも直
ちに可能である。各カンチレバーの振れは、入力直流電
圧または入力電磁波をこれらのカンチレバーのそれぞれ
に選択的に結合するか、あるいは周波数検出装置をその
共振周波数に同調させることによって実現することがで
きる。

たとえば、既知の走査表面調波顕微鏡の場合に、J.−
P.ボーゴン（Bourgoin）他により（International Conf
erence on Micro− and Nano−Engineering MNE '94,Da
vo,Switzeland,1994年９月26〜29日）記載された密閉チ
ャンバと界面領域内の湿度を制御する手段とを利用する
ことによって、装置の効率をさらに高めることができ
る。湿度を適切な値に設定すると、界面領域に小滴が形
成され、それによりこの領域に電界が集中する。

本発明にとって特徴的と思われる上記その他の新規な
機能は、併記の請求の範囲に記載されている。しかしな
がら、本発明自体ならびに好ましい使用モード、さらに
その目的及び利点は、例示的実施形態に関する以下の詳
細の説明を添付図面と併せ読めば、最もよく理解される
であろう。

図面の説明以下の図面を参照して本発明を詳細に説明する。

第１図は、チップ−サンプル間のギャップのモデルを
示す図である。

第２図は、本発明による振れセンサの第１の実施形態
を示す図である。

第2B図は、本発明の第２の実施形態を含むESR測定装
置を示す図である。

第3A図、第3B図は、本発明による振れセンサのさらに
別の変形を示す図である。

第4A図、第4B図、第4C図は、様々な実施形態による表
面調査用の装置としての本発明の使用を示す図である。

第5A図、第5B図は、実験結果を示す図である。

第6A図、第6B図、第6C図は、さらに別の実験結果を示
す図である。

発明の実施の形態次に、第１図を参照すると、カンチレバーと第２の表
面を隔てる界面またはギャップ内での高調波の発生につ
いて理解しやすくするためのモデルとしてRC並列回路１
を示す。RC並列回路１は、このギャップの電気モデルで
あり、直流電圧が印加される。マイクロ波発生器（図示
せず）で生成された入力マイクロ波信号ωが、たとえば
チップまたはサンプル・ホルダを介してギャップ部分に
結合される。入力マイクロ波信号は、周波数ωを有す
る。ギャップから出る放射線は、高調波周波数ｎωを有
する成分を含む。これらの成分は、電圧に対する抵抗Ｒ
（Ｖ）またはキャパシタンスＣ（Ｖ）の非直線性により
発生する。

次に、第2A図を参照すると、本発明の基本的変形例を
概略的に示す。先端にチップを備えた柔軟なカンチレバ
ー220と、サンプル231を備えたサンプル・ホルダ230が
直流電圧源250に接続され、電圧源250は界面の両側にバ
イアス電圧を提供する。共振周波数または外部供給信号
の周波数でカンチレバーが振動するために、チップとサ
ンプルの間のギャップが変調され、基本周波数ωと高調
波周波数ｎωの信号を含む電磁波を放射する。これらの
信号は、アンテナ261で受信され、次の処理（表示、制
御など）のためにマイクロ波増幅器260で増幅される。
本発明のこの簡単な変形例は、カンチレバーの大きなア
レイを作成する際に特に重要である。アレイの各カンチ
レバーをそれぞれ異なる基本周波数に同調させることも
できる。次に、スペクトル分析器を使って、検出信号に
対する各カンチレバーの寄与分を分離すると、アレイに
おける各カンチレバーの振れが容易に観測可能となる。
カンチレバーのエネルギー消散のバランスをとるために
必要な励起エネルギーは、この基本的変形例では、たと
えば加熱や放射などによって外部から提供しなければな
らない。外部から電磁波を供給しないときは、共振周波
数の高いカンチレバーを備えることが望ましい。0.01GH
z〜1.0GHzの周波数で共振するカンチレバーは、ビン（B
inh）他によるSurface Science 301（1994）、L224から
既知である。

第2B図は、電磁放射線240によってレバーの共振を外
部から引き起こす手段を示す。サンプルの電子スピン共
鳴（ESR）を測定する装置が示されているが、この装置
は、ルガー（Rugar）他によりNATURE 360,563（1992）
に記載されたものとは、ESRサンプルを支持するカンチ
レバー232と金属チップ222を備える第２の（基準または
「ピビーバック」）面との間にギャップに生成された高
調波を検出することによってカンチレバーの振れを検出
する点で異なる。高周波コイル240、磁石291、及び掃引
コイル292は、ESR測定装置の標準的な部品である。サン
プルにおける磁界の変調によって、通常は振幅約１ナノ
メートルのカンチレバーの振動が生じ、それが高調波信
号の変化として検出される。この信号は、チップ222と
シリコン・カンチレバー232の間のギャップに発生す
る。信号発生器293は、磁界を掃引して、カンチレバー
の共振周波数の半分の印加高周波周波数でスピンを共振
させる。検出回路262は、この共振周波数の高調波に同
調される。

本発明のもう１つの変形を第3A図に示す。この例で
は、顕微鏡は、特に、マイクロ波電源340に接続されそ
の背面が金属チップ323に面する半導体材料321からなる
カンチレバー320を有する。チップ323とカンチレバー32
0には直流電圧が印加される。この電圧は、カンチレバ
ーの材料に適した値に調整することができる。さらに、
チップとカンチレバーの間の距離を50〜100nmのデフォ
ルト値に保持するための固定手段（図示せず）が設けら
れている。このギャップ幅は、電子のトンネル作用が生
じる距離よりも十分に大きいこと、すなわち米国特許A4
724318号明細書に記載されたピギーバック式STMの場合
よりもかなり大きいことに留意されたい。また、このギ
ャップ幅は、通常の条件下でチップ323とカンチレバー3
20の衝突を防ぐのに十分に大きく、したがって、チップ
に別のフィードバック・ループで制御される位置決めシ
ステムを設ける必要はない。一方、本発明のこの変形例
を、一般に力走査顕微鏡の分野で「力一定モード」とし
て既知のモードで実施するために、サンプルの位置決め
手段331を制御する集積回路371が、フィードバック・ル
ープ370の一部として設けられる。

さらに、前述の変形例では、外部マイクロ波信号がチ
ップ323を介してチップとカンチレバーの間のギャップ
に送られる。入力マイクロ波信号源340は、バイアスT34
1によって直流電圧回路に接続される。放出された放射
線ωとｎωは、アンテナ361によって受信される。増幅
回路は、1GHz〜4GHzの範囲の帯域幅と40dBの増幅率を有
する前置増幅器362と、信号から雑音及び不要な周波数
成分を除去する帯域フィルタ363（2.1GHz〜3.5GHz）と
を含む。次のスペクトル分析器364は、信号の周波数分
解した表示を生成する。あるいは、スペクトル分析器の
出力を、集積回路371への入力として使用することもで
きる。

本発明のさらに別の態様として、マイクロ波源、アン
テナ、増幅器、フィードバック回路を含み既知の原子間
力顕微鏡（AFM）に接続可能な装置を作成することもで
きる。AFMカンチレバーの振れは、市販のAFMにおいてST
Mベースの検出方法の利用を妨げていた安定性の問題を
起こすことなく、約10ピコメートルの精度で検出するこ
とができる。

第3B図に、本発明によるコンパクト設計を示すが、こ
こでは、追加の金属チップがカンチレバー320の金属被
覆322で置き換えられている。さらに、スペクトル分析
器364の出力が、２つのフィードバック・ループ370、35
0の一部分を構成する位相動機ループ（PLL）372の入力
に接続され、フィードバック・ループ370は、カンチレ
バーの共振周波数にロックされる。このループは、加算
器374を含み、カンチレバー320の振動を静電気的に引き
起こすために使用される。PLLは信号の周波数シフトに
応答するので、図示した装置を使ってカンチレバーの振
動の減衰を測定することができる。PLLのRMS（根二乗平
均）出力を、積分器373によってさらに平滑化した後
で、サンプル・ホルダ330の位置決め手段331に制御信号
として接続することによって、減衰を一定にすることが
できる。

次に、第4A図、第4B図、及び第4C図を参照し、本発明
による、表面検査ツール、たとえばドーパント・プロフ
ァイラの変形例を示す。第4A図に示した第１の変形例
は、前述（第3A図）のように静電気的に引き起こした本
発明の変形例であり、切換手段475を備える。スイッチ
が位置１のとき、高調波の検出が振れの制御に利用され
る。一方、位置２では、マイクロ波源がカンチレバー42
0とサンプル・ホルダ430の間のギャップに接続され、ド
ーパント・プロファイル作成が可能になる。また、第２
の基本周波数を第２のマイクロ波源に提供することも可
能である。この特定の実施形態を利用して、カンチレバ
ーの振れの検出とサンプル表面の検査が同時に可能であ
る。

上記の例に関して、第4B図及び第4C図のドーパント・
プロファイラは、カンチレバーの振れを検出する追加の
手段を含み、前記手段は、原理が既知で一部前述した方
法に基づく。ピエゾ抵抗法（第4B図）によって、または
カンチレバー（第4C図）の背面で反射されたレーザ・ビ
ームの強度を測定するビーム偏向装置によって、カンチ
レーザの振れを測定する例を示す。しかし、この代わり
に、他のどんな既知の振れ検出方法を利用してもよい。

どちらの実施形態でも、カンチレバー420の金属被覆4
22が、カンチレバーをSTM方式で動作させるために電流
／電圧変換器490に接続される。このとき、スイッチ476
は、様々な入力信号を自動的に選択できるフィードバッ
ク回路470を備える。たとえば、IC製造の場合のように
サンプルのトポロジーが正確に分かっている場合には、
スイッチを外部装置でプログラムするまたは制御するこ
とができる。別法では、現在入力信号をフィードバック
回路470に供給しているものと平行な少なくとも第２の
振れ検出方法で振れを監視する。後者の場合、スイッチ
476は、現在の印加信号がその期待値から著しく外れる
ときにその位置を自動的に変更する。

第4B図と第4C図に示した２つの変形例は、ギャップ部
分から放出される放射線を受け取る方法が異なり、第4A
図の実施形態は、たとえばマイケル他によって記載され
ているような同調可能キャビティ465を含み、信号周波
数の事前選択と、信号の高感度の検出、狭い帯域幅での
放射線の高感度の検出が可能である。この実施形態で
は、共鳴器としてキャビティの特性に干渉しない振れ測
定方法を利用することが好ましい。したがって、ピエゾ
抵抗層423が、カンチレバー本体420に組み込まれてい
る。ピエゾ抵抗素子は、抵抗を測定しカンチレバー420
の振れを求めるためのホイールストン・ブリッジ配置48
0の主要部分である。ピエゾ抵抗走破、カンチレバーの
曲がりに応じた電圧を生成する圧電素子で置き換えるこ
とができる。

第4C図の実施形態においては、キャビティは使用せ
ず、カンチレバーの導電性被覆422でアンテナが形成さ
れる。高周波信号の入力経路及び出力経路は、バイアス
Ｔ素子441、466によって直流回路450から分離されてい
る。前述のように、キャビティがないために、より広範
囲の様々な振れ測定方法を使用することができる。図示
した実施形態では、反射したレーザ・ビーム482の強度
が測定され、この強度はカンチレバー420の曲がりに応
じて変化する。

前述の実施形態の様々な素子を組み合わせ、特に入力
信号をギャップに結合し出力信号を増幅器カスケードに
結合する特定の方法を選択し、カンチレバーの導電性被
覆を導電性基材からなるカンチレバーで置き換え、ある
いは被覆を第3A図に示したようなピギーバック型チップ
で置き換えることは、当業者には自明の作業である。

前述のように、本発明による新しい顕微鏡は、集積回
路（IC）の表面の特性を調べるために使用すると有利で
ある。第５図は、ホウ素イオンでドープしたｎ型シリコ
ンのサンプルを調べて得た結果を示す。第5A図は、ｎド
ープ・シリコンとｐ＋ドープ・シリコンの交互のストラ
イプからなるサンプル構造を示す。各ストライプは、約
10μｍの幅を有する。このような格子は、PMOSデバイス
のソース／チャネル／ドレイン領域と同様の形で見られ
る。第5B図において、第２高調波信号の強度は、ｎドー
プとｐ＋ドープのストライプに対して垂直に延びる線に
沿ったチップの位置とバイアス電圧の関数として示され
る。線走査が、−1.45V（ａ）、−0.55V（ｂ）及び1.2V
（ｃ）でそれぞれ行われる。分かり易くするために、曲
線の始点をずらし、曲線ｂを５倍に拡大してある。これ
らの走査を利用して、ドーパントが高濃度の領域を、低
濃度領域、または空乏領域と区別することができる。第
６図は、ヒ素（ｎ＋）でドープしたサンプルを調べて得
た結果を示す。1.15V（ａ）、−1.15V（ｂ）及び−1.50
V（ｃ）のバイアス電圧でそれぞれ行った線走査は、横
方向のドーパント・プロファイルを明瞭に示す。最大振
幅は、高ドープ領域よりも低ドープ領域の方がずっと大
きい。得られた解像度は、35nm以下である。顕微鏡内の
湿度を制御することによって、解像度を高めることがで
きる。同時に記録した線走査（ｄ）は、顕微鏡のSTM及
びAFM動作方式で測定したサンプルの物理的高さを示
す。また、測定値は、それぞれバイアス電圧をボルトで
位置をナノメートルで表した水平軸を有する３次元プロ
ット（第6C図）で描かれる。垂直軸は、第２高調波信号
をナノボルト（nV）で示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ミッシェル、ブルーノスイス国ガッティコン、オープストガルテンヴァーク 13 (56)参考文献特開平４−361110（ＪＰ，Ａ) 特公平６−103176（ＪＰ，Ｂ２) Ａ．Ｓ．Ｈｏｕｅｔ．ａｌ，”ＰＩＣＯＳＥＣＯＮＤＥＬＥＣＴＲＩＣＡＬＳＡＭＰＬＩＮＧＵＳＩＮＧＡＳＣＡＮＮＩＮＧＦＯＲＣＥＭＩＣＲＯＳＣＯＰＥ”，ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳＬＥＴＴＥＲＳ，（ＵＫ）, 1992．12．03，Ｖｏｌ．28，Ｎｏ．25, ｐ．2302−ｐ．2303 Ｗ．Ｋｒｉｅｇｅｒｅｔ．ａｌ，" Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｏｆｍｉｃｒｏｗａｖｅｒａｄｉａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｔｕｎｎｅｌｉｎｇｊｕｂｃｔｉｏｎｏｆａｓｃａｎｎｉｎｇｔｕｎｎｅｌｉｎｇｎｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，”ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗＢ（ＣＯＮＤＥＮＳＥＤＭＡＴＴＥＲ），（ＵＳＡ），1990．５. 15，Ｖｏｌ．41，Ｎｏ．14，ｐ．10229 −ｐ．10232 (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01N 37/00 G01B 21/30 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ）［“ＡＦＭ”＋“原子間力顕微鏡”］＊“高調波"

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】（イ）原子間力顕微鏡の可撓性のカンチレ
バー（220、232、320、420）に直流電圧を印加する手段
と、（ロ）前記可撓性のカンチレバーに高周波電気信号を印
加して該カンチレバーの振動を開始させ、電磁波を放出
させる高周波電気信号印加手段（240、340、440）と、（ハ）前記電磁波を受信するアンテナ手段（261、263、
361、461）と、（ニ）該アンテナ手段に接続された増幅手段（260、26
2、362〜364、462〜464）とを有する、前記原子間力顕
微鏡の可撓性のカンチレバーに加わる力またはその振れ
を測定する装置。
【請求項２】前記高周波電気信号印加手段は、前記カン
チレバーとサンプルとの間のギャップに前記高周波電気
信号を印加することを特徴とする請求項１に記載の装
置。
【請求項３】前記高周波電気信号印加手段は、前記カン
チレバーと該カンチレバーの背面に設けられた金属チッ
プ（323）との間のギャップに前記高周波電気信号を印
加することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】前記増幅手段が、前記電磁波（ω）の高周
波（ｎω）を検出することを特徴とする請求項１に記載
の装置。
【請求項５】前記増幅手段が、10MHz〜100GHzの範囲の
周波数で動作することを特徴とする請求項１に記載の装
置。
【請求項６】前記サンプルがサンプル保持手段（330）
に保持され、前記カンチレバー、前記サンプル保持手段
及び前記チップ（323）のうちの少なくとも１つが、前
記アンテナ手段の一部を構成することを特徴とする請求
項２に記載の装置。
【請求項７】前記カンチレバー（420）を取り囲む導電
体壁を有するキャビティ（465）をさらに含み、前記壁
の一方が他方に対して相対的に移動可能であることを特
徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項８】前記カンチレバーが、導電性材料（322、4
22）の被覆を含むことを特徴とする請求項１に記載の装
置。
【請求項９】前記カンチレバーとサンプルの表面との間
の距離を制御するための圧電アクチュエータ手段と、カ
ンチレバーの振れを測定する力検出手段（480）と、前
記アクチュエータを制御する切換式フィードバック手段
（470）とをさらに含み、前記フィードバック手段が、
前記力検出手段または増幅手段の出力に切換可能であ
り、ドーパント・プロファイラとして働くことを特徴と
する請求項１に記載の装置。
【請求項１０】前記カンチレバーのチップと前記サンプ
ルの間のトンネル電流を検出する手段（490）を含み、
前記フィードバック手段が、前記トンネル電流、前記力
検出手段、または増幅手段の出力に切換可能であること
を特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１１】請求項１に記載の直流電圧を印加する手
段と、高周波電気信号印加手段と、アンテナ手段と、増
幅手段とを含み、更に、測定した力または振れの信号を
処理して画面表示を行うためにサンプルを位置決めする
手段と、処理した力または振れの信号を磁気媒体に永久
的に記憶する手段とを含むサンプル分析装置。
【請求項１２】原子間力顕微鏡の可撓性のカンチレバー
（220、232、320、420）に直流電圧を印加すると共に、
前記可撓性のカンチレバーに高周波電気信号を印加して
該カンチレバーの振動を開始させ、電磁波を放出させる
ステップと、前記電磁波を受信して増幅し、該受信した電磁波の周波
数の変化又は振幅の変化を調べるステップとを含む、前
記原子間力顕微鏡の可撓性のカンチレバーに加わる力ま
たはその振れを測定する方法。
【請求項１３】前記高周波電気信号が、前記カンチレバ
ーとサンプルとの間のギャップに印加されることを特徴
とする請求項12に記載の方法。
【請求項１４】前記高周波電気信号が、前記カンチレバ
ーと該カンチレバーの背面に設けられた金属チップ（32
3）との間のギャップに印加されることを特徴とする請
求項12に記載の方法。