JPH09505899A - カンチレバー振れセンサ及びその使用方法 - Google Patents
カンチレバー振れセンサ及びその使用方法Info
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Abstract
(57)【要約】
カンチレバー(220)と第2の表面(230、231)の間のギャップから出る放射線の検出に基づいて、カンチレバー型マイクロメカニカル素子の振れまたはそれに加わる力を測定するための方法及び装置を提示する。カンチレバーと第2の表面を電圧によって適切にバイアスするときに高い周波数で自然に発生する放射線を、外部エネルギー源を使って拡大することができる。また、この新しい方法及び装置は、表面の調査、特にドーパント・プロファイル作成にも利用される。
Description
【発明の詳細な説明】
カンチレバー振れセンサ及びその使用方法
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.タエート(Quate)及びCh.ガーバー(Gerber)によりPhys.Rev.Le
tters,Vol.56,No.9,1986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A4724318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力、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.
1668〜1670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
90)、p.383、及び欧州特許出願A0290648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
して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.Lett.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(1988)、p.1057、及びオシオ(Oshio)他によるUltramicro
scopy 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SPM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(MOSF
ET)、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100nm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、10nm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.Electorchem.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 Co.,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(SR)、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A5065
103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)に基づく走査プローブ顕微鏡の原理は、
たとえば、G.P.コチャンスキ(Kochanski)によりPhys.Rev.Lett.62(1989
)、No.19、pp.2285〜2288に、W.シファート(Seifert)他によりUltramicrosc
opy 42〜44(1992)、pp.379〜387に、B.ミッシェル(Michel)他によりRev.Sc
i.Instrum.63(9)、1992年9月、pp.4080〜4085に、S.J.ストラニック(St
ranick)及びP.S.ワイス(Weiss)によりRev,Sci.Instrum.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(STM)の
トンネル・キャップに加える。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・キ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、1
00nm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る。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−電圧特性か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、再調整を必要と
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MH
z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、「ピキーバック型」
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.408
0〜4085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キ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、従来の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(SHM)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、それそ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そ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(Bourgoi
n)他により(International Conference on Micro- and Nano-Engineering MNE
’94,Davo,Switzerland,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・ホルダを介してキ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26
0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それ異なる基本周
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。0.01GHz〜
1.0GHzの周波数で共振するカンチレバーは、ビン(Binh)他によるSurfac
e 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「ピギーバック」)面との間のギ
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、E
SR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23
2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2
62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50〜100
nm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A4724318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320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T341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n
ω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〜3.5GH
z)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STM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、350
の一部分を構成する位相同期ループ(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474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4
20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、カンチレバー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422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カンチレバー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トストン・ブリッジ配置480の主要部
分である。ピエゾ抵抗層は、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−1.50V(c)のバイアス電圧でそれそれ行った線走査は、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、それそ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次元プロツト(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
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1.アンテナ手段(261、263、361、461)と、増幅手段(260、 262、362〜364、462〜464)と、動作中に前記カンチレバーに直 流電圧を印加する手段(250、350、450)とを備え、原子間力顕微鏡( AFM)の柔軟なカンチレバー(220、320、420)に加わる力またはそ の振れを測定するための装置。 2.前記増幅手段(260、262、362〜364、462〜464)が、高 周波信号(ω)の高調波(nω)を検出するように設計されていることを特徴と する請求項1に記載の装置。 3.前記増幅手段(260、262、362〜364、462〜464)が、1 0MHz〜100GHzの範囲の周波数で動作するように設計されていることを 特徴とする請求項1に記載の装置。 4.前記カンチレバー(220、320、420)、サンプル保持手段(230 、330、430)、または基準面もしくはチップ(323、423)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1に記載の装置。 5.前記カンチレバー(320、420)の振動を引き起こす手段(240、3 40、341、440、441)をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載 の装置。 6.前記カンチレバーとサンプル(331)の間のギャップ、 あるいは前記カンチレバーと基準面またはチップ(323、423)の間のギャ ップに高周波電気信号を加える手段(240、340、341、440、441 )をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の装置。 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(46 5)をさらに含み、好ましくは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。 8.前記カンチレバーが、導電性材料(322、422)を含むことを特徴とす る請求項1に記載の装置。 9.ドーパント・プロファイラとして使用するために、前記カンチレバー(32 0)とサンプル(331)の表面との間の距離を制御するための磁気アクチュエ ータまたは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検出手段 (480、482)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、475、476)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ることを特徴とする請求項1 に記載の装置。 10.ドーパント・プロファイラとして使用するために、カンチレバー(320 )とサンプル(331)の表面との間の距離を制御するための磁気アタチュエー タまたは圧電アクチュエータ手段と、チップとサンプルの間のトンネル電流を検 出する手段(490)と、カンチレバーの振れを測定する検 出手段(480、482)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、475、476)とをさらに含み、 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1に記載の装置。 11.請求項1に記載の装置と、測定した力または振れの信号を処理して画面表 示を行うサンプル位置決め手段(330)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。 12.特に原子間力顕微鏡(AFM)の可撓性カンチレバー(220、320、 420)に加わる力またはその振れを測定するために、前記カンチレバーと第2 の表面(230、231、323、330、423)との間のキャップに高周波 放射線を発生させる段階と、前記放射線を受信して増幅し、その周波数変化また は振幅変化を決定する段階とを含む方法。 13.可撓性カンチレバー(220、320、420)の振動が、外部から加え られる力によって引き起こされることを特徴とする請求項12に記載の方法。 14.可撓性カンチレバー(220、320、420)の振動が、外部から加え られる電気信号によって引き起こされることを特徴とする請求項13に記載の方 法。 15.前記力が、サンプル(231、331)の表面または内部あるいはその両 方の特性を調べるために加えられること を特徴とする請求項12に記載の方法。
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CN114923604A (zh) * | 2022-04-09 | 2022-08-19 | 温州大学 | 一种金属芯压电压阻复合纤维及其制备方法 |
-
1995
- 1995-02-07 JP JP8523916A patent/JP2848539B2/ja not_active Expired - Fee Related
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