JPH09505899A

JPH09505899A - カンチレバー振れセンサ及びその使用方法

Info

Publication number: JPH09505899A
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: インターナシヨナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーシヨン
Priority date: 1995-02-07
Filing date: 1995-02-07
Publication date: 1997-06-10
Anticipated expiration: 2014-01-20
Also published as: JP2848539B2

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（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、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、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３２０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〜３．５ＧＨｚ）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４２０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

【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、１０ＭＨｚ〜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、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。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（４６５）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（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。