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JP2009053017A - Scanning probe microscope, and local electric characteristic measuring method using it - Google Patents

Scanning probe microscope, and local electric characteristic measuring method using it Download PDF

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JP2009053017A
JP2009053017A JP2007219567A JP2007219567A JP2009053017A JP 2009053017 A JP2009053017 A JP 2009053017A JP 2007219567 A JP2007219567 A JP 2007219567A JP 2007219567 A JP2007219567 A JP 2007219567A JP 2009053017 A JP2009053017 A JP 2009053017A
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JP
Japan
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cantilever
sample
probe
scanning
tip
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Withdrawn
Application number
JP2007219567A
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Japanese (ja)
Inventor
Yoshio Kikuchi
▲吉▼男 菊地
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Publication date
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01QSCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q60/00Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
    • G01Q60/24AFM [Atomic Force Microscopy] or apparatus therefor, e.g. AFM probes
    • G01Q60/30Scanning potential microscopy

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  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
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  • Testing Or Measuring Of Semiconductors Or The Like (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a scanning probe microscope capable of measuring a local electric characteristic highly accurately even in the case of a sample having irregularities. <P>SOLUTION: Height information of a sample surface is acquired by vibrating a cantilever 22 provided with a needle-shaped probe 23 of the tip part, and when stopping vibration of the cantilever 22 and scanning, a cantilever 22 position is controlled so as to keep the tip of the probe 23 at a constant distance from the sample surface based on the height information of the sample surface, and the cantilever 22 is bent from the state of keeping the cantilever 22 height, and the tip of the probe 23 is indented into the sample 51. Since the distance between the tip of the probe 23 and the sample surface is kept constant, an indentation depth of the probe 23 can be kept constant even to the sample 51 having irregularities only by bending the cantilever 22 as much as a fixed quantity. Hereby, the local electric characteristic can be measured highly accurately even in the case of the sample 51 having irregularities. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、試料の導電率や誘電率といった電気的特性を局所的に測定できる走査プローブ顕微鏡及びこれを用いた局所的電気特性測定方法に関する。   The present invention relates to a scanning probe microscope capable of locally measuring electrical characteristics such as conductivity and dielectric constant of a sample, and a local electrical characteristics measuring method using the same.

近年、LSI等の半導体装置の高集積化にともない、半導体装置を構成するトランジスタ等の素子が微細化している。従来、半導体装置の評価を行うため、プローバを用いて個々の素子に電極を接続し、測定信号を印加して素子の電気的特性の測定をおこなっていた。しかし、微細化の進展にともない、プローバによる素子の電気的特性の評価が困難になりつつある。   In recent years, with the high integration of semiconductor devices such as LSIs, elements such as transistors constituting the semiconductor devices have been miniaturized. Conventionally, in order to evaluate a semiconductor device, an electrode is connected to each element using a prober, and a measurement signal is applied to measure the electrical characteristics of the element. However, with the progress of miniaturization, it is becoming difficult to evaluate the electrical characteristics of the device using a prober.

素子の微細化にあたっては、局所的な不純物の分布が素子の特性に大きな影響を及ぼすため、素子全体の電気的特性のみならず素子内の電気的特性を局所的に測定することが求められている。このような電気的特性の測定は、素子の微細化に伴う製造プロセス(製造条件)の複雑化及び高度化に伴い、不良発生原因の解明のためにも重要である。   In the miniaturization of elements, local impurity distribution has a great influence on the characteristics of the element, so it is required to measure not only the electrical characteristics of the entire element but also the electrical characteristics within the element. Yes. Such measurement of electrical characteristics is important for elucidating the cause of defects as the manufacturing process (manufacturing conditions) becomes more complex and sophisticated with the miniaturization of elements.

半導体装置の局所的電気特性を測定する方法としてAFM(Atomic Force Microscope:原子間力顕微鏡)等のプローブ(探針)を用いた測定方法がある。この方法は、AFMのプローブを試料に接触または接近させて走査しながら、プローブと試料との間に所定の電圧を印加することにより試料の電気的特性を局所的に測定することができる(例えば特許文献1)。また、自然酸化膜等の絶縁膜が形成された試料についての局所的電気特性の測定には、プローブの走査の途中で、プローブの先端を試料中に押し込むことにより、試料表面の自然酸化膜を突き破ってプローブと試料内部とを電気的に接触させて電気的特性を測定する方法がある。
特開2005−64061号公報
As a method for measuring local electrical characteristics of a semiconductor device, there is a measurement method using a probe (probe) such as an AFM (Atomic Force Microscope). In this method, the electrical characteristics of the sample can be locally measured by applying a predetermined voltage between the probe and the sample while scanning the AFM probe while contacting or approaching the sample (for example, Patent Document 1). In order to measure the local electrical characteristics of a sample on which an insulating film such as a natural oxide film is formed, the natural oxide film on the surface of the sample is removed by pushing the tip of the probe into the sample during the scanning of the probe. There is a method of measuring electrical characteristics by penetrating and making electrical contact between the probe and the inside of the sample.
JP 2005-64061 A

従来の走査プローブを用いた試料の測定では、プローブを試料に接触させた状態で走査をおこなうコンタクトモードで試料表面の形状を測定し、電気的特性の測定は、カンチレバーの湾曲量を圧電素子などで検出しながら湾曲量が一定となるようにプローブを押し付けて行っていた。しかし、この方法では、試料表面の状態により測定誤差が大きくなる場合がある。図1及び図2に従来の問題点を示す。ここで、図1において101は試料105を構成する半導体基板であり、102はその表面の自然酸化膜である。また、図2において、104はプローブ103を支持するカンチレバーである。   In the measurement of a sample using a conventional scanning probe, the shape of the sample surface is measured in a contact mode in which the probe is in contact with the sample, and the electrical characteristic is measured by measuring the amount of bending of the cantilever by a piezoelectric element, etc. The probe was pressed so that the amount of bending was constant while detecting with. However, in this method, the measurement error may increase depending on the state of the sample surface. 1 and 2 show conventional problems. Here, in FIG. 1, 101 is a semiconductor substrate constituting the sample 105, and 102 is a natural oxide film on its surface. In FIG. 2, reference numeral 104 denotes a cantilever that supports the probe 103.

例えば、図1に示すような表面を有する試料105について測定を行う場合には、試料表面が比較的平坦な領域Iの部分と、傾斜を有する領域IIとの間では摩擦力が異なり、カンチレバー104の湾曲量を一定に保つ制御のみでは、プローブ103の接触圧を一定に保つことができない。また、カンチレバー104の湾曲量によって押し込み量を制御した場合には、試料表面との摩擦が少ない部分(領域I)では図2(a)に示すような押し込み量d1が得られるのに対し、試料表面との摩擦力が大きい領域(領域II)では、図2(b)のような押し込み量d2となり、試料表面で均一な押し込み量とすることができない。このため、プローブ103と試料105との間の接触面積等が変化し、測定結果に試料表面の形状に起因する誤差が入ってしまい、凹凸の有る試料では、試料自体の有する電気的特性を高い精度で測定を行うことができなかった。   For example, when the measurement is performed on the sample 105 having the surface as shown in FIG. 1, the frictional force is different between the portion of the region I where the sample surface is relatively flat and the region II having the inclination, and the cantilever 104. The contact pressure of the probe 103 cannot be kept constant only by keeping the amount of bending constant. Further, when the pushing amount is controlled by the bending amount of the cantilever 104, the pushing amount d1 as shown in FIG. 2A is obtained in the portion (region I) where the friction with the sample surface is small, whereas the sample In the region where the frictional force with the surface is large (region II), the push amount d2 as shown in FIG. 2B is obtained, and the push amount cannot be made uniform on the sample surface. For this reason, the contact area between the probe 103 and the sample 105 changes, and an error due to the shape of the sample surface is included in the measurement result. In a sample with unevenness, the electrical characteristics of the sample itself are high. Measurement could not be performed with accuracy.

したがって、従来の方法では高精度で試料の電気的特性を測定するには、測定前に試料を研磨して試料表面の二乗平均面粗さ(RMS)を0.2nm以下にする必要があった。しかしながら、RMSが0.2nm以下といった試料を調整するのは非常に手間がかかるという問題があった。さらに、鏡面研磨に適さない構造を有する試料については、精度の高い局所的電気特性の測定ができない。   Therefore, in the conventional method, in order to measure the electrical characteristics of the sample with high accuracy, it was necessary to polish the sample before the measurement to make the root mean square roughness (RMS) of the sample surface 0.2 nm or less. . However, there is a problem that it is very time-consuming to prepare a sample having an RMS of 0.2 nm or less. Furthermore, it is impossible to measure local electrical characteristics with high accuracy for a sample having a structure that is not suitable for mirror polishing.

本発明の目的は、凹凸がある試料であっても高い精度で電気的特性を測定することのできる走査プローブ顕微鏡及びこれを用いた局所的電気特性の測定方法を提供することである。   An object of the present invention is to provide a scanning probe microscope capable of measuring electrical characteristics with high accuracy even for a sample having irregularities and a method for measuring local electrical characteristics using the scanning probe microscope.

本発明の一観点によれば、先端部に針状のプローブを設けたカンチレバーを振動させて試料表面の高さ情報を取得する試料高さ情報取得手段と、前記カンチレバーの振動及び走査を停止したときに、前記試料表面の高さ情報に基づいて、プローブの先端を試料表面から一定の距離に保つようにカンチレバーの位置を制御するカンチレバー高さ制御手段と、前記一定の距離に保った状態から前記カンチレバーを湾曲させることにより、前記プローブの先端を前記試料に押し込むカンチレバー湾曲手段と、前記プローブが試料に押し込まれたときに前記試料に測定信号を印加して前記プローブを介して前記試料の局所的な電気特性を測定する電気特性測定装置と、前記試料の高さ情報及び局所的な電気特性の分布を測定するため、前記プローブを前記試料表面に沿って走査させるプローブ走査機構と、を備えたことを特徴とする走査プローブ顕微鏡が提供される。   According to one aspect of the present invention, the sample height information acquisition means for acquiring the height information of the sample surface by vibrating a cantilever provided with a needle-like probe at the tip, and the vibration and scanning of the cantilever are stopped. Sometimes, based on the information on the height of the sample surface, a cantilever height control means for controlling the position of the cantilever so as to keep the tip of the probe at a constant distance from the sample surface; By bending the cantilever, a cantilever bending means that pushes the tip of the probe into the sample, and when the probe is pushed into the sample, a measurement signal is applied to the sample and the sample is locally passed through the probe. An electrical property measuring device for measuring the electrical properties, and the probe for measuring height information and local electrical property distribution of the sample. Scanning probe microscope characterized by comprising a probe scanning mechanism for scanning along the serial sample surface is provided.

上記観点によれば、カンチレバーを振動(タッピング)させて試料の高さ情報を取得する。これにより従来のコンタクトモードに比べて凹凸のある試料表面へのプローブの追随性が向上する。さらに、カンチレバーの押し込み動作を行う際に、カンチレバーの振動及び走査を停止して、カンチレバー高さ制御手段によりプローブ先端を試料表面から一定の距離となるようにカンチレバーの高さを制御する。これにより、試料表面状態(傾斜や凹凸)に影響されること無く、カンチレバー押し込み直前の条件を常に等しくすることができる。ここで、“一定の距離”には、プローブ先端と試料表面との距離が零である場合、すなわち、プローブ先端が試料表面に接触している状態を含むものとする。   According to the above aspect, the height information of the sample is acquired by vibrating (tapping) the cantilever. This improves the followability of the probe to the uneven sample surface as compared with the conventional contact mode. Further, when the cantilever is pushed in, vibration and scanning of the cantilever are stopped, and the height of the cantilever is controlled by the cantilever height control means so that the tip of the probe is at a constant distance from the sample surface. Thereby, the condition immediately before pushing the cantilever can always be made equal without being affected by the sample surface state (inclination or unevenness). Here, the “constant distance” includes a case where the distance between the probe tip and the sample surface is zero, that is, a state where the probe tip is in contact with the sample surface.

プローブの押し込み動作は、カンチレバー高さ制御手段によりカンチレバーの高さを一定に保ったまま、カンチレバー湾曲手段によりカンチレバーのみを湾曲させることによりプローブの先端を試料内に押し込むことにより行われる。このように、プローブに近接したカンチレバーの湾曲によりプローブを押し込むため、カンチレバー全体の高さを押し下げてプローブを押し込む場合と比較して、試料表面状態に影響されること無く、制御性良く確実にプローブを試料内に押し込むことができる。したがって、上記観点の走査プローブ顕微鏡によれば、試料表面に凹凸を有する試料であってもプローブの押し込み量を一定とすることができ、局所的な電気特性を高い精度で測定することができる。   The pushing operation of the probe is performed by pushing the tip of the probe into the sample by bending only the cantilever by the cantilever bending means while keeping the height of the cantilever constant by the cantilever height control means. In this way, the probe is pushed in by bending the cantilever close to the probe, so that the probe can be reliably controlled with high controllability without being affected by the sample surface condition compared to pushing down the entire cantilever and pushing the probe down. Can be pushed into the sample. Therefore, according to the scanning probe microscope of the said viewpoint, even if it is a sample which has an unevenness | corrugation on the sample surface, the pushing amount of a probe can be made constant and a local electrical property can be measured with high precision.

さらに、本発明によれば、上述のカンチレバー湾曲手段を、カンチレバーに設けた圧電素子で構成した走査プローブ顕微鏡が提供される。圧電素子を用いることにより、プローブの自由端をnmオーダといった高い精度で制御することができる。   Furthermore, according to the present invention, there is provided a scanning probe microscope in which the above-mentioned cantilever bending means is constituted by a piezoelectric element provided on the cantilever. By using the piezoelectric element, the free end of the probe can be controlled with high accuracy such as nm order.

尚、カンチレバー湾曲手段を圧電素子で構成する場合には、一端がカンチレバーの先端側の上面又は下面に接続され、他端がカンチレバーを保持するホルダーに固定された圧電素子であって、電圧の印加により前記カンチレバーを押し下げる方向の力を与える圧電素子によって構成できる。このような構成とすれば、複数の圧電体を積層した積層型を用いることができる。また、前記カンチレバー湾曲手段を、前記カンチレバー上面及び下面に設けられた複数の圧電体膜であって、上面及び下面に設けられた圧電体膜に差動的な電圧を印加することにより前記カンチレバーの上面側に伸張する方向の力を与え、前記カンチレバーの下面側に収縮する方向の力を与える複数の圧電体膜によって構成してもよい。この場合には、圧電体膜及びその電極を成膜プロセス及びエッチング等の半導体製造プロセスを用いて作製することができる。   When the cantilever bending means is composed of a piezoelectric element, one end is connected to the upper or lower surface of the cantilever tip side, and the other end is a piezoelectric element fixed to a holder that holds the cantilever, and voltage application Thus, it can be constituted by a piezoelectric element that applies a force in a direction to push down the cantilever. With such a configuration, a stacked type in which a plurality of piezoelectric bodies are stacked can be used. Further, the cantilever bending means is a plurality of piezoelectric films provided on the upper and lower surfaces of the cantilever, and a differential voltage is applied to the piezoelectric films provided on the upper and lower surfaces of the cantilever. You may comprise by the some piezoelectric material film which gives the force of the direction extended to an upper surface side, and gives the force of the direction to shrink | contract to the lower surface side of the said cantilever. In this case, the piezoelectric film and its electrode can be produced using a semiconductor manufacturing process such as a film formation process and etching.

さらに、本発明の上記観点では、押し込みを行う直前のカンチレバーの高さが、プローブ先端が試料表面から一定の距離となるように保たれている。このため、前記カンチレバー湾曲手段によるカンチレバーの湾曲量を一定にするだけで、プローブの押し込み深さを一定とすることができる。このように、カンチレバー湾曲手段の制御は一定量の湾曲を行わせるだけであり、制御装置の構成を簡単にできる。   Furthermore, in the above aspect of the present invention, the height of the cantilever immediately before pushing is maintained such that the probe tip is at a constant distance from the sample surface. For this reason, the pushing depth of the probe can be made constant only by making the amount of bending of the cantilever by the cantilever bending means constant. In this way, the control of the cantilever bending means only allows a certain amount of bending to be performed, and the configuration of the control device can be simplified.

以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

図3は、本発明の一実施形態に係わる走査プローブ顕微鏡を示すブロック図である。図4(a)及び(b)は、本発明の一実施形態に係わる走査プローブ顕微鏡に使用するカンチレバーを示す側面図である。以下の説明において、X−Y方向とは、試料ステージ52及び試料51の表面と平行な方向を指し、Z方向とは試料51の表面と垂直な方向を意味する。   FIG. 3 is a block diagram showing a scanning probe microscope according to an embodiment of the present invention. 4A and 4B are side views showing a cantilever used in a scanning probe microscope according to one embodiment of the present invention. In the following description, the XY direction refers to a direction parallel to the surfaces of the sample stage 52 and the sample 51, and the Z direction means a direction perpendicular to the surface of the sample 51.

図3に示す本発明の一実施形態に係わる走査プローブ顕微鏡10において、試料高さ情報取得手段は、光センサ62、振幅検出回路42、全体制御回路41、及びZ方向送り制御回路44からなるフィードバックループによって構成され、カンチレバー高さ制御手段は、全体制御回路41及びZ方向送り制御回路44で構成され、カンチレバー湾曲手段はカンチレバー湾曲部材70で構成され、電気特性測定装置は、電気特性測定回路45及び測定電圧制御回路47で構成され、プローブ走査機構はX−Y方向送り機構31で構成されている。以下、本実施形態に係わる走査プローブ顕微鏡10の各部の構成について更に詳細に説明する。   In the scanning probe microscope 10 according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 3, the sample height information acquisition means is a feedback comprising an optical sensor 62, an amplitude detection circuit 42, an overall control circuit 41, and a Z-direction feed control circuit 44. The cantilever height control means is constituted by a general control circuit 41 and a Z-direction feed control circuit 44, the cantilever bending means is constituted by a cantilever bending member 70, and the electric characteristic measuring device is an electric characteristic measuring circuit 45. And the measurement voltage control circuit 47, and the probe scanning mechanism is composed of an XY direction feeding mechanism 31. Hereinafter, the configuration of each part of the scanning probe microscope 10 according to the present embodiment will be described in more detail.

X−Y方向送り機構31は、後述するホルダー33及びこれに取り付けられたプローブ(探針)23をX−Y方向に送るための機構であり、所定の走査領域内にわたって、プローブ23を試料51の表面と平行に走査させることができる。X−Y方向送り機構31は例えばPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)などの圧電体を用いた駆動素子によって構成することができ、カンチレバー22及びその先端に形成されているプローブ23を、1nm以下のステップで移動させることができる。   The XY direction feeding mechanism 31 is a mechanism for feeding a holder 33 (to be described later) and a probe (probe) 23 attached thereto in the XY direction. Can be scanned parallel to the surface. The XY direction feed mechanism 31 can be configured by a drive element using a piezoelectric material such as PZT (lead zirconate titanate), and the cantilever 22 and the probe 23 formed at the tip thereof can be 1 nm or less. It can be moved in steps.

Z方向送り機構32は、X−Y方向送り機構31の可動部分に取り付けられ、カンチレバー22及びその先端に取り付けられたプローブ23をZ方向に例えば0.05nm程度(光てこ方式の最小解像度)のステップで送ることができる。Z方向送り機構32は、例えばPZT等の圧電体を用いた駆動素子によって構成される。Z方向送り機構32は、更にカンチレバー22にその共振周波数(例えば300kHz)付近であって、Z方向の振幅を有する振動を与えることができる。Z方向送り機構32の送りの量は後述するZ方向送り制御回路44からの制御出力によって定められる。   The Z-direction feed mechanism 32 is attached to a movable part of the XY-direction feed mechanism 31, and the cantilever 22 and the probe 23 attached to the tip of the Z-direction feed mechanism 32 are, for example, about 0.05 nm (minimum resolution of the optical lever system) in the Z direction. Can be sent in steps. The Z-direction feed mechanism 32 is configured by a drive element using a piezoelectric material such as PZT. The Z-direction feed mechanism 32 can further give the cantilever 22 a vibration in the vicinity of its resonance frequency (for example, 300 kHz) and having an amplitude in the Z direction. The feed amount of the Z-direction feed mechanism 32 is determined by a control output from a Z-direction feed control circuit 44 described later.

ホルダー33は、カンチレバー22を保持するための部材であり、Z方向送り機構32の可動部に取り付けられている。ホルダー33には、カンチレバー22が脱着可能に取り付けられている。   The holder 33 is a member for holding the cantilever 22 and is attached to the movable part of the Z-direction feed mechanism 32. The cantilever 22 is detachably attached to the holder 33.

カンチレバー22は、一端がホルダー33に固定され、他方の一端が自由端となっており、その自由端には、プローブ23が形成されている。カンチレバー22は、例えば中抜きの三角形状又は矩形状の薄板であって、その厚さは0.1〜5μm程度、長さは数十μm程度とすることができる。カンチレバー22は、例えば、Si又はSiN単結晶の薄板を用いることができる。カンチレバー22には、カンチレバー湾曲制御回路46によって駆動されるカンチレバー湾曲部材70が設けられている。このカンチレバー湾曲部材70によりZ方向送り機構32と独立してカンチレバー22をZ方向に湾曲させることができ、カンチレバー22の自由端側に取り付けられたプローブ23を、試料表面に押し付けることができる。カンチレバー22の湾曲量は、カンチレバー湾曲部材70に印加する制御電圧によって調整することができる。例えば、試料51が半導体装置(Si単結晶)について測定を行う場合には、自然酸化膜の厚さは1〜3nm程度なので、カンチレバー22を湾曲させる直前のプローブ23と試料51の表面との間隔に加えて、プローブ23が半導体等の自然酸化膜を突き破るのに必要な1〜3nmのプローブ押し下げ量が得られるようにカンチレバー22を湾曲させる。   One end of the cantilever 22 is fixed to the holder 33, the other end is a free end, and a probe 23 is formed at the free end. The cantilever 22 is, for example, a hollow triangular or rectangular thin plate with a thickness of about 0.1 to 5 μm and a length of about several tens of μm. As the cantilever 22, for example, a thin plate of Si or SiN single crystal can be used. The cantilever 22 is provided with a cantilever bending member 70 driven by a cantilever bending control circuit 46. The cantilever bending member 70 can bend the cantilever 22 in the Z direction independently of the Z-direction feeding mechanism 32, and the probe 23 attached to the free end side of the cantilever 22 can be pressed against the sample surface. The amount of bending of the cantilever 22 can be adjusted by a control voltage applied to the cantilever bending member 70. For example, when the sample 51 performs measurement on a semiconductor device (Si single crystal), the thickness of the natural oxide film is about 1 to 3 nm, and therefore the distance between the probe 23 immediately before the cantilever 22 is bent and the surface of the sample 51. In addition, the cantilever 22 is bent so that the probe push-down amount of 1 to 3 nm necessary for the probe 23 to break through a natural oxide film such as a semiconductor can be obtained.

プローブ23は、カンチレバー22の自由端側の一面から突出して形成されている。プローブ23は、先端にかけて細くなるように形成されその先端部は、例えば、1〜50nm程度の曲率半径を有する。本実施形態のプローブ23は、自然酸化膜を突き破って試料内部と電気的に接触するため、機械的な強度の高い材料を用いることが好ましく、例えば、CVD法等によって形成された導電性を有するDLC(Diamond Like Carbon)等を用いることができる。また、プローブ23の導電性を良くするため、スパッタ法等により金属薄膜(例えばPtIr等)をその表面に形成しても良い。その他、プローブ23には硬度の高いPtIr又はNiSi等を用いることができる。   The probe 23 is formed to project from one surface of the free end side of the cantilever 22. The probe 23 is formed so as to narrow toward the tip, and the tip has a radius of curvature of about 1 to 50 nm, for example. Since the probe 23 of the present embodiment breaks through a natural oxide film and makes electrical contact with the inside of the sample, it is preferable to use a material having high mechanical strength. For example, the probe 23 has conductivity formed by a CVD method or the like. DLC (Diamond Like Carbon) etc. can be used. Further, in order to improve the conductivity of the probe 23, a metal thin film (for example, PtIr) may be formed on the surface thereof by sputtering or the like. In addition, the probe 23 can be made of PtIr or NiSi having high hardness.

以下図4(a)及び(b)を参照しつつ、本実施形態のカンチレバー湾曲部材70の構成例について説明する。   Hereinafter, a configuration example of the cantilever bending member 70 of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 4 (a) and 4 (b).

図4(a)に示すように、本実施形態のカンチレバー湾曲部材70の第1の構成例は、カンチレバー22に取り付けられた圧電素子71によって構成される。圧電素子71の一端は接合部材73によってカンチレバー22に取り付けられ、他方の端は、例えば、スペーサ74及び支持板72等の構造物を介してホルダー33に固定されている。この圧電素子71は、多数の圧電体膜を重ねて棒状に形成した積層型の圧電素子を使用でき、電圧の変化により厚み方向(図中I方向)に伸縮する。この構成例のカンチレバー22では、圧電素子71に電圧を印加することにより、圧電素子71が紙面の上下方向(矢印I方向)に収縮し、カンチレバー22の自由端を矢印A方向に押し下げることができる。尚、圧電素子71をカンチレバー22の上方に取り付けて、圧電素子71を伸張させることによりカンチレバー22を押し下げる構成としても良い。   As shown in FIG. 4A, the first configuration example of the cantilever bending member 70 of the present embodiment is configured by a piezoelectric element 71 attached to the cantilever 22. One end of the piezoelectric element 71 is attached to the cantilever 22 by a joining member 73, and the other end is fixed to the holder 33 via a structure such as a spacer 74 and a support plate 72. The piezoelectric element 71 can be a stacked piezoelectric element in which a large number of piezoelectric films are stacked to form a rod shape, and expands and contracts in the thickness direction (I direction in the figure) due to a change in voltage. In the cantilever 22 of this configuration example, by applying a voltage to the piezoelectric element 71, the piezoelectric element 71 contracts in the vertical direction (arrow I direction) on the paper surface, and the free end of the cantilever 22 can be pushed down in the arrow A direction. . The piezoelectric element 71 may be attached above the cantilever 22 and the cantilever 22 may be pushed down by extending the piezoelectric element 71.

図4(b)は、本実施形態のカンチレバー湾曲部材70の第2の構成例であり、カンチレバー22の上下の両面に、圧電素子75及び76が積層された、バイモルフ構造となっている。圧電素子75及び76には、例えばSi単結晶薄板のカンチレバー22の表面にスパッタ法やCVD法等によって形成されたPZT膜等を使用できる。また、圧電素子75及び76の電極は公知の半導体製造プロセスにより作製できる。本構成例のカンチレバー湾曲部材70は、圧電素子75及び76にそれぞれ差動的な(符合の異なる)電圧を印加することにより、圧電素子75を矢印II方向に収縮させるとともに、圧電素子76を矢印III方向に伸張させることができる。圧電素子75及び76の伸縮によりカンチレバー22に反りが生じ、その自由端側が矢印A方向に押し下げられる。尚、図示の例では、カンチレバー22の表面の一部にのみ圧電素子75及び76を形成したが、これらをカンチレバー22の全面に形成しても良い。   FIG. 4B is a second configuration example of the cantilever bending member 70 of the present embodiment, and has a bimorph structure in which piezoelectric elements 75 and 76 are stacked on both upper and lower surfaces of the cantilever 22. For the piezoelectric elements 75 and 76, for example, a PZT film formed on the surface of the cantilever 22 of a Si single crystal thin plate by a sputtering method, a CVD method or the like can be used. The electrodes of the piezoelectric elements 75 and 76 can be manufactured by a known semiconductor manufacturing process. The cantilever bending member 70 of the present configuration example contracts the piezoelectric element 75 in the direction of arrow II by applying a differential (different sign) voltage to the piezoelectric elements 75 and 76, and also causes the piezoelectric element 76 to move in the direction of the arrow. Can be stretched in the III direction. The cantilever 22 is warped by the expansion and contraction of the piezoelectric elements 75 and 76, and the free end side thereof is pushed down in the arrow A direction. In the illustrated example, the piezoelectric elements 75 and 76 are formed only on a part of the surface of the cantilever 22, but these may be formed on the entire surface of the cantilever 22.

上記の構成例では、カンチレバー22に圧電素子を設けて反りを生じさせる構成であるが、本実施形態はこれらに限られず、カンチレバー22の自由端側を試料51の方に変位させるための各種構成を用いることができ、例えば、熱膨張率の異なる金属を張り合わせたバイメタルをカンチレバー22に取り付け、電流による発熱によってカンチレバー22を押し下げる方向の力を与えてカンチレバー22を湾曲させる構成や、磁気若しくは静電気による吸引力又は反発力を用いた構成とすることができる。   In the above configuration example, a piezoelectric element is provided on the cantilever 22 to cause warpage. However, the present embodiment is not limited to these, and various configurations for displacing the free end side of the cantilever 22 toward the sample 51. For example, a structure in which a bimetal obtained by bonding metals having different coefficients of thermal expansion is attached to the cantilever 22 and the cantilever 22 is bent by applying a force in a direction to push down the cantilever 22 due to heat generated by an electric current, or by magnetic or static electricity. It can be set as the structure using a suction force or a repulsive force.

以上の本実施形態では、プローブ23を試料51に押し付けるための部材として、カンチレバー22にカンチレバー湾曲部材70が形成されている。これにより、Z方向送り制御手段を用いてプローブ23の押し込み動作をする場合と比較して、より強い力で制御性良くプローブ23を試料51に押し込むことができる。   In the above embodiment, the cantilever bending member 70 is formed on the cantilever 22 as a member for pressing the probe 23 against the sample 51. As a result, the probe 23 can be pushed into the sample 51 with a stronger force and better controllability than when the Z-direction feed control means is used to push the probe 23.

図3に戻り、走査プローブ顕微鏡10の他の構成について説明する。   Returning to FIG. 3, another configuration of the scanning probe microscope 10 will be described.

レーザ光源61と光センサ62は、カンチレバー22のZ方向の変移を検出するセンサを構成する。レーザ光源61からの光は、カンチレバー22の自由端付近の上面に照射され、反射したレーザ光は光センサ62上に所定の像を形成するように構成されている。光センサ62は例えば4分割したフォトダイオードによって構成できる。カンチレバー22のZ方向の変位に応じて、光センサ62に形成される反射光の像が変化し、光センサ62を構成するそれぞれのフォトダイオードの出力が変化する。この光センサ62からの出力は振動状態検出回路42に送られる。   The laser light source 61 and the optical sensor 62 constitute a sensor that detects a change in the Z direction of the cantilever 22. The light from the laser light source 61 is applied to the upper surface near the free end of the cantilever 22, and the reflected laser light is configured to form a predetermined image on the optical sensor 62. The optical sensor 62 can be constituted by, for example, a photodiode divided into four. According to the displacement of the cantilever 22 in the Z direction, the image of the reflected light formed on the optical sensor 62 changes, and the output of each photodiode constituting the optical sensor 62 changes. The output from the optical sensor 62 is sent to the vibration state detection circuit 42.

試料51は、図8に示すように、例えば、半導体装置を切断したものであり、測定電圧を印加するための電極114が形成されている。この電極114には測定信号制御回路47が接続され、電気的特性の測定時に所定の直流電圧又は交流電圧(測定電圧)が試料51に印加される。尚、図8において110はゲート、111及び112は不純物拡散領域、113はシリコン基板を示している。本実施形態の走査プローブ顕微鏡10によれば、例えばZ方向送り機構32を構成する圧電素子に5000nmの伸張幅を有する素子を用いたときには、二乗平均面粗さ(RMS)が2500nm程度までの試料について局所的な電気特性を測定することができる。試料ステージ52は、試料51を保持するものであり、特に図示しないが、測定領域付近までの大まかな送り運動を与える粗動機構が設けられている。   As shown in FIG. 8, the sample 51 is obtained by cutting a semiconductor device, for example, and has an electrode 114 for applying a measurement voltage. A measurement signal control circuit 47 is connected to the electrode 114, and a predetermined DC voltage or AC voltage (measurement voltage) is applied to the sample 51 when measuring the electrical characteristics. In FIG. 8, 110 is a gate, 111 and 112 are impurity diffusion regions, and 113 is a silicon substrate. According to the scanning probe microscope 10 of this embodiment, for example, when an element having an extension width of 5000 nm is used as the piezoelectric element constituting the Z-direction feed mechanism 32, a sample having a root mean square roughness (RMS) of up to about 2500 nm. The local electrical properties can be measured. The sample stage 52 holds the sample 51, and is not particularly shown, but is provided with a coarse movement mechanism that gives a rough feed movement to the vicinity of the measurement region.

次に本実施形態の走査プローブ顕微鏡10の制御部について説明する。本実施形態の制御部は、振動状態検出回路42、X−Y方向送り制御回路43、Z方向送り制御回路44、電気特性測定回路45、カンチレバー湾曲制御回路46、測定信号制御回路47、及びこれらの制御回路全体を制御する全体制御回路41によって構成される。   Next, the control unit of the scanning probe microscope 10 of the present embodiment will be described. The control unit of the present embodiment includes a vibration state detection circuit 42, an XY direction feed control circuit 43, a Z direction feed control circuit 44, an electrical characteristic measurement circuit 45, a cantilever bending control circuit 46, a measurement signal control circuit 47, and these The overall control circuit 41 controls the entire control circuit.

振動状態検出回路42は、光センサ62からの検出信号に基づいて、カンチレバー22の振動の振幅を計測する。カンチレバー22の振動運動によりプローブ23が試料51と接近または接触すると、試料51の表面の原子とプローブ23との間で原子間力が働き、カンチレバー22の振幅に変化が生ずる。この振幅値が所定の基準値を超えたとき又は所定の基準値を下まわった場合には、検出された振幅値と基準値との差に応じた出力を有するエラー信号が全体制御回路41に送出される。全体制御回路41は、このエラー信号がゼロとなるように、すなわちプローブ23と試料51との間隔を一定に保ってカンチレバー22の振幅が一定となるように、Z方向送り制御回路44に制御信号を出力する。振動状態検出回路42からのエラー信号がゼロとなった時点でのZ方向送り制御回路44への制御出力は、試料51の高さ情報を与える。このように、本実施形態に係わる走査プローブ顕微鏡10では、振動状態検出回路42、全体制御回路41、及びZ方向送り制御回路44によって、フィードバックループが形成され、プローブ23と試料51との間隔は一定に保たれる。   The vibration state detection circuit 42 measures the amplitude of vibration of the cantilever 22 based on the detection signal from the optical sensor 62. When the probe 23 approaches or comes into contact with the sample 51 due to the vibration motion of the cantilever 22, an atomic force acts between the atoms on the surface of the sample 51 and the probe 23, and the amplitude of the cantilever 22 changes. When the amplitude value exceeds a predetermined reference value or falls below the predetermined reference value, an error signal having an output corresponding to the difference between the detected amplitude value and the reference value is sent to the overall control circuit 41. Sent out. The overall control circuit 41 sends a control signal to the Z-direction feed control circuit 44 so that the error signal becomes zero, that is, the amplitude of the cantilever 22 is constant while keeping the distance between the probe 23 and the sample 51 constant. Is output. The control output to the Z-direction feed control circuit 44 when the error signal from the vibration state detection circuit 42 becomes zero gives the height information of the sample 51. Thus, in the scanning probe microscope 10 according to the present embodiment, a feedback loop is formed by the vibration state detection circuit 42, the overall control circuit 41, and the Z-direction feed control circuit 44, and the interval between the probe 23 and the sample 51 is as follows. Kept constant.

X−Y方向送り制御回路43は全体制御回路41からの制御信号に基づいて、X−Y方向送り機構31に制御出力を送出する。この制御出力に基づいてX−Y方向送り機構31はプローブ23(カンチレバー22)を試料51の表面に沿って走査させる。   The XY direction feed control circuit 43 sends a control output to the XY direction feed mechanism 31 based on a control signal from the overall control circuit 41. Based on this control output, the XY direction feed mechanism 31 scans the probe 23 (cantilever 22) along the surface of the sample 51.

Z方向送り制御回路44は、全体制御回路41からの制御信号に基づいて、カンチレバー22のZ方向の送り運動を与えるべく、直流成分の制御電圧をZ方向送り制御機構32に与える。また、Z方向送り制御回路44は、Z方向送り制御機構32に一定振幅の交流成分の制御電圧を、上述の直流成分の制御電圧に重畳して印加する。この交流成分の制御電圧の周波数は、カンチレバー22の共振周波数付近の周波数であり、これによりカンチレバー22を共振周波数(例えば300kHz)付近でZ方向に振動させる。尚、後述するプローブ23の押し込み動作時には、交流成分の制御電圧の印加は停止され、直流成分の制御電圧のみがZ方向送り機構32に印加される。   The Z-direction feed control circuit 44 applies a DC component control voltage to the Z-direction feed control mechanism 32 in order to give the Z-direction feed movement of the cantilever 22 based on the control signal from the overall control circuit 41. Further, the Z-direction feed control circuit 44 applies an AC component control voltage having a constant amplitude to the Z-direction feed control mechanism 32 so as to be superimposed on the above-described DC component control voltage. The frequency of the control voltage of the AC component is a frequency near the resonance frequency of the cantilever 22, thereby causing the cantilever 22 to vibrate in the Z direction near the resonance frequency (for example, 300 kHz). Note that, during the pushing operation of the probe 23 described later, the application of the AC component control voltage is stopped, and only the DC component control voltage is applied to the Z-direction feed mechanism 32.

電気特性測定回路45は、プローブ23と電気的に接続され、試料51に所定の測定信号を印加したときに、プローブ23に流れる電流値や、信号レベルを検出する。例えば、試料51の局所的な容量CやdC/dVの分布測定をおこなう場合には、容量計等を用いることができ、試料51の局所的な抵抗値RやdI/dVの分布測定をおこなう場合には、電流計を用いることができる。また、電気特性測定回路45は、容量計及び電流計の両方を備え測定目的に応じて切り替えて使用するものであっても良い。電気特性測定回路45の測定結果は全体制御回路41に送出される。   The electrical characteristic measurement circuit 45 is electrically connected to the probe 23 and detects the value of the current flowing through the probe 23 and the signal level when a predetermined measurement signal is applied to the sample 51. For example, when the local capacitance C or dC / dV distribution measurement of the sample 51 is performed, a capacitance meter or the like can be used, and the local resistance value R or dI / dV distribution measurement of the sample 51 is performed. In some cases, an ammeter can be used. Further, the electrical characteristic measurement circuit 45 may include both a capacitance meter and an ammeter, and may be used by switching according to the measurement purpose. The measurement result of the electrical characteristic measurement circuit 45 is sent to the overall control circuit 41.

カンチレバー湾曲制御回路46は、全体制御回路41からの制御信号に基づいて、カンチレバー湾曲部材70に所定の制御電圧を印加する。例えば、カンチレバー湾曲部材70に積層型圧電素子を用いる図4(a)の構成例では、一定の制御電圧を圧電素子71に印加することによりカンチレバー22の自由端側に取り付けられたプローブ23を一定量押し下げる。また、図4(b)に示す構成例のように、カンチレバー湾曲部材70を圧電素子75及び76を積層したバイモルフ構造とした場合には、圧電素子75と圧電素子76にそれぞれ差動的な(符号の異なる)制御電圧を印加する。上述のフィードバックループによりプローブ23と試料51の表面との間隔は常に一定値に制御されているため、カンチレバー湾曲制御回路46から圧電素子71、又は圧電素子75及び76に印加する電圧を一定値としておけば、プローブ23の先端の押し下げ量(試料51への押し込み量)は、試料51の表面の凹凸の状態によらずに常に一定値に保たれる。   The cantilever bending control circuit 46 applies a predetermined control voltage to the cantilever bending member 70 based on the control signal from the overall control circuit 41. For example, in the configuration example of FIG. 4A in which a laminated piezoelectric element is used for the cantilever bending member 70, the probe 23 attached to the free end side of the cantilever 22 is fixed by applying a constant control voltage to the piezoelectric element 71. Press down the amount. 4B, when the cantilever bending member 70 has a bimorph structure in which the piezoelectric elements 75 and 76 are stacked, the piezoelectric element 75 and the piezoelectric element 76 are each differential ( Apply a control voltage (different in sign). Since the distance between the probe 23 and the surface of the sample 51 is always controlled to a constant value by the feedback loop described above, the voltage applied from the cantilever curve control circuit 46 to the piezoelectric element 71 or the piezoelectric elements 75 and 76 is set to a constant value. If this is the case, the amount by which the tip of the probe 23 is pushed down (the amount by which the probe 51 is pushed) is always maintained at a constant value regardless of the unevenness of the surface of the sample 51.

測定電圧制御回路47は、試料51に取り付けられた電極と接続されており、全体制御回路41からの制御信号に基づいて試料51に各種の測定信号を印加する。例えば、I−V特性の測定の場合は、定電圧電源により試料51に一定電圧を印加する。dI/dV特性の測定時には印加電圧を一定速度で変化する電圧を印加する。また、容量C測定の場合には、試料51に所定振幅の交流電圧を、必要に応じて所定の直流電圧に重畳させながら、印加する。   The measurement voltage control circuit 47 is connected to an electrode attached to the sample 51 and applies various measurement signals to the sample 51 based on a control signal from the overall control circuit 41. For example, in the case of measuring the IV characteristic, a constant voltage is applied to the sample 51 from a constant voltage power source. When measuring the dI / dV characteristic, a voltage that changes the applied voltage at a constant speed is applied. In the case of measuring the capacitance C, an AC voltage having a predetermined amplitude is applied to the sample 51 while being superimposed on a predetermined DC voltage as necessary.

全体制御回路41は、上述の各種制御回路42〜47に制御信号を送信して制御を行うと共に、振動状態検出回路42及び電気特性測定回路45からの検出信号を受信する。この外特に図示しないが、外部のインターフェースを介して測定データの出力及び各種動作指令の受信を行う。   The overall control circuit 41 performs control by transmitting control signals to the various control circuits 42 to 47 described above, and receives detection signals from the vibration state detection circuit 42 and the electrical characteristic measurement circuit 45. In addition, although not particularly shown, measurement data is output and various operation commands are received via an external interface.

次に本実施形態の走査プローブ顕微鏡10の動作について、図5乃至図7を参照しつつ説明する。ここで、図5は、本発明の一実施形態に係わる走査プローブ顕微鏡の測定手順の一例を示すフローチャートであり、図6(a)は、本発明の一実施形態に係わる走査プローブ顕微鏡の測定時におけるプローブの動作を示す模式図であり、図6(b)は、押し込み動作時のカンチレバーの湾曲の様子を示す側面図であり、図7は、本発明の一実施形態に係わる走査プローブ顕微鏡の測定時の制御信号の波形の一例を示す図である。図8は、本発明の一実施形態に係わる走査プローブ顕微鏡の測定の様子を示す斜視図である。   Next, the operation of the scanning probe microscope 10 of the present embodiment will be described with reference to FIGS. Here, FIG. 5 is a flowchart showing an example of a measurement procedure of the scanning probe microscope according to the embodiment of the present invention, and FIG. 6A is a measurement time of the scanning probe microscope according to the embodiment of the present invention. FIG. 6B is a side view showing the state of bending of the cantilever during the pushing-in operation, and FIG. 7 shows the scanning probe microscope according to the embodiment of the present invention. It is a figure which shows an example of the waveform of the control signal at the time of a measurement. FIG. 8 is a perspective view showing a state of measurement of the scanning probe microscope according to one embodiment of the present invention.

以下、本実施形態の走査プローブ顕微鏡10の動作を図6(a)に示すような凹凸を有する試料51の表面に沿ってプローブ23を走査しながら局所的電気特性を測定する場合を例に説明する。   Hereinafter, the operation of the scanning probe microscope 10 according to the present embodiment will be described by taking as an example the case where the local electrical characteristics are measured while scanning the probe 23 along the surface of the sample 51 having irregularities as shown in FIG. To do.

先ず、試料ステージ52の粗動機構(不図示)を使って測定領域付近をプローブ23の付近に接近させる。その後、Z方向送り機構32により、カンチレバー22を共振周波数付近で振動させながらプローブ23を試料51の表面に接近させる(ステップS10)。   First, the vicinity of the measurement region is brought close to the vicinity of the probe 23 using a coarse movement mechanism (not shown) of the sample stage 52. Thereafter, the probe 23 is moved closer to the surface of the sample 51 while the cantilever 22 is vibrated near the resonance frequency by the Z-direction feed mechanism 32 (step S10).

次に、振動状態検出回路42、全体制御回路41及びZ方向送り制御回路44のフィードバックループによりプローブ23を試料51の表面から一定の距離に保ちつつ、X−Y方向送り機構31によりプローブ23を試料51の表面に沿って一定速度で一定時間(例えばt0〜t1)移動(走査)させる(ステップS20)。このとき、プローブ23は、図6(a)で、矢印t0〜t1の部分を振動(タッピング)しながら移動していく。時間t1の直前において、プローブ23は、破線23b及び23cに示す位置で振動している。また、時間t0〜t1の間、Z方向送り制御回路44からの制御電圧は、例えば、図7の波形(B)に示すように変化する。ここで、波形(B)において横軸は時間を表し、縦軸は制御電圧を示す。t0〜t1にかけて、カンチレバー22を振動させるため、交流成分の制御電圧がZ方向送り機構32に印加されている。さらに、カンチレバー22の振幅が一定となるように、上述のフィードバックループによって制御された直流成分の制御電圧が印加されている。図6(a)に示すように、t0〜t1にかけてプローブ23が移動する部分では試料51の高さが一定であるため、Z方向送り制御回路44からの直流成分の制御電圧も図7の波形(B)に示すように一定値である。一方、プローブ23のZ方向の位置(高さは)は、図7の波形(A)に示すように変化する。ここで、波形(A)の横軸は時間を示し、縦軸はプローブ23の先端部分のZ方向の位置(高さ)を表す。図7の波形(A)に示すように、時間t0〜t1にかけてプローブ23の先端はカンチレバー22の振動によりZ方向に一定の振幅で振動している。 Next, the probe 23 is moved by the XY direction feed mechanism 31 while keeping the probe 23 at a constant distance from the surface of the sample 51 by the feedback loop of the vibration state detection circuit 42, the overall control circuit 41 and the Z direction feed control circuit 44. It moves (scans) along the surface of the sample 51 at a constant speed for a certain time (for example, t 0 to t 1 ) (step S20). At this time, the probe 23 moves while vibrating (tapping) the portions indicated by arrows t 0 to t 1 in FIG. Immediately before time t 1 , the probe 23 vibrates at the positions indicated by the broken lines 23b and 23c. Further, during the time t 0 to t 1 , the control voltage from the Z-direction feed control circuit 44 changes, for example, as shown by the waveform (B) in FIG. Here, in the waveform (B), the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the control voltage. An AC component control voltage is applied to the Z-direction feed mechanism 32 to vibrate the cantilever 22 from t 0 to t 1 . Further, the control voltage of the DC component controlled by the above-described feedback loop is applied so that the amplitude of the cantilever 22 is constant. As shown in FIG. 6A, since the height of the sample 51 is constant in the portion where the probe 23 moves from t 0 to t 1 , the DC component control voltage from the Z-direction feed control circuit 44 is also shown in FIG. As shown in the waveform (B) of FIG. On the other hand, the position (height) of the probe 23 in the Z direction changes as shown by the waveform (A) in FIG. Here, the horizontal axis of the waveform (A) indicates time, and the vertical axis indicates the position (height) in the Z direction of the tip portion of the probe 23. As shown in the waveform (A) of FIG. 7, the tip of the probe 23 vibrates with a constant amplitude in the Z direction by the vibration of the cantilever 22 from time t 0 to time t 1 .

次に、Z方向送り制御回路44からの交流成分の制御電圧の印加を停止して、Z方向送り機構32の振動を止めるとともに、X−Y方向の送り運動を停止して、プローブ23の走査を停止する(ステップS30)。これにより、図6(a)の破線23cに示すように、試料51の表面から所定の間隔を置いた位置で停止する。このとき、Z方向送り制御回路44からの制御電圧及びプローブ23のZ方向の位置(高さ)は、図7の時間t1におけるそれぞれの値をとる。 Next, the application of the AC component control voltage from the Z-direction feed control circuit 44 is stopped, the vibration of the Z-direction feed mechanism 32 is stopped, the feed movement in the XY directions is stopped, and the probe 23 is scanned. Is stopped (step S30). Accordingly, as indicated by a broken line 23c in FIG. 6A, the sample stops at a position spaced a predetermined distance from the surface of the sample 51. At this time, the control voltage from the Z-direction feed control circuit 44 and the position (height) of the probe 23 in the Z direction take values at time t 1 in FIG.

次に時間t1〜t2にかけて、カンチレバー22を湾曲させてプローブ23を試料51の表面に接触させ、又は試料51の内部に押し込む(ステップS40)。例えば、試料51が半導体等のように自然酸化膜51bを形成する試料についてdI/dV(I/V)特性の測定を行う場合には、プローブ23の先端を、図6(a)に示すように、試料51の内部に押し込む。尚、容量Cの測定をおこなう場合には、プローブ23を試料内部に押し込まず、試料表面と接触する程度にカンチレバー22を湾曲させる。 Next, from time t 1 to t 2 , the cantilever 22 is bent and the probe 23 is brought into contact with the surface of the sample 51 or pushed into the sample 51 (step S40). For example, when measuring dI / dV (I / V) characteristics of a sample 51 in which a natural oxide film 51b is formed, such as a semiconductor, the tip of the probe 23 is as shown in FIG. Then, it is pushed into the sample 51. When measuring the capacitance C, the cantilever 22 is bent to such an extent that it does not push the probe 23 into the sample but contacts the sample surface.

このとき、Z方向送り制御回路44からの制御電圧は、図7の波形(B)で交流成分の制御電圧の印加を停止する直前(時刻t1)の直流成分の制御電圧に保たれる。一方、カンチレバー湾曲制御回路46からは時間t1〜t2にかけて、例えば、図7の波形(C)に示す制御電圧がカンチレバー湾曲部材70の圧電素子71に印加される。ここに、波形(C)の横軸は時間であり、縦軸はカンチレバー湾曲回路46からの制御電圧を示す。これによりカンチレバー22が湾曲し、自由端側が試料表面方向に下がり、プローブ23が試料内に押し込まれる。時間t1〜t2にかけてプローブ23の先端のZ方向の位置は、図7の波形(A)に示すように変化する。 At this time, the control voltage from the Z-direction feed control circuit 44 is maintained at the DC component control voltage immediately before the application of the AC component control voltage is stopped (time t 1 ) in the waveform (B) of FIG. On the other hand, the control voltage shown in the waveform (C) of FIG. 7 is applied from the cantilever bending control circuit 46 to the piezoelectric element 71 of the cantilever bending member 70 from time t 1 to time t 2 , for example. Here, the horizontal axis of the waveform (C) represents time, and the vertical axis represents the control voltage from the cantilever bending circuit 46. As a result, the cantilever 22 is curved, the free end side is lowered toward the sample surface, and the probe 23 is pushed into the sample. The position of the tip of the probe 23 in the Z direction changes from time t 1 to t 2 as shown by the waveform (A) in FIG.

また、時間t1〜t2にかけて、例えば、測定電圧制御回路47から試料51に図7の波形(D)に示すような測定電圧を印加して試料51の局所的電気特性の測定をおこなう(ステップS50)。尚、図7の波形はdI/dV測定をおこなうときの一例であり、抵抗測定のみをおこなう場合にはt1〜t2にかけて電圧値を一定値に保った直流電圧の測定信号を印加する。また、容量測定の場合には直流電圧に交流信号を重畳した測定電圧を印加する。t1〜t2にかけての電気的特性の測定は数ミリ秒の間行われる。 Further, from time t 1 to t 2 , for example, a measurement voltage as shown in the waveform (D) of FIG. 7 is applied from the measurement voltage control circuit 47 to the sample 51 to measure the local electrical characteristics of the sample 51 ( Step S50). The waveform in FIG. 7 is an example when dI / dV measurement is performed. When only resistance measurement is performed, a DC voltage measurement signal with a voltage value kept constant from t 1 to t 2 is applied. In the case of capacitance measurement, a measurement voltage in which an AC signal is superimposed on a DC voltage is applied. The measurement of electrical characteristics from t 1 to t 2 is performed for several milliseconds.

次に時間t2に、カンチレバー22の湾曲を戻し、プローブ23の先端を試料表面又は試料内部から引き上げる(ステップS60)。これにより、図6(a)の破線23cに示すように、プローブ23は試料表面から所定の高さに移動する。 Next, at time t 2 , the curve of the cantilever 22 is returned, and the tip of the probe 23 is pulled up from the sample surface or inside the sample (step S60). As a result, as indicated by a broken line 23c in FIG. 6A, the probe 23 moves to a predetermined height from the sample surface.

次に、カンチレバー22を振動させる(ステップS70)。同時に振動状態検出回路42、全体制御回路41、Z方向送り制御回路44のフィードバックループを作動させて、プローブ23と試料51の表面との間隔を一定に保つようにZ方向送り機構32の制御を行う。   Next, the cantilever 22 is vibrated (step S70). At the same time, the feedback loop of the vibration state detection circuit 42, the overall control circuit 41, and the Z direction feed control circuit 44 is operated to control the Z direction feed mechanism 32 so as to keep the distance between the probe 23 and the surface of the sample 51 constant. Do.

以降、上述のステップS20に戻り、プローブ23の走査が終了するまで、ステップS20〜S70までの処理を繰り返しながら、試料51の局所的電気特性の測定をおこなっていく。この間、プローブ23は、例えば、図6(a)に示すように、紙面の右から左へ移動して行き、一定の間隔毎にプローブ23を試料51に押し込んで局所的電気特性を測定する。局所的電気特性の測定位置の間隔(ピッチ)は、測定範囲や測定時間の観点から適宜設定することができるが、最も高い空間的解像度で測定を行う場合には1nmピッチで行うこともできる。このような、プローブ23の押し込み動作において、プローブ23が押し込まれる直前のプローブ23と試料51の表面との間隔は、試料表面の高さや摩擦に影響されること無く一定に保たれる。これにより、図6(b)に示すように、押し込み直前のカンチレバー22b及び押し込み動作時の撓んだカンチレバー22aでのプローブ23の押し込み量Dは試料表面の状態(摩擦や傾斜)によらず一定となる。   Thereafter, the process returns to step S20 described above, and the local electrical characteristics of the sample 51 are measured while repeating the processes from step S20 to S70 until the scanning of the probe 23 is completed. During this time, for example, as shown in FIG. 6A, the probe 23 moves from the right to the left of the paper surface, and pushes the probe 23 into the sample 51 at regular intervals to measure local electrical characteristics. The interval (pitch) between the measurement positions of the local electrical characteristics can be appropriately set from the viewpoint of the measurement range and the measurement time. However, when measuring at the highest spatial resolution, it can be performed at a 1 nm pitch. In such a pushing operation of the probe 23, the interval between the probe 23 and the surface of the sample 51 immediately before the probe 23 is pushed is kept constant without being affected by the height or friction of the sample surface. As a result, as shown in FIG. 6B, the push amount D of the probe 23 with the cantilever 22b immediately before pushing and the bent cantilever 22a during pushing operation is constant regardless of the state (friction and inclination) of the sample surface. It becomes.

以上のように、本実施形態の走査プローブ顕微鏡10によれば、プローブ23と試料51の表面との間隔は、フィードバックループによって一定に保たれるとともに、カンチレバー22のカンチレバー湾曲部材に一定の制御電圧を与えるだけで、試料の凹凸によらずにプローブ23を試料内部に一定量押し込むことができる。これにより凹凸のある試料であっても局所的電気特性を精度良く測定することができる。このため、試料の鏡面研磨を行う必要が無く、測定結果を得るまでの作業工数を削減できる。また、研磨に適さない表面構造を有する試料についても局所的電気特性を精度良く測定できる。   As described above, according to the scanning probe microscope 10 of the present embodiment, the distance between the probe 23 and the surface of the sample 51 is kept constant by the feedback loop, and a constant control voltage is applied to the cantilever bending member of the cantilever 22. The probe 23 can be pushed into the sample by a certain amount regardless of the unevenness of the sample. Thereby, even if it is a sample with an unevenness | corrugation, a local electrical property can be measured with a sufficient precision. For this reason, it is not necessary to perform mirror polishing of the sample, and the number of work steps required to obtain a measurement result can be reduced. In addition, local electrical characteristics can be measured with high accuracy for a sample having a surface structure that is not suitable for polishing.

以下、本発明の諸態様を、付記としてまとめて記載する。   Hereinafter, various aspects of the present invention will be collectively described as supplementary notes.

(付記1) 先端部に針状のプローブを設けたカンチレバーを振動させて試料表面の高さ情報を取得する試料高さ情報取得手段と、前記カンチレバーの振動及び走査を停止したときに、前記試料表面の高さ情報に基づいて、プローブの先端を試料表面から一定の距離に保つようにカンチレバーの位置を制御するカンチレバー高さ制御手段と、前記一定の距離に保った状態から前記カンチレバーを湾曲させることにより、前記プローブの先端を前記試料に押し込むカンチレバー湾曲手段と、前記プローブが試料に押し込まれたときに前記試料に測定信号を印加して前記プローブを介して前記試料の局所的な電気特性を測定する電気特性測定装置と、前記試料の高さ情報及び局所的な電気特性の分布を測定するため、前記プローブを前記試料表面に沿って走査させるプローブ走査機構と、を備えたことを特徴とする走査プローブ顕微鏡。   (Appendix 1) Sample height information acquisition means for acquiring the height information of the sample surface by vibrating a cantilever provided with a needle-like probe at the tip, and when the vibration and scanning of the cantilever are stopped, the sample Based on the surface height information, the cantilever height control means for controlling the position of the cantilever so as to keep the tip of the probe at a constant distance from the sample surface, and the cantilever is bent from the state where the constant distance is maintained. Accordingly, a cantilever bending means that pushes the tip of the probe into the sample, and when the probe is pushed into the sample, a measurement signal is applied to the sample, and the local electrical characteristics of the sample are obtained via the probe. An electrical property measuring device for measuring, and measuring the height information and local electrical property distribution of the sample, the probe on the surface of the sample Scanning probe microscope for the probe scanning mechanism which along with scanning, comprising the.

(付記2) 前記カンチレバー湾曲手段は、前記カンチレバーに取り付けられた圧電素子からなることを特徴とする付記1に記載の走査プローブ顕微鏡。   (Additional remark 2) The said cantilever bending means consists of a piezoelectric element attached to the said cantilever, The scanning probe microscope of Additional remark 1 characterized by the above-mentioned.

(付記3) 前記カンチレバー湾曲手段は、一端が前記カンチレバーの先端側の上面又は下面に接続され、他端が前記カンチレバーを保持するホルダーに固定された圧電素子であって、電圧の印加により前記カンチレバーを押し下げる方向の力を与える圧電素子からなることを特徴とする付記1に記載の走査プローブ顕微鏡。   (Supplementary Note 3) The cantilever bending means is a piezoelectric element having one end connected to the upper surface or the lower surface on the tip end side of the cantilever and the other end fixed to a holder that holds the cantilever. 2. The scanning probe microscope according to appendix 1, wherein the scanning probe microscope is composed of a piezoelectric element that applies a force in a direction of pushing down.

(付記4) 前記カンチレバー湾曲手段は、前記カンチレバーの上面及び下面にそれぞれ設けられた複数の圧電体膜により構成され、上面に設けられた圧電体膜と下面に設けられた圧電体膜とに差動的な電圧を印加することにより、前記カンチレバーの上面側に伸張する方向の力を与えると共に前記カンチレバーの下面側に収縮する方向の力を与えることを特徴とする付記1に記載の走査プローブ顕微鏡。   (Supplementary Note 4) The cantilever bending means is composed of a plurality of piezoelectric films provided on the upper surface and the lower surface of the cantilever, and is different between a piezoelectric film provided on the upper surface and a piezoelectric film provided on the lower surface. 2. The scanning probe microscope according to claim 1, wherein a dynamic voltage is applied to provide a force in a direction to extend to the upper surface side of the cantilever and a force to contract to the lower surface side of the cantilever. .

(付記5) 前記カンチレバー湾曲手段は、前記カンチレバーの上面又は下面に設けられた異なる熱膨張率を有する金属を積層した金属積層膜によって構成され、電流による発熱により前記カンチレバーに押し下げる方向の力を与えることを特徴とする付記1に記載の走査プローブ顕微鏡。   (Additional remark 5) The said cantilever bending means is comprised by the metal laminated film which laminated | stacked the metal which has a different thermal expansion coefficient provided in the upper surface or lower surface of the said cantilever, and gives the force of the direction pushed down to the said cantilever by the heat_generation | fever by an electric current The scanning probe microscope according to appendix 1, wherein

(付記6) 前記電気特性測定装置は、前記試料に直流電圧を測定信号として印加して、前記試料の局所的な電流・電圧特性を測定することを特徴とする付記1に記載の走査プローブ顕微鏡。   (Supplementary note 6) The scanning probe microscope according to supplementary note 1, wherein the electrical characteristic measuring device measures a local current / voltage characteristic of the sample by applying a DC voltage as a measurement signal to the sample. .

(付記7) 前記電気特性測定装置は、前記試料と前記プローブとの間に、直流電圧に重畳した交流電圧を測定信号として印加して、前記試料の局所的な容量・電圧(dC/dV)特性を測定することを特徴とする付記1に記載の走査プローブ顕微鏡。   (Supplementary Note 7) The electrical property measuring apparatus applies an AC voltage superimposed on a DC voltage as a measurement signal between the sample and the probe, and the local capacitance / voltage (dC / dV) of the sample. The scanning probe microscope according to appendix 1, wherein the characteristic is measured.

(付記8) 前記カンチレバー湾曲手段による前記カンチレバーの湾曲量が一定値であることを特徴とする付記1に記載の走査プローブ顕微鏡。   (Supplementary note 8) The scanning probe microscope according to supplementary note 1, wherein a bending amount of the cantilever by the cantilever bending means is a constant value.

(付記9) 先端に針状のプローブが形成されたカンチレバーを振動させて試料の高さ情報を取得するステップと、前記プローブの走査を停止すると共に前記カンチレバーの振動を停止し、前記試料の高さ情報に基づいて前記プローブの先端を前記試料表面から一定の距離に保つようにカンチレバーの高さを制御するステップと、前記カンチレバーの高さを保持しつつ前記カンチレバーを湾曲させて前記プローブを前記試料内に押し込むステップと、前記プローブを前記試料内に押し込んだ状態で前記試料に測定信号を印加し、前記プローブから測定信号を検出することにより、前記試料の局所的な電気特性を測定するステップと、を備えたことを特徴とする局所的電気特性の測定方法。   (Supplementary note 9) The step of acquiring the height information of the sample by vibrating the cantilever having a needle-like probe formed at the tip thereof, stopping the scanning of the probe and stopping the vibration of the cantilever, Controlling the height of the cantilever so that the tip of the probe is kept at a constant distance from the sample surface based on the height information, and curving the cantilever while maintaining the height of the cantilever. A step of pushing into the sample, and a step of measuring a local electrical property of the sample by applying a measurement signal to the sample while the probe is pushed into the sample and detecting the measurement signal from the probe And a method for measuring local electrical characteristics.

(付記10) 前記カンチレバーの湾曲量を一定値にすることにより、プローブ押し込み深さを一定とすることを特徴とする付記9に記載の局所的電気特性の測定方法。   (Supplementary note 10) The method for measuring local electrical characteristics according to supplementary note 9, wherein the probe push-in depth is made constant by making the amount of bending of the cantilever constant.

(付記11) 前記電気特性を測定するステップは、前記試料に直流電圧を測定信号として印加して、前記試料の局所的な電流・電圧特性を測定することを特徴とする付記9に記載の局所的電気特性の測定方法。   (Appendix 11) The step of measuring the electrical characteristics includes applying a direct current voltage as a measurement signal to the sample to measure local current / voltage characteristics of the sample. Of measuring electrical characteristics.

(付記12) 前記電気特性を測定するステップは、前記試料に直流電圧に重畳した交流電圧を測定信号として印加して、前記試料の局所的な容量・電圧(dC/dV)特性を測定することを特徴とする付記1に記載の走査プローブ顕微鏡。   (Supplementary Note 12) The step of measuring the electrical characteristics includes applying an AC voltage superimposed on a DC voltage to the sample as a measurement signal and measuring a local capacity / voltage (dC / dV) characteristic of the sample. The scanning probe microscope according to appendix 1, characterized by:

図1は、従来の走査プローブ顕微鏡による局所的な電気特性測定時の問題点を示す模式図である(その1)。FIG. 1 is a schematic diagram showing a problem at the time of local electrical characteristic measurement by a conventional scanning probe microscope (part 1). 図2は、従来の走査プローブ顕微鏡による局所的な電気的特性の測定時の問題点を示す模式図である(その2)。FIG. 2 is a schematic diagram showing a problem at the time of measuring local electrical characteristics by a conventional scanning probe microscope (part 2). 図3は、本発明の一実施形態に係わる走査プローブ顕微鏡を示すブロック図である。FIG. 3 is a block diagram showing a scanning probe microscope according to an embodiment of the present invention. 図4(a)及び(b)は、本発明の一実施形態に係わる走査プローブ顕微鏡に使用するカンチレバーを示す側面図である。4A and 4B are side views showing a cantilever used in a scanning probe microscope according to one embodiment of the present invention. 図5は、本発明の一実施形態に係わる走査プローブ顕微鏡の測定手順の一例を示すフローチャートである。FIG. 5 is a flowchart showing an example of a measurement procedure of the scanning probe microscope according to the embodiment of the present invention. 図6(a)は、本発明の一実施形態に係わる走査プローブ顕微鏡の測定時におけるプローブの動作を示す模式図である。図6(b)は、押し込み動作時のカンチレバーの湾曲の様子を示す側面図である。FIG. 6A is a schematic diagram showing the operation of the probe during measurement by the scanning probe microscope according to the embodiment of the present invention. FIG. 6B is a side view showing the state of bending of the cantilever during the pushing operation. 図7は、本発明の一実施形態に係わる走査プローブ顕微鏡の測定時の制御信号の波形の一例を示す図である。FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a waveform of a control signal at the time of measurement by the scanning probe microscope according to the embodiment of the present invention. 図8は、本発明の一実施形態に係わる走査プローブ顕微鏡による測定に使用する試料の一例を示す模式図である。FIG. 8 is a schematic diagram showing an example of a sample used for measurement by a scanning probe microscope according to one embodiment of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

10…走査プローブ顕微鏡、22…カンチレバー、23…プローブ、31…X−Y方向送り機構、32…Z方向送り機構、33…ホルダー、41…全体制御回路、42…振動状態検出回路、43…X−Y方向送り制御回路、44…Z方向送り制御回路、45…電気特性測定回路、46…カンチレバー湾曲制御回路、47…測定電圧制御回路、51…試料、52…試料ステージ、61…レーザ光源、62…光センサ、70…カンチレバー湾曲部材、71…圧電素子、72…支持板、73…接合部材、74…スペーサ、75、76…電素子、101…半導体基板、102…自然酸化膜、103…プローブ23、104…カンチレバー、105…試料、110…ゲート、111、112…不純物拡散領域、113…シリコン基板、114…電極。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Scanning probe microscope, 22 ... Cantilever, 23 ... Probe, 31 ... XY direction feeding mechanism, 32 ... Z direction feeding mechanism, 33 ... Holder, 41 ... Overall control circuit, 42 ... Vibration state detection circuit, 43 ... X -Y direction feed control circuit, 44 ... Z direction feed control circuit, 45 ... electric characteristic measurement circuit, 46 ... cantilever bending control circuit, 47 ... measurement voltage control circuit, 51 ... sample, 52 ... sample stage, 61 ... laser light source, 62 ... optical sensor, 70 ... cantilever bending member, 71 ... piezoelectric element, 72 ... support plate, 73 ... bonding member, 74 ... spacer, 75, 76 ... electric element, 101 ... semiconductor substrate, 102 ... natural oxide film, 103 ... Probes 23, 104 ... cantilever, 105 ... sample, 110 ... gate, 111, 112 ... impurity diffusion region, 113 ... silicon substrate, 114 ... electrode.

Claims (6)

先端部に針状のプローブを設けたカンチレバーを振動させて試料表面の高さ情報を取得する試料高さ情報取得手段と、
前記カンチレバーの振動及び走査を停止したときに、前記試料表面の高さ情報に基づいて、プローブの先端を試料表面から一定の距離に保つようにカンチレバーの位置を制御するカンチレバー高さ制御手段と、
前記一定の距離に保った状態から前記カンチレバーを湾曲させることにより、前記プローブの先端を前記試料に押し込むカンチレバー湾曲手段と、
前記プローブが試料に押し込まれたときに前記試料に測定信号を印加して前記プローブを介して前記試料の局所的な電気特性を測定する電気特性測定装置と、
前記試料の高さ情報及び局所的な電気特性の分布を測定するため、前記プローブを前記試料表面に沿って走査させるプローブ走査機構と、を備えたことを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
Sample height information acquisition means for acquiring the height information of the sample surface by vibrating a cantilever provided with a needle-like probe at the tip,
A cantilever height control means for controlling the position of the cantilever so as to keep the tip of the probe at a constant distance from the sample surface based on the height information of the sample surface when vibration and scanning of the cantilever are stopped;
A cantilever bending means for bending the tip of the probe into the sample by bending the cantilever from a state where the constant distance is maintained;
An electrical property measuring device that applies a measurement signal to the sample when the probe is pushed into the sample and measures a local electrical property of the sample through the probe; and
A scanning probe microscope comprising: a probe scanning mechanism that scans the probe along the sample surface in order to measure the height information of the sample and the distribution of local electrical characteristics.
前記カンチレバー湾曲手段は、前記カンチレバーに取り付けられた圧電素子からなることを特徴とする請求項1に記載の走査プローブ顕微鏡。   The scanning probe microscope according to claim 1, wherein the cantilever bending means includes a piezoelectric element attached to the cantilever. 前記カンチレバー湾曲手段は、一端が前記カンチレバーの先端側の上面又は下面に接続され、他端が前記カンチレバーを保持するホルダーに固定された圧電素子であって、電圧の印加により前記カンチレバーを押し下げる方向の力を与える圧電素子からなることを特徴とする請求項1に記載の走査プローブ顕微鏡。   The cantilever bending means is a piezoelectric element having one end connected to an upper surface or a lower surface of the tip end side of the cantilever and the other end fixed to a holder that holds the cantilever, and is configured to push down the cantilever by applying a voltage. The scanning probe microscope according to claim 1, comprising a piezoelectric element that applies force. 前記カンチレバー湾曲手段は、前記カンチレバーの上面及び下面にそれぞれ設けられた複数の圧電体膜により構成され、上面に設けられた圧電体膜と下面に設けられた圧電体膜とに差動的な電圧を印加することにより、前記カンチレバーの上面側に伸張する方向の力を与えると共に前記カンチレバーの下面側に収縮する方向の力を与えることを特徴とする請求項1に記載の走査プローブ顕微鏡。   The cantilever bending means is composed of a plurality of piezoelectric films provided on the upper surface and the lower surface of the cantilever, and a differential voltage is applied between the piezoelectric film provided on the upper surface and the piezoelectric film provided on the lower surface. 2. The scanning probe microscope according to claim 1, wherein a force in a direction of extending toward the upper surface side of the cantilever and a force in a direction of contracting toward the lower surface side of the cantilever are applied by applying. 前記カンチレバー湾曲手段によるカンチレバーの湾曲量が一定値であることを特徴とする請求項1に記載の走査プローブ顕微鏡。   The scanning probe microscope according to claim 1, wherein the amount of bending of the cantilever by the cantilever bending means is a constant value. 先端に針状のプローブが形成されたカンチレバーを振動させて試料の高さ情報を取得するステップと、
前記プローブの走査を停止すると共に前記カンチレバーの振動を停止し、前記試料の高さ情報に基づいて前記プローブの先端を前記試料の表面から一定の距離に保つようにカンチレバーの高さを制御するステップと、
前記カンチレバーの高さを保持しつつ前記カンチレバーを湾曲させて前記プローブを前記試料内に押し込むステップと、
前記プローブを前記試料内に押し込んだ状態で前記試料に測定信号を印加し、前記プローブから測定信号を検出することにより、前記試料の局所的な電気特性を測定するステップと、を備えたことを特徴とする局所的電気特性の測定方法。
Obtaining a sample height information by vibrating a cantilever having a needle-like probe formed at the tip;
Stopping scanning of the probe and stopping vibration of the cantilever, and controlling the height of the cantilever so as to keep the tip of the probe at a constant distance from the surface of the sample based on the height information of the sample When,
Curving the cantilever while maintaining the height of the cantilever and pushing the probe into the sample;
Measuring a local electrical characteristic of the sample by applying a measurement signal to the sample in a state where the probe is pushed into the sample and detecting the measurement signal from the probe. A method of measuring local electrical characteristics that are characteristic.
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