JP2008003034A - Scanning probe microscope - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、探針の先端を位置合わせするための光学系を有する走査型プローブ顕微鏡に関するものである。 The present invention relates to a scanning probe microscope having an optical system for aligning the tip of a probe.
周知のように、先端の尖った探針を、金属、半導体、セラミック、樹脂、高分子、生体材料や絶縁物等の各種の試料に対してnmオーダーまで接近させ、そのときの探針と試料との間に生じる相互作用を測定することにより、試料表面の形状等を原子寸法レベルで計測する装置として、走査型プローブ顕微鏡(SPM:Scanning Probe Microscope)が知られている。
この走査型プローブ顕微鏡の測定範囲としては、最大でも数十μmである。そのため、大きな試料における微小領域の観察を行う場合、観察したい微小領域に探針の先端を目視で位置合わせすることは不可能である。従って、通常走査型プローブ顕微鏡は、試料を移動させるステージを備えると共に、SPMの測定範囲よりも大きな視野を持つ光学顕微鏡等の光学観察装置を備えている。
As is well known, a probe with a pointed tip is brought close to the nm order with respect to various samples such as metals, semiconductors, ceramics, resins, polymers, biomaterials and insulators, and the probe and sample at that
The maximum measurement range of this scanning probe microscope is several tens of μm. Therefore, when observing a micro area in a large sample, it is impossible to visually align the tip of the probe with the micro area to be observed. Accordingly, the normal scanning probe microscope includes a stage for moving the sample and an optical observation device such as an optical microscope having a field of view larger than the SPM measurement range.
このように、走査型プローブ顕微鏡と光学観察装置とを組み合わせることで、光学観察装置により探針を支持するカンチレバーを観察することができるので、探針を試料上の目的の位置に位置合わせすることができる。
しかしながら、光学観察装置は、探針及びカンチレバーの上方に配置されているので、カンチレバーの背面しか観察することができない。そのため、その反対側に形成されている探針を光学観察装置で直接観察することができず、探針の先端位置を正確に特定することが困難であった。
Thus, by combining the scanning probe microscope and the optical observation device, the cantilever supporting the probe can be observed by the optical observation device, so that the probe is aligned with the target position on the sample. Can do.
However, since the optical observation device is disposed above the probe and the cantilever, only the back surface of the cantilever can be observed. For this reason, the probe formed on the opposite side cannot be directly observed with an optical observation device, and it is difficult to accurately identify the tip position of the probe.
そこで、このような問題を解消して、探針の先端位置を正確に特定するために、従来から様々な手法が考えられている。例えば、カンチレバーの背面に、探針の位置を示すマーカーを備えたものが知られている(例えば、特許文献1及び特許文献2参照)。このマーカーは、探針に対向する位置に設けられており、例えば、突起や凹み等である。そして、光学観察装置によりマーカーを確認することで、カンチレバーの背面側からでも探針の位置を特定することができるものである。
しかしながら、上記従来の方法では以下の課題がまだ残されていた。
即ち、従来の方法は、探針に対向するようにカンチレバーの背面に正確にマーカーを設ける必要があるが、実際上、正確に位置を合わせながら製造を行うことが難しかった。一般的に探針及びカンチレバーを有するプローブを製造する場合には、フォトレジスト膜を利用したエッチング加工を複数回行って半導体基板から製造しているが、探針を作る側とマーカーを作る側とが逆側になるので、同じフォトレジスト膜を使用して一度に形成したり、同一方向側から作り込んだりすることができるものではなかった。そのため、どうしても位置ずれが生じてしまい、探針に対向した位置にマーカーを正確に合わせることができなかった。
また、どうしても製造工程が多くなってしまうので、時間と手間がかかるうえ、製造コストを安価に抑えることができなかった。
However, the above conventional methods still have the following problems.
That is, in the conventional method, it is necessary to accurately provide a marker on the back surface of the cantilever so as to face the probe. However, in practice, it is difficult to manufacture while accurately aligning the positions. In general, when manufacturing a probe having a probe and a cantilever, it is manufactured from a semiconductor substrate by performing etching processing using a photoresist film a plurality of times. Since these are on the opposite side, they cannot be formed at the same time using the same photoresist film, or can be formed from the same direction side. For this reason, positional displacement is inevitably caused, and the marker cannot be accurately aligned with the position facing the probe.
In addition, since the number of manufacturing steps is inevitably increased, it takes time and labor, and the manufacturing cost cannot be kept low.
また、通常カンチレバーは、図61に示すように、ステージに対して十数度の角度がついた状態で取り付けられている。そのため、マーカーに光学観察装置の光軸を合わせたとしても、実際の探針の先端位置は光軸上に存在しないので誤差が生じてしまっていた。例えば、図61に示すように、探針の長さLが60μm、カンチレバーの取り付け角度θが15°であった場合には、マーカーと探針の先端位置との誤差Xは、X=Lsinθ=約15.5μmとなってしまう。従って、マーカーがあったとしても、探針の先端位置をカンチレバー側から正確に特定することができなかった。特に、液中駆動等に使用される探針は、ダンピングの影響を抑えるため長く設計されているため、上述した誤差Xがより大きくなってしまっていた。 In addition, the normal cantilever is attached with an angle of tens of degrees with respect to the stage, as shown in FIG. For this reason, even if the optical axis of the optical observation apparatus is aligned with the marker, an error occurs because the actual tip position of the probe does not exist on the optical axis. For example, as shown in FIG. 61, when the probe length L is 60 μm and the cantilever mounting angle θ is 15 °, the error X between the marker and the tip position of the probe is X = L sin θ = It will be about 15.5 μm. Therefore, even if there is a marker, the tip position of the probe cannot be accurately specified from the cantilever side. In particular, since the probe used for driving in liquid or the like is designed to be long in order to suppress the influence of damping, the above-described error X is larger.
更に、カンチレバーの変位検出には、一般的にカンチレバーの背面で反射させたレーザ光を検出する光てこ方式が用いられている。ところが、カンチレバーの背面にマーカーを設けてしまうと、このマーカーによってレーザ光が乱反射して変位検出に悪影響を及ぼす可能性があった。特に、カンチレバーの厚みが薄く、レーザ光を透過させてしまうようなカンチレバーにおいては、できるだけ厚みのある位置、即ち、探針が形成されている部分の背面にレーザ光を照射することが効率的であるが、上述したようにこの位置にマーカーがあるとレーザ光の反射効率が損なわれてしまい、変位検出に悪影響を与えてしまう。 Further, for detecting the displacement of the cantilever, an optical lever method for detecting a laser beam reflected on the back surface of the cantilever is generally used. However, if a marker is provided on the back surface of the cantilever, the laser beam may be irregularly reflected by this marker, which may adversely affect displacement detection. In particular, in a cantilever where the thickness of the cantilever is thin and allows laser light to pass therethrough, it is efficient to irradiate the laser light to a position where the thickness is as large as possible, that is, the back surface of the portion where the probe is formed. However, as described above, if there is a marker at this position, the reflection efficiency of the laser beam is impaired, and displacement detection is adversely affected.
この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、探針の位置を示すマークを、手間をかけずに安価且つ高精度にカンチレバーに形成すると共に、該マークを利用して探針の先端位置を試料の狙った測定開始位置に対して正確に位置合わせすることができる走査型プローブ顕微鏡を提供することである。 The present invention has been made in consideration of such circumstances, and an object of the present invention is to form a mark indicating the position of the probe on the cantilever at low cost and high accuracy without taking time and use the mark. Thus, it is an object of the present invention to provide a scanning probe microscope capable of accurately aligning the tip position of the probe with the measurement start position targeted by the sample.
上記の目的を達成するために、この発明は以下の手段を提供している。
本発明の走査型プローブ顕微鏡は、試料の上方に配置され、先端に探針を有するカンチレバーと、前記探針の根元位置から前記カンチレバーの長手方向に延びた第1の延長線と、カンチレバーの先端面とが交わる第1のポイント、又は、前記探針の根元位置から前記カンチレバーの短手方向に延びた第2の延長線と、カンチレバーの側面とが交わる第2のポイントのうち少なくともいずれか一方のポイントに形成されたマークと、前記試料と前記カンチレバーとを相対的に移動させる移動手段と、前記カンチレバー及び前記試料を同一光軸で光学的に観察する光学観察装置と、該光学観察装置で観察した観察画像を表示するモニタと、前記観察画像に基づいて選択された前記試料の測定開始位置を、該観察画像に重ねた状態で基準線として前記モニタ上に表示させる制御部とを備え、前記制御部が、前記カンチレバーを観察する際に、前記移動手段を制御して前記基準線と前記マークとを一致させることを特徴とするものである。
In order to achieve the above object, the present invention provides the following means.
The scanning probe microscope of the present invention includes a cantilever disposed above a sample and having a probe at the tip, a first extension line extending in the longitudinal direction of the cantilever from the root position of the probe, and the tip of the cantilever At least one of a first point where the surface intersects, or a second point where the second extension line extending from the base position of the probe in the short direction of the cantilever and the side surface of the cantilever intersect A mark formed at a point, a moving means for relatively moving the sample and the cantilever, an optical observation device for optically observing the cantilever and the sample on the same optical axis, and the optical observation device The monitor that displays the observed image and the measurement start position of the sample selected based on the observed image are superimposed on the observed image as a reference line. And a control unit for displaying on the monitor, the control unit, when observing the cantilever, is characterized in that for controlling said moving means to coincide with the said mark and said reference line.
この発明に係る走査型プローブ顕微鏡においては、カンチレバーの側面又は先端面のうち少なくともいずれかの面に形成されたマークを利用して、探針の先端位置を、任意に選択した試料の測定開始位置に正確に位置合わせすることができる。
まず、光学観察装置により試料の観察を行って、観察画像をモニタに表示する。作業者は、この観察画像に基づいて、試料の測定開始位置を特定する。すると制御部は、特定された測定開始位置に、観察画像に重ねた状態で基準線をモニタ上に表示させる。これにより、試料の測定開始位置を基準線で指し示すことができる。
In the scanning probe microscope according to the present invention, using the mark formed on at least one of the side surface and the tip surface of the cantilever, the tip position of the probe is arbitrarily selected as the measurement start position of the sample. Can be accurately aligned.
First, a sample is observed with an optical observation device, and an observation image is displayed on a monitor. The operator specifies the measurement start position of the sample based on this observation image. Then, a control part displays a reference line on a monitor in the state overlapped with an observation image in the specified measurement start position. Thereby, the measurement start position of the sample can be indicated by the reference line.
次いで、再度光学観察装置を利用してカンチレバーを光学的に観察する。この際、先ほど試料を観察したときと同一の光軸で観察を行う。ここで、カンチレバーには、予め第1のポイントである先端面の1箇所、又は、第2のポイントである側面の2箇所のうち、少なくともいずれかに探針の根元位置を示すマークが形成されている。そのためカンチレバーを観察する際に、このマークをモニタ上で確認することができる。
そして、制御部は、移動手段を適宜作動させてカンチレバーと試料とを相対的に移動させ、基準線に対してマークを一致させる。この際作業者は、モニタに表示された観察画像によって、マークと基準線とが一致したことを確認することができる。
Next, the cantilever is optically observed again using the optical observation device. At this time, observation is performed with the same optical axis as when the sample was observed earlier. Here, the cantilever is preliminarily formed with a mark indicating the root position of the probe in at least one of the front end surface which is the first point or the side surface which is the second point. ing. Therefore, when observing the cantilever, this mark can be confirmed on the monitor.
And a control part operates a moving means suitably, moves a cantilever and a sample relatively, and makes a mark correspond with a reference line. At this time, the operator can confirm that the mark and the reference line coincide with each other by the observation image displayed on the monitor.
その結果、探針の先端位置を直接確認することができなくても、上述したように狙った測定開始位置に対して探針の先端位置を位置合わせすることができる。
特に、マークは従来のものと異なり、カンチレバーの先端面若しくは側面に形成されている。よって、カンチレバーを製造する際に、探針を形成した側からマークをパターニングしたり、探針とマークとを同じマスクを使用してパターニングを行って同時に形成したりすることができる。そのため、マークの位置と探針の根元位置との誤差をできるだけ抑えた状態でマークを形成することができる。よって、基準線とマークとを一致させることで、探針の先端位置を従来よりも高精度に測定開始位置に対して位置合わせすることができる。
As a result, even if the tip position of the probe cannot be confirmed directly, the tip position of the probe can be aligned with the target measurement start position as described above.
In particular, the mark is formed on the tip surface or side surface of the cantilever, unlike the conventional one. Therefore, when manufacturing the cantilever, the mark can be patterned from the side on which the probe is formed, or the probe and the mark can be simultaneously formed by patterning using the same mask. Therefore, the mark can be formed in a state where the error between the mark position and the probe root position is suppressed as much as possible. Therefore, by aligning the reference line and the mark, the tip position of the probe can be aligned with the measurement start position with higher accuracy than in the past.
また、従来よりも少ない工程でマークと探針とを形成できるので、製造工程を減らすことができ、時間と手間の軽減化を図ると共に製造コストを抑えることができる。また、カンチレバーの先端面若しくは側面にマークが形成されているので、光学観察装置で観察する際に、試料の上方側からでも下方側からでもマークを確認することができる。よって、より多様な観察を行うことができ、使い易さに優れている。
更に、従来のようにカンチレバーの背面にマークを形成していないので、光てこ方式でカンチレバーの変位を検出する際に、レーザ光に何ら影響を与えることがない。よって、カンチレバーの変位を高精度に測定でき、試料の観察結果の信頼性を向上することができる。
In addition, since the mark and the probe can be formed with fewer steps than before, the manufacturing process can be reduced, time and labor can be reduced, and the manufacturing cost can be reduced. Further, since the mark is formed on the tip surface or the side surface of the cantilever, the mark can be confirmed from the upper side or the lower side of the sample when observing with the optical observation device. Therefore, more various observations can be performed and it is easy to use.
Further, since the mark is not formed on the back surface of the cantilever as in the prior art, there is no influence on the laser beam when detecting the displacement of the cantilever by the optical lever method. Therefore, the displacement of the cantilever can be measured with high accuracy, and the reliability of the observation result of the sample can be improved.
上述したように、本発明の走査型プローブ顕微鏡においては、探針の位置を示すマークを、手間をかけずに安価且つ高精度にカンチレバーに形成することができると共に、該カンチレバーを利用して探針の先端位置を試料の狙った測定開始位置に対して正確に位置合わせすることができる。 As described above, in the scanning probe microscope of the present invention, the mark indicating the position of the probe can be formed on the cantilever at low cost and with high accuracy without trouble, and the probe is used by using the cantilever. The tip position of the needle can be accurately aligned with the measurement start position aimed at by the sample.
また、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、上記本発明の走査型プローブ顕微鏡において、前記マークが、前記第1のポイント及び前記第2のポイントの両方に形成され、前記基準線が、前記測定開始位置に重ね合わされる基点と、該基点を通って前記カンチレバーの短手方向に延びた主線と、基点を通って主線に対して直交する方向に延びた補助線とからなる十字線であることを特徴とするものである。 The scanning probe microscope of the present invention is the above-described scanning probe microscope of the present invention, wherein the mark is formed at both the first point and the second point, and the reference line is the measurement start. A crosshair consisting of a base point superimposed on a position, a main line extending in the short direction of the cantilever through the base point, and an auxiliary line extending in a direction perpendicular to the main line through the base point It is a feature.
この発明に係る走査型プローブ顕微鏡においては、第1のポイントである先端面の1箇所と、第2のポイントである側面の2箇所との合計3箇所にマークが形成されている。つまり、側面に形成された2箇所のマークを結んだ線と、先端面に形成された1箇所のマークを通り、カンチレバーの長手方向に延びた第1の延長線とが交わる位置に探針が形成されている。よって、測定開始位置に基点が重ね合わされた十字線に対して、3箇所のマークをそれぞれ一致させることで、探針の先端位置を測定開始位置に正確に位置合わせすることができる。特に、マークが3箇所に形成されているので、観察時に見易く、また、十字線に合わせ易い。 In the scanning probe microscope according to the present invention, marks are formed at a total of three locations including one location on the tip surface that is the first point and two locations on the side surface that is the second point. In other words, the probe is located at a position where a line connecting two marks formed on the side surface and a first extension line extending in the longitudinal direction of the cantilever passes through one mark formed on the tip surface. Is formed. Therefore, the tip position of the probe can be accurately aligned with the measurement start position by causing the three marks to coincide with the crosshair with the base point superimposed on the measurement start position. In particular, since the marks are formed in three places, it is easy to see at the time of observation, and it is easy to match with the crosshairs.
また、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、上記本発明の走査型プローブ顕微鏡において、前記マークが、前記第2のポイントに形成され、前記基準線が、前記測定開始位置に重ね合わされる基点と、該基点を通って前記カンチレバーの短手方向に延びた主線と、基点からカンチレバーの幅の略半分だけ間を空けた状態で前記主線に対して直交する方向に延びた2本の補助線とからなることを特徴とするものである。 Further, the scanning probe microscope of the present invention is the scanning probe microscope of the present invention, wherein the mark is formed at the second point, and the reference line is superimposed on the measurement start position; A main line extending in the short direction of the cantilever through the base point, and two auxiliary lines extending in a direction perpendicular to the main line with a gap between the base point and approximately half the width of the cantilever It is characterized by.
この発明に係る走査型プローブ顕微鏡においては、第2のポイントである側面の2箇所にマークが形成されている。つまり、側面に形成された2箇所のマークを結んだ線の中心に探針が形成されている。
また、モニタ上には、測定開始位置に重ね合わされる基点を通ってカンチレバーの短手方向に延びた主線と、2本の補助線とが互いに直交するように組み合わされた基準線が表示される。この際、2本の補助線は、それぞれ基点からカンチレバーの幅の略半分だけ間を空けた状態で平行に並んでいる。よって、基準線の基点を測定開始位置に重ね合わせた後、2つのマークを基準線の主線上に一致させると共に、2本の補助線の間にカンチレバーが入るように位置合わせすることで、探針の先端位置を測定開始位置に正確に位置合わせすることができる。
In the scanning probe microscope according to the present invention, marks are formed at two locations on the side surface, which is the second point. That is, the probe is formed at the center of a line connecting two marks formed on the side surface.
On the monitor, a reference line in which a main line extending in the short direction of the cantilever through a base point superimposed on a measurement start position and two auxiliary lines are combined so as to be orthogonal to each other is displayed. . At this time, the two auxiliary lines are arranged in parallel with each other being spaced from the base point by approximately half the width of the cantilever. Therefore, after superimposing the base point of the reference line on the measurement start position, the two marks are aligned with the main line of the reference line and aligned so that the cantilever is inserted between the two auxiliary lines. The tip position of the needle can be accurately aligned with the measurement start position.
また、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、上記本発明の走査型プローブ顕微鏡において、前記マークが、前記第1のポイントに形成され、前記基準線が、前記測定開始位置に重ね合わされる基点と、該基点を通って前記カンチレバーの長手方向に延びた主線と、基点から前記探針の根元位置と前記先端面との距離分だけ間を空けた状態で前記主線に対して直交する方向に延びた補助線とからなることを特徴とするものである。 Further, the scanning probe microscope of the present invention is the scanning probe microscope of the present invention, wherein the mark is formed at the first point, and the reference line is superimposed on the measurement start position; A main line extending in the longitudinal direction of the cantilever through the base point and a direction perpendicular to the main line with a gap from the base point by a distance between the root position of the probe and the tip surface It consists of an auxiliary line.
この発明に係る走査型プローブ顕微鏡においては、第1のポイントである先端面の1箇所にマークが形成されている。つまり、このマークを通る第1の延長線(カンチレバーの長手方向に延びた線)上に探針が形成されている。
また、モニタ上には、測定開始位置に重ね合わされる基点を通ってカンチレバーの長手方向に延びた主線と、該主線に直交した補助線とが組み合わされた基準線が表示される。
この際、補助線は、基点から探針の根元位置と先端面との距離分だけ間を空けた位置に表示されている。よって、基準線の基点を測定開始位置に重ね合わせた後、基準線の主線にマークを一致させると共に、補助線に先端面を一致させるようにカンチレバーを位置合わせすることで、探針の先端位置を測定開始位置に正確に位置合わせすることができる。
In the scanning probe microscope according to the present invention, a mark is formed at one place on the tip surface which is the first point. That is, the probe is formed on the first extension line (line extending in the longitudinal direction of the cantilever) passing through the mark.
On the monitor, a reference line is displayed in which a main line extending in the longitudinal direction of the cantilever through a base point superimposed on the measurement start position and an auxiliary line orthogonal to the main line are combined.
At this time, the auxiliary line is displayed at a position spaced from the base point by the distance between the root position of the probe and the tip surface. Therefore, after superimposing the base point of the reference line on the measurement start position, the mark is aligned with the main line of the reference line, and the tip position of the probe is adjusted by aligning the cantilever so that the tip surface is aligned with the auxiliary line. Can be accurately aligned with the measurement start position.
また、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、上記本発明の走査型プローブ顕微鏡において、前記制御部が、前記基点を中心として、前記主線と前記補助線との距離を任意の倍率に変更することを特徴とするものである。 In the scanning probe microscope of the present invention, the control unit may change the distance between the main line and the auxiliary line to an arbitrary magnification around the base point. It is a feature.
この発明に係る走査型プローブ顕微鏡においては、制御部が、基点を中心として主線と補助線との距離を任意の倍率に変更するので、カンチレバーを観察する際に、光学観察装置がどのような倍率であったとしても、マークと基準線とを容易且つ正確に位置合わせすることができる。従って、位置合わせが容易となり、使い易さが向上する。 In the scanning probe microscope according to the present invention, the control unit changes the distance between the main line and the auxiliary line around the base point to an arbitrary magnification. Therefore, when observing the cantilever, the magnification of the optical observation device is Even in such a case, the mark and the reference line can be easily and accurately aligned. Therefore, alignment becomes easy and usability improves.
また、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、上記本発明の走査型プローブ顕微鏡において、前記カンチレバーの側面には、前記カンチレバーの取付角度と前記探針の長さとに基づいて算出された、前記探針の根元位置から前記探針の先端位置までの補正量分だけ、前記第2のポイントに形成されたマークからずれた位置に補正マークが形成されていることを特徴とするものである。 Further, the scanning probe microscope of the present invention is the above-described scanning probe microscope of the present invention, wherein the probe is calculated on the side surface of the cantilever based on the mounting angle of the cantilever and the length of the probe. A correction mark is formed at a position deviated from the mark formed at the second point by the correction amount from the root position to the tip position of the probe.
この発明に係る走査型プローブ顕微鏡においては、カンチレバーを試料に対してどのような角度で取り付けたとしても、探針の先端位置を試料の測定開始位置に対してより正確に位置合わせすることができる。
つまり、角度を付けた状態でカンチレバーを取り付けた場合には、探針の先端位置が根元位置からずれてしまう。なおこのずれ量は、カンチレバーの取付角度と探針の長さとによって決定される。そこで、予めカンチレバーの取付角度と探針の長さとに基づいて、探針の根元位置から先端位置までのずれ量を補正量として算出し、この補正量分だけカンチレバーの側面に形成された第2のポイントのマークからずれた位置に補正マークを形成している。
従って、この補正マークと基準線の主線とを一致させるだけで、カンチレバーの取付角度に影響をうけることなく、光学観察装置で観察しながら、探針の先端位置を試料の測定開始位置に対して正確に位置合わせすることができる。
In the scanning probe microscope according to the present invention, the tip position of the probe can be more accurately aligned with the measurement start position of the sample no matter what angle the cantilever is attached to the sample. .
That is, when the cantilever is attached with an angle, the tip position of the probe is displaced from the root position. The amount of deviation is determined by the cantilever mounting angle and the probe length. Therefore, based on the mounting angle of the cantilever and the length of the probe, the amount of deviation from the base position of the probe to the tip position is calculated as a correction amount, and the second amount formed on the side surface of the cantilever by this correction amount. A correction mark is formed at a position deviated from the mark of the point.
Therefore, just by aligning the correction mark and the main line of the reference line, the tip position of the probe is set relative to the measurement start position of the sample while observing with an optical observation device without affecting the mounting angle of the cantilever. Accurate alignment is possible.
また、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、上記本発明の走査型プローブ顕微鏡において、前記制御部が、前記カンチレバーの取付角度と前記探針の長さとに基づいて、予め前記光軸に直交する平面に沿った前記探針の根元位置から先端位置までの補正量を算出すると共に、算出された補正量分だけ前記基点からずれた位置に前記主線を表示することを特徴とするものである。 Further, the scanning probe microscope of the present invention is the above-mentioned scanning probe microscope of the present invention, wherein the control unit is a plane orthogonal to the optical axis in advance based on the mounting angle of the cantilever and the length of the probe. A correction amount from the base position to the tip position of the probe along the line is calculated, and the main line is displayed at a position shifted from the base point by the calculated correction amount.
この発明に係る走査型プローブ顕微鏡においては、カンチレバーを試料に対してどのような角度で取り付けたとしても、探針の先端位置を試料の測定開始位置に対して正確に位置合わせすることができる。
つまり、角度を付けた状態でカンチレバーを取り付けた場合には、探針の先端位置が根元位置からずれてしまう。なおこのずれ量は、カンチレバーの取付角度と探針の長さとによって決定される。そこで、制御部は、予めカンチレバーの取付角度と探針の長さとに基づいて、探針の根元位置から先端位置までのずれ量を補正量として算出しておく。この際、光学観察装置が観察する光軸に直交する平面に沿ったずれ量を補正量として算出しておく。そして制御部は、この補正量分だけ基点からずれた位置に主線を表示させる。
従って、カンチレバーの側面に形成された第2のポイントのマークを基準線の主線に一致させるだけで、カンチレバーの取付角度に影響をうけることなく、光学観察装置で観察しながら、探針の先端位置を試料の測定開始位置に対して正確に位置合わせすることができる。
In the scanning probe microscope according to the present invention, the tip position of the probe can be accurately aligned with the measurement start position of the sample no matter what angle the cantilever is attached to the sample.
That is, when the cantilever is attached with an angle, the tip position of the probe is displaced from the root position. The amount of deviation is determined by the cantilever mounting angle and the probe length. Therefore, the control unit calculates in advance the amount of deviation from the root position of the probe to the tip position as a correction amount based on the mounting angle of the cantilever and the length of the probe. At this time, a deviation amount along a plane orthogonal to the optical axis observed by the optical observation apparatus is calculated as a correction amount. Then, the control unit displays the main line at a position shifted from the base point by this correction amount.
Therefore, the position of the tip of the probe can be observed while observing with an optical observation device without affecting the mounting angle of the cantilever only by matching the mark of the second point formed on the side surface of the cantilever with the main line of the reference line. Can be accurately aligned with the measurement start position of the sample.
本発明に係る走査型プローブ顕微鏡によれば、探針の位置を示すマークを、手間をかけずに安価且つ高精度にカンチレバーに形成することができると共に該カンチレバーを利用して探針の先端位置を試料の狙った測定開始位置に対して正確に位置合わせすることができる。 According to the scanning probe microscope of the present invention, the mark indicating the position of the probe can be formed on the cantilever inexpensively and with high accuracy without trouble, and the tip position of the probe can be obtained using the cantilever. Can be accurately aligned with the measurement start position aimed at by the sample.
以下、本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の一実施形態について、図1から図40を参照して説明する。
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡1は、図1に示すように、試料Sの上方に配され、先端に探針2aを有するカンチレバー2bと、試料Sとカンチレバー2bとを相対的に移動させるカンチレバー駆動部(移動手段)3と、カンチレバー2b及び試料Sを同一光軸で光学的に観察する光学顕微鏡(光学観察装置)4と、該光学顕微鏡4で観察した観察画像を表示するモニタ5と、これら各構成品及び後述する各構成品を総合的に制御する制御部6とを備えている。
Hereinafter, an embodiment of a scanning probe microscope according to the present invention will be described with reference to FIGS.
As shown in FIG. 1, the
上記試料Sは、試料表面S1に平行なXY方向及び試料表面S1に平行なZ方向の3方向に移動する試料駆動部10上に載置されている。この試料駆動部10は、例えば、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)等からなる圧電素子であり、制御部6からの指示に基づいて試料SをXYZ方向に微小移動させるようになっている。なお、本実施形態の試料駆動部10は、試料Sの測定を行う際に使用されるものである。また、この試料駆動部10は、筐体11上に取り付けられている。
The sample S is placed on a
この筐体11は、試料駆動部10を載置する底板部11aと、該底板部11aの両端からそれぞれ上方に向かって延びた側壁部11bと、一方の側壁部11bの上端に設けられた天板部11cとから一体的に構成されている。この天板部11cには、上記光学顕微鏡4が取り付けられており、後述するホルダ本体12の開口12aを通してカンチレバー2b及び試料Sをそれぞれ光学的に観察することができるようになっている。また、光学顕微鏡4は、観察した観察画像を制御部6に出力しており、該制御部6が送られてきた観察画像をモニタ5に表示させている。
The
また、筐体11の両側壁部11bのうち、他方の側壁部11bの上端にはカンチレバー駆動部3を介してホルダ本体12が取り付けられている。このホルダ本体12は、筐体11の一方の側壁部11bに向かって板状に形成されたものであり、略中間部分に光学顕微鏡4の光路を確保するための開口12aが形成されている。また、ホルダ本体12の下面には、斜面ブロック13を介してプローブ2が着脱自在に固定されている。
上記カンチレバー駆動部3は、上述した試料駆動部10と同様に、例えばPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)等からなる圧電素子であり、制御部6からの指示に基づいてホルダ本体12を介してプローブ2をXYZ方向に微小移動させるようになっている。なお、本実施形態のカンチレバー駆動部3は、探針2aの先端を位置合わせする際に使用するものである。
A holder
The
上記プローブ2は、上記探針2a及びカンチレバー2bと、カンチレバー2bの基端側を片持ち状態に支持する本体部2cとから構成されている。なお、本実施形態のプローブ2は、自己検知型のプローブであり、カンチレバー2bの撓み(変位)を自身で測定して、撓みに応じた電気的信号を出力信号として制御部6に出力するようになっている。
The
このプローブ2について具体的に説明すると、図2及び図3に示すように、シリコン支持層20、SiO2からなるBOX層21及びシリコン活性層22の3層を熱的に張り合わせたSOI基板23から形成されたものであり、探針2a、カンチレバー2b及び本体部2cが一体的に形成されている。
また、カンチレバー2bと本体部2cとの接合部分であるカンチレバー2bの基端側には、開口24が形成されており、カンチレバー2bは基端側で屈曲して撓み易くなっている。即ち、カンチレバー2bの基端側は、応力が集中する応力集中部として機能するようになっている。なお、この開口24の数は、1つに限定されず、2つ以上形成しても構わないし、形成されていなくても構わない。
Specifically described this
An
また、本体部2c及びカンチレバー2bの基端側には、カンチレバー2bの撓み量に応じて抵抗値が変化するピエゾ抵抗素子25が、開口24を回り込むように形成されている。なお、このピエゾ抵抗素子25は、SOI基板23にイオン注入法や拡散法等により不純物が注入されて形成されたものである。また、このピエゾ抵抗素子25には、アルミニウム等の金属配線26が電気的に接続されており、金属配線26を含む全体的な形状がU字状になるように形成されている。また、金属配線26の端部は、それぞれ外部に電気的に接続するための外部接続端子26aとなっている。
つまり、一方の外部接続端子26aから金属配線26に流れた電流は、開口24を回り込むようにピエゾ抵抗素子25を通った後、他方の金属配線26を介して他方の外部接続端子26aから外部に流れるようになっている。
In addition, a
That is, the current that flows from one
そして、外部接続端子26aを介して金属配線26にバイアス電圧を印加することにより、カンチレバー2bの撓み、即ち、ピエゾ抵抗素子25に生じる歪みに応じてレベル変化する電気的信号を、出力信号として取り出すことができるようになっている。そして、制御部6は、送られてきた出力信号に基づいてカンチレバー2bの撓みを算出し、試料Sの測定を行うようになっている。
Then, by applying a bias voltage to the
また、本実施形態のカンチレバー2bは、以下に説明する第1のポイントP1の1箇所と、第2のポイントP2の2箇所との合計3箇所に切り欠き状のマークMが形成されている。第1のポイントP1は、探針2aの根元位置からカンチレバー2bの長手方向に向けて延びた第1の延長線L1と、カンチレバー2bの先端面とが交わる位置である。また、第2のポイントP2は、探針2aの根元位置からカンチレバー2bの短手方向に向けて延びた第2の延長線L2と、カンチレバー2bの側面とが交わる位置である。つまり、第1の延長線L1と、第2の延長線L2とが交わる位置に探針2aが形成されている。
Further, in the
上記制御部6は、図1に示すように、光学顕微鏡4から送られてきた観察画像をモニタ5に表示させていると共に、観察画像に基づいて作業者により任意に選択された試料Sの測定開始位置P3を、図4(a)に示すように、観察画像に重ねた状態で基準線Nとしてモニタ5上に表示させている。
本実施形態では、図4(b)に示すように、測定開始位置P3に重ね合わされる基点n0と、該基点n0を通ってカンチレバー2bの短手方向に延びた主線n1と、基点n0を通って主線n1に対して直交する方向に延びた補助線n2とからなる十字線を基準線Nとして表示するようになっている。なお、図4(a)、(c)では、基準線Nの基点n0と測定開始位置P3とを重ね合わせた状態を図示しているので、基点n0の図示を省略している。
また、制御部6は、光学顕微鏡4によってカンチレバー2bを観察し、探針2aの先端位置を位置決めする際に、カンチレバー駆動部3を制御してホルダ本体12及びプローブ2を適宜3次元方向に移動させ、基準線Nに対してカンチレバー2bに形成された3箇所のマークMを一致させるようになっている。これについては、後に詳細に説明する。
As shown in FIG. 1, the
In this embodiment, as shown in FIG. 4B, the base point n0 superimposed on the measurement start position P3, the main line n1 extending in the short direction of the
Further, the
ここで、上記プローブ2の製造方法について詳しく説明する。
なお、本実施形態では、図5に示すように、シリコン支持層20と、SiO2からなるBOX層21と、シリコン活性層22とを有するSOI(Silicon On Insulater)基板23を利用して、プローブ2を製造する。
Here, the manufacturing method of the
In the present embodiment, as shown in FIG. 5, a probe using an SOI (Silicon On Insulater)
初めに、図6に示すように、SOI基板23の表面及び裏面を熱酸化することにより、シリコン酸化膜(SiO2)30を形成する。次に、図7に示すように、シリコン活性層22側のシリコン酸化膜30上に、エッチングマスクとなるフォトレジスト膜31を、フォトリソグラフィ技術によって探針2aの位置にパターニングする。そして、図8に示すように、フォトレジスト膜31をマスクとしてシリコン酸化膜30をエッチング加工する。エッチング加工後、図9に示すように、フォトレジスト膜31を除去する。これにより、シリコン酸化膜30が探針2aを形成する位置にパターニングされた状態となる。
First, as shown in FIG. 6, a silicon oxide film (SiO 2 ) 30 is formed by thermally oxidizing the front surface and the back surface of the
次いで、図10に示すように、パターニングされたシリコン酸化膜30をマスクとして、反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)やDRIE(Deep Reactive Ion Etching)を行って、シリコン活性層22に探針2aを形成する。探針2aを形成した後、図11に示すように、マスクとしていたシリコン酸化膜30を除去する。そして、図12に示すように、探針2aが形成されたシリコン活性層22及びシリコン支持層20を再度熱酸化することにより、シリコン酸化膜32を再び形成する。
Next, as shown in FIG. 10, by using the patterned
次いで、図13に示すように、シリコン支持層20側にシリコン酸化膜32を全て覆うように、また、探針2aの周辺部分のシリコン酸化膜32上にフォトレジスト膜34をパターニングする。パターニングした後、図14に示すように、フォトレジスト膜34をマスクとして、シリコン酸化膜32をエッチング加工する。エッチング加工後、図15に示すように、マスクとしていたフォトレジスト膜34を除去する。これにより、シリコン酸化膜32が探針2aの周辺にパターニングされた状態となる。
Next, as shown in FIG. 13, a
次いで、図16に示すように、シリコン活性層22上にフォトレジスト膜35をパターニングする。このフォトレジスト膜35は、図17に示すように、カンチレバー2b、3箇所のマークM、ピエゾ抵抗素子25の経路となる開口24をパターニングするものである。パターニングした後、図18に示すように、フォトレジスト膜35をマスクとしてシリコン活性層22をエッチング加工する。エッチング加工後、図19に示すように、マスクとしていたフォトレジスト膜35を除去する。これにより、シリコン活性層22に、先端に探針2aを有するカンチレバー2b、3箇所のマークM及び開口24を形成することができる。特に、探針2aが形成されている側からマークMを形成できるので、探針2aに高精度に位置合わせした状態でマークMを形成することができる。
Next, as shown in FIG. 16, a
次に、図20に示すように、シリコン活性層22を再度熱酸化して、シリコン酸化膜36を形成する。そして、図21に示すように、シリコン酸化膜36上に、ピエゾ抵抗素子25を形成する以外の領域でフォトレジスト膜37をパターニングする。パターニングした後、図22に示すように、フォトレジスト膜37をマスクとして、シリコン活性層22にイオン注入法等により不純物を注入する。これにより、ピエゾ抵抗素子25を形成することができる。そして、図23に示すように、マスクとしていたフォトレジスト膜37を除去する。
Next, as shown in FIG. 20, the silicon
次いで、図24に示すように、シリコン酸化膜36上を全てフォトレジスト膜38で覆うと共に、シリコン支持層20側のシリコン酸化膜32上に、フォトレジスト膜39を、本体部2cの底面形状となるようにパターニングする。そして、図25に示すように、フォトレジスト膜39をマスクとして、シリコン酸化膜32をエッチング加工する。エッチング加工の後、図26に示すように、マスクとしていたフォトレジスト膜38、39を除去する。
Next, as shown in FIG. 24, the entire surface of the
次いで、図27に示すように、シリコン支持層20側を全てフォトレジスト膜40で覆うと共に、シリコン活性層22側のシリコン酸化膜36上に、再度ピエゾ抵抗素子25を除く領域にフォトレジスト膜41をパターニングする。そして、図28に示すように、フォトレジスト膜41をマスクとして、シリコン酸化膜36をエッチング加工する。そして、図29に示すように、マスクとしていたフォトレジスト膜40、41を除去する。これにより、ピエゾ抵抗素子25を覆っているシリコン酸化膜36の一部を除去することができる。
Next, as shown in FIG. 27, the
次いで、図30に示すように、シリコン活性層22側のシリコン酸化膜32上に蒸着やスパッタリング等によりアルミニウム等の金属膜41を成膜する。この際、上述した工程でシリコン酸化膜32の一部が除去されているので、金属膜41とピエゾ抵抗素子25とが電気的に接続される。そして、図31に示すように、金属膜41上に金属配線26の形状でフォトレジスト膜42をパターニングする。パターニングした後、図32に示すように、フォトレジスト膜42をマスクとして金属膜41をエッチング加工する。これにより、金属膜41から、ピエゾ抵抗素子25に電気的に接続された金属配線26を形成することができる。そしてエッチング加工した後、図33に示すように、マスクとしていたフォトレジスト膜42を除去する。
Next, as shown in FIG. 30, a
次いで、図34に示すように、シリコン支持層20側をフォトレジスト膜43で全て覆うと共に、シリコン活性層22側のシリコン酸化膜36上に、探針2aの周辺以外の領域にフォトレジスト膜44をパターニングする。そして、図35に示すように、フォトレジスト膜44をマスクとして、シリコン酸化膜36をエッチング加工する。エッチング加工した後、図36に示すように、フォトレジスト膜43、44を除去する。
Next, as shown in FIG. 34, the
次いで、図37に示すように、再度シリコン活性層22の上部全体をフォトレジスト膜45で覆う。そして、図38に示すように、シリコン支持層20上にパターニングされているシリコン酸化膜32をマスクとして、シリコン支持層20を、水酸化カリウム(KOH)やテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド(TMAH)等のアルカリ性エッチャントによる異方性エッチング、又は、DRIEによりエッチング加工する。この際、BOX層21でストップするように反応速度等が設定されている。そして、図39に示すように、マスクとしていたシリコン酸化膜32を除去すると共に、露出しているBOX層21をエッチング加工する。これにより、カンチレバー2b及び本体部2cを形成することができる。
Next, as shown in FIG. 37, the entire upper portion of the silicon
そして最後に、シリコン活性層22側を覆っていたフォトレジスト膜45を除去することで、図2及び図3に示すように、3箇所のマークMが形成された自己検知型のプローブ2を製造することができる。
Finally, by removing the
次に、このように製造されたプローブ2を有する走査型プローブ顕微鏡1により、探針2aの先端位置を試料Sの測定開始位置P3に位置合わせする場合について説明する。
まず始めに、図1に示すように、試料駆動部10上に試料Sをセットすると共に、斜面ブロック13にプローブ2を装着する。この際、試料表面S1とカンチレバー2bとのなす角度が所定角度になるように調整を行う。次いで、光学顕微鏡4により試料Sの表面を光学的に観察して、観察画像を図4(a)に示すようにモニタ5に表示させる。作業者は、この観察画像に基づいて、試料Sの測定開始位置P3を特定する。例えば、マウス等を使用して画面上をクリックして特定する。すると制御部6は、図4(a)に示すように、
図4(b)に示す基準線N、即ち、基点n0、主線n1及び補助線n2からなる十字線を、特定された測定開始位置P3に観察画像に重ねた状態でモニタ5上に表示させる。つまり、基準線Nの基点n0を測定開位置位置P3に重ね合わせる。これにより、試料Sの測定開始位置P3を基準線Nで指し示すことができる。
なお、基準線Nを重ね合わせる際に、例えば、作業者が測定開始位置P3をクリックした時点で、基準線Nが表示されるように設計されていても構わないし、モニタ5上に予め基準線Nが表示されていて、測定開始位置P3を特定した後に該測定開始位置P3に基点n0を重ね合わせるように基準線Nを移動させて表示するように設計しても構わない。
Next, a case where the tip position of the
First, as shown in FIG. 1, the sample S is set on the
A reference line N shown in FIG. 4B, that is, a cross line composed of the base point n0, the main line n1, and the auxiliary line n2, is displayed on the
When the reference line N is superimposed, for example, the reference line N may be designed to be displayed when the operator clicks the measurement start position P3. N may be displayed, and after specifying the measurement start position P3, the reference line N may be moved and displayed so that the base point n0 is superimposed on the measurement start position P3.
そして、測定開始位置P3に基準線Nをセットした後、再度光学顕微鏡4を利用してカンチレバー2bを光学的に観察する。この際、先ほど試料Sを観察したときと同一の光軸で観察を行う。ここで、カンチレバー2bには、予め第1のポイントP1である先端面の1箇所と、第2のポイントP2である側面の2箇所との合計3箇所に、探針2aの根元位置を示すマークMが形成されている。そのため、図4(a)に示すように、カンチレバー2bを観察する際に、作業者はこのマークMをモニタ5上で観察することができる。
Then, after setting the reference line N at the measurement start position P3, the
そして、制御部6によりカンチレバー駆動部3を適宜作動させて、カンチレバー2bと試料Sとを相対的に移動させ、基準線Nに対してマークMを一致させる。つまり、図4(c)に示すように、カンチレバー2bの側面に形成された2箇所のマークMを、測定開始位置P3に基点n0が重ね合わされた基準線Nの主線n1に対して一致させると共に、カンチレバー2bの先端面に形成された1箇所のマークMを補助線n2に対して一致させる。このように十字線に対して3箇所のマークMを一致させることで、探針2aの先端位置を測定開始位置P3に位置合わせすることができる。特に本実施形態の場合には、マークMが3箇所に形成されているので、観察時に見易く、また、十字線に合わせ易い。
Then, the
その結果、探針2aの先端の位置を直接確認することができなくても、上述したように狙った測定開始位置P3に対して探針2aの先端位置を位置合わせすることができる。特に、マークMは従来のものと異なり、カンチレバー2bの先端面及び側面に形成されているので、マークMの位置と探針2aの根元位置との誤差を従来よりも小さくすることができる。よって、探針2aの先端位置を測定開始位置P3に対して従来よりも正確に位置合わせすることができる。
また、従来よりも少ない工程でマークMと探針2aとを形成できるので、製造工程を減らすことができ、時間と手間の軽減化を図ることができると共に製造コストを抑えることができる。
As a result, even if the tip position of the
In addition, since the mark M and the
上述したように、探針2aの位置を示すマークMをカンチレバー2bの先端面(第1のポイントP1)及び側面(第2のポイントP2)に形成しているので、該カンチレバー2bを、手間をかけずに安価に製造できると共に探針2aの位置を示すマークMを従来よりも高精度に作ることができる。よって、このカンチレバー2bを利用して、探針2aの先端位置を試料Sの狙った測定開始位置P3に対して正確に位置合わせすることができる。
As described above, since the mark M indicating the position of the
なお、探針2aの先端位置を試料Sの測定開始位置P3に位置合わせした後は、試料Sの測定、例えば、試料Sの表面形状を測定する。この場合には、まず試料駆動部10により探針2aと試料Sとを相対的に移動させて、探針2aにより試料Sの表面の走査を開始する。また、この走査を行っている際、カンチレバー2bは試料表面S1の凹凸に応じて上下に撓んで変形しようとするので、ピエゾ抵抗素子25の抵抗値が変化する。そして、ピエゾ抵抗素子25は、この撓みに応じた出力信号を制御部6に出力する。制御部6は、この出力信号が一定となるように試料駆動部10をZ方向にフィードバック制御する。これにより、探針2aと試料Sとの距離を、カンチレバー2bの撓みが一定となるように制御した状態で走査することができる。また、制御部6は、試料駆動部10を上下させる信号に基づいて、試料Sの表面形状を測定することができる。
After the tip position of the
特に、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡1によれば、試料Sを開始する前に、探針2aの先端位置を狙った測定開始位置P3に正確に位置合わせすることができるので、正確な試料Sの測定を行うことができる。
In particular, according to the
なお、上記実施形態では、カンチレバー2bに切り欠き状のマークMを形成した場合を例にしたが、図40に示すように、突起状のマークMを有するプローブ50であっても構わない。この場合であっても、上述した実施形態と同様の作用効果を奏することができる。以下、このプローブ50の製造方法について、図41から図54を参照して説明する。なお、これら図41から図54においては、カンチレバー2bを先端面側から見た断面図を図示している。
In the above embodiment, the case where the notched mark M is formed on the
まず、図41に示すように、SOI基板23の表面及び裏面を熱酸化することにより、シリコン酸化膜(SiO2)51を形成する。そして、図42に示すように、シリコン活性層22側のシリコン酸化膜51上に、エッチングマスクとなるフォトレジスト膜52を、フォトリソグラフィ技術によって探針2a及びマークMの位置にパターニングする。即ち、図43に示すようにパターニングする。そして、図44に示すように、フォトレジスト膜52をマスクとしてシリコン酸化膜51をエッチング加工する。エッチング加工後、図45に示すように、フォトレジスト膜52を除去する。これにより、シリコン酸化膜51が探針2a及びマークMを形成する位置にパターニングされた状態となる。
First, as shown in FIG. 41, a silicon oxide film (SiO 2 ) 51 is formed by thermally oxidizing the front surface and the back surface of the
次いで、図46に示すように、パターニングされたシリコン酸化膜51をマスクとして、反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)やDRIE(Deep Reactive Ion Etching)を行って、シリコン活性層22に探針2a及びマークMを形成する。そして、図47に示すように、マスクとしていたシリコン酸化膜51を除去する。そして、図48に示すように、探針2a及びマークMが形成されたシリコン活性層22及びシリコン支持層20上を熱酸化することにより、シリコン酸化膜52を再度形成する。
Next, as shown in FIG. 46, using the patterned
次いで、図49に示すように、探針2aの周辺部分のシリコン酸化膜52上にフォトレジスト膜53をパターニングすると共に、シリコン支持層20側のシリコン酸化膜52上にフォトレジスト膜54を形成する。パターニングした後、図50に示すように、フォトレジスト膜53をマスクとして、シリコン酸化膜52をエッチング加工する。エッチング加工後、図51に示すように、マスクとしていたフォトレジスト膜53、54を除去する。これにより、シリコン酸化膜32が探針2aの周辺にパターニングされた状態となる。
Next, as shown in FIG. 49, a
次いで、図52に示すように、シリコン活性層22上にフォトレジスト膜55をパターニングする。この際、図53に示すように、3箇所のマークMの一部を覆うようにフォトレジスト膜55をパターニングする。パターニングした後、図54に示すように、フォトレジスト膜55をマスクとしてシリコン活性層22をエッチング加工する。エッチング加工後、図55に示すように、マスクとしていたフォトレジスト膜55を除去する。これにより、シリコン活性層22に、探針2aと3箇所のマークMと開口24とが形成されたカンチレバー2bを形成することができる。
Next, as shown in FIG. 52, a
特に、探針2aが形成されている側からマークMを形成できるので、探針2aの位置に高精度に位置合わせした状態でマークMを形成することができる。しかも、この製造方法では、図46に示すように、同じタイミングで探針2aとマークMとを同時に形成することができるので、マークMの位置と探針2aの位置との誤差をさらになくすことができ、より好ましい。また、これ以降の工程は、図20から図39に示す場合と同様であるため説明を省略する。
In particular, since the mark M can be formed from the side on which the
また、上記実施形態では、ピエゾ抵抗素子25を有する自己検知型のプローブ2を例に挙げて説明したが、自己検知型でなく、図56に示すように光てこ方式にてカンチレバー2bの撓みを測定するように構成しても構わない。つまり、レーザ光Lを照射するレーザ光源60と、照射されたレーザ光Lを、ホルダ本体12の開口12aを通してカンチレバー2bの背面に形成された図示しない反射面に向けて反射させるハーフミラー61と、反射面で反射されホルダ本体12の開口12aを通過してきたレーザ光Lをレーザ受光部63に反射させるミラー62と、ミラー62で反射されたレーザ光Lを受光するレーザ受光部63とからなる変位測定手段64を設ければ良い。
In the above embodiment, the self-sensing
上記レーザ光源60は、レーザ光源駆動部65を介してホルダ本体12上に固定されており、略水平方向にレーザ光Lを照射している。また、ハーフミラー61は、光学顕微鏡4とカンチレバー2bとの間に配置されるように図示しない架台に支持されている。また、ミラー62は、このハーフミラー61に隣接するように、やはり図示しない架台によって支持されている。レーザ受光部63は、レーザ光源60と同様にホルダ本体12上に固定されている。このレーザ受光部63は、例えば、4分割フォトディテクタであり、レーザ光Lの入射位置に基づいて、カンチレバー2bの撓み変化を検出していると共に、検出したカンチレバー2bの撓み変化をDIF信号として制御部6に出力している。なお、この光てこ方式の場合、制御部6は、自己検知型のプローブ2と同様に送られてきたDIF信号が一定となるように試料駆動部10をフィードバック制御する。
The
このように光てこ方式であっても、自己検知型の場合と同じ作用効果を奏することができる。特に、従来のようにカンチレバー2bの背面にマークMを形成していないので、レーザの反射に何ら影響を与えることがない。そのため、カンチレバー2bの変位を高精度に測定することができ、測定結果の信頼性を向上することができる。
また、従来のようにマークMの影響を受けて、レーザ光Lの反射効率が低下する恐れもない。更には、従来のものとは異なり、カンチレバー2bの背面にマークMがなく、且つ側面のマークMを基準にして探針2aの根元に対向する位置にレーザ光Lを正確に照射できる。そのため、厚みが薄いカンチレバー2bであっても、レーザ光Lを透過させてしまう恐れがなく、レーザ光Lの検出を確実に行うことができる。
また、光てこ方式の場合には、探針2aの先端を位置合わせする前に、初期設定としてレーザ光Lが反射面に確実に入射するように、光学顕微鏡4で確認しながらレーザ光Lの位置調整を行うが、この場合においても従来のようにカンチレバー2bの背面にマークMが形成されていないので、正確な調整を行うことができる。
Thus, even if it is an optical lever system, there can exist the same effect as the case of a self-detection type. In particular, since the mark M is not formed on the back surface of the
Further, there is no possibility that the reflection efficiency of the laser beam L is lowered due to the influence of the mark M as in the prior art. Further, unlike the conventional one, the laser beam L can be accurately radiated to a position that does not have the mark M on the back surface of the
Further, in the case of the optical lever method, before aligning the tip of the
また、上記実施形態では、カンチレバー2bに3箇所のマークMを形成したが、少なくとも第1のポイントP1又は第2のポイントP2のうちいずれか一方のポイントにマークMが形成されていれば構わない。
例えば、図57(a)に示すように、第2のポイントP2であるカンチレバー2bの側面の2箇所だけにマークMを形成しても構わない。この場合の制御部6は、図57(b)に示すように、十字線ではなく、測定開始位置P3に重ね合わされる基点n0と、該基点n0を通ってカンチレバー2bの短手方向に延びた主線n1と、基点n0からカンチレバー2bの幅の略半分だけ間を空けた状態で主線n1に対して直交する方向に延びた2本の補助線n3とからなる基準線N’を表示させるように設定されている。なお、図57(a)、(c)では、基準線N’の基点n0と測定開始位置P3とを重ね合わせた状態を図示しているので、基点n0の図示を省略している。
In the above embodiment, the three marks M are formed on the
For example, as shown in FIG. 57 (a), marks M may be formed only at two locations on the side surface of the
なお、基準線N’を重ね合わせる場合には、上述した実施形態と同様に例えば、作業者が測定開始位置P3をクリックした時点で、基準線N’が表示されるように設計されていても構わないし、モニタ5上に予め基準線N’が表示されていて、測定開始位置P3を特定した後に該測定開始位置P3に基点n0を重ね合わせるように基準線N’を移動させて表示するように設計しても構わない。いずれにしても、測定開始位置P3に基点n0を重ね合わせることで、試料Sの測定開始位置P3を基準線N’で指し示すことができる。
When the reference line N ′ is overlapped, for example, the reference line N ′ may be displayed when the operator clicks the measurement start position P3 as in the above-described embodiment. The reference line N ′ is displayed on the
その後図57(c)に示すように、2箇所のマークMを、主線n1上に一致させると共に、2本の補助線n3の間にカンチレバー2bが入るように位置合わせすることで、探針2aの先端位置を測定開始位置P3に正確に位置合わせすることができる。
Thereafter, as shown in FIG. 57 (c), the two marks M are aligned with each other on the main line n1 and aligned so that the
なお、この場合において、制御部6が基点n0を中心として主線n1と補助線n3との距離を任意の倍率に変更できるように設定すると良い。こうすることで、カンチレバー2bを観察する際に、光学顕微鏡4がどのような倍率であっても、該倍率に合わせて主線n1と補助線n3との距離を変更することができる。従って、マークMと基準線N’とを容易且つ正確に位置合わせすることができ、使い易さが向上する。
In this case, the
また、図58(a)に示すように、第1のポイントP1であるカンチレバー2bの先端面のみに1箇所のマークMを形成しても構わない。この場合の制御部6は、図58(b)に示すように、十字線ではなく、測定開始位置P3に重ね合わされる基点n0と、該基点n0を通ってカンチレバー2bの長手方向に延びた主線n4と、基点n0から探針2aの根元位置と先端面との距離部だけ間を空けた状態で主線n4に対して直交する方向に延びた補助線n5とからなる基準線N’’を表示させるように設定されている。なお、図58(a)、(c)では、基準線N’’の基点n0と測定開始位置P3とを重ね合わせた状態を図示しているので、基点n0の図示を省略している。
Further, as shown in FIG. 58 (a), one mark M may be formed only on the tip surface of the
なお、基準線N’’を重ね合わせる場合には、上述した実施形態と同様に例えば、作業者が測定開始位置P3をクリックした時点で、基準線N’’が表示されるように設計されていても構わないし、モニタ5上に予め基準線N’’が表示されていて、測定開始位置P3を特定した後に該測定開始位置P3に基点n0を重ね合わせるように基準線N’’を移動させて表示するように設計しても構わない。いずれにしても、測定開始位置P3に基点n0を重ね合わせることで、試料Sの測定開始位置P3を基準線N’’で指し示すことができる。
When the reference line N ″ is overlapped, it is designed so that the reference line N ″ is displayed when the operator clicks the measurement start position P3, for example, as in the above-described embodiment. The reference line N ″ is displayed on the
その後図58(c)に示すように、主線n4にマークMを一致させると共に、補助線n5に先端面を一致させるようにカンチレバー2bを位置合わせすることで、探針2aの先端位置を測定開始位置P3に正確に位置合わせすることができる。
Thereafter, as shown in FIG. 58 (c), measurement of the tip position of the
なお、この場合においても、2箇所にマークMを形成した場合と同様に、制御部6が基点n0を中心として主線n4と補助線n5との距離を任意の倍率に変更できるように設定すると良い。こうすることで、カンチレバー2bを観察する際に、光学顕微鏡4がどのような倍率であったとしても、該倍率に合わせて主線n4と補助線n5との距離を変更することができる。従って、マークMと基準線Nとを容易且つ正確に位置合わせすることができ、使い易さが向上する。
更に、この場合において、図58(c)に示すように、主線n4を間に挟んで該主線n4と平行に配置されるように副補助線n6を表示させても構わない。こうすることで、副補助線n6を参照してカンチレバー2bの平行度を確認することができる。よって、基準線N’’とマークMとをより位置合わせし易い。
In this case as well, as in the case where the marks M are formed at two locations, the
Further, in this case, as shown in FIG. 58 (c), the auxiliary auxiliary line n6 may be displayed so as to be arranged in parallel with the main line n4 with the main line n4 interposed therebetween. By doing so, the parallelism of the
また、図59(a)に示すように、カンチレバー2bの側面に2つの補正マークM’を形成するとより好ましい。この補正マークM’は、カンチレバー2bの取付角度と探針2aの長さとに基づいて算出された、探針2aの根元位置から先端位置までの補正量(長さZ)分だけ、第2のポイントP2に形成されたマークMからずれた位置に形成されたマークである。こうすることで、カンチレバー2bを試料Sに対してどのような角度で取り付けたとしても、探針2aの先端位置を試料Sの測定開始位置P3に対してより正確に位置合わせすることができる。
Further, as shown in FIG. 59A, it is more preferable to form two correction marks M 'on the side surface of the
つまり、特に大きな角度を付けた状態でカンチレバー2bを取り付けた場合には、図59(b)に示すように、探針2aの先端位置が根元位置からずれてしまう。なお、このずれ量Zは、カンチレバー2bの取付角度θと探針2aの長さとによって決定される。そこで、予めカンチレバー2bの取付角度θと探針2aの長さとに基づいて、探針2aの根元位置から先端位置までのずれ量Zを補正量として算出し、この補正量分だけ第2のポイントP2に形成されたマークMからずれた位置に補正マークM’を形成する。
That is, when the
従って、この補正マークM’と基準線Nの主線n1とを一致させるだけで、カンチレバー2bの取付角度θが特に大きな場合であっても、取付角度θに影響を受けることなく、探針2aの先端位置を試料Sの測定開始位置P3に対してより正確に位置合わせすることができる。
また、この場合であっても、第2のポイントP2にマークMが形成されているので、光てこ方式を採用する場合には、このマークMを基準として、探針2aの根元に対向する位置にレーザ光を照射することができる。
Therefore, even if the correction angle M ′ and the main line n1 of the reference line N coincide with each other, even if the mounting angle θ of the
Even in this case, since the mark M is formed at the second point P2, when the optical lever method is adopted, the position facing the root of the
また、カンチレバー2bの取付角度θが特に大きい場合には、カンチレバー2bに上述した補正マークM’を形成するのではなく、基準線N側をずらしても構わない。
つまり、カンチレバー2bに3箇所のマークMが形成されている場合、若しくは、2箇所のマークMが形成されている場合に、モニタ5に表示する主線n1の位置を、図60に示すように、基点n0から長さXだけずらして表示させる。
Further, when the mounting angle θ of the
That is, when three marks M are formed on the
具体的に説明すると、図59(b)に示すように、特に大きな角度を付けた状態でカンチレバー2bを取り付けた場合には、探針2aの先端位置が根元位置からずれてしまう。
そこで、制御部6は、予めカンチレバー2bの取付角度θと探針2aの長さとに基づいて、探針2aの根元位置から先端位置までのずれ量Xを補正量として算出しておく。この際、制御部6は、上述した補正マークM’の場合と異なり、光学顕微鏡4が観察する光軸に直交する平面に沿ったずれ量Xを算出しておく。これは、光学顕微鏡4が常に光軸方向から観察している為である。そして、制御部6は、このずれ量Xを補正量と算出した後、上述したように、主線n1を基点n0から長さXだけずらして表示させる。
More specifically, as shown in FIG. 59 (b), when the
Therefore, the
従って、カンチレバー2bの側面に形成された第2のポイントP2のマークMを、主線n1に一致させるだけで、カンチレバー2bの取付角度θが特に大きな場合であっても、取付角度θに影響を受けることなく、探針2aの先端位置を試料Sの測定開始位置P3に対して正確に位置合わせすることができる。
Therefore, even if the mounting angle θ of the
なお、本発明の技術範囲は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。 The technical scope of the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
例えば、上記実施形態では、光学顕微鏡をカンチレバーの上方に配置した構成にしたが、例えば、試料の下方に配置し、下側から観察を行うように構成しても構わない。この場合であっても、カンチレバーの先端面又は側面の少なくともいずれか側にマークが形成されているので、従来のものとは異なり下側からでも確実にマークを確認することができ、探針の先端位置を測定開始位置に合わせることができる。 For example, in the above embodiment, the optical microscope is arranged above the cantilever. However, for example, the optical microscope may be arranged below the sample and observed from below. Even in this case, since the mark is formed on at least one of the front end surface and the side surface of the cantilever, unlike the conventional one, the mark can be reliably confirmed from the lower side, and the probe The tip position can be adjusted to the measurement start position.
L1 第1の延長線
L2 第2の延長線
M マーク
M’ 補正マーク
n0 基点
n1、n4 主線
n2、n3、n5 補助線
N、N’、N’’ 基準線
P1 第1のポイント
P2 第2のポイント
P3 測定開始位置
S 試料
1 走査型プローブ顕微鏡
2a 探針
2b カンチレバー
3 カンチレバー駆動部(移動手段)
4 光学顕微鏡(光学観察装置)
5 モニタ
6 制御部
L1 First extension line L2 Second extension line M mark M ′ Correction mark n0 Base point n1, n4 Main line n2, n3, n5 Auxiliary line N, N ′, N ″ Reference line P1 First point P2 Second point Point P3 Measurement start
4 Optical microscope (optical observation device)
5
Claims (7)
前記探針の根元位置から前記カンチレバーの長手方向に延びた第1の延長線と、カンチレバーの先端面とが交わる第1のポイント、又は、前記探針の根元位置から前記カンチレバーの短手方向に延びた第2の延長線と、カンチレバーの側面とが交わる第2のポイントのうち少なくともいずれか一方のポイントに形成されたマークと、
前記試料と前記カンチレバーとを相対的に移動させる移動手段と、
前記カンチレバー及び前記試料を同一光軸で光学的に観察する光学観察装置と、
該光学観察装置で観察した観察画像を表示するモニタと、
前記観察画像に基づいて選択された前記試料の測定開始位置を、該観察画像に重ねた状態で基準線として前記モニタ上に表示させる制御部とを備え、
前記制御部は、前記カンチレバーを観察する際に、前記移動手段を制御して前記基準線と前記マークとを一致させることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。 A cantilever disposed above the sample and having a probe at the tip;
A first point where the first extension line extending in the longitudinal direction of the cantilever from the root position of the probe and the tip surface of the cantilever intersect, or in the short direction of the cantilever from the root position of the probe A mark formed at at least one of the second points where the extended second extension line and the side surface of the cantilever intersect;
Moving means for relatively moving the sample and the cantilever;
An optical observation device that optically observes the cantilever and the sample along the same optical axis;
A monitor for displaying an observation image observed with the optical observation device;
A control unit that displays the measurement start position of the sample selected based on the observation image on the monitor as a reference line in a state of being superimposed on the observation image;
The control unit controls the moving unit to match the reference line with the mark when observing the cantilever.
前記マークは、前記第1のポイント及び前記第2のポイントの両方に形成され、
前記基準線は、前記測定開始位置に重ね合わされる基点と、該基点を通って前記カンチレバーの短手方向に延びた主線と、基点を通って主線に対して直交する方向に延びた補助線とからなる十字線であることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。 The scanning probe microscope according to claim 1,
The mark is formed at both the first point and the second point;
The reference line includes a base point superimposed on the measurement start position, a main line extending in the short direction of the cantilever through the base point, and an auxiliary line extending in a direction perpendicular to the main line through the base point A scanning probe microscope characterized by being a crosshair consisting of
前記マークは、前記第2のポイントに形成され、
前記基準線は、前記測定開始位置に重ね合わされる基点と、該基点を通って前記カンチレバーの短手方向に延びた主線と、基点からカンチレバーの幅の略半分だけ間を空けた状態で前記主線に対して直交する方向に延びた2本の補助線とからなることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。 The scanning probe microscope according to claim 1,
The mark is formed at the second point;
The reference line includes a base point superimposed on the measurement start position, a main line extending in the short direction of the cantilever through the base point, and the main line in a state of being spaced from the base point by approximately half the width of the cantilever. A scanning probe microscope comprising two auxiliary lines extending in a direction perpendicular to the scanning probe microscope.
前記マークは、前記第1のポイントに形成され、
前記基準線は、前記測定開始位置に重ね合わされる基点と、該基点を通って前記カンチレバーの長手方向に延びた主線と、基点から前記探針の根元位置と前記先端面との距離分だけ間を空けた状態で前記主線に対して直交する方向に延びた補助線とからなることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。 The scanning probe microscope according to claim 1,
The mark is formed at the first point;
The reference line includes a base point superimposed on the measurement start position, a main line extending in the longitudinal direction of the cantilever through the base point, and a distance from the base point to the base position of the probe and the tip surface. A scanning probe microscope comprising: an auxiliary line extending in a direction orthogonal to the main line with a space left therebetween.
前記制御部は、前記基点を中心として、前記主線と前記補助線との距離を任意の倍率に変更することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。 The scanning probe microscope according to claim 3 or 4,
The control unit changes a distance between the main line and the auxiliary line to an arbitrary magnification around the base point.
前記カンチレバーの側面には、前記カンチレバーの取付角度と前記探針の長さとに基づいて算出された、前記探針の根元位置から前記探針の先端位置までの補正量分だけ、前記第2のポイントに形成されたマークからずれた位置に補正マークが形成されていることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。 The scanning probe microscope according to claim 2 or 3,
On the side surface of the cantilever, the second amount corresponding to the correction amount from the probe root position to the probe tip position calculated based on the mounting angle of the cantilever and the probe length is provided. A scanning probe microscope, wherein a correction mark is formed at a position shifted from a mark formed at a point.
前記制御部は、前記カンチレバーの取付角度と前記探針の長さとに基づいて、予め前記光軸に直交する平面に沿った前記探針の根元位置から先端位置までの補正量を算出すると共に、算出された補正量分だけ前記基点からずれた位置に前記主線を表示することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。 The scanning probe microscope according to claim 2 or 3,
The control unit calculates a correction amount from the base position of the probe to the tip position along a plane orthogonal to the optical axis in advance based on the mounting angle of the cantilever and the length of the probe, A scanning probe microscope characterized in that the main line is displayed at a position shifted from the base point by the calculated correction amount.
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