JP4096303B2

JP4096303B2 - 走査型プローブ顕微鏡

Info

Publication number: JP4096303B2
Application number: JP2002366408A
Authority: JP
Inventors: 正敏安武; 広幸秋永; 浩横山
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; SII NanoTechnology Inc
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Hitachi High Tech Science Corp
Priority date: 2001-12-28
Filing date: 2002-12-18
Publication date: 2008-06-04
Anticipated expiration: 2022-12-18
Also published as: US6817231B2; JP2003254887A; US20030172726A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、情報の伝達、記録、処理を行うエレクトロニクス素子の局所的性能評価を行う手法に関するものであり、産業分野としては走査型プローブ顕微鏡、回路試験用マイクロプローバー装置及びその探針などに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、インフォメーションテクノロジー（ＩＴ）革命という言葉がよく聞かれるようになった。これは、エレクトロニクス等の飛躍的な技術革新に支えられた情報産業のグローバリズムが実際のものとなりつつある現状を反映している。多量の情報を、送り、受け取り、蓄積し、そして必要な時に処理するためのエレクトロニクスがＩＴ革命の基盤技術として存在し、更なる技術革新を目指して激しい研究開発が全世界的に行われている。このような現状で、超高集積化されたエレクトロニクス素子の性能を評価する手法の開発は、日に日にその重要性を増してきている。たとえばメモリーセルや演算素子の動作状態を試験する目的で、従来方法として実際に回路に電圧を印加した状態で、複数のマイクロプローバーを配線に接触させて電流を検出し動作試験を行ったりしている。あるいは、非接触方法として回路にレーザーを照射し、レーザー光によって励起された電流を測定する光学的手段などが提案されている。しかし、最近の回路の微細化に伴い上記の方法とも素子内の線幅がO.1μmレベルになると、配線にマイクロプローバーを直接接触させることが困難になったり、レーザービームをO.1μmレベルに絞りこむことが著しく困難となってきている。
【０００３】
一方サブミクロンオーダー以下の微小部の電磁気情報の検出を可能にするものとしては例えば特許文献１（特許第３１４１５５５号）が提示されている。これは、所謂走査型プローブ顕微鏡に属するものであって、試料面の電磁気情報を検出する磁気力顕微鏡である。その構成は強磁性尖針をカンチレバーの先端に設ける手段、該強磁性尖針の一端に磁気抵抗（ＭＲ）素子を配置する手段、該カンチレバーの変位を検出する手段、磁気抵抗の変化を検出する手段、カンチレバーを特定の周波数で加振する手段、前記特定の周波数成分のカンチレバーの変位と磁気抵抗の変化を検出する手段、探針を試料面に沿って走査する手段を備えたもので、カンチレバーの変位より強磁性尖針の位置を試料表面上一定の高さに保持し、同時に磁気抵抗の変化より磁気情報を測定することにより試料表面の位置を正確に検出し、同一場所の試料面上の磁気抵抗の変化を検出することにより磁気情報を計測するという原理の走査磁気顕微鏡である。しかし、この装置は、上記微細化した配線に流れる電流の検出には感度が不十分であり、また検出部としてのＭＲ素子の集積と配線など、実際のカンチレバーの作成プロセスが煩雑になるという問題点がある。このような状況の中で、微細化した集積化回路の任意の部分で、実際に流れる電流値を測定し、かつその変化を空間的・時間的に分解して評価する方法の開発が望まれている。
【０００４】
【特許文献１】
特許第３１４１５５５号号公報
【特許文献２】
特表２００２−５１５５９２号公報
【非特許文献１】
東北大グループの研究論文「MAGNETMECHANICAL COUPLING AND VARIABLE DELAY CHARACTERISTICS BY MEAN OF GIANT ΔE EFECT IN IRON-RICH AMORPHOUS RIBBON」J.Appl. Phys. 49(3),March 1978,1718−1720
【非特許文献２】
東北大グループの研究論文「Magnetostrictive properties of sputtered binary Tb-Fe and pseudo-binary(Tb-Dy)-Fe alloy films」Journal of Magnetism and Magnetic Materials 171(1997)320−328
【非特許文献３】
R.Abbundiらの研究論文「ANOMALOUS THERMAL EXPANSION AND MAGNETOSTRICTION OF SIGNAL CRYSTAL Tb_0.27Dy_0.73Fe_２」IEEE Transactions on Magnetics Vol.MAG-13,No.5,September 1977,1519−1520
【非特許文献４】
東京大学の研究グループの研究論文「Magnetostriction of Fe-Ni Invar Alloys」JOURNAL OF THE SOCIETY OF JAPAN, Vol.44,No.4,APRIL,1978,1152−1157
【非特許文献５】
「New Fe-based soft magnetic alloys composed of ultrafine grain structure」J.Appl. Phys. 64(10),15 November 1988, 6044−6046
【非特許文献６】
「Nanocrystalling soft magnetic materials 」Journal of Magnetism and Magnetic Materials 112(1992),258−262
【非特許文献７】
「Heating rate dependence of magnetic properties for Fe-based nanocrystalline alloys 」Journal of Magnetism and Magnetic Materials 171(1997),300−304
【非特許文献８】
「The influence of refractory element additions on the magnetic properties and on the crystallization behaviour of nanocrystalline soft magnetic Fe-B-Si-Cu alloys 」Journal of Magnetism and Magnetic Materials 136(1994),79−87
【非特許文献９】
「The Influence ｏｆthe Si/B Content on the Microstructure and on the Magnetic Properties of Magnetically Soft Nanocrystalline FeBSi-CuNb Alloys 」Magnetically Soft Nanocrystalline Fe Bd.82(1991)H.12，895−901
【非特許文献１０】
「Effects of Al on the magnetic properties of nanocrystalline Fe_73.5Cu₁Nb₃Si_13.5B₉alloys 」J.Appl.Phys.73(10)，15 May 1993, 6591−6593
【非特許文献１１】
「Magnetostrictive properties of amorphous and nanocrystalline TbDyFe films with Nb and Zr additives 」Journal of Magnetism and Magnetic Materials 187(1998),17−22
【非特許文献１２】
「Magnetic and magnetostrictive properties in amorphous (Tb_0.27Dy_0.73)(Fe_1-xCo_x)₂ films 」J.Appl.Phys.87(2)，15 January 2000, 834−839
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その課題目的は、サブミクロンオーダー以下に微細化された回路内を流れる電流によって発生されるような微小な磁気信号を捉え、該回路を評価する方法とその装置並びにその際に用いられる探針を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明では、上記課題を解決するために、走査型プローブ顕微鏡のカンチレバーの探針部に、低磁場で大きな磁歪を示す超磁歪材料を付着させた構造とし、局所的な電流の変化による磁束の変化、あるいは磁性体の磁束を、該超磁歪材料の変位信号として捉えると共に、他方で局所的な試料表面の形状を走査型プローブ顕微鏡の機能で検出し、前記超磁歪材料の変位信号から磁束情報と形状情報を分離して画像化する走査型プローブ顕微鏡を提供する。超磁歪材料として、Fe_100- _ｘ _- _ｙSi_ｘB_ｙ（ここでｘは10、ｙは12程度の数）、Tb_1- _ｘDy_ｘFe_２（ここでｘは0.73程度の数）、Fe_100- _ｘNi（ここでｘは60乃至40）のいずれかの非晶質合金を選択する。
また、本発明の走査型プローブ顕微鏡用磁歪材探針の形成方法として、微細な円柱構造の探針先端部を基台とし、該基台上に磁歪材粒子をスパッタリング若しくは電子蒸着法によって指向性を持たせて飛着堆積させる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明は、微細化が進められているＬＳＩの回路機能の試験、特に回路内電流のチェックを行うことのできる手法を開発するため、プローブ顕微鏡の技術を適用することに想到した。ただ、トンネル顕微鏡のように探針の先端を試料面に近接させ、回路の導線等から電流を直接取出す方法ではなく、電流によって生じる磁束を高感度の磁歪材料によって検知する方法を採用するものである。
この発明の動作原理を図１を参照して説明する。１はカンチレバーであり、２はその先端部分に取り付けられた探針、３は光源、４はビームスポットの位置を二次元的に検出する光電センサーである。この３，４は鏡面として作用するカンチレバー１の背面と協働してカンチレバー１の変位検出機構として機能する。以上は一般のプローブ顕微鏡と同様の構成であるが、本発明のものは前記探針２の少なくとも一部を超磁歪材料によって構成する点に特徴を有する。試料のＬＳＩ５のリード配線部６に電流が流れているとそれによって右ネジの法則に従って磁束７が発生することになる。この発生磁界内に磁歪材料が存在すると、該磁歪材料は磁場変化の影響を受け変形する。探針２の先端はカンチレバー１に付与されている押圧力を受け試料表面に接触（近接）状態に維持されているので、前記磁歪材料の変形はカンチレバー１の変位量として前述の変位検出機構によって検出できる。ただし、このカンチレバー１の変位量には磁界の強さすなわち磁束密度情報の他、探針先端が位置する試料面自体の形状情報が重畳されている。そこで、本発明では通常のプローブ顕微鏡などの手段によって試料面自体の形状情報を別個取得するようにし、そのバイアス分を補償することで、磁束密度情報のみを得るようにする。この局所的情報を走査型顕微鏡によって映像化すれば、試料面の磁束密度分布情報を二次元的に捉えることができる。図に示した例はリードを流れる電流検知、すなわち断線部の検知などに利用できるが、これに限らず材料の磁区検査など部分部分の磁束変化を検知する試験には広く適用できる。
【０００８】
細密化されたＬＳＩ内回路の電流を検出するような場合には、発生磁界は探針の先端近傍に限定される。すなわち計測する磁界は極めて局部的なことになるため、探針全体がセンサーとして作用することはなく、探針先端部分を磁歪材料で形成すればよい。ただし、その場合にはカンチレバーの十分な変位量を得るために、弱い磁界で大きな変形をする高感度の磁歪材料、すなわち超磁歪材料を使用することが重要となる。また、センサーとしては磁場の強さに対し変形特性が線形である材料を使用することが望ましい。磁歪材料の一般的特性として、結晶構造を有するものは変形特性は大きいが異方性があって直線性が劣り、非晶質のものは直線性は良好であるが変形特性は小さいことが知られている中で、本発明者は超磁歪材料に関する過去の研究に示された物性データから、本発明に用いるセンサーの超磁歪材料として、Fe_100- _ｘ _- _ｙSi_ｘB_ｙ（ここでｘは10、ｙは12程度の数）、Tb_1- _ｘDy_ｘFe_２（ここでｘは0.73程度の数）、Fe_100- _ｘNi_ｘ（ここでｘは60乃至40）のいずれかの非晶質合金を選択することに想到した。
Fe₇₈Si₁₀B₁₂を特定した根拠は、同材料のアモルファスリボンが磁気機械結合係数を有し大きな電界効果が観察されたことを示した東北大グループの研究論文である非特許文献１を基に選定し、本発明に用いる超磁歪材料としての適性を確認したものである。
Tb_0.27Dy_0.73Fe_２を特定した根拠は、同合金が低い磁気結晶異方性エネルギーを持ち外部磁界に高感度で、大きな磁歪性を示すものとして紹介している東北大グループの研究論文である非特許文献２を基に選定し、本発明に用いる超磁歪材料としての適性を確認したものである。また、同論文に紹介されているTb₄₂Fe₅₈、(Tb_1- _ｘ-Dy_ｘ)₄₂-Fe₅₈ も本発明に用いる超磁歪材料としての適性を備えている。なお、ここでのｘは0.44程度とする。Tb_0.27Dy_0.73Fe_２についてはR.Abbundiらの研究論文である非特許文献３にも紹介されている。なお、ここで元素比率において程度で表現したものは±20％の幅を考えている。
Fe_100- _ｘNi_ｘ（ここでｘは60乃至40）を特定した根拠は、東京大学の研究グループの研究論文である非特許文献４に紹介された超磁歪材料としての物性、温度依存性が小さい物性に着目して選定し、本発明に用いる超磁歪材料としての適性を確認したものである。
この他、本発明に用いるセンサーの超磁歪材料として、結晶性の材料ではTbFe２の単結晶を使用出来る。この材料を特定した根拠は上記の非特許文献３に紹介された超磁歪材料としての物性、温度依存性が小さい物性に着目して選定し、本発明に用いる超磁歪材料としての適性を確認したものである。
【０００９】
なお、プローブに磁歪材料を採用した点で本発明と類似構成をもつ走査型プローブ顕微鏡が特許文献２に開示されている。当該発明はその明細書の記載から、顕微鏡および原子間力顕微鏡検査法にて使用されるカンチレバーの形態をした力感知プローブの構造に関するもので、原子間力顕微鏡を揺動モードにて作動させることが望ましいことがしばしばであることに鑑み、カンチレバーを高振動数にて振動させ、カンチレバーが表面に接近するときの該カンチレバーの振幅（又は位相）の変化を使用して、顕微鏡を制御するものであるとし、更にそのような顕微鏡を作動させるためには、磁気カンチレバーが必要とされるとし、「該発明の１つの好ましい実施の形態において、プローブは、上面及び底面を有し、該底面が該底面から下方に配置されたプローブの先端を有するカンチレバーを備えている。磁気歪み性材料から成る膜をカンチレバー構造体の上面又は底面の何れかに被覆することができる。１つの好ましい形態において、磁気歪み性材料は、カンチレバーの上面に被覆し、カンチレバーは、底面及びプローブ先端に配置された異なる材料の被覆を含む。好ましくは、該異なる材料もまた、磁気歪み性材料から成るものとする。」と記載されている。このことから判るように当該発明はカンチレバーを高振動数にて振動させるため、磁歪材料を用いるのに対し、本発明では磁気量を変位量に変換して検出するセンサーとして磁歪材料を用いる点でその技術的思想を全く異にする。すなわち、プローブの素材として磁歪材を使用する点で一見近似する技術のように見えるが、両者は基本的に別思想というべきである。
【００１０】
局部的な微弱磁界の変化を検出するセンサーとしては温度、湿度、酸化といった環境変化に影響されないことが望ましい。また、磁歪材料の結晶性が磁歪特性に影響を与えることは研究者には公知であり、様々な研究がなされているところであるが、走査型プローブ顕微鏡の探針材料としてFe_100- _ｘ _- _ｙSi_ｘB_ｙ（ここでｘは10、ｙは12程度の数）、Tb_1- _ｘDy_ｘFe_２（ここでｘは0.73程度の数）、Fe_100- _ｘNi_ｘ（ここでｘは60乃至40）といった非晶質合金の超磁歪材料を選択した本発明では、その磁化の大きさや異方性の制御、強磁性転移温度といった磁気的特性を調整、あるいは結晶成長条件の制御（結晶化温度の制御、粒径の制御）を、次に挙げるような元素を、超磁歪材料に添加することにより実行して探針材料として所望の特性を備えたものを得ることが出来る。
まず、Fe−Si−B系の超磁歪材料を用いた場合の添加物として銅CuやニオブNbを加えると結晶粒周辺に偏析を起こし、粒径が小さくなって、軟磁性体化と飽和磁束密度を高くすることができる。（非特許文献５，非特許文献６）また、同じ材料にバナジウムＶを添加すると温度を上げていったとき粒径が大きくなる。粒径が大きくなると保持力も大きくなることが知られている。（非特許文献７）バナジウムＶ、モリブデンMo、タングステンＷ、タンタルTa、ニオブNb、銅Cu元素の添加によりアモルファス／結晶転移温度が変化するという影響がある。またこれらの添加によって、Fe_３Si相の割合が増加すると、アモルファス相が安定する一方で磁歪も小さくなってしまう現象を伴うのでそのバランスが重要となる。（非特許文献８）メタロイド元素（Si，Ｂ）の比を変えた場合、アモルファス相では磁歪に変化はほとんどないが、結晶相の場合はSiが少ない方が磁歪は大きくなる。（非特許文献９）アルミニウムAlを添加すると異方性が小さくなる一方、磁歪が大きくなる。（非特許文献１０）
次にTb−Dy−Fe系についてであるが、ニオブNb、ジルコニウムZrを添加すると磁場感度や磁歪の大きさが多少変化することが知られている。（非特許文献１１）また、コバルトCoを添加することについて、Fe位置をCoで47％置換すると磁場感度が向上したという研究結果が報告されている。（非特許文献１２）
【００１１】
次ぎに、磁歪体探針の変位についてであるが、図２に示したようなシリコン探針の先端部に円柱（長さｌ，半径ｒ）状の磁歪体を形成した探針を考え、伸びの計算をする。外部磁界がＨとするとこの磁歪体の体積歪εｖは次式で表される。
εｖ＝ｄＶ／ｄＨ ‥‥‥‥（１）
また、この体積歪εｖはＺ軸方向の歪をεｚ、半径方向の歪をεｒとすると、
εｖ＝２εｒ＋εｚ ‥‥‥‥（２）
で表される。また、ポアソン比をνで表して上式を変形すると次式で表される。
εｚ＝εｖ／（１−２ν）‥‥‥‥（３）
原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）のカンチレバーは、Ｚ軸方向の変位を検出するから、Ｚ方向長さの変化λは
【数１】

従って、式（３）（４）より円柱の磁歪体探針の形状は、Ｚ軸方向の長さｌを半径ｒに比して大きな値とし、体積歪、ポアソン比の大きな磁歪体を採用すると大きなＺ変位信号が得られる。
【００１２】
円柱状の磁歪体探針を形成する手法について説明する。Ｚ軸方向の長さを長く形成するにはスパッタリングあるいは電子ビーム蒸着といった手段で磁歪材料を堆積させる方法が取られる。その際の基台となる探針は図３に示すように高アスペクト比のものであることが有利である。図３の左は集束イオンビーム装置のチャンバー内でシリコン針先端に有機金属あるいは有機炭素ガスを噴射させながらガリウムイオンビーム照射することにより、デポジション形成させた探針であり、右の図はシリコン先端部にカーボンナノチューブを取り付けたものである。このような探針先端部を基台として、図４に示すようにスパッタリングあるいは電子ビーム蒸着といった手段で磁歪材の粒子を指向性をもたせて飛着堆積させる。指向性を向上させる方法として、ターゲットと蒸着される探針の間にシャドーマスクを入れ、蒸着される磁歪体材料フラックスの指向性を高めるという手法がある。電子ビーム蒸着を用いる場合にも、同様なやりかたでそのフラックスの指向性を向上させることが可能である。
更に、磁歪体材料フラックスの指向性が高い場合には、図５に示すように複数の探針をアレイ配置し、その先端部に斜め方向から磁歪粒子を飛着させる斜め蒸着法で形成することが出来る。この方法は前方に配置された探針が影となり、探針の先端部分のみに磁歪体材料を蒸着させることができる。
【００１３】
（実施例１）
超磁歪材料を探針の少なくとも一部に用いた走査型プローブ顕微鏡の実施例装置を図６を参照しながら説明する。１はカンチレバーであり、その先端部に超磁歪材料を少なくとも一部に用いた探針２が備えられている。カンチレバー１の背面部にはレーザーダイオードを用いた光源３と、ＰＳＤ（ポジションセンシティブディテクター）を用いた二次元光電センサー４を配置する。ＬＳＩ等の試料５はピエゾ素子によって三次元的に駆動されるＸ，Ｙ，Ｚスキャナー８上に載置され、本実施例装置は該試料５の回路内リード６等に流れる交流電流を検出するものである。９は繰返し波形発生回路で、該回路９で発生された繰返し波形信号は前記試料５の回路に印加され、リード６に該交流信号が流れる。リード６を交流信号が流れることによりその周囲に繰返し波形信号に応じた交流磁場を形成する。前記探針２には少なくとも一部に超磁歪材料が用いられているので、該交流磁場内に存在する超磁歪材料はその影響により変形することになる。カンチレバー１は所定圧の押圧状態で探針２の先端を試料５の表面に接触させるようにしているので、超磁歪材料の該変形はカンチレバー１の変位となり、この変位は該カンチレバー１の背面を鏡面とした光テコの変位検出機構（光源３とＰＳＤ４）によって検出される。ただし、この変位量には今着目する繰返し波形信号に応じた交流磁場に基づく変位の他、試料５の表面形状情報が含まれている。
【００１４】
ＰＳＤ４によって検出された変位信号はプリアンプ10を介して増幅され、周波数弁別器11に入れられ、前記繰返し波形発生装置９で発生される周波数に対応する周波数の高い信号と、試料５の表面形状情報等に対応する周波数の低い信号に弁別される。周波数の低い信号は比較器12の一方の入力端子に入力され、他方の入力端子に入力されるSet信号と差演算される。このSet信号は、カンチレバー１の初期セット信号であって、この比較器12の出力としてカンチレバー１のスキャナー８の試料載置面に対して垂直方向（Ｚ方向）の変位成分が得られる。該信号はＺサーボ系13に入力され、検出された該垂直方向の変位成分をキャンセルするだけのピエゾ素子駆動信号を生成しスキャナー８のＺ駆動を実行させる。該スキャナー８のＺ駆動がなされることにより、試料５の表面位置はその分だけシフトされ、探針２を介したカンチレバー１の位置は変位検出機構を構成する光源３とＰＳＤ４に対して同一位置を維持することになる。すなわち、探針２、カンチレバー１、ＰＳＤ４、プリアンプ10、周波数弁別器11、比較器12、Ｚサーボ系13、スキャナー８、試料５からなるループは、所謂零位平衡方式のサーボ系を構成し、探針２の先端位置、カンチレバー１の位置を所定位置に保ち、試料との接触状態を一定に保つようにしている。
他方、前記Ｚサーボ系13からはカンチレバー１の前記垂直方向の変位成分の信号が出力されるが、これは試料５の表面位置信号Ｂである。この変位量には温度による試料５の寸法変化分が含まれることになるが、一般に計測時間内の温度変化に基づく変位変化は問題になることはない。
【００１５】
以上はＰＳＤ４の出力信号の低周波成分についての本装置の作動であるが、このＰＳＤ４の出力信号には前記繰返し波形発生装置９で発生される周波数に対応する周波数の高い信号成分が含まれている。この信号はリード６を繰返し波形信号が流れることによりその周囲に発生する交流磁場に基づく超磁歪材料の変形に起因するカンチレバー１の変位量である。この高周波信号は周波数弁別器11によって抽出され、ロックイン検出器11に送られる。このロックイン検出器11には先の繰返し波形発生回路９から繰返し波形信号が送られており、位相を同期させて繰返し波形信号に応じた交流磁場に基づく超磁歪材料の変形に対応する変位量をロックイン検出する。これがリード６を正常に繰返し波形信号が流れているか否かをチェックする検出信号Ａである。14はＸＹ走査電源であり、発生電圧をスキャナー８のピエゾ素子に印加しＸＹ駆動信号とする。これにより試料５の表面をＸＹ方向に変位させ検出信号の二次元的情報を得る。所謂走査型顕微鏡としての駆動機構である。この実施例の方式はＬＳＩ等の試料に高周波信号を印加することにより、検出する変位信号中の試料の形状情報を弁別出来る機能をもたせた点に特徴がある。
【００１６】
（実施例２）
次に、入力に高周波信号を使えないＬＳＩや素子の磁区検査など静的状況で使用する方式の実施例装置を図７に示し、説明する。カンチレバー１、探針２、光源３、ＰＳＤ４、プリアンプ10、比較器12、Ｚサーボ系、ＸＹ走査電源14を備えている点は先の実施例と同様である。本実施例では繰返し波形発生電源は用いず、代わりにライン切換え信号発生装置20とセンサーとしての超磁歪材料の変形を飽和させる外部コイル16とその電源17、信号切替器21とメモリ１メモリ２の18、19を備える。
本実施例の検査対象は静的な電磁場状態であるため、カンチレバー１の変位量として検出される信号から試料５の形状に基づく変位量を先の実施例のように周波数分離することはできない。そこで、この実施例では探針部の超磁歪材の変形を飽和させられるだけの磁場を形成する外部コイル16を配置し、外部コイル電源17によってこれを間欠的にＯＮ／ＯＦＦ制御するようにした。磁界が発生させられた状態ではセンサーである超磁歪材の変形は既に飽和状態であるから試料５が発生する磁束には無関係となる。すなわち、この状態で計測されたカンチレバー１の変位は試料５の表面の変位情報のみに依存するものとなる。他方外部コイル16に電流が流れていない状態では該コイル16からの発生磁界はなく、カンチレバー１の変位には先の実施例の場合と同様、試料５が発生する磁束に基づく超磁歪材の変形と試料５の表面の変位情報とが重畳されている。したがって、前者情報が試料形状情報にあたる信号Ｂであり、後者情報から前者情報を差演算することにより試料５の表面における局所的電磁場情報である信号Ａを得ることができる。信号Ａを得るカンチレバーと信号Ｂを得るカンチレバーを別個に備えるようにする単純な方法が考えられるが、本発明が対象としている超ＬＳＩのような試料は、観察画像領域が極めて狭いため、異なるプローブの検出値同士の位置合わせをすることがすこぶる困難である。したがって、本実施例では同じプローブを用い同じライン走査を繰り返すことで両検出値の位置対応の精度を確保するようにしたのである。
【００１７】
ライン切替信号発生装置20はスキャナー８による二次元走査に際し、１ライン（Ｘ方向）走査を２回実行させ、しかる後、ラインステップ（Ｙ方向）を実行させるタイミング信号を発生させるものである。このライン切替信号発生装置20からのタイミング信号を受けた外部コイル電源17は、１ライン走査における最初の走査時にはＯＦＦ状態となり、再度の走査時にはＯＮ状態となる。なお、この動作状態は最初の走査と再度の走査でＯＮ／０ＦＦが切り替わればよいのであって逆であってもよい。カンチレバー１の変位はＰＳＤ４によって検出され、検出信号はプリアンプ10を介して比較器12に送られる。信号は比較器12の一方の入力端子に入力され、他方の入力端子に入力されるSet信号と差演算される。このSet信号は、カンチレバー１の初期セット信号であって、この比較器12の出力としてカンチレバー１のスキャナー８の試料載置面に対して垂直方向（Ｚ方向）の変位成分が得られる。該信号はＺサーボ系13に入力され、検出された該垂直方向の変位成分をキャンセルするだけのピエゾ素子駆動信号を生成しスキャナー８のＺ駆動を実行させる。該スキャナー８のＺ駆動がなされることにより、試料５の表面位置はその分だけシフトされ、探針２を介したカンチレバー１の位置は変位検出機構を構成する光源３とＰＳＤ４に対して同一位置を維持することになる。これらの点は先の実施例のものと同様である。ただし、この実施例では零位平衡方式のサーボ系が、探針２、カンチレバー１、ＰＳＤ４、プリアンプ10、比較器12、Ｚサーボ系13、スキャナー８、試料５のループからなる。
【００１８】
ライン切替信号発生装置20からのタイミング信号は信号切替器21にも送られ、Ｚサーボ系13から出力されるＺ方向変位信号を最初のライン走査時には18のメモリ１に書き込ませ、再度の走査時には19のメモリ２に書き込ませるように切替動作する。この実施例では再度の走査時に外部コイル16がＯＮ、すなわちセンサーが飽和状態にあるから、メモリ１には試料５の表面における局所的電磁場情報である信号Ａが、メモリ２には試料形状情報にあたる信号Ｂがそれぞれ記憶蓄積される。再度のライン走査が終了したタイミングで信号切替器21からタイミング信号が発信され、ＸＹ走査電源に送られてラインステップ（Ｙ方向）を実行させる。
【００１９】
（実施例３）
入力に高周波信号を使えないＬＳＩや素子の磁区検査など静的状況で使用する方式の他の実施例装置を図８に示し、説明する。本実施例も実施例２と同様に探針部の超磁歪材の変形を飽和させられるだけの磁場を形成する外部コイル16を配置し、外部コイル電源17によってこれを間欠的にＯＮ／ＯＦＦ制御するようするものであるが、実施例２は間欠的なＯＮ／ＯＦＦ制御を１ライン走査のタイミングで実行するのに対し、本実施例は各局部情報毎、いわばピクセル毎に切替制御するものである。プローブが同じ位置にある状態で形状信号のみの検出信号と、該信号に試料の発生する磁束に起因する変位量とが重畳された両信号を検出する方式であることから、両信号の位置対応精度は更に高いものとなる。
【００２０】
外部コイル電源17による外部コイル16のＯＮ／ＯＦＦ制御は繰返し信号発生器9'から発生される正弦波若しくは矩形波によって行われる。この繰返し信号はピクセル走査（Ｘ方向）に対応するものであるから低周波であって、実施例１におけるもののように高い周波数ではない。負の信号を受けた外部コイル電源17は、１ライン走査における最初の走査時にはＯＦＦ状態となり、正の信号を受けた時にはＯＮ状態となる。なお、この動作状態はＯＮ／０ＦＦが切り替わればよいのであって逆であってもよい。カンチレバー１の変位はＰＳＤ４によって検出され、検出信号は実施例１と同様にプリアンプ10を介して周波数弁別器11に送られ、直流分が比較器12に、交流分がロックイン検出器15に送られる。直流信号は比較器12の一方の入力端子に入力され、他方の入力端子に入力されるSet信号と差演算される。このSet信号は、カンチレバー１の初期セット信号であって、この比較器12の出力としてカンチレバー１のスキャナー８の試料載置面に対して垂直方向（Ｚ方向）の変位成分が得られる。該信号はＺサーボ系13に入力され、検出された該垂直方向の変位成分をキャンセルするだけのピエゾ素子駆動信号を生成しスキャナー８のＺ駆動を実行させる。該スキャナー８のＺ駆動がなされることにより、試料５の表面位置はその分だけシフトされ、探針２を介したカンチレバー１の位置は変位検出機構を構成する光源３とＰＳＤ４に対して同一位置を維持することになる。これらの点は先の実施例のものと同様である。この実施例では零位平衡方式のサーボ系が、探針２、カンチレバー１、ＰＳＤ４、プリアンプ10、周波数弁別器11、比較器12、Ｚサーボ系13、スキャナー８、試料５のループからなる。
【００２１】
周波数弁別器11で弁別された交流分はロックイン検出器15に送られるが、このロックイン検出器15には繰返し信号発生器9'からの正弦波若しくは矩形波が入力されており、その信号が正又は負であるかによって18、19のメモリに切替えて周波数弁別器11からの検出信号を記憶させる。すなわち、その信号が負の時は外部コイル16に電流が流れていないので試料５から発生する局部磁束による超磁歪材料の変形情報と試料５の表面位置情報とが重畳した信号が検出されている期間であるので、信号Ａとして18のメモリ１に書き込ませる。また、その信号が正の時は外部コイル16に電流が流されているので超磁歪材料の変形は飽和しており、試料５の表面位置信号のみが検出されている期間であるので、信号Ｂとして19のメモリ２に書き込まれる。
なお、上記の実施例２と３では外部磁界発生手段として外部コイルを用いたが、本発明はこれに限る必然性は無く、要はセンサーとしての超磁歪材料の変形が飽和できればよいので適宜の磁界発生手段が使用できる。
【００２２】
【発明の効果】
本発明の超高感度電磁場検出用走査型プローブ顕微鏡は、プローブ顕微鏡の探針の少なくとも一部に、低磁場で大きな磁歪特性を示す超磁歪材料を用いるものであるから、微細化した集積化回路の任意の部分で、実際に流れる電流値を測定し、かつその変化を空間的・時間的に分解して評価することができる画期的なものである。しかも試料表面に被膜処理などがなされ回路部が直接露出していないものであっても、プローブの直接接触によって電流を取出すものではないので原理上検査が可能である。また、センサーとして磁気抵抗素子を用いるもののような感度不足、また検出部としてのＭＲ素子の集積と配線など、カンチレバーの作成プロセス上の煩雑さなどの問題点を解決した。
【００２３】
本発明の超高感度電磁場検出用走査型プローブ顕微鏡は、使用する超磁歪材料として、Fe_100- _ｘ _- _ｙSi_ｘB_ｙ（ここでｘは10、ｙは12程度の数）、Tb_1- _ｘDy_ｘFe_２（ここでｘは0.73程度の数）、Fe_100- _ｘNi（ここでｘは60乃至40）のいずれかの非晶質合金を選択することにより、高感度で線形の磁歪特性であるプローブセンサーを得ることができた。また、Ｎb、Ｃu、Ｖ、Ｍo、Ｗ、Ｔa、Ａl、Ｚr、Ｃoの元素のうち少なくとも一種類を、超磁歪材料に添加することにより磁化の大きさや異方性の制御、強磁性転移温度といった磁気的特性を調整、あるいは結晶成長条件の制御（結晶化温度の制御、粒径の制御）を、実行して走査型プローブ顕微鏡の探針材料として所望の特性を備えたものを得ることができる。
【００２４】
本発明の超高感度電磁場検出用走査型プローブ顕微鏡は、試料となる配線あるいは回路に繰り返し電流を流す手段と、その電流により生じる磁束により伸び縮みする前記超磁歪体の変位をカンチレバーの変位信号として検出する手段と、該検出信号を前記繰り返し電流周期で同期検波する手段とを備えることにより、形状信号と磁性試料や電流が一定に流れている試料の静的磁界による超磁歪体の変位情報と形状情報が重畳する信号とを同じプローブで同時並行的に検出できるため、検査手続が簡単な上両信号の位置合わせを行う必要が無い。
また、探針に使用される超磁歪材料の変形を飽和させることの出来る外部磁界発生手段と、該外部磁界発生手段を１ライン走査あるいは、１ピクセル毎にＯＮ／ＯＦＦ制御する手段と、１ライン走査あるいは、１ピクセル毎に検出信号を時分割する切替手段と、該時分割された信号の差演算を実行する手段とを備えた本発明の超高感度電磁場検出用走査型プローブ顕微鏡は、形状信号と磁性試料や電流が一定に流れている試料の静的磁界による超磁歪体の変位情報と形状情報が重畳する信号とを同じプローブで時分割的に検出するものであるが、少なくとも一方の走査位置は維持した状態で検査できるものであるため、上両信号の位置合わせ精度を高いものとすることが出来る。
【００２５】
本発明の走査型プローブ顕微鏡用磁歪材探針の形成方法は、微細な円柱構造の探針先端部を基台とし、該基台上に磁歪材粒子をスパッタリング若しくは電子蒸着法によって指向性を持たせて飛着堆積させることにより、円柱状の磁歪材の探針が形成でき、Ｚ軸方向の変位を大きく取り出すことができる。
また、ターゲットと蒸着される探針の間にシャドーマスクを入れる構成を採った本発明の走査型プローブ顕微鏡用磁歪材探針形成方法は、この構成により蒸着される磁歪体材料フラックスの指向性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のプローブの基本構造と検出原理を模式的に示した図である。
【図２】シリコン探針の先に円柱状の磁歪材料が形成されたモデルである。
【図３】磁歪粒子を飛着堆積させる基台となる探針先端の例を示す図である。
【図４】円柱状のデポジション構造体の先端部に磁歪粒子を飛着堆積させる方法を説明する図である。
【図５】斜め蒸着法により探針先端部に磁歪粒子を飛着堆積させる方法を説明する図である。
【図６】本発明の１実施例のシステム構成図である。
【図７】本発明の他の実施例のシステム構成図である。
【図８】本発明の更に異なる実施例のシステム構成図である。
【符号の説明】
１カンチレバー 11 周波数弁別器
２探針 12 比較器
３光源 13 Ｚサーボ系
４二次元光電センサー（ＰＳＤ） 14 ＸＹ走査電源
５試料 15 ロックイン検出器
６リード配線 16 外部コイル
７磁束 17 外部コイル電源
８ＸＹＺスキャナー 18，19 メモリ
９，9' 繰返し波形発生装置 20 ライン切替信号発生装置
10 プリアンプ 21 信号切替器

Claims

微細な探針つきカンチレバーで試料表面近傍を走査し、カンチレバーのたわみ信号より試料表面の形状、物性情報を得る走査型プローブ顕微鏡において、前記探針の少なくとも一部を低磁場で大きな磁歪特性を示す超磁歪材料により構成し、前記探針を前記試料表面に所定の圧力で押圧しながら試料表面を走査し、前記試料表面の形状変化及び前記超磁歪材料が前記試料表面の磁束により探針の試料対向方向に伸び縮みすることに起因する前記カンチレバーのたわみ信号を検出し、前記たわみ信号を前記試料表面の形状変化のみに対応する信号と前記試料表面の磁束により前記超磁歪材料が探針の試料対向方向に伸び縮みすることに起因する信号に分割し、前記試料表面の形状の状態と前記試料表面の局部における電磁場の状態を検出することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
超磁歪材料として、Fe100-ｘ-ｙSiｘBｙ、Tb1-ｘDyｘFe２、Fe100-ｘNiのいずれかの非晶質合金を選択することにより、探針が高感度で線形の磁歪特性を有することを特徴とする請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
超磁歪材料として、TbFe２の結晶性材料を選択することにより、探針が高感度で線形の磁歪特性を有することを特徴とする請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
超磁歪材料の磁気的特性を調整、あるいは結晶成長条件を制御するべく、Ｎb、Ｃu、Ｖ、Ｍo、Ｗ、Ｔa、Ａl、Ｚr、Ｃo元素の１種以上が前記超磁歪材料に添加されてなり、所望の特性を有する超磁歪材料となされていることを特徴とする請求項２又は３に記載の走査型プローブ顕微鏡。
試料となる配線あるいは回路に繰り返し電流を流す手段を有し、超磁歪材料が前記電流により生じる磁束により探針の試料対向方向に伸び縮みすることに起因するカンチレバーのたわみ信号を検出する手段と、該検出信号を前記繰り返し電流の周期で同期検波する手段とを備えた請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
探針の少なくとも一部を構成する超磁歪材料の磁束による変形を飽和させることの出来るだけの磁束を発生させる外部磁界発生手段と、該外部磁界発生手段を探針が試料表面を１ライン走査するあるいは、探針が１ピクセル移動する毎にＯＮ／ＯＦＦ制御する手段と、１ライン走査するあるいは、１ピクセル移動する毎に検出信号を時分割する切替手段と、該時分割された信号の差演算を実行する手段とを備えたものであって、外部磁界を印加することで超磁歪体の変位を飽和させた状態で検出した形状信号を、外部磁界をオフにした状態で検出した、磁性試料や電流が一定に流れている試料の静的磁界による超磁歪体の変位が形状情報に重畳する信号から差演算することで試料の静的磁界による信号を抽出することを特徴とする請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。