JPH11311628A - Displacement detection probe, position measuring device and position control device having the same - Google Patents
Displacement detection probe, position measuring device and position control device having the sameInfo
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Landscapes
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、走査型プローブ顕
微鏡等の測定器やそれを用いた微細加工機、あるいは超
高密度記録再生装置等に用いられる、変位検出プローブ
と、該プローブを有する位置測定装置及び位置制御装置
に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a displacement detection probe used for a measuring instrument such as a scanning probe microscope or the like, a fine processing machine using the same, or an ultra-high density recording / reproducing apparatus, and a position having the probe. The present invention relates to a measuring device and a position control device.
【0002】[0002]
【従来の技術】近年、探針と試料とを接近させ、その時
に生じる物理現象(トンネル現象、原子間力等)を利用
して、物質表面及び表面近傍の電子構造を直接観察でき
る走査型プローブ顕微鏡(以下SPMと略す)が開発さ
れ、単結晶、非晶質を問わず様々な物理量の実空間像を
高い分解能で測定できるようになっている。産業分野に
おいては、近年、SPMの原子あるいは分子サイズの高
分解能を有する原理に着目し、特開昭63−16155
2号公報および特開昭63−161553号公報に開示
されているように、媒体に記録層を用いることによる情
報記録再生装置への応用、実用化が精力的に進められて
いる。2. Description of the Related Art In recent years, a probe is brought closer to a sample, and a physical probe (tunnel phenomenon, atomic force, or the like) generated at that time is used to directly observe a material surface and an electronic structure near the surface. Microscopes (hereinafter abbreviated as SPMs) have been developed, and real-space images of various physical quantities, whether single-crystal or amorphous, can be measured with high resolution. In the industrial field, in recent years, attention has been paid to the principle of high resolution of the atomic or molecular size of SPM and disclosed in JP-A-63-16155.
As disclosed in Japanese Patent Publication No. 2 and JP-A-63-161553, application and practical application to an information recording / reproducing apparatus by using a recording layer in a medium have been energetically advanced.
【0003】また、近年の半導体プロセス技術の進歩に
伴って、VLSI等のデバイスの高密度化が進んでい
る。そのような中でデバイスやプロセスの作製および評
価を大面積で行うことが必要となっており、そのひとつ
の技術としてSPMが用いられるようになってきてい
る。しかしながらSPMは分解能は高いものの、大面積
に観察するには1本のプローブでは時間がかかり過ぎて
現実的ではなかった。そこで、プローブを複数本にして
並列処理(マルチ化)で観察を行うことが検討されてい
る。また、近年のプロセス技術の進歩により、この様な
プローブを半導体プロセスによって同一基板上に複数個
作り込むことも比較的簡単に行なえる様になってきた。Further, with the recent progress of semiconductor process technology, the density of devices such as VLSI is increasing. Under such circumstances, it is necessary to fabricate and evaluate devices and processes in a large area, and SPM has been used as one of the techniques. However, although the resolution of SPM is high, it takes too much time for one probe to observe a large area, and it is not practical. Therefore, it has been studied to use a plurality of probes to perform observation by parallel processing (multiplication). In addition, due to recent advances in process technology, it has become relatively easy to form a plurality of such probes on the same substrate by a semiconductor process.
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】上記のような記録再生
システムや観察システムを構築する場合、例えば、記録
再生システムの場合には転送レートを向上させるため、
観察システムの場合においては大面積(ウェハ単位)で
評価する必要上、数百本から数千本程度のプローブを平
面上に並べる必要がある。また、これら2次元に並んだ
すべてのプローブが試料基板と相互作用を起こすことが
できる距離に合わせるには、基板表面とプローブを作り
込んだ基板の距離制御が必要不可欠である。そのために
は、例えばプローブ基板上にプローブ基板と試料基板と
の距離を測定するための測定機構を複数個所設け、その
距離をフィードバック制御によって一定に保つようにす
ることが必要である。しかしながら、そのような距離測
定を複数点で同時に行う場合に、従来から用いられてい
る光てこ方式のAFMでは、光検出系を複数構成させる
ことが必要であり、系が非常に複雑かつ大きなものとな
ってしまい、集積化等には向かないという点に問題があ
る。When a recording / reproducing system or an observation system as described above is constructed, for example, in the case of a recording / reproducing system, in order to improve a transfer rate,
In the case of an observation system, it is necessary to evaluate a large area (wafer unit), and it is necessary to arrange several hundred to several thousand probes on a plane. In addition, in order to match the distance at which all of these two-dimensionally arranged probes can interact with the sample substrate, it is essential to control the distance between the substrate surface and the substrate on which the probe is formed. For this purpose, for example, it is necessary to provide a plurality of measurement mechanisms for measuring the distance between the probe substrate and the sample substrate on the probe substrate, and to keep the distance constant by feedback control. However, when such distance measurement is performed simultaneously at a plurality of points, it is necessary to configure a plurality of photodetection systems in the optical lever type AFM conventionally used, and the system is very complicated and large. Therefore, there is a problem in that it is not suitable for integration or the like.
【0005】そこで、本発明は、上記課題を解決し、簡
単な構造によって、集積化に適した検出系を構成するこ
とが可能な変位検出プローブと、該プローブを用いて変
位検出や変位制御が高精度に行うことができ、他の機能
性プローブとの混在等による系の複雑化に簡単に対応す
ることができる位置測定装置及び位置制御装置を提供す
ることを目的としている。Accordingly, the present invention solves the above-mentioned problems, and provides a displacement detection probe capable of forming a detection system suitable for integration with a simple structure, and a displacement detection and displacement control using the probe. An object of the present invention is to provide a position measuring device and a position control device which can be performed with high accuracy and can easily cope with complication of a system due to mixing with other functional probes.
【0006】[0006]
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を達
成するため、変位検出プローブと、該プローブを有する
位置測定装置及び位置制御装置を、つぎのように構成し
たことを特徴とするものである。すなわち、本発明のプ
ローブは、変位検出系を備えたプローブであって、該変
位検出系がプローブの温度変化に伴って抵抗値が変化す
る抵抗体で構成されていることを特徴としている。ま
た、本発明のプローブは、前記プローブが半導体で構成
されていることを特徴としている。また、本発明のプロ
ーブは、前記プローブがピエゾ抵抗体で構成されている
ことを特徴としている。また、本発明のプローブは、前
記プローブが白金抵抗体で構成されていることを特徴と
している。また、本発明の位置測定装置は、上記した本
発明のいずれかのプローブと、該プローブの抵抗体の抵
抗値を測定する抵抗測定手段とを有し、該抵抗測定手段
により測定された該プローブの抵抗値によって、該プロ
ーブとそれに対向する基板の間の距離を求めることを特
徴としている。また、本発明の位置制御装置は、上記し
た本発明のいずれかのプローブと、該プローブの抵抗体
の抵抗値を測定する抵抗測定手段とを有し、該抵抗測定
手段によって測定された該プローブの抵抗値を参照し
て、該プローブとそれに対向する基板の間の距離を一定
に制御することを特徴としている。In order to achieve the above object, the present invention is characterized in that a displacement detection probe and a position measuring device and a position control device having the probe are configured as follows. It is. That is, the probe of the present invention is a probe provided with a displacement detection system, wherein the displacement detection system is constituted by a resistor whose resistance value changes with a change in temperature of the probe. Further, the probe of the present invention is characterized in that the probe is made of a semiconductor. Further, the probe of the present invention is characterized in that the probe is constituted by a piezoresistor. Further, the probe of the present invention is characterized in that the probe is formed of a platinum resistor. Further, a position measuring device according to the present invention includes any one of the above-described probes according to the present invention, and resistance measuring means for measuring a resistance value of a resistor of the probe, and the probe measured by the resistance measuring means. The distance between the probe and the substrate facing the probe is determined by the resistance value of the probe. Further, the position control device of the present invention includes any one of the above-described probes of the present invention, and resistance measuring means for measuring a resistance value of a resistor of the probe, and the probe measured by the resistance measuring means. Is characterized in that the distance between the probe and the substrate facing the probe is controlled to be constant with reference to the resistance value.
【0007】[0007]
【発明の実施の形態】本発明は、上記した簡単な構成の
変位検出プローブを用いることにより、該抵抗測定手段
の出力値によって試料基板と該抵抗体レバーとの間隔を
検出することができ、また、その検出された値を用いて
フィードバック制御により試料基板と該抵抗体レバーと
の間隔を制御することができる。したがって、本発明は
これらの構成によって、高精度に距離測定用レバーと試
料基板の間隔の検出、あるいは間隔の制御を行なうこと
ができる。According to the present invention, the distance between the sample substrate and the resistor lever can be detected by the output value of the resistance measuring means by using the displacement detecting probe having the above-described simple structure. Further, the distance between the sample substrate and the resistor lever can be controlled by feedback control using the detected value. Therefore, according to the present invention, the distance between the distance measuring lever and the sample substrate can be detected with high accuracy, or the distance can be controlled with high precision.
【0008】[0008]
【実施例】以下に、本発明の実施例について説明する。 [実施例1]図1は、本発明の実施例1における本発明
のプローブを用いた位置測定装置及び位置制御装置の構
成の概略を示す図である。101がピエゾ抵抗を用いた
変位系を備えた変位検出プローブで片持ち梁構造をして
いる。構造の詳細は後述する。このプローブの電気抵抗
値の変化は接続された抵抗測定部107によって測定さ
れる。後述するがこの測定値は基板102とプローブと
の距離を表しているため、その値を用いて後段の制御部
106は接近制御部108の動作を制御する。接近制御
部108はアクチュエータ(本実施例の場合にはプロー
ブ側に積層型圧電アクチュエータを用いた)を持ってお
り、試料基板102とプローブの距離を実際にアクチュ
エータを駆動させることによって決めている。本実施例
では制御方法としてはコンベンショナルなPID制御を
用いた。ステージ103は、走査信号生成部106から
出る走査信号をアンプ104を通してステージのアクチ
ュエータ(本実施例の場合には積層型圧電アクチュエー
タを用いた)に駆動信号として印加することによって走
査される。走査信号生成部105は制御部106によっ
てその掃引幅設定、掃引速度設定や指定場所への位置決
め制御等がされている。Embodiments of the present invention will be described below. [Embodiment 1] FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a position measuring device and a position control device using a probe of the present invention in Embodiment 1 of the present invention. Reference numeral 101 denotes a displacement detection probe having a displacement system using a piezoresistor, which has a cantilever structure. Details of the structure will be described later. The change in the electric resistance value of the probe is measured by the connected resistance measuring unit 107. As will be described later, since this measured value indicates the distance between the substrate 102 and the probe, the control unit 106 in the subsequent stage controls the operation of the approach control unit 108 using the measured value. The approach control unit 108 has an actuator (in this embodiment, a stacked piezoelectric actuator is used on the probe side), and determines the distance between the sample substrate 102 and the probe by actually driving the actuator. In this embodiment, conventional PID control is used as a control method. The stage 103 is scanned by applying a scanning signal output from the scanning signal generation unit 106 to a stage actuator (in this embodiment, a laminated piezoelectric actuator is used) as a drive signal through an amplifier 104. The scanning signal generation unit 105 is controlled by the control unit 106 to set the sweep width, set the sweep speed, and control the positioning to a designated place.
【0009】図2に図1の変位検出プローブ101の具
体的構造を示す。プローブ101は片持ち梁で先端に探
針201が付いている。このプローブはnタイプのSi
基板にpタイプのピエゾ抵抗体204を形成しレバーに
したもので、その構造は下図に示すようになっている。
このプローブの作製方法については特開平5−1964
58号公報に開示されているSOI基板を用いたプロセ
スと同様のものを用いて形成した。203が基板及び片
持ち梁アーム、204がピエゾ抵抗体、201は探針、
205は絶縁体保護層、202は金属配線パターンであ
る。Hは片持ち梁の実効的な長さ、Wは実効的な幅の1
/2、Hはレバーの厚さを示している。この大きさによ
ってレバーの機械特性(弾性定数や共振周波数)が変化
すると共に、ピエゾ抵抗の大きさにも影響を与える。本
実施例で使用したプローブはW=20μm、L=50μ
m、H=2μmで、ピエゾ抵抗体の厚さ=0.2μm、
応力が働かない場合の抵抗値Rinit=14kΩ(プロー
ブ間ばらつき0.01%)であった。また、探針の高さ
は2μmで、レバー全体の共振周波数はフリー撓みの1
次のモードで120kHzであった。FIG. 2 shows a specific structure of the displacement detection probe 101 shown in FIG. The probe 101 is a cantilever and has a probe 201 at the tip. This probe is an n-type Si
A p-type piezoresistor 204 is formed on a substrate to form a lever, and the structure is as shown in the figure below.
The method of manufacturing this probe is described in JP-A-5-1964.
No. 58 was formed using the same process as that using an SOI substrate. 203 is a substrate and a cantilever arm, 204 is a piezoresistor, 201 is a probe,
205 is an insulator protection layer, and 202 is a metal wiring pattern. H is the effective length of the cantilever, W is the effective width of 1
/ 2, H indicate the thickness of the lever. The magnitude changes the mechanical properties (elastic constant and resonance frequency) of the lever and also affects the magnitude of the piezoresistance. The probe used in this example is W = 20 μm, L = 50 μ
m, H = 2 μm, piezoresistor thickness = 0.2 μm,
The resistance value R init when no stress was applied was 14 kΩ (fluctuation between probes: 0.01%). The height of the probe is 2 μm, and the resonance frequency of the entire lever is 1
It was 120 kHz in the next mode.
【0010】このようなプローブを用いて変位を抵抗で
測定するには、ブリッジ回路を用いることができる。そ
れは図7に示すようなもので、測定したい抵抗値(R
s)の変化をA点とB点の電位差の変化によって測定し
ようというものである。A・B点の間の電位差は後段の
差動増幅器によって必要な倍率まで増幅されて検出され
るが、この際、十分な倍率を得るためには初期状態(プ
ローブが抵抗変化を起こしていない状態)においてA・
B点の間の電位差がゼロであることが望ましい。実際の
測定の場合には図3のように抵抗変化を測定する抵抗体
をブリッジに挿入して行う。In order to measure displacement by resistance using such a probe, a bridge circuit can be used. It is as shown in FIG. 7, and the resistance value (R
The change in s) is to be measured by the change in the potential difference between points A and B. The potential difference between the points A and B is detected by being amplified to a required magnification by a differential amplifier at the subsequent stage. At this time, in order to obtain a sufficient magnification, an initial state (a state in which the resistance does not change in the probe). A)
It is desirable that the potential difference between the points B is zero. In the case of actual measurement, a resistor for measuring a resistance change is inserted into a bridge as shown in FIG.
【0011】さて、このようなプローブを用いて位置検
出を行う原理を示す。抵抗体は熱によってその抵抗値を
変化させることができるが、その変化は抵抗体の物質に
よって特性が異なる。抵抗体が金属抵抗等の場合は温度
の上昇によって抵抗値は上昇する。これは、温度の上昇
によって格子振動がより激しくなり、電流である電子の
走行を妨害するタイプである。一方で半導体等の場合に
は温度の上昇によってキャリアである電荷の量が増加す
るために電流が流れやすくなる熱活性タイプとなる。本
実施例で用いるプローブの抵抗体はP型半導体であるた
めに後者の熱活性の現象が支配的に起こるものと考えら
れる。すなわち、プローブの温度上昇によって、ピエゾ
抵抗体の抵抗値は小さくなる方向に変化を起こす。Now, the principle of performing position detection using such a probe will be described. The resistance of the resistor can be changed by heat, and the change depends on the material of the resistor. When the resistor is a metal resistor or the like, the resistance value increases as the temperature increases. This is a type in which lattice vibration becomes more intense due to a rise in temperature, and impedes the movement of electrons, which are current. On the other hand, in the case of a semiconductor or the like, since the amount of charge as a carrier increases due to a rise in temperature, a heat-active type in which current easily flows is used. Since the resistor of the probe used in this embodiment is a P-type semiconductor, it is considered that the latter phenomenon of thermal activation occurs predominantly. That is, the resistance value of the piezoresistor changes in the direction of decreasing with the temperature rise of the probe.
【0012】一方、レバーはその抵抗値の測定のために
電流が流れており、そのジュール熱によって発熱してい
る。本実施例で使用したプローブの場合、抵抗測定に3
50μA程度を流しており大気中で付近に何も吸熱物質
が無い場合は約50℃付近まで上昇する。しかしなが
ら、近くに導体等の吸熱物質がある場合にはその物質に
近づくにつれてレバー温度の平衡点は変化し、したがっ
て抵抗値も変化する。実際にプローブを試料に接近させ
た場合の抵抗値変化を図4に示す。横軸であるプローブ
位置はグラフ右に行くほどプローブに接近する方向であ
る。抵抗値は距離変化に応じて徐々に変化している。こ
れは、レバーが基板に接近することにより温度の低下が
起って抵抗値が上昇したものである。また、プローブ位
置を試料基板に近づけていくと距離L0で大きく変化す
る。この点は、プローブの先端に配置されている探針が
試料基板に接触してレバーが撓んだことにより、大きな
抵抗変化を生じたためである。On the other hand, a current flows through the lever for measuring its resistance value, and the lever generates heat by Joule heat. In the case of the probe used in this embodiment, 3
When a current of about 50 μA flows and there is no endothermic substance in the air, the temperature rises to about 50 ° C. However, when there is an endothermic substance such as a conductor nearby, the equilibrium point of the lever temperature changes as the substance is approached, and therefore the resistance value also changes. FIG. 4 shows a change in resistance value when the probe is actually brought close to the sample. The probe position on the horizontal axis is a direction approaching the probe as going to the right of the graph. The resistance value changes gradually according to the change in distance. This is because when the lever approaches the substrate, the temperature decreases and the resistance value increases. Further, greatly changes the probe position at a distance L 0 when moved toward the sample substrate. This is because the probe disposed at the tip of the probe comes into contact with the sample substrate and the lever is bent, causing a large change in resistance.
【0013】次にこの信号変化から位置の測定を行う。
位置を測定するには図4に示す特性をレバーに応じて予
め測定しておき、接触点L0の位置からの抵抗変化を見
て距離を決定する。接触点L0を基準としての変位量と
抵抗値の変化は、レバーの熱容量に比べて基板のそれの
方が非常に大きいために基板の温度変化は無視できるほ
ど小さく、したがってレバーや基板の材質、形状、作成
方法、及び雰囲気のみによって決まるもので、また反対
にそれらが一定の場合には再現性の良い特性が得られ
る。Next, the position is measured from this signal change.
Positioned to measure the measured in advance in accordance with the lever characteristics shown in FIG. 4, to determine the distance to look at the resistance change from the position of the contact point L 0. Change of displacement and resistance value as a reference contact point L 0 is smaller as the temperature change of the substrate can be neglected due to very larger that of the substrate as compared to the heat capacity of the lever, therefore the lever and the material of the substrate , Shape, method of preparation, and atmosphere alone, and conversely, if they are constant, characteristics with good reproducibility can be obtained.
【0014】予め測定する抵抗−変位特性は本発明の系
と全く同様の系で測定できるが、その際、駆動機構であ
る圧電素子のクリープ現象を抑えるために変位量設定後
に十分な時間をとって抵抗を測定することと、振動など
の外部からのノイズを抑えるために除振台や防音室等を
用いて測定することである。しかしながら、測定点は連
続である必要はなく、離散的に測定して曲線で近似する
ことも可能である。特性測定後、実際の距離測定の手順
は、まず接近機構によってプローブと基板を接近させて
接触点L0の抵抗値R0を求める。プローブを測定したい
位置に持ってきて抵抗値R1を測定する。これによって
図4に示すΔRが求まるため、特性曲線からΔLが求め
られる。位置L0は測定済なので、L1の位置が求められ
た。The resistance-displacement characteristic to be measured in advance can be measured by a system exactly the same as the system of the present invention. In this case, it is necessary to take a sufficient time after setting the amount of displacement in order to suppress the creep phenomenon of the piezoelectric element as the driving mechanism. To measure the resistance, and to measure by using a vibration isolation table, a soundproof room, or the like to suppress external noise such as vibration. However, the measurement points need not be continuous, but can be measured discretely and approximated by a curve. After the characteristic measurement, the procedure of the actual distance measurement is as follows. First, the probe and the substrate are approached by the approach mechanism, and the resistance value R 0 of the contact point L 0 is obtained. Bring to a position to be measured a probe for measuring the resistance R 1. As a result, ΔR shown in FIG. 4 is obtained, and thus ΔL is obtained from the characteristic curve. Since the position L 0 has been measured, the position of L 1 was determined.
【0015】[実施例2]実施例2では、実施例1で用
いた構成を用いて、位置制御を行った。まず実施例1に
おけると同様に、プローブと試料基板の位置を設定す
る。すなわち、プローブと基板の接触点(図4における
L0)から、設定したい距離を表す抵抗値を設定しその
抵抗値になるように図1の制御部106によって圧電駆
動素子に駆動信号を印加する。本実施例ではPID制御
によってプローブ試料基板間の距離を制御した。[Second Embodiment] In the second embodiment, the position control is performed using the configuration used in the first embodiment. First, the positions of the probe and the sample substrate are set as in the first embodiment. That is, a resistance value representing a desired distance is set from a contact point (L 0 in FIG. 4) between the probe and the substrate, and a drive signal is applied to the piezoelectric drive element by the control unit 106 in FIG. . In this embodiment, the distance between the probe sample substrates was controlled by PID control.
【0016】本発明の系は従来のAFMの系も加えるこ
とが可能であるため、例えばレーザ光による干渉により
プローブの変位が測定できる別な系を用意して測定した
場合、変動は1nm以下となっており、この変動はΔL
が10μm程度まで維持されていた。これより高い精度
で位置固定が可能であることがわかった。またこの光に
よる測定の際、レーザはレバーの温度上昇を起こさない
ように光パルスとして照射して位置測定を行った。Since the system of the present invention can also add a conventional AFM system, when a different system capable of measuring the displacement of the probe due to interference by a laser beam is prepared and measured, for example, the fluctuation is 1 nm or less. And this variation is ΔL
Was maintained up to about 10 μm. It was found that the position can be fixed with higher accuracy than this. In the measurement using this light, the position was measured by irradiating the laser as a light pulse so as not to raise the temperature of the lever.
【0017】[実施例3]実施例3では、位置検出プロ
ーブを白金抵抗体によって構成した。図1に示すブロッ
ク図と全く同様の構成を用いている。プローブの構成は
図5に示したもので、603が基板及び片持ち梁アーム
部(Si)、604が白金抵抗体、601は探針(A
u)、602は金属配線パターン(Al)である。Hは
片持ち梁の実効的な厚さ、Wは実効的な幅の1/2、L
は実効的な長さを示している。これらの大きさ・材質に
よってこの梁の機械的な特性が決まる。梁はレバーが試
料基板に接触した際の試料基板へのダメージを小さくす
るために、弾性定数が小さなものが必要である。本実施
例ではW=20μm、H=2μm、L=50μmのもの
を用いた。また、白金抵抗体(604)の厚さは500
Åでスパッタによって形成した。抵抗値は室温で1.2
kΩを示した。[Embodiment 3] In the embodiment 3, the position detecting probe is constituted by a platinum resistor. The configuration is exactly the same as that of the block diagram shown in FIG. The configuration of the probe is as shown in FIG. 5, where 603 is a substrate and a cantilever arm (Si), 604 is a platinum resistor, and 601 is a probe (A).
u) and 602 are metal wiring patterns (Al). H is the effective thickness of the cantilever, W is の of the effective width, L
Indicates the effective length. The mechanical properties of this beam are determined by these sizes and materials. The beam needs to have a small elastic constant in order to reduce damage to the sample substrate when the lever comes into contact with the sample substrate. In the present embodiment, the one having W = 20 μm, H = 2 μm, and L = 50 μm was used. The thickness of the platinum resistor (604) is 500
Å was formed by sputtering. Resistance is 1.2 at room temperature
kΩ.
【0018】上記のレバーを用いて変位を抵抗で測定す
る際には、実施例1と同様にブリッジ回路を用いた。こ
の際、レバーには10Vの電圧で830μAの電流が流
れ、レバー温度は、常温大気中で付近に吸熱体等が無い
場合に約80℃であった。白金抵抗は金属抵抗であるの
で温度上昇と共に抵抗率が上昇する。実施例1と同様に
レバーと基板の距離による熱平衡の変化によってレバー
が温度変化を起こすために、プローブと基板の距離に応
じて抵抗値が変化する。変化の一例を図6に示す。横軸
であるプローブ位置はグラフ右へ行くほどプローブに接
近する方向である。When the displacement was measured by resistance using the lever described above, a bridge circuit was used as in the first embodiment. At this time, a current of 830 μA flowed through the lever at a voltage of 10 V, and the lever temperature was about 80 ° C. in the normal temperature atmosphere when there was no heat absorber near the lever. Since the platinum resistance is a metal resistance, the resistivity increases as the temperature increases. As in the first embodiment, since the temperature of the lever changes due to the change in thermal equilibrium due to the distance between the lever and the substrate, the resistance value changes according to the distance between the probe and the substrate. FIG. 6 shows an example of the change. The probe position on the horizontal axis is a direction approaching the probe as going to the right of the graph.
【0019】次に、実施例1と同様にこの信号変化から
位置の測定を行なうことができる。実施例1と同様に図
6に示す特性測定後、実際の距離測定を行う。まず接近
機構によってプローブと基板を接近させて接触点L0の
抵抗値R0を求める。プローブを測定したい位置に持っ
てきて抵抗値R1を測定する。これによって図6に示す
ΔRが求まるため、特性曲線からΔLが求められる。位
置L0は測定済なので、L1の位置が求められた。Next, as in the first embodiment, the position can be measured from this signal change. After the characteristic measurement shown in FIG. 6 as in the first embodiment, an actual distance measurement is performed. First, the probe and the substrate are brought close to each other by the approach mechanism, and the resistance value R 0 at the contact point L 0 is obtained. Bring to a position to be measured a probe for measuring the resistance R 1. As a result, ΔR shown in FIG. 6 is obtained, and thus ΔL is obtained from the characteristic curve. Since the position L 0 has been measured, the position of L 1 was determined.
【0020】[実施例4]実施例4では、実施例3で用
いた構成を用いて、位置制御を行った。まず実施例1に
おけると同様に、プローブと試料基板の位置を設定す
る。すなわち、プローブと基板の接触点(図6における
L0)から、設定したい距離を表す抵抗値を設定しその
抵抗値になるように図1の制御部110によって圧電駆
動素子に駆動信号を印加する。本実施例ではPID制御
によってプローブ試料基板間の距離を制御した。本発明
の系は従来のAFMの系も加えることが可能であるた
め、例えばレーザ光による干渉によりプローブの変位が
測定できる別な系を用意して測定した場合、変動は0.
5nm以下となっており、この変動はΔLが10μm程
度まで維持されていた。これより高い精度で位置固定が
可能であることがわかった。またこの光による測定の
際、レーザはレバーの温度上昇を起こさないように光パ
ルスとして照射して位置測定を行った。[Embodiment 4] In Embodiment 4, the position control is performed using the configuration used in Embodiment 3. First, the positions of the probe and the sample substrate are set as in the first embodiment. That is, a resistance value indicating a desired distance is set from a contact point (L 0 in FIG. 6) between the probe and the substrate, and a drive signal is applied to the piezoelectric drive element by the control unit 110 in FIG. . In this embodiment, the distance between the probe sample substrates was controlled by PID control. Since the system of the present invention can add a conventional AFM system, for example, when another system that can measure the displacement of the probe due to interference by laser light is prepared and measured, the fluctuation is 0.
This variation was 5 nm or less, and this variation was maintained until ΔL was about 10 μm. It was found that the position can be fixed with higher accuracy than this. In the measurement using this light, the position was measured by irradiating the laser as a light pulse so as not to raise the temperature of the lever.
【0021】[0021]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によるとプ
ローブを温度変化に伴って抵抗値が変化する抵抗体で構
成することにより、簡単な構造によって、集積化に適し
た検出系を構成することができ、該プローブを用いて2
つの面を平行に保つ等の複数プローブによる変位検出や
変位制御を高精度に行うことができ、また、他の機能性
プローブとの混在等による系の複雑化に簡単に対応する
ことができる位置測定装置及び位置制御装置を実現する
ことができる。As described above, according to the present invention, by forming the probe with a resistor whose resistance value changes with a temperature change, a detection system suitable for integration can be formed with a simple structure. Can be performed using the probe.
A position that can perform displacement detection and displacement control with multiple probes, such as keeping two surfaces parallel, with high accuracy, and can easily cope with complication of the system due to mixing with other functional probes. A measuring device and a position control device can be realized.
【図1】実施例1において用いた位置測定及び位置制御
装置の構成の該略図。FIG. 1 is a schematic diagram of a configuration of a position measurement and position control device used in a first embodiment.
【図2】ピエゾ抵抗変位検出プローブの構造及び外形
図。FIG. 2 is a structure and an external view of a piezoresistive displacement detection probe.
【図3】抵抗測定回路の該略図。FIG. 3 is a schematic diagram of a resistance measurement circuit.
【図4】検出される抵抗値の距離依存曲線。FIG. 4 is a distance-dependent curve of a detected resistance value.
【図5】白金変位検出プローブの構造及び外形図。FIG. 5 is a structure and an outline view of a platinum displacement detection probe.
【図6】検出される抵抗値の距離依存曲線。FIG. 6 is a distance-dependent curve of a detected resistance value.
【図7】ブリッジ回路による試料抵抗の測定を説明する
図。FIG. 7 is a view for explaining measurement of a sample resistance by a bridge circuit.
101:変位検出プローブ 102:基板 103:ステージ 104:アンプ 105:走査信号生成部 106:制御部 107:抵抗測定部 108:接近制御部 201:探針 202:金属配線パターン 203:片持ち梁アーム 204:ピエゾ抵抗体 205:絶縁体保護層 601:探針 602:金属配線パターン 603:片持ち梁アーム 604:白金抵抗体 101: Displacement detection probe 102: Substrate 103: Stage 104: Amplifier 105: Scan signal generation unit 106: Control unit 107: Resistance measurement unit 108: Access control unit 201: Probe 202: Metal wiring pattern 203: Cantilever arm 204 : Piezoresistor 205: Insulator protection layer 601: Probe 602: Metal wiring pattern 603: Cantilever arm 604: Platinum resistor
Claims (6)
変位検出系がプローブの温度変化に伴って抵抗値が変化
する抵抗体で構成されていることを特徴とする変位検出
プローブ。1. A displacement detection probe comprising a displacement detection system, wherein the displacement detection system comprises a resistor whose resistance value changes with a change in temperature of the probe.
とを特徴とする請求項1に記載の変位検出プローブ。2. The displacement detection probe according to claim 1, wherein said probe is made of a semiconductor.
いることを特徴とする請求項1に記載の変位検出プロー
ブ。3. The displacement detection probe according to claim 1, wherein said probe is formed of a piezoresistor.
ることを特徴とする請求項1に記載の変位検出プロー
ブ。4. The displacement detection probe according to claim 1, wherein said probe is formed of a platinum resistor.
のプローブと、該プローブの抵抗体の抵抗値を測定する
抵抗測定手段とを有し、該抵抗測定手段により測定され
た該プローブの抵抗値によって、該プローブとそれに対
向する基板の間の距離を求めることを特徴とする位置測
定装置。5. The probe according to claim 1, further comprising: a resistance measuring unit for measuring a resistance value of a resistor of the probe, wherein the resistance is measured by the resistance measuring unit. A position measuring device, wherein a distance between the probe and a substrate facing the probe is determined based on a resistance value of the probe.
のプローブと、該プローブの抵抗体の抵抗値を測定する
抵抗測定手段とを有し、該抵抗測定手段によって測定さ
れた該プローブの抵抗値を参照して、該プローブとそれ
に対向する基板の間の距離を一定に制御することを特徴
とする位置制御装置。6. The probe according to claim 1, further comprising: a resistance measuring unit for measuring a resistance value of a resistor of the probe, wherein the resistance is measured by the resistance measuring unit. A position control device characterized in that a distance between the probe and a substrate facing the probe is controlled to be constant with reference to a resistance value of the probe.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP13267298A JPH11311628A (en) | 1998-04-27 | 1998-04-27 | Displacement detection probe, position measuring device and position control device having the same |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP13267298A JPH11311628A (en) | 1998-04-27 | 1998-04-27 | Displacement detection probe, position measuring device and position control device having the same |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH11311628A true JPH11311628A (en) | 1999-11-09 |
Family
ID=15086808
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP13267298A Pending JPH11311628A (en) | 1998-04-27 | 1998-04-27 | Displacement detection probe, position measuring device and position control device having the same |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH11311628A (en) |
-
1998
- 1998-04-27 JP JP13267298A patent/JPH11311628A/en active Pending
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