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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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[Technisches Gebiet]
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Die
Erfindung betrifft einen Cantilever unter Verwendung eines Kohlenstoff-Nanoröhrchens
als Sonde sowie ein Verfahren zum Herstellen des Cantilevers. Die
Erfindung betrifft auch eine LSI-Prüfvorrichtung
und eine Lithografievorrichtung unter Verwendung des erfindungsgemäßen Cantilevers.
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[Hintergrundbildende Technik]
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Ein
Atomkraftmikroskop (AFM) ist ein Typ eines Rastersondenmikroskops
(SPM). Ein beispielhaftes AFM ist eine Vorrichtung, an der ein Cantilever mit
einer spitzen Sonde montiert ist, die mit einer Probe in Kontakt
gebracht wird, um diese abzuscannen, um dadurch eine Fläche der
Probe zu messen. Es ist ein Rückkopplungsmechanismus
vorhanden, der den Cantilever oder die Probe anhebt und absenkt, um
einen konstanten Zustand aufrecht zu erhalten, wenn die Cantileversonde
mit der Probe in Kontakt gebracht wird. Demgemäß kann aus Regelungssignalen
ein Oberflächenzustand
(beispielsweise die Unebenheit) gemessen werden. Andere SPMs sind Rastertunnelmikroskope
und optische Nahfeld-Rastermikroskope.
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Ein
Kohlenstoff-Nanoröhrchen
ist eine zylindrische Säule
mit großem
Seitenverhältnis
und konstantem Durchmesser. Der Winkel, wie er durch die Probenoberfläche und
den Durchmesser an der die Probe berührenden Spitze der Sonde gebildet
ist, ändert
sich selbst dann nicht, wenn die Spitze der verwendeten Sonde abge nutzt
oder zerkratzt ist. Demgemäß werden,
wenn in einem AFM oder einem SPM, das ein solches beinhaltet, ein
Cantilever verwendet wird, der ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen als Sonde
nutzt, hervorragende Eigenschaften (hinsichtlich der Dicke) dahingehend
erzielt, dass die räumliche
Auflösung
erhalten bleibt.
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Bei
einem herkömmlichen
Verfahren zum Herstellen eines Cantilevers mit einem Kohlenstoff-Nanoröhrchen werden
im Inneren eines elektronischen Rastermikroskops vorhandene Kohlenstoff-Verunreinigungen
mit Elektronenstrahlen bestrahlt, so dass sich die Verunreinigungen
nahe dem Kohlenstoff-Nanoröhrchen
absetzen, wodurch dieses auf einem Träger fixiert wird, wie es in
der Patentveröffentlichung
Nr. 3441396 (japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsveröffentlichung Nr. 2000-227435)
(Patentdokument 1) und der Patentveröffentlichung Nr. 3441397 (japanische
Patentanmeldungs-Offenlegungsveröffentlichung
Nr. 2000-249712) (Patentdokument 2) beschrieben ist. Gemäß der japanischen
Patentanmeldungs-Offenlegungsveröffentlichung
Nr. 2002-162337 (Patentdokument 3) wird, um ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen an einem
Cantilever zu fixieren, dasselbe am Cantilever platziert, und im
elektronischen Rastermikroskop vorhandener Kohlenwasserstoff wird
mit Elektronenstrahlen bestrahlt, damit er sich am Kohlenstoff-Nanoröhrchen absetzt.
Gemäß dem Patentdokument
3 wird eine Bearbeitung durch einen fokussierten Ionenstrahl ausgeführt, um
die am Cantilever befestigte Sonde aus einem Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu
fixieren. Bei einem anderen Verfahren, wie es in der japanischen
Patentanmeldungs-Offenlegungsveröffentlichung
Nr. 2003-90788 (Patentdokument 4) beschrieben ist, wird ein katalytischer
Metallfilm am Cantilever ausgebildet; es wird eine katalytische
Reaktion dazu verwendet, ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen am Cantilever auszubilden.
Es kann nicht erwartet werden, dass dieses Verfahren Leitungseigenschaften
liefert, wie sie für
ein Metall erwünscht
sind, da sich das katalytische Metall in eine übersättigte Feststofflösung von
Kohlenstoff wandelt, was zu einem Carbid führt. Gemäß der japanischen Patentanmeldungs-Offenlegungsveröffentlichung
Nr. 2005-62007 (Patentdokument 5) 1egungsveröffentlichung Nr. 2005-62007
(Patentdokument 5) wird ein pyramidenförmiger Halter des Cantilevers
in ein organisches Lösungsmittel
eingetaucht, um ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen auszubilden. Gemäß der japanischen
Patentanmeldungs-Offenlegungsveröffentlichung
Nr. 2005-63802 (Patentdokument 6) wird eine Oberflächenschicht
mit hohem Widerstand, die sich auf einer Oberfläche des Halters ausgebildet
hat, wie ein natürlicher
Oxidfilm, entfernt, bevor eine Metallverbindung für das Kohlenstoff-Nanoröhrchen hergestellt
wird, wodurch der Widerstand gesenkt wird.
- Patentdokument
1: Patentveröffentlichung
Nr. 3441396 (Patentanmeldungs-Offenlegungsveröffentlichung Nr. 2000-227435)
- Patentdokument 2: Patentveröffentlichung
Nr. 3441397 (Patentanmeldungs-Offenlegungsveröffentlichung Nr. 2000-249712)
- Patentdokument 3: Patentanmeldungs-Offenlegungsveröffentlichung
Nr. 2002-162337
- Patentdokument 4: Patentanmeldungs-Offenlegungsveröffentlichung
Nr. 2003-90788
- Patentdokument 5: Patentanmeldungs-Offenlegungsveröffentlichung
Nr. 2005-62007
- Patentdokument 6: Patentanmeldungs-Offenlegungsveröffentlichung
Nr. 2005-63802
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es
existieren verschiedene Arten zum Betreiben eines AFM, um den Zustand
einer Probenoberfläche
zu erfassen: beispielsweise wird der Cantilever oder die Probe auf
solche Weise angehoben oder abgesenkt, dass die Sonde mit einer
voreingestellten, konstanten Annäherungsbelastung
diskontinuierlich mit der Probenoberfläche in Kontakt gelangt (Eintauchmodus);
die Sonde fährt
der Probenoberfläche
kontinuierlich oder diskontinuierlich nach, wobei sie mit ihr in
Kontakt steht (Kontaktmodus); und der Cantilever wird in eine Zwangsschwingung
versetzt, um auf die Probenoberfläche zu treffen, und es werden Änderungen
der Amplitude, der Phase und der Frequenz der Schwingung gemessen
(dynamischer Modus). Ein geeigneter Modus wird entsprechend der
Probe und dem Zustand der Probenoberfläche ausgewählt. Wenn bei diesen Betriebsmodi
ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen
als Sonde verwendet wird, führen
eine Aufwölbung
und eine Verbiegung des Kohlenstoff-Nanoröhrchens zu einem Problem. Eine Biegung
eines Kohlenstoff-Nanoröhrchens
kennzeichnet einen Zustand, in dem es aufgrund, einer auf es wirkenden
horizontalen Kraft gekrümmt
wird, und eine Aufwölbung
kennzeichnet eine horizontale Biegung, zu der es abrupt zu demjenigen
Zeitpunkt kommt, zu dem eine bestimmte Aufwölbungsbelastung erreicht wird,
nachdem eine vertikale Annäherungsbelastung
auf das Kohlenstoff-Nanoröhrchen ausgeübt wurde.
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Um
die obige Annäherungsbelastung
zu erfassen, wird im Allgemeinen das sogenannte optische Hebelverfahren
verwendet, um das Ausmaß einer
Verformung des Kohlenstoff-Nanoröhrchens
zu erfassen. Demgemäß wird eine
Federkonstante des Cantilevers ausgewählt, die dazu ausreicht, das
Ausmaß der
Verformung zu erfassen.
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Wenn
bei den oben beschriebenen Modi eine übermäßige Annäherungsbelastung für eine Sonde
aus einem Kohlenstoff-Nanoröhrchen
eingestellt wird, kommt es zu einer Verbiegung oder Aufwölbung, wenn
das Kohlenstoff-Nanoröhrchen
mit der Probe in Kontakt gelangt. Dadurch wird es verhindert, dass
der Zustand der Probenoberfläche
korrekt erfasst wird. Demgemäß zeigt
ein Bild, wie es als Messergebnis erzielt wird, das den Zustand
der Probenoberfläche
repräsentieren
sollte, eine Form, die verschieden von der eigentlichen Oberflächenform ist;
die Kohlenstoff-Nanoröhrchensonde
löst sich
vom Cantilever, wodurch die Messung nicht mehr fortgesetzt werden
kann und andere Probleme auftreten.
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Um
eine Aufwölbung
zu unterdrücken,
muss die Annäherungsbelastung
des Cantilevers niedriger als die Aufwölbungsbelastung sein, bei der
es am Kohlenstoff-Nanoröhrchen
zu einer Aufwölbung kommt.
Gleichzeitig muss die Federkonstante des Cantilevers dergestalt
sein, dass die Annäherungsbelastung
dazu ausreicht, für
die oben beschriebene Verformung zu sorgen. Wenn die Festigkeit
des gesamten Cantilevers und seines Materials betrachtet wird, ist
es schwierig, die aktuelle Federbelastung des Cantilevers zu verringern.
Insbesondere wird der Cantilever im dynamischen Modus mit hoher
Frequenz in Schwingung versetzt; wenn die Federkonstante abgesenkt
wird, kann daher die Messgenauigkeit kleiner werden. Daher muss
die Aufwölbungsbelastung
des Kohlenstoff-Nanoröhrchens
groß sein.
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Um
ein Verbiegen zu unterdrücken,
muss für den
Cantilever eine kleine Annäherungsbelastung eingestellt
werden, damit die auf das Kohlenstoff-Nanoröhrchen ausgeübte Horizontalkraft
in den Bereich fällt,
in dem die Messgenauigkeit nicht beeinträchtigt ist. Gleichzeitig muss
die Federkonstante des Cantilevers dergestalt sein, dass die Annäherungsbelastung
dazu ausreicht, für
die oben beschriebene Verformung zu sorgen. Wenn die Festigkeit
des gesamten Cantilevers und seines Materials betrachtet wird, ist
es schwierig, die aktuelle Federbelastung des Cantilevers zu verringern.
Daher muss die Stabilität des
Kohlenstoff-Nanoröhrchens
gegen Verbiegen hoch sein.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Cantilever, der sich nur schwer
aufwölbt
und hohe Stabilität
gegen Verbiegen hat, sowie eine Prüfvorrichtung, ein AFM und ferner
ein SPM unter Verwendung dieses Cantilevers zu schaffen.
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Gemäß der Erfindung,
die die obigen Probleme berücksichtigt,
ist ein Ende eines Kohlenstoff-Nanoröhrchens unter Verwendung von
Metallschichten aus mindestens zwei Richtungen an einem Ende eines
Halters befestigt, und die Metallschichten sind in einem wahlfreien
Bereich auf dem Kohlenstoff-Nanoröhrchen abgeschieden. Da die
Metallschichten aus zwei Richtungen abgeschieden sind, kann der
freiliegende Bereich des Kohlenstoff-Nanoröhrchens eingestellt werden,
um dadurch eine Aufwölbung
und eine Biegung zu unterdrücken.
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Durch
die Erfindung ist auch ein Herstellverfahren geschaffen, durch das
Metallschichten am Ende des Cantilevers, an dem die Kohlenstoff-Nanoröhrchensonde
befestigt ist, aus mindestens zwei Richtungen abgeschieden werden.
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Gemäß einer
anderen Erscheinungsform der Erfindung wird eine Cantileversonde
unter Verwendung eines verschiedene Atome enthaltenden Kohlenstoff-Nanoröhrchens
hergestellt. Insbesondere ist ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen bevorzugt,
das Stickstoff oder Bor enthält.
Der Gehalt der verschiedenen Atome beträgt vorzugsweise 2 bis 5 Atomprozent. Eine
andere Erscheinungsform der Erfindung besteht in einem Verfahren
des Verwendens eines Cantilevers mit einer Sonde, die unter Verwendung
eines Hetero-Kohlenstoffnanoröhrchens
hergestellt wurde, wobei der Cantilever durch eine Andrückkraft
von 20 nN oder weniger mit einer Probenoberfläche in Kontakt gebracht wird.
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Die
oben beschriebene Metallschicht wird dadurch hergestellt, dass ein
Gas einer Metallverbindung durch Einstrahlen eines Elektronenstrahls
zersetzt wird und ein Produkt abgeschieden wird. Genauer gesagt,
wird die Metallschicht unter Verwendung von Wolfram (W), Platin
(Pt), Gold (Au), Aluminium (Al), Kupfer (Cu), Molybdän (Mo) oder
dergleichen hergestellt. Insbesondere ist die Metallschicht vorzugsweise
eine Verbindungsschicht aus Wolfram. Dies, da die Verwendung einer
Metallschicht, insbeson dere einer Wolframschicht, die Verbindungsfestigkeit
im Vergleich mit einem Kohlenwasserstoffkleber erhöht. Ein
anderer Grund dafür
ist der, dass für Leitfähigkeit
zwischen dem Kohlenstoff-Nanoröhrchen
und dem Cantilever gesorgt ist, da zur Verbindung eine Metallschicht
verwendet wird, wodurch eine Zerstörung des Verbindungsbereichs,
wozu es vermutlich durch Einwirkung von Ladungen kommt, vermieden
werden kann. Eine höhere
Reinheit der Metallschicht ist besser, jedoch gewährleistet
ein Gehalt von 70% oder mehr ein ausreichendes Fixieren.
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Das
oben beschriebene Verbinden erfolgt durch eine Vorrichtung zum Herstellen
eines Cantilevers mit einem Kohlenstoff-Nanoröhrchen, wobei die Vorrichtung
Folgendes aufweist: eine Probenkammer, die evakuiert ist oder auf
Unterdruck steht, in der der Cantilever und das Kohlenstoff-Nanoröhrchen platziert
werden; eine Gaszuführeinheit
zum Zuführen
gasförmigen
Wolframhexacarbonyls (W (CO)6) oder Wolframfluorids
(WF2), das als Quelle für eine Metallschicht verwendet
wird, die erwärmt
und verdampft wurde; und eine Elektronenstrahl-Einstrahleinheit
zum Einstrahlen von Elektronenstrahlen zum Zersetzen des Gases.
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Ein
Beispiel für
ein Produkt, das den obigen Cantilever nutzt, ist ein Rastersondenmikroskop.
Dieses Rastersondenmikroskop verwendet einen Cantilever mit einer
Sonde zum Erfassen des Zustands einer Probenoberfläche. Das
Rastersondenmikroskop kann als Halbleiter-Prüfvorrichtung, Vorrichtung zum Erfassen
von Pits an einer Digital Versatile Disk (DVD), Prüfvorrichtung
für aberrationsfreie
Linsen für Kameras
mit ladungsgekoppelten Bauteilen (CCD), Rauigkeits-Messgerät, Biobetrachtungsgerät oder zerstörungsfreies
Betrachtungsgerät
für Hochpolymere
verwendet werden. Die Erfindung bildet auch eine LSI-Chipherstellvorrichtung,
bei der das obige Rastersondenmikroskop als Prüfvorrichtung verwendet ist.
Es können
andere Bezeichnungen, wie Manipulator und CD-AFM verwendet werden,
um das Rastersonden-Mikrometermessgerät zu bezeichnen.
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Ein
anderes Produktbeispiel ist eine LSI-Prüfvorrichtung. Eine LSI-Prüfvorrichtung
verfügt über einen
Cantilever, einen Kontaktdetektor zum Erkennen, dass ein gerade
geprüfter
LSI-Chip die Sonde des Cantilevers berührt, eine Z-Achse-Regelungsschaltung
für den
gerade geprüften
LSI-Chip, die Signale vom Kontaktdetektor zurückliefert, eine XY-Scanschaltung
zum Erzielen zweidimensionaler Oberflächeninformation für den gerade
geprüften LSI-Chip,
eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) zum Empfangen von Signalen
von der Z-Achse-Regelungsschaltung und der XY-Scanschaltung, und eine
Anzeigeeinheit zum Anzeigen eines Bilds entsprechend den durch die
CPU empfangenen Signalen. Die Sonde des Cantilevers besteht aus
dem oben beschriebenen Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Die Cantileversonde
wird vorzugsweise unter Verwendung eines Hetero-Kohlenstoffnanoröhrchens
hergestellt, das verschiedene Atome enthält, insbesondere eines Hetero-Kohlenstoffnanoröhrchens,
das Stickstoff oder Bor enthält.
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Ein
LSI-Chip wird durch die folgenden Schritte hergestellt: (i) ein
Halbleiter, eine leitende Metallschicht oder Oxid- und Nitrid-Isolierschichten
werden durch ein chemisches Dampfabscheideverfahren auf ein Substrat
auflaminiert; (ii) ein Teil des Laminats wird so geätzt, dass
ein Querschnitt freigelegt wird; (iii) die obige LSI-Prüfvorrichtung
wird nach dem Ätzprozess
dazu verwendet, die Oberflächenform
zu prüfen;
und (iv) diese Prozesse werden mehrmals wiederholt, um dadurch hochgenaue
LSI-Chips herzustellen.
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Ein
anderes Produktbeispiel ist eine Lithografievorrichtung. Die Lithografievorrichtung
verfügt über einen
Cantilever mit einer hydrophilen Sonde, eine Lithografie-Spannungsversorgungseinheit
zum elektrischen Verbinden des Cantilevers mit einem Probenträger, auf
dem eine durch die Lithografievorrichtung gerade geprüfte Probe
platziert ist, einen Kontaktdetektor zum Erkennen, dass die gerade
geprüfte
Probe die Sonde des Cantilevers be rührt, eine Z-Achse-Regelungsschaltung
für die
gerade geprüfte Probe,
die Signale vom Kontaktdetektor zurückkoppelt, eine XY-Scanschaltung zum
Erzielen zweidimensionaler Oberflächeninformation zur gerade
geprüfte
Probe, die dadurch anodisiert wurde, dass ein Strom durch absorbiertes
Wasser geleitet wird, das an der Kontaktstelle zwischen der gerade
geprüfte Probe
und der Sonde des Cantilevers erzeugt wurde, eine CPU zum Empfangen
von Signalen von der Z-Achse-Regelungsschaltung und der XY-Scanschaltung
und eine Anzeigeeinheit zum Anzeigen eines Bilds entsprechend den
durch die CPU empfangenen Signalen. Die Sonde des Cantilevers besteht aus
der oben beschriebenen Kohlenstoff-Nanoröhrchen.
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Die
Kohlenstoff-Nanoröhrchen
wird vorzugsweise unter Verwendung eines Hetero-Kohlenstoffnanoröhrchens,
das verschiedene Atome enthält,
hergestellt, insbesondere eines Hetero-Kohlenstoffnanoröhrchens,
das Stickstoff oder Bor enthält.
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Ein
LSI-Chip ist ein Schaltkreis, in dem viele Transistoren und andere
Bauteile integriert sind. Insbesondere wird der Schaltkreis durch
Wiederholen der folgenden drei Schritte hergestellt: (1) chemische Dampfabscheidung,
(2) Ätzen
und (3) Prüfen
der Oberfläche.
Nach dem obigen Ätzen
kann die oben beschriebene Prüfvorrichtung
dazu verwendet werden, den Zustand einer Oberfläche eines gerade hergestellten
LSI-Chips detailliert zu prüfen.
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Beim
erfindungsgemäßen Cantilever
mit einem Kohlenstoff-Nanoröhrchen
sowie beim erfindungsgemäßen Verfahren
zum Herstellen des Cantilevers ist die Steifigkeit der Sonde erhöht, so dass
sie sich nur schwer verformt, wenn sie gegen eine Probe gedrückt wird.
Demgemäß kann die
Genauigkeit von Bilddaten erhöht
werden, wie sie durch die LSI-Prüfvorrichtung
und die Lithografievorrichtung geliefert werden. Dies berücksichtigt
Probleme, zu denen es während
der Messung durch die Verwendung eines AFM kommt, bei dem ein Cantilever
mit einem Kohlenstoff-Nanoröhrchen
verwendet wird, da eine Verbiegung oder Aufwölbung des Kohlenstoff-Nanoröhrchens
auftritt; die Probleme bestehen beispielsweise darin, dass als Messergebnis
ein Bild erhalten wird, das eine andere Form als die eigentliche
Oberflächenform
der Probe repräsentiert,
der Verbindungsabschnitt des Kohlenstoff-Nanoröhrchens durch Ladungen zerstört wird,
und das Bildfehler auftreten. Daher kann eine stabile Messung auf
AFM-Basis ausgeführt
werden.
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Demgemäß kann ein
Atomkraftmikroskop, das eine hochgenaue Messung mit hoher Auflösung ermöglicht,
dadurch erhalten werden, dass die Tatsache genutzt wird, dass das
oben beschriebene Kohlenstoff-Nanoröhrchen dünn ist.
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Außerdem kann,
da die Lebensdauer des Cantilevers verlängert werden kann, eine hoch
genaue, stabile Messung mit hoher Auflösung über eine lange Zeitperiode
ausgeübt
werden. Dies ermöglicht das
Herstellen von Produkten, wie LSI-Chips, die im Verlauf der Herstellung
eine hoch genaue Formmessung (Prüfprozess)
benötigen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine perspektivische Ansicht eines Cantilevers, der eine Ausführungsform
der Erfindung repräsentiert.
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2 ist
ein schematisches Diagramm, das eine Atomanordnung der Sonde des
Cantilevers darstellt.
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3 ist
eine Zeichnung der Kraftkurve der Sonde, wenn eine Sondenverformung
erzeugt wird.
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4 ist
eine Zeichnung der Kraftkurve der Sonde, wenn die Sonde gemäß der Erfindung
verwendet wird.
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5 ist
eine perspektivische Ansicht der Sonde, die an einem Ende des Cantilevers
angebracht ist, der eine Ausführungsform
der Erfindung bildet.
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6 ist
ein schematisches Diagramm des Cantilevers, der eine Ausführungsform
der Erfindung bildet.
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7 ist
eine Schnittansicht am Ende des Cantilevers der 5.
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8 zeigt
ein Analyseergebnis für
Gradienten in einer mit Wolfram dotierten Metallschicht.
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9A bis 9D zeigen
aufeinanderfolgende AFM-Bilder, wie sie erhalten werden, wenn der
Cantilever mit einem mit Carbidschichten fixierten Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit
einer Probe in Kontakt gebracht wird.
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10 ist
ein schematisches Diagramm des Aufbaus einer LSI-Prüfvorrichtung,
die eine Ausführungsform
der Erfindung bildet.
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11 ist
ein schematisches Diagramm des Aufbaus einer Lithografievorrichtung,
die eine Ausführungsform
der Erfindung bildet.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Nun
wird der Cantilever gemäß der Erfindung
detailliert beschrieben.
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Eine
Prüfvorrichtung
wie ein AFM verfügt über einen
Cantilever mit einem Basisteil, einem sich ausgehend von diesem
erstreckenden Träger,
mit Verformung entsprechend der Annäherungsbelas tung, und eine
am Ende des Trägers
befestigte Sonde. Der Cantilever ist am Hauptkörper des AFM befestigt. Die
Sonde bei der Erfindung wird unter Verwendung eines Kohlenstoff-Nanoröhrchens
hergestellt. Am Ende des Cantilevers kann sich, falls erforderlich,
ein Halter befinden, der als Basis zum Befestigen der Sonde verwendet
wird. Dann können
ungefähre
Richtungen des Cantilevers und der Sonde leicht eingestellt werden.
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Wie
oben beschrieben, werden, bei der Erfindung, Metallschichten aus
mindestens zwei Richtungen abgeschieden, und ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen wird
an einem Ende, das während
der Messung der Probe zugewandt ist, des Cantilevers oder des Halters
befestigt. Die obigen zwei Richtungen müssen dergestalt sein, dass
das Kohlenstoff-Nanoröhrchen
am Ende unter einer wahlfreien Richtung gehalten werden kann. Vorzugsweise
sind die zwei Richtungen einander entgegengesetzt zugewandt. Bei zwei
beispielhaften, entgegengesetzten Richtungen können Metallschichten an zwei
Stellen am Fuß des Kohlenstoff-Nanoröhrchens
(am Ende des Cantilevers oder des Halters) mit Intervallen von ungefähr 180° abgeschieden
werden. Metallschichten können auch
an drei Stellen mit Intervallen von 120° abgeschieden werden.
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Der
Halter kann über
eine Form wie die einer Pyramide, eines vieleckigen Kegels, eines
Kreiskegels oder einer zylindrischen Säule verfügen. Das Ende des Halters kann
als Nadel geformt sein. Wenn der Halter ein Kegel ist, wird das
Kohlenstoff-Nanoröhrchen
vorzugsweise dadurch an seiner Spitze fixiert, dass eine Metallschicht
aus einer wahlfreien Richtung abgeschieden wird und dann eine zweite Metallschicht
vorzugsweise an der Rückseite
(diametral entgegengesetzt) des Kohlenstoff-Nanoröhrchens
abgeschieden wird, um den Halter zu fixieren, wodurch der Fixierprozess
erleichtert wird und das Kohlenstoff-Nanoröhrchen am festen Ort gehalten wird.
Um die zwei entgegengesetzten Richtungen zu erzielen, kann die Bedienperson
den Cantilever um ungefähr
180° drehen,
um die zweite Metallschicht abzuscheiden. Da Metall schichten aus
mehreren Richtungen abgeschieden werden kann, wenn beispielsweise
das Kohlenstoff-Nanoröhrchen
gebogen wird, während
eine erste Metallschicht abgeschieden wird, das Biegungsende dadurch
eingestellt werden, dass eine zweite Metallschicht abgeschieden
wird. Daher kann die Sonde leicht mit eingestelltem Winkel fixiert
werden. Dies gilt auch dann, wenn das Ende des Cantilevers auf eine
Form bearbeitet wird, die der des Halters ähnlich ist.
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Nun
werden die zwei oben beschriebenen Richtungen speziell beschrieben.
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Eine
Ebene des Probenträgers
und die Sonde müssen
einen wahlfreien Winkel, beispielsweise einen rechten Winkel oder
einen Winkel, der durch ein zu messendes Objekt bestimmt ist, bilden
können.
Daher muss die Sonde, entsprechend der Form des Fixierteils gebogen
oder gerade gehalten werden. Wenn ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen am
Ende des Cantilevers (oder an der Spitze des Endes des Halters)
gebogen wird, verfügt
es über
einen überstumpfen
Winkel von über
180° und
einen stumpfen Winkel von weniger als 180°. Die zwei Richtungen, wie sie
bei der Erfindung angesprochen werden, sind zumindest die Seite
des stumpfen Winkels und die Seite, des überstumpfen Winkels im Abschnitt,
in dem das Kohlenstoff-Nanoröhrchen
gebogen ist. Wenn das Kohlenstoff-Nanoröhrchen nicht gebogen ist, sind
die zwei Richtungen die Seite des Kohlenstoff-Nanoröhrchens
und die Seite des Cantilevers, wenn das Kohlenstoff-Nanoröhrchen und
das Ende des Cantilevers miteinander in Kontakt gebracht sind.
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Die
Metallschicht (haltender Verbindungsteil) auf der Seite des stumpfen
Winkels ist eine Halteschicht zum Fixieren des Kohlenstoff-Nanoröhrchens.
Sie ist erforderlich, um die Festigkeit der Verbindung des Kohlenstoff-Nanoröhrchen am
Cantilever zu verbessern.
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Die
Metallschicht (andrückendes
Verbindungsteil) auf der Seite des überstumpfen Winkels sorgt für den Effekt,
dass das Kohlenstoff-Nanoröhrchen
gegen den Cantilever gedrückt
wird und dadurch die Richtung der Sonde aufrecht erhalten wird. Die
Metallschicht auf der Seite des überstumpfen Winkels
wird vorzugsweise abgeschieden, nachdem die Metallschicht auf der
Seite des stumpfen Winkels abgeschieden wurde. Dies, da dann, wenn
die Sonde durch die Kraft zum Aufrechterhalten der abgeschiedenen
Metallschicht auf der Seite des stumpfen Winkels über einem
gewünschten
Fixierwinkel hinaus geneigt wird, die Neigung durch die Kraft zum
Andrücken
der abgeschiedenen Metallschicht auf der Seite des überstumpfen
Winkels eingestellt werden kann. Ferner ist eine hoch genaue Einstellung
auf einen Winkel möglich,
wie er für
das zu messende Objekt oder den Messmodus geeignet ist.
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Wenn
eine geeignete Abscheidungsbedingung für die Metallschicht ausgewählt wird,
kann sie sich nicht nur in der Richtung erstrecken, in der Elektronenstrahlen
eingestrahlt werden, sondern auch auf die dazu entgegengesetzte
Seite. Genauer gesagt, kann dann, wenn die Metallschichten auf der Seite
des überstumpfen
Winkels und der Seite des stumpfen Winkels aus einer einzelnen,
wahlfreien Richtung abgeschieden werden, eine Abscheidungsstruktur
mit einer Querschnittsform ausgebildet werden, die ähnlich dem
Querschnitt eines Stifts ist, wobei die Sonde den Kern bildet und
der äußere Überzug die
Metallschicht ist. Eine geeignet gewählte Abscheidebedingung ermöglicht es,
einen Kohlenstoff-Nanoröhrchen
zu schaffen, der leicht mit hoher Ausbeute hergestellt werden kann.
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Wenn
das Ende des Cantilevers oder des Halters, an dem das Kohlenstoff-Nanoröhrchen fixiert wird,
ein vieleckiger Kegel ist, wird das Kohlenstoff-Nanoröhrchen an
den Kanten oder Seiten des Kegels fixiert. Wenn das Kohlenstoff-Nanoröhrchen beispielsweise
an einem pyramidenförmigen
Halter fixiert wird, wird das Ende des Kohlenstoff-Nanoröhrchens,
das entgegengesetzt zur Seite liegt, die mit der Probe in Kontakt
steht, an einer Kante oder Seite fixiert und ferner entlang Kanten
oder Seiten an mehreren Punkten fixiert, bis das Ende des Halters
erreicht ist. Am Ende des Halters wird das Kohlenstoff-Nanoröhrchen so
gebogen, dass ein wahlfreier Winkel in Bezug auf die Ebene des Probenträgers erzielt
wird. Wenn die Sonde eher orthogonal zur Ebene des Probenträgers verläuft, können die
Böden tieferer
Vertiefungen gemessen werden. Wenn die Oberfläche einer tiefen Vertiefung
gemessen wird, verläuft
die Sonde vorzugsweise orthogonal zur Ebene des Probenträgers, oder
sie ist unter einem Winkel von 3° oder
weniger gegenüber
der orthogonalen Richtung geneigt.
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Wenn
die Sonde mit einem konstanten Winkel von 90° oder weniger, beispielsweise
30°, gegenüber der
orthogonalen Richtung in Bezug auf die Ebene des Probenträgers fixiert
wird, kann ein Gebiet nahe der Grenze zwischen dem Boden einer in
der Probe gebildeten Rinne oder einem Loch und der zugehörigen Seitenwand,
sowie die Seitenwand, gemessen werden. Die Richtung, in der die
Sonde geneigt wird, wird entsprechend der Oberflächenform der Probe nach vorne,
hinten, rechts oder links, wie in der Richtung gesehen, in der die
Sonde an der Probe entlangläuft,
eingestellt. Wenn die Sonde in der Vorschubrichtung gesehen nach
vorne, hinten, rechts oder links geneigt ist, kann die Grenze klar
erfasst werden, die entgegengesetzt zur Neigungsrichtung und zur
Seitenwand liegt. Wenn die Probe über einen Überhang verfügt, der
an der Oberseite der Seitenwand vorsteht, kann auch der Überhang
gemessen werden, wenn die Sonde unter einem Winkel fixiert wird
und für
den Cantilever eine geeignete Annäherungsrichtung eingestellt
wird.
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Die
Metallschicht wird dadurch hergestellt, dass eine der oben beschriebenen
verschiedenen Metallverbindungen abgeschieden wird. Wenn Wolfram
verwendet wird, werden das Kohlenstoff-Nanoröhrchen und der Cantilever miteinander
in Kontakt gebracht, und in eine Probenkammer, die stark evakuiert
ist, eines Rasterson denmikroskops wird ein Gas geliefert, das durch
Erwärmen
und Verdampfen von W(CO)6 oder WF2 erzeugt wurde. Das W(CO)6- oder
WF2-Gas wird dann unter Verwendung einer Düse zu einem
Abschnitt nahe dem Kontaktteil emittiert, um nahe diesem eine Atmosphäre aus dem
Gas zu bilden. Auf den Kontaktteil werden Elektronenstrahlen gestrahlt,
um das Gas zu zersetzen. Das ausgefällte Wolfram wird schließlich auf
dem Kontaktteil abgeschieden, bei dem es sich um ein zu bestrahlendes
Gebiet handelt.
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Um
die Festigkeit des Kohlenstoff-Nanoröhrchens zu erhöhen, wird
die Stärke
der zum Zersetzen des Gases verwendeten Elektronenstrahlen vorzugsweise
in einem festen Bereich eingestellt, um es dadurch zu ermöglichen,
dass sich eine Metallschicht bis zur Rückseite des Kohlenstoff-Nanoröhrchens
erstreckt und abgeschieden wird.
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Die
Stärke
des Elektronenstrahls wird durch die Beschleunigungsspannung und
den Gesamtstrom des einzustrahlendes Elektronenstrahls eingestellt.
Wenn die Beschleunigungsspannung erhöht wird, weicht die Abscheidung
der Metallschicht stark zur Strahleinstrahlseite ab, wodurch das
Ausmaß verringert
ist, gemäß dem sich
die Metallschicht zur Rückseite
des Kohlenstoff-Nanoröhrchens
erstreckt. Die Beschleunigungsspannung beträgt vorzugsweise 15 kV oder
weniger. Außerdem
ist es, wenn der Gesamtstrom erhöht
wird, wahrscheinlicher, dass mehr Dinge abgeschieden werden. Um
die Menge abgeschiedener Verunreinigungen zu verringern und um einen
Gehalt der metallischen Komponente von 70% oder mehr zum Ausbilden
einer Metallschicht mit ausreichender Festigkeit zu gewährleisten,
beträgt
der Gesamtstrom vorzugsweise 20 μA
oder weniger.
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Die
Metallschicht verfügt über eine
Dicke, die dazu ausreicht, das Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu fixieren. Um eine
Aufwölbung
zu verhindern, verfügt die
Metallschicht vorzugsweise über
eine Dicke, die mindestens das Doppelte des Radius des Kohlenstoff-Na noröhrchens
ist. Wenn der Radius des Kohlenstoff-Nanoröhrchens beispielsweise 5 nm
beträgt, beträgt die Dicke
der Metallschicht vorzugsweise 10 nm oder mehr. Im Ergebnis umgibt
eine Metallschicht das Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit einem Durchmesser
von 10 nm; der gesamte Außendurchmesser
beträgt
vorzugsweise das Dreifache (30 nm) oder mehr des Durchmessers des
Kohlenstoff-Nanoröhrchens. Hinsichtlich
der Höhe
der Metallschicht, muss die Abscheidung so erfolgen, dass der freiliegende
Bereich des Kohlenstoff-Nanoröhrchens
eingeengt ist. Die Metallschicht wird vorzugsweise so abgeschieden, dass
das Kohlenstoff-Nanoröhrchen
beinahe im Zentrum gehalten wird. Wenn eine Abweichung der Position
des Kohlenstoff-Nanoröhrchens
vorliegt, besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit dafür, dass
die Metallschicht durch einen dünnen
Metallschichtteil am Kohlenstoff-Nanoröhrchen zerstört wird.
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Als
Nächstes
wird die Verwendung des Cantilevers an einer Messvorrichtung beschrieben.
Der Cantilever wird an einer Position befestigt, an der der Probenträger zum
Befestigen einer Probe an der Messvorrichtung und die Sonde einander
zugewandt sind. Die Messvorrichtung verfügt über einen Antriebsmechanismus,
der den Probenträger,
den Cantilever oder beide bewegt, so dass diese in engen Kontakt
miteinander gebracht werden oder voneinander getrennt werden.
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Bei
einer Messvorrichtung wie einem AFM wird der Cantilever bis nahe
an die Probe gebracht, bis eine Belastung zum Andrücken des
Cantilevers gegen die Probe (Annäherungsbelastung)
erreicht ist. Selbst wenn die Sonde die Probe berührt, wird der
Cantilever immer noch gegen die Probe gedrückt. Wenn die Annäherungsbelastung
erhöht
wird, fungiert der Cantilever als Blattfeder und verformt sich. Das
Ausmaß der
Verformung, die Auslenkung der Basis und andere Faktoren werden
durch einen Detektor erfasst. Wenn ein Wert erreicht wird, der einer voreingestellten
Bedingung entspricht (wobei eine voreingestellte Bedingung für die Annähe rungsbelastung
berücksichtigt
ist), stoppt ein vom Detektor rückgekoppeltes
Signal das Andrücken
des Cantilevers.
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Eine
Messvorrichtung unter Verwendung des Cantilevers erhält beispielsweise
Information zur Höhenrichtung.
Wenn sich das Kohlenstoff-Nanoröhrchen
aufwölbt
oder es zu verschiedenen Zeiten zu verschiedenen Biegungen kommt,
sinkt die Befestigungsseite (freies Ende) des Cantilevers für das Kohlenstoff-Nanoröhrchen mehr
als erforderlich ab, wodurch sich die Höhe der Befestigungsseite des
Cantilevers (freies Ende) für
das Kohlenstoff-Nanoröhrchen
relativ zur Probenoberfläche ändert. Im
Ergebnis enthält
die erfasste Information zur Höhenrichtung
einen Fehler, wodurch die Zuverlässigkeit
der erhaltenen Information beeinträchtigt ist.
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Um
eine genaue Messung auszuführen, muss
das Kohlenstoff-Nanoröhrchen
bei einer voreingestellten, konstanten Annäherungsbelastung in einem festen
Zustand gehalten werden. Wenn das Kohlenstoff-Nanoröhrchen mehrmals
gegen die Sonde gedrückt
wird, kann der korrekte Oberflächenzustand
erfasst werden, wenn beispielsweise für jeden Kontakt ein fester
Zustand (Krümmungszustand,
gerader Zustand usw.) gewährleistet
ist.
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Während die
Unterseite des Kohlenstoff-Nanoröhrchens
mit der Probe in Kontakt steht, wird die Annäherungsbelastung von der Basis über den
Cantilever auf das Kohlenstoff-Nanoröhrchen ausgeübt, und
es wird eine Kompressionsbelastung erzeugt. Wenn die Annäherungsbelastung
den Wert der Aufwölbungsbelastung
des Kohlenstoff-Nanoröhrchens erreicht,
kann dieses den fixierten Zustand nicht mehr beibehalten, und es
biegt sich abrupt in der horizontalen Richtung, d.h., es wölbt sich
auf. Bei den meisten Aufwölbungen
von Kohlenstoff-Nanoröhrchen
treten übermäßige Belastungen
in der horizontalen Richtung auf, wenn an der Probenoberfläche, mit
dem das Ende der Sonde in Berührung
steht, ein Gleitvorgang auftritt, und der am Cantilever befestigte
Fuß des Kohlenstoff-Nanoröhrchens
wölbt sich
auf und verbiegt sich dann oder der mittlere Teil des Kohlenstoff-Nanoröhrchens
wölbt sich
auf, ohne dass ein Wegrutschen auftritt.
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Wie
oben beschrieben, muss die Annäherungsbelastung
des Cantilevers einem konstanten Wert entsprechen oder größer sein.
Daher müssen die
Aufwölbungs-Widerstandsfähigkeit
und die Stabilität
gegen Biegevorgänge
hoch sein. Da die Aufwölbungs-Widerstandsfähigkeit
und die Stabilität
gegen Biegevorgänge
proportional zur vierten Potenz der Dicke sind, können Aufwölbungen
und Biegungen dadurch vermieden werden, dass der Durchmesser des
Kohlenstoff-Nanoröhrchens
erhöht
wird. Jedoch bildet ein dickes Kohlenstoff-Nanoröhrchen ein Hindernis gegen
das Ziel, die räumliche
Auflösung
und Ausnutzung der Tatsache zu verbessern, dass ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen dünn ist.
Da die Aufwölbungs-Widerstandsfähigkeit
und die Stabilität
gegen Biegungen umgekehrt proportional zum Quadrat der Länge sind
(je länger
das Kohlenstoff-Nanoröhrchen ist,
desto kleiner sind die Aufwölbungs-Widerstandsfähigkeit
und die Stabilität
gegen Biegungen), können
Aufwölbungen
und Biegungen durch Verkürzen des
Kohlenstoff-Nanoröhrchens
vermieden werden.
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Beim
Cantilever gemäß der Erfindung
ist ein freiliegender Teil am Kohlenstoff-Nanoröhrchen, der als Sonde verwendet
wird, durch Abscheiden von Metallschichten verkleinert. Beim Herstellen
eines Cantilevers kann ein Prozess vorliegen, bei dem das Kohlenstoff-Nanoröhrchen beispielsweise-
durch Anlegen einer Impulsspannung oder Hindurchschicken eines Stroms
auf eine gewünschte
Länge zugeschnitten
wird, jedoch ist es schwierig, ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit
hoher Genauigkeit abzuschneiden. Es kann zufällig ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit
Spannungen unter einer gewünschten Aufwölbungsgrenze
ausgewählt
werden, was zu niedriger Ausbeute führt. Wenn eine Metallschicht dick
im Bereich abgeschieden wird, in dem das Kohlenstoff-Nanoröhrchen mittels
der Metallschicht fixiert wird, wie oben beschrieben, kann der frei liegende Bereich
eingeengt werden, und dadurch kann die Länge der Sonde eingestellt werden.
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Die
Erfindung wurde auf Grundlage der Tatsache entworfen, dass die Härte eines
Hetero-Kohlenstoffnanoröhrchens
höher als
diejenige eines Nichthetero-Kohlenstoffnanoröhrchens ist, weswegen ein Hetero-Kohlenstoffnanoröhrchen bei
einem Cantilever vom Kontakttyp angewandt werden kann. Die Härte eines
Hetero-Kohlenstoffnanoröhrchens wurde
durch Eindotieren von Stickstoff oder Bor in ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen merklich
verbessert.
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Bei
einem Kohlenstoff-Nanoröhrchen,
in das Stickstoff oder Bor dotiert ist, ist Kohlenstoff in ihm durch
Stickstoff oder Bor ersetzt, wie es im Patentdokument 1 beschrieben
ist. Ein Stickstoff enthaltendes Kohlenstoff-Nanoröhrchen kann
dadurch hergestellt werden, dass es ermöglicht wird, dass ein Gasgemisch
aus C2H2 und N2 durch chemische Dampfabscheidung (CVD)
zu einem Kohlenstoff-Nanoröhrchen
strömt.
Ein Bor enthaltendes Kohlenstoff-Nanoröhrchen kann
durch eine Bogenentladung hergestellt werden.
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Der
Gehalt an Stickstoff oder Bor beträgt 5 Atomprozent oder weniger,
und er liegt vorzugsweise im Bereich von 2 bis 5 Atomprozent. Wenn
der Gehalt in diesem Bereich liegt, kann die Steifigkeit des Kohlenstoff-Nanoröhrchens
erhöht
werden, wobei seine Eigenschaften beibehalten sind.
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Als
Grund, weswegen die Härte
eines Hetero-Kohlenstoffnanoröhrchens
hoch ist, wird angenommen, dass es zu Spannungen in der Ringstruktur mit
sechs Elementen oder fünf
Elementen kommt, da der Atomradius von Stickstoff- oder Boratomen,
die durch Substitution an Positionen von Kohlenstoffatomen platziert
werden, verschieden vom Atomradius von Kohlenstoff ist. Es wird
angenommen, da die Härte
erhöht
ist, dass sich die Sonde selbst dann nicht verformt, wenn sie mit
einer Andrückkraft
von 20 nN, das die normale Andrückbelastung
des Cantilevers ist, gegen die Pro benoberfläche gedrückt wird. Da eine Verformung
der Sonde unterdrückt
ist, stimmt die Auslenkung des Cantilevers direkt mit der Auslenkung
der Probenoberfläche überein,
wodurch genaue Bilder erzeugt werden. Wenn die Andrückkraft
höher als
20 nN ist, besteht die Wahrscheinlichkeit, dass die Sonde abbricht.
Selbst wenn die Sonde zerstört
wird, ist das Kohlenstoff-Nanoröhrchen
immer noch ein Röhrchen
mit konstanter Dicke. Daher bleibt der Röhrchendurchmesser unverändert, und es
treten keine Bildfehler auf. Wenn jedoch ein Abbrechen wiederholt
auftritt, wird die Lebensdauer der Sonde verkürzt.
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Die 1 ist
eine perspektivische Ansicht eines Cantilevers gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung. Der Cantilever 10 verfügt über eine Sonde 11,
die unter Verwendung eines Hetero-Kohlenstoffnanoröhrchens hergestellt wurde,
einen Träger 14 und einen
Sondenhalteteil zum Fixieren der Sonde 11 am Träger 14.
Bei der vorliegenden Ausführungsform verfügt der Sondenhalteteil über eine
Abscheidungsschicht 12 aus Wolfram und einen Pyramidenteil 13. Der
Cantilever 10 wird so angeordnet, dass die Sonde 11 beinahe
orthogonal zur Oberfläche
eines Probenträgers 15 eines
Sondenmikroskops verläuft. Nachdem
die Sonde 11 mittels der durch das Sondenmikroskop ausgeübten Druckbelastung
mit der Probe auf dem Probenträger 15 in
Kontakt gebracht wurde, verbiegt der Träger 14 proportional
zur Andrückbelastung.
In diesem Zustand wird der Betrieb ausgeführt. Um genaue Bilddaten zu
erhalten, muss die Sonde 11, bei erhöhter Andrückbelastung des Cantilevers 10,
hohe Steifigkeit aufrecht erhalten, und es darf sich nur der Träger 14 verbiegen.
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Die 2 ist
ein schematisches Diagramm, das die Atomanordnung der Sonde 11 eines
Hetero-Kohlenstoffnanoröhrchens
zeigt. Das Kohlenstoff-Nanoröhrchen
verfügt über ein
Array, bei dem einige Positionen von Kohlenstoffatomen 16 durch Bor
oder Stickstoff 17 ersetzt sind. Da das Bor oder der Stickstoff 17 Kohlenstoffatome 16 ersetzt,
wirken Spannungen aufgrund einer Atomradiendifferenz auf das Kohlenstoff-Nanoröhrchen,
und seine Härte
ist erhöht,
wodurch die Steifigkeit verbessert ist. Im Allgemeinen wird, wie
oben beschrieben, ein mit Bor dotiertes Kohlenstoff-Nanoröhrchen durch
Bogenentladung hergestellt, und ein mit Stickstoff dotiertes Kohlenstoff-Nanoröhrchen wird
durch CVD hergestellt.
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Die 3 zeigt
eine Kraftkurve, wenn eine Sonde verwendet wird, die sich dadurch
verformt, dass ein Cantilever gegen eine Probenoberfläche gedrückt wird.
Die horizontale Achse kennzeichnet den Abstand zwischen der Sonde 11 und
der Probe auf dem Probenträger 15,
und die vertikale Achse kennzeichnet die Andrückbelastung. Die Sonde 11 verformt
sich in dem Moment nicht, in dem sie die Probe auf dem Probenträger 15 berührt, und
es liegt keine Biegung am Träger 14 vor,
wie es am Punkt A und der kleinen schematischen Figur dargestellt
ist, die auf der rechten Seite in der 3 überlagert
dargestellt ist. Wenn dann eine Andrückbelastung auf die Sonde 11 ausgeübt wird,
beginnt sich der Träger 14, der
gerade war, proportional zur Andrückbelastung zu verbiegen, wie
es mit dem Pfeil 19 und der kleinen schematischen Figur
dargestellt ist, die auf der linken Seite in der 3 überlagert
ist. Die Biegung des Trägers 14 wird
an die Andrückbelastung
rückgekoppelt.
Der Weg, nachdem die Sonde die Probe auf dem Probenträger 15 berührt hat,
ist entsprechend dem Pfeil 19 in der negativen Richtung
verlängert, wenn
die Andrückbelastung
erhöht
wird. Wenn der Weg einen Punkt erreicht, an dem ein Bildfehler auftritt,
verformt sich jedoch die Sonde 11 aufgrund einer zu hohen
Andrückbelastung.
Dann wird die Biegung des Trägers 14 gelindert,
und die scheinbare Andrückbelastung
ist verringert, wie es durch den Pfeil 20 gekennzeichnet
ist. Wenn die Andrückbelastung weiter
erhöht
wird, verformt sich die Sonde 11 nicht mehr, und die Andrückbelastung,
einschließlich
der Aufwölbungs-Widerstandsfähigkeit
der Sonde 11, nimmt proportional zum Weg nach dem Kontakt
zu, wie es durch den Pfeil 21 gekennzeichnet ist. Bei einem
Verfahren, bei dem der Träger 14 für eine Erfassung
in der Höhenrichtung
verwendet wird, erfolgt daher aufgrund eines Effekts durch die Verformung der
Sonde 11 eine ungenaue Messung, was zu einem Bildfehler
führt.
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Die 4 zeigt
eine Kraftkurve für
den Fall, dass eine sich nicht verformende Sonde verwendet wird.
Da eine Sonde 11 verwendet wird, in die Bor oder Stickstoff
dotiert ist, ist ihre Steifigkeit erhöht. Wenn eine Messung zum Erhalten
einer Kraftkurve wie in der 3 ausgeführt wird,
wird daher ein normales Bild ohne einen Bildfehler erhalten. Das
Messverfahren ist dasselbe wie bei der 3. Es wird
die Sonde 11 angenähert,
und sie berührt
dann eine Probe auf dem Probenträger 15,
während
ein Zustand aufrecht erhalten wird, in dem keine Andrückbelastung
vorliegt. Wenn dann eine Andrückbelastung
auf die Sonde 11 ausgeübt
wird, beginnt sich der Träger 14,
der gerade verlief, proportional zur Andrückbelastung, entsprechend dem
Weg, nachdem die Sonde die Probe auf dem Probenträger 15 berührt hat,
zu verbiegen. An der Sonde 11 liegt keine Verformung vor.
Die Biegung des Trägers 14 wird
durch einen Detektor erfasst und an die Andrückbelastung rückgekoppelt.
Daher ist der Weg nach der Berührung
in der negativen Richtung, wie durch den Pfeil 19 gekennzeichnet,
verlängert,
wenn die Andrückbelastung
erhöht
wird. Dies verhindert einen Bildfehler.
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[Erste Ausführungsform]
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Bei
einer ersten Ausführungsform
der Erfindung, wie sie in den 5 bis 7 dargestellt
ist, wird eine einzelne Kohlenstoff-Nanoröhrchensonde 11 durch
eine Metallschicht an einem Ende eines Halters 13 befestigt.
Die 5 ist eine perspektivische Ansicht der Sonde des
erfindungsgemäßen Cantilevers.
Die 6 zeigt allgemein den Cantilever mit der in der 5 dargestellten
Cantileversonde. Wie es in der 6 dargestellt
ist, verfügt
der Cantilever über
einen Chip mit einer Kohlenstoff-Nanoröhrchensonde 11, einer
Endverbindungsschicht 12-1, einer mitt leren Verbindungsschicht 12-2,
einer Fußverbindungsschicht 12-3 und
einem Halter 13, und er verfügt auch über eine Basis 18;
der Chip ist an einem Ende (freies Ende) des Trägers 14 vorhanden,
und die Basis 18 ist am anderen Ende (festes Ende) angeordnet.
Die mittlere Verbindungsschicht 12-2 und die Fußverbindungsschicht 12-3,
die Metallschichten sind, sind als Befestigungsschichten zum Befestigen
der Sonde 11 am Halter 13 verwendet.
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Die 7 ist
eine Schnittansicht der in der 5 dargestellten
Sonde. Wie es in der 7 dargestellt ist, ist der Endverbindungsabschnitt 12-1 in eine
haltende Verbindungsschicht 12-1-1 auf der Seite des stumpfen Winkels
und eine andrückende
Verbindungsschicht 12-1-2 auf der Seite des überstumpfen
Winkels, entsprechend den Effekten derselben, unterteilt. Wie die
Verbindungsschichten 12-2 und 12-3 hat die haltende
Verbindungsschicht 12-1-1 die Wirkung des Befestigens der
Sonde 11 am Halter 13. Die andrückende Verbindungsschicht 12-1-2 hat
die Wirkung des Zurückdrückens des
Kohlenstoff-Nanoröhrchens,
das in den geraden Zustand zurückkehrt. Die
Kohlenstoff-Nanoröhrchensonde 11 ist
so befestigt, dass sie beinahe orthogonal zu einer Ebene des Probenträgers 15 verläuft.
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Die
Sonde 11 muss nicht parallel zur Andrückrichtung verlaufen, oder
die Spitze der Sonde 11 kann wegrutschen. Wenn dies auftritt,
verbiegt sich ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen ohne Aufwölbungs-Widerstandsfähigkeit
entsprechend der Annäherungsbelastung.
Da die Richtung, in der sich die Kohlenstoff-Nanoröhrchensonde 11 gerade
erstreckt, beinahe orthogonal zur Ebene des Probenträgers 15 verläuft, ist
jedoch insbesondere das Wegrutschen verringert.
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Um
den Effekt zu liefern, dass ein Wegrutschen verhindert ist und die
Sonde 11 geneigt ist, beträgt ein geeigneter Winkel, um
den sie geneigt ist, 5% oder weniger in Bezug auf die vertikale
Richtung, vorzugsweise 2,5° oder
weniger. Die Reibungswiderstän de
der meisten Kohlenstoff-Nanoröhrchensonden 11 gegen
die Oberfläche
einer Sonde betragen 1 nN oder mehr. Die auf die Kohlenstoff-Nanoröhrchensonde 11 ausgeübte Belastung
in der Gleitrichtung ist das 0,04362(sin 2,5°)-fache der Annäherungsbelastung,
wenn der Neigungswinkel 2,5° beträgt, und
das 0,08716(sin 5°)-fache bei einem Winkel
von 5°,
was zeigt, dass die Belastung bei 2,5° ungefähr der Hälfte der Belastung bei 5° entspricht.
Wenn beispielsweise die Annäherungsbelastung
20 nN beträgt,
beträgt
die Belastung bei horizontalem Wegrutschen 0,8724 nN bei 2,5° sowie 1,7432
nN bei 5°.
Wenn der Reibungswiderstand der Kohlenstoff-Nanoröhrchensonde 11 1,0
nN oder weniger beträgt,
tritt bei 2,5° kein
Wegrutschen auf, aber bei 5°.
Es kann daran gedacht werden, dass eine Sonde hergestellt werden
kann, die bei den meisten Vorrichtungen mit weniger Wegrutschen
verwendet werden kann, wenn der Winkel, gemäß dem die Sonde 11 geneigt
ist, 5° oder
weniger beträgt.
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Wie
oben beschrieben, hängt
die Belastung in der Gleitrichtung von der Annäherungsbelastung und dem Neigungswinkel
der Sonde 11 ab, so dass die Annäherungsbelastung vorzugsweise
unter die Belastung voreingestellt wird, bei der ein Wegrutschen
auftritt. Jedoch darf die Annäherungsbelastung
nicht auf einen Wert voreingestellt werden, der zu niedrig ist,
um mit der Lasterfassungsgenauigkeit, wie sie für die Messvorrichtung spezifisch
ist, eine Erfassung vorzunehmen.
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Die
Kohlenstoff-Nanoröhrchensonde 11 wurde
dadurch entlang einer Kante des Halters 13 befestigt, dass
die Fußverbindungsschicht 12-3,
die mittlere Verbindungsschicht 12-2 und die Endverbindungsschicht 12-1 in
dieser Reihenfolge hergestellt wurde. Die Endverbindungsschicht 12-1 wurde
durch Abscheiden von Metallschichten aus zwei Richtungen hergestellt.
Bei dieser Ausführungsform
wurde die Kohlenstoff-Nanoröhrchensonde 11 durch
punktförmige
Metallschichten an drei Punkten entlang dem Halter 13 befestigt.
Jedoch kann diese Anordnung entsprechend der Länge des Kohlenstoff-Nanoröhrchens
und den Größen der
Metallschichten geändert werden.
Es können
mehrere Kohlenstoff-Nanoröhrchen
als Einzelcharge verwendet werden.
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Bei
dieser Ausführungsform
ist Wolfram für die
Metallschichten verwendet.
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Das
verwendete Gas einer Wolframverbindung ist W(CO)6.
Elektronenstrahlen wurden für
ungefähr
15 Sekunden bei einer Beschleunigungsspannung von 10 V und einem
Emissionsstrom von 12 μA eingestrahlt.
Der Halter 13 besteht aus Silicium (Si), und er ist auf
eine Pyramidenform bearbeitet. Die Dicke der Metallschicht kann
durch lindern der Strahleinstrahlungszeit eingestellt werden. Eine
Strahleinstrahlungszeit von 10 bis 30 Sekunden reicht aus, um eine
ausreichende Fixierfestigkeit zu erzielen.
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Die 8 zeigt
ein Analyseergebnis für
Gradienten in der Metallschicht; der Wolframgehalt betrug 90% oder
mehr. Die gemessene Verbindungsfestigkeit war für den praktischen Gebrauch
ausreichend. Wolfram in der Metallschicht wurde durch einen scannenden
Augerelektronen-Spektrumsanalysator (PH1700 von ULVAC-PHI) erfasst, und
es erfolgte eine kartenmäßige Abbildung
zum Klarstellen der Metallschicht.
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(Erstes Vergleichsbeispiel)
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Es
wurde dieselbe Vorrichtung wie bei der ersten Erfindung erzeugt,
jedoch wurden Metallschichten nur aus einer Richtung hergestellt.
Wolfram wurde auf die oben beschrieben Weise in die Metallschichten
dotiert. Das Kohlenstoff-Nanoröhrchen
wurde auf dieselbe Weise befestigt, jedoch wurde die Endverbindungsschicht
nur aus einer Richtung hergestellt.
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Das
Ende der Kohlenstoff-Nanoröhrchensonde 11 wurde
durch Anlegen einer Impulsspannung zugeschnitten.
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Der
Cantilever beim ersten Vergleichsbeispiel wurde in einem Rasterelektronenmikroskop (REM)
betrieben, das zum Abscheiden der Metallschichten verwendet wurde.
Als Betrachtungsprobe wurde ein Au-Draht verwendet, der gegen Korrosion hochbeständig ist
und hervorragende Leitfähigkeit zeigt.
Ein Ende des Au-Drahts wurde mit einer Kneifzange abgeschnitten.
Der Querschnitt des abgeschnittenen Teils war aufgrund des Schneidvorgangs keilförmig. Der
ebene Teil einer keilartigen Seite wurde als Probenebene verwendet.
Ein Teil des Gebiets ohne die Probenebene des Au-Drahts wurde rechtwinklig abgebogen,
so dass die Probenebene und die Sonde 11 einander zugewandt
waren.
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Um
den Messzustand zu beobachten, wurde der Cantilever um 90° gedreht
und so angeordnet, dass der Träger 14 horizontal
gehalten wurde. Es erfolgte ein Betrieb an einer Position, an der
mit dem REM ein Bild ähnlich
der Projektionsfigur in der 7 beobachtet
werden konnte.
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Es
wurde der Probenträger 15 verstellt,
um eine ebene Fläche
des Au-Drahts nahe an die Sonde 11 zu bringen, wobei der
Cantilever stationär
verblieb. Auch nachdem der Au-Draht die Sonde 11 berührt hatte,
wurde der Probenträger 15 weiter
verstellt, bis eine Belastung erzielt war, die einer Kraft entsprach,
die einer Annäherungsbelastung
bei einer tatsächlichen
Vorrichtung entsprach. Im Verlauf der Messung wurde eine Aufwölbung des
Kohlenstoff-Nanoröhrchens
beobachtet.
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(Zweites Vergleichsbeispiel)
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Es
wurde eine Vorrichtung ähnlich
der, wie sie bei der ersten Ausführungsform
angegeben ist, erzeugt, wobei herkömmliche Koh lenwasserstoffschichten
(Verunreinigung) verbunden wurden, die die Metallschichten ersetzten.
Die Kohlenstoff-Nanoröhrchensonde 11 wurde
freigegeben, während
die Vorrichtung verwendet wurde. Die 9A bis 9D veranschaulichen die Zustände des
Cantilevers beim zweiten Vergleichsbeispiel, das bei einer tatsächlichen
Vorrichtung verwendet wurde. Als Probe wurde ein Au-Draht verwendet.
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Die 9A veranschaulicht einen Prozess, gemäß dem der
Cantilever angenähert
wird. Die Kohlenstoff-Nanoröhrchensonde 11 befindet
sich nahe der Oberfläche
des Au-Drahts, jedoch nicht im Kontakt mit dieser.
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Die 9B veranschaulicht einen Prozess, bei
dem die Kohlenstoff-Nanoröhrchensonde 11 die Oberfläche des
Au-Drahts berührt
und angedrückt wird,
bis eine zunächst
eingestellte Annäherungsbelastung
erreicht ist.
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Die 9C veranschaulicht einen Prozess, bei
dem die Annäherungsbelastung
erreicht wird und dann der Cantilever freigegeben wird. Abweichend vom
Kontaktherstellungsprozess steht das Ende der Kohlenstoff-Nanoröhrchensonde 11 mit
der Probe in Kontakt, während
der Cantilever durch eine Kraft angezogen wird, die vermutlich eine
Anziehungskraft ist, die durch statische Elektrizität erzeugt
wird.
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Die 9D zeigt den Zeitpunkt, zu dem sich die
Kohlenstoff-Nanoröhrchensonde 11 von
der Oberfläche
des Au-Drahts löst.
Da der Cantilever 10 durch die Anziehungskraft angezogen
wurde, wirkt unmittelbar bei seinem Lösen eine Rückstellkraft auf den Cantilever 10,
und er schwingt kräftig.
Bei Beobachtung durch das REM war das Bild der Sonde aufgrund der
Schwingung unscharf. Die Kohlenstoff-Nanoröhrchensonde 11 fiel
wegen der Schwingung zum Abhebezeitpunkt aus. An den Verbindungsschichten wurde
nach dem Ausfall der Sonde 11 ein Riss beobachtet.
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Wenn
eine Metallschicht abgeschieden wurde, in die Wolfram dotiert war,
wurde das Kohlenstoff-Nanoröhrchen
nicht angezogen.
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Der
obige Effekt kann Ladungen zuzuschreiben sein, so dass es anzunehmen
ist, dass das Kohlenstoff-Nanoröhrchen
aufgrund der Entladung der statischen Elektrizität ausfiel. Da das Kohlenstoff-Nanoröhrchen gemäß der Erfindung
durch ein Metall befestigt ist, kann davon ausgegangen werden, dass die
Kohlenstoff-Nanoröhrchensonde 11 nicht
geladen wird und dadurch die Anziehung und die Zerstörung, wie
sie oben beschrieben sind, vermieden werden können. Daher ist es zu erwarten,
dass das Produkt eine verbesserte Beständigkeit und verlängerte Lebensdauer
zeigt. Es kann auch eine Messgenauigkeit erwartet werden.
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[Zweite Ausführungsform]
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Nun
wird eine Ausführungsform
einer LSI-Prüfvorrichtung
mit dem Cantilever gemäß der Erfindung
unter Verwendung eines Kohlenstoff-Nanoröhrchens mit verschiedenen Atomen
unter Bezugnahme auf die 10 beschrieben.
Die LSI-Prüfvorrichtung
dieser Ausführungsform
verfügt über einen
Cantilever 10 mit einer Sonde 11, die unter Verwendung
eines Hetero-Kohlenstoffnanoröhrchens hergestellt
wurde, und einem sie haltenden Träger 14, und einen
Kontaktdetektor zum Erkennen, dass der Cantilever 10 den
gerade geprüften
LSI-Chip auf einem Probenträger 15 berührt hat.
Der Kontaktdetektor verfügt über eine
Laserquelle 51, einen Laserreflektionsspiegel 52,
einen Lichtdetektor 53 und einen Verstärker 54 zum Verstärken eines
durch den Lichtdetektor 53 erfassten optischen Signals.
Die Vorrichtung verfügt
ferner über
eine Z-Achse-Regelungsschaltung 55 zum
Rückkoppeln
eines Signals vom Verstärker 54,
ein piezoelektrisches Bauteil 61 zum Einstellen der Position
des Probenträgers 15 in der
Höhenrichtung
unter Verwendung eines Signals von der Z-Achse-Regelungsschaltung 55, eine XY-Scanschaltung 56,
die dazu erforderlich ist, zweidimensionale Oberflächeninformation
zu erhalten, eine piezoelektrische Schaltung 62 zum Einstellen der
Position des Probenträgers 15 in
der horizontalen Richtung unter Verwendung eines Signals von der XY-Scanschaltung 56,
eine CPU 70 zum Empfangen von Signalen von der Z-Achse-Regelungsschaltung 55 und
der XY-Scanschaltung 56 sowie eine Anzeigeeinheit 80 zum
Anzeigen eines Bilds, das den durch die CPU 70 empfangenen
Signalen entspricht.
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Ein
zu prüfender
LSI-Chip 40 wird auf dem Probenträger 15 platziert.
Dann wird der LSI-Chip 40 durch die Z-Achse-Regelungsschaltung 55 und
die XY-Scanschaltung 56 an eine Position unter der Sonde 11 verstellt.
Um zu erkennen, dass der LSI-Chip 40 die Sonde 11 berührt hat,
reicht es aus, an die CPU 70 Information zu übertragen,
die anzeigt, dass der die Sonde 11 haltende Träger 14 gebogen
ist. Die Biegung des Trägers 14 ist
extrem klein. Um die Biegung zu erkennen, wird von der an einem
Ende angeordneten Laserquelle 51 emittiertes Laserlicht 60 auf
den Träger 14 gerichtet.
Das reflektierte Laserlicht wird durch den am anderen Ende angeordneten Lichtdetektor 53 erfasst.
Ein längerer
Lichtpfad ist besser, jedoch ist die Länge durch den Aufbau des Lichtdetektors
beschränkt.
Der LSI-Chip 40 wird mit einer Andrückkraft geprüft, die
innerhalb des Bereichs minimiert ist, in dem die Biegung des Trägers 14 aufrecht
erhalten werden kann, wie sie beobachtet wird, nachdem der LSI-Chip 40 die
Sonde 11 berührt hat.
Dann kann Bildinformation zur Oberflächenrauigkeit des LSI-Chips 40 mit
hoher Genauigkeit erhalten werden.
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[Dritte Ausführungsform]
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Nun
wird eine Ausführungsform
einer Lithografievorrichtung mit dem Cantilever gemäß der Erfindung
unter Bezugnahme auf die 11 beschrieben.
Die Lithografievorrichtung gemäß dieser
Ausführungsform
verfügt
im Wesentlichen über
denselben Aufbau wie die in der 10 dargestellte LSI-Prüfvorrichtung,
jedoch mit der Ausnahme, dass eine Lithografie-Spannungsversorgung 90 zum
elektrischen Verbinden des Cantilevers 10 mit dem Probenträger 15 vorhanden
ist. Der Hetero-Cantilever 10 ist dadurch gekennzeichnet,
dass er hydrophil ist. Die Verwendung dieser Eigenschaft ermöglicht es,
den Cantilever 10 als Sonde 11 der Lithografievorrichtung zu
verwenden. Wenn die Sonde 11 des Cantilevers 10 mit
einer gerade durch die Lithografievorrichtung geprüften Probe 45 in
Kontakt gebracht wird, wird ein in Kontakt gebrachter Teil mit absorbiertem
Wasser 49 bedeckt. Wenn Strom durch das absorbierte Wasser 49 geschickt
wird, wird die Probe 45 anodisiert, wodurch Lithografie
ermöglicht
ist.