JP2003178947A

JP2003178947A - 探針描画装置および方法および絶縁特性評価装置

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Publication number: JP2003178947A
Application number: JP2001376059A
Authority: JP
Inventors: Seiji Heike; 誠嗣平家; Masayoshi Ishibashi; 雅義石橋; Tomihiro Hashizume; 富博橋詰
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-12-10
Filing date: 2001-12-10
Publication date: 2003-06-27
Anticipated expiration: 2021-12-10
Also published as: JP4022391B2; US20030107007A1; US6670622B2

Abstract

(57)【要約】【課題】電流を高速に制御できる探針描画装置あるい
は絶縁特性評価装置を提供すること。【解決手段】レジスト層あるいは絶縁層に流す電流を
交流電圧の振幅変化を用いて行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、走査プローブ顕微
鏡を用いた微細加工技術において用いられるパターン描
画装置およびこの構造を利用した絶縁特性評価装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】半導体電子素子の高集積化に伴い極微細
加工技術が必要とされているが、光リソグラフィーで使
用する光の波長やレンズ材料により最小加工寸法が１０
０ｎｍ程度に限られると予想されている。近年、これに
代わる技術として、本願の発明者らの提案にかかわる、
例えば、特開平１１−７３９０６号公報に開示されてい
る、走査プローブ顕微鏡を用いたリソグラフィー装置が
提案されている。これは、探針と基板間に電圧を印加し
て基板上に塗布したレジスト層に電子線を照射すること
により露光を行う方法で、解像度が高く、１０ｎｍレベ
ルの加工も可能である。さらに、例えば、M. Ishibashi
et al., ''Characteristics of scanning-probe litho
graphy with a current-controlled exposure system''
Appl. Phys. Lett. 72(13) 30 March 1998 pp.1581-15
83、に示されるように、印加電圧を増減させて照射電流
を一定に保ち、再現性のよいパターン描画が可能な装置
が開発されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】レジストパターンを再
現性良く安定に描画するためには、上記のような、照射
電流を一定に制御するための閉ループ制御によるフード
バック処理が不可欠である。しかし、探針−基板間には
必ず浮遊容量が存在するため、電流設定値の変化やレジ
スト膜厚の変化に対応するために印加電圧を変化させよ
うとすると、実際にレジスト中を流れる照射電流以外に
浮遊容量への充放電電流が流れ、電圧の変化を妨げる。
そのため、照射電流が所望の値となるまでに著しく長い
時間を必要とし、電流のＯＮ／ＯＦＦを頻繁に繰り返す
よう複雑な図形を描画することは事実上不可能であっ
た。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、探針−基板間
に交流電圧を印加した場合、その振幅を変化させても浮
遊容量に流れる充放電電流の時間平均が相殺されて零に
なるように動作することに着目したものである。すなわ
ち、描画のための印加電圧として交流電圧を用いると、
浮遊容量に流れる充放電電流は交流電流となる。また、
レジスト層の電流−電圧特性は線形でなく、一定のしき
い値以上でないと電流が流れないため、交流電圧の振動
中心をこのしきい値付近に設定すれば、交流波形のプラ
ス側またはマイナス側のみで照射電流がレジスト層を流
れる。そのため、検出されたレジスト層を流れる電流を
フィルタを用いて時間平均すると、充放電電流は相殺さ
れて零になり、実際にレジストに照射される照射電流値
のみが測定できる。こうして検出された描画電流が一定
となるようにフィードバック制御して、印加交流電圧の
振幅を変化させることにすれば、レジスト層の浮遊容量
に影響されることなく照射電流値を制御することがで
き、高速に描画が可能である。

【０００５】

【発明の実施の形態】（実施例１）実施例１では、交流
電圧を用いるとともに交流電圧の振動中心をレジスト膜
のしきい値付近に設定する直流電圧を併用してレジスト
膜上に描画を行う探針描画装置の例を図１から図６を用
いて説明する。

【０００６】図１は本発明の描画装置の実施例構成概念
を示すブロック図である。１は描画ヘッド部であり、導
電性の探針２が導電性のバネ部３の一端に保持され、導
電性のバネ部３の他端がホルダー４に保持されている。
５は試料部であり、この例では、レジスト層８及び導電
層７を塗布した基板６から構成される。試料部５のレジ
スト層８を探針２に対向して位置させる。試料部５はＺ
駆動部９およびＸＹ駆動部１０に保持されており、探針
２に対して相対的に試料部５をその面内方向及び垂直方
向に走査できる。Ｚ駆動部９およびＸＹ駆動部１０はＺ
粗動部１１上に設けられ、Ｚ粗動部１１によって、試料
部５を探針２に対して垂直方向に粗く移動させることが
できる構造とされる。１３は位置検出部であり、バネ部
３の位置あるいは変位が検出できるように配置され、例
えば、光てこ式の検出装置とされる。位置検出部１３で
は、従って、探針２のレジスト層８からの垂直方向の相
対的な位置あるいは両者の間に加わる力が検出される。

【０００７】１２は総合制御部であり、レジスト層８に
描画すべきパターン信号、照射電流の設定値、探針２と
レジスト層８との間に加わる力およびその他の必要な信
号が設定値として入力されるとともに、必要なフィード
バック信号が入力されて、検出された描画電流が一定と
なるようにフィードバック制御を実行するための信号を
送出する。１４はＺ位置制御部であり、位置検出部１３
で検出された位置信号と総合制御部１２から与えられた
設定信号とにより、描画中のＺ駆動部９のＺ方向変位を
調整する。Ｚ位置制御部１４の信号は、描画の前処理段
階での探針２とレジスト層８を接触させる段階では、ス
イッチ２０によりＯＦＦとされるが、このことは後で具
体的に説明する。位置検出部１３で検出された位置信号
および描画中のＸＹ駆動部１０の位置は総合制御部１２
へフィードバックされる。

【０００８】１５は電流検出部であり、探針２からレジ
スト層８を介して導電層７に流れる電流を検出する。１
６はローパスフィルタであり、電流検出部１５で検出し
た電流の高周波成分を除去する。１７は電流制御部であ
り、総合制御部１２へフィードバックされるＸＹ駆動部
１０の位置と総合制御部１２に与えられたレジスト層８
に描画すべきパターン信号との関係から、描画中のＸＹ
位置に応じた電流の目標値を設定する。１８は交流電圧
印加部であり、電流制御部１７により設定された電流に
対応した交流電圧振幅を持つ交流電圧を出力する。１９
は直流電圧印加部であり、総合制御部１２から与えられ
るレジスト層８のしきい値に対応した直流電圧を出力す
る。２１は加算回路であり、交流電圧印加部１８の出力
する交流電圧と、直流電圧印加部１９の出力する直流電
圧とが重畳された電圧を出力して、これを探針２に印加
する。

【０００９】次に、図１に示した装置を用いてパターン
描画を行う際の動作を具体的に説明する。まず、探針２
とレジスト層８とを接触させるための操作を行う。この
ときの操作の一例を具体的に述べると次のようである。
まず、スイッチ２０をＯＦＦとする。この状態で総合制
御部１２からＺ粗動部１１に、探針２とレジスト層８と
が予め設定されている一定量だけ接近する信号を与え
る。この結果を位置検出部１３の出力を監視することで
評価し、探針２とレジスト層８とが接触しなかったと判
断されたときは、さらに、同様の操作を行い、探針２を
レジスト層８に接近させる。位置検出部１３の出力か
ら、両者が接触したと判断されたら、Ｚ粗動部１１によ
る操作は終わりとして、スイッチ２０をＯＮにする。そ
の結果、位置検出部１３、Ｚ位置制御部１４、Ｚ駆動部
９から成る位置フィードバックループが形成されるか
ら、総合制御部１２からＺ位置制御部１４に与えられる
目標値に応じて、探針２の垂直方向位置を自動制御す
る。これにより、ＸＹ駆動部１０を動作させた結果探針
２とレジスト層８との相対位置が変化した場合も、探針
２とレジスト層８とのＺ方向の相対位置が目標値に保た
れる。

【００１０】次に、ＸＹ駆動部１０を動作させて探針２
をレジスト層８上で移動させながら所定の電流を探針２
からレジスト層８に流すことにより描画を行うことにな
るが、本発明では、描画を開始する前に、描画の対象と
なるレジスト層８のしきい値となる直流電圧を計測す
る。すなわち、探針２からレジスト層８を介して導電層
７に電流が流れ始める直流電圧を計測する。しきい値の
異なる各種のレジスト層８の描画を行うためには、これ
らのレジスト層８のしきい値を計測しておき、総合制御
部１２に記憶させておくのが良い。このしきい値の直流
電圧を、総合制御部１２から直流電圧印加部１９に与え
る。その後、電流検出部１５およびローパスフィルタ１
６、電流制御部１７および交流電圧印加部１８から成る
電流フィードバックループをＯＮにする。電流制御部１
７には、必要な照射電流に対応した電流の目標値を総合
制御部１２から設定し、交流電圧印加部１８からこれに
対応した交流電圧波形の振幅が調整されて出力される。
加算回路２１では直流電圧印加部１９の出力電圧と交流
電圧印加部１８の出力電圧とが加算され、探針２と導電
層７との間に印加され、後述するように、所望の電流が
流れてレジスト層８が露光される。なお、ローパスフィ
ルタ１６は電流検出部１５で検出された電流に含まれる
交流電圧印加部１８からの交流電圧の周波数成分を除去
するようなカットオフ周波数を選ぶものであるが、交流
波形は必ずしも正弦波である必要はなく、例えば、三角
波、鋸波、矩形波等でも良い。

【００１１】図２および図３を用いて、本実施例による
交流電圧を用いた電流フィードバックによる電流制御に
ついて説明する。

【００１２】図２は本実施例の電流フィードバックルー
プのブロック図である。２７は探針２−レジスト層８間
に存在する浮遊容量を代表するものであり、２２は探針
２−レジスト層８間に存在するレジスト層８の抵抗を代
表するものである。これらの浮遊容量２７および抵抗２
２は並列回路を構成しており、加算回路２１から直流電
圧印加部１９の出力電圧Ｖ_dcと交流電圧印加部１８の出
力電圧Ｖ_ac・ｅⁱ ^ω ^tとが図示の極性で加算される。浮遊
容量２７および抵抗２２からの出力電流（ｉ_cおよび
ｉ_r）は加算回路２１で図示の極性で加算され、ローパ
スフィルタ２３を通過後ｉ_aとなる。このフィードバッ
ク電流ｉ_aは、加算回路２９で総合制御部１２から与え
られる描画中のＸＹ位置に応じた電流の目標値ｉ_sに、
図示の極性で加算される。設定電流ｉ_sとフィードバッ
ク電流ｉ_aとの偏差ｅが積分器２４で時間積分され、ゲ
イン調整器２５で交流印加電圧の振幅Ｖ_acが決定され
る。この振幅を持つ交流電圧Ｖ_ac・ｅⁱ ^ω ^tを発振器２６
から出力し、直流電圧Ｖ_dcを足しあわせた電圧が、浮遊
容量２７およびレジスト層８の抵抗２２に印加される。
ここで、ωは交流電圧の角周波数である。

【００１３】探針２−導電層７間に（数１）に示すよう
な電圧を印加した場合、浮遊容量２７に流れる電流ｉ_c
は、容量Ｃと電圧の時間微分の積Ｃ・ｄＶ／ｄｔで表さ
れ、（数２）に示すような電流となり、一方、レジスト
層８の抵抗２２（抵抗値ｒ）を流れる電流はｉ_r＝Ｖ／
ｒとなる。

【００１４】

【数１】

【数２】次に、これらの電流の和ｉ＝ｉ_c＋ｉ_rは、カットオフ周
波数がω以下のローパスフィルタ２３を通過するが、浮
遊容量２７に由来する電流ｉ_cは直流成分を全く含まな
いため、ほぼゼロとなる。しかし、レジスト層８の電流
電圧特性は一般には線形でないため、直流印加電圧Ｖ_dc
を適当に選ぶと一方向にのみ電流を流すことができる。
これを図３を用いて説明する。

【００１５】図３はレジスト層８の電流−電圧特性の模
式図であり、横軸が印加電圧、縦軸が電流を表してい
る。特性カーブ３１は、低電圧領域では電流は流れず、
正側しきい電圧３２、あるいは、負側しきい電圧３３を
超えると急激に電流が流れ始めることを示している。ま
た、この例では、正側しきい電圧３２の方が負側しきい
電圧３３より絶対値では小さいことを示している。例え
ば、直流電圧印加部１９により与えられる直流印加電圧
Ｖ_dcを正側しきい電圧３２付近に設定し、そこを中心と
して交流電圧波形３４を振動させると、正側半周期３６
では電流が流れ、負側半周期３７では電流が流れないた
め、電流波形３５のような電流ｉ_rが流れる。この電流
をローパスフィルタ２３に通すことにより、レジスト層
８に流れる電流の平均値ｉ_aが得られる。この電流ｉ_aと
所望の設定電流値ｉ_sとの偏差ｅ＝ｉ_s−ｉ_aがゼロとな
るように積分器２４を介して交流電圧の振幅にフィード
バックすることにより、実際にレジスト層８を流れる電
流の平均値ｉ_aを所望の設定電流に保つことができる。
なお、偏差ｅを、ここでは積分器２４による積分制御と
する場合について述べたが、これは、比例制御、あるい
は、比例積分制御としてもよい。また、直流印加電圧Ｖ
_dcを負側しきい電圧３３付近に設定すれば電流ｉ_aの向
きを反転することができる。また、所望の設定電流値ｉ
_sはレジスト層８が露光されるために必要な大きさであ
ることは当然であるが、正側半周期３６では電流が流
れ、負側半周期３７では電流が流れないための条件は、
図３の例では負側半周期３７の交流電圧の振幅が正側の
しきい値３２と負側のしきい値３３の和の値の大きさの
交流電圧までであるので、十分大きな設定電流値ｉ_sに
対応した電流ｉ_aを流すことができる。

【００１６】なお、交流電圧波形は正負対称な波形であ
る必要はなく、周期的であり、かつ一周期の時間積分が
打ち消しあうようなものならばいかなる波形でも使用で
きる。例えば、図４に示したように正側半周期４１と負
側半周期４２が非対称であっても、その面積が等しけれ
ばよい。図４に示した波形で、正側半周期４１の振幅と
負側半周期４２の振幅の比を正側の出力電圧の最大値と
負側しきい電圧３３の比に設定すれば、最大振幅時であ
っても負側半周期４２の振幅は負側しきい電圧３３に達
しないため、負方向の電流は流れず、直流印加電圧Ｖ_dc
を用いなくとも電流フィードバック制御が可能である。
このときの電流としきい値との関係を図３に対応させて
示すと図５の通りとなる。電流の向きを反転させる場合
は、正側半周期４１の振幅と負側半周期４２の振幅の比
を正側しきい電圧３２と負側の出力電圧の最大値の比に
設定すればよい。

【００１７】図４のような非対称波形は、正側半周期４
１と負側半周期４２の面積を考慮して発生させてもよい
が、時間積分が完全に打ち消すような波形を生成するの
は困難である。そこで、図６を用いて簡単な波形発生方
法について説明する。

【００１８】図６は交流電圧印加部１８のブロック図で
ある。周期波形の一周期の時間積分が打ち消し合うとい
うことは、その波形が直流成分を含まないことと等価で
あるから、波形発生回路５３で発生させた交流波形をハ
イパスフィルタ５４を通して直流成分を除去することに
より、上記の条件を満たす波形が形成できる。ハイパス
フィルタ５４の時定数は交流波形の周波数付近かあるい
はそれ以上でもよいが、波形の振幅が減少するため、十
分に低い値にするほうが望ましい。こうして得られた波
形の振幅を振幅調整回路５５において電流制御部１７か
らの信号に応じて変化させる。

【００１９】本実施例では、Ｚ駆動部９およびＸＹ駆動
部１０としてはピエゾ素子を用いてレジスト層８上にお
ける探針位置を微細に調節した。Ｚ粗動部１１の機構と
しては、ステッピングモータとマイクロメータヘッドを
用いたが、これはてこ式、インチワーム式等いずれの方
法を用いてもかまわない。また、試料部５をＺ駆動部
９、ＸＹ駆動部１０およびＺ粗動部１１側に設けたが、
これらは描画ヘッド部１と試料部５を相対的に移動させ
るためのものであるから、ホルダー４がＺ駆動部９、Ｘ
Ｙ駆動部１０およびＺ粗動部１１側に設けられるものと
しても良い。また、位置検出部１３の位置検出は、バネ
部３によるレーザ光の反射を用いる光てこ式で行った
が、バネ部３にストレインゲージを貼り付けて、この歪
みによる抵抗変化で検出するものとしてもよい。

【００２０】基板６はガラス製で、導電層７としてチタ
ンを２０ｎｍから１００ｎｍ蒸着し、約１０ｎｍから１
００ｎｍの厚さのレジスト層８（例えば、日立化成工業
株式会社製ＲＤ２１００Ｎ）を塗布する。レジスト層８
に使用するレジストはノボラック系フェノール樹脂と感
光剤の混合レジスト、化学増幅系レジスト、ポリメタク
チル酸メチルでもよい。基板６は例えばシリコン、ドー
プしたシリコンなど加工したい任意の材料を使用するこ
とができる。基板６にドープしたシリコンを使用する場
合は基板６自身が導電性のため導電層７は省略しても良
い。導電層７は電流検出部１４と接続され、探針２に加
えられる電圧によりレジスト層８に流れる電流が測定可
能となる。基板６が導電性の場合は基板６に直接電流検
出部１４を接続すればよい。導電層７の電極との接続
は、レジスト層８のみをアセトン等の有機溶剤で溶かし
て導電層７を露出した後に金属板等で押さえることによ
り行ったが、針状の電極をレジスト層８の上から差し込
み、レジスト層８を貫通して導電層７に接触させてもよ
い。導電層７を接地して用いることもできるが、その場
合は、電流検出部１５を加算器２１の出力側と探針２と
の間に接続して電流を検出する。

【００２１】探針２およびバネ部３は、例えば、微細加
工技術を用いてシリコン単結晶で、一体化して作成され
る。これらは、また、酸化シリコン、窒化シリコンでも
良い。探針２の先端の曲率半径は１０ｎｍから１００ｎ
ｍ、バネ部３のバネ定数は０．０５Ｎ／ｍから５Ｎ／
ｍ、共振周波数は１０ｋＨＺから５０ｋＨＺであること
が適当である。探針２は厚さ１０ｎｍから５０ｎｍのチ
タンを蒸着することにより導電性を持たせてある。これ
はチタンのほか、タングステン、モリブデン、炭化チタ
ン、炭化タングステン、炭化モリブデン、導電性ダイア
モンドを用いても良い。

【００２２】本実施例で、実際に描画を行った結果を説
明する。基板６としては導電性のシリコン基板を用い、
５０ｎｍの厚さの前記レジストＲＤ２１００Ｎを塗布し
たレジスト層８を形成し、導電層７は省略した。まず、
電流フィードバックがＯＦＦの状態で直流電圧印加部１
９の出力電圧を変化させ、探針２−レジスト層８間の電
流電圧特性を測定したところ、負電圧側のしきい電圧が
およそ−３０Ｖ、正電圧側のしきい電圧がおよそ５０Ｖ
であった。直流電圧印加部１９から−３０Ｖを印加し、
交流電圧印加部１８から周波数が１００ｋＨｚの交流電
圧を印加して、探針２と基板６との間に流れる電流（ロ
ーパスフィルタ１６から出力される電流信号）が３０ｐ
Ａになるように電流フィードバックをかけながら、レジ
スト層８上で探針２を０．１ｍｍ／ｓで移動させること
により描画を行った。この時印加する交流電圧の振幅は
１０Ｖ付近であった。描画後、０．８３％の水酸化テト
ラメチルアンモニウム溶液に１分間浸積することにより
現像してレジストパターンを得た。

【００２３】実際に０．１ｍｍ四方の領域に１００ｎｍ
ピッチでライン−スペースを描画した結果、およそ５０
ｎｍ幅の明瞭なラインパターンが得られた。フィードバ
ックによる電流の立ち上がり時間を考慮して、それぞれ
のライン描画の初期に１ｍｓの待ち時間を設けた。この
時の描画時間はおよそ２０００ｓであった。比較のため
に、直流電圧のみで電流フィードバックを行いながら同
様のパターンの描画を試みた。電流の立ち上がり時間を
考慮して待ち時間を３ｓとして描画した結果、全体の描
画に５０００ｓを要するのみならず、描画の初期は、浮
遊容量２７に流入する電流が露光電流として作用するた
めに、電流照射が過剰となり、ラインパターンの太さに
乱れが見られた。

【００２４】次に、交流電圧フィードバックを用い、
０．１ｍｍ四方の領域に１００ｎｍ間隔で二次元のドッ
トアレイを描画した。各ドットにおいて電流設定値を３
０ｐＡに設定し、１ｍｓ静止した後に設定値を０ｐＡに
して次のドットに移動する動作を繰り返すことにより、
直径およそ５０ｎｍのドットパターンが得られた。この
時の総描画時間はおよそ３０００ｓであった。

【００２５】一方、直流電圧のみで電流フィードバック
を用いて上記のドットアレイパターンを描画する場合、
各ドットの描画時に電流値が安定するまで３ｓ程度待た
なければならないため、計算上、描画時間は１ヶ月程度
となる。また、電流が安定するまでに露光が進行し各ド
ットが大きくなってしまうため、ドットの描画は困難で
ある。

【００２６】また、図４に例示した非対称波形を用いた
描画も行った。この例では負側を描写用に使用すること
としたので、波形としては負側半周期４１の周期が３．
３μｓの正弦波、正側半周期４２の周期が６．７μｓで
あり、振幅が負側の１／２の正弦波からなる波形を用
い、しきい値印加用の直流印加電圧は用いなかった。設
定電流を３０ｐＡにした場合、交流電圧の負側の振幅は
およそ４０Ｖであった。対称波形を用いた場合と同様
に、０．１ｍｍ四方の領域に１００ｎｍピッチのライン
−スペースパターン、および１００ｎｍ間隔の二次元ド
ットアレイを描画して正弦波を用いた場合と同様の結果
が得られた。

【００２７】本実施例では、交流電圧の振幅を変化させ
ることによって電流フィードバックを行い、０．１ｍｍ
四方の領域に１００ｎｍピッチで５０ｎｍ幅のライン−
スペースパターンを描画した結果、直流電圧のみを用い
た電流フィードバックを行った場合と比較して、２．５
倍高速になり、ライン幅の乱れも小さくなった。さら
に、従来の直流電圧のみを用いた電流フィードバックで
は困難であったドットアレイパターンを高速に描画する
ことができた。

【００２８】本実施例では、交流電圧の周波数が高いほ
ど高速なフィードバックをかけられ、走査速度を高速に
することができるが、特に１ｋＨｚから１ＭＨｚで安定
な描画が行えた。また、描画に用いる電圧の極性側のし
きい電圧が逆極性側のしきい電圧よりも十分に低い場
合、図４のような非対称波形としなくても、直流電圧印
加部１９からの直流電圧は必ずしも必要でない。

【００２９】（実施例２）本実施例では交流電圧とサン
プルホールド回路を用いてレジスト膜上に描画を行う探
針描画装置の例を図７および図８を用いて説明する。図
７は本発明の描画装置の実施例構成概念を示すブロック
図である。本実施例は、図１に示した実施例の探針描画
装置と本質的に変わるところはないが、図１との相違点
は、電流検出部１５の出力がサンプルホールド部６２に
接続され、交流電圧印加部１８から出力される交流印加
電圧に同期してトリガ電圧発生部６１からサンプルホー
ルド部６２にトリガ電圧が出力され、電流信号がホール
ドされる点である。

【００３０】次に図８を用いて電流の検出方法を説明す
る。図８（ａ）は交流電圧印加部１８から出力される交
流印加電圧の時間変化であり、図８（ｂ）はその時に流
れる電流の時間変化の様子を示している。交流電圧波形
７３が正弦波の場合、正側電圧は時刻７１においてピー
ク値となり、負側電圧は時刻７２においてピーク値とな
る。この時、探針２−レジスト層８間を流れる実効電流
波形７４は実線で示したようになり、時刻７１でピーク
値をとり、交流電圧波形７３が負の時は電流は流れな
い。一方、探針２−導電層７間の浮遊容量に対する充放
電電流波形７５は破線で示すようになり、交流電圧波形
７３よりも位相が９０度進んだ正弦波となる。そのた
め、時刻７１および時刻７２においては充放電電流波形
７５はゼロとなり、この時、電流検出部１５からは実効
電流７４のみの値が出力される。そこで、時刻７１ある
いは時刻７２における電流値をサンプルホールド部６２
で保持することにより、充放電電流を含まない電流値を
得ることができる。

【００３１】図８（ｃ）はトリガ電圧発生部６１からサ
ンプルホールド部６２に供給するトリガ信号であり、交
流電圧波形７３の正側のピーク時、すなわち時刻７１に
同期してパルス７６が出力され、サンプルホールド部６
２はこのパルス７６の立ち上がりに同期して現在の電流
値を保持する。これにより、サンプルホールド部６２の
出力は常に実効電流波形７４のピーク値を出力すること
になる。一方、時刻７１および時刻７２においては充放
電電流波形７５は急激に変化するため、交流電圧波形７
３の正側ピーク時のみに電流値を保持した場合、パルス
７６の微妙なずれによって充放電電流も保持され、正確
な実効電流のピークを検出できなくなる。

【００３２】図８（ｄ）は、これを解決するために、交
流電圧波形７３の正側ピーク時のみならず負側ピーク
時、すなわち時刻７２にもパルス７７を出力する場合の
トリガ信号である。充放電電流は正弦波であるため、位
相が半周期分、すなわち１８０度変わると同じ大きさで
符号のみが逆となる。時刻７１および時刻７２は交流電
圧波形７３に同期しているため正確に半周期分ずれてお
り、パルス７６、７７のタイミングがずれた場合も、時
刻７１，７２における充放電電流値は常に同じ大きさで
逆符号の値となるため、相殺され、検出された電流には
現れない。

【００３３】しかし、サンプルホールド部６２は、時刻
７１においては実効電流のピーク値を出力するが、時刻
７２においては実効電流はほぼゼロとなるため出力もゼ
ロとなる。この波形をローパスフィルタ１６に通すと、
ピーク値の半分の値となる。また、パルス７６、７７の
交流電圧波形７３に対する位相を調整し、出力電流が最
大となるようにすれば正確なピーク値が得られる。こう
して得られたピーク電流値を用いて電流フィードバック
を行うことにより、ピーク電流値を一定に保ちながら露
光を行うことができる。

【００３４】図７に示した装置を用いてパターン描画を
行う際の動作は図１に示した装置の場合と全く同じであ
る。本実施例では実施例１と同様の描画ヘッド部１およ
び試料部５を用い、１００ｋＨｚの交流電圧を印加し、
図８（ｄ）に示したトリガ信号を用いて電流ピーク値を
検出し、設定電流を１００ｐＡとして実施例１と同様の
ライン−スペースパターンおよびドットアレイパターン
を描画した結果、実施例１と同様の結果が得られた。図
８（ｃ）のトリガ信号を用いた場合も同様の描画が可能
であった。

【００３５】本実施例では、交流電圧を印加した時に流
れる交流電流のピーク値を検出することによって電流フ
ィードバックを行い、０．１ｍｍ四方の領域に１００ｎ
ｍピッチで５０ｎｍ幅のライン−スペースパターンを描
画した結果、直流電圧を用いた電流フィードバックを行
った場合と比較して、２．５倍高速になり、また、ライ
ン幅の乱れも小さくなった。さらに、従来の直流フィー
ドバックでは困難であったドットアレイパターンを高速
に描画することができた。

【００３６】（実施例３）本実施例では複数の探針を用
いてレジスト膜上に描画を行うパターン描画装置の例を
図９を用いて説明する。本実施例は、特開平１１−７３
９０６号公報に開示されている、一次元的に配列した複
数の導電性の探針２ａ−２ｄがそれぞれ複数のバネ部３
ａ−３ｄを介して共通のホルダー４に固定された走査プ
ローブ顕微鏡を用いたリソグラフィー装置に本発明を適
用したものである。図１に示した実施例のパターン描画
装置と本質的に変わるところはないが、図１との相違点
は、探針２ａ−２ｄはそれぞれ独立に電流検出部１４を
介して加算回路２１に接続されており、探針２ａ−２ｄ
に同時に独立に電圧印加および電流検出ができるように
なっている点である。また、両端のバネ部３ａおよび３
ｄは位置検出部１３に接続されており、スイッチ２０が
ＯＮの時には、これにより実施例１の場合と同様に探針
２ａおよび２ｄのレジスト層８表面からの垂直方向位置
を検出し、これらの信号をもとにそれぞれ二つのＺ駆動
部９ａおよび９ｂを変位させて、すべての探針２ａ−２
ｄの垂直方向位置を所望の値に調整する。両実施例で共
通するものは同じ参照符合で示した。

【００３７】次に図９に示した装置を用いてパターン描
画を行う際の動作を説明する。まず、実施例１と同様
に、最初にレジスト層８に探針２ａ−２ｄを接触させる
ときは、図１の実施例と同様、スイッチ２０をＯＦＦと
しておき、総合制御部１２からの指令により二つのＺ駆
動部９ａおよび９ｂを伸ばしていき、一方が接触したと
き、スイッチ２０をＯＮとして閉ループ制御に移行させ
る。位置検出部１３、Ｚ位置制御部１４およびＺ駆動部
９ａおよび９ｂから成る二つの独立した位置フィードバ
ックループにより探針２ａおよび２ｄの垂直方向位置を
自動制御するため、探針２ａ−２ｄの先端を結んだ直線
とレジスト層８表面とが平行でなくても、これが平行と
なるように自動的に調整され、探針２ａ−２ｄをレジス
ト層８表面にほぼ同じ力で接触させることができる。ま
た、探針は特開平１１−７３９０６号公報に開示されて
いるように二次元的に配列してもよく、この場合、Ｚ位
置フィードバックは同一直線状にない３つの探針に対し
てその位置に対応した３つのＺ駆動部を用いて行うこと
により、二次元の探針アレイをレジスト層８表面に一様
な力で接触させることができる。探針２ａ−２ｄがレジ
スト層８に接触後、実施例１と同様に電流フィードバッ
ク部８１により交流電圧振幅を制御して描画を行う。電
流フィードバック部８１は実施例１で示した照射線量制
御を用いても、実施例２で示した電流ピーク値制御を用
いてもよい。ここで、電流フィードバック部８１は図１
と同様に、各探針対応にローパスフィルタと電流制御部
を持つものであることは言うまでもなかろう。

【００３８】本実施例では、チタンを蒸着して導電性を
持たせたシリコン単結晶の探針およびバネ部を０．１ｍ
ｍ間隔で縦横１０個、すなわち１００個の探針を配列さ
せたものを用い、５０ｎｍの厚さのレジストＲＤ２１０
０Ｎを塗布した導電性のシリコン基板上で、各探針に流
れる電流が３０ｐＡになるように設定して、各探針を
０．１ｍｍ／ｓの速度で０．１ｍｍ四方の範囲を移動さ
せて描画を行うことにより、１ｍｍ四方の領域にパター
ンを描画した。照射線量制御、電流ピーク値制御を用い
た場合のいずれにおいても明瞭なレジストパターンが描
画できた。また、探針を１０μｍ間隔で縦横１００００
個ずつ２次元的に配列させ、０．１ｍｍ／ｓの速度で描
画した場合、３００ｍｍウエハを毎時４０枚で処理する
ことができる。

【００３９】本実施例では、二次元状に配列した１００
本の探針を用いて交流電圧描画を行い、一本の探針を用
いた場合と比較して高速にレジストパターンを露光でき
る探針描画装置を提供することができた。

【００４０】（実施例４）本実施例では絶縁膜の漏れ電
流評価を行う絶縁特性評価装置の例を図１０を用いて説
明する。本実施例は、図１および図７に示した実施例の
探針描画装置と電流の流れ方において本質的に変わると
ころはないが、試料部５の第一層がレジスト層８でなく
絶縁層９１になっており、図１で示した電流検出機構と
図７で示した電流検出機構の両方を持ち、電流照射線量
と電流ピーク値のいずれも検出できる。そのためにロー
パスフィルタは１６ａと１６ｂの二つが設けられる。ま
た、これらの出力をスイッチ９２を用いて電流制御部１
７に入力し、電流照射線量および電流ピーク値のいずれ
を用いても電流フィードバックをかけることができる。
さらに、画像表示部９３に、ＸＹ駆動部１０から総合制
御部１２にフィードバックされるＸＹ位置信号、設定電
流値、電流ピーク値および印加電圧値を取り込むことに
より、絶縁層９１の絶縁抵抗のマッピング表示を行うこ
とができる。

【００４１】次に図１０に示した装置を用いてパターン
描画を行う際の動作を説明する。まず、探針２と絶縁層
９１とを接触させるために、スイッチ２０をＯＦＦとし
て、Ｚ粗動部１１により両者を接触するまで接近させ
る。一旦接触したことが検出されたらスイッチ２０をＯ
Ｎとして、位置検出部１３、Ｚ位置制御部１４およびＺ
駆動部９から成る位置フィードバックループにより探針
２の垂直方向位置を自動制御する。これにより、ＸＹ駆
動部１０を動作させて探針２と絶縁層９１との相対位置
が変化した場合も、探針２と絶縁層９１とのＺ方向の相
対位置が保たれる。絶縁層９１の評価は探針２をレジス
ト層９１上で移動させながら所定の電流を探針２と絶縁
層９１の間に流すことにより行う。評価を開始する前
に、あらかじめ探針２から絶縁層９１に電流が流れ始め
るしきい値を計測しておき、評価の際、しきい値付近の
直流電圧を直流電圧印加部１９から探針２に印加する。
その後、電流検出部１５、電流制御部１７、交流電圧印
加部１８から成る電流フィードバックループをＯＮに
し、制御部１２により電流制御部１７に流したい電流値
を設定すれば、交流電圧印加部１８からの交流電圧波形
の振幅が調整されて所望の電流が流れる。電流フィード
バックは電流照射線量および電流ピーク値のいずれを用
いてかけてもよい。電流照射線量を用いた場合は、評価
したいＸＹ位置において印加交流電圧の振幅とその時の
電流ピーク値をモニタしておき、それらを用いて絶縁層
９１の抵抗値を計算し各ＸＹ位置における値をマッピン
グすれば、測定範囲の抵抗値マッピング画像が得られ
る。また、印加交流電圧の振幅をマッピングしても絶縁
層９１の絶縁抵抗に対応した画像が得られる。一方、電
流ピーク値を用いて電流フィードバックを行った場合、
電流ピーク値が一定値であるため交流電圧振幅そのもの
が直接絶縁層９１の抵抗値に対応する。電流ピーク値を
用いて抵抗値を算出してもよい。一般に、絶縁層９１は
高電界により絶縁破壊を起こす恐れがあるため、フィー
ドバック時における電圧の最大値を制限することが望ま
しい。

【００４２】本実施例では、ＭＯＳトランジスタのゲー
ト酸化膜に用いる厚さ５ｎｍのシリコン酸化膜の表面
を、１０μｍ四方の領域に渡って、ピーク電流値が１ｐ
Ａとなるように電流フィードバックをかけながら走査
し、抵抗値マッピング画像を得た。電流照射線量用いて
フィードバックをかけた場合も同様のマッピング画像が
得られた。また、ＴＭＲ（トンネル磁気抵抗）ヘッドの
用いられる厚さ０．８ｎｍのアルミ酸化膜に対しても同
様の抵抗値マッピング画像を得た。

【００４３】本実施例では、電流照射線量あるいは交流
電流のピーク値が一定となるように交流電圧を調整する
ことにより、厚さ５ｎｍのシリコン酸化膜および厚さ
０．８ｎｍのアルミ酸化膜の膜厚方向の絶縁抵抗を１０
μｍ四方の領域で測定し、絶縁破壊することなく高速に
絶縁抵抗のマッピング画像を得ることができた。

【００４４】（その他）なお、上述の実施例において
は、各制御機能を独立したブロックで表現して説明した
が、動作を分かりやすくするためにそうしただけであっ
て、これらが、適宜統合されて、いわゆるパソコンによ
るソフトの動作で実現できることは当然である。また、
ＸＹ駆動部１０の動きのフィードバックは省略しても良
い．また、本発明は以下のような実施形態で実現でき
る。

【００４５】１．探針で基板表面を走査させるとともに
これらの間に電流を供給して前記基板に所望のパターン
を描画する探針描画装置であって、前記基板に流れる電
流を検出する検出部と、前記電流の交流成分を除去する
ローパスフィルタと、前記探針と前記基板の間に交流電
圧を印加する交流電圧印加部と、前記交流電圧に重畳し
て直流電圧を印加する直流電圧印加部と、前記電流に基
づいて前記印加電圧が決定される電流制御部とを有する
ことを特徴とする探針描画装置。２．上記１項に記載の探針描画装置であって、前記電流
の制御を、交流電圧の振幅を変化させることによって行
うことを特徴とする探針描画装置。３．上記１項に記載の探針描画装置であって、前記直流
電圧として、前記探針と前記基板の間に電流が流れ始め
るしきい電圧付近の電圧を印加することを特徴とする探
針描画装置。４．上記１項に記載の探針描画装置であって、前記交流
電圧として、直流成分を含まない波形を用いることを特
徴とする探針描画装置。５．上記１項に記載の探針描画装置であって、前記交流
電圧を、任意に発生させた交流電圧をハイパスフィルタ
を通すことにより得ることを特徴とする探針描画装置。６．基板主面に導電層を形成する工程と、前記導電層上
にレジスト膜を形成する工程と、探針と前記基板の間に
直流電圧を印加する工程と、前記直流電圧に重畳して交
流電圧を印加する工程と、前記探針と前記導電層の間に
流れる電流が一定値となるように前記交流電圧の振幅を
調整する工程と、パターンデータに基づいて、探針と前
記導電層の間に供給する電流値、及び、前記電流の供給
位置を決定する工程と、前記レジスト膜上で前記探針を
走査させながら前記電流供給位置で電流を供給し、前記
レジスト膜に前記パターンの潜像を形成する工程と、前
記レジスト膜を現像し前記基板に所望のパターンを形成
する工程とを有する探針描画方法。７．探針で基板表面を走査させるとともにこれらの間に
電流を供給して前記基板に所望のパターンを描画する探
針描画装置であって、前記基板に流れる電流を検出する
検出部と、前記電流を保持するサンプルホールド部と、
交流成分を除去するローパスフィルタと、前記探針と前
記基板の間に交流電圧を印加する交流電圧印加部と、前
記交流電圧に重畳して直流電圧を印加する直流電圧印加
部と、前記交流電圧に基づき前記サンプルホールド部に
供給して電流値を保持させるトリガ電圧を発生させるト
リガ電圧発生部と、前記電流に基づいて前記印加電圧を
決定する電流制御部とを有することを特徴とする探針描
画装置。８．上記７項に記載の探針描画装置であって、前記電流
の制御を、交流電圧の振幅を変化させることによって行
うことを特徴とする探針描画装置。９．上記７項に記載の探針描画装置であって、前記直流
電圧として、前記探針と前記基板の間に電流が流れ始め
るしきい電圧付近の電圧を印加することを特徴とする探
針描画装置。１０．上記７項に記載の探針描画装置であって、前記ト
リガ電圧を前記交流電圧の正側あるいは負側いずれかの
ピーク時に発生させることを特徴とする探針描画装置。１１．上記７項に記載の探針描画装置であって、前記ト
リガ電圧を前記交流電圧の正側および負側のピーク時に
発生させることを特徴とする探針描画装置。１２．探針で基板表面を走査しながら該探針と該基板と
の間に電流を供給して所望のパターンを描画するパター
ン描画装置であって、複数の探針と、各探針と前記基板
の間に交流電圧を印加する交流電圧印加部と、前記交流
電圧に重畳して直流電圧を印加する直流電圧印加部と、
前記各探針と前記基板との間に流れる電流値を測定する
電流測定部と、測定された電流値に基づき前記印加電圧
を決定する電流制御部とを有することを特徴とする探針
描画装置。１３．上記１２項に記載の探針描画装置であって、前記
各探針と前記基板の間を流れる電流の制御を、交流電圧
の振幅を変化させることによって行うことを特徴とする
探針描画装置。１４．上記１２項に記載の探針描画装置であって、前記
直流電圧として、前記各探針と前記基板の間に電流が流
れ始めるしきい電圧付近の電圧を印加することを特徴と
する探針描画装置。１５．上記１２項に記載のパターン描画装置であって、
前記複数の探針は２次元的に配列されていることを特徴
とするパターン描画装置。１６．探針で絶縁膜表面を走査させるとともにこれらの
間に電流を供給して前記絶縁膜の絶縁特性を評価するこ
とを特徴とする探針評価装置であって、前記基板に流れ
る電流を検出する検出部と、前記電流を保持するサンプ
ルホールド部と、交流成分を除去するローパスフィルタ
と、前記探針と前記基板の間に交流電圧を印加する交流
電圧印加部と、前記交流電圧に重畳して直流電圧を印加
する直流電圧印加部と、前記交流電圧に基づき前記サン
プルホールド部に供給して電流値を保持させるトリガ電
圧を発生させるトリガ電圧発生部と、前記電流に基づい
て前記印加電圧を決定する電流制御部とを有することを
特徴とする探針評価装置。１７．上記１６項に記載の探針評価装置であって、前記
電流の制御を、交流電圧の振幅を変化させることによっ
て行うことを特徴とする探針評価装置。１８．上記１６項に記載の探針評価装置であって、前記
直流電圧として、前記探針と前記基板の間に電流が流れ
始めるしきい電圧付近の電圧を印加することを特徴とす
る探針評価装置。１９．上記１６項に記載の探針評価装置であって、前記
探針を前記絶縁膜上で走査させ、各位置における電圧値
をマッピングすることにより、前記絶縁膜の評価するこ
とを特徴とする探針評価装置。２０．上記１６項に記載の探針評価装置であって、前記
探針を前記絶縁膜上で走査させ、各位置における電圧値
と電流値に基づき抵抗値をマッピングすることにより、
前記絶縁膜の評価することを特徴とする探針評価装置。

【００４６】

【発明の効果】本発明によれば、探針−基板間の浮遊容
量の影響を受けることなくレジスト層あるいは抵抗層の
電流を高速に制御することか可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の描画装置の実施例構成概念を示すブロ
ック図。

【図２】本実施例の電流フィードバックループのブロッ
ク図。

【図３】レジスト層８の電流−電圧特性と電圧電流の関
係を模式的に示す図。

【図４】正側半周期と負側半周期が非対称な加交流電圧
の例を示す図。

【図５】レジスト層８の電流−電圧特性と正側半周期と
負側半周期が非対称な加交流電圧による電圧電流の関係
を模式的に示す図。

【図６】非対称波形の発生回路とこれによる交流電圧印
加部のブロック図。

【図７】交流電圧とサンプルホールド回路を用いてレジ
スト膜上に描画を行う探針描画装置の実施例構成概念を
示すブロック図。

【図８】図７に示した実施例の電流の検出方法を説明す
る図であり、（ａ）は交流印加電圧、（ｂ）はレジスト
層を流れる電流と充放電電流、（ｃ）および（ｄ）はサ
ンプルホールドのためのトリガ信号を示す図。

【図９】複数探針を用いて描画する探針描画装置の実施
例構成概念を示すブロック図。

【図１０】絶縁膜の漏れ電流評価を行う絶縁特性評価装
置の実施例構成概念を示すブロック図。

【符号の説明】

１…描画ヘッド部、２，２ａ，２ｂ，２ｃおよび２ｄ…
探針、３，３ａ，３ｂ，３ｃおよび３ｄ…バネ部、４…
ホルダー、５…試料部、６…基板、７…導電層、８…レ
ジスト層、９，９ａおよび９ｂ…Ｚ駆動部、１０…ＸＹ
駆動部、１１…Ｚ粗動部、１２…制御部、１３…位置検
出部、１４…Ｚ位置制御部、１５…電流検出部、１６、
１６ａ、１６ｂおよび２３…ローパスフィルタ、１７…
電流制御部、１８…交流電圧印加部、１９…直流電圧印
加部、２０…スイッチ、２１，２８，２９…加算回路、
２２…抵抗、２４…積分器、２５…ゲイン調整器、２６
…発振器、２７…浮遊容量、３１…特性カーブ、３２…
正側しきい電圧、３３…負側しきい電圧、３４および７
３…交流電圧波形、３５…電流波形、３６および４１…
正側半周期、３７および４２…負側半周期、５３…波形
発生回路、５４…ハイパスフィルタ、５５…振幅調整回
路、６１…トリガ電圧発生部、６２…サンプルホールド
部、７１および７２…時刻、７４…実効電流波形、７５
…充放電電流波形、７６および７７…パルス、８１…電
流フィードバック部、９１…絶縁層、９２…スイッチ、
９３…画像表示部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者橋詰富博埼玉県比企郡鳩山町赤沼2520番地株式会社日立製作所基礎研究所内Ｆターム(参考） 2G014 AA16 AB59 AC10 5F046 AA28 DA30

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】探針でレジスト層が塗布された基板表面を
走査させるとともに、前記探針からレジスト層に電流を
供給して前記レジスト層に所望のパターンを描画する探
針描画装置であって、前記レジスト層に流れる電流がレ
ジスト層の浮遊容量に基づく充放電電流と前記レジスト
層の電流電圧特性の非線形性に基づく直流成分を持つ交
流電流であることを特徴とする探針描画装置。
【請求項２】前記電流が前記レジスト層の電流電圧特性
の非線形性のしきい値に対応する直流電圧と前記レジス
ト層を露光するための電流源となる交流電圧の和により
供給され、該交流電圧の振幅を変化させることによって
前記レジスト層を露光するための電流の制御を行う請求
項１に記載の探針描画装置。
【請求項３】前記交流電圧として、直流成分を含まない
波形を用いる請求項１に記載の探針描画装置。
【請求項４】基板主面に導電層を形成するか基板自体を
導電性とした基板を準備する工程と、前記導電層上にレ
ジスト膜を形成する工程と、該レジスト膜に対向して設
けられた探針と前記導電層の間に前記レジスト層に流れ
る電流がレジスト層の浮遊容量に基づく充放電電流と前
記レジスト層の電流電圧特性の非線形性に基づく直流成
分を持つ交流電流となるように電圧を制御する工程と、
前記レジスト層に描画すべきパターンデータに基づい
て、前記レジスト層の所定の位置で前記制御された電圧
を前記レジスト膜上で前記探針を走査させながら前記レ
ジスト膜に印加して前記レジスト膜に前記パターンの潜
像を形成するための電流を流す工程と、前記レジスト膜
を現像し前記基板に所望のパターンを形成する工程とを
有する探針描画方法。
【請求項５】前記電流が前記レジスト層の電流電圧特性
の非線形性のしきい値に対応する直流電圧と前記レジス
ト層を露光するための電流源となる交流電圧の和により
供給され、該交流電圧の振幅を変化させることによって
前記レジスト層を露光するための電流の制御を行う請求
項４に記載の探針描画方法。
【請求項６】探針でレジスト層が塗布された基板表面を
走査させるとともに、前記探針からレジスト層に電流を
供給して前記レジスト層に所望のパターンを描画する探
針描画装置であって、前記探針により前記レジスト層に
交流電圧を印加する交流電圧印加部と、前記交流電圧に
重畳して直流電圧を印加する直流電圧印加部と、前記レ
ジスト層に流れる電流を測定する電流測定部と、測定さ
れた電流値に基づき前記印加電圧を決定する電流制御部
とを有することを特徴とする探針描画装置。
【請求項７】前記探針が複数個備えられ、各探針ごとに
前記印加電圧が制御される請求項６に記載の探針描画装
置。
【請求項８】前記検出電流を保持するサンプルホールド
部と、前記検出電流の交流成分を除去するローパスフィ
ルタと、前記交流電圧に基づき前記サンプルホールド部
に供給して電流値を保持させるトリガ電圧を発生させる
トリガ電圧発生部と、前記保持された電流値に基づいて
前記印加電圧を決定する電流制御部とを有する請求項６
または７に記載の探針描画装置。
【請求項９】前記印加される直流電圧が前記レジスト層
の電流電圧特性の非線形性に基づいて決定され、前記保
持された電流値の直流成分により印加される交流電圧を
決定するものである請求項６または７に記載の探針描画
装置。
【請求項１０】探針で絶縁膜表面を走査させるととも
に、前記探針から絶縁膜表面に電流を供給して前記絶縁
膜表面の各位置における電圧値をマッピングすることに
より、前記絶縁膜を評価する絶縁特性評価装置であっ
て、前記探針により前記絶縁膜に流れる電流が絶縁膜の
浮遊容量に基づく充放電電流と前記絶縁膜の電流電圧特
性の非線形性に基づく直流成分を持つ交流電流であるこ
とを特徴とする絶縁特性評価装置。