JP2005345411A

JP2005345411A - 微小表面温度分布測定装置

Info

Publication number: JP2005345411A
Application number: JP2004168276A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Konishi; 義則小西
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2004-06-07
Filing date: 2004-06-07
Publication date: 2005-12-15

Abstract

【課題】走査型プローブ顕微鏡における温度測定の際の、誤差の原因であるカンチレバーの微小先端に微小な温度計測手段を配置するという構成を採らずに、１μｍ以下の微小領域の温度を計測できる微小表面温度分布測定装置の提供。
【解決手段】走査型プローブ顕微鏡におけるカンチレバー１として、共振周波数の温度依存性に所定の関係を有する材料を用い、前記カンチレバー１の温度変化を前記共振周波数の変化として測定し、前記所定の関係により温度に換算して測温する微小表面温度分布測定装置１００とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、走査型微小表面温度分布測定装置、特にはこの装置に用いられるカンチレバーに測温デバイスを取り付けることなく温度を測定できるようにした装置に関する。

半導体デバイスや磁気記録媒体は年々高密度化、または大容量化されている。それに伴い設計においては最小設計寸法を１μｍ以下とした微細パターン化が進んでいる。このように微細化された設計パターンを有する前記半導体デバイスや磁気記録媒体の不良個所もまた微細化しており、その不良解析も難しくなってきている。これらの不良解析には異常電流に伴う発熱個所を見つけて観察することが有効である。従来、このように異常な微小リーク領域の検出にはホットスポットを検出する液晶解析が行われているが、その空間分解能は１０μｍ以上と大きく、前述の１μｍ以下を最小設計寸法とするデバイスや媒体にはもはや対応できない。１０μｍ以下の微小領域に対する表面温度分布の測定には走査型赤外線検出装置が用いられるが、赤外線を含む光の波長による制約から、１μｍの分解能が限界である。

これに対して、近年、走査型トンネル顕微鏡（ＳｃａｎｎｉｎｇＴｕｎｎｅｌｉｎｇ
Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；略称ＳＴＭ）や原子間力顕微鏡（ＡｔｏｍｉｃＦｏｒｃｅ
Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；略称ＡＦＭ）に代表される走査型プローブ顕微鏡（ＳｃａｎｎｉｎｇＰｒｏｂｅＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；略称ＳＰＭ）と呼ばれる測定装置が市販され、微小領域の物性分析や表面形状観察が行われるようになり、これに表面温度分布計測機能を付加した装置が複数提案されている。
前記ＳＰＭは、図３の要部概略構成図に示すように、測定試料１１を載せてＸＹＺ方向への微移動を可能にする試料ステージスキャナー１２と、試料の表面性状を測定するための接点となるプローブ１３と、プローブから入力した試料の表面性状を物理量の変化として捉える検出器１４とを基本構成とする装置１０の総称である。試料１１とプローブ１３間に流れるトンネル電流を検出し、その変化により画像を形成するようにした装置が前記ＳＴＭと称される、同様に試料１１とプローブ１３間の原子間に相互に作用する微小な力を検出する装置が前記ＡＦＭである。

図４のＡＦＭの概略構成図に示すように、前記ＡＦＭの技術を応用して試料２１表面の凹凸形状と試料２１表面の温度分布の計測を分離し、凹凸形状だけでなく、正確な試料表面の温度分布をも検出できるようにしたＡＦＭ２０がすでに開発されている。このＡＦＭ２０によれば、カンチレバー２３と、カンチレバー２３をＺ方向に励振させるピエゾ素子などの励振手段２６と、試料２１表面のＸＹＺ方向への自由な移動を可能にするＸＹＺ移動手段２２と、カンチレバー２３のＺ方向の撓みをレーザー光２５を用いた光てこ法により検出する撓み検出器２４を備えており、試料２１をＸＹ方向に移動させながら、継続的にカンチレバー２３の撓み量を計測することにより試料２１表面の凹凸を計測できる。実際にはカンチレバーに収束させたレーザー光の反射光を２つのフォトダイオードで受光し相互のレーザー光のズレからカンチレバーの撓みを検出してフィードバックすることにより、反射光の位置が一定になるようにステージスキャナー２２を上下に制御し、同時に、ＸＹ方向に走査させることにより、試料２１の表面形状を測定している。

カンチレバーは、一般にシリコン基板等の支持体に、一方の端部が固定され他端が自由端とされる片持ち梁の状態で固着された窒化膜等からなる小片であり、幅×長さ×厚さ＝１００μｍ×５００μｍ×２０μｍ程度の大きさである。自由端側の先端には試料との接点となる探針が取り付けられている。さらに前記シリコン支持体の他端にはピエゾ素子が固着され、カンチレバーを共振周波数で振動させる。前記カンチレバーの先端には温度分布を計測するための微小な熱電対が配置されている。
カンチレバーの先端に配置される微小熱電対は、カンチレバー上ならば、どこに配置されても構わないが、レスポンスを悪化させないため、また、試料表面における凹凸の計測部と温度の測定部のずれを少なくするには、先端から１０μｍ以内に配置される。
先端に探針が配置されたカンチレバーにおいては、前述のように探針に熱電対が配置される。このようにすれば、凹凸を計測する計測部と、温度を測定する熱電対は同じ探針に配置され、試料表面における凹凸の計測部と温度の測定部にずれがないからである。熱電対による温度測定と前述の凹凸形状測定とにより、試料表面の凹凸形状と温度分布の測定は別個に計測することが可能となり、正確な試料表面の温度分布が検出可能となる。なお、試料表面の温度分布だけを測定する場合には、撓み検出手段（凹凸計測部）は不要となる。このＡＦＭ（微小表面温度分布測定装置）によれば、カンチレバーの先端に微小な熱電対を配置することにより、１０〜１００ｎｍの空間分解能で温度分布を測定できる（特許文献１）。

また、試料表面とカンチレバーの接触先端との間のある熱接触抵抗等の測定誤差要因を補正してカンチレバー温度と試料表面温度とを一致させるために、熱流速測定により前記補正係数を求め、測定された試料表面温度にフィードバックすることにより温度分布の測定精度をさらに高めた微小表面温度分布測定装置が知られている（特許文献２）。
特開平８−１０５８０１号公報特開２００１−４４５５号公報

しかしながら、前記特許文献１、２に開示されるＡＦＭによる温度測定では、高い空間分解能で試料表面の形状測定と温度測定を分離して測定することができるが、まだ、充分に高精度とはいえない。試料の表面温度をさらに高精度に測定するには測定値の補正、校正を必要とするが、この補正が容易ではない。たとえば熱電対による温度測定値は、試料とカンチレバーとの熱伝導率の違い、両者の間の熱接触抵抗、サイズ、熱容量など、熱電対固有の感度特性等のファクターによる影響を受けた測定値である。さらに、微小熱電対をカンチレバーの先端に配置すると、微小熱電対と試料との微小な接触面積に起因する大きな接触熱抵抗に対して熱電対接点サイズは相対的に大きいため、試料表面の実際の温度よりも測定温度が小さくなる傾向がある。またさらに、微小なカンチレバーに２種類の絶縁された熱電対ワイヤを配線する構成のため、ワイヤ径を小さくする必要があるので、熱電対自身の電気抵抗が大きくなり、熱起電力検出のＳＮ比が悪くなり、温度分解能が低下するという欠点も避けられない。これらの欠点をなくすためには、温度測定からその誤差の原因となる前述のファクターを正確に補正することが必要であるが、これが極めて複雑、煩雑であり、困難である。

本発明は上述した点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、走査型プローブ顕微鏡における温度測定の際の、誤差の原因であるカンチレバーの微小先端に微小な温度計測手段を配置するという構成を採らずに、１μｍ以下の微小領域の温度を計測できる微小表面温度分布測定装置の提供である。

特許請求の範囲の請求項１記載の本発明によれば、前記目的は、走査型プローブ顕微鏡におけるカンチレバーとして、共振周波数の温度依存性に所定の関係を有する材料を用い、前記カンチレバーの温度変化を前記共振周波数の変化として測定し、前記所定の関係により温度に換算して測温する微小表面温度分布測定装置とすることにより達成される。
特許請求の範囲の請求項２記載の本発明によれば、前記目的は、カンチレバーの材料として、前記材料のヤング率の温度依存性が０．０５％／℃以上である材料を用いる請求項１記載の微小表面温度分布測定装置とすることが好ましい。
特許請求の範囲の請求項３記載の本発明によれば、カンチレバーの材料がスズである請求項２記載の微小表面温度分布測定装置とすることが好ましい。

本発明によれば、走査型プローブ顕微鏡における温度測定の際の、誤差の原因であるカンチレバーの微小先端に微小な温度計測手段を配置するという構成を採らずに、１μｍ以下の微小領域の温度を計測できる微小表面温度分布測定装置を提供することができる。

本発明の一実施例について、図面を参照して詳細に説明する。本発明の要旨を超えない限り、本発明は以下、説明する実施例および図面に限定されるものではない。
図１は本発明にかかる微小表面温度分布測定装置におけるカンチレバーの上面図（ａ）と断面図（ｂ）である。図２は本発明の微小表面温度分布測定装置の概略構成図である。
図２に示す本発明の微小表面温度分布測定装置は、前記図４に示したＡＦＭ装置を応用した装置であるので、まず、ＡＦＭの概略構成について説明する。
ＡＦＭにおけるカンチレバーと試料との関係には、コンタクトモードと、ノンコンタクトモードがある。本発明にかかる走査型温度分布計測装置１００は、コンタクトモードであって、タッピングモード（下記に説明）を適用する。すなわち、コンタクトモードのＡＦＭは、試料表面にカンチレバーを接触させ、試料表面の凹凸により変化するカンチレバーの撓みを検出することによって試料表面の凹凸の形状を検出する装置である。

さらにタッピングモードでは、図２に示すようにカンチレバー１をその材料固有の共振周波数近辺で、ＸＹＺ方向に移動可能なステージスキャナー５上に載置された試料４面に対してＺ方向（ＸＹ方向の形成する試料４面に対して垂直な方向）に振動させて、動的状態で試料４表面形状を検出する装置である。上下に振動するカンチレバー１の振動底部では試料４に接触するので、タッピングという。
タッピングモードでは、カンチレバー１は上下に振動しながら、ＸＹ方向に移動する試料４の表面を走査する。カンチレバー１が試料４に接触すると、振幅は減少する。カンチレバー１の振幅を一定にして試料４とカンチレバー１間にかかる力を一定にするために、フィードバック制御により試料台５を上下（Ｚ方向）に移動させることが好ましい。カンチレバー１の励振はカンチレバー１の近くに接触させたピエゾ素子７を振動させることにより得られる。このピエゾ素子７の振動周波数をカンチレバー１に固有の共振周波数に一致させるとカンチレバーが励振される。

前述のようにカンチレバー１をその材料の共振周波数近辺でＺ方向に振動させて試料４の表面形状を計測する際には、共振周波数に温度依存性があると正確な表面形状の測定の妨げになるので、通常、カンチレバー１の材料としては温度依存性の小さい材料が選ばれる。そのような材料として窒化シリコンや単結晶シリコンが用いられる。
これに対して、本発明にかかるカンチレバーによる表面温度分布測定では、その材料の持つ共振周波数の温度依存性が大きい材料を選択することが重要である。そのような材料として、前記共振周波数と一定の関係にあるヤング率の温度に対する変化率が０．０５％／℃以上という温度依存性を有するものが好ましい。そうすると、前記共振周波数はヤング率の１／２乗に比例するという関係にあるので、共振周波数の温度依存性は０．０２５％／℃以上となる。共振周波数の変化は通常、０．１％を捉えることが可能であるので、温度分解能は約４℃となる。しかし、実際には材料に内在する内部結晶欠陥などによる内部摩擦に基づく振動の減衰が大きい（すなわち、Ｑ値が小さいまたは１／Ｑ値が大きい）と分解能は悪くなるので、カンチレバーはできるかぎり、内部欠陥などが無く、振動における減衰の起因となる内部摩擦によるエネルギー吸収の小さい、すなわちＱ値の高いものがよい。また、金属すずは室温におけるヤング率の温度依存性が約０．１％／℃と比較的大きいので、カンチレバーとしての材料として適している。

本発明にかかるカンチレバー１の形状は、図１に示すような短冊形状とした。カンチレバー１の先端にはさらにタングステン、銅等の導電材料からなる微少な接点部１ａが設けられてよい。短冊形ではなく、三角形などの横方向の捩じれが起きにくい形状にすることもできる。
厚さ（ｄ）１５μｍ、長さ５００μｍ、幅（ｗ）１００μｍの金属すずからなる短冊形カンチレバー１を１ｍｍ×３ｍｍ角で０．５ｍｍ厚のシリコン基板２に固着させ、さらにこのシリコン基板をピエゾ素子７（図２）に接触させカンチレバー１の共振周波数で励振させ得るようにされる。このピエゾ素子７には共振周波数の検出回路３が接続されている。カンチレバー１の共振周波数ｆ_Ｃ（＝ω_Ｃ／２π）１１５．２ｋＨｚで励振させ、室温で試料に近づけると、カンチレバー１の振幅を一定にするようにステージスキャナー５を上下させるフィードバック制御が行われる。カンチレバー１と試料４間はそれらの間に働く相互作用（原子間力）によってたえず変動している。

試料をＸＹＺ方向に移動させるステージスキャナー５としてはピエゾ素子５が用いられる。ピエゾ素子５は電極間にＰＺＴなどの強誘電体圧電材料を挟んだものであり、電極間に加えられる電圧による変形を利用するものである。
試料４の温度を室温より１０℃高くしてカンチレバー１の共振周波数を測定したところ、１１４．７ｋＨｚに低下した。すなわち、１０℃の温度上昇で共振周波数が５００Ｈｚ低下したのだから、周波数測定の分解能である１００Ｈｚの変化があれば、２℃の温度変化を分解能として示すことができる。６は顕微鏡である。
以上、本発明の走査型の微小表面温度分布測定装置をＡＦＭをベースとして説明した。しかし、本発明の装置は、ＡＦＭへの適用に限られるものではない。例えば、ＳＴＭ等のように、カンチレバーにて計測可能である装置ならば、適用可能である。

本発明にかかる走査型プローブ顕微鏡におけるカンチレバーの上面図（ａ）と断面図（ｂ）である。本発明の微小表面温度分布測定装置の概略構成図である。ＳＰＭの要部概略構成図である。ＡＦＭの概略構成図（微小表面温度分布測定装置）である。

符号の説明

１カンチレバー
１ａ探針
２シリコン基板
３周波数検出回路
４試料
５ステージスキャナー（ピエゾ素子）
６顕微鏡
７ピエゾ素子
８ケース
９机
１０ＳＰＭ（走査型プローブ顕微鏡）
１１、２１試料
１２、２２ステージスキャナー
１３、２３カンチレバー
１４、２４撓み検出器
２０ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）。

Claims

走査型プローブ顕微鏡におけるカンチレバーとして、共振周波数の温度依存性に所定の関係を有する材料を用い、前記カンチレバーの温度変化を前記共振周波数の変化として測定し、前記所定の関係により温度に換算して測温することを特徴とする微小表面温度分布測定装置。
カンチレバーの材料として、前記材料のヤング率の温度依存性が０．０５％／℃以上である材料を用いることを特徴とする請求項１記載の微小表面温度分布測定装置。
カンチレバーの材料がスズであることを特徴とする請求項２記載の微小表面温度分布測定装置。