JP2007256045A

JP2007256045A - カンチレバー、その使用方法、ｌｓｉ検査装置及びリソグラフ装置

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Publication number: JP2007256045A
Application number: JP2006080267A
Authority: JP
Inventors: Kishifu Hidaka; 貴志夫日高; Masayuki Hirooka; 誠之廣岡; Mitsuo Hayashibara; 光男林原; Tadashi Fujieda; 藤枝　　正; Hiroki Tanaka; 浩樹田中; Masato Takashina; 正人高品; Yuki Uozumi; 雄輝魚住; Takashi Morimoto; 高史森本; Satoshi Sekino; 聡関野
Original assignee: Hitachi Construction Machinery FineTech Co Ltd; Hitachi Kyowa Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd; Hitachi Kyowa Engineering Co Ltd
Priority date: 2006-03-23
Filing date: 2006-03-23
Publication date: 2007-10-04

Abstract

【課題】剛性が優れた接触式カンチレバーとその使用方法、及び本発明のカンチレバーを備えたＬＳＩ検査装置及びリソグラフ装置を提供する。
【解決手段】カンチレバーの探針をヘテロカーボンナノチューブにより構成する。窒素やボロン等をドーピングすることでヘテロ化されたカーボンナノチューブは硬さが高く、剛性が優れている。このヘテロカーボンナノチューブをカンチレバーの探針に用いることにより、短針の撓みを防止でき、画像障害を抑制できる。
【選択図】図４

Description

本発明は、探針を試料表面に押し付ける接触式カンチレバーとその使用方法に係り、また、接触式カンチレバーを備えたＬＳＩ検査装置とリソグラフ装置に関する。

カンチレバーの探針にカーボンナノチューブを用いることが知られている。特許文献１には、窒素やボロン等をドーピングしたカーボンナノチューブをカンチレバーの探針に使用すること、及び、カンチレバーを備えた磁気力検査装置及び直磁気記録ヘッドが記載されている。また、特許文献２には、細胞操作装置におけるカンチレバーの探針にカーボンナノチューブを用いることが記載されている。

特開２００４−２０９５号公報（特許請求の範囲、段落００２９）特開２００３−３２５１６１号公報（要約）

特許文献１は、短針を試料表面に接触させずに非接触で使用するカンチレバーについて記載している。特許文献２は、カーボンナノチューブの探針を被検体に接触させる接触式であるが、カーボンナノチューブの具体的な構成については開示していない。

カーボンナノチューブ製の探針を試料表面に接触させて使用するカンチレバーに共通の課題として、カンチレバーを試料に押し付けたときに、押し圧によって探針が撓み、正確な画像データを取得できないことが挙げられる。

本発明の目的は、カーボンナノチューブよりなる探針を有する接触式カンチレバーにおいて、探針の撓む問題を解決することにある。

本発明は、接触式で使用するカンチレバーの探針をヘテロカーボンナノチューブにより構成したことにある。また、探針がヘテロカーボンナノチューブにより構成されたカンチレバーを、１〜２０ｎＮの押し圧で試料表面に接触させる接触式カンチレバーの使用方法にある。

また、本発明は、カンチレバーと、前記カンチレバーの探針にＬＳＩ被検体が接触したことを検知する接触検知装置と、前記接触検知装置からの信号をフィードバックする前記ＬＳＩ被検体のＺ軸サーボ回路と、前記ＬＳＩ被検体の二次元の面情報を取得するＸＹ走査回路と、前記Ｚ軸サーボ回路及び前記ＸＹ走査回路の信号を取り入れるＣＰＵと、前記ＣＰＵに取り込まれた信号を画像表示するディスプレイを具備するＬＳＩ検査装置において、前記カンチレバーの探針がヘテロカーボンナノチューブにより構成されていることを特徴とするＬＳＩ検査装置にある。

また、本発明は、親水性の探針を有するカンチレバーと、前記カンチレバーとリソグラフ被検体が設置された試料台とを電気的に接続するリソグラフ電源と、前記カンチレバーの探針に前記リソグラフ被検体が接触したことを検知する接触検知装置と、前記接触検知装置からの信号をフィードバックする前記リソグラフ被検体のＺ軸サーボ回路と、前記リソグラフ被検体と前記カンチレバーの探針との接触部に形成された吸着水に通電することによって陽極酸化された前記リソグラフ被検体の二次元の面情報を取得するＸＹ走査回路と、前記Ｚ軸サーボ回路及び前記ＸＹ走査回路の信号を取り入れるＣＰＵと、前記ＣＰＵに取り込まれた信号を画像表示するディスプレイを具備するリソグラフ装置において、前記カンチレバーの探針がヘテロカーボンナノチューブにより構成されていることを特徴とするリソグラフ装置にある。

カンチレバーの探針をヘテロカーボンナノチューブで構成することにより、探針の剛性が高まり、試料に押し付けたときに探針が撓みにくくなる。これにより、ＬＳＩ検査装置及びリソグラフ装置において、画像データの精度を高めることが可能になった。

本発明は、ヘテロ化されたカーボンナノチューブの硬さが、ヘテロ化しないものに比べて高く、接触式カンチレバーに応用できることを見出してなされた。ヘテロ化されたカーボンナノチューブの硬さの向上は、窒素あるいはボロンをドーピングしたカーボンナノチューブにおいて顕著に認められた。

窒素やボロンを含有させたカーボンナノチューブは、特許文献１に記載されているように、窒素あるいはボロンがカーボンナノチューブを構成する炭素と置換される形でドーピングされている。窒素を含有するカーボンナノチューブは、カーボンナノチューブに気相蒸着（ＣＶＤ）法でＣ_２Ｈ_２とＮ_２の混合ガスをフローさせることによって製造することができる。また、ボロンを含有させたカーボンナノチューブは、アーク放電によって製造することができる。

窒素又はボロンの含有量は、５原子％以下、特に２〜５原子％の範囲が好ましい。この範囲内での含有であれば、カーボンナノチューブの性質を保持しつつ剛性を高めることができる。

ヘテロ化されたカーボンナノチューブの硬さが高いのは、カーボンナノチューブの炭素原子位置に置換する形で配置されたボロンあるいは窒素の原子半径が、炭素の原子半径と異なり、カーボンナノチューブの側壁を構成している六員環及び五員環構造に歪みが導入されるためと推測される。硬さが向上したことにより、通常のカンチレバーの押し付け荷重である１〜２０ｎＮの押し圧で試料表面に探針を押し付けても、探針が撓まなくなったものと思われる。探針の撓みが抑制された結果、カンチレバーの変位が直接、試料形状の変位に一致するようになり、正確な画像が得られるようになった。押し圧が１ｎＮよりも低いとカンチレバーの梁の曲がりが検知しにくく、一方、押し圧が２０ｎＮよりも高くなると、探針が折損しやすくなる。探針が折損しても、カーボンナノチューブは一定の太さのチューブであるので、チューブの径が変化せず、画像障害は生じないが、折損が繰り返し生ずることで探針の寿命が短くなる。

図１は、本発明によるカンチレバーの斜視図である。カンチレバー１０は、ヘテロカーボンナノチューブよりなる探針１１と梁１４、及び探針１１を梁１４に固定する短針保持部とから構成されている。探針保持部は本実施例ではタングステンデポ層１２とピラミッド部１３から構成されている。カンチレバー１０は、プローブ顕微鏡の試料台１５の面に対して探針１１がほぼ垂直に位置するように配置される。そして、プローブ顕微鏡の押し付け荷重で探針１１を試料台上の試料に接触させた後に、梁１４が押し付け荷重に比例して曲がる条件で運転される。正確な画像データを取得するためには、カンチレバーの押し付け荷重が増加しても探針１１が高い剛性を維持し、梁１４のみが曲がっていくことが必要である。

図２は、ヘテロカーボンナノチューブよりなる探針１１の原子配列を示した概略図である。カーボンチューブは炭素原子１６の位置の一部がボロン又は窒素１７により置換された配列となっている。ボロン又は窒素１７が炭素原子１６と置換されることによって、原子半径の差に基づく歪がカーボンナノチューブに導入され、硬さが増大して剛性が向上する。ボロンドープカーボンナノチューブは既に述べたようにアーク放電によって製造する方法が一般的であり、窒素ドープカーボンナノチューブはＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によって製造するのが一般的である。

図３に、カンチレバーを試料表面に押し付けたときに、探針が撓む場合のフォースカーブを示す。横軸は探針１１と試料２５との距離を示し、縦軸に押し付け荷重を示す。カンチレバーの探針１１を押し付け荷重がゼロの状態を維持しながら、試料２５に接触するまで接近する。探針１１が試料２５に接触した瞬間は、Ａに示すように探針１１に撓みは生ぜず、梁１４に曲がりは生じない。この後で、探針１１に押し付け荷重を加えると、いままで真直ぐであった梁１４が押し付け荷重に比例して曲がっていく。梁１４の曲がりは押し付け荷重にフィードバックされる。探針が試料に接触した後の距離が矢印１９に従って負の方向に大きくなっていくことが、押し付け荷重が大きくなっていくことと同一になっている。ところが、画像障害が発生する距離２０になると、押し付け荷重が大きくなりすぎ、探針１１が撓むために、梁１４の曲がりが軽減され、見掛けの押し付け荷重が小さくなる。引き続き押し付け荷重を大きくしていくと、探針の撓みが終了し、接触した後の距離２１に比例して、探針１１の撓み抵抗を含んだ押し付け荷重の増加が見られる。そのため、高さ方向の検出を梁１４で計測している方法では、探針１１の撓みの影響で不正確な計測をしてしまう結果となり、画像障害を発生させる。

探針が撓まない場合のフォースカーブを図４に示す。ボロン又は窒素をドープした探針１１を用いることで、探針の剛性が向上し、図３で実施したフォースカーブと同様な計測を行っても、画像障害が発生しない正常な画像が取得できる。計測方法は図３の場合と同一である。探針１１を、押し付け荷重がゼロの状態を維持しながら、試料２５に接触するまで接近する。この後で、探針に押し付け荷重を加えると、接触した後の距離に従って、いままで真直ぐであった梁１４が押し付け荷重に比例して曲がっていく。探針１１には撓みは発生しない。梁１４の曲がりが検出装置で検出されて押し付け荷重にフィードバックされる。従って、接触した後の距離が矢印１９に従って負の方向に大きくなっていくことが、押し付け荷重が大きくなっていくことと同一になる。これにより、画像障害を防止できる。

本発明のカンチレバーを備えたＬＳＩ検査装置の実施例について、図５を用いて説明する。本実施例のＬＳＩ検査装置は、ヘテロカーボンナノチューブよりなる探針１１とその探針を支える梁１４を有するカンチレバー１０、カンチレバー１０が試料台１５上のＬＳＩ被検体に接触したことを検知する接触検知装置を有する。接触検知装置は検知レーザー光源５１、レーザー反射鏡５２、光検出器５３、光検出器５３で検出された光信号を増幅する増幅器５４により構成されている。また、増幅器５４からの信号をフィードバックするＺ軸サーボ回路５５、Ｚ軸サーボ回路からの信号で試料台１５の高さ方向を調節する圧電素子６１、二次元の面情報を取得するために必要なＸＹ走査回路５６、ＸＹ走査回路５６からの信号で試料台１５の横方向を調節する圧電素子６２、Ｚ軸サーボ回及びＸＹ走査回路の信号を取り入れるＣＰＵ７０、及び、ＣＰＵに取り込まれた信号を画像表示するディスプレイ８０を有する。

ＬＳＩ被検体４０を試料台１５上に設置し、Ｚ軸サーボ回路５５及びＸＹ走査回路５６によって、ＬＳＩ被検体４０を移動し探針１１の位置まで持っていく。ＬＳＩ被検体４０が探針１１に接触したことを検知するためには、探針を支えている梁１４が曲がる情報をＣＰＵ７０に伝えればよい。梁１４の曲がりは非常に微小であるため、一方の端にレーザー光源５１を設置し、そこから発振されるレーザー光６０を梁１４に当てて、反射したレーザー光をもう一方の端に設置した光検出器５３によって検出する。光路は長いほど良いが、光検出器の構成で制限される。ＬＳＩ被検体４０が探針１１に接触した後の梁１４の曲がりを検出し、その曲がりを維持できる、できる限り低い押し圧でＬＳＩ被検体を検査することで、ＬＳＩ被検体の表面粗さの画像情報を高い精度で取得することができる。

本発明のカンチレバーを備えたリソグラフ装置の実施例について、図６を用いて説明する。本実施例のリソグラフ装置は、カンチレバー１０と試料台１５とを電気的に接続するリソグラフ電源９０を備えた点を別にすれば、概ね図５に示すＬＳＩ検査装置と同じ構成である。ヘテロカンチレバーはその特質として、親水性を有している。この性質を利用して、リソグラフ装置の探針に用いることが可能である。カンチレバー１０の探針１１をリソグラフ被検体４５に接触させると、接触部が吸着水４９で覆われる。この吸着水４９に通電することにより、リソグラフ被検体４５が陽極酸化され、リソグラフが可能となる。

本発明の実施例を示すカンチレバーの斜視図。カンチレバーの探針の原子配列を模式的に示した概略図。探針が撓む場合のフォースカーブを示す説明図。本発明の探針を用いた場合のフォースカーブを示す説明図。ＬＳＩ検査装置の実施例を示す概略構成図。リソグラフ装置の実施例を示す概略構成図。

符号の説明

１０…カンチレバー、１１…探針、１４…梁、１５…試料台、４０…ＬＳＩ被検体、４５…リソグラフ被検体、４９…吸着水、５１…レーザー光源、５３…光検出器、５５…Ｚ軸サーボ回路、５６…ＸＹ走査回路、６０…レーザー光、７０…ＣＰＵ、８０…ディスプレイ、９０…リソグラフ電源。

Claims

探針を試料表面に押し付ける接触式カンチレバーにおいて、前記探針がヘテロカーボンナノチューブにより構成されていることを特徴とする接触式カンチレバー。
請求項１において、前記探針がボロンまたは窒素を含有させたカーボンナノチューブにより構成されていることを特徴とする接触式カンチレバー。
請求項２において、前記ボロンまたは窒素の含有量が２〜５原子％であることを特徴とする接触式カンチレバー。
探針がヘテロカーボンナノチューブにより構成されているカンチレバーを試料表面に１〜２０ｎＮの押し圧で押し付けることを特徴とする接触式カンチレバーの使用方法。
請求項４において、前記探針がボロンまたは窒素を含有させたカーボンナノチューブにより構成されていることを特徴とする接触式カンチレバーの使用方法。
カンチレバーと、前記カンチレバーの探針にＬＳＩ被検体が接触したことを検知する接触検知装置と、前記接触検知装置からの信号をフィードバックする前記ＬＳＩ被検体のＺ軸サーボ回路と、前記ＬＳＩ被検体の二次元の面情報を取得するＸＹ走査回路と、前記Ｚ軸サーボ回路及び前記ＸＹ走査回路の信号を取り入れるＣＰＵと、前記ＣＰＵに取り込まれた信号を画像表示するディスプレイを具備するＬＳＩ検査装置であり、前記カンチレバーの探針がヘテロカーボンナノチューブにより構成されていることを特徴とするＬＳＩ検査装置。
請求項６において、前記探針がボロン又は窒素を含有させたカーボンナノチューブにより構成されていることを特徴とするＬＳＩ検査装置。
請求項７において、前記探針がボロンまたは窒素を含有させたカーボンナノチューブにより構成されていることを特徴とするＬＳＩ検査装置。
親水性の探針を有するカンチレバーと、前記カンチレバーとリソグラフ被検体が設置された試料台とを電気的に接続するリソグラフ電源と、前記カンチレバーの探針に前記リソグラフ被検体が接触したことを検知する接触検知装置と、前記接触検知装置からの信号をフィードバックする前記リソグラフ被検体のＺ軸サーボ回路と、前記リソグラフ被検体と前記カンチレバーの探針との接触部に形成された吸着水に通電することによって陽極酸化された前記リソグラフ被検体の二次元の面情報を取得するＸＹ走査回路と、前記Ｚ軸サーボ回路及び前記ＸＹ走査回路の信号を取り入れるＣＰＵと、前記ＣＰＵに取り込まれた信号を画像表示するディスプレイを具備するリソグラフ装置であり、前記カンチレバーの探針がヘテロカーボンナノチューブにより構成されていることを特徴とするリソグラフ装置。
請求項９において、前記カンチレバーの探針がボロンまたは窒素を含有させたカーボンナノチューブにより構成されていることを特徴とするリソグラフ装置。
請求項１０において、前記探針がボロンまたは窒素を含有させたカーボンナノチューブにより構成されていることを特徴とするリソグラフ装置。