JP2010044063A

JP2010044063A - 傾斜試料ステージを備える走査型プローブ顕微鏡

Info

Publication number: JP2010044063A
Application number: JP2009170370A
Authority: JP
Inventors: San-Il Park; パクサンイル; Yong-Seok Kim; キムヨンソク; Jitae Kim; キムジテ; Joonhul Kim; キムジョンヒ; Hyunwoo Lee; リヒュンウ
Original assignee: Park Systems Corp
Current assignee: Park Systems Corp
Priority date: 2008-07-21
Filing date: 2009-07-21
Publication date: 2010-02-25
Also published as: US20100017920A1

Abstract

【課題】オーバーハング構造を有する試料を測定する走査型プローブ顕微鏡を提供する。
【解決手段】本走査型プローブ顕微鏡は、試料３４０が上に載置される傾斜ステージ４００を有する。試料は、順方向走査の間は時計回りに、逆方向走査の間は反時計回りにステージを傾斜させながら前後に走査される。試料の第１の表面輪郭が、順方向走査の間のプローブ３０１の応答及びステージの傾斜角度から決定される。試料の第２の表面輪郭が、逆方向走査の間のプローブの応答及びステージの傾斜角度から決定される。試料の最終的な表面輪郭が、第１の表面輪郭と第２の表面輪郭とを組み合わせることによって得られる。
【選択図】図３

Description

[0001]本発明は、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）に関し、より詳細には、傾斜試料ステージを用いて試料の特性を分析することができるＳＰＭに関する。

[0002]走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は、試料の表面又は他の形状（ｆｅａｔｕｒｅ）のナノスケール像を得るために使用される。ＳＰＭには様々な改良が行われてきている。参照により本明細書に組み込む米国特許出願第１０／０７７，８３５号明細書には、物理的に分離された２つのスキャナを有するＳＰＭが開示されている。第１のスキャナは、平面にある試料を走査するために使用され、第２のスキャナは、プローブ先端部を平面に垂直な方向に走査するために使用される。２つのスキャナを物理的に分離することによって、２つのスキャナ間でのクロストークが排除される。

[0003]オーバーハング構造を有する試料を測定する手法として、図１に示すプローブ１０を用いる方法が提案されてきている。プローブ１０はｌ１方向に動き、その前端部に突起部１０ａを有し、したがって、この突起部１０ａを用いて、オーバーハング構造２０ａを有する試料２０に関する正しいデータが得られることになる。しかし、プローブ１０は、製造するのが困難且つ高価である。更に、プローブ１０を用いる方法は、プローブ先端部が従来のＳＰＭのプローブ先端部ほど鋭くはないので、従来のＳＰＭほど正確ではない。

[0004]また、参照により本明細書に組み込む米国特許出願第１１／６０１，１４４号明細書には、オーバーハング構造を有する試料の測定を可能とする別のＳＰＭが開示されている。このＳＰＭでは、第１のスキャナが、平面にある試料２００を走査するために使用され、第２のスキャナが、プローブ先端部を平面に垂直でない方向（ｌ２）に走査するために使用される。図２に示すように、この構成を用いると、プローブ先端部１２０は、オーバーハング構造の側面２００ａに到達することができ、したがって側面２００ａを探索することができる。また、プローブ先端部１２０は、従来のＳＰＭのプローブ先端部と同程度に鋭い。したがって、この構成を用いて得られる測定結果は、従来のＳＰＭと同程度に正確である。

[0005]本発明は、オーバーハング構造やトレンチなど、試料表面上の細々とした形状を正確に特徴付ける方法を提供する。一実施形態によれば、測定される試料は、傾斜ステージ上に載置され、順方向走査の間は時計回りに、逆方向走査の間は反時計回りにステージを傾斜させながら前後に走査される。試料の第１の表面輪郭が、順方向走査の間のプローブの応答及びステージの傾斜角度から決定される。試料の第２の表面輪郭が、逆方向走査の間のプローブの応答及びステージの傾斜角度から決定される。試料の最終的な表面輪郭が、第１の表面輪郭と第２の表面輪郭とを組み合わせることによって得られる。

[0006]本発明の実施形態による走査型プローブ顕微鏡は、プローブと、第１の方向に垂直でない試料測定平面を画定する傾斜ステージと、第１及び第２のスキャナとを含む。第１のスキャナは、プローブを第１の方向に動かし、第２のスキャナは、第２及び第３の方向によって画定される平面内で試料を走査するために使用される。走査型プローブ顕微鏡は、プローブの第１の方向における動きと、試料測定平面が第１の方向に垂直な平面に対して傾斜される角度とに基づいて測定結果をもたらすようにプログラムされた制御器を更に含む。

[0007]本発明の実施形態による試料を測定する方法は、プローブと、試料が上に載置される試料ステージと、プローブを第１の方向に動かす第１のスキャナと、試料を第２及び第３の方向に走査する第２のスキャナとを有する走査型プローブ顕微鏡を使用する。この方法は、試料ステージが第１の方向に垂直でない試料測定平面を画定するように、試料ステージを傾斜させるステップと、第２及び第３の方向によって画定される平面内で試料を走査し、前記走査の間、プローブの第１の方向における動きを監視するステップとを含む。

[0008]本発明の別の実施形態による試料を測定する方法は、プローブと、試料が上に載置される試料ステージと、プローブスキャナ及び試料スキャナとを有する走査型プローブ顕微鏡を使用する。この方法は、試料測定平面をプローブスキャナの走査方向に垂直な平面に対して時計回りに傾斜させながら試料を走査するステップと、試料測定平面をプローブスキャナの走査方向に垂直な平面に対して反時計回りに傾斜させながら試料を走査するステップとを含む。これらの２つのステップにおける走査方向は、互いに反対である。

[0009]本発明の上述の特徴が詳細に理解できるような形で、上記で簡単に要約した本発明のより具体的な説明を、いくつかが添付の図面に示される実施形態を参照しながら示すことができる。しかし、添付の図面は、本発明の典型的な実施形態を示すにすぎず、したがって、本発明の範囲を限定するものと考えるべきではなく、本発明は、他の同様に効果的な実施形態を含むことができることに留意されたい。

オーバーハング構造がブーツ形先端部によって探索されている概念図である。オーバーハング構造が、オーバーハング構造の走査平面に垂直でない方向に探索されている概念図である。本発明の第１の実施形態によるＳＰＭである。試料ステージを傾斜させる機構を示す図である。（Ａ）は時計回りに傾斜させた試料ステージの概略図である。（Ｂ）は時計回りに傾斜させたステージ上に載置された試料の走査を示す図である。（Ｃ）は反時計回りに傾斜させた試料ステージの概略図である。（Ｄ）は反時計回りに傾斜させたステージ上に載置された試料の走査を示す図である。本発明の実施形態によるＳＰＭを用いて試料を測定する方法の流れ図である。（Ａ）は時計回りに傾斜させたステージ上に載置された試料の測定から得られた像を示す図である。（Ｂ）は反時計回りに傾斜させたステージ上に載置された試料の測定から得られた像を示す図である。（Ｃ）は時計回りに傾斜させたステージ上に載置された試料の測定と、反時計回りに傾斜させたステージ上に載置された試料の測定とを組み合わせて得られた像を示す図である。本発明の第２の実施形態によるＳＰＭである。（Ａ）及び（Ｂ）は図８のＳＰＭの傾斜試料測定平面に対する試料走査方向を示す図である。本発明の第３の実施形態によるＳＰＭで使用されるスキャナを示す図である。（Ａ）及び（Ｂ）は図１０のスキャナを使用した場合の、傾斜試料測定平面に対する試料走査方向を示す図である。

[0026]分かりやすいように、適応可能な場合には、図間で共通する同じ要素を示すのに同じ参照番号を使用している。一実施形態の特徴は、更なる詳述がなくとも他の実施形態に組み込むことができることが企図される。

[0027]図３は、本発明の第１の実施形態によるＳＰＭ３００である。ＳＰＭ３００は、プローブ３０１、第１のスキャナ３１０、第２のスキャナ３２０、及び試料ステージ３３０を含む。試料３４０が、試料ステージ３３０上に配置される。第１のスキャナ３１０は、プローブ３０１に結合され、プローブ３０１の位置を第１の方向（ｚ方向）に沿って変える。第２のスキャナ３２０は、その上面で試料ステージ３３０を画定し、試料ステージ３３０の位置を第２及び第３の方向（ｘ及びｙ方向）に沿って変える。第１のスキャナ３１０は、枢動点３５２によってＳＰＭ３００のフレーム３５０に支持されている。アクチュエータ３５４が、第１のスキャナ３１０を枢動点３５２の周りで回転させ、プローブ３０１の走査方向を変えるように設けられている。ＳＰＭはまた、試料ステージ３３０を傾斜させる機構４００を含む。傾斜機構４００は、ベースユニット４１０及び傾斜ユニット４２０を含む。ＳＰＭ３００の更なる詳細については、米国特許出願第１１／６０１，１４４号明細書に記載されている。

[0028]図４は、試料ステージ３３０を傾斜させる機構４００を更に詳細に示す。図示のように、第２のスキャナ３２０は、その上に試料ステージ３３０が形成され、その底面に形成された球形ボール３２５ａ、３２５ｂ、３２５ｃを有する。球形ボール３２５ａは、傾斜ユニット４２０の上面４２５上に取り付けられる。球形ボール３２５ｂは、ベースユニット４１０の円錐溝４１２内に受けられ、球形ボール３２５ｃは、ベースユニット４１０のＶ形溝４１４内に受けられる。ステッパモータ４２８を用いて親ねじ４２７を回転させることによって、傾斜ユニット４２０を上昇又は下降させることができる。傾斜ユニット４２０を上昇させると、試料ステージ３３０は反時計回り方向に傾斜する。傾斜ユニット４２０を下降させると、試料ステージ３３０は時計回り方向に傾斜する。親ねじ４２７の回転はセンサ４３０によって感知され、回転量に比例した信号が制御器４４０に送信される。次いで、制御器４４０は、この信号に基づいて試料３３０の傾斜角度を計算する。ステージ又はプラットフォームを傾斜させる他の機構が当技術分野で周知であり、本発明で機構４００の代わりに使用してもよい。

[0029]図５の（Ａ）は、時計回りにα度傾斜させた試料ステージ３３０の概略図である。この時計回りの傾斜は、プローブ３０１のｚ走査方向に垂直な仮想平面５００に対するものである。試料ステージ３３０を時計回りに傾斜させた場合、試料ステージ３３０上に載置された試料３４０を、プローブ３０１に対して−ｘ方向に走査することが好ましい。これは、第２のスキャナ３２０が試料ステージ３３０を＋ｘ方向に動かすことを意味する。図５の（Ｂ）は、この構成を用いて、プローブ３０１がどのようにして試料３４０に形成されたトレンチ５１０の側面５１１に到達することができるかを示す。

[0030]図５の（Ｃ）は、反時計回りにβ度傾斜させた試料ステージ３３０の概略図である。この反時計回りの傾斜は、プローブ３０１のｚ走査方向に垂直な仮想平面５００に対するものである。試料ステージ３３０を反時計回りに傾斜させた場合、試料ステージ３３０上に載置された試料３４０は、プローブ３０１に対して＋ｘ方向に走査される。これは、第２のスキャナ３２０が、試料ステージ３３０を−ｘ方向に動かすことを意味する。図５の（Ｄ）は、この構成を用いて、プローブ３０１がどのようにして試料３４０に形成されたトレンチ５２０の側面５２１に到達することができるかを示す。

[0031]図６は、本発明の実施形態によるＳＰＭを用いて試料を測定する方法の流れ図である。ステップ６１０で、試料が試料ステージ３３０上に載置される。次いで、ステップ６１２で、試料ステージ３３０に時計回りの傾斜が与えられる。ステップ６１４で、時計回りの傾斜角度が、センサ４３０及び制御器４４０を用いて決定される。ステップ６１６で、試料の順方向（図５の（Ａ）に示す−ｘ方向）における走査が開始し、この走査は第２のスキャナ３２０によって実行される。ステップ６１６の間、プローブ３０１のｚ方向における動きが制御器４４０によって監視され、記録される。また、プローブ３０１の動きの監視と同時に、第１のスキャナ３１０が、プローブ３０１を同量だけ走査するように駆動される。ステップ６１８で、ステップ６１６の間のプローブ３０１の動きと、ステップ６１４で決定された角度とに基づいて、試料表面が特徴付けられる。

[0032]ステップ６２０で、試料ステージ３３０に反時計回りの傾斜が与えられる。ステップ６２２で、反時計回りの傾斜角度が、センサ４３０及び制御器４４０を用いて決定される。ステップ６２４で、試料の逆方向（図５の（Ｃ）に示す＋ｘ方向）における走査が開始し、この走査は第２のスキャナ３２０によって実行される。ステップ６２４の間、プローブ３０１のｚ方向における動きが制御器４４０によって監視され、記録される。また、プローブ３０１の動きの監視と同時に、第１のスキャナ３１０が、プローブ３０１を同量だけ走査するように駆動される。ステップ６２６で、ステップ６２４の間のプローブ３０１の動きと、ステップ６２２で決定された角度とに基づいて、試料表面が特徴付けられる。

[0033]ステップ６２８で、制御器４４０によって試料表面の最終結果がもたらされる。制御器４４０は、ステップ６１８及びステップ６２６から特徴付けられた結果を組み合わせるか、又はまとめることによってこの最終結果をもたらす。図７の（Ａ）は、時計回りに傾斜させた試料ステージ上に載置された試料の測定から得られた試料の表面輪郭プロットである。図７の（Ｂ）は、反時計回りに傾斜させた試料ステージ上に載置された試料の測定から得られた試料の表面輪郭プロットである。図７の（Ｃ）は、時計回りに傾斜させた試料ステージ上に載置された試料の測定と、反時計回りに傾斜させた試料ステージ上に載置された試料の測定とを組み合わせて得られた表面輪郭プロットである。

[0034]図８は、本発明の第２の実施形態によるＳＰＭ８００である。ＳＰＭ８００は、ｘ−ｙスキャナ（すなわち、第２のスキャナ８２０）が、試料ステージ３３０を傾斜させる機構４００の下に取り付けられていることを除いては、ＳＰＭ３００と同じである。その結果、第２のスキャナ８２０は傾斜されず、ｘ、ｙ、及びｚ走査方向は、互いに対して直角であり、したがってｚ方向はｘ−ｙ平面に垂直となる。この構成を用いると、試料ステージ３３０を傾斜させながらの順方向及び逆方向走査の間、順方向及び逆方向の走査方向は、図９の（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、試料測定平面に平行でなくなる。

[0035]図１０は、本発明の第３の実施形態によるＳＰＭで使用されるスキャナを示す。第３の実施形態によるＳＰＭは、ｘ−ｙスキャナ及びｚ−スキャナが、図１０に示す圧電チューブスキャナ１０１０として形成され、ＳＰＭ８００の第１のスキャナ３１０に取って代わっていることを除いては、ＳＰＭ８００と同じである。したがって、第３の実施形態によるＳＰＭでは、試料ステージは、ｘ−ｙスキャナによって動かされることはない。その代わりに、プローブ３０１がｘ、ｙ、及びｚ方向に走査される。圧電チューブスキャナ１０１０は、分割された４つの外側電極を含み、それらの電極は、ｘ区画１０２１とｙ区画１０２２とが交互に並んでいる。プローブ３１０は、圧電チューブスキャナ１０１０の両区画１０２１に逆符号の電圧を印加することによってｘ方向に動く。プローブ３１０は、圧電チューブスキャナ１０１０の両区画１０２２に逆符号の電圧を印加することによってｙ方向に動く。プローブ３１０は、圧電チューブスキャナ１０１０の４つの全ての区画に同じ符号の電圧を印加することによってｚ方向に動く。

[0036]図１１の（Ａ）及び（Ｂ）は、図１０のスキャナを使用した場合の、傾斜試料測定平面に対する試料走査方向を示す。図１１の（Ａ）では、試料測定平面を時計回りに傾斜させた場合、プローブ３１０は−ｘ方向に走査され、この走査は試料測定平面に平行ではない。図１１の（Ｂ）では、試料測定平面を反時計回りに傾斜させた場合、プローブ３１０は＋ｘ方向に走査され、この走査は試料測定平面に平行ではない。

[0037]特定の実施形態を参照しながら本発明を上記で説明してきた。しかし、これらの実施形態には、添付の特許請求の範囲に記載の本発明のより広い趣旨及び範囲から逸脱することなく、様々な改変及び変更を行うことができることが当業者には理解されよう。したがって、前述の説明及び図面は、限定的なものではなく、例示的なものとみなすべきである。

１０…プローブ、１０ａ…突起部、２０…試料、２０ａ…オーバーハング構造、１２０…プローブ先端部、２００…試料、２００ａ…オーバーハング構造側面、３００…ＳＰＭ、３０１…プローブ、３１０…第１のスキャナ、３２０…第２のスキャナ、３２５ａ、ｂ、ｃ…球形ボール、３３０…試料ステージ、３４０…試料、３５０…フレーム、３５２…枢動点、３５４…アクチュエータ、４００…傾斜機構、４１０…ベースユニット、４１２…円錐溝、４１４…Ｖ形溝、４２０…傾斜ユニット、４２５…上面、４２７…親ねじ、４２８…ステッパモータ、４３０…センサ、４４０…制御器、５００…仮想平面、５１０…トレンチ、５１１…側面、５２０…トレンチ、５２１…側面、８００…ＳＰＭ、８２０…第２のスキャナ、１０１０…圧電チューブスキャナ、１０２１…ｘ区画、１０２２…ｙ区画

Claims

プローブと、
前記プローブを第１の方向に動かす第１のスキャナと、
前記第１の方向に垂直でない試料測定平面を画定する傾斜ステージと、
第２の方向及び第３の方向において、前記プローブと前記試料測定平面との相対位置を変える第２のスキャナと、
前記プローブの前記第１の方向における前記動きと、前記試料測定平面が前記第１の方向に垂直な平面に対して傾斜される角度とに基づいて測定結果をもたらすようにプログラムされた制御器と
を備える、走査型プローブ顕微鏡。
前記第２の方向及び前記第３の方向が、前記第１の方向に垂直な平面を画定する、請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
前記第２の方向及び前記第３の方向が、前記試料測定平面に平行な平面を画定する、請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
前記傾斜ステージが前記第１の方向に垂直な前記平面に対して傾斜される前記角度を決定するために使用される信号を発するセンサを更に備える、請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
前記傾斜ステージを前記第１の方向に垂直な前記平面に対して傾斜させるアクチュエータを更に備える、請求項４に記載の走査型プローブ顕微鏡。
前記第１の方向と同一線上にある軸と、前記試料測定平面とによって形成される角度を変えることができるように、前記第１のスキャナを傾斜させるアクチュエータを更に備える、請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
前記第２のスキャナが、前記プローブを前記第２の方向及び前記第３の方向によって画定される平面内で動かす、請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
前記第２のスキャナが、前記傾斜ステージを前記第２の方向及び前記第３の方向によって画定される平面内で動かす、請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
プローブと、試料が上に載置される試料ステージと、前記プローブを第１の方向に動かす第１のスキャナと、前記試料を第２の方向及び第３の方向に走査する第２のスキャナとを有する走査型プローブ顕微鏡を用いて試料を測定する方法であって、
（ａ）前記試料ステージが前記第１の方向に垂直でない試料測定平面を画定するように、前記試料ステージを傾斜させるステップと、
（ｂ）前記第２の方向及び前記第３の方向によって画定される平面内で前記試料を走査し、前記走査の間、前記プローブの前記第１の方向における動きを監視するステップと
を含む方法。
前記第２の方向及び前記第３の方向によって画定される前記平面が、前記試料測定平面に平行である、請求項９に記載の方法。
前記第２の方向及び前記第３の方向によって画定される前記平面が、前記試料測定平面に平行でない、請求項９に記載の方法。
前記ステップ（ｂ）での走査の間、前記プローブが、前記第２の方向及び前記第３の方向によって画定される平面内で動く、請求項９に記載の方法。
前記ステップ（ｂ）での走査の間、前記試料ステージが、前記第２の方向及び前記第３の方向によって画定される平面内で動く、請求項９に記載の方法。
前記試料ステージが前記第１の方向に垂直な前記平面に対して傾斜される角度を測定するステップと、
前記第１の方向における前記プローブの前記動きと、前記測定された角度とに基づいて測定結果をもたらすステップと
を更に含む、請求項９に記載の方法。
（ｃ）前記試料ステージが、前記第１の方向に垂直でない新たな試料測定平面を画定するように、前記試料ステージを傾斜させるステップと、次いで、
（ｄ）前記試料を前記ステップ（ｂ）での走査方向とは反対の方向に走査し、ステップ（ｄ）での走査の間、前記プローブの前記第１の方向における動きを監視するステップと
を更に含む、請求項９に記載の方法。
前記ステップ（ｂ）での走査の間の前記プローブの前記第１の方向における前記動きと、前記ステップ（ｂ）での走査の間の前記試料ステージが前記第１の方向に垂直な前記平面に対して傾斜される角度とに基づいて、第１の組の測定結果をもたらすステップと、
前記ステップ（ｄ）での走査の間の前記プローブの前記第１の方向における前記動きと、前記ステップ（ｄ）での走査の間の前記試料ステージが前記第１の方向に垂直な前記平面に対して傾斜される角度とに基づいて、第２の組の測定結果をもたらすステップと、
前記第１の組の測定結果と第２の組の測定結果とを組み合わせるステップと
を更に含む、請求項１５に記載の方法。
プローブと、試料が上に載置される試料ステージと、プローブスキャナと、試料スキャナとを有する走査型プローブ顕微鏡を用いて試料を測定する方法であって、
（ａ）試料測定平面を前記プローブスキャナの走査方向に垂直な平面に対して時計回りに傾斜させながら前記試料を走査するステップと、
（ｂ）前記試料測定平面を前記プローブスキャナの前記走査方向に垂直な前記平面に対して反時計回りに傾斜させながら前記試料を走査するステップと
を含む方法。
前記ステップ（ａ）での走査の間の前記プローブの前記動きと、前記ステップ（ａ）での走査の間の前記試料測定平面の傾斜角度とに基づいて、第１の組の測定結果をもたらすステップと、
前記ステップ（ｂ）での走査の間の前記プローブの前記動きと、前記ステップ（ｂ）での走査の間の前記試料測定平面の傾斜角度とに基づいて、第２の組の測定結果をもたらすステップと、
前記第１の組の測定結果と第２の組の測定結果とを組み合わせるステップと
を更に含む、請求項１７に記載の方法。
前記ステップ（ａ）での走査の間の、前記試料測定平面の前記傾斜角度を決定するステップと、
前記ステップ（ｂ）での走査の間の、前記試料測定平面の前記傾斜角度を決定するステップと
を更に含む、請求項１８に記載の方法。
前記ステップ（ａ）での前記走査方向が、前記ステップ（ｂ）での前記走査方向とは反対である、請求項１７に記載の方法。
前記ステップ（ａ）及び前記ステップ（ｂ）での前記走査方向が、前記試料測定平面に平行である、請求項１７に記載の方法。
前記ステップ（ａ）及び前記ステップ（ｂ）での前記走査方向が、前記プローブスキャナの前記走査方向に垂直である、請求項１７に記載の方法。
前記プローブスキャナを傾斜させて、前記プローブ走査方向と同一線上にある軸と、前記試料測定平面とによって形成される角度を変えるステップを更に含む、請求項１７に記載の方法。
前記ステップ（ａ）及び前記ステップ（ｂ）の走査の間、前記プローブを前記試料に対して動かすように、前記試料スキャナが前記プローブと共に取り付けられる請求項１７に記載の方法。
前記ステップ（ａ）及び前記ステップ（ｂ）の走査の間、前記試料ステージを動かすように、前記試料スキャナが前記試料ステージと共に取り付けられる、請求項１７に記載の方法。