JP2010197208A - 走査プローブ顕微鏡およびこれを用いた試料の観察方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】走査プローブ顕微鏡において、内部に金属構造物が埋め込まれた測定探針として、ナノチューブ1と金属ナノ粒子2a、2b、2cを組み合わせてナノメートルオーダの光学分解能を有するプラズモン増強近接場プローブを構成し、高効率なプラズモン励起部に搭載して試料上の各測定点で低接触力での接近・退避を繰り返すことにより、プローブと試料の双方にダメージを与えることなく、ナノメートルオーダの分解能でかつ高い再現性と高いSN比で、試料表面の光学情報及び凹凸情報を測定する。
【選択図】図1
Description
金属の微粒子に光を照射すると金属内の自由電子が集団的に振動する表面プラズモンが発生し、照射した光により金属粒子の表面に発生するエバネッセント光がこの表面プラズモンとカップリングしてプラズモン共鳴を起こし、光吸収を起こすと共に局所的に著しく増強された電場を発生することが知られている。本発明の実施の形態は、この局所的に著しく増強された電場(近接場光)をその先端部に生成するプローブを作成し、このプローブを用いて試料表面の光学的状態を観察、または計測するものである。
本発明の実施の形態1を、図1〜図20に基づいて説明する。
本実施の形態の検出光学系4000の変形例1を、図11に基づいて説明する。図11は、本変形例における走査プローブ顕微鏡の構成を示したものである。本走査プローブ顕微鏡において、検出光学系4000以外の構成とその機能は前述した図7に示した実施の形態のそれと同じであるので、説明を省略する。
本実施の形態の計測部2000及び検出光学系4000の変形例1を、図12及び図13に基づいて説明する。図12は、本変形例におけるプラズモン増強近接場プローブの構成を示したものである。ナノチューブ1は多層構造カーボンナノチューブ、あるいは金属ナノチューブ、あるいは絶縁体としての性質を示すボロンナイトライド(BN)ナノチューブであり、下端部を円錐状に先鋭化した構成となっている。カンチレバー201、チップ730を含めたプラズモン励起部200の構成と機能は前述した図4〜図6に示すものと同様である。
本実施の形態の計測部2000及び検出光学系4000の変形例2を、前述した図5(a)及び図6と、図14に基づいて説明する。前述した図5(a)及び図6に示すように、励起光5a、5bによって励起されたTMモード・プラズモン740は、チップ730の先端に向かって伝播し、ナノチューブ1の入射端の金ドット750a、及び入射端の金ナノ粒子2a、あるいは金ナノロッド702の上端部と結合して、表面プラズモン(破線矢印7a及び7b)として、ナノチューブ1の上端部から下端部に向かって伝搬し、ナノチューブ1の下端部から近接場光8が出力される。試料10の表面構造と相互作用した近接場光8からの反射光は、伝搬光9a、9bに変換される。前述した図7に示した実施の形態における走査プローブ顕微鏡では、この伝搬光9a、9bを検出することで、近接場光画像を得た。
本実施の形態の検出光学系4000の変形例2を、図15に基づいて説明する。図15は、本変形例における走査プローブ顕微鏡の構成を示したものである。本走査プローブ顕微鏡の基本構成とその機能は、前述した図7に示した実施の形態における走査プローブ顕微鏡と同様であるが、近接場光の検出部分に分光器611を配置した点が異なる。すなわち、ナノチューブ1の下端部で出射し試料10で反射された近接場光8は、伝搬光9a、9bに変換されて対物レンズ320で平行光90a、90bとなり、結像レンズ330で分光器611の入射面に、ミラー610を介して集光される。
本実施の形態の検出光学系4000の変形例3を、図16に基づいて説明する。図16では、光源に波長630nm、520nm、430nm近傍の3色の光を発する白色レーザ620を用い、近接場光の検出部分に色分離の干渉フィルタ625r、625g、625bを配置した。白色レーザ620から出射したレーザ光によりナノチューブ1と試料10との間に近接場光8を発生させ、その反射光が伝搬光9a、9bとして対物レンズ320、ビームスプリッタ315を透過して結像レンズ330に達するまでは、前述した図7を用いて説明した実施の形態と同じである。
本実施の形態の計測部2000の変形例1を、図17〜図19に基づいて説明する。図17は、本実施の形態における計測部2000の変更部分を示したものである。本構成では、前述した図16に示した構成に図18の表441に示す半導体材料−分光反射率データセットを格納したメモリユニット440を更に備えた構成となっている(図17においては、前述した図16に記載した構成と共通する部分を大幅に省略して記載してある)。すなわち、図18に示すように、半導体製造に使用されるSiやSiO2などの各種材料と各光源波長λ1=630nm、λ2=520nm、λ3=430nmに対する反射光強度の組み合わせデータ(I11、I21、I31)、(I12、I22、I32)、(I13、I23、I33)・・・・を予めメモリユニット440に格納しておき、得られた3波長の検出光強度を表441に照合することにより、試料10を構成する材料の判別をナノメートル空間分解能で実行できる。もちろん、波長は3波長に限定されるものではなく、4波長、5波長と増やすことにより、材料分析精度は向上する。
本実施の形態の計測部2000の変形例2を、図20に基づいて説明する。図20は、本変形例における走査プローブ顕微鏡の構成を示したものである。本走査プローブ顕微鏡の基本構成とその機能は、前述した図7に示した実施の形態における走査プローブ顕微鏡と同様であるが、カンチレバー201をZ方向に微小振動させる点が異なる。ドライバ203によって圧電素子アクチュエータ202を駆動し、カンチレバー201をZ方向に一定周波数fで微小振動させ、近接場光8、795に強度変調をかける。一定周波数fの駆動信号を参照信号として、ロックインアンプ450で光電変換素子340の検出信号から周波数fの成分のみを抽出することにより、近接場光8、795の情報を感度よく検出することが可能である。ロックインアンプ450からの出力信号は全体制御ユニット420に送られる。以降の処理は、前述した図7に示した実施の形態における走査プローブ顕微鏡と同様である。
本発明の実施の形態2を、図21に基づいて説明する。図21は、本実施の形態のプラズモン励起部200における、ナノチューブ1のチップ730への固定方法と、励起されたTMモード・プラズモン740をナノチューブ1に導く原理を示したものである。前述した実施の形態1のプラズモン励起部では、電子ビーム照射により金ドット750aを3個形成し、これをバインダとしてナノチューブ1をチップ730の先端に溶融固着することとした。また、固定のための十分な強度を確保し、かつ直径20nmのナノチューブへのプラズモンの結合効率を考慮して、前述した実施の形態1ではD=40nm、H=40nm、またその間隔はP=250nmとした。
本発明の実施の形態3を、図22に基づいて説明する。図22は、本実施の形態のプラズモン励起部200における、ナノチューブ1のチップ730への固定方法と、励起されたTMモード・プラズモン740をナノチューブ1に導く原理を示したものである。前述した実施の形態1のプラズモン励起部では、電子ビーム照射により金ドット750aを3個形成し、これをバインダとしてナノチューブ1をチップ730の先端に溶融固着することとした。また、固定のための十分な強度を確保し、かつ直径20nmのナノチューブへのプラズモンの結合効率を考慮して、前述した実施の形態1ではD=40nm、H=40nm、またその間隔はP=250nmとした。
本発明の実施の形態4を、図23及び図24に基づいて説明する。図23は、本実施の形態のプラズモン励起部200における、ナノチューブ1のチップ730への固定方法と、励起されたTMモード・プラズモン740をナノチューブ1に導く原理を示したものである。前述した実施の形態1のプラズモン励起部では、電子ビーム照射により金ドット750aを3個形成し、これをバインダとしてナノチューブ1をチップ730の先端に溶融固着することとした。また、固定のための十分な強度を確保し、かつ直径20nmのナノチューブへのプラズモンの結合効率を考慮して、前述した実施の形態1ではD=40nm、H=40nm、またその間隔はP=250nmとした。
以上説明したように、本実施の形態によれば、AFMとあわせてナノメートルオーダの光学分解能を有する走査プローブ顕微鏡が実現できる。その結果、半導体試料の応力分布や不純物分布などの物性情報の測定が可能になり、また異物や欠陥の分類に寄与する光学情報や凹凸情報を測定できるので異物・欠陥分類性能が向上する。また、ナノメートル分解能での材料分析や、ナノメートルオーダの大きさの微小異物や汚染の分析が可能になる。これらの測定結果を半導体製造プロセスにフィードバックすることで、信頼性の高い半導体デバイスの高歩留まり生産が可能になる。
100…XYZステージ、101…ドライバ、
200…プラズモン励起部、201…カンチレバー、201s…背面、202…圧電素子アクチュエータ、203、205…ドライバ、204…XYZ圧電素子アクチュエータ、206…半導体レーザ、207…駆動回路、208…レーザ光、209…4分割ポジションセンサ、
300…半導体レーザ、301…光、302…ビームスプリッタ、303…反射光、304、340、612、641、642、643…光電変換素子、305…ビーム整形光学系、306…平行光、307…偏光板、315…ビームスプリッタ、316a…輪帯透過領域、316b…反射領域、320…対物レンズ、330…結像レンズ、
400…走査制御ユニット、410…画像形成ユニット、420…全体制御ユニット、430…出力ユニット、440…メモリユニット、450…ロックインアンプ、
500…ミラー、501…撮像カメラ、511、513…Z方向走査、512…下降点、514…X走査、520…接触力変化曲線、530…検出光強度曲線、
610…ミラー、611…分光器、615…リレーレンズ、620…白色レーザ、621、622…ダイクロイックミラー、623…ミラー、625r、625g、625b…干渉フィルタ、631、632、633…集光レンズ、
702…金ナノロッド、730…チップ、730c…コーナ部、730f、730r、730s…薄膜、730w…稜線、735、737…集束角、736、738…入射角、740、741…TMモード・プラズモン(表面プラズモン)、742a、742b…散乱光、745…遮光板、745p…ピンホール、750a、751a…金ドット、750b…誘電体ドット、755…波長選択フィルタ、757…伝搬光、760…蛍光波長成分、790…蛍光粒子、
801…コンタクトホール、802…残膜、860…点光源、870…拡大図、880…節、
1000…ステージ部、2000…計測部、3000…照明光学系、3100…ビームモニタ光学系、4000…検出光学系、5000…試料モニタ光学系、6000…制御部。
Claims (16)
- 内部に金属構造物が埋め込まれた測定探針と、前記測定探針を支持するカンチレバーと、前記カンチレバーを駆動して前記測定探針を検査対象試料に対して相対的に3次元的に走査するカンチレバー駆動手段と、前記カンチレバーの変形を検出する変位検出手段と、前記測定探針と前記検査対象試料の表面との間に近接場光を発生させて前記検査対象試料の表面の近接場光画像を取得する近接場光画像取得手段とを備えたことを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
- 請求項1に記載の走査プローブ顕微鏡において、
前記変位検出手段で前記カンチレバーの変形を検出して得た信号を処理して前記検査対象試料の表面の原子間力顕微鏡画像を作成する原子間力顕微鏡画像作成手段を更に備えたことを特徴とする走査プローブ顕微鏡。 - 請求項1又は2に記載の走査プローブ顕微鏡において、
前記近接場光画像取得手段は、前記測定探針の一端にプラズモンを励起するプラズモン励起手段と、前記プラズモン励起手段によりプラズモンが励起された状態で前記測定探針の他端を前記検査対象試料の表面に近づけることにより前記測定探針の他端と前記検査対象試料の表面との間に発生する近接場光を検出する近接場光検出光学系と、前記近接場光検出光学系で前記近接場光を検出して得た信号を処理して前記検査対象試料の表面の近接場光画像を得る近接場光画像処理系とを備えて構成したことを特徴とする走査プローブ顕微鏡。 - 請求項1又は2に記載の走査プローブ顕微鏡において、
前記測定探針をカーボンナノチューブもしくは金属ナノチューブで形成し、前記カーボンナノチューブもしくは金属ナノチューブの内部に金粒子もしくは銀粒子もしくは金ロッドもしくは銀ロッドを埋め込んだことを特徴とする走査プローブ顕微鏡。 - 請求項1又は2に記載の走査プローブ顕微鏡において、
前記測定探針をカーボンナノチューブもしくは金属ナノチューブで形成し、前記検査対象試料の表面に近づける前記カーボンナノチューブもしくは金属ナノチューブの先端部を先鋭化し、前記先端部に金粒子もしくは銀粒子を埋め込んだことを特徴とする走査プローブ顕微鏡。 - 請求項3に記載の走査プローブ顕微鏡において、
前記測定探針の長さは、前記プラズモンの波長に応じて最大強度の近接場光が得られるように調整されることを特徴とする走査プローブ顕微鏡。 - 請求項3又は6に記載の走査プローブ顕微鏡において、
前記プラズモン励起手段は、前記測定探針を、前記測定探針の直径と同程度の大きさで少なくとも1個以上の構造物で前記カンチレバーに固定し、前記カンチレバーに光を照射してプラズモンを励起し、前記プラズモンを前記構造物を介して前記測定探針に結合し、前記測定探針の一端にプラズモンを励起することを特徴とする走査プローブ顕微鏡。 - 請求項3又は6又は7の何れか1項に記載の走査プローブ顕微鏡において、
前記プラズモン励起手段は、複数波長を発振するレーザを光源とし、前記測定探針の一端に複数波長のプラズモンを励起し、前記近接場光検出光学系は前記測定探針の他端と前記検査対象試料の表面との間に発生する近接場光を波長分離して検出し、前記近接場光画像処理系において前記波長分離して検出したそれぞれの信号を処理して合成することにより前記検査対象試料の表面のカラーの近接場光画像を得ることを特徴とする走査プローブ顕微鏡。 - 内部に金属構造物が埋め込まれた測定探針を支持するカンチレバーを駆動して前記測定探針を検査対象試料に対して相対的に3次元的に走査し、前記3次元的な走査による前記カンチレバーの変形を検出し、前記測定探針を用いて前記検査対象試料の表面の近接場光画像を取得することを特徴とする走査プローブ顕微鏡を用いた試料の観察方法。
- 請求項9に記載の走査プローブ顕微鏡を用いた試料の観察方法において、
前記カンチレバーの変形を検出して得た信号を処理して前記検査対象試料の表面の原子間力顕微鏡画像を作成することを特徴とする走査プローブ顕微鏡を用いた試料の観察方法。 - 請求項9に記載の走査プローブ顕微鏡を用いた試料の観察方法において、
前記近接場光画像を、前記測定探針の一端にプラズモンを励起し、前記プラズモンが励起された状態で前記測定探針の他端を前記検査対象試料の表面に近づけることにより前記測定探針の他端と前記検査対象試料の表面との間に発生する近接場光を検出し、前記近接場光を検出して得た信号を処理して前記検査対象試料の表面の近接場光画像を得ることを特徴とする走査プローブ顕微鏡を用いた試料の観察方法。 - 請求項9乃至11の何れか1項に記載の走査プローブ顕微鏡を用いた試料の観察方法において、
前記測定探針として、内部に金粒子もしくは銀粒子もしくは金ロッドもしくは銀ロッドが埋め込まれたカーボンナノチューブもしくは金属ナノチューブを用いて前記近接場光を検出することを特徴とする走査プローブ顕微鏡を用いた試料の観察方法。 - 請求項9乃至11の何れか1項に記載の走査プローブ顕微鏡を用いた試料の観察方法において、
前記測定探針をカーボンナノチューブもしくは金属ナノチューブで形成し、前記検査対象試料の表面に近づける前記カーボンナノチューブもしくは金属ナノチューブの先端部を先鋭化し、前記先端部に金粒子もしくは銀粒子を埋め込んだことを特徴とする走査プローブ顕微鏡を用いた試料の観察方法。 - 請求項11に記載の走査プローブ顕微鏡を用いた試料の観察方法において、
前記測定探針の長さは、前記プラズモンの波長に応じて最大強度の近接場光が得られるように調整されることを特徴とする走査プローブ顕微鏡を用いた試料の観察方法。 - 請求項11又は14に記載の走査プローブ顕微鏡を用いた試料の観察方法において、
前記測定探針を、前記測定探針の直径と同程度の大きさで少なくとも1個以上の構造物で前記カンチレバーに固定し、前記カンチレバーに光を照射してプラズモンを励起し、前記プラズモンを前記構造物を介して前記測定探針に結合し、前記測定探針の一端にプラズモンが励起されることを特徴とする走査プローブ顕微鏡を用いた試料の観察方法。 - 請求項11又は14又は15の何れか1項に記載の走査プローブ顕微鏡を用いた試料の観察方法において、
前記測定探針の一端にプラズモンを励起する手段は複数波長を発振するレーザを光源とし、前記測定探針の他端と前記検査対象試料の表面との間に発生する近接場光を波長分離して検出し、前記波長分離して検出して得た信号を処理することにより前記検査対象試料の表面のカラーの近接場光画像を得ることを特徴とする走査プローブ顕微鏡を用いた試料の観察方法。
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