JP2015040785A - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

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宮 日出雄 篠
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田 潤 広
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田 一 範 原
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Abstract

【課題】摩耗粉による測定精度の劣化を抑制することができる走査型プローブ顕微鏡を提供する。【解決手段】本実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡は、試料を搭載するステージを備える。プローブは、試料の表面の走査領域を走査して、前記試料の特性を測定する。コントローラは、試料の特性の測定中におけるプローブの走査軌道の少なくとも一部を直角又は鋭角に屈曲させるようにプローブとステージとを相対的に移動させる。【選択図】図2

Description

本発明の実施形態は、走査型プローブ顕微鏡に関する。
従来、微細なプローブ(短針)を試料の表面に接触させた状態で走査させながら試料の特性を測定する走査型プローブ顕微鏡(SPM(Scanning Probe Microscope))が使用されている。このような走査型プローブ顕微鏡として、例えば、走査型広がり抵抗顕微鏡(SSRM(Scanning Spread Resistance Microscope))などが挙げられる。走査型広がり抵抗顕微鏡は、例えば、トランジスタのキャリア濃度分布の測定に使用されている。
このような従来の走査型プローブ顕微鏡において、接触式のプローブが試料の表面を走査すると、試料とプローブ先端とが摩耗し、摩耗粉が発生した。この摩耗粉は、プローブと試料との間に挟まることで、プローブと試料との間に電気的な接触不良を引き起こし、プローブによる測定精度を劣化させることがあった。
また、このような測定精度の劣化は、プローブの走査軌道によって助長されることがあった。従来の走査型プローブ顕微鏡のプローブの走査軌道には、プローブが試料の表面を走査しながら試料の特性を測定している測定軌道と、プローブが試料の表面を走査しているにもかかわらず試料の特性を測定していない非測定軌道とが含まれた。非測定軌道として、例えば、複数の測定軌道間をプローブが移動する際に形成される走査軌道や、プローブが最初に接触した試料表面の地点から、プローブが試料の測定を開始する地点まで移動する際に形成される走査軌道が挙げられる。非測定軌道は、試料の測定に寄与しないにもかかわらず、摩耗粉を発生させるため、摩耗粉による測定精度の劣化を助長させていた。
特開平7−248331号公報 特開2002−54921号公報 特開2005−195545号公報
摩耗粉による測定精度の劣化を抑制することができる走査型プローブ顕微鏡を提供する。
本実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡は、試料を搭載するステージを備える。プローブは、試料の表面の走査領域を走査して、前記試料の特性を測定する。コントローラは、試料の特性の測定中におけるプローブの走査軌道の少なくとも一部を直角又は鋭角に屈曲させるようにプローブとステージとを相対的に移動させる。
図1は、本発明の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡を示す概略構成図である。 図2は、第1実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の測定軌道を示す平面図である。 図3は、試料表面を走査中のプローブの拡大図である。 図4は、図2の部分拡大図である。 図5は、第2実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の測定軌道を示す平面図である。 図6は、第3実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の測定軌道を示す平面図である。 図7は、図6の測定軌道の変形例を示す平面図である。 図8は、図6の測定軌道のさらなる変形例を示す平面図である。
以下、本発明の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡について図面を参照して説明する。
(第1実施形態)
図1は、本発明の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡を示す概略図である。この走査型プローブ顕微鏡は、プローブ1を試料3の表面の走査領域32に接触させた状態で走査しながら試料3の抵抗値を測定し、測定結果に基づく解析結果を出力する。この走査型プローブ顕微鏡は、試料3の抵抗値以外の特性(電気的特性や表面形状)を測定してもよい。走査型プローブ顕微鏡は、試料3の表面の走査領域32を走査するプローブ1と、試料3を搭載するステージ2と、試料3に流れる電流(又は電圧)を測定する測定回路4と、測定回路4で測定した電流(又は電圧)の測定値に基づいて解析して抵抗値を得る解析手段5と、解析手段5による解析結果が表示されるモニター6とを備えている。
プローブ1は、導電性材料により形成されており、カンチレバー11によって試料3の表面に押圧されている。プローブ1として、例えば、ダイヤモンドプローブを使用することができる。試料3と接触するプローブ1の先端の直径は、例えば、25〜50nmであるが、これに限られない。
ステージ2は、コントローラ21によって制御され、表面に搭載(固定)された試料3をX軸,Y軸,Z軸方向に移動させる。ステージ2として、例えばピエゾステージが利用される。固定されたプローブ1に対してステージ2が試料3を移動させることにより、プローブ1は試料3の表面を走査することができる。
試料3の表面には、プローブ1により走査する走査領域32が設定されており、この走査領域32にはプローブ1の先端が接触する。試料3の背面には背面電極31が設けられている。試料3の背面電極31とプローブ1とは、測定回路4に接続されている。
測定回路4は、試料3の背面電極31とプローブ1との間にバイアス電圧を印加し、その際に流れる電流の電流値を測定する。測定回路4は、電流を増幅する増幅器41や、電流値を測定する電流計42を備える。また、測定回路4は、定電流源を備え、試料3の背面電極31とプローブ1との間に一定の電流を流した際に生じる電位差を測定してもよい。この場合、測定回路4は、増幅器41と、電圧値を測定する電圧計を備える。測定回路4により測定された電流値は、解析手段5に入力される。
解析手段5は、測定回路4から入力された電流値と試料3に印加された電圧を用いて試料3の抵抗値を算出する。解析手段5は、算出された抵抗値と、その抵抗値が算出された試料3の走査領域32上の座標情報と、それらの情報が記憶された順序である情報記憶順序と、を記憶する。そして、解析手段5は、記憶された抵抗値、座標情報、及び情報記憶順序に基づいて、抵抗値を再配置する。すなわち、解析手段5は、抵抗値を対応する座標位置にプロットすることで、抵抗値と走査領域32の測定位置とを対応させた画像情報を構成する。解析手段5は、画像情報をモニター6に出力する。
モニター6には、解析手段5から出力された画像情報が表示される。この画像情報は、走査領域32の2次元又は3次元のマップとして表示することができる。
コントローラ21は、プローブ1とステージ2とを相対的に移動させ、プローブ1を試料3の表面を走査させる。プローブ1はステージ2に対して相対的に移動すればよい。従って、コントローラ21は、プローブ1を移動させてもよいが、プローブ1を固定した状態でステージ2を移動させてもよい。
次に、第1実施形態の走査型プローブ顕微鏡の測定軌道について、図2を参照して説明する。ここで、図2は、第1実施形態の走査型プローブ顕微鏡の測定軌道を示す平面図である。図2において、試料3の走査領域32は正方形であるが、走査領域32の形状はこれに限られない。また、試料3は、表面全体が走査領域32であってもよいし、試料3の表面の一部だけが走査領域32であってもよい。試料3の表面の走査領域32は、例えば一辺5μm以下の正方形とすることができる。
第1実施形態の測定軌道において、プローブ1は、まず試料3の走査領域32の中心部である始点aに配置される。プローブ1が最初に走査領域32と接触する地点がこの始点aであり、測定軌道は始点aからはじまる。すなわち、本実施形態において、測定軌道の始点と走査軌道の始点とは一致する。プローブ1は、始点aに接触すると、試料3の測定を開始する。
測定を開始したプローブ1は、まず点aから点bまで直線状に走査領域32を走査し、測定軌道abを形成する。このとき、上述の通り、プローブ1はステージ2に対して相対的に移動すればよい。例えば、試料3がステージ2によって、測定軌道上のプローブ1の進行方向と逆方向に移動されており、プローブ1は固定されていてもよい。ただし、プローブ1は試料3の表面の凹凸に合わせて垂直方向には動いている。なお、説明の便宜のため、以降でもプローブ1が移動しているものとして説明する。プローブ1は、点aから点bまで走査する過程で試料3を削り、摩耗粉7を発生させる。
ここで、図3は、試料3の表面を走査中のプローブの拡大図である。図3に示すように、摩耗粉7は主にプローブ1の進行方向側に堆積する。したがって、図2の測定軌道ab上のプローブ1の進行方向側(点b側)には、摩耗粉7が堆積している。プローブ1の前方に堆積する摩耗粉7は、プローブ1が直線状に走査する距離が長くなるほど増加する。
プローブ1は、点bまでの走査を終えると、進行方向を右に90°方向転換する。方向転換の角度は、方向転換の前後に形成される測定軌道のなす角が90°以下であれば任意でよい。これにより、測定軌道は直角(又は鋭角)に屈曲する。
ここで図4は、図2の平面図の部分拡大図である。図4に示すように、プローブ1が点bで進行方向を90°方向転換すると、プローブ1の進行方向側(点b側)に堆積していた摩耗粉7が、点bの外側に取り残される。これにより、プローブ1に堆積した摩耗粉7は大幅に減少する。
次に、点bで方向転換したプローブ1は、点bから点cまで直線状に走査し、測定軌道bcを形成し、点cで右に90°方向転換する。これにより、測定軌道bcで発生し、プローブ1の進行方向側(点c側)に堆積した摩耗粉7が点cの外側に取り残される。
さらに、点cで方向転換したプローブ1は、点cから点dまで直線状に走査し、測定軌道abよりも長い測定軌道cdを形成する。プローブ1は、点dまで走査を終えると、進行方向を右に90°方向転換する。これにより、測定軌道cdで発生し、プローブ1の進行方向側(点d側)に堆積した摩耗粉7は点dの外側に取り残される。
図4に示すように、ここで形成された測定軌道cdと、測定軌道cdと対向する測定軌道abとの距離W1は、走査軌道の幅W2よりも大きい。ここでいう距離W1とは、測定軌道の対向する測定軌道部分(走査軌道abと走査軌道cdなど)の中心線間の距離を意味する。図4において、測定軌道の中心線は破線で示されている。測定軌道cdと測定軌道abとの距離W1が測定軌道の幅W2よりも大きいため、これら2つの測定軌道部分の間には、プローブ1によって走査されない非走査領域8が形成される。なお、測定軌道cdと測定軌道abとの距離W1は、測定軌道bcの中心線の長さに等しい。
点dで方向転換したプローブ1は、点dから点eまで直線状に走査し、測定軌道bcよりも長い測定軌道deを形成する。測定軌道cdが測定軌道abよりも長いため、ここで形成される測定軌道deは測定軌道abと交差しない。プローブ1は、点eまで走査を終えると、進行方向を右に90°方向転換する。これにより、測定軌道deで発生し、プローブ1の進行方向側(点e側)に堆積した摩耗粉7が点eの外側に取り残される。
以降、プローブ1は同様の手順を点nまで繰り返し、測定軌道を形成する。これにより、図2に示すような、内側から外側に向かった時計回りの渦巻き状の測定軌道が形成される。なお、この測定軌道は、内側から外側に向かった反時計回りの渦巻き状に形成されてもよい。この場合、プローブ1は、各点(b〜m)で進行方向を左に方向転換する。
以上説明したとおり、第1実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡は、プローブ1の測定軌道の一部が直角又は鋭角に屈曲している。これにより、測定軌道の屈曲部でプローブ1が方向転換をする際、プローブ1の進行方向側に堆積した摩耗粉7が測定軌道の外側に取り残され、プローブ1に堆積した摩耗粉7が減少する。したがって、プローブ1と試料3との間に摩耗粉7が挟まり、プローブ1と試料3との間に電気的な接触不良が生じることによる測定精度の劣化が抑制され、測定精度が向上する。結果として、走査型プローブ顕微鏡は、安定した特性値や測定の再現性を確保することができる。
また、測定軌道の始点aは、プローブ1の走査軌道の始点と一致している。これにより、本実施形態の走査軌道には、非測定軌道が含まれないため、摩耗粉7の発生を抑制することができる。ここでいう非測定軌道とは、プローブ1が最初に接触する試料3の表面の地点から、プローブ1が試料3の測定を開始する地点(始点a)まで移動する際に形成される走査軌道である。さらに、非測定軌道を走査する時間を削減する(あるいは無くす)ことで走査時間を短縮するとともに、プローブ1自体が摩耗することを防ぐことができる。
また、この測定軌道は一筆書き可能である。これにより、本実施形態の走査軌道には、非測定軌道が含まれないため、摩耗粉7の発生を抑制することができる。ここでいう非測定軌道とは、複数の測定軌道間をプローブ1が移動する際に形成される走査軌道である。さらに、非測定軌道を走査する時間を削減する(あるいは無くす)ことで走査時間を短縮するとともに、プローブ1自体が摩耗することを防ぐことができる。
また、この測定軌道は交差しない。これにより、すでにプローブが走査したことにより摩耗粉7が堆積している測定軌道部分をプローブ1が通らず、プローブ1への摩耗粉7の堆積を抑制することができる。
また、測定軌道間の距離W1は、測定軌道の幅W2より大きい。これにより、対向する測定軌道部分の間には、非走査領域8が形成される。摩耗粉7は、プローブ1の方向転換の際、この非走査領域8に取り残されるため、取り残された摩耗粉7が再びプローブ1に堆積するのを防ぐことができる。
また、この測定軌道は、内側から外側へ向かう渦巻き状である。測定軌道が単純な形状のため、解析手段5は、座標情報と情報記憶順序に基づいて、測定軌道上の各地点に当該地点の抵抗値をプロットした画像情報を容易に構成することができる。すなわち、解析手段5は、座標情報と情報記憶順序に基づいて、抵抗値を容易に再配置し、画像情報として出力することができる。
また、この測定軌道の始点aは、試料3の走査領域32の中心部である。これにより、内側から外側へ向かう渦巻き状の測定軌道によって、試料3の走査領域32の全面を容易に走査することができる。
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡について説明する。走査型プローブ顕微鏡の構成は、第1実施形態と共通であるため説明を省略し、第1実施形態との相違点である走査軌道について説明する。
図5は、第2実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の測定軌道を示す平面図である。図5において、試料3の走査領域32は正方形であるが、走査領域32の形状はこれに限られない。
第2実施形態の測定軌道において、プローブ1は、まず試料3の走査領域32の外周部の始点nに配置される。プローブ1は、始点nに接触すると、試料3の測定を開始する。
測定を開始したプローブ1は、まず点nから点mまで直線状に走査領域32を走査し、測定軌道nmを形成する。プローブ1は、点nから点mまで走査する過程で、試料3により削られ、あるいは試料3を削り、摩耗粉7を発生させる。
プローブ1は、点mまでの走査を終えると、進行方向を左に90°方向転換する。方向転換の角度は、方向転換の前後に形成される測定軌道のなす角が90°以下であれば任意である。これにより、測定軌道は直角(又は鋭角)に屈曲する。
図5に示すように、プローブ1が点mで進行方向を90°方向転換すると、プローブ1の進行方向側(点m側)に堆積していた摩耗粉7が、点mの外側に取り残される。
次に、点mで方向転換したプローブ1は、点mから点lまで直線状に走査し、測定軌道mlを形成し、点lで左に90°方向転換する。これにより、測定軌道mlで発生し、プローブ1の進行方向側(点l側)に堆積した摩耗粉7が点lの外側に取り残される。
さらに、点lで方向転換したプローブ1は、点lから点kまで直線状に走査し、測定軌道lkを形成し、点kで左に90°方向転換する。これにより、測定軌道lkで発生し、プローブ1の進行方向側(点k側)に堆積した摩耗粉7は点kの外側に取り残される。
点kで方向転換したプローブ1は、点kから点jまで直線状に走査し、測定軌道kjを形成する。測定軌道kjは、測定軌道mlよりも短いが、測定軌道nmと少なくとも一部が重複するように点n側にはみ出している。プローブ1は、点jまで走査を終えると、進行方向を左に90°方向転換する。これにより、測定軌道kjで発生してプローブ1の進行方向側(点j側)に堆積した摩耗粉7は点jの外側、すなわち、すでに走査の終了した測定軌道nm上に取り残される。
点jで方向転換したプローブ1は、点jから点iまで直線状に走査し、測定軌道jiを形成する。測定軌道jiは、測定軌道lkよりも短いが、測定軌道mlと少なくとも一部が重複するように点m側にはみ出している。図5に示すように、ここで形成された測定軌道jiと、測定軌道jiと隣接する測定軌道nmと、の距離W1は測定軌道の幅W2以下である。したがって、本実施形態において、測定軌道jiと測定軌道nmとは一部が重複し、両者の間に非走査領域8は形成されない。プローブ1は、点iまで走査を終えると、進行方向を左に90°方向転換する。これにより、測定軌道jiで発生してプローブ1の進行方向側(点i側)に堆積した摩耗粉7は点iの外側、すなわち、すでに走査の終了した測定軌道ml上に取り残される。
以降、プローブ1は同様の手順を点aまで繰り返し、非走査領域8を含まない測定軌道を形成する。これにより、図5に示すような、外側から内側に向かった反時計回りの渦巻き状の測定軌道が形成される。なお、この測定軌道は、外側から内側に向かった時計回りの渦巻き状に形成されてもよい。この場合、プローブ1は、各点(m〜b)で進行方向を右に方向転換する。
以上説明したとおり、第2実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡は、上記の第1実施形態と同様、プローブ1の測定軌道の一部が直角又は鋭角に屈曲し、測定軌道の始点nがプローブ1の走査軌道の始点と一致している。また、測定軌道は、一筆書き可能であり、交差しない。
また、測定軌道の距離W1は、測定軌道の幅W2以下である。このため、隣接する測定軌道部分の間には、非走査領域8が形成されない。したがって、試料3の走査領域32を隙間なく走査し、測定精度を向上させることができる。
また、この測定軌道は外側から内側へ向かう渦巻き状である。測定軌道が単純な形状のため、解析手段5は、座標情報と情報記憶順序に基づいて、測定軌道上の各地点に当該地点の抵抗値をプロットした画像情報を容易に構成することができる。すなわち、解析手段5は、座標情報と情報記憶順序に基づいて、抵抗値を容易に再配置し、画像情報として出力することができる。さらに、プローブ1が方向転換する際に、摩耗粉7はすでに走査済みの測定軌道上に取り残されるため、プローブ1が再びその摩耗粉7上を走査することがない。したがって、プローブ1の方向転換の際に取り残された摩耗粉7が、再びプローブ1に堆積するのを防ぐことができる。
また、この測定軌道の始点nは、試料3の走査領域32の外周部である。これにより、外側から内側へ向かう渦巻き状の測定軌道によって、試料3の走査領域32の全面を容易に走査することができる。
(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡について説明する。走査型プローブ顕微鏡の構成は、第1実施形態及び第2実施形態と共通であるため説明を省略し、第1実施形態及び第2実施形態との相違点である測定軌道について説明する。
図6は、第3実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の測定軌道を示す平面図である。図6において、試料3の走査領域32は正方形であるが、走査領域32の形状はこれに限られない。
第3実施形態の測定軌道において、プローブ1は、まず試料3の走査領域32の外周部の始点aに配置される。プローブ1は、始点aに接触すると、試料3の測定を開始する。
測定を開始したプローブ1は、まず点aから点bまで直線状に走査領域32を走査し、測定軌道abを形成する。プローブ1は、点aから点bまで走査する過程で、試料3により削られ、あるいは試料3を削り、摩耗粉7を発生させる。
プローブ1は、点bまでの走査を終えると、進行方向を右に90°方向転換する。これにより、測定軌道は直角に屈曲する。プローブ1が点bで進行方向を90°方向転換すると、プローブ1の進行方向側(点b側)に堆積していた摩耗粉7が、点bの外側に取り残される。
次に、プローブ1は、点bから点cまで直線状に走査領域32を走査し、測定軌道bcを形成し、点cで進行方向を右に90°方向転換する。プローブ1が点cで方向転換すると、プローブ1の進行方向側(点c側)に堆積していた摩耗粉7が、点cの外側に取り残される。
以降、プローブ1は同様の手順を繰り返し、複数の直線状部分からなる波状(蛇腹状,ジグザグ状)の走査軌道を形成する。
以上説明したとおり、第3実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡は、上記の第1実施形態と同様、プローブ1の測定軌道の一部が直角に屈曲し、測定軌道の始点aがプローブ1の走査軌道の始点と一致している。また、測定軌道は、一筆書き可能であり、交差しない。
また、この測定軌道は、複数の直線状部分からなる波状(蛇腹状,ジグザグ状)である。測定軌道が単純な形状のため、解析手段5は、座標情報と情報記憶順序に基づいて、測定軌道上の各地点に当該地点の抵抗値をプロットした画像情報を容易に構成することができる。すなわち、解析手段5は、座標情報と情報記憶順序に基づいて、抵抗値を容易に再配置し、画像情報として出力することができる。
また、この測定軌道の始点aは、試料3の走査領域32の外周部である。これにより、複数の直線状部分からなる波状(蛇腹状,ジグザグ状)の測定軌道によって、試料3の走査領域32の全面を容易に走査することができる。
また、各直線状部分の長さを短くすることで、各直線状部分を走査する間にプローブ1に堆積する摩耗粉7を減少させることができる。
(第3実施形態の変形例1)
図7は、第3実施形態に係る測定軌道の変形例である。この測定軌道において、プローブ1は、まず試料3の走査領域32の外周部の始点aに配置され、点aから点bまで直線状に走査領域32を走査し、測定軌道abを形成する。
プローブ1は、点bまでの走査を終えると、進行方向を右に90°より大きい角度で方向転換する。これにより、測定軌道は鋭角に屈曲する。プローブ1が点bで進行方向を方向転換すると、プローブ1の進行方向側(点b側)に堆積していた摩耗粉7が、点bの外側に取り残される。
以降、プローブ1は同様の手順を繰り返し、複数の直線状部分からなる波状(蛇腹状,ジグザグ状)の測定軌道を形成する。
(第3実施形態の変形例2)
図8は、第3実施形態に係る測定軌道のさらなる変形例である。この測定軌道は、複数の直線状部分からなる波状(蛇腹状,ジグザグ状)の測定軌道の始点と終点を連結して環状にしたものである。
このような構成により、測定軌道上の任意の点から走査を開始しても、走査領域32の全面を走査することができる。
尚、本発明は上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また上記各実施形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることによって種々の発明を形成できる。また例えば、各実施形態に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除した構成も考えられる。さらに、異なる実施形態に記載した構成要素を適宜組み合わせてもよい。
1…プローブ、2…ステージ、3…試料、4…測定回路、5…解析手段、6…モニター、7…摩耗粉、8…非走査領域、11…カンチレバー、21…コントローラ、31…背面電極、32…走査領域、41…増幅器、42…電流計、W1…測定軌道間の距離、W2…測定軌道の幅

Claims (6)

  1. 試料を搭載するステージと、
    前記試料の表面の走査領域を走査して、前記試料の特性を測定するプローブと、
    前記試料の特性の測定中における前記プローブの走査軌道の少なくとも一部を直角又は鋭角に屈曲させるように前記プローブと前記ステージとを相対的に移動させるコントローラとを備えた走査型プローブ顕微鏡。
  2. 前記試料の特性の測定中における前記プローブの走査軌道である測定軌道の始点は、前記プローブの走査軌道の始点と一致する請求項1に記載の走査型プローブ顕微鏡。
  3. 前記測定軌道は、一筆書き可能である請求項1又は請求項2に記載の走査型プローブ顕微鏡。
  4. 前記測定軌道は、交差しない請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の走査型プローブ顕微鏡。
  5. 前記測定軌道は、内側から外側へ向かう渦巻き状である請求項1〜請求項4に記載のいずれか1項に記載の走査型プローブ顕微鏡。
  6. 前記測定軌道は、外側から内側へ向かう渦巻き状である請求項1〜請求項4に記載のいずれか1項に記載の走査型プローブ顕微鏡。
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