JP2017067570A

JP2017067570A - 試料保持・走査機構、走査型プローブ顕微鏡及び探針の製造方法

Info

Publication number: JP2017067570A
Application number: JP2015192365A
Authority: JP
Inventors: 慎芦野; Shin Ashino
Original assignee: Kanazawa Institute of Technology (KIT)
Current assignee: Kanazawa Institute of Technology (KIT)
Priority date: 2015-09-30
Filing date: 2015-09-30
Publication date: 2017-04-06
Anticipated expiration: 2035-09-30
Also published as: JP6675121B2

Abstract

【課題】試料固定用として従来使用していた基板による悪影響を無くし、高い空間自由度で試料の三次元立体画像を取得できる試料保持・走査機構、この試料保持・走査機構を備えた走査型プローブ顕微鏡及び試料保持・走査機構で用いる探針の製造方法を提供する。【解決手段】本発明の試料保持・走査機構1は、X軸方向に沿って対向配置した2つの探針11,12で構成されるX軸方向探針組10と、Y軸方向に沿って対向配置した2つの探針21,22で構成されるY軸方向探針組20と、Z軸方向に沿って対向配置した2つの探針31,32で構成されるZ軸方向探針組30と、前記6つの探針それぞれを少なくともXYZ軸方向に駆動させる6つの駆動機構40とを最大で備えることができ、1つ以上の探針で試料を保持した状態で、他の探針が当該試料をXYZ軸方向に三次元走査することを特徴とする。探針を用いて試料を点で保持するので、基板の影響を受けずに高い空間自由度で三次元立体画像を取得できる。【選択図】図１

Description

本発明は、試料固定用として従来使用していた基板による悪影響を無くし、高い空間自由度で試料の三次元立体画像を取得できる試料保持・走査機構、この試料保持・走査機構を備えた走査型プローブ顕微鏡及び試料保持・走査機構で用いる探針の製造方法に関する。

走査型プローブ顕微鏡（SPM）を用いて各種試料の構造解析が行われている。
走査型プローブ顕微鏡は探針を試料に対して相対的に走査させて試料の形状や性状等の情報を得る装置の総称であり、例えば原子間力顕微鏡（AFM）は、探針をその自由端に持つカンチレバーと、カンチレバーの変位を検出する光学式変位センサーと、探針と試料とを相対的に走査するスキャナとを備えている。
そして、スキャナによって基板上の試料に対して探針を相対的にXY方向（基板の水平方向）に走査しながら、光学式変位センサーの出力を一定に保つように探針のZ方向（基板の垂直方向）の位置を制御し、これをマッピングすることによって、試料表面の画像を得る仕組みになっている。
近年、試料の三次元立体画像を取得することを目的とした走査型プローブ顕微鏡の開発が進められており、例えば、平坦基板上に固定した立体試料に対し、一本の探針を基板面に対して順方向と逆方向の2方向に傾斜させてそれぞれ画像を取得し、これら2枚の画像と、探針を傾斜させずに取得した画像の計3枚の画像を合成処理して立体画像を構築する手法が知られている(非特許文献1及び2)。

"New three-dimensional AFM for CD measurement and sidewall characterization", Proc. SPIE 7971, Metrology, Inspection, and Process Control for Microlithography XXV, 797118 (April 20, 2011) "Three-dimensional imaging of undercut and sidewall structures by atomic force microscopy", Review of Scientific Instruments Volume 82, Issue 2, 023707 (February 2011)

ところが、上述したような試料の三次元立体画像を取得するための従来手法では以下のような問題があった。
すなわち、試料が柔らかい場合、平坦基板上に固定した試料は基板からの引力等の強い作用を受けて平面方向に広がってしまい、立体形状が崩れてしまうという問題があった。
また、基板の表面側しか走査できないため、試料と基板との接触面積が大きい場合には、当該接触箇所の画像を得ることができないという問題もあった。
このように、従来手法では画像取得時の空間自由度が基板の存在により大きく制限されてしまうという問題があった。

本発明はこのような問題に鑑み、試料固定用として従来使用していた基板による悪影響を無くし、高い空間自由度で試料の三次元立体画像を取得できる試料保持・走査機構、この試料保持・走査機構を備えた走査型プローブ顕微鏡及び試料保持・走査機構で用いる探針の製造方法を提供することを課題とする。

本発明の試料保持・走査機構は、X軸方向に沿って対向配置した2つの探針で構成されるX軸方向探針組と、Y軸方向に沿って対向配置した2つの探針で構成されるY軸方向探針組と、Z軸方向に沿って対向配置した2つの探針で構成されるZ軸方向探針組と、前記6つの探針それぞれを少なくともXYZ軸方向に駆動させる6つの駆動機構とを最大で備えることができ、1つ以上の探針で試料を保持した状態で、他の探針が当該試料をXYZ軸方向に三次元走査することを特徴とする。
また、前記X軸方向探針組のうちの1つの探針と、前記Y軸方向探針組のうちの1つの探針と、前記Z軸方向探針組のうちの1つの探針の計3つの探針で試料を三点保持した状態で、他の探針が当該試料をXYZ軸方向に三次元走査することを特徴とする。
また、前記6つの駆動機構を、3軸回転自由度を持つジンバルに取り付けることを特徴とする。
また、前記6つの駆動機構のうち前記試料保持に供する探針を駆動させる駆動機構に関して、当該駆動機構をジンバルに取り付けず、別途支持することを特徴とする。
また、前記X軸方向探針組、Y軸方向探針組及びZ軸方向探針組のうち１つもしくは2つの探針組を取り外し、残りの探針組を構成する一方の探針を用いて試料を保持し、対向する他方の探針が備える駆動機構を、3軸回転自由度を持つジンバルに取り付け、当該対向する他方の探針が当該試料をXYZ軸方向に三次元走査することを特徴とする。
また、前記探針のうち前記試料保持に供する探針に関して、当該探針に前記試料を固着することを特徴とする。
また、上記試料保持・走査機構を備えており、更に、前記他の探針が前記試料を三次元走査することで得た画像を相補的に合成することで当該試料の三次元立体画像を得る画像合成手段を備えることを特徴とする。
また、上記試料保持・走査機構に用いる探針の製造方法において、探針材料となる柱状部材の両端を前記駆動機構に固定するステップと、当該柱状部材の両端から長手方向の中央に向かって断面積が小さくなるようにテーパー加工を施すステップと、前記断面積の最小位置において柱状部材を2つに切り離すことで、前記対向配置した2つの探針を製造するステップを備えることを特徴とする。

本発明の試料保持・走査機構は探針を用いて試料を点で保持するので、従来のように試料を基板に載せる場合の立体形状が崩れてしまうという諸問題を本発明では解消でき、基板の影響を受けずに高い空間自由度で現実の立体形状により近い状態で三次元立体画像を取得できる。
特に、3つの探針で試料を三点保持することにすれば、試料を確実に保持できるので鮮明な三次元立体画像を取得できる。
また、6つの駆動機構を、3軸回転自由度を持つジンバルに取り付けることにすれば、試料保持に供していない探針を試料の周囲に移動させることができ、空間自由度をより高めることができる。
また、試料保持に供する探針を駆動させる駆動機構をジンバルに取り付けず、別途支持することにすれば、試料保持に供していない探針は、これに対向配置されている試料保持に供している探針から独立して移動できるので、探針を試料の周囲ほぼ360°の任意の位置まで移動させることができ、画像取得の自由度を更に向上できる。
また、対向配置した2つの探針を、探針材料となる柱状部材を加工して同時に製造することにすれば、当該2つの探針の位置決め作業を簡略化でき、作業効率を向上できる。

第1の実施の形態の試料保持・走査機構の外観を示す斜視図第1の実施の形態の試料保持・走査機構の外観を示す平面図第1の実施の形態の試料保持・走査機構の構造を示すブロック図第2の実施の形態の試料保持・走査機構の外観を示す斜視図第2の実施の形態の試料保持・走査機構の外観を示す平面図第2の実施の形態の試料保持・走査機構の構造を示すブロック図第3の実施の形態の試料保持・走査機構の外観を示す上方からの斜視図第3の実施の形態の試料保持・走査機構の外観を示す下方からの斜視図第3の実施の形態の試料保持・走査機構の外観を示す平面図第3の実施の形態の試料保持・走査機構の構造を示すブロック図探針の製造方法を示す図

［第1の実施の形態］
本発明の試料保持・走査機構の第1の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、本発明の試料保持・走査機構は一般的な走査型プローブ顕微鏡に使用することができるものであり、走査型プローブ顕微鏡の動作原理は周知であるため詳細な説明は省略する。
図1及び図2に示すように、試料保持・走査機構1はX軸方向探針組10、Y軸方向探針組20、Z軸方向探針組30及び駆動機構40を備える。
X軸方向探針組10はX軸方向に沿って対向配置した2つの探針11，12で構成される。
具体的には、各探針11,12は円錐状であり、一方の探針11はX軸の正方向に沿ってその断面積が縮径するようにのびており、他方の探針12はX軸の負方向に沿ってその断面積が縮径するようにのびている。これにより、2つの探針はその先端の鋭利な部分同士が試料Sを挟んで対向するように配置されている。
Y軸方向探針組20はY軸方向に沿って対向配置した2つの探針21，22で構成される。
具体的には、各探針21,22は円錐状であり、一方の探針21はY軸の正方向に沿ってその断面積が縮径するようにのびており、他方の探針22はY軸の負方向に沿ってその断面積が縮径するようにのびている。これにより、2つの探針21,22はその先端の鋭利な部分同士が試料Sを挟んで対向するように配置されている。
Z軸方向探針組30はZ軸方向に沿って対向配置した2つの探針31，32で構成される。
具体的には、各探針31,32は円錐状であり、一方の探針31はZ軸の正方向に沿ってその断面積が縮径するようにのびており、他方の探針32はZ軸の負方向に沿ってその断面積が縮径するようにのびている。これにより、2つの探針31,32はその先端の鋭利な部分同士が試料Sを挟んで対向するように配置されている。

駆動機構40は6つの探針それぞれを少なくともXYZ軸方向に駆動させるために、一つの探針に対して一つ設けられる。
以下、一例としてX軸の正方向に沿ってその断面積が縮径するようにのびる探針11に取り付けられている駆動機構40について説明する。図1(b)に示すようにこの駆動機構40は、長手方向がX軸に沿ってのびる円柱形の本体部41を備えており、本体部41の側面であってY軸を貫く位置に2つの圧電素子42を備えており、Z軸を貫く位置にも2つの圧電素子43を備えており、更に本体部41の後端に1つの圧電素子44を備えている。圧電素子による探針の駆動制御は周知の技術であるため詳細な説明は省略するが、本体部41に設けたこれら圧電素子41〜44への印加電圧を制御して圧電素子41〜44の変位量を調節することで、探針11をXYZの3軸方向に移動させる仕組みになっている。また、円柱形の本体部41はこの場合X軸の正負両方向に大きく移動できるように粗動機構（図2参照）に取り付けられている。
各駆動機構40はX−Y平面、Y−Z平面及びZ−X平面にのびる3つの正方形の枠体51,52,53を立方体形状に組み上げて成るフレーム50に取り付けられている。

本実施の形態では、6つの探針のうち3つの探針11,21,31で試料Sを三点保持し、他の3つの探針12,22,32で試料SをXYZ軸方向に三次元走査する。
具体的には、XYZ軸の正方向に沿って断面積が縮径するようにのびる3つの探針11,21,31を利用し、これら3つの探針11,21,31を試料Sに固着させることで試料Sを三点保持している。探針11,21,31を試料に固着させる方法としては電子ビームによる溶接法や炭化物による接着法等の周知の技術を用いればよい。

図3は本実施の形態の試料保持・走査機構1を備える走査型プローブ顕微鏡2を、電子顕微鏡3に組み込んだ場合の構成の概略を示すブロック図である。
6つの駆動機構40はそれぞれ微動制御用と粗動制御用のコントローラ100に接続されており、これらコントローラ100はCPU101から出力される駆動信号に基いて動作する。上述のとおり、試料Sは3つの探針11,21,31で三点保持されており、他の3つの探針12,22,32によって試料S表面をXYZ軸方向に三次元走査し、探針−試料間の相互作用（例：トンネル電流、原子間力、静電気力、近接場、磁気力、交換力、化学結合力など）の信号を信号検出器で検出する。そして、それぞれ独立に得られた3組の画像を画像合成手段としてのCPU101で相補的に組み合わせることで試料の三次元立体画像を取得する。
なお、試料保持に供している3つの探針11,21,31は駆動機構40による駆動を行わず静止させておけばよいが、これら3つの探針11,21,31を動かせば試料Sに引張、圧縮、剪断等の外力を付加した状態の三次元立体画像を取得できる。また、探針11,21,31を介して試料Sに通電することにすれば通電状態の試料Sの三次元立体画像を取得できる。
取得した三次元立体画像には試料Sの幾何学的構造に関する情報のみならず、機械的、電気的、化学的諸特性についての情報が含まれているため、新素材開発のみならず幾何学的構造と物性とが密接に関係する三次元構造の電子デバイス開発、医薬品開発、ドラックデリバリー分野等の様々な研究分野に利用できる。
このように、本実施の形態の試料保持・走査機構1では試料Sを点（探針の先端）で保持するため、従来、試料を基板に載せた場合、試料が基板からの引力等の強い作用を受けて平面方向に広がってしまい、立体形状が崩れてしまうという問題や、試料の下面側が基板で隠れてしまうという問題があったが、これら問題を解消でき、より現実の立体形状に近い状態で試料Sを観察できる。
また、走査型プローブ顕微鏡2を電子顕微鏡3単体や、さらに収束イオンビーム発生装置を備えた電子顕微鏡に組み込むことで、電子顕微鏡3による試料Sの観察も行なうことができるだけでなく、後述するとおり、電子線や、さらにはイオンビームを探針の製造時に利用できるという利点も有する。
なお、本実施の形態では試料Sを3つの探針11,21,31で保持するものとしたが、これに限らず試料Sを1つ以上の探針で保持すればよい。例えば1つの探針で保持する場合、残りの5つの探針全てで走査したり、あるいは4つ以下の探針で走査することにしてもよい。
また、本実施の形態では探針を試料Sに固着させるものとしたが、必ずしも固着させる必要はなく、探針を試料に接触させて保持することにしてもよい。

［第2の実施の形態］
次に、本発明の試料保持・走査機構の第2の実施の形態について図面を参照しながら説明するが、上記実施の形態と同一の構成になる箇所については同一の符号を付してその説明を省略する。
本実施の形態では図4〜図6に示すように6つの駆動機構40を、3軸回転自由度を持つジンバル60に取り付けることを特徴とする。
具体的にはジンバル60は、X軸回りに回転自在となるようにフレーム50に軸支される大径のリング61と、Y軸回りに回転自在となるように大径のリング61に軸支される中径のリング62と、Z軸回りに回転自在となるように中径のリング62に軸支される小径のリング63から構成される。そして、X軸方向探針組10を小径のリング63、Y軸方向探針組20を大径と中径のリング61,62、Z軸方向探針組30を中径と小径のリング62,63に取り付けることで、試料保持に供していない他の3つの探針12,22,32を試料Sの周囲に移動させることができる仕組みになっている。各リング61,62,63の回転駆動は粗動制御用のコントローラ100で制御する。
なお、本実施の形態では3軸回転自由度を持つジンバル60を用いたが、2軸回転自由度を持つジンバルを使用してもよい。
またX軸方向探針組、Y軸方向探針組及びZ軸方向探針組のうち１つもしくは2つの探針組を取り外し、残りの探針組を構成する一方の探針を用いて試料を保持し、対向する他方の探針が備える駆動機構を、3軸回転自由度を持つジンバルに取り付け、当該対向する他方の探針が当該試料をXYZ軸方向に三次元走査することにしてもよい。

［第3の実施の形態］
次に、本発明の試料保持・走査機構の第3の実施の形態について図面を参照しながら説明するが、上記実施の形態と同一の構成になる箇所については同一の符号を付してその説明を省略する。
本実施の形態では図7〜図10に示すように試料保持に供する探針11,21,31を駆動させる駆動機構40に関して、これら駆動機構40をジンバル60に取り付けず、支持部材70を用いて別途支持することを特徴とする。
これにより、試料保持に供していない他の3つの探針12,22,32を、試料Sの周囲のほぼ360°の任意の位置まで移動させることが可能になる。換言すると、上記第2の実施の形態の構成の場合、例えばX軸方向探針組10のうち試料保持に供していない探針12は、これに対向配置される試料保持に供している探針11と一体に移動するので、探針11が試料Sを保持している箇所の近傍まで移動することができず、当該箇所の画像を取得するには、Y軸方向探針組20又はZ軸方向探針組30の探針22,32を当該箇所まで移動させる必要があった。しかし、本実施の形態の構成によれば、試料保持に供している探針11,21,31は支持部材70により支持されており、ジンバル60に組み込まれていない。したがって、試料保持に供していない探針12,22,32は、これに対向配置されている試料保持に供している探針11,21,31から独立して移動でき、例えばX軸方向探針組10のうち試料保持に供している探針11と試料Sとの保持箇所近傍の画像を、試料保持に供していない探針12で取得することができるので画像取得の自由度を向上させることができる。

次に、試料保持・走査機構に用いる探針の製造方法において説明する。
本製造方法は、図11(a)に示すように探針材料となる柱状部材80の両端を駆動機構40に固定する第1ステップと、図11(b)に示すように当該柱状部材80の両端から長手方向の中央に向かって断面積が小さくなるようにテーパー加工を施す第2ステップと、図11(c)に示すように断面積の最小位置において柱状部材80を2つに切り離すことで、対向配置した2つの探針(例えば探針11と探針12)を製造する第3ステップを少なくとも備える。
このように、両端を駆動機構40に固定した一つの柱状部材80に加工を施して2つの探針を対向配置させる方が、別途製造した2つの探針をそれぞれ駆動機構40に固定した後、駆動機構40を動作させて2つの探針が対向するように位置決めする場合と比較して作業効率を高めることができる。
柱状部材80の両端から長手方向の中央に向かって断面積が小さくなるようにテーパー加工を施す方法として、例えば電子線による電子ビーム加工が挙げられるが、上記第1の実施の形態で示したように、走査型プローブ顕微鏡を電子顕微鏡に組み込んでおけば、電子顕微鏡が備える電子銃を利用して電子ビーム加工を行なうことができるという利点がある。また、三次元立体画像を取得する試料の形状や性状に応じて探針の形状を調節する必要があるが、電子顕微鏡が備える電子銃を利用することで、観察直前に探針を所望の形状に加工できるので作業効率を向上させることができる。また、探針の製造過程及び画像取得時に電子顕微鏡の機能を利用して各探針の状態や位置をモニタリングできるという利点もある。
なお、必ずしも走査型プローブ顕微鏡2を電子顕微鏡3に組み込む必要はなく、電子顕微鏡以外の周知の加工機の電子ビームを利用したり、或いは集束イオンビーム等の周知の加工方法を利用してもよい。

次に、走査型プローブ顕微鏡2を電子顕微鏡3に組み込んだ場合の探針製造から画像取得までの流れを示す。
まず、探針材料となる柱状部材80を駆動機構40に固定し、試料保持・走査機構1を電子顕微鏡3内に導入する。そして、電子線を用いて2つの探針が対向するように柱状部材80を加工する。同様の作業を繰り返して他の2組の探針を製造する。
次に、3つの探針11,21,31で試料Sを三点保持した状態で、試料Sに電子線を照射して清浄試料を作製する。そして、他の3つの探針12,22,32を移動させて3組の画像を取得し、これら画像を画像合成手段(CPU101)で相補的に組み合わせることで三次元立体画像を得る。
次に、必要に応じて試料保持に供している探針11,21,31を移動させたり、探針11,21,31に電気的(磁気的)信号等を加えたりすることで、試料Sに外力や電気的(磁気的)信号等を付加した状態での三次元立体画像を得る。
そして、試料保持に供していない探針12,22,32を所定位置まで戻した後、試料保持・走査機構1を電子顕微鏡3から取り出して終了する。

本発明は、基板の影響を受けずに高い空間自由度で試料の三次元立体画像を取得できる試料保持・走査機構、この試料保持・走査機構を備えた走査型プローブ顕微鏡及び試料保持・走査機構で用いる探針の製造方法であり、産業上の利用可能性を有する。

S 試料
1 試料保持・走査機構
2 走査型プローブ顕微鏡
3 電子顕微鏡
10 X軸方向探針組
11,12,21,22,31,32探針
20 Y軸方向探針組
30 Z軸方向探針組
40 駆動機構
41 本体部
42,43,44 圧電素子
50 フレーム
51,52,53枠体
60 ジンバル
61 大径のリング
62 中径のリング
63 小径のリング
70 支持部材
80 柱状部材
100 コントローラ
101 CPU

Claims

X軸方向に沿って対向配置した2つの探針で構成されるX軸方向探針組と、Y軸方向に沿って対向配置した2つの探針で構成されるY軸方向探針組と、Z軸方向に沿って対向配置した2つの探針で構成されるZ軸方向探針組と、前記6つの探針それぞれを少なくともXYZ軸方向に駆動させる6つの駆動機構とを最大で備えることができ、1つ以上の探針で試料を保持した状態で、他の探針が当該試料をXYZ軸方向に三次元走査することを特徴とする試料保持・走査機構。
前記X軸方向探針組のうちの1つの探針と、前記Y軸方向探針組のうちの1つの探針と、前記Z軸方向探針組のうちの1つの探針の計3つの探針で試料を三点保持した状態で、他の探針が当該試料をXYZ軸方向に三次元走査することを特徴とする請求項1に記載の試料保持・走査機構。
前記6つの駆動機構を、3軸回転自由度を持つジンバルに取り付けることを特徴とする請求項1又は2に記載の試料保持・走査機構。
前記6つの駆動機構のうち前記試料保持に供する探針を駆動させる駆動機構に関して、当該駆動機構をジンバルに取り付けず、別途支持することを特徴とする請求項3に記載の試料保持・走査機構。
前記X軸方向探針組、Y軸方向探針組及びZ軸方向探針組のうち１つもしくは2つの探針組を取り外し、残りの探針組を構成する一方の探針を用いて試料を保持し、対向する他方の探針が備える駆動機構を、3軸回転自由度を持つジンバルに取り付け、当該対向する他方の探針が当該試料をXYZ軸方向に三次元走査することを特徴とする請求項1又は2に記載の試料保持・走査機構。
前記探針のうち前記試料保持に供する探針に関して、当該探針に前記試料を固着することを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の試料保持・走査機構。
請求項1〜6のいずれか一項に記載の試料保持・走査機構を備えており、更に、前記他の探針が前記試料を三次元走査することで得た画像を相補的に合成することで当該試料の三次元立体画像を得る画像合成手段を備えることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
請求項1〜6のいずれか一項に記載の試料保持・走査機構に用いる探針の製造方法において、
探針材料となる柱状部材の両端を前記駆動機構に固定するステップと、
当該柱状部材の両端から長手方向の中央に向かって断面積が小さくなるようにテーパー加工を施すステップと、
前記断面積の最小位置において柱状部材を2つに切り離すことで、前記対向配置した2つの探針を製造するステップを備えることを特徴とする探針の製造方法。