JP4665704B2 - 計測プローブ及び表面特性計測装置並びに表面特性計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、計測プローブ及び表面特性計測装置並びに表面特性計測方法に関する。

半導体等の表面における極微細領域の電気的な特性を計測するために、例えば、特許文献１、２に示すように、四つの探針が直線上に等間隔に配置された計測プローブを有する走査トンネル顕微鏡等の表面特性計測装置が使用されている。この計測プローブによる表面特性計測方法は、外側に配された二本の探針を試料に接触又は接近させた状態で電圧を印加して、試料の電気抵抗のために生じる電圧降下を内側に配された残りの二本の探針で測定することにより、その位置における断面情報を含む表面特性を計測するものである。

この計測プローブによれば、外側二本の探針間に電圧を印加したとき、外側二本の探針間隔が離間しているほど、試料の深い位置まで内側二本の探針にて断面情報を計測することができる。
特開２００４−９３３５２号公報 特開２００２−３１６５５号公報

しかしながら、上記従来の計測プローブ及びこれを有する走査型プローブ顕微鏡のような表面特性計測装置を用いて試料の表面特性を計測する場合、試料の異なる位置における深さ方向の情報を連続的に計測するためには、探針ピッチの異なる計測プローブを次々に交換して計測する必要がある。その際、探針を交換する都度、試料から探針を離間させるために測定位置がずれたり、探針と試料との接触状態が変化してしまう問題がある。従って、試料を統一的、網羅的、及び連続的に計測することが困難である。

本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、試料に対して深さ方向の計測を行う際に、探針をその都度試料から離間させる必要がなく、接触状態や計測位置誤差を最小限に抑えてナノメートルオーダーの極微細領域を連続して計測することができる計測プローブ及び表面特性計測装置並びに表面特性計測方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
本発明に係る計測プローブは、導電性を有する複数の探針を備える計測プローブにおいて、前記複数の探針が、計測用の試料に電圧印加するための印加用探針対と、前記電圧印加によって前記試料に生じる電圧降下を測定するために、前記印加用探針対に挟まれて複数配された測定用探針群とを備え、前記印加用探針対は、環状の印加用探針と、この環状の印加用探針の中心部に配された中心部の印加用探針とを有し、前記測定用探針群は、互いに異なる間隔で配されている複数の測定用探針対を有し、前記印加用探針対、及び前記測定用探針群の位置を前記試料に対して固定した状態で、前記印加用探針対に対してそれぞれ異なる複数の位置にて前記測定用探針群の前記測定用探針対による連続測定が可能とされていることを特徴とする。
この発明は、印加用探針対や測定用探針群を試料に接触又は近接した状態を維持しながら測定用探針対によって複数の位置の表面状態を連続して測定することができる。このとき、計測途中で試料を移動させることなく、試料の表面状態を連続して測定することができる。
また、一の測定用探針対にて電圧降下を測定後、次々と他の測定用探針対に電気的に切り替え、かつ、その測定用探針対にて電圧降下を測定していくことによって、測定用探針対が複数組設けられた範囲内の試料を連続的に計測することができる。

また、本発明に係る計測プローブは、請求項１に記載の計測プローブであって、前記複数の探針の先端形状及び材質が互いに均質であることを特徴とする。
この発明は、探針の測定条件を均質化して計測することができる。

本発明に係る表面特性計測装置は、試料の物性情報を計測する表面特性計測装置において、本発明に係る計測プローブを備えていることを特徴とする。
この発明は、印加用探針対を試料に接触させた状態で、測定用探針対によって複数の位置の表面状態を連続して観察することができる。

本発明に係る表面特性計測方法は、計測用の試料に電圧印加するための印加用探針対と、前記電圧印加によって前記試料に生じる電圧降下を測定するために、前記印加用探針対に挟まれて複数配された測定用探針群とを備え、前記印加用探針対を、環状の印加用探針と、この環状の印加用探針の中心部に配された中心部の印加用探針とにより構成するとともに、前記測定用探針群を、互いに異なる間隔で配されている複数の測定用探針対により構成した計測プローブを用い、前記試料の表面特性を計測する方法において、前記印加用探針対、及び前記複数の測定用探針群を前記試料表面に接触又は近接させる工程と、前記印加用探針対、及び前記複数の測定用探針群を前記試料に接触又は近接したままで前記試料の断面情報を深さ方向に、かつ、連続的に取得する測定工程とを備え、前記測定工程が、前記複数の測定用探針対の間で測定信号を連続的に切り替える工程を、前記複数の測定用探針群で繰り返し行われることを特徴とする。

また、本発明に係る表面特性計測方法は、請求項４に記載の表面特性計測方法であって、前記断面情報を蓄積し、積層させ、画像化して前記断面情報を三次元表示させることを特徴とする。
この発明は、試料の深さ方向のデータも取得することができ、断面情報を三次元表示することができる。

本発明によれば、試料に対して深さ方向の計測を行う際に、探針をその都度試料から離間させる必要がなく、接触状態や計測位置誤差を最小限に抑えてナノメートルオーダーの極微細領域を連続して計測することができ、正確な計測マッピングを行うことができる。

本発明に係る第１の実施形態について、図１から図４を参照して説明する。
本実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡（表面特性計測装置）１は、図１に示すように、計測用の試料２に電圧印加するための一組の印加用探針対３Ａ，３Ｂ、及び電圧印加によって試料２に生じる電圧降下を測定するために、印加用探針対３Ａ，３Ｂに挟まれて配された第一の測定用探針対５Ａ，５Ｂ、第二の測定用探針対６Ａ，６Ｂ、第三の測定用探針対７Ａ，７Ｂを有する探針８が配された計測プローブ１０と、探針８に対向配置して試料２を載置する試料台１１と、試料台１１をＸＹ平面上に移動させるＸ−Ｙ方向駆動部１２と、試料台１１をＺ方向に移動させるＺ方向駆動部１３と、探針８の試料２に対する接触圧を調整するためのＺ変位フィードバック回路１５と、第一の測定用探針対５Ａ，５Ｂ、第二の測定用探針対６Ａ，６Ｂ、第三の測定用探針対７Ａ，７Ｂのうち何れか一組を選択するための電極切り替え制御部１６と、計測した試料２の断面情報を蓄積する記憶部１７と、記憶部１７に蓄積されたデータを積層させ、画像化して断面情報を三次元表示させる出力部１８と、これら全体を制御する制御部２０とを備えている。

計測プローブ１０は、図２に示すように、先端に探針８が配されたマイクロカンチレバー２１と、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）のＡＦＭ探針２２が配されて、マイクロカンチレバー２１の探針８の位置合わせを行うためのＡＦＭカンチレバー（位置合わせ機構）２３とを備えている。マイクロカンチレバー２１には、探針８のそれぞれに接続されてマイクロカンチレバー２１の基端側に延びる導電膜２５ａ〜２５ｈと、図示しない歪みゲージとが配されている。

第一の測定用探針対５Ａ，５Ｂ、第二の測定用探針対６Ａ，６Ｂ、第三の測定用探針対７Ａ，７Ｂは、図３に示すように、印加用探針対３Ａ，３Ｂに挟まれた状態で外側から順に内側に向って互いにそれぞれ異なる所定の間隔を有して直線上に並んで配されている。探針８は、例えば、シリコン基板をリソグラフィによって形成し、さらに集束イオンビーム（ＦＩＢ）装置によってビーム照射を行って櫛歯状に加工されている。

印加用探針対３Ａ，３Ｂは、導電膜２５ａ，２５ｂをそれぞれ介して図示しない電圧印加源と接続されている。第一の測定用探針対５Ａ，５Ｂ、第二の測定用探針対６Ａ，６Ｂ、第三の測定用探針対７Ａ，７Ｂは、導電膜２５ｃ，２５ｄ，２５ｅ，２５ｆ，２５ｇ，２５ｈをそれぞれ介して電極切り替え制御部１６と接続されている。印加用探針対３Ａ，３Ｂ、及び第一の測定用探針対５Ａ，５Ｂ、第二の測定用探針対６Ａ，６Ｂ、第三の測定用探針対７Ａ，７Ｂは、何れも先端形状及び材質が均質なものとなっている。

ＡＦＭカンチレバー２３の基部２３ａには、加熱されることによりバイメタル効果を利用してＡＦＭカンチレバー２３をマイクロカンチレバー２１よりも試料台１１から離間させる熱パッド２６Ａ，２６Ｂが配されている。そして、マイクロカンチレバー２１とＡＦＭカンチレバー２３とは、熱パッド２６Ａ，２６Ｂが非加熱時には、ＡＦＭ探針２２が試料２に接触し、かつ、探針８が試料２表面から離間するように高さ調整されている。

次に、本実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡１により試料２の表面特性を計測する方法、及び作用・効果について説明する。
本実施形態に係る表面特性計測方法は、計測プローブ１０のマイクロカンチレバー２１の探針８を計測用の試料２の表面に接触又は近接させる工程と、探針８を試料２に接触又は近接したままで試料２の断面情報を深さ方向に、かつ、連続的に取得する測定工程とを備えている。

まず、熱パッド２６Ａ，２６Ｂを非加熱状態として、試料台１１に試料２を載置した後、Ｚ方向駆動部１３により試料台１１をゆっくりＺ方向に移動する。そして、公知の方法によってＡＦＭカンチレバー２３のＡＦＭ探針２２を用いて試料２を走査して、試料表面の三次元形状データを取得しておく。

続いて、得られた形状データに基づき、所望の計測位置を計測するために、Ｘ−Ｙ方向駆動部１２を駆動して試料台１１をＸＹ面上で移動しながら、ＡＦＭカンチレバー２３により測定場所を特定する。ここで、マイクロカンチレバー２１に配された探針８とＡＦＭカンチレバー２３に配されたＡＦＭ探針２２とは互いに離間して配されているので、予めこの距離を補正しておく。

次に、マイクロカンチレバー２１の探針８を計測用の試料２の表面に接触又は近接させる工程に移行する。
まず、熱パッド２６Ａ，２６Ｂを加熱してＡＦＭカンチレバー２３をマイクロカンチレバー２１よりも試料台１１から離間させておく。そして、Ｚ変位フィードバック回路１５にて試料２と探針８との位置を調整しながら、Ｚ方向駆動部１３により試料台１１をゆっくりＺ方向に移動して、探針８を試料２の表面に所定の接触圧にて接触させる。このときの接触圧は、図示しない歪みゲージにて検出する。

そして、測定工程に移行する。
ここでは、計測プローブ１０の位置を試料２に対して固定した状態で、図示しない電圧印加源から電圧を印加して印加用探針対３Ａ，３Ｂ間に試料２を介して電流を流して、電場Ｅを試料２内に発生する。

このとき、探針８の第一の測定用探針対５Ａ，５Ｂ間、第二の測定用探針対６Ａ，６Ｂ間、及び第三の測定用探針対７Ａ，７Ｂ間で測定信号を連続的に切り替える工程を合わせて行う。
即ち、まず、電極切り替え制御部１６の指示により、第一の測定用探針対５Ａ，５Ｂ間の電圧降下のみを計測する。計測後、これを記憶部１７にて蓄積しておく一方、電極切り替え制御部１６によって計測する探針を第二の測定用探針対６Ａ，６Ｂに連続的に変更して、第二の測定用探針対６Ａ，６Ｂ間の電圧降下のみを同様に計測する。さらに、同様にして第三の測定用探針対７Ａ，７Ｂ間の電圧降下のみを計測する。ここで、試料２の断面方向の計測深さは、測定用探針対間の距離が大きいほど深い位置を測定することができることから、第一の測定用探針対５Ａ，５Ｂの位置のほうが、第三の測定用探針対７Ａ，７Ｂの位置よりも深い位置の計測データを得ることができる。

こうして印加用探針対３Ａ，３Ｂ間の試料２の深さ方向のデータを得た後、出力部１８に計測結果を表示する。
試料２の所望の領域を計測する場合には、一旦、Ｚ方向駆動部１３により試料２を計測プローブ１０から離間させた後、ＡＦＭ探針２２にて隣接する所定の位置を特定し、上述した各工程を再び繰り返す。これによって、その位置における試料２の深さ方向の計測結果が得られる。この際、図４に示すように、測定用探針対の並ぶ方向に沿って、計測範囲を少しづつダブらせながら計測プローブ１０を移動するように走査することにより、連続して所定の領域内の深さ方向の計測データを取得する。

この計測プローブ１０及び走査型プローブ顕微鏡１並びに表面特性計測方法によれば、印加用探針対３Ａ，３Ｂを試料２に接触した状態を維持しながら、電極切り替え制御部１６によって第一の測定用探針対５Ａ，５Ｂ、第二の測定用探針対６Ａ，６Ｂ、第三の測定用探針対７Ａ，７Ｂへと次々と切り替えることにより、それぞれの位置の表面状態を連続して測定することができる。従って、試料２に対して深さ方向の計測を行う際に探針８をその都度試料２から離間させる必要がなく、探針８を試料２に対して離間させる回数を削減することができ、接触状態や計測位置誤差を最小限に抑えてナノメートルオーダーの極微細領域を連続して計測することができる。また、探針８を試料２に対して走査することにより、精度の高い計測データを取得して正確な計測マッピングを行うことができる。

次に、第２の実施形態について図５を参照しながら説明する。
なお、上述した第１の実施形態と同様の構成要素には同一符号を付すとともに説明を省略する。
第２の実施形態と第１の実施形態との異なる点は、本実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡３０の計測プローブ３１が、第１の実施形態に係る第一の測定用探針対５Ａ，５Ｂ、第二の測定用探針対６Ａ，６Ｂ、第三の測定用探針対７Ａ，７Ｂを有する一つの測定用探針群３２を複数備える探針３３を備え、測定用探針群３２が印加用探針対３５Ａ，３５Ｂに対して一定のパターンで配列されているとした点である。

印加用探針対３５Ａ，３５Ｂのうち、印加用探針３５Ａは、円環状に形成されており、印加用探針３５Ｂは、印加用探針３５Ａの中心部に配されている。測定用探針群３２は、例えば、第１の実施形態において探針８を走査した跡に沿うようにして、印加用探針３５Ａ内に複数配されている。
計測プローブ３１には、第１の実施形態に係るＡＦＭカンチレバー２３は配されておらず、図示しないマイクロカンチレバーのみが配されている。

この走査型プローブ顕微鏡３０及び計測プローブ３１による表面特性計測方法、作用・効果について説明する。
本実施形態に係る表面特性計測方法も第１の実施形態と同様に、計測プローブ３１の探針３３を試料２の表面に接触又は近接させる工程と、探針３３を接触又は近接した状態で試料２の断面情報を深さ方向に、かつ、連続的に取得する測定工程とを備えている。

まず、所望の計測位置を計測するために、Ｘ−Ｙ方向駆動部１２を駆動して試料台１１をＸＹ面上で移動して位置を特定して、マイクロカンチレバーの探針３３を計測用の試料２の表面に接触又は近接させる工程を行う。
即ち、Ｚ変位フィードバック回路１５にて試料２と探針３３との相対位置を調整しながらＺ方向駆動部１３により試料台１１をゆっくりＺ方向に移動して、探針３３を試料２の表面に所定の接触圧にて接触させる。このときの接触圧は、図示しない歪みゲージにて検出する。

そして、測定工程に移行する。
ここでは、計測プローブ３１の位置を試料２に対して固定した状態で、図示しない電圧印加源から電圧を印加して印加用探針対３５Ａ，３５Ｂ間に試料２を介して電流を流して、電場Ｅ’を試料２内に発生する。

このとき、まず、所定の測定用探針群３２において、第１の実施形態と同様に第一の測定用探針対５Ａ，５Ｂから第三の測定用探針対７Ａ，７Ｂまで、それぞれの間の電圧降下のみを順次計測し、記憶部１７にて蓄積しておく。続けて、測定用探針群３２に隣接する別の測定用探針群３２においても同様の手順にて電圧降下データを取得する。これを他の測定用探針群３２においても繰り返して行うことにより、深さ方向の連続したデータを取得する。

この計測プローブ３１及び走査型プローブ顕微鏡３０並びに表面特性計測方法によれば、第１の実施形態と同様の効果を奏することができる。
このとき、測定用探針群３２が一定のパターンにて複数配されているので、第１の実施形態のように、計測途中で試料台１１を移動させなくても試料２の深さ方向の計測データを連続して取得することができる。

次に、第３の実施形態について図６を参照しながら説明する。
なお、上述した第１の実施形態と同様の構成要素には同一符号を付すとともに説明を省略する。
第３の実施形態と第１の実施形態との異なる点は、本実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡４０の計測プローブ４１における探針４２が、第１の実施形態と同様の一組の印加用探針対３Ａ，３Ｂと、一組の測定用探針対４３Ａ，４３Ｂとを備え、測定用探針対４３Ａ，４３Ｂのそれぞれが、印加用探針対３Ａ，３Ｂに対して相対移動可能とした点である。

測定用探針４３Ａは、固定電極である印加用探針３Ａに対する可動電極とされ、測定用探針４３Ｂは、固定電極である印加用探針３Ｂに対する可動電極とされている。そして、測定用探針４３Ａと印加用探針３Ａ及び測定用探針４３Ｂと印加用探針３Ｂとの間を静電駆動させることによって、所定の範囲内を移動可能とされている。

この計測プローブ４１及び走査型プローブ顕微鏡４０による表面特性計測方法、作用・効果について説明する。
本実施形態に係る表面特性計測方法は、第１の実施形態と同様に、計測プローブ４１の探針４２を計測用の試料２の表面に接触又は近接させる工程と、探針４２を接触又は近接した状態で試料２の断面情報を深さ方向に、かつ、連続的に取得する測定工程とを備えている。

まず、第１及び第２の実施形態と同様に、所望の計測位置を計測するために、Ｘ−Ｙ方向駆動部１２を駆動して試料台１１をＸＹ面上で移動して位置を特定して、探針４２を計測用の試料２の表面に接触又は近接させる工程を行う。

続いて、測定工程では、計測プローブ４１の位置を試料２に対して固定した状態で、図示しない電圧印加源から電圧を印加して印加用探針対３Ａ，３Ｂ間に試料２を介して電流を流して、電場Ｅを試料２内に発生する。

この際、測定用探針４３Ａと印加用探針３Ａ、及び測定用探針４３Ｂと印加用探針３Ｂとの間の静電力を変化させる。このとき、測定用探針対４３Ａ，４３Ｂが、印加用探針対３Ａ，３Ｂに対してそれぞれ所定の距離だけ移動する。そして、移動後の測定用探針対４３Ａ，４３Ｂ間における電圧降下を計測し、記憶部１７にて蓄積しておく。

続けて、測定用探針４３Ａと印加用探針３Ａ，及び測定用探針４３Ｂと印加用探針３Ｂとの間の静電容量を変化して測定用探針対４３Ａ，４３Ｂの印加用探針対３Ａ，３Ｂに対する距離を変化するように測定用探針対４３Ａ、４３Ｂをそれぞれ移動させ、移動後の位置における電圧降下データを取得する。この操作を連続して繰り返して行うことにより、深さ方向の連続したデータを取得する。

この計測プローブ４１及び走査型プローブ顕微鏡４０並びに表面特性計測方法によれば、第１の実施形態と同様の効果を奏することができる。
このとき、測定用探針対４３Ａ，４３Ｂのそれぞれが、印加用探針対３Ａ，３Ｂに対してそれぞれ相対移動可能なので、一組の印加用探針対３Ａ，３Ｂに対して測定用探針対４３Ａ，４３Ｂが一組であっても、計測途中で試料台１１を移動させることなく試料２の複数の位置における深さ方向の計測データを取得することができる。この際、探針４２のアスペクト比や、静電力を調整することにより、測定用探針対４３Ａ，４３Ｂを任意の間隔となるように移動することができ、測定範囲をより柔軟に設定することができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、探針の曲率半径や粗さ、角度といった先端形状や材料がそれぞれ同質であるとしているが、互いに異なるものであっても構わない。

また、上記第２の実施形態にて、印加用探針３５Ａを円環状として測定用探針群３２を内包するものとしているが、印加用探針は円環状に限らず、四角形状であっても構わない。さらに、測定用探針対の配置は任意のパターンで構わない。

また、上記第３の実施形態において、印加用探針対３Ａ，３Ｂに対して測定用探針対４３Ａ，４３Ｂを静電駆動させているが、これに限らず、磁場を利用して駆動させても構わない。

本発明の第１の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡を示すブロック構成図である。 本発明の第１の実施形態に係る計測プローブを示す平面概要図である。 本発明の第１の実施形態に係る計測プローブの探針を示す側面概略図である。 本発明の第１の実施形態に係る計測プローブによる表面特性計測方法を示す説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る計測プローブの探針を示す側面概略図である。 本発明の第３の実施形態に係る計測プローブの探針を示す側面概略図である。

符号の説明

１，３０，４０ 走査型プローブ顕微鏡（表面特性計測装置）
３Ａ，３Ｂ，３５Ａ，３５Ｂ 印加用探針対
５Ａ，５Ｂ 第一の測定用探針対
６Ａ，６Ｂ 第二の測定用探針対
７Ａ，７Ｂ 第三の測定用探針対
８，３３，４２ 探針
１０，３１，４１ 計測プローブ
２３ ＡＦＭカンチレバー（位置合わせ機構）
４３Ａ，４３Ｂ 測定用探針対

Claims (5)

1. 導電性を有する複数の探針を備える計測プローブにおいて、
   前記複数の探針が、計測用の試料に電圧印加するための印加用探針対と、
   前記電圧印加によって前記試料に生じる電圧降下を測定するために、前記印加用探針対に挟まれて複数配された測定用探針群とを備え、
   前記印加用探針対は、環状の印加用探針と、この環状の印加用探針の中心部に配された中心部の印加用探針とを有し、
   前記測定用探針群は、互いに異なる間隔で配されている複数の測定用探針対を有し、
   前記印加用探針対、及び前記測定用探針群の位置を前記試料に対して固定した状態で、前記印加用探針対に対してそれぞれ異なる複数の位置にて前記測定用探針群の前記測定用探針対による連続測定が可能とされていることを特徴とする計測プローブ。
2. 前記複数の探針の先端形状及び材質が互いに均質であることを特徴とする請求項１に記載の計測プローブ。
3. 試料の物性情報を計測する表面特性計測装置において、
   請求項１又は２に記載の計測プローブを備えていることを特徴とする表面特性計測装置。
4. 計測用の試料に電圧印加するための印加用探針対と、前記電圧印加によって前記試料に生じる電圧降下を測定するために、前記印加用探針対に挟まれて複数配された測定用探針群とを備え、前記印加用探針対を、環状の印加用探針と、この環状の印加用探針の中心部に配された中心部の印加用探針とにより構成するとともに、前記測定用探針群を、互いに異なる間隔で配されている複数の測定用探針対により構成した計測プローブを用い、前記試料の表面特性を計測する方法において、
   前記印加用探針対、及び前記複数の測定用探針群を前記試料表面に接触又は近接させる工程と、
   前記印加用探針対、及び前記複数の測定用探針群を前記試料に接触又は近接したままで前記試料の断面情報を深さ方向に、かつ、連続的に取得する測定工程とを備え、
   前記測定工程が、前記複数の測定用探針対の間で測定信号を連続的に切り替える工程を、前記複数の測定用探針群で繰り返し行われることを特徴とする表面特性計測方法。
5. 前記断面情報を蓄積し、積層させ、画像化して前記断面情報を三次元表示させることを特徴とする請求項４に記載の表面特性計測方法。

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