JP5770448B2 - 原子間力顕微鏡の探針を特徴づけるための方法および構造 - Google Patents

Description

本発明は、原子間力顕微鏡の探針を特徴づけるための方法、およびその方法を具現するための特徴づけ構造に関する。

原子間力顕微鏡法（またはＡＦＭ）は、１９８０年代から開発されてきた、原子レベルでの解像度を達成可能なスキャニング顕微鏡法の技術である。走査型トンネル顕微鏡法とは対照的に、原子間力顕微鏡法は、伝導性のある表面のイメージ形成に限られていない。そのため、絶縁材料、半導体、また、生物学的性質の試料に特に適当である。この技術は、例えば、マイクロエレクトロニクス産業または生物学などの、多くの分野に応用されている。従来の原子間力顕微鏡の重要な構成要素はプローブであり、これは、支持端部で結合されたカンチレバーからなり、反対側端部に、観察すべき面あるいは物体へ向けられる探針を持つ。カンチレバーの長さは、概して数十または数百マイクロメートルのレベルであり、探針は数十ナノメートルの曲率半径も持つ。このようなプローブは、概してシリコンからなり、従来の写真平版技術によって製造できる。プローブの探針が面へ向けて移動されると、探針は、化学的な、「ヴァンデルヴァールス」、静電気的な、および／あるいは磁気的な、引力あるいは反発力の影響を受ける。観察すべき物体の面を探針によってスキャンしている間にこれらの力を測定すると、その像を再構成することが可能である。探針と対象物との間で作用する力の測定は、複数の異なる方式で実行できる。最も単純で最も古い技術（静的ＡＦＭ）、特に光学的手段によれば、一端で固定されて探針を支持するカンチレバーの変形のみが観察される。これらの光学手段は、概して、斜め入射でカンチレバーの反射面を照らすレーザ・ダイオード、そして反射ビームを受け、その位置に敏感な検出器からなり、この検出器は、カンチレバーの変形によるビームの方位の変化を検出可能である。感度は、カンチレバーを基本モードの一つで振動させ、力勾配によって生じる共振周波数での振動を観察することによって改善できる（動的ＡＦＭ）。この振動は、サポートに結合された圧電チューブを用いて発生させる。

従来の標準型探針は円錐形状を持つが、この種の探針は、試験において丘および谷の隆起がないトポグラフィのみを許容することを理解すべきである。

この課題への一つの既知の解決策は、ＣＤ（「クリティカル・ディメンション」）探針として知られる複雑な形状の探針を利用することであり、複雑なトポグラフィ、特に突出部を持つトポグラフィのディメンションの測定が可能である。図１(ａ)は、一例として単純な円錐探針２による、突出部のないトポグラフィ１の試験の原理を示す。図１(ｂ)は、この探針２を用いて、キャビティまたは突出部のある外形３を試験することの困難性を説明する。この探針は、突出部の下位にあるゾーン４に接触できない。図１(ｃ)は、（突出部の下位のトポグラフィに接触するよう、裾広がりの端部が象の足形である）複雑な外形の裾広ＣＤ探針５を利用する、突出部を持つトポグラフィの試験の原理を示す。裾広探針５の構造は、突出部を持つ複雑なトポグラフィを試験することを可能にする。

単純な探針および複雑な探針の両方に提示された課題は、使用される探針の（外形および寸法の）一体的な特徴づけに関わるものである。この特徴づけ過程は、測定値の精度および再現性のために重要である。

既知の方式においては、対象物の３次元描写を可能にする複雑な外形のＣＤ探針の特徴づけは、シリコンから製造された二つの別個な特徴づけ構造を使用して実行される。第一の構造は、探針の全径を測定することを可能にし、そして第二の構造は、外形を測定する
ことを可能にする。

図２(ａ)から図２(ｄ)は、複雑な外形を持つ裾広探針１０の全径を測定する方法を説明する。複雑な外形のこの探針１０は、二つの側面の突出先端１１および１２からなり、概して円形あるいは楕円形の断面を持つ。探針１０の全径は、相互に突出する二つの側面の先端１１および１２を分離する幅Ｌ２に対応する。換言すれば、探針の全径は、探針１０のすべての水平断面における最大径に対応する。探針の直径の測定が可能な第一の構造１３は、シリコンから製造された面１５に直立する、比較的に滑らかな垂直側壁を持つ、シリコンから製造されたライン１４からなる。特徴づけ構造１３は、頭辞語ＶＰＳ（「バーティカル・パラレル・ストラクチャ」）によっても示す。このＶＰＳ構造のライン１４の幅Ｌ１は予め較正されており、前記構造は、探針の全径を測定するよう機能する。より詳しくは、ライン１４の寸法Ｌ１が既知であり、この構造１３を、複雑なジオメトリーの探針１０によってスキャン（あるいは走査）すれば、ライン１７を得ることができる。測定後の（図２(ｂ)に示す）バーチャル・サイズＬは、ライン１４の幅Ｌ１と探針Ｌ２の実際の幅との和である。これは、較正構造１３に対する探針１０のコンボリューションとして知られる（すなわち、プローブを使用してどの対象物の寸法を測定する場合でも、測定値には、プローブの外側エンベロープの寸法が含まれる）。したがって、探針１０が追う変位輪郭は、幅ＬがＬ１ではなくＬ１＋Ｌ２の長方形である。そのことから、探針の絶対サイズＬ２＝Ｌ−Ｌ１を導き出すことができる。より詳しくは、探針１０と構造１３との（図２(ｃ)に示す）接触点ｐ１が高さｚ１にあると考えるなら、保持されるｘ座標は、構造の縁に対して直径の半分Ｌ２／２のオフセットに対応する座標ｘ１である（ＡＦＭ測定の基準枠または基準点は、実際、二つの突出先端１１および１２を通る円形あるいは楕円形断面の中心Ｃである）。対称性の理由で、同じ高さｚ１にある構造の反対側にも同じことが言える。このようにｘおよびｚで較正構造１３全体をスキャンし、（図２(ｄ)に示す）測定処理の終わりに、図２(ｂ)に示すバーチャル・ライン１７の長方形を得る。これは、較正構造１３に対する探針１０のコンボリューションに対応し、得られた最終的な幅は、Ｌ＝Ｌ１＋Ｌ２である。したがって、そこから探針の直径Ｌ２＝Ｌ−Ｌ１を導き出す。

図３(ａ)から図３(ｃ)は、図３(ａ)に示す第二の特徴づけ構造１８によって、幾何学的に複雑な裾広探針１０の左右側を測定し、画像化し、そして特徴を表し、そのことによって、特徴変数を用いる量的な方式で、この探針の外形を得る方法を説明する。図３(ｂ)は、各々、並べて配置することでキャビティ２１を形成した、二つの特徴づけ構造１８の左右部分を示す。ＩＦＳＲ構造（「孤立裾広がりシリコン・リッジ」）として知られる構造１８は、垂直なリエントラント形状を持つ。探針１０の外形の非常に正確な再構築を得るには、探針１０の異なる領域が特徴づけ構造１８に接触することが非常に重要である。理想的には、この接触点は、探針の側の各々に対して一意的である。したがって、鍵となる過程は、構造と探針との間で二つの接触点を発生させることであり、これは、探針の幾何学的に一体的な特徴づけを可能にする。実質的に点接触である二つの接触点を得るために、構造１８のエッジ１９および２０は、１０ｎｍ未満の曲率半径を得るよう僅かに上げられて狭くなっている（図３(ｂ)を参照）。したがって、探針１０と構造１８との接触点は、実質的に点接触であると考えてもよい。その変位中に探針１０が追う輪郭は、（キャビティの外形、そしてそれの突出部に対するデコンボリューションによる）探針の外形の測定を可能とする。探針の再構築を、図３(ｃ)において説明する。一対の座標（ｘ_i、ｚ_i）は、探針と特徴づけ構造１８の末端１９との間の特定な接触点ｐ_iに対応する（図３(ｃ)の例におけるｉは、１から３の変数である）。探針１０を、特徴づけ構造１８の全体を通して移行させ、これらの座標の対すべてを表すことによって、探針１０の左側の外形を測定することが可能である（曲線２２を参照）。探針１０の右側にも、対称的に同じオペレーションを実行する。探針がキャビティ２１内を徐々に変位するとき、接触点の座標（ｘ_i、ｚ_i）の遷移を測定することによって、外形は再構築される。この座標の遷移によって形成される曲線が、デコンボリューションの対象である。探針と特徴づけ構造との接触を
可能にする特徴づけ構造１８の隆起部の末端１９または２０は、可能な限り接触が点接触であるよう極度に狭くなければならない。これなしで、測定値の正確さおよび再現性が高品質になることはない。

注目すべきことは、二つの特徴づけ構造（図２(ａ)に示す構造１３、そして図３(ａ)に示す構造１８）に対して、十分な再構築精度を確保するために輪郭の測定サンプリングが十分（１ナノメートルにつき典型的に少なくとも一点）でなければならない。

三次元の物体を測定するために、複雑な外形の裾広がりＡＦＭ探針に最も頻繁に使用される（以降、用語「スキャン」によって示すすべてのケースにおける）スキャニング・モードは、ＣＤ（「クリティカル・ディメンション」）モードである。概して、探針は、三つの空間方向において、圧電チューブによって制御され、水平に、また垂直に振動してもよい。図４ａに図解するように、裾広探針１０は、パターン２８の平面で実質的に水平な表面２３および２４を、垂直に振動すること（両矢印２５）によってスキャンし、そして同じパターン２８の実質的に垂直な側壁２６および２７を、水平に振動すること（両矢印２９）によってスキャンする。フィードバックは、探針のカンチレバーの振幅を介して生成される。面に接触する探針によって維持される力勾配に因る共振周波数における変化を観察すると、作動原理は、垂直および水平な振動に対して同じである。ＣＤモードの利点は、水平な振動により、パターンの側壁を正確にスキャンできることである。

しかしながら、非常に狭いトレンチを特徴づけることを望む場合、ＣＤモードには特定な欠点がある。より詳しくは、水平振動中、探針１０は、第一の側壁を測定しているとき、他方の側壁に接する可能性がある。測定すべき側壁に対向する側壁に探針がこのように接触してしまうことは、当然、測定に障害をもたらす。この現象を、図５ａに図解する。この図は、約３０ナノメートル程度の直径を持つ裾広探針を用いたＣＤモードで測定された（各々が約４０ナノメートル程度の幅を持つ）一連の狭いトレンチの形状を示す。明らかに、４０ｎｍのトレンチ内で３０ｎｍの直径が水平に振動することは、誤った測定値を生じる、というリスクを冒す。このため、図５ａは、（測定すべき側壁の深さおよび外形の両方に関して）測定すべきトレンチの実際の形状に全く対応しない形状で、インターラプション３０を示す。

この問題に対する一つの既知の解決策は、ＤＴ（「ディープ・トレンチ」）タイプ・スキャニング・モードを用いることからなる。このモードでは、共振周波数が（典型的に約３０ｋＨｚで）ＣＤモードの場合と同じ探針が、垂直にのみ振動する。その結果、ＣＤモードよりも、より狭いトレンチをスキャンできる。この現象を、図５ｂに図解する。この図は、約３０ナノメートル程度の直径を持つ裾広探針を用いたＤＴモードで測定した（各々が約４０ナノメートル程度の幅を持つ）一連の狭いトレンチの形状を示す。図４ｂに図解したように、裾広探針１０は、垂直に振動すること（両矢印３１）によって、パターン２８の平面で実質的に水平な表面２３および２４をスキャンできる。対照的に、同じパターン２８の実質的に垂直な側壁２６および２７をスキャンすることはできない。それは注目に値する。ＤＴモードおよびＣＤモードの両方に対しては、（スキャニング頻度が課され、そしてＣＤまたはＤＴモードほど正確に測定値を得ることができない、いわゆる「タッピング」モードのように）スキャニング頻度が固定されない。サンプリング周波数のみが課される。換言すれば、各測定中、探針は、生来の振動に戻るため、面に接近するときに発生する引力あるいは反発力の影響による混乱がない。「原子間力顕微鏡法による側壁のイメージング方法」（１９９４年５月９日付け応用物理学レター６４（１９））の文書には、二つのモード、（一つの空間的なディメンションにおける探針の振動を示すために、この文書に用語１Ｄで表す）ＤＴ、そして（二つの空間的なディメンションにおける探針の振動を示すために、この文書に用語２Ｄで表す）ＣＤの説明がある。

しかしながら、ＤＴモードにも、特定な困難がある。主要な欠点は、探針の水平振動を制御せずに、９０°の側壁２６および２７のスキャンは不可能である、という事実である。したがって、図２(ａ)に示すＶＰＳ特徴づけ構造は使用できない。より詳しくは、測定を実行するためにＤＴモードを用いるなら、一貫性のために、そして探針の特徴づけと構造の測定との間に測定オフセットを生成しないために、探針の特徴づけの間、同じモードを使用するのが適当である。

さらに、ＣＤモードに使用されるＶＰＳ特徴づけ構造は、明らかに、円錐あるいは円柱タイプの標準探針に適応されていないことに注意すべきである。

この文脈において、本発明の目的は、原子間力顕微鏡の探針を特徴づけるための方法を提供することであり、ＤＴモードにおいて、あらゆるタイプ（裾広で複雑な、円錐あるいは円柱の外形）のＡＦＭ探針を正確に特徴づけることを可能にする。

このために、本発明は、相互に対向する二つの傾斜側壁を持つ特徴づけ構造によって、原子間力顕微鏡の探針を特徴づけるための方法を提供する。前記構造の任意の高さに対応して二つの傾斜側壁を分離する少なくとも一つの実際の側方距離が既知であるとき、前記方法は、次のステップからなる。

− 探針によって構造の傾斜側壁の表面をスキャンするステップ。このスキャニングは、探針が垂直にのみ振動しながら実行される。

− 任意の高さｈに対して、二つの傾斜側壁を分離する側方距離を測定するステップ。この測定は、特徴づけ構造の外形と探針の外形のコンボリューションを取り込む。

− 測定側方距離および実際の側方距離の関数として、探針の特徴的な寸法を決定するステップ。

「垂直にのみ振動する探針」は、ＤＴモードにおけるＡＦＭ探針の作動であると理解すべきである。

「コンボリューション」は、実行された測定で探針の外側エンベロープの寸法を取り入れること、と理解すべきである。したがって、コンボリューションを取り込む測定は、特徴づけ構造の寸法を実測することではない。

本発明の結果として、ＶＰＳ特徴づけ構造（垂直側壁を持つ構造）が、有利に、傾斜側壁を持つ構造で置換されるため、垂直のみに振動する探針は、斜面をスキャンすることが可能である。傾斜側壁を持つこの特徴づけ構造は、任意の高さに対して両傾斜側壁を結合する少なくとも一つの既知の幅（例えばＣＤモードで作動する較正探針で構造を較正することによって得られた幅および高さ）を持つ。したがって、実寸法のこの対（幅、高さ）を、同じ任意の高さで実行された特徴づけ構造のＡＦＭ測定に加えて、ＡＦＭ探針の特徴的な寸法を決定するために使用する。この特徴的な寸法は、典型的に、裾広探針のケースでは探針の全径（探針のすべての水平断面の最大径）、円柱探針のケースでは探針の直径（水平円形断面の直径）、あるいは円錐探針のケースでは探針の末端の曲率半径である。楕円形断面のケースでは、直径が楕円の長軸によって置換される。

時間経過に応じて本発明による方法を繰り返すことによって、特徴づけられるべき探針の損耗をモニターすることが可能である。

本発明による方法は、ＤＴモードにおけるＡＦＭ探針の、数オングストローム程度での
、非常に正確な特徴づけを可能にする。したがって、このモードを用いて構造を測定すると、測定精度の改善が得られる。（実際、正確な測定値を得るためには、少なくとも探針の直径をデコンボリュートすることが必要である。）

本発明による方法は、さらに、ＣＤモードにおける既知の特徴づけが裾広探針の特徴づけのみを可能にするのに対し、種々のタイプの探針、裾広、円柱あるいは円錐探針を特徴づけることを可能にする。

最後に、ＤＴモードにおける探針の特徴づけは、ＣＤモードよりも、より高速なスキャニング・モードである。これは、製造の点で、計測器の効率を改善するものである。

また、本発明による方法は、次の技術的に可能な特徴の一つ以上を、単独に、あるいは組み合わせで持つことができる。

− 任意の高さにおける傾斜側壁間の少なくとも一つの実際の側方距離は、特徴づけられるべき探針とは異なる較正探針で実行される原子間力顕微鏡法測定によって決定される。この較正探針は、水平および垂直に振動する既知の寸法および外形を持つ複雑な外形の裾広探針である。（「裾広探針」は、円形あるいは楕円形断面の二つの側方突出端からなる裾広がりの末端を持つ、象の足形をした複雑な外形の探針である、と理解すべきである。）

− 測定は、複数の任意の高さに対して実行され、そして各々の高さは、前記傾斜した二つの側壁を分離する既知の実際の側方距離に対応する。

− 前記特徴的な寸法は、
○ 複雑な外形の特徴づけされるべき裾広探針のケースでは探針のすべての水平円形断面における最大径、
○ 円柱探針のケースでは探針の水平円形断面の直径、そして
○ 円錐探針のケースでは探針の末端の曲率半径である。

− 任意の高さに対応する前記二つの傾斜側壁を分離する実際の側方距離を、同じ高さに対する二つの傾斜側壁を分離する測定側方距離から減算することによって、前記直径が得られる。

− 前記特徴的な寸法の変化を時間の関数としてモニターするためには、時間経過に応じて測定を繰り返す。

本発明の目的は、また、本発明による方法を実現するための、原子間力顕微鏡の探針を特徴づける構造でもある。この構造は、サブストレート上に製造され、サブストレートの主平面に対して厳密に０°と９０°との間の角度θで傾いた第一の側壁、そしてサブストレートの主平面に対して第一の側壁と同じ角度で傾いた第二の側壁からなり、これら第一および第二の側壁は相互に対向する。

また、本発明による構造は、次の技術的に可能な特徴の一つ以上を、単独に、あるいは組み合わせで持つことができる。

特に有利な方式で、本発明による構造は、次のものからなる。

− サブストレートに実質的に平行な上側ベース、そしてサブストレートに実質的に平行な下側ベースを持つ第一の要素。なお、前記第一および第二の傾斜側壁が、上側ベース
を下側ベースに結合する。

− 第一の要素の下方、そしてサブストレートの上方に位置する第二の要素。なお、第二の要素は実質的に垂直な側壁を持つ。

第一および第二の傾斜側壁と下側ベースとの結合は、開き角度θで突出する二つの部分を形成する。

このようなアレンジメントは、単体のこの同じ構造を、探針の直径および外形の両方を特徴づけるために使用することを可能にする。このことは、実行すべきスキャニング・ライン数を最小化できるので、時間の節約を提供する。 図２(ａ)から図２(ｄ)、そして図３(ａ)から図３(ｃ)を参照して説明した、特徴づけのための既知の方法の欠点の一つは、二つの異なる特徴づけ構造（ＶＰＳおよびＩＦＳＲ）を必要とし、外形の測定に関する不確実性が、各々の構造に関連する不確実性の組み合わせである、ということに注意すべきである。

特に有利な実施例によれば、第一の要素が第一の物質から製造され、そして第二の要素が、第一の物質とは異なる第二の物質から製造されるため、第一および第二の物質は、相互に対して選択的に蝕刻することが可能である。より詳しくは、ＩＦＳＲ構造から隆起する突出部、特に１０ｎｍ未満の曲率半径を持つものは、製造が困難である。このことは注目に値する。より詳しくは、あまりにも大きな曲率半径は、デコンボリューション中に到達されるべき探針の外形の正確な再構築を許容しない。本発明による構造は、マイクロエレクトロニクスにおける従来のステップ、リソグラフィおよびエッチングを実行することによって製造できる。したがって、本発明による構造の上下部分を製造するために、エッチング・ステップ中に相互に対して非常に選択的に蝕刻が可能な二つの物質を用いることは、探針の外形のより詳細な特徴づけを達成するために、構造の両側に「鋭利な」角度を得ることを可能にする。

第一の物質は、ＳｉまたはＳｉＧｅであってよい。

第一の物質および第二の物質は、次の対の一つから各々選択できる。

− 第一の物質に対してＳｉおよび第二の物質に対してＳｉＧｅ。

− 第一の物質に対してＳｉＧｅおよび第二の物質に対してＳｉ。

− 第一の物質に対してＳｉおよび第二の物質に対してＳｉＯ_２。

有利に、第二の要素の高さは、特徴づけられるべき探針の有益な部分の高さよりも大きいように選択される。

円錐外形の原子間力顕微鏡の探針を特徴づけるための本発明による構造のケースでは、円錐の開き角度をθ₁とするとき、角度θが、９０°−θ₁よりも小さいように選択されることが好ましい。

傾斜側壁を持つ部分の高さは、試験されるべき探針の曲率半径よりも厳密に大きいように選択されることが好ましい。

本発明の更なる特徴および利点を、添付図面を参照する以下の非限定的な説明によって明らかにする。

（ａ）から（ｃ）は、分析されるトポグラフィの性質に応じて、二つのタイプの探針でトポグラフィを試験するための原理を概略的に図解する。 （ａ）から（ｄ）は、複雑な外形の裾広探針の全径を測定するための既知の方法を図解する。 （ａ）から（ｃ）は、複雑な外形の裾広探針の外形を測定するための既知の方法を図解する。 ＣＤスキャニング・モードの原理を図解する。 ＤＴスキャニング・モードの原理を図解する。 ＣＤモードでのスキャニングによって得られる、狭いトレンチの測定値を示す。 ＤＴモードでのスキャニングによって得られる、狭いトレンチの測定値を示す。 図６は、本発明による方法の異なるステップを示す。 図７は、本発明による方法を具現するための特徴づけ構造の作用原理を示す。 複数の測定値に応じて特徴づけられる探針の直径の変化を示す。 複数の測定値に応じて特徴づけられる探針の直径の変化を示す。 本発明による特徴づけ構造の第一の実施例を示す。 本発明による特徴づけ構造の第二の実施例を示す。 （ａ）および（ｂ）は、図８ｂに示す構造を製造するための原理を図解する。 円錐探針に対して本発明による構造を使用するための原理を図解する。 （ａ）から（ｄ）は、探針の有益な高さを特徴づける機能として、本発明による構造の異なる構成を図解する。 本発明による構造によって、円錐探針の外形を再構築するための、そしてそれの曲率半径を確認するための方法を図解する。 本発明による構造を具現するための方法の、一例の異なるステップを概略的に図解する。

すべての図における共通要素は、同じ参照番号を持つ。

図１から図５ｂは、上記において、従来の技術を参照するために既に用いた。

図６は、本発明による方法１００の異なるステップを示す。

本発明による方法は、（裾広がり、円錐あるいは円柱外形の）異なる外形を持つＡＦＭ探針の特徴づけを可能にする方法である。より具体的には、上記に従来の技術を参照して言及したように、原子間力顕微鏡法には、測定探針が垂直および水平の両方に振動するＣＤ（「クリティカル・ディメンション」）タイプ・モードとは対照的に、狭いトレンチの測定に特に有効な、ＤＴ（「ディープ・トレンチ」）として知られる測定モードが存在する。ＤＴモードでは、探針は垂直にのみ振動する。本発明による方法の目的は、ＤＴモードで測定探針を効率的に、そして速く特徴づけることを可能にすることである。（情報として、ＤＴモードで探針の測定を実行した場合、この探針は、探針の特徴づけと、特徴づけられるべき構造の測定との間で測定オフセットを生成しないよう、ＤＴモードで特徴づけられなければならなかった。）

本発明による方法は、図７に示すような特徴づけ構造２００を用いる。以下、正規直交座標（Ｏｘｙｚ）を基準とし、平面（Ｏｘｚ）はシートの平面であり、そして平面（Ｏｘ
ｙ）は水平面である。実質的に台形状のこの構造２００は、面２０４の上方に隆起する、二つの比較的に滑らかに傾斜した側壁２０２および２０３を備えた部分２０１からなり、二つの傾斜面２０２および２０３は、相互に反対側に位置する。傾斜側壁２０２および２０３は、平面（Ｏｘｙ）に平行な水平面２０４に対して厳密に０から９０°の角度θを形成する二つの実質的に滑らかな面と理解すべきである。

方法１００の第一のステップ１０１は、複数の側方寸法（このケースでは、三つの側方寸法ＣＤ１、ＣＤ２およびＣＤ３）を測定することからなり、側方寸法の各々は、構造２００のｚ軸に沿った高さ（このケースでは、側方寸法ＣＤ１、ＣＤ２およびＣＤ３に各々対応する三つの高さｈ１、ｈ２およびｈ３）に対応する。「側方寸法」は、傾斜面２０２および２０３を分離するｘ軸に沿った距離と理解すべきである。換言すれば、寸法ＣＤ１、ＣＤ２およびＣＤ３は、異なる任意の高さｈ１、ｈ２およびｈ３における構造２００の幅に対応する。データ（ＣＤ１、ｈ１）、（ＣＤ２、ｈ２）および（ＣＤ３、ｈ３）のこれらの対は、寸法および外形が完全に分かっている較正探針として知られる、複雑な外形の裾広探針（図示せず）を用いたＣＤモードでのＡＦＭ測定によって決定できる。この較正探針は、損耗を避ける（それにより、一定な寸法および外形を維持する）ため、非常に希に使用されるものであり、特徴づけされるべき構造の寸法を、非常に正確な方法で測定することを可能にする。

方法１００の第二のステップ１０２は、特徴づけされるべき探針２０５で、構造２００のＡＦＭ測定を実行することからなる。図７に示す探針２０５は、複雑な外形の裾広探針であるが、本発明による方法は、また、円錐タイプまたは円柱タイプの探針にも適用できる（円錐あるいは円柱探針の特徴づけが不可能なＶＰＳタイプの従来の技術による特徴づけ構造のケースではない）ことに注目すべきである。この場合、探針２０５は、（軸Ｏｚに向けられた矢印２０６に沿って）垂直にのみ振動しながら構造２００の表面をスキャンする。

本発明による方法１００の一つのステップ１０３によれば、任意の高さｈ（例えばｈ１）で、構造の幅が測定される。したがって、構造の幅ＣＤ１と探針の直径Ｄとの和（探針２０５および構造２００のいわゆるコンボリューション）が得られる。この値から、任意の高さｈ１に対して得られた構造２００の実際の幅（このケースではＣＤ１）が引かれる。したがって、探針２０５の直径Ｄが演繹される。たとえ単一の対（ＣＤ１、ｈ１）によって探針の直径Ｄの測定が可能であっても、異なる任意の高さでの一連の測定値を得ることは当然有利である。高い高さに位置する幅ＣＤ１、中間の高さに位置する幅ＣＤ２、そして低い高さに位置する幅ＣＤ３を選択することが好ましい。

したがって、この探針２０５は、直径Ｄが正確に分かっているので、ＤＴモードにおいてナノメートル構造のいくつかの測定値を得るために使用できる。測定中、探針２０５の損耗をモニターするために、探針２０５の直径のこの特徴づけステップが繰り返される。これにより、時間経過に対する探針の損耗が、「リアルタイム」にモニターされる。

構造２００を用いた特徴づけ方法１００を検証するために、図７ａおよび図７ｂは、測定中における探針の直径の変化をナノメートルで示す。傾斜構造に対してのＤＴモードでのこの探針の特徴づけと同時に、標準垂直ＶＰＳ構造上でＣＤモードを用いて得た直径の特徴づけ値を示す。目的は、ＤＴモードにおいて傾斜構造上で得た直径の妥当性を示すことである。この特徴づけがＣＤモードでも操作できるよう、裾広がりの探針を使用した（したがって、円柱あるいは円錐探針に対するケースではない垂直構造、そして本発明による傾斜構造の両方での特徴づけが可能である）。図７ａでは、構造２００等の傾斜構造上で、ＤＴモードにおいて探針の特徴づけが１２回実行された。これは、異なる値ＣＤ１（平均直径＝１０９．４ｎｍ）、ＣＤ２（平均直径＝１０９．４ｎｍ）、そしてＣＤ３（平
均直径＝１０９．４ｎｍ）、そして、ＣＤモードにおけるＶＰＳ構造上での値（平均直径＝１０９．５ｎｍ）から得られる直径を考慮している。

図７ａは、また、ＣＤ１、ＣＤ２およびＣＤ３に対して各々得られた三つの曲線の平均（平均直径＝１０９．４ｎｍ）を示す。

図７ｂでは、異なる寸法を持つ本発明による二つの構造Ｓ１（平均直径＝１０９．５ｎｍ）およびＳ２（平均直径＝１０９．３ｎｍ）上でＤＴモードにおいて、そしてＶＰＳ構造（平均直径＝１０９．５ｎｍ）上でＣＤモードにおいて、探針の特徴づけが１２回実行された。

図７ｂは、また、Ｓ１およびＳ２に対して各々得られた二つの曲線の平均（平均直径＝１０９．４ｎｍ）を示す。

したがって、図示のすべてのケースにおいて、非常に良好な結果を得ることが可能であることが観察される。ＤＴモードにおいて傾斜構造上で得られた直径は、垂直構造上でＣＤモードで得たものと非常に一貫している。大きな利点は、特徴づけのためのこの方法は、裾広探針に対してだけでなく、円柱および円錐探針に対しても適用可能であることである。このことは、（円柱および円錐探針とは相容れない）ＣＤモードにおいては、そうではない。

図６に示し、そして図７を参照しながら説明した本発明による方法１００は、ＤＴモードにおいて、特徴づけられるべき探針の直径を測定することを可能にすることに注目すべきである。よって、この探針の外形の測定を許容しない。現段階では、二つの解決策が可能である。

第一の解決策は、探針２０５の外形を測定するための（本発明による構造２００を補足する）図８ａに示すような標準ＩＦＳＲ構造２０７を使用することからなる。

第二の解決策は、裾広探針２０５の直径および外形を測定するための、図８ｂに図解したような単一構造３００を使用することからなる。単一構造３００は、図７および図８ａの構造２００と実質的に同一である第一の要素３０１と、第一の要素３０１から下方に配置されてＩＦＳＲ構造の外形を持つ第二の要素３０２からなる。第一および第二の要素のすべては、サブストレート３０３上に配置されている。上記に既に言及したように、可能な最小曲率半径を得るために、構造３０２のエッジ３０６および３０７に対して、実質的に点接触である二つの接触点を得ることが非常に重要である。本発明による構造を用いて、探針の直径を得ることを可能にする要素３０１と、探針の外形を得ることを可能にする要素３０２を取り入れることによって、特に実質的に点接触で特に測定精度に有益な接触の程度を改善することが可能であることは、以下の説明から明らかである。

この目的のため、図９(ａ)および図９(ｂ)は、このような構造を具現する原理を図解する。図９(ａ)は、図８ｂに図解したような単一構造３００を示す。そして図９(ｂ)は、この同じ構造３００の異なる要素を概略的に表す。

台形外形と高さｈ１の第一の要素３０１は、次のものからなる。
− 水平なサブストレート３０３に実質的に平行な幅ｄ１の上側ベース３０４。
− サブストレート３０３に実質的に平行な下側ベース３０５。
− 上側ベース３０４と下側ベース３０５とを結ぶ第一および第二の傾斜側壁３０６および３０７。

第一および第二の傾斜側壁３０６および３０７と下側ベース３０５との結合は、開き角度θで突出する二つの部分３０８および３０９を形成する。

第一の要素３０１の下方、そしてサブストレート３０３の上方に位置する高さｈ２の第二の要素３０２は、垂直側壁を持つ幅ｄ３の壁（またはライン）によって形成される。第二の要素３０２の幅ｄ３は下側ベース３０５の幅よりも小さく、第二の要素３０２が下側ベースの下に実質的に中心に配置されているため、第一の要素３０１が第二の要素３０２の両側を覆っており、物質のない幅ｄ２の二つのゾーン３１０および３１１（構造３００のリエントラント形状）が設けられている。

構造３００は、（物質Ａを使って製造される）第一の要素３０１と、（物質Ｂを使って製造される）第二の要素３０２とに対して、異なる二つの物質ＡおよびＢを使用して製造されることが好ましい。物質ＡおよびＢは、プラズマ・エッチングのステップ中、相互に対して非常に選択的に蝕刻できるように選択される。

一 対の物質は、例えば、次のように選択される。
− 選択的に蝕刻可能な、Ｓｉ（ＡまたはＢ）とＳｉＧｅ（ＢまたはＡ）との対。
− 選択的に蝕刻可能な、Ｓｉ（Ａ）とＳｉＯ２（Ｂ）との対。

特徴づけされるべき探針の直径を測定するために使用される第一の要素３０１は、ＳｉまたはＳｉＧｅから製造されることが好ましい。

選択的な物質ＡおよびＢを使用することによって、探針の外形のより詳細な特徴づけを得るために、構造の両側に「鋭い」角度θを設けることが可能である。開き角度θで突出する二つの部分３０８および３０９は、探針の外形を測定するために使用される。したがって、特徴づけされるべき探針と構造３００との間の接触点（３０８および３０９）は、点接触であると考えてもよい。変位中の探針が追う輪郭は、デコンボリューションによって探針の外形を測定することを可能にする。

典型的に、上側ベース３０４の幅ｄ１は、リエントラント・ゾーン３１０および３１１の幅ｄ２と密接に関連している。ｄ１は、第二の要素３０２の幅ｄ３（ｄ２に同等な側方エッチング後の構造３００の残りの幅）よりも大きい。実際、機械的な作用の理由から、幅ｄ３は、幅ｄ２に比べ、それほど小さくはない。典型的に、幅ｄ１は幅ｄ２の３倍に等しく、そしてｄ２は、探針の直径の半分よりも大きい。例えば、接触点３０８および３０９を使用して、１２０ｎｍの直径を持つ裾広探針の外形を特徴づけることを望む場合、６０ｎｍよりも大きな（例えば７０ｎｍの）幅ｄ２を提供する必要がある。このケースでは、幅ｄ１は、典型的にｄ２の三倍、すなわち２１０ｎｍに等しい。

同様に、構造３００の第一の要素３０１の高さｈ１は、探針の直径を測定するための品質を決定する。この高さｈ１は、構造の側壁上に探針の直径の十分な、特徴的な点を持つよう、特徴づけられるべき探針の曲率半径Ｒｃよりも実際に大きい。典型的に、Ｒｃは２０ｎｍ程度である。したがって、８０ｎｍから１００ｎｍ程度の高さｈ１が選択される。

また、特に、円柱および円錐探針を特徴づけるための品質を改善することを目的に、開き角度θは、二つの部分３０８および３０９が、第一および第二の傾斜側壁３０６および３０７と下側ベース３０５との間に突出するように適応されてもよい。

円柱探針に対しては、角度が厳密に９０°よりも小さければ十分である（典型的に８０°から８５°）。

図１０に図解するように、開き角度θ₁を持つ円錐探針４０１に対しては、角度θは、探針４０１の末端と側壁３０６との接触を維持するために、（９０°−θ₁）よりも小さくなければならない。

最後に、第二の要素の高さｈ２は、特徴づけられるべき探針の有益な高さｈ３に相対的に固定されることが好ましい。より詳しくは、構造３００のリエントラント・ゾーン３１０および３１１の目的は、探針の外形、そしてとりわけ、有益な長さｈ３を特徴づけることである。図１１(ａ)および図１１(ｂ)が示すように、高さｈ２が探針（このケースでは円錐探針５０１）の有益な長さｈ３よりも小さいならば、二次元で探針５０１の損耗をモニターすることは不可能である。直径の損耗をモニターすることのみが可能であり、有益な長さｈ３の損耗については不可能である。対照的に、図１１(ｃ)および図１１(ｄ)のケースでは、構造の高さｈ２が有益な長さｈ３よりも大きいため、この長さの特徴づけが可能であり、したがって、この長さの経時的な損耗のモニタリングが可能である。

図１２は、本発明による構造３００で、円錐探針４０１の外形を再構築する方法、そして、そのことによって曲率半径Ｒｃを確認する可能性を図解する。

円錐探針４０１と構造３００との接触点３０８は、点接触であると考えてもよい。変位中に探針４０１が追う輪郭は、円錐探針４０１の外形を測定することを可能にする。一対の座標（ｘ_i、ｚ_i）は、円錐探針４０１と特徴づけ構造３００の尖端３０８との正確な接触点ｐ’ｉに対応する（ｉは、図１２の例における１から３の変数である）。探針４０１を、特徴づけ構造３００全体に通過させ、座標のすべての対を表すことによって、探針４０１の右側の外形を測定することが可能である（曲線４０２を参照）。探針４０１の左側に対して、同じ操作を対称的に実行する。したがって、尖端３０８に接触した円錐探針４０１を緩やかに変位させている間に接触点の座標（ｘ_i、ｚ_i）の遷移を測定することによって、外形の再構築が行われる。曲線４０２が得られたならば、単純な方法で、円錐探針４０１から曲率半径Ｒｃを測定することが可能である。

本発明による構造３００は、半導体業界で行われるリソグラフィおよびプラズマ・エッチングの従来のステップによって得ることができる。 図１３は、このような構造３００を具現するための方法の例の異なるステップを概略的に図解する。典型的に、サブストレート３０３から始め、その上に物質Ｂの層３１３を積み、それから物質Ａの層３１４を積む。

それから、物質Ａ内にパターンを得るために、マスク３１２を使ってフォトリソグラフィのステップを実行する。

それから、第一の台形要素３０１を得るために制御された斜面で、（物質Ｂに対して選択的な）物質Ａに異方性エッチングを実行する。それから、ＩＦＳＲ構造の外形を持つ第二の要素３０２を得るために、（物質Ａに対して選択的な）物質Ｂに等方性エッチングを実行する。

Claims (12)

1. 特徴づけ構造によって原子間力顕微鏡の円錐形探針を特徴づけるための方法であって、
   前記特徴づけ構造は、基板上に製造され、前記基板の主平面に対して０°と９０°との間の角度θで傾いた第一の傾斜側壁、および前記基板の主平面に対して前記第一の側壁と同じ角度θで反対方向に傾いた第二の傾斜側壁を有して構成され、前記円錐形探針の開き角度をθ _１ とするときに、前記角度θが（９０°−θ _１ ）よりも小さいように選択され、前記第一および第二の傾斜側壁が相互に対向し、
   側方距離は、前記基板の表面の平面に平行であって、前記二つの傾斜側壁を分離する距離であり、前記特徴づけ構造の任意の高さに対応する実際の側方距離の少なくとも一つが既知であり、
   前記方法が、
   前記構造の基板の表面の平面に対して直交する垂直方向のみに振動する前記探針によって、前記特徴づけ構造の前記傾斜側壁の表面をスキャンするステップ、
   前記側方距離を測定するに際して、前記特徴づけ構造の外形と前記探針の外形のコンボリューションを取り込んで、前記任意の高さに対して前記側方距離を測定するステップ、および
   前記測定された側方距離および前記実際の側方距離の関数として前記探針の特徴的な寸法を決定するステップを有する、方法。
2. 前記実際の側方距離の少なくとも一つが、特徴づけられるべき探針とは異なる較正探針によって実行される原子間力顕微鏡法によって決定され、そして
   前記較正探針が、水平および垂直に振動する、既知の寸法および外形を持つ複雑な外形の裾広形探針であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記実際の側方距離の複数が既知であり、この既知である複数の前記実際の側方距離に対応する複数の任意の高さに対して、前記測定するステップが実行されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記特徴的な寸法が、
   複雑な外形の特徴づけされるべき裾広形探針のケースでは探針のすべての水平円形断面における最大径、
   円柱形探針のケースでは探針の水平円形断面の直径、そして
   円錐形探針のケースでは探針の末端の曲率半径であることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記実際の側方距離を、同じ高さに対する前記測定された側方距離から引くことによって、前記特徴的な寸法が得られることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記特徴的な寸法の変化を時間の関数としてモニターするために、前記測定するステップが時間経過に対して繰り返されることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 原子間力顕微鏡の円錐形探針を特徴づけるために、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法を実行するための特徴づけ構造であって、
   前記特徴づけ構造は、基板上に製造され、前記基板の主平面に対して０°と９０°との間の角度θで傾いた第一の傾斜側壁、および前記基板の主平面に対して前記第一の傾斜側壁と同じ角度θで反対方向に傾いた第二の傾斜側壁を有して構成され、前記第一および第二の傾斜側壁が相互に対向し、
   前記特徴づけ構造が、
   前記基板に実質的に平行な上側ベースと前記基板に実質的に平行な下側ベースを持ち、前記第一および第二の傾斜側壁が前記上側ベースを前記下側ベースに結合する第一の要素、および
   前記第一の要素の下方、そして前記基板の上方に位置し、実質的に垂直側壁を持つ第二の要素を有し、
   前記第一および第二の傾斜側壁と前記下側ベースとの間の結合が、開き角度θで突出する二つの部分を形成し、前記円錐形探針の開き角度をθ _１ とするときに、前記角度θが（９０°−θ _１ ）よりも小さいように選択される、特徴づけ構造。
8. 前記第一の要素が第一の物質から製造され、そして前記第二の要素が、前記第一の物質とは異なる第二の物質から製造されるため、前記第一および第二の物質は、相互に対して選択的に蝕刻することが可能であることを特徴とする、請求項７に記載の特徴づけ構造。
9. 前記第一の物質がＳｉまたはＳｉＧｅであることを特徴とする、請求項８に記載の特徴づけ構造。
10. 前記第一の物質および前記第二の物質が、
    前記第一の物質に対してＳｉおよび前記第二の物質に対してＳｉＧｅ、
    前記第一の物質に対してＳｉＧｅおよび前記第二の物質に対してＳｉ、そして
    前記第一の物質に対してＳｉおよび前記第二の物質に対してＳｉＯ_２の対の一つから各々選択されることを特徴とする、請求項９に記載の特徴づけ構造。
11. 前記第二の要素の高さが、特徴づけられるべき探針の有益な部分の高さよりも大きいように選択されることを特徴とする、請求項７から１０のいずれか一項に記載の特徴づけ構造。
12. 傾斜側壁を持つ部分の高さが、試験されるべき探針の曲率半径よりも大きいように選択されることを特徴とする、請求項７から１１のいずれか一項に記載の特徴づけ構造。

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