JP5902485B2

JP5902485B2 - 走査型プローブ顕微鏡の探針形状評価方法

Info

Publication number: JP5902485B2
Application number: JP2012002366A
Authority: JP
Inventors: 将史渡邉; 洋海百田
Original assignee: Hitachi High Tech Science Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Science Corp
Priority date: 2012-01-10
Filing date: 2012-01-10
Publication date: 2016-04-13
Anticipated expiration: 2032-01-10
Also published as: JP2013142586A; US8621660B2; CN103196411A; US20130180019A1; CN103196411B

Description

本発明は、走査型プローブ顕微鏡に使用されるカンチレバーの探針曲率半径を測定する方法に関するものである。

走査型プローブ顕微鏡において、探針の先端形状はサンプルとの接触状態に直接関わるため、サンプル表面の形状測定や物性測定における測定性能を把握するためには探針の先端形状を予め測定しておくことが必須である。また、実際には探針の先端形状そのものよりも探針先端を半球形と仮定して、その半径や直径により探針先端の先鋭度を表現することが多い。

従来、探針の先端形状を測定する手段として、電子顕微鏡による観察や、走査型プローブ顕微鏡で先鋭な針状のサンプル（以下、探針形状検定用サンプルと呼称する）の形状を測定して探針の先端形状を描き出す方法が使用されている。後者の探針形状検定用サンプルＳｂを使用する方法は、走査型プローブ顕微鏡にカンチレバーを設置した状態で測定できるため、簡便で他の装置を必要としない利点があり一般的によく使用されている。

例えば、特許文献１に記載されているように、探針形状検定用サンプルＳｂにより測定された探針２ａの形状から、探針２ａの側面の角度と、探針２ａの先端の曲面部分の幅から探針先端の半球形状の半径（一般的に曲率半径と呼ばれる）を計算する方法や、非特許文献１に記載されているように、走査型プローブ顕微鏡により探針形状検定用サンプルＳｂにより探針２ａの先端形状を測定することにより、図６に示すように探針形状検定用サンプルＳｂの先鋭な針状突起先端では探針形状検定用サンプルの針により探針の先端形状を計測し、この探針２ａの先端形状の頂上部から一定の距離における断面の直径を求め（図８）、これにより探針２ａの先端形状を評価する方法がある。

特開２００１−１６５８４４号公報

ＪＩＳＲ１６８３原子間力顕微鏡によるファインセラミックス薄膜の表面粗さ測定方法

特許文献１における探針形状の評価方法では、探針２ａの側面が直線状であることが必要であるが、実際の探針２ａは微細な構造物であるため、側面が直線状に作製されているとは限らない。そのため、側面と先端の局面部分の境界を正確に求めることが出来ず、この方法により先端の曲率半径を求めることは難しい。

また、非特許文献１における探針形状の評価方法では、先端の半球形状の根本側でもほぼ同じ幅になる円柱状であることを前提として、円柱状の部分の直径を先端の半球形状の直径として評価している。しかし、そのためには前述の探針形状検定用サンプルＳｂで形状測定可能な高さが、曲率半径よりも大きいことと、半球形状の根本側部分が太さの一定な円柱型と近似できるような形状であることが前提条件として必要となる。しかし、探針形状には用途毎に様々な種類があり、探針の先端の半球形状を意図的に大きくしたものや、探針の半球形状の根本側部分が円柱ではなくテーパー形状になっているものも多い。このような特殊な形状の探針に対しては非特許文献１による方法は適用できない場合がある。例えば、図７に示すように探針の曲率半径が、探針形状検定用サンプルＳｂの凸状部の高さよりも大きい、つまり探針の形状測定が可能な高さよりも大きい場合、探針の形状を測定する領域Ａｔにおける探針形状のトレースが、図９に示すように、探針形状検定用サンプルで先端の半球形状の一部のみでしか行われない。また、この場合は、非特許文献１に記載されているように、探針先端形状の頂上部から一定の距離における断面の直径を求めても探針の先端の半球形状の直径とは一致しない。

そこで、本発明では、探針形状検定用サンプルＳｂで形状測定が可能な高さが、探針先端の曲率半径よりも小さい場合においても、曲率半径の大きい探針２ｂの先端形状を評価する手段を提供することを目的とする。

前述のように、非特許文献１における評価方法では、探針形状検定用サンプルＳｂで形状測定可能な高さが探針の曲率半径よりも小さい場合には、正しく探針先端の半球形状の直径を評価することは出来ない。そこで、図２に示すように、測定された探針先端の形状の頂上部から複数の距離（例えば、図中のｈ₀〜ｈ₄）における断面の半径（例えば、図中のｒ₀〜ｒ₄）を求め、これらを数式１に代入し、図２に示す探針先端形状を円で近似したときの曲率半径Ｒ_tipを算出する。

具体的には、走査型プローブ顕微鏡に備えた探針の先端を、対向配置した評価用試料（探針形状検定用サンプル）の表面に対して、相対的に接触または所定間隔に接近させる近接工程と、探針の先端と評価用試料の表面との間に働く物理量を一定としつつ所定の走査を行う走査工程と、評価用試料の表面形状を取得するデータ取得工程と、取得したデータのうち、探針先端から下ろした中心軸上の所定の高さ（ｈ）及びその高さで測定した形状の外縁で形成される断面の面積（Ｓ）から求めた仮想円の半径（ｒ）を一組とするデータ組を、前記高さ（ｈ）を変更した２以上抽出するデータ抽出工程と、当該２以上の抽出データ組の高さ（ｈ）および半径（ｒ）より探針の先端を球状と近似した場合の曲率半径（Ｒ_tip）を算定する算定工程と、から構成される。

本発明に係る探針形状評価方法によれば、探針の側面が直線状になっていない探針であっても、また探針形状検定用サンプルＳｂにより測定できる高さよりも探針の曲率半径の大きい探針２ｂであっても、探針の曲率半径を測定することができる。

本発明の探針形状評価方法に用いる走査型プローブ顕微鏡の概要を示す図である。本発明の探針形状評価手法に係る探針形状の評価の概念図である。本発明に係る探針形状評価方法に係る探針形状の結果の一例の図である。本発明に係る探針形状評価方法に係る探針形状の結果の一例の図である。本発明に係る探針形状評価方法に係る探針形状の結果の一例の図である。探針形状検定用サンプルにより探針の形状を測定する説明図である。探針形状検定用サンプルにより曲率半径の大きい探針の形状を測定する説明図である。従来の探針形状評価手法に係る探針形状の評価の概念図である。従来の探針形状評価手法に係る探針形状の評価の概念図である。

まず、本発明の探針形状評価方法に用いる走査型プローブ顕微鏡について図１を用いてその一例を説明する。
本発明の走査型プローブ顕微鏡においては、試料台１０の上に設置された被測定物Ｓａの表面に対し針先が向かうように配置されるとともに、被測定物Ｓａの表面に平行なＸ，Ｙ方向の走査と該被測定物Ｓａの表面に垂直なＺ方向の移動とを該被測定物Ｓａの表面に対して相対的に行える探針２ａを有するカンチレバー１と、該カンチレバー１を振動させることが可能なレバー加振手段４と、カンチレバー１の変位を検出するカンチレバー変位検出部５とを備えている。試料台１０は、３次元アクチュエータ９に取付けられており、探針２と被測定物Ｓａの表面とを前記Ｘ，ＹおよびＺ方向の相対的に移動させることが可能である。

３次元アクチュエータ９には、３次元アクチュエータ９を駆動して被測定物Ｓａの表面をＸ，Ｙ，Ｚ方向に走査させるＸＹ駆動機構７とＺ駆動機構８が接続されている。
また、ＸＹ駆動機構７とＺ駆動機構８は制御部６に接続されており、それによって制御されている。

次に、本発明に係る探針形状評価方法の実施形態について測定手順に沿って説明する。
本発明に係る探針形状評価方法では、まず、探針形状を測定したい曲率半径の大きい探針２ｂを有するカンチレバーを走査型プローブ顕微鏡に取り付け、走査型プローブ顕微鏡のサンプル保持部にウエハー上に先端の曲率半径が１０ｎｍ以下の先鋭な針状の構造を持つ探針形状検定用サンプルＳｂを載置する。

次に、図７に示すように探針形状を評価したい曲率半径の大きい探針２ｂを使用して探針形状検定用サンプルＳｂの形状を測定する。このとき、探針形状検定用サンプルＳｂの表面に存在する針状構造の１本が測定領域の中央付近になり、且つ針状構造で曲率半径の大きい探針２ｂの形状を測定するのに十分な範囲となるように測定領域を設定しておく。

そのようにして走査型プローブ顕微鏡で形状を測定することにより、探針形状検定用サンプルＳｂにより曲率半径の大きい探針２ｂの先端の半球形部分の先端形状が測定される。

次に、このようにして測定された探針の先端の半球形部分の形状Ａから、図２に示すように頂上部からの距離ｈにおける探針先端の半球形状の断面を円形として近似してその半径ｒを複数の距離ｈ_iにおいて測定する。ここで半球形状の半径ｒの求め方は、断面の面積Ｓを数２に代入することにより、断面の面積と同じ面積を持つ円の半径を求めて、断面を円で近似したときの半径とした。ここで、数２において、「Ｓ」は任意の位置における断面積、「ｒ」は断面を円で近似したときの半径、「π」は円周率である。

次に、それらの頂上からの距離ｈ_iと、各距離における断面の半径ｒ_iを数１に代入し、曲率半径の大きい探針２ｂの先端形状を半球形で近似したときの半径を算出し、それを探針２ｂの曲率半径とする。ここで、数１において、「ｈ」は先端からの距離、「ｒ」はｈにおける断面の半径、「Ｒ_tip」は探針の曲率半径である。
以上のように、探針２ｂの先端の曲率半径を算出することにより、探針の形状を評価することが可能である。

図３は、探針形状検定用サンプルＳｂを使用して探針先端形状を測定し、それを３次元表示した探針形状の測定結果Ａのデータを示す。探針２の先端が凸になるように表示されているが、この突起部分の最高部を探針２の先端とし、そこから垂直方向に任意の距離低い位置において、この突起形状を水平方向に輪切りにした断面は図４で示すようになる（ここでは１０ｎｍ、３０ｎｍ、６０ｎｍの位置で輪切りにした断面が表示されているが、輪切りにする位置は探針２の曲率半径よりも小さい複数の任意の位置である）。

図４は、図３の探針形状の測定結果Ａにおける先端からの任意の高さ（図では、１０，３０，６０ｎｍ）における断面形状を輪郭として表したものを示す。このように、断面形状は必ずしも円形とはならないが、断面の面積Ｓから同じ面積の円の半径を求めることにより、断面を円形で近似したときの円の半径が求まる。

このような方法で測定した、先端から任意の複数の距離と、その位置における断面の半径を、グラフに表示すると図５の点に示すようになり、図２の各点を数１により円で近似した場合の近似曲線は点線で示すようになる。

１カンチレバー
２，２ａ，２ｂ探針
３レバー部
４レバー加振手段
５カンチレバー変位検出部
６制御部
７ＸＹ駆動機構
８Ｚ駆動機構
９３次元アクチュエータ
１０試料台
１１表示部
Ｓａ被測定物（サンプル）
Ｓｂ探針形状検定用サンプル
Ａｔ探針の形状を測定する領域
Ａｓ探針形状測定用サンプルの形状を測定する領域
Ａ探針形状の測定結果

Claims

探針の先端形状を走査型プローブ顕微鏡により形状測定して、該探針の先端の先鋭度の評価を行う探針形状評価方法において、
前記走査型プローブ顕微鏡に備えた前記探針の先端を、対向配置した評価用試料の表面に対して、相対的に接触または所定間隔に接近させる近接工程と、
前記探針の先端と前記評価用試料の表面との間に働く物理量を一定としつつ所定の走査を行う走査工程と、
前記評価用の試料の表面形状を取得するデータ取得工程と、
前記取得したデータのうち、前記探針先端から下ろした中心軸上の所定の高さ（ｈ）及びその高さで測定した形状の外縁で形成される断面の面積（Ｓ）から求めた仮想円の半径（ｒ）を一組とするデータ組を、前記高さ（ｈ）を変更した２以上抽出するデータ抽出工程と、
当該２以上の抽出データ組の前記高さ（ｈ）および前記半径（ｒ）より前記探針の先端を球状と近似した場合の曲率半径（Ｒ_tip）を次式により算定する算定工程と、
を含むことを特徴とする探針形状評価方法。