JP7192035B2 - 熱感知探針を利用して特定空間の熱分布を測定するための方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱感知探針を利用して特定空間の熱分布を測定するための方法、光源のビームスポットを検出するための方法及び装置に関する。

走査探針顕微鏡（ＳＰＭ、Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）は、ＭＥＭＳ工程等を通して作製された微細なプローブを試料の表面上にスキャンさせながら（Ｓｃａｎｎｉｎｇ）、その試料の表面特性を測定して３Ｄイメージで示す顕微鏡をいう。このような走査探針顕微鏡は、測定方式によって、原子顕微鏡（ＡＦＭ、Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）、走査トンネリング顕微鏡（ＳＴＭ、Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）等に細分化され得る。

原子顕微鏡は、カンチレバー（ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ）の一側に形成されたチップ（ｔｉｐ）を試料表面に近づける時に生じる原子間の相互作用力を測定して試料表面を測定する。しかし、チップには、試料とチップの端部間の原子間の相互作用力以外に他の力が作用され得る。例えば、チップを磁化させた場合、試料の磁力がチップに力を作用させることができ、試料の磁気特性を測定することもできる。これは、ＭＦＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）と称される測定方式と呼ばれる。その他にも多様な種類のチップを使用して多様な試料表面の特性を測定できる応用モードが開発されており、ＥＦＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）、ＳＣＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）等が例に挙げられる。

原子顕微鏡の様々な応用モードのうち、熱感知探針を活用して、試料表面の温度変化を測定するか（これをＴＣＭという）、試料表面の熱伝導率を測定する（これをＣＣＭという）応用モードを走査型熱顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ、ＳＴｈＭ）という。

一般に、走査型熱顕微鏡は、試料表面の温度変化、熱伝導率を測定するものと利用されてきている。

本発明は、前記のような問題点を解決するために案出されたものであって、本発明において解決しようとする課題は、熱感知探針を利用して特定空間の熱分布を測定するための方法、光源のビームスポットを検出するための方法及び装置を提供することにある。

本発明の課題は、以上において言及した課題に制限されず、言及されていないまた他の課題は、下記の記載から当業者に明確に理解され得るだろう。

前記課題を解決するための本発明の一実施例に係る方法は、特定空間の熱分布を測定するための方法であって、温度変化を測定できる熱感知探針を前記特定空間内で線形的に移動させるステップ；及び、前記移動させるステップの間、前記熱感知探針から得られる連続的な温度変化値を利用して前記特定空間の熱分布を算出するステップ；を含む。

前記課題を解決するための本発明の一実施例に係る方法は、光源のビームスポット（ｂｅａｍ ｓｐｏｔ）を検出するための方法であって、前記ビームスポットが結像するように前記光源が第１方向に光を照射するステップ；探針の端が前記第１方向と略反対方向に向かいながら前記ビームスポットが結像した周辺部に位置されるように、熱感知探針を位置させるステップ；前記熱感知探針を前記第１方向と略垂直な方向に移動させながら、温度変化値を測定するステップ；及び、測定された前記温度変化値からビームスポットを検出するステップ；を含む。

前記課題を解決するための本発明の一実施例に係る光源のビームスポット検出装置は、光源を含み、前記光源から光が特定箇所でビームスポットを形成するように構成される光学系；前記光源からの光の進行方向と略反対方向に向かって探針の端が向かうように配置される熱感知探針；前記熱感知探針を移動させることができるように構成される移動手段；及び、前記移動手段の移動を制御し、前記熱感知探針から情報を得て前記熱感知探針の移動経路上の温度変化を計算する制御装置；を含む。

本発明の他の特徴によれば、前記ビームスポットの形状が視認可能であるようにＣＣＤカメラがさらに含まれる。

本発明の熱感知探針を利用して特定空間の熱分布を測定するための方法、光源のビームスポットを検出するための方法及び装置によれば、熱感知探針で小さな空間内の温度分布をマッピングすることができ、それを利用してビームスポットを正確に検出することができる。

ＸＹスキャナとＺスキャナが分離された原子顕微鏡の概略的な斜視図である。 ビジョン装置を含む光学系を側面から示した概念図である。 熱感知探針を移動させる移動手段の例示を示した図である。 図２の中性濃度フィルタを変更していきながら熱感知探針を使用してＸ方向の熱分布を測定したグラフである。 特定空間の熱分布を測定するための方法のフローチャートである。 光源のビームスポットを検出するための方法のフローチャートである。

本発明の利点及び特徴、そして、それらを達成する方法は、添付の図面と共に詳細に後述されている実施例を参照すると、明確になるだろう。しかし、本発明は、以下において開示される実施例に限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態に具現され、単に、本実施例は、本発明の開示が完全なものとなるようにし、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものであり、本発明は、請求項の範疇により定義されるだけである。

第１、第２等が多様な構成要素を述べるために使用されるが、これらの構成要素は、これらの用語により制限されないことはもちろんである。これらの用語は、単に一つの構成要素を他の構成要素と区別するために使用するものである。従って、以下において言及される第１構成要素は、本発明の技術的思想内で第２構成要素であってもよいことはもちろんである。併せて、第１コーティング後、第２コーティングを行うと記載したとしても、その反対の順にコーティングを行うことも本発明の技術的思想内に含まれることはもちろんである。

本明細書において図面符号を使用するにあたって、図面が異なる場合でも同じ構成を示している場合は、できるだけ同じ図面符号を使用する。

図面で示された各構成の大きさ及び厚さは、説明の便宜のために示されたものであり、本発明は、示された構成の大きさ及び厚さに必ずしも限定されるものではない。

本発明の一実施例による方法と装置は、必ずしも原子顕微鏡を利用するか、原子顕微鏡の一部の構成を採用する必要はない。しかし、原子顕微鏡の構成を利用して本発明の方法と装置が具現され得るので、以下においては、まず、原子顕微鏡の構成について説明する。

図１は、ＸＹスキャナとＺスキャナが分離された原子顕微鏡の概略的な斜視図である。

図１を参照すると、原子顕微鏡１０００は、ヘッド１１１０と、ＸＹスキャナ１１２０と、ＸＹステージ１１３０と、Ｚステージ１１４０と、固定フレーム１１５０と、ビジョン装置１１６０を含んで構成される。

ヘッド１１１０は、Ｚスキャナ１１１１と、プローブハンド１１１２を含む。Ｚスキャナ１１１１は、プローブハンド１１１２を上下に変位させ、アクチュエータとしては、ピエゾスタックが活用され得る。プローブハンド１１１２は、Ｚスキャナ１１１１の駆動を端部に固定されるプローブ１０に伝達する。

ＸＹスキャナ１１２０は、測定対象１をＸＹ平面でＸ方向及びＹ方向にスキャンするように構成される。また、ＸＹステージ１１３０は、測定対象１、ＸＹスキャナ１１２０を相対的に大きな変位でＸ方向及びＹ方向に移動させるように構成される。

また、Ｚステージ１１４０は、ヘッド１１１０を相対的に大きな変位でＺ方向に移動させるように構成される。また、固定フレーム１１５０は、ＸＹステージ１１３０とＺステージ１１４０を固定するように構成される。

ビジョン装置１１６０は、プローブ１０を拡大して示すか、測定対象１を示すことができるように構成される。ビジョン装置１１６０は、図１において簡略化して示したが、鏡筒、対物レンズ、光供給装置及びＣＣＤカメラを含み、光供給装置から光の供給を受けて対物レンズにより拡大された画像をＣＣＤカメラで視認可能に変換して別途のディスプレイ装置により見られ得るように構成される。詳細は、図２を参照してさらに説明する。

また、ビジョン装置１１６０は、固定フレーム１１５０に固定され得る。しかし、これとは異なり、固定フレーム１１５０に固定されず、他の部材により固定されてもよい。

また、ビジョン装置１１６０は、Ｚ軸に移動され得るように構成され、探針１１０が見られるようにするか、測定対象１の表面が見られるようにすることもできる。即ち、ビジョン装置１１６０の焦点は、Ｚ軸に沿って変更され得る。

このような構成は、一般的な原子顕微鏡の構成に該当し、本明細書に含まれていない技術的事項は、本出願人である（株）パークシステムズの商用化されたＮＸ１０ＴＭ等の製品に反映された事項を参照して追加できる。

図２は、ビジョン装置を含む光学系を側面から示した概念図であり、図３は、熱感知探針を移動させる移動手段の例示を示した図である。

図２を参照すると、光学系２０００は、図１のビジョン装置１１６０を含んで構成される。

ビジョン装置１１６０は、鏡筒１１６１と、ＣＣＤカメラ１１６２と、対物レンズ１１６３と、照明ソース１１６４を含んで構成される。鏡筒１１６１の下側には対物レンズ１１６３が連結され、上側にはＣＣＤカメラ１１６２が連結されて、対物レンズ１１６３により拡大された像がＣＣＤカメラ１１６２に結像する。鏡筒１１６１の一側に照明ソース１１６４が例えば白色光を供給してＣＣＤカメラ１１６２の視認性を担保する。このようなビジョン装置１１６０は、本出願人である（株）パークシステムズの商用化されたＮＸ１０ＴＭ等に反映された構成と同一である。

光源Ｒのビームスポット（ｂｅａｍ ｓｐｏｔ）を検出するためには、ビジョン装置１１６０の他にさらなる構成が必要である。

まず、測定の対象となる光源Ｒは、光を放出すればいかなる種類でも構わないが、本実施例においては、光源Ｒはレーザ光を放出するレーザ装置として説明する。さらに具体的には、光源Ｒは、ビームスポットが結像するように調整されたレーザ装置であって、６３３ｎｍの波長のヘリウム－ネオンレーザ（Ｈｅ－Ｎｅ ｌａｓｅｒ）装置であってよい。

光源Ｒの光は、少なくとも第１方向（図２においては－ｚ方向）に進行する。光源Ｒが直接第１方向に光を進行させることもできるが、ＣＣＤカメラ１１６２を光源Ｒが隠すようになるので、複数のミラーＭ及びビームスプリッタ（Ｂｅａｍ Ｓｐｌｉｔｅｒ）ＢＳを図２のように配置して最終的な光の進行方向を第１方向に変更することが好ましい。

このとき、ビームスプリッタＢＳは、鏡筒１１６１内に設けられることが好ましい。そして、光の経路上には中性濃度フィルタ（Ｎｅｕｔｒａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｆｉｌｔｅｒ）ＮＤが配置され得る。中性濃度フィルタＮＤは、所望の通り光の透過量を減少させる機能を果たすことができる。

図２において、光源Ｒ、ミラーＭ及びビームスプリッタＢＳは、光を生成し、ビームスポットを形成させる光学系として機能する。

熱感知探針１００は、探針１１０の端が第１方向と略反対方向に向かいながらビームスポットが結像した周辺部に位置される。ここで、第１方向と略反対方向とは、正確に図２での＋Ｚ方向を含み、第１方向の反対方向と３０゜以内の方向に探針１１０の端が向かう方向を意味する。即ち、熱感知探針１００の探針１１０の端が温度変化を感知できるようにビームスポットに向かえばよい。

熱感知探針１００は、商用化されてＳＴｈＭチップとも呼ばれ、探針１１０で温度変化Ｔを感知できる原子顕微鏡用探針である。具体的に、熱感知探針１００として温度変化によって出力される抵抗が変動するように構成される商用化された探針を使用すればよい。例えば、熱感知探針１００として、ＡＮＡＳＹＳ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ社のＴｈｅｒｍａＬｅｖｅｒ Ｐｒｏｂｅ、ＮＴ－ＭＤＴ Ｓｐｅｃｔｒｕｍ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社のＳＴｈＭ＿Ｐ等が非制限的に使用され得る。

熱感知探針１００は、空間を移動しながら移動された空間の温度変化を測定する。熱感知探針１００は、移動手段により移動され得る。

熱感知探針１００の移動手段は、多様に採用され得るが、図３のように原子顕微鏡１０００の構成のうち一部を採用して備えてもよい。

図３の（ａ）のように、ＸＹスキャナ１１２０が移動手段として採用され得る。また、図３の（ｂ）のように、Ｚスキャナ１１１１及びプローブハンド１１１２が移動手段として採用され得る。

ＸＹスキャナ１１２０を移動手段として採用すれば、ＸＹ平面上で熱感知探針１００を利用して熱分布を測定できる。また、Ｚスキャナ１１１１及びプローブハンド１１１２を移動手段として採用すれば、Ｚ方向上で熱感知探針１００を利用して熱分布を測定できる。

図２のような構成を活用して、光源Ｒのビームスポットを検出するためには、ＸＹ平面上での熱分布を確認することで十分である。従って、光源Ｒのビームスポットを検出するために、移動手段として図３の（ａ）のようなＸＹスキャナ１１２０を採用することが好ましい。

図４は、図２の中性濃度フィルタを変更していきながら熱感知探針を使用してＸ方向の熱分布を測定したグラフである。

図４を参照すると、中性濃度フィルタＮＤを使用しない場合、二点鎖線で示されたような熱分布を有するビームスポットが形成されたことを確認することができる。また、中性濃度フィルタＮＤのフィルタファクタ（ｆｉｌｔｅｒ ｆａｃｔｏｒ）を高めることで光の透過率を下げる場合、ビームスポットの中心は維持されながら温度が低くなることも確認することができる。

従って、図４のように熱感知探針１００を利用して空間内で移動させるだけで移動中の温度変化Ｔが続いて測定され、これを累積して合算すると空間内の熱分布についてのデータを得ることができる。これを通して、ビームスポットを検出できるようになる。

熱感知探針１００で情報を受信して、熱感知探針１００の移動経路上の温度変化を計算することは図示しない制御装置で遂行される。この制御装置は、移動手段の移動を制御する機能も果たすことができる。制御装置は、上述した原子顕微鏡１０００のコントローラに統合されてもよい。

図５は、特定空間の熱分布を測定するための方法のフローチャートであり、図６は、光源のビームスポットを検出するための方法のフローチャートである。

図５を参照すると、特定空間の熱分布を測定するための方法は、温度変化を測定できる熱感知探針１００を特定空間内で線形的に移動させるステップ（Ｓ１１０）、及び移動させる間、熱感知探針１００から得られる連続的な温度変化値を利用して特定空間の熱分布を算出するステップ（Ｓ１２０）を含む。

ここで、特定空間がＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向のいずれにも長さを有する空間であれば、その空間をグリッド（ｇｒｉｄ）に分けて、そのグリッドを熱感知探針１００の探針１１０が全て通るように経路を設定できる。熱感知探針１００は、特定空間を全て通るようになり、温度変化値は続いて累積されて特定空間の熱分布をマッピングできるようになる。

図６を参照すると、光源のビームスポットを検出するための方法は、光照射ステップ（Ｓ２１０）、熱感知探針位置ステップ（Ｓ２２０）、温度変化値測定ステップ（Ｓ２３０）、及びビームスポット検出ステップ（Ｓ２４０）を含んでなる。本方法は、既に図２を参照して説明したが、具体的に再び説明する。

光照射ステップ（Ｓ２１０）は、光源Ｒが第１方向に光を照射してビームスポットを結像させるステップである。図２において、第１方向は－ｚ方向である。

熱感知探針位置ステップ（Ｓ２２０）は、熱感知探針１００の探針１１０の端が第１方向と略反対方向に向かいながらビームスポットが結像した周辺部に位置されるように、熱感知探針１００を位置させるステップである。図２を参照すると、熱感知探針１００の探針１１０の端は、＋ｚ方向に向かう。

ここで、熱感知探針位置ステップ（Ｓ２２０）が先に遂行され、光照射ステップ（Ｓ２１０）が後で遂行されても構わず、各ステップが同時に遂行されても構わない。

以後、熱感知探針を第１方向と略垂直な方向に移動させながら、温度変化値を測定する（Ｓ２３０）。即ち、熱感知探針１００を図２でのＸＹ平面上で移動させる。例えば、熱感知探針１００は、Ｘ軸に沿って移動されてもよく、Ｙ軸に沿って移動されてもよい。

ここで、「略垂直な方向」は、第１方向（－ｚ方向）と完全に垂直な方向だけではなく、±１０゜以内の角をなす方向も含む。即ち、熱感知探針１００の移動方向は、光の進行方向と完全に垂直であれば最も好ましいが、若干傾くとしてもビームスポットを検出するには問題がない。

以後、測定された温度変化値からビームスポットを検出する（Ｓ２４０）。図４のように温度分布を測定することでビームスポットを検出することができる。

以上、添付の図面を参照して本発明の実施例を説明したが、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者は、本発明のその技術的思想や必須な特徴を変更することなく他の具体的な形態で実施され得るということが理解できるだろう。それゆえ、以上において記述した実施例は、全ての面で例示的なものであり、限定的ではないものと理解すべきである。

１０００…原子顕微鏡
１１１０…ヘッド
１１１１…Ｚスキャナ
１１１２…プローブハンド
１１２０…ＸＹステージ
１１３０…ＸＹスキャナ
１１４０…Ｚステージ
１１５０…固定フレーム
１１６０…ビジョン装置
１１６１…鏡筒
１１６２…カメラ
１１６３…対物レンズ
１１６４…照明ソース
１００…熱感知探針

Claims (9)

1. 特定空間の熱分布を測定するための方法であって、
   温度変化を測定できる熱感知探針を前記特定空間内で線形的に移動させるステップ；
   前記移動させるステップの間、前記熱感知探針から得られる連続的な温度変化値を利用して前記特定空間の熱分布を算出するステップ；
   光源からのビームスポットが結像するように、前記光源が第１方向に光を照射するステップ；及び
   前記熱感知探針の端が前記第１方向と略反対方向に向かいながら前記ビームスポットが結像した周辺部に位置されるように、熱感知探針を位置させるステップ；
   を備え、
   前記熱感知探針を線形的に移動させるステップが、
   前記熱感知探針を前記第１方向と略垂直な方向に移動させながら、温度変化値を測定するステップ
   を含み、
   前記特定空間の熱分布を算出するステップが、
   測定された前記温度変化値からビームスポットを検出するステップを含む、方法。
2. 前記温度変化を測定できる熱感知探針は、前記温度変化によって変動する抵抗に基づいて温度変化を測定するように構成される、請求項１に記載の方法。
3. 前記光源が第１方向に照射する前記光の経路上に中性濃度フィルタを配置して、前記光の透過量を減少させるステップ、を更に備える、
   請求項２に記載の方法。
4. 前記中性濃度フィルタの透過率を変更するステップを更に備える、請求項３に記載の方法。
5. 特定空間の熱分布を測定するための装置であって、
   温度変化を測定可能な熱感知探針と、
   前記熱感知探針を前記特定空間内で線形的に移動させるように構成された移動手段と、
   前記移動の間、前記熱感知探針から得られる連続的な温度変化値を利用して前記特定空間の熱分布を算出するように構成された制御装置と、
   光源を含み、前記光源から光が特定箇所でビームスポットを形成するように構成される光学系と、
   を備え、
   前記熱感知探針は、前記光源からの光の進行方向と略反対方向に向かって探針の端が向かうように配置され、
   前記制御装置は、前記移動手段の移動を制御し、前記熱感知探針から情報を得て前記熱感知探針の移動経路上の温度変化を計算するように構成される、装置。
6. 前記温度変化を測定できる熱感知探針は、前記温度変化によって変動する抵抗に基づいて温度変化を測定するように構成される、請求項５に記載の装置。
7. 前記ビームスポットの形状が視認可能であるようにＣＣＤカメラを更に備える、請求項６に記載の装置。
8. 前記光源からの前記光の経路上に配置され、前記光の透過量を減少させるように構成される中性濃度フィルタを更に備える、請求項６または７に記載の装置。
9. 前記中性濃度フィルタは、透過率が変更可能に構成される、請求項８に記載の装置。

Images