JPH04335103A - 探針評価方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、走査形トンネル顕微鏡
や表面粗さ計に用いられる探針の形状を評価するための
探針評価方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査形トンネル顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎ
ｇ　Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ　；　
以降ＳＴＭと称する）は、図１１に示すように金属製の
探針１０１と導電性物質１０２との間に流れるトンネル
電流を制御することにより、物質の表面形状を原子のス
ケールで観測できる装置である。ＳＴＭは分解能がオン
グストローム・オーダーと非常に高いため、原子構造を
観測する以外の分野でも注目されている。

【０００３】例えばＳＴＭの他の利用法として、光ディ
スクの記録面形状の観測が挙げられる。光ディスクは周
知の通り、レーザビームのような光ビームにより情報を
光学的に記録再生できる記録媒体であり、情報は例えば
図１２に示すようにディスク２０１上にピット２０２な
どの凹凸の形で記録される。ＳＴＭで原子構造を観測す
る場合、観測範囲及び凹凸のスケールが小さく、特に探
針の先端の１原子からのトンネル電流で観測を行うこと
になる。これに対し、光ディスクでは凹凸のスケールが
原子と比較して非常に大きいため、ピットの中に探針の
先端が入って行かず、トンネル電流が探針の先端の１原
子から流れるとは限らない。その結果、同一サンプルで
ありながら、探針の先端形状の違いによってピットを全
く違った形状と評価してしまうことがある。

【０００４】図１３は、探針の先端形状の違いによる光
ディスクの断面形状の観測結果の違いを示したもので、
（ａ）は探針の先端形状が鈍い場合、（ｂ）は鋭い場合
である。探針の先端形状が鋭い場合、先端がより深部ま
で入り込めるので、実際のサンプル形状に近い観測結果
が得られる。しかし、探針の先端が鈍い場合は、先端が
深くまで入り込めないため、実際のサンプル形状から程
遠い観測結果となってしまう。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このように、光ディス
クの記録面形状など、原子の大きさより遥かに大きいス
ケールの対象物形状をＳＴＭで観測する場合、同一の対
象物形状でも探針の先端形状の違いによって全く異なっ
た観測結果が得られてしまい、正確な観測ができないと
いう問題がある。

【０００６】このような問題を避けるには、探針の先端
形状を評価し、先端形状の鋭い良好な形状の探針を用い
て対象物形状を観測したり、あるいは探針の先端形状か
ら実際の対象物形状の観測結果を補正することが望まれ
るが、従来においては探針の先端形状を適切に評価する
方法がなかった。本発明は、ＳＴＭなどに使用される探
針の先端形状を適切かつ効率的に評価するための探針評
価方法を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明に係る探針評価方法は、探針の先端で凹部ま
たは凸部を走査し、探針の変位に伴って得られる信号波
形と、凹部または凸部の実際の形状から、探針の先端形
状を評価することを特徴とする。

【０００８】

【作用】ＳＴＭ等における探針の先端で凹部または凸部
を走査すると、探針の変位に伴ってレベルが変化する信
号波形が得られる。この信号波形は、探針の先端形状と
凹部または凸部の実際の形状に依存して変化する。従っ
て、この信号波形と凹部または凸部の実際の形状から、
探針の先端の曲率半径や頂角などの先端形状が分かるこ
とになる。

【０００９】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。図１は、本発明に係る探針評価方法を説明するた
めの図である。

【００１０】図１に示すように、凹部２または孔（ピッ
ト）を有する探針評価用基板１を用意する。凹部２の寸
法はＳＴＭによる断面形状の観測対象である光ディスク
上のピットと同程度のオーダ、例えば直径０．８μｍ、
深さ０．０５μｍ程度以上とする。この基板１の上にＳ
ＴＭ３を置く。ＳＴＭ３は、探針４とこれをｘ方向、ｙ
方向およびｚ方向に変位させるアクチュエータ５を有す
る。アクチュエータ５は、例えばピエゾ素子を用いて構
成される。

【００１１】ＳＴＭ３を図１のように凹部２上に置いた
状態で、アクチュエータ５によって探針４を探針４と基
板１間を流れるトンネル電流が略一定となるようにｚ方
向を制御してｘ方向およびｙ方向に変位させ、探針４に
よって凹部２を走査する。図２は、探針評価用基板１の
凹部２付近の拡大断面図と、アクチュエータ５による探
針４の先端のｘ方向の走査軌跡６を示している。走査軌
跡６は、探針４の先端形状に起因して凹部２とは異なる
形状を示す

【００１２】図３は、予め走査形電子顕微鏡などで凹部
２の断面形状７を測定した結果と、ＳＴＭ３によって得
られるＳＴＭ像８および探針４の見積もられた先端形状
９の表示例である。ＳＴＭ像８は、アクチュエータ５に
よる探針４のｚ方向の変位に伴って変化する信号波形、
すなわちアクチュエータ５の駆動信号波形（電圧波形）
を基にして得られる。

【００１３】この図３において、凹部２の上部における
ＳＴＭ像８の幅Ｗ１は、凹部２の実際の幅Ｗ２（既知）
よりも、探針４の先端曲率半径Ｒの２倍（２Ｒ）分だけ
小さくなる。従って、次式（１）に示すようにＷ２から
Ｗ１を引いた値の半分が探針曲率半径Ｒとなる。 　　Ｒ＝（Ｗ２−Ｗ１）／２　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　（１）一方、次式（２）に示すように１８０°か
らＳＴＭ像８の二つの傾斜部のｘ方向での傾斜角θ１，
θ２の和を差し引くことにより、探針４の頂角θが分か
る。 　　　　　　θ＝１８０°−（θ１＋θ２）　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
（２）また、傾斜部に沿って２つの線を引き、それらの
線のなす角度から頂角θを求めることも可能である。こ
のようにして図３に示すように探針４の先端形状９を見
積もることができ、それによってＳＴＭ３による観測対
象である光ディスクサンプルの断面形状に対する探針４
の適否を評価することができる。また、上記のようにし
て求められたＲ，θの値を用いて、光ディスクの断面形
状観測データを補正して正しい観測結果を求めることも
可能である。

【００１４】次に、本発明による探針評価用基板の実施
例について説明する。図４の実施例は、探針評価用基板
１１に同一断面形状（例えば幅０．８μｍ、深さ０．１
μｍ程度）の複数の凹部１２をＳＴＭ３の走査範囲（１
０μｍ程度）より十分小さいピッチ（＝凹部１２の中心
間距離）、例えば１μｍ程度のピッチで形成したもので
ある。このような複数の凹部１２を十分小さいピッチで
形成した探針評価用基板１１を用いると、ＳＴＭ３を基
板１１上のどの位置においても、探針４がいずれかの凹
部に必ずかかるので、ＳＴＭ３の位置決めを特に必要と
しないという利点がある。

【００１５】この探針評価用基板の製造工程の一例を説
明する。まず、ガラス、金属、またはシリコンウェハな
どの基板上にスピナー（回転塗布装置）などによりフォ
トレジストを層状に塗布する。このフォトレジスト層を
凹部１２の形状を拡大したホールを有するマスクを用い
て縮小投影露光し、さらに現像して凹部１２のパターン
に従ったホールを形成する。次に、この基板をスパッタ
装置などでエッチングして凹部を形成し、その後フォト
レジスト層を除去することによって、凹部１２を有する
探針評価用基板１１を得る。なお、フォトレジスト層を
残して、フォトレジスト層のホールを凹部１２としても
よい。

【００１６】ＳＴＭのように対象が導電性であることを
要求される測定装置に対しては、基板材料がガラスなど
の非導電性材料である場合、その表面に例えばＡｕ，Ｐ
ｔなどの大気中で酸化膜を形成しない導電性材料を用い
て、スパッタなどにより導電膜をコーティングする必要
がある。

【００１７】図５は、この探針評価用基板１１上をＳＴ
Ｍ３で走査した時に得られるＳＴＭ像（ＳＴＭ３によっ
て観測された断面形状）を示したもので、（ａ）は探針
４の先端形状が鈍い場合、（ｂ）は鋭い場合である。す
なわち、探針４の先端形状が鈍い場合には、探針４の先
端が凹部１２の底面まで届かないため、凹部１２の断面
形状を正しく観測できず、図５（ａ）のように実際より
小さく観測してしまうことになる。一方、探針４の先端
部が十分鋭い場合は、探針４の先端が凹部１２の底面ま
で届くことにより、図５（ｂ）のように凹部１２の断面
形状を正しく観測することができる。図５（ｂ）のよう
な探針４が凹部１２の底面まで届いた観測結果が得られ
れば、１回の観測で探針４の先端形状を一方向（一つの
ｘ方向）のみでなく、３６０°の方向について見積もる
ことができる。

【００１８】図６の実施例は、探針評価用基板２１に断
面形状のそれぞれ異なる複数の凹部２２をＳＴＭ３の走
査範囲より十分小さい１μｍ程度のピッチで形成したも
のである。凹部２２は例えば深さが０．１μｍ一定で、
幅が０．４〜１．２μｍの範囲において０．１μｍステ
ップ程度で変化するものとする。この場合のＳＴＭ像を
示したのが図７である。このような断面形状の異なる複
数の凹部２２を十分小さいピッチで形成した探針評価用
基板２１を用いると、図４の実施例と同様の効果が得ら
れるほか、実際に断面形状を測定したい光ディスクのピ
ットサイズなどを考慮しながら凹部２２の寸法を設定す
ることにより、探針４で実際に観測可能かどうかの判断
を容易に行うことができる。また、ＳＴＭ像の観測結果
から探針４で観測できるピットの最小寸法を知ることも
容易である。

【００１９】図８の実施例は、探針評価用基板３１に深
さを０．１μｍ一定とし、溝幅を０．５〜０．９μｍ程
度の範囲において０．１μｍステップ程度で変化させた
複数本の溝３２を所定ピッチで形成したものである。こ
のような探針評価用基板３１を用いると、一回の観測で
どの程度の溝幅まで観測可能かどうかを判定することが
できる。

【００２０】図９の実施例は、探針評価用基板４１に深
さを０．１μｍとし、溝幅が０．５〜０．９μｍ程度の
範囲において０．１μｍステップ程度で変化させた断面
Ｖ字状の複数本の溝４２を所定ピッチで形成したもので
ある。ＳＴＭ３の探針４の先端は、有限の曲率半径を持
つため、Ｖ字状の溝の断面形状を底部まで正しく観測で
きない。これに対して、本実施例のような探針評価用基
板４１を用いると、どの程度の溝幅まで観測可能かどう
かを判定することができるので、溝の深さの補正が可能
となる。

【００２１】このように、凹部または凸部がそれぞれ複
数個形成された探針評価用基板を用いれば、特にＳＴＭ
のように探針の走査範囲が非常に狭い場合でも、探針を
基板上に当てた時いずれかの凹部または凸部に必ず探針
の走査範囲がかかるようになる。従って、ＳＴＭなどの
測定装置の煩雑な位置決めが不要となり、評価の手順が
容易となる。

【００２２】これら図８および図９の実施例は、追記型
光ディスクや書き替え可能型光ディスクに予め形成され
るガイド溝の断面形状を観測するためのＳＴＭ探針の評
価に適している。

【００２３】図１０の実施例は、探針評価用基板５１に
凹部５２と凸部５３を混在させたものであり、情報が凹
部として記録された光ディスクおよび凸部として記録さ
れた光ディスクの両方に対して適用することができるも
のである。

【００２４】なお、上記実施例ではＳＴＭの探針評価に
ついて説明したが、表面粗さ計の探針や、ＳＴＭを利用
した原子間力顕微鏡の探針などの評価にも、本発明の探
針評価方法および探針評価用基板を適用することが可能
である。

【００２５】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によればＳＴ
Ｍなどの探針の先端形状を評価することができる。これ
によってＳＴＭなどの測定装置による光ディスクの断面
形状の観測を適確に行うことが可能となる。

【００２６】また、凹部または凸部がそれぞれ複数個形
成された探針評価用基板を用いることにより、ＳＴＭの
ように探針の走査範囲が非常に狭い場合でも、探針を基
板上に当てた時いずれかの凹部または凸部に必ず探針の
走査範囲がかかるようにすることができ、ＳＴＭなどの
煩雑な位置決めが不要となる。

【００２７】さらに、探針評価用基板に径や幅を種々変
化させた凹部または凸部を形成することで、ＳＴＭなど
の観測結果から補正値を求め、実際の光ディスクのピッ
トなどの測定対象の断面形状測定データに補正を加える
ことも可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】　　本発明による探針評価方法の概要を説明す
るための図

【図２】　　図１の要部を拡大して示す図

【図３】　　
本発明の一実施例に係る探針評価方法の原理を説明する
ための図

【図４】　　本発明の一実施例に係る探針評価用基板の
斜視図

【図５】　　同実施例の探針評価用基板を用いた場合の
ＳＴＭによる観測結果を示す図

【図６】　　本発明の他の実施例に係る探針評価用基板
の斜視図

【図７】　　同実施例の探針評価用基板を用いた場合の
ＳＴＭによる観測結果を示す図

【図８】　　本発明の他の実施例に係る探針評価用基板
の斜視図

【図９】　　本発明の他の実施例に係る探針評価用基板
の斜視図

【図１０】本発明の他の実施例に係る探針評価用基板の
斜視図

【図１１】ＳＴＭの原理図

【図１２】光ディスクの断面形状を示す図

【図１３】Ｓ
ＴＭによる光ディスクの観測結果を示す図。

【符号の説明】

１…探針評価用基板　　　　　　　　　　　　　　　　
　　２…凹部３…ＳＴＭ　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　４…探針５…アクチュエータ
　　　　　　　　　　　　　　　　　　６…探針の走査
軌跡 ７…凹部断面形状　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　８…ＳＴＭ像９…見積もられた探針先端形状　　
　　　　　　１１，２１，３１，４１，５１…探針 評価用基板　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　２２，５２…凹部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】探針の先端で凹部または凸部を走査し、探
   針の変位に伴って得られる信号波形と、凹部または凸部
   の実際の形状から、探針の先端形状を評価することを特
   徴とする探針評価方法。