JPH0835975A

JPH0835975A - 微細探針形状測定器および微細探針形状測定方法

Info

Publication number: JPH0835975A
Application number: JP17054294A
Authority: JP
Inventors: Masao Nagase; 雅夫永瀬; Kenji Kurihara; 健二栗原; Hideo Ikutsu; 英夫生津; Kazumi Iwatate; 和己岩立; Katsumi Murase; 克実村瀬
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 1994-07-22
Filing date: 1994-07-22
Publication date: 1996-02-06

Abstract

(57)【要約】【目的】微細探針の先端の形状を正確に把握し、しか
も短時間に測定する。【構成】Ｓｉ（０１１）基板１１の上面を主面１２と
し、主面１２に垂直なＳｉ（１１−１）面を側壁１３と
した高さ１００ｎｍの段差１４を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は走査型プローブ顕微鏡
用の微細探針の形状を測定する微細探針形状測定器およ
び微細探針形状測定方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】最近、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：
Scanning Probe Microscope）、特に原子間力顕微鏡
（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope）の登場により非
常に微細な構造、粗さを計測できるようになり、非常に
広い産業上の利用範囲が考えられる。

【０００３】ところで、各種加工技術の進展の流れは、
微細化の流れといってもよいほどの状況である。そのな
かで、特にＬＳＩの製造技術はその最も良い例であり、
微細化が直接その性能に結びつく。このような、加工技
術を支える重要な技術分野のなかに、各種の顕微鏡によ
る検査技術がある。当初、光学顕微鏡で行なわれていた
各種検査は、サブミクロンの時代に入り走査型電子顕微
鏡（ＳＥＭ）が必須のものとなった。しかし、微細化が
さらに進み、０．１μｍを切る可能すらある。このよう
な、微細な構造の観察においては、走査型電子顕微鏡に
おいては各種の問題が生ずる。すなわち、走査型電子顕
微鏡は基本的には電子線照射により試料表面から生ずる
２次電子を検出し像を得ている。このため、材料によっ
ては２次電子放出領域の広がりである１０ｎｍ程度以上
の分解能は得ることはできない。さらに、チャージアッ
プ、コンタイミネーション等が像に対して大きな影響を
与える。これらの影響が、本来２次電子像は実際の構造
の形状を正確には反映していないという事実とあいまっ
て、その構造把握を非常に困難なものとする。このた
め、微細な構造の形状を正確に把握できる顕微鏡技術が
求められている。その、候補として走査プローブ顕微鏡
がある。

【０００４】走査型プローブ顕微鏡は、その登場以来、
本来持つ高い空間分解能と簡便な装置構成により、非常
に広い分野で利用されるようになった。特に、大気中で
動作が可能な原子間力顕微鏡とその系統に属する各種顕
微鏡例えば摩擦力顕微鏡（ＬＦＭ）、磁気力顕微鏡（Ｍ
ＦＭ）、電気力顕微鏡（マックスウェル顕微鏡）等は各
種の材料の表面の観察に広く用いられている。これらの
顕微鏡の共通的な特徴は、先鋭な先端を有する微細探針
と試料との間の相互作用を微細探針の取り付けられてい
るカンチレバー（片持ち梁）の変位を検出することで知
り、さらにその微細探針を２次元的に走査することによ
り、その情報の２次元分布が得られることにある。従っ
て、微細探針の先端形状は得られる２次元分布情報像に
対して大きく影響する。例えば、最も基本的な顕微鏡で
ある原子間力顕微鏡においては、その得られる情報は微
細探針が接触している部分の高さ情報であるため、その
先端形状は直接的に得られる像に反映することになる。
しかし、これまでこれら走査型プローブ顕微鏡では比較
的平坦な試料観察のみが行なわれており、このような観
察では微細探針の先端形状は像に対してほとんど影響し
ない。このため、その微細探針の先端形状にはあまり注
意が払われていないのが現状である。しかし、例えばＬ
ＳＩ工程中の試料には大きな段差構造がある。実際、図
７に示すような高さが１０ｎｍの側壁２を有する段差３
が設けられた基板１を、例えば先端径が３０ｎｍの微細
探針４で観察する場合、微細探針４が段差３の角部と接
触している間は、微細探針４の最先端部は基板１と接触
しないから、段差３の測定形状は図８に示すようにな
り、長さＬが約２０ｎｍものぼけが生じ、実効的な分解
能が劣化する。この分解能劣化を防止するには微細探針
の先端径を小さくすれば良いように思われる。現状で、
先端径が１０ｎｍ程度の微細探針も製造されている。し
かし、微細探針は全体としては一般にコーン状の形状を
しており、この部分の形状も像に影響を及ぼす。特に、
段差が大きくなればなるほどこの影響は大きくなる。こ
のような、本質的な問題があるため、これまで走査型プ
ローブ顕微鏡は段差の大きなパターンを有する試料の観
察には向かないとされてきた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、微細探
針の形状のためある程度の高さがある構造の正確な把握
ができない。しかし、微細探針の先端の形状が正確に把
握できれば、数学的な計算を行なうことにより、高さが
ある構造をかなり正確に把握することができる。しかし
ながら、現状では微細探針の先端形状の正確な把握が非
常に困難である。これは、微細探針の先端径が数ｎｍ〜
数十ｎｍと非常に小さいことに起因する。このオーダー
で正確な形状を把握するには透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）
が最も適しているが、観察には多大な時間がかかり実用
的ではない。また、走査型電子顕微鏡でも可能なスケー
ルではあるが、観察時のコンタミネーションにより先端
の形状が変化してしまうため使用できない。

【０００６】この発明は上述の課題を解決するためにな
されたもので、微細探針の先端の形状を正確に把握で
き、しかも短時間に測定することができる微細探針形状
測定器、微細探針形状測定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】この課題を解決するた
め、この発明においては、主面に単結晶の１つの面を用
い、上記主面に垂直に近い結晶面を側壁とした段差を設
ける。

【０００８】また、主面に単結晶の１つの面を用い、上
記主面に垂直に近い結晶面を両側壁とした溝を設ける。

【０００９】また、主面に単結晶の１つの面を用い、上
記主面に垂直に近い結晶面を側壁とした段差を有する微
細探針形状測定器の上記主面と上記側壁との交線に直交
する方向に微細探針を走査して上記段差の測定形状を求
め、上記段差の測定形状から上記微細探針の形状を求め
る。

【００１０】また、主面に単結晶の１つの面を用い、上
記主面に垂直に近い結晶面を両側壁とした溝を有する微
細探針形状測定器の上記主面と上記側壁との交線に直交
する方向に微細探針を走査して上記溝の測定形状を求
め、上記溝の測定形状から上記微細探針の形状を求め
る。

【００１１】

【作用】この微細探針形状測定器、微細探針形状測定方
法においては、走査型電子顕微鏡を用いる必要がなく、
しかも透過電子顕微鏡を用いる必要がない。

【００１２】

【実施例】図１はこの発明に係る微細探針形状測定器の
一部を示す斜視図である。図に示すように、Ｓｉ（０１
１）基板１１の上面が主面１２とされ、主面１２に垂直
なＳｉ（１１−１）面を側壁１３とした高さ１００ｎｍ
の段差１４が設けられている。

【００１３】つぎに、図１に示した微細探針形状測定器
を用いた微細探針形状測定方法、すなわちこの発明に係
る微細探針形状測定方法を図２により説明する。まず、
先端形状を知りたい微細探針により微細探針形状測定器
の段差１４部を主面１２と側壁１３との交線に垂直な方
向に原子間力顕微鏡により走査して、図２(ａ)に示すよ
うな段差１４部の測定形状を求める。つぎに、図２(ａ)
に示す測定形状の主面１２に相当する平坦部を取り除
き、残りの部分すなわち線ａ（Ａ−Ｂ）を１８０°回転
した形状（図２(ｂ)）求める。すると、微細探針の先端
形状すなわち微細探針を主面１２と直角でかつ走査方向
を含む平面で切断した部分の片側の形状を求めることが
できる。

【００１４】この微細探針形状測定器、微細探針形状測
定方法においては、走査型電子顕微鏡を用いる必要がな
いから、微細探針の先端の形状を正確に把握でき、しか
も透過電子顕微鏡を用いる必要がないから、短時間に測
定することができる。

【００１５】図３はこの発明に係る他の微細探針形状測
定器の一部を示す斜視図である。図に示すように、Ｓｉ
（０１１）基板１５の上面が主面１６とされ、主面１６
に垂直なＳｉ（１１−１）面、Ｓｉ（−１−１１）面を
両側壁１８、１９とした幅２００ｎｍ、深さ１００ｎｍ
の溝１７が設けられている。

【００１６】つぎに、図３に示した微細探針形状測定器
を用いた微細探針形状測定方法、すなわちこの発明に係
る他の微細探針形状測定方法を図４により説明する。ま
ず、先端形状を知りたい微細探針により微細探針形状測
定器の溝１７部を主面１６と側壁１８、１９との交線に
垂直な方向に原子間力顕微鏡により走査して、図４(ａ)
に示すような溝１７部の測定形状を求める。つぎに、図
４(ａ)に示す測定形状の主面１６、溝１７の底面に相当
する平坦部を取り除き、残りの部分すなわち線ａ（Ａ−
Ｂ）、線ｂ（Ｃ−Ｄ）をそれぞれ１８０°回転し、点Ａ
と点Ｃとを合わせた形状（図４(ｂ)）求める。すると、
微細探針の先端形状すなわち微細探針を主面１６と直角
でかつ走査方向を含む平面で切断した部分の両側の形状
を求めることができる。

【００１７】この微細探針形状測定器、微細探針形状測
定方法においては、走査型電子顕微鏡を用いる必要がな
いから、微細探針の先端の形状を正確に把握でき、しか
も透過電子顕微鏡を用いる必要がないから、短時間に測
定することができる。また、１回の測定で微細探針の両
側の形状を把握することができ、効率的である。

【００１８】つぎに、図５により図３に示した微細探針
形状測定器の製造方法を説明する。まず、図５(ａ)に示
すように、Ｓｉ（０１１）基板１５上にエッチングマス
ク材料となる熱酸化膜２０を例えば５０ｎｍ形成する。
つぎに、図５(ｂ)に示すように、レジスト２１を塗布
し、既知のリソグラフィー技術により幅が２００ｎｍの
スリット状パターン２２を形成する。このとき、スリッ
ト状パターン２２はなるべく正確に〔２１−１〕方位を
向くように形成する。これは、方位のずれはパターンの
後退を招き、溝１７部の角部が丸くなる可能性があるか
らである。つぎに、図５(ｃ)に示すように、熱酸化膜２
０を既知のエッチング技術、例えばＲＩＥ法により加工
したのち、レジスト２１を例えば酸素プラズマアッシャ
により除去し、例えば１分の１％の希ＨＦ処理によりス
リット部のＳｉ表面を露出させる。つぎに、１０℃に保
持した４ＮのＫＯＨにより１０分間のエッチングを行な
い、深さ１００ｎｍの溝１７を形成する。この場合、ス
リット状パターン２２の方位が〔２１−１〕に正確にあ
っていれば、エッチング開始後、側壁１８、１９には速
やかに｛１１１｝面が露出し、互いに平行な垂直な側壁
１８、１９を持つ溝１７が形成される。最後に、例えば
３％のＨＦ処理５分で熱酸化膜２０を除去する。なお、
図１に示した微細探針形状測定器も同様に製造すること
ができる。

【００１９】この微細探針形状測定器の製造方法におい
ては、ＫＯＨは｛１１１｝面に対するエッチング速度が
他の主要な面に対して非常に小さいから、溝１７部の角
部が丸くなるのを防止することができる。

【００２０】なお、上述実施例においては、基板として
Ｓｉ（０１１）、異方性のエッチング液としてＫＯＨを
用いたが、他の単結晶基板（単体、化合物を問わない）
を用いたり、他の異方性エッチング液を用いても差し支
えないことはいうまでもない。また、上述実施例におい
ては、垂直に交差する（０１１）面と（１１−１）面、
（−１−１１）面とを用いたが、微細探針が恒にパター
ンの上部端部に接触する状況が作れれば良いため、多少
垂直より角度が小さくてもかまわないし、逆にオーバー
ハングになっていてもかまわない。要は、異方性エッチ
ングにより結晶面が正確に交差する構成が形成できれば
問題はない。しかし、低指数面同士の交差が理想的な端
部と与えるであろうことも容易に推測できるため、上述
実施例で示したような例が好適であることも確かであ
る。また、上述実施例においては、異方性エッチング時
のマスクとして熱酸化膜２０を用いたが、十分選択比が
あり、また基板との密着性に優れたマスクを用いればど
のような材料でも問題はない。要は、異方性エッチング
時に、マスクの後退、はがれが生じて、段差１４の角部
が図６に示すように丸くなるようなことが無ければよ
い。また、上述実施例においては、溝１７の幅を２００
ｎｍ、深さを１００ｎｍとしたが、溝の形状は把握した
い微細探針形状の範囲で決めればよい。すなわち、先端
部からどの程度の高さまで測定したいかで必要な深さが
きまり、微細探針の頂角と高さから幅が決まる。なお、
微細探針の最先端部数十ｎｍのみの形状の詳細が把握し
たければ、溝の幅は１００ｎｍ以下とすることが望まし
い。また、上述実施例においては、主面１６と側壁１
８、１９との交線に垂直な方向に原子間力顕微鏡により
走査して、溝１７部の測定形状を求めたが、まず溝１７
部の３次元形状情報を求め、この３次元形状情報から主
面１６と側壁１８、１９との交線に垂直な方向ので溝１
７部の測定形状を求めてもよい。このとき、原理的には
原子間力顕微鏡像の１つの断面が得られればよいが、精
度を上げるためにはいくつかの断面を重ね合わせるのが
効果的である。このような重ね合わせの結果得られるプ
ロファイルは主面と両側壁との２つの交線が平行な場合
に最も精度が高いものとなることはいうまでもない。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように、この発明に係る微
細探針形状測定器、微細探針形状測定方法においては、
走査型電子顕微鏡を用いる必要がないから、微細探針の
先端の形状を正確に把握でき、しかも透過電子顕微鏡を
用いる必要がないから、短時間に測定することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る微細探針形状測定器の一部を示
す斜視図である。

【図２】この発明に係る微細探針形状測定方法の説明図
である。

【図３】この発明に係る他の微細探針形状測定器の一部
を示す斜視図である。

【図４】この発明に係る他の微細探針形状測定方法の説
明図である。

【図５】図３に示した微細探針形状測定器の製造方法の
説明図である。

【図６】図５で説明した製造方法の効果の説明図であ
る。

【図７】走査型プローブ顕微鏡の試料観察状態を示す図
である。

【図８】走査型プローブ顕微鏡の試料観察結果である測
定形状を示す図である。

【符号の説明】

１２…主面１３…側壁１４…段差１６…主面１７…溝１８…側壁１９…側壁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者岩立和己東京都千代田区内幸町一丁目１番６号日本電信電話株式会社内 (72)発明者村瀬克実東京都千代田区内幸町一丁目１番６号日本電信電話株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】主面に単結晶の１つの面を用い、上記主面
に垂直に近い結晶面を側壁とした段差を有することを特
徴とする微細探針形状測定器。
【請求項２】主面に単結晶の１つの面を用い、上記主面
に垂直に近い結晶面を両側壁とした溝を有することを特
徴とする微細探針形状測定器。
【請求項３】主面に単結晶の１つの面を用い、上記主面
に垂直に近い結晶面を側壁とした段差を有する微細探針
形状測定器の上記主面と上記側壁との交線に直交する方
向に微細探針を走査して上記段差の測定形状を求め、上
記段差の測定形状から上記微細探針の形状を求めること
を特徴とする微細探針形状測定方法。
【請求項４】主面に単結晶の１つの面を用い、上記主面
に垂直に近い結晶面を両側壁とした溝を有する微細探針
形状測定器の上記主面と上記側壁との交線に直交する方
向に微細探針を走査して上記溝の測定形状を求め、上記
溝の測定形状から上記微細探針の形状を求めることを特
徴とする微細探針形状測定方法。