掃描型探針顯微鏡的探針形狀評價方法

2023-07-01 10:42:11

專利名稱：掃描型探針顯微鏡的探針形狀評價方法
技術領域：
本發明涉及測定掃描型探針顯微鏡所使用的懸臂的探針曲率半徑的方法。
背景技術：
在掃描型探針顯微鏡中，由於探針的頂端形狀直接涉及與樣本的接觸狀態，因而為了把握樣本表面的形狀測定和物性測定的測定性能，必須預先測定探針的頂端形狀。另夕卜，實際上，與探針的頂端形狀本身相比，大多將探針頂端假定為半球形，利用其半徑或直徑來表現探針頂端的尖銳度。一直以來，作為測定探針的頂端形狀的方法，使用了基於電子顯微鏡的觀察和由掃描型探針顯微鏡測定尖銳的針狀的樣本(以下，稱為探針形狀檢測用樣本)的形狀而描繪出探針的頂端形狀的方法。後者的使用探針形狀檢測用樣本Sb的方法能夠在將懸臂設置於掃描型探針顯微鏡的狀態下測定，因而具有簡便而不需要其他的裝置的優點，一般而言經常被使用。例如，存在如下的兩種方法:如專利文獻I所記載，根據利用探針形狀檢測用樣本Sb來測定的探針2a的形狀，並根據探針2a的側面的角度和探針2a的頂端的曲面部分的寬度，計算探針頂端的半球形狀的半徑(一般而言，稱為曲率半徑)；以及，如非專利文獻I所記載，通過利用掃描型探針顯微鏡並利用探針形狀檢測用樣本Sb來測定探針2a的頂端形狀，從而如圖6所示，在探針形狀檢測用樣本Sb的尖銳的針狀突起頂端利用探針形狀檢測用樣本的針來測量探針的頂端形狀，求出從該探針2a的頂端形狀的頂部起的一定的距離處的剖面的直徑(圖8)，由此評價探針2a的頂端形狀。專利文獻
專利文獻1:日本特開2001-165844號公報；
非專利文獻I JIS R 1683利用原子力顯微鏡測定精細陶瓷薄膜的表面粗糙度的方法。

發明內容
在專利文獻I的探針形狀的評價方法中，探針2a的側面必須為直線狀，但實際的探針2a為微小的構造物，因而側面不一定被製作成直線狀。因此，不能正確地求出側面和頂端的曲面部分的分界，難以利用該方法求出頂端的曲率半徑。另外，在非專利文獻I的探針形狀的評價方法中，以頂端的半球形狀的根基側也為大致相同的寬度的圓柱狀作為前提，將圓柱狀的部分的直徑作為頂端的半球形狀的直徑而評價。但是，因此，必須以利用上述的探針形狀檢測用樣本Sb能夠測定形狀的高度比曲率半徑更大且半球形狀的根基側部分為能夠近似為粗細一定的圓柱型的形狀作為前提條件。但是，對於探針形狀而言，隨著用途不同而具有各種的種類，意圖使探針的頂端的半球形狀變大的情況和探針的半球形狀的根基側部分不為圓柱而為漸縮形狀的情況也很多。對於這樣的特殊的形狀的探針，有時候不能適用非專利文獻I的方法。例如，如圖7所示，在探針的曲率半徑比探針形狀檢測用樣本Sb的凸狀部的高度更大，S卩比探針的能夠測定形狀的高度更大的情況下，測定探針的形狀的區域At處的探針形狀的徑跡如圖9所示，由探針形狀檢測用樣本只在頂端的半球形狀的一部分進行。另外，在該情況下，如非專利文獻I所記載，即使求出從探針頂端形狀的頂部起的一定的距離處的剖面的直徑，也與探針的頂端的半球形狀的直徑不一致。因此，在本發明中，提供了一種即使在利用探針形狀檢測用樣本Sb能夠測定形狀的高度比探針頂端的曲率半徑更小的情況下，也評價曲率半徑大的探針2b的頂端形狀的方法。如上所述，在非專利文獻I的評價方法中，在利用探針形狀檢測用樣本Sb能夠測定形狀的高度比探針的曲率半徑更小的情況下，不能正確地評價探針頂端的半球形狀的直徑。因此，如圖2所示，求出已測定的從探針頂端的形狀的頂部起的多個距離(例如，圖中的IicTh4)處的剖面的半徑(例如，圖中的TtTr4)，將這些代入算式I中，算出將圖2所示的探針頂端形狀近似為圓時的曲率半徑Rtip。具體而言，由接近工序、掃描工序、數據取得工序、數據提取工序以及計算工序構成，該接近工序使掃描型探針顯微鏡所具備的探針的頂端相對於相對配置的評價用試樣(探針形狀檢測用樣本)的表面而相對地接觸或接近至規定間隔，該掃描工序使作用於探針的頂端和評價用試樣的表面之間的物理量為一定並同時進行規定的掃描，該數據取得工序取得評價用試樣的表面形狀，該數據提取工序對於以取得的數據之中的從探針頂端下降的中心軸上的規定的高度(h)和該高度處的中心軸至測定的形狀的外緣的距離(r)作為一組的數據組，提取變更高度(h)後的2組以上，該計算工序利用該提取數據的高度(h)和距離(r)來計算將探針的頂端近似為球狀的情況下的曲率半徑(Rtip)。依照本發明所涉及的探針形狀評價方法，即使是探針的側面不為直線狀的探針，或者即使是探針的曲率半徑比能夠利用探針形狀檢測用樣本Sb來測定的高度更大的探針2b，也能夠測定探針的曲率半徑。


圖1是顯示用於本發明的探針形狀評價方法的掃描型探針顯微鏡的概要的圖。圖2是本發明的探針形狀評價方法所涉及的探針形狀的評價的概念圖。圖3是本發明的探針形狀評價方法所涉及的探針形狀的結果的一例的圖。圖4是本發明的探針形狀評價方法所涉及的探針形狀的結果的一例的圖。圖5是本發明的探針形狀評價方法所涉及的探針形狀的結果的一例的圖。圖6是利用探針形狀檢測用樣本來測定探針的形狀的說明圖。圖7是利用探針形狀檢測用樣本來測定曲率半徑大的探針的形狀的說明圖。圖8是現有的探針形狀評價方法所涉及的探針形狀的評價的概念圖。圖9是現有的探針形狀評價方法所涉及的探針形狀的評價的概念圖。
具體實施例方式首先，關於用於本發明的探針形狀評價方法的掃描型探針顯微鏡，使用圖1而說
明其一例。
在本發明的掃描型探針顯微鏡中，具備懸臂1、杆勵振裝置4以及懸臂位移檢測部5，該懸臂I具有探針2a，該探針2a配置成針尖朝向設置於試樣臺10上的被測定物Sa的表面，並且相對於該被測定物Sa的表面而能夠相對地進行平行於被測定物Sa的表面的X、Y方向的掃描和垂直於該被測定物Sa的表面的Z方向的移動,該杆勵振裝置4能夠使該懸臂I振動，該懸臂位移檢測部5檢測懸臂I的位移。試樣臺10安裝於3維致動器9，並能夠使探針2和被測定物Sa的表面沿上述X、Y及Z方向相對地移動。在三維致動器9，連接有XY驅動機構7和Z驅動機構8，該XY驅動機構7和Z驅動機構8驅動3維致動器9而沿X、Y、Z方向掃描被測定物Sa的表面。另外，XY驅動機構7和Z驅動機構8連接至控制部6並被其控制。接著，按照測定順序，說明本發明所涉及的探針形狀評價方法的實施方式。在本發明所涉及的探針形狀評價方法中，首先，將具有欲測定探針形狀的曲率半徑大的探針2b的懸臂安裝於掃描型探針顯微鏡，在掃描型探針顯微鏡的樣本保持部，將擁有頂端的曲率半徑為IOnm以下的尖銳的針狀的構造的探針形狀檢測用樣本Sb載置於晶片(wafer)上。接著，如圖7所示，使用欲評價探針形狀的曲率半徑大的探針2b而測定探針形狀檢測用樣本Sb的形狀。此時，存在於探針形狀檢測用樣本Sb的表面的針狀構造的I根成為測定區域的中央附近，並且，以成為足以利用針狀構造來測定曲率半徑大的探針2b的形狀的範圍的方式，預先設定測定區域。通過這樣地由掃描 型探針顯微鏡測定形狀，從而利用探針形狀檢測用樣本Sb來測定曲率半徑大的探針2b的頂端的半球形部分的頂端形狀。接著，根據這樣地測定的探針的頂端的半球形部分的形狀A，如圖2所示，將從頂部起的距離h處的探針頂端的半球形狀的剖面近似為圓形而在多個距離Iii處測定其半徑r。在此，半球形狀的半徑r的求出方法，通過將剖面的面積S代入算式2，從而求出擁有與剖面的面積相同的面積的圓的半徑，成為將剖面近似為圓時的半徑。在此，在算式2中，「S」為任意的位置處的剖面積，「r」為將剖面近似為圓時的半徑，「 」為圓周率。接著，將這些從頂部起的距離Iii和各距離處的剖面的半徑&代入算式I中，算出將曲率半徑大的探針2b的頂端形狀近似為半球形時的半徑，將該半徑作為探針2b的曲率半徑。在此，在算式I中，「h」為從頂端起的距離，「r」為h處的剖面的半徑，「Rtip」為探針的曲率半徑。通過如上地算出探針2b的頂端的曲率半徑，從而能夠評價探針的形狀。(算式I)
Z^+&2
jr> — J^O_「0
J\t%> —3ft
M3
(算式2)
=n r -如
圖3使用探針形狀檢測用樣本Sb而測定探針頂端形狀，顯示了將其進行3維顯示的探針形狀的測定結果A的數據。探針2的頂端以變凸的方式被顯示，將該突起部分的最高部作為探針2的頂端，在從該頂端沿垂直方向降低任意的距離的位置，沿水平方向將該突起形狀剖切後的剖面由圖4顯示(在此，顯示了在10nm、30nm、60nm的位置進行剖切後的剖面，但是剖切的位置為比探針2的曲率半徑更小的多個任意的位置)。圖4顯示了將圖3的探針形狀的測定結果A中的從頂端起的任意的高度(在圖中，
10、30、60nm)處的剖面形狀作為輪廓而顯示的圖。如此地,剖面形狀不必為圓形,但是通過從剖面的面積S求出相同面積的圓的半徑，從而求出將剖面近似為圓形時的圓的半徑。如果在圖表中顯示由這樣的方法測定的從頂端起的任意的多個距離和該位置處的剖面的半徑，則如圖5的點所示，由點線顯示利用算式I而將圖2的各點近似為圓的情況下的近似曲線。符號說明
1:懸臂
2、2a、2b:探針 3:杆部
4:杆勵振裝置
5:懸臂位移檢測部
6:控制部
7=XY驅動機構
8:Z驅動機構
9:3維致動器
10:試樣臺
I1:顯示部
Sa:被測定物(樣本)
Sb:探針形狀檢測用樣本 At:測定探針的形狀的區域 As:測定探針形狀測定用樣本的形狀的區域 A:探針形狀的測定結果
權利要求
1.一種探針形狀評價方法，利用掃描型探針顯微鏡對探針的頂端形狀進行形狀測定而進行該探針的頂端的尖銳度的評價，其特徵在於，包括: 接近工序，使所述掃描型探針顯微鏡所具備的所述探針的頂端相對於相對配置的評價用試樣的表面而相對地接觸或接近至規定間隔； 掃描工序，使作用於所述探針的頂端和所述評價用試樣的表面之間的物理量為一定並同時進行規定的掃描； 數據取得工序，取得所述評價用的試樣的表面形狀； 數據提取工序，對於以所述取得的數據之中的從所述探針頂端下降的中心軸上的規定的高度(h)和該高度處的所述中心軸至測定的形狀的外緣的距離(r)作為一組的數據組，提取變更所述高度(h)後的2組以上；以及 計算工序，利用該提取數據的所述高度(h)和所述距離(r)來計算將所述探針的頂端近似為球狀的情況下的曲率半徑(Rtip)。
2.根據權利要求1所述的探針形狀評價方法，所述計算基於下式:
全文摘要
本發明涉及掃描型探針顯微鏡的探針形狀評價方法，用於在掃描型探針顯微鏡評價探針頂端形狀。利用擁有針狀構造的探針形狀檢測樣本來測定探針頂端形狀，求出從頂端起的多個距離處的剖面的半徑，基於這些而算出將探針頂端形狀近似為圓時的曲率半徑。
文檔編號G01B21/20GK103196411SQ20131000880
公開日2013年7月10日 申請日期2013年1月10日 優先權日2012年1月10日
發明者渡邊將史, 百田洋海 申請人:精工電子納米科技有限公司