(57)【要約】   【課題】  走査型プローブ顕微鏡の校正または点検に用いる標準試料を簡単な工程により短時間で製作する。  【解決手段】  基板表面に所定の高さを有する凸部または所定の深さを有する凹部が所定の周期で配列された凹凸構造を有する顕微鏡の校正または点検に用いる顕微鏡用標準試料において、凹凸構造を構成する材料として金属アルコキシドの加水分解硬化物またはエポキシ樹脂やアクリル樹脂の硬化物を使用する。微細な凹凸構造は基板上に塗布した成形材料に原版を押し当てることにより転写し、硬化させた後、離型して作製する。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板表面に所定の高さを有する凸部または所定の深さを有する凹部が所定の周期で配列された凹凸構造を有する顕微鏡の校正または点検に用いる顕微鏡用標準試料であって、その凹凸構造を構成する材料が金属アルコキシドの加水分解硬化物を含むことを特徴とする顕微鏡用標準試料。
【請求項２】
基板表面に所定の高さを有する凸部または所定の深さを有する凹部が所定の周期で配列された凹凸構造を有する顕微鏡の校正または点検に用いる顕微鏡用標準試料であって、その凹凸構造を構成する材料が硬化したエポキシ樹脂またはアクリル樹脂を含むことを特徴とする顕微鏡用標準試料。
【請求項３】
前記顕微鏡が電気絶縁性の試料を観察できる走査型プローブ顕微鏡であることを特徴とする請求項１または２に記載の顕微鏡用標準試料。
【請求項４】
前記凹凸構造が所定の周期で１次元配列されていることを特徴とする請求項１、２または３に記載の顕微鏡用標準試料。
【請求項５】
前記凸部の所定の高さまたは凹部の所定の深さが、１０ｎｍ以上２μｍ以下の範囲に設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の顕微鏡用標準試料。
【請求項６】
前記凹凸構造が形成された領域が３×３ｍｍ以上の面積を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の顕微鏡用標準試料。
【請求項７】
基板表面に所定の高さを有する凹凸構造が所定の周期で配列された顕微鏡の校正または点検に用いる顕微鏡用標準試料の製造方法において、流動性を有する成形材料を、基板上に塗布、または成形型に充填塗布する塗布工程、前記流動性を有する成形材料を挟んで基板と成形型とを対向させて加圧する成形工程、加圧した状態で熱または光のエネルギーを加えて前記成形型内の前記成形材料を硬化させる硬化工程、および成形型を離型する離型工程を順に含むことを特徴とする顕微鏡用標準試料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査型プローブ顕微鏡をはじめとする各種顕微鏡の校正または点検に用いる標準試料およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査型プローブ顕微鏡とは原子間力顕微鏡や走査型トンネル顕微鏡に代表される顕微鏡で、先端の尖ったプローブを用いて物質の表面を走査することにより微細な表面形状を観察する装置である。走査型トンネル顕微鏡は導電性試料に観察対象が限られるが、原子間力顕微鏡は電気絶縁性の試料であっても測定が可能である。
【０００３】
走査型プローブ顕微鏡においては、プローブを機械的に走査し、得られる電気信号を出力画像として処理することにより、ナノメートル程度の微小な形状を測定している。このように測定はプローブの機械的な動きによっているため、測定対象や測定条件あるいは経時的な状態変化によって測定結果が変動し、定量的な距離の測定結果に誤差を生じる場合がある。このような誤差の発生を防ぐためには、既知の寸法の校正用試料を準備し、必要に応じてこれを測定に供して測定結果を校正することが望ましい。
【０００４】
一般的には寸法が既知の周期的な凹凸構造を有する校正用試料を利用して顕微鏡の視野内の２次元的な距離や観察表面に垂直な方向の距離すなわち凹凸の深さのいずれか、もしくはその両方の校正を行う。校正は初めて装置を稼働させるときや装置に変更を加えたとき、あるいは測定対象や条件を変更する場合などに行われ、また経時変化を防止するために定期的に行われる。
【０００５】
校正用試料の形状は、走査型プローブ顕微鏡校正用のものに関しては直方体状や四角錐状の凹部が等間隔で並んでいるものが一般的で、その凹部が配列された領域の寸法は数μｍ角〜数１００μｍ角程度である。またその周期、深さに関しては校正する対象によって何段階かに分けられるが、一般的にはそれぞれ１００ｎｍ〜数１０μｍ、数ｎｍ〜数μｍ程度である（例えば、非特許文献１または２参照）。
【０００６】
また走査型プローブ顕微鏡においては、測定距離の誤差の問題だけでなく、試料の表面の形状が測定結果の画像に正確に反映されているか、すなわちプローブが試料表面の形状を正確に追随しているかという問題もある。この問題点を図１を用いて説明する。図１（ａ）に示すように表面に凹凸構造を有する試料２をプローブ１によって走査すると、試料の凹凸構造を反映した測定画像５が得られる。ところが図１（ｂ）に示すようにプローブ１に異物３が付着した場合、測定画像６においては実際の試料２の表面形状に比べて凹部の幅が見かけ上狭く観測される。さらに図１（ｃ）に示すように異物４が大きく、プローブ先端部分に付着すると、測定画像７は凹部の実際の形状とは異なる底部のないものとなる場合もある。このような現象はプローブへの異物付着のみならず、プローブが摩耗等によって変形した場合にも生じる恐れがある。
【０００７】
このようなプローブ先端の異常を検知するためには、例えば１次元方向に既知の周期をもつ凹凸構造を配列したプローブ点検用試料を用意し、この周期方向にプローブを走査する。ここで凹凸構造は、正常なプローブがこの凹凸構造の凹部の底まで入り得る程度の構造に設定する。プローブへの異物付着やプローブの摩耗が生じると図１（ｂ）または（ｃ）に示したように、プローブが凹部の形状に追随しなくなるので、測定結果が校正用試料の凹部の形状とは異なったものとなる。これによってプローブ先端の異常を検知することができる。
【０００８】
従来、校正用または点検用試料の微細な構造の作製にはパターニング技術とエッチング技術が組み合わせて用いられている。例えばシリコン基板上にフォトリソグラフィや電子線描画によるパターニングを行ってマスクを形成し、そのマスクを介してイオンビームエッチングをはじめとしたドライエッチングにより凹凸形状を作製するのが一般的である。
【非特許文献１】"Products Catalog for AFM Tips" 、online、NanoWorld AG、平成17年11月25日検索、インターネット(URL、{ HYPERLINK "http://www.nanosensors.com/products_catalog.html"  ,http://www.nanosensors.com/products_catalog.html}）
【非特許文献２】"ＳＰＭ校正用サンプル"、online、株式会社東洋テクニカ、平成17年11月25日検索、インターネット(URL、{ HYPERLINK "http://www.toyo.co.jp/spm/kousei.htm"  ,http://www.toyo.co.jp/spm/kousei.htm}）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来、顕微鏡用校正試料の作製には電子線描画装置やドライエッチング装置など大掛かりな装置を必要とした。また微細形状を加工するのに微妙な条件設定が必要であるが、これを１個もしくは少数個製作するたびに繰り返す必要があるため、長時間を要していた。そのため、作製される校正用試料は高価になり手軽に使用できないため、使用頻度が限られるという問題があった。また、校正に使用できる有効面積が小さいため、校正作業がやりにくいという問題もあった。
【００１０】
同じ理由により、プローブ先端の状態を点検するための試料もその需要があるにもかかわらず、一般的には校正用試料で代用されているのが現状である。プローブへの異物付着やプローブの磨耗による変化を正確に把握するための専用の試料がないことが測定の正確性を損なう要因となっていた。
【００１１】
本発明はこれらの問題点を解決するためになされたもので、簡単な工程により短時間で製作できる顕微鏡の校正または点検に用いる標準試料を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の顕微鏡用標準試料は、基板表面に所定の高さを有する凸部または所定の深さを有する凹部が所定の周期で配列された凹凸構造を有しており、その凹凸構造を構成する材料として金属アルコキシドの加水分解硬化物を含むものとする。
なお、ここで顕微鏡用標準試料とは、距離の校正に用いる校正用試料とプローブ先端の点検に用いる点検用試料とを含むものとする。
【００１３】
この材料は流動性をもった状態で成形し、その状態で硬化させることが可能なため、大がかりな装置を用いることなく、短時間で試料を製造できる。したがって低価格で多量の標準試料を供給することが可能となる。さらにこの材料は硬化後の耐候性に優れ、従来の校正用試料に対して耐久性の点で遜色がない。
【００１４】
なお、ここでいう所定の高さを有する凸部または所定の深さを有する凹部とは、凹凸の頂部と底部の間の距離をいい、この距離は標準試料の有効面積内ではほぼ一定であるものとする。
【００１５】
また、他の凹凸構造を構成する材料として硬化したエポキシ樹脂またはアクリル樹脂を含むものとする。
この材料は流動性をもった状態で成形し、その状態で硬化させることが可能なため、大がかりな装置を用いることなく、簡単な成形工程により短時間で試料を製造できる。したがって低価格で多量の標準試料を供給することが可能となる。樹脂材料としてはエポキシ樹脂やアクリル樹脂が使用できるが、エポキシ樹脂はアクリル樹脂と比較して硬化時の収縮が少なく比較的硬度が高いためより望ましい。
【００１６】
上記標準試料は電気絶縁性の試料を観察できる走査型プローブ顕微鏡用として用いるのが望ましい。
上記試料は基本的に絶縁材料であり、かつ微細な形状を加工することが可能なため、電気絶縁性の試料を観察できる走査型プローブ顕微鏡用の標準試料として適する。
【００１７】
ただし金属アルコキシドの加水分解硬化物には、含有する金属成分によって導電性を付与することができる。このような材料を使用して標準試料を作製すれば、電気絶縁性の試料を観察できる走査型プローブ顕微鏡に限らず、走査型トンネル顕微鏡など導電性試料を対象とする顕微鏡用の標準試料をも提供できる。
【００１８】
さらに上記の凹凸構造が所定の周期で１次元配列されていることが好ましい。
凹凸構造が所定の周期で１次元配列されている標準試料は、プローブの先端状態の点検用として適用することができる。したがって上記校正用試料と同様に大がかりな装置を用いることなく、短時間で試料を製造でき、低価格で多量の試料を供給することが可能となる。
【００１９】
なお、上記凸部の所定の高さまたは凹部の所定の深さは、１０ｎｍ以上２μｍ以下の範囲に設定することが望ましい。
高さまたは深さが１０ｎｍより小さいと校正対象とする顕微鏡の測定限界に近くなり、そのような状態で校正を行うのは望ましくない。また２μｍを越えると本発明の方法により精度よく作製するのは通常難しくなる。
【００２０】
また上記凹凸構造が形成された領域が３×３ｍｍ以上の面積を有することが望ましい。標準試料が３ｍｍ角以上の面積を有していると、校正または点検作業が容易になる一方、成形によればこの程度の寸法の試料を作製することは容易である。
【００２１】
基板表面に所定の高さを有する凹凸構造が所定の周期で配列された顕微鏡の校正または点検に用いる顕微鏡用標準試料の製造方法は、流動性を有する成形材料を、基板上に塗布、または成形型に充填塗布する塗布工程、流動性を有する成形材料を挟んで基板と成形型とを対向させて加圧する成形工程、加圧した状態で熱または光のエネルギーを加えて成形型内の成形材料を硬化させる硬化工程、および成形型を離型する離型工程を順に含むものとする。
成形型が準備されていれば、このような工程により短時間で多数の標準試料を製造することが可能となる。
【発明の効果】
【００２２】
成形法においては原版作製工程においてのみ、パターニング技術およびエッチング技術を基礎とした従来の微細加工技術を用いればよいことから、基本的に１個ずつ微細加工を施さなければならなかった従来工程における低い生産性を大幅に改善することができる。それにより、顕微鏡用標準試料をこれまでに比べてより細かい測定範囲ごとにそれぞれ供給することが可能となり、それを用いた校正により顕微鏡測定の精度を高く維持することができる。また、生産性向上によるコストの低下により、プローブ先端の状態点検用としての試料の大量供給が可能となる。
【００２３】
一方、この技術は加工面積を拡大しても生産性が低下しないことから、広い面積を持った標準試料の作製が容易となり、従来のものに比べて、遥かに扱いやすい標準試料を提供することができる。また、ゾルゲル材料の使用により従来の校正用試料と遜色ない耐候性を備えることを可能にしている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明の顕微鏡用標準試料の基本的な作製工程を説明する。
本発明においては標準試料に設ける微細な凹凸構造を成形技術によって作製する。このためには凹凸構造を転写するための原版（成形型）が必要である。この原版は従来技術により作製する。転写によって表面形状が反転するため、あらかじめ必要な形状の反転形状の原版を用意する。
【００２５】
この原版表面に離型処理を施し、凹凸構造の成形材料への転写を行う。すなわち、図２（ａ）に示すように平板状の基板１０に流動性を有する成形材料２０を塗布し（塗布工程）、これに図２（ｂ）に示すように上記の微細形状を有する原版３０を押し当てる（成形工程）。次いで図２（ｃ）のように原版を押し当て加圧した状態で成形材料の硬化に必要な熱、光等のエネルギーを加え、成形材料を硬化させる（硬化工程）。その後、図２（ｄ）に示すように離型することにより（離型工程）、最初の微細形状が転写された基板（成形品）５０が得られる。なお、塗布工程において成形材料を原版の凹部を充填するように塗布する場合もある。
【００２６】
以下に具体的な顕微鏡用標準試料の例についてより詳細に説明する。
【実施例１】
【００２７】
本実施例においては図３に示すような顕微鏡用標準試料を作製する。
まず試料作製時の成形型となる原版をドライエッチング技術で作製する。原版は石英基板の表面に微小な凸部（高さ６０ｎｍ）が周期２００ｎｍで２次元配列された構造を有する。その凸部が存在する領域は５×５ｍｍ程度である。
【００２８】
原版には転写時に成形材料が付着するのを防ぐため離型処理を行う。本実施例では成形材料としてゾルゲル材料を用いるため、離型処理としてフッ素系単分子膜を付着させた。フッ素系単分子膜により、離型性を確保するとともに離型膜によって転写成形体の原版に対する形状追随性が損なわれるのを防ぐことができる。
【００２９】
ゾルゲル材料液は、メチルトリエトキシシランとテトラエトキシラン、エタノール、酸水溶液を混合させることにより作製した。成形、転写は基本的に図２に示した順序で行われる。このゾルゲル材料液をスピンコートにより５０ｍｍ角の石英基板上に塗布した後、原版とゾルゲル材料液を塗布した基板を重ね合わせ、５０ｋｇ／ｃｍ2の圧力をかけた。そのまま基板温度を８０℃まで上昇させ、２０分間加圧し続けてゾルゲル材料を硬化させた後、圧力を解除し原版と石英基板を引き剥がした。その後、３５０℃で２０分間焼成を行った。
【００３０】
作製した標準試料は図３に示すように表面に微小な凹部（深さ６０ｎｍ）が周期２００ｎｍで２次元配列された構造を有している。材質はほぼＳｉＯ2であり電気的には絶縁体であるので、原子間力顕微鏡の校正に適している。実際に校正に用いたところ、凹凸構造が５×５ｍｍの大きさを有しているため、校正作業が容易であり、かつ従来の校正用試料と比較して十分な校正精度が得られることがわかった。
【００３１】
耐候性については、温度７５℃、湿度９０％で１０００時間保持する高温高湿試験を行ったが、表面形状や膜状態に変化はなく、十分な耐候性を備えていることが確認された。
【００３２】
なお、本実施例では、平面に正方形の凹部が設けられた校正用試料について説明したが、凹部の形状は校正の目的に応じて矩形、多角形、円形などを選択することができる。また必要に応じて凹部でなく凸部を設けてもよい。
【００３３】
また、本実施例では凹部の深さ（平面部分と凹部底面との距離）を６０ｎｍに設定したが、これに限定されず、校正の目的に応じて変えることができる。ただし深さが１０ｎｍ未満になると校正対象の測定限界に近づくため、正確な校正を行うには望ましくなく、同時に高い精度で凹部を形成するのも困難になる。また深さが２μｍを越えると本発明の方法では精度よく凹部を成形するのが難しくなる。以上より凹部の深さは校正目的に応じて１０ｎｍ以上２μｍ以下に設定することが望ましい。
【実施例２】
【００３４】
実施例１と同様の手法で図４に示すような形状の標準試料の作製を行う。形状は周期１５０ｎｍで深さ１００ｎｍの断面が台形となる溝が平行に配列された構造である。成形材料は実施例１と同様である。
【００３５】
作製した試料を実際に原子間力顕微鏡のプローブ先端の点検に用いた。測定結果と予め用意した試料の表面凹凸形状を比較することによってプローブ先端に異常がないかを確認することが可能である。また測定開始時と複数回の測定終了後にこの標準試料を測定し、両者を比較することによっても測定中におけるプローブ先端の異常発生の有無を確認できる。
【００３６】
プローブに異物が付着した際には溝深さが１００ｎｍから８４ｎｍに変化し、底の平坦面を測定できない等、具体的な変化を見ることができ、測定制度の確認やプローブの管理に対して有用であることが確認できた。
【００３７】
なお、本実施例では溝深さを１００ｎｍとしているが、プローブ先端の点検用としては深さ５０〜３００ｎｍ程度の溝を用いるのが通常好ましい。
【実施例３】
【００３８】
実施例１と同様の原版を用いて成形材料を紫外線硬化性エポキシ樹脂とし、顕微鏡用標準試料を作製する。
【００３９】
ガラス基板としては実施例１と同様の寸法の石英ガラス基板を使用した。まず流動性をもったエポキシ樹脂材料をマイクロピペットでガラス基板上に塗布した。このエポキシ樹脂材料を塗布したガラス基板上に、成形型を載せ加圧する。次いでガラス基板裏面から紫外線を照射してエポキシ樹脂を硬化させる。その後、成形型を引き剥がして離型することにより、成形型の表面形状が転写されたエポキシ材料がガラス基板表面に形成される。そのガラス基板を１００℃で１時間焼成した。
【００４０】
エポキシ樹脂を用いる場合は、加圧したり、高温状態を保つ必要がないためにより簡単な工程で顕微鏡用標準試料が作製できるという特徴がある。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明は走査型プローブ顕微鏡の校正または点検用の標準試料への適用だけでなく、例えば光学顕微鏡、電子顕微鏡その他種々の顕微鏡を含めた標準試料としての応用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】図１は走査型プローブ顕微鏡の形状測定における問題点を説明する図である。
【図２】図２は成形、転写の工程を説明する図である。
【図３】図３は本発明の測定距離校正用の標準試料の一例を示す斜視図である。
【図４】図４は本発明のプローブ先端点検用標準試料の一例を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００４３】
１  プローブ
２  試料
３、４  異物
５、６、７  測定画像
１０  基板
２０  成形材料
３０  原版
５０  成形品
【図１】
2007212243.tif 000003
【図２】
2007212243.tif 000004
【図３】
2007212243.tif 000005
【図４】
2007212243.tif 000006