(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板主面に導電層を形成するか基板自体を導電性とした基板を準備する工程と、前記導電層上にレジスト膜を形成する工程と、該レジスト膜に対向して設けられた探針と前記導電層の間に前記レジスト層に流れる電流がレジスト層の浮遊容量に基づく充放電電流と前記レジスト層の電流電圧特性の非線形性に基づく直流成分を持つ交流電流となるように電圧を制御する工程と、前記レジスト層に描画すべきパターンデータに基づいて、前記レジスト層の所定の位置で前記制御された電圧を前記レジスト膜上で前記探針を走査させながら前記レジスト膜に印加して前記レジスト膜に前記パターンの潜像を形成するための電流を流す工程と、前記レジスト膜を現像し前記基板に所望のパターンを形成する工程とを有する探針描画方法。
【請求項２】
前記電流が前記レジスト層の電流電圧特性の非線形性のしきい値に対応する直流電圧と前記レジスト層を露光するための電流源となる交流電圧の和により供給され、該交流電圧の振幅を変化させることによって前記レジスト層を露光するための電流の制御を行う請求項１に記載の探針描画方法。
【請求項３】
探針でレジスト層が塗布された基板表面を走査させるとともに、前記探針からレジスト層に電流を供給して前記レジスト層に所望のパターンを描画する探針描画装置であって、前記探針により前記レジスト層に交流電圧を印加する交流電圧印加部と、前記交流電圧に重畳して直流電圧を印加する直流電圧印加部と、前記レジスト層に流れる電流を測定する電流測定部と、測定された電流値に基づき前記印加電圧を決定する電流制御部とを有することを特徴とする探針描画装置。
【請求項４】
前記探針が複数個備えられ、各探針ごとに前記印加電圧が制御される請求項３に記載の探針描画装置。
【請求項５】
前記検出電流を保持するサンプルホールド部と、前記検出電流の交流成分を除去するローパスフィルタと、前記交流電圧に基づき前記サンプルホールド部に供給して電流値を保持させるトリガ電圧を発生させるトリガ電圧発生部と、前記保持された電流値に基づいて前記印加電圧を決定する電流制御部とを有する請求項３または４に記載の探針描画装置。
【請求項６】
前記印加される直流電圧が前記レジスト層の電流電圧特性の非線形性に基づいて決定され、前記測定された電流値の直流成分により印加される交流電圧を決定するものである請求項３または４に記載の探針描画装置。
【請求項７】
探針で絶縁膜表面を走査させるとともに、前記探針から絶縁膜表面に電流を供給して前記絶縁膜表面の各位置における電圧値をマッピングすることにより、前記絶縁膜を評価する絶縁特性評価装置であって、前記探針により前記絶縁膜に流れる電流が絶縁膜の浮遊容量に基づく充放電電流と前記絶縁膜の電流電圧特性の非線形性に基づく直流成分を持つ交流電流であることを特徴とする絶縁特性評価装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、走査プローブ顕微鏡を用いた微細加工技術において用いられるパターン描画装置およびこの構造を利用した絶縁特性評価装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体電子素子の高集積化に伴い極微細加工技術が必要とされているが、光リソグラフィーで使用する光の波長やレンズ材料により最小加工寸法が１００ｎｍ程度に限られると予想されている。近年、これに代わる技術として、本願の発明者らの提案にかかわる、例えば、特開平１１−７３９０６号公報に開示されている、走査プローブ顕微鏡を用いたリソグラフィー装置が提案されている。これは、探針と基板間に電圧を印加して基板上に塗布したレジスト層に電子線を照射することにより露光を行う方法で、解像度が高く、１０ｎｍレベルの加工も可能である。さらに、例えば、M. Ishibashi et al., ''Characteristics of scanning-probe lithography with a current-controlled exposure system'' Appl. Phys. Lett. 72(13) 30 March 1998 pp.1581-1583、に示されるように、印加電圧を増減させて照射電流を一定に保ち、再現性のよいパターン描画が可能な装置が開発されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
レジストパターンを再現性良く安定に描画するためには、上記のような、照射電流を一定に制御するための閉ループ制御によるフードバック処理が不可欠である。しかし、探針−基板間には必ず浮遊容量が存在するため、電流設定値の変化やレジスト膜厚の変化に対応するために印加電圧を変化させようとすると、実際にレジスト中を流れる照射電流以外に浮遊容量への充放電電流が流れ、電圧の変化を妨げる。そのため、照射電流が所望の値となるまでに著しく長い時間を必要とし、電流のＯＮ／ＯＦＦを頻繁に繰り返すよう複雑な図形を描画することは事実上不可能であった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、探針−基板間に交流電圧を印加した場合、その振幅を変化させても浮遊容量に流れる充放電電流の時間平均が相殺されて零になるように動作することに着目したものである。すなわち、描画のための印加電圧として交流電圧を用いると、浮遊容量に流れる充放電電流は交流電流となる。また、レジスト層の電流−電圧特性は線形でなく、一定のしきい値以上でないと電流が流れないため、交流電圧の振動中心をこのしきい値付近に設定すれば、交流波形のプラス側またはマイナス側のみで照射電流がレジスト層を流れる。そのため、検出されたレジスト層を流れる電流をフィルタを用いて時間平均すると、充放電電流は相殺されて零になり、実際にレジストに照射される照射電流値のみが測定できる。こうして検出された描画電流が一定となるようにフィードバック制御して、印加交流電圧の振幅を変化させることにすれば、レジスト層の浮遊容量に影響されることなく照射電流値を制御することができ、高速に描画が可能である。
【０００５】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
実施例１では、交流電圧を用いるとともに交流電圧の振動中心をレジスト膜のしきい値付近に設定する直流電圧を併用してレジスト膜上に描画を行う探針描画装置の例を図１から図６を用いて説明する。
【０００６】
図１は本発明の描画装置の実施例構成概念を示すブロック図である。１は描画ヘッド部であり、導電性の探針２が導電性のバネ部３の一端に保持され、導電性のバネ部３の他端がホルダー４に保持されている。５は試料部であり、この例では、レジスト層８及び導電層７を塗布した基板６から構成される。試料部５のレジスト層８を探針２に対向して位置させる。試料部５はＺ駆動部９およびＸＹ駆動部１０に保持されており、探針２に対して相対的に試料部５をその面内方向及び垂直方向に走査できる。Ｚ駆動部９およびＸＹ駆動部１０はＺ粗動部１１上に設けられ、Ｚ粗動部１１によって、試料部５を探針２に対して垂直方向に粗く移動させることができる構造とされる。１３は位置検出部であり、バネ部３の位置あるいは変位が検出できるように配置され、例えば、光てこ式の検出装置とされる。位置検出部１３では、従って、探針２のレジスト層８からの垂直方向の相対的な位置あるいは両者の間に加わる力が検出される。
【０００７】
１２は総合制御部であり、レジスト層８に描画すべきパターン信号、照射電流の設定値、探針２とレジスト層８との間に加わる力およびその他の必要な信号が設定値として入力されるとともに、必要なフィードバック信号が入力されて、検出された描画電流が一定となるようにフィードバック制御を実行するための信号を送出する。１４はＺ位置制御部であり、位置検出部１３で検出された位置信号と総合制御部１２から与えられた設定信号とにより、描画中のＺ駆動部９のＺ方向変位を調整する。Ｚ位置制御部１４の信号は、描画の前処理段階での探針２とレジスト層８を接触させる段階では、スイッチ２０によりＯＦＦとされるが、このことは後で具体的に説明する。位置検出部１３で検出された位置信号および描画中のＸＹ駆動部１０の位置は総合制御部１２へフィードバックされる。
【０００８】
１５は電流検出部であり、探針２からレジスト層８を介して導電層７に流れる電流を検出する。１６はローパスフィルタであり、電流検出部１５で検出した電流の高周波成分を除去する。１７は電流制御部であり、総合制御部１２へフィードバックされるＸＹ駆動部１０の位置と総合制御部１２に与えられたレジスト層８に描画すべきパターン信号との関係から、描画中のＸＹ位置に応じた電流の目標値を設定する。１８は交流電圧印加部であり、電流制御部１７により設定された電流に対応した交流電圧振幅を持つ交流電圧を出力する。１９は直流電圧印加部であり、総合制御部１２から与えられるレジスト層８のしきい値に対応した直流電圧を出力する。２１は加算回路であり、交流電圧印加部１８の出力する交流電圧と、直流電圧印加部１９の出力する直流電圧とが重畳された電圧を出力して、これを探針２に印加する。
【０００９】
次に、図１に示した装置を用いてパターン描画を行う際の動作を具体的に説明する。まず、探針２とレジスト層８とを接触させるための操作を行う。このときの操作の一例を具体的に述べると次のようである。まず、スイッチ２０をＯＦＦとする。この状態で総合制御部１２からＺ粗動部１１に、探針２とレジスト層８とが予め設定されている一定量だけ接近する信号を与える。この結果を位置検出部１３の出力を監視することで評価し、探針２とレジスト層８とが接触しなかったと判断されたときは、さらに、同様の操作を行い、探針２をレジスト層８に接近させる。位置検出部１３の出力から、両者が接触したと判断されたら、Ｚ粗動部１１による操作は終わりとして、スイッチ２０をＯＮにする。その結果、位置検出部１３、Ｚ位置制御部１４、Ｚ駆動部９から成る位置フィードバックループが形成されるから、総合制御部１２からＺ位置制御部１４に与えられる目標値に応じて、探針２の垂直方向位置を自動制御する。これにより、ＸＹ駆動部１０を動作させた結果探針２とレジスト層８との相対位置が変化した場合も、探針２とレジスト層８とのＺ方向の相対位置が目標値に保たれる。
【００１０】
次に、ＸＹ駆動部１０を動作させて探針２をレジスト層８上で移動させながら所定の電流を探針２からレジスト層８に流すことにより描画を行うことになるが、本発明では、描画を開始する前に、描画の対象となるレジスト層８のしきい値となる直流電圧を計測する。すなわち、探針２からレジスト層８を介して導電層７に電流が流れ始める直流電圧を計測する。しきい値の異なる各種のレジスト層８の描画を行うためには、これらのレジスト層８のしきい値を計測しておき、総合制御部１２に記憶させておくのが良い。このしきい値の直流電圧を、総合制御部１２から直流電圧印加部１９に与える。その後、電流検出部１５およびローパスフィルタ１６、電流制御部１７および交流電圧印加部１８から成る電流フィードバックループをＯＮにする。電流制御部１７には、必要な照射電流に対応した電流の目標値を総合制御部１２から設定し、交流電圧印加部１８からこれに対応した交流電圧波形の振幅が調整されて出力される。加算回路２１では直流電圧印加部１９の出力電圧と交流電圧印加部１８の出力電圧とが加算され、探針２と導電層７との間に印加され、後述するように、所望の電流が流れてレジスト層８が露光される。なお、ローパスフィルタ１６は電流検出部１５で検出された電流に含まれる交流電圧印加部１８からの交流電圧の周波数成分を除去するようなカットオフ周波数を選ぶものであるが、交流波形は必ずしも正弦波である必要はなく、例えば、三角波、鋸波、矩形波等でも良い。
【００１１】
図２および図３を用いて、本実施例による交流電圧を用いた電流フィードバックによる電流制御について説明する。
【００１２】
図２は本実施例の電流フィードバックループのブロック図である。２７は探針２−レジスト層８間に存在する浮遊容量を代表するものであり、２２は探針２−レジスト層８間に存在するレジスト層８の抵抗を代表するものである。これらの浮遊容量２７および抵抗２２は並列回路を構成しており、加算回路２１から直流電圧印加部１９の出力電圧Ｖdcと交流電圧印加部１８の出力電圧Ｖac・ｅiωtとが図示の極性で加算される。浮遊容量２７および抵抗２２からの出力電流（ｉcおよびｉr）は加算回路２１で図示の極性で加算され、ローパスフィルタ２３を通過後ｉaとなる。このフィードバック電流ｉaは、加算回路２９で総合制御部１２から与えられる描画中のＸＹ位置に応じた電流の目標値ｉsに、図示の極性で加算される。設定電流ｉsとフィードバック電流ｉaとの偏差ｅが積分器２４で時間積分され、ゲイン調整器２５で交流印加電圧の振幅Ｖacが決定される。この振幅を持つ交流電圧Ｖac・ｅiωtを発振器２６から出力し、直流電圧Ｖdcを足しあわせた電圧が、浮遊容量２７およびレジスト層８の抵抗２２に印加される。ここで、ωは交流電圧の角周波数である。
【００１３】
探針２−導電層７間に（数１）に示すような電圧を印加した場合、浮遊容量２７に流れる電流ｉcは、容量Ｃと電圧の時間微分の積Ｃ・ｄＶ／ｄｔで表され、（数２）に示すような電流となり、一方、レジスト層８の抵抗２２（抵抗値ｒ）を流れる電流はｉr＝Ｖ／ｒとなる。
【００１４】
【数１】
0004022391.tif 000002
【数２】
0004022391.tif 000003
次に、これらの電流の和ｉ＝ｉc＋ｉrは、カットオフ周波数がω以下のローパスフィルタ２３を通過するが、浮遊容量２７に由来する電流ｉcは直流成分を全く含まないため、ほぼゼロとなる。しかし、レジスト層８の電流電圧特性は一般には線形でないため、直流印加電圧Ｖdcを適当に選ぶと一方向にのみ電流を流すことができる。これを図３を用いて説明する。
【００１５】
図３はレジスト層８の電流−電圧特性の模式図であり、横軸が印加電圧、縦軸が電流を表している。特性カーブ３１は、低電圧領域では電流は流れず、正側しきい電圧３２、あるいは、負側しきい電圧３３を超えると急激に電流が流れ始めることを示している。また、この例では、正側しきい電圧３２の方が負側しきい電圧３３より絶対値では小さいことを示している。例えば、直流電圧印加部１９により与えられる直流印加電圧Ｖdcを正側しきい電圧３２付近に設定し、そこを中心として交流電圧波形３４を振動させると、正側半周期３６では電流が流れ、負側半周期３７では電流が流れないため、電流波形３５のような電流ｉrが流れる。この電流をローパスフィルタ２３に通すことにより、レジスト層８に流れる電流の平均値ｉaが得られる。この電流ｉaと所望の設定電流値ｉsとの偏差ｅ＝ｉs−ｉaがゼロとなるように積分器２４を介して交流電圧の振幅にフィードバックすることにより、実際にレジスト層８を流れる電流の平均値ｉaを所望の設定電流に保つことができる。なお、偏差ｅを、ここでは積分器２４による積分制御とする場合について述べたが、これは、比例制御、あるいは、比例積分制御としてもよい。また、直流印加電圧Ｖdcを負側しきい電圧３３付近に設定すれば電流ｉaの向きを反転することができる。また、所望の設定電流値ｉsはレジスト層８が露光されるために必要な大きさであることは当然であるが、正側半周期３６では電流が流れ、負側半周期３７では電流が流れないための条件は、図３の例では負側半周期３７の交流電圧の振幅が正側のしきい値３２と負側のしきい値３３の和の値の大きさの交流電圧までであるので、十分大きな設定電流値ｉsに対応した電流ｉaを流すことができる。
【００１６】
なお、交流電圧波形は正負対称な波形である必要はなく、周期的であり、かつ一周期の時間積分が打ち消しあうようなものならばいかなる波形でも使用できる。例えば、図４に示したように正側半周期４１と負側半周期４２が非対称であっても、その面積が等しければよい。図４に示した波形で、正側半周期４１の振幅と負側半周期４２の振幅の比を正側の出力電圧の最大値と負側しきい電圧３３の比に設定すれば、最大振幅時であっても負側半周期４２の振幅は負側しきい電圧３３に達しないため、負方向の電流は流れず、直流印加電圧Ｖdcを用いなくとも電流フィードバック制御が可能である。このときの電流としきい値との関係を図３に対応させて示すと図５の通りとなる。電流の向きを反転させる場合は、正側半周期４１の振幅と負側半周期４２の振幅の比を正側しきい電圧３２と負側の出力電圧の最大値の比に設定すればよい。
【００１７】
図４のような非対称波形は、正側半周期４１と負側半周期４２の面積を考慮して発生させてもよいが、時間積分が完全に打ち消すような波形を生成するのは困難である。そこで、図６を用いて簡単な波形発生方法について説明する。
【００１８】
図６は交流電圧印加部１８のブロック図である。周期波形の一周期の時間積分が打ち消し合うということは、その波形が直流成分を含まないことと等価であるから、波形発生回路５３で発生させた交流波形をハイパスフィルタ５４を通して直流成分を除去することにより、上記の条件を満たす波形が形成できる。ハイパスフィルタ５４の時定数は交流波形の周波数付近かあるいはそれ以上でもよいが、波形の振幅が減少するため、十分に低い値にするほうが望ましい。こうして得られた波形の振幅を振幅調整回路５５において電流制御部１７からの信号に応じて変化させる。
【００１９】
本実施例では、Ｚ駆動部９およびＸＹ駆動部１０としてはピエゾ素子を用いてレジスト層８上における探針位置を微細に調節した。Ｚ粗動部１１の機構としては、ステッピングモータとマイクロメータヘッドを用いたが、これはてこ式、インチワーム式等いずれの方法を用いてもかまわない。また、試料部５をＺ駆動部９、ＸＹ駆動部１０およびＺ粗動部１１側に設けたが、これらは描画ヘッド部１と試料部５を相対的に移動させるためのものであるから、ホルダー４がＺ駆動部９、ＸＹ駆動部１０およびＺ粗動部１１側に設けられるものとしても良い。また、位置検出部１３の位置検出は、バネ部３によるレーザ光の反射を用いる光てこ式で行ったが、バネ部３にストレインゲージを貼り付けて、この歪みによる抵抗変化で検出するものとしてもよい。
【００２０】
基板６はガラス製で、導電層７としてチタンを２０ｎｍから１００ｎｍ蒸着し、約１０ｎｍから１００ｎｍの厚さのレジスト層８（例えば、日立化成工業株式会社製ＲＤ２１００Ｎ）を塗布する。レジスト層８に使用するレジストはノボラック系フェノール樹脂と感光剤の混合レジスト、化学増幅系レジスト、ポリメタクチル酸メチルでもよい。基板６は例えばシリコン、ドープしたシリコンなど加工したい任意の材料を使用することができる。基板６にドープしたシリコンを使用する場合は基板６自身が導電性のため導電層７は省略しても良い。導電層７は電流検出部１４と接続され、探針２に加えられる電圧によりレジスト層８に流れる電流が測定可能となる。基板６が導電性の場合は基板６に直接電流検出部１４を接続すればよい。導電層７の電極との接続は、レジスト層８のみをアセトン等の有機溶剤で溶かして導電層７を露出した後に金属板等で押さえることにより行ったが、針状の電極をレジスト層８の上から差し込み、レジスト層８を貫通して導電層７に接触させてもよい。導電層７を接地して用いることもできるが、その場合は、電流検出部１５を加算器２１の出力側と探針２との間に接続して電流を検出する。
【００２１】
探針２およびバネ部３は、例えば、微細加工技術を用いてシリコン単結晶で、一体化して作成される。これらは、また、酸化シリコン、窒化シリコンでも良い。探針２の先端の曲率半径は１０ｎｍから１００ｎｍ、バネ部３のバネ定数は０．０５Ｎ／ｍから５Ｎ／ｍ、共振周波数は１０ｋＨＺから５０ｋＨＺであることが適当である。探針２は厚さ１０ｎｍから５０ｎｍのチタンを蒸着することにより導電性を持たせてある。これはチタンのほか、タングステン、モリブデン、炭化チタン、炭化タングステン、炭化モリブデン、導電性ダイアモンドを用いても良い。
【００２２】
本実施例で、実際に描画を行った結果を説明する。基板６としては導電性のシリコン基板を用い、５０ｎｍの厚さの前記レジストＲＤ２１００Ｎを塗布したレジスト層８を形成し、導電層７は省略した。まず、電流フィードバックがＯＦＦの状態で直流電圧印加部１９の出力電圧を変化させ、探針２−レジスト層８間の電流電圧特性を測定したところ、負電圧側のしきい電圧がおよそ−３０Ｖ、正電圧側のしきい電圧がおよそ５０Ｖであった。直流電圧印加部１９から−３０Ｖを印加し、交流電圧印加部１８から周波数が１００ｋＨｚの交流電圧を印加して、探針２と基板６との間に流れる電流（ローパスフィルタ１６から出力される電流信号）が３０ｐＡになるように電流フィードバックをかけながら、レジスト層８上で探針２を０．１ｍｍ／ｓで移動させることにより描画を行った。この時印加する交流電圧の振幅は１０Ｖ付近であった。描画後、０．８３％の水酸化テトラメチルアンモニウム溶液に１分間浸積することにより現像してレジストパターンを得た。
【００２３】
実際に０．１ｍｍ四方の領域に１００ｎｍピッチでライン−スペースを描画した結果、およそ５０ｎｍ幅の明瞭なラインパターンが得られた。フィードバックによる電流の立ち上がり時間を考慮して、それぞれのライン描画の初期に１ｍｓの待ち時間を設けた。この時の描画時間はおよそ２０００ｓであった。比較のために、直流電圧のみで電流フィードバックを行いながら同様のパターンの描画を試みた。電流の立ち上がり時間を考慮して待ち時間を３ｓとして描画した結果、全体の描画に５０００ｓを要するのみならず、描画の初期は、浮遊容量２７に流入する電流が露光電流として作用するために、電流照射が過剰となり、ラインパターンの太さに乱れが見られた。
【００２４】
次に、交流電圧フィードバックを用い、０．１ｍｍ四方の領域に１００ｎｍ間隔で二次元のドットアレイを描画した。各ドットにおいて電流設定値を３０ｐＡに設定し、１ｍｓ静止した後に設定値を０ｐＡにして次のドットに移動する動作を繰り返すことにより、直径およそ５０ｎｍのドットパターンが得られた。この時の総描画時間はおよそ３０００ｓであった。
【００２５】
一方、直流電圧のみで電流フィードバックを用いて上記のドットアレイパターンを描画する場合、各ドットの描画時に電流値が安定するまで３ｓ程度待たなければならないため、計算上、描画時間は１ヶ月程度となる。また、電流が安定するまでに露光が進行し各ドットが大きくなってしまうため、ドットの描画は困難である。
【００２６】
また、図４に例示した非対称波形を用いた描画も行った。この例では負側を描写用に使用することとしたので、波形としては負側半周期４１の周期が３．３μｓの正弦波、正側半周期４２の周期が６．７μｓであり、振幅が負側の１／２の正弦波からなる波形を用い、しきい値印加用の直流印加電圧は用いなかった。設定電流を３０ｐＡにした場合、交流電圧の負側の振幅はおよそ４０Ｖであった。対称波形を用いた場合と同様に、０．１ｍｍ四方の領域に１００ｎｍピッチのライン−スペースパターン、および１００ｎｍ間隔の二次元ドットアレイを描画して正弦波を用いた場合と同様の結果が得られた。
【００２７】
本実施例では、交流電圧の振幅を変化させることによって電流フィードバックを行い、０．１ｍｍ四方の領域に１００ｎｍピッチで５０ｎｍ幅のライン−スペースパターンを描画した結果、直流電圧のみを用いた電流フィードバックを行った場合と比較して、２．５倍高速になり、ライン幅の乱れも小さくなった。さらに、従来の直流電圧のみを用いた電流フィードバックでは困難であったドットアレイパターンを高速に描画することができた。
【００２８】
本実施例では、交流電圧の周波数が高いほど高速なフィードバックをかけられ、走査速度を高速にすることができるが、特に１ｋＨｚから１ＭＨｚで安定な描画が行えた。また、描画に用いる電圧の極性側のしきい電圧が逆極性側のしきい電圧よりも十分に低い場合、図４のような非対称波形としなくても、直流電圧印加部１９からの直流電圧は必ずしも必要でない。
【００２９】
（実施例２）
本実施例では交流電圧とサンプルホールド回路を用いてレジスト膜上に描画を行う探針描画装置の例を図７および図８を用いて説明する。図７は本発明の描画装置の実施例構成概念を示すブロック図である。本実施例は、図１に示した実施例の探針描画装置と本質的に変わるところはないが、図１との相違点は、電流検出部１５の出力がサンプルホールド部６２に接続され、交流電圧印加部１８から出力される交流印加電圧に同期してトリガ電圧発生部６１からサンプルホールド部６２にトリガ電圧が出力され、電流信号がホールドされる点である。
【００３０】
次に図８を用いて電流の検出方法を説明する。図８（ａ）は交流電圧印加部１８から出力される交流印加電圧の時間変化であり、図８（ｂ）はその時に流れる電流の時間変化の様子を示している。交流電圧波形７３が正弦波の場合、正側電圧は時刻７１においてピーク値となり、負側電圧は時刻７２においてピーク値となる。この時、探針２−レジスト層８間を流れる実効電流波形７４は実線で示したようになり、時刻７１でピーク値をとり、交流電圧波形７３が負の時は電流は流れない。一方、探針２−導電層７間の浮遊容量に対する充放電電流波形７５は破線で示すようになり、交流電圧波形７３よりも位相が９０度進んだ正弦波となる。そのため、時刻７１および時刻７２においては充放電電流波形７５はゼロとなり、この時、電流検出部１５からは実効電流７４のみの値が出力される。そこで、時刻７１あるいは時刻７２における電流値をサンプルホールド部６２で保持することにより、充放電電流を含まない電流値を得ることができる。
【００３１】
図８（ｃ）はトリガ電圧発生部６１からサンプルホールド部６２に供給するトリガ信号であり、交流電圧波形７３の正側のピーク時、すなわち時刻７１に同期してパルス７６が出力され、サンプルホールド部６２はこのパルス７６の立ち上がりに同期して現在の電流値を保持する。これにより、サンプルホールド部６２の出力は常に実効電流波形７４のピーク値を出力することになる。一方、時刻７１および時刻７２においては充放電電流波形７５は急激に変化するため、交流電圧波形７３の正側ピーク時のみに電流値を保持した場合、パルス７６の微妙なずれによって充放電電流も保持され、正確な実効電流のピークを検出できなくなる。
【００３２】
図８（ｄ）は、これを解決するために、交流電圧波形７３の正側ピーク時のみならず負側ピーク時、すなわち時刻７２にもパルス７７を出力する場合のトリガ信号である。充放電電流は正弦波であるため、位相が半周期分、すなわち１８０度変わると同じ大きさで符号のみが逆となる。時刻７１および時刻７２は交流電圧波形７３に同期しているため正確に半周期分ずれており、パルス７６、７７のタイミングがずれた場合も、時刻７１，７２における充放電電流値は常に同じ大きさで逆符号の値となるため、相殺され、検出された電流には現れない。
【００３３】
しかし、サンプルホールド部６２は、時刻７１においては実効電流のピーク値を出力するが、時刻７２においては実効電流はほぼゼロとなるため出力もゼロとなる。この波形をローパスフィルタ１６に通すと、ピーク値の半分の値となる。また、パルス７６、７７の交流電圧波形７３に対する位相を調整し、出力電流が最大となるようにすれば正確なピーク値が得られる。こうして得られたピーク電流値を用いて電流フィードバックを行うことにより、ピーク電流値を一定に保ちながら露光を行うことができる。
【００３４】
図７に示した装置を用いてパターン描画を行う際の動作は図１に示した装置の場合と全く同じである。本実施例では実施例１と同様の描画ヘッド部１および試料部５を用い、１００ｋＨｚの交流電圧を印加し、図８（ｄ）に示したトリガ信号を用いて電流ピーク値を検出し、設定電流を１００ｐＡとして実施例１と同様のライン−スペースパターンおよびドットアレイパターンを描画した結果、実施例１と同様の結果が得られた。図８（ｃ）のトリガ信号を用いた場合も同様の描画が可能であった。
【００３５】
本実施例では、交流電圧を印加した時に流れる交流電流のピーク値を検出することによって電流フィードバックを行い、０．１ｍｍ四方の領域に１００ｎｍピッチで５０ｎｍ幅のライン−スペースパターンを描画した結果、直流電圧を用いた電流フィードバックを行った場合と比較して、２．５倍高速になり、また、ライン幅の乱れも小さくなった。さらに、従来の直流フィードバックでは困難であったドットアレイパターンを高速に描画することができた。
【００３６】
（実施例３）
本実施例では複数の探針を用いてレジスト膜上に描画を行うパターン描画装置の例を図９を用いて説明する。本実施例は、特開平１１−７３９０６号公報に開示されている、一次元的に配列した複数の導電性の探針２ａ−２ｄがそれぞれ複数のバネ部３ａ−３ｄを介して共通のホルダー４に固定された走査プローブ顕微鏡を用いたリソグラフィー装置に本発明を適用したものである。図１に示した実施例のパターン描画装置と本質的に変わるところはないが、図１との相違点は、探針２ａ−２ｄはそれぞれ独立に電流検出部１４を介して加算回路２１に接続されており、探針２ａ−２ｄに同時に独立に電圧印加および電流検出ができるようになっている点である。また、両端のバネ部３ａおよび３ｄは位置検出部１３に接続されており、スイッチ２０がＯＮの時には、これにより実施例１の場合と同様に探針２ａおよび２ｄのレジスト層８表面からの垂直方向位置を検出し、これらの信号をもとにそれぞれ二つのＺ駆動部９ａおよび９ｂを変位させて、すべての探針２ａ−２ｄの垂直方向位置を所望の値に調整する。両実施例で共通するものは同じ参照符合で示した。
【００３７】
次に図９に示した装置を用いてパターン描画を行う際の動作を説明する。まず、実施例１と同様に、最初にレジスト層８に探針２ａ−２ｄを接触させるときは、図１の実施例と同様、スイッチ２０をＯＦＦとしておき、総合制御部１２からの指令により二つのＺ駆動部９ａおよび９ｂを伸ばしていき、一方が接触したとき、スイッチ２０をＯＮとして閉ループ制御に移行させる。位置検出部１３、Ｚ位置制御部１４およびＺ駆動部９ａおよび９ｂから成る二つの独立した位置フィードバックループにより探針２ａおよび２ｄの垂直方向位置を自動制御するため、探針２ａ−２ｄの先端を結んだ直線とレジスト層８表面とが平行でなくても、これが平行となるように自動的に調整され、探針２ａ−２ｄをレジスト層８表面にほぼ同じ力で接触させることができる。また、探針は特開平１１−７３９０６号公報に開示されているように二次元的に配列してもよく、この場合、Ｚ位置フィードバックは同一直線状にない３つの探針に対してその位置に対応した３つのＺ駆動部を用いて行うことにより、二次元の探針アレイをレジスト層８表面に一様な力で接触させることができる。探針２ａ−２ｄがレジスト層８に接触後、実施例１と同様に電流フィードバック部８１により交流電圧振幅を制御して描画を行う。電流フィードバック部８１は実施例１で示した照射線量制御を用いても、実施例２で示した電流ピーク値制御を用いてもよい。ここで、電流フィードバック部８１は図１と同様に、各探針対応にローパスフィルタと電流制御部を持つものであることは言うまでもなかろう。
【００３８】
本実施例では、チタンを蒸着して導電性を持たせたシリコン単結晶の探針およびバネ部を０．１ｍｍ間隔で縦横１０個、すなわち１００個の探針を配列させたものを用い、５０ｎｍの厚さのレジストＲＤ２１００Ｎを塗布した導電性のシリコン基板上で、各探針に流れる電流が３０ｐＡになるように設定して、各探針を０．１ｍｍ／ｓの速度で０．１ｍｍ四方の範囲を移動させて描画を行うことにより、１ｍｍ四方の領域にパターンを描画した。照射線量制御、電流ピーク値制御を用いた場合のいずれにおいても明瞭なレジストパターンが描画できた。また、探針を１０μｍ間隔で縦横１００００個ずつ２次元的に配列させ、０．１ｍｍ／ｓの速度で描画した場合、３００ｍｍウエハを毎時４０枚で処理することができる。
【００３９】
本実施例では、二次元状に配列した１００本の探針を用いて交流電圧描画を行い、一本の探針を用いた場合と比較して高速にレジストパターンを露光できる探針描画装置を提供することができた。
【００４０】
（実施例４）
本実施例では絶縁膜の漏れ電流評価を行う絶縁特性評価装置の例を図１０を用いて説明する。本実施例は、図１および図７に示した実施例の探針描画装置と電流の流れ方において本質的に変わるところはないが、試料部５の第一層がレジスト層８でなく絶縁層９１になっており、図１で示した電流検出機構と図７で示した電流検出機構の両方を持ち、電流照射線量と電流ピーク値のいずれも検出できる。そのためにローパスフィルタは１６ａと１６ｂの二つが設けられる。また、これらの出力をスイッチ９２を用いて電流制御部１７に入力し、電流照射線量および電流ピーク値のいずれを用いても電流フィードバックをかけることができる。さらに、画像表示部９３に、ＸＹ駆動部１０から総合制御部１２にフィードバックされるＸＹ位置信号、設定電流値、電流ピーク値および印加電圧値を取り込むことにより、絶縁層９１の絶縁抵抗のマッピング表示を行うことができる。
【００４１】
次に図１０に示した装置を用いてパターン描画を行う際の動作を説明する。まず、探針２と絶縁層９１とを接触させるために、スイッチ２０をＯＦＦとして、Ｚ粗動部１１により両者を接触するまで接近させる。一旦接触したことが検出されたらスイッチ２０をＯＮとして、位置検出部１３、Ｚ位置制御部１４およびＺ駆動部９から成る位置フィードバックループにより探針２の垂直方向位置を自動制御する。これにより、ＸＹ駆動部１０を動作させて探針２と絶縁層９１との相対位置が変化した場合も、探針２と絶縁層９１とのＺ方向の相対位置が保たれる。絶縁層９１の評価は探針２をレジスト層９１上で移動させながら所定の電流を探針２と絶縁層９１の間に流すことにより行う。評価を開始する前に、あらかじめ探針２から絶縁層９１に電流が流れ始めるしきい値を計測しておき、評価の際、しきい値付近の直流電圧を直流電圧印加部１９から探針２に印加する。その後、電流検出部１５、電流制御部１７、交流電圧印加部１８から成る電流フィードバックループをＯＮにし、制御部１２により電流制御部１７に流したい電流値を設定すれば、交流電圧印加部１８からの交流電圧波形の振幅が調整されて所望の電流が流れる。電流フィードバックは電流照射線量および電流ピーク値のいずれを用いてかけてもよい。電流照射線量を用いた場合は、評価したいＸＹ位置において印加交流電圧の振幅とその時の電流ピーク値をモニタしておき、それらを用いて絶縁層９１の抵抗値を計算し各ＸＹ位置における値をマッピングすれば、測定範囲の抵抗値マッピング画像が得られる。また、印加交流電圧の振幅をマッピングしても絶縁層９１の絶縁抵抗に対応した画像が得られる。一方、電流ピーク値を用いて電流フィードバックを行った場合、電流ピーク値が一定値であるため交流電圧振幅そのものが直接絶縁層９１の抵抗値に対応する。電流ピーク値を用いて抵抗値を算出してもよい。一般に、絶縁層９１は高電界により絶縁破壊を起こす恐れがあるため、フィードバック時における電圧の最大値を制限することが望ましい。
【００４２】
本実施例では、ＭＯＳトランジスタのゲート酸化膜に用いる厚さ５ｎｍのシリコン酸化膜の表面を、１０μｍ四方の領域に渡って、ピーク電流値が１ｐＡとなるように電流フィードバックをかけながら走査し、抵抗値マッピング画像を得た。電流照射線量用いてフィードバックをかけた場合も同様のマッピング画像が得られた。また、ＴＭＲ（トンネル磁気抵抗）ヘッドの用いられる厚さ０．８ｎｍのアルミ酸化膜に対しても同様の抵抗値マッピング画像を得た。
【００４３】
本実施例では、電流照射線量あるいは交流電流のピーク値が一定となるように交流電圧を調整することにより、厚さ５ｎｍのシリコン酸化膜および厚さ０．８ｎｍのアルミ酸化膜の膜厚方向の絶縁抵抗を１０μｍ四方の領域で測定し、絶縁破壊することなく高速に絶縁抵抗のマッピング画像を得ることができた。
【００４４】
（その他）
なお、上述の実施例においては、各制御機能を独立したブロックで表現して説明したが、動作を分かりやすくするためにそうしただけであって、これらが、適宜統合されて、いわゆるパソコンによるソフトの動作で実現できることは当然である。また、ＸＹ駆動部１０の動きのフィードバックは省略しても良い．
また、本発明は以下のような実施形態で実現できる。
【００４５】
１．探針で基板表面を走査させるとともにこれらの間に電流を供給して前記基板に所望のパターンを描画する探針描画装置であって、前記基板に流れる電流を検出する検出部と、前記電流の交流成分を除去するローパスフィルタと、前記探針と前記基板の間に交流電圧を印加する交流電圧印加部と、前記交流電圧に重畳して直流電圧を印加する直流電圧印加部と、前記電流に基づいて前記印加電圧が決定される電流制御部とを有することを特徴とする探針描画装置。
２．上記１項に記載の探針描画装置であって、前記電流の制御を、交流電圧の振幅を変化させることによって行うことを特徴とする探針描画装置。
３．上記１項に記載の探針描画装置であって、前記直流電圧として、前記探針と前記基板の間に電流が流れ始めるしきい電圧付近の電圧を印加することを特徴とする探針描画装置。
４．上記１項に記載の探針描画装置であって、前記交流電圧として、直流成分を含まない波形を用いることを特徴とする探針描画装置。
５．上記１項に記載の探針描画装置であって、前記交流電圧を、任意に発生させた交流電圧をハイパスフィルタを通すことにより得ることを特徴とする探針描画装置。
６．基板主面に導電層を形成する工程と、前記導電層上にレジスト膜を形成する工程と、探針と前記基板の間に直流電圧を印加する工程と、前記直流電圧に重畳して交流電圧を印加する工程と、前記探針と前記導電層の間に流れる電流が一定値となるように前記交流電圧の振幅を調整する工程と、パターンデータに基づいて、探針と前記導電層の間に供給する電流値、及び、前記電流の供給位置を決定する工程と、前記レジスト膜上で前記探針を走査させながら前記電流供給位置で電流を供給し、前記レジスト膜に前記パターンの潜像を形成する工程と、前記レジスト膜を現像し前記基板に所望のパターンを形成する工程とを有する探針描画方法。
７．探針で基板表面を走査させるとともにこれらの間に電流を供給して前記基板に所望のパターンを描画する探針描画装置であって、前記基板に流れる電流を検出する検出部と、前記電流を保持するサンプルホールド部と、交流成分を除去するローパスフィルタと、前記探針と前記基板の間に交流電圧を印加する交流電圧印加部と、前記交流電圧に重畳して直流電圧を印加する直流電圧印加部と、前記交流電圧に基づき前記サンプルホールド部に供給して電流値を保持させるトリガ電圧を発生させるトリガ電圧発生部と、前記電流に基づいて前記印加電圧を決定する電流制御部とを有することを特徴とする探針描画装置。
８．上記７項に記載の探針描画装置であって、前記電流の制御を、交流電圧の振幅を変化させることによって行うことを特徴とする探針描画装置。
９．上記７項に記載の探針描画装置であって、前記直流電圧として、前記探針と前記基板の間に電流が流れ始めるしきい電圧付近の電圧を印加することを特徴とする探針描画装置。
１０．上記７項に記載の探針描画装置であって、前記トリガ電圧を前記交流電圧の正側あるいは負側いずれかのピーク時に発生させることを特徴とする探針描画装置。
１１．上記７項に記載の探針描画装置であって、前記トリガ電圧を前記交流電圧の正側および負側のピーク時に発生させることを特徴とする探針描画装置。
１２．探針で基板表面を走査しながら該探針と該基板との間に電流を供給して所望のパターンを描画するパターン描画装置であって、複数の探針と、各探針と前記基板の間に交流電圧を印加する交流電圧印加部と、前記交流電圧に重畳して直流電圧を印加する直流電圧印加部と、前記各探針と前記基板との間に流れる電流値を測定する電流測定部と、測定された電流値に基づき前記印加電圧を決定する電流制御部とを有することを特徴とする探針描画装置。
１３．上記１２項に記載の探針描画装置であって、前記各探針と前記基板の間を流れる電流の制御を、交流電圧の振幅を変化させることによって行うことを特徴とする探針描画装置。
１４．上記１２項に記載の探針描画装置であって、前記直流電圧として、前記各探針と前記基板の間に電流が流れ始めるしきい電圧付近の電圧を印加することを特徴とする探針描画装置。
１５．上記１２項に記載のパターン描画装置であって、前記複数の探針は２次元的に配列されていることを特徴とするパターン描画装置。
１６．探針で絶縁膜表面を走査させるとともにこれらの間に電流を供給して前記絶縁膜の絶縁特性を評価することを特徴とする探針評価装置であって、前記基板に流れる電流を検出する検出部と、前記電流を保持するサンプルホールド部と、交流成分を除去するローパスフィルタと、前記探針と前記基板の間に交流電圧を印加する交流電圧印加部と、前記交流電圧に重畳して直流電圧を印加する直流電圧印加部と、前記交流電圧に基づき前記サンプルホールド部に供給して電流値を保持させるトリガ電圧を発生させるトリガ電圧発生部と、前記電流に基づいて前記印加電圧を決定する電流制御部とを有することを特徴とする探針評価装置。
１７．上記１６項に記載の探針評価装置であって、前記電流の制御を、交流電圧の振幅を変化させることによって行うことを特徴とする探針評価装置。
１８．上記１６項に記載の探針評価装置であって、前記直流電圧として、前記探針と前記基板の間に電流が流れ始めるしきい電圧付近の電圧を印加することを特徴とする探針評価装置。
１９．上記１６項に記載の探針評価装置であって、前記探針を前記絶縁膜上で走査させ、各位置における電圧値をマッピングすることにより、前記絶縁膜の評価することを特徴とする探針評価装置。
２０．上記１６項に記載の探針評価装置であって、前記探針を前記絶縁膜上で走査させ、各位置における電圧値と電流値に基づき抵抗値をマッピングすることにより、前記絶縁膜の評価することを特徴とする探針評価装置。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば、探針−基板間の浮遊容量の影響を受けることなくレジスト層あるいは抵抗層の電流を高速に制御することか可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の描画装置の実施例構成概念を示すブロック図。
【図２】本実施例の電流フィードバックループのブロック図。
【図３】レジスト層８の電流−電圧特性と電圧電流の関係を模式的に示す図。
【図４】正側半周期と負側半周期が非対称な加交流電圧の例を示す図。
【図５】レジスト層８の電流−電圧特性と正側半周期と負側半周期が非対称な加交流電圧による電圧電流の関係を模式的に示す図。
【図６】非対称波形の発生回路とこれによる交流電圧印加部のブロック図。
【図７】交流電圧とサンプルホールド回路を用いてレジスト膜上に描画を行う探針描画装置の実施例構成概念を示すブロック図。
【図８】図７に示した実施例の電流の検出方法を説明する図であり、（ａ）は交流印加電圧、（ｂ）はレジスト層を流れる電流と充放電電流、（ｃ）および（ｄ）はサンプルホールドのためのトリガ信号を示す図。
【図９】複数探針を用いて描画する探針描画装置の実施例構成概念を示すブロック図。
【図１０】絶縁膜の漏れ電流評価を行う絶縁特性評価装置の実施例構成概念を示すブロック図。
【符号の説明】
１…描画ヘッド部、２，２ａ，２ｂ，２ｃおよび２ｄ…探針、３，３ａ，３ｂ，３ｃおよび３ｄ…バネ部、４…ホルダー、５…試料部、６…基板、７…導電層、８…レジスト層、９，９ａおよび９ｂ…Ｚ駆動部、１０…ＸＹ駆動部、１１…Ｚ粗動部、１２…制御部、１３…位置検出部、１４…Ｚ位置制御部、１５…電流検出部、１６、１６ａ、１６ｂおよび２３…ローパスフィルタ、１７…電流制御部、１８…交流電圧印加部、１９…直流電圧印加部、２０…スイッチ、２１，２８，２９…加算回路、２２…抵抗、２４…積分器、２５…ゲイン調整器、２６…発振器、２７…浮遊容量、３１…特性カーブ、３２…正側しきい電圧、３３…負側しきい電圧、３４および７３…交流電圧波形、３５…電流波形、３６および４１…正側半周期、３７および４２…負側半周期、５３…波形発生回路、５４…ハイパスフィルタ、５５…振幅調整回路、６１…トリガ電圧発生部、６２…サンプルホールド部、７１および７２…時刻、７４…実効電流波形、７５…充放電電流波形、７６および７７…パルス、８１…電流フィードバック部、９１…絶縁層、９２…スイッチ、９３…画像表示部。
【図１】
0004022391.tif 000004
【図２】
0004022391.tif 000005
【図３】
0004022391.tif 000006
【図４】
0004022391.tif 000007
【図５】
0004022391.tif 000008
【図６】
0004022391.tif 000009
【図７】
0004022391.tif 000010
【図８】
0004022391.tif 000011
【図９】
0004022391.tif 000012
【図１０】
0004022391.tif 000013