(57)【要約】【課題】各配線層を連結するビアのごとき開口寸法が５００ｎｍ〜数ミクロンと比較的に大きくかつ深さは数ミクロンと深くアスペクト比が高い形状の深さ管理と底部の表面粗さを厳密に管理する用途に適した走査型プローブ顕微鏡用探針ユニットを提供する。【解決手段】走査型プローブ顕微鏡用探針ユニットは、一端が固定されかつ他端が自由端であるレバー部１３と、レバー部の自由端に設けられる探針１２とを有する走査型プローブ顕微鏡用探針ユニット１０であり、探針の先端部からレバー部１３との接続部に向かいカーボンナノチューブ１４を沿わせて取り付けると共に、このカーボンナノチューブ１４の先端を探針１２の先端部から突出させるように構成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端が固定されかつ他端が自由端であるレバー部と、前記レバー部の前記自由端に設けられる探針とを有する走査型プローブ顕微鏡用探針ユニットにおいて、
前記探針の先端部から前記レバー部との接続部に向かいカーボンナノチューブを沿わせて取り付けると共に、このカーボンナノチューブの先端を前記探針の先端部から突出させたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡用探針ユニット。
【請求項２】
前記カーボンナノチューブは前記探針の内部に設けられることを特徴とする請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡用探針ユニット。
【請求項３】
前記探針は、前記カーボンナノチューブを支持する探針部と、前記探針部に支持された前記カーボンナノチューブを覆って固定する覆い部とから構成されることを特徴とする請求項２記載の走査型プローブ顕微鏡用探針ユニット。
【請求項４】
前記カーボンナノチューブは前記探針の外面に貼り付けられることを特徴とする請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡用探針ユニット。
【請求項５】
前記カーボンナノチューブの先端は、前記探針の先端部から数十ｎｍ以下の範囲で突出させることを特徴とする請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡用探針ユニット。
【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用探針ユニットに関し、特に、耐摩耗性、アスペクト比、探針剛性が高く、先端径が小さく、かつ解像度の高い測定を行える走査型プローブ顕微鏡用探針ユニットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
走査型プローブ顕微鏡は、従来、原子のオーダまたはサイズの微細な対象物を観察できる測定分解能を有する測定装置として知られている。近年、走査型プローブ顕微鏡は、半導体デバイスが作られた基板やウェハの表面の微細な凹凸形状の測定など、特に半導体の分野で使用されている。測定に利用する検出物理量に応じて各種のタイプの走査型プローブ顕微鏡が存在する。例えば、トンネル電流を利用する走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）、原子間力を利用する原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、磁気力を利用する磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）等がある。これらの応用範囲は拡大しつつある。
【０００３】
上記のうち、特に原子間力顕微鏡は、試料表面の微細な凹凸形状を高分解能で検出することに適し、半導体基板製造の分野で実績を上げており、最近では開発用途だけではなく、プロセス管理ツールとして製造工程でのインライン検査装置といった用途での使用も増加してきている。
【０００４】
検査対象である半導体製品は、高速度化と低価格化を両立するために、微細化、高集積化を急速に進展させている。これに伴い、より精度の高い計測が必要になると共に、従来は管理の対象となっていなかった工程、部位の形状管理が必要とされるようになってきている。
【０００５】
例えば、トランジスタ構造の高集積化に欠かせない素子分離（ＳＴＩ：Shallow Trench Isolation）の構造は、既に幅６０ｎｍ、深さ４００ｎｍという非常に狭くかつアスペクト比の高い形状となっている。この素子分離構造は、その深さを厳密に管理することが要求されている。
【０００６】
このような開口部の寸法が極めて小さくかつアスペクト比の高い形状の測定を行えるようにするために、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を探針とした探針ユニット（プローブ）が開発され、その深さ計測に用いられるようになってきている（特許文献１参照）。
【０００７】
また、例えばトランジスタ構造の形成過程で積層される層間絶縁膜は、既に１ｎｍを下回る原子数個分の厚みにまで薄膜化している。層間絶縁膜の薄膜化に伴い、この層間絶縁膜を積層する下地、および積層した絶縁膜の表面の面粗さの大小がトランジスタの特性、安定性に大きく関与するとして、当該面粗さは厳密に管理される。この層間絶縁膜の下地および表面の面粗さは、オングストローム以下となるように管理することが、必要とされている。
【０００８】
このような非常に微細な面粗さを安定的に計測するためには、探針の先端の半径寸法が小さいことと、その半径寸法が長期に渡って変化しない、すなわち耐摩耗性に優れていることとが、探針に要求されている。これらの要求を満たす探針として、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を利用する探針ユニットが開発され、面粗さ計測に用いられるようになってきている。
【０００９】
さらに、例えば配線構造における各配線層を連結する「ビア」と呼ばれる縦方向の配線構造部の形成工程においては、従来では、単に「深さ」を管理していたものが、近年では電気抵抗の増大、信号伝達速度の低下を招くことから「ビア」の底部の表面粗さを小さく押さえることが必要とされている。すなわち、ビア底部の表面粗さを厳密に管理することが要求されている。
【００１０】
このようなビア底部の表面粗さを計測するためには、ビアの深さは数ミクロンと深いのでアスペクト比が高くかつ探針長さがビアの深さ以上に長いこと、また微小な表面粗さを計測するのでその探針先端の半径寸法が小さいこと、などの全ての条件を満たす必要がある。ここで、ビア構造の開口寸法は、通常５００ｎｍ〜数ミクロン（μｍ）と比較的に大きいため、シリコン、窒化シリコンを先鋭化してアスペクト比の高い円錐形状とした探針を有する探針ユニット（プローブ）が開発され、その計測に用いられるようになってきている（非特許文献１参照、「High Aspect Ratio Tip」）。
【００１１】
ただし、このようなビア底部の表面粗さを計測するために用いられるシリコン、窒化シリコンを先鋭化してアスペクト比の高い形状とした探針を有する探針ユニットでは、耐摩耗性に劣るため、耐摩耗性に優れた材質で探針を被覆したプローブも開発されている（非特許文献１参照、「Extended Life High Aspect Ratio Tips」）。
【特許文献１】特開２００６−１２５８４６号公報
【非特許文献１】Team Nanotec GmbH, "AFM probe tips for scanning probe microscopy-sillicon mems-" 「High Aspect Ratio Tip」,「Extended Life High Aspect Ratio Tips」[online],   [２００７年９月２８日検索], インターネット＜http://www.team-nanotec.de/index.cfm?fuseaction＞
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従来の探針ユニットの問題を説明する。
【００１３】
上述したように「ビア」と呼ばれる形状部の深さおよび底面の表面粗さを計測することを目的とした場合、探針長さがビア深さよりも大きいこと、ビア形状よりもアスペクト比が高いこと、探針先端の半径寸法が小さいこと、および先端半径が長期にわたって変化しない、つまり耐摩耗性に優れることが探針ユニットに要求される。
【００１４】
このような要求に対して、第１に、微細かつ耐摩耗性に優れたカーボンナノチューブを探針に用いた探針ユニットの場合、一般にカーボンナノチューブの直径は最大で５０ｎｍ程度であり、また必要な長さは数ミクロンと非常に高いアスペクト比として探針ユニットを形成する必要がある。しかしながら、探針直径５０ｎｍに対して長さ数ミクロンという形状寸法とすると、その曲げ剛性は非常に低いものとなり、ファンデルワールス力によるビア側壁への吸引、吸着による測定異常や座屈、探針曲がりによる高さ計測値の誤差などが発生する。その結果、測定の精度、測定の安定性が悪化し、実用に耐えるものではない。
【００１５】
第２に、シリコンや窒化シリコンを先鋭化してアスペクト比の高い形状とした探針を有する探針ユニットの場合、探針の根本部分の寸法はビア開口よりも小さければよく、根本寸法を大きくした円錐形状とすることができるため、探針部分の曲げ剛性を高く保つことができ、ファンデルワールス力によるビア側壁への吸引、吸着による測定異常や座屈、探針曲がりによる高さ計測値の誤差は発生しない。他方、シリコン、窒化シリコンといった一般的に探針に用いられる材質は、カーボンナノチューブに比べると、耐摩耗性に劣るため、長期にわたって安定してビア底部の面粗さを測定することはできない。
【００１６】
第３に、シリコン、窒化シリコンを先鋭化してアスペクト比の高い形状とした探針に対して耐摩耗性に優れた材質を被覆した探針ユニット（プローブ）の場合、その耐摩耗性は格段に向上する。しかしながら、被覆することによって探針先端の半径寸法が大きくなってしまうため、ビア底部の微小な表面粗さを正確に計測することができない。
【００１７】
本発明の目的は、上記の課題に鑑み、耐摩耗性・アスペクト比・探針剛性が高く、先端径が小さく、かつ解像度の高い測定を行うことができ、例えば配線構造における各配線層を連結するビアと呼ばれる縦方向の配線構造部のごとき開口寸法が例えば５００ｎｍ〜数ミクロンと比較的に大きくかつ深さは数ミクロンと深くアスペクト比が高い形状の深さ管理と底部の表面粗さを厳密に管理する用途に適した走査型プローブ顕微鏡用探針ユニットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明に係る走査型プローブ顕微鏡用探針ユニットは、上記の目的を達成するため、次のように構成される。
【００１９】
本発明に係る走査型プローブ顕微鏡用探針ユニットは、一端が固定されかつ他端が自由端であるレバー部と、レバー部の自由端に設けられる探針とを有する走査型プローブ顕微鏡用探針ユニットであり、探針の先端部からレバー部との接続部に向かいカーボンナノチューブを沿わせて取り付けると共に、このカーボンナノチューブの先端を探針の先端部から突出させたことを特徴とする。
【００２０】
上記の構成を有する探針ユニットは、いわゆるカンチレバーと呼ばれるもので、片持ち梁部材として機能する。半導体ウェハ等の表面凹凸等を計測するときに、探針が試料表面をなぞるように作用する。ここで、カーボンナノチューブが探針先端から突出しているため、耐摩耗性に優れるカーボンナノチューブが試料表面と接触する。
【００２１】
上記の構成において、カーボンナノチューブは探針の内部に設けられることを特徴とする。
【００２２】
上記の構成において、探針は、カーボンナノチューブを支持する探針部と、この探針部に支持されたカーボンナノチューブを覆って固定する覆い部とから構成される。
【００２３】
上記の構成において、カーボンナノチューブは探針の外面に貼り付けられることを特徴とする。
【００２４】
上記の構成において、カーボンナノチューブの先端は、探針の先端部から数十ｎｍ以下の範囲で突出させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明に係る走査型プローブ顕微鏡用探針ユニットによれば、例えば多層配線構造における各配線層を接続または連結する「ビア」と呼ばれる縦方向の配線構造部分のように、開口寸法が例えば５００ｎｍ〜数ミクロンと比較的に大きく、かつ深さは数ミクロンと深く、アスペクト比が高い形状の深さと底部の表面粗さについて、厳密な管理を長期に渡って安定的に実施することができる。かかる探針ユニットを備えた走査型プローブ顕微鏡を半導体製造工程の検査工程に利用することにより、従来の問題であった半導体製造工程の管理の不十分さ、不正確さ、半導体製品の性能ばらつき、品質の低下、微細加工技術の開発上の支障を防止することができる。また上記探針ユニットを備えた走査型プローブ顕微鏡によれば、耐摩耗性・アスペクト比・探針剛性が高く、先端径が小さく、かつ解像度の高い測定を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。
【００２７】
図１と図２を参照して本発明に係る走査型プローブ顕微鏡用探針ユニットの第１の実施形態を説明する。図１は探針ユニットを先端側から見た斜視図であり、図２は側面図である。
【００２８】
探針ユニット１０は、「カンチレバー」と呼ばれるものであり、以下カンチレバーと記す。カンチレバー１０は、その基部に、他の箇所に取り付けるための平面面積が比較的大きい固定部１１を有し、先端部の下面側に探針１２を有する。カンチレバー１０において、他の箇所に取り付けられる固定部１１と、探針１２が設けられた先端部との間の部分は、レバー部１３を形成している。図１および図２に示されたカンチレバー１０において、固定部１１と探針１２とレバー部１３は一体物として形成されているが、これに限定されない。固定部１１と探針１２とレバー部１３は別々に作って組み付けることもできる。
【００２９】
カンチレバー１０の固定部１１が走査型プローブ顕微鏡の取り付け部（図示せず）に固定されたとき、カンチレバー１０のレバー部１３は片持ち梁の状態に保持される。このとき、カンチレバー１０における探針１２が設けられた先端部は自由端となる。カンチレバー１０の先端部の下面に存する探針１２は、その先端の先鋭部が被検査対象物に対して臨む。
【００３０】
カンチレバー１０のレバー部１３の平面形状は相対的に長い寸法を有する長方形であり、かつ極薄いものとなっている。カンチレバー１０の先端部は尖った形状を有している。
カンチレバー１０の寸法は従来から知られた寸法の範囲に含まれる。またカンチレバー１０や探針１２の製作には例えば半導体製造の成膜技術等が適用され、材質的には例えばシリコンが用いられる。
【００３１】
また、先端が下方に向かう配置状態にある探針１２は、先端部が細くかつ鋭く、レバー部１３との接続部（以下「根本部」という）側が太い円錐形状を有する。円錐形状の探針１２は、相対的に、アスペクト比が大きい深い穴等に対応できるように長い寸法を有する探針である。
【００３２】
本実施形態に係るカンチレバー１０では、さらに、その先端部に設けた探針１２の外面を形成する側面に、当該側面に沿って、探針１２の先端部から根本部に向かう方向にカーボンナノチューブ１４を貼り付けている。カーボンナノチューブ１４を貼り付けるための手段は、任意である。探針１２の側面に貼り付けられたカーボンナノチューブ１４の先端部は、図３に示すように、探針１２の先端部から数十ｎｍ以下の範囲（寸法Ｄ）で突出するように設けられている。
【００３３】
上記のカンチレバー１０における探針１２の部分の作り方は、カンチレバー１０とカーボンナノチューブ１４を別々に作り、貼り付け材を用いて探針１２の側面にカーボンナノチューブ１４を貼り付けるだけである。
【００３４】
以上のような構造を有するカンチレバー１０によれば、カンチレバー１０の探針１２の剛性は十分に確保され、かつカーボンナノチューブ１４の有する耐摩耗性に優れた材料特性により探針摩耗を最小限に留めることができ、探針１２の先端部の先端半径が小さい状態を長期間にわたって維持することができる。
【００３５】
次に、図４〜図８を参照して本発明に係る走査型プローブ顕微鏡用探針ユニットの第２の実施形態を説明する。図４は探針ユニットを先端側から見た斜視図であり、図５は側面図であり、図６は図５におけるＡ−Ａ線断面図である。また図７は第２の実施形態の変形例に係る探針部分を示す図であり、図８は探針の要部の横断面を示す図である。
【００３６】
基本的な構成部分は第１の実施形態の場合と同じであるので、同一要素には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。この第２の実施形態の場合には、カーボンナノチューブ１４を探針１２の内部に配置している。カーボンナノチューブ１４は、探針１２の先端部から根本部に向かって配置されている。カーボンナノチューブ１４の先端部の位置と探針１２の先端部の位置との関係は、第１の実施形態の場合と同じである。
【００３７】
上記の構造を有する第２実施形態に係るカンチレバー１０によれば、第１の実施形態の場合と同様に、カンチレバー１０の探針１２の剛性は十分に確保され、かつカーボンナノチューブ１４の有する耐摩耗性に優れた材料特性により探針摩耗を最小限に留めることができ、探針１２の先端部の先端半径が小さい状態を長期間にわたって維持することができる。特に、カーボンナノチューブ１４が探針１２に内包される場合には、円錐形状を有する探針１２でその軸線に対して傾き角度が、第１実施形態の場合に比して大きくなるので、カーボンナノチューブ１４の先端の傾きが鋭くなり、耐摩耗性をさらに高めることができる。
【００３８】
第２の実施形態に係るカンチレバー１０における探針１２の作り方は、まず最初にカーボンナノチューブ１４を作り、次に、カンチレバー１０を半導体製造に係る成膜技術を用いて作るときに、カンチレバー１０の探針部分を作る領域に上記のカーボンナノチューブ１４を適宜な配置姿勢で配置し、探針部分の製作時に当該探針部分に当該カーボンナノチューブ１４が内包されるように作り込む。
【００３９】
第２の実施形態に係るカンチレバー１０における探針１２の他の作り方としては、まず最初にカーボンナノチューブ１４を作り、次に、カンチレバー１０を半導体製造に係る成膜技術を用いて作るときに、カンチレバー１０の探針１２の部分を図７に示すごとき形状を有するように作製するものである。この場合の探針部分１２ａは、カーボンナノチューブが配置される箇所を、長さ方向に一部を切り欠いて（切り欠き部１２ｂ）作っている。この状態で、図８に示すごとく、カーボンナノチューブ１４を配置し、その後、当該切り欠き部１２ｂを埋めるように被覆材１５を設けるようにしたものである。探針１２の形状は、最終的に、望ましい円錐形状となるようにエッチングされる。
【００４０】
以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎず、また数値および各構成の組成（材質）等については例示にすぎない。従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明に係る探針ユニット（プローブ）は、半導体製造工程での検査工程に設置される走査型プローブ顕微鏡において半導体ウェハのビア計測等に利用される。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡用探針ユニットを先端側から見た斜視図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る探針ユニットの側面図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る探針ユニットの変形例を示す側面図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る探針ユニットを先端側から見た斜視図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る探針ユニットの側面図である。
【図６】図５におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係る探針ユニットの変形例を示し、製作途中の探針部分のみを示す図である。
【図８】本発明の第２実施形態に係る探針ユニットの変形例について完成した探針の横断面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０          探針ユニット（カンチレバー）
１１          固定部
１２          探針
１３          レバー部
１４          カーボンナノチューブ
１５          被覆材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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