专利名称：扫描型探针显微镜的探针形状评价方法
技术领域：
本发明涉及测定扫描型探针显微镜所使用的悬臂的探针曲率半径的方法。
背景技术：
在扫描型探针显微镜中，由于探针的顶端形状直接涉及与样本的接触状态，因而为了把握样本表面的形状测定和物性测定的测定性能，必须预先测定探针的顶端形状。另夕卜，实际上，与探针的顶端形状本身相比，大多将探针顶端假定为半球形，利用其半径或直径来表现探针顶端的尖锐度。一直以来，作为测定探针的顶端形状的方法，使用了基于电子显微镜的观察和由扫描型探针显微镜测定尖锐的针状的样本(以下，称为探针形状检测用样本)的形状而描绘出探针的顶端形状的方法。后者的使用探针形状检测用样本Sb的方法能够在将悬臂设置于扫描型探针显微镜的状态下测定，因而具有简便而不需要其他的装置的优点，一般而言经常被使用。例如，存在如下的两种方法:如专利文献I所记载，根据利用探针形状检测用样本Sb来测定的探针2a的形状，并根据探针2a的侧面的角度和探针2a的顶端的曲面部分的宽度，计算探针顶端的半球形状的半径(一般而言，称为曲率半径)；以及，如非专利文献I所记载，通过利用扫描型探针显微镜并利用探针形状检测用样本Sb来测定探针2a的顶端形状，从而如图6所示，在探针形状检测用样本Sb的尖锐的针状突起顶端利用探针形状检测用样本的针来测量探针的顶端形状，求出从该探针2a的顶端形状的顶部起的一定的距离处的剖面的直径(图8)，由此评价探针2a的顶端形状。专利文献
专利文献1:日本特开2001-165844号公报；
非专利文献I JIS R 1683利用原子力显微镜测定精细陶瓷薄膜的表面粗糙度的方法。
发明内容
在专利文献I的探针形状的评价方法中，探针2a的侧面必须为直线状，但实际的探针2a为微小的构造物，因而侧面不一定被制作成直线状。因此，不能正确地求出侧面和顶端的曲面部分的分界，难以利用该方法求出顶端的曲率半径。另外，在非专利文献I的探针形状的评价方法中，以顶端的半球形状的根基侧也为大致相同的宽度的圆柱状作为前提，将圆柱状的部分的直径作为顶端的半球形状的直径而评价。但是，因此，必须以利用上述的探针形状检测用样本Sb能够测定形状的高度比曲率半径更大且半球形状的根基侧部分为能够近似为粗细一定的圆柱型的形状作为前提条件。但是，对于探针形状而言，随着用途不同而具有各种的种类，意图使探针的顶端的半球形状变大的情况和探针的半球形状的根基侧部分不为圆柱而为渐缩形状的情况也很多。对于这样的特殊的形状的探针，有时候不能适用非专利文献I的方法。例如，如图7所示，在探针的曲率半径比探针形状检测用样本Sb的凸状部的高度更大，S卩比探针的能够测定形状的高度更大的情况下，测定探针的形状的区域At处的探针形状的径迹如图9所示，由探针形状检测用样本只在顶端的半球形状的一部分进行。另外，在该情况下，如非专利文献I所记载，即使求出从探针顶端形状的顶部起的一定的距离处的剖面的直径，也与探针的顶端的半球形状的直径不一致。因此，在本发明中，提供了一种即使在利用探针形状检测用样本Sb能够测定形状的高度比探针顶端的曲率半径更小的情况下，也评价曲率半径大的探针2b的顶端形状的方法。如上所述，在非专利文献I的评价方法中，在利用探针形状检测用样本Sb能够测定形状的高度比探针的曲率半径更小的情况下，不能正确地评价探针顶端的半球形状的直径。因此，如图2所示，求出已测定的从探针顶端的形状的顶部起的多个距离(例如，图中的IicTh4)处的剖面的半径(例如，图中的TtTr4)，将这些代入算式I中，算出将图2所示的探针顶端形状近似为圆时的曲率半径Rtip。具体而言，由接近工序、扫描工序、数据取得工序、数据提取工序以及计算工序构成，该接近工序使扫描型探针显微镜所具备的探针的顶端相对于相对配置的评价用试样(探针形状检测用样本)的表面而相对地接触或接近至规定间隔，该扫描工序使作用于探针的顶端和评价用试样的表面之间的物理量为一定并同时进行规定的扫描，该数据取得工序取得评价用试样的表面形状，该数据提取工序对于以取得的数据之中的从探针顶端下降的中心轴上的规定的高度(h)和该高度处的中心轴至测定的形状的外缘的距离(r)作为一组的数据组，提取变更高度(h)后的2组以上，该计算工序利用该提取数据的高度(h)和距离(r)来计算将探针的顶端近似为球状的情况下的曲率半径(Rtip)。依照本发明所涉及的探针形状评价方法，即使是探针的侧面不为直线状的探针，或者即使是探针的曲率半径比能够利用探针形状检测用样本Sb来测定的高度更大的探针2b，也能够测定探针的曲率半径。
图1是显示用于本发明的探针形状评价方法的扫描型探针显微镜的概要的图。图2是本发明的探针形状评价方法所涉及的探针形状的评价的概念图。图3是本发明的探针形状评价方法所涉及的探针形状的结果的一例的图。图4是本发明的探针形状评价方法所涉及的探针形状的结果的一例的图。图5是本发明的探针形状评价方法所涉及的探针形状的结果的一例的图。图6是利用探针形状检测用样本来测定探针的形状的说明图。图7是利用探针形状检测用样本来测定曲率半径大的探针的形状的说明图。图8是现有的探针形状评价方法所涉及的探针形状的评价的概念图。图9是现有的探针形状评价方法所涉及的探针形状的评价的概念图。
具体实施例方式首先，关于用于本发明的探针形状评价方法的扫描型探针显微镜，使用图1而说
明其一例。
在本发明的扫描型探针显微镜中，具备悬臂1、杆励振装置4以及悬臂位移检测部5，该悬臂I具有探针2a，该探针2a配置成针尖朝向设置于试样台10上的被测定物Sa的表面，并且相对于该被测定物Sa的表面而能够相对地进行平行于被测定物Sa的表面的X、Y方向的扫描和垂直于该被测定物Sa的表面的Z方向的移动,该杆励振装置4能够使该悬臂I振动，该悬臂位移检测部5检测悬臂I的位移。试样台10安装于3维致动器9，并能够使探针2和被测定物Sa的表面沿上述X、Y及Z方向相对地移动。在三维致动器9，连接有XY驱动机构7和Z驱动机构8，该XY驱动机构7和Z驱动机构8驱动3维致动器9而沿X、Y、Z方向扫描被测定物Sa的表面。另外，XY驱动机构7和Z驱动机构8连接至控制部6并被其控制。接着，按照测定顺序，说明本发明所涉及的探针形状评价方法的实施方式。在本发明所涉及的探针形状评价方法中，首先，将具有欲测定探针形状的曲率半径大的探针2b的悬臂安装于扫描型探针显微镜，在扫描型探针显微镜的样本保持部，将拥有顶端的曲率半径为IOnm以下的尖锐的针状的构造的探针形状检测用样本Sb载置于晶片(wafer)上。接着，如图7所示，使用欲评价探针形状的曲率半径大的探针2b而测定探针形状检测用样本Sb的形状。此时，存在于探针形状检测用样本Sb的表面的针状构造的I根成为测定区域的中央附近，并且，以成为足以利用针状构造来测定曲率半径大的探针2b的形状的范围的方式，预先设定测定区域。通过这样地由扫描 型探针显微镜测定形状，从而利用探针形状检测用样本Sb来测定曲率半径大的探针2b的顶端的半球形部分的顶端形状。接着，根据这样地测定的探针的顶端的半球形部分的形状A，如图2所示，将从顶部起的距离h处的探针顶端的半球形状的剖面近似为圆形而在多个距离Iii处测定其半径r。在此，半球形状的半径r的求出方法，通过将剖面的面积S代入算式2，从而求出拥有与剖面的面积相同的面积的圆的半径，成为将剖面近似为圆时的半径。在此，在算式2中，“S”为任意的位置处的剖面积，“r”为将剖面近似为圆时的半径，“ ”为圆周率。接着，将这些从顶部起的距离Iii和各距离处的剖面的半径&代入算式I中，算出将曲率半径大的探针2b的顶端形状近似为半球形时的半径，将该半径作为探针2b的曲率半径。在此，在算式I中，“h”为从顶端起的距离，“r”为h处的剖面的半径，“Rtip”为探针的曲率半径。通过如上地算出探针2b的顶端的曲率半径，从而能够评价探针的形状。(算式I)
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图3使用探针形状检测用样本Sb而测定探针顶端形状，显示了将其进行3维显示的探针形状的测定结果A的数据。探针2的顶端以变凸的方式被显示，将该突起部分的最高部作为探针2的顶端，在从该顶端沿垂直方向降低任意的距离的位置，沿水平方向将该突起形状剖切后的剖面由图4显示(在此，显示了在10nm、30nm、60nm的位置进行剖切后的剖面，但是剖切的位置为比探针2的曲率半径更小的多个任意的位置)。图4显示了将图3的探针形状的测定结果A中的从顶端起的任意的高度(在图中，
10、30、60nm)处的剖面形状作为轮廓而显示的图。如此地,剖面形状不必为圆形,但是通过从剖面的面积S求出相同面积的圆的半径，从而求出将剖面近似为圆形时的圆的半径。如果在图表中显示由这样的方法测定的从顶端起的任意的多个距离和该位置处的剖面的半径，则如图5的点所示，由点线显示利用算式I而将图2的各点近似为圆的情况下的近似曲线。符号说明
1:悬臂
2、2a、2b:探针 3:杆部
4:杆励振装置
5:悬臂位移检测部
6:控制部
7=XY驱动机构
8:Z驱动机构
9:3维致动器
10:试样台
I1:显示部
Sa:被测定物(样本)
Sb:探针形状检测用样本 At:测定探针的形状的区域 As:测定探针形状测定用样本的形状的区域 A:探针形状的测定结果
权利要求
1.一种探针形状评价方法，利用扫描型探针显微镜对探针的顶端形状进行形状测定而进行该探针的顶端的尖锐度的评价，其特征在于，包括: 接近工序，使所述扫描型探针显微镜所具备的所述探针的顶端相对于相对配置的评价用试样的表面而相对地接触或接近至规定间隔； 扫描工序，使作用于所述探针的顶端和所述评价用试样的表面之间的物理量为一定并同时进行规定的扫描； 数据取得工序，取得所述评价用的试样的表面形状； 数据提取工序，对于以所述取得的数据之中的从所述探针顶端下降的中心轴上的规定的高度(h)和该高度处的所述中心轴至测定的形状的外缘的距离(r)作为一组的数据组，提取变更所述高度(h)后的2组以上；以及 计算工序，利用该提取数据的所述高度(h)和所述距离(r)来计算将所述探针的顶端近似为球状的情况下的曲率半径(Rtip)。
2.根据权利要求1所述的探针形状评价方法，所述计算基于下式:
全文摘要
本发明涉及扫描型探针显微镜的探针形状评价方法，用于在扫描型探针显微镜评价探针顶端形状。利用拥有针状构造的探针形状检测样本来测定探针顶端形状，求出从顶端起的多个距离处的剖面的半径，基于这些而算出将探针顶端形状近似为圆时的曲率半径。
文档编号G01B21/20GK103196411SQ20131000880
公开日2013年7月10日 申请日期2013年1月10日 优先权日2012年1月10日
发明者渡边将史, 百田洋海 申请人:精工电子纳米科技有限公司