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JP2005334985A - 原子間力顕微鏡を用いた垂直断面加工方法 - Google Patents

原子間力顕微鏡を用いた垂直断面加工方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 原子間力顕微鏡(AFM)技術を用いた機械的な加工で垂直な加工面を従来よりも確実かつ簡便な方法で得られるようにする。
【解決手段】 垂直面または垂直な稜を持った試料材質よりも硬い加工用の走査プローブ顕微鏡探針1a(または1b)を圧痕測定用の試料に押し込んで圧痕を形成する。形成した圧痕形状1a’(又は1b’)をアスペクト比の高い細い探針で高忠実AFM観察を行い、垂直面または垂直な稜の方向を調べてその角度誤差θを記憶しておく。測定した探針の取り付け角度誤差θ試料台を回転させることであらかじめ探針の取り付け角度誤差を補正しておく。
【選択図】 図１

Description

本発明は原子間力顕微鏡技術を応用したナノメータレベルの微細加工方法に関するものである。
機能の高度化・高集積化のためにナノメートルオーダーの微細加工技術が求められており、走査プローブ顕微鏡(SPM)を用いた局所陽極酸化や微細スクラッチ加工などの加工技術の研究開発が盛んに行われている。微細な加工の可能性の追求だけでなく、精確な形状や高精度な加工も求められるようになりつつある。
例えば最近原子間力顕微鏡(AFM)をベースにした装置で、被加工材質よりも硬い探針に高い押しつけ力をかけた走査による物理的な除去で加工する微細スクラッチ加工でフォトマスクのパターン余剰欠陥の修正も行われている(非特許文献1)。フォトマスクの欠陥を修正するためには、微細な欠陥を高精度に修正するだけでなく、修正個所も正常なパターンと同じ光学特性を持つことも必要で、正常なパターンと同じように垂直な断面を持つことが求められている。
AFMスクラッチ加工で垂直な断面を得るために、垂直な断面を持った探針で削ることが行われている。この場合垂直断面を得たい方向と探針の垂直断面を合わせる必要があるが、設定上合っているはずの場合でも探針の取り付け時の角度誤差やマスク固定時の角度誤差のためにぴったりと合わせることは困難であった。また垂直断面を得たい方向が2種類以上あるときには、マスクを取り出して回転させて固定し直す必要があった。固定し直すと加工したい場所探しを一からやり直さなければならなかった。
上記のような方法だと垂直断面を得たい方向が2種類以上あるときなどは加工のスループットが大幅に低下してしまう。また出来上がった加工形状が探針の垂直断面の角度ずれと試料の角度ずれのため垂直な加工断面が得られるとは限らないという問題があった。
Y. Morikawa, H. Kokubo, M. Nishiguchi, N. Hayashi, R. White, R. Bozak, and L. Terrill, Proc. of SPIE 5130 52 0-527(2003)
本発明は原子間力顕微鏡技術を用いた機械的な加工で垂直な加工面を従来よりも確実かつ簡便な方法で得られるようにすることを目的とする。
垂直面または垂直な稜を持った試料材質よりも硬い加工用の走査プローブ顕微鏡探針を圧痕測定用の試料に押し込んで圧痕を形成する。形成した圧痕形状をアスペクト比の高い細い探針で高忠実AFM観察を行い、垂直面または垂直な稜の方向を調べてその角度誤差を記憶しておく。マスクの取り付けやパターンの焼きつけで回転ずれがある場合にはマスク上の水平であるべきはずのパターンを観察してその分を回転ステージで補正する。加工しようとする個所のAFM観察を行い、垂直な断面が必要な方向の角度を求める。探針の垂直面または垂直な稜が垂直な断面が必要な方向と一致するように回転ステージで探針の角度とマスクの取り付けやパターンの焼きつけの回転ずれと垂直な断面が必要な方向を足し合わせた角度だけ回転させる。加工しようとする個所に移動し、探針の垂直面または垂直な稜が垂直な断面が必要な方向を向いた状態で探針の垂直断面に沿って探針を走査して硬い探針による物理的な除去で垂直断面加工を行う。
正常パターンよりも引っ込ませて加工する必要がある場合には、探針の垂直面がパターンに対して設定した数°程度の切り込み角度を持つようにステージを回転させて後位置ずれ補正を行って垂直な断面加工を行う。また原子間力顕微鏡探針の垂直面と加工パターンの角度合わせをステージは回転させずに原子間力顕微鏡の走査ユニットごと回転させることでも垂直な断面加工を行うことは可能である。
加工する前に予め圧痕で探針の垂直面または垂直な稜の取り付け角度誤差を測定し、試料のAFM観察で試料の取り付け角度ずれも分かるので、両方の回転誤差を含めて回転ステージで補正しているため、所望の方向に垂直断面を造ることができる。
数°程度刃先を回転させることで探針の垂直面で加工する場合もパターンから引っ込ませて加工することができる。パターンと同じように削っても透過光の線幅が狭くなる場合にはパターンから引っ込ませて加工することで透過光の線幅を正常なパターンと同じにすることができる。
以下に本発明をフォトマスクのパターン余剰欠陥の除去に用いた場合の実施例について説明する。
図1はAFMの加工用探針の取り付け角度ずれを回転ステージで補正する場合を説明するための試料上面図である。
図1に示すように圧痕測定用試料５の試料面に対して垂直な面または垂直な稜を持ったダイヤモンド製のAFM探針1a(または1b)を圧痕測定用の試料５に押し込んで圧痕1a’、1b’を形成する。形成した圧痕形状をカーボンナノチューブのような先端径が小さくアスペクト比の高い細い探針で高忠実AFM観察を行い、垂直面または垂直な稜の方向を調べてその探針の走査方向に対する角度誤差θを測定する。この場合においては、図１（a）に示すように、探針１aの垂直面に対応する圧痕が探針の走査方向に対して角度θずれているので、角度θ試料ステージを回転させることで、図1（b）に示すように1a’、1b’の垂直面あるいは垂直稜を走査方向に平行にする。これで探針の取りつけ誤差を補正したことになる。ここで、探針1a、1bは試料面に平行方向の断面を想像線で示してある。又探針1a、1bは先端を頂点とする三角錐である。
次に欠陥検査装置で余剰欠陥が見つかったフォトマスクを本AFM装置に導入し、余剰欠陥4が見つかった位置にステージを移動する。図2に示すようにマスクの取り付けやパターンの焼きつけで回転ずれがある場合にはマスク上の水平であるべきはずのパターンを観察してその分を回転ステージで補正する。すなわち、図2(a)において、ガラス基板３（あるいはパターン部分）に圧痕1a’あるいは1b’を形成し、遮光膜パターン２（以下パターン２）とのなす角度を測定し、該角度試料ステージを回転させ、パターン2が探針1a(または1b)の垂直面または垂直な稜に正対させる。しかる後、図６(a)、(b)に示すように探針1a(または1b)をパターン２に平行方向に走査させ余剰欠陥４を削りとる。図3に示すようにパターン2が探針1a(または1b)の垂直面または垂直な稜に正対していない場合には、パターン2の圧痕1a’の垂直面または1b’の垂直稜に対応する部分に対するに対する角度を求める。すなわち探針1a(または1b)の垂直面または垂直な稜がその圧痕から判断して余剰欠陥4を有するパターン2と正対するように、上記圧痕用試料を使って測定した探針1a(または1b)の取りつけ角度誤差と上記余剰欠陥4を有するパターン2の角度を足し合わせた角度だけ試料ステージを回転させる。回転によりXY方向の観察位置がずれるのでXYステージで位置補正して余剰欠陥4が見つかった位置に移動し、再び探針を低い荷重で接触させて余剰欠陥4を含む領域を観察する。次に探針1aの垂直面または探針1bの垂直な稜が余剰欠陥4を有するパターン2に正対した状態で探針1aの垂直面または探針1bの垂直な稜に沿って高い荷重で探針1a(または1b)を走査して硬いダイヤモンド探針による物理的な除去で加工を行う。低い荷重でのAFM観察と高い荷重での加工を余剰欠陥が高精度に除去できるまで繰り返して行う。
余剰欠陥4がパターン2と2面以上接しているときには、図4に示すようにまず一つの面に探針1a(または1b)の垂直面または垂直な稜を正対させて余剰欠陥の除去を行い、一方向終わるとステージを廻して他の面に探針1の垂直面または垂直な稜を正対させて余剰欠陥の除去を行う。この時、回転により観察位置がずれるので試料の平行移動により位置補正して余剰欠陥4が見つかった位置に探針を位置合わせする。3面以上接しているときには、更にステージを廻して残った面を同様にして加工する。1枚のマスク上に複数の余剰欠陥4がある場合には、1個目の欠陥修正後、2個目の欠陥位置に移動し、欠陥修正が必要な個所のAFM観察を行い、余剰欠陥4を有するパターンの、圧痕の垂直面または垂直稜に対応する部分に対する角度を求める。今回は余剰欠陥4を有するパターンの上記角度をのみ回転させる。回転によりXY方向に観察位置がずれるので試料を平行移動して位置補正して余剰欠陥4が見つかった位置に探針を位置合わせし、加工は最初の欠陥修正と同じ方法で行う。余剰欠陥が3個以上あるときには、2個目の欠陥修正で行った手順をマスク上の余剰欠陥4がなくなるまで繰り返す。
加工用のダイヤモンド探針1a(または1b)は加工を続けているうちに磨耗が起こり、微細な加工ができなくなるので交換する必要がある。探針交換時には探針1a(または1b)の取り付け角度にはばらつきがあるので、再び交換したダイヤモンド製のAFM加工用探針1a(または1b)を圧痕測定用の試料に押し込んで圧痕を形成する。形成した圧痕形状をアスペクト比の高い細い探針で高忠実AFM観察を行い、再度図1(a)に示すように垂直面または垂直な稜の方向を調べてその角度誤差θを測定して角度誤差データを更新する。更新した角度誤差データを用いて上記と同様な方法で余剰欠陥を除去修正する。
透過率を稼ぐために正常パターンよりも引っ込ませて修正が必要な場合には、図5に示すように探針1a(または1b)の垂直面または垂直な稜がパターンに対して設定した数°程度の切り込み角度を持つようにステージを回転させて後、位置ずれ補正を行って垂直な断面加工を行う。
上記実施形態では原子間力顕微鏡探針1a(または1b)の垂直面または垂直な稜と垂直断面が必要なパターンの角度合わせをステージの回転で行っていたが、自己検知型の探針でボイスコイルモータで走査を行う原子間力顕微鏡ならばステージのかわりに探針の走査ユニット全体を回転させて、回転による観察位置ずれをXYステージで位置補正することでも上記のような垂直な断面加工を行うことができる。
本発明の特徴を最も良く表す加工用探針の取り付け角度ずれを回転ステージで補正する場合の上面図である。 マスクの取り付けまたは転写の回転ずれを回転ステージで補正する場合を説明する上面図である。 修正すべきパターンが走査方向と異なっているときに回転ステージで補正する場合を説明する上面図である。 余剰欠陥が正常パターンと2面以上接している場合の修正方法を説明する上面図である。 正常パターンよりも引っ込ませて加工する必要がある場合に回転ステージで切りこみ角を持たせて加工する場合を説明する上面図である。 探針による余剰欠陥の除去工程を示す断面図である。
符号の説明
1a 垂直面を持つ加工用探針
1b 垂直な稜を持つ加工用探針
2 遮光膜パターン
3 ガラス基板
4 余剰欠陥
5 圧痕測定用試料

Claims (6)

  1. 試料上に形成されたパターンの垂直断面を原子間力顕微鏡（以下ＡＦＭという）を用いて加工するにあたって、試料表面に対して垂直な面または垂直な稜を持ったＡＦＭ探針をこのＡＦＭ探針の材質よりも柔らかい圧痕測定用の試料に押し込んで圧痕を形成し、該圧痕形状を前記ＡＦＭにて観察し、前記圧痕形状から垂直面または垂直な稜の、探針の走査方向に対する角度のずれである探針の取り付け角度誤差を測定し、前記測定した探針の取り付け角度誤差分試料台を回転させることであらかじめ前記探針の取り付け角度誤差を補正した後、加工用の試料のパターンの垂直断面が前記原子間力顕微鏡の走査方向と平行になるように試料を載置し、前記パターンの垂直な断面の加工を行うことを特徴とする原子間力顕微鏡を用いた垂直断面加工方法。
  2. 前記加工用の試料に前記探針で圧痕を形成し、前記探針の垂直稜あるいは垂直面で形成される圧痕部分が、試料の取り付け回転誤差が原因で前記加工用の試料のパターンの垂直断面と正対する方向にない場合は、前記パターンと前記圧痕部分のなす角度を求め、上記角度を試料台を回転させることで前記パターンの垂直断面が前記探針に正対するようにして垂直な断面加工を行うことを特徴とする請求項１記載の原子間力顕微鏡を用いた垂直断面加工方法。
  3. 請求項２記載のような方法で探針の取り付け角度及び試料の取り付け回転誤差を補正しても、前記圧痕部分が修正が必要なパターン垂直断面と正対する方向にない場合は、前記パターンと前記圧痕部分のなす角度を求め、上記角度を試料台を回転させることで前記パターンの垂直断面が前記探針に正対するようにし、位置合わせを行った後垂直な断面加工を行うことを特徴とする原子間力顕微鏡を用いた垂直断面加工方法。
  4. 正常パターンよりも引っ込ませて加工する必要がある場合には、探針の垂直面がパターンに対して設定した数°程度の切り込み角度を持つようにステージを回転させて後、XY方向の位置ずれ補正を行って垂直な断面加工を行うことを特徴とする請求項１記載の原子間力顕微鏡を用いた垂直断面加工方法。
  5. 請求項１〜４記載の原子間力顕微鏡探針の垂直面と加工パターンの角度合わせをステージは回転させずに原子間力顕微鏡の走査ユニットごと回転させることで垂直な断面加工を行うことを特徴とする原子間力顕微鏡を用いた垂直断面加工方法。
  6. 試料上に形成されたパターンの垂直断面を原子間力顕微鏡（以下ＡＦＭという）を用いて加工するにあたって、試料表面に対して垂直な面または垂直な稜を持ったＡＦＭ探針を前記加工用の試料に押しこんで圧痕を形成し、該圧痕部分をＡＦＭ観察し、前記探針の垂直稜あるいは垂直面で形成される圧痕部分が、前記加工用の試料のパターンの垂直断面と正対する方向にない場合は、前記パターンと前記圧痕のなす角度を求め、上記角度分試料台を回転させることで前記パターンの垂直断面が前記探針に正対するようにして垂直な断面加工を行うことを特徴とする原子間力顕微鏡を用いた垂直断面加工方法。
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