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Cantilever und Prüfvorrichtung - Dokument DE102006039651A1
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102006039651A1 22.03.2007
Titel Cantilever und Prüfvorrichtung
Anmelder Hitachi Kenki Finetech Co., Ltd., Tokyo, JP;
Hitachi Kyowa Engineering Co., Ltd., Hitachi, Ibaraki, JP
Erfinder Hidaka, Kishio, Tokyo/Tokio, JP;
Hirooka, Motoyuki, Tokyo/Tokio, JP;
Hayashibara, Mitsuo, Tokyo/Tokio, JP;
Fujieda, Tadashi, Tokyo/Tokio, JP;
Tanaka, Hiroki, Hitachi, Ibaraki, JP;
Takeshi, Noriaki, Hitachi, Ibaraki, JP;
Morimoto, Takafumi, Tokyo/Tokio, JP;
Sekino, Satoshi, Tokyo/Tokio, JP;
Takashina, Masato, Hitachi, Ibaraki, JP;
Uozumi, Yuki, Hitachi, Ibaraki, JP
Vertreter Strehl, Schübel-Hopf & Partner, 80538 München
DE-Anmeldedatum 23.08.2006
DE-Aktenzeichen 102006039651
Offenlegungstag 22.03.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.03.2007
IPC-Hauptklasse G12B 21/02(2006.01)A, F, I, 20061031, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B82B 3/00(2006.01)A, L, I, 20061031, B, H, DE   B82B 1/00(2006.01)A, L, I, 20061031, B, H, DE   
Zusammenfassung Durch die Erfindung ist Folgendes geschaffen: ein Cantilever mit einer an einer Prüfvorrichtung befestigten Basis, einem von dieser abstehenden Träger und einer an einem Ende des Trägers befestigten Sonde, wobei: die Sonde unter Verwendung eines Kohlenstoff-Nanoröhrchens aufgebaut ist und sie durch Metallschichten aus mindestens zwei Richtungen so befestigt ist, dass sie dann, wenn der Cantilever betrieben wird, in der Richtung vorsteht, in der eine Probe befestigt ist.
Es ist möglich, ein Verformen der Sonde zu verhindern und Bildfehler während der Betrachtung einer Probe zu unterdrücken.

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG [Technisches Gebiet]

Die Erfindung betrifft einen Cantilever unter Verwendung eines Kohlenstoff-Nanoröhrchens als Sonde sowie ein Verfahren zum Herstellen des Cantilevers. Die Erfindung betrifft auch eine LSI-Prüfvorrichtung und eine Lithografievorrichtung unter Verwendung des erfindungsgemäßen Cantilevers.

[Hintergrundbildende Technik]

Ein Atomkraftmikroskop (AFM) ist ein Typ eines Rastersondenmikroskops (SPM). Ein beispielhaftes AFM ist eine Vorrichtung, an der ein Cantilever mit einer spitzen Sonde montiert ist, die mit einer Probe in Kontakt gebracht wird, um diese abzuscannen, um dadurch eine Fläche der Probe zu messen. Es ist ein Rückkopplungsmechanismus vorhanden, der den Cantilever oder die Probe anhebt und absenkt, um einen konstanten Zustand aufrecht zu erhalten, wenn die Cantileversonde mit der Probe in Kontakt gebracht wird. Demgemäß kann aus Regelungssignalen ein Oberflächenzustand (beispielsweise die Unebenheit) gemessen werden. Andere SPMs sind Rastertunnelmikroskope und optische Nahfeld-Rastermikroskope.

Ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen ist eine zylindrische Säule mit großem Seitenverhältnis und konstantem Durchmesser. Der Winkel, wie er durch die Probenoberfläche und den Durchmesser an der die Probe berührenden Spitze der Sonde gebildet ist, ändert sich selbst dann nicht, wenn die Spitze der verwendeten Sonde abgenutzt oder zerkratzt ist. Demgemäß werden, wenn in einem AFM oder einem SPM, das ein solches beinhaltet, ein Cantilever verwendet wird, der ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen als Sonde nutzt, hervorragende Eigenschaften (hinsichtlich der Dicke) dahingehend erzielt, dass die räumliche Auflösung erhalten bleibt.

Bei einem herkömmlichen Verfahren zum Herstellen eines Cantilevers mit einem Kohlenstoff-Nanoröhrchen werden im Inneren eines elektronischen Rastermikroskops vorhandene Kohlenstoff-Verunreinigungen mit Elektronenstrahlen bestrahlt, so dass sich die Verunreinigungen nahe dem Kohlenstoff-Nanoröhrchen absetzen, wodurch dieses auf einem Träger fixiert wird, wie es in der Patentveröffentlichung Nr. 3441396 (japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsveröffentlichung Nr. 2000-227435) (Patentdokument 1) und der Patentveröffentlichung Nr. 3441397 (japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsveröffentlichung Nr. 2000-249712) (Patentdokument 2) beschrieben ist. Gemäß der japanischen Patentanmeldungs-Offenlegungsveröffentlichung Nr. 2002-162337 (Patentdokument 3) wird, um ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen an einem Cantilever zu fixieren, dasselbe am Cantilever platziert, und im elektronischen Rastermikroskop vorhandener Kohlenwasserstoff wird mit Elektronenstrahlen bestrahlt, damit er sich am Kohlenstoff-Nanoröhrchen absetzt. Gemäß dem Patentdokument 3 wird eine Bearbeitung durch einen fokussierten Ionenstrahl ausgeführt, um die am Cantilever befestigte Sonde aus einem Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu fixieren. Bei einem anderen Verfahren, wie es in der japanischen Patentanmeldungs-Offenlegungsveröffentlichung Nr. 2003-90788 (Patentdokument 4) beschrieben ist, wird ein katalytischer Metallfilm am Cantilever ausgebildet; es wird eine katalytische Reaktion dazu verwendet, ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen am Cantilever auszubilden. Es kann nicht erwartet werden, dass dieses Verfahren Leitungseigenschaften liefert, wie sie für ein Metall erwünscht sind, da sich das katalytische Metall in eine übersättigte Feststofflösung von Kohlenstoff wandelt, was zu einem Carbid führt. Gemäß der japanischen Patentanmeldungs-Offenlegungsveröffentlichung Nr. 2005-62007 (Patentdokument 5) 1egungsveröffentlichung Nr. 2005-62007 (Patentdokument 5) wird ein pyramidenförmiger Halter des Cantilevers in ein organisches Lösungsmittel eingetaucht, um ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen auszubilden. Gemäß der japanischen Patentanmeldungs-Offenlegungsveröffentlichung Nr. 2005-63802 (Patentdokument 6) wird eine Oberflächenschicht mit hohem Widerstand, die sich auf einer Oberfläche des Halters ausgebildet hat, wie ein natürlicher Oxidfilm, entfernt, bevor eine Metallverbindung für das Kohlenstoff-Nanoröhrchen hergestellt wird, wodurch der Widerstand gesenkt wird.

  • Patentdokument 1: Patentveröffentlichung Nr. 3441396 (Patentanmeldungs-Offenlegungsveröffentlichung Nr. 2000-227435)
  • Patentdokument 2: Patentveröffentlichung Nr. 3441397 (Patentanmeldungs-Offenlegungsveröffentlichung Nr. 2000-249712)
  • Patentdokument 3: Patentanmeldungs-Offenlegungsveröffentlichung Nr. 2002-162337
  • Patentdokument 4: Patentanmeldungs-Offenlegungsveröffentlichung Nr. 2003-90788
  • Patentdokument 5: Patentanmeldungs-Offenlegungsveröffentlichung Nr. 2005-62007
  • Patentdokument 6: Patentanmeldungs-Offenlegungsveröffentlichung Nr. 2005-63802

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es existieren verschiedene Arten zum Betreiben eines AFM, um den Zustand einer Probenoberfläche zu erfassen: beispielsweise wird der Cantilever oder die Probe auf solche Weise angehoben oder abgesenkt, dass die Sonde mit einer voreingestellten, konstanten Annäherungsbelastung diskontinuierlich mit der Probenoberfläche in Kontakt gelangt (Eintauchmodus); die Sonde fährt der Probenoberfläche kontinuierlich oder diskontinuierlich nach, wobei sie mit ihr in Kontakt steht (Kontaktmodus); und der Cantilever wird in eine Zwangsschwingung versetzt, um auf die Probenoberfläche zu treffen, und es werden Änderungen der Amplitude, der Phase und der Frequenz der Schwingung gemessen (dynamischer Modus). Ein geeigneter Modus wird entsprechend der Probe und dem Zustand der Probenoberfläche ausgewählt. Wenn bei diesen Betriebsmodi ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen als Sonde verwendet wird, führen eine Aufwölbung und eine Verbiegung des Kohlenstoff-Nanoröhrchens zu einem Problem. Eine Biegung eines Kohlenstoff-Nanoröhrchens kennzeichnet einen Zustand, in dem es aufgrund, einer auf es wirkenden horizontalen Kraft gekrümmt wird, und eine Aufwölbung kennzeichnet eine horizontale Biegung, zu der es abrupt zu demjenigen Zeitpunkt kommt, zu dem eine bestimmte Aufwölbungsbelastung erreicht wird, nachdem eine vertikale Annäherungsbelastung auf das Kohlenstoff-Nanoröhrchen ausgeübt wurde.

Um die obige Annäherungsbelastung zu erfassen, wird im Allgemeinen das sogenannte optische Hebelverfahren verwendet, um das Ausmaß einer Verformung des Kohlenstoff-Nanoröhrchens zu erfassen. Demgemäß wird eine Federkonstante des Cantilevers ausgewählt, die dazu ausreicht, das Ausmaß der Verformung zu erfassen.

Wenn bei den oben beschriebenen Modi eine übermäßige Annäherungsbelastung für eine Sonde aus einem Kohlenstoff-Nanoröhrchen eingestellt wird, kommt es zu einer Verbiegung oder Aufwölbung, wenn das Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit der Probe in Kontakt gelangt. Dadurch wird es verhindert, dass der Zustand der Probenoberfläche korrekt erfasst wird. Demgemäß zeigt ein Bild, wie es als Messergebnis erzielt wird, das den Zustand der Probenoberfläche repräsentieren sollte, eine Form, die verschieden von der eigentlichen Oberflächenform ist; die Kohlenstoff-Nanoröhrchensonde löst sich vom Cantilever, wodurch die Messung nicht mehr fortgesetzt werden kann und andere Probleme auftreten.

Um eine Aufwölbung zu unterdrücken, muss die Annäherungsbelastung des Cantilevers niedriger als die Aufwölbungsbelastung sein, bei der es am Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu einer Aufwölbung kommt. Gleichzeitig muss die Federkonstante des Cantilevers dergestalt sein, dass die Annäherungsbelastung dazu ausreicht, für die oben beschriebene Verformung zu sorgen. Wenn die Festigkeit des gesamten Cantilevers und seines Materials betrachtet wird, ist es schwierig, die aktuelle Federbelastung des Cantilevers zu verringern. Insbesondere wird der Cantilever im dynamischen Modus mit hoher Frequenz in Schwingung versetzt; wenn die Federkonstante abgesenkt wird, kann daher die Messgenauigkeit kleiner werden. Daher muss die Aufwölbungsbelastung des Kohlenstoff-Nanoröhrchens groß sein.

Um ein Verbiegen zu unterdrücken, muss für den Cantilever eine kleine Annäherungsbelastung eingestellt werden, damit die auf das Kohlenstoff-Nanoröhrchen ausgeübte Horizontalkraft in den Bereich fällt, in dem die Messgenauigkeit nicht beeinträchtigt ist. Gleichzeitig muss die Federkonstante des Cantilevers dergestalt sein, dass die Annäherungsbelastung dazu ausreicht, für die oben beschriebene Verformung zu sorgen. Wenn die Festigkeit des gesamten Cantilevers und seines Materials betrachtet wird, ist es schwierig, die aktuelle Federbelastung des Cantilevers zu verringern. Daher muss die Stabilität des Kohlenstoff-Nanoröhrchens gegen Verbiegen hoch sein.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Cantilever, der sich nur schwer aufwölbt und hohe Stabilität gegen Verbiegen hat, sowie eine Prüfvorrichtung, ein AFM und ferner ein SPM unter Verwendung dieses Cantilevers zu schaffen.

Gemäß der Erfindung, die die obigen Probleme berücksichtigt, ist ein Ende eines Kohlenstoff-Nanoröhrchens unter Verwendung von Metallschichten aus mindestens zwei Richtungen an einem Ende eines Halters befestigt, und die Metallschichten sind in einem wahlfreien Bereich auf dem Kohlenstoff-Nanoröhrchen abgeschieden. Da die Metallschichten aus zwei Richtungen abgeschieden sind, kann der freiliegende Bereich des Kohlenstoff-Nanoröhrchens eingestellt werden, um dadurch eine Aufwölbung und eine Biegung zu unterdrücken.

Durch die Erfindung ist auch ein Herstellverfahren geschaffen, durch das Metallschichten am Ende des Cantilevers, an dem die Kohlenstoff-Nanoröhrchensonde befestigt ist, aus mindestens zwei Richtungen abgeschieden werden.

Gemäß einer anderen Erscheinungsform der Erfindung wird eine Cantileversonde unter Verwendung eines verschiedene Atome enthaltenden Kohlenstoff-Nanoröhrchens hergestellt. Insbesondere ist ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen bevorzugt, das Stickstoff oder Bor enthält. Der Gehalt der verschiedenen Atome beträgt vorzugsweise 2 bis 5 Atomprozent. Eine andere Erscheinungsform der Erfindung besteht in einem Verfahren des Verwendens eines Cantilevers mit einer Sonde, die unter Verwendung eines Hetero-Kohlenstoffnanoröhrchens hergestellt wurde, wobei der Cantilever durch eine Andrückkraft von 20 nN oder weniger mit einer Probenoberfläche in Kontakt gebracht wird.

Die oben beschriebene Metallschicht wird dadurch hergestellt, dass ein Gas einer Metallverbindung durch Einstrahlen eines Elektronenstrahls zersetzt wird und ein Produkt abgeschieden wird. Genauer gesagt, wird die Metallschicht unter Verwendung von Wolfram (W), Platin (Pt), Gold (Au), Aluminium (Al), Kupfer (Cu), Molybdän (Mo) oder dergleichen hergestellt. Insbesondere ist die Metallschicht vorzugsweise eine Verbindungsschicht aus Wolfram. Dies, da die Verwendung einer Metallschicht, insbesondere einer Wolframschicht, die Verbindungsfestigkeit im Vergleich mit einem Kohlenwasserstoffkleber erhöht. Ein anderer Grund dafür ist der, dass für Leitfähigkeit zwischen dem Kohlenstoff-Nanoröhrchen und dem Cantilever gesorgt ist, da zur Verbindung eine Metallschicht verwendet wird, wodurch eine Zerstörung des Verbindungsbereichs, wozu es vermutlich durch Einwirkung von Ladungen kommt, vermieden werden kann. Eine höhere Reinheit der Metallschicht ist besser, jedoch gewährleistet ein Gehalt von 70% oder mehr ein ausreichendes Fixieren.

Das oben beschriebene Verbinden erfolgt durch eine Vorrichtung zum Herstellen eines Cantilevers mit einem Kohlenstoff-Nanoröhrchen, wobei die Vorrichtung Folgendes aufweist: eine Probenkammer, die evakuiert ist oder auf Unterdruck steht, in der der Cantilever und das Kohlenstoff-Nanoröhrchen platziert werden; eine Gaszuführeinheit zum Zuführen gasförmigen Wolframhexacarbonyls (W (CO)6) oder Wolframfluorids (WF2), das als Quelle für eine Metallschicht verwendet wird, die erwärmt und verdampft wurde; und eine Elektronenstrahl-Einstrahleinheit zum Einstrahlen von Elektronenstrahlen zum Zersetzen des Gases.

Ein Beispiel für ein Produkt, das den obigen Cantilever nutzt, ist ein Rastersondenmikroskop. Dieses Rastersondenmikroskop verwendet einen Cantilever mit einer Sonde zum Erfassen des Zustands einer Probenoberfläche. Das Rastersondenmikroskop kann als Halbleiter-Prüfvorrichtung, Vorrichtung zum Erfassen von Pits an einer Digital Versatile Disk (DVD), Prüfvorrichtung für aberrationsfreie Linsen für Kameras mit ladungsgekoppelten Bauteilen (CCD), Rauigkeits-Messgerät, Biobetrachtungsgerät oder zerstörungsfreies Betrachtungsgerät für Hochpolymere verwendet werden. Die Erfindung bildet auch eine LSI-Chipherstellvorrichtung, bei der das obige Rastersondenmikroskop als Prüfvorrichtung verwendet ist. Es können andere Bezeichnungen, wie Manipulator und CD-AFM verwendet werden, um das Rastersonden-Mikrometermessgerät zu bezeichnen.

Ein anderes Produktbeispiel ist eine LSI-Prüfvorrichtung. Eine LSI-Prüfvorrichtung verfügt über einen Cantilever, einen Kontaktdetektor zum Erkennen, dass ein gerade geprüfter LSI-Chip die Sonde des Cantilevers berührt, eine Z-Achse-Regelungsschaltung für den gerade geprüften LSI-Chip, die Signale vom Kontaktdetektor zurückliefert, eine XY-Scanschaltung zum Erzielen zweidimensionaler Oberflächeninformation für den gerade geprüften LSI-Chip, eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) zum Empfangen von Signalen von der Z-Achse-Regelungsschaltung und der XY-Scanschaltung, und eine Anzeigeeinheit zum Anzeigen eines Bilds entsprechend den durch die CPU empfangenen Signalen. Die Sonde des Cantilevers besteht aus dem oben beschriebenen Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Die Cantileversonde wird vorzugsweise unter Verwendung eines Hetero-Kohlenstoffnanoröhrchens hergestellt, das verschiedene Atome enthält, insbesondere eines Hetero-Kohlenstoffnanoröhrchens, das Stickstoff oder Bor enthält.

Ein LSI-Chip wird durch die folgenden Schritte hergestellt: (i) ein Halbleiter, eine leitende Metallschicht oder Oxid- und Nitrid-Isolierschichten werden durch ein chemisches Dampfabscheideverfahren auf ein Substrat auflaminiert; (ii) ein Teil des Laminats wird so geätzt, dass ein Querschnitt freigelegt wird; (iii) die obige LSI-Prüfvorrichtung wird nach dem Ätzprozess dazu verwendet, die Oberflächenform zu prüfen; und (iv) diese Prozesse werden mehrmals wiederholt, um dadurch hochgenaue LSI-Chips herzustellen.

Ein anderes Produktbeispiel ist eine Lithografievorrichtung. Die Lithografievorrichtung verfügt über einen Cantilever mit einer hydrophilen Sonde, eine Lithografie-Spannungsversorgungseinheit zum elektrischen Verbinden des Cantilevers mit einem Probenträger, auf dem eine durch die Lithografievorrichtung gerade geprüfte Probe platziert ist, einen Kontaktdetektor zum Erkennen, dass die gerade geprüfte Probe die Sonde des Cantilevers berührt, eine Z-Achse-Regelungsschaltung für die gerade geprüfte Probe, die Signale vom Kontaktdetektor zurückkoppelt, eine XY-Scanschaltung zum Erzielen zweidimensionaler Oberflächeninformation zur gerade geprüfte Probe, die dadurch anodisiert wurde, dass ein Strom durch absorbiertes Wasser geleitet wird, das an der Kontaktstelle zwischen der gerade geprüfte Probe und der Sonde des Cantilevers erzeugt wurde, eine CPU zum Empfangen von Signalen von der Z-Achse-Regelungsschaltung und der XY-Scanschaltung und eine Anzeigeeinheit zum Anzeigen eines Bilds entsprechend den durch die CPU empfangenen Signalen. Die Sonde des Cantilevers besteht aus der oben beschriebenen Kohlenstoff-Nanoröhrchen.

Die Kohlenstoff-Nanoröhrchen wird vorzugsweise unter Verwendung eines Hetero-Kohlenstoffnanoröhrchens, das verschiedene Atome enthält, hergestellt, insbesondere eines Hetero-Kohlenstoffnanoröhrchens, das Stickstoff oder Bor enthält.

Ein LSI-Chip ist ein Schaltkreis, in dem viele Transistoren und andere Bauteile integriert sind. Insbesondere wird der Schaltkreis durch Wiederholen der folgenden drei Schritte hergestellt: (1) chemische Dampfabscheidung, (2) Ätzen und (3) Prüfen der Oberfläche. Nach dem obigen Ätzen kann die oben beschriebene Prüfvorrichtung dazu verwendet werden, den Zustand einer Oberfläche eines gerade hergestellten LSI-Chips detailliert zu prüfen.

Beim erfindungsgemäßen Cantilever mit einem Kohlenstoff-Nanoröhrchen sowie beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen des Cantilevers ist die Steifigkeit der Sonde erhöht, so dass sie sich nur schwer verformt, wenn sie gegen eine Probe gedrückt wird. Demgemäß kann die Genauigkeit von Bilddaten erhöht werden, wie sie durch die LSI-Prüfvorrichtung und die Lithografievorrichtung geliefert werden. Dies berücksichtigt Probleme, zu denen es während der Messung durch die Verwendung eines AFM kommt, bei dem ein Cantilever mit einem Kohlenstoff-Nanoröhrchen verwendet wird, da eine Verbiegung oder Aufwölbung des Kohlenstoff-Nanoröhrchens auftritt; die Probleme bestehen beispielsweise darin, dass als Messergebnis ein Bild erhalten wird, das eine andere Form als die eigentliche Oberflächenform der Probe repräsentiert, der Verbindungsabschnitt des Kohlenstoff-Nanoröhrchens durch Ladungen zerstört wird, und das Bildfehler auftreten. Daher kann eine stabile Messung auf AFM-Basis ausgeführt werden.

Demgemäß kann ein Atomkraftmikroskop, das eine hochgenaue Messung mit hoher Auflösung ermöglicht, dadurch erhalten werden, dass die Tatsache genutzt wird, dass das oben beschriebene Kohlenstoff-Nanoröhrchen dünn ist.

Außerdem kann, da die Lebensdauer des Cantilevers verlängert werden kann, eine hoch genaue, stabile Messung mit hoher Auflösung über eine lange Zeitperiode ausgeübt werden. Dies ermöglicht das Herstellen von Produkten, wie LSI-Chips, die im Verlauf der Herstellung eine hoch genaue Formmessung (Prüfprozess) benötigen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine perspektivische Ansicht eines Cantilevers, der eine Ausführungsform der Erfindung repräsentiert.

2 ist ein schematisches Diagramm, das eine Atomanordnung der Sonde des Cantilevers darstellt.

3 ist eine Zeichnung der Kraftkurve der Sonde, wenn eine Sondenverformung erzeugt wird.

4 ist eine Zeichnung der Kraftkurve der Sonde, wenn die Sonde gemäß der Erfindung verwendet wird.

5 ist eine perspektivische Ansicht der Sonde, die an einem Ende des Cantilevers angebracht ist, der eine Ausführungsform der Erfindung bildet.

6 ist ein schematisches Diagramm des Cantilevers, der eine Ausführungsform der Erfindung bildet.

7 ist eine Schnittansicht am Ende des Cantilevers der 5.

8 zeigt ein Analyseergebnis für Gradienten in einer mit Wolfram dotierten Metallschicht.

9A bis 9D zeigen aufeinanderfolgende AFM-Bilder, wie sie erhalten werden, wenn der Cantilever mit einem mit Carbidschichten fixierten Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit einer Probe in Kontakt gebracht wird.

10 ist ein schematisches Diagramm des Aufbaus einer LSI-Prüfvorrichtung, die eine Ausführungsform der Erfindung bildet.

11 ist ein schematisches Diagramm des Aufbaus einer Lithografievorrichtung, die eine Ausführungsform der Erfindung bildet.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Nun wird der Cantilever gemäß der Erfindung detailliert beschrieben.

Eine Prüfvorrichtung wie ein AFM verfügt über einen Cantilever mit einem Basisteil, einem sich ausgehend von diesem erstreckenden Träger, mit Verformung entsprechend der Annäherungsbelastung, und eine am Ende des Trägers befestigte Sonde. Der Cantilever ist am Hauptkörper des AFM befestigt. Die Sonde bei der Erfindung wird unter Verwendung eines Kohlenstoff-Nanoröhrchens hergestellt. Am Ende des Cantilevers kann sich, falls erforderlich, ein Halter befinden, der als Basis zum Befestigen der Sonde verwendet wird. Dann können ungefähre Richtungen des Cantilevers und der Sonde leicht eingestellt werden.

Wie oben beschrieben, werden, bei der Erfindung, Metallschichten aus mindestens zwei Richtungen abgeschieden, und ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen wird an einem Ende, das während der Messung der Probe zugewandt ist, des Cantilevers oder des Halters befestigt. Die obigen zwei Richtungen müssen dergestalt sein, dass das Kohlenstoff-Nanoröhrchen am Ende unter einer wahlfreien Richtung gehalten werden kann. Vorzugsweise sind die zwei Richtungen einander entgegengesetzt zugewandt. Bei zwei beispielhaften, entgegengesetzten Richtungen können Metallschichten an zwei Stellen am Fuß des Kohlenstoff-Nanoröhrchens (am Ende des Cantilevers oder des Halters) mit Intervallen von ungefähr 180° abgeschieden werden. Metallschichten können auch an drei Stellen mit Intervallen von 120° abgeschieden werden.

Der Halter kann über eine Form wie die einer Pyramide, eines vieleckigen Kegels, eines Kreiskegels oder einer zylindrischen Säule verfügen. Das Ende des Halters kann als Nadel geformt sein. Wenn der Halter ein Kegel ist, wird das Kohlenstoff-Nanoröhrchen vorzugsweise dadurch an seiner Spitze fixiert, dass eine Metallschicht aus einer wahlfreien Richtung abgeschieden wird und dann eine zweite Metallschicht vorzugsweise an der Rückseite (diametral entgegengesetzt) des Kohlenstoff-Nanoröhrchens abgeschieden wird, um den Halter zu fixieren, wodurch der Fixierprozess erleichtert wird und das Kohlenstoff-Nanoröhrchen am festen Ort gehalten wird. Um die zwei entgegengesetzten Richtungen zu erzielen, kann die Bedienperson den Cantilever um ungefähr 180° drehen, um die zweite Metallschicht abzuscheiden. Da Metallschichten aus mehreren Richtungen abgeschieden werden kann, wenn beispielsweise das Kohlenstoff-Nanoröhrchen gebogen wird, während eine erste Metallschicht abgeschieden wird, das Biegungsende dadurch eingestellt werden, dass eine zweite Metallschicht abgeschieden wird. Daher kann die Sonde leicht mit eingestelltem Winkel fixiert werden. Dies gilt auch dann, wenn das Ende des Cantilevers auf eine Form bearbeitet wird, die der des Halters ähnlich ist.

Nun werden die zwei oben beschriebenen Richtungen speziell beschrieben.

Eine Ebene des Probenträgers und die Sonde müssen einen wahlfreien Winkel, beispielsweise einen rechten Winkel oder einen Winkel, der durch ein zu messendes Objekt bestimmt ist, bilden können. Daher muss die Sonde, entsprechend der Form des Fixierteils gebogen oder gerade gehalten werden. Wenn ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen am Ende des Cantilevers (oder an der Spitze des Endes des Halters) gebogen wird, verfügt es über einen überstumpfen Winkel von über 180° und einen stumpfen Winkel von weniger als 180°. Die zwei Richtungen, wie sie bei der Erfindung angesprochen werden, sind zumindest die Seite des stumpfen Winkels und die Seite, des überstumpfen Winkels im Abschnitt, in dem das Kohlenstoff-Nanoröhrchen gebogen ist. Wenn das Kohlenstoff-Nanoröhrchen nicht gebogen ist, sind die zwei Richtungen die Seite des Kohlenstoff-Nanoröhrchens und die Seite des Cantilevers, wenn das Kohlenstoff-Nanoröhrchen und das Ende des Cantilevers miteinander in Kontakt gebracht sind.

Die Metallschicht (haltender Verbindungsteil) auf der Seite des stumpfen Winkels ist eine Halteschicht zum Fixieren des Kohlenstoff-Nanoröhrchens. Sie ist erforderlich, um die Festigkeit der Verbindung des Kohlenstoff-Nanoröhrchen am Cantilever zu verbessern.

Die Metallschicht (andrückendes Verbindungsteil) auf der Seite des überstumpfen Winkels sorgt für den Effekt, dass das Kohlenstoff-Nanoröhrchen gegen den Cantilever gedrückt wird und dadurch die Richtung der Sonde aufrecht erhalten wird. Die Metallschicht auf der Seite des überstumpfen Winkels wird vorzugsweise abgeschieden, nachdem die Metallschicht auf der Seite des stumpfen Winkels abgeschieden wurde. Dies, da dann, wenn die Sonde durch die Kraft zum Aufrechterhalten der abgeschiedenen Metallschicht auf der Seite des stumpfen Winkels über einem gewünschten Fixierwinkel hinaus geneigt wird, die Neigung durch die Kraft zum Andrücken der abgeschiedenen Metallschicht auf der Seite des überstumpfen Winkels eingestellt werden kann. Ferner ist eine hoch genaue Einstellung auf einen Winkel möglich, wie er für das zu messende Objekt oder den Messmodus geeignet ist.

Wenn eine geeignete Abscheidungsbedingung für die Metallschicht ausgewählt wird, kann sie sich nicht nur in der Richtung erstrecken, in der Elektronenstrahlen eingestrahlt werden, sondern auch auf die dazu entgegengesetzte Seite. Genauer gesagt, kann dann, wenn die Metallschichten auf der Seite des überstumpfen Winkels und der Seite des stumpfen Winkels aus einer einzelnen, wahlfreien Richtung abgeschieden werden, eine Abscheidungsstruktur mit einer Querschnittsform ausgebildet werden, die ähnlich dem Querschnitt eines Stifts ist, wobei die Sonde den Kern bildet und der äußere Überzug die Metallschicht ist. Eine geeignet gewählte Abscheidebedingung ermöglicht es, einen Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu schaffen, der leicht mit hoher Ausbeute hergestellt werden kann.

Wenn das Ende des Cantilevers oder des Halters, an dem das Kohlenstoff-Nanoröhrchen fixiert wird, ein vieleckiger Kegel ist, wird das Kohlenstoff-Nanoröhrchen an den Kanten oder Seiten des Kegels fixiert. Wenn das Kohlenstoff-Nanoröhrchen beispielsweise an einem pyramidenförmigen Halter fixiert wird, wird das Ende des Kohlenstoff-Nanoröhrchens, das entgegengesetzt zur Seite liegt, die mit der Probe in Kontakt steht, an einer Kante oder Seite fixiert und ferner entlang Kanten oder Seiten an mehreren Punkten fixiert, bis das Ende des Halters erreicht ist. Am Ende des Halters wird das Kohlenstoff-Nanoröhrchen so gebogen, dass ein wahlfreier Winkel in Bezug auf die Ebene des Probenträgers erzielt wird. Wenn die Sonde eher orthogonal zur Ebene des Probenträgers verläuft, können die Böden tieferer Vertiefungen gemessen werden. Wenn die Oberfläche einer tiefen Vertiefung gemessen wird, verläuft die Sonde vorzugsweise orthogonal zur Ebene des Probenträgers, oder sie ist unter einem Winkel von 3° oder weniger gegenüber der orthogonalen Richtung geneigt.

Wenn die Sonde mit einem konstanten Winkel von 90° oder weniger, beispielsweise 30°, gegenüber der orthogonalen Richtung in Bezug auf die Ebene des Probenträgers fixiert wird, kann ein Gebiet nahe der Grenze zwischen dem Boden einer in der Probe gebildeten Rinne oder einem Loch und der zugehörigen Seitenwand, sowie die Seitenwand, gemessen werden. Die Richtung, in der die Sonde geneigt wird, wird entsprechend der Oberflächenform der Probe nach vorne, hinten, rechts oder links, wie in der Richtung gesehen, in der die Sonde an der Probe entlangläuft, eingestellt. Wenn die Sonde in der Vorschubrichtung gesehen nach vorne, hinten, rechts oder links geneigt ist, kann die Grenze klar erfasst werden, die entgegengesetzt zur Neigungsrichtung und zur Seitenwand liegt. Wenn die Probe über einen Überhang verfügt, der an der Oberseite der Seitenwand vorsteht, kann auch der Überhang gemessen werden, wenn die Sonde unter einem Winkel fixiert wird und für den Cantilever eine geeignete Annäherungsrichtung eingestellt wird.

Die Metallschicht wird dadurch hergestellt, dass eine der oben beschriebenen verschiedenen Metallverbindungen abgeschieden wird. Wenn Wolfram verwendet wird, werden das Kohlenstoff-Nanoröhrchen und der Cantilever miteinander in Kontakt gebracht, und in eine Probenkammer, die stark evakuiert ist, eines Rastersondenmikroskops wird ein Gas geliefert, das durch Erwärmen und Verdampfen von W(CO)6 oder WF2 erzeugt wurde. Das W(CO)6- oder WF2-Gas wird dann unter Verwendung einer Düse zu einem Abschnitt nahe dem Kontaktteil emittiert, um nahe diesem eine Atmosphäre aus dem Gas zu bilden. Auf den Kontaktteil werden Elektronenstrahlen gestrahlt, um das Gas zu zersetzen. Das ausgefällte Wolfram wird schließlich auf dem Kontaktteil abgeschieden, bei dem es sich um ein zu bestrahlendes Gebiet handelt.

Um die Festigkeit des Kohlenstoff-Nanoröhrchens zu erhöhen, wird die Stärke der zum Zersetzen des Gases verwendeten Elektronenstrahlen vorzugsweise in einem festen Bereich eingestellt, um es dadurch zu ermöglichen, dass sich eine Metallschicht bis zur Rückseite des Kohlenstoff-Nanoröhrchens erstreckt und abgeschieden wird.

Die Stärke des Elektronenstrahls wird durch die Beschleunigungsspannung und den Gesamtstrom des einzustrahlendes Elektronenstrahls eingestellt. Wenn die Beschleunigungsspannung erhöht wird, weicht die Abscheidung der Metallschicht stark zur Strahleinstrahlseite ab, wodurch das Ausmaß verringert ist, gemäß dem sich die Metallschicht zur Rückseite des Kohlenstoff-Nanoröhrchens erstreckt. Die Beschleunigungsspannung beträgt vorzugsweise 15 kV oder weniger. Außerdem ist es, wenn der Gesamtstrom erhöht wird, wahrscheinlicher, dass mehr Dinge abgeschieden werden. Um die Menge abgeschiedener Verunreinigungen zu verringern und um einen Gehalt der metallischen Komponente von 70% oder mehr zum Ausbilden einer Metallschicht mit ausreichender Festigkeit zu gewährleisten, beträgt der Gesamtstrom vorzugsweise 20 &mgr;A oder weniger.

Die Metallschicht verfügt über eine Dicke, die dazu ausreicht, das Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu fixieren. Um eine Aufwölbung zu verhindern, verfügt die Metallschicht vorzugsweise über eine Dicke, die mindestens das Doppelte des Radius des Kohlenstoff-Nanoröhrchens ist. Wenn der Radius des Kohlenstoff-Nanoröhrchens beispielsweise 5 nm beträgt, beträgt die Dicke der Metallschicht vorzugsweise 10 nm oder mehr. Im Ergebnis umgibt eine Metallschicht das Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit einem Durchmesser von 10 nm; der gesamte Außendurchmesser beträgt vorzugsweise das Dreifache (30 nm) oder mehr des Durchmessers des Kohlenstoff-Nanoröhrchens. Hinsichtlich der Höhe der Metallschicht, muss die Abscheidung so erfolgen, dass der freiliegende Bereich des Kohlenstoff-Nanoröhrchens eingeengt ist. Die Metallschicht wird vorzugsweise so abgeschieden, dass das Kohlenstoff-Nanoröhrchen beinahe im Zentrum gehalten wird. Wenn eine Abweichung der Position des Kohlenstoff-Nanoröhrchens vorliegt, besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit dafür, dass die Metallschicht durch einen dünnen Metallschichtteil am Kohlenstoff-Nanoröhrchen zerstört wird.

Als Nächstes wird die Verwendung des Cantilevers an einer Messvorrichtung beschrieben. Der Cantilever wird an einer Position befestigt, an der der Probenträger zum Befestigen einer Probe an der Messvorrichtung und die Sonde einander zugewandt sind. Die Messvorrichtung verfügt über einen Antriebsmechanismus, der den Probenträger, den Cantilever oder beide bewegt, so dass diese in engen Kontakt miteinander gebracht werden oder voneinander getrennt werden.

Bei einer Messvorrichtung wie einem AFM wird der Cantilever bis nahe an die Probe gebracht, bis eine Belastung zum Andrücken des Cantilevers gegen die Probe (Annäherungsbelastung) erreicht ist. Selbst wenn die Sonde die Probe berührt, wird der Cantilever immer noch gegen die Probe gedrückt. Wenn die Annäherungsbelastung erhöht wird, fungiert der Cantilever als Blattfeder und verformt sich. Das Ausmaß der Verformung, die Auslenkung der Basis und andere Faktoren werden durch einen Detektor erfasst. Wenn ein Wert erreicht wird, der einer voreingestellten Bedingung entspricht (wobei eine voreingestellte Bedingung für die Annäherungsbelastung berücksichtigt ist), stoppt ein vom Detektor rückgekoppeltes Signal das Andrücken des Cantilevers.

Eine Messvorrichtung unter Verwendung des Cantilevers erhält beispielsweise Information zur Höhenrichtung. Wenn sich das Kohlenstoff-Nanoröhrchen aufwölbt oder es zu verschiedenen Zeiten zu verschiedenen Biegungen kommt, sinkt die Befestigungsseite (freies Ende) des Cantilevers für das Kohlenstoff-Nanoröhrchen mehr als erforderlich ab, wodurch sich die Höhe der Befestigungsseite des Cantilevers (freies Ende) für das Kohlenstoff-Nanoröhrchen relativ zur Probenoberfläche ändert. Im Ergebnis enthält die erfasste Information zur Höhenrichtung einen Fehler, wodurch die Zuverlässigkeit der erhaltenen Information beeinträchtigt ist.

Um eine genaue Messung auszuführen, muss das Kohlenstoff-Nanoröhrchen bei einer voreingestellten, konstanten Annäherungsbelastung in einem festen Zustand gehalten werden. Wenn das Kohlenstoff-Nanoröhrchen mehrmals gegen die Sonde gedrückt wird, kann der korrekte Oberflächenzustand erfasst werden, wenn beispielsweise für jeden Kontakt ein fester Zustand (Krümmungszustand, gerader Zustand usw.) gewährleistet ist.

Während die Unterseite des Kohlenstoff-Nanoröhrchens mit der Probe in Kontakt steht, wird die Annäherungsbelastung von der Basis über den Cantilever auf das Kohlenstoff-Nanoröhrchen ausgeübt, und es wird eine Kompressionsbelastung erzeugt. Wenn die Annäherungsbelastung den Wert der Aufwölbungsbelastung des Kohlenstoff-Nanoröhrchens erreicht, kann dieses den fixierten Zustand nicht mehr beibehalten, und es biegt sich abrupt in der horizontalen Richtung, d.h., es wölbt sich auf. Bei den meisten Aufwölbungen von Kohlenstoff-Nanoröhrchen treten übermäßige Belastungen in der horizontalen Richtung auf, wenn an der Probenoberfläche, mit dem das Ende der Sonde in Berührung steht, ein Gleitvorgang auftritt, und der am Cantilever befestigte Fuß des Kohlenstoff-Nanoröhrchens wölbt sich auf und verbiegt sich dann oder der mittlere Teil des Kohlenstoff-Nanoröhrchens wölbt sich auf, ohne dass ein Wegrutschen auftritt.

Wie oben beschrieben, muss die Annäherungsbelastung des Cantilevers einem konstanten Wert entsprechen oder größer sein. Daher müssen die Aufwölbungs-Widerstandsfähigkeit und die Stabilität gegen Biegevorgänge hoch sein. Da die Aufwölbungs-Widerstandsfähigkeit und die Stabilität gegen Biegevorgänge proportional zur vierten Potenz der Dicke sind, können Aufwölbungen und Biegungen dadurch vermieden werden, dass der Durchmesser des Kohlenstoff-Nanoröhrchens erhöht wird. Jedoch bildet ein dickes Kohlenstoff-Nanoröhrchen ein Hindernis gegen das Ziel, die räumliche Auflösung und Ausnutzung der Tatsache zu verbessern, dass ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen dünn ist. Da die Aufwölbungs-Widerstandsfähigkeit und die Stabilität gegen Biegungen umgekehrt proportional zum Quadrat der Länge sind (je länger das Kohlenstoff-Nanoröhrchen ist, desto kleiner sind die Aufwölbungs-Widerstandsfähigkeit und die Stabilität gegen Biegungen), können Aufwölbungen und Biegungen durch Verkürzen des Kohlenstoff-Nanoröhrchens vermieden werden.

Beim Cantilever gemäß der Erfindung ist ein freiliegender Teil am Kohlenstoff-Nanoröhrchen, der als Sonde verwendet wird, durch Abscheiden von Metallschichten verkleinert. Beim Herstellen eines Cantilevers kann ein Prozess vorliegen, bei dem das Kohlenstoff-Nanoröhrchen beispielsweise- durch Anlegen einer Impulsspannung oder Hindurchschicken eines Stroms auf eine gewünschte Länge zugeschnitten wird, jedoch ist es schwierig, ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit hoher Genauigkeit abzuschneiden. Es kann zufällig ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit Spannungen unter einer gewünschten Aufwölbungsgrenze ausgewählt werden, was zu niedriger Ausbeute führt. Wenn eine Metallschicht dick im Bereich abgeschieden wird, in dem das Kohlenstoff-Nanoröhrchen mittels der Metallschicht fixiert wird, wie oben beschrieben, kann der freiliegende Bereich eingeengt werden, und dadurch kann die Länge der Sonde eingestellt werden.

Die Erfindung wurde auf Grundlage der Tatsache entworfen, dass die Härte eines Hetero-Kohlenstoffnanoröhrchens höher als diejenige eines Nichthetero-Kohlenstoffnanoröhrchens ist, weswegen ein Hetero-Kohlenstoffnanoröhrchen bei einem Cantilever vom Kontakttyp angewandt werden kann. Die Härte eines Hetero-Kohlenstoffnanoröhrchens wurde durch Eindotieren von Stickstoff oder Bor in ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen merklich verbessert.

Bei einem Kohlenstoff-Nanoröhrchen, in das Stickstoff oder Bor dotiert ist, ist Kohlenstoff in ihm durch Stickstoff oder Bor ersetzt, wie es im Patentdokument 1 beschrieben ist. Ein Stickstoff enthaltendes Kohlenstoff-Nanoröhrchen kann dadurch hergestellt werden, dass es ermöglicht wird, dass ein Gasgemisch aus C2H2 und N2 durch chemische Dampfabscheidung (CVD) zu einem Kohlenstoff-Nanoröhrchen strömt. Ein Bor enthaltendes Kohlenstoff-Nanoröhrchen kann durch eine Bogenentladung hergestellt werden.

Der Gehalt an Stickstoff oder Bor beträgt 5 Atomprozent oder weniger, und er liegt vorzugsweise im Bereich von 2 bis 5 Atomprozent. Wenn der Gehalt in diesem Bereich liegt, kann die Steifigkeit des Kohlenstoff-Nanoröhrchens erhöht werden, wobei seine Eigenschaften beibehalten sind.

Als Grund, weswegen die Härte eines Hetero-Kohlenstoffnanoröhrchens hoch ist, wird angenommen, dass es zu Spannungen in der Ringstruktur mit sechs Elementen oder fünf Elementen kommt, da der Atomradius von Stickstoff- oder Boratomen, die durch Substitution an Positionen von Kohlenstoffatomen platziert werden, verschieden vom Atomradius von Kohlenstoff ist. Es wird angenommen, da die Härte erhöht ist, dass sich die Sonde selbst dann nicht verformt, wenn sie mit einer Andrückkraft von 20 nN, das die normale Andrückbelastung des Cantilevers ist, gegen die Probenoberfläche gedrückt wird. Da eine Verformung der Sonde unterdrückt ist, stimmt die Auslenkung des Cantilevers direkt mit der Auslenkung der Probenoberfläche überein, wodurch genaue Bilder erzeugt werden. Wenn die Andrückkraft höher als 20 nN ist, besteht die Wahrscheinlichkeit, dass die Sonde abbricht. Selbst wenn die Sonde zerstört wird, ist das Kohlenstoff-Nanoröhrchen immer noch ein Röhrchen mit konstanter Dicke. Daher bleibt der Röhrchendurchmesser unverändert, und es treten keine Bildfehler auf. Wenn jedoch ein Abbrechen wiederholt auftritt, wird die Lebensdauer der Sonde verkürzt.

Die 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Cantilevers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Der Cantilever 10 verfügt über eine Sonde 11, die unter Verwendung eines Hetero-Kohlenstoffnanoröhrchens hergestellt wurde, einen Träger 14 und einen Sondenhalteteil zum Fixieren der Sonde 11 am Träger 14. Bei der vorliegenden Ausführungsform verfügt der Sondenhalteteil über eine Abscheidungsschicht 12 aus Wolfram und einen Pyramidenteil 13. Der Cantilever 10 wird so angeordnet, dass die Sonde 11 beinahe orthogonal zur Oberfläche eines Probenträgers 15 eines Sondenmikroskops verläuft. Nachdem die Sonde 11 mittels der durch das Sondenmikroskop ausgeübten Druckbelastung mit der Probe auf dem Probenträger 15 in Kontakt gebracht wurde, verbiegt der Träger 14 proportional zur Andrückbelastung. In diesem Zustand wird der Betrieb ausgeführt. Um genaue Bilddaten zu erhalten, muss die Sonde 11, bei erhöhter Andrückbelastung des Cantilevers 10, hohe Steifigkeit aufrecht erhalten, und es darf sich nur der Träger 14 verbiegen.

Die 2 ist ein schematisches Diagramm, das die Atomanordnung der Sonde 11 eines Hetero-Kohlenstoffnanoröhrchens zeigt. Das Kohlenstoff-Nanoröhrchen verfügt über ein Array, bei dem einige Positionen von Kohlenstoffatomen 16 durch Bor oder Stickstoff 17 ersetzt sind. Da das Bor oder der Stickstoff 17 Kohlenstoffatome 16 ersetzt, wirken Spannungen aufgrund einer Atomradiendifferenz auf das Kohlenstoff-Nanoröhrchen, und seine Härte ist erhöht, wodurch die Steifigkeit verbessert ist. Im Allgemeinen wird, wie oben beschrieben, ein mit Bor dotiertes Kohlenstoff-Nanoröhrchen durch Bogenentladung hergestellt, und ein mit Stickstoff dotiertes Kohlenstoff-Nanoröhrchen wird durch CVD hergestellt.

Die 3 zeigt eine Kraftkurve, wenn eine Sonde verwendet wird, die sich dadurch verformt, dass ein Cantilever gegen eine Probenoberfläche gedrückt wird. Die horizontale Achse kennzeichnet den Abstand zwischen der Sonde 11 und der Probe auf dem Probenträger 15, und die vertikale Achse kennzeichnet die Andrückbelastung. Die Sonde 11 verformt sich in dem Moment nicht, in dem sie die Probe auf dem Probenträger 15 berührt, und es liegt keine Biegung am Träger 14 vor, wie es am Punkt A und der kleinen schematischen Figur dargestellt ist, die auf der rechten Seite in der 3 überlagert dargestellt ist. Wenn dann eine Andrückbelastung auf die Sonde 11 ausgeübt wird, beginnt sich der Träger 14, der gerade war, proportional zur Andrückbelastung zu verbiegen, wie es mit dem Pfeil 19 und der kleinen schematischen Figur dargestellt ist, die auf der linken Seite in der 3 überlagert ist. Die Biegung des Trägers 14 wird an die Andrückbelastung rückgekoppelt. Der Weg, nachdem die Sonde die Probe auf dem Probenträger 15 berührt hat, ist entsprechend dem Pfeil 19 in der negativen Richtung verlängert, wenn die Andrückbelastung erhöht wird. Wenn der Weg einen Punkt erreicht, an dem ein Bildfehler auftritt, verformt sich jedoch die Sonde 11 aufgrund einer zu hohen Andrückbelastung. Dann wird die Biegung des Trägers 14 gelindert, und die scheinbare Andrückbelastung ist verringert, wie es durch den Pfeil 20 gekennzeichnet ist. Wenn die Andrückbelastung weiter erhöht wird, verformt sich die Sonde 11 nicht mehr, und die Andrückbelastung, einschließlich der Aufwölbungs-Widerstandsfähigkeit der Sonde 11, nimmt proportional zum Weg nach dem Kontakt zu, wie es durch den Pfeil 21 gekennzeichnet ist. Bei einem Verfahren, bei dem der Träger 14 für eine Erfassung in der Höhenrichtung verwendet wird, erfolgt daher aufgrund eines Effekts durch die Verformung der Sonde 11 eine ungenaue Messung, was zu einem Bildfehler führt.

Die 4 zeigt eine Kraftkurve für den Fall, dass eine sich nicht verformende Sonde verwendet wird. Da eine Sonde 11 verwendet wird, in die Bor oder Stickstoff dotiert ist, ist ihre Steifigkeit erhöht. Wenn eine Messung zum Erhalten einer Kraftkurve wie in der 3 ausgeführt wird, wird daher ein normales Bild ohne einen Bildfehler erhalten. Das Messverfahren ist dasselbe wie bei der 3. Es wird die Sonde 11 angenähert, und sie berührt dann eine Probe auf dem Probenträger 15, während ein Zustand aufrecht erhalten wird, in dem keine Andrückbelastung vorliegt. Wenn dann eine Andrückbelastung auf die Sonde 11 ausgeübt wird, beginnt sich der Träger 14, der gerade verlief, proportional zur Andrückbelastung, entsprechend dem Weg, nachdem die Sonde die Probe auf dem Probenträger 15 berührt hat, zu verbiegen. An der Sonde 11 liegt keine Verformung vor. Die Biegung des Trägers 14 wird durch einen Detektor erfasst und an die Andrückbelastung rückgekoppelt. Daher ist der Weg nach der Berührung in der negativen Richtung, wie durch den Pfeil 19 gekennzeichnet, verlängert, wenn die Andrückbelastung erhöht wird. Dies verhindert einen Bildfehler.

[Erste Ausführungsform]

Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung, wie sie in den 5 bis 7 dargestellt ist, wird eine einzelne Kohlenstoff-Nanoröhrchensonde 11 durch eine Metallschicht an einem Ende eines Halters 13 befestigt. Die 5 ist eine perspektivische Ansicht der Sonde des erfindungsgemäßen Cantilevers. Die 6 zeigt allgemein den Cantilever mit der in der 5 dargestellten Cantileversonde. Wie es in der 6 dargestellt ist, verfügt der Cantilever über einen Chip mit einer Kohlenstoff-Nanoröhrchensonde 11, einer Endverbindungsschicht 12-1, einer mittleren Verbindungsschicht 12-2, einer Fußverbindungsschicht 12-3 und einem Halter 13, und er verfügt auch über eine Basis 18; der Chip ist an einem Ende (freies Ende) des Trägers 14 vorhanden, und die Basis 18 ist am anderen Ende (festes Ende) angeordnet. Die mittlere Verbindungsschicht 12-2 und die Fußverbindungsschicht 12-3, die Metallschichten sind, sind als Befestigungsschichten zum Befestigen der Sonde 11 am Halter 13 verwendet.

Die 7 ist eine Schnittansicht der in der 5 dargestellten Sonde. Wie es in der 7 dargestellt ist, ist der Endverbindungsabschnitt 12-1 in eine haltende Verbindungsschicht 12-1-1 auf der Seite des stumpfen Winkels und eine andrückende Verbindungsschicht 12-1-2 auf der Seite des überstumpfen Winkels, entsprechend den Effekten derselben, unterteilt. Wie die Verbindungsschichten 12-2 und 12-3 hat die haltende Verbindungsschicht 12-1-1 die Wirkung des Befestigens der Sonde 11 am Halter 13. Die andrückende Verbindungsschicht 12-1-2 hat die Wirkung des Zurückdrückens des Kohlenstoff-Nanoröhrchens, das in den geraden Zustand zurückkehrt. Die Kohlenstoff-Nanoröhrchensonde 11 ist so befestigt, dass sie beinahe orthogonal zu einer Ebene des Probenträgers 15 verläuft.

Die Sonde 11 muss nicht parallel zur Andrückrichtung verlaufen, oder die Spitze der Sonde 11 kann wegrutschen. Wenn dies auftritt, verbiegt sich ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen ohne Aufwölbungs-Widerstandsfähigkeit entsprechend der Annäherungsbelastung. Da die Richtung, in der sich die Kohlenstoff-Nanoröhrchensonde 11 gerade erstreckt, beinahe orthogonal zur Ebene des Probenträgers 15 verläuft, ist jedoch insbesondere das Wegrutschen verringert.

Um den Effekt zu liefern, dass ein Wegrutschen verhindert ist und die Sonde 11 geneigt ist, beträgt ein geeigneter Winkel, um den sie geneigt ist, 5% oder weniger in Bezug auf die vertikale Richtung, vorzugsweise 2,5° oder weniger. Die Reibungswiderstände der meisten Kohlenstoff-Nanoröhrchensonden 11 gegen die Oberfläche einer Sonde betragen 1 nN oder mehr. Die auf die Kohlenstoff-Nanoröhrchensonde 11 ausgeübte Belastung in der Gleitrichtung ist das 0,04362(sin 2,5°)-fache der Annäherungsbelastung, wenn der Neigungswinkel 2,5° beträgt, und das 0,08716(sin 5°)-fache bei einem Winkel von 5°, was zeigt, dass die Belastung bei 2,5° ungefähr der Hälfte der Belastung bei 5° entspricht. Wenn beispielsweise die Annäherungsbelastung 20 nN beträgt, beträgt die Belastung bei horizontalem Wegrutschen 0,8724 nN bei 2,5° sowie 1,7432 nN bei 5°. Wenn der Reibungswiderstand der Kohlenstoff-Nanoröhrchensonde 11 1,0 nN oder weniger beträgt, tritt bei 2,5° kein Wegrutschen auf, aber bei 5°. Es kann daran gedacht werden, dass eine Sonde hergestellt werden kann, die bei den meisten Vorrichtungen mit weniger Wegrutschen verwendet werden kann, wenn der Winkel, gemäß dem die Sonde 11 geneigt ist, 5° oder weniger beträgt.

Wie oben beschrieben, hängt die Belastung in der Gleitrichtung von der Annäherungsbelastung und dem Neigungswinkel der Sonde 11 ab, so dass die Annäherungsbelastung vorzugsweise unter die Belastung voreingestellt wird, bei der ein Wegrutschen auftritt. Jedoch darf die Annäherungsbelastung nicht auf einen Wert voreingestellt werden, der zu niedrig ist, um mit der Lasterfassungsgenauigkeit, wie sie für die Messvorrichtung spezifisch ist, eine Erfassung vorzunehmen.

Die Kohlenstoff-Nanoröhrchensonde 11 wurde dadurch entlang einer Kante des Halters 13 befestigt, dass die Fußverbindungsschicht 12-3, die mittlere Verbindungsschicht 12-2 und die Endverbindungsschicht 12-1 in dieser Reihenfolge hergestellt wurde. Die Endverbindungsschicht 12-1 wurde durch Abscheiden von Metallschichten aus zwei Richtungen hergestellt. Bei dieser Ausführungsform wurde die Kohlenstoff-Nanoröhrchensonde 11 durch punktförmige Metallschichten an drei Punkten entlang dem Halter 13 befestigt. Jedoch kann diese Anordnung entsprechend der Länge des Kohlenstoff-Nanoröhrchens und den Größen der Metallschichten geändert werden. Es können mehrere Kohlenstoff-Nanoröhrchen als Einzelcharge verwendet werden.

Bei dieser Ausführungsform ist Wolfram für die Metallschichten verwendet.

Das verwendete Gas einer Wolframverbindung ist W(CO)6. Elektronenstrahlen wurden für ungefähr 15 Sekunden bei einer Beschleunigungsspannung von 10 V und einem Emissionsstrom von 12 &mgr;A eingestrahlt. Der Halter 13 besteht aus Silicium (Si), und er ist auf eine Pyramidenform bearbeitet. Die Dicke der Metallschicht kann durch lindern der Strahleinstrahlungszeit eingestellt werden. Eine Strahleinstrahlungszeit von 10 bis 30 Sekunden reicht aus, um eine ausreichende Fixierfestigkeit zu erzielen.

Die 8 zeigt ein Analyseergebnis für Gradienten in der Metallschicht; der Wolframgehalt betrug 90% oder mehr. Die gemessene Verbindungsfestigkeit war für den praktischen Gebrauch ausreichend. Wolfram in der Metallschicht wurde durch einen scannenden Augerelektronen-Spektrumsanalysator (PH1700 von ULVAC-PHI) erfasst, und es erfolgte eine kartenmäßige Abbildung zum Klarstellen der Metallschicht.

(Erstes Vergleichsbeispiel)

Es wurde dieselbe Vorrichtung wie bei der ersten Erfindung erzeugt, jedoch wurden Metallschichten nur aus einer Richtung hergestellt. Wolfram wurde auf die oben beschrieben Weise in die Metallschichten dotiert. Das Kohlenstoff-Nanoröhrchen wurde auf dieselbe Weise befestigt, jedoch wurde die Endverbindungsschicht nur aus einer Richtung hergestellt.

Das Ende der Kohlenstoff-Nanoröhrchensonde 11 wurde durch Anlegen einer Impulsspannung zugeschnitten.

Der Cantilever beim ersten Vergleichsbeispiel wurde in einem Rasterelektronenmikroskop (REM) betrieben, das zum Abscheiden der Metallschichten verwendet wurde. Als Betrachtungsprobe wurde ein Au-Draht verwendet, der gegen Korrosion hochbeständig ist und hervorragende Leitfähigkeit zeigt. Ein Ende des Au-Drahts wurde mit einer Kneifzange abgeschnitten. Der Querschnitt des abgeschnittenen Teils war aufgrund des Schneidvorgangs keilförmig. Der ebene Teil einer keilartigen Seite wurde als Probenebene verwendet. Ein Teil des Gebiets ohne die Probenebene des Au-Drahts wurde rechtwinklig abgebogen, so dass die Probenebene und die Sonde 11 einander zugewandt waren.

Um den Messzustand zu beobachten, wurde der Cantilever um 90° gedreht und so angeordnet, dass der Träger 14 horizontal gehalten wurde. Es erfolgte ein Betrieb an einer Position, an der mit dem REM ein Bild ähnlich der Projektionsfigur in der 7 beobachtet werden konnte.

Es wurde der Probenträger 15 verstellt, um eine ebene Fläche des Au-Drahts nahe an die Sonde 11 zu bringen, wobei der Cantilever stationär verblieb. Auch nachdem der Au-Draht die Sonde 11 berührt hatte, wurde der Probenträger 15 weiter verstellt, bis eine Belastung erzielt war, die einer Kraft entsprach, die einer Annäherungsbelastung bei einer tatsächlichen Vorrichtung entsprach. Im Verlauf der Messung wurde eine Aufwölbung des Kohlenstoff-Nanoröhrchens beobachtet.

(Zweites Vergleichsbeispiel)

Es wurde eine Vorrichtung ähnlich der, wie sie bei der ersten Ausführungsform angegeben ist, erzeugt, wobei herkömmliche Kohlenwasserstoffschichten (Verunreinigung) verbunden wurden, die die Metallschichten ersetzten. Die Kohlenstoff-Nanoröhrchensonde 11 wurde freigegeben, während die Vorrichtung verwendet wurde. Die 9A bis 9D veranschaulichen die Zustände des Cantilevers beim zweiten Vergleichsbeispiel, das bei einer tatsächlichen Vorrichtung verwendet wurde. Als Probe wurde ein Au-Draht verwendet.

Die 9A veranschaulicht einen Prozess, gemäß dem der Cantilever angenähert wird. Die Kohlenstoff-Nanoröhrchensonde 11 befindet sich nahe der Oberfläche des Au-Drahts, jedoch nicht im Kontakt mit dieser.

Die 9B veranschaulicht einen Prozess, bei dem die Kohlenstoff-Nanoröhrchensonde 11 die Oberfläche des Au-Drahts berührt und angedrückt wird, bis eine zunächst eingestellte Annäherungsbelastung erreicht ist.

Die 9C veranschaulicht einen Prozess, bei dem die Annäherungsbelastung erreicht wird und dann der Cantilever freigegeben wird. Abweichend vom Kontaktherstellungsprozess steht das Ende der Kohlenstoff-Nanoröhrchensonde 11 mit der Probe in Kontakt, während der Cantilever durch eine Kraft angezogen wird, die vermutlich eine Anziehungskraft ist, die durch statische Elektrizität erzeugt wird.

Die 9D zeigt den Zeitpunkt, zu dem sich die Kohlenstoff-Nanoröhrchensonde 11 von der Oberfläche des Au-Drahts löst. Da der Cantilever 10 durch die Anziehungskraft angezogen wurde, wirkt unmittelbar bei seinem Lösen eine Rückstellkraft auf den Cantilever 10, und er schwingt kräftig. Bei Beobachtung durch das REM war das Bild der Sonde aufgrund der Schwingung unscharf. Die Kohlenstoff-Nanoröhrchensonde 11 fiel wegen der Schwingung zum Abhebezeitpunkt aus. An den Verbindungsschichten wurde nach dem Ausfall der Sonde 11 ein Riss beobachtet.

Wenn eine Metallschicht abgeschieden wurde, in die Wolfram dotiert war, wurde das Kohlenstoff-Nanoröhrchen nicht angezogen.

Der obige Effekt kann Ladungen zuzuschreiben sein, so dass es anzunehmen ist, dass das Kohlenstoff-Nanoröhrchen aufgrund der Entladung der statischen Elektrizität ausfiel. Da das Kohlenstoff-Nanoröhrchen gemäß der Erfindung durch ein Metall befestigt ist, kann davon ausgegangen werden, dass die Kohlenstoff-Nanoröhrchensonde 11 nicht geladen wird und dadurch die Anziehung und die Zerstörung, wie sie oben beschrieben sind, vermieden werden können. Daher ist es zu erwarten, dass das Produkt eine verbesserte Beständigkeit und verlängerte Lebensdauer zeigt. Es kann auch eine Messgenauigkeit erwartet werden.

[Zweite Ausführungsform]

Nun wird eine Ausführungsform einer LSI-Prüfvorrichtung mit dem Cantilever gemäß der Erfindung unter Verwendung eines Kohlenstoff-Nanoröhrchens mit verschiedenen Atomen unter Bezugnahme auf die 10 beschrieben. Die LSI-Prüfvorrichtung dieser Ausführungsform verfügt über einen Cantilever 10 mit einer Sonde 11, die unter Verwendung eines Hetero-Kohlenstoffnanoröhrchens hergestellt wurde, und einem sie haltenden Träger 14, und einen Kontaktdetektor zum Erkennen, dass der Cantilever 10 den gerade geprüften LSI-Chip auf einem Probenträger 15 berührt hat. Der Kontaktdetektor verfügt über eine Laserquelle 51, einen Laserreflektionsspiegel 52, einen Lichtdetektor 53 und einen Verstärker 54 zum Verstärken eines durch den Lichtdetektor 53 erfassten optischen Signals. Die Vorrichtung verfügt ferner über eine Z-Achse-Regelungsschaltung 55 zum Rückkoppeln eines Signals vom Verstärker 54, ein piezoelektrisches Bauteil 61 zum Einstellen der Position des Probenträgers 15 in der Höhenrichtung unter Verwendung eines Signals von der Z-Achse-Regelungsschaltung 55, eine XY-Scanschaltung 56, die dazu erforderlich ist, zweidimensionale Oberflächeninformation zu erhalten, eine piezoelektrische Schaltung 62 zum Einstellen der Position des Probenträgers 15 in der horizontalen Richtung unter Verwendung eines Signals von der XY-Scanschaltung 56, eine CPU 70 zum Empfangen von Signalen von der Z-Achse-Regelungsschaltung 55 und der XY-Scanschaltung 56 sowie eine Anzeigeeinheit 80 zum Anzeigen eines Bilds, das den durch die CPU 70 empfangenen Signalen entspricht.

Ein zu prüfender LSI-Chip 40 wird auf dem Probenträger 15 platziert. Dann wird der LSI-Chip 40 durch die Z-Achse-Regelungsschaltung 55 und die XY-Scanschaltung 56 an eine Position unter der Sonde 11 verstellt. Um zu erkennen, dass der LSI-Chip 40 die Sonde 11 berührt hat, reicht es aus, an die CPU 70 Information zu übertragen, die anzeigt, dass der die Sonde 11 haltende Träger 14 gebogen ist. Die Biegung des Trägers 14 ist extrem klein. Um die Biegung zu erkennen, wird von der an einem Ende angeordneten Laserquelle 51 emittiertes Laserlicht 60 auf den Träger 14 gerichtet. Das reflektierte Laserlicht wird durch den am anderen Ende angeordneten Lichtdetektor 53 erfasst. Ein längerer Lichtpfad ist besser, jedoch ist die Länge durch den Aufbau des Lichtdetektors beschränkt. Der LSI-Chip 40 wird mit einer Andrückkraft geprüft, die innerhalb des Bereichs minimiert ist, in dem die Biegung des Trägers 14 aufrecht erhalten werden kann, wie sie beobachtet wird, nachdem der LSI-Chip 40 die Sonde 11 berührt hat. Dann kann Bildinformation zur Oberflächenrauigkeit des LSI-Chips 40 mit hoher Genauigkeit erhalten werden.

[Dritte Ausführungsform]

Nun wird eine Ausführungsform einer Lithografievorrichtung mit dem Cantilever gemäß der Erfindung unter Bezugnahme auf die 11 beschrieben. Die Lithografievorrichtung gemäß dieser Ausführungsform verfügt im Wesentlichen über denselben Aufbau wie die in der 10 dargestellte LSI-Prüfvorrichtung, jedoch mit der Ausnahme, dass eine Lithografie-Spannungsversorgung 90 zum elektrischen Verbinden des Cantilevers 10 mit dem Probenträger 15 vorhanden ist. Der Hetero-Cantilever 10 ist dadurch gekennzeichnet, dass er hydrophil ist. Die Verwendung dieser Eigenschaft ermöglicht es, den Cantilever 10 als Sonde 11 der Lithografievorrichtung zu verwenden. Wenn die Sonde 11 des Cantilevers 10 mit einer gerade durch die Lithografievorrichtung geprüften Probe 45 in Kontakt gebracht wird, wird ein in Kontakt gebrachter Teil mit absorbiertem Wasser 49 bedeckt. Wenn Strom durch das absorbierte Wasser 49 geschickt wird, wird die Probe 45 anodisiert, wodurch Lithografie ermöglicht ist.


Anspruch[de]
Cantilever mit einer an einer Prüfvorrichtung befestigten Basis, einem von dieser abstehenden Träger und einer an einem Ende des Trägers befestigten Sonde, wobei:

die Sonde unter Verwendung eines Kohlenstoff-Nanoröhrchens aufgebaut ist und sie durch Metallschichten aus mindestens zwei Richtungen so befestigt ist, dass sie dann, wenn der Cantilever betrieben wird, in der Richtung vorsteht, in der eine Probe befestigt ist.
Cantilever nach Anspruch 1, bei dem die Sonde unter Verwendung eines Hetero-Kohlenstoffnanoröhrchens aufgebaut ist. Cantilever nach Anspruch 1, bei dem die Sonde unter Verwendung eines Bor oder Stickstoff enthaltenden Kohlenstoff-Nanoröhrchens aufgebaut ist. Cantilever nach Anspruch 3, bei dem der Gehalt an Bor oder Stickstoff 2 bis 5 Atomprozent beträgt. Cantilever nach Anspruch 1, bei dem jede der Metallschichten Wolfram enthält, dessen Gehalt 70% oder mehr beträgt. Cantilever nach Anspruch 5, bei dem ein Hauptbestandteil der Metallschicht ein Zersetzungsprodukt von Wolframhexacarbonyl oder Wolframfluorid ist. Cantilever nach Anspruch 1, ferner mit einem Halter, der nahe einem Ende eines herausragenden Teils des Trägers befestigt ist, wobei die Sonde am Halter befestigt ist. Cantilever nach Anspruch 7, bei dem der Halter über eine Form verfügt, die einem Kreiskegel, einem vieleckigen Kegel oder einer zylindrischen Säule ähnlich ist, oder er über eine Form verfügt, die einem Kreiskegel, einem vieleckigen Kegel oder einer zylindrischen Säule ähnlich ist, deren Spitze als Nadel geformt ist. Cantilever nach Anspruch 7, bei dem das Kohlenstoff-Nanoröhrchen zumindest nahe dem Ende des Halters befestigt ist und es an der Position abgebogen ist, an der es befestigt ist. Cantilever nach Anspruch 1, bei dem die Sonde in einer Richtung orthogonal zu einer Ebene eines Probenträgers zum Befestigen einer Probe befestigt ist oder sie unter einem Winkel von 5° oder weniger in Bezug auf die orthogonale Richtung befestigt ist. Cantilever nach Anspruch 7, bei dem der Halter über eine Form verfügt, die einem vieleckigen Kegel ähnlich ist und das Kohlenstoff-Nanoröhrchen entlang einer Kante des Halters mit einer Form, die einem vieleckigen Kegel ähnlich ist, befestigt ist. Cantilever nach Anspruch 1, ferner mit einem Halter mit einer Form, die einem vieleckigen Kegel ähnlich ist, der durch Bearbeiten eines Teils nahe dem Ende eines herausragenden Teils des Trägers ausgebildet wurde, wobei die Sonde am Halter befestigt ist. Cantilever mit einer an einer Prüfvorrichtung befestigten Basis, einem von dieser abstehenden Träger, einer an einem Ende des Trägers befestigten Halter und einer Sonde, die an einem Ende des Halters befestigt ist, wobei:

die Sonde unter Verwendung eines Kohlenstoff-Nanoröhrchens aufgebaut ist und sie durch Metallschichten aus mindestens zwei Richtungen so befestigt ist, dass sie dann, wenn der Cantilever betrieben wird, in der Richtung vorsteht, in der eine Probe befestigt ist und sie über Metallschicht verfügt, die sie an mindestens zwei Punkten befestigen, wenn der Cantilever betrieben wird; und wobei Metallschichten unter den Metallschichten, die dem Ende des Halters am nächsten liegen, aus zwei Richtungen ausgebildet sind.
Cantilever nach Anspruch 1, wobei jede der Metallschichten mindestens eines der folgenden Materialien enthält: Wolfram, Platin, Gold, Aluminium, Kupfer und Molybdän.






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