三次元微細形状測定のための走査型静電気力顕微鏡（SEFM）に関する研究 ナノ計測制御学分野 Nano-metrology and Control Lab. 研究背景 ■従来型ＳＰＭ（走査型プローブ顕微鏡）における特徴と課題 ■電子機器の小型化や次世代デバイスの開発に伴い，表 面に微細形状を有する機能性材料の需要が拡大している． × 衝突の危険性 ○ 走査の安定性 ○ 安定性と測定精度は トレードオフの関係 × 測定精度 距離： 小 www.carbide.co.jp/ www.ahead.com.tw 探針-試料間距離が 小さいことが原因 (1 nm～10 nm) ナノメートルオーダの三次元形状測定が可能 大振幅形状の測定が困難 測定速度が遅い 距離： 大 ■ 研究の目的 三次元微細形状測定を高速・高精度で行うための走査型静電気力 ■デバイスの加工精度評価のため，表面の三次元微細形状 を定量的かつ非破壊で測定するツールが必要とされている． 顕微鏡（SEFM, Scanning Electrostatic Force Microscope）の開発 SEFMによる形状測定原理 Dual Height法の原理 コンセプト ■異なる二つの高さで検出される周波数シフトから 探針-試料間の絶対距離を算出 ■探針-試料間に働く静電気力の利用による距離の拡大 ■Dual Height法の適用による測定精度の向上 静電気力の検出 f h w 水晶振動子 0 r Rf 0 水晶振動子 1 (Vdc Vcpd ) 2 2 2k h Rf 1 0 r 0 (Vdc Vcpd ) 2 2k (h w) 2 f h 探針-試料間距離: h w 探針 探針 静電気力 F Vbias ■静電気力の大きさ 一度目の追従軌跡 d(x) f h w f h 試料 Vbias f 1 f f : 水晶振動子の共振周波数 k : 水晶振動子のバネ定数 w fw f h w ( x) f h (2x)k 0 r ( 1 f h w ( x) f h ( x) ただし， w( x) d w ( x) d ( x) h(x) ■水晶振動子の周波数シフト 自作顕微鏡による実験 hw ■試料表面の形状s(x) 試料 1 f F 1 f R f 0 r (Vbias Vcpd ) 2 2 2 k h 2k h 1 R F 0 r (Vbias Vcpd ) 2 2 h 1 f 0 2k ■点xにおける探針-試料間距離h(x) h( x) w( x) Vbias fh h 探針 二度目の追従軌跡 dw(x) Sample 試料 F : 静電気力 Vbias : バイアス電圧 Vcpd : 接触電位差 R : 探針先端半径 h : 探針-試料間距離 f h w f h 1 fh+w h+w 形状測定への応用 h Z 試料 探針 s(x) s( x) d ( x) h( x) X 0 f w / f 1 f w / f ■探針-試料間にバイアス電圧を印加すると静電気力が発生 ■探針の追従軌跡から探針-試料間距離を差し引いて形状を算出 ■静電気力を水晶振動子の共振周波数のシフトとして検出 自作の顕微鏡と従来型SPMを比較 形状測定結果 250 Y X Z scanner Resonator 150 100 Δf(x) 150 1 250 200 PC 2 単位：mm 150 3 50 100 50 150 50 100 振幅の評価 ・振動子の周波数シフトΔf(x)をPLL回路を用いて検出する ■形状測定セットアップ 150 nm 100 0 4 0 約 1501nm 0 1 2 単位：mm 提案手法 3 2 4 200 約15090 nm 100 0 50 3 150 nm 4 0 単位：mm Self oscillation 探針-試料間距離200 nm PLL circuit circuit ・Zスキャナの変位はリニアエンコーダ（測定分解能0.5 nm）で計測する Y PZT Z scanner Linear encoder Z X 200 0 提案手法 Δf(x) 250 100 約 150 nm Set point 0 Linear encoder 0 XY stage 200 250 IV converter Vbias 200 150 PI50 controller Probe tip Sample 250 自作の顕微鏡と従来型SPMを比較 ■回折格子の形状測定結果 形状測定結果 単位：nm Z 単位：nm ■装置構成 自作顕微鏡による実験 250 SEFMの開発と形状測定実験 200 50 0 1 0 市販のAFM 1 2 3 単位：mm 市販のAFM 探針-試料間距離10 nm以下 4 約 90 2nm 3 4 単位：mm 0 0 1 2 3 単位：mm 探針の追従軌跡 探針-試料間距離200 nm 探針-試料間距離10 nm以下 探針の追従軌跡 探針-試料間距離200 nm 探針-試料間距離200 nm 振幅の評価振幅の評価 振幅の評価 振幅の評価 振幅の評価 ・探針-試料間距離は市販SPMの20倍以上 ■探針-試料間距離200 nmで形状測定を実現（市販AFMの20倍以上） ・探針-試料間距離は市販SPMの20倍以上 ・市販SPMに近い高精度な形状評価を実現 ■Double ・W. Gao, S. Goto,Height法の適用により市販AFMに近い高精度な形状測定を実現 K. Hosobuchi, S. Ito, Y. Shimizu, (2012) ・市販SPMに近い高精度な形状評価を実現 Sample Page 7 Manufacturing Technology 61, 471–474. ・W. Gao, S. Goto, K. Hosobuchi,・研究成果は3月15日の第48回日本機械学会東北支部でも発表予定． S.CIRP Ito,Annals Y. Shimizu, (2012) ■スキャンラインを移動しながら測定を CIRP Annals Manufacturing Technology 61, 471–474. 行うことで三次元形状測定を実現 ・研究成果は3月15日の第48回日本機械学会東北支部でも発表予定． W probe 提案する形状測定原理の 有効性を実験的に示した． ■Dual Height法を応用した形状測定 Resonator PZT XY scanner 提案する形状測定原理の 手法の有効性を確認 500μm 有効性を実験的に示した． Page 3 3次元形状測定にも成功 Page 3 3次元形状測定にも成功 4
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