JP2008256526A - 電子ビームの形状測定に利用可能なナノワイヤ架橋デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】微細な電子ビームの形状を簡便な方法で測定することが可能なナノワイヤ架橋デバイスとその作成方法を、また、それを応用した電子ビームの形状測定方法を提供する。
【解決手段】金属板を渡るようにナノワイヤ、例えばカーボンナノチューブを配置し、ナノワイヤの両端部分を金属板に固定するナノワイヤ架橋デバイスの作成方法および金属板を渡るように架設されたナノワイヤを有するナノワイヤ架橋デバイス。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子顕微鏡や、半導体デバイスの製造過程でウエハ上に所望のパターンを電子ビームで描画したり、ステッパ用のマスク製造時にマスクパターンを描画する荷電粒子描画等における電子ビーム応用装置での電子ビームの形状を測定する技術に係り、特に、その測定に適用するカーボンナノチューブ等のナノワイヤを利用したナノワイヤ架橋デバイスに関する。

電子ビームの形状測定方法で最も初歩的なものは、『２アパチャー法』である（例えば、非特許文献１参照）。これは、ＬａＢ_６やタングステンフィラメントのような大きな光源の場合に用いられる。電子光学系の光軸上に、距離を離して２つの孔（アパチャー）を配置し、その２つのアパチャーを通過する電流をファラデーゲージなどで測定する。そして、測定電流とアパチャーの径、アパチャー間隔の距離から、単位面積、単位立体角あたりの電流量である「輝度」が求められる。

２アパチャーを用いない変則的な方法もいくつかあり、ポイントフィラメントやシャープなエッジを持つナイフエッジ状の試料上でフォーカスしたビームを走査してビームプロファイルを得る『ナイフエッジ法』（例えば、非特許文献２および特許文献１参照）、または試料上でビームを収束せずにビーム径を測定する『シャドーイメージ法』（例えば、非特許文献３参照）などがある。
これらの方法は、走査型電子顕微鏡の内部に測定システムを容易に構成できるため、容易に実現できることが特徴である。しかし、これらの二つの方法は、絞りの径やメッシュの間隔よりも細い電子ビームを測定することは原理的にできない。

一方、電子ビーム応用の分野では、近年、より細い電子ビームが求められており、カーボンナノチューブや単原子エミッタなど微細な電子放出材料が数多く研究されている。しかし、その微細なビームの形状測定が簡単にできないことが問題になっている。
微小な電子ビームを測定する方法は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を利用して、光源を高い倍率で拡大して直接ビーム径を測定して輝度を算出する方法や、フレネル縞や、バイプリズムによる干渉縞など、電子波の干渉を利用した測定方法（例えば、非特許文献４参照）が用いられる。この干渉縞は量子力学で電子波の波長との関係が保障されていることから、理論的には電子波の波長のオーダーでの精密測定が可能である。しかし、ＴＥＭや電子線の干渉を測定する方法は、技術的に難易度が高く、一般的な環境で測定できる方法ではない。

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電子ビームの応用において、電子ビーム径など電子ビーム形状の情報は重要である。
電子ビームの応用において、より細い電子ビームが求められているが、しかし、従来技術では、電子波の干渉を利用する技術的に難易度の高い方法を使わなければ、微細な電子ビームを測定することができない。電子ビーム応用の今後の発展を考慮すると、電子波の干渉を利用しないで、微小径の電子ビームを簡易に測定できる技術の確立が重要である。
本発明は、微細な電子ビームの形状（電子ビームの径も含む）を簡便な方法で測定することが可能なナノワイヤ架橋デバイスとその作成方法を提供し、また、それを応用した電子ビームの形状測定方法を実現することを目的とする。

本発明者らは上記課題に鑑み鋭意研究した結果、ナノメートル程度の直径を有する安定に存在するナノ材料であるカーボンナノチューブ等を利用するのが良いことを見出し、これらの知見に基づいて本発明をなすに至った。
すなわち、本発明は、
（１）金属板を渡るように架設されたナノワイヤを有するナノワイヤ架橋デバイス、
（２）電子ビームの形状測定に応用することを特徴とする（１）記載のナノワイヤ架橋デバイス、
（３）金属板を渡るようにナノワイヤを配置し、ナノワイヤの両端部分を金属板に固定するナノワイヤ架橋デバイスの作成方法、
（４）前記配置するナノワイヤがカーボンナノチューブ、金属被覆したカーボンナノチューブ、金属ナノワイヤまたは半導体ナノワイヤであることを特徴とする（３）記載のナノワイヤ架橋デバイスの作成方法、
（５）前記配置するナノワイヤがカーボンナノチューブであり、前記金属板への固定を加熱により行うことを特徴とする（３）記載のナノワイヤ架橋デバイスの作成方法、および（６）前記（１）記載のナノワイヤ架橋デバイスを電子光軸上に配置し、ナノワイヤ上を電子ビームで走査し、電子ビームが抵触するナノワイヤの領域で吸収される電子量、反射される電子量および発生する二次電子量のいずれか1種以上に基づいて、電子ビームの形状を測定する方法、
を提供するものである。

本発明のナノワイヤ架橋デバイスを利用すると、これまで実用的な方法では測定できなかった直径数ｎｍの微細な電子ビームの形状が測定可能である。そして、その測定方法は、電子波の干渉を用いるものではないため、微細な電子ビーム形状を簡便に測定でき、そのうえ、電子ビームの径だけではなく、エミッタンスなど電子ビームの形状測定も可能である。
また、本発明のナノワイヤ架橋デバイスを利用する測定は、走査型電子顕微鏡における分解能など、主観性のはいる性能を検定する標準資料とすることができる。

本発明のナノワイヤ架橋デバイスの作成方法について、説明する。
ナノワイヤとしては、例えばカーボンナノチューブ、金属被覆したカーボンナノチューブ、金属ナノワイヤや半導体ナノワイヤ等を利用することができるが、カーボンナノチューブが好ましい。
本発明の好ましい一実施態様としてカーボンナノチューブ（以後、ＣＮＴと略記する場合がある）を使用した場合について述べる。
カーボンナノチューブは、一般に数ナノメートル〜数十ナノメートル程度の直径を有する安定に存在する円筒状の結晶構造を有する巨大な炭素分子で、ナノ材料といわれるものである。
そこで、大きさが３０ｍｍ×３０ｍｍ×２００μｍ程度の金属基板、例えば、金、ステンレス、シリコン酸化膜上に金属を蒸着した基板等に直径１〜２０μｍ、好ましくは２０μｍ程度の孔を設ける。大きい電子ビームも測定対象にするには、孔径は大きいほどよいが、現状のナノチューブは、２０μｍ程度の長さのものが利用可能である。この孔の中心を通って渡るようにカーボンナノチューブ１本を架設し、そのＣＮＴ両端部分を金属基板に固定して「ナノワイヤ架橋デバイス」を作成する。
また、２枚の金属板電極間にＣＮＴを渡るように架設し、加熱によりそのＣＮＴ両端部分を板電極に固定して「ナノワイヤ架橋デバイス」を作成することもできる。

ＣＮＴと金属との接合部には、良好な電気的な接合および機械的接合強度が必要となる。接合部に抵抗が多ければ、微小な電流を検出することは不可能であり、また、機械的接合の強度が不足した場合、電子線の被曝により、その構造が崩壊することが予想できる。
カーボンナノチューブと金属を接合する一般的な方法、例えばＡＰＰＬ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７４（１９９９）４０６１に記載されたＥＢＩＤ法（真空中の在留ガス成分であるハイドロカーボン（ＣｘＨｙ）を電子ビームで分解しその成分を用いてＣＮＴと基板（例えば、走査プローブ顕微鏡用プローブである探針）を接合）で接合する方法でも良いが、接合が不十分であることが分かった。我々は、カーボンナノチューブ表面に金属原子が移動する現象を利用して、カーボンナノチューブの接合部分付近を金属でコーティングし、固定するより良い手法を確立した。

この固定方法は、金属電極にカーボンナノチューブを架設し、真空雰囲気、または、酸素の無いガス置換雰囲気で電気炉等により、４５０〜５５０℃程度に加熱すると、電極の金属原子がＣＮＴ表面を移動して、金属がＣＮＴを被覆し、理想的な接触状態を作ることを確かめた。図１はＣＮＴと金電極のＳＥＭ写真であり、両側の金板電極にＣＮＴが架設された状態を示すものである。図２は図１のＡ−Ａ'軸とＢ−Ｂ'軸におけるＸ線分析（Energy Dispersive X-ray Spectrometer; 以下、ＥＤＸという）の結果で、試料表面の金、炭素元素について、元素固有の特性Ｘ線を検出したものである。Ｂ−Ｂ'軸において、炭素原子ピーク位置に金原子のピーク位置が重なっていたことからＣＮＴ上に金原子が熱輸送していることが確認できる。Ａ−Ａ'軸には炭素原子ピーク上に金原子のピークが検出されなかったことからＡ−Ａ'軸の位置まで金原子が輸送されず、ＣＮＴが露出している状態を実現できた。この結果は、加熱によりＢ−Ｂ'軸の位置までＣＮＴ表面を金属原子が移動してきたことを示しており、これによりＣＮＴが金属板電極に固く接合固定できたことを意味する。

図３はＣＮＴと金板電極の他の例のＳＥＭ写真であり、両側の金板電極にＣＮＴが架橋された状態を示すものである。電極間にＣＮＴを架設し、真空雰囲気、または、酸素の無いガス置換雰囲気の電気炉等により５００℃程度に加熱すると、先に記載したように電極の金属原子がＣＮＴ表面を移動して理想的な接触状態を作る。
図４は、図３の基板を電気炉で加熱し、接合に施す加熱温度と加熱時間による電流電圧特性の変化を示すグラフである。加熱の時間ごとに電気抵抗が金属的な挙動に近くなっていることを示し、電気特性が良好になっていることが確認できた。
すなわち、加熱による固定で機械的強度も充分となり、接合の電気的な特性の改善によって、電子ビームからナノワイヤに吸収された電子を精確に測定することが可能になると推測できる。
カーボンナノチューブ以外の前記したナノワイヤの固定方法について説明すると、金属被覆したカーボンナノチューブ、金属ナノワイヤや半導体ナノワイヤは、２枚の金属電極間に前記したＥＢＩＤ法で架設固定する。半導体ナノワイヤについては、カーボンナノチューブと同様に上記した加熱による方法で、固定部分の電気的特性、機械的特性を改善することができる。

本発明は、上記したような方法で作成した、金属板を渡るように架設されたナノワイヤ例えば、カーボンナノチューブを有するナノワイヤ架橋デバイスである。その他の一例を図５にＳＥＭ写真で示が、ＳＥＭ像は、ステンレスの薄板上に直径５μｍの孔に一本のＣＮＴが架設されたナノワイヤ架橋デバイスである。

次に、本発明のナノワイヤ架橋デバイスを利用する微細電子ビームの形状測定方法の好ましい例について、詳細に説明する。
このナノワイヤ架橋デバイスを電子光軸上に配置し、偏向コイルを用いてナノワイヤの上を測定しようとする電子ビームで走査すると、電子ビームが抵触するナノワイヤの微小な領域で、次の現象が生起する。
ａ）電子ビームがナノワイヤに吸収され、ナノワイヤが接触する両端の電極と装置のアースの間に電流が流れる、
ｂ）電子ビームの一部は反射され、反射電子が発生し、電子ビームが当たった面積に比例する反射電子を発生する、
ｃ）また、電子ビームが当たったナノワイヤの表面領域のみから、二次電子が発生する。

電子ビームがナノワイヤに当たったことによって発生するこれら吸収電子、反射電子、二次電子はいずれもナノワイヤと電子ビームの接触面積と相関がある。そのため、「電流計」、「反射電子検出器」や「二次電子検出器」を利用してそれらの強度を測定することで、電子ビーム径また、電子ビーム形状を計測することが可能である。

図６は本発明の電子ビームのビーム径測定方法の一実施態様を示す説明図である。
５０μｍ程度のシリコンウェハ１にエッチングプロセスを用いて貫通孔２を設け、その貫通孔２の付近に蒸着プロセスなどで上面に金属薄膜（例えば、Ａｕ薄膜）３を形成する。その金属薄膜３部分を支持・固定点として貫通部分にカーボンナノチューブ４を架橋してナノワイヤデバイスを作成するものである。電子ビーム５が、図６の矢印の方向から架設したナノチューブを横断すると、電子ビームが当たったＣＮＴ表面積に比例する量の、二次電子、反射電子、吸収電荷が発生する。それらの電子を二次電子検出器や反射電子検出器、またはＣＮＴ固定部の電極から装置アースに流れる微小な電流を検出し、走査距離より電子ビーム径を見積もることができる。
図６は、そのうちの反射電子を反射電子検出器６で検出している様子を示す。いずれの検出方法でも独立した経路で検出可能で、信号強度の強い検出器を場合に応じて使い分ける。

図７は、電子ビームを反射電子検出器（電子ビームエネルギーが大きいと、電子ビームがＣＮＴを透過し反射電子検出強度が弱くなる。その際は、吸収電流及び２次電子検出器を用いる。）で検出する例を示す。架設したカーボンナノチューブを電子ビームが横断するとき、図７に示すように、ＣＮＴ表面に当たった電子ビームから反射電子が発生し、電子ビームの当たったＣＮＴの面積に応じて反射電子が検出される。つまり、電子ビームはＣＮＴの直径とＣＮＴと直行する電子ビームの長さが成す矩形で切り取られ、その面積に対応した信号強度を得る。
電子ビームを走査したとき、(ａ)ＣＮＴに接触しないとき、検出器の信号強度は得られない。(ｂ)走査をして電子ビームが接触開始すると信号強度を得る。また、(ｃ)電子ビームの最大直径にＣＮＴがある場合、検出器の信号強度は最大となる。ここで、(ｃ)→（ｂ）の走査距離が、電子ビームの半径となる（電子ビームが円形状の場合）。楕円形状の場合は走査方向を９０度変えることで、長軸半径と短軸半径を得る。ビーム形状が円形、楕円形の場合は、以上の操作でビーム形状を特定できる。

さらに、上記測定方法で測定した（長短軸半径）電子ビーム径と、ＣＮＴの直径（既知）がなす矩形面積に対応する検出器の信号強度を基準にして、単位面積当たりの検出器信号強度が求まる。ＣＮＴの直径は一定であるので、電子ビームの任意の部分の長さを求めることが可能となる。従って、非対称な歪みをもつ電子ビームであっても、総面積、形状を測定することができるようになる。
反射電子ではなく、二次電子を利用するときは検出器として二次電子検出器を用いるだけで、原理は全く同様である。また、吸収電荷を利用するときは、ＣＮＴ支持点の電極から装置アースに流れる微小な電流（ＣＮＴと電子ビームの重なる面積に比例する）を電流計で検出し、電子ビームの走査方法は、同じ原理を利用する。
二次電子、反射電子、吸収電荷の検出はそれぞれ独立した経路で行うことができ、いわゆる補償のようなかたちで利用して測定精度を高めることができる。

次に、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明をするが、本発明はこれに制限されるものではない。

［ナノワイヤ架橋デバイスの作成］
２０ｍｍ×２０ｍｍ×５００μｍのシリコン基板上のシリコン酸化膜上に２μｍの間隙を有する金蒸着基板にその金蒸着電極間に直径２０ｎｍのカーボンナノチューブを一本架設し、窒素ガス置換した電気炉により５００℃に１時間、６時間、２１時間加熱し、ナノワイヤデバイスを作成した。一方、３０ｍｍ×３０ｍｍ×１００μｍの直径５μｍの貫通穴のあるステンレス基板の、貫通孔上部に直径２０ｎｍのカーボンナノチューブを一本架設し、ナノワイヤデバイスを作成した。

金電極間にカーボンナノチューブが架設されたＳＥＭ写真である。 図1のＡ−Ａ´、Ｂ−Ｂ´部分の断面をＥＤＸによりＣＮＴ上の金のピークを検出した結果を示すグラフである。 金電極間にカーボンナノチューブが架設された他の一例のＳＥＭ写真である。 接合時の加熱温度と加熱時間による電流電圧特性を示すグラフである。 本発明のナノワイヤ架橋デバイスの一例のＳＥＭ写真である。 本発明の電子ビームの形状測定方法の一実施態様を示す説明図である。 電子ビームとカーボンナノチューブ位置との関係と、その走査位置からの信号強度を示すグラフである。

符号の説明

１ シリコンウェハ
２ 貫通孔
３ 金属薄膜
４ カーボンナノチューブ
５ 電子ビーム
６ 反射電子検出器

Claims (6)

1. 金属板を渡るように架設されたナノワイヤを有するナノワイヤ架橋デバイス。
2. 電子ビームの形状測定に利用することを特徴とする請求項１記載のナノワイヤ架橋デバイス。
3. 金属板を渡るようにナノワイヤを配置し、ナノワイヤの両端部分を金属板に固定するナノワイヤ架橋デバイスの作成方法。
4. 前記配置するナノワイヤがカーボンナノチューブ、金属被覆したカーボンナノチューブ、金属ナノワイヤまたは半導体ナノワイヤであることを特徴とする請求項３記載のナノワイヤ架橋デバイスの作成方法。
5. 前記配置するナノワイヤがカーボンナノチューブであり、前記金属板への固定を加熱により行うことを特徴とする請求項３記載のナノワイヤ架橋デバイスの作成方法。
6. 請求項１記載のナノワイヤ架橋デバイスを電子光軸上に配置し、ナノワイヤ上を電子ビームで走査し、電子ビームが抵触するナノワイヤの領域で吸収される電子量、反射される電子量および発生する二次電子量のいずれか１種以上に基づいて、電子ビームの形状を測定する方法。