原子間力顕微鏡(AFM)のアサイラム リサーチ

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   原子間力顕微鏡による粗さ測定   
 


表面粗さは、多くのデバイスの機能特性を決定づける上で、重要な役割を果たしています。この形状が機能に及ぼす影響は、ナノスケールやそれ以下でも表れます。より微細なスケールのデバイスを探索し、製作し続けることを可能にするためには、ナノスケールやサブオングストロームの粗さを理解して特性付けることが、ますます重要になっています。
図1: (a) 化学機械研磨したシリコンで、表面粗さ1.3Å。(b) 原子的にフラットなシリコンのシングルテラスで、表面粗さ0.43Å。ともにCypher AFMでとりました。両方とも1µmスキャン。
ナノスケールの表面粗さ
AFMはナノスケールの表面粗さ(Ra または平均偏差)を研究するために欠かすことができず、他のスタイラスや光学ベースの手法1の持つ分解能をはるかに超えるものを持っています。与えられたいかなる表面の測定粗さも、測定装置の空間および垂直の分解能によって変わってきます。それは、実際の表面は、多数の長さスケールをもつ粗さを示し、これらのプロファイルの重ね合わせとして考えることができるからです。Cypher™ AFMのようなサブオングストロームの分解能を有する高性能装置を使用すれば、原子的にフラットな表面でもその粗さを定量化することができるということにご留意ください。

ナノスケールの表面粗さの重要性を示す多数の事例があります。1テラバイト/in2を超える面積ビット密度および、表面上をほんの数ナノメートル飛行するような読み/書きヘッドをもつデータストレージ業界では、ハードディスク基板は、今や〜1Å Raの粗さにまで研磨する必要がある状況です。

同様に、ムーアの法則に基づいて、トランジスターがスケールダウンするに伴い、サブオングストロームの表面粗さを測定する能力が、半導体業界ではますます重要になってきています。原子的にフラットなシリコンが、その信頼性とデバイス特性を向上させるのと同時に、トランジスターのノイズを大幅に減少させることが示されてきました2。図1は化学機械研磨されたシリコンと原子的にフラットなシリコンのシングルテラスの比較を示しています。

表面粗さ測定の分解能に影響を及ぼす重要な要素が2つあります:
  1. AFM装置のノイズで、垂直の分解能を制限します。
  2. 探針の半径が空間分解能を制限します。探針摩耗も測定の精度に影響を及ぼします。


参考文献
  1. Bhushan, B., Modern Tribology Handbook, Vol. 1 - Principles of Tribology, (2001).
  2. R. Kuroda, T. Suwa, A. Teramoto, R. Hasebe, S. Sugawa and T. Ohmi, IEEE T-ED, Vol. 56, pp. 291-298, (2009).


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