JP2000214066A - 走査型プロ―ブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 走査型プローブ顕微鏡において、プローブの
劣化判定の精度及び速度を高め、また、プローブ交換を
自動で行う。 【解決手段】 特殊形状のグレーディング状の試料を測
定して測定データを求め、測定データをプローブ先端の
劣化状態を判定するための判断データとし、劣化判定に
基づいてプローブの交換を行い、プローブの劣化判定の
精度及び速度を高め、また、プローブの自動交換を可能
とする。プローブＰ側に凸の傾斜面を少なくとも１面有
する突出部を複数備え、該複数の突出部を、隣接する突
出部の相対する傾斜面が成す角度がプローブの先端角度
よりも狭角となるよう配置するプローブ劣化判定用試料
１と、プローブ劣化判定用試料１を走査して得られる測
定データの高さ方向の高低差としきい値とを比較し、比
較結果に基づいてプローブの劣化判定を行うプローブ劣
化判定手段と１５を備え、プローブ劣化判定手段１５の
判定結果に基づいて、ヘッドに取り付けるプローブの交
換を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、表面検査装置に関
し、特にプローブ先端の劣化を判定、及びプローブ交換
を行う走査型プローブ顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】金属，半導体，セラミック，樹脂等の工
業材料の表面観察やあらさの測定、液晶，高分子，蒸着
膜などの薄膜の観察等のために表面検査が行われる。特
に、精密工業の分野では、液晶基板，ハードディスク，
ＣＤ，ＤＶＤ，Ｓｉウエハー（ＣＭＰ），電子素子，ガ
ラス基板，ＭＲヘッド，マスクブランクス等の生産ライ
ンにおいて、試料表面を迅速に検査することが求められ
ている。

【０００３】試料の微細な表面形状を検査する装置とし
て、プローブと試料表面間に働く原子間力を測定する原
子間力顕微鏡（ＡＦＭ）や、プローブと試料表面との間
に流れるトンネル電流を用いる走査型トンネル顕微鏡
（ＳＴＭ）等の走査型プローブ顕微鏡を用いた装置が知
られている。

【０００４】原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）は、探針及び探
針を支持するカンチレバーと、このカンチレバーの曲が
りを検出する変位検出系とを備え、探針と試料との間の
原子間力（引力または斥力）を検出し、この原子間力が
一定となるように制御することによって、試料表面の形
状を観察するものであり、生物，有機分子，絶縁物等の
非導電物質の観察を行うことができる。また、走査型ト
ンネル顕微鏡（ＳＴＭ）は、探針を試料表面に近づけて
探針または試料を３次元方向に移動可能とし、探針と試
料表面との間に流れるトンネル電流が一定となるように
試料表面と探針との間をサブナノメータで制御すること
によって、原子レベルの分解能で３次元形状を測定し、
物質表面の原子配列の観察や、物質表面の表面形状の観
察を行う。

【０００５】走査型プローブ顕微鏡では、装置側のヘッ
ドに対してプローブを着脱自在とし、プローブの定期的
な交換や、劣化による交換や、異なる特性のプローブへ
の交換が可能な構成を採用している。従来、プローブの
劣化による交換を行う場合には、プローブの劣化の程度
を測定し、測定結果に基づいて人手によってプローブ交
換を行っている。

【０００６】プローブの劣化の程度を測定する方法とし
て、径が既知の微粒子を観察して微粒子の粒子径を測定
し、測定した値と既知の粒子径とを比較することによっ
てプローブの先端の状態を観察するもの知られている。
図６は従来のプローブの劣化を測定する方法を説明する
ための概略図である。図６において、微粒子Ａをプロー
ブＰで観察する。プローブＰによって微粒子Ａを観察す
ると、高さ方向の変化に対する移動距離から、微粒子Ａ
の径を求めることができる。ここで、微粒子Ａの粒子径
が既知（図ではｄ０としている）の場合には、測定で求
めたｄ１と既知のｄ０とを比較することによって、プロ
ーブＰの劣化の程度を知ることができる。図６（ａ）は
プローブＰ１の劣化の程度が小さい場合を示すもので測
定径はｄ１であり、図６（ｂ）はプローブＰ２の劣化の
程度が大きい場合を示すもので測定径はｄ２（ｄ２＜ｄ
１）である。既知の粒子径ｄ０と測定径ｄ１及び測定径
ｄ２との比較によって、プローブＰ２の劣化の程度が大
きいことを知ることができる。

【０００７】従来、プローブ交換は、既知の粒子径を備
える標準試料を観察し、得られた粒子径に基づいてプロ
ーブの劣化の程度を判定し、その後に人手によってプロ
ーブの交換を行っている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来、プローブの劣化
の程度を微粒子の観察で行っているため、微粒子の粒子
サイズのばらつきや、粒子の境界が不明瞭さや、粒子の
測定状態が一定しない等のために測定した粒子径に誤差
が生じ、そのため、プローブの劣化判定に正確さを欠く
おそれがあるという問題がある。

【０００９】図７は粒子の測定状態による測定値の変動
を示す図であり、図中のＡは粒子径がｄ０の微粒子を示
し、Ｐはプローブを軸方向から見た状態を示している。
図７（ａ）はプローブＰが微粒子Ａの最大径上を走査し
た場合であり、このときの測定値はｄａとなる。これに
対して、図７（ｂ）、（ｃ）はプローブＰが微粒子Ａの
最大径からずれた位置を走査した場合であり、このとき
の位置によって異なるｄｂ，ｄｃとなる。また、図７
（ｄ）は微粒子Ａ，Ａ’が隣接した場合であり、このと
きの測定径はｄｄとなり、微粒子の測定状態によって測
定径が一定しない。

【００１０】また、図８は従来のプローブの劣化判定に
用いる標準試料の概略図であり、基板Ｂ上に複数の微粒
子Ａが点在させている。プローブＰはこの標準試料につ
いて走査を行い、微粒子Ａの全体を観察する。そのた
め、プローブの劣化判定に用いる測定データを得るため
に時間がかかるという問題もある。さらに、従来の走査
型プローブ顕微鏡では、プローブの劣化判定に基づいて
手動でプローブ交換を行っているため、人手による操作
を必要とすると共に交換に時間を要するという問題があ
る。

【００１１】そこで、本発明は前記した従来の問題点を
解決し、走査型プローブ顕微鏡において、プローブの劣
化判定の精度及び速度を高めることを目的とし、また、
プローブ交換を自動で行うことを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の走査型プローブ
顕微鏡は、特殊形状のグレーディング状の試料を測定し
て測定データを求め、該測定データをプローブ先端の劣
化状態を判定するための判断データとし、劣化判定に基
づいてプローブの交換を行うものであり、これによっ
て、プローブの劣化判定の精度及び速度を高め、また、
プローブの自動交換を可能とする。

【００１３】本発明の走査型プローブ顕微鏡は、プロー
ブ劣化判定用試料とプローブ劣化判定手段とを備え、プ
ローブ劣化判定手段の判定結果に基づいて、ヘッドに取
り付けるプローブの交換を行う。

【００１４】プローブ劣化判定用試料は、プローブ側に
凸の傾斜面を少なくとも１面有する突出部を複数備える
と共に、この複数の突出部を、隣接する突出部の相対す
る傾斜面が成す角度がプローブの先端角度よりも狭角と
なるよう配置する。プローブがこのプローブ劣化判定用
試料と接触しながら走査すると、このプローブ劣化判定
用試料の表面形状が測定される。測定データは、プロー
ブ劣化判定用試料の表面を１ライン分あるいは複数ライ
ン分走査して得ることができる。測定データは、プロー
ブ劣化判定用試料自体の表面形状データと、プローブの
劣化状態を表すデータを含んでいる。プローブの劣化状
態は、測定データの高さ方向の高低差により知ることが
できる。プローブの劣化が少ない場合には、プローブ先
端はプローブ劣化判定用試料自体の表面形状を精度良く
追従することができるため、プローブ劣化判定用試料の
谷部分の高さを精度良く求めることができる。これに対
して、プローブの劣化が大きい場合には、プローブ先端
がプローブ劣化判定用試料自体の表面形状を追従する精
度は落ちるため、プローブ劣化判定用試料の谷部分の測
定精度は低下する。

【００１５】そこで、プローブ劣化判定手段は、この測
定データの高さ方向の高低差を劣化の判定に用い、あら
かじめ定めた劣化判定のしきい値と比較することによっ
てプローブの劣化判定を行い、比較結果に基づいてプロ
ーブの劣化判定を行う。しきい値は、劣化を判定する基
準値であり、測定対象に応じてしきい値を定めることが
できる。プローブ劣化判定手段は、プローブによる測定
データを用いてプローブの劣化状態を判定し、判定結果
に基づいてプローブの交換を行うため、人手によらずに
プローブ交換を行うことができる。

【００１６】プローブ劣化判定手段は、測定データに基
づいて評価値を算出する評価値算出部と、評価値を判定
するためにしきい値と比較する比較部と、しきい値を記
憶するしきい値記憶部とを備えた構成とすることができ
る。評価値は、測定データの高低差の他に、ＪＩＳで定
める表面粗さを表すパラメータである算術平均粗さ（Ｒ
ａ）、最大高さ（Ｒｙ）、十点平均粗さ（Ｒｚ）等を用
いることができる。プローブ劣化判定用試料の第１の形
態は、断面形状を半円形とする柱状体を軸方向に並行と
なるように、互いに間隔を空けてあるいは接触させて隣
接するように平面上に配列して形成することができる。
半円形の径や配置間隔によって、検出するプローブの劣
化の程度を変更することができ、例えば、径を小径とし
たり配置間隔を狭めることによって、より小さな劣化を
検出することができる。プローブはこの断面が半円形の
凹凸面を走査して、測定データを求める。

【００１７】プローブ劣化判定用試料の第２の形態は、
断面形状を三角形とする柱状体を軸方向に並行となるよ
うに、互いに間隔を空けてあるいは接触させて隣接する
ように平面上に配列して形成することができる。三角形
の形状や配置間隔によって、検出するプローブの劣化の
程度を変更することができ、例えば、三角形の辺の角度
を急としたり配置間隔を狭めることによって、より小さ
な劣化を検出することができる。プローブはこの断面が
三角形の凹凸面を走査して、測定データを求める。

【００１８】プローブ劣化判定用試料の第３の形態は、
四角錐等のピラミッド状の錐体を複数用い、その頂点が
一直線上となるように、互いの対抗する辺の間隔を空け
てあるいは接触させて隣接するように平面上に複数列に
配列して形成することができる。錐体の形状や配置間隔
によって、検出するプローブの劣化の程度を変更するこ
とができ、例えば、錐体の辺の角度を急としたり配置間
隔を狭めることによって、より小さな劣化を検出するこ
とができる。プローブはこの錐体の凹凸面を走査して、
測定データを求める。

【００１９】プローブ劣化判定用試料の第４の形態は、
第１〜第３の形態のプローブ劣化判定用試料を用い、形
状や大きさを異ならせた各突出部を段階的に複数備え、
検出するプローブの劣化の程度を異ならせ、プローブが
走査する突出部によって劣化検出の精度を変更すること
ができる。例えば、第１の形態において、半円形の断面
の径を異ならせたものを複数備える。第４の形態によれ
ば、プローブの劣化の判定基準を複数段階で設定するこ
とができ、測定対象に応じてプローブの劣化判定を行
い、求められる測定精度に対応したプローブを交換する
ことができる。

【００２０】また、プローブ劣化判定用試料の第５の形
態は、第１，２の形態のプローブ劣化判定用試料を用
い、プローブの走査方向と交差する方向の形状や大きさ
を連続的に変化させ、検出するプローブの劣化の程度を
連続的に異ならせ、プローブが走査する突出部によって
劣化検出の精度を変更することができる。第５の形態に
よれば、プローブの劣化の判定基準を連続的に設定する
ことができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
を参照しながら詳細に説明する。図１，２は本発明の走
査型プローブ顕微鏡が備えるプローブ劣化判定用試料の
一構成例の概略図及び動作説明図である。

【００２２】図１（ａ）に示すプローブ劣化判定用試料
１ａは、断面形状を半円形とする柱状体２１を、その軸
方向が並行となるように接触させて平面上に配列して形
成することができ、グレーディング状の形状を形成す
る。柱状体２１の配列で形成される突出部分の個数は任
意とすることができ、各柱状体２１が備える個体の形状
誤差を減少させるに十分な個数とすることができる。

【００２３】プローブＰは、図中の破線で示すラインに
そって走査を行い、測定データを求める。図２（ａ）
は、矢印方向に移動するプローブＰの走査状態を示して
いる。プローブＰは、プローブ劣化判定用試料１の表面
に追従して移動することによって、高さ方向のデータを
得る。図２（ｂ）は、走査で得られた高さ方向の変化を
示している。この高さ方向の変化から求められる高低差
Ｄ１は、プローブの劣化状態を判定する評価値として用
いることができる。

【００２４】図２（ｃ）及び図２（ｄ）は、劣化した状
態のプローブによる走査状態及びそのときの高さ方向の
データを示しており、高低差はＤ２（Ｄ１＞Ｄ２）であ
る。図２（ｂ）と図２（ｄ）とを比較すると、劣化の状
態が小さいプローブにより得られる高低差Ｄ１は、劣化
の状態が大きいプローブにより得られる高低差Ｄ２より
も大であり、高低差Ｄをプローブの劣化状態を評価する
評価値とすることができる。

【００２５】図１（ｂ）に示すプローブ劣化判定用試料
１ｂは、図１（ａ）に示すプローブ劣化判定用試料の断
面形状の大きさや配置間隔が異なる突出部を複数配列し
た構成であり、この構成によってプローブの劣化検出の
精度を段階的に変更することができる。

【００２６】図３は、本発明の走査型プローブ顕微鏡の
概略構成図である。図３において、走査型プローブ顕微
鏡１０は、プローブ劣化判定用試料１、ヘッド２、ステ
ージ４、プローブ劣化判定手段１５、及びヘッドとステ
ージとを相対的に移動させる移動機構及び制御機構を備
える。ヘッド２にはプローブホルダ３を介してプローブ
Ｐが取り付けられ、試料Ｓ上を走査して測定を行う。ス
テージ４は試料Ｓを支持する。ヘッド２及びステージ４
はそれぞれＸＹＺ方向に移動可能とする移動機構を備
え、移動機構によって相対的に位置を変更して試料Ｓの
走査を行う。移動機構の一例としては、ヘッド２側に圧
電素子を用いた微動機構や、ステージ４側に粗動機構と
することができる。

【００２７】移動機構を制御する制御機構はヘッド制御
部１２及びステージ制御部１３を備える。ヘッド制御部
１２はヘッド２の移動制御、及びプローブによる測定制
御を行う。ステージ制御部１３はステージ４の移動制御
を行う。ヘッド制御部１２及びステージ制御部１３は、
走査型プローブ顕微鏡１０全体の制御を行う制御部１１
によって制御され、プローブＰと試料Ｓとの相対的な位
置制御が行われる。

【００２８】測定部１４は、プローブＰで測定された測
定信号、及びヘッド２とステージ４の移動信号を入力
し、試料Ｓの三次元データを形成する。プローブＰはプ
ローブホルダ３に取り付けられた状態で、ヘッド２及び
ステージ７に対して着脱を行い、プローブ５の交換を行
うことができる。

【００２９】ステージ４上には、プローブ劣化判定用試
料１及び交換用プローブ５を備える。なお、交換用プロ
ーブ５の配置位置には、交換後のプローブを配置するこ
とができる。プローブ劣化判定用試料１及び交換用プロ
ーブ５に対してヘッド２を位置合わせする場合には、前
記した移動機構によってヘッドとステージとの相対的位
置を調節することによって行うことができる。

【００３０】なお、プローブ劣化判定用試料１及び交換
用プローブ５は、必ずしも試料Ｓと同時にステージ４に
載置される必要はなく、走査型プローブ顕微鏡のベース
部分に設けることもできる。

【００３１】プローブの劣化を判定するには、プローブ
Ｐをプローブ劣化判定用試料１に移動した後、走査して
プローブ劣化判定用試料１の形状測定を行う。測定部１
４はプローブからの信号を受けて測定データを求める。

【００３２】プローブ゛劣化判定手段１５は、評価値算
出部１５ａと比較部１５ｂとしきい値記憶部１５ｃを備
える。評価値算出部１５ａは、測定部１４から測定デー
タを取り込んで劣化判定のための評価値を算出し、比較
部１５ｂは算出した評価値をしきい値と比較し、プロー
ブの劣化判定を行う。しきい値はしきい値記憶部１５ｃ
から読み込むことができ、測定対象に応じて劣化判定の
しきい値を変更することができる。

【００３３】比較部１５ｂの判定結果は制御部１１に送
られ、劣化と判定された場合にはヘッド制御部１２及び
ステージ制御部１３を制御して、ヘッド２を交換用プロ
ーブ５に移動し交換を行う。図４は、本発明の走査型プ
ローブ顕微鏡のプローブ交換動作を説明するためのフロ
ーチャートである。

【００３４】制御部１１は、プローブ劣化判定用試料１
の初期位置に位置に移動させ（ステップＳ１）、プロー
ブ劣化判定用試料１を走査して、測定部１４によって測
定データを求める（ステップＳ２）。

【００３５】評価値算出部１５ａは、測定部１４から測
定データを取り込んで、高低差等の評価値を算出する
（ステップＳ３）。比較部１５ｂは、評価値算出部１５
ａから評価値を取り込むと共に、しきい値記憶部１５ｃ
からしきい値を取り込んで比較を行う。評価値がしきい
値よりも大きい場合には、プローブ交換を要するほどの
劣化状態ではないと判定し、評価値がしきい値よりも小
さい場合には、プローブ交換を要するほどの劣化状態で
あると判定する（ステップＳ４）。

【００３６】判定の結果、プローブ交換を要する場合に
は、制御部１１はヘッド制御部１２及びステージ制御部
１３に制御信号を送って、ヘッド２とステージ４とを相
対的に移動させ、プローブＰを交換用プローブ５に移動
させて交換を行う（ステップＳ５）。

【００３７】次に、本発明のプローブ劣化判定用試料の
他の構成例を図５の概略図を用いて説明する。図５
（ａ）に示すプローブ劣化判定用試料１ｃは、断面形状
を三角形とする柱状体２３を軸方向に並行となるよう
に、互いに隣接させて平面上に配列した構成としてい
る。三角形の形状や配置間隔によって、検出するプロー
ブの劣化の程度を変更することができ、例えば、三角形
の辺の角度を急としたり配置間隔を狭めることによっ
て、より小さな劣化を検出することができる。プローブ
Ｐは、図中の破線で示すように、三角形の凹凸面を走査
して測定データを求める。

【００３８】図５（ｂ），（ｃ）に示すプローブ劣化判
定用試料１ｄは、断面の大きさ等の形状が走査方向と交
差する方向に変化する柱状体２４を軸方向に並行となる
ように、互いに隣接させて平面上に配列した構成として
いる。この構成によって、検出するプローブの劣化の程
度を連続的に異ならせ、プローブが走査する突出部によ
って劣化検出の精度を変更することができる。

【００３９】図５（ｄ）に示すプローブ劣化判定用試料
１ｅは、ピラミッド状の錐体を複数用い、その頂点が一
直線上となるようにして、互いの対抗する辺を隣接させ
て平面上に複数列に配列して構成している。錐体の辺の
角度を急としたり配置間隔を狭めるなど、錐体の形状や
配置間隔を変更することによって、検出するプローブの
劣化の程度を変更することができ、より小さな劣化を検
出することができる。なお、錐体は四角錐や三角錘等の
角錘の他、円錐を用いることもできる。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の走査型プ
ローブ顕微鏡によれば、プローブの劣化判定の精度及び
速度を高めることができ、また、プローブ交換を自動で
行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の走査型プローブ顕微鏡が備えるプロー
ブ劣化判定用試料の一構成例の概略図である。

【図２】本発明の走査型プローブ顕微鏡が備えるプロー
ブ劣化判定用試料の一構成例の動作説明図である。

【図３】本発明の走査型プローブ顕微鏡の概略構成図で
ある。

【図４】本発明の走査型プローブ顕微鏡のプローブ交換
動作を説明するためのフローチャートである。

【図５】本発明のプローブ劣化判定用試料の他の構成例
を説明する概略図である。

【図６】従来のプローブの劣化を測定する方法を説明す
るための概略図である。

【図７】粒子の測定状態による測定値の変動を示す図で
ある。

【図８】従来のプローブの劣化判定に用いる標準試料の
概略図である。

【符号の説明】

１，１ａ〜１ｅ…プローブ劣化判定用試料、２…ヘッ
ド、３…プローブホルダ、４…ステージ、５…交換用プ
ローブ、１０…走査型プローブ顕微鏡、１１…制御部、
１２…ヘッド制御部、１３…ステージ制御部、１４…測
定部、１５…プローブ劣化判定手段、１５ａ…評価値算
出部、１５ｂ…比較部、１５ｃ…しきい値記憶部、Ｐ…
プローブ、Ｓ…試料。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プローブ側に凸の傾斜面を少なくとも１
   面有する突出部を複数備え、該複数の突出部を、隣接す
   る突出部の相対する傾斜面が成す角度がプローブの先端
   角度よりも狭角となるよう配置するプローブ劣化判定用
   試料と、前記プローブ劣化判定用試料を走査して得られ
   る測定データの高さ方向の高低差としきい値とを比較
   し、比較結果に基づいてプローブの劣化判定を行うプロ
   ーブ劣化判定手段とを備え、プローブ劣化判定手段の判
   定結果に基づいて、ヘッドに取り付けるプローブの交換
   を行う、走査型プローブ顕微鏡。