JP2001099773A - Scanning probe microscope and its measuring method - Google Patents

Scanning probe microscope and its measuring method

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JP2001099773A JP2000226308A JP2000226308A JP2001099773A JP 2001099773 A JP2001099773 A JP 2001099773A JP 2000226308 A JP2000226308 A JP 2000226308A JP 2000226308 A JP2000226308 A JP 2000226308A JP 2001099773 A JP2001099773 A JP 2001099773A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a scanning probe microscope and its measuring method capable of shortening the measuring time, reducing wear of a probe, and preventing degradation of measurement precision caused by the wear of the probe in measuring an object having a large area and a high aspect ratio in high resolution. SOLUTION: This scanning probe microscope comprises a probe 14 for facing a sample 13, displacement detecting mechanisms 22, 23 for detecting displacement of the probe in the vertical direction, an XY scanner 12 for scanning a wide area, a single piezoelectric element 16 for displacing the probe in the vertical direction, an approach and retreat signal supplying device 35 for outputting a voltage signal for approaching and retreating the probe to and from the surface of the sample in a sampling position, and a servo control device 30 for maintaining a reference distance between the sample and the probe based on a detection signal from the displacement detecting mechanism. The probe scans the surface while maintaining the reference distance between the probe and the sample in the sampling position, to measure a recessed and projected shape of the surface of the sample. The approach and retreat signal s01 is superimposed to a signal s0 for determining the reference distance in a servo control loop, and servo control is continued.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は走査型プローブ顕微
鏡と測定方法に関し、特に、半導体製造分野でのCMP
(化学機械研磨)工程で研磨評価のための観察視野の拡
大、さらに高アスペクト比の対象物の測定を可能にする
探針の接近・退避の構成を備えた走査型プローブ顕微鏡
とその測定方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a scanning probe microscope and a measuring method, and more particularly to a CMP method in a semiconductor manufacturing field.
The present invention relates to a scanning probe microscope equipped with a probe approach / retreat configuration that enables an observation field to be enlarged for polishing evaluation in a (chemical mechanical polishing) process and enables measurement of an object having a high aspect ratio, and a measurement method therefor. .

【0002】[0002]

【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡は、例えば原子間
力顕微鏡に代表されるように、半導体基板(ウェハ)の
表面凹凸のごとく、探針と試料表面との間に作用する原
子間力を利用して微細な凹凸形状を測定・観察するのに
利用されている。試料表面における走査範囲は、走査用
アクチュエータとして圧電素子が一般的に使用され、圧
電素子によって得られる変位量は例えばμm(マイクロ
メートル)級のストローク、大きくても100μm程度
であり、極めて微細なものである。他方、近年では、走
査型プローブ顕微鏡において広域に走査して広い領域を
観察できることが望まれている。具体的に述べると、半
導体製造工程での製造対象物の微細化に伴って、半導体
基板の表面の平坦性、あるいは各種半導体デバイスの製
造工程により基板表面上に堆積された膜の表面の平坦性
の評価に対する必要性が高くなっている。特にCPMに
よる平坦化工程の評価では、数mm(ミリメートル)か
ら数十mmの広い範囲の凹凸形状をnm(ナノメート
ル)の分解能で測定することが求められる。
2. Description of the Related Art A scanning probe microscope utilizes an atomic force acting between a probe and the surface of a sample, such as an uneven surface of a semiconductor substrate (wafer), as typified by an atomic force microscope. It is used for measuring and observing fine irregularities. The scanning range on the sample surface is such that a piezoelectric element is generally used as a scanning actuator, and the displacement obtained by the piezoelectric element is, for example, a stroke of the order of μm (micrometer), at most about 100 μm, and is extremely fine. It is. On the other hand, in recent years, it has been desired that a scanning probe microscope can scan a wide area to observe a wide area. Specifically, with the miniaturization of the object to be manufactured in the semiconductor manufacturing process, the flatness of the surface of the semiconductor substrate or the flatness of the surface of the film deposited on the substrate surface in the manufacturing process of various semiconductor devices. The need for evaluation is increasing. In particular, in the evaluation of the flattening process using the CPM, it is required to measure the uneven shape in a wide range from several mm (millimeter) to several tens mm with a resolution of nm (nanometer).

【0003】上記のごとき微細測定であって大視野の観
察が可能な装置として、従来では、走査型プローブ顕微
鏡の代わりに、例えば特開平10−62158号公報に
開示される装置が提案されていた。この公開公報に開示
される装置は表面粗さ計であり、その従来技術の欄では
触針式と光学式の表面粗さ計について記述されている。
触針式の表面粗さ計は、試料の表面に針部材を接触さ
せ、試料表面を針部材で走査して試料表面の凹凸形状を
測定する。針部材の動きは差動トランス式の検出器によ
り検出される。他方、光学式の表面粗さ計は、試料表面
の凹凸形状が光学的変位検出系で検出される。表面粗さ
計は試料をXY方向に移動させるためのモータ駆動型の
XYステージを備えており、本来的に機械的な構造で試
料表面を広域的に観察できるように構成されたものであ
る。針部材は試料表面に接触し、機械的な構造によって
試料表面が変形・破壊されること、分解能が低いことの
理由から、上記公開公報では針部材として原子間力顕微
鏡で使用されるカンチレバーを使用することを提案し、
表面粗さ計に原子間力顕微鏡の特徴を利用することを提
案している。
As an apparatus capable of observing a large field of view with fine measurement as described above, an apparatus disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-62158 has been proposed instead of a scanning probe microscope. . The apparatus disclosed in this publication is a surface roughness meter, and in the section of the prior art, a stylus type and an optical surface roughness meter are described.
The stylus type surface roughness meter makes a needle member come into contact with the surface of a sample, and scans the sample surface with the needle member to measure the uneven shape of the sample surface. The movement of the needle member is detected by a differential transformer type detector. On the other hand, with an optical surface roughness meter, the irregular shape of the sample surface is detected by an optical displacement detection system. The surface roughness meter is provided with a motor-driven XY stage for moving the sample in the XY directions, and is configured so that the surface of the sample can be observed in a wide area with an inherently mechanical structure. The needle uses a cantilever used in an atomic force microscope as the needle in the above-mentioned publication because the needle contacts the sample surface, the sample surface is deformed and broken by a mechanical structure, and the resolution is low. Suggest that you
It is proposed to use the features of atomic force microscope for surface roughness meter.

【0004】また特開平2−5340号公報に開示され
た走査型トンネル顕微鏡によれば、その公報の第1図に
示されるように、試料表面の凹凸を測定するときに、測
定点(サンプリング位置)のみで探針を試料表面に接近
させてデータを取得し、移動するときには探針を退避さ
せて移動を行うように構成されている。これによって、
広い観察領域の測定を可能にし、測定の際に、探針摩耗
や試料表面との衝突を生じることなく、短時間で測定を
行うことが可能となる。
Further, according to the scanning tunneling microscope disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-5340, as shown in FIG. ) Alone to acquire data by approaching the probe to the sample surface, and when moving, move the probe by retracting the probe. by this,
A large observation area can be measured, and the measurement can be performed in a short time without causing abrasion of the probe or collision with the sample surface.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】前述の通り、近年、試
料の微細凹凸を大視野で観察できる走査型プローブ顕微
鏡が求められている。本来的にマイクロメートル級の凹
凸の測定を行う従来の走査型プローブ顕微鏡の測定・観
察において、その走査範囲をミリメートルの範囲に拡大
した場合、試料表面における探針の移動距離は長くな
る。従来の通常の測定方法によれば、その移動の間、探
針はその先端が試料表面に極めて接近した状態で表面を
なぞるように移動することになり、探針先端が試料表面
に接触する場合もあるので、探針の先端の摩耗が顕著に
なる。その結果、測定精度が低下するという問題が提起
される。また探針が摩耗すると、探針の全体の長さが短
くなり、その分、探針で得られる高さ情報に誤差が含ま
れることになり、測定対象である表面領域内の分解能が
低下する。さらに、探針の摩耗量が増すことによって、
探針の交換が頻繁になるために、測定のスループットが
低下するという問題も提起される。前述の特開平10−
62158号公報に開示される装置では、表面粗さ計に
おいて原子間力顕微鏡のカンチレバーの探針を利用する
ことにより、従来の表面粗さ計に比較して、試料表面に
加えられる接触圧力を低減できたことを効果として主張
しているが、この装置であっても単に原子間力顕微鏡の
カンチレバーを使用するだけでは上記問題の解決は困難
である。
As described above, in recent years, there has been a demand for a scanning probe microscope capable of observing fine irregularities of a sample in a large field of view. In the measurement / observation of a conventional scanning probe microscope that inherently measures micrometer-level irregularities, if the scanning range is expanded to a range of millimeters, the moving distance of the probe on the sample surface becomes longer. According to the conventional normal measurement method, during the movement, the tip moves along the surface with its tip being very close to the sample surface, and when the tip contacts the sample surface. Therefore, wear of the tip of the probe becomes remarkable. As a result, a problem that measurement accuracy is lowered is raised. In addition, when the probe is worn, the entire length of the probe is shortened, and accordingly, the height information obtained by the probe includes an error, and the resolution in the surface area to be measured decreases. . Furthermore, as the amount of wear of the probe increases,
The problem that the throughput of measurement is reduced due to frequent probe replacement is also raised. The above-mentioned JP-A-10-
In the apparatus disclosed in Japanese Patent No. 62158, the contact pressure applied to the sample surface is reduced as compared with the conventional surface roughness meter by using the probe of the cantilever of the atomic force microscope in the surface roughness meter. Although he claims that the effect has been achieved, even with this apparatus, it is difficult to solve the above problem simply by using the cantilever of an atomic force microscope.

【0006】また、広い範囲を原子間力顕微鏡等に準じ
たnmレベルの高い分解能で測定する場合には、前述の
ごとく、従来では走査用アクチュエータとして圧電素子
を用い、探針走査速度は10μm/秒程度であるので、
非常に時間がかかるものであった。例えば10mm×1
0mmの範囲を走査して256×256点で測定を行う
場合、測定時間はおよそ142時間(512000秒)
となる。さらに上記のごとく10mm×10mmの広範
囲を256×256点の測定点で測定を行う場合には、
40μmごとに1回表面データを取得すればよいにも拘
らず、従来の測定方法によれば、測定点の間においても
試料表面の凹凸を倣うように探針を移動させなければな
らず、非常に測定効率が悪いものとなる。
When measuring a wide range at a high resolution of nm level according to an atomic force microscope or the like, as described above, a piezoelectric element is conventionally used as a scanning actuator and a probe scanning speed is 10 μm / m. Seconds,
It was very time consuming. For example, 10mm x 1
When measuring at 256 × 256 points by scanning a range of 0 mm, the measurement time is about 142 hours (512000 seconds)
Becomes Further, as described above, when measuring over a wide area of 10 mm × 10 mm at 256 × 256 measurement points,
In spite of acquiring the surface data once every 40 μm, according to the conventional measurement method, the probe must be moved so as to follow the unevenness of the sample surface even between the measurement points. This leads to poor measurement efficiency.

【0007】上記の問題を避けるためには、一般的に、
測定データを得るための測定点すなわちサンプリング位
置のみで探針を試料表面に接近させ、サーボ制御系に基
づいて試料表面に対する探針の高さ位置を設定された基
準位置に保持し、サンプリング位置の間は移動のための
区間とし、この区間中は探針を試料表面から退避させ、
離した状態で移動を行うようにするという構成が容易に
考えられる。この構成は、前述の通り、特開平2−53
40号公報に開示される。この構成に基づく移動状態の
一例を図6に示す。この図で、101は探針、102は
探針101の移動の軌跡、103はサンプリング位置、
102aは接近動作、102bは退避動作、102cは
試料表面104から離れた状態での移動を示している。
このような構成では、探針101を圧電素子を利用して
上記移動軌跡102のように移動させることになるか
ら、接近動作102aと退避動作102bの各々の動作
速度と、位置に関する精度が問題となる。
In order to avoid the above problem, generally,
The probe is brought close to the sample surface only at the measurement point for obtaining the measurement data, that is, the sampling position, and the height position of the probe with respect to the sample surface is held at the set reference position based on the servo control system. The interval is a section for movement, during which the probe is retracted from the sample surface,
A configuration in which movement is performed in a separated state can be easily considered. As described above, this configuration is disclosed in
No. 40 discloses this. FIG. 6 shows an example of a moving state based on this configuration. In this figure, 101 is a probe, 102 is a locus of movement of the probe 101, 103 is a sampling position,
102a indicates an approaching operation, 102b indicates a retreating operation, and 102c indicates a movement away from the sample surface 104.
In such a configuration, since the probe 101 is moved like the above-described movement locus 102 by using the piezoelectric element, there is a problem in that the operation speed of each of the approaching operation 102a and the retreating operation 102b and the accuracy regarding the position are problematic. Become.

【0008】さらに特開平2−5340号公報に開示さ
れる走査型プローブ顕微鏡の構成では次のような重要な
問題も提起される。前述の通り、この公報に開示される
走査型プローブ顕微鏡は走査型トンネル顕微鏡である。
走査型プローブ顕微鏡では、探針が試料表面に接近し、
探針・試料間に流れるトンネル電流を所定の一定量に保
つことにより、探針・試料間の距離を所定の一定距離に
保持するためのサーボ制御系が形成される。そしてサン
プリング位置以外で探針の退避動作を行わせるため、退
避時には上記サーボ制御を中断する必要がある。何故な
ら、探針の高さを制御するためのアクチュエータに退避
信号を与えても、上記サーボ制御が継続されていれば、
探針・試料間の距離は一定に保たれるため、退避動作が
行えないからである。従って、次のサンプリング位置に
移動して、探針を試料表面に再度接近させるときには、
その第5図や第9図の動作説明用タイムチャートに示す
ごとく、断続的に生成される三角波形状の駆動信号を作
って探針の高さ方向の位置制御を行いながら、ゆっくり
と慎重に接近動作を行わなければならず、接近に時間が
かかるという問題を有している。さらに、このような接
近動作を行わなければならないので、動作の制御が複雑
となる。
Further, the configuration of the scanning probe microscope disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2-5340 raises the following important problem. As described above, the scanning probe microscope disclosed in this publication is a scanning tunnel microscope.
In a scanning probe microscope, the probe approaches the sample surface,
By keeping the tunnel current flowing between the probe and the sample at a predetermined fixed amount, a servo control system for maintaining the distance between the probe and the sample at a predetermined constant distance is formed. Then, in order to cause the probe to retreat at a position other than the sampling position, it is necessary to interrupt the servo control at the time of retreat. Because, even if a retract signal is given to the actuator for controlling the height of the probe, if the servo control is continued,
This is because the distance between the probe and the sample is kept constant, so that the evacuation operation cannot be performed. Therefore, when moving to the next sampling position and bringing the probe closer to the sample surface,
As shown in the operation explanatory time charts of FIGS. 5 and 9, a triangular drive signal is generated intermittently to control the position of the probe in the height direction slowly and carefully. There is a problem that the operation has to be performed, and it takes time to approach. Further, since such an approach operation must be performed, control of the operation becomes complicated.

【0009】さらに近年の半導体製造のプロセスにおい
ては、基板の表面上に作られる対象物の微細化に伴っ
て、高いアスペクト比の凹凸形状を観察できる走査型プ
ローブ顕微鏡が求められている。例えばコンタクトホー
ルと呼ばれる層間配線のために形成される穴は、開口が
0.2μmであるのに対して深さは1μmである。この
ような高いアスペクト比の穴の形状計測ができる走査型
プローブ顕微鏡が求められる。当該走査型プローブ顕微
鏡での探針は、必然的に、細く長い形状となる。例えば
直径0.1μm、長さ1μm、先端部の半径が0.01
μmといった高いアスペクト比の探針が用いられる。こ
のような高いアスペクト比の探針を用いた測定において
は測定時間が長くなる。またこのような探針を用いて測
定を行うときに、試料表面に対する探針の接近・退避動
作でサーボ制御が中断されると、探針の折れ等が生じる
可能性が高くなる。
Furthermore, in recent semiconductor manufacturing processes, a scanning probe microscope capable of observing an uneven shape having a high aspect ratio has been required with the miniaturization of an object formed on the surface of a substrate. For example, a hole formed for interlayer wiring called a contact hole has an opening of 0.2 μm and a depth of 1 μm. There is a need for a scanning probe microscope capable of measuring the shape of such a high aspect ratio hole. The probe in the scanning probe microscope necessarily has a thin and long shape. For example, a diameter of 0.1 μm, a length of 1 μm, and a tip radius of 0.01
A probe having a high aspect ratio such as μm is used. In the measurement using the probe having such a high aspect ratio, the measurement time becomes long. In addition, when performing measurement using such a probe, if the servo control is interrupted by the approach / retreat operation of the probe to / from the sample surface, there is a high possibility that the probe will break.

【0010】本発明の目的は、走査型プローブ顕微鏡に
おいてサーボ制御が継続されたままの状態に基づく接近
・退避動作を行う構成を備え、狭域または広域の測定、
あるいは高アスペクト比の試料の測定を、高い精度で、
迅速に行うことができる走査型プローブ顕微鏡とその測
定方法を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a scanning probe microscope having a structure for performing an approach / retreat operation based on a state in which servo control is continued, to measure a narrow area or a wide area,
Alternatively, measurement of a sample with a high aspect ratio can be performed with high accuracy.
An object of the present invention is to provide a scanning probe microscope which can be performed quickly and a measuring method thereof.

【0011】また本発明の他の目的は、微細測定を行う
ための従来の通常の走査型プローブ顕微鏡に対して探針
の接近・退避動作を行うための構成を組み込み、狭域ま
たは広域の測定で精度の高い迅速な微細測定を可能とす
る走査型プローブ顕微鏡とその測定方法を提供すること
にある。
It is another object of the present invention to incorporate a configuration for performing an approach / retreat operation of a probe with respect to a conventional ordinary scanning probe microscope for performing a fine measurement to measure a narrow area or a wide area. It is an object of the present invention to provide a scanning probe microscope and a measuring method thereof, which enable quick and precise fine measurement with high accuracy.

【0012】さらに本発明の他の目的は、基板表面にお
ける高いアスペクト比のコンタクトホールやトレンチを
含む凹凸形状を測定するのに使用される高アスペクト比
の探針の折れ、破損、先端摩耗を防止することを企図し
た走査型プローブ顕微鏡とその測定方法を提供すること
にある。
Still another object of the present invention is to prevent breakage, breakage and tip abrasion of a high aspect ratio probe used for measuring an uneven shape including a high aspect ratio contact hole or trench on a substrate surface. It is an object of the present invention to provide a scanning probe microscope and a measuring method therefor.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】本発明に係る走査型プロ
ーブ顕微鏡およびその測定方法は、上記目的を達成する
ために、次のように構成される。
Means for Solving the Problems A scanning probe microscope and a measuring method thereof according to the present invention are configured as follows to achieve the above object.

【0014】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡は、前
提構成として、試料の表面に臨む探針と、試料の表面に
対する探針の高さ方向の変位を検出する変位検出機構
(光てこ式光学検出系等)と、この変位検出機構が出力
する検出信号に基づいて試料と探針の間の距離が予め設
定された基準距離に保持されるように制御する制御手段
(サーボ制御装置)とを備え、測定の際には探針と試料
の間を基準距離(例えば押付け状態)に保持しながら試
料表面を探針で走査し、例えば探針と試料の間を基準距
離に保持するための制御用電圧信号を利用して試料表面
の凹凸形状等を測定するように構成されている。本発明
に係る第1の走査型プローブ顕微鏡は、さらに、試料の
表面に対して探針の接近・退避を行う接近・退避駆動装
置を設け、上記制御手段によるサーボ制御系に基づき試
料と探針の間の距離に関する制御を継続したまま、複数
のサンプリング位置の各々で上記接近・退避駆動装置に
よって探針の接近・退避の動作を行い、サンプリング位
置でデータを取得するように構成されている。以上の測
定のための構成および作用は、従来通りの通常の狭域測
定、広域測定、あるいは高アスペクト比を有する試料の
凹凸形状の測定等に適用される。
The scanning probe microscope according to the present invention is based on the premise that a probe facing the surface of a sample and a displacement detecting mechanism (optical lever type optical detection) for detecting a displacement of the probe with respect to the surface of the sample in the height direction. And a control means (servo control device) for controlling the distance between the sample and the probe based on a detection signal output by the displacement detection mechanism so as to be maintained at a preset reference distance. During measurement, the surface of the sample is scanned by the probe while maintaining the distance between the probe and the sample at a reference distance (for example, a pressed state), for example, for controlling the distance between the probe and the sample at the reference distance. It is configured to measure the uneven shape and the like of the sample surface using a voltage signal. The first scanning probe microscope according to the present invention further includes an approach / retreat drive device for approaching / retreating the probe to / from the surface of the sample, and the sample and the probe are controlled based on a servo control system by the control means. The approach / retreat driving device performs the approach / retreat operation of the probe at each of the plurality of sampling positions while continuing the control regarding the distance between the data, and acquires data at the sampling positions. The configuration and operation for the above-described measurement are applied to the usual ordinary narrow-area measurement, wide-area measurement, or measurement of the uneven shape of a sample having a high aspect ratio.

【0015】上記の走査型プローブ顕微鏡において、好
ましくは、探針による試料の表面の走査を広域的に行わ
せる移動機構を備えている。さらに好ましくは、移動機
構は、試料を搭載し、試料を試料表面に平行な方向にm
mの長さ単位で移動させる試料ステージである。かかる
構成は、広域測定に適している。
The above-mentioned scanning probe microscope preferably includes a moving mechanism for scanning the surface of the sample with the probe over a wide area. More preferably, the moving mechanism mounts the sample and moves the sample in a direction parallel to the sample surface.
This is a sample stage that is moved in units of m. Such a configuration is suitable for wide area measurement.

【0016】上記の本発明に係る走査型プローブ顕微鏡
では、特に試料表面においてmm級の広域走査によって
広域測定を行う場合には、測定箇所として複数のサンプ
リング位置を設定し、サンプリング位置の間の探針の移
動では、試料表面から退避した状態で移動を行い、サン
プリング位置では探針を接近させて測定を行うように
し、かつその測定動作中においてサーボ制御系に基づく
試料・探針間距離に関する制御を継続したままとするこ
とによって、広域測定を実用的なものにする。このよう
にサーボ制御系によるサーボ制御を継続させておくこと
により、サンプリング位置での探針の接近・退避動作を
パルス駆動を利用して短時間で行うことが可能となる。
In the above-described scanning probe microscope according to the present invention, when a wide area measurement is performed by wide-area scanning of the mm class on the sample surface, a plurality of sampling positions are set as measurement points, and a search between the sampling positions is performed. In the movement of the needle, the probe moves while retracted from the sample surface, the probe is approached at the sampling position to perform the measurement, and during the measurement operation, control on the distance between the sample and the probe based on the servo control system Makes the wide area measurement practical. By continuing the servo control by the servo control system in this manner, the approach / retreat operation of the probe at the sampling position can be performed in a short time by using pulse driving.

【0017】上記の構成を有する走査型プローブ顕微鏡
において、好ましくは、探針は高アスペクト比を有する
探針であり、この探針はアスクペクト比の高い試料の表
面を測定することを特徴とする。高アスペクト比の探針
を用いて、広域に限らず、探針の接近・退避駆動に基づ
きアスペクト比の高い試料表面を良好に測定することが
できる。高いアスペクト比の探針としては、例えば直径
0.1μm、長さ1μm、先端部の半径が0.01μm
といった細長い探針である。
In the scanning probe microscope having the above configuration, preferably, the probe is a probe having a high aspect ratio, and the probe measures a surface of a sample having a high aspect ratio. By using a probe with a high aspect ratio, it is possible to satisfactorily measure a sample surface having a high aspect ratio based on approach / retreat driving of the probe, not only in a wide area. As a probe with a high aspect ratio, for example, a diameter of 0.1 μm, a length of 1 μm, and a radius of a tip portion of 0.01 μm
It is an elongated probe.

【0018】本発明に係る第2の走査型プローブ顕微鏡
は、前述の前提構成を備え、さらに、探針による試料の
表面の走査を行わせる移動機構と、探針を試料の表面に
対する高さ方向に変位させる圧電素子と、上記の基準距
離を決める電圧信号を与える基準距離設定手段と、探針
を試料の表面に対して接近・退避させる電圧信号を与え
る接近・退避信号供給手段と、基準距離を決める電圧信
号と接近・退避の電圧信号を合成する合成手段(加算
器)と、合成手段の出力する電圧信号と検出信号との差
を算出し、偏差信号を出力する減算手段(減算器)とを
備える。上記の制御手段は、偏差信号に基づいて制御用
電圧信号を生成し、この電圧信号を圧電素子に印加して
その伸縮動作を制御する。この走査型プローブ顕微鏡で
も、前述の第1の走査型プローブ顕微鏡と同様に、従来
通りの通常の狭域測定は勿論のこと、広域測定、あるい
はアスペクト比の高い探針を用いることにより高アスペ
クト比を有する試料の凹凸形状の測定等に適用される。
The second scanning probe microscope according to the present invention has the above-described prerequisite, and further includes a moving mechanism for scanning the surface of the sample by the probe, and a moving mechanism for moving the probe in the height direction with respect to the surface of the sample. A piezoelectric element for displacing the probe, reference distance setting means for providing a voltage signal for determining the reference distance, approach / retreat signal supply means for supplying a voltage signal for causing the probe to approach / retreat to the surface of the sample, and a reference distance. Combining means (adder) for combining the voltage signal for determining the distance and the approaching / retreating voltage signal, and subtracting means (subtractor) for calculating the difference between the voltage signal output from the combining means and the detection signal and outputting a deviation signal And The control means generates a control voltage signal based on the deviation signal, and applies the voltage signal to the piezoelectric element to control the expansion and contraction operation. In this scanning probe microscope, similarly to the first scanning probe microscope described above, not only conventional narrow area measurement as in the past, but also wide area measurement, or high aspect ratio by using a probe with a high aspect ratio is used. It is applied to measurement of the uneven shape of a sample having

【0019】上記の第2の走査型プローブ顕微鏡におい
て、移動機構に広域用XYステージを用いれば、例えば
試料をmm級の大きな移動ストロークで移動させ、かつ
探針をサンプリング位置のみで試料表面に接近させて測
定動作を行い、サンプリング位置の間で移動するときに
は探針を試料表面から退避させて移動を行うようにす
る。これにより広域の範囲を高速で移動させ、短時間で
の測定を可能にし、かつ試料表面との接触をなくして探
針の摩耗を低減する。特に、試料表面に対する探針の高
さ方向の変位、すなわち、接近・退避の移動、および測
定の際の探針・試料間の基準距離の保持を、サーボ制御
ループにおける基準距離を設定する信号に対して接近・
退避用信号を重畳することにより、単一の圧電素子で行
うことを可能した。
In the second scanning probe microscope described above, if a wide-area XY stage is used as the moving mechanism, the sample is moved with a large moving stroke of, for example, mm class, and the probe approaches the sample surface only at the sampling position. Then, the measurement operation is performed, and when the probe moves between the sampling positions, the probe is moved away from the sample surface. As a result, a wide range can be moved at high speed, measurement can be performed in a short time, and contact with the sample surface can be eliminated to reduce probe wear. In particular, the displacement of the probe in the height direction with respect to the sample surface, that is, the movement of approach / retreat, and the maintenance of the reference distance between the probe and the sample at the time of measurement, are controlled by a signal that sets the reference distance in the servo control loop. Approaching
By superimposing the evacuation signal, it is possible to perform the operation with a single piezoelectric element.

【0020】上記構成において、好ましくは、上記制御
手段は、測定のための高さ方向のサーボ制御を継続した
まま、測定を行うサンプリング位置で探針を試料の表面
に対して接近・退避させ、或るサンプリング位置から次
のサンプリング位置へ移動するとき退避状態に保持する
ように制御を行う。
In the above configuration, preferably, the control means moves the probe toward and away from the surface of the sample at the sampling position where the measurement is performed, while continuing the servo control in the height direction for measurement. When moving from a certain sampling position to the next sampling position, control is performed so as to maintain the retracted state.

【0021】上記構成において、接近・退避信号供給手
段が出力する接近・退避の電圧信号は周期的に発生する
パルス信号である。
In the above configuration, the approach / retreat voltage signal output from the approach / retreat signal supply means is a pulse signal generated periodically.

【0022】上記構成において、上記移動機構は、試料
を搭載し、試料を、試料表面に平行な方向、例えば水平
方向にmmの長さ単位で移動させる試料ステージであ
る。
In the above configuration, the moving mechanism is a sample stage on which the sample is mounted and which moves the sample in a direction parallel to the sample surface, for example, in the horizontal direction in units of mm.

【0023】上記の構成において、好ましくは、圧電素
子の伸縮による変位を検出する変位計を設け、この変位
計の出力する信号に基づいて試料の表面凹凸を測定す
る。
In the above configuration, preferably, a displacement meter for detecting displacement due to expansion and contraction of the piezoelectric element is provided, and the surface irregularities of the sample are measured based on a signal output from the displacement meter.

【0024】本発明に係る第3の走査型プローブ顕微鏡
は、前述の前提構成を備え、さらに、探針による前記試
料の表面の走査を広域的に行わせる移動機構と、測定を
行うサンプリング位置でサーボ制御系に基づき試料の表
面に対する探針の高さ方向の位置を基準距離に一致させ
る圧電素子と、サンプリング位置で探針を試料の表面に
接近させ、サンプリング位置の間の移動では探針を試料
の表面から退避させる接近・退避駆動装置とを備え、サ
ーボ制御系に基づき試料と探針の間の距離に関する制御
を継続したまま、複数のサンプリング位置の各々で接近
・退避駆動装置によって探針の接近・退避を行い、サン
プリング位置でデータを取得するように構成される。こ
の走査型プローブ顕微鏡でも、前述の第1の走査型プロ
ーブ顕微鏡と同様に、従来通りの通常の狭域測定は勿論
のこと、広域測定、あるいはアスペクト比の高い探針を
用いることにより高アスペクト比を有する試料の凹凸形
状の測定等に適用される。
A third scanning probe microscope according to the present invention has the above-described prerequisite configuration, and further includes a moving mechanism for scanning the surface of the sample with a probe over a wide area, and a sampling position for measuring. A piezoelectric element that matches the height position of the probe with respect to the surface of the sample to the reference distance based on the servo control system, and the probe is moved closer to the surface of the sample at the sampling position. An approach / retreat drive device for retreating from the surface of the sample, and a probe controlled by the approach / retreat drive device at each of a plurality of sampling positions while controlling the distance between the sample and the probe based on a servo control system. , And data is acquired at the sampling position. In this scanning probe microscope, similarly to the first scanning probe microscope described above, not only conventional narrow area measurement as in the past, but also wide area measurement, or high aspect ratio by using a probe with a high aspect ratio is used. It is applied to measurement of the uneven shape of a sample having

【0025】上記の構成において、好ましくは、接近・
退避駆動装置は圧電素子である。また上記移動機構は、
広域測定を行う場合には、試料を搭載し、試料を試料表
面に平行な方向にmmの長さ単位で移動させる試料ステ
ージであることが好ましい。さらに、圧電素子の伸縮に
よる変位を検出する変位計を設け、この変位計の出力す
る信号に基づいて試料の表面凹凸を測定するようにする
こともできる。
In the above configuration, preferably,
The retraction drive is a piezoelectric element. In addition, the moving mechanism,
When performing a wide-area measurement, it is preferable to use a sample stage on which a sample is mounted and the sample is moved in units of mm in a direction parallel to the sample surface. Further, a displacement meter for detecting displacement due to expansion and contraction of the piezoelectric element may be provided, and the surface unevenness of the sample may be measured based on a signal output from the displacement meter.

【0026】上記の第3の走査型プローブ顕微鏡では、
探針が試料表面に接近して基準となる所定距離に保持さ
れるときにおいて試料表面に探針を追従させるサーボ用
圧電素子に対して、別に接近・退避動作用の駆動装置を
設けるようにした。この駆動装置によってサンプリング
位置では接近・退避が行われ、接近状態で測定が行わ
れ、退避状態でサンプリング位置間の移動が行われる。
このとき、常に、サーボ用圧電素子に対してはサーボ制
御系によるサーボ制御が継続されている。接近・退避用
駆動装置として圧電素子を用いると、サーボ用圧電素子
と共に、2段構成で簡素に構成できる。この走査型プロ
ーブ顕微鏡でも、前述の第1の走査型プローブ顕微鏡と
同様に、従来通りの通常の狭域測定は勿論のこと、広域
測定、あるいはアスペクト比の高い探針を用いることに
より高アスペクト比を有する試料の凹凸形状の測定等に
適用される。
In the third scanning probe microscope described above,
When the probe approaches the sample surface and is held at a predetermined reference distance, a drive device for approaching / retreating operation is separately provided for the servo piezoelectric element that causes the probe to follow the sample surface. . The drive device performs approach / retreat at the sampling position, performs measurement in the approach state, and moves between the sampling positions in the retracted state.
At this time, the servo control of the servo piezoelectric element is always continued by the servo control system. When a piezoelectric element is used as the approach / retreat driving device, it can be simply configured in a two-stage configuration together with the servo piezoelectric element. In this scanning probe microscope, similarly to the first scanning probe microscope described above, not only conventional narrow area measurement as in the past, but also wide area measurement, or high aspect ratio by using a probe with a high aspect ratio is used. It is applied to measurement of the uneven shape of a sample having

【0027】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の測定
方法は、試料の表面に臨む探針を表面に対する高さ方向
に変位させる圧電素子と、探針の高さ方向の変位を検出
する変位検出機構と、この変位検出機構が出力する検出
信号に基づいて試料と探針の間の距離が基準距離に保持
されるように制御する制御手段とを備え、探針と試料の
間を基準距離に保持しながら表面を探針で走査して表面
を測定する走査型プローブ顕微鏡に適用される測定方法
であり、上記の制御手段によるサーボ制御系に基づき試
料と探針の間の距離に関する制御を継続したまま、複数
のサンプリング位置の各々で探針の接近・退避を行い、
サンプリング位置でデータを取得する測定方法である。
A measuring method of a scanning probe microscope according to the present invention comprises a piezoelectric element for displacing a probe facing a surface of a sample in a height direction relative to the surface, and a displacement detecting mechanism for detecting a displacement of the probe in a height direction. And control means for controlling the distance between the sample and the probe to be maintained at the reference distance based on the detection signal output by the displacement detection mechanism, and maintaining the distance between the probe and the sample at the reference distance. This is a measurement method applied to a scanning probe microscope that measures the surface by scanning the surface with a probe while maintaining control over the distance between the sample and the probe based on the servo control system by the above control means. While approaching and retracting the probe at each of the multiple sampling positions,
This is a measurement method for acquiring data at a sampling position.

【0028】上記の測定方法において、好ましくは、圧
電素子の伸縮動作について測定状態を維持するサーボ制
御系のループで、基準距離を決める電圧信号に対して、
探針を試料の表面に対して接近・退避させる電圧信号を
重畳するように構成することができる。また好ましく
は、探針の接近・退避の動作を行う駆動および制御の機
構を、サーボ制御系には含まれない別の独立機構として
備えることにより本発明に係る測定方法を達成すること
ができる。
In the above-mentioned measuring method, preferably, a voltage signal for determining a reference distance is determined by a loop of a servo control system for maintaining a measuring state of the expansion / contraction operation of the piezoelectric element.
It can be configured to superimpose a voltage signal that causes the probe to approach / retreat from the surface of the sample. Preferably, the measuring method according to the present invention can be achieved by providing a drive and control mechanism for performing the approach / retreat operation of the probe as another independent mechanism not included in the servo control system.

【0029】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の測定
方法は、上述の各構成を有する走査型プローブ顕微鏡の
測定動作を実現するための方法であり、サンプリング位
置で接近・退避を行いながら広域測定を行うときに、サ
ーボ制御系に基づき試料と探針の間の距離に関する制御
を継続した状態に保持することにより、探針の接近・退
避動作を単純な制御で瞬時に行うことが可能となる。こ
の走査型プローブ顕微鏡の測定方法によれば、従来通り
の通常の狭域測定は勿論のこと、広域測定、あるいはア
スペクト比の高い探針を用いることにより高アスペクト
比を有する試料の凹凸形状の測定等を行うことができ
る。
The measuring method of the scanning probe microscope according to the present invention is a method for realizing the measuring operation of the scanning probe microscope having each of the above-described structures, and performs wide area measurement while approaching / evacuating at the sampling position. By keeping the control regarding the distance between the sample and the probe based on the servo control system, the approach / retreat operation of the probe can be instantaneously performed with simple control. According to the measuring method of the scanning probe microscope, not only conventional narrow-area measurement as usual, but also wide-area measurement or measurement of the uneven shape of a sample having a high aspect ratio by using a probe having a high aspect ratio Etc. can be performed.

【0030】[0030]

【発明の実施の形態】以下に、本発明の好適な実施形態
を添付図面に基づいて説明する。
Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

【0031】図1は本発明に係る走査型プローブ顕微鏡
の第1実施形態を示し、全体的なシステムの構成を示し
ている。この実施形態では、走査型プローブ顕微鏡とし
て原子間力顕微鏡の例を示し、かつ広域測定の例を説明
する。また図2は、図1に示した原子間力顕微鏡におい
て、試料の表面を探針で走査しながら観察する場合に、
広域走査に基づいて広い範囲を測定するときの探針の位
置変化に関連するタイミングチャートを示している。図
2では、接近・退避に関する探針の位置変化の制御に関
連するXとZの各方向の探針移動の際の各部の電圧信号
の波形が示される。探針の位置の変化(変位)は、試料
表面に沿うその実質的に平行な方向(XY方向)の探針
の走査動作と、試料・探針間の距離を調整する試料表面
に対する高さ方向(Z方向)の移動動作とに基づいて生
じる。なおX方向、Y方向、Z方向は、図1に示される
ごとく直交する3つの軸X,Y,Zの各方向である。
FIG. 1 shows a first embodiment of a scanning probe microscope according to the present invention, and shows the configuration of the entire system. In this embodiment, an example of an atomic force microscope will be described as a scanning probe microscope, and an example of wide-area measurement will be described. FIG. 2 shows a case where the atomic force microscope shown in FIG. 1 observes the surface of a sample while scanning it with a probe.
4 shows a timing chart related to a change in the position of a probe when measuring a wide range based on wide-area scanning. FIG. 2 shows the waveforms of the voltage signals of the respective parts when the probe is moved in each of the X and Z directions related to the control of the change in the position of the probe with respect to approach / retreat. The change (displacement) in the position of the probe is caused by the scanning operation of the probe in the substantially parallel direction (XY direction) along the sample surface and the height direction with respect to the sample surface for adjusting the distance between the sample and the probe. (Z direction). The X, Y, and Z directions are directions of three orthogonal axes X, Y, and Z, as shown in FIG.

【0032】図1に示すごとく、図中水平に保持された
テーブル11の上にXYスキャナ12が配置され、その
上に観察対象である試料13が配置されている。図1に
おいてテーブル11の表面に平行な面は水平面であり、
ここでは直交の2軸X,YによりXY平面と定義され
る。試料13は例えば半導体ウェハのごとき薄板の基板
状部材であり、観察しようとする面を上面にして配置さ
れている。XYスキャナ12は試料13をX方向あるい
はY方向へ相対的に大きな距離で移動させる移動機構で
あり、例えばパルスモータ等を利用して構成される移動
用試料ステージである。XYスキャナ12によるXY方
向の移動ストロークはmm(ミリメートル)の長さ単位
で行われ、例えば数十mmのストロークが設定される。
またXYスキャナ12の上に搭載された試料13に対し
ては、その上面を観察すべく、その上側に、先端に探針
14が形成されたカンチレバー15が配置される。探針
14の先端は試料13の表面に臨んでいる。図1に示さ
れた例では、探針14は例えば試料表面に押し付けられ
ている。探針14と試料13の表面との間は、接触状
態、あるいは任意の距離に設定することができる。上記
の構成によれば、試料13をXYスキャナ12で移動さ
せることにより、試料13に臨む探針14が相対的な位
置関係の変化として試料表面を広い範囲で走査し、広域
領域の測定を行うことが可能となる。
As shown in FIG. 1, an XY scanner 12 is arranged on a table 11 held horizontally in the figure, and a sample 13 to be observed is arranged thereon. In FIG. 1, the plane parallel to the surface of the table 11 is a horizontal plane,
Here, an XY plane is defined by two orthogonal axes X and Y. The sample 13 is a thin plate-like member such as a semiconductor wafer, for example, and is arranged with the surface to be observed facing upward. The XY scanner 12 is a moving mechanism that moves the sample 13 in the X direction or the Y direction at a relatively large distance, and is, for example, a moving sample stage configured using a pulse motor or the like. The moving stroke in the XY direction by the XY scanner 12 is performed in units of mm (mm), and a stroke of, for example, several tens of mm is set.
For the sample 13 mounted on the XY scanner 12, a cantilever 15 having a probe 14 at its tip is disposed above the sample 13 to observe the upper surface. The tip of the probe 14 faces the surface of the sample 13. In the example shown in FIG. 1, the probe 14 is pressed against the sample surface, for example. A contact state or an arbitrary distance can be set between the probe 14 and the surface of the sample 13. According to the above configuration, by moving the sample 13 by the XY scanner 12, the probe 14 facing the sample 13 scans the sample surface over a wide range as a change in the relative positional relationship, and measures a wide area. It becomes possible.

【0033】上記カンチレバー15はその基端が固定さ
れ、探針14が設けられた先端は自由端となっている。
カンチレバー15は小さいバネ定数を有する弾性レバー
部材であり、先部の探針14と試料13との間で原子間
力が生じると、探針が試料表面に対する高さ方向に変位
し、探針が受ける力に応じてたわみ変形が生じる。16
は、その下端に上記カンチレバー15を取付け、カンチ
レバー15を水平面に垂直な方向(Z方向)に移動させ
るZ方向駆動装置である。このZ方向駆動装置は、この
実施形態では、例えば単体の圧電素子で形成されてい
る。圧電素子16は、通常の測定・観察を行う際にZ方
向のサーボ制御に基づき試料表面に対する探針14の高
さ位置を予め設定された基準の一定位置に保持するため
のサーボ用圧電素子であると共に、探針14すなわちカ
ンチレバー15を試料13の表面に接近させたり当該表
面から退避させたりするための接近・退避用圧電素子で
ある。このように単体の圧電素子16はサーボ用および
接近・退避用として使用されている。圧電素子16は顕
微鏡フレーム10に固定されている。
The base end of the cantilever 15 is fixed, and the tip end provided with the probe 14 is a free end.
The cantilever 15 is an elastic lever member having a small spring constant. When an atomic force is generated between the tip 14 and the sample 13, the tip is displaced in the height direction with respect to the sample surface, and the tip is moved. Deflection occurs depending on the force received. 16
Is a Z-direction drive device that attaches the cantilever 15 to the lower end thereof and moves the cantilever 15 in a direction (Z direction) perpendicular to the horizontal plane. In this embodiment, the Z-direction driving device is formed of, for example, a single piezoelectric element. The piezoelectric element 16 is a servo piezoelectric element for maintaining the height position of the probe 14 with respect to the sample surface at a predetermined reference constant position based on servo control in the Z direction when performing normal measurement / observation. In addition, it is an approaching / retreating piezoelectric element for bringing the probe 14, that is, the cantilever 15, closer to or away from the surface of the sample 13. Thus, the single piezoelectric element 16 is used for servo and for approach / retreat. The piezoelectric element 16 is fixed to the microscope frame 10.

【0034】上記の構成によれば、XYスキャナ12上
に搭載された試料13の表面に対して探針14を間隔を
あけて臨ませた状態において、XYスキャナ12で試料
13をXY方向へ相対的に大きなストロークで移動させ
つつ、カンチレバー15すなわち探針14の試料表面に
対する高さ位置を圧電素子16の伸縮動作で調整するこ
とにより、試料表面においてミリメートル級の走査範囲
に基づく広域観察を行うことが可能となる。探針14の
試料表面に対する高さ位置を調整する圧電素子16は、
その接近・退避動作によって試料表面の測定領域で一定
間隔で設定された多数のサンプリング位置(測定点)の
各々で探針14(カンチレバー15)を試料表面に所定
間隔(例えば押し付けられた接触状態)で接近させ、ま
たは試料表面から退避させ、さらに、各サンプリング位
置での接近状態で通常の測定・観察のためのサーボ制御
に基づき試料表面の凹凸形状に沿うように動作する。こ
れによって各サンプリング位置で試料表面の測定データ
が得られる。サンプリング位置での測定データの取得
は、接近状態での移動区間内の1点で行われる。好まし
くはデータ取得後にすぐに退避するようにすれば、接触
時間を短くすることができる。従って、試料13の表面
を広域走査で測定するときに、探針14は、単体の圧電
素子16によって、サンプリング位置のみにおいて接近
させられ、表面追従を行って試料表面の凹凸形状に関す
る測定データを取得し、或るサンプリング位置から次の
他のサンプリング位置への探針14の移動は、退避動作
により探針は試料表面から離れた状態で行われる。
According to the above configuration, in a state where the probe 14 faces the surface of the sample 13 mounted on the XY scanner 12 with an interval, the sample 13 is relatively moved in the XY directions by the XY scanner 12. By adjusting the height position of the cantilever 15, that is, the probe tip 14 with respect to the sample surface by the expansion and contraction operation of the piezoelectric element 16 while moving with a large stroke, a wide-area observation based on a millimeter-class scanning range is performed on the sample surface. Becomes possible. The piezoelectric element 16 for adjusting the height position of the probe 14 with respect to the sample surface includes:
The probe 14 (cantilever 15) is placed on the sample surface at a predetermined interval (for example, a pressed contact state) at each of a number of sampling positions (measurement points) set at regular intervals in the measurement area on the sample surface by the approach / retreat operation. In the approaching state at each sampling position, it operates so as to follow the uneven shape of the sample surface based on servo control for normal measurement / observation. Thereby, measurement data of the sample surface is obtained at each sampling position. Acquisition of measurement data at the sampling position is performed at one point in the moving section in the approaching state. Preferably, the contact time can be shortened by retreating immediately after data acquisition. Therefore, when measuring the surface of the sample 13 by wide-area scanning, the probe 14 is approached only at the sampling position by the single piezoelectric element 16, and follows the surface to acquire measurement data on the unevenness of the sample surface. However, the movement of the probe 14 from one sampling position to the next another sampling position is performed in a state where the probe is separated from the sample surface by the retreat operation.

【0035】試料13の上方に配置されるカンチレバー
15に対して、試料表面に対する探針14の高さ位置
(Z方向の変位)を検出するための検出系が設けられ
る。この検出系は、本実施形態の場合、一例として、カ
ンチレバー15のたわみ変形とレーザ光とを利用して構
成される光てこ式光学検出系が利用されている。光てこ
式光学検出系は、カンチレバーの背面に形成された反射
面に対してレーザ光21を照射するレーザ光源22と、
当該背面で反射されたレーザ光21を受ける少なくとも
2分割光検出器23から構成される。レーザ光源22と
光検出器23は、圧電素子16の移動と共に移動するよ
うに、圧電素子16の下端部に設けられている。カンチ
レバー15の背面で反射されたレーザ光21による反射
スポットが光検出器23の2分割された受光面に入射さ
れる。探針14が試料表面から原子間力を受けた状態で
探針・試料間の距離が変化すると探針が受ける原子間力
が変化し、探針14の高さ位置が変位し、カンチレバー
15のたわみ変形量が変化する。カンチレバー15のた
わみ変形量の変化量に応じて光検出器23の受光面にお
けるレーザ光21の反射スポットはその中心位置から変
位するので、探針・試料間の距離が、設定された基準の
一定距離に保持されるように、後述するサーボ制御系に
よって、試料表面に対する探針14(カンチレバー1
5)の高さ位置が調整される。これにより、光検出器2
3の受光面におけるレーザ光21の反射スポットの位置
も、探針・試料間の設定された一定間隔に応じた中心位
置に保持される。
For the cantilever 15 disposed above the sample 13, a detection system for detecting the height position (displacement in the Z direction) of the probe 14 with respect to the sample surface is provided. In the case of the present embodiment, as an example, an optical lever type optical detection system configured by using the bending deformation of the cantilever 15 and a laser beam is used as the detection system. An optical lever type optical detection system includes a laser light source 22 that irradiates a laser light 21 to a reflection surface formed on the back surface of the cantilever;
It comprises at least a two-part photodetector 23 that receives the laser beam 21 reflected on the back surface. The laser light source 22 and the photodetector 23 are provided at the lower end of the piezoelectric element 16 so as to move with the movement of the piezoelectric element 16. The reflected spot of the laser beam 21 reflected on the back surface of the cantilever 15 is incident on the light receiving surface of the photodetector 23 divided into two. If the distance between the probe and the sample changes while the probe 14 receives an atomic force from the sample surface, the interatomic force received by the probe changes, the height position of the probe 14 is displaced, and the cantilever 15 The amount of deflection deformation changes. The reflected spot of the laser beam 21 on the light receiving surface of the photodetector 23 is displaced from its center position in accordance with the amount of change in the amount of flexural deformation of the cantilever 15, so that the distance between the probe and the sample is constant at a set reference. The probe 14 (the cantilever 1) with respect to the sample surface is held by the servo control system described later so as to be maintained at the distance.
The height position of 5) is adjusted. Thereby, the photodetector 2
The position of the reflected spot of the laser beam 21 on the light receiving surface of No. 3 is also maintained at the center position according to the set constant interval between the probe and the sample.

【0036】次に制御系について説明する。30はサー
ボ用圧電素子16のZ方向の伸縮動作を制御するサーボ
制御装置である。サーボ制御装置30は、上記の光検出
器23から出力される探針・試料間距離(探針の変位)
を表す検出信号s1を入力する。サーボ制御装置30
は、基準となる一定距離が設定されかつこの一定距離を
表す電圧信号s0を出力する基準距離設定器31と、信
号s0と接近・退避用の電圧信号s01とを加算(合
成)する加算器32と、入力された上記の検出信号s1
と加算器32から出力される電圧信号s02との差を求
めて出力する減算器33と、この減算器33から出力さ
れた差信号Δsが0となるように圧電素子16を動作さ
せる制御用の電圧信号Vzを発生させて出力する制御回
路34とから構成されている。上記の接近・退避用の電
圧信号s01は、サーボ制御装置30に付設された接近
・退避信号供給器35から与えられるものであり、その
信号内容は周期的に出力されるパルス信号である。加算
器32から出力される電圧信号s02は、基準距離用の
上記電圧信号s0と接近・退避動作を行わせるための電
圧信号s01とを加えたものである。制御回路34から
出力された制御用電圧信号Vzは圧電素子16に印加さ
れる。上記の光てこ式光学検出系、減算器33、制御回
路34、圧電素子16によってサーボ制御のフィードバ
ックループが形成される。サーボ制御に基づいて圧電素
子16を伸縮動作させることによって、試料表面で広域
走査範囲で決まる測定領域での各サンプリング位置にお
いて、試料13に対して探針・試料間で原子間力が作用
する程度に探針が接近するようにカンチレバー15を移
動させ、カンチレバー15のたわみ変形量が一定になる
ように探針・試料間の距離が基準距離に保持され、サン
プリング位置の間ではカンチレバー15を退避させて移
動させる。上記の構成によれば、測定が開始されると、
サーボ制御系は常に能動状態に維持され、サンプリング
位置の間の移動時およびサンプリング位置での測定時の
それぞれで圧電素子16の伸縮動作に関してサーボ制御
が継続される。
Next, the control system will be described. Reference numeral 30 denotes a servo control device for controlling the expansion / contraction operation of the servo piezoelectric element 16 in the Z direction. The servo controller 30 controls the distance between the probe and the sample (displacement of the probe) output from the photodetector 23.
Is input. Servo control device 30
Is a reference distance setting unit 31 that sets a reference constant distance and outputs a voltage signal s0 representing the constant distance, and an adder 32 that adds (combines) the signal s0 and the approach / retreat voltage signal s01. And the input detection signal s1
And a voltage signal s02 output from the adder 32, and a subtractor 33 for calculating and outputting a difference between the voltage signal s02 and a voltage signal s02 output from the adder 32. And a control circuit 34 for generating and outputting the voltage signal Vz. The approach / retreat voltage signal s01 is provided from the approach / retreat signal supplier 35 provided in the servo control device 30, and the signal content is a pulse signal output periodically. The voltage signal s02 output from the adder 32 is obtained by adding the voltage signal s0 for the reference distance and the voltage signal s01 for performing the approach / retreat operation. The control voltage signal Vz output from the control circuit 34 is applied to the piezoelectric element 16. The optical lever type optical detection system, the subtractor 33, the control circuit 34, and the piezoelectric element 16 form a feedback loop for servo control. By expanding and contracting the piezoelectric element 16 based on the servo control, the degree to which the atomic force acts between the probe and the sample on the sample 13 at each sampling position in the measurement area determined by the wide scanning range on the sample surface. The cantilever 15 is moved so that the probe approaches, and the distance between the probe and the sample is maintained at the reference distance so that the amount of flexural deformation of the cantilever 15 is constant, and the cantilever 15 is retracted between the sampling positions. To move. According to the above configuration, when the measurement is started,
The servo control system is always maintained in the active state, and the servo control regarding the expansion and contraction operation of the piezoelectric element 16 is continued at the time of movement between the sampling positions and at the time of measurement at the sampling position.

【0037】40は上位の制御装置であり、例えばパー
ソナルコンピュータで構成されている。制御装置40
は、信号処理装置41、表示装置42、XY走査回路4
3、入力部などで構成される。信号処理装置41は記憶
部を含む。制御装置40の信号処理装置41は、サーボ
制御装置30の制御回路34から圧電素子16に与えら
れる制御用電圧信号Vzを入力するように構成されてい
る。また制御装置40内のXY走査回路43から、試料
13を搭載しこれをXY方向に走査移動させるためのX
Yスキャナ12に対して、その動作を制御する走査制御
信号s2が与えられる。試料13を移動させるための走
査制御信号s2は、XYスキャナ12に対して出力され
ると共に信号処理装置41に与えられ、その記憶部に保
存される。信号処理装置41の記憶部には、試料13の
表面上の測定領域が走査範囲の位置データとして記憶さ
れ、各サンプリング位置に対応する測定データ(Vz)
が記憶されている。本実施形態の場合、上記XYスキャ
ナ12を動作させることによりmm(ミリメートル)級
の広域走査による広域測定が行える。制御装置40の信
号処理装置41は、測定領域に関する上記の走査データ
(サンプリング位置に関する位置データ)と、各サンプ
リング位置での圧電素子16に印加される電圧信号Vz
(試料13の表面に対する高さデータ)とを組み合わせ
ることにより、試料13の観察表面についての凹凸形状
に関する画像データが作成され、表示装置42の画面に
観察画像が表示される。
Reference numeral 40 denotes a higher-level control device, which is constituted by, for example, a personal computer. Control device 40
Is a signal processing device 41, a display device 42, an XY scanning circuit 4
3. It is composed of an input unit and the like. The signal processing device 41 includes a storage unit. The signal processing device 41 of the control device 40 is configured to receive the control voltage signal Vz applied to the piezoelectric element 16 from the control circuit 34 of the servo control device 30. Further, an X-Y scanning circuit 43 in the control device 40 is provided with an X-ray for mounting the sample 13 and scanning the same in the XY directions.
A scanning control signal s2 for controlling the operation of the Y scanner 12 is provided. The scanning control signal s2 for moving the sample 13 is output to the XY scanner 12, is given to the signal processing device 41, and is stored in the storage unit. The storage area of the signal processing device 41 stores the measurement area on the surface of the sample 13 as position data of the scanning range, and the measurement data (Vz) corresponding to each sampling position
Is stored. In the case of the present embodiment, by operating the XY scanner 12, wide area measurement by mm (millimeter) class wide area scanning can be performed. The signal processing device 41 of the control device 40 performs the above-described scan data (position data on the sampling position) on the measurement area and the voltage signal Vz applied to the piezoelectric element 16 at each sampling position.
By combining this with (the height data with respect to the surface of the sample 13), image data relating to the uneven shape of the observation surface of the sample 13 is created, and the observation image is displayed on the screen of the display device 42.

【0038】上記の構成において、サーボ制御装置30
から圧電素子16に電圧信号Vzを与えかつ制御装置4
0からXYスキャナ12に信号s2を与えることに基づ
き測定が開始されると、サーボ制御系は常に能動状態に
維持され、サンプリング位置の間の移動時およびサンプ
リング位置での測定時のそれぞれで圧電素子61の伸縮
動作に関してサーボ制御が継続される。ここで「サーボ
制御が継続される」とは、少なくとも測定が実行される
間、サーボ制御装置30が能動状態に維持され、カンチ
レバー15のたわみ変形量(あるいは探針の変位量)
を、レーザ光源22と光検出器23からなる前述の光て
こ式光学検出系で検出し、探針14と試料13の表面と
の間の距離が、測定時に設定された特定距離(基準距離
設定器31で設定される基準距離)に保持されるという
制御が行われる状態をいう。接近・退避信号供給器35
が接近信号を出力しているときには圧電素子16に対し
てフィードバック電圧信号(Vz)が与えられ、探針1
4と試料13の表面との距離は上記特定距離に保持され
る。接近・退避信号供給器35が退避信号を出力してい
るときには、基本的に光てこ式光学検出系およびサーボ
制御装置30の作用に基づいて探針・試料間距離を特定
距離に保持しようとするが、退避信号が加わっているの
で、この退避信号に基づいて圧電素子16は定められた
退避状態を実現する収縮した状態に保持される。
In the above configuration, the servo controller 30
Supplies a voltage signal Vz to the piezoelectric element 16 from the controller 4
When the measurement is started based on the application of the signal s2 to the XY scanner 12 from 0, the servo control system is always maintained in the active state, and the piezoelectric element is moved during the sampling position and when the measurement is performed at the sampling position. Servo control is continued for the expansion / contraction operation of 61. Here, “the servo control is continued” means that the servo control device 30 is maintained in the active state at least while the measurement is performed, and the amount of flexural deformation of the cantilever 15 (or the amount of displacement of the probe) is maintained.
Is detected by the optical lever type optical detection system including the laser light source 22 and the photodetector 23, and the distance between the probe 14 and the surface of the sample 13 is determined by a specific distance (reference distance setting) set at the time of measurement. (Reference distance set by the device 31). Approach / evacuation signal supplier 35
Is outputting the approach signal, a feedback voltage signal (Vz) is given to the piezoelectric element 16 and the probe 1
The distance between the sample 4 and the surface of the sample 13 is maintained at the specific distance. When the approach / evacuation signal supplier 35 is outputting the evacuation signal, the probe-sample distance is basically maintained at a specific distance based on the operation of the optical lever type optical detection system and the servo controller 30. However, since the evacuation signal is added, the piezoelectric element 16 is held in a contracted state that realizes a predetermined evacuation state based on the evacuation signal.

【0039】図2を参照して上記構成を有する原子間力
顕微鏡に基づく広域での測定動作を説明する。図2は、
(A)で試料13に対する圧電素子16の接近・退避の
動作を示し、(B)でタイミングチャートを示してい
る。なお、ステージの移動方向とカンチレバーの向きは
本図に制約されるものではなく、どのように配置されて
も本発明は有効である。
The measurement operation in a wide area based on the atomic force microscope having the above configuration will be described with reference to FIG. FIG.
(A) shows the approach and retreat operations of the piezoelectric element 16 to and from the sample 13, and (B) shows a timing chart. Note that the moving direction of the stage and the direction of the cantilever are not limited to those shown in the drawing, and the present invention is effective regardless of the arrangement.

【0040】この原子間力顕微鏡によれば、前述の通
り、試料13の表面で広域測定を行うことができる。広
域測定のために広域走査を行う必要があるが、XYスキ
ャナ12によって試料13を移動することにより広域走
査が可能になる。また試料13の表面に対する探針14
の高さ位置は圧電素子16の伸縮動作で調整される。図
2の上側の(A)に示されるように、前述のごとく、圧
電素子16は印加電圧Vzで伸縮動作を行い、サンプリ
ング位置では、接近・退避信号s01によって圧電素子
16は破線で示すごとく大きく伸び、探針14(カンチ
レバー15)を試料13の表面に接近させて押し付ける
(状態a)と共に、この状態でサーボ制御系に基づき試
料表面を追従して表面の凹凸を測定し、その後、接近・
退避信号s01によって圧電素子16は実線で示すごと
く大きく縮み、探針14を試料13の表面から退避させ
(状態b)、次のサンプリング位置への移動を行う。図
2の(A)では、接近・退避信号に基づく圧電素子16
の伸縮動作により生じる範囲(離接範囲)Lが示されて
いる。
According to the atomic force microscope, a wide area measurement can be performed on the surface of the sample 13 as described above. Although it is necessary to perform wide area scanning for wide area measurement, moving the sample 13 by the XY scanner 12 enables wide area scanning. Further, the probe 14 with respect to the surface of the sample 13
Is adjusted by the expansion and contraction operation of the piezoelectric element 16. As shown in FIG. 2A, as described above, the piezoelectric element 16 expands and contracts with the applied voltage Vz as described above, and at the sampling position, the piezoelectric element 16 becomes larger as indicated by the broken line by the approach / retreat signal s01. The probe 14 (the cantilever 15) is brought close to and pressed against the surface of the sample 13 (state a), and in this state, the surface of the sample is tracked according to the servo control system to measure the unevenness of the surface.
The retreat signal s01 causes the piezoelectric element 16 to largely contract as shown by the solid line, retreat the probe 14 from the surface of the sample 13 (state b), and move to the next sampling position. In FIG. 2A, the piezoelectric element 16 based on the approach / retreat signal is shown.
A range (separation / disconnection range) L caused by the expansion / contraction operation of is shown.

【0041】さらに図2のタイミングチャート(B)で
は、一例として或るサンプリング位置P1で測定を行
い、その後、次のサンプリング位置P2へ移動して測定
を行う動作例が示されている。タイミングチャート
(B)では、上段から、XYスキャナ12に含まれるX
スキャナによるX方向の速度、基準距離を設定する信号
s0、接近・退避用の信号s01、信号s0と信号s0
1の和、電圧Vzの変化状態のそれぞれを示している。
またタイミングチャートで横軸は時間の経過を示すが、
図2では移動方向であるX方向に対応させている。XY
スキャナ12のXスキャナによる速度は一定速度に維持
されている。従って、探針14に対して試料13は常に
移動状態になっている。
Further, the timing chart (B) of FIG. 2 shows an operation example in which measurement is performed at a certain sampling position P1, and then the measurement is moved to the next sampling position P2. In the timing chart (B), X included in the XY scanner 12
A signal s0 for setting the speed in the X direction by the scanner, a reference distance, a signal s01 for approaching / evacuating, a signal s0 and a signal s0.
1 shows the change of the sum of 1 and the change state of the voltage Vz.
In the timing chart, the horizontal axis shows the passage of time,
In FIG. 2, it corresponds to the X direction which is the moving direction. XY
The speed of the scanner 12 by the X scanner is maintained at a constant speed. Therefore, the sample 13 is always moving with respect to the probe 14.

【0042】探針14が試料13の表面に接近させられ
る場合において探針・試料間の距離を設定する信号s0
は、常に、予め設定された値(電圧値V0 >0)に常
に保たれている。原子間力顕微鏡による測定という意味
で、本実施形態による測定の構成によれば、サーボ制御
が常にかかった状態に保持され、サーボ制御が継続され
ている。信号s0は正の一定電圧に設定されているの
で、実際に探針が試料表面に接近させられると、探針は
試料表面に押し付けられる。探針を試料表面に押し付け
る押付け力は、信号s0の電圧値V0 によって決めら
れる。基準となる一定距離(本実施形態では押付け状
態)を設定する上記信号s0は前述の通り基準距離設定
器31で与えられる。
A signal s0 for setting the distance between the probe and the sample when the probe 14 is brought close to the surface of the sample 13.
Is always kept at a preset value (voltage value V 0 > 0). In the sense of the measurement by the atomic force microscope, according to the configuration of the measurement according to the present embodiment, the servo control is always kept in a state of being applied, and the servo control is continued. Since the signal s0 is set to a positive constant voltage, when the probe is actually brought close to the sample surface, the probe is pressed against the sample surface. Pressing force for pressing the probe on the sample surface is determined by the voltage value V 0 which signal s0. The signal s0 for setting a fixed distance serving as a reference (pressing state in the present embodiment) is given by the reference distance setting unit 31 as described above.

【0043】測定を行うサンプリング位置P1,P2で
は、接近・退避信号供給器35から出力される接近・退
避用の電圧信号s01は0になっており、加算器32か
ら出力される電圧信号s02はs0である。従って、各
サンプリング位置では、従来の原子間力顕微鏡における
場合と同様に、試料表面の追従に基づく表面測定が行わ
れる。ただし、実際に試料表面の凹凸情報に関するデー
タが取得されるのは、接近した状態の区間内の1点であ
る。サンプリング位置P1で測定が終了した後、次のサ
ンプリング位置P2に移動するが、このときには接近・
退避信号供給器35から−V1 が出力される。この電
圧値はその絶対値が上記電圧V0 よりも大きく、負の
電圧である。従って、加算器32から出力される電圧信
号s02(=s0+s01)は−V2 (=V0 −V1
)となる。その結果、試料表面に対する探針の押付け
力は、負の押付け力すなわち引力に設定される。サーボ
制御系は前述の通り常に効いているので、押付け力が負
になると、探針14は試料表面から退避させられる。実
際には、表面張力を越える負の力には制御できないの
で、探針は完全に退避し、この状態においてサーボ制御
系は保持される。従って、探針は試料表面から離れた状
態で、サンプリング位置P1から次のサンプリング位置
P2へ移動する。
At the sampling positions P1 and P2 where the measurement is performed, the approach / retreat voltage signal s01 output from the approach / retreat signal supplier 35 is 0, and the voltage signal s02 output from the adder 32 is s0. Therefore, at each sampling position, a surface measurement based on the following of the sample surface is performed as in the case of the conventional atomic force microscope. However, data relating to the unevenness information on the sample surface is actually acquired at one point in the section in the approaching state. After the measurement is completed at the sampling position P1, it moves to the next sampling position P2.
−V 1 is output from the save signal supply unit 35. This voltage value is a negative voltage whose absolute value is greater than the voltage V 0 . Accordingly, the adder 32 a voltage signal output from s02 (= s0 + s01) is -V 2 (= V 0 -V 1
). As a result, the pressing force of the probe against the sample surface is set to a negative pressing force, that is, an attractive force. Since the servo control system is always effective as described above, when the pressing force becomes negative, the probe 14 is retracted from the sample surface. Actually, since the control cannot be performed to a negative force exceeding the surface tension, the probe is completely retracted, and the servo control system is maintained in this state. Therefore, the probe moves from the sampling position P1 to the next sampling position P2 while being away from the sample surface.

【0044】サンプリング位置P2に来ると、接近・退
避信号供給器35の出力が一定期間0になり、その間、
加算器32から出力される電圧信号s02がV0 にな
り、圧電素子16は大きく伸びて探針14が試料13の
表面に押し付けられ、表面追従に基づく測定が行われ
る。
When the sampling position P2 is reached, the output of the approach / retreat signal supply unit 35 becomes 0 for a certain period, during which time,
The voltage signal s02 output from the adder 32 becomes V 0 , the piezoelectric element 16 extends greatly, the probe 14 is pressed against the surface of the sample 13, and the measurement based on the surface following is performed.

【0045】以上のごとく、サーボ制御系のループにお
いて探針14の位置に決める電圧信号s02を、基準距
離を表す信号s0に対して、接近・退避用電圧信号s0
1として周期的パルス信号を生成してこれを重畳するよ
うにして作ったために、サーボ制御を継続したままで、
多数のサンプリング位置の各々で接近・退避を行いなが
ら、広域測定を行うことが可能となる。すなわち、試料
13の表面の特定の測定領域で表面観察を行う場合に、
測定を行うための複数のサンプリング位置を設定し、各
サンプリング位置で試料表面に対する探針の接近・退避
動作を行って測定すると共に、サーボ制御を継続したま
まで、探針の接近と退避の動作を行わせることを可能に
した。かかる構成によって前述の広域測定が行われる。
上記の構成は、特に広域測定を、迅速に行い、かつ探針
や試料を損傷または破損することなく行うことを可能に
する。
As described above, the voltage signal s02 for determining the position of the probe 14 in the loop of the servo control system is different from the signal s0 representing the reference distance by the approach / retreat voltage signal s0.
Since a periodic pulse signal was generated as 1 and superimposed on it, the servo control was continued,
A wide area measurement can be performed while approaching / evacuating at each of a large number of sampling positions. That is, when performing surface observation in a specific measurement region on the surface of the sample 13,
Setting multiple sampling positions for measurement, approaching and retreating the probe to the sample surface at each sampling position to measure, and approaching and retracting the probe while servo control is continued. Was made possible. With this configuration, the wide area measurement described above is performed.
The above arrangement makes it possible, in particular, to perform wide-area measurements quickly and without damaging or damaging the probe or the sample.

【0046】なお圧電素子16に印加される制御用の電
圧Vzは、探針14が試料13の表面に接近した状態で
は、前述した通りサーボ制御系の継続的な働きにより試
料表面に追従するように圧電素子16の伸縮動作を制御
するので、図2(B)に示されるように、パルス状の電
圧44の上に試料表面の凹凸分の信号45が重畳されて
いるという特性を有する。またXスキャナによる速度が
一定の場合について説明したが、例えば各サンプリング
位置間の移動において加減速制御を行うような場合や各
サンプリング位置ごとにステップアンドリピートによる
移動を行う場合等を含め、本発明の範疇である。
The control voltage Vz applied to the piezoelectric element 16 is such that the probe 14 follows the sample surface by the continuous operation of the servo control system when the probe 14 approaches the surface of the sample 13 as described above. Since the expansion / contraction operation of the piezoelectric element 16 is controlled as shown in FIG. 2B, as shown in FIG. 2B, a signal 45 corresponding to the unevenness of the sample surface is superimposed on the pulsed voltage 44. Although the case where the speed by the X scanner is constant has been described, the present invention includes a case where acceleration / deceleration control is performed for movement between each sampling position, and a case where movement by step-and-repeat is performed for each sampling position. In the category.

【0047】前述の第1実施形態の説明では、原子間力
顕微鏡による広域測定の例を説明した。しかし、測定領
域のサンプリング位置(測定点)で試料表面に対して探
針(カンチレバー)を接近・退避させて測定を行い、試
料表面から離れた退避状態で次のサンプリング位置へ移
動し、その間においてサーボ制御装置30によるサーボ
制御の状態を継続したままにする測定方法は、広域測定
に限定されない。例えば従来通りの狭域測定にも適用す
ることができる。このような狭域測定の場合には、上記
のXYスキャナ12としては、狭域移動機構が使用され
る。狭域移動機構の場合には例えば圧電素子を利用して
構成される。
In the above description of the first embodiment, an example of wide-area measurement using an atomic force microscope has been described. However, at the sampling position (measurement point) in the measurement area, the probe (cantilever) approaches and retreats from the sample surface to perform measurement, and moves to the next sampling position in a retracted state away from the sample surface. The measurement method for keeping the state of the servo control by the servo control device 30 continued is not limited to the wide area measurement. For example, the present invention can be applied to conventional narrow-range measurement. In the case of such a narrow area measurement, a narrow area moving mechanism is used as the XY scanner 12. In the case of the narrow area moving mechanism, for example, it is configured using a piezoelectric element.

【0048】また上記の測定方法は、アスペクト比の高
い測定対象物を高アスペクト比の探針を用いて測定する
ときに好都合である。すなわち、近年の半導体製造プロ
セスにおける基板上に形成されるデバイスや素子の微細
化に伴い、高いアスペクト比(5〜10)の穴(コンタ
クトホール等)や溝(素子分離のためのトレンチ等)を
測定しなければならないことから、原子間力顕微鏡にお
いても長くかつ細いアスペクト比の高い探針を用いて基
板表面の凹凸形状を測定する必要が生じた。このような
アスペクト比の高い探針を利用する測定の場合に、従来
の原子間力顕微鏡の測定方法によれば、探針の折れ、破
損、先端の摩耗という問題が起きやすい。これに対して
上記の第1実施形態による測定方法を用いれば、アスペ
クト比の高い探針を用いたとしても、探針の折れ、破
損、先端の摩耗を防止することができる。
The above-described measuring method is convenient when measuring an object having a high aspect ratio using a probe having a high aspect ratio. That is, with the miniaturization of devices and elements formed on a substrate in a recent semiconductor manufacturing process, holes (contact holes and the like) and grooves (trench and the like for element isolation) having a high aspect ratio (5 to 10) are formed. Since the measurement has to be performed, it is necessary to measure the uneven shape of the substrate surface using a long and thin probe having a high aspect ratio even in an atomic force microscope. In the measurement using a probe having such a high aspect ratio, according to the conventional measurement method of an atomic force microscope, problems such as breakage, breakage, and wear of the tip of the probe are likely to occur. On the other hand, if the measurement method according to the first embodiment is used, even if a probe having a high aspect ratio is used, it is possible to prevent the probe from being broken, broken, and worn at the tip.

【0049】上記の意味において、前述の実施形態で説
明された原子間力顕微鏡に関する構成および測定方法
は、広域走査による広域測定に限定されるものではな
く、測定範囲が通常である測定にも適用できる。
In the above sense, the configuration and measuring method related to the atomic force microscope described in the above embodiment are not limited to wide-area measurement by wide-area scanning, but can be applied to measurement in which the measurement range is normal. it can.

【0050】次に、図3に従って本発明に係る走査型プ
ローブ顕微鏡の第2実施形態を説明する。図3におい
て、図1で示された要素と実質的に同一の要素には同一
の符号を付すこととし、その詳細な説明を省略し、その
説明には第1実施形態での説明を援用することとする。
Next, a second embodiment of the scanning probe microscope according to the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 3, elements substantially the same as the elements shown in FIG. 1 are given the same reference numerals, detailed description thereof will be omitted, and the description of the first embodiment will be cited for the description. It shall be.

【0051】この第2実施形態においても、第1実施形
態と同様に、試料13の表面の測定領域における各サン
プリング位置での測定で、サーボ制御装置30に基づく
サーボ制御を継続したままで探針の接近・退避動作を行
わせる構成を示している。また、広域測定と共に、狭域
測定、および高アスペクト比の対象物の測定を行うこと
ができるものである。
In the second embodiment, as in the first embodiment, the probe is measured at each sampling position in the measurement area on the surface of the sample 13 while the servo control based on the servo controller 30 is continued. 3 shows a configuration for performing the approach / retreat operation. In addition to the wide area measurement, narrow area measurement and measurement of an object having a high aspect ratio can be performed.

【0052】この実施形態の特徴的な構成は、信号処理
装置41に入力される試料表面の凹凸に関する測定デー
タとして、制御回路34から出力される制御用の電圧信
号Vzを用いるのではなく、圧電素子16にその変位を
検出する変位計50を別途に付設し、変位計50が出力
する変位信号を用いるように構成している点である。変
位計50としては、各種の装置を用いることができる。
変位計50から出力される変位信号は信号処理装置41
に入力される。また第1実施形態の構成では、電圧Vz
を利用したため、電圧Vzから試料表面の凹凸分の信号
45を取り出すことが必要であったが、本実施形態の場
合には変位計50を利用することによって、試料表面の
凹凸分の信号を直接的に取り込むことが可能となる。そ
の他の構成、すなわち、広域走査におけるサンプリング
位置での接近・退避動作、および測定動作、信号処理、
画像の作成・表示は第1実施形態で説明したものと実質
的に同じである。
The characteristic configuration of this embodiment is that the control voltage signal Vz output from the control circuit 34 is not used as the measurement data regarding the unevenness of the sample surface input to the signal processing device 41, The point is that a displacement meter 50 for detecting the displacement is separately attached to the element 16 and the displacement signal output from the displacement meter 50 is used. Various devices can be used as the displacement meter 50.
The displacement signal output from the displacement meter 50 is a signal processing device 41.
Is input to In the configuration of the first embodiment, the voltage Vz
Was used, it was necessary to extract the signal 45 for the unevenness of the sample surface from the voltage Vz. In the case of the present embodiment, the displacement meter 50 was used to directly output the signal for the unevenness of the sample surface. It becomes possible to take in. Other configurations, that is, approach / retreat operations at sampling positions in wide area scanning, and measurement operations, signal processing,
Creation and display of an image are substantially the same as those described in the first embodiment.

【0053】次に図4を参照して本発明に係る走査型プ
ローブ顕微鏡の第3実施形態を説明する。この実施形態
では、第1の圧電素子51に対して第2の圧電素子52
を付設し、2段の圧電素子構造でZ方向駆動装置を構成
している点に特徴がある。圧電素子51は、前述したサ
ーボ用の圧電素子16に相当するものである。ただし本
実施形態の場合には、圧電素子51は測定の際における
表面追従用のサーボ用圧電素子としてのみ使用され、上
記実施形態のごとく接近・退避用の圧電素子としては使
用されない。圧電素子52は接近・退避動作専用の圧電
素子として使用される。このように本実施形態では、Z
方向駆動装置を2段構造の圧電素子で構成しかつ測定用
の表面追従動作とサンプリング位置での接近・退避動作
を別々の圧電素子で行うようにしている。圧電素子5
1,52の設け方としては、別々に用意することもでき
るし、単体の圧電素子に対して電極の配列を工夫して測
定動作用の圧電素子部と接近・退避用の圧電素子部を組
み込むようにすることも可能である。なお図4におい
て、前述の実施形態で説明された要素と実質的に同一の
要素には同一の符号を付している。
Next, a third embodiment of the scanning probe microscope according to the present invention will be described with reference to FIG. In this embodiment, the first piezoelectric element 51 is replaced with the second piezoelectric element 52
And a Z-direction driving device is constituted by a two-stage piezoelectric element structure. The piezoelectric element 51 corresponds to the piezoelectric element 16 for servo described above. However, in the case of the present embodiment, the piezoelectric element 51 is used only as a servo piezoelectric element for tracking a surface during measurement, and is not used as an approach / retreat piezoelectric element as in the above-described embodiment. The piezoelectric element 52 is used as a piezoelectric element dedicated to the approach / retreat operation. Thus, in the present embodiment, Z
The directional drive device is composed of a two-stage piezoelectric element, and the surface following operation for measurement and the approach / retreat operation at the sampling position are performed by separate piezoelectric elements. Piezoelectric element 5
As for the method of providing 1, 52, they can be prepared separately, or the electrode arrangement is devised for a single piezoelectric element, and the piezoelectric element for measurement operation and the piezoelectric element for approach / retreat are incorporated. It is also possible to do so. In FIG. 4, the same reference numerals are given to substantially the same elements as those described in the above-described embodiment.

【0054】測定動作の表面追従用の圧電素子51に対
して接近・退避用の圧電素子52を別途に用意したた
め、サーボ制御装置30において、図1で示された接近
・退避信号供給器35、加算器32は不要となり、図4
においてそれらは除かれている。サーボ制御装置30か
らなるサーボ制御系に基づくサーボ制御は、サーボ用圧
電素子51のZ方向の伸縮動作に関して継続して行われ
る。また前述したようなサンプリング位置における探針
の接近・退避の動作は、圧電素子52の伸縮動作によっ
て行われる。圧電素子52の接近・退避のための伸縮動
作は接近・退避用信号s3によって行われる。この接近
・退避用信号s3は前述した接近・退避用の電圧信号s
01と実質的に同じものである。接近・退避用信号s3
は、別途に設けた前述の接近・退避信号供給器35から
与えられるように構成することができるし、あるいは上
位の制御装置40の信号処理装置41から与えられるよ
うに構成することもできる。
Since the piezoelectric element 52 for approaching / retreating is separately prepared for the piezoelectric element 51 for following the surface of the measuring operation, the servo controller 30 uses the approaching / retreating signal supplier 35 shown in FIG. The adder 32 becomes unnecessary, and FIG.
They have been excluded. Servo control based on the servo control system including the servo control device 30 is continuously performed with respect to the expansion and contraction operation of the servo piezoelectric element 51 in the Z direction. Further, the operation of approaching and retracting the probe at the sampling position as described above is performed by the expansion and contraction operation of the piezoelectric element 52. The expansion / contraction operation for approach / retreat of the piezoelectric element 52 is performed by the approach / retreat signal s3. The approach / evacuation signal s3 is the approach / evacuation voltage signal s described above.
It is substantially the same as 01. Approach / evacuation signal s3
Can be provided from the above-described approach / retreat signal supply unit 35 separately provided, or can be provided from the signal processing device 41 of the higher-level control device 40.

【0055】図5は、前述の図2に対応する図であり、
第3実施形態による原子間力顕微鏡に基づく広域等での
測定動作を説明する。図5で、(A)で試料13に対す
る圧電素子52の接近・退避の動作状態(a,b)を示
し、(B)でタイミングチャートを示す。このタイミン
グチャート(B)では前述の実施形態と同様なサンプリ
ング位置P1,P2での測定動作例が示されている。図
5のタイミングチャート(B)では、上段から、XYス
キャナ12に含まれるXスキャナによるX方向の速度、
基準距離を設定する信号s0、接近・退避用の信号s
3、探針・試料間距離、電圧Vzの変化状態のそれぞれ
を示している。またタイミングチャートで横軸は移動方
向であるX方向に対応させている。X方向の速度、信号
s0は図2で説明したものと同じである。接近・退避用
信号s3は、サンプリング位置P1,P2に対応して周
期的に発生するパルス信号(正パルス電圧)53であ
る。探針・試料間距離は、信号s3で正パルス電圧53
が発生するときには0になり(区間)、正パルス電圧
53が発生していないときには退避状態の一定距離で離
れた状態にある(区間)。またサーボ用圧電素子51
に印加される電圧Vzに関しては、サンプリング位置
(P1,P2)に対応する区間では探針が試料表面に
接近して試料表面に追従するので、Vzのサーボ値とな
り、移動のための区間では探針は試料表面から退避し
離れた状態で移動しているので、探針・試料間距離を基
準距離にすべく圧電素子52は最大ストロークで伸び、
Vzの最大値となっている。サンプリング位置P1,P
2の区間内の1点のVzのサーボ値を測定データとし
て取得する。接近・退避動作のための圧電素子52の伸
縮動作について、圧電素子52の駆動範囲における最大
位置と最小位置の両端で行うこともできるし、あるい
は、駆動範囲における一定位置と他の一定位置の間の2
点間で行うこともできる。
FIG. 5 is a view corresponding to FIG. 2 described above.
A measurement operation in a wide area or the like based on the atomic force microscope according to the third embodiment will be described. In FIG. 5, (A) shows the operation state (a, b) of approach / retreat of the piezoelectric element 52 to / from the sample 13, and (B) shows a timing chart. This timing chart (B) shows an example of the measurement operation at the sampling positions P1 and P2 similar to the above-described embodiment. In the timing chart (B) of FIG. 5, the speed in the X direction by the X scanner included in the XY scanner 12,
Signal s0 for setting reference distance, signal s for approaching / evacuating
3, the distance between the probe and the sample, and the changing state of the voltage Vz are shown. In the timing chart, the horizontal axis corresponds to the X direction which is the moving direction. The speed in the X direction and the signal s0 are the same as those described in FIG. The approaching / evacuating signal s3 is a pulse signal (positive pulse voltage) 53 periodically generated corresponding to the sampling positions P1 and P2. The distance between the probe and the sample is determined by the positive pulse voltage 53
When a positive pulse voltage 53 is not generated, the value is 0 (section), and when the positive pulse voltage 53 is not generated, the retreat state is a predetermined distance away (section). Also, the servo piezoelectric element 51
Is applied to the sample surface (P1, P2), the probe approaches the sample surface and follows the sample surface in the section corresponding to the sampling position (P1, P2). Since the needle is moving away from the sample surface and moving away from the sample surface, the piezoelectric element 52 extends at the maximum stroke in order to make the distance between the probe and the sample the reference distance,
Vz is the maximum value. Sampling position P1, P
The servo value of Vz at one point in the section 2 is acquired as measurement data. The expansion / contraction operation of the piezoelectric element 52 for the approach / retreat operation can be performed at both ends of the maximum position and the minimum position in the drive range of the piezoelectric element 52, or can be performed between a fixed position and another fixed position in the drive range. 2
It can also be done between points.

【0056】上記の第3実施形態の構成によれば、測定
動作用のサーボ用圧電素子51に対して独立させて別個
に設けた接近・退避用の圧電素子52によって、サンプ
リング位置で探針14を試料13の表面に対して接近・
退避させることが可能となる。この構成によって、前述
の実施形態で説明した効果を発揮しつつ広域走査によっ
て広域測定を行うことができる。第3の実施形態におい
ても、測定のための制御動作では、サーボ制御系が常に
能動状態に保持され、圧電素子51の動作に関してサー
ボ制御が継続される。さらに、前述の実施形態と同様
に、狭域測定を行うことができ、またアスペクト比の高
い探針を用いて高アスペクト比の対象物の測定を迅速に
行うことができる。
According to the configuration of the third embodiment described above, the approaching / retreating piezoelectric element 52 provided separately from the servo piezoelectric element 51 for the measuring operation allows the probe 14 to be moved at the sampling position. Approach the surface of sample 13
It can be evacuated. With this configuration, it is possible to perform wide-area measurement by wide-area scanning while exhibiting the effects described in the above-described embodiment. Also in the third embodiment, in the control operation for measurement, the servo control system is always kept in the active state, and the servo control regarding the operation of the piezoelectric element 51 is continued. Further, similarly to the above-described embodiment, narrow-area measurement can be performed, and an object having a high aspect ratio can be quickly measured using a probe having a high aspect ratio.

【0057】上記の実施形態では、接近・退避用アクチ
ュエータとして圧電素子を利用したが、その代わりに、
パルスモータ等を利用するアクチュエータ、油圧を利用
したアクチュエータ、空圧を利用したアクチュエータ等
を用いることもできる。また第3の実施形態においても
変位計を利用した構成を採用することができる。
In the above embodiment, the piezoelectric element is used as the approach / retreat actuator.
An actuator using a pulse motor, an actuator using hydraulic pressure, an actuator using pneumatic pressure, or the like can also be used. Also in the third embodiment, a configuration using a displacement meter can be adopted.

【0058】上記の各実施形態では、走査を行うための
移動機構として試料側を移動させるXYスキャナを設け
たが、探針側に移動機構を設けることもできる。また走
査型プローブ顕微鏡の例として原子間力顕微鏡について
説明したが、トンネル顕微鏡等の他の方式の走査型プロ
ーブ顕微鏡に対しても本発明を適用できるのは勿論であ
る。さらに前述の各実施形態では、装置的な構成の観点
から本発明の走査型プローブ顕微鏡を説明したが、その
動作方法に着目することによって測定方法として本発明
を把握することができるのは勿論である。
In each of the above embodiments, the XY scanner for moving the sample is provided as a moving mechanism for performing scanning. However, a moving mechanism may be provided for the probe. Although the atomic force microscope has been described as an example of the scanning probe microscope, the present invention can be applied to other types of scanning probe microscopes such as a tunnel microscope. Furthermore, in each of the above-described embodiments, the scanning probe microscope of the present invention has been described from the viewpoint of the configuration of the apparatus. However, it is needless to say that the present invention can be grasped as a measuring method by focusing on the operation method. is there.

【0059】[0059]

【発明の効果】以上の説明で明らかなように本発明によ
れば、次の効果を奏する。
As apparent from the above description, the present invention has the following effects.

【0060】試料表面において凹凸形状等の測定で、測
定箇所として複数のサンプリング位置を設定し、サンプ
リング位置の間の探針の移動では、試料表面から退避し
た状態で移動を行い、サンプリング位置では探針を接近
させて測定を行うようにし、かつその測定動作中におい
てサーボ制御系に基づく試料・探針間距離に関する制御
を継続したままとしたため、従来通りの通常の狭域測
定、広域測定、アスペクト比の高い探針を用いた高アス
ペクト比の試料表面の測定等を、各サンプリング位置で
探針の接近・退避の駆動を良好な状態を保って行うこと
により、探針を損傷させることなく、円滑かつ迅速に行
うことができる。
A plurality of sampling positions are set as measurement points in the measurement of the uneven shape and the like on the sample surface, and when the probe is moved between the sampling positions, the probe is moved away from the sample surface and is moved at the sampling position. Since the measurement is performed by bringing the needle closer, and the control of the distance between the sample and the probe based on the servo control system is continued during the measurement operation, the usual narrow area measurement, wide area measurement, Measurement of a sample surface with a high aspect ratio using a probe with a high ratio, etc. is performed while maintaining good conditions for driving the approach and retreat of the probe at each sampling position, without damaging the probe. It can be done smoothly and quickly.

【0061】また広域測定を実用的なものとし、サンプ
リング位置での探針の接近・退避動作を、パルス駆動を
利用して、簡単な動作制御で瞬時に行うことができ、接
近動作に要する時間を短縮できるので、全体の測定時間
を短くできる。またかかる構成によって、mm級の広い
走査範囲に対する試料表面の凹凸情報をnm以下の分解
能で測定し、かつ測定時間を短縮し、探針の摩耗を低減
し、探針の摩耗に起因する測定精度の低下を防止するこ
とができる。
Further, the wide-area measurement is made practical, and the approach and retreat operations of the probe at the sampling position can be instantaneously performed by simple operation control using pulse driving, and the time required for the approach operation is obtained. Can be shortened, so that the entire measurement time can be shortened. In addition, with this configuration, the unevenness information of the sample surface over a wide scanning range of mm class is measured with a resolution of sub-nm or less, the measurement time is reduced, the wear of the probe is reduced, and the measurement accuracy due to the wear of the probe is measured. Can be prevented from decreasing.

【0062】半導体基板のごとく試料の表面に形成され
る凹凸形状がアスペクト比の高い穴や溝等である場合に
は、アスペクト比の高い細長い探針が用いられるが、こ
のような場合にもサーボ制御を継続したまま探針の接近
・退避の動作を行うことができるので、探針を損傷する
ことなく、迅速に探針の接近・退避を行うことができ、
円滑に測定を行うことができる。
When the irregularities formed on the surface of the sample, such as a semiconductor substrate, are holes or grooves having a high aspect ratio, an elongated probe having a high aspect ratio is used. Since the approach and retreat operations of the probe can be performed while control is continued, the probe can be quickly approached and retracted without damaging the probe,
Measurement can be performed smoothly.

【0063】また試料表面を探針で広域走査できる移動
機構を設け、試料表面に対する探針の高さ位置を変化さ
せる圧電素子を単体で構成し、サーボ制御ループで基準
距離を設定する信号に接近・退避動作用の信号を重畳す
ることによって、単体の圧電素子で各サンプリング位置
での接近・退避動作および測定動作を行えるようにした
ため、mm級の広い走査範囲に対する試料表面の凹凸情
報をnm以下の分解能で測定することができ、広域測定
において測定時間を短縮し、かつ探針の摩耗を低減する
ことができ、さらに探針の摩耗に起因する測定精度の低
下を防止することができる。
A moving mechanism capable of scanning the surface of the sample with the probe over a wide area is provided. A piezoelectric element for changing the height of the probe with respect to the surface of the sample is formed as a single unit.・ By superimposing the retracting signal, approach / retreat operation and measurement operation at each sampling position can be performed with a single piezoelectric element. It is possible to reduce the measurement time in wide area measurement, reduce the wear of the probe, and prevent the measurement accuracy from being lowered due to the wear of the probe.

【0064】さらに、上記の移動機構と、測定を行うサ
ンプリング位置でサーボ制御系に基づき試料の表面に対
する探針の高さ方向の位置を基準距離に一致させる圧電
素子と、サンプリング位置で探針を試料の表面に接近さ
せ、サンプリング位置の間の移動では探針を試料の表面
から退避させる圧電素子等の接近・退避駆動装置とを備
え、サーボ制御系に基づき試料と探針の間の距離に関す
る制御を継続したまま、複数のサンプリング位置の各々
で接近・退避駆動装置によって探針の接近・退避を行
い、サンプリング位置でデータを取得したため、前述し
た効果と同等な効果で広域測定を行えると共に、従来の
走査型プローブ顕微鏡に対して接近・退避動作を行うた
めの構成を付加するだけで広域測定や高アスペクト比の
測定等を行うことができる。
Further, the above moving mechanism, a piezoelectric element for matching the height position of the probe with respect to the surface of the sample to the reference distance based on the servo control system at the sampling position for measurement, and the probe at the sampling position. An approach / retreat drive device such as a piezoelectric element that moves the probe away from the surface of the sample when moving between the sampling positions is provided, and the distance between the sample and the probe is controlled based on the servo control system. With the control being continued, the approach / retreat drive device approached / retracted the probe at each of the multiple sampling positions, and acquired data at the sampling positions, so that wide-area measurement could be performed with the same effect as described above, Wide-area measurement, high aspect ratio measurement, etc. can be performed simply by adding a configuration for performing approach / retreat operations to a conventional scanning probe microscope. Kill.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の第1実施
形態の全体システムを示す構成図である。
FIG. 1 is a configuration diagram showing an overall system of a first embodiment of a scanning probe microscope according to the present invention.

【図2】第1実施形態による走査型プローブ顕微鏡の動
作(測定方法)を説明する図である。
FIG. 2 is a diagram illustrating an operation (a measuring method) of the scanning probe microscope according to the first embodiment.

【図3】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の第2実施
形態の全体システムを示す構成図である。
FIG. 3 is a configuration diagram illustrating an entire system of a second embodiment of the scanning probe microscope according to the present invention.

【図4】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の第3実施
形態の全体システムを示す構成図である。
FIG. 4 is a configuration diagram illustrating an entire system of a third embodiment of the scanning probe microscope according to the present invention.

【図5】第3実施形態による走査型プローブ顕微鏡の動
作(測定方法)を説明する図である。
FIG. 5 is a diagram illustrating an operation (a measuring method) of a scanning probe microscope according to a third embodiment.

【図6】接近・退避動作で広域測定を行う探針の動きを
説明する図である。
FIG. 6 is a diagram for explaining the movement of a probe for performing a wide-area measurement in the approach / retreat operation.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

12 XYスキャナ 13 試料 14 探針 15 カンチレバー 16 圧電素子 30 サーボ制御装置 31 基準距離設定器 32 加算器 33 減算器 34 制御回路 35 接近・退避信号供給器 40 制御装置 51 サーボ用圧電素子 52 接近・退避用圧電素子 Reference Signs List 12 XY scanner 13 Sample 14 Probe 15 Cantilever 16 Piezoelectric element 30 Servo controller 31 Reference distance setter 32 Adder 33 Subtractor 34 Control circuit 35 Approach / retreat signal supplier 40 Controller 51 Servo piezoelectric element 52 Approach / retreat Piezoelectric element

Claims (20)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 試料の表面に臨む探針と、前記試料の表
面に対する前記探針の高さ方向の変位を検出する変位検
出機構と、この変位検出機構が出力する検出信号に基づ
いて前記試料と前記探針の間の距離が基準距離に保持さ
れるように制御する制御手段とを備え、複数のサンプリ
ング位置の各々で前記探針と前記試料の間を前記基準距
離に保持しながら前記表面を前記探針で走査して前記表
面を測定する走査型プローブ顕微鏡において、 前記サンプリング位置で前記試料の表面に対して前記探
針の接近・退避を行う接近・退避駆動装置を設け、 前記制御手段によるサーボ制御系に基づき前記試料と前
記探針の間の距離に関する制御を継続したまま、前記複
数のサンプリング位置の各々で前記接近・退避駆動装置
によって前記探針の接近・退避を行い、前記サンプリン
グ位置でデータを取得することを特徴とする走査型プロ
ーブ顕微鏡。
A probe facing a surface of a sample, a displacement detecting mechanism for detecting a displacement of the probe in a height direction with respect to the surface of the sample, and the sample based on a detection signal output by the displacement detecting mechanism. And control means for controlling the distance between the probe and the probe to be maintained at a reference distance, wherein the surface is maintained at the reference distance between the probe and the sample at each of a plurality of sampling positions. A scanning probe microscope for measuring the surface by scanning the probe with the probe, comprising: an approach / retreat drive device for approaching / retreating the probe with respect to the surface of the sample at the sampling position; Approach / retreat of the probe by the approach / retreat drive device at each of the plurality of sampling positions, while continuing to control the distance between the sample and the probe based on the servo control system by It performed, scanning probe microscope and obtaining the data at the sampling location.
【請求項2】 前記探針による前記試料の表面の走査を
広域的に行わせる移動機構を備えることを特徴とする請
求項1記載の走査型プローブ顕微鏡。
2. The scanning probe microscope according to claim 1, further comprising a moving mechanism for scanning the surface of the sample by the probe in a wide area.
【請求項3】 前記移動機構は、前記試料を搭載し、前
記試料を試料表面に平行な方向にmmの長さ単位で移動
させる試料ステージであることを特徴とする請求項2記
載の走査型プローブ顕微鏡。
3. The scanning type according to claim 2, wherein the moving mechanism is a sample stage on which the sample is mounted, and the sample is moved by a length of mm in a direction parallel to the sample surface. Probe microscope.
【請求項4】 前記探針は高アスペクト比を有する探針
であり、前記探針はアスクペクト比の高い前記試料の表
面を測定することを特徴とする請求項1記載の走査型プ
ローブ顕微鏡。
4. The scanning probe microscope according to claim 1, wherein the probe is a probe having a high aspect ratio, and the probe measures a surface of the sample having a high aspect ratio.
【請求項5】 試料の表面に臨む探針と、前記試料の表
面に対する前記探針の高さ方向の変位を検出する変位検
出機構と、この変位検出機構が出力する検出信号に基づ
いて前記試料と前記探針の間の距離が基準距離に保持さ
れるように制御する制御手段とを備え、複数のサンプリ
ング位置の各々で前記探針と前記試料の間を前記基準距
離に保持しながら前記表面を前記探針で走査して前記表
面を測定する走査型プローブ顕微鏡において、 前記探針による前記試料の表面の走査を[広域的に]行
わせる移動機構と、 前記探針を前記試料の表面に対する高さ方向に変位させ
る圧電素子と、 前記基準距離を決める電圧信号を与える基準距離設定手
段と、 前記サンプリング位置で前記探針を前記試料の表面に対
して接近・退避させる電圧信号を与える接近・退避信号
供給手段と、 前記基準距離を決める電圧信号と前記接近・退避の電圧
信号を合成する合成手段と、 前記合成手段の出力する電圧信号と前記検出信号との差
を算出し、偏差信号を出力する減算手段とを備え、 前記制御手段は、前記偏差信号に基づいて制御用電圧信
号を生成し、この電圧信号を前記圧電素子に印加してそ
の伸縮動作を制御するようにしたことを特徴とする走査
型プローブ顕微鏡。
5. A probe facing a surface of a sample, a displacement detecting mechanism for detecting a displacement of the probe in a height direction with respect to the surface of the sample, and the sample based on a detection signal output by the displacement detecting mechanism. And control means for controlling the distance between the probe and the probe to be maintained at a reference distance, wherein the surface is maintained at the reference distance between the probe and the sample at each of a plurality of sampling positions. A scanning mechanism for scanning the surface of the sample by the probe [in a wide area], and moving the probe to the surface of the sample. A piezoelectric element to be displaced in the height direction; reference distance setting means for providing a voltage signal for determining the reference distance; and providing a voltage signal for moving the probe toward and away from the surface of the sample at the sampling position. Approaching / evacuating signal supply means; synthesizing means for synthesizing the voltage signal for determining the reference distance and the approaching / evacuating voltage signal; calculating a difference between the voltage signal output from the synthesizing means and the detection signal; A subtraction unit that outputs a signal, wherein the control unit generates a control voltage signal based on the deviation signal, and applies the voltage signal to the piezoelectric element to control the expansion and contraction operation. A scanning probe microscope characterized by the following.
【請求項6】 前記移動機構は、前記探針による試料表
面走査を広域的に行わせる機構であることを特徴とする
請求項5記載の走査型プローブ顕微鏡。
6. The scanning probe microscope according to claim 5, wherein the moving mechanism is a mechanism for performing the scanning of the sample surface by the probe in a wide area.
【請求項7】 前記探針は高アスペクト比を有する探針
であり、前記探針はアスクペクト比の高い前記試料の表
面を測定することを特徴とする請求項5記載の走査型プ
ローブ顕微鏡。
7. The scanning probe microscope according to claim 5, wherein the probe is a probe having a high aspect ratio, and the probe measures a surface of the sample having a high aspect ratio.
【請求項8】 前記制御手段は、測定のための前記高さ
方向のサーボ制御を継続したまま、測定を行うサンプリ
ング位置で前記探針を前記試料の表面に対して接近・退
避させ、或るサンプリング位置から次のサンプリング位
置へ移動するとき退避状態に保持することを特徴とする
請求項5〜7のいずれか1項に記載の走査型プローブ顕
微鏡。
8. The control means moves the probe toward and away from the surface of the sample at the sampling position where the measurement is performed while continuing the servo control in the height direction for measurement. The scanning probe microscope according to any one of claims 5 to 7, wherein the scanning probe microscope is held in a retracted state when moving from a sampling position to a next sampling position.
【請求項9】 前記接近・退避信号供給手段が出力する
前記接近・退避の電圧信号は周期的に発生するパルス信
号であることを特徴とする請求項5〜7のいずれか1項
に記載の走査型プローブ顕微鏡。
9. The method according to claim 5, wherein the approach / retreat voltage signal output by the approach / retreat signal supply means is a pulse signal generated periodically. Scanning probe microscope.
【請求項10】 前記移動機構は、前記試料を搭載し、
前記試料を試料表面に平行な方向にmmの長さ単位で移
動させる試料ステージであることを特徴とする請求項6
記載の走査型プローブ顕微鏡。
10. The moving mechanism mounts the sample,
7. A sample stage for moving the sample by a length of mm in a direction parallel to the sample surface.
A scanning probe microscope as described.
【請求項11】 前記圧電素子の伸縮による変位を検出
する変位計を設け、この変位計の出力する信号に基づい
て前記試料の表面凹凸を測定することを特徴とする請求
項6〜10のいずれか1項に記載の走査型プローブ顕微
鏡。
11. The apparatus according to claim 6, further comprising a displacement meter for detecting a displacement due to expansion and contraction of the piezoelectric element, and measuring a surface unevenness of the sample based on a signal output from the displacement meter. The scanning probe microscope according to claim 1 or 2.
【請求項12】 試料の表面に臨む探針と、前記試料の
表面に対する前記探針の高さ方向の変位を検出する変位
検出機構と、この変位検出機構が出力する検出信号に基
づいて前記試料と前記探針の間の距離が基準距離に保持
されるように制御する制御手段とを備え、複数のサンプ
リング位置の各々で前記探針と前記試料の間を前記基準
距離に保持しながら前記表面を前記探針で走査して前記
表面を測定する走査型プローブ顕微鏡において、 前記探針による前記試料の表面の走査を行わせる移動機
構と、 前記サンプリング位置でサーボ制御系に基づき前記試料
の表面に対する前記探針の高さ方向の位置を前記基準距
離に一致させる圧電素子と、 前記サンプリング位置で前記探針を前記試料の表面に接
近させ、前記サンプリング位置の間の移動では前記探針
を前記試料の表面から退避させる接近・退避駆動装置と
を備え、 前記サーボ制御系に基づき前記試料と前記探針の間の距
離に関する制御を継続したまま、複数の前記サンプリン
グ位置の各々で前記接近・退避駆動装置によって前記探
針の前記接近・退避を行い、前記サンプリング位置でデ
ータを取得することを特徴とする走査型プローブ顕微
鏡。
12. A probe facing a surface of a sample, a displacement detection mechanism for detecting a displacement of the probe in a height direction with respect to the surface of the sample, and the sample based on a detection signal output by the displacement detection mechanism. And control means for controlling the distance between the probe and the probe to be maintained at a reference distance, wherein the surface is maintained at the reference distance between the probe and the sample at each of a plurality of sampling positions. In the scanning probe microscope for measuring the surface by scanning with the probe, a moving mechanism for performing the scanning of the surface of the sample by the probe, and the sampling position with respect to the surface of the sample based on a servo control system A piezoelectric element that matches the position in the height direction of the probe with the reference distance; and bringing the probe close to the surface of the sample at the sampling position, and moving the probe between the sampling positions. Comprises an approach / retreat drive device for retreating the probe from the surface of the sample, while maintaining control on the distance between the sample and the probe based on the servo control system, a plurality of the sampling positions A scanning probe microscope, wherein the approach / retreat driving device performs approach / retreat of the probe and acquires data at the sampling position.
【請求項13】 前記移動機構は、前記探針による試料
表面走査を広域的に行わせる機構であることを特徴とす
る請求項12記載の走査型プローブ顕微鏡。
13. The scanning probe microscope according to claim 12, wherein the moving mechanism is a mechanism for scanning the surface of the sample by the probe in a wide area.
【請求項14】 前記探針は高アスペクト比を有する探
針であり、前記探針はアスクペクト比の高い前記試料の
表面を測定することを特徴とする請求項12記載の走査
型プローブ顕微鏡。
14. The scanning probe microscope according to claim 12, wherein the probe is a probe having a high aspect ratio, and the probe measures a surface of the sample having a high aspect ratio.
【請求項15】 前記接近・退避駆動装置は圧電素子で
あることを特徴とする請求項12〜14のいずれか1項
に記載の走査型プローブ顕微鏡。
15. The scanning probe microscope according to claim 12, wherein the approach / retreat driving device is a piezoelectric element.
【請求項16】 前記移動機構は、前記試料を搭載し、
前記試料を試料表面に平行な方向にmmの長さ単位で移
動させる試料ステージであることを特徴とする請求項1
3記載の走査型プローブ顕微鏡。
16. The moving mechanism mounts the sample,
2. A sample stage for moving the sample by a length of mm in a direction parallel to the sample surface.
3. The scanning probe microscope according to 3.
【請求項17】 前記圧電素子の伸縮による変位を検出
する変位計を設け、この変位計の出力する信号に基づい
て前記試料の表面凹凸を測定することを特徴とする請求
項12〜16のいずれか1項に記載の走査型プローブ顕
微鏡。
17. A device according to claim 12, further comprising a displacement meter for detecting a displacement caused by expansion and contraction of said piezoelectric element, and measuring surface irregularities of said sample based on a signal output from said displacement meter. The scanning probe microscope according to claim 1 or 2.
【請求項18】 試料の表面に臨む探針を前記表面に対
する高さ方向に変位させる圧電素子と、前記探針の高さ
方向の変位を検出する変位検出機構と、この変位検出機
構が出力する検出信号に基づいて前記試料と前記探針の
間の距離が基準距離に保持されるように制御する制御手
段とを備え、複数のサンプリング位置の各々で前記探針
と前記試料の間を前記基準距離に保持しながら前記表面
を前記探針で走査して前記表面を測定する走査型プロー
ブ顕微鏡の測定方法において、 前記制御手段によるサーボ制御系に基づき前記試料と前
記探針の間の距離に関する制御を継続したまま、複数の
サンプリング位置の各々で前記探針の前記接近・退避を
行い、前記サンプリング位置でデータを取得することを
特徴とする走査型プローブ顕微鏡の測定方法。
18. A piezoelectric element for displacing a probe facing a surface of a sample in a height direction with respect to the surface, a displacement detecting mechanism for detecting a displacement of the probe in a height direction, and an output from the displacement detecting mechanism. Control means for controlling the distance between the sample and the probe based on the detection signal so as to be maintained at a reference distance, and the reference between the probe and the sample at each of a plurality of sampling positions. In a measuring method of a scanning probe microscope for measuring the surface by scanning the surface with the probe while maintaining the distance, controlling a distance between the sample and the probe based on a servo control system by the control means. Measuring the scanning probe microscope, wherein the approach and retreat of the probe is performed at each of a plurality of sampling positions while acquiring the data at the sampling positions. .
【請求項19】 前記圧電素子の伸縮動作について測定
状態を維持するサーボ制御系のループで、前記基準距離
を決める電圧信号に対して、前記探針を前記試料の表面
に対して接近・退避させる電圧信号を重畳することを特
徴とする請求項18記載の走査型プローブ顕微鏡の測定
方法。
19. A loop of a servo control system for maintaining a measurement state of the expansion and contraction operation of the piezoelectric element, wherein the probe approaches and retreats from the surface of the sample in response to a voltage signal that determines the reference distance. 19. The measuring method for a scanning probe microscope according to claim 18, wherein a voltage signal is superimposed.
【請求項20】 前記探針の接近・退避の動作を行う駆
動および制御の機構を、前記前記サーボ制御系には含ま
れない別の独立機構として備えることを特徴とする請求
項18記載の走査型プローブ顕微鏡の測定方法。
20. The scanning device according to claim 18, wherein a drive and control mechanism for performing an approach / retreat operation of the probe is provided as another independent mechanism not included in the servo control system. Method of scanning probe microscope.
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