JP2001249067A - Device and method for performing contour scanning by use of scanning probe microscope - Google Patents

Device and method for performing contour scanning by use of scanning probe microscope

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JP2001249067A
JP2001249067A JP2001005529A JP2001005529A JP2001249067A JP 2001249067 A JP2001249067 A JP 2001249067A JP 2001005529 A JP2001005529 A JP 2001005529A JP 2001005529 A JP2001005529 A JP 2001005529A JP 2001249067 A JP2001249067 A JP 2001249067A
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JP
Japan
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probe tip
probe
along
amplitude
vibration
Prior art date
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Pending
Application number
JP2001005529A
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Japanese (ja)
Inventor
Chen Don
ドン・チェン
M Hammond James
ジェームス・エム・ハモンド
G Roseler Kenneth
ケニス・ジー・ロースラー
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International Business Machines Corp
Original Assignee
International Business Machines Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a device and method for performing contour scanning by use of a scanning probe microscope. SOLUTION: A scanning probe tip 130 mounted to a cantilever 132 is oscillated at an exciting frequency in the Z-direction and simultaneously dithered at a dithering frequency so as to draw a circular pattern in a plane vertical to the Z-direction. The dithering frequency is far lower than the exciting frequency. As the probe tip approaches a sidewall 153 on the surface of a sample 135, the oscillation of the probe tip in the Z-direction is modulated at the dithering frequency. A phase angle θ between the modulation and one signal to drive the probe tip in a circular pattern is used to determine the angle of a normal 190 from the side wall 153 to the center of the circular pattern. As a direction to be applied is locally specified by a tangential line vertical to the normal 190, it is possible to make the probe tip scan along the contour line of the sidewall 153.

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】関連出願の相互参照本願は、
本願と同じ譲受人に譲渡され、この記述により参照によ
って本明細書に組み込まれる、1998年7月29日に
出願された、「Apparatus and Methodfor Determining
Side Wall Profiles Using a Scanning Probe Microsco
pe Having a Probe Dithered in Lateral Directions」
と題する同時係属出願第08/124302号に関連す
る。この同時係属出願には、走査中のサンプルの表面全
体と平行な平面内のディザリング運動をプローブ先端に
加える装置が記載されている。プローブ先端を、この平
面に沿ってX方向またはY方向に、あるいは走査を行う
平面に対して垂直なZ方向に励起振動を加えて形成され
る走査線に沿って走査させる。第1の動作モードでは、
このディザリング振動が、走査を行う線に沿ってプロー
ブ先端に加えられる。第2の動作モードでは、プローブ
先端がディザリングによって円運動し、これを使用し
て、サンプル表面に沿って壁面が延びる方向を識別す
る。第3の動作モードでは、プローブ先端をX方向およ
びY方向に異なる振動数でディザリングさせ、壁面のこ
の方向を識別する。各モードでは、この方向を識別した
後で、プローブがその壁面に沿って真っ直ぐ上または下
に進み、壁面の形状の正確な輪郭を得る。
BACKGROUND OF THE INVENTION Cross Reference of Related Applications
Apparatus and Method for Determining, filed July 29, 1998, assigned to the same assignee as the present application and incorporated herein by reference.
Side Wall Profiles Using a Scanning Probe Microsco
pe Having a Probe Dithered in Lateral Directions ''
And co-pending application Ser. No. 08/124302. This co-pending application describes an apparatus for applying dithering motion to a probe tip in a plane parallel to the entire surface of a sample being scanned. The probe tip is caused to scan along a scanning line formed by applying excitation vibration in the X direction or the Y direction along this plane, or in the Z direction perpendicular to the scanning plane. In the first mode of operation,
This dithering vibration is applied to the probe tip along the scanning line. In a second mode of operation, the probe tip makes a circular motion by dithering and is used to identify the direction in which the wall extends along the sample surface. In a third mode of operation, the probe tip is dithered at different frequencies in the X and Y directions to identify this direction on the wall. In each mode, after identifying this direction, the probe will go straight up or down along the wall to get a precise contour of the wall shape.

【0002】また、本願は、本願と同じ譲受人に譲渡さ
れ、この記述により参照によって本明細書に組み込まれ
る、1998年9月4日に出願された、「A Scanning F
orceMicroscope with Automatic Surface Engagement a
nd Improved Amplitude Demodulation」と題する同時係
属出願第09/072230号にも関連する。この出願
には、走査プローブ用の自動表面係合機構が、そのよう
な顕微鏡のための振幅復調装置とともに記載されてい
る。
[0002] This application is also a part of "A Scanning F," filed on September 4, 1998, assigned to the same assignee as the present application and incorporated herein by reference.
orceMicroscope with Automatic Surface Engagement a
No. 09/072230, entitled "nd Improved Amplitude Demodulation". In this application, an automatic surface engagement mechanism for a scanning probe is described, along with an amplitude demodulator for such a microscope.

【0003】[0003]

【従来の技術】従来の走査型プローブ顕微鏡では、走査
動作中にプローブがサンプル表面に沿って移動する際
に、片持ちばりの遠位端に取り付けられたプローブを、
片持ちばりの固有振動数に近い励起振動数で測定中のサ
ンプルの表面に対して基本的に垂直な方向に振動させ
る。サンプル表面の高さに変化が現れると、先端の振動
する振幅が変化し、プローブの振動振幅が所定レベルに
戻るまで、先端の近位端がサンプル表面に向かって、ま
たはそこから離れるように運動する。
2. Description of the Related Art In a conventional scanning probe microscope, a probe attached to a distal end of a cantilever is moved when the probe moves along a sample surface during a scanning operation.
The sample is vibrated at an excitation frequency close to the natural frequency of the cantilever in a direction basically perpendicular to the surface of the sample being measured. As the height of the sample surface changes, the tip's oscillating amplitude changes, and the tip's proximal end moves toward or away from the sample surface until the probe's oscillation amplitude returns to a predetermined level. I do.

【0004】このように、従来技術の走査型プローブ顕
微鏡を使用してサンプル表面の地形を調べることは、例
えば北と南の間に延びる一連の平行な経路のみに沿って
移動することによって地球の地形を調べるようなもので
ある。地球の一部、またそれと同様にいくつかのサンプ
ル表面では、このタイプの移動は有効である。しかし、
地球のいくつかの部分では、山などの構造の周りを進む
ことができ、かつこうした構造を調べようとするときに
は、離間したいくつかの水平方向経路でその構造に沿っ
て進む、またはその構造の周りを進むことができると特
に便利である。走査型プローブ顕微鏡の分野では、直立
した構造および下方に延びる構造の位置を突きとめ、あ
る増分距離だけ垂直方向に離間したいくつかの輪郭線を
形成するかたちでそれらの周りを進む方法が必要とされ
ている。
Thus, examining the topography of the surface of a sample using a prior art scanning probe microscope, for example, involves moving the earth along only a series of parallel paths extending between north and south, thereby estimating the earth's surface. It's like examining the terrain. This type of movement is effective on parts of the earth, as well as on some sample surfaces. But,
Some parts of the globe can travel around structures such as mountains, and when examining such structures, they may follow or follow several separate horizontal paths. It is particularly convenient to be able to move around. In the field of scanning probe microscopy, there is a need for a way to locate upright and downwardly extending structures and to move around them in a number of contours that are vertically spaced by an incremental distance. Have been.

【0005】図1は、サンプル表面1のトレンチを、サ
ンプル表面1の表面の特徴を決定するために従来の走査
型プローブ顕微鏡で使用される非常に鋭いプローブ先端
2とともに示す横断面図である。このプローブ先端2
は、測定中のサンプルの表面1全体に対して垂直な一般
に「Z方向」と呼ばれる方向に振動し、プローブ2とサ
ンプル表面1の間の相対運動は、サンプル表面に沿っ
て、図示のX方向などの走査方向に起こる。所定の走査
動作の終了時に、プローブとサンプルの間の相対運動
は、サンプル表面に沿って走査方向に対して垂直な方向
に起こる。この運動は、その前の走査線と平行な新しい
走査線を開始するために使用され、したがってサンプル
表面の所定部分はラスタ・パターンで横切られることに
なる。走査型力顕微鏡では、プローブ先端2は、片持ち
ばりの遠位端に固定され、片持ちばりの近位端はZ方向
に一定の振幅と振動数で振動する。こうした条件下で
は、その結果生じる先端2の振動の振幅は、プローブ先
端2とサンプル表面1の間の係合のレベルによって決ま
る。したがって、サーボ・ループを確立して片持ちばり
の近位端をZ方向に動かし、プローブ先端2の振動の振
幅を一定に維持する。その結果生じる片持ちばりの近位
端の運動は、プローブがX方向に走査する際にZ方向に
起こるサンプルの振動に従うので、この運動を引き起こ
すためにサーボ・ループ中で生成される駆動信号は、サ
ンプル表面2のZ方向の振動を表す信号として記憶され
る。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a trench in a sample surface 1 with a very sharp probe tip 2 used in a conventional scanning probe microscope to determine surface features of the sample surface 1. This probe tip 2
Oscillates in a direction commonly referred to as the "Z-direction" perpendicular to the entire surface 1 of the sample being measured, and the relative motion between the probe 2 and the sample surface 1 moves along the sample surface along the illustrated X-direction. And so on in the scanning direction. At the end of a given scanning operation, the relative movement between the probe and the sample takes place along the sample surface in a direction perpendicular to the scanning direction. This movement is used to start a new scan line parallel to the previous scan line, so that a given portion of the sample surface will be traversed in a raster pattern. In a scanning force microscope, the probe tip 2 is fixed to the distal end of a cantilever, and the proximal end of the cantilever oscillates at a constant amplitude and frequency in the Z direction. Under these conditions, the amplitude of the resulting vibration of the tip 2 depends on the level of engagement between the probe tip 2 and the sample surface 1. Thus, a servo loop is established to move the proximal end of the cantilever in the Z direction to keep the amplitude of the probe tip 2 vibration constant. Since the resulting movement of the proximal end of the cantilever follows the sample oscillations that occur in the Z direction as the probe scans in the X direction, the drive signal generated in the servo loop to cause this movement is , Is stored as a signal representing the vibration of the sample surface 2 in the Z direction.

【0006】この従来の方法は、比較的緩やかな上向き
および下向きの傾斜があるいくつかのタイプのサンプル
表面を調べるには有効であるが、図1のトラフ6などの
リッジおよびトラフのある表面を調べるために使用した
ときには、深刻な限界が現れる。プローブ先端2がサン
プル表面1の形状に従うために上方または下方に運動す
ることができる傾斜角は、プローブの振動がZ方向のみ
であること、およびプローブの物理的形状によって制限
される。図1の例では、X方向に進行するプローブ先端
2は、最初に切下げ壁面10の上側縁部8と接触する。
振動のパターンの変化は、プローブ先端2とサンプル表
面1の間の接触が増大していることを示すので、先端2
は、縁部8と接触したまま上方に移動する。こうして、
切下げ壁面10の実際の形状は、表面10の測定として
使用されるプローブ先端2の運動には反映されない。
While this conventional method is useful for examining some types of sample surfaces that have relatively gentle upward and downward slopes, surfaces with ridges and troughs, such as trough 6 in FIG. When used to examine, serious limitations appear. The tilt angle at which the probe tip 2 can move up or down to follow the shape of the sample surface 1 is limited by the fact that the probe vibrates only in the Z direction and the physical shape of the probe. In the example of FIG. 1, the probe tip 2 that advances in the X direction first contacts the upper edge 8 of the cut-down wall surface 10.
A change in the vibration pattern indicates that the contact between the probe tip 2 and the sample surface 1 is increasing,
Move upward while in contact with the edge 8. Thus,
The actual shape of the undercut wall 10 is not reflected in the movement of the probe tip 2 used as a measurement of the surface 10.

【0007】さらに、この従来の方法では、走査方向へ
の運動を続行しながら壁面を越えるのに十分に速くプロ
ーブ2を上昇させることができない場合に、プローブ先
端2と上向きに延びる壁面表面の間で「クラッシュ」が
起こる可能性も生じる。こうした事態は、プローブ2お
よびサンプル表面1の双方を破損させるものと予想され
る。
Furthermore, in this conventional method, if the probe 2 cannot be raised fast enough to cross the wall surface while continuing the movement in the scanning direction, the probe tip 2 and the upwardly extending wall surface surface cannot be moved. There is also the possibility that a "crash" will occur. Such a situation is expected to damage both the probe 2 and the sample surface 1.

【0008】したがって、図1の従来の方法を考慮する
ときには、壁面の傾斜角に変動があってもプローブ先端
がサンプル表面をたどることができるようにし、プロー
ブ先端と上向きに延びる表面の間のクラッシュを防止す
る方法が必要である。
Therefore, when considering the conventional method of FIG. 1, the probe tip can follow the sample surface even when the inclination angle of the wall fluctuates, and the crash between the probe tip and the upwardly extending surface can be achieved. There is a need for a way to prevent this.

【0009】図1の従来の方法の限界に鑑みて、走査型
プローブ顕微鏡を使用して壁面のプロフィルを測定する
ために、特許文献に記載されたいくつかの方法が開発さ
れている。
In view of the limitations of the conventional method of FIG. 1, several methods described in the patent literature have been developed for measuring wall profiles using a scanning probe microscope.

【0010】例えば、Nyyssonenの米国特許第5186
041号には、サンプルに対して相対的に運動するプロ
ーブで検査するサンプル中のトレンチの深さおよび幅を
測定するための測定システムが記載されている。このシ
ステムは、トレンチの底部を形成する表面およびトレン
チの側壁に対する、プローブの近さを検出する。このシ
ステムは、プローブとサンプルの相対位置を、出力信号
に関連して垂直方向および水平方向に調節する。
For example, US Patent No. 5,186, Nysssonen.
No. 041 describes a measurement system for measuring the depth and width of a trench in a sample to be examined with a probe that moves relative to the sample. The system detects the proximity of the probe to the surface forming the bottom of the trench and the sidewall of the trench. The system adjusts the relative position of the probe and sample vertically and horizontally relative to the output signal.

【0011】図2は、米国特許第5196041号に記
載の、米国特許第5196041号に記載の、トレンチ
の深さおよび幅を検出するための3つの突起を有するプ
ローブ12の側面図である。第1の突起14は下向きに
延び、トレンチの底部を検出する。側方突起16は、ト
レンチの幅方向にプローブから反対向きに延び、トレン
チの側壁を検出する。このプローブ12と連動した装置
は、プローブをZ方向またはX方向に振動させる手段、
ならびにZ方向およびX方向の振動を測定するための干
渉装置(interferometric apparatus)を有する。
FIG. 2 is a side view of a probe 12 described in US Pat. No. 5,196,041 and having three protrusions for detecting the depth and width of a trench. The first protrusion 14 extends downward and detects the bottom of the trench. The lateral protrusion 16 extends in the opposite direction from the probe in the width direction of the trench, and detects the side wall of the trench. The device interlocked with the probe 12 includes means for vibrating the probe in the Z direction or the X direction,
And an interferometric apparatus for measuring vibrations in the Z and X directions.

【0012】図3は、トレンチを測定するために使用さ
れる図2のプローブの運動を示す破線22とともにトレ
ンチ20を含むサンプル表面18を示す横断面図であ
る。トレンチの両側の表面の高さを地点24で測定した
後で、プローブ先端12は、Z方向に振動しながら下向
きに駆動され、中心地点26でトレンチの深さを測定す
る。次に、プローブ12は増分距離だけ上向きに移動
し、地点30で測定を行う間プローブをX方向に振動さ
せながら、対向する側壁28のそれぞれに対して交互に
駆動される。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the sample surface 18 including the trench 20 with dashed lines 22 showing the movement of the probe of FIG. 2 used to measure the trench. After measuring the height of the surface on either side of the trench at point 24, the probe tip 12 is driven downward while oscillating in the Z direction to measure the depth of the trench at a center point 26. Next, the probe 12 is moved upward by an incremental distance and alternately driven against each of the opposing side walls 28 while oscillating the probe in the X direction while taking a measurement at point 30.

【0013】Clabes他の米国特許第5321977号に
は、統合先端歪みセンサを表面のプロフィルを3次元で
決定するための単軸の原子間力顕微鏡(AFM)と組み
合わせて使用することが記載されている。片持ちばりの
ビームは、圧電膜歪みセンサをその上に付着させた統合
先端ステムを担持する。重なり合った4つの素子を備え
た圧電ジャケットが、先端ステム上に付着している。圧
電センサは、原子間力顕微鏡中のプローブの平面に対し
て垂直な平面内で機能する。すなわち、先端が側壁表面
と接触すると、先端の変更が引き起こされ、それに応じ
て、比例した電気出力が生じる。標準的な単軸AFMの
先端に結合されたこの先端歪みセンサにより、破局的な
先端のクラッシュを回避しながら3次元測定が可能とな
る。
No. 5,321,977 to Clabes et al. Describes the use of an integrated tip strain sensor in combination with a uniaxial atomic force microscope (AFM) for determining surface profiles in three dimensions. I have. The cantilever beam carries an integrated tip stem with a piezoelectric film strain sensor deposited thereon. A piezoelectric jacket with four overlapping elements is deposited on the tip stem. Piezoelectric sensors work in a plane perpendicular to the plane of the probe in an atomic force microscope. That is, when the tip contacts the sidewall surface, the tip is altered and a proportional electrical output is generated accordingly. This tip strain sensor coupled to the tip of a standard single axis AFM allows for three-dimensional measurements while avoiding catastrophic tip crashes.

【0014】Martin他の米国特許第5283442号お
よび第5347854号には、走査型力顕微鏡を使用し
てトレンチや筋(line)の側壁などの表面をプロファイ
リングするための方法および装置が記載されている。こ
の方法は、実時間測定した表面の局所的な傾斜に応じて
先端の位置を制御することにより、測定確度の改善をも
たらす。
US Pat. Nos. 5,283,442 and 5,347,854 to Martin et al. Describe a method and apparatus for profiling surfaces such as trenches and line sidewalls using a scanning force microscope. . This method provides improved measurement accuracy by controlling the position of the tip in response to the local slope of the surface measured in real time.

【0015】図4は、プローブ先端30の下側の角にあ
る突起34、36を米国特許第5283442号に記載
されるように使用してトレンチ40を含むサンプル表面
38のプロフィルを確立する、片持ちばり32から下向
きに延びる平坦なプローブ先端30を示す図である。
FIG. 4 illustrates the use of protrusions 34, 36 in the lower corner of probe tip 30 to establish a profile of sample surface 38 including trench 40, as described in US Pat. No. 5,283,442. FIG. 5 shows a flat probe tip 30 extending downward from a bolster 32.

【0016】図5は、レーザ干渉計によって検出され
る、図4のプローブ先端30のZ方向の振動を表すグラ
フである。より振動数の高い実際の振動は、曲線42で
示してある。曲線42の包絡線44は、先端の振動の振
幅を表し、これはプローブ先端30とサンプル表面38
が係合すると変動する。振動する先端30がプロファイ
リングする表面に近づくにつれて、先端と表面の間の力
の勾配(force gradient)が増大し、先端の振動の振幅
は減少する。測定中のサンプル表面が平坦かつX方向に
同じ高さである場合には、包絡線44は変動しない。表
面がX方向に傾斜している場合には、ディザリング振動
数での振動がこの方向に発生するので、振幅包絡線44
はディザリング振動数で変動する。ディザリング振動数
での包絡線44の変動の大きさは、サンプル表面の局所
的な傾斜を表す。
FIG. 5 is a graph showing the Z-direction vibration of the probe tip 30 of FIG. 4 detected by the laser interferometer. The actual higher frequency vibration is shown by curve 42. The envelope 44 of the curve 42 represents the amplitude of the tip vibration, which is the probe tip 30 and the sample surface 38.
Fluctuates when is engaged. As the oscillating tip 30 approaches the profiling surface, the force gradient between the tip and the surface increases and the amplitude of the tip oscillation decreases. If the sample surface under measurement is flat and at the same height in the X direction, the envelope 44 does not change. When the surface is inclined in the X direction, vibration at the dithering frequency occurs in this direction, so that the amplitude envelope 44
Varies with the dithering frequency. The magnitude of the variation of the envelope 44 with the dithering frequency is indicative of the local slope of the sample surface.

【0017】図6は、湾曲した表面46の形状をプロー
ブ先端30の突起34でたどるために米国特許第528
3442号の装置が行う一連の動作を表す図である。初
期地点47において、表面の法線は、Z軸に対して角度
αをなす矢印48で示してある。次いで、このシステム
は、矢印48で示す表面の法線に対して垂直な矢印50
で示す走査方向に沿って、地点52で終端する増分距離
だけプローブ先端を移動させる。この地点では、プロー
ブ先端は表面46から離れているので、プローブ先端3
0のZ方向の振動は、所定の制御値より大きい。したが
って、プローブ先端30は、表面46に隣接する地点5
4に向かって移動する。この移動は、特に次の測定地点
が記録されたときにトレンチの角で先端とサンプル表面
が接触する可能性を低下させるために、計算機システム
を援用して決定される角度θに沿って起こる。ここで、
先端の突起34は一般に、プロファイリング中の表面か
ら20〜50オングストロームしか離れていないことに
留意されたい。図5の曲線から決定される先端と表面の
係合および傾斜の測定結果を使用して表面46に沿って
プローブ先端を移動させて、このプロセスを繰り返す。
FIG. 6 shows a US Pat. No. 5,528,528 for following the shape of a curved surface 46 with the protrusion 34 of the probe tip 30.
FIG. 3 is a diagram illustrating a series of operations performed by the device of No. 3442. At the initial point 47, the surface normal is indicated by an arrow 48 that forms an angle α with the Z axis. The system then proceeds with an arrow 50 perpendicular to the surface normal indicated by arrow 48.
The tip of the probe is moved by an incremental distance ending at point 52 along the scan direction indicated by. At this point, since the probe tip is far from the surface 46, the probe tip 3
The vibration in the Z direction of 0 is larger than a predetermined control value. Therefore, the probe tip 30 is positioned at the point 5 adjacent the surface 46.
Move toward 4. This movement occurs along an angle θ determined with the aid of a computer system to reduce the possibility of the tip and sample surface contacting at the corner of the trench, especially when the next measurement point is recorded. here,
Note that the tip projection 34 is generally only 20-50 Å away from the surface being profiled. The process is repeated by moving the probe tip along surface 46 using the tip-to-surface engagement and tilt measurements determined from the curves of FIG.

【0018】米国特許第5283442号の装置では、
プローブ先端のZ軸およびX軸(走査方向)方向の振動
のレベルは、励起振動数とディザリング振動数の差を用
いて図5に示す単一の信号から分離されるが、米国特許
第5347854号の装置は、Z方向およびX方向の運
動を別個に検出し、これら2つの方向の振動を示す別個
の信号を提供する光検出器を含む。これらの別個の信号
の比を使用して、測定中のサンプル表面の局所的な傾斜
を決定する。
In the device of US Pat. No. 5,283,442,
The level of vibration in the Z-axis and X-axis (scan direction) directions of the probe tip is separated from the single signal shown in FIG. 5 using the difference between the excitation frequency and the dithering frequency, but US Pat. No. 5,347,854. The device includes a photodetector that separately detects movement in the Z and X directions and provides separate signals indicative of vibrations in these two directions. The ratio of these separate signals is used to determine the local slope of the sample surface being measured.

【0019】米国特許第5186041号および第53
21997号の装置および方法に関する1つの問題は、
横方向の走査運動が1つの走査方向にしか行われないこ
とから生じる。側壁を感知するために使用される横方向
に延びる突起も、この方向、またはそれと反対の方向に
延びる。したがって、基本的にこの走査方向に対して実
質上垂直でない平面内で上向きまたは下向きに延びる側
壁にプローブが衝突した場合には、プローブが側壁と接
触した状態で上向きまたは下向きに移動する速度は、そ
の側壁の傾斜の正確な画像を与えない。特に、側壁が基
本的に走査方向に対して垂直に延びているときに問題が
生じる。側壁と走査方向とが角度をなしていても側壁に
接触したことを示す同じタイプの指示を提供するように
成形されたプローブ先端、ならびにこの角度に関わらず
一様な接触が起こり、かつプローブが側壁と接触した後
で、側壁に沿って真っ直ぐに上または下に移動するよう
にプローブとサンプルの間で相対運動を引き起こす方法
が必要とされている。
US Pat. Nos. 5,186,041 and 53
One problem with the apparatus and method of US Pat.
This results from the fact that the lateral scanning movement takes place in only one scanning direction. Laterally extending protrusions used to sense the side walls also extend in this direction or the opposite. Therefore, if the probe collides with a side wall extending upward or downward in a plane that is not substantially perpendicular to the scanning direction, the speed at which the probe moves upward or downward in contact with the side wall is: It does not give an accurate picture of the slope of its side walls. In particular, a problem occurs when the side wall basically extends perpendicular to the scanning direction. A probe tip shaped to provide the same type of indication that the side wall and scan direction are in contact with the side wall even when at an angle, as well as uniform contact regardless of this angle, and There is a need for a method that causes relative movement between the probe and sample to move straight up or down along the sidewall after contacting the sidewall.

【0020】米国特許第5107114号および第55
89686号には、走査型プローブ顕微鏡のプローブ先
端が3つの方向全てに短い距離だけ運動する装置が記載
されている。
US Pat. Nos. 5,107,114 and 55
No. 89686 describes an apparatus in which the probe tip of a scanning probe microscope moves a short distance in all three directions.

【0021】特に、Nishioka他の米国特許第51071
14号には、3次元に変位可能な円筒形圧電素子を含む
原子間力顕微鏡用の微細走査機構が記載されている。円
筒形圧電素子の自由端は、X方向、Y方向、およびZ方
向に変位させることができる。第1のプローブは、円筒
形圧電素子の自由端に取り付けられる。バイモルフ圧電
素子も、円筒形圧電素子の自由端に取り付けられ、それ
自体はZ方向に一次元に変位可能である。片持ちばり
は、片持ちばりの自由端が第1のプローブの下に隣接し
て位置するように、バイモルフ圧電素子の自由端から延
びるように取り付けられる。第2のプローブは、片持ち
ばりの自由端から下向きに延び、サンプル表面と係合す
るように取り付けられる。静止サンプル・トレイは、第
2のプローブと対向するように配置される。この機構を
使用して、所定のパターンに従ってサンプルを横切るよ
うに、第1および第2のプローブをサンプル表面を横方
向に横切るように同期して走査させる。
In particular, Nishioka et al., US Pat.
No. 14 describes a fine scanning mechanism for an atomic force microscope including a cylindrical piezoelectric element capable of three-dimensional displacement. The free end of the cylindrical piezoelectric element can be displaced in the X, Y, and Z directions. The first probe is mounted on the free end of the cylindrical piezoelectric element. The bimorph piezoelectric element is also mounted on the free end of the cylindrical piezoelectric element and is itself displaceable in the Z direction in one dimension. The cantilever is mounted to extend from the free end of the bimorph piezo element such that the free end of the cantilever is located beneath the first probe and adjacent. A second probe extends downward from the free end of the cantilever and is mounted to engage the sample surface. The stationary sample tray is arranged to face the second probe. Using this mechanism, the first and second probes are synchronously scanned across the sample surface laterally across the sample according to a predetermined pattern.

【0022】サンプル表面中の壁面に近接した異常を感
知するのに適したプローブの形状を使用するすること、
ならびに第1および第2のプローブの円運動が達成され
るように円筒形圧電素子の様々なセクションにディザリ
ング信号を印加することが必要とされている。さらに、
プローブが面に沿って上または下に移動する際にこのよ
うな壁面に対して垂直な方向にプローブを横方向に運動
させる方法が必要とされている。このような運動によ
り、第2のプローブは、側壁の異常(side wallsof ano
malies)の存在を判定する際、およびこのような側壁の
形状を決定する際に特に効果的なかたちで運動すること
になる。さらに、サンプル表面中の壁面の急激な立上り
および立下りを検出し、これらをたどることができるよ
うに、走査方向にディザリング振動をもたらす手段が必
要とされている。
Using a probe geometry suitable for sensing anomalies close to a wall in the sample surface;
There is a need to apply dithering signals to various sections of the cylindrical piezoelectric element such that circular movement of the first and second probes is achieved. further,
What is needed is a way to move the probe laterally in a direction perpendicular to such walls as the probe moves up or down along the plane. Due to such a movement, the second probe causes a side wall of anodic
The exercise will be particularly effective in determining the presence of malies) and in determining the shape of such sidewalls. In addition, there is a need for a means for detecting dithering vibrations in the scanning direction so as to detect and trace the sudden rise and fall of the wall surface in the sample surface.

【0023】Oharaの米国特許第5589686号に
は、任意選択で(alternately)走査型トンネル顕微
鏡、原子間力顕微鏡、あるいは容量型(capacitive)ま
たは磁気力のフィールド感知システムとともに使用され
る感知プローブの位置のナノメートル・スケールの実時
間連続位置決めデータを生成する方法および装置が記載
されている。このシステムは、プローブに対して相対運
動する原子表面その他格子など周期的な起伏のある表面
からのプローブの距離および位置を測定するために使用
される。プローブと表面の間には、正弦電圧の制御下で
のプローブの急速振動による感知フィールドが存在し、
感知フィールド中の電流によって生成される出力正弦電
圧の位相および振幅を比較して、最も近い原子または表
面の起伏の頂点の方向および距離を示す位置信号を提供
する。望ましい場合には、位置信号をフィードバックし
て、プローブと表面の相対運動を制御する。
Ohara, US Pat. No. 5,589,686, discloses the location of a sensing probe for use with an alternately scanning tunneling microscope, an atomic force microscope, or a capacitive or magnetic force field sensing system. A method and apparatus for generating real-time continuous positioning data on the nanometer scale is described. This system is used to measure the distance and position of a probe from a periodically undulating surface, such as an atomic surface or other grating that moves relative to the probe. Between the probe and the surface there is a sensing field due to the rapid oscillation of the probe under the control of a sine voltage,
The phase and amplitude of the output sine voltage generated by the current in the sensing field are compared to provide a position signal indicating the direction and distance of the nearest atom or surface relief vertex. If desired, the position signal is fed back to control the relative movement of the probe and the surface.

【0024】したがって、米国特許第5589686号
の方法は、周期的な起伏のある試験サンプルの特徴を決
定するためにしか動作可能でない。別のタイプの試験サ
ンプルでは、この方法が必要とする正弦曲線の出力信号
を感知フィールドから生成しない。異常のある壁面表面
の特徴を、これらの壁面表面が未知の角度をなし、かつ
互いに未知の非周期的な距離だけ離れているときに決定
することができる方法が必要とされている。
Thus, the method of US Pat. No. 5,589,686 can only operate to determine the characteristics of a periodically undulating test sample. Another type of test sample does not generate the sinusoidal output signal required by this method from the sensed field. There is a need for a method that can determine the characteristics of abnormal wall surfaces when these wall surfaces form unknown angles and are separated from each other by an unknown aperiodic distance.

【0025】[0025]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
の問題を克服するための、走査型プローブ顕微鏡を用い
て輪郭走査を実行する装置および方法を提供することで
ある。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide an apparatus and method for performing a contour scan using a scanning probe microscope to overcome the above-mentioned problems.

【0026】[0026]

【課題を解決するための手段】本発明の第1の態様によ
れば、サンプル表面内の側壁の地形的特徴を測定する方
法が提供される。この方法は、サンプル表面と、第1の
方向に励起振動数で振動する片持ちばりに取り付けられ
たプローブ先端との間で相対運動を引き起こすことを含
み、この相対運動は、第1の所定の輪郭表面と側壁の交
線に沿って延びる輪郭経路に沿ってプローブ先端を移動
させるものであり、輪郭経路に沿ったプローブと側壁の
係合は、第1の方向に励起振動数で振動するプローブ先
端の測定された振幅の変動に応じた範囲内で保持され
る。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a method for measuring topographical features of sidewalls within a sample surface. The method includes causing relative movement between a sample surface and a probe tip mounted on a cantilever beam that vibrates at an excitation frequency in a first direction, the relative movement comprising a first predetermined motion. A probe tip is moved along a contour path extending along the intersection of the contour surface and the side wall, wherein the engagement of the probe and the side wall along the contour path oscillates at an excitation frequency in a first direction. It is kept within a range corresponding to the variation of the measured amplitude of the tip.

【0027】この相対運動は、プローブ先端を、輪郭経
路に沿って第1の複数の直線線分中を移動させるもので
あり、第1の複数の直線線分はそれぞれ、プローブ先端
の振動の測定した振幅が所定の許容振動振幅範囲外にあ
ると判定されると終端する。この相対運動はまた、プロ
ーブ先端を輪郭経路に沿って第2の複数の直線線分中を
移動させるものであり、第2の複数の直線線分はそれぞ
れ、第1の複数の直線線分の隣接した直線線分間に延
び、第1の複数の直線線分はそれぞれ、輪郭経路に沿っ
て延びる線の局所接線に沿って延びる。
This relative movement moves the probe tip along a contour path in a first plurality of straight line segments, each of which measures the vibration of the probe tip. If it is determined that the detected amplitude is out of the predetermined allowable vibration amplitude range, the process ends. The relative movement also causes the probe tip to move along a contour path in a second plurality of straight line segments, each of the second plurality of straight line segments being the first plurality of straight line segments. Extending between adjacent straight line segments, each of the first plurality of straight line segments extends along a local tangent of a line extending along the contour path.

【0028】プローブ先端はさらに、プローブを前記平
面に沿って第2の方向にディザリングさせる第1の信号
によって、第1の方向に対して垂直な平面に沿ってディ
ザリング振動数で円形パターンを描いてディザリングす
る。ディザリング振動数での測定された振動振幅を変調
する信号と第1の信号との間で位相角が測定される。
The probe tip further includes a first signal that dithers the probe in a second direction along the plane, thereby forming a circular pattern at a dither frequency along a plane perpendicular to the first direction. Draw and dither. A phase angle is measured between the signal that modulates the measured vibration amplitude at the dither frequency and the first signal.

【0029】側壁に対して垂直な局所法線の角度を決定
する。局所法線は、ディザリング運動の中心を通って、
前記第1の方向に対して垂直な平面に沿って延び、局所
法線の角度は、位相角の関数として決定される。
Determine the angle of the local normal normal to the sidewall. The local normal passes through the center of the dithering motion,
The angle of the local normal extending along a plane perpendicular to the first direction is determined as a function of the phase angle.

【0030】[0030]

【発明の実施の形態】図7は、本発明に従って構築した
走査型力顕微鏡110の部分概略側面図である。装置1
10は、クランプされた端部114と自由端116の間
に延びる圧電アクチュエータ112を含む。自由端11
6は、X軸ドライバ118からの電圧信号に応答してX
軸方向に、Y軸ドライバ122からの電圧信号に応答し
て矢印120のY軸方向に、Z軸ドライバ126からの
電圧信号に応答して矢印124のZ軸方向に移動する。
自由端116はまた、励起ドライバ128からの発振電
圧信号に応答してZ軸方向に振動する。X軸ドライバ1
18、Y軸ドライバ122、およびZ軸ドライバ126
の出力は、信号分配回路129を介して圧電アクチュエ
ータ112の適当な電極に向けて送られる。
FIG. 7 is a partial schematic side view of a scanning force microscope 110 constructed in accordance with the present invention. Apparatus 1
10 includes a piezoelectric actuator 112 extending between a clamped end 114 and a free end 116. Free end 11
6 responds to a voltage signal from the X-axis driver 118,
It moves in the axial direction in the Y-axis direction of arrow 120 in response to a voltage signal from the Y-axis driver 122, and in the Z-axis direction of arrow 124 in response to a voltage signal from the Z-axis driver 126.
Free end 116 also oscillates in the Z-axis direction in response to an oscillating voltage signal from excitation driver 128. X-axis driver 1
18, Y-axis driver 122, and Z-axis driver 126
Is sent to an appropriate electrode of the piezoelectric actuator 112 via a signal distribution circuit 129.

【0031】図8および図9に関連して以下に述べる方
法では、x軸ドライバ118およびy軸ドライバ122
は、片持ちばり132および取付け板133によって圧
電アクチュエータ112の自由端116に取り付けられ
た表面感知用のプローブ先端130を円形ディザリング
・パターンで駆動するために使用される。この円運動
は、増幅器133bを介してX軸ドライバ118に入力
として印加される発振器133aの発振出力信号により
得られるものである。発振器133aの出力は、遅延回
路133cおよび増幅器133dを介して入力としてY
軸ドライバ122にも印加される。遅延回路133c
は、X軸駆動信号と適当な位相角の関係を有するY軸駆
動信号を導出し、これによりプローブの円運動を確立す
ることができる。
In the method described below with reference to FIGS. 8 and 9, the x-axis driver 118 and the y-axis driver 122
Is used to drive a probe tip 130 for surface sensing attached to the free end 116 of the piezoelectric actuator 112 by a cantilever 132 and a mounting plate 133 in a circular dithering pattern. This circular motion is obtained by an oscillation output signal of the oscillator 133a applied as an input to the X-axis driver 118 via the amplifier 133b. The output of the oscillator 133a is input as Y input through a delay circuit 133c and an amplifier 133d.
It is also applied to the axis driver 122. Delay circuit 133c
Derives a Y-axis drive signal having an appropriate phase angle relationship with the X-axis drive signal, thereby establishing circular motion of the probe.

【0032】システム稼働中に、プローブ先端130
は、発振器136から励起ドライバ128への発振信号
の印加により、サンプル135の表面134と係合した
状態で、矢印124のZ軸方向にも振動する。このプロ
ーブ先端130の振動は、発振器136の駆動周波数で
起こり、この振動数は、片持ちばり132の共振振動数
に近いがそれよりもいくらか高いことが好ましい。矢印
124のZ軸方向でのプローブ先端130の振動は、光
学手段を使用してプローブ先端130の運動を示す運動
信号を発生させるレーザ検出器138によって測定され
る。この光学手段は、例えば、ヘテロダイン干渉法を使
用して、プローブ先端130とともに運動する反射表面
139に向かって下向きに延びる光路長の変化を示す。
別法として、特定の光検出素子を照明した状態で、斜め
に入射したレーザ・ビームが反射表面139で反射され
レーザ検出器138内の光検出素子のアレイに当たる位
置を使用して、反射表面139の位置を決定する。いず
れの場合も、レーザ検出器138からの出力信号は、プ
ローブ先端130とともに運動する反射表面139の、
矢印124のZ軸方向の運動成分に基づいている。レー
ザ検出器138の出力は、駆動信号の範囲内の周波数を
含む出力信号は通し、この範囲より大幅に低い周波数は
通さない広域フィルタ140を介して駆動される。広域
フィルタ140からの出力信号は、レーザ検出器138
からの励起ドライバ128の励起振動数での先端の運動
信号の平均振動振幅を反映した出力信号を発生させる復
調器141への入力として提供される。
During operation of the system, the probe tip 130
Is also oscillated in the Z-axis direction of the arrow 124 in a state of being engaged with the surface 134 of the sample 135 by application of the oscillation signal from the oscillator 136 to the excitation driver 128. The vibration of the probe tip 130 occurs at the drive frequency of the oscillator 136, which is preferably close to, but somewhat higher than, the resonant frequency of the cantilever 132. The vibration of the probe tip 130 in the Z-axis direction of the arrow 124 is measured by a laser detector 138 that uses optical means to generate a motion signal indicative of the motion of the probe tip 130. This optical means exhibits a change in optical path length that extends downward toward a reflective surface 139 that moves with the probe tip 130, using, for example, heterodyne interferometry.
Alternatively, while illuminating a particular photodetector, the position at which the obliquely incident laser beam is reflected by the reflective surface 139 and impinges on the array of photodetectors in the laser detector 138 is used. Determine the position of. In either case, the output signal from the laser detector 138 will be reflected by a reflective surface 139 that moves with the probe tip 130.
It is based on the motion component of the arrow 124 in the Z-axis direction. The output of the laser detector 138 is driven through a wide-pass filter 140 that passes output signals that include frequencies within the range of the drive signal, but does not pass frequencies significantly below this range. The output signal from the wide-pass filter 140 is applied to the laser detector 138.
From the excitation driver 128 to generate an output signal that reflects the average vibration amplitude of the tip motion signal at the excitation frequency.

【0033】本発明の好ましい態様によれば、サンプル
135に加えられるXおよびY方向の走査運動は、プロ
ーブ先端130とサンプル表面134の間の係合レベル
を所定範囲内に維持するために使用される。この係合レ
ベルは、励起振動数での振動の平均振幅で示される。し
たがって、復調器141の出力は、比較回路142に入
力として提供される。これは、励起発振器136の周波
数範囲内の振動の平均振幅が所定範囲内であるか、この
所定範囲より大きいか、またはこの所定範囲より小さい
かを判定するために使用される。アナログ・デジタル変
換器143を介して駆動されるこの比較回路の出力は、
COMPARISON SIGNAL入力として計算機システム144に
印加される。計算機システム144は、デジタル・アナ
ログ変換器144aを介して比較回路142に入力とし
て提供される出力信号も生成する。この出力信号は、設
定値レベルおよび許容偏差レベルを比較回路142に与
え、これにより、復調器141からの出力信号は、それ
が設定値レベルと許容偏差レベルの合計より小さく、設
定値レベルと許容偏差レベルの差より大きい場合には、
所定範囲内であると判定される。COMPARISON SIGNALに
は3つのレベルがあり、第1のレベルは復調器141の
出力のレベルが所定範囲より低いことを示し、第2のレ
ベルはそのレベルが所定範囲内であることを示し、第3
のレベルはそのレベルが所定範囲より高いことを示すも
のである。
According to a preferred embodiment of the present invention, the scanning movement in the X and Y directions applied to sample 135 is used to maintain the level of engagement between probe tip 130 and sample surface 134 within a predetermined range. You. This engagement level is indicated by the average amplitude of the vibration at the excitation frequency. Therefore, the output of demodulator 141 is provided as an input to comparison circuit 142. This is used to determine whether the average amplitude of the oscillations within the frequency range of the excitation oscillator 136 is within, above, or below this predetermined range. The output of this comparison circuit driven via the analog to digital converter 143 is
It is applied to the computer system 144 as a COMPARISON SIGNAL input. Computer system 144 also generates an output signal that is provided as an input to comparison circuit 142 via digital-to-analog converter 144a. This output signal provides the set value level and the allowable deviation level to the comparison circuit 142, whereby the output signal from the demodulator 141 is smaller than the sum of the set value level and the allowable deviation level, If greater than the difference between the deviation levels,
It is determined that it is within the predetermined range. The COMPARISON SIGNAL has three levels, a first level indicates that the output level of the demodulator 141 is lower than a predetermined range, a second level indicates that the level is within a predetermined range, and a third level.
Indicates that the level is higher than a predetermined range.

【0034】計算機システム144は、メモリ145を
含み、このメモリは、ランダム・アクセス・メモリ回
路、ならびに実行されるプログラムを記憶し、またこの
プログラムの実行の結果として得られるデータを記憶す
るハード・ディスクを有することがある。表示装置14
6は、このデータを目に見えるようにする。プログラム
は、磁気ディスクなどの機械可読媒体147を介してロ
ードすることができる。
Computer system 144 includes memory 145, which is a random access memory circuit, as well as a hard disk that stores a program to be executed and data resulting from the execution of the program. In some cases. Display device 14
6 makes this data visible. The program can be loaded via a machine-readable medium 147 such as a magnetic disk.

【0035】輪郭走査プロセス中に、計算機システム1
44内で実行されるプログラムは、サンプル135のX
およびY方向の運動を制御するSCANNING MOTION DATA信
号を生成する。すなわち、SCANNING MOTION DATA信号
は、独立にXおよびY方向の運動を示すデジタル・エン
コードされたデータを含む。この信号は、デジタル・ア
ナログ変換器147に入力として印加され、このデジタ
ル・アナログ変換器が別個のXアナログ信号およびYア
ナログ信号を提供して走査運動ドライバ148を駆動
し、これが走査運動アクチュエータ149を駆動する。
During the contour scanning process, the computer system 1
The program executed in 44 is the X of sample 135
And a SCANNING MOTION DATA signal to control movement in the Y direction. That is, the SCANNING MOTION DATA signal includes digitally encoded data that independently indicates movement in the X and Y directions. This signal is applied as an input to a digital-to-analog converter 147, which provides separate X and Y analog signals to drive a scan motion driver 148, which drives a scan motion actuator 149. Drive.

【0036】計算機システム144は、Z-AXIS DRIVE D
ATA信号も生成し、この信号はアナログ・デジタル変換
器149aを介してZ軸ドライバ126を駆動するため
に使用される。この信号のレベルの変化は、例えば、連
続した輪郭走査と輪郭走査の間にプローブ130をZ方
向に運動させるために使用され、また、プローブ130
とサンプル表面の平坦部分の間の相対運動と合わせて使
用し、直立側壁を発見するために使用することもでき
る。
The computer system 144 is a Z-AXIS DRIVE D
It also generates an ATA signal, which is used to drive the Z-axis driver 126 via an analog-to-digital converter 149a. This change in signal level is used, for example, to move the probe 130 in the Z direction between successive contour scans, and
It can also be used in conjunction with the relative movement between and the flat portion of the sample surface and used to find upright sidewalls.

【0037】レーザ検出器138の出力はまた、この出
力信号の、発振器133aの出力として生成された円形
ディザリング信号の範囲内の周波数を有する部分は通す
が、この出力信号の、発振器136の出力を使用して生
成された励起振動の範囲内の周波数を有する部分は通さ
ない低域フィルタ150にも、入力として提供される。
低域フィルタの出力は、位相角復調器151に入力とし
て提供される。発振器133aの出力も、復調器151
に対する入力として提供され、これが、低域フィルタ1
50の出力と発振器133aの出力の間の位相角を示す
出力を提供する。位相角復調器151の出力は、アナロ
グ・デジタル変換器152を介して計算機システム14
4に入力として提供される。図8に関連して述べる方法
でこの位相角の関係を使用して、プローブ130と隣接
するサンプルの側壁153との間の角度関係を決定す
る。
The output of laser detector 138 also passes the portion of this output signal having a frequency within the range of the circular dither signal generated as the output of oscillator 133a, but the output signal of oscillator 136 Is also provided as an input to a low pass filter 150 that rejects portions having a frequency within the range of the excitation oscillations generated using.
The output of the low pass filter is provided as input to phase angle demodulator 151. The output of the oscillator 133a is also supplied to the demodulator 151.
Which is provided as an input to
An output is provided that indicates the phase angle between the output of Fifty and the output of oscillator 133a. The output of the phase angle demodulator 151 is supplied to the computer system 14 via an analog / digital converter 152.
4 is provided as input. This phase angle relationship is used in the manner described in connection with FIG. 8 to determine the angular relationship between the probe 130 and the side wall 153 of the adjacent sample.

【0038】図8は、圧電アクチュエータ112および
それと連動した駆動回路を示す部分概略等角図である。
圧電アクチュエータ112は、圧電材料で構成された中
空シリンダ155を含み、電圧を印加して様々な方法で
シリンダ155を偏向させるために、様々な表面に沿っ
て電極が延びている。中空シリンダ155の内側表面に
沿って延びる内側電極156には、大地電位が印加され
る。
FIG. 8 is a partially schematic isometric view showing the piezoelectric actuator 112 and a driving circuit associated therewith.
The piezoelectric actuator 112 includes a hollow cylinder 155 composed of a piezoelectric material, with electrodes extending along various surfaces to apply a voltage to deflect the cylinder 155 in various ways. A ground potential is applied to the inner electrode 156 extending along the inner surface of the hollow cylinder 155.

【0039】一般に、中空シリンダ155の外側表面の
周りに部分的に延びる電極に正電圧を印加すると、シリ
ンダのその電極に隣接する部分が圧縮され、このような
電極に不電圧を印加すると、シリンダのこの部分が拡張
する。本願では、付随する運動をZ方向には引き起こさ
ずに、XまたはYいずれかの走査方向にプローブ130
を運動させることができることが特に望ましい。したが
って、XまたはY方向の運動は、圧電アクチュエータ1
12の両側に、異極性の所定の電圧を印加することによ
って確立される。X軸駆動信号の異極性を得るために、
X軸ドライバ118の出力は符号変換器158を介して
供給され、この増幅器158の出力が、加算増幅器16
0に入力として印加される。この増幅器160の出力
は、−X電極162に印加される。X軸ドライバ118
の出力は、加算増幅器166を介して、−X電極162
とは正反対に位置する+X電極164にも供給される。
In general, when a positive voltage is applied to an electrode that extends partially around the outer surface of hollow cylinder 155, the portion of the cylinder adjacent to that electrode is compressed, and when a non-voltage is applied to such an electrode, the cylinder This part of expands. In the present application, the probe 130 is moved in either the X or Y scan direction without causing the associated movement in the Z direction.
It is particularly desirable to be able to exercise. Therefore, the movement in the X or Y direction is
12 is established by applying a predetermined voltage of opposite polarity to both sides. To obtain different polarities of the X-axis drive signal,
The output of the X-axis driver 118 is supplied via a code converter 158, and the output of the amplifier 158 is
0 is applied as an input. The output of the amplifier 160 is applied to the -X electrode 162. X-axis driver 118
Is output from the -X electrode 162 via a summing amplifier 166.
Is also supplied to the + X electrode 164 located exactly opposite to the above.

【0040】同様に、異極性のY軸駆動信号を得るため
に、Y軸ドライバ122の出力は符号変換器168を介
して供給され、この増幅器168の出力が加算増幅器1
70に入力として印加される。この増幅器170の出力
は、−Y電極172に印加される。Y軸ドライバ122
の出力は、加算増幅器176を介して、−Y電極172
とは正反対に位置する+Y電極174にも供給される。
Similarly, in order to obtain Y-axis drive signals of different polarities, the output of the Y-axis driver 122 is supplied via a code converter 168, and the output of this amplifier 168 is added to the summing amplifier 1
70 is applied as an input. The output of the amplifier 170 is applied to the -Y electrode 172. Y axis driver 122
Is output through a summing amplifier 176 to a −Y electrode 172.
Is supplied also to the + Y electrode 174 located exactly opposite to the above.

【0041】正電圧がX軸ドライバ118の出力として
与えられたときには、プローブ130は、矢印180の
X方向に偏向し、この偏向の距離は基本的にその正電圧
に比例する。これに対して、負電圧がX軸ドライバ11
8の出力として与えられたときには、プローブ130
は、矢印180のX方向とは反対の方向に偏向し、この
偏向の距離は基本的にその負電圧に比例する。同様に、
正電圧がY軸ドライバ122の出力として与えられたと
きには、プローブ130は、矢印120のY方向に偏向
し、この偏向の距離は基本的にその正電圧に比例する。
負電圧がY軸ドライバ122の出力として与えられたと
きには、プローブ130は、矢印120のY方向とは反
対の方向に偏向し、この偏向の距離は基本的にその負電
圧に比例する。
When a positive voltage is applied as the output of the X-axis driver 118, the probe 130 is deflected in the X direction of arrow 180, and the distance of this deflection is basically proportional to the positive voltage. On the other hand, the negative voltage is
8, the probe 130
Is deflected in the direction opposite to the X direction of arrow 180, and the distance of this deflection is essentially proportional to its negative voltage. Similarly,
When a positive voltage is provided as the output of the Y-axis driver 122, the probe 130 deflects in the Y direction of arrow 120, and the distance of this deflection is basically proportional to the positive voltage.
When a negative voltage is provided as the output of the Y-axis driver 122, the probe 130 deflects in a direction opposite to the Y direction of arrow 120, and the distance of this deflection is essentially proportional to the negative voltage.

【0042】全てのX電極およびY電極162、16
4、172、174に同時に正電圧が印加されたときに
は、圧電材料の中空シリンダ155は軸方向に圧縮さ
れ、プローブ130は矢印124のZ方向に上昇するこ
とになる。全てのX電極およびY電極162、164、
172、174に同時に負電圧が印加されたときには、
中空シリンダ155は軸方向に拡張し、プローブ130
は矢印124のZ方向とは反対の方向に降下することに
なる。したがって、Z軸ドライバ126からの出力信号
は、加算増幅器160、166、170、176を介し
て、これら全ての電極162、164、172、174
に印加される。
All X electrodes and Y electrodes 162, 16
When positive voltages are simultaneously applied to 4, 172, 174, the hollow cylinder 155 of piezoelectric material is compressed in the axial direction, and the probe 130 rises in the Z direction indicated by the arrow 124. All X and Y electrodes 162, 164,
When negative voltages are simultaneously applied to 172 and 174,
The hollow cylinder 155 extends in the axial direction and the probe 130
Falls in the direction opposite to the Z direction of arrow 124. Therefore, the output signal from the Z-axis driver 126 is supplied to all the electrodes 162, 164, 172, 174 via the summing amplifiers 160, 166, 170, 176.
Is applied to

【0043】励起ドライバ回路128からの発振電圧駆
動信号も、中空シリンダ155の一部分の周りに環状に
延びる励起電極184に印加され、プローブ130を矢
印124のZ方向に振動させる。励起ドライバ回路12
8から印加される励起電圧信号VEは、下記の数式1で
与えられる。測定中のサンプル表面の変動に対する走査
型プローブ顕微鏡の感度を最適化する従来の方法では、
パラメータωの値は、片持ちばりの強制振動がその共振
振動数付近で起こるように選択される。
An oscillating voltage drive signal from the excitation driver circuit 128 is also applied to the excitation electrode 184 that extends annularly around a portion of the hollow cylinder 155, causing the probe 130 to vibrate in the Z direction indicated by arrow 124. Excitation driver circuit 12
Excitation voltage signal V E applied from 8 is given by Equation 1 below. Conventional methods of optimizing the sensitivity of a scanning probe microscope to variations in the sample surface during a measurement include:
The value of the parameter ω is selected such that the forced oscillation of the cantilever occurs near its resonant frequency.

【数1】 E=Z0sin(ωt)(Equation 1) V E = Z 0 sin (ωt)

【0044】本発明によれば、プローブ130は、X軸
ドライバ122およびY軸ドライバ118から印加され
る信号によって、破線188で示すように円形のディザ
リング・パターンを描くように駆動されることが好まし
い。X軸駆動電圧VXは、下記の数式2で与えられる。
Y軸駆動電圧VYは、下記の数式3で与えられる。ディ
ザリング運動によって引き起こされる効果の検出を容易
にするために、パラメータΩの値は、プローブ130の
ディザリング運動が、励起ドライバ128を介してアク
チュエータ112に与えられる励起振動数よりはるかに
低い振動数で起こるように選択される。
According to the present invention, probe 130 can be driven by signals applied from X-axis driver 122 and Y-axis driver 118 to draw a circular dithering pattern as shown by dashed line 188. preferable. The X-axis drive voltage V X is given by the following equation (2).
The Y-axis drive voltage V Y is given by the following equation (3). To facilitate the detection of effects caused by dithering motion, the value of parameter Ω is such that the dithering motion of probe 130 is much lower than the excitation frequency applied to actuator 112 via excitation driver 128. Selected to happen.

【数2】VX=X0sinΩt## EQU2 ## V X = X 0 sinΩt

【数3】(Equation 3)

【0045】図8には、装置の動作の例示のために、サ
ンプル表面の検査中にプローブ130が通常突き当た
る、サンプル表面134上にある上向きに傾斜した壁面
153も示してある。
FIG. 8 also shows an upwardly sloping wall surface 153 on the sample surface 134 to which the probe 130 normally abuts during inspection of the sample surface, to illustrate the operation of the apparatus.

【0046】図9は、本発明の装置を介して同時に印加
および測定される様々な信号を示すグラフであり、
E、VX、およびVYとして上述した駆動信号と、レー
ザ検出器138の出力として与えられるプローブ130
の位置を示すプローブ位置信号V Pとが示してある。
FIG. 9 shows simultaneous application through the device of the present invention.
And a graph showing the various signals measured,
VE, VX, And VYThe drive signal described above as
Probe 130 provided as an output of detector 138
Probe position signal V indicating the position of PIs shown.

【0047】図7から図9を参照すると、従来通りの走
査型プローブ顕微鏡の動作方法で、サンプルを検査する
際には、プローブ130に近い片持ちばり132の先端
の振動が測定される。プローブ130がサンプル表面の
平坦な部分154を横切って移動する際には、片持ちば
りの先端は、一定の振幅で、励起ドライバ回路128か
らの励起振動数で振動する。しかし、プローブ130が
サンプル表面の側壁に接近するにつれて、励起ドライバ
回路128からの励起振動数での振動は減衰し、それに
伴って振動の振幅も減少し、それにより励起振動数での
片持ちばりの先端の振動がプローブの円運動のディザリ
ング振動数で変調されることになり、プローブの円形デ
ィザリング運動によってプローブと隣接する側壁の間の
距離が周期的に変化するので、駆動信号VXまたはVY
いずれかを片持ちばりの先端の振動の測定によって生じ
た信号とともに使用して、プローブ130に隣接するサ
ンプル表面の側壁の配向を決定することができる。この
プロセスにより、レーザ検出器138からの出力信号V
Pは、図9に示す形状をとることになる。
Referring to FIGS. 7 to 9, the vibration of the tip of the cantilever 132 close to the probe 130 is measured when inspecting a sample by the conventional operation method of the scanning probe microscope. As the probe 130 moves across the flat portion 154 of the sample surface, the tip of the cantilever oscillates at a constant amplitude and at the excitation frequency from the excitation driver circuit 128. However, as the probe 130 approaches the side wall of the sample surface, the oscillation at the excitation frequency from the excitation driver circuit 128 is attenuated, and the amplitude of the oscillation is reduced accordingly, thereby allowing the cantilever at the excitation frequency. the vibration of the tip of the is to be modulated by dithering frequency of the circular motion of the probe, the distance between the sidewall adjacent the probe by a circular dithering motion of the probe is changed periodically, the driving signal V X Alternatively , either V Y can be used with the signal generated by measuring the vibration of the tip of the cantilever to determine the orientation of the sidewall of the sample surface adjacent to the probe 130. By this process, the output signal V from the laser detector 138
P will take the shape shown in FIG.

【0048】図8の例では、上向きに延びる側壁153
は、側壁153とディザリング経路188の中心192
との間に延び、かつ側壁153に対して垂直な線190
が、X軸に対して角度Ψをなしてディザリング経路18
8と交差するような配向で延びる。側壁153の始まり
にともなって高さが上向きに変化すると、励起ドライバ
回路128によってプローブ130に加えられている励
起振動の減衰が増大するので、ディザリングするプロー
ブ130がX軸から角度Ψだけ回転すると、励起振動の
振幅は最小となる。したがって、ディザリングするプロ
ーブがX軸から角度θだけ回転すると、励起振動の振幅
は最大となる。ここで、θは下記の数式4で与えられ
る。ディザリング・プロセス中のX方向のプローブの運
動は、X軸に沿って最大となるので、θは、図9のX方
向駆動信号VXとプローブ位置信号VPの位相角でもあ
る。
In the example of FIG. 8, the side wall 153 extending upward
Is located at the center 192 of the side wall 153 and the dithering path 188.
And a line 190 extending between
Is the dithering path 18 at an angle 軸 with respect to the X axis.
It extends in an orientation that intersects 8. When the height changes upward along with the start of the side wall 153, the attenuation of the excitation vibration applied to the probe 130 by the excitation driver circuit 128 increases, so that when the dithering probe 130 is rotated by an angle か ら from the X axis. , The amplitude of the excitation vibration is minimized. Therefore, when the dithering probe rotates from the X axis by the angle θ, the amplitude of the excitation vibration becomes maximum. Here, θ is given by Equation 4 below. Movement in the X direction of the probe in the dithering process, since a maximum along the X axis, theta is also a phase angle of the X-direction driving signal V X and the probe position signal V P of FIG.

【数4】θ=Ψ−Π[Equation 4] θ = Ψ−Π

【0049】したがって、プローブ位置信号VPを使用
して、円形のディザリング・パターン188で駆動され
るプローブ130と係合した側壁153が延びる方向が
容易に決定される。この目的のために、位相角復調器1
51が、位相角θを示す出力信号を提供する。この出力
信号は、計算機システム144内で実行されるプログラ
ム中で使用するために、アナログ・デジタル変換器15
2内でデジタルにコード化される。このプログラムは、
ディザリングするプローブ130が衝突した直立側壁の
接線が、位相角θの線に対して垂直に延びる線に沿って
いずれの方向に延びるかを決定する。すなわち、X軸の
方向と側壁153に沿って延びる接線とがなす角度は、
下記の数式5で与えられる。さらに、X軸と、側壁15
3に対して垂直なディザリング・パターン188の中心
を通って延びる法線とがなす角度も、計算機システム1
44内で実行されるプログラムによって決定される。X
軸と側壁153から遠ざかるように延びる法線194と
がなす角度は、位相角θで与えられ、X軸と側壁153
に向かって延びる法線190とがなす角度は、下記の数
式6で与えられる。
[0049] Thus, using the probe position signal V P, the direction in which the probe 130 engaged with the side wall 153 extends to be driven in a circular dithering pattern 188 is easily determined. For this purpose, the phase angle demodulator 1
51 provides an output signal indicative of the phase angle θ. This output signal is used by the analog-to-digital converter 15 for use in programs executed in the computer system 144.
It is digitally encoded within 2. This program is
The direction in which the tangent of the upright side wall impacted by the dithering probe 130 extends along a line extending perpendicular to the line of phase angle θ. That is, the angle between the direction of the X axis and the tangent extending along the side wall 153 is
It is given by Equation 5 below. Further, the X axis and the side wall 15
The angle formed by the normal extending through the center of the dithering pattern 188 that is perpendicular to
Determined by the program executed in 44. X
The angle between the axis and the normal 194 extending away from the side wall 153 is given by the phase angle θ, and the X axis and the side wall 153
Is given by the following equation (6).

【数5】 (Equation 5)

【数6】Ψ=θ+Π数 = θ + Π

【0050】図10は、本発明による上向きに延びる側
壁200に沿って輪郭線を追跡するためのプローブ13
0とサンプル表面134の間の相対運動がそれに沿って
起こる経路198を示す概略平面図である。図8に関連
して上述した円形ディザリング・プローブ運動は、この
追跡プロセス中も引き続き行われるが、ディザリングに
よるプローブの運動は、経路198の追跡運動に比べる
と極めて小さい。
FIG. 10 shows a probe 13 for tracking a contour along an upwardly extending sidewall 200 according to the present invention.
FIG. 9 is a schematic plan view showing a path 198 along which the relative movement between 0 and the sample surface 134 takes place. While the circular dithering probe motion described above in connection with FIG. 8 continues during this tracking process, the motion of the probe due to dithering is much smaller than the tracking motion of path 198.

【0051】図11は、直立側壁200を発見するプロ
セス中、およびその側壁に沿った輪郭線をプローブ13
0で追跡する後続プロセス中にディザリングするプロー
ブ130とサンプル135の間の相対運動を決定するた
めに図7の計算機システム144内で実行されるプログ
ラムの流れ図である。
FIG. 11 illustrates the probe 13 during the process of finding the upright sidewall 200 and along the sidewall.
8 is a flowchart of a program executed in the computer system 144 of FIG. 7 to determine relative motion between the probe 130 and the sample 135 dithering during a subsequent process of tracking at zero.

【0052】図7、図10、および図11を参照する
と、破線202、204は、励起ドライバ128の励起
振動数でのプローブの運動の平均振幅が、計算機システ
ム144からデジタル・アナログ変換器144aを介し
て供給される設定値信号および許容偏差信号によって規
定される所定範囲内であるかどうかを比較回路142が
判定する領域の限界を示している。
Referring to FIGS. 7, 10 and 11, the dashed lines 202 and 204 indicate that the average amplitude of the probe motion at the excitation frequency of the excitation driver 128 can be obtained from the computer system 144 by the digital-to-analog converter 144a. The limit of the area where the comparison circuit 142 determines whether the value is within a predetermined range defined by the set value signal and the allowable deviation signal supplied through the comparator 142 is shown.

【0053】図7の装置例では、図10に示す走査運動
は、サンプル135が走査運動アクチュエータ149に
よってX方向および/またはY方向に移動するときに起
こる。圧電アクチュエータ112の近位端プレート11
4に取り付けられた走査運動アクチュエータを使用する
ことにより、またはX軸ドライバ118およびY軸ドラ
イバ122に追加の走査運動信号を印加することによ
り、サンプル135を静止した状態に保ちながらこれと
同等の運動を実現することもできることを理解された
い。
In the example apparatus of FIG. 7, the scanning motion shown in FIG. 10 occurs when the sample 135 is moved by the scanning motion actuator 149 in the X and / or Y directions. Proximal end plate 11 of piezoelectric actuator 112
4 by using a scanning motion actuator mounted on or by applying an additional scanning motion signal to the X-axis driver 118 and the Y-axis driver 122, while maintaining the sample 135 stationary. It is to be understood that can also be realized.

【0054】いずれの場合も、プローブ130とサンプ
ル135の間の相対走査運動は、図11のプログラムの
開始ステップ205で生じる。次いで、ステップ208
で、相対運動により、プローブ130を経路198の探
索線分210に沿って走査させる。プローブはサンプル
表面の比較的平坦な部分に沿って滑る。Z軸ドライバ1
26を用いたZ方向のプローブの運動は、次第に現れる
サンプル表面の高さの変化を補償するために使用するこ
とができる。サンプル表面は比較的平坦であるので、励
起ドライバ128のディザリング振動数での変調がな
く、プローブ先端の振動の平均振幅は比較的一定であ
る。定期的に行われるステップ210では、比較回路1
42の出力をチェックし、発振器136の励起振動数で
の先端の振動の振幅が所定範囲内であるかどうかを判定
する。この範囲内である場合には、プログラムはステッ
プ208に戻り、探索線分210に沿った走査を続行す
る。ステップ210で振幅がこの範囲内でないと判定さ
れた場合には、ステップ212で、その振幅が所定範囲
より小さいかどうかを判定する。振幅がその範囲より小
さくない場合には、サンプル表面は下向きに傾斜してい
るはずであり、したがって、比較回路142の出力をス
テップ210で定期的にチェックしながら、振幅が所定
範囲内に戻るまで、ステップ214でZ軸ドライバ12
6がプローブを徐々に下向きに移動させる。このように
して振幅が所定範囲内であると判定されると、プログラ
ムはステップ208に戻り、探索パターンに沿った走査
を再開する。
In each case, the relative scanning movement between the probe 130 and the sample 135 occurs at the start step 205 of the program of FIG. Next, step 208
Then, the probe 130 is scanned along the search line segment 210 of the path 198 by the relative motion. The probe slides along a relatively flat portion of the sample surface. Z-axis driver 1
The movement of the probe in the Z direction with 26 can be used to compensate for the gradually changing sample surface height. Since the sample surface is relatively flat, there is no modulation at the dithering frequency of the excitation driver 128 and the average amplitude of the probe tip vibration is relatively constant. In step 210, which is performed periodically, the comparison circuit 1
The output of 42 is checked to determine if the amplitude of the tip vibration at the excitation frequency of oscillator 136 is within a predetermined range. If it is, the program returns to step 208 and continues scanning along search line segment 210. If it is determined in step 210 that the amplitude is not within this range, it is determined in step 212 whether the amplitude is smaller than a predetermined range. If the amplitude is not less than that range, the sample surface should be sloping downward, and therefore, periodically checking the output of the comparison circuit 142 at step 210 until the amplitude returns within the predetermined range. In step 214, the Z-axis driver 12
6 moves the probe gradually downward. When the amplitude is determined to be within the predetermined range in this manner, the program returns to step 208 and restarts scanning along the search pattern.

【0055】これに対して、ステップ212で振幅がそ
の範囲より小さいことが示された場合には、この振幅の
変化は、サンプル表面が上向きに徐々に傾斜しているこ
とによる(これに対しては補償を行うことになる)、あ
るいは図10の地点215などで側壁に衝突したことに
よるものとすることができる。側壁に衝突した場合に
は、振幅の関数は励起振動数で変調され、図9にVP
示す形状となる。したがって、ステップ216で、位相
復調器151の出力を検査し、このタイプの変調が行わ
れているかどうかを調べる。このような変調が行われて
いない場合には、ステップ218でプローブを上向きに
移動させ、サンプル表面の緩やかな上向きの傾斜を補償
する。この変調が行われている場合には、ステップ22
0で位相復調器151の出力を使用して、図8に関連し
て上述した方法で隣接する側壁の接線および法線を確立
する。次いで、ステップ222で、ステップ220で確
立された接線223に沿って移動して輪郭線を走査する
プロセスを開始する。
On the other hand, if step 212 indicates that the amplitude is less than the range, the change in amplitude is due to the upward slope of the sample surface (in contrast to this). Compensates) or a collision with the side wall at a point 215 in FIG. 10 or the like. When colliding to the side wall, the amplitude of the function is modulated by the number of excitation vibration, the shape indicated by V P in FIG. Therefore, at step 216, the output of the phase demodulator 151 is examined to see if this type of modulation is taking place. If such modulation has not occurred, the probe is moved upward in step 218 to compensate for the gentle upward slope of the sample surface. If this modulation has been performed, step 22
At 0, the output of the phase demodulator 151 is used to establish tangents and normals of adjacent sidewalls in the manner described above in connection with FIG. Then, at step 222, the process of moving along the tangent line 223 established at step 220 to scan the contour is started.

【0056】このようにして接線を確立することで、反
対向きの2方向への運動の可能性がもたらされるのは明
らかである。これらの方向の1つが、プロセッサ144
内で実行されるプログラムによって選択され、これによ
り輪郭線を走査するプロセスが所定の一般的な(genera
l)方向に行われることになる。
It is clear that establishing a tangent in this way offers the possibility of movement in two opposite directions. One of these directions is processor 144
The process of scanning the contours is selected by a program executed in the
l) direction.

【0057】走査プロセスの続行中に、プロセッサ14
4中で実行されるプログラムは、ステップ224で、走
査終了条件が満たされているかどうかを判定するために
定期的にチェックを行う。例えば所定の端の位置まで走
査する、または柱など直立した別個のフィーチャの周り
を走査することによってこの条件に達し、輪郭線の走査
が開始された地点に戻ることがある。走査の終了に達す
ると、ステップ226で、特定の輪郭線に沿った走査プ
ロセスが終了する。走査終了条件に達しないときには、
ステップ228で、振幅が所定範囲内であるかどうかの
判定が行われる。所定範囲内である場合には、プログラ
ムはステップ222に戻り、接線223の走査を続行す
る。これに対して、地点230などで振幅が所定範囲内
ではないことが分かったときには、プログラムはステッ
プ232に進み、ここで、再度位相復調器151の出力
を使用して図8および図9に関連して上述した方法で新
しい接線および法線が決定される。
During the continuation of the scanning process, the processor 14
The program executed in step 4 periodically checks at step 224 to determine whether the scan termination condition is satisfied. This condition may be reached, for example, by scanning to a predetermined edge location, or by scanning around a separate upright feature, such as a pillar, to return to the point where scanning of the contour started. When the end of the scan is reached, at step 226, the scanning process along the particular contour line ends. When the scanning end condition is not reached,
At step 228, a determination is made whether the amplitude is within a predetermined range. If so, the program returns to step 222 and continues scanning tangent 223. On the other hand, if it is determined that the amplitude is not within the predetermined range, such as at point 230, the program proceeds to step 232, where the output of phase demodulator 151 is again used to relate to FIGS. New tangents and normals are then determined in the manner described above.

【0058】次に、ステップ234で、復調器141に
よって測定された振動の平均振幅が所定範囲の振幅より
大きいか小さいかを判定する。地点230など、この振
動の平均振幅が所定範囲より小さい場合には、サンプル
135とプローブ先端130の間の相対運動をステップ
236を確立し、プローブ130を新しい法線238に
沿って側壁200から離れるように外向きに走査させ
る。次に、プログラムはステップ222に戻り、ステッ
プ232で決定された接線に沿った新しい走査運動24
0を開始する。これに対して、地点242などで振動の
平均振幅が所定範囲の振幅より大きいとステップ234
で決定された場合には、プログラムはステップ244に
進み、プローブ130を新しい法線246に沿って側壁
200に向かって内向きに走査させる。次いで、プログ
ラムはステップ222に戻り、新しい接線に沿った新し
い走査運動248を開始する。
Next, in step 234, it is determined whether the average amplitude of the vibration measured by the demodulator 141 is larger or smaller than a predetermined range. If the average amplitude of this vibration is less than a predetermined range, such as at point 230, the relative movement between sample 135 and probe tip 130 establishes step 236 and moves probe 130 away from sidewall 200 along new normal 238. Scan outward. Next, the program returns to step 222, where a new scanning motion 24 along the tangent determined in step 232 is performed.
Start 0. On the other hand, if the average amplitude of the vibration at the point 242 or the like is larger than the amplitude in the predetermined range, step 234 is executed.
If so, the program proceeds to step 244 and causes the probe 130 to scan inward along the new normal 246 toward the sidewall 200. The program then returns to step 222 to start a new scanning movement 248 along the new tangent.

【0059】図10の例に示すように、線238および
246などの各法線に沿ったプローブの運動は、プロー
ブ130が線202と204の間の所定範囲を完全に横
切ったときに終了する。この方法は、側壁200が同じ
方向に湾曲し続けているときには、法線間の長い接線走
査を行うことの利点を制限する。別法として、各法線に
沿った運動は、所定範囲内のより中央寄りの地点でやは
り平均振幅を検査することによって終了することもでき
る。
As shown in the example of FIG. 10, the movement of the probe along each normal, such as lines 238 and 246, terminates when the probe 130 has completely crossed the predetermined range between lines 202 and 204. . This method limits the benefits of performing long tangent scans between normals when sidewall 200 continues to bend in the same direction. Alternatively, the movement along each normal may be terminated by also examining the average amplitude at a more central point within a predetermined range.

【0060】本発明の好ましい態様によれば、励起振動
および円形ディザリング運動はともに、走査プロセスの
間維持される。別法として、円形ディザリング運動は、
接線方向および法線方向を決定する必要があるときにの
み与えることもできる。
According to a preferred embodiment of the present invention, both the excitation oscillation and the circular dithering motion are maintained during the scanning process. Alternatively, the circular dithering motion
It can also be provided only when the tangent and normal directions need to be determined.

【0061】図12は、側壁250の一部分を検査する
ために使用した本発明を示す図であり、励起振動によっ
てプローブ130が駆動されるZ方向に対して垂直な平
坦面を形成するいくつかの輪郭表面によって、輪郭線2
52が確立されている。輪郭線252の各末端の走査限
界は予め決められており、プローブ130は、走査線の
各末端で、Z方向に次の輪郭表面に移る。
FIG. 12 illustrates the present invention used to inspect a portion of the side wall 250, showing several flat surfaces perpendicular to the Z direction in which the probe 130 is driven by the excitation vibration. By contour surface, contour line 2
52 have been established. The scan limit at each end of the contour 252 is predetermined, and the probe 130 moves to the next contour surface in the Z direction at each end of the scan line.

【0062】図13は、丸形直立構造254を検査する
ために使用した本発明を示す図である。輪郭線256の
末端の走査限界は、その線がその開始地点を通過する地
点に確立され、この場合も、プローブ130は次の輪郭
表面に移る。
FIG. 13 is a diagram illustrating the present invention used to inspect a round upright structure 254. The scan limit at the end of contour 256 is established at the point where the line passes through its starting point, and again, probe 130 moves to the next contour surface.

【0063】本発明について、直立した壁面の地形的特
徴を決定するために使用するものとしてある程度詳細に
述べたが、トレンチの下向きに延びる壁面を検査する際
にも、上述の方法でトレンチの底面からプローブの運動
を開始することにより、あるいは上にある表面からトレ
ンチの縁部にわたってプローブを移動させることによ
り、本発明を使用できることを理解されたい。図11の
サブルーチン例では、励起振動数でのプローブの振動の
平均振幅が所定範囲の振幅より小さい(直立壁面が始ま
ったことを示す)とステップ212で判定された場合に
のみ、ステップ216でディザリング振動数での変調が
存在するかどうかを判定したが、別法として、プローブ
の振動の振幅が所定範囲の振幅より大きいかどうか(ト
レンチの始まりを示す)を判定した後で、変調を示す指
示を求めることもできる。
Although the invention has been described in some detail as being used to determine the topographical features of upright walls, the inspection of the downwardly extending walls of the trenches can also be performed in a manner similar to that described above. It should be understood that the present invention can be used by initiating the probe motion from or by moving the probe from the overlying surface to the edge of the trench. In the subroutine example of FIG. 11, the dithering in step 216 is performed only when it is determined in step 212 that the average amplitude of the vibration of the probe at the excitation frequency is smaller than a predetermined range (indicating that the upright wall surface has started). It was determined whether there was modulation at the ring frequency, but alternatively, modulation was determined after determining whether the amplitude of the probe oscillation was greater than a predetermined range of amplitudes (indicating the beginning of the trench). You can also ask for instructions.

【0064】図14は、輪郭線260を形成するいくつ
かの輪郭平面の間を進む、下向きに延びる穴258の側
壁表面を検査するために同様に使用した本発明を示す図
である。
FIG. 14 is a diagram illustrating the present invention similarly used to inspect the sidewall surface of a downwardly extending hole 258 that progresses between several contour planes forming a contour line 260.

【0065】上記の例では、プローブの経路を形成する
輪郭線は、サンプル表面と1つまたは複数の輪郭表面の
交差線に沿って形成され、各輪郭表面は、プローブの励
起振動が起こるZ方向に対して垂直なX−Y平面内に延
びる。
In the above example, the contours forming the path of the probe are formed along the intersection of the sample surface and one or more contour surfaces, each contour surface being in the Z direction where the excitation oscillation of the probe occurs. Extend in the XY plane perpendicular to

【0066】図15は、本発明の文脈ではプローブの運
動を決定し、輪郭線を確立するための輪郭平面として使
用することができる、Z方向に対して垂直ないくつかの
輪郭平面264および単一の斜面266と交差する直立
円筒を示す図である。
FIG. 15 illustrates several contour planes 264 and a single plane perpendicular to the Z direction that can be used in the context of the present invention as contour planes to determine the movement of the probe and establish contours. It is a figure which shows the upright cylinder which cross | intersects one slope 266.

【0067】図16は、プローブ先端がいくつかの交差
した斜めの輪郭表面に沿って移動することによって形成
された輪郭線270を有する直立側壁268を示す図で
ある。
FIG. 16 shows an upright side wall 268 having a contour 270 formed by the probe tip moving along several intersecting diagonal contour surfaces.

【0068】好ましい実施形態に関連して、本発明につ
いて詳細に図示および記述したが、本発明の趣旨および
範囲を逸脱することなく、形態および詳細を様々に変更
することができることを当業者なら理解されたい。
Although the present invention has been shown and described in detail in connection with the preferred embodiments, those skilled in the art will recognize that changes may be made in form and detail without departing from the spirit and scope of the invention. I want to be.

【0069】まとめとして、本発明の構成に関して以下
の事項を開示する。
In summary, the following items are disclosed regarding the configuration of the present invention.

【0070】(1)サンプル表面内の側壁の地形的特徴
を測定する方法であって、前記サンプル表面と励起振動
数で第1の方向に振動する片持ちばりに取り付けられた
プローブ先端との間で相対運動を引き起こすステップを
含む方法であり、前記相対運動が、前記プローブ先端
を、第1の所定の輪郭表面と前記側壁の交差線に沿って
延びる輪郭経路に沿って運動させるものであり、前記プ
ローブと前記側壁の前記輪郭経路に沿った係合が、前記
励起振動数での前記第1の方向への前記プローブ先端の
振動の測定した振幅の変動に応じた範囲内で保持される
方法。 (2)前記相対運動が、前記プローブ先端を、前記輪郭
経路に沿って第1の複数の直線線分中を運動させるもの
であり、前記第1の複数の直線線分の各直線線分が、前
記プローブ先端の振動の前記測定した振幅が所定の許容
振動振幅範囲外であると判定されると終端する、上記
(1)に記載の方法。 (3)前記相対運動がさらに、前記プローブ先端を前記
輪郭経路に沿って第2の複数の直線線分中を移動させる
ものであり、前記第2の複数の直線線分の各直線線分
が、前記第1の複数の直線線分の隣接した直線線分間に
延び、前記第1の複数の直線線分の各直線線分が、前記
輪郭経路に沿って延びる線の局所接線に沿って延びる、
上記(2)に記載の方法。 (4)前記プローブ先端を、前記プローブを前記平面に
沿って第2の方向にディザリングさせる第1の信号によ
って、前記第1の方向に対して垂直な平面に沿ってディ
ザリング振動数で円形パターンを描くようにディザリン
グさせるステップと、前記ディザリング振動数での振動
の前記測定した振幅を変調する信号と前記第1の信号の
間の位相角を測定するステップと、前記側壁に対して垂
直な局所法線の角度を決定するステップとをさらに含む
方法であり、前記局所法線が、前記ディザリング運動の
中心を通って前記第1の方向に対して垂直な前記平面に
沿って延び、前記局所法線の前記角度が前記位相角の関
数として決定される、上記(1)に記載の方法。 (5)前記第1の信号が正弦関数であり、前記局所法線
と前記第1の信号によって前記プローブ先端を運動させ
る方向とがなす角度が、前記位相角とπラジアンの和で
決定される、上記(4)に記載の方法。 (6)前記励起振動数が前記片持ちばりの固有振動数に
近く、前記ディザリング振動数が前記励起振動数より大
幅に低い、上記(4)に記載の方法。 (7)前記相対運動が、前記プローブ先端を、前記輪郭
経路に沿って第1の複数の直線線分中を運動させるもの
であり、前記第1の複数の直線線分の各直線線分が、前
記直線線分の始点の近傍で決定された前記局所法線に対
して垂直に延び、前記第1の複数の直線線分の各直線線
分が、前記プローブ先端の振動の前記測定した振幅が所
定の許容振動振幅範囲外であると判定されると終端す
る、上記(4)に記載の方法。 (8)前記相対運動がさらに、前記プローブ先端を前記
輪郭経路に沿って第2の複数の直線線分中を移動させる
ものであり、前記第2の複数の直線線分の各直線線分
が、前記第1の複数の直線線分の隣接した直線線分間に
延び、前記第2の複数の直線線分の各直線線分が、前記
第2の複数の直線線分の前記直線線分の近傍で決定され
た前記局所法線に沿って延びる、上記(7)に記載の方
法。 (9)前記第1の所定の輪郭表面が、前記第1の方向に
対して垂直な平坦面である、上記(1)に記載の方法。 (10)前記サンプル表面と励起振動数で第1の方向に
振動する片持ちばりに取り付けられたプローブ先端との
間で相対運動を引き起こすステップをさらに含む方法で
あって、前記相対運動が、前記プローブ先端を、複数の
所定の輪郭表面と前記側壁の交差線に沿って延びる複数
の輪郭経路に沿って運動させるものであり、前記プロー
ブと前記側壁の前記複数の輪郭経路内の各輪郭経路に沿
った係合が、前記励起振動数での前記第1の方向への前
記プローブ先端の振動の測定した振幅の変動に応じた範
囲内で保持される、上記(1)に記載の方法。 (11)第1の方向に対して垂直に延びる平面内のサン
プル表面の側壁に沿った接線の方向を決定する方法であ
って、(a)前記サンプル表面と励起振動数で第1の方
向に振動する片持ちばりに取り付けられたプローブ先端
との間で、前記プローブ先端を前記側壁と係合させる相
対運動を引き起こし、同時に前記第1の方向への前記プ
ローブ先端の振動の振幅を測定するステップであって、
前記側壁との係合が前記振動振幅の変化によって判定さ
れるステップと、(b)前記励起振動数での前記第1の
方向の前記プローブ先端の振動を続行しながら、前記プ
ローブ先端を、前記側壁と係合させた状態で、前記第1
の方向に対して垂直に延びるディザリング平面中で円形
パターンでディザリングさせ、同時に前記ディザリング
平面内の第2の方向へのディザリング運動と、前記プロ
ーブ先端の振動の前記振幅の前記ディザリング振動数で
の変調との間の位相角を測定するステップと、(c)前
記接線の方向を前記位相角の関数として決定するステッ
プとを含む方法。 (12)前記プローブ先端が正弦関数に従って前記第2
の方向に運動し、前記局所法線と前記第1の信号によっ
て前記プローブ先端が運動する方向とがなす角度が、前
記位相角とπラジアンの和で決定される、上記(11)
に記載の方法。 (13)前記励起振動数が前記片持ちばりの固有振動数
に近く、前記ディザリング振動数が前記励起振動数より
大幅に低い、上記(10)に記載の方法。 (14)サンプル表面内の側壁の地形的特徴を測定する
方法であって、(a)第1の方向に対して垂直な平面内
でプローブ先端を通って前記側面に対して垂直に延びる
法線の方向を決定するステップと、(b)前記プローブ
先端が第1の所定の輪郭表面に沿って前記法線に対して
垂直な方向に運動するように、前記サンプル表面と前記
プローブ先端の間で相対運動を引き起こすステップと、
(c)前記プローブが前記側壁との所定の係合範囲内に
あるか、前記所定の係合範囲より前記側壁に接近してい
るか、または前記所定の係合範囲より前記側壁から離れ
ているかを判定するステップと、(d)前記プローブ先
端が前記側壁との前記所定の係合範囲内にあると判定さ
れたときに、ステップ(b)に戻り、引き続き前記サン
プル表面と前記プローブ先端の間の相対運動を引き起こ
すステップと、(e)前記プローブが前記所定の係合範
囲より前記側壁に接近していると判定されたときに、前
記第1の方向に対して垂直な平面内で前記プローブ先端
を通って前記側壁に対して垂直に延びる新たな法線の方
向を決定し、前記法線の方向を前記新たな法線の方向に
置き換え、前記プローブ先端が前記新たな法線に沿って
前記側壁から離れるように移動するように前記サンプル
表面と前記プローブ先端の間で相対運動を引き起こし、
ステップ(b)に戻るステップと(f)前記プローブ先
端が前記所定の係合範囲より前記側壁から離れていると
判定されたときに、前記第1の方向に対して垂直な平面
内で前記プローブ先端を通って前記側壁に対して垂直に
延びる新たな法線の方向を決定し、前記法線の方向を前
記新たな法線の方向に置き換え、前記プローブ先端が前
記新たな法線に沿って前記側壁に向かって移動するよう
に前記サンプル表面と前記プローブ先端の間で相対運動
を引き起こし、ステップ(b)に戻るステップとを含む
方法。 (15)前記プローブ先端が、前記第1の方向に励起振
動数で振動する片持ちばり上に取り付けられ、前記励起
振動数での前記プローブ先端の振動の平均振幅が測定さ
れ、ステップ(c)で、前記振動の平均振幅が振幅値許
容範囲内であると判定されたときに、前記プローブ先端
が前記所定の係合範囲内であると判定され、前記振動の
平均振幅が前記振幅値許容範囲以下であると判定された
ときに、前記プローブ先端が前記所定の係合範囲より前
記側壁に接近していると判定され、前記振動の平均振幅
が前記振幅値許容範囲以上であると判定されたときに、
前記プローブ先端が前記所定の係合範囲より前記側壁か
ら離れていると判定される、上記(14)に記載の方
法。 (16)前記プローブ先端がさらに、前記第1の方向に
対して垂直な前記平面に沿ってディザリング振動数で円
形ディザリング・パターンで駆動され、前記プローブ先
端が前記側壁と係合しているときに、前記平均振幅が前
記ディザリング振動数で変調され、ステップ(a)、
(e)、および(f)で、前記法線の方向および前記新
たな法線の方向が、前記ディザリング振動数での前記平
均振幅の変調と、前記プローブ先端を第2の方向に運動
させるディザリング信号の位相角の関数として決定され
る、上記(15)に記載の方法。 (17)前記プローブ先端を前記第2の方向に運動させ
る前記ディザリング信号が正弦関数であり、前記局所法
線と前記第2の方向とがなす角度が、前記位相角とπラ
ジアンの和で決定される、上記(16)に記載の方法。 (18)前記励起振動数が前記片持ちばりの固有振動数
に近く、前記ディザリング振動数が前記励起振動数より
大幅に低い、上記(16)に記載の方法。 (19)前記所定の輪郭表面が、前記第1の方向に離間
した複数の所定の輪郭表面のうちの第1の所定の輪郭表
面であり、前記複数の輪郭表面の各輪郭表面が、前記第
1の方向に対して垂直な平坦面であり、前記プローブ先
端を、前記側壁および前記各輪郭表面に沿って延びる走
査線に沿って運動させるために、ステップ(a)から
(f)が繰り返され、前記プローブ先端が、前記複数の
輪郭表面の隣接する輪郭表面間で前記第1の方向に運動
する、上記(14)に記載の方法。 (20)サンプル表面内の側壁の地形的特徴を測定する
方法であって、片持ちばりと、前記片持ちばりの端部に
取り付けられたプローブ先端と、前記片持ちばりを第1
の方向に振動させる励起ドライブと、前記プローブ先端
を前記第1の方向に対して垂直な平面に沿って円形パタ
ーンで運動させるために前記片持ちばりを運動させるデ
ィザリング・ドライブと、前記サンプル表面を前記プロ
ーブ先端に対して露出させた状態でサンプルを保持する
サンプル保持器と、前記片持ちばりと前記サンプル保持
器の間の相対運動を、前記第1の方向に対して垂直な平
面内で引き起こす走査ドライブと、前記励起振動数での
前記第1の方向への前記プローブ先端の振動の振幅の平
均値を示す第1の信号を提供する第1の復調器と、前記
プローブ先端の振動の戦記振幅の変調と前記プローブ先
端を前記円形パターンで運動させるために直線的な運動
成分を引き起こすディザリング信号の間の位相角を示す
第2の信号を提供する第2の復調器と、プロセッサと、
前記円形パターンの中心と前記側壁の間に延びる法線の
方向を決定するために前記プロセッサ内で実行されるプ
ログラムとを含み、前記法線が前記第1の方向に対して
垂直な前記平面内で前記側壁に対して垂直に延び、前記
法線の前記方向が前記位相角の関数として決定される装
置。 (21)前記プロセッサが前記走査ドライブの動作を制
御し、前記サンプル表面と前記プローブ先端の間の相対
運動を引き起こし、前記相対運動が、前記プローブ先端
を、第1の所定の輪郭表面と前記側壁の交差線に沿って
延びる輪郭経路に沿って運動させるものであり、前記プ
ローブと前記側壁の前記輪郭経路に沿った係合が、前記
励起振動数での前記第1の方向への前記プローブ先端の
振動の測定した振幅の変動に応じた範囲内で保持され
る、上記(20)に記載の装置。 (22)前記相対運動が、前記プローブ先端を、前記輪
郭経路に沿って第1の複数の直線線分中を運動させるも
のであり、前記第1の複数の直線線分の各直線線分が、
前記プローブ先端の振動の前記測定した振幅が所定の許
容振動振幅範囲外であると判定されると終端する、上記
(20)に記載の装置。 (23)前記相対運動がさらに、前記プローブ先端を前
記輪郭経路に沿って第2の複数の直線線分中を移動させ
るものであり、前記第2の複数の直線線分の各直線線分
が、前記第1の複数の直線線分の隣接した直線線分間に
延び、前記第1の直線線分の各直線線分が、前記直線線
分の始点で算出された方向を有する前記法線に対して垂
直に延びる、上記(22)に記載の装置。 (24)前記ディザリング・ドライブが、前記プローブ
先端を正弦関数に従って前記第2の方向に運動させ、前
記局所法線と前記第2の方向がなす角度が、前記位相角
とπラジアンの和で決定される、上記(20)に記載の
装置。
(1) A method for measuring topographical features of sidewalls within a sample surface, the method comprising the steps of: between the sample surface and a probe tip attached to a cantilever beam vibrating in a first direction at an excitation frequency. Causing relative movement of the probe tip along a contour path extending along an intersection of a first predetermined contour surface and the sidewall. A method wherein the engagement of the probe and the sidewall along the contour path is maintained within a range responsive to a variation in a measured amplitude of vibration of the probe tip in the first direction at the excitation frequency. . (2) The relative movement is to move the probe tip in a first plurality of straight line segments along the contour path, and each straight line segment of the first plurality of straight line segments is The method according to (1), wherein the probe is terminated when it is determined that the measured amplitude of the vibration of the probe tip is out of a predetermined allowable vibration amplitude range. (3) the relative movement further moves the probe tip along a second one of the second plurality of straight line segments along the contour path; Extending between adjacent straight lines of the first plurality of straight line segments, each straight line segment of the first plurality of straight line segments extending along a local tangent of a line extending along the contour path ,
The method according to the above (2). (4) The probe tip is circular at a dither frequency along a plane perpendicular to the first direction by a first signal that dithers the probe in a second direction along the plane. Dithering to draw a pattern; measuring a phase angle between the signal that modulates the measured amplitude of the vibration at the dithering frequency and the first signal; Determining the angle of a vertical local normal, the local normal extending along the plane perpendicular to the first direction through the center of the dithering motion. The method according to (1), wherein the angle of the local normal is determined as a function of the phase angle. (5) The first signal is a sine function, and an angle between the local normal and a direction in which the probe tip is moved by the first signal is determined by the sum of the phase angle and π radian. , The method according to (4). (6) The method according to (4), wherein the excitation frequency is close to the natural frequency of the cantilever, and the dithering frequency is significantly lower than the excitation frequency. (7) The relative movement is to move the probe tip in a first plurality of straight line segments along the contour path, and each straight line segment of the first plurality of straight line segments is Extending perpendicular to the local normal determined near the starting point of the straight line segment, wherein each straight line segment of the first plurality of straight line segments is the measured amplitude of vibration of the probe tip. Is terminated when it is determined that is outside the predetermined allowable vibration amplitude range. (8) The relative movement further moves the probe tip in a second plurality of straight line segments along the contour path, and each straight line segment of the second plurality of straight line segments is The straight line segments extending to the adjacent straight line segments of the first plurality of straight line segments, and each straight line segment of the second plurality of straight line segments is the straight line segment of the second plurality of straight line segments. The method of (7) above, wherein the method extends along the local normal determined in the vicinity. (9) The method according to the above (1), wherein the first predetermined contour surface is a flat surface perpendicular to the first direction. (10) The method further comprising causing relative movement between the sample surface and a probe tip attached to a cantilever beam that vibrates in a first direction at an excitation frequency, wherein the relative movement is A probe tip is moved along a plurality of contour paths extending along intersection lines between a plurality of predetermined contour surfaces and the side walls, and the probe tip and the side walls are respectively moved along the plurality of contour paths. The method of claim 1, wherein the engagement along is maintained within a range responsive to a variation in a measured amplitude of vibration of the probe tip in the first direction at the excitation frequency. (11) A method for determining the direction of a tangent along a side wall of a sample surface in a plane extending perpendicular to a first direction, the method comprising: (a) in a first direction at an excitation frequency with the sample surface; Causing a relative movement between the probe tip mounted on the oscillating cantilever and the probe tip to engage the side wall while simultaneously measuring the amplitude of the probe tip vibration in the first direction. And
(B) determining whether engagement with the side wall is determined by a change in the vibration amplitude; and (b) moving the probe tip in the first direction at the excitation frequency while keeping the probe tip vibrating. In the state of being engaged with the side wall, the first
Dithering in a circular pattern in a dithering plane extending perpendicular to the direction of A method comprising: measuring a phase angle between modulation at a frequency; and (c) determining a direction of the tangent as a function of the phase angle. (12) The probe tip is the second probe according to a sine function.
(11), wherein the angle formed by the local normal and the direction in which the probe tip moves by the first signal is determined by the sum of the phase angle and π radian.
The method described in. (13) The method according to (10), wherein the excitation frequency is close to the natural frequency of the cantilever, and the dithering frequency is significantly lower than the excitation frequency. (14) A method for measuring topographical features of sidewalls within a sample surface, the method comprising: (a) a normal extending perpendicular to the side surface through a probe tip in a plane perpendicular to a first direction. And (b) moving between the sample surface and the probe tip such that the probe tip moves along a first predetermined contour surface in a direction perpendicular to the normal. Causing relative motion;
(C) determining whether the probe is within a predetermined engagement range with the side wall, is closer to the side wall than the predetermined engagement range, or is far from the side wall than the predetermined engagement range. Determining; and (d) when it is determined that the probe tip is within the predetermined engagement range with the side wall, returning to step (b) and continuing between the sample surface and the probe tip. Causing relative movement; and (e) when the probe is determined to be closer to the side wall than the predetermined engagement range, the probe tip in a plane perpendicular to the first direction. Determine the direction of a new normal that extends perpendicular to the sidewalls through, and replace the direction of the normal with the direction of the new normal, so that the probe tip moves along the new normal. Away from the side wall Causing relative movement between said probe tip and moving way the sample surface as,
Returning to step (b); and (f) when it is determined that the probe tip is farther from the side wall than the predetermined engagement range, the probe is positioned in a plane perpendicular to the first direction. Determining the direction of a new normal extending through the tip and perpendicular to the side wall, replacing the direction of the normal with the direction of the new normal, and allowing the probe tip to follow the new normal; Causing relative movement between the sample surface and the probe tip to move toward the sidewall and returning to step (b). (15) The probe tip is mounted on a cantilever beam that vibrates at the excitation frequency in the first direction, and the average amplitude of vibration of the probe tip at the excitation frequency is measured, and step (c). When it is determined that the average amplitude of the vibration is within the amplitude value allowable range, it is determined that the probe tip is within the predetermined engagement range, and the average amplitude of the vibration is determined to be within the amplitude value allowable range. When determined to be less than or equal to, it is determined that the probe tip is closer to the side wall than the predetermined engagement range, it was determined that the average amplitude of the vibration is more than the amplitude value allowable range sometimes,
The method according to (14), wherein it is determined that the probe tip is farther from the side wall than the predetermined engagement range. (16) the probe tip is further driven in a circular dither pattern at a dither frequency along the plane perpendicular to the first direction, the probe tip engaging the sidewall. Sometimes, the average amplitude is modulated at the dither frequency, and step (a)
In (e) and (f), the direction of the normal and the direction of the new normal cause the modulation of the average amplitude at the dither frequency and the movement of the probe tip in a second direction. The method according to (15), wherein the method is determined as a function of the phase angle of the dithering signal. (17) The dithering signal for moving the probe tip in the second direction is a sine function, and an angle between the local normal and the second direction is a sum of the phase angle and π radian. The method according to (16), which is determined. (18) The method according to (16), wherein the excitation frequency is close to the natural frequency of the cantilever, and the dithering frequency is significantly lower than the excitation frequency. (19) The predetermined contour surface is a first predetermined contour surface among the plurality of predetermined contour surfaces separated in the first direction, and each of the plurality of contour surfaces is the first contour surface. Steps (a) to (f) are repeated to move the probe tip along a scan line extending along the side wall and each contour surface, a flat surface perpendicular to one direction. The method of claim 14, wherein the probe tip moves in the first direction between adjacent contour surfaces of the plurality of contour surfaces. (20) A method for measuring topographical characteristics of a side wall in a sample surface, comprising: a cantilever, a probe tip attached to an end of the cantilever, and a first cantilever.
An excitation drive for oscillating in the direction of .a. Dithering drive for moving the cantilever to move the probe tip in a circular pattern along a plane perpendicular to the first direction; and a sample surface. A sample holder that holds a sample in a state where the sample holder is exposed to the probe tip, and a relative movement between the cantilever and the sample holder in a plane perpendicular to the first direction. A scan drive to cause, a first demodulator to provide a first signal indicative of an average value of the amplitude of the vibration of the probe tip in the first direction at the excitation frequency; Providing a second signal indicative of the phase angle between the modulation of the war amplitude and a dithering signal that causes a linear motion component to move the probe tip in the circular pattern. A second demodulator that includes a processor,
A program executed in the processor to determine a direction of a normal extending between the center of the circular pattern and the side wall, the normal being in the plane perpendicular to the first direction. A device extending perpendicular to said sidewalls and wherein said direction of said normal is determined as a function of said phase angle. (21) The processor controls the operation of the scan drive to cause relative movement between the sample surface and the probe tip, the relative movement causing the probe tip to move from the first predetermined contour surface to the side wall. Movement along a contour path extending along the intersection of the probe tip and the probe tip in the first direction at the excitation frequency when the probe and the side wall engage along the contour path. The apparatus according to the above (20), wherein the apparatus is held within a range corresponding to the fluctuation of the measured amplitude of the vibration. (22) The relative movement is to move the probe tip in a first plurality of straight line segments along the contour path, and each straight line segment of the first plurality of straight line segments is ,
The apparatus according to (20), wherein the probe is terminated when it is determined that the measured amplitude of the vibration of the probe tip is out of a predetermined allowable vibration amplitude range. (23) The relative movement further moves the probe tip in a second plurality of straight line segments along the contour path, and each straight line segment of the second plurality of straight line segments is Extending to the adjacent straight line segments of the first plurality of straight line segments, each straight line segment of the first straight line segment being connected to the normal line having a direction calculated at the starting point of the straight line segment. The device according to (22), extending perpendicular to the device. (24) The dithering drive moves the probe tip in the second direction according to a sine function, and an angle formed by the local normal and the second direction is a sum of the phase angle and π radian. The apparatus according to (20), wherein the apparatus is determined.

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

【図1】サンプル表面内のトレンチ、および走査型プロ
ーブ顕微鏡の従来のプローブ先端を示す部分横断面図で
ある。
FIG. 1 is a partial cross-sectional view showing a trench in a sample surface and a conventional probe tip of a scanning probe microscope.

【図2】従来技術に記載の、走査型プローブ顕微鏡用の
第1のタイプのプローブ先端を示す部分側面図である。
FIG. 2 is a partial side view showing a first type of probe tip for a scanning probe microscope according to the prior art.

【図3】従来技術に記載の、図2のプローブ先端のトレ
ンチを検査するための連続運動を示す破線とともに、サ
ンプル表面内のトレンチを示す横断面図である。
3 is a cross-sectional view of a trench in a sample surface according to the prior art, with a dashed line showing a continuous movement for inspecting the trench of the probe tip of FIG. 2;

【図4】サンプル表面中のトレンチ内にある、従来技術
に記載の走査型プローブ顕微鏡用の第2のタイプのプロ
ーブ先端を示す部分図である。
FIG. 4 is a partial view showing a second type of probe tip for a scanning probe microscope according to the prior art, in a trench in the sample surface.

【図5】従来技術に記載の、図4のプローブ先端の振動
を表す出力信号を示すグラフである。
FIG. 5 is a graph showing an output signal representing the vibration of the probe tip of FIG. 4 according to the prior art.

【図6】従来技術に記載の、湾曲表面をたどるための図
4のプローブの増分運動を示す図である。
FIG. 6 shows the incremental movement of the probe of FIG. 4 for following a curved surface according to the prior art.

【図7】本発明に従って構築した装置を示す概略図であ
る。
FIG. 7 is a schematic diagram showing an apparatus constructed according to the present invention.

【図8】互いに直交した3つの方向にプローブを移動さ
せるために使用される片持ちばりおよび圧電アクチュエ
ータとともに、図7の走査型力顕微鏡で使用されるプロ
ーブを示す等角図である。
FIG. 8 is an isometric view showing the probe used in the scanning force microscope of FIG. 7, along with a cantilever and a piezoelectric actuator used to move the probe in three directions orthogonal to each other.

【図9】図7の装置によって同時に印加および測定され
る様々な信号を示すグラフである。
9 is a graph showing various signals applied and measured simultaneously by the apparatus of FIG. 7;

【図10】サンプルの側壁に沿って輪郭線を追跡するた
めのプローブとサンプルの間の相対運動がそれに沿って
起こる、図7の装置内の経路を示す概略平面図である。
FIG. 10 is a schematic plan view showing the path in the apparatus of FIG. 7 along which relative movement between the probe and the sample for tracking the contour along the sample sidewall occurs.

【図11】プローブとサンプルの間の相対運動を決定す
るために図7の装置の計算機システム内で実行されるプ
ログラムの流れ図である。
FIG. 11 is a flowchart of a program executed in the computer system of the apparatus of FIG. 7 to determine the relative movement between the probe and the sample.

【図12】側壁の一部分を検査するために図7の装置が
使用するパターンを示す図である。
FIG. 12 illustrates a pattern used by the apparatus of FIG. 7 to inspect a portion of a sidewall.

【図13】丸形直立構造を検査するために検査するため
に図7の装置が使用するパターンを示す図である。
FIG. 13 illustrates a pattern used by the apparatus of FIG. 7 to inspect to inspect a round upright structure.

【図14】穴の側壁を検査するために図7の装置が使用
するパターンを示す図である。
FIG. 14 illustrates a pattern used by the apparatus of FIG. 7 to inspect the sidewalls of a hole.

【図15】輪郭線を確立するために図7の装置が使用す
ることができるいくつかの輪郭平面と交差する直立円筒
を示す図である。
FIG. 15 shows an upright cylinder intersecting several contour planes that can be used by the device of FIG. 7 to establish a contour.

【図16】交差したいくつかの斜めの輪郭表面に沿った
図7の装置のプローブ先端の運動によって形成された輪
郭線を有する直立側壁を示す図である。
FIG. 16 shows an upright side wall having a contour formed by the movement of the probe tip of the device of FIG. 7 along several intersecting oblique contour surfaces.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

112 圧電アクチュエータ 118 X軸ドライバ 122 Y軸ドライバ 126 Z軸ドライバ 128 励起ドライバ 138 レーザ検出器 140 高域フィルタ 141 復調器 142 比較回路 145 計算機システム 146 表示装置 150 低域フィルタ 151 復調器 112 piezoelectric actuator 118 X-axis driver 122 Y-axis driver 126 Z-axis driver 128 excitation driver 138 laser detector 140 high-pass filter 141 demodulator 142 comparison circuit 145 computer system 146 display device 150 low-pass filter 151 demodulator

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ドン・チェン アメリカ合衆国33498 フロリダ州ボカラ トン ブエナ・ヴェンチュラ・ドライブ 10386 (72)発明者 ジェームス・エム・ハモンド アメリカ合衆国33486 フロリダ州ボカラ トン サウス・ウェスト・トウェルフス・ ストリート 1365 (72)発明者 ケニス・ジー・ロースラー アメリカ合衆国33431 フロリダ州ボカラ トン ノース・ウェスト・サーティース・ ロード 2096 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continued on the front page (72) Inventor Don Chen United States 33498 Boca Raton, Florida Buena Ventura Drive 10386 (72) Inventor James Em Hammond United States 33486 Boca Raton, Florida South West Twelves Street 1365 (72) Inventor Kennis G. Roesler United States 33431 Boca Raton, Florida North West Surtees Road 2096

Claims (24)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】サンプル表面内の側壁の地形的特徴を測定
する方法であって、前記サンプル表面と励起振動数で第
1の方向に振動する片持ちばりに取り付けられたプロー
ブ先端との間で相対運動を引き起こすステップを含む方
法であり、前記相対運動が、前記プローブ先端を、第1
の所定の輪郭表面と前記側壁の交差線に沿って延びる輪
郭経路に沿って運動させるものであり、前記プローブと
前記側壁の前記輪郭経路に沿った係合が、前記励起振動
数での前記第1の方向への前記プローブ先端の振動の測
定した振幅の変動に応じた範囲内で保持される方法。
A method for measuring topographical features of sidewalls within a sample surface, said method comprising the steps of: between a sample surface and a probe tip mounted on a cantilever beam oscillating in a first direction at an excitation frequency. Causing a relative movement, wherein the relative movement causes the probe tip to move to a first position.
Movement along a contour path extending along the intersection of the predetermined contour surface and the side wall, wherein the engagement of the probe and the side wall along the contour path is performed at the excitation frequency at the excitation frequency. A method wherein the probe tip is held within a range corresponding to a variation in measured amplitude of vibration of the probe tip in one direction.
【請求項2】前記相対運動が、前記プローブ先端を、前
記輪郭経路に沿って第1の複数の直線線分中を運動させ
るものであり、前記第1の複数の直線線分の各直線線分
が、前記プローブ先端の振動の前記測定した振幅が所定
の許容振動振幅範囲外であると判定されると終端する、
請求項1に記載の方法。
2. The method according to claim 1, wherein the relative movement moves the probe tip in a first plurality of straight line segments along the contour path. The minute ends when it is determined that the measured amplitude of the vibration of the probe tip is outside the predetermined allowable vibration amplitude range,
The method of claim 1.
【請求項3】前記相対運動がさらに、前記プローブ先端
を前記輪郭経路に沿って第2の複数の直線線分中を移動
させるものであり、前記第2の複数の直線線分の各直線
線分が、前記第1の複数の直線線分の隣接した直線線分
間に延び、前記第1の複数の直線線分の各直線線分が、
前記輪郭経路に沿って延びる線の局所接線に沿って延び
る、請求項2に記載の方法。
3. The method of claim 2, wherein the relative movement further moves the probe tip along a second one of the second plurality of straight lines along the contour path. Extends to an adjacent straight line segment of the first plurality of straight line segments, and each straight line segment of the first plurality of straight line segments is
3. The method of claim 2, wherein the method extends along a local tangent of a line extending along the contour path.
【請求項4】前記プローブ先端を、前記プローブを前記
平面に沿って第2の方向にディザリング(dithering)
させる第1の信号によって、前記第1の方向に対して垂
直な平面に沿ってディザリング振動数で円形パターンを
描くようにディザリングさせるステップと、 前記ディザリング振動数での振動の前記測定した振幅を
変調する信号と前記第1の信号の間の位相角を測定する
ステップと、 前記側壁に対して垂直な局所法線の角度を決定するステ
ップとをさらに含む方法であり、前記局所法線が、前記
ディザリング運動の中心を通って前記第1の方向に対し
て垂直な前記平面に沿って延び、前記局所法線の前記角
度が前記位相角の関数として決定される、請求項1に記
載の方法。
4. Dithering the probe tip in a second direction along the plane with the probe.
Causing the first signal to dither to draw a circular pattern at a dither frequency along a plane perpendicular to the first direction; and measuring the vibration at the dither frequency. Measuring a phase angle between a signal that modulates amplitude and the first signal; and determining an angle of a local normal perpendicular to the sidewall, wherein the local normal Extends along the plane perpendicular to the first direction through the center of the dithering motion, and the angle of the local normal is determined as a function of the phase angle. The described method.
【請求項5】前記第1の信号が正弦関数であり、 前記局所法線と前記第1の信号によって前記プローブ先
端を運動させる方向とがなす角度が、前記位相角とπラ
ジアンの和で決定される、請求項4に記載の方法。
5. The method according to claim 1, wherein the first signal is a sine function, and an angle between the local normal and a direction in which the probe tip is moved by the first signal is determined by a sum of the phase angle and π radian. 5. The method of claim 4, wherein the method is performed.
【請求項6】前記励起振動数が前記片持ちばりの固有振
動数に近く、前記ディザリング振動数が前記励起振動数
より大幅に低い、請求項4に記載の方法。
6. The method of claim 4, wherein said excitation frequency is close to the natural frequency of said cantilever and said dithering frequency is substantially lower than said excitation frequency.
【請求項7】前記相対運動が、前記プローブ先端を、前
記輪郭経路に沿って第1の複数の直線線分中を運動させ
るものであり、前記第1の複数の直線線分の各直線線分
が、前記直線線分の始点の近傍で決定された前記局所法
線に対して垂直に延び、前記第1の複数の直線線分の各
直線線分が、前記プローブ先端の振動の前記測定した振
幅が所定の許容振動振幅範囲外であると判定されると終
端する、請求項4に記載の方法。
7. The linear motion according to claim 1, wherein the relative movement moves the probe tip along a first one of the first plurality of straight lines along the contour path. A second segment extending perpendicular to the local normal determined near the starting point of the straight line segment, wherein each straight line segment of the first plurality of straight line segments is the measurement of the vibration of the probe tip. 5. The method according to claim 4, wherein when the determined amplitude is determined to be outside the predetermined allowable vibration amplitude range, the method terminates.
【請求項8】前記相対運動がさらに、前記プローブ先端
を前記輪郭経路に沿って第2の複数の直線線分中を移動
させるものであり、前記第2の複数の直線線分の各直線
線分が、前記第1の複数の直線線分の隣接した直線線分
間に延び、前記第2の複数の直線線分の各直線線分が、
前記第2の複数の直線線分の前記直線線分の近傍で決定
された前記局所法線に沿って延びる、請求項7に記載の
方法。
8. The linear motion of claim 2, further comprising moving the probe tip along a second one of the second plurality of straight lines along the contour path. Extends to adjacent straight line segments of the first plurality of straight line segments, and each straight line segment of the second plurality of straight line segments is
The method of claim 7, wherein the method extends along the local normal determined near the straight line segment of the second plurality of straight line segments.
【請求項9】前記第1の所定の輪郭表面が、前記第1の
方向に対して垂直な平坦面である、請求項1に記載の方
法。
9. The method of claim 1, wherein said first predetermined contour surface is a flat surface perpendicular to said first direction.
【請求項10】前記サンプル表面と励起振動数で第1の
方向に振動する片持ちばりに取り付けられたプローブ先
端との間で相対運動を引き起こすステップをさらに含む
方法であって、前記相対運動が、前記プローブ先端を、
複数の所定の輪郭表面と前記側壁の交差線に沿って延び
る複数の輪郭経路に沿って運動させるものであり、前記
プローブと前記側壁の前記複数の輪郭経路内の各輪郭経
路に沿った係合が、前記励起振動数での前記第1の方向
への前記プローブ先端の振動の測定した振幅の変動に応
じた範囲内で保持される、請求項1に記載の方法。
10. The method of claim 1, further comprising the step of causing relative movement between the sample surface and a probe tip mounted on a cantilever beam that vibrates in a first direction at an excitation frequency. , The probe tip
Moving along a plurality of contour paths extending along intersections of a plurality of predetermined contour surfaces and the side walls, wherein the probe and the sidewalls engage along respective contour paths within the plurality of contour paths; 2. The method of claim 1, wherein is maintained within a range responsive to a measured amplitude variation of the probe tip vibration in the first direction at the excitation frequency.
【請求項11】第1の方向に対して垂直に延びる平面内
のサンプル表面の側壁に沿った接線の方向を決定する方
法であって、 (a)前記サンプル表面と励起振動数で第1の方向に振
動する片持ちばりに取り付けられたプローブ先端との間
で、前記プローブ先端を前記側壁と係合させる相対運動
を引き起こし、同時に前記第1の方向への前記プローブ
先端の振動の振幅を測定するステップであって、前記側
壁との係合が前記振動振幅の変化によって判定されるス
テップと、 (b)前記励起振動数での前記第1の方向の前記プロー
ブ先端の振動を続行しながら、前記プローブ先端を、前
記側壁と係合させた状態で、前記第1の方向に対して垂
直に延びるディザリング平面中で円形パターンでディザ
リングさせ、同時に前記ディザリング平面内の第2の方
向へのディザリング運動と、前記プローブ先端の振動の
前記振幅の前記ディザリング振動数での変調との間の位
相角を測定するステップと、 (c)前記接線の方向を前記位相角の関数として決定す
るステップとを含む方法。
11. A method for determining the direction of a tangent along a sidewall of a sample surface in a plane extending perpendicular to a first direction, the method comprising: (a) determining a first direction of the sample surface and an excitation frequency; A relative motion is caused between the probe tip mounted on the cantilever beam that oscillates in the direction and the probe tip engages the side wall, and simultaneously the amplitude of the probe tip vibration in the first direction is measured. (B) determining that engagement with the side wall is determined by a change in the vibration amplitude; and (b) continuing the vibration of the probe tip in the first direction at the excitation frequency. While the probe tip is engaged with the side wall, the probe tip is dithered in a circular pattern in a dithering plane extending perpendicularly to the first direction, and simultaneously in the dithering plane. Measuring the phase angle between the dithering motion in the direction of 2 and the modulation of the amplitude of the vibration of the probe tip at the dithering frequency; and (c) changing the direction of the tangent to the phase angle. Determining as a function of.
【請求項12】前記プローブ先端が正弦関数に従って前
記第2の方向に運動し、 前記局所法線と前記第1の信号によって前記プローブ先
端が運動する方向とがなす角度が、前記位相角とπラジ
アンの和で決定される、請求項11に記載の方法。
12. The probe tip moves in the second direction according to a sine function, and the angle formed by the local normal and the direction in which the probe tip moves by the first signal is the phase angle and π. 12. The method of claim 11, wherein the method is determined by a radian sum.
【請求項13】前記励起振動数が前記片持ちばりの固有
振動数に近く、前記ディザリング振動数が前記励起振動
数より大幅に低い、請求項10に記載の方法。
13. The method of claim 10, wherein said excitation frequency is close to a natural frequency of said cantilever and said dithering frequency is significantly lower than said excitation frequency.
【請求項14】サンプル表面内の側壁の地形的特徴を測
定する方法であって、 (a)第1の方向に対して垂直な平面内でプローブ先端
を通って前記側面に対して垂直に延びる法線の方向を決
定するステップと、 (b)前記プローブ先端が第1の所定の輪郭表面に沿っ
て前記法線に対して垂直な方向に運動するように、前記
サンプル表面と前記プローブ先端の間で相対運動を引き
起こすステップと、 (c)前記プローブが前記側壁との所定の係合範囲内に
あるか、前記所定の係合範囲より前記側壁に接近してい
るか、または前記所定の係合範囲より前記側壁から離れ
ているかを判定するステップと、 (d)前記プローブ先端が前記側壁との前記所定の係合
範囲内にあると判定されたときに、ステップ(b)に戻
り、引き続き前記サンプル表面と前記プローブ先端の間
の相対運動を引き起こすステップと、 (e)前記プローブが前記所定の係合範囲より前記側壁
に接近していると判定されたときに、前記第1の方向に
対して垂直な平面内で前記プローブ先端を通って前記側
壁に対して垂直に延びる新たな法線の方向を決定し、前
記法線の方向を前記新たな法線の方向に置き換え、前記
プローブ先端が前記新たな法線に沿って前記側壁から離
れるように移動するように前記サンプル表面と前記プロ
ーブ先端の間で相対運動を引き起こし、ステップ(b)
に戻るステップと (f)前記プローブ先端が前記所定の係合範囲より前記
側壁から離れていると判定されたときに、前記第1の方
向に対して垂直な平面内で前記プローブ先端を通って前
記側壁に対して垂直に延びる新たな法線の方向を決定
し、前記法線の方向を前記新たな法線の方向に置き換
え、前記プローブ先端が前記新たな法線に沿って前記側
壁に向かって移動するように前記サンプル表面と前記プ
ローブ先端の間で相対運動を引き起こし、ステップ
(b)に戻るステップとを含む方法。
14. A method for measuring topographical features of sidewalls in a sample surface, the method comprising: (a) extending perpendicularly to a side surface through a probe tip in a plane perpendicular to a first direction. Determining a direction of the normal; and (b) moving the probe tip along the first predetermined contour surface in a direction perpendicular to the normal. Causing relative movement between; and (c) the probe is within a predetermined range of engagement with the side wall, closer to the side wall than the predetermined range of engagement, or the predetermined engagement. (D) determining whether the probe tip is within the predetermined engagement range with the side wall, returning to step (b); Sample surface Causing relative movement between the probe tip and the probe tip; and (e) perpendicular to the first direction when it is determined that the probe is closer to the side wall than the predetermined engagement range. Determining the direction of a new normal extending perpendicularly to the side wall through the probe tip in a simple plane, replacing the direction of the normal with the direction of the new normal, and Causing relative movement between the sample surface and the probe tip to move away from the sidewall along a normal line; and (b)
And (f) passing through the probe tip in a plane perpendicular to the first direction when it is determined that the probe tip is farther from the side wall than the predetermined engagement range. Determining the direction of a new normal extending perpendicular to the side wall, replacing the direction of the normal with the direction of the new normal, and causing the probe tip to face the side wall along the new normal; Causing relative movement between the sample surface and the probe tip to move back and return to step (b).
【請求項15】前記プローブ先端が、前記第1の方向に
励起振動数で振動する片持ちばり上に取り付けられ、 前記励起振動数での前記プローブ先端の振動の平均振幅
が測定され、 ステップ(c)で、前記振動の平均振幅が振幅値許容範
囲内であると判定されたときに、前記プローブ先端が前
記所定の係合範囲内であると判定され、前記振動の平均
振幅が前記振幅値許容範囲以下であると判定されたとき
に、前記プローブ先端が前記所定の係合範囲より前記側
壁に接近していると判定され、前記振動の平均振幅が前
記振幅値許容範囲以上であると判定されたときに、前記
プローブ先端が前記所定の係合範囲より前記側壁から離
れていると判定される、請求項14に記載の方法。
15. The probe tip is mounted on a cantilever beam that vibrates at an excitation frequency in the first direction, and an average amplitude of vibration of the probe tip at the excitation frequency is measured. In c), when it is determined that the average amplitude of the vibration is within the amplitude value allowable range, it is determined that the probe tip is within the predetermined engagement range, and the average amplitude of the vibration is determined by the amplitude value. When it is determined that it is equal to or less than the allowable range, it is determined that the probe tip is closer to the side wall than the predetermined engagement range, and it is determined that the average amplitude of the vibration is equal to or greater than the amplitude value allowable range. The method of claim 14, wherein when determined, the probe tip is determined to be further from the sidewall than the predetermined engagement range.
【請求項16】前記プローブ先端がさらに、前記第1の
方向に対して垂直な前記平面に沿ってディザリング振動
数で円形ディザリング・パターンで駆動され、 前記プローブ先端が前記側壁と係合しているときに、前
記平均振幅が前記ディザリング振動数で変調され、 ステップ(a)、(e)、および(f)で、前記法線の
方向および前記新たな法線の方向が、前記ディザリング
振動数での前記平均振幅の変調と、前記プローブ先端を
第2の方向に運動させるディザリング信号の位相角の関
数として決定される、請求項15に記載の方法。
16. The probe tip is further driven in a circular dither pattern at a dither frequency along the plane perpendicular to the first direction, the probe tip engaging the side wall. The average amplitude is modulated at the dithering frequency, and at steps (a), (e) and (f), the direction of the normal and the direction of the new normal are 16. The method of claim 15, wherein the method is determined as a function of a modulation of the average amplitude at a ring frequency and a phase angle of a dither signal that moves the probe tip in a second direction.
【請求項17】前記プローブ先端を前記第2の方向に運
動させる前記ディザリング信号が正弦関数であり、 前記局所法線と前記第2の方向とがなす角度が、前記位
相角とπラジアンの和で決定される、請求項16に記載
の方法。
17. The dithering signal for moving the probe tip in the second direction is a sine function, and the angle between the local normal and the second direction is equal to the phase angle and π radian. 17. The method of claim 16, wherein the sum is determined.
【請求項18】前記励起振動数が前記片持ちばりの固有
振動数に近く、前記ディザリング振動数が前記励起振動
数より大幅に低い、請求項16に記載の方法。
18. The method according to claim 16, wherein said excitation frequency is close to a natural frequency of said cantilever and said dithering frequency is significantly lower than said excitation frequency.
【請求項19】前記所定の輪郭表面が、前記第1の方向
に離間した複数の所定の輪郭表面のうちの第1の所定の
輪郭表面であり、前記複数の輪郭表面の各輪郭表面が、
前記第1の方向に対して垂直な平坦面であり、 前記プローブ先端を、前記側壁および前記各輪郭表面に
沿って延びる走査線に沿って運動させるために、ステッ
プ(a)から(f)が繰り返され、 前記プローブ先端が、前記複数の輪郭表面の隣接する輪
郭表面間で前記第1の方向に運動する、請求項14に記
載の方法。
19. The method according to claim 19, wherein the predetermined contour surface is a first predetermined contour surface among a plurality of predetermined contour surfaces spaced in the first direction, and each of the plurality of contour surfaces is:
Steps (a) to (f) are flat surfaces perpendicular to the first direction, wherein steps (a) to (f) are performed to move the probe tip along a scan line extending along the side wall and each contour surface. 15. The method of claim 14, wherein the probe tip is moved in the first direction between adjacent contour surfaces of the plurality of contour surfaces.
【請求項20】サンプル表面内の側壁の地形的特徴を測
定する方法であって、 片持ちばりと、 前記片持ちばりの端部に取り付けられたプローブ先端
と、 前記片持ちばりを第1の方向に振動させる励起ドライブ
と、 前記プローブ先端を前記第1の方向に対して垂直な平面
に沿って円形パターンで運動させるために前記片持ちば
りを運動させるディザリング・ドライブと、 前記サンプル表面を前記プローブ先端に対して露出させ
た状態でサンプルを保持するサンプル保持器と、 前記片持ちばりと前記サンプル保持器の間の相対運動
を、前記第1の方向に対して垂直な平面内で引き起こす
走査ドライブと、 前記励起振動数での前記第1の方向への前記プローブ先
端の振動の振幅の平均値を示す第1の信号を提供する第
1の復調器と、 前記プローブ先端の振動の戦記振幅の変調と前記プロー
ブ先端を前記円形パターンで運動させるために直線的な
運動成分を引き起こすディザリング信号の間の位相角を
示す第2の信号を提供する第2の復調器と、 プロセッサと、 前記円形パターンの中心と前記側壁の間に延びる法線の
方向を決定するために前記プロセッサ内で実行されるプ
ログラムとを含み、前記法線が前記第1の方向に対して
垂直な前記平面内で前記側壁に対して垂直に延び、前記
法線の前記方向が前記位相角の関数として決定される装
置。
20. A method for measuring topographical features of sidewalls within a sample surface, comprising: a cantilever, a probe tip attached to an end of the cantilever, and a first cantilever. An excitation drive for oscillating in a direction, a dithering drive for moving the cantilever to move the probe tip in a circular pattern along a plane perpendicular to the first direction, and A sample holder for holding a sample in an exposed state with respect to the probe tip; and causing relative movement between the cantilever and the sample holder in a plane perpendicular to the first direction. A scanning drive; a first demodulator for providing a first signal indicative of an average value of an amplitude of vibration of the probe tip in the first direction at the excitation frequency; A second demodulation providing a second signal indicative of a phase angle between a modulation of the note amplitude of the vibration of the probe tip and a dithering signal causing a linear motion component to move the probe tip in the circular pattern. A processor, and a program executed in the processor to determine a direction of a normal extending between the center of the circular pattern and the side wall, the normal being relative to the first direction. An apparatus that extends perpendicular to the sidewall in the vertical plane, the direction of the normal being determined as a function of the phase angle.
【請求項21】前記プロセッサが前記走査ドライブの動
作を制御し、前記サンプル表面と前記プローブ先端の間
の相対運動を引き起こし、前記相対運動が、前記プロー
ブ先端を、第1の所定の輪郭表面と前記側壁の交差線に
沿って延びる輪郭経路に沿って運動させるものであり、
前記プローブと前記側壁の前記輪郭経路に沿った係合
が、前記励起振動数での前記第1の方向への前記プロー
ブ先端の振動の測定した振幅の変動に応じた範囲内で保
持される、請求項20に記載の装置。
21. The processor controls the operation of the scan drive to cause relative movement between the sample surface and the probe tip, the relative movement causing the probe tip to move with a first predetermined contour surface. Moving along a contour path extending along the intersection of the side walls,
Engagement of the probe and the side wall along the contour path is maintained within a range corresponding to a variation in a measured amplitude of vibration of the probe tip in the first direction at the excitation frequency. The device according to claim 20.
【請求項22】前記相対運動が、前記プローブ先端を、
前記輪郭経路に沿って第1の複数の直線線分中を運動さ
せるものであり、前記第1の複数の直線線分の各直線線
分が、前記プローブ先端の振動の前記測定した振幅が所
定の許容振動振幅範囲外であると判定されると終端す
る、請求項20に記載の装置。
22. The relative movement comprises:
The first plurality of straight line segments are moved along the contour path, and each of the first plurality of straight line segments has a predetermined amplitude corresponding to the measured amplitude of vibration of the probe tip. 21. The apparatus according to claim 20, wherein the apparatus terminates when it is determined that the vibration amplitude is outside the allowable vibration amplitude range.
【請求項23】前記相対運動がさらに、前記プローブ先
端を前記輪郭経路に沿って第2の複数の直線線分中を移
動させるものであり、前記第2の複数の直線線分の各直
線線分が、前記第1の複数の直線線分の隣接した直線線
分間に延び、前記第1の直線線分の各直線線分が、前記
直線線分の始点で算出された方向を有する前記法線に対
して垂直に延びる、請求項22に記載の装置。
23. The method according to claim 23, wherein the relative movement further moves the probe tip along a second one of the second plurality of straight lines along the contour path. The method further comprises: extending an adjacent straight line segment between the first plurality of straight line segments, wherein each straight line segment of the first straight line segment has a direction calculated at a starting point of the straight line segment. 23. The device of claim 22, extending perpendicular to the line.
【請求項24】前記ディザリング・ドライブが、前記プ
ローブ先端を正弦関数に従って前記第2の方向に運動さ
せ、前記局所法線と前記第2の方向がなす角度が、前記
位相角とπラジアンの和で決定される、請求項20に記
載の装置。
24. The dithering drive moves the probe tip in the second direction according to a sine function, and the angle formed by the local normal and the second direction is equal to the phase angle and π radian. 21. The apparatus of claim 20, wherein the apparatus is determined by a sum.
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