JP2003004620A - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】探針と試料の位置合わせを精度良く容易に行な
える高速走査可能な走査型プローブ顕微鏡を提供する。 【解決手段】走査型プローブ顕微鏡は、試料４を観察可
能な観察光学系３と、この観察光学系３から一定距離離
して配置された走査系１７と、観察光学系３及び走査系
１７に対して試料４を移動させる移動機構５と、走査系
１７の探針２６と観察ポイントとの間の位置関係を光学
的に検出可能な検出光学系２７と、この検出光学系２７
の検出データに基づいて探針２６と観察ポイントＡとの
間のずれ量を演算する演算装置２３と、この演算装置２
３で演算されたずれ量を無くすように移動機構５を制御
するステージコントローラ２２とを備えている。検出光
学系２７は、走査系１７と対向する位置に配置されてお
り、走査系１７の探針２６と観察ポイントとの間の位置
関係を光学的に検出し得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、走査型プローブ顕
微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】特開平２０００−１２１５３４は、試料
を観察可能な観察光学系と、探針を走査する走査系と、
観察光学系及び走査系に対して試料を相対的に移動させ
る移動機構と、探針と観察ポイントの間の位置関係を光
学的に検出可能な検出光学系と、探針と観察ポイントと
の間のずれ量を演算する演算装置と、演算装置で演算さ
れたずれ量をなくすように移動機構またはスキャナを選
択的に制御することによって探針を観察ポイントに位置
付ける制御手段とを備えている走査型プローブ顕微鏡を
開示している。

【０００３】特開平９−２０３７４０は、探針を上方か
ら観察できるように配置された第１の光学顕微鏡と、第
１の光学顕微鏡から所定の一定距離の位置に配置された
第２の光学顕微鏡と、探針の位置を調整する探針位置決
め手段とを備えており、第１の顕微鏡によって、探針の
位置を所定位置に位置合わせすることにより、探針と第
２の光学顕微鏡の位置関係を関係づける走査型プローブ
顕微鏡を開示している。この走査型プローブ顕微鏡で
は、探針に対する試料の走査は、試料の下に配置された
３次元スキャナにより行なわれる。

【０００４】特開平９−１４５７２１は、探針走査ユニ
ットとカンチレバー観察光学系とが試料を挟んで互いに
反対側に配置されている走査型プローブ顕微鏡を開示し
ている。この走査型プローブ顕微鏡では、試料とカンチ
レバーを同時に光学観察しながら試料を移動することに
よって、試料上の測定所望ポイントに対するカンチレバ
ーの位置決めが行なわれ、カンチレバーとカンチレバー
変位センサのビームスポットを同時に観察しながらカン
チレバーを移動することによって、ビームスポットとカ
ンチレバーの位置合わせが行なわれる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】特開平２０００−１２
１５３４に開示されている装置では、探針と観察ポイン
トの位置関係を検出するための検出光学系（カンチレバ
ー観察光学系）は、試料に対してカンチレバーと同じ側
に配置されており、走査機構である円筒型圧電体の内部
に位置している。

【０００６】カンチレバー観察光学系において、探針と
観察ポイントの位置関係を高い精度で検出するには、カ
ンチレバー観察光学系が高い倍率を有しているとよい。
そのためには、カンチレバー観察光学系にＮＡの大きい
レンズを用いる必要があり、それに応じて走査機構は必
然的に大型なものになる。走査機構の大型化はその共振
周波数を低下させるため、高速走査を妨げる要因とな
る。

【０００７】カンチレバー観察光学系を走査機構の外側
に配置する改良も考えられるが、この場合にも、少なく
ともミラーは走査機構内部に配置される必要があり、被
走査部分の質量の増加を招く。この場合もやはり、高倍
率化に伴う走査機構の共振周波数の低下を引き起こし、
高速走査の妨げとなる。

【０００８】また、カンチレバーとカンチレバー変位セ
ンサのレーザビームスポットとの位置関係の観察におい
て、カンチレバーで反射されたビームではなく、カンチ
レバー上で散乱したビームを見ているので、カンチレバ
ーの反射率が高い場合には、ビームをほとんど見ること
ができない。

【０００９】さらに、カンチレバー観察光学系による観
察では、探針が直接見えないので、探針の正確な位置を
知ることができない。

【００１０】特開平９−２０３７４０に開示されている
装置は、探針に対して試料が三次元走査される、試料走
査型の走査型プローブ顕微鏡であるため、８インチウエ
ハ等の大きな試料を高速で走査できない。

【００１１】特開平９−１４５７２１に開示されている
装置では、探針走査ユニットとカンチレバー観察光学系
の間に試料が配置されるため、測定対象は生物試料等の
透明な物質に限られている。従って、この装置に対して
不透明な試料を配置した場合、試料下の光学系によって
カンチレバーを見ることはできない。

【００１２】試料ステージ等により試料を適宜退避させ
てカンチレバーを下から光学観察できるようにする改良
も考えられるが、このためには、試料ステージの厚みよ
りも作動距離の長い対物レンズを使用する必要がある。
作動距離の長い対物レンズはＮＡが小さいので、カンチ
レバーやレーザビームを十分に拡大することができず、
位置合わせの精度が低下する。

【００１３】また、カンチレバー変位センサのレーザビ
ームが光学系の光軸に対して傾いている場合、ＮＡの小
さい対物レンズでは、レーザビームが対物レンズに入射
せず、その結果、レーザビームが全く見えないという事
態も起こり得る。

【００１４】本発明は、上述した実状に鑑みてなされた
もので、その主な目的は、カンチレバーの探針と試料上
の観察ポイントとの位置合わせを精度良く簡単に行なえ
る高速走査可能な走査型プローブ顕微鏡を提供すること
である。

【００１５】本発明の二次的な目的は、上記の利点を有
する上に、カンチレバーとレーザビームスポットとの位
置合せを精度良く簡単に行なえる走査型プローブ顕微鏡
を提供することである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明の走査型プローブ
顕微鏡は、試料を観察可能な観察光学系と、この観察光
学系から一定距離だけ離間して配置されている走査系
と、観察光学系及び走査系に対して試料を相対的に移動
させる移動機構と、走査系の走査領域における探針と観
察ポイントとの間の位置関係を光学的に検出可能な検出
光学系と、この検出光学系の検出データに基づいて探針
と観察ポイントとの間のずれ量を演算する演算装置と、
この演算装置で演算されたずれ量を無くすように移動機
構を制御する制御手段とを備えている。走査系は観察光
学系を介して観察した試料の観察ポイントを含む領域に
探針を走査させ、検出光学系は走査系と対向する位置に
配置される。

【００１７】

【発明の実施の形態】第一実施形態 以下、本発明の第一実施形態に係る走査型プローブ顕微
鏡について、図１を参照して説明する。

【００１８】図１に示されるように、本実施形態の走査
型プローブ顕微鏡は、試料４を観察可能な観察光学系３
と、この観察光学系３から一定距離離して配置された、
且つ、観察光学系３により観察された試料４の観察ポイ
ントＡを含む領域に対して探針２６を走査する走査系１
７と、観察光学系３及び走査系１７に対して試料４を移
動させる移動機構５と、走査系１７の探針２６と観察ポ
イントＡとの間の位置関係を光学的に検出可能な検出光
学系２７と、この検出光学系２７の検出データに基づい
て探針２６と観察ポイントＡとの間のずれ量を演算する
演算装置２３と、この演算装置２３で演算されたずれ量
を無くすように移動機構５を制御する制御手段であるス
テージコントローラ２２とを備えている。

【００１９】観察光学系３は、試料観察用対物レンズ２
８と、この試料観察用対物レンズ２８を垂直方向（矢印
Ｚ方向）に上下動させる観察光学系用Ｚステージ１と、
試料観察用対物レンズ２８を介して取り込まれる試料４
の光学像を撮るＣＣＤカメラ２とを有している。観察光
学系用Ｚステージ１は図示しない駆動機構によって矢印
Ｚ方向に移動され得る。

【００２０】ＣＣＤカメラ２で撮られた試料４の光学像
は、試料４の観察ポイントＡの位置を特定するための指
標となるクロスカーソル２９と共に観察表示装置１９に
同時に表示される。クロスカーソル２９は互いに直交す
る二直線を有しており、その交差点上に試料４の観察ポ
イントＡを位置付けることにより観察ポイントＡの位置
が特定される。

【００２１】走査系１７は、図示しないスキャナと、こ
のスキャナを支持しながら垂直方向（矢印Ｚ方向）に上
下動可能な走査系用Ｚステージ１８とを備えている。ス
キャナは、例えば、その可動端が三次元方向に移動可能
な中空のチューブ型圧電体スキャナである。スキャナの
可動端にはカンチレバー１５が取り付けられており、ス
キャナに印加する電圧を制御してカンチレバー１５先端
の探針２６を試料４に沿って所定方向に所定量だけ移動
させることによって、試料４の表面情報（例えば、凹凸
情報など）が測定され得る。スキャナは中空のチューブ
型圧電体スキャナに限定されるものではなく、互いに直
交する三本の積層型圧電体から構成される公知のトライ
ポッド型圧電スキャナ等であってもよい。

【００２２】このような走査系１７に適用可能な測定法
としては、探針接触圧設定時のカンチレバー１５の撓み
状態を一定に維持しながら、探針２６を試料４に沿って
走査することによって、探針２６と試料４との間に働く
相互作用に基づく試料４の表面情報を測定するスタティ
ックモード測定法と、所定の共振周波数でカンチレバー
１５を励振させた状態で、例えば振動中心と試料４表面
との間の距離を一定に維持しながら、探針２６を試料４
に沿って走査することによって、探針２６と試料４との
間に働く相互作用に基づく試料４の表面情報を測定する
ダイナミックモード測定法とがあるが、以下の説明で
は、両測定法を総称して単にＳＰＭ測定と呼ぶ。

【００２３】このようなＳＰＭ測定において撓み状態を
検出するために、走査系１７には光てこ方式の変位セン
サが取り付けられている。この光てこ方式の変位センサ
は、カンチレバー１５の背面（探針２６が設けられてい
る面の反対側の面）に変位測定用レーザー光を照射する
ための光源（図示しない）と、カンチレバー１５の背面
で反射された反射光を受光するための受光素子（図示し
ない）とを備えており、受光素子で検知される反射光の
受光位置及び受光量の変化に基づいてカンチレバー１５
の変位状態を光学的に検出し得る。

【００２４】走査系１７には更に、光源から射出される
変位測定用レーザー光のスポット１０を水平面内で自由
に移動させるための調整ツマミ１６が設けられている。
調整ツマミ１６は、図１には一つしか示されていない
が、実際には二つあり、スポット１０を水平面内で二次
元的に移動し得る。

【００２５】本実施形態では、カンチレバー１５の位置
が固定されており、これに対して変位センサの光源の位
置を調整する構成となっているが、これとは逆に、変位
センサの光源の位置が固定されており、これに対してカ
ンチレバー１５の位置を調整する構成であってもよい。
また、カンチレバー１５に照射されるレーザ光の軸は、
鉛直方向とは限らず、鉛直方向に対してある角度を有し
ていてもよい。

【００２６】また、走査系１７は、後述するＸＹステー
ジ５上に載せられた試料４の表面に沿ってカンチレバー
１５先端の探針２６を走査させることにより、試料４の
表面情報をＳＰＭ測定する探針走査型の走査系を想定し
ている。

【００２７】観察光学系３と走査系１７は、筐体２０に
対して互いに一定距離Ｘ０だけ離して整列固定されてい
る。試料４は移動機構５によって観察光学系３と走査系
１７の間で搬送され得る。

【００２８】好ましい移動機構５は、試料４を水平方向
に移動可能なＸＹステージである。ＸＹステージは、Ｘ
方向に移動可能なＸステージと、Ｘ方向に直交するＹ方
向に移動可能なＹステージとを備えており、例えばＸス
テージの上にＹステージが設けられており、Ｙステージ
の上に試料４が載置される。Ｘステージを移動させるこ
とによって、試料４を観察光学系３及び走査系１７に選
択的に位置付けることができる。

【００２９】検出光学系２７は、走査系１７と対向して
配置されており、カンチレバー１５先端の探針２６と試
料４の観察ポイントＡとの位置関係およびカンチレバー
１５とビームスポット１０との位置関係を光学的に検出
し得る。

【００３０】検出光学系２７は、探針２６に対向して配
置され得る位置検出用対物レンズ６と、位置検出用対物
レンズ６を介して取り込まれるカンチレバー１５と探針
２６とビームスポット１０の光学像を撮るＣＣＤカメラ
９と、光学像をＣＣＤカメラ９に導くミラー７とを備え
ている。これらの光学要素はいずれもＸＹステージ５の
中に配置されている。

【００３１】検出光学系２７は更に、カンチレバー１５
を照明するための照明光源２４と、照明光源２４からの
照明光をファイバー口金１３に導く光ファイバー２１
と、ファイバー口金１３に入射した照明光をカンチレバ
ー付近まで導くためのミラー１４とハーフミラー８とを
備えている。

【００３２】検出表示装置１１には、探針２６とカンチ
レバー１５とビームスポット１０の光学像と共に、探針
２６と試料４の観察ポイントＡとの位置関係を特定する
ための指標となるクロスカーソル３０が同時に表示され
る。

【００３３】クロスカーソル３０は互いに直交する二直
線を有しており、その交差点上に探針２６又は試料４の
観察ポイントＡを選択的に位置付けることによって、探
針２６と観察ポイントＡとの間の距離を測定することが
できる。

【００３４】本実施形態では、試料４の観察ポイントＡ
は予めクロスカーソル３０の交差点上に位置決めされて
いる。この場合、位置決めは例えば次のように行なわれ
る。図２に示されるような透明で規則的なパターンの書
き込まれた位置決め試料５１を製作し、これを観察光学
系３の直下に配置し、その中心Ｐを試料観察表示装置１
９上のクロスカーソル２９の中心Ａに合わせる。続いて
ＸＹステージ５により位置決め試料５１をＸ０だけ移動
して走査系１７の直下に配置し、位置決め試料５１を検
出表示装置１１により裏側から観察し、その中心Ｐが検
出表示装置１１上のクロスカーソル３０の交差点に合う
ように少しずつＸ０を変化させる。

【００３５】また、カンチレバー１５を交換したとき、
走査系１７に対するカンチレバー１５の位置はある範囲
内でばらつく（通常±０．５ｍｍ程度）。したがって、
カンチレバー１５の交換後、ビームスポット１０がカン
チレバー１５の背面に乗るように調整を行なう必要があ
る。この調整に際しても、検出表示装置１１上に表示さ
れるビームスポット１０とカンチレバー１２を見なが
ら、調整ツマミ１６を用いてビームスポット１０を二次
元的に移動してカンチレバー上の所定の位置（図１上の
点Ｄ）に一致させる。

【００３６】走査型プローブ顕微鏡は、さらに、走査系
１７のスキャナに所定の電圧を印加することによってス
キャナの可動端をＸＹ方向に変位させてカンチレバー１
５先端の探針２６を試料４に沿って所定方向に所定量だ
け移動させると共に受光素子の受光量の変化に基づいて
スキャナを矢印Ｚ方向に変位させて探針２６と試料４と
の距離を制御するスキャナコントローラ３１を備えてい
る。

【００３７】スキャナコントローラ３１は、スキャナの
可動端をＸＹ方向に変位させるだけで無く、探針２６を
試料４に対してアプローチする時に、走査系１７の走査
系用Ｚステージ１８を矢印Ｚ方向に移動させる。つま
り、ＳＰＭ測定前に、スキャナコントローラ３１は、探
針２６と試料４との間に働く相互作用（物理量）が所望
の値となるまで走査系用Ｚステージ１８を矢印Ｚ方向に
移動させる（アプローチ）。その後、スキャナコントロ
ーラ３１は、実際のＳＰＭ測定を行うため、スキャナに
電圧を印加し、その可動端に位置する探針２６と試料４
表面との距離をＺ方向にフィードバック制御しながら、
探針２６を試料４の表面に沿って（つまりＸＹ方向に）
走査する。

【００３８】観察光学系３の試料観察用対物レンズ２８
の光軸と走査系１７の探針２６先端との間の距離はＸ０
に設定されている。

【００３９】次に、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡
の動作について説明する。

【００４０】まず、走査系１７にカンチレバー１５が取
り付けられる。走査系１７へのカンチレバー１５の取り
付けは板バネで押さえたり真空吸着したりして行なわれ
る。つぎに、ＸＹステージ５を移動して、検出光学系２
７をカンチレバー１５の直下に配置する。そのとき、検
出表示装置１１には、カンチレバー１５と、カンチレバ
ー変位センサのビームスポット１０と、探針２６とが表
示される。

【００４１】検出表示装置１１上に表示されるビームス
ポット１０とカンチレバー１２を見ながら調整ツマミ１
６を用いてビームスポット１０を二次元的に移動して、
ビームスポット１０をカンチレバー１２上の所定の位置
（図１の点Ｄ）に一致させる。

【００４２】次に、クロスカーソル３０の交差点をＡ点
から移動して探針２６（点Ｃ）に合わせる。このときの
点Ａと点Ｃとのずれ量（ΔＸ，ΔＹ）が試料上の測定所
望点Ａと探針２６とのずれ量になる。クロスカーソル３
０を探針２６に合わせた時点で、このずれ量（ΔＸ，Δ
Ｙ）の値は演算装置２３に記憶される。

【００４３】次に、ＸＹステージ５をＸ方向に移動し
て、ＸＹステージ５に載置されている試料４を観察光学
系３の試料観察用対物レンズ２８の光軸下（観察視野
内）に位置付ける。

【００４４】次に、観察光学系用Ｚステージ１により試
料観察用対物レンズ２８を垂直方向（Ｚ方向）に上下動
させて試料４に焦点を合わせる。この状態は常に観察表
示装置１９に表示されており、観察表示装置１９を目視
観察しながらＸＹステージ５を微動して、クロスカーソ
ル２９の交差点上に試料４の観察ポイントＡを位置付け
る。この結果、試料４の観察ポイントＡの位置が特定さ
れる。試料４の観察ポイントＡの位置データは一時的に
演算装置２３に記憶される。

【００４５】演算装置２３は、演算装置２３に記憶され
た観察ポイントＡの位置データと前述の（ΔＸ，ΔＹ）
の値とからＸＹステージ５の移動量Ｘ０を補正し、移動
後に観察ポイントＡが探針２６の直下に配置されるよう
に、ＸＹステージ５を移動させる。

【００４６】この後、スキャナコントローラ３１によっ
て走査系用Ｚステージ１８を矢印Ｚ方向に移動させて探
針２６を試料４表面にアプローチさせるだけで、直ち
に、試料４の観察ポイントＡに対する所望のＳＰＭ測定
を開始することができる。

【００４７】また、演算装置２３によって算出されたず
れ量（ΔＸ，ΔＹ）データは、それ以降、演算装置２３
に記憶される。従って、観察光学系３によって特定した
新たな観察ポイントを検出光学系の位置検出用対物レン
ズ６の光軸下（観察視野内）に位置付ける場合でも、演
算装置２３に記憶されたずれ量（ΔＸ，ΔＹ）を無くす
ように、ステージコントローラ２２がＸＹステージ５を
動作制御することによって、試料４の新たな観察ポイン
トに対して探針２６を短時間の内に正確に位置決めする
ことができる。

【００４８】本実施形態ではカンチレバーに対してレー
ザースポットを位置合わせたが、逆に、レーザースポッ
ト位置は固定でカンチレバー位置を調整してレーザース
ポット位置に合わせてもよい。そうすれば観察光学系の
中心と探針との距離Ｘ０はほぼ一定になるので、カンチ
レバーを交換する度に探針の位置ずれ（ΔＸ，ΔＹ）を
測ると言う煩わしさがなくなる。

【００４９】本実施形態は以下に述べる利点を有してい
る。

【００５０】カンチレバーの交換の際、カンチレバーに
対するビームスポットの調整、探針位置と試料上の測定
所望ポイントの位置合せを迅速かつ容易に行なえる。

【００５１】さらに、カンチレバーを観察する光学系が
走査系から完全に分離しているので、カンチレバー観察
光学系の部品が走査系に搭載されることがない。従っ
て、余計な光学要素を走査系に搭載することによる走査
系の共振周波数の低下に伴う走査速度の低下がない。

【００５２】また、カンチレバー上のレーザビームの散
乱を見ているわけではないので、カンチレバーの反射率
が高い場合でも確実にレーザビームを観察でき、従って
カンチレバーに対してレーザビームを位置決めすること
ができる。

【００５３】また、探針走査型の走査型プローブ顕微鏡
なので、大型の試料を測定することが可能である。

【００５４】また、試料の透明・不透明に関係なく、カ
ンチレバーとビームスポットの位置合わせ、試料の測定
所望点と探針との位置合わせを行なうことができる。

【００５５】また、カンチレバーを観察する光学系をカ
ンチレバー直下の近傍に配置することができるので、対
物レンズ６のＮＡをいくらでも大きくできる。従って、
カンチレバー変位センサのレーザビームの光軸が鉛直方
向と平行でなくても、レーザビームが対物レンズ６に入
射するのでビームスポットを確実に観察できる。また、
高いＮＡすなわち高倍率の対物レンズ６でビームスポッ
ト１０と探針２６を観察できるので、それらの位置決め
を高い精度で行なえる。

【００５６】また、探針の付いている方向からカンチレ
バーを観察しているので、探針位置を正確に把握でき
る。従って、観察光学系で決めた観察所望点と探針との
位置ずれがない。つまり、走査型プローブ顕微鏡の走査
範囲が狭くなっても観察所望点が走査範囲に入らないこ
とがない。

【００５７】第二実施形態 次に、本発明の第二実施形態の走査型プローブ顕微鏡に
ついて図３〜図５を参照して説明する。

【００５８】本実施形態は実質的に、第一実施形態にお
ける検出光学系を取り外し可能にした構成であり、検出
光学系の設置スペースがない場合でもカンチレバーに対
するビームスポットの位置合わせや試料上の観察所望ポ
イントと探針との位置決めを行なえるようにしたもので
ある。本実施形態の構成は、第一実施形態と比較して、
検出光学系２７の配置が違うのみである。従って、検出
光学系２７以外の構成の説明は省略する。

【００５９】図３に示されるように、第一実施形態と同
様の検出光学系２７が筐体６９の内部に内蔵されてい
る。また、第一実施形態と同様の走査系が走査系外枠６
７の内部に収容されている。走査系外枠６７には、第一
実施形態と同様にビームスポット位置調整ツマミ１６が
設けられている。筐体６９には、走査系外枠６７が入り
得る穴６８が設けられている。穴６８の底部は平面であ
り、走査系外枠６７の下面が押し当てられる当て付け面
６６として作用する。

【００６０】走査系外枠６７は、その下端を除いて円筒
形状をしており、下端は円錐台形状をしている。円錐台
側面６４の一部にはミゾ６５が設けられている。走査系
外枠６７は、図４に示されるように、三つの金属製のボ
ール６１によって外側の三方向から押されている。二つ
のボール６１は円錐台側面６４に接しており、残る一つ
のボール６１はミゾ６５に接している。

【００６１】ミゾ６５に接しているボール６１は、筐体
６９に取り付けられたバネ６２に固定されている。ま
た、円錐台側面６４に接している二つのボール６１はネ
ジ６３に固定されている。ネジ６３はその回転によりそ
の押し込み量を調整できる。

【００６２】走査系外枠６７の円錐台側面６４およびミ
ゾ６５に対する三方向からの押しは、走査系外枠６７を
斜め下方向に押す力を発生する。その結果、走査系外枠
６７の下面が、筐体６９に設けられた穴６８の底面すな
わち当て付け面６６に押し付けられる。また、二本のネ
ジ６３の回転による押し込みは、バネ６２を押し縮める
力を発生する。その結果、走査系外枠６７が、筐体６９
の穴６８の内面に対して一定位置に押し付けられる。

【００６３】このような構造により、検出光学系２７を
内蔵した筐体６９は、走査系外枠６７に対して簡単に着
脱可能になる。また、二本のネジ６３による押し込みに
より、筐体６９の内部に設けられている検出光学系２７
が、走査系外枠６７に対して再現性良く三次元的に一定
の位置に配置される。

【００６４】次に本実施形態の作用について説明する。

【００６５】まず、観察光学系３と検出光学系２７の中
心合わせを行なう。そのために、試料４上の観察ポイン
トＡが、ＸＹステージ移動後に探針２６の下に配置され
るような初期調整をおこなう。その初期調整は、例え
ば、走査系の下に試料があるときに、光学観察可能なマ
ークを試料に付け、そのマークを観察光学系で探すこと
により行なう。具体的には、カンチレバーにより、故意
に試料にマークを付け、そのマーク位置を観察光学系に
より探す。

【００６６】表面が比較的やわらかく、強い力で探針を
走査させたときに、表面がけずれる位置調整用試料Ｓを
準備する。例えば、半導体のレジストパターンやプラス
チックがよい。逆に試料は硬くても、探針がダイヤモン
ドから製作されたカンチレバーを使ってもよい。ダイヤ
モンド探針付きカンチレバーは市場から入手可能であ
る。柔らかい試料ＳをＸＹステージ５の上に載せ、走査
系１７の下に移動させる。そのあと、初期調整用のカン
チレバー１５を走査系１７に装着し、探針走査を行な
う。カンチレバー１５の取付け位置は取付け誤差範囲内
でばらつきを有している。走査範囲は５０〜１００μｍ
程度であり、探針２６が試料Ｓに加える力は１０〜１０
０μＮ程度の大きさが適当である。この力は、例えば、
バネ定数が２０Ｎ／ｍ程度のカンチレバーを１μｍ程度
たわませるような押し込みにより実現できる。

【００６７】カンチレバー１５の走査により、位置調整
用試料Ｓには、ちょうど走査範囲と同じ大きさの正方形
の凹部７０が付けられる。次にその試料ＳをＸＹステー
ジ５で搬送し、観察光学系３の直下に配置する。そのと
きの移動量は設計上の移動量Ｘ０である。このときのＸ
Ｙステージ５のＸＹ座標（Ｘ１，Ｘ２）を演算装置２３
に記憶させる。このあと、試料観察表示装置を見ても、
通常は、前述した凹部７０は見えない。その場合、ステ
ージコントローラ２２でＸＹステージ５を微小移動させ
て凹部７０を探す。カンチレバー１５の取付け誤差は一
般に０．５ｍｍ程度なので、±０．５ｍｍ程度の範囲を
探せば凹部７０は見つかる。

【００６８】次に、図５に示すように凹部の中心を、ク
ロスカーソル２９に合わせる。このときの座標（Ｘ２，
Ｙ２）を演算装置２３に記憶させる。座標（Ｘ２，Ｙ
２）と座標（Ｘ１，Ｘ２）の差（ΔＸ１，ΔＹ１）を求
め、設計上の移動量Ｘ０に加えたもの（Ｘ０＋ΔＸ１，
ΔＹ１）が、観察光学系３の光軸と探針２６の距離にな
る。

【００６９】以上の作業により、観察光学系３の光軸と
探針２６との距離が求められる。従って、観察表示装置
１９のクロスカーソル２９の交差点に測定所望点Ａを合
わせ、ＸＹステージ５を（Ｘ０＋ΔＸ１，ΔＹ１）だけ
移動すれば、その測定所望点Ａがカンチレバー１５の探
針２６の直下に合わせられる。

【００７０】つぎに、図３に示す検出光学系２７を内蔵
した筐体６９を走査系外枠６７にはめる。その際、検出
光学系２７の内蔵された筐体６９は走査系外枠６７に対
して、円錐台側面６４、当て付け面６６、バネ６２、ボ
ール６１により、３次元的に一定の位置に位置決めされ
る。

【００７１】その状態で、検出表示装置１１を見ると、
カンチレバー１５は、通常、図１のようにクロスカーソ
ル３０の中心からずれている。その場合、図３に示され
る２本のネジ６３を回して、検出光学系２７を走査系外
枠６７に対して相対的に移動させ、検出表示装置１１上
で探針２６がクロスカーソル３０の交差点に一致するよ
うにする。また、このときのクロスカーソル位置を基準
位置として、演算装置２３に記憶させる。

【００７２】以上の作業で装置の初期調整は終了する。
次に、新しいカンチレバー１５を装置に装着した場合
は、再び筐体６９を走査系外枠６７にはめる。筐体６９
を走査系外枠６７に繰り返しはめても、二者の位置関係
は位置決め機構により再現される。検出表示装置１１上
でカンチレバー１５と探針２６の位置を確認し、ビーム
スポット１０を調整ツマミ１６を用いて移動させて、カ
ンチレバー１５上の所定の位置（点Ｄ）に合わせる。ま
た、クロスカーソル３０の交差点を探針２６位置に合わ
せ、ΔＸとΔＹを求める。この値を演算装置２３に記憶
させる。この後は第一実施形態と同様にしてＸＹステー
ジ５の基準移動量（Ｘ０＋ΔＸ１，ΔＹ１）を（ΔＸ，
ΔＹ）だけ補正すれば、試料４の測定ポイントＡを正確
に探針２６の直下に配置される。

【００７３】その後、一般的な走査型プローブ顕微鏡と
同様にＳＰＭ測定を行なう。

【００７４】本実施形態によれば、ＸＹステージ５に検
出光学系を配置するスペースがなくても、探針と観察光
学系の位置決め、カンチレバーとビームスポットとの位
置決めを正確に簡単に行なうことができる。例えば、走
査系を装置から外した分離した状態でも種々の調整がで
きるため、走査系を二台準備して、一台を使用している
間に、もう一台に対して、カンチレバーの交換と調整を
しておけば、走査系を付けかえるだけでカンチレバーの
交換と調整作業を終了することができる。従って、交換
や調整作業を短縮できる。

【００７５】また、本実施形態においては、観察光学系
３の光軸と探針２６との距離を測るために、探針で試料
に凹部を付ける手法を用いたが、同じ目的が達成できれ
ば、別の手法を用いてもよい。例えば、カンチレバー探
針ではなく、カンチレバー変位センサの光源であるレー
ザを用いて試料にマーキングしてもよい。

【００７６】一つの手法としては、試料として半導体レ
ジストを用い、それに、レーザを長時間照射し、変色し
たものをマークとして、そのマークのついた試料をＸＹ
ステージ５で観察光学系３の下に移動して探してもよ
い。この手法で走査系１７のレーザの位置と観察光学系
の光軸の位置関係が分かれば、検出光学系２７を内蔵し
た筐体６９を走査系外枠６７に固定し、検出表示装置１
１上でビームスポット１０と探針２６の距離を測ること
で、結果的に探針２６と観察光学系３の光軸との位置関
係が明確になる。

【００７７】試料にマークを付ける手法としては、他に
も、感熱する物質を位置調整用試料とし、これに対して
レーザを照射してもよいし、長時間にわたって蛍光や燐
光を発する物質を位置調整用試料とし、これに対してレ
ーザを照射してもよい。

【００７８】第三実施形態続いて、本発明の第三実施形
態の走査型プローブ顕微鏡について図６と図７を参照し
て説明する。

【００７９】本実施形態は、顕微鏡等のレボルバに走査
系ユニットが取付けられたものである。レボルバの回転
により走査系ユニットが試料から退避した位置にあると
きに、検出光学系がカンチレバーの位置を検出する。

【００８０】本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、図
６と図７に示されるように、光学顕微鏡に一般的に使わ
れるレボルバと同じ構造のレボルバ８２を備えている。
レボルバ８２は、これをＺ方向に移動させるためのＺス
テージ１を介して、門型の筐体２０に取り付けられてお
り、試料４が載置されるＸＹステージ５の上方に位置し
ている。また、図示していないが、レボルバ８２の上方
にはＣＣＤカメラ２が配置されており、ＣＣＤカメラ２
はその観察画像を表示する試料観察表示装置１９と接続
されている。

【００８１】レボルバ８２は、五つの対物レンズ取付け
穴を有しており、それらの四つには対物レンズ８５ａ・
８５ｂ・８５ｃ・８５ｄが取り付けられ、残る一つには
走査系ユニット８７が取り付けられている。レボルバ８
２は、その回転により、対物レンズ８５ａ・８５ｂ・８
５ｃ・８５ｄと走査系ユニット８７の一つを選択的に試
料４に対向させて配置し得る。レボルバ８２はその内部
に位置決め機構を備えており、切り換えられる対物レン
ズ８５ａ・８５ｂ・８５ｃ・８５ｄと走査系ユニット８
７の相互間の軸（観察中心）のずれを１〜１０μｍ程度
に抑え得る。

【００８２】対物レンズ８５ａ・８５ｂ・８５ｃ・８５
ｄは一般に異なる倍率のものが選ばれる。対物レンズ８
５ａ・８５ｂ・８５ｃ・８５ｄの倍率は、例えば、それ
ぞれ１０倍・２０倍・５０倍・１００倍であるが、これ
に限定されるものではない。

【００８３】さらに、走査型プローブ顕微鏡は、対物レ
ンズ８５ａ・８５ｂ・８５ｃ・８５ｄのひとつ（例えば
対物レンズ８５ｂ）が試料４に対向して配置されたとき
に、走査系ユニット８７と対向するように配置された検
出光学系２７を備えている。検出光学系２７の構成は第
二実施形態と同様でありその説明は省略する。検出光学
系２７は三次元調整機構８３を介して支持アーム８１に
より筐体２０に固定されている。三次元調整機構８３に
より、検出光学系２７は、光軸に直交する平面内で二次
元的に移動可能であると共に光軸に沿って移動可能とな
っている。従って、視野の中心を検出対象物に合わせた
り、光学系の焦点を検出対象物に合わせることができ
る。

【００８４】次に本実施形態の作用について説明する。

【００８５】まず、第二実施形態と同様に、観察光学系
と検出光学系の位置合わせを行なう。本実施形態では、
試料４に対向して配置された対物レンズが観察光学系に
相当する。

【００８６】走査系ユニットによる測定に先立ち、観察
光学系により試料を観察して測定ポイントの位置が決め
られる。観察光学系による観察は、通常、低倍率から順
に高倍率に変えて行なわれ、最も高倍率の対物レンズに
よる観察の後に走査系ユニット８７による測定が行なわ
れる。従って、検出光学系との位置合わせをする観察光
学系は最も高倍率の対物レンズによるものでよい。対物
レンズ相互間の光軸のずれ量は一般的に１〜１０μｍ以
下なので、最も高倍率の対物レンズに対して、検出光学
系との位置調整を行なっておけば、他の対物レンズと検
出光学系との位置関係もおのずと調整される。

【００８７】このため、図６において、１００倍の対物
レンズ８５ｄと検出光学系との位置合わせを考える。そ
の位置合わせは第二実施形態と同様な手法で行なう。

【００８８】まず、調整用カンチレバー１５を走査系ユ
ニット８７に取付ける。その取付けは、レボルバ８２を
回転させて走査系ユニット８７を、試料４と検出光学系
２７のいずれとも対向しない位置に配置して斜め下方向
から行なう。次に、レボルバ８２を回転させて走査系ユ
ニット８７を検出光学系２７に対向させる。検出表示装
置を見ると、通常、図１のようにカンチレバー１５はク
ロスカーソル３０の中心から外れている。その場合、調
整機構８３を用いて、検出光学系２７の位置を三次元的
に調整して、検出表示装置１１上において探針２６がク
ロスカーソル３０に一致するようにする。このときのク
ロスカーソル位置を基準位置として、演算装置２３に記
憶させる。この座標を（ＸＣ０，ＹＣ０）とする。

【００８９】次に、レボルバ８２を回転させて走査系ユ
ニット８７を試料４に対向させ、続いて、Ｚステージ１
により走査系ユニット８７を下降させ、調整用試料４
に、探針またはレーザによりマークを付ける。

【００９０】次に、レボルバ８２を回転させて１００倍
の対物レンズ８５ｄを試料４に対向させる。このときの
ＸＹステージ５のＸＹ座標（Ｘ１，Ｘ２）を演算装置２
３に記憶させる。このとき、レボルバの位置決め機構に
より、探針位置と観察光学系の光軸はほぼ一致するが、
カンチレバーの取付けの誤差範囲内でずれる。このわず
かにずれた試料上のマークを検出光学系により探し、マ
ークの中心をクロスカーソル２９に合わせる。このとき
の座標（Ｘ２，Ｙ２）を演算装置２３に記憶させる。座
標（Ｘ２，Ｙ２）と座標（Ｘ１，Ｘ２）の差（ΔＸ１，
ΔＹ１）が、観察光学系３の光軸と探針２６のずれ量と
なる。

【００９１】カンチレバーを交換する場合、レボルバ８
２を回転させて走査系ユニット８７を試料４とも検出光
学系２７とも対向しない位置に配置し、使ったカンチレ
バー１５を取り外し、新しいカンチレバー１５を取り付
ける。続いて、レボルバ８２を回転させて走査系ユニッ
ト８７を試料４に対向させる。その後、検出光学系２７
によりカンチレバー１５とビームスポット１０を観察す
る。

【００９２】観察表示装置１９を参照して、調整ツマミ
１６を回転させてビームスポット１０をカンチレバー１
５上の所定の位置に合わせる。また、探針２６の位置は
カンチレバー１５の取付け誤差の範囲内でばらつき、通
常、図１のようにクロスカーソル３０の交差点からずれ
ている。その場合には、交差点を探針２６に合わせ、Δ
Ｘ、ΔＹを求める。この量を演算装置２３に記憶させ
る。

【００９３】調整用カンチレバーにより求められた（Δ
Ｘ１，ΔＹ１）と、このΔＸ、ΔＹを加算することによ
り、観察光学系３の光軸と交換されたカンチレバー１５
の探針２６との位置関係が明確になる。従って、観察表
示装置１９のクロスカーソル２９の交差点に測定所望点
Ａをあわせ、ＸＹステージ５を（ΔＸ１＋ΔＸ，ΔＹ１
＋ΔＹ）だけ移動すれば、その測定所望点Ａをカンチレ
バー１５の探針２６の直下に合わせられる。

【００９４】試料の測定所望ポイントに探針を配置した
後のＳＰＭ測定については一般的なものなので、ここで
は説明を省略する。

【００９５】本実施形態では、第一実施形態の様に検出
光学系がＸＹステージ上に配置されていないので、ＸＹ
ステージの移動にともなって生じるケーブル類の繰り返
しの折れ曲がりや他部品との摩擦がない。従って、ケー
ブル類の断線がない。また、ＸＹステージ上に検出光学
系用のスペースを設ける必要がないので、装置全体を小
型に作ることが可能になり、装置の対振動特性も向上す
る。また、第二実施形態のように検出光学系をいちいち
とり外す必要がないので、測定者の手間が省ける。

【００９６】また、観察光学系３は、走査系ユニット８
７と分離されており、光学系の設計上の制約がないた
め、大型試料に対する高倍率観察、多モード光学顕微鏡
観察（暗視野観察、蛍光観察など）が容易になり、更
に、このような光学観察と広範囲ＳＰＭ測定を両立する
ことができる。

【００９７】また、観察光学系３は、光学顕微鏡だけで
なく他の測定装置（測定顕微鏡）としてもよい。例え
ば、特開平９−１３３８６９号に開示されている「共焦
点走査型光学顕微鏡」を装着することが好ましい。この
共焦点走査型光学顕微鏡は、レーザー光源からの光ビー
ムが試料上に走査された際、試料から反射される光ビー
ム、若しくは、試料を透過する光ビームに基づいて、試
料像（イメージ像）を構成する顕微鏡装置である。

【００９８】この装置を走査型プローブ顕微鏡と組み合
わせることで、光学顕微鏡による試料像を基準に観察ポ
イントＡを特定するだけでなく、前述の「共焦点走査型
光学顕微鏡」により得られた試料像（イメージ像）に基
づいて観察ポイントＡを特定することが可能である。ま
た、共焦点走査型光学顕微鏡だけでなく、他の測定装置
（光学的な測長器や段差測定器など）と走査型プローブ
顕微鏡とを組み合わせることにより、各々の検査装置の
特性を生かした多角的な試料検査を行うことができる。

【００９９】これまで、いくつかの実施の形態について
図面を参照しながら具体的に説明したが、本発明は、上
述した実施の形態に限定されるものではなく、その要旨
を逸脱しない範囲で行なわれるすべての実施を含む。

【０１００】

【発明の効果】本発明によれば、カンチレバー走査系の
共振周波数を低下させることなく、すなわち高速走査性
を犠牲にすることなく、探針と試料の位置合わせを精度
良く容易に行なえるように改良された走査型プローブ顕
微鏡が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施形態に係る走査型プローブ顕
微鏡の構成を示している。

【図２】図１の走査型プローブ顕微鏡において使用され
る規則的なパターンを持つ位置決め試料を示している。

【図３】本発明の第二実施形態の走査型プローブ顕微鏡
の主要部分の縦断面を示している。

【図４】図３の走査型プローブ顕微鏡の主要部分の水平
断面を示している。

【図５】図２と図３の走査型プローブ顕微鏡により凹部
の形成された試料の観察像を示している。

【図６】本発明の第三実施形態の走査型プローブ顕微鏡
の主要部分の構成を示している。

【図７】図６の走査型プローブ顕微鏡のレボルバの詳細
な構造を示している。

【符号の説明】

３ 観察光学系 ５ ＸＹステージ １７ 走査系 ２２ ステージコントローラ ２３ 演算装置 ２７ 検出光学系

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料を観察可能な観察光学系と、 この観察光学系から一定距離だけ離間して配置されてい
   る走査系であって、観察光学系を介して観察した試料の
   観察ポイントを含む領域に探針を走査させるスキャナを
   有する走査系と、 観察光学系及び走査系に対して試料を相対的に移動させ
   る移動機構と、 走査系の走査領域における探針と観察ポイントとの間の
   位置関係を光学的に検出可能な検出光学系と、 この検出光学系の検出データに基づいて、観察ポイント
   の位置に、探針を位置つけることを特徴とし、 検出光学系が走査系と対向する位置に配置される、走査
   型プローブ顕微鏡。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡
   において、探針の位置を調整することにより、観察ポイ
   ントの観察ポイントの位置に、探針を位置つける、請求
   項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
3. 【請求項３】 前記検出光学系が取り外し可能である、
   請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
4. 【請求項４】 前記検出光学系が、前記観察光学系と前
   記走査系が固定されている筐体に固定されている、請求
   項１に記載の走査型プローブ顕微鏡
5. 【請求項５】 前記移動機構がレボルバである、請求項
   １ないし請求項４のいずれかひとつに記載の走査型プロ
   ーブ顕微鏡。
6. 【請求項６】 前記観察光学系により観察した観察ポイ
   ントと、観察ポイントから一定距離だけ離間して配置さ
   れた前記探針との位置関係を測定するために、前記観察
   光学系および前記検出光学系を用いて、それぞれ透明な
   調整用試料を観察する、請求項１または請求項２に記載
   の走査型プローブ顕微鏡。
7. 【請求項７】 前記観察光学系により観察した観察ポイ
   ントと、観察ポイントから一定距離だけ離間して配置さ
   れた前記探針との位置関係を測定するために、前記探針
   を用いて調整用試料に指標を付ける、請求項１ないし請
   求項５のいずれかひとつに記載の走査型プローブ顕微
   鏡。
8. 【請求項８】 前記観察光学系により観察した観察ポイ
   ントと、観察ポイントから一定距離だけ離間して配置さ
   れた前記探針との位置関係を測定するために、前記探針
   変位センサの光源を用いて調整用試料に指標を付ける、
   請求項１ないし請求項５のいずれかひとつに記載の走査
   型プローブ顕微鏡。