JP2003028772A

JP2003028772A - 走査型プローブ顕微鏡およびその測定設定方法

Info

Publication number: JP2003028772A
Application number: JP2001212457A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Murayama; 健村山; Yukio Kenbo; 行雄見坊; Hiroshi Kuroda; 浩史黒田
Original assignee: Hitachi Construction Machinery FineTech Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2001-07-12
Filing date: 2001-07-12
Publication date: 2003-01-29

Abstract

(57)【要約】【課題】試料表面の測定箇所を高速にかつ高精度に特
定して探針との位置合わせを行い、原子間力顕微鏡等に
より測定の効率を高める走査型プローブ顕微鏡およびそ
の測定設定方法を提供する。【解決手段】探針２０を有するカンチレバー２１、試
料１４に対する探針の高さ変位を与えるＺ微動機構と、
試料の表面に沿って探針の相対的変位を与えるＸＹ走査
機構と、カンチレバーに生じる変位量を検出する光検出
器２２と、この光検出器から出力される検出信号と基準
値に基づきＺ微動機構の動作を制御して探針と試料の間
隔を一定に保持しながらＸＹ走査機構の動作を制御する
ことにより探針で試料の表面を走査させる制御装置３１
（制御器３２）を備える。さらに、試料の表面の測定箇
所をカンチレバーと共に観察する光学顕微鏡１７と、第
２顕微鏡で得られる観察像から画像データを作り、制御
装置に送るカメラ１８と、画像データを記憶する記憶部
５１を備える。最終位置決めに用いる基準像として記憶
部５１に予め記憶させる。

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
微鏡およびその測定設定方法に関し、特に、探針と試料
表面の測定箇所との位置合わせを高速にかつ高精度で行
うのに適した走査型プローブ顕微鏡およびその測定設定
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡は、従来、原子サ
イズの微細な対象物を観察できる測定分解能を有する測
定装置として知られ、半導体デバイスが作られる基板等
の表面の凹凸形状の計測など各種の分野に適用されてい
る。測定に利用する検出物理量に応じて各種のタイプの
走査型プローブ顕微鏡がある。例えばトンネル電流を利
用する走査型トンネル顕微鏡、原子間力を利用する原子
間力顕微鏡、磁気力を利用する磁気力顕微鏡等があり、
それらの応用範囲も拡大しつつある。

【０００３】上記のうち原子間力顕微鏡は、試料表面の
微細な凹凸形状を高分解能で検出するのに適し、半導体
基板、ディスクなどの分野で実績を上げている。以下の
説明では原子間力顕微鏡の例を説明する。

【０００４】図５に原子間力顕微鏡の基本的な構成を示
す。この原子間力顕微鏡は、本来の原子間力顕微鏡の原
理に基づく測定機構と共に、光学顕微鏡を備えた構成を
有している。この基本構成は一例である。

【０００５】図５において、例えば水平に設置された定
盤１１の上にＸＹステージ１２を配置し、その上に接近
用粗動機構１３が設置されている。接近用粗動機構１３
の上に半導体基板等の薄板状の試料１４が置かれてい
る。定盤１１は試料の位置が不安定にならないようにす
るためのものである。ＸＹステージ１２は、図中水平面
（ＸＹ平面）における位置の変化を生じさせる移動機構
であり、試料１４を水平方向に位置決めする。ＸＹステ
ージ１２は、パルスモータおよび駆動力伝達機構により
比較的に大きな移動量で位置変化を生じさせる。粗動機
構１３は高さ方向（図中Ｚ軸方向）に変位を生じさせる
機構部であり、探針接近用機構として用いられる。通
常、パルスモータ等を利用して変位を生じさせる。粗動
機構１３は、後述の微動機構に比較して大きな距離（数
μｍ〜数ｍｍ）で垂直方向の移動を生じさせる。

【０００６】上記定盤１１上には掛渡し形状のフレーム
１５が設けられている。フレーム１５は所望の剛性を有
し、かつ上記試料１４の上方に位置するように配置され
ている。フレーム１５の水平部１５ａであって、試料１
４の上方位置に駆動機構１６を介して光学顕微鏡１７が
取り付けられている。光学顕微鏡１７は、その対物レン
ズ１７ａを下方に向けて配置され、試料１４の表面を真
上から臨む位置に配置されている。光学顕微鏡１７の上
端にはカメラ１８が付設されている。光学顕微鏡１７
は、当該光学顕微鏡１７を垂直方向（Ｚ軸方向）に移動
させる上記の駆動機構１６によって支持されている。こ
の駆動機構１６によって光学顕微鏡１７は試料１４に接
近させたり遠ざけたりすることができる。さらにフレー
ム１５の水平部１５ａの下面にはＸＹＺ微動機構１９が
取り付けられている。ＸＹＺ微動機構１９は通常は圧電
素子で構成される。ＸＹＺ微動機構１９にはトライポッ
ド型あるいはチューブ型、平行平板型等のものが存在す
る。ＸＹＺ微動機構１９によってＸ軸方向、Ｙ軸方向、
Ｚ軸方向の各々へ微小距離（数〜１０μｍ）の変位を生
じさせることができる。ＸＹＺ微動機構１９の下端に
は、先端に探針２０が形成されたカンチレバー２１が取
り付けられている。探針２０は、試料１４の表面に対向
している。カンチレバー２１の背面には反射面が形成さ
れている。カンチレバー２１の上方に配置されたレーザ
光源（図示せず）から出射されたレーザ光２２がカンチ
レバー２１の背面における探針２０に近い部分に照射さ
れる。カンチレバー２１の背面で反射されたレーザ光２
２は光検出器２３より検出される。カンチレバー２１に
おいて捩れや撓みが生じると、光検出器２３におけるレ
ーザ光２２の入射位置が変化する。従って探針２０およ
びカンチレバー２１で変位が生じると、光検出器２３か
ら出力される検出信号で当該変位を検出することができ
る。

【０００７】上記の原子間力顕微鏡の構成に対して制御
装置３１が設けられている。制御装置３１は原子間力顕
微鏡による測定制御用の制御器３２を含んでいる。上記
光検出器２３から出力される検出信号は制御器３２に入
力される。制御器３２から出力される制御信号はＸＹＺ
微動機構１９に与えられる。制御装置３１は、さらにＸ
Ｙステージ１２、粗動機構１３、駆動機構１６のそれぞ
れの動作を制御する機能部を含んでいる。ＸＹステージ
１２、粗動機構１３、ＸＹＺ微動機構１９、駆動機構１
６の各々には制御装置３１から制御信号ｓ１，ｓ２，ｓ
３，ｓ４が供給されている。また光学顕微鏡１７を介し
て得られた映像情報はカメラ１８から出力され、制御装
置３１に入力される。３３は、制御装置３１に付設され
た表示装置である。制御装置３１は通常ＰＣ（パーソナ
ル・コンピュータ）であり、表示装置３３はＰＣのディ
スプレイである。表示装置３３によって表示される内容
には、光学顕微鏡１７による映像（光学顕微鏡像）３３
Ａと原子間力顕微鏡に基づいて得られた凹凸情報と位置
情報により作成される試料の表面画像３３Ｂとがある。

【０００８】上記の構成で、粗動機構１３によって探針
２０を試料１４の表面に接近させると、両者の間に原子
間力が作用してカンチレバー２１に撓みが起きる。カン
チレバー２１の撓み量はレーザ光２２と光検出器２３を
用いて検出される。この検出には一般的に図示された光
てこ法が利用される。この状態において、当該カンチレ
バー２１の撓み量を一定に保つように、制御器３２によ
ってＸＹＺ微動機構１９の動作を制御する。制御器３２
はフィードバックサーボ制御を行う。探針・試料間の距
離を一定に保つことにより、カンチレバー２１の撓み量
が一定に保たれる。ＸＹＺ微動機構１９に基づいて、試
料１４の表面を探針２０によってＸおよびＹの方向に走
査しながら、かつカンチレバー２１の撓み量を一定に保
持する制御を行うことにより、試料１４の表面の凹凸形
状を測定することができる。

【０００９】次に図６を参照して上記構成を有する原子
間力顕微鏡に基づいて試料表面上の特定の箇所を測定す
る場合の従来の測定手順を説明する。

【００１０】図６では（Ａ）〜（Ｅ）の５段階によって
測定手順を示している。

【００１１】手順（Ａ）は最初の状態を示す。この図
は、光学顕微鏡１７の観察視野に係る画面を示し、光学
顕微鏡像４１を示している。当該画面においてカンチレ
バー２１の先部と試料１４の表面上の特定なパターン４
２が見えている。手順（Ａ）の段階では、探針２０はカ
ンチレバー２１の下側にあるので、光学顕微鏡１７によ
る画面で探針２０を見ることはできない。これはカンチ
レバー２１を利用する原子間力顕微鏡の構造的特徴であ
る。参考のために図６の（Ａ）の右側領域４３にカンチ
レバー２１および探針２０と試料１４との関係が示され
ている。この図は、図６（Ａ）で右側からカンチレバー
２１の方向を見た側面図である。探針２０の位置は、通
常、半導体製造技術に基づくカンチレバー製作プロセス
で決められているので、探針位置を点４４と推定するこ
とができる。図６の手順（Ａ）では探針位置４４は光学
顕微鏡像４１の中央位置とする。なおカンチレバー製作
プロセスによっては、探針の位置が数μｍ以上ばらつく
こともある。なお４５は試料１４の表面上の他のパター
ンであり、４６は試料表面における特徴的部分のパター
ンである。これらは、例えば試料１４が半導体基板等で
ある場合に、形状として画面上で認識され得るものであ
る。

【００１２】上記の状態において光学顕微鏡像４１に示
された試料表面上の特定パターン４２が測定しようとす
る箇所であり、この箇所を原子間力顕微鏡で測定する。
そこで、特定パターン４２が探針２０の位置４４に一致
するように、ＸＹステージ１２を動作させる。手順
（Ｂ）の画面中の矢印４７は、特定パターン４２を探針
位置４４へ移動させる推移の状態を示している。特定パ
ターン４２を探針位置４４に一致させるように移動させ
るためには、特定パターン４２の任意の座標を、マウス
等による操作で位置を指定し、またはパターン認識技術
を適用して確定する。特定パターン４２の確定した座標
を用いて矢印４７のごとくＸＹステージ１２に移動動作
を行わせる。これにより、手順（Ｃ）に示されるごと
く、試料１４すなわち特定パターン４２は、カンチレバ
ー２１における探針２０が存在すると推定される場所に
セットされる。この場合の位置合わせにおいて移動の距
離はμｍ単位となる。

【００１３】手順（Ｄ）は原子間力顕微鏡によって測定
される領域を示している。原子間顕微鏡によって測定さ
れる領域４８は通常１０〜１００μｍ程度と狭い。図６
の手順（Ｄ）で４８は上記の特定パターン４２を拡大し
て示した矩形の領域である。原子間力顕微鏡は特定パタ
ーン４２を測定する。そこで手順（Ｅ）では、特定パタ
ーン４２に対応する領域４８を画面の中心位置に移動さ
せる。この状態において、カンチレバー２１の先部に設
けられた探針２０を用いて試料１４の特定パターン４２
すなわち領域４８の表面を走査し、かつ原子間力顕微鏡
の測定原理に基づいて探針とパターン表面の距離を一定
に保持することにより、領域４８の表面の凹凸を測定す
る。

【００１４】図６の上記手順（Ａ）〜（Ｅ）で示された
原子間力顕微鏡による試料１４の特定パターン４２の測
定は、カンチレバーと光学顕微鏡を同軸に構成し、カン
チレバーと試料表面が同時に観察できる光学顕微鏡を採
用した場合の例である。カンチレバーと光学顕微鏡を別
置きの構造とする場合等でも、操作のフローは基本的に
同じである。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】光学顕微鏡１７を備
え、当該光学顕微鏡１７によってカンチレバー２１と試
料１４の表面を同時に観察し、ＸＹステージ１２を動作
させて試料１４を移動させ、試料表面の測定箇所４２と
探針２０とを位置合わせし、探針を利用した原子間力顕
微鏡による測定を行うように構成される従来の原子間力
顕微鏡では、次の問題が存在する。

【００１６】第１に装置コストの関係でＸＹステージの
位置決め精度が悪い、第２に探針の取付け位置がばらつ
く、第３に温度ドリフト等の物理的要因でカンチレバー
と試料の相対位置が動く（１０μｍ程度動く）、第４に
別のカンチレバーを使用するなどの理由に基づいて、試
料表面における測定箇所を、原子間力顕微鏡による測定
領域に、短時間に正確にセットすることが極めて難しい
という問題が提起される。この問題は、特に半導体プロ
セス評価のように、多数の基板に関して当該基板の表面
上の特定の同じ箇所を繰り返し測定するという場合に顕
著になる。

【００１７】上記構成を有する従来の原子間力顕微鏡で
マニュアル操作によって測定する場合には、さらに、測
定オペレータが微調整（試行錯誤）を行って位置合わせ
を行うことが必要である。また自動的に測定を行うよう
に構成したものでは、試料表面の測定箇所が原子間力顕
微鏡の測定領域に入るように自動探索アルゴリズムを用
意することが必要となる。自動測定の場合には、測定効
率が求められ、測定時間の短縮化が求められる。

【００１８】上記の問題や要請は、原子間力顕微鏡以外
の他の方式の走査型プローブ顕微鏡においても同様に当
てはまる。

【００１９】本発明の目的は、上記の問題や要請を解決
することにあり、試料表面の測定箇所を高速にかつ高精
度に特定して探針との位置合わせを行い、原子間力顕微
鏡等により測定の効率を高めることを企図した走査型プ
ローブ顕微鏡およびその測定設定方法を提供することに
ある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明に係る走査型プロ
ーブ顕微鏡およびその測定方法は、上記目的を達成する
ために、次のように構成される。

【００２１】第１の走査型プローブ顕微鏡（請求項１に
対応）：前提として、先端に探針を有するカンチレバー
と、試料に対する探針の高さ変位を与えるＺ微動機構
（ＸＹＺ微動機構のＺ軸方向の微動に関与する機構部
分）と、試料の表面に沿って探針の相対的変位を与える
ＸＹ走査機構（ＸＹＺ微動機構の平面走査に関与する機
構部分）と、カンチレバーに生じる変位量を検出する検
出手段と、この検出手段から出力される検出信号と基準
値に基づきＺ微動機構の動作を制御して探針と試料の間
隔を一定に保持しながらＸＹ走査機構の動作を制御する
ことにより探針で試料の表面を走査させる制御手段を備
え、試料の表面特性に係る物理量を測定するように構成
される。さらに、試料の表面の測定箇所をカンチレバー
と共に観察する第２顕微鏡と、第２顕微鏡で得られる観
察像から画像データを作り、制御手段に送る撮像手段
と、画像データを記憶する記憶手段を備えている。上記
の構成に基づいて、試料の測定箇所を探針に一致させた
ときにおける第２顕微鏡による観察像を最終位置決めに
用いる基準像として記憶手段に予め記憶させることで特
徴づけられている。

【００２２】第２の走査型プローブ顕微鏡（請求項２に
対応）は、上記の第１の走査型プローブ顕微鏡におい
て、好ましくは、制御手段は、最終位置決めを行う実際
の位置決め時における第２顕微鏡による観察像と記憶手
段に記憶された基準像とを比較することを特徴とする。

【００２３】第３の走査型プローブ顕微鏡（請求項３に
対応）は、上記の第２の走査型プローブ顕微鏡におい
て、好ましくは、制御手段は、実際の位置決め時におけ
る第２顕微鏡による観察像と記憶手段に記憶された基準
像とが一致するまで、ＸＹ走査機構を制御して探針と試
料の位置合わせ動作を行うことを特徴とする。

【００２４】第４の走査型プローブ顕微鏡（請求項４に
対応）は、上記の第１の走査型プローブ顕微鏡におい
て、好ましくは、第２顕微鏡による観察像は、カンチレ
バーと、測定箇所の周辺の試料表面の特徴部を含むこと
を特徴とする。

【００２５】第５の走査型プローブ顕微鏡（請求項５に
対応）は、第２顕微鏡は光学顕微鏡であることを特徴と
する。

【００２６】第１の走査型プローブ顕微鏡の測定設定方
法（請求項６に対応）は、前述の構成を有する走査型プ
ローブ顕微鏡に適用される測定設定方法であり、走査型
プローブ顕微鏡により試料の測定箇所を測定するとき、
その前の段階で実行される方法である。この測定設定方
法は、第２顕微鏡により試料の表面の測定箇所をカンチ
レバーと共に観察するステップと、第２顕微鏡で得られ
る観察像を利用して試料の測定箇所と探針との位置合わ
せを行うステップと、位置合わせを行った後の第２顕微
鏡により得られる観察像と、予め用意された基準像とを
比較し、観察像と基準像が一致するように最終位置合わ
せを行うステップと、から成っている。

【００２７】第２の走査型プローブ顕微鏡の測定設定方
法（請求項７に対応）は、上記の第１の測定設定方法に
おいて、好ましくは、基準像は、記憶手段に予め記憶さ
れていることを特徴とする。

【００２８】第３の走査型プローブ顕微鏡の測定設定方
法（請求項８に対応）は、上記の第１の測定設定方法に
おいて、好ましくは、第２顕微鏡による観察像は、カン
チレバーと、測定箇所の周辺の試料表面の特徴部を含む
ことを特徴とする。

【００２９】第４の走査型プローブ顕微鏡の測定設定方
法（請求項９に対応）は、上記の各測定設定方法におい
て、好ましくは、第２顕微鏡は光学顕微鏡であることを
特徴とする。

【００３０】

【作用】走査型プローブ顕微鏡では、通常、カンチレバ
ーの先端に設けられた探針は、試料の表面に対向して配
置されている。かかる探針（カンチレバー）を試料表面
に所要の間隔で接近させ、走査型プローブ顕微鏡に基づ
く測定を行うとき、第２顕微鏡（光学顕微鏡等）でカン
チレバーの上側から試料表面の測定箇所およびカンチレ
バーに係る観察像を得る。この場合、第２顕微鏡によっ
ては、カンチレバーの下側先端に存する探針を見ること
は困難である。第１の本発明に係る走査型プローブ顕微
鏡では、試料表面の測定箇所とカンチレバー先端の探針
との位置合わせを第２顕微鏡で観察しながら行うとき、
カンチレバーの陰に探針と測定すべき観察点が隠れた状
態にあって、正確な位置合わせが困難であるが、探針と
観察点が一致する状況を実験または画像処理等により確
定し、その光学的像等を基準像として予め記憶手段に記
憶しておき、この基準像を利用して最終位置合わせを行
い、探針と観察点の間で正確な位置合わせを達成する。

【００３１】走査型プローブ顕微鏡の測定対象物が半導
体基板であるとき、通常、半導体の集積素子では同じパ
ターンがシリコンウェハ上に繰り返し製作されるので、
別のウェハを測定する場合やウェハの別の箇所を測定す
る場合には、前述の記憶済みの最終位置合わせのための
基準像を利用して位置決めすることにより、探針と試料
表面の観察点を正確に、迅速に、容易に行う。

【００３２】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の好適な実施形態
を添付図面に基づいて説明する。

【００３３】実施形態で説明される構成、形状、大きさ
および配置関係については本発明が理解・実施できる程
度に概略的に示したものにすぎず、また数値および各構
成の組成（材質）については例示にすぎない。従って本
発明は、以下に説明される実施形態に限定されるもので
はなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を
逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。

【００３４】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡は原子
間力顕微鏡の例で説明される。当該原子間力顕微鏡は図
１に示される。当該原子間力顕微鏡の機械的な構成は図
５で説明された構成と同じである。原子間力顕微鏡によ
る測定動作の制御は、制御装置の記憶部に用意された測
定プログラムに従って行われる。この測定プログラムに
は、試料表面の測定箇所（観察点）と探針の位置とを一
致させる位置合わせ制御の内容が含まれている。本発明
に係る原子間力顕微鏡では、原子間力顕微鏡に基づく測
定を開始する前の段階に、探針と試料表面の観察点とを
正確に位置合わせする方法に特徴がある。

【００３５】原子間力顕微鏡の基本的構成を、図１に基
づき、図５で用いた同一符号を用いて概略的に再度説明
する。詳細は図５での説明を援用する。

【００３６】定盤１１上にＸＹステージ１２を配置し、
その上に接近用粗動機構１３が設置される。接近用粗動
機構１３上に半導体基板等の試料１４が置かれている。
ＸＹステージ１２は、ＸＹ平面における位置の変化を生
じさせる移動機構で、試料１４を移動させる。ＸＹステ
ージ１２は、パルスモータおよび駆動力伝達機構により
比較的に大きな移動量で位置変化を生じさせる。粗動機
構１３は高さ方向すなわちＺ軸方向に変位を生じさせ、
探針接近用機構として用いられる。粗動機構１４は大き
な距離（数μｍ〜数ｍｍ）で垂直方向の移動を生じさせ
る。

【００３７】定盤１１上に掛渡し形状のフレーム１５が
設けられる。フレーム１５は上記試料１４の上側に位置
する。フレーム１５の水平部１５ａに駆動機構１６を介
して光学顕微鏡１７が取り付けられる。光学顕微鏡１７
の対物レンズ１７ａは試料１４の表面に臨む。光学顕微
鏡１７の上端にはカメラ１８が付設されている。光学顕
微鏡１７は、垂直方向（Ｚ軸方向）に移動させる駆動機
構１６によって支持されている。駆動機構１６は、光学
顕微鏡１７を試料１４に接近させたり遠ざけたりする。
フレーム１５の水平部１５ａの下面にはＸＹＺ微動機構
１９が取り付けられている。ＸＹＺ微動機構１９によっ
てＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の各々へ微小距離（数
〜１０μｍ）の変位を生じさせる。ＸＹＺ微動機構１９
は、大きく分けて、試料表面に沿って探針を平面的（Ｘ
Ｙ平面）に走査移動させるＸＹ微動機構の部分と、試料
表面と探針の距離（試料表面に対する探針の高さ位置）
を調整するＺ方向に係るＺ微動機構の部分を備えてい
る。ＸＹＺ微動機構１９の下端には、先端に探針２０が
設けられたカンチレバー２１が取り付けられている。探
針２０は試料１４の表面に対向している。カンチレバー
２１の背面には反射面が形成され、レーザ光源（図示せ
ず）から出射されたレーザ光２２が照射される。カンチ
レバー２１の背面で反射したレーザ光２２は光検出器２
３により検出される。カンチレバー２１において捩れや
撓みが生じると、光検出器２３におけるレーザ光２２の
入射位置が変化し、探針２０とカンチレバー２１で変位
・変形が生じると、光検出器２３から出力される検出信
号でこれを検出する。

【００３８】上記の原子間力顕微鏡の構成に対して制御
装置３１が設けられ、制御装置３１は原子間力顕微鏡制
御用のフィードバックサーボ制御式の制御器３２を含ん
でいる。光検出器２３から出力される検出信号は制御器
３２に入力される。制御器３２から出力される制御信号
はＸＹＺ微動機構１９に与えられる。制御装置３１は、
さらにＸＹステージ１２、粗動機構１３、駆動機構１６
のそれぞれの動作を制御するＸＹステージ制御部３１
ａ、粗動機構制御部３１ｂ、駆動機構制御部３１ｃを備
える。光学顕微鏡１７を介して得られた映像情報（光学
顕微鏡像）はカメラ１８から出力され、制御装置３１に
入力される。制御装置３１には表示装置３３が付設され
る。表示装置３３によって表示される内容は、光学顕微
鏡１７による映像３３Ａと原子間力顕微鏡に基づいて得
られた凹凸情報と位置情報により作成される試料の表面
画像３３Ｂである。制御装置３１は、所要のプログラム
および各種のデータを記憶する記憶部５１を備えてい
る。

【００３９】粗動機構１３によって探針２０を試料１４
の表面に接近させると、両者の間に原子間力が作用して
カンチレバー２１に撓みが起きる。カンチレバー２１の
撓み量はレーザ光２２と光検出器２３を用いて検出され
る。この状態で、当該カンチレバー２１の撓み量を一定
に保つように、制御器３２によってＸＹＺ微動機構１９
の動作を制御する。探針・試料間の距離を一定に保つこ
とにより、カンチレバー２１の撓み量が一定に保たれ
る。ＸＹＺ微動機構１９に基づいて、試料１４の表面を
探針２０によってＸおよびＹの方向に走査しながら、か
つカンチレバー２１の撓み量を一定に保持する制御を行
うことにより、試料１４の表面の凹凸形状を測定でき
る。

【００４０】次に図２に従って試料表面の測定箇所（観
察点）と探針とを位置合わせする手順を説明する。この
位置合わせの制御を実行するプログラムは制御装置３１
の記憶部５１に記憶される。当該プログラムを実現する
フローチャートは図３に示される。

【００４１】最初、測定開始か否かが判定される（ステ
ップＳ１１）。試料１４を接近用粗動機構１３の上に載
置し、測定開始ボタンを操作すると、原子間力顕微鏡に
よる測定のための準備動作が開始され、この条件の下で
ステップＳ１１では測定開始と判定される。次のステッ
プＳ１２では、試料１４の上方に位置する光学顕微鏡１
７に基づく観察を行い、光学顕微鏡像１０１を取得す
る。この光学顕微鏡像１０１は、カメラ１８で撮像さ
れ、その映像情報に基づいて表示装置３３の画面３３Ａ
に表示される（ステップＳ１２、図２（Ａ））。また光
学顕微鏡像１０１は記憶部５１の画像メモリに保存され
ている。

【００４２】図２（Ａ）に示された光学顕微鏡像１０１
では、カンチレバー２１の先部と試料１４の表面の一部
が示されている。試料１４の表面には原子間力顕微鏡で
測定しようとする箇所がパターン１０２として示され、
さらにその周辺に他の特徴的パターン１０３，１０４が
示されている。探針２０それ自体は従来と同様に光学顕
微鏡像１０１では見ることができないが、探針２０の位
置は探針推定点１０５として推定することができる。実
際には、探針２０の位置はばらつき、必ずしも点１０５
に位置しないこともあるが、このような場合の取扱いは
後述される。

【００４３】図２（Ａ）に示される光学顕微鏡像１０１
において観察点１０６の座標（Ｘ１，Ｙ１）を求める
（ステップＳ１３）。観察点１０６は、原子間力顕微鏡
で測定しようとする測定箇所（パターン）１０２に含ま
れる点である。観察点１０６の座標（Ｘ１，Ｙ１）は、
例えば、光学顕微鏡像１０１においてカーソルを表示さ
せ、このカーソルをマウス等で移動させ、位置を特定し
て求めることができる。この場合には測定オペレータの
マニュアル操作でステップＳ１３が実行される。また他
の方法としては、観察点１０６を含む測定箇所１０２の
領域を予め制御装置３１の記憶部５１に記憶しておき、
光学顕微鏡像１０１を利用して一般的に行われているパ
ターン認識技術を適用して観察点１０６の座標を求める
ことも可能である。この場合には、光学顕微鏡像１０１
に対して制御装置３１に基づくコンピュータ処理で自動
的にステップＳ１３が実行される。

【００４４】上記のごとくして観察点１０６の座標を求
めた後、当該観察点１０６の座標（Ｘ１，Ｙ１）と探針
推定点１０５の座標（０，０）を用いて、観察点１０６
を探針推定点１０５へ移動させる（ステップＳ１４）。
この状態を図２の（Ｂ）に示す。矢印１０７は観察点１
０６を探針推定点１０５に移動させ、一致させた状態を
示す。観察点１０６を探針推定点１０５に移動させるに
は、通常、ＸＹステージ１２を動作させて試料１４の側
を移動させる。ＸＹステージ１２による移動動作は測定
オペレータによるマニュアル操作でもよいし、制御装置
３１による自動処理でもよい。この場合、観察点１０６
と探針推定点１０５の各座標値の差を求め、当該差が０
になるように制御が行われる。

【００４５】図２（Ｃ）に、観察点１０６と探針推定点
１０５が一致した状態を、光学顕微鏡像１０８で示して
いる。制御装置３１の記憶部５１には前処理にて予め最
終位置決め点での光学顕微鏡像１０９が記憶されてい
る。図２（Ｃ）に示された光学顕微鏡像１０８におい
て、記憶部５１に記憶されている光学顕微鏡像１０９を
読出し、この記憶像１０９と、実際の上記光学顕微鏡像
１０８とを比較し、２つの像が一致するようになるまで
微調整位置決め（最終位置決め）を行う（ステップＳ１
５）。微調整位置決めのための移動動作は、ＸＹステー
ジまたはＸＹＺ微動機構１９によって行われる。光学顕
微鏡像１０８では、カンチレバー２１、測定すべき箇所
１０２の周辺の特徴パターン１０３，１０４の像が含ま
れているので、位置を確定することができ、これらの確
定できる部分を利用して２つの像の一致を判定すること
ができる（ステップＳ１６）。実際の光学顕微鏡像１０
８と制御装置３１の記憶部５１に記憶された像１０９と
が一致した段階で、探針２０と観察点１０６との位置合
わせが完了する（ステップＳ１７）。その後、ステップ
Ｓ１８に移行し、図２（Ｄ）に示されるごとく試料１４
の表面における測定しようとする箇所１０２が光学顕微
鏡１７によって観察される視野の中央位置にセットさ
れ、探針２０とカンチレバー２１等を利用して原子間力
顕微鏡の原理に基づく測定が実行される（ステップＳ１
８）。

【００４６】上記の本実施形態の場合には、試料１４の
表面における特定の測定箇所１０２を原子間力顕微鏡で
測定しようとするとき、前段階で光学顕微鏡１７で当該
測定箇所１０２とカンチレバー２１を含む光学顕微鏡像
を取得し、この像を利用して測定箇所と探針との位置合
わせを行うように構成している。この位置合わせにおい
て、試料表面の測定箇所１０２とカンチレバー２１を含
む最終位置決め点での光学顕微鏡像１０９の情報を予め
記憶しておくことにより、本来の位置合わせに加えて二
次的な微調整のための位置合わせ（最終位置合わせ）を
行うように構成し、測定箇所１０２（観察点１０６）と
探針２０との位置合わせの精度を高めるようにしてい
る。

【００４７】上記のごとく事前に最終位置決め点での光
学顕微鏡像を取得する方法としては、例えば、図２の
（Ｃ）と（Ｄ）を予め繰り返すことにより取得する方法
が一般的である。この取得方法は、測定オペレータによ
るマニュアル測定でも可能であるし、または、測定プロ
グラムに基づく自動測定の工程として組み込むこともで
きる。さらに他の取得方法として、標準となる試料を用
意しておき、当該測定箇所とカンチレバーを含む基準パ
ターンの光学顕微鏡像を作成しておいて記憶部５１に記
憶させておいてもよい。この場合、標準となる試料を用
意しておき、当該測定箇所と取付け位置の関係を求め、
探針推定点を予め計測して補正を行うことも可能であ
る。

【００４８】以上の実施形態に基づく原子間力顕微鏡あ
るいはその測定開始のための設定方法によれば、ＸＹ
ステージ１２の位置決め精度が悪い場合、カンチレバ
ー２１における探針２０の取付け位置がばらつく場合、
温度ドリフト等でカンチレバー２１と試料１４の相対
的位置関係が変動する場合、カンチレバーを取り替え
て用いる場合等にも、原子間力顕微鏡に基づく測定を行
うときには探針と測定箇所とを正確に位置合わせして測
定を開始することができる。

【００４９】次に図４を参照して、カンチレバー２１の
探針２０の位置がばらつく場合について説明する。図４
（Ａ）は、例えば温度ドリフトが原因でカンチレバー２
１の位置が光学顕微鏡視野内で移動した場合を考慮した
ときの光学顕微鏡像を示している。視野における点１０
５は、本来は探針２０が存在すると推定される点である
が、カンチレバー２１が図中左方へ移動しているので、
探針２０の位置と点１０５がずれている状態が示されて
いる。従って、上記の第１実施形態の図２の（Ｂ）と
（Ｃ）で説明したごとく観察点１０６と探針推定点１０
５との位置合わせを行ったとしても、実際の探針２０の
位置（点１１０に相当する）とはずれているので、前述
した二次的な微調整のための位置合わせにより、図４
（Ａ）の状態を解消し、探針２０の位置すなわち点１１
０と観察点１０６を正確に一致させることができる。こ
の結果、図４（Ｂ）の状態になり、これは前述の図２
（Ｄ）と同じ状態の光学顕微鏡像であり、これによって
原子間力顕微鏡に基づく測定が開始される。

【００５０】以上の微調整のための位置合わせは、前述
したＸＹステージの位置決め精度が悪い場合にも適して
いる。この位置合わせを適用すれば、位置決め精度が比
較的に悪い低コストの位置決め装置を使用しても最終的
な位置決めを光学顕微鏡像を利用して補正できるという
利点を有する。カンチレバー２１における探針２０の取
付け位置がばらつく場合には、この同じ探針を利用して
繰り返し測定が行われるので、かかる場合にも探針取付
け位置自身を補正することができる。カンチレバーを取
り替えて用いる場合にも、同様に微調整による最終位置
決めを行うことができ、同様の効果を発揮させることが
できる。

【００５１】試料１４が半導体基板である場合に、当該
半導体基板の検査を自動的に行うときには、予め半導体
基板の表面の測定箇所、測定の回数、半導体基板の枚数
等の測定条件をプログラムとして用意し、制御装置３１
の記憶部５１に記憶させておくように構成されるものが
多い。この場合、前述のごとく、最終位置決めでの位置
合わせで使用される基準となる記憶像もプログラムに内
蔵させ、微調整のための位置合わせを、原子間力顕微鏡
による測定の前段階の一工程として組み込み、自動化す
ることは容易である。

【００５２】上記の実施形態に基づけば、最終的な位置
決め（微調整のための二次的な位置合わせ）を効率的に
行うことができ、測定時間の短縮化を達成することがで
きる。特に半導体プロセス評価のごとく、多数の基板に
関して同じ箇所を繰り返し測定するという用途では、大
きな効果が発揮される。

【００５３】前述の実施形態では原子間力顕微鏡の例を
説明したが、走査型プローブ顕微鏡はこれに限定され
ず、走査型トンネル顕微鏡や磁気間力顕微鏡、その他の
走査型プローブ顕微鏡一般に適用できるものである。た
だし最終的な位置決めの際に利用する測定箇所周辺の特
徴パターンを見出せないときには、例えばダミーの特徴
パターンを追加することが望ましい。

【００５４】さらに前述の実施形態で、ＸＹステージ１
２、接近用粗動機構１３、ＸＹＺ微動機構１９等の配置
位置および取付け構成は一例であって、これらは任意に
変更することができる。

【００５５】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように本発明によ
れば、走査型プローブ顕微鏡で半導体ウェハ等の試料の
表面における特定の測定箇所を測定する場合においてそ
の前段階で光学顕微鏡等を利用してその光学顕微鏡像に
てカンチレバーの陰に隠れた探針と試料表面の観察点を
一致させるとき、この位置合わせを初期的な位置合わせ
と最終位置合わせの２段階で構成し、最終位置合わせ
を、予め基準となる像を記憶手段に用意しておいてこの
基準像と実際の観察像を比較することにより両者が一致
するように行うため、試料表面の測定箇所を高速にかつ
高精度に特定して探針との位置合わせを行い、原子間力
顕微鏡等により測定の効率を高めることができる。さら
に本発明による走査型プローブ顕微鏡およびその測定設
定方法によれば、ＸＹステージの位置決め精度が悪い場
合、探針取付け位置がばらつき場合、温度ドリフト等で
相対位置が動く場合、別のカンチレバーを用いる場合等
にも、正確な位置合わせを行って走査型プローブ顕微鏡
に基づく試料測定を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の実施形態
を示す構成図である。

【図２】本発明の実施形態における試料表面の測定箇所
と探針との位置合わせを説明するための光学顕微鏡像
（手順）Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを示す図である。

【図３】本発明の実施形態における位置合わせの手順を
示すフローチャートである。

【図４】本発明の他の実施形態における試料表面の測定
箇所と探針との位置合わせを説明するための光学顕微鏡
像（手順）Ａ，Ｂを示す図である。

【図５】従来の走査型プローブ顕微鏡の代表的構成を示
す構成図である。

【図６】従来の走査型プローブ顕微鏡での試料表面の測
定箇所と探針との位置合わせを説明するための光学顕微
鏡像（手順）Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅを示す図である。

【符号の説明】

１１定盤１２ＸＹステージ１３粗動機構１６駆動機構１７光学顕微鏡１８カメラ１９ＸＹＺ微動機構２０探針２１カンチレバー２２レーザ光２３光検出器３１制御装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｇ１２Ｂ 21/08 Ｇ１２Ｂ 1/00 ６０１Ｄ (72)発明者黒田浩史茨城県土浦市神立町650番地日立建機ファインテック株式会社内Ｆターム(参考） 2F064 MM11 MM23 MM24 MM26 2F069 AA60 DD15 GG06 GG07 GG45 GG59 GG63 HH05 HH09 HH30 JJ08 JJ14 JJ25 MM24 MM32 MM38 QQ01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】探針を有するカンチレバーと、試料に対
する前記探針の高さ変位を与えるＺ微動機構と、前記試
料の表面に沿って前記探針の相対的変位を与えるＸＹ走
査機構と、前記カンチレバーに生じる変位量を検出する
検出手段と、前記検出手段から出力される検出信号と基
準値に基づき前記Ｚ微動機構の動作を制御して前記探針
と前記試料の間隔を一定に保持しながら前記ＸＹ走査機
構の動作を制御することにより前記探針で前記試料の表
面を走査させる制御手段を備え、前記試料の表面特性に
係る物理量を測定する走査型プローブ顕微鏡において、前記試料の表面の測定箇所を前記カンチレバーと共に観
察する第２顕微鏡と、前記第２顕微鏡で得られる観察像
から画像データを作り、前記制御手段に送る撮像手段
と、前記画像データを記憶する記憶手段を備えて成り、前記試料の前記測定箇所を前記探針に一致させたときに
おける前記第２顕微鏡による観察像を最終位置決めに用
いる基準像として前記記憶手段に予め記憶させることを
特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】前記制御手段は、最終位置決めを行う実
際の位置決め時における前記第２顕微鏡による前記観察
像と前記記憶手段に記憶された前記基準像とを比較する
ことを特徴とする請求項１記載の走査型プローブ顕微
鏡。
【請求項３】前記制御手段は、実際の位置決め時にお
ける前記第２顕微鏡による前記観察像と前記記憶手段に
記憶された前記基準像とが一致するまで、前記ＸＹ走査
機構を制御して前記探針と前記試料の位置合わせ動作を
行うことを特徴とする請求項２記載の走査型プローブ顕
微鏡。
【請求項４】前記第２顕微鏡による前記観察像は、前
記カンチレバーと、前記測定箇所の周辺の試料表面の特
徴部を含むことを特徴とする請求項１記載の走査型プロ
ーブ顕微鏡。
【請求項５】前記第２顕微鏡は光学顕微鏡であること
を特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の走査
型プローブ顕微鏡。
【請求項６】探針を有するカンチレバーと、試料に対
する前記探針の高さ変位を与えるＺ微動機構と、前記試
料の表面に沿って前記探針の相対的変位を与えるＸＹ走
査機構と、前記カンチレバーに生じる変位量を検出する
検出手段と、前記検出手段から出力される検出信号と基
準値に基づき前記Ｚ微動機構の動作を制御して前記探針
と前記試料の間隔を一定に保持しながら前記ＸＹ走査機
構の動作を制御することにより前記探針で前記試料の表
面を走査させる制御手段を備え、前記試料の表面特性に
係る物理量を測定する走査型プローブ顕微鏡に適用され
る測定設定方法であり、前記走査型プローブ顕微鏡により前記試料の測定箇所を
測定するとき、その前の段階で、第２顕微鏡により前記試料の表面の前記測定箇所を前記
カンチレバーと共に観察するステップと、前記第２顕微鏡で得られる観察像を利用して前記試料の
前記測定箇所と前記探針との位置合わせを行うステップ
と、前記位置合わせを行った後の第２顕微鏡により得られる
観察像と、予め用意された基準像とを比較し、前記観察
像と前記基準像が一致するように最終位置合わせを行う
ステップと、を実行することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の測
定設定方法。
【請求項７】前記基準像は、前記記憶手段に予め記憶
されていることを特徴とする請求項６記載の走査型プロ
ーブ顕微鏡の測定設定方法。
【請求項８】前記第２顕微鏡による前記観察像は、前
記カンチレバーと、前記測定箇所の周辺の試料表面の特
徴部を含むことを特徴とする請求項６記載の走査型プロ
ーブ顕微鏡の測定設定方法。
【請求項９】前記第２顕微鏡は光学顕微鏡であること
を特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の走査
型プローブ顕微鏡の測定設定方法。