JP2005106598A - 走査型プローブ顕微鏡の異方摩擦データ取得方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ウェハ等の表面上の各種特性を測定するとき試料表面の微小領域で異方摩擦データを取得できる走査型プローブ顕微鏡の異方摩擦データ取得方法を提供する。
【解決手段】 走査型プローブ顕微鏡は、探針２０を有するカンチレバー２１と、探針と試料１２の間で生じる物理量を測定する測定部（２４，３２）と、探針と試料の位置を相対的に変化させ走査動作を行わせる移動機構（１４，１５，２９）とを備える。走査型プローブ顕微鏡では測定部で物理量を一定に保ちながら移動機構により探針で試料の表面を走査して試料の表面を測定する。さらにこの走査型プローブ顕微鏡では、試料と探針の間で摩擦が生じる状態で相対的な横方向の微小変位を直交する２軸方向に独立に加え、２軸方向のそれぞれ摩擦に係るデータを取得する方法が実行される。
【選択図】 図３

Description

本発明は、走査型プローブ顕微鏡の異方摩擦データ取得方法に関し、特に、異方性を有する試料における微小領域での方位別摩擦データを取得することのできる走査型プローブ顕微鏡の異方摩擦データ取得方法に関する。

走査型プローブ顕微鏡は、原子のオーダまたは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る。近年、走査型プローブ顕微鏡は、半導体デバイスが作られた基板やウェハの表面の微細な凹凸形状の測定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。

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。最近ではインライン自動検査工程の用途でも使用されてきている。

原子間力顕微鏡は、基本的な構成として、原子間力顕微鏡の原理に基づく測定装置部分を備える。通常、圧電素子を利用して形成されたトライポッド型あるいはチューブ型のＸＹＺ微動機構を備え、このＸＹＺ微動機構の下端に、先端に探針が形成されたカンチレバーが取り付けられている。探針の先端は試料の表面に対向している。上記カンチレバーに対して例えば光てこ式光学検出装置が配備される。すなわち、カンチレバーの上方に配置されたレーザ光源（レーザ発振器）から出射されたレーザ光がカンチレバーの背面で反射され、光検出器より検出される。カンチレバーにおいて捩れや撓みが生じると、光検出器におけるレーザ光の入射位置が変化する。従って探針およびカンチレバーで変位が生じると、光検出器から出力される検出信号で当該変位の方向および量を検出できる。上記の原子間力顕微鏡の構成について、制御系として、通常、比較器、制御器が設けられる。比較器は、光検出器から出力される検出電圧信号と基準電圧とを比較し、その偏差信号を出力する。制御器は、当該偏差信号が０になるように制御信号を生成し、この制御信号をＸＹＺ微動機構内のＺ微動機構に与える。こうして、試料と探針の間の距離を一定に保持するフィードバックサーボ制御系が形成される。上記の構成によって探針を試料表面の微細凹凸に追従させながら走査し、その形状を測定することができる。

上記の原子間力顕微鏡に対して観察対象である試料が用意される。試料は、例えば、表面に多数の半導体デバイスが作りこまれた基板またはウェハである。この試料は試料ステージ上に設けられた試料ホルダ（試料チャック機構）の上に配置され、静電力で固定される。試料ステージは、それ自体、試料を移動させるための移動機構としてＸＹ移動機構およびＺ移動機構を備える。ＸＹ移動機構およびＺ移動機構は、前述したＸＹＺ微動機構に比較して、相対的に大きな距離の移動を可能にする粗動機構である。さらに上記原子間力顕微鏡では、試料表面等で広い範囲の観察を可能にする光学顕微鏡、および光学顕微鏡で得られた像を撮影するＴＶカメラ等が装備される。

上記の原子間力顕微鏡ではコンタクトモードと呼ばれる測定方式がある。コンタクトモードでは、探針の先を試料の表面に接触させた状態で、探針を走査させる。探針の先端は試料表面の凹凸をなぞって移動し、試料表面における探針の高さ方向のデータに基づき試料表面の凹凸形状の情報を得る。かかるコンタクトモードの測定では、試料の表面形状データの測定と同時に、カンチレバーの捩れ量を光てこ等の方式で測定することにより摩擦力データを取得することが一般的には行われている。さらに摩擦力データを取得する技術に関しては例えば特許文献１に記載されているものがある。この特許文献１に記載された原子間力顕微鏡では、探針を試料にいったん接触させ、探針に対して横振動を与えたときの捩れ振動の位相と振幅を計測することにより摩擦力データを取得する方法が示されている。

摩擦データを取得する従来の技術は、いずれも、取得される摩擦データはカンチレバーの捩れ方向のみであり、撓み方向すなわちカンチレバーの長手方向の摩擦データを取得できるようには構成されていない。その理由は、原子間力顕微鏡では、通常、撓み方向の信号を、試料表面に探針を押しつけるためのフィードバック信号として用いるからである。このため、撓み方向の信号を摩擦データとして用いることは困難であった。

上記のように、従来の原子間力顕微鏡等では、試料表面が異方性を有する場合において当該試料に対して試料表面の同一の微小領域で方位別摩擦データを得ることができないという問題を有していた。
特開平８−１４６０１９号公報

本発明の課題は、試料表面が異方性を有する場合に、走査型プローブ顕微鏡による試料表面の測定動作を利用して同じ微小領域における異方摩擦データを取得することを可能にするものである。

本発明の目的は、上記の課題に鑑み、走査型プローブ顕微鏡を利用してウェハ等の試料の表面上の各種特性を測定することにおいて、試料表面の微小領域で異方摩擦データを取得できる走査型プローブ顕微鏡の異方摩擦データ取得方法を提供することにある。

本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の異方摩擦データ取得方法は、上記目的を達成するために、次のように構成される。

第１の走査型プローブ顕微鏡の異方摩擦データ取得方法（請求項１に対応）： 走査型プローブ顕微鏡は、試料に対向する探針を有する探針部（カンチレバー等）と、探針が試料の表面を走査するとき探針と試料の間で生じる物理量（原子間力等）を測定する測定部（光てこ式光学検出装置、フィードバックサーボ制御系、走査装置、ＸＹＺの微動機構、データ処理等の制御装置等）と、探針と試料の位置を相対的に変化させ走査動作を行わせる移動機構（試料ステージ側のＸＹステージ、ＸＹ微動機構）とを備える。この走査型プローブ顕微鏡では、上記測定部で物理量を一定に保ちながら移動機構により探針で試料の表面を走査して試料の表面を測定する。さらに走査型プローブ顕微鏡では、試料と探針の間で摩擦が生じる状態で相対的な横方向の微小変位を直交する２軸方向に独立に加え、２軸方向のそれぞれの摩擦に係るデータを取得する方法が実行される。

第２の走査型プローブ顕微鏡の異方摩擦データ取得方法（請求項２に対応）は、上記の第１の方法において、好ましくは、探針部はカンチレバーであり、測定部は物理量を保持するフィードバックサーボ制御部を含み、かつ２軸方向はカンチレバーの捩れ方向と撓み方向であり、捩れ方向の測定値と、フィードバックサーボ制御部がオフしているときの撓み方向の測定値とに基づいて摩擦に係るデータを取得することで特徴づけられる。

第３の走査型プローブ顕微鏡の異方摩擦データ取得方法（請求項３に対応）は、上記の方法において、好ましくは、摩擦に係るデータは試料の表面上の位置情報と関連づけて記録されることで特徴づけられる。

本発明によれば、走査型プローブ顕微鏡によって試料表面の測定領域を測定するとき、微小領域の各測定点に関して直交する２軸方向の摩擦力のデータを個別にかつ高い精度で取得することができる。さらにＸ軸方向およびＹ軸方向の微小な振幅または走査で段差等の急激な形状変化を検出でき、これとＡＦＭ等の形状測定走査と組み合わせることにより次の目標高さを制御情報として利用することもできる。

以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。

図１に従って本発明に係る走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の全体の構成を説明する。この走査型プローブ顕微鏡は、代表的な例として、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を想定している。

走査型プローブ顕微鏡の下側部分には試料ステージ１１が設けられている。試料ステージ１１の上に試料１２が置かれている。試料ステージ１１は、直交するＸ軸とＹ軸とＺ軸で成る３次元座標系１３で試料１２の位置を変えるための機構である。試料ステージ１１は、ＸＹステージ１４とＺステージ１５と試料ホルダ１６とから構成されている。試料ステージ１１は、通常、試料側で変位（位置変化）を生じさせる粗動機構部として構成される。試料ステージ１１の試料ホルダ１６の上面には、比較的大きな面積でかつ薄板形状の上記試料１２が置かれ、保持されている。試料１２は、例えば、表面上に半導体デバイスの集積回路パターンが製作された基板またはウェハである。試料１２は試料ホルダ１６上に固定されている。試料ホルダ１６は試料固定用チャック機構を備えている。

図２に従って試料ステージ１１の具体的な構成例を説明する。図２で、１４はＸＹステージであり、１５はＺステージである。ＸＹステージ１４は水平面（ＸＹ平面）上で試料を移動させる機構であり、Ｚステージ１５は垂直方向に試料１２を移動させる機構である。Ｚステージ１５は例えばＸＹステージ１４の上に搭載されて取り付けられている。

ＸＹステージ１４は、Ｙ軸方向に向けて配置された平行な２本のＹ軸レール２０１とＹ軸モータ２０２とＹ軸駆動力伝達機構２０３から成るＹ軸機構部と、Ｘ軸方向に向けて配置された平行な２本のＸ軸レール２０４とＸ軸モータ２０５とＸ軸駆動力伝達機構２０６から成るＸ軸機構部とから構成されている。上記ＸＹステージ１４によって、Ｚステージ１５はＸ軸方向またはＹ軸方向に任意に移動させられる。またＺステージ１５には、試料ホルダ１６をＺ軸方向に昇降させるための駆動機構が付設されている。図２では当該駆動機構は隠れており、図示されていない。試料ホルダ１６の上には試料１２を固定するためのチャック機構２０７が設けられる。チャック機構２０７には、通常、機械式、吸着や静電等の作用を利用した機構が利用される。

図１において、試料１２の上方位置には、駆動機構１７を備えた光学顕微鏡１８が配置されている。光学顕微鏡１８は駆動機構１７によって支持されている。駆動機構１７は、光学顕微鏡１８を、Ｚ軸方向に動かすためのフォーカス用Ｚ方向移動機構部１７ａと、ＸＹの各軸方向に動かすためのＸＹ方向移動機構部１７ｂとから構成されている。取付け関係として、Ｚ方向移動機構部１７ａは光学顕微鏡１８をＺ軸方向に動かし、ＸＹ方向移動機構部１７ｂは光学顕微鏡１８とＺ方向移動機構部１７ａのユニットをＸＹの各軸方向に動かす。ＸＹ方向移動機構部１７ｂはフレーム部材に固定されるが、図１で当該フレーム部材の図示は省略されている。光学顕微鏡１８は、その対物レンズ１８ａを下方に向けて配置され、試料１２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１８の上端部にはＴＶカメラ（撮像装置）１９が付設されている。ＴＶカメラ１９は、対物レンズ１８ａで取り込まれた試料表面の特定領域の像を撮像して取得し、画像データを出力する機能を有する。

試料１２の上側には、先端に探針２０を備えたカンチレバー２１が接近した状態で配置されている。カンチレバー２１は取付け部２２に固定されている。取付け部２２は、例えば、空気吸引部（図示せず）が設けられると共に、この空気吸引部は空気吸引装置（図示せず）に接続されている。カンチレバー２１は、その大きな面積の基部が取付け部２２の空気吸引部で吸着されることにより、固定され装着される。

上記の取付け部２２は、Ｚ方向に微動動作を生じさせるＺ微動機構２３に取り付けられている。さらにＺ微動機構２３はカンチレバー変位検出部２４の下面に取り付けられている。

カンチレバー変位検出部２４は、支持フレーム２５にレーザ光源２６と光検出器２７が所定の配置関係で取り付けられた構成を有する。カンチレバー変位検出部２４とカンチレバー２１は一定の位置関係に保持され、レーザ光源２６から出射されたレーザ光２８はカンチレバー２１の背面で反射されて光検出器（分割フォトダイオード等）２７に入射されるようになっている。上記カンチレバー変位検出部は光てこ式光学検出装置を構成する。この光てこ式光学検出装置によって、カンチレバー２１で捩れや撓み等の変形が生じると、当該変形による変位を検出することができる。

カンチレバー変位検出部２４はＸＹ微動機構２９に取り付けられている。ＸＹ微動機構２９によってカンチレバー２１および探針２０等はＸＹの各軸方向に微小距離で移動される。このとき、カンチレバー変位検出部２４は同時に移動されることになり、カンチレバー２１とカンチレバー変位検出部２４の位置関係は不変である。

上記において、Ｚ微動機構２３とＸＹ微動機構２９は、通常、圧電素子で構成されている。Ｚ微動機構２３とＸＹ微動機構２９によって、探針２０の移動について、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の各々へ微小距離（例えば数〜１０μｍ、最大１００μｍ）の変位を生じさせる。

上記のＸＹ微動機構２９はさらに回転傾斜機構３０に取り付けられている。回転傾斜機構３０は、ＸＹ微動機構２９から下側の部分を全体として回転または傾斜させる機能を有するもので、それによってカンチレバーおよび探針を適宜な姿勢にさせることが可能となる。回転傾斜機構３０の構成は、圧電素子、モータ、その他のアクチュエータ等の任意のものを採用することができる。

回転傾斜機構３０は、光学顕微鏡１８に関するユニットが取り付けられる前述した不図示のフレーム部材に取り付けられている。

上記の取付け関係において、光学顕微鏡１８による観察視野には、試料１２の特定領域の表面と、カンチレバー２１における探針２０を含む先端部（背面部）とが含まれる。

次に、走査型プローブ顕微鏡の制御系を説明する。制御系の構成としては、比較器３１、制御器３２、第１制御装置３３、第２制御装置３４が設けられる。制御器３２は、例えば原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）による測定機構を原理的に実現するための制御器である。また第１制御装置３３は複数の駆動機構等のそれぞれの駆動制御用の制御装置であり、第２制御装置３４は上位の制御装置である。

比較器３１は、光検出器２７から出力される電圧信号Ｖdと予め設定された基準電圧（Vref）とを比較し、その偏差信号ｓ１を出力する。制御器３２は、偏差信号ｓ１が０になるように制御信号ｓ２を生成し、この制御信号ｓ２をＺ微動機構２３に与える。制御信号ｓ２を受けたＺ微動機構２３は、カンチレバー２１の高さ位置を調整し、探針２０と試料１２の表面との間の距離を一定の距離に保つ。上記の光検出器２７からＺ微動機構２３に到る制御ループは、探針２０で試料表面を走査するとき、光てこ式光学検出装置によってカンチレバー２１の長手方向に沿った撓み方向に係る変形状態を検出しながら、探針２０と試料１２との間の距離を上記の基準電圧（Vref）に基づいて決まる所定の一定距離に保持するためのフィードバックサーボ制御のループである。この制御ループによって、カンチレバー２１の撓み量は一定に保たれ、これにより探針２０は試料１２の表面から一定の距離に保たれ、この状態で試料１２の表面を走査すると、試料表面の凹凸形状を測定することができる。なお制御器３２の動作状態をオン・オフすることによりフィードバックサーボ制御のオン状態またはオフ状態が制御される。制御器３２をオフ状態にしてフィードバックサーボ制御をオフにすると、その直前の高さ位置にカンチレバー２１および探針２０は保持されることになる。

次に第１制御装置３３は、走査型プローブ顕微鏡の各部を駆動させるための制御装置であり、次のような機能部を備えている。

光学顕微鏡１８は、フォーカス用Ｚ方向移動機構部１７ａとＸＹ方向移動機構部１７ｂとから成る駆動機構１７によって、その位置が変化させられる。第１制御装置３３は、上記のＺ方向移動機構部１７ａとＸＹ方向移動機構部１７ｂのそれぞれの動作を制御するための第１駆動制御部４１と第２駆動制御部４２を備えている。

光学顕微鏡１８によって得られた試料表面やカンチレバー２１の像は、ＴＶカメラ１９によって撮像され、画像データとして取り出される。光学顕微鏡１８のＴＶカメラ１９で得られた画像データは、第１制御装置３３に入力され、内部の画像処理部４３で処理される。

制御器３２等を含む上記のフィードバックサーボ制御ループにおいて、制御器３２から出力される制御信号ｓ２は、走査型プローブ顕微鏡（原子間力顕微鏡）における探針２０の高さ信号を意味するものである。探針２０の高さ信号すなわち制御信号ｓ２によって探針２０の高さ位置の変化に係る情報を得ることができる。探針２０の高さ位置情報を含む上記制御信号ｓ２は、前述のごとくＺ微動機構２３に対して駆動制御用に与えられると共に、制御装置３３内のデータ処理部４４に取り込まれる。

試料１２の表面の測定領域について探針２０による試料表面の走査は、ＸＹ微動機構２９を駆動することにより行われる。ＸＹ微動機構２９の駆動制御は、ＸＹ微動機構２９に対してＸＹ走査信号ｓ３を提供するＸＹ走査制御部４５によって行われる。

また試料ステージ１１のＸＹステージ１４とＺステージ１５の駆動は、Ｘ方向駆動信号を出力するＸ駆動制御部４６とＹ方向駆動信号を出力するＹ駆動制御部４７とＺ方向駆動信号を出力するＺ駆動制御部４８とによって制御される。

またカンチレバー２１と探針２０の姿勢を必要に応じて回転・傾斜させる回転傾斜機構３０の動作は、回転傾斜機構３０に対して指令信号ｓ４を提供する回転傾斜制御部４９によって行われる。

さらに上記のフィードバックサーボ制御ループのオン・オフを行えるように制御器３２の動作状態を制御するサーボオン・オフ制御部５０が設けられる。

なお第１制御装置３３は、必要に応じて、設定された制御用データ、入力した光学顕微鏡画像データや探針の高さ位置に係るデータ等を記憶・保存する記憶部（図示せず）を備える。

上記第１制御装置３３に対して上位に位置する第２制御装置３４が設けられている。第２制御装置３４は、通常の計測プログラムの記憶・実行および通常の計測条件の設定・記憶、自動計測プログラムの記憶・実行およびその計測条件の設定・記憶、計測データの保存、計測結果の画像処理および表示装置（モニタ）３５への表示等の処理を行う。特に、本発明の場合には、自動計測において試料表面の微小領域に対して直交する２軸の方向にて摩擦力を測定する計測プロセスを含んでおり、この計測プロセスのためのプログラムを備えている。計測条件の設定では、測定範囲、測定スピードといった基本項目、直交２軸方向の計測条件など、自動計測の条件の設定が行われ、それらの条件は設定ファイルに記憶され、管理される。さらに、通信機能を有するように構成し、外部装置との間で通信を行える機能を持たせることもできる。

第２制御装置３４は、上記の機能を有することから、処理装置であるＣＰＵ５１と記憶部５２とから構成される。記憶部５２には上記のプログラムおよび条件データ等が記憶・保存されている。また第２制御装置３４は、画像表示制御部５３と通信部等を備える。加えて第２制御装置３４にはインタフェース５４を介して入力装置３６が接続されており、入力装置３６によって記憶部５２に記憶される測定プログラム、測定条件、データ等を設定・変更することができるようになっている。

第２制御装置３４のＣＰＵ５１は、バス５５を介して、第１制御装置３３の各機能部に対して上位の制御指令等を提供し、また画像処理部４３やデータ処理部４４等から画像データや探針の高さ位置に係るデータを提供される。

次に上記の走査型プローブ顕微鏡（原子間力顕微鏡）の基本動作を説明する。

試料ステージ１１上に置かれた半導体基板等の試料１２の表面の所定領域に対してカンチレバー２１の探針２０の先端を臨ませる。通常、探針接近用機構であるＺステージ１５によって探針２０を試料１２の表面に近づけ、原子間力を作用させてカンチレバー２１に撓み変形を生じさせる。このとき上記フィードバックサーボ制御ループはオン状態にされている。カンチレバー２１の撓み変形による撓み量を、前述した光てこ式光学検出装置によって検出する。この状態において、試料表面に対して探針２０を移動させることにより試料表面の走査（ＸＹ走査）が行われる。探針２０による試料１２の表面のＸＹ走査は、探針２０の側をＸＹ微動機構２９で移動（微動）させることによって、または試料１２の側をＸＹステージ１４で移動（粗動）させることによって、試料１２と探針２０の間で相対的なＸＹ平面内での移動関係を作り出すことにより行われる。

探針２０側の移動は、カンチレバー２１を備えるＸＹ微動機構２９に対してＸＹ微動に係るＸＹ走査信号ｓ３を与えることによって行われる。ＸＹ微動に係る走査信号ｓ３は第１制御装置３３内のＸＹ走査制御部４５から与えられる。他方、試料側の移動は、試料ステージ１１のＸＹステージ１４に対してＸ駆動制御部４６とＹ駆動制御部４７から駆動信号を与えることによって行われる。

上記のＸＹ微動機構２９は、圧電素子を利用して構成され、高精度および高分解能な走査移動を行うことができる。またＸＹ微動機構２９によるＸＹ走査で測定される測定範囲については、圧電素子のストロークによって制約されるので、最大でも約１００μｍ程度の距離で決まる範囲となる。ＸＹ微動機構２９によるＸＹ走査によれば、微小な狭域範囲の測定となる。他方、上記のＸＹステージ１４は、通常、駆動部として電磁気モータを利用して構成するので、そのストロークは数百ｍｍまで大きくすることができる。ＸＹステージによるＸＹ走査によれば、広域範囲の測定となる。

上記のごとくして、試料１２の表面上の所定の測定領域を探針２０で走査しながら、フィードバックサーボ制御ループに基づいてカンチレバー２１の撓み量（撓み等による変形量）が一定になるように制御を行う。カンチレバー２１の撓み量は、常に、基準となる目標撓み量（基準電圧Ｖrefで設定される）に一致するように制御される。その結果、探針２０と試料１２の表面との距離は一定の距離に保持される。従って探針２０は、例えば、試料１２の表面の微細凹凸形状（プロファイル）をなぞりながら移動（走査）することになり、探針の高さ信号を得ることによって試料１２の表面の微細凹凸形状を計測することができる。

次に上記走査型プローブ顕微鏡に基づく異方摩擦データを取得する方法について説明する。

図３は、試料１２の表面上における１点で異方摩擦データを取得する手順を示したフローチャートである。このフローチャートで示された開始点は、その前の段階でＺステージ１５によって試料１２の表面に対する探針２０の接近動作が行われ、かつＺ微動機構２３によって探針２０を退避させて、試料表面に対して非接触状態が形成されている時点である。また探針２０のＸ，Ｙの位置は、試料１２の表面における測定領域において予め設定された複数の測定点の１つの測定点の座標に一致している。次に、図３に示された各ステップを説明する。

探針の接近（ステップＳ１１）：
このステップでは、Ｚ微動機構２３に関係する探針２０の高さ位置制御に関係する上記フィードバックサーボ制御ループをオン状態に維持してＺ微動機構２３による試料１２への探針２０の接近動作を行う。

接触状態での停止（ステップＳ１２）：
光てこ式光学検出装置から得られるカンチレバー２１に関する撓み方向の信号を監視することにより、予め設定した押付け力となる位置でＺ微動機構２３による接近動作を停止する。この際、カンチレバー２１は試料表面に対する所定の押付け力によりその長手方向において撓みを生じた状態にある。

Ｘ，Ｙ，Ｚの座標値の記録（ステップＳ１３）：
接触状態で停止した時点で、当該停止位置に関する試料表面の測定点の座標を記録する。この座標値データは、記憶部５２に保存される。

Ｚ微動機構のフィードバックサーボ制御のオフ（ステップＳ１４）：
この段階でＺ微動機構２３のフィードバックサーボ制御ループの動作状態をオフ状態にし、Ｚ微動機構２３で設定される位置を固定し、探針２０と試料１２との接触状態を保持する。

捩れ方向摩擦力データの取得（ステップＳ１５）：
次にＸＹ微動機構２９のＸ微動機構部分を駆動することによりカンチレバー２１に対してその捩れ方向に例えば微小振動または摩擦力を生じさせるための所定走査動作を与え、このときの捩れ信号を取得する。図４にカンチレバー２１の捩れ方向に微小振動等を与えたときの走査状態を示す。図４では、カンチレバー２１の捩れ方向３０１を走査方向とするときにおける、カンチレバー２１の側面図（Ａ）、平面図（Ｂ）、端面図（Ｃ）が示されている。カンチレバーの捩れ方向３０１に微小振動等を与えて摩擦力に起因する捩れ３０２が発生すると、レーザ光源２６からのレーザ光２７の進路が振れ、光検出器（分割フォトダイオード）２７で振れ変位に応じたレーザ光経路の変位を検出し、捩れ方向の信号（摩擦力データ）を得ることができる。

捩れ方向に微小振動等を与えて摩擦力に起因する捩れ信号を取得するプロセスの詳細は次の通りである。捩れ信号を取り出すためには、上記のごとく、探針を試料に接近させた後、Ｚ方向の座標を保った状態でカンチレバーをＸ方向に徐々に動かすという過程が含まれる。このときのカンチレバー駆動量を変位入力として横軸にとり、カンチレバーの捩れに応じたレーザ光反射光路の変位から得られる摩擦力データを縦軸にとり、グラフを描くと図５のごとくなる。グラフ３０３において、最初は探針先端が試料に固着したままであるので、変位入力に応じた摩擦力データ特性３０４が得られ、最大静止摩擦３０５を越えた点ですべり３０６を生じ始める。一旦、すべりを生じ始めると、ほぼ一定出力になる。このようなグラフ特性に基づいて必要とする捩れ信号と取り出す。

なお試料表面は微小振動の方向に対して平行な関係となっておらず、傾斜している場合もあり得る。この場合には、Ｘ軸のプラス方向変位（Ｘ＋）とマイナス方向変位（Ｘ−）の各変位時では捩れ信号に傾きの影響によるオフセットが生じることになる。この様子を図６に示す。図６で６１はオフセットの量を表している。このような影響は２種類の手法のいずれかにより除去または解析される。第１の手法は、Ｘ＋，Ｘ−の平均値を摩擦データとすることで傾斜影響を除去する。第２の手法は、Ｘ＋，Ｘ−を別々に取得し、その後でＡＦＭ測定による形状データから補正を行う。また試料表面が微小振動の方向に対して傾斜している場合、図５で示したグラフ上では傾きのオフセットとして現われる。

撓み方向摩擦力データの取得（ステップＳ１６）：
次にＸＹ微動機構２９のＹ微動機構部分を駆動することによりカンチレバー２１に対してその撓み方向に例えば微小振動または摩擦力を生じさせるための所定走査動作を与え、このときの撓み信号を取得する。図７と図８にカンチレバー２１の撓み方向に微小振動等を与えたときの走査状態を示す。図７は撓み方向における押出し方向に走査を行う場合の側面図（Ａ）と平面図（Ｂ）を示し、図８は撓み方向における引き方向に走査を行う場合の側面図（Ａ）と平面図（Ｂ）を示す。カンチレバーの撓み方向３０７に微小振動等を与えて摩擦力に起因する撓み３０８，３０９が発生すると、レーザ光源２６からのレーザ光２７の進路が振れ、光検出器（分割フォトダイオード）２７で振れ変位に応じたレーザ光経路の変位を検出し、撓み方向の信号（摩擦力データ）を得ることができる。撓み信号に基づく摩擦力データに関しても図５で説明したものと同様なグラフ特性を有している。

撓み信号に関してはカンチレバー形状に起因して上記捩れ信号とは出力が異なるので、捩れ信号に対する補正計数Ｋ（Ｋｐ＝Ｙ＋方向、Ｋｍ＝Ｙ−方向）が必要になる。なお撓み信号は、Ｙ＋方向とＹ−方向とで非対称であるため、ＫｐとＫｍは別々に定義される。具体的には、同一の基準試料に対してカンチレバー２１を回転傾斜機構３０によって相対的に９０度回転させてそれぞれ捩れ信号と撓み信号を測定して補正係数を求める。補正係数の演算は、実際の測定前でも、後でもかまわない。なお、補正係数を求める方法としては、回転傾斜機構による他に、等方性が確認されている試料を用いる方法や、試料を手動あるいはアナライザ等により回転させて載せ直す方法等がある。

上記の取得した撓み信号に対して、上記の補正係数を乗じ、撓み方向の摩擦力データを得る。なお、傾斜の影響除去または解析に関しては、捩れ方向の場合と同様な処理が行われる。

探針の退避（ステップＳ１７）：
最後に、Ｚ微動機構２３を駆動して探針２０を試料１２の表面から退避させる。

図３のフローチャートの説明で、カンチレバー２１における捩れ方向および撓み方向の摩擦力データを得るプロセスを実行するために、摩擦力を生じせしめるための微小振動または所定走査動作を行わせる例を説明した。この微小振動に関しては、摩擦力データが取得できればよく、例えば方位分解能を高めるために小さい振幅が好ましい。また微小振動の振幅は、カンチレバーや探針のサイズやバネ定数との関係で決められる。また微小振動の周期も、系の応答時間に応じて決まり、十分な摩擦力を生じさせるように設定されることが望ましい。

また捩れ方向および撓み方向の摩擦力信号の取得に関して、摩擦力を生じさせるための所定の走査動作を行わせて得られる上記の図５に示したグラフにおいて、静止摩擦またはすべり摩擦を得ることができる。カンチレバーの駆動範囲すなわち変位入力範囲は、予め設定しておいてもよいし、すべり出しを検出して終了してもよい。すべり出しは、出力がほぼ一定になる状態を検出することで確認することができる。

上記のプロセスでは、フィードバックサーボ制御ループがオフしているときの捩れ方向の摩擦力に係る測定値を取得したが、捩れ方向の摩擦力信号に関しては、フィードバックサーボ制御ループがオフしていることは必須ではなく、Ｚ微動機構２３のフィードバックサーボ制御はオンでもオフでもかまわない。

前述の実施形態の説明では、試料１２の表面における測定領域の１点での異方摩擦データを取得するプロセスを示した。このプロセスをＸＹ微動機構２９による走査と組み合わせることにより異方摩擦力データマップを得ることができる。この際には、Ｚ座標値も同時に記録して保存しているため、通常のＡＦＭ測定として表面形状を併せて計測することができる。

さらにＸ，Ｙの振幅範囲内で試料表面上に急激な段差等がある場合には、その部分で摩擦データが急激に変化するため、ＡＦＭ測定走査における次の測定点に対する制御情報としても用いることができる。このことは、Ｘ方向押付け時のＹＺ面、およびＹ方向押付け時のＸＺ面についても同様である。

以上の実施形態で説明された構成、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、説明された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。

本発明は、走査型プローブ顕微鏡による基板等の試料の表面の凹凸測定で、測定領域の微小領域に関して異方摩擦データを迅速かつ正確に取得することに利用される。

本発明に係る異方摩擦データ取得方法を実施する走査型プローブ顕微鏡の代表例である原子間力顕微鏡装置の全体的な構成を示す構成図である。 試料ステージの具体的な構成を示す斜視図である。 本発明に係る異方摩擦データ取得方法を示すフローチャートである。 捩れ方向のカンチレバーの変形を示す図である。 摩擦力の計測方法を説明するためのグラフである。 試料傾斜時におけるＸ軸微小振動の付与時のねじれ信号波形図である。 撓み方向であって押出し方向に走査させたときのカンチレバーの変形を示す図である。 撓み方向であって引き方向に走査させたときのカンチレバーの変形を示す図である。

符号の説明

１１ 試料ステージ
１２ 試料
１６ 試料ホルダ
１７ 駆動機構
１８ 光学顕微鏡
１９ ＴＶカメラ
２０ 探針
２１ カンチレバー
２２ 取付け部
２３ Ｚ微動機構
２９ ＸＹ微動機構
３０ 探針傾斜機構
３３ 第１制御装置
３４ 第２制御装置

Claims (3)

1. 試料に対向する探針を有する探針部と、前記探針が前記試料の表面を走査するとき前記探針と前記試料の間で生じる物理量を測定する測定部と、前記探針と前記試料の位置を相対的に変化させ走査動作を行わせる移動機構とを備え、前記測定部で前記物理量を一定に保ちながら前記移動機構により前記探針で前記試料の表面を走査して前記試料の表面を測定する走査型プローブ顕微鏡において、
   前記試料と前記探針の間で摩擦が生じる状態で相対的な横方向の微小変位を直交する２軸方向に独立に加え、前記２軸方向のそれぞれの摩擦に係るデータを取得することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の異方摩擦データ取得方法。
2. 前記探針部はカンチレバーであり、前記測定部は前記物理量を保持するフィードバックサーボ制御手段を含み、かつ前記２軸方向は前記カンチレバーの捩れ方向と撓み方向であり、前記捩れ方向の測定値と、前記フィードバックサーボ制御手段がオフしているときの前記撓み方向の測定値とに基づいて前記摩擦に係るデータを取得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の異方摩擦データ取得方法。
3. 前記摩擦に係るデータは前記試料の表面上の位置情報と関連づけて記録されることを特徴とする請求項１または２記載の走査型プローブ顕微鏡の異方摩擦データ取得方法。
   

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