JP2006220597A - 表面情報計測装置。 - Google Patents

Abstract

【課題】 大きな凹面および凸面形状をした試料表面に対し、カンチレバーやカンチレバーを保持する部材などの干渉がなく、また、探針表面の接触位置が変わることなく、表面粗さ測定誤差が極力少なくなるようにして、精度よく測定ができる表面情報計測装置を提供すること。
【解決手段】 大きな凹面および凸面形状をした試料５ａまたは５ｂ表面に対して、先端に探針（プローブ）を有するカンチレバー１３を用いて試料形状を測定する表面計測装置において、試料５ａ（５ｂ）側に試料移動ステージとカンチレバー１３側に微動機構回転ステージ１８とを備えて、大きな凹面５ｂおよび凸面５ａ形状の試料表面の位置に関わらず、探針表面状態およびカンチレバーたわみに係わる、探針が受ける原子間力の方向が変わらないように調整して、試料表面形状を測定できるようにした。
【選択図】 図６

Description

本発明は、試料表面の表面粗さや段差などの形状情報や、誘電率や粘弾性などの物理情報を計測する表面情報計測装置に関するものである。具体的な表面情報計測装置としては、走査型プローブ顕微鏡、表面粗さ計、硬度計や電気化学顕微鏡等である。

近年、半導体においてより微細化がすすみ、微細形状の評価としての形状測定として、原子分解能を有する、プローブ顕微鏡の一種である原子間力顕微鏡が期待されている。プロ−ブ顕微鏡の一種である原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscope：AFM）は走査トンネル顕微鏡（Scanning Tunneling Microscope：STM）の発明者であるG.Binnigらによって考案されて以来、新規な絶縁性物質の表面形状観察手段として期待され、研究が進められている。（例えば、非特許文献１を参照）
プローブ顕微鏡の原理は、先端を充分に鋭くした検出チップと試料間に働く物理力を、前記検出チップが取り付けられているばね要素の変位として測定し、前記ばね要素の変位量を一定に保ちながら前記試料表面を走査し、前記ばね要素の変位量を一定に保つための制御信号を形状情報として、前記試料表面の形状を測定するものである。

ばね要素の変位検出手段としては光学的方式及び、バネ要素の変形ひずみを電気信号として検出する自己検出方式がある。

光学的方式にはいわゆる干渉法そのものを使った例（例えば、非特許文献２を参照。）や、レーザー光をばね要素に照射しその反射光の位置ずれを光検出素子で検出して変位信号とする、光てこ方式と呼ばれる例（例えば、非特許文献３を参照。）が報告されているが、光てこ方式が主に用いられている。

また、自己検出方式としては、先端に探針を設けたレバー部とそのレバー部を支持する支持部とが２つの屈曲部によって連結されて構成されるカンチレバーにおいて、その屈曲部上にピエゾ抵抗体を前記レバー部から前記支持部に向かう方向に直線状に設けることにより、屈曲部をピエゾ抵抗体形成領域として有効に利用でき、さらにはその領域を細く形成することが可能となるので、２つのピエゾ抵抗体間において、カンチレバーの捩れにより生じる両屈曲部の変位差を示す抵抗値差を計測することでカンチレバーを制御するものが知られている。（例えば、特許文献１を参照。）
また、プロ−ブ顕微鏡は、試料に対向する位置に配置された探針（プロ−ブ）が試料から原子間力を受けるものならば原子間力顕微鏡と称され、磁気力ならば磁気力顕微鏡と称される様に試料から生じる様々な力を検出して試料の状態を観察できるものである。

プローブ顕微鏡の構成として観察試料が小さい場合では、主に電圧を印可することで変形する圧電素子を組み込んだ三次元に動作する微動機構を試料側に配置するものが多用されている。

一方、ハードディスクや半導体関連のウェハ（基板）など大きい試料を小片にせずに観察するために、探針側に微動機構側を備えたプローブ顕微鏡も知られている。

プローブ顕微鏡の概略のシステム構成の一例として、図９を用いて説明する。

プローブ顕微鏡のシステム構成は、検出機能を備えたユニット部１と制御部２１およびデータ取り込みやユーザーインターフェース部２２からなる。検出機能を備えるユニット部１は、床振動の伝達を抑える除振台２上に備えられ、除振台２と共に周囲音響振動の伝達を抑える防音ボックス１６で覆われている。本従来形態は、大型試料測定用であり、試料搬送機構１７が除振台２上に備えられている。

ユニット部１の構成を示す正面図と上面図を図１０と図１１に示す。

ユニット部１は、除振台２上に弾性材３を介してベース４上に備えられている。ベース４上には、粗い試料移動ステージ６とアーム１０が備えられている。粗い試料移動ステージ６は、試料５を面内方向に位置合わせするＸＹステージであり、試料台９を介して試料５が固定される。また、アーム１０にはベース４平面に対して鉛直方向の微小位置決め機構である粗動機構１１であるＺ軸ステージと、粗動機構１１を介して、微小位置決め機構である微動機構１２が備えられている。ここでは、微動機構１２として、電圧印加により微小ひずみを生じるピエゾ圧電素子が用いられ、微動機構１２の先端に固定されたカンチレバー１３を３次元的に移動することができる。

また、試料位置を観察するための光学顕微鏡１１５が備えられ、電動リボルバにより対物レンズの切り替えができ、画像はＣＣＤカメラを介してモニタやディスプレイに表示される。

粗動機構１１によりカンチレバー１３の先端の探針を試料５の表面に粗く接近させ、微動機構１２でさらに試料５に接近させて、試料と探針間に働く物理力により、カンチレバー１３のたわみ変形が一定になるように微動機構１２を調整することにより試料５の表面形状や物性特性を計測する。ここで、たわみ変形は、半導体レーザー光をカンチレバー１３に照射し、その反射光を４分割された光検出器で検出し、カンチレバー１３の変位により光検出器に入射するする位置が変化することで検出する光てこ検出と呼ばれる方式が使用されている。また、微動機構１２を試料面内に対して走査しながら計測することで
試料面内の形状や物性を視覚的に画像化することもできる。

プローブ顕微鏡に用いられるカンチレバーの構成を図１２に示す。

片持ち梁状のカンチレバー１３の先端に高さは１〜２μmの微細な探針（プローブ）１４が形成されており、主に四角垂状をしている。材質はシリコンであり、異方性エッチング技術などを用いて加工される。

そして、カンチレバーベース部１５が試料面に接触しないように、微動機構１２の先端にカンチレバー１３は、探針（プローブ）１４側が試料に接近するように傾けて取り付けられる。

試料全体が大きな凸面や凹面である凸面鏡や凹面鏡、凸面レンズや凹面レンズなどの形状の一例を図１３に示す。例えば、凹面鏡として曲率半径４００ｍｍの試料で、高さが底部４０ｍｍ、外周部７０ｍｍなどのような凹凸の大きいものである。

このような凸面や凹面の形状の試料に場合における、試料表面に対する探針などの接触状態や干渉状態を示す図１４のように、試料面内の測定位置によってカンチレバーベース部１５やカンチレバー１３を保持している微動機構１２などが試料５との接触などの干渉により、試料表面および形状測定ができないことがある。

また、試料の凸面や凹面の曲率半径によって干渉が生じないとしても、図１４に示すように、探針表面と試料面内の測定位置（接触位置）によっては、探針と試料表面と接する角度が異なるために、試料表面に接する探針表面状態が異なることになる。このことは、シリコンなど材料からなる探針表面自体も表面粗さをもっているため、試料の表面粗さ、特にマイクロラフネスと称される数ｎｍレベル測定では、測定誤差になる可能性がある。

また、試料表面と探針間に働く原子間力によるカンチレバーのたわみ状態で試料表面状態を測定する原子間力顕微鏡の場合、曲面試料にたいしては、探針が試料から受ける原子間力の方向が、試料測定位置によっては異なるため、カンチレバーのたわみ状態が微妙に異なることになり、そのため、微小な試料表面粗さ測定に対して誤差を生じることになる。
G. Binnig, C.F. Quate and Ch. Gerber, Atomic Force Microscope, 撤hysical Review Letters・ American, Physical Society, 1986, Vol.56, No.9, p.931 R. Erlandsson, G. M. McClelland, C. M. Mate, and S. Chiang, Atomic force microscopy using optical interferometry, 笛ournal of Vacuum Science Technology・ Mar/Apr 1988, A6(2), pp. 266-270 S. Alexander, L. Hellemans, O. Marti, J. Schneir, V. Elings, and P. K. Hansma, Matt Longmire and John Gurley, An atomic-resolution atomic-force microscope implemented using an optical lever, 笛ournal of Applied Physics・ 1989, 65(1), pp. 164-167 特開２０００−１１１５６３号公報

本発明は、上記の問題点を解決し、大きな凹面および凸面形状をした測定試料でさえも、カンチレバー自体やカンチレバー保持部材との接触などの干渉がなく、また、試料表面に対して探針表面の接触位置が変わることなく、表面粗さ測定誤差が極力少なくなるようにして、適切な測定ができる表面情報計測装置を提供する。特に、高分解能な表面情報計測装置である原子間力顕微鏡や磁気力顕微鏡といったプロ−ブ顕微鏡の提供を目的とするものである。

上記問題点を解決するために、本発明に係る表面情報計測装置は、以下の手段を提供する。

探針を試料表面に接近または接触させて、試料表面の形状情報または試料の物理情報を計測する表面情報計測装置であって、前記試料を移動する手段と、前記探針を先端に有し、前記試料の上方に配されたプローブと、前記プローブを先端に固定すると共に、電圧を印加させたときに前記試料表面に垂直なＺ方向に伸縮して、前記プローブを試料表面に対して接近離間させるＺ微動機構を有し、相対的に試料表面と探針のなす角度の調整を行なう角度調整機構を設けたこととした。

本発明に係る表面情報計測装置によれば、試料全体として大きな凹面および凸面を有する試料においても、カンチレバーやカンチレバー保持部の試料表面との干渉がなく、しかも、探針表面位置による測定時の探針突起状態の違いからくる測定誤差、および探針表面が試料表面とから受ける原子間力方向の違いからくるカンチレバーたわみ状態の違いから生じる測定誤差を減少させることができるため、マイクロラフネス等の数ｎｍレベルの微小表面粗さに対して、誤差が少ない適切な測定が可能となる。また、その結果を用いて、大きい凹面、凸面鏡や凹面、凸面レンズ等の加工上の条件だしや仕上がり具合の評価が正確にできる様になるという効果が得られる

以下、本発明に係る表面情報計測装置の第一実施形態を、図１から図３を参照して説明する。

ユニット部１は除振台２上に弾性材３を介してベース４上に構成されている。除振台としてはパッシブ型やアクティブ型があるが、低周波に振動成分が存在する場合はアクティブ型が望ましい。また、ベース４上には、粗い試料移動ステージ６とアーム１０が備えられている。粗い試料移動ステージ６は、試料５を面内方向に位置合わせするＸＹステージであり、試料移動ステージ６上にはベース４の平面に対してＸＹ軸の２方向に傾斜が可能な試料傾斜ステージ７とベース４面内に対して回転する試料回転ステージ８が備え、試料台９を介して試料５が固定されている。

また、アーム１０にはベース４平面に対して鉛直方向の微小位置決め機構である粗動機構１１であるＺ軸ステージと、粗動機構１１を介して、微小位置決め機構である微動機構１２が備えられている。ここでは、微動機構１２として電圧印加により微小ひずみを生じるピエゾ圧電素子が用いられている。微動機構１２の先端には、カンチレバー１３が真空吸着で固定されている。

また、微動機構１２によりカンチレバー１３の先端の探針を試料５の表面に位置決めして、カンチレバー１３のたわみ変形を微動機構１２の構成した光てこ検出方式により検出して、試料表面形状を計測する。

尚、本実施形態において、試料位置を観察するための光学顕微鏡が備え、電動または手動で対物レンズの切り替えができ、画像はＣＣＤカメラを介してモニタやディスプレイに表示されるようにすることでもよい。

本発明の第一実施形態における凸面形状試料５ａまたは凹面形状試料５ｂ形状の表面計測する状態を図２（ａ）、（ｂ）に示す。試料移動ステージ６と試料傾斜ステージ７と試料回転ステージ８を用いて、試料を移動させることにより、凸面形状試料５ａまたは凹面形状試料５ｂの大きな凸面および凹面形状の試料表面の面内位置に関わらず、探針表面状態の違いやカンチレバーたわみに係わる、探針が受ける原子間力の方向が変わらないように調整ができ、試料表面形状を測定することが可能になる。

例えば、曲面形状での干渉状態の概要を示す図３のように、微動機構１２の先端に構成された、カンチレバー１３を保持するカンチレバーベース部１５やカンチレバー１３などが試料５表面に接触して干渉（Ｂ−Ｂの断面矢視）しないように、試料５を試料移動ステージ６であるＸＹステージで傾斜中心に移動（図３Ａ−Ａ）させ、傾斜ステージ７で試料を傾斜させ、試料回転ステージ８を用いることで、試料全面において測定したい試料位置で測定が可能となる。

次に、本発明に係る表面情報計測装置の第二実施形態を、図４から図５を参照して説明する。

なお、第二実施形態において、第一実施形態と同一の構成については同一の符号を付しその説明を省略する。
本発明の第二実施形態の構成を、図３から図６を用いて説明する。

第一実施形態と異なる点は、カンチレバー１３を走査する微動機構１２側に相対的に試料表面と探針のなす角度の調整を行なう角度調整機構として微動機構回転ステージ１８を設けたことである。

また、試料位置を観察するための光学顕微鏡１９が備えられている。光学顕微鏡１９は電動または手動のリボルバにより、対物レンズの切換できるようになっている。なお、光学顕微鏡１９の画像はＣＣＤカメラを介してモニタやディスプレイに表示してもよい。

第二実施形態における凸面形状試料５ａまたは凹面形状試料５ｂ形状の表面計測する場合の状態を図６（ａ）、（ｂ）に示す。

試料移動ステージ６を用いて、試料を測定する所定の位置に移動させ、微動機構回転ステージ１８により微動機構１２を試料表面に対して傾けることで、凸面形状試料５ａまたは凹面形状試料５ｂの大きな凸面および凹面形状の試料表面の面内位置に関わらず、探針表面状態の違いやカンチレバーたわみに係わる、探針が受ける原子間力の方向が変わらないように調整ができ、試料表面形状を測定することが可能になる。

例えば、曲面形状での干渉状態の概要を示す図３のように、微動機構１２の先端に構成された、カンチレバー１３を保持するカンチレバーベース部１５やカンチレバー１３など試料５表面に接触して干渉（Ｂ−Ｂの断面矢視）しないように、ＸＹ試料５を試料移動ステージ６であるＸＹステージで傾斜中心に移動（図３Ａ−Ａ）させ、傾斜ステージ７で試料を傾け、または微動機構回転ステージ１８で微動機構１２を傾けることにより試料全面において測定したい試料位置で測定が可能となる。

尚、本実施形態において、試料を移動させるための手段として試料移動ステージ６を用いているが、試料移動ステージ上にはベースの平面に対してＸＹ軸の２方向に傾斜が可能な試料傾斜ステージ、または回転する試料回転ステージの少なくとも１つを備えて、試料を移動することを併用してもよい。

次に、本発明に係る表面情報計測装置の第三実施形態を、図７を参照して説明する。

なお、第三実施形態において、第二実施形態と同一の構成については同一の符号を付しその説明を省略する。

第二実施形態と異なる点は、試料を回転させる試料回転ステージ８を設けたことである。これにより、アーム１０が第二実施形態より長くはなるが、試料５の全面を測定が可能となる。第二実施形態と同様に微動機構１２側を傾けることで、第一実施形態の構成よりも試料側にＺステージおよび傾斜ステージが構成されていない分、試料側のステージ部やアーム１０を高くすることがないため、ユニット部１全体として大きくすることなく、相対的探針と試料表面のなす角度の調整が行なえる利点がある。

また、試料側を傾斜させることは、傾斜角度によっては、微動機構や光学顕微鏡等を支持しているアーム部材等の回りの部材との干渉が生じるため、あまり傾斜角度を大きくできないのに対して、微動機構側を傾けることで回りの部材との干渉を少なくでき、しかも、微動機構の先端部を長くすることで、微動機構先端部以外の回りの部材との干渉を減らすことができるので、より大きな傾斜が可能になるという利点がある。

次に、本発明に係る表面情報計測装置の第４実施形態を、図８を参照して説明する。

なお、第四実施形態において、第一実施形態から第三実施形態と同一の構成については同一の符号を付しその説明を省略する。

第一実施形態から第三実施形態と異なる点は、微動機構の側面に光学顕微鏡１９とＣＣＤカメラ２０、光学顕微鏡位置調整ステージ２３を設ける構成としたことである。また、微動機構１２の先端に設けられたカンチレバー１３付近に鏡を取りつけ、鏡を介してカンチレバー１３および試料５表面を観察できるようにしたことである。

これらは板４５を介して微動機構１２と連結されている。この構成にすることで、第一実施形態や従来形態で説明した光学顕微鏡より簡単な構造で、試料表面やカンチレバーなどの光学像の観察がおこなえる効果がある。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

例えば、上記各実施形態において、表面情報計測装置の一例として、走査型プローブ顕微鏡を採用したが、これに限られず、試料表面の形状情報や、様々な物理情報（例えば、誘電率、磁化状態、透過率、粘弾性、摩擦係数等）を計測する装置であれば構わない。例えば、表面粗さ計、硬度計、電気化学顕微鏡等でも良い。

本発明の第一実施形態の概要を示した図である。 本発明の第一実施形態における凸面形状試料５ａまたは凹面形状試料５ｂ形状の表面計測する状態を示した図である。 曲面形状での干渉状態の概要を示した図である。 本発明の第二実施形態の概要を示した正面図である。 本発明の第二実施形態の概要を示した上面図である。 本発明の第二実施形態における凸面形状試料５ａまたは凹面形状試料５ｂ形状の表面計測する状態を示した図である。 本発明の第三実施形態の概要を示した図である。 本発明の第四実施形態の概要を示した図である。 プローブ顕微鏡（表面情報計測装置）の概略のシステム構成の一例を示した図である。 従来表面情報計測装置の概要を示した正面図である。 従来表面情報計測装置の概要を示した上面図である。 カンチレバーの形状の一例を示した図である。 大きな凹凸を有する試料の形状を示した図である。 大きな凸凹を有する形状の試料表面に対する探針などの接触状態や干渉状態を示した図である。

符号の説明

１ ユニット部
２ 除振台
３ 弾性材
４ ベース
５ 試料
５ａ 凸面試料
５ｂ 凹面試料
６ 試料移動ステージ
７ 試料傾斜ステージ
８ 試料回転ステージ
９ 試料台
１０ アーム
１１ 粗動機構
１２ 微動機構
１３ カンチレバー
１４ 探針（プロ−ブ）
１５ カンチレバーベース部
１６ 防音ボックス
１７ 試料搬送機構
１８ 微動機構回転ステージ
１９ 光学顕微鏡
２０ ＣＣＤカメラ
２１ 制御部
２２ データ取り込みやユーザーインターフェース部
２３ 光学顕微鏡位置調整ステージ

Claims (8)

1. プローブを試料表面に接近または接触させて、試料表面の形状情報または試料の物理情報を計測する表面情報計測装置であって、
   前記試料を移動させる試料移動ステージと、
   前記プローブを先端に固定すると共に、電圧を印加させたときに前記試料表面に垂直なＺ方向に伸縮して、前記プローブを前記試料表面に対して接近離間させる微動機構を有し、
   相対的に前記試料と前記プローブがなす角度を調整する角度調整機構を前記試料側または前記プローブ側の少なくとも１つを備えたことを特徴とする表面情報計測装置。
2. 請求項１記載の表面情報計測装置において、
   前記角度調整機構として、前記試料移動ステージ上に前記試料を傾斜する試料傾斜ステージを備えたことを特徴とする表面情報計測装置。
3. 請求項２記載の表面情報計測装置において、
   前記試料傾斜ステージが、ＸＹの二方向に傾斜することを特徴とする表面情報計測装置。
4. 請求項１記載の表面情報計測装置において、
   前記角度調整機構として、前記微動機構を試料表面に対して傾斜させるために該微動機構を１８０度以内で、回転させる微動機構回転機構であることを特徴とする表面情報計測装置。
5. 請求項４記載の表面情報計測装置において、
   前記試料移動ステージ上に前記試料を傾斜する試料傾斜ステージを備えたことを特徴とする表面情報計測装置
6. 請求項４記載の表面情報計測装置において、
   前記試料傾斜ステージがＸＹ軸の２方向の傾斜が可能なステージであることを特徴とする表面情報計測装置。
7. 請求項２または４記載の表面情報計測装置において、
   前記試料移動ステージが前記試料表面に対して面内方向に回転する試料回転機構を備えたことを特徴とする表面情報計測装置。
8. 請求項１乃至７の少なくとも１つに記載の表面情報計測装置において、
   前記試料の計測対象面形状が、凹面または凸面であることを特徴とする表面情報計測装置。

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