JP2007085764A - 走査型プローブ顕微鏡の探針制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 試料表面の凹凸形状等を予め決められた測定点についてステップイン方式で測定し、測定のスループプットを高め、探針の衝突による破損・ダメージを減少できる走査型プローブ顕微鏡の探針制御方法を提供する。
【解決手段】 この探針制御方法は、探針２０と試料１２の相対的な位置関係を変化させ、探針が試料の表面を走査しながら測定部で試料表面を測定する走査型プローブ顕微鏡に適用される。測定点に関する探針の走査移動では、ＸＹ微動機構２９またはＸＹステージ１４によって、探針を試料と非接触状態にて一定間隔で送る行程と、測定点で探針を前記試料に接近・接触させる行程と、探針を試料から退避させる行程を行う。さらに予定された次の測定点に探針を移動する行程で、次の測定点での測定位置をその前の少なくとも２つの測定点の測定値によって予測するステップと、予測により測定点の接近開始位置を決定するステップとを含む。
【選択図】 図４

Description

本発明は走査型プローブ顕微鏡の探針制御方法に関し、特に、走査型プローブ顕微鏡で探針を試料の測定領域に沿ってステップイン方式で走査移動させるとき、探針と試料の衝突を避けて探針のダメージを低減し、かつ探針送り速度をできるだけ高める探針制御方法に関する。

走査型プローブ顕微鏡は、従来、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ている。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（ＳＴＭ）、原子間力を利用する原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、磁気力を利用する磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）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、計測装置としての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、光検出器の受光面（例えば４分割受光面）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。

原子間力顕微鏡が発明された当時は、その高分解能性を利用してｎｍ（ナノメートル）以下のオーダの表面微細形状の測定が中心的課題であった。しかしながら、現在では、走査型プローブ顕微鏡は半導体デバイスのインライン製作装置の途中の段階で検査を行うインライン自動検査までその使用範囲が拡大してきている。このような状況になると、実際の検査工程では、基板またはウェハの上に作られた半導体デバイスの表面の微細凹凸形状において非常に急峻な凹凸の計測が必須になってきている。

従来、かかる凹凸面を計測する技術として下記の特許文献１に記載された走査型プローブ顕微鏡が存在する。この走査型プローブ顕微鏡による計測の方式（ステップイン方式）は、探針を試料に対して非接触状態で一定間隔（一定の送りピッチ）で送る行程と、探針を試料の表面に接近させる行程と、探針を試料の表面に接触させる行程と、接触位置を測定（計測）する行程と、探針を試料から退避させる行程とから構成されている。これらの行程を繰り返すことにより、試料の表面の必要な領域がラスタースキャン方式で計測される。
特開平２−５３４０号公報

従来の計測の方式では、探針を試料から退避させる行程において、試料の表面形状に対して探針が表面平行移動時に衝突しないように十分に大きな退避距離を設定した。そのため、比較的に形状変化が乏しい表面部位であっても、あるいは凹凸が激しい表面部位であっても、計測時の探針接近処理と退避処理に時間が要し、全体として走査移動のため送り速度を高めることができないという問題があった。他方、送り速度を高める目的で退避距離を小さくすると、試料表面における凹凸の激しい部位では試料表面からの退避が不十分になり、探針が試料の突部に衝突し、探針が破損する等の問題が発生した。

本発明の目的は、上記の課題に鑑み、試料表面の凹凸形状等を予め決められた測定点についてステップイン方式で測定する走査型プローブ顕微鏡で、測定のスループットを高め、探針の衝突による破損・ダメージを減少することができる走査型プローブ顕微鏡の探針制御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探針制御方法は、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探針制御方法（請求項１に対応）は、試料に対向する探針を有する探針部と、試料と探針の間に作用する物理量を検出する検出部と、探針が試料の表面を走査するとき検出部で検出される物理量に基づき試料の表面情報を測定する測定部と、少なくとも合計で３自由度を有する探針移動用移動機構と試料移動用移動機構を備え、探針移動用移動機構または試料移動用移動機構によって探針と試料の相対的な位置関係を変化させ、探針が試料の表面を走査しながら測定部によって試料の表面を測定する走査型プローブ顕微鏡に適用される。予め定められた測定点に関する探針の走査移動では、探針移動用移動機構または試料移動用移動機構によって、探針を試料と非接触状態にて一定間隔で送る行程と、測定点で探針を前記試料に接近・接触させる行程と、探針を試料から退避させる行程とから成る移動動作が行われる。すなわちステップイン方式の探針移動が実行される。この探針制御方法では、さらに予定された次の測定点に探針を移動する行程で、次の測定点での測定位置をその前の少なくとも２つの測定点の測定値によって予測するステップと、予測により測定点の接近開始位置を決定するステップとが含まれる。

上記の探針制御方法では、走査型プローブ顕微鏡によって試料表面上の測定対象領域で探針を走査移動させて当該領域をステップインモードで測定する時、探針移動用移動機構（微動機構）または試料移動用移動機構（粗動機構）で試料と探針の相対的位置を変化させるようにする。各測定点での接近開始位置は、その直前の２つの測定点での測定値を用いて次の測定点の測定位置を予測することにより、当該予測に基づいて調整・決定される。これにより、測定のスループットを向上でき、試料表面の突部に探針が衝突するのを防止できる。

第２の走査型プローブ顕微鏡の探針走査制御方法（請求項２に対応）は、試料に対向する探針を有する探針部と、試料と探針の間に作用する物理量を検出する検出部と、探針が試料の表面を走査するとき検出部で検出される物理量に基づき試料の表面情報を測定する測定部と、少なくとも２自由度を有する探針移動用移動機構と、少なくとも２自由度を有する試料移動用移動機構とを備え、探針移動用移動機構または試料移動用移動機構によって探針と試料の相対的な位置関係を変化させ、探針が試料の表面を走査しながら測定部によって試料の表面を測定する走査型プローブ顕微鏡に適用される。予め定められた測定点に関する探針の走査移動では、試料移動用移動機構によって、探針を試料と非接触状態にて一定間隔で送る行程と、測定点で探針を前記試料に接近・接触させる行程と、探針を試料から退避させる行程とから成る移動動作が行われる。すなわちステップイン方式の探針移動が実行される。この探針制御方法では、さらに、予定された或る測定点から次の測定点に探針を移動する行程で、或る測定点での測定の後、或る測定点の近傍の表面凹凸を測定する測定ステップと、或る測定点での測定値とその近傍の表面凹凸測定値によって次の測定点の測定位置を予測するステップと、予測により次の測定点の接近開始位置を決定するステップとが含まれる。

上記の探針制御方法では、走査型プローブ顕微鏡によって試料表面上の測定対象領域で探針を走査移動させて当該領域をステップインモードで測定する時、試料移動用移動機構（粗動機構）で試料と探針の相対的位置を変化させるようにする。各測定点での接近開始位置は、その前の１つの測定点での測定値とその近傍の表面凹凸情報を用いて次の測定点の測定位置を予測することにより、当該予測に基づいて調整・決定される。これにより、試料表面の突部に探針が衝突するのを防止できる。

本発明によれば次の効果を奏する。
（１）ステップイン方式の測定が実行される走査型プローブ顕微鏡において、予め設定された多数の測定点での接近開始位置を、その直前の２つの測定点の測定情報で次の測定点の測定位置を予測することにより当該予測に基づいて調整・決定するようにしたため、測定のスループットを向上でき、かつ探針が試料表面の突部に衝突するのを避け、探針がダメージを受けるのを防止することができる。
（２）粗動機構によるステップイン方式の測定が実行される走査型プローブ顕微鏡において、予め設定された多数の測定点での接近開始位置を、その直前の１つの測定点の測定値とその近傍の表面凹凸情報で次の測定点の測定位置を予測することにより当該予測に基づいて調整・決定するようにしたため、探針が試料表面の突部に衝突するのを避け、探針がダメージを受けるのを防止することができる。

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に基づいて、本発明が適用され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軸から成る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、試料移動用移動機構であり、試料側で変位（位置変化）を生じさせる粗動機構として構成されている。

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。

試料ステージ１１では、具体的に、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ＸＹステージ１４に設けられている。上記試料ステージ１１による移動距離については、ＸＹ方向には例えば数百ｍｍ、Ｚ方向には例えば数十ｍｍである。

図１で、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。

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・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における下記の支持フレーム２５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。特に、Ｚ軸方向には、数十μｍである。上記のＸＹ微動機構２９はさらに図示しないフレーム機構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、通常、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、コントローラ（第１制御装置）３３と上位制御装置（第２制御装置）３４を備える。コントローラ３３と上位制御装置３４はコンピュータシステムで構築される。

コントローラ３３内には、機能部として、比較部３１、制御部３２、第１駆動制御部４１、第２駆動制御部４２、画像処理部４３、データ処理部４４、ＸＹ走査制御部４５、Ｘ駆動制御部４６、Ｙ駆動制御部４７、Ｚ駆動制御部４８が設けられる。コントローラ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る。

上記制御部３２は、フィードバックループを形成し、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Ｚ軸方向フィードバック制御機能を有する部分である。

上記比較部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。制御部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（Ｚ座標値、高さデータ）を測定することができる。

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。コントローラ３３の上記の第１駆動制御部４１と第２駆動制御部４２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。

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コントローラ３３内に入力され、内部に設けられた上記画像処理部４３で処理される。

制御部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、制御部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、コントローラ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ステージ１４または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。

本実施形態では、探針２０の走査は、ＸＹ微動機構２９と粗動機構であるＸＹステージ１４のうちのいずれか一方、または両方を適宜に組み合わせ、これらの２つの機構を適宜に選択し利用することによりステップイン方式の走査・測定が行われる。

ここで、「ステップイン方式」とは、予め設定された複数の測定点（サンプリング点）の間を移動するときには、試料の表面から一定距離（退避距離）だけ離れた状態で移動し、測定点の箇所で探針を試料表面に接近させ、接触させて測定を行い、その後において再び一定距離だけ離れた位置に後退するという測定方式である。

また粗動機構である試料ステージ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とに基づいて制御される。

なおコントローラ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）を備えている。

上記コントローラ３３に対して上位制御装置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。計測条件の設定では、測定範囲、測定点の設定、測定スピードといった基本項目など、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。

上位制御装置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。また上位制御装置３４は、画像表示制御部５３と通信部等を備える。加えて上位制御装置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。

上位制御装置３４のＣＰＵ５１は、バス５５を介して、コントローラ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。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の側の移動は、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はコントローラ３３内のＸＹ走査制御部４５から与えられる。他方、試料１２の側の移動は、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、広域範囲の測定が可能となる。

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でステップイン方式にて走査しながら、各測定点で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、試料１２の表面の微細凹凸形状（プロファイル）をステップイン方式にて走査移動しながら、各測定点で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。本実施形態によるステップイン方式のＸＹ方向の走査移動では、好ましい一例として、粗動機構であるＸＹステージ１４が使用される。なおＸＹステージ１４の代わりにＸＹ微動機構２９を用いることも可能である。

図２に基づいて光てこ式光学的検出装置による変位検出の原理を詳述する。上記カンチレバー２１は、先端の探針２０に作用する原子間力等に基づいて例えばＨＡ１方向とＨＢ１方向のいずれか一方または両方に変位が生じる。その結果、カンチレバー２１に撓みや捩れ等の変形が生じる。カンチレバー変位検出部２４において、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の背面に照射され、当該背面で反射されて光検出器２７に入射される。図２で、２７ａは受光面を示すものとする。初期条件では、探針２０に力が加わっていない状態で反射レーザ光２８の光検出器２７の受光面２７ａでの入射スポット位置を記憶しておく。その後、カンチレバー２１の変形による光検出器２７の受光面２７ａでの当該スポット位置の移動方向を捉えることによって探針２０に加わった力の大きさと方向を精度よく検出することができる。例えば図２で、探針２０にＨＡ１方向の力が加わったときには、光検出器２７の受光面２７ａでＨＡ２方向のスポット位置の変化を捉えることができる。また探針２０にＨＢ１方向の力が加わったときには、同受光面２７ａでＨＢ２方向のスポット位置の変化を捉えることができる。ＨＡ１方向の力を捩れ方向力といい、ＨＢ１方向の力を撓み方向力という。

次に、図３〜図５に基づいて探針の走査動作と各測定点（サンプリング点）での探針による測定動作（サンプリング動作）の第１実施例を説明する。

試料１２における表面の測定領域における多数の測定点の位置（Ｘ座標値とＹ座標値）は、測定者によって予め決定されている。図１に示された走査型プローブ顕微鏡（原子間力顕微鏡）の測定方式はステップイン方式である。

ステップイン方式の測定では、ＸＹステージ１４またはＸＹ微動機構２９により探針２０を試料１２に対して非接触状態で一定間隔（一定の送りピッチ）で次の測定点の接近開始位置に送る行程と、探針２０を接近開始位置から試料１２の表面に接近させる行程と、探針を試料１２の表面に接触させる行程と、接触位置を測定する行程と、探針２０を試料１２から次の測定点における接近開始位置に対応する高さ位置にまで退避させる行程を有する。

この第１実施例による探針の測定動作に係る制御では、測定点の高さ方向の位置（Ｚ）を、その直前の２つの測定点のＺ座標値に基づいて予測し、当該測定点の接近開始位置を決めることに特徴がある。これにより、探針２０の測定移動のスループットを高めると共に、探針２０が試料１２の表面における突部１２ａの壁面等に衝突するのを防止することができる。

図３は、試料１２の表面の測定領域における１つの突部１２ａを示し、さらに当該測定領域にでの測定点の軌跡を示している。図３中、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３次元座標系１３が示される。Ｘ軸方向に引かれた線６１は探針２０のＸ軸方向の１つの走査移動線を試料１２の表面に投影した線を示しており、線６１上の少なくとも１０個の黒点は予め設定された測定点の一例を示している。１０個の黒点に関しては、予測によって接近開始位置を決めるという考え方を理解しやすくするため、符号を分け、黒点Ａ０，Ｂ０，Ｃ０，Ｄ０，Ｅ０と黒点Ａ０‐１，Ｂ０‐１，Ｃ０‐１，Ｄ０‐１，Ｅ０‐１として示されている。探針２０は、試料１２の表面から所定距離離れた位置で線６１に従って移動し、測定点Ａ０，Ａ０‐１，Ｂ０，Ｂ０‐１，Ｃ０，…，Ｅ０，Ｅ０‐１の順序で走査移動し、各測定点にて試料表面に接近し、試料表面の高さの測定を行う。粗動機構を利用したステップイン方式の場合、測定点の間の距離は例えば１ｍｍであり、移動速度は例えば１ｍｍ／秒である。この場合において、測定点Ｂ０の接近開始位置は、その直前の２つの測定点Ａ０，Ａ０‐１のＺ座標値によって決められる。また測定点Ｂ０‐１の接近開始位置はその直前の２つの測定点Ａ０‐１，Ｂ０のＺ座標値によって決められる。以下、同様に各測定点の接近開始位置は、その直前の２つの測定点の測定で得られたＺ座標値を利用した予測によって決められる。線６１上のすべての測定点における接近開始位置は、原則的に直前の２つの測定点のＺ座標値に基づく予測によって決められる。

同様に、線６１−２は、線６１の次に隣接する走査移動線を表す線である。この線６１−２の上には同様に少なくとも１０個の測定点Ａ１，Ａ１‐１，Ｂ１，Ｂ１‐１，Ｃ１，…，Ｅ１，Ｅ１‐１が設定されている。線６１−２の上の少なくとも１０個の測定点の接近開始位置についても、前述と同様に直前の２つの測定点のＺ座標値に基づく予測によって決められる。

図４は、図３で示した突部１２ａの登り側の斜め壁面を示す部分断面図を示す。図４では、試料１２の表面における突部１２ａの壁面において３つの測定点Ｄ０，Ｄ０‐１，Ｅ０が示されている。探針２０は、測定点以外では、試料表面からの所定の退避距離で離れており、その後、水平方向に移動する。退避距離の設定の仕方により、測定点Ｄ０から測定点Ｄ０‐１への水平移動のときには探針２０が突部１２ａの衝突することはないが、突部１２ａの斜面における測定点Ｄ０‐１から測定点Ｅ０への水平移動では、探針２０は試料表面の突部６２に衝突し、探針２０を破損し、探針２０はダメージを受けるおそれがある。

本実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡での探針２０の測定時でのステップイン方式の走査移動では、前述のごとく、任意の測定点での接近開始位置は、直前の２つの測定点での測定で得られたＺ座標値（高さ位置のデータ）に基づき予測して決定される。そこで、特に急峻な壁面を有する突部１２ａが形成された試料１２の表面部分を示した図４を利用して、代表的に測定点Ｄ０，Ｄ０‐１，Ｅ０での予測による接近開始位置の決め方を説明する。

図４で、位置７１は測定点Ｄ０における接近開始位置でありかつ探針退避位置でもある。位置７１から探針２０は測定点Ｄ０に接近して測定を行ってＺ座標値を得て、次に再び位置７１に退避する。次に、探針２０は測定点Ｄ０‐１の接近開始位置７２に移動する。この場合、接近開始位置７２の高さ位置は、直前の２つの測定点（Ｄ０，Ｃ０‐１）のＺ座標値に基づき決定され、同じ高さ位置になる。この場合には、同じ高さ位置であっても、探針２０が突部１２ａの壁面に衝突することはない。

次に、接近開始位置７２から探針２０は測定点Ｄ０‐１に接近し、測定点Ｄ０‐１のＺ座標値を測定する。次に、探針２０は再び接近開始位置７２に退避する。次に、探針２０を測定点Ｅ０を測定するため、測定点Ｅ０の接近開始位置に移動する。このときには、測定点Ｄ０のＺ座標値と測定点Ｄ０‐１のＺ座標値によってベクトル８１を計算することができる。そこで、位置７２から測定点Ｅ０の接近開始位置に移動するためには、ベクトル８１を利用すると、位置７２を基準位置としてベクトル８１と同じベクトル８２を想定し、測定点Ｅ０のための接近開始位置７４を決定する。接近開始位置７４が決定されると、ベクトル８２をＺ軸ベクトル成分８２ＺとＸ軸ベクトル成分８２Ｘに分解する。それにより、探針２０は、Ｚ軸ベクトル成分８２Ｚによって位置７３まで移動し、さらにＸ軸ベクトル成分８２Ｘによって測定点Ｅ０の接近開始位置７４に移動する。探針２０が測定点Ｅ０の接近開始位置７４に移動すると、その後の測定点Ｅ０を測定するための接近動作が開始される。

以上によって、探針２０のステップイン方式の走査移動において、各測定点の接近開始位置を直前の２つの測定点の測定で得たＺ座標値を利用して予測に基づき決定するため、探針２０が試料１２の表面の突部１２ａ等の壁面に衝突するのを防止することができる。

以上の探針２０についてのステップイン方式の走査移動での各測定点における接近開始位置の決定の仕方をフローチャートで示すと、図５に示すごとくなる。すなわち、第１実施例に係る探針２０の走査移動での位置制御方法は、第１ステップＳ１１：次の測定点での接近開始位置を前述した予測処理に基づき決定（ベクトルの決定）、第２ステップＳ１２：測定点への接近開始位置への移動（Ｚ軸方向、Ｘ軸方向）、第３ステップＳ１３：接近開始位置から測定点への接近・接触動作、第４ステップＳ１４：測定点でのＺ座標値の測定、第５ステップＳ１５：測定点から接近開始位置への退避動作、第６ステップＳ１６：次の測定点の位置データ（Ｘ座標値とＹ座標値）の取得、を実行し、再び上記の第１ステップＳ１１に戻る。以上のステップＳ１１〜Ｓ１６を繰り返して、ステップイン方式の走査移動を行い、前述の各測定点での測定を継続する。

以上によって、第１実施例による探針の測定動作に係る位置制御では、測定点の高さ方向の位置（Ｚ）を、その直前の２つの測定点での測定で得たＺ座標値に基づいて予測し、当該測定点の接近開始位置を決めることより、測定のスループットを保持し、さらに探針２０が試料１２の表面における突部１２ａの壁面等に衝突するのを確実に防止することができる。

上記の第１実施例では、測定点の接近開始位置を決定するにあたりその前の２つの測定点の測定データを用いたが、これに限定されず、測定のスループットを高く保持できる限り任意の数の測定点を利用することができる。

次に、図６と図７を参照して、探針２０の走査動作と各測定点での探針による測定動作の第２実施例を説明する。図６では、測定点として、黒点Ａ０，Ｂ０，Ｃ０，Ｄ０，Ｅ０，Ａ１，Ｂ１，Ｃ１，Ｄ１，Ｅ１等が示されている。また各測定点Ａ０，Ｂ０，Ｃ０，Ｄ０，Ｅ０において、さらに白丸点Ａ０‐１，Ａ０‐２，Ｂ０‐１，Ｂ０‐２，Ｃ０‐１，Ｃ０‐２，Ｄ０‐１，Ｄ０‐２，Ｅ０‐１，Ｅ０‐２等が示されている。これらの黒点と白丸点の関係については、黒点Ａ１，Ｂ１，Ｃ１，Ｄ１，Ｅ１についても同様に設定されるが、図示は省略されている。

上記の黒点Ａ０，Ｂ０，Ｃ０，Ｄ０，Ｅ０，Ａ１，Ｂ１，Ｃ１，Ｄ１，Ｅ１等は、予め決定された測定点を意味しており、これらの測定点に対しては粗動機構を利用した通常のステップイン方式が適用されて測定が実行される。また白丸点Ａ０‐１，Ａ０‐２，Ｂ０‐１，Ｂ０‐２，Ｃ０‐１，Ｃ０‐２，Ｄ０‐１，Ｄ０‐２，Ｅ０‐１，Ｅ０‐２等は、各測定点Ａ０，Ｂ０，Ｃ０，Ｄ０，Ｅ０，Ａ１，Ｂ１，Ｃ１，Ｄ１，Ｅ１の各々で測定が終了した後、当該測定点の近傍での表面凹凸情報を得るために微動機構を利用してそのストローク内での凹凸を測定するための測定点である。これらの表面凹凸情報を得ることによりステップイン方式による次の測定点における接近開始位置を予測する情報を得ることが可能になる。白丸点Ａ０‐１，Ｂ０‐１，Ｃ０‐１，Ｄ０‐１，Ｅ０‐１等での測定で得た高さデータを利用して、Ｘ軸方向における次のステップイン方式の測定点での接近開始位置を予測する。また、白丸点Ａ０‐２，Ｂ０‐２，Ｃ０‐２，Ｄ０‐２，Ｅ０‐２等での測定で得た高さデータを利用して、線９１に隣接する線９２でのステップイン方式の測定点Ａ１，Ｂ１，Ｃ１，Ｄ１，Ｅ１での接近開始位置を予測するときに利用する。白丸点での測定については、微動機構を利用してのステップイン式計測でも、あるいはコンタクト式計測によるものでもよい。

以上のごとく、第２実施例による探針２０の移動制御方法は、前述したステップイン方式と、各測定点での近傍表面の凹凸情報取得方式との組合せにより構成され、各測定点でのステップイン方式による接近動作で衝突の生じない最適な接近開始位置を決定することができる。また、ステップイン方式と測定点近傍表面での凹凸表面情報取得方式とを組み合わせたため、測定のスループットも高く保持することができる。

第２実施例に基づく探針２０の走査移動での各測定点における接近開始位置の決定の仕方をフローチャートで示すと、図７に示すごとくなる。すなわち、第２実施例に係る探針２０の位置の制御方法は、第１ステップＳ２１：次の測定点での接近開始位置の予測に基づく決定、第２ステップＳ２２：測定点への接近開始位置への移動（Ｚ軸方向、Ｘ軸方向）、第３ステップＳ２３：接近開始位置から測定点への接近・接触動作、第４ステップＳ２４：測定点でのＺ座標値の測定、第５ステップＳ２５：微動機構を利用して測定点の近傍での少なくとも２点の測定、第６ステップＳ２６：測定点から接近開始位置への退避動作、第７ステップＳ２７：次の測定点の位置データ（Ｘ座標値とＹ座標値）の取得、をそれぞれ実行し、再び上記の第１ステップＳ２１に戻る。以上のステップＳ２１〜Ｓ２７を繰り返して、前述の各測定点での測定を継続する。

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、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ステップイン方式の測定で各測定点での接近開始位置を直前の測定点での測定情報を利用して予測し、衝突によるダメージの発生を防止するのに利用される。

本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の測定部と制御部の全体的な装置構成を示す構成図である。 走査型プローブ顕微鏡におけるカンチレバーおよび探針と光てこ式光学検出装置の関係を示す説明図である。 本発明に係る走査型プローブ顕微鏡でのステップイン方式による探針の走査・測定動作の第１実施例を説明するための図である。 第１実施例による探針の走査・測定動作での突部での接近開始位置の決め方を説明する断面図である。 第１実施例による探針の走査・測定動作の工程を示すフローチャートである。 本発明に係る走査型プローブ顕微鏡でのステップイン方式による探針の走査・測定動作の第２実施例を説明するための図である。 第２実施例による探針の走査・測定動作の工程を示すフローチャートである。

符号の説明

１１ 試料ステージ
１２ 試料
１４ ＸＹステージ
１５ Ｚステージ
１６ 試料ホルダ
２０ 探針
２１ カンチレバー
２３ Ｚ微動機構
２９ ＸＹ微動機構
３３ コントローラ
３４ 上位制御装置

Claims (2)

1. 試料に対向する探針を有する探針部と、前記試料と前記探針の間に作用する物理量を検出する検出部と、前記探針が前記試料の表面を走査するとき前記検出部で検出される前記物理量に基づき前記試料の表面情報を測定する測定部と、少なくとも合計で３自由度を有する探針移動用移動機構と試料移動用移動機構を備え、前記探針移動用移動機構または前記試料移動用移動機構によって前記探針と前記試料の相対的な位置関係を変化させ、前記探針が前記試料の表面を走査しながら前記測定部によっ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、
   前記探針移動用移動機構または前記試料移動用移動機構によって、前記探針を前記試料と非接触状態にて一定間隔で送る行程と、測定点で前記探針を前記試料に接近・接触させる行程と、前記探針を前記試料から退避させる行程とから成る移動動作を行い、
   予定された次の測定点に前記探針を移動する行程で、
   前記次の測定点での測定位置をその前の少なくとも２つの測定点の測定値によって予測するステップと、
   前記予測により前記測定点の接近開始位置を決定するステップとを含む、
   ことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の探針制御方法。
2. 試料に対向する探針を有する探針部と、前記試料と前記探針の間に作用する物理量を検出する検出部と、前記探針が前記試料の表面を走査するとき前記検出部で検出される前記物理量に基づき前記試料の表面情報を測定する測定部と、少なくとも２自由度を有する探針移動用移動機構と、少なくとも２自由度を有する試料移動用移動機構とを備え、前記探針移動用移動機構または前記試料移動用移動機構によって前記探針と前記試料の相対的な位置関係を変化させ、前記探針が前記試料の表面を走査しながら前記測定部によっ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、
   前記試料移動用移動機構によって、前記探針を前記試料と非接触状態にて一定間隔で送る行程と、測定点で前記探針を前記試料に接近・接触させる行程と、前記探針を前記試料から退避させる行程とから成る移動動作を行い、
   予定された或る測定点から次の測定点に前記探針を移動する行程で、
   前記或る測定点での測定の後、前記或る測定点の近傍の表面凹凸を測定する測定ステップと、
   前記或る測定点での測定値とその近傍の表面凹凸測定値によって前記次の測定点の測定位置を予測するステップと、
   前記予測により前記次の測定点の接近開始位置を決定するステップとを含む、
   ことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の探針制御方法。
   

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