JP2007248417A - 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する走査型プローブ顕微鏡で、全体の測定精度の信頼性を高め、探針先端部の移動制御を簡単に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】この走査型プローブ顕微鏡の探針制御方法は、試料１２に対向する探針２０を有する探針部と、試料探針間に作用する物理量を検出する検出部と、当該物理量に基づき試料の表面情報を測定する測定部と、移動機構を備える走査型プローブ顕微鏡に適用され、探針を試料の表面の形状に沿って移動させるとき、既に実行された測定動作で得た少なくとも２つの測定点での測定値Ｄ_ｎ−１，Ｄ_ｎに基づいて、測定動作が予定される次の測定点での探針２０の接近方向α<ｄ_ｎ−１>を決める方法である。
【選択図】図３

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表面に沿ってステップイン方式で走査移動させる際に凹凸を有する試料表面の測定に好適な走査型プローブ顕微鏡の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。

また急峻な凹凸形状を計測する従来技術として特許文献２を挙げることができる。特許文献２に開示される検査方法では、原子間力顕微鏡の探針の先端部に対して、先端部の縦軸にほぼ平行な方向、および当該縦軸にほぼ垂直な方向のそれぞれにディザ運動を加える。そして、ディザ運動を加えられた探針の先端部の動きを観察することにより、試料表面と先端部の間の距離、および試料表面の局所勾配を測定する。さらに、求めた局所勾配のデータを使って探針の先端部の位置を制御し、当該先端部に試料表面をたどらせる。
特開平２−５３４０号公報 特開平６−８２２４８号公報

急峻な凹凸形状を計測する従来の計測方式によれば、カンチレバーの先端に設けた探針の先端部にディザ運動を加えることが必須である。このため、試料表面の縁部、凹凸形状部分の角部等で勾配が急速に切り替わる点での勾配の推定精度が下がり、全体としての計測精度に対する信頼性を下げる結果となっていた。

さらに、局所勾配のデータに基づいて探針の先端部をたどらせる方式となっているため、送り制御の精度も３次元の方向のすべてに対して必要になり、探針の先端部の移動制御を複雑なものにしていた。

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、全体の測定精度の信頼性を高め、試料表面の凹凸形状に対しても探針先端部の移動制御を簡単に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２自由度を有する移動機構を備え、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ステップイン式で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、探針を試料の表面の形状に沿って移動させるとき、既に実行された測定動作で得た少なくとも２つの測定点での測定値に基づいて、測定動作が予定される次の測定点での探針の接近方向を決めることで特徴づけられる。

上記の探針制御方法では、原子間力顕微鏡等の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方式で測定する時、移動機構、すなわち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）によって試料と探針の相対的位置を変化させるようにする。各測定点は試料表面の凹凸形状に応じて決まり、特に、測定動作が予定される次の測定点での接近方向が、既に測定が終了したその前の少なくとも２点の測定値のデータを利用して決定されるようにしている。すなわち、各測定点での探針の接近開始位置は、その前の少なくとも２つの測定点での測定値を用いて接近ベクトルを算出することにより、求められる。これにより、試料表面の凹凸形状等で変化に富んでいても、全体の測定精度の信頼性を高め、試料表面の凹凸形状等に対しても探針先端部の移動制御を簡単に行うことが可能となる。

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、前記の方法において、好ましくは、ステップイン方式にて測定動作が予定される次の測定点に対して、探針を、その接近開始位置に移動させる行程で、次の測定点での接近ベクトルを、その前の少なくとも２つの測定点の測定値によって演算する第１演算ステップと、第１演算ステップで算出された接近ベクトルを用いて次の測定点の接近開始位置を演算する第２演算ステップとを含むことを特徴とする。

第３の走査型プローブ顕微鏡の探針走査制御方法（請求項３に対応）は、前記の方法において、好ましくは、少なくとも２つの測定点での測定値と探針を試料の表面に接近させるときの移動方向に係るベクトルとから、試料の表面の垂線方向に係るベクトルを算出するステップと、この垂線方向に係るベクトルと既に実行された最新の接近方向ベクトルとの差が一定以上の値をとるときに探針の接近方向を変更するステップを含むことを特徴とする。

第４の走査型プローブ顕微鏡の探針走査制御方法（請求項４に対応）は、前記の方法において、好ましくは、接近方向を変更する必要が生じたとき、その場で変更した接近方向を用いて退避するステップと、退避位置から接近方向を用いて再度接近し測定するステップを含むことを特徴とする。

第５の走査型プローブ顕微鏡の探針走査制御方法（請求項５に対応）は、前記の方法において、好ましくは、変更する接近方向としては、探針と試料の相対的な距離を変える移動機構の自由度のうち垂線方向に近い軸を選択することを特徴とする。

本発明によれば次の効果を奏する。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の探針制御で、測定点の接近方向を少なくとも２つの測定値データを用いて決めるようにしたため、全体の測定精度の信頼性を高め、試料表面の凹凸形状に対しても探針先端部の移動制御を簡単にすることができる。また探針に加わる力を一定量に抑えることができるため、試料の形状等の計測の精度を高めることができ、また探針の先端位置の推測精度が向上し、試料の形状計測の精度を上げることができる。さらに、探針に予想しない方向の力が加わる頻度が下がるため、探針の寿命が延び、ランニングコストが下がるという効果も生じる。

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、本発明に係る探針制御方法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。しかし、本発明が適用される走査型プローブ顕微鏡は原子間力顕微鏡に限定されない。

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、上記構成を有する走査型プローブ顕微鏡において、図３と図４を参照して試料表面の凸面部での探針の位置の制御方法を具体的に説明する。図３は、試料１２の表面の凸部斜面に沿ってステップイン方式で探針２０が昇って行く時の探針制御方法を示し、図４は、当該探針制御方法を実施するための制御のフローチャートを示す。

図３において、探針１２は、カンチレバー２１の先端側から見た図を示している。探針２０およびカンチレバー２１に関係する周辺の構造部分の図示は省略する。また探針２０は計測に必要な十分な長さを有する。図３において、探針２０は、試料１２の表面をステップイン方式にて走査しながら図３中左側から右側へ移動しているものとする。図３における、試料１２の表面における水平部１２ａは試料表面の平坦な領域であり、傾斜部１２ｂは凸部が形成される下部分が途中まで示されている。傾斜部１２ｂの傾斜面はほぼ９０°に近いものである。ステップイン方式で走査移動する探針２０は、水平部１２ａでの走査では、試料表面に対する高さ位置を変えることなく、一定の高さ位置で測定点ごとにステップイン式の一連の動作を行う。この一連の動作は、一定の送りピッチで送る行程、探針を試料の表面に接近させる行程、探針を試料の表面に接触させる行程、接触位置を測定する行程、および探針を試料から退避させる行程である。

試料１２の表面において、水平部１２ａから傾斜部１２ｂに移行する過渡的な場所では、探針２０の走査の領域が傾斜部１２の傾斜面であるということが判明した段階で、探針２０の接近方向が変更される。すなわち、試料１２の表面の水平部１２ａでは、探針２０の先端部は水平部１２ａに接近するように図３中上下方向（Ｚ軸方向）で移動させるが、傾斜部１２ｂに対しては、その前の既に測定動作が終了した少なくとも２つの測定点の測定値に基づいて傾斜面であることが判明した段階で、傾斜部１２ｂの傾斜面に直交するように当該傾斜面に向って接近させる。その後は、測定しようとする試料表面に変化が生じない限りにおいて、探針２０は傾斜部１２ｂの傾斜面に沿って移動しながら同じ条件で接近・退避を行う。

図３に即して説明する。図３では、試料１２の表面における水平部１２ａと傾斜部１２ｂで一例として仮に３つの測定点Ｍ_ｎ−１，Ｍ_ｎ，Ｍ_ｎ＋１が示され、各測定点に対してＤ_ｎ−１，Ｄ_ｎ，Ｄ_ｎ＋１が示されている。Ｄ_ｎ−１，Ｄ_ｎ，Ｄ_ｎ＋１のそれぞれは位置計測値（データ）である。またここで、ｎ−１，ｎ，ｎ＋１はデータの取得順番を示す添え字である。

上記の３つの測定点は、試料表面が平坦であるとき、当該試料表面を平面図として見たときの測定位置として予め設定されている。すなわち、各測定点のＸ座標値とＹ座標値は、原則的に、基準点に基づき定められている。ただし本実施形態による探針制御方法によれば、試料表面において凹凸形状に基づく傾斜面があるときには、試料表面上の移動距離を一定に保持しつつ探針２０は傾斜面に沿って移動させることになる。

また図３では、探針２０の先端部の位置を点Ｐ_ｎ−１，Ｐ_ｎ，Ｐ_ｎ＋１ として明示している。探針２０の先端部の位置Ｐ_ｎ−１，Ｐ_ｎ，Ｐ_ｎ＋１ は、試料１２の表面の凹凸形状に応じて任意に決められる。本実施形態に係る走査型プローブ顕微での走査移動はステップイン方式であるため、探針２０の先端部は、原則的に、試料表面に平行に移動する走査移動時に試料表面から所要の距離だけ離れている。探針２０は、測定の際には試料１２の測定領域の表面の形状に沿って移動するように制御される。従って、図３に示された試料１２の表面に関して、探針２０の先端部の位置Ｐ_ｎ−１，Ｐ_ｎ，Ｐ_ｎ＋１ は試料表面の平坦形状および凸斜面形状に沿って決められる。このように、ステップイン式の走査移動で、試料１２の表面の形状に沿って探針２０の先端部の位置（Ｐ_ｎ−１，Ｐ_ｎ，Ｐ_ｎ＋１等）を決定していく仕方に、本発明に係る探針制御方法の特徴がある。すなわち、既に得られた位置計測値に基づいて次に計測を行う試料表面（平坦面または傾斜面等）の点を決め、かつこの決められた試料表面の点に向って探針２０の先端部を接近させるように探針２０を位置制御する。以下に、探針制御方法の代表的な例を説明する。ここでは、最初の（ｎ−１）番目とｎ番目の２つの測定点での位置計測が行われた後、次のｎ＋１番目の測定点へのステップイン動作を決定する探針制御方法を説明する。

最初に、既に得られている、試料１２の表面の形状を示す位置計測値のデータＤ_ｎ−１，Ｄ_ｎを入力する（ステップＳ１１）。

次にｎ＋１番目の測定点で探針２０が試料表面に接近する接近ベクトル（α<ｄ_ｎ−１>）を演算する（ステップＳ１２）。
すなわち、まずデータＤ_ｎ−１とＤ_ｎに基づいてＤ_ｎ−１を始点としかつＤ_ｎを終点とするベクトル<Ｄ_ｎ−１>（ここで「<Ｋ>」の表記はベクトル量Ｋを表すものとする）を算出する。次に、ベクトル<Ｄ_ｎ−１>に対する垂直ベクトルであって、ベクトル<Ｄ_ｎ−１>とその１つ前の接近ベクトル６１が作る平面内に含まれる単位ベクトル<ｄ_ｎ−１>を演算する。そして、これをα倍したものを接近ベクトルα<ｄ_ｎ−１>とする。なお単位ベクトル<ｄ_ｎ−１>については、計測時のフィード方向ベクトル（走査の送り方向ベクトル）とベクトル<Ｄ_ｎ−１>の両方に垂直な方向にベクトル<ｄ_ｎ−１>をとってもよい。

次に、ｎ＋１番目の測定点における探針接近開始位置Ｐ_ｎ＋１、すなわち探針２０の先端部の位置Ｐ_ｎ＋１を演算する（ステップＳ１３）。
探針接近開始位置Ｐ_ｎ＋１は、既に求められた計測位置Ｄｎ、ベクトル<Ｄ_ｎ−１>、接近ベクトルα<ｄ_ｎ−１>を用いて、Ｐ_ｎ＋１＝Ｄ_ｎ＋<Ｄ_ｎ−１>＋α<ｄ_ｎ−１>の式に基づいて算出する。

次に、ｎ＋１番目のステップイン処理による測定動作を行う（ステップＳ１４）。このステップＳ１４では、探針２０を位置Ｐ_ｎから次の探針接近開始位置Ｐ_ｎ＋１に移動させると共に、さらに探針２０の接近方向を変更する。探針接近開始位置Ｐ_ｎ＋１から探針２０を接近ベクトルα<ｄ_ｎ−１>に基づいてステップイン処理を行い、次の計測値Ｄ_ｎ＋１を取得する。

次に、判断ステップＳ１５で、測定を終了するか否かを判断し、ＮＯのときにはステップＳ１１に戻り、ＹＥＳのときには測定動作を終了する。こうして、試料１２の表面における予定測定点の測定を実行する。

上記のステップＳ１４でのステップイン処理による測定動作では、探針２０と試料１２の間で相対的な並行移動または接近・退避移動を行わせる。探針２０と試料１２の間の相対的な移動動作は、微動機構と粗動機構をいずれを用いても行うことができる。

上記の探針制御方法では、ステップＳ１２で、既に測定した少なくとも２つの測定点の測定値と探針２０を試料１２の表面に接近させるときの移動方向に係るベクトルとから、試料表面の垂線方向に係るベクトルを演算して接近ベクトルとしたが、頻繁に接近方向を変えるのではなく、演算された垂線方向に係るベクトルと１つ前に実行された接近方向ベクトルとの差が無視できない一定量以上の値をとるときに、探針２０の接近方向を変更するのが好ましい（ステップＳ１２）。必要に応じて探針２０の接近方向が変更されたときには、変更された接近方向を用いて退避する動作、次の測定点での再度の接近動作が行われる。

なお、変更する接近方向としては、上記のように演算した試料表面の垂線方向とするのが良いが、装置によってはこの方向への接近が不都合な場合もあるので、そのような場合は、探針２０と試料１２の相対的な距離を変える移動機構の自由度のうち演算した試料表面の垂線方向に近い軸を選択することが好ましい。

また上記の探針制御方法の実施形態でのステップＳ１３において、位置Ｐ_ｎ＋１を演算する代わりに位置Ｐ_ｎ をＰ_ｎ＝Ｄ_ｎ＋α<ｄ_ｎ−１>として計算し、これによりそのＤ_ｎの位置で計測精度を上げるためのやり直しを行うこともできる。

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方向および接近開始位置をその前の少なくとも２つの測定点での測定値情報を利用して算出し、探針の位置制御の簡素化するのに利用される。

本発明に係る探針制御方法が適用され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。 本発明の実施形態に係る探針制御方法でのステップイン方式による探針の走査・測定動作の例を説明するための図である。 本実施形態に係る探針制御方法の処理プロセス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 (5)

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２自由度を有する移動機構を備え、前記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ステップイン式で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適用される探針制御方法であり、
   前記探針を前記試料の表面の形状に沿って移動させるとき、既に実行された測定動作で得た少なくとも２つの測定点での測定値に基づいて、測定動作が予定される次の測定点での前記探針の接近方向を決める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. 測定動作が予定される前記次の測定点に対して、前記探針を、その接近開始位置に移動させる行程で、
   前記次の測定点での接近ベクトルを、その前の前記少なくとも２つの測定点の前記測定値によって演算する第１演算ステップと、
   前記第１演算ステップで算出された前記接近ベクトルを用いて前記次の測定点の前記接近開始位置を演算する第２演算ステップとを含む、
   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の探針制御方法。
3. 前記少なくとも２つの測定点での測定値と前記探針を前記試料の表面に接近させるときの移動方向に係るベクトルとから、前記試料の表面の垂線方向に係るベクトルを算出するステップと、
   この垂線方向に係るベクトルと既に実行された最新の接近方向ベクトルとの差が一定以上の値をとるときに前記探針の前記接近方向を変更するステップを含む、
   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の探針制御方法。
4. 前記接近方向を変更する必要が生じたとき、その場で変更した接近方向を用いて退避するステップと、退避位置から前記接近方向を用いて再度接近し測定するステップを含むことを特徴とする請求項３記載の走査型プローブ顕微鏡の探針制御方法。
5. 変更する前記接近方向としては、前記探針と前記試料の相対的な距離を変える前記移動機構の自由度のうち前記垂直線方向に近い軸を選択することを特徴とする請求項３記載の走査型プローブ顕微鏡の探針制御方法。
   

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