JP2008256469A - 走査型プローブ顕微鏡およびその測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】凹凸形状測定時に探針接近位置と接近動作終了時のＺ軸微動素子のストロークを適切に調整し、ストロークを有効に利用して測定できる走査型プローブ顕微鏡およびその測定方法を提供する。
【解決手段】走査型プローブ顕微鏡の測定方法は、Ｚ微動部１３ｂの動作位置を最大伸び量の近傍に調整して粗動による接近を終了する第１の接近動作Ｓ１１と、当該探針接近状態で探針１５を走査して測定を行い試料表面の凹凸情報（１７ａ，１７ｂ）を得る第１の測定動作Ｓ１２と、得られた凹凸情報に基づき探針の位置を凹部に位置決めする位置決め動作Ｓ１４と、位置決め動作で決められた位置で探針を再度接近させ、Ｚ軸微動素子の動作位置を最大伸び量の近傍に調整して再度の接近を終了する第２の接近動作Ｓ１５と、第２の接近動作に基づく探針接近状態で探針を走査して測定を行い試料表面の凹凸情報を得る第２の測定動作Ｓ１６から成る。
【選択図】図３

Description

本発明は、走査型プローブ顕微鏡およびその測定方法に関し、特に、試料の表面における微細な凹凸形状等を探針で走査して測定する際、試料表面に対する高さ方向の探針の高さ位置を微小に変化させる微動素子の伸び量を有効に利用するのに適した技術に関する。

従来の走査型プローブ顕微鏡による試料表面の測定では、粗動機構を動作させることで探針を試料表面に接近させて停止させた時、試料表面に対する探針の高さ位置を変化させるＺ軸微動素子の変位量（伸び量またはストローク）を任意の値に調整していた（特許文献１参照）。この場合、探針接近の直後にはまだ未計測である試料表面に存する未知の凸部または凹部が共にＺ軸微動素子による変位範囲内に入る可能性が高くなるように、変位範囲の中間位置付近、すなわち最大ストロークの約５０％付近に調整するのが一般的であった。

図６を参照して、従来技術の走査型プローブ顕微鏡による探針の接近動作および接近後の探針走査動作、すなわち走査型プローブ顕微鏡による測定動作について説明する。

図６では、表面１０１に凹部１０２と凸部１０３が形成された試料１０４の当該表面１０１を探針１０５で走査して計測する状態が示されている。試料１０４の表面１０１では一定の方向に凹部１０２と凸部１０３が繰り返し形成されている。この形状は、いわゆるラインアンドスペースパターンである。「ラインアンドスペースパターン」とは、３次元の立体形状として、線（ライン）（凸部１０３）と溝（スペース）（凹部１０２）が交互に繰り返される格子状パターンのことである。

図６において、（Ａ）では探針１０５の最初の接近位置が凸部１０３であった場合の移動例を示し、（Ｂ）では探針１０５の最初の接近位置が凹部１０２であった場合の移動例を示している。

走査型プローブ顕微鏡が測定対象とするラインアンドスペースパターンは、一般的に、幅がミクロンオーダ（μｍ）からサブミクロンオーダであり、さらに最新の半導体製造プロセスで加工されるような試料では幅１００ｎｍを切るような寸法である。そのような微細な線幅の試料に対しては、最初の探針接近位置を凸部にするかまたは凹部にするかを制御することは困難である。このため、探針が凸部に接近するか、または凹部に接近するということは不明の状態にある。図６に示した試料１０４の例では、例えば、段差が３μｍ、探針１０５を高さ方向に微動させるＺ軸微動素子１０６の最大ストロークが１０μｍであるとする。

図６の（Ａ）に示した例では、探針１０５が凸部１０３に接近した状態で接近終了時のＺ軸微動素子１０６のストロークは例えば５０％に調整されている。この状態で矢印（走査移動軌跡）１０７に示すように探針１０５の走査を開始したとすると、探針１０５の高さ方向の移動については上方に５μｍ、下方に５μｍに動作の余地がある。図６の（Ａ）では、上方に５μｍ動作した位置、すなわちＺ軸微動素子１０６が完全に縮んだ位置を０％として表示し、下方に５μｍ動作した位置、すなわちＺ軸微動素子１０６が完全に伸びた位置を１００％として表示している。０％の位置から１００％の位置が計測可能範囲１０８になる。図６の（Ａ）の場合の探針１０５の走査移動例によれば、深さ３μｍの凹部１０２の底面の位置はＺ軸微動素子１０６の動作範囲内、すなわち計測可能範囲１０８であるため、走査移動軌跡１０７に示すように、問題なく試料１０４の表面の凹凸形状を測定することができる。

また図６の（Ｂ）で示した探針１０５の走査移動軌跡１０７で明らかなように、凹部１０２の底面に探針１０５が接近した場合も探針１０５は計測可能範囲１０８内で移動し、同様に問題なく計測を行うことができる。
特開２００２−３２３４２５号公報

上記の従来の走査型プローブ顕微鏡による測定方法において、図６を参照して、例えばＺ軸微動素子のストロークが１０μｍで、試料１０４の表面に形成された凹凸形状の段差が９μｍの場合を考える。凹凸形状の段差の大きさはＺ軸微動素子のストロークより小さいため、本来であれば計測可能なはずである。図７は、図６と同様に、試料１０４の表面に凹部１０２と凸部１０３が繰り返されるラインアンドスペースパターンの縦断面図を示している。

図７の（Ａ）に示した例では、図７の（Ａ）の場合と同様に、探針１０５を凸部１０３に接近させかつ接近終了時のＺ軸微動素子１０６のストロークを５０％に調整している。この状態で探針１０５の走査を開始したとすると、探針１０５の高さ方向の移動については上方に５μｍ、下方に５μｍに動作の余地がある。その結果、走査移動軌跡１０９が乗じる。しかしながら、試料１０４の凹凸形状の段差は９μｍであるので、下方には５μｍの動作余地しかなく、移動軌跡１１０に示すごとく、凹部１０２の底部まで探針１０５は到達することができない。よって、凹部１０２については底部まで正確に計測することができないという問題が生じる。

また図７の（Ｂ）に示した例では、図６の（Ｂ）の場合と同様に、探針１０５を凹部１０２に接近させかつ接近終了時のＺ軸微動素子１０６のストロークを５０％に調整している。この状態で探針１０５の走査を開始した場合にも、探針１０５の高さ方向の移動については上方に５μｍ、下方に５μｍに動作の余地がある。しかしながら、試料１０４の凹凸形状の段差は９μｍであるので、上方には５μｍの動作余地しかなく、走査移動軌跡１１０に示すごとく、凸部１０３の最上部を超えた位置まで探針１０５は到達することができない。よって、凸部１０３については頂部まで正確に計測することができず、最悪の場合には探針１０５または試料１０４を損傷してしまうという問題が生じる。

以上のように、従来の走査型プローブ顕微鏡の探針の接近方法および走査移動方法によれば、Ｚ軸微動素子の最大ストロークがたとえ試料１０４の凹凸形状部の段差よりも大きくても測定を行えない場合が生じてしまう。

本発明の目的は、上記の課題に鑑み、試料表面の凹凸形状の測定時に探針の接近位置および接近動作終了時のＺ軸微動素子のストローク（伸び量）を適切に調整し、当該ストロークを有効に利用して最大ストロークよりわずかに小さい段差の凹凸形状であっても測定することができる走査型プローブ顕微鏡およびその測定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およびその測定方法は、上記の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測定方法（請求項１に対応）は、探針を試料表面に対して粗動制御で接近させ、Ｚ軸微動素子の動作位置を最大伸び量の近傍に調整して粗動による接近を終了する第１の接近動作と、第１の接近動作に基づく探針接近状態で探針を走査して測定を行い試料表面の凹凸情報を得る第１の測定動作と、第１の測定動作により得られた凹凸情報に基づき探針の位置を凹部に位置決めする位置決め動作と、位置決め動作で決められた位置で探針を再度接近させ、Ｚ軸微動素子の動作位置を最大伸び量の近傍に調整して再度の接近を終了する第２の接近動作と、第２の接近動作に基づく探針接近状態で探針を走査して測定を行い試料表面の凹凸情報を得る第２の測定動作と、から成る方法である。

第２の走査型プローブ顕微鏡の測定方法（請求項２に対応）は、探針を試料表面に対して粗動制御で接近させ、Ｚ軸微動素子の動作位置を最大伸び量の近傍に調整して粗動による接近を終了する第１の接近動作と、第１の接近動作に基づく探針接近状態で探針を走査して測定を行い試料表面の凹凸情報を得る第１の測定動作と、第１の測定動作により得られた凹凸情報に基づき探針の位置を凸部に位置決めする位置決め動作と、位置決め動作で決められた位置で探針を再度接近させ、Ｚ軸微動素子の動作位置を最小伸び量近傍に調整して再度の接近を終了する第２の接近動作と、第２の接近動作に基づく探針接近状態で探針を走査して測定を行い試料表面の凹凸情報を得る第２の測定動作と、から成る方法である。

第３の走査型プローブ顕微鏡の測定方法（請求項３に対応）は、上記の第１の方法において、好ましくは、第１の測定動作で、探針が前記試料表面に到達できていない領域が存在しているか否かを判定する判定処理を行い、領域が存在している場合には上記領域にて探針の位置を決める位置決め動作を行い、位置決め動作による位置で第２の接近動作を行い、その後に第２の測定動作を行い、その後、再度、判定処理を繰り返し行い、探針が試料表面に到達できていない領域が存在しなくなるまで、第２の接近動作と第２の測定動作を繰り返して実行する方法である。

第４の走査型プローブ顕微鏡の測定方法（請求項４に対応）は、上記の各方法において、好ましくは、第１の測定動作と第２の測定動作のそれぞれの後で、探針を一旦退避して探針が試料表面に接触しない状態に戻すことを特徴とする。

第５の走査型プローブ顕微鏡の測定方法（請求項５に対応）は、上記の各方法において、好ましくは、第２の測定動作により得られた凹凸情報に基づき、最適な伸び量となるようにＺ軸微動素子の伸び量を調整して探針の接近を終了する第３の接近動作と、この第３の接近動作に基づく探針接近状態で探針を走査して測定を行い試料表面の凹凸情報を得る第３の測定動作とを含むことを特徴とする。

第６の走査型プローブ顕微鏡の測定方法（請求項６に対応）は、針を試料表面に対して粗動制御で接近させ、Ｚ軸微動素子の動作位置を最大伸び量の近傍に調整して粗動による接近を終了する第１の接近動作と、第１の接近動作に基づく探針接近状態で探針を走査して測定を行い試料表面の凹凸情報を得る第１の測定動作と、から成る方法である。

第１の走査型プローブ顕微鏡（請求項７に対応）は、探針と、試料に対する探針の高さ位置を変えるＺ軸微動素子と、試料に対して探針を接近させまたは退避させる粗動機構と、探針と試料の表面との間で作用する物理量を検出する第１検出手段と、この第１検出手段から出力される検出値が目標値と一致するようにＺ軸微動素子を伸縮させ探針と試料との間の距離を調節する第１制御手段と、粗動機構の接近・退避の動作を制御する第２制御手段とから構成される。この構成において、第１検出手段で物理量を検出しながら第１制御手段によるＺ軸微動素子の動作制御を維持したまま、粗動機構により探針を試料に向かって接近させ、さらに、探針の接近動作での接近終了時に、第２制御手段は、粗動機構の接近・退避動作を介してＺ軸微動素子の伸び量を最大伸び量近傍に調整する、ように動作させる。

第２の走査型プローブ顕微鏡（請求項８に対応）は、上記の構成において、好ましくは、接近終了時でのＺ軸微動素子の伸び量は最大伸び量の９５％である。

本発明に係る走査型プローブ顕微鏡またはその測定方法によれば、試料表面の凹凸形状の測定時に探針の接近位置および接近動作終了時のＺ軸微動素子のストローク（伸び量）を試料表面の凹凸に応じて適切に調整するようにしたため、Ｚ軸微動素子のストロークを有効に利用して最大ストロークよりわずかに小さい段差の凹凸形状であっても測定することができる。

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を参照して本発明の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の構成の一例を説明する。この走査型プローブ顕微鏡は一例として原子間力顕微鏡である。この実施形態では原子間力顕微鏡の例で説明するが、本発明が適用される走査型プローブ顕微鏡はこれに限定されない。

図１に示した原子間力顕微鏡において、支持枠体（図示せず）に設けられた固定部１１に粗動機構部１２が固定され、粗動機構部１２の下部に微動機構部１３が取り付けられている。微動機構部１３の下端にはカンチレバー１４の基端が固定され、カンチレバー１４が取り付けられている。カンチレバー１４の先端には探針１５が形成されている。カンチレバー１４の下方には、試料台１６の上に置かれた試料１７が配置されている。探針１５は尖った先端を有し、この先端は試料１７の表面に接近した状態で当該表面に対向している。

図１では、互いに直交する３つの軸、すなわちＸ軸とＹ軸とＺ軸から成る３次元座標系Ｃ１が示されている。Ｚ軸は試料１７の表面に直交しており、Ｚ軸方向（Ｚ方向）は試料表面に対する高さ方向になる。Ｘ軸とＹ軸によって形成されるＸＹ平面は試料表面に平行な平面となっている。

上記の粗動機構部１２は、試料１７の表面に対して、その高さ方向（Ｚ軸方向）に探針１５を相対的に大きな距離で移動させ、探針１５の接近または退避の動作に用いる移動機構である。また粗動機構部１２はＸＹ平面の方向にも探針１５を相対的に大きな距離で走査移動させる機構を含んでいる。測定開始の初期において、粗動機構部１２は、探針１５を試料表面に対して接近させる動作に使用される。

粗動機構部１２には、例えば、粗動用に構成された圧電素子、あるいは移動機構が用いられる。後者の移動機構の場合、粗動機構部１２は、ボールネジ機構等の他の駆動機構により構成される。なお粗動機構１２は試料台１６側に設けることもできる。

微動機構部１３は、３次元方向（Ｘ軸とＹ軸とＺ軸の各方向）に探針１５を相対的に微小な距離で移動させるための移動機構である。微動機構部１３は、探針１５を試料１７の表面方向（ＸＹ方向）に走査移動させるためのＸＹ微動部１３ａと、探針１５を高さ方向（Ｚ方向）に移動させるためのＺ微動部１３ｂから成っている。微動機構部１３には、通常、圧電素子を利用して構成され、チューブ型微動装置あるいはトライポッド型微動装置などが使用される。

上記の粗動機構部１２と微動機構部１３の動作は、制御装置１８により制御される。さらに制御装置１８は、微動機構部１３の動作を制御する第１制御部１８ａと、粗動機構部１２の動作を制御する第２制御部１８ｂを備える。さらに第１制御部１８ａは、ＸＹ微動部１３ａの動作を制御するＸＹ走査制御部１９とＺ微動部１３ｂの動作を制御するＺ方向制御部２０とから構成される。制御装置１８はコンピュータまたはコントローラで構成される。粗動機構部１２と微動機構部１３の各々の動作は、予め計画された測定手順に基づいて組まれた上記コンピュータ等のメモリに格納された測定プログラムに従って制御される。

上記のカンチレバー１４に対して、カンチレバー１４のたわみ変形で生じる変位を検出するための光てこ式の光学系変位検出装置が設けられる。光てこ式変位検出装置は、カンチレバー１４の背面に照射されるレーザ光２３を出射するレーザ生成器（レーザ光源またはレーザ発振器）２１と、カンチレバー１４の背面で反射されたレーザ光２３を受ける光検出器２２とから構成される。レーザ生成器２１や光検出器２２を能動状態にする電源の図示は省略されている。カンチレバー１４においてたわみ変形が生じると、光検出器２２の受光面におけるレーザ光の入射位置が変化するので、それによりカンチレバー１４で生じた変位を検出することができる。なおカンチレバー１４の変位の検出には、その他に、光干渉法、ピエゾ抵抗法などを用いることができる。

光検出器２２から出力されるカンチレバー１４の変位に係る検出信号は比較器（または減算器）２４に入力される。比較器２４には、別途に目標となる基準値（目標基準値）２５が設定され、入力されている。比較器２４では、基準値と検出信号による値の差が求められ、その偏差信号が制御装置１８の第１制御部１８ａのＺ方向制御部２０に入力される。Ｚ方向制御部２０では、従来の場合と同様によく知られた比例・積分補償の制御処理が行われ、制御信号が生成され、出力される。出力された当該制御信号は、増幅器２６を経由して、微動機構部１３のＺ微動部１３ｂに与えられる。Ｚ方向制御部２０から与えられる制御信号に基づいてＺ微動部１３ｂのＺ方向の伸縮動作が制御され、伸縮による変位量（ストローク）が決められる。光てこ式の位置検出機構、比較器２４、Ｚ方向制御部２０からなるループによってカンチレバー１４の変形量を目標基準値２５に一致させるフィードバック制御系が形成されている。

試料１７の上方に位置する探針１５を試料１７の表面に接近させるときには、上記粗動機構部１２を動作させ、これによりカンチレバー１４が下方に移動する。探針１５が試料１７の表面に所定の距離にて接近すると、試料１７の表面と探針１５の間で原子間力が作用し、カンチレバー１４にたわみ変形が生じる。カンチレバー１４のたわみ変形は、レーザ生成器２１と光検出器２２から成る光てこ式光学系変位検出装置で検出される。レーザ生成器２１から出射されたレーザ光２３はカンチレバー１４の背面に照射され、その後に光検出器２２の受光面に入射される。

上記構成によって、カンチレバー１４で変形が生じると、光検出器２２によって探針１５のＺ方向の変位が検出される。光検出器２２で検出された探針１５の高さ方向の位置情報は、比較器２４で予め設定された目標基準値２５と比較され、その差に係る信号が第１制御部１８ａ内のＺ方向制御部２０に入力される。Ｚ方向制御部２０は、入力された差異に関する情報に基づいて、試料表面に対する探針１５の高さ位置（試料と探針の間隔）が目標基準値２５で設定された基準位置になるように、上記微動機構部１３のＺ微動部１３ｂの動作を制御する信号を生成して、当該Ｚ微動部１３ｂに与える。以上のフィードバック制御に基づき、試料・探針間の原子間力が一定に保たれ、試料・探針間の距離が一定に保たれる。

上記の構成によれば、制御装置１８の第１制御部１８ａのＸＹ走査制御部１９からの走査用の制御信号を微動機構部１３のＸＹ微動部１３ａに与えて、試料１７の表面を走査しながら、上記のカンチレバー１４の高さ位置制御系に基づいて探針１５の試料表面に対する高さ位置を上記基準値で与えられる所定の位置に設定すると、試料表面の形状をなぞって探針１５が移動し、試料表面の高さ情報（凹凸形状の情報）を取得し、これにより試料１７の表面形状を測定することができる。

試料１７の表面形状の測定は、具体的に、Ｚ方向制御部２０から出力される制御信号ｓ１を信号処理装置３１に取り込み、そのメモリに格納する。信号処理装置３１では、上記制御信号ｓ１に基づく試料表面の高さ情報と、予め用意されているＸＹ走査に関する走査範囲情報とを組み合わせ、測定範囲における画像を作成し、表示装置３２の画面に表示する。なお信号処理装置３１は、上記の制御装置１８と同様にコンピュータで構成される。この図示例では信号処理装置３１と制御装置１８とを説明の便宜上別々に示しているが、１つのコンピュータとして構成することができるのは勿論である。信号処理装置３１にはキーボードやマウス等の入力部３３が付設されている。

上記の構成においてさらに監視比較部３４が設けられる。監視比較部３４には、信号処理部３１からＺ微動部１３ｂの変位量を決めるための指令信号ｓ２としての目標変位量が入力されると共に、Ｚ方向制御部２０から出力される制御信号ｓ１が入力される。信号処理装置３１からの目標変位量は、通常、入力部３３を介してオペレータによって与えられる。

次に、図２と図３を参照して、上記構成を有する走査型プローブ顕微鏡において、本実施形態に係る測定方法を実施する際の、探針１５の接近動作および接近後の探針走査動作（測定動作）について説明する。

図２において、３つの状態（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は第１の接近動作が凸部の場合の動作例を示し、（Ａ）〜（Ｃ）は時間の経過に沿って状態の変化を示している。

なお図２では、説明の便宜上、試料１７の一部分と、探針１５と、Ｚ微動部１３ｂと、粗動機構部１２とが示されている。試料１７では凸部１７ａと凹部１７ｂから成る凹凸形状部が示されている。この場合、凹凸形状部の段差は、Ｚ微動部１３ｂの最大ストロークよりも小さいものであると仮定する。また図３は、本実施形態による測定方法を実施するための探針１５の接近・走査移動の動作のフローチャートを示す。

探針１５はもともと試料１７の表面の上方位置にあって粗動機構部１２のにより探針１５（カンチレバー１４。図２ではその図示を省略する。）を下方に移動させる。このとき、Ｚ方向制御部２０からなるフィードバック制御系は能動状態に保持されている。すなわちＺ方向制御部２０によるＺ微動部１３ｂの制御（物理量を一定にするための制御）を継続したままとなる。この状態において第２制御部１８ｂに基づきＺ方向の粗動機構部１２により探針１５を試料１７の表面に対して接近させ、同時に監視比較部３４はＺ方向制御部２０から出力される制御信号（指令値）ｓ１を監視する。

探針１５と試料１７との間で物理量（原子間力）が検出されると、従来の接近制御では、粗動機構部１２による探針１５の接近移動の動作は停止されるが、本実施形態による探針の接近制御では、監視比較器３４で、Ｚ方向制御部２０からの制御信号と目標変位量とが比較され、両者が一致するように第２制御部１８ｂに対して制御指令信号ｓ３が与えられる。その結果、第２制御部１８ｂはこの制御指令信号ｓ３に基づいて粗動機構部１２に基づく接近動作（または退避動作）を制御する。Ｚ方向制御部２０に基づくＺ微動部１３ｂのＺ方向伸縮動作の制御が行われているので、探針１５が試料１７の表面に実質的に接触した状態になった後も物理量が一定に制御されたまま、粗動機構部１２に基づく探針の接近動作が継続され、Ｚ微動部１３ｂは徐々に縮む（または伸びる）。Ｚ微動部１３ｂの変位量が変化し、これをＺ方向制御部２０から出力される制御信号ｓ１から取出し、これが監視比較部３４において与えられた目標変位量と一致すると判断されたときには、監視比較部３４は第２制御部１８ｂに対してその制御動作を停止する信号が出力される。こうして、探針１５の接近動作を停止し、Ｚ微動部１３ｂの変位量を所望の変位量に制御した状態で試料表面における探針の位置決めが完了する。

上記の探針１５の接近時の探針位置決め方法によれば、監視比較部３４に与えられる目標変位量は、オペレータにより入力部３３から自由に与えることができるので、探針停止時のＺ微動部１３ｂの変位量を自由に制御でき、任意に調整することができる。

上記のごとく探針１５の接近停止においてＺ微動部１３ｂのストローク（伸び量または変位量）を任意に調整することができる。そこで本実施形態の場合では、図２の（Ａ）に示すごとく、最大ストローク近傍、好ましくは最大ストロークの９５％のストロークで停止させる（第１の接近動作のステップＳ１１）。

図２の（Ａ）の状態では、探針１５の先端は試料１７の表面の凸部１７ａの頂部に接近し、かつ探針接近終了時のＺ微動部１３ｂのストロークを９５％としている。

次に、図２の（Ａ）に示された状態で、移動軌跡４１に示すごとく、第１の測定動作を実施し、試料１７の表面の凹凸形状に関する情報を得る（ステップＳ１２）。第１の測定動作は、ＸＹ微動部１３ａとＺ微動部１３ｂとによって実行され、ＸＹ方向への探針走査動作に基づいて行われる。図２で４２が計測可能範囲を示している。

第１の測定動作が終了した後には、終了後の探針１５は、一旦、試料１７の表面から退避させられる（ステップＳ１３）。この退避動作は粗動機構部１２によって実行される。しかし、この退避動作は必ずしも必要ではなく、省略することができる。

第１の測定動作で得られた試料表面の凹凸形状の情報に基づいて、ＸＹ微動部１３ａによる位置決め動作により、探針１５の位置を最初の凹部１７ｂの位置に位置決めする（ステップＳ１４）。この状態を図２の（Ｂ）に示す。

次には、再度、図２の（Ｂ）に示した状態で粗動機構部１２により凹部１７ｂに対して探針１５を接近動作させ、前述した場合と同様にＺ微動部１３ｂのストロークを９５％として調整して、第２の接近動作を実行する（ステップＳ１５）。第２の接近動作の後の状態を図２の（Ｃ）に示す。

第２の接近動作が完了した状態において、探針１５の先端は凹部１７ｂの底面に接触する。この状態において、探針１５をＸＹ方向に走査させ、第２の測定動作を実行する（ステップＳ１６）。この状態を、図２の（Ｃ）における移動軌跡４３で示している。

以上の動作により、例えば最大ストローク（最大伸び量）が１０μｍであるＺ微動部１３ｂによって段差が９μｍである凹凸形状を測定することができる。

上記の測定方法では、探針１５の第１の接近動作（ステップＳ１１）が偶然に凸部１７ａに対して行われた場合の例を説明したが、仮に第１の接近動作が偶然に凹部１７ｂに対して行われた場合には上記のステップＳ１６（図２の（Ｃ）に示す状態）から始まることになるため、第２の接近動作（ステップＳ１５）が不要になる。この場合には、第１の測定動作（ステップＳ１２）によって試料１７の表面の凹凸形状を測定し、観察することができる。

また上記の測定方法については、図４のフローチャートに示すごとく変更することができる。図４において、図３に示したステップと同一のステップには同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。

この測定方法では、ステップＳ１１による第１の接近動作、およびステップＳ１２による第１の測定動作の後、得られた試料表面の凹凸形状の情報に基づいて、ＸＹ微動部１３ａによる位置決め動作により、探針１５の位置を最初の凸部１７ａの位置に位置決めする（ステップＳ２１）。

そして次には、再度、粗動機構部１２により凸部１７ａに対して探針１５を接近動作させ、第２の接近動作を行う（ステップＳ２２）。この場合には、特に前述した第１の接近動作の場合と異なり、Ｚ微動部１３ｂのストロークを最小ストロークの近傍、例えば５％として調整して、第２の接近動作を実行する（ステップＳ２２）。第２の接近動作の後には、前述した第２の測定動作（ステップＳ１６）が実行される。

上記の測定方法によれば、試料１７の表面における凹凸形状において凸部１７ａの側から円滑かつ迅速に探針１５の走査を開始し、試料表面の測定を行うことができる。

さらに図３に示した上記の測定方法については、図５のフローチャートに示すごとく変更することができる。図５において、図３に示したステップと同一のステップには同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。

ステップＳ１１〜Ｓ１６については前述した通りである。この測定方法では、ステップＳ３１，Ｓ３２，Ｓ３３が追加される。ステップＳ３１では、第１の測定動作（ステップＳ１２）により得られた試料表面の凹凸形状の情報に基づいて探針１５が試料表面に到達できていない領域が存在するか否かを判定処理が実行される。探針１５が試料表面に到達できていない領域が存在する場合には（判定ステップＳ３１でＹＥＳの場合）、ＸＹ微動部１３ａによる位置決め動作によって、その領域に、探針１５の位置を決める位置決め動作を行う（ステップＳ３２）。

上記のステップＳ３２の後、当該領域の凹部等に対して接近動作を開始し、Ｚ微動部１３ｂのストロークを例えば９５％に調整して第２の接近動作を行う（ステップＳ１５）。その状態で、さらに第２の測定動作を行う（ステップＳ１６）。

次には、測定を終了するか否かを判定するステップＳ３３でＮＯの場合には、上記の判定ステップＳ３１に戻り、第２の測定動作により得られた試料表面の凹凸形状の情報に基づいて探針１５が試料表面に到達できていない領域が存在する否か再び判定する。なお測定を強制的に終了する基準は、別途に適宜に設定される。

第２の測定動作によっても、探針１５が凹部１７ｂの底に届かない領域が存在する場合には、再度、上記のステップＳ３２，Ｓ１５，Ｓ１６を反復する。判定ステップＳ３１でＮＯと判定された場合、あるいは判定ステップＳ３３でＹＥＳと判定された場合には、測定動作は終了する。

上記の測定方法によれば、探針１５を走査して測定動作を実行したときに仮に凹部１７ｂの底部形状について正確な形状情報を得ることができない場合には、探針が試料表面に到達できていない領域が存在しなくなるまで、凹部１７ｂの底部形状の情報を得ようとする接近動作および走査動作が所要回数繰り返されるという利点を有している。

さらに上記測定方法において、第２の測定動作（ステップＳ１６）により得られた凹凸情報に基づいてＺ微動部１３ｂのストロークを最適なストロークとなるように調整して探針１５の接近を終了する接近動作（第３の接近動作）と、この接近動作に基づく探針接近状態で探針１５を走査して測定を行い試料表面の凹凸情報を得る第３の測定動作を行うように構成することもできる。

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・実施できる程度に簡略して示したものにすぎず、また数値および各構成の組成（材質）等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、半導体基板の表面に形成されたラインアンドスペースパターン等の凹凸形状の測定に利用される。

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。 試料表面の凹凸形状部の領域における探針の移動状態を示す図である。 図２に示す探針の移動状態を実現する制御の手順を示すフローチャートである。 探針の移動に関する他の制御の手順を示すフローチャートである。 探針の移動に関する更なる他の制御の手順を示すフローチャートである。 従来の探針移動の第１例を説明するための図である。 従来の探針移動の第２例を説明するための図である。

符号の説明

１２ 粗動機構部
１３ 微動機構部
１３ａ ＸＹ微動機構部
１３ｂ Ｚ微動機構部
１４ カンチレバー
１５ 探針
１６ 試料台
１７ 試料
１７ａ 凸部
１７ｂ 凹部

Claims (8)

1. 探針を試料表面に対して粗動制御で接近させ、Ｚ軸微動素子の動作位置を最大伸び量近傍に調整して粗動による接近を終了する第１の接近動作と、
   前記第１の接近動作に基づく探針接近状態で前記探針を走査して測定を行い前記試料表面の凹凸情報を得る第１の測定動作と、
   前記第１の測定動作により得られた前記凹凸情報に基づき前記探針の位置を凹部に位置決めする位置決め動作と、
   前記位置決め動作で決められた位置で前記探針を再度接近させ、前記Ｚ軸微動素子の動作位置を最大伸び量近傍に調整して再度の接近を終了する第２の接近動作と、
   前記第２の接近動作に基づく探針接近状態で前記探針を走査して測定を行い前記試料表面の凹凸情報を得る第２の測定動作と、
   から成ることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の測定方法。
2. 探針を試料表面に対して粗動制御で接近させ、Ｚ軸微動素子の動作位置を最大伸び量近傍に調整して粗動による接近を終了する第１の接近動作と、
   前記第１の接近動作に基づく探針接近状態で前記探針を走査して測定を行い前記試料表面の凹凸情報を得る第１の測定動作と、
   前記第１の測定動作により得られた前記凹凸情報に基づき前記探針の位置を凸部に位置決めする位置決め動作と、
   前記位置決め動作で決められた位置で前記探針を再度接近させ、前記Ｚ軸微動素子の動作位置を最小伸び量近傍に調整して再度の接近を終了する第２の接近動作と、
   前記第２の接近動作に基づく探針接近状態で前記探針を走査して測定を行い前記試料表面の凹凸情報を得る第２の測定動作と、
   から成ることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の測定方法。
3. 前記第１の測定動作で、前記探針が前記試料表面に到達できていない領域が存在しているか否かを判定する判定処理を行い、前記領域が存在している場合には前記領域にて前記探針の位置を決める位置決め動作を行い、
   前記位置決め動作による前記位置で前記第２の接近動作を行い、その後に前記第２の測定動作を行い、
   その後、再度、前記判定処理を繰り返し行い、前記探針が前記試料表面に到達できていない領域が存在しなくなるまで、前記第２の接近動作と前記第２の測定動作を繰り返して実行する、
   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測定方法。
4. 前記第１の測定動作と前記第２の測定動作のそれぞれの後で、前記探針を一旦退避して前記探針が前記試料表面に接触しない状態に戻すことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡の測定方法。
5. 前記第２の測定動作により得られた前記凹凸情報に基づき、最適な伸び量となるように前記Ｚ軸微動素子の伸び量を調整して前記探針の接近を終了する第３の接近動作と、この第３の接近動作に基づく探針接近状態で前記探針を走査して測定を行い前記試料表面の凹凸情報を得る第３の測定動作とを含む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の測定方法。
6. 探針を試料表面に対して粗動制御で接近させ、Ｚ軸微動素子の動作位置を最大伸び量近傍に調整して粗動による接近を終了する第１の接近動作と、
   前記第１の接近動作に基づく探針接近状態で前記探針を走査して測定を行い前記試料表面の凹凸情報を得る第１の測定動作と、
   から成ることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の測定方法。
7. 探針と、試料に対する前記探針の高さ位置を変えるＺ軸微動素子と、前記試料に対して前記探針を接近させまたは退避させる粗動機構と、前記探針と前記試料の表面との間で作用する物理量を検出する第１検出手段と、この第１検出手段から出力される検出値が目標値と一致するように前記Ｚ軸微動素子を伸縮させ前記探針と前記試料との間の距離を調節する第１制御手段と、前記粗動機構の接近・退避の動作を制御する第２制御手段とから構成され、
   前記第１検出手段で前記物理量を検出しながら前記第１制御手段による前記Ｚ軸微動素子の動作制御を維持したまま、前記粗動機構により前記探針を前記試料に向かって接近させ、
   前記探針の接近動作での接近終了時に、前記第２制御手段は、前記粗動機構の接近・退避動作を介して前記Ｚ軸微動素子の伸び量を最大伸び量近傍に調整する、
   ことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
8. 接近終了時での前記Ｚ軸微動素子の伸び量は最大伸び量の９５％であることを特徴とする請求項７記載の走査型プローブ顕微鏡。

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