JP3128512B2 - プローブ走査装置 - Google Patents

プローブ走査装置

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JP3128512B2 JP08118014A JP11801496A JP3128512B2 JP 3128512 B2 JP3128512 B2 JP 3128512B2 JP 08118014 A JP08118014 A JP 08118014A JP 11801496 A JP11801496 A JP 11801496A JP 3128512 B2 JP3128512 B2 JP 3128512B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は走査型プローブ顕
微鏡等のプローブ走査装置に関し、特に微小プローブを
試料表面に近接させるz粗動と試料表面を測定する時に
該微小プローブと試料表面との距離を制御するz微動の
ための機構と、試料表面を走査するx,y走査のための
機構とを一体化し、3次元のプローブ走査を可能にした
プローブ走査装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来の走査型プローブ顕微鏡の一例を、
図6を参照して説明する。円筒状のピエゾ素子55の上
面に、試料台51が載置されている。該試料台51上に
は試料52が置かれており、該試料52の上方にはカン
チレバー53の自由端に取り付けられた微小プローブ5
4が対向して置かれている。ピエゾ素子55の円筒面に
は、z微動のための円筒面に巻かれた電極56と、x,
y走査のための4分割された電極57a、57b(図示
されていない)、58a、58b(図示されていない)
が形成されている。パルスモータ60は例えば500オ
ングストローム/パルス程度の性能を有しており、該パ
ルスモータ60が駆動されるとねじ棒61が回動して、
ピエゾ素子55はz粗動される。
【0003】カンチレバー53のそり量はレーザ発生器
71から出力されたレーザ光72の入射位置を位置検出
器73で検出することにより検出される。該位置検出器
73は4分割された光検出電極から構成されており、カ
ンチレバー53のそり量が0の時には、レーザ光72の
スポットが該4分割電極の中央に来るように位置合わせ
されている。このため、カンチレバー53にそりが発生
すると、該レーザ光72のスポットが該4分割電極上を
移動し、4分割電極から出力される電圧に差が発生す
る。この電圧は増幅器74によって増幅され、差動増幅
器75に入力する。差動増幅器75の反転入力端子
(−)にはカンチレバーのそり量の基準値が設定されて
おり、例えばそのそり量が0の時には、差動増幅器75
の出力が0になるようになされている。
【0004】差動増幅器75の差分出力は並列接続され
た積分回路76と比例回路77に入力し、積分回路76
において該差分が平均化され、比例回路77において該
差分の高周波成分が抽出され、これらが合成された後、
電圧増幅器78で増幅されて電極56に印加される。位
置検出器73、増幅器74、差動増幅器75、積分回路
76、比例回路77、および電圧増幅器78からなる回
路は、フイードバック回路を構成している。CRT80
は、ラスタスキャナ81からxおよびy方向の走査信号
を受け、またライン82からカンチレバー53のそり信
号を受けて、ディスプレイ上に試料52の表面の形状あ
るいは物理量を映出する。
【0005】以上のように、従来の走査型プローブ顕微
鏡においては、z粗動はパルスモータ60とねじ棒61
により行い、z微動はピエゾ素子55上の円筒状電極5
6に前記フイードバック信号を印加することにより行
い、x,y走査は4分割された電極57a、57b、5
8a、58bにラスタスキャナ81から出力されたx,
y走査信号を印加することにより行っていた。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来は
上記のような構成のピエゾスキャナを用いていたので、
前記ピエゾ素子の電極への印加電圧とその変位量との関
係(印加電圧変位特性)が非線形(ノンリニアリティ)
であり、また該変位量を大きく取れないという問題があ
った。また、数百ボルト〜千ボルト程度の高電圧を前記
電極に印加することが必要であり、周辺をシールドした
り、装置の蓋を開けると電圧を落とす保護回路が必要と
なり、その取扱いが難しいという問題があった。
【0007】そこで、本発明者は、z方向粗動機構であ
るパルスモータおよびねじ等を粘性体の入ったハウジン
グとヒータ機構とボイスコイル機構とに置き換え、z方
向微動素子であるピエゾ素子をばね要素に置き換えた試
料位置決め装置を開発し、特許出願した(特願平8−2
5201号)。
【0008】この試料位置決め装置によれば、前記ピエ
ゾスキャナが有していた前記問題点を全て解消すること
ができるが、z方向粗動機構とz方向微動機構とを一体
化した装置を提供するだけであり、これらの機構にx,
y走査機構を一体化するという配慮がなされていなかっ
た。また、該試料位置決め装置はサンプルスキャンに使
用されるものであり、プローブスキャンに使用すること
に対して配慮がなされていなかった。
【0009】本発明の目的は、前記した従来技術の問題
点を除去し、z方向の粗動・微動機構およびx,yスキ
ャン機構を一体化した、簡単な構成のプローブ走査装置
を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】前記した目的を達成する
ために、試料の表面に探針を近接させて、該試料表面の
形状あるいは物理量を計測する装置に使用されるプロー
ブ走査装置であって、x、yおよびz方向の3方向に配
置されたボイスコイルモータと、該ボイスコイルモータ
からの力により、x、yおよびz方向の3方向に移動さ
せられる探針支持手段とを具備し、前記ボイスコイルモ
ータを駆動することにより、前記探針をz方向の粗動・
微動およびx、y方向の走査を可能にしたことを特徴と
するプローブ走査装置において、前記探針支持手段は、
z方向に延びる弾性体を含み、前記x、y方向のボイス
コイルモータによって生成されたx、y方向の力を前記
弾性体の一部に印加することにより、前記探針をx、y
方向に拡大走査するようにした点に特徴がある。
【0011】この発明によれば、筐体中に一体化した
x,yおよびzの3方向のボイスコイルモータにより、
探針をz方向に粗動・微動させることができると共に、
x,y方向に走査することができるようになる。このた
め、従来のピエゾスキャナが有していた問題点を全て解
消することができる。また、プローブスキャンが可能に
なる。
【0012】
【発明の実施の形態】以下に、図面を参照して、本発明
を詳細に説明する。図1は、本発明の一実施形態のプロ
ーブ走査装置の構成図である。図示されているように、
筐体1に第1の磁石2が固着され、該磁石2の心棒部3
に可動子4が遊嵌されている。該可動子4はメンブレン
5によって弾性的に前記筐体1に支持されており、また
その周囲にコイル6が巻回されている。該磁石2、心棒
部3、可動子4、メンブレン5およびコイル6は、スピ
ーカ等で使用されているボイスコイルモータを形成して
いる。
【0013】前記可動子4には、細線7の一方の端部が
固着されており、該細線7の他方の端部はz方向に延び
るスピンドル8の一端に固着されている。該スピンドル
8の他端には、変位検出器9が装着されており、該変位
検出器9にカンチレバー等の探針10が装着されてい
る。また、該スピンドル8はその中央部で第1のばね1
1により、またその下端部で第2のばね12により中筒
13に支持されている。該第1、第2のばね11、12
は例えば図2(a) 、(b) に示されているように、中筒1
3に設けられた十字型の板ばね又は通常の板ばねから構
成されている。なお、前記細線7は、後述されるように
スピンドル8がx,y方向に走査された時に起きる可動
子4に対するスピンドル8の歪みを吸収する働きをして
いる。
【0014】前記筐体1は試料室に突出する細管部14
とこれに連なる太管部15とを有し、該太管部15の一
部にヒータ用コイル16が巻回されている。また、該太
管部15と前記中筒13との間には、例えばグリコール
フタレート等のポリマ類からなる粘性体17が挿入され
ている。該粘性体17は室温では固体と同様の性質を示
すが、前記ヒータ用コイル16に通電することにより加
熱されると粘性を示すようになる。
【0015】前記筐体1には、また、第2の磁石21が
装着されており、その心棒部22に可動子23が遊嵌さ
れている。該可動子23はメンブレン24により筐体1
に弾性的に支持されており、また該可動子23の周囲に
コイル25が巻回されている。該可動子23には細線2
6の一端が固着され、その他端はx方向のスピンドル2
7に固着されている。該スピンドル27の他端は前記太
管部15の側部に固着されている。前記第2の磁石2
1、心棒部22、可動子23、メンブレン24およびコ
イル25は前記と同様のボイスコイルモータを形成して
いる。該ボイスコイルモータはx方向のスピンドル27
に作用するが、図示されていない同構成のボイスコイル
モータが90°回転した位置に設けられており、y方向
のスピンドルに作用する。
【0016】前記探針10と対向する位置には試料台3
1が設けられ、該試料台31上に検査すべき試料32が
載置されている。また、該試料台31は粗動x,y,z
ステージ33上に設置されている。図3は、図1のプロ
ーブ走査装置に接続されるz粗動・z微動回路とx,y
走査回路の概略の構成を示すブロック図であり、図1と
同一の符号は同一または同等物を示す。探針10の変
位、例えばカンチレバーのそり量が変位検出器9から検
出されると、該検出信号は差動増幅器41により基準値
発生器42からの基準値と比較される。該基準値は探針
10と試料面との距離が所定値になった時に変位検出器
9が出力する値と等しくされているので、該探針10と
試料面との距離が該所定値からずれている時には、差動
増幅器41はそのずれ量に応じた大きさの信号を出力す
る。差動増幅器41の差分出力は積分回路43と比例回
路44とにより処理され、V−I変換器45に入る。V
−I変換器45は入力してきた電圧を電流に変換し、コ
イル4に通電する。
【0017】一方、ラスタスキャナ46はxおよびy方
向の走査信号電流xi ,yi を、それぞれx方向可動子
23とy方向可動子34に巻回されているコイル25と
35に供給する。また、該ラスタスキャナ46はCRT
47にx,y走査信号を供給する。試料表面の形状、物
理量等の検査情報は、V−I変換器45の入力側から取
り出されてCRT47に供給される。
【0018】次に、本実施形態の動作を、図1、図3を
参照して説明する。最初に、試料32の表面に探針10
を近付ける時の粗動動作を説明する。前記ヒータ用コイ
ル16には図示されていない温度コントローラが接続さ
れているので、まず該温度コントローラをオンにして、
ヒータ用コイル16に通電し、粘性体17を加熱する。
例えばポリマ等の場合には、融点の少し上の温度まで加
熱すると、該粘性体17はその粘度を急激に下げる。
【0019】次に、前記変位検出器9、差動増幅器4
1、積分回路43、比例回路44およびV−I変換器4
5からなるフィードバック回路が動作する。すなわち、
最初は探針10と試料表面との距離は大きいから、基準
値発生器42から出力される基準値と変位検出器9から
の変位検出値との差は大きいので、差動増幅器41から
は大きな信号電圧が出力される。該信号電圧は積分回路
43および比例回路44により処理され、V−I変換器
45により電流Iに変換されて、可動子4に巻回された
コイル6に流れる。
【0020】そうすると、磁石2の磁界とコイル6に流
れる電流Iにより、可動子4を下方に動かす力が発生す
る。この結果、該可動子4に接続された細線7、スピン
ドル8は下降する力を受け、また前記中筒13は前記第
1および第2のばね11、12を介してスピンドル8か
ら同方向の力を受ける。この時、粘性体17の粘度は下
がっているため、中筒13は容易に下方に移動する。こ
の移動は、前記コイル6に流れる電流Iが大きいため、
速やかに行われる。
【0021】以上のようにして、探針10が試料32の
表面に近付き両者の間が所定の距離になると、変位検出
器9からの変位検出値と基準値発生機42からの基準値
とがほぼ等しい大きさになるから、差動増幅器41から
出力される信号電圧は0付近の大きさになり、前記コイ
ル6に流れる電流Iも小さくなって、z粗動は停止す
る。前記温度コントローラをオフにするタイミングは、
z粗動の停止時か、あるいは余熱を考慮に入れて、該停
止時より早目にする。ヒータ用コイル16による粘性体
17の加熱がなくなると、粘性体の粘度は上がる。特
に、前記ポリマ等の場合には、融点の温度を下回ると固
化が始まり、中筒13と太管部15とは強固に固定され
る。
【0022】上記の説明では前記フィードバック回路を
用いてz粗動を行うようにしたが、別に定電流電源を設
け、該定電流電源からコイル6に電流を流すようにし、
z粗動の終点検出はカンチレバーの振動振幅の減衰量ま
たはそり量で行うようにしてもよい。
【0023】z粗動が終了すると、x,y走査とz微動
とが同時に行われる。まず、x,y走査機構およびその
動作について、図1および図4を参照して説明する。こ
こに、図4(a)はx方向の走査電流xi 、同図(b)はy方
向の走査電流yi 、同図(c)は試料表面のx,y走査領
域を示している。図(c)の32は試料であり、32aは
そのx,y走査領域を示す。なお、x方向の走査とy方
向の走査は同一または同等の機構により行われるので、
これらの代表としてx方向の走査機構に注目して、以下
に説明する。
【0024】図1の磁石21の心棒部22に遊嵌された
可動子23に巻回されているコイル25に、前記ラスタ
スキャナ46から図4(a)に示されているような波形の
電流xi が通電されると、該可動子23に接続されてい
るx方向の細線26とスピンドル27がx方向の力を受
ける。
【0025】いま、前記コイル25に負方向の電流Iが
流れて、スピンドル27が図1の左方向に押されたとす
ると、太管部15は力点15aにおいて図示されていよ
うな力Fを受ける。そうすると、太管部15は細管部1
4のたわみにより、該力Fと同方向に振られる。逆に、
前記コイル25に正方向の電流Iが流れて、スピンドル
27が図1の右方向に引かれたとすると、太管部15は
力点15aにおいて力−Fを受ける。そうすると、太管
部15は細管部14の逆方向のたわみにより、該力−F
と同方向に振られる。このようにして、太管部15は−
xから+x方向に振られると、探針10はスピンドル
8、第1、第2のばね11、12、中筒13および粘性
体17を介して太管部15に接続されているので、その
走査幅を拡大されて、−xから+x方向に走査されるこ
とになる。
【0026】次に、上記の動作を、図5を参照して定量
的に説明する。図5は図1の細管部14、太管部15お
よび中筒13を介して取り付けられた探針10の概略の
概念図を示すものであり、図5の作用点15bに前記探
針10が取り付けられているものと仮定する。いま、力
点15aに力Fが印加されたとすると、該力点15aで
のたわみ量yは下記の(1) 式のようになる。
【0027】
【数1】 ここに、Eは細管部および太管部の材料のヤング率を示
す。また、前記I1 は太管部の断面二次モーメント、I
0 は細管部の断面二次モーメントを示している。次に、
前記作用点15bにおけるたわみ量yT は、下記の(2)
式で表すことができる。
【0028】
【数2】 ここに、θは力点15aでのたわみ角である。この式か
ら、作用点15b、すなわち走査点でのたわみ量は力点
15aでのたわみ量yに比べて、(lT −l)tanθ
だけ拡大されていることがわかる。
【0029】次に、前記(1) 式を、l0 を変数として微
分すると、下記の(3) 式のようになる。
【0030】
【数3】 前記力点15aでのたわみ量の最大値を求めるために、
(3) 式=0とおいてl 0 を求めると、下式のようにな
る。 l0 =(−1±21/2 )l したがって、l0 =0.414lとなり、力点15aで
のたわみ量yは、細管部の長さl0 と力点までの長さl
との比(l0 /l)を0.414にすると、最大にな
る。このため、l0 /l=0.414となるように設計
するのが最適である。
【0031】図4に戻って、x,y走査の動作を説明す
ると、今x走査電流xi およびy走査電流yi が共に0
であるとすると、探針10は同図(c) の試料32上のあ
る一点Oを指している。この状態から、x走査電流xi
およびy走査電流yi に図示されているように負の電流
−Iが通電されると、時刻t1 において、探針10は試
料32上の走査原点(x0 ,y0 )に来る。次に、x走
査電流xi が直線的に増加すると、その間探針10は試
料32上をx方向に走査し、時刻t2になると、試料3
2上の走査終点(xn ,y0 )に来る。この間、探針1
0は試料32の表面の形状に応じたz微動を行い、該形
状に関わる情報が変位検出器9から出力される。
【0032】次に、時刻t2 〜t3 の間は、探針10は
前記と同じ走査線上を走査し、時刻t3 になると前記走
査原点(x0 ,y0 )に戻る。この帰線期間に得られる
探針10からの情報は、ブランキングをすることによ
り、前記CRT47に映らないようにすることができ
る。時刻t4 になると、y走査電流yi が一段階増加す
るので、探針10は位置(x0 ,y1 )に来る。そし
て、時刻t4 〜t5 の間は、該位置(x0 ,y1 )を起
点とするx方向の走査が行われる。この間、探針10は
試料32の表面の形状に応じたz微動を行い、該形状に
関わる情報が変位検出器9から出力される。以下同様の
動作が繰り返されると、走査領域32a内の走査が順次
行われ、探針10が最後の走査終点位置(xn ,yn )
に来ると、x,y走査は終了する。
【0033】次に、前記x,y走査の間に行われるz微
動の動作を簡単に説明する。前記フィードバック回路
(図3参照)は、試料32の表面の凹凸に合わせて探針
10、例えばカンチレバーのそり量が一定になるよう
に、探針10を上下に変位zだけ動かす。この変位z
は、ボイスコイル6に電流Iを流すことにより発生する
力Fを、前記第1および第2のばね11、12の合計の
ばね定数Kで割った量である。式で書くと、次のように
なる。
【0034】z=F/K ここに、力Fは、ボイスコイル6と磁石2の心棒部3と
の間の磁場Bとボイスコイル6に流れる電流Iの乗に比
例する。したがって、変位zは該ボイスコイル6に流れ
る電流Iに比例し、変位xは探針10が試料32の表面
をトレースした時の変位量であるから、試料32の表面
の凹凸は前記電流Iに比例する。すなわち、ボイスコイ
ル6に流れる電流Iをモニタすると、試料32の表面の
凹凸を計測することができる。この時のリニアリティ
は、従来のピエゾスキャナより良好である。
【0035】以上のように、本実施形態によれば、x,
y,z方向に設けられかつ一体化されたボイスコイルモ
ータにより、z粗動・z微動とx,y走査を行うことが
できるので、従来のピエゾスキャナに比べて、高電圧を
必要とせず取扱が簡単でかつ安全性に優れている上に、
走査幅を拡大することができる。また、本実施形態は、
プローブスキャンを実現しているので、例えば半導体の
ウェハのような大型の試料の表面を検査することができ
るというメリットもある。
【0036】なお、前記した実施形態では、前記細管部
14と太管部15を筐体1と一体構造としたが、本発明
はこれに限定されず、筐体1と細管部14とを別構造と
し、該細管部を筐体1と異なる材料の弾性体で構成して
もよい。また、細管でなく、複数本の弾性線条体等から
構成してもよい。
【0037】
【発明の効果】前記の説明から明らかなように、本発明
によれば、x,yおよびz方向の3方向に配置されたボ
イスコイルモータを一体化し、該ボイスコイルモータか
らの力により弾性体でできた探針支持手段を押圧したり
引っ張ったりするようにして探針をx,yおよびzの3
方向に移動させるようにしたので、従来のピエゾスキャ
ナに比べて、高電圧対策等の安全性の配慮が不要にな
り、弱い力で広範囲のx,y走査が可能になるという効
果がある。また、プローブスキャンが実現できるので、
大型の試料の表面を検査することが可能になるという効
果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のプローブ走査装置の一実施形態の構成
図である。
【図2】図1の第1、第2のばねの一具体例を示す平面
図である。
【図3】x,y,z方向のボイスコイルモータを駆動さ
せるためのブロック図である。
【図4】x,y方向のボイスコイルモータに供給する走
査電流の波形図と、走査領域を示す図である。
【図5】細管部と太管部のたわみを説明するための図で
ある。
【図6】従来のピエゾスキャナの概略の構成を示す図で
ある。
【符号の説明】
1 筐体 2、21 第1、第2の磁石 3、22 心棒部 4、23 可動子 5、24 メンブレン 6、25 コイル 7、26 細線 8、27 スピンドル 9 変位検出器 10 探針 11、12 第1、第2のばね 13 中筒 14 細管 15 太管 16 ヒータ用コイル 17 粘性体 31 試料台 32 試料
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平6−241776(JP,A) 特開 平8−75758(JP,A) 特開 平1−124947(JP,A) 特開 平9−113519(JP,A) 特開 平9−196930(JP,A) 特開 平9−281120(JP,A) 国際公開96/7074(WO,A1) 欧州特許出願公開124472(EP,A 2) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 13/10 - 13/24 G01B 7/34 H01J 37/28 JICSTファイル(JOIS)

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 試料の表面に探針を近接させて、該試料
    表面の形状あるいは物理量を計測する装置に使用される
    プローブ走査装置であって、x、yおよびz方向の3方
    向に配置されたボイスコイルモータと、該ボイスコイル
    モータからの力により、x、yおよびz方向の3方向に
    移動させられる探針支持手段とを具備し、前記ボイスコ
    イルモータを駆動することにより、前記探針をz方向の
    粗動・微動およびx、y方向の走査を可能にしたことを
    特徴とするプローブ走査装置において、前記探針支持手
    段は、z方向に延びる弾性体を含み、前記x、y方向の
    ボイスコイルモータによって生成されたx、y方向の力
    を前記弾性体の一部に印加することにより、前記探針を
    x、y方向に拡大走査するようにしたことを特徴とする
    プローブ走査装置。
  2. 【請求項2】 請求項1記載のプローブ走査装置におい
    て、前記探針支持手段は、z方向に延びる細管部と太管
    部とを含み、前記x、y方向のボイスコイルモータによ
    って生成されたx、y方向の力を前記太管部の一部に印
    加することにより、前記探針をx、y方向に拡大走査す
    るようにしたことを特徴とするプローブ走査装置。
  3. 【請求項3】 請求項2記載のプローブ走査装置におい
    て、前記太管部の一部に印加する力に対して、該太管部
    の変位量が最大になる長さに、前記細管部の長さを設定
    したことを特徴とするプローブ走査装置。
  4. 【請求項4】 請求項1または2記載のプローブ走査装
    置において、前記探針支持手段は、前記z方向に延びる
    太管部に粘性体を介して支持された探針支持部材を含
    み、該粘性体は探針のz粗動時に軟化され、z微動時に
    硬化されることを特徴とするプローブ走査装置。
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