JP3859588B2

JP3859588B2 - 走査型プローブ顕微鏡及びその測定方法

Info

Publication number: JP3859588B2
Application number: JP2002361813A
Authority: JP
Inventors: 肇小柳; 哲也西田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-12-13
Filing date: 2002-12-13
Publication date: 2006-12-20
Anticipated expiration: 2022-12-13
Also published as: JP2004191277A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原子分解能で試料表面を観察及び分析することが可能な走査型プローブ顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
走査型プローブ顕微鏡（Scanning Probe Microscope；ＳＰＭ）は、原子分解能で試料表面を観察及び分析することが可能な表面観察装置である。その代表的なものには、探針先端と試料表面の間に流れるトンネル電流を利用した走査型トンネル顕微鏡（Scanning Tunneling Microscope；ＳＴＭ）や、探針先端と試料表面の間に働く力を利用した原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscope；ＡＦＭ）等がある。
【０００３】
ＡＦＭは、非導電性の試料表面においても三次元形状を高分解能で観察することが可能であり、半導体デバイスや記録ディスク等の表面形状の評価に利用されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
図３は、従来におけるＡＦＭの基本構成を示す。カンチレバー２は、その先端に設けられた探針１がＸＹＺスキャナ６の試料保持部に保持された試料３の表面に対向する様に配置される。探針１は、ＸＹＺスキャナ６を駆動することにより試料３に対して相対的に移動する。探針１が試料３に接近すると、それらの間に働く原子間力によりカンチレバー２が撓む。この撓み量は、レバー変位検出部４で検出され、その出力信号がＺサーボ回路５へ送られる。レバー変位検出部４では、光てこ法、レーザ干渉法等の光学的方法や構成を簡素化することができる圧電抵抗効果を利用した方法によって変位検出が行われる。Ｚサーボ回路５では、レバー変位検出部４の出力信号とＺサーボ回路５で設定される基準値が比較され、その偏差に対応したＺ駆動信号がＸＹＺスキャナ６へ出力される。つまり、探針１に作用する原子間力が一定に保持されるようにフィードバック制御が行われる。
【０００５】
一方、ＸＹ信号発生部８は、ＸＹ走査のためのＸトリガ信号とＹトリガ信号をＸＹ走査回路７に出力する。ＸＹ走査回路７は、Ｘトリガ信号及びＹトリガ信号に対応したＸ駆動信号及びＹ駆動信号をＸＹＺスキャナ６に印加し、ＸＹＺスキャナ６にＸＹ走査を行わせる。
【０００６】
また、ＸＹ信号発生部８が出力するＸトリガ信号とＹトリガ信号は画像取得部９にも送られ、Ｚサーボ回路５の出力であるＺ駆動信号、すなわち、ＸＹＺスキャナ６のＺ変位信号をサンプリングするタイミング信号となる。画像取得部９でサンプリングされたＺ変位信号は、その時のＸトリガ信号及びＹトリガ信号、すなわち、ＸＹ位置信号と共に画像メモリ１０に保存される。この画像メモリに保存された信号は、試料３の表面形状を表わす画像となる。
【０００７】
【非特許文献１】
フィジカル・レビュー・レターズ（Rhysical Review Letters）、第５６巻（１９８６年）、第９３０頁
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来のＳＰＭでは、得られた表面画像をもとに試料の三次元形状の寸法を測定する。そこでは画像内の２点間の距離を測ることはできるが、画像の視野外の１点を基準位置として画像内の１点との相対的な距離を測ることはできなかった。
【０００９】
ＳＰＭ以外の顕微鏡でも一般的に言えることであるが、分解能の高い観察画像を得るためには観察領域を小さくする、すなわち、倍率を上げる必要がある。測定できる寸法もそれに従って小さくなる。
【００１０】
記録ディスクの分野では、記録マークの微細化が進んでおり、研究レベルでは１００ｎｍ以下に達している。このような微細なマーク列の数１０μｍ以上の長周期のパターン揺らぎをｎｍの精度で測定したいという要求がある。従来のＳＰＭでは、この様な測定は不可能であった。
【００１１】
本発明の目的は、走査型プローブ顕微鏡の技術分野において、上述の様な測長を可能にする走査型プローブ顕微鏡及びその測定方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明による走査型プローブ顕微鏡は、試料に対向するプローブと試料との相対位置を検出する位置検出手段と、位置検出手段の検出結果を記憶する記憶手段と、第１の画像上の少なくとも１点を基準位置として、第１の画像の視野外に位置する第２の画像上の座標を位置検出手段の検出結果から得る手段とを備えている。
【００１３】
本発明によると、プローブと試料の相対位置を検出する位置検出手段は、観察画像上の位置信号を検出するので、第１の画像と、その視野外に位置する第２の画像の相対的な位置関係を得ることができる。
【００１４】
以下，本発明の代表的な構成例を列挙する。
【００１５】
（１）本発明の走査型プローブ顕微鏡は、試料に対向して設置されたプローブと、前記プローブを前記試料に対して相対的に移動させる移動手段と、前記プローブと前記試料の間の相互作用を検出する検出手段と、前記移動手段による前記プローブの試料表面への走査により前記検出手段から得られる検出結果に基き、前記試料表面の情報を反映した画像を形成する手段とを有し、かつ、前記プローブと前記試料の相対位置を検出する位置検出手段と、前記位置検出手段の検出結果を記憶する記憶手段とを設けて、第１の画像上の少なくとも１点を基準位置として前記第１の画像の視野外に配置された第２の画像上の所望とする位置座標を、記憶された前記位置検出手段の検出結果に基いて計測するよう構成したことを特徴とする。
【００１６】
（２）本発明の走査型プローブ顕微鏡は、試料に対向するように設置されたプローブと、前記試料を３次元的に移動させる移動手段と、前記プローブを３次元的に微動させる微動手段と、前記プローブと前記試料の間の相互作用を検出する検出手段と、前記プローブにより試料表面を走査して、前記検出手段から得られる検出結果に基づいて前記試料表面の情報を反映した画像を形成する手段とを有し、かつ、前記プローブと前記試料の相対位置を検出する位置検出手段と、前記位置検出手段の検出結果を記憶する記憶手段とを設けて、第１の画像上の少なくとも１点を基準位置として前記第１の画像の視野外に位置する第２の画像上の所望とする位置座標を、記憶された前記位置検出手段の検出結果に基いて計測するようにしたことを特徴とする。
【００１７】
（３）本発明の走査型プローブ顕微鏡の測定方法は、試料にプローブを接近あるいは接触させる工程と、前記プローブを走査する工程と、前記試料と前記プローブの相互作用を検出する工程と、検出された結果に基づいて前記試料表面を反映した画像を取得する工程とを有し、かつ、前記試料と前記プローブの相対位置を計測する工程と、計測された相対位置を記憶する工程と、第１の画像上の少なくとも１点を基準として前記第１の画像の視野外の第２の画像上の所望とする位置座標を前記記憶された相対位置から得る工程を含むことを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について、図面を参照して説明する。なお、理解を容易にするため以下に説明する図において、図３で説明した構成要素と同じ動作を行う要素には図３と同一の名称及び符号を付けている。
【００１９】
図１は、本発明による走査型プローブ顕微鏡の一実施例を示すブロック図である。カンチレバー２の自由端には、尖鋭化された探針１が設けられている。試料３は、探針１と試料３の接近及び退避を行う為のＺステージ１１１上に設けられた試料保持部に保持されている。また、Ｚステージ１１１は、試料３を所望の観察位置に移動するためのＸＹステージ１１２上に設置されている。カンチレバー２は、探針１が試料３に対向するようにＸＹ微動機構６０２に配置されている。ＸＹ微動機構６０２は、Ｚ微動機構６０１に固定されており、それらを駆動することにより、探針１は試料３上をＸＹＺ方向に微動できる。
【００２０】
ＸＹ微動機構６０２及びＺ微動機構６０１としては、圧電材料から成るチューブ型の微動機構、積層タイプの圧電素子を３個組合わせて構成するトライポッド型の微動機構、あるいは圧電素子の駆動による弾性体の弾性変形を利用した平行平板型の微動機構等が利用される。更にチューブ型、トライポッド型、平行平板型の微動機構を適当に組み合わせて構成することもできる。
【００２１】
一例として、図２に示した平行平板型の微動機構について説明する。ここでは一軸のみを示しているが、例えば、この基本となる１軸微動機構を２個直交するように組み合わせることによりＸＹ微動機構を構成することができる。
【００２２】
図２に示されるように、ワイヤカット加工により固定部６０３、移動部６０４及び弾性変形部６０６を一体構造で形成する。固定部６０３と移動部６０４の間に挟み込んで固定された積層タイプの圧電素子６０５を矢印の方向に駆動して力を加えることにより、弾性変形部６０６が弾性変形し、固定部６０３に対して移動部６０４が動くことになる。この場合、移動部６０４の移動方向は弾性変形部６０６の変形方向に従って、固定部６０３と平行な方向に制限されることになる。従って、平行平板型微動機構ではチューブ型スキャナ等のように移動方向に回転成分を含まないので、圧電素子の非線形性等を補正する場合に都合が良い。
【００２３】
ここで、図１を用いて本発明の基本的な動作を説明する。Ｚステージ１１１により探針１と試料３を接近させると、それらの間に働く原子間力によりカンチレバー２が撓む。この撓み量はレバー変位検出部４で検出され、Ｚサーボ回路５へ出力される。Ｚサーボ回路５では、この撓み信号がＺサーボ回路５で設定される基準値と比較され、その偏差信号に対応したＺ駆動信号がＺ微動機構６０１へ出力される。このフィードバック制御により、カンチレバー２の撓み量が一定に保持され、探針１と試料３の間に働く原子間力が一定になるようにＺ微動機構６０１がＺ方向に駆動される。
【００２４】
一方、ＸＹ信号発生部８は、ＸＹ微動機構６０２をＸＹ走査させるためのＸトリガ信号及びＹトリガ信号をＸＹ走査回路７へ出力する。ＸＹ走査回路７では、Ｘ変位検出部１４１、および図１では省略しているがＸ変位検出部１４１と同様の構成を持ったＹ変位検出部で検出されたＸＹステージ１１２とＸＹ微動機構６０２のＸ及びＹ方向の相対変位に対応した変位信号と、Ｘ及びＹトリガ信号とがそれぞれ比較され、それらの偏差信号に対応するＸ及びＹ駆動信号がＸＹ微動機構６０２へ出力される。すなわち、ＸＹ走査動作の際、ＸＹ信号発生部８で生成されたＸトリガ信号及びＹトリガ信号で示されるＸＹ座標位置にＸＹ微動機構６０２が正確に変位するようにフィードバック制御が行われ、ＸＹ微動機構６０２の非線形性誤差を補正する。
【００２５】
ここで、Ｘ及びＹ変位検出部１４１、１４２について、図１に明示されているＸ変位検出部１４１を取り上げて説明する。Ｘ変位検出部１４１では、光源１７から出射されたレーザ光が偏光ビームスプリッタ１５に入射する。偏光ビームスプリッタ１５では入射レーザ光が２つに分割される。一方のレーザ光Ａは４分の１（１／４）波長板Ａ１８を通って、ＸＹステージ１１２に固定されたミラーＡ１２で反射された後、再び４分の１波長板Ａ１８を介して偏光ビームスプリッタ１５に入射する。他方のレーザ光Ｂは直角プリズム１６で９０度方向が変えられ、４分の１（１／４）波長板Ｂ１９を通って、ＸＹ微動機構６０２に固定されたミラーB１３で反射された後、再び四分の一波長板Ｂ１９、直角プリズム１６を介して偏光ビームスプリッタ１５に入射する。
【００２６】
４分の１波長板Ａ１８及び４分の１波長板Ｂ１９は、その光軸が偏光ビームスプリッタ１５で分割された２つのレーザ光Ａ、Ｂの偏光方向に対していずれも４５度の角度を成すように配置されているので、偏光ビームスプリッタ１５にミラーから反射して戻ってきたレーザ光の偏光方向は、元の射出光の偏光方向と９０度異なったものになる。従って、ミラーＡ１２から反射してきたレーザ光Ａは、偏光ビームスプリッタ１５を透過して、レーザ干渉測長器１４に入射され、ミラーＢ１３から反射してきらレーザ光Ｂは偏光ビームスプリッタ１５で反射して、レーザ干渉測長器１４に入射される。
【００２７】
レーザ干渉測長器１４では、これら２つのレーザ光Ａ、Ｂが重ね合され、それらの光路差のために互いに干渉する。この干渉現象はＸＹステージ１１２とＸＹ微動機構６０２のＸ方向の相対変位量の２倍に相当する光路差となって現れる。この干渉現象を光学的に検出することにより、ＸＹステージ１１２とＸＹ微動機構６０２のＸ方向の相対変位量を高分解能に測定することができる。
【００２８】
Ｙ変位検出部も全く同様な構成を持ち、ＸＹステージ１１２とＸＹ微動機構６０２のＹ方向の相対変位量を高分解能に測定することができる。
【００２９】
ここで使用したレーザ光の波長は、６７０ｎｍであるので、ＸＹステージ１１２とＸＹ微動機構６０２のＸ方向の相対変位量が半波長に相当する３３５ｎｍの場合に、この干渉現象の位相変化２πラジアンとなって現れる。通常、この位相は１００から１０００分割して検出されるので、相対変位量としては３.３から０.３ｎｍの分解能で検出される。従って、ＸＹ微動機構６０２の非線形性誤差を、このような高分解能で補正することができる。
【００３０】
また、ＸＹ信号発生部８から出力されるＸトリガ信号とＹトリガ信号は、画像取得部９にも入力され、Ｚ微動機構６０１のＺ駆動信号をサンプリングするタイミング信号となる。更に、本実施例では、Ｚ駆動信号と共にＸ変位検出器１４１及びＹ変位検出部からのＸ及びＹ変位信号もサンプリングされる。画像取得部９でサンプリングされたＸ、Ｙ、Ｚ変位信号は、その時のＸトリガ信号及びＹトリガ信号と共に画像取得部９内の記憶部に保存される。記憶部に保存された信号は試料３の表面形状を表わす画像として表示部１０に表示される。
【００３１】
次に、図１及び図４を用いて本実施例の測定動作を説明する。ここでは、長さ１００ｎｍ、幅７０ｎｍ、深さ１２０ｎｍの微細なピット３０１の列を、図４に示される様に表面に形成した記録ディスク等の試料３を取り上げて説明する。
【００３２】
先ず、ＸＹステージ１１２を動作させて探針１を測定領域３０２の測定開始点（１）に位置決めする。上述の表面形状の画像取得動作が実行され、その結果として、その位置での表面形状を表わす第１の測定画像が得られる。画像取得動作は、探針１が測定開始点へ戻り終了する。その画像内の各位置でのＸＹ座標は、Ｘ変位検出部１４１及びＹ変位検出部により検出され画像取得部９に記憶されている。
【００３３】
次に、ＸＹステージ１１２を動作させて探針１を測定領域３０３の測定開始点（２）に位置決めする。この位置決め動作では、Ｘ変位検出部１４１及びＹ変位検出部を用いて測定領域３０２及び３０３の相対変位量が高精度に検出され、画像取得部９に記憶される。即ち、測定開始点（１）と測定開始点（２）の相対座標値が記憶される。
【００３４】
次に、測定領域３０３で表面形状測定動作が実行され、その位置の表面形状を表す第２の測定画像が得られる。その画像内の各位置でのＸＹ座標は、Ｘ変位検出部１４１及びＹ変位検出部により検出され、画像取得部９に記憶されている。第１の画像上の少なくとも１つの座標（ｘ0、ｙ0）で示されるピット位置から、第２の画像上の各位置の相対座標は画像取得部９の記憶データを元に算出される。
【００３５】
上述の様に、本実施例によれば、第１画像上の任意位置に対する、第１画像の視野外に位置する第２の画像上の任意位置の相対座標が、Ｘ変位検出部１４１及びＹ変位検出部の検出分解能３.３ｎｍから０.３ｎｍを以って得られるので、数１００ｎｍから数１０ｎｍの寸法の微細なピット列の長周期のパターン揺らぎをｎｍの分解能で評価することができる。
【００３６】
本実施例では、探針１が試料３に常時接触した状態で制御する計測モードの場合を示したが、本発明は、探針１と試料３が非接触の場合、あるいは探針１と試料３が断続的に接触と非接触を繰り返す場合等、他のすべての計測モードにも適用可能である。
【００３７】
更に、本発明は、探針と試料の間に働く力を利用した原子間力顕微鏡のみならず、探針と試料の間に流れるトンネル電流を利用した走査型トンネル顕微鏡や、磁性試料から漏洩する磁界を検出して磁気的な情報を得る磁気力顕微鏡、探針と試料の間の静電容量を検出する静電容量顕微鏡、探針と試料の間の静電気力を利用した静電気力顕微鏡、あるいは近接場光を利用して試料表面の光学的な情報を得る近接場光顕微鏡等、他のすべての走査型プローブ顕微鏡に対して、探針による検出物理量に依存せずに適用可能であることは言うまでもない。
【００３８】
以上のように、本発明によれば、プローブと試料の相対位置を検出する位置検出手段と検出された位置信号を記憶しておく手段を有しているので、第１の画像とその視野外に位置する第２の画像の相対的な位置関係を得ることができる。従って、１ｎｍ以下の分解能を以って計測された表面形状の、例えば１００μｍ以上の長周期のパターン揺らぎを１ｎｍ以下の分解能で評価することが可能となる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、測定画像の視野外の少なくとも１点を基準位置としてその画像内の所望とする位置との距離を高精度に測定することが可能な走査型プローブ顕微鏡が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による走査型プローブ顕微鏡の一実施例を説明するブロック図。
【図２】本発明における平行平板駆動機構の構成の一例を示す図。
【図３】従来技術の構成を説明するブロック図。
【図４】本発明による測定動作を説明する図。
【符号の説明】
１…探針、２…カンチレバー、３…試料、３０１…ピット、３０２、３０３…測定領域、４…レバー変位検出部、５…Ｚサーボ回路、６…ＸＹＺスキャナ、６０１…Ｚ微動機構、６０２…ＸＹ微動機構、６０３…固定部、６０４…移動部、６０５…圧電素子、６０６…弾性変形部、７…ＸＹ走査回路、８…ＸＹ信号発生部、９…画像取得部、１０…画像メモリ、１１１…Ｚステージ、１１２…ＸＹステージ、１２…ミラーＡ、１３…ミラーＢ、１４…レーザ干渉測長器、１５…偏光ビームスプリッタ、１６…直角プリズム、１７…光源、１８…１／４波長板Ａ、１９…１／４波長板Ｂ、１４１…Ｘ変位検出部。

Claims

試料に対向して設置されたプローブと、前記プローブを前記試料に対して相対的に移動させる移動手段と、前記プローブと前記試料の間の相互作用を検出する検出手段と、前記移動手段による前記プローブの試料表面への走査により前記検出手段から得られる検出結果に基づき、前記試料表面の情報を反映した画像を形成する手段と、前記プローブと前記試料の相対位置を検出する位置検出手段と、前記位置検出手段の検出結果を記憶する記憶手段と、前記位置検出手段の検出結果を基に前記プローブの前記試料に対する移動及び走査位置を補正する手段とを有し、形成された第１の画像上の少なくとも１点を基準位置として前記第１の画像の視野外に配置された第２の画像上の所望とする位置座標を、記憶された前記位置検出手段の検出結果に基づいて計測するよう構成したことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
前記プローブは、カンチレバーの自由端に設けられた探針を有し、前記探針と前記試料表面の間の相互作用を検出するようにした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。
前記移動手段は、前記探針と前記試料との間に働く原子間力による前記カンチレバーの撓み量を検出し、検出された撓み信号を予め定めた基準値と比較して、その偏差に対応した信号により、前記探針と前記試料との間に働く前記原子間力が一定になるように制御するよう構成されていることを特徴とする請求項２記載の走査型プローブ顕微鏡。
前記移動手段は、前記試料を３次元的に移動させる第１の移動手段と、前記プローブを３次元的に移動させる第２の移動手段とを有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。
前記位置検出手段は、レーザ光源と偏光ビームスプリッタとレーザ干渉測長器とを有し、前記レーザ光源から出射したレーザ光を、前記偏光ビームスプリッタを介して前記第１の移動手段と前記第２の移動手段のそれぞれへ入反射せしめて、前記レーザ干渉測長器により前記プローブと前記試料の相対位置を検出するよう構成されていること特徴とする請求項４記載の走査型プローブ顕微鏡。
前記第２の移動手段は、前記プローブの移動方向を、圧電素子の駆動による弾性体の弾性変形の方向に制限した機構を有することを特徴とする請求項４記載の走査型プローブ顕微鏡。
試料に対向するように設置されたプローブと、前記試料を３次元的に移動させる移動手段と、前記プローブを３次元的に微動させる微動手段と、前記プローブと前記試料の間の相互作用を検出する検出手段と、前記プローブにより試料表面を走査して、前記検出手段から得られる検出結果に基づいて前記試料表面の情報を反映した画像を形成する手段と、前記プローブと前記試料の相対位置を検出する位置検出手段と、前記位置検出手段の検出結果を記憶する記憶手段と、前記位置検出手段の検出結果を基に前記プローブの前記試料に対する移動及び走査位置を補正する手段とを有し、形成された第１の画像上の少なくとも１点を基準位置として前記第１の画像の視野外に位置する第２の画像上の所望とする位置座標を、記憶された前記位置検出手段の検出結果に基いて計測するようにしたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
試料にプローブを接近あるいは接触させる工程と、前記プローブを走査する工程と、前記試料と前記プローブの相互作用を検出する工程と、検出された結果に基づいて前記試料表面を反映した画像を取得する工程とを有し、かつ、前記試料と前記プローブの相対位置を計測する工程と、計測された相対位置を記憶する工程と、第１の画像上の少なくとも１点を基準として前記第１の画像の視野外の第２の画像上の所望とする位置座標を前記記憶された相対位置から得る工程とを有し、前記計測された相対位置を基に前記プローブの前記試料に対する移動及び走査位置を補正する工程とを備えることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の測定方法。
前記プローブとして、カンチレバーの自由端に設けた探針を用い、前記探針の先端と前記試料表面の間の相互作用を検出するようにしたことを特徴とする請求項８記載の走査型プローブ顕微鏡の測定方法。