JP4131807B2 - 走査型プローブ顕微鏡の焦点合せ方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は走査型プローブ顕微鏡の焦点合せ方法に関し、特に、光学顕微鏡等の広視野観察装置が複合された走査型プローブ顕微鏡の焦点合せ方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
走査型プローブ顕微鏡は、従来、原子オーダまたは原子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、半導体デバイスが作られる基板等の表面の凹凸形状の計測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、原子間力を利用する原子間力顕微鏡、磁気力を利用する磁気力顕微鏡等があり、それらの応用範囲も拡大しつつある。
【０００３】
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の用途にまで使用されてきている。以下の説明では原子間力顕微鏡の例を説明する。
【０００４】
図４に原子間力顕微鏡の基本的な構成の一例を示す。この原子間力顕微鏡は、本来の原子間力顕微鏡の原理に基づく測定機構と共に、広視野顕微鏡として光学顕微鏡を備え、複合的な構成を有している。
【０００５】
図４において、例えば水平に設置された定盤（図示せず）の上にＸＹＺステージ１１を配置している。ＸＹＺステージ１１は試料ステージであり、その上に半導体基板等の薄板状の試料１２が置かれている。試料１２の位置は安定に保持されている。ＸＹＺステージ１１は、図中水平面（ＸＹ平面）における位置決めのためのＸＹ移動機構と、Ｚ軸方向の探針接近機構とから構成される。ＸＹＺステージ１１は、例えば、パルスモータおよび駆動力伝達機構、あるいは機構学的な構成を利用した積み重ね式構造等により比較的に大きな移動量で位置変化を生じさせる。
【０００６】
上記定盤上には、例えば、掛渡し形状のフレーム（図示せず）が設けられている。このフレームの水平部に取り付けられることにより、試料１２の上方位置に、駆動機構２１を備えた光学顕微鏡２２が配置される。駆動機構２１は、Ｚ軸方向に光学顕微鏡２２を動かすもので、光学顕微鏡の焦点合せ（フォーカス）のための機構である。光学顕微鏡２２は、その対物レンズ２２ａ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２２の上端部にはカメラ２３が付設されている。
【０００７】
上記フレームの水平部にはＸＹＺ微動機構２４が取り付けられ、図示されるごとく配置されている。ＸＹＺ微動機構２４は、通常、圧電素子で構成される。ＸＹＺ微動機構２４にはトライポッド型あるいはチューブ型、平行平板型等のものが存在する。ＸＹＺ微動機構２４によって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）の変位を生じさせることができる。
【０００８】
ＸＹＺ微動機構２４の下端には、先端に探針２５が形成されたカンチレバー２６が取り付けられている。探針２５は、試料１２の表面に対向している。カンチレバー２６の背面には反射面が形成されている。カンチレバー２６の上方に配置されたレーザ光源（レーザ発振器）２７から出射されたレーザ光２８がカンチレバー２６の背面における探針２５に近い部分に照射される。カンチレバー２６の背面で反射されたレーザ光２８は光検出器２９より検出される。カンチレバー２６において捩れや撓みが生じると、光検出器２９におけるレーザ光２８の入射位置が変化する。従って探針２５およびカンチレバー２６で変位が生じると、光検出器２９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することができる。なおその他の検出装置として光干渉を利用した装置もある。
【０００９】
上記の原子間力顕微鏡の構成に対して、制御系として、比較器３１、制御器３２、制御装置３３が設けられる。比較器３１は、光検出器２９から出力される電圧信号と基準電圧（Vref）とを比較し、その偏差信号を出力する。制御器３２は、比較器３１から出力される偏差信号が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２４内のＺ微動部に与える。制御装置３３は、光学顕微鏡２２で得られる画像の管理・処理を行う画像処理部３３ａ、原子間力顕微鏡による測定のデータの管理・処理するデータ処理部３３ｂ、ＸＹＺ微動機構２４のＸＹ走査に関する動作を制御する微動機構制御部３３ｃ、ＸＹＺステージ１１の動作に関するステージ制御部３３ｄ、および画像表示処理部３３ｅを備える。制御装置３３は記憶部３４と表示装置３５を備える。入力された各種のデータ、および上記各種の機能を実現するプログラムは記憶部３４に保存されている。表示装置３５の画面には画像表示処理部３３ｅで作られた試料表面に係る形状等の画像が表示される。
【００１０】
制御装置３３には、カメラ２３からの画像信号ｓ１、制御器３２から出力される制御信号ｓ２が入力される。また制御装置３３からは、ＸＹＺ微動機構２４のＸ軸方向とＹ軸方向の微動部（ＸＹ微動機構部分）を駆動させるＸＹ走査信号ｓ３、ＸＹＺステージ１１のＸ，Ｙ，Ｚの各ステージ部分を駆動させる各駆動信号ｓ４〜ｓ６が出力される。
【００１１】
制御装置３３は、通常、ＰＣ（パーソナル・コンピュータ）であり、表示装置３５はＰＣのディスプレイである。表示装置３５の画面に表示される内容は、光学顕微鏡２２による映像（光学顕微鏡像）と、原子間力顕微鏡に基づいて得られた凹凸情報と位置情報により作成される試料１２の表面画像である。
【００１２】
上記の構成で、ＸＹＺステージ１１によって探針２５を試料１２の表面に接近させると、両者の間に原子間力が作用してカンチレバー２６に撓みが起きる。カンチレバー２６の撓み量はレーザ光２８と光検出器２９を用いて検出される。この検出には、一般的に、図示された光てこ法が利用される。この状態において、当該カンチレバー２６の撓み量を一定に保つように、制御器３２によってＸＹＺ微動機構２４によるＺ軸方向の伸縮動作を制御する。制御器３２はフィードバック制御を行う。探針・試料間の距離を一定に保つことにより、カンチレバー２６の撓み量が一定に保たれる。ＸＹＺ微動機構２４のＸとＹの微動機構部分の動作に基づいて、試料１２の表面を探針２５によってＸおよびＹの方向に走査しながら、かつＸＹＺ微動機構２４のＺ微動部によるカンチレバー２６の撓み量を一定に保持する制御を行うことにより、試料１２の表面の凹凸形状を測定する。
【００１３】
上記構成を有する原子間力顕微鏡において、より広い観察視野を有する光学顕微鏡２２の役割は次の通りである。
【００１４】
第１に光軸を合せることである。上記構成によれば、カンチレバー２６にレーザ光２８を照射し、光てこ式光学検出系を形成している。その光軸合せに光学顕微鏡２２を用いる。カンチレバー２６は、長さが数十〜２００μｍ、幅が１０〜５０μｍ程度である。従って肉眼で光軸合せを行うことは操作性が悪く、光学顕微鏡を見ながら行うことが必須となる。この場合、光学顕微鏡２２の焦点はカンチレバー２６の背面に合せられる。そのときの焦点距離はｄｃである。
【００１５】
第２に観察場所の特定である。原子間力顕微鏡は極めて高い測定分解能を有しているが、その測定範囲が狭く、リアルタイムの測定を行うことは現状困難である。そこで、光学顕微鏡２２によって測定試料の表面を大きな視野で全体的に観察し、さらに細かく観察したい場所を原子間力顕微鏡の測定部に対応する位置にセットする。この場合、光学顕微鏡２２の焦点は試料１２の表面に合せられる。そのときの焦点距離はｄｓである。
【００１６】
光学顕微鏡２２の焦点合せは、通常の装置によれば、人間が手動で操作することが多い。しかし、半導体製造装置のインライン自動検査として原子間力顕微鏡が用いられるようになったことから、焦点合せ動作も自動化される必要がある。一般的には、自動焦点合せ機構を搭載することが考えられるが、原子間力顕微鏡が本来的に有する制約（例えば光学顕微鏡の観察視野内にカンチレバーが映る等）があり、一般的に用いられるコントラスト法などを適用するだけでは容易に自動化することができない。なおカンチレバー２６と光学顕微鏡２２を別の位置に配置することもできるが、観察場所の合せ込み、実時間での測定箇所のモニタリングなどの操作性を考えると、カンチレバーと光学顕微鏡は同軸的な位置関係で構成することが望ましい。
【００１７】
図５〜図７に基づいて光学顕微鏡２２による観察状態を説明する。図５は光学顕微鏡２２の焦点を試料表面から離れた位置にあるカンチレバー２６（探針２５）の背面に合せた状態を示し、図６は探針２５を試料表面から離した状態で光学顕微鏡２２の焦点を試料表面に合せた状態を示し、図７は探針２５を試料表面に接近させた状態で光学顕微鏡２２の焦点を試料表面に合せた状態を示している。図５〜図７の各々で（Ａ）は装置要部の側面図、（Ｂ）は光学顕微鏡による観察視野の図を示している。
【００１８】
図５の（Ａ）において、カンチレバー２６はＸＹＺ微動機構２４に設けられているので、カンチレバー２６の高さ位置（Ｚ軸方向の位置）を決めるＸＹＺ微動機構２４のＺ微動部の位置（Ｚｐ＝Ｚｐ１）に基づいて光学顕微鏡２２の駆動機構２１の動作位置を調整する。図に示されるごとく、ＸＹＺステージ１１によるＺ軸方向の高さ（Ｚ）はＺ１、駆動機構２１によって設定された高さ位置（Ｚｆ）はＺｆ１、焦点距離ｄｃはＦである。４１は焦点が合された状態をイメージ的に示している。ＸＹＺ微動機構２４のＺ微動部の動作範囲は、通常、１０μｍ以下のレベルであるが、光学顕微鏡２２の倍率が高い場合には被写界深度が狭くなり、光学顕微鏡２２による焦点ずれが生じやすい。図５の（Ｂ）において、光学顕微鏡２２の観察視野２２Ａではカンチレバー２６の先端部の像２６Ａが観察されている。
【００１９】
図６の（Ａ）において、光学顕微鏡２２の焦点位置は駆動機構２１の動作に基づいて試料１２の表面に合せられている。カンチレバー２６は光学顕微鏡２２に対して同軸的な位置関係にあるが、焦点が合されていないので、図６の（Ｂ）に示すごとく光学顕微鏡２２の観察視野２２Ａでは試料表面の像のみが観察される。光学顕微鏡２２による観察像において、原子間力顕微鏡によって測定したい箇所（例えばＰ１のパターン）を見つけて、通常、光学顕微鏡２２の観察範囲の中心位置にセットする。自動測定の場合には、予め測定したい箇所の試料表面パターンを記憶しておき、パターン認識技術を複合させて自動的に測定箇所のセットを行うように構成される。
【００２０】
最後の段階では、図７の（Ａ）に示されるごとく、ＸＹＺステージ１１の探針接近機構（Ｚ粗動機構）を動作させ、探針２５と試料１２を接近させる。この場合、カンチレバー２６はその撓み量が目標値になるまで接近させるが、通常では、ＸＹＺ微動機構２４のＺ微動部によるストロークの中心点（Ｚｐ＝Ｚｐ３）になるように制御することが多い。図７の（Ｂ）によれば、試料１２の表面に焦点が合っている状態である。カンチレバー２６は、探針の長さの分だけ焦点合せ位置が異なるので、ピンぼけ状態となって映し出される。この状態において原子間力顕微鏡による測定を行うことになるが、観察位置の微小なずれがある場合には、光学顕微鏡２２で試料表面を観察して補正を行う必要がある。カンチレバー２６の映像は、場所の特定で妨害となる。これを防止するため、例えば他のパターンＰ２を新たに光学顕微鏡の観察視野の中心にセットして、測定し直すこともある。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
光学顕微鏡２２が装備された原子間力顕微鏡において、光学顕微鏡２２は各場合でその対象に対して焦点を合せることが必要である。測定操作者が手動によって光学顕微鏡２２の焦点合せを行うときには問題は起きない。他方、焦点合せを自動的に行う場合には、光学顕微鏡２２の光軸に対してカンチレバー２６の位置が同軸的な位置関係となるという制約から、単純な自動フォーカス技術を使用することは困難である。また複雑なアルゴリズムを有する自動フォーカス技術を用いると、焦点合せに要する時間が長くなり、測定システムのスループットを阻害するという問題も起きる。
【００２２】
また図５〜図７の（Ｂ）で示された光学顕微鏡２２の観察視野による映像パターンにおける幾何学的な位置関係を予め記憶しておき、状態に応じて各点の焦点合せを行うようにすることも考えられる。しかしながら、カンチレバー製造プロセスにおける探針の長さのバラツキ、探針摩耗に伴う探針長さの変化、カンチレバー取り付け時の位置誤差、またはアルゴリズムの不確定である点などの理由によって、単純に上記の自動焦点合せを行うことには限界がある。特に、光学顕微鏡２２を高倍率で使用する場合には、被写界深度が浅くなり、位置誤差により適正な焦点合せを行うことができないことが多い。
【００２３】
本発明の目的は、上記課題に鑑み、光学顕微鏡等の広視野顕微鏡が複合されて成る走査型プローブ顕微鏡において、試料の表面やカンチレバー等の背面への光学顕微鏡等の焦点合せ操作を容易に行うことができ、簡易な方法で自動的な焦点合せを可能とし、測定の自動化に適した走査型プローブ顕微鏡の焦点合せ方法を提供することにある。
【００２４】
【課題を解決するための手段および作用】
本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の焦点合せ方法は、上記目的を達成するために、次のように構成される。
【００２５】
第１の走査型プローブ顕微鏡の焦点合せ方法（請求項１に対応）は、探針で試料を走査して試料表面に関する物理的量（原子間力等）を測定する測定部と、探針を微動させる微動機構と、探針と試料の間隔を小さくする探針接近機構と、広視野顕微鏡（光学顕微鏡等）と、この広視野顕微鏡の焦点合せ用駆動機構とを備える走査型プローブ顕微鏡に適用され、探針接近機構により探針と試料を接近させた状態で試料表面に広視野顕微鏡の焦点を合せ、このときの駆動機構部の位置情報を記憶し、位置情報を基準として自動測定時の広視野顕微鏡の焦点合せを行う方法である。
【００２６】
第２の走査型プローブ顕微鏡の焦点合せ方法（請求項２に対応）は、第１の方法において、好ましくは、駆動機構部は、探針接近機構、広視野顕微鏡の焦点合せ用駆動機構、微動機構の高さ方向微動部であることで特徴づけられる。
【００２７】
第３の走査型プローブ顕微鏡の焦点合せ方法（請求項３に対応）は、第１の方法において、好ましくは、広視野顕微鏡は探針の支持部（カンチレバー等）と同軸的に配置される。
【００２８】
第４の走査型プローブ顕微鏡の焦点合せ方法（請求項４に対応）は、第３の方法において、好ましくは、広視野顕微鏡は試料表面に対して焦点を合せることを特徴とする。
【００２９】
第５の走査型プローブ顕微鏡の焦点合せ方法（請求項５に対応）は、第１の方法において、好ましくは、同じ探針で複数の試料を測定するとき、記憶動作は、第１回目の測定または任意の状態の１つの試料についての測定のときにのみ行われることで特徴づけられる。
【００３０】
第６の走査型プローブ顕微鏡の焦点合せ方法（請求項６に対応）は、第１の方法において、好ましくは、探針交換のときまたは長期使用に伴うドリフトが生じたとき、再度、焦点合せを行い、駆動機構部の位置情報を記憶することを特徴とする。
【００３１】
第７の走査型プローブ顕微鏡の焦点合せ方法（請求項７に対応）は、探針で試料を走査して試料表面に関する物理的量を測定する測定部と、探針を微動させる微動機構と、探針と試料の間隔を小さくする探針接近機構と、広視野顕微鏡と、この広視野顕微鏡の焦点合せ用駆動機構とを備える走査型プローブ顕微鏡に適用され、探針接近機構により探針と試料を接近させた状態で探針の支持部の表面に広視野顕微鏡の焦点を合せ、このときの広視野顕微鏡の焦点合せ用駆動機構、微動機構の高さ方向微動部の位置情報を記憶し、その後に自動測定を行う時、位置情報を基準として広視野顕微鏡の焦点合せを行う方法である。
【００３３】
第８の走査型プローブ顕微鏡の焦点合せ方法（請求項８に対応）は、第７の方法において、好ましくは、広視野顕微鏡は探針の支持部と同軸的に配置されることを特徴とする。
【００３４】
第９の走査型プローブ顕微鏡の焦点合せ方法（請求項９に対応）は、第７の方法において、好ましくは、同じ探針で複数の試料を測定するとき、記憶動作は、第１回目の測定または任意の状態の１つの試料についての測定のときにのみ行われることを特徴とする。
【００３５】
第１０の走査型プローブ顕微鏡の焦点合せ方法（請求項１０に対応）は、第７の方法において、好ましくは、探針交換のときまたは長期使用に伴う温度ドリフトが生じたとき、再度、焦点合せを行い、駆動機構部の位置情報を記憶することを特徴とする。
【００３６】
【作用】
本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の焦点合せ方法においては、光学顕微鏡等の焦点合せの基準座標系を、原子間力顕微鏡等の構成の特徴と制約の中で一意的に定めることが基本的な考え方となっている。
【００３７】
探針を試料に接近させたときに少なくとも一度だけ光学顕微鏡等の焦点を試料表面に合せ、そのときの探針接近機構の動作位置、光学顕微鏡等で設定された焦点位置、およびＺ微動機構部分の動作位置を記憶させておく。これらの位置の情報は、製造プロセス上の探針の長さのバラツキ、カンチレバーの種類に伴う形状、寸法差、あるいは取付け誤差がある場合にも、そのカンチレバーを用いて測定する以上一義的に定まる。
【００３８】
そこで、上記の一義的に定まる位置関係を記憶することにより、焦点合せを自動的に行うとき、その情報を用いて焦点合せの位置を確定できるようにする。特に光学顕微鏡を備えて複合的に構成された原子間力顕微鏡を、例えば自動検査装置として適用する場合には、同じ探針を用いて繰返し測定する場合が多いため、本発明による焦点方法を含む測定方法では、簡単に焦点合せを自動的に行うことが可能となる。
【００３９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００４０】
実施形態で説明される構成、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、従って本発明は、以下に説明される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。
【００４１】
本発明に係る焦点合せ方法が適用される走査型プローブ顕微鏡の構成は、基本的に図４で説明されたものと同じである。従って、実施形態の説明において、装置の部分に関しては図４を参考にして説明を行う。本実施形態では、光学顕微鏡を装備した原子間力顕微鏡での焦点合せを自動的に行う方法を説明する。焦点合せの基本的手順は図５〜図７で説明した手順と同じである。本発明に係る焦点合せ方法および自動測定方法を実施するための制御用プログラムは、記憶部３４に記憶して用意される。
【００４２】
原子間力顕微鏡の自動測定に関して図１および図４〜図７を参照して説明を補足する。原子間力顕微鏡の自動測定の全体工程の手順は次の通りである。
【００４３】
（１）探針交換（ステップＳ１１）：
自動測定に先立って探針２５（カンチレバー２６）を装置に装着し、光てこ式光学検出系の光軸合せを行う。この動作状態は、図５に示された状態に対応している。
【００４４】
（２）試料搭載（ステップＳ１２）：
試料１２としてシリコン半導体基板が一般的である。当該試料は図示しない搬送ロボットによって検査チャンバに搬入され、ＸＹＺステージ１１の上に載置され、固定される。検査が完了した試料１２は搬送ロボットで搬出される。
【００４５】
（３）観察場所の特定と位置出し（ステップＳ１３）：
光学顕微鏡２２によって試料１２の表面を観察し、原子間力顕微鏡で測定したい場所を特定し、当該測定予定場所を原子間力顕微鏡の測定可能位置にセットする。通常、この動作は、光学顕微鏡２２を用いたパターン認識技術によって行われる。この動作状態は、図６に示された状態に対応している。
【００４６】
（４）探針接近（ステップＳ１４）：
ＸＹＺステージ１１内の探針接近機構に基づいて探針２５と試料１２を接近させる。次にカンチレバー２６の撓み量を光てこ式光学検出系によって検出し、所定の撓み量になるまで接近動作を行う。
【００４７】
（５）原子間力顕微鏡による測定（ステップＳ１５）：
或る微小の測定範囲（例えば１０μｍ四方の領域）に対して原子間力顕微鏡の測定部の構成に基づいて測定を行う。通常、１つの試料ではその表面上で複数箇所（たとえば５〜９箇所）の測定が行われる。
【００４８】
（６）試料搬出（ステップＳ１６）：
探針２５を後退させ、図示しない搬送ロボットによって試料１２を搬出する。
【００４９】
（７）繰返しの判断（ステップＳ１７）：
原則的に上記のステップＳ１２に戻るようにして上記のステップＳ１２〜Ｓ１６を繰り返す。
【００５０】
（８）探針摩耗の判断（ステップＳ１８）：
探針２５が摩耗したと判断された場合には、ステップＳ１１に戻るようにする。ステップＳ１１では、カンチレバー２６を交換し、別の探針２５を用いて測定を行えるようにする。その後、上記のステップＳ１２〜Ｓ１７を繰り返す。
【００５１】
以上のステップＳ１１〜Ｓ１８から成る手順によって、原子間力顕微鏡に基づく自動測定が行われる。この原子間力顕微鏡に基づく自動測定では、光学顕微鏡２２による焦点合せが自動的に行われることが必須となる。この自動焦点合せは、光学顕微鏡２２の焦点をカンチレバー２６の背面に合せる時、および光学顕微鏡２２の焦点を試料１２の表面に合せる時に行われる。
【００５２】
次に、図２を参照して、光学顕微鏡２２による自動焦点合せの方法の第１の実施形態を説明する。
【００５３】
半導体基板の自動検査工程において、最初の測定試料、あるいは任意の１つの試料を用いて初期設定を行う。初期設定では、まず、ＸＹＺステージ１１の上に配置された最初の測定試料１２について、この試料１２と探針２５を接近させ、カンチレバー２６の撓み量が所定の状態になるまで接近動作を行う（ステップＳ２１，Ｓ２２）。この接近動作はＸＹＺステージ１１内の探針接近機構に基づいて行われる。カンチレバー２６の撓み量が所定量になり、ステップＳ２２で接近終了と判断されると、その状態で接近動作は停止され、次の焦点合せ（ステップＳ２３）に移行する。
【００５４】
接近が終了した時点で、試料１２の表面に対して光学顕微鏡２２の焦点合せが行われる（光学顕微鏡焦点合せ：ステップＳ２３）。このときの光学顕微鏡２２の状態は、図７に示された状態である。光学顕微鏡２２の焦点合せはカンチレバーの部分を避けて試料表面に対して行われている。この焦点合せは、初期設定であることから、測定操作者によってマニュアル式でやってもよいし、自動的に行うようにしてもよい。このステップＳ２３で、光学顕微鏡２２の焦点が試料表面に合せられたときに、この状態で、ＸＹＺステージ１１内の探針接近機構、光学顕微鏡２２の焦点合せ用駆動機構２１、およびＸＹＺ微動機構２４のＺ微動部のそれぞれの位置Ｚ，Ｚｆ，Ｚｐを位置データとして記憶する。そのときの位置データは、Ｚ＝Ｚ３，Ｚｆ＝Ｚｆ３，Ｚｐ＝Ｚｐ３となる。
【００５５】
以上によって、最初の測定試料１２等に関して初期設定が完了する。次のステップＳ２４では、次およびそれ以降に搬入される複数の試料１２のそれぞれに関して自動測定が行われる。当該自動測定は、前述したステップＳ１１〜Ｓ１８に従って測定が行われる。自動測定は、試料１２が搬入されるごとに繰り返される。自動測定のその時々において、光学顕微鏡２２の焦点合せを行うことが必要である。光学顕微鏡２２の焦点合せは、図２のステップＳ２４に示されるごとく、「場合１」、「場合２」、「場合３」の３通りがある。「場合１」は試料表面から離れているカンチレバー２６の背面への焦点合せであり（ステップＳ１１、図５に対応）、「場合２」は試料表面からカンチレバー２６が離れて焦点ずれ（デフォーカス）状態での試料１２の表面への焦点合せであり（ステップＳ１３、図６に対応）、「場合３」は探針接近時の試料１２の表面への焦点合せである（ステップＳ１４、図７に対応）。なお図２のステップＳ２４では、「場合４」として、上記の３通り以外の場合の焦点合せがあることを想定して示している。
【００５６】
本実施形態による光学顕微鏡の自動焦点合せでは、探針２５が試料１２の表面に接近した状態で上記各部の位置情報Ｚ，Ｚｆ，Ｚｐを予め記憶しておき、これらを基準としてその他の状態での焦点合せを行うようにしている。この方式による光学顕微鏡２２の自動焦点合せによれば、探針の長さのバラツキ、カンチレバーの種類に伴う寸法形状、あるいはカンチレバー取付け時の位置誤差等によらず、現在の測定状況において一義的に定まる焦点合せ位置情報を使用する。従って、複雑な自動焦点合せのための処理を行うことなく、簡単な焦点合せを自動的に正確に行うことができる。
【００５７】
なお長時間の測定において、温度変動などで焦点合せの位置にドリフトが生じる可能性が想定される。このような場合には、例えば光学顕微鏡２２のパターン認識を行う際に、焦点合せがうまくできないときにはパターン認識ができないということを利用してエラー信号を発生させ、このときには再度探針接近位置での初期設定の焦点合せをやり直すように構成することも可能である。
【００５８】
また探針を新たなものに交換する場合にも、同様に、探針接近位置での初期設定の焦点合せをやり直すことを前提としている。
【００５９】
上記の第１の実施形態によれば、複雑かつ高価な自動焦点合せの技術を搭載することなく、極めて簡易な焦点合せ手順にて原子間力顕微鏡による自動計測を行うことができる。
【００６０】
次に、図３を参照して、光学顕微鏡２２による自動焦点合せの方法の第２の実施形態を説明する。
【００６１】
この焦点合せの場合には、カンチレバー２６の種類を選択して標準の探針長さ（ｒ）の情報を入力しておく（ステップＳ３１）。次に光学顕微鏡２２の焦点をカンチレバー２６の背面に合せる。これは図５に示された状態である。この状態で、駆動機構２１の位置（焦点位置）およびＸＹＺ微動機構２４のＺ微動部の位置を記憶する（ステップＳ３２）。次に原子間力顕微鏡による自動測定を行う（ステップＳ３３）。原子間力顕微鏡の自動測定での光学顕微鏡２２の自動焦点合せは、ステップＳ３２で記憶された位置データを用いて行われる。
【００６２】
図４に示された構成によれば、探針と試料の接近は試料側に設けられたＸＹＺステージ１１内の探針接近機構によって行うので、カンチレバー２６の位置はＸＹＺ微動機構２４のＺ微動部のストローク内（例えば５μｍ）しか動かず、簡易な基準となる。さらに、カンチレバー２６に対して焦点合せを行った時のＺ微動部のＺ微動位置の情報も記憶して補正できるので、正しい基準位置とすることができる。
【００６３】
本実施形態によれば、光学顕微鏡が低い倍率を有するものであり、比較的に被写界深度が大きい場合に有効に作用する。第１の実施形態に比較すると、探針長さのバラツキなどの誤差が大きくなるが、数μｍのバラツキの場合、実用的に十分に使用することが可能である。
【００６４】
以上の実施形態の説明で明らかなごとく、本実施形態による光学顕微鏡の自動焦点合せ（自動フォーカス）の方法によれば、探針接近位置における試料表面の位置、探針の位置を基準にして、記憶したその座標情報を用いて、その他の場合の焦点合せを行うものである。従って、例えばコントラスト法、その他の自動フォーカスアルゴリズムを用いる場合に比較して極めて短時間で焦点合せを行うことができ、検査装置としてのシステムスループットを向上させることができる。さらに、新たな構成やアルゴリズムが不要なため、安価な自動焦点合せシステムを構築することができる。
【００６５】
上記の実施形態では、光学顕微鏡を備えた原子間力顕微鏡での自動焦点合せの例を説明したが、他の類似の広視野顕微鏡を備える他の走査型プローブ顕微鏡においても同様に本発明に係る自動焦点合せの方法を適用することができるのは勿論である。
【００６６】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように本発明によれば、光学顕微鏡等の広視野顕微鏡を備えた原子間力顕微鏡等の走査型プローブ顕微鏡において、自動測定を行うときに必要となる各場合の自動焦点合せで、初期設定の段階で必要な位置情報を得て記憶しておき、その後の自動測定での焦点合せで利用するようにしたため、試料の表面やカンチレバーの背面への焦点合せの自動操作を容易に行うことができる。特に、測定の自動化が必要とされる原子間力顕微鏡等の走査型プローブ顕微鏡において実用的な自動測定が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】原子間力顕微鏡での自動測定の手順を示すフローチャートである。
【図２】本発明に係る焦点合せ方法の第１の実施形態を示すフローチャートである。
【図３】本発明に係る焦点合せ方法の第２の実施形態を示すフローチャートである。
【図４】走査型プローブ顕微鏡の一例である光学顕微鏡付き原子間力顕微鏡の基本的構成を示す構成図である。
【図５】光学顕微鏡の焦点合せの第１の場合の例を説明する図である。
【図６】光学顕微鏡の焦点合せの第２の場合の例を説明する図である。
【図７】光学顕微鏡の焦点合せの第３ 場合の例を説明する図である。
【符号の説明】
１１ ＸＹＺステージ
１２ 試料
２１ 駆動機構
２２ 光学顕微鏡
２３ カメラ
２４ ＸＹＺ微動機構
２５ 探針
２６ カンチレバー
２７ レーザ光源
２８ レーザ光
２９ 光検出器
３１ 比較器
３２ 制御器
３３ 制御装置

Claims (10)

1. 探針で試料を走査して試料表面に関する物理的量を測定する測定部と、前記探針を微動させる微動機構と、前記探針と前記試料の間隔を小さくする探針接近機構と、広視野顕微鏡と、この広視野顕微鏡の焦点合せ用駆動機構とを備える走査型プローブ顕微鏡に適用され、
   前記探針接近機構により前記探針と前記試料を接近させた状態で試料表面に広視野顕微鏡の焦点を合せ、このときの駆動機構部の位置情報を記憶し、前記位置情報を基準として自動測定時の前記広視野顕微鏡の焦点合せを行うことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の焦点合せ方法。
2. 前記駆動機構部は、前記探針接近機構、前記広視野顕微鏡の焦点合せ用駆動機構、前記微動機構の高さ方向微動部であ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焦点合せ方法。
3. 前記広視野顕微鏡は前記探針の支持部と同軸的に配置され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焦点合せ方法。
4. 前記広視野顕微鏡は試料表面に対して焦点を合せ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焦点合せ方法。
5. 同じ探針で複数の試料を測定するとき、前記記憶動作は、第１回目の測定または任意の状態の１つの試料についての測定のときにのみ行われ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焦点合せ方法。
6. 探針交換のときまたは長期使用に伴うドリフトが生じたとき、再度、焦点合せを行い、前記駆動機構部の位置情報を記憶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焦点合せ方法。
7. 探針で試料を走査して試料表面に関する物理的量を測定する測定部と、前記探針を微動させる微動機構と、前記探針と前記試料の間隔を小さくする探針接近機構と、広視野顕微鏡と、この広視野顕微鏡の焦点合せ用駆動機構とを備える走査型プローブ顕微鏡に適用され、
   前記探針接近機構により前記探針と前記試料を接近させた状態で前記探針の支持部の表面に広視野顕微鏡の焦点を合せ、このときの前記広視野顕微鏡の焦点合せ用駆動機構、前記微動機構の高さ方向微動部の位置情報を記憶し、その後に自動測定を行う時、前記位置情報を基準として前記広視野顕微鏡の焦点合せを行うことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の焦点合せ方法。
8. 前記広視野顕微鏡は前記探針の支持部と同軸的に配置され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の焦点合せ方法。
9. 同じ探針で複数の試料を測定するとき、前記記憶動作は、第１回目の測定または任意の状態の１つの試料についての測定のときにのみ行われ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の焦点合せ方法。
10. 探針交換のときまたは長期使用に伴うドリフトが生じたとき、再度、焦点合せを行い、前記駆動機構部の位置情報を記憶す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の焦点合せ方法。

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