JP4868309B2

JP4868309B2 - 探針先端の位置合わせ方法

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Publication number: JP4868309B2
Application number: JP2006175197A
Authority: JP
Inventors: 修松澤; 喜春白川部; 雅次繁野; 直哉渡邉; 亜三子二瓶; 明井上
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2006-06-26
Filing date: 2006-06-26
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2026-06-26
Also published as: JP2008003035A

Description

本発明は、走査型プローブ顕微鏡の探針の先端を、測定開始位置に位置合わせさせる探針先端の位置合わせ方法に関するものである。

周知のように、先端の尖った探針を、金属、半導体、セラミック、樹脂、高分子、生体材料や絶縁物等の各種の試料に対してｎｍオーダーまで接近させ、そのときの探針と試料との間に生じる相互作用を測定することにより、試料表面の形状等を原子寸法レベルで計測する装置として、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Scanning Probe Microscope）が知られている。
この走査型プローブ顕微鏡の測定範囲としては、最大でも数十μｍである。そのため、大きな試料における微小領域の観察を行う場合、観察したい微小領域に探針の先端を目視で位置合わせすることは不可能である。従って、通常走査型プローブ顕微鏡は、試料を移動させるステージを備えると共に、ＳＰＭの測定範囲よりも大きな視野を持つ光学顕微鏡等の光学観察装置を備えている。

このように、走査型プローブ顕微鏡と光学観察装置とを組み合わせることで、光学観察装置により探針を支持するカンチレバーを観察することができるので、探針を試料上の目的の位置に位置合わせすることができる。
しかしながら、光学観察装置は、探針及びカンチレバーの上方に配置されているので、カンチレバーの背面しか観察することができない。そのため、その反対側に形成されている探針を光学観察装置で直接観察することができず、探針の先端位置を正確に特定することが困難であった。

そこで、このような問題を解消して、探針の先端位置を正確に特定するために、従来から様々な手法が考えられている。例えば、カンチレバーの背面に、探針の位置を示すマーカーを備えたものが知られている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。このマーカーは、探針に対向する位置に設けられており、例えば、突起や凹み等である。そして、光学観察装置によりマーカーを確認することで、カンチレバーの背面側からでも探針の位置を特定することができるものである。
特開平３−１０２２０９号公報特開２００３−３１５２３８号公報

しかしながら、上記従来の方法では以下の課題がまだ残されていた。
即ち、従来の方法は、探針に対向するようにカンチレバーの背面に正確にマーカーを設ける必要があるが、実際上、正確に位置を合わせながら製造を行うことが難しかった。一般的に探針及びカンチレバーを有するプローブを製造する場合には、フォトレジスト膜を利用したエッチング加工を複数回行って半導体基板から製造しているが、探針を作る側とマーカーを作る側とが逆側になるので、同じフォトレジスト膜を使用して一度に形成したり、同一方向側から作り込んだりすることができるものではなかった。そのため、どうしても位置ずれが生じてしまい、探針に対向した位置にマーカーを正確に合わせることができなかった。
また、どうしても製造工程が多くなってしまうので、時間と手間がかかるうえ、製造コストを安価に抑えることができなかった。

また、通常カンチレバーは、図８に示すように、ステージに対して十数度の角度がついた状態で取り付けられている。そのため、マーカーに光学観察装置の光軸を合わせたとしても、実際の探針の先端位置は光軸上に存在しないので誤差が生じてしまっていた。例えば、図８に示すように、探針の長さＬが６０μｍ、カンチレバーの取り付け角度θが１５°であった場合には、マーカーと探針の先端位置との誤差Ｘは、Ｘ＝Ｌｓｉｎθ＝約１５．５μｍとなってしまう。従って、マーカーがあったとしても、探針の先端位置をカンチレバー側から正確に特定することができなかった。特に、液中駆動等に使用される探針は、ダンピングの影響を抑えるため長く設計されているため、上述した誤差Ｘがより大きくなってしまっていた。

更に、カンチレバーの変位検出には、一般的にカンチレバーの背面で反射させたレーザ光を検出する光てこ方式が用いられている。ところが、カンチレバーの背面にマーカーを設けてしまうと、このマーカーによってレーザ光が乱反射して変位検出に悪影響を及ぼす可能性があった。特に、カンチレバーの厚みが薄く、レーザ光を透過させてしまうようなカンチレバーにおいては、できるだけ厚みのある位置、即ち、探針が形成されている部分の背面にレーザ光を照射することが効率的であるが、上述したようにこの位置にマーカーがあるとレーザ光の反射効率が損なわれてしまい、変位検出に悪影響を与えてしまう。

この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、カンチレバーにマーカーを形成することなく、探針の先端位置を試料の狙った測定開始位置に対して正確に位置合わせすることができる探針先端の位置合わせ方法を提供することである。

上記の目的を達成するために、この発明は以下の手段を提供している。
本発明の探針先端の位置合わせ方法は、カンチレバーの先端に形成された探針の先端位置を、試料上の狙った測定開始位置に位置合わせさせる探針先端の位置合わせ方法であって、予め、前記探針が形成されている側から前記カンチレバーを撮像することで、該カンチレバーの外形輪郭線及び探針の先端位置のデータを取得する取得工程と、該取得工程後、取得したデータから前記探針の先端位置と前記カンチレバーの幾何学的特徴ポイントとを抽出すると共に、これら探針の先端位置と幾何学的特徴ポイントとを互いの相対位置関係を関連付けた状態で組み合わせた案内マーカーを生成する生成工程と、該生成工程後、前記試料を光学的に観察して観察画像をモニタ上に表示させると共に、該観察画像から前記測定開始位置を特定する特定工程と、該特定工程後、特定された前記測定開始位置に前記案内マーカーの探針の先端位置を一致させた状態で、該案内マーカーを前記観察画像に重ねて表示させる第１の表示工程と、該第１の表示工程後、前記特定工程時と同一の光軸で前記カンチレバーを光学的に観察すると共に、前記観察画像にカンチレバーの観察像を表示させる第２の表示工程と、該第２の表示工程後、前記観察像を確認しながら、前記案内マーカーの幾何学的特徴ポイントに一致させるように前記カンチレバーの位置を調整する調整工程と、を備えていることを特徴とするものである。

この発明に係る探針先端の位置合わせ方法においては、まず、取得工程により、カンチレバーの外形輪郭線及び探針の先端位置のデータをそれぞれ取得する。この際、探針が形成されている側からカンチレバーを撮像してデータを取得しても構わないし、カンチレバーを設計した設計データから取得しても構わない。次いで、取得したデータから、探針の先端位置とカンチレバーの幾何学的特徴ポイント（本発明でいう幾何学的特徴ポイントとは、取得した外形輪郭線を構成する図形要素のうち位置が特定できるポイント、例えば、交点や一辺等である）とをそれぞれ抽出すると共に、これらを互いの相対位置関係を関連付けた状態で組み合わせて案内マーカーを生成する生成工程を行う。

次いで、試料を光学顕微鏡等により光学的に観察して、観察画像をモニタ上に表示させる。そして、この観察画像に基づいて測定開始位置を特定する特定工程を行う。次いで、観察画像に重ねた状態で、特定された測定開始位置に案内マーカーを表示させる第１の表示工程を行う。この際、測定開始位置に案内マーカーの探針の先端位置を一致させた状態で表示させる。これにより、特定した測定開始位置を案内マーカーで指し示すことができる。

次いで、試料を観察したときと同じ光軸でカンチレバーを光学的に観察して、カンチレバーの観察像を観察画像に表示させる第２の表示工程を行う。これにより、観察画像には、試料、案内マーカー及びカンチレバーが表示される。そして、この観察画像を確認しながら、カンチレバーを案内マーカーに向かって適宜動かして、該案内マーカーの幾何学的特徴ポイントにカンチレバーが一致するように位置を調整する調整工程を行う。
ここで、案内マーカーとして表示されている幾何学的特徴ポイント及び探針の先端位置は、互いの相対位置関係が関連付けられた状態で生成されているので、調整工程で実際のカンチレバーを幾何学的特徴ポイントに一致させることで、実際の探針の先端位置を測定開始位置に正確に位置合わせすることができる。その結果、より正確な試料の測定を行うことができる。

上述したように、本発明に係る探針先端の位置合わせ方法によれば、カンチレバーの影に隠れて探針の先端位置が確認できなくても、案内マーカーを利用することで、狙った測定位置に探針の先端位置を正確に位置合わせすることができる。また、従来のように、カンチレバー自身にマーカー等を形成する必要がないので、マーカーの形成に必要な製造コストをなくすことができる。更には、カンチレバー自身にマーカーを形成する必要がないので、光てこ方式でカンチレバーの撓みを測定する場合にレーザ光に悪影響を与えることがない。そのため、カンチレバーの変位検出を高精度に行うことができる。

また、本発明の探針先端の位置合わせ方法は、上記本発明の探針先端の位置合わせ方法において、前記幾何学的特徴ポイントが、前記外形輪郭線から少なくとも辺同士が交わる交点を２点抽出したものであり、前記案内マーカーが、抽出した前記交点と前記探針の先端位置とを組み合わせて生成されていることを特徴とするものである。

この発明に係る探針先端の位置合わせ方法においては、生成工程を行う際、取得した外形輪郭線のデータから、少なくとも辺同士が交わる交点を２点抽出し、これを幾何学的特徴ポイントとしている。そして、この交点の位置と探針の先端位置とを相対的に関連付けた状態で組み合わせて案内マーカーを生成する。つまり、第１の表示工程で案内マーカーを表示させたときに、特定した測定開始位置に案内マーカーの探針先端位置が表示されると共に、その周辺に少なくとも２つの交点が表示される。
そして、表示されたこの２つの交点に実際のカンチレバーの交点を一致させることで、案内マーカーの探針の先端位置に、実際の探針の先端位置を一致させることができる。これにより、実際の探針の先端位置を測定開始位置に正確に位置合わせすることができる。

また、本発明の探針先端の位置合わせ方法は、上記本発明の探針先端の位置合わせ方法において、前記幾何学的特徴ポイントが、前記外形輪郭線から少なくとも一辺を抽出したものであり、前記案内マーカーが、抽出した前記一辺と前記探針の先端位置とを組み合わせて生成されていることを特徴とするものである。

この発明に係る探針先端の位置合わせ方法においては、生成工程を行う際、取得した外形輪郭線のデータから、少なくとも一辺を抽出し、これを幾何学的特徴ポイントとしている。そして、この一辺の位置と探針の先端位置とを相対的に関連付けた状態で組み合わせて案内マーカーを生成する。つまり、第１の表示工程で案内マーカーを表示させたときに、特定した測定開始位置に案内マーカーの探針先端位置が表示されると共に、その周辺に少なくとも一辺が表示される。
そして、表示されたこの一辺に実際のカンチレバーの一辺を一致させることで、案内マーカーの探針の先端位置に、実際の探針の先端位置を一致させることができる。これにより、実際の探針の先端位置を測定開始位置に正確に位置合わせすることができる。

また、本発明の探針先端の位置合わせ方法は、上記本発明の探針先端の位置合わせ方法において、前記幾何学的特徴ポイントが、前記外形輪郭線そのものであり、前記案内マーカーが、抽出した外形輪郭線と前記探針の先端位置とを組み合わせて生成されていることを特徴とするものである。

この発明に係る探針先端の位置合わせ方法においては、生成工程を行う際、取得した外形輪郭線のデータから、外形輪郭線そのものを抽出し、これをそのまま幾何学的特徴ポイントとしている。そして、外形輪郭線と探針の先端位置とを相対的に関連付けた状態で組み合わせて案内マーカーを生成する。つまり、第１の表示工程で案内マーカーを表示させたときに、特定した測定開始位置に案内マーカーの探針先端位置が表示されると共に、その周辺に外形輪郭線が表示される。
そして、表示された外形輪郭線に実際のカンチレバーの外形を一致させることで、案内マーカーの探針の先端位置に、実際の探針の先端位置を一致させることができる。これにより、実際の探針の先端位置を測定開始位置に正確に位置合わせすることができる。特に、カンチレバーの外形輪郭線をそのまま表示しているので、カンチレバーを位置合わせし易く、より正確な位置合わせを行うことができる。

また、本発明の探針先端の位置合わせ方法は、上記本発明のいずれかの探針先端の位置合わせ方法において、前記生成工程が、取得した外形輪郭線のデータを、前記光軸に直交する平面に投影させた状態に補正すると共に、取得した前記探針の先端位置のデータを、前記カンチレバーの取付角度と探針の長さとに基づいて前記平面に投影させた状態に補正する補正工程を有し、該補正工程後、補正後のデータから探針の先端位置と前記幾何学的特徴ポイントとを抽出して前記案内マーカーを形成することを特徴とするものである。

この発明に係る探針先端の位置合わせ方法においては、カンチレバーを試料に対してどのような角度で取り付けたとしても、探針の先端位置を試料の測定開始位置に対してより正確に位置合わせすることができる。
つまり、光軸に直交する平面に対して角度を付けた状態でカンチレバーを取り付けた場合には、光軸方向から見たときに、カンチレバーの外形輪郭線及び探針の先端位置が、角度がない状態のときと比較してずれてしまう。そこで、生成工程を行う際に、このずれを補正する補正工程を行う。

即ち、まず取得工程で取得した外形輪郭線のデータを、光軸に直交する平面に投影させた状態に補正する。また、これと同時に、取得工程で取得した探針の先端位置のデータを、カンチレバーの取付角度と探針の長さとに基づいて、光軸に直交する平面に投影させた状態に補正する。この補正工程によって、カンチレバーが光軸に直交する平面に対して傾いて取り付けられていたとしても、光軸方向から見たときに生じるずれを補正することができる。

そして、補正後のデータから探針の先端位置と幾何学的特徴ポイントとの抽出を行うと共に、これらの相対位置関係を関連付けた案内マーカーを生成する。その結果、表示された幾何学的特徴ポイントに実際のカンチレバーを一致させることで、カンチレバーがどのような角度で取り付けられていたとしても、案内マーカーの探針の先端位置に、実際の探針の先端位置を一致させることができる。これにより、実際の探針の先端位置を測定開始位置により正確に位置合わせすることができる

本発明に係る探針先端の位置合わせ方法によれば、カンチレバーにマーカーを形成することなく、探針の先端位置を試料の狙った測定開始位置に対して正確に位置合わせすることができる。

以下、本発明に係る探針先端の位置合わせ方法の一実施形態について、図１から図３を参照して説明する。本実施形態では、自己検知型のプローブを有する走査型プローブ顕微鏡を利用して、位置合わせを行う場合を例に挙げて説明する。
この走査型プローブ顕微鏡１は、図１に示すように、試料Ｓの上方に配され、先端に探針２ａを有するカンチレバー２ｂと、該カンチレバー２ｂの基端側を片持ち状に支持する本体部２ｃとを有するプローブ２と、試料Ｓとプローブ２とを相対的に移動させるカンチレバー駆動部３と、カンチレバー２ｂ及び試料Ｓを同一光軸で光学的に観察する光学顕微鏡４と、該光学顕微鏡４で観察した観察画像を表示するモニタ５と、これら各構成品及び後述する各構成品を総合的に制御する制御部６とを備えている。

上記試料Ｓは、試料表面Ｓ１に平行なＸＹ方向及び試料表面Ｓ１に平行なＺ方向の３方向に移動する試料駆動部１０上に載置されている。この試料駆動部１０は、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等からなる圧電素子であり、制御部６からの指示に基づいて試料ＳをＸＹＺ方向に微小移動させるようになっている。なお、本実施形態の試料駆動部１０は、試料Ｓの測定を行う際に使用されるものである。また、この試料駆動部１０は、筐体１１上に取り付けられている。

この筐体１１は、試料駆動部１０を載置する底板部１１ａと、該底板部１１ａの両端からそれぞれ上方に向かって延びた側壁部１１ｂと、一方の側壁部１１ｂの上端に設けられた天板部１１ｃとから一体的に構成されている。この天板部１１ｃには、上記光学顕微鏡４が取り付けられており、後述するホルダ本体１２の開口１２ａを通してカンチレバー２ｂ及び試料Ｓをそれぞれ光学的に観察することができるようになっている。また、光学顕微鏡４は、観察した観察画像を制御部６に出力しており、該制御部６が送られてきた観察画像をモニタ５に表示させている。

また、筐体１１の両側壁部１１ｂのうち、他方の側壁部１１ｂの上端にはカンチレバー駆動部３を介してホルダ本体１２が取り付けられている。このホルダ本体１２は、筐体１１の一方の側壁部１１ｂに向かって板状に形成されたものであり、略中間部分に光学顕微鏡４の光路を確保するための開口１２ａが形成されている。また、ホルダ本体１２の下面には、斜面ブロック１３を介してプローブ２が着脱自在に固定されている。
上記カンチレバー駆動部３は、上述した試料駆動部１０と同様に、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等からなる圧電素子であり、制御部６からの指示に基づいてホルダ本体１２を介してプローブ２をＸＹＺ方向に微小移動させるようになっている。なお、本実施形態のカンチレバー駆動部３は、探針２ａの先端を位置合わせする際に使用するものである。

上記プローブ２は、自己検知型のプローブであり、カンチレバー２ｂの基端側にピエゾ抵抗素子１４が設けられている。そして、ピエゾ抵抗素子１４が、カンチレバー２ｂの撓みに応じた電気的信号を出力信号として制御部６に出力するようになっている。
具体的には、図示しない金属配線を介してピエゾ抵抗素子１４にバイアス電圧が印加されており、カンチレバー２ｂの撓み、即ち、ピエゾ抵抗素子１４に生じる歪みに応じてレベル変化する電気的信号を、出力信号として取り出すことができるようになっている。そして、制御部６は、送られてきた出力信号に基づいてカンチレバー２ｂの撓みを算出し、試料Ｓの測定を行うようになっている。

制御部６は、光学顕微鏡４から送られてきた観察画像をモニタ５に表示させていると共に、観察画像に基づいて特定された試料Ｓの測定開始位置Ｐ１を、図２（ａ）に示すように、観察画像に重ねた状態で、探針２ａの先端位置Ｐ２とカンチレバー２ｂの幾何学的特徴ポイントＰ３とを互いの相対位置関係を関連付けた状態で組み合わせた案内マーカーＭとしてモニタ５上に表示させている。
なお、本実施形態では、幾何学的特徴ポイントＰ３を、カンチレバー２ｂの外形輪郭線Ｐ３とし、案内マーカーＭを、抽出した外形輪郭線Ｐ３と探針の先端位置（以下、探針先端位置Ｐ２とする）とを組み合わせて生成したものとして説明する。

また、制御部６は、光学顕微鏡４によってカンチレバー２ｂを観察し、探針２ａの先端位置を位置決めする際に、カンチレバー駆動部３を制御してホルダ本体１２及びプローブ２を適宜３次元方向に移動させ、案内マーカーＭの外形輪郭線Ｐ３にカンチレバー２ｂの外形を一致させるようになっている。これについては、後に詳細に説明する。

次に、このように構成された走査型プローブ顕微鏡１により、探針２ａの先端位置を試料Ｓの測定開始位置Ｐ１に位置合わせする探針先端の位置合わせ方法について説明する。
本実施形態の探針先端の位置合わせ方法は、取得工程、生成工程、特定工程、第１の表示工程、第２の表示工程及び調整工程を順次行って、位置合わせを行う方法である。以下、これら各工程について詳細に説明する。

初めに、カンチレバー２ｂの外形輪郭線Ｐ３及び探針先端位置Ｐ２のデータを取得する取得工程を行う。例えば、プローブ２を斜面ブロック１３に固定する前に、探針２ａが形成されている側からカンチレバー２ｂを撮像することでデータを取得する。若しくは、プローブ２を設計した設計データから予めデータを取得する。この際、取得されたデータは、制御部６に組み込まれているデータ取得部６ａに記憶される。

この取得工程後、取得したデータから探針先端位置Ｐ２とカンチレバー２ｂの幾何学的特徴ポイントＰ３、即ち、外形輪郭線Ｐ３とを抽出すると共に、これら探針先端位置Ｐ２と外形輪郭線Ｐ３とを互いの相対位置関係を関連付けた状態で組み合わせた案内マーカーＭを生成する生成工程を行う。
即ち、制御部６に組み込まれている生成部６ｂが、データ取得部６ａに記憶されているデータから、探針先端位置Ｐ２とカンチレバー２ｂの外形輪郭線Ｐ３とをそれぞれ抽出すると共に、図３に示すように、これらを互いの相対位置関係を関連付けた状態で組み合わせて案内マーカーＭを生成する。

この生成工程が終了した後、試料Ｓを光学的に観察して観察画像をモニタ５上に表示させると共に、該観察画像から測定開始位置Ｐ１を特定する特定工程を行う。また、特定工程後、特定された測定開始位置Ｐ１に案内マーカーＭの探針先端位置Ｐ２を一致させた状態で、案内マーカーＭを観察画像に重ねて表示させる第１の表示工程を行う。

即ち、光学顕微鏡４により試料Ｓの表面を光学的に観察して、観察画像を図２（ａ）に示すようにモニタ５に表示させる。作業者は、この観察画像に基づいて、試料Ｓの測定開始位置Ｐ１を特定する。例えば、マウス等を使用して画面上をクリックして特定する。すると制御部６は、特定された測定開始位置Ｐ１に、観察画像に重ねた状態で案内マーカーＭを表示させる。この際、図２（ａ）に示すように、測定開始位置Ｐ１に案内マーカーＭの探針先端位置Ｐ２を一致させた状態で表示させる。これにより、特定した試料Ｓの測定開始位置Ｐ１を案内マーカーＭで指し示すことができる。つまり、特定した測定開始位置Ｐ１に案内マーカーＭの探針先端位置Ｐ２が表示され、その周辺に外形輪郭線Ｐ３が表示される。

なお、案内マーカーＭを重ね合わせる際に、例えば、作業者が測定開始位置Ｐ１をクリックした時点で、案内マーカーＭが表示されるように設計されていても構わないし、モニタ５上に予め案内マーカーＭが表示されていて、測定開始位置Ｐ１を特定した後に該測定開始位置Ｐ１に先端探針位置Ｐ２を重ね合わせるように案内マーカーＭを移動させて表示するように設計しても構わない。

上述した生成工程及び第１の表示工程が終了した後、試料Ｓを観察したときと同じ光軸でカンチレバー２ｂを光学的に観察すると共に、観察画像にカンチレバー２ｂの観察像を表示させる第２の表示工程を行う。
即ち、再度光学顕微鏡４を利用してカンチレバー２ｂを光学的に観察する。この際、先ほど試料Ｓを観察したときと同一の光軸で観察を行う。これにより、図２（ｂ）に示すように、モニタ５の観察画像に、試料Ｓ、案内マーカーＭ及びカンチレバー２ｂを表示することができる。

この第２の表示工程が終了した後、カンチレバー２ｂの観察像を確認しながら、案内マーカーＭの外形輪郭線Ｐ３に一致させるように、カンチレバー２ｂの位置を調整する調整工程を行う。
即ち、モニタ５に表示された観察画像を確認しがら、制御部６によりカンチレバー駆動部３を適宜作動させて、カンチレバー２ｂと試料Ｓとを相対的に移動させ、カンチレバー２ｂを案内マーカーＭに向かって移動させる。そして、図２（ｃ）に示すように、表示された外形輪郭線Ｐ３に実際のカンチレバー２ｂの外形を一致させる。この際、案内マーカーＭとして表示されている外形輪郭線Ｐ３及び探針先端位置Ｐ２は、互いの相対位置関係が関連付けられた状態で生成されているので、外形輪郭線Ｐ３に実際のカンチレバー２ｂの外形を一致させることで、案内マーカーＭの探針先端位置Ｐ２に、実際の探針２ａの先端位置を一致させることができる。これにより、実際の探針２ａの先端位置を、測定開始位置Ｐ１に正確に位置合わせすることができる。

上述したように、本実施形態の探針先端の位置合わせ方法によれば、カンチレバー２ｂの影に隠れて探針２ａの先端位置が確認できなくても、案内マーカーＭを利用することで、狙った測定開始位置Ｐ１に探針２ａの先端位置を正確に位置合わせすることができる。特に、本実施形態の場合には、案内マーカーＭとして、カンチレバー２ｂの外形輪郭線Ｐ３を表示しているので、カンチレバー２ｂを位置合わせし易く、より正確な位置合わせを行うことができる。また、従来のように、カンチレバー２ｂ自身にマーカーを形成する必要がないので、マーカーの形成に必要な製造コストをなくすことができる。

なお、探針２ａの先端位置を試料Ｓの測定開始位置Ｐ１に位置合わせした後は、試料Ｓの測定、例えば、試料Ｓの表面形状を測定する。この場合には、まず試料駆動部１０により探針２ａと試料Ｓとを相対的に移動させて、探針２ａにより試料Ｓの表面の走査を開始する。また、この走査を行っている際、カンチレバー２ｂは試料表面Ｓ１の凹凸に応じて上下に撓んで変形しようとするので、ピエゾ抵抗素子１４の抵抗値が変化する。そして、ピエゾ抵抗素子１４は、この撓みに応じた出力信号を制御部６に出力する。制御部６は、この出力信号が一定となるように試料駆動部１０をＺ方向にフィードバック制御する。
これにより、探針２ａと試料Ｓとの距離を、カンチレバー２ｂの撓みが一定となるように制御した状態で走査することができる。また、制御部６は、試料駆動部１０を上下させる信号に基づいて、試料Ｓの表面形状を測定することができる。

特に、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡１によれば、試料Ｓを開始する前に、探針２ａの先端位置を狙った測定開始位置Ｐ１に正確に位置合わせしているので、正確な試料Ｓの測定を行うことができる。

なお、上記実施形態では、ピエゾ抵抗素子１４を有する自己検知型のプローブ２を例に挙げて説明したが、自己検知型でなく、図４に示すように光てこ方式にてカンチレバー２ｂの撓みを測定するように構成しても構わない。
つまり、レーザ光Ｌを照射するレーザ光源２０と、照射されたレーザ光Ｌを、ホルダ本体１２の開口１２ａを通してカンチレバー２ｂの背面に形成された図示しない反射面に向けて反射させるハーフミラー２１と、反射面で反射されホルダ本体１２の開口１２ａを通過してきたレーザ光Ｌをレーザ受光部２３に反射させるミラー２２と、ミラー２２で反射されたレーザ光Ｌを受光するレーザ受光部２３とからなる変位測定手段２４を設ければ良い。

上記レーザ光源２０は、レーザ光源駆動部２５を介してホルダ本体１２上に固定されており、略水平方向にレーザ光Ｌを照射している。また、ハーフミラー２１は、光学顕微鏡４とカンチレバー２ｂとの間に配置されるように図示しない架台に支持されている。また、ミラー２２は、このハーフミラー２１に隣接するように、やはり図示しない架台によって支持されている。レーザ受光部２３は、レーザ光源２０と同様にホルダ本体１２上に固定されている。このレーザ受光部２３は、例えば、４分割フォトディテクタであり、レーザ光Ｌの入射位置に基づいて、カンチレバー２ｂの撓み変化を検出していると共に、検出したカンチレバー２ｂの撓み変化をＤＩＦ信号として制御部６に出力している。なお、この光てこ方式の場合、制御部６は、自己検知型のプローブと同様に送られてきたＤＩＦ信号が一定となるように試料駆動部１０をフィードバック制御する。

このように光てこ方式であっても、自己検知型の場合と同じ作用効果を奏することができる。特に、本実施形態の探針先端の位置合わせ方法によれば、従来のようにカンチレバー２ｂ自身にマーカーを形成する必要がないので、光てこ方式でカンチレバー２ｂの撓みを測定する場合に、レーザ光Ｌに悪影響を与えることがない。そのため、変位測定手段２４でカンチレバーの変位測定を高精度に行うことができる。
また、案内マーカーＭの探針先端位置Ｐ２を基準にして、探針２ａの根元に対向する位置にレーザ光Ｌを正確に照射することもできる。

また、上記実施形態では、外形輪郭線Ｐ３と探針先端位置Ｐ２とを組み合わせて案内マーカーＭとしたが、この場合に限られるものではない。案内マーカーＭとしては、探針２先端位置Ｐ２と幾何学的特徴ポイントとを、互いの相対位置関係を関係付けた状態で組み合わせて生成されたものであれば構わない。

例えば、図５（ａ）に示すように、幾何学的特徴ポイントとして、取得したカンチレバー２ｂの外形輪郭線から辺同士が交わる交点Ｐ４を３点抽出したものを使用しても良い。この場合の案内マーカーＭは、抽出した交点Ｐ４と、探針先端位置Ｐ２とを組み合わせて生成される。
この場合には、第１の表示工程で案内マーカーＭをモニタ５に表示させたときに、図５（ｂ）に示すように、特定した測定開始位置Ｐ１に案内マーカーＭの探針先端位置Ｐ２が表示されると共に、その周辺に３つの交点Ｐ４が表示される。
そして、図５（ｃ）に示すように、表示されたこの３つの交点Ｐ４に実際のカンチレバー２ｂの交点を一致させることで、案内マーカーＭの探針先端位置Ｐ２に、実際の探針２ａの先端位置を一致させることができる。これにより、実際の探針２ａの先端位置を測定開始位置Ｐ１に正確に位置合わせすることができる。

なお、ここでは交点Ｐ４を３点抽出した例を示したが、少なくとも交点Ｐ４を２点抽出したものを幾何学的特徴ポイントとすれば構わない。少なくとも交点Ｐ４が２点あれば、正確にカンチレバー２ｂを位置合わせすることができ、上述したと同様の作用効果を奏することができる。但し、より多くの交点Ｐ４を抽出することが好ましい。

また、図６（ａ）に示すように、幾何学的特徴ポイントとして、取得したカンチレバー２ｂの外形輪郭線から少なくとも一辺Ｐ５を抽出したものを使用しても良い。この場合の案内マーカーＭは、抽出した一辺Ｐ５と探針先端位置Ｐ２とを組み合わせて生成される。
この場合には、第１の表示工程で案内マーカーＭをモニタ５に表示させたときに、図６（ｂ）に示すように、特定した測定開始位置Ｐ１に案内マーカーＭの探針先端位置Ｐ２が表示されると共に、その周辺に一辺Ｐ５が表示される。
そして、図６（ｃ）に示すように、表示されたこの一辺Ｐ５に実際のカンチレバー２ｂの一辺を一致させることで、案内マーカーＭの探針先端位置Ｐ２に、実際の探針２ａの先端位置を一致させることができる。これにより、実際の探針２ａの先端位置を測定開始位置Ｐ１に正確に位置合わせすることができる。
なお、この場合において、図６（ｄ）に示すように、一辺Ｐ５の両端と探針先端位置Ｐ２とを結んだ三角マークを案内マーカーＭとしても構わない。

また、上記実施形態において、図７に示すように、光軸に直交する平面に対して、特に大きな角度θを付けた状態でカンチレバー２ｂを取り付けた場合には、取得工程時に取得した外形輪郭線のデータを光軸に直交する平面に投影させた状態に補正すると共に、取得した探針先端位置Ｐ２のデータを、カンチレバー２ｂの取付角度θと探針２ａの長さとに基づいて光軸に直交する平面に投影させた状態に補正する補正工程を行い、該補正工程後、補正後のデータから探針先端位置Ｐ２と外形輪郭線Ｐ３とを抽出して案内マーカーＭを形成すると良い。
なお、図７では、光軸に直交する平面に沿ってカンチレバー２ｂを取り付けた状態と、そのときの案内マーカーＭとを点線で図示している。

つまり、光軸に直交する平面に対して特に大きな角度θを付けた状態でカンチレバー２ｂを取り付けた場合には、光軸方向から見たときに、カンチレバー２ｂの外形輪郭線Ｐ３及び探針２ａの先端位置が角度がない状態（点線で図示している場合）と比較してずれてしまう。そこで、生成工程を行う際にこのずれを補正する上記補正工程を行う。

即ち、まず取得工程で取得した外形輪郭線のデータを、光軸に直交する平面に投影させた状態に補正する。また、これと同時に、取得工程で取得した探針２ａの先端位置のデータを、カンチレバー２ｂの取付角度θと探針２ａの長さとに基づいて、光軸に直交する平面に投影させた状態に補正する。この補正工程によって、カンチレバー２ｂが光軸に直交する平面に対して傾いて取り付けられていたとしても、光軸方向から見たときに生じるずれを補正することができる。

そして、補正後のデータから探針２ａの先端位置と幾何学的特徴ポイントである外形輪郭線Ｐ３との抽出を行うと共に、これらの相対位置関係を関連付けた案内マーカーＭを生成する。その結果、表示された外形輪郭線Ｐ３に実際のカンチレバー２ｂを一致させることで、カンチレバー２ｂがどのような角度で取り付けられていたとしても、案内マーカーＭの探針先端位置Ｐ２に、実際の探針２ａの先端位置を一致させることができる。これにより、実際の探針２ａの先端位置を測定開始位置Ｐ１により正確に位置合わせすることができる。

なお、本発明の技術範囲は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。

例えば、上記実施形態では、光学顕微鏡４をカンチレバー２ｂの上方に配置した構成にしたが、例えば、試料Ｓの下方に配置して下側から観察を行うように構成しても構わない。この場合であっても、案内マーカーＭを利用して探針２ａの先端位置を測定開始位置Ｐ１に正確に合わせることができる。

本発明の一実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の構成図である。図１に示す走査型プローブ顕微鏡のモニタに表示された観察画像を示した図であって、（ａ）は測定開始位置に案内マーカーをセットした状態を示す図であり、（ｂ）はさらにカンチレバーを観察している状態を示す図であって、（ｃ）は案内マーカーにカンチレバーを一致させた状態を示す図である。図２に示す案内マーカーを示す図である。走査型プローブ顕微鏡の変形例を示した図であって、光てこ方式によりカンチレバーの変位を測定する走査型プローブ顕微鏡を示す図である。（ａ）は他の案内マーカーの一例を示す図であり、（ｂ）は測定開始位置に案内マーカーをセットした状態を示す図であり、（ｃ）は案内マーカーにカンチレバーを一致させた状態を示す図である。（ａ）は他の案内マーカーの一例を示す図であり、（ｂ）は測定開始位置に案内マーカーをセットした状態を示す図であり、（ｃ）は案内マーカーにカンチレバーを一致させた状態を示す図であり、（ｄ）は（ａ）の案内マーカーの変形例を示す図である。光軸に対して直交する平面に対して角度を付けた状態でカンチレバーが取り付けられたときの、案内マーカーの一例を示す図である。従来の問題点を説明するための図であって、角度がついた状態でカンチレバーが取り付けられている状態を示す図である。

符号の説明

Ｍ案内マーカー
Ｓ試料
Ｐ１測定開始位置
Ｐ２探針先端位置（案内マーカーを構成する探針の先端位置）
Ｐ３外形輪郭線（幾何学的特徴ポイント）
Ｐ４交点（幾何学的特徴ポイント）
Ｐ５一辺（幾何学的特徴ポイント）
２ｂカンチレバー
２ａ探針
５モニタ

Claims

カンチレバーの先端に形成された探針の先端位置を、試料上の狙った測定開始位置に位置合わせさせる探針先端の位置合わせ方法であって、
予め、前記探針が形成されている側から前記カンチレバーを撮像することで、該カンチレバーの外形輪郭線及び探針の先端位置のデータを取得する取得工程と、
該取得工程後、取得したデータから前記探針の先端位置と前記カンチレバーの幾何学的特徴ポイントとを抽出すると共に、これら探針の先端位置と幾何学的特徴ポイントとを互いの相対位置関係を関連付けた状態で組み合わせた案内マーカーを生成する生成工程と、
該生成工程後、前記試料を光学的に観察して観察画像をモニタ上に表示させると共に、該観察画像から前記測定開始位置を特定する特定工程と、
該特定工程後、特定された前記測定開始位置に前記案内マーカーの探針の先端位置を一致させた状態で、該案内マーカーを前記観察画像に重ねて表示させる第１の表示工程と、
該第１の表示工程後、前記特定工程時と同一の光軸で前記カンチレバーを光学的に観察すると共に、前記観察画像にカンチレバーの観察像を表示させる第２の表示工程と、
該第２の表示工程後、前記観察像を確認しながら、前記案内マーカーの幾何学的特徴ポイントに一致させるように前記カンチレバーの位置を調整する調整工程と、を備えていることを特徴とする探針先端の位置合わせ方法。
請求項１に記載の探針先端の位置合わせ方法において、
前記幾何学的特徴ポイントは、前記外形輪郭線から少なくとも辺同士が交わる交点を２点抽出したものであり、
前記案内マーカーは、抽出した前記交点と前記探針の先端位置とを組み合わせて生成されていることを特徴とする探針先端の位置合わせ方法。
請求項１に記載の探針先端の位置合わせ方法において、
前記幾何学的特徴ポイントは、前記外形輪郭線から少なくとも一辺を抽出したものであり、
前記案内マーカーは、抽出した前記一辺と前記探針の先端位置とを組み合わせて生成されていることを特徴とする探針先端の位置合わせ方法。
請求項１に記載の探針先端の位置合わせ方法において、
前記幾何学的特徴ポイントは、前記外形輪郭線そのものであり、
前記案内マーカーは、抽出した外形輪郭線と前記探針の先端位置とを組み合わせて生成されていることを特徴とする探針先端の位置合わせ方法。
請求項１から４のいずれか１項に記載の探針先端の位置合わせ方法において、
前記生成工程は、取得した外形輪郭線のデータを、前記光軸に直交する平面に投影させた状態に補正すると共に、取得した前記探針の先端位置のデータを、前記カンチレバーの取付角度と探針の長さとに基づいて前記平面に投影させた状態に補正する補正工程を有し、該補正工程後、補正後のデータから探針の先端位置と前記幾何学的特徴ポイントとを抽出して前記案内マーカーを形成することを特徴とする探針先端の位置合わせ方法。