JP5061013B2 - 装置構造及びその構造を備えた走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、試料の分析や形状測定装置および試料表面の表面粗さや段差などの形状情報や、誘電率や粘弾性などの物理情報を計測するプローブ顕微鏡をはじめとする分析、検査及び計測等の装置構造に関するものである。

近年、微細形状の評価としての形状測定として、原子分解能を有する、原子間力顕微鏡をはじめとする、プローブ顕微鏡が期待されている。プローブ顕微鏡の一種である原子間力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＡＦＭ）は走査トンネル顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＴＭ）の発明者であるＧ．Ｂｉｎｎｉｇらによって考案されて以来、新規な絶縁性物質の表面形状観察手段として期待され、研究が進められている。（例えば、非特許文献１を参照）
プローブ顕微鏡の原理は、先端を充分に鋭くした探針と試料間に働く物理力を、前記探針が取り付けられているばね要素の変位として測定し、前記ばね要素の変位量が一定に保つように前記試料表面を走査し、その前記ばね要素の変位量を一定に保つための制御信号を形状情報として、前記試料表面の形状を測定するものである。

ばね要素の変位検出手段としては光学的方式及び、ばね要素の変形ひずみを電気信号として検出する自己検出方式がある。

光学的方式にはいわゆる干渉法そのものを使った例（例えば、非特許文献２を参照。）や、レーザ光をばね要素に照射し、その反射光の位置ずれを光検出素子で検出して変位信号とする、光てこ方式と呼ばれる例（例えば、非特許文献３を参照。）が報告されており、プローブ顕微鏡の検出方式として、主に用いられている。

また、近年、先端に探針を設けたレバー部とそのレバー部を支持する支持部とが２つの屈曲部によって連結されて構成され、屈曲部をピエゾ抵抗体形成領域となし、２つのピエゾ抵抗体間において、カンチレバーの捩れにより生じる両屈曲部の変位差を示す抵抗値差を計測することでカンチレバーを制御する、自己検出方式が知られている。（例えば、特許文献１を参照。）
また、プローブ顕微鏡は、試料に対向する位置に配置された探針（プローブ）が試料から原子間力を受けるものならば原子間力顕微鏡と称され、磁気力ならば磁気力顕微鏡と称される様に試料から生じる様々な力を検出して試料の状態を観察できるものである。

一般的なプローブ顕微鏡の構成を図８に示す。測定対象の試料５１は試料を三次元に移動させる微動機構５２上に配置されている。微動機構５２は通常、電圧を印加すると変形を生じる、圧電素子により製作されており、試料を試料と相対した位置に配置された探針５３に対して微小位置決めする。探針５３はカンチレバー５４と称する片持ち状の梁材の先端に構成されている。一般的なカンチレバー形状を図９に示す。カンチレバー基板６４に片持ち梁状のカンチレバー５４が設けられ、カンチレバー５４の先端に主に三または四角垂状または、円錐で高さは１〜２μmの微細な探針（プローブ）５３が形成されている。そして、これらのカンチレバー基板６４やカンチレバー５４および探針５３はシリコンまたはシリコン系の材料からなり、異方性エッチング技術などを用いて一体ものとして加工されている。

カンチレバー５４を有したカンチレバー基板６４は、カンチレバーホルダ５５に保持される。微動機構５２は試料５１と探針５３を近づけるステージ等の機械式位置決め機構（粗動機構）５６上に構成されている。カンチレバー側には探針が試料表面から受ける原子間力等の物理量により片持ち状の梁材の変形を検出する、変位検出系５７が構成されている。通常、変位検出系として、カンチレバーのたわみ変形を、レーザ発信器５８からのレーザー光を用いて拡大させ、レーザー光の位置変位をフォトディテクタ５９で検出する、光テコ系が用いられている。変位検出系５７の信号はアンプ６０を介して、試料５１と探針５３のZ軸（鉛直方向）距離を制御するＺ軸制御フィードバック回路６１に送られ、微動機構５２を走査させて、試料５１と探針５３のZ軸位置関係が制御される。試料５１と探針５３間の面内走査はＸＹ駆動回路６２からの信号により微動機構を走査して行われる。そして、Ｚ軸制御およびＸＹ駆動等はコンピュータおよび制御系６３により制御させる。そして、前記制御信号をもとに試料面内の形状や物性を視覚的に画像化する。

前記説明においては、試料側を三次元に走査する例を示しているが、探針側に微動機構を設けたり、試料と探針の面内（二次元）位置あわせる機構（ステージ等）を探針側や、試料側に設ける等の構成もある。
特に、試料のサイズが大きい場合は、探針側に微動機構を設けて探針と相対する位置に試料を設置する。そして、微動機構の動作範囲を補うために試料をステージ機構等の面内移動手段を設ける構成が一般的である
試料のサイズが大きいものとしてシリコンウェーハやガラス基板等がある。これら大きい試料の測定用プローブ顕微鏡としては、幾つかの検討がなされている（例えば、特許文献１〜５）。
G. Binnig、 C.F. Quate and Ch. Gerber、 Atomic Force Microscope、 "Physical Review Letters"、 American、 Physical Society、 1986、 Vol.56、 No.9、 p.931 R. Erlandsson、 G. M. McClelland、 C. M. Mate、 and S. Chiang、 Atomic force microscopy using optical interferometry、 "Journal of Vacuum Science Technology"、 Mar/Apr 1988、 A6(2)、 pp. 266-270 S. Alexander、 L. Hellemans、 O. Marti、 J. Schneir、 V. Elings、 and P. K. Hansma、 Matt Longmire and John Gurley、 An atomic-resolution atomic-force microscope implemented using an optical lever、 "Journal of Applied Physics"、 1989、 65(1)、 pp. 164-167 特開2006-098794 図１ 特開2002-350320 図１、図７、図９ 特開2002-350321 図５、図６ 特開2005-061877 図８、図９ 特開平10-282118 図１、図２

ウェーハやガラス基板を測定するプローブ顕微鏡は測定対象と相対する位置に探針および探針を三次元に走査する微動機構を設けるのが一般的であり、図１０，１１を参照して説明する。

検出機能があるユニット部７１は通常、床振動の伝達を抑える除振台定盤７２上に構成さている。また、周囲音響振動の伝達を抑える防音カバーの中に構成されている。ユニット部７１は除振台定盤７２上に弾性材７３を介してベース７４上に構成されている。定盤７４上には試料７５を面内方向に位置合わせする粗い位置決め機構７６、この例ではＸＹステージが用いられている。ステージ上には試料台７７を介して試料７５が固定されている。また、ベース７４には検出手段支持構造部材７８が構成されており、検出手段支持構造部材７８には鉛直方向の位置決め機構であるＺ軸ステージ７９が固定されており、Ｚ軸ステージ７９を介して、微小位置決め機構である微動機構８０が構成されている。また、微動機構８０の先端にはカンチレバー８１が固定されており、Ｚ軸ステージ７９によりカンチレバー８１の先端の探針を試料７５の表面に位置決めする。そして、微動機構８０の面内動作による試料表面に対する、カンチレバー８１のたわみ変形を微動機構８０に構成した光テコ機構（図面記載なし）により検出して、微動機構８０を鉛直方向に制御することで、探針の三次元動作による情報から試料表面物性や形状を計測する。また、この例では試料位置を観察するための光学顕微鏡８２が構成されている。前記光学顕微鏡は電動リボルバにより、対物レンズの交換ができるようになっている。画像はＣＣＤカメラを介してモニタやディスプレイに表示される。

上述のように、観察対象である試料は試料ホルダを介して、試料観察位置を移動するための面内移動機構（ステージ）が構成されている。試料と相対する位置に検出部が配置され、検出部としてその先にはカンチレバーが取り付けられる。そして、カンチレバー先端の探針を観察領域である原子間力検出位置まで探針を位置決めするための移動機構を介して、検出手段が検出手段支持構造部材に固定されている。特に、観察対象である試料が大きい場合、検出手段を支持する支持部構造は門型をしており、試料の大きさに対して、少なくても試料外形より大きい構造幅が必要になる。一方、装置の分解能は、検出部の検出能力と外乱に対する装置の強さにより決定する。原子間力顕微鏡の分解能は装置構造、特に、検出手段の支持構造部材の剛性が低い場合、検出部が相対する位置に設置された試料表面と探針間の相対的位置変動を生じて、分解能の低下を誘発する。また、外乱振動は、探針と試料表面との接触頻度を上げることになるため、探針先端を破損させる恐れがあり分解能の低下につながる。

本発明は、上記の問題点を解決し、検出手段を支持する支持構造において、外乱に強く、大きな試料測定に対しても分解能の低下を抑えた分析装置向けの剛性の高い分析装置の構造およびその構造を備えたプローブ顕微鏡の提供を目的とするものである。

上記問題点を解決するために、本発明に係る装置構造およびその構造を備えたプローブ顕微鏡に関して以下の手段を提供する。

分析、検査及び計測装置の構造として、例えば分析装置の例により説明すれば、該装置の検出部を備えた検出手段の支持構造は、分析対象となる試料に対して、相対する位置に設置される検出手段を支持する支持構造部材の外形が門型円弧形状（カテナリ−曲線）を有するものとした。また、前記検出手段の支持は、該門型円弧形状を有する前記構造の一部に前記試料ステージの平面部に対して垂直方向となる面を形成し、該垂直面に配置する構成とした。

検出手段を支持する支持構造部材に門型円弧形状を用いること、または、該門型円弧形状を有する構造に垂直なる面を形成し、前記垂直面に検出手段を支持する配置構成にすることで、支持構造部材に支持された検出手段と相対する位置にある検出対象間における外乱による相対移動を減少し、結果としてノイズ成分の減少が可能になる。更に、該門型円弧形状の曲線構造がカテナリ−曲線（懸垂線）をもとに形成された構造とすることで局所的な応力集中を回避し、従来の支持構造より高い剛性を得ることができる。また、前記した理由により、該門型円弧形状の部材を一体構造とすることは、更に高い剛性を得ることができるためより好ましい。また、本発明に係わる装置構造は、前記した様に分解能及び耐外乱振動性の向上が期待できることから、前記検出部が、少なくとも光学的／磁気的／電子顕微鏡等の電子的な原理のうちいずれかの原理により試料の物性や形状を分析・検査・計測する検出部である場合に有効である。また、当該検出部と試料ステージに載置された試料に対して前記検出部との相対位置を制御する位置決め機構を備えた装置に対しても同様に有効である。従って、前記検出手段が原子構造および物性の測定を可能とする高感度な検出部を有するプローブ顕微鏡においては、該構造を用いることで、高分解能な試料分析や形状測定が可能になり、ノイズが低減し測定結果の信頼性が向上するため、特に有効なものとなる。

以下、本発明に係る装置構造について、プローブ顕微鏡の場合を例に挙げて、第一実施形態を、図１から図５を参照して説明する。尚、以下の実施形態では、図８の説明にて示したプローブ顕微鏡の概略システム構成と基本的には同一の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。

図１は、本発明に係る第一実施形態としてプローブ顕微鏡装置を示した図である。プローブ顕微鏡ユニット１はプローブ顕微鏡内部ユニットを音響ノイズから保護するための防音カバー２により覆われている。防音カバー２にはシステムＯＮ、ＯＦＦ、非常停止スイッチが構成された操作パネル３やステージ動作を指示する液晶タッチパネルからなる操作部４、防音カバー内部に構成されたユニット操作のための扉５が構成されている。プローブ顕微鏡ユニット１の右側にはプローブ顕微鏡を制御する制御電装６、各種指示を行うためのコンピュータ７、ディスプレイ８が机９上に構成されている。

図２、図３および図4はプローブ顕微鏡ユニット１において防音カバーを取った状態のプローブ顕微鏡の内部ユニットを示した図である。床振動ノイズから検出部を保護する除振台１０上に高周波成分の振動を減衰させるための弾性部材（図には記載なし）を介してプローブ内部ユニットが構成されている。プローブ顕微鏡内部ユニットは定盤１１、検出手段支持構造部材１２、試料移動用電動ステージとして直線移動するＹ軸ステージ１３と回転ステージθ軸１４が固定されている。検出手段支持構造部材は、図５に示すようにユニット構成全体を小さくまとめるために門型円弧形状の曲線構造３１の中央上底部に楕円穴３２を形成し、該穴部の部材厚方向の側面部に試料ステージの平面部に対する垂直面３３を形成している。また、本実施形態では低膨張素材を用い、鋳物による一体構造とした。そして、曲線構造はカテナリ−曲線（懸垂線）に基づいて形状を決めた。図５に示す当該垂直面３３に検出手段を支持することにより、検出手段と曲線構造間での堅固な保持をすることで、曲線構造体が外乱振動による検出手段の倒れこみ方向の振動を抑えるという効果を生み、検出手段と試料表面間の変動、つまりノイズ低減につながる。例えば、門型の上面内部から検出手段を懸垂支持するなども考えられるが、曲線構造体と間の堅固な保持がされていない場合、検出手段の外乱に対する振動要因になる問題がある。

検出手段支持構造部材１２の垂直面３３には鉛直移動するＺ軸ステージ１５が固定されている。そして、Ｚ軸には中間部材１６を介して微動機構１７が固定されている。微動機構１７には先端部にカンチレバー保持部およびカンチレバーが固定されている（図には記載なし）。カンチレバーの固定は真空吸着を用いているがバネ機構を用いた機械的保持や磁力による保持も考えられる。微動機構１７の内部にはカンチレバーの変位を検出する光テコ機構が構成されている。中間部材１６に光学系が構成（図には記載なし）するこことで、微動機構１７の先端部に鏡を配置し、前記鏡を介して、カンチレバーおよび試料面の観察が可能となっている。また、カンチレバーに相対する位置にステージθ軸１４上に試料ホルダ１８および試料１９が配置されている。ウェーハのような薄い試料保持として、試料ホルダ１８に真空吸着機能を設けた。直線動作するＹ軸１３と回転ステージθ軸１４により直径３６０ｍｍの試料全面測定を可能にした。プローブ顕微鏡内部ユニットの上面図（図３）および背面図（図４）に示すよう、Ｙ軸ステージ１３上のプレート２０に直線動作する小型Ｘ軸ステージ２１を介して、カンチレバーのストック部材２２を設けることで、カンチレバーを５個ストックでき、ステージＹ軸とＸ軸により、カンチレバーの交換時の位置あわせができるようになっている。

本実施形態のように、検出手段支持構造部材を図５に示す形状にすることで、Ｚ軸ステージ１５、中間部材１６および光学系と共に検出部が構成された微動機構１７を保持しても十分な剛性を得ることができ、シリコンマイクロラフネスやサファイア（Ａｌ₂Ｏ₃ ０００１面）原子ステップ構造も図６に示すように測定することができた。

尚、本実施形態ではユニットを小さくまとめるため、直線Ｙ軸と回転θ軸ステ−ジの組み合わせとしているが、検出支持構造の幅を広げ、カテナリ−曲線（懸垂線）をもとに剛性の低下がないように形状を決めることで直線ＸＹ軸ステ−ジからなるユニット構成も考えられる。

本発明に係るプローブ顕微鏡の第二実施形態を、図７を参照して説明する。プローブ顕微鏡装置構成は第一実施形態で示した内容と同等な部分に関しての説明は省略する。図７は除振台上の内部ユニットを示した図である。第一実施形態と同様に、床振動ノイズから検出部を保護する除振台および、高周波成分の振動を減衰させるための弾性部材を介して内部ユニットが構成されている。プローブ顕微鏡内部ユニットは定盤４１、検出手段支持構造部材４２、試料移動用電動ステージとして直線移動するＸ軸ステージ４３、Ｙ軸ステージ４４が固定されている。前記ＸＹ軸上に回転軸を設けることも考えられる。その際は組み合わせによるステージ部の剛性に注意することが必要である。検出手段支持構造部材４２は第一実施形態と同様に低膨張素材を用い、鋳物による一体構造とした。

門型円弧形状の検出手段支持構造部材４２の部材厚方向側面の垂直面４５には鉛直移動するＺ軸ステージ１５が固定されている。そして、Ｚ軸には中間部材１６を介して微動機構１７が固定されている。微動機構１７には第一実施形態と同様なものを用いた。よって、カンチレバーの保持も同様な形態である。中間部材１６にも第一実施形態と同様に光学系が構成（図には記載なし）されている。カンチレバーに相対する位置にステージ４４上に試料ホルダ１８が構成され、試料ホルダ上に試料がこていされる。試料保持に関しても、第一実施形態と同様な形態である真空吸着を用いた。Ｙ軸ステージ４４上に、カンチレバーのストック部材２２を設けることで、第一実施形態と同様にカンチレバーを５個ストックし、ステージＸ軸とＹ軸により、カンチレバーの交換時の位置あわせをするようにしている。

本実施形態のように、曲線構造をした検出手段支持構造を用いることで、Ｚ軸ステージ１５、中間部材１６および光学系と共に検出部が構成された微動機構１７を保持しても十分な剛性を得ることができ、第一実施形態と同様な高分解能な測定をすることができた。

このように、本発明の装置構造を採用したプローブ顕微鏡においては、検出部が高い剛性にて支持されるため、測定に対して影響する振動数に対して、該検出部に備えた測定部の固有振動数を更に高い値に設定することができ、高い分解能を確保することが可能となる。

また、本発明の構成は、本実施例に限定されるものではなく、分析、検査及び計測に関する装置の様に、外乱振動の影響を極力除去し、高い分解能を要求される装置全般に適用することができる。

本発明の第一実施形態におけるプローブ顕微鏡装置の概要を示す構成図である。 本発明の第一実施形態におけるプローブ顕微鏡装置のプローブ顕微鏡内部ユニットを示した図である。 本発明の第一実施形態におけるプローブ顕微鏡装置のプローブ顕微鏡内部ユニットを示した上面図である。 本発明の第一実施形態におけるプローブ顕微鏡装置のプローブ顕微鏡内部ユニットを示した背面図である。 本発明の第一実施形態におけるプローブ顕微鏡装置のプローブ顕微鏡内部ユニットに用いた検出手段支持構造部材を示した図である。 本発明の第一実施形態におけるプローブ顕微鏡装置で観察した原子ステップ構造である。 本発明の第二実施形態におけるプローブ顕微鏡装置におけるプローブ顕微鏡内部ユニットを示した図である。 プローブ顕微鏡の概略システムを示す構成図である 一般的なカンチレバー形状を示した構成図である。 大型試料観察用のプローブ顕微鏡ユニットの従来例を示した図である。 大型試料観察用のプローブ顕微鏡ユニットの従来例を示した上面図である。

符号の説明

１，７１ プローブ顕微鏡ユニット
２ 防音カバー
３ 操作パネル
４ ステージ動作を指示する操作部
５ 防音カバー扉
６ 制御電装
７ コンピュータ
８ ディスプレイ
９ 机
１０ 除振台
１１，４１，７４ プローブ顕微鏡内部ユニット定盤
１２，４２，７８ 検出手段支持構造部材
１３，４４ Ｙ軸ステージ
１４ θ軸ステージ
１５，７９ Ｚ軸ステージ
１６ 中間部材
１７，５２，８０ 微動機構
１８，７７ 試料ホルダ
１９，５１，７５ 試料
２０ プレート
２１ 小型Ｘ軸ステージ
２２ カンチレバーのストック部材
３１ 曲線構造
３２ 楕円穴
３３，４５ 垂直面
４３ Ｘ軸ステージ
５３ 探針
５４、８１ カンチレバー
５５ カンチレバーホルダ
５６ 粗動機構変位検出系
５７ 変位検出系
５８ レーザ発信器
５９ フォトディテクタ
６０ アンプ
６１ Ｚ軸制御フィードバック回路
６２ 面内走査ＸＹ駆動回路
６３ コンピュータおよび制御系
６４ カンチレバー基板
７２ 除振台定盤
７３ 弾性材
７６ ＸＹステージ
８２ 光学顕微鏡

Claims (5)

1. 分析、検査及び計測の対象となる試料を載置する試料ホルダを有する試料ステージと、該試料と相対する位置に配置される支持構造部材に設置された検出手段とを有し、前記試料の物性や形状等の分析、検査及び計測を行う装置の装置構造において、
   前記試料ステージが、少なくとも１軸方向への微動機構を有する移動手段を備え、
   前記検出手段の支持構造部材が、局所的な応力集中を回避するようにカテナリー曲線に準ずる曲線に形成した門型円弧形状の部材により構成されることを特徴とする装置構造。
2. 請求項１に記載の装置構造において、
   前記検出手段の支持構造部材が、一体構造により形成された前記門型円弧形状である装置構造。
3. 請求項１記載の装置構造において、
   前記検出手段が、前記門型円弧形状の支持構造部材の部材厚方向の一部に前記試料ホルダの平面部に対して略垂直方向となる面を形成し、該垂直面に支持された装置構造。
4. 請求項３に記載の装置構造において、
   前記垂直面が、前記門型円弧形状の上底部に形成した穴部の部材厚方向の側面部に形成した装置構造。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の装置構造を備えた走査型プローブ顕微鏡。