JP5248515B2 - 走査プローブ顕微鏡用プローブアセンブリ - Google Patents

Description

この発明は、走査プローブ顕微鏡の分野に関し、特に、そのような顕微鏡において採用されるプローブに関する。この発明は特に、しかし排他的ではなく、原子間力顕微鏡での使用に適する。

走査プローブ顕微鏡法の分野は走査型トンネル顕微鏡の発展とともに１９８０年代初頭に始まった。その年代から広い範囲のプローブ顕微鏡が開発されたが、それらはすべて同じ基本的な動作原理基づくものであり、単一のナノメートルプローブが、試料空間の「相互作用地図」を取得するために、試料表面の上を機械的に走査される。各々の異なる形式の走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は、局所プローブの性質およびそれの試料表面との相互作用によって特徴付けられる。

走査近接場光学顕微鏡法（ＳＮＯＭ）のようないくつかのプローブ技術は、照射された試料とのプローブの相互作用の結果として発生される光子（フォトン）を検出し、もしくは吸着、分極、波長などのような他の関連する特性を監視する。他のプローブ技術は、プローブ‐試料相互作用力における変化の検出に基づく。この後者のグループにおける技術は、走査型力顕微鏡法（ＳＦＭ）として一般的に知られている。この相互作用力は、数ある中で、たとえば、原子間力のもの（原子間力顕微鏡法または「ＡＦＭ」）、磁気のもの（磁気力顕微鏡法または「ＭＦＭ」）、電気のもの（静電気力顕微鏡法または「ＥＦＭ」）であってよい。

原子間力顕微鏡法（ＡＦＭ）は、最も一般的に用いられる走査プローブ顕微鏡法の技術である。接触モードにおいて動作する典型的なＡＦＭの場合、プローブはカンチレバーの端部上の鋭い先端（tip：チップ）であり、カンチレバーは、試料のすぐ近くにもたらされるとき、そのチップと試料との間の原子間相互作用力に応答して曲がる。光学レバー技術は、通常、カンチレバー取り付け台あるいはチップにどんな力も作用していないヌル（null）位置に対するカンチレバーの曲がり（偏倚）を計測するために使用される。ＡＦＭは２つの形態（レジーム）、一定力または一定高さの一方において動作され得る。典型的には、ＡＦＭは一定力レジーム下で動作され、そこでは、カンチレバーの偏倚における任意の変化に応答して試料（もしくはチップ）を上下に動かすことによって、一定の相互作用力を維持するために帰還ループが使用される。

動作の典型的なモードは、接触動作およびダイナミック動作である。接触モードにおいては、走査の進行に応じて、チップおよび試料は密な接触、すなわち、原子間相互作用の反発レジームに留まる。普通のダイナミックモードの動作は間欠的な接触モードであり、そこでは、プローブチップがその発振期間のごく小さい部分の間においてのみ試料表面と接触するように、アクチュエータがカンチレバーをその共振周波数で駆動する。動的動作の他の形式は非接触モードであり、そこでは、原子間相互作用力がもはや反発しない、そのような距離においてカンチレバーは試料の上方で発振される。

プローブ顕微鏡法における最近の進歩は非常に高速化したデータ収集時間に導いた。高速走査用に設計されたプローブ顕微鏡の一例が特許文献１に記述されている。この特許文献１において、顕微鏡のプローブは、外部から与えられた力の支配下にあるとき、バイアス力が、プローブチップおよび試料の一方または両方を、プローブチップが試料を調べているとき、プローブチップの変位から生じる復元力より大きい大きさで、互いの方向に駆り立てる。このことは次いで、プローブが、従来の走査プローブ顕微鏡によるより非常に素早く試料表面を走査するのを可能にする。

最近の開発は走査速度を増大させることを求めてきているが、走査速度をさらに増大させると、磨滅、汚染あるいは損傷などの結果として、プローブチップはさらに短い時間間隔で置換される必要がある。顕微鏡効率におけるさらなる改良は、したがって、磨滅あるいは損傷したプローブを置換するためにまたは異なる形式のプローブ間の取り替えるために要する時間によって制限を受ける。
ＷＯ２００５／００８６７９ ＵＳ６，４２３，９６７ ＵＳ２００４／０２５６５５２ ＵＳ５，７０５，８１４

走査速度を高速化する１つの方法は、大きな試料表面の領域を同時に走査するためのプローブのアレイの使用を必要とする。この方法におけるプローブアレイの使用の例が、特許文献２および特許文献３に見られる。プローブアレイは、大きな試料表面の領域が同時に走査されるのを可能にするが、プローブが置換されるべきとき、同じ遅延が体験される。

特許文献４において走査プローブ顕微鏡が記述されているが、そこでは、プローブはこれらの手順の自動化によって交換されもしくは置換され得る。そのために、顕微鏡のプローブ台はクランプ手段を組み入れていて、そのクランプ手段は個々のカンチレバーのプローブをピックアップしかつ保持するために、機械的に、電磁的に、あるいは空気圧制御的に作動される。新しいプローブが顕微鏡中に組み立てられるべきとき、各カンチレバープローブは、試料ステージ上の試料にとって代わるホルダ中に保管され、そのホルダ中の各カンチレバープローブとのプローブ台の整列が、プローブ検出システムからの信号を使って自動化される。

また、特許文献３においては、複数の個々のプローブをホルダ中に保管するためのかつ試料の変位を必要とせず、プローブホルダとプローブ台との間で個々にプローブを自動的に転送するための装置を含む、走査プローブ顕微鏡が記述されている。

上で言及した先行技術は、顕微鏡へプローブを組み立てるための手順の少なくとも部分的な自動化を通して効率のいくらかの改善を提供するものの、先行技術の解決策は、特に顕微鏡およびプローブ台の設計に対して付加的な望ましくない複雑さを含む。

それゆえに、この発明は、走査プローブ顕微鏡における使用に適した改良されたプローブを提供しようとするものであり、それは、個々の置換プローブ（置換されているプローブと同じもしくは異なるもの）を顕微鏡の検出システムと非常に速く整列させることができる。

この発明は、それゆえに、走査プローブ顕微鏡における使用のためのプローブアセンブリを提供する。このプローブアセンブリは３つ以上の第１複数のプローブを有するキャリアを備え、各プローブはチップを有し、そのチップはその複数のプローブのチップに共通する平面上に配置され、かつこの平面から移動可能である。プローブアセンブリはさらに、プローブの残りのものの大多数に対する相対的な移動のために複数のプローブの１つを選択するようにされたアドレス手段を含むことを特徴とするものである。

好ましくは、プローブアセンブリはまた、３つ以上の第２複数の実質的に同じプローブを含む。さらに、アドレス手段は、第１複数から１つのプローブをかつ／または第２複数から１つのプローブを選択するように配置され得る。第２複数のプローブは第１複数のものとは異なる形式のプローブであってよい。

理想的には、アドレス手段は、各プローブへのそれぞれの電気接続を備える。１つの実施例において、それぞれの電気接続は、プローブと遠隔電極との間に電位を与える手段を含む。他の実施例においては、各プローブは弾力のある支持梁を含み、アドレス手段はさらに、その支持梁を曲げるためにそれぞれの電気接続に接続された圧電材料を含む。別の実施例では、各プローブは弾力のある支持梁を含み、アドレス手段は、その支持梁へ加えられる材料の少なくとも１つの追加層を備え、その追加層は支持梁のものとは異なる材料から形成されていて、それによって異なる熱膨張係数を有する少なくとも２つの層からなる多層構造を形成する。好ましくは、この多層材料は各抵抗性ヒータもしくは遠隔光源によって加熱される。

プローブアセンブリはさらに、前記のプローブがその上に設けられる１つの基板を備えることができ、その基板がキャリア上に組み立てられる。

その代わりに、前記のプローブの各々は、それによってそのプローブがキャリア上に組み立てられるそれぞれの基板を持つようにしてもよい。

好ましくは、３つ以上の複数のプローブは、接触モードプローブ、ダイナミックモードプローブ、ナノリソグラフィプローブ、静電容量の計測に適したプローブ、局所磁界および／または電界に応答するプローブ、光学近接場顕微鏡法に適したプローブ、標準アスペクト比のプローブ、高アスペクト比のプローブ、異なるチップ半径を有するプローブの群から選ばれた、形式のプローブである。

さらに、プローブの少なくとも１つについては１００ｎｍまたはそれより小さい曲率半径を有するチップを持つことが望ましい。好ましくは、プローブの少なくとも１つは、２Ｎｍ^−１より小さいばね定数を有する。プローブは他に対して実質的に平行に配置され得る。

１つの実施例において、キャリアはそのキャリアを通って延びる少なくとも１つのスロットを規定する内部エッジを有し、プローブは、１つまたはそれ以上の内部エッジに沿って組み立てられる。好ましくは、少なくとも１つの第１プローブと少なくとも１つの第２プローブとがプローブ支持体のそれぞれ互いに対向する内部エッジ上に設けられる。さらに、前記の少なくとも１つの第１プローブと少なくとも１つの第２プローブは、それらのチップが一列に配置されるように、互いに重なり合うことができる。

好ましくは、キャリアはさらに、キャリアを顕微鏡上の台へ取り付けるための手段をさらに備える。この取り付け手段は、プローブ毎の情報を記憶する手段を含んでよい。さらに、取り付け手段はまたプローブを選択するためのマルチプレクサを含んでもよい。

１つの実施例において、プローブチップは、共通平面内において実質的に均等に並べられる。あるいは、少なくとも２つのプローブが、プローブの残りのものに比較して、共通面内において異なるように間隔を隔てられてもよい。

他の実施例において、第１プローブは第１プローブ支持体上に設けられかつ第２プローブは第２プローブ支持体上に設けられ、それら第１および第２プローブのチップ間隔は固定される。それに代えて、プローブは、共通平面内において調整可能な間隔を持つこともできる。

さらに別の実施例において、プローブの第１群（bank）は第１プローブ支持体（実施例でいえばプローブビスケット）上に設けられかつプローブの第２群は第２プローブ支持体（実施例でいえばプローブビスケット）上に設けられ、これら第１および第２群のチップ間間隔は調整可能である。好ましくは、第１および第２プローブ支持体の少なくとも一方は、２つのプローブ支持体の相対的な位置を変えるための調整可能スペーサを含む。少なくとも１つの第１群と少なくとも１つの第２群はそれぞれの第１および第２プローブ支持体のそれぞれ対向するエッジ上に設けられる。この場合、第１および第２群は、プローブチップが一列に配置されるように、互いに重なり合ってもよい。好ましくは、各群は、他の群と共通する平面上に配置され、前記の群における各プローブチップは前記の群における他のプローブチップと共通の平面に配置され、各群はそれぞれのアドレス手段を有する。好ましい実施例において、アドレス手段は、選択された群中のものではないプローブの残りのものの大多数に対する相対的な移動のために、少なくとも１つの群を選択するようにされていてさらに、その群中のプローブの残りのものの大多数に対する相対的な移動のために、選択された群から少なくとも１つのプローブを選択するようにされていて、選択されたプローブは選択された群中のプローブであって、それはその選択された群中のものではないプローブの残りのものの前記の大多数から最も遠く移動される。

好ましくは、共通平面は試料ステージに対して実質的に平行である。

この発明はさらに、試料ステージ、台、検出システムおよび台に取り付けられているここで説明したようなプローブアセンブリを備える、走査プローブ顕微鏡法装置を提供する。顕微鏡はまた、選択されたプローブを検出システムに整列させるための手段を含む。このことによって、アセンブリ中の他のものとのプローブの自動化した置換を可能にし、そのことが、プローブを置換する必要がある場合におけるトータルのデータ収集時間をさらに改善するのに有利である。

他の局面において、この発明は、試料プレートおよび検出システムを有する走査プローブ顕微鏡を使って試料表面を調査する方法を提供する。その方法は、走査プローブ顕微鏡の試料プレート上に試料を組み立てるステップ、ここで説明したようなプローブアセンブリを走査プローブ顕微鏡中に組み立てるステップ、１つまたはそれ以上のプローブを指定（address）し、その指定されたプローブのプローブチップをプローブの残りのものに対して共通平面の外へ移動させ、それによって試料表面を走査する１つまたはそれ以上のプローブを選択するステップ、選択されたプローブを試料表面上に位置決めするステップ、走査プローブ顕微鏡の検出システムを１つまたはそれ以上の選択されたプローブと整列させるステップ、１つまたはそれ以上の選択されたプローブと試料表面との間の相対的な移動を発生するステップ、および検出システムを使って試料との相互作用に対する１つまたはそれ以上のプローブの応答を監視するステップを含む。このプロセスはプローブの択一的な選択とともに繰り返され得て、検出システムとの整列のプロセスは自動的に実行されてもよい。

図１はこの発明の改良されたプローブとともに使用するのに適した形式の従来の原子間力顕微鏡を概略的に示す。 図２は走査プローブ顕微鏡法における使用のためのプローブアセンブリのこの発明に従った第１実施例を図解する。 図３は走査プローブ顕微鏡法における使用のためのプローブアセンブリのこの発明に従った別の実施例を図解する。 図４はこの発明に従ったプローブアセンブリ上の２つのプローブのカンチレバーの構造を図解する。 図５ａはこの発明に従ったプローブアセンブリの４つの別の実施例の１つを図解する。 図５ｂはこの発明に従ったプローブアセンブリの４つの別の実施例の他の１つを図解する。 図５ｃはこの発明に従ったプローブアセンブリの４つの別の実施例のさらに他の１つを図解する。 図５ｄはこの発明に従ったプローブアセンブリの４つの別の実施例のその他の１つを図解する。

図１に、包括的に１０で示される原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）が、この発明の改良されたプローブを採用できるＡＦＭの形式の一例として図示される。しかしながら、この発明はＡＦＭのこの特別な設計に限定されないということが理解されるべきである。その代わり、具体的な応用は考えられてもよいが、この発明は、一般的には、走査プローブ顕微鏡での使用に適する。一例として、欠陥の探知および同定を助けるために半導体ウェハの表面を走査するようにされたＡＦＭ（すなわち、ウェハ検査ツール）での使用に適する。

ＡＦＭ装置は一般的に、試料１４を受けるようにされたプレート１２の形状の試料ステージ、カンチレバー（cantilever：片もち支持梁）１８およびナノメータ（nanometric）プローブチップ２０を有するプローブ１６（これは以下により詳細に説明する。）、およびカンチレバー１８のそれの台に対する偏倚（deflection）を監視するための検出システム２２を備える。ナノメータチップ２０の針頭ないし点（point）は、１００ｎｍまたはそれより小さい曲率半径を有し、異なる形式の走査または画像収集のために、異なるサイズや形状のチップが採用されてもよい。走査の間、プローブチップ２０と試料表面との間に相互作用力が発生し、カンチレバー１８の相対的な偏倚もしくは高さが試料の地形（トポロジ）および相互作用力の強さの両方を示す。

プローブ１６は、位置制御装置２６、たとえば圧電トランスデューサと粗駆動（coarse driving）手段２７との上に組み立てられる。位置制御装置２６は、プローブ１６を三次元、ｘ，ｙおよびｚ方向において駆動するために使用される。この分野においてはありきたりであるように、デカルト（直交）座標系のｚ軸が試料１４によって占有される平面に対して直角をなすように設定される。つまり、相互作用力は、試料１４（プローブが撮像しているピクセル）上におけるプローブ１６のｘｙ位置およびその上のプローブの高さに依存する。

使用において、粗駆動手段２７は、試料１４に対してプローブを位置決めするために使用され、検出システム２２は、プローブの偏倚を監視できるように、プローブ１６の後ろに整列される。そして、高さの微調整および初期スタート位置調整が、プローブ‐試料相互作用力の結果としてのプローブ１６の偏倚を検出システムが計測する間に、なされる。相互作用力の所望のレベルかつしたがってプローブカンチレバーの偏倚が一旦確立されると、プローブ１６は、位置制御装置２６を用いて試料１４の表面上を走査され、他方で、プローブの高さ、偏倚または偏倚の補正が検出システム２２によって監視されおよび／または記録される。

図１においては参照を容易にするために、１つのプローブ１６が図解されている。図２、図３および図５ａ、図５ｂ、図５ｃならびに図５ｄにおいては、この発明に従ったプローブアセンブリ３１、６０が図解される。プローブアセンブリ３１（ここではプローブビスケットと呼ぶ。）は、１つの基板３３（図２）上に組み立てられた複数の個別のプローブ３２を有する。個別のプローブ３２が１つの基板３３上に組み立てられているので、プローブの各々の他のものに対する空間的な位置が、製作中において、非常に正確に制御され得る。次いで、基板３３が、プローブのすべてについて共通であるキャリア（carrier：担体）３４上に組み立てられる。

キャリア３４は顕微鏡法装置のプローブ台（図示せず）へキャリア３４を固着するための手段たとえば、組み立てピン３５もしくは他の通常の手段を含む。

キャリア３４はさらに、この実施例においては電気接続（電気結線）の形式におけるアドレス手段３６を含み、このアドレス手段３６は外部電源（図示せず）へのプローブ毎の個別の接続を提供する。図２の場合において、電気接続３６の各々は外部電源へ個別に接続されてもよい。しかしながら、図３に示すように、より多い数のプローブのためには、オプションとして、個別の電気接続３６は、マルチプレクサ３７に通じてもよく、マルチプレクサ３７は個別の電気接続３６を外部電源３８へ選択的に接続するようにされている。各プローブ３２はそれぞれの電気接続３６を備えるが、プローブのチップ２０は、確実にチップ‐試料相互作用が影響を受けないようにするために、接続３６から絶縁（または分離）されている。

図３の別の実施例においては、個々のプローブ３２はそれぞれの基板３３’上に設けられ、次いで各基板とともに共通のキャリア３４上に組み立てられる。プローブは図２においては、キャリア３４の外部エッジに沿って組み立てられるが、図３の場合において見られるように、キャリア３４が１つまたはそれ以上のスロット３９（図３では１つだけのスロットが図解される。）を含み、プローブ３２がこれらスロットの内部エッジに沿って組み立てられてもよい。この方法はより多い数のプローブが含まれる場合に特に有用である。理想的には、プローブ３２はキャリア３４に対してもかつ他のプローブに対しても、所定の空間位置に配置される。もちろん、スロットは任意の形状のものであってよく、個別のプローブが組み立てられる内部エッジさえ設けられておればよい。

図３に図解するプローブビスケット３１上のプローブ３２の配置では、各対向している対のプローブすなわちスロット３９の対向するエッジ上のプローブは補角であり、すなわち、試料プレートに対するそれらの角度の合計が１８０度である。これは、スロット３９の対向するエッジ上のプローブが、異なる方向における検出システムからの入射光を反射するという効果を有する。したがって、図３のプローブビスケット３１では、検出システムは好ましくは、スロット３９の両側のプローブからの反射光を収集するための集光手段を含む。たとえば、そのような集光手段は変位可能（repositionable）であってよく、あるいはスロットの一方側のプローブから反射される光の収集に特化した追加的な光学要素を含んでもよい。代わりに、走査顕微鏡法装置が、スロットの１つの側について１つの、２つの検出システムを備えるようにされてもよい。

図２および図３のプローブビスケットはほぼ矩形であるが、キャリアは、顕微鏡法装置における組み立てに適する任意の形状のものであってもよいということが理解されるべきである。さらに、図３実施例において、対向している対のプローブを補角に組み立てる必要はなく、単なる便宜的な配置に過ぎない。同じように、電気接続３６の構成についても、ここで図解される構成に限定することを意図するものではない。

顕微鏡法装置へプローブビスケットを取り付けるための手段は任意の従来の手段であってよいが、好ましい実施例（図示せず）は、プローブを保護するために、カートリッジやカセットのようなハウジングユニット内に固定されたキャリア３４を有する。ハウジングそれ自身は次いで、使用のために位置決めされたプローブビスケットとともに顕微鏡法装置上に組み立てられるようにされる。ハウジングは、カバーおよび／またはベースを含み、それらは使用のための準備において、試料および検出システムの両方へプローブを露出するように移動されもしくは除去され得る。ハウジングがカバーおよびベースを含む場合については、これらは別々にもしくは一緒に移動されあるいは除去され得る。カバーおよび／またはベースは組み立てるより前にもしくは組み立てプロセスの一部として移動されあるいは除去され得る。しかしながら、ハウジングが組み立てられてしまった後にカバーおよび／またはベースが移動されあるいは除去されることが好ましく、そうすれば、組み立てプロセス中ハウジングが閉じられたままで、プローブを保護できる。

保護に加えて、ハウジングはまた、プローブの顕微鏡システムとの整列を助けることができる。顕微鏡システム上の設定位置（それはスロットや溝などによって示されてもよい。）におけるハウジングの手動的な配置が、ビスケットを少なくともほぼ使用の準備のできた位置に位置決めするように、プローブビスケットがハウジング内に正確に位置決めされてもよい。

さらに、ハウジングはまた、個別のプローブもしくはアセンブリそれ自体についての校正または他の情報を含む半導体素子（chip）を保管しておくためにも使用され得る。以下により詳細に説明するように、そのような情報は、置換プローブを選択するためにビスケットの自動化した再整列のために使用され得る。半導体素子はまた、各プローブの使用を監視するために使用され、そして個別のプローブが使用されるとき更新され得る。そのような情報は、たとえば、プローブが所要の仕様または規格を果たすことが期待される走査回数にプローブの使用を制限するために活用され得る。

プローブビスケット３１は走査プローブ顕微鏡法における使用のために個々のプローブ３２の保管場所として機能する。プローブビスケット３１上のすべてのプローブが同時に使用されることを意図するものではない。そうではなく、プローブビスケット上のプローブ３２は個別でのあるいはグループでの使用のために、アドレス手段３６によって選択される。選択は、選ばれたプローブを試料の表面に接触させるかあるいは近接させるようにそれらのプローブを下げることによって、もしくはすべての選ばれないプローブを上げることによって、達成される。したがって、どのプローブも選択されないとき、プローブの各々のプローブチップは共通平面内に配置される。１つまたは複数のプローブが選択されるとき、それら選択したプローブまたはすべての選択されなかったプローブのいずれかのプローブチップがプローブの残りのものに対する共通平面の外へ移動するようにされる。

プローブ選択を可能にするために、試料１４の下方に下電極（図示せず）が配置されてもよく、プローブビスケット３１上のプローブ３２がすべて第２電極として機能するために選択されるようにされている。たとえば、プローブ３２の個別の１つが、試料１４の下方の下電極とその選択されたプローブ３２との間に電位差を与えることによって、選択される。その電位差が吸引力を発生し、この吸引力は、選択されたプローブ３２を下電極に向かってかつしたがって試料１４に向かって曲がるように、駆り立てる。走査プローブ顕微鏡がウェハ検査のために使用されている場合については、ウェハそれ自身が下電極として採用され得る。

図３に図解したように、上電極４０（点線で示す）が試料１４に対するビスケットの反対面上においてプローブビスケット３１の上に設けられてもよい。顕微鏡法装置において垂直検出システムが用いられている場合、たとえば酸化チタン（ＴｉＯ２）のような導電材料で被覆したガラス層の形式のものであってよく、そうすればそのガラス層とそれの被覆とを横切って、プローブへのあるいはプローブからの光の伝達を確実にする。もちろん、非垂直光学検出システムもしくは非光学検出システムが顕微鏡法装置において採用されるのであれば、上電極を光透過性にする必要はなくなる。この場合、プローブと上電極４０の被覆との間に電位を与えることによって、プローブが上電極４０に向かって引き付けられて試料１４から遠ざかる。そのために、この実施例においては、選択されたプローブを除くすべてのプローブに、電位が印加される。

第３実施例においては、試料１４の下方の下電極およびプローブビスケット３１の上方の上電極の両方が設けられる。この実施例では、電源を横切って下電極が上電極に電気的に接続され、試料１４およびキャリア３１を横切って電磁気の磁界が確立されるのを可能にする。個々の電気接続３６によって選択したプローブ３２に電位を与えることによって、１つまたは複数のプローブが、それへ与えられた電位に依存して、下電極へ向かってもしくは下電極から離れ、そしてそれゆえに試料１４に向かってあるいはそれから離れる方向に、移動させられる。

さらなる代替物は、選択されたプローブに対して圧力勾配を発生する遠隔アドレス手段の使用を含む。たとえば、不活性ガスまたは空気を、選択されたプローブ上に吹き付けることによって、選択されたプローブを試料に向けて偏倚させる。

アドレスしたプローブをプローブチップの共通平面の外側に駆り立てるために必要な場の強度を最小にするために、各プローブの支持梁が、たとえば図４に図示するように、その支持梁の少なくとも基部を広くすることによってそれの表面積を増加し、それによって印加された電位から生じる電場においてその支持梁が受ける力を増加させるようにされてもよい。これは特に、ダイナミックモード動作において典型的に使用される高ばね定数カンチレバーを有するプローブの場合に望ましい。

ここで述べたプローブアセンブリでは、プローブの１つまたはそれ以上のカンチレバーが、機械的にダンプ（damp）されるように設計されかつ／もしくは外力を印加するための手段を含むようにしてもよい。或る撮像技術において都合がよい。

上および下電極は、圧電材料のような電気的に作動する材料によって置換されてもよく、その材料は、各プローブ上に個別に設けられ、そのプローブが試料１４に向かってあるいはそれから離れるように曲がるのを可能にする。さらに別の例では、個々のプローブの選択かつしたがって試料へ向かうもしくはそれから離れる動きは各プローブ上に２層（またはそれ以上の層）のストリップ（strip）を設けることによって達成されてもよい。各層は異なる膨張係数を有する材料からなる。この方法では、ストリップが加熱されると、それが曲がり、次いでそれがプローブを動かす。それらの層は、異なる膨張係数の特性を示す金属、シリコンまたは窒化シリコンもしくは他の材料であってよい。シリコンまたは窒化シリコンの利点は、それらはプローブ製作のための共通材料であり、そのために、プローブそれ自身がストリップの１つの層を形成してもよいことである。各２層化ストリップが局所電気接続３６に接続された抵抗性ヒータによって個別に加熱されてもよく、たとえば、電気接続３６が省略され得る場合においてはレーザからの光によって個別に加熱されてもよい。

明確化の目的で、少数のプローブ３２だけが図２、図３および図５ａ、図５ｂ、図５ｃならびに図５ｄにおいて図解されている。実際には、各マルチ（多）プローブビスケット３１が多くのプローブを持ってよいことが予見される。たとえば、個々のプローブは、数ミクロン（μｍ）の小ささから数十（tens）ミクロンあるいはそれ以上まで、互いに間隔が隔てられ得る。それによって、５ｃｍのプローブビスケットの１つのエッジ上に何百というプローブを設けることができる。図３に図解したように、各プローブビスケットは、各プローブビスケットに設けられるプローブの合計数をさらに増やす複数のエッジを含んでよい。

各プローブビスケット３１で、１つのプローブが使い古されたり損傷したりされると、顕微鏡法装置は、走査を継続するために、同じプローブビスケット上の第２の（次の）プローブへ再整列されるだけでよい。さらに、プローブビスケット上の各プローブはすべての他のプローブに対して既知の空間関係を有しているので、顕微鏡法装置の再整列に費やす時間は最小に維持できる。これは、付加的に、顕微鏡法装置の再整列が自動化され得るということである。たとえば、顕微鏡法装置の検出システムは、同じプローブビスケット上の置換プローブを整列させる際に使用され得る。あるいは、検出システムを新たに選択されたプローブと自動的に整列させるために、プローブの光学的な撮像がパターン認識プログラムと組み合わせて使用されてもよい。さらなる代案では、プローブビスケットの各プローブが、独特の識別コードおよび同じプローブビスケット上の他のプローブに対する相対的な空間位置を割り当てられてもよい。これは、顕微鏡法装置の検知システムの同じビスケット上の新たなプローブに対する再整列のコンピュータ化した制御だけでなく、その選択したプローブを電源へ接続することによって新たなプローブの選択を可能にする。さらに、プローブを他のものと置換する順序が予め決められている場合、個々のプローブ識別コードの必要性なしに自動化された再整列が可能である。

さらに注意しなければならないことは、プローブビスケット３１は個別に選択可能な複数の異なる形式のプローブを備えてもよく、走査と走査との間でプローブ支持台を除去し置換する必要性なしに、異なる形式の試料の分析を可能にしてもよいということである。たとえば、１つのプローブビスケット上に設けられ得る異なる形式のプローブは、典型的には小さいばね定数（たとえば、＜２Ｎ／ｍ）を有する接触モードプローブ、典型的にはより大きい（たとえば、＞１０Ｎ／ｍ）典型的には４０Ｎ／ｍあるいは時々それよりさらに大きいばね定数を有するダイナミックモードプローブ、ダイヤモンドのような硬化した被覆を有するナノリソグラフィプローブ、および特に３次元撮像において使用するための凹入（re-entrant）形状にされたチップを有するプローブなどである。或る場合においては、１つの基板３３上での異なる形式のプローブの製作は困難であるかもしれない。これらの状況においては、プローブは個別の基板上に設けられ、次いで、図３に図解したように、共通のキャリア上に組み立てられるようにしてもよい。

特に、プローブビスケット３１は、異なるアスペクト比を有する複数のプローブおよび/または個々に選択可能な異なる鋭さの複数のプローブを備えてもよい。アスペクト比や鋭さは一般に混同されるプローブの異なる特性であり、区別を説明する意味がある。プローブの鋭さは、プローブチップの点の曲率半径によって定義される。曲率半径が小さければ小さいほど、プローブチップは鋭い。他方、アスペクト比は、プローブチップの長さのそれの基部の幅に対する比である。すなわち、プローブがそれのチップの点に向かって次第に細くなるときの、勾配または傾斜の測定単位である。標準的なプローブは典型的には、＜５：１のアスペクト比のチップを有し、高アスペクト比のプローブは典型的には、＞１０：１のアスペクト比のチップを有する。高アスペクト比プローブは試料表面内における内部構造を撮像するために一層適している。より鋭いチップが改善された解像度を提供する。

このように、複数の異なる形式のプローブを有する１つのプローブビスケットによれば、関心のある場所を認識するための試料領域の初期の高速検査、そしてその後のより遅い、一層精細な、あるいはさもなければ認識した場所の補完的な走査を、プローブビスケットを変更することなく達成することができる。このことは、従来の走査プローブ顕微鏡法装置では、試料場所を認識した初期的な走査の後に、異なるプローブでその試料の場所へ正確に戻すことは非常に困難であるから、特に有益である。また、従来の走査プローブ顕微鏡法の方法は、この発明のプローブビスケットを採用したものに比べて、非常に時間がかかる。

異なる特性の走査を提供するためにマルチプローブ構成を用いることが特別な利益のものである応用は、半導体工業においてである。半導体ウェハの評価において、標準的なプローブチップを用いて関心のある領域を一旦探し当てた場合、この選択した領域の一層詳細な画像を提供するように関心のある場所のより遅い走査を行うために、同じプローブビスケットからより鋭いプローブチップが選択されてもよい。それに代わって、関心のある領域が高アスペクト比および／または凹入形状を有するプローブチップによって再走査され得る。より鋭いプローブは、表面の凸凹のより高い解像度での計測を提供し、高アスペクト比のプローブチップはウェハの表面の穴や溝に入り込むことができる。

あるいは、プローブビスケットを用いることによって、接触モードまたはダイナミックモードのいずれかの動作のために最適化されているプローブビスケット上の個々のプローブ間で、切り換えることができる。また、試料表面を撮像するために使用されるプローブとその同じ表面のナノリソグラフィに用いられるプローブとを、プローブビスケットの置換なしに、切り換えることができる。

明らかになるように、上で述べたプローブビスケットは、それの個別に選択されたプローブとともに、別のプローブを取り付けたり、損傷され、汚染されあるいは使い古したプローブを置換したりするために必要な時間を最小にすることができる。プローブの手動的なもしくは自動化された除去および置換よりむしろ、この発明のプローブビスケットですべて必要なものは、同じビスケット上の新たなプローブに対する検出システムの再配列である。さらに、使い古したプローブを置換する従来の方法は、試料表面についての、古いプローブの位置に対する新たなプローブの位置における不確実性が生じる。しかしながら、プローブビスケット上のプローブの各々の相対的な位置が既知であるので、試料場所におけるこの不確実性は回避できる。

プローブビスケットの設計の別の実施例６０が図５ａ、図５ｂ、図５ｃおよび図５ｄに示される。プローブビスケット６０は、複数の個別のプローブ３２を有し、それらのプローブ３２は１つの基板６１上に組み立てられ得る（図５ｂおよび図５ｄ）。次いで、この基板６１は、プローブのすべてについて共通でありかつ先に述べたような組立手段を含むキャリア（図示せず）上に組み立てられる。あるいは、キャリアは省略されてもよく、１つの基板がプローブ台への取り付けに適したものであってよい。個々のプローブ３２が共通の１つの基板６１上に組み立てられるので、プローブの各々の他のものに対する空間的な位置は、製作中、非常に正確に制御される。

基板６１はアドレス手段６２を含み、電気接続の形式でのこの実施例において、そのアドレス手段はプローブ３２毎に外部電源（図示せず）への個別の接続を提供する。電気接続６２の各々は外部電源へ個別に接続されてもよく、もしくはより多数のプローブについては、個別の電気接続６２は、オプションとして、マルチプレクサ６３に通じてもよく、マルチプレクサ６３は個別の電気接続６２を外部電源へ選択的に接続するようにされている。各プローブ３２がそれぞれの電気接続６２を備えているが、プローブチップは、チップ‐試料表面の相互作用が影響を受けないことを確実にするために、接続６２から分離（または絶縁）されている。

他のものに優先して１つのプローブを選択するための選ばれた機構に拘わらず、選択プロセスそれ自身は変更されてもよい。たとえば、プローブの群は第１選択信号に応答して部分的に偏倚され、次いで第２選択信号によってこの群から特別なプローブが偏倚され得る。あるいは、プローブの第１サブセット（subset）が第１信号に応答する部分的な偏倚によって選択され、第２サブセットが第２信号に応答する部分的な偏倚によって選択され得る。もし、１つのプローブだけが両方のサブセットに共通するなら、このプローブは次いで、完全に偏倚され、そしてそのために試料を検査するために選択された、ただ１つのものとなるであろう。

プローブ３２が図５ｂにおいて基板６１の外部エッジに沿って組み立てられているが、図５ｄの場合においては、その基板６１は１つまたはそれ以上のスロット６４（図５ｄではただ１つのスロットが図解されている）を含んでもよく、そのスロットの内部エッジに沿ってプローブ３２が組み立てられていることがわかる。これは、特に、より多い数のプローブを必要とする場合に有益である。理想的には、プローブ３２は基板６１に対してかつそれぞれの他のプローブに対して、予め定めた空間的な位置に配置される。もちろん、スロットは、そこに個々のプローブが組み立てられる内部エッジを提供できるならば、任意の形状のものであってよい。

先の実施例について言えば、図５ａ、図５ｂ、図５ｃおよび図５ｄのプローブビスケット６０は通常矩形であるが、基板６１は顕微鏡上への組み立てに適する任意の形状のものであってよいことを理解されたい。同じように、プローブビスケットを顕微鏡へ取り付けるための手段は、任意の従来からの手段であってよく、電気接続６２の構成は、ここで図解した構成に限定されるように意図するものではない。

プローブビスケット６０は局所プローブ器具における使用のための個々のプローブ３２の貯蔵所として機能する。プローブビスケット６０上のすべてのプローブが同時に使われるということを意図するものではない。それよりも、プローブビスケット上のプローブは、個別的にもしくはグループでの使用のために、アドレス手段３６によって選択される。すべての実施例について、選択は、試料の表面へプローブを接触させもしくは接近させるように、選ばれたプローブを下げることによって、またはすべての選択されなかったプローブを上げることによって実行される。したがって、どのプローブも選択されないとき、プローブの各々のプローブチップは共通平面内に配置される。１つまたはそれ以上のプローブが選択されるとき、選択されたプローブもしくはすべての選択されなかったプローブのプローブチップが、プローブの残りのものに対して共通平面の外へ移動させられる。

半導体工業においては、欠陥のために半導体ウェハを検査する必要がある。この応用において、既知の離隔距離を有するプローブの組が、顕微鏡によって同じウェハの２つの異なる領域を同時に走査できるように使用される。したがって、１つのウェハは多くの同じ特徴をその上に有しているので、同じウェハ上の２つの別々の場所における同じ素子の特徴を個別的にそれらが撮像するように、プローブの組が選択され得る。２つのプローブの計測の間に見られる表面高さにおけるものを含む、任意の相違点が、欠陥探索および／または分類を効率化することができる。

もちろん、２つまたはそれ以上のプローブが使用される場合、画像は順次にもしくは同時に収集され得ることは明らかである。同時の画像収集が行われるべきとき、それぞれの検出システムがプローブ毎に設けられてもよい。あるいは、１つの検出システムが用いられもよく、その場合には、プローブの一方についての個々の高さ計測が、第２プローブによって記録される計測およびプローブ走査および画像データの適宜の同期を通してプローブコントローラ（図示せず）によって抽出される画像と、交互に行われ得る。２つの画像の同時の収集は、両方のプローブの高さ計測が同じノイズを受け、２つのプローブの真の高さ計測の任意の比較分析においてノイズが相殺されるので、特に利点がある。このことは特に、環境中の高い音響ノイズや振動の故に、顕微鏡が半導体ウェハ製造ラインにおいて使用されている場合に特に意味がある。

図５ｂおよび図５ｄに示すプローブビスケットの場合において、個々のプローブ３２の離隔距離は製作時に予め決められる。しかしながら、図５ａおよび図５ｃに示すビスケットの場合、プローブの離隔距離は調整可能なスペーサ６５によって調整可能である。調整可能スペーサ６５は、好ましくは印加される電圧に依存して膨張しもしくは収縮する圧電材料を備える。したがって、図５ａの場合、可変スペーサ６５を介して第２プローブビスケット６１’が第１プローブビスケット６１へ接続される。したがって、２つのプローブビスケット６１および６１’の離隔距離が調整され得て、それによって第１ビスケット６１上のプローブと第２ビスケット６１’上のプローブとの間の離隔距離が同じように調整され得る。図５ｃに図解したプローブアセンブリでは、２つの別々のプローブビスケット上の個々のプローブが少なくとも部分的に重なって、互いの方向に向き合う。第１プローブビスケット６１はキャリア棒６６に取り付けられ、第２プローブビスケット６１’は同じキャリア棒６６に調整可能スペーサ６５によって取り付けられる。ここでも、２つのプローブビスケットの各々の上のそれぞれのプローブの離隔距離７０が調整可能スペーサ６５の厚みを調整することによって、変更され得る。

図５ａおよび図５ｃに図解したプローブアセンブリでは、プローブの離隔距離は、たとえば、半導体ウェハ上で繰り返す異なる特徴に適合させるために、調整され得る。図示しないが、また、付加的なスペーサのような手段が、ウェハあるいは試料の表面に実質的に平行な平面内における１つまたは２つの次元において、プローブの離隔距離が調整されるようにするために設けられてもよい。

図５ｄに図解したプローブビスケット６０上のプローブ３２の配置では、対向する対のプローブすなわちスロット６４の対向するエッジ上のプローブは補角（すなわち、試料ステージに対するそれらの角度の合計が１８０度）にある。これによる効果は既に図３に関連して前に説明している。プローブ選択は先に説明したように可能にされる。１つのプローブを選択するための機構や方法を、同時走査のための１対のプローブを選択することに等しく適用する。

従来のＡＦＭに代えて、プローブビスケットが共振スキャナを有する顕微鏡で使用されてもよい。この場合、プローブビスケットは、音叉の１つの枝のような共振器上に組み立てられる。

あるいは、プローブビスケット３１は、先に挙げた特許文献１（ここで、その内容を参照によって取り入れる。）において説明したプローブ顕微鏡で採用されてもよい。この特別に高速なプローブ顕微鏡では、プローブ１６はたとえば１Ｎｍ^−１より小さい低ばね定数を有するように選ばれ、プローブのカンチレバー１８の一方あるいは両方の側面に形成されたポリマ被覆を備え、それによってプローブ１６が確実に低Ｑ値を持つ。好ましい被覆は低架橋密度を有するゴムであり、その密度は被覆のコヒーレンス（coherence）を維持できるだけで十分である。架橋は、従来のゴムのような化学的なものでも、熱可塑性エラストマのような物理的なものであってもよい。あるいは、プローブのＱ値の制御は、たとえば電子制御のような他の手段によってもよく、試料およびプローブが封止されたビスコース（高粘性）環境内にある場合、プローブが液体環境に露出されるだけで上述した低Ｑ値を保証するに十分であるので、ポリマ被覆は省略されてもよい。

上で述べた装置は、この発明の単なる図解や高速走査技術への適用可能性を示すだけであることに留意されたい。もちろん、先に述べたように、この発明の顕微鏡法プローブは低速度走査方法や数多くの異なる走査プローブ顕微鏡へ等しく適用可能である。

このプローブ顕微鏡を用いて画像を取得する際には、偏倚であるバイアス力が独立に与えられ、そのバイアス力は、プローブチップおよび試料を互いの方向へ駆り立てる。このバイアス力は、試料およびプローブの間に与えられた静電電位から生じてもよく、この電位はプローブビスケットの１つまたはそれ以上のプローブを選択するために使用するものと同じ電位であってよい。もちろん、バイアス力は、たとえば、それらが適当な場合には、圧力勾配や磁気のような他の手段によって作られてもよい。

プローブの偏倚は、多くの異なる手段によって計測され得る。限定する意図はないが、光学てこ（optical lever）技術、インターフェロメトリ（interferometry：光干渉計測）および圧電被覆プローブならびに加熱プローブの放射出力における熱的変化の検出などである。また、プローブもしくは試料プレートの動きの制御のためには、他のアクチュエータではたとえば、制御棒やボイスコイルの熱膨張が予想されるから、圧電アクチュエータの使用が好ましい。

プローブビスケットは、プローブと試料との間の他の相互作用を監視するために設計されたプローブ顕微鏡法装置においてもまた採用され得る。そのような他の相互作用の例としては、光学的、静電容量的、電磁的、磁気的、電気的、横方向せん断力あるいは熱相互作用などがある。

１０…原子間力顕微鏡
１２…試料プレート
１４…試料
１６…プローブ
１８…カンチレバー
２０…プローブチップ
２２…検出システム
２６…位置制御装置
２７…粗駆動手段
３１、６０、６１、６１’…プローブビスケット（プローブアセンブリ）
３２…プローブ
３３、３３’…基板
３４…キャリア
３５…組立ピン
３６、６２…アドレス手段（電気接続）
３７、６３…マルチプレクサ
３９、６４…スロット
４０…上電極
６５…調整可能スペーサ
６６…キャリア棒
７０…離隔距離

Claims (11)

1. 走査プローブ顕微鏡装置であって、試料ステージ、台へ取り付けられたプローブアセンブリ、試料に対して相対的に走査されるときプローブアセンブリから選択されたプローブの位置を検出するための検出システム、および選択されたプローブを検出システムに整列するための手段を備え、
   プローブアセンブリは、
   ３つ以上の第１複数のプローブを有するキャリアを備え、各プローブはチップを有し、そのチップはその複数のプローブのチップに共通する平面上に配置され、かつこの平面から移動可能であり、
   プローブの残りのものの大多数に対する相対的な移動のために、複数のプローブの１つを選択するようにされたアドレス手段を含み、各プローブは弾力のある支持梁を含み、アドレス手段は、その支持梁へ加えられる少なくとも１つの追加層、および遠隔光源を備え、その追加層は支持梁のものとは異なる材料から形成されていて、それによって異なる熱膨張係数を有する少なくとも２つの層からなる多層構造を形成し、多層材料は遠隔光源によって加熱され、そして遠隔光源は、第１複数のプローブの１つを、第１複数の残りの大多数のプローブのチップは共通平面上に配置されたままの状態で、そのチップが共通平面を出て試料表面に接触または接近するように移動させることによって、選択し、その選択された１つのプローブのチップに、共通平面には戻らずに試料表面をスキャンさせる、走査プローブ顕微鏡装置。
2. キャリアは、キャリアを顕微鏡上の台へ取り付けるための手段を含む、請求項１記載の走査プローブ顕微鏡装置。
3. キャリアは３つ以上の第２複数の実質的に同じプローブを含み、この第２複数のプローブは第１複数のプローブと同じものかまたは異なる形式のものであり、アドレス手段は、第１複数から１つのプローブおよび／または第２複数から１つのプローブを選択するように配置される、請求項１または２に記載の走査プローブ顕微鏡装置。
4. キャリアはそのキャリアを通って延びる少なくとも１つのスロットを規定する内部エッジを有し、プローブは、１つまたはそれ以上の内部エッジに沿って組み立てられる、請求項１ないし３のいずれかに記載の走査プローブ顕微鏡装置。
5. 少なくとも１つの第１プローブと少なくとも１つの第２プローブとがプローブ支持体のそれぞれ互いに対向する内部エッジ上に設けられ、プローブはそれらのチップが一列に配置されるように互いに重なり合う、請求項４記載の走査プローブ顕微鏡装置。
6. 少なくとも２つのプローブは共通平面内において異なるように間隔を隔てられ、プローブの残りのものに比較して、少なくとも２つのプローブは共通平面内において調整可能な間隔を持つ、請求項１ないし５のいずれかに記載の走査プローブ顕微鏡装置。
7. １つのプローブまたはプローブの第１群は第１プローブ支持体上に設けられかつ１つの第２のプローブまたはプローブの第２群は第２プローブ支持体上に設けられ、これら第１および第２のプローブまたは第１群および第２群のプローブのチップ間間隔は固定または調整可能である、請求項６記載の走査プローブ顕微鏡装置。
8. 第１および第２プローブ支持体の少なくとも一方は、２つのプローブ支持体の相対的な位置を変えるための調整可能スペーサを含む、請求項７記載の走査プローブ顕微鏡装置。
9. 少なくとも１つの第１群と少なくとも１つの第２群はそれぞれの第１および第２プローブ支持体のそれぞれ対向するエッジ上に設けられ、第１および第２群は、プローブチップが一列に配置されるように、互いに重なり合う、請求項７または８記載の走査プローブ顕微鏡装置。
10. 試料プレートおよび検出システムを有する走査プローブ顕微鏡を使って試料表面を調査する方法であって、
    走査プローブ顕微鏡の試料プレート上に試料を組み立てるステップ、
    請求項１ないし９のいずれかに記載のプローブアセンブリを走査プローブ顕微鏡中に組み立てるステップ、
    遠隔光源からの光を１つまたはそれ以上のプローブに当て、その指定されたプローブのプローブチップをプローブの残りのものに対して共通平面の外へ移動させ、それによって試料表面を走査する１つまたはそれ以上のプローブを選択するステップ、
    選択されたプローブを試料表面上に位置決めするステップ、
    走査プローブ顕微鏡の検出システムを１つまたはそれ以上の選択されたプローブと整列させるステップ、
    １つまたはそれ以上の選択されたプローブと試料表面との間の相対的な移動を発生するステップ、および
    検出システムを使って試料との相互作用に対する１つまたはそれ以上のプローブの応答を監視するステップを含み、
    試料表面を走査する１つまたはそれ以上のプローブを選択するステップでは、指定されたプローブのチップを、残りのプローブのチップは共通平面上に配置されたままの状態で、そのチップが共通平面を出て試料表面に接触または接近するように移動させ、その選択された１つのプローブのチップに、共通平面には戻らずに試料表面をスキャンさせる、方法。
11. 遠隔光源からの光を１つまたはそれ以上の第２組のプローブに当て、その指定されたプローブのプローブチップをプローブの残りのものに対して共通平面の外へ移動させ、それによって試料表面を走査する１つまたはそれ以上のプローブを選択するステップ、
    第２組の選択されたプローブを試料表面上に位置決めするステップ、
    走査プローブ顕微鏡の検出システムを第２組の選択されたプローブと整列させるステップ、
    第２組のプローブと試料表面との間で相対的な動きを発生するステップ、および
    検出システムを用いて、１つまたはそれ以上のプローブの試料との相互作用に対するそれらのプローブの応答を監視するステップを含む、請求項１０記載の方法。

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