JP5281992B2 - 走査型プローブ顕微鏡及びそれを用いた計測方法 - Google Patents
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Description
定した探針とを備えた探針部と、探針部を駆動して探針を試料表面に近接または接触させ
ることと離間させることを繰り返しながら試料表面を走査する探針部駆動手段と、探針部
駆動手段で探針を試料表面に近接または接触させた状態における探針部の変位量を検出す
る変位量検出手段と、変位量検出手段で検出した探針部の変位量に基づいて試料表面の形
状情報求める信号処理手段とを備えた走査型プローブ顕微鏡において、探針部駆動手段を、探針を直交する3軸方向に独立して駆動する駆動部を有するとともに、駆動部で探針部を駆動中に少なくとも1軸方向の駆動速度および応答速度を切替える駆動速度切替え部を備えて構成した。
また、上記目的を達成するために、本発明では、カンチレバーとカンチレバーの先端付
近に固定した探針とを備えた探針部を駆動して探針を試料表面に近接または接触させるこ
とと離間させることを繰り返しながら試料表面を走査し、試料表面を走査している探針部
の変位量を検出し、検出した探針部の変位量に基づいて試料表面の形状情報求める走査型
プローブ顕微鏡を用いた計測方法において、探針を駆動して試料表面を走査しているとき
に少なくとも1軸方向の駆動速度および応答速度を駆動中に切替えながら走査するようにした。
Yステージ203とXステージ207との間には、圧電素子209、210が接着されており、Xステージ207は圧電素子209、210が等量だけ同時に伸縮することによってX軸方向に駆動される。圧電素子209と弾性変形部208a及び208bによって構成される駆動機構と、圧電素子210と弾性変形部208c及び208dによって構成される一対の駆動機構は、対物レンズの視野中央位置212(探針102の先端位置)を中心として、対象な位置に配置されている。圧電素子209、210についても、その最大可動距離は20マイクロメートル、可動分解能は1ナノメートルである。
次に、X,Y方向の探針位置計測について説明する。図示しない機構部によって少なくともホルダ201’、202’のどちらか一方に固定されたX軸用静電容量センサ223とY軸用静電容量センサ222が設けられており、Zステージ214’の先端部に対向しており、Zステージ上の対抗面には精密研削処理が施されている。X軸用静電容量センサ223とY軸用静電容量センサ222はXY平面上において対物レンズの視野中央位置212(探針102の先端位置)を含むそれぞれX軸上とY軸上に配置されている。この配置により、対物レンズの視野中央位置212のステージ変位(探針102の先端位置の変位)を計測することができ、Zステージ214’を載置したX,Yステージの動作に含まれるヨーイング、ピッチングなどの誤差により、アッベの誤差がほとんど生じない構成となっている。
ただし,粗動側の応答性が十分小さくないと,微動用圧電素子ではノイズを打ち消すことが出来ない。すなわち,圧電素子は電気的には容量Cをもった負荷になり,これを出力抵抗Rのドライバアンプで駆動することを考える。すると,ドライバアンプの容量が大きく出力抵抗Rを小さく出来るとときは,図5Aに示すように,時定数RCは短くなり,アンプの入力の指令位置に速やかに応答できるが,指令位置到達後のノイズが大きく,微動用圧電素子では十分打ち消すことが出来ない。そこで,図5Bのように出力抵抗を大きく取るとノイズは小さくなるが,代わりに時定数RCが大きくなり,微動用圧電素子でカバーできない長距離の位置決め時に応答が非常に遅くなるという問題があった。
XY軸を被測定領域の中心に移動した後(S1907),XY粗動アンプの応答性を明示的に切り替える必要がある場合にはこれを低速に切り替える(S1908)。あるいは,粗動固定を行う(S1909)。Z軸についても粗微動機構を持っている場合は同様の処理を行う。そのあとで,探針102の微動圧電素子による走査を行い,高倍の高精度測定を実現する(S1910)。ここで,測定を終了するのであれば(S1911),Z粗動アンプの応答性を明示的に切り替える必要がある場合にはこれを高速に切り替えてから(S1912),試料103退避をおこなう(S1913)。同じ微動走査による視野内で,更にズームをしたり,若干測定位置再度測定を行いたい場合は,再び,微動走査より行う。
入射光の波長及び得たい特性を考慮して、回折格子ピッチ、深さ、各薄膜の膜厚は制御される。また、半導体素子製造に用いられるフォトリソグラフィ技術やスパッタリングなどの膜付け技術を用いることにより、1枚の基板上に結晶軸方向の異なる偏光素子や波長素子をアレイ状に形成できる点も大きな特徴である。フォトニック結晶18cは1/4波長板としての機能を有しており、太い矢印がその結晶軸方向を示している。すなわち、図19に示すように、4つの直交偏光ビーム17のうちフォトニック結晶18cを透過する2つの直交偏光ビームに関して、2つの偏光成分の間にπ/2の位相差が生じる。一方、残りの2つの直交偏光ビームは合成石英18dを透過し、位相差は生じない。
Ia=Im+Ir+2(Im・Ir)1/2cos(4πnD/λ)・・・(数1)
Ib=Im+Ir+2(Im・Ir)1/2cos(4πnD/λ+π)
=Im+Ir−2(Im・Ir)1/2cos(4πnD/λ) ・・・(数2)
Ic=Im+Ir+2(Im・Ir)1/2cos(4πnD/λ+π/2)
=Im+Ir+2(Im・Ir)1/2sin(4πnD/λ) ・・・(数3)
Id=Im+Ir+2(Im・Ir)1/2cos(4πnD/λ+3π/2)
=Im+Ir−2(Im・Ir)1/2sin(4πnD/λ) ・・・(数4)
ここで、Imはプローブ光の検出強度、Irは参照光の検出強度、nは空気の屈折率、Dは測定対象物31の移動量31d、λはレーザ光4の波長である。
D=(λ/4πn)tan−1{(Ic−Id)/(Ia−Ib)}・・・(数5)
本実施例では、参照ミラー9として回折偏光素子(Wire Grid Polarizer)を用いたが、前述の説明から明らかなように、図21Cに示すような水平方向に結晶軸方向を有するフォトニック結晶9cを用いることも可能である。また、1/4波長板10も同様に、45°方向に結晶軸方向を有すフォトニック結晶10cを用いることも可能である。また、干渉計600をさらに簡素化するために、図21Cにおいて位相シフト素子19をフォトニック結晶19aのみで構成し、(1)式及び(3)式で表される位相シフト干渉信号41a及び41cを得て、この2つの干渉信号から測定対象物31の移動量Dを求めることも可能である。
Claims (12)
- カンチレバーと該カンチレバーの先端付近に固定した探針とを備えた探針部と、
前記探針部を駆動して前記探針を前記試料表面に近接または接触させることと離間させる
ことを繰り返しながら前記試料表面を走査する探針部駆動手段と、
該探針部駆動手段で前記探針を前記試料表面に近接または接触させた状態における前記探
針部の変位量を検出する変位量検出手段と、
該変位量検出手段で検出した前記探針部の変位量に基づいて前記試料表面の形状情報求め
る信号処理手段と
を備えた走査型プローブ顕微鏡であって、
前記探針部駆動手段は、前記探針を直交する3軸方向に独立して駆動する駆動部を有すると
ともに、該駆動部で前記探針部を駆動中に少なくとも1軸方向の駆動速度および応答速度を切替える駆動速度切替え部を備えたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。 - 前記探針部駆動手段の駆動部は、前記探針を駆動する駆動範囲が大きい粗動アクチュエータ
と駆動範囲が小さい微動アクチュエータとを組合わせた駆動部を互いに直交する3軸方向
のうちの少なくとも一軸に備え、前記駆動速度切替え部で前記3軸方向のうちの少なくとも1軸方向の粗動アクチュエータの駆動速度を切替え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。 - 前記駆動速度切替え部は、前記少なくとも1軸方向への移動量に応じて駆動速度を切替えることを特徴とする請求項1又は2に記載の走査型プローブ顕微鏡。
- 前記変位量検出手段は静電容量変位計によって構成され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。 - 前記変位量検出手段はレーザ干渉変位計によって構成され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。 - 前記駆動速度切替え部は前記駆動速度を高速応答と低速応答に切替え、前記高速応答の時定数は0.1から5ミリセカンドの範囲,前記低速応答の時定数は5から100ミリセ
カンドの範囲であることを特徴とする,請求項1乃至5の何れかに記載の走査型プローブ
顕微鏡。 - カンチレバーと該カンチレバーの先端付近に固定した探針とを備えた探針部を駆動して前
記探針を試料表面に近接または接触させることと離間させることを繰り返しながら前記試
料表面を走査し、
該試料表面を走査している前記探針部の変位量を検出し、
該検出した前記探針部の変位量に基づいて前記試料表面の形状情報求める
走査型プローブ顕微鏡を用いた計測方法であって、
前記探針を駆動して前記試料表面を走査しているときに少なくとも1軸方向の駆動速度および応答速度を駆動中に切替えながら走査することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡を用いた計測方法。 - 前記少なくとも1軸方向の駆動速度を駆動中に切替えながら走査することを、前記探針を
駆動する駆動範囲が大きい粗動アクチュエータと駆動範囲が小さい微動アクチュエータと
のうちの粗動アクチュエータの駆動速度を切替えることにより行う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を用いた計測方法。 - 前記少なくとも1軸方向への駆動速度を切替えることを、該1軸方向への移動量に応じ
て切替えることを特徴とする請求項7又は8に記載の走査型プローブ顕微鏡を用いた計測
方法。 - 前記探針部の変位量を静電容量変位計によって検出することを特徴とする請求項9記載
の走査型プローブ顕微鏡を用いた計測方法。 - 前記探針部の変位量をレーザ干渉変位計によって検出することを特徴とする請求項9記
載の走査型プローブ顕微鏡を用いた計測方法。 - 前記試料表面を走査しているときに前記駆動速度を切替えることを高速応答と低速応答
に切替え、前記高速応答の時定数は0.1から5ミリセカンドの範囲,前記低速応答の時
定数は5から100ミリセカンドの範囲であることを特徴とする,請求項7乃至11の何
れかに記載の走査型プローブ顕微鏡を用いた計測方法。
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