JP5525377B2 - 高ダイナミックレンジプローブ - Google Patents

Description

本発明は、高ダイナミックレンジプローブに係り、特にＳＴＭ（走査型トンネル顕微鏡）やＡＦＭ（原子間力顕微鏡）等のＳＰＭ（走査型プローブ顕微鏡）全般の検出用プローブや、ＳＰＬ（Ｓcanning Ｐrobe Ｌithography）のレジスト描画用プローブに適用して好適な高ダイナミックレンジプローブに関する。

従来、ＡＦＭ等を用いて評価する対象は、例えばＡＦＭについて特許文献１に説明されているように、面精度が良好であり、要求される縦分解能も十数ｐｍ〜０．１ｎｍと限られている場合が多い。

一方、近年、機械要素部品、センサ、アクチュエータ、電子回路等を一つのシリコン基板、ガラス基板、有機材料等の上に集積化するＭＥＭＳ（Ｍicro Ｅlectro Ｍechanical Ｓystems）技術を応用したバイオＭＥＭＳ等の評価においては、ナノメートル（ｎｍ）〜サブミリメートル（ｍｍ）の連続した領域である、所謂メゾスコピック領域での物質表面状態を高精度に評価することが要求されているが、これらを高精度に効率良く評価できるシステムは今のところ十分には開発されていない。

その理由としては、従来から機械計測で用いられている表面粗さ計と、主に材料評価で用いられているＳＴＭやＡＦＭとでは用途が完全に分かれてしまっているため、その中間領域における評価技術が発展しなかったためと考えられる。

近年、研究が進められているバイオＭＥＭＳ関連の評価では、サブｎｍ〜サブｍｍレベルで同一ワークに対して精度良く評価を行わなければならないことがあるが、その場合、サブｎｍ〜ｎｍの分解能が必要な測定にはＡＦＭを適用し、μｍ〜サブｍｍの分解能が必要な測定には表面粗さ計を適用して測定を行っている。

特開２００６−１０５９７９号公報

しかしながら、前記のように分解能に応じて異なる装置を使用して測定を行う場合、同一の測定対象でも完全に別の評価系で評価された測定結果を扱うことになるため、高精度な評価を行うことは難しいという問題があった。

本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、メゾスコピック領域においても同一評価系で、高精度且つ高ダイナミックレンジでの物質表面状態の評価を行うことができるプローブを提供することを目的とする。

本発明は、ビーム先端部にチップが、測定時の測定対象面の向きに形成され、ビーム基端部が支持部材を介してベースプレートの該測定対象面側の面に支持された、共振周波数が異なる複数のカンチレバーが配設されていると共に、前記各カンチレバーの前記測定対象面に直交する方向の変位を検出する変位検出手段と、共振周波数が最低のカンチレバー以外の各カンチレバーに、自カンチレバーより低い共振周波数のカンチレバーによる測定結果に基づいて前記測定対象面に直交する方向のオフセットを設定するオフセット設定手段と、を備えたことにより、前記課題を解決したものである。

ここで、前記複数のカンチレバーを、共振周波数が低い順に、各チップの先端が走査方向に延びる同一直線上に一致するように配置することができる。

又、前記変位検出手段を、各カンチレバーに付設された１以上のピエゾレジスタで構成することができる。この場合、前記ピエゾレジスタを、前記ビームの同一位置の前記測定対象面側の面と反対側の面にそれぞれ付設することが好ましい。

又、前記オフセット設定手段を、前記支持部材とベースプレートの間に介設したピエゾ素子とすることができる。

本発明によれば、共振周波数が異なる複数のカンチレバーが同じ方向に配設されたプローブを用いるようにしたので、同一の座標系で高ダイナミックレンジの測定を行うことができるだけでなく、ワーク表面と接触するチップが、例えば同一直線上に並んでいるようにする場合には、この直線とプローブの走査方向（ワークステージの移動でも可）を一致させることにより、ワーク上の同一の点に対する高精度且つ高ダイナミックレンジでの測定を容易に行うことができる。

本発明に係る一実施形態の高ダイナミックレンジプローブを示す概略側面図 前記高ダイナミックレンジプローブを示す概略平面図 前記高ダイナミックレンジプローブを構成する３つのカンチレバーの特性とそれらの合成特性のイメージを示す説明図

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。

図１、図２には、それぞれ側方及び上方から見た本発明に係る一実施形態の高ダイナミックレンジプローブを示す。

本実施形態の高ダイナミックレンジプローブは、ＳＰＭ等に適用されるもので、例えばガラスからなるベースプレート１０の測定時の測定対象面側の面（図中、下面）に、第１〜第３の各アンカ（支持部材）１２、１４、１６を介して、第１〜第３の各カンチレバー２０、３０、４０がビーム２、４、６の基端部でそれぞれ片持ち状態に支持されていると共に、各ビーム２、４、６の先端部には先細形状のチップ２２、３２、４２がそれぞれ前記測定対象面の向き（図中、下向き）に形成されている。

第１〜第３の各カンチレバー２０、３０、４０は、それぞれ共振周波数が異なり、第１カンチレバー２０が最低で、第２カンチレバー３０、第３カンチレバー４０の順に共振周波数が高くなるように設計されている。又、第１〜第３の各カンチレバー２０、３０、４０は図２に示されるように、それぞれのチップ２２、３２、４２の先端（下端）が同一の直線（図中、走査方向に延びる中心線Ｃ）上に一致するように順次配設されている。又、その配設に際しては、各チップ２２、３２、４２を接近させると共に、結果的に全長が短くなるように、第２カンチレバー３０はビーム４を二股形状４Ａ、４Ｃに、第３カンチレバー４０はビーム６を同じく６Ａ、６Ｃにしてある。

また、第１〜第３の各カンチレバー２０、３０、４０の図中上下（縦）方向の変位を検出する変位検出手段として、各カンチレバーの先端側の左右同一位置におけるビームの上面と下面に、それぞれＡとＢ、ＣとＤを添字として付した４つを単位とするピエゾレジスタ２４が第１カンチレバー２０に、ピエゾレジスタ３４が第２カンチレバー３０に、ピエゾレジスタ４４が第３カンチレバー４０に付設されている。

また、各カンチレバーは、ダイナミックレンジが第１カンチレバー２０が最大で、第３カンチレバー４０が最小なので、それぞれ適切に検出できるように、第２カンチレバー３０と第３カンチレバー４０は、自カンチレバーより低い共振周波数である直前のカンチレバーによる測定結果に基づいて、上下方向のオフセットを設定するための第１、第２ピエゾ素子（オフセット設定手段）３８、４８が、第２、第３アンカ１４、１６とベースプレート１０との間にそれぞれ介設されている。

本実施形態の高ダイナミックレンジプローブを構成する第１〜第３の各カンチレバー２０、３０、４０の周波数特性を、図３を参照して説明する。

各カンチレバー２０、３０、４０の共振周波数は、設計時に次の基本式に基づいて所望の値になるようにそれぞれ調整される。

ここで、ω：共振周波数
Ｅ：ヤング率
Ｌ：ビーム長
ｂ：幅
ｈ：ビーム厚
Ｍeff：有効質量（９／２０ｍ）

この式で、有効質量Ｍeffは、カンチレバーの実質量ｍを９／２０に設定した値であることを表している。なお、この有効質量Ｍeffは、Springer Handbook of Nanotechnology, Bharat Bhushan(Ed.) P348の記載に基づいている。

第１カンチレバー２０は、周波数特性を（ａ）で示すように縦方向稼働範囲が広いが応答性（分解能）が低いプローブである。一方、最終の第３カンチレバーは、（ｃ）で示すように逆に稼働範囲は狭いが応答性が高いプローブであり、（ｂ）で示す第２カンチレバーは両者の中間の特性をもつプローブである。

本実施形態の高ダイナミックレンジプローブは、これら異なる周波数特性を有する、例えばシリコン単結晶からなる個々のプローブを複合させた構造からなり、全長を例えば５〜６ｍｍで形成することができる。

即ち、最も分解能が粗い第１カンチレバー２０は、周波数特性のイメージを（ａ）で示すようなサブｍｍ〜μｍの縦変位に対して追従する。第２カンチレバー３０は、同様に（ｂ）で示すようなμｍ〜サブμｍの縦変位に追従し、最も分解能が高い第３カンチレバー４０は、（ｃ）で示すようなサブμｍ〜ｎｍ若しくはそれ以下の縦変位をカバーするように、前記基本式に基づいて調整されている。従って、本実施形態の高ダイナミックレンジプローブは、（ａ）〜（ｃ）の全てを合成した（ｄ）でイメージを示す周波数特性を有している。

本実施形態では、第２カンチレバー３０と第３カンチレバー４０については、第２、第３アンカ１４、１６とベースプレート１０の間にそれぞれ挿入して介設された前記第１、第２ピエゾ素子（ＰＺＴ）３８、４８によりオフセット調整される。その際、第２カンチレバー３０については、直前の第１カンチレバー２０により検出された変位情報を基に自カンチレバーの稼働範囲の中心に位置するようにオフセットを付加する。同様に第３カンチレバー４０についても、直前の第２カンチレバー３０の変位情報を基にオフセットを付加する。

各カンチレバー２０、３０、４０の変位は、ピエゾレジスタの電気抵抗の変化により検出する。

また、本実施形態では、いずれのカンチレバーにも同一位置のビームの表裏（図中、上下）両面にピエゾレジスタが設けられているため、両者間の信号の差分をとることにより、熱等の外乱によるビームの変形と変位検出に伴うビームの変形とを分離することができるため、検出精度を上げることができる。

また、片持ち構造のための姿勢変動をモニタするために各カンチレバーの根元部にも、同様にＡ〜Ｄの添字を付して示すピエゾレジスタ２６、３６、４６が取り付けられており、検出の高精度化に寄与している。

以上詳述した本実施形態によれば、前記高ダイナミックレンジプローブを用いることにより、同一の座標系で高ダイナミックレンジの測定が行えるだけなく、ワークと接触するチップが同一直線上に並んでいることから、この直線と、図２中右矢印で示すプローブの走査方向（ワークステージの移動でも可）を一致させることにより、ワーク上の同一の点を高精度に高ダイナミックレンジの測定を行うことができる。

なお、前記実施形態では、チップの先端（検出点）が同一直線上に一致するように配列した例を示したが、これに限定されるものでなく、例えば横に並んでいてもよい。同一直線上でない場合は、左右の位置ずれを修正する必要があるが、任意の配置でよい。

また、ピエゾレジスタが４つである例を示したが、例えば１つであっても、又、両面ではなく一方の面だけに付設するようにしてもよい。

また、前記実施形態では、カンチレバーが３つの例を示したが、２つ又は４つ以上を配設するようにしてもよい。

１０…ベースプレート
１２、１４、１６…第１、第２、第３アンカ（支持部材）
２０、３０、４０…第１、第２、第３カンチレバー
２２、３２、４２…チップ
２４、２６、３４、３６、４４、４６…ピエゾレジスタ
３８、４８…第１、第２ピエゾ（ＰＺＴ）素子

Claims (5)

1. ビーム先端部にチップが、測定時の測定対象面の向きに形成され、ビーム基端部が支持部材を介してベースプレートの該測定対象面側の面に支持された、共振周波数が異なる複数のカンチレバーが配設されていると共に、
   前記各カンチレバーの前記測定対象面に直交する方向の変位を検出する変位検出手段と、
   共振周波数が最低のカンチレバー以外の各カンチレバーに、自カンチレバーより低い共振周波数のカンチレバーによる測定結果に基づいて前記測定対象面に直交する方向のオフセットを設定するオフセット設定手段と、を備えていることを特徴とする高ダイナミックレンジプローブ。
2. 前記複数のカンチレバーが、共振周波数が低い順に、各チップの先端が走査方向に延びる同一直線上に一致するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の高ダイナミックレンジプローブ。
3. 前記変位検出手段が、各カンチレバーに付設された１以上のピエゾレジスタで構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の高ダイナミックレンジプローブ。
4. 前記ピエゾレジスタが、前記ビームの同一位置の前記測定対象面側の面と反対側の面にそれぞれ付設されていることを特徴とする請求項３に記載の高ダイナミックレンジプローブ。
5. 前記オフセット設定手段が、前記支持部材とベースプレートの間に介設されたピエゾ素子であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の高ダイナミックレンジプローブ。

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