JPH0688724A - 走査型プローブ顕微鏡、メモリー装置及びリソグラフィー装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 装置セッティング直後から長時間にわたって
探針と試料との間に相対的な位置ずれが生じることのな
い装置を実現すること。 【構成】 試料の表面に対して先端が対向し、かつ、近
接するように配置された探針と、試料に対して探針をこ
れらの対向方向と直交し、かつ、予め定められた進路に
相対的に走査する走査手段と、試料と探針との間に生じ
る物理量を検出する検出手段とを具備し、走査手段によ
る走査時における検出手段の検出結果から試料表面の観
察を行なう走査型プローブ顕微鏡において、探針の走査
時に、試料と探針の対向方向と直交する方向に関する試
料と探針との相対的な位置を検出し、該検出内容を示す
第１の位置ずれ量検出信号を出力する位置ずれ量検出手
段と、第１の位置ずれ量検出信号から、試料と探針との
走査に伴う信号成分を除去し、第２の位置ずれ量検出信
号として出力する走査信号成分除去手段と、第２の位置
ずれ量検出信号に基づいて試料と探針との位置ずれを逐
次補正する補正手段とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、位置ずれ補正機能を有
する走査型プローブ顕微鏡装置、メモリー装置およびリ
ソグラフィー装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、従来の電子顕微鏡の分解能をはる
かに超える走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）が実用化さ
れ、種々の試料の表面を０．１ナノメートル以下の分解
能で観察できるようになった。ＳＰＭでは、先端を尖ら
せた探針を試料表面に対して１ナノメートル以下程度の
距離まで近接させ、間に生じる物理量を検出するもので
あり、試料表面に対して探針を二次元に走査し、試料表
面上の各点における物理量を二次元にマップ化すること
によりＳＰＭ像を得る。

【０００３】上記の物理量としてはトンネル電流や原子
間力などがあり、これによりＳＰＭは走査型トンネル顕
微鏡（ＳＴＭ）や原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）など種々の
タイプに分けられる。

【０００４】実際に、ＳＰＭを用いて試料表面の観察を
行なうと、試料や探針の交換時に生じる機械的歪みの緩
和や温度ドリフト等により、試料に対して相対的に探針
が横方向に位置ずれを起こし、ＳＰＭ観察像がずれたり
歪んだりしてしまう。この位置ずれの緩和時間は一般に
は２〜５時間程度である。ＳＰＭ観察やＳＰＭの構成・
原理を応用したリソグラフィー装置やメモリー装置にお
いて、１〜１０ナノメートル以下のオーダーの領域の詳
細な観察や精密な加工・記録・再生・消去を行なおうと
すると、装置をセッティングした後、長時間待たなけれ
ばならず、作業効率が低下してしまうという問題点があ
った。

【０００５】そこで、ＳＴＭにおいて、ＳＴＭ観察像の
位置ずれ速度から追従速度を決め、探針の横方向駆動素
子に一定の速度で大きさが変化する信号を加え、探針と
試料のドリフトによる横方向位置ずれに一定の速度で追
従させるという提案がなされ、特開平３−１５２８４５
号公報等に開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとしている課題】しかしながら上記
従来例では、ＳＴＭ観察像の位置ずれ速度から追従速度
を決めるため、位置ずれの緩和により位置ずれ速度が変
化すると、それに応じて追従速度の再調整が必要となり
手間がかかるという問題点がある。

【０００７】また、装置セッティング直後の位置ずれ速
度の大きい時は、位置ずれによるＳＴＭ像の歪みが大き
く、追従速度の調整が難しいという問題点がある。

【０００８】さらに、観察を長時間を行なうときや、短
時間でも位置ずれ速度が大きいときには、位置ずれ量が
追従用のアクチュエータの最適な制御範囲を超えてしま
うことがあり、その場合、ＳＴＭ観察を中断して他の粗
動アクチュエータを駆動しなければならなかった。

【０００９】本発明は上述したような従来の技術が有す
る問題点に鑑みてなされたものであって、装置セッティ
ング直後から長時間にわたって探針と試料との間に相対
的な位置ずれが生じることのない装置を実現することを
目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の走査型プローブ
顕微鏡は、試料の表面に対して先端が対向し、かつ、近
接するように配置された探針と、試料に対して探針をこ
れらの対向方向と直交し、かつ、予め定められた進路に
相対的に走査する走査手段と、試料と探針との間に生じ
る物理量を検出する検出手段とを具備し、走査手段によ
る走査時における検出手段の検出結果から試料表面の観
察を行なう走査型プローブ顕微鏡において、探針の走査
時に、試料と探針の対向方向と直交する方向に関する試
料と探針との相対的な位置を検出し、該検出内容を示す
第１の位置ずれ量検出信号を出力する位置ずれ量検出手
段と、第１の位置ずれ量検出信号から、試料と探針との
走査に伴う信号成分を除去し、第２の位置ずれ量検出信
号として出力する走査信号成分除去手段と、第２の位置
ずれ量検出信号に基づいて試料と探針との位置ずれを逐
次補正する補正手段とを有する。

【００１１】この場合、走査信号成分除去手段を、試料
と探針との走査周波数より低いカットオフ周波数を有す
るローパスフィルタとしてもよい。

【００１２】また、走査信号成分除去手段は、試料と探
針との走査に同期したタイミングで位置ずれ量検出信号
をサンプリングするものであってもよい。

【００１３】この場合の走査信号成分除去手段は、各サ
ンプリング点の間を補間するものとしてもよい。

【００１４】さらに、走査手段によって行われる走査
が、折り返し点近傍がなめらかな折り返し信号によって
行われるものであり、走査信号成分除去手段によるサン
プリング動作は該折り返し点近傍にて行われるものとし
てもよい。

【００１５】また、上記の各位置ずれ量検出手段は、光
波干渉計によって構成されてもよい。

【００１６】この、光波干渉計は、試料を固定する部材
に固定されたミラーと、探針を固定する部材に固定され
たミラーと、ミラーのいずれか一方に可干渉光を入射す
る手段と、可干渉光の一部を分離し、光路を変化させミ
ラーの他方に入射させる手段と、ミラーからの２つの反
射光の合成光強度信号をもとに、ミラーの相対的移動量
を算出する手段とからなる差動型の光波干渉計であって
もよい。

【００１７】また、光波干渉計は、試料を固定する部材
と探針を固定する部材のいずれか一方に固定されたミラ
ーと、他方に固定され、端面をミラーに近づけて配置さ
れた光ファイバーと、光ファイバーを通して可干渉光を
ミラーに入射する手段と、ミラーに反射され再び光ファ
イバーを通った光と可干渉光一部をあらかじめ分離した
光との合成光強度信号をもとに光ファイバーの端面に対
するミラーの相対的移動量を算出する手段とからなる光
ファイバー干渉計としてもよい。

【００１８】上記の各構成において、補正手段は、走査
信号成分除去手段が出力する第２の位置ずれ量検出信号
に基づいて位置ずれ量の時間的な変化を推測する推測回
路と、該推測回路の推測結果および予め定められた進路
に応じた設定位置に基づいて試料と探針との位置ずれを
補正する減算回路とを有するものとしてもよい。

【００１９】この、推測回路における推測動作が、異な
る時定数の緩和時間による少なくとも一つ以上の位置ず
れ量を対象とし、これらの成分の強度および時定数を推
測するものとしてもよい。

【００２０】さらに、推測回路は、入力された第２の位
置ずれ量信号と該入力以前の第２の位置ずれ量信号から
の推測値との差が所定値を超えたときには入力された第
２の位置ずれ量信号による推測を行うことなく、該入力
以前の第２の位置ずれ量信号からの推測値を出力するも
のとしてもよい。

【００２１】上記の各補正手段は、第１のアクチュエー
タと、該第１のアクチュエータを含めた移動を行う第２
のアクチュエータからなり、これらの各アクチュエータ
を用いて試料と探針との位置ずれを補正するものとして
もよい。

【００２２】また、本発明のメモリ装置およびリソグラ
フィー装置は、上記の走査型プローブ顕微鏡の構成が用
いられている。

【００２３】

【作用】本発明において行われる補正動作は、探針の走
査に伴う走査信号成分が除去された純粋な位置ずれ量に
基づいて逐次行われるので、装置のセッティング直後か
ら長時間にわたる装置の動作中に機械的歪みの緩和や温
度ドリフト等によって生じる探針・試料間の相対位置ず
れを補正することが再調整を必要とすることなく精度よ
くなされる。

【００２４】上記のような補正を行う補正手段に推測回
路を設け、機械的歪みの緩和や温度ドリフト等によって
生じる探針・試料間の相対位置ずれを推測した結果に基
づいて位置ずれ補正を行う場合には、それまでの相対位
置ずれに基づいた補正となるので、突発的に生じる機械
的、電気的なノイズによる誤動作が防止される。

【００２５】

【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。

【００２６】図１および図２は本発明の一実施例におけ
る位置ずれ量検出手段の光学系の配置を示す断面図およ
び上面図である。

【００２７】本実施例の光学系について、まず、図１を
参照してｚ軸方向に関する系について説明する。

【００２８】試料１０１に対して探針１０２を図中ｘｙ
方向に相対的に走査するｘｙ駆動素子１０３にミラーＡ
１０４を取り付ける。一方、互いに直交方向に偏光した
二波長λ₁，λ₂の可干渉光を偏波保存ファイバー１０５
中を介して装置筐体１０６の内部に導入する。偏波保存
ファイバー１０５の端面からの出射光はコリメータ・レ
ンズ１０７によって平行光となり、ビームスプリッタＲ
１０８中に入射する。該入射光のうちの一部は反射して
偏光板Ｒ１０９を通ってセンサーＲ１０１に入射し、参
照光強度信号となる。他は４つに分けられ、そのうちの
１つが偏光ビームスプリッタＡ１１１に入射する。

【００２９】ここで互いに直交偏光した二波長光は２つ
に分かれ、一方は四分の一波長位相板Ａ１１２を通って
ミラーＡ１０４で反射され、他方は四分の一波長位相板
Ａ’１１３を通ってミラーＡ’１１４で反射される。２
つの反射光は偏光ビームスプリッタＡ１１１で合成さ
れ、偏光板Ａ１１５を通ってセンサーＡ１１６に入射し
光強度信号Ａとなる。

【００３０】参照光強度信号、光強度信号Ａのいずれも
二波長（λ₁，λ₂）の合成光であるから、その光強度信
号には、振動数Δｆ＝Ｃ（１／λ₁−１／λ₂）の振動成
分が含まれる。ここでＣは光速である。参照光強度信
号、光強度信号Ａにおける振動数Δｆの振動成分の位相
差を同期検出回路によって検出することにより、ミラー
Ａ１０４とミラーＡ’１１４のｘ方向相対移動量を検知
する。例えば、二波長可干渉光の波長をλ₁≒λ₂＝６７
０ｎｍ、Δｆ＝１ＭＨｚとすると、参照信号の振動成分
に対する信号Ａの振動成分の位相の変化２πラジアンが
ミラーＡ１０４とミラーＡ’１１４のｘ方向相対移動量
３３５（＝６７０／２）ｎｍに対応する。さらに位相を
１００〜１０００分割して精密に位相差を測定すること
により、相対移動量を３〜０．３ｎｍの分解能で検出す
ることができる。

【００３１】次に、図２を参照してｘｙ平面に関する本
実施例の光学系について説明する。

【００３２】コリメータレンズ１０７から出射された平
行光は、一部センサーＲ１１０に入射する以外はビーム
スプリッタ２０１に入射して２つに分けられ、さらにビ
ームスプリッタ２０２，２０３によって計４つに分けら
れる。これらの光はそれぞれについて設けられた偏光ビ
ームスプリッタ、位相板およびミラーＢ２０５，ミラー
Ｃ２０４，ミラーＤ２０６，ミラーＢ’１１７，ミラー
Ｃ’（不図示），ミラーＤ’（不図示）に前述と同様
に、入射し、あるいは反射され、各合成光がそれぞれに
ついて設けられた偏光板を通ってセンサーＢ２０８，Ｃ
２０７，Ｄ２０９に入射し、それぞれの光強度信号Ｂ，
Ｃ，Ｄとなる。各光強度信号Ｂ，Ｃ，Ｄの振動成分と参
照信号の振動成分の位相差を検出することにより、前述
と同様にミラーＢ２０５とミラーＢ’１１７のｘ方向相
対移動量及び、ミラーＣ２０４とミラーＣ’（不図
示）、ミラーＤ２０６とミラーＤ’（不図示）のｙ方向
相対移動量を検知する。

【００３３】ミラーＡ１０４，ミラーＡ’１１４とミラ
ーＢ２０５，ミラーＢ’１１７とは探針１０２及び試料
１０１に関してｘ方向に対称の位置に配置し、ミラーＡ
１０４とミラーＡ’１１４のｘ方向相対移動量とミラー
Ｂ２０５とミラーＢ’１１７のｘ方向相対移動量の平均
を探針１０２と試料１０１のｘ方向相対移動量とする。
同様にミラーＣ２０４とミラーＣ’（不図示）、ミラー
Ｄ２０６とミラーＤ’（不図示）も探針１０２及び試料
１０１に関してｙ方向に対称の位置に配置し、ミラーＣ
２０４とミラーＣ’（不図示）のｙ方向相対移動量とミ
ラーＤ２０６とミラーＤ’（不図示）のｙ方向相対移動
量の平均を探針１０２と試料１０１のｙ方向相対移動量
とする。なお、本実施例の光学系は、探針１０２と試料
１０１のｚ方向相対移動によってｘｙ方向の相対移動量
検出精度に影響を与えない光学系となっている。

【００３４】図３は互いに直交方向に偏光した二波長可
干渉光を偏波保存ファイバーに導入する装置構成を説明
する図である。

【００３５】図３において、半導体レーザ３０１から出
射した波長λ₁の可干渉光をコリメータレンズ３０２に
より平行光とし、第１の偏光ビームスプリッタ３０３に
より紙面に垂直な方向のＳ偏光成分と紙面に平行な方向
のＰ偏光成分とに分ける。Ｓ偏光成分は第１のミラー３
０４で反射後、第２の偏光ビームスプリッタ３０５に入
射させる。Ｐ偏光成分は第２のミラー３０６で反射後、
音響光変調器３０７により、Δｆだけ振動数を変調し、
波長をλ₂にシフトする。ここで、λ₁，λ₂とΔｆとの
間には、上述したようにΔｆ＝Ｃ（１／λ₁−１／λ₂）
の関係がある。波長λ₂のＰ偏光成分をさらに第２の偏
光ビームスプリッタ３０５に入射させ、Ｓ偏光成分と合
成し、集光レンズ３０８によって集光し、偏波保存ファ
イバー３０９内に導入する。

【００３６】再び図１を用いて本発明を応用した走査型
プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）について説明する。

【００３７】走査型プローブ顕微鏡では試料１０１表面
に対して探針１０２先端をｚ駆動素子１１８により１ｎ
ｍ以下程度の距離まで接近させる。さらに、ｘｙ走査信
号回路１１９からのｘｙ二次元走査信号をｘｙ走査信号
回路１１９とともに走査手段を構成するｘｙ駆動回路１
２０に入力し、ｘｙ駆動素子１０３にｘｙ二次元駆動信
号を入力し、試料１０１に対して探針１０２を相対的に
ｘｙ二次元走査させる。このとき、試料１０１表面上の
各位置における探針１０２先端との間の物理量を検出
し、二次元にマップ化することにより、ＳＰＭ画像を得
る。このときの物理量としては、例えば、探針−試料間
にバイアス電圧を印加したときに間に流れるトンネル電
流（走査型トンネル顕微鏡：ＳＴＭ）、探針−試料間に
働く原子間力、ファンデルワールス力、摩擦力、磁力
（原子間力顕微鏡：ＡＦＭ、摩擦力顕微鏡：ＦＦＭ、磁
力顕微鏡：ＭＦＭ）、背後から光を照射した探針（先端
を尖鋭にした光ファイバーや、先端の尖ったガラスの表
面にうすく金属をコーティングし、先端に１μｍ以下の
径の開口を設けたもの）や試料表面からにじみ出るエバ
ネッセント光（フォトン走査型トンネル顕微鏡：ＰＳＴ
Ｍ、近接場光顕微鏡：ＮＦＯＭ）等があり、これらの顕
微鏡の総称をＳＰＭという。

【００３８】ＳＰＭにおいて、試料１０１表面に対して
探針１０２先端を二次元に走査する方法として、通常は
図４に示すようなラスター走査を行なう。これはｙ方向
の走査速度に対して十分速い速度でｘ走査を行ない、ｘ
方向の走査線をｙ方向に少しずつずらして一画面を埋め
ていくような走査の方法である。図中、実線はｙ方向の
往きの走査、破線は帰りの走査を示す。また、実線（破
線）のうち右向きの矢印が付されているものはｘ方向の
往きの走査、左向きの矢印が付されているものはｘ方向
の帰りの走査を示す。いま、試料１０１に対して探針１
０２がｘｙ方向に走査以外の位置ずれを起こさなけれ
ば、図４に示すようにｙ方向の往復の走査による走査領
域が重なり、ＳＰＭにおける測定領域がずれたり歪んだ
りすることはない。

【００３９】しかしながら実際の測定においては、試料
や探針の交換時に生じた機械的歪みが緩和することや温
度ドリフト等により、ＳＰＭ測定中に試料に対して相対
的に探針がｘｙ方向に位置ずれを起こし、測定領域がず
れたり歪んだりしてしまう。この位置ずれは、ＳＰＭ測
定時間（特に一画面を得る時間）に比べて長い時間のオ
ーダーで起こるので、ＳＰＭ測定中に生じる現象として
は、図５に示すようなｘ方向にある一定の速度で位置ず
れが起こるために生じる測定領域の歪みや、図６に示す
ようなｙ方向にある一定の速度で位置ずれが起こるため
に生じる測定領域の拡大や縮小、あるいは図５と図６の
場合とが混在したようなｘｙ面内のある方向にある一定
の速度で位置ずれが起こるために生じる測定領域の歪み
及び拡大・縮小という形で現れる。

【００４０】このような測定領域の歪みや拡大・縮小を
防ぐための試料に対する相対的な探針のｘｙ方向位置ず
れ補正方法について次に述べる。

【００４１】図７はｘ方向位置ずれ補正のための信号処
理回路７２１を示す図、図８は図７のいくつかの個所で
得られる信号例であり、図７に示した信号処理回路の動
作を示す図である。

【００４２】センサーＡ（図１における１１６）、セン
サーＲ（図１における１１０）、センサーＢ（図１にお
ける２０８）からの振動数Δｆの振動成分の出力電流信
号を電流／電圧変換回路７０１〜７０３それぞれにより
電圧信号に変換する。

【００４３】電流／電圧変換回路７０１〜７０３の各出
力は同期検出回路７０４〜７０７に入力される。電流／
電圧変換回路７０１の出力は同期検出回路７０４，７０
５にそれぞれ入力される。電流／電圧変換回路７０２の
出力は同期検出回路７０４，７０７に入力され、また、
位相シフタ７０８を通った後に同期検出回路７０５，７
０６に入力される。電流／電圧変換回路７０３の出力は
同期検出回路７０６，７０７にそれぞれに入力される。

【００４４】上記のように、センサーＲからの信号の一
部はミラーＡ１０４とミラーＡ’１１４及びミラーＢ２
０５とミラーＢ’１１７のｘ方向相対移動方向を検出す
るため、位相シフタ７０８を通して、振動数Δｆの振動
の１／４周期だけ位相をシフトさせて同期検出回路７０
５，７０６に入力する。

【００４５】同期検出回路７０４〜７０７からの出力
は、ローパスフィルタ７０９〜７１２にそれぞれ入力さ
れる。ローパスフィルタ７０９，７１２が出力する移動
量を示す移動量信号Ｓ７１，Ｓ７４としてカウンター７
１３，７１６にそれぞれ入力され、ローパスフィルタ７
１０，７１１が出力する移動量信号Ｓ７２，Ｓ７３は、
二値化回路７１４，７１５を通ることにより移動方向を
示す移動方向信号Ｓ７５，Ｓ７６としてカウンター７１
３，７１６にそれぞれ入力される。

【００４６】カウンター７１３，７１６においては、ミ
ラーＡとＡ’、ミラーＢとＢ’の移動量信号Ｓ７１〜Ｓ
７４と移動方向信号Ｓ７５，Ｓ７６とからミラーＡと
Ａ’、ミラーＢとＢ’のｘ方向相対位置ずれ量を示すｘ
方向相対位置ずれ量信号Ｓ７７，Ｓ７８を算出し、平均
化回路７１７へ出力する。このときの信号の符号は、図
１中ｘの正方向を正とする。

【００４７】平均化回路７１７では、ｘ方向相対位置ず
れ量信号Ｓ７７，Ｓ７８が示すミラーＡとＡ’及びミラ
ーＢとＢ’のｘ方向相対位置ずれ量を平均したものを試
料１０１と探針１０２との第１の位置ずれ量検出信号で
あるｘ方向相対位置ずれ量信号８ｂとし、ローパスフィ
ルタ７１８へ出力する。ここで、ｘ方向相対位置ずれ量
信号８ｂには、機械的歪みの緩和や温度ドリフトに起因
する位置ずれ成分とｘ方向走査成分とが混在している。
信号処理回路７２１の上述した構成のうち、電流／電圧
変換回路７０１〜７０３により検出手段が構成され、こ
の他に部分により位置ずれ量検出手段の信号処理系が構
成されている。

【００４８】図８（ａ）〜（ｃ）のそれぞれに、ｘ走査
信号８ａ、ｘ方向相対位置ずれ量信号８ｂ、ローパスフ
ィルタ７１８出力８ｃを示す。

【００４９】ｘ方向相対位置ずれ量信号８ｂをローパス
フィルタ７１８に通すことによりｘ方向走査成分を除い
た位置ずれ信号（第２の位置ずれ量検出信号）がローパ
スフィルタ７１８出力８ｃとして得られる。このローパ
スフィルタ７１８出力８ｃを後述する推測回路７２２に
通し、その出力とあらかじめ設定されたｘ方向位置との
誤差信号を減算回路７１９で算出し、増幅回路７２０で
増幅した後にｘ位置補正信号回路７２１の出力として、
ｘ方向駆動回路１２０に入力し、以降、試料１０１と探
針１０２との間のｘ方向位置関係が設定位置になるよう
フィードバック制御を行なう。

【００５０】図７、図８に示したｘ方向位置ずれ補正を
行う信号処理回路７２１における信号の典型的な周波数
帯域を例示する。センサーＡ，Ｒ，Ｂの出力信号及び同
期検出回路７０４〜７０７の入力信号〜１ＭＨｚ（＝Δ
ｆ）、ローパスフィルタ７０９〜７１２の出力信号及び
平均化回路７１７の出力信号８ｂ〜１０ｋＨｚ、ｘ方向
走査信号８ａ〜１００Ｈｚ、ローパスフィルタ７１８の
出力信号、増幅回路７２０の出力信号〜１Ｈｚである。

【００５１】図９はｙ方向位置ずれ補正のための信号処
理回路を示す図であり、図１０は図９のいくつかの個所
で得られる信号の例を示す図である。

【００５２】センサーＣ（図２における２０７）、セン
サーＲ（図２における１１０）、センサーＤ（図２にお
ける２０９）からの振動数Δｆの振動成分の出力電流信
号を入力する電流／電圧変換回路９０１〜９０３、以降
の処理を行なう同期検出回路９０４〜９０７、位相シフ
タ９０８、ローパスフィルタ９０９〜９１２、各ローパ
スフィルタが出力する移動量信号Ｓ９１〜Ｓ９４、カウ
ンター９１３，９１６、各カウンターが出力する相対位
置ずれ量信号Ｓ９６，Ｓ９７、二値化回路９１４，９１
５、各二値化回路が出力する移動方向信号Ｓ９５，Ｓ９
６までは前述のｘ方向位置ずれ補正のための信号処理回
路と同様である。

【００５３】ミラーＣ２０４とミラーＣ’（不図示）及
びミラーＤ２０６とミラーＤ’（不図示）のｙ方向相対
位置ずれ量を平均化回路９１７において平均したものを
試料１０１と探針１０２とのｙ方向相対位置ずれ量信号
１０ｂとする。

【００５４】図１０（ａ）〜（ｅ）のそれぞれにｙ方向
走査信号１０ａ、ｙ方向相対位置ずれ量信号１０ｂ、ｙ
方向走査同期信号１０ｃ、ｙ方向位置ずれ量サンプリン
グ信号１０ｄおよび補間信号１０ｅを示す。

【００５５】図示されるようにｙ方向相対位置ずれ量信
号１０ｂにはｙ方向の位置ずれ成分とｙ方向走査成分と
が混在している。ｘ方向走査周波数に比べるとｙ方向走
査周波数は低く、機械的歪みの緩和や温度ドリフトに起
因する位置ずれ成分の周波数帯域と重なる。したがっ
て、前述のｘ方向位置ずれの場合と異なり、ローパスフ
ィルタによって位置ずれ成分とｙ方向走査成分とを分離
することは難しい。そこで、ｙ方向走査信号１０ａに同
期したｙ方向走査同期信号１０ｃをつくり、これに同期
してサンプリング回路９１８においてｙ方向相対位置ず
れ量信号１０ｂをサンプリングする。このｙ方向位置ず
れ量サンプリング信号１０ｄを補間回路９１９に入力
し、サンプリング点とサンプリング点の間を補間し補間
信号１０ｅとする。補間方法としては、補間信号がなめ
らかで屈曲が生じないような２次以上の曲線による補間
が望ましい。補間信号１０ｅを後述する推測回路９２０
に通し、その出力とあらかじめ設定されたｙ方向位置と
の誤差信号を減算回路９２１で算出し、増幅回路９２２
で増幅後、ｙ位置補正信号回路９２３の出力としてｙ方
向駆動回路１２０に入力し、以降、試料１０１と探針１
０２との間のｙ方向位置関係が設定位置になるようフィ
ードバック制御を行なう。

【００５６】図９、図１０のｙ方向位置ずれ補正信号処
理回路における信号の典型的な周波数帯域を例示する。
センサーＣ，Ｒ，Ｄの出力信号及び同期検出回路９０４
〜９０７の入力信号〜１ＭＨｚ（＝Δｆ）、ローパスフ
ィルタ９０９〜９１２の出力信号及び平均化回路９１７
の出力信号〜１００Ｈｚ、ｙ方向走査信号〜１０Ｈｚ、
補間回路９１９、推測回路９２０の出力信号〜１Ｈｚで
ある。

【００５７】次に、図１１、図１２を用いて推測回路７
２２，９２０における信号処理を説明する。

【００５８】位置ずれは複数の要因によって起こるが、
時間が経過するにつれて、そのうち比較的緩和時間の短
い要因による位置ずれは減少し、緩和時間の長い要因に
よる位置ずれが主となってくる。この様子を図１１に示
す。推測回路に入力されるｘおよびｙ方向の位置ずれ信
号は、図中１〜ｎに示されるような比較的緩和時間の短
い位置ずれ成分と、ｎ＋３以降点線で示されるような緩
和時間の長い位置ずれ成分とから、あるいは、図１２に
示すようなそれらがさらに複数組合わさった形となる。
このような位置ずれ信号ΔＳとして、時刻をｔとして数
式化すると、 ΔＳ＝｛A₁exp(−B₁t)＋A₂exp(−B₂t)＋・・・・＋Ct＋D｝
・ΔＸ＋｛E₁exp(−F₁t)＋E₂exp(−F₂t)＋・・・・＋Gt＋
H｝・ΔＹ ただし、A₁，A₂，…，B₁，B₂，…，C，D，E₁，E₂，…，
F₁，F₂，…，G，Hは定数、B₁，B₂，…，F₁，F₂，…は
正、Ｘ，Ｙはそれぞれｘ，ｙ方向の位置の単位ベクトル
を表す。

【００５９】推測回路７２２，９２０に入力されるｘお
よびｙ方向の位置ずれ信号ΔＳを複数時刻t＝t₁，t₂，t
₃，…，t_nにおいてサンプリングし、この値から前述の
数式中の定数A₁，A₂，…，G，Hを算出する。この定数値
を用いて、t＝t_n+1，t_n+2，…における位置ずれ信号Δ
Ｓを推測することができる。このように、複数時刻t＝t
₁，t₂，…，t_nにおける位置ずれ信号をもとに、以降のt
＝t_n+1，t_n+2，…における位置ずれ信号を推測して、こ
の値をもとに、位置ずれ補正のフィードバック制御を行
なう。したがって突発的な機械的、電気的ノイズが位置
ずれ信号に混入しても、混入までの直前の信号と混入後
の信号とを比較してノイズが混入していると判断でき、
混入後の信号を除去して、代わりに推測値を位置ずれ補
正信号とすることによりフィードバック制御の誤動作を
防ぐことができる。また、時間が経過した際の位置ずれ
量が予測できるため、時間が経過した際に位置ずれ量が
位置ずれ補正用のアクチュエータ（本実施例では図１に
おけるｘｙ駆動素子１０３）の最適な制御範囲を越えて
しまうときは、あらかじめ他のｘｙ粗動アクチュエータ
（図１には不図示）で試料１０１と探針１０２とをｘｙ
方向に相対的に粗移動し、時間が経過した際に位置ずれ
補正用のアクチュエータにとって最適な制御位置で制御
を行なうことができる。

【００６０】本実施例にて行われる上記のような信号処
理による補正動作は、当然ながらサンプリング数が増え
るにつれて精度も向上するものとなるが、図１１および
図１２に示したように移動開始直後には、以後の位置ず
れの主要因とは異なる比較的緩和時間の短い要因による
位置ずれが主なものとなるために特に問題となることは
ない。また、サンプリング数が増えるにつれて推測を行
うために費やされる演算時間も長くなるため、サンピリ
ング間隔によっては補正動作に追従することができなく
なる。しかしながら、このような状態のときのサンプリ
ング数は要求精度を達成するのに充分なものであるため
に、サンプリング間隔を長くとればよく、例えば、サン
プリング数の増加に応じてサンプリング間隔を徐々に長
くする構成としてもよい。

【００６１】なお、本実施例では、試料と探針の相対移
動量検出のための干渉光学系として、図１および図２に
示したような差動型（＝ミラーＡとＡ’の移動量の差を
検出）のヘテロダイン光波干渉計の例を示したが、本発
明はこれに限定されるものではなく、他の干渉光学系、
例えば図１３の断面図、図１４の上面図に示すような、
ファイバーを用いたヘテロダイン光波干渉計でもよい。

【００６２】図１３、図１４において、ファイバー固定
具Ａ〜Ｄ（１３０７，１３２２，１４０１，１４０２）
は装置筐体１３０８の下ユニットに固定されており、ミ
ラーＡ〜Ｄ（１３０５，１３０６，１４０５，１４０
６）との相対移動量が、偏光保存ファイバーＡ〜Ｄ（１
３０９，１３２１，１４０３，１４０４）から出射され
ミラーＡ〜Ｄに反射後再びファイバーＡ〜Ｄ中に戻る可
干渉光の光路長から検出する。上記の検出系を構成する
直線偏光二波長可干渉光源１３１０は、図３に示したも
のと同様に構成されるものであり、ビームスプリッタ１
３１１、偏光板１３１２，１３１９、センサーＲ１３１
３、偏光ビームスプリッタ１３１４、１／４波長板１３
１５，１３１７、レンズ１３１６、ミラー１３１８およ
びセンサーＡ１３２０による分離動作および検出動作は
図１および図２に示した実施例と同様である。

【００６３】なお、図１３、図１４に示す光学系も探針
１３０２と試料１３０１のｚ方向相対移動によってｘｙ
方向の相対移動量検出精度に影響を与えない光学系とな
っている。

【００６４】本実施例ではｘｙ方向位置ずれ補正をＳＰ
Ｍに応用した例を示したが、本発明の概念はこれに限定
されるものではなく、ＳＰＭと同様の位置ずれ補正精度
（〜１ｎｍ）が必要で探針と試料との周期的相対的ｘｙ
方向走査を行なう装置、例えば、ＳＰＭの構成や原理を
用い、試料をメモリー媒体に置き換えたメモリー装置や
リソグラフィー媒体に置き換えたリソグラフィー装置に
応用可能である。

【００６５】ただしこれらの装置では周期的ｘｙ方向走
査がラスター走査と異なる場合がある。例えばメモリー
装置では、図１５（ａ）に示すような記録媒体１５０４
上のトラック１５０５に沿って列状に並んだ記録データ
列１５０６をｘ方向に周期的に走査しながらｙ方向に一
定の速度で走査する場合、また、図１６（ａ）に示すよ
うな同心円状（あるいはらせん状）に並んだトラック１
６０１に沿って記録データ列１６０２を円状に走査、す
なわちｘｙ方向走査を１／４周期位相がずれた正弦波信
号によって行なう場合がある。

【００６６】図１５（ａ）に示した記録データ列を走査
する場合においては、図１５（ｂ）に示すように、ｘ方
向走査信号１５０２に真の位置ずれ信号１５０３が加わ
り、見かけ上の位置ずれ信号１５０１が発生し、その探
針走査の軌跡は図１５（ａ）の破線に示すようなものと
なる。このようなｘ方向の相対位置ずれ量に関して図
７、図９と同様の信号処理をし、行ない、見かけ上の位
置ずれ信号１５０１からｘ方向走査信号１５０２成分を
除いて、真の位置ずれ信号１５０３成分を得、記録媒体
１５０４と探針（図１５には不図示）の相対位置ずれの
補正を行なう。

【００６７】図１６（ａ）に示した記録データ列を走査
する場合においては、図１６（ｂ），（ｃ）に示すよう
にｙ方向走査信号１６０６，ｘ方向走査信号１６０９の
それぞれに真の位置ずれ信号１６０５，１６０８が加わ
り、見かけ上の位置ずれ信号１６０５，１６０８が発生
し、その探針走査の軌跡は図１６（ａ）の破線に示すよ
うなものとなる。これらに関しても、ｘ，ｙ両方向の相
対位置ずれ量に関して同様の信号処理を行ない、ｘ，ｙ
両方向の相対位置ずれの補正を行なうことができる。

【００６８】なお、前述のｘ方向位置ずれ補正信号処理
回路としては図７、図８に示した構成のものを示した
が、上記の図９、図１０に示したものでもよい。そのと
きｘ方向の走査信号の周波数は、ｙ方向走査信号に比べ
て高いので、走査の折り返し点におけるｘ方向駆動素子
の駆動方向の急激な反転による寄生振動などにより、位
置ずれ量サンプリング信号に誤差が生じやすい。そこ
で、図１７（ａ）に示すように、ｘ方向走査信号１７ａ
は、例えば正弦波信号のような急激な反転がないような
なめらかな曲線からなる波形が望ましい。

【００６９】Ｚ４１７（ａ）に示すようなｘ方向走査信
号１７ａのときのｘ方向相対位置ずれ量信号１７ｂ、ｘ
方向走査同期信号１７ｃ、ｘ方向位置ずれ量サンプリン
グ信号１７ｄおよび補間信号１７ｅのそれぞれを図１７
（ｂ）〜（ｅ）に示す。

【００７０】サンプリングの位置としては、図１７
（ｄ）に示すように走査折り返し部分の相対位置ずれ速
度が０になる点の近傍とすれば、前述の誤差は生じな
い。

【００７１】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、以下に記載するような効果を奏する。

【００７２】請求項１乃至請求項８に記載のものにおい
ては、装置のセッティング直後から長時間にわたる装置
の動作中に探針・試料間の相対位置ずれが生じることの
ない走査型プローブ顕微鏡とすることができる効果があ
る。

【００７３】請求項９乃至請求項１１に記載のものにお
いては、上記効果に加えて、機械的電気的ノイズによる
位置ずれ補正制御の誤動作を防止することができる効果
がある。

【００７４】請求項１２に記載のものにおいては、上記
各効果に加えて、位置ずれ補正用のアクチュエータの最
適な制御位置で制御を行なうことができる効果がある。

【００７５】請求項１３および請求項１４にそれぞれ記
載のものにおいては、上記の各効果を奏するメモリ装置
およびリソグラフィー装置を実現することができる効果
がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の縦断面図である。

【図２】図１に示した実施例の上面図である。

【図３】互いに直交方向に偏光した二波長可干渉光を偏
波保存ファイバーに導入する装置の構成を示す図であ
る。

【図４】走査型プローブ顕微鏡における探針のラスター
走査を説明するための図である。

【図５】ラスター走査中にｘ方向位置ずれが生じた場合
を説明するための図である。

【図６】ラスター走査中にｙ方向位置ずれが生じた場合
を説明するための図である。

【図７】ｘ方向位置補正信号回路を説明するための図で
ある。

【図８】ｘ方向位置補正信号回路における信号波形図で
ある。

【図９】ｙ方向位置補正信号回路を説明するための図で
ある。

【図１０】ｙ方向位置補正信号回路における信号波形図
である。

【図１１】推測回路における信号波形図である。

【図１２】緩和時間の異なる位置ずれ成分が複数組合わ
さった形の推測回路信号波形図である。

【図１３】ファイバーを用いたヘテロダイン干渉光学系
を用いた実施例の走査形プローブ顕微鏡装置の縦断面図
である。

【図１４】ファイバーを用いたヘテロダイン干渉光学系
を用いた実施例の走査型プローブ顕微鏡装置の横断面図
である。

【図１５】本発明をメモリー装置に応用した例の説明図
である。

【図１６】本発明をメモリー装置に応用した例の説明図
である。

【図１７】ｘ方向位置補正における別の信号処理法の信
号波形図である。

【符号の説明】

１０１ 試料 １０２ 探針 １０３ ｘｙ駆動素子 １０４ ミラーＡ １０５ 偏波保存ファイバー １０６ 装置筐体 １０７ コリメータ・レンズ １０８ ビームスプリッタＲ １０９ 偏光板Ｒ １１０ センサーＲ １１１ 偏光ビームスプリッタＡ １１２ 位相板Ａ １１３ 位相板Ａ’ １１４ ミラーＡ’ １１５ 偏光板Ａ １１６ センサーＡ １１７ ミラーＢ’ １１８ ｚ駆動素子 １１９ ｘｙ走査信号回路 １２０ ｘｙ駆動回路 ２０１，２０２，２０３ ビームスプリッタ ２０４ ミラーＣ ２０５ ミラーＢ ２０６ ミラーＤ ２０７ センサーＣ ２０８ センサーＢ ２０９ センサーＤ ３０１ 半導体レーザ ３０２ コリメータ・レンズ ３０３ 第１の偏光ビームスプリッタ ３０４ 第１のミラー ３０５ 第２の偏光ビームスプリッタ ３０６ 第２のミラー ３０７ 音響光変調器 ３０８ 集光レンズ ３０９ 偏波保存ファイバー ７０１，７０２，７０３ 電流／電圧変換回路 ７０４，７０５，７０６，７０７ 同期検出回路 ７０８ 位相シフタ ７０９，７１０，７１１，７１２ ローパスフィルタ ７１３ カウンター ７１４，７１５ 二値化回路 ７１６ カウンター ７１７ 平均化回路 ７１８ ローパスフィルタ ７１９ 減算回路 ７２０ 増幅回路 ７２１ 信号処理回路 ７２２ 推測回路 ９０１，９０２，９０３ 電流／電圧変換回路 ９０４，９０５，９０６，９０７ 同期検出回路 ９０８ 位相シフタ ９０９，９１０，９１１，９１２ ローパスフィルタ ９１３ カウンター ９１４，９１５， 二値化回路 ９１６ カウンター ９１７ 平均化回路 ９１８ サンプリング回路 ９１９ 補間回路 ９２０ 推測回路 ９２１ 減算回路 ９２２ 増幅回路 ９２３ 信号処理回路 １３０１ 試料 １３０２ 探針 １３０３ ｘｙ駆動素子 １３０４ ｚ駆動素子 １３０５ ミラーＡ １３０６ ミラーＢ １３０７ ファイバー固定具Ａ １３０８ 装置筐体 １３０９ 偏波保存ファイバーＡ １３１０ 直交偏光二波長可干渉光源 １３１１ ビームスプリッタ １３１２ 偏光板 １３１３ センサーＲ １３１４ 偏光ビームスプリッタ １３１５ １／４波長板 １３１６ レンズ １３１７ １／４波長板 １３１８ ミラー １３１９ 偏光板 １３２０ センサーＡ １３２１ 偏波保存ファイバーＢ １３２２ ファイバー固定具Ｂ １４０１ ファイバー固定具Ｃ １４０２ ファイバー固定具Ｄ １４０３ 偏波保存ファイバーＣ １４０４ 偏波保存ファイバーＤ １４０５ ミラーＣ １４０６ ミラーＤ １５０１ 見かけ上の位置ずれ信号 １５０２ ｘ方向走査信号 １５０３ 真の位置ずれ信号 １５０４ 記録媒体 １５０５ トラック １５０６ 記録データ列 １６０１ トラック １６０２ 記録データ列 １６０４ 見かけ上の位置ずれ信号 １６０５ 真の位置ずれ信号 １６０６ ｙ方向走査信号 １６０７ 見かけ上の位置ずれ信号 １６０８ 真の位置ずれ信号 １６０９ ｘ方向走査信号

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 多川 昌宏 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料の表面に対して先端が対向し、か
   つ、近接するように配置された探針と、 前記試料に対して前記探針をこれらの対向方向と直交
   し、かつ、予め定められた進路に相対的に走査する走査
   手段と、 前記試料と前記探針との間に生じる物理量を検出する検
   出手段とを具備し、前記走査手段による走査時における
   前記検出手段の検出結果から前記試料表面の観察を行な
   う走査型プローブ顕微鏡において、 前記探針の走査時に、前記試料と探針の対向方向と直交
   する方向に関する試料と探針との相対的な位置を検出
   し、該検出内容を示す第１の位置ずれ量検出信号を出力
   する位置ずれ量検出手段と、 前記第１の位置ずれ量検出信号から、前記試料と前記探
   針との走査に伴う信号成分を除去し、第２の位置ずれ量
   検出信号として出力する走査信号成分除去手段と、 前記第２の位置ずれ量検出信号に基づいて前記試料と前
   記探針との位置ずれを逐次補正する補正手段とを有する
   ことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡
   において、 走査信号成分除去手段が、試料と探針との走査周波数よ
   り低いカットオフ周波数を有するローパスフィルタであ
   ることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡
   において、 走査信号成分除去手段が、試料と探針との走査に同期し
   たタイミングで位置ずれ量検出信号をサンプリングする
   ことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の走査型プローブ顕微鏡
   において、 走査信号成分除去手段が、各サンプリング点の間を補間
   することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
5. 【請求項５】 請求項３または請求項４に記載の走査型
   プローブ顕微鏡において、 走査手段によって行われる走査が、折り返し点近傍がな
   めらかな折り返し信号によって行われるものであり、走
   査信号成分除去手段によるサンプリング動作は該折り返
   し点近傍にて行われることを特徴とする走査型プローブ
   顕微鏡。
6. 【請求項６】 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載
   の走査型プローブ顕微鏡において、 位置ずれ量検出手段が、光波干渉計であることを特徴と
   する走査型プローブ顕微鏡。
7. 【請求項７】 請求項６記載の走査型プローブ顕微鏡に
   おいて、 光波干渉計が、試料を固定する部材に固定されたミラー
   と、探針を固定する部材に固定されたミラーと、ミラー
   のいずれか一方に可干渉光を入射する手段と、可干渉光
   の一部を分離し、光路を変化させミラーの他方に入射さ
   せる手段と、ミラーからの２つの反射光の合成光強度信
   号をもとに、ミラーの相対的移動量を算出する手段とか
   らなる差動型の光波干渉計であることを特徴とする走査
   型プローブ顕微鏡。
8. 【請求項８】 請求項６記載の走査型プローブ顕微鏡に
   おいて、 光波干渉計が、試料を固定する部材と探針を固定する部
   材のいずれか一方に固定されたミラーと、他方に固定さ
   れ、端面をミラーに近づけて配置された光ファイバー
   と、光ファイバーを通して可干渉光をミラーに入射する
   手段と、ミラーに反射され再び光ファイバーを通った光
   と可干渉光一部をあらかじめ分離した光との合成光強度
   信号をもとに光ファイバーの端面に対するミラーの相対
   的移動量を算出する手段とからなる光ファイバー干渉計
   であることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
9. 【請求項９】 請求項１乃至請求項８のいずれかに記載
   の走査型プローブ顕微鏡において、 補正手段が、走査信号成分除去手段が出力する第２の位
   置ずれ量検出信号に基づいて位置ずれ量の時間的な変化
   を推測する推測回路と、該推測回路の推測結果および予
   め定められた進路に応じた設定位置に基づいて試料と探
   針との位置ずれを補正する減算回路とを有することを特
   徴とする走査型プローブ顕微鏡。
10. 【請求項１０】 請求項９記載の走査型プローブ顕微鏡
    において、 推測回路における推測動作が、異なる時定数の緩和時間
    による少なくとも一つ以上の位置ずれ量を対象とし、こ
    れらの成分の強度および時定数を推測することを特徴と
    する走査型プローブ顕微鏡。
11. 【請求項１１】 請求項９または請求項１０記載の走査
    型プローブ顕微鏡において、 推測回路は、入力された第２の位置ずれ量信号と該入力
    以前の第２の位置ずれ量信号からの推測値との差が所定
    値を超えたときには入力された第２の位置ずれ量信号に
    よる推測を行うことなく、該入力以前の第２の位置ずれ
    量信号からの推測値を出力する手段を含むことを特徴と
    する走査型プローブ顕微鏡。
12. 【請求項１２】 請求項１乃至請求項１１のいずれかに
    記載の走査型プローブ顕微鏡において、 補正手段が第１のアクチュエータと、該第１のアクチュ
    エータを含めた移動を行う第２のアクチュエータからな
    り、これらの各アクチュエータを用いて試料と探針との
    位置ずれを補正することを特徴とする走査型プローブ顕
    微鏡。
13. 【請求項１３】 請求項１乃至請求項１２のいずれかに
    記載の走査型プローブ顕微鏡の構成を用いて記録媒体に
    対して記録あるいは読み出しを行うことを特徴とするメ
    モリ装置。
14. 【請求項１４】 請求項１乃至請求項１２のいずれかに
    記載の走査型プローブ顕微鏡の構成を用いて記録媒体に
    対して記録を行うことを特徴とするリソグラフィー装
    置。