JPH0882522A - リアルタイムかつナノメータスケールの位置測定方法および装置 - Google Patents

リアルタイムかつナノメータスケールの位置測定方法および装置

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JPH0882522A
JPH0882522A JP7085935A JP8593595A JPH0882522A JP H0882522 A JPH0882522 A JP H0882522A JP 7085935 A JP7085935 A JP 7085935A JP 8593595 A JP8593595 A JP 8593595A JP H0882522 A JPH0882522 A JP H0882522A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 リアルタイムかつナノメータスケールのセン
シングプローブの位置測定結果を生成する方法及び装置
の提供。 【構成】 原子表面や他の周期的信号を持った表面、例
えばグレーティングやそれに類似したものをプローブに
対して相対的に移動させながら相対的なプローブの距離
および位置を測定する。プローブと表面との間にセンシ
ングするための場を設け、プローブを正弦波状の電圧を
制御することにより高速に振動させ、この振動によりセ
ンシング場の電流によって生成された正弦波状の出力電
圧の位相ならびに振幅を比較し、位置情報、最近接原子
や波打った表面の一番近い峰からの距離と方向を求め
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は原子表面やその他の周期
的信号を持った表面を走査型プローブ顕微鏡および他の
センサを用いてリアルタイムかつナノメータの位置測定
方法及び装置に関するものであり、たとえば、走査型ト
ンネル原子顕微鏡、走査型原子間力顕微鏡およびその他
の適当な走査型センサを用い、特に周期的信号を持った
原子表面やその他の表面、例えばホログラフィックグレ
ーティング、従来のダイアモンドツールやその他の方法
で形成されたグレーティング、および、磁気的や電気的
な周期的場を持った表面に対してスキャナーやセンサの
位置を原子間距離以下の精度で測定する測定装置及び方
法に関するものである。
【０００２】また、本発明はこのようなリアルタイムか
つナノメータスケールの位置測定結果をフィードバック
して測定の性能を向上させることも含む。
【０００３】
【従来の技術】レーザー干渉計は現在光の波長の数百分
の一程度の解像度を必要とするような高精度な用途、例
えば高精度ミラーやレンズなどの高精度表面加工処理や
そのためのツール、メモリやその他類似のＩＣなどの半
導体製造装置に広く用いられている。集積回路などの製
造においては例えばサブミクロン間隔の平行線に沿った
処理を要求されるなど、それらの処理があらかじめ定め
られたこれらの平行線に対し常時数パーセントの精度で
行われることを常に保証する必要がある。今日、このよ
うな集積回路などの製造プロセスにおける位置測定はレ
ーザー干渉計によって構成されている。しかしながらレ
ーザー干渉計は本来１軸測定用に設計されており、また
非常に安定で従って高価なレーザー光源および光学系を
必要とする。そのため、ナノメータオーダーの解像度を
レーザー干渉計によって達成するためには光源の基準波
長を千分の一程度にまで分割する必要があるが、周辺温
度や空気流れの変動などにより実際には非常に困難であ
る。その上、しばしば真空環境内でそれらの測定が行わ
れるが高価となり測定の手間が煩雑となる。
【０００４】他の高精度を必要とするアプリケーション
としては例えば、オプティカルディスク、ＣＤなどの製
造に使用されるマスターディスクの製造、ダイアモンド
ツール加工では、人工衛星に搭載される特殊ミラーなど
の加工、仕上げなどがある。
【０００５】特にＧ．Ｂｉｎｎｉｇ及びＨ．Ｒｏｈｒｅ
ｒ，Ｈｅｌｅｖ．Ｐｈｙｓ．Ａｃｔａ，５５，第７２６
ページ（１９８２年）に見られる走査型トンネル電子顕
微鏡や、米国特許第４，７２４，３１８号に述べられて
いる走査型原子間力顕微鏡の発明以来、原子像の観察は
普通に行われており、ナノメータオーダーの解像度を持
った位置測定に門戸を開きつつある。
【０００６】樋口その他による論文、例えば『Ｃｒｙｓ
ｔａｌｌｉｎｅ Ｌａｔｔｉｃｅｆｏｒ Ｍｅｔｒｏｌ
ｏｇｙ ａｎｄ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｃｏｎｔｒ
ｏｌ』，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ＩＥＥＥ Ｍｉｃｒ
ｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔ
ｅｍｓ，２３９−２４４ページにおいては、位置決め対
象テーブルに固定された結晶面を基準フレームに固定さ
れた走査型トンネル電子顕微鏡を用いてＸＹ方向に通過
した原子の数を数えることにより、対象テーブルを目的
の位置や場所に誘導する。ただしそれぞれの目的位置に
おいてポジションロックを行うために、常にテーブルは
正弦波状に振動し回転される必要がある。
【０００７】また、この方法は測定対象表面に対する本
当のリアルタイム、連続的位置情報を与えない。本発明
は連続的位置測定を０．０１ナノメータかそれ以下の解
像度、まさにレーザー干渉計によって得られる解像度の
１０分の一から１００分の一を実現する。本発明は、さ
らに、樋口らによる方法とは異なり、ポジションロック
に伴うテーブル振動の問題を解決し、位置情報をセンサ
プローブの振動によりその振動中心を基準位置にして与
えるものである。さらに、本発明のレーザー干渉計の優
れているところは、単に解像度が飛躍的に向上するだけ
でなく、光学系の必要性がなくなることである。従っ
て、周辺温度の変動や振動の影響を最小にできること、
また周辺空気の流れに対して強いことなどが挙げられ
る。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、原子
表面を用いたナノメータスケールでリアルタイムセンサ
の位置測定（およびコントロール）に関し、既述の現状
技術の問題を克服し、特に走査型トンネル電子顕微鏡お
よび走査型原子間力顕微鏡および類似の技術を用いた、
新しくかつ改良された手法および装置を提供することで
ある。
【０００９】さらに、本発明は原子表面だけではなく他
の物理的に波打った、あるいは周期的にピークが現われ
る表面、例えばグレーティングやそれに類似したもの、
および磁気的、電気的に場が周期的に変化する表面も同
様に位置測定に用いることにより、このような斬新な方
法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
めに、本発明は、請求項１〜２０のいずれか１項に記載
のリアルタイムかつナノメータスケールの位置測定方法
または装置を要旨としている。
【００１１】
【作用】本発明は連続的位置測定を０．０１ナノメータ
かそれ以下の解像度、まさにレーザー干渉計によって得
られる解像度の１０分の一から１００分の一を実現す
る。本発明は、さらに、樋口らによる方法とは異なり、
ポジションロックに伴うテーブル振動の問題を解決し、
位置情報をセンサプローブの振動によりその振動中心を
基準位置にして与えるものである。さらに、本発明の、
レーザー干渉計に比べて優れているところは、単に解像
度が飛躍的に向上するだけでなく、光学系の必要性がな
くなることである。従って、周辺温度の変動や振動の影
響を最小にできること、また周辺空気の流れに対して強
いことなどが挙げられる。
【００１２】
【実施例】本発明はプローブが周期的信号を持った表面
をその表面とプローブが相対的に移動しながら走査する
ことにより、リアルタイムかつナノメータスケールの位
置測定を行うもので、プローブと表面との間にセンシン
グするための場を設け、プローブを正弦波状の電圧を制
御することによりプローブ原点の周りで既述の走査中に
振動させ、この振動によりセンシング場によって生成さ
れ表面を通過した後の正弦波状の出力信号を測定し、制
御電圧と出力電圧の位相ならびに振幅を比較し、そのよ
うな比較をもとに連続的な位置情報、波打った表面の一
番近い峰からの距離と方向、従って表面に沿ったプロー
ブの位置を求めるようにしたものである。
【００１３】本明細書において、「振動」とは、何らか
の形でプローブが行ったり来たりする状態を意味する。
【００１４】図示例 走査型トンネル電子顕微鏡（ＳＴＭ）を用いた具体的実
施例を図１に示す。発明の原理により、先端を鋭く尖ら
せたタングステンやＰｔ−Ｉｒワイヤおよびそれらと類
似の走査センサープローブ２が例えばテーブル上の導電
材料サンプル３の周期的な原子表面上をＳＴＭモードで
走査されている様子が図４に示されている。センサ針が
サンプル３から数ナノメータ離れたところに置かれる
と、センサ針とサンプル表面に設けられた電極との間に
加えられたバイアス電圧Ｖによってトンネル電流が生成
される。
【００１５】トンネル電流がＩ−ＶコンバータＡに流れ
ることにより、出力電圧Ｖｏｕｔがセンサープローブ２
と原子表面３との間の距離の関数として得られる。従っ
て図９に示すようにサンプル表面上をＸＹ方向にプロー
ブ２を走査することにより表面のトポグラフ的な情報が
得られ原子像が再生される。
【００１６】本発明においては、センサープローブ２は
電気的に絶縁された状態でピエゾチューブアクチュエー
タ１に機械的に固定され、そのＸＹ方向の制御電圧を加
え振動させることにより、特に図３に示されるように基
準点の周りを円弧状あるいは直線状に振動される。図に
示されているように、１対のＸ方向電極（サイン電圧−
Ａｓｉｎｗｔ）、１対のＹ方向電極（コサイン電圧−Ａ
ｓｉｎ（ｗｔ＋ｆ），ｆ＝ｐ／２）およびトンネル電流
を生成するために必要な数ナノメータ離れた位置に高さ
を調整するためのＺ方向電極がある。
【００１７】出力電圧Ｖｏｕｔはその結果（高次の振動
周波数を含んだ）正弦波状となるが、その位相および振
幅はピエゾアクチュエータ制御電圧信号とは図３のグラ
フに模式的に示されるように必ずしも一致しない。出力
電圧Ｖｏｕｔの（中でセンシングに使用される周波数
の）位相および振幅を、ピエゾ振動子を駆動する制御電
圧信号と比較することにより、プローブの位置、つまり
基準点の最近接原子の頂上からの距離および方向、従っ
てプローブの表面に沿った位置を求めることができる。
【００１８】図１１と図１２は図３に関連した図であ
り、図１１においては、正弦波状制御信号および出力電
圧Ｖｏｕｔの位相と振幅の比較が、注目している周波数
において掛け算器ＣおよびＣ′によってそれぞれなされ
ている。各々の位相検出をＰＤで、振幅検出をＡＤを通
じて行った後（例えばＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｔｈｅｏ
ｒｙ，Ｈａｒｏｌｄ Ｓ．Ｂｌａｃｋ，Ｄ．Ｖａｎ Ｎ
ｏｓｔｒａｎｄ Ｃｏ．，１９５３年，１４１ページ
や、Ｔｈｅ Ａｒｔ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，
Ｐａｕｌ Ｈｏｒｏｗｉｔｚ及びＷｉｎｆｉｅｌｄ Ｈ
ｉｌｌ，Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
Ｐｒｅｓｓ，１９９３年，１０３１ページに述べられて
いるような振幅変調型の検出器を使用するのが好ましい
が必須のものではない）、プローブ位置情報信号が生成
される。これらの信号は表示されたり、記録されたりあ
るいは図４に示されるようにサンプル３が固定されたテ
ーブルＴのモーター制御のためにフィードバックＦに用
いられる。
【００１９】テーブルの移動が高速の場合には出力信号
Ｖｏｕｔにピエゾ駆動周波数に比べドップラー効果に似
た周波数変移が生じるが、これらはよく知られているよ
うに容易に移動検出フィードバックによって補正でき
る。
【００２０】図１２は、前述の文献に出てくる電子回路
を用いた具体的実施例を示す。
【００２１】図９はサイズ１．２×１．２ｎｍのユニオ
ンカーバイド製グレードＢのＨＯＰＧグラファイト結晶
表面の原子のＳＴＭ像で、Ｐｔ−Ｉｒワイヤをプローブ
針２に用い、原子表面３から１〜２ナノメータ離して約
１秒程で走査して得られたものである。ピエゾチューブ
アクチュエータ（０．５１×ｆ０．２５インチ）にはマ
トロック社製のものを用い、２００Ｈｚの正弦波状制御
電圧を加えた。その先端には、図１に示されているＸと
Ｙの正弦波状制御電圧からプローブを絶縁する目的のセ
ラミックをはさんでプローブ２がエポキシ接着剤でしっ
かりと固定されている。
【００２２】図１０のａにはグラファイト原子のＳＴＭ
像が等高線で示され、制御信号ＸＹをコントロールする
ことによりプローブ２を回転させた時の軌跡がほぼ円で
示されている。その結果、そのプローブ振動によって対
応する（ただし振幅と位相は一致しない）トンネル電流
が生成される様子（ハイパスフィルタを通した後の様
子）が図１０のｂに示されている。
【００２３】前述のように、プローブ２は、例えば前述
の引用特許に記述されているような図２の原子間力顕微
鏡のカンチレバー、変位センサＳに置き換えてもよい。
【００２４】さらに前に述べたように、本発明のナノメ
ータ精度で位置情報を得る技術は他の物理的に周期性を
持った原子表面以外の表面、例えば図５に一次元走査の
場合として示されているような、導電体でコーティング
されたホログラフィックグレーティング３′を用いても
よい。明らかにこの技術は他の周期性を持ったグレーテ
ィングやルーリングなどの表面にも同様に適用できるも
のである。
【００２５】センサプローブは図８に示されているよう
な容量型でもよく、この場合、導電体でコーティングさ
れたグレーティング３を直線状に振動させ、先端の尖っ
た電極と表面電極２′とを容量的に結合させる。
【００２６】本発明はもちろん図１〜５の具体例に示さ
れるような１次元位置情報に限定されるものではない。
図６は図３と同様に２次元情報を得る方法を示す。ただ
し、ＸとＹの制御電圧と出力電圧を用いている。
【００２７】前に述べたように、スキャンされるべき周
期的に峰、頂点、谷などが交互に現われる表面は必ずし
も物理的な表面である必要はなく、周期的な磁場や電場
あるいはそれらの峰、谷であってもよい。図７のａは、
周期的な磁場が互いに反対の磁極（Ｎ極とＳ極）が順番
に並べられた表面に生成される様子と、直線状に振動さ
れた磁場センサがこの周期的な磁場との交互作用によっ
て正弦波状出力電圧を生成する様子を示す。同様に周期
的な電場の場合について、図７のｂは、表面上に反対の
電荷を交互に与えられた強誘電材料や他の材料と、例え
ばカンチレバー型の電気力センサの様子を示す。
【００２８】前述の例では、すべてプローブを振動させ
るとしているが、振動させなくても、プローブをグレー
ティングの１つのピッチの中で変位させフィードバック
させるやりかたでも可能である。要するに、非振動にし
ても、この発明の原理を使えば測定器が作れるのであ
る。特にプローブがＸＹもしくはＸに微小範囲で動き、
フィードバックしうる構造ならば測定は可能である。
【００２９】さらに、本発明を用いた数々の変形例が考
えられるが、これらも請求項に記載されている本発明の
精神と範囲に含まれるものである。
【００３０】
【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、周囲の環境に影響されることが少なく、しか
も、リアルタイムかつナノメータスケールの位置測定を
行うことができる。
【００３１】従って、それらの位置測定をフィードバッ
ク信号に用いた超微細位置決めを連続かつ高速に行うこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】走査型トンネル電子顕微鏡、信号増幅回路、プ
ローブが原子表面を相対的に移動している様子を総合し
て３次元的に示した図である。
【図２】本発明による走査型原子間力顕微鏡についての
簡単な模式図である。
【図３】位置測定のためＳＴＭを使った本発明の方法及
び装置において、Ｉ−Ｖコンバータからの出力信号、Ｘ
制御信号およびＹ制御信号の様子を総合して３次元的に
示した図である。
【図４】本発明を位置センサとしてＸテーブル制御に応
用した例である。
【図５】１次元位置情報を得るためにホログラフィック
グレーティングとリニア走査型センサの動きを模式的に
示した図である。
【図６】本発明を用いた２次元位置情報を求めるための
計算フローの例である。
【図７】図７のａおよびｂは本発明を磁気的、電気的に
場が周期的に変化する表面に適用した例である。
【図８】図７と同様な例で物理的に表面が波打ったグレ
ーティングを容量センシングすることにより本発明に適
用した例である。
【図９】本発明を例証するために用いたグラファイトの
ＳＴＭ像である。
【図１０】図１０のａおよびｂは実際にグラファイト原
子のプローブ走査（ＸＹ方向）を行って得られたトンネ
ル電流出力をもとにプローブを回転させて走査した場合
のコンピュータシミュレーション結果を示す図である。
【図１１】本発明を使った位置測定の計算フローを示す
図である。
【図１２】電子回路を用いた例を示す図。
【符号の説明】
１ ピエゾアクチュエータ ２ センサプローブ ２′ 片持はり ３ サンプル

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 周期的信号を持った表面をその表面とプ
    ローブが相対的に移動しながら走査することにより、リ
    アルタイムかつナノメータスケールの位置測定を行う方
    法であって、プローブと表面との間にセンシングするた
    めの場を設け、プローブを正弦波状の電圧を制御するこ
    とによりプローブ原点の周りで既述の走査中に振動さ
    せ、この振動によりセンシング場によって生成され表面
    を通過した後の正弦波状の出力信号を測定し、制御電圧
    と出力電圧の位相ならびに振幅を比較し、そのような比
    較をもとに連続的な位置情報、波打った表面の一番近い
    峰からの距離と方向、従って表面に沿ったプローブの位
    置を求める方法。
  2. 【請求項２】 周期的信号を持った表面とは、原子が規
    則的に並んだ構造の場合であり、一番近い峰が表面上で
    一番近い原子の頂点である請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】 走査プローブがトンネル電子顕微鏡に用
    いられるセンサプローブによって構成され、センシング
    場がプローブと表面の原子の間にトンネル電流を生じさ
    せるもので、トンネル電流が表面の原子を流れることに
    より正弦波状出力電圧を生じる請求項２に記載の方法。
  4. 【請求項４】 走査プローブが走査型原子間力顕微鏡に
    用いられるカンチレバー力センサによって構成され、セ
    ンシング場がプローブと表面の原子の間に原子間力場信
    号を生じさせるもので、それらの信号により生じる（信
    号の）流れに対応して正弦波状出力電圧を生じる請求項
    ２記載の方法。
  5. 【請求項５】 走査プローブが電気容量センサによって
    構成され、センシング場がそれらのプローブと表面の間
    に電流を生じさせるもので、それらの電流が表面を流れ
    ることにより正弦波状出力電圧を生じる請求項１記載の
    方法。
  6. 【請求項６】 周期的信号を持った表面が周期的磁場で
    極が交互に変化する周期的なピークによって構成され、
    走査プローブは対応する磁場あるいは電場センサによっ
    て構成されるものであり、センシング場とはそのプロー
    ブと表面の間に流れ（電流や磁束など）を形成し表面を
    通過した後、その流れによって出力正弦波状電圧が生じ
    る請求項１記載の方法。
  7. 【請求項７】 周期的信号を持った表面が正弦波的に変
    化する信号を持ったグレーティングを指す請求項１記載
    の方法。
  8. 【請求項８】 原子表面とプローブを相対的に移動させ
    ながら、トンネル電子顕微鏡センサプローブを原子表面
    の運動に追従させることにより、リアルタイムかつナノ
    メータスケールの位置測定を行う方法で、プローブと表
    面の原子との間にトンネル電流が流れるようにし、既述
    の追従運動中に、プローブに正弦波状の制御電圧を加え
    プローブ原点の周りで振動させ、この振動により表面の
    原子を通過したトンネル電流によって生じた正弦波状の
    出力信号を測定し、制御電圧と出力電圧（プローブの変
    位情報も含む）の位相ならびに振幅を比較し、そのよう
    な比較をもとに連続的な位置情報、波打った表面の一番
    近い峰からの距離と方向、従って表面に沿ったプローブ
    の位置を求める方法。
  9. 【請求項９】 位置信号を原子表面とプローブの相対運
    動を制御するためにフィードバックする請求項８記載の
    方法。
  10. 【請求項１０】 表面がプローブに対して動かされるよ
    うにフィードバックが用いられる請求項９記載の方法。
  11. 【請求項１１】 制御正弦電圧がサインとコサインの成
    分を持ち、位相と振幅の比較が各々２次元運動の位置情
    報を得るために用いられる請求項８記載の方法。
  12. 【請求項１２】 プローブの振幅が回転状や直線状の運
    動によって実現される請求項８記載の方法。
  13. 【請求項１３】 原子表面と他の周期的な信号を持った
    表面においてその表面とプローブが相対的に移動しなが
    らトンネル電子顕微鏡などのセンサプローブによって原
    子表面を走査することにより、リアルタイムかつナノメ
    ータスケールの位置測定を行う装置で、既述の振動中に
    そのプローブと表面との間に（信号の）流れを形成し、
    プローブに正弦波状の制御電圧を加え原点の周りで振動
    させ、この振動により表面の原子を通過した（信号の）
    流れによって生じた正弦波状の出力電圧を測定し、制御
    電圧と出力電圧の位相ならびに振幅を比較し、そのよう
    な比較をもとに連続的な位置情報、一番近い原子の頂点
    や周期的信号を持った表面の一番近い峰からの距離と方
    向、従って表面に沿ったプローブの位置を求める装置。
  14. 【請求項１４】 位置信号をプローブと表面の相対運動
    の制御をするためにフィードバックする請求項１３記載
    の装置。
  15. 【請求項１５】 振動が既述の原点の周りにおける回転
    状や直線状の運動によって実現される請求項１３記載の
    装置。
  16. 【請求項１６】 振動がプローブと表面の相対運動に比
    べ速い角速度運動を意味する請求項１５記載の装置。
  17. 【請求項１７】 表面がテーブル上の表面を指し、フィ
    ードバックとはそのテーブルの運動制御を意味する請求
    項１４記載の装置。
  18. 【請求項１８】 振動をセンサプローブに接続されたピ
    エゾ素子によって実現する請求項１４記載の装置。
  19. 【請求項１９】 センサを、トンネル電子顕微鏡、原子
    間力顕微鏡、電気容量および磁気的なプローブと表面の
    間で構成される場をセンシングする手法の１つに置き換
    えた請求項１３記載の装置。
  20. 【請求項２０】 順に周期的に物理的、電気的、あるい
    は磁気的にピークや谷が変化する表面に沿ってその表面
    とプローブが相対的に移動しながら走査することによ
    り、リアルタイムかつナノメータスケールの位置測定を
    行う方法であって、プローブと表面との間に対応する表
    面に適したセンシング場を設け、プローブを正弦波状の
    電圧を制御することによりプローブ原点の周りで既述の
    走査中に振動させ、この振動によりセンシング場によっ
    て生成され表面を通過した後の正弦波状の出力信号を測
    定し、制御電圧と出力電圧の位相ならびに振幅を比較
    し、そのような比較をもとに連続的な位置情報、波打っ
    た表面の一番近い峰からの距離と方向、従って表面に沿
    ったプローブの位置を求める方法。
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