JPH10300759A - 表面形状測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】簡単な構成によって高精度に表面形状を測定す
ることが可能な低価格な表面形状測定装置を提供する。 【解決手段】試料２の試料表面２ａを走査可能な探針４
を有するカンチレバー６と、探針と試料とを相対的に移
動させるアクチュエータ１０と、カンチレバーの変位を
検出する変位センサ１２と、変位センサからの変位信号
に基づいて、アクチュエータを制御することによって、
カンチレバーの変位状態を一定に維持しつつ探針を試料
表面に沿って、Ｘ，Ｙ及びＺ方向に走査させることが可
能な制御系と、制御系からの制御信号に演算を施すこと
によって、試料の表面形状を検出可能な表面形状検出手
段８とを備える。制御系は、Ｘ制御ユニット１４、Ｙ制
御ユニット１６、Ｚ制御ユニット１８を備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば溝や段差等
の凹凸が施されている試料の表面形状を測定するための
表面形状測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の表面形状測定装置とし
て、例えば走査型プローブ顕微鏡が一般的に用いられて
いる。走査型プローブ顕微鏡は、先端に先鋭化した探針
（プローブ）を有するカンチレバーを備えており、探針
先端を試料表面に所定距離だけ近接させた状態で若しく
は所定の力で試料と接触させた状態で、カンチレバーを
試料に沿って走査することによって、試料の表面情報を
三次元的に測定することができるように構成されてい
る。

【０００３】このような走査型プローブ顕微鏡を用いた
表面形状測定装置として、例えば特許公報第２５０１２
８２号には、カンチレバー先端を互いに直交する二方向
に同時に振動させながら、例えば溝や段差等の凹凸が施
されている試料の表面に沿って探針先端を走査すること
によって、試料表面の凹凸形状を測定することが可能な
装置が開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
表面形状測定装置には、カンチレバー先端を互いに直交
する二方向に同時に振動させるための振動手段や、二方
向に振動しているカンチレバー先端の二つの変位成分を
夫々分離して検出するための検出手段等の構成が必要で
ある。

【０００５】このため、装置の構成が複雑化すると共
に、製造コストが上昇してしまうといった問題が存在す
る。本発明は、このような課題を解決するために成され
ており、その目的は、簡単な構成によって高精度に表面
形状を測定することが可能な低価格な表面形状測定装置
を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
めに、本発明の表面形状測定装置は、任意の表面形状を
有する試料の試料表面に沿って走査可能な探針を有する
カンチレバーと、前記探針と前記試料とを相対的に移動
させる移動手段と、前記探針と前記試料との間に働く相
互作用によって生じる前記カンチレバーの変位を検出す
る変位検出手段と、この変位検出手段から出力される変
位信号に基づいて、前記移動手段に制御信号を出力する
ことによって、前記カンチレバーの変位状態を一定に維
持しつつ前記探針を前記試料表面に沿って相対的に走査
させることが可能な制御系と、この制御系から出力され
る制御信号に所定の演算を施すことによって、前記試料
の表面形状を検出可能な表面形状検出手段とを備えてお
り、前記表面形状検出手段から出力される表面形状検出
信号に基づいて、前記制御系から前記移動手段に制御信
号を出力することによって、前記試料表面の変化状態に
対応しつつ且つ前記カンチレバーの変位状態を一定に維
持しつつ前記探針を前記試料表面に沿って相対的に走査
させることができる。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態に係
る表面形状測定装置について、添付図面を参照して説明
する。図１に示すように、表面形状測定装置は、任意の
表面形状を有する試料２の試料表面２ａに沿って走査可
能な探針４を有するカンチレバー６と、探針４と試料２
とを相対的に移動させる移動手段と、探針４と試料２と
の間に働く相互作用（例えば、原子間力、摩擦力、接触
力、粘性、磁気力等）によって生じるカンチレバー６の
変位を検出する変位検出手段と、この変位検出手段から
出力される変位信号に基づいて、移動手段に制御信号を
出力することによって、カンチレバー６の変位状態を一
定に維持しつつ探針４を試料表面２ａに沿って相対的に
走査させることが可能な制御系と、この制御系から出力
される制御信号に所定の演算を施すことによって、試料
２の表面形状を検出可能な表面形状検出手段８とを備え
ている。

【０００８】このような構成によれば、表面形状検出手
段８から出力される表面形状検出信号に基づいて、制御
系から移動手段に制御信号を出力することによって、試
料表面２ａの変化状態に対応しつつ且つカンチレバー６
の変位状態を一定に維持しつつ探針４を試料表面２ａに
沿って相対的に走査させることができる。

【０００９】本実施の形態に適用した移動手段は、その
一例として、所定の電圧を印加することによって三次元
方向（互いに直交するＸＹＺ方向）に変位可能なアクチ
ュエータ１０（例えば、圧電体スキャナ）を備えて構成
されている。

【００１０】このアクチュエータ１０は、その基端が装
置本体（図示しない）に固定されており、所定の電圧を
印加することによって、その先端を三次元方向に変位さ
せることができるように構成されている。なお、試料台
（図示しない）にセットされた試料２に対向するよう
に、カンチレバー６は、支持部（図示しない）を介して
アクチュエータ１０の先端に取り付けられている。具体
的には、カンチレバー６は、探針４が試料表面２ａに対
して所定の傾斜角度（例えば、１０°程度）で位置付け
られるように、アクチュエータ１０の先端に取り付けら
れている。

【００１１】本実施の形態に適用した変位検出手段は、
アクチュエータ１０の先端に取り付けられており、その
一例として、カンチレバー６の変位状態を光学的に検出
することが可能な変位センサ１２を備えて構成されてい
る。この場合、変位センサ１２として、例えば光てこ方
式の変位センサを適用することが好ましい。この光てこ
方式の変位センサは、カンチレバー６の背面（探針４が
形成された面とは反対側の面）に光（例えば、レーザー
光）を照射した際、背面から反射した反射光の光量変化
を検出することによって、カンチレバー６の変位状態
（例えば、撓み量や捻れ量）を検出することができるよ
うに制御されている。

【００１２】本実施の形態に適用した制御系は、変位セ
ンサ１２から出力される変位信号に基づいて、アクチュ
エータ１０に制御信号を出力することによって、カンチ
レバー６の変位状態を一定に維持しつつ探針４を試料表
面２ａに沿って、Ｘ，Ｙ及びＺ方向に走査させることが
可能なＸ制御ユニット１４、Ｙ制御ユニット１６、Ｚ制
御ユニット１８を備えて構成されている。

【００１３】Ｘ制御ユニット１４には、探針４をＺ方向
段差部２ｂ（図２（ａ）参照）に沿ってＺ方向に走査す
る際に、探針４先端とＺ方向段差部２ｂとの間の距離を
常時一定に維持（即ち、カンチレバー６の変位状態を常
時一定に維持）させるためのＸサーボ信号（いわゆるフ
ィードバック制御信号）Ｔｘを出力するＸサーボ回路２
０と、探針４を試料表面２ａに沿ってＸ方向に走査させ
るためのＸ走査信号Ｓｘを出力するＸ走査信号発生回路
２２と、Ｘサーボ信号Ｔｘ及びＸ走査信号Ｓｘに加算処
理を施すことによってＸ制御信号Ｃｘを継続的に出力す
るＸ加算回路２４とが設けられている。

【００１４】Ｙ制御ユニット１６には、探針４をＺ方向
段差部２ｂに沿ってＺ方向に走査する際に、探針４先端
とＺ方向段差部２ｂとの間の距離を常時一定に維持（即
ち、カンチレバー６の変位状態を常時一定に維持）させ
るためのＹサーボ信号（いわゆるフィードバック制御信
号）Ｔｙを出力するＹサーボ回路２６と、探針４を試料
表面２ａに沿ってＹ方向に走査させるためのＹ走査信号
Ｓｙを出力するＹ走査信号発生回路２８と、Ｙサーボ信
号Ｔｙ及びＹ走査信号Ｓｙに加算処理を施すことによっ
てＹ制御信号Ｃｙを継続的に出力するＹ加算回路３０と
が設けられている。

【００１５】Ｚ制御ユニット１８には、探針４を試料表
面２ａに沿ってＸ方向若しくはＹ方向に走査する際に、
探針４先端と試料表面２ａとの間の距離を常時一定に維
持（即ち、カンチレバー６の変位状態を常時一定に維
持）させるためのＺサーボ信号（いわゆるフィードバッ
ク制御信号）Ｔｚを出力するＺサーボ回路３２と、探針
４をＺ方向段差部２ｂに沿ってＺ方向に走査させるため
のＺ走査信号Ｓｚを出力するＺ走査信号発生回路３４
と、Ｚサーボ信号Ｔｚ及びＺ走査信号Ｓｚに加算処理を
施すことによってＺ制御信号Ｃｚを継続的に出力するＺ
加算回路３６とが設けられている。

【００１６】なお、上記の「探針４先端と試料表面２ａ
との間の距離を一定に維持させる」とは、探針４先端が
試料表面２ａに接触している場合、即ち、探針４先端と
試料表面２ａとの間に摩擦力や接触力が働いている場合
も含めた意味である。

【００１７】また、各方向のサーボ回路、即ち、Ｘサー
ボ回路２０、Ｙサーボ回路２６及びＺサーボ回路３２
は、夫々、カンチレバー６の変位に基づいて、アクチュ
エータ１０を制御するためのサーボ信号Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔ
ｚを出力する。言い換えれば、各方向のサーボ回路は、
アクチュエータ１０を動作させ、カンチレバー６の変位
を常時一定に保つフィードバック制御を行う構成の一部
と言える。

【００１８】本実施の形態に適用した表面形状検出手段
８は、Ｘ制御ユニット１４から出力されるＸ制御信号Ｃ
ｘに微分処理を施すことによって、そのＸ微分値ｄｘを
継続的に出力するＸ微分回路３８と、Ｙ制御ユニット１
６から出力されるＹ制御信号Ｃｙに微分処理を施すこと
によって、そのＹ微分値ｄｙを継続的に出力するＹ微分
回路４０と、Ｚ制御ユニット１８から出力されるＺ制御
信号Ｃｚに微分処理を施すことによって、そのＺ微分値
ｄｚを継続的に出力するＺ微分回路４２と、各微分値ｄ
ｘ，ｄｙ，ｄｚに基づいて、アクチュエータ１０の制御
方向即ち探針４の移動方向を検出する制御方向検出回路
４４と、この制御方向検出回路４４の出力と閾値設定回
路４６の閾値とを比較する制御方向比較回路４８とを備
えて構成されている。

【００１９】制御方向検出回路４４は、Ｘ微分値ｄｘと
Ｙ微分値ｄｙの合成ベクトル、Ｘ微分値ｄｘとＺ微分値
ｄｚの合成ベクトル、Ｙ微分値ｄｙとＺ微分値ｄｚの合
成ベクトルに基づいて、探針４の移動方向を検出するこ
とができるように構成されている。例えば、ＸＹ平面内
に位置付けられた試料表面２ａに沿ってＸ方向に探針４
を走査している場合、Ｘ微分値ｄｘとＺ微分値ｄｚの合
成ベクトルのＸＹ平面に対する角度変化に基づいて、試
料表面２ａのＺ方向の形状変化に対応した探針４の移動
方向を検出することができる。

【００２０】閾値設定回路４６は、例えばＸＹ平面に対
する上記合成ベクトルの角度変化の基準となる閾値（基
準角度）を設定することができるように構成されてお
り、この閾値は、任意の値に設定することができる。

【００２１】制御方向比較回路４８は、上記閾値に対す
る上記合成ベクトルの成す角を比較することによって、
試料表面２ａの形状変化を判定して、その判定信号Ｄを
各制御ユニット１４，１６，１８に出力することができ
るように構成されている。

【００２２】このような構成において、ＸＹ平面（水平
面）に沿って位置付けられた試料表面２ａに沿って、カ
ンチレバー６の変位を一定に保つようにアクチュエータ
１０を変位させ、探針４をＺ方向（垂直方向）にフィー
ドバック制御しつつＸ方向に走査する場合、ホストコン
ピュータ（図示しない）によって、Ｙ制御ユニット１６
は、停止制御される。そして、試料表面２ａが水平状態
になっていることを示す判定信号Ｄが、制御方向比較回
路４８から出力されているとき、Ｘ走査信号発生回路２
２は、走査状態に制御され、Ｚサーボ回路３２は、カン
チレバー６の変位を一定に保つようにアクチュエータ１
０をＺ方向に変位させるフィードバック制御を行う。こ
のとき、Ｘサーボ回路２０は、ホールド状態に、そし
て、Ｚ走査信号発生回路３４は、走査停止状態に制御さ
れる。

【００２３】また、引き続きＸ方向に走査し、試料表面
２ａがＹＺ平面（垂直状態）に変位している場合（図２
（ａ）におけるＺ方向段差部２ｂ）を考える。このと
き、試料表面２ａがＹＺ平面（垂直状態）になっている
ことを示す判定信号Ｄが、制御方向比較回路４８から出
力される。そして、Ｚ走査信号発生回路３４は、ＹＺ平
面を基準にＺ方向に走査状態に制御され、Ｘサーボ回路
２２は、ＹＺ平面を基準にＸ方向へのフィードバック制
御を行う。即ち、Ｚ方向段差部２ｂと探針４との距離を
一定に保つように（カンチレバー６の変位を一定に保つ
ように）、アクチュエータ１０をＸ方向に制御するので
ある。このとき、Ｚサーボ回路３２は、ホールド状態に
制御され、そして、Ｘ走査信号発生回路２２は、走査停
止状態に制御される。

【００２４】なお、ホールド状態とは、Ｘサーボ回路２
０及びＺサーボ回路３２の出力（電圧）をサーボ切換時
の値に維持することを言う。ホールド状態にすること
で、アクチュエータ１０が安定して制御されることが理
解できる。逆に、アクチュエータ１０に与える電圧をホ
ールドせずに遮断した場合、アクチュエータ１０は、電
圧が掛かっていない状態へ戻ろうとするため、電圧を遮
断する前と後の状態が変化してしまうのである。別の見
方をすれば、アクチュエータ１０に与える電圧とは、走
査方向を切り換えたときのアクチュエータ１０の状態を
保つためのオフセット電圧であると考えられる。

【００２５】本実施の形態の表面形状測定装置は、ＸＹ
Ｚ方向に変化する試料表面２ａの形状に対応して、上述
したような走査制御及びフィードバック制御を適宜に切
り換えることができるように構成されている。

【００２６】従って、以下に説明する本実施の形態の動
作では、その一例として、ＸＹ平面（水平面）に沿って
位置付けられた試料表面２ａに沿って、探針４をＺ方向
（垂直方向）にフィードバック制御しつつＸ方向（水平
方向）に走査する場合について、添付図面を参照して説
明する。

【００２７】図２（ａ），（ｂ）には、Ｚ方向に段差部
２ｂが形成された試料表面２ａに沿って、探針４をＺ方
向にフィードバック制御しながらＸ方向にＡ点からＤ点
まで走査している状態が示されている。

【００２８】この場合、閾値設定回路４６の閾値（基準
角度θ）は、θ＝４５°に設定されており、ホストコン
ピュータ（図示しない）によって、Ｙ制御ユニット１６
は、停止制御される。そして、Ｘ走査信号発生回路２２
は、ＸＹ平面に対して走査状態に制御され、そして、Ｚ
サーボ回路３２は、カンチレバー６の変位を一定に保つ
ようにアクチュエータ１０をＺ方向に変位させるフィー
ドバック制御を行う。このとき、Ｘサーボ回路２０は、
ホールド状態に制御され、そして、Ｚ走査信号発生回路
３４は、走査停止状態に制御される。

【００２９】このような状態において、走査開始前に、
カンチレバー６が所望の撓み量（初期設定値）となるよ
うに、Ｚサーボ回路３２からのＺサーボ信号Ｔｚに基づ
いてアクチュエータ１０を制御することによって、探針
４を試料表面２ａに近接又は接触させる。

【００３０】この後、カンチレバー６の撓み量が初期設
定値を維持するように、Ｚ方向にフィードバック制御し
ながら探針４を試料表面２ａに沿ってＸ方向（水平方
向）に走査する。なお、この走査としては、その一例と
して、走査型プローブ顕微鏡の測定方法のうち、スタテ
ィックモード測定を適用する。

【００３１】この水平走査中において、探針４が、Ｂ点
（段差部２ｂの下端部）に到達したとき、Ｚ方向のフィ
ードバック制御が大きく働く。このため、Ｚ微分回路４
２のＺ微分値ｄｚが大きくなる。

【００３２】このとき、制御方向検出回路４４におい
て、ｔａｎθ１＝ｄｚ／ｄｘなる演算処理が行われるこ
とによって、Ｘ微分値ｄｘとＺ微分値ｄｚの合成ベクト
ルの角度θ１が検出される。

【００３３】続いて、制御方向比較回路４８において、
角度θ１と基準角度θ＝４５°が比較される。そして、
θ１＞θ＝４５°（図２（ｃ）参照）となっている場
合、試料表面２ａがＺ方向（垂直方向）に大きく形状変
化していることが判定される。この場合、走査制御及び
フィードバック制御を切り換えるための判定信号Ｄが、
制御方向比較回路４８からＸ及びＺ制御ユニット１４，
１８に出力される。

【００３４】このとき、Ｚ走査信号発生回路３４は、Ｚ
方向走査状態に制御され、そして、Ｘサーボ回路２２
は、カンチレバー６の変位を一定に保つようにアクチュ
エータ１０をＸ方向に変位させるフィードバック制御を
行う。これに対して、Ｚサーボ回路３２は、ホールド状
態に制御され、そして、Ｘ走査信号発生回路２２は、走
査停止状態に制御される。

【００３５】この結果、カンチレバー６の撓み量を初期
設定値に維持させるように、Ｘ方向のフィードバック制
御が行われると同時に、段差部２ｂの試料表面２ａに沿
ってＺ方向（垂直方向）に探針４が走査される。

【００３６】この垂直走査中において、探針４が、Ｃ点
（段差部２ｂの上端部）に到達したとき、Ｘ方向のフィ
ードバック制御が大きく働く。このため、Ｘ微分回路３
８のＸ微分値ｄｘが大きくなる。

【００３７】このとき、制御方向検出回路４４におい
て、ｔａｎθ２＝ｄｚ／ｄｘなる演算処理が行われるこ
とによって、Ｘ微分値ｄｘとＺ微分値ｄｚの合成ベクト
ルの角度θ２が検出される。

【００３８】続いて、制御方向比較回路４８において、
角度θ２と基準角度θ＝４５°が比較される。そして、
θ２＜θ＝４５°（図２（ｄ）参照）となっている場
合、試料表面２ａがＸ方向（水平方向）に大きく形状変
化していることが判定される。この場合、走査制御及び
フィードバック制御を切り換えるための判定信号Ｄが、
制御方向比較回路４８からＸ及びＺ制御ユニット１４，
１８に出力される。

【００３９】このとき、Ｘ走査信号発生回路２２は、Ｘ
方向走査状態に制御され、そして、Ｚサーボ回路３２
は、カンチレバー６の変位を一定に保つようにアクチュ
エータ１０をＺ方向に変位させるフィードバック制御を
行う。これに対して、Ｘサーボ回路２０は、ホールド状
態に制御され、そして、Ｚ走査信号発生回路３４は、走
査停止状態に制御される。

【００４０】この結果、カンチレバー６の撓み量を初期
設定値に維持させるように、Ｚ方向のフィードバック制
御が行われると同時に、試料表面２ａに沿ってＸ方向
（水平方向）に探針４が走査される。

【００４１】上述したような走査制御及びフィードバッ
ク制御によれば、Ｘ及びＺ制御ユニット１４，１８から
表示部５０に出力されたＸ及びＺ制御信号Ｃｘ，Ｃｚに
基づいて、試料表面２ａの表面情報が高精度に画像化さ
れることになる。従って、所定のタイミングでＹ制御ユ
ニット１６からアクチュエータ１０にＹ制御信号Ｃｙを
出力しながら上述した表面形状測定を行うことによっ
て、試料表面２ａ全体に亘る表面形状を三次元的に画像
化することが可能となる。

【００４２】また、例えば図３（ａ）に示すように、Ｚ
方向（垂直方向）に段差部２ｂが形成された試料表面２
ａに沿って、探針４をＺ方向にフィードバック制御しな
がらＹ方向（水平方向）に走査する場合には、ホストコ
ンピュータ（図示しない）によって、Ｘ制御ユニット１
４は、停止制御される。そして、Ｙ走査信号発生回路２
８は、Ｙ方向走査状態に制御され、Ｚサーボ回路３２
は、カンチレバー６の変位を一定に保つようにアクチュ
エータ１０をＺ方向に変位させるフィードバック制御を
行う。このとき、Ｙサーボ回路２６は、ホールド状態に
制御され、Ｚ走査信号発生回路３４は、走査停止状態に
制御される。

【００４３】この後、カンチレバー６の撓み量が初期設
定値を維持するように、Ｚ方向にフィードバック制御し
ながら探針４を試料表面２ａに沿ってＹ方向（水平方
向）に走査する。

【００４４】そして、段差部２ｂを走査する場合には、
上記同様に、走査制御及びフィードバック制御を切り換
える。即ち、Ｚ走査信号発生回路３４は、Ｚ方向走査状
態に制御され、そして、Ｙサーボ回路２６は、カンチレ
バー６の変位を一定に保つようにアクチュエータ１０を
Ｙ方向に変位させるフィードバック制御を行う。これに
対して、Ｚサーボ回路３２は、ホールド状態に制御さ
れ、そして、Ｙ走査信号発生回路２８は、走査停止状態
に制御される。

【００４５】この結果、カンチレバー６の撓み量を初期
設定値に維持させるように、Ｙ方向のフィードバック制
御が行われると同時に、段差部２ｂの試料表面２ａに沿
ってＺ方向（垂直方向）に探針４が走査される。

【００４６】段差部２ｂの走査終了後、再びＹ方向（水
平方向）に探針４を走査する場合には、上記同様に、走
査制御及びフィードバック制御を切り換える。即ち、Ｙ
走査信号発生回路２８は、Ｙ方向走査状態に制御され、
Ｚサーボ回路３２は、フィードバック制御を行う。これ
に対して、Ｙサーボ回路２６は、ホールド状態に制御さ
れ、そして、Ｚ走査信号発生回路３４は、走査停止状態
に制御される。

【００４７】この結果、カンチレバー６の撓み量を初期
設定値に維持させるように、Ｚ方向のフィードバック制
御が行われると同時に、試料表面２ａに沿ってＹ方向
（水平方向）に探針４が走査される。

【００４８】上述したような走査制御及びフィードバッ
ク制御によれば、Ｙ及びＺ制御ユニット１６，１８から
表示部５０に出力されたＹ及びＺ制御信号Ｃｙ，Ｃｚに
基づいて、試料表面２ａの表面情報が高精度に画像化さ
れることになる。従って、所定のタイミングでＸ制御ユ
ニット１４からアクチュエータ１０にＸ制御信号Ｃｘを
出力しながら上述した表面形状測定を行うことによっ
て、試料表面２ａ全体に亘る表面形状を三次元的に画像
化することが可能となる。

【００４９】このように本実施の形態によれば、簡単な
構成によって高精度に表面形状を測定することが可能な
低価格な表面形状測定装置を提供することができる。な
お、本発明は、上述した実施の形態の構成に限定される
ことは無く、新規事項を追加しない範囲で種々変更する
ことができる。

【００５０】上記実施の形態では、その一例として、閾
値（基準角度θ）を４５°に設定しているが、例えば４
５°以上の凹凸及び４５°以下の凹凸が任意に連続して
いる試料表面２ａを測定する場合、上述した走査制御及
びフィードバック制御の切換動作が頻繁に生じてしまう
ため、測定精度を一定に維持することが困難になってし
まう場合がある。この場合には、閾値を適当な許容範囲
に設定することが好ましい。例えば、試料表面２ａの垂
直情報を検出する際の閾値θを６０°とし、水平情報を
検出する際の閾値θを３０°とする。このように閾値を
設定することによって、例えば４５°以上の凹凸及び４
５°以下の凹凸が任意に連続している試料表面２ａを高
精度に測定することが可能となる。

【００５１】また、表面形状検出手段８、Ｘ制御ユニッ
ト１４、Ｙ制御ユニット１６、Ｚ制御ユニット１８を１
つ又は複数のプロセッサと複数のＡ／Ｄ変換器及びＤ／
Ａ変換器から構成しても良い。この場合、上記走査制御
及びフィードバック制御は、デジタル処理によって行わ
れる。

【００５２】また、上記実施の形態において、探針４
は、試料表面２ａに対して所定の傾斜角度で位置付けら
ているが、試料表面２ａに略直交する方向に探針４を位
置付けても上記同様の作用効果を実現することができ
る。

【００５３】また、上記実施の形態には、スタティック
モード測定法を適用したが、カンチレバー６を所定の周
波数（例えば、カンチレバー６の共振周波数）で振動さ
せながら走査するダイナミックモード測定法を適用して
も上記同様の作用効果を実現することができる。この場
合、電圧を印加することによって所定の周波数で振動す
る振動機構（例えば、圧電素子）をカンチレバー６の支
持部（図示しない）に取り付ければ良い。そして、上記
同様、試料表面２ａの形状変化に対応して振動中心が試
料表面２ａから常に一定の距離に維持されるように、フ
ィードバック制御することによって、段差部２ｂを有す
る試料表面２ａに沿って探針４を正確に走査させること
ができる。

【００５４】また、図３（ｂ）に示すように、先端が円
錐状に拡大した探針４（例えば、米国特許出願第０７／
５６８４５１号参照）を用いることによって、試料表面
２ａに形成されている凹部２ｃの両側壁の表面形状を高
精度に測定することが可能である。ただし、凹部２ｃが
エッチング処理によって形成されている場合には、両側
壁の形状は、左右対称である。従って、上記実施の形態
のような先端が円錐状に先鋭化した探針４を用いた場合
でも、片側の側壁の形状を測定するだけで、凹部２ｃ全
体の表面形状を高精度に測定することができる。

【００５５】また、上記実施の形態では、表示部５０に
出力されたＸ，Ｙ及びＺ制御信号Ｃｘ，Ｃｙ，Ｃｚに基
づいて、試料表面２ａの表面情報を画像化しているが、
アクチュエータ１０の先端のＸＹＺ方向の変位を検出可
能なＸ，Ｙ及びＺセンサ（例えば、特開平７−１１０２
３３号公報参照）の出力に基づいて、試料表面２ａの表
面情報を画像化しても良い。

【００５６】また、本発明を簡単に説明すると、試料２
と探針４とを相対的に走査し、この走査方向と垂直な方
向にフィードバック制御を行い、試料２上の微小な範囲
の走査量に対する走査方向と垂直な方向の変位が所定量
を越えた場合（設定した閾値を越えた場合）、逆に、走
査方向にフィードバック制御が行われ、フィードバック
制御が行われていた走査方向と垂直な方向に試料２と探
針４との相対的な走査が行われる。また、前記閾値は、
走査方向ベクトルと走査方向に垂直な方向の変位ベクト
ルとから求まる合成ベクトルの走査方向に対する角度で
ある。

【００５７】

【発明の効果】本発明によれば、簡単な構成によって高
精度に表面形状を測定することが可能な低価格な表面形
状測定装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態に係る表面形状測定装置
の構成を概略的に示す図。

【図２】（ａ）は、段差部が形成された試料表面に沿っ
て探針をフィードバック制御しながら走査している状態
を示す斜視図、（ｂ）は、同図（ａ）の側面図、（ｃ）
は、制御方向比較回路の比較処理プロセスを模式的に示
す図、（ｄ）は、制御方向比較回路の比較処理プロセス
を模式的に示す図。

【図３】（ａ）は、段差部が形成された試料表面に沿っ
て探針をフィードバック制御しながら走査している状態
を示す斜視図、（ｂ）は、本発明の変形例に係る表面形
状測定装置の探針の部分の構成を示す斜視図。

【符号の説明】

２ 試料 ２ａ 試料表面 ４ 探針 ６ カンチレバー ８ 表面形状検出手段 １０ アクチュエータ １２ 変位センサ １４ Ｘ制御ユニット １６ Ｙ制御ユニット １８ Ｚ制御ユニット

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 任意の表面形状を有する試料の試料表面
   に沿って走査可能な探針を有するカンチレバーと、 前記探針と前記試料とを相対的に移動させる移動手段
   と、 前記探針と前記試料との間に働く相互作用によって生じ
   る前記カンチレバーの変位を検出する変位検出手段と、 この変位検出手段から出力される変位信号に基づいて、
   前記移動手段に制御信号を出力することによって、前記
   カンチレバーの変位状態を一定に維持しつつ前記探針を
   前記試料表面に沿って相対的に走査させることが可能な
   制御系と、 この制御系から出力される制御信号に所定の演算を施す
   ことによって、前記試料の表面形状を検出可能な表面形
   状検出手段とを備えており、 前記表面形状検出手段から出力される表面形状検出信号
   に基づいて、前記制御系から前記移動手段に制御信号を
   出力することによって、前記試料表面の変化状態に対応
   しつつ且つ前記カンチレバーの変位状態を一定に維持し
   つつ前記探針を前記試料表面に沿って相対的に走査させ
   ることが可能な表面形状測定装置。
2. 【請求項２】 前記制御系は、前記カンチレバーの変位
   状態を一定に維持しつつ前記探針を前記試料表面に沿っ
   て三次元方向に相対的に走査させることが可能な第１乃
   至第３の制御ユニットを備えて構成されていることを特
   徴とする請求項１に記載の表面形状測定装置。
3. 【請求項３】 前記表面形状検出手段は、前記第１乃至
   第３の制御ユニットから出力される夫々の制御信号に微
   分処理を施す微分回路と、この微分回路から出力される
   微分値に基づいて、前記移動手段の制御方向を検出する
   制御方向検出回路と、この制御方向検出回路の出力と所
   定の閾値とを比較する制御方向比較回路とを備えている
   ことを特徴とする請求項２に記載の表面形状測定装置。