JPH11101806A - 走査型プローブ顕微鏡およびそれによる品質管理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 微小な凹凸が存在する試料表面の所定部分の
表面積を比較的精度高く、かつ短時間に測定し得る原子
間力顕微鏡、およびそれによる品質管理方法を提供する
こと。 【解決手段】 原子間力顕微鏡は試料表面に正方形状の
測定領域Ｕ₁ を設定して任意の一辺をＸ軸とし、試料表
面に微小な凹凸がランダムに存在する場合には、測定領
域Ｕ₁ をＸ軸の方向に一回走査して、走査線の道程の全
長Ｐを求め、その２乗値Ｐ² を測定領域Ｕ₁ の表面積と
し、試料表面に微小な凹凸が配向して存在し異方性があ
る場合には、Ｘ軸の方向とＹ軸の方向とに測定領域Ｕ₃
の一辺に相当する長さだけ各一回走査して、各走査線の
道程の全長Ｒ、Ｓを求め、その積ＲＳを測定領域Ｕ₃ の
表面積として算出する。このような原子間力顕微鏡によ
って製品の所定部分の表面積を管理項目とする品質管理
を行うことにより、所定部分の表面積が精度高くかつ短
時間で得られ、製品の生産性が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は走査型プローブ顕微
鏡、すなわち、試料表面の観測に探針（マイクロプロー
ブ）を使用する走査型トンネル顕微鏡、原子力間顕微
鏡、磁気力顕微鏡、静電気力顕微鏡等に関するものであ
り、更に詳しくは、表面に微小な凹凸を有する試料の所
定部分の表面積を簡易に求める得る走査型プローブ顕微
鏡、およびそれによる品質管理方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】試料の拡大像を得る装置として、走査型
電子顕微鏡、透過型顕微鏡等の電子顕微鏡は良く知られ
ており高い分解能を示すが、使用される高エネルギーの
電子ビームは高真空中でないと通過できないため、試料
の載置場所は高真空中に限られるのに対して、探針と試
料表面との間に働く多様な力（例えば原子間力、磁気
力、静電気力等）、ないしはトンネル電流を利用して試
料表面を観察し測定する走査型プローブ顕微鏡は電子顕
微鏡以上に高い分解能を示しながら、常温、常圧の大気
中においても試料の観測が可能であることから、原子間
力顕微鏡は研究開発部門での使用のみならず、例えば半
導体素子やフラットパネル・ディスプレイ等の電子部品
の製造ラインにおける品質管理に使用されるようになっ
ている。

【０００３】図１０は走査型トンネル顕微鏡５１の動作
原理を示す図である。バイアス用電源５９によってトン
ネル電圧をかけて金属製のトンネル電流針５２を導電性
試料５３の表面に１ｎｍ程度まで近づけると、トンネル
電流針５２と導電性試料５３との間にギャップＧを介し
てトンネル電流が流れるが、このトンネル電流が一定と
なるように、トンネル電流針５２のＺ圧電体５４にフィ
ードバックをかけつつ、Ｘ圧電体５５とＹ圧電体５６と
に走査電圧をかけ、トンネル電流針５２を試料５３の表
面に沿って走査することにより、トンネル電流針５２を
探針とする試料５３の表面の凹凸情報がフィードバック
電圧として得られるようにしたものが走査型トンネル顕
微鏡５１である。なお、図１０おいて、ギャップＧは拡
大して示している。そして、その凹凸情報は例えばＣＲ
Ｔディスプレイ装置５７に画像として出力される。この
ように走査型トンネル顕微鏡５１による観測が可能な試
料５３はトンネル電流が流れることを前提としており導
電性のものに限られる。

【０００４】これに対し、絶縁性試料にも適用可能とし
たものが原子間力顕微鏡である。その一つに小型、軽量
のカンチレバー（片持ち梁）の端部下面に取り付けた尖
鋭な突起の先端と水平方向に移動する試料表面との間
（間隔Ｈ）に働く原子間力によってカンチレバーは上下
方向に撓み、ｚ方向の変位を生ずるが、そのカンチレバ
ーの撓み量を一定に保つように試料を上下にさせること
によって試料表面の凹凸情報を得るようにした原子間力
顕微鏡がある。図１１はカンチレバーの撓み量をトンネ
ル電流を利用して検出するようにした原子間力顕微鏡６
１の動作原理を示す図である。カンチレバー６８の端部
の尖鋭な突起６９は試料６３の表面の凹凸によってｚ方
向に変位しカンチレバー６８は撓むが、バイアス用電源
５９’によってトンネル電圧をかけてトンネル電流針５
２’をカンチレバー６８の導電性の背面に１ｎｍ程度に
接近させた時に、トンネル電流針５２’とカンチレバー
６８との間のギャップＧ’にトンネル電流が流れる。こ
のトンネル電流が一定となるように、Ｚ圧電体６６にフ
ィードバックをかけ、Ｘ圧電体６４とＹ圧電体６５とに
よって試料６３をＸ方向とＹ方向とに走査することによ
り、カンチレバー６８の尖鋭な突起６９を探針とした試
料６３の表面の凹凸情報がフィードバック電圧として得
られる。そして、試料６３の表面の凹凸情報は例えばＣ
ＲＴディスプレイ装置６７に画像として出力される。な
お、図１１において、ギャップＧ’、間隔Ｈは拡大して
示している。

【０００５】カンチレバーの撓み量を検出する方法とし
ては、上記のトンネル電流を利用する方法以外に、光て
こを利用する方法、光の干渉を利用する方法、圧電体膜
を形成させたカンチレバーを使用する方法がある。例え
ば、図１２は光てこ方式によってカンチレバーの撓み量
を検出する方法を示す図である。試料７３の表面の凹凸
に追随して上下する尖鋭な突起７９を備えたカンチレバ
ー７８の背面にレーザー光ｐを照射すると、レーザー光
ｐは反射して二分割フォトダイオード７１に入射する
が、カンチレバー７８の撓み量によって反射角度が変化
することにより、二分割フォトダイオード７１のフォト
ダイオード７１₁ 、７１₂ における強度比が変化する。
その強度比が一定となるように試料７３を上下に変位さ
せるフィードバック信号によってカンチレバー７８の尖
鋭な突起７９を探針とする試料７３の表面の凹凸情報が
得られる。

【０００６】また、図１３はカンチレバーの撓みを光干
渉方式によって検出する方法を示す図である。レーザー
光ｑをビームスプリッタによって分離して一方のレーザ
ー光ｑ₁ は直接に検出器８１で受光させ、他方のレーザ
ー光ｑ₂ は変調器８２によって周波数変調し、尖鋭な突
起８９を備えたカンチレバー８８の背面に照射して反射
させた後にレーザー光ｑ₁ の途中へ戻すと干渉を生じ、
試料８３の表面の凹凸によってカンチレバー８８が撓む
と干渉強度が変化する。この干渉強度が一定になるよう
に試料８３を上下に変位させるフィードバック信号によ
って尖鋭な突起８９を探針とする試料８３の表面の凹凸
情報が得られる。

【０００７】更には、図１４はカンチレバーに形成させ
た圧電体膜によってカンチレバーの撓み量を検出する方
法を示す図である。カンチレバー９８の背面に上下の電
極９７と共にチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）膜９６を
形成させ、カンチレバー９８とＰＺＴ膜９６との共振周
波数で振動させて、カンチレバー９８の尖鋭な突起９９
を凹凸のある試料９３の表面に接近させると振幅が変動
する。この振幅が一定になるように試料９３を上下方向
に変位させるフィードバック信号によって尖鋭な突起９
９を探針とする試料９３の表面の凹凸情報が得られる。
この方法は試料９３を変位させる代わりにＰＺＴ薄膜９
６を有するカンチレバー９８を変位させることも容易で
あり、同様に試料９３の表面情報を得ることができる。

【０００８】そのほか、カンチレバーを使用しない原子
間顕微鏡もある。図１５に示すような、一方の端面部に
尖針１０９を結合させたニードル状の極小の水晶振動子
１０８を使用する方法である。両面に電極１０７を備え
た水晶振動子１０８を所定の発振周波数で振動させて尖
針１０９を試料１０３の表面に接近させると、尖針１０
９が試料１０３の表面から受ける原子間力によって水晶
振動子１０８の発振周波数が低下する。その低下の度合
いが一定になるように試料１０３を上下方向に変位させ
るフィードバック信号をかけつつｘ方向とｙ方向とに走
査することにより、尖針１０９を探針とする試料１０３
の表面の凹凸情報が得られる。この方法においても、試
料１０３を上下に変位させる代わりに尖針１０９付き水
晶振動子１０８を上下に変位させて同様に試料１０３の
表面情報が得られる。

【０００９】このような走査型トンネル顕微鏡、原子間
力顕微鏡を含む走査型プローブ顕微鏡を用いて、微小な
凹凸のある試料表面の所定部分の表面積を測定する方法
は幾つか知られているが、何れも測定領域を全面走査す
る方法である。図１６はその一方法を示す走査線の斜視
図であり、凹凸のある試料表面上の走査線ａと走査線ｂ
は多数本（例えば５００本）の平行な走査線の中の２本
を示すが、この走査線ａと走査線ｂとの間の表面積Ｔ
を、走査線ａの上下する道程の全長Ｌと、走査線ａと走
査線ｂとの水平面への投影線の間隔Ｋとの積ＬＫとして
求める方法であり、同様のことが他の走査線についても
行なわれて集計される。また、図１７は同じ表面積Ｔを
算出するための他の方法を示す図であり、走査線ａと走
査線ｂとの間を多数の三角形で埋めて、すなわち、頂点
を走査線ａ上に置き底辺を走査線ｂ側に置く三角形
ｔ₁₁、ｔ₁₂、ｔ₁₃、……、ｔ_n と、頂点を走査線ｂ上に
置き底辺を走査線ａ側に置く三角形ｔ₂₁、ｔ₂₂、ｔ₂₃、
……、ｔ_n ^'とを互いに逆向きに隣合うように組み合わせ
て、それらの三角形の面積の総和として走査線ａと走査
線ｂとの間の表面積Ｔを求める方法である。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】例えば、半導体素子の
ＤＲＡＭ（ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ
ー）のキャパシタ部の静電容量を所定の範囲内の値とす
るために、シリコン基板に電極として粗面の多結晶シリ
コン膜を形成させ、その粗面（電極面）の表面積を所定
の範囲内に管理することが行なわれている。すなわち、
ＤＲＡＭの製造ラインにおいては、形成させた多結晶シ
リコン膜の粗面の表面積を上記したような方法によって
求める品質管理が行なわれており、何れの場合も、例え
ば縦３μｍ×横３μｍの測定領域あたりの走査線の数を
１００〜１０００本として測定されている。しかし、こ
のような測定方法では測定精度は極めて高く得られるも
のの、１試料当たりに要する測定時間が長く、結果的に
半導体素子の生産性を低下させている。表面積の測定に
際しての上記のような問題は半導体素子のみならず、フ
ラットパネル・ディスプレイ、その他の電子部品の製造
ラインにおいても見られ、生産性の低下はそのまま製造
コストの上昇に繋がるという大きい問題をかかえてい
る。

【００１１】本発明は上述の問題に鑑みてなされ、微小
な凹凸が存在する試料表面の所定部分の表面積を比較的
精度良く短時間で測定することができ、高度の品質管理
を可能とする走査型プローブ顕微鏡、およびそれによる
品質管理方法を提供することを課題とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記の課題は請求項１お
よび請求項３の構成によって解決されるが、その解決手
段を実施の形態によって例示すれば、図１は微小な凹凸
がランダムに存在する試料１１の所定部分の表面積を測
定するための正方形状の測定領域Ｕ₁ の部分拡大平面図
であり、図２は図１における［２］−［２］線方向の断
面図である。図２において試料１１の表面を示す線は実
施の形態の原子間力顕微鏡によって試料１１の測定領域
Ｕ₁ をＸ軸の方向へ一回走査した時の走査線１２の道程
に対応するが、実施の形態の原子間力顕微鏡は、この１
本の走査線１２の道程の全長Ｐを求め、測定領域Ｕ₁ の
表面積Ｖ₁ を全長Ｐの２乗値であるＰ² 、すなわち、Ｖ
₁＝Ｐ² として算出するようになっている。

【００１３】また、図６は微小な凹凸が配向して存在す
る試料３１の所定部分の表面積を測定するための正方形
状の測定領域Ｕ₃ の部分拡大平面図であり、図７は図６
における［７］−［７］線方向の断面図、図８は図６に
おける［８］−［８］線方向の断面図である。図７にお
いて試料３１の表面を示す線は実施の形態による原子間
力顕微鏡によって試料３１の測定領域Ｕ₃ をＸ軸の方向
へ一回走査した時の走査線３２の道程に対応し、図８に
おいて試料３１の表面を示す線は同じく測定領域Ｕ₃ を
Ｙ軸の方向へ一回走査した時の走査線３３の道程に対応
する。そして実施の形態による原子間力顕微鏡は、走査
線３２の道程の全長Ｒと走査線３３の道程の全長Ｓとを
求め、測定領域Ｕ₃ の表面積Ｖ₃ を走査線３２の道程の
全長Ｒと走査線３３の道程の全長Ｓとの積であるＲＳ、
すなわち、Ｖ₃ ＝ＲＳとして算出するようになってい
る。このＹ軸の方向への走査は測定領域Ｕ₃ 内に限ら
ず、試料３１の表面をＹ軸の方向へ測定領域Ｕ₃ の一辺
に相当する長さだけ一回走査することに置き換え得る。

【００１４】このように本発明の実施の形態による原子
間力顕微鏡は測定領域を一方向、または直交する二方向
に走査することによって測定領域の表面積を測定するが
その測定精度は比較的良く、測定に要する時間は短いの
で、所定部分の表面積を品質管理項目とする電子部品の
製造ラインの生産性を大幅に向上させる。

【００１５】

【発明の実施の形態】半導体素子のＤＲＡＭの製造ライ
ンにおいて、形成させた粗面多結晶シリコン膜の所定部
分の表面積を所定の範囲内に管理する場合に、その表面
積の測定に長時間を要していることの改善を目的とし
て、本発明者らは、粗面多結晶シリコン膜の表面構造に
ついて検討し、その表面は椀を伏せたような半球状の突
起がランダムに分布しているものであることを知った。
また、上記の多結晶シリコン膜以外のミクロンまたはサ
ブミクロンのオーダの微小な凹凸を有する各種の表面構
造について検討した結果、大きく分類して、次の３種の
表面に類別されることが分かった。 微小な凹凸がほぼ一定の形状でランダムに存在して
いる表面 微小な凹凸が不定形状でランダムに存在している表
面 微小な凹凸がほぼ一定の形状で一方向へ配向してい
る表面

【００１６】微小な凹凸が存在している表面構造の試料
について、試料表面の所定部分の表面積の測定は、微小
な凹凸を多数に含む十分に広い正方形状の測定領域（例
えば縦３μｍ×横３μｍ）を設定して、その任意の一辺
をＸ軸とし、例えば図１１に示した原子間力顕微鏡６１
のカンチレバー６８の先端部の尖鋭な探針６９によって
測定領域をＸ軸の方向へ、またはＸ軸の方向とこれに直
交するＹ軸の方向との二方向へ走査することによって行
なわれる。

【００１７】図１はのほぼ一定の形状の微小な凹凸１
５がランダムに存在している試料１１についての表面積
の測定領域Ｕ₁ の部分拡大平面図であり、図２は図１に
おける［２］−［２］線方向の断面図である。図２にお
いて試料１１の表面を示す線は原子間力顕微鏡によって
試料１１の表面の測定領域Ｕ₁ をＸ軸の方向に一回走査
した時の走査線１２の道程に対応し、この走査線１２の
道程は原子間力顕微鏡６１のＣＲＴディスプレイ装置６
７にも出力される。このような表面構造の試料１１の場
合には、原子間力顕微鏡によって走査線１２の道程の全
長Ｐを求め、測定領域Ｕ₁ の表面積Ｖ₁ は、その全長Ｐ
の２乗値であるＰ² 、すなわち、Ｖ₁ ＝Ｐ² とすること
により、比較的精度良く短時間に求め得ることを見出し
たのである。

【００１８】従って、本発明の実施の形態による原子間
力顕微鏡は、の微小な凹凸がほぼ一定の形状でランダ
ムに存在している表面構造の試料１１については、走査
線１２の道程の全長Ｐを求めて、測定領域Ｕ₁ の表面積
Ｖ₁ を算出し得るようになっている。図３は図１、図２
に示した走査線１２の途中を省略した部分拡大斜視図で
あり、実施の形態の原子間力顕微鏡による走査線１２の
道程の全長Ｐの求め方を示す。すなわち、図３におい
て、走査線１２のデータ点（ｘ_n 、ｙ_n 、ｚ_n ）を順に
結んで得られる線分ｐ₁ 、ｐ₂ 、ｐ₃ 、…… 、ｐ_n の
長さの総和として走査線１２の道程の全長Ｐを算出す
る。そして、測定領域Ｕ₁ の表面積Ｖ₁ は走査線１２の
道程の全長Ｐの２乗値Ｐ² として、すなわち、Ｖ₁ ＝Ｐ
² として算出するようになっている。

【００１９】また、図４はの不定形状の微小な凹凸２
５がランダムに存在している表面構造の試料２１につい
ての表面積の測定領域Ｕ₂ の部分拡大平面図であり、図
５は図４における［５］−［５］線方向の断面図であ
る。図５において試料２１の表面を示す線は原子間力顕
微鏡によって試料２１の表面の測定領域Ｕ₂ をＸ軸の方
向へ走査した時の走査線２２の道程に対応する。このよ
うな表面構造の試料２１の場合にも、上述したの場合
と同様に、原子間力顕微鏡によって測定領域Ｕ₂をＸ軸
の方向へ一回走査した時の走査線２２の道程の全長Ｑを
求め、その２乗値Ｑ² を測定領域Ｕ₂ の表面積Ｖ₂ とす
る、すなわちＶ₂ ＝Ｑ² とすることにより、測定領域Ｕ
₂ の表面積Ｖ₂ を比較的精度良く短時間に求め得ること
が見出された。

【００２０】従って、本発明の実施の形態による原子間
力顕微鏡は、の微小な凹凸が不定形状でランダムに存
在している表面構造の試料２１についても、の場合の
図３において説明した方法と同様な方法によって、走査
線２２の道程の全長Ｑを求め、測定領域Ｕ₂ の表面積Ｖ
₂ を算出し得るようになっている。

【００２１】更には図６はのほぼ一定の形状の微小な
凹凸３５が一方向に配向している表面構造の試料３１に
ついての表面積の測定領域Ｕ₃ の部分拡大平面図であ
り、図７は図６における［７］−［７］線方向の断面
図、図８は図６における［８］−［８］線方向の断面図
である。図７において試料３１の表面を示す線は原子間
力顕微鏡によって試料３１の表面の測定領域Ｕ₃ をＸ軸
の方向へ一回走査した時の走査線３２の道程に対応し、
図８において試料３１の表面を示す線は原子間力顕微鏡
によって同じ測定領域Ｕ₃ をＸ軸と直交するＹ軸の方向
へ一回走査した時の走査線３３の道程に対応する。この
ような表面構造の試料３１の場合には、原子間力顕微鏡
によって、測定領域Ｕ₃ をＸ軸の方向へ走査した時の走
査線３２の道程の全長Ｒと、Ｙ軸の方向へ走査した時の
走査線３３の道程の全長Ｓとを求め、測定領域Ｕ₃ の表
面積Ｖ₃ は、走査線３２の道程の全長Ｒと走査線３３の
道程の全長Ｓとの積であるＲＳ、すなわちＶ₃ ＝ＲＳと
することにより、比較的精度良く短時間に求め得ること
が見出された。

【００２２】なお、この場合、試料３１の表面は測定領
域Ｕ₃ よりも遥かに広い面積において均等であるから、
上記のＹ軸方向への走査は測定領域内に限らず、試料３
１の表面をＹ軸方向へ測定領域の一辺に相当する長さだ
け一回走査することに置き換え得る。

【００２３】従って、本発明の実施の形態による原子間
力顕微鏡は、の微小な凹凸がほぼ一定の形状で一方向
へ配向している表面構造の試料３１については、の場
合の図３において説明した方法と同様な方法によって、
走査線３２の道程の全長Ｒと、走査線３３の道程の全長
Ｓとを求め、測定領域Ｕ₃ の表面積Ｖ₃ をＶ₃ ＝ＲＳと
して算出し得るようになっている。なお、上記のような
測定領域を直交する二方向、例えばＸ軸の方向とＹ軸の
方向とに走査して、得られる二本の走査線のそれぞれの
道程の全長の積を測定領域の表面積とする方法は、微小
な凹凸が一方向へ配向している場合や、微小な凹凸がラ
ンダムに存在する場合にも一般的に適用される。

【００２４】以下、上述した本発明の実施の形態による
原子間力顕微鏡を使用し、試料の表面積を測定して品質
管理した実施例を説明する。

【００２５】

【実施例】

（実施例１）半導体素子のＤＲＡＭの製造ラインにおい
て、ＤＲＡＭのキャパシタ部の静電容量を所定の範囲内
の値とするために、ウェハに粗面の多結晶シリコン膜が
形成されているが、その表面には径０．１μｍ程度の半
球状の突起がランダムに分布しており異方性はなく、図
１、図２に示したような表面構造を有している。

【００２６】径０．１μｍ程度の半球状の突起に比べて
十分に大きい縦３μｍ×横３μｍの測定領域を設定し
て、その任意の一辺をＸ軸とし、実施の形態の原子間力
顕微鏡によって、測定領域をＸ軸の方向へ一回走査し
た。すなわち、図３において説明した方法と同様な方法
によって、その走査線の道程を３０００本の短い線分が
接続されたものに近似させ、各線分の長さの集計として
走査線の道程の全長Ｅを求める走査を行ない、得られる
全長Ｅの２乗値Ｅ² を算出した。この２乗値Ｅ² は粗面
多結晶シリコン膜の測定領域の表面積に相当する。この
２乗値Ｅ² とＤＲＡＭに形成されるキャパシタ部の静電
容量との相関を求めたデータから、２乗値Ｅ² ＝１２±
１．２（μｍ² ）とする品質規格を設定して品質管理を
行うことにより、ＤＲＡＭの静電容量が設計値通りに管
理されると共に、表面積の測定に要する時間が短縮さ
れ、ＤＲＡＭの生産性が大幅に向上した。

【００２７】（比較例）実施例１のＤＲＡＭにおける表
面積の測定領域（縦３μｍ×横３μｍ）について、図１
２に示した従来の全面走査の方法によって表面積を測定
した。測定領域の全面を平行な５１２本の走査線で走査
し、各走査線を５１２に分割して得られる各走査線間の
三角形の面積を集計して表面積を求めたが、その測定に
は、原子間力顕微鏡への試料ウェハのローディング、ア
ンローディングを含めて１試料当たり約２０分間のタク
トタイムを要した。

【００２８】これに対して、実施例１における測定のタ
クトタイムは４．５分であった。

【００２９】（実施例２）ＡＣ形のプラズマディスプレ
イパネルにおいては、ガラス基板面に置く電極は誘電体
で被覆されるが、この誘電体を保護するために更にその
表面に酸化マグネシウム（ＭｇＯ）膜が形成される。Ｍ
ｇＯはガス吸着性（特に水分）が高く、ＭｇＯ膜の表面
が粗となってガス吸着量が増大すると製品の信頼性が損
なわれる。このＭｇＯ膜のガス吸着量は、直接的にはＢ
ＥＴ吸着等温式に基づく測定法や昇温脱離測定法（ＴＤ
Ｓ法）によって測定されるべきであるが、製造ラインの
品質管理項目としては採用し難い測定であるため、原子
間力顕微鏡によってＭｇＯ膜の所定部分の表面積を求め
ることに置き換えた。

【００３０】ＭｇＯ膜の表面には０．３μｍのオーダの
柱状突起がランダムに分布しているが異方性はない。従
って、０．３μｍよりは十分に大きい縦１０μｍ×横１
０μｍの測定領域を設定して、その任意の一辺をＸ軸と
し、本実施の形態の原子間力顕微鏡によって、測定領域
をＸ軸の方向へ一回走査した。すなわち、図３において
説明した方法と同様な方法によって、走査線の道程を３
０００本の短い線分が接続されたものに近似させ、各線
分の長さの集計として走査線の道程の全長Ｆを求める走
査を行ない、得られる全長Ｆの２乗値Ｆ² を算出した。
この２乗値Ｆ²はＭｇＯ膜の測定領域の表面積に相当す
る。この２乗値Ｆ² と昇温脱離測定法によって測定した
吸着量との相関を求めたデータから、測定領域の表面積
に相当する２乗値Ｆ² を１３０（μｍ² ）以下とする規
格で品質管理を行ない、プラズマディスプレイパネルの
性能が高いレベルに維持された。

【００３１】（実施例３）図９は半楕円体状の突起４５
が一方向に配向して形成されている試料４１の表面の拡
大像であるが、その半楕円体状の突起４５の長軸の長さ
は約０．３μｍである。従って、長軸０．３μｍ程度の
突起４５に比べて十分に大きい測定領域（縦２０μｍ×
横２０μｍ）を設定してその任意の一辺をＸ軸とし、本
実施の形態の原子間力顕微鏡によって、測定領域の一辺
であるＸ軸の方向と、これに直交するＹ軸の方向とへ、
各一回の走査を行なった。

【００３２】すなわち、図３において説明した方法と同
様な方法によって、Ｘ軸方向走査線の道程の全長Ｇと、
Ｙ軸方向走査線の道程の全長Ｈとを求める走査を行な
い、得られる全長Ｇと全長Ｈとの積ＧＨを測定領域の表
面積とした。このようにして、半楕円体状の突起が一方
向に配向している表面についての測定領域の表面積が比
較的精度良く、かつ短時間に得られるようになった。

【００３３】本発明の実施の形態による原子間力顕微鏡
およびそれによる品質管理方法は以上のように構成され
作用するが、勿論、本発明はこれらに限られることな
く、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能で
ある。

【００３４】例えば本実施の形態の実施例１において、
Ｘ軸方向走査線の道程の全長Ｅの２乗値Ｅ² を求めて測
定領域の表面積としたが、Ｘ軸方向走査線の道程の全長
Ｅとこれに直交する方向のＹ軸方向走査線の道程の全長
Ｅ’との積ＥＥ’としても同等な精度で測定領域の表面
積を求め得る。同様なことは、Ｘ軸方向走査線の道程の
全長Ｆの２乗値Ｆ² を求めて測定領域の表面積とした実
施例２についても言える。しかし、例えばＸ軸方向走査
線の道程の全長Ｅのみを求めて測定領域の表面積が得ら
れる場合に、更にＹ軸方向走査線の道程の全長Ｅ’を求
めるのは測定領域の表面積の測定に要する時間が長くな
るので得策ではない。

【００３５】また本実施の形態の実施例３においては、
微小な凹凸が試料表面の一方向に配向して存在する場合
について、Ｘ軸方向走査線の道程の全長Ｇとこれに直交
する向きのＹ軸方向走査線の道程の全長Ｈと積ＧＨを測
定領域の表面積としたが、このＸ軸方向走査線の道程の
全長とＹ軸方向走査線の道程の全長との積によって測定
領域の表面積を求める方法は、微小な凹凸が試料表面に
配向して存在し試料表面が異方性を有する場合に適用さ
れる以外に、試料表面に微小な凹凸が殆ど認識されない
場合や、微小な凹凸がランダムに存在する場合にも適用
される。

【００３６】また本実施の形態の実施例３においては、
Ｘ軸方向走査線とＹ軸方向走査線とを交差させたが、例
えばＹ軸方向走査線の始端をＸ軸方向走査線上に置いて
もよく、またＹ軸方向走査線を測定領域内からはみ出さ
せてもよく、更には、Ｙ軸方向走査線全体を測定領域外
で引いてもよい。

【００３７】また本実施の形態の実施例１においては、
走査線の試料底面への投影線の長さ３μｍについて等間
隔の３０００点の隣り合うデータ点を順に結んで形成さ
れる各線分の長さの集計としてＸ軸方向走査線の道程の
全長Ｅを求めたが、すなわち、走査線の道程を投影線の
長さ１μｍ当り１０００本の近似線分に分割してその道
程の全長を求めたが、この分割の密度、すなわちデータ
点の密度は微小な凹凸の形状や均一性に依存し、微小な
凹凸が形状的に単純な場合には、投影線の長さ１μｍ当
り１００本程度の近似線分に分割しても、Ｘ軸方向走査
線の道程の全長を精度高く求めることができる。

【００３８】また本実施の形態においては、探針によっ
て微小な凹凸を有する試料表面を走査して所定部分の表
面積を求める走査型プローブ顕微鏡として原子間顕微鏡
を使用する場合を例示したが、走査型プローブ顕微鏡に
は、前述した走査型トンネル顕微鏡のほか、例えばＣｏ
Ｃｒ（コバルト・クローム）の磁性針を探針とし、試料
としての磁性材料との間に働く磁気力によって試料の表
面情報を求め得る磁気力顕微鏡や、探針と試料表面との
間に働く静電気力によって試料の表面情報を求め得る静
電気力顕微鏡等があり、それらの走査型プローブ顕微
鏡、およびそれらによる品質管理方法も本発明に含まれ
る。

【００３９】

【発明の効果】本発明は以上に説明したような形態で実
施され、次ぎに記載するような効果を奏する。

【００４０】本発明の走査型プローブ顕微鏡は、微小な
凹凸を有する表面について設定した正方形状の測定領域
の任意の一辺をＸ軸として測定領域をＸ軸の方向へ一回
走査し、そのＸ軸方向走査線の道程の全長を求めて、全
長の２乗値を測定領域の表面積とするか、または測定領
域をＸ軸の方向へ一回走査し、更に測定領域をＹ軸の方
向へ一回走査するか、または測定領域内に限らずＹ軸の
方向へ測定領域の一辺に相当する長さだけ一回走査し、
Ｘ軸方向走査線の道程の全長とＹ軸方向走査線の道程の
全長とを求めて、それらの積を測定領域の表面積とする
ようになっており、測定領域の表面積を比較的精度良
く、かつ短時間で測定し得る。

【００４１】また、半導体素子やフラットパネルディス
プレイ等の電子部品の基板の微小な凹凸を有する表面に
ついて、所定部分の表面積を管理項目とする品質管理に
本発明の走査型プローブ顕微鏡を使用することにより表
面積の測定に要する時間が短縮され、電子部品の生産性
が大幅に向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】ほぼ一定形状の微小な凹凸がランダムに存在す
る試料についての表面積の測定領域の部分拡大平面図で
ある。

【図２】図１における［２］−［２］線方向の断面図で
ある。

【図３】図２の部分拡大斜視図である。

【図４】不定形状の微小な凹凸がランダムに存在する試
料についての表面積の測定領域の部分拡大平面図であ
る。

【図５】図４における［５］−［５］線方向の断面図で
ある。

【図６】ほぼ一定形状の微小な凹凸が一方向に配向して
存在する試料についての表面積の測定領域の部分拡大平
面図である。

【図７】図６における［７］−［７］線方向の断面図で
ある。

【図８】図６における［８］−［８］線方向の断面図で
ある。

【図９】実施例３の試料表面の平面像を示す図である。

【図１０】走査型トンネル顕微鏡の動作原理を示す図で
ある。

【図１１】トンネル電流を利用してカンチレバーの撓み
量を検出する原子間力顕微鏡の動作原理を示す図であ
る。

【図１２】カンチレバーの撓み量を光てこ方式によって
検出する方法を示す図である。

【図１３】カンチレバーの撓み量を光干渉方式によって
検出する方法を示す図である。

【図１４】カンチレバーの撓み量をカンチレバーに形成
させた圧電体膜によって検出する方法を示す図である。

【図１５】原子間力等を水晶振動子の周波数のシフトに
よって検出する方法を示す図である。

【図１６】原子間力顕微鏡によって試料表面の表面積を
求める従来の一方法を示す図である。

【図１７】同じ試料表面の表面積を求める従来の他の方
法を示す図である。

【符号の説明】

１１ 試料 １２ 走査線 １５ ほぼ一定形状の微小な凹凸 ２１ 試料 ２２ 走査線 ２５ 不定形状の微小な凹凸 ３１ 試料 ３２ 走査線 ３３ 走査線 ３５ ほぼ一定形状の微小な凹凸 ６１ 原子間力顕微鏡 ６３ 試料 ６８ カンチレバー ６９ 尖鋭な突起（探針）

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料表面との間にトンネル電流が流れる
   ようにしたトンネル電流針、またはカンチレバーの端部
   に設けられ前記試料表面との間に働く多様な力によって
   前記カンチレバーを撓ませる尖鋭な突起、更にまたは発
   振するニードル状の水晶振動子の端部に設けられ前記試
   料表面との間に働く多様な力によって前記水晶振動子の
   発振周波数をシフトさせる尖針などを探針として前記試
   料表面を走査し、前記試料表面の構造の観察、前記試料
   表面の所定部分の測長、測角等の測定を行い得る走査型
   プローブ顕微鏡において、 前記試料が微小な凹凸を有する場合にその所定部分の表
   面積を求めるに際し、 前記微小な凹凸の径と比較して十分に大きい長さの一辺
   を有する正方形部分を前記試料表面の測定領域に設定し
   て任意の一辺をＸ軸とし、 前記測定領域を前記Ｘ軸の方向へ一回走査して、そのＸ
   軸方向走査線の道程の全長Ａを求め、該全長Ａの２乗値
   Ａ² を算出するか、 または、前記測定領域を前記Ｘ軸の方向へ一回走査し、
   更に前記測定領域を前記Ｘ軸に直交するＹ軸の方向へ一
   回走査するか又は前記測定領域内に限らずに前記Ｙ軸の
   方向へ前記測定領域の一辺に相当する長さだけ一回走査
   して、前記Ｘ軸方向走査線の道程の全長ＡとＹ軸方向走
   査線の道程の全長Ｂとを求め、それらの積ＡＢを算出し
   て、 前記測定領域に対応する表面積を求め得るようにされて
   いることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
2. 【請求項２】 前記Ｘ軸方向走査線の道程の全長Ａが、
   前記Ｘ軸方向走査線上の隣り合うデータ点を結ぶ各線分
   の長さの集計として求められ、 前記Ｙ軸方向走査線の道程の全長Ｂが、前記Ｙ軸方向走
   査線上の隣り合うデータ点を結ぶ各線分の長さの集計と
   して求められる請求項１に記載の走査型プローブ顕微
   鏡。
3. 【請求項３】 試料表面との間にトンネル電流が流れる
   ようにしたトンネル電流針、またはカンチレバーの端部
   に設けられ前記試料表面との間に働く多様な力によって
   前記カンチレバーを撓ませる尖鋭な突起、更にまたは発
   振するニードル状の水晶振動子の端部に設けられ前記試
   料表面との間に働く多様な力によって前記水晶振動子の
   発振周波数をシフトさせる尖針などを探針として前記試
   料表面を走査し、前記試料表面の構造の観察、前記試料
   表面の所定部分の測長、測角等の測定を行い得る走査型
   プローブ顕微鏡を使用し、前記試料が微小な凹凸を有す
   る場合にその所定部分の表面積を所定の範囲内に管理す
   る品質管理方法において、 前記微小な凹凸の径と比較して十分に大きい長さの一辺
   を有する正方形部分を前記試料表面の測定領域に設定し
   て任意の一辺をＸ軸とし、 前記微小な凹凸が前記試料表面にランダムに存在する場
   合には、前記測定領域を前記Ｘ軸の方向へ一回走査し、
   そのＸ軸方向走査線の道程の全長Ａを求めて、該全長Ａ
   の２乗値Ａ² を算出し、 前記微小な凹凸が前記試料表面に配向して存在し前記試
   料表面が異方性を有する場合には、前記測定領域を前記
   Ｘ軸の方向へ一回走査し、更に前記測定領域を前記Ｘ軸
   に直交するＹ軸の方向へ一回走査するか又は前記測定領
   域内に限らずに前記Ｙ軸の方向へ前記測定領域の一辺に
   相当する長さだけ一回走査して、前記Ｘ軸方向走査線の
   道程の全長ＡとＹ軸方向走査線の道程の全長Ｂとを求
   め、それらの積ＡＢを算出して、前記測定領域に対応す
   る表面積を求め、 該測定領域の表面積が規格内の前記試料は製造ラインに
   とどめ、前記測定領域に対応する表面積が規格外の前記
   試料は前記製造ラインから排除することを特徴とする走
   査型プローブ顕微鏡による品質管理方法。
4. 【請求項４】 前記測定領域である前記正方形部分の一
   辺の長さを、前記微小な凹凸の径と比較して２０倍以
   上、好ましくは３０倍以上に設定する請求項３に記載の
   走査型プローブ顕微鏡による品質管理方法。
5. 【請求項５】 前記Ｘ軸方向走査線の道程の全長Ａを、
   前記Ｘ軸方向走査線上の隣り合うデータ点を結ぶ各線分
   の長さの集計として求め、 前記Ｙ軸方向走査線の道程の全長Ｂを、前記Ｙ軸方向走
   査線上の隣り合うデータ点を結ぶ各線分の長さの集計と
   して求める請求項３または請求項４に記載の走査型プロ
   ーブ顕微鏡による品質管理方法。