JPS63191905A - スキヤニングキヤパシタンスマイクロスコピ− - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は１種々の試料宍面上の形状を精度良く測定する
スキャニングキャパシタンスマイクロスコピーの改良に
関するものである。

（従来の技術） 第３図は従来のスキャニングキャパシタンスマイクロス
コピー（以下８ＣａＭと呼ぶことにする）の測定原理を
示す基本回路の概略構成を表すものである。

ピックアップスタイラス（５）はダイヤモンド製の本体
とスパッタで付けた薄い金属漠の電極とで構成されてい
る。スタイラス（５）の大きさは例えば試料（ロ）の走
査方向に５μｍ、高さ５μｍ１幅２．．５μｍである。

スタイラス囚は、トランスミッション回路に対して相対
的に動くことが可能なようにフライリード（ｑと呼ばれ
る薄くてフレキシブルな金属のはだか線でストリップラ
インリゾネータ口と接続されている。試料表面上をスタ
イラス（２）が移動するとスタイラス（２）と試料（ロ
）との間の容量Ｃ５ｏ（Ｅ）が試料（ロ）の形状に応じ
て変化する。中央のトランスミッションライン、フライ
リード（０％スタイラス電極、試料の抵抗ＣＰ）％回路
のハウジング、バラクタ−ダイオード０、カップリング
キャパシタから構成される回路は共振回路で、スタイラ
ス（５）と試料（至）との間の容量Ｃ５ｅ（ト）はその
一部をなしている。共振回路の共振周波数は試料（至）
が動いてその形状が変わるとＣ５゜（ト）が変化し、わ
ずかに変わる。

発振器（Ｉ）からの例えば９１５ＭＨｚの信号はりゾネ
ータトランスミッシ１ンライン０を通して、デテクター
トランスミッションライン日とカップルする。

デテクター出力の周波数共振曲線は第４図に示すような
釣り鐘形をしている。共振周波数は９１５ＭＨｚの信号
が共振ピークから６ｄＢダウンの場所にあるように自動
周波数調整回路（Ｊ）で調整される。

共振周波数の変化に対応して共振曲線は第４図に示され
るように水平方向に移動する。共振曲線の９１５ＭＨｚ
での電圧を示すデテクター出力は、試料上をスタイラス
が移動すると、その形状に応じて変化する。従って、デ
テクター出力を調べることにより、試料表面の形状、特
に粗さを精度良く知ることかできる。

このような構成によって試料面に対して垂直方向でＱ、
３ｎｍ、水平方向でｌＱＱｎｍの測定分解能で試料面の
形状を知ることができる。

（文献：　Ｊ、Ｒ，Ｍａｔｅｙ　ａｎｄ　Ｊ、Ｂｌａｎ
ｃ　、　Ｓｃａｎｎｉｎｇｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ　ｍ
１ｃｒｏｓｃｏｐｙ　、　Ｊ、Ａｐｐｌ　、Ｐｈｙｓ、
５７（５）、ＩＭａｒｃｈ　１９８５　、　ｐｐ１４３
７〜１４４４　）しかしながら、この構成では、スタイ
ラスを試料表面上に予圧を与えて押し付けているため、
試料面に損傷を与える。更に試料表面のうねりが測定で
きない。これらが、この方式の欠点とされている。

（発明が解決しようとする問題点） そこで、我々は先に特許出願（特願昭６１−１８ｆＳω
している次のような構成を呈する装置において実験を試
みた。第５図はその構成の概略を示す。試料■は例えば
Ｘ−Ｙ試料台のυ上に固定され、モータ器で自由ｌこ移
動可能となっている。（１）はピックアップスタイラス
で例えば圧電素子（２）に取付けられる試料（７）に対
して上下方向に移動可能となっている。スタイラス（υ
の電極はフライリード（３）でトランスミッションライ
ンピックアップ回路（４）に接続されており、これによ
ってスタイラス（１）と試料翰との間隔を測定すること
ができる。トランスミツ、ジョンラインアップ回路（４
）からの出力信号は２つに分かれる。一方の信号はロー
パスフィルタ（５）を通して、出力信号のうちの低周波
数成分（試料表面のうねりζζ相当）だけがサーボコン
トローラ（６）に送られる。この際のカットオフ周波数
は、カットオフ濁波数設定器（８）で自由に設定できる
。サーボコントローラ（６）ではスタイラス（１）と試
料（イ）との距離を予め設定された値（距離設定器（９
）により指定する）例えば２Ｑｎｍ程度になるように出
力信号との偏差信号をピエゾドライバ（７）に送る。ピ
エゾドライバ（７）で、偏差信号□に相当する電圧が増
幅発生され、圧電素子間に供給される。これによって試
料がＸ−Ｙ方向に移動しても、はぼ試料とスタイラスと
の距離を一定に保つことが可能となる。

他方の信号はバイパスフィルタな１を通して高周波数成
分（試料表面の粗さに相当）がデータ処理回路１１に送
られる。この際のカットオフ周波数はカットオフ周波数
設定器−により設定する。スタイラス（１）による測定
位置は例えばレーザ干渉計（１３により測定され、レー
ザカウンタαＪから座標位置がデータ処理回路αυに送
られる。データ処理回路αυに送られた３つの信号ｌこ
より所望する情報の演算がなされ、結果が記録計（１４
）に出力される。

このような構成をとることによって、試料とスタイラス
を接触させることなく試料表面形状を測定することが可
能となり、従来の８ＣｏＭで問題となりでいた試料の損
傷を解消することができる。

しかしながら、スタイラスを圧電素子で駆動させるため
発振回路等と一体化して容易に構成すること、さらにシ
ールドを完全にし、特に外部の電気的変位の影響を受け
にくく、より安定性のある長時間の実測に対して、十分
な精度を保証できるで、しかも前述の要望事項をも満足
する安定性のあるより高い精度の測定を可能とする装置
を提供することを目的とするものである。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 本発明の構成において、ピックアップスタイラスと試料
表面間の距離は、従来通りその測定範囲内をスタイラス
が逸脱しないようにサーボをかけて一定に保っであるが
、このアクチュエータに。

例えば２個の圧電素子を取り付けて、試料台に対して平
行でかつ試料移動方向またそれと直交する方向にスタイ
ラスが高精度に移動可能であるような装置とする。この
付加の圧電素子に任意の周波数で電圧を送り、スタイラ
スを上記の２方向へ交互に振動させ、その周波数成分で
の出力信号の変化を読み取ることで１回路の時間的不安
定性に起因する誤差量やその他の白色誤差を排除して、
試料表面形状を精度良く測定しようとするものである。

（作用） スタイラスを試料移動方向及びそれに垂直な方向に対し
て任意の周波数成分で振幅させることで（但しこの２方
向へのスタイラスの振幅は、一方向へ振幅する間は他方
向へは静電状態である）。

試料表面を微小部分ごとに分割して測定することになる
。その結果１反復測定による平均化処理で誤差量は減少
し、微小時間測定により回路の時間的不安定性（例えば
電圧のドリフト等）を排除でき、付随して白色ノイズも
無視できるようになる。

また帯状測定法なので、測定する試料表面の範囲が拡大
し、三次元測定を可能なものとした。

（実施例） 本発明におけるＳＣａＭの構成の概略を第１図に示す。

本構成の大部分は先の発明と同様（第５図を参照）であ
るので同一要素には同一番号をつけて説明の詳細は省略
し、主に付加の装置に関して叙述する。

従来のＳＣａＭのアクチュエータに例えば圧電素子（至
）、０１）を取り付け、圧電素子（至）により、試料台
に平行でかつ試料移動方向に対してまた。圧電素子Ｉ３
υにより試料台に平行でかつ試料移動方向と直交する方
向に対してスタイラスが極めて高精度に移動可能とする
。これらの圧電素子に周波数設定器（ロ）により各々、
任意の周波数の電圧を送り、スタイラスを試料移動方向
やそれに垂直な方向へ振幅運動をさせる。この際、スタ
イラスが一方の方向へ振動する時、他方向へは振動しな
いものと定義する。この操作により検出される出力信号
を従来通りにトランスミッションラインピックアップ回
路（４）を経由して信号抽出回路（至）へ送る。ここで
周波数設定器（財）によって設定された周波数成分の信
号だけが出力信号から抽出される。その後データ処理回
路αυへ送ることで微小時間、微小単位ごとの試料表面
粗さの計測値が精度良く示される。

次にこのように構成された付加の装置における作用につ
いて説明する。第２図には付加の装置により、試料を走
査するスタイラスの移動方向を示す。Ｚ方向はスタイラ
スと試料表面との間隔を常に一定に保つようにサーボコ
ントローラ（６）かう送信を受けて圧電素子（２）が駆
動する方向である。これにより、スタイラス−試料間が
、静電容量検出範囲を逸脱することはない。またＸ方向
は試料移動方向、Ｘ方向はそれに垂直な方向とする。こ
こで第２図１こ見られるように試料表面を分割して考え
てみる。まず、試料は静止状態でスタイラスが原点０の
位置とする。圧電素子（７）にある周波数の電圧を加え
てスタイラスをＸ方向にストロークへ動かし、その際、
その駆動周波数成分のスタイラスからの信号変化を読み
取り、平均処理して入内の傾きを算出した後、圧電素子
（至）への電圧の供給を停止する。次に、Ｘ方向へもス
トロークＰ、を設定し、同様な方法で傾きを求めた後、
供給電圧を停止する。更に試料台をストロークへ分だけ
移動し同様な動作を行う。以上のような行程を繰り返し
１例えばｎ回繰り返してＸ方向のストライプが完了した
とすると１次にＸ方向へストローク２７分だけ移動させ
、上述の行程を今度は−Ｘ方向に対して行う。つまり、
原点をＯとするとここからＸ方向へは、Ｐｘ！２０．　
Ｐｘｔ、２　＊　”’　＊　”Ｘｉ、ｎ−０”Ｘｌ、ｎ
　ｊ　ＰＸ３．。。

’Ｘ２．ｎ−０−＊・ｓ　ＰＸ３．２１　ＰｇＱｐ　１
　”’・の屓でＸ方向へは”ｆｌ、１１　’）’２，１
　ｊ　””　？　’）ｒｆ）−１，１ｔ　’７ｎ、１１
　Ｐｙｎ、　２　ｔ　Ｐｙｎ−１，２＃　’・・を、２
　＃　Ｐｙｉ、ｚ　＃　Ｐｙｉ、ａ　ｌ　Ｐｙｚ、３　
　・・・の順で測定を行うとする。（但し、へ、１＝・
・・＝へ□、ｎ＝・・・＝　Ｐｘｚ□＝・・・、を、１
＝・・・＝躯、１＝・・・＝Ｐｙ２，３＝・・・）この
ストロークＰ、　、　Ｐ、内の反復測定回数は１周波数
や測定時間により任意に変化可能であり、これらのスト
ロークを無限ｌこ小さく、すなわちｎ→ωとすることで
極めて精度の良い表面形状測定を行うことができる。

ここで、試料台が常時一定速度Ｖで±Ｘ方向へ移動する
場合を取り上げ出力信号の電圧のドリフトの影響を考え
てみる。原点Ｏから’Ｘｉ、ｎまで走査した場合、従来
のＳＣａＭでは、試料台の一走査で得られる出力信号５
ＦＷＤには、走査範囲：Ｌ、試料台速度ＶとするとＬ／
ｖ時間に発生したドリフトσＥの影響が含まれている。

さらにｙ方向に試料台をあるステップ量Δｙだけ送って
、逆方向に試料台を走査した際に得られる出力信号５Ｆ
ＷＤと、前記出力信号５ＦＷＤとを結びつける情報は何
もない一方、ラスを駆動する圧電素子の駆動周波数、Ｎ
はスタイラスがＰｘｍ、ｎを走査する回数）に発生する
ドリフトΔεが出力信号に含まれる。しかしΔＣはΔＥ
に比べて極めて少ない。しかも〜、ｎ　ｌ　Ｐｙｍ、ｎ
の微小区間で得られた出力信号群は連続的に測定されて
いるため１例えばＰｙｔ、ｔとＰｙｌ、２との間には時
間量が存在するが、その時間に発生した信号のドリフト
量は削除して連続的な値とすることが可能である。

このように測定領域を小さく分割し、スタイラスをｘ、
ｙ方向に振って試料表面形状を測定することで、ドリフ
トの影響を最小限に抑えることができ、また任意の周波
数に乗じて粗さに対する出力信号を読み取るため、白色
ノイズを極力避ける結果となり、更には帯状走査による
三次元測定を可能とした。

〔発明の効果〕

本発明は先の発明におけるＳＣａＭにおいて生ずる誤差
量をその主な原因を排除することで微小なものとなり、
試料表面の形状を精度良１＜、より広範囲に、また三次
元的に測定することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の構成概略図、第２図はピックアップス
タイラスの試料表面測定方向を説明する図、第３図は従
来のＳＣａＭの基本回路を示す図。 第４図はデテクター出力の周波数共振曲線を示す図、第
５図は先願発明における構成を示す概略図である。 １・・・ピックアップスタイラス、２，３０，３１・・
・アクチュエータ、４・・・トランスミッションライン
ピックアップ回路、５・・・ローパスフィルタ。 ６・・・サーボコントローラ、７，３２，３３・・・ピ
エゾドライバ、８・・・カットオフ周波数設定器、９・
・・距離設定器、１０・・・バイパスフィルタ、１１・
・・データ処理回路、１２・・・レーザ干渉計、１３・
・・レーザカウンタ、１４・・・記碌計、２０・・・試
料、２１・・・試料台、２２・・・モータ、２３・・・
コントローラ、２４・・・防震装置、２５・・・信号抽
出回路、３４・・・周波数設定器。 容量 第　　３　図 第　　４　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ピックアップスタイラスを試料表面に対して垂直方向に
   移動可能なアクチュエータと、容量検出回路からの出力
   信号を任意の周波数成分で取り出す１個以上のフィルタ
   と、上記ピックアップスタイラスを上記試料表面との間
   隔が一定となるように上述のフィルタからの出力信号を
   用いて上述のアクチュエータを駆動するサーボ回路とか
   ら構成されたスキャニングキャパシタンスマイクロスコ
   ピーにおいて、前記ピックアップスタイラスを試料表面
   に対して垂直方向をＺとする場合のｘ、ｙの平行方向に
   移動可能なアクチュエータを付加したことを特徴とする
   スキャニングキャパシタンスマイクロスコピー。