JPWO2007094365A1 - 測定プローブ、試料表面測定装置、及び試料表面測定方法 - Google Patents

測定プローブ、試料表面測定装置、及び試料表面測定方法 Download PDF

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Abstract

試料Ｓの表面を測定するための測定プローブ１を、ベース部１０と、探針３１が設けられたヘッド部３０と、探針３１が突出する垂直軸に略直交する軸を支持軸としてベース部１０に対してヘッド部３０を支持する支持構造部１５とによって構成する。また、支持構造部１５を、垂直軸の方向について変形可能な第１ばね構造部２０と、水平軸の方向について変形可能な第２ばね構造部２５との２つのばね構造部によって構成するとともに、ヘッド部３０の探針３１とは反対側に、反射率が面内で異なるように変化する反射パターンで形成された反射面３２を設ける。これにより、特殊な測定系を用いることなく試料表面の測定精度を向上することが可能な測定プローブ、試料表面測定装置、及び試料表面測定方法が実現される。

Description

本発明は、試料の表面を測定するために用いられる測定プローブ、測定プローブを用いた試料表面測定装置、及び試料表面測定方法に関するものである。
試料表面の摩擦力分布を測定することでナノメートル・スケールでの材料評価等が可能な技術として、摩擦力顕微鏡（ＦＦＭ：Friction Force Microscope）、あるいは水平力顕微鏡（ＬＦＭ：Lateral Force Microscope）と呼ばれる試料表面測定装置がある（例えば、文献１：特開２０００−１７１３８１号公報、文献２：特開２０００−２５８３３１号公報参照）。摩擦力顕微鏡では、例えば、図８に示すように、ベース部６０に固定されたレバー部６２を有する微小（長さが１００μｍのオーダ、厚さが１μｍのオーダ）なカンチレバー６を測定プローブとし、レバー部６２の端部に設けられた、先端径を数ｎｍ以下に先鋭化させた探針６１を用いて試料Ｓの表面を測定する。
すなわち、レバー部６２の長軸である支持軸の方向、及び探針６１が突出する探針軸の方向に直交する方向を走査方向として、カンチレバー６で試料の表面を走査する。このとき、探針６１に走査軸（水平軸）の方向の摩擦力（水平力）が働き、レバー部６２に「捩れ」が生じる。また、試料表面の形状に応じて探針６１に荷重（垂直力）が働き、レバー部６２に「撓み」が生じる。これらのレバー部６２の捩れ、及び撓みを測定することにより、試料を走査することで生じる水平力・垂直力の２方向の力を求めることができ、試料の表面情報を取得することができる。また、水平力・垂直力の比によって、試料表面の摩擦係数も求められる。
このような測定方法によれば、例えば、航空機の機体等に用いられているカーボンファイバなどを樹脂で固めて作製した強化プラスチック、あるいはガラスに新機能を持たせる微粒子分散ガラスなどの複合材料を試料として、材料の断面を作製し、上記装置を用いてその表面上での摩擦係数の分布を測定することにより、その複合材料における構成材料の分布を把握することができる。あるいは、水平力及び垂直力を測定することで、材料表面の摩擦特性や潤滑特性をナノメートル・スケールで測定することができる。
特開２０００−１７１３８１号公報 特開２０００−２５８３３１号公報 特開２０００−２５８３３２号公報 特開平１１−１６６８２３号公報 特開２００１−５６２８１号公報 B.W.Chui et al., Applied Physics Letters, Vol.72, No.11, pp.1388-1390 (1998) S.A.Joyce and J.E.Housion, Rev. Sci. Instrum. Vol.62, No.3, pp.710-715 (1991)
上記したカンチレバー６を用いた試料表面の測定において、レバー部６２に生じる捩れ及び撓みによる変形は、光てこ法を用いて測定することができる。光てこ法では、測定光であるレーザ光をレバー部６２の背面に照射し、背面で反射される光の反射角を４分割フォトダイオード等を用いて検出することで、レバー部６２の捩れ及び撓みをともに測定することができる。光てこ法は、通常の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope）における原子間力検出での撓みの測定にも用いられており、反射光検出用の光検出器を撓み測定用の２分割型から捩れ・撓み測定用の４分割型に変更すれば、通常のＡＦＭ装置で摩擦力測定が可能になるという利点がある。
ここで、このようにレバー部６２の捩れ・撓みによって水平力・垂直力を求める方法では、同一のレバーの変形を測定しているため、２方向の変形が干渉しあって原理的な高精度化が困難であるという問題があった。これに対して、図９に示すように、ベース部７０に固定されてその端部に探針７１が設けられるレバー部において、垂直力測定用の板ばね部７２と、水平力測定用の板ばね部７３とを設ける構成の測定プローブ７が提案されている（上記文献２：特開２０００−２５８３３１号公報参照）。
しかしながら、この方法では、２方向の変形の干渉による測定精度の低下という問題を改善することが可能であるが、２つの板ばね部の変形を別々に測定する必要がある。このとき、例えば光てこ法では、図９に実線矢印及び破線矢印で示すように、２本の光てこ用レーザ光を用いる特殊な測定系が必要となり、ＡＦＭ装置の通常の仕様では測定ができないという問題がある。
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、特殊な測定系を用いることなく試料表面の測定精度を向上することが可能な測定プローブ、測定プローブを用いた試料表面測定装置、及び試料表面測定方法を提供することを目的とする。
このような目的を達成するために、本発明による測定プローブは、試料の表面を測定するために用いられる測定プローブであって、（１）ベース部と、（２）表面測定用の探針が設けられたヘッド部と、（３）探針が突出する探針軸に略直交する第１軸を支持軸としてベース部に対してヘッド部を支持する支持構造部とを備え、（４）支持構造部は、探針軸の方向について変形可能に構成された第１ばね構造部と、探針軸及び第１軸に略直交する第２軸の方向について変形可能に構成された第２ばね構造部との２つのばね構造部によって構成され、（５）ヘッド部は、探針とは反対側に設けられ、その反射率が面内で異なるように変化する反射パターンで形成された反射面を有することを特徴とする。
上記した測定プローブにおいては、固定部であるベース部と、探針を有するヘッド部との間に設けられる支持構造部として、探針軸（垂直軸）の方向に変形可能な第１ばね構造部（第１変形構造部）、及び第２軸（水平軸）の方向に変形可能な第２ばね構造部（第２変形構造部）によって構成された構造部を用いている。このように、垂直力測定及び水平力測定に用いられる２つのばね構造部を設ける構成によれば、２方向の変形が干渉することが防止され、試料表面の測定精度を向上することができる。なお、ここでは、ばね構造部とは弾性的に変形する構造部分をいい、例えば板ばね、捩りばね等を含む。
さらに、支持構造部の端部に設けられるヘッド部に、光てこ法によってばね構造部の変形を測定する際に用いられる反射面を設けるとともに、反射面内において、その反射率が所定パターンで変化する構成としている。このような反射面に対して光てこ法での測定光を照射した場合、得られる反射光において、反射面での反射パターンが反映された２次元光像が生成される。そして、この２次元光像を光検出器で検出することにより、第１ばね構造部での垂直軸の方向の変形と、第２ばね構造部での水平軸の方向の変形とを、特殊な測定系を用いることなく、１本の測定光で測定することが可能となる。
本発明による試料表面測定装置は、（ａ）試料の表面を測定するための上記測定プローブと、（ｂ）測定プローブでの支持構造部の変形を測定するための測定光を供給する測定光供給手段と、（ｃ）測定プローブのヘッド部に設けられた反射面で測定光が反射されて生成された反射光像を検出する反射光像検出手段と、（ｄ）反射光像検出手段での反射光像の検出結果に基づいて、試料の表面情報を取得する表面情報処理手段とを備え、（ｅ）反射光像検出手段で検出される反射光像は、測定光の反射面への照射パターンと、反射面での反射パターンとによって生成される２次元光像であり、（ｆ）表面情報処理手段は、反射光像の検出結果に基づいて、探針軸の方向についての表面情報、及び第２軸の方向についての表面情報の両者を取得することを特徴とする。
また、本発明による試料表面測定方法は、（ａ）試料の表面を測定するための上記測定プローブを用い、（ｂ）測定プローブでの支持構造部の変形を測定するための測定光を供給する測定光供給ステップと、（ｃ）測定プローブのヘッド部に設けられた反射面で測定光が反射されて生成された反射光像を検出する反射光像検出ステップと、（ｄ）反射光像検出ステップでの反射光像の検出結果に基づいて、試料の表面情報を取得する表面情報処理ステップとを備え、（ｅ）反射光像検出ステップにおいて検出される反射光像は、測定光の反射面への照射パターンと、反射面での反射パターンとによって生成される２次元光像であり、（ｆ）表面情報処理ステップにおいて、反射光像の検出結果に基づいて、探針軸の方向についての表面情報、及び第２軸の方向についての表面情報の両者を取得することを特徴とする。
上記した試料表面測定装置、及び測定方法においては、上記構成の測定プローブを用いることにより、特殊な測定系を用いることなく、測定プローブに対して測定光を供給してその反射光像を検出することで、高い測定精度で試料の表面情報を取得することが可能となる。特に、測定プローブのヘッド部に設けられた反射面での反射パターンに対応した２次元光像となる反射光像を検出することにより、第１ばね構造部における垂直軸の方向の変形と、第２ばね構造部における水平軸の方向の変形とを、１本の測定光で測定することができ、垂直軸、及び水平軸の方向についての表面情報の両者を簡単な構成で取得することが可能となる。
本発明の測定プローブ、試料表面測定装置、及び試料表面測定方法によれば、垂直軸の方向に変形可能な第１ばね構造部、及び水平軸の方向に変形可能な第２ばね構造部によって構成された支持構造部を用いるとともに、支持構造部の端部に設けられるヘッド部に反射面を設け、反射面内において、その反射率が所定パターンで変化する構成とすることにより、特殊な測定系を用いることなく試料表面の測定精度を向上することが可能となる。
図１は、試料表面測定装置の一実施形態の構成を概略的に示すブロック図である。 図２は、測定プローブの一実施形態の構成を示す斜視図である。 図３は、測定プローブを用いた試料表面測定方法の一例を示す模式図である。 図４は、試料の表面情報の取得方法の一例を示す模式図である。 図５は、測定プローブの作製方法の一例を示す図である。 図６は、測定プローブの作製方法の一例を示す図である。 図７は、測定プローブの作製方法の一例を示す図である。 図８は、従来の測定プローブの構成の一例を示す図である。 図９は、従来の測定プローブの構成の他の例を示す図である。 図１０は、測定プローブの一作製例の全体構成を示すＳＥＭ画像である。 図１１は、図１０に示した測定プローブのヘッド部の上面に設けられた反射面の構成を拡大して示すＳＥＭ画像である。 図１２は、図１０に示した測定プローブのヘッド部の下面に設けられた探針の構成を拡大して示すＳＥＭ画像である。 図１３は、図１０に示した測定プローブを用いて測定された垂直力についての試料のＡＦＭ画像を示す図である。 図１４は、図１０に示した測定プローブを用いて測定された水平力についての試料のＦＦＭ画像を示す図である。 図１５は、図１４に示したＦＦＭ画像のIII−III断面を示すグラフである。 図１６は、市販の測定プローブの構成を示すＳＥＭ画像である。 図１７は、市販の測定プローブを用いて測定された水平力についての試料のＦＦＭ画像を示す図である。 図１８は、測定プローブの構成の一例を示す図である。
符号の説明
１…測定プローブ、１０…ベース部、１１、１２…支持部、１５…支持構造部、２０…第１ばね構造部、２１、２２…捩り梁、２３…連結部、２５…第２ばね構造部、２６、２７…板ばね、３０…ヘッド部、３１…探針、３２…反射面、３２１…第１反射領域、３２２…第２反射領域、４０…測定光源、４１…４分割フォトダイオード、４１ａ〜４１ｄ…光検出部、４５…ＸＹＺステージ、５０…測定制御装置、５１…測定条件設定部、５２…表面情報処理部、５６…入力装置、５７…表示装置。
以下、図面とともに本発明による測定プローブ、試料表面測定装置、及び試料表面測定方法の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
まず、本発明による試料表面測定装置の全体構成について説明する。図１は、本発明による試料表面測定装置の一実施形態の構成を概略的に示すブロック図である。本試料表面測定装置は、測定プローブ１と、測定光源４０と、４分割フォトダイオード４１と、測定制御装置５０とを備えて構成されている。
測定プローブ１は、その端部に設けられた探針３１を用いて試料Ｓの表面を測定するために用いられるプローブ機構である。特に、本実施形態による試料表面測定装置は、試料Ｓの表面に対して直交する方向（以下、垂直方向）についての垂直力と、表面に対して平行な方向（以下、水平方向）についての水平力とを測定可能な摩擦力顕微鏡として構成されている。
これらの力のうち、垂直力は探針３１にかかる荷重であり、例えば試料Ｓの表面の形状を反映している。また、水平力は探針３１にかかる摩擦力であり、例えば試料Ｓの各部の構成材料を反映している。また、表面の測定対象となる試料Ｓは、Ｘ軸方向及びＹ軸方向（水平方向）と、Ｚ軸方向（垂直方向）とに可動に構成されたＸＹＺステージ４５上に載置されており、このＸＹＺステージ４５を駆動することで、測定プローブ１による測定位置の設定、及び走査が可能となっている。
この試料Ｓの表面測定用の測定プローブ１に対し、測定光源４０と、４分割フォトダイオード４１とが設置されている。測定光源４０は、後述する測定プローブ１での支持構造部の変形を測定するための測定光を供給する測定光供給手段であり、例えばレーザ光などの測定光を測定プローブ１に対して照射する。また、４分割フォトダイオード４１は、測定プローブ１に設けられた反射面で測定光が反射されて生成された反射光像を検出する反射光像検出手段である。
測定制御装置５０は、例えばＰＣを用いて構成され、本測定装置における試料Ｓの表面測定の条件設定、実行、及びデータ解析等の必要な処理を行う制御手段である。本実施形態においては、測定制御装置５０は、測定条件設定部５１と、表面情報処理部５２とを有している。測定条件設定部５１は、試料Ｓを載置するＸＹＺステージ４５、測定光を供給する測定光源４０等を制御することにより、試料Ｓの表面に対する測定位置、走査速度等の測定条件を設定する。なお、このようなＸＹＺステージ４５、測定光源４０等の制御については、制御装置５０によって自動で制御せずに、操作者が手動で制御する構成としても良い。
表面情報処理部５２は、反射光像検出手段である４分割フォトダイオード４１での反射光像の検出結果を入力し、その検出結果に基づいて、試料Ｓの表面情報を取得する処理手段である。特に、本測定装置においては、表面情報処理部５２は、反射光像の検出結果に基づいて、垂直軸の方向についての表面情報、及び水平軸の方向についての表面情報の両者を取得する。
また、この測定制御装置５０に対して、入力装置５６と、表示装置５７とが接続されている。入力装置５６は、例えばキーボードやマウスであり、試料Ｓの表面測定に必要な指示の入力等に用いられる。また、表示装置５７は、例えば液晶ディスプレイであり、試料Ｓの表面測定に関する情報の表示、あるいは、表面測定によって取得された表面情報の表示等に用いられる。
次に、本実施形態による試料表面測定装置に用いられている測定プローブ１の構成について説明する。図２は、本発明による測定プローブの一実施形態の構成を示す斜視図である。また、図３は、図２に示した測定プローブを用いた試料表面測定方法の一例を示す模式図である。本実施形態による測定プローブ１は、ベース部１０と、支持構造部１５と、ヘッド部３０とを備えている。
ここで、説明の便宜のため、図２に示すようにＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸を定義する。すなわち、試料Ｓの表面に直交する垂直軸であって、測定プローブ１の探針３１が突出する方向となる探針軸をＺ軸、探針軸に直交する方向であって測定プローブ１での支持軸をＸ軸（水平方向の第１軸）、Ｚ軸及びＸ軸に直交する水平軸をＹ軸（水平方向の第２軸）とする。このような各軸の定義において、Ｚ軸の方向についての力が垂直力、Ｙ軸の方向についての力が水平力である。
ベース部１０は、測定プローブ１の装置側部分を構成しており、支持構造部１５、及びヘッド部３０を装置に対して保持するプローブ保持部となっている。本実施形態においては、このベース部１０は、支持構造部１５をＹ軸の方向で挟む（図２中において左右から挟む）ように配置された一対の支持部１１、１２を有している。また、これらの支持部１１、１２は、それぞれベース部１０の側部からＸ軸に沿って前方に突出するように形成されている。
また、ヘッド部３０は、測定プローブ１の先端側部分を構成しており、その一方側の面（図２中の下面）に探針３１が設けられている。この探針３１は、測定対象となる試料Ｓの表面に向かって、Ｚ軸に沿って下方に突出した状態で設けられている。また、この探針３１は、例えばその先端径が数ｎｍ以下に先鋭化されており、高分解能での表面測定が可能となっている。
これらのベース部１０とヘッド部３０との間には、Ｘ軸を支持軸としてベース部１０に対してヘッド部３０を支持する支持構造部１５が設けられている。測定プローブ１を用いた表面測定では、試料Ｓの表面を走査したときに支持構造部１５に生じる垂直軸・水平軸の方向の変形を測定することによって試料Ｓの表面情報を取得する。本実施形態においては、この支持構造部１５は、ベース部１０側の第１ばね構造部２０と、ヘッド部３０側の第２ばね構造部２５とによって構成されている。
第１ばね構造部（第１変形構造部）２０は、垂直軸（Ｚ軸）の方向について弾性変形が可能に構成されており、試料Ｓの表面測定において、垂直力の測定に用いられる。具体的には、この第１ばね構造部２０は、捩り梁２１、２２と、連結部２３とによって構成されている。捩り梁２１、２２は、それぞれ水平軸の方向に延びるように配置され、ベース部１０と支持構造部１５（捩り梁２１、２２を除く支持構造部１５の他の部分）との間を連結している。また、これらの捩り梁２１、２２は、図３に示すように捩り変形可能に構成されており、これによって捩りばねとして機能する。
また、図２に示す構成においては、一対の支持部１１、１２が設けられたベース部１０の構成に対応して、支持構造部１５の他の部分と一対の支持部１１、１２のそれぞれとの間を連結する一対の捩り梁２１、２２が設けられている。また、連結部２３は、ベース部１０及び第１ばね構造部２０と、第２ばね構造部２５とを連結する部分である。上記した捩り梁２１、２２は、この連結部２３と支持部１１、１２との間に設けられている。
第２ばね構造部（第２変形構造部）２５は、水平軸（Ｙ軸）の方向について弾性変形が可能に構成されており、試料Ｓの表面測定において、水平力の測定に用いられる。具体的には、この第２ばね構造部２５は、２枚の板ばね２６、２７によって構成されている。これらの板ばね２６、２７は、それぞれその板面が水平軸の方向を向くように配置され、図３に示すように撓み変形可能に構成されている。また、２枚の板ばね２６、２７は、互いに平行に配置された平行板ばねを構成している。また、第１ばね構造部２０の連結部２３は、これらの板ばね２６、２７を支持する平行板ばね支持部として機能している。
第２ばね構造部２５の板ばね２６、２７の前方側には、上述したように、表面測定用の探針３１が設けられたヘッド部３０が接続されている。また、このヘッド部３０には、探針３１とは反対側の面（図２中の上面）に、光てこ法による支持構造部１５の変形（第１ばね構造部２０、及び第２ばね構造部２５のそれぞれの変形）の測定に用いられる反射面３２が設けられている。反射面３２は、その反射率が面内で所定の反射パターンで変化するように形成されている。すなわち、反射面３２は、その反射率が面内で異なるように変化する反射パターンで形成されている。
図２及び図３においては、そのような反射面３２の一例として、Ｘ軸方向の反射面３２の中心軸に沿って帯状に延びる第１反射領域３２１と、第１反射領域３２１とは異なる反射率を有する第２反射領域３２２とを含む構成を示している。このような構成において、測定光源４０（図１参照）から光てこ法の測定光が反射面３２に照射されると、その反射光は、反射面３２への測定光の照射パターンと、反射面３２での測定光の反射パターンとによって生成される２次元光像となる。
このような反射光像に対して、反射光像検出用の４分割フォトダイオード４１は、光の入射側（図２、図３の紙面とは反対側）からみて、左上の第１光検出部４１ａ、右上の第２光検出部４１ｂ、左下の第３光検出部４１ｃ、及び右下の第４光検出部４１ｄの４つの光検出部を有する４分割型に構成されている。このような４分割フォトダイオード４１の光入射面において、測定プローブ１の反射面３２からの反射光像は、図３に示すように、反射面３２上での第１反射領域３２１に対応する光像部分Ｒ１と、第２反射領域３２２に対応する光像部分Ｒ２とを含む光像Ｒとして４分割フォトダイオード４１に入射する。
以上の構成において、測定プローブ１の探針３１によって試料Ｓの表面を測定、走査するとともに、支持構造部１５の変形を測定するための測定光を測定光源４０から測定プローブ１へと供給する（測定光供給ステップ）。このとき、上記のように所定の反射パターンを有するヘッド部３０の反射面３２で測定光が反射されることにより、反射光像Ｒが生成される。そして、この反射光像Ｒが、反射光像検出手段である４分割フォトダイオード４１によって検出される（反射光像検出ステップ）。さらに、測定制御装置５０の表面情報処理部５２は、４分割フォトダイオード４１による反射光像Ｒの検出結果に基づいて、試料Ｓの垂直軸の方向についての表面情報（垂直力の情報）、及び水平軸の方向についての表面情報（水平力の情報）の両者を取得する（表面情報処理ステップ）。
特に、この反射光像Ｒでは、支持構造部１５における第１ばね構造部２０の垂直方向についての変形、及び第２ばね構造部２５の水平方向についての変形によって生じるヘッド部３０の変位により、その４分割フォトダイオード４１への入射条件、検出条件等が変化する。具体的には、支持構造部１５の垂直方向、水平方向の変形により、４分割フォトダイオード４１に対する反射光像Ｒ自体の検出位置、あるいは光像Ｒ内での反射光の検出パターンが変化する。表面情報処理部５２では、この反射光像Ｒの位置の変化、及び反射光像Ｒ内での反射光の検出パターンの変化を参照して、試料Ｓの表面情報が取得される。
本実施形態による測定プローブ、試料表面測定装置、及び試料表面測定方法の効果について説明する。
図１〜図３に示した測定プローブにおいては、装置側の固定部であるベース部１０と、試料Ｓ側で探針３１を有するヘッド部３０との間に設けられる支持構造部１５として、探針軸（垂直軸）の方向に変形可能な第１ばね構造部２０、及び第２軸（水平軸）の方向に変形可能な第２ばね構造部２５によって構成された支持構造部１５を用いている。このように、２つのばね構造部２０、２５を設けて、垂直力、水平力を独立に測定する構成によれば、原理的に垂直力・水平力が干渉することが防止され、独立で垂直力・水平力の同時測定を行うことが可能となる。これにより、試料Ｓの表面の測定精度を向上することができる。
さらに、上記の測定プローブ１においては、支持構造部１５の端部に設けられるヘッド部３０に、光てこ法によって支持構造部１５での変形を測定するための反射面３２を設けるとともに、反射面３２内において、その反射率が所定パターンで異なるように変化する構成としている。このような反射面３２に対して測定光源４０からの測定光を照射した場合、図３に４分割フォトダイオード４１で検出される反射光像Ｒを例示したように、得られる反射光において、反射面３２での反射パターンが反映された２次元光像が生成される。
このような２次元の反射光像Ｒに対して、反射光検出用の光検出器として光像についての情報を取得可能な反射光像検出手段を用いることにより、第１ばね構造部２０における垂直軸の方向の変形と、第２ばね構造部２５における水平軸の方向の変形とを、同時に測定することができる。特に、このような構成では、特殊な測定系を用いることなく１本の測定光で試料の表面を測定することができ、通常のＡＦＭ装置に標準装備されている摩擦力顕微鏡の変位検出系をそのまま利用することで、ＡＦＭ装置に容易に組み込むことが可能となる。
また、上記構成の測定プローブ１を用いた試料表面測定装置、及び測定方法では、測定プローブ１に対して測定光を供給してその反射光像Ｒを検出することで、高い測定精度で試料Ｓの表面情報を取得することが可能となる。また、上記したように特殊な測定系を用いる必要がないため、垂直軸、及び水平軸の方向についての表面情報の両者を簡単な構成で取得することが可能となる。
なお、文献２：特開２０００−２５８３３１号公報には、カンチレバーのヘッド上に位置によって測定光の反射角度が異なる反射面を設けることが記載されている。しかしながら、このような構成では、探針が０．１ｎｍ〜１．０ｎｍ程度移動した場合でも反射角度が変化するような反射角度分布で反射面を作製する必要があるが、このような反射面の作製は困難である。これに対して、本発明による測定プローブ１は、ヘッド部３０上に反射率が所定パターンで変化する反射面３２を形成し、この反射面３２で測定光が反射されて得られる反射光像を光検出器面に投影することで、垂直力・水平力の高精度での測定を実現するものである。
ここで、支持構造部１５における第１ばね構造部２０及び第２ばね構造部２５の具体的な構成については、上記したように、試料Ｓの表面測定における垂直力、水平力を独立に測定可能な構成とすることが好ましい。なお、ここでは、ばね構造部とは弾性的に変形する構造部分をいい、例えば板ばね、捩りばね等の様々な形態のものを含む。
垂直力の測定に用いられる第１ばね構造部２０は、上記構成で示した捩り梁２１、２２のように、水平軸の方向に延びるように配置され、支持構造部１５の他の部分とベース部１０との間を連結するとともに、捩れ変形可能な捩り梁を含むことが好ましい。このように捩り梁２１、２２を設けた構成では、捩り梁２１、２２が水平軸上で捩れて垂直軸の方向についての変形を起こすことにより、ヘッド部３０が垂直軸の方向に変位する。このとき、（垂直方向の撓み）×（捩り梁２１、２２の等価的なばね定数）により、試料Ｓの表面での垂直力を精度良く測定することが可能となる。
また、水平力の測定に用いられる第２ばね構造部２５は、上記構成で示した平行板ばね２６、２７のように、それぞれ水平軸の方向を向くように、互いに平行に配置された２枚の板ばねを含むことが好ましい。このように平行板ばね２６、２７を設けた構成では、板ばね２６、２７が水平軸の方向についての変形を起こすことにより、ヘッド部３０が水平軸の方向に変位する。このとき、（水平方向の撓み）×（平行板ばね２６、２７のばね定数）により、試料Ｓの表面での水平力を精度良く測定することが可能となる。
以上のように、水平軸方向に延びる捩り梁２１、２２を有する第１ばね構造部２０と、水平軸方向を向く平行板ばね２６、２７を有する第２ばね構造部２５とを組み合わせて、支持構造部１５を構成することにより、試料Ｓの表面測定において、その垂直力・水平力をそれぞれ高精度で測定することが可能となる。このような支持構造部１５の構造は、垂直力測定用の平行板ばねと水平力測定用の平行板ばねとを組み合わせた構造等に比べて、例えば、支持構造部１５の共振周波数を高く取ることが容易で、主に低周波数域の機械振動からなる外部雑音に影響されにくい構造が得られるなど、垂直力・水平力の分離測定、及びその測定精度などの点で有利である。なお、第２ばね構造部２５を構成する平行板ばねの枚数については、少なくても２枚であれば良く、例えば３枚以上でも良い。
反射光の２次元光像を検出する反射光像検出手段としては、上記したように垂直軸、及び水平軸の方向の変形を測定可能なように光像の情報を取得可能なものであれば、様々な光検出器を用いて良い。そのような光検出器としては、上記実施形態で例示した４分割フォトダイオード４１がある。反射光像検出に４分割フォトダイオード４１を用いることにより、通常のＡＦＭ装置での装備を活用して、第１ばね構造部２０における垂直軸の方向の変形と、第２ばね構造部２５における水平軸の方向の変形とを、好適かつ容易に測定することができる。
また、４分割フォトダイオード以外の光検出器を用いても良い。一般には、反射光像検出手段として、少なくとも４分割された分割型フォトダイオードを用いることが好ましい。このような分割型フォトダイオードとしては、例えば上記した４分割フォトダイオード以外に、１６分割フォトダイオード等が挙げられる。ただし、この分割型フォトダイオードとしては、フォトダイオードの構造、及び分割型フォトダイオードから出力される検出信号の信号処理の簡単化等の観点から、４分割フォトダイオードを用いることが特に好ましい。
また、測定制御装置５０の表面情報処理部５２での表面情報の取得方法については、４分割フォトダイオード４１で検出される反射光像Ｒの位置の変化、及び反射光像Ｒ内での反射光の検出パターンの変化を参照して、表面情報を取得することが好ましい。具体的な表面情報の取得方法については、測定プローブ１のヘッド部３０に設けられた反射面３２での反射パターンに応じて設定することが好ましい。
図４は、図３に示した構成の測定プローブ１及び４分割フォトダイオード４１を用いた場合の試料Ｓの表面情報の取得方法の一例を示す模式図である。ここで、４分割フォトダイオード４１の第１光検出部４１ａから出力される検出信号をＡ、第２光検出部４１ｂから出力される検出信号をＢ、第３光検出部４１ｃから出力される検出信号をＣ、第４光検出部４１ｄから出力される検出信号をＤとする。
試料Ｓの表面測定において、水平力によって第２ばね構造部２５の平行板ばね２６、２７に撓みによる水平方向（第２軸の方向）の変形が生じた場合、ヘッド部３０の反射面３２は水平方向に変位する。このとき、図４（ａ）に示すように、４分割フォトダイオード４１で検出される反射光像Ｒでは、光像Ｒの位置自体は変化せず、反射面３２での反射領域３２１、３２２に対応する光像部分Ｒ１、Ｒ２による光像パターンが水平方向に変位して、光像Ｒ内での反射光の検出パターンが変化する。
このとき、左右の光検出部での検出信号強度の差を次式
（Ａ＋Ｃ）−（Ｂ＋Ｄ）
から求めることにより、支持構造部１５の水平方向の変形、及び試料Ｓの表面情報としての水平力を検出することができる。この場合、４分割フォトダイオードなどの分割型フォトダイオードに対する反射光像の入射条件については、反射光像は、分割型フォトダイオードを構成する複数の光検出部に対し、測定プローブが第２軸の方向に変形した場合の反射光像の変位方向（上記の例では水平方向）について一方側に位置する光検出部（４１ａ、４１ｃ）と、他方側に位置する光検出部（４１ｂ、４１ｄ）とによってそれぞれ検出されるように入射することが好ましい。一般には、反射光像は、反射光像の変位方向について、その方向に並んで位置する少なくとも２つの光検出部によってそれぞれ検出されるように入射することが好ましい。
一方、試料Ｓの表面測定において、垂直力によって第１ばね構造部２０の捩り梁２１、２２に捩れによる垂直方向（探針軸の方向）の変形が生じた場合、ヘッド部３０の反射面３２は垂直方向に変位する。このとき、図４（ｂ）に示すように、４分割フォトダイオード４１で検出される反射光像Ｒでは、光像Ｒ内での反射光の検出パターンは変化せず、光像Ｒ自体の位置が垂直方向に変位する。
このとき、上下の光検出部での検出信号強度の差を次式
（Ａ＋Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ）
から求めることにより、支持構造部１５の垂直方向の変形、及び試料Ｓの表面情報としての垂直力を検出することができる。この場合、４分割フォトダイオードなどの分割型フォトダイオードに対する反射光像の入射条件については、反射光像は、分割型フォトダイオードを構成する複数の光検出部に対し、測定プローブが探針軸の方向に変形した場合の反射光像の変位方向（上記の例では垂直方向）について一方側に位置する光検出部（４１ａ、４１ｂ）と、他方側に位置する光検出部（４１ｃ、４１ｄ）とによってそれぞれ検出されるように入射することが好ましい。一般には、反射光像は、反射光像の変位方向について、その方向に並んで位置する少なくとも２つの光検出部によってそれぞれ検出されるように入射することが好ましい。
このように、図２及び図３に示した構成の測定プローブ１では、４分割フォトダイオード４１で検出される反射光像Ｒの位置の変化によって垂直力を検出し、同時に、反射光像Ｒ内での反射光の検出パターンの変化によって水平力を垂直力とは独立に検出することが可能である。
上記実施形態による測定プローブ１の作製方法について概略的に説明する。図５〜図７は、測定プローブ１の作製方法の一例を示す図である。ここでは、測定プローブ１を作製するための加工材料として電子半導体産業で用いられる単結晶（１００）シリコン基板を用いた例を示している。また、各図において、図５（ｂ）、図６（ｂ）、図７（ｂ）は各工程での基板の平面図、図５（ａ）、図６（ａ）、図７（ａ）はＩ−Ｉ面での断面図、図５（ｃ）、図６（ｃ）、図７（ｃ）はII-II面での断面図を示している。
加工材料として単結晶シリコン基板を用いた場合、化学エッチング液に対する結晶面のエッチング速度の違い（結晶異方性エッチング）、あるいは反応性イオンエッチングなどを利用することにより、板厚さが１μｍのオーダ、幅が１００μｍのオーダの平行板ばねの作製が可能である。このような平行板ばねを用いれば、１ｎＮオーダでの高感度の水平力測定も可能である。また、同様の方法によって厚さが１μｍのオーダ、幅が１０μｍのオーダの捩り梁の作製が可能である。このような捩り梁を用いれば、垂直力測定についても、同様に１ｎＮオーダでの高感度の測定が可能である。この捩り梁の構造としては、例えば、断面が２０×２０μｍ２で長さが１ｍｍ程度の細長い角柱状の構造がある。
図５〜図７に示す測定プローブ１の作製例では、まず、図５に示すように、（１００）シリコン基板１００を用意し、その一方の面（測定プローブ１での下面）１０１側に、探針３１となる突出構造１０２、及び捩り梁２１、２２となる段差構造１０３を形成する。また、他方の面（測定プローブ１での上面）１０６側に、反射面３２での反射パターンとなる溝構造１０７を形成する。この溝構造１０７は、反射面３２において、測定光を反射しない（反射率が低い）第１反射領域３２１となり、それ以外で測定光を反射する第２反射領域３２２とともに反射面３２の反射パターンを構成する。
次に、図６に示すように、シリコン基板１００の面１０１、１０６上に、それぞれシリコン酸化膜１１１、１１６を形成する。また、面１０６上のシリコン酸化膜１１６に対して、図６（ｂ）に破線でその範囲を示すように、シリコンエッチング用のスリット状開口１１７を形成する。
続いて、図７に示すように、シリコン基板１００を水酸化カリウム水溶液に浸漬し、シリコンをエッチングする。このとき、シリコンの結晶異方性から（１００）、（０１０）面が選択的に露出し、（０１０）面による垂直面が形成される。これにより、図７（ｂ）に破線でその範囲を示すように、測定プローブ１において支持構造部１５、及びヘッド部３０となる構造が形成される。
ここで、このシリコン基板１００のエッチングでは、段差構造１０３がエッチングされる前にエッチングを終了する。また、段差構造１０３の下側にあらかじめ、酸化シリコンなどのエッチングされない材料からなる埋込層を設けておいても良い。この場合、段差構造１０３が埋込層によって保護されることとなり、測定プローブの作製の精度、及びその容易性が向上される。最後に、酸化膜をフッ酸水溶液などで除去することによって、測定プローブ１が完成する。なお、図５〜図７においては図示していないが、測定プローブ１のベース部１０についても、同様にシリコン基板から作製することができる。
本発明による測定プローブ、試料表面測定装置、及び試料表面測定方法について、具体的な測定プローブの作製例等とともにさらに説明する。
図１０は、測定プローブの一作製例の全体構成を示すＳＥＭ（Scanning Electron Microscope：走査型電子顕微鏡）画像である。本作製例による測定プローブは、図５〜図７に関して上述した作製方法を用いて作製されたものである。また、図１１は、図１０に示した測定プローブのヘッド部の上面に設けられた反射面の構成を拡大して示すＳＥＭ画像である。また、図１２は、図１０に示した測定プローブのヘッド部の下面に設けられた探針の構成を拡大して示すＳＥＭ画像である。
これらの画像からわかるように、本作製例では、探針３１、及び第１反射領域３２１、第２反射領域３２２を含む反射面３２が設けられたヘッド部３０と、捩り梁２１、２２による第１ばね構造部２０、及び板ばね２６、２７による第２ばね構造部２５を含む支持構造部１５とを含む構成の測定プローブが好適に作製されている。
図１０〜図１２に示した作製例の測定プローブを用いて、試料表面に対する水平力、垂直力の測定を行った。ここでは、測定試料として、シリコン基板にフッ素系の液体潤滑膜を塗布したものを用いた。潤滑膜は、ほぼ平坦であって、かつ適当な摩擦分布を持たせるために、ディップ法により膜厚約３．５ｎｍとなるように塗膜した。また、塗膜後に、紫外線を照射して比較的強く基板に吸着させた後、再度溶剤に浸漬して過剰な潤滑剤を除いた。
このような測定試料に対し、図１０に示した構成の測定プローブを用い、試料表面に対して水平力、及び垂直力の同時測定を行った。ここで、表面測定に用いた測定プローブの水平方向、垂直方向のばね定数の測定値は、それぞれ、２．３Ｎ／ｍ、７．７Ｎ／ｍであった。
図１３は、図１０に示した測定プローブを用いて測定された垂直力についての試料のＡＦＭ画像を示す図である。また、図１４は、図１０に示した測定プローブを用いて測定された水平力についての試料のＦＦＭ画像を示す図である。ここで、図１４のＦＦＭ画像では、信号強度が大きく画像が明るいほど、水平力である摩擦力は小さくなる表示となっている。また、図１５は、図１４に示したＦＦＭ画像のIII−III断面を示すグラフである。
図１３に示すように、コンタクト・モードＡＦＭによる試料の垂直力測定画像では、試料表面には微細構造がほとんど見られない。一方、図１４及び図１５に示す試料の水平力測定画像では、測定試料の潤滑膜の表面上に比較的大きい粒状構造ＰＬ（直径０．７μｍ程度）と、小さい粒状構造ＰＳ（直径０．２μｍ程度）との２種類の粒状構造が生じていることを示す水平力の分布像が得られた。
これらの測定結果は、上記構成の測定プローブでは、水平方向、垂直方向の変形が、互いの干渉がほとんどない独立な状態で生じていることを示し、水平力、垂直力の独立測定が可能であることを示している。また、この測定は荷重一定のコンタクト・モードで行われていることから、図１４に示す水平力分布は摩擦係数の分布に相当すると解釈することができる。
また、上記の測定試料に対し、比較のため、図１６のＳＥＭ画像に示す市販のＦＦＭ測定プローブを用いて試料表面に対する水平力測定を行った。ここで、表面測定に用いたＦＦＭ測定プローブの水平方向のばね定数は、約２００Ｎ／ｍであった。
図１７は、上記した市販のＦＦＭ測定プローブを用いて測定された水平力についての試料のＦＦＭ画像を示す図である。この水平力測定画像では、測定試料の潤滑膜の表面について、粒状構造などの構造が観測されていないことがわかる。これに対して、本発明による測定プローブを用いた図１４の水平力測定画像では、上記したように、比較的大きい粒状構造ＰＬと、小さい粒状構造ＰＳとの２種類の粒状構造が明瞭に観測されている。これは、上記構造の測定プローブの優位性を示すものである。
本発明による測定プローブの好適な構造について、さらに検討する。図２に示した構成の測定プローブ１では、上記したように、垂直力測定に用いられる第１ばね構造部２０の構成について、水平軸の方向に延びるように配置され、支持構造部１５の他の部分とベース部１０との間を連結するとともに、捩れ変形可能な捩り梁を含む構成とすることが好ましい。
このように、捩り梁による第１ばね構造部２０と、平行板ばねによる第２ばね構造部２５とを組み合わせた構成によれば、例えば、ともに平行板ばねからなる第１、第２ばね構造部を２段階に連結した構成等に比べて、水平力と垂直力とを独立性良く測定、制御することができる。また、このような構成では、測定プローブの設計が簡単化されるとともに、その製造工程も容易化される。
また、このように捩り梁を用いた構成では、図２に示すように、測定プローブ全体での支持軸方向の長さが短くなる。このとき、測定プローブの垂直方向についての共振周波数を高くすることができる。このことは、上述したように、低周波数域の成分が多い外部からの振動雑音の影響を受けにくくなるという点で有効である。
上記した共振周波数を高くする効果について、簡単化したモデルで計算を行った。具体的には、図１８の下面図（ａ）、前面図（ｂ）、及び側面図（ｃ）に模式的に示す測定プローブの構成において、第２ばね構造部２５の板ばね２６、２７の長さをｌｄ＝１２００μｍ、幅をｂｄ＝１８５μｍ、厚さをｈｄ＝５μｍ、平行板ばねの間隔をｗｈ＝４００μｍとし、また、ヘッド部３０及び連結部２３の長さをそれぞれｌｈ＝３００μｍに設定した。
そして、このような構成において、第１ばね構造部２０を垂直方向のばね定数が約１３Ｎ／ｍの捩り梁とした場合について計算すると、垂直方向の共振周波数の概略値は約３ｋＨｚとなった。また、同様の構成において、第１ばね構造部２０を垂直方向のばね定数が同じく約１３Ｎ／ｍの平行板ばねとした場合について計算すると、垂直方向の共振周波数の概略値は約２ｋＨｚとなった。この計算結果は、第１ばね構造部２０に捩り梁を用いることにより、共振周波数を高くすることができることを示している。
なお、第１ばね構造部２０としては、個々の測定プローブで必要とされる特性条件等に応じて、平行板ばね等の捩り梁以外の構成を用いることも可能である。また、捩り梁の構成については、図１８に示す構成において、その幅ｂｔと厚さｈｔとが等しい（ｂｔ＝ｈｔ）角柱状の構造を用いることができる。そのような構造の具体例としては、上記したように、ｂｔ＝ｈｔ＝２０μｍとする構造が挙げられる。あるいは、捩り梁の構成として、その幅ｂｔが厚さｈｔよりも大きい（ｂｔ＞ｈｔ）平板状の構造を用いることができる。そのような構造の具体例としては、ｂｔ＝７０μｍ、ｈｔ＝２０μｍとする構造が挙げられる。
本発明による測定プローブ、試料表面測定装置、及び試料表面測定方法は、上記実施形態及び構成例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、ヘッド部に設けられる反射面での反射パターンについては、上記構成例では、支持構造部の支持軸（第１軸）方向の中心軸に沿って帯状に延びる第１反射領域と、第１反射領域とは異なる反射率を有する第２反射領域とを含むパターンとしているが、第１反射領域を中心軸に沿った長方形状の領域とするなど、他の反射パターンを用いても良い。
この場合、ヘッド部の反射面を、その反射率が面内で水平軸（第２軸）の方向において変化する反射パターンで形成することが好ましい。一般には、反射光像検出手段として用いられる光検出器の種類（例えば４分割フォトダイオード）に応じて、その光検出器で変位が識別可能な反射パターンとすることが好ましい。また、ヘッド部の反射面における反射パターンの形成方法については、具体的には様々な方法を用いてよい。例えば、上記した構成例のように第１、第２反射領域を有する反射パターンを形成する場合には、第１反射領域を溝構造によって形成する方法以外にも、例えば反射面の所定の領域に反射防止膜（ＡＲ膜）を形成して第１反射領域とする方法を用いることができる。
ここで、上記実施形態による測定プローブでは、試料の表面を測定するために用いられる測定プローブであって、（１）ベース部と、（２）表面測定用の探針が設けられたヘッド部と、（３）探針が突出する探針軸に略直交する第１軸を支持軸としてベース部に対してヘッド部を支持する支持構造部とを備え、（４）支持構造部は、探針軸の方向について変形可能に構成された第１ばね構造部と、探針軸及び第１軸に略直交する第２軸の方向について変形可能に構成された第２ばね構造部との２つのばね構造部によって構成され、（５）ヘッド部は、探針とは反対側に設けられ、その反射率が面内で所定の反射パターンで変化するように形成された反射面を有する構成を用いている。
また、支持構造部の具体的な構成については、第１ばね構造部は、第２軸の方向に延びるように配置され、支持構造部の他の部分とベース部との間を連結するとともに捩れ変形可能な捩り梁を含むことが好ましい。また、このような構成においては、特に、ベース部が、支持構造部を第２軸の方向で挟むように配置された一対の支持部を有し、第１ばね構造部は、上記捩り梁として、支持構造部の他の部分と一対の支持部のそれぞれとの間を連結する一対の捩り梁を含むことが好ましい。このように捩り梁を設けた構成では、捩り梁が第２軸（水平軸）上で捩れて探針軸（垂直軸）の方向に変形して捩りばねとして機能することにより、ヘッド部が垂直軸の方向に変位する。これにより、試料表面での垂直力を好適に測定することが可能となる。
また、第２ばね構造部は、それぞれ第２軸の方向を向くように互いに平行に配置された少なくとも２枚の板ばねを含むことが好ましい。このように、平行板ばねを設けた構成では、板ばねが第２軸（水平軸）の方向に変形することにより、ヘッド部が水平軸の方向に変位する。これにより、試料表面での水平力を好適に測定することが可能となる。
また、ヘッド部の反射面における測定光の反射パターンについては、ヘッド部の反射面は、その反射率が面内で第２軸の方向において変化する反射パターンで形成されていることが好ましい。このように第２軸の方向に変化する反射パターンとしては、好ましくは、第１軸の方向の中心軸に沿って延びる第１反射領域と、第１反射領域とは異なる反射率を有する第２反射領域とを少なくとも含む反射パターンを用いることができる。このような反射パターンによれば、光てこ法による支持構造部の変形の測定、及びそれによる垂直力及び水平力の測定を好適に実現することができる。
上記実施形態による試料表面測定装置では、（ａ）試料の表面を測定するための上記測定プローブと、（ｂ）測定プローブでの支持構造部の変形を測定するための測定光を供給する測定光供給手段と、（ｃ）測定プローブのヘッド部に設けられた反射面で測定光が反射されて生成された反射光像を検出する反射光像検出手段と、（ｄ）反射光像検出手段での反射光像の検出結果に基づいて、試料の表面情報を取得する表面情報処理手段とを備え、（ｅ）反射光像検出手段で検出される反射光像は、測定光の反射面への照射パターンと、反射面での反射パターンとによって生成される２次元光像であり、（ｆ）表面情報処理手段は、反射光像の検出結果に基づいて、探針軸の方向についての表面情報、及び第２軸の方向についての表面情報の両者を取得する構成を用いている。
また、上記実施形態による試料表面測定方法では、（ａ）試料の表面を測定するための上記測定プローブを用い、（ｂ）測定プローブでの支持構造部の変形を測定するための測定光を供給する測定光供給ステップと、（ｃ）測定プローブのヘッド部に設けられた反射面で測定光が反射されて生成された反射光像を検出する反射光像検出ステップと、（ｄ）反射光像検出ステップでの反射光像の検出結果に基づいて、試料の表面情報を取得する表面情報処理ステップとを備え、（ｅ）反射光像検出ステップにおいて検出される反射光像は、測定光の反射面への照射パターンと、反射面での反射パターンとによって生成される２次元光像であり、（ｆ）表面情報処理ステップにおいて、反射光像の検出結果に基づいて、探針軸の方向についての表面情報、及び第２軸の方向についての表面情報の両者を取得する構成を用いている。
上記した試料表面測定装置、及び測定方法においては、上記構成の測定プローブを用いることにより、特殊な測定系を用いることなく、測定プローブに対して測定光を供給してその反射光像を検出することで、高い測定精度で試料の表面情報を取得することが可能となる。特に、測定プローブのヘッド部に設けられた反射面での反射パターンに対応した２次元光像となる反射光像を検出することにより、第１ばね構造部における垂直軸の方向の変形と、第２ばね構造部における水平軸の方向の変形とを、１本の測定光で測定することができ、垂直軸、及び水平軸の方向についての表面情報の両者を簡単な構成で取得することが可能となる。
ここで、試料表面測定装置は、反射光像検出手段が、反射光像を検出する少なくとも４分割された分割型フォトダイオードを有することが好ましい。同様に、試料表面測定方法は、反射光像検出ステップにおいて、反射光像を少なくとも４分割された分割型フォトダイオードによって検出することが好ましい。このように、分割型フォトダイオードで反射光像を検出することにより、第１ばね構造部における垂直軸の方向の変形と、第２ばね構造部における水平軸の方向の変形とを好適に測定することができる。また、この分割型フォトダイオードとしては、フォトダイオードの構造、及び分割型フォトダイオードから出力される検出信号の信号処理の簡単化等の観点から、４分割フォトダイオードを用いることが特に好ましい。
また、上記のように反射光像検出に分割型フォトダイオードを用いた場合、反射光像は、分割型フォトダイオードを構成する複数の光検出部に対し、測定プローブが探針軸の方向に変形した場合の反射光像の変位方向について、その方向に並んで位置する少なくとも２つの光検出部によってそれぞれ検出されるように入射することが好ましい。また、反射光像は、分割型フォトダイオードを構成する複数の光検出部に対し、測定プローブが第２軸の方向に変形した場合の反射光像の変位方向について、その方向に並んで位置する少なくとも２つの光検出部によってそれぞれ検出されるように入射することが好ましい。このような構成は、例えば、測定プローブの反射面から分割型フォトダイオードへと反射光像を導く導光光学系を適切に設計することで実現することができる。
また、測定装置は、表面情報処理手段が、反射光像の位置の変化、及び反射光像内での反射光の検出パターンの変化を参照して、表面情報を取得することが好ましい。同様に、測定方法は、表面情報処理ステップにおいて、反射光像の位置の変化、及び反射光像内での反射光の検出パターンの変化を参照して、表面情報を取得することが好ましい。具体的な表面情報の取得方法については、測定プローブのヘッド部に設けられた反射面での反射パターンに応じて設定することが好ましい。
本発明は、特殊な測定系を用いることなく試料表面の測定精度を向上することが可能な測定プローブ、測定プローブを用いた試料表面測定装置、及び試料表面測定方法として利用可能である。

Claims (16)

  1. 試料の表面を測定するために用いられる測定プローブであって、
    ベース部と、
    表面測定用の探針が設けられたヘッド部と、
    前記探針が突出する探針軸に略直交する第１軸を支持軸として前記ベース部に対して前記ヘッド部を支持する支持構造部とを備え、
    前記支持構造部は、前記探針軸の方向について変形可能に構成された第１ばね構造部と、前記探針軸及び前記第１軸に略直交する第２軸の方向について変形可能に構成された第２ばね構造部との２つのばね構造部によって構成され、
    前記ヘッド部は、前記探針とは反対側に設けられ、その反射率が面内で異なるように変化する反射パターンで形成された反射面を有することを特徴とする測定プローブ。
  2. 前記第１ばね構造部は、前記第２軸の方向に延びるように配置され、前記支持構造部の他の部分と前記ベース部との間を連結するとともに捩れ変形可能な捩り梁を含むことを特徴とする請求項１記載の測定プローブ。
  3. 前記ベース部は、前記支持構造部を前記第２軸の方向で挟むように配置された一対の支持部を有し、
    前記第１ばね構造部は、前記捩り梁として、前記支持構造部の他の部分と前記一対の支持部のそれぞれとの間を連結する一対の捩り梁を含むことを特徴とする請求項２記載の測定プローブ。
  4. 前記第２ばね構造部は、それぞれ前記第２軸の方向を向くように互いに平行に配置された少なくとも２枚の板ばねを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の測定プローブ。
  5. 前記ヘッド部の前記反射面は、その反射率が面内で前記第２軸の方向において変化する前記反射パターンで形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の測定プローブ。
  6. 前記ヘッド部の前記反射面は、前記第１軸の方向の中心軸に沿って延びる第１反射領域と、前記第１反射領域とは異なる反射率を有する第２反射領域とを少なくとも含む前記反射パターンで形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の測定プローブ。
  7. 試料の表面を測定するための請求項１〜６のいずれか一項記載の測定プローブと、
    前記測定プローブでの前記支持構造部の変形を測定するための測定光を供給する測定光供給手段と、
    前記測定プローブの前記ヘッド部に設けられた前記反射面で前記測定光が反射されて生成された反射光像を検出する反射光像検出手段と、
    前記反射光像検出手段での前記反射光像の検出結果に基づいて、前記試料の表面情報を取得する表面情報処理手段とを備え、
    前記反射光像検出手段で検出される前記反射光像は、前記測定光の前記反射面への照射パターンと、前記反射面での前記反射パターンとによって生成される２次元光像であり、
    前記表面情報処理手段は、前記反射光像の前記検出結果に基づいて、前記探針軸の方向についての表面情報、及び前記第２軸の方向についての表面情報の両者を取得することを特徴とする試料表面測定装置。
  8. 前記反射光像検出手段は、前記反射光像を検出する少なくとも４分割された分割型フォトダイオードを有することを特徴とする請求項７記載の試料表面測定装置。
  9. 前記反射光像は、前記分割型フォトダイオードを構成する複数の光検出部に対し、前記測定プローブが前記探針軸の方向に変形した場合の前記反射光像の変位方向について、その方向に並んで位置する少なくとも２つの光検出部によってそれぞれ検出されるように入射することを特徴とする請求項８記載の試料表面測定装置。
  10. 前記反射光像は、前記分割型フォトダイオードを構成する複数の光検出部に対し、前記測定プローブが前記第２軸の方向に変形した場合の前記反射光像の変位方向について、その方向に並んで位置する少なくとも２つの光検出部によってそれぞれ検出されるように入射することを特徴とする請求項８または９記載の試料表面測定装置。
  11. 前記表面情報処理手段は、前記反射光像の位置の変化、及び前記反射光像内での前記反射光の検出パターンの変化を参照して、前記表面情報を取得することを特徴とする請求項７〜１０のいずれか一項記載の試料表面測定装置。
  12. 試料の表面を測定するための請求項１〜６のいずれか一項記載の測定プローブを用い、前記測定プローブでの前記支持構造部の変形を測定するための測定光を供給する測定光供給ステップと、
    前記測定プローブの前記ヘッド部に設けられた前記反射面で前記測定光が反射されて生成された反射光像を検出する反射光像検出ステップと、
    前記反射光像検出ステップでの前記反射光像の検出結果に基づいて、前記試料の表面情報を取得する表面情報処理ステップとを備え、
    前記反射光像検出ステップにおいて検出される前記反射光像は、前記測定光の前記反射面への照射パターンと、前記反射面での前記反射パターンとによって生成される２次元光像であり、
    前記表面情報処理ステップにおいて、前記反射光像の前記検出結果に基づいて、前記探針軸の方向についての表面情報、及び前記第２軸の方向についての表面情報の両者を取得することを特徴とする試料表面測定方法。
  13. 前記反射光像検出ステップにおいて、前記反射光像を少なくとも４分割された分割型フォトダイオードによって検出することを特徴とする請求項１２記載の試料表面測定方法。
  14. 前記反射光像は、前記分割型フォトダイオードを構成する複数の光検出部に対し、前記測定プローブが前記探針軸の方向に変形した場合の前記反射光像の変位方向について、その方向に並んで位置する少なくとも２つの光検出部によってそれぞれ検出されるように入射することを特徴とする請求項１３記載の試料表面測定方法。
  15. 前記反射光像は、前記分割型フォトダイオードを構成する複数の光検出部に対し、前記測定プローブが前記第２軸の方向に変形した場合の前記反射光像の変位方向について、その方向に並んで位置する少なくとも２つの光検出部によってそれぞれ検出されるように入射することを特徴とする請求項１３または１４記載の試料表面測定方法。
  16. 前記表面情報処理ステップにおいて、前記反射光像の位置の変化、及び前記反射光像内での前記反射光の検出パターンの変化を参照して、前記表面情報を取得することを特徴とする請求項１２〜１５のいずれか一項記載の試料表面測定方法。
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