WO2005010502A1 - 走査型プローブ顕微鏡の深針交換方法 - Google Patents

Abstract

探針20を備えるカンチレバー21と、探針・試料間の物理量を測定する測定部を備え、試料表面を測定する走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法である。走査型プロープ顕微鏡は、カンチレバーの取付け部22と、カンチレバーカセット30と、カンチレバーカセットを移動させるXYステージ14とZステージ15と、光学顕微鏡18を備える。上記の走査型プローブ顕微鏡において、カンチレバー取付け部とカンチレバーカセットの間の位置合せを行い、カンチレバーカセットからカンチレバーを選んでカンチレバー取付け部に装着する第1ステップと、カンチレバー装着後に、光学顕微鏡装置を移動させ、装着されたカンチレバーを観察視野の所定位置に設定する第2ステップとを含む。第2ステップでは、光学顕微鏡側またはカンチレバー側を移動させて位置調整を行うステップを設ける。

Description

明 細 書 走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法

技術分野

本発明は走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法に関し、 特に、 探針の 交換を短時間でかつ高い位置決め精度で自動的に交換するのに適した走 查型プローブ顕微鏡の探針交換方法に関する。

背景技術

走査型プローブ顕微鏡 （S P M ) は、 従来、 原子のオーダまたはサイ ズの微細な対象物を観察できる測定分解能を有する測定装置として知ら れている。 近年、 走査型プローブ顕微鏡は、 半導体デバイスが作られた 基板やウェハの表面の微細な凹凸形状の測定など各種の分野に適用され ている。 測定に利用する検出用物理量に応じて各種のタイプの走査型プ 口一ブ顕微鏡がある。 例えばトンネル電流を利用する走査型トンネル顕 微鏡 （S T M ) 、 原子間力を利用する原子間力顕微鏡 （A F M ) 、 磁気 力を利用する磁気力顕微鏡等があり、 それらの応用範囲も拡大しつつあ る。

上記のうち原子間力顕微鏡は、 試料表面の微細な凹凸形状を高分解能 で検出するのに適し、 半導体基板、 ディスクなどの分野で実績を上げて いる。 最近ではインライン自動検査工程の用途でも使用されてきている, 原子間力顕微鏡は、 基本的な構成として、 原子間力顕微鏡の原理に基 づく測定装置部分を備える。 通常、 圧電素子を利用して形成されたトラ イボッ ド型あるいはチューブ型の X Y Z微動機構を備え、 この X Y Z微 動機構の下端に、 先端に探針が形成されたカンチレバーが取り付けられ ている。 探針の先端は試料の表面に対向している。 上記カンチレバーに 対して例えば光てこ式光学検出装置が配備される。 すなわち、 カンチレ バーの上方に配置されたレ一ザ光源 （レーザ発振器） から出射されたレ 一ザ光がカンチレバーの背面で反射され、 光検出器より検出される。 力 ンチレバ一において捩れゃ撓み等の変形で変位が生じると、 光検出器に おけるレーザ光の入射位置が変化する。 従って探針および力ンチレバー で変位が生じると、 光検出器から出力される検出信号で当該変位の方向 および量を検出できる。 上記の原子間力顕微鏡の構成について、 制御系 として、 通常、 比較器、 制御器が設けられる。 比較器は、 光検出器から 出力される検出電圧信号と基準電圧とを比較し、 その偏差信号を出力す る。 制御器は、 当該偏差信号が 0になるように制御信号を生成し、 この 制御信号を X Y Z微動機構内の Z微動機構の部分に与える。 こうして、 試料と探針の間の距離を一定に保持するフィ一ドバックサ一ポ制御系が 形成される。 上記の構成によって探針を試料表面の微細凹凸に追従させ ながら走査し、 その形状を測定することができる。

原子間力顕微鏡が発明された当時は、 その高分解能性を利用して n m (ナノメ一トル） 以下のオーダの表面微細形状の測定が中心課題であつ た。 しかし現在では、 走査型プローブ顕微鏡は半導体デバイスのインラ ィン製作装置の途中の段階で検査を行うィンライン自動検査までその使 用範囲が拡大してきている。 このような状況になると、 実際の検査工程 では、 基板またはウェハの上に作られた半導体デバイスの表面の微細凹 凸形状において非常に急峻な凹凸を測定することが要求される。

次に従来の原子間力顕微鏡の探針の取付け構造を説明する。 通常、 探 針は力ンチレバ一の先端部に下面に形成されている。 力ンチレバーは所 要の弾性を有する片持ち梁状のレバー部材である。 従って探針の取付け 構造は、 すなわちカンチレバーの取付け構造であり、 カンチレバーの取 付け構造と実質的に同じ技術内容となる。 前述の通り、 カンチレバ一は- X Y Z微動機構の下端、 特に Z微動機構の部分の下端に取り付けられる ₍ カンチレバ一の取付け構造を詳細に説明する。 カンチレバーは、 先端 部の下面に探針を有すると共に、 その後端部 （基部） にカンチレバ一ホ ルダを有する。 カンチレバーホルダは、 カンチレバーの部分とサイズお よび形状の観点で比較すると、 比較的に面積の大きな例えば矩形平板状 の部分となっている。 Z微動機構の下側にはカンチレバーを取り付ける ためのカンチレバー取付け部を備えている。 このカンチレバー取付け部 は、 例えば空気吸引機構による吸引作用 （真空吸着） によってカンチレ バーホルダを吸着することにより、 力ンチレバ一を Z微動機構の下部に 固定 · 装着している。

上記原子間力顕微鏡等の走査型プローブ顕微鏡における大きな問題は 探針の交換である。 現状の技術では、 探針と試料の接触状態をできるだ け少なくするために各種の測定モードが提案されている。 しかしながら、 探針と試料の接触は完全になくすことはできず、 探針先端の磨耗は避け ることができない。 そのため、 探針が磨耗すれば、 走査型プロ一ブ顕微 鏡の取付け部からカンチレバ一を取り外して新しいカンチレバ一と交換 しなければならない。 また測定対象の多様化によって、 異なる種類の力 ンチレバ一 （探針） を予め用意し、 状祝に応じてカンチレバーを適宜な タイミングで交換することも必要となる。 特に、 半導体製造ラインに走 查型プローブ顕微鏡によるィンライン検査工程を設ける場合には探針交 換の自動化が重要となる。 この場合において、 特に、 探針を備えたカン チレバーをカンチレバー取付け部に取り付けるための仕組みが重要であ る。

走査型プローブ顕微鏡において自動的に探針を交換する技術としては 特許第 3 1 7 6 9 3 1号公報に開示された技術がある。 この特許第 3 1 7 6 9 3 1号公報に記載された走査型プローブ顕微鏡では、 自動的に探 針の交換を行いかつその位置合せを行う構成および機能を有している。 特許第 3 1 7 6 9 3 1号公報による走査型プローブ顕微鏡では、 試料ス テ一ジ上の試料ホルダの近傍であって試料ステージ上にカンチレバー力 セッ ト設置台 （設置ポート） が設けられ、 この設置台にカンチレバー力 セッ トが備えられる。 カンチレバーカセッ トは、 複数の収容部を有し、 複数のカンチレバ一がそれぞれの収容部に収容されている。 また、 走査 型プローブ顕微鏡の微動機構部 （スキャナ） の下部には、 吸引機構を有 するカンチレバー取付け部が設けられ、 これによる吸引作用に基づき力 ンチレバーが取り付けられ、 装着されている。

上記の構成において、 微動機構部の下部に装着されているカンチレバ 一を交換するときには、 例えば試料ステージを移動させることにより相 対的に微動機構部を力ンチレバーカセッ トの設置箇所に移動させ、 吸引 作用を解除してカンチレバーカセッ トの空き収容部にそれまで使用して いたカンチレバーを取り外して置き、 次に微動機構部を新たなカンチレ バーの箇所に移動させ、 再び吸引作用に基づき新たなカンチレバ一を装 着する。

上記のカンチレバーの交換では、 微動機構部と、 カンチレバーカセッ トの所定の空き収容部や新たな力ンチレバ一等との位置合せは、 例えば 光学顕微鏡による観察に基づいて行われる。 具体的には、 観察視野の画 像をテレビカメラで取得し、 当該画像を元にカンチレバ一の存在位置を 自動的に認識し、 取付けのための位置を確定し、 試料ステージ内の Zス テージにより接近動作を行い、 吸引装置による吸着作用に基づきカンチ レバーの取付けを完了する。

以上によって、 走査型プローブ顕微鏡において力ンチレバーの自動交 換すなわち探針の自動交換を実現することができる。 なお、 実際には、 その後において次の S P M測定が行えるように、 レーザ光をカンチレバ 一の背面に照射するための光学検出装置の位置等の設定、 光軸合せが行 われる。

上記特許第 3 1 7 6 9 3 1号公報に記載された探針の自動交換方法で は、 探針交換に時間がかかるという問題がある。 その第 1の理由は、 取 付け方法として真空吸着方式を利用するが、 吸着の際に取付け位置がず れ、 最悪の場合には一度取り外して取り付けなおすことが少なからず発 生することである。 第 2の理由は、 探針の取付け前に位置を確定する方 式であるため、 位置決めの正確さが要求され、 また取付けの動作が複雑 になるため、 交換に時間を要することである。 これらの理由は複合的に 絡んでいる。

特許第 3 1 7 6 9 3 1号公報による探針の自動交換方法で力ンチレバ 一を取り付けるプロセスをステップで示すと、 次の通り 9段階で表され る。

( 1 ) XY移動 ： 取り付けようとするカンチレバーの位置をカンチ レバー取付け部の位置に合わせる。

( 2 ) Zステージによる移動 ： 力ンチレバーホルダが力ンチレバー 取付け部に接触しない状態で試料ステージの Zステージによって位置調 整する。 先端部の位置合せのため非接触状態にされる。

( 3 ) 光学顕微鏡によるフォーカス ： カンチレバーの背面に光学顕 微鏡の焦点を合わせる。

(4) カンチレバーの位置の認識： カメラで取得した画像を利用し たパターン認識で力ンチレバーの位置を確認する。

( 5 ) XYステージの微調整： ステップ （4) の結果に従ってカン チレバーが光学顕微鏡の観察視野における所定位置 （通常は中心位置） になるように試料ステージの X Yステージを微調整する。

( 6 ) 力ンチレバーの取付け ： Zステージを上昇させ、 カンチレバ 一を取り付ける。 通常は真空吸着を用いる。

( 7 ) 光学顕微鏡によるフォーカス ： カンチレバーの背面に光学顕 微鏡の焦点を合わせる。

( 8 ) カンチレバーの位置の認識 ·確認 ： カメラによる画像を利用 して力ンチレバーの取付け状態での位置を確認する。

( 9 ) 取外し ： ステップ （ 8 ) でカンチレバーの取付けで失敗の時 にはカンチレバーを取り外し、 ステップ （ 2 ) に戻ってやり直す。

以上のように、 従来の探針の自動交換方法によれば、 真空吸着等を利 用する方式においては力ンチレバー取付け時の取付け誤差をなくすこと は難しく、 位置ずれが生じやすい。 位置ずれが大きい場合には、 カンチ レバーの位置が光学顕微鏡の観察視野の外側になる場合がある。 このよ うな場合には、 カンチレバーの取付け作業をやり直すことになる。 この ような従来の探針の自動交換方法は、 プロセスのステツプが多くかつ複 雑になっており、 取付け位置に誤差が生じた場合には取付け作業のやり 直しが必要となる。

また探針すなわちカンチレバ一を交換した後には、 力ンチレバーの弾 性歪みを検出する光学検出機構において、 使用するレーザ光の照射位置 を、 レーザ光源を移動して設定する作業や、 レーザ光源から発せられ、 力ンチレバーで反射したレーザ光を受光する光検出器の位置を移動して. 光検出器上の検出位置を所定の位置に調整する作業などがあり、 調整に 多くの時間がかかっている。

従って、 探針の交換作業には多くの時間がかかることになる。

本発明の目的は、 上記の課題に鑑み、 短時間で高精度に探針の取付け あるいは交換を自動的に行うことができる走査型プローブ顕微鏡の探針 交換方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、 カンチレバー （探針） を取付けあるいは交換を 自動的に行った後において、 力ンチレバーの取付け状態を自動的に判定 し、 さらにカンチレバーの変位を検出する光学的検出装置の光源と光検 出器の各位置を自動的に調整できる走査型プローブ顕微鏡の探針交換方 法を提供することにある。 発明の開示

本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法は、 上記目的を達 成するために、 次のように構成される。

第 1の観点による走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法は、 試料に対 して探針が向くように設けられたカンチレバーと、 探針が試料の表面を 走査するとき探針と試料の間で生じる物理量を測定する測定部 （光てこ 式光学検出装置、 フィードバックサーボ制御系、 走査装置、 X Y Zの微 動機構、 データ処理等の制御装置等から成る部分） を備え、 この測定部 で上記物理量を一定に保ちながら探針で試料の表面を走査して試料の表 面を測定するように構成された走査型プローブ顕微鏡での上記探針の交 換方法である。 この走査型プローブ顕微鏡は、 さらに、 カンチレバーを 着脱する機構 （空気吸引装置等による真空吸着機構） を備えたカンチレ バー取付け部と、 複数のカンチレバーを収容 · 保管するカンチレバー保 管部 （カンチレバーカセッ ト） と、 カンチレバー保管部の位置を移動さ せる第 1移動機構 （X Yステージと Zステージ） と、 装着状態のカンチ レバーの位置を観察する観察装置とを備える。 上記の走査型プローブ顕 微鏡において、 本発明に係る探針交換方法は、 第 1移動機構でカンチレ バー取付け部とカンチレバー保管部との間の位置合せを行い、 カンチレ バー保管部から 1つのカンチレバーを選んで力ンチレバ一取付け部に装 着するステップと、 カンチレバー装着後に、 観察装置とカンチレバーの 相対的な位置を変更させ、 装着されたカンチレバーを観察装置の観察視 野の所定位置に設定するステップと、 を含んで成る方法である。 これに より探針の交換は作業全体が少ないステツプ数で自動的に行われる。 第 2移動機構によって観察装置を移動させることにより、 カンチレバ —を観察装置の観察視野の所定位置に設定することを特徴とする。 観察 装置はその位置を第 2移動機構によって X Y平面内で移動するように構 成されている。

上記の探針交換方法において、 好ましくは、 第 1移動機構によって移 動する位置決め機構によりカンチレバー側を移動させることにより、 力 ンチレバーを観察装置の観察視野の所定位置に設定することを特徴とす る。

上記の探針交換方法において、 好ましくは、 観察装置は光学顕微鏡で あり、 この光学顕微鏡および T Vカメラで得られる画像を利用してパタ ーン認識処理を行って、 装着されたカンチレバーの装着位置を特定する 方法である。

上記の探針交換方法において、 好ましくは、 上記所定位置は観察視野 の中心位置であることで特徴づけられる。

第 2の観点による走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法は、 先端に探 針を有しかつ基端にカンチレバ一ホルダを有するカンチレバーと、 探針 が試料の表面を走査するとき探針と試料の間で生じる物理量を測定する 測定部を備え、 この測定部で物理量を一定に保ちながら探針で試料の表 面を走査して前記試料の表面を測定するように構成される走査型プロ一 ブ顕微鏡に適用される。 この走査型プローブ顕微鏡は、 さらに、 カンチ レバーホルダを介してカンチレバ一を脱着する機構を備えたカンチレバ 一取付け部と、 複数のカンチレバーを保管するカンチレバー保管部と、 力ンチレバー保管部の位置を移動させる第 1移動機構と、 装着状態の力 ンチレバ一の位置を観察する観察装置とを備える。 さらに走査型プロ一 ブ顕微鏡は、 第 1移動機構によって移動する、 カンチレバー取付け部に 取り付けられた力ンチレバーの位置を調整する位置決め機構を備える。 以上の構成を有する走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法は、 カンチレ バ一保管部との間の位置合せを行い、 力ンチレバ一保管部から 1つの力 ンチレバーを選んでこのカンチレバーをカンチレバーホルダを介して力 ンチレバ一取付け部に装着するステップと、 第 1移動機構で、 カンチレ バーを装着した力ンチレバ一取付け部と位置決め機構との間の位置合せ を行うステップと、 選んだ力ンチレバーをカンチレバー取付け部に装着 した後に、 装着された力ンチレバーを観察装置で撮像するステツプと、 位置決め機構により力ンチレバー取付け部に対するカンチレバーの位置 を変化させて観察装置の観察視野内で所定位置に移動させるステツプと、 を含む。

上記の探針交換方法において、 好ましくは、 位置決め機構は、 カンチ レバー取付け部に取り付けられたカンチレバーホルダの側面を押す押し 部材を有する。

上記の採針交換方法において、 好ましくは、 押し部材は、 平面形状が 矩形のカンチレバーホルダの 2辺の側面に接触する L字型押し部材であ る。

上記の探針交換方法において、 好ましくは、 カンチレバー取付け部に 取り付けられたカンチレバーの取付け状態を判定するステツプを含んで いる。

上記の探針交換方法において、 好ましくは、 カンチレバーの先端位置 を検出してその座標値を記憶するステツプと、 記憶した座標値に基づい て、 力ンチレバーにレ一ザ光を照射しカンチレバーの撓みを検出するレ 一ザ光を発生する光学検出装置のレーザ光源と光検出器の位置を光軸調 整のため調整するステップと、 を含む。

上記の探針交換方法において、 好ましくは、 観察装置は光学顕微鏡で あり、 この光学顕微鏡で得られる画像を利用してパターン認識および画 像処理を行うステツプと、 力ンチレバー取付け部に取り付けられたカン チレバーの取付け位置を特定するステツプを備える。

上記の探針交換方法において、 好ましくは、 カンチレバーの取付け位 置を特定する際、 観察装置により得られる画像の画像処理を行うことに よりカンチレバーの先端位置や中心軸の座標値を検出するステツプと、 座標値を記憶するステツプを備える。

上記の探針交換方法において、 好ましくは、 記憶したカンチレバーの 先端位置や中心軸の座標値に基づき、 カンチレバ一の種類に応じたレー ザ光の力ンチレバーへの照射目標位置範囲を計算するステツプと、 観察 装置により得られる画像と光検出器からの出力信号とを用いて、 第 2移 動機構でレーザ光源の位置を相対的に移動しながら、 力ンチレバーに照 射するレーザ光の照射位置を照射目標範囲内の所定位置に自動的に設定 するステップと、 を備える。

上記の探針交換方法において、 好ましくは、 位置や中心軸の座標値に 基づいて、 第 3移動機構で光検出器の位置を相対的に移動し、 光検出器 上でのレーザ光の受光位置を所定位置に自動的に設定するステツプを備 える。

原子間力顕微鏡等の走査型プローブ顕微鏡によって例えば半導体デバ イスが製作された基板等の試料をィンライン自動検査工程で計測 ·検査 する場合、 自動計測のアルゴリズムに従って探針を走査して試料表面の 凹凸形状を計測する。 測定対象である試料は一定の時間間隔で継続して 搬入されてくるので、 例えば所定数の試料の自動計測が済むと、 探針の 先端が磨耗し、 新しい探針への交換作業が必要となる。 探針の交換では、 使用中の力ンチレバーをカンチレバ一取付け部から取り外し、 新しい力 ンチレバーをカンチレバー取付け部に取り付ける。 複数のカンチレバー は、 カンチレバー保管部に予め保管されている。 取り外したカンチレバ —はカンチレバー保管部の所定の空き収容部に収容され、 新しいカンチ レバ一は力ンチレバー保管部の複数の力ンチレバーの中から 1つが選択 される。

カンチレバー保管部の複数のカンチレバーのそれぞれの位置は、 試料 ステージ上で設定された座標系において予め座標管理等の方法で確定し ており、 制御装置の記憶部でそれらの位置データは管理されている。 新 しいカンチレバ一をカンチレバー取付け部に装着するとき、 第 1移動機 構でカンチレバー保管部を移動させる。 通常、 X Yステージで当該新し いカンチレバーが取付け部の位置に一致させられ、 Zステージにより当 該カンチレバ一をカンチレバー取付け部の方向に接近移動させ、 カンチ レバーをカンチレバー取付け部に装着させる。 力ンチレバ一を装着した 後において、 例えば第 2移動機構で光学顕微鏡等を移動させて力ンチレ バーの位置をその観察視野の中心位置等に調整する。 光学顕微鏡等の観 察視野から外れた位置にカンチレバ一があるときには、 探索アルゴリズ ムによって力ンチレバーを発見し、 最終的には同様に中心位置等に来る ように位置調整を行う。

第 1の観点による走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法では、 カンチ レバーを取り付ける前にその位置を調整する方式ではなく、 取り付けた 後において装着された力ンチレバーの位置を観察装置で微調整するよう にした方式であるので、 取付け直しの作業が発生しない。 従って取付け 時の事前の位置微調整が省略でき、 取付け後に取付け直しが不要となり、 交換のための制御ステツプ数が少なくて済み、 極めて短時間で探針交換 を行うことが可能となる。

第 2の観点による走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法では、 カンチ レバ一を取り付ける前にその位置を調整する方式ではなく、 取り付けた 後において装着された力ンチレバーの位置を観察装置で観察しながら力 ンチレバー取付け部に対するカンチレバーの取付け位置をカンチレバー 側を移動し変化させて微調整するようにした方式であるので、 取付け直 しの作業が発生しない。 従って取付け時の事前の位置微調整が省略でき、 取付け後に取付け直しが不要となり、 交換のための制御ステツプ数が少 なくて済み、 極めて短時間で探針交換を行うことが可能となる。 さらに 光学検出装置の光軸調整も自動的にできるので正確な測定状態を作るこ とができる。

本発明によれば、 走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法において、 新 しいカンチレバーを取付け部に取付け装着したとき、 カンチレバ一の取 付け位置を光学顕微鏡等によって微調整して取付け誤差をなくすように したため、 取付け部に装着したカンチレバーにおいて誤差が生じていた としても取付け直しの作業は発生せず、 交換のためのステップ数を減ら すことができ、 極めて短時間に交換することができる。 図面の簡単な説明

図 1は、 本発明の第 1実施形態に係る探針交換方法が適用される走査 型プローブ顕微鏡の全体的な構成を示す構成図である。

図 2は、 本発明の第 1実施形態における試料ステージの具体的な構成 を示す斜視図である。

図 3は、 カンチレバーカセッ トの具体例の平面図である。

図 4は、 図 3における A— A線断面図である。

図 5は、 本発明に係る走査型プローブ顕微鏡がィンライン自動検查ェ 程として用いられる構成を示したブロック図である。

図 6は、 探針交換におけるカンチレバ一取付け動作のプロセスを示す フローチャートである。

図 7は、 光学顕微鏡による観察視野の状況を説明する図である。

図 8は、 本発明の第 2実施形態に係る探針交換方法が適用される走査 型プローブ顕微鏡の全体的な構成を示す構成図である。

図 9は、 本発明の第 2実施形態における試料ステージの具体的な構成 を示す斜視図である。

図 1 0は、 位置決め機構の押し部材の平面図である。

図 1 1は、 位置決め機構の押し部材の側面図である。

図 1 2は、 位置決め機構の押し部材の動作状態を示す平面図である。 図 1 3は、 第 2実施形態において取付け部に取り付けられたカンチレ バーュニッ トを位置決め機構に移動させる状態を示す平面図である。

図 1 4は、 光学顕微鏡の観察視野における画面中心とカンチレバーと の位置合せを示す画面図である。

図 1 5 Aは、 本発明の第 2実施形態に係る自動的探針交換方法の前半 の手順の流れを示すフローチャートである。

図 1 5 Bは、 本発明の第 2実施形態に係る自動的探針交換方法の後半 の手順の流れを示すフ口一チャートである。

図 1 6は、 カンチレバーの自由端側から見た光学式検出装置の光軸系 を示す図である。

図 1 7は、 光学式検出装置の光軸系の平面図である。

図 1 8は、 光検出器の受光面と受光状態を説明する図である。

図 1 9は、 光軸の自動調整を説明するための光学顕微鏡の観察画像を 示す画面図である。 発明を実施するための最良の形態

以下に、 本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。 図 1〜図 7を参照して本発明の第 1の実施形態を説明する。 この第 1 実施形態では、 走査型プローブ顕微鏡の自動的な探針交換方法において. 光学顕微鏡および T Vカメラで得られる観察視野の画面で、 カンチレバ 一の像と画面との相対的位置関係の調整で画面側に関係する構成部分を 移動させて位置調整を行う方法が提案される。

図 1に従って、 本発明に係る探針交換方法が適用される走査型プロ一 ブ顕微鏡 （S P M ) の全体の構成を説明する。 この走査型プローブ顕微 鏡は代表的な例として原子間力顕微鏡 （A F M ) を想定している。 しか し、. 走査型プローブ顕微鏡は原子間力顕微鏡に限定されるものではない _: 図 1において走査型プローブ顕微鏡の下側部分には試料ステージ 1 1 が設けられている。 試料ステージ 1 1の上に試料 1 2が置かれている。 試料ステージ 1 1は、 直交する X軸と Y軸と Z軸で成る 3次元座標系 1 3において、 試料 1 2の位置を変えるための機構である。 試料ステージ 1 1は X Yステージ 1 4と Zステージ 1 5と試料ホルダ 1 6とから構成 されている。 試料ステージ 1 1は、 通常、 試料側で変位 （位置変化） を 生じさせる粗動機構部として構成される。 試料ステージ 1 1の試料ホル ダ 1 6の上面には、 例えば比較的に大きな面積でかつ薄板形状の上記試 料 1 2が置かれ、 保持されている。 試料 1 2は、 例えば、 表面上に半導 体デバイスの集積回路パターンが製作された基板またはウェハである。 試料 1 2は試料ホルダ 1 6上に固定されている。 試料ホルダ 1 6は試料 固定用チャック機構を備えている。

図 2を参照して上記試料ステージ 1 1の具体的な構成例を説明する。 図 2で、 1 4は X Yステージであり、 1 5は Zステージである。 X Yス テージ 1 4は水平面 （X Y平面） 上で試料を移動させる機構であり、 Z ステージ 1 5は垂直方向 （Z軸方向） に試料 1 2を移動させる機構であ る。 Zステージ 1 5は、 例えば、 X Yステージ 1 4の上に搭載されて取 り付けられている。

X Yステージ 1 4は、 Y軸方向に向けて配置された平行な 2本の Y軸 レ一ル 2 0 1 と Y軸モー夕 2 0 2と Y軸駆動力伝達機構 2 0 3から成る Y軸機構部と、 X軸方向に向けて配置された平行な 2本の X軸レール 2 0 4と X軸モータ 2 0 5 と X軸駆動力伝達機構 2 0 6から成る X軸機構 部とから構成されている。 上記 X Yステージ 1 4によって、 Zステージ 1 5は X軸方向または Y軸方向に任意に移動させられる。 また Zステ一 ジ 1 5には、 試料ホルダ 1 6を Z軸方向に昇降させるための駆動機構が 設けられている。 図 2では当該駆動機構は隠れており、 図示されていな い。 試料ホルダ 1 6の上には試料 1 2を固定するためのチヤック機構 2 0 7が設けられる。 チャック機構 2 0 7には、 通常、 機械式、 真空吸着 ゃ静電吸着等の作用を利用した機構が利用される。

再び図 1で説明する。 試料 1 2の上方位置には、 駆動機構 1 7を備え た光学顕微鏡 1 8が配置されている。 光学顕微鏡 1 8は駆動機構 1 7に よって支持されている。 駆動機構 1 7は、 光学顕微鏡 1 8を、 Z軸方向 に動かすためのフォーカス用 Z方向移動機構部 1 7 aと、 X Yの各軸方 向に動かすための X Y方向移動機構部 1 7 bとから構成されている。 取 付け関係として、 Z方向移動機構部 1 7 aは光学顕微鏡 1 8を Z軸方向 に動かし、 X Y方向移動機構部 1 7 bは光学顕微鏡 1 8と Z方向移動機 構部 1 7 aのュニッ トを X Yの各軸方向に動かす。 X Y方向移動機構部 1 7 bはフレーム部材に固定されるが、 図 1で当該フレーム部材の図示 は省略されている。 光学顕微鏡 1 8は、 その対物レンズ 1 8 aを下方に 向けて配置され、 試料 1 2の表面を真上から臨む位置に配置されている, 光学顕微鏡 1 8の上端部には T Vカメラ （撮像装置） 1 9が付設されて いる。 T Vカメラ 1 9は、 対物レンズ 1 8 aで取り込まれた試料表面の 特定領域の像を撮像して取得し、 画像データを出力する。

試料 1 2の上側には、 先端に探針 2 0を備えたカンチレバ一ユニッ ト 2 1 (広義のカンチレバー 2 1 ) が接近しだ状態で配置されている。 力 ンチレバーュニッ ト 2 1は取付け部 2 2に固定されている。

カンチレバ一ユニッ ト 2 1 (広義のカンチレバー 2 1 ) は、 片方の自 由端に探針 2 0を備える、 弹性的に撓み可能なレバー部材 2 1 A (狭義 のカンチレバー 2 1 A ) と、 レバ一部材 2 1 Aの基部を支持するカンチ レバ一ホルダ 2 1— 1 とから構成される。 なお詳しくは、 レバー部材 2 1 Aとカンチレバーホルダ 2 1— 1の間の接続部にはシリコンベースが 設けられる。 力ンチレバーホルダ 2 1— 1は例えば 8 m m角の矩形平板 形状を有している。

また上記取付け部 2 2は、 力ンチレバーュニッ ト 2 1のカンチレバー ホルダ 2 1 一 1を取りつけるための手段である。 取付け部 2 2は、 例え ば、 空気吸引部 （図示せず） が設けられると共に、 この空気吸引部は空 気吸引装置 （図示せず） に接続されている。 カンチレバーユニッ ト 2 1 は、 大きな面積部分を有するカンチレバーホルダ 2 1 一 1が取付け部 2 2の空気吸引部で吸着されることにより、 真空吸着作用に基づいて固定 され装着される。

上記の取付け部 2 2は、 Z方向に微動動作を生じさせる Z微動機構 2 3に取り付けられている。 さらに Z微動機構 2 3はカンチレバー変位検 出部 2 4の下面に取り付けられている。 なおカンチレバー変位検出部 2 4は、 後述するごとく、 X Y方向に微動動作を生じさせる X Y微動機構 2 9に取り付けられる。 従って取付け部 2 2は、 Z微動機構 2 3と X Y 微動機構 2 9によって、 X , Υ , Zの各方向に微小距離で移動させるこ とが可能となる。

力ンチレバー変位検出部 2 4は、 支持フレーム 2 5にレーザ光源 2 6 と光検出器 2 7が所定の配置関係で取り付けられた構成を有する。 レー ザ光源 2 6はレーザ光を発するレーザダイ ドード （L D ) であり、 光検 出器 2 7はレ一ザ光を受光するフォ トダイオード ( P D ) である。 カン チレバ一変位検出部 2 4とカンチレバ一ュニッ ト 2 1は一定の位置関係 に保持され、 レーザ光源 2 6から出射されたレーザ光 2 8はカンチレバ ― 2 1 Aの背面で反射されて光検出器 2 7に入射されるようになってい る。 上記カンチレバー変位検出部 2 4は光てこ式光学検出装置を構成す る。 この光てこ式光学検出装置によって、 カンチレバ一 2 1 Aで捩れや 撓み等の変形が生じると、 当該変形による変位を検出することができる。 上記のカンチレバー変位検出部 2 4において、 レーザ光源 2 6と光検 出器 2 7のそれぞれは、 支持フレーム 2 5上でその位置を調整できる移 動機構を備えている。

カンチレバ一変位検出部 2 4は X Y微動機構 2 9に取り付けられてい る。 X Y微動機構 2 9によってカンチレバーュニッ ト 2 1および探針 2 0等は X Yの各軸方向に微小距離で移動される。 このとき、 カンチレバ —変位検出部 2 4は同時に移動されることになり、 カンチレバーュニッ ト 2 1 とカンチレバ一変位検出部 2 4の位置関係は不変である。

上記において、 Z微動機構 2 3と X Y微動機構 2 9は、 通常、 圧電素 子で構成されている。 Z微動機構 2 3と X Y微動機構 2 9によって、 探 針 2 0の移動について、 X軸方向、 Y軸方向、 Z軸方向の各々へ微小距 離 （例えば数〜 1 0 i m、 最大 1 0 0 ^ m ) の変位を生じさせる。

上記の X Y微動機構 2 9は、 さらに、 光学顕微鏡 1 8に関するュニッ トが取り付けられる前述した不図示のフレーム部材に取り付けられてい る。

上記の取付け関係において、 光学顕微鏡 1 8による観察視野には、 試 料 1 2の特定領域の表面と、 カンチレバ一 2 1 Aにおける探針 2 0を含 む先端部 （背面部） とが含まれる。

試料ステージ 1 1の上面において、 試料ホルダ 1 6の傍にカンチレバ 一力セッ ト 3 0が配置されている。 カンチレバ一カセッ ト 3 0には、 他 の複数のカンチレバーユニッ ト 2 1が収容され、 保管されている。 図 1 では、 一例として、 複数のカンチレバーユニッ ト 2 1は単純に一列に並 ベられたものが示されている。 複数のカンチレバーユニッ ト 2 1は、 新 たに交換用として用意されているものである。 各カンチレバ一ュニッ ト 2 1は、 先端部の下側に探針 2 0を備え、 後端部 （基部） にカンチレバ 一ホルダ 2 1— 1を有している。 カンチレバ一力セッ ト 3 0には、 複数 のカンチレバーュニッ 卜 2 1を収容すると共に、 取付け部 2 2に装着さ れたカンチレバーユニッ ト 2 1を外したときに、 それを置くための収容 スペースも用意されている。 カンチレバーカセッ ト 3 0のこの収容スぺ ースは、 図 1で示された装着中のカンチレバーユニッ ト 2 1が、 取付け 部 2 2に取り付けられる前に元々収容されていたスペースである。

次に、 走査型プローブ顕微鏡の制御系を説明する。 制御系の構成とし ては、 比較器 3 1、 制御器 3 2、 第 1制御装置 3 3、 第 2制御装置 3 4 が設けられる。 制御器 3 2は、 例えば原子間力顕微鏡 （A F M ) による 測定機構を原理的に実現するための制御器である。 また第 1制御装置 3 3は複数の駆動機構等のそれぞれの駆動制御用の制御装置であり、 第 2 制御装置 3 4は上位の制御装置である。

比較器 3 1は、 光検出器 2 7から出力される電圧信号 V dと予め設定 された基準電圧 （Vref) とを比較し、 その偏差信号 s 1を出力する。 制 御器 3 2は、 偏差信号 s 1が 0になるように制御信号 s 2を生成し、 こ の制御信号 s 2を Z微動機構 2 3に与える。 制御信号 s 2を受けた Z微 動機構 2 3は、 カンチレバーユニッ ト 2 1の高さ位置を調整し、 探針 2 0 と試料 1 2の表面との間の距離を一定の距離に保つ。 上記の光検出器 2 7から Z微動機構 2 3に到る制御ループは、 探針 2 0で試料表面を走 査するとき、 光てこ式光学検出装置によって力ンチレバーユニッ ト 2 1 の変形状態を検出しながら、 探針 2 0と試料 1 2との間の距離を上記の 基準電圧 （Vref) に基づいて決まる所定の一定距離に保持するためのフ ィ一ドバックサーポ制御のループである。 この制御ループによって探針

2 0は試料 1 2の表面から一定の距離に保たれ、 この状態で試料 1 2の 表面を走査すると、 試料表面の凹凸形状を測定することができる。

次に第 1制御装置 3 3は、 走査型プローブ顕微鏡の各部を駆動させる ための制御装置であり、 次のような機能部を備えている。

光学顕微鏡 1 8は、 フォーカス用 Z方向移動機構部 1 7 aと X Y方向 移動機構部 1 7 bとから成る駆動機構 1 '7によって、 その位置が変化さ せられる。 後述の画像において、 Z方向移動機構部 1 7 aは画像焦点位 置を変化させ、 また X Y方向移動機構部 1 7 bは画像の X Y位置を変化 させる。 第 1制御装置 3 3は、 上記の Z方向移動機構部 1 7 aと X Y方 向移動機構部 1 7 bのそれぞれの動作を制御するための第 1駆動制御部 4 1 と第 2駆動制御部 4 2を備えている。

光学顕微鏡 1 8によって得られた試料表面や力ンチレバー 2 1 Aの像 は、 T Vカメラ 1 9によって撮像され、 画像データとして取り出される。 光学顕微鏡 1 8の T Vカメラ 1 9で得られた画像データは第 1制御装置

3 3に入力され、 内部の画像処理部 4 3で処理される。

制御器 3 2等を含む上記のフィ一ドバックサ一ポ制御ループにおいて、 制御器 3 2から出力される制御信号 s 2は、 走査型プローブ顕微鏡 （原 子間力顕微鏡） における探針 2 0の高さ信号を意味するものである。 探 針 2 0の高さ信号すなわち制御信号 s 2によって探針 2 0の高さ位置の 変化に係る情報を得ることができる。 探針 2 0の高さ位置情報を含む上 記制御信号 s 2は、 前述のごとく Z微動機構 2 3に対して駆動制御用に 与えられると共に、 制御装置 3 3内のデータ処理部 4 4に取り込まれる。 試料 1 2の表面の測定領域について探針 2 0による試料表面の走査は、 1

1 8

X Y微動機構 2 9を駆動することにより行われる。 Χ Υ微動機構 2 9の 駆動制御は、 Χ Υ微動機構 2 9に対して Χ Υ走査信号 s 3を提供する X Υ走査制御部 4 5によつて行われる。

また試料ステ一ジ 1 1の X Υステージ 1 4と Ζステージ 1 5の駆動は、 X方向駆動信号を出力する X駆動制御部 4 6 と Υ方向駆動信号を出力す る Υ駆動制御部 4 7と Ζ方向駆動信号を出力する Ζ駆動制御部 4 8とに よって制御される。

空気吸引に基づく真空吸着作用で力ンチレバーユニッ ト 2 1を装着さ せる取付け部 2 2で、 この取付け部によるカンチレバーの取付けまたは 取外しの着脱動作は、 取付け部 2 2に対して着脱信号 s 4を与える装着 制御部 4 9によつて行われる。

なお第 1制御装置 3 3は、 必要に応じて、 設定された制御用データ、 入力した光学顕微鏡画像データや探針の高さ位置に係るデータ等を記 憶 ·保存する記憶部 （図示せず） を備える。

上記第 1制御装置 3 3に対して上位に位置する第 2制御装置 3 4が設 けられている。 第 2制御装置 3 4は、 通常の計測プログラムの記憶 · 実 行および通常の計測条件の設定 ·記憶、 自動計測プログラムの記憶 · 実 行およびその計測条件の設定 · 記憶、 計測データの保存、 計測結果の画 像処理および表示装置 （モニタ） 3 5への表示等の処理を行う。 特に、 本発明の場合には、 自動計測において探針の交換を自動的に行う交換プ 口セスを含んでおり、 カンチレバーカセッ ト 3 0から使用すべき探針を 選択して取り付けること、 あるいは装着状態にある探針を取り外して力 ンチレバー 3 0の所定の収容部に置くこと等を実行するためのプロダラ ムを備えている。 また計測条件の設定では、 測定範囲、 測定スピードと いった基本項目など、 自動計測の条件の設定、 それらの条件を設定ファ ィルに記憶する等の機能を有する。 さらに通信機能を有するように構成 し、 外部装置との間で通信を行える機能を持たせることもできる。

特に、 第 2制御装置 3 4は、 本実施形態による探針の自動交換のため に、 試料ステージ 1 1上の Χ Υ平面領域において任意の位置を定める座 標系が設定されており、 この座標系に基づく座標管理を行う機能を有し ている。 この座標管理機能によれば、 X Yステージ 1 4による X Y移動、 X Y移動機構部 1 7 bによる光学顕微鏡 1 8の X Y移動等において、 移 動量および移動方向の位置管理を行うことが可能となる。

第 2制御装置 3 4は、 上記の機能を有することから、 処理装置である C P U 5 1 と記憶部 5 2 とから構成される。 記憶部 5 2には上記の各種 のプログラムおよび条件デ一夕や位置データ等が保存されている。 また 第 2制御装置 3 4は、 画像表示制御部 5 3 と通信部等を備える。 加えて 第 2制御装置 3 4にはインタフェース 5 4を介して入力装置 3 6が接続 されており、 入力装置 3 6によつて記憶部 5 2に記憶される測定プログ ラム、 測定条件、 データ等を設定 ·変更することができるようになって いる。

第 2制御装置 3 4の C P U 5 1は、 バス 5 5を介して、 第 1制御装置 3 3の各機能部に対して上位の制御指令等を提供し、 また画像処理部 4 3やデータ処理部 4 4等から画像データ、 探針の高さ位置に係るデータ、 各移動部分の位置データを提供される。

次に上記走査型プローブ顕微鏡 （原子間力顕微鏡） の基本動作を説明 する。

試料ステージ 1 1上に置かれた半導体基板等の試料 1 2の表面の所定 領域に対して力ンチレバーユニッ ト 2 1の探針 2 0の先端を臨ませる。 通常、 探針接近用機構である Zステージ 1 5によって探針 2 0を試料 1 2の表面に近づけ、 原子間力を作用させてカンチレバー 2 1 Aに撓み変 形を生じさせる。 カンチレバ一 2 1 Aの撓み変形による撓み量を、 前述 した光てこ式光学検出装置によって検出する。 この状態において、 試料 表面に対して探針 2 0を移動させることにより試料表面の走査 （X Y走 査） が行われる。 探針 2 0による試料 1 2の表面の X Y走査は、 探針 2 0の側を X Y微動機構 2 9で移動 （微動） させることによって、 または 試料 1 2の側を X Yステージ 1 4で移動 （粗動） させることによって、 試料 1 2と探針 2 0の間で相対的な X Y平面内での移動関係を作り出す ことにより行われる。

探針 2 0側の移動は、 カンチレバーユニッ ト 2 1を備える X Y微動機 構 2 9に対して X Y微動に係る X Y走査信号 s 3を与えることによって 行われる。 X Y微動に係る走査信号 s 3は第 1制御装置 3 3内の X Y走 査制御部 4 5から与えられる。 他方、 試料側の移動は、 試料ステージ 1 1の X Yステージ 1 4に対して X駆動制御部 4 6と Y駆動'制御部 4 7か ら駆動信号を与えることによって行われる。

上記の X Y微動機構 2 9は、 圧電素子を利用して構成され、 高精度お よび高分解能な走査移動を行うことができる。 また X Y微動機構 2 9に よる X Y走査で測定される測定範囲については、 圧電素子のストローク によって制約されるので、 最大でも約 1 0 0 m程度の距離で決まる範 囲となる。 X Y微動機構 2 9による X Y走査によれば、 狭域範囲の測定 となる。 他方、 上記の X Yステージ 1 4は、 通常、 駆動部として電磁気 モータを利用して構成するので、 そのストロークは数百 m mまで大きく することができる。 X Yステージによる X Y走査によれば、 広域範囲の 測定となる。

上記のごとく して試料 1 2の表面上の所定の測定領域を探針 2 0で走 査しながら、 フィードパックサーボ制御ループに基づいて力ンチレバ一 2 1 Aの撓み量 （撓み等による変形量） が一定になるように制御を行う , カンチレバー 2 1 Aの撓み量は、 常に、 基準となる目標撓み量 （基準電 圧 V ref で設定される） に一致するよ うに制御される。 その結果、 探針 2 0と試料 1 2の表面との距離は一定の距離に保持される。 従って探針 2 0は、 例えば、 試料 1 2の表面の微細凹凸形状 （プロファイル） をな ぞりながら移動 （走査） することになり、 探針の高さ信号を得ることに よって試料 1 2の表面の微細凹凸形状を計測することができる。

次に、 前述したカンチレバーカセッ ト 3 0の具体的な構成例を図 3 と 図 4に従って説明する。 図 3は平面図、 図 4は図 3中の A— A線断面図 である。

このカンチレバーカセッ ト 3 0は平面形状が例えば正方形であり、 側 面形状は所望の厚みを有した平板状の部材で作られている。 カンチレバ 一力セッ ト 3 0は、 カセッ ト台 3 0 aを有し、 材質的には所要の強度と 精度を有するプラスチック材、 樹脂材、 またはメタル等によって形成さ れている。 カセッ ト台 3 0 aの上面には、 例えば 1 6個のカンチレバー ユニッ ト 2 1を配置する収容部 （凹所） が形成が形成されている。 カン チレバーホルダ 2 1— 1の平面形状は好ましくは正方形であり、 比較的 に大きな面積を有している。 図 4から明らかなように、 カンチレバーホ ルダ 2 1— 1の前部の下面にカンチレバー 2 1 Aは取り付けられ、 探針 2 0の先端が下向きになるようにしてカンチレバー 2 1 Aおよびカンチ レバ一ホルダ 2 1— 1は置かれている。 カセッ ト台 3 0 aの上面に形成 された 1 6個の収容部の各々でカンチレバーホルダ 2 1— 1が保管され、 同一姿勢および同一方向に一定精度で並べて配列されている。

カセッ ト台 3 0 aには、 好ましくは、 カンチレバーホルダ 2 1— 1が 収容される凹所に対応する底部に貫通孔 3 0 1が形成される。 貫通孔 3 0 1は、 力ンチレバーカセッ ト 3 0に保管されるカンチレバ一ュニッ ト 2 1の数に応じた数の分だけ形成されている。 なお貫通孔 3 0 1は凹み でもよい。

製造されたカンチレバーュニッ 卜 2 1 (探針 2 0 ) および力ンチレバ 一力セッ ト 3 0はそれぞれ製造番号が付され、 かつカンチレバーュニッ ト 2 1は所定の順序で力ンチレバーカセッ ト 3 0に並べられる。 従って、 力ンチレバーカセッ ト 3 0 ごとに保管されるカンチレバーュニッ ト 2 1 に関するデータを管理することができる。

上記のカンチレバーカセッ ト 3 0は、 図 2に示した試料ステージ 1 1 において、 例えば 2つのカセッ ト設置ポート 3 0 2 , 3 0 3に配置され る。 試料ステージ 1 1において、 カセッ ト設置ポート 3 0 2， 3 0 3に 配置されたカンチレバーカセッ ト 3 0上の各カンチレバーュニッ ト 2 1 の位置は、 第 2制御装置 3 4によって前述した座標系に基づき位置管理 されている。

上記のごとき構成を有する走査型プローブ顕微鏡は、 例えば、 図 5に 示すごとく、 半導体デバイス （L S I ) のインライン製作装置の例えば 途中段階で基板 （ウェハ） の検査を行う自動検査工程 6 2 として組み込 まれる。 図示しない基板搬送装置によって、 前段の製作処理工程 6 1か ら検査対象である基板 （試料 1 2 ) を搬出し、 自動検査工程 6 2の上記 走査型プローブ顕微鏡 （ S P M ) の基板ホルダ 1 6上に置く と、 走査型 プローブ顕微鏡により基板表面の所定領域の微細凹凸形状が自動的に計 測され、 前段での基板製作の処理内容の合否が判定され、 その後、 再び 基板搬送装置によって後段の製作処理工程 6 3へ搬出される。

次に、 前述の各図と、 図 6および図 7 とを参照して、 第 1実施形態に 基づく上記走査型プローブ顕微鏡による探針交換方法を説明する。 図 6 は、 所定時間の自動計測の継続によって探針が磨耗したカンチレバーュ ニッ ト 2 1をカンチレバーカセッ ト 3 0に設置した後において、 新しい 所定のカンチレバーュニッ ト 2 1を取付け部 2 2に取り付ける手順を示 している。 力ンチレバー 2 1を取付け部 2 2から取り外しカンチレバー カセッ ト 3 0の所定の収容部に設置するプロセスの図示は省略されてい る。 カンチレバーカセッ ト 3 0を取付け部 2 2の下方位置に移動させる のは、 X Yステージ 1 4によって行われる。 図 7は、 光学顕微鏡 1 8の 観察視野において位置合せを行う状態を示している。 この位置合せは図 6のステップ S 1 3〜 S 1 5の処理内容に対応している。 この探針交換 方法では、 観察装置としての光学顕微鏡 1 8を駆動機構 1 7の X Y移動 機構部 1 7 bで移動させることにより、 位置合せを行うようにしている: 図 6に従って新しい力ンチレパーュニッ ト 2 1を取付け部 2 2を取り 付ける手順を説明する。

最初のステップ S 1 1では、 X Yステージ 1 4を駆動して力ンチレバ 一力セッ ト 3 0を移動させる。 この移動では、 予めカンチレバーカセッ ト 3 0における各カンチレバーュニッ ト 2 1の位置を座標管理に基づき 確定しておき、 取付け部 2 2に対して、 カンチレバーカセッ ト 3 0の位 置を、 予め設定された所定のカンチレバーュニッ ト 2 1が選択されるよ うに移動させる。 次に、 取付け部 2 2に対して、 選択されたカンチレバーユニッ ト 2 1 の取付けが行われる （ステップ S 1 2 ) 。 この取付けでは、 Zステージ 1 5を駆動し、 図 6の矢印 7 1に示されるように選択されたカンチレバ 一ュニッ ト 2 1のカンチレバーホルダ 2 1 — 1を取付け部 2 2に接触さ せ、 かつ装着制御部 4 9による指令信号 s 4に基づき取付け部 2 2に真 空吸着動作 （矢印 7 2 ) を行わせ、 カンチレバーホルダ 2 1 — 1を取付 け部 2 2に吸着させる。 これにより、 新しい力ンチレバーュニッ ト 2 1 を取付け部 2 2に装着する。

取付け部 2 2にカンチレパ一ユニッ ト 2 1が取り付けられた状態にお いて、 光学顕微鏡 1 8を X Y移動機構部 1 7 bで移動させ、 かつ Z移動 機構部 1 7 aで焦点合せを行って光学顕微鏡 1 8の対物レンズ 1 8 aの 焦点をカンチレバ一ユニッ ト 2 1のカンチレバ一 2 1 Aに合わせる （ス テツプ S 1 3 ) 。 焦点合せの位置は取付け位置のみであり、 一度の位置 合せ操作で行うことができる。 .

次のステップ S 1 4では、 取り付けられたカンチレバーュニッ ト 2 1 の位置を認識し、 かつ確認する。 この処理では、 光学顕微鏡 1 8による 像を T Vカメラ 1 9で取り込み、 カンチレバーユニッ ト 2 1のカンチレ バー 2 1 Aの位置を特定し、 認識する。

光学顕微鏡 1 8で得られた画像に関して、 取付け位置には誤差が含ま れているので、 光学顕微鏡 1 8を X Y移動機構部 1 7 bで移動させて光 学顕微鏡 1 8で得られる観察視野において力ンチレバー 2 1 Aの像の位 置を所定の位置にセッ トする。 このとき、 上記光学顕微鏡 1 8の移動量 に相当するカンチレバーの取付け位置誤差を記憶しておけば、 必要に応 じて測定時の X Y座標値の修正に用いることができる。

図 7は、 ステップ S 1 3〜 S 1 5による最終的な位置調整の状況を説 明する光学顕微鏡 1 8の観察視野の状況を示している。

図 7の （A ) は、 理想的に正確にカンチレバ一ユニッ ト 2 1のカンチ レバーホルダ 2 1— 1が取付け部 2 2に装着された観察視野 8 1の画像 を示している。 この場合において、 光学顕微鏡 1 8の観察視野 8 1の中 心位置 8 2に力ンチレバー 2 1 Aの像 （ 8 3 ) における探針 2 0がセッ トされている。

上記のステップ S 1 4で得られた光学顕微鏡 1 8の観察視野で取付け 位置に誤差があるときには、 図 7 ( B ) に示された観察視野 8 1の状態 にある。 ここでは力ンチレバ一 2 1 Aの像 8 3が観察視野 8 1の中にあ ることを前提としている。 この場合において、 ステップ S 1 5を実行す ると、 矢印 8 4で示すごとく観察視野 8 1を符合 8 1— 1で表された場 所まで移動させることにより、 カンチレバー 2 1 Aの像 8 3の先端位置 が観察視野 8 1— 1の中心位置 8 2に来るようにセッ トすることになる。 この場合には光学顕微鏡 1 8の側を移動させることにより観察視野 8 1 の側を移動させる。 さらにこの場合、 カンチレパー位置はパターン認識 等の手法で検出され、 上記セッ トが行われる。

なお図 7の （C ) は、 取付け誤差が大きく、 カンチレバー 2 1 Aの像 8 3が観察視野 8 1の外側に出てしまう状況を示している。 この場合に は、 経験則で得られた、 あるいは適宜に設定された所定の探索アルゴリ ズムに基づいて力ンチレバー 2 1 Aの像 8 3を探索する。 この場合、 例 えば右方向に観察視野 8 1の半分を移動させ （矢印 8 5 ) 、 観察視野 8 1 一 2とし、 まだ力ンチレバ一 2 1 Aの像 8 3が観察できないときには 上下方向に観察視野の半分を移動させて （矢印 8 6 ) 、 観察視野 8 1 - 3 とする。 この状態で、 観察視野 8 1 _ 3内にカンチレバー 2 1 Aの像 8 3が観察できるようになるので、 上記と同様な手法により観察視野 8 1 一 4の中心位置 8 2に像 8 3をセッ トする。 当然観察視野を必要な精度 に応じて切り換えてもよい。

なお、 上記の T Vカメラ 1 9で得られた光学顕微鏡 1 8による観察視 野における、 当該観察視野の画面中心とカンチレバー 2 1 Aの像の先端 位置との位置合せは、 カンチレパー変位検出部 2 4のレーザ光源 （L D ) 2 6と光検出器 （P D ) の取付け誤差等で決まる仮想中心に対して 観察視野の画面中心と力ンチレバ一 2 1 Aの像の先端位置とが調整可能 範囲にあることを前提として実施可能である。 以上のごとく、 図 6に示された第 1実施形態に係る探針交換方法の取 付け · 装着において、 ステップ S 1 1〜 S 1 5によれば、 取付け前に位 置を微調整する方式ではなく、 カンチレバーュニッ ト 2 1のカンチレバ —ホルダ 2 1 _ 1を取付け部 2 2に取り付けた後において、 光学顕微鏡 1 8側を移動させることによって微調整する方式である。 このため、 取 付け部 2 2に装着したカンチレバー 2 1 Aにおいて誤差が生じていたと しても取付け直しの作業は発生しない。 従って、 本実施形態による探針 交換方法によれば、 従来の探針交換方法に比較して少ない交換時間で高 精度に探針交換を行うことができる。

以上の実施形態では、 取付け誤差の修正を光学顕微鏡によって行った が、 力ンチレバー側を移動させることによって行ってもよい。

ィンライン自動計測を行う場合には、 試料 1 2の所定箇所を自動的に 測定することになる。 この場合、 探針と試料の位置関係が重要であるが、 本方式によれば光学顕微鏡 1 8の移動量が相対関係を表す指標になり、 極めて容易に座標管理を行うことができる。

次に、 図 8〜図 1 9を参照して本発明の第 2実施形態を説明する。 こ の第 2実施形態では、 走査型プローブ顕微鏡の自動的な探針交換方法に おいて、 新しいカンチレバ一ュニッ ト 2 1を取付け部 2 2に取り付けた 際に、 真空吸着によって取付け部 2 2に取り付けられた状態のカンチレ バ一ュニッ トに対して所定方向から力を与え、 カンチレバーュニッ ト側 を移動させることにより、 力ンチレバーュニッ ト 2 1の取付け位置を微 調整して位置調整を行う方法が提案される。

図 8は第 1実施形態の図 1 に対応し、 図 9は第 1実施形態の図 2に対 応している。 図 8では図 1で説明した要素と同一の要素には同一の符号 を付し、 図 9では図 2で説明した要素には同一の符号を付しており、 先 に説明した内容については説明を省略し、 特徵的な構成のみを説明する。 図 8 と図 9において、 試料ステ一ジ 1 1の上面において、 試料ホルダ 1 6の傍に、 カンチレバーュニッ ト 2 1のカンチレバーホルダ 2 1— 1 を取付け部 2 2に真空吸着で取り付ける際、 取付け部 2 2における取付 け位置を調整 · 設定する位置決め機構 1 0 1が設けられている。 位置決 め機構 1 0 1は、 試料ステージ 1 1上において位置合せポートとして設 けられている。

位置決め機構 1 0 1 の拡大図を図 1 0〜図 1 2に示す。 図 1 0は位置 決め機構 1 0 1 の平面図を示し、 図 1 1は側面図を示し、 図 1 2は位置 合せ実施状態の平面図を示す。 位置決め機構 1 0 1は、 カンチレバーュ ニッ ト 2 1のカンチレバーホルダ 2 1— 1で設定された基準面に合致す る形状を有する 2つの基準面 1 0 2 aを有する L字型押し部材 1 0 2で 形成される。 この押し部材 1 0 1はほぼ直角な角度で折り曲げられた L 字形状を有する部材である。 基準面 1 0 2 aは押し部材 1 0 2の内面側 に形成されている。 押し部材 1 0 2は、 図 1 1に示す状態で、 試料ステ —ジ 1 1の上面に固定されている。 試料ステージ 1 1の X Yステージ 1 4および Zステージ 1 5によって試料ステージ 1 1 を X， Υ, Zの各方向 に移動させるとき、 試料ステージ 1 1の動作に応じて一緒に移動する。 従って、 位置決め機構 1 0 1の移動動作、 すなわち押し部材 1 0 2の移 動動作は試料ステージ 1 1の移動動作に伴って行われる。

位置決め機構 1 0 1の押し部材 1 0 2の 2つの基準面 1 0 2 aは、 図 1 2に示すごとくカンチレバ一ユニッ ト 2 1のカンチレバーホルダ 2 1 一 1の図 1 2中左側と下側の辺の側面に接触する。 この場合、 カンチレ バーュニッ ト 2 1の力ンチレバーホルダ 2 1 — 1の図 1 2中左側と下側 の辺の側面が基準面として設定されている。

新しい力ンチレバ一ュニッ ト 2 1が取付け部 2 2に真空吸着された状 態で、 試料ステージ 1 1が移動動作を行い、 図 1 2に示すごとくカンチ レバーュニッ ト 2 1は位置決め機構 1 0 1の箇所にセッ トされる。 この 移動状態を図 1 3に示す。

図 1 3において、 1 0 4は他の形態の力ンチレバーカセッ トであり、 1 0 5はカセッ ト台である。 カンチレバ一カセッ ト 1 0 4およびカセッ ト台 1 0 5の構造は、 先に説明したカンチレバーカセッ ト 3 0および力 セッ ト台 3 0 aとそれぞれ実質的に同じものである。 カンチレバーカセ ッ ト 1 0 4では 1 2個のカンチレバ一ュニッ ト 2 1が配置されている。 その中の上段左端の 1つのカンチレバ一ユニッ ト 2 1が取付け部 2 2に 取り付けられ、 矢印 1 0 6に示すごとく位置決めポート 1 0 7にある位 置決め機構 1 0 1の箇所に移動され、 所定位置関係でセッ 卜される。 上記のセッ ト状態において、 さらに図 1 2に示すように、 位置決め機 構 1 0 1で試料ステージ 1 1の移動に基づいて押し部材 1 0 2力 矢印 1 0 3のごとく破線で示す位置 P 1から実線で示す位置 P 2に移動する と、 カンチレバ一ホルダ 2 1 — 1 を押して取付け部 2 2に対するカンチ レバーュニッ ト 2 1の位置を調整することが可能となる。 力ンチレバー ュニッ ト 2 1は取付け部 2 2に固定されているが、 真空吸着作用に基づ く位置調整可能な固定力である。

図 1 2において、 1 0 8はシリコンベース、 2 1 Aは前述したレバー 部材すなわち狭義のカンチレバ一である。 また 1 0 9は光学顕微鏡 1 8 による観察視野の領域を示したものであり、 1 1 0は取付け部 2 2によ る吸引領域である。 その他の構成に関しては図 1および図 2で説明した 構成と実質的に同じである。

次に、 前述した図 8〜図 1 3、 図 1 4、 図 1 5 Aおよび図 1 5 Bを参 照して、 第 2実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡による探針交換方法 を説明する。 図 1 4は上記観察視野 1 0 9を拡大して示し、 図 1 5 Aお よび図 1 5 Bは、 計測作業によって探針 2 0が磨耗したカンチレバ一ュ ニッ ト 2 1 をカンチレバーカセッ ト 3 0に設置した後において、 新しい 所定のカンチレバーュニッ ト 2 1を取付け部 2 2に自動的に取り付ける 手順を示している。

使用済みのカンチレバ一ユニッ ト 2 1 を取付け部 2 2から取り外し、 カンチレバーカセッ ト 3 0の所定の収容部に設置する工程の図示は省略 されている。 カンチレバーカセッ ト 3 0を取付け部 2 2の下方位置に移 動させるのは、 X Yステージ 1 4によって行われる。 図 1 4では、 光学 顕微鏡 1 8の観察視野 1 0 9において位置合せを行う状態を示している。 この探針交換方法では、 位置決め機構 1 0 1の押し部材 1 0 2を X Yス テージ 1 4で移動させることにより、 カンチレバーホルダ 2 1 — 1の基 準面を押し部材 1 0 2の基準面 1 0 2 aで押し、 カンチレバーホルダ 2 1 一 1 と取付け部 2 2 との間の相対的位置を変化させて、 光学顕微鏡 1 8の観察視野 1 0 9の中心点 1 0 9 Aに力ンチレバー 2 1 Aの先端部 1 1 1の位置合せを行うようにしている。

図 1 5 Aと図 1 5 Bに従って新しいカンチレバーユニッ ト 2 1 を取付 け部 22に取り付ける手順を説明する。 なお図 1 5 Aと図 1 5 Bは結合子 で繋がれた一連のフローチヤ一トを示している。

最初のステップ S 1 1 1では、 X Yステージ 1 4を駆動してカンチレ バーカセッ ト 3 0を移動させる。 この移動では、 予めカンチレバーカセ ッ ト 3 0における各カンチレバーユニッ ト 2 1 の位置を座標管理に基づ き確定しておき、 取付け部 2 2に対して、 カンチレバーカセッ ト 3 0の 位置を、 予め設定された所定のカンチレバーユニッ ト 2 1が選択させる ように移動を行う。

ステップ S 1 1 1で設定する取付け位置は、 その後のステップにおい て、 カンチレバーホルダ 2 1 - 1 と取付け部 2 2の相対的位置を調整す る位置決めステップ S 1 1 4〜 S 1 1 7を行うために十分な調整代と、 カンチレバーカセッ ト 3 0内に収納された力ンチレバーュニッ ト 2 1の 収納位置のばらつきによる取付け位置の誤差を十分に見込んだ取付け範 囲内であればよい。

k 、 \乙、 取付け部 2 2に対して、 選択された新しいカンチレバーュニッ ト 2 1の取付けが行われる （ステップ S 1 1 2 ) 。 この取付け作業では、 Z ステージ 1 5を駆動し、 前述した図 6の矢印 7 1に示されるごとく、 選択されたカンチレバーュニッ ト 2 1のカンチレバーホルダ 2 1 一 1 を 取付け部 2 2にバネ機構、 センサ等 （図示せず） を利用して接触させ、 かつ装着制御部 4 9による指令信号 s 4に基づき取付け部 2 2に真空吸 着動作 （図 6の矢印 7 2 ) を行わせ、 カンチレバ一ホルダ 2 1 — 1 を取 付け部 2 2に吸着させる。 これにより、 カンチレバーユニッ ト 2 1を取 付け部 2 2に装着する。

ステップ S 1 1 3においては、 取付け部 2 2にカンチレバーュニッ ト 2 1が取り付けられた状態において、 Z ステージ 1 5を下方に下げ、 次 に X Yステージ 1 4を駆動して位置決め機構 1 0 1を取付け部 2 2の下 側に移動させる。 移動させる位置は、 カンチレバーユニッ ト 2 1 を取り 付けた取付け誤差範囲と、 位置決め機構 1 0 1の押付け代等を計算した 座標位置とする。

位置決め機構 1 0 1が力ンチレバ一ュニッ ト 2 1 に対して相対的に計 算された座標位置の場所に移動したら、 Z ステージ 1 5を、 位置決め機 構 1 0 1 における押し部材 1 0 2の基準面 1 0 2 aが力ンチレバーホル ダ 2 1 — 1の基準面を押付け可能な高さになり、 かつカンチレバーホル ダ 2 1 — 1の底面と押し部材 1 0 2 とが接触しない位置まで、 上昇させ る。

ステップ S 1 1 4では、 位置決め機構 1 0 1の押し部材 1 0 2の基準 面 1 0 2 aをカンチレバーホルダ 2 1 — 1の基準面に向かって、 所定の 送り量で XY ステージ 1 4を駆動して X軸および Y軸の各方向に微小距 離で移動 （微動） させる。 このとき、 カンチレバ一ホルダ 2 1 — 1 と押 し部材 1 0 2の基準面 1 0 2 aが接触すると、 押し部材 1 0 2の機械的 な押し力により、 取付け部 2 2に真空吸着されたカンチレバーホルダ 2 2 1 - 1 と取付け部 2 2との間の相対的位置の関係が変化する。

ステップ S 1 1 5では、 力ンチレバーホルダ 2 1一 1 と取付け部 2 2 との相対的位置が変化して、 光学顕微鏡 1 8の観察視野内にカンチレバ 一 2 1 Aの画像が現れたら、 光学顕微鏡 1 8で取り込んだ力ンチレバ一 2 1 Aの画像に対して画像処理を行って力ンチレバ一 2 1 Aの先端部 1 1 1の位置を検出し、 さらにステップ S 1 1 6において、 当該検出座標 を参照しながら、 位置決め機構 1 0 1を、 X Yステージ 1 4を駆動して 光学顕微鏡 1 8の観察視野 1 0 9の中心点 1 0 9 Aに向けて微動させ、 カンチレバー 2 1 Aの先端部 1 1 1 の位置が観察視野 1 0 9 の中心点 1 0 9 Aの位置になるように設定する （ステップ S 1 1 7 ) 。

X Yステージ 1 4を駆動して位置決め機構 1 0 1 を或る程度移動して も、 力ンチレバー 2 1 Aの画像が光学顕微鏡 1 8の観察視野内で検出で きない場合には、 位置決め機構 1 0 1を、 予め把握している、 カンチレ バー 2 1 Aが力ンチレバ一ホルダ 2 1 — 1 に支持される部分の機械的寸 法情報を基に、 力ンチレバ一 2 1 Aの先端部 1 1 1が、 光学顕微鏡 1 8 の観察視野 1 0 9の中心点 1 0 9 Aに設定される位置まで X Yステージ 1 4を駆動することによつて移動させる。 この動作が有効になるように、 カンチレバー 2 1 Aの自由端は、 カンチレバーホルダ 2 1 — 1に対して 機械的に所定の精度範囲内に入る位置に支持されている。

以上により、 ステップ S 1 1 4〜S 1 1 7に基づき、 新しいカンチレ バーュニッ ト 2 1を取付け部 2 2に装着した時、 カンチレバー 2 1 Aの 先端部 1 1 1 の位置を光学顕微鏡 1 8の観察視野 1 0 9の中心点 1 0 9 Aの位置に設定する工程を完了する。

ステップ S 1 1 8では、 光学顕微鏡 1 8の観察視野 1 0 9の中心点 1 0 9 Aに位置している力ンチレバ一 2 1 Aの取付け部 2 2への取付け状 況の認定および確認をパターン認識等の画像処理を利用して行う。 画像 からカンチレバ一 2 1 Aの中心軸 1 1 2 (図 1 4に示す） と先端部 1 1 1 の位置を検出し、 検出した当該中心軸 1 1 2 と先端部 1 1 1 の位置座 標が設定された所定範囲内に入っているかどうかを認定および確認する (判断ステップ S 1 1 9 ) 。 なお、 以上において、 観察視野を変更して 所定の機能を実現してもよい。

判断ステップ S 1 1 9で N Oであるときには異常警告および処理の停 止が実行される （ステップ S 1 2 0 ) 。 また判断ステップ S 1 1 9で Y E Sのときには次のステップ S 1 2 1に移行する。

判断ステツプ S 1 1 9で、 カンチレバー 2 1 Aの画像が光学顕微鏡 1 8の観察視野 1 0 9内になかったり、 たとえ観察視野 1 0 9内にあった としても、 検出したカンチレバ一 2 1 Aの中心軸 1 1 2や先端部 1 1 1 の座標位置が所定範彌に入っていなかったりすると、 力ンチレバ一ュニ ッ ト 2 1の脱落やカンチレバー 2 1 Aのカンチレバーホルダ 2 1 — 1 に 対する取付け不良、 またはカンチレバー 2 1 Aの曲がりなどが考えられ る。 そこで、 このような場合には、 探針の自動取付け処理を中断する (ステップ S 1 2 0 ) 。 この操作により、 破損等の不良のカンチレバ一 ユニッ ト 2 1を自動的に検出することができる。

次のステップ S 1 2 1 において、 検出したカンチレバ一 2 1 Aの中心 軸 1 1 2や先端部 1 1 1 の座標位置が、 設定された所定範囲内に入って いた場合には、 この座標位置の値をシステムに登録する登録処理を行う。 この登録処理は、 カンチレバーュニッ トの交換のたびに行われる。

以上のステップ S 1 1 8〜 S 1 2 1によって取付け部 2 2における力 ンチレバーュニッ ト 2 1の取付け状態の判定および先端登録処理の工程 が完了する。

次に、 次の段階の図 1 5 Bに示されるステップ S 1 2 5〜 S 1 3 3 と 図 1 6〜図 1 9 とに従って、 前述した光てこ式光学検出装置における光 軸の自動調整を行う手順を説明する。

図 1 6に、 カンチレバー 2 1 Aの自由端の側から見たレ一ザ光源 2 6 と光検出器 2 7から成る光軸系の配置図を、 また図 1 7に、 光学顕微鏡 1 8の観察方向から見た同光軸系の配置図をそれぞれ示す。 レーザ光源 2 6は、 詳しくは、 レーザ光源 2 6をレーザ光 2 8の光軸 に対して垂直な面方向に移動可能な移動機構 2 6— 1 に支持されている。 これにより、 カンチレパー 2 O Aの背面におけるレーザ光 28の照射位置 を変更することができる。

光検出器 2 7は、 詳しくは、 当該光検出器 2 7 を検出面に平行な面方 向に移動可能な移動機構 2 7— 1に支持されている。 これにより、 光検 出器 27の検出位置を変更することができる。

ステップ S 1 2 1で登録した力ンチレバー 2 1 Aの中心軸 1 1 2 と先 端部 1 1 1の座標位置データを用いて、 レーザ光源 2 6の移動機構 2 6 一 1 と光検出器 2 7の移動機構 2 7— 1 を駆動して、 レーザ光源 （図中 「L D」 と記す） 2 6 と光検出器 （図中 「P D」 と記す） 2 7 の位置を 調整する （ステップ S 1 2 5 ) 。 レーザ光源 2 6の位置は、 力ンチレバ 一 2 1 Aの種類によって変化する、 レーザ光の計算上の照射位置になる ように設定される。 光検出器 2 7の位置は、 カンチレバー 2 1 Aの面か ら反射したレーザ光の計算上の受光位置になるように設定される。

次のステップ S 1 2 6において、 移動機構 2 6 - 1を駆動してレーザ 光源 2 6の位置を変化させ、 カンチレバー 2 1 Aの計算上のレーザ光照 射目標範囲内でレーザ光の照射位置をスキヤンする。 このスキャン動作 はカンチレバー 2 1 Aの背面に関して中心軸 1 1 2に対して垂直な幅方 向に行われる。

次の判断ステップ S 1 2 7では、 光検出器 2 7の出力信号 V dを監視 し、 出力信号が予め設定した所定値以上であるか否かの判定を行う。 光 検出器 2 7 の受光面は 4分割されているので、 光検出器 2 7の出力信号 V dは、 4分割された各受光領域の和信号として出力される。 出力信号 V dが所定値以上である場合にはステップ S 1 3 1 に移行し、 出力信号 V dが所定値未満である場合には次のステツプ S 1 2 8に移行する。 ス テツプ S 1 3 1ではレ一ザ光源 2 6の詳細設定処理が実行される。

ステップ S 1 2 8〜 S 1 3 0から成る工程は、 カンチレバ一 2 1 Aの 個々の形状のばらつきなどの理由により、 実際のレーザ光 2 8の光軸が、 計算上のレーザ光の光軸と異なっていた場合の自動調整の工程である。 この自動調整工程では、 まず、 光学顕微鏡 1 8の画像と光検出器 2 7の 出力信号 V dとを監視しながら、 移動機構 2 6— 1 を駆動して、 上記で 検出した力ンチレバー 2 1 Aの中心軸 1 1 2 と先端部 1 1 1の座標位置 の周辺にレーザ光が照射されるようにレーザ光源 2 6から照射されるレ 一ザ光の照射位置を変化させる （ステップ S 1 2 8 ) 。 次に、 光学顕微 鏡 1 8の画像上でカンチレバー 2 1 A上のレーザ光照射点が最大輝度に なるようにレーザ光源 2 6の位置を粗く調整する （ステップ S 1 2 9 ) 。 最後に、 光検出器 2 7の位置を移動機構 2 7 — 1で駆動して調整する (ステップ S 1 3 0 ) 。

ステップ S 1 3 1 , S 1 3 2から成る工程では、 光学顕微鏡 1 8の画 像と光検出器 2 7の出力信号 V dを監視することにより、 移動機構 2 6 一 1 を駆動してレーザ光源 2 6から照射されるレーザ光の照射位置を制 御し （ステップ S 1 3 1 ) 、 さらに移動機構 2 7 — 1 を駆動して光検出 器 2 7の位置を変化して、 光検出器 2 7におけるレーザ光の受光面が、 光検出器 2 7の中心位置になるように詳細調整を行う （ステップ S 1 3 2 ) 。

ここで、 図 1 8を参照して、 レーザ光源 2 6から照射されたレーザ光 がカンチレバ一 2 1 Aの背面上で反射して光検出器 2 7に受光されたと き、 レーザ光 2 8の受光位置を光検出器 2 7の中心位置に設定する方法 を説明する。

図 1 8の （A) は光検出器 2 7をレーザ光の受光面から見た図である。 光検出器 2 7は 4分割された受光素子 A， B, C， Dにより構成される。 光検出器 2 7の各受光素子は、 レ一ザ光を受けると、 当該レーザ光のェ ネルギに応じて受信信号を出力する機構を備えている。

ここで、 前述した出力信号 V dが所定値以上であるというのは、 図 1 8の （B) に示すように、 光検出器 2 7のいずれかの受光素子が所定値 以上のレーザ光 （レーザスポッ ト 1 2 1 ) を受けている状態である。 ま た出力信号 V dが所定値未満というのは、 図 1 8の （C) に示すように、 受光しているレーザ光 （レーザスポッ ト 1 2 1 ) のエネルギが所定の値 よりも少ない場合である。

光検出器 2 7は、 受光面で受けたレーザ光の位置情報を知るために、 受光素子 A〜Dの受信信号の各出力電圧について、 差信号と呼ばれる { (A + D) 一 （B + C) } 、 摩擦信号と呼ばれる { (A+ B) — (D + C) } 、 さらに和信号と呼ばれる （A + B + C + D) の演算を行う。 3851

3 3

例えば図 1 2の （D ) に示すレーザ光の受光状態において上記の差信 号と摩擦信号の演算を行うと、 レーザ光の受光点 （レーザスポッ ト 1 2 1 ) を演算可能であることは自明であり、 移動機構 2 7 — 1 を駆動して レーザ光の受光点を光検出器 27の中心点に設定可能であることが分かる。 次に判断ステップ S 1 3 3を説明する。 判断ステップ S 1 3 3は、 光 学顕微鏡 1 8および T Vカメラ 1 9で得られる画像を、 画像処理を用い て、 上記で設定したレーザ光 2 8の光軸が、 カンチレバ一 2 1 Aの適正 な位置に照射されているかを最終的に確認するステップである。 図 1 9 を参照して、 レ一ザ光 2 8がカンチレバー 2 1 A上の事前に設定された 適正な位置に照射されているか否かを確認するステップを説明する。

図 1 9は、 ステップ S 1 2 5〜 S 1 3 2によってなされた光軸調整の 最終的な位置確認の状況を説明するための光学顕微鏡 1 8の観察視野の 状況を示している。

図 1 9の. （A ) は、 レ一ザ光 2 8がカンチレバ一 2 1 A上の適正な位… 置に照射されている状態を示す。 スポッ ト 1 2 2はレーザ光 2 8の反射 画像である。 レーザ光 2 8が力ンチレバー 2 1 A上の適正な位置に照射 されている状態とは、 レ一ザ光の照射中心点が、 カンチレバ一 2 1 A上 の力ンチレバ一中心軸の付近にあり、 さらになるべく先端位置 1 1 1 に 近い位置にあることである。

図 1 9の （B ) に示すように、 光学顕微鏡 1 8の観察視野 1 0 9内で 力ンチレバ一 2 1 A上の適正なレーザ光照射位置を検出するレーザ照射 範囲ウィンドウ 1 2 3を設定する。

図 1 9の （C ) に示すように、 まず光学顕微鏡 1 8の全観察視野を用 いて、 画像輝度情報の二値化などの手法により、 カンチレバー 2 1 A上 でレーザ光が照射されている部分の全面積を求め、 さらに上記の画像処 理ウィ ンドウ 1 2 3内でのレーザ光照射部分の面積を求め、 その比を演 算する。 これにより、 全照射面積における適正な照射範囲内に照射され たレーザ光の照射割合を求める。 求めた割合が所定値以上であればレー ザ光 2 8がカンチレバ一 2 1 Aの背面上において適正な位置に照射され ているものとする。

上記の手法によれば、 カンチレバー 2 1 Aの種類や個々の表面形状の ばらつきに起因する反射の輝度むらなどや、 カンチレバー 2 1 Aの形状 3851

3 4

により、 図 1 9の （ D ) に示すようなエッジ部分 1 2 4しか反射しない ケースであっても、 正確にレーザ光 2 8の照射位置を検出することがで きる。 この技術により、 上記光学系におけるレーザ光 2 8の光軸の自動 調整が最終的に可能になる。 上記判断ステップ S 1 3 3で Y E Sと判定 されたときには探針自動交換の作業を終了し、 N Oと判定されたときに は異常警告 · 処理の停止のステップ S 1 3 4が実行される。

以上のごとく、 図 1 5 A， 1 5 Bに示された探針交換方法における力 ンチレバーュニッ 卜の取付け · 装着、 および光軸の自動調整において、 上記の各ステツプによれば、 取付け前に位置を微調整する方式ではなく、 取付け部 2 2にカンチレバ一ホルダ 2 1 _ 1を取り付け、 その後におい て位置決め機構 1 0 1の押し部材 1 0 2によって取付け部 2 2に対する カンチレバーホルダ 2 1— 1の位置を微調整する方式である。

さらに、 位置決め機構 1 0 1 によって正確に求められたカンチレバー 2 1 Aの中心軸 1 1 2および先端位置 1 1 1の位置座標を用いて、 従来 手動で行っていた光軸調整を自動で行うものである。

上記の構成のため、 取付け部 2 2に装着したカンチレバーユニッ ト 2 1において誤差が生じていたとしても、 取付け直しの作業は発生しない。 従って、 第 2実施形態に係る自動探針交換方法によれば、 従来の探針交 換方法に比較して少ない交換時間で高精度に探針交換を行うことができ る。

なおィンライン自動計測を行う場合には、 試料 1 2の所定箇所を自動 的に測定することになる。 この場合、 探針と試料の位置関係が重要であ るが、 本方式によれば力ンチレバー 2 1 Aの先端および中心軸の位置座 標が一意に決定されるので、 極めて容易に座標管理を行うことができる。 前述の第 2実施形態において、 位置決め機構 1 0 1の押し部材 1 0 2 の形状や力ンチレバーホルダに対する押付け方向は任意に変更すること ができる。

前述の各実施形態の説明では、 広域観察として光学顕微鏡を用いたが、 その代わりに、 走査型電子顕微鏡やレーザ顕微鏡などの各種のものを使 用することができる。

上記の各実施形態で説明される構成、 形状、 大きさおよび配置関係に ついては本発明が理解 · 実施できる程度に概略的に示したものにすぎず. また数値および各構成の組成 （材質） については例示にすぎない。 従つ て本発明は、 以下に説明される実施形態に限定されるものではなく、 特 許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態 に変更することができる。 産業上の利用可能性

本発明は、 多数の試料を順次に継続して測定する走査型プローブ顕微 鏡において磨耗した探針の交換、 異なる種別への交換、 または装置セッ トアツプ等の装着等を短時間にかつ高い位置決め精度の装着で自動的に 行うのに利用される。

Claims

請求の範囲

1 . 試料（12)に対して探針（20)が向くように設けられたカンチレバー

(21)と、 前記探針が前記試料の表面を走査するとき前記探針と前記試料 の間で生じる物理量を測定する測定部 (24， 31， 32)を備え、 この測定部で 前記物理量を一定に保ちながら前記探針で前記試料の表面を走査して前 記試料の表面を測定するように構成され、

前記力ンチレバー（21)を着脱する機構を備えたカンチレバー取付け部

(22)と、 複数のカンチレバ一を保管するカンチレバ一保管部 (30)と、 前記 力ンチレバー保管部の位置を移動させる第 1移動手段（11)と、 装着状態 の力ンチレバーの位置を観察する観察手段（18, 19)とを備える走査型プロ —ブ顕微鏡において、

前記第 1移動手段（11)で前記力ンチレバ一取付け部 (22)と前記力ンチレ バー保管部 (30)との間の位置合せを行い、 前記力ンチレバー保管部から 1つのカンチレバーを選んで前記力ンチレバー取付け部に装着するステ ップ（Sl l, S12 ; S i l l, S112)と、

力ンチレバ一装着後に、 装着された前記カンチレバーを前記観察手段 (18, 19)の観察視野の所定位置に設定するステツプ（S13, S14, S15; S114 - S 117)と、

を含むことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法。

2 . 第 2移動手段（17)によって前記観察手段を移動させることにより、 前記カンチレバーを前記観察手段の観察視野の所定位置に設定すること を特徴とする請求の範囲第 1項に記載の走査型プローブ顕微鏡の探針交 換方法。

3 . 前記第 1移動手段（11)によって移動する位置決め機構（101)により 前記カンチレバーを移動させることにより、 前記力ンチレバ一を前記観 察手段の観察視野の所定位置に設定することを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法。

4 . 前記観察手段は光学顕微鏡（18)であり、 この光学顕微鏡で得られ る画像を利用してパターン認識処理を行って、 装着された前記力ンチレ バーの装着位置を特定することを特徴とする請求の範囲第 1項〜第 3項 のいずれか 1項に記載の走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法。

5 . 前記所定位置は前記観察視野の中心位置であることを特徴とする 請求の範囲第 1項〜第 4項のいずれか 1項に記載の走査型プローブ顕微 鏡の探針交換方法。

6 . 先端に探針 (20)を有しかつ基端にカンチレバーホルダ (21- 1)を有す るカンチレバー（21)と、 前記探針が試料（12)の表面を走査するとき前記探 針と前記試料の間で生じる物理量を測定する測定部 (24， 31, 32)を備え、 この測定部で前記物理量を一定に保ちながら前記探針で前記試料の表面 を走査して前記試料の表面を測定するように構成され、

前記力ンチレバーホルダ (21-1)を介して前記力ンチレバ一（21)を脱着す る機構を備えたカンチレバ一取付け部 (22)と、 複数のカンチレバーを保 管するカンチレバ一保管部 (30)と、 このカンチレバ一保管部の位置を移 動させる第 1移動手段（11)と、 装着状態のカンチレバー（21)の位置を観察 する観察手段（18, 19)とを備える走査型プローブ顕微鏡において、

走査型プローブ顕微鏡は、 さらに、 前記第 1移動手段（11)によって移 動する、 前記カンチレバ一取付け部（22)に取り付けられた前記力ンチレ バー（21)の位置を調整する位置決め機構（101)を備え、

前記第 1移動手段（11)で前記力ンチレバ一取付け部（22)と前記力ンチレ バー保管部（30)との間の位置合せを行い、 前記力ンチレバ一保管部から 1つのカンチレバーを選んでこのカンチレバ一を前記カンチレバーホル ダ (21-1)を介して前記力ンチレバー取付け部（22)に装着するステツプ (Si l l, S112)と、

前記第 1移動手段（11)で、 前記カンチレバーを装着した前記カンチレ バー取付け部（22)と前記位置決め機構（101)との間の位置合せを行うステ ップ（S113)と、

選んだ前記力ンチレバーを前記力ンチレバ一取付け部（22)に装着した 後に、 装着された前記力ンチレバーを前記観察手段（18， 19)で撮像するス テップ（S115)と、 前記位置決め機構（101)により前記力ンチレバー取付け部に対する前記 力ンチレバーの位置を変化させて前記観察手段の観察視野内で所定位置 に移動させるステツプ（S116, S117)と、

を含むことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法。

7 . 前記位置決め機構（101)は、 前記カンチレバー取付け部に取り付け られた前記力ンチレバ一ホルダ（21-1)の側面を押す押し部材（102)を有す ることを特徴とする請求の範囲第 6項に記載の走査型プローブ顕微鏡の 探針交換方法。

8 . 前記押し部材（102)は、 平面形状が矩形の前記カンチレバーホルダ の 2辺の側面に接触する L字型押し部材であることを特徴とする請求の 範囲第 7項に記載の走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法。

9 . 前記力ンチレバ一取付け部に取り付けられた前記カンチレバーの 取付け状態を判定するステツプ (S118, S119)を含むことを特徴とする請求 の範囲第 6項に記載の走查型プローブ顕微鏡の探針交換方法。

1 0 . 前記カンチレバーにレーザ光を照射し前記カンチレバ一の撓み を検出するレーザ光を発生する光学検出装置のレーザ光源 (26)と光検出 器（27)の位置を光軸調整のため調整するステツプ（S125 - S132)を含むこと を特徴とする請求の範囲第 6項に記載の走査型プローブ顕微鏡の探針交 換方法。

1 1 . 前記カンチレバーの先端位置を検出してその座標値を記憶する ステツプ（S118, S121)を含み、

前記記憶した座標値に基づいて、 前記力ンチレバーにレーザ光を照射 し前記力ンチレバーの撓みを検出するレーザ光を発生する光学検出装置 のレーザ光源（26)と光検出器（27)の位置を光軸調整のため調整することを 特徴とする請求の範囲第 1 0項に記載の走査型プローブ顕微鏡の探針交 換方法。

1 2 . 前記観察手段は光学顕微鏡（18)であり、 この光学顕微鏡で得ら れる画像を利用してパターン認識および画像処理を行うステツプ（S118) と、 前記力ンチレバー取付け部に取り付けられた前記力ンチレバーの取 付け位置を特定するステツプ (S119)を備えることを特徴とする請求の範 囲第 6項に記載の走査型プロ一プ顕微鏡の探針交換方法。

1 3 . 前記カンチレバーの前記取付け位置を特定する際、 前記観察手 段により得られる画像の画像処理を行うことにより前記力ンチレバーの 先端位置や中心軸の座標値を検出するステツプ（S118)と、 前記座標値を 記憶するステツプ (S121)を備えることを特徴とする請求の範囲第 1 2項 に記載の走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法。

1 4 . 記憶した前記カンチレバーの前記先端位置や前記中心軸の座標 値に基づき、 前記力ンチレバーの種類に応じた前記レーザ光の前記力ン チレバーへの照射目標位置範囲を計算するステツプ (S125)と、

前記観察手段により得られる画像と前記光検出器からの出力信号とを 用いて、 第 2移動手段で前記レーザ光源の位置を相対的に移動しながら、 前記力ンチレバーに照射する前記レーザ光の照射位置を前記照射目標範 囲内の所定位置に自動的に設定するステツプ (S128， S129)と、

を備えることを特徴とする請求の範囲第 1 3項に記載の走査型プロ一 ブ顕微鏡の探針交換方法。

1 5 . 記憶した前記カンチレバーの前記先端位置や前記中心軸の座標 値に基づいて、 第 3移動手段で前記光検出器の位置を相対的に移動し、 前記光検出器上でのレーザ光の受光位置を所定位置に自動的に設定する ステツプ (S130, S 132)を備えることを特徴とする請求の範囲第 1 4項に記載の走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法。

1 6 . 前記観察手段の全観察視野を用いてかつ所定手法に基づき、 前 記カンチレバー上でレ一ザ光が照射されている部分の全面積を求めるス テツプと、 画像処理ウインドウ内でのレーザ光照射部分の面積を求める. ステップと、 その比を演算することにより全照射面積における適正な照 射範囲内に照射されたレーザ光の照射割合を求めるステツプと、 この照 射割合が所定値以上であることを条件にしてレーザ光のカンチレバ一の 背面上での照射位置を決めるステツプを含むことを特徴とする請求の範 囲第 1 4項に記載の走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法。