(57)【要約】【課題】１つの変位センサによって探針振動の変位と、被測定面の凹凸によるカンチレバーの変位との検出が可能な形状測定装置において、探針の変位情報を探針振動の成分と、被測定面の凹凸の成分とに分離するに際し、高度なデジタル処理を必要としない形状測定装置を提供すること。【解決手段】探針の変位センサであるレーザ干渉計からの干渉信号を探針変位信号出力回路４２によって探針振動による高周波成分と被測定面の凹凸による低周波成分とからなる二相正弦波を出力させる。この二相正弦波を分岐して、一方はそのまま第１内挿回路８１、第１カウンタ８３を経由させて高周波成分と低周波成分とからなる変位情報Ｉとし、他方はローパスフィルタ８５を通してから第２内挿回路８６、第２カウンタ８８を経由させて低周波成分の変位情報ＩＩとし、両者を減算回路９０へ入力して探針１２の振動振幅を取得する。また変位情報ＩＩから被測定面Ｓの凹凸形状を取得する。【選択図】  図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カンチレバーの自由端部の下面に設けられた探針と、
前記カンチレバーを介し前記探針を上下に振動させる微振動発生手段と、
前記カンチレバーを介し前記探針を被測定面上で走査させる走査手段と、
前記探針と前記被測定面との間に働く原子間力を一定とするように前記カンチレバーの固定端部を前記探針の走査方向と直角な方向に上下させるカンチレバー位置制御手段と、
前記探針の変位センサであり探針変位信号を発生させるレーザ干渉計と、
前記探針変位信号である二相正弦波を二つに分岐して、一方は前記探針変位信号中の探針の振動に対応する高周波成分と前記被測定面の凹凸形状に対応する低周波成分とを含んだ状態で信号処理して探針の変位情報を取得し、他方はローパスフィルタを通し前記高周波成分を取り除いた後に信号処理して前記探針変位信号中の被測定面の凹凸情報を取得し、前記探針の変位情報と前記被測定面の凹凸情報との差から前記探針の振動情報を抽出する信号処理手段と、を備えていることを特徴とする形状測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の形状測定装置において、
前記信号処理手段により、前記探針の変位情報と前記被測定面の凹凸情報との差から前記探針の振動情報を抽出するに際し、前記探針振動の振幅情報を取得するに必要な下位ビットのみを計算するように設定されていることを特徴とする形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は微細形状測定装置、特には使用する探針と被測定面との間の原子間力の測定手段の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から被測定面の微細な形状を測定するために走査型プローブ顕微鏡などの形状測定装置が使用されており、その走査型プローブ顕微鏡の中に原子間力顕微鏡がある。原子間力顕微鏡は被測定面とカンチレバーの自由端部の下面に設けられた探針との間に働く原子間力を検出し、その原子間力が一定となるようにカンチレバーの固定端部を上下させながら探針で被測定面を走査することによって、被測定面の凹凸形状を測定するものである。そして被測定面の凹凸形状に伴う探針の変位量の検出には高感度である光てこ方式を採用したものが多い（例えば特許文献１を参照）。
【０００３】
図１は光てこ方式の原子間力顕微鏡１０によって被測定面Ｓの凹凸形状を測定する方法を示す図である。すなわち、可撓性カンチレバー４の自由端部の下面に設けた探針２の先端が被測定面Ｓに接触しており、カンチレバー４における探針２の背面側には上方のレーザ光源６からレーザ光７が照射されて、その反射光を例えば四分割のフォト・ディテクタ８で受光するようにしたものであり、カンチレバー４の撓み量から原子間力を検出するものである。
【０００４】
測定に際しては、被測定面ＳをＸ軸方向へ移動させながら探針２で被測定面Ｓを走査する。例えば、被測定面Ｓを一点鎖線位置から実線位置へ移動させた時の探針２の位置、カンチレバー４の撓み角度の違いによって、レーザ光７の反射角度が異なり、フォト・ディテクタ８におけるレーザ光７の受光位置が異なるが、カンチレバー４の撓みが一定となるようにカンチレバー４の根元を図１において上下に移動させ、その上下の移動量を変位センサで測定することによって、探針２の走査に伴う被測定面Ｓの高さの変化を測定することができる。
【０００５】
上記のほか、カンチレバー４を共振周波数近辺の周波数で振動させ、振動する探針２を被測定面Ｓに接近させて走査し、探針２と被測定面Ｓとの間に働く原子間力の変化によって生ずる探針２の振動状態の変化を光てこ方式によって検出し、原子間力が一定となるようにカンチレバー４を上下させて、被測定面Ｓの凹凸を測定することもできる。上記何れの場合も、探針２の振動による上下方向の変位量を検知するためのセンサと、カンチレバー４の上下動の変位量を検知するためのセンサとの２個の変位センサを要する。
【０００６】
これに対し本願発明者らは１個の変位センサによって、探針の上下方向の変位量と、カンチレバーの上下動の変位量との両者を検出し得る形状測定装置を提案している（特許文献２を参照）。図２はその形状測定装置２０の構成を示す図である。すなわち、形状測定装置２０は、探針１２、カンチレバー１４、探針１２を振動させる微小振動発生手段１６、カンチレバー１４を上下させるカンチレバー位置制御手段１７、探針１２の変位センサ２１を備えており、被測定面Ｓを有する測定対象２４はＸＹステージ３０上に載置される。
【０００７】
微小振動発生手段１６はカンチレバー１４を片持ちしており、被測定面Ｓの凹凸形状を測定する際の測定データのサンプリング周波数よりも高い周波数、通常はカンチレバー１４の共振周波数近辺の周波数でカンチレバー１４を振動させて探針１２を上下方向に振動させる。走査手段１８はＸＹステージ３０をＸ方向へ水平に移動させて探針１２を被測定面Ｓ上で走査させ、次いでＸＹステージ３０をＹ方向へ一定の間隔をあけて移動し、同様な走査を繰り返す。すなわち、走査によって、カンチレバー１４の自由端部に設けられた探針１２は上下方向に微小に振動されながら被測定面Ｓの凹凸に応じて上下方向に変位する。そして、カンチレバー位置制御手段１７は、被測定面Ｓと探針１２との間の原子間力が許容範囲内で一定になるように、微小振動発生手段１６の位置を上下させることによってカンチレバー１４の位置を上下させる。
【０００８】
変位センサ２１はレーザ干渉計による変位計であり、レーザ光源３４とビーム・スプリッタ３６はＸＹステージ３０と独立して設置されている。干渉系を構成する他の構成部材である参照面（参照鏡）３８はＸＹステージ３０上に設けられており、ＸＹステージ３０と共に移動する。レーザ光源３４からの可干渉性のレーザ光５０はカンチレバー１４における探針１２の背面位置に向けて照射される。
【０００９】
レーザ光５０はビーム・スプリッタ３６を透過して参照面（参照鏡）３８に至るが、入射したレーザ光５０の一部は参照面３８で直上へ反射されて参照光５２となる。残りのレーザ光５０は参照面３６およびコリメート・レンズ４０を透過し、カンチレバー１４に至って直上へ反射され測定光５４となる。そして参照光５２と測定光５４との干渉信号５６はビーム・スプリッタ３６のハーフミラーで反射されて探針変位信号出力回路４２へ送られ、探針変位信号出力回路４２は探針変位信号２６を信号処理回路２２Ｃへ入力する。
【００１０】
信号処理回路２２Ｃは探針変位信号２６中の高周波成分から被測定面Ｓと探針１２との間の原子間力に対応する探針振動の振幅を取得する。そして、信号処理回路２２Ｃは探針振動の振幅を許容範囲内で一定に保つように、振動振幅をカンチレバー位置制御手段１７へフィードバックする。また信号処理回路２２Ｃは、探針変位信号２６中の低周波成分から被測定面Ｓの凹凸形状を取得する。
【００１１】
上記の形状測定装置２０によって得られる探針変位信号２６を図３に示した。図３Ａの左図は被測定面Ｓの凹凸形状であり、図３Ａの右図は探針１２によって被測定面Ｓを走査した時に得られる探針変位信号２６である。その走査は、例えば圧電素子からなる微振動発生手段１６によってカンチレバー１４を上下に微小に振動させながら、探針１２を被測定面Ｓの近傍まで近づけ、両方の間に働く原子間力（＝距離）を一定に保ちながら被測定面Ｓを探針１２で走査する。すなわち、探針変位信号針２６は探針１２の微小な変位を示すと同時に、被測定面Ｓの凹凸形状に応じた変位を示す。
【００１２】
カンチレバー１４は、その固定端部を保持する微小振動発生手段１６によってカンチレバー１４の共振周波数に近い周波数で振動されて探針１２を上下に振動させているので、図３Ｂに示すように、探針変位信号針２６を信号処理して、探針１２の微小振動に基づく高周波成分６６と、被測定面Ｓの凹凸形状に基づく低周波成分６８とに分離することができる。
【００１３】
そして、図３Ｃに示すように、探針変位信号２６中の高周波成分６６の振幅Ｌａは探針１２を被測定面Ｓに近接させるにつれて減少する。従って、その振幅Ｌａがある一定の値Ｌａ’となるように、探針１２と被測定面Ｓとの距離ないしは接触力を制御することによって、原子間力を一定に保つことができる。そして、図４は探針変位信号２６を図３Ｂに示した高周波成分６６と低周波成分６８とに分離するために信号処理回路２２Ｃにおける信号処理手段を示す。
【００１４】
図４に示すように、信号処理回路２２Ｃは探針変位信号出力回路４２から出力される探針変位信号２６を二つに分割し、一方はハイパスフィルタ７２を通して高周波成分６６を抽出し、その高周波成分６６が入力される振幅検出回路７６によって探針振動の振幅を取得している。そして探針振動の振幅はカンチレバー位置制御手段１７へフィードバックされてカンチレバー１４の位置を上下させる。
【００１５】
分割された他方はローパスフィルタ７４を通し、得られる低周波成分６８は形状算出手段８０へ入力されて被測定面Ｓの凹凸形状が算出される。
【００１６】
【特許文献１】特開２００２−１８１６８７号公報
【特許文献２】特願２００７−１８８０７０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかるに、レーザ干渉計２１によって探針の変位を測定する場合、レーザ干渉計２１から出力される信号は干渉縞の強度情報であり、通常は変位の方向を特定するために、図５に示すように、９０度の位相差を持った二相正弦波として出力される。この二相正弦波を内挿回路に挿入して二相方形波とし、例えばその二相方形波の立ち上がりと立下りのエッジをカウンタで計数することによりデジタルの変位情報に変換することができる。
【００１８】
従って、図２、図４に示した探針変位信号出力回路４２から信号処理回路２２Ｃへ入力される探針変位信号２６は通常はデジタル信号であり、その探針変位信号２６を探針１２の振動成分と被測定面Ｓの凹凸成分によるカンチレバー１４の上下動成分とに分離するにはデジタル信号処理を必要とするが、カンチレバー１４の共振周波数は数百kHz程度であるから、その信号処理には高度な高速デジタル信号処理技術が必要となり、開発に多大のコストがかかるという問題がある。
【００１９】
上記のほか、カウンタから出力される変位情報をＤ／Ａコンバータでアナログ変換し、以降の信号処理を一般的なアナログ回路で行うことも考えられる。その場合には、形状測定装置の測定範囲はＤ／Ａコンバータの分解能によって制限される。通常ではカウンタは２４ｂｉｔあるいはそれ以上の分解能を有するものが容易に入手可能であるに対し、図２の形状測定装置２０に対応が可能な高速サンプリングタイプのＤ／Ａコンバータの分解能は１６ｂｉｔ程度である。従って、このＤ／Ａ変換する方法では測定範囲が著しく狭くなってしまうという問題がある。
【００２０】
本発明は上述の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、１つの変位センサによって探針振動の変位と、被測定面の凹凸形状に基づくカンチレバーの上下の変位との双方を検出することが可能な形状測定装置において、探針の変位情報を探針の振動成分と被測定面の凹凸成分とに分離するに際し、高度なデジタル処理を必要としない形状測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明の目的を達成するための請求項１に係る形状測定装置は、カンチレバーの自由端部の下面に設けられた探針と、カンチレバーを介し探針を上下に振動させる微振動発生手段と、カンチレバーを介し探針を被測定面上で走査させる走査手段と、探針と被測定面との間に働く原子間力を一定とするようにカンチレバーの固定端部を探針の走査方向と直角な方向に上下させるカンチレバー位置制御手段と、探針の変位センサであり探針変位信号を発生させるレーザ干渉計と、探針変位信号である二相正弦波を二つに分岐して、一方は探針変位信号中の探針の振動に対応する高周波成分と被測定面の凹凸形状に対応する低周波成分とを含んだ状態で信号処理して探針の変位情報を取得し、他方はローパスフィルタを通し高周波成分を取り除いた後に信号処理して探針変位信号中の被測定面の凹凸情報を取得し、探針の変位情報と被測定面の凹凸情報との差から探針の振動情報を抽出する信号処理手段と、を備えている形状測定装置である。
【００２２】
このような形状測定装置は、高周波成分と低周波成分とを含む探針変位情報から、被測定面の凹凸形状に対応する低周波成分を減算して得られる高周波成分から探針の振幅情報を取得するので、従来の形状測定装置のように探針変位信号を高周波成分と低周波成分に分離し、その高周波成分から探針の振動振幅を取得する場合に比して、分離のための高度な高速デジタル処理を必要とせず、装置コストを抑制し、測定コストを低減させる。
【００２３】
また請求項２の形状測定装置は、請求項１に記載の測定装置において、信号処理手段により探針の変位情報と被測定面の凹凸情報との差から探針の振動情報を抽出するに際し、探針振動の振幅情報を取得するに必要な下位ビットのみを計算するように設定されている形状測定装置である。
このような形状測定装置は、探針の振動成分を抽出するに際して探針振動の振幅に対応する下位ビットのみを計算しても、測定範囲を犠牲にすることなく、探針の振幅を正確に求めることができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の形状測定装置によれば、１つの変位センサによって探針振動の変位と被測定面の凹凸形状に基づいて上下させるカンチレバーの変位とを検出する形状測定装置において、探針振動の変位に対応する高周波成分とカンチレバーの変位に対応する低周波波成分とを含む探針変位情報から低周波成分を減算して探針振動の高周波成分を抽出するので、高度なデジタル信号処理回路を必要とせず、また測定範囲を犠牲にすることなく探針振動の振幅を測定することができ、測定コストを大幅に低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明の形状測定装置を構成する探針は、カンチレバーの自由端部の下面に設けられ、カンチレバーを介して微小振動発生手段により上下に振動されながら、同じくカンチレバーを介して走査手段により被測定面上を走査される。なお、微小振動発生手段は一般的には圧電体によるものが使用され、カンチレバーの共振周波数近辺で振動される。その走査時において、凹凸形状を有する被測定面と探針との間の距離ないしは接触力が一定となるように、カンチレバーはその固定端部をカンチレバー位置制御手段によって走査方向と直角な上下の方向に移動される。  
【００２６】
上記のように、探針は受ける振動によって変位すると共に、カンチレバーの上下動によって変位するが、その探針の変位は変位センサとしてのマイケルソン干渉方式のレーザ干渉計によって観測される。レーザ干渉計のレーザ光源とビーム・スプリッタは被測定面を有する測定対象が載置されるＸＹステージとは独立して設置され、参照鏡はＸＹステージ上に設置されること、そして、レーザ光の中で参照鏡において直上へ反射される参照光と、参照鏡およびコリメート・レンズを透過しカンチレバーに至って直上へ反射される測定光との干渉信号が探針変位信号出力回路へ送られ、その探針変位信号出力回路から探針変位信号が信号処理回路へ入力される。これらのことは図２に示した特許文献２の形状測定装置と同様である。従って、以降における本発明の形状測定装置の説明には図２を援用する。
【００２７】
本発明の形状測定装置が特許文献２の形状測定装置と異なるところは、信号処理回路における信号処理手段にある。すなわち、本発明の形状測定装置における信号処理手段は、高周波成分と低周波成分とを含む探針変位信号をアナログ信号のまま二つに分岐し、分岐された一方の探針変位信号である二相正弦波が入力される第１内挿回路と、第１内挿回路から出力される二相方形波をカウントして、高周波成分と低周波成分とからなる探針の変位情報を出力する第１カウンタと、分岐された他方の探針変位信号を通過させるローパスフィルタと、ローパスフィルタを通過して高周波成分がカットされた探針変位信号が入力される第２内挿回路と、第２内挿回路から出力される二相方形波をカウントして、被測定面の凹凸情報を出力する第２カウンタと、上記高周波成分と低周波成分とからなる探針の変位情報と低周波の被測定面の凹凸情報とが入力されて、探針の振動情報を出力する減算回路と、からなる。
【００２８】
そして、減算回路からの探針振動の振幅情報は振幅検出回路へ入力され、振幅検出回路から出力される探針振動の振幅はカンチレバー位置制御手段へ入力され、カンチレバー位置制御手段は入力される振幅の変化に応じてカンチレバーを上下させることにより、探針と被測定面との間の距離ないしは接触力、すなわち原子間力を一定とするように制御する。
【実施例】
【００２９】
図６は原子間力に基づいて被測定面Ｓの凹凸形状を測定する本発明の形状測定装置８０において、カンチレバー位置制御手段１７へ入力する探針１２の振動振幅を検出するための信号処理回路２２Ａにおける信号処理手段を示す図であり、図４に示した信号処理回路２２Ｃにおける信号処理手段に替わるものである。図２を援用して、レーザ干渉計である変位センサ２１からの干渉信号５６は探針変位信号出力回路４２から探針１２の振動による高周波成分と被測定面Ｓの凹凸による低周波成分とからなる二相正弦波を出力させる。本発明の形状測定装置８０においては、図６に示すように、その二相正弦波は２つに分岐され、分岐された一方はそのまま第１内挿回路８１に入力され、第１内挿回路８１から二相方形波Ｉが出力される。また分岐された他方は、探針１２の振動による高周波成分を除くためにローパスフィルタ８５を通した後に、第２内挿回路８６へ入力され、第２内挿回路８６からは二相方形波ＩＩが出力される。
【００３０】
上記の二相方形波Ｉは第１カウンタ８３へ入力されて探針１２の振動による高周波成分と被測定面Ｓの凹凸による低周波成分とからなる探針の変位情報（変位情報Ｉ）８４が得られる。また二相方形波ＩＩは第２カウンタ８８へ入力されて低周波成分である被測定面Ｓの凹凸情報（変位情報ＩＩ）８９が得られる。そして、探針の変位情報８４と被測定面Ｓの凹凸情報８９とを例えば汎用ロジックＩＣなどを組み合わせた減算回路９０へ入力することにより、探針１２の振動情報９１が得られる。その振動情報９１を振幅検出回路９２（例えばＤ／Ａコンバータでアナログ信号に変換し、広く使用されている全波整流回路などを用いて振動振幅の変化を検出するような回路）によって探針振動の振幅を取得することができる。そして、その振動振幅をカンチレバー位置制御手段１７へフィードバックして、探針１２と被測定面Ｓとの間の距離ないしは接触力を一定に保ちながら被測定面Ｓを探針１２で走査することができる。
【００３１】
以上に述べたように、本発明の形状測定装置８０によれば高度な高速デジタル信号処理回路を構築しなくとも、探針の変位情報を探針振動による高周波成分と、被測定面Sの凹凸による低周波成分とに容易に分離することができる。
【００３２】
また、このような形状測定装置においては測定範囲を広く取るために、カウンタには例えば２４ｂｉｔ程度、あるいはそれ以上の高い分解能を有するものを使用することが多いが、探針１２の振幅は大きくても数十ｎｍであるから、探針の変位情報８４と被測定面Ｓの凹凸情報８９との差を取って振幅情報９１を得るに際して、第１カウンタ８３および第２カウンタ８８から出力される全ての桁を計算する必要はなく、探針振動の振幅に対応することができる範囲の下位ビットを適宜選択して計算してもよい。そのことによって減算回路９０における桁数を減らして演算を簡略化することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明の形状測定装置は、原子間力顕微鏡、走査型トンネル顕微鏡をはじめとする各種の走査型プローブ顕微鏡に利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】原子間力顕微鏡の光てこ方式による被測定面の凹凸の測定方法を示す図である。
【図２】１個の変位センサによって探針振動の変位量と、被測定面の凹凸によるカンチレバーの変位量とを検出する従来の形状測定装置の構成を示す図である。
【図３】図３Ａは従来の形状測定装置の１個の変位センサにおける変位データであり、図３Ｂはその変位データを探針振動による高周波成分と被測定面の凹凸による低周波成分とに分離した状態を示し、図３Ｃは探針と被測定面との間の距離ないしは接触力を制御して上記探針振動の振幅を一定の値にする場合を示す。
【図４】上記の探針振動による高周波成分と被測定面の凹凸による低周波成分とに分離する信号回路の構成を示す図である。
【図５】変位センサである光干渉計によるアナログ信号をデジタル化しカウントして変位情報を得る一般的な方法を示す。
【図６】本発明の形状測定装置において探針振動の振幅を検出する信号処理手段を示す図である。
【符号の説明】
【００３５】
１２・・・探針、                        １４・・・カンチレバー、
１６・・・微小振動発生手段、            １７・・・カンチレバー位置制御手段、
１８・・・走査手段、                    ２０・・・従来の形状測定装置、
２１・・・変位センサ（レーザ干渉計）、   ２２Ａ・・本発明の装置の信号処理回路、
２２Ｃ・・従来の装置の信号処理回路、    ２４・・・測定対象、
２６・・・探針変位信号、                ３０・・・ＸＹステージ、
３４・・・レーザ光源、                  ３６・・・ビーム・スプリッタ、
３８・・・参照面（参照鏡）、             ４０・・・コリメート・レンズ、
４２・・・探針変位信号出力回路、        ５０・・・レーザ光、  
５２・・・参照光、                      ５４・・・測定光、
５６・・・干渉信号、                    ６６・・・高周波成分、
６８・・・低周波成分、                  ８０・・・本発明の形状測定装置、
８１・・・第１内挿回路、                ８３・・・第１カウンタ、
８４・・・探針の変位情報、              ８５・・・ローパスフィルタ、
８６・・・第２内挿回路、                ８８・・・第２カウンタ、
８９・・・被測定面の凹凸情報、          ９０・・・減算回路、
９１・・・探針の振動情報、              ９２・・・振幅検出回路、
Ｓ・・・被測定面、
【図１】
2010014591.tif 000003
【図２】
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【図３】
2010014591.tif 000005
【図４】
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【図５】
2010014591.tif 000007
【図６】
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