(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
探針に対し所定間隔離間して設け相対的に移動させる移動体の上に所定ピッチで電極を配置し、前記探針と前記電極との間に周期的に値が変化する電圧を印加しながら探針と移動体を相対的に移動し、前記探針と前記電極との間の電界に基づく力から前記探針と前記移動体との相対的移動位置を求めることを特徴とするリアルタイムかつナノメータスケールの位置測定方法。
【請求項２】
請求項１記載のリアルタイムかつナノメータスケールの位置測定方法において、求めた上記相対的移動位置の情報を位相処理して出力することを特徴とするリアルタイムかつナノメータスケールの位置測定方法。
【請求項３】
探針と、移動体上に所定ピッチで配置した電極と、制御手段とからなり、前記制御手段により、前記探針は前記電極に対し所定間隔離間して設けられ、前記探針と前記電極を配置した前記移動体は相対的に移動可能に配置され、前記探針と前記電極との間に周期的に値が変化する電圧が印加され、前記探針と前記電極との間の電界に基づく力により前記探針を振動させ、前記探針の振動を前記探針と前記移動体との相対的移動位置を求めるための検出信号として取り出すことを特徴とするリアルタイムかつナノメータスケールの位置測定装置。
【請求項４】
請求項３記載のリアルタイムかつナノメータスケールの位置測定装置において、上記電極を櫛歯状電極としたことを特徴とするリアルタイムかつナノメータスケールの位置測定装置。
【請求項５】
請求項３または４記載のリアルタイムかつナノメータスケールの位置測定装置において、上記電極の表面上に誘電体を貼り付けたことを特徴とするリアルタイムかつナノメータスケールの位置測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、周期的なピッチで設けた電極位置に対し、交番状に変化する電界を電極方向に移動しながら作用させ、移動電界の検出により電極方向の位置を検出するリアルタイムかつナノメータスケールの位置測定方法および装置に関し、走査型マクスウエル応力顕微鏡の原理を利用するものである。
【従来の技術】
【０００２】
ナノメータスケールの位置測定技術を開示した特許２９８３８７６号公報及び特表２０００−５１１６３４号公報、米国特許第５５８９６８６号明細書、米国特許第５７４４７９９号公報には、位置測定に用いるプローブが機械的に振動する技術が示されていた。
【０００３】
特に、特許２９８３８７６号公報及び特表２０００−５１１６３４号公報には、周期的信号を持った表面をその表面とプローブが相対的に移動しながら走査することにより、リアルタイムかつナノメータスケールの位置測定を行う方法および装置であって、プローブと表面との間にセンシングするための場を設け、原子間力、磁気吸引反発力および電荷吸引反発力に基づき、プローブを正弦波状の電圧を制御することによりプローブ原点の周りで走査中に振動させ、この振動によりセンシング場によって生成され表面を通過した後の正弦波状の出力信号を測定し、制御電圧と出力電圧の位相ならびに振幅を比較し、そのような比較をもとに連続的な位置情報、波打った表面の一番近い峰からの距離と方向を求める技術に関し、従って表面に沿ったプローブの位置を求める技術に関し開示されている。上記特許２９８３８７６号公報にはさらにカンチレバー型の電気力センサに関する技術が示されている。
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、これら従来の技術は、測長を行うために探針を水平方向に振動させ、水平位置の距離に関する情報を検出してスケールピッチ距離を補間するタイプのもので、カンチレバーの振動源を原子間力（特許２９８３８７６号公報の図２参照）、磁気吸引反発力（特許２９８３８７６号公報の図７ａ参照）および電荷吸引反発力（特許２９８３８７６号公報の図７ｂ参照）としているため、原子間力は周囲環境の影響を受け易く実用化に問題があり、磁気吸引反発力はＳＮ磁極区画の形成の精度が低いためナノメータスケールでの位置決め構成が困難であり、電荷吸引反発力も磁気吸引反発力と同様に＋−電荷区画の形成の精度が低いためナノメータスケールでの位置決め構成が困難であった。
【０００５】
本発明は、上記従来の欠点に鑑み、ナノメータスケールでの位置決めを検出精度高く行うことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するために、
（１）リアルタイムかつナノメータスケールの位置測定装置において、探針と、前記探針に対し所定間隔離間して設け相対的に移動させる移動体上に所定ピッチで配置した電極と、前記探針と前記電極間に周期的に値が変化する電圧を印可しながら前記探針と前記移動体との相対的移動位置を前記探針と前記電極間の電界の変化に基づいて求める制御手段よりなることを特徴とする。
【０００７】
（２）上記（１）記載のリアルタイムかつナノメータスケールの位置測定装置において、
上記制御手段によって、上記電界の変化を上記探針の振動として求めることを特徴とする。
【０００８】
（３）上記（１）又は（２）記載のリアルタイムかつナノメータスケールの位置測定装置において、
上記電極を櫛状電極としたことを特徴とする。
【０００９】
（４）上記（１）から（３）のいずれか１つに記載のリアルタイムかつナノメータスケールの位置測定装置において、
上記電極の表面上に誘電体を貼り付けたことを特徴とする。
【００１０】
（５）上記（１）記載のリアルタイムかつナノメータスケールの位置測定装置において、
上記電極上に半導体層を形成し、上記制御手段によって上記電界による空乏層の容量変化を検出しその検出出力に基づいて上記探針と上記電極の相対的位置を求めることを特徴とする。
【００１１】
（６）リアルタイムかつナノメータスケールの位置測定方法において、探針に対し所定間隔離間して設け相対的に移動させる移動体の上に所定ピッチで電極を配置し、前記探針と前記電極との間に周期的に値が変化する電圧を印可しながら探針と移動体を相対的に移動し、前記探針と前記移動体との相対的移動位置を前記探針と前記電極との間の電界の変化に基づいて求めることを特徴とする。
【００１２】
（７）上記（６）記載のリアルタイムかつナノメータスケールの位置測定方法において、
求めた上記相対的移動位置の情報を位相検波して出力することを特徴とする。
【００１３】
以下、本発明について説明する。
まず、本発明の１実施の態様の概略について説明する。
コンデンサの一方の電極を探針等で構成して可動とし、他方の電極を絶縁基板上に所定ピッチＰで平行配列した複数の電線を１組として固定とし、この固定側の電線の組を複数組相互に所定間隔離間して配置し、可動電極と各組の固定電極との間に直流バイアス電源と交流電源を印可した状態で、固定電極に対して可動電極を相対的に移動し、両電極間に発生する電界強度を検出し、その検出値に基づいて固定電極に対する可動電極の相対的位置を求める。その際、可動電極の移動に伴う、各組の固定電極に対する可動電極の位相差に基づいて前記相対的位置を求める。
【００１４】
前記本発明の１実施の態様の概略は以下に示す基本原理に基づいている。
まず、話を単純化するために、前記コンデンサの可動電極と固定電極を平行平板とする平行平板コンデンサを考える。このとき、平板間に印加される電圧Ｖ、平板間の誘電体の誘電率ε、平板上の表面電荷密度をσ、−σ、平板間の距離ｄ、平板の面積Ｓ、電界Ｅ、電束密度Ｄ＝εＥ、両平板間の容量Ｃ＝εＳ／ｄとする。このコンデンサの単位面積当たりに貯えられるエネルギーは
0003603117.tif 000002
で与えられるが、いまＶ＝Ｅｄ、σ＝Ｄであるから上式は
0003603117.tif 000003
と書ける。これから、電界は単位体積当たり
0003603117.tif 000004
のエネルギーを有していることがわかる。
すなわち、空間の電界と電束密度が与えられると、その点の電界エネルギー密度が上式で与えられることになる。これは一般的に成り立つ関係式である。
【００１５】
導体面に電荷が存在すると、電界が導体面に垂直に生じる。電荷には静電力が働いて導体は外方に力を受ける。
導体面を外方へ垂直にｄｘだけ移動した場合を考える（仮想変位）。ｄｘの幅の空間に貯えられていた電界のエネルギーが消失して、これが外へ仕事をしたと考えると、導体表面上の単位面積に働く外向きの力をｆとすると、
0003603117.tif 000005
となるから、これより
0003603117.tif 000006
が得られる。すなわち、導体表面には、単位面積当たり、導体表面の電界のエネルギー密度に等しい外向きの力が働く。
【００１６】
探針に実際に働く力は静電力だけではなく、ファンデル・ワールス力などの余分の力ｆ’も含まれ、探針に働く全力は、Ｆ＝ｆ＋ｆ’となる。
【００１７】
ここで、試料の電気的な属性としての電気力が電位差の２乗に比例するという性質を利用して、適当な条件のもとに、つぎのようにして目的の物性を抽出できる。すなわち、探針に外部から、
探針表面電位Ｖｔ＝ＶＤＣ＋ＶＡＣｃｏｓωｔ
によって、角周波数ωの交流電圧を加えると、探針上の電気力は
0003603117.tif 000007
となる。これから、角周波数ω、２ωの振動電気力の振幅は、それぞれ
0003603117.tif 000008
となる。これより、ＶＤＣ−ＶＳ  ＝０のときｆω  ＝０となること、また、ｆ２ωは外部電圧の大きさのみに依存し、試料の表面電位には依らないことがわかる。この性質を利用して、与えられた直流バイアス電圧に対して周波数ωの基本振動振幅を計測すれば、試料の表面電位を求められる。
本発明は位置決め制御のために基本的に上記電界Ｅ、力ｆを検出する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１に走査型マクスウェル応力顕微鏡（ＳＭＭ，Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｍａｘｗｅｌｌ  Ｓｔｒｅｓｓ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）の動作原理を示す。この走査型マクスウェル応力顕微鏡ＳＭＭは、交流電圧を探針と試料との間に印加することで、電気的な力を選択的に検出する非接触走査フォース顕微鏡（ＳＦＭ）であり、その機能は試料表面に存在する電場を局所的に計測し、２次元画像として表示することである。この結果、ＳＭＭの観察結果はその物理的意味が明瞭で、半導体、金属、有機材料から電子デバイスや生体にまでおよぶ広範な対象の物性と機能に直結した解釈が与えられる。
【００１９】
操作の観点からみると、ＳＭＭは、複数の周波数成分の外部電場により探針の振動を誘起し、試料の局所的な電位、インピーダンスなどの情報を、表面形状と同時に、振動の周波数分析により検出するプローブ顕微鏡である。
【００２０】
超薄膜７をコーティングした金属ベース６に対し、カンチレバー２の先端に設けた探針（先端Ｐｔコーティング）１を非接触で所定距離離間して設け、前記探針１と金属ベース６との間にバイアス源となる直流電圧と測定用の交流電圧を印可する。前記カンチレバー２の探針とは反対側の表面は鏡面仕上げされている。検出部は光電変換器８とＰｒθＡｍｐ９からなり、探針１の上下振動をレーザー光がカンチレバー２の探針とは反対側の鏡面で反射して光電変換器８で検出される。その検出した信号をＰｒθＡｍｐ９で増幅し位置測定装置へ出力する。
【００２１】
基本的な構成は原子力間顕微鏡と同様であるが探針を試料（誘電体あるいは電極）に接触させずに導電性探針と試料（電極）の間に交流電圧を印加し、その結果前記力ｆに基づいて生ずる探針の振動を検出する。探針はカンチレバーによって振動するが、この振動はレーザー光の反射によって電気信号に変えられ検出される。
なお、探針と試料の間の距離をｄとし一定に保たれているとすると、検出電圧振幅はカンチレバー共振周波数以下では印加交流電圧振幅に比例する。
【００２２】
この走査型マクスウエル応力顕微鏡の電極間距離に対するカンチレバー振幅と位相の関係を図２に示す。
図３は本発明の１実施の形態を示すもので、図１のベース部分を絶縁体としその上部に電極を櫛歯状に配置したものである。この実施の態様では、電極は２組あり各々の電極はピッチＰすなわち空間周波数ω＝１／Ｐで等間隔に櫛歯状になっている。このピッチは特に値が決まっているわけではないが、探針が電界を検出し得る範囲内に電極を配列する必要があるので、ピッチの最大値はその必要によって決まることになる。従ってピッチのおおよその数値は探針と電極間のギャップ値にほぼ近い値をとることになる。ギャップを小さくすればピッチは小さくなり測長分解能精度はその分向上する。また、ギャップを大きくしすぎると電界の検出ができなくなる。
【００２３】
図１および図２に示した、本発明の探針と電極との間の電界変化による探針の振動を検出した検出信号の信号処理について、図４および図６を参照して説明する。
電極１と２は空間周波数の周期９０度ずれて配置される。それぞれの探針と電極の組に電圧を加えた場合の電界分布は基本周波数成分と高調波成分を含んだものとなる。その基本周波数成分を表すと１式と２式で表される。ここでｘは水平方向の距離、ｚは垂直方向の距離を表す。なお直流成分は直流バイアスで調整できる。
【００２４】
また、電極上部に設けた誘電体は発生電界の高調波成分を吸収するもので、発生電界は高調波成分が減少しより滑らかな正弦波となる。なお、本発明では基本周波数成分に振幅変動が少なく周期が比較的長い歪があっても正確な測定を可能とする。
Ｚ１＝Ａｓｉｎωｘ                                                （１）
Ｚ２＝Ｂｃｏｓωｘ                                                （２）
従って空間の電界分布は１式と２式の和として表現でき３式となる。
Ｚ１＋Ｚ２＝Ａｓｉｎωｘ＋Ｂｃｏｓωｘ                                    （３）
先ず一般式でＡＢを表すとＡとＢはそれぞれ４式５式で示される。
Ａ＝−Ｃｓｉｎ（ｐ（ｔ））                                              （４）
Ｂ＝  Ｃｃｏｓ（ｐ（ｔ））                                            （５）
【００２５】
図３の例では電極が２本で１組となる２相方式なので、上記式１から式５が成り立つためには空間周波数の周期で９０度ずれた配置が必要になる。なお、後述する電極が３本で１組となる３相方式では図７および１８式以降に記載するように空間周波数の周期で２／３πずれた配置が必要になる。電極は２相方式では２組、３相方式では３組あるいは６組となる。
従って３式は６式で表される。
Ｚ１＋Ｚ２＝Ｃｃｏｓ（Ｐ（ｔ））ｃｏｓ（ωｘ）−Ｃｓｉｎ（Ｐ（ｔ））ｓｉｎ（ωｘ）＝Ｃｃｏｓ（Ｐ（ｔ）＋ωｘ）  （６）
【００２６】
先ず最も簡単な例として
４式、５式の値の代わりに７式、８式で表される交流電圧が印加されたとする。Ａ＝γｃｏｓωｒｔ                                                （７）
Ｂ＝γｓｉｎωｒｔ                                                （８）
今、図３においてｘ＝ｘ０，Ｚ＝Ｚ０なる点の電界強度は９式、１０式で示される。
Ｚ１＋Ｚ２＝γｓｉｎωｒｔ＊ｃｏｓωｘ＋γｃｏｓωｒｔ＊ｓｉｎωｘ＝γｓｉｎ（ωｒｔ＋ωｘ）    （９）
Ｚ１＋Ｚ２＝γｓｉｎ（ωｒｔ＋ωχ０（ｔ））                                  （１０）
これは周期電界の座標が探針に対して相対的に等速で移動していることになる。従って式（４）あるいは式（５）を参照信号として位相検波することで目的が達成される。
【００２７】
次に例えば、６式において
Ｐ（ｔ）＝ｒωｓｉｎ（ωｒｔ）
としこれを前記走査型マクスウェル応力顕微鏡（ＳＭＭ）による探針を用いて検出すればその交流成分は１１式となる。
Ｚｏｕｔ＝Ｃｃｏｓ｛ｒωｓｉｎ（ωｒｔ）＋ωχ０（ｔ）｝                        （１１）
位置情報ｘはｚｏｕｔ信号を処理して得られた位相値と比例し位置情報検出値となる。
１１式ではｘ０をｘ０（ｔ）と表現しているがこれはｘ０が時間とともに移動し時間の関数で表現された場合を示す。
１１式をさらにフーリエ展開すると１２式が得られる。ここでＪはＢｅｓｓｅｌ関数である。
0003603117.tif 000009
ｎ次の周波数成分の振幅はＪｎ（ｒω）＝Ｊｎ（２πｒ／Ｐ）に比例する。
ｒ／Ｐの関数としてｎ＝０，１，２，３とした場合の数値解を図５に示す。
出力信号１２式から位置情報ｘ０を得るには幾つかの方法があるが、安定し且つ正確に得るには位相信号をＰｈａｓｅ  Ｌｏｃｋｅｄ  Ｌｏｏｐを用いて検出する。図６にその例を示す。
【００２８】
図６に、位置情報を抽出するための実施の形態を示す。この図６には、乗算器１２，ＰＬＬ（フェース  ロックト  ループ）回路１３，加算器１４およびＬＵ（ルックアップ）テーブル１５からなるデジタルＰＬＬ回路と、乗算器１１，ＡＭＰ１７，ＡＭＰ１８，ＬＵ（ルックアップ）テーブル１６およびローパスフィルタ２０からなる位置測定装置のデジタル信号処理回路が示されている。
上記Ｚｏｕｔは信号として乗算器１１に入力される。一方、探針（プローブ）に印可される交流電圧の位相（Ｐｒｏｂｅ  ＯＳＣ  ｐｈａｓｅ）信号ωｒｔは、ＡＭＰ１５で０．５倍された後ＬＵテーブル１６を介してｃｏｓ（０．５ωｒｔ）に変換されて乗算器１１に入力される。さらに、前記信号ωｒｔは、ＡＭＰ１８で２．５倍された後加算器１４に入力される。前記乗算器１１に入力されたＺｏｕｔとｃｏｓ（０．５ωｒｔ）は乗算されＺｏｕｔｃｏｓ（０．５ωｒｔ）として出力され、次の乗算器１２に入力される。乗算器１２では、入力されたＺｏｕｔｃｏｓ（０．５ωｒｔ）とＬＵテーブル１５のｓｉｎ（ωｒｔ，ωｘ）を乗算してＰＬＬ回路１３へ送る。ＰＬＬ回路１３は位相制御した信号を加算器１４に出力する。加算器１４はＰＬＬ回路１３の出力と前記ＡＭＰ１８の出力２．５ωｒｔを加算してＬＵテーブル５へ入力する。前記デジタルＰＬＬ回路の出力はローパスフィルタ２０を介して位置信号（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｏｕｔｐｕｔ）として位置制御系に出力される。
【００２９】
上記したことから、今１２式の両辺にｃｏｓ（０．５ωｒｔ）を乗ずると１３式が得られる。ｐ、ｑはｉの値に対するベクトルである。
0003603117.tif 000010
0003603117.tif 000011
但し
0003603117.tif 000012
0003603117.tif 000013
ここで各々のｉに対して１４式の振動振幅ｒが選ばれたとすると１５式が成立する。この式は位置情報ｘ０は単純に周波数成分の位相信号に比例することを示す。
Ｊｐ（ｉ）（ｒω）＝Ｊｑ（ｉ）（ｒω）、Ｊｐ（ｉ）（ｒω）＝Ｊｑ（ｉ）（ｒω）                      （１４）
Ｂ（ｉ）＝｜Ｊｐ（ｉ）（ｒω）｜＝｜Ｊｑ（ｉ）（ｒω）｜，θ（ｉ）＝±ωＸ０                 （１５）
【００３０】
本発明の実施の態様を示す回路では電極に加える電圧信号がプローブの検出アンプに混入して位相検出の誤差になることがある。非線型材料を用い高調波を発生させることによりこれを避けることができる。そのために、先ず７式、８式で表される交流電圧を各電極に加える。電極とプローブの間には半導体の層が形成されており、印加電圧によってプローブと対向する櫛歯状電極の間の等価容量が非線形に変化する。これにより、走査方向の周期的容量分布を印加電圧の高調波に同期して振動させることが可能となる。容量検出型プローブを用いればこの振動は高精度に検出できるので、その結果雑音に対して非常に優れた高精度、高分解能の測長器を実現できる。
【００３１】
図７は櫛歯状電極３個を２π／３、−２π／３ずらし３相交流型にしたものである。この場合の数式を１８式から２０式に示す。２０式は位相を９０度ずらした場合の９式１０式と同様になり１１式以降の数式がそのまま使えることを示す。
0003603117.tif 000014
【００３２】
このように位相を適宜ずらした複数の電極配置により同等の結果を得る多数の組み合わせがある。
なお、探針の形状は前記図示した探針の形状だけでなく、図８に示す平板状または球状の電極でも使用可能である。図８における探針以外の構成は図１に示したものと同じである。
【発明の効果】
本発明は、原理的には振動を必要とせず、探針と電極との間の電界変化を検出して水平位置のスケールピッチ距離を検出するものである点で、基本的に可動部を有さず、測定精度が従来のものに比べ向上する。さらに、本発明の実施の形態を図１および図３の例のもののようにカンチレバーを備えたものとしても、カンチレバーが垂直方向に振動して電界の変化を検出するものである点で、上記従来例のように位置測定を行うために探針を水平方向に振動させ水平位置の距離に関する情報を検出して補間するものと比べ、検出位置における水平方向の振動時の慣性モーメント等が検出値に与える影響を小さくでき測定精度を向上することができる。
本発明は、電気力（クーロン力）を測定するので、例えば信号電流のように、電極サイズの微小化に伴って電流そのものが電極面積に比例して減少していくものと異なり、探針や試料のサイズに実用的な限界が存在せず、任意の微少領域での電気測定を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の走査型マクスウエル応力顕微鏡ＳＭＭの動作原理を示す図である。
【図２】本発明の走査型マクスウエル応力顕微鏡ＳＭＭによる測定例を示す図である。
【図３】本発明の走査型マクスウエル応力顕微鏡ＳＭＭにおいて、電極位相をπ／２ずらした電極配置による位置測定例を示す図である。
【図４】図３の測定例における出力特性図である。
【図５】本発明の位置測定のための制御回路を示す図である。
【図６】本発明の位置測定装置のデジタル信号処理回路を示す図である。
【図７】本発明の走査型マクスウエル応力顕微鏡ＳＭＭにおいて、電極位相を２π／３ずらした電極配置による位置測定例を示す図および測定例における出力特性図である。
【図８】本発明の他の実施の形態を示す図である。
【符号の説明】
１  探針
２  カンチレバー
３  交流電源
４  直流電源
５  電極
６  ベース
７  半導体超薄膜
８  光電変換器
９  Ｐｒθ  ＡＭＰ
１１  乗算器
１２  乗算器
１３  ＰＬＬ回路
１４  加算器
１５  ルックアップテーブル  ｓｉｎ（ωｒｔ、ωｘ）
１６  ルックアップテーブル  ｃｏｓｉｎ（ωｒｔ、ωｘ）
１７  ＡＭＰ
１８  ＡＭＰ
１９  プローブ
２０  ローパスフィルタ
【図１】
0003603117.tif 000015
【図２】
0003603117.tif 000016
【図３】
0003603117.tif 000017
【図４】
0003603117.tif 000018
【図５】
0003603117.tif 000019
【図６】
0003603117.tif 000020
【図７】
0003603117.tif 000021
【図８】
0003603117.tif 000022