(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料に臨む探針と、前記試料と前記探針の相対的位置関係を変化させる微動機構と、この微動機構の動作を制御する制御手段と、前記探針の位置変化を検出する検出手段とを備え、前記制御手段および前記微動機構で前記試料と前記探針の相対的位置関係を変化させることによって、前記探針で前記試料の表面を走査し、前記試料と前記探針の間に作用する物理量に基づく前記探針の位置変化を前記検出手段で検出し、前記試料の表面を測定する走査型プローブ顕微鏡において、
前記試料の基準表面からの一定距離を設定する設定手段と、前記探針と前記試料の基準表面との距離が前記設定された一定距離以下にならないように前記探針を高さ方向に動作させる駆動手段とを備え、前記距離以上の領域に存在する試料表面の状態を測定するようにしたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記探針は、前記微動機構に取り付けられたカンチレバーの先部に設けられ、前記物理量は原子間力であることを特徴とする請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は走査型プローブ顕微鏡に関し、特に、半導体、液晶、光ディスクなどの表面形状や表面物性の測定および解析に使用される走査型プローブ顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
走査型プローブ（探針）顕微鏡は原子オーダの測定分解能を有し、表面形状の計測など各種分野に利用される。走査型プローブ顕微鏡には、検出対象の物理量に応じて、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）などがある。この中で原子間力顕微鏡は、試料表面の形状を高分解能で検出するのに適しており、半導体や光ディスクなどの表面形状の測定に利用されている。
【０００３】
図３に走査型プローブ顕微鏡の一種であるＡＦＭの構成例を示す。このＡＦＭは光学顕微鏡と複合化されたＡＦＭである。基台１１の上にＸＹステージ１２が配置され、ＸＹステージ１２上の試料テーブル１３の上に測定対象である試料１４が載置される。ＸＹステージ１２は、直交するＸ軸方向およびＹ軸方向で定義されるＸＹ平面内で試料テーブル１３を任意に移動させる機能を有する。ＸＹ平面は、図３において水平であってかつ紙面に垂直な平面である。試料テーブル１３に載置された試料１４は、試料テーブル１３の移動に伴ってＸＹ平面内で任意の方向に移動される。また基台１１上には取付け枠体１５が設けられ、この取付け枠体１５に光学顕微鏡１６とＺ粗動ステージ１７とカンチレバー変位検出器２３が取り付けられる。光学顕微鏡１６は、その対物レンズ１８が下方を向き、試料１４に対向している。またＺ粗動ステージ１７は、上記ＸＹ平面に垂直なＺ軸方向の粗動を可能にする移動機構である。Ｚ粗動ステージ１７の下側には取付けブロック１９を介してｘｙｚスキャナ２０が取り付けられる。ｘｙｚスキャナ２０の下面にカンチレバー２１が取り付けられる。ｘｙｚスキャナ２０は、カンチレバー２１をＸ，Ｙ，Ｚの各軸方向に微動させる機能を有する微動装置である。カンチレバー２１の先部には試料１４の表面に対向するプローブ２２が設けられる。なお「プローブ」は通常「探針」とも呼ばれるので、装置名称（「走査型プローブ顕微鏡」）とは異なり個別には「探針」という。またカンチレバー変位検出器２３はカンチレバー２１の先部の探針２２の変位を検出するための装置であり、カンチレバー変位検出器２３には例えばレーザ光源と光検出器からなる検出光学系が使用される。
【０００４】
前述のＺ粗動ステージ１７と、ｘｙｚスキャナ２０と、カンチレバー２１と、探針２２と、カンチレバー変位検出器２３によってＡＦＭの機構部分２４が形成される。
【０００５】
ＸＹステージ１２の動作はＸＹステージ制御回路２５の制御に基づいて行われ、ＸＹステージ１２の動作量はステージ変位計２６で検出される。ＸＹステージ制御回路２５は計算機２７から制御量に関するデータを受け、ステージ変位計２６は検出した動作量に関するデータを計算機２７に送給する。またＺ粗動ステージ１７の動作はＺ粗動ステージ制御回路２８で制御され、ｘｙｚスキャナ２０の動作はｘｙｚスキャナ制御回路２９によって制御される。Ｚ粗動ステージ制御回路２８とｘｙｚスキャナ制御回路２９に基づく探針２２のＺ軸方向の位置制御は、探針２２と試料１４の表面との間に作用する原子間力が一定に保持されるように両者の間の距離を調整するために行われるものであるので、カンチレバー変位検出器２３で検出された変位検出データを取り出し、力設定器３０で変位検出データと原子間力に関する力設定値と比較し、探針と試料表面の間で働く原子間力が常に力設定値と一致するような制御データが、力設定器３０からＺ粗動ステージ制御回路２８とｘｙｚスキャナ制御回路２９に対して与えられる。計算機２７は、力設定器３０に力設定値を与えると共に、Ｚ粗動ステージ制御回路２８とｘｙｚスキャナ制御回路２９に接続され、これらの回路との間でデータのやり取りを行う。計算機２７はモニタ３１を備え、このモニタ３１には測定で求められた試料表面の像が表示される。
【０００６】
上記構成を有するＡＦＭの操作および作動は、次の通りである。ＸＹステージ１２上の試料テーブル１３の上に試料１４を載せ、ＸＹステージ１２を用いて試料１４をＸＹ平面内で移動させながら光学顕微鏡１６を用いて試料１４の観察位置を探し出す。次に、その位置にカンチレバー２１の探針２２を合わせる。探針２２の位置を試料１４の観察位置に合わせるときには、同じくＸＹステージ１２を用いて図３中に示す距離ｄ１だけ移動させる。試料１４の観察位置に位置合わせされた探針２２は、Ｚ粗動ステージ１７によって原子間力が作用する位置に至るまで試料１４の表面に接近させられる。次に、カンチレバー２１の探針２２が試料表面から受ける力が一定になるようにｘｙｚスキャナ２０のＺ方向駆動部を利用して制御しながら、同時にｘｙｚスキャナ２０のＸＹ方向駆動部を利用して探針２２をスキャニングさせる。計算機２７は、このときのｘｙｚスキャナ２０の駆動信号に基づいて試料１４の観察表面の像を作成し、モニタ３１に表示する。こうして試料１４の観察表面の原子レベルの像を観察することができる。
【０００７】
上記構成を有するＡＦＭによれば、例えば、１００倍の光学顕微鏡１６では８８×６６μｍの範囲を、水平方向に０．２５μｍ、垂直方向に０．５μｍの精度で、またＡＦＭ２４では約１０×１０μｍの範囲を、水平方向に０．１ｎｍ、垂直方向に０．０１ｎｍの分解能で測定できる。
【０００８】
図４にｘｙｚスキャナ２０の構造の一例を示す。ｘｙｚスキャナ２０は、全体形状が円筒型を有し、例えばチタン酸ジルコン酸鉛ＰＺＴ等の圧電素子で形成される。円筒部の寸法としては、例えば外径１５ｍｍ、内径１４ｍｍ、高さ４０ｍｍ程度である。円筒型圧電素子の内側のほぼ全面にはグラウンド電極が設けられ、外側面にはＺ軸駆動用電極３２、Ｘ軸駆動用電極３３、Ｙ軸駆動用電極３４が設けられる。ｘｙｚスキャナ２０の上端は図３に示されるように固定され、下端が自由端となってスキャニング動作を行う。Ｚ軸方向に変位（伸縮）させるには、電極３２に必要な電圧を印加する。Ｘ軸方向に変位させるには、上下の各々で外面の反対側の位置で対向して配置された２枚の電極３３のそれぞれに変位方向に応じて必要な電圧を印加し、Ｙ軸方向に変位させるには、同じく上下の各々で反対側の位置で対向して配置された上下２枚の電極３４のそれぞれに変位方向に応じて必要な電圧を印加する。また印加電圧の大きさを調整することによって変位量を変化することができる。前述した寸法を有するｘｙｚスキャナによれば、例えばＸ軸方向には最大±１０μｍの変位を生じる。
【０００９】
しかしながら、ｘｙｚスキャナ２０を形成する円筒型圧電素子（ＰＺＴ）では、ストロークにおいて一割程度のヒステリシスを発生する。そこで、ｘｙｚスキャナで正確な変位を生じさせるためには、各電極３２，３３，３４に適当に歪みゲージ３５を貼り付け、かつ各軸に関して外側に例えば静電容量型の較正用変位計（図示せず）を設置し、最初にｘｙｚスキャナ２０への印加電圧に対する歪みゲージ出力と変位計出力との関係を求めておく必要がある。その後のスキャニング動作では、歪みゲージ出力そのものがｘｙｚスキャナの移動変位量として扱われる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記構成を有する従来の走査型プローブ顕微鏡を用いて測定を行うと、次のような問題を有する。例えば図５に示すような凹凸表面を有する試料１４を走査し、測定を行うものとする。試料１４の凹凸表面は平面的に広がっているものとする。図５中に記される通り、試料の凹凸表面では距離ａ１  ，ａ２  ，ａ３  が定められているものとする。ここで、仮にａ１  を１０μｍ、ａ２  およびａ３  を０．３μｍであるとする。一辺が０．３μｍの例えば矩形領域において、１ｎｍの分解能で測定する場合を考える。
【００１１】
従来の装置構成による測定において、光学顕微鏡１６を利用して、一辺１０μｍの矩形領域を識別することは比較的に容易であるが、この矩形領域の中で一辺０．３μｍにある部分を識別することは困難である。そこで、従来の装置では、最初にＡＦＭを用いて一辺１０μｍの矩形領域を測定し、その結果に基づいて距離を求める。この時の表示分解能は、１０μｍ／２５６で得られ、ほぼ４０ｎｍとなる。ここで２５６は、表示解像度に対応する分割数である。ａ２  の距離が具体的に決定されると、ＡＦＭをａ３  である一辺０．３μｍの矩形領域に正確に移動させることができ、当該矩形領域をＡＦＭによって測定することができる。そのときの表示分解能は０．３μｍ／２５６で与えられ、ほぼ１ｎｍとなる。このようにして従来の走査型プローブ顕微鏡の構成によれば、距離ａ１  の矩形領域をＡＦＭで測定し、その後測定データに基づいて距離ａ３  で決まる矩形領域を確定し、当該領域をより細かい分解能で測定し、当該分解能で表示を行うようにしている。
【００１２】
従来の装置構成に基づく前述の測定の仕方によれば、測定に要する効率、すなわちスループットが大きな問題になる。例えばＡＦＭを用いて前記０．３μｍの矩形領域を測定する場合８０秒位を要している。従って、前述のごとく、ＡＦＭを用いて粗い測定と微細な測定を行えば、２度のＡＦＭ測定に相当する時間を要することになり、全体として測定時間が長くなり、測定のスループットを高めることができないという問題を提起する。
【００１３】
本発明の目的は、試料の表面形状や表面物性の測定等においてスループットを向上したＡＦＭ等の走査型プローブ顕微鏡を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段および作用】
第１の本発明（請求項１に対応）に係る走査型プローブ顕微鏡は、上記目的を達成するために、試料に臨む探針と、試料と探針の相対的位置関係を変化させる微動機構（ｘｙｚスキャナ）と、この微動機構の動作を制御する制御手段と、探針の位置変化を検出する検出手段とを備え、制御手段および微動機構で試料と探針の相対的位置関係を変化させることによって、探針で試料の表面を走査し、試料と探針の間に作用する物理量に基づく探針の位置変化を検出手段（カンチレバー変位検出器）で検出し、試料の表面を測定する走査型プローブ顕微鏡において、試料の基準表面からの一定距離を設定する設定手段（距離設定回路）と、前記探針と前記試料の基準表面との距離が前記設定された一定距離以下にならないように探針を高さ方向に動作させる駆動手段（設定距離駆動回路）とを備え、前記距離以上の領域に存在する試料表面の状態を測定するように構成される。
【００１５】
第１の本発明では、設定手段で設定された距離以上に探針が試料表面に接近することなく、試料表面をスキャニングすることができるので、相対的に広い範囲の試料表面を短時間で粗く測定することができる。これによって、本来測定したい箇所を効率よく探し出すことができる。
【００１６】
第２の本発明（請求項２に対応）に係る走査型プローブ顕微鏡は、第１の発明の構成において、前記探針は、微動機構に取り付けられたカンチレバーの先部に設けられ、前記物理量は原子間力であることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
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。
【００１８】
図１に本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の一実施形態を示す。図１に示された構成は図３で示した構成（光学顕微鏡付きＡＦＭ）と基本的に同じであるので、図３で示した要素と同一の要素には同一の符号を付している。
【００１９】
図１において、１１は基台、１２はＸＹステージ、１３は試料テーブル、１４は試料であり、また１５は取付け枠体、１６は光学顕微鏡、１７はＺ粗動ステージ、２０はｘｙｚスキャナ、２１はカンチレバー、２２は探針、２３はカンチレバーの変位検出器である。上記の各構成要素の取付け構造、構成、機能は図３に基づいて説明した通りのものである。
【００２０】
また制御に関する回路部分では、ＸＹステージ１２に対してはＸＹステージ制御回路２５とステージ変位計２６が設けられ、Ｚ粗動ステージ１７に対してはＺ粗動ステージ制御回路２８が設けられ、ｘｙｚスキャナ２０に対してはｘｙｚスキャナ制御回路２９が設けられる。Ｚ粗動ステージ制御回路２８とｘｙｚスキャナ制御回路２９には、力設定器３０から、探針と試料表面の間で働く原子間力が常に力設定値と一致するようにするための制御データが与えられる。上記の回路２５，２８，２９や力設定器３０等に対して、モニタ３１を備えた計算機２７が設けられる。上記の各構成要素の取付け構造、構成、機能は図３に基づいて説明した通りのものである。
【００２１】
制御に関する回路部分に部分については、さらに新たに探針・試料間の距離設定回路４１と設定距離駆動回路４２とが付設される。
【００２２】
距離設定回路４１では例えば図２（ｂ）に示される距離ａ４  が設定される。距離ａ４  は試料１４の基準表面１４ａからの高さに相当するものである。この距離ａ４  は、試料１４の基準表面１４ａに例えば高さの異なる３つの凸部５１，５２，５３が例えば周期性を有して形成されている場合において、凸部５１，５２の高さよりも小さくかつ凸部５３の高さよりも大きい高さとして設定される。各凸部の高さは予め分かっているので、距離ａ４  を設定することは容易である。なお図２において、距離ａ１  ，ａ２  ，ａ３  は図５で説明した距離と同一のものである。距離設定部４１における距離ａ４  の設定は、計算機２７から与えられる指令に基づいて行われる。
【００２３】
設定距離駆動回路４２は、Ｚ粗動ステージ制御回路２８とｘｙｚスキャナ制御回路２９の制御動作に基づき探針２２によって試料１４の表面をスキャニングするとき、探針２２と試料１４の基準表面１４ａとの距離が距離設定回路４１で設定された距離以下にならないように、探針１４の高さ方向（Ｚ軸方向）の動作を駆動するための回路である。設定距離駆動回路４２による探針駆動は、Ｚ粗動ステージ制御回路２８とｘｙｚスキャナ制御回路２９を介して行われる。
【００２４】
次に、上記構成を有する光学顕微鏡付きＡＦＭの操作と作動を説明する。基本的な操作と作動は、既に説明した通り、最初に、ＸＹステージ１２上の試料テーブル１３の上に試料１４を載せ、ＸＹステージ１２を用いて試料１４をＸＹ平面内で移動させながら光学顕微鏡１６を用いて試料１４における観察測定しようとする箇所を探し出す。次に、同じくＸＹステージ１２を用いて図１中に示す距離ｄ１だけ移動させ、試料１４の測定箇所にカンチレバー２１の探針２２を合わせる。試料１４の測定箇所に位置合わせされた探針２２は、Ｚ粗動ステージ１７によって原子間力が作用する位置に至るまで試料１４の表面に接近させられ、次にカンチレバー２１の探針２２が試料表面から受ける力が一定になるようにｘｙｚスキャナ２０のＺ方向駆動部を利用して制御しながら、同時にｘｙｚスキャナ２０のＸＹ方向駆動部を利用して探針２２をスキャニングさせる。計算機２７は、このときのｘｙｚスキャナ２０の駆動信号に関するデータに基づいて試料１４の観察表面の像を作成し、モニタ３１に表示する。
【００２５】
次に距離ａ３  で設定される例えば或る矩形領域を測定領域とする場合において、当該矩形領域を探し出すための操作・作動について説明する。一辺をａ３  （＝０．３μｍ）とする或る矩形領域を光学顕微鏡１６で探し出すことは困難である。そこで、まず最初にａ１  （＝１０μｍ）を一辺とする例えば矩形領域を光学顕微鏡１６を用いて探し出す。この探索は光学顕微鏡１６で可能である。光学顕微鏡１６によってかかる矩形領域が見つかったならば、その後、当該矩形領域をＡＦＭで粗く測定する。
【００２６】
距離ａ１  （＝１０μｍ）を一辺とする矩形領域に関するＡＦＭによる粗い測定は次のように行われる。
【００２７】
試料１４の測定表面には、例えば図２（ａ）に示されるような互いに高さが異なる凸部５１，５２，５３が特定の周期性をもって形成されているものとする。各凸部の高さの値は既知である。上記のＡＦＭによる粗い測定では、各凸部の高さを考慮して前述した高さａ４  が設定される。
【００２８】
距離ａ４  の設定は、操作者により図示しない入力装置を通して計算機２７に入力することにより行われる。距離ａ４  が計算機２７に入力されると、計算機２７は距離ａ４  を距離設定回路４１に設定する。距離設定回路４１に距離ａ４  が設定されると、試料１４の基準表面１４ａに対して探針２２の位置を制御する場合に、設定距離駆動回路４２は、Ｚ粗動ステージ制御回路２８によるＺ粗動ステージ１７での探針の高さ方向の位置制御、およびｘｙｚスキャナ制御回路２９によるｘｙｚスキャナ２０での探針の高さ方向の位置制御に関し、試料１４の基準表面１４ａに対して探針２２が距離ａ４  よりも接近しないように動作制御を行わせる。一辺ａ１  の矩形領域をＡＦＭで測定するにあたって上記距離ａ４  を設定すると、探針２２は試料１４の測定表面に形成された凹凸に沿うように厳密に走査を行わなくともよいので、粗い測定を行うことができる。距離ａ４  を大きくすればするほど、粗い測定を行うことができる。前述した距離ａ４  を距離設定回路４１に設定することによって測定自体は粗くなるが、測定に要する時間は短縮される。これによって測定のスループットを高めることができる。
【００２９】
実際上、距離ａ４  をどの程度の値に設定するかということは、探し出そうする目標物と周囲部分との寸法的関係に基づいて決定される。本実施形態の場合には、図２（ａ）に示される形状的特徴を有する試料表面において、距離ａ３  を一辺とする矩形領域が測定対象であるので、この領域を見出だすことを可能とする上記条件（凸部５１，５２の各高さよりも小さく、凸部５３の高さよりも大きい）を満たす距離ａ４  が設定される。
【００３０】
距離設定回路４１に特定の距離が設定されていない場合には、Ｚ粗動ステージ１７とｘｙｚスキャナ２０を動作させて、探針２２を試料１４の基準表面１４ａに向けて移動させると、探針２２は当該基準表面（底面）１４ａに接触する。探針２２が試料の基準表面に触れたかどうかはカンチレバー２１のたわみ方向の変化で知ることができる。探針２２が試料１４に接近してくると、吸引力が作用し、探針２２が試料１４に引き込まれるようにしてたわむ。探針２２が、原子間力が作用する１ｎｍ以下の距離で試料に近づくと、斥力が働き、カンチレバー２１を逆方向に変化させる。この変化点を、探針２２が試料１４に接した点として取り扱い、試料の底面とみなす。
【００３１】
距離設定回路４１に距離ａ４  が設定された状態で、設定距離駆動回路４２等を含むＡＦＭによる測定を行う場合には、ｘｙｚスキャナ２０を動作させて探針２２を試料１４の基準表面１４ａからａ４  だけ離れさせる。その高さ位置をＺ軸方向（高さ方向）の原点（０点）としてＸ軸およびＹ軸の各方向にスキャニングを行う。スキャニングを行っている間、カンチレバー変位検出器２３を通してカンチレバー２１の変位を検出し、この変位検出値が力設定器３０で設定された力設定値に一致するように探針２２の高さ方向の位置が制御される。探針２２のＺ軸方向の位置が前述の距離ａ４  以下になれば、力設定値と一致していなくとも、探針２２は、原点を検出したものとしてＸＹ方向に移動する。この結果、図２（ｂ）に示ように、距離ａ４  以上の試料表面のＸＹ領域が、決められた力設定値に基づいて測定されたことになる。この測定は、粗い測定になり、本来的に測定対象となるべき箇所を効率的に探し出すための測定であり、これによって走査型プローブ顕微鏡のスループットを向上することができる。この粗い測定の結果に基づいて、ａ２  の距離を求め、図２（ｃ）に示すような測定対象である一辺ａ３  の矩形領域を探し出すことができ、当該領域を１ｎｍの分解能で測定することができる。ただし一辺ａ３  の矩形領域を測定するときには、精密に測定が行う必要があるので、距離設定回路４１において設定される距離（ａ４  ）を０に設定する。
【００３２】
図２（ｂ）に示す測定を用いれば、従来の測定の仕方に比較すると、約１／５程度の時間で測定することができ、測定を高速化でき、測定のスループットを高めることができる。
【００３３】
前記実施形態では走査型プローブ顕微鏡としてＡＦＭの例を説明したが、本願発明は、ＳＴＭ、ＭＦＭ等の他の形式の走査型プローブ顕微鏡に適用できるのは勿論である。
【００３４】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように本発明によれば、試料表面を探針がスキャニングするときに、探針と試料の距離すなわち試料表面上の高さを設定し、その高さ以上の形状等を測定するように構成したため、ＡＦＭ等によって粗い測定を行うことによって高分解能の測定を行うべき箇所を短時間で見つけることができる。これによって走査型プローブ顕微鏡による測定のスループットを向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の一実施形態を示す構成図である。
【図２】本発明の走査の態様を示す説明図である。
【図３】従来の走査型プローブ顕微鏡の一例を示す構成図である。
【図４】微動機構の一例を示す正面図である。
【図５】従来の走査の態様を示す説明図である。
【符号の説明】
１２                                    ＸＹステージ
１３                                    試料テーブル
１４                                    試料
１６                                    光学顕微鏡
１７                                    Ｚ粗動ステージ
２０                                    ｘｙｚステージ
２１                                    カンチレバー
２２                                    探針
２３                                    カンチレバー変位検出器
２７                                    計算機
４１                                    距離設定回路
４２                                    設定距離駆動回路
【図１】
0003597613.tif 000002
【図２】
0003597613.tif 000003
【図３】
0003597613.tif 000004
【図４】
0003597613.tif 000005
【図５】
0003597613.tif 000006