(57)【要約】【課題】  探針の高さ方向の位置制御で試料表面に形成された凹凸による段差の高さを制限して走査時間を短縮し、試料表面における穴等の形・大きさ・寸法・位置等の情報を得る走査型プローブ顕微鏡の探針走査方法を提供する。【解決手段】  この探針走査方法は、試料１１の表面１１ａをなぞって探針１５を走査し、表面の凹凸形状等の情報を得る走査型プローブ顕微鏡の探針走査方法であって、試料表面での探針の走査範囲での探針の高さ位置の制御で、探針の最低位置を、最高の高さ位置を基準にして当該最高の高さ位置よりも低い任意の下限位置に制限する方法である。【選択図】      図２
2006053028.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料の表面をなぞるように探針を走査し、前記試料の表面を測定して当該表面の情報を得る走査型プローブ顕微鏡の探針走査方法であり、
前記試料の表面での前記探針の走査範囲における前記探針の高さ位置の制御で、前記探針の最低位置を、最高の高さ位置を基準にして前記最高の高さ位置よりも低い任意の下限位置に制限する、
ことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の探針走査方法。
【請求項２】
前記最高の高さ位置を見出すまでは前記試料の表面を前記探針でなぞらせて走査す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の探針走査方法。
【請求項３】
前記探針の最低位置を制限する走査で得られた画像に基づき、前記探針の高さ位置の制御が制限された走査範囲で、前記探針の最低位置の前記制限を解除して再度測定を行うことを特徴とする請求項１または２記載の走査型プローブ顕微鏡の探針走査方法。
【請求項４】
試料の表面に対して探針の接近・退避を繰り返して探針を走査し、前記試料の表面を測定して当該表面の情報を得る走査型プローブ顕微鏡の探針走査方法であり、
前記試料の表面での前記探針の走査範囲における前記探針の高さ位置の制御で、任意の第１接近・退避距離で走査を行い、
その後、最高高さ位置を検出した後に、前記第１接近・退避距離より小さい任意の第２接近・退避距離に変更して走査を継続し、前記探針の最低位置を、最高の高さ位置を基準にして前記最高の高さ位置よりも低い任意の下限位置に制限する、
ことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の探針走査方法。
【請求項５】
前記探針の最低位置を制限する走査で得られた画像に基づき、前記探針の高さ位置の制御が制限された走査範囲で、前記探針の最低位置の前記制限を解除して再度測定を行うことを特徴とする請求項４記載の走査型プローブ顕微鏡の探針走査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は走査型プローブ顕微鏡の探針走査方法に関し、特に、走査型プローブ顕微鏡による試料表面の測定で走査時間を短縮し測定時間の短縮に好適な探針走査方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
走査型プローブ顕微鏡によって試料の表面の凹凸形状を測定するとき、探針の走査の方法として、従来、探針が試料表面に継続的に接触する方法と、試料表面に対して探針が接近・退避を繰り返し一定間隔で接触する方法とがある。試料表面に継続的に接触する方法では、探針は、試料表面の凹凸をなぞるように走査される。繰り返し接触する方法では、探針は、試料表面のすべてで一定間隔で接触状態が生じるように走査される。前者の探針走査方法では、試料の表面の凹凸形状の底部まで探針がなぞるので、常に段差を乗り越えて走査しなければならず、走査速度を速くし、走査時間を短縮することが困難である。また後者の探針走査方法であっても、探針の高さ方向の位置制御では、試料表面の凹凸形状の凹部に関し底まで移動させなければならないので、深さに応じた移動に時間がかかり、走査時間を短縮することが困難である。
【０００３】
次に、本発明に関連する従来の技術を特許文献１と特許文献２を参照して説明する。
【０００４】
特許文献１は走査型プローブ顕微鏡の探針移動制御方法を開示する。この探針移動制御方法では、探針が試料表面の凹凸形状をなぞるように凹凸形状に追従させながら探針を走査する方法において、探針が試料表面の凸部の縁から外れて段差の下方の底に向かって移動しようとするときに、高さ調整用アクチュエータの伸び動作を一定範囲に制限するものである。これによって当該アクチュエータの伸び動作が最大限になるのを防いでいる。
【０００５】
特許文献２は走査型プローブ顕微鏡を開示する。この走査型プローブ顕微鏡では、試料の表面形状等を測定する場合、探針による試料表面の走査時に、探針の高さ方向の移動の制御において、探針と試料（試料表面の凹凸形状の最も低い底部分）の間の距離が、設定された一定距離よりも小さくならないようにするための装置構成を有している。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させる。
【特許文献１】特開２０００−２１４０６７号公報
【特許文献２】特開平９−１０５７５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、例えば多数の穴や溝が規則正しくまたは周期的に作られた表面を有する試料の当該表面を走査型プローブ顕微鏡で測定する場合に、探針が、試料表面の凹凸形状を追従してなぞりながら、または接近・退避を繰り返しながら、凹凸による段差を乗り越えて走査されるとき、探針走査制御の面で段差を小さく制限することにより、走査時間を短縮し、測定時間を短縮することであり、走査型プローブ顕微鏡の本来の試料測定の前段における場所探しの測定として適した探針の走査方法を提供しようとするものである。また試料表面に形成された多数の穴や溝等に関して形・大きさ・寸法等の情報、位置情報を比較的に短時間で得ようとすることである。特に試料表面に形成された凹凸による段差が大きいときに、前段の場所探しのための測定としての効果が発揮される探針走査方法を実現しようとするものである。
【０００７】
本発明の目的は、上記の課題に鑑み、探針を試料表面になぞらせる、または試料表面に対して接近・退避を繰り返す走査方法において、探針の高さ方向の位置制御で試料表面に形成された凹凸による段差の高さを制限し、走査時間を短縮して測定時間を短縮し、かつ高速走査を行いながら試料表面における穴等の形・大きさ・寸法等の情報や位置情報を得るようにした走査型プローブ顕微鏡の探針走査方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の探針走査方法は、上記目的を達成するために、次のように構成される。
【０００９】
第１の探針走査方法（請求項１に対応）は、試料の表面をなぞって探針を走査し、試料の表面を測定して当該表面の凹凸形状等の情報を得る走査型プローブ顕微鏡の探針走査方法であって、試料の表面での探針の走査範囲における探針の高さ位置の制御で、探針の最低位置を、最高の高さ位置を基準にして当該最高の高さ位置よりも低い任意の下限位置に制限する方法である。この探針走査方法では、常に試料表面のすべてを追従させず、探針の最低位置を制限するべく、探針が下方に移動するときに下限の高さ位置を設定し、設定された任意の高さ位置より下側部分については探針を移動させないので、走査時間を短縮することがで可能となる。設定される下限位置は、試料表面の凹凸形状の最高点を基準にして決定される。
【００１０】
第２の探針走査方法（請求項２に対応）は、上記第１の探針走査方法において、好ましくは、最高の高さ位置を見出すまでは試料の表面を探針でなぞらせて走査する方法である。設定される下限位置は、最高点を基準に設定されるように構成されるので、測定しようとする試料の表面の凹凸形状について最高点を得るまでは探針の最低位置を制限せず、探針の走査が行われる。
【００１１】
第３の探針走査方法（請求項３に対応）は、上記の各探針走査方法において、好ましくは、探針の最低位置を制限する走査で得られた画像に基づき、探針の高さ位置の制御が制限された走査範囲で、探針の最低位置の制限を解除して再度走査しあるいは所望の位置で探針を試料表面に接触させ、高さ情報を得る測定を行う方法である。探針の最低位置を制限した探針走査では短時間で試料表面の凹み箇所の画像情報を得ることができるので、当該測定を前段の場所探しの測定として利用すると、本来の精度の高い試料表面の凹凸形状を測定しまたは高さ情報を得ることが可能となる。
【００１２】
第４の探針走査方法（請求項４に対応）は、試料の表面に対して探針の接近・退避を繰り返して探針を走査し、試料の表面を測定して当該表面の凹凸形状等の情報を得る走査型プローブ顕微鏡の探針走査方法であって、試料の表面での探針の走査範囲における探針の高さ位置の制御で、任意の第１接近・退避距離で走査を開始し、その後、最高高さ位置を検出した後に、第１接近・退避距離より小さい任意の第２接近・退避距離に変更して走査を継続し、探針の最低位置を、最高の高さ位置を基準にして最高の高さ位置よりも低い任意の下限位置に制限する方法である。この探針走査方法では、試料表面の走査範囲において一定の間隔で探針の接近・退避を繰り返して試料表面の凹凸形状を測定するいわゆるステップイン方式の測定において、前述と同様に、探針の最低位置を制限して、短い時間で探針走査が行われる。
【００１３】
第５の探針走査方法（請求項５に対応）は、第４の探針走査方法において、好ましくは、探針の最低位置を制限する走査で得られた画像に基づき、探針の高さ位置の制御が制限された走査範囲で、探針の最低位置の制限を解除して再度走査しあるいは所望の位置で探針を試料表面に接触させ高さ情報を得る測定を行う方法である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、走査型プローブ顕微鏡による測定で探針を試料表面の凹凸形状になぞらせてまたは接近・退避を繰り返して試料表面を走査させる場合、凹凸形状に基づいて形成される試料表面の段差を探針が乗り越えるとき、探針の最低位置を制限することにより当該段差の高さを制御的に制限するようにしたため、走査速度を高めることができ、測定時間を短縮することができる。この探針走査方法は、特に試料表面の多数の穴および溝等の幅測定などの水平寸法計測に有効である。また特に試料表面の段差が大きい試料の測定の場合に測定時間の短縮の観点での効果が大きい。さらに、本発明の探針走査方法によれば、探針走査時間を短縮して測定時間を短縮し、もって穴等の形・大きさ・寸法等の情報や位置情報を比較的に短時間で得ることができる。さらに、特に、試料表面に形成された凹凸による段差が大きいときに、前段の場所探しのための測定としての効果を発揮させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。
【００１６】
図１〜図３に従って本発明に係る探針走査方法の第１の実施形態を説明する。図１は本発明に係る探針走査方法を実施する走査型プローブ顕微鏡の基本的構成を示すブロック図であり、図２は試料表面での走査状態と探針の高さ位置の変化状態をイメージ的に示す図であり、図３は第１実施形態に係る探針走査方法を実施するフローチャートである。この実施形態では、走査型プローブ顕微鏡の代表例として原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）に基づくＡＦＭ測定の例について説明する。なお走査型プローブ顕微鏡は原子間力顕微鏡には限定されない。
【００１７】
本実施形態による原子間力顕微鏡の基本的な測定動作は、先端に探針を有するカンチレバーを備え、その探針で試料表面の凹凸形状を継続して追従してなぞる例である。またカンチレバーのたわみ変形によって生じるカンチレバーまたは探針の図１中のＺ軸方向（高さ方向または垂直方向）等の変位量は、一般的にいわゆる光てこ式光学検出装置を利用して検出される。
【００１８】
図１で、試料１１は試料ステージ１２上の試料ホルダ１３の上に固定されている。試料１１は例えば半導体デバイス作製用の基板である。
【００１９】
試料１１の上側にはカンチレバー１４が配置され、カンチレバー１４の先端には、試料１１の表面に対向するように位置する探針１５が備えられている。カンチレバー１４は、その基端がＺ微動機構１６に固定されている。Ｚ微動機構１６は例えば圧電素子で形成され、図１中Ｚ軸方向に微小距離で伸縮する機能を有している。これによりＺ微動機構１６はカンチレバー１４および探針１５の高さ方向の位置を微動動作に基づき変化させる。Ｚ微動機構１６は、探針・試料間を一定の距離に保持するため試料表面に対して探針１５を接近させたりまたは退避させる機構であり、また探針・試料間の距離を制御するＺ軸方向の動作を行うための高さ調整用アクチュエータである。
【００２０】
上記Ｚ微動機構１６は、さらに図示しない固定用フレーム等に固定されたＸＹ微動機構１７の下部に取り付けられている。ＸＹ微動機構１７は、例えばＸ軸方向圧電素子とＹ軸方向圧電素子で構成され、Ｚ微動機構１６、カンチレバー１４、探針１５等をＸＹ方向に微動させる機能を有している。ＸＹ微動機構１７によって、探針１５は試料１１の表面を走査することが可能となる。ＸＹ微動機構１７は、ＸＹ方向の走査動作を行うための走査移動用アクチュエータである。
【００２１】
カンチレバー１４の上方にはレーザ光源１８と光検出器１９から成る光てこ式光学検出装置が配置される。レーザ光源１８から出射されたレーザ光１８ａはカンチレバー１４の背面で反射され、光検出器１９の受光面に入射する。光てこ式光学検出装置は、カンチレバー１４のたわみ状態（変位量）を検出することにより、探針１５の変位を検出する働きを有している。探針と試料表面の間に生じる物理的作用（原子間力）の変化に基づいて探針１５が変位すると、カンチレバー１４がたわみ、そのたわみ量に依存して光検出器１９の受光面におけるレーザ光１８ａの入射スポットの位置が変化し、これにより探針１５の変位量を電気信号的に取り出すことができる。すなわち光検出器１９の出力信号をモニタすることにより、探針１５の変位量を求めることが可能となる。試料１１の表面と探針１５との間で作用する物理量としては原子間力顕微鏡では原子間力であり、当該原子間力に応じて探針１５の位置が変化し、さらにカンチレバー１４がたわみ変形することにより、カンチレバー１４で生じる変形量は、前述の通り、光てこ式光学検出装置により測定され、取り出される。
【００２２】
次に、制御系の基本的構成と測定に関する信号処理系の構成とを説明する。図１において、試料１１の表面の凹凸等の形状を測定するときには、まず最初、探針１５をＺ微動機構１６により試料１１に対し原子間力が作用する高さ位置まで接近させる。探針１５と試料１１が接近したとき、探針１５が試料１１の表面から原子間力を受け、カンチレバー１４にたわみ変形が生じる。カンチレバー１４はかかる微弱な原子間力でたわむ程度の非常にバネ定数の小さい片持ち梁の構造になっているのが一般的であり、通常、半導体の薄膜作製技術を利用して作られる。
【００２３】
光てこ式光学検出装置により検出されたカンチレバー１４の変位量（すなわち探針１５の高さ位置変化量）は、光検出器１９から変位信号として出力され、アンプ２０で増幅されて電圧信号Ｖdとして取り出される。電圧信号Ｖdは減算器２１に入力される。次に減算器２１では、予め基準値として設定されたＶrefと、上記電気信号Ｖdの差が偏差信号ｓ１として演算される。当該偏差信号ｓ１は制御器２２に供給される。制御器２２はＺ微動機構１６の伸縮動作を制御する制御要素である。制御器２２によれば、減算器２１から出力される上記偏差信号ｓ１が０になるように、制御信号ｓ２を生成し出力する。制御器２２から出力される制御信号ｓ２は、カンチレバー１６のたわみ変形による変位量を常に設定値Ｖrefに一致するように制御するためのものであり、探針１５を試料１１の表面に対し一定の力で押付けられた状態に保つためＺ微動機構１６の伸縮動作すなわち探針１５の変位を制御する駆動制御信号である。こうして減算器２１と制御器２２等を含むフィードバックサーボ制御系が形成される。
【００２４】
本実施形態による構成では、さらに、上記制御器２２とＺ微動機構１６との間に切替部２３と変位制限部２４が設けられる。
【００２５】
切替部２３は、上記制御信号ｓ２が、変位制限部２４およびアンプ２５を経由して制御信号ｓ３としてＺ微動機構１６に供給されるか、または変位制限部２４を経由せず直接にアンプ２５を通って制御信号ｓ２のままＺ微動機構１６に供給されるか、を選択するための切替手段である。切替器２３の選択のための切替動作は、上位コンピュータ３１から指令信号に基づいて実行される。
【００２６】
変位制限部２４では、その入力信号（制御信号ｓ２）と出力信号（制御信号ｓ３）の対応関係に関して、図示されるような入力・出力関係を有している。この変位制限部２４によれば、Ｚ微動機構１６の伸び動作の上限設定値（高さ方向に移動する探針１５では下限となる高さ位置）に相当する或る値ａに至る範囲に含まれる制御信号ｓ２に関してはその信号がそのまま制御信号ｓ３としてＺ微動機構１６に対して出力され、値ａを越える制御信号に関しては値ａに対応する一定の出力ｂが制御信号ｓ３としてＺ微動機構１６に対して出力される。上記変位制限部２４によれば、制御器２２から出力される制御信号ｓ２に従ってＺ微動機構１６が伸び動作を制御する場合において、制御信号ｓ３を、設定された伸び動作上限値に対応する値ｂを基準にして、これよりも大きいときには制限し、Ｚ微動機構１６の動作が制御される。これによって、探針１５の最低位置が任意の下限高さ位置に制限されることになる。
【００２７】
上記において、変位制限部２４の出力ｂの値は、後述するごとく、試料１１の表面の走査の開始後の一定走査範囲に関しては試料表面の凹凸の高さ情報を信号処理装置２７が入力し、さらに上位コンピュータ３１がその高さ情報のうち最も高い位置を記憶しておき、その最高点を元に任意の深さ位置までしか探針１５が下がらないようにすることで、決定される。変位制限部２４の出力ｂの値は、高さ情報を入力・記憶する信号処理装置２７から上位コンピュータ３１が随時最も高い高さ位置データを求め、当該上位コンピュータ３１が変位制限部２４に対して任意の下限高さ位置（または下限深さ位置）に係る指令値を与えることにより、決められる。
【００２８】
制御器２２から出力される制御信号ｓ２が、変位制限部２４を経由せず、直接にアンプ２５を通ってそのままＺ微動機構１６に供給される場合には、探針１５が試料１１の表面に凹凸形状に継続的になぞって走査するという通常の走査に基づく試料表面の凹凸形状の測定が行われる。
【００２９】
上記のように、試料表面の凹凸形状を継続してなぞる場合の原子間力顕微鏡による試料１１の表面の測定・観察によれば、試料表面に対する探針１５の押付け力を一定にする制御を行いながら、ＸＹ走査制御部２６によりＸＹ微動機構１７を駆動して探針１５をＸＹ方向へ移動させ、試料１１の表面の所定の走査範囲を探針１５で走査する。この結果、Ｚ軸方向の制御信号ｓ２では、本来のＡＦＭ測定動作であれば、試料１１の表面の凹凸形状に応じて変化する。また探針１５の最低位置が下限の高さ位置によって制限される場合には、Ｚ軸方向の制御信号ｓ３で、設定された下限高さ位置以上の試料表面の凹凸形状の情報を得ることができる。
【００３０】
Ｚ微動機構１６の駆動制御のために与えられる最終的な制御信号ｓ２またはｓ３は、同時に信号処理装置２７に与えられ、記憶される。信号処理装置２７では、当該制御信号とＸＹ走査制御部２６の出力信号とに基づいて画像信号を生成し、この画像信号に基づいて試料１１の表面の凹凸情報を表示装置２８に表示する。また信号処理装置２７は、試料１１の表面の走査の開始後の一定走査範囲に関しては試料表面の凹凸の高さ情報を入力・記憶する。これらの高さ情報は信号処理装置２７から上位コンピュータ３１にも与えられる。上位コンピュータ３１はその高さ情報のうち最も高い位置情報を求める。上位コンピュータ３１は、求めた最も高い位置に係るデータ、すなわち最高点情報を元にして任意の高さ位置までしか探針１５が下がらないようにするための下限高さ位置に係るデータを作成し保存する。この下限高さ位置に係るデータは、上記変位制限部２４に対して、値ｂを指定する指令値として与えられる。
【００３１】
次に、上記構成を有する走査型プローブ顕微鏡によって実行される本実施形態の特有の探針走査方法を図２と図３を参照して説明する。探針走査方法の動作は図３に示したフローチャートに従って行われる。当該フローチャートを実行するプログラムは、上位コンピュータ３１の記憶部に格納されている。当該プログラムによる命令は、上位コンピュータ３１からＸＹ走査制御部２６と切替部２３と変位制限部２４等に与えられる。
【００３２】
図２において（Ａ）は試料１１の表面の凹凸形状の一例を部分的に示しかつ走査範囲を示す斜視図であり、（Ｂ）は走査線Ｌ１における試料の断面形状を示す図である。図２の（Ａ）と（Ｂ）との間では上下の位置関係で横方向の位置が対応した関係にある。図２では、走査開始点Ｐ１、走査範囲Ｒ１、走査線Ｌ１が示されている。走査開始点Ｐ１と走査線Ｌ１は図２の（Ａ）と（Ｂ）で共通に示されている。
【００３３】
試料１１の表面１１ａには例えば多数の矩形の穴４１が規則正しい配置で形成されている。そのような凹凸形状が形成されている試料１１の表面１１ａを走査範囲Ｒ１の範囲にて測定を行う。
【００３４】
本発明に係る高さ制限走査を行う場合、切替部２３は変位制限部２４を経由する側に接続されている（図１中、可動部が実線で示される）。最初のステップＳ１０では試料表面の高さ位置データをＺ軸微動機構の最低位置に仮設定する。次にステップＳ１１では、ＸＹ走査制御部２６によってＸＹ微動機構１７を駆動することにより、探針１５のＸＹ位置を走査範囲Ｒ１における走査開始点Ｐ１の位置に移動する。なお図２の図示例では、点Ｐ１は試料表面の凸部の頂上面と同じ高さ位置に存するが、これは便宜的に示したものにすぎない。探針１５の先端は、試料表面の凸部の頂上面以上の高さ位置にあればよい。
【００３５】
次に、制御器２２を含むフィードバックサーボ制御系に基づきＺ微動機構１６を駆動して探針１５を高さ方向にて下方に移動させ、探針１５の先端を、走査開始点Ｐ１から試料表面すなわち穴４１の底部の点Ｐ２に接近させ、接触させる（ステップＳ１２）。その後、その穴４１の底部の点Ｐ２から、試料１１の表面の凹凸形状をなぞるようにして探針１５を走査させ、ＡＦＭ測定を行う（ステップＳ１３）。
【００３６】
ステップＳ１３におけるＡＦＭ測定による探針走査では、穴４１の底から開始される。次にステップＳ１４にて高さ位置データが信号処理装置２７に入力され、上位コンピュータにて最高位置データの比較処理が行われ（ステップＳ１５）、高さ位置データは図２（Ｂ）の穴４１の底部の位置１１ｂに更新されるので、ステップＳ１６に進み、変位制限部２４の出力ｂが更新される。次に、穴４１の側壁に沿って移動し、点Ｐ３に到り、凸部の頂上面に沿って走査が行われる。ＡＦＭ測定ステップＳ１３での探針走査の間、探針１５の高さ位置のデータが継続して信号処理装置２７に入力される（ステップＳ１４）。さらに信号処理装置２７は、入力された探針１５の高さ位置データを上位コンピュータ３１に送る（ステップＳ１４）。上位コンピュータ３１では、入力された探針１５の高さ位置データに関して、比較処理を行い、最も高い高さ位置データを随時記憶し、最も高い高さ位置データが得られた否かを判断し（ステップＳ１５）、出力値ｂを更新する（ステップＳ１６）。この時、最高位置は１１ｂから１１ａに更新される。出力ｂは、得られた試料表面での最も高い位置データ（最高点）に基づいて設定される、探針１５が最低位置として任意の高さ位置までしか下がらないようするための下限高さ位置を意味している。
【００３７】
上記の結果、ＡＦＭ測定（ステップＳ１３）では、探針１５の下限の高さ位置が出力値ｂに基づいて制限されたＡＦＭ測定が行われることになる。図２の（Ｂ）に示された探針１５の走査の軌跡において、点Ｐ４以後の探針走査は、探針１５の最低位置が所定の下限高さ値で制限されたＡＦＭ測定を示している。図２の（Ｂ）においてＺ軸方向の距離Ｄ１は、最高点からの制限された深さを示し、この深さが下限高さ位置を示している。従ってステップＳ１３によるＡＦＭ測定では、制限深さＤ１の間での探針走査では、それ以上の試料表面の高さ部分では当該形状をなぞる測定を行い、それよりも深い穴４１の部分では制限深さＤ１で決まる一定の高さ位置を移動することになる。
【００３８】
ステップＳ１３によるＡＦＭ測定は、判断ステップＳ１７で走査範囲Ｒ１でのすべての測定が終了するまで継続される。
【００３９】
走査範囲Ｒ１の探針１５による走査で、上記のごときステップＳ１１〜Ｓ１７に基づいて、探針の最低位置が制限されたＡＦＭ測定画像を得ることができる（ステップＳ１８）。
【００４０】
上記のＡＦＭ測定によれば、試料１１における多数の穴４１が形成された表面１１ａの走査範囲Ｒ１に関する測定において、探針の高さ方向の下方に向かう移動が最高点から距離Ｄ１で制限されたＡＦＭ測定画像を得ることができる。これによって、試料表面の走査範囲Ｒ１での凹部の位置、寸法、大きさ等の情報を短い走査時間で得ることができる。
【００４１】
なお、上記ステップＳ１８の後において、当該ステップＳ１８によって得られた画像情報に基づいて、走査高さが制限された範囲内のみを、切替部２３を変位制限部２４を経由しないルートに切り替えることにより走査高さ制限を解除して再度探針走査を行い、ＡＦＭ測定するように構成することも可能であり（ステップＳ１９）、あるいは所望の位置で探針を試料表面に接触させ、高さ情報のみを得ることも可能である。。
【００４２】
次に、図４と図５に従って本発明に係る探針走査方法の第２実施形態を説明する。第２実施形態の探針走査方法でも、走査型プローブ顕微鏡（原子間力顕微鏡）の基本的な構成は図１で示したもの実質的に同じである。図４は試料表面での走査状態と探針の高さ位置の変化状態をイメージ的に示す図であり、図５は第２実施形態に係る探針走査方法を実施するフローチャートである。第２実施形態の説明で、第１実施形態と同一の要素には同一の符号を用いて説明する。
【００４３】
本実施形態による原子間力顕微鏡の基本的な測定動作では、その探針で試料表面の凹凸形状を走査するときステップインモードで走査を行う。ステップインモードとは、一定間隔で探針が試料表面に接近する探針走査の制御方法である。原子間力顕微鏡の構成は図１に示した構成と基本的に同じであるが、ＸＹ方向の一定の移動距離（間隔）ごとに探針を接近・退避動作させるため探針１５をＺ方向に移動させるにあたり、上記のＺ微動機構１６に加えて、接近・退避用圧電機構が付加されると共に当該接近・退避用圧電機構を伸縮動作を制御する制御部が付設される。所定の測定位置に探針が走査移動したとき、接近・退避用圧電機構は伸縮動作を行う。その他の構成は図１で示した構成と実質的に同じである。また接近・退避用圧電機構を上記Ｚ微動機構１６が兼ねるように構成することもできる。
【００４４】
第２実施形態の特有の探針走査方法を説明する。探針走査方法の動作は図５に示したフローチャートに従って行われる。当該フローチャートを実行するプログラムは、上位コンピュータ３１の記憶部に格納されている。当該プログラムによる命令は、上位コンピュータ３１からＸＹ走査制御部２６と切替部２３と変位制限部２４等に与えられる。
【００４５】
図４において（Ａ）は試料１１の表面の凹凸形状の一例（周期的な多数の溝５１）を部分的に示しかつ走査範囲に含まれる１つの走査線Ｌ２を示す斜視図であり、（Ｂ）は走査線Ｌ２における試料の断面形状を示す図である。図４の（Ａ）と（Ｂ）の間では上下の位置関係で横方向の位置が対応した関係にある。図４では、走査開始点Ｐ１１、走査線Ｌ２が示されている。走査開始点Ｐ１１と走査線Ｌ２は図４の（Ａ）と（Ｂ）で共通に示されている。
【００４６】
試料１１の表面１１ａには例えば多数の断面矩形の溝５１が周期的な配置で形成されている。そのような凹凸形状が形成されている試料１１の表面１１ａを所要の走査範囲にて測定を行う。
【００４７】
この測定方法で高さ制限走査を行う場合、最初、切替部２３は変位制限部２４を経由する側に接続されているものとする。最初のステップＳ３０では試料表面の高さ位置データをＺ軸微動機構の最低位置に仮設定する。次にステップＳ３１では、ＸＹ走査制御部２６によってＸＹ微動機構１７を駆動することにより、探針１５のＸＹ位置を走査範囲における走査開始点Ｐ１１の位置に移動する。なお図４に示されるごとく点Ｐ１１は試料表面の凸部の頂上面よりも高い位置にある。点Ｐ１１の高さ位置が第１の退避位置である。
【００４８】
次に、位置Ｐ１１で、制御器２２を含むフィードバックサーボ制御ループ系に基づきＺ微動機構１６の動作を能動状態に保持する共に、前述した接近・退避用圧電素子を駆動して探針１５（カンチレバー１４）に接近・退避動作を行わせる（ステップＳ３２）。このとき、高さ位置データは最低位置に設定されており、出力ｂはそれより低い位置に相当するので、このときの接近・退避動作は下限が制限されない接近・退避動作（Ｍ１）となる。その後、溝５１の底部を走査・測定している間は下限が制限されない接近・退避距離Ｄ２で接近・退避を行って走査を行い、ＡＦＭ測定を行う（ステップＳ３３）。
【００４９】
ステップＳ３３におけるＡＦＭ測定による探針走査では、溝５１の底の測定から開始される。走査線Ｌ２に従って図４中右方向に探針１５を移動させ、凸部の頂上面で探針１５が接近・退避したとき、後述のようにフィードバックサーボ制御系の作用に基づき探針１６は図４に示される接近・退避距離Ｄ３で接近・退避を行ってＡＦＭ測定を行う。
【００５０】
その後、次の溝５１における測定点で探針１５が接近・退避を行うとき、後述のように下限が制限され接近・退避距離Ｄ３で接近・退避を行う。それ以後は、接近・退避距離Ｄ３で接近・退避を繰り返して試料１１の表面の凹凸形状を走査してＡＦＭ測定を行う。
【００５１】
ＡＦＭ測定ステップＳ３２での探針の接近・退避動作に基づく探針走査の間、探針１５の高さ位置のデータが信号処理装置２７に入力される（ステップＳ３４）。さらに信号処理装置２７は、入力された探針１５の高さ位置データを上位コンピュータ３１に送る（ステップＳ３４）。上位コンピュータ３１では、入力された探針１５の高さ位置データに関して、比較処理を行い、最も高い高さ位置データを随時記憶し、最も高い高さ位置データが得られたか否かを判断する（ステップＳ３５）。最も高い高さ位置データが更新されたときには、ステップＳ３６に進み、そこで前述の出力値ｂが更新されると共に、退避距離Ｄ３が設定され、変位制限部２４の作用によって前述のごとく接近・退避距離Ｄ３に基づく接近・退避動作（Ｍ２）で試料１１の表面の凹凸形状を走査する。その後、走査範囲の走査終了の判断ステップＳ３７を経由してステップＳ３２，Ｓ３３等を再度繰り返す。
【００５２】
接近・退避距離Ｄ３は、求められた最高点との関係で決定される。これが、次の凹部である溝５１の走査を行うときの接近・退避動作Ｍ２での接近・退避距離Ｄ３を決める。得られた試料表面での最高点に基づいて、任意の深さまでしか探針１５が下がらないようするための下限高さ位置が設定される。
【００５３】
上記の結果、その後のＡＦＭ測定（ステップＳ３３）では、探針１５の最低位置が制限深さＤ４で制限されたＡＦＭ測定が行われることになる。図４の（Ｂ）に示された探針１５の走査の軌跡では、第２の溝５１以後の探針走査は、探針１５の深さ位置が所定の下限値で制限されたＡＦＭ測定を示している。
【００５４】
走査範囲における探針１５による走査で、上記のごときステップＳ３２〜Ｓ３７に基づいて、深さ（下限の位置）が制限されたＡＦＭ測定画像を得ることができる（ステップＳ３８）。
【００５５】
上記のＡＦＭ測定によれば、試料１１における多数の溝５１が形成された表面の走査範囲に関する測定において、探針の深さ方向が最高点を基準に制限されたＡＦＭ測定画像を得ることができる。これによって、試料表面の走査範囲での溝等の凹部の位置、寸法（幅）、大きさ等の情報を短い走査時間、測定時間で得ることができる。
【００５６】
なお、上記ステップＳ３８の後において、当該ステップＳ３８によって得られた画像情報に基づいて、走査の高さ（深さ方向に下限を設定）が制限された範囲内のみを、切替部２３を変位制限部２４を経由しないルートに切り替えることにより走査高さ制限を解除して、再度探針の接近・退避を繰り返して探針走査を行い、測定するように構成することも可能である（ステップＳ３９）。
【００５７】
以上の実施形態で説明された構成、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。従って本発明は、説明された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】
【００５８】
本発明は、走査型プローブ顕微鏡による試料の表面の凹凸形状等の測定において、本来の精度の高い測定前に試料表面の凹部の位置、形状、寸法の測定を短時間に行うのに利用される。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明に係る探針走査方法を実施する走査型プローブ顕微鏡の基本的構成を示すブロック図である。
【図２】本発明に係る探針走査方法の第１の実施形態を説明する図である。
【図３】第１の実施形態に係る探針走査方法を実施するためのフローチャートである。
【図４】本発明に係る探針走査方法の第２の実施形態を説明する図である。
【図５】第２の実施形態に係る探針走査方法を実施するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００６０】
１１      試料
１２      試料ステージ
１３      試料ホルダ
１４      カンチレバー
１５      探針
１６      Ｚ微動機構
１７      ＸＹ微動機構
１８      レーザ光源
１９      光検出器
２１      減算器
２３      切替部
２４      変位制限部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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