(57)【要約】      （修正有）【課題】試料の内部欠陥を高い分解能で測定する。【解決手段】試料の共振周波数ｆ１を測定する共振周波数測定工程と、試料の共振周波数ｆ１により試料を振動させ、試料に接触させたカンチレバを介し試料における表面振動の分布を計測する表面計測工程と、試料における表面振動の分布に基づき試料のＦＥＭ計算モデルを作成し、前記ＦＥＭ計算モデルにおける共振周波数ｆ２を算出する共振周波数算出工程と、前記共振周波数ｆ１と前記共振周波数ｆ２とを比較する共振周波数比較工程と、を有し、共振周波数比較工程において、前記共振周波数ｆ１の値と前記共振周波数ｆ２の値とが略等しくない場合には、試料の表面振動の分布に基づき前記ＦＥＭ計算モデルに変更を加えて再度共振周波数算出工程及び共振周波数比較工程を行い、前記共振周波数ｆ１の値と前記共振周波数ｆ２の値とが略等しい場合には、前記ＦＥＭ計算モデルを試料の構造とみなす。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料の共振周波数ｆ１を測定する共振周波数測定工程と、
前記試料の共振周波数ｆ１により前記試料を振動させ、前記試料に接触させたカンチレバを介し前記試料における表面振動の分布を計測する表面計測工程と、
前記試料における表面振動の分布に基づき前記試料のＦＥＭ計算モデルを作成し、前記ＦＥＭ計算モデルにおける共振周波数ｆ２を算出する共振周波数算出工程と、
前記共振周波数ｆ１と前記共振周波数ｆ２とを比較する共振周波数比較工程と、
を有し、共振周波数比較工程において、前記共振周波数ｆ１の値と前記共振周波数ｆ２の値とが略等しくない場合には、前記試料の表面振動の分布に基づき前記ＦＥＭ計算モデルに変更を加えて再度共振周波数算出工程及び共振周波数比較工程を行い、前記共振周波数ｆ１の値と前記共振周波数ｆ２の値とが略等しい場合には、前記ＦＥＭ計算モデルを前記試料の構造とみなすことを特徴とする内部構造測定方法。
【請求項２】
試料の共振周波数ｆ１を測定する共振周波数測定工程と、
前記試料に接触させたカンチレバを介し前記試料の表面状態を計測する第１の表面計測工程と、
前記試料の共振周波数ｆ１により前記試料を振動させ、前記試料の表面と一定の距離離した状態で、前記カンチレバを介し前記試料における表面振動の分布を計測する第２の表面計測工程と、
前記試料における表面振動の分布に基づき前記試料のＦＥＭ計算モデルを作成し、前記ＦＥＭ計算モデルにおける共振周波数ｆ２を算出する共振周波数算出工程と、
前記共振周波数ｆ１と前記共振周波数ｆ２とを比較する共振周波数比較工程と、
を有し、共振周波数比較工程において、前記共振周波数ｆ１の値と前記共振周波数ｆ２の値とが略等しくない場合には、前記試料の表面振動の分布に基づき前記ＦＥＭ計算モデルに変更を加え再度共振周波数算出工程及び共振周波数比較工程を行い、前記共振周波数ｆ１の値と前記共振周波数ｆ２の値とが略等しい場合には、前記ＦＥＭ計算モデルを前記試料の構造とみなすことを特徴とする内部構造測定方法。
【請求項３】
前記カンチレバにおける前記試料と前記カンチレバとの接触している側と反対側の面にレーザ光を照射し、前記反対側の面において反射したレーザ光を検出することにより、前記試料の表面振動の分布を計測することを特徴とする請求項１または２に記載の内部構造測定方法。
【請求項４】
前記共振周波数算出工程は、前記ＦＥＭ計算モデルを前記共振周波数ｆ２により振動させた場合における前記ＦＥＭ計算モデルの表面振動の分布も得ることができるものであって、
前記共振周波数比較工程において、前記試料の表面振動の分布と、前記ＦＥＭ計算モデルの表面振動の分布とを比較し、前記試料の表面振動の分布と、前記ＦＥＭ計算モデルの表面振動の分布とが略等しくない場合には、前記ＦＥＭ計算モデルに変更を加え再び共振周波数算出工程及び共振周波数比較工程を行い、前記試料の表面振動の分布と、前記ＦＥＭ計算モデルの表面振動の分布とが略等しい場合には、前記ＦＥＭ計算モデルを前記試料の構造とみなすことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の内部構造測定方法。
【請求項５】
試料を前記試料の共振周波数ｆ１により共振させる振動部と、
前記試料の表面に接触または前記試料の鏡面より一定距離離れた状態で、前記試料の表面振動の分布を計測するためのカンチレバと、
前記試料の表面振動の分布に基づき前記試料におけるＦＥＭ計算モデルを作成し、前記ＦＥＭ計算モデルにおける共振周波数ｆ２及び前記ＦＥＭ計算モデルにおける表面振動の分布を算出する算出部と、
前記試料の共振周波数ｆ１と前記算出部において算出した共振周波数ｆ２とを比較する比較判定部と、
を有することを特徴とする内部構造測定装置。
【請求項６】
前記カンチレバにおける前記試料と前記カンチレバとの接触している側と反対側の面にレーザ光を照射し、前記反対側の面において反射したレーザ光を検出することにより、前記試料の表面振動の分布を計測することを特徴とする請求項５に記載の内部構造測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内部構造測定方法及び内部構造測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
Ｓｉウエハにおける欠陥や、電子デバイス等の試料の内部における構造を測定する場合においては、ＴＥＭ（Transmission Electron Microscope）等が用いられる。しかしながら、ＴＥＭ等を用いて観察を行う場合においては、測定するための試料を破壊する必要がある。
【０００３】
このため、試料を破壊することなく、Ｓｉウエハにおける欠陥や、電子デバイス等の内部における構造を測定する方法が求められており、このような内部構造測定方法としては、Ｘ線や超音波を用いた顕微鏡が存在している。しかしながら、Ｘ線や超音波を用いた顕微鏡における分解能は数百ｎｍであり、Ｓｉウエハにおける欠陥はより細かいものが存在しており、電子デバイス等においてもより細かい測定が必要となる場合がある。例えば、超音波を用いた顕微鏡としては、超音波顕微鏡法、超音波力顕微鏡法及び走査型近視野超音波法があるが、試料の内部の奥の欠陥や構造については十分測定を行うことができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第２７３０６７３号公報
【特許文献２】特表２００９−５１１８７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このため、試料を破壊することなく試料の内部構造を高分解能で測定することができる内部構造測定方法及び内部構造測定装置が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本実施の形態の一観点によれば、試料の共振周波数ｆ１を測定する共振周波数測定工程と、前記試料の共振周波数ｆ１により前記試料を振動させ、前記試料に接触させたカンチレバを介し前記試料における表面振動の分布を計測する表面計測工程と、前記試料における表面振動の分布に基づき前記試料のＦＥＭ計算モデルを作成し、前記ＦＥＭ計算モデルにおける共振周波数ｆ２を算出する共振周波数算出工程と、前記共振周波数ｆ１と前記共振周波数ｆ２とを比較する共振周波数比較工程と、を有し、共振周波数比較工程において、前記共振周波数ｆ１の値と前記共振周波数ｆ２の値とが略等しくない場合には、前記試料の表面振動の分布に基づき前記ＦＥＭ計算モデルに変更を加えて再度共振周波数算出工程及び共振周波数比較工程を行い、前記共振周波数ｆ１の値と前記共振周波数ｆ２の値とが略等しい場合には、前記ＦＥＭ計算モデルを前記試料の構造とみなすことを特徴とする。
【０００７】
また、本実施の形態の他の観点によれば、試料の共振周波数ｆ１を測定する共振周波数測定工程と、前記試料に接触させたカンチレバを介し前記試料の表面状態を計測する第１の表面計測工程と、前記試料の共振周波数ｆ１により前記試料を振動させ、前記試料の表面と一定の距離離した状態で、前記カンチレバを介し前記試料における表面振動の分布を計測する第２の表面計測工程と、前記試料における表面振動の分布に基づき前記試料のＦＥＭ計算モデルを作成し、前記ＦＥＭ計算モデルにおける共振周波数ｆ２を算出する共振周波数算出工程と、前記共振周波数ｆ１と前記共振周波数ｆ２とを比較する共振周波数比較工程と、を有し、共振周波数比較工程において、前記共振周波数ｆ１の値と前記共振周波数ｆ２の値とが略等しくない場合には、前記試料の表面振動の分布に基づき前記ＦＥＭ計算モデルに変更を加え再度共振周波数算出工程及び共振周波数比較工程を行い、前記共振周波数ｆ１の値と前記共振周波数ｆ２の値とが略等しい場合には、前記ＦＥＭ計算モデルを前記試料の構造とみなすことを特徴とする。
【０００８】
また、本実施の形態の他の観点によれば、試料を前記試料の共振周波数ｆ１により共振させる振動部と、前記試料の表面に接触または前記試料の鏡面より一定距離離れた状態で、前記試料の表面振動の分布を計測するためのカンチレバと、前記試料の表面振動の分布に基づき前記試料におけるＦＥＭ計算モデルを作成し、前記ＦＥＭ計算モデルにおける共振周波数ｆ２及び前記ＦＥＭ計算モデルにおける表面振動の分布を算出する算出部と、前記試料の共振周波数ｆ１と前記算出部において算出した共振周波数ｆ２とを比較する比較判定部と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
開示の内部構造測定方法及び内部構造測定装置によれば、試料を破壊することなく試料の内部構造を高分解能で測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１の実施の形態における内部構造測定装置の構成図
【図２】第１の実施の形態における内部構造測定装置において測定した表面振動の分布図
【図３】第１の実施の形態における内部構造測定方法のフローチャート
【図４】第１の実施の形態における内部構造測定方法の説明図（１）
【図５】第１の実施の形態における内部構造測定方法の説明図（２）
【図６】第２の実施の形態における内部構造測定方法のフローチャート
【図７】第２の実施の形態における内部構造測定方法の説明図（１）
【図８】第２の実施の形態における内部構造測定方法の説明図（２）
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施するための形態について、以下に説明する。
【００１２】
〔第１の実施の形態〕
第１の実施の形態について説明する。本実施の形態における内部構造測定装置及び内部構造測定方法は、Ｓｉウエハにおける欠陥や、電子デバイス等の内部における構造を高い分解能で測定することができるものである。
【００１３】
（内部構造測定装置）
最初に、図１に基づき本実施の形態における内部構造測定装置について説明する。本実施の形態における内部構造測定装置は、内部構造を測定する試料１１を設置するための試料設置部１２、振動部１３、３次元ステージ１４、カンチレバ１５、レーザ光源１６、光検出器１７、励振部１８を有している。
【００１４】
振動部１３は、試料１１を振動するためのものであり、後述する高周波信号発生器２２より供給される超音波により試料１１を振動させるものである。
【００１５】
３次元ステージ１４は、試料１１を３次元方向に移動させるものである。このため、３次元ステージ１４には、試料１１をＸＹ軸方向に移動させるためのＸＹ軸駆動回路１９及び、Ｚ軸方向に移動させるためのＺ軸駆動回路２０が接続されている。
【００１６】
カンチレバ１５は、試料１１の表面状態の計測及び試料１１における振動を検出するためのものである。具体的には、走査型プローブ顕微鏡（Scanning Probe Microscope；ＳＰＭ）等において用いられるカンチレバである。尚、カンチレバ１５により、試料１１における振動を検出する際には、試料１１とカンチレバ１５の先端との間における空気を介し、振動を検出する。
【００１７】
レーザ光源１６は、カンチレバ１５の振動を検出するためのものである。即ち、レーザ光源１６からのレーザ光をカンチレバ１５の背面（試料１１と接触している側と反対側の面）に照射し、照射されたたレーザ光は、カンチレバ１５の背面において反射され光検出器１７に入射し検出される。振動検出部２１では、光検出器１７に入射した光に基づき、カンチレバ１５における振動の検出がなされる。これによりカンチレバ１５を介し試料１１の表面状態等を計測することができる。
【００１８】
励振部１８は、必要に応じてカンチレバ１５を高周波、例えば、１００ｋＨｚで振動させるためのものである。
【００１９】
また、振動部１３と励振部１８は、高周波信号発生器２２に接続されている。高周波信号発生器２２は、任意の高周波信号を発生させることが可能であり、振動部１３及び励振部１８を独立して各々所望の周波数により振動させることができる。
【００２０】
また、ＸＹ軸駆動回路１９、Ｚ軸駆動回路２０及び高周波信号発生器２２は装置制御部２３に接続されており、各々の制御がなされる。更に、装置制御部２３は振動検出部２１とともに処理部２４に接続されている。
【００２１】
処理部２４は計算部２５と比較判定部２６とを有している。計算部２５では、ＦＥＭ（Finite Element Method：有限要素法）による計算及び必要に応じてＦＥＭ計算モデルを作成する機能を有している。また、比較判定部２６では、例えば、計算部２５により得られた試料１１の共振周波数と、実際に測定された試料１１の共振周波数とを比較し、計算部２５により得られた試料１１の共振周波数が所定の範囲内にあるか否かを判断する機能を有している。尚、比較判定部２６では、共振周波数のみにより判断するだけではなく、計算結果と実際の測定結果とを二次元のビットマップに展開し、比較し判断する機能をも有していてもよい。
【００２２】
また、装置制御部２３にはハードディスクドライブ等の記録部２７が接続されており、測定された情報等を記録することができる。また、処理部２４には、モニタ等の表示部２８が接続されており、各種情報を表示することが可能である。
【００２３】
本実施の形態における内部構造測定装置では、振動部１３により、試料１１の共振周波数により振動させる。尚、試料１１等を構成する構造物において、「質量」と「剛性」のみで定まる値を固有モードまたは共振モードと呼ぶ。共振モードにおける固有値は、外力における影響を受けない値であり、試料１１となる構造物の大きさ、形状及び機械的物性値等に依存するものであり、試料１１となる構造物特有の動的特性を表す値である。一般的には、このような共振モードのことを「固有振動数」または「共振周波数」と呼ぶ。本実施の形態では、共振周波数により試料１１を振動させるものであるため、試料１１内部においても超音波は減衰することがない。従って、内部における欠陥や構造を高い分解能で測定することができる。
【００２４】
図２に、振動部１３により試料１１を共振周波数により振動させた場合における試料１１の表面振動の分布図を示す。試料１１は共振周波数により振動しているため、試料１１の表面には振幅の小さい領域（ＭＩＮ）と振幅が大きい領域（ＭＡＸ）とが形成され、試料１１の表面振動の振幅を高い分解能で検出することができる。
【００２５】
（内部構造測定方法）
次に、図３に基づき本実施の形態における内部構造測定方法について説明する。本実施の形態における内部構造測定方法は、試料１１の表面にカンチレバ１５を接触させて測定する方法であり、表面が比較的平坦な形状の試料１１の測定に適した測定方法である。
【００２６】
最初に、ステップ１０２（Ｓ１０２）において、基準となる基準試料の共振周波数を測定する。具体的には、基準となる基準試料に印加される超音波を低周波から高周波に変化させ、レーザドップラ計測器により、振幅が最大になる周波数を共振周波数とし、共振周波数ｆ０を測定する。尚、基準試料の共振周波数の測定は、図１に示す内部構造測定装置においても行うことが可能である。具体的には、基準試料を試料設置部１２に設置し、高周波信号発生部２２からの超音波に基づき振動部１３を振動させ、これに伴い基準試料を振動させる。この際、装置制御部２３において高周波信号発生部２２を制御することにより、高周波信号発生部２２より発生させる超音波を低周波から高周波へと変化させる。基準試料の表面振動がカンチレバ１５に伝達され、基準試料における振幅が最大となる周波数を共振周波数とし、共振周波数ｆ０を得ることができる。また、本実施の形態では、基準試料としては、欠陥等のないシリコン基板等が用いられる。
【００２７】
次に、ステップ１０４（Ｓ１０４）において、測定試料となる試料１１の共振周波数を測定する。具体的には、ステップ１０２と同様の方法、即ち、レーザドップラ計測器を用いた方法または、図１に示す内部構造測定装置を用いた方法により試料１１の共振周波数ｆ１を測定する。尚、試料１１は、測定対象となるものであり、例えば、欠陥等が含まれている可能性のあるシリコン基板や、シリコン基板上に成膜等されているものが含まれている場合がある。
【００２８】
次に、ステップ１０６（Ｓ１０６）において、測定試料である試料１１の内部に欠陥等が存在しているか否かが判断される。具体的には、基準試料の共振周波数ｆ０と試料１１の共振周波数ｆ１とが略一致している場合には、試料１１の内部には欠陥等が存在していないものと判断され、終了する。一方、基準試料の共振周波数ｆ０と試料１１の共振周波数ｆ１とが略一致していない場合には、試料１１の内部には欠陥等が存在しているものと判断され、試料１１の内部構造を測定するためステップ１０８に移行する。
【００２９】
次に、ステップ１０８（Ｓ１０８）において、試料１１における表面振動の分布図を得る（共振モード測定）。具体的には、共振周波数ｆ１により試料１１を振動させ、試料１１の表面上において、カンチレバ１５を接触させて２次元的に計測することにより、試料１１の表面振動の分布図を得る。本実施の形態では、ステップ１０４において得られた試料１１における共振周波数ｆ１である２．４３ＭＨｚにより、試料１１を振動させることにより、図２に示すような試料１１の表面振動の分布図を得る。
【００３０】
次に、ステップ１１０（Ｓ１１０）において、ＦＥＭ計算モデルを作成する。具体的には、ボイド等の欠陥が含まれている場合には、一般に、基準試料の共振周波数ｆ０と試料１１の共振周波数ｆ１とは異なる値となり、また、試料１１の表面振動の分布図において、非対称となる領域を有するパターンとなる。このため、処理部２４または処理部２４内の計算部２５において、試料１１の共振周波数ｆ１及び試料１１の表面振動の分布図に適合するように、ボイド等の欠陥の大きさ及び構造、欠陥濃度を選定しＦＥＭ計算モデルを作成する。
【００３１】
次に、ステップ１１２（Ｓ１１２）において、ＦＥＭ計算モデルにおける共振周波数を算出する。具体的には、計算部２５において、ステップ１１０において作成したＦＥＭ計算モデルにおける共振周波数ｆ２を算出し、更には、必要に応じてＦＥＭ計算モデルの表面振動の分布図を得る。
【００３２】
次に、ステップ１１４（Ｓ１１４）において、実測値である試料１１の共振周波数ｆ１と、ステップ１１２において算出した計算値である共振周波数ｆ２とを比較する。この場合、実測値と計算値の共振周波数同士のみを比較するだけではなく、ステップ１１２において表面振動の分布図を算出している場合には、実測した試料１１の表面振動の分布図と計算により得た表面振動の分布図とを比較してもよい。
【００３３】
次に、ステップ１１６（Ｓ１１６）において、ステップ１１２において算出した計算値である共振周波数ｆ２の値と、実測値である試料１１の共振周波数ｆ１の値とが略一致しているか否かを判断する。計算値である共振周波数ｆ２の値と実測値である共振周波数ｆ１の値とが略一致しているか否かについては、共振周波数ｆ２の値が共振周波数ｆ１を基準として一定の範囲内に含まれているか否かにより判断してもよい。計算値である共振周波数ｆ２の値と実測値である共振周波数ｆ１の値とが略一致しているものと判断された場合には、ステップ１１０において作成したＦＥＭ計算モデルは、試料１１の構造を反映しているものと判断され終了する。また、計算値である共振周波数ｆ２の値と実測値である共振周波数ｆ１の値とが略一致していないものと判断された場合には、ステップ１１０に移行する。尚、上述のとおり共振周波数同士のみを比較するだけではなく、ステップ１１２において表面振動の分布図を算出している場合には、実測した試料１１の表面振動の分布図と計算により得た表面振動の分布図とを比較し判断してもよい。
【００３４】
この判断について具体的に説明する。図４（ａ）は、図４（ｂ）に示すようにシリコン基板等に欠陥が存在していない場合におけるＦＥＭにより得られた表面振動の分布図であり、この場合の共振周波数は、２．４２ＭＨｚと算出される。一方、図５（ａ）は、図５（ｂ）に示すようにシリコン基板等にボイド等の欠陥が存在している場合におけるＦＥＭにより得られた表面振動の分布図であり、この場合の共振周波数は、２．４３ＭＨｚと算出される。試料１１における実測値の共振周波数ｆ１の値は２．４３ＭＨｚであることから、図５に示す場合の共振周波数と一致している。また、図１に示す試料１１の表面振動の分布図とＦＥＭ計算モデルにより得た表面振動の分布図とを比較すると、図１に示す試料１１の表面振動の分布図は、図４（ａ）に示す表面振動の分布図よりも、図５（ａ）に示す表面振動の分布図により近いパターンである。従って、図５（ａ）の表面振動の分布図を得るためのＦＥＭ計算モデルは、試料１１の内部構造を表しているものと判断される。よって、図５（ｂ）に示すように、試料１１であるシリコン基板等の内部には、ボイドが存在しているものと判断される。
【００３５】
尚、ステップ１１４及びステップ１１６における計算値と実測値の比較及び判断には、カイ２乗検定を利用してもよい。この場合、ステップ１１６において、計算値である共振周波数ｆ２の値と実測値である共振周波数ｆ１の値とが略一致しているか否かではなく、カイ２乗値が極小となるＦＥＭ計算モデルが、実際の試料１１の内部構造に合致しているものと判断される。
【００３６】
このようにして得られたＦＥＭ計算のモデルは、試料１１の構造を反映しているものである。従って、ＦＥＭ計算モデルを用いることにより、試料１１の内部深くに欠陥、ボイド、穴等が存在している場合においても、これらの欠陥、ボイド、穴等を高い分解能で測定し検出することができる。
【００３７】
〔第２の実施の形態〕
次に、第２の実施の形態について説明する。本実施の形態における内部構造測定方法は、試料１１の表面に比較的凹凸等が多く形成されている場合に適した測定方法である。図６に基づき本実施の形態における内部構造測定方法について説明する。尚、本実施の形態における内部構造測定方法は、第１の実施の形態における内部構造測定装置を用いて行うものである。
【００３８】
最初に、ステップ２０２（Ｓ２０２）において、基準となる基準試料の共振周波数を測定する。具体的には、基準となる基準試料に印加される超音波を低周波から高周波に変化させ、レーザドップラ計測器により、振幅が最大になる周波数を共振周波数とし、共振周波数ｆ０を測定する。尚、基準試料の共振周波数の測定は、図１に示す内部構造測定装置においても行うことが可能である。具体的には、基準試料を試料設置部１２に設置し、高周波信号発生部２２からの超音波に基づき振動部１３を振動させ、これに伴い基準試料を振動させる。この際、装置制御部２３において高周波信号発生部２２を制御することにより、高周波信号発生部２２より発生させる超音波を低周波から高周波へと変化させる。基準試料の表面振動がカンチレバ１５に伝達され、基準試料における振幅が最大となる周波数を共振周波数とし、共振周波数ｆ０を得ることができる。また、本実施の形態では、基準試料としては、欠陥等のないシリコン基板等が用いられる。
【００３９】
次に、ステップ２０４（Ｓ２０４）において、測定対象となる試料１１の共振周波数を測定する。具体的には、ステップ２０２と同様の方法、即ち、レーザドップラ計測器を用いた方法または、図１に示す内部構造測定装置を用いた方法により試料１１の共振周波数ｆ１を測定する。尚、試料１１は、測定対象となるものであり、例えば、欠陥等が含まれている可能性のあるシリコン基板や、シリコン基板上に成膜等されているものが含まれている場合がある。
【００４０】
次に、ステップ２０６（Ｓ２０６）において、測定試料である試料１１の内部に欠陥等が存在しているか否かが判断される。具体的には、基準試料の共振周波数ｆ０と試料１１の共振周波数ｆ１とが略一致している場合には、試料１１の内部には欠陥等が存在していないものと判断され終了する。一方、基準試料の共振周波数ｆ０と試料１１の共振周波数ｆ１とが略一致していない場合には、試料１１の内部には欠陥等が存在しているものと判断され、試料１１の内部構造を測定するためステップ２０８に移行する。
【００４１】
次に、ステップ２０８（Ｓ２０８）において、測定試料である試料１１の表面における凹凸形状を測定する。具体的には、図７に示すように、試料１１は振動させることなく、カンチレバ１５を試料１１表面に接触させて２次元的に計測することにより、試料１１における２次元の表面形状を得る。得られた情報は記録部２７等において記録されている。尚、カンチレバ１５は測定精度を高めるために、例えば、励振部１８において１００ｋＨｚで振動させてもよい。
【００４２】
次に、ステップ２１０（Ｓ２１０）において、試料１１における表面振動の分布図を得る（共振モード測定）。具体的には、図８に示すように、共振周波数ｆ１により試料１１を振動させ、試料１１の表面から一定の距離を離した状態で、試料１１の表面をカンチレバ１５により２次元的に計測する。これにより、試料１１の表面振動の分布図を得ることができる。本実施の形態では、ステップ２０４において得られた試料１１における共振周波数ｆ１で試料１１を振動させ、ステップ２０８において計測された試料１１における２次元の表面形状に沿って一定間隔離れた状態でカンチレバ１５を２次元的に移動させる。これにより、試料１１の表面振動の分布図を得ることができる。具体的には、図８における破線３１に沿ってカンチレバ１５の先端を移動させることにより、試料１１からカンチレバ１５までの距離を一定にすることができ、試料１１の表面振動をカンチレバ１５に均一に伝達することができる。これにより、より正確に試料１１における振幅を検出することができる。また、カンチレバ１５は測定精度を高めるために、例えば、励振部１８において１００ｋＨｚで振動させてもよい。
【００４３】
次に、ステップ２１２（Ｓ２１２）において、ＦＥＭ計算モデルを作成する。具体的には、ボイド等の欠陥が含まれている場合には、一般に、基準試料の共振周波数ｆ０と試料１１の共振周波数ｆ１とは異なる値となり、また、試料１１の表面振動の分布図において、非対称となる領域を有するパターンとなる。このため、処理部２４または処理部２４内の計算部２５において、試料１１の共振周波数ｆ１及び試料１１の表面振動の分布図に適合するように、ボイド等の欠陥の大きさ及び構造、欠陥濃度を選定しＦＥＭ計算モデルを作成する。
【００４４】
次に、ステップ２１４（Ｓ２１４）において、ＦＥＭ計算モデルにおける共振周波数を算出する。具体的には、計算部２５において、ステップ２１２において作成したＦＥＭ計算モデルにおける共振周波数ｆ２を算出し、更には、必要に応じてＦＥＭ計算モデルの表面振動の分布図を得る。
【００４５】
次に、ステップ２１６（Ｓ２１６）において、実測値である試料１１の共振周波数ｆ１と、ステップ２１４において算出した計算値である共振周波数ｆ２とを比較する。この場合、実測値と計算値の共振周波数同士のみを比較するだけではなく、ステップ２１４において表面振動の分布図を算出している場合には、実測した試料１１の表面振動の分布図と計算により得た表面振動の分布図とを比較してもよい。
【００４６】
次に、ステップ２１８（Ｓ２１８）において、ステップ２１４において算出した計算値である共振周波数ｆ２の値と、実測値である試料１１の共振周波数ｆ１の値とが略一致しているか否かを判断する。計算値である共振周波数ｆ２の値と実測値である共振周波数ｆ１の値とが略一致しているか否かについては、共振周波数ｆ２の値が共振周波数ｆ１を基準として一定の範囲内に含まれているか否かにより判断してもよい。計算値である共振周波数ｆ２の値と実測値である共振周波数ｆ１の値とが略一致しているものと判断された場合には、ステップ２１２において作成したＦＥＭ計算モデルは、試料１１の構造を反映しているものと判断され終了する。また、計算値である共振周波数ｆ２の値と実測値である共振周波数ｆ１の値とが略一致していないものと判断された場合には、ステップ２１２に移行する。尚、上述のとおり共振周波数同士のみを比較するだけではなく、ステップ２１４において表面振動の分布図を算出している場合には、実測した試料１１の表面振動の分布図と計算により得た表面振動の分布図とを比較し判断してもよい。
【００４７】
尚、ステップ２１６及びステップ２１８における計算値と実測値の比較及び判断には、カイ２乗検定を利用してもよい。この場合、ステップ２１８において、計算値が所定の範囲内であるか否かではなく、カイ２乗値が極小となるＦＥＭ計算モデルが、実際の試料１１の内部構造に合致しているものと判断される。
【００４８】
このようにして得られたＦＥＭ計算モデルは、試料１１の構造を反映しているものであり、試料１１の内部深くに欠陥、ボイド、穴等が存在している場合、これらの欠陥、ボイド、穴等を高い分解能で測定し検出することができる。
【００４９】
第１及び第２の実施の形態においては、試料の内部における微小な構造を高分解能で測定することができる。従って、試料を破壊することなく、試料内部に存在するナノ粒子、転位、ボイド等のナノ構造の情報を得ることができる。
【００５０】
特に、第２の実施の形態においては、試料１１を超音波で振動させた状態で、カンチレバ１５を試料１１に接触させることがないため、試料１１にダメージを与えることなく、非破壊で試料の内部構造を高分解能で測定することができる。従って、強度の弱い薄膜、有機材料、細胞等における内部構造の測定に適している。
【００５１】
また、第１及び第２の実施の形態は、振動場（音場）を利用した測定方法であることから、電磁場の影響を受けることがない。従って、ＳＰＭを利用したＳＣＭ（Scanning Capacitance Microscope）、ＳＳＲＭ（Scanning Spread Resistance Microscope）、ＥＦＭ（Electrostatic Force Microscope）等による電場解析、ＭＦＭ（Magnetic Force Microscope）等による磁場解析を同時に行うことができる。これにより、複数の測定や解析を短時間に行うことができ、試料の測定や解析を低コストで行うことが可能となる。
【００５２】
以上、実施の形態について詳述したが、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。
【００５３】
上記の説明に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１）
試料の共振周波数ｆ１を測定する共振周波数測定工程と、
前記試料の共振周波数ｆ１により前記試料を振動させ、前記試料に接触させたカンチレバを介し前記試料における表面振動の分布を計測する表面計測工程と、
前記試料における表面振動の分布に基づき前記試料のＦＥＭ計算モデルを作成し、前記ＦＥＭ計算モデルにおける共振周波数ｆ２を算出する共振周波数算出工程と、
前記共振周波数ｆ１と前記共振周波数ｆ２とを比較する共振周波数比較工程と、
を有し、共振周波数比較工程において、前記共振周波数ｆ１の値と前記共振周波数ｆ２の値とが略等しくない場合には、前記試料の表面振動の分布に基づき前記ＦＥＭ計算モデルに変更を加えて再度共振周波数算出工程及び共振周波数比較工程を行い、前記共振周波数ｆ１の値と前記共振周波数ｆ２の値とが略等しい場合には、前記ＦＥＭ計算モデルを前記試料の構造とみなすことを特徴とする内部構造測定方法。
（付記２）
試料の共振周波数ｆ１を測定する共振周波数測定工程と、
前記試料に接触させたカンチレバを介し前記試料の表面状態を計測する第１の表面計測工程と、
前記試料の共振周波数ｆ１により前記試料を振動させ、前記試料の表面と一定の距離離した状態で、前記カンチレバを介し前記試料における表面振動の分布を計測する第２の表面計測工程と、
前記試料における表面振動の分布に基づき前記試料のＦＥＭ計算モデルを作成し、前記ＦＥＭ計算モデルにおける共振周波数ｆ２を算出する共振周波数算出工程と、
前記共振周波数ｆ１と前記共振周波数ｆ２とを比較する共振周波数比較工程と、
を有し、共振周波数比較工程において、前記共振周波数ｆ１の値と前記共振周波数ｆ２の値とが略等しくない場合には、前記試料の表面振動の分布に基づき前記ＦＥＭ計算モデルに変更を加え再度共振周波数算出工程及び共振周波数比較工程を行い、前記共振周波数ｆ１の値と前記共振周波数ｆ２の値とが略等しい場合には、前記ＦＥＭ計算モデルを前記試料の構造とみなすことを特徴とする内部構造測定方法。
（付記３）
前記第２の表面計測工程において、前記カンチレバは、前記第１の表面計測工程において計測された前記試料の表面状態の形状に基づいて、一定距離を離した状態で移動させることを特徴とする付記２に記載の内部構造測定方法。
（付記４）
前記第１の表面計測工程において、前記カンチレバは、前記共振周波数ｆ１とは異なる周波数により振動させることを特徴とする付記２または３に記載の内部構造測定方法。
（付記５）
前記第２の表面計測工程において、前記カンチレバは、前記共振周波数ｆ１とは異なる周波数により振動させることを特徴とする付記２から４のいずれかに記載の内部構造測定方法。
（付記６）
前記カンチレバにおける前記試料と前記カンチレバとの接触している側と反対側の面にレーザ光を照射し、前記反対側の面において反射したレーザ光を検出することにより、前記試料の表面振動の分布を計測することを特徴とする付記１から５のいずれかに記載の内部構造測定方法。
（付記７）
前記共振周波数算出工程において、前記試料のＦＥＭ計算モデルを作成する際に、前記ＦＥＭ計算モデルにボイド、空孔又は転位の欠陥を加えることを特徴とする付記１から６のいずれかに記載の内部構造測定方法。
（付記８）
前記共振周波数測定工程の前に、前記試料とは異なる欠陥の存在しない基準試料の共振周波数ｆ０を測定する基準試料共振周波数測定工程と、
前記基準試料の共振周波数ｆ０と前記試料の共振周波数ｆ１とを比較する初期共振周波数比較工程と、
を有することを特徴とする付記１から７のいずれかに記載の内部構造測定方法。
（付記９）
前記共振周波数算出工程は、前記ＦＥＭ計算モデルを前記共振周波数ｆ２により振動させた場合における前記ＦＥＭ計算モデルの表面振動の分布も得ることができるものであって、
前記共振周波数比較工程において、前記試料の表面振動の分布と、前記ＦＥＭ計算モデルの表面振動の分布とを比較し、前記試料の表面振動の分布と、前記ＦＥＭ計算モデルの表面振動の分布とが略等しくない場合には、前記ＦＥＭ計算モデルに変更を加え再び共振周波数算出工程及び共振周波数比較工程を行い、前記試料の表面振動の分布と、前記ＦＥＭ計算モデルの表面振動の分布とが略等しい場合には、前記ＦＥＭ計算モデルを前記試料の構造とみなすことを特徴とする付記１から８のいずれかに記載の内部構造測定方法。
（付記１０）
試料を前記試料の共振周波数ｆ１により共振させる振動部と、
前記試料の表面に接触または前記試料の鏡面より一定距離離れた状態で、前記試料の表面振動の分布を計測するためのカンチレバと、
前記試料の表面振動の分布に基づき前記試料におけるＦＥＭ計算モデルを作成し、前記ＦＥＭ計算モデルにおける共振周波数ｆ２及び前記ＦＥＭ計算モデルにおける表面振動の分布を算出する算出部と、
前記試料の共振周波数ｆ１と前記算出部において算出した共振周波数ｆ２とを比較する比較判定部と、
を有することを特徴とする内部構造測定装置。
（付記１１）
前記カンチレバにおける前記試料と前記カンチレバとの接触している側と反対側の面にレーザ光を照射し、前記反対側の面において反射したレーザ光を検出することにより、前記試料の表面振動の分布を計測することを特徴とする付記１０に記載の内部構造測定装置。
【符号の説明】
【００５４】
１１        試料
１２        試料設置部
１３        振動部
１４        ３次元ステージ
１５        カンチレバ
１６        レーザ光源
１７        光検出器
１８        励振部
１９        ＸＹ軸駆動回路
２０        Ｚ軸駆動回路
２１        振動検出部
２２        高周波信号発生器
２３        装置制御部
２４        処理部
２５        計算部
２６        比較判定部
２７        記録部
２８        表示部
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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