(57)【要約】【課題】測定条件によって最適な測定環境を選択することで、より精度の高い測定を可能とする走査型プローブ顕微鏡を提供する。【解決手段】試料８を支持するための試料台３、試料台３を設置するための支持体２、試料表面との間に生じる物理的作用を感受する探針、探針を試料の表面に対して概ね平行な平面で走査するための微動駆動機構１２、および探針を試料の表面に対して概ね鉛直方向に駆動するための微動駆動機構１１からなる測定部と、測定部を覆う筐体と温度調整機構１８を備えた走査型プローブ顕微鏡において、測定条件に応じて温度調整機構１８の温度制御を変更する。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料を支持するための試料台、前記試料台を設置するための支持体、前記試料表面との間に生じる物理的作用を感受する探針、前記探針を試料の表面に対して概ね平行な平面で走査するための微動駆動機構、および前記探針を前記試料の表面に対して概ね鉛直方向に駆動するための微動駆動機構からなる測定部と、前記測定部を覆う筐体と前記筐体内部の温度を調整する温度調整機構とを備えた走査型プローブ顕微鏡において、
測定条件に応じて前記温度調整機構の温度制御を変更することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡において、前記測定条件として測定モードと測定時間に応じて前記温度調整機構の温度制御を切りかえることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】
請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡において、前記測定条件として測定対象種類を選択することによって前記温度調整機構の温度制御を切りかえることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡において、前記温度調整機構の温度制御条件を直接入力することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡において、前記温度調整機構は、温度変動周期又は空調装置の少なくともいづれか一方を制御することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】
請求項５に記載の走査型プローブ顕微鏡において、１ナノメートル以下の微小段差測定時には前記温度調整機構の空調装置を停止させ、段差測定や測定エリアが大きいワイドエリア測定の場合には前記温度調整機構の温度変動周期の制御を切りかえることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】
請求項５に記載の走査型プローブ顕微鏡において、比較的測定時間の短い段差測定時には前記温度調整機構の温度変動周期を長く制御し、比較的測定時間の長い段差測定及びワイドエリア測定においては前記温度調整機構の温度変動周期を短く制御することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、探針を試料表面で走査しながら試料表面の表面形状あるいは、表面状態を測定する走査型プローブ顕微鏡に係り、特に探針と試料との間の原子間力により試料表面形状を測定する原子間力顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、試料の表面形状を観察する装置として、原子間力顕微鏡や走査型トンネル顕微鏡等の走査型プローブ顕微鏡が知られている。これらの走査型プローブ顕微鏡の測定対象はナノメートルオーダーであり、温度変動や騒音などの影響を受けやすい。たとえば、装置内部温度が変動すると装置を構成する部材が熱膨張や熱収縮を起こし、測定データに影響を与える（この現象を温度ドリフトと呼ぶ）。温度ドリフトを低減する装置として、測定機構またはその周辺の温度を温度センサによって検出し、検出した温度データをもとに測定機構に対して加熱および冷却の少なくとも一方を行い、測定機構の温度を調整することにより熱的安定を図ってデータの温度ドリフトを低減させることができるプローブ顕微鏡が知られている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−２８６６９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上述した特許文献１の装置を適用する場合、高精度な温度制御が可能な温調装置を用いても温度制御のハンチングとして若干の温度変動は残ってしまう。このとき、特に大きな外乱がない場合は一定の周期、一定の振幅で温度は変動するため、測定データに影響を与えることも考えられる。また、１ナノメートル以下の表面粗さなどの測定時、温調された空気を供給する場合は風の影響を受けてしまうという問題があり、温度制御を行うことが必ずしも最適な測定環境であるとはいえない。
【０００４】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、測定条件によって最適な測定環境を選択することでより精度の高い測定を可能とする走査型プローブ顕微鏡を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明による走査型プローブ顕微鏡は、試料を支持するための試料台、前記試料台を設置するための支持体、前記試料表面との間に生じる物理的作用を感受する探針、前記探針を試料の表面に対して概ね平行な平面で走査するための微動駆動機構、および前記探針を前記試料の表面に対して概ね鉛直方向に駆動するための微動駆動機構からなる測定部と、前記測定部を覆う筐体と温度調整機構を備えた走査型プローブ顕微鏡において、測定条件に応じて前記温度調整機構の温度制御を変更することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、空調装置を設置するとともに測定条件によって温度制御パターンを変化させることで測定環境を選択することが可能となり、温度ドリフトを低減させ、測定の精度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
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。
【０００８】
図１〜図８を参照して、本発明による走査型プローブ顕微鏡装置の実施の形態を説明する。図１に示す走査型プローブ顕微鏡は原子間力顕微鏡（以下「AFM」と記す）であり、除振台１の上に設置された定盤２の上には試料台３の駆動機構が設けられる。駆動機構はX軸粗動機構４とY軸粗動機構５とZ軸粗動機構６からなる。試料台３はカンチレバー７が試料８の所定の位置に来るようにX軸粗動機構４、Y軸粗動機構５によって駆動される。
【０００９】
AFMの測定ヘッド９は試料の上部において、支持部材１０によって支持されている。測定ヘッド９はカンチレバー７、Z軸微動アクチュエータ１１、XY軸微動アクチュエータ１２、半導体レーザ１３、位置検出可能型光センサ１４から構成される。
【００１０】
原子間力顕微鏡はカンチレバー７先端の探針と試料８表面間に働く力を検出し、この力が一定になるようにZ軸微動アクチュエータ１１を駆動させながら、X軸粗動機構４ならびにY軸粗動機構５、もしくはXY軸微動アクチュエータ１２によってXY走査を行う。
【００１１】
この時のZ軸微動アクチュエータ１１の指令信号、もしくはカンチレバー７のZ軸変位量の測定値を測定データとして画像化に用いている。測定装置全体は防音・断熱効果のある筐体１５で覆われており、外乱の影響を低減することができる。筐体１５の上部には防塵対策としてフィルタユニット１６が設置され、供給側ダクト１７、フィルタユニット１６を介して空調装置１８が接続されている。
【００１２】
空調装置１８は温度センサ２０の測定結果をもとに温調された空気をダウンフローとして供給側ダクト１７を介して筐体１５内部に供給し、筐体１５内部の埃の巻き上げを防止するとともに、安定した温度環境を実現する。温度制御に用いる温度センサ２０は筐体１５内部に設置しても良いし、装置空気導入部（フィルタユニット１６の上）などに設置しても良い。このとき、導入される空気は図１に示すように排気側ダクト１９を用いて循環系にしても良いし、図２のように開放系にしても良い。
【００１３】
次に一定の周期・振幅で温度変動しているときの温度変動周期と温度ドリフト量（ＡＦＭの測定画像に表れる温度変化による部材の熱膨張・収縮の影響）の関係を図３に示す。一般に変動周期が短いほど、温度ドリフト量は小さい。これは変動周期が短いほど、AFMを構成している部品の温度が周囲温度に追随しにくいためである。すなわち、変動幅が大きくても、変動周期が小さければ部品の温度は比較的一定であり、測定に対する影響は小さい。したがって、図４に示すように、測定時間が比較的長い場合、測定時間に対して変動周期を短くとることによって、温度ドリフト量を小さくすることができる。
【００１４】
一方で、図５に示すように測定時間が比較的短い場合、逆に測定時間に対して変動周期を長くとるほうが有利な場合もある。図５において図４に示したのと同じ変動周期で温度制御を行った場合、温度の下降から上昇までの一山がちょうど測定時間と一致して温度ドリフトの影響が大きくなるが、図のように変動周期を長くとると、部品の温度は空気の温度に追随して測定中に増大するが、測定時間が短いため温度ドリフト量は小さくなる。
【００１５】
また、原子間力顕微鏡の測定対象はさまざまなものがある。たとえば、半導体ウエハの表面粗さなど1ナノメートル以下の段差を測定する場合は、音や振動などの外乱の影響を受けやすい。このため、図1にあるような空調装置を使用すると風の影響を受けて探針が振動してしまい、表面形状を捉えることは難しい。よって、空調装置を止めることで空気の流れを少なくし、可能であれば、フィルタユニット１６によるダウンフローも止めてしまうほうが良い。なお、このときの測定時間は比較的短いので、温度の影響は受けにくい。
【００１６】
また、測定エリアが大きく比較的測定時間が長い場合、温度変動周期を短くすることによって、測定装置の構成部材温度が空気の温度変動に追随しにくくなるため温度ドリフトを低減することができる。
【００１７】
このように測定する対象や測定時間などによって、最適な温度制御パターンは異なることがわかる。したがって、測定を行う前に測定対象と予想される測定時間などから、最適な制御パラメータを選択し、測定環境を最適化させることが効果的である。そのため、本実施の形態では、図６に示すように測定モード、測定エリア、測定点数などのユーザー入力情報から測定時間を算出し、ＡＦＭ制御装置により測定モードおよび測定時間に基づいて測定前に空調装置の制御パラメータを自動的に設定できるようにしている。測定モードとしては微動XYステージで走査し微小エリアの表面粗さなどを測定するファインモード、探針を上下させながら主に高段差形状を測定するステップインモード、粗動XYステージで走査して比較的広範囲の測定を行うワイドモードなどがあるが、それぞれの測定時間などの情報を基にして、温度制御パラメータを決定している。その一例を図7に示す。    
【００１８】
例えば、ファインモードの時には、短時間で表面粗さなど微小段差を測定するので比較的温度ドリフトの影響を受けにくいため、空調をOFFにして測定時の風の影響を少なくすることを優先させ、測定精度の向上を図る。また、ステップインモード時、測定時間が短い場合は温度変動周期を長くして温度ドリフトを少なくする。また、測定時間が長い場合は温度変動周期を短く制御すると、測定装置の構成部材は空気の温度変動に追随しにくいため、熱膨張・収縮が起こりにくくなり、温度ドリフトを低減することができる。また、ワイドモード時には測定エリアが大きく測定時間が長くなるため、同様に温度周期を短く制御するのが効果的である。
【００１９】
図６以外にも、図８に示すように測定対象の種類（表面粗さ、パターン形状など）を選択することにより、上述した実施例と同様に測定前に測定対象に合わせた最適な空調装置の制御パラメータを自動的に設定できるようにしてもよい。あるいは、図９に示すように測定条件からオペレータが最適な空調装置の制御パラメータを判断し、最適な空調装置の制御パラメータを設定するようにしてもよい。
【００２０】
上述した本実施の形態の走査型プローブ顕微鏡によれば次の作用効果を奏する。
【００２１】
空調装置を設置するとともに、測定条件や測定対象種類に応じた最適な温度制御パターンを選択し、空調装置及び温度変動周期を制御することによって、温度ドリフトを低減させ、測定の精度を向上させることができる。
【００２２】
具体的には、１ナノメートル以下の微小段差測定時には空調装置を停止させ、風の影響を少なくして、段差測定や測定エリアが大きい場合には温度変動周期を制御することにより熱膨張・収縮を抑えているので、温度ドリフトを低減させ、測定の精度を向上させることができる。
【００２３】
また、比較的測定時間の短い段差測定時には温度変動周期を長くして温度変動幅を小さく抑え、比較的測定時間の長い測定においては温度変動周期を短くして測定装置の構成部材温度が空気の温度変動に追随しにくくしているので、温度ドリフトを低減させ、測定の精度を向上させることができる。
【００２４】
なお、本実施の形態においては空調装置を装置本体横に設置したが、図１０に示すように本体上部に設置しても良い。このような構成にすることにより設置面積の低減が可能となる。
【００２５】
さらに、本発明の特徴的な機能を損なわない限り、本発明は、上述した実施の形態における構成に何ら限定されない。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明は、走査型プローブ顕微鏡等での空調装置で最適な温度制御に利用し、測定精度の向上に利用される。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡を示す図である。
【図２】本発明の走査型プローブ顕微鏡の他の実施形態を示す図である。
【図３】空気の温度変動周期と温度ドリフト量の関係を示す図である。
【図４】測定時間と空気の温度変動との関係を示す図である。
【図５】測定時間と空気の温度変動との関係を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る温度制御ブロック図である。
【図７】温度制御パラメータ決定のための表（例）である。
【図８】本発明の温度制御ブロックの他の実施形態に係る図である。
【図９】本発明の温度制御ブロックの他の実施形態に係る図である。
【図１０】本発明の走査型プローブ顕微鏡をの他の実施形態に係る図である。
【符号の説明】
【００２８】
１：除振台
２：定盤（支持体）
３：試料台
４：Y軸粗動機構
５：X軸粗動機構
６：Z粗動機構
７：カンチレバー（探針）
８：試料
９：測定ヘッド
１０：支持部材
１１：Z軸微動機構
１２：XY軸微動機構
１３：半導体レーザ
１４：位置検出可能光センサ
１５：筐体
１６：フィルタユニット
１７：供給側ダクト
１８：空調装置（温度調整機構）
１９：排気側ダクト
２０：温度センサ
【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】
2008209238.tif 000009
【図８】
2008209238.tif 000010
【図９】
2008209238.tif 000011
【図１０】
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