(57)【要約】【課題】薄膜試料厚さをサブナノメートルオーダーの精度で測定することを可能とし、薄膜の各種測定結果の解析を、試料厚さを考慮して測定できる機構を提供する。【解決手段】フレーム１６内に置かれた試料１を観察・計測または加工を行う装置において、試料を挟む機構の二つ以上のプローブ３、４と、試料およびプローブ間に相互作用が働く距離に移動させる機構と、相互作用のうち少なくとも一つのパラメータを一定に保つようにカンチレバーと試料の距離を調整できるフィードバック機構と、試料の観察領域を走査ラインの配列によってカバーすることが出来るように、試料面内方向に試料およびプローブを移動するための駆動装置を備えている。【選択図】図１
2008256422.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
評価対象の試料を保持する保持機構と、
前記試料の表面及び裏面から挟む第１及び第２のプローブを有し、前記試料と前記プローブとの間に相互作用が働く距離に前記プローブを移動する移動機構と、
前記試料と前記第１及び第２のプローブ間に働く相互作用を検出する相互作用検出機構と、
前記相互作用を一定に保つように前記第１及び第２のプローブと前記試料との距離を調整する制御機構と、を備え、
前記制御機構によって調整された前記距離の情報に基づいて、前記試料を評価することを特徴とする薄膜評価装置。
【請求項２】
前記移動機構は、原子間力顕微（ＡＦＭ）の原理を用いる機構であり、前記第１のプローブが取り付けられ、弾性を有する薄板状の第１のカンチレバーと、前記第２のプローブが取り付けられ、弾性を有する薄板状の第２のカンチレバーと、前記第１及び第２のカンチレバーを励振させるカンチレバー励振機構と、前記第１及び第２のカンチレバーの振幅を検出する振幅検出機構と、を有し、
前記相互作用検出機構は、前記試料と前記第１及び第２のカンチレバーのとの間に働く原子間力を、前記第１及び第２のカンチレバーの共振周波数近傍における振幅の変化で検出することを特徴とする請求項１に記載の薄膜評価装置。
【請求項３】
前記カンチレバー励振機構は、ピエゾ素子で構成されることを特徴とする請求項２に記載の薄膜評価装置。
【請求項４】
さらに、前記第１及び第２のプローブ間にトンネル電流を発生させるトンネル電流発生手段と、
前記トンネル電流を検出する電流検出手段と、を備え、
前記試料の所定の位置における前記トンネル電流により前記試料を評価することを特徴とする請求項１に記載の薄膜評価装置。
【請求項５】
前記カンチレバー励振機構は、前記第１及び第２のカンチレバーの背面に設置された、第１及び第２の走査トンネル顕微鏡用探針を備え、
さらに、前記第１及び第２の走査トンネル顕微鏡用探針と前記第１及び第２のカンチレバーの背面との距離および位置を調整する位置調整機構と、
前記第１及び第２のカンチレバーと前記第１及び第２の走査トンネル顕微鏡用探針との間に電圧を印加する電圧印加機構と、を有し、
前記制御機構は、前記第１及び第２のカンチレバーと前記第１及び第２の走査トンネル顕微鏡用探針との間に流れるトンネル電流を一定に保つように前記第１及び第２のカンチレバーと前記試料との距離を調整することを特徴とする請求項２に記載の薄膜評価装置。
【請求項６】
前記第１及び第２ののカンチレバーと前記第１及び第２の走査トンネル顕微鏡用探針とは、それぞれ絶縁体を介して配置され、
前記電圧印加機構によって前記第１及び第２の走査トンネル顕微鏡用探針に印加される電圧が、前記第１及び第２のカンチレバーに印加される電圧に影響を与えないように構成されていることを特徴とする請求項４に記載の薄膜評価装置。
【請求項７】
さらに、前記第１及び第２のプローブにおける電気伝導度、静電力、磁気力、光、電磁波、音波、歪波、熱（温度）、静電容量のうちの１つ物理量を検出する手段を備え、
前記試料の表面の構造や物理的、電気的性質を観察、計測することを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の薄膜評価装置。
【請求項８】
さらに、電子顕微鏡としての機能を備えることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の薄膜評価装置。
【請求項９】
さらに、集束イオンビーム（ＦＩＢ）加工観察機能を備えることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の薄膜評価装置。
【請求項１０】
薄膜評価装置を用いて薄膜試料を評価する薄膜評価方法であって、
評価対象の試料を、保持機構を用いて保持する工程と、
前記試料の表面及び裏面から挟む第１及び第２のプローブを有する移動機構を用いて、前記試料と前記プローブとの間に相互作用が働く距離に前記プローブを移動する工程と、
前記試料と前記第１及び第２のプローブ間に働く相互作用を、相互作用検出機構を用いて検出工程と、
前記相互作用を一定に保つように前記第１及び第２のプローブと前記試料との距離を、制御機構を用いて調整する工程と、を備え、
前記制御機構によって調整された前記距離の情報に基づいて、前記試料を評価することを特徴とする薄膜評価方法。
【請求項１１】
さらに、位置調整機構を用いて、前記第１及び第２のプローブを、前記試料を挟んで対向する位置に配置する工程を備えることを特徴とする請求項１０に記載の薄膜評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜評価装置及び方法に関し、特に、例えば、走査型プローブ顕微鏡の原理を用いて薄膜試料を評価する機構・方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、ナノサイズ領域で薄膜評価が行われているが、薄膜評価装置としては、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）や走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）などが一般的である。これらの装置で薄膜の組成分析を行う際、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＸ）もしくは電子エネルギー損失分光法（ＥＥＬＳ）が通常用いられる。これらの分析法で元素の定量計算を行う場合、試料の厚さに関する情報が必要となる。それは、ＥＤＸおよびＥＥＬＳのスペクトルが試料厚さの影響を受ける（厚さによって得られる像が変わってきてしまう）ため、試料の厚さ情報がないと正確な定量分析ができないからである。
【０００３】
また、高分解能電子顕微鏡手段もしくは、高分解能走査型透過電子顕微鏡手段もしくは、電子線を収束させて電子線回折像を撮影する収束電子線回折手段を用いて、未知の結晶構造を解析する場合がある。その際、撮影に用いた試料の厚さをサブナノメートルオーダーで計測し観察予想像のシミュレーションを行い、そのシミュレーション結果と観察結果とを比較検討（像の所定の位置におけるコントラストの比較）する必要がある。従って、この場合もまた、薄膜試料の厚さ情報が必要となってくる。
【０００４】
薄膜試料の厚さを測定する方法として、例えば、実験的にビーム電流や測定時間等の条件を同じにし、ＥＤＸやＥＥＬＳのカウント数をもとに概算する方法などが提唱されている。また、別の厚さ測定の方法として、等厚干渉縞を用いるような方法やマクロ領域の膜厚評価法としてはノギスに代表されるような機械的に厚さを測る方法がある。
【０００５】
【特許文献１】米国特許４，３４３，９９３号公報（走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）装置）
【特許文献２】特表２００５−５３１７８１号公報（原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）装置）
【特許文献３】特開２０００−３９３９０号公報（原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）装置）
【特許文献４】特開平３−２７７９０３号公報（原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）装置）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、電子顕微鏡により試料厚さを正確に測定することは、事実上困難である。上述のＥＤＸやＥＥＬＳのカウント数を基に概算する方法では、物質が不明な場合はカウント数（係数）そのものが組成比と厚さの二つの影響を受けるため、カウント数のみから厚さを概算することが困難である。つまり、ＥＤＸやＥＥＬＳでは試料が変わると係数が変わってしまうため、種類の分からない試料の厚さを知りたいときにはこれらを使うことはできない。実際には、種類の分からない試料の厚さを知りたい要望が多いのでこれらには問題がある。
【０００７】
また、等厚干渉縞を用いるような方法も、試料の曲がりによるベンドコントラストとの区別が困難であり、正確さにかける。
【０００８】
さらに、マクロ領域の膜厚評価法としてはノギスに代表されるような、機械的に厚さを測る方法があるが、サブミクロンからナノメートル領域における膜厚評価を扱うものはあまり報告がない。
【０００９】
ところで、特許文献１乃至４に示されるように、走査プローブ顕微鏡の技術がある。この走査プローブ顕微鏡は、ナノメートルスケールのプローブと試料間で起こる相互作用によって特徴づけられ、平面内の凹凸を原子サイズレベルで評価することに優れた装置である。
【００１０】
しかし、物体のある一面（表面）側の凹凸を計測するために用いられており、薄膜評価に用いられていない。
【００１１】
このように、上述の方法では機械的、又は原理的に薄膜の厚さを測定できないか、或いは、ある程度の誤差が生じ、薄膜の厚さをサブナノメートルオーダーの精度で計測することが困難であった。
【００１２】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、薄膜試料厚さをサブナノメートルオーダーの精度で測定することを可能とし、薄膜の各種測定結果の解析を、試料厚さを考慮して測定できる機構を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明では、試料とプローブ間の相互作用に応じて試料を画像化するためのプローブを、薄膜試料を挟み込むように２つ配置する。そして、試料とそれぞれのプローブ間に相互作用が働く近接した状態に試料とプローブをもっていくことができる駆動機構と、プローブと試料を薄膜面内方向に移動することのできる駆動機構と、プローブと試料との間の相互作用の強度を示す少なくとも１つのパラメータを測定することができるプローブ検出機構と、を備える。少なくとも１つのパラメータの平均値が、所定の設定値から離れるように変化することに応答して、プローブと試料間の距離を調整する。また、２つのプローブ間の相互作用と、２つのプローブと試料間で起こる相互作用を検出する。プローブは、動作時、試料面の走査を実行するように構成され、走査範囲は走査ラインの配列によって決まる。
【００１４】
また、本発明では、試料のない部分において２つのプローブ先端部が十分に近接した状態を試料厚さゼロとし、この２つのプローブ間に試料が挟まれた状態でプローブと試料を相互に動かした時に、おのおののプローブと試料間にはたらく相互作用の少なくとも１つのパラメータの平均値を一定になるように、プローブと試料間の距離をフィードバック制御（調整）し、調整されたプローブ位置情報を解析することにより、薄膜試料の厚さを測定する。
【００１５】
また、本発明では、試料厚さの測定と同時に、プローブと試料間の相互作用もしくは、試料を挟んだプローブ間の相互作用および特性を測定することにより、試料厚さを考慮した試料の局所的特性を測定する機能を提供する。
【００１６】
なお、本発明は、薄膜評価装置を薄膜を作製する装置、例えばＦＩＢ装置と複合化することで、試料を薄膜化しなら随時薄膜評価することができ、目的とする薄膜の厚さに試料厚さを調整することができる。
【００１７】
即ち、本発明による薄膜評価装置は、評価対象の試料を保持する保持機構と、試料の表面及び裏面から挟む第１及び第２のプローブを有し、試料とプローブとの間に相互作用が働く距離にプローブを移動する移動機構と、試料と第１及び第２のプローブ間に働く相互作用を検出する相互作用検出機構と、相互作用を一定に保つように第１及び第２のプローブと試料との距離を調整する制御機構と、を備えている。そして、制御機構によって調整された距離の情報に基づいて、試料を評価する。この薄膜評価装置において、移動機構は、原子間力顕微（ＡＦＭ）の原理を用いる機構である。より詳細な構成は、第１のプローブが取り付けられ、弾性を有する薄板状の第１のカンチレバーと、第２のプローブが取り付けられ、弾性を有する薄板状の第２のカンチレバーと、第１及び第２のカンチレバーを励振させるカンチレバー励振機構と、第１及び第２のカンチレバーの振幅を検出する振幅検出機構と、を備えるものである。そして、相互作用検出機構は、試料と第１及び第２のカンチレバーのとの間に働く原子間力を、第１及び第２のカンチレバーの共振周波数近傍における振幅の変化で検出する。
【００１８】
さらに、上述の薄膜評価装置は、第１及び第２のプローブ間にトンネル電流を発生させるトンネル電流発生手段と、トンネル電流を検出する電流検出手段と、を備えるようにしてもよい。そして、試料の所定の位置におけるトンネル電流により試料を評価する。
【００１９】
また、上述のカンチレバー励振機構は、第１及び第２のカンチレバーの背面に設置された、第１及び第２の走査トンネル顕微鏡用探針を備え、さらに、装置として、第１及び第２の走査トンネル顕微鏡用探針と第１及び第２のカンチレバーの背面との距離および位置を調整する位置調整機構と、第１及び第２のカンチレバーと第１及び第２の走査トンネル顕微鏡用探針との間に電圧を印加する電圧印加機構と、を有するようにしてもよい。このとき、制御機構は、第１及び第２のカンチレバーと第１及び第２の走査トンネル顕微鏡用探針との間に流れるトンネル電流を一定に保つように第１及び第２のカンチレバーと試料との距離を調整する動作を実行する。
【００２０】
さらに、本発明は、薄膜の評価方法を提供する。この方法では、評価対象の試料を保持し、試料の表面及び裏面から挟む第１及び第２のプローブと試料との間に相互作用が働く距離にプローブを移動させる。続いて、試料と第１及び第２のプローブ間に働く相互作用を検出し、この相互作用を一定に保つように第１及び第２のプローブと試料との距離を調整する。そして、この調整された距離の情報に基づいて、試料を評価するようにする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、薄膜試料厚さをサブナノメートルオーダーの精度で測定することができる。また、薄膜の各種測定結果の解析を、試料厚さを考慮して測定することができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明は、走査型プローブ顕微鏡を用い薄膜試料を評価することに関する。また、薄膜を評価するような全ての分野、例えば透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）および走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）などと複合化もしくは併用することで薄膜を詳細に解析する分野に関する。また、薄膜を作製する装置、例えば集束イオンビーム（ＦＩＢ）加工観察装置と複合化もしくは併用することで、より正確な厚さの薄膜試料を作製するものである。
【００２３】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。ただし、本実施形態は本発明を実現するための一例に過ぎず、本発明を限定するものではないことに注意すべきである。また、各図において共通の構成については同一の参照番号が付されている。
【００２４】
＜第１の実施形態＞
（１）薄膜評価装置の構成
図１は、本発明の第１の実施形態に係る薄膜評価装置１００概略構成を示す図である。第１の実施形態の薄膜評価装置１００は、非接触型ＡＦＭの原理を応用したものであり、試料１を保持するための試料ホルダ２と、試料１を挟み込んで厚さ計測に用いるためのカンチレバーＡ３及びカンチレバーＢ４と、カンチレバーＡのｘｙｚ方向微動制御用ピエゾスキャナ５及びカンチレバーＢのｘｙｚ方向微動制御用ピエゾスキャナ６と、試料１のｘｙｚ方向微動制御用ピエゾスキャナ７と、カンチレバーＡの制御ケーブル（制御線）８と、カンチレバーＢの制御ケーブル（制御線）９と、試料の制御ケーブル（制御線）１０と、制御及び測定結果出力・表示用ＰＣ（コンピュータ）１１と、光学系１２と、カンチレバーＡの粗いｘｙｚ位置調整機構１３と、カンチレバーＢの粗いｘｙｚ位置調整機構１４と、試料の粗いｘｙｚ位置調整機構１５と、装置フレーム１６とを備えている。薄膜評価装置１００における最大の特徴は、装置フレーム１６内に主たる観察・計測装置として二つのカンチレバーＡ３、カンチレバーＢ４が薄膜試料１を挟むように設置され、カンチレバーと試料を三次元（ｘｙｚ）方向に移動させるための機構が内蔵されていることである。
【００２５】
カンチレバーＡ３、Ｂ４は、カンチレバーＡの粗いｘｙｚ位置調整機構１３（モーター等の機械的な機構）及び、カンチレバーＢの粗いｘｙｚ位置調整機構１４（モーター等の機械的な機構）に取り付けられたカンチレバーＡのｘｙｚ方向微動制御用ピエゾスキャナ５及びカンチレバーＢのｘｙｚ方向微動制御用ピエゾスキャナ６にそれぞれ取り付けられる。
【００２６】
試料は試料の粗いｘｙｚ位置調整機構１５に取り付けられた試料のｘｙｚ方向微動制御用ピエゾスキャナ７に設置される試料ホルダ２にセットされる。
【００２７】
さらに、カンチレバーと試料の位置関係を観察しながら、粗い位置調整を行うための光学系１２、カンチレバー及び試料の微動制御を行う為の制御ケーブル８、９、１０と制御と測定結果出力・表示するためのＰＣ（コンピュータ）１１から構成されている。
【００２８】
図２は、各実施形態において取り扱われる薄膜試料の例を示す図である。例えば、厚い部分１７に支えられたその一部に存在する穴である空間１９近傍の薄膜領域１８を有する試料が用いられる（図２（ａ）参照）。また、厚い部分２０に支えられた端部の薄膜領域２１とそれに隣接した空間２２を有する試料も使える（図２（ｂ）参照）。さらに、厚い部分２３に取り付けられた薄膜領域２４とこれに近接した空間２５を有する試料を用いても良い（図２（ｃ）参照）。
【００２９】
これらの試料の薄膜評価を行う手段として、上記２つのカンチレバーを用いる。各々のカンチレバーの動作は、非接触型ＡＦＭの動作原理に基づくものである。すなわち、ピエゾ素子などの励振させる機構によりカンチレバーを共振周波数付近で振動させると、カンチレバーは大きく振動する。この状態に保ったままカンチレバーと試料を近づけていくと、カンチレバーと試料の間に原子間力が働き始める。カンチレバーが試料に近づくことでカンチレバーと試料の間に引力が働くと、カンチレバーの共振周波数は低い方向にシフトする。このとき励振させる周波数を例えばカンチレバーの共振周波数より高い側に設定しておくことにより、カンチレバーと試料間に引力が働いた結果、カンチレバーの振幅は減少する。この原理によりカンチレバーと試料間に働く力を検出することができる。そして、カンチレバーと試料間に働く力を一定に保ちつつ、カンチレバーと試料の距離を調整するようにフィードバックをかけながら、カンチレバーと試料を相互に動かすか、どちらか一方を動かす。この時の走査信号（ピエゾスキャナの駆動信号）とカンチレバーのｚ方向の駆動信号をプロファイルすることで試料１表面の形状を表示させ、それを観察することが出来る。
【００３０】
ところで、カンチレバーＡ３、Ｂ４をピエゾスキャナ５、６で走査できる範囲はおおよそ数μｍである。従って、予め試料とカンチレバー３、４を光学系１２で観察しながら、カンチレバーＡの粗いｘｙｚ位置調整機構１３、カンチレバーＢの粗いｘｙｚ位置調整機構１４、試料の粗いｘｙｚ位置調整機構１５を用いてカンチレバーＡ３、Ｂ４及び試料の観察したい領域を近づけておく必要がある。光学系１２には走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）や走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）もしくは透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）などのさらに分解能の高い装置を用いることができる。ただし、この場合はそれらの装置が観察に必要とする真空度まで排気することの出来る、真空排気装置とこれら装置の制御機構が必要となる。
【００３１】
本発明で用いる試料は空間部１９、２２、２５などを有する（図２参照）ため、試料のなくなっている空間部分を判別する必要がある。薄膜の端部では薄膜表面の凹凸に比べて極端に高さが変化するため、一定値以上高さが変化する部分をおおよその薄膜端部として識別する。つまり、穴（空間）ではプローブ先端がその空間に入り込むが、あまり入り込み過ぎると試料を潰してしまう危険がある。そこで、プローブにある程度の高さ変動があったらプローブの動きを停止させてその部分を空間（薄膜端部）として認識するようにする。
【００３２】
（２）カンチレバーの位置調整
薄膜試料の厚さを測定するためには、２つのカンチレバーが薄膜の同じ部分の両表面に位置するよう調整されなければならない。以下、図３を参照して、２つのカンチレバーが薄膜の同じ部分の両表面に位置するように調整する手順を説明する。
【００３３】
まず、カンチレバーＡ３を用いて試料１を走査し（図３（ａ）参照）片側表面端部の形状を測定する。例えばその結果（試料表面を上から見た図）は図３（ｂ）に示す様になる。一方、カンチレバーＢ４を用いて試料１を走査すると（図３（ｃ）参照）、薄膜試料の反面の形状を測定することとなり、例えば図３（ｄ）のような結果（試料裏面を上から見た図）となる。この２つの試料端部の形状を見て、薄膜の同じ部分の両表面を示している部分目標点Ａ２６と目標点Ｂ２７を設定し、その部分に各カンチレバーＡ３、Ｂ４を移動させることで二つのカンチレバーが試料の同じ部分の両表面に位置するように調整する。
【００３４】
さらに、図５を参照して、図４（ａ）に示す様に少し互いのカンチレバーの位置がずれた状態から、図４（ｂ）に示す様に完全に一致させるための調整法を説明する。まず、カンチレバーと試料間に原子間力の働く距離で図５（ａ）に示す様にカンチレバーＡ３を試料１表面に固定する。この時、カンチレバーと試料間には原子間力が働くため、薄膜試料が十分に薄い場合は薄膜はカンチレバーＡに引っ張り上げられた状態となる。次に、カンチレバーＢ４を薄膜面内方向であるｘｙ方向に微動させる。カンチレバーＡ３とカンチレバーＢ４が完全に対の状態になるとき、カンチレバーＡ３が試料を引っ張る力と、カンチレバーＢ４が試料を引っ張る力が相殺され、試料本来の形状に戻る。カンチレバーＡ３の高さ方向のプロファイルをカンチレバーＢ４の微動ｘ又はｙを横軸として表示させると、例えば図５（ｃ）に示すプロファイル２８のようになる。このプロファイル２８がピークを示す位置２９が、カンチレバーＢ４の好ましい位置となる。
【００３５】
また、カンチレバーＡ３とカンチレバーＢ４の位置調整は以下に示す方法でも行うことができる。まず、図６（ａ）に示すようにカンチレバーＡ３を薄膜試料端部のある場所に設定したカンチレバー落ち込み深さ３０分表面から落とし込んで固定する。この落とし込み深さ３０は予想される試料厚さの半分程度もしくはそれより少し深いくらいが好ましい。カンチレバーＢ４からこの状態を見ると、図６（ｂ）のようになる。カンチレバーＡ３が薄膜端部に位置しているため、目標点２７も端部になる。カンチレバーＡ３を固定して、カンチレバーＢ４をこの目標点２７に向かって端部上を沿っていくように近づけていくと、カンチレバーＡ３とカンチレバーＢ４の間に原子間力が働く距離に達する。この時、カンチレバーＡ３のｚ変移をカンチレバーＢ４のｘｙ変移を横軸としてプロファイルを描かせると、図６（ｄ）の様になる。カンチレバーＡ３のｚ変移プロファイル３１は上に凸もしくは下に凹んだプロファイルとなる。どちらに変移するかは、カンチレバー間の原子間力が引力となるか、斥力となるかによって決まる。変移プロファイル３１が最大もしくは最小となる位置が、カンチレバーＡ３とカンチレバーＢ４が最も接近する好ましい位置２９となる。
【００３６】
カンチレバーＢ４を近づける操作において、目標点２７を完全に通過してもカンチレバーＡ３が変移しない場合、カンチレバー間の距離が原子間力が働く距離まで近づかなかったことを示す。そのため、この様な場合はカンチレバー落ち込み深さ３０を少し深く設定し、カンチレバーＡ３とカンチレバーＢ４が目標点２７近傍でより近づくようにする。
【００３７】
（３）カンチレバー振動の位相調整
２つのカンチレバーの先端が振動した状態で向かい合い、その間に試料が挟まれる状態では、カンチレバーが試料に原子間力をあたえ、結果として試料が振動してしまう可能性がある。特に懸念される状態は、二つのカンチレバーの変移周期が完全に同位相でそろってしまう図７（ａ）の様な状態である。カンチレバーＡ３の時間に対するｚ変移をカンチレバーＡの時間変移３２、カンチレバーＢ４の時間に対するｚ変移をカンチレバーＢの時間変移３３で図７（ａ）に示す。この場合ある注目時間３５においてカンチレバーが同じ方向に変移するため、試料がｚ方向の力を受けてしまう。一方、好ましい状態はカンチレバーＡとカンチレバーＢの変移方向が常に逆方向となる、位相が半周期ずれた図７（ｂ）に示す状態である。注目時間３５においてカンチレバーは向かい合って動くため、試料に与える力は相殺される。この状態が測定時に好ましいカンチレバー振動の位相である。
【００３８】
カンチレバーＡ３、Ｂ４の振動が上記の条件を満たすためには、二つのカンチレバーの振動周波数が同じでなければならない。励振させる周波数を同じにすることでおおよそこの条件は満たされるが、共振周波数の等しいカンチレバーを用いることがより好ましい。カンチレバーの共振周波数を調整するための一つの方法を図８に示す。
【００３９】
カンチレバーの共振周波数は基本的にはカンチレバーの長さに依存して決まる。従って、カンチレバーの振動に寄与する部分の長さを変化させること、もしくはカンチレバーのばね係数を変化させることで、共振周波数は調整され得る。この実施形態では、カンチレバーＡ３の上に共振周波数調整用レバー３６とこれを動かすための共振周波数調整用ピエゾスキャナ３７を備えている。共振周波数調整用ピエゾスキャナ３７で共振周波数調整レバー３６を微調整し、共振周波数調整用レバー３６がカンチレバーＡ３に接触する位置を変移させることで、カンチレバーＡ３の振動に寄与するレバーの長さを調整し、カンチレバーＡ３の共振周波数が調整される。なお、図１には図８の構成は示されていないが、このカンチレバーの長さ調整機構を備えるようにしてもよいことは勿論である。
【００４０】
続いて、図９を参照して、カンチレバーの位相を半周期ずらすように調整する手順を説明する。カンチレバーが原子間力の働く距離で近づいた状態で、カンチレバーＢ４を励振させる位相を変化させカンチレバー間の振動位相をずらしていくと、カンチレバー間の振動位相差によってカンチレバー間の距離３４は図７（ａ）、（ｂ）のような変化をする。位相がそろった状態でもっともカンチレバーは近づき、位相が半分ずれた時に最もカンチレバーが離れた状態となる。カンチレバー間の振動位相差に対するカンチレバー距離の変化３８が図９に示されている。カンチレバー距離が最も離れるカンチレバーＢ４の振動位相３９が、カンチレバーＡ３と振動位相が半周期ずれた周期として調整される。
【００４１】
（４）薄膜評価
以上の手順に従って調整された対になったカンチレバーＡ３、Ｂ４を用いて、以下手順に従い薄膜を評価する。薄膜評価手順は、図１０を参照して説明する。まず、カンチレバーと試料を相互もしくはどちらか一方を動かし、図１０（ａ）に示す様に試料のない部分でカンチレバー同士が向かい合うようにする。このカンチレバーが向き合ったときの距離は、図９の方法で調整された状態である。この状態で試料の厚さがゼロの基準点を測定する。その後、図１０（ｂ）に示すように、カンチレバー間に試料が挟まれるようにカンチレバーと試料を相互もしくはどちらか一方を動かす。
【００４２】
次に、カンチレバーＡ３、Ｂ４に原子間力が一定になるようにフィードバックをかけながら、両カンチレバーと試料１を相互もしくはどちらか一方を走査する。両カンチレバーと試料１を動かす駆動信号より得られる両カンチレバーと試料１の相対座標ｘ、ｙを得る（両カンチレバーは向き合っているので同一のｘ、ｙ座標である）。また、各カンチレバーをｚ方向に動かす駆動信号より得られるカンチレバーＡの変移４０とカンチレバーＢの変移４１のプロファイルを得る。そして、これらより図１０（ｃ）に示すような試料の厚さプロファイルが得られる。この時、上記手順で計測した、試料のない部分のゼロ点を基準としてカンチレバーＡの変移４０とカンチレバーＢの変移４１のプロファイルが得られる。薄膜試料の注目する領域をカバーするように上記操作に従い走査することで、注目する領域の膜厚を測定することが出来る。プローブとして本実施例ではカンチレバーを用いているが、磁気力を検知するプローブや、静電力を検知するプローブと置き換えることも可能である。図１０（ｃ）のような試料の厚さのプロファイルによって、試料のある座標において、試料がどの位の厚さを有するかの情報を取得することができる。
【００４３】
図１１は、以上のような薄膜評価間での処理の手順をまとめたフローチャートである。ステップＳ１１０１において、試料上の観察箇所が操作者によって選択、或いは指定され、その情報が制御部（ＰＣ１１）に入力される。ステップＳ１１０２では、制御部が、カンチレバー３及び４のプローブを試料１に近づけるように位置調整機構１３及び１４等を制御する。ステップＳ１１０３では、上述のような２つのプローブの位置調整が実行される。そして、位置調整終了後、プローブを試料上で操作することにより、試料の測定（表面及び厚さ）が実行される。
【００４４】
＜第２の実施形態＞
図１２は、本発明の第２の実施形態による薄膜評価装置２００の概略構成を示す図である。本実施形態に係る薄膜評価装置２００は、図１に示すカンチレバーＡ３、Ｂ４の背面にトンネル電流が流れる程度の距離に近づけたＳＴＭ用探針Ａ４２およびＳＴＭ用探針Ｂ４５を配置させた構成を備えるものである。
【００４５】
図１２において、カンチレバーＡ３及びＢ４を試料１に近づけていくと、カンチレバーと試料間に働く原子間力により、カンチレバーは曲げられる。このカンチレバーの曲がりによって、カンチレバーＡ３及びＢ４とそれらの背面に設置されたＳＴＭ用探針Ａ４２及びＢ４５の距離が変化する。この距離変化によりＳＴＭ用探針Ａ４２及びＢ４５とカンチレバーＡ３及びＢ４との間に流れるトンネル電流が変化する。一方、カンチレバーＡ３及びＢ４が原子間力により曲げられる変移量は、カンチレバーＡ３及びＢ４のばね係数により決まる。走査を開始する前に、目的とする原子間力が働きカンチレバーＡ３及びＢ４が曲がった状態で、カンチレバーＡ３及びＢ４とＳＴＭ用探針Ａ４２及びＢ４５間に流れるトンネル電流が一定になるようにＳＴＭ用探針Ａ４２及びＢ４５をカンチレバーＡ３及びＢ４の背面に位置させる。
【００４６】
目的とする原子間力を変えるためには、ＳＴＭ用探針Ａ４２及びＢ４５とカンチレバーＡ３及びＢ４の距離を、ＳＴＭ探針用ピエゾスキャナ４３及び４６を用いて変更すればよい。つまり、カンチレバーＡ３及びＢ４とＳＴＭ用探針Ａ４２及びＢ４５間に流れるトンネル電流が一定になるように保ち、走査系Ａ４８及びＢ４９のピエゾスキャナ４３及び４６を用いて試料１の表面を走査することにより、カンチレバーＡ３及びＢ４と試料１との間に一定の原子間力が働いた状態を保つようにする。そして、走査系Ａ４８及びＢ４９のｘ、ｙ方向の駆動信号と、走査系Ａ４８及びＢ４９のｚ方向の駆動信号により、試料表面形状を得ることが出来る。
【００４７】
本実施形態においては、図１に示すカンチレバーＡのｘｙｚ方向微動制御用ピエゾスキャナ５及びカンチレバーＢのｘｙｚ方向微動制御用ピエゾスキャナ６は、走査系Ａ４８及び走査系Ｂ４９を微動させるために駆動する。従って、本実施形態の薄膜評価装置２００は、図１に示されるカンチレバーＡ３及びＢ４を走査系Ａ４８及びＢ４９に置き換えた構成を備えていると言える。
【００４８】
本実施形態において、走査系Ａ４８及びＢ４９と試料１を近づける手順は、前述の第１の実施形態と同様の手順で行うことが出来る。すなわち、光学系１２で観察しながら、大まかに走査系Ａ４８及びＢ４９と試料１を近づける。その後、図３に示す様に表面、裏面の走査を行い、目標点を決定し、そこを目印として走査系同士を近づける。
【００４９】
その後、図１３に示す様に走査系４８を試料片面に原子間力の働く距離で固定し、一方の走査系Ｂ４９を微動させる。この時、前述したように、走査系Ａ４８及びＢ４９と試料１との間で働く原子間力により、走査系を斥力の原子間力が働くように設定するか、引力の原子間力が働くように設定するかによって変わる。しかし、いずれにせよ固定した走査系Ａ４８の変移５０は、走査系Ｂ４９の変移（ｘ、ｙ）に従って、凸もしくは凹のプロファイルを描く。図５で行った手順同様に、この場合もプロファイルがピークを示す、走査系Ｂ４９の位置が、走査系Ａ４８と走査系Ｂ４９が薄膜の同一箇所の両面に位置した状態となる。
【００５０】
なお、図６を用いて示したように、薄膜試料の端部を用いても位置調整を実行することができる。本実施形態のＳＴＭ用探針Ａ４２及びＢ４５を有する走査系Ａ４８及びＢ４９を用いる場合も、前述同様に行うことが出来る。すなわち、走査系Ａ４８を薄膜端部に固定し、そこを目標点２７（図６参照）として走査系Ｂ４９を端部に沿って近づけていく。目標点２７近傍で走査系Ｂ４９を微動させると、走査系Ａ４８と走査系Ｂ４９の間の原子間力が変化し、走査系Ａ４８の変移プロファイルがピークを示す。このピーク位置２９（図１３（ｃ）参照）で、走査系Ａ４８と走査系Ｂ４９が最も近接する、相互のｘ、ｙ位置を決定する。
【００５１】
これら操作を行った後、走査系Ａ４８と走査系Ｂ４９の間に何もない時のそれぞれのｚ変移位置をゼロ点として、走査系同士の間に試料が挟まれた状態における、試料１の座標（ｘ、ｙ）と各走査系の変移量ｚをプロファイルすることで（図１０（ｃ）参照）、薄膜の厚さを測定することが出来る。
【００５２】
本実施形態では、カンチレバーＡ３、Ｂ４に金属プローブをもちいることにより、カンチレバーＡ３とカンチレバーＢ４に挟まれた試料中を流れる電流を測定することで、試料の電気的特性を測定することが出来る。
【００５３】
図１４を参照して、薄膜評価装置２００を用いて試料１の電気特性を測定する方法の詳細を説明する。走査系Ａ４８は、カンチレバーＡ３の上面にＳＴＭ用電極Ａ５４を備え、ＳＴＭ探針Ａ４２とＳＴＭ用電極Ａ５４間に電圧を印加し、ＳＴＭ用電極Ａ５４を動作させるためのＳＴＭ探針Ａ用バイアス電圧印加手段５１を備える。走査系Ｂ４９も、カンチレバーＢ４に関しても同様に、ＳＴＭ用電極Ｂ５５と、ＳＴＭ用電極Ａ５５を動作させるためのＳＴＭ探針Ｂ用バイアス電圧印加手段５２を備える。
【００５４】
試料１の走査中に流れる電流は、カンチレバーＡ３とＳＴＭ用探針Ａ４２間に流れる電流ＩＡとカンチレバーＢ４とＳＴＭ用探針Ｂ４５間に流れる電流ＩＢと、試料１を挟んでカンチレバーＡ３とカンチレバーＢ４間に流れる電流ＩＳである。また、カンチレバーとＳＴＭ用探針間に印加する電圧と独立してカンチレバー間に電圧を印加できるように、カンチレバーの試料側とＳＴＭ用電極Ａ５４およびＳＴＭ用電極Ｂ５５は絶縁されている。この機構により、カンチレバーＡ３とＳＴＭ用探針Ａ４２間に流れる電流ＩＡとカンチレバーＢ４とＳＴＭ用探針Ｂ４５間に流れる電流ＩＢを流すために印加する電圧にかかわりなく、プローブ間バイアス電圧印加手段５３により試料に任意の電圧を印加することが出来る。従って、ＳＴＭ探針Ａ用バイアス電圧印加手段５１による電流が試料に流れることを防止でき、よって試料破壊を防止することができる。
【００５５】
なお、本実施形態では、カンチレバー間に流れるトンネル電流が、カンチレバー同士が最も近づいた際に最大となることを利用し、カンチレバー同士の位置調整を行うことも可能である。
【００５６】
図１５は、試料１を挟んだ状態で、カンチレバー間に流れる電流を測定するための、カンチレバーの構成例を示す図である。図１５では、カンチレバーＡ３の背面に絶縁膜５６を挟み、ＳＴＭ用電極Ａ５４を備える機構が示されている。この機構により、カンチレバーＡ３とＳＴＭ用電極Ａ５４に任意の電圧が印加できるようになる。なお、絶縁膜５６はカンチレバーＡ３とＳＴＭ用電極Ａ５４間に、動作中印加される電圧の差に十分耐えることの出来る膜厚を有するものとする。このような構成を有するカンチレバーを用いることにより、電流ＩＡ、ＩＢ、ＩＳ、を互いの影響を排除して独立に取り扱うことができるようになる。       
【００５７】
これらの機構を有する薄膜評価装置（走査顕微鏡）２００により、試料１を走査することで、試料１の膜厚と同時に、ある印加電圧で試料中を流れた電流を測定することができる。図１６は、試料１の厚さと、試料中を流れる電流の測定方法を示す図である。試料１の厚さのプロファイル取得方法は、図１０（ｃ）に関して上述した通りである。すなわち、試料表面のプロファイルと裏面のプロファイルによって得る。本実施形態では、試料１の厚さのプロファイル測定と同時にプローブ間に流れる電流の測定を行う。試料の無い部分ではそのままプローブ間に電流が流れるが、試料を挟む状態では、試料の電気伝導率により、例えば、図１６（ｂ）に示されるように、プローブ間電流プロファイル５７は、物質Ａの領域と物質Ｂの領域では流れる電流に変化が現れる。測定した電流を、試料１の厚さを考慮して解析することで、より詳細な局所的試料の電気特性を解析することができる。この特徴を活かした評価対象としては、半導体デバイス中のドーパントプロファイルなどが例として挙げられる。
【００５８】
薄膜評価は形態観察、組成分析にとどまらず、ナノスケール領域における物性評価が必要とされる時代に差し掛かっている。よって、この構成によりそのニーズに応え得るひとつの薄膜評価手段を提供することができる。また、本実施形態では、電子を発するプローブＡと試料１を通過して電子を受け取るプローブＢを用いたが、このプローブはそれぞれ、電磁波（光）を発するプローブと試料を通過した電磁波を検出するプローブとに置き換えることができる。
【００５９】
＜第３の実施形態＞
図１７は、本発明の実施形態による薄膜評価装置３００の概略構成を示す図である。通常、ＥＤＸ分布像は薄い部分で軽元素濃度が上昇し、厚い部分で減少するが、本実施形態により薄膜試料１の厚さ分布を正確に測定することで、厚さを考慮したＥＤＸ定量分布像などの測定が可能となり、軽元素化合物に対する組成分析精度が向上する。
【００６０】
図１７に示される薄膜評価装置３００は、ＴＥＭ・ＳＴＥＭ・ＥＤＸ（ＥＥＬＳ）の機能と薄膜評価機能とを複合化した構成を有する。これにより、従来課題であった、軽元素の薄膜面内分布を詳細に解析できる機構を提供できるようになる。ＴＥＭ・ＳＴＥＭおよびＥＤＸ（ＥＥＬＳ）装置の原理および機構に関しては一般的に既知であるため、ここで詳細な原理・機構の説明は省略する。また、本実施形態におけるＥＤＸは波長分散型Ｘ線検出器と入れ替えることも可能であり、その他の光学的試料特性をＴＥＭ・ＳＴＥＭで評価する際にもちいるカソードルミネッセンス検出器と入れ替える、もしくは併用することも薄膜の詳細な解析を行う場合に有効的である。
【００６１】
また、薄膜評価装置３００（複合評価装置）において、ＴＥＭ・ＳＴＥＭとＳＥＭをいれかえた構成にすることもでき、ＳＥＭにおいてもＴＥＭ・ＳＴＥＭ同様に様々な薄膜評価機構を付随させることで薄膜の詳細な解析に役立てることが出来る。
【００６２】
つまり、薄膜評価装置３００では、例えば、カンチレバーＡ３及びＢ４を試料１の設置部から外し、まず試料１の表面をＴＥＭ・ＳＴＥＭ・ＥＤＸ（ＥＥＬＳ）又はＳＥＭの機能によって評価した後、カンチレバーＡ３及びＢ４を試料１の設置部に戻して試料１の厚さをカンチレバーＡ３及びＢ４のプローブによって評価することができる。
【００６３】
＜第４の実施形態＞
図１８は、本発明の第４の実施形態に係る薄膜評価装置４００の概略構成を示す図である。薄膜評価装置４００は、試料１を薄膜化する加工装置、たとえば集束イオンビーム加工観察装置（ＦＩＢ）と上述の薄膜評価機能を複合化させることにより、薄膜化した厚さを随時計測しながら加工を行うことが可能な装置を提供できる。
【００６４】
薄膜試料を作製する装置として近年ＦＩＢは一般的な手法となってきているが、薄膜化作業における試料厚さの制御は、ＴＥＭ観察によるコントラストをもとに、作製者の感覚に頼る部分が大きい。
【００６５】
しかし、薄膜評価装置４００を用いれば、試料厚さを求める厚さになるまで繰り返し加工することで、複数の試料をまったく同じ厚さの薄膜試料に仕上げることが可能となる。以下、この薄膜評価装置４００の動作について詳細に説明する。
【００６６】
まず、試料１の走査の動作はすべて基本的に同じである（図１１参照）。すなわち、薄膜評価装置４００では、光学顕微鏡もしくはＴＥＭやＳＥＭを用いた視野選択（ステップＳ１１０１）、２つ以上のプローブを試料の表裏面に近づけるプローブアプローチ（Ｓ１１０２）、プローブ間の位置を調整する作業（プローブ位置調整（ステップＳ１１０３））、プローブもしくは試料またはその両方の走査による測定（ステップＳ１１０４）が実行される。
【００６７】
続いて、薄膜評価装置４００における薄膜化処理の手順を、図１９に示されるフローチャートを用いて説明する。まず試料形状の指定を行う（形状の指定：ステップＳ１９０１）。形状の指定は、「１００ｎｍの薄膜をＦＩＢで作製」と言った内容からなっている。次に、試料形状の測定を薄膜評価装置４００により精度よく行う（ステップＳ１９０２）。続いて、指定形状と試料形状の差を求める（ステップＳ１９０３）。そして、ここで求められた差を減らすように加工を行う（ステップＳ１９０４）。加工後、もう一度試料形状の測定を行い（ステップＳ１９０５）、指定形状と試料形状の差の有無判定（ステップＳ１９０６）を行う。指定形状と試料形状に差がある場合（ステップＳ１９０６でＹｅｓの場合）、差を減らすように加工を再度行う（ステップＳ１９０４）。この過程を繰り返し行い、指定形状と試料形状が同じもしくは、指定形状より試料形状が小さくなった場合、加工をその時点で終了する（ステップＳ１９０７）。
【００６８】
一度の加工量は指定した形状と試料形状の差で決定される。したがって、指定形状と試料形状が大きく異なる状態では、加工は多めに行われる。また、指定形状と試料形状がほとんど同じ状態では、加工はその差に応じてほとんど行われない。指定形状と試料形状の差から求められる、加工量の設定方法は、加工量を少なめに設定したほうが加工しすぎてしまう可能性が低くなり、より正確な形状の試料を作製することができるが、一方で、試料形状測定回数が多くなるため、加工に要する時間が長くなってしまう。一回の加工量は許容される試料形状の誤差と、加工に費やせる時間との兼ね合いで決定される。
【００６９】
試料形状が指定形状より小さくなる場合の判定であるが、大きく２通りに分けられよう。１つは試料形状の一部でも指定形状より小さくなった時とする判定。もう１つは、試料全体が指定形状より小さくなった時とする判定である。どちらを選択するべきかについては、求められる試料の用途や特徴にもよるし、設定する形状にもより異なる。
【００７０】
＜まとめ＞
薄膜評価が行われている分野は、材料開発、電子デバイス評価、光デバイス評価、基礎研究、バイオ分析、樹脂観察など様々である。本発明の実施形態による各薄膜評価装置は、薄膜表裏に配置した複数のプローブを用いて薄膜を評価するものである。そして、各薄膜評価装置により測定し得る薄膜の情報は、形状、厚さ、電気伝導度（図１５（ｂ）参照）、静電力（プローブを帯電させる）、磁気力（プローブに磁石を用いる）、光（光が放射するプローブを用いる）、電磁波（電磁波を発生する構成をプローブに追加する）、音波（音波を発生する構成を追加する）、歪波（音波の歪を利用する）、熱（温度：熱を発生する構成をプローブに追加する）、静電容量等であり、試料の構造や物理的、電気的性質を観察、計測することができる。これらの情報は薄膜を評価する際に、有用な情報といえる。幅広い分野で本発明を用い、薄膜評価が詳細に行うことができる。
【００７１】
より詳細には、例えば、プローブと試料間の相互作用を示すパラメータとしてプローブと試料間に働く原子間力を用いる場合、プローブを共振周波数で振動させながら試料表面に近づけると、原子間力の働いたところでプローブの振幅が変化するので、このプローブの振幅の変化により原子間力を検出する。また、例えば、原子間力によるプローブと試料の相互作用を示すパラメータとして、カンチレバーの曲がりを用いることができる。このパラメータはプローブの曲がりを検出することのできる検出器により測定される。
【００７２】
さらに、例えば、プローブと試料間に存在する電気容量により、共振しているプローブの振幅を検出することができる。この場合のプローブ検出機構は、プローブと試料間に変調電圧を印加するような変調信号発振器と、プローブと試料を含む回路における共振電界を確立するための共振器と、この共振周波数を測定する検出器を備えることで提供される。
【００７３】
また、上記相互作用として、例えば、この顕微鏡は磁界と相互作用するプローブと、プローブと試料間に働く磁気相互作用を測定することのできるプローブ検出器を備えた磁気力顕微鏡とすることもできる。
【００７４】
上述のように、本実施形態の薄膜評価装置は、試料の表面及び裏面から挟む２つのプローブを有している。プローブを試料に対して所定の距離まで降下させると、試料とプローブとの間に相互作用が働く。そして、試料と２つのプローブ間に働く相互作用を検出し、その相互作用を一定に保ちながら、２つのプローブと試料との距離を調整する。この調整された距離の情報は薄膜の厚さ情報を反映しているので、試料の厚さを評価することができる。これにより、今まで困難であった薄膜の厚さを観察することができるようになる。
【００７５】
例えば、本実施形態では、高さ方向の測定精度の高いＡＦＭやＳＴＭを用いて試料の厚さを直接測定する。より詳細には、原子間力顕微（ＡＦＭ）の原理を用いる場合、第１プローブが取り付けられ、弾性を有する薄板状の第１のカンチレバー（カンチレバー３Ａ）と、第２のプローブが取り付けられ、弾性を有する薄板状の第２のカンチレバー（カンチレバー４Ｂ）と、第１及び第２のカンチレバーを励振させるカンチレバー励振機構（ピエゾ素子やＳＴＭ用探針を有する走査系）と、第１及び第２のカンチレバーの振幅を検出する振幅検出機構と、を有する。このとき、相互作用検出機構は、試料と第１及び第２のカンチレバーのとの間に働く原子間力を、第１及び第２のカンチレバーの共振周波数近傍における振幅の変化で検出する。これにより、簡単な構成で薄膜の厚さを測定することができるようになる。このように、従来の走査プローブ顕微鏡では評価しにくかった薄膜の厚さを評価できるようになるので、技術的効果は非常に大きい。
【００７６】
上述の薄膜評価装置は、上述の構成に加えて、第１及び第２のプローブ間にトンネル電流を発生させて、それを検出するようにしている（図１４参照）。試料の所定の位置におけるトンネル電流を観察することにより、試料の電気特性及び物性について詳細に評価することができる。そして、この情報を用いて、その試料を有効に半導体デバイス等に加工することができるようになる。
【００７７】
第２の実施形態によれば、カンチレバー励振機構は、第１及び第２のカンチレバーの背面に設置された、第１及び第２の走査トンネル顕微鏡用探針を備える。そして、さらに、第１及び第２の走査トンネル顕微鏡用探針と第１及び第２のカンチレバーの背面との距離および位置を調整し、第１及び第２のカンチレバーと第１及び第２の走査トンネル顕微鏡用探針との間に電圧を印加する。この状態で、第１及び第２のカンチレバーと第１及び走査トンネル顕微鏡用探針との間に流れるトンネル電流を一定に保つように第１及び第２のカンチレバーと試料との距離を調整する。この構成によっても、薄膜の厚さを測定することができる。そして、本実施形態では、第１及び第２のカンチレバーと第１及び第２の走査トンネル顕微鏡用探針とは、それぞれ絶縁体を介して配置され、第１及び第２の走査トンネル顕微鏡用探針に印加される電圧が、第１及び第２のカンチレバーに印加される電圧に影響を与えないようになっている。これにより、カンチレバー間のトンネル電流を走査系のそれとは切り離すことができ、走査系に印加している電圧によって試料が破壊されるのを防止することができる。
【００７８】
その他、本発明の薄膜評価機能と、電子顕微鏡としての機能、又は集束イオンビーム加工観察機能とを複合させることによって、厚さ情報のみならず、試料表面の情報を取得することができ、また、試料の厚さを調節しながら薄膜を評価することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】第１の実施形態に係る薄膜評価装置の概略構成を示す図である。
【図２】薄膜評価装置の対象とする薄膜の例を示す図である。
【図３】カンチレバーの走査手順の説明図である。
【図４】カンチレバー同士の位置ズレを示す説明図である。
【図５】カンチレバー同士の位置合わせ方法の概略図である。
【図６】カンチレバー同士の位置合わせ方法の概略図である。
【図７】カンチレバー振動位相の説明図である。
【図８】カンチレバーの共振周波数調整機構の説明図である。
【図９】カンチレバー間の振動位相と、カンチレバー距離の関係を示したものである。
【図１０】二つのカンチレバーにより、薄膜試料の厚さを測定する手順を示した概略図である。
【図１１】本発明の測定手順を示すフローチャートである。
【図１２】第２の実施形態に係る薄膜評価装置の概略構成を示す図である。
【図１３】ＳＴＭをカンチレバー背面に備えた走査顕微鏡で、薄膜を走査する際に、カンチレバー同士の位置合わせを行うための手順を示した説明図である。
【図１４】ＳＴＭをカンチレバー背面に備えた二つのカンチレバーとＳＴＭ探針間および、カンチレバー間に電圧を印加するための機構を示す概略図である。
【図１５】カンチレバーとＳＴＭ探針間および、カンチレバー間に電圧を任意に印加するためのカンチレバーの構造を示す概略図である。
【図１６】ＳＴＭをカンチレバー背面に備えた走査顕微鏡により、試料の厚さと、試料を挟みカンチレバー間に流れる電流を同時に測定する場合の測定例を示す説明図である。
【図１７】ＴＥＭもしくはＳＴＥＭ装置に試料から発生する特性Ｘ線を検出する機能を有する薄膜評価装置の概略構成を示す図である。
【図１８】ＦＩＢ機能を有する薄膜評価装置の概略構成を示す図である。
【図１９】本発明のＦＩＢ機能を複合化した薄膜評価装置における処理を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００８０】
１・・・薄膜試料、２・・・試料ホルダ、３・・・カンチレバーＡ、４・・・カンチレバーＢ、５・・・カンチレバーＡのｘｙｚ方向微動制御用ピエゾスキャナ、６・・・カンチレバーＢのｘｙｚ方向微動制御用ピエゾスキャナ、７・・・試料のｘｙｚ方向微動制御用ピエゾスキャナ、８・・・カンチレバーＡの制御ケーブル、９・・・カンチレバーＢの制御ケーブル、１０・・・試料の制御ケーブル、
１１・・・制御及び測定結果出力・表示用ＰＣ、１２・・・光学系、１３・・・カンチレバーＡの粗いｘｙｚ位置調整機構、１４・・・カンチレバーＢの粗いｘｙｚ位置調整機構、１５・・・試料の粗いｘｙｚ位置調整機構、１６・・・装置フレーム、
１７・・・試料の厚い部分、１８・・・試料の薄膜領域、１９・・・空間、
２０・・・試料の厚い部分、２１・・・試料の薄膜領域、２２・・・空間、
２３・・・厚い部分、２４・・・試料の薄膜領域、２５・・・空間、２６・・・目標点Ａ、２７・・・目標点Ｂ、２８・・・カンチレバーＡのｚ変移プロファイル、
２９・・・ピーク位置、３０・・・カンチレバー落ち込み深さ、３１・・・カンチレバーＡのｚ変移プロファイル、３２・・・カンチレバーＡの時間変移、３３・・・カンチレバーＢの時間変移、３４・・・カンチレバー間の距離、３５・・・注目時間、３６・・・共振周波数調整用レバー、３７・・・共振周波数調整用ピエゾスキャナ、３８・・・カンチレバー距離の変化、３９・・・振動位相、４０・・・カンチレバーＡの変移、４１・・・カンチレバーＢの変移、４２・・・ＳＴＭ用探針Ａ、
４３・・・ＳＴＭ探針Ａ用ピエゾスキャナ、４４・・・ＳＴＭ探針Ａの制御ケーブル、４５・・・ＳＴＭ用探針Ｂ、４６・・・ＳＴＭ探針Ｂ用ピエゾスキャナ、４７・・・ＳＴＭ探針Ｂの制御ケーブル、４８・・・走査系Ａ、４９・・・走査系Ｂ、
５０・・・走査系Ａの変移、５１・・・ＳＴＭ探針Ａ用バイアス電圧印加手段、
５２・・・ＳＴＭ探針Ｂ用バイアス電圧印加手段、５３・・・プローブ間バイアス電圧印加手段、５４・・・ＳＴＭ用電極Ａ、５５・・・ＳＴＭ用電極Ｂ、５６・・・絶縁膜、５７・・・プローブ間電流プロファイル、５８・・・特性Ｘ線検出器、
５９・・・電子線照射系、６０・・・結像機構、６１・・・非弾性散乱電子評価機構、６２・・・集束イオンビームチャンバ、
【図１】
2008256422.tif 000003
【図２】
2008256422.tif 000004
【図３】
2008256422.tif 000005
【図４】
2008256422.tif 000006
【図５】
2008256422.tif 000007
【図６】
2008256422.tif 000008
【図７】
2008256422.tif 000009
【図８】
2008256422.tif 000010
【図９】
2008256422.tif 000011
【図１０】
2008256422.tif 000012
【図１１】
2008256422.tif 000013
【図１２】
2008256422.tif 000014
【図１３】
2008256422.tif 000015
【図１４】
2008256422.tif 000016
【図１５】
2008256422.tif 000017
【図１６】
2008256422.tif 000018
【図１７】
2008256422.tif 000019
【図１８】
2008256422.tif 000020
【図１９】
2008256422.tif 000021