(57)【要約】【課題】探針の滑りや試料の変形が実質的にない状態での高精度な立体形状計測が可能な走査プローブ顕微鏡を提供する。【解決手段】探針を測定点のみで接触させて次の測定点に向かうときには探針をいったん引き上げて退避させてから次の測定点に移動してから、探針を接近させることによって試料にダメージを与えずに正確な立体形状を用いる方法において、接触力センサの信号を解析することによって、探針が試料に接触力がゼロで接触した瞬間の探針の高さを得て、微小な接触力によって引き起こされる探針の滑りや、試料の変形による誤差を実質的にゼロにした高精度な走査プローブ顕微鏡による立体形状測定を実現した。【選択図】図１
2008281550.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
探針を先端にもつカンチレバーの保持部と試料を保持する試料台との相対的な位置を精密に制御可能な駆動機構と、カンチレバーの変形状態を計測することが可能なセンサをもち、試料の立体表面形状その他の表面分布を計測することが可能な走査プローブ顕微鏡において、探針と試料の相対距離を接近させていったときに探針と試料が触れることによってカンチレバーの変形状態を表す信号に現れる形状の変化を検出し、このときの探針の高さを記録することを、探針の水平方向位置を走査しながら試料上の各点で行うことにより、試料の表面形状を測定することを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項２】
カンチレバーの変形状態を表す信号に現れる形状の変化の検出が信号処理によって遅れる時間を考慮して、探針が試料にほぼ接触力ゼロで触れた時点の探針の高さを測定することを可能とすることを特徴とする、請求項１に記載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項３】
カンチレバーの変形状態を表す信号に現れる形状の変化を、信号の傾きが所定の値を越したことによって検出することを特徴とする、請求項１ないし２に記載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項４】
カンチレバーの変形状態を表す信号に現れる形状の変化を、傾きの変化率、すなわち、曲率が所定の値を越したことによって検出することを特徴とする、請求項１ないし２に記載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項５】
カンチレバーの変形状態を表す信号に現れる形状の変化を、基準値との偏差が所定の値を越したことによって検出することを特徴とする、請求項１ないし２に記載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項６】
カンチレバーに試料への接触による力が加わっていないときの、接触による力以外の力に起因するカンチレバーの変形による探針先端のカンチレバー基部に対する相対的な位置変化量を、このときのカンチレバーの変形状態を表す信号から換算して求め、この探針先端のカンチレバー基部に対する相対的な位置変化量を用いて、カンチレバー基部の高さから測定された試料の表面の高さを補正することを特徴とする、請求項１ないし５に記載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項７】
探針が試料に触れたときの探針の高さを、探針先端の高さを直接測定することが可能な検出器を用いて測定することを特徴とする、請求項１ないし５に記載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項８】
前記探針先端の高さを直接測定することが可能な検出器はレーザ光を先端部に照射して反射したレーザ光の参照光との干渉によって測定することを特徴とする、請求項７に記載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項９】
カンチレバーの変形状態を表す信号に現れる形状の変化を、信号に現れるカンチレバーの振動に対応する成分が変化することによって検出することを特徴とする、請求項１ないし２に記載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項１０】
探針と試料を離間するときに、カンチレバーの変形状態を表す信号に現れるカンチレバーの振動に対応する成分が変化することによって、探針が試料より離れたことを検出し、これによってカンチレバーの試料に対する相対的な引き上げ量を決定することを特徴とする、請求項１ないし９に記載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項１１】
探針と試料が接していない状態で探針を次の測定点に移動する際に、カンチレバーの変形状態を表す信号に現れるカンチレバーの振動に対応する成分が変化することによって、意図しない探針と試料との接触を検知することを特徴とする、請求項１ないし１０に記載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項１２】
上記カンチレバーの振動に対応する成分の変化は、探針先端が縦方向に運動する振動の振幅あるいは位相あるいは周波数の変化、横方向に運動する振動の振幅あるいは位相あるいは周波数の変化、のいずれか一方または双方の合成したものによることを特徴とする、請求項９ないし１１に記載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項１３】
上記カンチレバーの振動を生起するための圧電素子、電磁石、レーザのいずれかを具備することを特徴とする、請求項９ないし１２に記載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項１４】
探針の変形による水平方向の測定誤差を、カンチレバーの変形状態を示す信号のうち、カンチレバーの捩れを示す信号から推定し、この水平方向の測定誤差を補正することを特徴とする、請求項１ないし１３に記載の走査プローブ顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、急斜面や軟材料を含む試料でも正確な形状測定が可能な走査プローブ顕微鏡技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
微細立体形状の計測技術として走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｐｒｏｂｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）が知られている。これは先端のとがった探針を制御しながら、接触力を非常に小さな値に保ちながら試料を走査する技術で、原子オーダーの微細立体形状が計測できる技術として、広く用いられている。
【０００３】
一方、現在、ＬＳＩの微細パターン形成プロセスではＣＤ−ＳＥＭ（測長ＳＥＭ）を用いた寸法管理を行っているが、パターンの微細化に伴い、下記の限界がきている。（１）測定精度の問題。今後主流になるとされる、４５ｎｍノードＬＳＩのゲート幅は２５ｎｍであり、許容ばらつきを１０％、測定精度をその２０％とすると、必要とされる測定精度は０．５ｎｍとなる。（２）プロファイル計測の要請。線幅の高精度制御のためにＡＰＣ（Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｐｒｏｃｅｓｓ  Ｃｏｎｔｒｏｌ）化の必要性が高まっているが、このために、パターン線幅だけでなく、電気特性に大きく影響する断面形状の計測技術が必要とされている。（３）測定対象の問題。ＤＵＶ（深紫外光）用レジスト、ｌｏｗ−ｋ（低誘電率）膜材料等、電子線耐性の弱い材質に対する測定ニーズが増大している。また、次世代の高密度光ディスクメモリのピットの計測に対しても、同様の測定精度、プロファイル計測の必要性、マスター作成のためのレジストパターンの計測といった、同様のニーズが考えられる。
【０００４】
上記の課題に対して、走査プローブ顕微鏡技術が有望と思われる。ただし、半導体のパターンは非常にアスペクト比が高い場合が多く、探針を走査するときに急斜面で探針の上下動作が追従できなかったり、探針が急斜面を滑ってしまって、測定される形状データが変形したりする課題がある。また、接触力によって測定対象物が変形を起こし、柔らかい材料と硬い材料でこの変形量が異なるため、表面の材質が場所によって異なるサンプルを測る時に、測定される形状に誤差が生じるという課題がある。
【０００５】
これに対して、特許文献１、および、特許文献２では、飛び飛びの測定点のみで探針を試料情報からの近づけて一定の接触力になったときに高さを測り、このあと探針を引き上げた状態で次の測定点に向かうことを繰り返して測定を行う走査方法が開示されており、この方法は探針を引きずらないために急斜面で探針の上下動作の追従が間に合わないために生じる誤差の問題はない。ただし、一定の接触力になるまで探針を試料に向かって駆動するために、この接触力は微小ではあるが、わずかな探針の滑りや試料の変形を引き起こしてしまい、測定される形状に誤差が生じるという課題は残っている。
【特許文献１】特開２００１−３３３７３号公報
【特許文献２】特開２００４−１３２８２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記説明したように、従来技術では高アスペクト比試料の急傾斜部での滑りや、やわらかい試料の変形による測定精度の劣化に課題があった。
【０００７】
本発明の目的は、上記課題を解決するために、探針の滑りや試料の変形のない状態で高精度な立体形状計測が可能な走査プローブ顕微鏡を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明では、上記課題を解決するために、試料にダメージを与えず、また、高アスペクト比試料に対しても高精度計測を実現できる測定方法である、測定点ごとに探針の退避・接近を繰り返す測定方法をもちい、更に、接触力検出センサの信号を解析することによって、探針が試料に接触力がゼロで接触した瞬間の探針の高さを得ることによって、微小な接触力によって引き起こされる探針の滑りや、試料の変形による誤差を抑えた高精度な走査プローブ顕微鏡による立体形状測定を実現した。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、軟脆材料や段差の急なパターンに対して、探針の滑りや、試料の変形による誤差を抑えた高精度な立体形状測定が実現できるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００１１】
図１は本発明にかかわる走査プローブ顕微鏡の構成を示す図である。Ｘ、Ｙ、Ｚ方向に駆動が可能な試料ステージ３０２上に試料５０１が載せられており、走査制御部２０１によって制御されている。この上には探針１０３があり、探針駆動部２０２からの制御により探針１０３を先端に形成したカンチレバー（片持ち梁）１９３を取り付けた探針移動機構２５２はＸ、Ｙ、Ｚ方向に駆動され、これによって走査プローブ顕微鏡のプローブ走査を行う。探針移動機構２５２は探針ホルダー１０１に取り付けられていて、探針ホルダー１０１は探針ホルダー上下機構２５３によって、鏡筒１０２に取り付けられており、探針ホルダー駆動部２０３からの制御によってＺ方向に粗動駆動される。
【００１２】
探針移動機構２５２は微動機構であり、動作距離が大きくないために、探針の試料への接近は探針ホルダー上下機構２５３によって行う。あるいは、別の実施例として試料ステージ３０２側の駆動によって探針の試料への接近を行ってもいい。また、走査プローブ顕微鏡のＸＹ方向のプローブ走査も試料ステージ３０２側の駆動によってもよい。さらに、ＸＹ走査時の時のＺ方向の探針制御も試料ステージ３０２側の駆動によっても良い。Ｚ方向の近接センサ２０４は探針の先端付近の高さを高感度で計測するためのセンサであり、これによって、探針の試料への接触を事前に検出して接近速度を制御することで、探針を試料にぶつけることなく高速な試料への接近を実現できる。近接センサ２０４は後述するように光を用いてもいいが、検出範囲が数十マイクロメートル以上あり、１マイクロメートル程度の感度で試料との距離を検出できるセンサであればほかのセンサを用いてもよい。たとえば、探針ホルダー１０１あるいはカンチレバー１９３と試料５０１との間に交流電圧をかけることによって、静電容量を測り、距離を検出する静電容量式センサや、探針ホルダー１０１と試料５０１との間に空気を流して圧力を検出するエアマイクロセンサを用いてもよい。
【００１３】
走査制御部２０１はカンチレバー１９３の接触力を検出する接触力検出センサ２０５、近接センサ２０４、探針ホルダー駆動部２０３、探針駆動部２０２、試料ステージ３０２を制御して探針の近接、試料の走査等を実現する。このとき、試料の走査時の信号をＳＰＭ像形成装置２０８に送ることによって、試料の表面形状像を得る。波形解析部２６１は後で詳しく述するように接触力検出センサ２０５の出力である接触力信号を解析して探針と試料との接触状態を検知し、走査制御部２０１と形状補正部２６２に送る。走査制御部２０１はこの信号を用いて探針駆動部２０２の制御および制御の切り替えを行い、形状補正部２６２は波形解析部２６１からの解析結果を受け取ってＳＰＭ像の補正データを算出してＳＰＭ像形成装置２０８に送り、ＳＰＭ像の補正を行う。
【００１４】
探針ホルダー１０１に対物レンズを組み込んだ場合には、光学像センサ２０６で試料の光学像を得ることによるＳＰＭ測定エリアの同時観察、および、探針１０３の取り付け時の調整に用いることが出来る。装置全体の動作は全体制御装置２５０によって制御され、表示・入力装置２５１によって、操作者の指示を受けたり、光学像やＳＰＭ像を提示したりすることが出来る。
【００１５】
図２は光学系の一実施例を示す図である。光源１１１から出射した光はレンズ１１２で平行光に変えられてミラー１１３で反射され、探針ホルダー１０１の内部に形成された対物レンズに入射し、試料上５０１上に焦点を結ぶ。光源１１１に組み込む開口の形状によって、スポットあるいはスリットなど、任意の形状の像を形成できる。試料で反射した光は再び対物レンズを通り、ミラー１１４で反射され、結像レンズ１１５で検出器１１６上に像を結ぶ。像の位置は試料５０１の高さによって移動する。
【００１６】
移動量は試料への検出光１１０の入射角をθ、レンズ１１５による結像倍率をｍ、試料の高さをＺとすると、２ｍＺｔａｎθとなるので、この移動量を計測すれば試料の高さＺが検出できる。検出器１１６は像の位置が検出できればいいので、ＰＳＤ（ポジションセンシティブデバイス）・分割型ホトダイオード・リニアイメージセンサなど何でもよい。また、上記説明は検出光１１０が対物レンズを通るという構成での説明であったが、検出光１１０が対物レンズの外部を通りもう一枚の図示されていないミラーで折り曲げられて、試料上に結像される構成も考えられる。このとき、レンズ１１２および１１５はそれぞれ光源１１１および検出器１１６を試料５０１と結像関係になるように調整される。この場合の検出器１１６上の像の移動量は２ｍＺｓｉｎθとなる。近接センサ２０４はこの関係を用いて検出器１１６の出力を処理して試料高さを出力する。
【００１７】
以下、接触力検出センサ２０５について説明する。光源１３１から出た光はレンズ１３２とビームスプリッタ１３４を通り、さらにビームスプリッタ１３４を通って対物レンズを通過してカンチレバー１９３に照射される。ここで反射した光は同じ道を戻ってビームスプリッタ１３３を通過し、レンズ１３５を介して検出器１３６に照射される。レンズ１３５は対物レンズの射出瞳と検出器１３６が結像関係になるように構成され、これによってカンチレバー１９３の反射面の傾きに比例した位置変化が検出器１３６上の光に生起される。
【００１８】
これを１３６の位置に置いたＰＳＤ（ポジションセンシティブデバイス）・分割型ホトダイオード・リニアイメージセンサなどによって検出することによってカンチレバーの傾き（撓み）を検出することが可能になる。接触力検出センサ２０５は、ＰＳＤ・分割型フォトダイオードを光検出器として使用している場合には、両端の出力の差を計算し、和で正規化することで、撓み量に変換する。リニアイメージセンサ使用の場合は、レーザスポットの位置をリニアイメージデータから計算することで撓み量に換算し出力する。撓み量はカンチレバーのばね定数によってカンチレバーと試料の間に働く探針の上下方向の接触力に換算できる。また、二次元型のＰＳＤ、イメージセンサ、４分割フォトダイオードを用いることにより、撓みと同時にねじれを検出することも可能になる。ねじれは探針と試料の間に働く横方向の力に換算される。本検出光１３０を試料観察系の光と分離するために光源１３１は単色のレーザとして、この光だけを通すようにレンズ１３５の前後に干渉フィルターを設けるのが望ましい。
【００１９】
別の方法として、撓み量自体を用いるのではなく、カンチレバーを振動させ、この振動状態（振幅・位相・周波数）の変化によってカンチレバーと試料の間に働く接触力を測定することも可能である。この加振はレバー１９３の根元に組み込んだ圧電素子、あるいは、探針駆動部２０２に組み込んだ圧電素子、あるいは、カンチレバー自体への強度変調されたレーザの照射などによっておこなう。
【００２０】
さらに効率を上げるためにビームスプリッタ１３４はダイクロイックミラーとしてもよい。また、ビームスプリッタ１３３を偏光ビームスプリッタとしてレーザ１３１の偏光方向を１３３によって反射されるＳ偏光とし、ビームスプリッタ１３３と１３４の間に１／４波長板（図示せず）を置くことによって、Ｓ偏光を円偏光に変換してカンチレバー１９３の反射面に当て、反射光を再び１／４波長板でＰ偏光に変えて偏光ビームスプリッタ１３３を透過させてもよい。
【００２１】
試料観察系は照明光源１５４より出射し、コンデンサレンズ１５３を通り、ビームスプリッタ１５５で反射し、ビームスプリッタ１３４を透過し、１０１内の対物レンズを通って試料５０１を照明する。試料の反射光は再び対物レンズを透過し、ビームスプリッタ１３４と１５５を透過して結像レンズ１５２で結像され、イメージセンサ１５１で検出され、光学像センサ２０６でデジタル画像データに変換される。
【００２２】
以上、図２を用いて説明したように、探針と試料観察系と試料高さセンサとカンチレバー接触力検出光学系を同軸で構成することにより、ＳＰＭ計測位置の同時観察、カンチレバーの調整の容易化、高速な探針と試料との接近が可能になる。また、カンチレバー接触力検出光学系を同軸で構成したことによって、カンチレバー部の幅の小さい場合でも、検出光１３０を照射できるようになり、より軽くて共振周波数の高いカンチレバーを用いることによって、走査の高速化を可能とする。すべて対物レンズを通して検出するようにしたことにより、対物レンズをカンチレバーと近づけることが可能になり、高解像度の試料の光学観察が可能となる。また一方、作動距離の長い対物レンズを用いて、試料高さセンサとカンチレバー接触力センサの少なくとも一方を対物レンズと試料の間の隙間を通して斜めから光を投影・検出するオフアクシス構成とする実施例ももちろん考えられる。図２をもちいてこれについては後述する。
【００２３】
また、別の構成として、ひずみゲージのようなひずみの変化を反映する信号を得られるものをカンチレバー１９３に組み込んで、光学式接触力センサの替わりとして用いてもよい。また、さらに別の構成として、カンチレバー１９３にレーザを照射して反射した光と、参照レーザを干渉させて生じる信号からカンチレバー１９３の先端の位置あるいは振動状態を検出してもよい。
【００２４】
なお、本明細書では、試料５０１が探針１０３の下にあるという前提で説明しているが、試料５０１が探針１０３の上にあってもよく、この場合は本明細書の説明とＺ軸の方向を反対向きとして読みかえれば同様に適用されるのはいうまでもない。また、上下方向がＺ軸、水平方向がＸ、Ｙ軸として説明しているが、図１、図２によって示される装置を一定の角度、たとえば９０°寝かして構成することも可能であり、この場合には、ＸＹＺ座標系を装置を傾けた角度分だけ傾けて設定すれば、同様の説明が適用される。
【００２５】
図３は光学系の別の実施例を示す図である。光源１１１から出射した光はレンズ１１２で平行光に変えられてミラー１１３で反射され、ミラーでの反射を経てレンズ１８２に入射し、試料上５０１上に焦点を結ぶ。光源１１１に組み込む開口の形状によって、スポットあるいはスリットなど、任意の形状の像を形成できる。試料で反射した光はミラーでの反射を経てレンズ１８５を通り、結像レンズ１１５で検出器１１６上に像を結ぶ。像の位置は試料５０１の高さに応じて移動する。移動量は試料への検出光１１０の入射角をθ、レンズ１１５による結像倍率をｍ、試料の高さをＺとすると、２ｍＺｓｉｎθとなるので、この移動量を計測すれば試料の高さＺが検出できる。検出器１１６は像の位置が検出できればいいので、ＰＳＤ（ポジションセンシティブデバイス）・分割型ホトダイオード・リニアイメージセンサなど何でもよい。
【００２６】
以下、図３の実施例におけるカンチレバー１９３の接触力検出系について説明する。光源１３１から出た光はレンズ１３２を通り、ミラーでの反射を経て、カンチレバー１９３に照射される。ここで反射したミラーでの反射を経て検出器１３６に照射される。カンチレバー１０３の撓みは反射光の角度変化となり、これによってカンチレバーの反射面の傾きに比例した位置変化が検出器１３６上の光スポットに生起される。これを１３６の位置に置いたＰＳＤ（ポジションセンシティブデバイス）・分割型ホトダイオード・リニアイメージセンサなどによって検出することによって、カンチレバーの傾き（撓み）を検出することが可能になる。また、二次元型のＰＳＤ、イメージセンサ、４分割フォトダイオードを用いることにより、撓みと同時にねじれを検出することも可能になる。この撓みとねじれが探針と試料の間に働くそれぞれ垂直方向と水平方向の接触力に相当する。本検出光１３０を試料観察系の光と分離するために光源１３１は単色のレーザとして、この光だけを通すように検出器１３６の前に干渉フィルターを設けるのが望ましい。なお、１０９は試料観察系の対物レンズである。
【００２７】
図４は高アスペクト比試料の高精度測定に適した走査モードにおける探針の軌跡を説明した図である。図５はこのときの信号の様子である。横軸を時間としている。上の波形はカンチレバー１９３の高さを示す信号で、探針移動機構２５２のＺ軸圧電素子の印加電圧か、探針移動機構２５２に組み込まれたＺ軸変位検出器（図８を用いて後述する１９８）の出力信号である。あるいは、別の実施例として試料ステージ側３０２のＺ駆動機構を用いて試料と探針の距離を変化させてもよく、その場合には、試料ステージ３０２に対する高さ指令値あるいは、試料ステージ３０２に組み込まれた図示しない高さ検出器からの信号を用いることとなる。
【００２８】
下の波形は接触力検出センサ２０５の出力信号波形であり、下方向が探針１０３を試料５０１に押し付けている状態で、一点鎖線より上の方向が、探針１０３が試料５０１に吸着されている状態である。吸着はファンデルワールス力や大気中の水分の凝集による表面張力に起因する。ここで、接触力の正負の方向と吸引力・斥力との関係は信号の符号のとり方によって左右されるので、吸引力の働く方向を接触力の負と定義した場合には、接触力にかかわる数値の符合を全て反転し、接触力波形も上下反転して考えれば以下の議論がまったく同様に成立することは言うまでもない。
【００２９】
図５において、探針１０３は各測定点での測定のあといったん試料５０１から離間し、この状態で、次の測定点に移動し、再び、探針１０３と試料５０１を近づけて再度接触し、一定の接触状態に達した時点の探針移動機構２５２の高さを記録することで、試料の各点の高さを測定する。この測定方法では、探針を試料に対して引きずらずに離した状態で横移動するため、探針に横方向の力がかからず、また、探針の追従遅れを生じないため、急峻な傾斜部でも立体形状が正確に計測できるというメリットがある。
【００３０】
接触力信号は探針が試料に接しているときは、図５に示すように、一定の設定接触力になるようにカンチレバーの根元の高さが制御される（図５のＡ）。高さを計測したあと、次の点の測定にむけて探針をいったん退避させる、接触力信号は探針と試料の間に働く吸着力のため、いったんプラス方向になった（図５のＢ）あと、吸着から離脱するとカンチレバー１９３の残留振動が接触力信号に現れた（図５のＣ）あと、零点に戻る（図５のＤ）。図５のＣの期間と並行して、探針１０３は水平方向に移動させられ次の測定点の上方に移動する。探針が再度接近を開始すると、探針と試料が接した瞬間に接触力検出センサの信号がふたたびマイナス方向に変化していき（図５のＥ）、設定接触力に一致するように探針移動機構２５２のＺ高さが制御される（図５のＥ’）。
【００３１】
この方法は探針を引きずらないため、急斜面で探針の上下動作の追従が間に合わないために生じる誤差の問題はない。ただし、一定の接触力になるまで探針を試料に向かって駆動して接触させるために、この接触力は微小ではあるが、わずかな探針の滑りや試料の変形を引き起こす。これを図１１によって説明する。図１１（ａ）は急斜面で起こる誤差について示している。試料５０１の真の表面形状が実線５１０で示されている。この形状の表面高さを、探針１０３を上方からおろしていって測定する時に、図１１（ａ）に示したように急斜面に探針の先端が接触すると、点線１０３’で示されたように探針が滑りを生じてしまう。結果として、意図した測定位置に対して水平方向に位置誤差を持った点の高さデータを測定することとなる。このため、測定される形状は５１０’のように真の形状５１０に対して膨らんだものとなる。
【００３２】
図１１（ｂ）は試料５０１の表面の材質がＡとＢの領域で異なっている場合を示したものである。ＡよりＢのほうが柔らかい場合を例として示している。このように、探針１０３の試料５０１に対するわずかな接触力のために、５１２の点線で示したように試料５０１の表面はわずかに変形する。この変形量は領域ＡとＢで異なっているために、測定された形状は５１０’に示すように真の表面の形状５１０に対してオフセットを持つだけでなく、材質の境界で段差が異なって測定されることとなる。
【００３３】
設定接触力は接触力センサ信号のノイズやドリフトなどの変動に対して余裕をもって設定しないと、変動によって信号のゼロ点が変動して設定接触力よりも下になった場合に、接近動作が正常におこなわれなくなる。このため、接触力は一定以上に小さくできないという問題があった。また、ゼロ点が変動すると接触力が変動してしまうため、上述の探針の滑りや試料の変形による誤差もゼロ点の時間的変動とともに変動してしまうという問題もあった。
【００３４】
本発明は接触力やその変動によって引き起こされる上記説明した誤差を本質的に起こさない探針走査制御方式にかかわるものである。探針と試料の間の接触力が本質的に０となる点で試料の高さを測ることによって、探針が試料に接触した直後で、滑りや試料の変形を引き押していない状態での高さを測ることが本発明の本質である。
【００３５】
ここで、図６を用いて、本発明における探針走査制御方式の実施例を説明する。また、図１２は図６を補う探針と試料の接触前後の波形拡大図である。図５と同様に図６、図１２でも横軸を時間としている。上の波形はカンチレバーの高さを示す信号で、下の波形は接触力検出センサ２０５の出力信号波形である。探針と試料が接触していない期間Ｄでは接触力検出センサ２０５の信号がほぼ水平な状態であり、このあと探針と試料が接触したあとの期間Ｅでは接触力が次第に増していって、接触力検出センサ２０５の信号が下方向に変化してゆく。すなわち、この境界では接触力信号の変化率が急に変わることとなる。
【００３６】
また、探針が試料に対して近づくと、ファンデルワールス力などの力によって探針が試料に引きつけられて試料側に探針が撓んで吸着される、スナップインと呼ばれる現象が起こることが多い。この場合には、接触力検出センサ２０５の出力には一旦接触と反対方向に図１２のＳに示すような角状の形状が現れる。接触力検出センサ２０５の出力に現れるこれらの特徴的な信号波形を波形解析部２６１で検出することによって、探針が試料に接触した瞬間を検出することが可能となる。具体的には、信号の傾きが大きく変化する点を検出すればいいが、このために接触力信号の時間に対する２次微分を計算してこれがある閾値を超えたことによって検出する。あるいは、別の実施例として、図１２の平坦部Ｄのレベルｂ０を信号の移動平均や直線の当てはめによって求めておいて、このレベルに対して信号が一定値以上変化したことによって検出する。さらに具体的には信号の微分値や平坦部ｂ０との差分を閾値と比較すれば良い。
【００３７】
なお、上記処理は信号のノイズを除去するためのフィルターなどと共に用いるのがより望ましい。また、別の方法として、傾きが大きく変化する点付近の平均的な形状を記憶しておき、これと入力信号とのパターンマッチングをおこなって、類似度の評価値が一定以上となった点あるいは類似度の評価値が極大値を示した点を持って探針と試料が接触した時刻ｔ０を検出する。望ましくは、さらに正確に探針と試料が接触力０で接触した瞬間を検出するために、信号の平坦部Ｄと信号が交差する点を計算してｔ０（接触力ゼロ）の瞬間を検出する、この時刻ｔ０におけるカンチレバー１９３のベース部の高さＺ０を測定して、その点の試料の高さとして記録してやればよい。このあと、一定の接触力まで達した（Ａ）後、探針を再び引き上げ（Ｂ）、次の点に移動して探針を再び接近させる（Ｄ）ことを繰り返すと。試料の高さプロファイルが得られる。
【００３８】
図８（ａ）を用いて上記のカンチレバー１９３のベース部の高さ検出のための構成について説明する。カンチレバー１９３の取り付け部１９７の高さは探針微動機構２５２に組み込まれたＺ軸の圧電素子に対する印加電圧、あるいは、カンチレバー取り付け部１９７の高さを測定する変位検出器１９８によって検出することが可能である。あるいは、探針微動機構をボイスコイルモータで構成することも可能であるが、この場合はボイスコイルモータを駆動する電流値と微動機構の変位量は比例するので、ボイスコイルモータの駆動電流値によって高さを検出することも可能である。
【００３９】
ここで、実際には上記の接触力ゼロで探針と試料が接触した瞬間ｔ０の検出は、波形解析部２６１で使用している信号のノイズを低減するためのフィルターや、微分処理、閾値処理、パターンマッチング処理、極大点検出処理などによって若干の遅れを生じる。このために、ｔ０の時点より一定の遅れを生じて、図６、図１２のｔ１の時点で接触が検知されることとなる。このｔ１の時点では探針がｔ０の時点での高さＺ０よりも試料に近づいてしまって、高さがＺ１となっている。接触力はゼロのレベルｂ０からずれを生じてｂ１となっている。このため、望ましくはこの接触検出の遅れの分を補正して探針と試料が接触力ゼロで接触した（ｔ０）時点での高さＺ０を得ることが望ましい。
【００４０】
このためには、波形解析部２６１の結果を受ける形状補正部２６２によって、たとえば以下のようにすればいい。探針と試料が接触力ゼロで接触した瞬間から探針接触検出までの遅れ（ΔＴ）が一定であり、探針と試料の距離は一定の速度で近づいていると仮定できる場合は、
補正高さＺ０＝カンチレバー取り付け部の高さ（ｔ＝ｔ１）−接近速度・ΔＴ
によって探針と試料が実質的にゼロとなった瞬間の補正高さＺ０が求められることとなる。
探針と試料との接近速度が一定でない場合には、
補正高さＺ０＝カンチレバー取り付け部の高さ（ｔ＝ｔ１―ΔＴ）
によって探針と試料との接触力が実質的にゼロとなった瞬間の補正高さＺ０が求められることとなる。
【００４１】
ただし、実際には接触検出遅れΔＴは一定ではないことが多い、たとえば、上述の方法のうち、接触力信号の微分値を閾値と比較する方法では、下記のような現象が起こる。スナップインと呼ばれる現象が大きく起きる場合には、接触力検出センサ２０５の出力は一旦接触と反対方向に動いて、それから接触方向に変化して、スナップインの時点から吸着距離だけ探針が近づいた瞬間に、接触力がゼロとなる。図１２のＳに示すような角状に出っ張った形状が現れるため、接触力がプラスの状態からマイナスの傾きに転じる。このため、接触力がゼロになる前に、接触力信号の微分値が負の閾値を下回るため接触が検知される。
【００４２】
スナップインが生じない場合は、接触した瞬間以降初めて接触力信号がマイナス向けて変化を始めるため、微分処理や信号平滑化フィルターの遅れに起因して、接触を検知した時点では接触力がゼロとなる瞬間を過ぎてしまっている。また、たとえば、上述の接触力信号の平坦部ｂ０との差分を閾値と比較する方法では、接触後の接触力の変化速度が変動すると接触検知の遅れ時間が変動する。一定速度で探針と試料の距離を近づけていった場合でも、試料表面の弾性率によって、接触力の変化速度は変動する。
【００４３】
つまり、図１１（ｂ）で既述のように、試料が柔らかいときには試料５０１の表面が探針１０３との接触力によって押し込まれるので、試料表面がカンチレバー１９３のばね定数に比べて非常に大きいときに比べて、接触力の変化速度は低下する。このため、接触力信号がゼロの状態から、接触力信号の平坦部ｂ０との差分が閾値を通過するまでの時間おくれ（Δｔ）は長くなることとなる。
【００４４】
このΔＴが変動する現象に対応するための更なる実施例としては、以下のように対応すればいい。常に直前の一定期間の接触力信号と探針高さ信号の信号値を波形解析部２６１に保持しておく。形状補正部２６２は接触を検知したら波形解析部２６１に前記保持された探針高さ信号を読み出して、接触力信号がゼロレベルｂ０から下向きに変わりだした直後のデータを探索する。このデータを先頭に少なくとも２点の接触力信号値データを用いて、このデータに直線を当てはめ、接触力信号がｂ０と交差する時刻を外挿によって求める。この時刻は高さ信号データのサンプル点とは通常は一致しないので、前後のサンプル点に置ける高さ信号データを少なくとも２点用いて、このデータから接触力信号がｂ０と交差する瞬間の高さ信号の値を内挿によって求めることができる。また、スナップインがおこって、図１２のＳで示したような接触力信号の突起が現れている場合は、接触力信号がｂ０と交差するので、交差する前の信号データも用いて、接触力信号がｂ０と交差した時刻を内挿によって求めることができる。
【００４５】
形状補正部２６２はこの結果をＳＰＭ像形成装置２０８に渡し、ＳＰＭ像形成装置２０８は走査制御部２０１から受け取った探針駆動部２０２と試料ステージ２５２の駆動データと前記形状補正部２６２からの補正データを用いて、ＳＰＭ像を生成し、全体制御装置２５０はこれを受け取って、表示装置２５１に表示する。
【００４６】
数式を用いてもう少し具体的に説明する。接触力がゼロになった瞬間をｔ０として、その直後の接触力信号サンプル点をｔａとし、サンプル間隔をｔｓとすると、ｔａ＋ｔｓ・ｎ（ｎ＝０…Ｎ）が、接触力がゼロになった瞬間以降のデータサンプル点となる。ｔａ＋ｔｓ・ｎ（ｎ＝−１…Ｍ）が、接触力がゼロになった瞬間以前のデータサンプル点となる。時刻ｔにおける接触力信号をｂ（ｔ）、高さ信号をｚ（ｔ）とすると、ｂ（ｔａ＋ｔｓ・ｎ）を外挿あるいは内挿してｂ０と交わる時刻ｔ０を求め、ｚ（ｔａ＋ｔｓ・ｎ）を内挿してｚ（ｔ０）を求めればいい。
【００４７】
内装・外挿に用いるデータ点数はデータのノイズが大きい場合は多くとればよく、接触力ゼロで接触した瞬間付近のデータだけを用いたい場合は点数を少なくとればいい。例えば、接触力ゼロで接触した瞬間の直後の２点を用いる場合は、ｂ（ｔａ）、ｂ（ｔａ＋ｔｓ）のデータを用いてｂ０と交わる点の時刻ｔ０を、
ｔ０＝ｔａ＋ｔｓ・（ｂ０−ｂ（ｔａ））／（ｂ（ｔａ＋ｔｓ）−ｂ（ｔａ））
によって外挿して求める。接触力ゼロで接触した瞬間の前後の２点を用いる場合は、
ｂ（ｔａ−ｔｓ）、ｂ（ｔａ）のデータを用いてｂ０と交わる点の時刻ｔ０を、
ｔ０＝ｔａ＋ｔｓ・（ｂ０−ｂ（ｔａ））／（ｂ（ｔａ）−ｂ（ｔａ−ｔｓ））
によって内挿して求める。つぎに、このｔ０の値とｔ０の前後の高さ信号データｚ（ｔａ−ｔｓ）、ｚ（ｔａ）を用いて、ｔ０の瞬間の高さｚ０を
ｚ０＝ｚ（ｔａ）＋（ｚ（ｔａ）−ｚ（ｔａ−ｔｓ））・（ｔ０−ｔａ）／ｔｓ
によって内挿して求める。
【００４８】
３点以上用いる場合には、データの組（ｔａ＋ｔｓ・ｎ、ｂ（ｔａ＋ｔｓ・ｎ））に対して直線を当てはめ、その式をｂｆ（ｔ）＝ｃ・ｔ＋ｄとすると、ｂｆ（ｔ）がｂ０と交わる点の時刻ｔ０は、
ｔ０＝（ｂ０−ｄ）／ｃ
によって求められ、ｔ０における高さ信号は、データの組（ｔａ＋ｔｓ・ｎ、ｚ（ｔａ＋ｔｓ・ｎ））に対して直線を当てはめ、その式をｚｆ（ｔ）＝ｅ・ｔ＋ｇとすると、時刻ｔ０における高さｚ０は
ｚ０＝ｚｆ（ｔ０）＝ｅ・ｔ０＋ｇ
によって求めることができる。
【００４９】
以上のようにすることによって、探針の試料との接触によって急斜面で探針が滑ったり、柔らかい試料が変形したりする場合でも、探針と試料との接触力が実質的にゼロの状態における高さを測定することが可能となり、探針の滑りや試料の変形の影響を排した、高精度な試料立体形状計測が可能となる。
【００５０】
ここで、図６に示しているように、探針と試料の接近は探針と試料が接触した後も、探針と試料が一定の押し込み接触力に達して、定常状態になるまで接近を行って、このあと、探針と試料を引き離して次の測定点に移動している。更なる実施例として、押し込み接触力が一定となった時点の高さ信号を記録し、接触力がゼロの瞬間の高さデータとの差をとると以下のような有用な付加的情報が得られる。すなわち、上記高さデータの差は、探針と試料の接触後一定の接触力に達するまでの探針の押し込み距離であるので、探針―試料間の接触力による、探針の滑りあるいは試料の変形の大きさを示していることになる。この高さの値を各測定点ごとに記録すれば、試料の立体形状データとともに、表面の柔らかさの分布、あるいは、滑りの大きさの分布を示すデータが得られるという効果が得られる。
【００５１】
さらに、接触後の接触力の増加が、試料表面の弾性変形による場合は、高さ信号の増加とほぼ比例するのに対して、探針の斜面での滑りに起因する場合は、高さ信号と接触力信号の増加の関係が滑りの発生状況によって不安定に変動する。図１３は図１２で説明した接触力信号の形状の、（ａ）通常の場合と、（ｂ）試料が柔らかい場合と（ｃ）滑りが生じた場合の、上記説明した変化の様子を示した図である。以上説明した現象を利用して、弾性変形と滑りの影響を分離して測定することが可能となる。たとえば、信号と接触力信号の相関係数を計算することによって、弾性変形と滑りの影響を分離して測定することが可能となる。
【実施例２】
【００５２】
次に、探針と試料の間に力が働いていないときのカンチレバーの形状が熱応力などによって撓む場合にも、さらに精度を向上して、試料の立体形状を測定することを可能とする実施例２について説明する。図８（ｂ）は探針と試料の間に力が働いていないときのカンチレバー１９３の形状がカンチレバーに生じた熱応力などによって撓んだ状況を説明する図である。このようにカンチレバーがもともと撓んでいるとその分だけ探針先端の位置が変化するため、このような状態で試料の高さを測定するとその分だけ測定される試料形状に高さオフセットが生じる。このオフセットはカンチレバーに生じている熱応力等の状態によって時間的に変動するので、測定形状の誤差につながる。たとえば、図８（ｂ）のように上向きに撓んだカンチレバー１９３で測定すると、試料に探針１０３が接触するまでに余分にカンチレバー取り付け部１９７を下げなくてはならないので、撓みの分だけ試料表面の高さ検出値が下方向にオフセットされる。
【００５３】
これに対応するために、以下に示す実施例２をおこなう。このような状況では、カンチレバー１９３に照射されたレーザ光１１０の光路が図８（ｂ）のようにずれて検出器１３６上のスポット位置が移動し、検出器１３６の出力を接触力検出センサ２０５で処理して得られる接触力もこの移動量に比例して変化する。このため、接触力信号の変化量を撓みによる先端の位置の変化量で割った係数を光テコ感度と名づけると、
探針先端高さオフセット＝非接触時レバー撓みによるｂ０オフセット／光テコ感度
によって、探針先端高さオフセットを見積もることが可能なので、このオフセットを波形解析部２６１によって測定し、形状補正部２６２はこれを受け取って各測定点ごとにこのオフセット分だけ、実施例１のようにして求めた探針−試料間の接触力がゼロの場合の試料表面高さデータに対して補正を行うと、試料非接触時のカンチレバーの熱応力などによる撓みに影響を減じた、正確な試料表面形状データを得ることが出来る。
【００５４】
上記オフセットを見積もる別の方法を、図９を用いて説明する。カンチレバー１９３の根元と先端にそれぞれレーザ光を照射する。レーザ１９１を参照光としてレーザ１９０の位相をレーザ干渉によって測定すると、測定された位相から得られた距離データはカンチレバー１９３の根元を基準にしたカンチレバー１９３の先端の相対高さを示すこととなる。この値を探針先端高さオフセットとして用いて同様に処理すれば、試料非接触時のカンチレバーの熱応力などによる撓みの影響を減じた、正確な試料表面形状データを得ることが出来る
【００５５】
さらに別の方法として図１０に示すように、カンチレバー取り付け部１９７の高さを変位検出器１９８で測定して高さ信号ｚ（ｔ）を得るのではなく、探針１０３の位置のカンチレバー１９３の先端部に検出光１９０を照射し、レーザ干渉計の原理によって、この部分の高さを直接測定して高さ信号ｚ（ｔ）を求めてこれを試料高さ検出のために用いれば、試料非接触時のカンチレバーの熱応力などによる撓みの影響を受けない正確な測定が可能となる。
【実施例３】
【００５６】
次に、さらに測定速度を速くし、また、試料および探針へのダメージをさらに低減することが可能な実施例について図７を用いて説明する。図６では、探針と試料の接近は探針と試料が接触した後も、探針と試料が一定の押し込み接触力に達して、定常状態になるまで力制御を行って、このあと、探針と試料を引き離して次の測定点に移動していた。これに対して本実施例３では、図７に示すように波形解析部２６１によって接触力信号がｂ１となった時点で接触を検知すると、走査制御部２０１はこれを受けとって、前記接触検知の直後に、探針と試料を離す方向に駆動を開始させる。これによって、探針の押し込みすぎによる試料および探針へのダメージを低減させ、また、次の測定点への移動を速く開始できることによって、測定速度を速めることが可能となる。
【００５７】
実施例１、２の説明では、探針１０３と試料５０１との水平方向の相対移動を止めた状態で探針と試料の接近と離間を行ない、探針を試料に対して引きずらずに離した状態で横移動することで、探針を試料上で引きずらないようにしていたが、実施例３では探針と試料の接触時間が短くなることによって、探針と試料との水平方向の相対移動を止めないで探針の接近を行っても、探針と試料の間の引きずりを小さく押さえることが可能となり、探針移動機構２５２あるいは試料ステージ３０２が水平方向の加減速を速やかに行えない場合にも、測定の高速化を実現することが可能となる。
【実施例４】
【００５８】
次に図１４、図１５、図１６を用いて探針と試料の接触をさらに高感度に検出する実施例４について説明する。実施例１において図１、図６を用いて説明したように探針１０３と試料５０１の接触を接触力検出センサ２０５の出力信号波形を解析して、接触の瞬間に現れる特徴的な信号変化に着目して、接触の瞬間を波形解析部２０１によって検出していた。ところが、探針１０３と試料５０１の状態によっては、接触力検出センサ２０５の出力信号にたいして図１２のＳに現れるような角状の信号変化が非常に小さい場合がある。また、平坦部Ｄのレベルｂ０に対して、接触力検出センサ２０５の出力信号が閾値以上変化することを検出する場合にも、平坦部Ｄのノイズレベルに対して、閾値を、余裕をもって設定しないと、探針１０３と試料５０１の接触を誤って検知する場合がある。このような場合に対応し、さらに接触力の検知感度を上げる方法の実施例４について図１４、図１５、図１６を用いて説明する。
【００５９】
探針１０３が振動していた場合に探針１０３が試料５０１に接触すると、探針の振動が抑えられて急激に減衰する。これを捉える事で、接触の瞬間をさらに高感度に検出する。このために、図１４の振動解析部２９１を図１の構成に付加する。振動解析部２９１では、接触力検出センサ２０５からの信号から振動成分を抽出し、この変化から接触の瞬間を検出し、波形解析部２６１に通知する。この後は実施例１と同様に、波形解析部２６１において、探針１０３と試料５０１接触力が実質的にゼロに近い状態における探針１０３の高さを補間によって求めることが出来る。
【００６０】
振動解析部２９１では探針駆動部２０２によるカンチレバー１９３および探針１０３の上下動に伴う残留振動や、熱揺らぎによる熱振動によって接触力信号に現れる信号の振幅をＡＭ検波によって求めてこれが急激に減少する瞬間を検出すればいい。あるいは、振動解析部２９１から探針駆動部２０２にカンチレバー１９３の加振信号を加えて、これによってカンチレバー１９３および探針１０３に振動を励起し、励起した周波数に対応する接触力信号に現れる振動成分を、振動解析部２９１で検出し、この振幅あるいは位相成分の探針１０３と試料５０１の接触による変化を検出してもいい。
【００６１】
なお、加振信号はカンチレバー１９３の共振周波数に近い周波数にしてもいいし、非共振周波数を用いてもいい。加振信号を共振周波数に近い周波数にした場合は、振動の鋭さに相当するＱ値に比例して検出感度を高められるという利点がある。その反面、振動の応答性は遅くなる。逆に、加振信号を非共振周波数にした場合は、振動の減衰が速いため振動検出の応答性がよくなると言う利点がある。
【００６２】
なお、以上の説明では探針駆動部２０２に加振信号を加えたが、探針移動機構２５２内のＺ方向微動機構を加振してもいいし、探針移動機構２５２内にＺ方向微動機構に加えて、独立した圧電素子による探針加振機構を設けてもよい。また、カンチレバー１９３に図示しない加熱用のレーザを照射して、このレーザ光の強度を加振信号によって変調することで、カンチレバー１９３に時間変化する熱誘起歪みを生起させ、これによってカンチレバー１９３に振動を引き起こしてもよい。また、カンチレバー１９３あるいは探針１０３に磁性体を用いるか、一部に磁性体を形成したものを用い、カンチレバー１９３近傍にもうけた図示しない電磁石を加振信号によって励磁し、これによってカンチレバー１９３を加振してもよい。
【００６３】
図１５に、以上説明した動作における信号の様子を示す。実施例１のなかで図５を用いて説明した信号では、探針１０３と試料５０１の間の吸着力・吸引力が大きいため、接触力信号に対して探針−試料間の退避後に振動を示す成分が生起している（図５のＣ）。また、探針−試料間が接触する瞬間に探針１０３が試料５０１に吸引されたことを示す角上の信号が接触力信号に乗る（図５のＤとＥの間および図１２のＳ）。これに対して、図１５では吸着力・吸引力が小さい場合の図を示している。そのため、上記のような波形の特徴が接触力信号に現れていない。このような場合に設定接触力を下げていくと、実施例１〜３で説明したような方法を用いても、接触の瞬間を信頼性高く検知することが困難になる。
【００６４】
これに対して、図１４を用いて説明した方法を用いると、図１５の接触力信号のＤの区間のように、カンチレバー１９３の振動に相当する交流信号が重畳する。この信号には、探針１０３が試料５０１に接触した瞬間に図１５のＤからＥのような遷移がおこり、重畳した交流信号が減衰する。これを、ＲＭＳ−ＤＣ（信号の二乗平均の平方根を直流信号のレベルに変換する）アンプや、励振周波数に合わせたロックインアンプなどによって、振幅信号に変換すると、図１５の下段の振幅信号のように、探針１０３と試料５０１が接触していない期間（Ｄ）のみ、振幅信号が大きくなり、そのほかの部分では振幅信号が小さくなる。したがって、この振幅信号が小さくなった瞬間を捉えることで、安定に探針１０３と試料５０１の接触を検知できる。
【００６５】
図４に示すように探針１０３を引き上げて次の測定点に移動する時に、探針１０３が試料５０１のへの吸着から離脱していないと、移動時に探針１０３が試料５０１上を引きずることになり、測定精度の悪化や探針１０３の磨耗につながる。これを避けるため、探針１０３と試料５０１の距離を吸着に対して十分に引き離してもいいが、探針１０３あるいは試料５０１の上下動が大きくなり、測定時間が長くなるという課題がある。そのため、図１５に示した振幅信号が大きくなる点を捉えて、探針１０３が試料５０１への吸着を離脱したと判断して、探針１０３と試料５０１の退避動作を終了して（すなわち測定点ごとにカンチレバー１９３の試料５０１の相対的な引き上げ量を決定して）、次の測定点に向かっての探針１０３の横方向の移動と上下方向の接近を行えば、測定をより高速に行うことが出来る。あるいは、図５に示した、接触力信号に現れる探針１０３と試料５０１の吸着力によるプラス方向への接触力信号の状態Ｃがゼロ点に戻る現象を、波形解析部２６１によって捉えて、次の測定点に向かっての横方向の移動と上下方向の接近を行っても、測定をより高速に行うことが出来る。
【００６６】
図１６は、実施例１中で図１２を用いてすでに説明した信号処理に対応する、カンチレバー１９３の振動による接触検出を用いた場合の信号である。このように接触力信号のＤの区間にカンチレバー１９３の振動に相当する交流信号が現れている。この信号を振動解析部２９１によって解析して接触を高感度で検知した後の、波形解析部２６１と形状補正部２６２による処理は図１２の説明と同様である。
【００６７】
また、カンチレバー１０３の上下方向の撓みに相当する接触力信号を用いる代わりに、別の構成として、カンチレバー１９３の捩れ方向の変形、すなわち、探針１０３の水平方向の回転に相当する摩擦力信号を用いて、この振動が探針１０３と試料５０１が接触することによって変化することを利用して接触の瞬間を検知してもよい。この様子を図１６の一番下の段に示している。試料５０１の測定部位における傾斜が急な場合には、試料５０１から探針１０３が受ける力は水平方向の力の方が垂直方向の力に比べて感度が高くなるので、摩擦力信号に乗る振動成分の変化によって接触を検知したほうが、接触力信号に乗る振動成分の変化によって接触を検知するよりも、感度が高くなる場合がある。
【００６８】
あるいは、接触力信号による振動成分と摩擦力信号に乗る振動成分のいずれかの変化が閾値を超えたことによって安定に探針１０３と試料５０１の接触を検知してもいい。あるいは、たとえば、接触力信号による振動成分と摩擦力信号に乗る振動成分変化の両者の感度を適当に合わせた後に二乗和を取って、この二乗和の信号が閾値を横切ったことをもって、探針１０３と試料５０１の接触を検知してもいい。このようにすることで、試料５０１の測定部位における傾斜の大小にかかわらず、常に高感度で探針１０３と試料５０１の接触を検知することが出来る。
【００６９】
さらに、図４に示すように探針１０３を引き上げた後で次の測定点に移動する時に、試料５０１の側へ基部に探針１０３が接触した場合にも、上記説明した探針１０３と試料５０１の接触検出によって、これを高感度検知でき、この情報を用いて探針１０３を再度引きあげ、探針１０３を試料５０１上で引きずらないような測定動作を実現することも出来る。
【実施例５】
【００７０】
さらに、実施例１〜４と組み合わせ、探針１０３の変形を補正してより高精度に試料５０１のプロファイルを測定することが可能な発明について説明する。図１７に示すように、探針１０３が試料５０１の傾斜が急な箇所に接触するときに、実施例１〜４の方法で高感度に接触を検知しても、検知処理の遅れや誤差、制御系の応答遅れなどによってわずかに探針が１０３がすべることがある。
【００７１】
この場合、図１７の左図のようにｄｘだけ探針１０３の先端が横に移動する。逆に、探針１０３を試料５０１の側壁に沿って降ろしていくと、探針１０３と試料５０１との間に働くファンデルワールス力や静電力などの吸引力によって探針１０３の先端が引き寄せられ、図１７の右側の図のように、滑りと反対の方向にｄｘだけ移動する。この結果、本来測定するべき位置とはｄｘだけずれた位置における試料５０１の高さを測定することになるため、図１７の測定プロファイルに示すように測定結果が歪む。これに対して、図１８あるいは図１９に示すように、波形解析部２６１によってｄｘを測定できることが出来るので、この分の測定データのｘ方向の誤差を形状補正部２６２で補正することが可能となる。
【００７２】
ｄｘの測定は以下のようにおこなう、探針１０３の先端がｄｘだけ外力によって移動すると、探針１０３が探針の先端にかかる横方向の力によって撓み、さらに、カンチレバー１９３に対してトルクを発生し、カンチレバー１９３に捩れが生じる。カンチレバー１９３の捩れ量はカンチレバー１９３の捩れ剛性と探針１０３の撓み剛性の比によって左右されるが、カンチレバー１９３捩れ量ｄθは探針１０３先端の変位量ｄｘに比例し、ｄθ＝ｋｄｘの関係となる。捩れｄθはカンチレバー１９３の背面に当てた光１１０の反射後の方向に２ｄθの変化を生じさせる。これに比例した光スポットの位置変化が検出器１３６上に生じる。カンチレバー１９３の捩れによる検出器１３６上のスポット位置の変化は、カンチレバー１９３の撓みによるスポット位置の変化と直交する方向に現れるため、検出器１３６を２次元のＰＳＤ（ポジションセンシティブデバイス）・４分割型ホトダイオード・エリアイメージセンサとして、この出力を接触力検出センサ２０５によって処理することで、上下方向の接触力に対応するカンチレバー１９３の撓みと同時に、カンチレバーの捩れを検出することが可能となる。
【００７３】
このカンチレバー１９３の捩れｄθは波形解析部２６１において探針１０３の先端の変形による移動量ｄｘに変換できる。このｄｘは図１６の摩擦力信号上にも説明のために示した。ｄｘは形状補正部２６２に渡され、探針１０３の先端の滑りや吸着による変形の影響を補正する。これによって、探針１０３の先端の滑りや吸着による変形の影響が小さく、より正確な試料５０１の形状をＳＰＭ像形成装置２０８に得ることが出来る。
【００７４】
さらに図１９を用いてカンチレバー１９３の捩れを検出する別の方法を示す。カンチレバー上のＡ、Ｂ、Ｃの三箇所にレーザ変位計のスポットを照射する。一つ目の構成としては、図９のレーザ変位計において、Ｃを参照光１９１として、測定光１９０を２本にして、Ａ、Ｂの２箇所に照射し、カンチレバーの根元Ｃを基準としたＡ、Ｂ夫々の高さを測定する。この高さを夫々ＺＡ、ＺＢとあらわすと、（ＺＡ＋ＺＢ）／２によって、カンチレバー１９３の撓みを検出でき、スポットＡ、Ｂの間隔をＤとしたときに（ＺＡ−ＺＢ）／Ｄによって、カンチレバー１９３の捩れｄθを検出することが出来る。
【００７５】
二つ目の構成としては、図１０のレーザ変位計の測定光１９０を二本にして、Ａ、Ｂの２箇所に照射し、探針ホルダー１０１の高さを基準にしたＡ、Ｂ夫々の高さを測定して、これをＺＡ、ＺＢとあらわすと、（ＺＡ＋ＺＢ）／２によって、カンチレバー１９３の先端の高さを検出でき、スポットＡ、Ｂの間隔をＤとすると（ＺＡ−ＺＢ）／Ｄによって、カンチレバー１９３の捩れｄθを検出することが出来る。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明によれば、急斜面や軟材料を含む試料でも正確な形状測定が可能な走査プローブ顕微鏡を提供でき、特に半導体のような急峻なパターンや柔らかい材料を含む試料や、生体試料のように柔らかい材料からなる試料に対して、立体形状を正確に測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】走査プローブ顕微鏡の全体の構成を示す図である。
【図２】探針周りの一実施例の拡大図である。
【図３】光学系の別の実施例を示す図である。
【図４】探針の走査方法を示す図である。
【図５】従来の検出信号と探針の制御方法を示す図である。
【図６】本発明の実施例１の検出信号と探針の制御方法を示す図である。
【図７】本発明の実施例３の検出信号と探針の制御方法を示す図である。
【図８】本発明の実施例２における探針の熱応力などによる撓みの補正方法を示す図である。
【図９】本発明における探針の熱応力などによる撓みの補正方法を示す別の図である。
【図１０】本発明における探針の熱応力などによる撓みの影響を受けない測定方法を示す図である。
【図１１】本発明において解決しようとしている形状測定誤差の様子を示す図である。
【図１２】図６の検出信号波形の探針と試料との接触の前後の拡大図である。
【図１３】図１２で説明した接触力信号の形状の、（ａ）通常の場合と、（ｂ）試料が柔らかい場合と（ｃ）滑りが生じた場合の、上記説明した変化の様子を示した図である。
【図１４】本発明の実施例４による走査プローブ顕微鏡の全体の構成を示す図である。
【図１５】本発明の実施例４による検出信号と探針の制御方法を示す実施例図である。
【図１６】図１５の検出信号波形の探針と試料との接触の前後の拡大図である。
【図１７】本発明の実施例５において、解決しようとしている形状測定誤差の様子を示す図である。
【図１８】本発明の実施例５のカンチレバーの捩れを検出する方法を示す図である。
【図１９】本発明の実施例５のカンチレバーの捩れを検出する別の方法を示す図である。
【符号の説明】
【００７８】
１０１    探針ホルダー
１０２    鏡筒
１０３    探針
１０９    対物レンズ
１１１    光源
１１２    レンズ
１１３    ミラー
１１４    ミラー
１１５    レンズ
１１６    検出器
１３１    光源
１３２    レンズ
１３３    ビームスプリッタ
１３４    ビームスプリッタ
１３５    レンズ
１３６    検出器
１５４    照明光源
１５３    コンデンサレンズ
１５５    ビームスプリッタ
１５２    結像レンズ
１５１    イメージセンサ
１８２    レンズ
１８５    レンズ
１９３    カンチレバー
１９７    カンチレバー取り付け部
１９８    変位検出器
２０１    走査制御部
２０２    探針駆動部
２０３    探針ホルダー駆動部
２０４    近接センサ
２０５    接触力検出センサ
２０６    光学像センサ
２０８    ＳＰＭ像形成装置
２５０    全体制御装置
２５１    入力・表示装置
２５２    探針移動機構
２５３    探針ホルダー上下機構
２６１    波形解析部
２６２    形状補正部
２９１    振動解析部
３０２    試料ステージ
５０１    試料
５１０    真の形状
５１０’    測定された形状
５１１      水平位置誤差
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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