(57)【要約】【課題】プローブの振動を短時間に安定して静止させることができ、また振動の再開の切り換えを迅速に行うことが可能となる走査型プローブの制御装置とそれによる加工装置および観察装置、プローブの加振方法とそれを用いた加工方法を提供すること。【解決手段】共振周波数で微小振動させ、導電性の微小探針の先端を試料表面に対して非接触に制御するプローブを有する走査型プローブの制御装置において、振動周波数検出手段で検出された周波数を参照して前記加振手段を動作させるための加振駆動信号を生成する駆動信号生成手段を有し、該駆動信号生成手段に設けられた位相シフト手段と増幅手段を制御することで、プローブの振幅に比例し且つ位相をずらした駆動信号を出力するように構成する。【選択図】　　　　　　図２
2004122278.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
共振周波数で微小振動させ、導電性の微小探針の先端を試料表面に対して非接触に制御するプローブを有する走査型プローブの制御装置において、
前記プローブを共振周波数で微小振動させるための加振手段と、
前記プローブを試料表面に対して走査するプローブ走査手段と、
前記プローブの振動周波数を検出する振動周波数検出手段と、
前記振動周波数検出手段で検出された周波数を参照して前記微小探針の先端と
前記試料表面との距離を制御する距離制御手段と、
前記振動周波数検出手段で検出された周波数を参照して前記加振手段を動作させるための加振駆動信号を生成する駆動信号生成手段と、
前記駆動信号生成手段に設けられた位相シフト手段と増幅手段を制御することで、プローブの振幅に比例し且つ位相をずらした駆動信号を出力する加振制御手段と、
を有することを特徴とする走査型プローブの制御装置。
【請求項２】
前記加振制御手段は、前記位相シフト手段における加振信号の位相シフト量と、前記増幅手段における増幅度を制御する手段を有することを特徴とする請求項１に記載の走査型プローブの制御装置。
【請求項３】
前記振動周波数検出手段は、振動周波数を検出するため位相同期ループ（ＰＬＬ：Ｐｈａｓｅ　Ｌｏｃｋｅｄ　Ｌｏｏｐ）を有し、前記加振手段は前記位相同期ループ内の発振器により出力される信号を用いて動作する手段を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の走査型プローブの制御装置。
【請求項４】
前記加振制御手段は、前記位相同期ループ内の発振器の発振周波数を保持する周波数ホールド手段を有することを特徴とする請求項３に記載の走査型プローブの制御装置。
【請求項５】
共振周波数で微小振動させ、導電性の微小探針の先端を加工対象である試料表面に対して非接触に制御するプローブを有する走査型プローブの制御装置を請求項１〜４のいずれか１項に記載の走査型プローブの制御装置で構成し、前記試料表面を加工する加工装置であって、
前記導電性探針と前記試料との間に、加工手段として電圧を印加する電圧印加手段を有することを特徴とする加工装置。
【請求項６】
前記加振制御手段は、加工タイミングにあわせて動作し、前記加振信号の位相シフト量及び前記増幅度を制御するように構成されていることを特徴とする請求項５に記載の加工装置。
【請求項７】
共振周波数で微小振動させ、導電性の微小探針の先端を観察対象である試料表面に対して非接触に制御するプローブを有する走査型プローブの制御装置を備え、試料表面を観察する観察装置において、前記走査型プローブの制御装置を請求項１〜４のいずれか１項に記載の走査型プローブの制御装置によって構成したことを特徴とする観察装置。
【請求項８】
加振手段によって共振周波数で微小振動させ、導電性の微小探針の先端を試料表面に対して非接触に制御するようにしたプローブの加振方法であって、タイミング信号を受け取って、そのタイミング信号の示すタイミングに従って前記加振手段を動作させるために加えられる駆動信号に所定の位相シフトを与えるステップを有することを特徴とするプローブの加振方法。
【請求項９】
加振手段によって共振周波数で微小振動させ、導電性の微小探針の先端を試料表面に対して非接触に制御するようにしたプローブの加振方法であって、タイミング信号を受け取って、そのタイミング信号の示すタイミングに従って前記加振手段を動作させるために加えられる駆動信号にプローブ振動の振幅に比例したゲインを印加するステップを有することを特徴とするプローブの加振方法。
【請求項１０】
加振手段によって共振周波数で微小振動させ、導電性の微小探針の先端を試料表面に対して非接触に制御するようにしたプローブの加振方法であって、タイミング信号を受け取って、そのタイミング信号の示すタイミングに従って前記加振手段を動作させるために加えられる駆動信号の周波数をホールドするステップを有することを特徴とするプローブの加振方法。
【請求項１１】
加振手段によって共振周波数で微小振動させ、導電性の微小探針の先端を加工対象である試料表面に対して非接触に制御するようにしたプローブの加振方法を用い、前記試料表面を加工する加工方法であって、
前記導電性探針と前記試料との間に、電圧を印加して加工するに際して、請求項８〜１０のいずれか１項に記載のプローブの加振方法におけるステップを用いて加工することを特徴とする加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、探針と試料を接近させることによって生じる物理現象を利用した走査型プローブの制御装置とそれによる加工装置および観察装置、プローブの加振方法とそれを用いた加工方法に関し、特に探針と試料との間に働く原子間力を測定し、それらの信号の変化から観察対象物表面の微細な凹凸を非接触で計測するとともに、探針先端から微小領域に何らかのエネルギーを注入することによりその微小領域を加工する加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、探針と試料とを接近させ、その時に生じる物理現象（トンネル現象、原子間力等）を利用して、物質表面及び表面近傍の電子構造を直接観察できる走査型プローブ顕微鏡（以下ＳＰＭと略す）が開発され、単結晶、非晶質を問わず様々な物理量の実空間像を高い分解能で測定できるようになっている。
中でも走査型原子間力顕微鏡（以下ＡＦＭと呼ぶ）は探針先端の原子と試料上の原子の間の微弱な作用力（原子間力：Ａｔｏｍｉｃ　Ｆｏｒｃｅ）を検出して試料表面の凹凸を測定するために、探針や試料に導電性や磁性等の特殊な性質を必要とせず、絶縁物とりわけ最近では有機物等の形状の測定等に効力を発揮している。
【０００３】
また、ＡＦＭには大きく分けて、原子間力が斥力の状態で用いるものと引力の状態で用いるものと２種類があり、前者をコンタクトモードＡＦＭ、後者をノンコンタクトモードＡＦＭと言うことがある。
コンタクトモードＡＦＭは測定対象と探針先端との斥力を測定する。この場合の斥力は探針先端と測定対象表面との距離変化に対して非常に大きく変化し、したがってその力を受けるプローブ（探針を支える部分）の歪み量が大きく感度が大きいために測定システムへの負荷が小さくて済む。しかしながら、探針と測定表面は非常に接近しており、その力は測定表面や探針先端に、時として弾性変形以上の影響を与え、試料や探針先端に損傷を与えることがある。
前述の有機物、とりわけ生体物質など柔らかい試料の測定に対してはその影響が大きく、プローブおよび探針先端により対象物を変形したり破壊したりするために精度良い観察ができない。
【０００４】
一方、ノンコンタクトモードＡＦＭは探針先端と測定対象表面との間の原子間引力を測定するが、その引力は、探針先端と測定対象表面との距離がコンタクトモードより大きい状態から働くために、探針先端と測定対象表面の両方に対する影響が非常に小さい。したがって、ノンコンタクトモードＡＦＭは上記のコンタクトモードＡＦＭの欠点を持たないため、柔らかい試料の測定には有用である。しかしながらノンコンタクトモードは、力の変化が探針先端と試料表面との間の距離変化に対してあまり敏感でないことが挙げられる。そのために一般的にはカンチレバータイプのプローブを共振周波数で微小振動させ、微小引力変化が探針先端に働いた場合の振動状態の変化（周波数ずれや位相ずれ等）をモニタすることにより間接的に測定している。そのため、当然のことながら測定システムは複雑になり、また加えてプローブを振動させるための加振機構も必要になっている。
【０００５】
因みに、現在最も一般的に用いられているＡＦＭは両モードともに光てこ方式である（例えば、非特許文献１参照）。この方式は、プローブとして数１０〜数１００μｍの長さのカンチレバーの先端探針を設け、そのカンチレバーの探針と反対側にレーザ光を照射し、その反射光の方向を測定することによって、探針が試料からの原子間力を受けたことによるカンチレバーの微小なたわみ量をてこの原理で拡大し、測定できるように構成されている。
【０００６】
また、一方で走査型プローブ顕微鏡は最近になって、その原理、装置構成を用いて、ナノメートルオーダーの加工を行なう方法にも用いられており、実際に装置としての報告も行なわれている。
この加工の最もわかりやすい方法としては、弾性体に支持された探針を試料表面に接触させた状態で探針と試料表面を相対的に移動させることにより試料表面に加工を施す切削加工方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この方法によれば導電性の薄膜に溝を掘って電気的に絶縁層を形成することによって配線パターンを作ったり、素子自体を作ったりすることができる。しかしながら実際には、摩擦による探針先端の変化や切削くずの影響などにより、精度の良い加工をするためには条件の設定（探針や加工対象の材料・材質の選定、探針先端の対象材料への押しつけ条件など）を検討することが必要になる。
【０００７】
次に、比較的簡単で近年着目されている方法としては、走査型トンネル顕微鏡を用いた導電性の加工対象への局所的な変成効果を利用する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。実際に報告されている例としては、導電性の探針と加工対象である導電性の薄膜（絶縁体基板上の半導体薄膜や金属薄膜など）との間に電圧を印加し、それによって加工対象を局所的に酸化することにより電気的に絶縁パターンを形成し、配線や素子を作るというものである。
また同様な例として、非接触による加工も可能である（例えば、非特許文献２参照）。
また、電子線リソグラフィの一種として、リソグラフィ用の有機薄膜をシリコン基板上に累積し、プローブでアクセス、バイアスを印加することによってパターンを形成させるというものも報告されている（例えば、非特許文献３参照）。以上のような方法を用いることにより、ナノメートルオーダーの構造を形成できるため、そのような構造による新しい機能をもったデバイスなども考案されるようにもなってきている。
【０００８】
【特許文献１】特開平１０−３４０７００号公報
【特許文献２】特開平９−１７２２１３号公報
【非特許文献１】Ｔ．Ｒ．Ａｌｂｒｅｃｈｔ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．６９（２）６６８頁
【非特許文献２】ＡＰＰＬＩＥＤ　ＰＨＹＳＩＣＳ　ＬＥＴＴＥＲＳ，７６巻，２３号，３４２７頁
【非特許文献３】ＴＨＩＮ　ＳＯＬＩＤ　ＦＩＬＭＳ，３２７〜３２９巻，６９０〜６９３頁
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
以上に示したようにプローブ顕微鏡の方法により観察や加工が可能であるが、これらにより加工をする場合には、必ず加工位置を探す必要がある。そのための行程としては、
・加工エリアを決める。
・加工エリアの表面状態を把握する。
・加工開始位置を決定する。
・加工する。
・加工が正常に行なわれたかどうかを調べる。
という手順が、一般的には必要である。
【００１０】
したがって、加工をする場合は必ず何度もそのエリアを観察する必要が生じる。加えて、エリアの観察ではラスタ走査によってプローブを試料表面に対してスキャンし、隈無く観察するのが一般的であり、その際のプローブの走行距離は、実際に加工するための走行距離よりもかなり長くなってしまう。加工や観察では、なるべく探針先端と試料等にダメージを与えないことが必要である。加工過程については、その方法により非接触か接触かが限定されてしまうため、選択の余地はない。少なくとも観察過程に非接触、すなわちノンコンタクトＡＦＭを用いることは、探針や試料のダメージを少なくすることにおいて非常に重要である。
【００１１】
しかしながら、ノンコンタクトの方式は、前述したようにプローブをその共振周波数において振動させ、その振動状態の変化を検出するものであるため、観察時にプローブは振動しており、その振動が加工時に分解能や加工安定性の低下を招いてしまうという問題があった。振幅は一般的には１〜１０ｎｍ程度であるが、ｎｍ以下の高精度で加工する場合には、このようなプローブの振動を静止させる必要がある。このようなことから、Ｑ値の高いプローブや、気圧の低い環境では駆動信号を切っても、その機械特性により振動がなかなか治まらず、そのために振動が停止するまで加工を開始することができず、加工のスループットが悪くなるという問題があった。
【００１２】
そこで、本発明は、上記課題を解決し、プローブの振動を短時間に安定して静止させることができ、また振動の再開の切り換えを迅速に行うことが可能となる走査型プローブの制御装置とそれによる加工装置および観察装置、プローブの加振方法とそれを用いた加工方法を提供することを目的とするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、つぎのように構成した走査型プローブの制御装置とそれによる加工装置および観察装置、プローブの加振方法とそれを用いた加工方法を提供するものである。
本発明の走査型プローブの制御装置は、共振周波数で微小振動させ、導電性の微小探針の先端を試料表面に対して非接触に制御するプローブを有する走査型プローブの制御装置において、
前記プローブを共振周波数で微小振動させるための加振手段と、
前記プローブを試料表面に対して走査するプローブ走査手段と、
前記プローブの振動周波数を検出する振動周波数検出手段と、
前記振動周波数検出手段で検出された周波数を参照して前記微小探針の先端と
前記試料表面との距離を制御する距離制御手段と、
前記振動周波数検出手段で検出された周波数を参照して前記加振手段を動作させるための加振駆動信号を生成する駆動信号生成手段と、
前記駆動信号生成手段に設けられた位相シフト手段と増幅手段を制御することで、プローブの振幅に比例し且つ位相をずらした駆動信号を出力する加振制御手段と、を有することを特徴としている。
また、本発明の加工装置は、共振周波数で微小振動させ、導電性の微小探針の先端を加工対象である試料表面に対して非接触に制御するプローブを有する走査型プローブの制御装置を上記した本発明の走査型プローブの制御装置で構成し、前記試料表面を加工する加工装置であって、
前記導電性探針と前記試料との間に、加工手段として電圧を印加する電圧印加手段を有することを特徴としている。
また、本発明のプローブの加振方法は、加振手段によって共振周波数で微小振動させ、導電性の微小探針の先端を試料表面に対して非接触に制御するようにしたプローブの加振方法であって、タイミング信号を受け取って、そのタイミング信号の示すタイミングに従って前記加振手段を動作させるために加えられる駆動信号に、所定の位相シフトを与えるステップ、またはプローブ振動の振幅に比例したゲインを印加するステップ、または前記駆動信号の周波数をホールドするステップを有することを特徴としている。
また、本発明の加工方法は、加振手段によって共振周波数で微小振動させ、導電性の微小探針の先端を加工対象である試料表面に対して非接触に制御するようにしたプローブの加振方法を用い、前記試料表面を加工する加工方法であって、
前記導電性探針と前記試料との間に、電圧を印加して加工するに際して、上記した本発明ののプローブの加振方法におけるいずれかのステップを用いて加工することを特徴としている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
上記構成を用いることによって、ノンコンタクトＡＦＭなどの動作時にプローブ振動を伴う観察手段を用いて観察及び加工を行なう場合に、プローブを短時間で安定に静止させ、あるいは振動を再開させることが可能となる。したがって、これを例えば、加工手段に適用すれば、プローブ振動による探針先端のぶれなどの加工分解能の劣化や、プローブの静止或いは振動の安定化までの時間を短くすることができ、加工のスループットを向上させることが可能となる。
加えて、プローブを静止させて加工ができるため、電気的な加工、すなわち電圧や電流を用いる加工では、電圧や電流を安定して供給させることが可能となり、より安定したかき込みプロセスを実現できる。
【００１５】
以下実施の形態について図を用いて説明する。
図１は本実施の形態におけるシステム構成を示すブロック図、図２は周波数検出器を説明するためのブロック図、図３は位相シフタ＆増幅器を説明するためのブロック図である。
まず、観察動作時について説明する。
図１において、探針１０１は導電性を持ち、同じく導電性カンチレバー１０２上に配してある。１０３は導電性を持つ加工試料である。レバー１０２は支持部材をはさんで加振アクチュエータ１０４に接着されている。このアクチュエータを振動させることによって、その振動がカンチレバー１０２に伝わり、先端の探針１０１が振動する。加振アクチュエータ１０４はドライバ１０９を通して後に詳述する周波数検出部１０８から駆動信号を受け取る。
【００１６】
一方、レバーの振動検出には例えば光てこ方式を用いることが出来る。この場合レーザ１０５から放出されるレーザ光をレバー先端に当て、反射してきた光を４分割フォトダイオードなどの光検出器１０６により検出する。受光面のレーザスポットの位置により変動するセンサ信号（電流）が光検出器１０６よりプリアンプ１０７に出力される。プリアンプ１０７はその信号を変換・増幅し電圧信号として後段の周波数検出部１０８に送る。これによりレバー振動が電気信号となって検出されることになる。
周波数検出部１０８はレバー振動の周波数を検出するとその周波数と同じ周波数の駆動信号を、位相を調整して前述の加振アクチュエータ１０４へドライバ１０９を通して出力する。また一方で、その検出された周波数信号を後段のＺ制御部１１１とデータ処理部１１２へ出力する。
【００１７】
Ｚ制御部１１１では受け取った周波数信号を元に探針１０１先端と試料１０３表面との距離を制御するための制御信号を算出しドライバ１１３を通してＸＹＺステージ１１６へ印加する。ＸＹＺステージ１１６はＸＹ走査制御部１１４によって生成されたＸＹ方向走査信号とＺ制御部１１１によって生成されたＺ方向駆動信号によって試料を３次元に位置決めすることのできるステージである。
前述のデータ処理部１１２は周波数検出部１０８からの周波数値、或いはＺ制御部１１１によって出力された制御量を元にＡＦＭ観察を行なうために設けられている。
【００１８】
次に図２を用いて周波数検出部１０８の内部について説明する。
１０８は周波数の検出をＰＬＬ（位相同期ループ：Ｐｈａｓｅ　Ｌｏｃｋｅｄ　Ｌｏｏｐ）により行なう。入力された信号はコンパレータ２０１を通して２値化、プローブ振動と同じ周期を持ったパルス列に変換され、後段のＰＬＬ部に送られる。
ＰＬＬ部では位相比較器２０２とループフィルタ２０３および発振器２０４によりフィードバックループが構成されており、発振器２０４の出力はコンパレータ２０１からの入力パルスと同位相に制御されて出力される。
【００１９】
電圧発振器２０４からのパルス波は再び位相比較器２０２へ送られてフィードバックに用いられる他、位相シフタ＆増幅器２０５へ送られる。このパルス波は適当に位相を調整されたあと、パルス波高値に応じて適当なゲインがかけられ、後段のバンドパスフィルタ２０６に送られる。
バンドパスフィルタ２０６ではパルス波を正弦波に近い形に整形し、プローブ加振信号として加振アクチュエータ１０４に送る。前述の位相シフタ＆増幅器２０５による位相の調整と波高値の調整はカンチレバー１０２が共振点で共振するように調整される。安定して振動している場合、位相シフト量とゲインは一定である。ノンコンタクトＡＦＭ観察動作時には以上の動作を行なう。
【００２０】
次に加工動作時の場合を説明する。
ここで加工方法として探針によって加工対象表面に電圧を印加する方法について説明するが、加工方法については切削加工等の他の方法によって加工する場合にも、本発明の効果は何ら影響を受けない。探針１０１とカンチレバー１０２は前述したとおり導電性を持ち、プローブバイアス印加部１１０からの電圧信号により試料１０３に対してバイアスされる。
【００２１】
ここで、プローブに加工バイアスが印加されるときにはプローブ振動が止まっていることが望ましいが、前述したとおり、加振アクチュエータ１０４への信号を停止しても振動体であるプローブはその状況によってはすぐには停止しない。そこで本発明は加振アクチュエータ１０４をドライブすることによってプローブ振動を止めることが可能である様に構成される。
【００２２】
次に、これらがどのように動作するかについて説明する。
プローブバイアス印加部１１０はプローブにバイアスを印加する際に周波数検出部１０８とＺ制御部１１１に制御信号を送る。Ｚ制御部１１１はそのタイミング信号を用いて加工時にプローブ・試料表面間距離を一定量近づけたりすることができる。周波数検出部１０８に送られた制御信号は、図２における制御信号がその信号に相当するが、発振器２０４と位相シフタ＆増幅器２０５に入力されている。
【００２３】
位相シフタ＆増幅器２０５の内部構成を図３に示す。内部は位相シフタ３０１と増幅器３０２、及び増幅器のゲインを設定するゲイン設定回路３０３と振幅検出器３０４とによって成っている。制御信号は位相シフタ３０１とゲイン設定回路３０３に入力される。位相シフタ３０１は観察動作時には前述したようにプローブの自励発振が起こるように、一定のシフト量θ０にセットされている。ここで制御信号が入力されると位相シフタ３０１は一定量θａのさらに変化させて出力するように構成されている。それにより、ＶＣＯからのパルス列は観察時よりもθａだけ位相のずれた信号として位相シフタ＆増幅器より出力される。
【００２４】
増幅器３０２は観察時の動作の説明にも示したように、加振アクチュエータ１０４のドライブ信号の大きさを調整する部分であり、ＶＣＯからのパルス列の波高値を設定している。そのゲインの大きさはゲイン設定回路３０３により設定されている。観察時の動作の場合はプローブへの加振エネルギーを一定にするため、ドライブ信号の振幅を一定に保つ必要がある。そのため増幅器３０２のゲインはある一定のゲインに固定されている。制御信号がゲイン設定回路３０３に入力されると、ゲイン設定回路３０３は振幅検出器３０４の検出した入力信号の振幅の大きさに比例したゲインを増幅器３０２に設定するように構成されている。　これにより、観察時には固定ゲインだったために出力信号は一定の波高値を持っていたが、制御信号が入力されると実際のレバーの振幅に比例した出力信号によって加振アクチュエータがドライブされるようになる。すなわち、プローブの振幅が小さい場合は、小さな振幅でかつ位相をずらしたドライブ信号を用いて加振することになる。これによってカンチレバー振幅は急激に減衰し、振動が停止するとそれ以降は加振器は動作しない。したがってこの間に加工電圧をプローブに印加することにより、加工時にはプローブは静止しているようになる。再び観察動作に戻る場合には、前述とは逆に位相シフト量をθ０に戻し、ゲインも一定値に戻すように動作することでプローブ発振系が再び構築される。
また、図２に示すように制御信号はＰＬＬ部の発振器２０４にも入力されている。
【００２５】
発振器２０４内部を図４を用いて説明する。発振器２０４は電圧制御発振器（ＶＣＯ）４０１により構成されているが、加工時にはＶＣＯの発振周波数を決定する入力電圧をサンプルホールド回路４０３によってサンプル＆ホールドしておく。このように設定することにより加工終了時にプローブ振動を急激に立ち上げることが可能となる。図５のタイミングチャートを用いて、それぞれの動作タイミングを説明する。始めに加工位置にプローブが到達すると制御信号が立ち上がる（ｔａ）。
この立ち上がりによりサンプルホールド回路４０３が働き、現発振器制御信号をサンプリングする。このときはスイッチ４０２は開いている状態である。次にサンプルホールドが終了するとＺ方向のプローブ操作が行なわれる（ｔｂ）。たとえば、プローブと試料表面を一定距離近づけるなどの動作を行なう。その後プローブの位置が安定した一定時間後（ｔｃ）において加工用の電圧印加が開始される。加工が終了し（ｔｄ）一定時間経過の後、プローブを加工前の位置に戻す（ｔｅ）。
【００２６】
プローブの位置が安定したと思われる一定時間後（ｔｆ）、制御信号はリセットされるが、そのタイミングでスイッチ４０２が一定時間オン状態になり（ｔｇまで）、サンプルホールド４０３でホールドされていた制御電圧が電圧制御発振器４０１に入力され、加工前の発振周波数を持つ信号が発振器出力として次段へ送られる。以上のような構成にすることによりプローブと試料表面の距離が加工位置から観察位置へ戻った時に、以前の観察位置の加振周波数を直接加振用アクチュエータに出力することで、高速に復帰が可能となる。なお、これらのタイミング管理は回路の時定数などを用いてアナログで行なっても良いし、たとえば図５に示すように、各々のタイミングをクロックと同期させて行なうことも良い。
【００２７】
【実施例】
次に、本発明の実施例について説明する。
導電性レバーとして半導体プロセスを用いて製作された長さ１００μｍ、幅１０μｍ、厚さ２μｍのシリコンカンチレバーを用い、導電性を得るためにＰｔ薄膜をスパッタによりプローブ表面に堆積させ、その上に探針として高さ１０μｍ程度のＰｔによる円錐形の構造をスピント法により形成した。このプローブに機械的な衝撃を加えて、スペクトルアナライザで測定したところ３００ｋＨｚであった。大気中でのＱ値は４００程度であったため、加工時は１０−３Ｔｏｒｒ程度まで減圧することによって１００００程度まで向上させた。
加工対象となる試料としてはシリコン上に累積したレジスト薄膜（ＰＭＰＭＡ；ポリメチルフェニルメタクリレート）を用い、ＳＰＭリソグラフィを行なった。プローブと基板であるシリコンウェハとの間に２０Ｖ程度（基板を正とする）を印加することによりパターンの形成を行なった。
【００２８】
その他の回路部分の設定については以下の通りである。
図２における位相比較器としては一般に市販されている汎用ＰＬＬ（例えば４０４６等）を用い、図４における発振器は水晶発振器などを分周することで高精度の発振器を構成した。また、図３における増幅器はたとえば外付けの抵抗変化によってゲインが変化させられるようなデバイス（たとえばＯＰＡ６６０［Ｔｅｘａｓ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ］）を用いて、可変抵抗としてＭＯＳトランジスタデバイスを用いることで実現は容易である。
【００２９】
また、位相シフタは、やはり可変抵抗により位相設定が可能なデバイスが一般的で、アナログスイッチなどを用いて抵抗値を切り替えることで位相変化を持たせることは十分可能である。振幅検出器についてはピークホールドによるピーク電圧を用いることで実現できるが、この際ホールドする時間設定が重要であり、本実施例の場合、レバー振動が３００ｋＨｚ程度であるためほぼその程度の時間を設定することにより振動一山分の振幅を捉えることができ、より高速に振動を減衰させられると考えられる。この部分が長いとプローブ振動を停止させるまでの時間が長くなる。また、位相の加算シフト量θａとして１８０°を用いた。このシフト量の設定も、プローブ振動を停止させるために必要な時間を左右する。
【００３０】
以上の様な設定によって所定のパターン図形の加工を行なったところ、加工時間の短縮、及び加工の安定化が図られた。プローブ振動の停止までの時間、停止から振動安定化間での時間はそれぞれ本発明を用いない場合の１０％以下となっており、細かく多数の構造で構成されたパターンを形成するなど、加工と加工位置探索の切り替えが多いパターンに関しては非常に有用である。
【００３１】
【発明の効果】
本発明の構成によれば、プローブの振動を短時間に安定して静止させることができ、また振動の再開の切り換えを迅速に行うことが可能となる走査型プローブの制御装置およびプローブの加振方法、あるいは観察装置を実現することができる。
また、加工装置および加工方法に上記した本発明の走査型プローブの制御装置およびプローブの加振方法を用いることにより、加工時にプローブの振動を短時間に安定して静止させ、加工を開始することができ、スループットを著しく向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を説明するためのシステム構成を示すブロック図。
【図２】本発明の実施の形態における周波数検出器を説明するためのブロック図。
【図３】本発明の実施の形態における位相シフタ＆増幅器を説明するためのブロック図。
【図４】本発明の実施の形態における発振器を説明するためのブロック図。
【図５】本発明の実施の形態における制御信号による各部の動作タイミングを説明するための図。
【符号の説明】
１０１：探針
１０２：カンチレバー
１０３：加工試料
１０４：加振アクチュエータ
１０５：レーザ
１０６：光検出器
１０７：プリアンプ
１０８：周波数検出部
１０９：ドライバ
１１０：プローブバイアス印加部
１１１：Ｚ制御部
１１２：データ処理部
１１３：ドライバ
１１４：ＸＹ走査制御部
１１６：ＸＹＺステージ
２０１：コンパレータ
２０２：位相比較器
２０３：フィルタ
２０４：発振器
２０５：位相シフタ＆増幅器
２０６：バンドパスフィルタ
３０１：位相シフタ
３０２：増幅器
３０３：ゲイン設定回路
３０４：振幅検出器
４０１：電圧制御発振器
４０２：スイッチ
４０３：ホールド
４０４：スイッチコントローラ
【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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