(57)【要約】【課題】安価に、かつ、正確に表面形状を検出することができる表面形状検出装置及びその方法、並びに、当該表面形状検出装置に用いられる位置決め方法を提供する。【解決手段】試料３３とプローブ４先端とを相対的に走査させて、表面形状を測定する前に、試料３３が載置されているステージのＺ方向の位置を検出する変位センサ２１の測定軸Ｌ上に、プローブ４の先端が配置されるように、プローブ４と変位センサ２１との位置決めを行う。【選択図】      図２
2004279315.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端が、試料と対向するプローブと、前記試料を載置するステージと、前記ステージを移動させて、前記試料と前記プローブ先端とを相対的に走査させる検出走査手段と、所定方向と平行な測定軸上における前記ステージの位置を検出する位置検出手段とを備え、前記検出した位置に基づいて前記試料の表面形状を検出する表面形状検出装置であって、
前記位置検出手段の測定軸上に、前記プローブの先端が配置されている
ことを特徴とする表面形状検出装置。
【請求項２】
請求項１記載の表面形状検出装置であって、
前記検出走査手段は、円筒型の圧電素子を有する
ことを特徴とする表面形状検出装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の表面形状検出装置であって、
前記ステージ表面には、前記所定方向において互いに対向する２つの基準マークが設けられている
ことを特徴とする表面形状検出装置。
【請求項４】
請求項３記載の表面形状検出装置であって、
前記基準マークは、前記ステージの表面形状によって形成されている
ことを特徴とする表面形状検出装置。
【請求項５】
請求項３記載の表面形状検出装置であって、
前記プローブ及び前記位置検出手段各々からの光の出射、及び、前記プローブ及び前記位置検出手段各々に入射してくる光の受信が可能であるとき、
前記基準マークは、前記ステージ上の前記基準マーク以外の領域とは光学的特性が異なる部材により形成されている
ことを特徴とする表面形状検出装置。
【請求項６】
請求項３〜５記載の表面形状検出装置であって、
前記ステージ表面のうち、前記基準マークの１つが設けられている面を前記プローブにより走査させ、残りの前記基準マークが設けられている面を位置検出手段により走査させる位置決め走査手段と、
前記プローブ及び前記位置検出手段が各々、前記基準マークを検出した位置に、前記プローブ及び前記位置検出手段を停止させる停止手段とをさらに備える
ことを特徴とする表面形状検出装置。
【請求項７】
請求項１又は２記載の表面形状検出装置であって、
前記プローブに入射してくる光の受信が可能であり、かつ、前記位置検出手段から光の出射が可能であるとき、前記ステージには、前記所定方向に貫通するピンホールが設けられている
ことを特徴とする表面形状検出装置。
【請求項８】
請求項７記載の表面形状検出装置であって、
前記ステージ表面のうち、前記ピンホールの何れか一方の開口部が設けられている面を前記プローブにより走査させる位置決め走査手段と、
前記プローブに、前記ピンホールを介して入射してくる前記位置検出手段からの光が最大となった位置に、前記プローブを停止させる停止手段とをさらに備える
ことを特徴とする表面形状検出装置。
【請求項９】
請求項１〜８何れか１項記載の表面形状検出装置であって、
光源と、
前記プローブ先端に設けられ、前記光源の波長よりも短い径を有し、前記光源からの光の入射によって、近接場光を発生する開口部と、
前記試料によって散乱された前記近接場光を検出する光検出手段とをさらに備えた
ことを特徴とする表面形状検出装置。
【請求項１０】
試料が載置されるステージ位置の、所定方向と平行な測定軸上における位置を検出する位置検出手段の前記測定軸上に、前記試料に対向するプローブ先端を配置するための位置決め方法であって、
前記ステージ表面に、前記所定方向において互いに対向する２つの基準マークが設けられているとき、前記ステージ表面のうち、前記基準マークの１つが設けられている面を前記プローブにより走査させ、残りの前記基準マークが設けられている面を位置検出手段により走査させる位置決め走査工程と、
前記プローブ及び前記位置検出手段が各々、前記基準マークを検出した位置に、前記プローブ及び前記位置検出手段を停止させる停止工程と
を備えた位置決め方法。
【請求項１１】
請求項１０記載の位置決め方法であって、
前記基準マークが、前記ステージの表面形状によって形成されているとき、
前記位置決め走査工程において、前記プローブ及び前記位置検出手段は各々、前記ステージの表面形状を検出し、
前記停止工程において、前記プローブ及び前記位置検出手段が各々、前記基準マークを形成する表面形状を検出した位置に、前記プローブ及び前記位置検出手段を停止させる
ことを特徴とする位置決め方法。
【請求項１２】
請求項１０記載の位置決め方法であって、
前記プローブ及び前記位置検出手段各々からの光の出射、及び、前記プローブ及び前記位置検出手段各々に入射してくる光の受信が可能であり、かつ、前記基準マークは、前記ステージ上の前記基準マーク以外の領域とは光学的特性が異なる部材により形成されているとき、
前記走査工程において、前記プローブ及び前記位置検出手段は各々、前記ステージ表面の光学的特性を検出し、
前記停止工程において、前記プローブ及び前記位置検出手段が各々、前記基準マークを形成する光学的特性を検出した位置に、前記プローブ及び前記位置検出手段を停止させる
ことを特徴とする位置決め方法。
【請求項１３】
試料が載置されるステージ位置の、所定方向と平行な測定軸上における位置を検出する位置検出手段の前記測定軸上に、前記試料に対向するプローブ先端を配置するための位置決め方法であって、
前記ステージに、前記所定方向に貫通するピンホールが設けられると共に、前記プローブに入射してくる光の受信が可能であり、かつ、前記位置検出手段から光の出射が可能であるとき、
前記ステージ表面のうち、前記ピンホールの何れか一方の開口部が設けられている面を前記プローブにより走査させる位置決め走査工程と、
プローブに、前記ピンホールを介して入射してくる前記位置検出手段からの光が、最大となった位置に、前記プローブを停止させる停止工程とをさらに備える
ことを特徴とする位置決め方法。
【請求項１４】
請求項１０〜１３何れか１項記載の位置決め方法を用いて、前記位置検出手段の測定軸上に、前記プローブ先端を配置する位置決め工程と、
前記位置決め工程の後に、試料を載置するステージを移動させて、前記試料と前記試料に対向するプローブとを相対的に走査させる検出走査工程と、
前記検出走査工程中に前記測定軸上における前記ステージの位置を前記位置検出手段により検出する位置検出工程とを備え、
前記検出した位置に基づき、前記試料の表面形状を求める
ことを特徴とする表面形状検出方法。
【請求項１５】
請求項１４記載の表面形状検出方法であって、
前記プローブ先端に設けられた開口部から近接場光が発生するとき、
前記検出走査工程中に、前記プローブ先端から近接場光を発生させる発生工程と、
前記試料によって散乱された近接場光を検出する光検出工程とを備え、
前記光検出工程及び前記位置検出工程によって得られた情報に基づいて、前記試料の物性を算出する
ことを特徴とする表面形状検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、表面形状検出装置、位置決め方法及び表面形状検出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の表面形状検出装置としての近接場光顕微鏡として図７に示されたようなものが知られている。第１の光源１から照射されたレーザはレンズ２２を用いてファイバ２ａ内に集光され、カプラ３およびファイバ２ｂ内を通り、プローブ保持部３０上に固定され波長以下の開口を持つプローブ４の先端で近接場光５が発生する。
【０００３】
一般に知られている通り、この近接場光５は開口径とほぼ同じだけの距離内に存在する非伝播光であり、通常は観察されない。しかし、ステージ２０上に載置された試料３３をこの近接場光５領域に移動させると、近接場光５が散乱され伝播光に変換される。この散乱光が再びプローブ４を通ってファイバ２ｂ、カプラ３と伝幡し、ファイバ２ｃ端面から出射され、フォトマルチプライヤ９によって検知される。この検知された光の強度や周波数スペクトルに基づいて、例えばその表面形状であるとか試料３３の構造、組成を測定することが可能となる。
【０００４】
上述のように近接場光５の存在領域は開口径程度であるため、プローブ４と試料３３間の距離を精密に制御する必要がある。そのため、シアフォースと呼ばれる力学的相互作用を利用する。例えば加振用ＰＺＴ８を用いてプローブ４を振動させた状態で試料３３に近付けるとシアフォースによってその振幅が減少する。
【０００５】
第２の光源３１から発せられたレーザをプローブ４に照射し、シアフォース検出用ＰＤ３２を用いてその反射光を検出すれば、プローブ４の振動周波数もしくは位相、振幅等を取得することができる。この取得したプローブ４の振動周波数もしくは位相、振幅等に基づいて、シアフォースが一定、即ち試料３３とプローブ４間距離が一定となるように、ＰＺＴコントローラ１４及びＰＺＴステージ６を用いて、ステージ２０の位置制御を行う。さらに、上述したシアフォースを用いた方法により、試料３３とプローブ４とのＺ方向の距離を一定に保ちつつ、試料３３をプローブ４に対してＸＹ平面において走査・測定する。
【０００６】
このようなステージ２０の位置制御および近接場光５発生および散乱光の検出・解析を、ホストＰＣ１３を用いて統括的にコントロールすることで、平面領域内での試料３３の表面形状や光学的特性などのデータが得られ、例えばホストＰＣ１３の画面上に３次元的に表示することも可能である。
【０００７】
この時、ステージ２０の移動量が試料３３の表面形状となるため、その移動量を正確に取得する必要がある。しかし、ＰＺＴにはヒステリシスやクリープがあるため、ＰＺＴステージ６に対する印加電圧を変位量に線形に変換できるわけではない。予めヒステリシス曲線を測定し補正をかける方法もあるが、ナノメートルオーダーの誤差までは除去できない。そこで、変位センサを用いてステージ２０の移動量を正確に取得する方法が用いられている。
【０００８】
しかし、変位センサによって測定されるステージ位置に関して従来は厳密に言及されておらず、例えば図８に示すようにプローブ４の先端位置と変位センサ２１のＺ方向測定軸Ｌとが距離ｄだけ離れた位置でステージ２０のＺ方向の変位を測定した場合、ステージＺ軸の傾きがθであるならば、
ΔＺ＝ｄ×ｔａｎθ
だけの誤差を生じてしまう。
【０００９】
例えばｄ＝０．１ｍｍでθ＝０．１°だったとしても、生じる位置誤差はおよそ１７４ｎｍとなり、ナノメートルオーダーの計測ができているとは言い難い。ＰＺＴステージ６として円筒型ＰＺＴステージを用いた場合、円筒断面の対向する部分の伸縮の違いによる撓みを利用してＸＹ方向に走査しているため、ステージ２０に傾きが発生するのは必至である。
【００１０】
このことを図９を用いて説明する。図９（ａ）は円筒型のＰＺＴステージ６に電圧を印加しない状態である。この状態から、試料３３をＸＹ方向に走査するため、まずＸ軸方向に関して対向する駆動電極６ａおよび６ｂに電圧を印加する。ＰＺＴの分極方向に応じて、片側はＺ軸方向に縮み、もう片側は伸びるように電圧を印加する。すると図９（ｂ）に示すようにＰＺＴステージ６がＸ軸方向に撓み、試料３３がプローブ４に対してＸ方向に移動した形となる。この状態で、Ｙ軸方向にも同様の操作を行うことで、試料３３をプローブ４に対してスキャンさせることができる。
【００１１】
このとき、上述のように試料３３表面に対してプローブ４が一定の距離を保つようＰＺＴコントローラ（不図示）がＺ軸駆動電極６ｃへの印加電圧を制御する。そのため、距離ｄだけ離れた変位センサ２１で検出される変位量はΔＺだけ誤差を含むものとなる。
【００１２】
この様な問題を解決する方法として特許文献１や特許文献２に記載されたものが提案されている。特許文献１には、静電容量計を円筒型ＰＺＴステージ内部に設置することでＰＺＴの湾曲によるＺ方向検出誤差を低減すると共に、ターゲットとして金属を蒸着したハーフミラーを用いることで、ターゲット表面のうねりによる位置検出誤差も低減している。しかし、本発明で用いている静電容量計は測定エリアが大きく、サブミクロン〜ナノメートルオーダーの面分解能を持つ近接場光顕微鏡において用いる変位計として充分とは言い難く、また、プローブ先端位置と変位センサの測定軸の位置に関しては言及されていない。
【００１３】
特許文献２には、円筒型ＰＺＴステージのＺ変位測定面に凹面等の形状をもつターゲットを設けることで、ＸＹ方向にスキャンしＰＺＴが撓んだ状態でも検出されるＺ変位が一定であり、試料表面の高さ情報を正確に得る。しかし、予めＰＺＴステージの撓みを測定し、そのデータに基づいて凹面形状を持つターゲットを作製するため、測定、金型設計および切削等の工程が必要となってしまう。また、温度や振動などの環境変動によってＰＺＴの特性が変化した場合、作製したターゲットも作り直さなくてはならない。
【００１４】
【特許文献１】
特開平９−１３３６９０号公報
【特許文献２】
特開平９−８００６０号公報
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、上記のような問題点に着目し、安価に、かつ、正確に表面形状を検出することができる表面形状検出装置及びその方法、並びに、当該表面形状検出装置に用いられる位置決め方法を提供することを課題とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためになされた請求項１記載の発明は、先端が、試料と対向するプローブと、前記試料を載置するステージと、前記ステージを移動させて、前記試料と前記プローブ先端とを相対的に走査させる検出走査手段と、所定方向と平行な測定軸上における前記ステージの位置を検出する位置検出手段とを備え、前記検出した位置に基づいて前記試料の表面形状を検出する表面形状検出装置であって、前記位置検出手段の測定軸上に、前記プローブの先端が配置されていることを特徴とする表面形状検出装置に存する。
【００１７】
請求項１記載の発明によれば、位置検出手段の測定軸上に、プローブの先端が配置されている。従って、位置検出手段の測定軸上に、プローブの先端を配置すれば、ステージが所定方向と垂直な平面に対して傾いたとしても、傾きに起因した誤差を含まない所定方向の位置を検出することができる。
【００１８】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の表面形状検出装置であって、前記検出走査手段は、円筒型の圧電素子を有することを特徴とする表面形状検出装置に存する。
【００１９】
請求項２記載の発明によれば、ステージは、円筒型の圧電素子の伸縮により移動する。従って、円筒型の圧電素子の伸縮により、ステージを移動させて、試料とプローブとを相対的に走査すると、ステージが所定方向と垂直な平面に対して傾いてしまうが、位置検出手段の測定軸上に、プローブの先端を配置すれば、その傾きに起因した誤差を含まない所定方向の位置を検出することができる。
【００２０】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の表面形状検出装置であって、前記ステージ表面には、前記所定方向において互いに対向する２つの基準マークが設けられていることを特徴とする表面形状検出装置に存する。
【００２１】
請求項３記載の発明によれば、ステージ表面に、所定方向において互いに対向する２つの基準マークが設けられている。従って、ステージ表面のうち、基準マークの１つが設けられている面をプローブにより走査させ、残りの基準マークが設けられている面を位置検出手段により走査させ、プローブ及び位置検出手段がそれぞれ基準マークを検出した位置に、プローブ及び位置検出手段を固定して配置すれば、正確に、位置検出手段の測定軸上に、プローブの先端を配置することができる。
【００２２】
請求項４記載の発明は、請求項３記載の表面形状検出装置であって、前記基準マークは、前記ステージの表面形状によって形成されていることを特徴とする表面形状検出装置に存する。
【００２３】
請求項４記載の発明によれば、基準マークは、ステージの表面形状によって形成されている。従って、プローブ及び位置検出手段が基準マークを形成する表面形状を検出した位置に、プローブ及び位置検出手段を固定すれば、正確に、位置検出手段の測定軸上に、プローブの先端を配置することができる。
【００２４】
請求項５記載の発明は、請求項３記載の表面形状検出装置であって、前記プローブ及び前記位置検出手段各々からの光の出射、及び、前記プローブ及び前記位置検出手段各々に入射してくる光の受信が可能であるとき、前記基準マークは、前記ステージ上の前記基準マーク以外の領域とは光学的特性が異なる部材により形成されていることを特徴とする表面形状検出装置に存する。
【００２５】
請求項５記載の発明によれば、基準マークは、ステージ上の基準マーク以外の領域とは光学的特性が異なる部材により形成されている。従って、プローブ及び位置検出手段が基準マークを形成する光学的特性を検出した位置に、プローブ及び位置検出手段を固定すれば、正確に、位置検出手段の測定軸上に、プローブの先端を配置することができる。
【００２６】
請求項６記載の発明は、請求項３〜５記載の表面形状検出装置であって、前記ステージ表面のうち、前記基準マークの１つが設けられている面を前記プローブにより走査させ、残りの前記基準マークが設けられている面を位置検出手段により走査させる位置決め走査手段と、前記プローブ及び前記位置検出手段が各々、前記基準マークを検出した位置に、前記プローブ及び前記位置検出手段を停止させる停止手段とをさらに備えることを特徴とする表面形状検出装置に存する。
【００２７】
請求項６記載の発明によれば、位置決め走査手段が、ステージ表面のうち、基準マークの１つが設けられている面をプローブにより走査させ、残りの基準マークが設けられている面を位置検出手段により走査させる。停止手段が、プローブ及び位置検出手段が各々、基準マークを検出した位置に、プローブ及び位置検出手段を停止させる。従って、位置決め走査手段及び停止手段を備えることにより、例えば、表面検出を行う毎に、プローブと位置検出手段の位置決めを行うことができる。
【００２８】
請求項７記載の発明は、請求項１又は２記載の表面形状検出装置であって、前記プローブに入射してくる光の受信が可能であり、かつ、前記位置検出手段から光の出射が可能であるとき、前記ステージには、前記所定方向に貫通するピンホールが設けられていることを特徴とする表面形状検出装置に存する。
【００２９】
請求項７記載の発明によれば、ステージには、所定方向に貫通するピンホールが設けられている。従って、ステージ表面のうち、ピンホールの何れか一方の開口部が設けられている面をプローブにより走査させる。プローブに、ピンホールを介して入射してくる位置検出手段からの光が最大となった位置に、プローブを固定すれば、正確に、位置検出手段の測定軸上に、プローブの先端を配置することができる。
【００３０】
請求項８記載の発明は、請求項７記載の表面形状検出装置であって、前記ステージ表面のうち、前記ピンホールの何れか一方の開口部が設けられている面を前記プローブにより走査させる位置決め走査手段と、前記プローブに、前記ピンホールを介して入射してくる前記位置検出手段からの光が最大となった位置に、前記プローブを停止させる停止手段とをさらに備えることを特徴とする表面形状検出装置に存する。
【００３１】
請求項８記載の発明によれば、位置決め走査手段が、ステージ表面のうち、ピンホールの何れか一方の開口部が設けられている面をプローブにより走査させる。停止手段が、プローブに、ピンホールを介して入射してくる位置検出手段からの光が最大となった位置に、プローブを停止させる。従って、光射出手段位置決め走査手段及び停止手段を備えることにより、例えば、表面検出を行う毎に、プローブと位置検出手段の位置決めを行うことができる。
【００３２】
請求項９記載の発明は、請求項１〜８何れか１項記載の表面形状検出装置であって、光源と、前記プローブ先端に設けられ、前記光源の波長よりも短い径を有し、前記光源からの光の入射によって、近接場光を発生する開口部と、前記試料によって散乱された前記近接場光を検出する光検出手段とをさらに備えたことを特徴とする表面形状検出装置に存する。
【００３３】
請求項９記載の発明によれば、プローブ先端に設けられ、光源の波長よりも短い径を有する開口部は、光源からの光の入射によって、近接場光を発生する。光検出手段が、試料によって散乱された前記近接場光を検出する。従って、光検出手段によって検出された近接場光を測定・計測すれば、表面形状だけでなく、試料の物性を測定することができるようになる。
【００３４】
請求項１０記載の発明は、試料が載置されるステージ位置の、所定方向と平行な測定軸上における位置を検出する位置検出手段の前記測定軸上に、前記試料に対向するプローブ先端を配置するための位置決め方法であって、前記ステージ表面に、前記所定方向において互いに対向する２つの基準マークが設けられているとき、前記ステージ表面のうち、前記基準マークの１つが設けられている面を前記プローブにより走査させ、残りの前記基準マークが設けられている面を位置検出手段により走査させる位置決め走査工程と、前記プローブ及び前記位置検出手段が各々、前記基準マークを検出した位置に、前記プローブ及び前記位置検出手段を停止させる停止工程とを備えた位置決め方法に存する。
【００３５】
請求項１０記載の発明によれば、位置決め走査工程において、ステージ表面のうち、基準マークの１つが設けられている面を前記プローブにより走査させ、残りの基準マークが設けられている面を位置検出手段により走査させる。停止工程において、プローブ及び前記位置検出手段が各々、基準マークを検出した位置に、プローブ及び位置検出手段を停止させる。従って、正確に、位置検出手段の測定軸上に、プローブ先端を配置することができる。
【００３６】
請求項１１記載の発明は、請求項１０記載の位置決め方法であって、前記基準マークが、前記ステージの表面形状によって形成されているとき、前記位置決め走査工程において、前記プローブ及び前記位置検出手段は各々、前記ステージの表面形状を検出し、前記停止工程において、前記プローブ及び前記位置検出手段が各々、前記基準マークを形成する表面形状を検出した位置に、前記プローブ及び前記位置検出手段を停止させることを特徴とする位置決め方法に存する。
【００３７】
請求項１１記載の発明によれば、基準マークが、ステージの表面形状によって形成されている。この場合、プローブ及び位置検出手段は各々、走査中、ステージの表面形状を検出し、プローブ及び位置検出手段が各々、基準マークを形成する表面形状を検出した位置に、プローブ及び位置検出手段を停止させる。従って、正確に、位置検出手段の測定軸上に、プローブ先端を配置することができる。
【００３８】
請求項１２記載の発明は、請求項１０記載の位置決め方法であって、前記プローブ及び前記位置検出手段各々からの光の出射、及び、前記プローブ及び前記位置検出手段各々に入射してくる光の受信が可能であり、かつ、前記基準マークは、前記ステージ上の前記基準マーク以外の領域とは光学的特性が異なる部材により形成されているとき、前記走査工程において、前記プローブ及び前記位置検出手段は各々、前記ステージ表面の光学的特性を検出し、前記停止工程において、前記プローブ及び前記位置検出手段が各々、前記基準マークを形成する光学的特性を検出した位置に、前記プローブ及び前記位置検出手段を停止させることを特徴とする位置決め方法に存する。
【００３９】
請求項１２記載の発明によれば、プローブ及び位置検出手段各々からの光の出射、及び、プローブ及び位置検出手段各々に入射してくる光の受信が可能である。かつ、基準マークが、ステージ上の基準マーク以外の領域とは光学的特性が異なる部材により形成されている。この場合、プローブ及び位置検出手段は各々、走査中、ステージ表面の光学的特性を検出し、プローブ及び前記位置検出手段が各々、基準マークを形成する光学的特性を検出した位置に、プローブ及び位置検出手段を停止させる。従って、正確に、位置検出手段の測定軸上に、プローブ先端を配置することができる。
【００４０】
請求項１３記載の発明は、試料が載置されるステージ位置の、所定方向と平行な測定軸上における位置を検出する位置検出手段の前記測定軸上に、前記試料に対向するプローブ先端を配置するための位置決め方法であって、前記ステージに、前記所定方向に貫通するピンホールが設けられると共に、前記プローブに入射してくる光の受信が可能であり、かつ、前記位置検出手段から光の出射が可能であるとき、前記ステージ表面のうち、前記ピンホールの何れか一方の開口部が設けられている面を前記プローブにより走査させる位置決め走査工程と、プローブに、前記ピンホールを介して入射してくる前記位置検出手段からの光が、最大となった位置に、前記プローブを停止させる停止工程とをさらに備えることを特徴とする位置決め方法に存する。
【００４１】
請求項１３記載の発明によれば、位置決め走査工程において、ステージ表面のうち、ピンホールの一方の開口部が設けられている面をプローブにより走査させる。停止工程において、プローブに、ピンホールを介して入射してくる位置検出手段からの光が、最大となった位置に、プローブを停止させる。従って、正確に、位置検出手段の測定軸上に、プローブ先端を配置することができる。
【００４２】
請求項１４記載の発明は、請求項１０〜１３何れか１項記載の位置決め方法を用いて、前記位置検出手段の測定軸上に、前記プローブ先端を配置する位置決め工程と、前記位置決め工程の後に、試料を載置するステージを移動させて、前記試料と前記試料に対向するプローブとを相対的に走査させる検出走査工程と、前記検出走査工程中に前記測定軸上における前記ステージの位置を前記位置検出手段により検出する位置検出工程とを備え、前記検出した位置に基づき、前記試料の表面形状を求めることを特徴とする表面形状検出方法に存する。
【００４３】
請求項１４記載の発明によれば、位置決め工程において、位置検出手段の測定軸上に、プローブ先端を配置する。検出走査工程において、位置決め工程の後に、試料を載置するステージを移動させて、試料と試料に対向するプローブとを相対的に走査させる。位置検出工程において、検出走査工程中に、測定軸上におけるステージの位置を位置検出手段により検出する。検出した位置に基づき、試料の表面形状を求める。従って、位置検出手段の測定軸上に、プローブ先端を配置すれば、ステージが所定方向と垂直な平面に対して傾いたとしても、傾きに起因した誤差を含まない所定方向の位置を検出することができる。
【００４４】
請求項１５記載の発明は、請求項１４記載の表面形状検出方法であって、前記プローブ先端に設けられた開口部から近接場光が発生するとき、前記検出走査工程中に、前記プローブ先端から近接場光を発生させる発生工程と、前記試料によって散乱された近接場光を検出する光検出工程とを備え、前記光検出工程及び前記位置検出工程によって得られた情報に基づいて、前記試料の物性を算出することを特徴とする表面形状検出方法に存する。
【００４５】
請求項１５記載の発明によれば、検出走査工程中に行われる発生工程において、プローブ先端から近接場光を発生させる。光検出工程において、試料によって散乱された近接場光を検出する。検出工程及び前記位置検出工程によって得られた情報に基づいて、試料の物性を算出する。従って、光検出工程によって検出された近接場光を測定・計測すれば、表面形状だけでなく、試料の物性を測定することができるようになる。
【００４６】
【発明の実施の形態】
本発明の表面形状検出装置、位置決め検出方法及び表面形状検出方法について、図面を参照して、以下説明する。図１は、位置決め検出方法及び表面形状検出方法を実施した表面形状装置を組み込んだ近接場光顕微鏡の一実施の形態を示す構成図である。同図に示すように、第１の光源１から照射されたレーザはレンズ２２を用いてファイバ２ａ内に集光され、カプラ３およびファイバ２ｂ内を通り、プローブ保持部３０上に固定され波長以下の開口を持つプローブ４の先端で近接場光５が発生する。
【００４７】
一般に知られている通り、この近接場光５は開口径とほぼ同じだけの距離内に存在する非伝播光であり、通常は観察されない。しかし、ステージ２０上に載置された試料３３をこの近接場光５領域に移動させると、近接場光５が散乱され伝播光に変換される。この散乱光が再びプローブ４を通ってファイバ２ｂ、カプラ３と伝幡し、ファイバ２ｃ端面から出射され、フォトマルチプライヤ９によって検知される。この検知された光の強度や周波数スペクトルに基づいて、例えばその表面形状であるとか試料の構造、組成といった物性を測定することが可能となる。
【００４８】
上述のように近接場光５の存在領域は開口径程度であるため、プローブ４と試料３３間の距離を精密に制御する必要がある。そのため、シアフォースと呼ばれる力学的相互作用を利用する。例えば加振用ＰＺＴ８を用いてプローブ４を振動させた状態で試料３３に近付けるとシアフォースによってその振幅が減少する。
【００４９】
第２の光源３１から発せられたレーザをプローブ４に照射し、シアフォース検出用ＰＤ３２を用いてその反射光を検出すれば、プローブ４の振動周波数もしくは位相、振幅等を取得することができる。この取得したプローブ４の振動周波数もしくは位相、振幅等に基づいて、シアフォースが一定、即ち試料３３とプローブ４間距離が一定となるように、ＰＺＴコントローラ１４及び円筒型のＰＺＴステージ６を用いて、ステージ２０の位置制御を行う。さらに、上述したシアフォースを用いた方法により、試料３３とプローブ４とのＺ方向の距離を一定に保ちつつ、試料３３をプローブ４に対してＸＹ平面において走査・測定する。
【００５０】
ここで、円筒型のＰＺＴステージ６を用いたプローブ４と試料３３とのＸＹ方向における走査について図２を参照して説明する。図２（ａ）は円筒型のＰＺＴステージ６に電圧を印加しない状態である。この状態から、試料をＸＹ方向に走査するため、まずＸ軸方向に関して対向する駆動電極６ａおよび６ｂに電圧を印加する。ＰＺＴの分極方向に応じて、片側はＺ軸方向に縮み、もう片側は伸びるように電圧を印加する。すると図２（ｂ）に示すようにＰＺＴステージ６がＸ軸方向に撓み、試料３３がプローブ４に対してＸ方向に移動した形となる。この状態で、Ｙ軸方向にも同様の操作を行うことで、試料３３をプローブ４に対してスキャンさせることができる。
【００５１】
このような位置制御および近接場光５発生および散乱光の検出・解析を、ホストＰＣ１３を用いて統括的にコントロールすることで、平面領域内での試料の表面形状や光学的特性などのデータが得られ、例えばＰＣ１３の画面上に３次元的に表示することも可能である。以上のことから明らかなように、ＰＺＴステージ６、ＰＺＴコントローラ１４及びホストＰＣ１３が請求項中の検出走査手段を構成していることがわかる。
【００５２】
この時、ステージ２０の移動量が試料３３表面形状となるため、その移動量を正確に取得する必要がある。そこで、変位センサ２１を用いて、ステージ２０のＺ方向における位置を検出している。変位センサ２１は、詳しくは、Ｚ方向と平行な測定軸Ｌ（図２参照）上におけるステージ２０の位置を検出するセンサである。このことから明らかなように変位センサ２１は、請求項中の位置検出手段に相当し、Ｚ方向が請求項中の所定方向に相当する。
【００５３】
次に、上述したプローブ４と変位センサ２１との配置について図２を参照して説明する。同図に示すように、変位センサ２１の測定軸Ｌ上に、プローブ４先端が配置されている。このため、上述したように試料３３をプローブ４に対してスキャンさせる際に、図２（ｂ）に示すように、ステージ２０がＸＹ平面に対して傾いてしまったとしても、従来のように傾きに起因した誤差ΔＺを含まない所定方向の位置を検出することができる。
【００５４】
次に、上述したように、変位センサ２１の測定軸Ｌ上に、プローブ４先端を配置するための位置決め方法について以下説明する。
上述した位置決めするために、例えば両者が個々に原点を設定し、リニアスケールとモータ、ボールネジ、もしくは静圧スライダ等を用いた移動機構とし、リニアスケールからの出力信号に基づいて両者を位置決めする構成とした場合、その機構に要求される精度が非常に高いものとなってしまう。更に、温度や摩耗などの環境変動による精度劣化も考慮しなければならず、装置の作製やメンテナンスに要する工程や費用の増大が避けられない。
【００５５】
そこで、例えば、図３に示すように、ステージ２０表面上に、Ｚ方向に対向する２つの基準マーク２５を設け、更にガイド１０、コントローラ４０、駆動部４１によって変位センサ２１とプローブ４をＸＹ方向に走査可能な構成とする。なお、図ではＸ軸方向の移動機構のみ描画してある。そしてプローブ４および変位センサ２１をＸＹ方向に走査して各々この基準マーク２５を読み取り、その位置を基準としてプローブ４および変位センサ２１を相対的に位置決めすることで、上述したように、変位センサ２１の測定軸Ｌ上に、プローブ４先端を配置することができる。
【００５６】
次に、基準マーク２５の具体的な構成について説明する。例えば、図４に示すように基準マーク２５がステージ２０上の凹部内に設けられた凸部からなる表面形状により形成される構成とする。なお、この時、プローブ４や変位センサ（不図示）をＸＹ方向に走査して、ステージ２０の表面形状を検出し、例えば中央の凸部形状もしくはそのエッジ部分を検知した時点で走査を停止し位置決めすることで、上述したように変位センサ２１のＺ方向測定軸Ｌ上にプローブ４を配置することが可能となる。
【００５７】
また、例えば、基準マーク２５の領域のみ蛍光特性を有するようなステージ２０を作製してもよい。この場合、プローブ４および変位センサ２１から光を照射しながらＸＹ方向に走査して、光学特性を検出し、この蛍光を検知した時点で走査を停止し位置決めすることで、変位センサ２１のＺ方向測定軸上にプローブ４を配置することが可能となる。
【００５８】
なお、限定した領域だけ蛍光を発するステージ２０を作製するには，電子線描画や走査型プローブ顕微鏡を用いた微小パターニング等によって実現できる。また、本例においては光学的特性として蛍光特性の有無を挙げているが、例えば反射率が異なる等、光を用いて測定される特性であればこれらの例以外でも構わない。以上のことから明らかなように、図５中のガイド１０、コントローラ４０、駆動部４１及びこれらを制御するホストＰＣ１３が、位置決め走査手段、停止手段を構成することがわかる。
【００５９】
図４で示したような、ステージ２０の表面形状により基準マークを表した場合、測定を繰り返すうちに摩耗や衝突、ゴミの付着によって基準マーク形状が変形し、位置決め精度が悪化する可能性がある。また、上述したように光学的特性の異なる領域を基準マークとした場合、ごみの付着や表面での凹凸発生によって位置決め精度が悪化する可能性がある。また、ステージ２０の両面の全く同じ位置に同じ形状もしくは光学的特性を有する領域を作成する必要が生じてしまう。
【００６０】
そこで例えば図５に示すように、変位センサ２１としてレーザ干渉計を用い、ステージ２０上にＺ方向に貫通するピンホール２８を作成する。そして、ホストＰＣ１３は、変位センサ２１を制御して、変位センサ２１からピンホール２８の一方の開口部に対して光を出射させる。そしてピンホール２８を通過しプローブ４に入射した光をＰＤ４２を用いて検出し、この検出光強度信号に基づいてプローブ４をコントローラ４０を介してＸＹ方向に位置制御する構成とする（図ではＸ方向の移動機構のみ描画）。
【００６１】
本構成において、レーザ光はガウス分布を有しているので、この検出信号の強度が最大となるようプローブ４を位置決めすることで、変位センサ２１のＺ方向測定軸Ｌ上にプローブ４を位置決めすることが可能となる。基準マーク２５を用いず、変位センサ２１からの照射される光に基づいて位置決めを行っているので、上述のような基準マーク２５の変化による軸合わせ精度の悪化を招くことなく位置決めすることが可能である。
【００６２】
また、集光レンズを挟みビームスポット径を小さくした状態で位置合わせを行えば、その精度が向上させることも可能である。本構成において、光強度測定するためにＰＤを用いたが、レーザ干渉計の波長が近接場光発生光源と同じ波長であるならば、その検出にＰＭＴを用いても良い。なお近接場光による試料測定時には、ピンホール２８を塞ぐだけのサイズを有する試料台２９を設け、資料をその上に載置して測定を行う。
【００６３】
以上のことから、図５中のガイド１０、コントローラ４０、駆動部４１及びこれらを制御するホストＰＣ１３（図１参照）が、請求項中の位置決め走査手段及び停止手段を構成することがわかる。
【００６４】
上記概略で説明した近接場光顕微鏡の詳細な動作について、ホストＰＣ１３の処理手順を示すフローチャートを参照して以下説明する。
まず、電源が投入され、試料３３の計測指示がホストＰＣ１３の操作によって行われると、ホストＰＣ１３は、コントローラ４０により、駆動部４１を制御して、上述した位置決め方法を実施し、変位センサ２１のＺ方向測定軸上にプローブ４を配置する位置決め処理を行う（ステップＳ１）。
【００６５】
次に、プローブ４をＸＹ平面内の所望の測定位置に移動させ（ステップＳ２）、シアフォースを利用して試料３３とプローブ４間距離を検出し、その距離が所望の値（近接場光発生領域以内）となるようステージ２０を移動させる（ステップＳ３）。
【００６６】
次に、プローブ４に光を入射させてその先端部に近接場光を発生させる（ステップＳ４）。ステップＳ３によって試料３３とプローブ４間の距離はこの近接場光存在領域以下となっているので、近接場が乱され散乱光が発生する。この散乱光をフォトマルチプライヤ９を用いて検出する（ステップＳ５）。次に、変位センサ２１を用いて、Ｚ方向測定軸Ｌ上におけるこのときのステージ２０の位置を検出する（ステップＳ６）。
【００６７】
所望のエリアの全測定点において上記工程を繰り返し、全測定点で測定を終了した後（ステップＳ７でＹ）、フォトマルチプライヤ９によって得られる強度やスペクトル情報および試料３３−プローブ４間距離を一定に保つために駆動したステージの移動距離情報に基づいて試料の形状や物性を算出して（ステップＳ８）、処理を終了する。なお、ＸＹ方向の移動距離情報については、例えば、ＰＺＴステージ６に対する印加電圧に基づいて算出したり、Ｘ方向、Ｙ方向のステージ位置を検出する変位センサ（図示せず）により求めることができる。また、Ｚ方向の移動距離情報については、変位センサ２１に基づいて求めることができる。
【００６８】
上述したように、測定前に位置決め処理を行うことにより、常時正確に、変位センサ２１の測定軸Ｌ上に、プローブ４先端を配置することができる。
【００６９】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の発明によれば、位置検出手段の測定軸上に、プローブの先端を配置すれば、ステージが所定方向と垂直な平面に対して傾いたとしても、傾きに起因した誤差を含まない所定方向の位置を検出することができるので、安価に、かつ、正確に表面形状を検出することができる表面形状検出装置を得ることができる。
【００７０】
請求項２記載の発明によれば、円筒型の圧電素子の伸縮により、ステージを移動させて、試料とプローブとを相対的に走査すると、ステージが所定方向と垂直な平面に対して傾いてしまうが、位置検出手段の測定軸上に、プローブの先端を配置すれば、その傾きに起因した誤差を含まない所定方向の位置を検出することができるので、安価に、かつ、正確に表面形状を検出することができる表面形状検出装置を得ることができる。
【００７１】
請求項３記載の発明によれば、ステージ表面のうち、基準マークの１つが設けられている面をプローブにより走査させ、残りの基準マークが設けられている面を位置検出手段により走査させ、プローブ及び位置検出手段がそれぞれ基準マークを検出した位置に、プローブ及び位置検出手段を固定して配置すれば、正確に、位置検出手段の測定軸上に、プローブの先端を配置することができるので、より一層正確に表面形状を検出することができる表面形状検出装置を得ることができる。
【００７２】
請求項４記載の発明によれば、プローブ及び位置検出手段が基準マークを形成する表面形状を検出した位置に、プローブ及び位置検出手段を固定すれば、正確に、位置検出手段の測定軸上に、プローブの先端を配置することができるので、より一層正確に表面形状を検出することができる表面形状検出装置を得ることができる。
【００７３】
請求項５記載の発明によれば、プローブ及び位置検出手段が基準マークを形成する光学的特性を検出した位置に、プローブ及び位置検出手段を固定すれば、正確に、位置検出手段の測定軸上に、プローブの先端を配置することができるので、より一層正確に表面形状を検出することができる表面形状検出装置を得ることができる。
【００７４】
請求項６記載の発明によれば、位置決め走査手段及び停止手段を備えることにより、例えば、表面検出を行う毎に、プローブと位置検出手段の位置決めを行うことができるので、常時正確に、位置検出手段の測定軸上に、プローブの先端を配置することができる表面形状検出装置を得ることができる。
【００７５】
請求項７記載の発明によれば、ステージ表面のうち、ピンホールの何れか一方の開口部が設けられている面をプローブにより走査させる。プローブに、ピンホールを介して入射してくる位置検出手段からの光が最大となった位置に、プローブを固定すれば、正確に、位置検出手段の測定軸上に、プローブの先端を配置することができるので、より一層正確に表面形状を検出することができる表面形状検出装置を得ることができる。
【００７６】
請求項８記載の発明によれば、光射出手段位置決め走査手段及び停止手段を備えることにより、例えば、表面検出を行う毎に、プローブと位置検出手段の位置決めを行うことができるので、常時正確に、位置検出手段の測定軸上に、プローブの先端を配置することができる表面形状検出装置を得ることができる。
【００７７】
請求項９記載の発明によれば、光検出手段によって検出された近接場光を測定・計測すれば、表面形状だけでなく、試料の物性を測定することができるようになる表面形状検出装置を得ることができる。
【００７８】
請求項１０〜１３記載の発明によれば、正確に、位置検出手段の測定軸上に、プローブ先端を配置することができる表面形状検出装置を得ることができる。
【００７９】
請求項１４記載の発明によれば、位置検出手段の測定軸上に、プローブ先端を配置すれば、ステージが所定方向と垂直な平面に対して傾いたとしても、傾きに起因した誤差を含まない所定方向の位置を検出することができるので、安価に、かつ、正確に表面形状を検出することができる表面形状検出方法を得ることができる。
【００８０】
請求項１５記載の発明によれば、光検出工程によって検出された近接場光を測定・計測すれば、表面形状だけでなく、試料の物性を測定することができるようになる表面形状検出方法を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の位置決め検出方法及び表面形状検出方法を実施した表面形状装置を組み込んだ近接場光顕微鏡の一実施の形態を示す構成図である。
【図２】図１の近接場光顕微鏡を構成するプローブ４と変位センサ２１との位置を説明するための図である。
【図３】ステージに設けた基準マーク２５を用いて、変位センサ２１の測定軸上に、プローブ４先端を配置するための位置決め方法について説明するための図である。
【図４】図３に示す基準マーク２５の一例を示す図である。
【図５】ステージに設けたピンホールを用いて、変位センサ２１の測定軸上に、プローブ４先端を配置するための位置検出方法について説明するための図である。
【図６】図１の近接場光顕微鏡を構成するホストＰＣ１３の処理手順を示すフローチャートである。
【図７】従来の表面形状装置としての近接場光顕微鏡の一例を示す図である。
【図８】従来の問題点を説明するための図である。
【図９】従来の問題点を説明するための図である。
【符号の説明】
４    プローブ
６    ＰＺＴステージ（検出走査手段、圧電素子）
１０  ガイド（位置決め走査手段、停止手段）
１３  ホストＰＣ（検出走査手段、位置決め走査手段、停止手段）
１４  ＰＺＴコントローラ（検出走査手段）
２０  ステージ
２１  変位センサ（位置検出手段）
２５  基準マーク
２８  ピンホール
３３  試料
４０  コントローラ（位置決め走査手段、停止手段）
４１  駆動部（位置決め走査手段、停止手段）
【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】
2004279315.tif 000009
【図８】
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【図９】
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