(57)【要約】【課題】プローブがＺ方向に移動するのに伴うＸＹ面内のプローブの移動による誤差を補正し高精度な観察像を得るプローブ位置補正方法を提供すること。【解決手段】プローブが高さ方向に移動するのに伴い生じるＸＹ面内の移動量を測定する段階と、移動量に基づきプローブ位置を補正する段階からなる。ＸＹ面内の移動量を測定する段階では、変位計測器、又は、断面形状が既知の試料を測定し、観察像から得られる断面像と試料の断面形状を比較することにより移動量を求める。プローブ位置を補正する段階では、観察像を構成する画素の座標を移動量に基づき補正を行う、又は、観察像を取得するとともに移動量を補正するようにプローブを移動させることによりプローブ位置の補正を行う。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料表面に略平行な第一の走査軸と、試料表面に略平行かつ第一の走査軸に垂直な第二の走査軸からなる平面内をプローブでラスタ走査をすると同時に、前記試料表面の凹凸に沿うように前記プローブを前記第一の走査軸および前記第二の走査軸双方に垂直な第三の走査軸方向に、相対的に移動させることによって試料表面の微小な構造を観察する走査型プローブ顕微法であり、
前記プローブの前記第三の走査軸方向の移動にともなって生じる前記プローブの前記平面内の移動量を測定する段階と、
前記移動量に基づきプローブ位置を補正する段階を含むことを特徴としたプローブ位置補正方法。
【請求項２】
前記移動量を測定する段階は、変位計測器によって前記移動量を測定することを特徴とする請求項１記載のプローブ位置補正方法。
【請求項３】
前記移動量を測定する段階は、断面形状が既知の凹凸パターンを有する試料を測定し観察像を得る段階と、前記観察像から得られる前記平面に対して垂直な断面像を得る段階と、前記断面像と前記凹凸パターンの断面形状とを比較する段階からなることを特徴とする請求項１記載のプローブ位置補正方法。
【請求項４】
前記断面像と前記断面形状とを比較する段階は、前記断面像から断面形状を表す関数を求める段階と、前記関数と前記凹凸パターンの断面形状を表す関数とを比較する段階からなることを特徴とする請求項３記載のプローブ位置補正方法。
【請求項５】
前記断面像と前記断面形状とを比較する段階は、前記断面像から側壁角度を求める段階と、前記側壁角度と前記凹凸パターンの側壁角度を比較する段階からなることを特徴とする請求項３記載のプローブ位置補正方法。
【請求項６】
前記断面像と前記断面形状とを比較する段階は、前記断面像および前記凹凸パターンの断面形状の同一の高さにおける傾きを比較することを特徴とする請求項３記載のプローブ位置補正方法。
【請求項７】
前記断面像と前記断面形状とを比較する段階は，前記断面像および前記凹凸パターンの断面形状の同一の高さにおける任意の基準点からの距離を比較することを特徴とする請求項３記載のプローブ位置補正方法。
【請求項８】
前記変位計測手段は、光学的変化、電気的変化、磁気的変化、力学的変化の少なくとも一つを利用した変位センサーであることを特徴とする請求項２記載のプローブ位置補正方法。
【請求項９】
＿前記プローブ位置を補正する段階において、前記移動量に基づいて、試料の観察像を構成する画素の座標を補正することを特徴とする請求項１記載のプローブ位置補正方法。
【請求項１０】
＿　前記プローブ位置を補正する段階において、観察像を得るとともに前記移動量を補正するように、前記第一の走査軸方向および前記第二の走査軸方向へプローブを移動させることを特徴とする請求項１記載のプローブ位置補正方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、走査型プローブ顕微法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図９は従来の走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の一つである原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の概略図であり、カンチレバー９０１、カンチレバーのたわみ検出器９０２、ＸＹＺトランスレータ９０３、試料９０４、試料ステージ９０５、コントローラ９０６、コンピュータ９０７からなる。
【０００３】
ＡＦＭにはＸＹＺトランスレータでカンチレバーを走査するカンチレバースキャン方式と、試料を走査する試料スキャン方式がある。図９はＸＹＺトランスレータ９０３でカンチレバー９０１を走査するカンチレバースキャン方式である。
【０００４】
従来のＡＦＭにおいては、ＸＹＺトランスレータ９０３の下端に取り付けられたカンチレバー９０１の先端にある先鋭化されたプローブを、試料ステージ９０５上の試料９０４へ接触させ、ＸＹＺトランスレータ９０３で試料をＸ−Ｙ面内に走査する。このとき、カンチレバーのたわみをたわみ検出器９０２でモニターし一定のたわみになるようにコントローラ９０６がフィードバック制御を行いＸＹＺトランスレータ９０３でカンチレバー９０１のＺ方向の位置を調節する。試料表面上の各位置での調節量をコンピュータ９０７で画面上にマッピングすることによって試料表面の微細な構造を観察することができる。
【０００５】
また、ＳＰＭの分野において、検出探針と試料表面間を高精度に位置決めしながら試料表面を高精度に走査する微動機構が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。ここで、ＳＰＭは図１０に示すように、チューブ型圧電体１００６の内側と外側に電極１００８および１００７を形成したものを用いている。図１０の（ａ）はＸＹ走査用トランスレータ、（ｂ）はＺ方向の位置制御用トランスレータである。図１０の（ａ）において、外側電極１００７は４分割されている。それぞれ向かい合う外側電極１００７に符号の異なる電圧を印加すると圧電体１００６は湾曲し、これによってＸＹ面内の走査を行う。図１０の（ｂ）において、外側電極１００７は内側電極１００８と同様に圧電体１００６全体を覆っている。外側電極１００７と内側電極１００８に電圧を印加すると圧電体１００６はＺ方向に伸縮する。これにより、カンチレバーと試料間の距離を調節する。
【０００６】
実際には、図１０の（ａ）に示した構成でＸＹＺすべての機能を実現することも可能であり、ＸＹ用電極、Ｚ用電極を分離する場合でも、１本のチューブ型圧電体にＸＹＺの電極を形成したものと、ＸＹ用電極を形成した圧電体と、Ｚ用電極を形成した圧電体を連結したものとがある。
【０００７】
【特許文献１】
特開平２−８１４８７号公報（第２−３頁、第１図）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題について、チューブ型圧電体を例として、図１１、図１２および１３に基づいて説明する。
【０００９】
図１１（ａ）はチューブ型のＺトランスレータの概略図であり、図１１の（ｂ）はその断面図である。図１１において、カンチレバー１１０１、外側電極１１０２、内側電極１１０３、チューブ型圧電体１１０４である。チューブ型圧電体１１０４は、円柱型の圧電体の中心を機械加工でくりぬいて作製する。このため、機械加工時の精度不足により穴の中心位置がずれ、図１１（ｂ）に示すように圧電体の厚さに偏りが生じる。その結果、電圧に対する伸縮量が異なるため、圧電体１１０４は、まっすぐに伸縮せず、図１２に示すように湾曲する。図１２では、Ｘ方向に厚さの偏りがある場合を示している。図１２において、外側電極１２０２、内側電極１２０３、圧電体１２０４、電圧印加しない場合のカンチレバーのＺ方向の位置１２０５、電圧印加しない場合のカンチレバーのＸ方向の位置１２０７、電圧印加により伸張した場合のカンチレバーのＺ方向の位置１２０６、電圧印加により伸張した場合のカンチレバーのＸ方向の位置１２０８を示している。
【００１０】
Ｚトランスレータを駆動する場合、内側電極１２０３と外側電極１２０２に電圧を印加するが、圧電体が薄い側では電場が強くなるため伸張量が大きく、厚い側では電場が弱くなるため伸張量が小さくなる。その結果、図１２に示すようにカンチレバー１２０１がＺ方向にΔｚ変位するのにともなって、Ｘ方向の変位Δｘも生じてしまう。Ｚ方向に変位ΔｚとＸ方向の変位Δｘとの比Δｘ／Δｚが大きいと特に、試料の断面計測において誤差が大きくなってしまう。
【００１１】
図１３は凹凸パターンを持った試料の断面の概略図であり、実際のパターン形状１３０１、図１１および図１２に示したチューブ型圧電体による計測結果から得られる形状１３０２を示す。図に示すように、圧電体がＸ方向に湾曲しながらＺ方向に伸縮するため断面形状を正確に計測することができない。
【００１２】
以上発明が解決しようとする課題についてチューブ型圧電体を例として説明を行ったが、チューブ型圧電体に限らず、走査型プローブ顕微鏡に搭載されるすべてのスキャナに同様の課題が生じる。そして、本発明は、プローブがＺ方向に移動するのにともなって生じるＸＹ面内のプローブの移動による誤差を補正し、高精度な観察像を得るためのプローブ位置補正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】
以上のような課題を解決する本発明の第１の態様は、試料表面を、試料表面にほぼ平行な第一の走査軸と、試料表面にほぼ平行かつ第一の走査軸に垂直な第二の走査軸からなる平面内を微少なプローブでラスタ走査をすると同時に、試料表面の凹凸に沿うようにプローブを第一の走査軸および第二の走査軸双方に垂直な第三の走査軸方向に、相対的に移動させることによって試料表面の微小な構造を観察する走査型プローブ顕微法であり、第三の走査軸方向へのプローブの移動にともなって生じるプローブの平面の面内方向への移動量を測定する段階と、移動量を測定する段階において得られた移動量に基づきプローブ位置を補正する段階を含むことを特徴とするプローブ位置補正方法にある。
【００１４】
また、本発明の第２の態様は、第１の態様において、変位計測器によって移動量を測定することを特徴とするプローブ位置補正方法にある。
【００１５】
また、本発明の第３の態様は、第１の態様において、移動量を測定する段階が、断面形状が既知の凹凸パターンを有する試料を測定し観察像を得る段階と、観察像から得られる平面に対して垂直な断面像を得る段階と、断面像と凹凸パターンの断面形状とを比較する段階からなることを特徴とするプローブ位置補正方法にある。
【００１６】
また、本発明の第４の態様は、第３の態様において、断面像と断面形状とを比較する段階が、断面像から断面形状を表す関数を求める段階と、関数と凹凸パターンの断面形状を表す関数とを比較する段階からなることを特徴とするプローブ位置補正方法にある。
【００１７】
また、本発明の第５の態様は、第３の態様において、断面像と断面形状とを比較する段階が、断面像から側壁角度を求める段階と、側壁角度と凹凸パターンの側壁角度を比較する段階からなることを特徴とするプローブ位置補正方法にある。
【００１８】
また、本発明の第６の態様は、第３の態様において、断面像と断面形状とを比較する段階は、断面像および凹凸パターンの断面形状の同一の高さにおける傾きを比較することを特徴とするプローブ位置補正方法にある。
【００１９】
また、本発明の第７の態様は、第３の態様において、前記断面像と前記断面形状とを比較する段階は，前記断面像および前記凹凸パターンの断面形状の同一の高さにおける任意の基準点からの距離を比較することを特徴とするプローブ位置補正方法にある。
【００２０】
また、本発明の第８の態様は、第２の態様において、前記変位計測手段は、光学的変化、電気的変化、磁気的変化、力学的変化の少なくとも一つを利用した変位センサーであることを特徴とするプローブ位置補正方法にある。
【００２１】
また、本発明の第９の態様は、第１の態様において、プローブ位置を補正する段階で、移動量に基づいて、試料の観察像を構成する画素の座標を補正することを特徴とするプローブ位置補正方法にある。
【００２２】
また、本発明の第１０の態様は、第１の態様において、プローブ位置を補正する段階で、観察像を得るとともに移動量を補正するように、第一の走査軸方向および第二の走査軸方向へプローブを移動させることを特徴とするプローブ位置補正方法にある。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ここでは、試料表面に対しほぼ平行かつ互いに垂直な座標軸をＸ軸およびＹ軸とし、その双方に対し垂直な座標軸をＺ軸とする。
【００２４】
図１は、本発明に関わる位置補正方法のフローチャートである。まず、プローブがＺ軸方向へ相対的に移動する際に、プローブの軌跡が完全には直線でないために生じる、ＸＹ平面内の移動量を測定する。次に測定されたプローブのＸＹ面内方向の移動量に基づきプローブ位置を補正する。これによってプローブのＸＹ面内方向への移動による影響を取り除いた高精度な観察像を得ることができる。
【００２５】
次に移動量を測定する段階について説明する。まず、ＸＹ面内の移動量を測定する段階において、その移動量の測定は、変位計測器による直接測定と、試料を測定することによって移動量を求める間接測定がある。直接測定においては、変位計測器は光干渉方式、静電容量方式等、その方式によらず用いることができる。
【００２６】
図２は、プローブのＸＹ方向への移動量を測定する段階における間接測定方式のフローチャートである。まず、走査型プローブ顕微鏡によって断面形状が既知のパターンを有する試料の観察像を取得する。
【００２７】
次に、観察像から断面像を得る。図３は、観察像の断面形状と凹凸パターンの断面形状を示している。３０１は凹凸パターンの断面形状、３０２は凹凸パターンの観察像から得た断面形状である。いずれもＸ軸方向の断面形状である。図３に示したように、断面形状を比較することで移動量Δｘを求めることができる。
【００２８】
次に、断面形状を比較する段階について説明する。図４はＸ方向の断面を示している。４０１は断面形状が既知の凹凸パターンの断面形状、４０２は凹凸パターンの観察像から得られた断面形状である。断面形状４０２を表す関数ｇ（ｘ）を求め、断面形状４０１を表す関数ｆ（ｘ）と比較する。これによって、任意の高さでの移動量Δｘを容易に求めることができる。
【００２９】
図５は凹凸パターンおよびその観察像のＸ方向の断面を示しており、５０１は凹凸パターンの断面形状、５０２は観察像から得た断面形状である。凹凸パターンは断面形状が既知であり、側壁角度がαである。このように、側壁角度が既知の凹凸パターンを測定し、観察像から得られる側壁角度βと凹凸パターンの側壁角度αとを比較することによって移動量Δｘを求めることができる。ここで、側壁角度が既知の試料例として、シリコンの異方性エッチングによって形成された、側壁角度約５５度のパターンがある。
【００３０】
図６は凹凸パターンおよびその観察像のＸ方向の断面を示しており、６０１は凹凸パターンの断面形状、６０２は観察像から得た断面形状である。図に示すように断面形状６０１および６０２において、同一の高さｚにおける傾きΔｘ１／ΔｚおよびΔｘ２／Δｚを比較することによりプローブの移動量Δｘを求めることができる。
【００３１】
図７は凹凸パターンおよびその観察像のＸ方向の断面を示しており、７０１は凹凸パターンの断面形状、７０２は観察像から得た断面形状である。７０３は高さｚの断面形状７０１上の点であり、７０４は観察像を構成する画素である。画素７０４は断面形状７０１上の点７０３に対応し、その座標は（ｘ１、ｚ）となるはずであるが、プローブがＺ方向の移動に伴ってＸＹ面内に移動するために、画素７０４の座標は（ｘ２、ｚ）となる。ここで、すでに述べた方法で求めた移動量Δｘに基づいて補正を行うと画素７０４の正しい座標を得ることができ、画素７０４をサンプリングした時のプローブの位置を補正することができる。ここでは、説明のため一つの画素について述べたが、観察像を構成する全ての画素に対して補正を行うことは言うまでもない。
【００３２】
図８はＸＹ走査用チューブアクチュエータとＺ駆動用チューブアクチュエータを組み合わせたスキャナを示している。８０１はＸＹ走査用チューブアクチュエータ、８０２はＺ駆動用チューブアクチュエータ、８０３はＸ走査用電極、８０４はＹ走査用電極、８０５はチューブ型圧電体、８０６は共通電極、８０７はＺ駆動用電極、８０８はカンチレバー、８０９はプローブである。Ｚ駆動用チューブアクチュエータ８０２の伸張に伴ってプローブの変位Δｘが生じるが、すでに述べたような方法でΔｘを求め、ＸＹ走査用チューブアクチュエータを制御して、プローブを反対方向へΔｘ移動させる。これによって、プローブの位置を補正することができる。ここでは、チューブ型アクチュエータを例に説明を行ったが、アクチュエータはこれに限らず、ＸＹＺ、３つの軸を持ったすべてのアクチュエータに対しても同等の効果がある。
【００３３】
また、Ｚ駆動用アクチュエータとしてアクチュエータ８０１と同じアクチュエータを用いて、電極８０３および８０４に印加する電圧を制御することで変位Δｘを補正することができる。ここで、アクチュエータ８０１の電極は４分割となっているが電極が２つ以上あれば、変位Δｘの補正は可能である。
【００３４】
以上、本実施の形態においては、説明のため、プロ−ブの位置補正について主に、Ｘ軸方向に関して述べたが、Ｙ軸方向に関しても同様に行う。また、これによって、移動量だけでなく移動方向も求めることができる。
【００３５】
また、凹凸パターンは側壁の角度がプローブの側壁と試料表面とのなす角より小さく、プローブの先端以外が試料表面に接触しないようなものが望ましい。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、プローブのＺ軸方向の移動に伴って生じるＸＹ面内のプローブの移動によるプローブの位置ずれを補正することができる。
【００３７】
また、本発明によれば、変位計測器によって、プローブの移動量を測定することにより、高精度にプローブの位置を補正することができる。
【００３８】
また、本発明によれば、断面形状が既知の凹凸パターンを有する試料を測定してえられる観察像から試料平面に対して垂直な断面像を生成し、凹凸パターンの断面形状とを比較することによってプローブの移動量を求めることができ、このようにすることで、変位センサー等の外部装置を用いることなく、簡便にプローブの移動量を測定することができる。
【００３９】
また、本発明によれば、断面像と断面形状とを比較する段階において、断面像から断面形状を表す関数を求める段階と、関数と、凹凸パターンの断面形状を表す関数とを比較することで、プローブのＺ方向の移動量に対するプローブのＸＹ面内の移動量の詳細な変化を求めることができる。
【００４０】
また、本発明によれば、観察像から得られた断面像における側壁角度を測定し、凹凸パターンの側壁角度とを比較することで、容易にプローブのＸＹ面内の移動量を求めることができる。
【００４１】
また、本発明によれば、観察像から得られた断面像と凹凸パターンの断面形状の同一の高さにおける傾きを比較することで、側壁が平面でない凹凸パターンを用いても、簡単にプローブのＸＹ面内の移動量を求めることができる。
【００４２】
また、本発明によれば、すでに述べたような方法で求めたプローブのＸＹ面内の移動量に基づいて観察像を構成する画素の座標を補正する。このようにすることで、容易にプローブの位置補正を行うことができ、試料に対して正確な観察像を得ることができる。
【００４３】
また、本発明によれば、観察像を得ると同時にプローブのＸＹ面内の移動を補正するようにプローブを移動させることで、リアルタイムでプローブの位置補正を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に関わるプローブ位置補正方法のフローチャートである。
【図２】本発明に関わるプローブのＸＹ面内の移動量測定のフローチャートである。
【図３】本発明に関わるプローブのＸＹ面内の移動量測定に関する説明図である。
【図４】本発明に関わるプローブのＸＹ面内の移動量測定に関する説明図である。
【図５】本発明に関わるプローブのＸＹ面内の移動量測定に関する説明図である。
【図６】本発明に関わるプローブのＸＹ面内の移動量測定に関する説明図である。
【図７】本発明に関わるプローブの位置補正方法に関する説明図である。
【図８】本発明に関わるプローブの位置補正方法に関する説明図である。
【図９】図９は、従来の走査型プローブ顕微鏡の一つである原子間力顕微鏡の概略図である。
【図１０】図１０は、チューブ型のＸＹＺトランスレータを示す模式図である。
【図１１】図１１は、チューブ型のＺトランスレータを示す模式図である。
【図１２】図１２は、Ｘ方向に厚さの偏りがあるチューブ型のＺトランスレータを示す模式図である。
【図１３】図１３は、凹凸パターンを持った試料の断面を示す概略図である。
【符号の説明】
３０１　凹凸パターンの断面形状
３０２　観察像から得られる断面形状
４０１　凹凸パターンの断面形状
４０２　観察像から得られる断面形状
５０１　凹凸パターンの断面形状
５０２　観察像から得られる断面形状
６０１　凹凸パターンの断面形状
６０２　観察像から得られる断面形状
７０１　凹凸パターンの断面形状
７０２　観察像から得られる断面形状
７０３　凹凸パターン上の高さｚの点
７０４　観察像を構成する画素
８０１　ＸＹ走査用チューブ型アクチュエータ
８０２　Ｚ駆動用チューブ型アクチュエータ
８０３　Ｘ走査用電極
８０４　Ｙ走査用電極
８０５　チューブ型圧電体
８０６　共通電極
８０７　Ｚ駆動用電極
８０８　カンチレバー
８０９　プローブ
９０１　カンチレバー
９０２　たわみ検出器
９０３　ＸＹＺトランスレータ
９０４　試料
９０５　試料代
９０６　コントローラ
９０７　コンピュータ
１００６　チューブ型圧電体
１００７　電極
１００８　電極
１１０１　カンチレバー
１１０２　外側電極
１１０３　内側電極
１１０４　チューブ型圧電体
１２０１　カンチレバー
１２０２　外側電極
１２０３　内側電極
１２０４　チューブ型圧電体
１２０５　電圧印加しない場合のカンチレバーのＺ方向の位置
１２０６　電圧印加により伸張した場合のカンチレバーのＺ方向の位置
１２０７　電圧印加しない場合のカンチレバーのＸ方向の位置
１２０８　電圧印加により伸張した場合のカンチレバーのＸ方向の位置
１３０１　凹凸パターンの断面形状
１３０２　計測結果から得られる断面形状
【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】
2004004026.tif 000009
【図８】
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【図９】
2004004026.tif 000011
【図１０】
2004004026.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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