(57)【要約】【課題】試料と走査方向の微小な角度ずれに対する測定誤差を低減し、簡単な構成で正確な形状測定を行うことができる走査型プローブ顕微鏡を提供する。【解決手段】試料の形状を計測するプローブと直交するＸＹ平面内での現在位置を検出するセンサを有し、ＸＹ位置制御を行いながら試料を走査する走査型プローブ顕微鏡であって、パルス発生器１と、パルス発生器１からのパルスをカウントする複数のカウンタ２ｘ、２ｙと、パルス発生器１と、複数のカウンタ２ｘ、２ｙ間の接続を切り替える複数のスイッチ１１ｘ、１１ｙと、複数のカウンタ２ｘ、２ｙのカウント値をそれぞれアナログ信号に変換する複数のＤ／Ａ変換器３ｘ、３ｙと、複数のＤ／Ａ変換器３ｘ、３ｙからのアナログ信号を任意の振幅に変換する複数のアッテネータ６ｘ、６ｙと、アッテネータ６ｘ、６ｙの出力を走査波形としてＸＹステージを駆動する駆動部（高圧アンプ１０ｘ、１０ｙ）とを具備する。【選択図】    図１
2004279094.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料の形状を計測するプローブと直交するＸＹ平面内での現在位置を検出するセンサを有し、ＸＹ位置制御を行いながら試料を走査する走査型プローブ顕微鏡であって、
パルス発生器と、
上記パルス発生器からのパルスをカウントする複数のカウンタと、
上記パルス発生器と、上記複数のカウンタ間の接続を切り替える複数のスイッチと、
上記複数のカウンタのカウント値をそれぞれアナログ信号に変換する複数のＤ／Ａ変換器と、
上記複数のＤ／Ａ変換器からのアナログ信号を任意の振幅に変換する複数のアッテネータと、
上記アッテネータの出力を走査波形としてＸＹステージを駆動する駆動部と、
を具備することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
上記パルス発生器は複数種類のパルスを出力するものであり、上記複数のスイッチは、上記パルス発生器からの特定のパルスが上記複数のカウンタのすべてに供給されるように、上記パルス発生器と、上記複数のカウンタ間の接続を切り替えることにより、所定角度回転した１ライン斜め走査を行うようにしたことを特徴とする請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】
走査波形のオフセット信号を出力する複数のＤ／Ａ変換器をさらに有し、上記オフセット信号を出力する複数のＤ／Ａ変換器のオフセット値を順次変更することにより、２次元の斜め走査を行うようにしたことを特徴とする請求項２記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
走査波形のオフセット信号を出力する複数のＤ／Ａ変換器と、
上記オフセット信号と、上記複数のアッテネータの出力とを加算するアナログ加算器と、
をさらに有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
試料の形状を計測するプローブと直交するＸＹ平面内での現在位置を検出するセンサを有し、ＸＹ位置制御を行いながら試料を走査する走査型プローブ顕微鏡であって、
上記ＸＹ平面内の水平方向走査の元となる第１のパルスを出力する第１のパルス出力部と、上記ＸＹ平面内の垂直方向走査の元となる第２のパルスを出力する第２のパルス出力部とを備えたパルス発生器と、
上記第１のパルス出力部からの第１のパルスまたは上記第２のパルス出力部からの第２のパルスをカウントする第１、第２のカウンタと、
上記第１のパルス出力部または上記第２のパルス出力部と、上記第１のカウンタとの間の接続を切り替える第１のスイッチと、
上記第１のパルス出力部または上記第２のパルス出力部と、上記第２のカウンタとの間の接続を切り替える第２のスイッチと、
上記第１のカウンタのカウンタ値及び上記第２のカウンタのカウンタ値をそれぞれアナログ信号に変換する第１、第２のＤ／Ａ変換器と、
上記第１、第２のＤ／Ａ変換器からの２つのアナログ信号を任意の振幅に変換する第１、第２のアッテネータと、
上記第１のアッテネータの出力をＸステージまたはＹステージへの走査波形とし、上記第２のアッテネータの出力をＹステージまたはＸステージへの走査波形としてＸＹステージを駆動する駆動部と、
を具備することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】
上記パルス発生器は２種類のパルスを出力するものであり、上記第１，第２のスイッチは、上記パルス発生器からの特定のパルスが上記第１、第２のカウンタの両方に供給されるように、上記パルス発生器と、上記第１、第２のカウンタ間の接続を切り替えることにより、所定角度回転した１ライン斜め走査を行うようにしたことを特徴とする請求項５記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】
走査波形のオフセット信号を出力する第１、第２のＤ／Ａ変換器をさらに有し、上記オフセット信号を出力する第１、第２のＤ／Ａ変換器のオフセット値を順次変更することにより、２次元の斜め走査を行うようにしたことを特徴とする請求項６記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項８】
走査波形のオフセット信号を出力する第１、第２のＤ／Ａ変換器と、
上記オフセット信号と、上記第１、第２のアッテネータの出力とを加算するアナログ加算器と、
をさらに有することを特徴とする請求項５〜７のいずれか１つに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【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鏡に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近の微細加工技術の発展は目覚しく、加工物の形状をナノメートルレベルで精密に計測することに対する要求が高まっている。このような精密計測機の一つとして走査型プローブ顕微鏡が用いられている。特開２０００−３１１６４４には走査型プローブ顕微鏡の一例が開示されている。
【０００３】
走査型プローブ顕微鏡は、尖鋭化されたカンチレバーと試料との間に働く何らかの作用を利用して、カンチレバーと試料の間隔を制御または検出し、さらに試料をカンチレバーと直交するＸＹ方向に２次元走査して、試料の形状を検出するものである。試料の走査に使われるＸＹステージには、多くの場合、電圧に比例して微小な変位を生むことが出来る圧電体ステージを用いる。２次元走査は、ＸＹステージの可動範囲のうち図３（ａ）に示すような走査範囲を想定し、この中を水平方向（Ｈ）に往復移動したあと垂直方向（Ｖ）に少し移動することを繰り返すことにより行われる。従って、水平方向（Ｈ）への走査波形は三角波状となり、垂直方向（Ｖ）への走査波形は階段状になる。また、圧電体ステージはヒステリシスやドリフトを持つため、上記のような三角波状波形と階段状波形だけでは得られる像に歪みが生じる。よって、レーザ干渉測長機に代表されるような位置センサを用いてＸＹ位置制御を行う。
【０００４】
図４は、従来の走査型プローブ顕微鏡における走査機構の構成の一例を示す図である。図４において、パルス発生器１は、２種類のパルス信号としてＨパルス及びＶパルスを生成して出力する。Ｈパルスは図３（ａ）の水平方向への走査波形である三角波状波形を生成する元となるパルスである。Ｖパルスは垂直方向への走査波形である階段状波形を生成する元となるパルスである。
【０００５】
Ｈパルス数はＨカウンタ２ａでカウントされ、カウント値はＤ／Ａ変換器３ａにて三角波状のアナログ波形Ｗｈ  に変換される。一方、Ｖパルス数はＶカウンタ２ｂでカウントされ、カウント値はＤ／Ａ変換器３ｂにて階段状のアナログ波形Ｗｖに変換される。次に、三角波状のアナログ波形Ｗｈ  と階段状のアナログ波形Ｗｖ  はそれぞれ乗算型Ｄ／Ａ変換器４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄにて所定のデジタル値（ｃｏｓθ，ｓｉｎθ，−  ｓｉｎθ，ｃｏｓθ）と掛け算され、さらに加算器５ｘ，５ｙにて互いに加算される。この結果、加算器５ｘ，５ｙの出力Ｗｒｘ，Ｗｒｙは以下のようになる。
【０００６】
Ｗｒｘ＝Ｗｈ  ×ｃｏｓ  θ−Ｗｖ  ×ｓｉｎ  θ
Ｗｒｙ＝Ｗｈ  ×ｓｉｎ  θ＋Ｗｖ  ×ｃｏｓ  θ
これにより、走査範囲は図３（ｂ）に示すごとくθだけ回転することになる。回転した走査波形Ｗｒｘ，Ｗｒｙは、アッテネータ（減衰器）６ｘ，６ｙにてそれぞれ指定された走査幅になるようにその振幅が調整される。アッテネータ６ｘ，６ｙの出力は加算器９ｘ、９ｙにより、オフセット位置が設定されているＤ／Ａ変換器７ｘ，７ｙの出力及び不図示のサーボ系からのＤ／Ａ変換器８ｘ，８ｙの出力と加算される。加算器９ｘ、９ｙの出力はそれぞれ高圧（ＨＶ）アンプ１０ｘ，１０ｙを介してＸ，Ｙステージへと印加される。
【０００７】
【特許文献】
特開２０００−３１１６４４
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
以下に、上記した従来技術の問題点を説明する。ここでは例えば図５に示すような試料５０のピッチＰを求める場合を考える。試料５０が走査方向Ｈに対し、正確に直角に置かれていれば、その時の走査ラインａからピッチＰが求められる。しかし、試料５０が走査方向Ｈとの間に図に示すような角度θをもってずれていた場合には、その時の走査ラインｂから算出されるピッチはコサインエラーを含んだ値となってしまう。特に、精密な形状計測を行う場合には、画像としてではなく１ライン走査を行って大量の位置データを取得することが考えられるが、この場合、試料と走査方向との微小な角度ずれはそのままコサインエラーとなってしまう。
【０００９】
これに対し、従来例では乗算型Ｄ／Ａ変換器を用い、これから得られたアナログ信号により走査波形をθだけ回転させて、試料と走査方向とを合わせていた。しかしながら、従来の方法ではアナログ回路の長い経路がどうしても必要となるめ、Ｓ／Ｎ上不利であり、試料と走査方向とを正確に合わせるのに適した構成ではない。
【００１０】
本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、その目的とするところは、試料と走査方向の微小な角度ずれに対する測定誤差を低減し、簡単な構成で正確な形状測定を行うことができる走査型プローブ顕微鏡を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、第１の発明は、試料の形状を計測するプローブと直交するＸＹ平面内での現在位置を検出するセンサを有し、ＸＹ位置制御を行いながら試料を走査する走査型プローブ顕微鏡であって、パルス発生器と、上記パルス発生器からのパルスをカウントする複数のカウンタと、上記パルス発生器と、上記複数のカウンタ間の接続を切り替える複数のスイッチと、上記複数のカウンタのカウント値をそれぞれアナログ信号に変換する複数のＤ／Ａ変換器と、上記複数のＤ／Ａ変換器からのアナログ信号を任意の振幅に変換する複数のアッテネータと、上記アッテネータの出力を走査波形としてＸＹステージを駆動する駆動部とを具備する。
【００１２】
また、第２の発明は、第１の発明に係る走査型プローブ顕微鏡において、上記パルス発生器は複数種類のパルスを出力するものであり、上記複数のスイッチは、上記パルス発生器からの特定のパルスが上記複数のカウンタのすべてに供給されるように、上記パルス発生器と、上記複数のカウンタ間の接続を切り替えることにより、所定角度回転した１ライン斜め走査を行う。
【００１３】
また、第３の発明は、第２の発明に係る走査型プローブ顕微鏡において、走査波形のオフセット信号を出力する複数のＤ／Ａ変換器をさらに有し、上記オフセット信号を出力する複数のＤ／Ａ変換器のオフセット値を順次変更することにより、２次元の斜め走査を行うようにする。
【００１４】
また、第４の発明は、第１〜第３のいずれか１つの発明に係る走査型プローブ顕微鏡において、走査波形のオフセット信号を出力する複数のＤ／Ａ変換器と、上記オフセット信号と、上記複数のアッテネータの出力とを加算するアナログ加算器とをさらに有する。
【００１５】
また、第５の発明は、試料の形状を計測するプローブと直交するＸＹ平面内での現在位置を検出するセンサを有し、ＸＹ位置制御を行いながら試料を走査する走査型プローブ顕微鏡であって、上記ＸＹ平面内の水平方向走査の元となる第１のパルスを出力する第１のパルス出力部と、上記ＸＹ平面内の垂直方向走査の元となる第２のパルスを出力する第２のパルス出力部とを備えたパルス発生器と、上記第１のパルス出力部からの第１のパルスまたは上記第２のパルス出力部からの第２のパルスをカウントする第１、第２のカウンタと、上記第１のパルス出力部または上記第２のパルス出力部と、上記第１のカウンタとの間の接続を切り替える第１のスイッチと、上記第１のパルス出力部または上記第２のパルス出力部と、上記第２のカウンタとの間の接続を切り替える第２のスイッチと、上記第１のカウンタのカウンタ値及び上記第２のカウンタのカウンタ値をそれぞれアナログ信号に変換する第１、第２のＤ／Ａ変換器と、上記第１、第２のＤ／Ａ変換器からの２つのアナログ信号を任意の振幅に変換する第１、第２のアッテネータと、上記第１のアッテネータの出力をＸステージまたはＹステージへの走査波形とし、上記第２のアッテネータの出力をＹステージまたはＸステージへの走査波形としてＸＹステージを駆動する駆動部とを具備する。
【００１６】
また、第６の発明は、第５の発明に係る走査型プローブ顕微鏡において、上記パルス発生器は２種類のパルスを出力するものであり、上記第１，第２のスイッチは、上記パルス発生器からの特定のパルスが上記第１、第２のカウンタの両方に供給されるように、上記パルス発生器と、上記第１、第２のカウンタ間の接続を切り替えることにより、所定角度回転した１ライン斜め走査を行うようにする。
【００１７】
また、第７の発明は、第６の発明に係る走査型プローブ顕微鏡において、走査波形のオフセット信号を出力する第１、第２のＤ／Ａ変換器をさらに有し、上記オフセット信号を出力する第１、第２のＤ／Ａ変換器のオフセット値を順次変更することにより、２次元の斜め走査を行うようにする。
【００１８】
また、第８の発明は、第５〜第７のいずれか１つの発明に係る走査型プローブ顕微鏡において、走査波形のオフセット信号を出力する第１、第２のＤ／Ａ変換器と、上記オフセット信号と、上記第１、第２のアッテネータの出力とを加算するアナログ加算器とをさらに有する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の一実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の概略を説明する。本実施形態の走査型プローブ顕微鏡では、試料と走査方向に角度ずれがある場合、パルス発生器からの出力パルス（ここではＨパルス）を第１および第２のスイッチを介して第１および第２のカウンタの両方に入力する。第１および第２カウントのカウント値はそれぞれ、第１のＤ／Ａ変換器と第２のＤ／Ａ変換器にてＤ／Ａ変換される。第１のＤ／Ａ変換器と第２のＤ／Ａ変換器の出力は同じ三角波状となる。第１のＤ／Ａ変換器からの出力は第１のアッテネータによりＬｃｏｓθの振幅に変換される。また第２のＤ／Ａ変換器からの出力は第２のアッテネータによりＬｓｉｎθの振幅に変換される。変換された振幅の信号をそれぞれＸおよびＹステージに印加すると、θ回転した１ライン走査が行われることになる。
【００２０】
また、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡では、上記とは別のＤ／Ａ変換器を用いて走査波形にオフセットを与えるようにしたので、θ回転の１ライン走査を行いながらその走査範囲を変更することができる。
【００２１】
（第１実施形態）
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡における走査機能の構成を示す図である。図１の構成は、図４で説明したパルス発生器１とＨ、Ｖカウンタ２ａ、２ｂ（図１のＸ、Ｙカウンタ２ｘ、２ｙに相当）との間にスイッチ１１ｘ、１１ｙが設けられるとともに、乗算型Ｄ／Ａ変換器４ａ〜４ｄと加算器５ｘ，５ｙが省略された構成となっている。
【００２２】
パルス発生器１からのＨパルスはまずスイッチ１１ｘに入る。通常の２次元走査を行う場合、スイッチ１１ｘはＨパルスを通すように切り換えられるので、ＨパルスはＸカウンタ２ｘに入力されてＨパルス数がカウントされる。カウント値はＤ／Ａ変換器３Ｘにて三角波状の走査波形に変換される。この走査波形はアッテネータ（減衰器）６ｘに入力されて指定された走査幅になるようにその振幅が調整される。アッテネータ６ｘの出力は加算器９ｘにより、オフセット位置が設定されているＤ／Ａ変換器７ｘの出力及び不図示のサーボ系からのＤ／Ａ変換器８ｘの出力と加算される。加算器９ｘの出力は高圧（ＨＶ）アンプ１０ｘを介してＸステージへと印加される。
【００２３】
同様にして、パルス発生器１からのＶパルスはまずスイッチ１１ｙに入る。通常の２次元走査を行う場合、スイッチ１１ｙはＶパルスを通すように切り換えられるので、ＶパルスはＹカウンタ２ｙに入力されてＶパルス数がカウントされる。カウント値はＤ／Ａ変換器３ｙにて階段状の走査波形に変換される。この走査波形はアッテネータ（減衰器）６ｙに入力されて指定された走査幅になるようにその振幅が調整される。アッテネータ６ｙの出力は加算器９ｙにより、オフセット位置が設定されているＤ／Ａ変換器７ｙの出力及び不図示のサーボ系からのＤ／Ａ変換器８ｙの出力と加算される。加算器９ｙの出力は高圧（ＨＶ）アンプ１０ｙを介してＹステージへと印加される。
【００２４】
以上の手順により、図３（ａ）に示すような通常の２次元走査が行われて試料形状に関する画像が得られる。
【００２５】
ここで、先で述べたような、試料と走査方向に角度ずれがある場合には、スイッチ１１ｘとスイッチ１１ｙはどちらもＨパルスを通すように切り換えられ、その後の処理が行われる。もしもアッテネータ６ｘ，６ｙが同じ値に設定されていれば、Ｘ、Ｙステージに同じ大きさの三角波状の走査波形が印加されることになるので、４５度方向の１ライン斜め走査が行われることになる。そこで、角度ずれθを合わせるために、１ラインの走査幅をＬとした時に、
アッテネータ６ｘの設定値＝Ｌ×ｃｏｓ  θ
アッテネータ６ｙの設定値＝Ｌ×ｓｉｎ  θ
となるように設定し、それぞれをＸ、Ｙステージに印加すると、図２（ａ）に示すようなθだけ回転した１ライン斜め走査が可能となる。
【００２６】
上記した第１実施形態によれば、２次元走査の構成にスイッチ１１ｘ、１１ｙを設けるという簡易な構成でθ回転を行うようにしたので、アナログ回路の長い伝達経路が不要となり、Ｓ／Ｎの良い、正確な、θ回転した１ライン斜め走査が可能となる。
【００２７】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態として、図１のオフセット用Ｄ／Ａ変換器７ｘ，７ｙを用いて、θだけ回転した斜め走査を２次元走査することも可能である。例えば、第１実施形態で述べた１ライン斜め走査を１回行った後、オフセット用Ｄ／Ａ変換器７ｙを少し変化させてから２回目の１ライン斜め走査を行うと、図２（ｂ）に示すように１回目と２回目のライン走査の位置を変えることが出来、菱形の２次元走査が可能となる。
【００２８】
（変形例）
尚、アッテネータはアナログアッテネータでもよいが、乗算型Ｄ／Ａを用いても良い。
【００２９】
また、本構成ではＸＹ平面での斜めライン走査について記述したが、これに限るものではなく、同様の構成をＺ走査部にも設けることによりＸＺ走査などへの応用も可能である。
【００３０】
【発明の効果】
本発明の走査型プローブ顕微鏡によれば、簡易な構成でＳ／Ｎの良い正確な回転走査が行えるようになり、これによって精密な形状計測を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡における走査機能の構成を示す図である。
【図２】（ａ）は第１実施形態の効果を説明するための図であり、（ｂ）は第２実施形態の効果を説明するための図である。
【図３】（ａ）は通常の２次元走査の走査範囲を示す図であり、（ｂ）はθ回転した走査範囲を示す図である。
【図４】従来の走査型プローブ顕微鏡における走査機構の構成の一例を示す図である。
【図５】従来技術の問題点を説明するための図である。
【符号の説明】
１…パルス発生器、２ｘ…Ｘカウンタ，２ｙ…Ｙカウンタ、３ｘ，３ｙ…Ｄ／Ａ変換器、６ｘ，６ｙ…アッテネータ、７ｘ，７ｙ…Ｄ／Ａ変換器、８ｘ，８ｙ…Ｄ／Ａ変換器、９ｘ，９ｙ…加算器、１０ｘ，１０ｙ…高圧（ＨＶ）アンプ、１１ｘ，１１ｙ…スイッチ。
【図１】
2004279094.tif 000003
【図２】
2004279094.tif 000004
【図３】
2004279094.tif 000005
【図４】
2004279094.tif 000006
【図５】
2004279094.tif 000007