(57)【要約】【課題】  ステップイン方式走査型プローブ顕微鏡において、探針退避時の針先状態監視を実現した走査型プローブ顕微鏡を提供する。【解決手段】  先端に探針２０を有するカンチレバー２１を備え、カンチレバー２１を移動させることにより探針２０を試料１２に対して接近または退避させ、試料１２の表面情報を得る走査型プローブ顕微鏡において、探針２０の退避動作の正常または異常を確認する探針退避状態確認手段６０を備える。カンチレバー２１の変位量を検出する変位検出装置を備え、探針退避状態確認手段６０は、探針２０の退避動作が完了後、変位検出装置から出力される検出信号をモニタするモニタ手段４９と、このモニタ手段４９でモニタした検出信号により探針の退避動作が正常であるかまたは異常であるかを判定する判定手段６１とから成る。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端に探針を有するカンチレバーを備え、前記カンチレバーを移動させることにより前記探針を試料に対して接近または退避させ、前記試料の表面情報を得る走査型プローブ顕微鏡において、前記探針の退避動作の正常または異常を確認する探針退避状態確認手段を備えることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記カンチレバーの変位量を検出する変位検出装置を備え、前記探針退避状態確認手段は、探針の退避動作が完了後、前記変位検出装置から出力される検出信号をモニタするモニタ手段と、このモニタ手段でモニタした前記検出信号により前記探針の退避動作が正常であるかまたは異常であるかを判定する判定手段とから成る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】
前記判定手段によって前記探針の退避動作が異常であると判定されたときは警報を出して測定動作を停止する警報・停止手段を備え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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査型プローブ顕微鏡に関し、特に、探針を試料に対して接近退避させるステップイン方式（「ステップイン」は登録商標）の動作状態管理機能を有する走査型プローブ顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査型プローブ顕微鏡は、従来、原子のオーダまたはサイズの微細な対象物を観察できる測定分解能を有する測定装置として知られる。近年、走査型プローブ顕微鏡は、半導体デバイスが作られた基板やウェハの表面の微細な凹凸形状の測定など各種の分野に適用されている。測定に利用する検出物理量に応じて各種のタイプの走査型プローブ顕微鏡がある。例えばトンネル電流を利用する走査型トンネル顕微鏡、原子間力を利用する原子間力顕微鏡、磁気力を利用する磁気力顕微鏡等があり、それらの応用範囲も拡大しつつある。
【０００３】
上記のうち原子間力顕微鏡は、試料表面の微細な凹凸形状を高分解能で検出するのに適し、半導体基板、ディスクなどの分野で実績を上げている。最近ではインライン自動検査工程の用途でも使用されてきている。
【０００４】
原子間力顕微鏡は、基本的な構成として、原子間力顕微鏡の原理に基づく測定装置部分を備える。通常、圧電素子を利用して形成されたトライポッド型あるいはチューブ型のＸＹＺ微動機構を備え、このＸＹＺ微動機構の下端に、先端に探針が形成されたカンチレバーが取り付けられている。探針の先端は試料の表面に対向している。上記カンチレバーに対して例えば光てこ式光学検出装置が配備される。すなわち、カンチレバーの上方に配置されたレーザ光源（レーザ発振器）から出射されたレーザ光がカンチレバーの背面で反射され、光検出器より検出される。カンチレバーにおいて捩れや撓みが生じると、光検出器におけるレーザ光の入射位置が変化する。従って探針およびカンチレバーで変位が生じると、光検出器から出力される検出信号で当該変位の方向および量を検出できる。上記の原子間力顕微鏡の構成について、制御系として、通常、比較器、制御器が設けられる。比較器は、光検出器から出力される検出電圧信号と基準電圧とを比較し、その偏差信号を出力する。制御器は、当該偏差信号が０になるように制御信号を生成し、この制御信号をＸＹＺ微動機構内のＺ微動機構に与える。こうして、試料と探針の間の距離を一定に保持するフィードバックサーボ制御系が形成される。上記の構成によって探針を試料表面の微細凹凸に追従させながら走査し、その形状を測定することができる（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
原子間力顕微鏡が発明された当時は、その高分解能性を利用してｎｍ（ナノメートル）以下のオーダの表面微細形状の測定が中心課題であった。しかしながら、現在では、走査型プローブ顕微鏡は半導体デバイスのインライン製作装置の途中の段階で検査を行うインライン自動検査までその使用範囲が拡大してきている。このような状況になると、実際の検査工程では、基板またはウェハの表面を所定の間隔毎に検査することが要求される。そのために、基板またはウェハの表面を迅速に検出する自動測定も求められつつある。
【０００６】
原子間力顕微鏡を用いて基板またはウェハの表面を迅速に検出する技術の一例としてステップイン方式を挙げることができる。ステップイン方式は、所定の間隔で設定された複数の測定点のそれぞれで探針を試料表面に接近させ、その接近させた表面の形状を測定し、その後、探針を退避させる。そして、所定間隔に対応する距離の分探針を移動させ、再び、表面に接近させ、その表面を測定し、退避させるという動作を繰り返す。
【０００７】
図７と図８を参照してステップイン方式の動作およびカンチレバーの状態を説明する。図７において、（ａ）は探針１００が測定試料１０３の表面に接触している状態で、Ｚ軸微動機構（図示せず）がカンチレバー基部１０２を試料側へ移動させることにより生じる。図７の（ｂ）は正常な退避状態で、Ｚ軸微動機構がカンチレバー基部１０２を試料１０３から遠ざけることにより生じる。図７の（ｃ）は異常な退避状態を示している。図７の（ｃ）では、カンチレバー基部１０２は通常の退避位置まで退避しているにも拘らず、探針１００の方は試料表面１０３に吸着された状態にある。そのため、カンチレバー１０１が試料側に曲がる状態にある。図８は試料表面１０３に対する探針１００のステップイン動作の一例を示し、矢印は探針の移動軌跡を示している。図８で（１）は接近動作であり、接近が完了すると図７の（ａ）の状態になる。図８の（２）は退避状態で、退避が正常に完了すると図７の（ｂ）の状態になる。図８で（３）は、ＸＹ微動機構（図示せず）を使って次の測定点の位置へ移動している状態を示している。ステップイン動作では、一定間隔の測定点ごとで上記の（１）〜（３）の動作が繰り返される。
【０００８】
従来の走査型原子間力顕微鏡において上記のようなステップイン方式で測定動作を行わせるとき、図８で示した（２）の退避が正常に行われない場合がある。例えば試料表面の探針吸着力が強い場合、カンチレバー基部１０２が試料表面から離れるように移動したとしても、柔らかいカンチレバー１０１の先端に設けられた探針１００は試料表面に吸着されたままの場合がある。これらが、前述した図７の（ｃ）の状態である。このような異常な退避動作が生じた状態で、図８の（３）の移動を行うと、画像の乱れが生じたり探針が破損したりする不具合が発生する。
【０００９】
上記のように、従来のステップイン方式の走査型プローブ顕微鏡では、探針退避時の針先状態管理がなされていないため、探針吸着による画像の乱れが発生した場合、実際のサンプルの形状なのか、吸着等による像の乱れなのか区別がつかないという問題があった。
【特許文献１】特許第３３６４５３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の課題は、ステップイン方式の走査型プローブ顕微鏡において、探針吸着による画像の乱れが発生した場合、実際のサンプルの形状なのか、吸着等による像の乱れなのか区別がつかないという問題を解消することにある。
【００１１】
本発明の目的は、上記の課題に鑑み、ステップイン方式で試料の測定を行う場合において、探針退避時の針先状態監視を実現することができ、画像の内容を正確に把握できるようにした走査型プローブ顕微鏡を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る走査型プローブ顕微鏡は、上記目的を達成するために、次のように構成される。
【００１３】
第１の走査型プローブ顕微鏡（請求項１に対応）は、先端に探針を有するカンチレバーを備え、カンチレバーを移動させることにより探針を試料に対して接近または退避させ、試料の表面情報を得る走査型プローブ顕微鏡であり、探針の退避動作の正常または異常を確認する探針退避状態確認部を備えるように構成される。
【００１４】
第２の走査型プローブ顕微鏡（請求項２に対応）は、上記の第１の装置構成において、好ましくは、カンチレバーの変位量を検出する変位検出装置を備え、探針退避状態確認部は、探針の退避動作が完了後、変位検出装置から出力される検出信号をモニタするモニタ部と、このモニタ部でモニタした検出信号により探針の退避動作が正常であるかまたは異常であるかを判定する判定部とから成ることで特徴づけられる。
【００１５】
第３の走査型プローブ顕微鏡（請求項３に対応）は、上記の第２の装置構成において、好ましくは、判定部によって探針の退避動作が異常であると判定されたときは警報を出して測定動作を停止する警報・停止部を備えたことで特徴づけられる。
【００１６】
本発明に係る走査型プローブ顕微鏡では、探針の退避動作の正常または異常を確認する探針退避状態確認部を備えるため、ステップイン方式の走査型プローブ顕微鏡において、探針退避時の針先状態監視をすることが可能である。従来のステップイン方式走査型プローブ顕微鏡では、探針退避時の針先状態管理がなされていないため、探針吸着による画像の乱れが発生した場合、実際のサンプルの形状なのか、吸着等による像の乱れなのか区別がつかない。これに対して本発明による構成では、カンチレバーの変位量を検出する変位検出装置を備え、探針退避状態確認部は、探針の退避動作が完了後、変位検出装置から出力される検出信号をモニタするモニタ部と、このモニタ部でモニタした検出信号により探針の退避動作が正常であるかまたは異常であるかを判定する判定部を備えているため、探針吸着による画像の乱れを正確に検知することができる。特に、判定部によって探針の退避動作が異常であると判定されたときは警報を出して測定動作を停止する警報・停止部を備えたので探針吸着による画像の乱れを確実に検知し、また、探針吸着が起こったときには、測定者に警報で知らせると共に測定動作を停止し、探針の破損を避けることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、ステップイン方式走査型プローブ顕微鏡において、探針の退避状態を確認でき、探針の破損、測定データの乱れを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１９】
図１に従って本発明に係る走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の構成を説明する。この走査型プローブ顕微鏡は代表的な例として原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を想定している。
【００２０】
走査型プローブ顕微鏡の下側部分は試料ステージ１１が設けられている。試料ステージ１１の上に試料１２が置かれている。試料ステージ１１は、直交するＸ軸とＹ軸とＺ軸で成る３次元座標系１３で試料１２の位置を変えるための機構である。試料ステージ１１はＸＹステージ１４とＺステージ１５と試料ホルダ１６とから構成されている。試料ステージ１１は、通常、試料側で変位（位置変化）を生じさせる粗動機構部として構成される。試料ステージ１１の試料ホルダ１６の上面には、比較的大きな面積でかつ薄板形状の上記試料１２が置かれ、保持されている。試料１２は、例えば、表面上に半導体デバイスが製作された基板またはウェハである。試料１２は試料ホルダ１６上に固定されている。試料ホルダ１６は試料固定用チャック機構を備えている。
【００２１】
図２に従って試料ステージ１１の具体的な構成例を説明する。図２で、１４はＸＹステージであり、１５はＺステージである。ＸＹステージ１４は水平面（ＸＹ平面）上で試料を移動させる機構であり、Ｚステージ１５は垂直方向に試料１２を移動させる機構である。Ｚステージ１５は、例えば、ＸＹステージ１４の上に搭載されて取り付けられている。
【００２２】
ＸＹステージ１４は、Ｙ軸方向に向けて配置された平行な２本のＹ軸レール２０１とＹ軸モータ２０２とＹ軸駆動力伝達機構２０３から成るＹ軸機構部と、Ｘ軸方向に向けて配置された平行な２本のＸ軸レール２０４とＸ軸モータ２０５とＸ軸駆動力伝達機構２０６から成るＸ軸機構部とから構成されている。上記ＸＹステージ１４によって、Ｚステージ１５はＸ軸方向またはＹ軸方向に任意に移動させられる。またＺステージ１５には、試料ホルダ１６をＺ軸方向に昇降させるための駆動機構が付設されている。図２では当該駆動機構は隠れており、図示されていない。試料ホルダ１６の上には試料１２を固定するためのチャック機構２０７が設けられる。チャック機構２０７には、通常、機械式、吸着や静電等の作用を利用した機構が利用される。
【００２３】
図１において、試料１２の上方位置には、駆動機構１７を備えた光学顕微鏡１８が配置されている。光学顕微鏡１８は駆動機構１７によって支持されている。駆動機構１７は、光学顕微鏡１８を、Ｚ軸方向に動かすためのフォーカス用Ｚ方向移動機構部１７ａと、ＸＹの各軸方向に動かすためのＸＹ方向移動機構部１７ｂとから構成されている。取付け関係として、Ｚ方向移動機構部１７ａは光学顕微鏡１８をＺ軸方向に動かし、ＸＹ方向移動機構部１７ｂは光学顕微鏡１８とＺ方向移動機構部１７ａのユニットをＸＹの各軸方向に動かす。ＸＹ方向移動機構部１７ｂはフレーム部材に固定されるが、図１で当該フレーム部材の図示は省略されている。光学顕微鏡１８は、その対物レンズ１８ａを下方に向けて配置され、試料１２の表面を真上から臨む位置に配置されている。光学顕微鏡１８の上端部にはカメラ１９が付設されている。カメラ１９は、対物レンズ１８ａで取り込まれた試料表面の特定領域の像を撮像して取得し、画像データを出力する。
【００２４】
試料１２の上側には、先端に探針２０を備えたカンチレバー２１が接近した状態で配置されている。カンチレバー２１は取付け部２２に固定されている。取付け部２２は、例えば、空気吸引部（図示せず）が設けられると共に、この空気吸引部は空気吸引装置（図示せず）に接続されている。カンチレバー２１は、その大きな面積の基部が取付け部２２の空気吸引部で吸着されることにより、固定され装着される。
【００２５】
上記の取付け部２２は、Ｚ方向に微動動作を生じさせるＺ微動機構２３に取り付けられている。さらにＺ微動機構２３はカンチレバー変位検出部２４の下面に取り付けられている。
【００２６】
カンチレバー変位検出部２４は、支持フレーム２５にレーザ光源２６と光検出器２７が所定の配置関係で取り付けられた構成を有する。カンチレバー変位検出部２４とカンチレバー２１は一定の位置関係に保持され、レーザ光源２６から出射されたレーザ光２８はカンチレバー２１の背面で反射されて光検出器２７に入射されるようになっている。上記カンチレバー変位検出部は光てこ式光学検出装置を構成する。この光てこ式光学検出装置によって、カンチレバー２１で捩れや撓み等の変形が生じると、当該変形を検出することができる。
【００２７】
カンチレバー変位検出部２４はＸＹ微動機構２９に取り付けられている。ＸＹ微動機構２９によってカンチレバー２１および探針２０等はＸＹの各軸方向に微小距離で移動される。このとき、カンチレバー変位検出部２４は同時に移動されることになり、カンチレバー２１とカンチレバー変位検出部２４の位置関係は不変である。
【００２８】
上記において、Ｚ微動機構２３とＸＹ微動機構２９は、通常、圧電素子で構成されている。Ｚ微動機構２３とＸＹ微動機構２９によって、探針２０の移動について、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の各々へ微小距離（例えば数〜１０μｍ、最大１００μｍ）の変位を生じさせる。
【００２９】
上記の取付け関係において、光学顕微鏡１８による観察視野には、試料１２の特定領域の表面と、カンチレバー２１における探針２０を含む先端部（背面部）とが含まれる。
【００３０】
次に、走査型プローブ顕微鏡の制御系を説明する。制御系の構成としては、比較器３１、制御器３２、第１制御装置３３、第２制御装置３４が設けられる。制御器３２は、例えば原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）による測定機構を原理的に実現するための制御器である。また第１制御装置３３は複数の駆動機構等のそれぞれの駆動制御用の制御装置であり、第２制御装置３４は上位の制御装置である。
【００３１】
比較器３１は、光検出器２７から出力される電圧信号Ｖdと予め設定された基 準電圧（Ｖref）とを比較し、その偏差信号ｓ１を出力する（ｓ１＝Ｖref−Ｖd）。通常、探針に力が加わっていない状態では、Ｖdは０Ｖ近傍の電圧を示し、基準電圧（Ｖref）は通常測定状態ではプラス数Ｖに設定されている。探針に斥力が加わりカンチレバーが反試料側に変形すると、Ｖdはプラス側に変位し、探針に引力が加わりカンチレバーが試料側に変形すると、Ｖdはマイナス側に変形する。制御器３２は、偏差信号ｓ１が０になるように制御信号ｓ２を生成し、この制御信号ｓ２をＺ微動機構２３に与える。制御信号ｓ２を受けたＺ微動機構２３は、カンチレバー２１の高さ位置を調整し、探針２０と試料１２の表面との間の距離を一定の距離に保つ。上記の光検出器２７からＺ微動機構２３に到る制御ループは、探針２０で試料表面を走査するとき、光てこ式光学検出装置によってカンチレバー２１の変形状態を検出しながら、探針２０と試料１２との間の距離を上記の基準電圧（Ｖref）に基づいて決まる所定の一定距離に保持するためのフィードバックサーボ制御のループである。この制御ループによって探針２０は試料１２の表面から一定の距離に保たれ、この状態で試料１２の表面を走査すると、試料表面の凹凸形状を測定することができる。
【００３２】
次に、第１制御装置３３は次のような機能部を備えている。
【００３３】
光学顕微鏡１８は、フォーカス用Ｚ方向移動機構部１７ａとＸＹ方向移動機構部１７ｂとから成る駆動機構１７によって、その位置が変化させられる。第１制御装置３３は、上記のＺ方向移動機構部１７ａとＸＹ方向移動機構部１７ｂのそれぞれの動作を制御するための第１駆動制御部４１と第２駆動制御部４２を備えている。
【００３４】
光学顕微鏡１８によって得られた試料表面やカンチレバー２１の像は、カメラ１９によって撮像され、画像データとして取り出される。光学顕微鏡１８のカメラ１９で得られた画像データは第１制御装置３３に入力され、内部の画像処理部４３で処理される。
【００３５】
制御器３２等を含む上記のフィードバックサーボ制御ループにおいて、制御器３２から出力される制御信号ｓ２は、走査型プローブ顕微鏡（原子間力顕微鏡）における探針２０の高さ信号を意味するものである。探針２０の高さ信号すなわち制御信号ｓ２によって探針２０の高さ位置の変化に係る情報を得ることができる。探針２０の高さ位置情報を含む上記制御信号ｓ２は、前述のごとくＺ微動機構２３に対して駆動制御用に与えられると共に、制御装置３３内のデータ処理部４４に取り込まれる。
【００３６】
カンチレバー変位検出部（変位検出装置）２４の光検出器２７から出力される電圧信号Ｖｄは、探針の退避動作が完了後、モニタ部４９によってモニタされる。
【００３７】
試料１２の表面の測定領域について探針２０による試料表面の走査は、ＸＹ微動機構２９を駆動することにより行われる。ＸＹ微動機構２９の駆動制御は、ＸＹ微動機構２９に対してＸＹ走査信号ｓ３を提供するＸＹ走査制御部４５によって行われる。
【００３８】
また試料ステージ１１のＸＹステージ１４とＺステージ１５の駆動は、Ｘ方向駆動信号を出力するＸ駆動制御部４６とＹ方向駆動信号を出力するＹ駆動制御部４７とＺ方向駆動信号を出力するＺ駆動制御部４８とによって制御される。
【００３９】
なお第１制御装置３３は、必要に応じて、設定された制御用データ、入力した光学顕微鏡画像データや探針の高さ位置に係るデータ等を記憶・保存する記憶部を備える。
【００４０】
上記第１制御装置３３に対して上位に位置する第２制御装置３４が設けられている。第２制御装置３４は、通常の計測プログラムの記憶・実行および通常の計測条件の設定・記憶、自動計測プログラムの記憶・実行およびその計測条件の設定・記憶、計測データの保存、計測結果の画像処理および表示装置（モニタ）３５への表示等の処理を行う。特に、本発明の場合には、ステップイン方式において、探針の退避動作の正常または異常を確認する探針退避状態を確認するプロセスを含んでおり、探針の退避動作が完了後、変位検出装置から出力される検出信号をモニタし、モニタした検出信号により探針の退避動作が正常であるかまたは異常であるかを判定するためのプログラムを備えている。また、探針の退避動作が異常であると判定されたときは警報を出して測定動作を停止する機能を有する。さらに、通信機能を有するように構成し、外部装置との間で通信を行える機能を持たせることもできる。
【００４１】
第２制御装置３４は、上記の機能を有することから、処理装置であるＣＰＵ５１と記憶部５２とから構成される。記憶部５２には上記のプログラムおよび条件データ等が記憶・保存される。また、ＣＰＵ５１と記憶部５２により後に述べる判定部の機能を実現する。さらに第２制御装置３４は、画像表示制御部５３と通信部等を備える。加えて第２制御装置３４にはインタフェース５４を介して入力装置３６が接続されており、入力装置３６によって記憶部５２に記憶されるプログラム、条件、データ等を設定・変更することができるようになっている。また、第２制御装置３４には、機能的に判定部と警報・停止部が実現され、かつインタフェース５６を介してアラーム３７および停止装置３８が接続される。第２制御装置３４の判定部はモニタ部４９からのモニタ信号に基づいて探針２０の退避状態が正常か異常かを判断する。判定部は、探針２０の退避状態が異常であると判断したときには、後述の警報・停止部を介してアラーム３７に警報をならさせ、かつ停止装置３８によって測定動作を停止させる。
【００４２】
第２制御装置３４のＣＰＵ５１は、バス５５を介して、第１制御装置３３の各機能部に対して上位の制御指令等を提供し、また画像処理部４３とデータ処理部４４とモニタ部４９等から画像データや探針の高さに係るデータ等を提供される。
【００４３】
モニタ部４９でモニタした検出信号により探針の退避動作が正常であるかまたは異常であるかを判定する判定部、および警報・停止部は、上記のごとく第２制御装置３４のＣＰＵ５１で機能手段として構成される。図４に示すごとく、この第２制御装置３４内の判定部６１と第１制御装置内のモニタ部４９とにより、探針退避状態確認装置６０を構成している。
【００４４】
また、図４に示した警報・停止部５７は、判定部６１によって探針の退避動作が異常であると判定されたときはインタフェース５７を介して警報を出して測定動作を停止する装置である。
【００４５】
次に上記走査型プローブ顕微鏡（原子間力顕微鏡）の基本動作を説明する。
【００４６】
試料ステージ１１上に置かれた半導体基板等の試料１２の表面の所定領域に対してカンチレバー２１の探針２０の先端を臨ませる。通常、探針接近用機構であるＺステージ１５によって探針２０を試料１２の表面に近づけ、原子間力を作用させてカンチレバー２１に撓み変形を生じさせる。カンチレバー２１の撓み変形による撓み量を、前述した光てこ式光学検出装置によって検出する。この状態において、試料表面に対して探針２０を移動させることにより試料表面の走査（ＸＹ走査）が行われる。探針２０による試料１２の表面のＸＹ走査は、探針２０の側をＸＹ微動機構２９で移動（微動）させることによって、または試料１２の側をＸＹステージ１４で移動（粗動）させることによって、試料１２と探針２０の間で相対的なＸＹ平面内での移動関係を作り出すことにより行われる。
【００４７】
探針２０側の移動は、カンチレバー２１を備えるＸＹ微動機構２９に対してＸＹ微動に係るＸＹ走査信号ｓ３を与えることによって行われる。ＸＹ微動に係る走査信号ｓ３は第１制御装置３３内のＸＹ走査制御部４５から与えられる。他方、試料側の移動は、試料ステージ１１のＸＹステージ１４に対してＸ駆動制御部４６とＹ駆動制御部４７から駆動信号を与えることによって行われる。
【００４８】
上記ＸＹ微動機構２９は、圧電素子を利用して構成され、高精度および高分解能な走査移動を行うことができる。またＸＹ微動機構２９によるＸＹ走査で測定される測定範囲については、圧電素子のストロークによって制約されるので、最大でも約１００μｍ程度の距離で決まる範囲となる。ＸＹ微動機構２９によるＸＹ走査によれば、微小範囲の測定となる。他方、上記のＸＹステージ１４は、通常、駆動部として電磁気モータを利用して構成するので、そのストロークは数百ｍｍまで大きくすることができる。ＸＹステージによるＸＹ走査によれば、ワイド範囲の測定となる。
【００４９】
上記のごとくして試料１２の表面上の所定の測定領域を探針２０で走査しながら、フィードバックサーボ制御ループに基づいてカンチレバー２１の撓み量（撓み等による変形量）が一定になるように制御を行う。カンチレバー２１の撓み量は、常に、基準となる目標撓み量（基準電圧Ｖrefで設定される）に一致するように制御される。その結果、探針２０と試料１２の表面との距離は一定の距離に保持される。従って探針２０は試料１２の表面の微細凹凸形状（プロファイル）をなぞりながら移動することになり、探針の高さ信号を得ることによって試料１２の表面の微細凹凸形状を計測することができる。
【００５０】
上記のごとき走査型プローブ顕微鏡は、例えば、図３に示すごとく、半導体デバイス（ＬＳＩ）のインライン製作装置の途中段階で基板（ウェハ）の検査を行う自動検査工程９２として組み込まれる。図示しない基板搬送装置によって、前段の製作処理工程９１から検査対象である基板（試料１２）を搬出し、自動検査工程９２の上記走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の基板ホルダ１６上に置くと、走査型プローブ顕微鏡により基板表面の所定領域の微細凹凸形状が自動的に計測され、前段での基板製作の処理内容の合否が判定され、その後、再び基板搬送装置によって後段の製作処理工程９３へ搬出される。
【００５１】
次に、図４〜図６を参照して、走査型プローブ顕微鏡の探針退避状態確認部を説明する。
【００５２】
図４は、前述した探針退避状態確認部６０のブロック構成図である。探針退避状態確認部６０はモニタ部４９と判定部６１から構成される。モニタ部４９は、第１制御装置３３内に備えられ、探針２０の退避動作が完了後、光検出器２７から出力される検出信号をモニタし、その変位信号を判定部６１に出力する。判定部６１は、探針２０が試料表面に吸着された状態にあると判断したときは吸着判定信号を警報・停止部５７に出力する。
【００５３】
図５は、判定部６１と警報・停止部５７の部分のみを前述の第２制御装置３４のコンピュータ構成で示したものである。判定部６１は、入力部６２および出力部６３と、前述のＣＰＵ５１および記憶部５２とを備えている。この判定部６１では、記憶部５２内の記憶領域６４には探針が吸着状態かどうか判定するための所定値が記憶されている。また、記憶領域６５には処理プログラム（判定プログラムと警報・停止プログラム）が記憶されている。判定部６１は、予め正常な退避状態でのモニタ部４９からの変位信号を、正常状態での光検出器の信号として記憶部５２に記憶しておき、測定時には退避状態でモニタ部４９からの変位信号と記憶部に記憶した正常状態での信号と差の絶対値を求め、その絶対値が所定値より小さければ、正常であることを判断し、正常値信号、例えばゼロを警報・停止部５７に出力し、その絶対値が所定値より大きければ、探針吸着と判断し、異常信号、例えば１を警報・停止部５７に出力する。なお、上記正常状態での光検出器の信号を記憶するのは、正常状態での信号を検出できるときならいつでもよいが、信号のドリフト等を考慮すると、測定する試料ごとに最初に探針を試料に接近させる直前に行うのが好ましい。
【００５４】
警報・停止部５７は、判定部６１によって探針２０の退避動作が異常であると判定されたときは警報信号を出して測定動作を停止する機能部分である。この機能部分は、判定部６１からの信号がゼロのときには、アラームオフ信号をインタフェース５６を介してアラーム３７に出し、測定動作継続信号を出し、測定動作継続状態を保つ。判定部６１からの信号が１のとき、アラームオン信号をアラーム３７に対して出力し、測定動作停止信号を停止装置３８に対して出力する。それにより、アラームが鳴ったとき、探針吸着状態であると判断することができ、また、自動的に測定動作が停止し、探針の破損を避けることができる。
【００５５】
次に、本実施形態の作用について、判定部６１および警報・停止部５７に係る記憶領域６５に記憶される処理プログラムに対応する図６のフローチャートを用いて説明する。処理プログラムは測定開始とともにスタートし、接近動作（ステップＳ１０）、ＳＰＭ測定（ステップＳ１１）、退避動作（ステップＳ１２）と順次行う。ステップＳ１２の退避動作の実行後、モニタ部４９により光検出器２７の信号Ｖdをモニタする（ステップＳ１３）。そのモニタした信号と記憶部に記憶された正常状態での光検出器２７の信号Ｖd_usualとの差ＤＳ（ＤＳ＝Ｖd−Ｖd_usual）を演算する（ステップＳ１４）。その差ＤＳと記憶部５２の記憶領域６４に記憶された所定値とをＣＰＵによって比較する（ステップＳＴ１５）。その結果、差ＤＳの絶対値が所定値より小さいときは、次の測定点へ移動する（ステップＳＴ１６）。その後、測定終了かどうか判断し（ステップＳ１７）、測定が終了していなければ、再び、ステップＳ１０に戻り、処理を行う。測定終了であれば、処理プログラムの実行を終了する。また、ステップＳ１５において、差ＤＳの絶対値が所定値以上のときは、１をアラーム３７と停止装置３８に出力する。信号が１であるとき、警報・停止部５７が動作し、アラーム３７にアラーム信号を出し、かつ停止装置３８に測定動作停止信号を出力して測定動作を停止する（ステップＳ１８）。
【００５６】
このように、判定部６１によって探針の退避動作が異常であると判定されたときは警報を出して測定動作を停止させる警報・停止部５７と、警報を出すアラーム３７および停止装置３８を備えたので、探針吸着による画像の乱れを確実に検知し、また、探針吸着が起こったときには、測定者に警報で知らせると共に測定動作を停止し、探針の破損を避けることができる。
【００５７】
前述の実施形態の説明では、広域観察として光学顕微鏡を用いたが、その代わりに、走査型電子顕微鏡やレーザ顕微鏡などの各種のものを使用することができる。
【００５８】
上記の各実施形態で説明される構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎず、また数値および各構成の組成（材質）については例示にすぎない。従って本発明は、以下に説明される実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明は、探針の退避状態を確認でき、探針の破損、測定データの乱れを防止できるステップイン方式走査型プローブ顕微鏡として利用される。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の全体的な構成を示す構成図である。
【図２】試料ステージの具体的な構成を示す斜視図である。
【図３】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡がインライン自動検査工程として用いられる構成を示したブロック図である。
【図４】探針退避状態確認部のブロック構成図である。
【図５】判定部および警報・停止部を示すブロック構成図である。
【図６】判定部および警報・停止部の処理プログラムに対応するフローチャートである。
【図７】ステップイン方式でのカンチレバーの状態を示す図であり、（ａ）接触状態、（ｂ）正常な退避状態、（ｃ）異常な退避状態を示す図である。
【図８】ステップイン方式のカンチレバーの動作を示す図である。
【符号の説明】
【００６１】
１１      試料ステージ
１２      試料
１６      試料ホルダ
１７      駆動機構
１８      光学顕微鏡
１９      カメラ
２０      探針
２１      カンチレバー
２２      取付け部
２３      Ｚ微動機構
２９      ＸＹ微動機構
３３      第１制御装置
３４      第２制御装置
４９      モニタ部
５５      警報・停止装置
６０      探針退避状態確認部
６１      判定部
【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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