(57)【要約】【課題】  試料とプローブとの接触を回避できるのみならず、走査中にプローブが試料を検出してから試料表面上に持ち上がるまでの時間も短縮できる走査型プローブ顕微鏡を提供する。【解決手段】  カンチレバーの変位量または該カンチレバーを強制振動させた時の振動量を一定に制御するＺ軸制御量算出手段と、前記Ｚ軸制御量算出手段からの制御信号により前記カンチレバーまたは試料をＺ方向に駆動するＺ軸駆動手段と、前記Ｚ軸駆動手段の駆動範囲を制限する駆動範囲制限手段と、前記駆動範囲を任意に設定する駆動範囲設定手段を設け、試料が存在しない領域でも設定された位置までしかプローブが下がらないようにする。【選択図】    図１
2005257420.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端に微小なプローブ（探針）を有するカンチレバーと、前記カンチレバーの変位を検出する変位検出手段と、前記カンチレバーの変位量または該カンチレバーを強制振動させた時の振動量を一定に保持するための制御量を算出するＺ軸制御量算出手段と、前記Ｚ軸制御量算出手段からの制御量に基づき前記カンチレバーまたは被測定試料をＺ方向に駆動するＺ軸駆動手段と、前記測定試料に対し前記プローブをＸＹ平面方向に相対移動させるＸＹ走査手段と、前記Ｚ軸制御量算出手段から出力される制御量や前記変位検出手段から出力される信号を記憶する記憶手段で構成され、前記プローブを試料表面に沿って前記ＸＹ走査手段により走査しながら前記測定試料表面の凹凸形状や物性特性を測定する走査型プローブ顕微鏡において、前記Ｚ軸駆動手段による駆動範囲を制限する制御範囲制限手段と、前記駆動範囲を任意に設定する制御範囲設定手段を有することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記測定試料のＺ軸方向の傾きを計測する傾き計測手段と、前記傾き計測手段で算出した試料面の傾きを基に測定に必要なＺ軸制御範囲を算出するＺ軸制御範囲算出手段で構成され、前記Ｚ軸制御範囲算出手段により算出した駆動範囲を前記Ｚ軸制御範囲設定手段に設定す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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、先端に微小なプローブ（探針）を有するカンチレバーと試料間に働く力を利用し、試料表面の凹凸形状や物性特性を測定する走査型プローブ顕微鏡に関し、特に試料とプローブとの接触が回避可能な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、先端に微小なプローブ（探針）を有するカンチレバーと、前記カンチレバーの変位を検出する変位検出手段と、前記カンチレバーの変位量または該カンチレバーを強制振動させた時の振動量を一定に保持するための制御量を算出するＺ軸制御量算出手段と、前記Ｚ軸制御量算出手段からの制御量に基づき前記カンチレバーまたは被測定試料をＺ方向に駆動するＺ軸駆動手段と、前記測定試料に対し前記プローブをＸＹ平面方向に相対移動させるＸＹ走査手段と、前記Ｚ軸制御量算出手段から出力される制御量や前記変位検出手段から出力される信号を記憶する記憶手段で構成され、前記プローブを試料表面に沿って前記ＸＹ走査手段により走査しながら前記測定試料表面の凹凸形状や物性特性を測定するものであり、一例として、プローブ先端と試料表面との間に働く原子間力を検出する原子間力顕微鏡（AFM）が知られている。
【０００３】
原子間力顕微鏡は、前記カンチレバーの変位が一定になるようにプローブと試料の距離を制御するＺ軸制御手段を有し、Ｚ軸の制御量を画像化することで、試料表面の凹凸形状を3次元画像化する走査型プローブ顕微鏡である。
【０００４】
走査型プローブ顕微鏡で半導体などの小片試料の端を測定する場合、測定領域内に試料が存在しない領域があると、試料の存在しない領域ではＺ軸駆動手段が存在しない試料を検出するため駆動範囲の下限位置まで下がり、プローブが空中を空振り走査するような状態となる。そのような状態で走査するとプローブが試料の側面を検出した時に、Ｚ軸駆動手段が縮みプローブを試料表面に持ち上げようとするが、プローブが試料を検出してから試料表面上に移動する速度に対して走査速度が速いと、プローブと試料が接触してプローブを破損する恐れがあった。
【０００５】
そこで、プローブと試料の接触を回避するため、プローブが安全に試料面上に移動できるような充分に遅い速度で走査したり、走査中にプローブの高さを監視し、予め設定されたプローブ高さ制限値を超えた時には一度走査を停止させて、プローブを安全な位置に退避してから走査を再開するといった手段を用いている（例えば、特許文献1参照）。
【０００６】
しかしながら、上記のような手段では、以下のような問題がある。
1)  測定に余分な時間がかかり、スループットが低下する。
2)  走査素子にピエゾ素子などを使用した場合、一度走査を停止するので、ピエゾ素子の非線形性特性により、画像に歪みが生じる。
【特許文献１】特開２００３−１６６９２７号公報  （段落００２５−００２９，図４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで本発明は、上述した従来の問題点に鑑み、試料とプローブとの接触を回避できるのみならず、走査中にプローブが試料を検出してから試料表面上に持ち上がるまでの時間も短縮できる走査型プローブ顕微鏡を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記問題を解決するために、本発明は、先端に微小なプローブ（探針）を有するカンチレバーと、前記カンチレバーの変位を検出する変位検出手段と、前記カンチレバーの変位量または該カンチレバーを強制振動させた時の振動量を一定に保持するための制御量を算出するＺ軸制御量算出手段と、前記Ｚ軸制御量算出手段からの制御量に基づき前記カンチレバーまたは被測定試料をＺ方向に駆動するＺ軸駆動手段と、前記測定試料に対し前記プローブをＸＹ平面方向に相対移動させるＸＹ走査手段と、前記Ｚ軸制御量算出手段から出力される制御量や前記変位検出手段から出力される信号を記憶する記憶手段で構成され、前記プローブを試料表面に沿って前記ＸＹ走査手段により走査しながら前記測定試料表面の凹凸形状や物性特性を測定する走査型プローブ顕微鏡において、前記Ｚ軸駆動手段による駆動範囲を制限する制御範囲制限手段と、前記駆動範囲を任意に設定する制御範囲設定手段を有することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡とした。
【０００９】
また、本発明は、前記測定試料のＺ軸方向の傾きを計測する傾き計測手段と、前記傾き計測手段で算出した試料面の傾きを基に測定に必要なＺ軸制御範囲を算出するＺ軸制御範囲算出手段で構成され、前記Ｚ軸制御範囲算出手段により算出した駆動囲を前記Ｚ軸制御範囲設定手段に設定することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡とした。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は上述したように、Ｚ軸駆動手段による駆動範囲を制限する手段を有する構成としたことで、試料が存在しない領域を走査する時でも設定された位置までしかプローブが下がらないので、試料が存在しない領域から試料端面を検出しても、プローブが試料の表面上に持ち上がるまでの移動距離が短くなり、プローブが試料面上に移動するまでの時間が短縮され、プローブと試料の接触を回避できるので、プローブを保護する効果がある。
【００１１】
また、従来のようにプローブと試料の接触を回避するために走査速度を遅くする必要がなくなり、効率的な測定が行える効果もある。
【００１２】
さらに、通常Ｚ軸駆動手段がＺ方向に大きく駆動するとその後前記Ｚ軸駆動手段のＺ方向の挙動が変化する影響するクリープ現象により測定データにＺ方向の歪みが発生するが、この悪影響を回避する効果もある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本来、試料が存在しない領域は測定する必要がないため、プローブを下限位置まで下げる必要がないものである。
【００１４】
そこで本発明では、Ｚ軸の駆動範囲を事前に設定した値に制限する手段を設け、Ｚ軸制御量算出手段からのＺ軸目標位置と事前に設定したＺ軸駆動下限値とを比較し、Ｚ軸目標位置がＺ軸駆動下限値よりも上の位置になる場合はそのままＺ軸制御を行い、一方Ｚ軸目標位置がＺ軸駆動下限値よりも下に位置になる場合は、Ｚ軸制御位置を下限値に置き変えることで、プローブの走査位置に試料が存在しない状態でもプローブが下限設定値より下がらないようにした。
【００１５】
本発明は、図１に示すように、先端に微小なプローブ４を有するカンチレバー３と、カンチレバー３の変位を検出する変位検出器６と、カンチレバーの変位量またはカンチレバーを強制振動させた時の振動量を一定に制御するための制御量を算出するＺ軸制御量算出手段１２と、Ｚ軸制御量算出手段１２からの制御量を判定するＺ制御範囲判定手段１３と、Ｚ軸制御量算出手段１２からの制御量に基づき駆動信号を生成するＺ駆動信号生成手段１４と、Ｚ駆動信号生成手段１４からの制御信号を増幅する走査信号増幅手段１５と、走査信号増幅手段１５により増幅された信号によりカンチレバー３をＺ方向に駆動するピエゾ素子１と、プローブ４を試料表面上でＸＹ平面方向に相対移動させるＸＹ走査手段と、Ｚ駆動信号生成手段１４から出力される制御量や変位検出手段から出力される信号を記憶する記憶手段で構成され、前記プローブを試料表面上で走査させた時のカンチレバーの変位量を基に試料表面の凹凸形状や物性特性を測定するも走査型プローブ顕微鏡において、ピエゾ素子１がＺ方向に駆動できる範囲を任意に制限することで、試料が存在しない領域を走査する時にもプローブが不要に下がり過ぎなくなるため、試料を検出したときにプローブが瞬時に試料面上に引き上げることを可能にした。以下、本発明の実施の形態例を図面に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１６】
まず、本発明における走査型プローブ顕微鏡の第１実施例について、図１乃至図３に基づいて説明する。
【００１７】
図１は、本発明における走査型プローブ顕微鏡の第1実施例の構成を示すブロック図である。Ｚ軸駆動手段とＸＹ走査手段にピエゾ素子１を用い、外面には図示しないＺ軸方向の駆動用電極と、同じく図示しないＸＹ走査用電極が構成され、各電極に印加される電圧の大きさに応じてピエゾ素子１が三次元に駆動する。ピエゾ素子１の一方（図では上方）は筐体２に固定され、もう一方はカンチレバー３が着脱可能な構造で固定されている。カンチレバー３は、一方の先端にプローブ（探針）４を有した微小な片持ちバネ構造である。レーザ発生器５からのレーザ光がカンチレバー２のプローブが形成されていない面に照射され、その反射光は変位検出器６に入射している。変位検出器６は、４分割された光検出電極で構成され、４分割電極から出力される電圧の大きさでカンチレバー３の変位が検出可能になっている。
【００１８】
測定試料８は試料台７の上に固定され、カンチレバー３に対向する位置に構成されている。試料台７は粗動手段９に固定され、粗動手段９は図示しないステッピングモータとステッピングモータの回転運動を直線運動に変換する図示しない送りネジ機構で構成され、ステッピングモータの回転運動により、測定試料８が上下動し、カンチレバー３と接触させることが可能な構成となっている。
【００１９】
ＸＹ走査信号生成手段１０は、制御コンピュータ１１からの走査領域情報を得て走査信号を生成し、走査信号増幅手段１５を介して電圧増幅し、ピエゾ素子１に構成されたＸＹ走査用電極に印加される。走査用電圧が印加されたピエゾ素子１は、Ｘ方向及びＹ方向に一定周期または不定周期で駆動し、カンチレバー３のプローブ４が測定試料８の表面上をＸＹ走査する構成になっている。
【００２０】
プローブ４が測定試料８の表面上を走査すると試料面上の凹凸の影響を受け、カンチレバー３が微小に変位する（たわむ）ので、この変位量を変位検出器６で検出し、検出された変位量がＺ軸制御量算出手段１２に入力される。Ｚ軸制御量算出手段１２では、入力されたカンチレバー３の変位量に基づきピエゾ素子１に印加すべき電圧に相当する制御量を算出する。Ｚ軸制御範囲制限手段として、前記制御量がＺ軸制御範囲判定手段１３に入力され、入力された制御量が制御範囲内かどうかを判定し、制御範囲外の時は制御範囲制限値に変更して、Ｚ軸駆動信号生成手段１４に入力されＺ制御範囲を制限するようにした。Ｚ軸制御範囲設定手段１６は、制御コンピュータ１１から入力された判定基準値を、Ｚ軸制御範囲判定手段１３に入力することで、判定値を変更することが可能になっている。Ｚ駆動信号生成手段１４では、入力された制御量に基づき駆動信号を生成し、走査信号増幅手段１５で信号増幅してピエゾ素子１に入力される。ピエゾ素子１は入力された信号量だけＺ方向に駆動することでカンチレバーが上下動し、カンチレバー３の変位量を制御する。
【００２１】
また、記憶手段としてＺ軸駆動信号生成手段１４からの制御信号がフレームメモリ１９に記憶され、前記フレームメモリ１９に記憶されたデータは制御コンピュータ１１に入力され、制御コンピュータ１１が二次元及び三次元画像化する処理を行う。
【００２２】
しかし、従来の走査型プローブ顕微鏡では、図２（ａ）のように試料が存在しない領域を走査すると、カンチレバーは、ピエゾ素子１で移動可能な最下限位置まで下がってしまい、プローブが試料を検出しても、Ｚ軸の制御が働きピエゾ素子を縮ませてプローブを試料表面上に引き上げるには時間差があり、ＸＹ走査に対してプローブの引き上げが遅れれば、試料とプローブが接触してしまいプローブを破損させてしまう恐れがある。また、接触を回避するために走査を一度停止させたり、遅い速度で走査させたりしなければならなかった。
【００２３】
そこで、本発明ではＺ軸制御範囲判定手段１３により、Ｚ軸制御量算出手段１２からの制御量と比較してＺ軸の制御範囲を制限するようにした。
【００２４】
図３は、第１実施例のフローチャートであり、このフローチャートに基づいて走査型プローブ顕微鏡の動作の流れを説明する。
ステップ３０：Ｚ軸制御範囲設定手段１６で設定された制御範囲を設定する
ステップ３１：走査を開始する
ステップ３２：試料面の凹凸形状に沿ってプローブ４が上下動し、前記プローブ４の上下動が変位検出器６によりカンチレバーの変位量として測定する
ステップ３３：Ｚ軸制御量算出手段１２で、カンチレバーの変位量からＺ軸の制御目標位置を算出する
ステップ３４：ステップ３３で算出した制御目標位置とステップ３０で設定したＺ軸制御範囲とを比較する
ステップ３５：制御目標位置が制御範囲の下限位置より下の時は、制御目標位置が下限位置になるように変更する
ステップ３６：ステップ３４及びステップ３５で算出された制御目標位置（信号）を制御電圧に増幅してピエゾ素子１に入力する
ステップ３７：ステップ３４及びステップ３５で算出された制御目標位置（信号）をフレームメモリに記憶する
ステップ３８：走査終了かを判定する
図２は、走査中のプローブ先端の軌跡を横から見た説明図である。
【００２５】
図２（ａ）は、本発明を実施しない場合のプローブ先端の軌跡を図示したものであり、試料が存在しない領域２０を走査している時は、プローブ４はピエゾ素子の制御範囲の下限値まで下がった状態で走査が行われる。走査中にプローブ４が試料８を検出すると変位検出器６からの変位信号が変化し、Ｚ軸制御手段からのＺ軸駆動電圧によりピエゾ素子が縮み、プローブ４を試料８の表面上まで持ち上げるが、走査速度に対して持ち上げる速度が遅いとプローブ４と試料８が衝突する恐れがある。
【００２６】
図２（ｂ）は、本発明を実施した場合のプローブ先端の軌跡を図示したものである。試料が存在しない領域２０を走査している時も、設定されたＺ軸制御範囲値までしかプローブ４が下がらないため、走査中にプローブ４が試料８を検出した時にも無理なく試料面上に持ちあがり、プローブ４と試料８の衝突を回避することが可能となる。
【実施例２】
【００２７】
次に、本発明における走査型プローブ顕微鏡の第２実施例について、図４乃至図６に基づいて説明する。
【００２８】
図４は、本発明の走査型プローブ顕微鏡の第２実施例を示すブロック図である。この第２実施例の走査型プローブ顕微鏡は、図１に示した第１実施例の走査型プローブ顕微鏡に、試料の傾き計測手段１７とＺ軸制御範囲算出手段１８を追加した点が特徴となっていて、その他の共通部分については、図１と同じ符号を付けて示してあり、その詳細説明は省略する。また、図５（ａ）は、本発明における走査型プローブ顕微鏡の第２実施例で測定される被測定試料を上面から見た説明図であり、図５（ｂ）は被測定試料を横方向から見た説明図である。
【００２９】
一般に走査型プローブ顕微鏡では、試料面とＺ軸駆動手段の直交度の微小なズレが影響して、試料面が平坦であっても任意複数点でのＺ軸方向の高さの差、つまり試料面に傾きが生じることが多く、走査範囲が大きくなるとこの傾きによる高さの差は、試料面の凹凸の差よりも大きくなるため、Ｚ軸制御範囲を適切に設定する事が難しくなる場合がある。
【００３０】
そこで本発明では、測定前に傾き計測用の検査測定を行い、検査測定で得られた測定データに基づき試料の傾きを計測し、適切なＺ軸制御範囲を設定する構成とした。
【００３１】
本測定の前に微小でかつ平坦な領域となる検査領域４１をピエゾ素子で走査し、Ｚ軸駆動信号生成手段１４より各測定位置におけるＺ軸制御位置（高さ）が前記フレームメモリ１９に記憶される。検査領域４１は、試料面上で大きな段差が無く平坦な場所であり、例えば、測定領域４０より小さくかつ測定領域全体に試料が存在する領域を測定して、その測定データから平坦な領域を検査領域として設定しても良い。
【００３２】
検査用測定が終了すると、前記フレームメモリ１９に記憶された測定データが試料傾き計測手段１７に入力される。前記試料傾き計測手段１７は、入力された測定したデータ高さの最小値Ｚmin４４と最大値ＺmaＸ４５を計測し、Ｚmin４４を計測した位置を検査領域４１の中心からの距離で表しDmin、ＺmaＸ４５を計測した位置を検査領域４１の中心からの距離で表しDmaＸとすると、試料の傾きを示す傾斜度Ｓは以下の（１）式で算出する。
【００３３】
Ｓ ＝ （ＺmaＸ − Ｚmin）／（DmaＸ ＋ Dmin）        （１）
（１）式で算出した傾斜度Ｓが前記Ｚ制御範囲算出手段１８に入力され、前記Ｚ制御範囲算出手段１８では、前記傾斜度Ｓと本測定の測定領域の一辺の長さＸ、Ｘと直交する一辺の長さＹ、及び測定領域中心部におけるＺ制御位置をＺcenterとして、測定領域の端におけるＺ制御位置の最下限位置Ｚlimitを以下の式で算出する。
【００３４】
Ｚlimit ＝ Ｚcenter  − Ｓ・√（Ｘ・Ｘ＋Ｙ・Ｙ）−Ｚα        （２）
なお、Ｚαは下限値に余裕を持たせるための値である。
【００３５】
（２）式で算出したＺlimit値は前記Ｚ軸制御範囲設定手段１６に入力され、前記Ｚ軸制御範囲を変更することが可能となる。上述の説明の如く試料面の傾きを考慮した適切なＺ軸制御範囲が設定されることになる。
【００３６】
図６は、本発明における走査型プローブ顕微鏡の第２実施例の動作の流れを示すフローチャートである。以下、このフローチャートに基づいて動作を説明する。
ステップ６０：検査領域４１に対応する走査領域を設定する
ステップ３０：Ｚ制御範囲の最大幅を設定する
ステップ３１〜３８：走査を開始した以降は、第１実施例と同一なので説明を省略する
ステップ６３：走査が終了すると検査用測定か本測定かを判定する
ステップ６２：検査用測定の場合は、フレームメモリに記憶された測定したデータを基に傾斜度を算出する
ステップ６１：ステップ６２で算出した傾斜度から適切なＺ制御範囲を算出する
ステップ６０：本測定に対応した走査領域を設定する
ステップ３０：ステップ６１で算出したＺ制御範囲を設定する
ステップ３１〜３８：本測定を行う
ステップ６３：本測定終了と判定し、終了
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の第１実施例の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明における走査時のプローブの軌跡を説明する図である。
【図３】本発明における走査型プローブ顕微鏡の第１実施例の動作を説明するフローチャートである。
【図４】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の第２実施例の構成を示すブロック図である。
【図５】本発明における走査型プローブ顕微鏡の第２実施例で測定される被測定試料の説明図であり、（ａ）は被測定試料を上面から見た図、（ｂ）は被測定試料を横方向から見た図である。
【図６】本発明における走査型プローブ顕微鏡の第２実施例の動作を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
【００３８】
１：    ピエゾ素子
２：    筐体
３：    カンチレバー
４：    プローブ
５：    レーザ発生器
６：    変位検出器
７：    試料台
８：    被測定試料
９：    粗動手段
１０：  ＸＹ走査信号生成手段
１１：  制御コンピュータ
１２：  Ｚ軸制御量算出手段
１３：  Ｚ軸制御範囲判定手段
１４：  Ｚ軸駆動信号生成手段
１５：  走査信号増幅手段
１６：  Ｚ軸制御範囲設定手段
１７：  傾き計測手段
１８：  Ｚ軸制御範囲算出手段
１９：  フレームメモリ
２０：  試料が存在しない領域
２１：  プローブ先端の軌跡
４０：  測定領域
４１：  検査領域
４２：  試料が存在しない領域
４３：  試料表面
４４：  Ｚ最小値
４５：  Ｚ最大値
【図１】
2005257420.tif 000003
【図２】
2005257420.tif 000004
【図３】
2005257420.tif 000005
【図４】
2005257420.tif 000006
【図５】
2005257420.tif 000007
【図６】
2005257420.tif 000008