(57)【要約】【課題】  探針のＸＹ方向へ走査および試料表面へ接近させる制御が簡単で、試料のアンダカット構造部分の計測が可能な走査型プローブ顕微鏡を提供する。【解決手段】  探針を試料表面へ接近させる探針の移動軸を傾斜させる手段を、ＸＹ走査体２２とＺ走査支持体２３とにより構成した。そして、ＸＹ走査体２２の下面断面を内側に湾曲した円弧状に、Ｚ走査支持体２３の上面をＸＹ走査体２２の下面に滑合する円弧状に形成し、Ｚ走査支持体２３をＸＹ走査体２２の下面断面に沿ってスライド自在に吊設した。また、カンチレバー１３を、その先端に固設されている探針１２の先端がＸＹ走査体２２の下面断面の円弧が形成する円の中心に位置するよう配設し、カンチレバー１３の方向と試料表面に平行な面とがなす角を同じに保ったまま、カンチレバー１３の方向反転が可能な構成とした。【選択図】      図２
2005283540.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測対象の試料を載置する試料ステージと、
前記試料ステージの上面に対し平行な方向および接近または後退する方向に移動自在に設けられ、その先端に探針が固設されたカンチレバーと、
前記探針が前記試料の表面から所定の距離以上離間した位置で、前記探針および前記カンチレバーを前記試料の表面に平行な所定の方向に移動させるＸＹ方向探針移動手段と、
前記ＸＹ方向探針移動手段による前記探針および前記カンチレバーの移動が停止している状態で、前記探針を前記試料の表面に対して接近または後退させる方向へ移動させるＺ方向探針移動手段と、
前記探針が前記試料の表面に接近したときに前記試料の表面から受ける力を検出する力検出手段と、
前記Ｚ方向探針移動手段が前記探針を移動させる方向の直線で、前記探針の先端を通る直線を探針移動Ｚ方向軸として、前記探針移動Ｚ方向軸を前記試料の表面に平行な面の法線方向に対し傾斜させるＺ方向軸傾斜手段と
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Ｚ方向軸傾斜手段は、前記探針移動Ｚ方向軸を前記探針の先端を中心にして回転するように傾斜させること
を特徴とする請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】
前記カンチレバーの方向と前記試料の表面に平行な面とがなす角度を同じに保ったまま、前記カンチレバーの方向を反転させるカンチレバー方向反転手段
をさらに備えることを請求項１または請求項２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
前記Ｚ方向軸傾斜手段は、
前記ＸＹ方向探針移動手段により移動させられ、内側に湾曲した円弧状断面の下面を有するＸＹ走査体と、
前記ＸＹ走査体の湾曲した円弧状断面の下面に滑合する円弧状断面の上面を有し、前記ＸＹ走査体の湾曲した円弧状断面の下面に、その円弧に沿ってスライド自在に吊設されたＺ走査支持体と、
前記Ｚ走査支持体の下面に、前記Ｚ方向探針移動手段により移動可能なように吊設されたカンチレバー支持体と
を備え、
前記カンチレバーは、その先端に固設されている前記探針の先端が、前記ＸＹ走査体の下面断面の円弧が形成する円の中心に位置するように、前記カンチレバー支持体に固設されること
を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかの一項に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
前記ＸＹ走査体は、
前記ＸＹ方向探針移動手段により移動させられるＸＹ走査支持体と、
前記ＸＹ走査支持体にＸＹ方向の平面内で少なくとも１８０度回転自在に吊設され、内側に湾曲した円弧状断面の下面を有するＸＹ走査回転体と
を含み構成され、
前記ＸＹ走査回転体の回転軸は、前記探針移動Ｚ方向軸が前記試料の表面に平行な面の法線方向である場合の前記探針移動Ｚ方向軸と一致すること
を特徴とする請求項４に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかの一項に記載の走査型プローブ顕微鏡における試料表面形状の計測方法であって、
前記探針移動Ｚ方向軸を前記試料の表面に平行な面の法線方向にして、前記ＸＹ方向探針移動手段により前記探針を所定のＸＹ方向に所定の初期位置から所定の微小距離ずつ移動させては停止させ、そのＸＹ方向への移動が停止する各位置において、そのＸＹ方向への移動を停止したまま、前記探針を前記試料の表面へ接近させることにより前記試料の表面形状の計測を行う法線入射計測ステップと、
前記探針を前記法線入射計測ステップで計測を開始した初期位置へ戻し、前記探針移動Ｚ方向軸を前記試料の表面に平行な面の法線方向に対し傾斜させ、前記ＸＹ方向探針移動手段により前記探針を前記所定のＸＹ方向に前記所定の初期位置から前記所定の微小距離ずつ移動させては停止させ、そのＸＹ方向への移動が停止する各位置において、そのＸＹ方向への移動を停止したまま、前記探針を前記試料の表面へ接近させることにより前記試料の表面形状の計測を行う傾斜入射計測ステップと、
前記法線入射計測ステップで計測された前記試料の表面形状データと、前記傾斜入射計測ステップで計測された前記試料の表面形状データとを併合したデータにより前記試料の表面形状データを求める表面形状データ併合ステップと
を行うことを特徴とする試料表面形状の計測方法。
【請求項７】
請求項６に記載の試料表面形状の計測方法であって、
前記傾斜入射計測ステップを行った後に、さらに、
前記探針を前記法線方向計測ステップで計測を開始した初期位置へ戻し、前記カンチレバー反転手段により前記カンチレバーの方向および前記探針移動Ｚ方向軸を反転させ、前記ＸＹ方向探針移動手段により前記探針を前記所定のＸＹ方向に前記所定の初期位置から前記所定の微小距離ずつ移動させては停止させ、そのＸＹ方向への移動が停止する各位置において、そのＸＹ方向への移動を停止したまま、前記探針を前記試料の表面へ接近させることにより前記試料の表面形状の計測を行う逆傾斜入射計測ステップ
を行い、
前記表面形状データ併合ステップにおいては、前記法線入射計測ステップで計測された前記試料の表面形状データと、前記傾斜入射計測ステップで計測された前記試料の表面形状データとに、前記逆傾斜入射計測ステップで計測された前記試料の表面形状データをさらに加えて併合したデータにより前記試料の表面形状データを求めること
を特徴とする試料表面形状の計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料の３次元的な表面構造をナノメートルの精度で計測する走査型プローブ顕微鏡およびその走査型プローブ顕微鏡を用いた試料表面形状の計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路の素子および配線の微細化技術においては、絶えず技術革新がなされ、その最小加工寸法は、いまや１００ｎｍを割り込むところにまで進展している。その微細加工を支える技術は、エッチング技術である。エッチング技術により、半導体集積回路には、無数のトレンチ（深い溝）が形成され、また、アスペクト比（深さ／開口径）が大きなコンタクトホールが形成される。このようなトレンチやコンタクトホールの側壁は、ほとんど垂直に近い形状となる。
【０００３】
このような垂直な側壁が過剰エッチングされた場合には、側壁は、アンダカットやオーバハング構造になる。過剰エッチングは、アンダカットやオーバハング構造を素子構造として積極的に利用される場合を除き、エッチング工程の不良または不安定性の目安となる。そこで、アンダカットやオーバハング構造の有無または程度を観察すれば、エッチング工程の安定性をモニタすることができる。
【０００４】
ところが、アンダカットやオーバハング構造の断面構造は、試料の上方から探針を差し込む従来の走査型プローブ顕微鏡では、観察することができなかった。もし、観察しようとする場合には、例えば、ＦＩＢ（Focused Ion Beam）装置により断面を切り出した上で、走査型電子顕微鏡でその断面を観察するほかはなかった。しかし、この方法は、試料を破壊して観察する方法であるため、製造工程をモニタする目的には適用できなかった。そこで、走査型プローブ顕微鏡を、アンダカット構造部分の計測を可能なものとする必要があった。
【０００５】
特許文献１および特許文献２には、探針または試料を傾斜させることにより試料のアンダカット構造部分を観察可能にした走査型プローブ顕微鏡の例が開示されている。探針または試料を傾斜させれば、相対的に傾斜が緩くなるので、アンダカット構造部分の観察が可能になる。しかしながら、特許文献１および特許文献２に開示されている走査型プローブ顕微鏡では、探針を試料の表面に接触またはほとんど接触した状態で、試料の表面に平行な方向に走査しながら、試料表面形状を計測する。
【０００６】
探針を試料の表面に接触またはほとんど接触した状態で試料の表面を走査した場合、走査方向に対して急峻な山や溝の登り斜面があると、探針と試料の表面の間に大きな摩擦が生じ、その摩擦のために探針の先端が撓んだり、滑ったりする現象が見られた。そのため、そのとき計測された試料の表面形状の情報は、誤差が大きいものにならざるを得なかった。また、摩擦による撓みのため、探針が折損するようなこともしばしばあった。
【０００７】
また、特許文献３には、計測誤差が大きくなったり、探針が折損したりする欠点を改善した走査型プローブ顕微鏡の例が開示されている。その走査型プローブ顕微鏡の試料の表面形状の計測方法によれば、試料の表面に沿った平面内での探針の走査は試料の表面から離れた位置で行い、その位置から探針を試料の表面に接近させて試料の表面形状を計測する。そのため、探針が撓んだり滑ったりすることもなく、折損することもなくなる。しかし、文献３においては、探針または試料を傾斜させて、アンダカット構造部分を計測することについては何ら記載されていない。
【特許文献１】特開２０００−９７８４０号公報（段落［０００９］〜段落［００１４］、図５、図７）
【特許文献２】特開２０００−２７５２６０号公報（段落［００１０］〜段落［００５５］、図１〜図５）
【特許文献３】特開２００３−２２７７８８号公報（段落［００１８］〜段落［００４２］、図１〜図９）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、特許文献３に記載の計測方法を、特許文献１または特許文献２に記載の走査型プローブ顕微鏡に適用すれば、特許文献１または特許文献２に記載の走査型プローブ顕微鏡が有する欠点を無くすことができる。しかしながら、特許文献３に記載の計測方法を、特許文献１または特許文献２に記載の走査型プローブ顕微鏡にそのままの形で適用しようとすると、次のような問題が生じる。
【０００９】
特許文献１および特許文献２に記載の走査型プローブ顕微鏡では、ＸＹ面（試料の表面に沿う面）とＺ方向（探針が試料の表面に接近または離間する方向）とがなす角（通常は、垂直）が、探針または試料を傾斜しても、固定されたままの構造となっている。そのため、探針を斜め上方から試料の表面に接近させようとすると、Ｘ方向へ駆動する制御と、Ｚ方向へ駆動する制御を同時に行う必要があり、その制御が複雑になる。また、Ｚ方向を探針が斜めに移動する方向に合わせると、Ｘ方向は、試料の表面に沿う面から外れてしまうため、試料の表面に沿う面への走査の制御が複雑になる。
【００１０】
以上の従来技術の問題点に鑑み、本発明の課題は、探針のＸＹ面での走査を、試料の表面から離間した位置で行い、離間した位置から探針を試料の表面に接近させて試料の表面形状を計測する表面形状計測方法を備えた走査型プローブ顕微鏡であって、探針のＸＹ方向への走査の制御および探針を試料の表面に接近させる制御が簡単にでき、試料のアンダカット構造部分を計測可能とする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】
【００１１】
前記課題を解決するために、請求項１に記載の発明では、走査型プローブ顕微鏡を、計測対象の試料を載置する試料ステージと、試料ステージの上面に対し平行な方向および接近または後退する方向に移動自在に設けられ、その先端に探針が固設されたカンチレバーと、探針が試料の表面から所定の距離以上離間した位置で、探針およびカンチレバーを試料の表面に平行な所定の方向に移動させるＸＹ方向探針移動手段と、そのＸＹ方向探針移動手段による探針およびカンチレバーの移動が停止している状態で、探針を試料の表面に対して接近または後退させる方向へ移動させるＺ方向探針移動手段と、探針が前記試料の表面に接近したときに試料の表面から受ける力を検出する力検出手段と、Ｚ方向探針移動手段が前記探針を移動させる方向の直線で、探針の先端を通る直線を探針移動Ｚ方向軸として、その探針移動Ｚ方向軸を試料の表面に平行な面の法線方向対し傾斜させるＺ方向軸傾斜手段とを備える構成とした。
【００１２】
請求項１に記載の発明の走査型プローブ顕微鏡において、ＸＹ方向探針移動手段は、探針のＸＹ方向への走査を試料の表面から所定の距離以上離間した位置で行う。そのため、探針は、ＸＹ方向への走査に際し、摩擦力を受けたり、試料の表面の山にぶつかったりすることがないので、探針が折損するようなことはなくなる。
【００１３】
また、Ｚ方向探針移動手段は、ＸＹ方向探針移動手段が動作していない状態で、探針を試料の表面に接近させる。そして、力検出手段は、探針が試料の表面に接近したときに、試料の表面から受ける原子間力を検出し、その力が所定の値に達したときをもって試料の表面位置と判定する。すなわち、ＸＹ方向への移動を停止した上で、探針を試料上方から試料の表面へ接近させて試料の表面形状を計測する。従って、探針は、ＸＹ方向への走査に伴う摩擦力を受けないので、試料の表面の急峻な斜面においても探針が撓むようなことはなく、高精度に試料の表面形状を計測することができる。
【００１４】
さらに、Ｚ方向軸傾斜手段は、Ｚ方向探針移動手段が探針を移動させる方向を傾斜させる。そのため、探針は、試料の表面の真上からだけでなく、斜め上方から試料の表面に接近することができる。これによって、試料の表面におけるアンダカット構造部分の形状を計測することができる。
【００１５】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡におけるＺ方向軸傾斜手段は、探針移動Ｚ方向軸を探針の先端を中心にして回転するように傾斜させるようにした。そのため、その探針の先端位置は、探針移動Ｚ方向軸の傾斜角を変えても変わらない。従って、試料の表面の同じ部分を、探針移動Ｚ方向軸の傾斜角を変えて試料の表面の形状を計測するような場合であっても、探針の位置あわせを容易にかつより正確に行うことができるようになる。
【００１６】
請求項３に記載の発明では、走査型プローブ顕微鏡を、請求項１または請求項２に記載の走査型プローブ顕微鏡の構成に、カンチレバーが向く方向と試料の表面に平行な面とがなす角度を同じに保ったまま、カンチレバーの方向を反転させるカンチレバー方向反転手段をさらに備える構成とした。
【００１７】
請求項３に記載の走査型プローブ顕微鏡では、探針移動Ｚ方向軸を傾斜させているときに、カンチレバー方向反転手段がカンチレバーの方向を反転させると、反転させる前と後とでは、探針が試料の表面へ接近していく傾斜角が反転する。従って、特定方向に開いたアンダカット構造部分だけではなく、その反対方向に開いたアンダカット構造部分の表面形状をも計測できるようになる。
【００１８】
請求項４に記載の発明では、請求項１ないし請求項３のいずれかの一項に記載の走査型プローブ顕微鏡において、Ｚ方向軸傾斜手段を、ＸＹ方向探針移動手段により移動させられ、内側に湾曲した円弧状断面の下面を有するＸＹ走査体と、そのＸＹ走査体の湾曲した円弧状断面の下面に滑合する円弧状断面の上面を有し、ＸＹ走査体の湾曲した円弧状断面の下面に、その円弧に沿ってスライド自在に吊設されたＺ走査支持体と、そのＺ走査支持体の下面に、Ｚ方向探針移動手段により移動可能なように吊設されたカンチレバー支持体とを備えるように構成した。さらに、カンチレバーは、その先端に固設されている探針の先端が、ＸＹ走査体の下面断面の円弧が形成する円の中心に位置するように、カンチレバー支持体に固設されるようにした。
【００１９】
請求項４に記載の走査型プローブ顕微鏡では、Ｚ走査支持体の上面がＸＹ走査体の湾曲した下面の円弧に滑合した状態でスライドするので、Ｚ走査支持体は、その円弧の中心を不動点として回転する。ここで、カンチレバーは、探針の先端がその回転の不動点に位置するように、カンチレバー支持体に固設されている。従って、探針移動Ｚ方向軸は、Ｚ走査支持体をＸＹ走査体の湾曲した下面の円弧に沿ってスライドすることによって、探針の先端を中心として傾斜させられる。また、Ｚ走査支持体を傾斜させて探針移動Ｚ方向軸を傾斜させても、Ｚ方向探針移動手段は、それと同時に傾斜されるが、ＸＹ走査体は、傾斜しない。そのため、傾けられたＺ方向への探針の移動制御をＺ方向探針移動手段だけで容易に行うができるとともに、ＸＹ方向が、試料の表面に沿う面から外れることもない。
【００２０】
請求項５の発明では、請求項４に記載の走査型プローブ顕微鏡におけるＸＹ走査体を、ＸＹ方向探針移動手段により移動させられるＸＹ走査支持体と、そのＸＹ走査支持体にＸＹ方向の平面内で少なくとも１８０度回転自在に吊設され、内側に湾曲した円弧状断面の下面を有するＸＹ走査回転体とを含み構成した。そして、そのＸＹ走査回転体の回転軸は、探針移動Ｚ方向軸が試料の表面に平行な面の法線方向である場合の探針移動Ｚ方向軸と一致するようにした。
【００２１】
請求項５の走査型プローブ顕微鏡において、ＸＹ走査回転体を１８０度回転させると、カンチレバーの方向は反転する。このとき、ＸＹ走査回転体の回転軸は、探針移動Ｚ方向軸が試料の表面に平行な面の法線方向である場合の探針移動Ｚ方向軸と一致するようにしているので、探針の先端位置を変えずに、カンチレバーの方向を反転することができる。
【００２２】
請求項６に記載の発明では、試料表面形状の計測方法を、請求項１ないし請求項５のいずれかの一項に記載の走査型プローブ顕微鏡において、探針移動Ｚ方向軸を試料の表面に平行な面の法線方向にして、ＸＹ方向探針移動手段により探針を所定のＸＹ方向に所定の初期位置から所定の微小距離ずつ移動させては停止させ、そのＸＹ方向への移動が停止する各位置において、そのＸＹ方向への移動を停止したまま、探針を試料の表面へ接近させることにより試料表面形状の計測を行う法線入射計測ステップと、探針を法線方向計測ステップで計測を開始した初期位置へ戻し、探針移動Ｚ方向軸を試料の表面に平行な面の法線方向に対し傾斜させ、ＸＹ方向探針移動手段により探針を所定のＸＹ方向に所定の初期位置から所定の微小距離ずつ移動させては停止させ、そのＸＹ方向への移動が停止する各位置において、そのＸＹ方向への移動を停止したまま、探針を試料の表面へ接近させることにより試料表面形状の計測を行う傾斜入射計測ステップと、法線入射計測ステップで計測された試料表面形状データと、傾斜入射計測ステップで計測された試料表面形状データとを併合したデータにより表面形状データを求める表面形状データ併合ステップとを行うように構成した。
【００２３】
請求項６に記載の試料表面形状の計測方法では、法線入射計測ステップで計測された試料表面形状データと傾斜入射計測ステップで計測された試料表面形状データとを併合したデータにより試料表面形状データを求めるので、アンダカット構造部分を含め、より正確な試料表面形状を計測することができる。
【００２４】
請求項７に記載の発明では、試料表面形状の計測方法を、請求項６に記載の試料表面形状の計測方法において、傾斜入射計測ステップとを行った後に、さらに、探針を法線方向計測ステップで計測を開始した初期位置へ戻し、カンチレバー反転手段によりカンチレバーの方向および探針移動Ｚ方向軸を反転させ、ＸＹ方向探針移動手段により探針を前記所定のＸＹ方向に前記所定の初期位置から前記所定の微小距離ずつ移動させては停止させ、そのＸＹ方向への移動が停止する各位置において、そのＸＹ方向への移動を停止したまま、探針を試料の表面へ接近させることにより試料表面形状の計測を行う逆傾斜入射計測ステップを行い、表面形状データ併合ステップにおいては、法線入射計測ステップで計測された試料表面形状データと、傾斜入射計測ステップで計測された試料表面形状データとに、逆傾斜入射計測ステップで計測された試料表面形状データをさらに加えて併合したデータにより試料表面形状データを求めるようにした。
【００２５】
請求項７に記載の試料表面形状の計測方法では、法線入射計測ステップで計測された試料表面形状データと傾斜入射計測ステップで計測された試料表面形状データとに加え、逆傾斜入射計測ステップで計測された試料表面形状データを併合したデータに基づき試料表面形状データを求めるので、片方向のみならず両方向に開いたアンダカット構造部分を含む試料表面形状をより正確に計測することができる。
【発明の効果】
【００２６】
請求項１ないし請求項５に記載の走査型プローブ顕微鏡によれば、試料の表面に急峻な山や谷があっても探針が撓んだり折損したりすることがなくなり、高精度な試料の表面形状の計測が可能になる。また、探針を試料の表面へ接近させる移動軸を傾斜させることができ、試料の表面におけるアンダカット構造部分の形状を計測すること可能になる。また、探針を試料の表面へ接近させる移動軸を傾斜させても、探針を移動させる制御が複雑になることはない。
【００２７】
請求項６または請求項７に記載の試料表面形状の計測方法よれば、複数の傾斜角に沿って探針を表面に接近させて試料表面形状を計測し、それらの計測によって得られた試料表面形状データを併合するので、アンダカット構造部分を含む試料表面形状を高精度に計測することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の実施形態について、図１〜図５を参照しながら詳細に説明する。
【００２９】
まず、走査型プローブ顕微鏡の機能ブロックの構成および表面形状計測の原理について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の機能ブロックの構成例を示した図である。
【００３０】
図１において、ＸＹ試料ステージ１０は、計測対象の試料１１をその上面に載置するための載置台であり、ＸＹ方向に粗く移動する。走査制御回路３６は、ＸＹ試料ステージ１０の粗移動を制御するとともに、圧電素子Ｘ、圧電素子Ｙおよび圧電素子Ｚを駆動する。圧電素子Ｘ、圧電素子Ｙおよび圧電素子Ｚは、カンチレバー１３をそれぞれＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向へ移動させる。ここで、Ｘ方向およびＹ方向は、ＸＹ試料ステージ１０の上面すなわち試料１１の表面に平行な方向であり、Ｚ方向は、探針１２を試料１１の表面に対し接近または後退させる方向である。
【００３１】
カンチレバー１３は、その一端が圧電素子Ｘ、圧電素子Ｙおよび圧電素子Ｚに片持ち支持され、開放された他端には探針１２が固設されている。また、加振用圧電素子１４は、カンチレバー１３の片持ち支持されている側に固設され、発振器３０からの高周波信号により駆動され、カンチレバー１３を加振する。
【００３２】
レーザ発光素子３１、位置検出器３２および力検出回路３３は、いわゆる光てこ方式の力検出器を構成する。探針１２は、試料１１の表面に接近すると、試料１１から原子間力を受け、その原子間力により、カンチレバー１３が撓む。レーザ発光素子３１から出射され、カンチレバー１３に反射よってされたレーザ光は、カンチレバー１３の撓みによりその受光位置が変位する。位置検出器３２は、その受光位置を検出する。そして、力検出回路３３は、位置検出器３２の出力を受けて、受光位置の変位量を求め、探針１２が受ける力に相当する信号を出力する。
【００３３】
ロックイン増幅器３４は、力検出回路３３の出力および発振器３０の出力が入力され、後記するように、探針が受ける力の勾配を検出する役割を担っている。また、サーボ回路３５は、ロックイン増幅器３４の出力および制御部３７からの指示データに従って、圧電素子Ｚを駆動し、探針のＺ方向の位置を制御する。
【００３４】
制御部３７は、図示しない演算処理装置と、半導体メモリおよびディスク装置からなる記憶装置と、キーボードや液晶表示装置等の入出力装置とを備えたコンピュータであり、さらに、サーボ回路３５や走査制御回路３６とのインターフェースを備えている。そして、その記憶装置に記憶されたプログラムに従って、適宜、サーボ回路３５やＸＹ走査制御回路２５を制御する。また、ロックイン増幅器４０によって検出される力の勾配の信号を適宜ディジタルデータに変換して取り込み、記憶装置に記憶する。
【００３５】
次に、試料１１の表面を検出する原理について説明する。
【００３６】
探針１２が試料１１の表面から力を受けると、カンチレバー１３が撓む。このとき、カンチレバー１３は、弾性体とみなすことができるので、その撓み量は、探針１２が受けた力に比例する。従って、力検出回路３３の出力は、探針１２が受ける力に相当する。そこで、力検出回路３３の出力が所定の値に達したときをもって、試料１１の表面位置と判定することができる。
【００３７】
以上のようにして、力検出回路３３の出力により試料１１の表面位置を検出することができるが、本実施形態においては、試料１１の表面の原子間力の勾配を計測することによって、試料１１の表面位置を検出する方法を利用する。原子間力の勾配によって試料１１の表面を検出する方法は、原子間力そのものによって試料１１の表面を検出する方法よりも、数桁小さな力で表面を検出することができるため、探針１２の負担が小さくなり、探針が撓んだり、滑ったりする現象を回避することができる。
【００３８】
原子間力の勾配は、カンチレバーの共振周波数がシフトする現象を利用することによって求められることが知られている。そこで、発振器３０によってカンチレバー１３の共振周波数とわずかに異なる周波数の高周波信号を発振させ、その高周波信号によって加振用圧電素子１４を駆動する。加振用圧電素子１４によりカンチレバー１３は、加振され、Ｚ方向へ数ｎｍ〜数１０ｎｍ程度の振幅で振動する。
【００３９】
このように、カンチレバー１３が振動している状態で、探針１２を試料１１の表面に接近させると、原子間力の勾配のために共振周波数がシフトする。そのため、カンチレバー１３の振動振幅は、変化し、その変化した量は、ロックイン増幅器３４の出力として捉えられる。このロックイン増幅器３４の出力は、探針２１が受ける原子間力の勾配に相当している。そこで、この原子間力勾配が所定の値に達したとき、探針１２が試料１１の表面に到達したと判断することができる。
【００４０】
図１において、ロックイン増幅器３４の出力は、サーボ回路３５へ入力される。サーボ回路３５は、ロックイン増幅器３４から入力された値と制御部３７から入力された所定の値との差をとり、その差が０になるまで、圧電素子Ｚを駆動する。従って、探針１２は、サーボ回路３５の出力が０になるまで、試料１１の表面に接近し、サーボ回路３５の出力が０になったとき、接近を停止し、その位置を試料１１の表面位置と判定する。
【００４１】
次に、探針１２を試料１１の表面に接近または後退する方向を傾斜させる構成について説明する。図２は、本実施形態において探針を走査させるための構成およびＺ方向軸を傾斜させるための構成の一例を示した模式図である。
【００４２】
本実施形態においては、Ｘ方向軸およびＹ方向軸は、ＸＹ試料ステージ１０の上面すなわち試料１１の表面に平行な方向に設定されるが、Ｚ方向軸は、探針１２が試料１１の表面に接近または後退する方向に平行な方向に設定される。従って、本実施形態における座標系は、必ずしも直交座標系であるわけではなく、また、試料１１の表面形状の計測を行うたびにＺ方向軸の方向が変わることもある。なお、ここでは、設定可能なＺ方向軸のうち特に探針の先端を通るＺ方向軸を探針移動Ｚ方向軸と呼ぶ。
【００４３】
図２において、ＸＹ走査体２２は、探針１２のＸ方向およびＹ方向への走査を行う構造体で、図示しない走査型プローブ顕微鏡の筐体に吊設され、Ｘ走査圧電素子２０およびＹ走査圧電素子２１によりそれぞれＸ方向およびＹ方向へ移動させられる。ＸＹ走査体２２の下面は、その断面が内側に湾曲した円弧状をしている。また、Ｚ走査支持体２３は、ＸＹ走査体２２の湾曲した円弧状断面の下面に滑合するような円弧状断面の上面を有し、ＸＹ走査体２２の湾曲した円弧状断面の下面に沿ってスライド自在に吊設されている。そのため、Ｚ走査支持体２３は、ＸＹ走査体２２の下面断面の円弧が形成する円の中心を不動点として傾斜させられる。
【００４４】
Ｚ走査支持体２３の下面は、ＸＹ走査体２２の下面断面の円弧が形成する円の直径方向に垂直な面になるように形成され、その下面にＺ走査圧電素子２４およびカンチレバー支持体２５が設けられ、Ｚ走査圧電素子２４は、カンチレバー支持体２５をＺ走査支持体２３の下面に垂直な方向に移動させる。従って、このカンチレバー支持体２５が移動させられる方向がＺ方向となる。
【００４５】
カンチレバー１３の一端は、カンチレバー支持体２５に固設され、他端は開放端とされる。また、探針１２は、カンチレバー１３の開放端の試料１１の表面に対向する面に固設される。このとき、カンチレバー１３は、探針１２の先端がＸＹ走査体２２の下面断面の円弧が形成する円の中心に位置するような位置において、カンチレバー支持体２５に固設される。
【００４６】
以上のようにＸＹ走査体２２およびＺ走査支持体２３を構成し、さらに、Ｚ走査支持体２３に対しカンチレバー１３およびカンチレバー支持体２５を配置構成することにより、探針１２がＺ方向へ移動する方向、すなわち、探針移動Ｚ方向軸（図２で符号１５を付した一点鎖線）を、試料の表面の法線方向（図２で符号１６を付した一点鎖線）に対し、角度θをもって傾斜させることができる。従って、探針１２を試料１１の斜め上方から試料１１の表面へ接近させることができるので、アンダカット構造部分の表面形状の計測が可能となる。また、探針１２の先端を、探針移動Ｚ方向軸を傾斜させる中心点としているので、傾斜角θを変えてもその先端の位置は変わらない。
【００４７】
次に、カンチレバー１３の方向つまり探針移動Ｚ方向軸（一点鎖線１５）を試料の表面の法線方向（一点鎖線１６）に対し、１８０度反転させる構成について説明する。図３は、カンチレバーの方向を反転させるためのＸＹ走査体の構成の一例を示した模式図であり、（ａ）は、ＸＹ走査体の断面図、（ｂ）は、ＸＹ走査体の上面図である。
【００４８】
図３（ａ）および（ｂ）に示すように、ＸＹ走査体２２は、ＸＹ走査支持体２２１とＸＹ走査回転体２２２とにより主として構成される。ＸＹ走査支持体２２１は、図示しない走査型プローブ顕微鏡の筐体に吊設され、Ｘ走査圧電素子２０およびＹ走査圧電素子２１によりそれぞれＸ方向およびＹ方向へ移動させられる。また、ＸＹ走査回転体２２２は、ＸＹ走査支持体２２１にＸＹ方向の平面内で少なくとも１８０度回転自在に吊設され、内側に湾曲した円弧状断面の下面を有している。そして、その内側に湾曲した円弧状断面の下面には、Ｚ走査支持体２３（図２参照）が吊設される。
【００４９】
ＸＹ走査支持体２２１は、円盤状に形成され、その周縁部には係合突起部２２１ａが形成されている。一方、ＸＹ走査回転体２２２は、厚みのある円盤で形成され、その下面には、内側に湾曲した円弧状断面の凹部が形成され、また、その上部には、ＸＹ走査支持体２２１全体を収容可能な円筒状の凹部が形成されている。そして、ＸＹ走査支持体２２１は、その凹部に収容され、係合突起部２２１ａの上方の空間は、係止輪２２３で塞がれる。係止輪２２３は、ＸＹ走査回転体２２２の凹部内壁面に固着される。なお、ＸＹ走査支持体２２１とＸＹ走査回転体２２３および係止輪２２３とが接する部位には、ボールベアリング２２４が配設され、回転時の摩擦を低減するようにしている。
【００５０】
以上のようにＸＹ走査体２２を構成することにより、そのＸＹ走査回転体２２２部分を自在に回転させることができる。従って、ＸＹ走査回転体２２２に吊設されているＺ走査支持体２３、カンチレバー支持体２５およびカンチレバー１３は、ＸＹ走査回転体２２２の回転に伴って同時に回転される。よって、カンチレバー１３を１８０度反転することができる。なお、ＸＹ走査回転体２２２を１８０度反転する位置で確実に止めるようにするために、０度と１８０度の位置に係止機構を適宜設けてもよい。
【００５１】
次に、図４および図５を参照しながら本実施形態の走査型プローブ顕微鏡を用いた試料表面形状の計測方法について説明する。ここで、図４は、試料表面形状計測時の探針の移動軌跡を示した図であり、（ａ）は、探針移動Ｚ方向軸をＸＹ面の法線方向とした場合の探針の移動軌跡を示した図、（ｂ）は、探針移動Ｚ方向軸をＸＹ面の法線方向に対して傾斜させた場合の探針の移動軌跡を示した図である。また、図５は、探針移動Ｚ方向軸をＸＹ面の法線方向とした場合、および、探針移動Ｚ方向軸をＸＹ面の法線方向に対して傾斜させた場合それぞれについて表面形状データの計算方法を説明するための図である。
【００５２】
図４（ａ）では、まず、探針移動Ｚ方向軸をＸＹ面の法線方向に設定し、試料１１の表面形状を計測する。そして、探針を、試料１１の表面から所定に距離離間した初期位置に設定し、その初期位置から探針移動Ｚ方向軸に沿って探針を試料の表面に接近させる（Ｓ１）。この探針の移動は、サーボ回路３５（図１参照）によって駆動されたＺ走査圧電素子２４によって行われ、このとき、Ｘ走査圧電素子２０およびＹ走査圧電素子２１は、休止している。
【００５３】
そして、このサーボ回路３５によるＺ走査圧電素子２４の駆動が停止されたところで、探針１２が試料１１の表面位置に達したと判定される。その表面位置は、そのときの探針１２の移動距離ΔＺによって求めることができる。図５に示すように、初期位置Ｐの座標が（Ｘ0，Ｚ0）で、試料１１の表面位置計測時の移動距離がΔＺであった場合には、表面位置Ｓの座標は、（Ｘ0，Ｚ0−ΔＺ）となる。
【００５４】
試料１１の表面位置計測が終わると、探針１２を所定の距離後退させて（Ｓ２）、探針をＸ走査圧電素子２０によりＸ方向へΔＸだけ移動させる（Ｓ３）。そして、その移動後の位置を初期位置としてステップＳ１〜Ｓ３を所定の回数繰り返し行う。このようにして、Ｘ方向に走査された断面についての表面形状データを取得する。
【００５５】
次に、探針１２を最初の初期位置へ戻し、図４（ｂ）に示すように、探針移動Ｚ方向軸をＸＹ面の法線方向に対し所定の角度θ傾ける。そして、初期位置から探針１２を試料１１の表面へ接近させて（Ｓ１１）、試料の表面位置を計測する。このとき、初期位置Ｐの座標を（Ｘ0，Ｚ0）、探針１２の移動距離をΔＺ'とすると、表面位置Ｓ'の座標は、（Ｘ0＋ΔＺ'sinθ，Ｚ0−ΔＺ'＋cosθ）となる。
【００５６】
試料１１の表面位置計測が終わると、探針１２を所定の距離後退させて（Ｓ1２）、探針をＸ走査圧電素子２０によりＸ方向へΔＸだけ移動させる（Ｓ1３）。そして、その移動後の位置を初期位置としてステップＳ１１〜Ｓ１３を所定の回数繰り返し行う。このようにして、探針移動Ｚ方向軸をＸＹ面の法線方向に対し所定の角度θ傾けた場合について、Ｘ方向に走査された断面についての表面形状データを取得する。この場合、探針を斜め上方から試料１１の表面へ接近させるので、図４（ｂ）で、右側に開いた側壁のアンダカット構造部分の計測が可能となる。
【００５７】
さらに、カンチレバー１３の方向を反転させて、図４（ｂ）と同様にして、表面形状データを取得する。この場合、探針移動Ｚ方向軸は、ＸＹ面の法線に対し、対称に反転した方向となる。従って、この場合には、図４（ｂ）の場合、左側に開いた側壁のアンダカット構造部分の計測が可能となる。
【００５８】
以上のようにして取得された表面形状データは、図５に示すように、白丸の点列のデータと黒丸の点列のデータというように、異なった点列のデータとして得られるが、それらのデータは、互いに補完し合うデータであり、それらを併合すると、より精密な表面形状データが得られる。本実施形態においては、探針移動Ｚ方向軸を傾けたり、カンチレバー１３の方向を反転させたりしても、探針１２の先端の位置は不動である。そのため、これらのデータの併合は、単に併合するだけでよい。
【００５９】
なお、探針移動Ｚ方向軸を傾けたり、カンチレバー１３の方向を反転させたりしたときに、機械的誤差のために探針先端位置がずれた場合には、異なった点列のデータによりそれぞれ表面形状データを作成し、パターンマッチングさせた上で、それらのデータを併合するようにする。
【００６０】
以上、本実施形態における試料の表面の計測方法によれば、アンダカット構造有する試料の表面の形状をより高精度に計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の機能ブロックの構成例を示した図である。
【図２】本実施形態において探針を走査させるための構成およびＺ方向軸を傾斜させるための構成の一例を示した模式図である。
【図３】カンチレバーの方向を反転させるためのＸＹ走査体の構成の一例を示した模式図であり、（ａ）は、ＸＹ走査体の断面図、（ｂ）は、ＸＹ走査体の上面図である。
【図４】試料表面形状計測時の探針の移動軌跡を示した図であり、（ａ）は、探針移動Ｚ方向軸をＸＹ面の法線方向とした場合の探針の移動軌跡を示した図であり、（ｂ）は、探針移動Ｚ方向軸をＸＹ面の法線方向に対して傾斜させた場合の探針の移動軌跡を示した図である。
【図５】探針移動Ｚ方向軸をＸＹ面の法線方向とした場合、および、探針移動Ｚ方向軸をＸＹ面の法線方向に対して傾斜させた場合それぞれについて表面形状データの計算方法を説明するための図である。
【符号の説明】
【００６２】
１０    ＸＹ試料ステージ
１１    試料
１２    探針
１３    カンチレバー
１４    加振用圧電素子
２０    Ｘ走査圧電素子
２１    Ｙ走査圧電素子
２２    ＸＹ走査体
２３    Ｚ走査支持体
２４    Ｚ走査圧電素子
２５    カンチレバー支持体
３０    発振器
３１    レーザ発光素子
３２    位置検出器
３３    力検出回路
３４    ブロックイン増幅器
３５    サーボ回路
３６    走査制御回路
３７    制御部
２２１  ＸＹ走査支持体
２２２  ＸＹ走査回転体
２２３  係止輪
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2005283540.tif 000006
【図５】
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