(57)【要約】【課題】  アスペクト比が大きな縦構造を有する試料の表面形状およびその表面近傍の物理量の計測を高精度に行う。【解決手段】  ＸＹ方向への探針の移動を停止した状態で、探針を所定の周波数で加振しながら試料表面に接近させる。ロックイン増幅器４０の出力が所定値に達したことにより、試料表面位置を検出する。そして、探針を試料表面から後退する方向へ所定の距離移動させた後、探針を物理量の計測位置に移動させ、ロックイン増幅器４０の出力を得て、所望の物理量を求める。この場合、試料表面位置が小さな力で検出可能なので、探針の撓みや滑りがない。そのため、表面位置の計測の誤差が小さく、また、物理量の計測は、その表面位置に基づく位置で行われるので、その誤差は小さい。また、探針は、ＸＹ方向へ移動しない状態で、試料に接近するので、アスペクト比の大きい谷底にも到達できる。【選択図】      図１
2005283538.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定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沿った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する方向または後退する方向へ移動させるＺ方向探針移動手段と、
前記カンチレバーを所定の周波数の振動により加振するカンチレバー加振手段と、
前記探針が前記カンチレバーの振動および前記試料の表面から漏洩する物理量による力を受けて振動するとき、その振動の周波数が所定の周波数からシフトする量を検出する周波数シフト量検出手段と、
前記探針を前記試料の表面の後退している位置から接近する位置へＺ方向に沿って移動させ、前記周波数シフト量検出手段で検出された周波数シフト量が所定の量に達したことを判定することにより前記試料の表面位置を検出する表面位置検出手段と、
前記表面位置検出手段により検出された表面位置情報に基づきその表面位置から所定の距離離間した位置において、前記周波数シフト量検出手段により検出された周波数シフト量に基づき前記試料の表面から漏洩する物理量を検出する物理量検出手段と
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】
前記周波数シフト量検出手段と異なる第２の周波数シフト量検出手段と、
前記第２の周波数シフト量検出手段により検出された周波数シフト量を積分した信号と所定の周波数の交番電位信号とを重畳した電位信号を前記探針に印加する探針電位印加手段と
をさらに備え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】
前記カンチレバーを加振する振動の周波数は、前記カンチレバーの共振周波数と異なる周波数であり、
前記周波数シフト量検出手段は、入力された信号の中から前記カンチレバーを加振した振動の周波数と同じ周波数の信号成分を出力するロックイン増幅器を含んで構成されること
を特徴とする請求項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】
前記カンチレバーを加振する振動の周波数は、前記カンチレバーの共振周波数であり、
前記周波数シフト量検出手段は、周波数変調された信号の周波数復調回路を含んで構成されること
を特徴とする請求項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５】
前記試料の表面上方に位置する前記探針と前記探針が位置する位置含む前記試料の表面の領域とを同時に観察可能な光学顕微鏡をさらに備えることを特徴とする請求項１ないし請求項４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６】
前記探針の一部または全体が導電性材料で構成されていることを特徴とする請求項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。
【請求項７】
前記探針の一部または全体が強磁性材料で構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項６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８】
請求項１ないし請求項７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漏洩物理量の計測方法であって、
前記Ｚ方向探針移動手段によって前記探針を前記試料の表面から後退している位置から接近する位置へ前記Ｚ方向に沿って移動させ、前記表面位置検出手段によって前記試料の表面位置を検出する表面位置検出ステップと、
前記Ｚ方向探針移動手段によって前記探針を前記試料の表面から後退する方向へ所定の距離移動させる探針後退ステップと、
前記物理量計測手段によって前記探針が位置する位置で前記試料から漏洩する物理量を計測し、前記Ｚ方向探針移動手段によって前記探針を前記Ｚ方向に沿って前記試料の表面へ接近する方向に所定の微小距離移動させるステップを所定の回数繰り返して行うＺ方向物理量計測走査ステップと、
前記Ｚ方向探針移動手段によって前記探針を前記試料の表面から後退する方向へその離間距離が前記所定の距離に達するまで移動させた後、前記ＸＹ方向探針移動手段によってＸ方向に所定の微小距離移動させるＸ方向移動ステップと、
前記表面位置検出ステップと前記探針後退ステップと前記Ｚ方向物理量計測走査ステップとＸ方向移動ステップとを所定回数繰り返し行うＸ方向走査ステップと
を含んだ手順を実行することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡における漏洩物理量の計測方法。
【請求項９】
請求項１ないし請求項７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漏洩物理量の計測方法であって、
前記Ｚ方向探針移動手段によって前記探針を前記試料の表面から後退している位置から接近する位置へ前記Ｚ方向に沿って移動させ、前記表面位置検出手段によって前記試料の表面位置を検出する表面位置検出ステップと、
前記Ｚ方向探針移動手段によって前記探針を前記試料の表面から後退する方向へ所定の距離移動させる探針後退ステップと、
前記ＸＹ方向探針移動手段によってＸ方向に所定の微小距離移動させるＸ方向走査ステップと、
前記表面位置検出ステップと前記探針後退ステップと前記Ｘ方向移動ステップとを所定回数繰り返し行うＸ方向表面位置計測走査ステップと、
前記探針が前記試料の表面から所定の距離離間している状態で、前記探針をＸ方向の初期位置へ戻す−Ｘ方向移動ステップと、
前記表面位置検出ステップで計測した前記試料の表面位置から所定の計測距離を保った状態で、前記探針を前記ＸＹ方向探針移動手段によってＸ方向に所定の微小距離ずつ移動させつつ、前記物理量計測手段によって前記探針が位置する位置で前記試料から漏洩する物理量を計測するＸ方向物理量計測走査ステップと、
前記所定の計測距離を所定の微小距離ずつ減じながら、前記−Ｘ方向移動ステップと前記Ｘ方向物理量計測走査ステップとを所定の回数繰り返して行うＺ方向走査ステップと
を含んだ手順を実行することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡における漏洩物理量の計測方法。
【請求項１０】
前記探針後退ステップにおいて前記探針を前記試料の表面から後退させる所定の距離は、前記探針と前記試料の表面間に生じるの吸着力が消滅する距離より大きいこと
を特徴とする請求項８または請求項９に記載の走査型プローブ顕微鏡における漏洩物理量の計測方法。
【請求項１１】
前記探針後退ステップにおいて前記探針を前記試料の表面から後退させる所定の距離は、前記試料の表面に形成されている山と谷の最高位置と最低位置との差より大きいこと
を特徴とする請求項８ないし請求項１０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漏洩物理量の計測方法。
【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とともに、漏洩磁界や電位ポテンシャル等の試料表面から漏洩する物理量を計測することが可能な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による漏洩物理量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。この素子や配線の微細化の進展に伴い、その断面形状は、横長から縦長に変わってきている。例えば、相互に隣接する素子や配線を隔てる谷は、より狭く、より深くなってきている。いわゆるアスペクト比（深さ／開口径）が増大の一途を辿っている。
【０００３】
素子や配線が近接して配置されると、電磁気的な相互作用が大きくなる。そのため、電磁気的な相互作用を考慮して素子の設計や配線の配置を行わなければ、素子の回路動作が誤ったり、所望の性能が得られなかったりする例が多々見られるようになった。実際、従来には素子の誤動作の原因は、短絡や断線等の構造的欠陥によるものが多かったが、近年では、電磁気的な相互作用のために素子が誤動作する例が増加している。そこで、素子や配線における回路動作の性能や誤動作の原因を解析するための一つの手段として、素子や配線から漏洩する電磁気的な物理量を計測することが求められるようになった。
【０００４】
特許文献１には、試料表面近傍の物理量を計測することが可能な走査型プローブ顕微鏡の例が記載されている。この走査型プローブ顕微鏡による物理量の計測方法よれば、探針が試料表面に接触またはほとんど接触した状態で、探針を試料表面に平行な方向に走査しながら、試料表面の位置を計測し、その後、探針を試料表面上方へ引き上げて、その位置で、例えば電磁気的な物理量を計測する。
【０００５】
この計測方法においては、探針の試料表面に平行な方向への走査が、探針が試料表面に接触またはほとんど接触した状態で行われるため、探針走査時の摩擦によって探針の先端が撓んだり、また、試料表面に急峻な山や谷があった場合には、探針の先端が滑ったりする現象が生じていた。そのため、この計測方法により計測される試料表面形状の位置情報は、これら探針の撓みや滑り等の現象による誤差を含んだものとならざるを得ない。従って、誤差を含んだ試料表面形状の位置情報に基づき、その上方における物理量を計測したとしても、その計測値は、元となる試料表面形状の位置情報が含む誤差以上の誤差を含むことになる。
また、この計測方法において探針を走査する場合に、探針が急峻な山や谷の上り斜面にぶつかったときには、探針の先端が試料表面から受ける摩擦力が急激に大きくなるために、探針自体が折損する事故も多く生じていた。
【０００６】
いずれにせよ、半導体集積回路の素子や配線がさらに微細化され、その縦構造のアスペクト比が大きくなっていく現状にあっては、特許文献１に記載されている計測方法は、もはや適用できるものではない。
【０００７】
特許文献２には、探針を試料表面から十分に上方へ離間させた状態で、試料表面に平行な方向に探針の走査を行うようにし、試料表面の位置を計測するときにのみ、探針を試料表面の上方から試料表面に向けて下降させ、試料表面にその表面位置形状が計測可能な位置まで近く接近させるようにした走査型プローブ顕微鏡の例が記載されている。この走査型プローブ顕微鏡おいては、探針の試料表面に平行な方向への走査を、探針を試料表面から十分に離間させた状態で行うため、探針の先端が摩擦により撓むことも、折損することもない。
【０００８】
また、特許文献２においては、試料表面形状の位置を、探針に加わる力ではなく、力の勾配によって計測する方法が示されている。そのため、探針に加わる力がより小さい力で試料表面形状の位置を計測することができので、試料の表面形状が急峻であっても探針のすべりが生じにくい。
【０００９】
以上のように、特許文献２に記載されている走査型プローブ顕微鏡おいては、試料表面に急峻な山や谷があっても、探針走査時に探針の先端が撓んだり、すべったりすることはない。そのため、それによって計測される試料表面形状の位置情報の誤差は、例えば、特許文献１に記載されているような走査型プローブ顕微鏡によって得られる試料表面形状の位置情報の誤差に比べ格段に小さくなっている。よって、アスペクト比が大きな縦構造を有する半導体集積回路の表面形状を高精度に計測することができる。
【特許文献１】特開平０２−５３４０号公報（第２頁左下欄第９行目〜第４頁右下欄第１８行目、図１〜図９）
【特許文献２】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】
【００１０】
しかしながら、特許文献２に記載された走査型プローブ顕微鏡においては、電磁気的な力やポテンシャル等の物理量を計測するための走査型プローブ顕微鏡の構成やその物理量の計測方法については、何ら記載されていない。すなわち、アスペクト比が大きな縦構造を有する半導体集積回路等の試料の表面形状およびその表面近傍の物理量を高精度に計測することが可能な走査型プローブ顕微鏡の構成および計測方法については、これまでのところ未だ示されていない。
【００１１】
本発明の課題は、アスペクト比が大きな縦構造を有する半導体集積回路等の試料の表面形状およびその表面近傍の物理量を高精度に計測することが可能な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】
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は、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定されたカンチレバーと、その探針が試料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表面に沿った所定の方向に所定の微小距離ずつ移動させる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、探針を試料表面に対して接近する方向または後退する方向へ移動させるＺ方向探針移動手段と、カンチレバーを所定の周波数の振動により加振するカンチレバー加振手段と、探針が前記カンチレバーの振動および前記試料表面から漏洩する物理量による力を受けて振動するとき、その振動の周波数が所定の周波数からシフトする量を検出する周波数シフト量検出手段と、探針を試料表面の後退している位置から接近する位置へＺ方向に沿って移動させ、周波数シフト量検出手段で検出された周波数シフト量が所定の量に達したことを判定することにより試料の表面位置を検出する表面位置検出手段と、表面位置検出手段により検出された表面位置情報に基づきその表面位置から所定の距離離間した位置において、周波数シフト量検出手段により検出された周波数シフト量に基づき試料表面から漏洩する物理量を検出する物理量検出手段とを備える構成とした。
【００１３】
請求項１に記載の発明の走査型プローブ顕微鏡では、ＸＹ方向探針移動手段は、探針のＸＹ方向への走査を試料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、探針が折損する事故がなくなる。
【００１４】
また、探針は、カンチレバー加振手段により加振されて振動するとともに、試料表面から漏洩する物理量による力を受けて振動する。この振動の共振周波数は、カンチレバーのばね定数と探針が受ける力の勾配によって決まるので、探針が力を受けると、共振周波数がシフトする。周波数シフト量検出手段は、その共振周波数のシフト量検出する。そして、表面位置検出手段は、探針を試料表面の後退している位置から接近する位置へＺ方向に沿って移動させ、周波数シフト量が所定の量に達したことにより表面位置を検出する。この場合、試料の表面位置は、試料表面と探針間との間の原子間力そのものではなく、その勾配によって検出される。この表面位置の検出においては、探針が受ける原子間力が小さいうちに試料の表面を検出することができる。そのため、探針が急峻な山や谷の斜面にさしかかっても、探針が撓んだり、滑ったり、深入りしたりすることがなくなる。そのため、試料の表面位置を正確に計測することができる。
【００１５】
また、物理量検出手段は、周波数シフト量検出手段により検出された周波数シフト量すなわち力の勾配に基づきこれを積分処理等をすることにより探針が受ける力を求める。そして、その力に基づき試料表面から漏洩する電磁界の強さ等の物理量を求める。
【００１６】
請求項２に記載の発明では、走査型プローブ顕微鏡は、請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡に、さらに、前記周波数シフト量検出手段と異なる第２の周波数シフト量検出手段と、第２の周波数シフト量検出手段により検出された周波数シフト量を積分した信号と所定の周波数の交番電位信号とを重畳した電位信号を探針に印加する探針電位印加手段と備える構成とした。
【００１７】
請求項２に記載の走査型プローブ顕微鏡では、探針電位印加手段は、探針に電位を印加し、第２の周波数シフト量検出手段は、探針に電位が印加されたことによる周波数のシフト量を検出する。そして、この検出された周波数シフト量を積分した信号と所定の周波数の交番電位信号とを重畳した信号を、探針に印加する電位信号とする。このとき、検出された周波数が０となるようにサーボ制御することにより、探針に値における電位ポテンシャルを得ることができる。
【００１８】
請求項３に記載の発明では、走査型プローブ顕微鏡は、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において、カンチレバーを加振する振動の周波数は、カンチレバーの共振周波数とわずかに異なる周波数であり、周波数シフト量検出手段は、入力された信号の中からカンチレバーに加振された振動の周波数と同じ周波数の信号成分を出力するロックイン増幅器を含む構成とした。
【００１９】
また、請求項４に記載の発明では、走査型プローブ顕微鏡は、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において、カンチレバーを加振する振動の周波数は、カンチレバーの共振周波数であり、周波数シフト量検出手段は、周波数変調された信号の周波数復調回路を含む構成とした。
【００２０】
請求項３または請求項４に記載の走査型プローブ顕微鏡では、周波数シフト量検出手段としてロックイン増幅器または周波数復調回路を用いる。ロックイン増幅器は、カンチレバーの加振周波数のからの周波数シフト量に相当する値を出力し、周波数復調回路は、カンチレバーの共振周波数そのもののシフト量を出力する。
【００２１】
請求項５に記載の発明では、走査型プローブ顕微鏡は、請求項１ないし請求項４のいずれかの一項に記載の走査型プローブ顕微鏡に、さらに、試料表面上方に位置する探針とその探針が位置する位置含む試料表面の領域とを同時に観察可能な光学顕微鏡を備える構成とした。光学顕微鏡は、探針を含め、広範囲の試料表面を観察することができるので、探針の位置合わせや計測領域の選定等を行うときの操作性が向上する。
【００２２】
請求項６または請求項７に記載の発明では、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、探針の一部または全体が導電性材料または強磁性材料で構成されるようにした。導電性材料の探針には、電荷または電位を供給することができ、また、強磁性材料の探針には、磁化量を付与することができる。これによって、試料から漏洩する電磁気力に関連する物理量を計測することができるようになる。
【００２３】
請求項８に記載の発明では、走査型プローブ顕微鏡における漏洩物理量の計測方法は、請求項１ないし請求項７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方向探針移動手段によって探針を試料表面から後退している位置から接近する位置へＺ方向に沿って移動させ、表面位置検出手段によって試料の表面位置を検出する表面位置検出ステップと、Ｚ方向探針移動手段によって前記探針を前記試料表面から後退する方向へ所定の距離移動させる探針後退ステップと、物理量計測手段によって探針が位置する位置で試料から漏洩する物理量を計測し、Ｚ方向探針移動手段によって探針を前記Ｚ方向に沿って前記試料表面へ接近する方向に所定の微小距離移動させるステップを所定の回数繰り返して行うＺ方向物理量計測走査ステップと、Ｚ方向探針移動手段によって前記探針を前記試料表面から後退する方向へその離間距離が前記所定の距離に達するまで移動させた後、前記ＸＹ方向探針移動手段によってＸ方向に所定の微小距離移動させるＸ方向移動ステップと、表面位置検出ステップと探針後退ステップとＺ方向物理量計測走査ステップとＸ方向移動ステップとを所定回数繰り返し行うＸ方向走査ステップとを含む手順を実行するものとした。
【００２４】
請求項８に記載の走査型プローブ顕微鏡における漏洩物理量の計測方法では、表面位置検出ステップで試料の表面位置を計測し、探針後退ステップで探針を所定の距離後退させる。そして、Ｚ方向物理量計測走査ステップでＺ方向に沿って試料方面に接近する方向に微小距離ずつ移動しながら物理量を計測する。さらに、Ｘ方向移動ステップとＸ方向走査ステップとにより、Ｘ方向に微小距離ずつ移動しながらＺ方向物理量計測走査ステップを繰り返し行う。この手順によって、試料の表面位置の計測とともに、そのとき計測された表面位置の形状に即した形で、その上方における漏洩物理量の計測を行うことができる。
【００２５】
請求項９に記載の発明では、走査型プローブ顕微鏡における漏洩物理量の計測方法は、Ｚ方向探針移動手段によって前記探針を前記試料表面から後退している位置から接近する位置へ前記Ｚ方向に沿って移動させ、表面位置検出手段によって試料の表面位置を検出する表面位置検出ステップと、Ｚ方向探針移動手段によって探針を試料表面から後退する方向へ所定の距離移動させる探針後退ステップと、ＸＹ方向探針移動手段によってＸ方向に所定の微小距離移動させるＸ方向走査ステップと、表面位置検出ステップと探針後退ステップとＸ方向移動ステップとを所定回数繰り返し行うＸ方向表面位置計測走査ステップと、探針が試料表面から所定の距離離間している状態で、探針をＸ方向の初期位置へ戻す−Ｘ方向移動ステップと、表面位置検出ステップで計測した試料の表面位置から所定の計測距離を保った状態で、探針をＸＹ方向探針移動手段によってＸ方向に所定の微小距離ずつ移動させつつ、物理量計測手段によって探針が位置する位置で試料から漏洩する物理量を計測するＸ方向物理量計測走査ステップと、前記所定の計測距離を所定の微小距離ずつ減じながら、−Ｘ方向移動ステップとＸ方向物理量計測走査ステップとを所定の回数繰り返して行うＺ方向走査ステップとを含む手順を実行するものとした。
【００２６】
請求項９に記載の走査型プローブ顕微鏡における漏洩物理量の計測方法では、まず、表面位置検出ステップで試料の表面位置を計測し、探針後退ステップで探針を所定の距離後退させ、Ｘ方向走査ステップで探針をＸ方向に所定の微小距離移動させる。そして、Ｘ方向表面位置計測走査ステップでこれらのステップを繰り返し行い、Ｘ方向に沿った試料表面情報を得る。その後、−Ｘ方向移動ステップで探針を元の初期位置に戻し、Ｘ方向物理量計測走査ステップでは、表面位置検出ステップで計測した試料の表面位置から所定の計測距離を保った状態で、探針をＸ方向に所定の微小距離ずつ移動させつつ、漏洩物理量を計測する。これによって、表面位置から所定の距離離間した位置における漏洩物理量が求められる。さらに、Ｚ方向走査ステップで試料表面との間の所定の計測距離を微小距離ずつ減じながら−Ｘ方向移動ステップと方向物理量計測走査ステップとを繰り返し行う。この手順によって、試料の表面位置の計測とともに、そのとき計測された表面位置の形状に即した形で、その上方における漏洩物理量の計測を行うことができる。
【００２７】
請求項１０に記載の発明では、請求項８または請求項９に記載の走査型プローブ顕微鏡における漏洩物理量の計測方法の探針後退ステップにおいて、探針を表面から後退させる所定の距離は、探針と試料表面間に生じるの吸着力が消滅する距離より大きいように設定する。これにより、探針と試料表面間に生じるの水などの不純物分子による吸着力の影響を除去することができる。
【００２８】
請求項１１に記載の発明では、請求項８ないし請求項１０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漏洩物理量の計測方法の探針後退ステップにおいて、探針を表面から後退させる所定の距離は、前記試料表面に形成されている山と谷の最高位置と最低位置との差より大きいように設定する。これにより、探針をＸＹ方向に走査しても、探針が山に接触することはなくなる。
【発明の効果】
【００２９】
請求項１ないし請求項７に記載の走査型プローブ顕微鏡によれば、探針を試料表面から所定の距離以上離間した位置でＸＹ方向に走査するので、試料表面に急峻な山や谷があっても探針が折損するような事故は生じない。また、試料の表面位置検出は、探針が受ける原子間力がより小さなときに検出できるので、試料の表面に急峻な山や谷があっても、探針が撓んだり、滑ったり、深入りしたりする現象を回避することができる。そのため、試料の表面位置の計測誤差を大幅に低減することができる。また、漏洩物理量の計測は、計測された表面位置情報に基づき計測位置が決定される。そのため、表面位置の計測誤差の低減は、漏洩物理量の計測誤差の低減となる。よって、アスペクト比が大きな縦構造を有する半導体集積回路等の試料の表面形状およびその表面近傍の物理量を高精度に計測することが可能な走査型プローブ顕微鏡を実現することができる。
【００３０】
また、請求項８ないし請求項１１に記載の走査型プローブ顕微鏡における漏洩物理量の計測方法よれば、試料の表面位置の計測とともに、そのとき計測された表面位置の形状に即した形で、その上方における漏洩物理量の計測を行うことができる。この場合、試料の表面位置の計測誤差は、大幅に低減されているので、その表面位置から所定の距離離間した上方の位置で行われる漏洩物理量の計測の誤差も低減される。また、試料の表面位置の計測を行ったときに、探針を探針と試料表面との間に生じる吸着力が消滅する距離より大きい距離まで離間させた後に漏洩物理量の計測を行うので、漏洩物理量の計測において吸着力の影響を除去することができる。よって、アスペクト比が大きな縦構造を有する半導体集積回路等の試料の表面形状およびその表面近傍の物理量を高精度に計測することが可能な計測方法を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
＜第１の実施形態＞
以下、本発明の第１の実施形態について、図１〜図７を参照しながら詳細に説明する。図１は、第１の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の構成の例を示した図である。
【００３２】
図１において、ＸＹ試料ステージ１２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。ＸＹ走査制御回路２５は、ＸＹ試料ステージ１２の粗移動を制御するとともに、ＸＹＺ走査用ピエゾ素子２４を駆動する。カンチレバー２２は、その一端が加振用ピエゾ素子２３およびＸＹＺ走査用ピエゾ素子２４に固定されており、先端には探針２１が固定されている。ＸＹＺ走査用ピエゾ素子２４は、カンチレバー２２をＸＹＺ方向へ微小移動させることができる。そのカンチレバー２２の微小移動によって、その先端に固定されている探針２１は、試料１１の上面の計測対象領域を走査することができる。また、加振用ピエゾ素子２３は、発振器４５が出力する高周波信号によって駆動され、カンチレバー２２を振動させ、探針２１に微小振動を与える。さらに、カンチレバー２２、加振用ピエゾ素子２３およびＸＹＺ走査用ピエゾ素子２４を一体として、Ｚ方向（上下方向）に粗く移動させるための探針近接機構（図示せず）が設けられている。
【００３３】
力検出器３０は、いわゆる光てこ方式のものであり、レーザ発光素子３１、位置検出器３２、力検出回路３４によって構成されている。レーザ発光素子３１が出射したレーザ光３３は、カンチレバー２２に反射されて、位置検出器３２に捉えられる。探針２１が力を受けると、カンチレバー２２の曲がる角度が微小に変わるので、その大きさを位置検出器３２で捉える。力検出回路３４は、位置検出器３２の出力を処理し、探針位置の変位に対応する信号を生成する。従って、本実施形態においては、力検出回路３４の出力は、試料１１の表面から力を受けながら加振用ピエゾ素子２３によって振動させられる探針２１の振動の様子を表わしたものとなっている。
【００３４】
ロックイン増幅器４０には、力検出回路３４の出力および発振器４５の出力が入力され、詳しくは後記するように、探針２１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４０の出力および制御部３７からの指示データに従って、ＸＹＺ走査用ピエゾ素子２４を駆動し、探針２１のＺ方向の位置を制御する。
【００３５】
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ＸＹ走査制御回路２５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。
【００３６】
図２は、カーボンナノチューブによって構成した探針の例を示した模式図である。探針２１は、試料１１の表面に形成された山や谷の高さや深さを考慮して、できるだけ細長い形状に形成する。特に、アスペクト比が１０以上の探針２１は、カーボンナノチューブやカーボンファイバ等を使用して作製する。カンチレバー２２には、シリコンにシリコン窒化膜あるいはシリコン酸化膜が形成されたものが使用されている。カンチレバー２２の先端にカーボンナノチューブを接着して、探針２１とする。この場合、カーボンナノチューブは、直径１０〜５０ｎｍ程度、長さ５００ｎｍ以上のものを用いるのがよい。また、カンチレバー２２へのカーボンナノチューブの接着は、カーボンナノチューブを図示しないマニピュレータに固定してカンチレバー２２の先端に位置付け、カーボンナノチューブのカンチレバー２２側の端部（図２の矢印位置）に電子ビームを照射し、その時発生するカーボンによって行う。
【００３７】
次に、図３および図４を参照して、第１の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡によって試料の表面形状を計測するときの探針の動きについて説明する。ここで、図３は、試料の表面をＸ方向に走査して、試料の表面形状を計測するときの探針の動きを模式的に示した図である。また、図４は、探針が試料の表面をＸ方向およびＹ方向に走査する様子を模式的に示した図である。
【００３８】
図３において、探針２１を、まず、試料１１の表面上方の計測を開始する所定の位置に設定する。そして、探針２１を、加振用ピエゾ素子２３によりＺ方向の振幅が数ｎｍ〜数１０ｎｍ程度で振動させながら、ＸＹＺ走査用ピエゾ素子２４によってＺ方向に沿って試料１１の表面に接近させる方向に移動させる（Ｓ１）。このとき、加振用ピエゾ素子２３には、発振器４５によりカンチレバー２２の共振周波数とわずかに異なる周波数の加振信号が入力される。
【００３９】
詳しくは後記するが、探針２１が試料１１の表面に接近すると、カンチレバー２２の振動振幅が変化し、その変化した量は、ロックイン増幅器４０の出力として捉えられる。ロックイン増幅器４０の出力は、探針２１が受ける原子間力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２１が試料１１の表面に接触したと判断して、試料１１の表面に接近する方向への探針２１の移動を停止する。このとき得られる探針２１の移動距離ΔＺをもって、試料１１の表面位置とする。
【００４０】
次に、探針２１をＺ方向に沿って試料１１の表面から後退する方向に所定の距離ΔＺ0 だけ移動させる（Ｓ２）。距離ΔＺ0 は、探針２１に対する試料１１の吸着力の影響がなくなる距離より大きく、かつ、予想される表面凹凸（溝の深さおよび山の高さ）より大きな値に設定しておく。そして、探針２１が距離ΔＺ0 だけ後退した位置において、ＸＹ走査制御回路２５によってＸＹＺ走査用ピエゾ素子２４を駆動し、探針２１をＸ方向にΔxだけ移動させ、探針２１を次の計測位置に設定する（Ｓ３）。これらＳ１、Ｓ２およびＳ３からなる探針２１の動作を反復して行うことにより、試料１１をＸ方向に走査し、Ｘ座標値が＋Δxされる各位置における表面位置ΔＺを求めることができる。
【００４１】
探針２１を＋Ｘ方向に走査して、そのＸ方向各点における試料１１の表面位置の計測が終わったら、図４に示すように、探針２１を−Ｘ方向に移動させ、初期のＸ座標位置へ戻す。そして、Ｙ方向の走査を行うべく、探針２１を−Ｙ方向に所定距離Δyだけ移動させる。次に、再びＸ方向に走査し、前記Ｓ１、Ｓ２およびＳ３の動作により試料１１の表面位置の計測を行う。このようなＸ方向およびＹ方向の走査を反復することによって、探針２１が走査した領域について試料１１の表面位置の計測、すなわち、試料１１の表面形状の３次元構造を計測することができる。
【００４２】
次に、図５を参照して探針に作用する力勾配の計測について説明する。ここで、図５は、本実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡において、力勾配の計測を説明するための走査型プローブ顕微鏡の部分構成およびロックイン増幅器の構成を示した図である。
【００４３】
図５において、発振器４５は、周波数ω1の高周波信号を生成し、その高周波信号は、加振用ピエゾ素子２３とロックイン増幅器４０の乗算器４１に入力される。入力された高周波信号は、加振用ピエゾ素子２３を駆動し、加振用ピエゾ素子２３は、カンチレバー２２を駆動する。このようにして駆動されたカンチレバー２２は、周波数ω1で振動する。一方、半導体レーザ素子からなるレーザ発光素子３１は、レーザ光３３を出射し、レーザ光３３は、カンチレバー２２で反射され、２分割または４分割光検出器からなる位置検出器３２で検出される。
【００４４】
カンチレバー２２の先端に固定された探針２１は、試料１１から作用される原子間力や同じく試料１１から漏洩する電磁界による電磁気力を受ける。カンチレバー２２は、探針２１が受けた力によってわずかに曲がり、レーザ光３３の反射角度を変え、位置検出器３２が受けるレーザ光３３の位置が変わる。カンチレバー２２が曲がる量は、微小なので、カンチレバー２２は弾性体とみなしてよく、フックの法則を適用することができる。すなわち、カンチレバー２２が曲がって探針２１が変位した量ｄｚは、探針２１が受けた力に比例する。
【００４５】
位置検出器３２は、探針２１の変位量ｄｚを検出する役割を果たす。また、力検出回路３４は、その位置検出器３２の出力信号を処理して、探針２１の変位量Δｚ、すなわち、探針２１が受けた力に相当する信号を出力する。
【００４６】
本実施形態においては、探針２１が受ける力を力検出回路３４の出力から直接に求めるのではなく、力の勾配を計測した後、その力の勾配を積分することによって求める。力の勾配を求めるために、本実施形態では、カンチレバー２２の共振現象を利用する。カンチレバー２２には、周波数ω1の振動が与えられているが、その加振周波数ω1がカンチレバー２２のばね定数ｋ0 によって決まる固有振動数（周波数ω0）に一致したときに共振現象が起きる。
【００４７】
ところで、探針２１が受ける力を表わす式は、一般には、位置座標による線形表現はできないが、測定対象の微小な領域では、直線近似をすることができる。この場合、力の変位量ｄＦは、位置の変位量ｄｚに比例するので、ｄＦ＝ｋzｄｚ となる関係を得ることができる。これは、フックの法則の表現に他ならない。従って、探針２１は、力を受けない場合に比べ、カンチレバー２２のばね定数ｋ0が ｋzだけ増加した場合と同様の動作をすることになる。そのため、カンチレバー２２の共振周波数ωzは、ｋz の分だけシフトする。ここで、ｋzは、ｋz＝（ｄＦ／ｄｚ）であり、力の勾配に相当する。従って、共振周波数ω0のシフト量を計測することによって、力の勾配（ｋz）を求めることができる。
【００４８】
本実施形態においては、ロックイン増幅器４０の出力として、力の勾配を求める。ロックイン増幅器４０には、力検出回路３４の出力および発振器４５の出力が入力される。そして、その内部で乗算器４１によって入力された２つの信号の乗算がとられ、乗算された信号は、ローパスフィルタ４２に通され、ローパスフィルタ４２の出力がロックイン増幅器４０の出力となる。このロックイン増幅器４０の出力は、力検出回路３４の出力信号のうち、周波数ω1の周波数成分の振幅が検出されたものである。この振幅値は、共振周波数ωz のシフト量を直接表わす値ではないが、この値から力の勾配を求めることができることが知られている。従って、ロックイン増幅器４０は、力の勾配すなわち共振周波数ωz のシフト量を検出する周波数シフト量検出手段といえる。
【００４９】
図６は、本実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡において、探針と試料表面との間の距離と、ロックイン増幅器で検出された力検出回路の出力信号の周波数ω1 成分の振幅との関係を示した図である。図６において、横軸は、探針２１と試料１１との間の距離を表し、縦軸は、ロックイン増幅器４０で検出された力検出回路３４の出力信号の周波数ω1 成分の振幅を表している。ここで、曲線Ａは、加振周波数ω1 を探針２１の共振周波数ω0 より低い周波数に設定した場合の振幅変化を表したものである。この場合、探針２１が試料１１の表面に近づくと周波数ω1 成分の振幅は増大する。また、曲線Ｂは、加振周波数ω1 を探針２１の共振周波数数ω0 より高い周波数に設定した場合の振幅変化を表したものである。この場合には、探針２１が試料１１の表面に近づくと周波数ω1 成分の振幅は逆に減少する。従って、ロックイン増幅器４０の出力値に所定の閾値を設定しておくことにより、ロックイン増幅器４０の出力値がその閾値を超えたとき、探針２１が試料１１の表面に達したと判定することができる。
【００５０】
そこで、ロックイン増幅器４０の出力、すなわち、力の勾配により探針２１の試料１１の表面への到達を検出する場合には、図１において、サーボ回路３５をロックイン増幅器４０の出力と探針２１が試料１１の表面に達したと判定するときの閾値との差に比例した値を出力するように構成し、その出力値により、ＸＹＺ走査用ピエゾ素子２４を駆動する。こうすることにより、探針２１を試料１１の表面位置まで接近させることができる。
【００５１】
次に、図７を参照して、試料１１の表面上方において探針２１が受ける力に基づき物理量を計測する手順について説明する。ここで、図７は、試料の表面をＸ方向に走査して、試料の表面上方における物理量を計測するときの探針の動きを模式的に示した図である。
【００５２】
図７において、探針２１を、まず、試料１１の表面上方の計測を開始する所定の位置に設定する（Ｓ１１）。そして、探針２１を加振用ピエゾ素子２３によりＺ方向に振幅数ｎｍ〜数１０ｎｍ程度で振動させながら、ＸＹＺ走査用ピエゾ素子２４によってＺ方向に沿って試料１１の表面に接近させるように移動させる（Ｓ１２）。このとき、加振用ピエゾ素子２３には、発振器４５によりカンチレバー２２の共振周波数ω0 とわずかに異なる周波数の信号が入力される。
【００５３】
そして、ロックイン増幅器４０の出力が所定の閾値を超えたとき、探針２１が試料１１の表面に接触したと判断して、探針２１の移動は停止され、そのときのＺ方向への駆動距離ΔＺをもって、試料１１の表面位置とする。このようにして、表面位置が計測されると、次に、探針２１をＺ方向に沿って試料１１の表面から離間する方向に所定の距離ΔＺ0 だけ移動させる（Ｓ１３）。このとき、距離ΔＺ0 は、探針２１に対する試料１１の吸着力の影響がなくなる距離より大きく、かつ、予想される表面凹凸（溝の深さおよび山の高さ）より大きな値に設定しておく。さらに、距離ΔＺ0 は、その位置における力の勾配が０または無視できる程度に小さい値になる距離であることが好ましい。
【００５４】
次に、試料１１の表面から距離ΔＺ0 離れた位置、すなわち、図７の黒丸の位置で、第１層目の物理量を計測する。このとき、カンチレバー２２は、所定の周波数ω1 で加振され、従って、物理量は、力の勾配として、ロックイン増幅器４０の出力として得られる。さらに、探針２１をＺ方向に沿って試料１１の表面に接近する方向に所定の微小距離Δｄだけ、すなわち、白丸の位置まで移動させる（Ｓ１４）。そして、その白丸の位置で、同様にして、第２層目の物理量を計測する。さらに、同様に、探針２１をＺ方向に沿って試料１１の表面に接近する方向に所定の微小距離Δｄだけ駆動して、黒四角の位置まで移動させ（Ｓ１５）、その黒四角の位置で、第３層目の物理量を計測する。このような探針２１の移動と物理量の計測を所定回数繰り返し、所定の位置、図７では、黒四角の位置まで探針２１を移動させ（Ｓ１６）、物理量の計測を行う。そして、その位置での物理量の計測を終えると、探針２１を元の黒丸の位置まで上方へ移動させる（Ｓ１７）。
【００５５】
次に、ＸＹ走査制御回路２５によってＸＹＺ走査用ピエゾ素子２４を駆動し、探針２１をＸ方向に所定の微小距離Δx移動させ、探針２１を次の計測位置に設定する（Ｓ１８）。そして、Ｓ１２〜Ｓ１８の動作を反復して行うことにより、試料１１をＸ方向に走査し、Ｘ座標値が＋Δxされる各位置における表面形状の計測およびその上方位置における物理量の計測を行う。
【００５６】
このように、探針２１を＋Ｘ方向に走査して、そのＸ方向各点における試料１１の表面形状および物理量の計測が終わったら、図４に示したように、探針２１を−Ｘ方向に移動させ、初期のＸ座標位置へ戻す。そして、Ｙ方向の走査を行うべく、探針２１を−Ｙ方向に所定距離Δyだけ移動させる。次に、再びＸ方向に走査し、試料１１の表面形状および物理量の計測を行う。このようなＸ方向およびＹ方向の走査を反復することによって、探針２１が走査した領域について試料１１の表面形状および物理量分布の３次元構造を計測することができる。
【００５７】
以上、第１の実施形態において計測される物理量は、探針２１が受ける力の勾配である。ここでは、力の勾配を力に変換することについて補足する。本実施形態では、Ｚ方向の力だけ考慮しているので、力の勾配は、ｄＦ／ｄｚである。従って、力（Ｆ）を求めるには、力の勾配を積分すればよい。その積分区間は、計測点のＺ座標値から無限遠点（∞）までである。例えば、図７における第ｎ層目の力の勾配をｇn とすると、第ｎ層目の力Ｆn は、Ｆn＝（ｇ1＋ｇ2＋…＋ｇn）・Δｄ  となる。ここで、Δｄは、計測点の間隔である。また、ｇ1 は、０であるか、０に極めて近い値であることが好ましい。
【００５８】
このような演算処理は、制御部３７（図１参照）において行う。そのために、ロックイン増幅器４０の出力値は、サーボ回路３５を介して（この場合、サーボ回路３５は、単に信号４０を通すだけである。）、適宜、制御部３７に取り込まれ、その内部の記憶装置に記憶される。
【００５９】
また、本実施形態において、例えば、磁界の強度（Ｈ）を計測する場合には、探針２１の全部または一部を鉄、ニッケル、コバルトまたはこれらの合金等の強磁性体材料で形成し、その探針２１を計測に使用する前に磁化しておく。その磁化量をｍとすれば、探針２１が磁界から受ける力（Ｆ）は、Ｆ＝ｍＨであるので、前記のようにして探針２１が受ける力（Ｆ）を求めることができる場合には、磁界の強度（Ｈ）を、制御部３７で計算して求めることができる。
【００６０】
以上、本実施形態によれば、図１〜図７を用いて説明したように、力の勾配を検出することにより、試料１１の表面の３次元構造を計測し、その後に、試料１１の表面の上方における物理量を計測する。この計測においては、探針２１が受ける原子間力が極めて小さい（〜１０-13Ｎ）うちに、探針２１が試料１１の表面に到達したと判定することができるため、探針２１が試料１１の表面の急峻な山や谷の斜面にさしかかっても、探針２１が撓んだり、滑ったり、深入りしたりすることがなくなる。そのため、試料１１の表面の３次元構造を、計測誤差が小さいつまり高精度に計測することができる。従って、その計測された表面形状の位置情報に基づき、その物理量の計測は、高精度に位置決めされた位置で行われることになる。そのため、測定された物理量は、誤差が小さく高精度なものとなる。また、探針２１のＸＹ方向への走査は、探針２１と試料１１の表面との離間距離が試料１１の表面に形成された山や谷の最高位置と最低位置の差より大きな距離になるところで行われるため、探針２１が折損する事故もなくなる。
【００６１】
＜第２の実施形態＞
以下、本発明の第２の実施形態として、電位ポテンシャルを計測するための走査型プローブ顕微鏡について図８および図９を参照して詳しく説明する。ここで、図８は、第２の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の構成の例を示した図である。また、図９は、ロックイン増幅器を用いて電位ポテンシャルを計測する原理を説明するための説明図である。
【００６２】
図８に示した第２の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の構成は、図１に示した第１の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡に、ロックイン増幅器７０が追加された構成となっている。そして、探針２１は、その一部または全部が導電性材料で形成され、探針２１には、ロックイン増幅器７０の出力信号が供給されるようにされている。具体的には、ロックイン増幅器７０の出力信号は、カンチレバー２２の一端に接続され、カンチレバー２２の一部に導電性の配線層が形成され、その配線層を介して、ロックイン増幅器７０の出力信号を探針２１へ供給する。また、ロックイン増幅器７０へは、力検出回路３４の出力が接続される。
【００６３】
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡において、試料１１の表面形状を計測し、その表面上方における物理量（電位ポテンシャル）を計測する手順は、前記した第１の実施形態の場合と同じである。第１の実施形態においては、物理量を求める積分処理を、制御部３７で行ったが、本実施形態においては、計測する電位ポテンシャルは、ロックイン増幅器７０に内蔵されている積分器７３の出力として得られる。以下、その計測の原理について、図９を参照して説明する。なお、ロックイン増幅器７０は、請求項の第２の周波数シフト量検出手段に相当する。
【００６４】
図９において、ロックイン増幅器７０は、乗算器７１、ローパスフィルタ７２、積分器７３、加算器７４および発振器７５により構成される。発振器７５は、周波数がω2 の高周波信号を発生し、乗算器７１には、力検出回路３４の出力信号および発振器７５が出力する周波数ω2 の高周波信号が入力される。乗算器７１の出力は、ローパスフィルタ７２を通過すると、ローパスフィルタ７２からは、力検出回路３４の出力信号のうち周波数がω2 成分の振幅信号が出力される。ローパスフィルタ７２の出力は、積分器７３への入力信号Ｖinとして入力され、積分される。積分器７３の出力は、加算器７４で発振器７５の出力に加算されて、探針２１へ入力される。
【００６５】
ここで、試料１１の表面の電位ポテンシャルをＶs、探針２１の位置での電位ポテンシャルをＶp、積分器７３の出力をＶ0、発振器７５の出力をＡsinω2tとすれば、試料１１の表面と探針２１との電位ポテンシャルの差Ｖspは、
Ｖsp＝Ｖs−（Ｖp＋Ｖ0＋Ａsinω2t）
と表わすことができる。従って、探針２１は、式１で表される力Ｆを受ける。ここで、式１の力Ｆは、試料１１の表面と探針２１との間の静電エネルギーをＺ方向に微分したものである。また、式１において、Ｖ＝Ｖs−（Ｖp＋Ｖ0）とおけば、式１は、式２のように表現され、三角関数の公式により、式３のように変形される。
【００６６】
【数１】
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【００６７】
探針２１は、加算器７４からＡsinω2t＋Ｖ0の電位が供給されることにより、式１の力Ｆを受けて、振動する。式３によれば、この振動には、周波数がω2の振動と周波数がその倍の２ω2の振動が重畳されていることが分かる。その探針２１の振動の様子は、力検出回路３４の出力として捉えられ、ロックイン増幅器７０のローパスフィルタ７２の出力として、周波数がω2の振動の振幅信号が出力される。式３によれば、その値は、Ｖに比例したものとなっている。従って、積分器７３への入力Ｖinは、Ｖに比例するので、
Ｖin＝ｂＶ（ｂは正の比例定数）と表わすことができる。
【００６８】
ところで、Ｖ＝Ｖs−（Ｖp＋Ｖ0）であるので、これを微分すると、
ｄＶ／ｄｔ＝−ｄＶ0／ｄｔ＝−Ｖin
となる。そして、前記のＶin＝ｂＶにより、
ｄＶ／ｄｔ＝−ｂＶ
なる微分方程式が導かれる。この微分方程式を解くと、
Ｖ＝Ｂ exp（−ｂｔ）    （Ｂは定数）
なる解が得られる。この式により、時間の経過によりＶは０に収束することが分かる。そのとき、Ｖin＝０であり、Ｖ0＝Ｖs−Ｖp である。これは、Ｖ0 が試料表面と探針位置における電位ポテンシャルの差を表わすことを示している。これによって、積分器７３の出力として電位ポテンシャルを得ることができる。
【００６９】
なお、第１の実施形態の図７で説明した物理量を計測する手順は、本実施例に特有な部分を除きほとんど同じように実施される。
【００７０】
＜第３の実施形態＞
以下、本発明の第３の実施形態として、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）回路を用いて力の勾配すなわち物理量を計測する走査型プローブ顕微鏡について図１０および図１１を参照して詳しく説明する。ここで、図１０は、第３の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の構成の例を示した図である。また、図１１は、ＰＬＬ回路を用いて力の勾配を計測する原理を説明するための説明図である。
【００７１】
図１０において、本実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の構成は、第１の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の構成（図１参照）とは、ロックイン増幅器７０の代わりにＰＬＬ回路５０が用いられている点、および、加振用ピエゾ素子２３を駆動する発振器５１がカンチレバー２２の共振周波数に追従して発振する構成にされている点において相違している。しかしながら、これらＰＬＬ回路５０および発振器５１を除いた他の構成は、第１の実施形態の場合と同じである。従って、本実施形態においても、力の勾配を計測するためにカンチレバー２２の共振現象が利用されており、その計測の原理および手順は、一部が相違するだけである。以下、その相違する点を主に説明する。
【００７２】
本実施形態においては、加振用ピエゾ素子２３と、カンチレバー２２（探針２１）と、レーザ光による位置検出器３２と、力検出回路３４と、発振器５１とで閉ループを形成し、正帰還結合させてカンチレバー２２を共振点で発振させる。すなわち、加振用ピエゾ素子２３により加振されたカンチレバー２２は、振動し、その加振振動数がカンチレバー２２の固有振動数に一致するときに共振する。カンチレバー２２の振動または共振の状況は、位置検出器３２および力検出回路３４によって検出され、力検出回路３４は、探針２１が振動する振幅および振動数に応じた信号を出力し、発振器５１を駆動する。このとき、発振器５１は、力検出回路３４から入力される信号に基づき、カンチレバー２２が共振する周波数の信号を出力する。
【００７３】
このとき、探針２１が原子間力や電磁気力等の力を受けている場合には、その力の勾配に応じて共振周波数がシフトする。その周波数シフトの原理は、第１の実施形態で説明した原理と同じある。そこで、本実施形態では、ＰＬＬ回路５０により共振周波数のシフト量を計測する。従って、ＰＬＬ回路５０は、周波数変調された信号を復調する周波数復調回路として機能し、請求項の周波数シフト量検出手段に相当する。
【００７４】
次に、図１１を参照してＰＬＬ回路５０により力の勾配すなわち周波数のシフト量を計測する原理を説明する。図１１において、発振器５１から入力される共振周波数ω1の信号Ｖ1＝Ａcosω1ｔは、位相比較器５３で電圧制御発振器５６からの周波数ω2の信号Ｖ2＝Ｂcosω2ｔと掛け合わされる。すると、位相比較器５３からは、周波数が（ω1＋ω2）である信号と（ω1−ω2）である信号が重畳された信号が出力される。ループフィルタ５４は、位相比較器５３から入力される信号のうち周波数が（ω1−ω2）の低周波信号のみを通過させ、ループ増幅器５５へ入力する。ループ増幅器５５は、ＰＬＬ回路５０に入力される信号の周波数変動を示す信号Ｇ｛sin(ω1−ω2)ｔ｝を出力する。ループ増幅器５５の出力は、積分器７６へ入力され、積分器７６の出力は、電圧制御発振器（ＶＣＯ：Voltage Controlled Oscillator）５６へ入力される。従って、電圧制御発振器５６は、周波数（ω1−ω2）が０になるような周波数ω2の信号を出力し、位相比較器５３に供給する。
【００７５】
探針２１をある位置から他の位置へ移動したとき、探針２１が受ける力が変化すれば、その共振周波数ω1もシフトする。その周波数シフト量は、積分器７６の出力値に対応している。また、第１の実施形態で説明したように、共振周波数のシフト量は、力の勾配に対応しているので、積分器７６の出力値を制御部３７（図１０参照）に取り込み、処理することによって、力の勾配を求めることができる。さらには、力の勾配のデータを積分処理することによって、電磁界の強度等の物理量を求めることができる。
【００７６】
なお、第１の実施形態の図７で説明した物理量を計測する手順は、本実施例に特有な部部を除きほとんど同じように実施される。
【００７７】
＜第４の実施形態＞
以下に、図１２を参照して、第１の実施形態の図７で説明した物理量を計測する手順とは異なる物理量の計測手順について説明する。ここで、図１２は、試料の表面をＸ方向に走査して、試料の表面上方の物理量を計測するときの手順を示した図であり、（ａ）は、試料表面の表面位置情報を計測するときの探針の動き、（ｂ）は、試料の表面上方における物理量を計測するときの探針の動きを模式的に示した図である。
【００７８】
図１２（ａ）において、探針２１を、まず、試料１１の表面上方の計測を開始する所定の位置に設定する（Ｓ２１）。そして、探針２１を加振用ピエゾ素子２３によりＺ方向に振動させながら、ＸＹＺ走査用ピエゾ素子２４によってＺ方向に沿って試料１１の表面に接近させるように駆動する（Ｓ２２）。このとき、加振用ピエゾ素子２３には、発振器４５によりカンチレバー２２の共振周波数または共振周波数とわずかに異なる周波数の加振信号が入力される。
【００７９】
そして、ロックイン増幅器４０やＰＬＬ回路５０の出力が所定の値に達したとき、探針２１が試料１１の表面に接触したと判断して、探針２１の駆動は停止され、そのときのＺ方向への駆動距離ΔＺをもって、試料１１の表面位置とする。この駆動距離ΔＺは、その表面位置のＸＹ座標（x, y）に対応付けて表面位置情報ΔＺ（x, y）として制御部３７の記憶装置に記憶される。このようにして、表面位置が計測されると、次に、探針２１をＺ方向に沿って試料１１の表面から離間する方向に所定の距離ΔＺ0 だけ移動させる（Ｓ２３）。距離ΔＺ0 は、探針２１に対する試料１１の吸着力の影響がなくなる距離より大きく、かつ、予想される表面凹凸（溝の深さおよび山の高さ）より大きな値に設定しておく。さらに、距離ΔＺ0 は、その位置における力の勾配が０または無視できる程度に小さい値になる距離であることが好ましい。次に、試料１１の表面から距離ΔＺ0 離れた位置で、ＸＹＺ走査用ピエゾ素子２４によって探針２１をＸ方向に所定の微小距離Δx移動させる（Ｓ２４）。
【００８０】
そして、ステップＳ２２の探針２１の移動を行い、試料１１表面の表面位置の計測を行い、ステップＳ２３の探針２１の移動を行う一連の手順を所定の回数繰り返し行う。すなわち、本実施形態においては、まずは、物理量の計測を行わないで、試料１１の表面の表面位置情報を計測する＋Ｘ方向の走査を行う。＋Ｘ方向の表面位置情報計測の走査が終了すると、探針２１を所定のＺ方向位置に移動させて（Ｓ２５）、探針２１を−Ｘ方向に移動させ（Ｓ２６）、探針２１を計測開始の初期の位置へ移動させる（Ｓ２７）。
【００８１】
次に、図１２（ｂ）において、Ｘ方向に沿って物理量を計測する走査を行う。本実施形態においては、試料１１の表面からの距離を所定の一定の距離を保つようにして探針２１を＋Ｘ方向に微小距離Δxずつ移動させながら物理量の計測を行う（Ｓ２８）。このとき、Ｚ方向の計測位置座標は、制御部３７から読み出された表面位置情報ΔＺ（x, y）に基づき求められる。これら、＋Ｘ方向の物理量計測の走査が終了すると、探針２１を初期位置へ戻し（Ｓ２５，Ｓ２６，Ｓ２９）、ステップＳ２８と同様に、試料１１の表面からの距離を所定の一定の距離を保つようにして探針２１を＋Ｘ方向に微小距離Δxずつ移動させながら物理量の計測を行う（Ｓ３０）。ただし、試料１１の表面からの距離は、ステップＳ２８のときより−Δｄだけ小さく設定される。以下、同様に、試料１１の表面からの距離をΔｄずつ減じながら所定の回数だけ物理量計測の走査を行う。
【００８２】
このように、探針２１を＋Ｘ方向に走査して、そのＸ方向各点における試料１１の表面形状および物理量の計測が終わったら、図４に示したように、探針２１を−Ｘ方向に移動させ、初期のＸ座標位置へ戻す。そして、Ｙ方向の走査を行うべく、探針２１を−Ｙ方向に所定距離Δyだけ移動させる。次に、再びＸ方向に走査し、試料１１の表面形状および物理量の計測を行う。このようなＸ方向およびＹ方向の走査を反復することによって、探針２１が走査した領域について試料１１の表面形状および物理量分布の３次元構造を計測することができる。
【００８３】
＜第５の実施形態＞
図１３は、半導体集積回路検査装置に適用した走査型プローブ顕微鏡の構成の例を示した図である。本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、第１の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡に光学顕微鏡６０が付加された構成となっている。ここで、もとになる走査型プローブ顕微鏡は、第１の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の代わりに、第２の実施形態または第３の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡であってもよい。
【００８４】
光学顕微鏡６０は、対物レンズ６１、接眼レンズ６２およびＣＣＤ（charge Coupled Device）カメラ６３を備え、試料１１の表面とカンチレバー２２と探針２１とを同時に観察することができる。なお、図では試料１１の表面を照明する落射照明系を省略している。落射照明系により照明された試料１１の表面とカンチレバー２２と探針２１とは、ＣＣＤカメラ６３で撮像される。ＣＣＤカメラ６３で撮像された光学像は、制御部３７に取り込まれ、試料１１となる半導体集積回路チップの位置を認識するために使用される。半導体集積回路チップには、通常、所定の形状の位置決め用のマークが少なくとも３箇所に埋め込まれており、そのマークを認識することにより半導体集積回路チップ内におけるＸＹ座標系を定めることができる。
【００８５】
これにより、半導体集積回路チップ内の検査対象部位の位置関係などを正確に判別することができるようになる。そして、半導体集積回路チップ内における位置認識、位置決め等の自動化、さらには、半導体集積回路チップ表面の表面形状や漏洩物理量の自動計測が可能となる。
【００８６】
また、制御部３７は、ホストコンピュータとの通信インターフェースを備え、図示しないウェハ自動搬送ロボット等との間でデータ通信を行う。そして、搬入されるシリコンウェハについて計測位置や計測条件のレシピを受け取り、自動計測を行い、その自動計測の結果を、ホストコンピュータへ送信したり、制御部３７の表示装置（図示せず）に表示したりする。
【００８７】
このように、ＣＣＤカメラ６３を備えた光学顕微鏡６０により、物理量の計測の自動化をより容易に行うことができるようになる。また、１００ｎｍ以下の寸法を持った半導体の高アスペクト構造の表面形状および漏洩物理量の計測に適用すると、斜面での探針２１のすべりがなくナノメートル以下の精度で計測することができる。さらに、微細素子の測長や欠陥計測に利用することができ、半導体製造プロセスのラインモニタとして使用することもできる。
【００８８】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、本発明の趣旨の範囲内で、これらの実施形態に限定されることなく実施することができる。例えば、力検出器３０としては、光てこ方式のものに代えて、容量変位計、歪みゲージ、光干渉計等、他の公知技術を用いてもよい。また、図８において力検出回路３４から出力される信号の周波数シフト量の検出は、ＰＬＬ回路５０に代えて、クォーダチャ復調回路等を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】第１の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の構成の例を示した図である。
【図２】カーボンナノチューブによって構成した探針の例を示した模式図である。
【図３】試料の表面をＸ方向に走査して、試料の表面形状を計測するときの探針の動きを模式的に示した図である。
【図４】探針が試料の表面をＸ方向およびＹ方向に走査する様子を模式的に示した図である。
【図５】本実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡において、力勾配の計測を説明するための走査型プローブ顕微鏡の部分構成およびロックイン増幅器の構成を示した図である。
【図６】本実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡において、探針と試料表面との間の距離と、ロックイン増幅器で検出された力検出回路の出力信号の周波数ω1 成分の振幅との関係を示した図である。
【図７】試料の表面をＸ方向に走査して、試料の表面上方における物理量を計測するときの探針の動きを模式的に示した図である。
【図８】第２の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の構成の例を示した図である。
【図９】ロックイン増幅器を用いて電位ポテンシャルを計測する原理を説明するための説明図である。
【図１０】第３の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の構成の例を示した図である。
【図１１】ＰＬＬ回路を用いて力の勾配を計測する原理を説明するための説明図である。
【図１２】試料の表面をＸ方向に走査して、試料の表面上方の物理量を計測するときの手順を示した図であり、（ａ）は、試料表面の表面位置情報を計測するときの探針の動き、（ｂ）は、試料の表面上方における物理量を計測するときの探針の動きを模式的に示した図である。
【図１３】半導体集積回路検査装置に適用した走査型プローブ顕微鏡の構成の例を示した図である。
【符号の説明】
【００９０】
１１    試料
１２    ＸＹ試料ステージ
２１    探針
２２    カンチレバー
２３    加振用ピエゾ素子
２４    ＸＹＺ走査用ピエゾ素子
２５    ＸＹ走査制御回路
３０    力検出器
３１    レーザ発光素子
３２    位置検出器
３３    レーザ光
３４    力検出回路
３５    サーボ回路
３７    制御部
４０    ロックイン増幅器
４１，７１    乗算器
４２，７２    ローパスフィルタ
４５，５１，７５    発振器
５０    ＰＬＬ回路
５３    位相比較器
５４    ループフィルタ
５５    ループ増幅器
５６    電圧制御発振器
６０    光学顕微鏡
６１    対物レンズ
６２    接眼レンズ
６３    ＣＣＤカメラ
７０    ロックイン増幅器
７３，７６    積分器
７４    加算器
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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