(57)【要約】【課題】  試料表面の凹凸の測定で勾配を有する部分等を測定するときに高い測定精度を保ち、試料表面上の探針の走査移動を簡単な制御で行うことができる走査型プローブ顕微鏡の探針移動制御方法を提供する。【解決手段】  この走査型プローブ顕微鏡の探針移動制御方法は、試料１２に対向する探針２０を有するカンチレバー２１、探針が試料の表面を走査するとき探針と試料の間で生じる原子間力等を測定する光てこ式光学検出装置等、探針と試料の位置を相対的に変化させＸ，Ｙ，Ｚの各微動機構２３，２９，３０を備え、測定部で物理量を一定に保ちながら微動機構により試料表面を走査して試料表面を測定する走査型プローブ顕微鏡に適用され、探針を試料表面に接近させる移動方向と、探針が試料表面に接触したときの反力方向とが設定値以上に異なるとき、探針の接近方向を変更する特徴を有する。【選択図】      図７
2005069972.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料に対向する探針を有する探針部と、前記探針が前記試料の表面を走査するとき前記探針と前記試料の間で生じる物理量を測定する測定部と、前記探針と前記試料の位置を相対的に変化させ少なくとも２自由度を有する移動機構とを備え、前記測定部で前記物理量を一定に保ちながら前記移動機構により前記探針で前記試料の表面を走査して前記試料の表面を測定する走査型プローブ顕微鏡の探針移動制御方法であり、
前記探針を試料表面に接近させる移動方向と、前記探針が試料表面に接触したときの反力方向とが設定値以上に異なるとき、前記探針の接近方向を変更することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の探針移動制御方法。
【請求項２】
前記変更の後の接近方向は、前記探針と前記試料の間の相対的距離を変える前記移動機構の自由度のうち前記探針が前記試料の表面に接触した時の反力方向と近い軸を選択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の探針移動制御方法。
【請求項３】
接近方向を変更する必要が生じたときには、その場で変更した接近方向を使用して退避動作を行い、再び前記接近方向にて前記試料の表面への接近動作を行うことを特徴とする請求項１または２記載の走査型プローブ顕微鏡の探針移動制御方法。
【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の探針移動制御方法に関し、特に、試料表面の凹凸形状を計測するのに適した走査型プローブ顕微鏡の探針移動制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査型プローブ顕微鏡は、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、半導体デバイス用基板、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。
【０００５】
原子間力顕微鏡は、発明当時、その高分解能性を利用したｎｍ（ナノメートル）以下の表面粗さの計測が中心的課題であった。しかし、半導体製造工程等のインライン検査にまで使用範囲が拡大してきた現在では、非常に急峻な凹凸の測定が必須となってきている。またライン用の用途としては不可能と考えられてきた試料表面の凹凸での９０度の垂直側面部分あるいは側壁等の自動計測も求められてきている。
【０００６】
上記のような凹凸面を測定する従来技術として特許文献１に開示される表面プロファイル検査装置を挙げることができる。この表面プロファイル検査装置では、原子間力顕微鏡の片持ちばりの先端に対して、先端の軸方向（縦軸）にほぼ平行な方向と、先端の軸方向にほぼ垂直な方向のそれぞれに異なる周波数でディザ運動を与え、このときの先端の動きを観測することによって、試料表面と先端との間の距離、および試料表面の局所勾配を測定することができる。先端の走査の軌道は、局所勾配をその場で測定することによって制御される。さらにこの測定値を使って新しい走査位置および新しいフィードバック調節方向が決定される。
【０００７】
上記の従来の方式によれば、原子間力顕微鏡の先端の部分にディザを加えることが必須であるので、試料表面の縁部や角部などの勾配が急速に切り替わる点での勾配の推定精度が下がり、全体としての計測精度に対する信頼性を下げる結果となっていた。またこの勾配データに基づいて先端を試料表面に沿って移動させる方式となっているため、送り制御の精度も３次元の方向のすべてに対して必要となり、先端の移動制御を複雑なものとしていた。
【特許文献１】特開平６−８２２４８号公報（特許第２５０１２８２号公報）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の課題は、原子間力顕微鏡等による試料表面の測定において、試料表面の凹凸形状で局所的な勾配を有する部分を精度を下げることなく測定すると共に、試料表面における探針の移動制御を簡単な方法で行えるようにすることである。
【０００９】
本発明の目的は、上記の課題に鑑み、試料表面の凹凸の測定で勾配を有する部分等を測定するときに高い測定精度を保ち、試料表面上の探針の走査移動を簡単な制御で行うことができる走査型プローブ顕微鏡の探針移動制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の探針移動制御方法は、上記目的を達成するために、次のように構成される。
【００１１】
第１の走査型プローブ顕微鏡の探針移動制御方法（請求項１に対応）は、試料に対向する探針を有する探針部（カンチレバー等）と、探針が試料の表面を走査するとき探針と試料の間で生じる物理量（原子間力等）を測定する測定部（光てこ式光学検出装置、フィードバック系、ＸＹＺの微動機構、データ処理等の制御装置等）と、探針と試料の位置を相対的に変化させ少なくとも２自由度を有する移動機構（Ｘ，Ｙ，Ｚの各微動機構）とを備え、測定部で物理量を一定に保ちながら移動機構により探針で試料の表面を走査して試料の表面を測定する走査型プローブ顕微鏡の探針移動制御方法であり、さらに、探針を試料表面に接近させる移動方向と、探針が試料表面に接触したときの反力方向とが設定値以上に異なるとき、探針の接近方向を変更することで特徴づけられる。
【００１２】
上記の探針移動制御方法では、Ｘ，Ｙ，Ｚの各微動機構に基づき探針を試料表面に対して相対的な位置関係として移動させる場合において、試料表面に接近するという通常の探針の接近動作において、試料表面の凹凸形状に基づく勾配を有する部分が原因で設定値以上の反力を受ける時にこれを検出して、探針を退避動作させると共に、試料表面に対する探針の接近方向を変更させて試料表面の当該勾配を有する部分を正確に測定することを可能にするものである。
【００１３】
第２の走査型プローブ顕微鏡の探針移動制御方法（請求項２に対応）は、上記の第１の方法において、好ましくは、変更の後の接近方向は、探針と試料の間の相対的距離を変える移動機構の上記２以上の自由度のうち探針が前記試料の表面に接触した時の反力方向と近い軸を選択することで特徴づけられる。この構成では、反力方向を接近方向に設定するため、試料表面の勾配を有する部分に対してほぼ直角な方向にて探針の接近動作を行わせることが可能である。
【００１４】
第３の走査型プローブ顕微鏡の探針移動制御方法（請求項３に対応）は、上記の各方法において、好ましくは、接近方向を変更する必要が生じたときには、その場で変更した接近方向を使用して退避動作を行い、再び上記接近方向にて試料の表面への接近動作を行うことで特徴づけられる。この構成では、接近方向の決定を容易に行うことができ、従って簡単な制御で傾斜を有する試料表面に対する探針の接近・退避および走査の移動動作を行うことが可能となる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、走査型プローブ顕微鏡による試料表面の探針移動制御で、試料表面との関係で探針に加わる力等を設定された一定量に抑制することができるので、試料表面の凹凸形状の形状計測の精度を高めることができる。また探針に加わる力を一定量に抑制することができるので、探針の先端位置を推測する精度が向上し、これにより試料の形状計測の精度を上げることができる。試料表面上で探針を走査移動させるとき、試料表面の凸部等によって探針に予想しない方向の力が加わる頻度を低下させることができるので、探針の寿命を延ばすことができ、走査型プローブ顕微鏡のランニングコストを低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。
【００１７】
図１に従って本発明に係る走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の全体の構成を説明する。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。
【００１８】
走査型プローブ顕微鏡の下側部分には試料ステージ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の集積回路パターン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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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ＴＶカメラ（撮像装置）１９が付設されている。ＴＶ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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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で撓みや捩れ等の変形が生じると、当該変形による変位を検出することができる。
【００２５】
カンチレバー変位検出部２４はＸＹ微動機構の部分に取り付けられている。ＸＹ微動機構はＸ微動機構２９とＹ微動機構３０によって構成される。ＸＹ微動機構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、また図示していない光学ミラーを使用してＺ軸方向の変位を相殺することによりカンチレバー２１とカンチレバー変位検出部２４の光学的位置関係は不変である。
【００２６】
上記において、Ｚ微動機構２３とＸ微動機構２９とＹ微動機構３０は、通常、圧電素子で構成されている。Ｚ微動機構２３とＸ微動機構２９とＹ微動機構３０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  〜数１０μｍ）の変位を生じさせる。
【００２７】
図３に、Ｚ微動機構２３とＸ微動機構２９とＹ微動機構３０から成る微動機構部の一具体例を示す。Ｚ微動機構２３は円筒形状の圧電素子で形成され、その基部を支持板３０１に固定されている。Ｚ微動機構２３の下端には、探針２０を有するカンチレバー２１が取り付けられている。Ｚ微動機構２３によってＺ軸方向に矢印３０２に示されるように変位を生じる。この変位は例えば５μｍ程度である。支持板３０１は、両側に配置されたロッド状圧電素子であるＸ微動機構２９によってＸ軸方向（矢印３０３）に変位する。なおＸ微動機構２９にはＸ軸変位計２９ａが付加されている。Ｘ軸変位計２９ａによってＸ微動機構２９で生じた変位量を計測し、Ｘフィードバック信号（ｓ３）を発生する。さらに支持板３０１に対しては、他の両側に配置されたロッド状圧電素子であるＹ微動機構３０によってＹ軸方向（矢印３０４）に変位する。またＹ微動機構３０にはＹ軸変位計３０ａが付加されている。Ｙ軸変位計３０ａによってＹ微動機構３０で生じた変位量を計測し、Ｙフィードバック信号（ｓ４）を発生する。Ｘ軸方向およびＹ軸方向の変位量は例えば１０μｍである。
【００２８】
上記のＸＹ微動機構の部分は、光学顕微鏡１８に関するユニットが取り付けられる前述した不図示のフレーム部材に取り付けられている。
【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、第１制御装置３３、第２制御装置３４が設けられる。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手段は、第１制御装置３３においてソフト的に実現される。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る。さらに、第２制御装置３４は上位の制御装置である。
【００３１】
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手段は、次の通り構成される。力フィードバック信号処理部４０等で、光検出器２７から出力される電圧信号（信号ｓ１）を入力し、この信号と予め設定された基準電圧とを比較し、その偏差信号を出力する。内部の偏差制御手段で、当該偏差信号が０になるように制御信号（ｓ２等）を生成し、この制御信号をＺ微動機構２３等に与える。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。例えば、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、例えばＺ軸方向については、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】
Ｘ微動機構２９およびＹ微動機構３０については、それぞれの変位計をフィードバック信号として一般的なフィードバックサーボ制御ループが形成される。図１で、信号ｓ３はＸ走査信号であると共に上記Ｘフィードバック信号である。また信号ｓ４はＹ走査信号であると共に上記Ｙフィードバック信号である。
【００３３】
次に第１制御装置３３は、走査型プローブ顕微鏡の各部を駆動させるための制御装置であり、次のような機能部を備えている。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
原則的に、Ｚ微動機構２３について、上記のフィードバックサーボ制御ループに基づき得られる制御信号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。制御信号ｓ２はＺ移動制御部４４から与えられる。
【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、Ｘ微動機構２９とＹ微動機構３０を駆動することにより行われる。Ｘ微動機構２９の駆動制御は、Ｘ微動機構２９に対してＸ走査信号を提供しかつＸフィードバック信号を受けるＸ移動制御部４５によって行われ、Ｙ微動機構３０の駆動制御は、Ｙ微動機構３０に対してＹ走査信号を提供しかつＹフィードバック信号を受けるＹ移動制御部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（図示せず）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、自動計測において試料表面の凸部や凹部等の勾配を有する部分に対して探針の移動方向を変更制御して当該部分を測定する計測プロセスを含んでおり、探針の移動方向（接近等）を自動的に変化させて勾配部分の測定を行うためのプログラムを備えている。計測条件の設定では、測定範囲、測定スピードといった基本項目、移動方向の設定と計測条件など、自動計測の条件の設定が行われ、それらの条件は設定ファイルに記憶され、管理される。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・保存されている。また第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に記憶される測定プログラム、測定条件、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。
【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やデータ処理部４４等から画像データや探針の高さ位置に係るデータを提供される。
【００４３】
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。
【００４４】
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Ｘ微動機構２９とＹ微動機構３０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。
【００４５】
探針２０側の移動は、カンチレバー２１を備えるＸ微動機構２９に対してＸ微動に係るＸ走査信号ｓ３を与え、かつＹ微動機構３０に対してＹ微動に係るＹ走査信号ｓ４を与えることによって行われる。Ｘ微動に係る走査信号ｓ３は第１制御装置３３内のＸ移動制御部４５から与えられ、Ｙ微動に係る走査信号ｓ４は第１制御装置３３内のＹ移動制御部４９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。
【００４６】
上記のＸ微動機構２９とＹ微動機構３０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Ｘ微動機構２９とＹ微動機構３０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。Ｘ微動機構２９とＹ微動機構３０によるＸＹ走査によれば、微小な狭域範囲の測定となる。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以上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、広域範囲の測定となる。
【００４７】
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、例えば、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（走査）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。
【００４８】
上記のごとき走査型プローブ顕微鏡は、例えば、図４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例えば途中段階で基板（ウェハ）の検査を行う自動検査工程６２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６１から検査対象である基板（試料１２）を搬出し、自動検査工程６２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６３へ搬出される。
【００４９】
図５は、カンチレバー２１および探針２０の部分を拡大して上方から見た斜視図を示している。図５によってカンチレバー２１の変形と光てこ式光学検出装置でのレーザ光２８の関係を詳述する。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の受光面２７ａに入射される。カンチレバー２１の先端に設けられた探針２０に原子間力が加わっていない状態で光検出器２７の受光面２７ａに入射されたスポット位置に対して、レーザ光２８の入射位置（スポット位置）の移動方向を捉えることで、カンチレバー２１の変形を通して探針２０に加わった力の大きさと方向を精度よく検出することができる。図５に示すごとく、探針２０に例えばＨ１方向の力が加わったときには光検出器２７ではＨ２方向のスポット位置変化として捕らえられる。また探針２０にＶ１方向の力が加わったときには光検出器２７ではＶ２方向のスポット位置変化として捕らえられる。ここで、Ｈ１方向の力を捩れ方向力と呼び、Ｖ１方向の力を撓み方向力と呼ぶことにする。
【００５０】
なお試料表面から探針２０に加わる原子間力等を検出する方式には、上記の光てこ式光学検出装置の他、光干渉などの光学的原理、あるいはカンチレバーに付設された歪み検出素子を利用する方式がある。
【００５１】
次に、図６〜図８を参照して、本実施形態による走査型プローブ顕微鏡の特徴的な自動計測方法を説明する。この自動計測方法では、試料１２の表面の検査対象である特定領域の凸部や凹部等において、例えばほぼ９０度の勾配を有する壁部の測定において探針の接近方向を自動的に変更しながら測定を行う測定プロセスが含まれる。
【００５２】
図６に示された試料１２の表面１２ａの任意の凸部１２ｂを含む箇所の測定について、探針２０を試料表面１２ａに対して接近・退避移動させながら走査移動させる。このとき、図６に示された探針２０の移動の順序（１）〜（９）（以下では移動（１）〜（９）という）と、この移動動作に関係する図７に示された動作制御の手順について説明する。また図７に示された動作制御の手順を実現する装置機能として第２制御装置３４によって実現される制御ブロックを図８に示す。
【００５３】
この制御ブロックでは、微動機構４０１は前述のＺ微動機構２３とＸ微動機構２９とＹ微動機構３０から成る機構部分である。力検出部４０２は前述の光てこ式光学検出装置から成る部分である。力検出部４０２から出力される力フィードバック信号は上記の信号ｓ１である。変位検出部４０３は前述のＸ軸変位計２９ａとＹ軸変位計３０ａとから成る部分である。変位検出部４０３から出力される位置フィードバック信号は上記の信号ｓ３，ｓ４等である。制御ブロックでは、力フィードバック信号に対して力目標値が設定され、演算器４０４でその差が求められる。また位置フィードバック信号に対しては位置目標値が設定され、演算器４０５でその差が求められる。演算器４０４，４０５のそれぞれで得られた信号は、各々のＰＩＤ制御部４０６，４０７を経て制御切替器４０８に与えられる。制御切替器４０８から出力される信号４０９は、走査信号として、アンプ４１０を経て適宜に各微動機構の圧電素子４１１に供給され、微動機構４０１を動作させる。制御切替器４０８によって探針の移動制御において力フィードバック信号または位置フィードバック信号のいずれかが選択されるようになっている。
【００５４】
移動（１）：探針２０を試料１２に接近させる（ステップＳ１１）。試料表面から離れた状態にある探針２０を原子間力が作用する程度に接近させる移動動作は、通常は、この移動ではＺ微動機構２３が動作させられる。第１制御装置３３のＺ移動制御部４４からＺ走査信号を試料接近方向に発生させる。試料表面に探針が接触すると、撓み方向の力がカンチレバー２１にかかり、これを一定量に制御して停止する。次に、捩れ方向の力が規定値以上にないことを確認し（ステップＳ１２）、探針２０の先端の位置を、このときの変位量（位置）をＺフィードバック信号で検知して（ステップＳ１３）、表面位置を記録する。この際に、撓み方向と捩り方向の力の量からカンチレバー２１と探針２０の変形量を加味してもよい。
【００５５】
移動（２）：次に探針２０を試料表面１２ａから退避する（ステップＳ１４）。第１制御装置３３からＺ走査信号を試料退避方向に発生させ、一定の距離移動したことをＺフィードバック信号で確認し、停止させる。
【００５６】
移動（３）：次に、探針２０をＸ方向に一定量送る（ステップＳ１５）。第１制御装置３３のＸ移動制御部４５からＸ走査信号を発生させ、一定の距離移動したことをＸフィードバック信号で確認し、停止する。
【００５７】
移動（４）：その後、計測終了か否かを判定する（ステップＳ１６）。判定ステップＳ１６でＮＯのとき、その後、探針２０を試料１２に再度接近させる（ステップＳ１１）。判定ステップＳ１６でＹＥＳのとき計測を修了する。ステップＳ１１でＺ微動機構２３を動作させるため、第１制御装置３３からＺ走査信号を試料接近方向に発生させる。試料表面１２ａに探針２０が接触すると、撓み方向の力がカンチレバー２１にかかり、これを一定量に制御して停止する。この場合、接触点が試料１２の凸部１２ｂの斜面となり、接近方向に対して探針２０にかかる反力の向きが撓み方向と大きく異なる。探針２０が試料表面をすべり、結果として求めたい接近開始のＸ位置でのＺの位置を精度よく測定することが困難となる。
【００５８】
移動（５）：そこで捩れ方向の力が規定値以上に発生した場合（ステップＳ１２）、この反力方向に近い動作軸の方向を選択し、退避する（ステップＳ１７）。この場合、Ｘ方向を選択して退避する。
【００５９】
移動（６）：次には、再度、Ｘ方向において探針２０を接近させる（ステップＳ２１）。試料表面１２ａに探針２０が接近すると、捩り方向の力がカンチレバー２１にかかり、これを一定量に制御して停止する。次に撓み方向の力が規定値以上にないことを確認し（ステップＳ２２）、探針先端の位置を、このときの変位量（位置）をＸフィードバック信号で検知して（ステップＳ２３）、表面位置を記録する。この際、撓み方向と捩り方向の力の量からカンチレバー２１と探針２０の変形量を加味してもよい。
【００６０】
移動（７）：探針２０を、Ｘ方向において、接近方向と反対の方向に退避させる（ステップＳ２４）。
【００６１】
移動（８）：探針２０を、Ｚ方向に一定量送る（ステップＳ２５）。送る方向は、上記の移動（１）で計測したＺ方向の位置に対して移動（６）で測定したＺ方向の位置が＋であれば＋方向に、−であれば−方向に送る。
【００６２】
移動（９）：再度、Ｘ方向に探針２０を接近させる（ステップＳ２１）。次の判断ステップＳ２２において、ＹＥＳである場合には、Ｚ方向探針退避処理（ステップＳ２６）を行ってステップＳ１１に移行する。
【００６３】
接近処理で発生する例外処理としては、いつまで経っても探針２０が試料表面に接触しないことが想定できるが、このときは、空走距離や時間を計測し、一定以上接触しなければ、処理を打ち切り、この接近方向に、前回接触した位置から一定量の送りをかけた位置まで探針を送り、接近方向を切り替えて接近処理を行う。
【００６４】
なお、ここで図８に示した制御ブロックについて、図７に示したフローチャートとの関係で説明を加える。Ｘ，Ｙ，Ｚの各軸は独立に制御され、図８の各信号は３次元ベクトルで扱われる。従って、図８に示される制御ブロックはＸ，Ｙ，Ｚの各軸について存在することになる。
【００６５】
Ｚ方向探針接近処理：力目標値Ｆｚをセットし、制御切替器４０８をＡ側に設定する。力検出は撓み信号を検出してフィードバック信号とする。これにより探針を試料に接近させ接触状態で静止させることができる。
【００６６】
Ｚ方向探針退避処理：探針２０を退避するための位置目標値Ｐｚ１をセットし、制御切替器４０８をＢ側に設定する。Ｚ微動機構の変位を検出し、Ｚフィードバック信号とする。位置目標値まで到達し停止する。
【００６７】
Ｘ方向探針送り処理：探針２０の送り量を現在の位置に加えた位置目標値Ｐｘ２をセットし、制御切替器４０８をＢ側に設定する。Ｘ微動機構の変位を検出しＸフィードバック信号とする。位置目標値まで到達し停止する。
【００６８】
Ｘ方向探針退避処理：探針２０を退避するための位置目標値Ｐｘ１をセットし制御切替え器Ｂ側に設定する。Ｘ微動機構の変位を検出しＸフィードバック信号とする。位置目標値まで到達し停止する。
【００６９】
Ｘ方向探針接近処理：力目標値Ｆｘをセットし制御切替器４０８をＡ側に設定する。力検出は捩れ信号を検出し、力フィードバック信号とする。これにより探針を試料に接近させ、接触状態で静止させることができる。
【００７０】
Ｚ方向探針送り処理：探針の送り量を現在の位置に加えた位置目標値Ｐｚ２をセットし制御切替器４０８をＢ側に設定する。Ｘ微動機構の変位を検出しＺフィードバック信号とする。位置目標値まで到達し停止する。
【００７１】
以上の実施形態で説明された構成、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、説明された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】
【００７２】
本発明は、半導体デバイスが作られるシリコンウェハ等の試料の表面形状を計測する原子間力顕微鏡等の走査型プローブ顕微鏡で、探針の移動を制御するとき力フィードバック制御を利用して試料表面に対する探針の接近動作を適宜に変更し、試料表面の勾配を有する部分の計測の精度を高めるのに利用される。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡である原子間力顕微鏡装置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構造を示す斜視図である。
【図３】探針を移動させる微動機構部分の具体的構造を示す斜視図である。
【図４】走査型プローブ顕微鏡を含む自動検査工程を含む半導体製造ラインを示す図である。
【図５】カンチレバーに加わる力とカンチレバーで生じる変形量を説明する図である。
【図６】試料表面における特徴的な探針移動の状態を示す図である。
【図７】探針の移動制御を示すフローチャートである。
【図８】探針の移動制御に関係する制御ブロックを示すブロック図である。
【符号の説明】
【００７４】
１１      試料ステージ
１２      試料
１４      ＸＹステージ
１５      Ｚステージ
１６      試料ホルダ
１８      光学顕微鏡
１９      ＴＶカメラ
２０      探針
２１      カンチレバー
２３      Ｚ微動機構
２９      Ｘ微動機構
３０      Ｙ微動機構
【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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