(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
探針を試料に対し相対走査して該試料上の情報を検出するプローブの走査制御装置において、
前記探針における、前記試料の表面形状に沿って追従した距離である試料形状方向についての追従距離が、該試料形状方向に等間隔で分割した各サンプリング点間で一定となるようにサンプリングを行う間隔制御手段を有し、
前記間隔制御手段が、各サンプリング点間について探針が試料形状方向に追従した距離が一定となるようにサンプリングレートを演算するサンプリングレート演算手段と、
前記サンプリングレート演算手段の演算結果に基づき、測定情報をサンプリングするサンプリング手段と、サンプリングの時間間隔を記憶するサンプリングレート記憶手段と、
を有することを特徴とするプローブの走査制御装置。
【請求項２】
前記サンプリングレート演算手段が、前記追従した距離とみなす試料上の形状の空間周波数を制限する空間周波数制限手段を有することを特徴とする請求項１に記載のプローブの走査制御装置。
【請求項３】
探針を試料に対し相対走査して該試料上の情報を検出するプローブを有する走査型プローブ顕微鏡において、
前記プローブの走査が、請求項１または請求項２に記載の走査制御装置によって制御するように構成されていることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
前記サンプリングレート演算回路の演算した各サンプリング点間のサンプリングレートを記憶するサンプリングレート記憶手段と、
前記サンプリングレート記憶手段が記憶する各サンプリング点間のサンプリングレートを用いて、測定情報の２次元分布を合成する情報合成手段を有することを特徴とする請求項３に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
探針を試料に対し相対走査して該試料上の情報を検出するプローブの走査制御方法において、
前記探針における、前記試料の表面形状に沿って追従した距離である試料形状方向についての追従距離が、該試料形状方向に等間隔で分割した各サンプリング点間で一定となるように間隔制御してサンプリングを行うに際し、
前記間隔制御を、各サンプリング点間について探針が試料形状方向に追従した距離が一定となるようにサンプリングレートを演算し、
該サンプリングレートの演算結果に基づいて、測定情報をサンプリングすると共に、サンプリングの時間間隔を記憶することにより行うことを特徴とするプローブの走査制御方法。
【請求項６】
前記サンプリングレートを演算するに際し、前記追従した距離とみなす測定試料上の形状の空間周波数を制限することを特徴とする請求項５に記載のプローブの走査制御方法。
【請求項７】
試料に対し相対走査するプローブを用い試料の表面形状を測定する測定方法において、前記プローブの走査が請求項５または請求項６に記載の走査制御方法によって制御されることを特徴とする試料の表面情報を測定する測定方法。
【請求項８】
前記各サンプリング点間のサンプリングレートを記憶し、該記憶した各サンプリング点間のサンプリングレートを用いて測定情報の２次元分布を合成することを特徴とする請求項７に記載の試料の表面情報を測定する測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプローブの走査制御装置、該走査制御装置による走査型プローブ顕微鏡、及びプローブの走査制御方法、該走査制御方法による測定方法に関し、特に探針で測定試料を相対走査して該測定試料上の情報を取得するＳＰＭ（走査型プローブ顕微鏡）の技術分野に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、導体の電子構造を直接観察できる走査型トンネル顕微銃（以後、ＳＴＭと略す）の開発［Ｇ．Ｂｉｎｎｉｎｇ  ｅｔ  ａｌ．Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ，４９，５７（１９８２）］以来、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）、ＳＣＭ（走査型容量顕微鏡）、ＳＮＯＭ（近接場光学顕微鏡）といった、先端の尖ったプローブを走査することにより様々な情報とその分布を得る顕微鏡装置が、次々と開発されてきた。現在、これらの顕微鏡群は、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）と総称され、原子、分子レベルの解像度を持つ、微細構造の観察手段として、広く用いられるようになっている。
【０００３】
従来、これらＳＰＭ装置は、金属や雲母グラファイト等の結晶へき開面や、シリコン基板といった平面形状の試料の表面観察装置として使用されてきた。しかしながら、現在では、半導体プロセスで作成された配線構造、マイクロマシン技術で作成された微小構造物等、立体構造物の観察手段としても工業的応用を期待されている。
【０００４】
以下、一般的なＳＰＭ装置の動作として、ＡＦＭの動作を簡単に説明する。平面状の試料の表面形状を測定するために、先の尖った探針をカンチレバーと呼ばれる弾性体で支え、探針先端を試料に対して所定の力で押しつける。カンチレバーは板ばねとして作用するため、カンチレバーのたわみ量を検出する事で、押し付け力を知る事が出来る。試料面と平行な平面内において動作するｘｙステージを用い、試料と探針を直線状に一定速度で相対走査する。走査時に、試料面に垂直に動作するｚステージを用い、押し付け力一定すなわちカンチレバーのたわみが一定となるように、探針と試料表面との距離を制御することで、探針は試料表面の凹凸に追従する。このｚステージの制御量を等時間間隔でサンプリングする事により、直線状に表面形状の断面プロファイルが得られる。さらに、試料面と平行な面内において、いわゆるラスタ状に前記の動作を繰り返す事により、試料形状の２次元分布を得る。
【０００５】
測定中に、例えば、導電性の探針を用いて、試料との間にバイアス電圧をかけて、電流を測定すれば、試料表面の導電性の分布を知る事が出来るし、微小開口を持つプローブを近接場領域まで近づけた状態でプローブから試料表面に光を入射しその散乱光を測定すればＳＮＯＭとなる。また、ＳＴＭにおいては、探針と試料との間に流れるトンネル電流を一定として同様の距離制御を行い、測定を行う。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来、試料平面全体が走査面に対して傾いている場合、試料の局所的凹凸により試料平面内でのサンプリング間隔が変化するという問題に対して、例えば、特開平６−１４７８２１号公報に見られるように試料平面方向に等間隔でサンプリングを行う方法が提案されている。
しかしながら、前述のような立体構造物は、試料表面の観察対象の分布に比べ、大きな空間周波数の構造を持つ、すなわち大形状（試料形状）の上に表面形状等の微細構造（表面構造）を有するため、これら一般的な構成のＳＰＭ装置を表面観察手段として使用する場合には、別の問題が発生する。この事について、以下、図を用いて説明する。
【０００７】
説明のため、図３の示すように半円状の立体形状を持つ試料１１２を６分割し、７点で測定量をサンプリングし、従来のＳＰＭ装置で表面測定を行う場合について考える。走査方向２０２に走査を行いながら間隔制御方向２０３に間隔制御を行って、走査方向２０２について等間隔でサンプリングを行う。この走査方向におけるサンプリング点間の距離を、ｄhとし、以下、走査方向サンプリング距離３０１とする。
【０００８】
図中ｄr1からｄr3はサンプリング点間において、探針が実際に試料１１２の形状に沿って追従した距離であり、これを以下、試料形状方向サンプリング距離３０２とする。
ｄr1からｄr3およびｄhの関係は、
ｄr1＞ｄr2＞ｄr3＞ｄh
であり、走査方向について等間隔でサンプリングしても試料形状方向では等間隔にならず、傾斜角が大きい程、試料形状方向のサンプリング間隔は大きくなってしまう。この事は、従来のように平面と見なせる試料の測定においては大きな問題にはならないが、前述したような立体形状上の表面測定を行う場合は、観察する立体形状面の走査方向に対する傾斜角の変化によって試料形状方向のサンプリングレートが変化する、すなわち、表面測定の分解能が変化するという問題を引き起こしていた。
【０００９】
そこで、本発明は、上記課題を解決し、走査方向に対して傾斜角の変化する立体形状試料に対して、試料形状方向の分解能を一定として検出できるプローブの走査制御装置、該走査制御装置による走査型プローブ顕微鏡、及びプローブの走査制御方法、該走査制御方法による測定方法を提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を達成するため、つぎの（１）〜（８）のように構成したプローブの走査制御装置、該走査制御装置による走査型プローブ顕微鏡、及びプローブの走査制御方法、該走査制御方法による測定方法を提供するものである。
（１）探針を試料に対し相対走査して該試料上の情報を検出するプローブの走査制御装置において、
前記探針における、前記試料の表面形状に沿って追従した距離である試料形状方向についての追従距離が、該試料形状方向に等間隔で分割した各サンプリング点間で一定となるようにサンプリングを行う間隔制御手段を有し、
前記間隔制御手段が、各サンプリング点間について探針が試料形状方向に追従した距離が一定となるようにサンプリングレートを演算するサンプリングレート演算手段と、
前記サンプリングレート演算手段の演算結果に基づき、測定情報をサンプリングするサンプリング手段と、サンプリングの時間間隔を記憶するサンプリングレート記憶手段と、
を有することを特徴とするプローブの走査制御装置。
（２）前記サンプリングレート演算手段が、前記追従した距離とみなす試料上の形状の空間周波数を制限する空間周波数制限手段を有することを特徴とする上記（１）に記載のプローブの走査制御装置。
（３）探針を試料に対し相対走査して該試料上の情報を検出するプローブを有する走査型プローブ顕微鏡において、
前記プローブの走査が、上記（１）または（２）のいずれかに記載の走査制御装置によって制御するように構成されていることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
（４）前記サンプリングレート演算回路の演算した各サンプリング点間のサンプリングレートを記憶するサンプリングレート記憶手段と、
前記サンプリングレート記憶手段が記憶する各サンプリング点間のサンプリングレートを用いて、測定情報の２次元分布を合成する情報合成手段を有することを特徴とする上記（３）に記載の走査型プローブ顕微鏡。
（５）探針を試料に対し相対走査して該試料上の情報を検出するプローブの走査制御方法において、
前記探針における、前記試料の表面形状に沿って追従した距離である試料形状方向についての追従距離が、該試料形状方向に等間隔で分割した各サンプリング点間で一定となるように間隔制御してサンプリングを行うに際し、
前記間隔制御を、各サンプリング点間について探針が試料形状方向に追従した距離が一定となるようにサンプリングレートを演算し、
該サンプリングレートの演算結果に基づいて、測定情報をサンプリングすると共に、サンプリングの時間間隔を記憶することにより行うことを特徴とするプローブの走査制御方法。
（６）前記サンプリングレートを演算するに際し、前記追従した距離とみなす測定試料上の形状の空間周波数を制限することを特徴とする上記（５）に記載のプローブの走査制御方法。
（７）試料に対し相対走査するプローブを用い試料の表面形状を測定する測定方法において、前記プローブの走査が上記（５）または（６）に記載の走査制御方法によって制御されることを特徴とする試料の表面情報を測定する測定方法。
（８）前記各サンプリング点間のサンプリングレートを記憶し、該記憶した各サンプリング点間のサンプリングレートを用いて測定情報の２次元分布を合成することを特徴とする上記（７）に記載の試料の表面情報を測定する測定方法。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態においては、上記構成を適用して、試料表面に探針を追従させて、試料表面を測定する走査型プローブ顕微鏡において、サンプリング点間の探針の試料形状方向についての追従距離が一定となるように、サンプリングを行うことにより、走査方向と試料形状方向のなす傾斜角が変化するような立体形状をもつ試料の表面測定に対しても、平面状の試料を測定する場合と同様に、等分解能での表面測定を可能とすることができる。また、探針の追従距離を計算する信号の周波数を制限することにより、試料形状として扱う空間周波数を設定することを可能とすることができる。さらに、サンプルリングの時間間隔を参照して、走査平面内での測定情報の２次元合成が可能となる。
【００１２】
【実施例】
以下、図面を用いて、本発明の実施例について以下に詳細な説明を行う。
図４は、本発明の原理を説明するための模式図であり、図４において走査方向２０２に走査を行いながら間隔制御方向２０３に間隔制御を行って、探針が実際に試料１１２上を追従した距離、すなわち、試料形状方向サンプリング距離３０２について等間隔でサンプリングを行う。
【００１３】
以下、本実施例の装置とその動作について、説明する。
図１に示すように、弾性体１０９と探針１１０からなるプローブ１１１が、試料１１２の表面に対向するように配置される。プローブ１１１は、固定されており、試料１１２は、ｘｙｚ駆動ステージ１０８に取り付けられる。
プローブ１１１は、半導体プロセスにより作成され、図５に示す構成を有している。プローブ１１１において、探針１１０は、Ｓｉで構成される弾性体１０９により支持される。弾性体１０９の表面には、Ａｓを打ち込むことで、図５に示すように、ピエゾ抵抗層５０１が形成されており、弾性体の変形によって生じる応力に応じて、抵抗値が変化する。
【００１４】
変位検出回路１０２はプローブ１１１の弾性体１０９に図５に示すようにバイアス電圧を印加し、流れる電流値を検出する事で、弾性体１０９のたわみ量を検出し、位置制御量演算回路１０３に送る。弾性体１０９は板ばねとして機能するため、そのたわみ量は、十分小さい場合には、探針押し込み力に比例する。位置制御量演算回路１０３は、探針押し込み力を一定、すなわち、弾性体１０９のたわみ量が一定となるように、探針１１０と試料１１２との間隔制御量を演算し、位置制御回路１０６、サンプリングレート演算回路１０４、サンプリング回路１０５に送る。また、探針１１０と試料１１２との平面内での相対走査量を位置制御回路１０６とサンプリングレート演算回路１０４に送る。位置制御回路１０６は、指示された制御量に従い、ｘｙｚ駆動ステージ１０８を制御し、探針１１０と試料１１２との相対位置を変化させる。
【００１５】
ここで、サンプリングレート演算回路１０４の動作について説明する。入力された間隔制御量は、まず、あらかじめ設定したカットオフ周波数を持つローパスフィルタを通る。次に、この出力信号と走査信号とをそれぞれ微分し、間隔制御方向速度Ｖh及び、走査方向速度Ｖvを求める。走査方向と間隔制御方向は直行しているので、試料形状方向速度Ｖsは、
0004497665.tif 000002
となる。
【００１６】
次にこのＶsを積分してゆき、あらかじめ定める試料形状方向サンプリング距離をｄr、一つ前のサンプリング時刻をｔs-1とすると、
0004497665.tif 000003
となるｔsにサンプリング回路１０５とサンプリングレート記憶回路１０６にトリガ信号を出力する。
【００１７】
サンプリング回路１０５はトリガ信号を受け、その時点での位置制御量を取得する。サンプリングレート記憶回路１０６は、サンプリングの時間間隔を記憶する。
以上の構成の装置を用い、Ｌ×Ｌの正方形の範囲に対して測定動作を行う。直線状に、長さＬだけ走査を行い、図２に示すように、表面形状のラインプロファイルを得る。このラインプロファイルはローパスフィルタのカットオフ周波数と走査速度とから定まる空間周波数、
0004497665.tif 000004
以下の空間周波数を持つ試料形状方向に等分解能で測定されたものとなっている。
【００１８】
次に、探針１１０と試料１１２を走査方向と直行する方向にｄrだけ相対的に移動させ、同様の測定動作を行う。これを繰り返し、Ｌ×Ｌの測定範囲全体を走査する。
さらに、走査方向を９０度回転させ、同様の測定操作を行う。以上の動作により、走査範囲全体について、直行する２方向について、ラインプロファイル群が取得できる。
【００１９】
次に測定結果を２次元に合成する。まず、測定範囲全体についての合成を行う。合成される２次元データのピクセル数は、適宜定めることが出来るが、ここでは
0004497665.tif 000005
ピクセルを用いる。ここまでの動作で得られた２つの走査方向に関する、各サンプリング点は各走査方向に対して、等間隔ではない。サンプリングレート記憶回路に記憶された、各サンプリング点の時間間隔と走査速度Ｖhおよび各走査間の距離ｄrから各サンプリング点の位置がわかるので、各ピクセルに対してもっとも近いサンプリング点の情報をそのピクセルの情報とする。こうして得られた２次元データは、サンプリング点とピクセルの位置ずれという誤差を持つが、いわば全体像として利用できる。また、もちろん、各ピクセルからの距離に応じた重み付け平均化処理等、他の合成手法を用いてもかまわない。
【００２０】
なお、本実施例では、探針１１０の変位量の検出に弾性体１０９のたわみによるピエゾ抵抗層５０１の抵抗変化を用いたが、もちろんこれは、光てこ等、他の変位検出手段でもかまわない。
また、本実施例では、試料１１３の表面形状を測定する原子間力顕微鏡としての装置構成例を示したが、走査中に別の物理量を同時に検出することで、例えば、近接場光学顕微鏡、静電容量顕微鏡等、他の走査型プローブ顕微鏡装置にも本発明は適用可能である。
【００２１】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、傾斜角の変化する立体形状試料に対して、試料形状方向の分解能を一定として検出可能なプローブの走査制御装置、該走査制御装置による走査型プローブ顕微鏡、及びプローブの走査制御方法、該走査制御方法による測定方法を実現することができる。
また、本発明によれば、探針の追従距離を計算する信号の周波数を制限するように構成することによって、試料形状として扱う空間周波数を設定することが可能となる。
さらに、本発明によれば、サンプルリングの時間間隔を参照して、走査平面内での測定情報の２次元合成を可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例における表面観察装置の構成を説明する図。
【図２】本発明の実施例における測定動作を説明する図。
【図３】本発明において解決すべき課題を説明する図。
【図４】本発明の原理を説明する図。
【図５】本発明の実施例におけるプローブの構成を説明する図。
【符号の説明】
１０１：筐体
１０２：変位検出回路
１０３：位置制御量演算回路
１０４：サンプリングレー卜演算回路
１０５：サンプリング回路
１０６：位置制御回路
１０７：情報合成回路
１０８：ｘｙｚ駆動ステージ
１０９：弾性体
１１０：探針
１１１：プローブ
１１２：試料
２０１：サンプリング点
２０２：走査方向
２０３：間隔制御方向
３０１：走査方向サンプリング距離
３０２：試料形状方向サンプリング距離
５０１：ピエゾ抵抗層
【図１】
0004497665.tif 000006
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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