(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を有する走査型プローブ顕微鏡において、
前記試料の表面に沿って前記探針の前記試料に対して相対的に動く速度が一定となるように、走査量と間隔制御量を制御する制御手段と、
前記試料上の情報の検出において、等時間間隔でサンプリングを行うサンプリング手段と、
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】
前記制御手段は、前記探針が前記試料の表面の接線方向に追従するように追従誤差量と間隔制御速度と走査速度とから追従方向を演算する追従方向演算手段と、
前記追従方向において前記探針と前記試料との相対速度が一定値となるように演算する追従速度演算手段と、
前記追従速度演算手段の演算結果に基づき、間隔制御量を演算する間隔制御量演算手段と、
前記追従速度演算手段の演算結果に基づき、走査制御量を演算する走査制御量演算手段と、
を少なくとも有す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】
前記サンプリング手段の得た情報を走査制御量から得られる走査方向のサンプリング位置に基づき、２次元分布として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】
探針を被加工物に対し相対走査して該被加工物を加工する走査型プローブによる加工装置において、
前記被加工物の表面に沿って前記探針の前記被加工物に対して相対的に動く速度が一定となるように、走査量と間隔制御量を制御する制御手段を有し、
前記制御手段は、前記探針が前記被加工物の表面の接線方向に追従するように追従誤差量と間隔制御速度と走査速度とから追従方向を演算する追従方向演算手段を備え、
前記被加工物の加工において、前記探針の前記被加工物表面の微小な凹凸への追従を制限するために、前記追従方向演算手段にローパスフィルタを設けて追従方向演算信号の周波数を制限することを特徴とする走査型プローブによる加工装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、走査型プローブ顕微鏡及び加工装置に関し、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）および、同原理を用いて該試料を加工する加工装置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鏡（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】
また、探針先端と試料との間に電圧を印加し陽極酸化を行う、探針を試料に押し付けて切削加工を行う、微小開口を持つＳＮＯＭプローブを用いてレジストを感光させる等の方法で測定分解能に近い精度での加工が可能なため、量子効果デバイス等、数ｎｍから１００ｎｍ程度といったフォトリソグラフィーの加工限界以下の構造物の加工手段としてその応用が期待されている。
【０００５】
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、押し付け力が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間隔でサンプリングする事により、直線状に試料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。
【０００６】
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。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
さて、これら一般的な構成のＳＰＭ装置を前述のような立体構造物の表面観察手段として使用する場合に発生する問題について図を用いて説明する。説明のため、図３に示すように走査方向に対して、３種類の傾きをなす形状の試料１１２の表面測定を行う場合について考える。
【０００８】
図３は従来のＳＰＭ装置で測定を行った場合の模式図である。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。このとき、走査方向速度３０１を図中ｖで示す。試料１１２の表面形状の走査方向となす角によって試料表面方向速度３０２がｖ、ｖ1、ｖ2、と変化する事がわかる。
【０００９】
一般に、走査型プローブ顕微鏡では、探針、アクチュエータ等の動特性から、走査速度が増した場合、試料表面に対する追従性が悪くなることが知られている。この問題に対して、たとえば特開平１０−２０６４３９号公報では、追従性を定量評価し、走査速度の上限を求める方法を提案している。しかしながら、この方法では、走査平面内において一定の速度で走査を行うため、試料上で本来追従性のよい部分をも前記走査速度で走査するため、必要以上に測定時間を要する。
【００１０】
また、走査方向について等間隔でサンプリングしても試料表面方向では等間隔にならず、傾斜角が大きい程、試料表面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、平面とみなせる試料の測定においては問題とならないが、前述したような立体形状上の表面測定を行う場合は、観察する立体形状表面の走査方向に対する傾斜角の変化によって試料表面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。
【００１１】
さらに、これを加工装置として用いる場合には別の問題が発生する。線幅、加工深さ等、加工後の状態を決めるパラメータとして、加工雰囲気、電界強度、押し付け力、近接場光強度等の印加物理量、探針形状等があるが、これら主たる物の一つとして、探針と被加工物表面との相対速度が挙げられる。これまでの説明から、試料形状により、この探針と被加工物表面との相対速度が、加工中に変化してしまうことがわかる。特に、電極その他をフォトリソグラフィーで加工し、細部をＳＰＭで加工する等、前加工を伴う加工プロセスを用いた場合、被加工面は平面でないことが一般的であり、加工後の形状が不均一になってしまうことがあった。
【００１２】
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試料に対して、追従性を高め、かつ高速に、試料形状方向の分解能を一定として測定することができる走査型プローブ顕微鏡、加工装置を提供することを目的とするものである。
また、本発明は、走査方向に対して傾斜角の変化する表面形状を持つ被加工物に対して、微細構造を均一に加工可能な走査型プローブによる加工装置を提供することを目的とするものである。
【００１３】
【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）〜（４）のように構成した走査型プローブ顕微鏡、加工装置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を有する走査型プローブ顕微鏡において、
前記試料の表面に沿って前記探針の前記試料に対して相対的に動く速度が一定となるように、走査量と間隔制御量を制御する制御手段と、
前記試料上の情報の検出において、等時間間隔でサンプリングを行うサンプリング手段と、
を有することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
（２）前記制御手段は、前記探針が前記試料の表面の接線方向に追従するように追従誤差量と間隔制御速度と走査速度とから追従方向を演算する追従方向演算手段と、
前記追従方向において前記探針と前記試料との相対速度が一定値となるように演算する追従速度演算手段と、
前記追従速度演算手段の演算結果に基づき、間隔制御量を演算する間隔制御量演算手段と、
前記追従速度演算手段の演算結果に基づき、走査制御量を演算する走査制御量演算手段と、
を少なくとも有することを特徴とする上記（１）に記載の走査型プローブ顕微鏡。
（３）前記サンプリング手段の得た情報を走査制御量から得られる走査方向のサンプリング位置に基づき、２次元分布として合成する情報合成手段を有することを特徴とする上記（１）または上記（２）に記載の走査型プローブ顕微鏡。
（４）探針を被加工物に対し相対走査して該被加工物を加工する走査型プローブによる加工装置において、
前記被加工物の表面に沿って前記探針の前記被加工物に対して相対的に動く速度が一定となるように、走査量と間隔制御量を制御する制御手段を有し、
前記制御手段は、前記探針が前記被加工物の表面の接線方向に追従するように追従誤差量と間隔制御速度と走査速度とから追従方向を演算する追従方向演算手段を備え、
前記被加工物の加工において、前記探針の前記被加工物表面の微小な凹凸への追従を制限するために、前記追従方向演算手段にローパスフィルタを設けて追従方向演算信号の周波数を制限することを特徴とする走査型プローブによる加工装置。
【００１４】
【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、前記試料の表面に沿って前記探針の前記試料に対して相対的に動く速度が一定となるように、走査量と間隔制御量を制御する事により、走査方向と測定面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、追従性を高め、かつ高速に、試料表面方向に等分解能での表面測定を可能とすることができる。さらに、走査量から各サンプリング点の位置を得る事により、測定結果の２次元分布としての合成が可能である。また、同様に走査を行いながら加工を行うことにより、微細構造を均一に加工可能とすることができる。さらに、探針の追従距離を計算する信号の周波数を制限する事により、より高速に加工を行うことが可能となる。
【００１５】
【実施例】
以下、図面を用いて、本発明の実施例について詳細な説明を行う。
図４は本発明の原理を説明する模式図である。間隔制御方向２０３の制御量及び走査方向２０２の制御量を制御して、探針１１０を試料１１２表面の接線方向について追従させて走査を行う。その際、探針１１０の試料１１２に対する同方向の相対速度、すなわち、表面方向速度３０２が一定となるように制御を行う。以上のように走査を行いながら、図２に示すように等時間間隔でサンプリングを行う、あるいは加工を行う。
【００１６】
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、積層されたｚ駆動ステージ１０７およびｘｙ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。また、その表面は蒸着により金属コートされており、導電性を有するプローブとなっている。
【００１７】
変位検出回路１０２はレーザ変位計であり、弾性体１０９のたわみ量を検出し、追従方向演算回路１０１に出力する。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、探針押し込み力に比例する。
追従方向演算回路１０１は、変位検出回路１０２からの信号に加え、間隔制御量演算回路１０３からの現在の間隔制御方向２０３における制御速度、走査量演算回路１０４からの走査方向２０２における制御速度を参照し、現在の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が試料１１２に対して追従すべき方向を演算し、表面方向速度３０２があらかじめ定める一定値ｖとなるように長さｖのベクトルデータとして、間隔制御量演算回路１０３及び走査量演算回路１０４に出力する。
【００１８】
間隔制御量演算回路１０３及び走査量演算回路１０４は、入力されたベクトルデータをそれぞれ、間隔制御方向２０３及び走査方向２０２に対する正射影として変換し、それぞれｚ制御回路１０５及びｘｙ制御回路１０６に出力する。ｚ制御回路１０５及びｘｙ制御回路１０６は、指示された制御量に従い、それぞれｚ駆動ステージ１０７及びｘｙ駆動ステージ１０８を制御し、探針１１０と試料１１２との相対間隔を変化させ、また、走査を行う。
【００１９】
まず、走査を行いながら、サンプリング回路１１４に間隔制御量演算回路１０３及び走査量演算回路１０４の出力を入力し、走査中、等時間間隔でサンプリングを行う。表面方向速度３０２を一定として操作を行うため、間隔制御量演算回路１０３から得られる情報は、探針１１０が試料１１２に追従する方向に等分解能で測定されたものとなっている。
【００２０】
また、走査量演算回路１０４から得られる情報から各サンプリング点の走査方向の位置がわかるため、ラスタ状に測定走査を行った上で、情報合成回路１１５を用いて２次元分布としてデータを合成することが可能である。
なお、探針１１０の変位量の検出には、弾性体のたわみによるピエゾ抵抗変化、光てこ等、他の変位検出手段を用いても、勿論かまわない。
また、本実施例では、試料１１２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】
次にフォトリソグラフィーで作製した集積回路を試料１１２として用い、金属配線上に、あらかじめ用意したパターンに従って走査を行いながら、電圧印加回路１１３を用いて試料１１２と探針１１０との間に電圧を印加し、陽極酸化して絶縁部を作製する。また、走査時に、追従方向演算回路１０１にローパスフィルタを入れ、追従方向演算信号の周波数を制限することにより配線表面の微小な凹凸には追従しないようにする事で、加工速度を向上させる。この場合も、表面方向速度３０２を一定として操作を行うため、配線側面の斜面等が走査方向に対して持つ角度によらず、安定した加工を行うことが出来る。
なお、探針を試料に押し付けて切削加工を行う、微小開口を持つＳＮＯＭプローブを用いてレジストを感光させる等、他の加工方法をとる場合でも同様の効果が得られる事は言うまでもない。
【００２２】
【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試料に対して、追従性を高め、かつ高速に、試料形状方向の分解能を一定として測定することができる走査型プローブ顕微鏡、加工装置を実現することができる。
また、本発明によれば、傾斜角の変化する表面形状を持つ被加工物に対して、微細構造を均一に加工可能とする走査型プローブによる加工装置を実現することができる。
また、本発明によれば、走査量から各サンプリング点の位置を得るように構成することにより、測定結果の２次元分布としての合成が可能となる。
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り、より高速に加工を行うことが可能となる。
【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及び加工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。
【符号の説明】
１０１：追従方向演算回路
１０２：変位検出回路
１０３：間隔制御量演算回路
１０４：走査量演算回路
１０５：ｚ制御回路
１０６：ｘｖ制御回路
１０７：ｚ駆動ステージ
１０８：ｘｙ駆動ステージ
１０９：弾性体
１１０：探針
１１１：プローブ
１１２：試料
１１３：電圧印加回路
１１４：サンプリング回路
１１５：情報合成回路
２０１：等時間間隔点
２０２：走査方向
２０３：間隔制御方向
３０１：走査方向速度
３０２：表面方向速度
【図１】
0004497664.tif 000002
【図２】
0004497664.tif 000003
【図３】
0004497664.tif 000004
【図４】
0004497664.tif 000005