(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
断面形状をプローブ側に凸の半円形とする柱状体からなる突出部を複数備え、該複数の突出部を、隣接する突出部の相対する傾斜面が接触するように配置するプローブ劣化判定用試料と、
前記プローブ劣化判定用試料を走査して得られる測定データの高さ方向の高低差としきい値とを比較し、比較結果に基づいてプローブの劣化判定を行うプローブ劣化判定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】
断面形状をプローブ側に凸の半円形とする柱状体からなる突出部を複数備え、該複数の突出部を、隣接する突出部の相対する傾斜面が接触するように配置するプローブ劣化判定用試料と、
前記プローブ劣化判定用試料を走査して得られる測定データの高さ方向の高低差としきい値とを比較し、比較結果に基づいてプローブの劣化判定を行うプローブ劣化判定手段とを備え、
プローブ劣化判定手段の判定結果に基づいて、ヘッドに取り付けるプローブの交換を行うことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】
走査型プローブ顕微鏡が備えるプローブの劣化を判定するプローブ劣化判定方法であって、
走査型プローブ顕微鏡は、
断面形状をプローブ側に凸の半円形とする柱状体からなる突出部を複数備え、該複数の突出部を、隣接する突出部の相対する傾斜面が接触するように配置するプローブ劣化判定用試料を走査して測定データを求め、
前記走査により得られた測定データから高さ方向の高低差を求め、
前記求めた高低差と予め定めた劣化判定用のしきい値とを比較し、
前記比較結果に基づいてプローブの劣化判定を行うことを特徴とするプローブ劣化判定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面検査装置に関し、特にプローブ先端の劣化を判定、及びプローブ交換を行う走査型プローブ顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属，半導体，セラミック，樹脂等の工業材料の表面観察やあらさの測定、液晶，高分子，蒸着膜などの薄膜の観察等のために表面検査が行われる。特に、精密工業の分野では、液晶基板，ハードディスク，ＣＤ，ＤＶＤ，Ｓｉウエハー（ＣＭＰ），電子素子，ガラス基板，ＭＲヘッド，マスクブランクス等の生産ラインにおいて、試料表面を迅速に検査することが求められている。
【０００３】
試料の微細な表面形状を検査する装置として、プローブと試料表面間に働く原子間力を測定する原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）や、プローブと試料表面との間に流れるトンネル電流を用いる走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）等の走査型プローブ顕微鏡を用いた装置が知られている。
【０００４】
原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）は、探針及び探針を支持するカンチレバーと、このカンチレバーの曲がりを検出する変位検出系とを備え、探針と試料との間の原子間力（引力または斥力）を検出し、この原子間力が一定となるように制御することによって、試料表面の形状を観察するものであり、生物，有機分子，絶縁物等の非導電物質の観察を行うことができる。また、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）は、探針を試料表面に近づけて探針または試料を３次元方向に移動可能とし、探針と試料表面との間に流れるトンネル電流が一定となるように試料表面と探針との間をサブナノメータで制御することによって、原子レベルの分解能で３次元形状を測定し、物質表面の原子配列の観察や、物質表面の表面形状の観察を行う。
【０００５】
走査型プローブ顕微鏡では、装置側のヘッドに対してプローブを着脱自在とし、プローブの定期的な交換や、劣化による交換や、異なる特性のプローブへの交換が可能な構成を採用している。従来、プローブの劣化による交換を行う場合には、プローブの劣化の程度を測定し、測定結果に基づいて人手によってプローブ交換を行っている。
【０００６】
プローブの劣化の程度を測定する方法として、径が既知の微粒子を観察して微粒子の粒子径を測定し、測定した値と既知の粒子径とを比較することによってプローブの先端の状態を観察するもの知られている。図６は従来のプローブの劣化を測定する方法を説明するための概略図である。図６において、微粒子ＡをプローブＰで観察する。プローブＰによって微粒子Ａを観察すると、高さ方向の変化に対する移動距離から、微粒子Ａの径を求めることができる。ここで、微粒子Ａの粒子径が既知（図ではｄ０としている）の場合には、測定で求めたｄ１と既知のｄ０とを比較することによって、プローブＰの劣化の程度を知ることができる。図６（ａ）はプローブＰ１の劣化の程度が小さい場合を示すもので測定径はｄ１であり、図６（ｂ）はプローブＰ２の劣化の程度が大きい場合を示すもので測定径はｄ２（ｄ２＜ｄ１）である。既知の粒子径ｄ０と測定径ｄ１及び測定径ｄ２との比較によって、プローブＰ２の劣化の程度が大きいことを知ることができる。
【０００７】
従来、プローブ交換は、既知の粒子径を備える標準試料を観察し、得られた粒子径に基づいてプローブの劣化の程度を判定し、その後に人手によってプローブの交換を行っている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来、プローブの劣化の程度を微粒子の観察で行っているため、微粒子の粒子サイズのばらつきや、粒子の境界が不明瞭さや、粒子の測定状態が一定しない等のために測定した粒子径に誤差が生じ、そのため、プローブの劣化判定に正確さを欠くおそれがあるという問題がある。
【０００９】
図７は粒子の測定状態による測定値の変動を示す図であり、図中のＡは粒子径がｄ０の微粒子を示し、Ｐはプローブを軸方向から見た状態を示している。図７（ａ）はプローブＰが微粒子Ａの最大径上を走査した場合であり、このときの測定値はｄａとなる。これに対して、図７（ｂ）、（ｃ）はプローブＰが微粒子Ａの最大径からずれた位置を走査した場合であり、このときの位置によって異なるｄｂ，ｄｃとなる。また、図７（ｄ）は微粒子Ａ，Ａ’が隣接した場合であり、このときの測定径はｄｄとなり、微粒子の測定状態によって測定径が一定しない。
【００１０】
また、図８は従来のプローブの劣化判定に用いる標準試料の概略図であり、基板Ｂ上に複数の微粒子Ａが点在させている。プローブＰはこの標準試料について走査を行い、微粒子Ａの全体を観察する。そのため、プローブの劣化判定に用いる測定データを得るために時間がかかるという問題もある。
さらに、従来の走査型プローブ顕微鏡では、プローブの劣化判定に基づいて手動でプローブ交換を行っているため、人手による操作を必要とすると共に交換に時間を要するという問題がある。
【００１１】
そこで、本発明は前記した従来の問題点を解決し、走査型プローブ顕微鏡において、プローブの劣化判定の精度及び速度を高めることを目的とし、また、プローブ交換を自動で行うことを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の走査型プローブ顕微鏡は、特殊形状のグレーディング状の試料を測定して測定データを求め、該測定データをプローブ先端の劣化状態を判定するための判断データとし、劣化判定に基づいてプローブの交換を行うものであり、これによって、プローブの劣化判定の精度及び速度を高め、また、プローブの自動交換を可能とする。
【００１３】
本発明の走査型プローブ顕微鏡は、プローブ劣化判定用試料とプローブ劣化判定手段とを備え、プローブ劣化判定手段の判定結果に基づいて、ヘッドに取り付けるプローブの交換を行う。
【００１４】
プローブ劣化判定用試料は、断面形状をプローブ側に凸の半円形とする柱状体からなる突出部を複数備え、該複数の突出部を、隣接する突出部の相対する傾斜面が接触するように配置する。プローブがこのプローブ劣化判定用試料と接触しながら走査すると、このプローブ劣化判定用試料の表面形状が測定される。測定データは、プローブ劣化判定用試料の表面を１ライン分あるいは複数ライン分走査して得ることができる。測定データは、プローブ劣化判定用試料自体の表面形状データと、プローブの劣化状態を表すデータを含んでいる。プローブの劣化状態は、測定データの高さ方向の高低差により知ることができる。プローブの劣化が少ない場合には、プローブ先端はプローブ劣化判定用試料自体の表面形状を精度良く追従することができるため、プローブ劣化判定用試料の谷部分の高さを精度良く求めることができる。これに対して、プローブの劣化が大きい場合には、プローブ先端がプローブ劣化判定用試料自体の表面形状を追従する精度は落ちるため、プローブ劣化判定用試料の谷部分の測定精度は低下する。
【００１５】
そこで、プローブ劣化判定手段は、この測定データの高さ方向の高低差を劣化の判定に用い、あらかじめ定めた劣化判定のしきい値と比較することによってプローブの劣化判定を行い、比較結果に基づいてプローブの劣化判定を行う。しきい値は、劣化を判定する基準値であり、測定対象に応じてしきい値を定めることができる。プローブ劣化判定手段は、プローブによる測定データを用いてプローブの劣化状態を判定し、判定結果に基づいてプローブの交換を行うため、人手によらずにプローブ交換を行うことができる。
【００１６】
プローブ劣化判定手段は、測定データに基づいて評価値を算出する評価値算出部と、評価値を判定するためにしきい値と比較する比較部と、しきい値を記憶するしきい値記憶部とを備えた構成とすることができる。評価値は、測定データの高低差の他に、ＪＩＳで定める表面粗さを表すパラメータである算術平均粗さ（Ｒａ）、最大高さ（Ｒｙ）、十点平均粗さ（Ｒｚ）等を用いることができる。プローブ劣化判定用試料の第１の形態は、断面形状を半円形とする柱状体を軸方向に並行となるように、互いに接触させて隣接するように平面上に配列して形成することができる。半円形の径や配置間隔によって、検出するプローブの劣化の程度を変更することができ、例えば、径を小径としたり配置間隔を狭めることによって、より小さな劣化を検出することができる。プローブはこの断面が半円形の凹凸面を走査して、測定データを求める。
【００１９】
プローブ劣化判定用試料の第２の形態は、第１の形態のプローブ劣化判定用試料を用い、形状や大きさを異ならせた各突出部を段階的に複数備え、検出するプローブの劣化の程度を異ならせ、プローブが走査する突出部によって劣化検出の精度を変更することができる。例えば、第１の形態において、半円形の断面の径を異ならせたものを複数備える。第２の形態によれば、プローブの劣化の判定基準を複数段階で設定することができ、測定対象に応じてプローブの劣化判定を行い、求められる測定精度に対応したプローブを交換することができる。
【００２０】
また、プローブ劣化判定用試料の第３の形態は、第１の形態のプローブ劣化判定用試料を用い、プローブの走査方向と交差する方向の形状や大きさを連続的に変化させ、検出するプローブの劣化の程度を連続的に異ならせ、プローブが走査する突出部によって劣化検出の精度を変更することができる。第３の形態によれば、プローブの劣化の判定基準を連続的に設定することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図を参照しながら詳細に説明する。
図１，２は本発明の走査型プローブ顕微鏡が備えるプローブ劣化判定用試料の一構成例の概略図及び動作説明図である。
【００２２】
図１（ａ）に示すプローブ劣化判定用試料１ａは、断面形状を半円形とする柱状体２１を、その軸方向が並行となるように接触させて平面上に配列して形成することができ、グレーディング状の形状を形成する。柱状体２１の配列で形成される突出部分の個数は任意とすることができ、各柱状体２１が備える個体の形状誤差を減少させるに十分な個数とすることができる。
【００２３】
プローブＰは、図中の破線で示すラインにそって走査を行い、測定データを求める。図２（ａ）は、矢印方向に移動するプローブＰの走査状態を示している。プローブＰは、プローブ劣化判定用試料１の表面に追従して移動することによって、高さ方向のデータを得る。図２（ｂ）は、走査で得られた高さ方向の変化を示している。この高さ方向の変化から求められる高低差Ｄ１は、プローブの劣化状態を判定する評価値として用いることができる。
【００２４】
図２（ｃ）及び図２（ｄ）は、劣化した状態のプローブによる走査状態及びそのときの高さ方向のデータを示しており、高低差はＤ２（Ｄ１＞Ｄ２）である。図２（ｂ）と図２（ｄ）とを比較すると、劣化の状態が小さいプローブにより得られる高低差Ｄ１は、劣化の状態が大きいプローブにより得られる高低差Ｄ２よりも大であり、高低差Ｄをプローブの劣化状態を評価する評価値とすることができる。
【００２５】
図１（ｂ）に示すプローブ劣化判定用試料１ｂは、図１（ａ）に示すプローブ劣化判定用試料の断面形状の大きさや配置間隔が異なる突出部を複数配列した構成であり、この構成によってプローブの劣化検出の精度を段階的に変更することができる。
【００２６】
図３は、本発明の走査型プローブ顕微鏡の概略構成図である。図３において、走査型プローブ顕微鏡１０は、プローブ劣化判定用試料１、ヘッド２、ステージ４、プローブ劣化判定手段１５、及びヘッドとステージとを相対的に移動させる移動機構及び制御機構を備える。ヘッド２にはプローブホルダ３を介してプローブＰが取り付けられ、試料Ｓ上を走査して測定を行う。ステージ４は試料Ｓを支持する。ヘッド２及びステージ４はそれぞれＸＹＺ方向に移動可能とする移動機構を備え、移動機構によって相対的に位置を変更して試料Ｓの走査を行う。移動機構の一例としては、ヘッド２側に圧電素子を用いた微動機構や、ステージ４側に粗動機構とすることができる。
【００２７】
移動機構を制御する制御機構はヘッド制御部１２及びステージ制御部１３を備える。ヘッド制御部１２はヘッド２の移動制御、及びプローブによる測定制御を行う。ステージ制御部１３はステージ４の移動制御を行う。ヘッド制御部１２及びステージ制御部１３は、走査型プローブ顕微鏡１０全体の制御を行う制御部１１によって制御され、プローブＰと試料Ｓとの相対的な位置制御が行われる。
【００２８】
測定部１４は、プローブＰで測定された測定信号、及びヘッド２とステージ４の移動信号を入力し、試料Ｓの三次元データを形成する。プローブＰはプローブホルダ３に取り付けられた状態で、ヘッド２及びステージ７に対して着脱を行い、プローブ５の交換を行うことができる。
【００２９】
ステージ４上には、プローブ劣化判定用試料１及び交換用プローブ５を備える。なお、交換用プローブ５の配置位置には、交換後のプローブを配置することができる。プローブ劣化判定用試料１及び交換用プローブ５に対してヘッド２を位置合わせする場合には、前記した移動機構によってヘッドとステージとの相対的位置を調節することによって行うことができる。
【００３０】
なお、プローブ劣化判定用試料１及び交換用プローブ５は、必ずしも試料Ｓと同時にステージ４に載置される必要はなく、走査型プローブ顕微鏡のベース部分に設けることもできる。
【００３１】
プローブの劣化を判定するには、プローブＰをプローブ劣化判定用試料１に移動した後、走査してプローブ劣化判定用試料１の形状測定を行う。測定部１４はプローブからの信号を受けて測定データを求める。
【００３２】
プローブ゛劣化判定手段１５は、評価値算出部１５ａと比較部１５ｂとしきい値記憶部１５ｃを備える。評価値算出部１５ａは、測定部１４から測定データを取り込んで劣化判定のための評価値を算出し、比較部１５ｂは算出した評価値をしきい値と比較し、プローブの劣化判定を行う。しきい値はしきい値記憶部１５ｃから読み込むことができ、測定対象に応じて劣化判定のしきい値を変更することができる。
【００３３】
比較部１５ｂの判定結果は制御部１１に送られ、劣化と判定された場合にはヘッド制御部１２及びステージ制御部１３を制御して、ヘッド２を交換用プローブ５に移動し交換を行う。
図４は、本発明の走査型プローブ顕微鏡のプローブ交換動作を説明するためのフローチャートである。
【００３４】
制御部１１は、プローブ劣化判定用試料１の初期位置に位置に移動させ（ステップＳ１）、プローブ劣化判定用試料１を走査して、測定部１４によって測定データを求める（ステップＳ２）。
【００３５】
評価値算出部１５ａは、測定部１４から測定データを取り込んで、高低差等の評価値を算出する（ステップＳ３）。比較部１５ｂは、評価値算出部１５ａから評価値を取り込むと共に、しきい値記憶部１５ｃからしきい値を取り込んで比較を行う。評価値がしきい値よりも大きい場合には、プローブ交換を要するほどの劣化状態ではないと判定し、評価値がしきい値よりも小さい場合には、プローブ交換を要するほどの劣化状態であると判定する（ステップＳ４）。
【００３６】
判定の結果、プローブ交換を要する場合には、制御部１１はヘッド制御部１２及びステージ制御部１３に制御信号を送って、ヘッド２とステージ４とを相対的に移動させ、プローブＰを交換用プローブ５に移動させて交換を行う（ステップＳ５）。
【００３７】
次に、本発明のプローブ劣化判定用試料の他の構成例を図５の概略図を用いて説明する。
【００３８】
図５（ｃ）に示すプローブ劣化判定用試料は、断面の大きさが走査方向と交差する方向に変化する柱状体を軸方向に並行となるように、互いに隣接させて平面上に配列した構成としている。この構成によって、検出するプローブの劣化の程度を連続的に異ならせ、プローブが走査する突出部によって劣化検出の精度を変更することができる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の走査型プローブ顕微鏡によれば、プローブの劣化判定の精度及び速度を高めることができ、また、プローブ交換を自動で行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の走査型プローブ顕微鏡が備えるプローブ劣化判定用試料の一構成例の概略図である。
【図２】本発明の走査型プローブ顕微鏡が備えるプローブ劣化判定用試料の一構成例の動作説明図である。
【図３】本発明の走査型プローブ顕微鏡の概略構成図である。
【図４】本発明の走査型プローブ顕微鏡のプローブ交換動作を説明するためのフローチャートである。
【図５】本発明のプローブ劣化判定用試料の他の構成例を説明する概略図である。
【図６】従来のプローブの劣化を測定する方法を説明するための概略図である。
【図７】粒子の測定状態による測定値の変動を示す図である。
【図８】従来のプローブの劣化判定に用いる標準試料の概略図である。
【符号の説明】
１，１ａ〜１ｅ…プローブ劣化判定用試料、２…ヘッド、３…プローブホルダ、４…ステージ、５…交換用プローブ、１０…走査型プローブ顕微鏡、１１…制御部、１２…ヘッド制御部、１３…ステージ制御部、１４…測定部、１５…プローブ劣化判定手段、１５ａ…評価値算出部、１５ｂ…比較部、１５ｃ…しきい値記憶部、Ｐ…プローブ、Ｓ…試料。
【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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