(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のプローブを一体として試料に対して相対走査し、前記試料上の物理情報を検出する走査型プローブを有する情報検出装置において、
前記複数のプローブの各探針先端の位置関係を検出する位置関係検出手段と、
前記複数のプローブの各探針先端の変位を検出する変位検出手段と、
前記各探針先端の位置関係に基づいて、全プローブの探針先端までの距離の最大値と最小値の差が小さくなるような基準面を計算する基準面演算手段と、
前記基準面と前記試料との相対角度を検出する角度検出手段と、
前記複数の測定プローブを一体として前記試料との相対角度を変化させる角度制御手段と、
前記複数の測定プローブを一体として前記試料との相対位置を制御する位置制御手段と、
を有し、前記プローブの角度を制御して前記基準面と前記試料との面あわせを行い、前記複数のプローブと前記試料を位置制御して相対走査を行うことを特徴とする情報検出装置。
【請求項２】
前記基準面演算手段が、前記位置関係検出手段により検出された各探針先端の位置にその頂点のすべてが含まれ、かつ前記各探針先端の位置のすべてを内包するような凸多面体の各面から、最も離れた頂点までの距離を比較し、前記距離が最小となる基準面を検出する手段であることを特徴とする請求項１に記載の情報検出装置。
【請求項３】
前記角度制御手段が、前記基準面と前記試料との面あわせに際し、前記角度検出手段によって検出された前記基準面と前記試料との相対角度を参照して、前記基準面と前記試料が平行になるように角度制御量を計算する角度制御量演算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に記載の情報検出装置。
【請求項４】
前記位置制御手段が、探針先端の変位量が最小となるプローブの前記変位量を一定値とする位置制御量の計算を行う位置制御量演算手段を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の情報検出装置。
【請求項５】
前記位置関係検出手段が、複数の前記変位量検出手段で構成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の情報検出装置。
【請求項６】
前記角度検出手段が、複数の前記変位量検出手段で構成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の情報検出装置。
【請求項７】
前記変位量検出手段は、前記プローブの前記探針を支持する弾性体のたわみ量を検出するたわみ量検出手段であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の情報検出装置。
【請求項８】
前記変位量検出手段による変位量と、前記位置関係検出手段による位置関係と、前記位置制御手段による位置制御量とから、前記試料の表面形状の情報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１〜７のいずれか１項に記載の情報検出装置。
【請求項９】
複数のプローブを一体として試料を相対走査し、試料上の情報を検出する走査型プローブを有する情報検出方法において、
前記複数のプローブの各探針先端の位置関係を検出し、
前記各探針先端の位置関係に基づいて、全プローブの探針先端までの距離の最大値と最小値の差が小さくなるような基準面を計算し、
前記基準面と前記試料との相対角度を検出し、
前記複数のプローブを一体として前記試料との相対角度を変化させて前記基準面と前記試料との面あわせを行い、前記複数のプローブと前記試料を位置制御して相対走査を行うことを特徴とする情報検出方法。
【請求項１０】
前記基準面の計算が、前記位置関係検出により検出された各探針先端の位置にその頂点のすべてが含まれ、かつ前記各探針先端の位置のすベてを内包するような凸多面体の各面から、最も離れた頂点までの距離を比較し、前記距離が最小となる基準面を検出することにより行われることを特徴とする請求項９に記載の情報検出方法。
【請求項１１】
前記角度制御が、前記基準面と前記試料との面あわせに際し、前記基準面と前記試料との前記相対角度を参照して、前記基準面と前記試料が平行になるように角度制御量を計算することにより行われることを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の情報検出方法。
【請求項１２】
測定走査中に、探針先端の変位量が最小となるプローブの前記変位量を一定値とするように位置制御を行うことを特徴とする請求項９〜１１のいずれか１項に記載の情報検出方法。
【請求項１３】
前記位置関係の検出が、前記複数のプローブの探針先端の変位量を検出することによって行われることを特徴とする請求項９〜１２のいずれか１項に記載の情報検出方法。
【請求項１４】
前記相対角度の検出が、前記複数のプローブの探針先端の変位量を検出することによって行われることを特徴とする請求項９〜１３のいずれか１項に記載の情報検出方法。
【請求項１５】
前記変位量の検出が、前記プローブの前記探針を支持する弾性体のたわみ量の検出によることを特徴とする請求項９〜１４のいずれか１項に記載の情報検出方法。
【請求項１６】
前記検出された変位量、前記プローブの探針先端の位置関係、及び前記位置制御量とから、前記試料の表面形状の情報を合成することを特徴とする請求項９〜１５のいずれか１項に記載の情報検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、走査型プローブを有する情報検出装置及び情報検出方法に関し、特に、複数のプローブで測定試料を同時観察する走査型プローブ顕微鏡に好適な技術の実現を目指すものである。
【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）、ＮＳＯＭ（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】
走査型プローブ顕微鏡を用いた測定では、測定試料の面に沿ってプローブを走査する時間が、工業的な応用を考える際にスループットの点で障害となっていた。また、走査を行うためのステージ（アクチュエータ）の動作精度が測定精度を左右するが、より広範囲の試料を測定したいという要求に対して、技術的およびコスト的な観点から、広い走査範囲と高い精度を両立するステージの開発が困難であるということが障害となっていた。
【０００４】
これらの問題に対する回答として、複数のプローブを用いて試料を同時観察する方法があり、例えば、特開平３−２８７００６号公報では、試料の表面形状を測定するために、複数のＡＦＭ探針を試料面と平行な面内において動作する同一ステージ上に配置し、個々のＡＦＭ探針ごとに試料表面との距離を制御することで、広範囲に渡り、高精度な、試料の形状情報を得る方法が提案されている。
【０００５】
しかしながら、前記方式のように、個々のプローブについて独立に距離制御を行う場合、プローブごとに制御系と駆動系を持つ必要があり、装置構成が非常に複雑になる。特に駆動系はプローブと一体化した場合、高価なものとなるという問題がある。これを避けるため、プローブごとに交換可能とした場合は、交換時に非常に高い取り付け精度が要求され、結果として装置全体のコスト増を招く。また、多数の微小なアクチュエータ（例えば圧電素子）を用いるため、アクチュエータ間の特性ばらつきが測定結果に影響しやすい。
【０００６】
この問題を解決するための方法として、弾性体に支持された探針を持つ複数のプローブを一体として試料表面と平行に走査し、前記弾性体のたわみにより、試料表面の凹凸を吸収しながら試料表面の情報を得るという方法が知られている。例えば、形状情報を得るためには、個々のプローブの前記弾性体のたわみ量を計測する、導電性の分布情報を得るためには導電性の探針を用いて、試料との間に電圧を印加し、電流値を計測するなどする。
このような接触走査方式は、探針先端を試料に対し接触させたまま走査する場合に、試料に対する個々のプローブの試料面垂直方向位置のフィードバック制御が不必要であるため、構成が複雑にならず、特に複数のプローブを有する装置に適している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
さて、複数のプローブを同時に使用する場合、製造時に生ずる誤差により、各プローブの短針先端が完全な平面内に並ぶということは通常考えにくく、いわゆる探針先端の高さのばらつきが発生する。
図９は、平滑な試料１０５に前述のような探針先端の高さのばらつきを持つプローブアレイ１０４の全探針先端を接触させた場合を示した模式図である。なお、説明のため、探針先端の高さのばらつき及び、プローブの大きさについては、強調して示してある。この時、弾性体１０１の最大たわみ量は図９中のｄとなる。
【０００８】
探針先端の高さのばらつきが大きい場合、あるいは、有機物等、破損しやすい試料を測定する場合、この最大たわみ量の大きさが問題となる。弾性体１０１は板ばねとして機能するため、たわみ量が大きいほど探針１０２先端と試料１０５表面との間に働く押し付け力が大きくなり、最悪の場合、探針１０２や試料１０５表面の破損を招く結果となる。また、探針１０２の摩耗という観点からも押し付け力は小さい方が望ましい。
【０００９】
また、探針１０２と試料１０５の材料定数、形状、測定精度等から、許容される押し付け力が定まれば、許容される最大たわみ量も定まるため、高さ方向の測定レンジはこれで制限を受ける。
また、従来技術に述べたような、個々のプローブにアクチュエータを配する構成においても、アクチュエータの動作範囲があるため、探針先端の高さのばらつきにより、同様に試料１０５表面に垂直方向の測定レンジは制限を受ける。
【００１０】
そこで、本発明は、上記課題を解決するため、試料とプローブの破損を最小限に押さえながら、より広い高さ方向の測定レンジをもつ広範囲な試料面を、高分解能かつ高速に測定し、情報を検出することができる走査型プローブを有する情報検出装置及び情報検出方法、特に、複数のプローブで測定試料を同時観察する走査型プローブ顕微鏡に適した情報検出装置及び情報検出方法を提供するものである。
【００１１】
【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に、つぎの（１）〜（１６）のように構成した走査型プローブを有する情報検出装置及び情報検出方法を提供する。
（１）複数のプローブを一体として試料に対して相対走査し、前記試料上の物理情報を検出する走査型プローブを有する情報検出装置において、
前記複数のプローブの各探針先端の位置関係を検出する位置関係検出手段と、
前記複数のプローブの各探針先端の変位を検出する変位検出手段と、
前記各探針先端の位置関係に基づいて、全プローブの探針先端までの距離の最大値と最小値の差が小さくなるような基準面を計算する基準面演算手段と、
前記基準面と前記試料との相対角度を検出する角度検出手段と、
前記複数の測定プローブを一体として前記試料との相対角度を変化させる角度制御手段と、
前記複数の測定プローブを一体として前記試料との相対位置を制御する位置制御手段と、
を有し、前記プローブの角度を制御して前記基準面と前記試料との面あわせを行い、前記複数のプローブと前記試料を位置制御して相対走査を行うことを特徴とする情報検出装置。
（２）前記基準面演算手段が、前記位置関係検出手段により検出された各探針先端の位置にその頂点のすべてが含まれ、かつ前記各探針先端の位置のすべてを内包するような凸多面体の各面から、最も離れた頂点までの距離を比較し、前記距離が最小となる基準面を検出する手段であることを特徴とする上記（１）に記載の情報検出装置。
（３）前記角度制御手段が、前記基準面と前記試料との面あわせに際し、前記角度検出手段によって検出された前記基準面と前記試料との相対角度を参照して、前記基準面と前記試料が平行になるように角度制御量を計算する角度制御量演算手段を有することを特徴とする上記（１）または（２）に記載の情報検出装置。
（４）前記位置制御手段が、探針先端の変位量が最小となるプローブの前記変位量を一定値とする位置制御量の計算を行う位置制御量演算手段を有することを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれかに記載の情報検出装置。
（５）前記位置関係検出手段が、複数の前記変位量検出手段で構成されることを特徴とする上記（１）〜（４）のいずれかに記載の情報検出装置。
（６）前記角度検出手段が、複数の前記変位量検出手段で構成されることを特徴とする上記（１）〜（５）のいずれかに記載の情報検出装置。
（７）前記変位量検出手段は、前記プローブの前記探針を支持する弾性体のたわみ量を検出するたわみ量検出手段であることを特徴とする上記（１）〜（６）のいずれかに記載の情報検出装置。
（８）前記変位量検出手段による変位量と、前記位置関係検出手段による位置関係と、前記位置制御手段による位置制御量とから、前記試料の表面形状の情報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（１）〜（７）のいずれかに記載の情報検出装置。
（９）複数のプローブを一体として試料を相対走査し、試料上の情報を検出する走査型プローブを有する情報検出方法において、
前記複数のプローブの各探針先端の位置関係を検出し、
前記各探針先端の位置関係に基づいて、全プローブの探針先端までの距離の最大値と最小値の差が小さくなるような基準面を計算し、
前記基準面と前記試料との相対角度を検出し、
前記複数のプローブを一体として前記試料との相対角度を変化させて前記基準面と前記試料との面あわせを行い、前記複数のプローブと前記試料を位置制御して相対走査を行うことを特徴とする情報検出方法。
（１０）前記基準面の計算が、前記位置関係検出により検出された各探針先端の位置にその頂点のすべてが含まれ、かつ前記各探針先端の位置のすベてを内包するような凸多面体の各面から、最も離れた頂点までの距離を比較し、前記距離が最小となる基準面を検出することにより行われることを特徴とする上記（９）に記載の情報検出方法。
（１１）前記角度制御が、前記基準面と前記試料との面あわせに際し、前記基準面と前記試料との前記相対角度を参照して、前記基準面と前記試料が平行になるように角度制御量を計算することにより行われることを特徴とする上記（９）または（１０）に記載の情報検出方法。
（１２）測定走査中に、探針先端の変位量が最小となるプローブの前記変位量を一定値とするように位置制御を行うことを特徴とする上記（９）〜（１１）のいずれかに記載の情報検出方法。
（１３）前記位置関係の検出が、前記複数のプローブの探針先端の変位量を検出することによって行われることを特徴とする上記（９）〜（１２）のいずれかに記載の情報検出方法。
（１４）前記相対角度の検出が、前記複数のプローブの探針先端の変位量を検出することによって行われることを特徴とする上記（９）〜（１３）のいずれかに記載の情報検出方法。
（１５）前記変位量の検出が、前記プローブの前記探針を支持する弾性体のたわみ量の検出によることを特徴とする上記（９）〜（１４）のいずれかに記載の情報検出方法。
（１６）前記検出された変位量、前記プローブの探針先端の位置関係、及び前記位置制御量とから、前記試料の表面形状の情報を合成することを特徴とする上記（９）〜（１５）のいずれかに記載の情報検出方法。
【００１２】
【発明の実施の形態】
上記した構成によって、一体となって測定試料と相対動作する複数本の測定プローブを有するプローブアレイを用いた走査型プローブ顕微鏡において、各探針先端の位置を検出し、頂点すべてが前記検出した各探針先端の位置に含まれ、かつ各探針先端の位置すべてを内包するような凸多面体の各面から、最も離れた頂点までの距離を比較し、これが最小になるような面を探して基準面とし、この基準面と試料の測定面が平行になるように、プローブの角度を制御して面あわせを行い、探針先端の変位量が最小となるプローブの探針先端の変位量が一定となるようにプローブアレイと試料との間隔を制御しながら走査を行う事により、探針の試料に対する最大押し付け力を小さくし、両者の損傷を小さくすることができる。
また、上記構成によれば、許容される押し付け力の範囲、あるいはアクチュエータの動作範囲において、測定できる試料測定面垂直方向の測定レンジを実効的に拡大することができる。
さらに、前記動作に加えて、前記各プローブの探針先端の前記基準面に対する相対的な位置関係を計算し、各プローブの探針先端の変位量、距離制御量から試料の表面形状を計算、合成することにより、例えば、簡便なプローブで、大面積の形状情報を安全かつ高速に取得可能な原子間力顕微鏡を構成できる。
【００１３】
【実施例】
以下、図に基づいて、本発明の実施例について説明する。
まず、実施例の説明に先立ち、本発明の原理について説明する。
図１０は、本発明の原理を説明するための図であり、図９に示す状態からプローブアレイ１０４と試料１０５とのなす角度をθだけ変化させてから、すべての探針１０２が試料１０５に接触するように両者を接近させた様子の模式図である。なお、説明のため、探針先端の高さのばらつき及び、プローブの大きさについては強調して示してある。この時、探針１０２先端の最大変位量は図１０中のｄ’であり、図９中のｄに対して、この例ではｄ’＜ｄなる関係が成り立っていることが分かる。また、一般的に実際の測定時にはこれに加えて、所定の押し込み量ｄ0を与えて走査する。このため、変位量最小の探針１０２先端の変位量がｄ0、変位量最大の探針１０２先端の変位量がｄ0＋ｄ’となる。
【００１４】
このようにｄ’＜ｄなる関係を与えるθは一般に存在し、θの選び方によりｄ’の値を最小にすることができる。プローブアレイ１０４側から見れば、このような関係を示す面の向きは一意に定まるので、図２に示すように、プローブアレイ１０４ごとに、あらかじめプローブアレイ基準面１０６を選んでおき、測定時にはこれと試料１０５とが平行になるように、両者のなす角度の調節、すなわち面あわせを行えば、試料１０５の測定時にプローブアレイ１０４に含まれる探針１０２先端の最大変位量すなわち、弾性体１０１の最大たわみ量を最小とする事が出来る。弾性体１０１は構造上、板ばねとして作用するため、探針１０２の試料１０５に対する最大押し付け力を最小とし、両者の損傷を最大量を最小とすることが出来る。あるいは、許容される押し付け力の範囲において、試料測定面垂直方向の測定レンジを実効的に最大とすることが出来る。
【００１５】
次に、前述したプローブアレイ基準面１０６の選び方について述べる。直線状に並ぶ様に作成されたｎ本のプローブ１０３からなるプローブアレイ１０４を考える。
ここでは説明のため、ｎ＝８とし、図３に示すように、それぞれのプローブの実際の探針１０２の先端の位置をＰ１からＰ８とおく。
図４に示すようにこれらＰ１からＰ８までの少なくとも１点ずつを通り、かつ８点すべてを間に挟み込むことができる平行な２本の直線ｌ１、ｌ２を考える。試料１０５の表面をｌ１、ｌ２と平行にした場合、プローブアレイ１０４の各探針１０２先端の変位量の最大値と最小値の差は、図４中ｄで示す、ｌ１とｌ２の距離となる。
ここで、前述したように、変位量最小の探針１０２先端の変位量をｄ0で一定とすると変位量最大の探針１０２先端の変位量はｄ0＋ｄであり、変位量最大の探針１０２先端の変位量を最小とするようなプローブアレイ基準面１０６を求めるという問題は、図４中ｄを最小にするようなｌ１、ｌ２を求めるという問題に置き換えて考えることができる。
【００１６】
図４に示すように、ｌ１、ｌ２がそれぞれＰ３、Ｐ２を通るとする。Ｐ３とＰ２を結ぶ直線を考え、この長さを図４中Ｌ、ｌ１となす角の鋭角側を図４中θとすると、ｄ＝Ｌｓｉｎθなる関係が成り立つ。Ｌは一定だからθが最小のときｄが最小となる。前述の通り、すべての点はｌ１とｌ２の間になければならないため、θを徐々に小さくしていき、ｌ１、ｌ２のいずれかがＰ３、Ｐ２以外の１点を通る状態になったときにθは最小となる。図４の例では、ｌ２がＰ５を通るとき、θは最小となり、このようなｌ１、ｌ２、ｄをそれぞれｌ１’、ｌ２’、ｄ’として図５に示す。
【００１７】
以上のことから、２本の直線ｌ１’、ｌ２’のいずれかは必ず２点を通る。さらに、すべての点はｌ１’とｌ２’の間になければならない事を踏まえた上で、Ｐ３、Ｐ２以外の組み合わせについても考えると、ｌ１’、ｌ２’の通る点と、ｌ１’、ｌ２’のうち２点を通るものとの集合は、頂点すべてが、Ｐ１からＰ８のいずれかで構成され、すべての点を内側に含む凸多角形である。この多角形の各辺から最も離れた頂点までの距離を比較し、これが最小になるような辺を探し、図２中のプローブアレイ基準面１０６として使用することにより、プローブアレイ１０４中の探針１０２先端の最大変位量を最小とする、すなわち弾性体１０１の最大たわみ量を最小とすることができる。
【００１８】
以上、説明のため探針１０２先端の位置が同一直線上にあるように作成されたプローブアレイ１０４について議論したが、たとえば図６に示すように、探針１０２先端の位置が同一平面上にあるように作成されたプローブアレイ１０４についても、凸多角形を凸多面体、辺を面、角度を立体角とすることにより、まったく同じ議論が可能であり、この場合、凸多面体の各面から最も離れた頂点までの距離を比較し、これが最小になるような面を探して、図２中のプローブアレイ基準面１０６として使用すればよい。
【００１９】
次に、以上の事を実際の装置に適用した例について述べる。図１に示すように、複数のプローブ１０３からなるプローブアレイ１０４が、試料１０５の表面に対向するように配置される。プローブアレイ１０４はαβ駆動ステージ１００７にとりつけられており、試料１０５は、ｘｙｚ駆動ステージ１００８に取り付けられる。
プローブアレイ１０４は、半導体プロセスにより、図６に示すように一体成形される。各プローブ１０３の探針１０２は、Ｓｉで構成される弾性体１０１により支持される。弾性体１０１の表面には、Ａｓを打ち込むことで、図７に示すように、ピエゾ抵抗層６０１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。
【００２０】
条件記憶回路１００２は、プローブアレイ１０４における各探針１０２先端の並び方向の位置関係を記憶している。この位置関係は、プローブアレイ１０４をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いてあらかじめ測定しておく。
変位量検出回路１００４はプローブアレイ１０４の弾性体１０１のピエゾ抵抗層６０１にバイアス電圧を印加し、抵抗値の変化を電流値として検出することで、探針１０２先端の変位量を検出する。
角度制御回路１００５は、αβ駆動ステージ１００７を駆動して、試料１０５とプローブアレイ１０４との相対角度を変化させる。位置制御回路１００６は、ｘｙｚ駆動ステージ１００８を駆動して、試料１０５とプローブアレイ１０４との相対位置を変化させる。
【００２１】
まず、図１に示す装置の試料１０５の代わりに基準試料７０１を取り付ける。基準試料７０１はＳｉ基板であり、研磨により、試料測定時の要求精度より高い平面度と面粗さ精度を持つように仕上げられている。図８に示すようにプローブアレイ１０４と基準試料７０１との相対位置を近づけていき、変位量検出回路１００４で各プローブ１０３の探針１０２先端の変位をモニタし、すべてのプローブ１０３に変位が生じた時点で両者の接近を止め、基準面演算回路１０１０は全プローブ１０３の探針１０２先端の変位量から、前記方法により、プローブアレイ基準面１０６を計算し、条件記憶回路１００２に記憶させる。さらに、プローブアレイ基準面１０６を基準とした、各プローブ１０３の探針１０２先端の位置を計算し、条件記憶回路１００２に記憶させる。
【００２２】
次に基準試料７０１の代わりに測定する試料１０５を取り付ける。同様にプローブアレイ１０４と試料１０５とを近づけていき、変位量検出回路１００４で各プローブ１０３の探針１０２先端の変位をモニタし、変位の生ずるプローブ１０３の本数が３本になった時点で両者の接近を止め、角度制御量演算回路１００９は、この３本のプローブ１０３の変位量と、条件記憶回路１００２に記憶された、この３本のプローブ１０３の探針１０２先端のプローブアレイ基準面１０６に対する位置関係を参照して、試料１０５の表面とプローブアレイ基準面１０６とを平行にするような角度制御量を計算し、プローブアレイ１０４と試料１０５を離した後に、角度制御回路１００５に計算値を送る。
【００２３】
次に、プローブアレイ１０４の全探針１０２先端を試料１０５表面に接触させ、試料１０５上を走査する。走査中、位置制御量演算回路１００３は変位量の最も少ないプローブ１０３の変位量をあらかじめ定められた一定値に保つように、制御量を計算し、位置制御回路１００６に送る。また、情報合成回路１００１は全プローブ１０３の変位量と、条件記憶回路１００２に記憶された各探針１０２先端の位置関係、位置制御量１００３が計算した制御量とから、試料１０５表面の形状情報分布を計算、合成する。
なお、本実施例では、探針１０２先端の変位量の検出に弾性体１０１のたわみによるピエゾ抵抗層６０１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。
【００２４】
また、本実施例では、試料１０５表面と、プローブアレイ基準面１０６との相対角度の検出を、プローブアレイ１０４と試料１０５との接触を用いて行ったが、もちろんこれは、静電容量センサ、レーザ変位センサ等、他の検出手段でもかまわない。
【００２５】
また、本実施例では、各探針の先端の位置を測定する際に、プローブ１０３の探針先端の変位を用いたが、別の測定手段、例えば、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）等で測定しても構わない。
また、本実施例では、試料１０５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。
また、特開平３−２８７００６号公報に見られるような、個々のプローブにアクチュエータを持ち、それぞれで、探針先端と試料との距離を調節する構成の装置にも応用可能であり、この場合、試料面垂直方向の局所的な測定レンジは個々のアクチュエータの動作レンジで制限を受けるため、探針先端の変位すなわち個々のアクチュエータの変位を検出し、これを用いて同様の制御を行うことにより、測定レンジを実効的に拡大することができる。
【００２６】
【発明の効果】
以上に説明したとおり、一体となって測定試料と相対動作する複数本の測定プローブを有するプローブアレイを用いた走査型プローブ顕微鏡において、各探針先端の位置を検出し、頂点すべてが前記検出した各探針先端の位置に含まれ、かつ各探針先端の位置すべてを内包するような凸多面体の各面から、最も離れた頂点までの距離を比較し、これが最小になるような面を探して基準面とし、この基準面と試料の測定面が平行になるように、プローブの角度を制御して面あわせを行い、探針先端の変位量が最小となるプローブの探針先端の変位量が一定となるようにプローブアレイと試料との間隔を制御しながら走査を行うことにより、探針の試料に対する最大押し付け力を小さくし、両者の損傷を小さくすることができる。
また、本発明によれば、許容される押し付け力の範囲、あるいはアクチュエータの動作範囲において、測定できる試料測定面垂直方向の測定レンジを実効的に拡大することができる。
さらに、本発明によれば、前記動作に加えて、前記各プローブの探針先端の前記基準面に対する相対的な位置関係を計算し、各プローブの探針先端の変位量、距離制御量から試料の表面形状を計算、合成することにより、例えば、簡便なプローブで、大面積の形状情報を安全かつ高速に取得可能な原子間力顕微鏡を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例における装置の構成を説明する図。
【図２】本発明の実施例における面あわせ方法を説明する図。
【図３】本発明の基準面決定方法の原理を説明する図。
【図４】本発明の基準面決定方法の原理を説明する図。
【図５】本発明の基準面決定方法の原理を説明する図。
【図６】本発明の実施例におけるプローブアレイの構成を説明する図。
【図７】本発明の実施例におけるプローブの構成を説明する図。
【図８】本発明の実施例における動作を説明する図。
【図９】本発明において解決すべき課題を説明する図。
【図１０】本発明の原理を説明する図。
【符号の説明】
１０１：弾性体
１０２：探針
１０３：プローブ
１０４：プローブアレイ
１０５：試料
１０６：プローブアレイ基準面
６０１：ピエゾ抵抗層
７０１：基準試料
１００１：情報合成回路
１００２：条件記憶回路
１００３：位置制御量演算回路
１００４：変位量検出回路
１００５：角度制御回路
１００６：位置制御回路
１００７：αβ駆動ステージ
１００８：ｘｙｚ駆動ステージ
１００９：角度制御量演算回路
１０１０：基準面演算回路
【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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