(57)【要約】【課題】探針にかかるストレスを低減した状態で試料表面の形状情報や物性情報を測定することができ、プローブのダメージを軽減すること。【解決手段】先端に探針を有するプローブにより試料表面上の隣接する複数のラインを１ライン毎順々に往復走査して、試料の表面情報を測定する方法であって、往路走査又は復路走査のうち一方の走査時に、探針を試料表面に近接或いは接触させた状態でプローブの変位が一定となるように探針と試料表面との距離を制御しながら走査させて、試料表面の測定データを取得する取得工程と、他方の走査時に、探針を所定量引き上げた後、一方の走査時の移動軌跡Ｌ１よりも試料表面から離間した移動軌跡Ｌ２で走査させる走査工程と、備えている表面情報測定方法を提供する。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料表面上の隣接する複数のラインを１ライン毎順々に往復走査して、試料の表面情報を測定する走査型プローブ顕微鏡であって、
前記試料を固定する試料台と、
探針を先端に有するプローブと、
前記試料と前記探針とを、前記試料表面に平行な方向及び前記試料表面に垂直な方向に相対的に移動させる移動手段と、
前記プローブの変位を測定する変位測定手段と、
前記複数のラインを１ライン毎順々に往復走査するように前記移動手段を制御すると共に、該往復走査時に前記変位測定手段による測定結果に基づいて前記試料表面の測定データを取得する制御手段と、を備え、
該制御手段は、往路走査又は復路走査のうち一方の走査時に、前記探針を前記試料表面に近接或いは接触させた状態で前記プローブの変位が一定となるように前記探針と前記試料表面との距離を制御しながら走査させて前記測定データを取得させると共に、他方の走査時に、前記探針を所定量引き上げて一方の走査時の移動軌跡よりも前記試料表面から離間した移動軌跡で走査させることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記制御手段は、前記他方の走査の際に、前記一方の走査時よりも速い走査速度で走査させることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記一方の走査が前記往路走査、前記他方の走査が前記復路走査とされ、
前記制御手段は、前記復路走査の際に、前記測定データから前記試料表面の凹凸高さを認識した後、認識した凹凸高さのうち最大高さよりも前記試料表面から離間するように前記探針を引き上げると共に、引き上げた高さを維持しながら前記試料表面に対して略平行な直線の移動軌跡を描くように走査させることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記一方の走査が前記往路走査、前記他方の走査が前記復路走査とされ、
前記制御手段は、前記復路走査の際に、隣接するラインの走査開始点に向けて前記探針を走査させることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
請求項４に記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記制御手段は、前記所定量に予め決められた補正量を加算した量だけ前記探針を引き上げることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】
請求項５に記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記補正量は、既に終了した往復走査によって得られた前記試料表面の凹凸高さの変化具合に基づいて決定された量であることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】
請求項５に記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記補正量は、予め前記試料表面をプリスキャンして得られた試料表面の凹凸高さの変化具合に基づいて決定された量であることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項８】
先端に探針を有するプローブにより試料表面上の隣接する複数のラインを１ライン毎順々に往復走査して、試料の表面情報を測定する表面情報測定方法であって、
前記往復走査における往路走査又は復路走査のうち一方の走査時に、前記探針を前記試料表面に近接或いは接触させた状態で前記プローブの変位が一定となるように前記探針と前記試料表面との距離を制御しながら走査させて、試料表面の測定データを取得する取得工程と、
前記往復走査における往路走査又は復路走査のうち他方の走査時に、前記探針を所定量引き上げた後、前記一方の走査時の移動軌跡よりも前記試料表面から離間した移動軌跡で走査させる走査工程と、を備えていることを特徴とする表面情報測定方法。
【請求項９】
請求項８に記載の表面情報測定方法において、
前記他方の走査の際に、前記一方の走査時よりも速い走査速度で走査させることを特徴とする表面情報測定方法。
【請求項１０】
請求項８又は９に記載の表面情報測定方法において、
前記一方の走査が前記往路走査、前記他方の走査が復路走査とされ、
前記走査工程の際に、前記測定データから前記試料表面の凹凸高さを認識した後、認識した凹凸高さのうち最大高さよりも試料表面から離間するように前記探針を引き上げ、引き上げた高さを維持しながら前記試料表面に対して略平行な直線の移動軌跡を描くように走査させることを特徴とする表面情報測定方法。
【請求項１１】
請求項８又は９に記載の表面情報測定方法において、
前記一方の走査が前記往路走査、前記他方の走査が復路走査とされ、
前記走査工程の際に、隣接するラインの走査開始点に向けて前記探針を走査させることを特徴とする表面情報測定方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の表面情報測定方法において、
前記走査工程の際に、前記所定量に予め決められた補正量を加算した量だけ前記探針を引き上げることを特徴とする表面情報測定方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の表面情報測定方法において、
前記補正量は、既に終了した往復走査によって得られた前記試料表面の凹凸高さの変化具合に基づいて決定された量であることを特徴とする表面情報測定方法。
【請求項１４】
請求項１２に記載の表面情報測定方法において、
前記補正量は、予め前記試料表面をプリスキャンして得られた試料表面の凹凸高さの変化具合に基づいて決定された量であることを特徴とする表面情報測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、探針を有するプローブを用いて、試料表面の形状情報や、粘弾性等の各種の物性情報を測定する走査型プローブ顕微鏡及び表面情報測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、金属、半導体、セラミック、樹脂、高分子、生体材料や絶縁物等の試料を微小領域にて測定し、試料表面の形状情報や、試料表面の粘弾性等の物性情報の測定を行う装置として、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Scanning Probe Microscope）が知られている。
【０００３】
この走査型プローブ顕微鏡は、先端に探針を有するプローブを備えており、該プローブと試料との間に作用する様々な物理量を検出することで、試料表面の形状情報や物性情報等の測定を行うものである。通常、試料の測定を行う場合には、予め測定したい測定エリアを決定した後、該測定エリア内でプローブを走査することで測定を行っている。
より詳細に説明すると、プローブを測定エリア内に移動させた後、試料表面に水平なＸ方向にプローブを往復走査して１ラインの測定を行う。つまり、図１２に示すようにＸ方向に往路走査を行った後、図１３に示すように同じライン上を復路走査することで往復走査を行う。よって、図１４に示すように、往路走査時の移動軌跡と復路走査時の移動軌跡とは同じ軌跡を描いている。なお、図１２及び図１３においては、試料表面の凹凸を誇張して図示している。
【０００４】
そして、この１ラインの走査が終了後、プローブを試料表面に水平で且つ上記Ｘ方向に直交するＹ方向に移動させる。そして、再度プローブをＸ方向に移動させて、先ほどのラインに隣接するラインを往復走査して２回目の測定を行う。このように、Ｘ方向の１ライン走査をＹ方向に複数回繰り返し行うことで、測定エリア内をジグザグに走査して、該測定エリア内の測定を行っている（特許文献１及び２参照）。
【０００５】
なお、１ラインを往復走査する際に、往路又は復路のどちらか一方で測定データを取得する場合が一般的であるが、往路及び復路の両方で測定データを取得する場合もある。
【特許文献１】特開平１１−１９０７３９号公報
【特許文献２】特開２００３−１４６０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した従来の走査型プローブ顕微鏡には、まだ以下の不都合が残されている。
走査型プローブ顕微鏡により上述した測定を行う際、測定対象物である試料の種類や測定したい情報等に応じて、いくつかの測定モードを適宜選択して行うが、いずれの場合であっても、往路走査時及び復路走査時の両方において、プローブの探針が試料表面に近接或いは接触した状態となっている。そのため、走査を行っている間、探針に対して常にストレスをかけてしまうものであった。なお、このストレスは、往路及び復路の両方で測定データを取得する場合、或いは往路のときだけ測定データを取得する場合のいずれの場合であっても同じようにかかってしまう。
【０００７】
しかも、このストレスが蓄積すると、探針の先端が欠けたり変形したりする等のダメージが発生してしまう不都合があった。特に、凹凸が頻繁に繰り返されている試料や、凹凸の段差が大きい試料等を測定する場合には、ダメージが顕著に発生し易かった。
【０００８】
この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、探針にかかるストレスを低減した状態で試料表面の形状情報や物性情報を測定することができ、プローブのダメージを軽減することができる走査型プローブ顕微鏡及び表面情報測定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するために、この発明は以下の手段を提供している。
本発明に係る走査型プローブ顕微鏡は、試料表面上の隣接する複数のラインを１ライン毎順々に往復走査して、試料の表面情報を測定する走査型プローブ顕微鏡であって、前記試料を固定する試料台と、探針を先端に有するプローブと、前記試料と前記探針とを、前記試料表面に平行な方向及び前記試料表面に垂直な方向に相対的に移動させる移動手段と、前記プローブの変位を測定する変位測定手段と、前記複数のラインを１ライン毎順々に往復走査するように前記移動手段を制御すると共に、該往復走査時に前記変位測定手段による測定結果に基づいて前記試料表面の測定データを取得する制御手段と、を備え、該制御手段が、往路走査又は復路走査のうち一方の走査時に、前記探針を前記試料表面に近接或いは接触させた状態で前記プローブの変位が一定となるように前記探針と前記試料表面との距離を制御しながら走査させて前記測定データを取得させると共に、他方の走査時に、前記探針を所定量引き上げて一方の走査時の移動軌跡よりも前記試料表面から離間した移動軌跡で走査させることを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明に係る表面情報測定方法は、先端に探針を有するプローブにより試料表面上の隣接する複数のラインを１ライン毎順々に往復走査して、試料の表面情報を測定する表面情報測定方法であって、前記往復走査における往路走査又は復路走査のうち一方の走査時に、前記探針を前記試料表面に近接或いは接触させた状態で前記プローブの変位が一定となるように前記探針と前記試料表面との距離を制御しながら走査させて、試料表面の測定データを取得する取得工程と、前記往復走査における往路走査又は復路走査のうち他方の走査時に、前記探針を所定量引き上げた後、前記一方の走査時の移動軌跡よりも前記試料表面から離間した移動軌跡で走査させる走査工程と、を備えていることを特徴とするものである。
【００１１】
この発明に係る走査型プローブ顕微鏡及び表面情報測定方法においては、まず、試料台上に固定された試料に対して、表面情報を測定するための測定範囲を指定する。測定範囲が指定されると、制御手段はこの測定範囲内においてプローブを走査させて試料表面の測定データを取得することで、表面情報の測定を行う。具体的には、測定範囲内において、複数のラインを１ライン毎順々に往復走査させ、１ライン毎に取得した測定データに基づいて、測定範囲全体の表面情報（試料表面の形状情報や、粘弾性等の物性情報）の測定を行う。
【００１２】
ここで、１ライン毎にプローブを往復走査させることについてより詳細に説明する。
制御手段は、プローブをラインに沿って往路走査又は復路走査させるが、この往路走査又は復路走査のうち一方の走査時のときだけ、試料表面の測定データを取得する取得工程を行う。この測定データの取得時には、探針を試料表面に近接或いは接触させた状態でプローブの変位が一定となるように、探針と試料表面との距離を制御しながら走査させることで、試料表面の測定データを取得することができる。これにより、ラインに沿った試料表面の形状情報（凹凸情報）や物性情報等を得ることができる。
【００１３】
一方、制御手段は、往路走査又は復路走査のうち他方の走査時、即ち、測定データの取得を行わないときには、プローブの引き上げを行った後に走査を行わせる走査工程を行う。つまり、一方の走査時には、試料表面の測定データを取得するために探針を試料表面に近接或いは接触させた状態で走査させる必要があったが、他方の走査時には、探針の位置を所定量引き上げて探針と試料表面との間隔を一方の走査時よりも離間させた後に走査を行わせる。そのため、この他方の走査時には、一方の走査時の探針の移動軌跡よりも試料表面から離間した移動軌跡で走査させることができる。
【００１４】
このように、１ラインを往復走査する際に、測定データの取得を実施しない他方の走査時には、一方の走査時の移動軌跡よりも試料表面から離間した移動軌跡で走査している。つまり、探針を試料表面から十分離間させた状態で走査している。従来は、１ラインを往復走査する際に、往路走査時の移動軌跡と復路走査時の移動軌跡とが同じであり、いずれの走査であっても探針が試料表面に対して常に近接或いは接触している状態であった。そのため、探針に常にストレスがかかってしまい、先端が欠けたり変形したりする等のダメージが発生してしまっていた。
しかしながら、上述したように測定データの取得を実施しない他方の走査を行う場合には、探針を試料表面から十分離間させているので、凹凸が頻繁に繰り返されている試料や凹凸の段差が大きい試料であっても、走査の段階で探針にストレスがかかることがない。
【００１５】
従って、従来に比べて探針にかかるストレスを低減した状態で測定を行うことができ、プローブのダメージを軽減することができる。よって、耐久性を向上することができると共に、長期的に安定且つ高精度な測定を行うことができる。
【００１６】
なお、１ラインの往復走査を終了した後、隣接するラインにプローブの位置をずらす。そして、上述した各工程を再度行って隣接するラインを同様に往復走査させ、往路走査又は復路走査のいずれか一方の走査時に測定データを取得する。このように、複数のラインを１ライン毎に順々に往復走査しながら測定データの取得を繰り返す。そして、各ラインの測定データを集約することで測定範囲全体の表面情報を測定することができる。
【００１７】
また、本発明に係る走査型プローブ顕微鏡は、上記本発明の走査型プローブ顕微鏡において、前記制御手段が、前記他方の走査の際に、前記一方の走査時よりも速い走査速度で走査させることを特徴とするものである。
【００１８】
また、本発明に係る表面情報測定方法は、上記本発明の表面情報測定方法において、前記他方の走査の際に、前記一方の走査時よりも速い走査速度で走査させることを特徴とするものである。
【００１９】
この発明に係る走査型プローブ顕微鏡及び表面情報測定方法においては、他方の走査を行う際に、測定データの取得を行う一方の走査と同じ速度ではなく、一方の走査時よりも速い速度で走査を行う。そのため、他方の走査に費やす時間を短縮することができる。よって、測定時間の短縮化を図ることができる。その結果、スループットを向上することができる。また、測定時間がかかってしまうと熱ドリフトの影響を受けて測定精度が低下する恐れがあるが、このような恐れもなく、高精度な測定を行うことができる。
【００２０】
また、本発明に係る走査型プローブ顕微鏡は、上記本発明の走査型プローブ顕微鏡において、前記一方の走査が前記往路走査、前記他方の走査が前記復路走査とされ、前記制御手段が、前記復路走査の際に、前記測定データから前記試料表面の凹凸高さを認識した後、認識した凹凸高さのうち最大高さよりも前記試料表面から離間するように前記探針を引き上げると共に、引き上げた高さを維持しながら前記試料表面に対して略平行な直線の移動軌跡を描くように走査させることを特徴とするものである。
【００２１】
また、本発明に係る表面情報測定方法は、上記本発明の表面情報測定方法において、前記一方の走査が前記往路走査、前記他方の走査が復路走査とされ、前記走査工程の際に、前記測定データから前記試料表面の凹凸高さを認識した後、認識した凹凸高さのうち最大高さよりも試料表面から離間するように前記探針を引き上げ、引き上げた高さを維持しながら前記試料表面に対して略平行な直線の移動軌跡を描くように走査させることを特徴とするものである。
【００２２】
この発明に係る走査型プローブ顕微鏡及び表面情報測定方法においては、まず制御手段が、往路走査時に測定データの取得を行う取得工程を行い、復路走査時にプローブの引き上げを行って走査を行わせる走査工程を行う。
特に、往路走査時に測定データの取得を行うので、プローブの引き上げを行う前に、取得した測定データに基づいて走査を行ったラインに沿った試料表面の凹凸高さを認識することができる。そして、制御手段は、探針の引き上げを行う際に、認識した凹凸高さのうち最大高さよりも試料表面から離間するように探針の引き上げを行う。そして、この引き上げた高さを維持しながら、試料表面に対して略平行な直線の移動軌跡を描くようにプローブを復路走査させる。
【００２３】
このように、確認された凹凸のうち最も高い凹凸よりも探針を上方に引き上げるので、当該ライン上における走査開始点（往路走査の出発点）に向けて一直線に移動させながらプローブを戻すことができる。従って、余分な経路を経ることなく、最も効率の良い最短の経路で復路走査させることができるので、復路走査に費やす時間を短縮することができる。よって、測定時間の短縮化を図ることができる。その結果、スループットを向上することができる。また、測定時間がかかってしまうと熱ドリフトの影響を受けて測定精度が低下する恐れがあるが、このような恐れもなく、高精度な測定を行うことができる。
【００２４】
また、本発明に係る走査型プローブ顕微鏡は、上記本発明の走査型プローブ顕微鏡において、前記一方の走査が前記往路走査、前記他方の走査が前記復路走査とされ、前記制御手段が、前記復路走査の際に、隣接するラインの走査開始点に向けて前記探針を走査させることを特徴とするものである。
【００２５】
また、本発明に係る表面情報測定方法は、上記本発明の表面情報測定方法において、前記一方の走査が前記往路走査、前記他方の走査が復路走査とされ、前記走査工程の際に、隣接するラインの走査開始点に向けて前記探針を走査させることを特徴とするものである。
【００２６】
この発明に係る走査型プローブ顕微鏡及び表面情報測定方法においては、まず制御手段が、往路走査時に測定データの取得を行う取得工程を行い、復路走査時にプローブの引き上げを行って走査を行わせる走査工程を行う。
そして、復路走査する際に、探針を当該ライン上における走査開始点（往路走査の出発点）に戻すのではなく、隣接するライン（次に測定を行うライン）の走査開始点に向かって走査させる。これにより、次のラインの測定に速やかに移行することができ、測定時間の短縮化を図ることができる。その結果、スループットを向上することができる。また、測定時間がかかってしまうと熱ドリフトの影響を受けて測定精度が低下する恐れがあるが、このような恐れもなく、高精度な測定を行うことができる。
【００２７】
また、本発明に係る走査型プローブ顕微鏡は、上記本発明の走査型プローブ顕微鏡において、前記制御手段が、前記所定量に予め決められた補正量を加算した量だけ前記探針を引き上げることを特徴とするものである。
【００２８】
また、本発明に係る表面情報測定方法は、上記本発明の表面情報測定方法において、前記走査工程の際に、前記所定量に予め決められた補正量を加算した量だけ前記探針を引き上げることを特徴とするものである。
【００２９】
この発明に係る走査型プローブ顕微鏡及び表面情報測定方法においては、探針を引き上げる際に、所定量にマージンとなる補正量をさらに加えた量だけ引き上げる。先ほど往路走査を行ったラインと、次に測定を行う隣接するラインとの間における試料表面の凹凸高さは不明であるが、上述したように所定量に補正量を加えた量だけ引き上げることで、探針と試料表面とが接触してダメージを受けてしまうリスクを極力回避することができる。
【００３０】
また、本発明に係る走査型プローブ顕微鏡は、上記本発明の走査型プローブ顕微鏡において、前記補正量が、既に終了した往復走査によって得られた前記試料表面の凹凸高さの変化具合に基づいて決定された量であることを特徴とするものである。
【００３１】
また、本発明に係る表面情報測定方法は、上記本発明の表面情報測定方法において、前記補正量が、既に終了した往復走査によって得られた前記試料表面の凹凸高さの変化具合に基づいて決定された量であることを特徴とするものである。
【００３２】
この発明に係る走査型プローブ顕微鏡及び表面情報測定方法においては、既に終了した往復走査によって得られた試料表面の凹凸高さの変化具合に基づいて補正量を決定するので、探針と試料表面とが接触してダメージを受けてしまうリスクをより確実に回避し易い。
【００３３】
また、本発明に係る走査型プローブ顕微鏡は、上記本発明の走査型プローブ顕微鏡において、前記補正量が、予め前記試料表面をプリスキャンして得られた試料表面の凹凸高さの変化具合に基づいて決定された量であることを特徴とするものである。
【００３４】
また、本発明に係る表面情報測定方法は、上記本発明の表面情報測定方法において、前記補正量が、予め前記試料表面をプリスキャンして得られた試料表面の凹凸高さの変化具合に基づいて決定された量であることを特徴とするものである。
【００３５】
この発明に係る走査型プローブ顕微鏡及び表面情報測定方法においては、予め前記試料表面をプリスキャン（実際のイメージデータを測定する際に、最初に粗いデータ点数で測定するスキャン）して得られた試料表面の凹凸高さの変化具合に基づいて補正量を決定するので、探針と試料表面とが接触してダメージを受けてしまうリスクをより確実に回避し易い。
【発明の効果】
【００３６】
本発明に係る走査型プローブ顕微鏡及び表面情報測定方法によれば、探針にかかるストレスを低減した状態で感度を低下させることなく試料表面の形状情報や物性情報を測定することができ、プローブのダメージを低減することができる。よって、耐久性の向上化を図ることができると共に、長期的に安定且つ高精度な測定を行うことができる。また、スループットの向上化及び高精度な測定を行うこともできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、本発明に係る走査型プローブ顕微鏡及び表面情報測定方法の一実施形態について、図１から図１１を参照して説明する。なお、本実施形態では、光てこ方式を利用すると共に、探針を振動させないモードで測定を行う場合を例に挙げて説明する。また、１ラインを往復走査するにあたって、往路走査時に測定データを取得する場合を例に挙げて説明する。
【００３８】
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡１は、図１に示すように、試料Ｓを固定するステージ（試料台）２と、試料Ｓに対向配置された探針３ａを先端に有するプローブ３と、試料Ｓと探針３ａとを試料表面Ｓ１に平行なＸＹ方向及び試料表面Ｓ１に垂直なＺ方向に相対的に移動させる移動手段４と、プローブ３の変位（撓み）を測定する変位測定手段５と、これら各構成品を総合的に制御する制御手段６と、を備えている。
【００３９】
上記プローブ３は、シリコンやシリコンナイトライド等により形成されており、本体部３ｂによって片持ち状態に支持されている。この本体部３ｂは、ホルダ部１０に固定された斜面ブロック１１の載置面１１ａに図示しないワイヤ等を利用して着脱自在に固定されている。これによりプローブ３は、試料表面Ｓ１に対して所定角度傾いた状態で固定されている。
【００４０】
上記ホルダ部１０は、試料Ｓの上方に位置するように図示しない架台に取り付けられている。また、このホルダ部１０には、プローブ３の裏面に形成された図示しない反射面に向けて、後述するレーザ光Ｌを入射させると共に、反射面で反射したレーザ光Ｌを出射させる開口部１０ａが形成されている。
上記ステージ２は、ＸＹＺスキャナ１２上に載置されており、該ＸＹＺスキャナ１２は図示しない防振台上に載置されている。このＸＹＺスキャナ１２は、例えばピエゾ素子であり、ＸＹ走査系とＺサーボ系を含むＸＹＺスキャナ制御部１３から電圧を印加されることで、ＸＹ方向及びＺ方向にそれぞれ微小移動するようになっている。即ち、これらＸＹＺスキャナ１２及びＸＹＺスキャナ制御部１３は、上記移動手段４として機能する。
【００４１】
また、ホルダ部１０の上方には、ミラー１４を介してプローブ３の裏面側に形成された反射面に向けてレーザ光Ｌを照射するレーザ光源１５と、反射面で反射されたレーザ光Ｌを受光する光検出部１６と、が設けられている。なお、レーザ光源１５から照射されたレーザ光Ｌは、ミラー１４で反射された後、ホルダ部１０の開口部１０ａ内を通過しながら反射面に達し、反射面で反射された後、再度開口部１０ａ内を通過して光検出部１６に入射するようになっている。
なお、上述したミラー１４は必須なものではなく、ミラー１４を介さずに直接レーザ光Ｌを反射面に照射するように構成しても構わない。また、反射面で反射されたレーザ光Ｌを、ミラー１４を介して受光するようにホルダ部１０と光検出部１６との間にミラー１４を設けても構わない。
【００４２】
光検出部１６は、例えば入射面が２分割或いは４分割されたフォトダイオードであり、レーザ光Ｌの入射位置からプローブ３の変位（撓み）を検出する。そして、光検出部１６は、検出したプローブ３の変位をＤＩＦ信号としてプリアンプ１７に出力している。即ち、これらレーザ光源１５、ミラー１４、光検出部１６は、プローブ３の変位を測定する上記変位測定手段５として機能する。
【００４３】
また、光検出部１６から出力されたＤＩＦ信号は、プリアンプ１７によって増幅された後、Ｚ電圧フィードバック回路１８に送られる。Ｚ電圧フィードバック回路１８は、送られてきたＤＩＦ信号が常に一定となるように、ＸＹＺスキャナ制御部１３をフィードバック制御する。これにより、試料表面Ｓ１を測定する際に、試料Ｓと探針３ａとの距離をプローブ３の変位が一定となるように高さ制御することができる。
【００４４】
また、Ｚ電圧フィードバック回路１８には、制御部１９が接続されており、該制御部１９がＺ電圧フィードバック回路１８により上下させる信号に基づいて、試料表面Ｓ１の測定データを取得することができるようになっている。これにより、試料表面Ｓ１の凹凸形状や粘弾性等の各種の物性情報を測定することができるようになっている。即ち、これらＺ電圧フィードバック回路１８及び制御部１９は、上記制御手段６として機能する。
【００４５】
また、制御部１９には、オペレータが各種の情報を入力することができる入力部１９ａが接続されており、該入力部１９ａを介して測定範囲Ｅ等を自由に設定できるようになっている。そして、制御部１９は、測定範囲Ｅが設定されると、該測定範囲Ｅ内で測定を行うように設定されている。具体的には、隣接する複数のラインを１ライン毎順々に往復走査することで、測定範囲Ｅ内を測定するように制御手段６が各構成品を制御している。これについては、後に詳細に説明する。
【００４６】
次に、このように構成された走査型プローブ顕微鏡１により、試料Ｓの表面情報を測定する表面情報測定方法について、以下に説明する。
本実施形態の表面情報測定方法は、設定された測定範囲Ｅ内において、隣接する複数のラインを１ライン毎に順々に往復走査することで測定を行う方法であって、１ライン毎に往復走査する際に、取得工程と走査工程とを順に行いながら測定を行う。これら各工程について、以下に詳細に説明する。
【００４７】
まず測定を開始する前に、初期設定を行う。即ち、ステージ２上に試料Ｓを確実に載置固定した後、プローブ３の反射面に確実にレーザ光Ｌが入射するように、また、反射したレーザ光Ｌが光検出部１６に確実に入射するように、レーザ光源１５及び光検出部１６の位置やプローブ３の取付け状態等を調整する。続いてオペレータは、入力部１９ａを介して、測定したい範囲を図２に示すように測定範囲Ｅとして指定する。この測定範囲Ｅは、例えば、１００μｍ×１００μｍの範囲である。
【００４８】
この初期設定が終了した後、測定を開始させる。
測定が開始されると、制御手段６は、まずＸＹＺスキャナ１２を駆動して探針３ａを測定範囲Ｅの略中心に移動させた後、探針３ａと試料Ｓとを接近させ、試料Ｓに対して探針３ａを近接させる。次いで、近接させた探針３ａを、図２に示す測定開始ポイントＰまで移動させると共に、該ポイントＰで探針３ａを試料Ｓに対して微小な力で接触させる。
なお、探針３ａを近接或いは接触させる際、探針３ａと試料表面Ｓ１との距離に応じてプローブ３の撓み量が変位する。よって、この変位に基づいて、探針３ａが近接或いは微小な力で接触したか否かを高精度に検出することができる。
【００４９】
次に、制御手段６は、図３に示すように試料表面Ｓ１に水平なＸ方向に沿ってライン状にプローブ３を往復走査させる工程に移行する。まず、往復走査するにあたり、プローブ３を往路走査しながら試料表面Ｓ１の測定データを取得する取得工程を行う。即ち、この往路走査では、探針３ａを接触させた状態で、プローブ３の変位が一定となるように探針３ａと試料表面Ｓ１との距離を高さ制御しながらラインに沿って走査させて、測定データを取得する。
この往路走査の際、図４に示すように、試料表面Ｓ１の凹凸に応じてプローブ３が撓んで変位しようとするので、光検出部１６に入射するレーザ光Ｌの位置が異なる。なお、図４、後述する図５、図６、図８及び図９においては、試料表面Ｓ１の凹凸を誇張した状態で図示している。すると光検出部１６は、入射位置の変位に応じたＤＩＦ信号をプリアンプ１７に出力する。出力されたＤＩＦ信号は、プリアンプ１７によって増幅された後、Ｚ電圧フィードバック回路１８に送られる。
【００５０】
Ｚ電圧フィードバック回路１８は、送られてきたＤＩＦ信号が常に一定となるように（つまり、プローブ３の変位が一定となるように）、ＸＹＺスキャナ制御部１３によりＸＹＺスキャナ１２をＺ方向に微小移動させてフィードバック制御を行う。これにより、プローブ３の変位が一定となるように高さ制御した状態で走査を行うことができる。また、制御部１９は、Ｚ電圧フィードバック回路１８により上下させる信号に基づいて、試料表面Ｓ１の測定を行うことができる。その結果、このラインに沿った試料表面Ｓ１の形状情報（凹凸情報）や物性情報等を取得することができる。
【００５１】
この往路走査を行った後、プローブ３を復路走査して、図３に示す当該ラインの走査開始ポイントＰまで戻す走査工程を行う。この走査工程を行うにあたり、ますプローブ３の引き上げを行う。上述した往路走査では、試料表面Ｓ１の測定データを取得するために探針３ａを試料表面Ｓ１に接触させた状態で走査させたが、この復路走査では図５に示すように、探針３ａの位置を所定量Ｈだけ引き上げ、探針３ａと試料表面Ｓ１との間隔を往路走査時よりも離間させる。
【００５２】
この引き上げが終了した後、図６に示すように、プローブ３を復路走査させる。この際、探針３ａの位置が往路走査時よりも所定量Ｈだけ引き上げられているので、図７に示すように、往路走査時の移動軌跡（Ｌ１）よりも試料表面Ｓ１から離間した移動軌跡（Ｌ２）で復路走査することができる。
【００５３】
そして、復路走査によって走査開始ポイントＰまでプローブ３が戻った時点で、１ラインの往復走査が終了する。続いて、図３に示すように、試料表面Ｓ１に平行で且つＸ方向に直交するＹ方向にプローブ３を移動させ、隣接するラインの走査開始ポイントＰに位置をずらす。そして、上述した各工程を再度行って、隣接するラインをＸ方向に沿って同様に往復走査させ、往路走査時に測定データを取得する。このように、複数のラインを１ライン毎に順々に往復走査しながら測定データの取得を繰り返し、その後、各ラインの測定データを集約することで測定範囲Ｅ全体の表面情報を測定することができる。
なお、１００μｍ×１００μｍの測定範囲Ｅの場合には、例えば、２５６本の複数のラインを１ライン毎に順々に走査することで、測定範囲Ｅの詳細な表面情報を測定することができる。
【００５４】
特に本実施形態では、復路走査を行う際に、往路走査時の移動軌跡（Ｌ１）よりも試料表面Ｓ１から離間した移動軌跡（Ｌ２）で走査している。つまり、探針３ａを試料表面Ｓ１から十分離間させた状態で走査することができる。従来は、１ラインを往復走査する際に、往路走査時の移動軌跡と復路走査時の移動軌跡とが同じであり、探針３ａが試料表面Ｓ１に対して常に近接或いは接触している状態であった。そのため、探針３ａに常にストレスがかかってしまい、先端が欠けたり変形したりする等のダメージが発生し易かった。しかしながら、本実施形態では上述したように、復路走査を行う場合に、探針３ａを試料表面Ｓ１から十分離間させているので、凹凸が頻繁に繰り返される試料や凹凸の段差が大きい試料であっても、復路走査の段階で探針３ａにストレスがかかることがない。
【００５５】
従って、従来に比べて探針３ａにかかるストレスを低減した状態で感度を低下させることなく測定を行うことができ、プローブ３のダメージを軽減することができる。よって、耐久性を向上することができると共に、長期的に安定且つ高精度な測定を行うことができる。
【００５６】
なお、上記実施形態では、引き上げ工程で探針３ａを所定量Ｈだけ引き上げた後、往路走査時の移動軌跡（Ｌ１）に対して略平行な軌跡を描くように復路走査したが、試料表面Ｓ１に対して略平行な直線の移動軌跡を描くように復路走査しても構わない。
【００５７】
この場合には、まず制御手段６が、往路走査で取得した測定データに基づいて走査を行ったライン上の凹凸高さを認識し、図８に示すように認識した凹凸高さのうち最大高さよりも試料表面Ｓ１から離間するように探針３ａを引き上げる。そして、復路走査を行う際に、図９及び図１０に示すように、引き上げた高さを維持しながら、試料表面Ｓ１に対して略平行な直線の移動軌跡（Ｌ３）を描くようにプローブ３を走査させる。
【００５８】
このように、確認された凹凸のうち最も高い凹凸よりも上方に探針３ａを引き上げるので、当該ラインの走査開始ポイントＰに向けて一直線に移動させながらプローブ３の位置を戻すことができる。従って、余分な経路を経ることなく、最も効率の良い最短の経路で復路走査することができるので、復路走査に費やす時間を短縮することができる。よって、測定時間の短縮化を図ることができる。
その結果、スループットを向上することができる。また、測定時間がかかってしまうと熱ドリフトの影響を受けて測定精度が低下する恐れがあるが、このような恐れもなく、高精度な測定を行うことができる。
【００５９】
また、上記実施形態において、復路走査を行う際に、往路走査と同じ速度ではなく往路走査時よりも速い速度で走査を行っても構わない。こうすることで、復路走査に費やす時間をさらに短縮することができ、測定時間のさらなる短縮化を図ることができる。例えば、往路走査を１ライン２秒で行った場合には、往路より２倍速の１ライン１秒で復路走査を行う。こうすることで、復路走査に費やす時間を往路走査に費やす時間に比べて半分にすることができる。
従ってこの場合も同様に、スループットの向上化、測定精度の高精度化を図ることができる。特に、速い速度で復路走査することに加え、上述したように直線の移動軌跡（Ｌ３）を描くように走査させることを組み合わせることで、その作用効果をより顕著なものにすることができる。
【００６０】
また、上記実施形態において、復路走査の際に、探針３ａを当該ライン上における走査開始ポイントＰ（往路走査の出発点）に戻すのではなく、図１１に示すように隣接するライン（次に測定を行うライン）の走査開始ポイントＰに向かって斜めに走査しても構わない。これにより、次のラインの測定に速やかに移行することができ、やはり測定時間の短縮化を図ることができる。従ってこの場合も同様に、スループットの向上化、測定精度の高精度化を図ることができる。
なお、次の走査開始ポイントＰに向かって斜めに走査する場合には、探針３ａを引き上げる際、所定量Ｈにマージンとなる補正量をさらに加えた量だけ引き上げることが好ましい。つまり、先ほど往路走査を行ったラインと、次に測定を行う隣接するラインとの間における試料表面Ｓ１の凹凸高さは不明であるが、所定量Ｈに補正量を加えた量だけ引き上げることで、探針３ａと試料表面Ｓ１とが接触して該探針３ａがダメージを受けてしまうリスクを極力回避することができる。
【００６１】
なお、上記補正量は、既に終了した往復走査によって得られた試料表面Ｓ１の凹凸高さの変化具合に基づいて決定しても構わないし、予め試料表面Ｓ１をプリスキャン（実際のイメージデータを測定する際に、最初に粗いデータ点数で測定するスキャン）して得られた試料表面Ｓ１の凹凸高さの変化具合に基づいて決定しても構わない。
こうすることで、先ほど往路走査を行ったラインと、次に測定を行う隣接するラインとの間における試料表面Ｓ１の凹凸高さを、ある程度事前に予測することができる。そのため、探針３ａと試料表面Ｓ１とが接触してしまうリスクをより確実に回避し易い。
【００６２】
なお、本発明の技術範囲は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。
【００６３】
例えば、上記実施形態では、往路走査時に試料表面Ｓ１の測定データを取得し、復路走査時に探針３ａの引き上げを行ったが、これとは逆に、往路走査時に探針３ａの引き上げを行い、復路走査時に測定データを取得するようにしても構わない。
この場合には、最初のラインを往路走査するときに、例えばプリスキャンによって得られた試料表面Ｓ１の凹凸情報に基づいて、探針３ａの引き上げを行えば良い。また、次のラインを往路走査するときには、前のラインの復路走査時に得られた測定データに基づいて、探針３ａの引き上げを行えば良い。
【００６４】
例えば、上記実施形態では、試料Ｓ側を３次元方向に移動させるスキャン方式としたが、この場合に限られず、プローブ３側を３次元方向に移動させるようにしても構わない。また、プローブ３側をＺ方向に移動させると共に、試料Ｓ側をＸＹ方向に移動させるように構成しても構わないし、これとは逆に、プローブ３側をＸＹ方向に移動させると共に、試料Ｓ側をＺ方向に移動させるように構成しても構わない。いずれの場合であっても、スキャン方式が異なるだけで、上記実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
【００６５】
また、上記実施形態では、ホルダ部１０に形成された開口部１０ａを通してプローブ３にレーザ光Ｌを入射させると共に、反射したレーザ光Ｌを出射させる構成としたが、この場合に限られるものではない。例えば、ホルダ部１０を光学的に透明な材料（例えば、ガラス）で形成して開口部１０ａをなくしても構わない。
また、上記実施形態では、変位測定手段５が光てこ方式によりプローブ３の変位検出を行ったが、光てこ方式に限定されるものではない、例えば、プローブ３自身に変位検出機能（例えば、ピエゾ抵抗素子等）を設けた自己検知方式を採用しても構わない。
【００６６】
また、上記実施形態では、探針３ａを振動させずに測定を行った場合を例に挙げて説明したが、斜面ブロック１１とプローブ３を片持ち状態で支持している本体部３ｂとの間に、プローブ３を所定の周波数で振動させるピエゾ素子等の加振源を設けても構わない。
こうすることで、例えばＳＰＭの測定モードの１つである振動モードＡＦＭで測定を行うことができる。なお、加振源を設ける場合には、プリアンプ１７とＺ電圧フィードバック回路１８との間に、プリアンプ１７で増幅されたＤＩＦ信号を直流変換してＺ電圧フィードバック回路１８に出力する交流−直流変換回路を設ければ良い。
【００６７】
なお、振動モードＡＦＭで測定を行う場合には、初めに加振電源から加振源に対して信号を出力して、加振源を所定の振幅及び周波数で振動させる。これにより、プローブ３が所定の周波数で振動する。そして、この状態で走査を行う。なお、この場合には、プローブ３の振動状態（プローブ３の変位）が一定となるように試料表面Ｓ１とプローブ３との距離をフィードバック制御すれば良い。その結果、振動モードＡＦＭで試料Ｓの測定を行うことができる。
このように、振動モードＡＦＭで測定を行う場合であっても、本発明に係る走査型プローブ顕微鏡及び表面情報測定方法を適用することができ、上述した実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の一実施形態を示す構成図である。
【図２】図１に示す走査型プローブ顕微鏡のステージ上に固定されている試料の拡大斜視図である。
【図３】図２に示す試料上に設定した測定範囲を走査する場合のプローブの軌跡を示した図である。
【図４】図１に示す走査型プローブ顕微鏡により試料の表面情報を測定する際の一工程図であって、プローブを往路走査している状態の図である。
【図５】図１に示す走査型プローブ顕微鏡により試料の表面情報を測定する際の一工程図であって、図４に示す状態の後、プローブを引き上げている状態の図である。
【図６】図１に示す走査型プローブ顕微鏡により試料の表面情報を測定する際の一工程図であって、図５に示す状態の後、プローブを復路走査している状態の図である。
【図７】プローブを往路走査したときの移動軌跡と、復路走査したときの移動軌跡とを示した図である。
【図８】図１に示す走査型プローブ顕微鏡により試料の表面情報を測定する際の一工程図であって、図４に示す状態の後、プローブを引き上げる際に、試料表面の凹凸高さのうち最大高さよりも上方に引き上げた状態の図である。
【図９】図１に示す走査型プローブ顕微鏡により試料の表面情報を測定する際の一工程図であって、図８に示す状態の後、引き上げた高さを維持しながら、プローブを直線状に復路走査している状態の図である。
【図１０】プローブを往路走査したときの移動軌跡と、直線状に復路走査したときの移動軌跡とを示した図である。
【図１１】試料上に設定した測定範囲を走査する場合のプローブの軌跡を示した図であって、隣接するラインの走査開始点に向けて復路走査しながら走査を行う場合の軌跡を示す図である。
【図１２】従来の方法により、試料の表面情報を測定する場合の一工程図であって、プローブを往路走査している状態の図である。
【図１３】従来の方法により、試料の表面情報を測定する場合の一工程図であって、プローブを復路走査している状態の図である。
【図１４】従来の方法により、プローブを往路走査したときの移動軌跡と、復路走査したときの移動軌跡とを示した図である。
【符号の説明】
【００６９】
Ｌ１    往路時の移動軌跡
Ｌ２、Ｌ３    復路時の移動軌跡
Ｐ    走査開始ポイント（走査開始点）
Ｓ    試料
Ｓ１    試料表面
１    走査型プローブ顕微鏡
２    ステージ（試料台）
３    プローブ
３ａ    探針
４    移動手段
５    変位測定手段
６    制御手段
【図１】
2009074987.tif 000003
【図２】
2009074987.tif 000004
【図３】
2009074987.tif 000005
【図４】
2009074987.tif 000006
【図５】
2009074987.tif 000007
【図６】
2009074987.tif 000008
【図７】
2009074987.tif 000009
【図８】
2009074987.tif 000010
【図９】
2009074987.tif 000011
【図１０】
2009074987.tif 000012
【図１１】
2009074987.tif 000013
【図１２】
2009074987.tif 000014
【図１３】
2009074987.tif 000015
【図１４】
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