(57)【要約】【課題】急峻な側壁を有するパターンを測定する場合、探針がパターン側壁に近づくと探針−側壁間に働くファンデルワールス力によって探針が側壁に吸着され、側壁部の測定形状に誤差が生じると共に、探針直径とほぼ同等の溝幅を持つパターンを測定する場合、探針が両側の側壁に吸着されることにより、探針が溝底部に到達できず、溝の深さを測定することができない。【解決手段】細長探針を用いた微細な高アスペクト比パターンの測定において、探針がパターンの側壁に吸着された場合、探針のパターン側壁への吸着を検知し、探針−試料間の接触力を一時的に増加させることによって、探針を側壁の底まで到達させる。また、パターンの形状データと併せてカンチレバーの捩れ量のデータを取得し、取得した捩れ量のデータから吸着による側壁部の形状誤差の補正を行う。【選択図】図２１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カンチレバーに形成された探針で試料表面を走査し、前記探針と前記試料表面間に働く相互作用を検出することによって試料の表面形状を含む物理特性を測定する走査プローブ顕微鏡において、前記探針の測定パターン側壁への吸着を検知する手段を備え、前記吸着を検知した場合、前記探針の制御状態を変更することを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項２】
請求項１記載の走査プローブ顕微鏡において、前記カンチレバーの捩れを検出する手段を備え、前記探針で前記試料表面を走査している間の測定形状の高さ変化率と前記カンチレバーの捩れ量を解析することによって、前記探針の測定パターン側壁への吸着を検知することを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項３】
請求項１記載の走査プローブ顕微鏡において、前記カンチレバーの捩れを検出する手段を備え、前記探針で前記試料表面を走査している間の測定形状の高さ変化率と前記高さ変化率の符号、及び前記カンチレバーの捩れ量と前記捩れの方向を解析することによって、前記探針の測定パターン側壁への吸着を検知することを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項４】
請求項１記載の走査プローブ顕微鏡において、前記カンチレバーのたわみと捩れを検出する手段を備え、前記探針を前記試料に対して接近、退避させながら測定を行う場合、前記探針が前記試料表面に接触する前後における前記カンチレバーのたわみの変化と前記カンチレバーの捩れの変化を解析することによって、前記探針の測定パターン側壁への吸着を検知することを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項５】
請求項１記載の走査プローブ顕微鏡において、前記カンチレバーのたわみ振動の振動振幅と捩れを検出する手段を備え、前記探針を前記試料に対して接近、退避させながら測定を行う場合、前記探針が前記試料表面に接触する前後における前記カンチレバーのたわみ振動振幅信号の変化と前記カンチレバーの捩れ信号の変化を解析することによって、前記探針の測定パターン側壁への吸着を検知することを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項６】
請求項１記載の走査プローブ顕微鏡において、前記カンチレバーの捩れ振動を検出する手段を備え、前記探針を前記カンチレバーの捩れ方向に振動させた状態で、前記探針を前記試料に対して接近、退避させながら測定を行う場合、前記探針が前記試料表面に接触する前後における前記探針の捩れ振動振幅の変化率を解析することによって、前記探針の測定パターン側壁への吸着を検知することを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項７】
請求項１記載の走査プローブ顕微鏡において、
前記探針を前記試料に対して接近、退避させながら測定を行う場合、前記探針が前記試料表面に接触する前後における前記カンチレバーのたわみの変化と前記カンチレバーの捩れの変化を解析する方法、前記探針を前記試料に対して接近、退避させながら測定を行う場合、前記探針が前記試料表面に接触する前後における前記カンチレバーのたわみ振動振幅信号の変化と前記カンチレバーの捩れ信号の変化を解析する方法、前記探針を前記カンチレバーの捩れ方向に振動させた状態で、前記探針を前記試料に対して接近、退避させながら測定を行う場合、前記探針が前記試料表面に接触する前後における前記探針の捩れ振動振幅の変化率を解析する方法のいずれかの方法と測定形状の高さ変化率の解析の組み合わせ、若しくは、前記探針を前記試料に対して接近、退避させながら測定を行う場合、前記探針が前記試料表面に接触する前後における前記カンチレバーのたわみの変化と前記カンチレバーの捩れの変化を解析する方法、前記探針を前記試料に対して接近、退避させながら測定を行う場合、前記探針が前記試料表面に接触する前後における前記カンチレバーのたわみ振動振幅信号の変化と前記カンチレバーの捩れ信号の変化を解析する方法のいずれかの方法と測定形状の高さ変化率と前記高さ変化率の符号、及び前記カンチレバーの捩れの方向の解析の組み合わせによって、前記探針の測定パターン側壁への吸着を検出することを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項８】
請求項１記載の走査プローブ顕微鏡において、前記探針と前記試料間の接触力を増加させることによって、前記探針の制御状態を変更することを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項９】
請求項８記載の走査プローブ顕微鏡において、前記探針の振動振幅と前記探針のたわみを検出する手段を備え、前記探針の振動振幅の解析によって接触力を検出する方式から前記カンチレバーのたわみ量の解析によって接触力を検出する方式に変更して接触力を増加させることを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項１０】
請求項８記載の走査プローブ顕微鏡において、予め決められた接触力目標値に到達するまで接触力を増加することを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項１１】
請求項８記載の走査プローブ顕微鏡において、前記探針のたわみ、もしくは前記探針の振動振幅を検出する手段を備え、接触力を増加した後の前記カンチレバーたわみ量の変化率もしくはたわみ振動振幅の変化率を解析し、前記変化率の一定以上の変化を検出するまで接触力を増加することを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項１２】
請求項８記載の走査プローブ顕微鏡において、前記カンチレバーの捩れを検出する手段を備え、接触力を増加した後の前記カンチレバー捩れ量の大きさを観測し、前記カンチレバー捩れ量がなくなるまで接触力を増加することを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項１３】
請求項８記載の走査プローブ顕微鏡において、増加した後の接触力で表面形状の測定を行い、接触力の増加がない測定点との接触力の差による形状誤差を補正することを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項１４】
請求項８記載の走査プローブ顕微鏡において、増加した接触力を増加前の接触力まで減少させた後、測定を行うことを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項１５】
カンチレバーに形成された探針で試料表面を走査し、前記探針と前記試料表面間に働く相互作用を検出することによって試料の表面形状を含む物理特性を測定する走査プローブ顕微鏡において、測定パターン側壁部を検出する手段を備え、前記探針が測定パターン側壁部へ到達した場合、前記探針の制御状態を変更することを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項１６】
請求項１５記載の走査プローブ顕微鏡において、測定形状の高さ変化率を解析することによって、測定パターン側壁部を検出することを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項１７】
請求項１５記載の走査プローブ顕微鏡において、前記探針と前記試料間の接触力を増加させることによって、前記探針の制御状態を変更することを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項１８】
請求項１７記載の走査プローブ顕微鏡において、前記探針の振動振幅と探針のたわみを検出する手段を備え、前記探針の振動振幅の解析によって接触力を検出する方式から前記カンチレバーのたわみ量の解析によって接触力を検出する方式へ変更して前記接触力を増加させることを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項１９】
請求項１７記載の走査プローブ顕微鏡において、予め決められた接触力目標値に到達するまで接触力を増加することを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項２０】
請求項１７記載の走査プローブ顕微鏡において、前記探針のたわみ、もしくは前記探針の振動振幅を検出する手段を備え、接触力を増加した後の前記カンチレバーたわみ量の変化率もしくは前記カンチレバーたわみ振動振幅の変化率を解析し、前記変化率の一定以上の変化を検出するまで接触力を増加することを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項２１】
請求項１７記載の走査プローブ顕微鏡において、前記カンチレバーの捩れを検出する手段を備え、接触力を増加した後の前記カンチレバー捩れ量の大きさを観測し、前記捩れ量がなくなるまで接触力を増加することを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項２２】
請求項１７記載の走査プローブ顕微鏡において、増加した後の接触力で表面形状の測定を行い、接触力の増加がない測定点との接触力の差による形状誤差を補正することを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項２３】
請求項１７記載の走査プローブ顕微鏡において、増加した接触力を増加前の接触力まで減少させた後、測定を行うことを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項２４】
カンチレバーに形成された探針で試料表面を走査し、前記探針と前記試料表面間に働く相互作用を検出することによって試料の表面形状を含む物理特性を測定する走査プローブ顕微鏡において、前記カンチレバーの捩れを検出する手段を備え、前記探針の曲がりと前記カンチレバーの捩れに起因する形状誤差を補正することを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項２５】
請求項２４記載の走査プローブ顕微鏡において、側壁形状が既知である前記試料の測定形状から、前記カンチレバーの捩れ量と前記形状誤差の関係を取得し、前記形状誤差を補正することを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項２６】
請求項２４記載の走査プローブ顕微鏡において、側壁形状が既知である試料を備えたことを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項２７】
請求項２４記載の走査プローブ顕微鏡において、前記探針の先端に水平方向の変位を生じさせた際の前記探針の先端の水平方向変位量と前記カンチレバーの捩れ量の関係から、前記カンチレバーの捩れ量と形状誤差の関係を取得し、前記形状誤差を補正することを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項２８】
請求項２４記載の走査プローブ顕微鏡において、前記探針の先端形状に起因する形状誤差も併せて補正することを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項２９】
請求項２４記載の走査プローブ顕微鏡において、測定パターン側壁部を検出する手段を備え、前記探針が側壁へ到達した場合、水平方向の測定点間隔を小さくすることを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項３０】
請求項２９記載の走査プローブ顕微鏡において、測定形状の高さ変化率の大きさを解析することによって、前記測定パターン側壁部を検出することを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項３１】
請求項２９記載の走査プローブ顕微鏡において、前記探針の測定パターン側壁への吸着を検知することによって、前記測定パターン側壁部を検出することを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項３２】
請求項２４記載の走査プローブ顕微鏡において、測定パターン側壁部を検出する手段を備え、前記探針が測定パターン側壁部へ到達した場合、前記探針の制御状態を変更することを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項３３】
請求項３２記載の走査プローブ顕微鏡において、測定形状の高さ変化率の大きさを解析することによって、前記測定パターン側壁部を検出することを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項３４】
請求項３２記載の走査プローブ顕微鏡において、前記探針の前記測定パターン側壁への吸着を検知することによって、前記測定パターン側壁部を検出することを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項３５】
請求項３２記載の走査プローブ顕微鏡において、前記探針と試料間の接触力を増加させることによって、探前記針の制御状態を変更することを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項３６】
請求項３５記載の走査プローブ顕微鏡において、接触力の増加によって前記探針が前記側壁上を移動している間、一定の高さピッチで測定を行うことを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は走査型プローブ顕微鏡を用いた測定において、測定パターン側壁への探針の吸着に対応する探針制御・測定データ補正技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
微細立体形状の計測技術の一つとして走査探針顕微鏡（ＳＰＭ：Scanning Probe Microscope）が知られている。これは、先鋭化された探針（プローブ）を、試料表面に近接もしくは接触させ、その際、探針と試料間に生じる原子間力等の物理的な相互作用の計測量を画像として表示するものである。その中のひとつであるＡＦＭ（Atomic Force Microscope）はカンチレバーと呼ばれる片もち梁（板ばね）の先端にとりつけられた探針と試料の間に働く原子間力、つまり探針・試料間の接触力を、カンチレバーのたわみ量によって検出し、これが一定になるように制御しながら試料表面を走査することにより、試料表面の微細形状を計測する技術であり、原子オーダーでの微細立体形状が測定できる技術として、生物、物理、半導体、ストレージ等の多岐の分野に亘って広く用いられている。
【０００３】
特に半導体およびストレージの分野においては、パターンの微細化が年々進んでいるため、微細立体形状を原子オーダーで測定できる技術としてＡＦＭへの期待が高まっている。
ＡＦＭの測定方式としては、一般的に幾つかの方式が知られており、測定の目的によって使い分けられる。例えば、最も一般的であるコンタクトスキャンは、探針を試料に連続的に接触させた状態で走査を行う方式で、主に平坦な試料の測定に適する。
【０００４】
これに対して、高アスペクト比を有するパターンの測定には、高アスペクトパターンに適した以下の測定方式が用いられる。一つはサイクリックコンタクトと呼ばれている方式で、探針を共振点近傍の振動数で振動させ、探針が試料に接触した際の探針の振動振幅（セットポイント）が一定になるように制御をしながら走査していく方式である。これは探針走査の際、探針が試料に間歇的に接触し、コンタクト測定のように探針が試料を連続的に引きずることがないため、軟脆試料および探針へのダメージが軽減される。
【０００５】
また、高アスペクトパターンの測定に有効な測定方式として、特許文献１に開示されている方式が挙げられる。こちらは、探針走査の際に探針を試料１０２から完全に引き離し、次測定点まで移動した後、探針を試料に再接近させて測定を行う方式である。これらはいずれも、探針を試料に間歇的に接触させることを特徴とした測定方式である。
サイクリックコンタクト方式の場合、特許文献１に開示される探針が試料に対して静的に接触した状態で測定する方式とは異なり、探針が試料に対して動的に接触した状態で測定する。さらに、特許文献２には、特許文献３に開示されている方法と特許文献１に開示されている探針動作を組み合わせた測定方式（探針を加振させた状態で、試料からの退避、試料への接近を繰り返して測定を行う方式）も開示されている。
【０００６】
また、特許文献４には、探針の退避位置をつねに吸着を離脱するのに最低必要な距離に保っておき、段差部を検出した場合に退避距離を一時的に増加する方法、また、カーボンナノチューブを静電力によって曲げて段差部を正確に計測する例が示されており、特許文献５には、水平方向に振動可能なプローブが集積回路の溝の側壁に触れたときに、粘着による影響を受けないようにプローブを一連の軽打（タップ）によって側壁に触れさせることが示されている。また、非特許文献１又は２には、探針形状に起因する測定誤差を除去する方法が記載されている。
【特許文献１】特許第３９２５３８０号公報
【特許文献２】特開２００４−１３２８２３号公報
【特許文献３】特開平１１−３５２１３５号公報
【特許文献４】特開２００６−３２９９７３号公報
【特許文献５】特開平７−２７０４３４号公報
【非特許文献１】J.S. Villarrubia,“Algorithms for Scanned Probe Microscope Image Simulation,Surface Reconstruction and Tip Estimation", Journal of Research of theNational Institute of Standards and Technology, Volume 102, Number 4, July-August1997
【非特許文献２】David Keller,“Reconstructionof STM and AFM images distorted by finite-size tips", Surface Science ,253(1991)353-364
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ＡＦＭの利用が進む分野のうち、半導体分野においては回路の集積化に伴う回路パターンの微細化、光ディスクや磁気ディスク（パターンドメディア）の分野では記録密度の大容量化に伴う記録パターンの微細化が年々進み、それら開発工程の中でパターンの評価を行い、結果を開発工程にフィードバックすることによって開発効率を向上させることが望まれている。これら計測パターン（半導体回路パターン、光ディスクのピット、パターンドメディアのビットアレイ）の微細化は数十ｎｍオーダーに達するため、ＡＦＭでこれらパターンを測定する際は、高アスペクト比パターンで用いる細長い探針を使いこなす技術が重要となってくる。
【０００８】
細長探針として代表的なものは、高アスペクト比パターン用に先端が先鋭化されたＳｉ探針、カーボン系の探針としてＣＮＴ（Carbon Nano Tube）探針、ＨＤＣ（High  Density  Carbon）探針等がある。上記探針のうち、Ｓｉ探針およびＨＤＣ探針は、先端直径が小さいもので数ｎｍ程度であるが、テーパ形状を有しており、アスペクト比は大きいもので１０以上である。一方ＡＦＭで使用されるＣＮＴ探針は、探針直径は十ｎｍ以上であるが、円柱状の形状を有しており、アスペクト比が更に高くなる。このため、微細な高アスペクト比パターンの測定においては非常に有効な探針である。
【０００９】
ただし、細長い探針を用いて急峻な側壁を有するパターンを測定した場合、探針がパターン側壁に近づくと探針−側壁間に働くファンデルワールス力によって探針が側壁に吸い寄せられ、吸着されるという問題が生じる。この吸着によるとカンチレバーの捩れと探針の曲がりによって、側壁部の測定形状に誤差が生じることになる。更に、探針直径とほぼ同等の溝幅を持つパターンを測定する場合、探針が両側の側壁に吸着されることによって溝底に到達できず、溝の深さを測定することができなくなってしまう。また、探針を溝底まで到達させるために測定接触力を大きく設定した場合、探針と試料へのダメージが大きくなるとともに、急峻なパターン側壁部で探針が滑りを生じて形状誤差が大きくなるという新たな問題が生じる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の走査プローブ顕微鏡は、カンチレバーに形成された探針で試料表面を走査し、前記探針と前記試料表面間に働く相互作用を検出することによって試料の表面形状を含む物理特性を測定する走査プローブ顕微鏡において、前記探針の測定パターン側壁への吸着を検知する手段を備え、前記吸着を検知した場合、前記探針の制御状態を変更することを特徴とする。
また、本発明の走査プローブ顕微鏡は、カンチレバーに形成された探針で試料表面を走査し、前記探針と前記試料表面間に働く相互作用を検出することによって試料の表面形状を含む物理特性を測定する走査プローブ顕微鏡において、測定パターン側壁部を検出する手段を備え、前記探針が測定パターン側壁部へ到達した場合、前記探針の制御状態を変更することを特徴とする。
また、本発明の走査プローブ顕微鏡は、カンチレバーに形成された探針で試料表面を走査し、前記探針と前記試料表面間に働く相互作用を検出することによって試料の表面形状を含む物理特性を測定する走査プローブ顕微鏡において、前記カンチレバーの捩れを検出する手段を備え、前記探針の曲がりと前記カンチレバーの捩れに起因する形状誤差を補正することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、微細な高アスペクト比パターン形状の測定が可能となり、今後、更なるパターンの微細化が進む半導体やストレージ分野の研究開発に利用することによって、研究開発の効率を上げることができる。また、本技術をこれら分野の量産管理に適用することによって、製品の歩留まり向上に寄与する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１３】
細長探針を用いて、特許文献１に開示されているステップイン（登録商標）測定方式で、溝パターンの深さ測定を行う方法について以下に示す。最初に本発明に係る走査プローブ顕微鏡の構成例について図１を用いて説明する。
【００１４】
装置は、測定試料１０１を載せ移動が可能な粗動ステージ１０２、カンチレバー上に試料上を走査する探針を備えた測定プローブ１０３、探針をＸＹＺ方向に駆動するＸＹＺ走査駆動部１０４、カンチレバーの静的な変形である図２６に示すようなたわみ２６０１と捩れ２６０２の検出を行うたわみ・捩れ検出部１０５、ＸＹＺ各軸の駆動変位を検出する駆動変位検出部１０６、検出した各センサ信号をサンプリングするサンプリング回路１０７、ＸＹＺ走査駆動部１０４に指令を出す探針制御部１０８、粗動ステージおよび測定シーケンス等の制御を行う全体制御部１０９、データの記録を行うデータ記憶部１１０、演算処理等を行う演算処理部１１１、演算処理部での処理結果の表示を行う結果表示部１１２、測定プローブ１０３の捩れ感度校正に用いる試料１１３から構成される。１０４は印加電圧によって変形量が制御できる圧電素子の他、ボイスコイルモータなど他の駆動素子を用いてもよい。また、１０５は一般にレーザと４分割受光素子から構成される光てこ検出等を用いる。光てこ検出では、図２６に示すように、カンチレバーのたわみ２６０１の大きさと捩れ２６０２の大きさを受光素子上のレーザスポット位置の変化として検出することができる。ＸＹＺ走査駆動部１０４については探針側に構成した例を示したが、粗動ステージのかわりに、試料側に構成しても本発明を実施する上での問題はない。
【００１５】
測定の際は、探針を試料表面に近接もしくは接触させ、粗動ステージ１０２もしくはＸＹＺ走査駆動部１０４によって探針と試料の相対位置を走査しながら、その際に生じる原子間力等の物理的な相互作用を１０５のセンサによって測定する。各センサからの出力信号はサンプリング回路１０７によって一定のタイミングで取得され、たわみ・捩れ検出部１０５及び駆動変位検出部１０６の出力に基づいて探針制御部１０８がＸＹＺ走査駆動部１０４に駆動信号を出力して、探針の試料１０１に対する接近・退避を制御する。探針が各測定位置に到達した場合、各センサ信号は、探針制御部１０８からのトリガ信号によってデータ記憶部１１０に記録され、演算処理部１１１での処理を経て結果表示部１１２において数値もしくは画像表示される。また、試料の表面形状を測定する際、試料表面の機械特性の他、探針と試料間に電圧を印加して静電容量や抵抗を測定することも可能である。
以下で、細長探針を用いた微細凹凸パターンの測定方法について説明する。本発明においては、探針がパターン側壁へ吸着した場合、探針の側壁への吸着を検出し、吸着検知時のみ探針と試料間の接触力を増加させて、探針をパターン凹部の底まで到達させる。最初に探針の側壁への吸着の検出方法について説明する。
【００１６】
探針の側壁への吸着は、側壁部でカンチレバーが捩れを生じる現象であるため、側壁部で生じるカンチレバーの捩れから検出が可能である。探針がパターンの側壁部を測定している場合、測定形状の高さ変化率は平坦部と比べて急激に増加する。このため、測定形状の高さ変化率によって、側壁部であることを特定できる。測定形状の高さ変化率は、図２のとおり各測定点（２０３）間の高さデータの差分をとることによって求めることが可能であり、この変化率に閾値２０１を設けておき、変化率が閾値以上の場合に側壁部であると判定する。
【００１７】
さらに、図３に示すように高さ変化率が大きくなった測定位置でカンチレバーの捩れを検出した場合、側壁部における吸着であると判定できる。カンチレバーの捩れは、たわみ・捩れ検出部１０５によって検出が可能であり、１０５の捩れ信号変化量に閾値３０１を設けておき、検出される信号変化量が閾値３０１以上の場合に、カンチレバーに捩れが生じていると判定する。つまり、測定形状の変化率が閾値２０１以上でかつ捩れ信号の変化が閾値１０５以上である場合に探針の側壁への吸着と判定する。次に、側壁部で探針の滑りと吸着の両方が生じた場合に、探針の側壁への吸着を検出する方法について説明する。カンチレバーの捩れは探針がパターン側壁に吸着された場合と同様、パターン側壁部において探針が滑りを生じた際にも現れる現象である。
【００１８】
例えば、図４に示すように溝の左側壁部で探針が滑った場合と右側壁部で探針が吸着された場合には、カンチレバーは同じ方向に捩れを生じる。これは、右側壁部で探針が滑った場合と左側壁部で探針が吸着された場合についても同様である。側壁部における探針の滑りは、探針と試料間の接触力が高い場合に生じる現象であるため、この状態で接触力を増加させた場合、側壁部の形状誤差が増大する。よって、探針の側壁への吸着時にのみ接触力を増加させることが望ましい。左右それぞれの側壁で生じるカンチレバーの捩れの要因（滑り、吸着）は、カンチレバーの捩れが左右どちらの側壁で生じたものかを検出できれば、捩れの方向によって特定することが可能である。このため、測定形状の高さ変化の方向およびカンチレバーの捩れの方向を用いて、探針の側壁への吸着を検出する。
【００１９】
図５に示すとおり、測定形状の高さ変化の方向は、左側壁部は負（５０１）であり、右側壁部は正（５０２）である。このため、測定形状の高さ変化の方向から左右側壁の判別が可能である。さらに左右それぞれの側壁における探針の滑りと吸着では、カンチレバーの捩れ方向が逆であり、捩れ信号も逆方向に変化する。
【００２０】
つまり、図５に示すとおり、左側壁部において探針が滑りを生じた場合の捩れ信号の変化５０３と、吸着を生じた場合の捩れ信号の変化５０４は正負が逆になる。同様に右側壁部において探針が滑りを生じた場合の捩れ信号の変化５０５と、吸着を生じた場合の捩れ信号の変化５０６も逆となる。このため、測定形状の高さ変化率が閾値以上かつ捩れ信号の変化が閾値以上である場合において、測定形状の高さ変化率の符号とカンチレバーの捩れの方向を解析することによって、側壁への吸着によるカンチレバーの捩れのみを検出することが可能となる。
【００２１】
また、この他の探針の側壁への吸着検知方法として、１０５で検出可能なカンチレバーのたわみ信号と捩れ信号を用いる方法について説明する。最初に測定時の探針動作とたわみ信号の変化について図６を用いて説明する。たわみ信号は、探針が試料から力を受けて変化するため、探針が試料から十分離れている状態（探針に力が働かない状態）では一定値（ゼロ点）のまま変化しない。
【００２２】
探針が試料から完全に離れた状態から探針を試料へ接近させると、探針が試料に接触する直前、試料表面からの引力を受けて探針が引きつけられ、試料へ接触する（ａ−ｂ区間）。探針が試料へ接触すると、探針-試料間の接触力に比例してたわみ信号が変化する。探針は試料への押し込み量がある一定値（一定接触力）に到達するまで下降を続ける。（ｂ−ｃ区間）。探針の試料への押し込み量がある一定値に達した後、探針の退避を開始する。探針へ働く力は徐々に小さくなる（ｃ−ｄ区間）。
【００２３】
探針の試料への押し込み量が無くなると探針には全く力が働かない状態（ｄ点）となるが、その後、探針が試料表面から吸着される状態が生じる。この際、探針は試料に接触状態と逆方向の力を受けるため、探針のたわみは接触時と逆となり、たわみ信号は接触状態と逆方向に変化する。さらに退避を続けることで探針は吸着状態から開放される（ｄ−ｅ区間）。探針の退避が終了した後、探針は再び試料への接近を開始し、これら一連の動作を各測定点で繰り返し行う。
【００２４】
次に、たわみ信号と捩れ信号を用いて側壁吸着を検知する方法について図７、図８を用いて説明する。図７には探針が側壁で滑りを生じた場合のたわみ信号と捩れ信号の変化、図８には探針が側壁に吸着された場合のたわみ信号と捩れ信号の変化を示す。探針が側壁で滑りを生じる場合、探針が試料に接触した後、探針の滑りによるカンチレバーの捩れが生じる。このため、図７に示すように、たわみ信号のゼロ点からの変化後に捩れ信号の変化が生じる。対して、探針が側壁に吸着される場合、探針の吸着によってカンチレバーが捩れを生じた後、探針が試料に接触するため、図８に示すように、捩れ信号が変化した後にたわみ信号の変化が生じる。よって、探針が試料に接触する前後のたわみ信号と捩れ信号を解析し、これら信号変化の順番から探針の側壁への吸着を検出することができる。
【００２５】
具体的には、たわみ信号に対して探針の滑りが生じないような低接触力の接触検出閾値７０１を設定し、接触検出時（たわみ信号が閾値を越した瞬間）に捩れ信号が捩れ判定用閾値３０１を越しているか否かで吸着を検知することが可能となる。つまり、接触検出時に捩れ信号が閾値３０１を越えている場合は吸着による捩れが生じていると判定し、閾値を越していない場合は捩れが生じていないと判定することができる。この方式によって、吸着によるカンチレバーの捩れのみを選択的に検知することが可能となる。さらに、上で説明した各吸着検知方法を組み合わせることにより、より確実に吸着を検出することが可能となる。
【００２６】
上記方法によって、探針の側壁吸着を検出した場合、探針と試料間の接触力を増加させて探針を側壁の底部に到達させる。この方法について図９、図１０を用いて説明する。図９、図１０は、測定時のたわみ信号と捩れ信号を示している。図９に示すように、探針が試料に接触した後は、探針と試料間の接触力が測定データ取得用の接触力目標値９０１に達するまで探針を試料に下降させる。この接触力目標値を、データ取得用の接触力目標値９０１と接触力増加用の接触力目標値９０２（９０１よりも大きい接触力）の２種類設け、目標値を９０２とした力サーボ制御を行うか、もしくは接触力が９０２に達するまで一定速度で探針を試料上へ下降させることによって接触力を増加させることができる。前者のように力サーボ制御で接触力を増加させる場合、接触力が目標値に近づくにつれて接触力の増加率が小さくなるが、後者の方法を用いれば接触力の増加率が常に一定（接触力が一定の割合で増加）であり、高速で目標とする接触力に到達させることが可能となる。
【００２７】
また接触力を増加させる場合、必要以上の接触力増加は探針と試料へのダメージが大きくなると共に、無駄な探針動作によって、測定時間増加の要因となる。このため探針の側壁底部への到達検知を行い、接触力増加を必要最小限に抑制する方法について以下で説明する。図１０に示すとおり、探針-試料間の接触力を一定の割合で増加すると、探針が側壁部を滑り始めるまで接触力が一定の増加率（探針のたわみの変化率）で増加する（ａ−ｂ区間）。接触力がある一定値に達すると、探針が側壁部を滑り始めるため、探針-試料間の接触力の増加率（探針のたわみの変化率）は小さくなり（ｂ−ｃ区間）、探針が側壁の底部に到達すると、探針の滑りがなくなるため、接触力の増加率（たわみの変化率）は再び大きくなり、滑りを生じる前とほぼ同じになる（ｃ−ｄ区間）。よって、接触力を９０２に変更した後のたわみ信号の変化率を観測し、探針がパターン底部に到達した際のたわみ変化率の変化点（時刻ｃ）を検知することにより、探針のパターンへの到達検知が可能である。ただし探針が側壁部を滑る間、側壁表面の形状変化や探針と試料間の局所的な摩擦力増加等によって、接触力の増加率が一瞬大きくなる場合があり、単純にたわみ変化率の変化を検知した場合、判定を誤る可能性がある。このため、増加した接触力の変化率が時刻ｃから一定時間以上続いた時点で探針の側壁底部への到達と判断し、探針の試料への押し込みを停止してもよい。
【００２８】
また、上記方法のみでは、探針の側壁への吸着を検知した全ての場合において探針を側壁の底部まで到達させることになる。これは溝の深さを測定する上においては問題ないが、側壁が垂直ではなくテーパ状であった場合等、探針が吸着によって傾いた状態（図１１、ａ点）から側壁への吸着がなかった場合に到達できる位置（図１１、ｂ点）まで到達できればよい。このため、側壁底部への到達検知と同時にカンチレバーの捩れ量を観測しておき、吸着によるカンチレバーの捩れがなくなる（捩れ量がゼロ）位置で探針の試料への押し込みを停止すれば、探針の試料への過剰な押し込みをなくすことができる。実際には探針の試料への押し込みの最中に捩れ信号がゼロ点を横切った瞬間（１１０１）、探針の試料への押し込みを停止する。
【００２９】
上記方法によって探針が側壁の底部に到達した後、測定データの取得を行う。測定データ取得の方法について以下で説明する。接触力の増加後、そのままの接触力で測定データの取得を行った場合、他測定点との接触力の違いによる高さ誤差が生じる。この場合に生じる高さ誤差は式（１）となるため、測定された形状を式（２）に示す補正式によって補正することにより、測定接触力の違いによる高さ誤差を除去することができる。
Δｈ＝ΔＦ／ｋ・・・（１）
（ΔＦ：接触力増加前後の接触力の差，ｋ：探針のばね定数，Δｈ：高さ誤差）
ｈ＝ｈ´−Δｈ・・・（２）
（ｈ：補正後の高さ，ｈ´：測定高さ）
【００３０】
また、その他の測定方法として、探針が側壁の底部に到達した時点で他測定点と同じ接触力に戻した後、測定データの取得を行ってもよい。接触力を戻す方法は、図９のｄ−ｅ区間に示すように力サーボ制御の目標値を接触力目標値９０１に再設定して、力サーボ制御を行ってもよい。また、図１０のｄ−ｅ区間に示すように、接触力目標値９０１に到達するまで探針を試料から一定速度で上昇させ、接触力が９０１近傍に戻った後、ｅ−ｆ区間のように接触力９０１を目標値とした力サーボ制御を行ってもよい。接触力を増加させる場合と同様、後者の方法を用いれば、力サーボ制御を用いるよりも高速に一定の割合で元の接触力に戻すことができ、接触力の変更による測定時間の増加を低減することができる。
【実施例２】
【００３１】
細長探針を用いて特許文献２に開示されているサイクリックコンタクト測定方式で、溝パターンの深さ測定を行う方法について以下に示す。最初に本発明に係る走査プローブ顕微鏡の構成例について図１２を用いて説明する。装置は、測定試料１０１を載せ移動が可能な粗動ステージ１０２、カンチレバーに試料上を走査する探針を備えた測定プローブ１０３、探針をＸＹＺ方向に駆動するＸＹＺ走査駆動部１０４、カンチレバーの静的な変形である図２６に示すようなたわみ２６０１と捩れ２６０２の検出を行うたわみ・捩れ検出部１０５、ＸＹＺ各軸の駆動変位を検出する駆動変位検出部１０６、探針の加振を行う探針加振部１１４、探針の振動振幅を検出する振動振幅検出部１１５、探針の検出した各センサ信号をサンプリングするサンプリング回路１０７、ＸＹＺ走査駆動部１０４に指令を出す探針制御部１０８、粗動ステージおよび測定シーケンス等の制御を行う全体制御部１０９、データの記録を行うデータ記憶部１１０、演算処理等を行う演算処理部１１１、演算処理部での処理結果の表示を行う結果表示部１１２、測定プローブ１０３の捩れ感度校正に用いる試料１１３から構成される。１０４は印加電圧によって変形量が制御できる圧電素子の他、ボイスコイルモータなど他の駆動素子を用いてもよい。探針は、探針加振部１１４からの信号によって、探針自体あるいは、探針の根元に配置された圧電素子などで構成されたアクチュエータに微小振動を生じることができる。あるいは、１１４からの信号はＸＹＺ走査駆動部１０４に重畳されて、探針駆動機構に微小振動を起すことで測定プローブ１０３に振動を励起してもよい。また、カンチレバーに直接振動励起光を照射することで振動を励起してもよい。
【００３２】
また、１０５は一般にレーザと４分割受光素子から構成される光てこ検出等を用いる。光てこ検出では、図２６に示すように、カンチレバーのたわみ量２６０１と捩れ量２６０２を受光素子上のレーザスポット位置の変化として検出することができる。ＸＹＺ走査駆動部１０４については探針側に構成した例を示したが、粗動ステージのかわりに、試料側に構成しても本発明を実施する上での問題はない。
【００３３】
測定の際は、測定プローブ１０３を探針加振部１１４によって加振し、試料表面に近接もしくは接触させ、粗動ステージ１０２もしくは探針駆動部１０４によって探針と試料の相対位置を走査しながら、その際に生じる原子間力等の物理的な相互作用を１０５のセンサによって測定する。各センサからの出力信号はサンプリング回路１０７によって一定のタイミングで取得され、たわみ・捩れ検出部１０５及び駆動変位検出部１０６の出力に基づいて探針制御部１０８がＸＹＺ走査駆動部１０４に駆動信号を出力して、探針の試料１０１に対する接近・退避を制御する。探針が各測定位置に到達した場合、各センサ信号は、探針制御部１０８からのトリガ信号によってデータ記憶部１１０に記録され、演算処理部１１１での処理を経て結果表示部１１２において数値もしくは画像表示される。試料の表面形状を測定する際、探針を高周波で加振し、この時の応答から試料表面の弾性を測定し、あるいは、探針と試料間に電圧を印加して静電容量や抵抗を測定することも可能である。
【００３４】
以下で、細長探針を用いた微細凹凸パターンの測定方法について説明する。最初に探針の側壁への吸着の検出方法について説明する。特許文献２に開示されている測定方式は、探針加振部１１４によってたわみ方向に加振された探針を試料に対して接近させたり退避させたりする方式であり、探針と試料間の接触力検出方式は特許文献1の方式と異なるが、側壁に吸着された際の探針の捩れは特許文献１の方式で生じるものと同じである。このため、実施例１において、図２、図３、図５で説明した同様の方法を用いて、探針の側壁への吸着を検知することが可能である。
【００３５】
次に、たわみ振動振幅信号と捩れ信号を用いた探針の側壁吸着の検知方法について説明する。本測定方式における探針と試料間の接触力は、図２６に示すような探針のたわみ振動２６０３の振動振幅（セットポイント）によって決定される。探針の試料への接近によってたわみ振動の振幅が減衰するに従って接触力は大きくなる。たわみ振動の振幅は、振動振幅検出部１１５で検出することが可能であり、カンチレバーの捩れについては実施例１と同じ信号を１０５で検出することが可能である。
【００３６】
ここで、図１３を用いて、測定時の探針動作と１１５で検出されるたわみ振動の振幅の変化について説明する。探針は、探針が試料から力を受けて変化するため、探針が試料から十分離れている状態（探針に力が働かない状態）ではほぼ一定値（自由振動振幅）のまま変化しない。探針が試料から完全に離れた状態から探針を試料へ接近させると、探針の試料表面への接触が生じる（ａ−ｂ区間）。
【００３７】
探針が試料表面からの力を受け、探針-試料間の接触力に比例してたわみ振動の振幅が減衰し、探針は試料への押し込み量がある一定値（接触力目標値）に到達するまで下降を続ける（ｂ−ｃ区間）。探針の試料への押し込み量がある一定値に達した後、探針の退避を開始する。探針へ働く力は徐々に小さくなり、たわみ振動の振幅は増加する（ｃ−ｄ区間）。さらに、退避を続けることでたわみ振動の振幅は一定値（自由振動振幅）となる。探針の退避が終了した後、探針は再び試料への接近を開始し、これら一連の動作を各測定点で繰り返し行う。
【００３８】
図１４には、探針が側壁で滑りを生じた場合のたわみ振動の振動振幅信号と捩れ信号の変化、図１５には、探針が側壁に吸着された場合のたわみ振動の振動振幅信号と捩れ信号の変化を示す。実施例１で説明した通り、探針が側壁で滑りを生じた場合、探針が試料に接触した後、探針の滑りによるカンチレバーの捩れが生じる。このため、図１４に示すように、たわみ振動の振動振幅が自由振幅から変化した後に捩れ信号の変化が生じる。対して、探針が側壁に吸着された場合、探針の吸着によってカンチレバーが捩れを生じた後、探針が試料に接触するため、図１５に示すように、捩れ信号の変化が生じた後にたわみ振動の振動振幅の変化が生じる。つまり、探針が試料に接近している間のたわみ振動振幅信号と捩れ信号を解析し、これら信号変化の順番から探針の側壁吸着を検出することができる。
【００３９】
具体的には、たわみ振動振幅信号に対して探針の滑りが生じないような低接触力の接触検出閾値７０１を設定し、接触検出時（たわみ振動振幅信号が閾値を越した瞬間）に捩れ信号が捩れ判定用閾値３０１を越しているか否かで吸着を検知することが可能となる。つまり、接触検出時に捩れ信号が閾値３０１を越えている場合は吸着による捩れが生じていると判定し、閾値を越していない場合は捩れが生じていないと判定する。この方式によって、吸着によるカンチレバーの捩れのみを選択的に検知することが可能となる。さらに、上で説明した各探針吸着検出方法を組み合わせることにより、より確実に探針吸着を検出することが可能となる。
【００４０】
また、上では探針の側壁への吸着を検知する方法として、カンチレバーの捩れを用いる方法について示したが、探針を探針加振部１１４によって、たわみ方向と捩れ方向に振動させ、図２６に示すような探針の捩れ振動２６０４の振幅によって検知する方法について図１６を用いて説明する。図１６は、探針の退避・接近動作に伴うたわみ振動の振幅と捩れ振動の振幅を示している。探針を試料表面に接近させるとたわみ振動だけでなく、捩れ振動も影響を受けるため、試料の平坦部に探針を接近させた場合、探針の接近動作に伴って捩れ振動にも振幅に変化が生じる（１６０３）。ただし、側壁部において探針が吸着を生じると、捩れ振動の方がたわみ振動に比べて強い影響を受けるため、たわみ信号に比べて急速な変化を生じる（１６０２）。また、側壁部において探針が滑りを生じると、捩れ振動の変化率が平坦部における変化に比べて小さくなる（１６０４）。このため、探針を接近させた際の捩れ振動の変化率に対して閾値１６０１を設け（探針を試料の平坦部に接近させた際の捩れ振動振幅１６０３の変化率を変化率の基準とする）、探針を接近させた際の捩れ振動変化率の絶対値が閾値以上に大きい場合に探針の側壁への吸着が生じていると判定する。
【００４１】
上記方法によって、探針の側壁吸着を検出した場合、探針と試料間の接触力を増加させて探針を側壁の底部に到達させる。この方法について測定時のたわみ振動振幅信号と捩れ信号を示した図１７、図１８を用いて説明する。図１７に示すように、探針が試料に接触した後は、探針と試料間の接触力が測定データ取得用の接触力目標値９０１に達するまで探針を試料に下降させる。この接触力目標値を、データ取得用の接触力目標値９０１と接触力増加用の接触力目標値９０２（９０１よりも大きい接触力）の2種類設け、目標値を９０２とした力サーボ制御を行うか、もしくは接触力が９０２に達するまで一定速度で探針を試料上へ下降させることによって接触力を増加させることができる。
【００４２】
さらに、本測定方式についても探針の側壁底部への到達検知を行い、接触力増加を必要最小限に抑制することができる。図１８に示すとおり、探針-試料間の接触力を一定の割合で増加すると、探針が側壁部を滑り始めるまでたわみ振動の振幅が一定の変化率で減衰する（ａ−ｂ区間）。接触力がある一定値に達すると、探針が側壁部を滑り始めるため、たわみ振動変化率は小さくなり（ｂ−ｃ区間）、探針が側壁の底部に到達すると、探針の滑りがなくなるため、たわみ振動の振幅変化率は再び大きくなり、滑りを生じる前とほぼ同じになる（ｃ−ｄ区間）。よって、接触力を９０２に変更した後のたわみ振動の振幅変化率を観測し、探針がパターン底部に到達した際に生じるたわみ振動の振幅変化率の変化点（時刻ｃ）を検知することにより、探針のパターンへの到達検知が可能である。ただし探針が側壁部を滑る間、側壁表面の形状変化や探針と試料間の局所的な摩擦力増加等によって、たわみ振動の振幅変化率が一瞬大きくなる場合があり、単純にたわみ振動の振幅変化率の変化を検知した場合、判定を誤る可能性がある。このため、たわみ振動の振動振幅の減衰率が時刻ｃから一定時間以上続いた時点で探針の側壁底部への到達と判断し、探針の試料への押し込みを停止してもよい。
【００４３】
また、実施例１で説明したとおり。側壁が垂直ではなくテーパ状であった場合等、図１１に示すように側壁への吸着がなかった場合に到達できる位置（図１１、ｂ点）まで探針が到達できればよい。このため、側壁底部への到達検知と同時にカンチレバーの捩れ量を観測しておき、吸着によるカンチレバーの捩れがなくなる（捩れ量がゼロ）位置で探針の試料への押し込みを停止すれば、探針の試料への過剰な押し込みをなくすことができる。実際には探針の試料への押し込みの最中に捩れ信号がゼロ点を横切った瞬間（１１０１）、探針の試料への押し込みを停止してもよい。
【００４４】
ただし、本測定方式における接触力の検出方法（探針を加振させて検出）では、接触力を増加しすぎると振動が停止してしまい接触力の検出ができなくなる。このため、探針の振動が停止する接触力以上に接触力を増加したい場合は、接触力の検出方法を実施例１で述べた方法（探針のたわみ量を用いて検出）に切り替え、図１０で説明した方法で接触力を増加する。この場合実施例１で説明した方法と同様の方法で探針の側壁底部への到達検知および測定データの取得を行うことができる。測定データの取得は、実施例１で説明した通り接触力の増加後、そのままの接触力で行うか、もしくは探針が側壁の底部に到達した時点で他測定点と同じ接触力に戻して行ってもよい。前者の方法を用いた場合、他測定点との接触力の違いによる高さ誤差（式（１））を式（２）よって補正する。
【００４５】
また、後者の方法を用いた場合、接触力を戻す方法は、図１７のｄ−ｅ区間に示すように力サーボ制御の目標値を接触力目標値９０１に再設定して、力サーボ制御を行うか、もしくは、図１８のｄ−ｅ区間に示すように、接触力目標値９０１に到達するまで探針を試料から一定速度で上昇させ、接触力が９０１近傍に戻った後、ｅ−ｆ区間のように接触力９０１を目標値とした力サーボ制御を行ってもよい。
【実施例３】
【００４６】
細長探針を用いて、サイクリックコンタクト方式もしくはサイクリックコンタクトと捩れ方向の振動を組み合わせた方式（たわみ振動＋捩れ振動）で、溝パターンの深さ測定を行う方法について以下に示す。本発明に係る走査プローブ顕微鏡の構成例を図１２に示す。各部位の説明は実施例２に示したとおりである。
【００４７】
以下で、細長探針を用いた微細凹凸パターンの測定方法について説明する。サイクリックコンタクト方式は探針加振部１１４によってたわみ方向に加振された探針を試料表面に動的に接触させながら探針走査を行う方式である。探針が溝パターンの左から右に向かって移動する場合、探針は溝の左側の側壁に吸着され、探針が側壁に捉えられた状態で走査が行われることによって探針の傾きが大きくなり、カンチレバーの捩れも徐々に増加する（図１９(a)参照）。このときのカンチレバーの捩れを検出することにより、探針の側壁への吸着を検知することができる。カンチレバーの捩れは、実施例１、実施例２と同じ信号を１０５で検出することが可能である。
【００４８】
ただし、本測定方式では、探針の走査方向への移動を連続的に行うため、探針制御の応答速度が遅く、測定パターンの形状変化に追従できない場合（探針がパターンに引っかかった場合）にも捩れを生じる。さらにこの際のカンチレバーの捩れは、前に述べた溝の左側への吸着による捩れと同じ方向となる（図１９（ｂ）参照）。
【００４９】
このため、図３の説明と同様、測定形状の高さ変化率の大きさが一定以上で符号が負である場合（探針が溝部の左側壁を移動中に生じる）において、探針の捩れ量（探針先端が左方向に回転する方向の捩れ）が一定以上であった場合、探針の側壁吸着による捩れであると判定できる。また、探針が上と逆方向（探針が溝パターンの右から左に向かって移動する場合）に移動する場合については、測定形状の高さ変化率の大きさが一定以上で符号が正である場合（探針が溝部の右側壁を移動中に生じる）において、探針の捩れ量（探針先端が右に回転する方向）が一定以上であった場合、探針の側壁への吸着であると判定できる。この方法によって、探針がパターンに引っかかった場合と区別して、探針の側壁への吸着を検知することができる。また、以上で説明した方法はサイクリックコンタクトと捩れ方向の振動を組み合わせた走査方式にも適用することが可能である。この方式においても、探針が側壁に吸着された際、探針が側壁に捉えられた状態で走査が行われ、図１９に示すようなカンチレバーの捩れが生じる。よって、サイクリックコンタクト方式の場合と同様、このカンチレバーの捩れの検出によって探針の側壁への吸着を検知することが可能となる。
【００５０】
探針の側壁への吸着を検出した後は、接触力の増加を行う。この際、探針が確実に溝の底に到達できるように、接触力の増加が終了するまでは探針の走査を停止してもよい。接触力増加の方法については、実施例２の図１７、図１８で説明したとおりであり、本方式でも図１８で説明した探針の側壁底部への到達検知を用いることが可能である。
また、実施例２で説明したとおり、本接触力検出方法（探針を加振させる）では増加できる接触力の大きさに限界がある（接触力を大きくすると探針の振動が停止する）ため、この限界値以上に接触力を増加する場合は、接触力の検出方法を実施例１で述べた方法（探針のたわみ量を用いて検出）に切り替え、図９、図１０で説明した方法を用いて増加を行う。
【００５１】
この場合、実施例１で説明した方法と同様の方法で探針の側壁底部への到達検知および測定データの取得を行うことができる。測定の方法は、実施例１で説明した通り、接触力の増加後、そのままの接触力で測定を行うか、もしくは探針が側壁の底部に到達した時点で他測定点と同じ接触力に戻して行ってもよい。前者の方法を用いた場合、他測定点との接触力の違いによる高さ誤差（式（１））を式（２）よって補正する。
【００５２】
また、後者の方法を用いた場合、接触力を戻す方法は、図１７のｄ−ｅ区間に示すように力サーボ制御の目標値を接触力目標値９０１に再設定して、力サーボ制御を行うか、もしくは、図１８のｄ−ｅ区間に示すように、接触力９０１に到達するまで探針を試料から一定速度で上昇させ、接触力が９０１近傍に戻った後、ｅ−ｆ区間のように接触力９０１を目標値とした力サーボ制御を行ってもよい。
【００５３】
実施例１から実施例３には、探針走査中に探針の側壁への吸着を検知する方法について説明を行ったが、探針の吸着はパターン側壁部で生じるため、探針が側壁部に到達したらカンチレバーの捩れを検知することなく接触力を増加してもよい。パターン側壁部の検知は、実施例１の図２で示した方法（測定形状の高さ変化率に閾値を設ける）を用いる。また、１回目の測定で測定パターンの形状データを取得し、前記取得した形状データからパターンの側壁位置の特定を行い、２回目の測定において、探針が前記特定された側壁位置に到達したら接触力を増加してもよい。接触力増加後の側壁底への到達検知および測定データ取得の方法については実施例１、実施例２、実施例３で説明したとおりである。
【実施例４】
【００５４】
細長探針を用いて、凸パターンの幅測定を行う方法について以下に示す。本発明においては、測定の際に、形状データと併せて、カンチレバーの捩れ量のデータを１０５によって取得し、前記捩れ量のデータを用いて、探針の側壁への吸着による形状誤差の補正を行う。最初に探針の側壁への吸着による側壁部の形状誤差について説明する。探針がパターンの側壁に近づくと、探針と側壁間に働くファンデルワールス力によって探針が側壁へ引き寄せられ、探針と側壁間の距離が一定以下になると探針がパターン側壁へ吸着される。探針と側壁間に働くファンデルワールス力は、図２０に示すように探針と側壁間の距離：Ｘ、及び側壁と対向する探針の体積に依存し、探針と側壁間の距離が小さく、側壁に対向する探針の体積が大きいほど力は増大する。つまり、探針の直径：Ｄ、および探針と側壁間の距離：Ｘが一定である場合、溝もしくは穴パターンへの探針の挿入距離：Ｌが大きいほど吸着力が増加することになる。このため、図２１に示すように、探針と側壁間の距離が大きい場合、側壁に対向する体積が大きくなる側壁の下部において側壁への吸着は生じ、探針と側壁間の距離が小さくなるに従って、側壁の上部で側壁への吸着が生じる。測定時は、探針の移動によって、探針と側壁間の距離：Ｘが変化するため、探針は側壁との距離に応じて側壁の上部から下部に渡って吸着され、垂直な側壁を測定した場合、側壁は図２1の測定形状に示すような末広がりのテーパ形状として測定される。
【００５５】
上記テーパ形状（測定誤差）は、探針の側壁への吸着時にカンチレバーの捩れと探針の曲りが生じ、探針先端位置が測定プローブ１０３の中心軸２１０２からズレてしまうことに起因する(図２１)。この場合、側壁下部の方が探針と側壁間の距離が大きい状態で吸着されるため、探針先端の２１０２からのズレ量が大きく、それに伴う形状誤差も大きくなる。前記形状誤差は測定時のカンチレバーの捩れ量に比例するため、カンチレバーの捩れ量とそれに伴う形状誤差の関係（以下、補正係数：Ｃ）を予め求めておくことにより、各測定点における形状データＳｉ´と各測定点におけるカンチレバーの捩れ量のデータＴｉから、式（３）を用いて補正することが可能となる。
Ｓｉ＝Ｓｉ´−Ｃ・Ｔｉ・・・（３）
（Ｓｉ：補正後の各形状データ，Ｓｉ´：各形状データ）
【００５６】
上記各測定点におけるカンチレバーの捩れ量Tiとそれに伴う形状誤差Eiの関係（補正係数C）を求める方法について次に説明する。１つ目の方法として、垂直側壁が補償された標準試料を測定し、側壁吸着によるカンチレバーの捩れ量とそれによって生じる形状誤差の関係を取得する方法について説明する。図２１には、垂直側壁を測定した際の形状データとカンチレバーの捩れデータを示している。探針と側壁間の距離が一定以下になると、探針が試料へ引きつけられる。ａ−ｂ区間は、探針が側壁へ引きつけられてカンチレバーが捩れている状態であり、探針と側壁間の距離が一定以下（ｂ点）に到達した時点で探針が側壁へ吸着される。ｂ−ｃ区間は探針が側壁へ吸着されている状態であり、探針と側壁が平行になった時点（ｃ点）で捩れがなくなる。ｃ−ｄ区間は、探針が側壁部で滑りを生じた場合のカンチレバーの捩れを示しており、吸着時とは逆方向の捩れが生じている。探針が側壁に吸着されている区間に生じる形状誤差Eiは、探針先端位置の測定プローブ中心軸２１０２からのズレ量２１０１に相当する。その他にも側壁部で生じる形状誤差として探針形状に起因する誤差Piが生じる。よって、垂直側壁を測定した際の側壁吸着によるカンチレバーの捩れ量Tiと、その際の探針の捩れによる形状誤差Eiを取得し、それらの関係を最小自乗法等の回帰計算を用いて求めることによって、前記補正係数を算出することができる。
【００５７】
次に、補正係数を求める２つ目の方法について説明する。この方法は、探針先端をパターン側壁に接触させた状態で探針を往復運動させ、この時のカンチレバーの捩れ量と探針先端の変位量の関係から補正係数を求める方法である。図２２に示すように探針を側壁に向けて往復させ、この際の探針の移動量とカンチレバーの捩れ量の関係（図２２のグラフ）を取得する。図２２のグラフについて以下で説明する。探針と側壁間の距離が大きい場合、探針と側壁間の相互作用はなくカンチレバーに捩れは生じないが、探針と側壁間の距離が一定以下になると、探針はファンデルワールス力によって側壁に引きつけられ、側壁へ吸着するとともにカンチレバーの捩れが生じる（ａ区間）。探針が側壁へ吸着された状態から、さらに探針を側壁に向けて移動させると、探針の移動量に比例してカンチレバーの捩れが増加する（ｂ区間）。カンチレバーの捩れ量が一定値に達した後、探針を側壁から離れる方向に移動させるとカンチレバーの捩れは減少し、探針と側壁間の距離がゼロ（カンチレバーの捩れがゼロ）になる点を経て、探針が側壁に吸着される状態が発生する（ｃ区間）。さらに探針を側壁から引き離す方向に移動させると、探針は側壁による吸着状態から離脱し、カンチレバーの捩れはなくなる（ｄ区間）。上記取得したデータのうち、探針が試料に接触している状態（ｂもしくはｃ区間）における探針の移動量（探針先端の変位量）に対するカンチレバーの捩れ量（カンチレバーの捩れ量を探針の移動量で叙したもの：図２２グラフ中のｂもしくはｃ区間の傾き）を算出することによって、前記補正係数を求めることができる。本測定に用いる試料としては、探針先端の開き角度よりも小さな側壁角を持つパターンが望ましく、これによって側壁上のどの位置に探針を接触させても探針先端に変位を与えた際のカンチレバー捩れ量のデータを取得することができる。
【００５８】
次に、上で述べた探針形状に起因する誤差Piを補正する方法について示す。例えば、ＣＮＴ探針(先端が僅かな曲率を持ち、側面が円筒型)の場合、側壁吸着による探針先端の位置ズレが生じないと仮定し、探針を実パターン形状に沿って移動させていくと、図２３に点線で示すような探針形状を含んだ形状が測定できる。この探針形状に起因する測定誤差は、非特許文献１又は非特許文献２等に記載の方法を用いることによって除去することが可能である。上記探針先端の２１０２からのズレによる測定誤差の除去と併せて補正することによって、探針先端の位置ズレに起因する測定誤差と探針形状に起因する測定誤差の両方を除去することが可能となる。
【００５９】
次に、側壁形状を詳細に測定する方法について説明する。パターンの全領域を同じ測定間隔で測定した場合、急峻な側壁部における測定点数は非常に少なくなる。このため、側壁の形状を詳細に測定するには探針の側壁部への接触点数（測定点数）を多くすることが有効であり、探針が側壁部へ到達したら測定点間隔を小さくして、探針の側壁への接触点数を増加する（図２４参照）。側壁部を検出する方法は、実施例１の図２で示した方法（測定形状の高さ変化率に閾値を設ける）を用いればよい。その他、側壁部で探針が吸着されることを利用し、吸着を検出したら側壁部へ到達したと判定してもよい。吸着検知の方法については、実施例１で述べたいずれかの方法を用いることができる。
【００６０】
また、側壁部で測定点数を増やす他の方法として、上記方法で探針の側壁への到達を検知した場合に接触力を増加し、探針が側壁上を滑っている状態において一定の高さ間隔で測定を行ってもよい。探針を滑らせる場合、探針が側壁上部で吸着されていないと側壁全面のデータを取得することができない。図２５のａ区間に示すように側壁の傾斜が測定方向に対して下りである場合、探針は初めに側壁の上部で吸着し、最後に側壁の下部で吸着される。このため側壁部で最初に吸着検知した状態が、側壁の上部に探針が吸着されている状態であり、この瞬間に接触力を増加させて探針を滑らせながら一定の高さピッチ２５０１で測定を行えばよい。ただし、図２５のｂ区間のように側壁の傾斜が測定方向に上りである場合、探針は最初に側壁の下部で吸着され、最後に側壁の上部で吸着される。このため、探針が側壁の上部で吸着されている状態を検知する必要が生じる。探針は側壁に近づく程、側壁の上部で吸着されるとともに、データ取得時における探針先端位置の測定プローブの中心軸２１０２からのズレ量も徐々に少なくなる。さらに探針先端位置の２１０２からのズレ量２５０２が測定点間隔２５０３よりも小さくなると、次の測定点は側壁外となりこの状態が側壁の上部に探針が吸着されている状態である。よって、カンチレバーの捩れ量と測定点間隔を比較することによって、探針が側壁の上部に吸着されている状態を検知し、接触力を増加させて探針を滑らせながら一定の高さピッチ２５０１で測定を行えばよい。ここで用いるカンチレバーの捩れ検知の方法は、実施例1で述べた方法のいずれかを用いればよく、接触力の増加の方法についても実施例1で述べた方法を用いればよい。
【００６１】
更に、上記の補正方法を用いて、凸パターンの左右の側壁形状を求めることにより凸部の幅を測定することが可能となる。尚、本実施例では、凸パターンにおける形状補正方法について述べたが、本発明は凸形状に限定したものではなく、凹形状にも適用可能であることは自明である。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
微細な高アスペクト比パターン形状の測定が可能となり、今後、更なるパターンの微細化が進む半導体やストレージ分野の研究開発に利用することによって、研究開発の効率を上げることができる。また、本技術をこれら分野の量産管理に適用することによって、製品の歩留まり向上に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】図１は、本発明の実施例１の走査プローブ顕微鏡の装置構成を示す説明図である。
【図２】図２は、高アスペクト比パターンを測定した際の測定形状の高さ変化率を示す説明図である。
【図３】図３は、探針の側壁吸着時における測定形状の高さ変化率とカンチレバーの捩れを示す説明図である。
【図４】図４は、側壁部における探針の滑りと吸着を示す説明図である
【図５】図５は、高アスペクト比パターンを測定した際の測定形状の高さ変化率、および側壁部で生じる探針の滑りと吸着に伴うカンチレバーの捩れを示す説明図である。
【図６】図６は、測定時の探針動作とたわみ信号の変化を示す説明図である。
【図７】図７は、側壁部で探針の滑りが生じた際のカンチレバーのたわみ量と捩れ量を示す説明図である。
【図８】図８は、側壁部で探針の吸着が生じた際のカンチレバーのたわみ量と捩れ量を示す説明図である。
【図９】図９は、側壁吸着検知後の、探針-側壁間の接触力の増加・減少方法を示す説明図である。
【図１０】図１０は、側壁吸着検知後の、探針-側壁間の接触力の増加・減少方法を示す説明図である。
【図１１】図１１は、側壁吸着検知後の、カンチレバーの捩れ量を用いた接触力の増加方法を示す説明図である。
【図１２】図１２は、本発明の実施例２の走査プローブ顕微鏡の装置構成を示す説明図である。
【図１３】図１３は、測定時の探針動作とたわみ振動振幅信号の変化を示す説明図である。
【図１４】図１４は、側壁部で探針の滑りが生じた際の探針のたわみ振動振幅とカンチレバーの捩れ量を示す説明図である。
【図１５】図１５は、側壁部で探針の吸着が生じた際の探針のたわみ振動振幅とカンチレバーの捩れ量を示す説明図である。
【図１６】図１６は、測定試料の平坦部と側壁部における、探針のたわみ振動振幅と捩れ振動振幅を示す説明図である。
【図１７】図１７は、側壁吸着検知後の、探針-側壁間の接触力の増加・減少方法を示す説明図である。
【図１８】図１８は、側壁吸着検知後の、探針-側壁間の接触力の増加・減少方法を示す説明図である。
【図１９】図１９は、本発明の実施例３のサイクリックコンタクト方式の走査プローブ顕微鏡における探針挙動の一例を示す説明図である。
【図２０】図２０は、本発明の実施例４の側壁部における探針の吸着を示す説明図である。
【図２１】図２１は、垂直側壁を測定した際の測定形状とカンチレバーの捩れ量を示す説明図である。
【図２２】図２２は、カンチレバーの捩れ感度を求める方法を示す説明図である。
【図２３】図２３は、円筒型の探針で測定を行った際の測定形状の誤差を示す説明図である。
【図２４】図２４は、側壁部で測定点数を増加させる方法について示す説明図である。
【図２５】図２５は、側壁部で測定点数を増加させる方法について示す説明図である。
【図２６】図２６は、カンチレバーの変形と振動状態を示す説明図である。
【符号の説明】
【００６４】
１０１    試料
１０２    試料ステージ
１０３    カンチレバー
１０４    ＸＹＺ走査駆動部
１０５    たわみ・ねじれ検出部
１０６    駆動変位検出部
１０７    サンプリング回路
１０８    探針制御部
１０９    全体制御部
１１０    データ記憶部
１１１    演算処理部
１１２    結果表示部
１１３    捩れ感度校正試料
１１４    探針加振部
１１５    振動振幅検出部
２０１    パターンエッジ部検出用の高さ変化率閾値
２０２    測定パターン
２０３    測定点
３０１    側壁吸着検出用の捩れ閾値
５０１    左側壁部における測定形状の高さ変化率
５０２    右側壁部における測定形状の高さ変化率
５０３    左側壁部での探針の滑りによる捩れ信号の変化
５０４    左側壁部での探針の吸着による捩れ信号の変化
５０５    右側壁部での探針の滑りによる捩れ信号の変化
５０６    右側壁部での探針の吸着による捩れ信号の変化
７０１    接触検出閾値
９０１    測定データ取得用の接触力目標値
９０２    接触力増加用の接触力目標値
１１０１    捩れ信号がゼロ点を横切った瞬間
１６０１    捩れ振動の変化率に対する閾値
１６０２    たわみ信号に比べて急速な変化
１６０３    捩れ振動振幅の変化
１６０４    捩れ振動の変化率の減少
２１０１    探針先端の位置ズレ
２１０２    測定プローブの中心軸
２１０３    吸着前の探針位置
２１０４    吸着後の探針位置
２５０１    探針を滑らせて測定する際の測定高さ間隔
２５０２    側壁吸着が生じた際の探針先端の位置ズレ
２５０３    測定点間隔
２６０１    カンチレバーのたわみ
２６０２    カンチレバーの捩れ
２６０３    探針のたわみ振動
２６０４    探針の捩れ振動
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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