(57)【要約】  走査型プローブ顕微鏡は、試料１２に対向する探針２０を有するカンチレバー２１と、探針と試料の間で生じる物理量を測定する測定部２４と、探針と試料の位置関係を変化させて走査動作を行わせる移動機構１１，２９を備え、移動機構で探針が試料の表面を走査しながら測定部で試料の表面を測定する。この方法は、試料の表面に沿う方向に表面から離れた位置で探針を一定間隔で送るステップ、一定間隔で決まる複数の測定点の各々で、探針を試料に接近させ、測定を行って測定値を得、その後退避させるステップ、或る測定点での測定値と次の測定点での測定値との差が基準値よりも大きいとき、或る測定点と次の測定点の間の位置に測定点を設定し測定を行うステップを備える。【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料(12)に対向する探針(20)を有する探針部と(21)、前記探針(20)が前記試料(12)の表面を走査するとき前記探針(20)と前記試料(12)の間で生じる物理量を検出し前記試料(12)の表面情報を測定する測定部(24, 31, 32)と、前記探針と前記試料の位置関係を変化させて走査動作を行わせる移動機構(14, 15, 23, 29)とを備え、前記移動機構(14, 15, 23, 29)で前記探針が前記試料の表面を走査しながら前記測定部(24, 31, 32)で前記試料の表面を測定する走査型プローブ顕微鏡において、
前記移動機構(14, 15, 23, 29)により前記試料(12)の表面に沿う方向に前記表面から離れた位置で前記探針(20)を一定間隔で送るステップと、
前記一定間隔で決まる複数の測定点の各々で、前記移動機構(14, 15, 23, 29)により前記探針(20)を前記試料(12)に接近させ、測定を行って測定値を得、その後前記移動機構(14, 15, 23, 29)により退避させるステップと、
第１の測定点での測定値とその隣の第２の測定点での測定値との差が基準値よりも大きいとき、前記第１の測定点と前記第２の測定点の間の位置に新たな測定点を設定するステップと、
前記探針(20)を前記移動機構(14, 15, 23, 29)により前記新たな測定点に移動して測定を行うステップと、
を備えることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の探針走査制御方法。
【請求項２】
試料(12)に対向する探針(20)を有する探針部と(21)、前記探針(20)が前記試料(12)の表面を走査するとき前記探針(20)と前記試料(12)の間で生じる物理量を検出し前記試料(12)の表面情報を測定する測定部(24, 31, 32)と、前記探針と前記試料の位置関係を変化させて走査動作を行わせる移動機構(14, 15, 23, 29)とを備え、前記移動機構(14, 15, 23, 29)で前記探針が前記試料の表面を走査しながら前記測定部(24, 31, 32)で前記試料の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(12)の表面に沿う方向に前記表面から離れた位置で前記探針(20)を一定間隔で送るステップ(S11)と、
前記一定間隔で決まる複数の測定点の各々で、前記探針(20)を前記試料(12)に接近させ、測定を行って測定値を得、その後退避させるステップ(S12-S15)と、
或る測定点での測定値と次の測定点での測定値との差が基準値よりも大きいとき、前記或る測定点と前記次の測定点の間の位置に新たな測定点を設定し、測定を行うステップ(S26-S32)と、
を備えることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の探針走査制御方法。
【請求項３】
前記或る測定点と前記次の測定点の間の位置は、前記一定間隔の中間値で決まる位置であることを特徴とする請求項２記載の走査型プローブ顕微鏡の探針走査制御方法。
【請求項４】
前記或る測定点と前記次の測定点の間の位置を新たな測定点とする測定を繰り返す時、測定点間の最小幅が予め決められた値より小さくなったとき、前記新たな測定点の設定を中止することを特徴とする請求項２または３記載の走査型プローブ顕微鏡の探針走査制御方法。
【請求項５】
前記或る測定点と前記次の測定点の間の位置を新たな測定点とする測定を繰り返す時、前記新たな測定点を設定する回数が予め定められた値より大きくなったとき、前記新たな測定点の設定を中止することを特徴とする請求項２または３記載の走査型プローブ顕微鏡の探針走査制御方法。
【請求項６】
試料(12)に対向する探針(20)を有する探針部(21)と、前記試料(12)と前記探針(20)の間に作用する物理量を検出する検出部(24)と、前記探針(20)が前記試料(12)の表面を走査するとき前記検出部(24)で検出される前記物理量に基づき前記試料の表面情報を測定する測定部(31, 32)と、少なくとも２自由度を有する探針移動用移動機構(23, 29)と、少なくとも２自由度を有する試料移動用移動機構(14, 15)とを備え、前記探針移動用移動機構または前記試料移動用移動機構によって前記探針と前記試料の相対的な位置関係を変化させ、前記探針が前記試料の表面を走査しながら前記測定部によって前記試料の表面を測定する走査型プローブ顕微鏡において、
前記試料移動用移動機構(14, 15)によって、前記探針(20)を前記試料(12)と非接触状態にて一定間隔で送る行程と、前記探針を前記試料に接近させる行程と、前記探針を前記試料に接触させる行程と、前記探針を前記試料から退避させる行程とから成る走査動作で測定を行い、
或る接触位置が前回の接触位置に対し予め決められた段差値よりも大きいときには、前記探針移動用移動機構(23, 29)を動作させ、この探針移動用移動機構による走査動作で、前記或る接触位置と前記前回の接触位置との間の位置を取って測定を行う、
ことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の探針走査制御方法。
【請求項７】
前記或る接触位置と前記前回の接触位置との間の前記位置は、最初は送り動作における前記一定間隔の中間位置であり、この中間位置とその両端との間の段差が前記予め決められた段差値よりも大きいときには、大きい段差側でさらにその中間位置をとることを、各中間位置とその両端との段差が前記予め決められた段差値より小さくなるまで繰り返すことを特徴とする請求項６記載の走査型プローブ顕微鏡の探針走査制御方法。
【請求項８】
測定点として前記中間位置を取る時に測定点間の最小幅が予め決められた値より小さくなったとき、前記中間位置を取るのを中止することを特徴とする請求項６記載の走査型プローブ顕微鏡の探針走査制御方法。
【請求項９】
前記中間位置を取る回数が予め定められた値より大きくなったとき、前記中間値を取るのを中止することを特徴とする請求項７記載の走査型プローブ顕微鏡の探針走査制御方法。
【請求項１０】
前記試料移動用移動機構(14, 15)の送り動作を継続させ、前記探針移動用移動機構を動作させることを特徴とする請求項６記載の走査型プローブ顕微鏡の探針走査制御方法。
【請求項１１】
前記試料移動用移動機構(14, 15)の送り動作を停止させ、前記探針移動用移動機構を動作させることを特徴とする請求項６記載の走査型プローブ顕微鏡の探針走査制御方法。
【請求項１２】
試料(12)に対向する探針(20)を有する探針部(21, 71)と、前記探針(20)が前記試料(12)の表面を走査するとき探針(20)と前記試料(12)の間で生じる物理量を測定する測定部(24, 31, 32, 73)と、前記探針(20)と前記試料(12)の位置関係を変化させて走査動作を行わせる移動機構(14, 15, 23, 29)とを備え、前記移動機構で前記探針が前記試料の表面を走査しながら前記測定部で前記試料の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う方向に前記表面から離れた位置で前記探針を一定の測定ピッチで送る探針送り手段(75)と、
前記測定ピッチで決まる複数の測定点の各々で、前記探針を前記試料に接近させ、測定を行って測定値を得、その後退避させる測定実行手段(76)と、
或る測定点での測定値と次の測定点での測定値との差が基準値よりも大きいとき、前記或る測定点と前記次の測定点の間で前記測定ピッチを可変にして測定点を設定する測定ピッチ可変手段(77)と、
を備えることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の探針走査制御装置。
【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の探針走査制御方法および探針走査制御装置に関し、特に、走査型プローブ顕微鏡に基づく試料表面の凹凸形状の迅速かつ正確な測定に好適な探針走査制御の方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査型プローブ顕微鏡は、従来、原子のオーダまたはサイズの微細な対象物を観察できる測定分解能を有する測定装置として知られている。近年、走査型プローブ顕微鏡は、半導体デバイスが作られた基板やウェハの表面の微細な凹凸形状の測定など各種の分野に適用されている。測定に利用する検出物理量に応じて各種のタイプの走査型プローブ顕微鏡がある。例えばトンネル電流を利用する走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）、原子間力を利用する原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、磁気力を利用する磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）等があり、それらの応用範囲も拡大しつつある。【０００３】
上記のうち原子間力顕微鏡は、試料表面の微細な凹凸形状を高分解能で検出するのに適し、半導体基板、ディスクなどの分野で実績を上げている。最近ではインライン自動検査工程の用途でも使用されてきている。【０００４】
原子間力顕微鏡は、計測装置としての基本的な構成として、原子間力顕微鏡の原理に基づく測定装置部分を備える。通常、圧電素子を利用して形成されたトライポッド型あるいはチューブ型のＸＹＺ微動機構を備え、このＸＹＺ微動機構の下端に、先端に探針が形成されたカンチレバーが取り付けられている。探針の先端は試料の表面に対向している。上記カンチレバーに対して例えば光てこ式光学検出装置が配備される。すなわち、カンチレバーの上方に配置されたレーザ光源（レーザ発振器）から出射されたレーザ光がカンチレバーの背面で反射され、光検出器より検出される。カンチレバーにおいて捩れや撓みが生じると、光検出器の受光面（例えば４分割受光面）におけるレーザ光の入射位置が変化する。従って探針およびカンチレバーで変位が生じると、光検出器から出力される検出信号で当該変位の方向および量等を検出できる。上記の原子間力顕微鏡の構成について、制御系として、通常、比較器、制御器が設けられる。比較器は、光検出器から出力される検出電圧信号と基準電圧とを比較し、その偏差信号を出力する。制御器は、当該偏差信号が０になるように制御信号を生成し、この制御信号をＸＹＺ微動機構内のＺ微動機構に与える。こうして、試料と探針の間の距離を一定に保持するフィードバックサーボ制御系が形成される。上記の構成によって探針を試料表面の微細凹凸に追従させながら走査し、その形状を測定することができる。【０００５】
原子間力顕微鏡が発明された当時は、その高分解能性を利用してｎｍ（ナノメートル）以下のオーダの表面微細形状の測定が中心的課題であった。しかしながら、現在では、走査型プローブ顕微鏡は半導体デバイスのインライン製作装置の途中の段階で検査を行うインライン自動検査までその使用範囲が拡大してきている。このような状況になると、実際の検査工程では、基板またはウェハの上に作られた半導体デバイスの表面の微細凹凸形状において非常に急峻な凹凸の計測が必須になってきている。【０００６】
従来、かかる凹凸面を計測する技術として下記の特許文献１に記載された走査型プローブ顕微鏡が存在する。この走査型プローブ顕微鏡による計測方式は、ステップイン方式であり、探針と試料とを非接触状態で一定間隔（一定の送りピッチ）で送る段階と、探針を試料の表面に接近させる段階と、探針を試料の表面に接触させる段階と、接触位置を測定（計測）する段階から構成されている。これらの段階を繰り返すことにより、試料の表面の必要な領域がラスタースキャン方式で計測される。【０００７】
また他の従来技術として下記の特許文献２に記載された走査型プローブ顕微鏡が存在する。この走査型プローブ顕微鏡によれば、測定しようとする試料表面の凹凸形状に追従して探針が走査移動しながら、探針の試料形状方向についての追従距離が等間隔で分割するように測定点（サンプリング点）を設定している。このため、測定点間で試料表面に沿った距離は等間隔になっている。
【特許文献１】特開平２−５３４０号公報
【特許文献２】特開２００２−１４０２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に開示されたステップイン方式の走査型プローブ顕微鏡では、試料の表面形状を十分に計測できるだけの一定の送りピッチを予め設定し、この送りピッチに基づいて計測を行うようにしていたので、段差方向の形状変化が乏しい面であっても大きい面であっても同じ一定送りピッチで計測を行うためには、必要以上に時間がかかり、さらには異物等の予期せぬ形状のものが存在した時には、これを見逃してしまうというおそれがあった。この観点で、本発明の課題は、走査型プローブ顕微鏡による試料表面の測定で、測定時間を短縮すると共に、試料表面の段差方向の変化の在り方に応じて最適な送りピッチを設定し、試料表面の段差形状に応じた精度の高い測定を行えるようにするものである。【０００９】
特許文献２に開示された接触方式の走査型プローブ顕微鏡では、試料表面の凹凸形状に沿う移動路の上で探針を一定距離の送りピッチで送り、各測定点で測定のためのサンプリングを行う。試料表面の凹凸形状に関して段差方向の形状変化が小さい場合でも大きい場合でも同じ送りピッチで測定を行うため、測定に要する時間が全体として長くなると共に、反対に正確に測定しなければならない異物等の予期しない形状が存するときにはこれを見逃すという問題点があった。この観点で、本発明の課題は、走査型プローブ顕微鏡による試料表面の測定で測定時間を短縮すると共に、試料表面での段差方向に大きな変化を生じる部分については正確な測定を行えるようにするものである。【００１０】
本発明の目的は、上記の課題に鑑み、試料表面の凹凸形状をステップイン方式で測定する走査型プローブ顕微鏡において、測定時間を短縮することができ、試料表面での大きな段差部分について正確な測定を行うことができ、さらに当該段差部分に応じた最適な送りピッチで測定を行って高い精度で測定を行うことができる走査型プローブ顕微鏡の探針走査制御方法および探針走査制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の探針走査制御方法および探針走査制御装置は、上記の目的を達成するため、次のように構成される。【００１２】
本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の探針走査制御方法は、試料に対向する探針を有する探針部と、探針が試料の表面を走査するとき探針と試料の間で生じる物理量を検出し試料の表面情報を測定する測定部と、探針と試料の位置関係を変化させて走査動作を行わせる移動機構とを備え、移動機構で探針が試料の表面を走査しながら測定部で試料の表面を測定する走査型プローブ顕微鏡において、移動機構により試料の表面に沿う方向に表面から離れた位置で探針を一定間隔で送るステップと、一定間隔で決まる複数の測定点の各々で、移動機構により探針を試料に接近させ、測定を行って測定値を得、その後移動機構により退避させるステップと、第１の測定点での測定値とその隣の第２の測定点での測定値との差が基準値よりも大きいとき、第１の測定点と第２の測定点の間の位置に新たな測定点を設定するステップと、探針を移動機構により新たな測定点に移動して測定を行うステップと、を備える。【００１３】
本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の探針走査制御方法は、試料に対向する探針を有する探針部と、探針が試料の表面を走査するとき探針と試料の間で生じる物理量を検出し試料の表面情報を測定する測定部と、探針と試料の位置関係を変化させて走査動作を行わせる移動機構とを備え、移動機構で探針が試料の表面を走査しながら測定部で試料の表面を測定する走査型プローブ顕微鏡において、試料の表面に沿う方向に表面から離れた位置で探針を一定間隔で送るステップと、一定間隔で決まる複数の測定点の各々で、探針を試料に接近させ、測定を行って測定値を得、その後退避させるステップと、或る測定点での測定値と次の測定点での測定値との差が基準値よりも大きいとき、或る測定点と次の測定点の間の位置に新たな測定点を設定し、測定を行うステップと、を備えて成る方法である。【００１４】
上記の走査型プローブ顕微鏡の探針走査制御方法では、ステップイン処理による測定が行われる。ステップイン処理による測定では、予め所定数の測定点が一定の等間隔（等測定ピッチ）で設定されており、探針は測定点間では試料表面から離れた位置で移動し、接近開始点（測定点の上方位置）に到達した時には試料表面に接近し、接触し、測定を実行し、後退するものである。試料表面に生じている段差が基準値よりも小さい場合には、予め決められた一定間隔の測定点で順次に測定を行い、段差が基準値よりも大きい箇所では、探針の位置を戻し、新たな測定点を設定し、より小さい測定ピッチで細かく測定を行う。これにより、測定時間を短縮すると共に段差の大きい場所では精度の高い測定を行うことが可能となる。【００１５】
本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の探針走査制御方法は、上記の方法において、好ましくは、或る測定点と次の測定点の間の位置は、一定間隔の中間値で決まる位置である。この構成では、中間点位置で測定値を得ることにより、位置の制御の仕方が簡素になると共に、正確に高さ位置データの変化を把握することが可能となる。【００１６】
本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の探針走査制御方法は、上記の方法において、好ましくは、或る測定点と次の測定点の間の位置を新たな測定点とする測定を繰り返す時、測定点間の最小幅が予め決められた値より小さくなったとき、新たな測定点の設定を中止する。この構成によれば、補間測定の繰り返しを中止する基準を与えることにより、その最小幅が装置のもつ空間分解能を超えることを防ぐと共に、測定時間を全体として短縮化することが可能となる。【００１７】
本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の探針走査制御方法は、上記の方法において、好ましくは、或る測定点と次の測定点の間の位置を新たな測定点とする測定を繰り返す時、新たな測定点を設定する回数が予め定められた値より大きくなったとき、新たな測定点の設定を中止する。この構成によっても、補間測定の繰り返しを中止する他の基準を与えることにより、測定時間を全体として短縮化することが可能となる。【００１８】
本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の探針走査制御装置は、試料に対向する探針を有する探針部と、探針が試料の表面を走査するとき探針と試料の間で生じる物理量を測定する測定部と、探針と試料の位置関係を変化させて走査動作を行わせる移動機構とを備え、移動機構で探針が試料の表面を走査しながら測定部で試料の表面を測定する走査型プローブ顕微鏡に適用される。さらに探針走査制御装置は、試料の表面に沿う方向に表面から離れた位置で探針を一定の測定ピッチで送る探針送り手段と、測定ピッチで決まる複数の測定点の各々で、探針を前記試料に接近させ、測定を行って測定値を得、その後退避させる測定実行手段と、或る測定点での測定値と次の測定点での測定値との差が基準値よりも大きいとき、或る測定点と次の測定点の間で測定ピッチを可変にして測定点を設定する測定ピッチ可変手段とを備える。【００１９】
上記の走査型プローブ顕微鏡の探針走査制御装置では、ステップイン処理による測定が行われ、この測定では、予め所定数の測定点が一定の等間隔（等測定ピッチ）で設定されている。この探針走査制御装置では、ステップイン処理による測定で、試料表面に生じている段差が基準値よりも小さい場合には、予め決められた一定間隔の測定点で順次に測定を行い、段差が基準値よりも大きい箇所では探針の位置を戻し、小さい測定ピッチで細かく測定を行う。これにより、測定時間を短縮すると共に段差の大きい場所では精度の高い測定を行うことが可能となる。【００２０】
本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の探針走査制御方法は、試料に対向する探針を有する探針部と、試料と探針の間に作用する物理量を検出する検出部と、探針記試料の表面を走査するとき検出部で検出される物理量に基づき試料の表面情報を測定する測定部と、少なくとも２自由度を有する探針移動用移動機構と、少なくとも２自由度を有する試料移動用移動機構とを備え、探針移動用移動機構または試料移動用移動機構によって探針と試料の相対的な位置関係を変化させ、探針が試料の表面を走査しながら測定部によって試料の表面を測定する走査型プローブ顕微鏡に適用される。上記探針走査制御方法は、試料移動用移動機構によって、探針を試料と非接触状態にて一定間隔で送る行程と、探針を試料に接近させる行程と、探針を試料に接触させる行程と、探針を試料から退避させる行程とから成る走査動作で測定を行い、或る接触位置が前回の接触位置に対し予め決められた段差値よりも大きいときには、探針移動用移動機構を動作させ、この探針移動用移動機構による走査動作で、或る接触位置と前回の接触位置との間の位置を取って測定を行う、方法である。【００２１】
上記の探針走査制御方法では、走査型プローブ顕微鏡によって試料表面上の測定対象領域で探針を走査移動させて当該領域をステップインモードで測定するとき、試料移動用移動機構（粗動機構）と探針移動用移動機構（微動機構）のいずれかで試料と探針の相対的位置を変化させるようにする。測定対象領域が微小領域の場合には探針移動用移動機構により前述の方法と同様の走査を行う。測定対象領域が広域の場合には、試料移動用移動機構による走査移動によってワイドエリア測定（広域測定）を行い、試料表面での段差が基準値よりも大きい時には試料表面の凹凸の高さの変化が急峻であるので、探針の走査動作を探針移動用移動機構に切り換える等して動作させ、探針を戻して探針移動用移動機構によって走査動作を行い、より精密な走査動作で当該試料表面の段差部を測定するようにしている。これにより、走査型プローブ顕微鏡による試料表面の測定で試料表面の凹凸形状を迅速にかつ正確に測定することが可能となる。なお、ステップインモードによる測定では、予め所定数の測定点が一定の等間隔（等測定ピッチ）で設定されており、探針は測定点間では試料表面から離れた位置で移動し、接近開始点（測定点の上方位置）に到達した時には試料表面に接近し、接触し、測定を実行し、その後に後退する。【００２２】
本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の探針走査制御方法は、上記の探針走査制御方法において、好ましくは、或る接触位置と前回の接触位置との間の位置は、最初は送り動作における前記一定間隔の中間位置であり、この中間位置とその両端との間の段差が予め決められた段差値よりも大きいときには、大きい段差側でさらにその中間位置をとることを、各中間位置とその両端との段差が予め決められた段差値より小さくなるまで繰り返す。【００２３】
本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の探針走査制御方法は、上記の探針走査制御方法において、好ましくは、測定点として中間位置を取る時に測定点間の最小幅が予め決められた値より小さくなったとき、中間位置を取るのを中止する方法である。【００２４】
本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の探針走査制御方法は、上記の探針走査制御方法において、好ましくは、中間位置を取る回数が予め定められた値より大きくなったとき、中間値を取るのを中止する方法である。【００２５】
本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の探針走査制御方法は、上記の探針走査制御方法において、好ましくは、試料移動用移動機構の送り動作を継続させ、探針移動用移動機構を動作させる方法である。【００２６】
本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の探針走査制御方法は、上記の探針走査制御方法において、好ましくは、試料移動用移動機構の送り動作を停止させ、探針移動用移動機構を動作させる方法である。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、次の効果（１）〜（５）を奏する。
（１）ステップイン方式の測定が実行される走査型プローブ顕微鏡で、探針の走査移動の制御を、試料表面の凹凸の段差の激しさに応じて粗動機構または微動機構に切り換えて行うようにしたので、試料形状を表すデータを、必要な精度で、かつ少ないデータ数で求めることができる。さらに、試料表面の段差が激しい箇所では微動機構で送り動作またはも戻り動作を行うことによって、より精密に測定を行うので、精度の高い測定値データを得ることができる。
（２）試料表面の凹凸形状を少ないデータで表現することができるので、形状測定に要する時間を短縮することができる。
（３）従来の通常のステップイン方式による測定では感知できない、予想しなかった段差形状に対して、自動的に測定点を追加して測定を行うことができる。
（４）測定点の数を少なくすることができるので、探針の寿命が延び、ランニングコストが下がる。
（５）総体的に測定時間が短くなるので、温度等のドリフトの影響を排除することができ、測定精度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。【００２９】
図１に基づいて、本発明に係る走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の全体の構成を説明する。この走査型プローブ顕微鏡は代表的な例として原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を想定している。【００３０】
走査型プローブ顕微鏡の下側部分には試料ステージ１１が設けられている。試料ステージ１１の上に試料１２が置かれている。試料ステージ１１は、直交するＸ軸とＹ軸とＺ軸で成る３次元座標系１３で試料１２の位置を変えるための機構である。試料ステージ１１はＸＹステージ１４とＺステージ１５と試料ホルダ１６とから構成されている。試料ステージ１１は、通常、試料側で変位（位置変化）を生じさせる粗動機構部として構成される。試料ステージ１１の試料ホルダ１６の上面には、比較的大きな面積でかつ薄板形状の上記試料１２が置かれ、保持されている。試料１２は、例えば、表面上に半導体デバイスの集積回路パターンが製作された基板またはウェハである。試料１２は試料ホルダ１６上に固定されている。試料ホルダ１６は試料固定用チャック機構を備えている。【００３１】
試料ステージ１１では、具体的に、ＸＹステージ１４は水平面（ＸＹ平面）上で試料を移動させる機構であり、Ｚステージ１５は垂直方向に試料１２を移動させる機構である。Ｚステージ１５はＸＹステージ１４に設けられている。【００３２】
図１で、試料１２の上方位置には、駆動機構１７を備えた光学顕微鏡１８が配置されている。光学顕微鏡１８は駆動機構１７によって支持されている。駆動機構１７は、光学顕微鏡１８を、Ｚ軸方向に動かすためのフォーカス用Ｚ方向移動機構部１７ａと、ＸＹの各軸方向に動かすためのＸＹ方向移動機構部１７ｂとから構成されている。取付け関係として、Ｚ方向移動機構部１７ａは光学顕微鏡１８をＺ軸方向に動かし、ＸＹ方向移動機構部１７ｂは光学顕微鏡１８とＺ方向移動機構部１７ａのユニットをＸＹの各軸方向に動かす。ＸＹ方向移動機構部１７ｂはフレーム部材に固定されるが、図１で当該フレーム部材の図示は省略されている。光学顕微鏡１８は、その対物レンズ１８ａを下方に向けて配置され、試料１２の表面を真上から臨む位置に配置されている。光学顕微鏡１８の上端部にはＴＶカメラ（撮像装置）１９が付設されている。ＴＶカメラ１９は、対物レンズ１８ａで取り込まれた試料表面の特定領域の像を撮像して取得し、画像データを出力する。【００３３】
試料１２の上側には、先端に探針２０を備えたカンチレバー２１が接近した状態で配置されている。カンチレバー２１は取付け部２２に固定されている。取付け部２２は、例えば、空気吸引部（図示せず）が設けられると共に、この空気吸引部は空気吸引装置（図示せず）に接続されている。カンチレバー２１は、その大きな面積の基部が取付け部２２の空気吸引部で吸着されることにより、固定・装着される。【００３４】
上記の取付け部２２は、Ｚ方向に微動動作を生じさせるＺ微動機構２３に取り付けられている。さらにＺ微動機構２３はカンチレバー変位検出部２４における下記の支持フレーム２５の下面に取り付けられている。【００３５】
カンチレバー変位検出部２４は、支持フレーム２５にレーザ光源２６と光検出器２７が所定の配置関係で取り付けられた構成を有する。カンチレバー変位検出部２４とカンチレバー２１は一定の位置関係に保持され、レーザ光源２６から出射されたレーザ光２８はカンチレバー２１の背面で反射されて光検出器２７に入射されるようになっている。上記カンチレバー変位検出部は光てこ式光学検出装置を構成する。この光てこ式光学検出装置によって、カンチレバー２１で捩れや撓み等の変形が生じると、当該変形による変位を検出することができる。【００３６】
カンチレバー変位検出部２４は、ＸＹ微動機構２９に取り付けられている。ＸＹ微動機構２９によってカンチレバー２１および探針２０等はＸＹの各軸方向に微小距離で移動される。このとき、カンチレバー変位検出部２４は同時に移動されることになり、カンチレバー２１とカンチレバー変位検出部２４の位置関係は不変である。【００３７】
上記において、Ｚ微動機構２３とＸＹ微動機構２９は、通常、圧電素子で構成されている。Ｚ微動機構２３とＸＹ微動機構２９によって、探針２０の移動について、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の各々へ微小距離（例えば数〜１０μｍ、最大１００μｍ）の変位を生じさせる。上記のＸＹ微動機構２９はさらに図示しないフレーム機構に取り付けられている。【００３８】
上記の取付け関係において、光学顕微鏡１８による観察視野には、試料１２の特定領域の表面と、カンチレバー２１における探針２０を含む先端部（背面部）とが含まれる。【００３９】
次に、走査型プローブ顕微鏡の制御系を説明する。制御系の構成としては、コントローラ（第１制御装置）３３と上位制御装置（第２制御装置）３４を備える。コントローラ３３と上位制御装置３４はコンピュータシステムで構築される。【００４０】
コントローラ３３内には、機能部として、比較部３１、制御部３２、第１駆動制御部４１、第２駆動制御部４２、画像処理部４３、データ処理部４４、ＸＹ走査制御部４５、Ｘ駆動制御部４６、Ｙ駆動制御部４７、Ｚ駆動制御部４８が設けられる。コントローラ３３は、走査型プローブ顕微鏡の各部を駆動させるための制御装置であり、次のような機能部を備えている。【００４１】
上記制御部３２は、フィードバックループを形成し、例えば原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）による測定機構を原理的に実現するためのＺ軸方向フィードバック制御機能を有する部分である。【００４２】
上記比較部３１は、光検出器２７から出力される電圧信号Ｖdと予め設定された基準電圧（Vref）とを比較し、その偏差信号ｓ１を出力する。制御部３２は、偏差信号ｓ１が０になるように制御信号ｓ２を生成し、この制御信号ｓ２をＺ微動機構２３に与える。制御信号ｓ２を受けたＺ微動機構２３は、カンチレバー２１の高さ位置を調整し、探針２０と試料１２の表面との間の距離を一定の距離に保つ。上記の光検出器２７からＺ微動機構２３に到る制御ループは、探針２０で試料表面を走査するとき、光てこ式光学検出装置によってカンチレバー２１の変形状態を検出しながら、探針２０と試料１２との間の距離を上記の基準電圧（Vref）に基づいて決まる所定の一定距離に保持するためのフィードバックサーボ制御のループである。この制御ループによって探針２０は試料１２の表面から一定の距離に保たれ、この状態で試料１２の表面を走査すると、試料表面の凹凸形状を測定することができる。【００４３】
光学顕微鏡１８は、フォーカス用Ｚ方向移動機構部１７ａとＸＹ方向移動機構部１７ｂとから成る駆動機構１７によって、その位置が変化させられる。コントローラ３３の上記の第１駆動制御部４１と第２駆動制御部４２は、上記のＺ方向移動機構部１７ａとＸＹ方向移動機構部１７ｂのそれぞれの動作を制御する。【００４４】
光学顕微鏡１８によって得られた試料表面やカンチレバー２１の像は、ＴＶカメラ１９によって撮像され、画像データとして取り出される。光学顕微鏡１８のＴＶカメラ１９で得られた画像データはコントローラ３３内に入力され、内部に設けられた上記画像処理部４３で処理される。【００４５】
制御部３２等を含む上記のフィードバックサーボ制御ループにおいて、制御部３２から出力される制御信号ｓ２は、走査型プローブ顕微鏡（原子間力顕微鏡）における探針２０の高さ信号を意味するものである。探針２０の高さ信号すなわち制御信号ｓ２によって探針２０の高さ位置の変化に係る情報を得ることができる。探針２０の高さ位置情報を含む上記制御信号ｓ２は、前述のごとくＺ微動機構２３に対して駆動制御用に与えられると共に、コントローラ３３内のデータ処理部４４に取り込まれる。【００４６】
試料１２の表面の測定領域について探針２０による試料表面の走査は、ＸＹ微動機構２９を駆動することにより行われる。ＸＹ微動機構２９の駆動制御は、ＸＹ微動機構２９に対してＸＹ走査信号ｓ３を提供するＸＹ走査制御部４５によって行われる。本実施形態では、後述するごときステップイン方式の走査・測定が行われる。【００４７】
ここで、「ステップイン方式」とは、予め設定された複数の測定点（サンプリング点）の間を移動するときには、試料の表面から一定距離離れた状態で移動し、測定点の箇所で探針を試料表面に接近させ、接触させて測定を行い、その後において再び一定距離離れた位置に後退するという測定方式である。【００４８】
また粗動機構である試料ステージ１１のＸＹステージ１４とＺステージ１５の駆動は、Ｘ方向駆動信号を出力するＸ駆動制御部４６と、Ｙ方向駆動信号を出力するＹ駆動制御部４７とＺ方向駆動信号を出力するＺ駆動制御部４８とに基づいて制御される。【００４９】
なおコントローラ３３は、必要に応じて、設定された制御用データ、入力した光学顕微鏡画像データや探針の高さ位置に係るデータ等を記憶・保存する記憶部（図示せず）を備えている。【００５０】
上記コントローラ３３に対して上位制御装置３４は、通常の計測プログラムの記憶・実行および通常の計測条件の設定・記憶、自動計測プログラムの記憶・実行およびその計測条件の設定・記憶、計測データの保存、計測結果の画像処理および表示装置（モニタ）３５への表示等の処理を行う。計測条件の設定では、測定範囲、測定スピードといった基本項目など、自動計測の条件の設定が行われ、それらの条件は設定ファイルに記憶され、管理される。さらに、通信機能を有するように構成し、外部装置との間で通信を行える機能を持たせることもできる。【００５１】
上位制御装置３４は、上記の機能を有することから、処理装置であるＣＰＵ５１と記憶部５２とから構成される。記憶部５２には上記のプログラムおよび条件データ等が記憶・保存されている。また上位制御装置３４は、画像表示制御部５３と通信部等を備える。加えて第２制御装置３４にはインタフェース５４を介して入力装置３６が接続されており、入力装置３６によって記憶部５２に記憶される測定プログラム、測定条件、データ等を設定・変更することができるようになっている。【００５２】
上位制御装置３４のＣＰＵ５１は、バス５５を介して、コントローラ３３の各機能部に対して上位の制御指令等を提供し、また画像処理部４３やデータ処理部４４等から画像データや探針の高さ位置に係るデータを提供される。【００５３】
次に上記走査型プローブ顕微鏡（原子間力顕微鏡）の基本動作を説明する。【００５４】
試料ステージ１１上に置かれた半導体基板等の試料１２の表面の所定領域に対してカンチレバー２１の探針２０の先端を臨ませる。通常、探針接近用機構であるＺステージ１５によって探針２０を試料１２の表面に近づけ、原子間力を作用させてカンチレバー２１に撓み変形を生じさせる。カンチレバー２１の撓み変形による撓み量を、前述した光てこ式光学検出装置によって検出する。この状態において、試料表面に対して探針２０を移動させることにより試料表面の走査（ＸＹ走査）が行われる。探針２０による試料１２の表面のＸＹ走査は、探針２０の側をＸＹ微動機構２９で移動（微動）させることによって、または試料１２の側をＸＹステージ１４で移動（粗動）させることによって、試料１２と探針２０の間で相対的なＸＹ平面内での移動関係を作り出すことにより行われる。【００５５】
探針２０側の移動は、カンチレバー２１を備えるＸＹ微動機構２９に対してＸＹ微動に係るＸＹ走査信号ｓ３を与えることによって行われる。ＸＹ微動に係る走査信号ｓ３はコントローラ３３内のＸＹ走査制御部４５から与えられる。他方、試料側の移動は、試料ステージ１１のＸＹステージ１４に対してＸ駆動制御部４６とＹ駆動制御部４７から駆動信号を与えることによって行われる。【００５６】
上記のＸＹ微動機構２９は、圧電素子を利用して構成され、高精度および高分解能な走査移動を行うことができる。またＸＹ微動機構２９によるＸＹ走査で測定される測定範囲については、圧電素子のストロークによって制約されるので、最大でも約１００μｍ程度の距離で決まる範囲となる。ＸＹ微動機構２９によるＸＹ走査によれば、微小な狭域範囲の測定となる。他方、上記のＸＹステージ１４は、通常、駆動部として電磁気モータを利用して構成するので、そのストロークは数百ｍｍまで大きくすることができる。ＸＹステージによるＸＹ走査によれば、広域範囲の測定が可能となる。【００５７】
上記のごとくして試料１２の表面上の所定の測定領域を探針２０でステップイン方式にて走査しながら、各測定点でフィードバックサーボ制御ループに基づいてカンチレバー２１の撓み量（撓み等による変形量）が一定になるように制御を行う。カンチレバー２１の撓み量は、常に、基準となる目標撓み量（基準電圧Ｖrefで設定される）に一致するよう に制御される。その結果、探針２０と試料１２の表面との距離は一定の距離に保持される。従って探針２０は、試料１２の表面の微細凹凸形状（プロファイル）をステップイン方式にて走査移動しながら、各測定点で探針の高さ信号を得ることによって試料１２の表面の微細凹凸形状を計測することができる。【００５８】
図２に基づいて光てこ式光学的検出装置による変位検出の原理を詳述する。上記カンチレバー２１は、先端の探針２０に作用する原子間力等に基づいて例えばＡ１方向とＢ１方向のいずれか一方または両方に変位が生じる。その結果、カンチレバー２１に撓みや捩れ等の変形が生じる。カンチレバー変位検出部２４において、レーザ光源２６から出射されたレーザ光２８はカンチレバー２１の背面に照射され、当該背面で反射されて光検出器２７に入射される。図２で、２７ａは受光面を示すものとする。初期条件では、探針２０に力が加わっていない状態で反射レーザ光２８の光検出器２７の受光面２７ａでの入射スポット位置を記憶しておく。その後、カンチレバー２１の変形による光検出器２７の受光面２７ａでの当該スポット位置の移動方向を捉えることによって探針２０に加わった力の大きさと方向を精度よく検出することができる。例えば図２で、探針２０にＡ１方向の力が加わったときには、光検出器２７の受光面２７ａでＡ２方向のスポット位置の変化を捉えることができる。また探針２０にＢ１方向の力が加わったときには、同受光面２７ａでＢ２方向のスポット位置の変化を捉えることができる。以後、Ａ１方向の力を捩れ方向力といい、Ｂ１方向の力を撓み方向力という。【００５９】
次に、上記の走査型プローブ顕微鏡で実施される第１の本発明による探針走査制御方法を、図３〜図５を参照して説明する。この探針走査制御方法の説明では、探針（カンチレバー）の走査動作と各測定点（サンプリング点）での探針による測定動作（サンプリング動作）を説明する。【００６０】
図３は試料１２の表面の凹凸形状を前述のステップイン方式で測定する状態を示し、図４は各測定点でのステップイン処理（ａ）と探針２０の移動動作（ｂ）を示し、図５は、図３で示した探針走査動作を実現する制御手順をパド（ＰＡＤ）表現で図示している。【００６１】
図３において、試料１２の表面には大きな段差１２ａが形成されている。走査型の原子間力顕微鏡によれば、ステップイン方式に基づき、探針２０によって予め設定された一定の間隔（測定ピッチ）で走査が行われ、試料表面が測定される。図３に示された複数の位置（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ），（Ｅ），（Ｆ），（Ｇ）は予め決められている多数の測定点の一部を示している。探針２０はＸ方向に走査移動しながら測定点（Ａ）〜（Ｇ）で測定を行う。測定点の間では探針２０は試料表面から一定距離離れた所定の高さで移動し、各測定点（Ａ）〜（Ｇ）では探針２０は試料表面に接近し、接触し、測定を行い、その後試料表面から後退する。なお図３に示すごとく、試料１２の表面では、測定点（Ｃ），（Ｄ）の間の区間で上記段差１２ａが生じているので、本実施形態による探針走査制御方法によれば、測定点（Ｃ），（Ｄ）の間の区間では探針２０の移動方向が逆になって戻り、当該区間をさらに細かく分けて、より短い間隔でステップイン方式の測定を行うようにしている。図示例では、測定点（Ｄ）−１，（Ｄ）−２，（Ｄ）−３の測定点が設定されている。【００６２】
図４の（ｂ）では、任意の測定点で、試料表面から一定距離だけ離れた状態で移動してきた探針２０が試料１２の表面に接近し、接触し、測定（計測）し、退避する動作状態（ステップイン動作（Ｐｎ→Ｄｎ））が示されている。このステップイン動作に対応して図４の（ａ）は「ステップイン処理（Ｐｎ→Ｄｎ）」のプロセスが示されている。ステップイン動作（Ｐｎ→Ｄｎ）では、走査移動した探針２０の先端（上方の接近開始位置Ｐｎ）が試料 １２の表面の所定の測定点（表面位置Ｄｎ）に接近して接触し、測定を行い、その後に後 退する。「ステップイン処理（Ｐｎ→Ｄｎ）」はかかる「ステップイン動作（Ｐｎ→Ｄｎ）」を実行させる制御処理である。矢印６１で示された移動は走査のための移動であり、接近開始点移動処理のステップＳ１１で実行される。その後、測定点で矢印６２で示された移動は接近のための移動であり、探針接近処理のステップＳ１２で実行される。探針２０の先端が試料１２の表面に接触した状態で、当該接触状態が安定して保持される。ステップＳ１３は接触安定を処理するステップである。この接触状態で、位置測定の処理が行われる（ステップＳ１４）。位置測定の処理では、ＡＦＭ原理の基づき試料１２の表面の高さ（Ｚ軸方向の位置）が測定される。位置測定が終了すると、次に、探針２０は試料１２の表面から離れ（矢印６３）、所定の高さ位置にまで後退する（ステップＳ１５）。【００６３】
次に図５の手順図に従って図３に示した探針２０の動作を説明する。【００６４】
図５において、“ｎ”は位置カウンタを意味し、“ステップイン処理Ｐｎ→Ｄｎ”は図４の（ａ）で示されたプロセスの実行を意味し、“Ｐｎ：ｎ＝１，２，３，…”は測定点に おける上方位置（接近開始位置）を表す点列を意味し、“Ｄｎ：ｎ＝１，２，３，…”は 測定点の表面位置を示す点列であり、これは測定値（数値）を意味する。点列Ｐｎでこれ らの間の距離は一定の等しい距離（等測定ピッチ）に設定されている。【００６５】
式ブロック７１は処理文であり、変数ｎ（位置カウンタ）に０という数値が代入されたことを意味する。また文ブロック７２，７３，７４，７５はＩＦ文であり、ブロックの上辺側がＹＥＳの場合、ブロックの下辺側がＮＯの場合の分岐を意味する。具体的に、例えば文ブロック７２の「Ｐｎ未計測」は位置Ｐｎの測定点で計測（測定）が行われた否かが判定される。ＹＥＳの場合には“ステップイン処理Ｐｎ→Ｄｎ”のプロセス（図４の（ａ））が実行され、その測定値Ｄｎが変数Ｘ１に代入され、ＮＯの場合には同じく測定値Ｄｎが変数Ｘ１に代入される。さらに式ブロック７６はＰｎに関してｎを最終値になるまで繰り返 す繰り返し処理を意味する。【００６６】
図５における上記ルールの下で図３に示した探針の移動動作を説明する。測定点（Ａ）でステップイン処理を実行して得られた高さ位置データ（測定値）と、次の測定点（Ｂ）でステップイン処理を実行して得られた高さ位置データを大小関係を比較してその差（段差）がδ１であったとする。このδ１は予め決められたΔｚ（基準設定値）よりも小さいので、さらに次の測定点（Ｃ）に探針２０は移動する。測定点（Ｃ）で上記ステップイン処理に基づき高さ位置データを得る。測定点（Ｃ）の測定値と測定点（Ｂ）の測定値の比較においても、その差はΔｚよりも小さいので、次の測定点（Ｄ）に探針２０は移動する。測定点（Ｄ）でも上記ステップイン処理に基づき高さ位置データを取得する。この場合には、測定点（Ｄ）の測定値と測定点（Ｃ）の測定値の比較ではその差δ２はΔｚよりも大きいので、探針２０の位置は、測定点（Ｃ）と測定点（Ｄ）の中間点（Ｄ）−１に戻される。【００６７】
以上の動作を図５の制御手順で見てみる。最初に、位置カウンタｎを０でクリアし（手順Ｓ２１）、接近開始点Ｐ０からステップイン処理に基づき測定が開始できるようにする 。点Ｐ０は未計測であるので（手順Ｓ２２）、ステップイン処理を行い（手順Ｓ２３）、 高さ位置データ（測定値）Ｄｎを得る。次に、次の点Ｐｎ＋１が未計測であるので（手順Ｓ２４）、同様にステップイン処理を行い（手順Ｓ２５）、高さ位置データ（測定値）Ｄｎ＋１ を得る。ＤｎとＤｎ＋１を比較してその差がΔｚよりも小さいときには（手順Ｓ２６）、位置カウンタｎを進める（手順Ｓ２７）。ＤｎとＤｎ＋１を比較してその差がΔｚよりも大きいときには、接近開始位置を補完する（手順Ｓ３１）。測定点（Ａ）から（Ｄ）への測定は、隣り合う２つの点の測定値の差がΔｚよりも小さい場合におけるステップイン処理に基づく測定、測定値の比較、次の測定点への移動に基づくものであり、測定点（Ｄ）から（Ｄ）−１への測定は、隣り合う２つの点の測定値の差がΔｚよりも大きい場合におけるステップイン処理に基づく測定、測定値の比較、次の測定点への移動に基づくものである。【００６８】
次に（Ｃ）と（Ｄ）の間の中間点での測定点（Ｄ）−１において、ステップイン処理に基づき高さ位置データを取得する。この場合にも、測定点（Ｄ）−１の測定値と測定点（Ｃ）の測定値の比較ではその差δ３はΔｚよりも大きいので、探針２０の位置は、測定点（Ｃ）と測定点（Ｄ）−１の中間点（Ｄ）−２に戻される。【００６９】
次に（Ｃ）と（Ｄ）−１の間の中間点での測定点（Ｄ）−２において、ステップイン処理に基づき高さ位置データを取得する。この場合には、測定点（Ｄ）−２の測定値と測定点（Ｃ）の測定値の比較ではその差δ４はΔｚよりも小さい。そこで次には、上記の測定点（Ｄ）−２，（Ｄ）−１の間の段差δ５をΔｚとを比較する。δ５はΔｚよりも小さいので、次に測定点（Ｄ）−１，（Ｄ）の段差δ６とΔｚを比較する。段差δ６はΔｚよりも大きいので、探針２０の位置を測定点（Ｄ）−１と（Ｄ）との中間位置（Ｄ）−３に移動する。【００７０】
中間位置である点（Ｄ）−３では、ステップイン処理に基づき高さ位置データを取得する。測定点（Ｄ）−３の測定値と測定点（Ｄ）−１の測定値の比較では、その差δ７はΔｚよりも小さいので、次に測定点（Ｄ）−３の測定値と測定点（Ｄ）の測定値の比較を行ってその差δ８を得る。δ８はΔｚよりも小さいので、探針２０は次の測定点（Ｅ）に移動して、その後の測定を継続する。以上の動作を最終の測定点まで繰り返す。【００７１】
上記の測定点（Ｃ）と（Ｄ）の間で中間点として測定点（Ｄ）−１，（Ｄ）−２，（Ｄ）−３を条件に応じて新たに設定し、ステップイン処理に基づくＡＦＭ測定は、試料表面に生じている大きな段差をより高い精度で測定するための補間測定である。隣り合う２つの位置での測定値の差がΔｚよりも大きいと補間測定が行われる（手順Ｓ３１）。この補間測定は、手順Ｓ２８でのＹＥＳの条件に応じて行われる。補間測定の補間位置計算では、中間の地点を補間位置としているが、これに限定されるものではない。上記の補間測定では、補間のため測定ピッチ（補間ピッチ）が小さくなる。しかし、この補間ピッチは小さくなりすぎないように、基準距離Δｘを設定する（手順Ｓ２８）。補間ピッチよりも大きいときには接近開始点と計測点のデータを１つずつずらし（手順Ｓ２９，Ｓ３０）、中間の位置を接近開始位置に登録する（手順Ｓ３１）。また補間ピッチがΔｘよりも小さくなったときには、補間は行わない（手順Ｓ３２）。【００７２】
図６は、前述した本実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡（原子間力顕微鏡）の機能ブロック図を示す。この走査型プローブ顕微鏡は、試料１２に対向する探針２０を有する探針部７１と、探針２０が試料１２の表面を走査するとき探２０針と試料１２の間で生じる物理量（７２）を測定する測定部７３と、探針２０と試料１２の位置関係を変化させて走査動作を行わせる移動機構７４（試料ステージ１１とＺ微動機構２３とＸＹ微動機構２９）とを備え、移動機構７４で探針２０が試料１２の表面を走査しながら測定部７３で試料１２の表面を測定する構成を有する。この走査型プローブ顕微鏡において、さらに、試料１２の表面に沿う方向に表面から離れた位置で探針２０を一定の測定ピッチで送る探針送り手段７５と、一定の測定ピッチで決まる複数の測定点の各々で、探針を試料に接近させ、測定を行って測定値を得、その後退避させる測定実行手段７６と、或る測定点での測定値と次の測定点での測定値との差が基準値よりも大きいとき、或る測定点と次の測定点の間で測定ピッチを可変にして測定点を設定する測定ピッチ可変手段７７とを備えるように構成される。【００７３】
次に、上記の走査型プローブ顕微鏡で実施される第２の本発明による探針走査制御方法を、図７〜図１１を参照して説明する。この探針走査制御方法の説明においても、探針（カンチレバー）の走査動作と各測定点（サンプリング点）での探針による測定動作（サンプリング動作）を説明する。【００７４】
図７は試料１２の相対的に広域の表面の凹凸形状を前述した粗動機構（試料ステージ１１）と微動機構（Ｚ微動機構２３とＸＹ微動機構２９）とによるステップイン方式で測定する状態を示し、図８は粗動機構（試料ステージ１１）に基づき各測定点でのステップイン処理（ａ）と探針２０の移動動作（ｂ）を示し、図９は微動機構（Ｚ微動機構２３とＸＹ微動機構２９）に基づき各測定点でのステップイン処理（ａ）と探針２０の移動動作（ｂ）を示し、図１０は、図７と図８で示した探針走査動作を実現する制御手順をパド表現で図示し、図１１は、図７と図９で示した探針走査動作を実現する制御手順（微動ステージ内挿処理）をパッド表現で図示している。【００７５】
図７において、試料１２の表面における比較的に広域の表面領域には大きな段差１２ａが形成されている。広域の表面領域であるので、当該表面領域は切断分離部１０１，１０２によって三ヶ所の部分が示されている。走査型の原子間力顕微鏡によれば、先ず最初に、試料ステージ１１のＸＹステージ１４によりステップイン方式に基づき、探針２０によって予め設定された送り方向（Ｘ方向）の一定の間隔（測定ピッチ）で走査が行われ、試料表面が測定される。図７に示された複数の位置（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ），（Ｅ），（Ｆ），（Ｇ）は予め決められている多数の測定点の一部を示している。これらの測定点（Ａ）〜（Ｇ）は測定者が予め計画した測定点である。測定点（Ａ）〜（Ｇ）のそれぞれにおける探針２０の測定動作を図８に示している。測定点（Ａ）〜（Ｇ）のそれぞれでは、図７中、例えば（Ａ），（Ｄ），（Ｇ）に示されるごとく、粗動機構の動作範囲と比較して微小な微動ステージによる走査区間１０３，１０４，１０５が存在する。当該走査区間１０３〜１０５で微動機構（微動ステージ）によってより細かく探針２０を微動走査させ、探針２０に測定動作を行わせる。なお、区間１０４は現在の走査範囲を示し、区間１０３は過去の走査範囲を示し、区間１０５は未来の走査範囲を示している。【００７６】
図７において、例えば測定点（Ｄ）に対応する区間１０４に関して、当該（Ｄ）対してハイフンで接続された（Ｄ）−１，（Ｄ）−２，（Ｄ）−３は微動機構によって実施される区間１０４における測定点を示している。なお各測定点（Ａ）〜（Ｇ）における微動機構による測定は、細部の形状情報を得る必要があるという特定条件が満たされるときにのみ実行される。【００７７】
探針２０は、試料ステージ１１のＸＹステージ１４によってＸ方向に粗動にて走査移動しながら測定点（Ａ）〜（Ｇ）で測定を行うものとする。測定点の間では探針２０は試料表面から一定距離だけ離れた所定の高さで移動し、各測定点（Ａ）〜（Ｇ）では探針２０はＺ微動機構２３によって試料表面に接近し、接触し、測定を行い、その後試料表面から後退する。【００７８】
図８の（ｂ）では、測定点（Ａ）〜（Ｇ）のうち例えば測定点（Ｄ）（表面位置Ｄｎ）で、ＸＹステージ１４（総称して「粗動ステージ」という）により探針をＸあるいはＹの方向に移動し、Ｚ微動機構２３により探針２０を試料１２の表面に接近し、接触し、測定（計測）し、退避する動作状態（ステップイン動作（Ｐｎ→Ｄｎ））が示されている。【００７９】
上記のときにはＸＹステージ１４およびＺ微動機構２３のみが動作し、Ｚステージ１５とＸＹ微動機構２９は停止状態にある。ＸＹ微動機構２９の側は、例えば探針２０と微動機構の相対的な送り方向のストロークエンド近傍に固定されている。これは、探針２０が試料１２の表面に接触しない状態の移動となる。【００８０】
上記ステップイン動作に対応して図８の（ａ）では「ステップイン処理（Ｐｎ→Ｄｎ）」のプロセスが示されている。ステップイン動作（Ｐｎ→Ｄｎ）では、走査移動した探針２０の先端（上方の接近開始位置Ｐｎ）が試料１２の表面の測定点Ｄ（表面位置Ｄｎ）に接近して接触し、測定を行い、その後に後退する。「ステップイン処理（Ｐｎ→Ｄｎ）」はかかる「ステップイン動作（Ｐｎ→Ｄｎ）」を実行させる制御処理である。矢印１６１で示された移動は走査のための粗動移動であり、接近開始点移動処理のステップＳ５１で実行される。その後、測定点（Ｄ）で矢印１６２で示された移動は接近のための移動であり、探針接近処理のステップＳ５２で実行される。探針２０の先端が試料１２の表面（表面位置Ｄｎ） に接触した状態で、当該接触状態が安定して保持される。ステップＳ５３は接触安定を処理するステップである。この接触状態で、位置測定の処理が行われる（ステップＳ５４）。位置測定の処理では、ＡＦＭ原理の基づき試料１２の表面の高さ（Ｚ軸方向の位置）が測定される。位置測定が終了すると、次に、探針２０は試料１２の表面から離れ（矢印１６３）、所定の高さ位置にまで後退する（ステップＳ５５）。【００８１】
測定点（Ｄ）の測定が終了した後には、次の測定点（Ｅ）へ移動して、上記の測定動作を繰り返す。以上の測定動作は、粗動ステージによって送り動作を行うので、「粗動ステージステップイン処理」と呼ぶことにする。【００８２】
図７に示すごとく、試料１２の表面では、測定点（Ｃ），（Ｄ）の間の区間で上記段差１２ａが生じているので、本実施形態による探針走査制御方法によれば、測定点（Ｃ），（Ｄ）の間の区間では探針２０の移動方向が逆になって戻り、当該区間をさらに細かく分けて測定点（Ｄ）−１，（Ｄ）−２，（Ｄ）−３に基づき短い間隔で微動機構によるステップイン方式の測定を行うようにしている。【００８３】
図９に従って微動機構に基づくステップイン方式の測定を説明する。図９の（ｂ）では、例えば測定点（Ｄ）−１（表面位置Ｄｎ）に関して、Ｚ微動機構２３とＸＹ微動機構２ ９（総称して「微動ステージ」という）に基づき、試料表面から一定距離だけ離れた状態で移動してきた探針２０が試料１２の表面に接近し、接触し、測定（計測）し、退避する動作状態（ステップイン動作（Ｐｎ→Ｄｎ））が示されている。【００８４】
上記のときには微動ステージが動作し、ＸＹ微動機構２９の動作速度がＸＹステージ１４と比較して充分速いことから、ＸＹステージ１４については、送り動作を継続させてもよいし、または停止させてもよい。【００８５】
上記ステップイン動作に対応して図９の（ａ）では「ステップイン処理（Ｐｎ→Ｄｎ）」のプロセスが示されている。ステップイン動作（Ｐｎ→Ｄｎ）では、走査移動した探針２０の先端（上方の接近開始位置Ｐｎ）が試料１２の表面の測定点（Ｄ）−１（表面位置Ｄｎ）に接近して接触し、測定を行い、その後に後退する。「ステップイン処理（Ｐｎ→Ｄｎ）」はかかる「ステップイン動作（Ｐｎ→Ｄｎ）」を実行させる制御処理である。矢印２６１で示された移動は走査のための微動移動であり、接近開始点移動処理のステップＳ１１１で実行される。その後、測定点（Ｄ）−１で矢印２６２で示された移動は接近のための移動であり、探針接近処理のステップＳ１１２で実行される。探針２０の先端が試料１２の表面（表面位置Ｄｎ）に接触した状態で、当該接触状態が安定して保持される。ステップＳ１１３は接触安定を処理するステップである。この接触状態で、位置測定の処理が行われる（ステップＳ１１４）。位置測定の処理では、ＡＦＭ原理の基づき試料１２の表面の高さ（Ｚ軸方向の位置）が測定される。位置測定が終了すると、次に探針２０は試料１２の表面から離れ（矢印２６３）、所定の高さ位置にまで後退する（ステップＳ１１５）。【００８６】
測定点（Ｄ）−１の測定が終了した後には、後述する所定の条件に基づき、次の測定点へ移動して、上記の測定動作を繰り返す。以上の測定動作は、微動ステージによって送り動作を行うので、「微動ステージステップイン処理」と呼ぶことにする。【００８７】
再び図７に戻って探針２０の一連の動作を説明する。【００８８】
測定点（Ａ）で粗動ステージステップイン処理を行い、得られた位置データと、次の測定点（Ｂ）で同様にして得られた位置データを比較し、その間の段差がδ１であったとする。この段差δ１が予め決められた基準値Δｚよりも小さいとする。この条件が満たされると、探針２０は次の測定点（Ｃ）に移動する。測定点（Ｃ）においても粗動ステージステップイン処理を行って位置データを得る。測定点（Ｃ）の位置データと測定点（Ｂ）の位置データとを比較すると、その段差が設定された基準値Δｚよりも小さいので、次の測定点（Ｄ）に探針２０は移動する。或る測定点とその前（またその後）の測定点との間の段差がΔｚより小さいときには、粗動ステージステップイン処理を繰り返す。【００８９】
次に測定点（Ｄ）の測定で得られた位置データとその前の測定点（Ｃ）の測定データとの間での段差δ２は、上記Δｚよりも大きくなる。そのため、その後、粗動ステージステップイン処理方式から微動ステージステップ処理方式に測定システムが切り換えられる。そして微動ステージの送り動作によって探針２０を測定点（Ｃ）と（Ｄ）の間の中間位置（Ｄ）−１に戻す。中間位置（Ｄ）−１では微動ステージステップイン処理を行って測定し位置データを得る。測定点（Ｃ）の位置データと中間位置（Ｄ）−１の位置データとの間の段差δ３もΔｚより大きいので、さらに探針２０を（Ｃ）と（Ｄ）−１の間の中間位置（Ｄ）−２に戻す。位置（Ｄ）−２での微動ステージステップイン処理による測定で得られた段差δ４もΔｚより小さいので、さらに位置（Ｄ）−２と位置（Ｄ）−１との間の段差δ５をΔｚと比較する。この段差δ５はΔｚより小さいので、次に位置（Ｄ）−１と上記測定点（Ｄ）との間の段差δ６を求めて、Δｚと比較する。段差δ６は予め決めた上記Δｚより大きいので、探針２０を位置（Ｄ）−１と測定点（Ｄ）との中間位置（Ｄ）−３に移動させ、微動ステージステップイン処理によって測定を行い、同様にして段差δ７を得る。段差δ７は予め決めた上記Δｚより小さいので、位置（Ｄ）−３と測定点（Ｄ）との間の段差δ８を求め、Δｚと比較する。段差δ８もΔｚより小さいので、微動ステージステップイン処理方式を終了し、粗動ステージステップイン処理方式に移行し、次の測定点（Ｅ）へ探針２０を移動させる。【００９０】
次に、上記の探針２０の一連の動作を、図１０と図１１の手順図に従って、かつ図７〜図９に示した探針２０の動作を参照しながら説明する。図１０は粗動ステージステップイン処理に基づく全体動作の手順フローを示し、図１１は微動ステージステップイン処理に移行した場合の手順フローを示している。【００９１】
図１０において“ｎ”は位置カウンタを意味し、“粗動ステージステップイン処理Ｐｎ→ Ｄｎ”は図８の（ａ）で示された粗動ステージステップイン処理によるプロセスの実行を 意味し、“Ｐｎ：ｎ＝１，２，３，…”は測定点における上方位置（接近開始位置）を表 す点列を意味し、“Ｄｎ：ｎ＝１，２，３，…”は測定点の表面位置を示す点列であり、 これは測定値（数値）を意味する。点列Ｐｎで、これらの間の距離は、ここでは、一定の 等しい距離（等測定ピッチ）に設定されているとする。【００９２】
式ブロック９１は処理文であり、変数ｎ（位置カウンタ）に０という数値が代入されたことを意味する。また文ブロック９２，９３，９４はＩＦ文であり、ブロックの上辺側がＹＥＳの場合、ブロックの下辺側がＮＯの場合の分岐を意味する。具体的に、例えば文ブロック９２の「Ｐｎ未計測」は位置Ｐｎの測定点で計測（測定）が行われた否かが判定される。ＹＥＳの場合には“粗動ステージステップイン処理Ｐｎ→Ｄｎ”のプロセス（図８の（ａ））が実行され、その測定値Ｄｎが変数Ｘ１に代入され、ＮＯの場合には同じく測定値 Ｄｎが変数Ｘ１に代入される。さらに式ブロック９５はＰｎに関してｎを最終値になるまで繰り返す繰り返し処理を意味する。【００９３】
図１０における上記ルールの下で図７に示した探針の移動動作を説明する。測定点（Ａ）で粗動ステージステップイン処理を実行して得られた高さ位置データ（測定値）と、次の測定点（Ｂ）でステップイン処理を実行して得られた高さ位置データを大小関係を比較してその差（段差）がδ１であったとする。このδ１は予め決められた上記Δｚ（基準設定値）よりも小さいので、さらに次の測定点（Ｃ）に探針２０は移動する。測定点（Ｃ）で上記粗動ステージステップイン処理に基づき高さ位置データを得る。測定点（Ｃ）の測定値と測定点（Ｂ）の測定値の比較においても、その差はΔｚよりも小さいので、次の測定点（Ｄ）に探針２０は移動する。測定点（Ｄ）でも上記ステップイン処理に基づき高さ位置データを取得する。この場合には、測定点（Ｄ）の測定値と測定点（Ｃ）の測定値の比較ではその差δ２はΔｚよりも大きいので、探針２０の位置は、前述のごとく測定点（Ｃ）と測定点（Ｄ）の中間点（Ｄ）−１に戻される。【００９４】
以上の動作を図１０の制御手順で見てみる。最初に、位置カウンタｎを０でクリアし（手順Ｓ６１）、接近開始点Ｐ０から粗動ステージステップイン処理に基づき測定が開始でき るようにする。点Ｐ０は未計測であるので（手順Ｓ６２）、粗動ステージステップイン処理を行い（手順Ｓ６３）、高さ位置データ（測定値）Ｄｎを得る。次の点Ｐｎ＋１で、同様に粗動ステージステップイン処理を行い（手順Ｓ６４）、高さ位置データ（測定値）Ｄｎ＋１ を得る。ＤｎとＤｎ＋１を比較してその差がΔｚよりも小さいときには（手順Ｓ６５）、位置カウンタｎを進める（手順Ｓ６６）。もしＤｎとＤｎ＋１を比較してその差がΔｚよりも大きいときには、粗動ステージステップイン処理から微動ステージステップイン処理へ移行できるか否かを判定する。【００９５】
このため先ず接近開始位置を補間する。上記のごとくこの実施形態では、補間計算は測定点（Ｃ）と（Ｄ）の区間の中間位置を補間の位置としている。補間位置が微動ステージによる移動範囲内であること、補間ピッチが小さくなりすぎていないことを判定する（手順Ｓ６７）。ステップＳ６７におけるΔｘは補間ピッチの下限値を意味している。判定の結果がＹＥＳの場合には、接近開始点と測定点のデータを１つずらし（手順Ｓ６８，Ｓ６９）、中間位置を接近開始位置に登録し（手順Ｓ８１）、微動ステージステップイン処理による測定、すなわち「微動ステージ内挿処理（手順Ｓ８２）」が行われる。また判定の結果、ＮＯの場合はカウンタｎを進め、補間を行わない（手順Ｓ８３）。以上の動作は最終点まで繰り返される。【００９６】
上記において、この実施形態による測定で、測定点（Ａ）から（Ｄ）への測定は、隣り合う２つの点の測定値の差がΔｚよりも小さい場合における粗動ステージステップイン処理に基づく測定、測定値の比較、次の測定点への移動に基づくものである。測定点（Ｄ）から中間位置（Ｄ）−１への測定は、隣り合う２つの点の測定値の差がΔｚよりも大きい場合において、微動ステージ内挿処理が可能であるという前提で、微動ステージステップイン処理に基づく測定、測定値の比較、次の測定点への移動に基づくものである。【００９７】
次いで、図１１に従って微動ステージ内挿処理（手順Ｓ８２）について説明する。この微動ステージ内挿処理では図１０の点Ｐｎ（測定点（Ｃ））と点Ｐｎ＋１（点（Ｄ）−１）と点Ｐｎ＋２ （測定点（Ｄ））の間の測定を一定のパターンに従って実行する。測定点が、粗動ステージステップイン処理による次の測定点に移動した時点で、微動ステージ内挿処理を終了する。【００９８】
図１１の手順Ｓ１４１において、図１０で内挿した点Ｐｎ＋１が未計測であるので、微動ステー ジステップイン処理（手順Ｓ１４２）によって測定値Ｄｎ＋１を得る（手順Ｓ１４３）。ＤｎとＤｎ＋１の差がΔｚより小さいので（手順Ｓ１４４）、カウンタｎを進める（手順Ｓ１４５，Ｓ１４６）。もしここでＤｎとＤｎ＋１の差がΔｚよりも大きい場合には、さらに接近開始位置を補間する（手順Ｓ１４５，Ｓ１４６，Ｓ１４７，Ｓ１４８）。この例では、補間計算は、対象区間の半分の地点（中間位置）を補間位置としている。そしてこの段階でも、微動ステージによる移動範囲内であること、補間ピッチが小さくなりすぎていないことを判定する（手順Ｓ１４５）。Δｘは補間ピッチの下限値である。判定の結果、ＮＯの場合にはカウンタｎを進め、補間を行わない（手順Ｓ１４９，Ｓ１５０）。判定の結果がＹＥＳの場合には、接近開始位置と計測点のデータを１つずらし、中間位置を接近開始位置に登録し、微動ステージ内挿処理を行う（手順Ｓ１４６，Ｓ１４７，Ｓ１４８）。以上の動作を繰り返す。【００９９】
微動ステージステップイン処理による測定では、測定点として中間位置を取る時に測定点間の最小幅が予め決められた値より小さくなったとき、中間位置を取るのを中止する。また上記探針走査制御方法によれば、中間位置を取る回数が予め定められた値より大きくなったとき、中間値を取るのを中止することもできる。【０１００】
以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎず、また数値および各構成の組成（材質）については例示にすぎない。従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１０１】
本発明は、走査型プローブ顕微鏡によるステップイン式の測定で、段差のある試料表面を短時間で測定できると同時に、段差部分では測定ピッチを変えて詳細に測定データを得ることが可能となり、また、段差部分では粗動ステージから微動ステージに切り換えて測定ピッチを変えて詳細に測定データを得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の測定部と制御部の全体的な装置構成を示す構成図である。
【図２】走査型プローブ顕微鏡におけるカンチレバーおよび探針と光てこ式光学検出装置の関係を示す説明図である。
【図３】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡でのステップイン方式による探針の走査・測定動作を示す図である。
【図４】ステップイン型走査型プローブ顕微鏡のステップイン方式による測定動作（サンプリング動作）を説明する図である。
【図５】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の探針走査制御方法の代表的実施形態を示す手順図である。
【図６】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の探針走査制御方法を実施する制御装置の実施形態を示す構成図である。
【図７】本発明に係る探針走査制御方法の他の実施形態を示し、ステップイン方式による探針の走査・測定動作を示す図である。
【図８】走査型プローブ顕微鏡での粗動ステージステップイン方式による測定動作（サンプリング動作）を説明する図である。
【図９】走査型プローブ顕微鏡での微動ステージステップイン方式による測定動作（サンプリング動作）を説明する図である。
【図１０】走査型プローブ顕微鏡の粗動ステージステップイン処理による探針走査制御方法の実施形態を示す手順図である。
【図１１】走査型プローブ顕微鏡の微動ステージステップイン処理による探針走査制御方法の実施形態を示す手順図である。
【符号の説明】
【０１０３】
１１      試料ステージ
１２      試料
１６      試料ホルダ
２０      探針
２１      カンチレバー
２３      Ｚ微動機構
２９      ＸＹ微動機構
３３      コントローラ
３４      上位制御装置
【図１】
2006019130.tif 000002
【図２】
2006019130.tif 000003
【図３】
2006019130.tif 000004
【図４】
2006019130.tif 000005
【図５】
2006019130.tif 000006
【図６】
2006019130.tif 000007
【図７】
2006019130.tif 000008
【図８】
2006019130.tif 000009
【図９】
2006019130.tif 000010
【図１０】
2006019130.tif 000011
【図１１】
2006019130.tif 000012
【国際調査報告】
2006019130.tif 000013
2006019130.tif 000014
2006019130.tif 000015