(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料表面に探針を近接させ、両者の間隙が予定値に保たれるように前記探針をＺ方向へ微動させながらＸＹ方向へ走査するプローブ走査装置において、
前記探針をＸＹ方向の少なくとも一方へ微動させる微動信号を発生するスキャン信号発生器と、
前記スキャン信号発生器からの微動信号を増減幅して出力するアッテネータと、
前記アッテネータから出力された信号に応じて前記探針をＸＹ方向に微動させるボイスコイルモータと、
標準サンプルの既知寸法と該標準サンプルの測長結果との比に応じた倍率データを登録する寸法関係登録部とを具備し、
細管部と該細管部に連なる太管部とからなる走査管の可動範囲を変えるための低融点金属とを含み、
前記低融点金属を軟化させ、前記走査管の剛性を低めて広域を走査するワイドモードと、前記低融点金属を硬化させ、前記走査管の剛性を高めて狭域を走査するズームモードとを備え、
前記寸法関係登録部に前記ワイドモードと前記ズームモードの各動作モードの前記倍率データが登録され、
該動作モードの前記倍率データに基づいて前記アッテネータが前記微動信号を増減幅することを特徴とするプローブ走査装置。
【請求項２】
前記アッテネータは、入力信号と相似形の信号を出力することを特徴とする請求項１に記載のプローブ走査装置。
【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顕微鏡等のプローブ走査装置に係り、特に、測長精度に関する較正を簡単かつ正確に行えるようにしたプローブ走査装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
先に、本出願人は図３に示したズーム機能を有するプローブ走査装置を発明し、特許出願した（特願平８年１１８０１５号）。このプローブ走査装置の構成と動作を、以下に簡単に説明する。
【０００３】
筐体１は、試料室に突出する細管部１４とこれに連なる太管部１５とを主要部とする走査管２０を有し、太管部１５の内側に中筒１３が粘性体１７を介して支持されている。これらの材料、つまり太管部１５、中筒１３、および細管部１４の材料は、同じ材質のものが使用され、熱伝導度および熱膨脹係数が同じなるようにされている。
【０００４】
筐体１の上部には、第１のボイスコイルモータが取付けられている。この第１のボイスコイルモータは、心棒部３を有する磁石２と、その周囲にコイル５が巻回されている可動子４ａと、可動子４ａに固着された可動子部品４ｂと、メンブレン６ａと、メンブレン６ａの外周を固着している固着部品６ｂとから構成されている。前記可動子部品４ｂには、ｚ方向に伸びるスピンドル８が固着されており、該スピンドル８の下側端部には、探針１０の変位量を検出する検出体９が装着されている。
【０００５】
前記スピンドル８は、中筒１３に保持されている第１、第２のばね１１、１２により弾性的に支持されている。前記太管部１５の外側であって粘性体１７に対向する位置には加熱コイル１６が巻回されており、加熱コイル１６は探針１０のＺ粗動時に粘性体１７を軟化させるために通電される。
【０００６】
前記筐体１の横部には、心棒部２２を有する磁石２１と、その周囲にコイル２４が巻回されている可動子２３ａと、可動子２３ａに固着された可動子部品２３ｂと、メンブレン２５と、該メンブレン２５の外周を固着している固着部品２５ａとからなる第２のボイスコイルモータが取付けられている。
【０００７】
さらに、前記筐体１の横部には、走査管２０の太管部１５がＸＹ方向に傾いた時に、可動子２３ａが心棒部２２または磁石２１に接触するのを防止するために、薄いリング状の板ばね２３ｃが設けられている。該薄いリング状の板ばね２３ｃは、その外周部を筐体１とメンブレン固着部品２５ａとで押えられ、その内周部を可動子部品２３ｂとリング状ばね押え部品２３ｄとで押さえられている。該可動子部品２３ｂおよびリング状ばね押え部品２３ｄには、ｘ方向に伸びるスピンドル２７が取付けられ、該スピンドル２７の解放端は、前記太管部１５の突起部１５ａに固着されている。
【０００８】
なお、図示されていないが、前記第２のボイスコイルモータと９０°異なる方向に、第３のボイスコイルモータが取付けられている。該第３のボイスコイルモータは、前記第２のボイスコイルモータと同一または同等の構成をしている。ｙ方向（紙面に垂直方向）スピンドルは、該第３のボイスコイルモータの可動子に固着された可動子部品と前記太管部１５とを接続している。そして、該第２および第３のボイスコイルモータを駆動することにより、前記探針１０はｘｙ方向に走査されることになる。
【０００９】
前記探針１０と対向する位置には、図示されていない試料台が設けられ、試料台上に検査または加工される試料が載置される。この試料台は、図示されていない粗動Ｘ、Ｙ、Ｚステージ上に設置されている。
【００１０】
細管部１４の外側には、一方を筐体１に固着された外管部７１が、細管部１４と同軸であって、かつ前記試料室に突出する方向に延びている。該外管部７１の先端外周にはセラミック等から形成された断熱部材７２を介して、外周に加熱コイル７６を巻回された熱伝導リング７３が設けられている。該熱伝導リング７３の端部は、内部に低融点金属７５（例えば、ｕアロイ）が収納された断熱部材のホルダ７４内に挿入されている。
【００１１】
前記加熱コイル７６の通電電流をオン、オフすることにより、低融点合金７５を溶融および凝固させ、細管部１４のみのばね剛性の場合と、細管部１４と外管７１とを加算したばね剛性の場合とに切換えることにより、同一ボイスコイルモータの駆動力に対する走査管２０のＸＹ方向の可動範囲を変え、ズーム機能を発揮させることができる。
【００１２】
試料を測定する際には、粗動速度で探針１０を試料に近付け、その先端が試料表面に接触すると、加熱コイル１６への通電を調整することにより、粘性体１７の温度を予熱温度まで下げる。そうすると、粘性体１７の粘度が大きくなり、太管部１５と中筒１３とが固定され、試料の測定が可能になる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上記した構成のプローブ走査装置では、探針１０の走査距離が測長値を代表し、走査距離は走査管２０を撓ませる力すなわち各ボイスコイルモータへ供給するスキャン信号の振幅に依存する。したがって、スキャン信号の振幅と探針１０の走査距離との関係は常に予定の関係に較正されている必要がある。
【００１４】
図４は、従来のプローブ走査装置におけるボイスコイルモータ２４の駆動回路の構成を示した図であり、スキャン信号としての三角波を発生するスキャン信号発生器４０と、スキャン信号を増幅してボイスコイル２４に供給する第１のオペアンプ４１と、ボイスコイル２４の出力側に一方の入力端子が接続された第２のオペアンプ４２と、ボイスコイル２４の出力側に接続された電流検出用抵抗４３と、前記第２のオペアンプ４２の増幅率Ｇを決定する抵抗４４、４５とから構成され、第１のオペアンプ４１の＋端子（非反転入力端子）には、第２のオペアンプ４２の出力が接続される。ボイスコイル２４に流れる電流ＩL は、ＩL ＝ＶL ／Ｒとなり、第２のオペアンプ４２の増幅率Ｇは、Ｇ＝（Ｒ1 ＋Ｒ2 ）／Ｒ1 となる。
【００１５】
測長値の較正は、標準サンプルを走査して得られた測長値と当該標準サンプルの検定値とを比較し、両者が一致するように電圧調整用の可変抵抗Ｒ2 を調整することにより行われる。
【００１６】
しかしながら、ズーム機構を備えたプローブ装置では、低融点金属７５を軟化させて細管部１４のみを撓ませて広域を走査するワイドモードと、低融点金属７５を硬化させて細管部１４および外筒７１の双方を撓ませて狭域を走査するズームモードとでは、ボイスコイルモータ２４へ供給する電流値と探針１０の移動量との関係が異なるため、測長モードごとに可変抵抗Ｒ2 を調整しなければならなかった。
【００１７】
さらに、ズームモードでの探針１０の移動量は、細管部１４の剛性のみならず、低融点金属７５の硬度や太管部７１の剛性にも依存する。したがって、個体差による剛性のばらつきが大きく、可変抵抗Ｒ2 を各装置ごとに微調整しなければならないので、その操作を簡単に行えるようにすることが望ましい。
【００１８】
本発明の目的は、上記した従来技術の課題を解決し、測長値の較正が簡単で、拡大倍率にかかわらず高精度の測長を可能にするプローブ走査装置を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明は、試料表面に探針を近接させ、両者の間隙が予定値に保たれるように前記探針をＺ方向へ微動させながらＸ，Ｙ方向へ走査するプローブ走査装置において、探針をＸ，Ｙ，Ｚ方向の少なくとも一方へ微動させる微動信号を発生する微動信号発生手段と、前記微動信号を増減幅して出力するアッテネータと、前記アッテネータの出力信号で探針を微動させる微動手段と、既知寸法およびその測長結果を登録する登録手段とを具備し、前記アッテネータは、前記既知寸法とその測長結果との寸法関係に応じて前記微動信号を増減幅することを特徴とする。
【００２０】
上記した特徴によれば、標準サンプルを測長し、その既知寸法と測長結果とを登録手段に登録すれば、登録された既知寸法とその測長結果との寸法関係に応じて微動信号が増減幅されるので、測長値の較正を簡単に行えるようになる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態であるプローブ走査装置の駆動回路の構成を示したブロック図であり、前記と同一の符号は同一または同等部分を表している。なお、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向の各駆動回路は同等の構成を有するので、ここでは、Ｘ方向の駆動回路のみを説明する。
【００２２】
スキャン信号発生器４０から出力されたＸスキャン信号ＳX はアッテネータ３１に入力される。アッテネータ３１は、入力されたスキャン信号ＳX を相似形に増幅または減幅して第１のオペアンプ４１へ供給する。寸法関係登録部３２には、前記アッテネータ３１の倍率を指定するための２つの倍率データＣXW，ＣXZが登録されている。倍率切換部３４は、モード信号ＳM により指定される、当該プローブ走査装置の現在の動作モードに応じて、いずれかの倍率データを前記寸法関係登録部３２から読み出してアッテネータ３１へ出力する。アッテネータ３１は、倍率切換部３４を介して供給された倍率データに応じた倍率でスキャン信号ＳXを増減幅する。
【００２３】
このような構成において、測長値を較正する際は、初めにプローブ走査装置の動作モードをワイドモードに設定し、低融点金属７５を軟化させて細管部１４を外管部７１から切り離す。次いで、アッテネータ３１の増減幅率を暫定値（例えば、１倍）に設定し、各部の寸法が既知である検定済みの標準サンプル上でプローブを走査させ、その観察像を得る。
【００２４】
次いで、図２に示したように、標準サンプル６０の所定位置にカーソルＰL ，ＰR を設定し、その長さを測長する。その後、測長部位の既知寸法値ＸWRおよびその測長結果ＸW を、操作パネル３３から入力して寸法関係登録部３２に登録する。寸法関係登録部３２は、測長結果ＸW と既知寸法値ＸWRとの比ＸW ／ＸWRを、ワイドモード時の倍率データＣxwとして保持する。
【００２５】
次いで、プローブ走査装置の動作モードをズームモードに設定し、低融点金属７５を硬化させて細管部１４と外管部７１とを一体化する。次いで、アッテネータ３１の増減幅率を暫定値（例えば、１倍）に設定し、標準サンプル６０上でプローブを走査させ、その観察像を得る。次いで、前記と同様に標準サンプル６０の所定位置の長さを測長し、測長部位の既知寸法値ＸZRおよびその測長結果ＸZを、操作パネル３３から入力して寸法関係登録部３２に登録する。寸法関係登録部３２は、測長結果ＸZ と既知寸法値ＸZRとの比ＸZ ／ＸZRを、ズームモード時の倍率データＣxzとして保持する。
【００２６】
以上のようにして、ワイドモードおよびズームモードにおける倍率データＣxw，Ｃxzの登録が終了すると、実際の測長が可能になる。
【００２７】
実際の測長時には、オペレータが観察モードをワイドおよびズームのいずれかに設定すると、この観察モードを代表するモード信号ＳM が倍率切換部３４に供給される。倍率切換部３４は、モード信号ＳM がワイドモードを示していれば、倍率データＣXW（＝ＸW ／ＸWR）をアッテネータ３１の制御端子へ供給する。アッテネータ３１はスキャン信号ＳX をＣXW倍に増減幅して第１のオペアンプ４１へ供給する。
【００２８】
これとは逆に、モード信号ＳM がズームモードを示していれば、倍率切換部３４は倍率データＣXZ（＝ＸZ ／ＸZR）をアッテネータ３１の制御端子へ供給する。アッテネータ３１はスキャン信号ＳX をＣXZ倍に増減幅して第１のオペアンプ４１へ供給する。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、以下のような効果が達成される。
(1) 標準サンプルを測長し、その既知寸法と測長値とを入力するだけで測長値を較正できるようになる。
(2) スキャン信号発生器とオペアンプとの間にアッテネータを接続し、アッテネータの増幅率を、ワイドモードおよびズームモードのそれぞれに対応した倍率に調整するようにしたので、観察モードがワイドモードおよびズームモードのいずれであっても高精度の測長が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の要部のブロック図である。
【図２】本発明による較正方法を示した図である。
【図３】先に出願されたプローブ走査装置の一例を示す断面図である。
【図４】従来技術のブロック図である。
【符号の説明】
１…筐体、１０…探針、１４…細管部、１５…太管部、１７…粘性体、２３…可動子、２７…スピンドル、５１、５６…ズーム用ばね、５２、５５…機械式ズームスイッチ、５３…平行ばね、７１…円筒状管、７２…断熱部材、７３…熱伝導棒、７４…ホルダ、７５…低融点金属
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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