(57)【要約】カンチレバー取付部と、カンチレバー取付部から自由端まで延在するカンチレバーと、カンチレバーの自由端によって担持されたプローブチップとを備えるプローブで特徴を走査する方法。プローブの向きが基準面に対して測定されて、プローブ向き測定値を生成する。基準面は基準面に垂直な基準面軸線を画定し、プローブチップは基準面軸線に対して基準傾斜角を有する。カンチレバーの形状は、プローブチップがカンチレバー取付部に相対的に移動し、基準傾斜角が第１の基準傾斜角から第２の基準傾斜角まで減少するように、プローブ向き測定値に従って変化する。試料表面はプローブで走査され、試料表面は試料表面に垂直な試料表面軸線を画定し、プローブチップは試料表面軸線に対して走査傾斜角を有する。試料表面の走査中に、カンチレバー取付部が移動されて、その結果、プローブチップが、第１の基準傾斜角未満の走査傾斜角で、試料表面の特徴の中に挿入される。
2020520443.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カンチレバー取付部と、前記カンチレバー取付部から自由端まで延在するカンチレバーと、前記カンチレバーの前記自由端によって担持されたプローブチップとを備えるプローブで特徴を走査する方法であって、
基準面に対する前記プローブの向きを測定して、プローブ向き測定値を生成するステップであって、前記基準面が、前記基準面に垂直な基準面軸線を画定し、前記プローブチップが、前記基準面軸線に対して基準傾斜角を有する、ステップと、
前記プローブ向き測定値に従って前記カンチレバーの形状を変化させて、その結果、前記プローブチップが前記カンチレバー取付部に相対的に移動し、前記基準傾斜角が第１の基準傾斜角から第２の基準傾斜角まで減少するようにする、ステップと、
試料表面を前記プローブで走査するステップであって、前記試料表面が、前記試料表面に垂直な試料表面軸線を画定し、前記プローブチップが、前記試料表面軸線に対する走査傾斜角を有し、前記試料表面の前記走査中に、前記カンチレバー取付部が移動されて、その結果、前記プローブチップが、前記第１の基準傾斜角未満の前記走査傾斜角で前記試料表面の特徴の中に挿入される、ステップと、
を含む方法。
【請求項２】
前記試料表面の前記走査中に、カンチレバー取付部が移動され、その結果、前記プローブチップが、前記第２の基準傾斜角に実質的に固定された走査傾斜角で、前記試料表面の前記特徴の中に挿入される、
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
第１のドライバが、第１の駆動信号に従って前記カンチレバー取付部を並進させ、
第２のドライバが、第２の駆動信号に従って前記カンチレバーの形状を変化させる、
請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記試料表面を走査するステップが、
前記第１の駆動信号を制御して、その結果、前記第１のドライバが、前記カンチレバー取付部を一連のサイクルで前記試料表面に向かって、および前記試料表面から離れて繰り返し駆動するステップと、
前記プローブチップと前記試料表面との相互作用の検出に基づいて、各サイクルについて表面信号を生成するステップと、
前記表面信号の受信に応答して、前記第２の駆動信号を修正するステップであって、前記第２の駆動信号を修正により、前記第２の駆動信号が前記カンチレバーの形状を変化させて、その結果、前記プローブチップが前記試料表面から離れて待避するようにする、ステップと、
を含み、
各サイクルについて、
前記表面信号の生成の前の、前記第１のドライバが前記カンチレバー取付部および前記プローブチップを前記試料表面に向かって移動させる接近段階と、
前記表面信号の生成の後の、前記第１のドライバが前記カンチレバー取付部および前記プローブチップを前記試料表面から離れて移動させる待避段階と、
が存在する、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記第１のドライバは、前記プローブチップが前記特徴の中に挿入される際に、実質的に直線状に伸長する線形作動装置である、
請求項３または４に記載の方法。
【請求項６】
前記第２の駆動信号は、前記プローブチップが前記特徴の中に挿入される際に、実質的
に固定される、
請求項３〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記カンチレバーの形状は、前記プローブチップが前記特徴の中に挿入される際に、実質的に固定される、
請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記プローブチップが、前記第１の基準傾斜角の５０％、３０％、または１０％未満の前記走査傾斜角で前記特徴の中に挿入される、
請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記プローブチップが、１度未満、好ましくは０．５度未満、最も好ましくは０．１度未満の前記走査傾斜角で前記特徴の中に挿入される、
請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記基準面に対する前記プローブの向きを測定して、前記プローブ向き測定値を生成するステップは、前記基準面と相互作用するステップを含む、
請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記プローブ向き測定値を生成するために、前記基準面に対する前記プローブチップの向きが測定される、
請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記基準面に対する前記プローブチップの前記向きの測定は、
前記基準面を前記プローブで走査して、データセットを生成し、
前記データセットを分析して、前記データセット内の非対称の特徴を特定し、
前記非対称の特徴の非対称性の程度を決定して、前記プローブ向き測定値を生成する、
ことにより行われる、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記プローブ向き測定値を生成するために、前記基準面に対する前記カンチレバーの向きが測定される、
請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記基準面に対する前記カンチレバーの前記向きの測定は、
レンズを介して感知ビームで前記基準面を照明して、その結果、前記感知ビームが前記基準面によって反射されて、前記基準面から反射されるビームを生成し、
前記レンズで前記基準面から反射されたビームを収集し、それを位置感応検出器に向け、前記位置感応検出器が前記基準面から反射されたビームの位置を示す基準測定値を前記位置感応検出器上に生成し、
前記カンチレバーを前記感知ビームで照射して、その結果、前記カンチレバーによって前記感知ビームが反射されて、前記カンチレバーから反射されるビームを生成し、
前記レンズで前記カンチレバーから反射されたビームを収集し、それを前記位置感応検出器に向け、前記位置感応検出器が前記カンチレバーから反射されたビームの位置を示すカンチレバー測定値を前記位置感応検出器上に生成し、
前記基準測定値および前記カンチレバー測定値に従って前記プローブ向き測定値を生成する、
ことにより行われる、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記カンチレバーの形状を変化させるステップが、前記カンチレバーを屈曲させるステ
ップおよび／またはねじるステップを含む、
請求項１〜１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
前記特徴が、入口および基部、前記入口から前記基部までの深さＤ、前記入口での幅Ｗ、ならびに１、２、５または１０より大きいアスペクト比Ｄ／Ｗを有する、
請求項１〜１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
前記プローブチップが、根元および先端、前記根元から前記基部までの長さＬ、最大幅Ｗ、ならびに５、１０または１５より大きいアスペクト比Ｌ／Ｗを有する、
請求項１〜１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
前記特徴が、入口と、基部と、前記入口から前記基部まで延在する１対の対向する側壁とを有する、
請求項１〜１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
カンチレバーを基準面に対して向き揃えする方法であって、
レンズを介して前記基準面を感知ビームで照明して、その結果、前記感知ビームが前記基準面によって反射されて、前記基準面から反射されるビームを生成するステップと、
前記レンズで前記基準面から反射されたビームを収集し、それを位置感応検出器に向け、前記位置感応検出器が前記基準面から反射されたビームの位置を前記位置感応検出器上に示す基準測定値を生成するステップと、
前記カンチレバーを前記感知ビームで照射して、その結果、前記カンチレバーによって前記感知ビームが反射されて、前記カンチレバーから反射されるビームを生成するステップと、
前記レンズで前記カンチレバーから反射されたビームを収集し、それを前記位置感応検出器に向け、前記位置感応検出器が前記カンチレバーから反射されたビームの位置を示すカンチレバー測定値を前記位置感応検出器上に生成するステップと、
前記基準面に対する前記カンチレバーの向きを変化させるステップと、
前記カンチレバーの向きの変化を前記基準測定値および前記カンチレバー測定値に従って制御して、その結果、前記カンチレバーが前記基準面に対して所定の角度で向き揃えされるようになるステップと、
を含む方法。
【請求項２０】
前記基準面が前記感知ビームを反射する際に、前記基準面が前記レンズの焦点面にあり、
前記方法が、前記レンズを移動させ、その結果、前記カンチレバーが前記感知ビームを反射する際に、前記カンチレバーが前記レンズの前記焦点面にあるようにするステップを更に含む、
請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記カンチレバーから反射されたビームを干渉計内の基準ビームと組み合わせてインターフェログラムを生成するステップと、前記インターフェログラムを測定して干渉計出力を生成するステップと、前記干渉計出力のコントラストを監視するステップと、前記コントラストが最大になるように前記レンズを移動するステップとによって、前記カンチレバーが前記レンズの前記焦点面に配置され、前記基準面から反射されたビームを前記干渉計内の基準ビームと組み合わせてインターフェログラムを生成するステップと、前記インターフェログラムを測定して干渉計出力を生成するステップと、前記干渉計出力のコントラストを監視するステップと、前記コントラストが最大になるように前記レンズを移動するステップとによって、前記基準面が前記レンズの前記焦点面に配置される、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
プローブで試料表面を走査するための装置であって、
カンチレバー取付部、前記カンチレバー取付部から自由端まで延在するカンチレバー、および前記カンチレバーの自由端によって担持されるプローブチップを備えるプローブと、
前記カンチレバー取付部を並進させるように構成された第１のドライバと、
傾斜制御信号を生成するように構成された傾斜コントローラと、
前記傾斜制御信号に従って前記カンチレバーの形状を変化させるように構成された第２のドライバと、
基準面に対する前記プローブの向きを測定してプローブ向き測定値を生成するように構成された測定システムと
を備える装置であって、
前記プローブチップは、前記基準面に対して基準傾斜角を有し、
前記傾斜コントローラは、前記測定システムから前記プローブ向き測定値を受信し、前記傾斜制御信号を制御して、その結果、前記第２のドライバが前記プローブ向き測定値に従って前記カンチレバーの形状を変化させ、前記プローブチップが前記カンチレバー取付部に相対的に移動し、前記基準傾斜角が、第１の基準傾斜角から第２の基準傾斜角まで減少し、
前記試料表面が、前記試料表面に垂直な試料表面軸線を画定し、
前記第１のドライバは、前記カンチレバー取付部を移動させて、その結果、前記プローブチップが前記試料表面の特徴内に挿入され、
前記傾斜コントローラは、前記傾斜制御信号を制御して、その結果、前記プローブチップが前記特徴内に挿入される際に、前記プローブチップが前記第１の基準傾斜角未満である、前記試料表面軸線に対する走査傾斜角を有する、
装置。
【請求項２３】
前記第１のドライバは、前記プローブチップが前記特徴の中に挿入される際に、実質的に直線状に伸長するする線形作動装置である、
請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記第２のドライバは、前記カンチレバーを屈曲させるステップ、および／またはねじるステップにより前記カンチレバーの形状を変化させるように構成されている、
請求項２２または２３に記載の装置。
【請求項２５】
カンチレバー取付部と、前記カンチレバー取付部から自由端まで延在するカンチレバーと、前記カンチレバーの前記自由端によって担持されたプローブチップとを備えるプローブで特徴を走査する方法であって、
基準面に対する前記プローブの向きを測定して、プローブ向き測定値を生成するステップであって、前記基準面が、前記基準面に垂直な基準面軸線を画定し、前記プローブチップが、前記基準面軸線に対して基準傾斜角を有する、ステップと、
前記プローブ向き測定値に従って前記カンチレバーの形状を変化させて、その結果、前記プローブチップが前記カンチレバー取付部に相対的に移動し、前記基準傾斜角が第１の基準傾斜角から第２の基準傾斜角まで減少するようにする、ステップと、
前記プローブで特徴を走査するステップであって、前記特徴表面が特徴軸線を画定し、前記プローブチップが前記特徴軸線に対する走査傾斜角を有し、試料表面の前記走査をする間に、前記カンチレバー取付部が移動されて、その結果、前記プローブチップが、前記第１の基準傾斜角未満の前記走査傾斜角で前記特徴の中に挿入される、ステップと
を含む方法。
【請求項２６】
カンチレバー取付部と、前記カンチレバー取付部から自由端まで延在するカンチレバー
と、前記カンチレバーの前記自由端によって担持されたプローブチップとを備えるプローブで特徴を走査する方法であって、
基準面に対する前記プローブの向きを測定して、プローブ向き測定値を生成するステップであって、前記基準面が、前記基準面に垂直な基準面軸線を画定し、前記プローブチップが、前記基準面軸線に対して傾斜角を有する、ステップと、
前記プローブ向き測定値に従って前記カンチレバーの形状を変化させて、その結果、前記プローブチップが前記カンチレバー取付部に相対的に移動し、前記傾斜角が第１の傾斜角から第２の傾斜角まで減少するようにする、ステップと、
前記プローブで試料表面を走査するステップであって、前記試料表面の前記走査をする間に、前記カンチレバー取付部が移動されて、その結果、前記プローブチップが前記第２の傾斜角で実質的に固定された状態で、前記プローブチップが前記試料表面の特徴の中に挿入される、ステップと、
を含む方法。
【請求項２７】
カンチレバー取付部と、前記カンチレバー取付部から自由端まで延在するカンチレバーと、前記カンチレバーの前記自由端によって担持されたプローブチップとを備えるプローブで特徴を走査する方法であって、
基準面に対する前記プローブの向きを測定して、プローブ向き測定値を生成するステップであって、前記基準面が、前記基準面に垂直な基準面軸線を画定し、前記プローブチップが、前記基準面軸線に対して基準傾斜角を有する、ステップと、
前記プローブ向き測定値に従って前記カンチレバーの形状を変化させて、その結果、前記プローブチップが前記カンチレバー取付部に相対的に移動し、前記基準傾斜角が第１の基準傾斜角から第２の基準傾斜角まで減少し、前記カンチレバーの形状が走査形状に変化する、ステップと、
前記プローブで特徴を走査するステップであって、試料表面の前記走査をする間に、前記カンチレバー取付部が移動されて、その結果、前記プローブチップの形状が前記走査形状に実質的に固定された状態で、前記カンチレバーが前記特徴の中に挿入される、ステップと、
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プローブで特徴を走査するための方法および関連する装置、ならびに基準面に対してカンチレバーの向きを揃える方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
既知の走査プローブシステムは、国際公開第２０１６／１９８６０６号パンフレットに記載されている。そのシステムは、基部から自由端まで延在するカンチレバーと、カンチレバーの自由端によって担持されているプローブチップとを備えるプローブを有する。第１のドライバは、第１のドライバ入力を備え、第１のドライバは、第１のドライバ入力で第１の駆動信号に従ってプローブを駆動するように構成される。第２のドライバは、第２のドライバ入力を備え、第２のドライバは、第２のドライバ入力で第２の駆動信号に従ってプローブを駆動するように構成される。制御システムは第１の駆動信号を制御するように構成され、その結果、第１のドライバが、一連のサイクルで試料の表面に向かう方向に、および表面から離れる方向にカンチレバーの基部を繰り返し駆動する。表面検出器は、プローブチップと試料の表面との相互作用を検出する場合、各サイクルについて表面信号を生成するように構成される。制御システムはまた、表面検出器からの表面信号の受信に応答して、第２の駆動信号を修正するように構成され、第２の駆動信号の修正により、第２のドライバがプローブチップを制御する。
【０００３】
試料表面を調査する方法は、米国特許出願公開第２０１４／０２８９９１１号明細書に開示されている。プローブが第１の試料近傍にもたらされ、第１の試料全体を走査する。試料との相互作用に対するプローブの応答は、検出システムを使用して監視され、前記応答を示す第１のデータセットが収集される。プローブおよび／または試料は、傾斜角によって傾斜している。傾斜ステップの後、プローブは第１の試料を横切って、または第２の試料を横切って走査され、走査された試料との相互作用に対するプローブの応答が検出システムを使用して監視され、前記応答を示す第２のデータセットが収集される。この方法は、傾斜角を決定するために、プローブおよび／または試料を傾斜させる前に、第１のデータセットを分析する追加のステップを含む。
【０００４】
米国特許出願公開第２０１７／００１６９３２号明細書は、第１のアームおよび第２のアームを含むプローブと、第１のアームおよび第２のアームによって担持されるプローブチップとを備えるプローブシステムを開示している。照明システムは、それぞれの照明パワーで、第１の作動位置で第１のアームを照明し、第２の作動位置で第２のアームを照明することにより、プローブを変形させるように構成される。作動コントローラは、プローブの高さおよび傾斜角、したがって、チップの高さおよび横方向位置を制御するために、各作動位置で照明パワーを独立して制御するように構成される。第１のアームおよび第２のアームは、プローブチップを通過する対称面の反対側上の互いの鏡像である。プローブチップの高さを測定して高さ信号を生成するだけでなく、プローブの傾斜角を測定して傾斜信号を生成し、そこからチップの横方向位置が決定され得る検出システムが提供される。
【０００５】
カンチレバーによって担持されるプローブチップで試料表面を検査する方法は、国際公開第２０１５／１９７３９８号パンフレットに記載されている。プローブチップが高いアスペクト比で試料表面の一部を走査している場合、そのときカンチレバーがねじれて、その結果、プローブチップが傾斜する。
【０００６】
別の既知の走査プローブ顕微鏡は、米国特許出願公開第２００８／０２２３１１７号明
細書に記載されている。
【０００７】
走査プローブ顕微鏡の光軸調整方法は、米国特許出願公開第２０１７／００５９６０９号明細書に記載されている。
【発明の概要】
【０００８】
本発明の第１の態様は、請求項１に記載の方法および請求項２２に記載の装置を提供する。国際公開第２０１５／１９７３９８号パンフレットでは、高いアスペクト比の特徴を走査するために、プローブチップ角度が増加するが、本発明の第１の態様では、プローブチップは減少した走査傾斜角で試料表面の特徴の中に挿入される。国際公開第２０１５／１９７３９８号パンフレットの方法は、傾斜したプローブチップが、試料表面の別の部分と衝突することなく側面から突出する特徴に接近することができるため、突出する高いアスペクト比の特徴の走査に適している。しかし、国際公開第２０１５／１９７３９８号パンフレットの方法は、傾斜したプローブチップが挿入されると特徴の縁に衝突するため、溝、穴、縦穴またはピットなどの窪んだ特徴の走査には適さないことが認識された。したがって、本発明の第１の態様の方法では、そのような衝突を回避するために、試料表面の特徴の中に挿入するためにプローブチップの傾斜角が減少する。
【０００９】
プローブチップを挿入する前に、プローブの向きが基準面に対して測定されて、プローブ向き測定値を生成する。この基準面は、試料表面、または基準試料の表面の一部であり得る。カンチレバーの形状は、プローブ向き測定値に従って変化されて、その結果、プローブチップがカンチレバー取付部に相対的に移動し、プローブチップの基準傾斜角が、基準面に対して第１の基準傾斜角から第２の基準傾斜角まで減少する。最も基本的に、プローブ向き測定値は、基準傾斜角を減少させるために必要なプローブチップの旋回方向を決定するためにのみ使用され得る。例えば、プローブ向き測定値が使用されて、基準傾斜角を減少させるために、カンチレバーを時計回りまたは反時計回りにねじるかどうかを決定することができる。別法として、プローブ向き測定値が使用されて、基準傾斜角を最小化するために必要なプローブチップの旋回の大きさを決定することができ、理想的には、プローブチップが特徴の中に挿入されると、プローブチップが傾斜しないようにゼロまで角度を減少させる。
【００１０】
試料表面は、試料表面に垂直な試料表面軸線を画定し、プローブチップは試料表面軸線に対して走査傾斜角を有する。通常、試料表面軸線は、基準面軸線と実質的に平行である。試料表面の走査中に、カンチレバー取付部が移動されて、その結果、プローブチップが、少なくとも第１の基準傾斜角未満の走査傾斜角で、および好適にははるかにより小さい傾斜角で試料表面の特徴の中に挿入される。プローブチップが特徴の中に挿入されると、プローブチップは通常、試料表面軸線に対して第２の基準傾斜角で実質的に固定され、任意選択で第２の基準傾斜角の両側に小さなディザ振動を有する。
【００１１】
走査の傾斜角度は、走査中ずっと固定された状態に留まることができ、または例えば、プローブチップが特徴の中に挿入された後、プローブチップを迅速に待避（retract）す
るように変化することができる。
【００１２】
通常、基準面に対するプローブの向きを測定してプローブ向き測定値を生成することには、例えば、基準面の向きを光学的に測定することにより（例えば、基準面から離れて感知ビームを反射することにより）、またはプローブで基準面を走査することによって基準面と相互作用することが含まれる。
【００１３】
プローブの向きの測定は、プローブチップの向きを直接測定することができ、またはプローブチップの向きが推定され得るカンチレバーの向きを測定することができる。
【００１４】
カンチレバーの形状を変化させるには、カンチレバーを屈曲させること、カンチレバーをねじること、あるいはカンチレバーを同時にまたは連続的に屈曲させ、かつねじることが含まれる。両方の軸線で傾斜角が制御され、かつ最小化され得るため、カンチレバーを屈曲させ、かつねじることが好ましい。カンチレバーを屈曲させ、かつねじることは、任意選択で個別に独立して制御され得る。
【００１５】
本発明の第１の態様の他の好ましい特徴は、従属請求項に記載されている。
【００１６】
本発明の第２の態様は、請求項１９に記載のカンチレバーの向きを揃える方法を提供する。第２の態様は、本発明の第１の態様のように、プローブチップが溝、穴、縦穴またはピットなどの窪んだ特徴を走査するために使用される前に、カンチレバーの向きを揃える光学的方法を提供する。
【００１７】
本発明の第２の態様の好ましい特徴は、従属請求項に記載されている。
【００１８】
本発明のさらなる態様は、カンチレバー取付部と、カンチレバー取付部から自由端まで延在するカンチレバーと、カンチレバーの自由端によって担持されたプローブチップとを備えるプローブで特徴を走査する方法であって、方法が、基準面に対するプローブの向きを測定して、プローブ向き測定値を生成するステップであって、基準面が、基準面に垂直な基準面軸線を画定し、プローブチップが、基準面軸線に対して基準傾斜角を有するステップと、プローブ向き測定値に従ってカンチレバーの形状を変化させて、その結果、プローブチップがカンチレバー取付部に相対的に移動し、基準傾斜角が第１の基準傾斜角から第２の基準傾斜角まで減少するようにするステップと、プローブで特徴を走査するステップであって、特徴表面が、特徴表面軸線を画定し、プローブチップが特徴軸線に対して走査傾斜角を有し、試料表面の走査中に、カンチレバー取付部が移動されて、その結果、プローブチップが、第１の基準傾斜角未満の走査傾斜角で特徴の中に挿入されるステップとを含む方法を提供する。
【００１９】
特徴軸線は通常、試料表面に対して垂直であるが、任意選択で特徴軸線は試料表面に対して斜めの角度で傾斜している可能性がある。
【００２０】
本発明のさらなる態様は、カンチレバー取付部と、カンチレバー取付部から自由端まで延在するカンチレバーと、カンチレバーの自由端によって担持されたプローブチップとを備えるプローブで特徴を走査する方法であって、方法が、基準面に対するプローブの向きを測定して、プローブ向き測定値を生成するステップであって、基準面が、基準面に垂直な基準面軸線を画定し、プローブチップが、基準面軸線に対して傾斜角を有するステップと、プローブ向き測定値に従ってカンチレバーの形状を変化させて、その結果、プローブチップがカンチレバー取付部に相対的に移動し、傾斜角が第１の傾斜角から第２の傾斜角に減少するようにするステップと、プローブで試料表面を走査するステップであって、試料表面の走査中に、カンチレバー取付部が移動されて、その結果、プローブチップが、第２の傾斜角度で実質的に固定されたプローブチップによって、試料表面の特徴の中に挿入されるステップとを含む方法を提供する。傾斜角は通常、＋／−０．１度の範囲内で固定され、言い換えれば、傾斜角は、振幅が０．１度以下のディザ振動によりわずかに変化する可能性がある。
【００２１】
本発明のさらなる態様は、カンチレバー取付部と、カンチレバー取付部から自由端まで延在するカンチレバーと、カンチレバーの自由端によって担持されたプローブチップとを備えるプローブで特徴を走査する方法であって、方法が、基準面に対するプローブの向きを測定して、プローブ向き測定値を生成するステップであって、基準面が、基準面に垂直
な基準面軸線を画定し、プローブチップが、基準面軸線に対して基準傾斜角を有するステップと、プローブ向き測定値に従ってカンチレバーの形状を変化させて、その結果、プローブチップがカンチレバー取付部に相対的に移動し、基準傾斜角が第１の基準傾斜角から第２の基準傾斜角まで減少し、カンチレバーの形状が走査する形状に変化するステップと、プローブで特徴を走査するステップであって、試料表面の走査中に、カンチレバー取付部が移動されて、その結果、プローブチップが、走査する形状に実質的に固定されたカンチレバーの形状を有する特徴の中に挿入されるステップとを含む方法を提供する。通常、形状は＋／−０．１度の範囲内で固定され、言い換えれば、形状は変化する可能性があり、その結果、プローブチップの傾斜角が、０．１度以下の振幅のディザ振動によってわずかに変化する。
【００２２】
次に、本発明の実施形態を添付の図面を参照して説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、走査プローブ顕微鏡システムを示す図である。
【図２】図２は、矩形のカンチレバーを備えるプローブの平面図である。
【図３】図３は、図２のプローブの側面図である。
【図４】図４は、２アームのカンチレバーを備えたプローブの平面図である。
【図５】図５は、代替構造のプローブチップを示す図である。
【図６】図６は、検出器の詳細図である。
【図７】図７ａは、基準面の光学測定を示す図である。図７ｂは、セグメント化されたフォトダイオードの基準面から反射されたビームの２つの位置を示す図である。
【図８】図８ａは、カンチレバーの光学測定を示す図である。図８ｂは、所望のカンチレバー角によって曲げられた後、セグメント化されたフォトダイオード上のカンチレバーから反射されたビームの位置を示す図である。
【図９】カンチレバーの代替の光学測定を示す図である。
【図１０】カンチレバーをねじることによって調整されるプローブの傾斜角度を示す図である。
【図１１】図１１ａは、基準面に対して第１の基準傾斜角で傾斜したプローブチップを示す図である。図１１ｂは、セグメント化されたフォトダイオード上のカンチレバーから反射されたビームの位置を示し、プローブチップは、第１の基準傾斜角で傾斜していることを示す図である。
【図１２】図１２ａは、基準面に対して第２の基準傾斜角で傾斜したプローブチップを示す図である。図１２ｂは、セグメント化されたフォトダイオード上のカンチレバーから反射されたビームの位置を示し、プローブチップは  、第２の基準傾斜角で傾斜していることを示す図である。
【図１３】図１３ａは、試料表面の溝を走査するプローブチップの軌跡を示す図である。図１３ｂは、溝軸線を示す図である。
【図１４】図１４は、溝の中に挿入されているカンチレバーの側面図であり、プローブチップが試料表面軸線および溝軸線に対して小さい、またはゼロの走査傾斜角で傾斜していることを示す図である。
【図１５】図１５は、プローブチップが溝の基部と相互作用し、次いでカンチレバーをまっすぐにすることによって迅速に待避することを示す図である。
【図１６】図１６は、表面検出時に近くのカンチレバーのディザ振動を示す図である。
【図１７】図１７は、溝の中に挿入されているカンチレバーの側面図であり、プローブチップが試料表面に対して小さい、またはゼロの走査傾斜角で傾斜していることを示す図である。
【図１８】図１８は、プローブチップが溝の基部と相互作用し、次いでカンチレバーをひねることによって迅速に待避することを示す図である。
【図１９】図１９は、図１７および図１８に示されるように、溝を走査するプローブチップの軌跡を示す図である。
【図２０】図２０は、プローブチップが対称的な溝または他の窪んだ特徴を走査する、代替のプローブ向き測定プロセスを示す図である。
【図２１】図２１は、プローブチップが対称的な溝または他の窪んだ特徴を走査する、代替のプローブ向き測定プロセスを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の一実施形態による走査プローブ顕微鏡システムが図１に示されている。このシステムは、第１のドライバ４と、カンチレバー２およびプローブチップ（probe tip）３
を備えるプローブとを備える。第１のドライバ４の底部は、カンチレバー取付部１３を担持し、カンチレバー２は、カンチレバー取付部１３から、近位端または基部２ａから遠位自由端２ｂまで延在する。プローブチップ３は、カンチレバー２の自由端２ｂによって担持されている。
【００２５】
プローブチップ３は、その基部から、試料台１１ａ上の試料７との相互作用の最も近い点であるその遠位端の点まで先細になる円錐またはピラミッド構造を備える。プローブチップ３は、軸線が垂直に（つまり、図１に示されている座標系のＺ方向に）延在している状態で図示されている。試料は試料表面を備え、試料表面は、試料表面に垂直であり、図１ではやはり垂直に延在する試料表面軸線７ａを画定する。図２に平面図で示されているカンチレバー２は、カンチレバー取付部１３から延在する矩形の輪郭形状を有する単一のビームを備える。カンチレバー２は、約２０ミクロンの長さ、約１０ミクロンの幅、および約２００ｎｍの厚さを有する。
【００２６】
カンチレバー２は、熱膨張率の異なる２つ（またはそれ以上）の材料で構成される熱バイモルフ構造であり、通常、金またはアルミニウムのコーティングが施されたケイ素または窒化ケイ素質である。コーティングはカンチレバーの長さを延長し、チップ３の反対側を覆う。作動コントローラ３３の制御下にある照明システム（レーザ３０の形態）は、強度変調された放射スポット１５でカンチレバーの上部コーティング面を照明するように配置されている。
【００２７】
カンチレバー２は、均一な厚さのモノリシック構造から形成されている。例えば、モノリシック構造は、Albrecht T., Akamine, S., Carver, T.E., Quate, C.F. J., Microfabrication of cantilever styli for the atomic force microscope, Vac. Sci. Technol.
A 1990, 8, 3386 (以下、Albrecht et al.と称する)の中に記載されるＳｉＯ２またはＳｉＮ４の薄膜の選択的エッチングによって形成され得る。チップ３は、Albrecht et al.
に記載されているように、カンチレバーと一体に形成することができ、電子ビーム蒸着などの付加的なプロセスによって形成することができ、または別個に形成され、接着剤または他の取り付け方法によって取り付けられ得る。
【００２８】
作動ビーム３２の波長は、コーティングによる良好な吸収のために選択され、その結果、カンチレバー２はその長さに沿って曲がり、プローブチップ３を移動させる。この例では、コーティングは試料とは反対側にあるため、加熱されるとカンチレバー２が試料に向かって下に曲がるが、しかし別法として、コーティングが試料と同じ側にあってもよく、カンチレバー２は加熱されると試料から離れて曲がる。
【００２９】
図４に平面図で示される代替実施形態では、カンチレバー２は、第１のカンチレバーアーム２ａおよび第２のカンチレバーアーム２ｂを備える。各カンチレバーアームは、カンチレバー取付部１３から延在しており、近位端は取付部によって担持され、自由遠位端は取付部から離れている。アーム２ａ、アーム２ｂの遠位端は、その下側にプローブチップ
３を担持するブリッジ１４によって接合されている。作動コントローラ３３の制御下にある第１および第２のレーザは、それぞれの第１および第２の作動位置で、強度変調された第１および第２の放射スポット１５ａ、１５ｂによって、コーティングされた側上のアーム２ａ、２ｂを照射するように配置される。チップ支持構造は、プローブチップ１０を通過する対称面１６を有し、第１および第２の作動位置でスポット１５ａ、１５ｂは、対称面１６の両側に対称的に配置される。
【００３０】
作動コントローラ３３は、したがって、第１の放射スポット１５ａの照明パワーを制御する第１のレーザに第１の制御信号Ａ１を出力し、同様に、したがって、作動コントローラ３３は、第２の放射スポット１５ｂの照明パワーを制御する第２のレーザに第２の制御信号Ａ２を出力する。２つの異なる制御信号Ａ１およびＡ２は、その内容が参照により本明細書に組み込まれる米国特許出願公開第２０１７／００１６９３２号明細書でさらに詳細に説明されるように、２つの直交軸線（θＹＺおよびθＸＺ）でプローブチップ３の傾斜角を独立して調整するために、２つの放射スポット１５ａ、１５ｂの照明パワーを独立して制御する。
【００３１】
任意選択で、２つのアームのコーティングは互いに反対側にある場合があり、つまりアーム２ａのコーティングは上側（試料とは反対側）にあり、加熱されるとアーム２ａは試料に向かって曲がり、アーム２ｂのコーティングは下側（試料と同じ側）にあり、加熱されるとアーム２ｂは試料から離れる反対方向に曲がる。
【００３２】
図１に戻ると、第１のドライバ４は、第１のドライバ入力５の第１の駆動信号に従ってＺ方向に上下に伸縮する圧電アクチュエータである。以下にさらに説明するように、第１の駆動信号により、第１のドライバ４を、一連のサイクルでプローブを試料７に向かって、および試料７から離れるように繰り返し移動させる。第１の駆動信号は、第１のコントローラ８によって生成される。通常、第１のドライバ４は、フレクシャ（図示せず）によって機械的に案内される。
【００３３】
干渉計検出器８０は、プローブチップ３の真向かいのカンチレバー２の自由端２ｂの高さを検出するように配置される。図１は検出器８０を概略的に示しているに過ぎないが、図６はより詳細な図を示している。レーザ１０１からの光１００は、ビームスプリッタ１０２によって感知ビーム１０３と基準ビーム１０４とに分割される。基準ビーム１０４は、適切に配置された再帰反射器１２０に向けられ、その後、ビームスプリッタ１０２に戻る。再帰反射器１２０は、試料７の垂直（Ｚ）位置に対して一定の光路長を提供するように位置合わせされる。ビームスプリッタ１０２は、エネルギー吸収コーティングを有し、入射ビーム１０３と基準ビーム１０４の両方を分割して、９０度の相対的な位相変位を有する第１および第２のインターフェログラムを生成する。２つのインターフェログラムは、それぞれ第１および第２の光検出器１２１および１２２で検出される。
【００３４】
理想的には、光検出器１２１、１２２からの出力は９０度の位相差を有する相補的なサインおよびコサイン信号である。さらに、それら光検出器はＤＣオフセットを含まず、等しい振幅を含み、カンチレバーの位置およびレーザ１０１の波長のみに依存するべきである。既知の方法は、光路差を変化させながら光検出器１２１、１２２の出力を監視し、２つの光検出器出力が同じ振幅かつ直交位相を有するが完全に調和的ではないために発生する誤差の修正を決定および適用するために用いられる。同様に、ＤＣオフセットレベルも、当技術分野で知られている方法に従って修正される。
【００３５】
これらの光検出器出力は、専用ハードウェア、ＦＰＧＡ、ＤＳＰ、またはプログラムされたコンピューターとして提供され得る、従来の干渉計可逆干渉縞計測装置および干渉縞細分化装置１２３を用いて使用するのに適する。直交位相干渉縞計数装置は、カンチレバ
ーの位置の変位をλ／８の精度で測定できる。つまり、５３２ｎｍの光について６６ｎｍまで測定できる。信号のアークタンジェントに基づく既知の干渉縞細分化技術により、ナノメートルスケール以下の精度の改善が可能になる。上述の実施形態では、基準ビーム１０４は、試料７のＺ位置に対して一定の光路長を有するように配置される。したがって、試料７が取り付けられるステージ１１ａの表面から、またはステージ位置に連結された再帰反射器から反射される可能性がある。基準経路長は、プローブから反射されたビーム１０３がたどる経路の長さより長い、または短い可能性がある。別法として、反射板と試料のＺ位置の関係を固定する必要はない。そのような実施形態では、基準ビームは、試料のＺ位置と既知の（しかし変化する）関係を有する固定点から反射され得る。したがって、チップの高さは、干渉測定された経路差、および固定点に対する試料のＺ位置から推定される。
【００３６】
干渉計検出器８０は、ホモダインシステムの一例である。説明されている特定のシステムは、この応用にいくつかの利点を提供する。２つの直交位相インターフェログラムを使用すると、複数の干渉縞にわたって、したがって広い変位範囲にわたってカンチレバー変位の測定が可能になる。これらの原理に基づく干渉計の例は、米国特許第６６７８０５６号明細書および国際公開第２０１０／０６７１２９号パンフレットに記載されている。光路長の変化を測定することができる代替の干渉計システムもやはり使用され得る。適切なホモダイン偏光干渉計は欧州特許第１８９２７２７号明細書に記載されており、適切なヘテロダイン干渉計は米国特許出願公開第５１４４１５０号明細書に記載されている。
【００３７】
図１に戻ると、検出器８０の出力は、表面高さ計算機２１および表面検出ユニット２２に入力される高さ検出ライン２０上の高さ信号である。表面検出ユニット２２は、プローブチップ３と試料７との相互作用を検出する場合、各サイクルについて表面検出器出力ライン２３上に表面信号を生成するように構成される。
【００３８】
反射ビームは、ビームスプリッタ１０６によって、第１および第２の成分１０７、１１０に分割される。第１の成分１０７は、レンズ１０９を介してセグメント化された４分割フォトダイオード１０８に向けられ、第２の成分１１０は、ビームスプリッタ１０２によって分割され、出力ライン２０上の高さ信号の生成のためにフォトダイオード１２１、１２２に向けられる。フォトダイオード１０８は、フォトダイオード１０８上の反射ビームの第１の成分１０７の位置を示す角度信号１２４を生成し、感知ビーム１０３に対するカンチレバーの傾斜角に従って変化する。
【００３９】
図７〜図９は、試料台１１ａ上の基準面９０に関してカンチレバー２の反射上面を測定し、向きを揃える方法を示している。基準面９０は、試料台１１ａ上の試料７の一部であることができ、または試料台１１ａ上の別個の基準試料の表面であることができる。別個の基準試料が使用される場合、その基準試料は試料台１１ａの片側に配置されることができ、その結果、試料７と基準試料の両方が同時に試料台１１ａ上に配置される。別法として、カンチレバー２が以下に説明するように向きを揃えた後に基準試料が除去され、次いで走査のために試料７により試料台１１ａ上で交換され得る。
【００４０】
レンズ１０５は、図７ａに示されるように、基準面９０がレンズの前側焦点面に位置するまで、図６に示されるレンズドライバ８１によって最初にＺ方向に移動される。この焦点を合わせるステップは、干渉計出力２０のコントラストを測定し、コントラストが最大になるまでレンズ１０５のＺ位置を調整することによって達成される。言い換えると、レンズ１０５が移動されると、インターフェログラムが最小および最大干渉の位置を通過すると、光検出器１２１、１２２は、増加および減少する信号を生成する。最大値と最小値の強度の差は干渉計のコントラストであり、試料７がレンズの前側焦点面にある場合に最大値に達する。試料７の表面をレンズの前側焦点面に配置する他の方法、例えば強度測定
が使用され得る。
【００４１】
感知ビーム１０３は、レンズ１０５を通過し、基準面９０から反射されて、図７ａで１１１ａと符号を付けられた反射ビームを形成する。基準面９０から反射されたこのビーム１１１ａは、４分割フォトダイオード１０８に向けられる。反射ビーム１１１ａは、図７ｂに示すように、４分割フォトダイオード１０８の中心から距離Ｄ１だけ外れて当たる。次いで、検出器８０は、検出器ドライバ８２によってこの距離Ｄ１だけレンズ１０５に対して横方向に移動され、その結果、図７ａに示すように感知ビーム１０３が距離Ｄ１だけ移動し、反射ビームが位置１１１ｂに移動し、その結果、図７ｂに示すように、４分割フォトダイオード１０８の中心に当たる。
【００４２】
次に、図８ａに示すようにプローブが導入され、レンズ１０５は上に移動されて、基準面９０に代わって、カンチレバー２の反射上面がレンズ１０５の焦点面に入るようにする。再び、焦点合わせは干渉計によって測定されたコントラストを監視することにより達成される。
【００４３】
角度信号１２４によって示されるように、フォトダイオード１０８上のカンチレバーから反射されたビームの位置は、プローブの向きの測定値を提供する。すなわち、角度信号１２４は、カンチレバー２の反射上面の接平面２ｃの基準面９０に対する向きの指標を提供する。したがって、平面２ｃが基準面９０と平行である場合、そのときカンチレバーから反射されたビームはフォトダイオード１０８の中心に当たることになる。より典型的には、平面２ｃは基準面９０と正確に平行ではないため、ビームはフォトダイオード１０８の中心からオフセットされる。このオフセットの方向および大きさは、平面２ｃと基準面９０の平面との間の傾斜の方向および大きさの指標を提供する。最後に、カンチレバー２の形状は、角度信号１２４に基づいて調整され、その結果、反射ビームが４分割フォトダイオード１０８上の所望の位置に当たる（フォトダイオード１０８上の所望の位置は、基準面９０に対するプローブの所望の角度に依存する）。したがって、カンチレバー２の反射上面の接平面２ｃが、プローブチップ３のすぐ上の点で基準面９０の平面と平行であることが望ましい場合、反射ビームが４分割フォトダイオード１０８の中心に当たるようにカンチレバー２の形状が調整される。別法として、図８ａに示すように平面２ｃがカンチレバー角αで傾斜することが望ましい場合、反射ビームがフォトダイオード１０８上のオフセット距離Ｄ２だけシフトして図８ｂに示す位置１１１ｃに位置するまで、カンチレバー２が下に曲げられる。図８ａでは、カンチレバー取付部１３を上方に移動して、反射点をレンズの焦点面内に保持しているが、しかし同等に、レンズ１０５が下方に移動されて、反射点を焦点面内に保持できることに留意されたい。また、カンチレバーの曲げによって引き起こされる垂直変位が１ミクロン未満の場合、そのとき反射点はレンズ１０５の被写界深度内に留まるため、カンチレバー取付部１３またはレンズ１０５を移動して、カンチレバーを焦点面内に保持する必要はない。
【００４４】
上記の向き揃えプロセスは、図１に示す傾斜コントローラ３８によって制御される。傾斜コントローラ３８は、角度信号１２４と、メモリ５０に記憶され特定のプローブまたはプローブの組に関連付けられたオフセット距離Ｄ２とに基づいて、傾斜制御信号３９を生成するように構成される。レーザ３０（または複数のレーザ）は、第２のドライバ入力３１の第２の駆動信号に従ってカンチレバー２を移動させるように配置され、この第２の駆動信号は第２のコントローラ３３によって生成される。傾斜制御信号３９は、第２のコントローラ３３に入力され、その結果、１つまたは複数のレーザ３０は、傾斜制御信号３９に従ってカンチレバーの形状を変化させる。傾斜コントローラ３８は、角度信号１２４を介して検出器８０からプローブ向き測定値を受信し、傾斜制御信号３９を制御するように構成され、その結果、１つまたは複数のレーザ３０が必要に応じてカンチレバーの形状を変化させる。上記の向き揃えプロセス中、カンチレバーの形状は、図８ａの破線で示され
ている曲がった形状に変化する。この形状を、以下ではカンチレバーの走査形状と称する。カンチレバーは、後述する後続の走査プロセス中に高アスペクト比の特徴の中に挿入されるために、この曲がった走査形状に固定される。
【００４５】
図９に示す代替のヌリング法では、図７ａのように試料測定プロセスを実行した後、検出器８０が検出器ドライバ８２によってオフセット距離Ｄ２だけレンズ１０５に対して横方向に移動され、その結果、感知ビーム１０３がシフトし、反射ビームは、４分割フォトダイオード１０８の中心から距離Ｄ２だけオフセットした位置１１１ｄにシフトする。次に、カンチレバー２は、反射ビームが距離Ｄ２だけシフトするまで傾斜制御信号３９の制御下で曲げられ、反射ビームは４分割フォトダイオード１０８の中心に戻り、カンチレバーは図９に破線で示す走査形状を取る。
【００４６】
この場合、図６に示すように、検出器ドライバ８２はメモリ５０からオフセット距離Ｄ２を受信し、それに応じて検出器８０を移動させる。検出器ドライバ８２は、図６に示すようにＹ方向だけでなく、図６に直交するＸ方向にも検出器８０を移動できることに留意されたい。
【００４７】
プローブチップ３の真上の点でのカンチレバー２の反射上面に接する平面２ｃは、ここで基準面９０に対して既知の角度にある。プローブチップ３が欠陥なしで正しく製造されると仮定すると、そのとき平面２ｃに対するプローブチップ３の軸線３ａの角度は既知である。したがって、距離Ｄ２を適切に選択することにより、カンチレバーを所望のカンチレバー角αに傾斜させることができ、これは、プローブチップの軸線３ａが基準面９０に対して正確に直角に向き揃えされることを意味する。
【００４８】
図８ａに示した例では、カンチレバー２をその長手方向に沿って曲げることにより、平面２ｃがＹＺ平面で傾斜する。同様のプロセスを使用して、反射ビームが４分割フォトダイオード１０８の中心に当たるまで、図１０に示すようにカンチレバーをねじることにより、ＸＺ平面内で平面２ｃを傾斜させることもできる。カンチレバーのこのねじれ運動は、図４のカンチレバーの２つの放射スポット１５ａ、１５ｂを差動駆動することによって達成され得る。カンチレバーのねじりと屈曲は、個別にかつ独立して制御可能である。そのため、両方の軸で同時にまたは順次に（交互に）、プローブチップを傾斜させないようにねじりと屈曲は同時に調整され得る。図１０の場合、カンチレバー２の形状は、図１０に破線で示された、ねじれた（および任意選択で曲げられてもいる）走査形状に変化し、以下に説明する後続の走査プロセスのためにその走査形状に固定される。
【００４９】
基準面９０は、図１１ａおよび図１２ａに示されるように、基準面９０に垂直な基準面軸線９０ａを画定する。プローブチップの軸線３ａは、この基準軸線９０ａに対して基準傾斜角を有する。上記のプロセスでは、カンチレバー２の反射上面に接する平面２ｃの向きが基準面９０に対して測定されて、プローブ向き測定値、すなわち、このプローブ向き測定値を提供するフォトダイオード１０８上のカンチレバーから反射したビームの位置を生成する。
【００５０】
図１１ｂは、図１１ａに対応する反射ビーム位置１１１ｄおよび関連するプローブ向き測定値Δを示し、図１２ｂは、図１２ａに対応する反射ビーム位置１１１ｅを示す。カンチレバーの形状は、プローブ向き測定値Δに従って変化され、その結果、プローブチップ３がカンチレバー取付部１３に相対的に移動し、基準傾斜角が図１１ａに示す第１の基準傾斜角θ１から図１２ａに示す第２の基準傾斜角θ２まで減少する。理想的には、第２の基準傾斜角θ２はゼロであるため、プローブチップの軸線３ａは基準面の軸線９０ａと平行になるが、実際には調整に多少の不正確さがある可能性があるので、第２の基準傾斜角θ２はゼロではないが、第１の基準傾斜角θ１よりも大きさにおいて非常にはるかに小さ
い。角度θ１およびθ２の大きさは、説明のために非常に誇張されていることに留意されたい。第１の基準傾斜角θ１は、通常は数度程度であり、理想的には、第２の基準傾斜角θ２は、１度未満、０．５度未満、または０．１度未満である。
【００５１】
フォトダイオード１０８からのプローブ向き測定値Δは、第２の基準傾斜角θ２を最小化するのに必要な傾斜角の変化の大きさおよび方向の両方を決定する。そのため、図１２ｂの例では、カンチレバーが屈曲されて、ＹＺ平面に傾斜角の減少Δθｙｚを生成し、さらにねじられてＸＺ平面に傾斜角の減少Δθｘｚを生成する。
【００５２】
上述のように、レーザ３０は、第２のドライバ入力３１で第２の駆動信号に従ってカンチレバーの形状を変えるように配置され、第２の駆動信号は第２のコントローラ３３によって生成される。以下でさらに詳細に説明するように、波形発生器４０は、表面検出器出力ライン２３から表面信号を受信し、表面信号の受信に応答して第２のドライバ入力３１上の第２の駆動信号を修正するように構成され、第２の駆動信号の修正により、第２のドライバ３０がプローブを制御し、より具体的には、第１の駆動信号と反対にプローブを駆動して、その結果、プローブチップ３がＺに減速し、次いで試料７から待避（retract away）する。
【００５３】
プローブチップ３が上記のように向き揃えされた後、そのとき試料７の画像を生成するために走査動作が実行される。ＸＹラスタ走査運動は圧電ＸＹ作動装置１１によって試料７に与えられ、圧電ＸＹ差動装置１１は、走査コントローラ２６および作動コントローラ２７の制御のもとに、試料７を担持する試料台１１ａを移動させる。
【００５４】
図１３ａは、試料表面７ｇの溝１７を走査する場合のプローブチップ３の頂点の軌跡を示す。試料表面７ｇは、図１に示す試料台１１ａ上の試料７の上面の一部である。試料表面７ｇは、試料表面７ｇに垂直な試料表面軸線７ａを画定し、プローブチップ３は試料表面軸線７ａに対して走査傾斜角βを有する。上記の向き揃えプロセスで使用される基準面９０もやはり試料台１１ａ上にあるため、試料表面軸線７ａは基準面の軸線９０ａと正確に平行であると仮定できることに留意されたい。図１３ｂに示すように、溝１７は、試料表面軸線７ａと平行な溝軸線１７ａを有しているため、基準面軸線９０ａと平行であると仮定することもできる。
【００５５】
最初に、表面信号の生成前にチップ接近段階４１があり、第１のドライバ４が、カンチレバー２とプローブチップ３の両方を垂直方向下方に試料７の表面に向かって移動させる。このチップ接近段階４１の間、カンチレバーはその走査形状において下に曲げられるため、チップ３の軸線は試料表面７ｇに対して概ね直角であり、試料表面軸線７ａと平行であり、言い換えれば、走査傾斜角βは概ねゼロである。カンチレバーの傾斜がこのチップ接近段階４１中に実質的に変化していないため、また、第１のドライバ４が、プローブチップが溝１７に挿入されるにつれて直線状に伸長（extend）する線形圧電アクチュエータであるため、チップ３の軌跡は垂直直線４１である。
【００５６】
上述のように、ＸＹラスタ走査運動は、圧電ＸＹ作動装置１１によって試料７に付与される。したがって、この例では、ＸＹ平面におけるプローブと試料７との間の相対的な水平方向の運動は、プローブの運動ではなく、試料の運動によって生成される。別の実施形態では、代わりに、プローブの運動によって、ＸＹ平面内の相対運動が生成され得る（走査された試料が静止したままである）。第１のドライバ４によって付与される周期的な垂直運動は、１０ｋＨｚ程度の周波数および２００ｎｍ程度の振幅を有する。ＸＹ作動装置１１によって付与されるＸ方向のラスタ走査水平運動は、１〜１００Ｈｚ程度の周波数および１ミクロン程度の振幅を有する。したがって、図１３ａでは垂直方向（Ｚ）の運動が支配的であるので、ラスタ走査の水平方向運動は無視される。ＸＹ作動装置１１は、連続
的なラスタ走査運動を付与するのではなく、各接近／待避サイクルが静的な場所で実行される停止およびステップ運動を生成することができる（Ｚへの運動はあるが、ＸまたはＹへの運動はＸＹ作動装置１１によって付与されない）。これは、測定サイクル中にＸＹ運動が望ましくない、非常に深く狭い溝に対して適している可能性がある。
【００５７】
チップ接近段階４１の間の大部分の時間、第１の駆動信号は実質的に一定の所定の速度で変化するため、プローブチップ３は実質的に一定の速度で試料表面に向かって移動する。
【００５８】
次に、表面検出ユニット２２は、プローブチップ３と試料表面との相互作用を検出し、表面信号を出力する。表面信号は、次のように動作する共鳴検出法によって生成される。波形発生器４０は、カンチレバー２の屈曲(flexural)またはねじれ（torsional）共鳴周
波数に同調する周期的なディザ信号を提供する。このディザ信号は、レーザ３０または別の光熱作動レーザ（図示せず）を変調するために使用される。ディザ信号は、カンチレバーに周期的な光熱応力をもたらし、ＭＨｚ台の周波数で通常１〜１０ナノメートルの振幅の周期的な運動を励起する。周期的なディザ運動の振幅は、第２のドライバ入力３１上の第２の駆動信号によって生成される非共鳴運動よりもはるかに小さいことに留意されたい。一例として、非共鳴運動は、周期的なディザ運動の振幅よりも１０〜１０００倍大きい移動距離を有することができる。
【００５９】
上記の例では、ディザ信号はカンチレバー２の屈曲またはねじれの共鳴周波数に同調されているが、代替の実施形態では、ディザ信号は異なる周波数であるため、ディザの運動は非共鳴である。
【００６０】
プローブは、チップ３が表面と相互作用するまで表面に向かって前進する。相互作用は、典型的には反発力から生じるが、存在する任意の力の相互作用が原理的には使用され得る。結果として、周期的ディザ運動の振幅、位相、または周波数の変化が生じ、これは表面検出ユニット２２によって検出され、表面検出ユニット２２に表面信号を生成させる。共鳴検出のための他の検出方式は当技術分野で知られており、それに応じて実装され得る。例えば、ねじれ共鳴が使用され、プローブのねじれ運動が監視され得る。
【００６１】
表面高さ計算機２１または他の任意の適切な測定システムは、表面信号の生成時に干渉計の出力２０に基づいて表面高さを測定する。表面高さの各測定値（サイクルごとに１つ）は表面信号によってトリガされ、表面高さ計算機２１によってデータ収集ユニット２５に送信される。
【００６２】
チップ接近段階中では、第２の駆動信号がハイであるため、図１４に示すように、作動ビーム３２がオンになり、カンチレバーは下方に曲がった走査形状を有する。表面信号は、波形発生器４０のトリガとして機能して、第２のドライバ入力３１上の第２の駆動信号を修正して、第２の駆動信号がハイからローになる（作動ビーム３２をオフにする）。第２の駆動信号のこの変化により、カンチレバー２が冷却され、プローブチップ３が表面位置６０から待避位置６１まで走査試料から離れて待避する。図１５に示すように、表面信号が生成された直後のこのカンチレバーの待避段階で、カンチレバー２は、まっすぐになる（un-bending）ことにより形状が変化する。第２の駆動信号のこの修正により、プローブチップ３は、わずかに湾曲した軌跡４２をたどって試料の表面から急速に待避する。
【００６３】
表面信号の生成時に、波形発生器４０は、第１のドライバ入力５の第１の駆動信号を修正して、第１の駆動信号の変化率が極性を徐々に反転させる、言い換えれば、第１のドライバ４が、カンチレバーの基部２ａを試料に向かって下降させる駆動から、カンチレバーの基部２ａを試料から上方へ、離れた待避段階への駆動に反転させる。次に、第１のドラ
イバ４は、プローブチップ３が垂直直線軌跡４３をたどる支持待避段階で、プローブを試料から上方へ、離れて待避させる。
【００６４】
支持待避段階の最初の部分の間、カンチレバー２はまっすぐにされる。次に、波形発生器４０は第２の駆動信号をリセットし、作動ビーム３２を再びオンにし、カンチレバー２を再び曲げて走査形状にし、プローブチップ軸線３ａが再び垂直に向き揃えされ、次のサイクルの準備が整う。
【００６５】
図１６は、表面検出の直前および直後の感知ビーム１０３に対するカンチレバーの角度を示すグラフである。上述のように、レーザ３０または別の光熱作動レーザ（図示せず）からの作動ビーム３２を変調するために周期的ディザ信号が使用され、この周期的ディザ信号により、カンチレバーがＭＨｚ台の周波数で通常１〜１０ナノメートルの周期的ディザ運動により振動する。この周期的なディザ運動は図１６で見ることができ、図１６は、自由空間での最大振幅での周期的なディザ運動の３サイクル７０を示し、その場合試料との相互作用により、表面が検出されるまで、さらに２サイクル７１の過程にわたって振幅が減少し、カンチレバーは１００ｎｍ程度の移動距離によって急速にまっすぐになる。次いで、まっすぐにされたカンチレバーは、多数のサイクル７２、すなわち品質係数（Quality Factor）に依存するリンギングを介して１〜１０ｎｍの定常状態の振幅に戻る。まっすぐになったカンチレバーは、７３で示されるように、１〜１０ｎｍの完全な自由空間振幅で振動し続ける。
【００６６】
プローブの正確な軌跡は、試料の相互作用の性質および接近速度など、多くの要因に依存する。相互作用は、図１６の７１に示すよりも多いまたは少ないサイクルで発生する可能性がある。プローブの緩和に関連する時定数もまた存在する。
【００６７】
プローブチップの小さな振幅の周期的なディザ運動のために、プローブチップが試料の表面に向かって移動すると、カンチレバーの角度は７０で示すようにわずかに振動する。ただし、カンチレバーの基部の並進移動の振幅は、典型的には５００〜１０００ｎｍ程度であり、したがって図１６に示されるディザ運動の１〜１０ｎｍの振幅よりもはるかに大きく、図１６に示されているディザ運動の振幅は、試料の表面に向かい、かつ表面から離れるカンチレバーの基部の並進移動の振幅と比較して非常に小さいので、プローブチップが試料の表面に向かって移動するにつれて、角度は実質的に一定であると見なすことができる。同様に、カンチレバーをまっすぐにする間のプローブチップの軌跡４２は１００ｎｍ程度であり、したがって図１６に示すディザ運動の１〜１０ｎｍの振幅よりもやはりはるかに大きい。
【００６８】
感知ビームと試料７に対するカンチレバーの平均角度７３は、プローブチップおよびカンチレバーの基部が試料表面に向かって一体に移動するにつれて、実質的に一定のままであるが、これは、試料の表面に向かって、かつ試料の表面から離れるカンチレバーの基部の並進の周波数（１０ｋＨｚ程度の周波数）よりもはるかに高いＭＨｚ台の周波数で、角度が図１６に示す平均値７３の両側で高速に振動するからである。同じことが第２の駆動信号にも当てはまり、すなわち、波形発生器４０は、第２の駆動信号を制御するように構成され、その結果、プローブチップおよびカンチレバーの基部が一体に試料の表面に向かって並進するにつれて、第２の駆動信号の平均値が実質的に一定のままである。
【００６９】
表面信号の受信に応答して、カンチレバーの形状が変化し、その結果、感知ビーム１０３に対するカンチレバーの角度が変化する。上記の例では、カンチレバーの加熱は、表面信号の受信に応答して、作動ビーム３２をオフにすることにより減少される。これにより、カンチレバーはより弛緩した状態を取る（この場合まっすぐになることにより）。別の実施形態では、表面信号の受信に応答して、代わりにカンチレバーの加熱は増加され得る
。言い換えれば、作動ビーム３２はオフではなくオンにされることができる。
【００７０】
干渉計１０からの高さ信号は、走査試料の表面から測定を行うために表面高さ計算機２１によって使用され、プローブチップと走査試料の表面との相互作用を検出するために表面検出ユニット２２によってもまた使用され得る。別法として、干渉計からの高さ信号は、走査試料の表面から測定を行うために表面高さ計算機２１によって使用され得るが、しかしプローブチップと試料の表面との相互作用を検出するために表面検出ユニット２２によって使用されることはできない。むしろ、表面検出ユニット２２は、フォトダイオード１０８からの光てこに基づく角度信号１２４を使用して、プローブチップと走査試料の表面との相互作用を検出する。言い換えれば、干渉計に基づく高さ信号２０ではなく、光てこに基づく角度信号１２４が使用されて表面位置を検出する。
【００７１】
この場合、システムは任意選択で、図１６に関連して上述した共鳴検出法ではなく、ＤＣ閾値検出法を使用して表面信号を生成することができる。波形発生器４０によってディザ信号は印加されず、角度信号１２４が表面検出ユニット２２に入力される。セグメント化されたフォトダイオード１０８は、複数のセグメント（典型的には４つ）に分割される。カンチレバー２の角度が変化する場合、そのときフォトダイオード１０８上の反射ビームの位置もまた変化する。したがって、セグメント化されたフォトダイオード１０８のセグメントの相対的な出力は、角度信号１２４として出力される、感知ビーム１０３に対するカンチレバーの角度の指標を与える。
【００７２】
上述のように、接近段階４１の間、カンチレバー２の角度は実質的に一定である。プローブチップ３は、走査試料の表面と相互作用し、それによってカンチレバー２が曲がる。カンチレバー２の角度（角度信号１２４により測定される）が、予め設定されたＤＣ閾値より大きく変化する場合、そのとき表面検出ユニット２２は表面信号を生成する。
【００７３】
図１３に示される待避軌跡４２は、カンチレバーがその長さに沿ってまっすぐになることによって引き起こされるため、図２に示されるような単一アームのカンチレバーが使用され得る。図４のような２アームのカンチレバーが使用される場合、ＹＺ平面でカンチレバーをまっすぐにするのではなく、ＸＺ平面でカンチレバーをねじることによって引込みが生成され得る。この代替方法は、図１７〜図１９に示される。
【００７４】
要約すると、図７ａから図１２ｂに示されている初期向き揃えプロセスでは、プローブの向きが基準面９０（試料台１１ａ上の基準試料の一部、または試料台１１ａ上の試料７の一部のいずれか）に対して測定されて、プローブ向き測定値Δを生成し、次いでカンチレバーの形状がプローブ向き測定値Δに従って変更され（カンチレバーを屈曲および／またはねじることにより）、その結果、プローブチップがカンチレバー取付部１３に相対的に移動し、基準傾斜角は、第１の基準傾斜角θ１から、ゼロであり得る第２の基準傾斜角θ２まで減少する。次に、試料表面７ｇがプローブで走査され、走査には図１３ａに示すプロセスが含まれ、このプロセスでは、カンチレバー取付部が下方に移動され、その結果、プローブチップが溝１７または他の窪んだ特徴の中に挿入される。図７ａから図１２ｂに示される向き揃えプロセスは、プローブチップ３の軸線３ａの向きを揃え、その結果、それは小さい、またはゼロの傾斜角θ２を有する。第２のコントローラ３３によって生成される第２駆動信号は、プローブチップが溝１７の中に挿入されるにつれて実質的に固定される（任意選択で小さなディザ振動を伴う）ため、カンチレバーの形状もまたその走査形状に実質的に固定され、ディザ振動によって生じるわずかな変動はあるものの、プローブチップが溝１７の中に挿入されると、走査傾斜角は小さいままである。プローブチップが溝１７に挿入されると、走査傾斜角は、少なくとも平均して、試料表面軸線７ａに対して概ねゼロであることが好ましい。
【００７５】
プローブチップの走査傾斜角は、プローブチップが溝１７に挿入されると、少なくとも第１の基準傾斜角θ１より小さく、好ましくは、例えば第１の基準傾斜角θ１の５０％、３０％、１０％、５％または１％よりはるかに小さい。例として、溝１７の中に挿入中の走査傾斜角は、１度未満、０．５度未満、または０．１度未満であることができる。
【００７６】
プローブチップの走査傾斜角は、チップが待避軌跡４２をたどるにつれてわずかに増加するが、プローブチップ３が垂直直線待避軌跡４３をたどるにつれて概ねゼロに戻る。
【００７７】
図１４に示されるように、溝１７は入口７ｃ、基部７ｄ、および入口から基部まで延在する一対の対向する側壁を有する。溝は、入口から基部までの深さＤ、入口での幅Ｗ、およびアスペクト比Ｄ／Ｗを有する。図１４の例では、アスペクト比Ｄ／Ｗは約１．５であるが、２、５、または１０より大きくなることができる。
【００７８】
同様に、プローブチップは、根元およびチップ、根元からチップまでの長さＬ、根元の最大直径Ｗｃ、ならびに５、１０または１５より大きいアスペクト比Ｌ／Ｗｃを有する。
【００７９】
図３の例では、高アスペクト比のプローブチップ３がカンチレバーに直接結合されているが、しかし図５（正確な縮尺ではない）の代替例では、プローブチップ３は、円錐形のチップ基部３ａの頂点から延在する高アスペクト比のウイスカーである。
【００８０】
図５の例では、プローブチップ３は、根元径Ｗｃ＝１０ｎｍ、長さＬ＝２００ｎｍ、およびアスペクト比Ｌ／Ｗ＝２０を有する。プローブチップ３の長さＬは、溝の深さＤよりも大きくなければならず、幅Ｗｃは、その入口７ｃでの溝の幅Ｗよりも小さくなければならない。
【００８１】
国際公開第２０１５／１９７３９８号パンフレットの方法は、溝、穴、縦穴またはピットなどの高アスペクト比の窪んだ特徴の走査には適さないが、これは、溝の側壁が試料表面７ｇに出会うところである溝７の縁７ｅに、大きく傾斜したプローブチップが衝突するからである。したがって、上述の方法では、縁７ｅとのそのような衝突を回避するために、プローブチップの走査傾斜角は、溝１７内への挿入および溝１７からの待避の際に小さく維持される。図１６に示す１〜１０ｎｍの振幅のディザ運動は、プローブチップ３の走査傾斜角の０．０３度程度の小さい変化を生成するだけであり、それによってプローブチップ３が縁７ｅと衝突することはない。
【００８２】
プローブチップ３の真上の点でのカンチレバー２の反射上面の平面２ｃの傾斜角を決定するための光学較正プロセスは、図７ａから図１２ｂを参照して上述されている。カンチレバーの平面２ｃに対するプローブチップ３の角度が正確にわからない場合、そのときプローブチップ３の傾斜角の直接測定は以下のように実施され得る。この直接測定は、図７ａ〜図１２ｂの光学測定方法に加えて、または代替として実施され得る。
【００８３】
図２０および図２１は、プローブチップ３が基準面の溝またはその他の窪みを走査しているところを示す。溝は、対称的な構造を有し、対向する垂直な側壁を備える。図２０では、プローブチップ３は側壁とアライメントされていないが、図２１では、プローブチップ３は、側壁と正確にアライメントされるように垂直に向き揃えされている。
【００８４】
図２０および図２１の破線は、プローブチップ３によって接近され得る溝の部分を示す。図２０の位置ずれの結果、プローブチップ３は、溝の右側に接近できるが、溝の左側にある領域１５０に接近できない。その結果、溝の左側について収集される情報が減少する。この非対称性は、基準面の再構築されたマップに反映される。
【００８５】
プローブチップ３の測定および位置合わせの方法は以下の通りである。プローブを基準傾斜角θ１の名目上は「傾斜していない」向きにして、基準面の走査が実行されて、基準面のマップが生成される。図２０および図２１の溝など、いくつかの基準の特徴は対称的であり、したがって、そのように画像化されることが予想される。したがって、最初の走査が完了した後、この向きのプローブで取得された基準面のマップが分析される。共通のレベルの非対称性を有する複数の特徴の出現は、プローブが位置合わせされていないことを示す。位置ずれの大きさとおよび方向は、画像化された特徴の非対称性から計算され得る。次に、図２１に示すように、カンチレバービーム２に補正傾斜が付加されて、基準傾斜角度を減少させ、プローブチップ３を垂直に位置合わせする。別法として、カンチレバーは、非対称性および収集されるさらなる画像を減少させるために、最初の走査からのマップの分析によって決定される方向に、事前設定された量だけ調整され得る。このプロセスは、対称になると予想される画像内の特徴が画像内にそのように現れるまで繰り返されることが可能である。
【００８６】
試料のマップを生成および分析するために使用され得る２つの画像処理パッケージは、Image Metrology A/SのＳＰＩＰ（http://www.imagemet.com参照）およびフリー・オープンソースソフトウェアであるＧｗｙｄｄｉｏｎ（http://gwyddion.net参照）である。
【００８７】
画像化された特徴の非対称性は、ラインプロファイル分析によって、つまり、画像からデータのラインを抽出し、そのデータのラインを分析することによって決定され得る。このデータのラインは、プローブの走査方向または任意の方向に沿っていることができ、ラインデータは複数のラインの平均であるか、またはノイズを減らすために補間され得る。
【００８８】
別法として、画像化された特徴の非対称性は、例えば以下の
・http://gwyddion.net/documentation/user-guide-en/tip-convolution-artefacts.html；または
・J.S.Villarubia,J.Res.Natl.Inst.Stand.Technol.102(1997)425で説明されるように
、先端形状の特徴付けによって決定され得る。図２１は、プローブが正しく位置合わせされた場合に同じ表面特徴を走査する様子を示している。
【００８９】
この場合、対称的な通路はチップによって追跡される。この通路の対称性が画像に反映され、次いでプローブが正しく位置合わせされていることがわかる。
【００９０】
基準面は、データ内に特徴的な信号を発生させることが予想される特徴の既知の配置を有する。予想される信号から観測された信号の逸脱が使用されて、プローブの位置ずれを推定することができる。任意選択で、基準面は、プローブチップよりも高いアスペクト比（長さ／幅）を含む高アスペクト比の特徴（溝または尖端など）を有する。
【００９１】
図１１ｂの光学測定プロセスでは、カンチレバーで感知ビームを反射することにより、プローブ向き測定値Δが得られる。上述の直接的プローブチップ測定プロセスでは、代わりに図２０のように対称的特徴を走査して基準面のマップを生成し、次いでそのマップが分析されて、プローブ向き測定値を取得することにより、プローブ向き測定値が得られる。プローブ向き測定値は、基準面に対するプローブの位置ずれを推定し、次いで修正するために使用される。
【００９２】
図７〜図１２または２１で説明したように、プローブが基準面に対して一旦向き揃えされると、次いで向き揃えプロセスを繰り返す必要なく、複数の試料を走査することができる。プローブの向き揃えプロセスは、所与のプローブを使用して定期的に、および／またはプローブが交換される場合に繰り返される。
【００９３】
図に示され、本文で説明されている各電子要素（例えば、傾斜コントローラ３８、表面検出器２２、表面高さ計算機２１、波形発生器４０、作動コントローラ８、３３、２７、波形発生器４０、走査コントローラ２６、データ収集ユニット２５など）は、例えばハードウェア、ソフトウェア、またはハードウェアとソフトウェアの任意の組み合わせを含むその他のものとして実施され得る。例として：単一のフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）またはデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、または複数のＦＰＧＡまたはＤＳＰがすべての電子要素を実装することができ、または各電子要素は、専用のＦＰＧＡまたはＤＳＰ、あるいはＦＰＧＡまたはＤＳＰの任意の組み合わせによって実装され得る。
【００９４】
本発明を１つまたは複数の好ましい実施形態を参照して上記に説明したが、添付の特許請求の範囲に記載の本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変形形態または修正形態が実施され得ることを理解されたい。
【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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【国際調査報告】
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