表面性状測定装置及びその走査方法
【課題】探針やサンプルの破損等を防止し、走査時間を短縮可能な、高分解能な表面性状測定装置を提供する。
【解決手段】探針とサンプルを、任意の測定点において近接または接触させて測定データを取得した後、それらを離間させると共に次の測定点に相対的に走査して、再び近接または接触させて測定データを取得する動作を繰り返しながら複数の測定点でサンプル表面の形状または物性を計測する表面性状測定装置の走査方法において、探針４とサンプル１１を走査したときにサンプル上の凸部１１ａに対峙する探針の側面４ｇを探針先端を通るサンプル表面への垂線２０に対して探針先端４ａから探針末端４ｈに掛けてサンプル上の凸部方向に広がるように垂線２０に対して任意の角度θで傾斜させ、測定点間の距離をΔｘ、探針とサンプルの離間量をΔｈとした場合に、Δｈ＞Δｘ／ｔａｎθの条件を満たすように探針４とサンプル１１の離間量を設定した。
【解決手段】探針とサンプルを、任意の測定点において近接または接触させて測定データを取得した後、それらを離間させると共に次の測定点に相対的に走査して、再び近接または接触させて測定データを取得する動作を繰り返しながら複数の測定点でサンプル表面の形状または物性を計測する表面性状測定装置の走査方法において、探針４とサンプル１１を走査したときにサンプル上の凸部１１ａに対峙する探針の側面４ｇを探針先端を通るサンプル表面への垂線２０に対して探針先端４ａから探針末端４ｈに掛けてサンプル上の凸部方向に広がるように垂線２０に対して任意の角度θで傾斜させ、測定点間の距離をΔｘ、探針とサンプルの離間量をΔｈとした場合に、Δｈ＞Δｘ／ｔａｎθの条件を満たすように探針４とサンプル１１の離間量を設定した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、探針によりサンプル表面を走査し、サンプル表面の形状観察や物性測定を行う表面性状測定装置及びその走査方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
表面性状測定装置の一種である走査型プローブ顕微鏡では、探針を有するカンチレバーを使用して、探針とサンプルを近接させて、半導体レーザとフォトディテクタを使用した光てこ方式やカンチレバーに設けた抵抗体の抵抗値変化を検出する方式になどによる変位検出機構によりカンチレバーのたわみ量やカンチレバーを振動させたときの振幅量を検出し、たわみ量や振幅の減衰量または位相や共振周波数の変化量などにより探針とサンプル表面間の距離を垂直方向微動機構で制御しながら、水平方向微動機構により両者を相対的にスキャンすることで、サンプル表面の形状や物性の測定が行われる。カンチレバーを振動させずにたわみ量を検出する方式をコンタクト方式、カンチレバーを振動させながら測定する方式を振動方式と呼ぶ。
【０００３】
このうち、コンタクト方式の走査型プローブ顕微鏡では探針とサンプルが常時接触しているために、走査に伴い探針やサンプルに損傷や摩耗が発生する。また吸着しやすいサンプルでは探針がトラップされてしまい正確なデータが測定できない場合がある。また、振動方式の方は間欠的な接触であるためコンタクト方式に比較して、探針とサンプルが接触している時間が短くなる。そのため探針やサンプルに与えるダメージや摩耗が減り、吸着の影響も少なくなるが、いずれも完全には防ぐことができない。
【０００４】
サンプルに与えるダメージや摩耗や吸着の影響をさらに少なくする方式として、測定点以外の場所では探針とサンプルを離間させて、測定点では探針とサンプルを近接させてデータを測定する走査型プローブ顕微鏡の走査方法が用いられている。
【０００５】
コンタクト方式の走査型プローブ顕微鏡としては、探針を測定点のみで設定したたわみ量までサンプルに近づけ、測定データを取得した後、探針を該サンプルからいったん離間させ、次の測定点に移動して探針を再び近接させる動作を繰り返すことで表面性状の測定を行うものが開示されている（例えば、特許文献１）。このときの離間量は、サンプルの最大高さ以上としたり、あるいは、通常探針とサンプル間の吸着を離脱するのに最低限必要な距離まで離間させ、カンチレバーの側面に段差部が衝突した際には、カンチレバーのねじれ信号により段差部との衝突を検出し離間量を大きくする方式も記載されている。
【０００６】
また、振動方式の走査型プローブ顕微鏡としては、探針を測定点のみで設定した振幅減衰量まで近接させて、探針をいったん離間させ、次の測定点に移動してから再び探針を近接させる動作を繰り返すことで表面性状の測定を行う走査型プローブ顕微鏡が開示されている（例えば、特許文献２）。このときの離間量は例えば大気中や高湿度環境下では吸着水層の影響を受けないように１０ｎｍ、湿度が低く吸着水の影響を受けない環境下では１ｎｍという実施形態が開示されている。また、走査中における探針とサンプルの接触を振幅の減衰量から認識して探針をさらに引き上げる方式が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−１２５５４０号公報
【特許文献２】特開２００５−６９８５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記２つの特許文献には吸着回避のための離間量の一例は記載されているものの、離間量についての最適値の記載はない。
【０００９】
離間量が小さい場合には水平移動の際に離間量よりも高い凹凸があったときに探針とサンプルが衝突してしまう。特許文献１ではカンチレバーのねじれ信号により、特許文献２では振幅の減衰量により探針とサンプルの衝突を認識して両者を離間させる方式が示されているが、探針の先端がサンプル表面に垂直に接触する場合にカンチレバーが変形する方向のバネ定数に比べて、探針の側面からの衝突に対してカンチレバーが変形する方向のバネ定数は大きく、探針先端やサンプルに大きな力がかかり探針やサンプルが破損してしまう。また側面からの衝突に備えるためには水平走査中もサーボ動作を継続する必要がありサーボ動作に伴う応答時間の確保や、衝突時の衝撃緩和のために水平方向の走査速度を遅くする必要がある。
【００１０】
また、サンプルの最大高さが分かっていれば最大高さ以上に探針とサンプルを離間させることで衝突を防ぐことができるが、離間量が大きくなると再接近に時間がかかりトータルの測定時間が長くなってしまう。また形状が分からないサンプルの場合には最大高さを測定前に完全に把握することは不可能である。
【００１１】
したがって、本発明の目的は、上記の課題に鑑みて発明されたものであり、探針とサンプルの離間量を最適化し、探針とサンプルが衝突することなしに探針とサンプルを走査して、両者の破損を防止するとともに、走査時間を短縮する表面性状測定装置及びその走査方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の目的を達成するために、本発明では表面性状測定装置において以下のような走査方法を実施した。
【００１３】
本発明では、探針先端をサンプル表面に対向するように配置し、任意の測定点において前記探針と前記サンプルを近接または接触させて測定データを取得した後、前記探針と前記サンプルを離間させ、次の測定点に前記探針と前記サンプルを相対的に走査して、再び前記探針と前記サンプルを近接または接触させて測定データを取得する動作を繰り返しながら複数の測定点でサンプル表面の形状または物性を計測する表面性状測定装置の走査方法において、前記探針と前記サンプルを走査したときに前記サンプル上の凸部に対峙する前記探針の側面を前記探針先端を通る前記サンプル表面への垂線に対して前記探針先端から前記探針末端掛けて前記サンプル上の凸部方向に広がるように前記垂線に対して任意の角度θで傾斜させ、測定点間の距離をΔｘ、前記探針と前記サンプルの離間量をΔｈとした場合に、Δｈ＞Δｘ／ｔａｎθの条件を満たすように前記探針と前記サンプルの離間量を設定した。
【００１４】
また本発明では、探針先端をサンプル表面に対向するように配置し、任意の測定点において前記探針と前記サンプルを近接または接触させて測定データを取得した後、前記探針と前記サンプルを離間させ、次の測定点に前記探針と前記サンプルを相対的に走査して、再び前記探針と前記サンプルを近接または接触させて測定データを取得する動作を繰り返しながら複数の測定点でサンプル表面の形状または物性を計測する表面性状測定装置の走査方法において、前記探針と前記サンプルを走査したときに前記サンプル上の凸部に対峙する前記探針の側面が多段の傾斜角を有し、少なくとも１段以上の傾斜角が前記探針先端を通る前記サンプル表面への垂線に対して前記探針先端から前記探針末端にかけて前記サンプル上の凸部方向に広がるように前記垂線に対して任意の角度で傾斜し、前記垂線に対する前記傾斜角のうち最も大きな角度をθMAXとし、θMAXが前記探針の最先端部の角度ではない場合には、前記最大傾斜角を持つ部分よりも先端側の前記垂線に沿った探針の高さをＬ、測定点間の距離をΔｘ、前記探針と前記サンプルの離間量をΔｈとした場合に、Δｈ＞Ｌ＋Δｘ／ｔａｎθMAXの条件を満し、θMAXが最先端の場合にはΔｈ＞Δｘ／ｔａｎθMAXの条件を満たすように前記探針と前記サンプルの離間量を設定した。
【００１５】
また、本発明では、前記走査が直線上の走査を含む場合に、１ラインの長さＸと１ライン中での等間隔の測定点の数Ｐを指定して、前期測定点間の距離Δｘ＝Ｘ／Ｐを求め、前記探針と前記サンプルの離間量を設定するようにした。
【００１６】
さらに、さらに、本発明では前記探針とサンプルの離間量をΔｈ＞Δｘ／ｔａｎθまたはＬ＋Δｘ／ｔａｎθMAXまたはΔｘ／ｔａｎθMAXを満たし、かつ、測定領域におけるサンプル表面の最大高さ未満とした。
【００１７】
さらに、前記探針とサンプルの離間量がΔｘ／ｔａｎθまたはＬ＋Δｘ／ｔａｎθMAXまたはΔｘ／ｔａｎθMAXの１．２倍以下とした。
【００１８】
さらに本発明では、前記探針と前記サンプルを相対的に移動させる制御装置を備え、前記傾斜角θまたはθMAXと前記測定点間の距離Δｘを含む情報を前記制御装置に入力または自動認識させることで、前記制御装置が前記探針と前記サンプルの離間量を自動的に設定するように構成した。
【発明の効果】
【００１９】
以上のように本発明の表面性状測定装置及びその走査方法では、探針先端をサンプル表面に対向するように配置し、任意の測定点において探針と前記サンプルを近接または接触させて測定データを取得した後、両者を離間させ、次の測定点に探針とサンプルを相対的に走査して、再び両者を近接または接触させて測定データを取得する動作を繰り返しながら複数の測定点でサンプル表面の形状または物性を計測することで探針やサンプルの接触回数を少なくできて探針やサンプルの摩耗や破損を少なくすることができ高分解能を維持したままの測定が可能となった。また、探針とサンプルの離間量をΔｈ＞Δｘ／ｔａｎθまたはΔｈ＞Ｌ＋Δｘ／ｔａｎθMAX またはΔｈ＞Δｘ／ｔａｎθMAXの条件を満たすように設定することで離間量が最適化でき、探針とサンプルが側面から衝突することなしに両者を走査でき、破損が防止されるとともに、走査時間を短縮することができた。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１の実施形態の表面性状測定装置の概観図。
【図２】（ａ）本発明の第１の実施形態の表面性状測定装置で使用されるカンチレバーを長手方向側からみた探針とサンプルの模式図。（ｂ）本発明の第１の実施形態の表面性状測定装置で使用されるカンチレバーを探針側から見た模式図（［図２］（ａ）の左側面図）
【図３】従来の走査方法を示す模式図。
【図４】本発明の第１の実施形態の走査方法を説明するための探針とサンプルの関係を示す模式図。
【図５】本発明の第１の実施形態の走査方法を説明するための探針とサンプルの関係を示す模式図。
【図６】本発明の第２の実施形態の走査方法を説明するための探針とサンプルの関係を示す模式図。
【図７】本発明の第３の実施形態の表面性状測定装置で使用される探針とサンプルの模式図。
【図８】本発明の第３の実施形態の表面性状測定装置で使用される探針とサンプルの模式図。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、図面に示した実施形態は表面性状測定装置の一種である走査型プローブ顕微鏡に関するものであるが、本発明の説明に必要な部分を中心に記載しており、一般に公知の構成の図面と詳細な説明は省略する。
【００２２】
＜第１の実施形態＞
図１は本発明の第１の実施形態に係る表面性状測定装置の一種である走査型プローブ顕微鏡の全体構成を示す概観図である。
【００２３】
図１の走査型プローブ顕微鏡１では、カンチレバー部３の先端に探針４を有し末端に基端部３を有するカンチレバー２がカンチレバーホルダ６に取り付けられる。
【００２４】
このカンチレバー２はシリコン製で半導体プロセスを利用して作製され、１度のプロセスでウエハ上に同一形状のカンチレバーが多数製作される。カンチレバー部３の背面には後述する光てこ方式の変位検出機構のレーザ光を反射するためにアルミニウムがスパッタによりコートされている。
【００２５】
カンチレバーホルダ６には振動方式で測定を行う場合にカンチレバー部３を共振周波数近傍で加振するための圧電素子７が取り付けられている。
【００２６】
カンチレバー部３の上方には、半導体レーザ８と表面が４分割されたフォトディテクタ９から構成される光てこ方式の変位検出機構１０が設けられており、半導体レーザ８の光をカンチレバー部３の背面に照射しカンチレバー部３の背面で反射した光を４分割されたフォトディテクタ９で検出することでカンチレバー部３のたわみ量とねじれ量が検出される。
【００２７】
探針先端４ａと対向する側には探針４とサンプル１１を相対的にサンプル面内で操作する水平方向微動機構１２ａと探針先端４ａとサンプル１１間の距離制御を行うための垂直方向微動機構１２ｂからなる円筒型圧電素子により構成される３軸微動機構１２が設けられ、３軸微動機構上１２にサンプル１１が載置されている。
【００２８】
３軸微動機構１２は探針先端４ａとサンプル１１を近接させるための粗動機構１３に取り付けられている。この粗動機構１３は送りねじとステッピングモータにより駆動されるメカニカルステージが用いられている。
【００２９】
この走査型プローブ顕微鏡１では、振動方式とコンタクト方式の両方の測定を行うことができる。振動方式により測定を行う場合にはカンチレバーホルダ６に設けられた圧電素子７によりカンチレバー部３を共振周波数近傍で加振し探針４とサンプル１１を近接させたときのカンチレバー部３の振幅の減衰量が一定となるように垂直方向微動機構１２ｂにより距離制御を行いながら水平方向微動機構１２ａで走査を行うことでサンプル１１の表面の形状像の測定が可能となる。
【００３０】
また、コンタクト方式の測定の場合には、加振用の圧電素子７を振動させずにカンチレバー部３のたわみ量を検出して探針４とサンプル１１を近接させたときのたわみ量が一定となるように垂直方向微動機構１２ｂにより距離制御を行いながら水平方向微動機構１２ａで操作を行うことでサンプル１１の表面の形状像の測定が可能となる。
【００３１】
次に図２の模式図を参照して図１のカンチレバー２の探針４とサンプル１１の詳細な構造を説明する。図２（ａ）はカンチレバー部３の側面を長手方向に沿って見た図面である。また、図２（ｂ）はカンチレバー部３を探針４側から見た図面であり図２（ａ）の左側面図に相当する。
【００３２】
図２（ａ）では垂直な段差構造を持つサンプル１１を探針４で走査している様子が示されている。この例ではカンチレバー部３の長手方向に沿ってサンプル１１を図面に矢印で示したように右側から左側に水平方向微動機構１２ａで移動させることにより、サンプル表面の左側から右側に向かって探針４で走査が行われる。
【００３３】
図２（ａ）に示されるように、カンチレバー２は変位検出機構１０のレーザ光をフォトディテクタ９の方向に反射させるとともにカンチレバー２の末端部がサンプル１１に衝突しないようにするために走査面に対して１０°傾けて固定されている。
【００３４】
カンチレバー部３は長さ１６０μｍ、幅５０μｍ、厚さ４．６μｍである。探針４は高さ１１μｍの三角錐形状であり先端半径は１０ｎｍである。図２（ｂ）の方向から見た場合の中心に稜線のうちの１本４ｂがあり、残りの２本の稜線４ｃ、４ｄは図２（ｂ）の中心の稜線に対して対称な位置にある。また、三角錐は３つの側面４ｅ、４ｆ、４ｇで囲まれている。したがって図２（ａ）の配置において、探針４とサンプル１１を走査したときにサンプル上の凸部１１ａに対峙する探針４の側面４ｇが探針先端４ａを通りサンプル１１の表面に直交する垂線２０に対して探針先端４ａから探針末端４ｈ掛けてサンプル上の凸部１１ａ方向に広がるように垂線２０に対して角度θで傾斜している。
【００３５】
本実施形態では、図２（ａ）の方向から見たときの三角錐の頂角は３５°であり、走査面に対して１０°傾けて固定した状態なのでθは２５°である。
【００３６】
また、図２（ｂ）の方向から見た場合の稜線４ｂと４ｃ、４ｂと４ｄが成す角はそれぞれ１８°である。
【００３７】
ここで、図３の模式図を用いて図１に示す本実施形態と同一の装置とカンチレバーを使用し、カンチレバーを同一の配置にした場合の従来の走査方法を説明する。本実施形態では３軸ともサンプルが駆動されており図面中の矢印はサンプルの動作方向を示している。
【００３８】
図３では振動方式で探針４とサンプル１１の距離制御が行われる。本実施形態で使用されるカンチレバー部３の共振周波数３００ｋＨｚであり、探針４は加振用の圧電素子７により共振周波数より０．５ｋＨｚ程度低周波側の周波数で加振されている。このとき変位検出機構１０により振幅量の計測が行われる。探針先端４ａとサンプル１１が十分離れている場合の振幅量は１０ｎｍであり、振幅が１０％減衰して９ｎｍの振幅量になる位置で探針先端４ａとサンプル１１間の距離制御が行われる。サンプル１１は段差１μｍの垂直なエッジ１１ａを持ちガラス基板２１上にクロム２２により２μｍピッチのパターンを形成したライン・アンド・スペースのサンプルである。
【００３９】
測定に際しては図１の装置で、垂直方向微動機構１２ｂの動作範囲内で測定が可能な位置、好ましくはカンチレバー部３の振幅が１０％減衰する位置で垂直方向微動機構１２ｂの動作中心位置になるように粗動機構１３により探針４とサンプル１１が近接される。また測定は５０μｍ×５０μｍの領域をラスタスキャンする。したがって１ラインの測定長さＸはＸ＝５０μｍである。また、ライン方向の測定点数Ｐは２５６点で等間隔とした。すなわち測定点間の距離をΔｘとすると、Δｘ＝Ｘ／Ｐ＝１９５ｎｍである。
【００４０】
まず、図３（ａ）では走査を実施しておらず、垂直方向微動機構１２ｂに接続されるサーボ機構をＯＮすることで振幅が１０％減衰した位置まで探針４とサンプル１１が近接し、このときの垂直方向微動機構１２ｂの圧電素子に印加される電圧によりサンプル１１の高さが認識される。
【００４１】
図３（ｂ）では、垂直方向微動機構１２ｂのサーボ機構をＯＦＦにして探針４とサンプル１１を１０ｎｍだけ引き離す。今回の測定環境では探針４とサンプル１１が１０ｎｍ以上離れていれば探針先端４ａをサンプル１１の表面の吸着水層から離すことができる。
【００４２】
図３（ｃ）ではΔｘだけ水平方向微動機構１２ａによりサンプル１１を走査する。このとき、探針４とサンプル１１の衝突を監視するためにサーボ機構はＯＮの状態で走査が行われる。後述するように探針４とサンプル１１が衝突したときの衝撃をできるだけ小さくするために、水平方向微動機構１２ａの圧電素子にランプ波を印加することで等速走査が行われる。
【００４３】
図３（ｄ）では水平方向の走査をやめ、再び振幅が１０％減衰する位置まで探針とサンプルを近づけ、サンプル高さを認識する。
図３（ｅ）では図３（ｂ）と同様に再び１０ｎｍだけ探針４とサンプル１１を引き離す。
【００４４】
図３（ｆ）では図３（ｃ）と同様に水平方向微動機構１２ａによりサンプル１１を走査する。サンプルのエッジ部１１ａの高さは１μｍであり、探針４とサンプル１１の離間量１０ｎｍよりも高いため、走査の途中で探針４の側面にサンプルのエッジ部１１ａが衝突する。この衝突によりカンチレバー部３の振幅量が減少する。走査中はサーボ機構はＯＮの状態で振幅量は常に監視されているため走査中の振幅の減少により探針４とサンプル１１が接近したと判断し振幅が減衰したら瞬時に走査を中断する。
【００４５】
図３（ｇ）では衝突を検知し走査を中断した後、垂直方向微動機構１２ｂのサーボ機構をＯＦＦにして再び１０ｎｍだけ探針４とサンプル１１を離間させる。
図３（ｈ）垂直方向微動機構１２ｂのサーボ機構をＯＮにして図３（ｅ）の位置からΔｘの位置まで再び走査を行う。
【００４６】
図３（ｉ）水平方向の走査をやめ、再び振幅が１０％減衰する位置まで探針４とサンプル１１を近づけ、サンプル１１の高さを認識する。探針４を近づける場合には探針先端４ａよりも側面４ｇの方が先にサンプルのエッジ部１１ａが接触する。したがって段差部における形状像には探針４の側面のアーティファクトが入る。なお、このアーティファクトは探針４の形状をあらかじめ認識しておくか、測定の都度探針４の形状を測定する専用のサンプルで測定することで補正することができる。
【００４７】
図３（ｊ）垂直方向微動機構１２ｂのサーボをＯＦＦにして探針４を１０ｎｍ離間させる。
図３（ｋ）垂直方向微動機構１２ｂのサーボをＯＮにして再びΔｘだけ水平方向に走査する。
図３（ｌ）再び振幅が１０％減衰する位置まで探針４とサンプル１１を近づけ、サンプル１１の高さを認識する。
【００４８】
以下同様の動作を所定の走査点数まで繰り返すことで１ラインのサンプル１１の表面の形状像を測定することができる。１ラインの測定が終わったら次のラインに移り同様の動作で測定を行っていく。
【００４９】
ここで、図３（ｆ）のようにサンプルのエッジ部１１ａが探針４の側面４ｇから衝突する場合と、図３（ｉ）のように上下方向の動作中に探針側面４ｇとにサンプルのエッジ部１１ａが衝突する場合を比較すると、側面から当たる方が同じ振幅減衰量を得るのにより大きな力がかかる。また、図３（ｉ）の場合には上下方向に加振も行っているので衝突に伴う探針４とサンプル１１のダメージはわずかである。したがって先鋭化されている探針の先端４ａは側面からの衝突の衝撃で大きな力がかかり破損してしまう場合がある。探針の先端４ａが破損してしまうと正確な形状像測定ができなくなり分解能も低下してしまう。
【００５０】
また、万一側面からの衝突が行ったときに衝撃緩和のために水平方向の走査速度も遅くする必要があり測定に時間がかかってしまう。
【００５１】
衝突を完全に回避するためにはサンプル１１の最大段差以上（この例では１μｍ以上）の離間を行うとよいが、測定点で探針４とサンプル１１を接近させるのに時間がかかりトータルの測定時間が長くなってしまう。また、形状が未知のサンプルでは最大段差を認識することは不可能である。
【００５２】
ここで、図４の模式図を参照してサンプル１１の垂直な段差１１ａを超えるときの探針の側面４ｇからサンプルのエッジ部１１ａが衝突する場合の衝突回数を計算する。なお図４の矢印はスキャンに伴うサンプルの移動方向を示す。
【００５３】
サンプルのエッジ部１１ａの段差の高さをｈ、探針４とサンプル１１を走査したときにサンプル上の凸部（エッジ部）１１ａに対峙する探針の側面４ｇが探針先端４ａを通りサンプル１１の表面に直交する垂線２０に対して探針先端４ａから探針末端４ｈに掛けてサンプル上の凸部（エッジ部）１１ａ方向に広がるように垂線２０に対して角度θで傾斜させた場合に、探針側面４ｇに最初に衝突した位置から探針先端４ａまでの水平距離はｈ×ｔａｎθとなる。すなわち探針先端４ａが段差を越える間にｈ×ｔａｎθ／Δｘ回以上、探針側面４ｇとサンプルのエッジ部１１が衝突する。例えば、図３の例では、ｈ＝１μｍ、θ＝２５°、Δｘ＝１９５ｎｍなので約２．４回の衝突が起きてしまう。
【００５４】
これに対して本実施形態の動作原理を図５の模式図で説明する。本実施形態では離間量と水平走査速度以外の基本的な動作方法は図３で説明したものと同じであるため離間量の設定方法と水平走査速度以外の説明は省略する。また、図５においても３軸ともサンプル側が駆動され図中の矢印はスキャンに伴うサンプルの移動方向を示す。
【００５５】
図５において離間量をΔｈとした場合に、サンプルのエッジ部１１ａとサンプルの側面４ｇの間に隙間ができる。この隙間量はΔｈ×ｔａｎθである。したがって、測定点間の距離ΔｘをΔｈ×ｔａｎθ よりも小さくに設定すると、走査中に探針側面４ｇに側面からサンプルのエッジ部１１ａが衝突することが物理的に起きなくなる。
【００５６】
したがって、離間量の最適値は、Δｈ＞Δｘ／ｔａｎθの条件を満たすように設定すればよい。１ラインの長さＸと１ライン中での等間隔の測定点の数Ｐを指定する場合には、Δｈ＞（Ｘ/Ｐ）／ｔａｎθとなる。
【００５７】
θの値は、あらかじめ探針の種類ごとに代表値を設定しておくか、探針の頂角よりも小さい頂角を持つ探針形状測定用の専用サンプルをスキャンしたときの測定データや電子顕微鏡の観察データなどで測定の都度計測を行ってもよい。θの値を手動で入力する場合には、測定者があらかじめθの値が設定されたカンチレバーの種類を選択したり、測定前に探針形状測定用のサンプルを測定者が測定して制御装置にθの値を入力する。また、探針形状測定用のサンプルを測定前に自動測定を行ったり電子顕微鏡や光学顕微鏡における画像処理により制御装置に自動認識させることで制御装置が自動的にθの値を認識する。このように手動または自動で制御装置にθの値を認識させることで制御装置は自動的に離間量を設定する。
【００５８】
離間量が大きくなると測定時間が掛かってしまうので、上記の条件を満たす範囲でできるだけ離間量は小さいことが好ましい。また、探針の形状のばらつきや探針の形状を測定する場合の測定誤差、垂直方向微動機構や水平方向微動機構のヒステリシスやクリープに伴う動作量の誤差を考慮する場合には、安全のためΔｈ＞Δｘ／ｔａｎθを満たす範囲で若干余裕度を持たすことが好ましい。従来よりも高速走査を行うために離間量はサンプルの最大高さ未満で、さらに好ましくは Δｘ／ｔａｎθの１．２倍以下であることが好ましい。
【００５９】
本実施形態の場合には、Δｘ／ｔａｎθ＝４１９ｎｍであるので、１．２倍してΔｈ＝５０３ｎｍに設定をした。
【００６０】
また、図３で水平方向に走査行う場合には側面衝突の衝撃を少なくするためにランプ波を印加して等速走査を行ったが、本実施形態では側面衝突は物理的に起こりえないので、ステップ波で水平方向移動機構１２ｂを駆動し、測定時間の短縮をはかった。万一残留振動の静定時間が長い場合には従来よりも高速なランプ波駆動を行ってもよい。また任意の加速信号により駆動を行うこともできる。また水平走査中のサーボ動作は側面衝突の監視を行う必要がないのでＯＦＦしておくことができ、サーボ動作にかかっていた時間だけ測定時間を短くすることができる。
【００６１】
ここで、サンプル表面の垂線に対するサンプル側面の傾斜角θがθ＝２５°の場合の、１ラインの長さＸと１ライン中での等間隔の測定点の数ＰにおけるΔｈの閾値を表１に示す。離間量はこの表の値よりも大きい任意の値に設定するとよい。
【００６２】
【表１】
【００６３】
なお、本実施形態ではサンプルの最大高さが分からなくても表１を超える値に設定しておけば側面衝突は起こらないが、もし最大高さが分かっている場合で、表１の条件の最大高さを超えない場合には表１の値以下でも側面衝突は起きないので、この場合にはサンプルの最大高さ以上に設定しておけばよい。なお図２〜図５の模式図上ではサンプルを置いたときの傾きは簡略化のため記載していないが実際にはサンプルの最大高さはサンプルの傾きも考慮する必要がある。
【００６４】
また本実施形態ではサンプル１１を垂直な段差１１ａをもつサンプルとして一番厳しい条件を仮定したが、サンプルの形状は任意のものが適用できる。
【００６５】
以上のように離間量を設定することで、サンプルが探針に側面衝突を行うことなく、探針やサンプルの損傷なしで、高速走査が可能となる。
【００６６】
＜第２の実施形態＞
図６は本発明の第２実施形態を示す探針４とサンプル１１の関係を示す模式図である。測定装置と探針の形状は第１の実施形態と同一のものを使用しており、図６は図２（ｂ）の方向と同一の方向からの図面である。また、図６の矢印もスキャンに伴うサンプルの移動方向を示す。
【００６７】
サンプル１１は第１の実施形態と同じく段差１μｍをもつパターンサンプルであり、第１実施形態がカンチレバーの長手方向に沿って走査したのに対して、本実施形態ではカンチレバーの長手に直交する方向に走査を行っている。またカンチレバーは長さ４００μｍと第１の実施形態よりも長くしてバネ定数の小さいものを使用し、探針４とサンプル１１間の距離制御方法はコンタクト方式を採用している。第１の実施形態が振幅の減衰量をもとに制御を行っているのに対して本実施形態ではたわみ量を設定して距離制御が行われる。
【００６８】
本実施形態の動作方法で離間量の最適化を行わずに走査する従来の走査方法を適用する場合にはカンチレバー部３のたわみ量の計測の他、長軸まわりのねじれ方向の計測も行っており、探針４にサンプル１１のエッジ部１１ａが側面からの衝突することを監視し、衝突が起こったときにはねじれを検出して離間動作が行われていた。その他の動作方法は図３で説明した動作方法と同じであるため詳細な説明は省略する。
【００６９】
本実施形態の探針４は探針先端４ａを通りサンプル１１の表面に直交する垂線に対する左右の稜線のなす角度がそれぞれ１８°で対称な形状をしている。また、探針４とサンプル１１を走査したときにサンプル上の凸部（エッジ部）１１ａが近づく側面の部位は第１の実施形態が三角錐の斜面4ｇであるのに対して、側面の稜線４ｄが最も先にサンプル１１ａに衝突する。
【００７０】
本実施形態では１ラインあたりの測定点数を１０２４ピクセルとし、２０μｍ×２０μｍの領域をラスタスキャンした。
【００７１】
この実施形態の場合はθ＝１８°であり、Ｘ＝２０μｍ、Ｐ＝１０２４であるので、Δｈ＞Δｘ／ｔａｎθ＝６１ｎｍの条件を満たすように離間量を設定した。安全のため１．２倍してΔｈ＝７３ｎｍとした。
【００７２】
ねじれ方向のバネ定数は、たわみ方向のバネ定数に対して大きい場合がほとんどであり、側面からの衝突の場合には大きな力が掛かり探針４やサンプル１１が破損するが、本実施形態のように離間量を設定することで側面４ｄからの衝突は物理的に起こらないので、ねじれの検出は不要で、探針４やサンプル１１が破損することなしに、走査時間を短縮することができる。
【００７３】
＜第３の実施形態＞
図７は本発明の第３の実施形態の探針４とサンプル１１の関係を示す模式図でありカンチレバー部３の側面を長手方向に沿って見た図面である。図７の矢印もスキャンに伴うサンプルの移動方向を示す。
【００７４】
本実施形態は図２に示す第１の実施形態のカンチレバーの先端部分にサンプル表面に垂直に長さＬのカーボンナノチューブ３０を設けたものである。その他の構成は第１実施形態と同じであるため詳細な説明は省略する。本実施形態では母材の探針４とカーボンナノチューブ３０を含めて探針部２５と定義することができる。
【００７５】
探針部２５とサンプル１１を走査したときにサンプル上の凸部１１ａに対峙する探針部２５の側面４ｇが２段の傾斜角を有している。このうち、カーボンナノチューブ３０は探針部の先端２５ａを通り、サンプル１１の表面に垂直な方向と平行な角度で取り付けられている。したがって探針先端２５ａを通りサンプル１１の表面に直交する垂線２０に対して探針先端２５ａから探針末端２５ｂに掛けてサンプル上の凸部１１ａ方向に広がるような傾斜角θを持つのは母材の探針部４の側面４ｇである。
【００７６】
このため本実施形態では離間量設定に影響する傾斜角θはカーボンナノチューブ３０が取り付く母材となるカンチレバーの探針４の角度であるθ＝２５°となる。
【００７７】
この場合の離間量は、カーボンナノチューブ３０の長さを考慮して、Δｈ＞Ｌ＋（Δｘ／ｔａｎθ）を満たすように設定する。本実施形態ではＬ＝２００ｎｍのカーボンナノチューブを取り付け、１００μｍの領域を５１２ピクセルで走査したので、表１よりΔｈ＞２００＋４１９＝６１９ｎｍの条件を満たすとよく、安全のため１．２倍してΔｈ＝７４３ｎｍとした。
【００７８】
＜第４の実施形態＞
図８は本発明の第４の実施形態の探針とサンプルの関係を示す模式図でありカンチレバーの側面を長手方向に沿って見た図面である。図８の矢印もスキャンに伴うサンプルの移動方向を示す。
【００７９】
本実施形態は図２に示す第１の実施形態のカンチレバーの先端部分４ａに長さＬ１のカーボンナノチューブ３１が斜めに取り付けられた場合である。その他の構成やサンプル１１の形状や走査方向は第１、第３の実施形態と同じであるため詳細な説明は省略する。本実施形態でも母材となる探針４とカーボンナノチューブ３１が一体となって探針部２６を形成する。
【００８０】
本実施形態では、電子顕微鏡による計測や垂直なエッジを持つ探針形状測定サンプルによりカーボンナノチューブ３１の取付角を計測する。
【００８１】
このときサンプル１１の表面に垂直な垂線２０に対して長さＬ１のカーボンナノチューブθ２の角度で取り付いているとすると、垂線に沿ったカーボンナノチューブ３１の高さＬはＬ＝Ｌ１ｃｏｓθ２である。
【００８２】
探針部２６とサンプル１１を走査したときにサンプル１１の凸部（エッジ部）１１ａが近づく側の探針部２６の側面は、探針先端２６ａを通りサンプル表面１１に直交する垂線２０に対して探針先端２６ａから探針末端２６ｂ掛けてサンプル１１の凸部（エッジ部）１１ａ方向に広がるように垂線２０に対して２段のテーパを持つ。
【００８３】
このうち母材となる探針４側が垂線と成す角θ１としカーボンチューブ３１の取付角をθ２としたときに、θ１＞θ２であれば探針２６の側面との衝突を回避するためには、探針２６を離間させたときに探針２６の側面とエッジ部１１ａの水平方向の間隔は角度が大きい方が狭くなるので、離間量の設定には角度の大きい母材となる探針側の側面４ｇが依存するためカーボンナノチューブ３１の垂線に沿った高さを考慮して離間量を Δｈ＞Ｌ１ｃｏｓθ２＋（Δｘ／ｔａｎθ１）の条件を満たすように離間量を設定する。本実施形態ではθ１＝２５°の探針にＬ＝２００ｎｍのカーボンナノチューブをθ２＝１０ °で取り付け、１００μｍの領域を５１２ピクセルで走査したので、Δｈ＞６１６ｎｍの条件を満たすように離間量を設定する。今回も余裕度を見て１．２倍しΔｈ＝７４０ｎｍに設定した。
【００８４】
なお、θ１≦θ２の場合には探針２６のサンプル１１の凸部（エッジ部）１１ａ方向のテーパ角のうち最先端部のカーボンナノチューブの角度が大きくなるためΔｈ＞Δｘ／ｔａｎθ２を満たすように高さを設定する。例えばθ１＝２５°の探針にθ２＝３０°で図８と同じ長さのカーボンナノチューブが取り付けられていて、測定領域と測定点数が同じ場合には、Δｈ＞３３９ｎｍを満たせばよい。
【００８５】
以上、本発明の走査型プローブ顕微鏡について説明したが、本発明は上記の発明に限定されず、さまざまな形態に用いることができる。
【００８６】
探針やカンチレバーの形状は任意のものが適用可能である。例えばカンチレバーは短冊型の他上面視トライアングル形状のものも使用できる。また探針はサンプル上の凸部に対峙する探針の側面が探針先端を通るサンプル表面への垂線に対して探針先端から前記探針末端掛けてサンプル上の凸部の方向に広がるように傾斜角を持てば、三角錐の以外でも円錐や四角錘など任意の形状のものが適用できる。材質もシリコンに限定されるシリコンナイトライドやダイヤモンド、ガラスなど様々な材質のものに適用できる。また探針のテーパ角が多段になっていてもよい。多段の場合の離間量の設定方法は第４の実施形態で説明したカーボンナノチューブが斜めに取り付けられている場合と同じ考え方ができる。例えば根元側の角度がθ１先端側の角度がθ２の２段のテーパの場合には、先端側の角度θ２が根元側の角度θ１以上の場合θ１≦θ２には、先端が垂線となす角度のみを考慮すればよくΔｈ＞Δｘ／ｔａｎθ２の条件を満たすように離間量を設定する。また、先端側の角度θ２が根元側θ１に比べて小さい場合には、離間量は先端側の垂線に沿った高さＬをするとΔｈ＞Ｌ＋（Δｘ／ｔａｎθ１）に設定する。このように多段のテーパを持つ探針はカーボンナノチューブを取り付けた探針の他にも、シリコン製の探針の先端をエッチングにより先鋭化した探針などにも適用される。
【００８７】
また装置構成や３軸微動機構の動作原理も円筒型圧電素子に限定されす、積層型圧電素子と並行バネや変位拡大機構を組み合わせたステージや、電磁モータやボイスコイルモータで動作するメカニカルステージなど任意のものが適用可能である。３軸微動機構の配置もサンプル側に限定されず探針側に３軸微動機構を設けてもよいし、探針とサンプル側に分割して設けてもよい。また、水平方向微動機構は１軸のみで構成してもよい。カンチレバーの変位検出方法も光てこ法の以外にもカンチレバーに抵抗体を設けて抵抗値の変化により変位を検出する自己検知方式も使用できる。またスキャン方法もラスタスキャンに限定されず、１ラインのみのスキャンやスキャン方向での探針の傾斜角が分かれば自由曲線のスキャンも可能である。水平走査や垂直動作の方法も任意の方法が適用可能である。
【００８８】
また、本発明は走査型プローブ顕微鏡の形状像測定に限定されず、粘弾性測定、電気特性、摩擦力、磁気力、光学特性などさまざまな物性測定にも適用される。
【００８９】
さらに本発明は走査型プローブ顕微鏡に限定されず、例えばダイヤモンド探針を使用して差動トランスにより測定力を制御しながら表面の走査を行う表面粗さ計や、段差計、３次元測定器などの接触式の表面性状測定装置全般に適用できる。
【符号の説明】
【００９０】
１ 走査型プローブ顕微鏡
２ カンチレバー
３ カンチレバー部
４ 探針
４ａ 探針先端部
４ｂ、４ｃ、４ｄ 探針の稜線
４ｅ、４ｆ、４ｇ 探針の側面
４ｈ 探針の末端部
５ カンチレバーの基端部
６ カンチレバーホルダ
７ 加振用圧電素子
８ レーザ
９ フォトディテクタ
１０ 変位検出機構
１１ サンプル
１１ａ サンプルのエッジ部
１２ ３軸微動機構
１２ａ 水平方向微動機構
１２ｂ 垂直方向微動機構
１３ 粗動機構
２０ 垂線
２１ ガラス基板
２２ クロム薄膜
２５、２６ 探針部
２５ａ、２６ａ 探針先端部
２５ｂ、２６ｂ 探針末端部
３０、３１ カーボンナノチューブ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、探針によりサンプル表面を走査し、サンプル表面の形状観察や物性測定を行う表面性状測定装置及びその走査方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
表面性状測定装置の一種である走査型プローブ顕微鏡では、探針を有するカンチレバーを使用して、探針とサンプルを近接させて、半導体レーザとフォトディテクタを使用した光てこ方式やカンチレバーに設けた抵抗体の抵抗値変化を検出する方式になどによる変位検出機構によりカンチレバーのたわみ量やカンチレバーを振動させたときの振幅量を検出し、たわみ量や振幅の減衰量または位相や共振周波数の変化量などにより探針とサンプル表面間の距離を垂直方向微動機構で制御しながら、水平方向微動機構により両者を相対的にスキャンすることで、サンプル表面の形状や物性の測定が行われる。カンチレバーを振動させずにたわみ量を検出する方式をコンタクト方式、カンチレバーを振動させながら測定する方式を振動方式と呼ぶ。
【０００３】
このうち、コンタクト方式の走査型プローブ顕微鏡では探針とサンプルが常時接触しているために、走査に伴い探針やサンプルに損傷や摩耗が発生する。また吸着しやすいサンプルでは探針がトラップされてしまい正確なデータが測定できない場合がある。また、振動方式の方は間欠的な接触であるためコンタクト方式に比較して、探針とサンプルが接触している時間が短くなる。そのため探針やサンプルに与えるダメージや摩耗が減り、吸着の影響も少なくなるが、いずれも完全には防ぐことができない。
【０００４】
サンプルに与えるダメージや摩耗や吸着の影響をさらに少なくする方式として、測定点以外の場所では探針とサンプルを離間させて、測定点では探針とサンプルを近接させてデータを測定する走査型プローブ顕微鏡の走査方法が用いられている。
【０００５】
コンタクト方式の走査型プローブ顕微鏡としては、探針を測定点のみで設定したたわみ量までサンプルに近づけ、測定データを取得した後、探針を該サンプルからいったん離間させ、次の測定点に移動して探針を再び近接させる動作を繰り返すことで表面性状の測定を行うものが開示されている（例えば、特許文献１）。このときの離間量は、サンプルの最大高さ以上としたり、あるいは、通常探針とサンプル間の吸着を離脱するのに最低限必要な距離まで離間させ、カンチレバーの側面に段差部が衝突した際には、カンチレバーのねじれ信号により段差部との衝突を検出し離間量を大きくする方式も記載されている。
【０００６】
また、振動方式の走査型プローブ顕微鏡としては、探針を測定点のみで設定した振幅減衰量まで近接させて、探針をいったん離間させ、次の測定点に移動してから再び探針を近接させる動作を繰り返すことで表面性状の測定を行う走査型プローブ顕微鏡が開示されている（例えば、特許文献２）。このときの離間量は例えば大気中や高湿度環境下では吸着水層の影響を受けないように１０ｎｍ、湿度が低く吸着水の影響を受けない環境下では１ｎｍという実施形態が開示されている。また、走査中における探針とサンプルの接触を振幅の減衰量から認識して探針をさらに引き上げる方式が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−１２５５４０号公報
【特許文献２】特開２００５−６９８５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記２つの特許文献には吸着回避のための離間量の一例は記載されているものの、離間量についての最適値の記載はない。
【０００９】
離間量が小さい場合には水平移動の際に離間量よりも高い凹凸があったときに探針とサンプルが衝突してしまう。特許文献１ではカンチレバーのねじれ信号により、特許文献２では振幅の減衰量により探針とサンプルの衝突を認識して両者を離間させる方式が示されているが、探針の先端がサンプル表面に垂直に接触する場合にカンチレバーが変形する方向のバネ定数に比べて、探針の側面からの衝突に対してカンチレバーが変形する方向のバネ定数は大きく、探針先端やサンプルに大きな力がかかり探針やサンプルが破損してしまう。また側面からの衝突に備えるためには水平走査中もサーボ動作を継続する必要がありサーボ動作に伴う応答時間の確保や、衝突時の衝撃緩和のために水平方向の走査速度を遅くする必要がある。
【００１０】
また、サンプルの最大高さが分かっていれば最大高さ以上に探針とサンプルを離間させることで衝突を防ぐことができるが、離間量が大きくなると再接近に時間がかかりトータルの測定時間が長くなってしまう。また形状が分からないサンプルの場合には最大高さを測定前に完全に把握することは不可能である。
【００１１】
したがって、本発明の目的は、上記の課題に鑑みて発明されたものであり、探針とサンプルの離間量を最適化し、探針とサンプルが衝突することなしに探針とサンプルを走査して、両者の破損を防止するとともに、走査時間を短縮する表面性状測定装置及びその走査方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の目的を達成するために、本発明では表面性状測定装置において以下のような走査方法を実施した。
【００１３】
本発明では、探針先端をサンプル表面に対向するように配置し、任意の測定点において前記探針と前記サンプルを近接または接触させて測定データを取得した後、前記探針と前記サンプルを離間させ、次の測定点に前記探針と前記サンプルを相対的に走査して、再び前記探針と前記サンプルを近接または接触させて測定データを取得する動作を繰り返しながら複数の測定点でサンプル表面の形状または物性を計測する表面性状測定装置の走査方法において、前記探針と前記サンプルを走査したときに前記サンプル上の凸部に対峙する前記探針の側面を前記探針先端を通る前記サンプル表面への垂線に対して前記探針先端から前記探針末端掛けて前記サンプル上の凸部方向に広がるように前記垂線に対して任意の角度θで傾斜させ、測定点間の距離をΔｘ、前記探針と前記サンプルの離間量をΔｈとした場合に、Δｈ＞Δｘ／ｔａｎθの条件を満たすように前記探針と前記サンプルの離間量を設定した。
【００１４】
また本発明では、探針先端をサンプル表面に対向するように配置し、任意の測定点において前記探針と前記サンプルを近接または接触させて測定データを取得した後、前記探針と前記サンプルを離間させ、次の測定点に前記探針と前記サンプルを相対的に走査して、再び前記探針と前記サンプルを近接または接触させて測定データを取得する動作を繰り返しながら複数の測定点でサンプル表面の形状または物性を計測する表面性状測定装置の走査方法において、前記探針と前記サンプルを走査したときに前記サンプル上の凸部に対峙する前記探針の側面が多段の傾斜角を有し、少なくとも１段以上の傾斜角が前記探針先端を通る前記サンプル表面への垂線に対して前記探針先端から前記探針末端にかけて前記サンプル上の凸部方向に広がるように前記垂線に対して任意の角度で傾斜し、前記垂線に対する前記傾斜角のうち最も大きな角度をθMAXとし、θMAXが前記探針の最先端部の角度ではない場合には、前記最大傾斜角を持つ部分よりも先端側の前記垂線に沿った探針の高さをＬ、測定点間の距離をΔｘ、前記探針と前記サンプルの離間量をΔｈとした場合に、Δｈ＞Ｌ＋Δｘ／ｔａｎθMAXの条件を満し、θMAXが最先端の場合にはΔｈ＞Δｘ／ｔａｎθMAXの条件を満たすように前記探針と前記サンプルの離間量を設定した。
【００１５】
また、本発明では、前記走査が直線上の走査を含む場合に、１ラインの長さＸと１ライン中での等間隔の測定点の数Ｐを指定して、前期測定点間の距離Δｘ＝Ｘ／Ｐを求め、前記探針と前記サンプルの離間量を設定するようにした。
【００１６】
さらに、さらに、本発明では前記探針とサンプルの離間量をΔｈ＞Δｘ／ｔａｎθまたはＬ＋Δｘ／ｔａｎθMAXまたはΔｘ／ｔａｎθMAXを満たし、かつ、測定領域におけるサンプル表面の最大高さ未満とした。
【００１７】
さらに、前記探針とサンプルの離間量がΔｘ／ｔａｎθまたはＬ＋Δｘ／ｔａｎθMAXまたはΔｘ／ｔａｎθMAXの１．２倍以下とした。
【００１８】
さらに本発明では、前記探針と前記サンプルを相対的に移動させる制御装置を備え、前記傾斜角θまたはθMAXと前記測定点間の距離Δｘを含む情報を前記制御装置に入力または自動認識させることで、前記制御装置が前記探針と前記サンプルの離間量を自動的に設定するように構成した。
【発明の効果】
【００１９】
以上のように本発明の表面性状測定装置及びその走査方法では、探針先端をサンプル表面に対向するように配置し、任意の測定点において探針と前記サンプルを近接または接触させて測定データを取得した後、両者を離間させ、次の測定点に探針とサンプルを相対的に走査して、再び両者を近接または接触させて測定データを取得する動作を繰り返しながら複数の測定点でサンプル表面の形状または物性を計測することで探針やサンプルの接触回数を少なくできて探針やサンプルの摩耗や破損を少なくすることができ高分解能を維持したままの測定が可能となった。また、探針とサンプルの離間量をΔｈ＞Δｘ／ｔａｎθまたはΔｈ＞Ｌ＋Δｘ／ｔａｎθMAX またはΔｈ＞Δｘ／ｔａｎθMAXの条件を満たすように設定することで離間量が最適化でき、探針とサンプルが側面から衝突することなしに両者を走査でき、破損が防止されるとともに、走査時間を短縮することができた。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１の実施形態の表面性状測定装置の概観図。
【図２】（ａ）本発明の第１の実施形態の表面性状測定装置で使用されるカンチレバーを長手方向側からみた探針とサンプルの模式図。（ｂ）本発明の第１の実施形態の表面性状測定装置で使用されるカンチレバーを探針側から見た模式図（［図２］（ａ）の左側面図）
【図３】従来の走査方法を示す模式図。
【図４】本発明の第１の実施形態の走査方法を説明するための探針とサンプルの関係を示す模式図。
【図５】本発明の第１の実施形態の走査方法を説明するための探針とサンプルの関係を示す模式図。
【図６】本発明の第２の実施形態の走査方法を説明するための探針とサンプルの関係を示す模式図。
【図７】本発明の第３の実施形態の表面性状測定装置で使用される探針とサンプルの模式図。
【図８】本発明の第３の実施形態の表面性状測定装置で使用される探針とサンプルの模式図。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、図面に示した実施形態は表面性状測定装置の一種である走査型プローブ顕微鏡に関するものであるが、本発明の説明に必要な部分を中心に記載しており、一般に公知の構成の図面と詳細な説明は省略する。
【００２２】
＜第１の実施形態＞
図１は本発明の第１の実施形態に係る表面性状測定装置の一種である走査型プローブ顕微鏡の全体構成を示す概観図である。
【００２３】
図１の走査型プローブ顕微鏡１では、カンチレバー部３の先端に探針４を有し末端に基端部３を有するカンチレバー２がカンチレバーホルダ６に取り付けられる。
【００２４】
このカンチレバー２はシリコン製で半導体プロセスを利用して作製され、１度のプロセスでウエハ上に同一形状のカンチレバーが多数製作される。カンチレバー部３の背面には後述する光てこ方式の変位検出機構のレーザ光を反射するためにアルミニウムがスパッタによりコートされている。
【００２５】
カンチレバーホルダ６には振動方式で測定を行う場合にカンチレバー部３を共振周波数近傍で加振するための圧電素子７が取り付けられている。
【００２６】
カンチレバー部３の上方には、半導体レーザ８と表面が４分割されたフォトディテクタ９から構成される光てこ方式の変位検出機構１０が設けられており、半導体レーザ８の光をカンチレバー部３の背面に照射しカンチレバー部３の背面で反射した光を４分割されたフォトディテクタ９で検出することでカンチレバー部３のたわみ量とねじれ量が検出される。
【００２７】
探針先端４ａと対向する側には探針４とサンプル１１を相対的にサンプル面内で操作する水平方向微動機構１２ａと探針先端４ａとサンプル１１間の距離制御を行うための垂直方向微動機構１２ｂからなる円筒型圧電素子により構成される３軸微動機構１２が設けられ、３軸微動機構上１２にサンプル１１が載置されている。
【００２８】
３軸微動機構１２は探針先端４ａとサンプル１１を近接させるための粗動機構１３に取り付けられている。この粗動機構１３は送りねじとステッピングモータにより駆動されるメカニカルステージが用いられている。
【００２９】
この走査型プローブ顕微鏡１では、振動方式とコンタクト方式の両方の測定を行うことができる。振動方式により測定を行う場合にはカンチレバーホルダ６に設けられた圧電素子７によりカンチレバー部３を共振周波数近傍で加振し探針４とサンプル１１を近接させたときのカンチレバー部３の振幅の減衰量が一定となるように垂直方向微動機構１２ｂにより距離制御を行いながら水平方向微動機構１２ａで走査を行うことでサンプル１１の表面の形状像の測定が可能となる。
【００３０】
また、コンタクト方式の測定の場合には、加振用の圧電素子７を振動させずにカンチレバー部３のたわみ量を検出して探針４とサンプル１１を近接させたときのたわみ量が一定となるように垂直方向微動機構１２ｂにより距離制御を行いながら水平方向微動機構１２ａで操作を行うことでサンプル１１の表面の形状像の測定が可能となる。
【００３１】
次に図２の模式図を参照して図１のカンチレバー２の探針４とサンプル１１の詳細な構造を説明する。図２（ａ）はカンチレバー部３の側面を長手方向に沿って見た図面である。また、図２（ｂ）はカンチレバー部３を探針４側から見た図面であり図２（ａ）の左側面図に相当する。
【００３２】
図２（ａ）では垂直な段差構造を持つサンプル１１を探針４で走査している様子が示されている。この例ではカンチレバー部３の長手方向に沿ってサンプル１１を図面に矢印で示したように右側から左側に水平方向微動機構１２ａで移動させることにより、サンプル表面の左側から右側に向かって探針４で走査が行われる。
【００３３】
図２（ａ）に示されるように、カンチレバー２は変位検出機構１０のレーザ光をフォトディテクタ９の方向に反射させるとともにカンチレバー２の末端部がサンプル１１に衝突しないようにするために走査面に対して１０°傾けて固定されている。
【００３４】
カンチレバー部３は長さ１６０μｍ、幅５０μｍ、厚さ４．６μｍである。探針４は高さ１１μｍの三角錐形状であり先端半径は１０ｎｍである。図２（ｂ）の方向から見た場合の中心に稜線のうちの１本４ｂがあり、残りの２本の稜線４ｃ、４ｄは図２（ｂ）の中心の稜線に対して対称な位置にある。また、三角錐は３つの側面４ｅ、４ｆ、４ｇで囲まれている。したがって図２（ａ）の配置において、探針４とサンプル１１を走査したときにサンプル上の凸部１１ａに対峙する探針４の側面４ｇが探針先端４ａを通りサンプル１１の表面に直交する垂線２０に対して探針先端４ａから探針末端４ｈ掛けてサンプル上の凸部１１ａ方向に広がるように垂線２０に対して角度θで傾斜している。
【００３５】
本実施形態では、図２（ａ）の方向から見たときの三角錐の頂角は３５°であり、走査面に対して１０°傾けて固定した状態なのでθは２５°である。
【００３６】
また、図２（ｂ）の方向から見た場合の稜線４ｂと４ｃ、４ｂと４ｄが成す角はそれぞれ１８°である。
【００３７】
ここで、図３の模式図を用いて図１に示す本実施形態と同一の装置とカンチレバーを使用し、カンチレバーを同一の配置にした場合の従来の走査方法を説明する。本実施形態では３軸ともサンプルが駆動されており図面中の矢印はサンプルの動作方向を示している。
【００３８】
図３では振動方式で探針４とサンプル１１の距離制御が行われる。本実施形態で使用されるカンチレバー部３の共振周波数３００ｋＨｚであり、探針４は加振用の圧電素子７により共振周波数より０．５ｋＨｚ程度低周波側の周波数で加振されている。このとき変位検出機構１０により振幅量の計測が行われる。探針先端４ａとサンプル１１が十分離れている場合の振幅量は１０ｎｍであり、振幅が１０％減衰して９ｎｍの振幅量になる位置で探針先端４ａとサンプル１１間の距離制御が行われる。サンプル１１は段差１μｍの垂直なエッジ１１ａを持ちガラス基板２１上にクロム２２により２μｍピッチのパターンを形成したライン・アンド・スペースのサンプルである。
【００３９】
測定に際しては図１の装置で、垂直方向微動機構１２ｂの動作範囲内で測定が可能な位置、好ましくはカンチレバー部３の振幅が１０％減衰する位置で垂直方向微動機構１２ｂの動作中心位置になるように粗動機構１３により探針４とサンプル１１が近接される。また測定は５０μｍ×５０μｍの領域をラスタスキャンする。したがって１ラインの測定長さＸはＸ＝５０μｍである。また、ライン方向の測定点数Ｐは２５６点で等間隔とした。すなわち測定点間の距離をΔｘとすると、Δｘ＝Ｘ／Ｐ＝１９５ｎｍである。
【００４０】
まず、図３（ａ）では走査を実施しておらず、垂直方向微動機構１２ｂに接続されるサーボ機構をＯＮすることで振幅が１０％減衰した位置まで探針４とサンプル１１が近接し、このときの垂直方向微動機構１２ｂの圧電素子に印加される電圧によりサンプル１１の高さが認識される。
【００４１】
図３（ｂ）では、垂直方向微動機構１２ｂのサーボ機構をＯＦＦにして探針４とサンプル１１を１０ｎｍだけ引き離す。今回の測定環境では探針４とサンプル１１が１０ｎｍ以上離れていれば探針先端４ａをサンプル１１の表面の吸着水層から離すことができる。
【００４２】
図３（ｃ）ではΔｘだけ水平方向微動機構１２ａによりサンプル１１を走査する。このとき、探針４とサンプル１１の衝突を監視するためにサーボ機構はＯＮの状態で走査が行われる。後述するように探針４とサンプル１１が衝突したときの衝撃をできるだけ小さくするために、水平方向微動機構１２ａの圧電素子にランプ波を印加することで等速走査が行われる。
【００４３】
図３（ｄ）では水平方向の走査をやめ、再び振幅が１０％減衰する位置まで探針とサンプルを近づけ、サンプル高さを認識する。
図３（ｅ）では図３（ｂ）と同様に再び１０ｎｍだけ探針４とサンプル１１を引き離す。
【００４４】
図３（ｆ）では図３（ｃ）と同様に水平方向微動機構１２ａによりサンプル１１を走査する。サンプルのエッジ部１１ａの高さは１μｍであり、探針４とサンプル１１の離間量１０ｎｍよりも高いため、走査の途中で探針４の側面にサンプルのエッジ部１１ａが衝突する。この衝突によりカンチレバー部３の振幅量が減少する。走査中はサーボ機構はＯＮの状態で振幅量は常に監視されているため走査中の振幅の減少により探針４とサンプル１１が接近したと判断し振幅が減衰したら瞬時に走査を中断する。
【００４５】
図３（ｇ）では衝突を検知し走査を中断した後、垂直方向微動機構１２ｂのサーボ機構をＯＦＦにして再び１０ｎｍだけ探針４とサンプル１１を離間させる。
図３（ｈ）垂直方向微動機構１２ｂのサーボ機構をＯＮにして図３（ｅ）の位置からΔｘの位置まで再び走査を行う。
【００４６】
図３（ｉ）水平方向の走査をやめ、再び振幅が１０％減衰する位置まで探針４とサンプル１１を近づけ、サンプル１１の高さを認識する。探針４を近づける場合には探針先端４ａよりも側面４ｇの方が先にサンプルのエッジ部１１ａが接触する。したがって段差部における形状像には探針４の側面のアーティファクトが入る。なお、このアーティファクトは探針４の形状をあらかじめ認識しておくか、測定の都度探針４の形状を測定する専用のサンプルで測定することで補正することができる。
【００４７】
図３（ｊ）垂直方向微動機構１２ｂのサーボをＯＦＦにして探針４を１０ｎｍ離間させる。
図３（ｋ）垂直方向微動機構１２ｂのサーボをＯＮにして再びΔｘだけ水平方向に走査する。
図３（ｌ）再び振幅が１０％減衰する位置まで探針４とサンプル１１を近づけ、サンプル１１の高さを認識する。
【００４８】
以下同様の動作を所定の走査点数まで繰り返すことで１ラインのサンプル１１の表面の形状像を測定することができる。１ラインの測定が終わったら次のラインに移り同様の動作で測定を行っていく。
【００４９】
ここで、図３（ｆ）のようにサンプルのエッジ部１１ａが探針４の側面４ｇから衝突する場合と、図３（ｉ）のように上下方向の動作中に探針側面４ｇとにサンプルのエッジ部１１ａが衝突する場合を比較すると、側面から当たる方が同じ振幅減衰量を得るのにより大きな力がかかる。また、図３（ｉ）の場合には上下方向に加振も行っているので衝突に伴う探針４とサンプル１１のダメージはわずかである。したがって先鋭化されている探針の先端４ａは側面からの衝突の衝撃で大きな力がかかり破損してしまう場合がある。探針の先端４ａが破損してしまうと正確な形状像測定ができなくなり分解能も低下してしまう。
【００５０】
また、万一側面からの衝突が行ったときに衝撃緩和のために水平方向の走査速度も遅くする必要があり測定に時間がかかってしまう。
【００５１】
衝突を完全に回避するためにはサンプル１１の最大段差以上（この例では１μｍ以上）の離間を行うとよいが、測定点で探針４とサンプル１１を接近させるのに時間がかかりトータルの測定時間が長くなってしまう。また、形状が未知のサンプルでは最大段差を認識することは不可能である。
【００５２】
ここで、図４の模式図を参照してサンプル１１の垂直な段差１１ａを超えるときの探針の側面４ｇからサンプルのエッジ部１１ａが衝突する場合の衝突回数を計算する。なお図４の矢印はスキャンに伴うサンプルの移動方向を示す。
【００５３】
サンプルのエッジ部１１ａの段差の高さをｈ、探針４とサンプル１１を走査したときにサンプル上の凸部（エッジ部）１１ａに対峙する探針の側面４ｇが探針先端４ａを通りサンプル１１の表面に直交する垂線２０に対して探針先端４ａから探針末端４ｈに掛けてサンプル上の凸部（エッジ部）１１ａ方向に広がるように垂線２０に対して角度θで傾斜させた場合に、探針側面４ｇに最初に衝突した位置から探針先端４ａまでの水平距離はｈ×ｔａｎθとなる。すなわち探針先端４ａが段差を越える間にｈ×ｔａｎθ／Δｘ回以上、探針側面４ｇとサンプルのエッジ部１１が衝突する。例えば、図３の例では、ｈ＝１μｍ、θ＝２５°、Δｘ＝１９５ｎｍなので約２．４回の衝突が起きてしまう。
【００５４】
これに対して本実施形態の動作原理を図５の模式図で説明する。本実施形態では離間量と水平走査速度以外の基本的な動作方法は図３で説明したものと同じであるため離間量の設定方法と水平走査速度以外の説明は省略する。また、図５においても３軸ともサンプル側が駆動され図中の矢印はスキャンに伴うサンプルの移動方向を示す。
【００５５】
図５において離間量をΔｈとした場合に、サンプルのエッジ部１１ａとサンプルの側面４ｇの間に隙間ができる。この隙間量はΔｈ×ｔａｎθである。したがって、測定点間の距離ΔｘをΔｈ×ｔａｎθ よりも小さくに設定すると、走査中に探針側面４ｇに側面からサンプルのエッジ部１１ａが衝突することが物理的に起きなくなる。
【００５６】
したがって、離間量の最適値は、Δｈ＞Δｘ／ｔａｎθの条件を満たすように設定すればよい。１ラインの長さＸと１ライン中での等間隔の測定点の数Ｐを指定する場合には、Δｈ＞（Ｘ/Ｐ）／ｔａｎθとなる。
【００５７】
θの値は、あらかじめ探針の種類ごとに代表値を設定しておくか、探針の頂角よりも小さい頂角を持つ探針形状測定用の専用サンプルをスキャンしたときの測定データや電子顕微鏡の観察データなどで測定の都度計測を行ってもよい。θの値を手動で入力する場合には、測定者があらかじめθの値が設定されたカンチレバーの種類を選択したり、測定前に探針形状測定用のサンプルを測定者が測定して制御装置にθの値を入力する。また、探針形状測定用のサンプルを測定前に自動測定を行ったり電子顕微鏡や光学顕微鏡における画像処理により制御装置に自動認識させることで制御装置が自動的にθの値を認識する。このように手動または自動で制御装置にθの値を認識させることで制御装置は自動的に離間量を設定する。
【００５８】
離間量が大きくなると測定時間が掛かってしまうので、上記の条件を満たす範囲でできるだけ離間量は小さいことが好ましい。また、探針の形状のばらつきや探針の形状を測定する場合の測定誤差、垂直方向微動機構や水平方向微動機構のヒステリシスやクリープに伴う動作量の誤差を考慮する場合には、安全のためΔｈ＞Δｘ／ｔａｎθを満たす範囲で若干余裕度を持たすことが好ましい。従来よりも高速走査を行うために離間量はサンプルの最大高さ未満で、さらに好ましくは Δｘ／ｔａｎθの１．２倍以下であることが好ましい。
【００５９】
本実施形態の場合には、Δｘ／ｔａｎθ＝４１９ｎｍであるので、１．２倍してΔｈ＝５０３ｎｍに設定をした。
【００６０】
また、図３で水平方向に走査行う場合には側面衝突の衝撃を少なくするためにランプ波を印加して等速走査を行ったが、本実施形態では側面衝突は物理的に起こりえないので、ステップ波で水平方向移動機構１２ｂを駆動し、測定時間の短縮をはかった。万一残留振動の静定時間が長い場合には従来よりも高速なランプ波駆動を行ってもよい。また任意の加速信号により駆動を行うこともできる。また水平走査中のサーボ動作は側面衝突の監視を行う必要がないのでＯＦＦしておくことができ、サーボ動作にかかっていた時間だけ測定時間を短くすることができる。
【００６１】
ここで、サンプル表面の垂線に対するサンプル側面の傾斜角θがθ＝２５°の場合の、１ラインの長さＸと１ライン中での等間隔の測定点の数ＰにおけるΔｈの閾値を表１に示す。離間量はこの表の値よりも大きい任意の値に設定するとよい。
【００６２】
【表１】
【００６３】
なお、本実施形態ではサンプルの最大高さが分からなくても表１を超える値に設定しておけば側面衝突は起こらないが、もし最大高さが分かっている場合で、表１の条件の最大高さを超えない場合には表１の値以下でも側面衝突は起きないので、この場合にはサンプルの最大高さ以上に設定しておけばよい。なお図２〜図５の模式図上ではサンプルを置いたときの傾きは簡略化のため記載していないが実際にはサンプルの最大高さはサンプルの傾きも考慮する必要がある。
【００６４】
また本実施形態ではサンプル１１を垂直な段差１１ａをもつサンプルとして一番厳しい条件を仮定したが、サンプルの形状は任意のものが適用できる。
【００６５】
以上のように離間量を設定することで、サンプルが探針に側面衝突を行うことなく、探針やサンプルの損傷なしで、高速走査が可能となる。
【００６６】
＜第２の実施形態＞
図６は本発明の第２実施形態を示す探針４とサンプル１１の関係を示す模式図である。測定装置と探針の形状は第１の実施形態と同一のものを使用しており、図６は図２（ｂ）の方向と同一の方向からの図面である。また、図６の矢印もスキャンに伴うサンプルの移動方向を示す。
【００６７】
サンプル１１は第１の実施形態と同じく段差１μｍをもつパターンサンプルであり、第１実施形態がカンチレバーの長手方向に沿って走査したのに対して、本実施形態ではカンチレバーの長手に直交する方向に走査を行っている。またカンチレバーは長さ４００μｍと第１の実施形態よりも長くしてバネ定数の小さいものを使用し、探針４とサンプル１１間の距離制御方法はコンタクト方式を採用している。第１の実施形態が振幅の減衰量をもとに制御を行っているのに対して本実施形態ではたわみ量を設定して距離制御が行われる。
【００６８】
本実施形態の動作方法で離間量の最適化を行わずに走査する従来の走査方法を適用する場合にはカンチレバー部３のたわみ量の計測の他、長軸まわりのねじれ方向の計測も行っており、探針４にサンプル１１のエッジ部１１ａが側面からの衝突することを監視し、衝突が起こったときにはねじれを検出して離間動作が行われていた。その他の動作方法は図３で説明した動作方法と同じであるため詳細な説明は省略する。
【００６９】
本実施形態の探針４は探針先端４ａを通りサンプル１１の表面に直交する垂線に対する左右の稜線のなす角度がそれぞれ１８°で対称な形状をしている。また、探針４とサンプル１１を走査したときにサンプル上の凸部（エッジ部）１１ａが近づく側面の部位は第１の実施形態が三角錐の斜面4ｇであるのに対して、側面の稜線４ｄが最も先にサンプル１１ａに衝突する。
【００７０】
本実施形態では１ラインあたりの測定点数を１０２４ピクセルとし、２０μｍ×２０μｍの領域をラスタスキャンした。
【００７１】
この実施形態の場合はθ＝１８°であり、Ｘ＝２０μｍ、Ｐ＝１０２４であるので、Δｈ＞Δｘ／ｔａｎθ＝６１ｎｍの条件を満たすように離間量を設定した。安全のため１．２倍してΔｈ＝７３ｎｍとした。
【００７２】
ねじれ方向のバネ定数は、たわみ方向のバネ定数に対して大きい場合がほとんどであり、側面からの衝突の場合には大きな力が掛かり探針４やサンプル１１が破損するが、本実施形態のように離間量を設定することで側面４ｄからの衝突は物理的に起こらないので、ねじれの検出は不要で、探針４やサンプル１１が破損することなしに、走査時間を短縮することができる。
【００７３】
＜第３の実施形態＞
図７は本発明の第３の実施形態の探針４とサンプル１１の関係を示す模式図でありカンチレバー部３の側面を長手方向に沿って見た図面である。図７の矢印もスキャンに伴うサンプルの移動方向を示す。
【００７４】
本実施形態は図２に示す第１の実施形態のカンチレバーの先端部分にサンプル表面に垂直に長さＬのカーボンナノチューブ３０を設けたものである。その他の構成は第１実施形態と同じであるため詳細な説明は省略する。本実施形態では母材の探針４とカーボンナノチューブ３０を含めて探針部２５と定義することができる。
【００７５】
探針部２５とサンプル１１を走査したときにサンプル上の凸部１１ａに対峙する探針部２５の側面４ｇが２段の傾斜角を有している。このうち、カーボンナノチューブ３０は探針部の先端２５ａを通り、サンプル１１の表面に垂直な方向と平行な角度で取り付けられている。したがって探針先端２５ａを通りサンプル１１の表面に直交する垂線２０に対して探針先端２５ａから探針末端２５ｂに掛けてサンプル上の凸部１１ａ方向に広がるような傾斜角θを持つのは母材の探針部４の側面４ｇである。
【００７６】
このため本実施形態では離間量設定に影響する傾斜角θはカーボンナノチューブ３０が取り付く母材となるカンチレバーの探針４の角度であるθ＝２５°となる。
【００７７】
この場合の離間量は、カーボンナノチューブ３０の長さを考慮して、Δｈ＞Ｌ＋（Δｘ／ｔａｎθ）を満たすように設定する。本実施形態ではＬ＝２００ｎｍのカーボンナノチューブを取り付け、１００μｍの領域を５１２ピクセルで走査したので、表１よりΔｈ＞２００＋４１９＝６１９ｎｍの条件を満たすとよく、安全のため１．２倍してΔｈ＝７４３ｎｍとした。
【００７８】
＜第４の実施形態＞
図８は本発明の第４の実施形態の探針とサンプルの関係を示す模式図でありカンチレバーの側面を長手方向に沿って見た図面である。図８の矢印もスキャンに伴うサンプルの移動方向を示す。
【００７９】
本実施形態は図２に示す第１の実施形態のカンチレバーの先端部分４ａに長さＬ１のカーボンナノチューブ３１が斜めに取り付けられた場合である。その他の構成やサンプル１１の形状や走査方向は第１、第３の実施形態と同じであるため詳細な説明は省略する。本実施形態でも母材となる探針４とカーボンナノチューブ３１が一体となって探針部２６を形成する。
【００８０】
本実施形態では、電子顕微鏡による計測や垂直なエッジを持つ探針形状測定サンプルによりカーボンナノチューブ３１の取付角を計測する。
【００８１】
このときサンプル１１の表面に垂直な垂線２０に対して長さＬ１のカーボンナノチューブθ２の角度で取り付いているとすると、垂線に沿ったカーボンナノチューブ３１の高さＬはＬ＝Ｌ１ｃｏｓθ２である。
【００８２】
探針部２６とサンプル１１を走査したときにサンプル１１の凸部（エッジ部）１１ａが近づく側の探針部２６の側面は、探針先端２６ａを通りサンプル表面１１に直交する垂線２０に対して探針先端２６ａから探針末端２６ｂ掛けてサンプル１１の凸部（エッジ部）１１ａ方向に広がるように垂線２０に対して２段のテーパを持つ。
【００８３】
このうち母材となる探針４側が垂線と成す角θ１としカーボンチューブ３１の取付角をθ２としたときに、θ１＞θ２であれば探針２６の側面との衝突を回避するためには、探針２６を離間させたときに探針２６の側面とエッジ部１１ａの水平方向の間隔は角度が大きい方が狭くなるので、離間量の設定には角度の大きい母材となる探針側の側面４ｇが依存するためカーボンナノチューブ３１の垂線に沿った高さを考慮して離間量を Δｈ＞Ｌ１ｃｏｓθ２＋（Δｘ／ｔａｎθ１）の条件を満たすように離間量を設定する。本実施形態ではθ１＝２５°の探針にＬ＝２００ｎｍのカーボンナノチューブをθ２＝１０ °で取り付け、１００μｍの領域を５１２ピクセルで走査したので、Δｈ＞６１６ｎｍの条件を満たすように離間量を設定する。今回も余裕度を見て１．２倍しΔｈ＝７４０ｎｍに設定した。
【００８４】
なお、θ１≦θ２の場合には探針２６のサンプル１１の凸部（エッジ部）１１ａ方向のテーパ角のうち最先端部のカーボンナノチューブの角度が大きくなるためΔｈ＞Δｘ／ｔａｎθ２を満たすように高さを設定する。例えばθ１＝２５°の探針にθ２＝３０°で図８と同じ長さのカーボンナノチューブが取り付けられていて、測定領域と測定点数が同じ場合には、Δｈ＞３３９ｎｍを満たせばよい。
【００８５】
以上、本発明の走査型プローブ顕微鏡について説明したが、本発明は上記の発明に限定されず、さまざまな形態に用いることができる。
【００８６】
探針やカンチレバーの形状は任意のものが適用可能である。例えばカンチレバーは短冊型の他上面視トライアングル形状のものも使用できる。また探針はサンプル上の凸部に対峙する探針の側面が探針先端を通るサンプル表面への垂線に対して探針先端から前記探針末端掛けてサンプル上の凸部の方向に広がるように傾斜角を持てば、三角錐の以外でも円錐や四角錘など任意の形状のものが適用できる。材質もシリコンに限定されるシリコンナイトライドやダイヤモンド、ガラスなど様々な材質のものに適用できる。また探針のテーパ角が多段になっていてもよい。多段の場合の離間量の設定方法は第４の実施形態で説明したカーボンナノチューブが斜めに取り付けられている場合と同じ考え方ができる。例えば根元側の角度がθ１先端側の角度がθ２の２段のテーパの場合には、先端側の角度θ２が根元側の角度θ１以上の場合θ１≦θ２には、先端が垂線となす角度のみを考慮すればよくΔｈ＞Δｘ／ｔａｎθ２の条件を満たすように離間量を設定する。また、先端側の角度θ２が根元側θ１に比べて小さい場合には、離間量は先端側の垂線に沿った高さＬをするとΔｈ＞Ｌ＋（Δｘ／ｔａｎθ１）に設定する。このように多段のテーパを持つ探針はカーボンナノチューブを取り付けた探針の他にも、シリコン製の探針の先端をエッチングにより先鋭化した探針などにも適用される。
【００８７】
また装置構成や３軸微動機構の動作原理も円筒型圧電素子に限定されす、積層型圧電素子と並行バネや変位拡大機構を組み合わせたステージや、電磁モータやボイスコイルモータで動作するメカニカルステージなど任意のものが適用可能である。３軸微動機構の配置もサンプル側に限定されず探針側に３軸微動機構を設けてもよいし、探針とサンプル側に分割して設けてもよい。また、水平方向微動機構は１軸のみで構成してもよい。カンチレバーの変位検出方法も光てこ法の以外にもカンチレバーに抵抗体を設けて抵抗値の変化により変位を検出する自己検知方式も使用できる。またスキャン方法もラスタスキャンに限定されず、１ラインのみのスキャンやスキャン方向での探針の傾斜角が分かれば自由曲線のスキャンも可能である。水平走査や垂直動作の方法も任意の方法が適用可能である。
【００８８】
また、本発明は走査型プローブ顕微鏡の形状像測定に限定されず、粘弾性測定、電気特性、摩擦力、磁気力、光学特性などさまざまな物性測定にも適用される。
【００８９】
さらに本発明は走査型プローブ顕微鏡に限定されず、例えばダイヤモンド探針を使用して差動トランスにより測定力を制御しながら表面の走査を行う表面粗さ計や、段差計、３次元測定器などの接触式の表面性状測定装置全般に適用できる。
【符号の説明】
【００９０】
１ 走査型プローブ顕微鏡
２ カンチレバー
３ カンチレバー部
４ 探針
４ａ 探針先端部
４ｂ、４ｃ、４ｄ 探針の稜線
４ｅ、４ｆ、４ｇ 探針の側面
４ｈ 探針の末端部
５ カンチレバーの基端部
６ カンチレバーホルダ
７ 加振用圧電素子
８ レーザ
９ フォトディテクタ
１０ 変位検出機構
１１ サンプル
１１ａ サンプルのエッジ部
１２ ３軸微動機構
１２ａ 水平方向微動機構
１２ｂ 垂直方向微動機構
１３ 粗動機構
２０ 垂線
２１ ガラス基板
２２ クロム薄膜
２５、２６ 探針部
２５ａ、２６ａ 探針先端部
２５ｂ、２６ｂ 探針末端部
３０、３１ カーボンナノチューブ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
探針先端をサンプル表面に対向するように配置し、任意の測定点において前記探針と前記サンプルを近接または接触させて測定データを取得した後、前記探針と前記サンプルを離間させ、次の測定点に前記探針と前記サンプルを相対的に走査して、再び前記探針と前記サンプルを近接または接触させて測定データを取得する動作を繰り返しながら複数の測定点でサンプル表面の形状または物性を計測する表面性状測定装置の走査方法において、
前記探針と前記サンプルを走査したときに前記サンプル上の凸部に対峙する前記探針の側面を前記探針先端を通る前記サンプル表面への垂線に対して前記探針先端から前記探針末端にかけて前記サンプル上の凸部方向に広がるように前記垂線に対して任意の角度θで傾斜させ、測定点間の距離をΔｘ、前記探針と前記サンプルの離間量をΔｈとした場合に、
Δｈ＞Δｘ／ｔａｎθ
の条件を満たすように前記探針と前記サンプルの離間量を設定することを特徴とする表面性状測定装置の走査方法。
【請求項２】
探針先端をサンプル表面に対向するように配置し、任意の測定点において前記探針と前記サンプルを近接または接触させて測定データを取得した後、前記探針と前記サンプルを離間させ、次の測定点に前記探針と前記サンプルを相対的に走査して、再び前記探針と前記サンプルを近接または接触させて測定データを取得する動作を繰り返しながら複数の測定点でサンプル表面の形状または物性を計測する表面性状測定装置の走査方法において、
前記探針と前記サンプルを走査したときに前記サンプル上の凸部に対峙する前記探針の側面が多段の傾斜角を有し、少なくとも１段以上の傾斜角が前記探針先端を通る前記サンプル表面への垂線に対して前記探針先端から前記探針末端かけて前記サンプル上の凸部方向に広がるように前記垂線に対して任意の角度で傾斜し、前記垂線に対する前記傾斜角のうち最も大きな角度をθMAXとし、θMAXが前記探針の最先端部の角度ではない場合には、前記最大傾斜角を持つ部分よりも先端側の前記垂線に沿った探針の高さをＬ、測定点間の距離をΔｘ、前記探針と前記サンプルの離間量をΔｈとした場合に、
Δｈ＞Ｌ＋Δｘ／ｔａｎθMAX
の条件を満し、
θMAXが前記探針の最先端部の角度の場合にはΔｈ＞Δｘ／ｔａｎθMAXの条件を満たすように前記探針と前記サンプルの離間量を設定することを特徴とする表面性状測定装置の走査方法。
【請求項３】
前記走査が直線上の走査を含む場合に、１ラインの長さＸと１ライン中での等間隔の測定点の数Ｐを指定して、前期測定点間の距離Δｘ＝Ｘ／Ｐを求め、前記探針と前記サンプルの離間量を設定することを特徴とする請求項１または２に記載の表面性状測定装置の走査方法。
【請求項４】
前記探針とサンプルの離間量が、測定領域におけるサンプル表面の最大高さ未満である請求項１乃至請求項３のいずれか1項に記載の表面性状測定装置の走査方法。
【請求項５】
前記探針とサンプルの離間量が、Δｘ／ｔａｎθまたはＬ＋Δｘ／ｔａｎθMAXまたはΔｘ／ｔａｎθMAXの１．２倍以下である請求項１乃至請求項４のいずれか1項に記載の表面形状測定装置に走査方法。
【請求項６】
前記探針と前記サンプルを相対的に移動させる制御装置を備え、前記傾斜角θまたは前記θMAXと前記測定点間の距離Δｘを含む情報を前記制御装置に入力または自動認識させることで、前記制御装置が前記探針と前記サンプルの離間量を自動的に設定するように構成された、請求項１乃至請求項５のいずれか1項に記載の走査方法により動作する表面形状測定装置。
【請求項１】
探針先端をサンプル表面に対向するように配置し、任意の測定点において前記探針と前記サンプルを近接または接触させて測定データを取得した後、前記探針と前記サンプルを離間させ、次の測定点に前記探針と前記サンプルを相対的に走査して、再び前記探針と前記サンプルを近接または接触させて測定データを取得する動作を繰り返しながら複数の測定点でサンプル表面の形状または物性を計測する表面性状測定装置の走査方法において、
前記探針と前記サンプルを走査したときに前記サンプル上の凸部に対峙する前記探針の側面を前記探針先端を通る前記サンプル表面への垂線に対して前記探針先端から前記探針末端にかけて前記サンプル上の凸部方向に広がるように前記垂線に対して任意の角度θで傾斜させ、測定点間の距離をΔｘ、前記探針と前記サンプルの離間量をΔｈとした場合に、
Δｈ＞Δｘ／ｔａｎθ
の条件を満たすように前記探針と前記サンプルの離間量を設定することを特徴とする表面性状測定装置の走査方法。
【請求項２】
探針先端をサンプル表面に対向するように配置し、任意の測定点において前記探針と前記サンプルを近接または接触させて測定データを取得した後、前記探針と前記サンプルを離間させ、次の測定点に前記探針と前記サンプルを相対的に走査して、再び前記探針と前記サンプルを近接または接触させて測定データを取得する動作を繰り返しながら複数の測定点でサンプル表面の形状または物性を計測する表面性状測定装置の走査方法において、
前記探針と前記サンプルを走査したときに前記サンプル上の凸部に対峙する前記探針の側面が多段の傾斜角を有し、少なくとも１段以上の傾斜角が前記探針先端を通る前記サンプル表面への垂線に対して前記探針先端から前記探針末端かけて前記サンプル上の凸部方向に広がるように前記垂線に対して任意の角度で傾斜し、前記垂線に対する前記傾斜角のうち最も大きな角度をθMAXとし、θMAXが前記探針の最先端部の角度ではない場合には、前記最大傾斜角を持つ部分よりも先端側の前記垂線に沿った探針の高さをＬ、測定点間の距離をΔｘ、前記探針と前記サンプルの離間量をΔｈとした場合に、
Δｈ＞Ｌ＋Δｘ／ｔａｎθMAX
の条件を満し、
θMAXが前記探針の最先端部の角度の場合にはΔｈ＞Δｘ／ｔａｎθMAXの条件を満たすように前記探針と前記サンプルの離間量を設定することを特徴とする表面性状測定装置の走査方法。
【請求項３】
前記走査が直線上の走査を含む場合に、１ラインの長さＸと１ライン中での等間隔の測定点の数Ｐを指定して、前期測定点間の距離Δｘ＝Ｘ／Ｐを求め、前記探針と前記サンプルの離間量を設定することを特徴とする請求項１または２に記載の表面性状測定装置の走査方法。
【請求項４】
前記探針とサンプルの離間量が、測定領域におけるサンプル表面の最大高さ未満である請求項１乃至請求項３のいずれか1項に記載の表面性状測定装置の走査方法。
【請求項５】
前記探針とサンプルの離間量が、Δｘ／ｔａｎθまたはＬ＋Δｘ／ｔａｎθMAXまたはΔｘ／ｔａｎθMAXの１．２倍以下である請求項１乃至請求項４のいずれか1項に記載の表面形状測定装置に走査方法。
【請求項６】
前記探針と前記サンプルを相対的に移動させる制御装置を備え、前記傾斜角θまたは前記θMAXと前記測定点間の距離Δｘを含む情報を前記制御装置に入力または自動認識させることで、前記制御装置が前記探針と前記サンプルの離間量を自動的に設定するように構成された、請求項１乃至請求項５のいずれか1項に記載の走査方法により動作する表面形状測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
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【公開番号】特開２０１２−１６７９２８（Ｐ２０１２−１６７９２８Ａ）
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２６４５８（Ｐ２０１１−２６４５８）
【出願日】平成２３年２月９日（２０１１．２．９）
【出願人】（５０３４６０３２３）エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社 (330)
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月９日（２０１１．２．９）
【出願人】（５０３４６０３２３）エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社 (330)
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