走査型プローブ顕微鏡、試料表面形状の計測方法、及びプローブ装置
【解決課題】 軽装備な検出機構とすることにより、高精度に３次元的な形状を計測することができるようにする。
【解決手段】 走査型プローブ顕微鏡１０は、ＸＹ試料ステージ１４と、一端が走査機構２２に片持ち支持され、開放された他端には探針２４が固設されているカンチレバー１６と、カンチレバー１６をＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の各々へ移動させる圧電素子１８Ｘ、圧電素子１８Ｙ、圧電素子１８Ｚを備えた走査機構２２と、走査制御回路２０とを備えている。また、カンチレバー１６の片持ち支持されている側には、発振器２６からの高周波信号により駆動されてカンチレバー１６を加振する加振用圧電素子２８が固設され、また、カンチレバー１６には、自己検知型のセンサである歪み抵抗素子３０が埋め込まれている。
【解決手段】 走査型プローブ顕微鏡１０は、ＸＹ試料ステージ１４と、一端が走査機構２２に片持ち支持され、開放された他端には探針２４が固設されているカンチレバー１６と、カンチレバー１６をＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の各々へ移動させる圧電素子１８Ｘ、圧電素子１８Ｙ、圧電素子１８Ｚを備えた走査機構２２と、走査制御回路２０とを備えている。また、カンチレバー１６の片持ち支持されている側には、発振器２６からの高周波信号により駆動されてカンチレバー１６を加振する加振用圧電素子２８が固設され、また、カンチレバー１６には、自己検知型のセンサである歪み抵抗素子３０が埋め込まれている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料の３次元的な表面構造を計測する走査型プローブ顕微鏡、試料表面形状の計測方法、及びプローブ装置に係り、特に、片持ち張り（カンチレバー）を用いて試料の３次元的な表面構造を計測する走査型プローブ顕微鏡、試料表面形状の計測方法、及びプローブ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路の素子および配線の微細化技術においては、絶えず技術革新がなされ、その最小加工寸法は、１００ｎｍ以下にまで進展しており、その微細加工を支える技術は、エッチング技術である。エッチング技術により、半導体集積回路には、無数のトレンチ（深い溝）が形成され、また、アスペクト比（深さ／開口径）が大きなコンタクトホールが形成される。このようなトレンチやコンタクトホールの側壁は、ほとんど垂直に近い形状となる。
【０００３】
このような垂直な側壁が過剰エッチングされた場合には、側壁は、アンダカットやオーバハング構造になる。過剰エッチングは、アンダカットやオーバハング構造を素子構造として積極的に利用する場合を除き、エッチング工程の不良または不安定性の目安となる。そこで、アンダカットやオーバハング構造の有無または程度を観察すれば、エッチング工程の安定性をモニタすることができる。
【０００４】
ところが、アンダカットやオーバハング構造の断面構造は、試料の上方から探針を差し込む従来の走査型プローブ顕微鏡では、観察することができなかった。もし、観察しようとする場合には、例えば、ＦＩＢ（Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ）装置により断面を切り出した上で、走査型電子顕微鏡でその断面を観察する必要があった。しかし、この方法は、試料を破壊して観察する方法であるため、製造工程をモニタする目的には適用できなかった。そこで、走査型プローブ顕微鏡を、アンダカット構造部分の計測を可能なものとする必要があった。
【０００５】
試料のアンダカット構造部分を観察可能にした走査型プローブ顕微鏡として、探針または試料を傾斜させて、相対的に傾斜を緩くし、探針を試料表面に接触またはほとんど接触した状態で、試料表面に平行な方向に走査しながら、試料表面の位置を計測する走査型プローブ顕微鏡が知られている（特許文献１、２）。
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１及び特許文献２に記載の走査型プローブ顕微鏡では、探針を試料表面に接触またはほとんど接触した状態で試料表面を走査した場合、走査方向に対して急峻な山や溝の登り斜面があると、探針と試料表面の間に大きな摩擦が生じ、その摩擦のために探針の先端が撓んだり、滑ったりする現象が見られた。そのため、そのとき計測された試料表面の位置情報は、誤差が大きいものにならざるを得なかった。また、摩擦の撓みのため、探針が折損するようなこともしばしばあった。
【０００７】
そこで、計測誤差が大きくなったり、探針が折損したりする欠点を改善した走査型プローブ顕微鏡として、試料の表面に沿った平面内での探針の走査は試料の表面から離れた位置で行い、その位置から探針を試料表面に接近させ、カンチレバーにレーザビームを射出し、反射されたレーザビームを検出することにより、試料の表面位置を計測する走査型プローブ顕微鏡が知られている（特許文献３）。
【特許文献１】特開２０００−９７８４０
【特許文献２】特開２０００−２７５２６０
【特許文献３】特開２００３−２２７７８８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記特許文献３に記載の走査型プローブ顕微鏡では、光てこ方式検出法が使用されており、半導体レーザや位置検出器を備えているため、装置が大きくなり、また、装置が重くなるため、探針又は試料を傾斜させる場合に、探針と試料とのなす角を制御することが難しい、という問題がある。
【０００９】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、軽装備な検出機構とすることにより、高精度に３次元的な形状を計測することができる走査型プローブ顕微鏡、試料表面形状の計測方法、及びプローブ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するために第１の発明に係る走査型プローブ顕微鏡は、先鋭化した探針を用いた走査型プローブ顕微鏡であって、計測対象の試料を載置する試料ステージと、前記試料ステージの上面に対して平行なＸＹ平面内でＸ方向及びＹ方向に移動可能であり、かつ、前記試料ステージの上面に対して接近又は後退するＺ方向に移動可能なＸＹＺ方向移動部材と、前記探針を前記試料の表面に対して傾斜させる傾斜手段と、前記ＸＹＺ方向移動部材又は該ＸＹＺ方向移動部材に相対する固定部材に基端が固定され、かつ、先端部に前記探針が設けられたカンチレバーと、前記カンチレバーの偏位を検出するように前記カンチレバーに設けられたセンサと、前記センサで検出された偏位に基づいて、前記探針と前記試料の表面との間の原子間力を検出する検出手段とを含んで構成されている。
【００１１】
なお、ＸＹＺ方向移動部材は、Ｘ方向に移動可能な部材と、Ｙ方向に移動可能な部材と、Ｚ方向に移動可能な部材とによって構成されていてもよく、また、隣接して設置されていなくてもよい。
【００１２】
第１の発明に係る走査型プローブ顕微鏡によれば、傾斜手段によって、カンチレバーの探針を試料の表面に対して傾斜させ、ＸＹＺ方向移動部材が試料ステージの上面に対して接近又は後退するＺ方向に移動することにより、カンチレバーの探針を試料ステージの上面に対して接近させる。そして、カンチレバーに設けられたセンサによって、カンチレバーの偏位を検出し、検出された偏位に基づいて、探針と試料の表面との間の原子間力を検出する。
【００１３】
この検出された原子間力に基づいて、探針と試料の表面との距離が求められ、ＸＹ方向移動部材が試料ステージの上面に対して平行なＸＹ平面内でＸ方向及びＹ方向に移動することにより、試料の表面形状が計測される。
【００１４】
従って、カンチレバーの探針を傾斜させて、カンチレバーに設けられたセンサで検出された偏位に基づいて、探針と試料の表面との間の原子間力を検出することにより、軽装備な検出機構で、高精度に３次元的な試料の表面形状を計測することができる。
【００１５】
第２の発明に係る走査型プローブ顕微鏡は、先鋭化した探針を用いた走査型プローブ顕微鏡であって、計測対象の試料を載置する試料ステージと、前記試料ステージの上面に対して平行なＸＹ平面内でＸ方向及びＹ方向に移動可能なＸＹ方向移動部材と、前記ＸＹ方向移動部材に対して傾斜可能に取り付けられ、かつ、前記試料ステージの上面に対して接近又は後退するＺ方向に移動可能なＺ方向移動部材と、前記Ｚ方向移動部材又は該Ｚ方向移動部材に相対する固定部材に基端が固定され、かつ、先端部に前記探針が設けられたカンチレバーと、前記カンチレバーを加振する加振手段と、前記カンチレバーの偏位又は振動状態を検出するように前記カンチレバーに設けられたセンサと、前記センサで検出された偏位又は振動状態の変化に基づいて、前記探針と前記試料の表面との間の原子間力を検出する検出手段とを含んで構成されている。
【００１６】
第２の発明に係る走査型プローブ顕微鏡によれば、Ｚ方向移動部材がＸＹ方向移動部材に対して傾斜することにより、カンチレバーの探針を傾斜させ、Ｚ方向移動部材が試料ステージの上面に対して接近又は後退するＺ方向に移動することにより、カンチレバーの探針を試料ステージの上面に対して接近させる。そして、カンチレバーに設けられたセンサによってカンチレバーの偏位又は振動状態を検出し、検出手段によって、センサで検出された偏位又は振動状態の変化に基づいて、探針と試料の表面との間の原子間力を検出する。
【００１７】
この検出された原子間力に基づいて、探針と試料の表面との距離が求められ、ＸＹ方向移動部材が試料ステージの上面に対して平行なＸＹ平面内でＸ方向及びＹ方向に移動することにより、試料の表面形状が計測される。
【００１８】
従って、カンチレバーの探針を傾斜させて、カンチレバーに設けられたセンサで検出された偏位又は振動状態の変化に基づいて、探針と試料の表面との間の原子間力を検出することにより、軽装備な検出機構で、高精度に３次元的な試料の表面形状を計測することができる。
【００１９】
第２の発明に係るＺ方向移動部材の基端を、ＸＹ方向移動部材と探針との間に想定した仮想点を中心とする円弧に沿って移動可能にＸＹ方向移動部材に取り付けることにより、Ｚ方向移動部材をＸＹ方向移動部材に対して傾斜可能とすることができる。これにより、Ｚ方向移動部材をＸＹ方向移動部材に対して傾斜して、Ｚ方向を傾斜させ、Ｚ方向移動部材が移動することにより、傾斜したＺ方向への探針の走査を容易に行うことができる。
【００２０】
また、探針の長さ方向とＺ方向とを一致させるか又は平行にさせると、Ｚ方向移動部材を独立に移動させ易くなる。
【００２１】
また、第３の発明に係る走査型プローブ顕微鏡は、先鋭化した探針を用いた走査型プローブ顕微鏡であって、計測対象の試料を載置する試料ステージと、前記試料ステージの上面に対して平行なＸＹ平面内でＸ方向及びＹ方向に移動可能なＸＹ方向移動部材と、前記試料ステージの上面に対して接近又は後退するＺ方向に移動可能に、前記ＸＹ方向移動部材に取り付けられたＺ方向移動部材と、前記Ｚ方向移動部材に対して傾斜可能に取り付けられた傾斜部材と、前記傾斜部材に基端が固定され、かつ、先端部に前記探針が設けられたカンチレバーと、前記カンチレバーを加振する加振手段と、前記カンチレバーの偏位又は振動状態を検出するように前記カンチレバーに設けられたセンサと、前記センサで検出された偏位又は振動状態の変化に基づいて、前記探針と前記試料の表面との間の原子間力を検出する検出手段とを含んで構成されている。
【００２２】
第３の発明に係る走査型プローブ顕微鏡によれば、傾斜部材がＸＹ方向移動部材に対して傾斜することにより、カンチレバーの探針を傾斜させ、Ｚ方向移動部材が試料ステージの上面に対して接近するＺ方向に移動することにより、カンチレバーの探針を試料ステージの上面に対して接近させる。そして、カンチレバーに設けられたセンサによってカンチレバーの偏位又は振動状態を検出し、検出手段によって、センサで検出された偏位又は振動状態の変化に基づいて、探針と試料の表面との間の原子間力を検出する。
【００２３】
この検出された原子間力に基づいて、探針と試料の表面との距離が求められ、ＸＹ方向移動部材が試料ステージの上面に対して平行なＸＹ平面内でＸ方向及びＹ方向に移動することにより、試料の表面形状が計測される。
【００２４】
従って、カンチレバーの探針を傾斜させて、カンチレバーに設けられたセンサで検出された偏位又は振動状態の変化に基づいて、探針と試料の表面との間の原子間力を検出することにより、軽装備な検出機構で、高精度に３次元的な試料の表面形状を計測することができる。
【００２５】
また、第３の発明に係る傾斜部材の基端を、Ｚ方向移動部材と探針との間に想定した仮想点を中心とする円弧に沿って移動可能にＺ方向移動部材に取り付けることにより、傾斜部材をＺ方向移動部材に対して傾斜可能とすることができる。
【００２６】
また、上記の仮想点を、前記探針の先端に想定することができる。これにより、Ｚ方向移動部材がＸＹ方向移動部材に対して傾斜しても、探針の先端の位置が変化しないため、探針の位置あわせが容易かつ正確に行うことができる。
【００２７】
また、上記のセンサを、カンチレバーの偏位又は振動に応じて抵抗が変化する歪み抵抗素子、カンチレバーの偏位又は振動に応じて静電容量が変換する静電容量素子、又はカンチレバーの偏位又は振動に応じて電圧を発生する圧電素子あるいは電磁誘導素子を含んで構成することができる。これにより、カンチレバーの偏位又は振動状態を検出するための機構を軽装備とすることができる。
【００２８】
上記の検出手段は、探針と試料の表面との間に引力が作用する引力領域における原子間力を検出することができる。引力領域における原子間力を検出することにより、探針と試料の表面とが接触しないため、探針が破損したり、試料に当接して滑ったりすることを防止することができる。
【００２９】
また、第４の発明に係る試料表面形状の計測方法は、第２の発明に係る走査型プローブ顕微鏡における試料表面形状の計測方法であって、前記ＸＹ方向移動部材がＸ方向及びＹ方向に所定の初期位置から所定の微小距離ずつ移動しては停止し、そのＸ方向及びＹ方向への移動が停止する各位置において、そのＸ方向及びＹ方向への移動を停止したまま、前記Ｚ方向移動部材を前記試料ステージの上面に対して接近する方向に移動することにより前記試料の表面の形状の計測を行い、前記計測が終了すると、前記Ｚ方向移動部材を前記試料ステージの上面に対して後退する方向に移動することを特徴としている。
【００３０】
また、第４の発明に係る試料表面形状の計測方法は、ＸＹ方向移動部材に対して、Ｚ方向移動部材が所定の角度だけ傾斜して、試料の表面の形状の計測を行って表面形状データを生成し、所定の角度毎に生成された表面形状データを合成することにより、合成形状データを生成することができる。これにより、所定の角度毎に生成された表面形状データを合成するので、試料の表面形状をより正確に計測することができる。
【００３１】
また、第５の発明に係る試料表面形状の計測方法は、第３の発明に係る走査型プローブ顕微鏡における試料表面形状の計測方法であって、前記ＸＹ方向移動部材がＸ方向及びＹ方向に所定の初期位置から所定の微小距離ずつ移動しては停止し、前記傾斜部材が前記Ｚ方向移動部材に対して傾斜している場合に、そのＸ方向及びＹ方向への移動が停止する各位置において、前記ＸＹ方向移動部材がＸ方向及びＹ方向へ移動しながら、前記Ｚ方向移動部材を前記試料ステージの上面に対して接近する方向に移動することにより前記試料の表面の形状の計測を行い、前記計測が終了すると、前記ＸＹ方向移動部材をＸ方向及びＹ方向へ移動しながら、前記Ｚ方向移動部材を前記試料ステージの上面に対して後退する方向に移動することを特徴としている。
【００３２】
また、第５の発明に係る試料表面形状の計測方法は、Ｚ方向移動部材に対して、傾斜部材が所定の角度だけ傾斜して、試料の表面の形状の計測を行って表面形状データを生成し、所定の角度毎に生成された表面形状データを合成することにより、合成形状データを生成することができる。これにより、所定の角度毎に生成された表面形状データを合成するので、試料の表面形状をより正確に計測することができる。
【００３３】
第６の発明に係るプローブ装置は、先鋭化した探針を用いたプローブ装置であって、計測対象の試料を載置する試料ステージと、前記試料ステージの上面に対して平行なＸＹ平面内でＸ方向及びＹ方向に移動可能であり、かつ、前記試料ステージの上面に対して接近又は後退するＺ方向に移動可能なＸＹＺ方向移動部材と、前記探針を前記試料の表面に対して傾斜させる傾斜手段と、前記ＸＹＺ方向移動部材又は該ＸＹＺ方向移動部材に相対する固定部材に基端が固定され、かつ、先端部に前記探針が設けられたカンチレバーと、 前記カンチレバーの偏位を検出するように前記カンチレバーに設けられたセンサと、前記センサで検出された偏位に基づいて、前記探針と前記試料の表面との間の原子間力を検出する検出手段とを含んで構成されている。
【００３４】
なお、プローブ装置とは、走査型プローブ顕微鏡以外で、探針を応用した装置である。
【発明の効果】
【００３５】
以上説明したように、本発明の走査型プローブ顕微鏡、試料表面形状の計測方法、及びプローブ装置によれば、カンチレバーの探針を傾斜させて、カンチレバーに設けられたセンサで検出された偏位に基づいて、探針と試料の表面との間の原子間力を検出することにより、軽装備な検出機構で、高精度に３次元的な試料の表面形状を計測することができる、という効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００３７】
図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る走査型プローブ顕微鏡１０は、計測対象の試料１２を上面に載置するための載置台であり、ＸＹ方向に粗く移動するＸＹ試料ステージ１４と、一端が後述する走査機構２２に片持ち支持され、開放された他端には探針２４が固設されているカンチレバー１６と、カンチレバー１６をＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の各々へ移動させる圧電素子１８Ｘ、圧電素子１８Ｙ、圧電素子１８Ｚを備えた走査機構２２と、ＸＹ試料ステージ１４の粗移動を制御するとともに、圧電素子１８Ｘ及び圧電素子１８Ｙを駆動する走査制御回路２０とを備えている。ここで、Ｘ方向及びＹ方向は、ＸＹ試料ステージ１４の上面（試料１２の表面）に対して平行なＸＹ平面内の方向であり、Ｚ方向は、探針２４をＸＹ試料ステージ１４の上面に対して接近又は後退する方向である。
【００３８】
また、カンチレバー１６の片持ち支持されている側には、図２に示すように、発振器２６からの高周波信号により駆動されてカンチレバー１６を加振する加振用圧電素子２８が固設されている。また、カンチレバー１６には、自己検知型のセンサである歪み抵抗素子３０が埋め込まれている。加振用圧電素子２８によりカンチレバー１６を厚み方向に振動させることにより、歪み抵抗素子３０の抵抗値が変化するため、この抵抗値の変化からカンチレバー１６の偏位又は振動状態を検出することができる。
【００３９】
歪み抵抗素子３０は、カンチレバー１６の所定の領域に半導体技術で一対の電極が形成されており、ボロン等の不純物原子を電極間にイオン打ち込みすることにより歪み抵抗が形成されて作成される。歪み抵抗の抵抗値は、２ｋΩ以下が望ましい。なお、カンチレバー１６は、シリコン基板で形成することが好ましいが、イオン打ち込みすることなく、電極を形成して歪み抵抗素子３０を貼着するようにしてもよい。
【００４０】
歪み抵抗素子３０の電極には、歪み抵抗素子３０の抵抗値の変化を検出するための検出回路３２が接続されている。検出回路３２は、歪み抵抗素子３０の電極が接続されたホイートストンブリッジを構成するブリッジ回路、及びブリッジ回路に電圧を印加する電源とを備えており、歪み抵抗素子３０の抵抗変化を電圧変化として検出し、検出した信号を出力する。また、図１に示すように、検出回路３２の出力および発振器２６の出力が入力され、後述するように、探針２４の振動状態に基づいて所定の周波数の振動振幅を検出するロックイン増幅器３４が検出回路３２に接続されている。
【００４１】
後述するサーボ回路３６及び走査制御回路２０を制御する制御部３８がロックイン増幅器３４に接続されており、また、制御部３８からの指示データに従って、圧電素子１８Ｚを駆動して探針２４のＺ方向の位置を制御するサーボ回路３６が設けられている。
【００４２】
制御部３８は、図示しない演算処理装置と、半導体メモリおよびディスク装置からなる記憶装置と、キーボードや液晶表示装置等の入出力装置とを備えたコンピュータであり、さらに、サーボ回路３６や走査制御回路２０とのインターフェースを備えている。そして、その記憶装置に記憶されたプログラムに従って、適宜、サーボ回路３６や走査制御回路２０を制御して、圧電素子１８Ｘ、１８Ｙ、１８Ｚを駆動させ、また、ＸＹ試料ステージ１４を走査させる。従って、制御部３８から探針２４の位置を遠隔走査することができる。また、ロックイン増幅器３４よって検出される信号を適宜ディジタルデータに変換して取り込み、記憶装置に記憶する。なお、制御部３８が他のコンピュータと接続され、他のコンピュータとの間でデータを送受信できるようにしてもよい。
【００４３】
次に、試料１２の表面を検出する原理について説明する。
【００４４】
本実施形態では、試料１２の表面の原子間力の勾配を計測することによって、試料１２の表面位置を検出する方法を利用する。原子間力の勾配によって試料１２の表面を検出する方法は、原子間力そのものによって試料１２の表面を検出する方法よりも、数桁小さな力で表面を検出することができるため、探針２４の負担が小さくなり、探針２４が撓んだり、滑ったりする現象を回避することができる。
【００４５】
図３に示すように、原子間力とカンチレバー１６の共振周波数の振幅とが関係していることから、原子間力の勾配は、カンチレバー１６の共振周波数の振幅が変化する現象を利用して求められる。そこで、発振器２６によってカンチレバー１６の共振周波数付近の周波の加振信号を出力し、その加振信号によって加振用圧電素子２８を駆動する。加振用圧電素子２８によりカンチレバー１６が加振され、Ｚ方向へ数ｎｍ〜数１０ｎｍ程度の振幅で振動する。なお、本実施の形態では、探針２４と試料１２の表面との間に引力が作用する引力領域における原子間力の勾配を求める。
【００４６】
このように、カンチレバー１６が振動している状態で、探針２４を試料１２の表面に接近させると、原子間力の勾配のために共振周波数の振幅が変化する。そのため、カンチレバー１６の振動振幅は、変化し、その変化した振動振幅はロックイン増幅器３４の出力から検出され、ロックイン増幅器３４の出力変化は、探針２４が受ける原子間力の勾配に相当している。そこで、この原子間力の勾配が所定の値に達したとき、探針２４が試料１２の表面から所定距離の位置に到達したと判断することができる。
【００４７】
図１において、ロックイン増幅器３４の出力は、制御部３８に入力される。制御部３８は、ロックイン増幅器３４から入力された信号が示す値と前回入力された信号との差をとり、その差を示す信号をサーボ回路３６へ入力する。そして、サーボ回路３６は、制御部３８からの入力と、制御部３８によって予め定められた値との差が０になるまで、圧電素子１８Ｚを駆動する。探針２４は、サーボ回路３６の出力が０になるまで、試料１２の表面に接近し、サーボ回路３６の出力が０になったとき、接近を停止し、探針２４から所定距離の位置を試料１２の表面位置と判定する。
【００４８】
なお、本実施の形態では、ロックイン増幅器３４から入力された値の変化量が所望の値、例えば０になったときに、接近を停止し、図３に示す振幅の変化量が０となる点に対応する距離（図３ではＤ１）を、探針２４からの試料１２までの距離とし、試料１２の表面位置を判定する。
【００４９】
次に、ロックイン増幅器を用いない検出方法について図９を用いて説明する。走査型プローブ顕微鏡４００は、検出回路３２から出力される偏位信号に基づいた制御方式、自励発振回路での共振周波数シフト信号に基づいた制御方式、及び共振周波数での振幅変動に基づいた制御方式を有する検出系となっている。
【００５０】
偏位信号に基づいた制御方式は、スイッチＳＷ１によって、加振用圧電素子２８に信号が入力されない状態に切り替え、スイッチＳＷ２によって、検出器３２からの偏位信号が制御回路３８及びサーボ回路３６に入力される状態に切り替え、原子間力制御を行う。この場合、原子間力については斥力領域の原子間力が用いられる。
【００５１】
共振周波数シフト信号に基づいた制御方式は、カンチレバー１６の共振周波数の変化による原子間力（あるいは原子間力の勾配）を検出する方式であり、スイッチＳＷ１によって、正帰還回路４０２から増幅信号が入力される状態に切り替え、スイッチＳＷ２によってＦ−Ｖ変換器４０４からの変換信号が制御回路３８及びサーボ回路３６に入力される状態に切り替える。これによって、カンチレバー１６は自励発振し、共振周波数の信号をＦ−Ｖ変換器４０４に入力し、その変換信号が制御回路３８及びサーボ回路３６に入力され、原子間力あるいは原子間力の力勾配が一定になるように制御される。この方式の場合、原子間力については引力領域の原子間力が用いられる。
【００５２】
振幅変動に基づいた制御方式では、スイッチＳＷ１によって、正帰還回路４０２から増幅信号が入力される状態に切り替え、スイッチＳＷ２によって整流回路４０６から振幅信号が制御回路３８及びサーボ回路３６に入力される状態に切り替える。正帰還回路４０２からの自励発振信号を整流して、振幅信号を出力し、制御回路３８及びサーボ回路３６によって原子間力が一定になるように制御される。この方式の場合、原子間力については斥力領域の原子間力が用いられる。このように、走査型プローブ顕微鏡４００によれば、色々な信号を利用することができる。
【００５３】
次に、探針２４を試料１２表面に接近または後退する方向を傾斜させる構成について図４を用いて説明する。
【００５４】
本実施形態においては、Ｘ方向軸およびＹ方向軸は、ＸＹ試料ステージ１４の上面（試料１２の表面）に対して平行なＸＹ平面内の方向に設定されるが、Ｚ方向軸は、探針２４がＸＹ試料ステージ１４の上面に接近又は後退する方向に設定される。従って、本実施形態における座標系は、必ずしも直交座標系であるわけではなく、また、試料１２の表面形状の計測を行うたびにＺ方向軸の方向が変わることもある。なお、ここでは、設定可能なＺ方向軸のうち特に探針２４の長さ方向に平行であり、かつ、探針２４の先端を通るＺ方向軸を探針移動Ｚ方向軸と呼ぶ。
【００５５】
走査機構２２には、探針２４のＸ方向およびＹ方向への走査を行う構造体で、図示しない走査型プローブ顕微鏡１０の筐体に吊設されたＸＹ走査体４２が設けられており、圧電素子１８Ｘ及び圧電素子１８ＹによりそれぞれＸ方向およびＹ方向へ移動させられ、また、ＸＹ走査体４２の下面断面は、ＸＹ走査体４２の下側に想定した仮想点を中心とする円弧になっている。また、走査機構２２には、ＸＹ走査体４２の下面断面の円弧に滑合するような円弧状断面の上面を有し、ＸＹ走査体４２の下面断面の円弧に沿ってスライド自在に吊設されているＺ走査支持体４４が設けられており、Ｚ走査支持体４４は、ＸＹ走査体４２の下面断面の円弧の中心である仮想点を不動点として傾斜させられる。
【００５６】
Ｚ走査支持体４４の下面が、ＸＹ走査体４２の下面断面の円弧が形成する円の直径方向に垂直な面になるように形成され、その下面に圧電素子１８Ｚおよびカンチレバー支持体４６が設けられ、圧電素子１８Ｚは、カンチレバー支持体４６をＺ走査支持体４４の下面に垂直な方向に移動させる。従って、このカンチレバー支持体４６が移動させられる方向がＺ方向となる。
【００５７】
カンチレバー１６の基端は、カンチレバー支持体４６に固設され、他端は開放端とされる。また、探針２４は、カンチレバー１６の開放端の試料１２表面に対向する面に固設される。このとき、カンチレバー１６は、探針２４の先端がＸＹ走査体４２の下面断面の円弧が形成する円の中心である仮想点に位置するような位置において、カンチレバー支持体４６に固設される。
【００５８】
以上のようにＸＹ走査体４２及びＺ走査支持体４４を構成し、さらに、Ｚ走査支持体４４に対しカンチレバー１６およびカンチレバー支持体４６を配置構成することにより、探針２４がＺ方向へ移動する方向、すなわち、探針移動Ｚ方向軸（図４で符号５０を付した一点鎖線）を、試料表面の法線方向（図４で符号５２を付した一点鎖線）に対し、角度θをもって傾斜させることができる。従って、探針２４を試料１２の斜め上方から試料１２表面へ接近させることができるので、アンダカット構造部分の表面形状の計測が可能となる。また、探針２４の先端を、探針移動Ｚ方向軸を傾斜させる中心点としているので、
傾斜角θを変えてもその先端の位置は変わらない。
【００５９】
また、ＸＹ走査体４２には、ＸＹ方向の平面内で少なくとも１８０度回転自在に吊設されているＸＹ走査回転体（図示省略）が設けられており、そのＸＹ走査回転体部分を自在に回転させることができる。また、Ｚ走査支持体４４がＸＹ走査回転体に吊設されていおり、カンチレバー支持体４６及びカンチレバー１６は、ＸＹ走査回転体の回転に伴って同時に回転され、カンチレバー１６を１８０度反転することができるようになっている。
【００６０】
次に、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡１０を用いた試料１２の表面形状の計測方法について説明する。
【００６１】
まず、探針移動Ｚ方向軸をＸＹ平面の法線方向にした場合の試料１２の表面形状の計測方法について図５（Ａ）を用いて説明する。まず、探針２４を、試料１２表面から所定に距離離間した初期位置に設定し、探針移動Ｚ方向軸をＸＹ面の法線方向に設定する。そして、初期位置から探針移動Ｚ方向軸に沿って探針２４を試料１２の表面に接近させる（Ｓ１）。この探針２４の移動は、サーボ回路３６によって駆動された圧電素子１８Ｚによって行われ、このとき、圧電素子１８Ｘおよび圧電素子１８Ｙは休止している。
【００６２】
ここで、発振器２６から加振信号が加振用圧電素子２８へ入力されると、カンチレバー１６が加振され、カンチレバー１６がカンチレバー１６の厚み方向に加振される。探針２４と試料１２の表面との間の原子間力の影響によって、カンチレバー１６の振動振幅が変化し、また、種々の振動モードが発生する。このときに歪み抵抗素子３０に引張り及び圧縮応力が発生し、歪み抵抗素子３０の抵抗が変化するため、歪み抵抗素子３０に一定電圧を印加していると電流がカンチレバー１６の振動に応じて変化する。この電流変化を検出回路３２のブリッジ回路で電圧変化として検出する。検出回路３２で検出された電圧変化は、ロックイン増幅器３４によって、発振器２６から入力される加振信号の周波数成分が増幅されて、位相が揃えられ、ロックイン増幅器３４でカンチレバー１６の共振周波数の振幅の変化が検出され、制御部３８へ入力される。
【００６３】
制御部３８では、ロックイン増幅器３４からの出力の変化量を算出し、サーボ回路３６へ出力する。そして、サーボ回路３６は、制御部３８からの出力を取りこみ、取りこんだ出力の値と制御部３８によって予め定められた値である０とを比較し、取りこんだ出力の値が０になると、探針２４と試料１２の表面との距離が所定の距離になったと判断し、圧電素子１８Ｚの駆動を停止する。
【００６４】
このサーボ回路３６による圧電素子１８Ｚの駆動が停止されたところで、探針２４が試料１２の表面との距離が所定距離の位置に達したと判定される。その表面位置は、そのときの探針２４の移動距離ΔＺによって求めることができる。図６に示すように、初期位置Ｐの座標が（Ｘ0，Ｚ0）で、試料１２の表面位置計測時の移動距離がΔＺであった場合には、表面位置Ｓの座標は、（Ｘ0，Ｚ0−ΔＺ）となる。
【００６５】
試料１２の表面位置の計測が終わると、探針２４を所定の距離後退させて（Ｓ２）、探針２４を圧電素子１８ＸによりＸ方向へΔＸだけ移動させる（Ｓ３）。そして、その移動後の位置を初期位置としてステップＳ１〜Ｓ３を所定の回数繰り返し行う。このようにして、Ｘ方向に走査された断面についての表面形状データを取得する。
【００６６】
次に、探針２４を最初の初期位置へ戻し、図５（Ｂ）に示すように、探針移動Ｚ方向軸をＸＹ平面の法線方向に対し所定の角度θ傾ける。そして、初期位置から探針２４を試料１２表面へ接近させて（Ｓ１１）、試料表面位置を計測する。このとき、初期位置Ｐの座標を（Ｘ0，Ｚ0）、探針２４の移動距離をΔＺ'とすると、表面位置Ｓ'の座標は、（Ｘ0＋ΔＺ'sinθ，Ｚ0−ΔＺ'＋cosθ）となる。
【００６７】
試料１２の表面位置の計測が終わると、探針２４を所定の距離後退させて（Ｓ1２）、探針を圧電素子１８ＸによりＸ方向へΔＸだけ移動させる（Ｓ1３）。そして、その移動後の位置を初期位置としてステップＳ１1〜Ｓ1３を所定の回数繰り返し行う。このようにして、探針移動Ｚ方向軸をＸＹ平面の法線方向に対し所定の角度θ傾けた場合について、Ｘ方向に走査された断面についての表面形状データを取得する。この場合、探針２４を斜め上方から試料１２表面へ接近させるので、図５（Ｂ）で、右側に開いた側壁のアンダカット構造部分の計測が可能となる。
【００６８】
さらに、カンチレバー１６の方向を反転させて、図５（Ｂ）と同様にして、表面形状データを取得する。この場合、探針移動Ｚ方向軸は、ＸＹ面の法線に対し、対称に反転した方向となる。従って、この場合には、左側に開いた側壁のアンダカット構造部分の計測が可能となる。
【００６９】
また、図１０に示すように、探針２４を動作させてもよい。図５及び図６に示したように、探針２４を接近又は後退させる際、Ｘ方向及びＹ方向の走査は停止状態であったが、この場合、測定時間が長くなる欠点がある。このため、図１０に示すように、探針２４を接近あるいは後退させながらＸ方向及びＹ方向の走査を行ってもよい。また、図１０のように、カンチレバー１６及び探針２４を振動させながら探針２４を接近又は後退させると、弱い原子間力で制御することができ、精度の高い計測が可能となる。このような探針２４の動作も本発明の範疇である。
【００７０】
以上のようにして、ＸＹ平面の法線方向に対する探針移動Ｚ方向軸の傾斜角度について、所定の角度毎に表面形状データを取得し、図６に示すように、白丸の点列のデータと黒丸の点列のデータというように、異なった点列のデータとして得られるが、それらのデータは、互いに補完し合うデータであり、それらを併合すると、より精密な表面形状データが得られる。本実施形態においては、探針移動Ｚ方向軸を傾けたり、カンチレバー１６の方向を反転させたりしても、探針２４の先端の位置は不動である。そのため、これらのデータの併合は、単に併合するだけでよい。
【００７１】
なお、探針移動Ｚ方向軸を傾けたり、カンチレバー１６の方向を反転させたりしたときに、機械的誤差のために探針先端位置がずれた場合には、異なった点列のデータによりそれぞれ表面形状データを作成し、パターンマッチングさせた上で、それらのデータを併合するようにする。
【００７２】
以上説明したように、本発明の第１の実施の形態に係る走査型プローブ顕微鏡によれば、カンチレバーの探針を傾斜させて、カンチレバーに設けられた歪み抵抗素子で検出された振動状態の変化に基づいて、探針と試料の表面との間の原子間力を検出することにより、軽装備な検出機構で、高精度に３次元的な試料の表面形状を計測することができる。
【００７３】
圧電素子１８Ｚ及びカンチレバー支持体がＸＹ方向走査体に対して傾斜して、Ｚ方向を傾斜させ、圧電素子１８Ｚが駆動し、カンチレバー支持体がＺ方向へ移動することにより、傾斜したＺ方向への探針の走査を容易に行うことができる。
【００７４】
ＸＹ走査体の下面断面の円弧の中心である仮想点を、探針の先端とすることにより、圧電素子１８Ｚ及びカンチレバー支持体が傾斜しても、探針の先端の位置が変化しないため、探針の位置あわせが容易かつ正確に行うことができる。
【００７５】
また、探針と試料の表面との間の引力領域における原子間力を検出することにより、探針と試料の表面とが接触しないため、探針が破損したり、試料に当接して滑ったりすることを防止することができる。
【００７６】
なお、上記では、走査型プローブ顕微鏡に本発明を適用した場合を例に説明したが、探針を用いて計測する他の装置であってもよい。
【００７７】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同一部分については、同一符号を付してその説明を省略する。
【００７８】
第２の実施の形態は、共振周波数の振幅の変化を検出するセンサとして第１の実施の形態の歪み抵抗素子に代えて、カンチレバーの振動に応じて静電容量が変化する静電容量素子を使用するものである。本実施の形態では、図７に示すように、カンチレバー１６と対向して平行になるように対向電極２０２がカンチレバー支持体４６に固定され、対向電極２０２によりカンチレバー１６との間に静電容量素子が構成されている。そして、カンチレバー１６及び対向電極２０２は、静電容量素子と共にホイーストンブリッジを構成するブリッジ回路を備えた検出回路３２に接続されている。これにより、カンチレバー１６が振動すると静電容量素子の静電容量が周期的に変化するため、検出回路３２のブリッジ回路によってカンチレバーの振動を検出し、振動信号を出力することができる。
【００７９】
第２の実施の形態によれば、検出回路から出力される振動信号から共振周波数の振幅の変化を検出し、この共振周波数の振幅の変化から第１の実施の形態と同様に、探針と試料の表面との間の原子間力を検出することができ、軽装備な検出機構で、高精度に３次元的な試料の表面形状を計測することができる。
【００８０】
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同一部分については、同一符号を付してその説明を省略する。
【００８１】
第３の実施の形態に係る走査型プローブ顕微鏡３１０は、傾斜する部分として第１の実施の形態の圧電素子１８Ｚ及びカンチレバー１６に代えて、カンチレバー１６のみ傾斜するように構成したものである。本実施の形態では、図８に示すように、圧電素子１８Ｚの駆動によって、探針２４を移動させる方向であるＺ方向と、探針２４の長さ方向とが一致しない点が第１の実施の形態と異なる。
【００８２】
第３の実施の形態に係る走査機構３２２には、探針２４のＸ方向およびＹ方向への走査を行う構造体で、図示しない走査型プローブ顕微鏡３１０の筐体に吊設されたＸＹ走査体３４２が設けられており、圧電素子１８Ｘ及び圧電素子１８ＹによりそれぞれＸ方向およびＹ方向へ移動させられる。また、ＸＹ走査体３４２の下面は、圧電素子１８ＺおよびＺ走査体３４４が設けられ、圧電素子１８Ｚは、Ｚ走査体３４４をＸＹ平面の法線方向に移動させる。Ｚ走査体３４４が移動させられる方向がＺ方向である。
【００８３】
また、Ｚ走査体３４４の下面断面は、Ｚ走査体３４４の下側に想定された仮想点を中心とする円弧になっており、走査機構３２２には、Ｚ走査体３４４の下面断面の円弧に滑合するような円弧状断面の上面を有し、Ｚ走査体３４４の下面断面の円弧に沿ってスライド自在に吊設されているＺ走査傾斜体３４６が設けられており、Ｚ走査傾斜体３４６は、Ｚ走査体３４４の下面断面の円弧が形成する円の中心である仮想点を不動点として傾斜させられる。
【００８４】
Ｚ走査傾斜体３４６の下面が、Ｚ走査体３４４の下面断面の円弧が形成する円の直径方向に垂直な面になるように形成され、その下面にカンチレバー支持体４６が設けられている。
【００８５】
そして、カンチレバー１６の基端は、カンチレバー支持体４６に固設され、他端は開放端とされ、探針２４は、カンチレバー１６の開放端の試料１２表面に対向する面に固設される。このとき、カンチレバー１６は、探針２４の先端がＺ走査体３４４の下面断面の円弧が形成する円の中心である仮想点に位置するような位置において、カンチレバー支持体４６に固設される。
【００８６】
次に、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡３１０を用いた試料１２の表面形状の計測方法について説明する。なお、探針２４の長さ方向に平行であり、かつ、探針２４の先端を通る方向軸を探針移動方向軸と呼ぶ。
【００８７】
まず、ＸＹ平面の法線方向に試料１２の表面形状を計測する場合は、上記の第１の実施の形態の計測方法と同様に計測する。
【００８８】
そして、Ｘ方向に走査された断面についての表面形状データを取得すると、探針２４を最初の初期位置へ戻し、探針移動方向軸をＸＹ平面の法線方向に対し所定の角度θ傾けて、初期位置から探針２４を試料１２表面へ接近させる。この探針２４の移動は、サーボ回路３６によって駆動された圧電素子１８Ｚと、走査制御回路２０によって駆動された圧電素子１８Ｘおよび圧電素子１８Ｙとによって行われる。従って、圧電素子１８Ｘ、１８Ｙ、１８Ｚが同時に駆動され、探針２４の移動の方向が、探針移動方向軸と一致するように、ＸＹ走査体３４２、Ｚ走査体３４４、Ｚ走査傾斜体３４６、カンチレバー１６が移動させられる。
【００８９】
そして、このサーボ回路３６による圧電素子１８Ｚの駆動が停止されたところで、圧電素子１８Ｘ、１８Ｙの駆動も停止し、探針２４が試料１２の表面位置に達したと判定され、試料１２の表面位置を計測する。試料１２の表面位置の計測が終わると、圧電素子１８Ｘ、１８Ｙ、１８Ｚを駆動させて探針２４を所定の距離後退させ、そして、探針を圧電素子１８ＸによりＸ方向へΔＸだけ移動させる。そして、その移動後の位置を初期位置として上記の処理を所定の回数繰り返し行う。このようにして、探針移動方向軸をＸＹ平面の法線方向に対し所定の角度θ傾けた場合について、Ｘ方向に走査された断面についての表面形状データを取得する。
【００９０】
さらに、カンチレバー１６の方向を反転させて、上記の処理と同様にして、表面形状データを取得する。この場合、探針移動方向軸は、ＸＹ面の法線に対し、対称に反転した方向となる。
【００９１】
以上のようにして、ＸＹ平面の法線方向に対する探針移動方向軸の傾斜角度について、所定の角度毎に表面形状データを取得し、それらの表面形状データを合成して、より精密な表面形状データを得る。
【００９２】
以上説明したように、第３の実施の形態に係る走査型プローブ顕微鏡によれば、カンチレバーの探針を傾斜させて、カンチレバーに設けられた歪み抵抗素子で検出された振動状態の変化に基づいて、探針と試料の表面との間の原子間力を検出することにより、軽装備な検出機構で、高精度に３次元的な試料の表面形状を計測することができる。
【００９３】
なお、上記の実施の形態では、本発明にかかるセンサとして、歪み抵抗素子または静電容量素子を用いた例について説明したが、圧電素子または電磁誘導素子等を用いるようにしてもよい。
【００９４】
また、探針を数ｍｍ以上離れた所から接近したり、その場所に退避したりすることが必要であり、この接近及び後退のための機構に関する説明は省略したが、通常使用されているモータ駆動、インチワーム駆動方式等を用いればよい。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る走査型プローブ顕微鏡の構成を示す機能ブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るカンチレバー、歪み圧電素子、検出回路、加振用圧電素子、及び発振器を示す概略図である。
【図３】原子間力と試料表面からの距離との関係を示すグラフと、カンチレバーの振動振幅と試料表面からの距離との関係を示すグラフである。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る走査型プローブ顕微鏡の走査機構の構成を示す概略図である。
【図５】試料表面形状計測時の探針の移動軌跡を示した図であり、（Ａ）は、探針移動Ｚ方向軸をＸＹ平面の法線方向とした場合の探針の移動軌跡を示した図であり、（Ｂ）は、探針移動Ｚ方向軸をＸＹ平面の法線方向に対して傾斜させた場合の探針の移動軌跡を示した図である。
【図６】探針移動Ｚ方向軸をＸＹ平面の法線方向とした場合、及び、探針移動Ｚ方向軸をＸＹ平面の法線方向に対して傾斜させた場合それぞれについて表面形状データの計算方法を説明するための図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係るカンチレバー、対向電極、及び検出回路を示す概略図である。
【図８】本発明の第３の実施の形態に係る走査型プローブ顕微鏡の走査機構の構成を示す概略図である。
【図９】本発明の原子間力あるいは原子間力勾配検出に関する検出形態を示す概略図である。
【図１０】試料表面形状計測時の探針の移動軌跡に関して探針の接近又は後退と同時にＸＹ走査を行う動作状態を示したイメージ図である。
【符号の説明】
【００９６】
１０、４００ 走査型プローブ顕微鏡
１２ 試料
１４ ＸＹ試料ステージ
１６ カンチレバー
１８Ｘ、１８Ｙ、１８Ｚ 圧電素子
２０ 走査制御回路
２２ 走査機構
２４ 探針
２６ 発振器
２８ 加振用圧電素子
３０ 歪み抵抗素子
３２ 検出回路
３４ ロックイン増幅器
３６ サーボ回路
３８ 制御部
４２ ＸＹ走査体
４４ Ｚ走査支持体
４６ カンチレバー支持体
２０２ 対向電極
３１０ 走査型プローブ顕微鏡
３２２ 走査機構
３４２ ＸＹ走査体
３４４ Ｚ走査体
３４６ Ｚ走査傾斜体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料の３次元的な表面構造を計測する走査型プローブ顕微鏡、試料表面形状の計測方法、及びプローブ装置に係り、特に、片持ち張り（カンチレバー）を用いて試料の３次元的な表面構造を計測する走査型プローブ顕微鏡、試料表面形状の計測方法、及びプローブ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路の素子および配線の微細化技術においては、絶えず技術革新がなされ、その最小加工寸法は、１００ｎｍ以下にまで進展しており、その微細加工を支える技術は、エッチング技術である。エッチング技術により、半導体集積回路には、無数のトレンチ（深い溝）が形成され、また、アスペクト比（深さ／開口径）が大きなコンタクトホールが形成される。このようなトレンチやコンタクトホールの側壁は、ほとんど垂直に近い形状となる。
【０００３】
このような垂直な側壁が過剰エッチングされた場合には、側壁は、アンダカットやオーバハング構造になる。過剰エッチングは、アンダカットやオーバハング構造を素子構造として積極的に利用する場合を除き、エッチング工程の不良または不安定性の目安となる。そこで、アンダカットやオーバハング構造の有無または程度を観察すれば、エッチング工程の安定性をモニタすることができる。
【０００４】
ところが、アンダカットやオーバハング構造の断面構造は、試料の上方から探針を差し込む従来の走査型プローブ顕微鏡では、観察することができなかった。もし、観察しようとする場合には、例えば、ＦＩＢ（Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ）装置により断面を切り出した上で、走査型電子顕微鏡でその断面を観察する必要があった。しかし、この方法は、試料を破壊して観察する方法であるため、製造工程をモニタする目的には適用できなかった。そこで、走査型プローブ顕微鏡を、アンダカット構造部分の計測を可能なものとする必要があった。
【０００５】
試料のアンダカット構造部分を観察可能にした走査型プローブ顕微鏡として、探針または試料を傾斜させて、相対的に傾斜を緩くし、探針を試料表面に接触またはほとんど接触した状態で、試料表面に平行な方向に走査しながら、試料表面の位置を計測する走査型プローブ顕微鏡が知られている（特許文献１、２）。
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１及び特許文献２に記載の走査型プローブ顕微鏡では、探針を試料表面に接触またはほとんど接触した状態で試料表面を走査した場合、走査方向に対して急峻な山や溝の登り斜面があると、探針と試料表面の間に大きな摩擦が生じ、その摩擦のために探針の先端が撓んだり、滑ったりする現象が見られた。そのため、そのとき計測された試料表面の位置情報は、誤差が大きいものにならざるを得なかった。また、摩擦の撓みのため、探針が折損するようなこともしばしばあった。
【０００７】
そこで、計測誤差が大きくなったり、探針が折損したりする欠点を改善した走査型プローブ顕微鏡として、試料の表面に沿った平面内での探針の走査は試料の表面から離れた位置で行い、その位置から探針を試料表面に接近させ、カンチレバーにレーザビームを射出し、反射されたレーザビームを検出することにより、試料の表面位置を計測する走査型プローブ顕微鏡が知られている（特許文献３）。
【特許文献１】特開２０００−９７８４０
【特許文献２】特開２０００−２７５２６０
【特許文献３】特開２００３−２２７７８８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記特許文献３に記載の走査型プローブ顕微鏡では、光てこ方式検出法が使用されており、半導体レーザや位置検出器を備えているため、装置が大きくなり、また、装置が重くなるため、探針又は試料を傾斜させる場合に、探針と試料とのなす角を制御することが難しい、という問題がある。
【０００９】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、軽装備な検出機構とすることにより、高精度に３次元的な形状を計測することができる走査型プローブ顕微鏡、試料表面形状の計測方法、及びプローブ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するために第１の発明に係る走査型プローブ顕微鏡は、先鋭化した探針を用いた走査型プローブ顕微鏡であって、計測対象の試料を載置する試料ステージと、前記試料ステージの上面に対して平行なＸＹ平面内でＸ方向及びＹ方向に移動可能であり、かつ、前記試料ステージの上面に対して接近又は後退するＺ方向に移動可能なＸＹＺ方向移動部材と、前記探針を前記試料の表面に対して傾斜させる傾斜手段と、前記ＸＹＺ方向移動部材又は該ＸＹＺ方向移動部材に相対する固定部材に基端が固定され、かつ、先端部に前記探針が設けられたカンチレバーと、前記カンチレバーの偏位を検出するように前記カンチレバーに設けられたセンサと、前記センサで検出された偏位に基づいて、前記探針と前記試料の表面との間の原子間力を検出する検出手段とを含んで構成されている。
【００１１】
なお、ＸＹＺ方向移動部材は、Ｘ方向に移動可能な部材と、Ｙ方向に移動可能な部材と、Ｚ方向に移動可能な部材とによって構成されていてもよく、また、隣接して設置されていなくてもよい。
【００１２】
第１の発明に係る走査型プローブ顕微鏡によれば、傾斜手段によって、カンチレバーの探針を試料の表面に対して傾斜させ、ＸＹＺ方向移動部材が試料ステージの上面に対して接近又は後退するＺ方向に移動することにより、カンチレバーの探針を試料ステージの上面に対して接近させる。そして、カンチレバーに設けられたセンサによって、カンチレバーの偏位を検出し、検出された偏位に基づいて、探針と試料の表面との間の原子間力を検出する。
【００１３】
この検出された原子間力に基づいて、探針と試料の表面との距離が求められ、ＸＹ方向移動部材が試料ステージの上面に対して平行なＸＹ平面内でＸ方向及びＹ方向に移動することにより、試料の表面形状が計測される。
【００１４】
従って、カンチレバーの探針を傾斜させて、カンチレバーに設けられたセンサで検出された偏位に基づいて、探針と試料の表面との間の原子間力を検出することにより、軽装備な検出機構で、高精度に３次元的な試料の表面形状を計測することができる。
【００１５】
第２の発明に係る走査型プローブ顕微鏡は、先鋭化した探針を用いた走査型プローブ顕微鏡であって、計測対象の試料を載置する試料ステージと、前記試料ステージの上面に対して平行なＸＹ平面内でＸ方向及びＹ方向に移動可能なＸＹ方向移動部材と、前記ＸＹ方向移動部材に対して傾斜可能に取り付けられ、かつ、前記試料ステージの上面に対して接近又は後退するＺ方向に移動可能なＺ方向移動部材と、前記Ｚ方向移動部材又は該Ｚ方向移動部材に相対する固定部材に基端が固定され、かつ、先端部に前記探針が設けられたカンチレバーと、前記カンチレバーを加振する加振手段と、前記カンチレバーの偏位又は振動状態を検出するように前記カンチレバーに設けられたセンサと、前記センサで検出された偏位又は振動状態の変化に基づいて、前記探針と前記試料の表面との間の原子間力を検出する検出手段とを含んで構成されている。
【００１６】
第２の発明に係る走査型プローブ顕微鏡によれば、Ｚ方向移動部材がＸＹ方向移動部材に対して傾斜することにより、カンチレバーの探針を傾斜させ、Ｚ方向移動部材が試料ステージの上面に対して接近又は後退するＺ方向に移動することにより、カンチレバーの探針を試料ステージの上面に対して接近させる。そして、カンチレバーに設けられたセンサによってカンチレバーの偏位又は振動状態を検出し、検出手段によって、センサで検出された偏位又は振動状態の変化に基づいて、探針と試料の表面との間の原子間力を検出する。
【００１７】
この検出された原子間力に基づいて、探針と試料の表面との距離が求められ、ＸＹ方向移動部材が試料ステージの上面に対して平行なＸＹ平面内でＸ方向及びＹ方向に移動することにより、試料の表面形状が計測される。
【００１８】
従って、カンチレバーの探針を傾斜させて、カンチレバーに設けられたセンサで検出された偏位又は振動状態の変化に基づいて、探針と試料の表面との間の原子間力を検出することにより、軽装備な検出機構で、高精度に３次元的な試料の表面形状を計測することができる。
【００１９】
第２の発明に係るＺ方向移動部材の基端を、ＸＹ方向移動部材と探針との間に想定した仮想点を中心とする円弧に沿って移動可能にＸＹ方向移動部材に取り付けることにより、Ｚ方向移動部材をＸＹ方向移動部材に対して傾斜可能とすることができる。これにより、Ｚ方向移動部材をＸＹ方向移動部材に対して傾斜して、Ｚ方向を傾斜させ、Ｚ方向移動部材が移動することにより、傾斜したＺ方向への探針の走査を容易に行うことができる。
【００２０】
また、探針の長さ方向とＺ方向とを一致させるか又は平行にさせると、Ｚ方向移動部材を独立に移動させ易くなる。
【００２１】
また、第３の発明に係る走査型プローブ顕微鏡は、先鋭化した探針を用いた走査型プローブ顕微鏡であって、計測対象の試料を載置する試料ステージと、前記試料ステージの上面に対して平行なＸＹ平面内でＸ方向及びＹ方向に移動可能なＸＹ方向移動部材と、前記試料ステージの上面に対して接近又は後退するＺ方向に移動可能に、前記ＸＹ方向移動部材に取り付けられたＺ方向移動部材と、前記Ｚ方向移動部材に対して傾斜可能に取り付けられた傾斜部材と、前記傾斜部材に基端が固定され、かつ、先端部に前記探針が設けられたカンチレバーと、前記カンチレバーを加振する加振手段と、前記カンチレバーの偏位又は振動状態を検出するように前記カンチレバーに設けられたセンサと、前記センサで検出された偏位又は振動状態の変化に基づいて、前記探針と前記試料の表面との間の原子間力を検出する検出手段とを含んで構成されている。
【００２２】
第３の発明に係る走査型プローブ顕微鏡によれば、傾斜部材がＸＹ方向移動部材に対して傾斜することにより、カンチレバーの探針を傾斜させ、Ｚ方向移動部材が試料ステージの上面に対して接近するＺ方向に移動することにより、カンチレバーの探針を試料ステージの上面に対して接近させる。そして、カンチレバーに設けられたセンサによってカンチレバーの偏位又は振動状態を検出し、検出手段によって、センサで検出された偏位又は振動状態の変化に基づいて、探針と試料の表面との間の原子間力を検出する。
【００２３】
この検出された原子間力に基づいて、探針と試料の表面との距離が求められ、ＸＹ方向移動部材が試料ステージの上面に対して平行なＸＹ平面内でＸ方向及びＹ方向に移動することにより、試料の表面形状が計測される。
【００２４】
従って、カンチレバーの探針を傾斜させて、カンチレバーに設けられたセンサで検出された偏位又は振動状態の変化に基づいて、探針と試料の表面との間の原子間力を検出することにより、軽装備な検出機構で、高精度に３次元的な試料の表面形状を計測することができる。
【００２５】
また、第３の発明に係る傾斜部材の基端を、Ｚ方向移動部材と探針との間に想定した仮想点を中心とする円弧に沿って移動可能にＺ方向移動部材に取り付けることにより、傾斜部材をＺ方向移動部材に対して傾斜可能とすることができる。
【００２６】
また、上記の仮想点を、前記探針の先端に想定することができる。これにより、Ｚ方向移動部材がＸＹ方向移動部材に対して傾斜しても、探針の先端の位置が変化しないため、探針の位置あわせが容易かつ正確に行うことができる。
【００２７】
また、上記のセンサを、カンチレバーの偏位又は振動に応じて抵抗が変化する歪み抵抗素子、カンチレバーの偏位又は振動に応じて静電容量が変換する静電容量素子、又はカンチレバーの偏位又は振動に応じて電圧を発生する圧電素子あるいは電磁誘導素子を含んで構成することができる。これにより、カンチレバーの偏位又は振動状態を検出するための機構を軽装備とすることができる。
【００２８】
上記の検出手段は、探針と試料の表面との間に引力が作用する引力領域における原子間力を検出することができる。引力領域における原子間力を検出することにより、探針と試料の表面とが接触しないため、探針が破損したり、試料に当接して滑ったりすることを防止することができる。
【００２９】
また、第４の発明に係る試料表面形状の計測方法は、第２の発明に係る走査型プローブ顕微鏡における試料表面形状の計測方法であって、前記ＸＹ方向移動部材がＸ方向及びＹ方向に所定の初期位置から所定の微小距離ずつ移動しては停止し、そのＸ方向及びＹ方向への移動が停止する各位置において、そのＸ方向及びＹ方向への移動を停止したまま、前記Ｚ方向移動部材を前記試料ステージの上面に対して接近する方向に移動することにより前記試料の表面の形状の計測を行い、前記計測が終了すると、前記Ｚ方向移動部材を前記試料ステージの上面に対して後退する方向に移動することを特徴としている。
【００３０】
また、第４の発明に係る試料表面形状の計測方法は、ＸＹ方向移動部材に対して、Ｚ方向移動部材が所定の角度だけ傾斜して、試料の表面の形状の計測を行って表面形状データを生成し、所定の角度毎に生成された表面形状データを合成することにより、合成形状データを生成することができる。これにより、所定の角度毎に生成された表面形状データを合成するので、試料の表面形状をより正確に計測することができる。
【００３１】
また、第５の発明に係る試料表面形状の計測方法は、第３の発明に係る走査型プローブ顕微鏡における試料表面形状の計測方法であって、前記ＸＹ方向移動部材がＸ方向及びＹ方向に所定の初期位置から所定の微小距離ずつ移動しては停止し、前記傾斜部材が前記Ｚ方向移動部材に対して傾斜している場合に、そのＸ方向及びＹ方向への移動が停止する各位置において、前記ＸＹ方向移動部材がＸ方向及びＹ方向へ移動しながら、前記Ｚ方向移動部材を前記試料ステージの上面に対して接近する方向に移動することにより前記試料の表面の形状の計測を行い、前記計測が終了すると、前記ＸＹ方向移動部材をＸ方向及びＹ方向へ移動しながら、前記Ｚ方向移動部材を前記試料ステージの上面に対して後退する方向に移動することを特徴としている。
【００３２】
また、第５の発明に係る試料表面形状の計測方法は、Ｚ方向移動部材に対して、傾斜部材が所定の角度だけ傾斜して、試料の表面の形状の計測を行って表面形状データを生成し、所定の角度毎に生成された表面形状データを合成することにより、合成形状データを生成することができる。これにより、所定の角度毎に生成された表面形状データを合成するので、試料の表面形状をより正確に計測することができる。
【００３３】
第６の発明に係るプローブ装置は、先鋭化した探針を用いたプローブ装置であって、計測対象の試料を載置する試料ステージと、前記試料ステージの上面に対して平行なＸＹ平面内でＸ方向及びＹ方向に移動可能であり、かつ、前記試料ステージの上面に対して接近又は後退するＺ方向に移動可能なＸＹＺ方向移動部材と、前記探針を前記試料の表面に対して傾斜させる傾斜手段と、前記ＸＹＺ方向移動部材又は該ＸＹＺ方向移動部材に相対する固定部材に基端が固定され、かつ、先端部に前記探針が設けられたカンチレバーと、 前記カンチレバーの偏位を検出するように前記カンチレバーに設けられたセンサと、前記センサで検出された偏位に基づいて、前記探針と前記試料の表面との間の原子間力を検出する検出手段とを含んで構成されている。
【００３４】
なお、プローブ装置とは、走査型プローブ顕微鏡以外で、探針を応用した装置である。
【発明の効果】
【００３５】
以上説明したように、本発明の走査型プローブ顕微鏡、試料表面形状の計測方法、及びプローブ装置によれば、カンチレバーの探針を傾斜させて、カンチレバーに設けられたセンサで検出された偏位に基づいて、探針と試料の表面との間の原子間力を検出することにより、軽装備な検出機構で、高精度に３次元的な試料の表面形状を計測することができる、という効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００３７】
図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る走査型プローブ顕微鏡１０は、計測対象の試料１２を上面に載置するための載置台であり、ＸＹ方向に粗く移動するＸＹ試料ステージ１４と、一端が後述する走査機構２２に片持ち支持され、開放された他端には探針２４が固設されているカンチレバー１６と、カンチレバー１６をＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の各々へ移動させる圧電素子１８Ｘ、圧電素子１８Ｙ、圧電素子１８Ｚを備えた走査機構２２と、ＸＹ試料ステージ１４の粗移動を制御するとともに、圧電素子１８Ｘ及び圧電素子１８Ｙを駆動する走査制御回路２０とを備えている。ここで、Ｘ方向及びＹ方向は、ＸＹ試料ステージ１４の上面（試料１２の表面）に対して平行なＸＹ平面内の方向であり、Ｚ方向は、探針２４をＸＹ試料ステージ１４の上面に対して接近又は後退する方向である。
【００３８】
また、カンチレバー１６の片持ち支持されている側には、図２に示すように、発振器２６からの高周波信号により駆動されてカンチレバー１６を加振する加振用圧電素子２８が固設されている。また、カンチレバー１６には、自己検知型のセンサである歪み抵抗素子３０が埋め込まれている。加振用圧電素子２８によりカンチレバー１６を厚み方向に振動させることにより、歪み抵抗素子３０の抵抗値が変化するため、この抵抗値の変化からカンチレバー１６の偏位又は振動状態を検出することができる。
【００３９】
歪み抵抗素子３０は、カンチレバー１６の所定の領域に半導体技術で一対の電極が形成されており、ボロン等の不純物原子を電極間にイオン打ち込みすることにより歪み抵抗が形成されて作成される。歪み抵抗の抵抗値は、２ｋΩ以下が望ましい。なお、カンチレバー１６は、シリコン基板で形成することが好ましいが、イオン打ち込みすることなく、電極を形成して歪み抵抗素子３０を貼着するようにしてもよい。
【００４０】
歪み抵抗素子３０の電極には、歪み抵抗素子３０の抵抗値の変化を検出するための検出回路３２が接続されている。検出回路３２は、歪み抵抗素子３０の電極が接続されたホイートストンブリッジを構成するブリッジ回路、及びブリッジ回路に電圧を印加する電源とを備えており、歪み抵抗素子３０の抵抗変化を電圧変化として検出し、検出した信号を出力する。また、図１に示すように、検出回路３２の出力および発振器２６の出力が入力され、後述するように、探針２４の振動状態に基づいて所定の周波数の振動振幅を検出するロックイン増幅器３４が検出回路３２に接続されている。
【００４１】
後述するサーボ回路３６及び走査制御回路２０を制御する制御部３８がロックイン増幅器３４に接続されており、また、制御部３８からの指示データに従って、圧電素子１８Ｚを駆動して探針２４のＺ方向の位置を制御するサーボ回路３６が設けられている。
【００４２】
制御部３８は、図示しない演算処理装置と、半導体メモリおよびディスク装置からなる記憶装置と、キーボードや液晶表示装置等の入出力装置とを備えたコンピュータであり、さらに、サーボ回路３６や走査制御回路２０とのインターフェースを備えている。そして、その記憶装置に記憶されたプログラムに従って、適宜、サーボ回路３６や走査制御回路２０を制御して、圧電素子１８Ｘ、１８Ｙ、１８Ｚを駆動させ、また、ＸＹ試料ステージ１４を走査させる。従って、制御部３８から探針２４の位置を遠隔走査することができる。また、ロックイン増幅器３４よって検出される信号を適宜ディジタルデータに変換して取り込み、記憶装置に記憶する。なお、制御部３８が他のコンピュータと接続され、他のコンピュータとの間でデータを送受信できるようにしてもよい。
【００４３】
次に、試料１２の表面を検出する原理について説明する。
【００４４】
本実施形態では、試料１２の表面の原子間力の勾配を計測することによって、試料１２の表面位置を検出する方法を利用する。原子間力の勾配によって試料１２の表面を検出する方法は、原子間力そのものによって試料１２の表面を検出する方法よりも、数桁小さな力で表面を検出することができるため、探針２４の負担が小さくなり、探針２４が撓んだり、滑ったりする現象を回避することができる。
【００４５】
図３に示すように、原子間力とカンチレバー１６の共振周波数の振幅とが関係していることから、原子間力の勾配は、カンチレバー１６の共振周波数の振幅が変化する現象を利用して求められる。そこで、発振器２６によってカンチレバー１６の共振周波数付近の周波の加振信号を出力し、その加振信号によって加振用圧電素子２８を駆動する。加振用圧電素子２８によりカンチレバー１６が加振され、Ｚ方向へ数ｎｍ〜数１０ｎｍ程度の振幅で振動する。なお、本実施の形態では、探針２４と試料１２の表面との間に引力が作用する引力領域における原子間力の勾配を求める。
【００４６】
このように、カンチレバー１６が振動している状態で、探針２４を試料１２の表面に接近させると、原子間力の勾配のために共振周波数の振幅が変化する。そのため、カンチレバー１６の振動振幅は、変化し、その変化した振動振幅はロックイン増幅器３４の出力から検出され、ロックイン増幅器３４の出力変化は、探針２４が受ける原子間力の勾配に相当している。そこで、この原子間力の勾配が所定の値に達したとき、探針２４が試料１２の表面から所定距離の位置に到達したと判断することができる。
【００４７】
図１において、ロックイン増幅器３４の出力は、制御部３８に入力される。制御部３８は、ロックイン増幅器３４から入力された信号が示す値と前回入力された信号との差をとり、その差を示す信号をサーボ回路３６へ入力する。そして、サーボ回路３６は、制御部３８からの入力と、制御部３８によって予め定められた値との差が０になるまで、圧電素子１８Ｚを駆動する。探針２４は、サーボ回路３６の出力が０になるまで、試料１２の表面に接近し、サーボ回路３６の出力が０になったとき、接近を停止し、探針２４から所定距離の位置を試料１２の表面位置と判定する。
【００４８】
なお、本実施の形態では、ロックイン増幅器３４から入力された値の変化量が所望の値、例えば０になったときに、接近を停止し、図３に示す振幅の変化量が０となる点に対応する距離（図３ではＤ１）を、探針２４からの試料１２までの距離とし、試料１２の表面位置を判定する。
【００４９】
次に、ロックイン増幅器を用いない検出方法について図９を用いて説明する。走査型プローブ顕微鏡４００は、検出回路３２から出力される偏位信号に基づいた制御方式、自励発振回路での共振周波数シフト信号に基づいた制御方式、及び共振周波数での振幅変動に基づいた制御方式を有する検出系となっている。
【００５０】
偏位信号に基づいた制御方式は、スイッチＳＷ１によって、加振用圧電素子２８に信号が入力されない状態に切り替え、スイッチＳＷ２によって、検出器３２からの偏位信号が制御回路３８及びサーボ回路３６に入力される状態に切り替え、原子間力制御を行う。この場合、原子間力については斥力領域の原子間力が用いられる。
【００５１】
共振周波数シフト信号に基づいた制御方式は、カンチレバー１６の共振周波数の変化による原子間力（あるいは原子間力の勾配）を検出する方式であり、スイッチＳＷ１によって、正帰還回路４０２から増幅信号が入力される状態に切り替え、スイッチＳＷ２によってＦ−Ｖ変換器４０４からの変換信号が制御回路３８及びサーボ回路３６に入力される状態に切り替える。これによって、カンチレバー１６は自励発振し、共振周波数の信号をＦ−Ｖ変換器４０４に入力し、その変換信号が制御回路３８及びサーボ回路３６に入力され、原子間力あるいは原子間力の力勾配が一定になるように制御される。この方式の場合、原子間力については引力領域の原子間力が用いられる。
【００５２】
振幅変動に基づいた制御方式では、スイッチＳＷ１によって、正帰還回路４０２から増幅信号が入力される状態に切り替え、スイッチＳＷ２によって整流回路４０６から振幅信号が制御回路３８及びサーボ回路３６に入力される状態に切り替える。正帰還回路４０２からの自励発振信号を整流して、振幅信号を出力し、制御回路３８及びサーボ回路３６によって原子間力が一定になるように制御される。この方式の場合、原子間力については斥力領域の原子間力が用いられる。このように、走査型プローブ顕微鏡４００によれば、色々な信号を利用することができる。
【００５３】
次に、探針２４を試料１２表面に接近または後退する方向を傾斜させる構成について図４を用いて説明する。
【００５４】
本実施形態においては、Ｘ方向軸およびＹ方向軸は、ＸＹ試料ステージ１４の上面（試料１２の表面）に対して平行なＸＹ平面内の方向に設定されるが、Ｚ方向軸は、探針２４がＸＹ試料ステージ１４の上面に接近又は後退する方向に設定される。従って、本実施形態における座標系は、必ずしも直交座標系であるわけではなく、また、試料１２の表面形状の計測を行うたびにＺ方向軸の方向が変わることもある。なお、ここでは、設定可能なＺ方向軸のうち特に探針２４の長さ方向に平行であり、かつ、探針２４の先端を通るＺ方向軸を探針移動Ｚ方向軸と呼ぶ。
【００５５】
走査機構２２には、探針２４のＸ方向およびＹ方向への走査を行う構造体で、図示しない走査型プローブ顕微鏡１０の筐体に吊設されたＸＹ走査体４２が設けられており、圧電素子１８Ｘ及び圧電素子１８ＹによりそれぞれＸ方向およびＹ方向へ移動させられ、また、ＸＹ走査体４２の下面断面は、ＸＹ走査体４２の下側に想定した仮想点を中心とする円弧になっている。また、走査機構２２には、ＸＹ走査体４２の下面断面の円弧に滑合するような円弧状断面の上面を有し、ＸＹ走査体４２の下面断面の円弧に沿ってスライド自在に吊設されているＺ走査支持体４４が設けられており、Ｚ走査支持体４４は、ＸＹ走査体４２の下面断面の円弧の中心である仮想点を不動点として傾斜させられる。
【００５６】
Ｚ走査支持体４４の下面が、ＸＹ走査体４２の下面断面の円弧が形成する円の直径方向に垂直な面になるように形成され、その下面に圧電素子１８Ｚおよびカンチレバー支持体４６が設けられ、圧電素子１８Ｚは、カンチレバー支持体４６をＺ走査支持体４４の下面に垂直な方向に移動させる。従って、このカンチレバー支持体４６が移動させられる方向がＺ方向となる。
【００５７】
カンチレバー１６の基端は、カンチレバー支持体４６に固設され、他端は開放端とされる。また、探針２４は、カンチレバー１６の開放端の試料１２表面に対向する面に固設される。このとき、カンチレバー１６は、探針２４の先端がＸＹ走査体４２の下面断面の円弧が形成する円の中心である仮想点に位置するような位置において、カンチレバー支持体４６に固設される。
【００５８】
以上のようにＸＹ走査体４２及びＺ走査支持体４４を構成し、さらに、Ｚ走査支持体４４に対しカンチレバー１６およびカンチレバー支持体４６を配置構成することにより、探針２４がＺ方向へ移動する方向、すなわち、探針移動Ｚ方向軸（図４で符号５０を付した一点鎖線）を、試料表面の法線方向（図４で符号５２を付した一点鎖線）に対し、角度θをもって傾斜させることができる。従って、探針２４を試料１２の斜め上方から試料１２表面へ接近させることができるので、アンダカット構造部分の表面形状の計測が可能となる。また、探針２４の先端を、探針移動Ｚ方向軸を傾斜させる中心点としているので、
傾斜角θを変えてもその先端の位置は変わらない。
【００５９】
また、ＸＹ走査体４２には、ＸＹ方向の平面内で少なくとも１８０度回転自在に吊設されているＸＹ走査回転体（図示省略）が設けられており、そのＸＹ走査回転体部分を自在に回転させることができる。また、Ｚ走査支持体４４がＸＹ走査回転体に吊設されていおり、カンチレバー支持体４６及びカンチレバー１６は、ＸＹ走査回転体の回転に伴って同時に回転され、カンチレバー１６を１８０度反転することができるようになっている。
【００６０】
次に、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡１０を用いた試料１２の表面形状の計測方法について説明する。
【００６１】
まず、探針移動Ｚ方向軸をＸＹ平面の法線方向にした場合の試料１２の表面形状の計測方法について図５（Ａ）を用いて説明する。まず、探針２４を、試料１２表面から所定に距離離間した初期位置に設定し、探針移動Ｚ方向軸をＸＹ面の法線方向に設定する。そして、初期位置から探針移動Ｚ方向軸に沿って探針２４を試料１２の表面に接近させる（Ｓ１）。この探針２４の移動は、サーボ回路３６によって駆動された圧電素子１８Ｚによって行われ、このとき、圧電素子１８Ｘおよび圧電素子１８Ｙは休止している。
【００６２】
ここで、発振器２６から加振信号が加振用圧電素子２８へ入力されると、カンチレバー１６が加振され、カンチレバー１６がカンチレバー１６の厚み方向に加振される。探針２４と試料１２の表面との間の原子間力の影響によって、カンチレバー１６の振動振幅が変化し、また、種々の振動モードが発生する。このときに歪み抵抗素子３０に引張り及び圧縮応力が発生し、歪み抵抗素子３０の抵抗が変化するため、歪み抵抗素子３０に一定電圧を印加していると電流がカンチレバー１６の振動に応じて変化する。この電流変化を検出回路３２のブリッジ回路で電圧変化として検出する。検出回路３２で検出された電圧変化は、ロックイン増幅器３４によって、発振器２６から入力される加振信号の周波数成分が増幅されて、位相が揃えられ、ロックイン増幅器３４でカンチレバー１６の共振周波数の振幅の変化が検出され、制御部３８へ入力される。
【００６３】
制御部３８では、ロックイン増幅器３４からの出力の変化量を算出し、サーボ回路３６へ出力する。そして、サーボ回路３６は、制御部３８からの出力を取りこみ、取りこんだ出力の値と制御部３８によって予め定められた値である０とを比較し、取りこんだ出力の値が０になると、探針２４と試料１２の表面との距離が所定の距離になったと判断し、圧電素子１８Ｚの駆動を停止する。
【００６４】
このサーボ回路３６による圧電素子１８Ｚの駆動が停止されたところで、探針２４が試料１２の表面との距離が所定距離の位置に達したと判定される。その表面位置は、そのときの探針２４の移動距離ΔＺによって求めることができる。図６に示すように、初期位置Ｐの座標が（Ｘ0，Ｚ0）で、試料１２の表面位置計測時の移動距離がΔＺであった場合には、表面位置Ｓの座標は、（Ｘ0，Ｚ0−ΔＺ）となる。
【００６５】
試料１２の表面位置の計測が終わると、探針２４を所定の距離後退させて（Ｓ２）、探針２４を圧電素子１８ＸによりＸ方向へΔＸだけ移動させる（Ｓ３）。そして、その移動後の位置を初期位置としてステップＳ１〜Ｓ３を所定の回数繰り返し行う。このようにして、Ｘ方向に走査された断面についての表面形状データを取得する。
【００６６】
次に、探針２４を最初の初期位置へ戻し、図５（Ｂ）に示すように、探針移動Ｚ方向軸をＸＹ平面の法線方向に対し所定の角度θ傾ける。そして、初期位置から探針２４を試料１２表面へ接近させて（Ｓ１１）、試料表面位置を計測する。このとき、初期位置Ｐの座標を（Ｘ0，Ｚ0）、探針２４の移動距離をΔＺ'とすると、表面位置Ｓ'の座標は、（Ｘ0＋ΔＺ'sinθ，Ｚ0−ΔＺ'＋cosθ）となる。
【００６７】
試料１２の表面位置の計測が終わると、探針２４を所定の距離後退させて（Ｓ1２）、探針を圧電素子１８ＸによりＸ方向へΔＸだけ移動させる（Ｓ1３）。そして、その移動後の位置を初期位置としてステップＳ１1〜Ｓ1３を所定の回数繰り返し行う。このようにして、探針移動Ｚ方向軸をＸＹ平面の法線方向に対し所定の角度θ傾けた場合について、Ｘ方向に走査された断面についての表面形状データを取得する。この場合、探針２４を斜め上方から試料１２表面へ接近させるので、図５（Ｂ）で、右側に開いた側壁のアンダカット構造部分の計測が可能となる。
【００６８】
さらに、カンチレバー１６の方向を反転させて、図５（Ｂ）と同様にして、表面形状データを取得する。この場合、探針移動Ｚ方向軸は、ＸＹ面の法線に対し、対称に反転した方向となる。従って、この場合には、左側に開いた側壁のアンダカット構造部分の計測が可能となる。
【００６９】
また、図１０に示すように、探針２４を動作させてもよい。図５及び図６に示したように、探針２４を接近又は後退させる際、Ｘ方向及びＹ方向の走査は停止状態であったが、この場合、測定時間が長くなる欠点がある。このため、図１０に示すように、探針２４を接近あるいは後退させながらＸ方向及びＹ方向の走査を行ってもよい。また、図１０のように、カンチレバー１６及び探針２４を振動させながら探針２４を接近又は後退させると、弱い原子間力で制御することができ、精度の高い計測が可能となる。このような探針２４の動作も本発明の範疇である。
【００７０】
以上のようにして、ＸＹ平面の法線方向に対する探針移動Ｚ方向軸の傾斜角度について、所定の角度毎に表面形状データを取得し、図６に示すように、白丸の点列のデータと黒丸の点列のデータというように、異なった点列のデータとして得られるが、それらのデータは、互いに補完し合うデータであり、それらを併合すると、より精密な表面形状データが得られる。本実施形態においては、探針移動Ｚ方向軸を傾けたり、カンチレバー１６の方向を反転させたりしても、探針２４の先端の位置は不動である。そのため、これらのデータの併合は、単に併合するだけでよい。
【００７１】
なお、探針移動Ｚ方向軸を傾けたり、カンチレバー１６の方向を反転させたりしたときに、機械的誤差のために探針先端位置がずれた場合には、異なった点列のデータによりそれぞれ表面形状データを作成し、パターンマッチングさせた上で、それらのデータを併合するようにする。
【００７２】
以上説明したように、本発明の第１の実施の形態に係る走査型プローブ顕微鏡によれば、カンチレバーの探針を傾斜させて、カンチレバーに設けられた歪み抵抗素子で検出された振動状態の変化に基づいて、探針と試料の表面との間の原子間力を検出することにより、軽装備な検出機構で、高精度に３次元的な試料の表面形状を計測することができる。
【００７３】
圧電素子１８Ｚ及びカンチレバー支持体がＸＹ方向走査体に対して傾斜して、Ｚ方向を傾斜させ、圧電素子１８Ｚが駆動し、カンチレバー支持体がＺ方向へ移動することにより、傾斜したＺ方向への探針の走査を容易に行うことができる。
【００７４】
ＸＹ走査体の下面断面の円弧の中心である仮想点を、探針の先端とすることにより、圧電素子１８Ｚ及びカンチレバー支持体が傾斜しても、探針の先端の位置が変化しないため、探針の位置あわせが容易かつ正確に行うことができる。
【００７５】
また、探針と試料の表面との間の引力領域における原子間力を検出することにより、探針と試料の表面とが接触しないため、探針が破損したり、試料に当接して滑ったりすることを防止することができる。
【００７６】
なお、上記では、走査型プローブ顕微鏡に本発明を適用した場合を例に説明したが、探針を用いて計測する他の装置であってもよい。
【００７７】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同一部分については、同一符号を付してその説明を省略する。
【００７８】
第２の実施の形態は、共振周波数の振幅の変化を検出するセンサとして第１の実施の形態の歪み抵抗素子に代えて、カンチレバーの振動に応じて静電容量が変化する静電容量素子を使用するものである。本実施の形態では、図７に示すように、カンチレバー１６と対向して平行になるように対向電極２０２がカンチレバー支持体４６に固定され、対向電極２０２によりカンチレバー１６との間に静電容量素子が構成されている。そして、カンチレバー１６及び対向電極２０２は、静電容量素子と共にホイーストンブリッジを構成するブリッジ回路を備えた検出回路３２に接続されている。これにより、カンチレバー１６が振動すると静電容量素子の静電容量が周期的に変化するため、検出回路３２のブリッジ回路によってカンチレバーの振動を検出し、振動信号を出力することができる。
【００７９】
第２の実施の形態によれば、検出回路から出力される振動信号から共振周波数の振幅の変化を検出し、この共振周波数の振幅の変化から第１の実施の形態と同様に、探針と試料の表面との間の原子間力を検出することができ、軽装備な検出機構で、高精度に３次元的な試料の表面形状を計測することができる。
【００８０】
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同一部分については、同一符号を付してその説明を省略する。
【００８１】
第３の実施の形態に係る走査型プローブ顕微鏡３１０は、傾斜する部分として第１の実施の形態の圧電素子１８Ｚ及びカンチレバー１６に代えて、カンチレバー１６のみ傾斜するように構成したものである。本実施の形態では、図８に示すように、圧電素子１８Ｚの駆動によって、探針２４を移動させる方向であるＺ方向と、探針２４の長さ方向とが一致しない点が第１の実施の形態と異なる。
【００８２】
第３の実施の形態に係る走査機構３２２には、探針２４のＸ方向およびＹ方向への走査を行う構造体で、図示しない走査型プローブ顕微鏡３１０の筐体に吊設されたＸＹ走査体３４２が設けられており、圧電素子１８Ｘ及び圧電素子１８ＹによりそれぞれＸ方向およびＹ方向へ移動させられる。また、ＸＹ走査体３４２の下面は、圧電素子１８ＺおよびＺ走査体３４４が設けられ、圧電素子１８Ｚは、Ｚ走査体３４４をＸＹ平面の法線方向に移動させる。Ｚ走査体３４４が移動させられる方向がＺ方向である。
【００８３】
また、Ｚ走査体３４４の下面断面は、Ｚ走査体３４４の下側に想定された仮想点を中心とする円弧になっており、走査機構３２２には、Ｚ走査体３４４の下面断面の円弧に滑合するような円弧状断面の上面を有し、Ｚ走査体３４４の下面断面の円弧に沿ってスライド自在に吊設されているＺ走査傾斜体３４６が設けられており、Ｚ走査傾斜体３４６は、Ｚ走査体３４４の下面断面の円弧が形成する円の中心である仮想点を不動点として傾斜させられる。
【００８４】
Ｚ走査傾斜体３４６の下面が、Ｚ走査体３４４の下面断面の円弧が形成する円の直径方向に垂直な面になるように形成され、その下面にカンチレバー支持体４６が設けられている。
【００８５】
そして、カンチレバー１６の基端は、カンチレバー支持体４６に固設され、他端は開放端とされ、探針２４は、カンチレバー１６の開放端の試料１２表面に対向する面に固設される。このとき、カンチレバー１６は、探針２４の先端がＺ走査体３４４の下面断面の円弧が形成する円の中心である仮想点に位置するような位置において、カンチレバー支持体４６に固設される。
【００８６】
次に、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡３１０を用いた試料１２の表面形状の計測方法について説明する。なお、探針２４の長さ方向に平行であり、かつ、探針２４の先端を通る方向軸を探針移動方向軸と呼ぶ。
【００８７】
まず、ＸＹ平面の法線方向に試料１２の表面形状を計測する場合は、上記の第１の実施の形態の計測方法と同様に計測する。
【００８８】
そして、Ｘ方向に走査された断面についての表面形状データを取得すると、探針２４を最初の初期位置へ戻し、探針移動方向軸をＸＹ平面の法線方向に対し所定の角度θ傾けて、初期位置から探針２４を試料１２表面へ接近させる。この探針２４の移動は、サーボ回路３６によって駆動された圧電素子１８Ｚと、走査制御回路２０によって駆動された圧電素子１８Ｘおよび圧電素子１８Ｙとによって行われる。従って、圧電素子１８Ｘ、１８Ｙ、１８Ｚが同時に駆動され、探針２４の移動の方向が、探針移動方向軸と一致するように、ＸＹ走査体３４２、Ｚ走査体３４４、Ｚ走査傾斜体３４６、カンチレバー１６が移動させられる。
【００８９】
そして、このサーボ回路３６による圧電素子１８Ｚの駆動が停止されたところで、圧電素子１８Ｘ、１８Ｙの駆動も停止し、探針２４が試料１２の表面位置に達したと判定され、試料１２の表面位置を計測する。試料１２の表面位置の計測が終わると、圧電素子１８Ｘ、１８Ｙ、１８Ｚを駆動させて探針２４を所定の距離後退させ、そして、探針を圧電素子１８ＸによりＸ方向へΔＸだけ移動させる。そして、その移動後の位置を初期位置として上記の処理を所定の回数繰り返し行う。このようにして、探針移動方向軸をＸＹ平面の法線方向に対し所定の角度θ傾けた場合について、Ｘ方向に走査された断面についての表面形状データを取得する。
【００９０】
さらに、カンチレバー１６の方向を反転させて、上記の処理と同様にして、表面形状データを取得する。この場合、探針移動方向軸は、ＸＹ面の法線に対し、対称に反転した方向となる。
【００９１】
以上のようにして、ＸＹ平面の法線方向に対する探針移動方向軸の傾斜角度について、所定の角度毎に表面形状データを取得し、それらの表面形状データを合成して、より精密な表面形状データを得る。
【００９２】
以上説明したように、第３の実施の形態に係る走査型プローブ顕微鏡によれば、カンチレバーの探針を傾斜させて、カンチレバーに設けられた歪み抵抗素子で検出された振動状態の変化に基づいて、探針と試料の表面との間の原子間力を検出することにより、軽装備な検出機構で、高精度に３次元的な試料の表面形状を計測することができる。
【００９３】
なお、上記の実施の形態では、本発明にかかるセンサとして、歪み抵抗素子または静電容量素子を用いた例について説明したが、圧電素子または電磁誘導素子等を用いるようにしてもよい。
【００９４】
また、探針を数ｍｍ以上離れた所から接近したり、その場所に退避したりすることが必要であり、この接近及び後退のための機構に関する説明は省略したが、通常使用されているモータ駆動、インチワーム駆動方式等を用いればよい。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る走査型プローブ顕微鏡の構成を示す機能ブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るカンチレバー、歪み圧電素子、検出回路、加振用圧電素子、及び発振器を示す概略図である。
【図３】原子間力と試料表面からの距離との関係を示すグラフと、カンチレバーの振動振幅と試料表面からの距離との関係を示すグラフである。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る走査型プローブ顕微鏡の走査機構の構成を示す概略図である。
【図５】試料表面形状計測時の探針の移動軌跡を示した図であり、（Ａ）は、探針移動Ｚ方向軸をＸＹ平面の法線方向とした場合の探針の移動軌跡を示した図であり、（Ｂ）は、探針移動Ｚ方向軸をＸＹ平面の法線方向に対して傾斜させた場合の探針の移動軌跡を示した図である。
【図６】探針移動Ｚ方向軸をＸＹ平面の法線方向とした場合、及び、探針移動Ｚ方向軸をＸＹ平面の法線方向に対して傾斜させた場合それぞれについて表面形状データの計算方法を説明するための図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係るカンチレバー、対向電極、及び検出回路を示す概略図である。
【図８】本発明の第３の実施の形態に係る走査型プローブ顕微鏡の走査機構の構成を示す概略図である。
【図９】本発明の原子間力あるいは原子間力勾配検出に関する検出形態を示す概略図である。
【図１０】試料表面形状計測時の探針の移動軌跡に関して探針の接近又は後退と同時にＸＹ走査を行う動作状態を示したイメージ図である。
【符号の説明】
【００９６】
１０、４００ 走査型プローブ顕微鏡
１２ 試料
１４ ＸＹ試料ステージ
１６ カンチレバー
１８Ｘ、１８Ｙ、１８Ｚ 圧電素子
２０ 走査制御回路
２２ 走査機構
２４ 探針
２６ 発振器
２８ 加振用圧電素子
３０ 歪み抵抗素子
３２ 検出回路
３４ ロックイン増幅器
３６ サーボ回路
３８ 制御部
４２ ＸＹ走査体
４４ Ｚ走査支持体
４６ カンチレバー支持体
２０２ 対向電極
３１０ 走査型プローブ顕微鏡
３２２ 走査機構
３４２ ＸＹ走査体
３４４ Ｚ走査体
３４６ Ｚ走査傾斜体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
先鋭化した探針を用いた走査型プローブ顕微鏡であって、
計測対象の試料を載置する試料ステージと、
前記試料ステージの上面に対して平行なＸＹ平面内でＸ方向及びＹ方向に移動可能であり、かつ、前記試料ステージの上面に対して接近又は後退するＺ方向に移動可能なＸＹＺ方向移動部材と、
前記探針を前記試料の表面に対して傾斜させる傾斜手段と、
前記ＸＹＺ方向移動部材又は該ＸＹＺ方向移動部材に相対する固定部材に基端が固定され、かつ、先端部に前記探針が設けられたカンチレバーと、
前記カンチレバーの偏位を検出するように前記カンチレバーに設けられたセンサと、
前記センサで検出された偏位に基づいて、前記探針と前記試料の表面との間の原子間力を検出する検出手段と、
を含む走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
先鋭化した探針を用いた走査型プローブ顕微鏡であって、
計測対象の試料を載置する試料ステージと、
前記試料ステージの上面に対して平行なＸＹ平面内でＸ方向及びＹ方向に移動可能なＸＹ方向移動部材と、
前記ＸＹ方向移動部材に対して傾斜可能に取り付けられ、かつ、前記試料ステージの上面に対して接近又は後退するＺ方向に移動可能なＺ方向移動部材と、
前記Ｚ方向移動部材又は該Ｚ方向移動部材に相対する固定部材に基端が固定され、かつ、先端部に前記探針が設けられたカンチレバーと、
前記カンチレバーを加振する加振手段と、
前記カンチレバーの偏位又は振動状態を検出するように前記カンチレバーに設けられたセンサと、
前記センサで検出された偏位又は振動状態の変化に基づいて、前記探針と前記試料の表面との間の原子間力を検出する検出手段と、
を含む走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】
前記Ｚ方向移動部材の基端を、前記ＸＹ方向移動部材と前記探針との間に想定した仮想点を中心とする円弧に沿って移動可能に前記ＸＹ方向移動部材に取り付けることにより、前記Ｚ方向移動部材を前記ＸＹ方向移動部材に対して傾斜可能とした請求項２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
前記探針の長さ方向と前記Ｚ方向とを一致させるか又は平行にさせた請求項２又は請求項３に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
先鋭化した探針を用いた走査型プローブ顕微鏡であって、
計測対象の試料を載置する試料ステージと、
前記試料ステージの上面に対して平行なＸＹ平面内でＸ方向及びＹ方向に移動可能なＸＹ方向移動部材と、
前記試料ステージの上面に対して接近又は後退するＺ方向に移動可能に、前記ＸＹ方向移動部材に取り付けられたＺ方向移動部材と、
前記Ｚ方向移動部材に対して傾斜可能に取り付けられた傾斜部材と、
前記傾斜部材に基端が固定され、かつ、先端部に前記探針が設けられたカンチレバーと、
前記カンチレバーを加振する加振手段と、
前記カンチレバーの偏位又は振動状態を検出するように前記カンチレバーに設けられたセンサと、
前記センサで検出された偏位又は振動状態の変化に基づいて、前記探針と前記試料の表面との間の原子間力を検出する検出手段と、
を含む走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】
前記傾斜部材の基端を、前記Ｚ方向移動部材と前記探針との間に想定した仮想点を中心とする円弧に沿って移動可能に前記Ｚ方向移動部材に取り付けることにより、前記傾斜部材を前記Ｚ方向移動部材に対して傾斜可能とした請求項５に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】
前記仮想点を、前記探針の先端に想定した請求項３又は請求項６に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項８】
前記センサを、前記カンチレバーの偏位又は振動に応じて抵抗が変化する歪み抵抗素子、前記カンチレバーの偏位又は振動に応じて静電容量が変換する静電容量素子、前記カンチレバーの偏位又は振動に応じて電圧を発生する圧電素子、又は前記カンチレバーの偏位又は振動に応じて電圧を発生する電磁誘導素子を含んで構成した請求項２〜請求項７の何れか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項９】
前記検出手段は、前記探針と前記試料の表面との間に引力が作用する引力領域における原子間力を検出する請求項１〜請求項８の何れか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１０】
請求項２〜請求項４の何れか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡における試料表面形状の計測方法であって、
前記ＸＹ方向移動部材がＸ方向及びＹ方向に所定の初期位置から所定の微小距離ずつ移動しては停止し、
そのＸ方向及びＹ方向への移動が停止する各位置において、そのＸ方向及びＹ方向への移動を停止したまま、前記Ｚ方向移動部材を前記試料ステージの上面に対して接近する方向に移動することにより前記試料の表面の形状の計測を行い、前記計測が終了すると、前記Ｚ方向移動部材を前記試料ステージの上面に対して後退する方向に移動することを特徴とする試料表面形状の計測方法。
【請求項１１】
前記ＸＹ方向移動部材に対して、Ｚ方向移動部材が所定の角度だけ傾斜して、前記試料の表面の形状の計測を行って表面形状データを生成し、
所定の角度毎に生成された前記表面形状データを合成することにより、合成形状データを生成することを特徴とする請求項１０に記載の試料表面形状の計測方法。
【請求項１２】
請求項５又は請求項６に記載の走査型プローブ顕微鏡における試料表面形状の計測方法であって、
前記ＸＹ方向移動部材がＸ方向及びＹ方向に所定の初期位置から所定の微小距離ずつ移動しては停止し、
前記傾斜部材が前記Ｚ方向移動部材に対して傾斜している場合に、そのＸ方向及びＹ方向への移動が停止する各位置において、前記ＸＹ方向移動部材がＸ方向及びＹ方向へ移動しながら、前記Ｚ方向移動部材を前記試料ステージの上面に対して接近する方向に移動することにより前記試料の表面の形状の計測を行い、前記計測が終了すると、前記ＸＹ方向移動部材をＸ方向及びＹ方向へ移動しながら、前記Ｚ方向移動部材を前記試料ステージの上面に対して後退する方向に移動することを特徴とする試料表面形状の計測方法。
【請求項１３】
前記Ｚ方向移動部材に対して、前記傾斜部材が所定の角度だけ傾斜して、前記試料の表面の形状の計測を行って表面形状データを生成し、
所定の角度毎に生成された前記表面形状データを合成することにより、合成形状データを生成することを特徴とする請求項１１に記載の試料表面形状の計測方法。
【請求項１４】
先鋭化した探針を用いたプローブ装置であって、
計測対象の試料を載置する試料ステージと、
前記試料ステージの上面に対して平行なＸＹ平面内でＸ方向及びＹ方向に移動可能であり、かつ、前記試料ステージの上面に対して接近又は後退するＺ方向に移動可能なＸＹＺ方向移動部材と、
前記探針を前記試料の表面に対して傾斜させる傾斜手段と、
前記ＸＹＺ方向移動部材又は該ＸＹＺ方向移動部材に相対する固定部材に基端が固定され、かつ、先端部に前記探針が設けられたカンチレバーと、
前記カンチレバーの偏位を検出するように前記カンチレバーに設けられたセンサと、
前記センサで検出された偏位に基づいて、前記探針と前記試料の表面との間の原子間力を検出する検出手段と、
を含むプローブ装置。
【請求項１】
先鋭化した探針を用いた走査型プローブ顕微鏡であって、
計測対象の試料を載置する試料ステージと、
前記試料ステージの上面に対して平行なＸＹ平面内でＸ方向及びＹ方向に移動可能であり、かつ、前記試料ステージの上面に対して接近又は後退するＺ方向に移動可能なＸＹＺ方向移動部材と、
前記探針を前記試料の表面に対して傾斜させる傾斜手段と、
前記ＸＹＺ方向移動部材又は該ＸＹＺ方向移動部材に相対する固定部材に基端が固定され、かつ、先端部に前記探針が設けられたカンチレバーと、
前記カンチレバーの偏位を検出するように前記カンチレバーに設けられたセンサと、
前記センサで検出された偏位に基づいて、前記探針と前記試料の表面との間の原子間力を検出する検出手段と、
を含む走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
先鋭化した探針を用いた走査型プローブ顕微鏡であって、
計測対象の試料を載置する試料ステージと、
前記試料ステージの上面に対して平行なＸＹ平面内でＸ方向及びＹ方向に移動可能なＸＹ方向移動部材と、
前記ＸＹ方向移動部材に対して傾斜可能に取り付けられ、かつ、前記試料ステージの上面に対して接近又は後退するＺ方向に移動可能なＺ方向移動部材と、
前記Ｚ方向移動部材又は該Ｚ方向移動部材に相対する固定部材に基端が固定され、かつ、先端部に前記探針が設けられたカンチレバーと、
前記カンチレバーを加振する加振手段と、
前記カンチレバーの偏位又は振動状態を検出するように前記カンチレバーに設けられたセンサと、
前記センサで検出された偏位又は振動状態の変化に基づいて、前記探針と前記試料の表面との間の原子間力を検出する検出手段と、
を含む走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】
前記Ｚ方向移動部材の基端を、前記ＸＹ方向移動部材と前記探針との間に想定した仮想点を中心とする円弧に沿って移動可能に前記ＸＹ方向移動部材に取り付けることにより、前記Ｚ方向移動部材を前記ＸＹ方向移動部材に対して傾斜可能とした請求項２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
前記探針の長さ方向と前記Ｚ方向とを一致させるか又は平行にさせた請求項２又は請求項３に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
先鋭化した探針を用いた走査型プローブ顕微鏡であって、
計測対象の試料を載置する試料ステージと、
前記試料ステージの上面に対して平行なＸＹ平面内でＸ方向及びＹ方向に移動可能なＸＹ方向移動部材と、
前記試料ステージの上面に対して接近又は後退するＺ方向に移動可能に、前記ＸＹ方向移動部材に取り付けられたＺ方向移動部材と、
前記Ｚ方向移動部材に対して傾斜可能に取り付けられた傾斜部材と、
前記傾斜部材に基端が固定され、かつ、先端部に前記探針が設けられたカンチレバーと、
前記カンチレバーを加振する加振手段と、
前記カンチレバーの偏位又は振動状態を検出するように前記カンチレバーに設けられたセンサと、
前記センサで検出された偏位又は振動状態の変化に基づいて、前記探針と前記試料の表面との間の原子間力を検出する検出手段と、
を含む走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】
前記傾斜部材の基端を、前記Ｚ方向移動部材と前記探針との間に想定した仮想点を中心とする円弧に沿って移動可能に前記Ｚ方向移動部材に取り付けることにより、前記傾斜部材を前記Ｚ方向移動部材に対して傾斜可能とした請求項５に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】
前記仮想点を、前記探針の先端に想定した請求項３又は請求項６に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項８】
前記センサを、前記カンチレバーの偏位又は振動に応じて抵抗が変化する歪み抵抗素子、前記カンチレバーの偏位又は振動に応じて静電容量が変換する静電容量素子、前記カンチレバーの偏位又は振動に応じて電圧を発生する圧電素子、又は前記カンチレバーの偏位又は振動に応じて電圧を発生する電磁誘導素子を含んで構成した請求項２〜請求項７の何れか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項９】
前記検出手段は、前記探針と前記試料の表面との間に引力が作用する引力領域における原子間力を検出する請求項１〜請求項８の何れか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１０】
請求項２〜請求項４の何れか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡における試料表面形状の計測方法であって、
前記ＸＹ方向移動部材がＸ方向及びＹ方向に所定の初期位置から所定の微小距離ずつ移動しては停止し、
そのＸ方向及びＹ方向への移動が停止する各位置において、そのＸ方向及びＹ方向への移動を停止したまま、前記Ｚ方向移動部材を前記試料ステージの上面に対して接近する方向に移動することにより前記試料の表面の形状の計測を行い、前記計測が終了すると、前記Ｚ方向移動部材を前記試料ステージの上面に対して後退する方向に移動することを特徴とする試料表面形状の計測方法。
【請求項１１】
前記ＸＹ方向移動部材に対して、Ｚ方向移動部材が所定の角度だけ傾斜して、前記試料の表面の形状の計測を行って表面形状データを生成し、
所定の角度毎に生成された前記表面形状データを合成することにより、合成形状データを生成することを特徴とする請求項１０に記載の試料表面形状の計測方法。
【請求項１２】
請求項５又は請求項６に記載の走査型プローブ顕微鏡における試料表面形状の計測方法であって、
前記ＸＹ方向移動部材がＸ方向及びＹ方向に所定の初期位置から所定の微小距離ずつ移動しては停止し、
前記傾斜部材が前記Ｚ方向移動部材に対して傾斜している場合に、そのＸ方向及びＹ方向への移動が停止する各位置において、前記ＸＹ方向移動部材がＸ方向及びＹ方向へ移動しながら、前記Ｚ方向移動部材を前記試料ステージの上面に対して接近する方向に移動することにより前記試料の表面の形状の計測を行い、前記計測が終了すると、前記ＸＹ方向移動部材をＸ方向及びＹ方向へ移動しながら、前記Ｚ方向移動部材を前記試料ステージの上面に対して後退する方向に移動することを特徴とする試料表面形状の計測方法。
【請求項１３】
前記Ｚ方向移動部材に対して、前記傾斜部材が所定の角度だけ傾斜して、前記試料の表面の形状の計測を行って表面形状データを生成し、
所定の角度毎に生成された前記表面形状データを合成することにより、合成形状データを生成することを特徴とする請求項１１に記載の試料表面形状の計測方法。
【請求項１４】
先鋭化した探針を用いたプローブ装置であって、
計測対象の試料を載置する試料ステージと、
前記試料ステージの上面に対して平行なＸＹ平面内でＸ方向及びＹ方向に移動可能であり、かつ、前記試料ステージの上面に対して接近又は後退するＺ方向に移動可能なＸＹＺ方向移動部材と、
前記探針を前記試料の表面に対して傾斜させる傾斜手段と、
前記ＸＹＺ方向移動部材又は該ＸＹＺ方向移動部材に相対する固定部材に基端が固定され、かつ、先端部に前記探針が設けられたカンチレバーと、
前記カンチレバーの偏位を検出するように前記カンチレバーに設けられたセンサと、
前記センサで検出された偏位に基づいて、前記探針と前記試料の表面との間の原子間力を検出する検出手段と、
を含むプローブ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００６−２８４３９２（Ｐ２００６−２８４３９２Ａ）
【公開日】平成１８年１０月１９日（２００６．１０．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１０５３２６（Ｐ２００５−１０５３２６）
【出願日】平成１７年３月３１日（２００５．３．３１）
【出願人】（５０４１４５３６４）国立大学法人群馬大学 (352)
【出願人】（５９６０６６５７４）株式会社ユニソク (8)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１０月１９日（２００６．１０．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年３月３１日（２００５．３．３１）
【出願人】（５０４１４５３６４）国立大学法人群馬大学 (352)
【出願人】（５９６０６６５７４）株式会社ユニソク (8)
【Ｆターム（参考）】
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