走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法
探針２０を備えるカンチレバー２１と、探針・試料間の物理量を測定する測定部を備え、試料表面を測定する走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法である。走査型プロープ顕微鏡は、カンチレバーの取付け部２２と、カンチレバーカセット３０と、カンチレバーカセットを移動させるＸＹステージ１４とＺステージ１５と、光学顕微鏡１８を備える。上記の走査型プローブ顕微鏡において、カンチレバー取付け部とカンチレバーカセットの間の位置合せを行い、カンチレバーカセットからカンチレバーを選んでカンチレバー取付け部に装着する第１ステップと、カンチレバー装着後に、光学顕微鏡装置を移動させ、装着されたカンチレバーを観察視野の所定位置に設定する第２ステップとを含む。第２ステップでは、光学顕微鏡側またはカンチレバー側を移動させて位置調整を行うステップを設ける。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
本発明は走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法に関し、特に、探針の交換を短時間でかつ高い位置決め精度で自動的に交換するのに適した走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法に関する。
【背景技術】
走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は、従来、原子のオーダまたはサイズの微細な対象物を観察できる測定分解能を有する測定装置として知られている。近年、走査型プローブ顕微鏡は、半導体デバイスが作られた基板やウェハの表面の微細な凹凸形状の測定など各種の分野に適用されている。測定に利用する検出用物理量に応じて各種のタイプの走査型プローブ顕微鏡がある。例えばトンネル電流を利用する走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）、原子間力を利用する原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、磁気力を利用する磁気力顕微鏡等があり、それらの応用範囲も拡大しつつある。
上記のうち原子間力顕微鏡は、試料表面の微細な凹凸形状を高分解能で検出するのに適し、半導体基板、ディスクなどの分野で実績を上げている。最近ではインライン自動検査工程の用途でも使用されてきている。
原子間力顕微鏡は、基本的な構成として、原子間力顕微鏡の原理に基づく測定装置部分を備える。通常、圧電素子を利用して形成されたトライポッド型あるいはチューブ型のＸＹＺ微動機構を備え、このＸＹＺ微動機構の下端に、先端に探針が形成されたカンチレバーが取り付けられている。探針の先端は試料の表面に対向している。上記カンチレバーに対して例えば光てこ式光学検出装置が配備される。すなわち、カンチレバーの上方に配置されたレーザ光源（レーザ発振器）から出射されたレーザ光がカンチレバーの背面で反射され、光検出器より検出される。カンチレバーにおいて捩れや撓み等の変形で変位が生じると、光検出器におけるレーザ光の入射位置が変化する。従って探針およびカンチレバーで変位が生じると、光検出器から出力される検出信号で当該変位の方向および量を検出できる。上記の原子間力顕微鏡の構成について、制御系として、通常、比較器、制御器が設けられる。比較器は、光検出器から出力される検出電圧信号と基準電圧とを比較し、その偏差信号を出力する。制御器は、当該偏差信号が０になるように制御信号を生成し、この制御信号をＸＹＺ微動機構内のＺ微動機構の部分に与える。こうして、試料と探針の間の距離を一定に保持するフィードバックサーボ制御系が形成される。上記の構成によって探針を試料表面の微細凹凸に追従させながら走査し、その形状を測定することができる。
原子間力顕微鏡が発明された当時は、その高分解能性を利用してｎｍ（ナノメートル）以下のオーダの表面微細形状の測定が中心課題であった。しかし現在では、走査型プローブ顕微鏡は半導体デバイスのインライン製作装置の途中の段階で検査を行うインライン自動検査までその使用範囲が拡大してきている。このような状況になると、実際の検査工程では、基板またはウェハの上に作られた半導体デバイスの表面の微細凹凸形状において非常に急峻な凹凸を測定することが要求される。
次に従来の原子間力顕微鏡の探針の取付け構造を説明する。通常、探針はカンチレバーの先端部に下面に形成されている。カンチレバーは所要の弾性を有する片持ち梁状のレバー部材である。従って探針の取付け構造は、すなわちカンチレバーの取付け構造であり、カンチレバーの取付け構造と実質的に同じ技術内容となる。前述の通り、カンチレバーは、ＸＹＺ微動機構の下端、特にＺ微動機構の部分の下端に取り付けられる。
カンチレバーの取付け構造を詳細に説明する。カンチレバーは、先端部の下面に探針を有すると共に、その後端部（基部）にカンチレバーホルダを有する。カンチレバーホルダは、カンチレバーの部分とサイズおよび形状の観点で比較すると、比較的に面積の大きな例えば矩形平板状の部分となっている。Ｚ微動機構の下側にはカンチレバーを取り付けるためのカンチレバー取付け部を備えている。このカンチレバー取付け部は、例えば空気吸引機構による吸引作用（真空吸着）によってカンチレバーホルダを吸着することにより、カンチレバーをＺ微動機構の下部に固定・装着している。
上記原子間力顕微鏡等の走査型プローブ顕微鏡における大きな問題は探針の交換である。現状の技術では、探針と試料の接触状態をできるだけ少なくするために各種の測定モードが提案されている。しかしながら、探針と試料の接触は完全になくすことはできず、探針先端の磨耗は避けることができない。そのため、探針が磨耗すれば、走査型プローブ顕微鏡の取付け部からカンチレバーを取り外して新しいカンチレバーと交換しなければならない。また測定対象の多様化によって、異なる種類のカンチレバー（探針）を予め用意し、状況に応じてカンチレバーを適宜なタイミングで交換することも必要となる。特に、半導体製造ラインに走査型プローブ顕微鏡によるインライン検査工程を設ける場合には探針交換の自動化が重要となる。この場合において、特に、探針を備えたカンチレバーをカンチレバー取付け部に取り付けるための仕組みが重要である。
走査型プローブ顕微鏡において自動的に探針を交換する技術としては特許第３１７６９３１号公報に開示された技術がある。この特許第３１７６９３１号公報に記載された走査型プローブ顕微鏡では、自動的に探針の交換を行いかつその位置合せを行う構成および機能を有している。特許第３１７６９３１号公報による走査型プローブ顕微鏡では、試料ステージ上の試料ホルダの近傍であって試料ステージ上にカンチレバーカセット設置台（設置ポート）が設けられ、この設置台にカンチレバーカセットが備えられる。カンチレバーカセットは、複数の収容部を有し、複数のカンチレバーがそれぞれの収容部に収容されている。また、走査型プローブ顕微鏡の微動機構部（スキャナ）の下部には、吸引機構を有するカンチレバー取付け部が設けられ、これによる吸引作用に基づきカンチレバーが取り付けられ、装着されている。
上記の構成において、微動機構部の下部に装着されているカンチレバーを交換するときには、例えば試料ステージを移動させることにより相対的に微動機構部をカンチレバーカセットの設置箇所に移動させ、吸引作用を解除してカンチレバーカセットの空き収容部にそれまで使用していたカンチレバーを取り外して置き、次に微動機構部を新たなカンチレバーの箇所に移動させ、再び吸引作用に基づき新たなカンチレバーを装着する。
上記のカンチレバーの交換では、微動機構部と、カンチレバーカセットの所定の空き収容部や新たなカンチレバー等との位置合せは、例えば光学顕微鏡による観察に基づいて行われる。具体的には、観察視野の画像をテレビカメラで取得し、当該画像を元にカンチレバーの存在位置を自動的に認識し、取付けのための位置を確定し、試料ステージ内のＺステージにより接近動作を行い、吸引装置による吸着作用に基づきカンチレバーの取付けを完了する。
以上によって、走査型プローブ顕微鏡においてカンチレバーの自動交換すなわち探針の自動交換を実現することができる。なお、実際には、その後において次のＳＰＭ測定が行えるように、レーザ光をカンチレバーの背面に照射するための光学検出装置の位置等の設定、光軸合せが行われる。
上記特許第３１７６９３１号公報に記載された探針の自動交換方法では、探針交換に時間がかかるという問題がある。その第１の理由は、取付け方法として真空吸着方式を利用するが、吸着の際に取付け位置がずれ、最悪の場合には一度取り外して取り付けなおすことが少なからず発生することである。第２の理由は、探針の取付け前に位置を確定する方式であるため、位置決めの正確さが要求され、また取付けの動作が複雑になるため、交換に時間を要することである。これらの理由は複合的に絡んでいる。
特許第３１７６９３１号公報による探針の自動交換方法でカンチレバーを取り付けるプロセスをステップで示すと、次の通り９段階で表される。
（１）ＸＹ移動： 取り付けようとするカンチレバーの位置をカンチレバー取付け部の位置に合わせる。
（２）Ｚステージによる移動： カンチレバーホルダがカンチレバー取付け部に接触しない状態で試料ステージのＺステージによって位置調整する。先端部の位置合せのため非接触状態にされる。
（３）光学顕微鏡によるフォーカス： カンチレバーの背面に光学顕微鏡の焦点を合わせる。
（４）カンチレバーの位置の認識： カメラで取得した画像を利用したパターン認識でカンチレバーの位置を確認する。
（５）ＸＹステージの微調整： ステップ（４）の結果に従ってカンチレバーが光学顕微鏡の観察視野における所定位置（通常は中心位置）になるように試料ステージのＸＹステージを微調整する。
（６）カンチレバーの取付け： Ｚステージを上昇させ、カンチレバーを取り付ける。通常は真空吸着を用いる。
（７）光学顕微鏡によるフォーカス： カンチレバーの背面に光学顕微鏡の焦点を合わせる。
（８）カンチレバーの位置の認識・確認： カメラによる画像を利用してカンチレバーの取付け状態での位置を確認する。
（９）取外し： ステップ（８）でカンチレバーの取付けで失敗の時にはカンチレバーを取り外し、ステップ（２）に戻ってやり直す。
以上のように、従来の探針の自動交換方法によれば、真空吸着等を利用する方式においてはカンチレバー取付け時の取付け誤差をなくすことは難しく、位置ずれが生じやすい。位置ずれが大きい場合には、カンチレバーの位置が光学顕微鏡の観察視野の外側になる場合がある。このような場合には、カンチレバーの取付け作業をやり直すことになる。このような従来の探針の自動交換方法は、プロセスのステップが多くかつ複雑になっており、取付け位置に誤差が生じた場合には取付け作業のやり直しが必要となる。
また探針すなわちカンチレバーを交換した後には、カンチレバーの弾性歪みを検出する光学検出機構において、使用するレーザ光の照射位置を、レーザ光源を移動して設定する作業や、レーザ光源から発せられ、カンチレバーで反射したレーザ光を受光する光検出器の位置を移動して、光検出器上の検出位置を所定の位置に調整する作業などがあり、調整に多くの時間がかかっている。
従って、探針の交換作業には多くの時間がかかることになる。
本発明の目的は、上記の課題に鑑み、短時間で高精度に探針の取付けあるいは交換を自動的に行うことができる走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、カンチレバー（探針）を取付けあるいは交換を自動的に行った後において、カンチレバーの取付け状態を自動的に判定し、さらにカンチレバーの変位を検出する光学的検出装置の光源と光検出器の各位置を自動的に調整できる走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法を提供することにある。
【発明の開示】
本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法は、上記目的を達成するために、次のように構成される。
第１の観点による走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法は、試料に対して探針が向くように設けられたカンチレバーと、探針が試料の表面を走査するとき探針と試料の間で生じる物理量を測定する測定部（光てこ式光学検出装置、フィードバックサーボ制御系、走査装置、ＸＹＺの微動機構、データ処理等の制御装置等から成る部分）を備え、この測定部で上記物理量を一定に保ちながら探針で試料の表面を走査して試料の表面を測定するように構成された走査型プローブ顕微鏡での上記探針の交換方法である。この走査型プローブ顕微鏡は、さらに、カンチレバーを着脱する機構（空気吸引装置等による真空吸着機構）を備えたカンチレバー取付け部と、複数のカンチレバーを収容・保管するカンチレバー保管部（カンチレバーカセット）と、カンチレバー保管部の位置を移動させる第１移動機構（ＸＹステージとＺステージ）と、装着状態のカンチレバーの位置を観察する観察装置とを備える。上記の走査型プローブ顕微鏡において、本発明に係る探針交換方法は、第１移動機構でカンチレバー取付け部とカンチレバー保管部との間の位置合せを行い、カンチレバー保管部から１つのカンチレバーを選んでカンチレバー取付け部に装着するステップと、カンチレバー装着後に、観察装置とカンチレバーの相対的な位置を変更させ、装着されたカンチレバーを観察装置の観察視野の所定位置に設定するステップと、を含んで成る方法である。これにより探針の交換は作業全体が少ないステップ数で自動的に行われる。
第２移動機構によって観察装置を移動させることにより、カンチレバーを観察装置の観察視野の所定位置に設定することを特徴とする。観察装置はその位置を第２移動機構によってＸＹ平面内で移動するように構成されている。
上記の探針交換方法において、好ましくは、第１移動機構によって移動する位置決め機構によりカンチレバー側を移動させることにより、カンチレバーを観察装置の観察視野の所定位置に設定することを特徴とする。
上記の探針交換方法において、好ましくは、観察装置は光学顕微鏡であり、この光学顕微鏡およびＴＶカメラで得られる画像を利用してパターン認識処理を行って、装着されたカンチレバーの装着位置を特定する方法である。
上記の探針交換方法において、好ましくは、上記所定位置は観察視野の中心位置であることで特徴づけられる。
第２の観点による走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法は、先端に探針を有しかつ基端にカンチレバーホルダを有するカンチレバーと、探針が試料の表面を走査するとき探針と試料の間で生じる物理量を測定する測定部を備え、この測定部で物理量を一定に保ちながら探針で試料の表面を走査して前記試料の表面を測定するように構成される走査型プローブ顕微鏡に適用される。この走査型プローブ顕微鏡は、さらに、カンチレバーホルダを介してカンチレバーを脱着する機構を備えたカンチレバー取付け部と、複数のカンチレバーを保管するカンチレバー保管部と、カンチレバー保管部の位置を移動させる第１移動機構と、装着状態のカンチレバーの位置を観察する観察装置とを備える。さらに走査型プローブ顕微鏡は、第１移動機構によって移動する、カンチレバー取付け部に取り付けられたカンチレバーの位置を調整する位置決め機構を備える。以上の構成を有する走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法は、カンチレバー保管部との間の位置合せを行い、カンチレバー保管部から１つのカンチレバーを選んでこのカンチレバーをカンチレバーホルダを介してカンチレバー取付け部に装着するステップと、第１移動機構で、カンチレバーを装着したカンチレバー取付け部と位置決め機構との間の位置合せを行うステップと、選んだカンチレバーをカンチレバー取付け部に装着した後に、装着されたカンチレバーを観察装置で撮像するステップと、位置決め機構によりカンチレバー取付け部に対するカンチレバーの位置を変化させて観察装置の観察視野内で所定位置に移動させるステップと、を含む。
上記の探針交換方法において、好ましくは、位置決め機構は、カンチレバー取付け部に取り付けられたカンチレバーホルダの側面を押す押し部材を有する。
上記の探針交換方法において、好ましくは、押し部材は、平面形状が矩形のカンチレバーホルダの２辺の側面に接触するＬ字型押し部材である。
上記の探針交換方法において、好ましくは、カンチレバー取付け部に取り付けられたカンチレバーの取付け状態を判定するステップを含んでいる。
上記の探針交換方法において、好ましくは、カンチレバーの先端位置を検出してその座標値を記憶するステップと、記憶した座標値に基づいて、カンチレバーにレーザ光を照射しカンチレバーの撓みを検出するレーザ光を発生する光学検出装置のレーザ光源と光検出器の位置を光軸調整のため調整するステップと、を含む。
上記の探針交換方法において、好ましくは、観察装置は光学顕微鏡であり、この光学顕微鏡で得られる画像を利用してパターン認識および画像処理を行うステップと、カンチレバー取付け部に取り付けられたカンチレバーの取付け位置を特定するステップを備える。
上記の探針交換方法において、好ましくは、カンチレバーの取付け位置を特定する際、観察装置により得られる画像の画像処理を行うことによりカンチレバーの先端位置や中心軸の座標値を検出するステップと、座標値を記憶するステップを備える。
上記の探針交換方法において、好ましくは、記憶したカンチレバーの先端位置や中心軸の座標値に基づき、カンチレバーの種類に応じたレーザ光のカンチレバーへの照射目標位置範囲を計算するステップと、観察装置により得られる画像と光検出器からの出力信号とを用いて、第２移動機構でレーザ光源の位置を相対的に移動しながら、カンチレバーに照射するレーザ光の照射位置を照射目標範囲内の所定位置に自動的に設定するステップと、を備える。
上記の探針交換方法において、好ましくは、位置や中心軸の座標値に基づいて、第３移動機構で光検出器の位置を相対的に移動し、光検出器上でのレーザ光の受光位置を所定位置に自動的に設定するステップを備える。
原子間力顕微鏡等の走査型プローブ顕微鏡によって例えば半導体デバイスが製作された基板等の試料をインライン自動検査工程で計測・検査する場合、自動計測のアルゴリズムに従って探針を走査して試料表面の凹凸形状を計測する。測定対象である試料は一定の時間間隔で継続して搬入されてくるので、例えば所定数の試料の自動計測が済むと、探針の先端が磨粍し、新しい探針への交換作業が必要となる。探針の交換では、使用中のカンチレバーをカンチレバー取付け部から取り外し、新しいカンチレバーをカンチレバー取付け部に取り付ける。複数のカンチレバーは、カンチレバー保管部に予め保管されている。取り外したカンチレバーはカンチレバー保管部の所定の空き収容部に収容され、新しいカンチレバーはカンチレバー保管部の複数のカンチレバーの中から１つが選択される。
カンチレバー保管部の複数のカンチレバーのそれぞれの位置は、試料ステージ上で設定された座標系において予め座標管理等の方法で確定しており、制御装置の記憶部でそれらの位置データは管理されている。新しいカンチレバーをカンチレバー取付け部に装着するとき、第１移動機構でカンチレバー保管部を移動させる。通常、ＸＹステージで当該新しいカンチレバーが取付け部の位置に一致させられ、Ｚステージにより当該カンチレバーをカンチレバー取付け部の方向に接近移動させ、カンチレバーをカンチレバー取付け部に装着させる。カンチレバーを装着した後において、例えば第２移動機構で光学顕微鏡等を移動させてカンチレバーの位置をその観察視野の中心位置等に調整する。光学顕微鏡等の観察視野から外れた位置にカンチレバーがあるときには、探索アルゴリズムによってカンチレバーを発見し、最終的には同様に中心位置等に来るように位置調整を行う。
第１の観点による走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法では、カンチレバーを取り付ける前にその位置を調整する方式ではなく、取り付けた後において装着されたカンチレバーの位置を観察装置で微調整するようにした方式であるので、取付け直しの作業が発生しない。従って取付け時の事前の位置微調整が省略でき、取付け後に取付け直しが不要となり、交換のための制御ステップ数が少なくて済み、極めて短時間で探針交換を行うことが可能となる。
第２の観点による走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法では、カンチレバーを取り付ける前にその位置を調整する方式ではなく、取り付けた後において装着されたカンチレバーの位置を観察装置で観察しながらカンチレバー取付け部に対するカンチレバーの取付け位置をカンチレバー側を移動し変化させて微調整するようにした方式であるので、取付け直しの作業が発生しない。従って取付け時の事前の位置微調整が省略でき、取付け後に取付け直しが不要となり、交換のための制御ステップ数が少なくて済み、極めて短時間で探針交換を行うことが可能となる。さらに光学検出装置の光軸調整も自動的にできるので正確な測定状態を作ることができる。
本発明によれば、走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法において、新しいカンチレバーを取付け部に取付け装着したとき、カンチレバーの取付け位置を光学顕微鏡等によって微調整して取付け誤差をなくすようにしたため、取付け部に装着したカンチレバーにおいて誤差が生じていたとしても取付け直しの作業は発生せず、交換のためのステップ数を減らすことができ、極めて短時間に交換することができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の第１実施形態に係る探針交換方法が適用される走査型プローブ顕微鏡の全体的な構成を示す構成図である。
図２は、本発明の第１実施形態における試料ステージの具体的な構成を示す斜視図である。
図３は、カンチレバーカセットの具体例の平面図である。
図４は、図３におけるＡ−Ａ線断面図である。
図５は、本発明に係る走査型プローブ顕微鏡がインライン自動検査工程として用いられる構成を示したブロック図である。
図６は、探針交換におけるカンチレバー取付け動作のプロセスを示すフローチャートである。
図７は、光学顕微鏡による観察視野の状況を説明する図である。
図８は、本発明の第２実施形態に係る探針交換方法が適用される走査型プローブ顕微鏡の全体的な構成を示す構成図である。
図９は、本発明の第２実施形態における試料ステージの具体的な構成を示す斜視図である。
図１０は、位置決め機構の押し部材の平面図である。
図１１は、位置決め機構の押し部材の側面図である。
図１２は、位置決め機構の押し部材の動作状態を示す平面図である。
図１３は、第２実施形態において取付け部に取り付けられたカンチレバーユニットを位置決め機構に移動させる状態を示す平面図である。
図１４は、光学顕微鏡の観察視野における画面中心とカンチレバーとの位置合せを示す画面図である。
図１５Ａは、本発明の第２実施形態に係る自動的探針交換方法の前半の手順の流れを示すフローチャートである。
図１５Ｂは、本発明の第２実施形態に係る自動的探針交換方法の後半の手順の流れを示すフローチャートである。
図１６は、カンチレバーの自由端側から見た光学式検出装置の光軸系を示す図である。
図１７は、光学式検出装置の光軸系の平面図である。
図１８は、光検出器の受光面と受光状態を説明する図である。
図１９は、光軸の自動調整を説明するための光学顕微鏡の観察画像を示す画面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
以下に、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１〜図７を参照して本発明の第１の実施形態を説明する。この第１実施形態では、走査型プローブ顕微鏡の自動的な探針交換方法において、光学顕微鏡およびＴＶカメラで得られる観察視野の画面で、カンチレバーの像と画面との相対的位置関係の調整で画面側に関係する構成部分を移動させて位置調整を行う方法が提案される。
図１に従って、本発明に係る探針交換方法が適用される走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の全体の構成を説明する。この走査型プローブ顕微鏡は代表的な例として原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を想定している。しかし、走査型プローブ顕微鏡は原子間力顕微鏡に限定されるものではない。
図１において走査型プローブ顕微鏡の下側部分には試料ステージ１１が設けられている。試料ステージ１１の上に試料１２が置かれている。試料ステージ１１は、直交するＸ軸とＹ軸とＺ軸で成る３次元座標系１３において、試料１２の位置を変えるための機構である。試料ステージ１１はＸＹステージ１４とＺステージ１５と試料ホルダ１６とから構成されている。試料ステージ１１は、通常、試料側で変位（位置変化）を生じさせる粗動機構部として構成される。試料ステージ１１の試料ホルダ１６の上面には、例えば比較的に大きな面積でかつ薄板形状の上記試料１２が置かれ、保持されている。試料１２は、例えば、表面上に半導体デバイスの集積回路パターンが製作された基板またはウェハである。試料１２は試料ホルダ１６上に固定されている。試料ホルダ１６は試料固定用チャック機構を備えている。
図２を参照して上記試料ステージ１１の具体的な構成例を説明する。図２で、１４はＸＹステージであり、１５はＺステージである。ＸＹステージ１４は水平面（ＸＹ平面）上で試料を移動させる機構であり、Ｚステージ１５は垂直方向（Ｚ軸方向）に試料１２を移動させる機構である。Ｚステージ１５は、例えば、ＸＹステージ１４の上に搭載されて取り付けられている。
ＸＹステージ１４は、Ｙ軸方向に向けて配置された平行な２本のＹ軸レール２０１とＹ軸モータ２０２とＹ軸駆動力伝達機構２０３から成るＹ軸機構部と、Ｘ軸方向に向けて配置された平行な２本のＸ軸レール２０４とＸ軸モータ２０５とＸ軸駆動力伝達機構２０６から成るＸ軸機構部とから構成されている。上記ＸＹステージ１４によって、Ｚステージ１５はＸ軸方向またはＹ軸方向に任意に移動させられる。またＺステージ１５には、試料ホルダ１６をＺ軸方向に昇降させるための駆動機構が設けられている。図２では当該駆動機構は隠れており、図示されていない。試料ホルダ１６の上には試料１２を固定するためのチャック機構２０７が設けられる。チャック機構２０７には、通常、機械式、真空吸着や静電吸着等の作用を利用した機構が利用される。
再び図１で説明する。試料１２の上方位置には、駆動機構１７を備えた光学顕微鏡１８が配置されている。光学顕微鏡１８は駆動機構１７によって支持されている。駆動機構１７は、光学顕微鏡１８を、Ｚ軸方向に動かすためのフォーカス用Ｚ方向移動機構部１７ａと、ＸＹの各軸方向に動かすためのＸＹ方向移動機構部１７ｂとから構成されている。取付け関係として、Ｚ方向移動機構部１７ａは光学顕微鏡１８をＺ軸方向に動かし、ＸＹ方向移動機構部１７ｂは光学顕微鏡１８とＺ方向移動機構部１７ａのユニットをＸＹの各軸方向に動かす。ＸＹ方向移動機構部１７ｂはフレーム部材に固定されるが、図１で当該フレーム部材の図示は省略されている。光学顕微鏡１８は、その対物レンズ１８ａを下方に向けて配置され、試料１２の表面を真上から臨む位置に配置されている。光学顕微鏡１８の上端部にはＴＶカメラ（撮像装置）１９が付設されている。ＴＶカメラ１９は、対物レンズ１８ａで取り込まれた試料表面の特定領域の像を撮像して取得し、画像データを出力する。
試料１２の上側には、先端に探針２０を備えたカンチレバーユニット２１（広義のカンチレバー２１）が接近した状態で配置されている。カンチレバーユニット２１は取付け部２２に固定されている。
カンチレバーユニット２１（広義のカンチレバー２１）は、片方の自由端に探針２０を備える、弾性的に撓み可能なレバー部材２１Ａ（狭義のカンチレバー２１Ａ）と、レバー部材２１Ａの基部を支持するカンチレバーホルダ２１−１とから構成される。なお詳しくは、レバー部材２１Ａとカンチレバーホルダ２１−１の間の接続部にはシリコンベースが設けられる。カンチレバーホルダ２１−１は例えば８ｍｍ角の矩形平板形状を有している。
また上記取付け部２２は、カンチレバーユニット２１のカンチレバーホルダ２１−１を取りつけるための手段である。取付け部２２は、例えば、空気吸引部（図示せず）が設けられると共に、この空気吸引部は空気吸引装置（図示せず）に接続されている。カンチレバーユニット２１は、大きな面積部分を有するカンチレバーホルダ２１−１が取付け部２２の空気吸引部で吸着されることにより、真空吸着作用に基づいて固定され装着される。
上記の取付け部２２は、Ｚ方向に微動動作を生じさせるＺ微動機構２３に取り付けられている。さらにＺ微動機構２３はカンチレバー変位検出部２４の下面に取り付けられている。なおカンチレバー変位検出部２４は、後述するごとく、ＸＹ方向に微動動作を生じさせるＸＹ微動機構２９に取り付けられる。従って取付け部２２は、Ｚ微動機構２３とＸＹ微動機構２９によって、Ｘ，Ｙ，Ｚの各方向に微小距離で移動させることが可能となる。
カンチレバー変位検出部２４は、支持フレーム２５にレーザ光源２６と光検出器２７が所定の配置関係で取り付けられた構成を有する。レーザ光源２６はレーザ光を発するレーザダイドード（ＬＤ）であり、光検出器２７はレーザ光を受光するフォトダイオード（ＰＤ）である。カンチレバー変位検出部２４とカンチレバーユニット２１は一定の位置関係に保持され、レーザ光源２６から出射されたレーザ光２８はカンチレバー２１Ａの背面で反射されて光検出器２７に入射されるようになっている。上記カンチレバー変位検出部２４は光てこ式光学検出装置を構成する。この光てこ式光学検出装置によって、カンチレバー２１Ａで捩れや撓み等の変形が生じると、当該変形による変位を検出することができる。
上記のカンチレバー変位検出部２４において、レーザ光源２６と光検出器２７のそれぞれは、支持フレーム２５上でその位置を調整できる移動機構を備えている。
カンチレバー変位検出部２４はＸＹ微動機構２９に取り付けられている。ＸＹ微動機構２９によってカンチレバーユニット２１および探針２０等はＸＹの各軸方向に微小距離で移動される。このとき、カンチレバー変位検出部２４は同時に移動されることになり、カンチレバーユニット２１とカンチレバー変位検出部２４の位置関係は不変である。
上記において、Ｚ微動機構２３とＸＹ微動機構２９は、通常、圧電素子で構成されている。Ｚ微動機構２３とＸＹ微動機構２９によって、探針２０の移動について、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の各々へ微小距離（例えば数〜１０μｍ、最大１００μｍ）の変位を生じさせる。
上記のＸＹ微動機構２９は、さらに、光学顕微鏡１８に関するユニットが取り付けられる前述した不図示のフレーム部材に取り付けられている。
上記の取付け関係において、光学顕微鏡１８による観察視野には、試料１２の特定領域の表面と、カンチレバー２１Ａにおける探針２０を含む先端部（背面部）とが含まれる。
試料ステージ１１の上面において、試料ホルダ１６の傍にカンチレバーカセット３０が配置されている。カンチレバーカセット３０には、他の複数のカンチレバーユニット２１が収容され、保管されている。図１では、一例として、複数のカンチレバーユニット２１は単純に一列に並べられたものが示されている。複数のカンチレバーユニット２１は、新たに交換用として用意されているものである。各カンチレバーユニット２１は、先端部の下側に探針２０を備え、後端部（基部）にカンチレバーホルダ２１−１を有している。カンチレバーカセット３０には、複数のカンチレバーユニット２１を収容すると共に、取付け部２２に装着されたカンチレバーユニット２１を外したときに、それを置くための収容スペースも用意されている。カンチレバーカセット３０のこの収容スペースは、図１で示された装着中のカンチレバーユニット２１が、取付け部２２に取り付けられる前に元々収容されていたスペースである。
次に、走査型プローブ顕微鏡の制御系を説明する。制御系の構成としては、比較器３１、制御器３２、第１制御装置３３、第２制御装置３４が設けられる。制御器３２は、例えば原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）による測定機構を原理的に実現するための制御器である。また第１制御装置３３は複数の駆動機構等のそれぞれの駆動制御用の制御装置であり、第２制御装置３４は上位の制御装置である。
比較器３１は、光検出器２７から出力される電圧信号Ｖｄと予め設定された基準電圧（Ｖｒｅｆ）とを比較し、その偏差信号ｓ１を出力する。制御器３２は、偏差信号ｓ１が０になるように制御信号ｓ２を生成し、この制御信号ｓ２をＺ微動機構２３に与える。制御信号ｓ２を受けたＺ微動機構２３は、カンチレバーユニット２１の高さ位置を調整し、探針２０と試料１２の表面との間の距離を一定の距離に保つ。上記の光検出器２７からＺ微動機構２３に到る制御ループは、探針２０で試料表面を走査するとき、光てこ式光学検出装置によってカンチレバーユニット２１の変形状態を検出しながら、探針２０と試料１２との間の距離を上記の基準電圧（Ｖｒｅｆ）に基づいて決まる所定の一定距離に保持するためのフィードバックサーボ制御のループである。この制御ループによって探針２０は試料１２の表面から一定の距離に保たれ、この状態で試料１２の表面を走査すると、試料表面の凹凸形状を測定することができる。
次に第１制御装置３３は、走査型プローブ顕微鏡の各部を駆動させるための制御装置であり、次のような機能部を備えている。
光学顕微鏡１８は、フォーカス用Ｚ方向移動機構部１７ａとＸＹ方向移動機構部１７ｂとから成る駆動機構１７によって、その位置が変化させられる。後述の画像において、Ｚ方向移動機構部１７ａは画像焦点位置を変化させ、またＸＹ方向移動機構部１７ｂは画像のＸＹ位置を変化させる。第１制御装置３３は、上記のＺ方向移動機構部１７ａとＸＹ方向移動機構部１７ｂのそれぞれの動作を制御するための第１駆動制御部４１と第２駆動制御部４２を備えている。
光学顕微鏡１８によって得られた試料表面やカンチレバー２１Ａの像は、ＴＶカメラ１９によって撮像され、画像データとして取り出される。光学顕微鏡１８のＴＶカメラ１９で得られた画像データは第１制御装置３３に入力され、内部の画像処理部４３で処理される。
制御器３２等を含む上記のフィードバックサーボ制御ループにおいて、制御器３２から出力される制御信号ｓ２は、走査型プローブ顕微鏡（原子間力顕微鏡）における探針２０の高さ信号を意味するものである。探針２０の高さ信号すなわち制御信号ｓ２によって探針２０の高さ位置の変化に係る情報を得ることができる。探針２０の高さ位置情報を含む上記制御信号ｓ２は、前述のごとくＺ微動機構２３に対して駆動制御用に与えられると共に、制御装置３３内のデータ処理部４４に取り込まれる。
試料１２の表面の測定領域について探針２０による試料表面の走査は、ＸＹ微動機構２９を駆動することにより行われる。ＸＹ微動機構２９の駆動制御は、ＸＹ微動機構２９に対してＸＹ走査信号ｓ３を提供するＸＹ走査制御部４５によって行われる。
また試料ステージ１１のＸＹステージ１４とＺステージ１５の駆動は、Ｘ方向駆動信号を出力するＸ駆動制御部４６とＹ方向駆動信号を出力するＹ駆動制御部４７とＺ方向駆動信号を出力するＺ駆動制御部４８とによって制御される。
空気吸引に基づく真空吸着作用でカンチレバーユニット２１を装着させる取付け部２２で、この取付け部によるカンチレバーの取付けまたは取外しの着脱動作は、取付け部２２に対して着脱信号ｓ４を与える装着制御部４９によって行われる。
なお第１制御装置３３は、必要に応じて、設定された制御用データ、入力した光学顕微鏡画像データや探針の高さ位置に係るデータ等を記憶・保存する記憶部（図示せず）を備える。
上記第１制御装置３３に対して上位に位置する第２制御装置３４が設けられている。第２制御装置３４は、通常の計測プログラムの記憶・実行および通常の計測条件の設定・記憶、自動計測プログラムの記憶・実行およびその計測条件の設定・記憶、計測データの保存、計測結果の画像処理および表示装置（モニタ）３５への表示等の処理を行う。特に、本発明の場合には、自動計測において探針の交換を自動的に行う交換プロセスを含んでおり、カンチレバーカセット３０から使用すべき探針を選択して取り付けること、あるいは装着状態にある探針を取り外してカンチレバー３０の所定の収容部に置くこと等を実行するためのプログラムを備えている。また計測条件の設定では、測定範囲、測定スピードといった基本項目など、自動計測の条件の設定、それらの条件を設定ファイルに記憶する等の機能を有する。さらに通信機能を有するように構成し、外部装置との間で通信を行える機能を持たせることもできる。
特に、第２制御装置３４は、本実施形態による探針の自動交換のために、試料ステージ１１上のＸＹ平面領域において任意の位置を定める座標系が設定されており、この座標系に基づく座標管理を行う機能を有している。この座標管理機能によれば、ＸＹステージ１４によるＸＹ移動、ＸＹ移動機構部１７ｂによる光学顕微鏡１８のＸＹ移動等において、移動量および移動方向の位置管理を行うことが可能となる。
第２制御装置３４は、上記の機能を有することから、処理装置であるＣＰＵ５１と記憶部５２とから構成される。記憶部５２には上記の各種のプログラムおよび条件データや位置データ等が保存されている。また第２制御装置３４は、画像表示制御部５３と通信部等を備える。加えて第２制御装置３４にはインタフェース５４を介して入力装置３６が接続されており、入力装置３６によって記憶部５２に記憶される測定プログラム、測定条件、データ等を設定・変更することができるようになっている。
第２制御装置３４のＣＰＵ５１は、バス５５を介して、第１制御装置３３の各機能部に対して上位の制御指令等を提供し、また画像処理部４３やデータ処理部４４等から画像データ、探針の高さ位置に係るデータ、各移動部分の位置データを提供される。
次に上記走査型プローブ顕微鏡（原子間力顕微鏡）の基本動作を説明する。
試料ステージ１１上に置かれた半導体基板等の試料１２の表面の所定領域に対してカンチレバーユニット２１の探針２０の先端を臨ませる。通常、探針接近用機構であるＺステージ１５によって探針２０を試料１２の表面に近づけ、原子間力を作用させてカンチレバー２１Ａに撓み変形を生じさせる。カンチレバー２１Ａの撓み変形による撓み量を、前述した光てこ式光学検出装置によって検出する。この状態において、試料表面に対して探針２０を移動させることにより試料表面の走査（ＸＹ走査）が行われる。探針２０による試料１２の表面のＸＹ走査は、探針２０の側をＸＹ微動機構２９で移動（微動）させることによって、または試料１２の側をＸＹステージ１４で移動（粗動）させることによって、試料１２と探針２０の間で相対的なＸＹ平面内での移動関係を作り出すことにより行われる。
探針２０側の移動は、カンチレバーユニット２１を備えるＸＹ微動機構２９に対してＸＹ微動に係るＸＹ走査信号ｓ３を与えることによって行われる。ＸＹ微動に係る走査信号ｓ３は第１制御装置３３内のＸＹ走査制御部４５から与えられる。他方、試料側の移動は、試料ステージ１１のＸＹステージ１４に対してＸ駆動制御部４６とＹ駆動制御部４７から駆動信号を与えることによって行われる。
上記のＸＹ微動機構２９は、圧電素子を利用して構成され、高精度および高分解能な走査移動を行うことができる。またＸＹ微動機構２９によるＸＹ走査で測定される測定範囲については、圧電素子のストロークによって制約されるので、最大でも約１００μｍ程度の距離で決まる範囲となる。ＸＹ微動機構２９によるＸＹ走査によれば、狭域範囲の測定となる。他方、上記のＸＹステージ１４は、通常、駆動部として電磁気モータを利用して構成するので、そのストロークは数百ｍｍまで大きくすることができる。ＸＹステージによるＸＹ走査によれば、広域範囲の測定となる。
上記のごとくして試料１２の表面上の所定の測定領域を探針２０で走査しながら、フィードバックサーボ制御ループに基づいてカンチレバー２１Ａの撓み量（撓み等による変形量）が一定になるように制御を行う。カンチレバー２１Ａの撓み量は、常に、基準となる目標撓み量（基準電圧Ｖｒｅｆで設定される）に一致するように制御される。その結果、探針２０と試料１２の表面との距離は一定の距離に保持される。従って探針２０は、例えば、試料１２の表面の微細凹凸形状（プロファイル）をなぞりながら移動（走査）することになり、探針の高さ信号を得ることによって試料１２の表面の微細凹凸形状を計測することができる。
次に、前述したカンチレバーカセット３０の具体的な構成例を図３と図４に従って説明する。図３は平面図、図４は図３中のＡ−Ａ線断面図である。
このカンチレバーカセット３０は平面形状が例えば正方形であり、側面形状は所望の厚みを有した平板状の部材で作られている。カンチレバーカセット３０は、カセット台３０ａを有し、材質的には所要の強度と精度を有するプラスチック材、樹脂材、またはメタル等によって形成されている。カセット台３０ａの上面には、例えば１６個のカンチレバーユニット２１を配置する収容部（凹所）が形成が形成されている。カンチレバーホルダ２１−１の平面形状は好ましくは正方形であり、比較的に大きな面積を有している。図４から明らかなように、カンチレバーホルダ２１−１の前部の下面にカンチレバー２１Ａは取り付けられ、探針２０の先端が下向きになるようにしてカンチレバー２１Ａおよびカンチレバーホルダ２１−１は置かれている。カセット台３０ａの上面に形成された１６個の収容部の各々でカンチレバーホルダ２１−１が保管され、同一姿勢および同一方向に一定精度で並べて配列されている。
カセット台３０ａには、好ましくは、カンチレバーホルダ２１−１が収容される凹所に対応する底部に貫通孔３０１が形成される。貫通孔３０１は、カンチレバーカセット３０に保管されるカンチレバーユニット２１の数に応じた数の分だけ形成されている。なお貫通孔３０１は凹みでもよい。
製造されたカンチレバーユニット２１（探針２０）およびカンチレバーカセット３０はそれぞれ製造番号が付され、かつカンチレバーユニット２１は所定の順序でカンチレバーカセット３０に並べられる。従って、カンチレバーカセット３０ごとに保管されるカンチレバーユニット２１に関するデータを管理することができる。
上記のカンチレバーカセット３０は、図２に示した試料ステージ１１において、例えば２つのカセット設置ポート３０２，３０３に配置される。試料ステージ１１において、カセット設置ポート３０２，３０３に配置されたカンチレバーカセット３０上の各カンチレバーユニット２１の位置は、第２制御装置３４によって前述した座標系に基づき位置管理されている。
上記のごとき構成を有する走査型プローブ顕微鏡は、例えば、図５に示すごとく、半導体デバイス（ＬＳＩ）のインライン製作装置の例えば途中段階で基板（ウェハ）の検査を行う自動検査工程６２として組み込まれる。図示しない基板搬送装置によって、前段の製作処理工程６１から検査対象である基板（試料１２）を搬出し、自動検査工程６２の上記走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の基板ホルダ１６上に置くと、走査型プローブ顕微鏡により基板表面の所定領域の微細凹凸形状が自動的に計測され、前段での基板製作の処理内容の合否が判定され、その後、再び基板搬送装置によって後段の製作処理工程６３へ搬出される。
次に、前述の各図と、図６および図７とを参照して、第１実施形態に基づく上記走査型プローブ顕微鏡による探針交換方法を説明する。図６は、所定時間の自動計測の継続によって探針が磨耗したカンチレバーユニット２１をカンチレバーカセット３０に設置した後において、新しい所定のカンチレバーユニット２１を取付け部２２に取り付ける手順を示している。カンチレバー２１を取付け部２２から取り外しカンチレバーカセット３０の所定の収容部に設置するプロセスの図示は省略されている。カンチレバーカセット３０を取付け部２２の下方位置に移動させるのは、ＸＹステージ１４によって行われる。図７は、光学顕微鏡１８の観察視野において位置合せを行う状態を示している。この位置合せは図６のステップＳ１３〜Ｓ１５の処理内容に対応している。この探針交換方法では、観察装置としての光学顕微鏡１８を駆動機構１７のＸＹ移動機構部１７ｂで移動させることにより、位置合せを行うようにしている。
図６に従って新しいカンチレバーユニット２１を取付け部２２を取り付ける手順を説明する。
最初のステップＳ１１では、ＸＹステージ１４を駆動してカンチレバーカセット３０を移動させる。この移動では、予めカンチレバーカセット３０における各カンチレバーユニット２１の位置を座標管理に基づき確定しておき、取付け部２２に対して、カンチレバーカセット３０の位置を、予め設定された所定のカンチレバーユニット２１が選択されるように移動させる。
次に、取付け部２２に対して、選択されたカンチレバーユニット２１の取付けが行われる（ステップＳ１２）。この取付けでは、Ｚステージ１５を駆動し、図６の矢印７１に示されるように選択されたカンチレバーユニット２１のカンチレバーホルダ２１−１を取付け部２２に接触させ、かつ装着制御部４９による指令信号ｓ４に基づき取付け部２２に真空吸着動作（矢印７２）を行わせ、カンチレバーホルダ２１−１を取付け部２２に吸着させる。これにより、新しいカンチレバーユニット２１を取付け部２２に装着する。
取付け部２２にカンチレバーユニット２１が取り付けられた状態において、光学顕微鏡１８をＸＹ移動機構部１７ｂで移動させ、かつＺ移動機構部１７ａで焦点合せを行って光学顕微鏡１８の対物レンズ１８ａの焦点をカンチレバーユニット２１のカンチレバー２１Ａに合わせる（ステップＳ１３）。焦点合せの位置は取付け位置のみであり、一度の位置合せ操作で行うことができる。
次のステップＳ１４では、取り付けられたカンチレバーユニット２１の位置を認識し、かつ確認する。この処理では、光学顕微鏡１８による像をＴＶカメラ１９で取り込み、カンチレバーユニット２１のカンチレバー２１Ａの位置を特定し、認識する。
光学顕微鏡１８で得られた画像に関して、取付け位置には誤差が含まれているので、光学顕微鏡１８をＸＹ移動機構部１７ｂで移動させて光学顕微鏡１８で得られる観察視野においてカンチレバー２１Ａの像の位置を所定の位置にセットする。このとき、上記光学顕微鏡１８の移動量に相当するカンチレバーの取付け位置誤差を記憶しておけば、必要に応じて測定時のＸＹ座標値の修正に用いることができる。
図７は、ステップＳ１３〜Ｓ１５による最終的な位置調整の状況を説明する光学顕微鏡１８の観察視野の状況を示している。
図７の（Ａ）は、理想的に正確にカンチレバーユニット２１のカンチレバーホルダ２１−１が取付け部２２に装着された観察視野８１の画像を示している。この場合において、光学顕微鏡１８の観察視野８１の中心位置８２にカンチレバー２１Ａの像（８３）における探針２０がセットされている。
上記のステップＳ１４で得られた光学顕微鏡１８の観察視野で取付け位置に誤差があるときには、図７（Ｂ）に示された観察視野８１の状態にある。ここではカンチレバー２１Ａの像８３が観察視野８１の中にあることを前提としている。この場合において、ステップＳ１５を実行すると、矢印８４で示すごとく観察視野８１を符合８１−１で表された場所まで移動させることにより、カンチレバー２１Ａの像８３の先端位置が観察視野８１−１の中心位置８２に来るようにセットすることになる。この場合には光学顕微鏡１８の側を移動させることにより観察視野８１の側を移動させる。さらにこの場合、カンチレバー位置はパターン認識等の手法で検出され、上記セットが行われる。
なお図７の（Ｃ）は、取付け誤差が大きく、カンチレバー２１Ａの像８３が観察視野８１の外側に出てしまう状況を示している。この場合には、経験則で得られた、あるいは適宜に設定された所定の探索アルゴリズムに基づいてカンチレバー２１Ａの像８３を探索する。この場合、例えば右方向に観察視野８１の半分を移動させ（矢印８５）、観察視野８１−２とし、まだカンチレバー２１Ａの像８３が観察できないときには上下方向に観察視野の半分を移動させて（矢印８６）、観察視野８１−３とする。この状態で、観察視野８１−３内にカンチレバー２１Ａの像８３が観察できるようになるので、上記と同様な手法により観察視野８１−４の中心位置８２に像８３をセットする。当然観察視野を必要な精度に応じて切り換えてもよい。
なお、上記のＴＶカメラ１９で得られた光学顕微鏡１８による観察視野における、当該観察視野の画面中心とカンチレバー２１Ａの像の先端位置との位置合せは、カンチレバー変位検出部２４のレーザ光源（ＬＤ）２６と光検出器（ＰＤ）の取付け誤差等で決まる仮想中心に対して観察視野の画面中心とカンチレバー２１Ａの像の先端位置とが調整可能範囲にあることを前提として実施可能である。
以上のごとく、図６に示された第１実施形態に係る探針交換方法の取付け・装着において、ステップＳ１１〜Ｓ１５によれば、取付け前に位置を微調整する方式ではなく、カンチレバーユニット２１のカンチレバーホルダ２１−１を取付け部２２に取り付けた後において、光学顕微鏡１８側を移動させることによって微調整する方式である。このため、取付け部２２に装着したカンチレバー２１Ａにおいて誤差が生じていたとしても取付け直しの作業は発生しない。従って、本実施形態による探針交換方法によれば、従来の探針交換方法に比較して少ない交換時間で高精度に探針交換を行うことができる。
以上の実施形態では、取付け誤差の修正を光学顕微鏡によって行ったが、カンチレバー側を移動させることによって行ってもよい。
インライン自動計測を行う場合には、試料１２の所定箇所を自動的に測定することになる。この場合、探針と試料の位置関係が重要であるが、本方式によれば光学顕微鏡１８の移動量が相対関係を表す指標になり、極めて容易に座標管理を行うことができる。
次に、図８〜図１９を参照して本発明の第２実施形態を説明する。この第２実施形態では、走査型プローブ顕微鏡の自動的な探針交換方法において、新しいカンチレバーユニット２１を取付け部２２に取り付けた際に、真空吸着によって取付け部２２に取り付けられた状態のカンチレバーユニットに対して所定方向から力を与え、カンチレバーユニット側を移動させることにより、カンチレバーユニット２１の取付け位置を微調整して位置調整を行う方法が提案される。
図８は第１実施形態の図１に対応し、図９は第１実施形態の図２に対応している。図８では図１で説明した要素と同一の要素には同一の符号を付し、図９では図２で説明した要素には同一の符号を付しており、先に説明した内容については説明を省略し、特徴的な構成のみを説明する。
図８と図９において、試料ステージ１１の上面において、試料ホルダ１６の傍に、カンチレバーユニット２１のカンチレバーホルダ２１−１を取付け部２２に真空吸着で取り付ける際、取付け部２２における取付け位置を調整・設定する位置決め機構１０１が設けられている。位置決め機構１０１は、試料ステージ１１上において位置合せポートとして設けられている。
位置決め機構１０１の拡大図を図１０〜図１２に示す。図１０は位置決め機構１０１の平面図を示し、図１１は側面図を示し、図１２は位置合せ実施状態の平面図を示す。位置決め機構１０１は、カンチレバーユニット２１のカンチレバーホルダ２１−１で設定された基準面に合致する形状を有する２つの基準面１０２ａを有するＬ字型押し部材１０２で形成される。この押し部材１０１はほぼ直角な角度で折り曲げられたＬ字形状を有する部材である。基準面１０２ａは押し部材１０２の内面側に形成されている。押し部材１０２は、図１１に示す状態で、試料ステージ１１の上面に固定されている。試料ステージ１１のＸＹステージ１４およびＺステージ１５によって試料ステージ１１をＸ，Ｙ，Ｚの各方向に移動させるとき、試料ステージ１１の動作に応じて一緒に移動する。従って、位置決め機構１０１の移動動作、すなわち押し部材１０２の移動動作は試料ステージ１１の移動動作に伴って行われる。
位置決め機構１０１の押し部材１０２の２つの基準面１０２ａは、図１２に示すごとくカンチレバーユニット２１のカンチレバーホルダ２１−１の図１２中左側と下側の辺の側面に接触する。この場合、カンチレバーユニット２１のカンチレバーホルダ２１−１の図１２中左側と下側の辺の側面が基準面として設定されている。
新しいカンチレバーユニット２１が取付け部２２に真空吸着された状態で、試料ステージ１１が移動動作を行い、図１２に示すごとくカンチレバーユニット２１は位置決め機構１０１の箇所にセットされる。この移動状態を図１３に示す。
図１３において、１０４は他の形態のカンチレバーカセットであり、１０５はカセット台である。カンチレバーカセット１０４およびカセット台１０５の構造は、先に説明したカンチレバーカセット３０およびカセット台３０ａとそれぞれ実質的に同じものである。カンチレバーカセット１０４では１２個のカンチレバーユニット２１が配置されている。その中の上段左端の１つのカンチレバーユニット２１が取付け部２２に取り付けられ、矢印１０６に示すごとく位置決めポート１０７にある位置決め機構１０１の箇所に移動され、所定位置関係でセットされる。
上記のセット状態において、さらに図１２に示すように、位置決め機構１０１で試料ステージ１１の移動に基づいて押し部材１０２が、矢印１０３のごとく破線で示す位置Ｐ１から実線で示す位置Ｐ２に移動すると、カンチレバーホルダ２１−１を押して取付け部２２に対するカンチレバーユニット２１の位置を調整することが可能となる。カンチレバーユニット２１は取付け部２２に固定されているが、真空吸着作用に基づく位置調整可能な固定力である。
図１２において、１０８はシリコンベース、２１Ａは前述したレバー部材すなわち狭義のカンチレバーである。また１０９は光学顕微鏡１８による観察視野の領域を示したものであり、１１０は取付け部２２による吸引領域である。その他の構成に関しては図１および図２で説明した構成と実質的に同じである。
次に、前述した図８〜図１３、図１４、図１５Ａおよび図１５Ｂを参照して、第２実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡による探針交換方法を説明する。図１４は上記観察視野１０９を拡大して示し、図１５Ａおよび図１５Ｂは、計測作業によって探針２０が磨耗したカンチレバーユニット２１をカンチレバーカセット３０に設置した後において、新しい所定のカンチレバーユニット２１を取付け部２２に自動的に取り付ける手順を示している。
使用済みのカンチレバーユニット２１を取付け部２２から取り外し、カンチレバーカセット３０の所定の収容部に設置する工程の図示は省略されている。カンチレバーカセット３０を取付け部２２の下方位置に移動させるのは、ＸＹステージ１４によって行われる。図１４では、光学顕微鏡１８の観察視野１０９において位置合せを行う状態を示している。この探針交換方法では、位置決め機構１０１の押し部材１０２をＸＹステージ１４で移動させることにより、カンチレバーホルダ２１−１の基準面を押し部材１０２の基準面１０２ａで押し、カンチレバーホルダ２１−１と取付け部２２との間の相対的位置を変化させて、光学顕微鏡１８の観察視野１０９の中心点１０９Ａにカンチレバー２１Ａの先端部１１１の位置合せを行うようにしている。
図１５Ａと図１５Ｂに従って新しいカンチレバーユニット２１を取付け部２２に取り付ける手順を説明する。なお図１５Ａと図１５Ｂは結合子で繋がれた一連のフローチャートを示している。
最初のステップＳ１１１では、ＸＹステージ１４を駆動してカンチレバーカセット３０を移動させる。この移動では、予めカンチレバーカセット３０における各カンチレバーユニット２１の位置を座標管理に基づき確定しておき、取付け部２２に対して、カンチレバーカセット３０の位置を、予め設定された所定のカンチレバーユニット２１が選択させるように移動を行う。
ステップＳ１１１で設定する取付け位置は、その後のステップにおいて、カンチレバーホルダ２１−１と取付け部２２の相対的位置を調整する位置決めステップＳ１１４〜Ｓ１１７を行うために十分な調整代と、カンチレバーカセット３０内に収納されたカンチレバーユニット２１の収納位置のばらつきによる取付け位置の誤差を十分に見込んだ取付け範囲内であればよい。
次に、取付け部２２に対して、選択された新しいカンチレバーユニット２１の取付けが行われる（ステップＳ１１２）。この取付け作業では、Ｚステージ１５を駆動し、前述した図６の矢印７１に示されるごとく、選択されたカンチレバーユニット２１のカンチレバーホルダ２１−１を取付け部２２にバネ機構、センサ等（図示せず）を利用して接触させ、かつ装着制御部４９による指令信号ｓ４に基づき取付け部２２に真空吸着動作（図６の矢印７２）を行わせ、カンチレバーホルダ２１−１を取付け部２２に吸着させる。これにより、カンチレバーユニット２１を取付け部２２に装着する。
ステップＳ１１３においては、取付け部２２にカンチレバーユニット２１が取り付けられた状態において、Ｚステージ１５を下方に下げ、次にＸＹステージ１４を駆動して位置決め機構１０１を取付け部２２の下側に移動させる。移動させる位置は、カンチレバーユニット２１を取り付けた取付け誤差範囲と、位置決め機構１０１の押付け代等を計算した座標位置とする。
位置決め機構１０１がカンチレバーユニット２１に対して相対的に計算された座標位置の場所に移動したら、Ｚステージ１５を、位置決め機構１０１における押し部材１０２の基準面１０２ａがカンチレバーホルダ２１−１の基準面を押付け可能な高さになり、かつカンチレバーホルダ２１−１の底面と押し部材１０２とが接触しない位置まで、上昇させる。
ステップＳ１１４では、位置決め機構１０１の押し部材１０２の基準面１０２ａをカンチレバーホルダ２１−１の基準面に向かって、所定の送り量でＸＹステージ１４を駆動してＸ軸およびＹ軸の各方向に微小距離で移動（微動）させる。このとき、カンチレバーホルダ２１−１と押し部材１０２の基準面１０２ａが接触すると、押し部材１０２の機械的な押し力により、取付け部２２に真空吸着されたカンチレバーホルダ２２１−１と取付け部２２との間の相対的位置の関係が変化する。
ステップＳ１１５では、カンチレバーホルダ２１−１と取付け部２２との相対的位置が変化して、光学顕微鏡１８の観察視野内にカンチレバー２１Ａの画像が現れたら、光学顕微鏡１８で取り込んだカンチレバー２１Ａの画像に対して画像処理を行ってカンチレバー２１Ａの先端部１１１の位置を検出し、さらにステップＳ１１６において、当該検出座標を参照しながら、位置決め機構１０１を、ＸＹステージ１４を駆動して光学顕微鏡１８の観察視野１０９の中心点１０９Ａに向けて微動させ、カンチレバー２１Ａの先端部１１１の位置が観察視野１０９の中心点１０９Ａの位置になるように設定する（ステップＳ１１７）。
ＸＹステージ１４を駆動して位置決め機構１０１を或る程度移動しても、カンチレバー２１Ａの画像が光学顕微鏡１８の観察視野内で検出できない場合には、位置決め機構１０１を、予め把握している、カンチレバー２１Ａがカンチレバーホルダ２１−１に支持される部分の機械的寸法情報を基に、カンチレバー２１Ａの先端部１１１が、光学顕微鏡１８の観察視野１０９の中心点１０９Ａに設定される位置までＸＹステージ１４を駆動することによって移動させる。この動作が有効になるように、カンチレバー２１Ａの自由端は、カンチレバーホルダ２１−１に対して機械的に所定の精度範囲内に入る位置に支持されている。
以上により、ステップＳ１１４〜Ｓ１１７に基づき、新しいカンチレバーユニット２１を取付け部２２に装着した時、カンチレバー２１Ａの先端部１１１の位置を光学顕微鏡１８の観察視野１０９の中心点１０９Ａの位置に設定する工程を完了する。
ステップＳ１１８では、光学顕微鏡１８の観察視野１０９の中心点１０９Ａに位置しているカンチレバー２１Ａの取付け部２２への取付け状況の認定および確認をパターン認識等の画像処理を利用して行う。画像からカンチレバー２１Ａの中心軸１１２（図１４に示す）と先端部１１１の位置を検出し、検出した当該中心軸１１２と先端部１１１の位置座標が設定された所定範囲内に入っているかどうかを認定および確認する（判断ステップＳ１１９）。なお、以上において、観察視野を変更して所定の機能を実現してもよい。
判断ステップＳ１１９でＮＯであるときには異常警告および処理の停止が実行される（ステップＳ１２０）。また判断ステップＳ１１９でＹＥＳのときには次のステップＳ１２１に移行する。
判断ステップＳ１１９で、カンチレバー２１Ａの画像が光学顕微鏡１８の観察視野１０９内になかったり、たとえ観察視野１０９内にあったとしても、検出したカンチレバー２１Ａの中心軸１１２や先端部１１１の座標位置が所定範囲に入っていなかったりすると、カンチレバーユニット２１の脱落やカンチレバー２１Ａのカンチレバーホルダ２１−１に対する取付け不良、またはカンチレバー２１Ａの曲がりなどが考えられる。そこで、このような場合には、探針の自動取付け処理を中断する（ステップＳ１２０）。この操作により、破損等の不良のカンチレバーユニット２１を自動的に検出することができる。
次のステップＳ１２１において、検出したカンチレバー２１Ａの中心軸１１２や先端部１１１の座標位置が、設定された所定範囲内に入っていた場合には、この座標位置の値をシステムに登録する登録処理を行う。この登録処理は、カンチレバーユニットの交換のたびに行われる。
以上のステップＳ１１８〜Ｓ１２１によって取付け部２２におけるカンチレバーユニット２１の取付け状態の判定および先端登録処理の工程が完了する。
次に、次の段階の図１５Ｂに示されるステップＳ１２５〜Ｓ１３３と図１６〜図１９とに従って、前述した光てこ式光学検出装置における光軸の自動調整を行う手順を説明する。
図１６に、カンチレバー２１Ａの自由端の側から見たレーザ光源２６と光検出器２７から成る光軸系の配置図を、また図１７に、光学顕微鏡１８の観察方向から見た同光軸系の配置図をそれぞれ示す。
レーザ光源２６は、詳しくは、レーザ光源２６をレーザ光２８の光軸に対して垂直な面方向に移動可能な移動機構２６−１に支持されている。これにより、カンチレバー２０Ａの背面におけるレーザ光２８の照射位置を変更することができる。
光検出器２７は、詳しくは、当該光検出器２７を検出面に平行な面方向に移動可能な移動機構２７−１に支持されている。これにより、光検出器２７の検出位置を変更することができる。
ステップＳ１２１で登録したカンチレバー２１Ａの中心軸１１２と先端部１１１の座標位置データを用いて、レーザ光源２６の移動機構２６−１と光検出器２７の移動機構２７−１を駆動して、レーザ光源（図中「ＬＤ」と記す）２６と光検出器（図中「ＰＤ」と記す）２７の位置を調整する（ステップＳ１２５）。レーザ光源２６の位置は、カンチレバー２１Ａの種類によって変化する、レーザ光の計算上の照射位置になるように設定される。光検出器２７の位置は、カンチレバー２１Ａの面から反射したレーザ光の計算上の受光位置になるように設定される。
次のステップＳ１２６において、移動機構２６−１を駆動してレーザ光源２６の位置を変化させ、カンチレバー２１Ａの計算上のレーザ光照射目標範囲内でレーザ光の照射位置をスキャンする。このスキャン動作はカンチレバー２１Ａの背面に関して中心軸１１２に対して垂直な幅方向に行われる。
次の判断ステップＳ１２７では、光検出器２７の出力信号Ｖｄを監視し、出力信号が予め設定した所定値以上であるか否かの判定を行う。光検出器２７の受光面は４分割されているので、光検出器２７の出力信号Ｖｄは、４分割された各受光領域の和信号として出力される。出力信号Ｖｄが所定値以上である場合にはステップＳ１３１に移行し、出力信号Ｖｄが所定値未満である場合には次のステップＳ１２８に移行する。ステップＳ１３１ではレーザ光源２６の詳細設定処理が実行される。
ステップＳ１２８〜Ｓ１３０から成る工程は、カンチレバー２１Ａの個々の形状のばらつきなどの理由により、実際のレーザ光２８の光軸が、計算上のレーザ光の光軸と異なっていた場合の自動調整の工程である。この自動調整工程では、まず、光学顕微鏡１８の画像と光検出器２７の出力信号Ｖｄとを監視しながら、移動機構２６−１を駆動して、上記で検出したカンチレバー２１Ａの中心軸１１２と先端部１１１の座標位置の周辺にレーザ光が照射されるようにレーザ光源２６から照射されるレーザ光の照射位置を変化させる（ステップＳ１２８）。次に、光学顕微鏡１８の画像上でカンチレバー２１Ａ上のレーザ光照射点が最大輝度になるようにレーザ光源２６の位置を粗く調整する（ステップＳ１２９）。最後に、光検出器２７の位置を移動機構２７−１で駆動して調整する（ステップＳ１３０）。
ステップＳ１３１，Ｓ１３２から成る工程では、光学顕微鏡１８の画像と光検出器２７の出力信号Ｖｄを監視することにより、移動機構２６−１を駆動してレーザ光源２６から照射されるレーザ光の照射位置を制御し（ステップＳ１３１）、さらに移動機構２７−１を駆動して光検出器２７の位置を変化して、光検出器２７におけるレーザ光の受光面が、光検出器２７の中心位置になるように詳細調整を行う（ステップＳ１３２）。
ここで、図１８を参照して、レーザ光源２６から照射されたレーザ光がカンチレバー２１Ａの背面上で反射して光検出器２７に受光されたとき、レーザ光２８の受光位置を光検出器２７の中心位置に設定する方法を説明する。
図１８の（Ａ）は光検出器２７をレーザ光の受光面から見た図である。光検出器２７は４分割された受光素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄにより構成される。光検出器２７の各受光素子は、レーザ光を受けると、当該レーザ光のエネルギに応じて受信信号を出力する機構を備えている。
ここで、前述した出力信号Ｖｄが所定値以上であるというのは、図１８の（Ｂ）に示すように、光検出器２７のいずれかの受光素子が所定値以上のレーザ光（レーザスポット１２１）を受けている状態である。また出力信号Ｖｄが所定値未満というのは、図１８の（Ｃ）に示すように、受光しているレーザ光（レーザスポット１２１）のエネルギが所定の値よりも少ない場合である。
光検出器２７は、受光面で受けたレーザ光の位置情報を知るために、受光素子Ａ〜Ｄの受信信号の各出力電圧について、差信号と呼ばれる｛（Ａ＋Ｄ）−（Ｂ＋Ｃ）｝、摩擦信号と呼ばれる｛（Ａ＋Ｂ）−（Ｄ＋Ｃ）｝、さらに和信号と呼ばれる（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）の演算を行う。
例えば図１２の（Ｄ）に示すレーザ光の受光状態において上記の差信号と摩擦信号の演算を行うと、レーザ光の受光点（レーザスポット１２１）を演算可能であることは自明であり、移動機構２７−１を駆動してレーザ光の受光点を光検出器２７の中心点に設定可能であることが分かる。
次に判断ステップＳ１３３を説明する。判断ステップＳ１３３は、光学顕微鏡１８およびＴＶカメラ１９で得られる画像を、画像処理を用いて、上記で設定したレーザ光２８の光軸が、カンチレバー２１Ａの適正な位置に照射されているかを最終的に確認するステップである。図１９を参照して、レーザ光２８がカンチレバー２１Ａ上の事前に設定された適正な位置に照射されているか否かを確認するステップを説明する。
図１９は、ステップＳ１２５〜Ｓ１３２によってなされた光軸調整の最終的な位置確認の状況を説明するための光学顕微鏡１８の観察視野の状況を示している。
図１９の（Ａ）は、レーザ光２８がカンチレバー２１Ａ上の適正な位置に照射されている状態を示す。スポット１２２はレーザ光２８の反射画像である。レーザ光２８がカンチレバー２１Ａ上の適正な位置に照射されている状態とは、レーザ光の照射中心点が、カンチレバー２１Ａ上のカンチレバー中心軸の付近にあり、さらになるべく先端位置１１１に近い位置にあることである。
図１９の（Ｂ）に示すように、光学顕微鏡１８の観察視野１０９内でカンチレバー２１Ａ上の適正なレーザ光照射位置を検出するレーザ照射範囲ウィンドウ１２３を設定する。
図１９の（Ｃ）に示すように、まず光学顕微鏡１８の全観察視野を用いて、画像輝度情報の二値化などの手法により、カンチレバー２１Ａ上でレーザ光が照射されている部分の全面積を求め、さらに上記の画像処理ウィンドウ１２３内でのレーザ光照射部分の面積を求め、その比を演算する。これにより、全照射面積における適正な照射範囲内に照射されたレーザ光の照射割合を求める。求めた割合が所定値以上であればレーザ光２８がカンチレバー２１Ａの背面上において適正な位置に照射されているものとする。
上記の手法によれば、カンチレバー２１Ａの種類や個々の表面形状のばらつきに起因する反射の輝度むらなどや、カンチレバー２１Ａの形状により、図１９の（Ｄ）に示すようなエッジ部分１２４しか反射しないケースであっても、正確にレーザ光２８の照射位置を検出することができる。この技術により、上記光学系におけるレーザ光２８の光軸の自動調整が最終的に可能になる。上記判断ステップＳ１３３でＹＥＳと判定されたときには探針自動交換の作業を終了し、ＮＯと判定されたときには異常警告・処理の停止のステップＳ１３４が実行される。
以上のごとく、図１５Ａ，１５Ｂに示された探針交換方法におけるカンチレバーユニットの取付け・装着、および光軸の自動調整において、上記の各ステップによれば、取付け前に位置を微調整する方式ではなく、取付け部２２にカンチレバーホルダ２１−１を取り付け、その後において位置決め機構１０１の押し部材１０２によって取付け部２２に対するカンチレバーホルダ２１−１の位置を微調整する方式である。
さらに、位置決め機構１０１によって正確に求められたカンチレバー２１Ａの中心軸１１２および先端位置１１１の位置座標を用いて、従来手動で行っていた光軸調整を自動で行うものである。
上記の構成のため、取付け部２２に装着したカンチレバーユニット２１において誤差が生じていたとしても、取付け直しの作業は発生しない。従って、第２実施形態に係る自動探針交換方法によれば、従来の探針交換方法に比較して少ない交換時間で高精度に探針交換を行うことができる。
なおインライン自動計測を行う場合には、試料１２の所定箇所を自動的に測定することになる。この場合、探針と試料の位置関係が重要であるが、本方式によればカンチレバー２１Ａの先端および中心軸の位置座標が一意に決定されるので、極めて容易に座標管理を行うことができる。
前述の第２実施形態において、位置決め機構１０１の押し部材１０２の形状やカンチレバーホルダに対する押付け方向は任意に変更することができる。
前述の各実施形態の説明では、広域観察として光学顕微鏡を用いたが、その代わりに、走査型電子顕微鏡やレーザ顕微鏡などの各種のものを使用することができる。
上記の各実施形態で説明される構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎず、また数値および各構成の組成（材質）については例示にすぎない。従って本発明は、以下に説明される実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。
【産業上の利用可能性】
本発明は、多数の試料を順次に継続して測定する走査型プローブ顕微鏡において磨粍した探針の交換、異なる種別への交換、または装置セットアップ等の装着等を短時間にかつ高い位置決め精度の装着で自動的に行うのに利用される。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【技術分野】
本発明は走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法に関し、特に、探針の交換を短時間でかつ高い位置決め精度で自動的に交換するのに適した走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法に関する。
【背景技術】
走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は、従来、原子のオーダまたはサイズの微細な対象物を観察できる測定分解能を有する測定装置として知られている。近年、走査型プローブ顕微鏡は、半導体デバイスが作られた基板やウェハの表面の微細な凹凸形状の測定など各種の分野に適用されている。測定に利用する検出用物理量に応じて各種のタイプの走査型プローブ顕微鏡がある。例えばトンネル電流を利用する走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）、原子間力を利用する原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、磁気力を利用する磁気力顕微鏡等があり、それらの応用範囲も拡大しつつある。
上記のうち原子間力顕微鏡は、試料表面の微細な凹凸形状を高分解能で検出するのに適し、半導体基板、ディスクなどの分野で実績を上げている。最近ではインライン自動検査工程の用途でも使用されてきている。
原子間力顕微鏡は、基本的な構成として、原子間力顕微鏡の原理に基づく測定装置部分を備える。通常、圧電素子を利用して形成されたトライポッド型あるいはチューブ型のＸＹＺ微動機構を備え、このＸＹＺ微動機構の下端に、先端に探針が形成されたカンチレバーが取り付けられている。探針の先端は試料の表面に対向している。上記カンチレバーに対して例えば光てこ式光学検出装置が配備される。すなわち、カンチレバーの上方に配置されたレーザ光源（レーザ発振器）から出射されたレーザ光がカンチレバーの背面で反射され、光検出器より検出される。カンチレバーにおいて捩れや撓み等の変形で変位が生じると、光検出器におけるレーザ光の入射位置が変化する。従って探針およびカンチレバーで変位が生じると、光検出器から出力される検出信号で当該変位の方向および量を検出できる。上記の原子間力顕微鏡の構成について、制御系として、通常、比較器、制御器が設けられる。比較器は、光検出器から出力される検出電圧信号と基準電圧とを比較し、その偏差信号を出力する。制御器は、当該偏差信号が０になるように制御信号を生成し、この制御信号をＸＹＺ微動機構内のＺ微動機構の部分に与える。こうして、試料と探針の間の距離を一定に保持するフィードバックサーボ制御系が形成される。上記の構成によって探針を試料表面の微細凹凸に追従させながら走査し、その形状を測定することができる。
原子間力顕微鏡が発明された当時は、その高分解能性を利用してｎｍ（ナノメートル）以下のオーダの表面微細形状の測定が中心課題であった。しかし現在では、走査型プローブ顕微鏡は半導体デバイスのインライン製作装置の途中の段階で検査を行うインライン自動検査までその使用範囲が拡大してきている。このような状況になると、実際の検査工程では、基板またはウェハの上に作られた半導体デバイスの表面の微細凹凸形状において非常に急峻な凹凸を測定することが要求される。
次に従来の原子間力顕微鏡の探針の取付け構造を説明する。通常、探針はカンチレバーの先端部に下面に形成されている。カンチレバーは所要の弾性を有する片持ち梁状のレバー部材である。従って探針の取付け構造は、すなわちカンチレバーの取付け構造であり、カンチレバーの取付け構造と実質的に同じ技術内容となる。前述の通り、カンチレバーは、ＸＹＺ微動機構の下端、特にＺ微動機構の部分の下端に取り付けられる。
カンチレバーの取付け構造を詳細に説明する。カンチレバーは、先端部の下面に探針を有すると共に、その後端部（基部）にカンチレバーホルダを有する。カンチレバーホルダは、カンチレバーの部分とサイズおよび形状の観点で比較すると、比較的に面積の大きな例えば矩形平板状の部分となっている。Ｚ微動機構の下側にはカンチレバーを取り付けるためのカンチレバー取付け部を備えている。このカンチレバー取付け部は、例えば空気吸引機構による吸引作用（真空吸着）によってカンチレバーホルダを吸着することにより、カンチレバーをＺ微動機構の下部に固定・装着している。
上記原子間力顕微鏡等の走査型プローブ顕微鏡における大きな問題は探針の交換である。現状の技術では、探針と試料の接触状態をできるだけ少なくするために各種の測定モードが提案されている。しかしながら、探針と試料の接触は完全になくすことはできず、探針先端の磨耗は避けることができない。そのため、探針が磨耗すれば、走査型プローブ顕微鏡の取付け部からカンチレバーを取り外して新しいカンチレバーと交換しなければならない。また測定対象の多様化によって、異なる種類のカンチレバー（探針）を予め用意し、状況に応じてカンチレバーを適宜なタイミングで交換することも必要となる。特に、半導体製造ラインに走査型プローブ顕微鏡によるインライン検査工程を設ける場合には探針交換の自動化が重要となる。この場合において、特に、探針を備えたカンチレバーをカンチレバー取付け部に取り付けるための仕組みが重要である。
走査型プローブ顕微鏡において自動的に探針を交換する技術としては特許第３１７６９３１号公報に開示された技術がある。この特許第３１７６９３１号公報に記載された走査型プローブ顕微鏡では、自動的に探針の交換を行いかつその位置合せを行う構成および機能を有している。特許第３１７６９３１号公報による走査型プローブ顕微鏡では、試料ステージ上の試料ホルダの近傍であって試料ステージ上にカンチレバーカセット設置台（設置ポート）が設けられ、この設置台にカンチレバーカセットが備えられる。カンチレバーカセットは、複数の収容部を有し、複数のカンチレバーがそれぞれの収容部に収容されている。また、走査型プローブ顕微鏡の微動機構部（スキャナ）の下部には、吸引機構を有するカンチレバー取付け部が設けられ、これによる吸引作用に基づきカンチレバーが取り付けられ、装着されている。
上記の構成において、微動機構部の下部に装着されているカンチレバーを交換するときには、例えば試料ステージを移動させることにより相対的に微動機構部をカンチレバーカセットの設置箇所に移動させ、吸引作用を解除してカンチレバーカセットの空き収容部にそれまで使用していたカンチレバーを取り外して置き、次に微動機構部を新たなカンチレバーの箇所に移動させ、再び吸引作用に基づき新たなカンチレバーを装着する。
上記のカンチレバーの交換では、微動機構部と、カンチレバーカセットの所定の空き収容部や新たなカンチレバー等との位置合せは、例えば光学顕微鏡による観察に基づいて行われる。具体的には、観察視野の画像をテレビカメラで取得し、当該画像を元にカンチレバーの存在位置を自動的に認識し、取付けのための位置を確定し、試料ステージ内のＺステージにより接近動作を行い、吸引装置による吸着作用に基づきカンチレバーの取付けを完了する。
以上によって、走査型プローブ顕微鏡においてカンチレバーの自動交換すなわち探針の自動交換を実現することができる。なお、実際には、その後において次のＳＰＭ測定が行えるように、レーザ光をカンチレバーの背面に照射するための光学検出装置の位置等の設定、光軸合せが行われる。
上記特許第３１７６９３１号公報に記載された探針の自動交換方法では、探針交換に時間がかかるという問題がある。その第１の理由は、取付け方法として真空吸着方式を利用するが、吸着の際に取付け位置がずれ、最悪の場合には一度取り外して取り付けなおすことが少なからず発生することである。第２の理由は、探針の取付け前に位置を確定する方式であるため、位置決めの正確さが要求され、また取付けの動作が複雑になるため、交換に時間を要することである。これらの理由は複合的に絡んでいる。
特許第３１７６９３１号公報による探針の自動交換方法でカンチレバーを取り付けるプロセスをステップで示すと、次の通り９段階で表される。
（１）ＸＹ移動： 取り付けようとするカンチレバーの位置をカンチレバー取付け部の位置に合わせる。
（２）Ｚステージによる移動： カンチレバーホルダがカンチレバー取付け部に接触しない状態で試料ステージのＺステージによって位置調整する。先端部の位置合せのため非接触状態にされる。
（３）光学顕微鏡によるフォーカス： カンチレバーの背面に光学顕微鏡の焦点を合わせる。
（４）カンチレバーの位置の認識： カメラで取得した画像を利用したパターン認識でカンチレバーの位置を確認する。
（５）ＸＹステージの微調整： ステップ（４）の結果に従ってカンチレバーが光学顕微鏡の観察視野における所定位置（通常は中心位置）になるように試料ステージのＸＹステージを微調整する。
（６）カンチレバーの取付け： Ｚステージを上昇させ、カンチレバーを取り付ける。通常は真空吸着を用いる。
（７）光学顕微鏡によるフォーカス： カンチレバーの背面に光学顕微鏡の焦点を合わせる。
（８）カンチレバーの位置の認識・確認： カメラによる画像を利用してカンチレバーの取付け状態での位置を確認する。
（９）取外し： ステップ（８）でカンチレバーの取付けで失敗の時にはカンチレバーを取り外し、ステップ（２）に戻ってやり直す。
以上のように、従来の探針の自動交換方法によれば、真空吸着等を利用する方式においてはカンチレバー取付け時の取付け誤差をなくすことは難しく、位置ずれが生じやすい。位置ずれが大きい場合には、カンチレバーの位置が光学顕微鏡の観察視野の外側になる場合がある。このような場合には、カンチレバーの取付け作業をやり直すことになる。このような従来の探針の自動交換方法は、プロセスのステップが多くかつ複雑になっており、取付け位置に誤差が生じた場合には取付け作業のやり直しが必要となる。
また探針すなわちカンチレバーを交換した後には、カンチレバーの弾性歪みを検出する光学検出機構において、使用するレーザ光の照射位置を、レーザ光源を移動して設定する作業や、レーザ光源から発せられ、カンチレバーで反射したレーザ光を受光する光検出器の位置を移動して、光検出器上の検出位置を所定の位置に調整する作業などがあり、調整に多くの時間がかかっている。
従って、探針の交換作業には多くの時間がかかることになる。
本発明の目的は、上記の課題に鑑み、短時間で高精度に探針の取付けあるいは交換を自動的に行うことができる走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、カンチレバー（探針）を取付けあるいは交換を自動的に行った後において、カンチレバーの取付け状態を自動的に判定し、さらにカンチレバーの変位を検出する光学的検出装置の光源と光検出器の各位置を自動的に調整できる走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法を提供することにある。
【発明の開示】
本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法は、上記目的を達成するために、次のように構成される。
第１の観点による走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法は、試料に対して探針が向くように設けられたカンチレバーと、探針が試料の表面を走査するとき探針と試料の間で生じる物理量を測定する測定部（光てこ式光学検出装置、フィードバックサーボ制御系、走査装置、ＸＹＺの微動機構、データ処理等の制御装置等から成る部分）を備え、この測定部で上記物理量を一定に保ちながら探針で試料の表面を走査して試料の表面を測定するように構成された走査型プローブ顕微鏡での上記探針の交換方法である。この走査型プローブ顕微鏡は、さらに、カンチレバーを着脱する機構（空気吸引装置等による真空吸着機構）を備えたカンチレバー取付け部と、複数のカンチレバーを収容・保管するカンチレバー保管部（カンチレバーカセット）と、カンチレバー保管部の位置を移動させる第１移動機構（ＸＹステージとＺステージ）と、装着状態のカンチレバーの位置を観察する観察装置とを備える。上記の走査型プローブ顕微鏡において、本発明に係る探針交換方法は、第１移動機構でカンチレバー取付け部とカンチレバー保管部との間の位置合せを行い、カンチレバー保管部から１つのカンチレバーを選んでカンチレバー取付け部に装着するステップと、カンチレバー装着後に、観察装置とカンチレバーの相対的な位置を変更させ、装着されたカンチレバーを観察装置の観察視野の所定位置に設定するステップと、を含んで成る方法である。これにより探針の交換は作業全体が少ないステップ数で自動的に行われる。
第２移動機構によって観察装置を移動させることにより、カンチレバーを観察装置の観察視野の所定位置に設定することを特徴とする。観察装置はその位置を第２移動機構によってＸＹ平面内で移動するように構成されている。
上記の探針交換方法において、好ましくは、第１移動機構によって移動する位置決め機構によりカンチレバー側を移動させることにより、カンチレバーを観察装置の観察視野の所定位置に設定することを特徴とする。
上記の探針交換方法において、好ましくは、観察装置は光学顕微鏡であり、この光学顕微鏡およびＴＶカメラで得られる画像を利用してパターン認識処理を行って、装着されたカンチレバーの装着位置を特定する方法である。
上記の探針交換方法において、好ましくは、上記所定位置は観察視野の中心位置であることで特徴づけられる。
第２の観点による走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法は、先端に探針を有しかつ基端にカンチレバーホルダを有するカンチレバーと、探針が試料の表面を走査するとき探針と試料の間で生じる物理量を測定する測定部を備え、この測定部で物理量を一定に保ちながら探針で試料の表面を走査して前記試料の表面を測定するように構成される走査型プローブ顕微鏡に適用される。この走査型プローブ顕微鏡は、さらに、カンチレバーホルダを介してカンチレバーを脱着する機構を備えたカンチレバー取付け部と、複数のカンチレバーを保管するカンチレバー保管部と、カンチレバー保管部の位置を移動させる第１移動機構と、装着状態のカンチレバーの位置を観察する観察装置とを備える。さらに走査型プローブ顕微鏡は、第１移動機構によって移動する、カンチレバー取付け部に取り付けられたカンチレバーの位置を調整する位置決め機構を備える。以上の構成を有する走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法は、カンチレバー保管部との間の位置合せを行い、カンチレバー保管部から１つのカンチレバーを選んでこのカンチレバーをカンチレバーホルダを介してカンチレバー取付け部に装着するステップと、第１移動機構で、カンチレバーを装着したカンチレバー取付け部と位置決め機構との間の位置合せを行うステップと、選んだカンチレバーをカンチレバー取付け部に装着した後に、装着されたカンチレバーを観察装置で撮像するステップと、位置決め機構によりカンチレバー取付け部に対するカンチレバーの位置を変化させて観察装置の観察視野内で所定位置に移動させるステップと、を含む。
上記の探針交換方法において、好ましくは、位置決め機構は、カンチレバー取付け部に取り付けられたカンチレバーホルダの側面を押す押し部材を有する。
上記の探針交換方法において、好ましくは、押し部材は、平面形状が矩形のカンチレバーホルダの２辺の側面に接触するＬ字型押し部材である。
上記の探針交換方法において、好ましくは、カンチレバー取付け部に取り付けられたカンチレバーの取付け状態を判定するステップを含んでいる。
上記の探針交換方法において、好ましくは、カンチレバーの先端位置を検出してその座標値を記憶するステップと、記憶した座標値に基づいて、カンチレバーにレーザ光を照射しカンチレバーの撓みを検出するレーザ光を発生する光学検出装置のレーザ光源と光検出器の位置を光軸調整のため調整するステップと、を含む。
上記の探針交換方法において、好ましくは、観察装置は光学顕微鏡であり、この光学顕微鏡で得られる画像を利用してパターン認識および画像処理を行うステップと、カンチレバー取付け部に取り付けられたカンチレバーの取付け位置を特定するステップを備える。
上記の探針交換方法において、好ましくは、カンチレバーの取付け位置を特定する際、観察装置により得られる画像の画像処理を行うことによりカンチレバーの先端位置や中心軸の座標値を検出するステップと、座標値を記憶するステップを備える。
上記の探針交換方法において、好ましくは、記憶したカンチレバーの先端位置や中心軸の座標値に基づき、カンチレバーの種類に応じたレーザ光のカンチレバーへの照射目標位置範囲を計算するステップと、観察装置により得られる画像と光検出器からの出力信号とを用いて、第２移動機構でレーザ光源の位置を相対的に移動しながら、カンチレバーに照射するレーザ光の照射位置を照射目標範囲内の所定位置に自動的に設定するステップと、を備える。
上記の探針交換方法において、好ましくは、位置や中心軸の座標値に基づいて、第３移動機構で光検出器の位置を相対的に移動し、光検出器上でのレーザ光の受光位置を所定位置に自動的に設定するステップを備える。
原子間力顕微鏡等の走査型プローブ顕微鏡によって例えば半導体デバイスが製作された基板等の試料をインライン自動検査工程で計測・検査する場合、自動計測のアルゴリズムに従って探針を走査して試料表面の凹凸形状を計測する。測定対象である試料は一定の時間間隔で継続して搬入されてくるので、例えば所定数の試料の自動計測が済むと、探針の先端が磨粍し、新しい探針への交換作業が必要となる。探針の交換では、使用中のカンチレバーをカンチレバー取付け部から取り外し、新しいカンチレバーをカンチレバー取付け部に取り付ける。複数のカンチレバーは、カンチレバー保管部に予め保管されている。取り外したカンチレバーはカンチレバー保管部の所定の空き収容部に収容され、新しいカンチレバーはカンチレバー保管部の複数のカンチレバーの中から１つが選択される。
カンチレバー保管部の複数のカンチレバーのそれぞれの位置は、試料ステージ上で設定された座標系において予め座標管理等の方法で確定しており、制御装置の記憶部でそれらの位置データは管理されている。新しいカンチレバーをカンチレバー取付け部に装着するとき、第１移動機構でカンチレバー保管部を移動させる。通常、ＸＹステージで当該新しいカンチレバーが取付け部の位置に一致させられ、Ｚステージにより当該カンチレバーをカンチレバー取付け部の方向に接近移動させ、カンチレバーをカンチレバー取付け部に装着させる。カンチレバーを装着した後において、例えば第２移動機構で光学顕微鏡等を移動させてカンチレバーの位置をその観察視野の中心位置等に調整する。光学顕微鏡等の観察視野から外れた位置にカンチレバーがあるときには、探索アルゴリズムによってカンチレバーを発見し、最終的には同様に中心位置等に来るように位置調整を行う。
第１の観点による走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法では、カンチレバーを取り付ける前にその位置を調整する方式ではなく、取り付けた後において装着されたカンチレバーの位置を観察装置で微調整するようにした方式であるので、取付け直しの作業が発生しない。従って取付け時の事前の位置微調整が省略でき、取付け後に取付け直しが不要となり、交換のための制御ステップ数が少なくて済み、極めて短時間で探針交換を行うことが可能となる。
第２の観点による走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法では、カンチレバーを取り付ける前にその位置を調整する方式ではなく、取り付けた後において装着されたカンチレバーの位置を観察装置で観察しながらカンチレバー取付け部に対するカンチレバーの取付け位置をカンチレバー側を移動し変化させて微調整するようにした方式であるので、取付け直しの作業が発生しない。従って取付け時の事前の位置微調整が省略でき、取付け後に取付け直しが不要となり、交換のための制御ステップ数が少なくて済み、極めて短時間で探針交換を行うことが可能となる。さらに光学検出装置の光軸調整も自動的にできるので正確な測定状態を作ることができる。
本発明によれば、走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法において、新しいカンチレバーを取付け部に取付け装着したとき、カンチレバーの取付け位置を光学顕微鏡等によって微調整して取付け誤差をなくすようにしたため、取付け部に装着したカンチレバーにおいて誤差が生じていたとしても取付け直しの作業は発生せず、交換のためのステップ数を減らすことができ、極めて短時間に交換することができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の第１実施形態に係る探針交換方法が適用される走査型プローブ顕微鏡の全体的な構成を示す構成図である。
図２は、本発明の第１実施形態における試料ステージの具体的な構成を示す斜視図である。
図３は、カンチレバーカセットの具体例の平面図である。
図４は、図３におけるＡ−Ａ線断面図である。
図５は、本発明に係る走査型プローブ顕微鏡がインライン自動検査工程として用いられる構成を示したブロック図である。
図６は、探針交換におけるカンチレバー取付け動作のプロセスを示すフローチャートである。
図７は、光学顕微鏡による観察視野の状況を説明する図である。
図８は、本発明の第２実施形態に係る探針交換方法が適用される走査型プローブ顕微鏡の全体的な構成を示す構成図である。
図９は、本発明の第２実施形態における試料ステージの具体的な構成を示す斜視図である。
図１０は、位置決め機構の押し部材の平面図である。
図１１は、位置決め機構の押し部材の側面図である。
図１２は、位置決め機構の押し部材の動作状態を示す平面図である。
図１３は、第２実施形態において取付け部に取り付けられたカンチレバーユニットを位置決め機構に移動させる状態を示す平面図である。
図１４は、光学顕微鏡の観察視野における画面中心とカンチレバーとの位置合せを示す画面図である。
図１５Ａは、本発明の第２実施形態に係る自動的探針交換方法の前半の手順の流れを示すフローチャートである。
図１５Ｂは、本発明の第２実施形態に係る自動的探針交換方法の後半の手順の流れを示すフローチャートである。
図１６は、カンチレバーの自由端側から見た光学式検出装置の光軸系を示す図である。
図１７は、光学式検出装置の光軸系の平面図である。
図１８は、光検出器の受光面と受光状態を説明する図である。
図１９は、光軸の自動調整を説明するための光学顕微鏡の観察画像を示す画面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
以下に、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１〜図７を参照して本発明の第１の実施形態を説明する。この第１実施形態では、走査型プローブ顕微鏡の自動的な探針交換方法において、光学顕微鏡およびＴＶカメラで得られる観察視野の画面で、カンチレバーの像と画面との相対的位置関係の調整で画面側に関係する構成部分を移動させて位置調整を行う方法が提案される。
図１に従って、本発明に係る探針交換方法が適用される走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の全体の構成を説明する。この走査型プローブ顕微鏡は代表的な例として原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を想定している。しかし、走査型プローブ顕微鏡は原子間力顕微鏡に限定されるものではない。
図１において走査型プローブ顕微鏡の下側部分には試料ステージ１１が設けられている。試料ステージ１１の上に試料１２が置かれている。試料ステージ１１は、直交するＸ軸とＹ軸とＺ軸で成る３次元座標系１３において、試料１２の位置を変えるための機構である。試料ステージ１１はＸＹステージ１４とＺステージ１５と試料ホルダ１６とから構成されている。試料ステージ１１は、通常、試料側で変位（位置変化）を生じさせる粗動機構部として構成される。試料ステージ１１の試料ホルダ１６の上面には、例えば比較的に大きな面積でかつ薄板形状の上記試料１２が置かれ、保持されている。試料１２は、例えば、表面上に半導体デバイスの集積回路パターンが製作された基板またはウェハである。試料１２は試料ホルダ１６上に固定されている。試料ホルダ１６は試料固定用チャック機構を備えている。
図２を参照して上記試料ステージ１１の具体的な構成例を説明する。図２で、１４はＸＹステージであり、１５はＺステージである。ＸＹステージ１４は水平面（ＸＹ平面）上で試料を移動させる機構であり、Ｚステージ１５は垂直方向（Ｚ軸方向）に試料１２を移動させる機構である。Ｚステージ１５は、例えば、ＸＹステージ１４の上に搭載されて取り付けられている。
ＸＹステージ１４は、Ｙ軸方向に向けて配置された平行な２本のＹ軸レール２０１とＹ軸モータ２０２とＹ軸駆動力伝達機構２０３から成るＹ軸機構部と、Ｘ軸方向に向けて配置された平行な２本のＸ軸レール２０４とＸ軸モータ２０５とＸ軸駆動力伝達機構２０６から成るＸ軸機構部とから構成されている。上記ＸＹステージ１４によって、Ｚステージ１５はＸ軸方向またはＹ軸方向に任意に移動させられる。またＺステージ１５には、試料ホルダ１６をＺ軸方向に昇降させるための駆動機構が設けられている。図２では当該駆動機構は隠れており、図示されていない。試料ホルダ１６の上には試料１２を固定するためのチャック機構２０７が設けられる。チャック機構２０７には、通常、機械式、真空吸着や静電吸着等の作用を利用した機構が利用される。
再び図１で説明する。試料１２の上方位置には、駆動機構１７を備えた光学顕微鏡１８が配置されている。光学顕微鏡１８は駆動機構１７によって支持されている。駆動機構１７は、光学顕微鏡１８を、Ｚ軸方向に動かすためのフォーカス用Ｚ方向移動機構部１７ａと、ＸＹの各軸方向に動かすためのＸＹ方向移動機構部１７ｂとから構成されている。取付け関係として、Ｚ方向移動機構部１７ａは光学顕微鏡１８をＺ軸方向に動かし、ＸＹ方向移動機構部１７ｂは光学顕微鏡１８とＺ方向移動機構部１７ａのユニットをＸＹの各軸方向に動かす。ＸＹ方向移動機構部１７ｂはフレーム部材に固定されるが、図１で当該フレーム部材の図示は省略されている。光学顕微鏡１８は、その対物レンズ１８ａを下方に向けて配置され、試料１２の表面を真上から臨む位置に配置されている。光学顕微鏡１８の上端部にはＴＶカメラ（撮像装置）１９が付設されている。ＴＶカメラ１９は、対物レンズ１８ａで取り込まれた試料表面の特定領域の像を撮像して取得し、画像データを出力する。
試料１２の上側には、先端に探針２０を備えたカンチレバーユニット２１（広義のカンチレバー２１）が接近した状態で配置されている。カンチレバーユニット２１は取付け部２２に固定されている。
カンチレバーユニット２１（広義のカンチレバー２１）は、片方の自由端に探針２０を備える、弾性的に撓み可能なレバー部材２１Ａ（狭義のカンチレバー２１Ａ）と、レバー部材２１Ａの基部を支持するカンチレバーホルダ２１−１とから構成される。なお詳しくは、レバー部材２１Ａとカンチレバーホルダ２１−１の間の接続部にはシリコンベースが設けられる。カンチレバーホルダ２１−１は例えば８ｍｍ角の矩形平板形状を有している。
また上記取付け部２２は、カンチレバーユニット２１のカンチレバーホルダ２１−１を取りつけるための手段である。取付け部２２は、例えば、空気吸引部（図示せず）が設けられると共に、この空気吸引部は空気吸引装置（図示せず）に接続されている。カンチレバーユニット２１は、大きな面積部分を有するカンチレバーホルダ２１−１が取付け部２２の空気吸引部で吸着されることにより、真空吸着作用に基づいて固定され装着される。
上記の取付け部２２は、Ｚ方向に微動動作を生じさせるＺ微動機構２３に取り付けられている。さらにＺ微動機構２３はカンチレバー変位検出部２４の下面に取り付けられている。なおカンチレバー変位検出部２４は、後述するごとく、ＸＹ方向に微動動作を生じさせるＸＹ微動機構２９に取り付けられる。従って取付け部２２は、Ｚ微動機構２３とＸＹ微動機構２９によって、Ｘ，Ｙ，Ｚの各方向に微小距離で移動させることが可能となる。
カンチレバー変位検出部２４は、支持フレーム２５にレーザ光源２６と光検出器２７が所定の配置関係で取り付けられた構成を有する。レーザ光源２６はレーザ光を発するレーザダイドード（ＬＤ）であり、光検出器２７はレーザ光を受光するフォトダイオード（ＰＤ）である。カンチレバー変位検出部２４とカンチレバーユニット２１は一定の位置関係に保持され、レーザ光源２６から出射されたレーザ光２８はカンチレバー２１Ａの背面で反射されて光検出器２７に入射されるようになっている。上記カンチレバー変位検出部２４は光てこ式光学検出装置を構成する。この光てこ式光学検出装置によって、カンチレバー２１Ａで捩れや撓み等の変形が生じると、当該変形による変位を検出することができる。
上記のカンチレバー変位検出部２４において、レーザ光源２６と光検出器２７のそれぞれは、支持フレーム２５上でその位置を調整できる移動機構を備えている。
カンチレバー変位検出部２４はＸＹ微動機構２９に取り付けられている。ＸＹ微動機構２９によってカンチレバーユニット２１および探針２０等はＸＹの各軸方向に微小距離で移動される。このとき、カンチレバー変位検出部２４は同時に移動されることになり、カンチレバーユニット２１とカンチレバー変位検出部２４の位置関係は不変である。
上記において、Ｚ微動機構２３とＸＹ微動機構２９は、通常、圧電素子で構成されている。Ｚ微動機構２３とＸＹ微動機構２９によって、探針２０の移動について、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の各々へ微小距離（例えば数〜１０μｍ、最大１００μｍ）の変位を生じさせる。
上記のＸＹ微動機構２９は、さらに、光学顕微鏡１８に関するユニットが取り付けられる前述した不図示のフレーム部材に取り付けられている。
上記の取付け関係において、光学顕微鏡１８による観察視野には、試料１２の特定領域の表面と、カンチレバー２１Ａにおける探針２０を含む先端部（背面部）とが含まれる。
試料ステージ１１の上面において、試料ホルダ１６の傍にカンチレバーカセット３０が配置されている。カンチレバーカセット３０には、他の複数のカンチレバーユニット２１が収容され、保管されている。図１では、一例として、複数のカンチレバーユニット２１は単純に一列に並べられたものが示されている。複数のカンチレバーユニット２１は、新たに交換用として用意されているものである。各カンチレバーユニット２１は、先端部の下側に探針２０を備え、後端部（基部）にカンチレバーホルダ２１−１を有している。カンチレバーカセット３０には、複数のカンチレバーユニット２１を収容すると共に、取付け部２２に装着されたカンチレバーユニット２１を外したときに、それを置くための収容スペースも用意されている。カンチレバーカセット３０のこの収容スペースは、図１で示された装着中のカンチレバーユニット２１が、取付け部２２に取り付けられる前に元々収容されていたスペースである。
次に、走査型プローブ顕微鏡の制御系を説明する。制御系の構成としては、比較器３１、制御器３２、第１制御装置３３、第２制御装置３４が設けられる。制御器３２は、例えば原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）による測定機構を原理的に実現するための制御器である。また第１制御装置３３は複数の駆動機構等のそれぞれの駆動制御用の制御装置であり、第２制御装置３４は上位の制御装置である。
比較器３１は、光検出器２７から出力される電圧信号Ｖｄと予め設定された基準電圧（Ｖｒｅｆ）とを比較し、その偏差信号ｓ１を出力する。制御器３２は、偏差信号ｓ１が０になるように制御信号ｓ２を生成し、この制御信号ｓ２をＺ微動機構２３に与える。制御信号ｓ２を受けたＺ微動機構２３は、カンチレバーユニット２１の高さ位置を調整し、探針２０と試料１２の表面との間の距離を一定の距離に保つ。上記の光検出器２７からＺ微動機構２３に到る制御ループは、探針２０で試料表面を走査するとき、光てこ式光学検出装置によってカンチレバーユニット２１の変形状態を検出しながら、探針２０と試料１２との間の距離を上記の基準電圧（Ｖｒｅｆ）に基づいて決まる所定の一定距離に保持するためのフィードバックサーボ制御のループである。この制御ループによって探針２０は試料１２の表面から一定の距離に保たれ、この状態で試料１２の表面を走査すると、試料表面の凹凸形状を測定することができる。
次に第１制御装置３３は、走査型プローブ顕微鏡の各部を駆動させるための制御装置であり、次のような機能部を備えている。
光学顕微鏡１８は、フォーカス用Ｚ方向移動機構部１７ａとＸＹ方向移動機構部１７ｂとから成る駆動機構１７によって、その位置が変化させられる。後述の画像において、Ｚ方向移動機構部１７ａは画像焦点位置を変化させ、またＸＹ方向移動機構部１７ｂは画像のＸＹ位置を変化させる。第１制御装置３３は、上記のＺ方向移動機構部１７ａとＸＹ方向移動機構部１７ｂのそれぞれの動作を制御するための第１駆動制御部４１と第２駆動制御部４２を備えている。
光学顕微鏡１８によって得られた試料表面やカンチレバー２１Ａの像は、ＴＶカメラ１９によって撮像され、画像データとして取り出される。光学顕微鏡１８のＴＶカメラ１９で得られた画像データは第１制御装置３３に入力され、内部の画像処理部４３で処理される。
制御器３２等を含む上記のフィードバックサーボ制御ループにおいて、制御器３２から出力される制御信号ｓ２は、走査型プローブ顕微鏡（原子間力顕微鏡）における探針２０の高さ信号を意味するものである。探針２０の高さ信号すなわち制御信号ｓ２によって探針２０の高さ位置の変化に係る情報を得ることができる。探針２０の高さ位置情報を含む上記制御信号ｓ２は、前述のごとくＺ微動機構２３に対して駆動制御用に与えられると共に、制御装置３３内のデータ処理部４４に取り込まれる。
試料１２の表面の測定領域について探針２０による試料表面の走査は、ＸＹ微動機構２９を駆動することにより行われる。ＸＹ微動機構２９の駆動制御は、ＸＹ微動機構２９に対してＸＹ走査信号ｓ３を提供するＸＹ走査制御部４５によって行われる。
また試料ステージ１１のＸＹステージ１４とＺステージ１５の駆動は、Ｘ方向駆動信号を出力するＸ駆動制御部４６とＹ方向駆動信号を出力するＹ駆動制御部４７とＺ方向駆動信号を出力するＺ駆動制御部４８とによって制御される。
空気吸引に基づく真空吸着作用でカンチレバーユニット２１を装着させる取付け部２２で、この取付け部によるカンチレバーの取付けまたは取外しの着脱動作は、取付け部２２に対して着脱信号ｓ４を与える装着制御部４９によって行われる。
なお第１制御装置３３は、必要に応じて、設定された制御用データ、入力した光学顕微鏡画像データや探針の高さ位置に係るデータ等を記憶・保存する記憶部（図示せず）を備える。
上記第１制御装置３３に対して上位に位置する第２制御装置３４が設けられている。第２制御装置３４は、通常の計測プログラムの記憶・実行および通常の計測条件の設定・記憶、自動計測プログラムの記憶・実行およびその計測条件の設定・記憶、計測データの保存、計測結果の画像処理および表示装置（モニタ）３５への表示等の処理を行う。特に、本発明の場合には、自動計測において探針の交換を自動的に行う交換プロセスを含んでおり、カンチレバーカセット３０から使用すべき探針を選択して取り付けること、あるいは装着状態にある探針を取り外してカンチレバー３０の所定の収容部に置くこと等を実行するためのプログラムを備えている。また計測条件の設定では、測定範囲、測定スピードといった基本項目など、自動計測の条件の設定、それらの条件を設定ファイルに記憶する等の機能を有する。さらに通信機能を有するように構成し、外部装置との間で通信を行える機能を持たせることもできる。
特に、第２制御装置３４は、本実施形態による探針の自動交換のために、試料ステージ１１上のＸＹ平面領域において任意の位置を定める座標系が設定されており、この座標系に基づく座標管理を行う機能を有している。この座標管理機能によれば、ＸＹステージ１４によるＸＹ移動、ＸＹ移動機構部１７ｂによる光学顕微鏡１８のＸＹ移動等において、移動量および移動方向の位置管理を行うことが可能となる。
第２制御装置３４は、上記の機能を有することから、処理装置であるＣＰＵ５１と記憶部５２とから構成される。記憶部５２には上記の各種のプログラムおよび条件データや位置データ等が保存されている。また第２制御装置３４は、画像表示制御部５３と通信部等を備える。加えて第２制御装置３４にはインタフェース５４を介して入力装置３６が接続されており、入力装置３６によって記憶部５２に記憶される測定プログラム、測定条件、データ等を設定・変更することができるようになっている。
第２制御装置３４のＣＰＵ５１は、バス５５を介して、第１制御装置３３の各機能部に対して上位の制御指令等を提供し、また画像処理部４３やデータ処理部４４等から画像データ、探針の高さ位置に係るデータ、各移動部分の位置データを提供される。
次に上記走査型プローブ顕微鏡（原子間力顕微鏡）の基本動作を説明する。
試料ステージ１１上に置かれた半導体基板等の試料１２の表面の所定領域に対してカンチレバーユニット２１の探針２０の先端を臨ませる。通常、探針接近用機構であるＺステージ１５によって探針２０を試料１２の表面に近づけ、原子間力を作用させてカンチレバー２１Ａに撓み変形を生じさせる。カンチレバー２１Ａの撓み変形による撓み量を、前述した光てこ式光学検出装置によって検出する。この状態において、試料表面に対して探針２０を移動させることにより試料表面の走査（ＸＹ走査）が行われる。探針２０による試料１２の表面のＸＹ走査は、探針２０の側をＸＹ微動機構２９で移動（微動）させることによって、または試料１２の側をＸＹステージ１４で移動（粗動）させることによって、試料１２と探針２０の間で相対的なＸＹ平面内での移動関係を作り出すことにより行われる。
探針２０側の移動は、カンチレバーユニット２１を備えるＸＹ微動機構２９に対してＸＹ微動に係るＸＹ走査信号ｓ３を与えることによって行われる。ＸＹ微動に係る走査信号ｓ３は第１制御装置３３内のＸＹ走査制御部４５から与えられる。他方、試料側の移動は、試料ステージ１１のＸＹステージ１４に対してＸ駆動制御部４６とＹ駆動制御部４７から駆動信号を与えることによって行われる。
上記のＸＹ微動機構２９は、圧電素子を利用して構成され、高精度および高分解能な走査移動を行うことができる。またＸＹ微動機構２９によるＸＹ走査で測定される測定範囲については、圧電素子のストロークによって制約されるので、最大でも約１００μｍ程度の距離で決まる範囲となる。ＸＹ微動機構２９によるＸＹ走査によれば、狭域範囲の測定となる。他方、上記のＸＹステージ１４は、通常、駆動部として電磁気モータを利用して構成するので、そのストロークは数百ｍｍまで大きくすることができる。ＸＹステージによるＸＹ走査によれば、広域範囲の測定となる。
上記のごとくして試料１２の表面上の所定の測定領域を探針２０で走査しながら、フィードバックサーボ制御ループに基づいてカンチレバー２１Ａの撓み量（撓み等による変形量）が一定になるように制御を行う。カンチレバー２１Ａの撓み量は、常に、基準となる目標撓み量（基準電圧Ｖｒｅｆで設定される）に一致するように制御される。その結果、探針２０と試料１２の表面との距離は一定の距離に保持される。従って探針２０は、例えば、試料１２の表面の微細凹凸形状（プロファイル）をなぞりながら移動（走査）することになり、探針の高さ信号を得ることによって試料１２の表面の微細凹凸形状を計測することができる。
次に、前述したカンチレバーカセット３０の具体的な構成例を図３と図４に従って説明する。図３は平面図、図４は図３中のＡ−Ａ線断面図である。
このカンチレバーカセット３０は平面形状が例えば正方形であり、側面形状は所望の厚みを有した平板状の部材で作られている。カンチレバーカセット３０は、カセット台３０ａを有し、材質的には所要の強度と精度を有するプラスチック材、樹脂材、またはメタル等によって形成されている。カセット台３０ａの上面には、例えば１６個のカンチレバーユニット２１を配置する収容部（凹所）が形成が形成されている。カンチレバーホルダ２１−１の平面形状は好ましくは正方形であり、比較的に大きな面積を有している。図４から明らかなように、カンチレバーホルダ２１−１の前部の下面にカンチレバー２１Ａは取り付けられ、探針２０の先端が下向きになるようにしてカンチレバー２１Ａおよびカンチレバーホルダ２１−１は置かれている。カセット台３０ａの上面に形成された１６個の収容部の各々でカンチレバーホルダ２１−１が保管され、同一姿勢および同一方向に一定精度で並べて配列されている。
カセット台３０ａには、好ましくは、カンチレバーホルダ２１−１が収容される凹所に対応する底部に貫通孔３０１が形成される。貫通孔３０１は、カンチレバーカセット３０に保管されるカンチレバーユニット２１の数に応じた数の分だけ形成されている。なお貫通孔３０１は凹みでもよい。
製造されたカンチレバーユニット２１（探針２０）およびカンチレバーカセット３０はそれぞれ製造番号が付され、かつカンチレバーユニット２１は所定の順序でカンチレバーカセット３０に並べられる。従って、カンチレバーカセット３０ごとに保管されるカンチレバーユニット２１に関するデータを管理することができる。
上記のカンチレバーカセット３０は、図２に示した試料ステージ１１において、例えば２つのカセット設置ポート３０２，３０３に配置される。試料ステージ１１において、カセット設置ポート３０２，３０３に配置されたカンチレバーカセット３０上の各カンチレバーユニット２１の位置は、第２制御装置３４によって前述した座標系に基づき位置管理されている。
上記のごとき構成を有する走査型プローブ顕微鏡は、例えば、図５に示すごとく、半導体デバイス（ＬＳＩ）のインライン製作装置の例えば途中段階で基板（ウェハ）の検査を行う自動検査工程６２として組み込まれる。図示しない基板搬送装置によって、前段の製作処理工程６１から検査対象である基板（試料１２）を搬出し、自動検査工程６２の上記走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の基板ホルダ１６上に置くと、走査型プローブ顕微鏡により基板表面の所定領域の微細凹凸形状が自動的に計測され、前段での基板製作の処理内容の合否が判定され、その後、再び基板搬送装置によって後段の製作処理工程６３へ搬出される。
次に、前述の各図と、図６および図７とを参照して、第１実施形態に基づく上記走査型プローブ顕微鏡による探針交換方法を説明する。図６は、所定時間の自動計測の継続によって探針が磨耗したカンチレバーユニット２１をカンチレバーカセット３０に設置した後において、新しい所定のカンチレバーユニット２１を取付け部２２に取り付ける手順を示している。カンチレバー２１を取付け部２２から取り外しカンチレバーカセット３０の所定の収容部に設置するプロセスの図示は省略されている。カンチレバーカセット３０を取付け部２２の下方位置に移動させるのは、ＸＹステージ１４によって行われる。図７は、光学顕微鏡１８の観察視野において位置合せを行う状態を示している。この位置合せは図６のステップＳ１３〜Ｓ１５の処理内容に対応している。この探針交換方法では、観察装置としての光学顕微鏡１８を駆動機構１７のＸＹ移動機構部１７ｂで移動させることにより、位置合せを行うようにしている。
図６に従って新しいカンチレバーユニット２１を取付け部２２を取り付ける手順を説明する。
最初のステップＳ１１では、ＸＹステージ１４を駆動してカンチレバーカセット３０を移動させる。この移動では、予めカンチレバーカセット３０における各カンチレバーユニット２１の位置を座標管理に基づき確定しておき、取付け部２２に対して、カンチレバーカセット３０の位置を、予め設定された所定のカンチレバーユニット２１が選択されるように移動させる。
次に、取付け部２２に対して、選択されたカンチレバーユニット２１の取付けが行われる（ステップＳ１２）。この取付けでは、Ｚステージ１５を駆動し、図６の矢印７１に示されるように選択されたカンチレバーユニット２１のカンチレバーホルダ２１−１を取付け部２２に接触させ、かつ装着制御部４９による指令信号ｓ４に基づき取付け部２２に真空吸着動作（矢印７２）を行わせ、カンチレバーホルダ２１−１を取付け部２２に吸着させる。これにより、新しいカンチレバーユニット２１を取付け部２２に装着する。
取付け部２２にカンチレバーユニット２１が取り付けられた状態において、光学顕微鏡１８をＸＹ移動機構部１７ｂで移動させ、かつＺ移動機構部１７ａで焦点合せを行って光学顕微鏡１８の対物レンズ１８ａの焦点をカンチレバーユニット２１のカンチレバー２１Ａに合わせる（ステップＳ１３）。焦点合せの位置は取付け位置のみであり、一度の位置合せ操作で行うことができる。
次のステップＳ１４では、取り付けられたカンチレバーユニット２１の位置を認識し、かつ確認する。この処理では、光学顕微鏡１８による像をＴＶカメラ１９で取り込み、カンチレバーユニット２１のカンチレバー２１Ａの位置を特定し、認識する。
光学顕微鏡１８で得られた画像に関して、取付け位置には誤差が含まれているので、光学顕微鏡１８をＸＹ移動機構部１７ｂで移動させて光学顕微鏡１８で得られる観察視野においてカンチレバー２１Ａの像の位置を所定の位置にセットする。このとき、上記光学顕微鏡１８の移動量に相当するカンチレバーの取付け位置誤差を記憶しておけば、必要に応じて測定時のＸＹ座標値の修正に用いることができる。
図７は、ステップＳ１３〜Ｓ１５による最終的な位置調整の状況を説明する光学顕微鏡１８の観察視野の状況を示している。
図７の（Ａ）は、理想的に正確にカンチレバーユニット２１のカンチレバーホルダ２１−１が取付け部２２に装着された観察視野８１の画像を示している。この場合において、光学顕微鏡１８の観察視野８１の中心位置８２にカンチレバー２１Ａの像（８３）における探針２０がセットされている。
上記のステップＳ１４で得られた光学顕微鏡１８の観察視野で取付け位置に誤差があるときには、図７（Ｂ）に示された観察視野８１の状態にある。ここではカンチレバー２１Ａの像８３が観察視野８１の中にあることを前提としている。この場合において、ステップＳ１５を実行すると、矢印８４で示すごとく観察視野８１を符合８１−１で表された場所まで移動させることにより、カンチレバー２１Ａの像８３の先端位置が観察視野８１−１の中心位置８２に来るようにセットすることになる。この場合には光学顕微鏡１８の側を移動させることにより観察視野８１の側を移動させる。さらにこの場合、カンチレバー位置はパターン認識等の手法で検出され、上記セットが行われる。
なお図７の（Ｃ）は、取付け誤差が大きく、カンチレバー２１Ａの像８３が観察視野８１の外側に出てしまう状況を示している。この場合には、経験則で得られた、あるいは適宜に設定された所定の探索アルゴリズムに基づいてカンチレバー２１Ａの像８３を探索する。この場合、例えば右方向に観察視野８１の半分を移動させ（矢印８５）、観察視野８１−２とし、まだカンチレバー２１Ａの像８３が観察できないときには上下方向に観察視野の半分を移動させて（矢印８６）、観察視野８１−３とする。この状態で、観察視野８１−３内にカンチレバー２１Ａの像８３が観察できるようになるので、上記と同様な手法により観察視野８１−４の中心位置８２に像８３をセットする。当然観察視野を必要な精度に応じて切り換えてもよい。
なお、上記のＴＶカメラ１９で得られた光学顕微鏡１８による観察視野における、当該観察視野の画面中心とカンチレバー２１Ａの像の先端位置との位置合せは、カンチレバー変位検出部２４のレーザ光源（ＬＤ）２６と光検出器（ＰＤ）の取付け誤差等で決まる仮想中心に対して観察視野の画面中心とカンチレバー２１Ａの像の先端位置とが調整可能範囲にあることを前提として実施可能である。
以上のごとく、図６に示された第１実施形態に係る探針交換方法の取付け・装着において、ステップＳ１１〜Ｓ１５によれば、取付け前に位置を微調整する方式ではなく、カンチレバーユニット２１のカンチレバーホルダ２１−１を取付け部２２に取り付けた後において、光学顕微鏡１８側を移動させることによって微調整する方式である。このため、取付け部２２に装着したカンチレバー２１Ａにおいて誤差が生じていたとしても取付け直しの作業は発生しない。従って、本実施形態による探針交換方法によれば、従来の探針交換方法に比較して少ない交換時間で高精度に探針交換を行うことができる。
以上の実施形態では、取付け誤差の修正を光学顕微鏡によって行ったが、カンチレバー側を移動させることによって行ってもよい。
インライン自動計測を行う場合には、試料１２の所定箇所を自動的に測定することになる。この場合、探針と試料の位置関係が重要であるが、本方式によれば光学顕微鏡１８の移動量が相対関係を表す指標になり、極めて容易に座標管理を行うことができる。
次に、図８〜図１９を参照して本発明の第２実施形態を説明する。この第２実施形態では、走査型プローブ顕微鏡の自動的な探針交換方法において、新しいカンチレバーユニット２１を取付け部２２に取り付けた際に、真空吸着によって取付け部２２に取り付けられた状態のカンチレバーユニットに対して所定方向から力を与え、カンチレバーユニット側を移動させることにより、カンチレバーユニット２１の取付け位置を微調整して位置調整を行う方法が提案される。
図８は第１実施形態の図１に対応し、図９は第１実施形態の図２に対応している。図８では図１で説明した要素と同一の要素には同一の符号を付し、図９では図２で説明した要素には同一の符号を付しており、先に説明した内容については説明を省略し、特徴的な構成のみを説明する。
図８と図９において、試料ステージ１１の上面において、試料ホルダ１６の傍に、カンチレバーユニット２１のカンチレバーホルダ２１−１を取付け部２２に真空吸着で取り付ける際、取付け部２２における取付け位置を調整・設定する位置決め機構１０１が設けられている。位置決め機構１０１は、試料ステージ１１上において位置合せポートとして設けられている。
位置決め機構１０１の拡大図を図１０〜図１２に示す。図１０は位置決め機構１０１の平面図を示し、図１１は側面図を示し、図１２は位置合せ実施状態の平面図を示す。位置決め機構１０１は、カンチレバーユニット２１のカンチレバーホルダ２１−１で設定された基準面に合致する形状を有する２つの基準面１０２ａを有するＬ字型押し部材１０２で形成される。この押し部材１０１はほぼ直角な角度で折り曲げられたＬ字形状を有する部材である。基準面１０２ａは押し部材１０２の内面側に形成されている。押し部材１０２は、図１１に示す状態で、試料ステージ１１の上面に固定されている。試料ステージ１１のＸＹステージ１４およびＺステージ１５によって試料ステージ１１をＸ，Ｙ，Ｚの各方向に移動させるとき、試料ステージ１１の動作に応じて一緒に移動する。従って、位置決め機構１０１の移動動作、すなわち押し部材１０２の移動動作は試料ステージ１１の移動動作に伴って行われる。
位置決め機構１０１の押し部材１０２の２つの基準面１０２ａは、図１２に示すごとくカンチレバーユニット２１のカンチレバーホルダ２１−１の図１２中左側と下側の辺の側面に接触する。この場合、カンチレバーユニット２１のカンチレバーホルダ２１−１の図１２中左側と下側の辺の側面が基準面として設定されている。
新しいカンチレバーユニット２１が取付け部２２に真空吸着された状態で、試料ステージ１１が移動動作を行い、図１２に示すごとくカンチレバーユニット２１は位置決め機構１０１の箇所にセットされる。この移動状態を図１３に示す。
図１３において、１０４は他の形態のカンチレバーカセットであり、１０５はカセット台である。カンチレバーカセット１０４およびカセット台１０５の構造は、先に説明したカンチレバーカセット３０およびカセット台３０ａとそれぞれ実質的に同じものである。カンチレバーカセット１０４では１２個のカンチレバーユニット２１が配置されている。その中の上段左端の１つのカンチレバーユニット２１が取付け部２２に取り付けられ、矢印１０６に示すごとく位置決めポート１０７にある位置決め機構１０１の箇所に移動され、所定位置関係でセットされる。
上記のセット状態において、さらに図１２に示すように、位置決め機構１０１で試料ステージ１１の移動に基づいて押し部材１０２が、矢印１０３のごとく破線で示す位置Ｐ１から実線で示す位置Ｐ２に移動すると、カンチレバーホルダ２１−１を押して取付け部２２に対するカンチレバーユニット２１の位置を調整することが可能となる。カンチレバーユニット２１は取付け部２２に固定されているが、真空吸着作用に基づく位置調整可能な固定力である。
図１２において、１０８はシリコンベース、２１Ａは前述したレバー部材すなわち狭義のカンチレバーである。また１０９は光学顕微鏡１８による観察視野の領域を示したものであり、１１０は取付け部２２による吸引領域である。その他の構成に関しては図１および図２で説明した構成と実質的に同じである。
次に、前述した図８〜図１３、図１４、図１５Ａおよび図１５Ｂを参照して、第２実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡による探針交換方法を説明する。図１４は上記観察視野１０９を拡大して示し、図１５Ａおよび図１５Ｂは、計測作業によって探針２０が磨耗したカンチレバーユニット２１をカンチレバーカセット３０に設置した後において、新しい所定のカンチレバーユニット２１を取付け部２２に自動的に取り付ける手順を示している。
使用済みのカンチレバーユニット２１を取付け部２２から取り外し、カンチレバーカセット３０の所定の収容部に設置する工程の図示は省略されている。カンチレバーカセット３０を取付け部２２の下方位置に移動させるのは、ＸＹステージ１４によって行われる。図１４では、光学顕微鏡１８の観察視野１０９において位置合せを行う状態を示している。この探針交換方法では、位置決め機構１０１の押し部材１０２をＸＹステージ１４で移動させることにより、カンチレバーホルダ２１−１の基準面を押し部材１０２の基準面１０２ａで押し、カンチレバーホルダ２１−１と取付け部２２との間の相対的位置を変化させて、光学顕微鏡１８の観察視野１０９の中心点１０９Ａにカンチレバー２１Ａの先端部１１１の位置合せを行うようにしている。
図１５Ａと図１５Ｂに従って新しいカンチレバーユニット２１を取付け部２２に取り付ける手順を説明する。なお図１５Ａと図１５Ｂは結合子で繋がれた一連のフローチャートを示している。
最初のステップＳ１１１では、ＸＹステージ１４を駆動してカンチレバーカセット３０を移動させる。この移動では、予めカンチレバーカセット３０における各カンチレバーユニット２１の位置を座標管理に基づき確定しておき、取付け部２２に対して、カンチレバーカセット３０の位置を、予め設定された所定のカンチレバーユニット２１が選択させるように移動を行う。
ステップＳ１１１で設定する取付け位置は、その後のステップにおいて、カンチレバーホルダ２１−１と取付け部２２の相対的位置を調整する位置決めステップＳ１１４〜Ｓ１１７を行うために十分な調整代と、カンチレバーカセット３０内に収納されたカンチレバーユニット２１の収納位置のばらつきによる取付け位置の誤差を十分に見込んだ取付け範囲内であればよい。
次に、取付け部２２に対して、選択された新しいカンチレバーユニット２１の取付けが行われる（ステップＳ１１２）。この取付け作業では、Ｚステージ１５を駆動し、前述した図６の矢印７１に示されるごとく、選択されたカンチレバーユニット２１のカンチレバーホルダ２１−１を取付け部２２にバネ機構、センサ等（図示せず）を利用して接触させ、かつ装着制御部４９による指令信号ｓ４に基づき取付け部２２に真空吸着動作（図６の矢印７２）を行わせ、カンチレバーホルダ２１−１を取付け部２２に吸着させる。これにより、カンチレバーユニット２１を取付け部２２に装着する。
ステップＳ１１３においては、取付け部２２にカンチレバーユニット２１が取り付けられた状態において、Ｚステージ１５を下方に下げ、次にＸＹステージ１４を駆動して位置決め機構１０１を取付け部２２の下側に移動させる。移動させる位置は、カンチレバーユニット２１を取り付けた取付け誤差範囲と、位置決め機構１０１の押付け代等を計算した座標位置とする。
位置決め機構１０１がカンチレバーユニット２１に対して相対的に計算された座標位置の場所に移動したら、Ｚステージ１５を、位置決め機構１０１における押し部材１０２の基準面１０２ａがカンチレバーホルダ２１−１の基準面を押付け可能な高さになり、かつカンチレバーホルダ２１−１の底面と押し部材１０２とが接触しない位置まで、上昇させる。
ステップＳ１１４では、位置決め機構１０１の押し部材１０２の基準面１０２ａをカンチレバーホルダ２１−１の基準面に向かって、所定の送り量でＸＹステージ１４を駆動してＸ軸およびＹ軸の各方向に微小距離で移動（微動）させる。このとき、カンチレバーホルダ２１−１と押し部材１０２の基準面１０２ａが接触すると、押し部材１０２の機械的な押し力により、取付け部２２に真空吸着されたカンチレバーホルダ２２１−１と取付け部２２との間の相対的位置の関係が変化する。
ステップＳ１１５では、カンチレバーホルダ２１−１と取付け部２２との相対的位置が変化して、光学顕微鏡１８の観察視野内にカンチレバー２１Ａの画像が現れたら、光学顕微鏡１８で取り込んだカンチレバー２１Ａの画像に対して画像処理を行ってカンチレバー２１Ａの先端部１１１の位置を検出し、さらにステップＳ１１６において、当該検出座標を参照しながら、位置決め機構１０１を、ＸＹステージ１４を駆動して光学顕微鏡１８の観察視野１０９の中心点１０９Ａに向けて微動させ、カンチレバー２１Ａの先端部１１１の位置が観察視野１０９の中心点１０９Ａの位置になるように設定する（ステップＳ１１７）。
ＸＹステージ１４を駆動して位置決め機構１０１を或る程度移動しても、カンチレバー２１Ａの画像が光学顕微鏡１８の観察視野内で検出できない場合には、位置決め機構１０１を、予め把握している、カンチレバー２１Ａがカンチレバーホルダ２１−１に支持される部分の機械的寸法情報を基に、カンチレバー２１Ａの先端部１１１が、光学顕微鏡１８の観察視野１０９の中心点１０９Ａに設定される位置までＸＹステージ１４を駆動することによって移動させる。この動作が有効になるように、カンチレバー２１Ａの自由端は、カンチレバーホルダ２１−１に対して機械的に所定の精度範囲内に入る位置に支持されている。
以上により、ステップＳ１１４〜Ｓ１１７に基づき、新しいカンチレバーユニット２１を取付け部２２に装着した時、カンチレバー２１Ａの先端部１１１の位置を光学顕微鏡１８の観察視野１０９の中心点１０９Ａの位置に設定する工程を完了する。
ステップＳ１１８では、光学顕微鏡１８の観察視野１０９の中心点１０９Ａに位置しているカンチレバー２１Ａの取付け部２２への取付け状況の認定および確認をパターン認識等の画像処理を利用して行う。画像からカンチレバー２１Ａの中心軸１１２（図１４に示す）と先端部１１１の位置を検出し、検出した当該中心軸１１２と先端部１１１の位置座標が設定された所定範囲内に入っているかどうかを認定および確認する（判断ステップＳ１１９）。なお、以上において、観察視野を変更して所定の機能を実現してもよい。
判断ステップＳ１１９でＮＯであるときには異常警告および処理の停止が実行される（ステップＳ１２０）。また判断ステップＳ１１９でＹＥＳのときには次のステップＳ１２１に移行する。
判断ステップＳ１１９で、カンチレバー２１Ａの画像が光学顕微鏡１８の観察視野１０９内になかったり、たとえ観察視野１０９内にあったとしても、検出したカンチレバー２１Ａの中心軸１１２や先端部１１１の座標位置が所定範囲に入っていなかったりすると、カンチレバーユニット２１の脱落やカンチレバー２１Ａのカンチレバーホルダ２１−１に対する取付け不良、またはカンチレバー２１Ａの曲がりなどが考えられる。そこで、このような場合には、探針の自動取付け処理を中断する（ステップＳ１２０）。この操作により、破損等の不良のカンチレバーユニット２１を自動的に検出することができる。
次のステップＳ１２１において、検出したカンチレバー２１Ａの中心軸１１２や先端部１１１の座標位置が、設定された所定範囲内に入っていた場合には、この座標位置の値をシステムに登録する登録処理を行う。この登録処理は、カンチレバーユニットの交換のたびに行われる。
以上のステップＳ１１８〜Ｓ１２１によって取付け部２２におけるカンチレバーユニット２１の取付け状態の判定および先端登録処理の工程が完了する。
次に、次の段階の図１５Ｂに示されるステップＳ１２５〜Ｓ１３３と図１６〜図１９とに従って、前述した光てこ式光学検出装置における光軸の自動調整を行う手順を説明する。
図１６に、カンチレバー２１Ａの自由端の側から見たレーザ光源２６と光検出器２７から成る光軸系の配置図を、また図１７に、光学顕微鏡１８の観察方向から見た同光軸系の配置図をそれぞれ示す。
レーザ光源２６は、詳しくは、レーザ光源２６をレーザ光２８の光軸に対して垂直な面方向に移動可能な移動機構２６−１に支持されている。これにより、カンチレバー２０Ａの背面におけるレーザ光２８の照射位置を変更することができる。
光検出器２７は、詳しくは、当該光検出器２７を検出面に平行な面方向に移動可能な移動機構２７−１に支持されている。これにより、光検出器２７の検出位置を変更することができる。
ステップＳ１２１で登録したカンチレバー２１Ａの中心軸１１２と先端部１１１の座標位置データを用いて、レーザ光源２６の移動機構２６−１と光検出器２７の移動機構２７−１を駆動して、レーザ光源（図中「ＬＤ」と記す）２６と光検出器（図中「ＰＤ」と記す）２７の位置を調整する（ステップＳ１２５）。レーザ光源２６の位置は、カンチレバー２１Ａの種類によって変化する、レーザ光の計算上の照射位置になるように設定される。光検出器２７の位置は、カンチレバー２１Ａの面から反射したレーザ光の計算上の受光位置になるように設定される。
次のステップＳ１２６において、移動機構２６−１を駆動してレーザ光源２６の位置を変化させ、カンチレバー２１Ａの計算上のレーザ光照射目標範囲内でレーザ光の照射位置をスキャンする。このスキャン動作はカンチレバー２１Ａの背面に関して中心軸１１２に対して垂直な幅方向に行われる。
次の判断ステップＳ１２７では、光検出器２７の出力信号Ｖｄを監視し、出力信号が予め設定した所定値以上であるか否かの判定を行う。光検出器２７の受光面は４分割されているので、光検出器２７の出力信号Ｖｄは、４分割された各受光領域の和信号として出力される。出力信号Ｖｄが所定値以上である場合にはステップＳ１３１に移行し、出力信号Ｖｄが所定値未満である場合には次のステップＳ１２８に移行する。ステップＳ１３１ではレーザ光源２６の詳細設定処理が実行される。
ステップＳ１２８〜Ｓ１３０から成る工程は、カンチレバー２１Ａの個々の形状のばらつきなどの理由により、実際のレーザ光２８の光軸が、計算上のレーザ光の光軸と異なっていた場合の自動調整の工程である。この自動調整工程では、まず、光学顕微鏡１８の画像と光検出器２７の出力信号Ｖｄとを監視しながら、移動機構２６−１を駆動して、上記で検出したカンチレバー２１Ａの中心軸１１２と先端部１１１の座標位置の周辺にレーザ光が照射されるようにレーザ光源２６から照射されるレーザ光の照射位置を変化させる（ステップＳ１２８）。次に、光学顕微鏡１８の画像上でカンチレバー２１Ａ上のレーザ光照射点が最大輝度になるようにレーザ光源２６の位置を粗く調整する（ステップＳ１２９）。最後に、光検出器２７の位置を移動機構２７−１で駆動して調整する（ステップＳ１３０）。
ステップＳ１３１，Ｓ１３２から成る工程では、光学顕微鏡１８の画像と光検出器２７の出力信号Ｖｄを監視することにより、移動機構２６−１を駆動してレーザ光源２６から照射されるレーザ光の照射位置を制御し（ステップＳ１３１）、さらに移動機構２７−１を駆動して光検出器２７の位置を変化して、光検出器２７におけるレーザ光の受光面が、光検出器２７の中心位置になるように詳細調整を行う（ステップＳ１３２）。
ここで、図１８を参照して、レーザ光源２６から照射されたレーザ光がカンチレバー２１Ａの背面上で反射して光検出器２７に受光されたとき、レーザ光２８の受光位置を光検出器２７の中心位置に設定する方法を説明する。
図１８の（Ａ）は光検出器２７をレーザ光の受光面から見た図である。光検出器２７は４分割された受光素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄにより構成される。光検出器２７の各受光素子は、レーザ光を受けると、当該レーザ光のエネルギに応じて受信信号を出力する機構を備えている。
ここで、前述した出力信号Ｖｄが所定値以上であるというのは、図１８の（Ｂ）に示すように、光検出器２７のいずれかの受光素子が所定値以上のレーザ光（レーザスポット１２１）を受けている状態である。また出力信号Ｖｄが所定値未満というのは、図１８の（Ｃ）に示すように、受光しているレーザ光（レーザスポット１２１）のエネルギが所定の値よりも少ない場合である。
光検出器２７は、受光面で受けたレーザ光の位置情報を知るために、受光素子Ａ〜Ｄの受信信号の各出力電圧について、差信号と呼ばれる｛（Ａ＋Ｄ）−（Ｂ＋Ｃ）｝、摩擦信号と呼ばれる｛（Ａ＋Ｂ）−（Ｄ＋Ｃ）｝、さらに和信号と呼ばれる（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）の演算を行う。
例えば図１２の（Ｄ）に示すレーザ光の受光状態において上記の差信号と摩擦信号の演算を行うと、レーザ光の受光点（レーザスポット１２１）を演算可能であることは自明であり、移動機構２７−１を駆動してレーザ光の受光点を光検出器２７の中心点に設定可能であることが分かる。
次に判断ステップＳ１３３を説明する。判断ステップＳ１３３は、光学顕微鏡１８およびＴＶカメラ１９で得られる画像を、画像処理を用いて、上記で設定したレーザ光２８の光軸が、カンチレバー２１Ａの適正な位置に照射されているかを最終的に確認するステップである。図１９を参照して、レーザ光２８がカンチレバー２１Ａ上の事前に設定された適正な位置に照射されているか否かを確認するステップを説明する。
図１９は、ステップＳ１２５〜Ｓ１３２によってなされた光軸調整の最終的な位置確認の状況を説明するための光学顕微鏡１８の観察視野の状況を示している。
図１９の（Ａ）は、レーザ光２８がカンチレバー２１Ａ上の適正な位置に照射されている状態を示す。スポット１２２はレーザ光２８の反射画像である。レーザ光２８がカンチレバー２１Ａ上の適正な位置に照射されている状態とは、レーザ光の照射中心点が、カンチレバー２１Ａ上のカンチレバー中心軸の付近にあり、さらになるべく先端位置１１１に近い位置にあることである。
図１９の（Ｂ）に示すように、光学顕微鏡１８の観察視野１０９内でカンチレバー２１Ａ上の適正なレーザ光照射位置を検出するレーザ照射範囲ウィンドウ１２３を設定する。
図１９の（Ｃ）に示すように、まず光学顕微鏡１８の全観察視野を用いて、画像輝度情報の二値化などの手法により、カンチレバー２１Ａ上でレーザ光が照射されている部分の全面積を求め、さらに上記の画像処理ウィンドウ１２３内でのレーザ光照射部分の面積を求め、その比を演算する。これにより、全照射面積における適正な照射範囲内に照射されたレーザ光の照射割合を求める。求めた割合が所定値以上であればレーザ光２８がカンチレバー２１Ａの背面上において適正な位置に照射されているものとする。
上記の手法によれば、カンチレバー２１Ａの種類や個々の表面形状のばらつきに起因する反射の輝度むらなどや、カンチレバー２１Ａの形状により、図１９の（Ｄ）に示すようなエッジ部分１２４しか反射しないケースであっても、正確にレーザ光２８の照射位置を検出することができる。この技術により、上記光学系におけるレーザ光２８の光軸の自動調整が最終的に可能になる。上記判断ステップＳ１３３でＹＥＳと判定されたときには探針自動交換の作業を終了し、ＮＯと判定されたときには異常警告・処理の停止のステップＳ１３４が実行される。
以上のごとく、図１５Ａ，１５Ｂに示された探針交換方法におけるカンチレバーユニットの取付け・装着、および光軸の自動調整において、上記の各ステップによれば、取付け前に位置を微調整する方式ではなく、取付け部２２にカンチレバーホルダ２１−１を取り付け、その後において位置決め機構１０１の押し部材１０２によって取付け部２２に対するカンチレバーホルダ２１−１の位置を微調整する方式である。
さらに、位置決め機構１０１によって正確に求められたカンチレバー２１Ａの中心軸１１２および先端位置１１１の位置座標を用いて、従来手動で行っていた光軸調整を自動で行うものである。
上記の構成のため、取付け部２２に装着したカンチレバーユニット２１において誤差が生じていたとしても、取付け直しの作業は発生しない。従って、第２実施形態に係る自動探針交換方法によれば、従来の探針交換方法に比較して少ない交換時間で高精度に探針交換を行うことができる。
なおインライン自動計測を行う場合には、試料１２の所定箇所を自動的に測定することになる。この場合、探針と試料の位置関係が重要であるが、本方式によればカンチレバー２１Ａの先端および中心軸の位置座標が一意に決定されるので、極めて容易に座標管理を行うことができる。
前述の第２実施形態において、位置決め機構１０１の押し部材１０２の形状やカンチレバーホルダに対する押付け方向は任意に変更することができる。
前述の各実施形態の説明では、広域観察として光学顕微鏡を用いたが、その代わりに、走査型電子顕微鏡やレーザ顕微鏡などの各種のものを使用することができる。
上記の各実施形態で説明される構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎず、また数値および各構成の組成（材質）については例示にすぎない。従って本発明は、以下に説明される実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。
【産業上の利用可能性】
本発明は、多数の試料を順次に継続して測定する走査型プローブ顕微鏡において磨粍した探針の交換、異なる種別への交換、または装置セットアップ等の装着等を短時間にかつ高い位置決め精度の装着で自動的に行うのに利用される。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料（１２）に対して探針（２０）が向くように設けられたカンチレバー（２１）と、前記探針が前記試料の表面を走査するとき前記探針と前記試料の間で生じる物理量を測定する測定部（２４，３１，３２）を備え、この測定部で前記物理量を一定に保ちながら前記探針で前記試料の表面を走査して前記試料の表面を測定するように構成され、
前記カンチレバー（２１）を着脱する機構を備えたカンチレバー取付け部（２２）と、複数のカンチレバーを保管するカンチレバー保管部（３０）と、前記カンチレバー保管部の位置を移動させる第１移動手段（１１）と、装着状態のカンチレバーの位置を観察する観察手段（１８，１９）とを備える走査型プローブ顕微鏡において、
前記第１移動手段（１１）で前記カンチレバー取付け部（２２）と前記カンチレバー保管部（３０）との間の位置合せを行い、前記カンチレバー保管部から１つのカンチレバーを選んで前記カンチレバー取付け部に装着するステップ（Ｓ１１，Ｓ１２；Ｓ１１１，Ｓ１１２）と、
カンチレバー装着後に、装着された前記カンチレバーを前記観察手段（１８，１９）の観察視野の所定位置に設定するステップ（Ｓ１３，Ｓ１４，Ｓ１５；Ｓ１１４−Ｓ１１７）と、
を含むことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法。
【請求項２】
第２移動手段（１７）によって前記観察手段を移動させることにより、前記カンチレバーを前記観察手段の観察視野の所定位置に設定することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法。
【請求項３】
前記第１移動手段（１１）によって移動する位置決め機構（１０１）により前記カンチレバーを移動させることにより、前記カンチレバーを前記観察手段の観察視野の所定位置に設定することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法。
【請求項４】
前記観察手段は光学顕微鏡（１８）であり、この光学顕微鏡で得られる画像を利用してパターン認識処理を行って、装着された前記カンチレバーの装着位置を特定することを特徴とする請求の範囲第１項〜第３項のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法。
【請求項５】
前記所定位置は前記観察視野の中心位置であることを特徴とする請求の範囲第１項〜第４項のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法。
【請求項６】
先端に探針（２０）を有しかつ基端にカンチレバーホルダ（２１−１）を有するカンチレバー（２１）と、前記探針が試料（１２）の表面を走査するとき前記探針と前記試料の間で生じる物理量を測定する測定部（２４，３１，３２）を備え、この測定部で前記物理量を一定に保ちながら前記探針で前記試料の表面を走査して前記試料の表面を測定するように構成され、
前記カンチレバーホルダ（２１−１）を介して前記カンチレバー（２１）を脱着する機構を備えたカンチレバー取付け部（２２）と、複数のカンチレバーを保管するカンチレバー保管部（３０）と、このカンチレバー保管部の位置を移動させる第１移動手段（１１）と、装着状態のカンチレバー（２１）の位置を観察する観察手段（１８，１９）とを備える走査型プローブ顕微鏡において、
走査型プローブ顕微鏡は、さらに、前記第１移動手段（１１）によって移動する、前記カンチレバー取付け部（２２）に取り付けられた前記カンチレバー（２１）の位置を調整する位置決め機構（１０１）を備え、
前記第１移動手段（１１）で前記カンチレバー取付け部（２２）と前記カンチレバー保管部（３０）との間の位置合せを行い、前記カンチレバー保管部から１つのカンチレバーを選んでこのカンチレバーを前記カンチレバーホルダ（２１−１）を介して前記カンチレバー取付け部（２２）に装着するステップ（Ｓ１１１，Ｓ１１２）と、
前記第１移動手段（１１）で、前記カンチレバーを装着した前記カンチレバー取付け部（２２）と前記位置決め機構（１０１）との間の位置合せを行うステップ（Ｓ１１３）と、
選んだ前記カンチレバーを前記カンチレバー取付け部（２２）に装着した後に、装着された前記カンチレバーを前記観察手段（１８，１９）で撮像するステップ（Ｓ１１５）と、
前記位置決め機構（１０１）により前記カンチレバー取付け部に対する前記カンチレバーの位置を変化させて前記観察手段の観察視野内で所定位置に移動させるステップ（Ｓ１１６，Ｓ１１７）と、
を含むことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法。
【請求項７】
前記位置決め機構（１０１）は、前記カンチレバー取付け部に取り付けられた前記カンチレバーホルダ（２１−１）の側面を押す押し部材（１０２）を有することを特徴とする請求の範囲第６項に記載の走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法。
【請求項８】
前記押し部材（１０２）は、平面形状が矩形の前記カンチレバーホルダの２辺の側面に接触するＬ字型押し部材であることを特徴とする請求の範囲第７項に記載の走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法。
【請求項９】
前記カンチレバー取付け部に取り付けられた前記カンチレバーの取付け状態を判定するステップ（Ｓ１１８，Ｓ１１９）を含むことを特徴とする請求の範囲第６項に記載の走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法。
【請求項１０】
前記カンチレバーにレーザ光を照射し前記カンチレバーの撓みを検出するレーザ光を発生する光学検出装置のレーザ光源（２６）と光検出器（２７）の位置を光軸調整のため調整するステップ（Ｓ１２５−Ｓ１３２）を含むことを特徴とする請求の範囲第６項に記載の走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法。
【請求項１１】
前記カンチレバーの先端位置を検出してその座標値を記憶するステップ（Ｓ１１８，Ｓ１２１）を含み、
前記記憶した座標値に基づいて、前記カンチレバーにレーザ光を照射し前記カンチレバーの撓みを検出するレーザ光を発生する光学検出装置のレーザ光源（２６）と光検出器（２７）の位置を光軸調整のため調整することを特徴とする請求の範囲第１０項に記載の走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法。
【請求項１２】
前記観察手段は光学顕微鏡（１８）であり、この光学顕微鏡で得られる画像を利用してパターン認識および画像処理を行うステップ（Ｓ１１８）と、前記カンチレバー取付け部に取り付けられた前記カンチレバーの取付け位置を特定するステップ（Ｓ１１９）を備えることを特徴とする請求の範囲第６項に記載の走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法。
【請求項１３】
前記カンチレバーの前記取付け位置を特定する際、前記観察手段により得られる画像の画像処理を行うことにより前記カンチレバーの先端位置や中心軸の座標値を検出するステップ（Ｓ１１８）と、前記座標値を記憶するステップ（Ｓ１２１）を備えることを特徴とする請求の範囲第１２項に記載の走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法。
【請求項１４】
記憶した前記カンチレバーの前記先端位置や前記中心軸の座標値に基づき、前記カンチレバーの種類に応じた前記レーザ光の前記カンチレバーへの照射目標位置範囲を計算するステップ（Ｓ１２５）と、
前記観察手段により得られる画像と前記光検出器からの出力信号とを用いて、第２移動手段で前記レーザ光源の位置を相対的に移動しながら、前記カンチレバーに照射する前記レーザ光の照射位置を前記照射目標範囲内の所定位置に自動的に設定するステップ（Ｓ１２８，Ｓ１２９）と、
を備えることを特徴とする請求の範囲第１３項に記載の走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法。
【請求項１５】
記憶した前記カンチレバーの前記先端位置や前記中心軸の座標値に基づいて、第３移動手段で前記光検出器の位置を相対的に移動し、前記光検出器上でのレーザ光の受光位置を所定位置に自動的に設定するステップ（Ｓ１３０，Ｓ１３２）を備えることを特徴とする請求の範囲第１４項に記載の走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法。
【請求項１６】
前記観察手段の全観察視野を用いてかつ所定手法に基づき、前記カンチレバー上でレーザ光が照射されている部分の全面積を求めるステップと、画像処理ウィンドウ内でのレーザ光照射部分の面積を求めるステップと、その比を演算することにより全照射面積における適正な照射範囲内に照射されたレーザ光の照射割合を求めるステップと、この照射割合が所定値以上であることを条件にしてレーザ光のカンチレバーの背面上での照射位置を決めるステップを含むことを特徴とする請求の範囲第１４項に記載の走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法。
【請求項１】
試料（１２）に対して探針（２０）が向くように設けられたカンチレバー（２１）と、前記探針が前記試料の表面を走査するとき前記探針と前記試料の間で生じる物理量を測定する測定部（２４，３１，３２）を備え、この測定部で前記物理量を一定に保ちながら前記探針で前記試料の表面を走査して前記試料の表面を測定するように構成され、
前記カンチレバー（２１）を着脱する機構を備えたカンチレバー取付け部（２２）と、複数のカンチレバーを保管するカンチレバー保管部（３０）と、前記カンチレバー保管部の位置を移動させる第１移動手段（１１）と、装着状態のカンチレバーの位置を観察する観察手段（１８，１９）とを備える走査型プローブ顕微鏡において、
前記第１移動手段（１１）で前記カンチレバー取付け部（２２）と前記カンチレバー保管部（３０）との間の位置合せを行い、前記カンチレバー保管部から１つのカンチレバーを選んで前記カンチレバー取付け部に装着するステップ（Ｓ１１，Ｓ１２；Ｓ１１１，Ｓ１１２）と、
カンチレバー装着後に、装着された前記カンチレバーを前記観察手段（１８，１９）の観察視野の所定位置に設定するステップ（Ｓ１３，Ｓ１４，Ｓ１５；Ｓ１１４−Ｓ１１７）と、
を含むことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法。
【請求項２】
第２移動手段（１７）によって前記観察手段を移動させることにより、前記カンチレバーを前記観察手段の観察視野の所定位置に設定することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法。
【請求項３】
前記第１移動手段（１１）によって移動する位置決め機構（１０１）により前記カンチレバーを移動させることにより、前記カンチレバーを前記観察手段の観察視野の所定位置に設定することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法。
【請求項４】
前記観察手段は光学顕微鏡（１８）であり、この光学顕微鏡で得られる画像を利用してパターン認識処理を行って、装着された前記カンチレバーの装着位置を特定することを特徴とする請求の範囲第１項〜第３項のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法。
【請求項５】
前記所定位置は前記観察視野の中心位置であることを特徴とする請求の範囲第１項〜第４項のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法。
【請求項６】
先端に探針（２０）を有しかつ基端にカンチレバーホルダ（２１−１）を有するカンチレバー（２１）と、前記探針が試料（１２）の表面を走査するとき前記探針と前記試料の間で生じる物理量を測定する測定部（２４，３１，３２）を備え、この測定部で前記物理量を一定に保ちながら前記探針で前記試料の表面を走査して前記試料の表面を測定するように構成され、
前記カンチレバーホルダ（２１−１）を介して前記カンチレバー（２１）を脱着する機構を備えたカンチレバー取付け部（２２）と、複数のカンチレバーを保管するカンチレバー保管部（３０）と、このカンチレバー保管部の位置を移動させる第１移動手段（１１）と、装着状態のカンチレバー（２１）の位置を観察する観察手段（１８，１９）とを備える走査型プローブ顕微鏡において、
走査型プローブ顕微鏡は、さらに、前記第１移動手段（１１）によって移動する、前記カンチレバー取付け部（２２）に取り付けられた前記カンチレバー（２１）の位置を調整する位置決め機構（１０１）を備え、
前記第１移動手段（１１）で前記カンチレバー取付け部（２２）と前記カンチレバー保管部（３０）との間の位置合せを行い、前記カンチレバー保管部から１つのカンチレバーを選んでこのカンチレバーを前記カンチレバーホルダ（２１−１）を介して前記カンチレバー取付け部（２２）に装着するステップ（Ｓ１１１，Ｓ１１２）と、
前記第１移動手段（１１）で、前記カンチレバーを装着した前記カンチレバー取付け部（２２）と前記位置決め機構（１０１）との間の位置合せを行うステップ（Ｓ１１３）と、
選んだ前記カンチレバーを前記カンチレバー取付け部（２２）に装着した後に、装着された前記カンチレバーを前記観察手段（１８，１９）で撮像するステップ（Ｓ１１５）と、
前記位置決め機構（１０１）により前記カンチレバー取付け部に対する前記カンチレバーの位置を変化させて前記観察手段の観察視野内で所定位置に移動させるステップ（Ｓ１１６，Ｓ１１７）と、
を含むことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法。
【請求項７】
前記位置決め機構（１０１）は、前記カンチレバー取付け部に取り付けられた前記カンチレバーホルダ（２１−１）の側面を押す押し部材（１０２）を有することを特徴とする請求の範囲第６項に記載の走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法。
【請求項８】
前記押し部材（１０２）は、平面形状が矩形の前記カンチレバーホルダの２辺の側面に接触するＬ字型押し部材であることを特徴とする請求の範囲第７項に記載の走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法。
【請求項９】
前記カンチレバー取付け部に取り付けられた前記カンチレバーの取付け状態を判定するステップ（Ｓ１１８，Ｓ１１９）を含むことを特徴とする請求の範囲第６項に記載の走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法。
【請求項１０】
前記カンチレバーにレーザ光を照射し前記カンチレバーの撓みを検出するレーザ光を発生する光学検出装置のレーザ光源（２６）と光検出器（２７）の位置を光軸調整のため調整するステップ（Ｓ１２５−Ｓ１３２）を含むことを特徴とする請求の範囲第６項に記載の走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法。
【請求項１１】
前記カンチレバーの先端位置を検出してその座標値を記憶するステップ（Ｓ１１８，Ｓ１２１）を含み、
前記記憶した座標値に基づいて、前記カンチレバーにレーザ光を照射し前記カンチレバーの撓みを検出するレーザ光を発生する光学検出装置のレーザ光源（２６）と光検出器（２７）の位置を光軸調整のため調整することを特徴とする請求の範囲第１０項に記載の走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法。
【請求項１２】
前記観察手段は光学顕微鏡（１８）であり、この光学顕微鏡で得られる画像を利用してパターン認識および画像処理を行うステップ（Ｓ１１８）と、前記カンチレバー取付け部に取り付けられた前記カンチレバーの取付け位置を特定するステップ（Ｓ１１９）を備えることを特徴とする請求の範囲第６項に記載の走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法。
【請求項１３】
前記カンチレバーの前記取付け位置を特定する際、前記観察手段により得られる画像の画像処理を行うことにより前記カンチレバーの先端位置や中心軸の座標値を検出するステップ（Ｓ１１８）と、前記座標値を記憶するステップ（Ｓ１２１）を備えることを特徴とする請求の範囲第１２項に記載の走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法。
【請求項１４】
記憶した前記カンチレバーの前記先端位置や前記中心軸の座標値に基づき、前記カンチレバーの種類に応じた前記レーザ光の前記カンチレバーへの照射目標位置範囲を計算するステップ（Ｓ１２５）と、
前記観察手段により得られる画像と前記光検出器からの出力信号とを用いて、第２移動手段で前記レーザ光源の位置を相対的に移動しながら、前記カンチレバーに照射する前記レーザ光の照射位置を前記照射目標範囲内の所定位置に自動的に設定するステップ（Ｓ１２８，Ｓ１２９）と、
を備えることを特徴とする請求の範囲第１３項に記載の走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法。
【請求項１５】
記憶した前記カンチレバーの前記先端位置や前記中心軸の座標値に基づいて、第３移動手段で前記光検出器の位置を相対的に移動し、前記光検出器上でのレーザ光の受光位置を所定位置に自動的に設定するステップ（Ｓ１３０，Ｓ１３２）を備えることを特徴とする請求の範囲第１４項に記載の走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法。
【請求項１６】
前記観察手段の全観察視野を用いてかつ所定手法に基づき、前記カンチレバー上でレーザ光が照射されている部分の全面積を求めるステップと、画像処理ウィンドウ内でのレーザ光照射部分の面積を求めるステップと、その比を演算することにより全照射面積における適正な照射範囲内に照射されたレーザ光の照射割合を求めるステップと、この照射割合が所定値以上であることを条件にしてレーザ光のカンチレバーの背面上での照射位置を決めるステップを含むことを特徴とする請求の範囲第１４項に記載の走査型プローブ顕微鏡の探針交換方法。
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０１０５０２
【国際公開日】平成１７年２月３日（２００５．２．３）
【発行日】平成１８年９月２８日（２００６．９．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−５１１９７４（Ｐ２００５−５１１９７４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００４／００３８５１
【国際出願日】平成１６年３月２２日（２００４．３．２２）
【出願人】（３００００７２８０）日立建機ファインテック株式会社 (52)
【Ｆターム（参考）】
【国際公開日】平成１７年２月３日（２００５．２．３）
【発行日】平成１８年９月２８日（２００６．９．２８）
【国際特許分類】
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００４／００３８５１
【国際出願日】平成１６年３月２２日（２００４．３．２２）
【出願人】（３００００７２８０）日立建機ファインテック株式会社 (52)
【Ｆターム（参考）】
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