JP2007218803A - 走査型プローブ顕微鏡システム及び観察方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 試料の画像を高い精度で得ることができる走査型プローブ顕微鏡システムを提供する。
【解決手段】 試料50の上方を第1の方向に走査して試料50の第1表面情報を取得するための第1カンチレバー10、試料50の上方を第1の方向とは異なる第2の方向に走査して試料50の第2表面情報を取得するための第2カンチレバー20、第1表面情報から試料50の第1画像を生成する第1生成モジュール14、第2表面情報から試料50の第2画像を生成する第2生成モジュール24、及び第1画像及び第2画像を組み合わせ、合成画像を合成する合成モジュール100を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は試料の観察技術に係り、特に走査型プローブ顕微鏡システム及び観察方法に関する。

走査型プローブ顕微鏡（SPM）は、真空中や液体中等の様々な測定環境下で半導体記憶装置やDNA等の微細な試料を可視化することを可能とし、ナノメーター以上の分解能を有する。また、SPMは試料を単に可視化する顕微鏡としての機能だけでなく、ナノマニュピレーション、ナノリソグラフィ、あるいはピコニュートンレベルでの結合力測定等が可能な加工装置としての機能をも有する。そのため、近年SPMはナノテクノロジーやバイオテクノロジーを牽引する重要なツールととらえられている（例えば特許文献1参照。）。しかしSPMは試料に段がある場合、特に段の傾斜が急峻な際に、カンチレバーが段の形状に追従できない場合があった。そのため、例えば実際は側壁が垂直な段であるにも拘わらず、SPMで観察すると、傾斜のある側壁を有する段の画像が得られるという問題があった。
特開2005-106790号公報

本発明は、試料の画像を高い精度で得ることができる走査型プローブ顕微鏡システム及び観察方法を提供することを目的とする。

本発明の態様によれば、試料の上方を第１の方向に走査して試料の第1表面情報を取得するための第１カンチレバーと、試料の上方を第１の方向とは異なる第２の方向に走査して試料の第2表面情報を取得するための第２カンチレバーと、第1表面情報から試料の第1画像を生成する第１生成モジュールと、第2表面情報から試料の第2画像を生成する第２生成モジュールと、第1画像及び第2画像を組み合わせ、合成画像を合成する合成モジュールとを備える走査型プローブ顕微鏡システムが提供される。試料に含まれる段の部分の画像は、第1の方向に走査する第1カンチレバーで取得した第1表面情報から生成された第1画像が再現性がよい場合もあれば、第2の方向に走査する第2カンチレバーで取得した第2表面情報から生成された第2画像方が再現性がよい場合もある。したがって、第1画像及び第2画像の再現性の良い部分を組み合わせることにより、高い再現性で段を含む試料の画像を得ることが可能となる。

本発明の他の態様によれば、試料の上方を第１カンチレバーで第１の方向に走査して試料の第1表面情報を取得するステップと、試料の上方を第２カンチレバーで第１の方向とは異なる第２の方向に走査して試料の第2表面情報を取得するステップと、第1表面情報から試料の第1画像を生成するステップと、第2表面情報から試料の第2画像を生成するステップと、第1画像及び第2画像を組み合わせ、合成画像を合成するステップとを含む観察方法が提供される。

本発明によれば、試料の画像を高い精度で得ることができる走査型プローブ顕微鏡システム及び観察方法を提供可能である。

次に図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。なお以下の示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は構成部品の配置等を下記のものに特定するものではない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において種々の変更を加えることができる。

本発明の実施の形態に係る図1に示す走査型顕微鏡システムは、段を含む試料50を水平方向（以下、XY方向）にラスター走査するサンプルスキャナ70、試料50の上方をラスター走査の一方向である第1の方向に走査して試料50の第1表面情報を取得するための第1カンチレバー10、及び試料50の上方を第1の方向とは異なる第2の方向に走査して試料50の第2表面情報を取得するための第2カンチレバー20を備える。第1カンチレバー10が試料50上を走査すると、試料50の表面形状に応じて第1カンチレバー10の振動周波数である第1振動周波数や、第1カンチレバー10の撓みである第1の撓みは変化する。したがって「第1表面情報」とは、第1カンチレバー10の第1振動周波数あるいは第1の撓みの変化から取得される試料50の表面情報を指す。また第2カンチレバー20が試料50上を走査すると、試料50の表面形状に応じて第2カンチレバー20の振動周波数である第2振動周波数や、第2カンチレバー20の撓みである第2の撓みは変化する。したがって「第2表面情報」とは、第2カンチレバー20の第2振動周波数あるいは第2の撓みの変化から取得される試料50の表面情報を指す。なお、例えば第1の方向と第2の方向は、互いに反対方向である。

さらに実施の形態に係る走査型顕微鏡システムは、第1カンチレバー10の試料50に対して縦方向（以下、Z方向）の位置を制御をする第1フィードバックモジュール32、第2カンチレバー20のZ方向の位置を制御をする第2フィードバックモジュール42、第1表面情報から試料50の表面像である第1画像を生成する第1生成モジュール14、第2表面情報から試料50の表面像である第2画像を生成する第2生成モジュール24、及び第1画像及び第2画像を組み合わせ、合成画像を合成する合成モジュール100を備える。

第1カンチレバー10は、n型のシリコン(Si)等からなる。第1カンチレバー10には、図2、A-A方向から見た断面図である図3、及びB-B方向から見た断面図である図4に示すように、p⁺型の不純物領域である第1ピエゾ抵抗素子15が上面から見てU字型に埋め込まれている。第1カンチレバー10の第1ピエゾ抵抗素子15上には、シリコン酸化物(SiO₂)等からなる絶縁膜18が配置されている。また第1ピエゾ抵抗素子15上には、絶縁膜18を貫通する入力コンタクト16及び出力コンタクト17が配置されている。入力コンタクト16及び出力コンタクト17のそれぞれは、銅(Cu)等の導電物質からなる。第1ピエゾ抵抗素子15には、入力コンタクト16及び出力コンタクト17を介して、図1に示す第1生成モジュール14からバイアス電圧が印加される。

第1カンチレバー10は、XY方向及びZ方向に移動可能な第1ホルダ12に保持される。第1ホルダ12には、第1ホルダ12をXYZ方向に粗動駆動する第1粗動モジュール31が接続されている。第1粗動モジュール31は、アクチュエータ、モータあるいはピエゾ圧電素子等が使用可能である。第1粗動モジュール31によって、第1カンチレバー10及び第1カンチレバー10の先端に配置された第1の探針11を試料50上の任意の位置に位置決め可能である。第1ホルダ12には、第1フィードバックモジュール32が接続されている。第1フィードバックモジュール32には第1加振器13が接続されている。第1カンチレバー10は第1加振器13上に搭載されている。第1カンチレバー10は、さらに第1変位検出モジュール33に接続される。第1加振器13は、第1カンチレバー10を共振周波数1〜500kHzで試料50に対して垂直方向に振幅1〜2nmで振動させる。第1加振器13にはピエゾ圧電素子等が使用可能である。第1フィードバックモジュール32は、第1カンチレバー10と試料50との間の距離を一定に保つために用いる。第1フィードバックモジュール32は、高さ方向に0.1〜500μmのストロークを有し、0.01〜100nm程度の駆動分解能を有する。第1変位検出モジュール33は第1カンチレバー10の第1振動周波数あるいは第1の撓みの変位量を検出する。

第1粗動モジュール31、第1フィードバックモジュール32、第1加振器13、第1変位検出モジュール33、サンプルスキャナ70のそれぞれは、制御モジュール150に接続されている。制御モジュール150はサンプルスキャナ70を制御して、試料50を走査する。また制御モジュール150は第1フィードバックモジュール32を制御して、試料50と第1カンチレバー10の第1の探針11の距離を一定に保つ。さらに制御モジュール150は第1加振器13を掃引して、第1カンチレバー10の共振周波数を検出する。

次に各部の動作を説明する。一般的に、走査型プローブ顕微鏡により、試料の表面形状を観察（測定）する場合、Z方向フィードバックモジュールにより、カンチレバー先端の探針と試料の表面との距離を一定に保ち、Z方向フィードバックモジュールに与える制御信号をZ方向の情報とする。こうすることにより、カンチレバーの撓みを無用に大きくすることなく、また探針の試料表面に対する角度を大きく変化させることなく、より高低差のある試料を測定することができる。

走査型プローブ顕微鏡では、カンチレバーのZ方向の配置位置をフィードバック制御をしつつ、サンプルスキャナにより、サンプルをXY方向にラスタースキャンし、これにより得られるXY方向の走査距離情報と、Z方向の高さ情報を組み合わせることにより、試料表面のナノ、サブナノまたはミクロンレベルの3次元形状を画像として再現できる。なお、ラスタースキャンとは、テレビ映像をモニターに写す際に電子線を走査する方式と同じである。

これに基づき、実施の形態に係る走査型プローブ顕微鏡の各部の動作を説明する。第1加振器13により第1カンチレバー10を共振周波数近傍で振動させる。この状態で、第1フィードバックモジュール32により第1カンチレバー10及び第1の探針11を試料50の表面に接近させると、第1の探針11と試料50の表面との相互作用により、第1カンチレバー10の第1振動周波数が変化する。この相互作用は、例えばファンデルワールス力や、磁気力など、様々なものがあるが、第1の探針11と試料50の距離によって第1の探針11にかかる力が変化する。すなわち、第1振動周波数の変化は、第1の探針11と試料50の距離の変化を意味している。実施の形態においては、第1振動周波数の変化は第1ピエゾ抵抗素子15の抵抗値の振幅変化となり、ホイートストンブリッジ回路などを通して最終的に電圧の振幅の変化として検知される。

ここでサンプルスキャナ70により試料50を第1の方向に走査すると、第1カンチレバー10の先端に配置された第1の探針11と試料50表面との距離の変化に応じて、第1カンチレバー10の第1振動周波数が変化する。第1振動周波数の変化は、電圧振幅の変化として検出可能である。このときに、第1フィードバックモジュール32により、第1カンチレバー10の高さを制御し、電圧振幅が一定になるように、すなわち、第1の探針11と試料50表面の距離が一定になるようにする。

第1生成モジュール14は、予め取得した第1フィードバックモジュール32への印加電圧と高さ変化の関係式を用いて、第1振動周波数の変化から試料50表面のZ方向における位置を算出する。また、サンプルスキャナ70のXY方向の走査範囲も、予め取得したサンプルスキャナ70への印加電圧と水平移動距離の関係式から、求めることができる。第1生成モジュール14では、試料50表面のZ方向における位置及びXY方向の走査範囲の情報を合成して、試料50の第1画像を生成する。

第2カンチレバー20は、第1カンチレバー10に対して面対称に配置されている。第1カンチレバー10と第2カンチレバー20とは面対称に配置されているため、第1の探針11と第2の探針21は、互いに異なる角度で試料50に接近可能である。実施の形態においては、第1カンチレバー10と第2カンチレバー20は、試料中心を通る垂直平面に対して面対称の位置関係にあり、すなわちほぼ反対向きに設置している。ここで言うほぼ反対向きとは約±30度の範囲を有する180度回転した位置関係を示す。また、例えば第1カンチレバー10が第1の方向に対して30度の傾斜角をもって配置されている場合、第2カンチレバー20は第2の方向に対して30度の傾斜角をもって配置されている。

実施の形態に係る第2カンチレバー20は、第1カンチレバー10と同様のバネ定数等の物性を有する。第2カンチレバー20には、第2カンチレバー20の第2の撓みにより抵抗値が変化する第2ピエゾ抵抗素子（図示せず）が埋め込まれている。第2カンチレバー20の第2ピエゾ抵抗素子には、第2生成モジュール24からバイアス電圧が印加されている。
第2カンチレバー20は、XY方向及びZ方向に移動可能な第2ホルダ22に保持される。第2ホルダ22には、第2ホルダ22をXYZ方向に粗動駆動する第2粗動モジュール41が接続されている。第2粗動モジュール41は、アクチュエータ、モータあるいはピエゾ圧電素子等が使用可能である。第2粗動モジュール41によって、第2カンチレバー20及び第2カンチレバー20の先端に配置された第2の探針21を試料50上の任意の位置に位置決め可能である。第2ホルダ22には、第2フィードバックモジュール42が接続され、第2フィードバックモジュール42には第2加振器23が接続されている。第2カンチレバー20は第2加振器23上に搭載されている。第2カンチレバー20は、さらに第2変位検出モジュール43に接続される。第2加振器23は、第2カンチレバー20を共振周波数1〜500kHzで試料50に対して垂直方向に振幅1〜2nmで振動させる。第2加振器23にはピエゾ圧電素子等が使用可能である。第2フィードバックモジュール42は、第2カンチレバー20と試料50との間の距離を一定に保つために用いる。第2フィードバックモジュール42は、高さ方向に0.1〜500μmのストロークを有し、0.01〜100nm程度の駆動分解能を有する。第2変位検出モジュール43は第2カンチレバー20の第2振動周波数あるいは第2の撓みの変位量を検出する。

第2粗動モジュール41、第2フィードバックモジュール42、第2加振器23、第2変位検出モジュール43、サンプルスキャナ70のそれぞれは、制御モジュール150に接続されている。制御モジュール150はサンプルスキャナ70を制御して、試料50を走査する。また制御モジュール150は第2フィードバックモジュール42を制御して、試料50と第2カンチレバー20の第2の探針21の距離を一定に保つ。さらに制御モジュール150は第2加振器23を掃引して、第2カンチレバー20の共振周波数を検出する。

次に第2カンチレバー20に関する動作を説明する。第2加振器23により第2カンチレバー20を共振周波数近傍で振動させる。この状態で、第2フィードバックモジュール42により第2カンチレバー20及び第2の探針21を試料50の表面に接近させると、第2の探針21と試料50の表面との相互作用により、第2カンチレバー20の第2振動周波数が変化する。第2振動周波数の変化は、第2の探針21と試料50の距離の変化を意味している。第2振動周波数の変化は、第2ピエゾ抵抗素子の抵抗値の振幅の変化として検知され、最終的に電圧振幅の変化として検出することができる。
ここで、サンプルスキャナ70により試料50を走査すると、第2カンチレバー20の先端に配置された第2の探針21と、試料50表面との距離の変化に応じて、第2カンチレバー20の第2振動周波数が変化する。第2振動周波数の変化は、電圧振幅の変化として検出可能である。このときに、第2フィードバックモジュール42により、第2カンチレバー20の高さを制御し、電圧振幅が一定になるように、すなわち、第2の探針21と試料50表面の距離が一定になるようにする。

第2生成モジュール24は、予め取得した第2フィードバックモジュール42への印加電圧と高さ変化の関係式を用いて、第2振動周波数の変化から試料50表面のZ方向における位置を算出する。また、サンプルスキャナ70のXY方向の走査範囲も、予め取得したサンプルスキャナ70への印加電圧と水平移動距離の関係式から、求めることができる。第2生成モジュール24では、試料50表面のZ方向における位置及びXY方向の走査範囲の情報を合成して、試料50の第2画像を生成する。

第1カンチレバー10が走査する第1の方向は、サンプルスキャナ70が走査するXY方向のいずれに決めても良いが、ここでは、図1の紙面向かって右方向を第1の方向とする。例えば第1カンチレバー10及び第2カンチレバー20の相対的な配置位置を固定し、サンプルスキャナ70で試料50を走査する場合は、右方向を第1の方向とすると、サンプルスキャナ70は左方向に動くことになる。

図5は、第1カンチレバー10及び第2カンチレバー20を、第1の方向に走査した状態を示している。このときの第1カンチレバー10の先端に配置された第1の探針11の軌跡を点線で、第2カンチレバー20の先端に配置された第2の探針21の軌跡を一点鎖線で示す。走査時には、第1カンチレバー10と第2カンチレバー20は、XY方向に一定の間隔をおいて試料表面61に接触する。このときの第1カンチレバー10の第1の探針11と、第2カンチレバーの第2の探針21との間隔をLとする。間隔Lの値は、画像処理やステージ移動量やその他の方法によってあらかじめ算出しておく。

第1カンチレバー10及び第2カンチレバー20のそれぞれで走査される試料50は、図5に示すように、表面61から内部に向かって凹部51が設けられている。凹部51の側壁52, 54のそれぞれは、表面61に対して垂直である。凹部51の底面53は、表面61と平行である。表面61、側壁52、及び底面53は段をなしている。底面53、側壁54、及び表面61も段をなしている。表面61を凹部51に向かって第1の方向に第1カンチレバー10が走査すると、第1カンチレバー10の試料50への追従性が弱い場合、第1カンチレバー10は凹部51の側壁52を追従できない。そのため、表面61に対して垂直な側壁52に対して、第1カンチレバー10に付された第1の探針11は斜めに移動して底面53に達する。第1の方向に対して底面53から立ち上がる側壁54に対しては、第1カンチレバー10に付された第1の探針11の先端は追従可能である。そのため、第1カンチレバー10に付された第1の探針11の先端は側壁54に沿って移動する。したがって、第1カンチレバー10から得られる第1表面情報から生成される試料50の第1画像においては、凹部51の側壁52が斜めとなる。

このときに、第2カンチレバー20は、第1カンチレバー10から一定の間隔Lを隔てて、試料50の表面に接近している。表面61を凹部51に向かって第2カンチレバー20が走査すると、第2カンチレバー20の試料50への追従性が弱い場合、第2カンチレバー20は凹部51の側壁52を追従できない。そのため、表面61に対して垂直な側壁52に対して、第2カンチレバー20に付された第2の探針21は斜めに移動して底面53に達する。第2カンチレバー20は第1カンチレバー10とは異なる角度で設置されているため、側壁52に対する追従性は、第1カンチレバー10の側壁52に対する追従性より若干良い。第1の方向に対して底面53から立ち上がる側壁54に対しては、第2カンチレバー20に付された第2の探針21は追従可能である。そのため、第2カンチレバー20に付された第2の探針21は側壁54に沿って移動する。ただし、第2カンチレバー20は、第1カンチレバー10とは異なる角度を有しており、第2の探針21の先端より先に、第2カンチレバー20の先端が側壁54に接触する。そのため、側壁54と表面61とがなす角に対しては第2の探針21の先端が追従できず、第2カンチレバー20に付された第2の探針21の先端の軌跡は、一点鎖線で示したように、第1カンチレバー10に付された第1の探針11の軌跡と異なるものとなる。

第1の探針11の軌跡と第2の探針21の軌跡は、以上に述べたように異なる。しかし、表面61と側壁52がなす第1のエッジ71と側壁54と表面61がなす第2のエッジ72のそれぞれにおいては、第1の探針11の軌跡と、第2の探針21の軌跡が交わるか接するため、第1の探針11と第2の探針21が同じ点を通る。第1の探針11と第2の探針21が通る同じ点が、後述する画像合成時に重要となる部分である。

このように、第1カンチレバー10と第2カンチレバー20を第1の方向に走査した際には、第1カンチレバー10と第2カンチレバー20によって2種類の画像が得られる。しかし、第1の方向に走査する際に表面情報を取得するのは第1カンチレバー10と設定されているため、第1の方向に走査した際には、第1カンチレバー10により得られる画像を第1画像として採用する。

次に図6に、表面61を凹部51に向かって第1の方向とは反対の第2の方向に第2カンチレバー20と第1カンチレバー10を走査した状態を示す。このときの、第1カンチレバー10に付された第1の探針11の軌跡を点線で、第2カンチレバー20に付された第2の探針の軌跡を一点鎖線で示す。第1カンチレバー10に付された第1の探針11と第2カンチレバー20に付された第2の探針21の間隔Lは、図5に示した状態から変化することはない。

表面61を凹部51に向かって第2の方向に第2カンチレバー20が走査すると、第2カンチレバー20に付された第2の探針21の試料50への追従性が弱い場合、第2カンチレバー20に付された第2の探針21の先端は凹部51の側壁54を追従できない。そのため、表面61に対して垂直な側壁54に対して、第2カンチレバー20に付された第2の探針21は斜めに移動して底面53に達する。第2の方向に対して底面53から立ち上がる側壁54に対しては、第2カンチレバー20に付された第2の探針21の先端は追従可能である。そのため、第2カンチレバー20に付された第2の探針21の先端は側壁52に沿って移動する。したがって、第2カンチレバー20から得られる第2表面情報から生成される試料50の第2画像においては、凹部51の側壁54が斜めとなる。

このときに第1カンチレバー10は、第2カンチレバー20から一定の間隔Lを隔てて試料50の表面に接近している。表面61を凹部53に向かって第1カンチレバー10が走査すると、第1カンチレバー10に付された第1の探針11の試料50への追従性が弱い場合、第1カンチレバー10に付された第1の探針11の先端は凹部51の側壁54を追従できない。そのため、表面61に対して垂直な側壁54に対して、第1カンチレバー10に付された第1の探針11の先端は斜めに移動して底面53に達する。ただし、第1カンチレバー10は第2カンチレバー20と異なる角度で設置されているため、第1カンチレバー10に付された第1の探針11の側壁54に対する追従性は、第2カンチレバー20に付された第2の探針21の側壁54に対する追従性より若干良い。第2の方向に対して底面53から立ち上がる側壁52に対しては、第1カンチレバー10に付された第1の探針11は追従可能である。そのため、第1カンチレバー10に付された第1の探針11は側壁52に沿って移動する。ただし、第1カンチレバー10は、第2カンチレバー20とは異なる角度を有しており、第1カンチレバー10の第1の探針11の先端より先に、第1カンチレバー10の先端が側壁52に接触する。そのため、表面61と側壁52とがなす角に対しては第1の探針11の先端が追従できず、第1カンチレバー10に付された第1の探針11の先端の軌跡は、点線で示したように、第2カンチレバー20に付された第2の探針21の軌跡と異なるものとなる。ただし図5で説明したように、第1のエッジ71と第2のエッジ72のそれぞれにおいては、第1の探針11の軌跡と、第2の探針21の軌跡が交わるか接するため、第1の探針11と第2の探針21が同じ点を通る。

このように、第1カンチレバー10と第2カンチレバー20を第2の方向に走査した際には、第1カンチレバー10と第2カンチレバー20によって2種類の画像が得られる。しかし、第2の方向に走査する際に表面情報を取得するのは第2カンチレバー20と設定されているため、第2の方向に走査した際には、第2カンチレバー20により得られる画像を第2画像として採用する。

以上、図5及び図6で説明した動作は、試料50の表面を一通り走査する中で行われる動作であり、具体的には、図7で示すように試料50の走査は行われる。図6は、サンプルスキャナ70、試料50、第1カンチレバー10、第2カンチレバー20を上から見た状態を示している。まず、サンプルスキャナ70を第1の方向に走査し、同じラインを第2の方向に戻りながら走査する。この第1の方向と第2の方向の1往復の走査をX方向の1ラインとする。次に、1ライン終了時にY方向にスキャナを微動させ、もう1ラインを走査する。これを繰り返し、走査範囲を一通り走査して終了する。

次に図8(a)、図8(b)、図8(c)を用いて第1画像と第2画像から合成画像を合成する方法について説明する。図8(a)は第1画像、図8(b)は第2画像、図8(c)に第1画像と第2画像を合成した合成画像をそれぞれ示す。図8(a)に示す第1画像は、すでに説明したように、第1方向に走査したときに第1カンチレバー10が取得する第1表面情報から生成される画像である。また図8(b)に示す第2画像は、第2方向に走査したときに第2カンチレバー20が取得する第2表面情報から生成される画像である。図8(a)に示す第1画像及び図8(b)に示す第2画像のそれぞれは、サンプルスキャナ70の走査範囲によって画像の両端が決定される。

第1画像と第2画像は、合成モジュール100によって合成される。合成モジュール100は、まず第1画像の第2のエッジ72の位置を基準として、第2画像の第2のエッジ72の位置を合わせる。第1画像の第2のエッジ72と第2画像の第2のエッジ72は、第1カンチレバー10の第1の探針11と、第2カンチレバー20の第2の探針21の間隔Lだけ離れている。したがって、第2画像の第2のエッジ72の位置を間隔Lに等しい距離だけ移動すれば、第1画像と第2画像の位置は一致する。あるいは画像処理により第2のエッジ72を検出し、第1画像と第2画像の位置を一致させてもよい。

次に合成モジュール100は、第1画像を凹部51の幅の中心を通る直線に沿って分割する。さらに合成モジュール100は、第2画像を凹部51の幅の中心を通る直線に沿って分割する。第1のエッジ71及び第2のエッジ72の距離をWとすると、距離Wは凹部の幅と同じである。したがって、凹部51の幅の中心は、第1のエッジ71もしくは第2のエッジ72から距離Wの半分の位置である。

ここで合成モジュール100は、図8(a)で示した第1カンチレバー10で取得された第1画像のうち、側壁54を含む方の分割画像を内部メモリに保存する。次に図8(b)で示した第2カンチレバー20で取得された第2画像のうち、側壁52を含む方の分割画像を内部メモリに保存する。合成モジュール100は、側壁54を含む方の分割された第1画像と、側壁52を含む方の分割された第2画像を組み合わせ、図8(c)に示す合成画像を合成する。図5で説明したように、第1画像は側壁52の再現性が乏しいが、側壁54の再現性は高い。また図6で説明したように、第2画像は側壁54の再現性が乏しいが、側壁52の再現性は高い。したがって合成画像は、図8に示すように、凹部51の側壁52、側壁 54の両方を高い精度で再現する。

図1に示す合成モジュール100には出力装置200が接続されている。出力装置200は合成画像を表示する。出力装置200には、ブラウン管モニター、液晶モニター、プラズマモニター、及びプリンター等が使用可能である。また制御モジュール150には入力装置250が接続されている。入力装置250は、制御モジュール150にサンプルスキャナ70の走査範囲、走査速度などの測定条件を入力する。入力装置250にはキーボード等が使用可能である。

次に実施の形態に係る観察方法を、図9に示すフローチャートを用いて説明する。

(a) ステップS101で、図1に示す第1カンチレバー10と第2カンチレバー20とを面対称に配置する。次に第1カンチレバー10及び第2カンチレバー20の走査可能範囲に段を含む試料50を配置する。その後、入力装置250よりサンプルスキャナ70の走査範囲、走査速度等を制御モジュール150に入力する。

(b) ステップS102で第1粗動モジュール31及び第2粗動モジュール41は、第1カンチレバー10及び第2カンチレバー20を試料50の表面に近づける。一定の距離まで接近したところで、サンプルスキャナ70は試料50を走査する。走査制御信号は、あらかじめ設定された走査範囲、走査速度の情報に基づき、制御モジュール150からサンプルスキャナ70に与えられる。なお図1に示す第1フィードバックモジュール32及び第2フィードバックモジュール42は、第1カンチレバー10及び第2カンチレバー20が試料50表面を走査する間、第1カンチレバー10及び第2カンチレバー20のZ方向を調整する。

(c) 第1カンチレバー10の第1ピエゾ抵抗素子15及び第2カンチレバー20の第2ピエゾ抵抗素子のそれぞれの抵抗値変化は、それぞれ第1変位検出モジュール33及び第2変位検出モジュール43に伝送され、電圧に変換され、さらに変位に変換される。検出された第1カンチレバー10の第1振動周波数の変位と、第2カンチレバー20の第2振動周波数の変位は、それぞれ制御モジュール150に送られる。

(c) 制御モジュール150は、検出された第1カンチレバー10の第1振動周波数の変位と、第2カンチレバー20の第2振動周波数の変位があらかじめ設定した値に収斂するように、第1フィードバックモジュール32及び第2フィードバックモジュール42に制御信号を与える。第1フィードバックモジュール32及び第2フィードバックモジュール42のそれぞれに与えられる制御信号は、第1生成モジュール14及び第2生成モジュール24にも伝送される。このときに、走査制御信号も第1生成モジュール14及び第2生成モジュール24にも伝送される。

(d) ステップS201で第1生成モジュール14は、伝送されて来た第1フィードバックモジュール32に与えた制御信号及び走査制御信号から試料50表面の形状を表す第1画像を算出する。次に第1生成モジュール14は生成した第1画像を合成モジュール100に伝送する。

(e) ステップS202で第2生成モジュール24は、伝送されて来た第2フィードバックモジュール42に与えた制御信号と、走査制御信号から試料50表面の形状を表す第2画像を生成する。次に第2生成モジュール24は生成した第2画像を合成モジュール100に伝送する。

(f) ステップS203で合成モジュール100は第1画像を底面53の中心を通る直線に沿って分割し、ステップS204で合成モジュール100は第2画像を底面53の中心を通る直線に沿って分割する。ステップS205で合成モジュール100は、側壁52に下方から接近した第2カンチレバー20で取得された第2画像の分割画像のうち、側壁52を含む分割画像を内部メモリに保存する。次に合成モジュール100は、側壁54に下方から接近した第1カンチレバー10で取得された第1画像の分割画像のうち、側壁54を含む分割画像を内部メモリに保存する。その後合成モジュール100は、側壁52を含む分割された第2画像と、側壁54を含む分割された第1画像とを組み合わせ、合成画像を合成する。最後に出力装置200が合成画像を表示して、実施の形態に係る観察方法を終了する。

従来のSPMにおいては、1本のカンチレバーが、試料50表面から得られる情報から試料50の画像を算出していた。そのため図5に示すように、カンチレバーが表面61に対して垂直な側壁52に追従できなかった場合は、凹部51の形状が実際と異なる試料50の画像が得られていた。これを改善するため、1本のカンチレバーで試料50上を走査した後、試料50を180度回転させ、さらに同じカンチレバーで試料50を走査し、カンチレバーが試料50の形状に追従して走査していたか否かを判断する方法があった。しかし、試料50を回転させ、その後試料50の同じ部分を同じカンチレバーで走査するのは困難であるという問題もあった。また図10に示す例では、カンチレバーホルダ112に保持されたカンチレバー110を、探針111が側壁52に追従して走査するよう、強い圧力を試料50にかけながら走査させた場合を示している。この場合、探針111を側壁52に追従させて走査することが可能となるものの、側壁54から表面61にかけてカンチレバー110が跳ね上がる現象が生じうる。そのため、探針111の試料50への圧力を上昇させても、試料50の正確な表面画像を得ることは困難であった。また探針111の試料50への圧力を上昇させると、探針111の摩耗が早まったり、あるいは探針111が破損することも起こりうる。これに対し実施の形態に係る図1に示す走査型プローブ顕微鏡システムは、試料50上の同一部分を互いに反対方向に走査可能な第1カンチレバー10及び第2カンチレバー20を有する。そのため、凹部や凸部の側壁等を一方のカンチレバーが追従できなかった場合も、他方のカンチレバーが追従できる。そのため、第1画像及び第2画像のうち、凹部や凸部等の段を含む形状を正しく反映している部分を組み合わせることにより、試料の正確な表面画像を取得することが可能となる。そのため、DVD等のトレンチ構造などの正確な画像を得ることも可能となる。

（変形例）
試料50上に位置合わせマークを設け、第1画像及び第2画像を組み合わせる際に、それぞれの画像に含まれる位置合わせマークを位置の基準にしてもよい。また第1カンチレバー10の第1の探針11と、第2カンチレバー20の第2の探針21との間隔Lをほぼ0になるよう接近させて、同時に試料50上を走査させてもよい。

また、第1カンチレバー10を振動させ、第1カンチレバー10と試料50との相互作用により振動周波数が変化する第1水晶振動子を更に備えてもよい。この場合、第2カンチレバー20を振動させ、第2カンチレバー20と試料50との相互作用により振動周波数が変化する第2水晶振動子を更に備えてもよい。

あるいは、第1カンチレバー10は、試料50との相互作用により振動周波数が変化する水晶振動子からなることとしてもよい。この場合、第2カンチレバー20は、試料50との相互作用により振動周波数が変化する水晶振動子からなることとしてもよい。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明を実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。例えば実施の形態においては、図1に示す第1カンチレバーの第1の撓みは図2乃至図4に示す第1ピエゾ抵抗素子15で検出していた。これに対し図11に示すように、第1照射モジュール210から波長780nmの赤色レーザビーム等の第1測定光を第1カンチレバー10に向かって照射してもよい。第1カンチレバー10で反射された第1測定光は、第1検出モジュール211で検出される。この際、第1カンチレバー10の第1の撓みに応じて、第1検出モジュール211が検出する第1測定光の入射角が変化する。そのため、第1検出モジュール211に対する第1測定光の入射角の変化から、第1カンチレバー10の第1の撓みを検出することが可能となる。同様に、第2照射モジュール310から波長780nmの赤色レーザビーム等の第2測定光を第2カンチレバー20に向かって照射してもよい。第2カンチレバー20で反射された第2測定光は、第2検出モジュール311で検出される。この際、第2カンチレバー20の第2の撓みに応じて、第2検出モジュール311が検出する第2測定光の入射角が変化する。そのため、第2検出モジュール311に対する第2測定光の入射角の変化から、第2カンチレバー20の第2の撓みを検出することが可能となる。以上示したように、この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明からは妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

本発明の実施の形態に係る走査型顕微鏡システムを示す模式図である。 本発明の実施の形態に係る第１カンチレバーを示す上面図である。 本発明の実施の形態に係る第１カンチレバーを示す図２のＡ−Ａ方向から見た断面図である。 本発明の実施の形態に係る第１カンチレバーを示す図２のＢ−Ｂ方向から見た断面図である。 本発明の実施の形態に係る第１カンチレバーと試料を示す模式図である。 本発明の実施の形態に係る第２カンチレバーと試料を示す模式図である。 本発明の実施の形態に係る第１カンチレバー、第２カンチレバー、及び試料を示す上面図である。 本発明の実施の形態に係る第１カンチレバー及び第２カンチレバーのそれぞれの軌跡を示す模式図である。 本発明の実施の形態に係る観察方法を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態の比較例に係るカンチレバーと試料を示す模式図である。 本発明のその他の実施の形態に係る走査型顕微鏡システムの一部を示す模式図である。

符号の説明

10…第1カンチレバー
11…第1の探針
12…第1ホルダ
13…第1加振器
14…第1生成モジュール
15…第1ピエゾ抵抗素子
16…入力コンタクト
17…出力コンタクト
18…絶縁膜
20…第2カンチレバー
21…第2の探針
22…第2ホルダ
23…第2加振器
24…第2生成モジュール
31…第1粗動モジュール
32…第1フィードバックモジュール
33…第1変位検出モジュール
41…第2粗動モジュール
42…第2フィードバックモジュール
43…第2変位検出モジュール
50…試料
51…凹部
52, 54…側壁
53…底面
61…表面
70…サンプルスキャナ
71…第1のエッジ
72…第2のエッジ
100…合成モジュール
110…カンチレバー
111…探針
112…カンチレバーホルダ
150…制御モジュール
200…出力装置
210…第1照射モジュール
211…第1検出モジュール
250…入力装置
310…第2照射モジュール
311…第2検出モジュール

Claims (22)

1. 試料の上方を第１の方向に走査して前記試料の第１表面情報を取得するための第１カンチレバーと、
   前記試料の上方を前記第１の方向とは異なる第２の方向に走査して前記試料の第２表面情報を取得するための第２カンチレバーと、
   前記第１表面情報から前記試料の第１画像を生成する第１生成モジュールと、
   前記第２表面情報から前記試料の第２画像を生成する第２生成モジュールと、
   前記第１画像及び前記第２画像を組み合わせ、合成画像を合成する合成モジュール
   とを備えることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡システム。
2. 前記第１カンチレバーは、前記第１の方向に対して傾斜角をもって設置され、前記第２カンチレバーは、前記第２の方向に対して前記傾斜角をもって設置されていることを特徴とする請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡システム。
3. 前記第１の方向と前記第２の方向は、反対の方向であることを特徴とする請求項１又は２に記載の走査型プローブ顕微鏡システム。
4. 前記第２カンチレバーと前記第１カンチレバーとは面対称に配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡システム。
5. 前記第１カンチレバーを前記試料に対して縦方向に位置制御する第１フィードバックモジュールと、
   前記第２カンチレバーを前記縦方向に位置制御する第２フィードバックモジュール
   とを更に備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡システム。
6. 前記合成モジュールは、前記第１カンチレバーが前記試料に含まれる段の側壁に下方から接近した場合、前記合成画像の前記段の部分に前記第１画像を採用することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の走査型プローブ顕微鏡システム。
7. 前記合成モジュールは、前記第２カンチレバーが前記試料に含まれる段の側壁に下方から接近した場合、前記合成画像の前記段の部分に前記第２画像を採用することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の走査型プローブ顕微鏡システム。
8. 前記第１カンチレバーに埋め込まれ、前記第１カンチレバーの第１の撓みにより抵抗値が変化する第１ピエゾ抵抗素子を更に備えることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡システム。
9. 前記第２カンチレバーに埋め込まれ、前記記第２カンチレバーの第２の撓みにより抵抗値が変化する第２ピエゾ抵抗素子を更に備えることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡システム。
10. 前記第１カンチレバーを振動させ、前記第１カンチレバーと前記試料との相互作用により振動周波数が変化する第１水晶振動子を更に備えることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡システム。
11. 前記第２カンチレバーを振動させ、前記第２カンチレバーと前記試料との相互作用により振動周波数が変化する第２水晶振動子を更に備えることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡システム。
12. 前記第１カンチレバーは、前記試料との相互作用により振動周波数が変化する水晶振動子からなることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡システム。
13. 前記第２カンチレバーは、前記試料との相互作用により振動周波数が変化する水晶振動子からなることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡システム。
14. 前記第１カンチレバーに第１測定光を照射する第１照射モジュールを更に備えることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡システム。
15. 前記第１カンチレバーで反射された前記第１測定光を検出する第１検出モジュールを更に備えることを特徴とする請求項１４に記載の走査型プローブ顕微鏡システム。
16. 前記第２カンチレバーに第２測定光を照射する第２照射モジュールを更に備えることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、１４、１５のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡システム。
17. 前記第２カンチレバーで反射された前記第２測定光を検出する第２検出モジュールを更に備えることを特徴とする請求項１６に記載の走査型プローブ顕微鏡システム。
18. 前記合成モジュールは、前記第１画像及び前記第２画像のそれぞれに含まれる位置合わせマークを基準にして前記第１画像及び前記第２画像を合成することを特徴とする請求項１乃至１７のいずれか１項記載の走査型プローブ顕微鏡システム。
19. 試料の上方を第１カンチレバーで第１の方向に走査して前記試料の第１表面情報を取得するステップと、
    前記試料の上方を第２カンチレバーで前記第１の方向とは異なる第２の方向に走査して前記試料の第２表面情報を取得するステップと、
    前記第１表面情報から前記試料の第１画像を生成するステップと、
    前記第２表面情報から前記試料の第２画像を生成するステップと、
    前記第１画像及び前記第２画像を組み合わせ、合成画像を合成するステップ
    とを含むことを特徴とする観察方法。
20. 前記第２カンチレバーと前記第１カンチレバーとを面対称に配置するステップを更に含むことを特徴とする請求項１９に記載の観察方法。
21. 前記合成画像を合成するステップは、前記第１カンチレバーが前記試料に含まれる段の側壁に下方から接近した場合、前記合成画像の前記段の部分に前記第１画像を採用するステップを含むことを特徴とする請求項１９又は２０に記載の観察方法。
22. 前記合成画像を合成するステップは、前記第２カンチレバーが前記試料に含まれる段の側壁に下方から接近した場合、前記合成画像の前記段の部分に前記第２画像を採用するステップを含むことを特徴とする請求項１９又は２０に記載の観察方法。
    

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