JP2012063158A - 走査プローブ顕微鏡及びそれを用いた表面形状計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
走査プローブ顕微鏡において，走査時に走査機構の非駆動方向すなわち上下方向の変動により、試料のプロファイルを高精度に測定することが，困難であった。
【解決手段】
試料ステージ側の裏側に試料ステージの水平方向走査時の非駆動方向への上下動を測定するための高精度変位計を備え、この結果によって、探針による試料表面形状測定結果を補正することで、試料のnm以下のオーダ精度をもつ高精度な平坦性評価を可能とした。
【選択図】図４Ｂ

Description

本発明は、試料形状の高精度測定等の用途に用いられる走査型プローブ顕微鏡及びそれを用いた試料の表面形状を計測する方法に関する。

半導体回路の高集積化に伴い、回路パターンの微細化が進行し続ける中で、半導体製造工程における検査計測技術や不良解析技術の重要度が増している。ハードディスク装置も記録密度増大に伴って、記録再生ヘッドの磁極部の微細構造や平坦性、記録媒体の表面粗さや、さらに記録密度をあげるための磁性の縞状あるいはドット状構造の立体形状の測定の重要度が増している。この様な用途に最適な走査型プローブ顕微鏡（以下、本明細書中ではＳＰＭ；Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅと称す）は、微小な探針の先端を試料表面に近接または接触させながら探針を走査することにより、試料表面の形状を原子オーダーで計測する手法として広く知られている。

ＳＰＭを用いた表面形状計測においては、検査領域は例えば数百マイクロメートル四方以下の狭い領域に限定される反面、原子オーダの微小エリアを測定する場合は、数１０〜数１００ナノメートルの狭い視野を、原子オーダ以下の精度で測定することが求められる。このとき、探針を走査するための機構部には高い位置決め精度が要求される。一方、測定領域を見出すために、数１０マイクロメートル程度の広い範囲を高速に観察することが求められる。また、数百マイクロメートル程度の広い範囲の試料表面の凹凸を高速に測定するニーズもある。

また、ＳＰＭでは試料表面の立体形状を０．１ナノメートル程度の高い分解能で計測できる利点があるが、試料表面における計測点の位置出しや計測動作に時間を要し、充分な計測スループットが得られないため、半導体やハードディスク装置などのデバイス製造ラインにおいてはインライン（製造工程中）で使用されず、オフラインでの不良解析用途で用いられるのが主流であった。しかしながら、ＳＰＭによる計測結果から各種プロセス装置の異常を即座に察知し、各種プロセス装置の処理条件にフィードバックすることができれば、不良品の作り込みを最低限に抑え、製造ラインの製造歩留まりを向上させることができることから、インラインＳＰＭの実現が期待されている。即ち、インラインＳＰＭを実現する場合、ＳＰＭが単位時間当たりにどれだけ多くの計測点を処理（計測）できるかが重要な要素であり、現状の製造ラインにおいては、1点当たり２０秒以下の処理時間が要求されている。これは計測スループットに換算すると３０ＷＰＨ（Ｗａｆｅｒ Ｐｅｒ Ｈｏｕｒ）以上に相当する。

また、ＳＰＭの探針を試料上で高精度に位置決めするための機構部のアクチュエータとしては、圧電素子が通常使われる。たとえば、特許文献１にはＸ、Ｙ、Ｚの三軸を夫々平行平板で構成し、これらを夫々圧電素子で駆動すると同時に、探針の位置を変位計で測定して、探針の位置を制御する事によって、高精度なＳＰＭを実現することが記述されている。探針の位置決め精度を向上させるための別の探針駆動機構としては、特許文献２で開示されている３次元微小走査機構がある。これは外枠部に対して弾性部材で接続されたＹステージ内に、Ｙステージと弾性部材で接続されたＸＺステージ（ＸステージとＺステージを兼用）を形成した３軸ステージを３個のボイスコイルモータによって駆動する機構である。

全てのステージは同一部材で一体形成されており、各ステージにはボイスコイルモータの駆動力がスピンドルを介して伝えられる。各ステージの変位によらず、それぞれのスピンドルが各ステージの動作方向に対して常に平行に押し当てられる構造となっている。例えばＹステージのみが動作した場合、外枠とＹステージを接続している弾性部材が全て均等に弾性変形することで、Ｙ軸以外の動作軸に無用な力が加わることは無い。以上により、探針の位置決めを３軸独立且つ高精度に制御可能な探針走査機構を実現している。また、特許文献３においては、２種類の微動用と粗動用の圧電素子をつないだ圧電素子を用いる事によって、ステージの位置決め分解能を向上する方法が書かれている。

また特許文献４には、計測スループットを向上させるためのＳＰＭの構成が開示されている。これは、探針の直上に配置された対物レンズとレーザダイオード並びにフォトダイオードによって構成されるアプローチセンサで試料表面位置を検出し、試料表面を探針先端位置に高速に接近させることによって、ＳＰＭが計測動作にはいるまでの時間を短縮し、ＳＰＭの計測スループットを向上させるものである。なお、特許文献３で示されている構成のＳＰＭによれば、試料上の探針接触位置の直上に対物レンズが配置されている装置構成であることから、観察光学系を用いて試料上の計測位置出しを行った後、試料位置を移動させることなく計測動作にかかることが可能であり、ＳＰＭの計測スループットを向上させることができる。

特開２００４−３０３９９１号公報 特許第３５４４４５３号公報 特開２００５−３４７４８４号公報 特開２００４−１２５５４０号公報

従来のＳＰＭでは探針の走査機構がＸＹ方向に走査するのに従って、Ｚ方向に意図しない変位を生じてしまい、nmオーダの平坦性は期待できなかった。また、高精度探針走査機構の探針取り付け部の変位を測定する例はあるが、高精度探針走査機構と広範囲の走査を両立するのが難しかった。このため、広範囲走査機構により探針ではなく試料側でXY方向の走査を行い、探針側ではZ方向の駆動を行うこととしても、試料ステージのXY方向の走査に伴って、Z方向の上下動を生じて、やはり、nmオーダの平坦性は期待できなかった。

本発明の目的は、上記した従来技術の課題を解決して、広範囲の探針の走査を迅速に行うとともに微小範囲の探針の走査を正確に高分解能で行うことを可能にする走査プローブ顕微鏡及びそれを用いた試料表面形状計測方法を提供することに有る。

上記課題を解決するために、本発明では、試料側のＸＹステージの非駆動方向であるZ方向の変位を高精度変位系で測定して、これを用いて走査プローブ顕微鏡による測定値から補正する，あるいは，プローブ変位機構にフィードバックすることにより，試料走査時のXYステージの非駆動方向の位置の変動の影響を受けない高精度なプロファイル計測を可能にした。

上記課題を解決するために、本発明では、探針を試料表面に近接または接触させて試料表面形状を計測する走査型プローブ顕微鏡を、探針と、この探針を保持する探針ホルダと、この探針ホルダを少なくとも上下方向に駆動する探針駆動手段と、この探針駆動手段の上下方向の位置を測定する第１の測定手段と、試料を載置して平面内で移動可能な試料ステージ手段と、前記平面と直角な方向の試料ステージ手段の位置を測定する第２の測定手段と、探針ホルダに保持された探針と試料ステージ手段の間の上下方向の相対位置を変化させるための上下方向粗ステージ手段と、探針ホルダに保持された探針と試料ステージ手段の間の水平方向の相対位置を変化させるための水平方向粗ステージ手段と、前記試料と上記探針ホルダに保持された探針との間の接触状態を検出する検出手段と、第１の測定手段で測定した情報と第２の測定手段で測定した情報と検出手段で検出した情報とを用いて試料の表面の像を生成する像生成手段とを備え構成した。
また、上記目的を達成するために、本発明では、走査型プローブ顕微鏡を用いて試料の表面形状を計測する方法において、平面内で移動可能な試料ステージに載置した試料の表面に探針駆動系を用いて探針を上下方向に駆動すると共に上下方向粗ステージ手段により探針と試料ステージとの間の上下方向の相対位置を変化させて探針を試料表面に近接または接触させ、探針駆動系の上下方向の位置を測定し、平面と直角な方向の試料ステージの位置を測定し、探針駆動系の上下方向の位置を測定して得た情報と平面と直角な方向の試料ステージの位置を測定して得た情報とを用いて試料ステージの平面内で移動時の平面と直角な方向の変位成分を補正して試料の表面形状を計測するようにした。

本発明によれば、試料走査時のＸＹステージの非駆動方向の位置の変動の影響を受けない高精度なプロファイル計測が可能となる。

また、本発明によるＳＰＭを半導体やハードディスクなどの製造工程に適用すれば、ＳＰＭによる計測結果に基づいて製造装置の処理条件を最適化することが可能となることから、デバイス製造工程の歩留まりが向上する。

走査プローブ顕微鏡の装置全体の構成を示すブロック図である。 走査プローブ顕微鏡の探針駆動部の概略の構成を示す平面図である。 走査プローブ顕微鏡の探針駆動部の概略の構成を示す正面の断面図である。 走査プローブ顕微鏡の探針駆動部の概略の構成を示す側面図である。 探針撓み検出光学系の概略の構成を示す正面図である。 走査プローブ顕微鏡の探針駆動部とドライバ回路部の主要部の構成を示す平面図である。 走査プローブ顕微鏡の探針駆動部の概略の構成を示す正面図である。 従来の走査プローブ顕微鏡における圧電素子ドライバの粗動変位の時間変化を示すグラフであり、時定数が小さい場合をあらわしている。 走査プローブ顕微鏡における圧電素子ドライバの粗動変位の時間変化を示すグラフであり、時定数が大きい場合をあらわしている。 粗動用圧電素子ドライバの回路構成を示す図で、外部からの応答性切替信号で高速駆動用出力抵抗Ｒｓの切替をする構成を示している。 粗動用圧電素子ドライバの回路構成を示す図で、一対の逆向きのダイオードを挿入して自動で高速駆動用出力抵抗Ｒｓの切替をする構成を示している。 粗動用圧電素子ドライバの回路構成を示す図で、一対の逆向きのダイオードを挿入するとともに、抵抗を分割して挿入して自動で高速駆動用出力抵抗Ｒｓの切替をする構成を示している。 微動用圧電素子ドライバの回路構成を示す図である。 ステップ状の入力に対する粗動変位の時間変化を示すグラフである。 ステップ状の入力に対する微動変位の時間変化を示すグラフである。 微動用圧電素子ドライバの分解能を更に向上する実施例を示す図である 応答性切替アンプと微粗動圧電素子を用いた制御ブロック図でオープン制御の構成を召す。 応答性切替アンプと微粗動圧電素子を用いた制御ブロック図でステージの位置検出信号をフィルタリングかけてノイズを減らした信号を用いる例を示す図である。 応答性切替アンプと微粗動圧電素子を用いた制御ブロック図で不感帯を設けて制御する構成の例を示す図である。 指令位置がステップ状に大きく変化した場合の粗動変位の時間変化の状態を示すグラフである。 指令位置がステップ状に大きく変化した場合の微動変位の時間変化の状態を示すグラフである。 指令位置がステップ状に大きく変化した場合の総合変位の時間変化の状態を示すグラフである。 指令位置がステップ状に不感帯のレベルよりも小さく変化した場合の粗動変位の時間変化の状態を示すグラフである。 指令位置がステップ状に不感帯のレベルよりも小さく変化した場合の微動変位の時間変化の状態を示すグラフである。 指令位置がステップ状に不感帯のレベルよりも小さく変化した場合の総合変位の時間変化の状態を示すグラフである。 アンプを一つだけ用いて粗動用圧電素子と微動用圧電素子を外部からの入力で切替えて駆動する構成を示す回路図である。 アンプを一つだけ用いて粗動用圧電素子と微動用圧電素子を自動的に切替えて駆動する構成を示す回路図である。 探針を駆動する機構の別な例を示す平面図である。 探針を駆動する機構の別な例を示す正面図である。 探針を駆動する機構の別な例を示す平面図である。 探針を駆動する機構の別な例を示す平面図である。 走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）を用いた半導体製造工程の一部を示すブロック図である。 半導体製造工程において走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）を用いてサンプルを計測する場合の処理の流れを示すフロー図である。 試料表面を計測中の探針の正面図である。 探針で試料表面を計測しているときの試料表面及び探針先端の高さの時間変化を示すグラフである。 試料表面を計測中の別な例を示す探針の正面図である。 探針で試料表面を計測しているときの別な例を示す試料表面及び探針先端の高さの時間変化を示すグラフである。 粗動により探針を大きく走査して計測領域を検出した状態を示す試料の平面図である。 計測領域を計測している状態を示す探針の正面図である。 図１８ＡおよびＢの動作に対応する処理のフロー図である。 光干渉変位センサの斜視図である。 光干渉変位センサに使用する位相シフト素子の構造を示す斜視図と部分拡大図である。 光干渉変位センサの参照ミラーとして用いる回折偏光格子の斜視図である。 光干渉変位センサの参照ミラーとして用いるフォトニック結晶の斜視図および１/４波長板として用いるフォトニック結晶の斜視図である。 複数の変位計を取り付けた試料ステージの側面図である。 試料ステージに取り付けた複数の変位計の拡大図である。 複数の変位計を取り付けた試料ステージを裏面から見た平面図である。 探針駆動機構の固定部を両端支持梁の構造で保持部材に固定した構成の試料ステージの側面図である。 探針駆動機構の固定部を片持梁の構造で保持部材に固定した構成の試料ステージの側面図である。 試料表面の実プロファイル、ステージ上下動プロファイル、測定プロファイル及び補正プロファイルを示す図である。

本発明の第１の実施例として、まず、図１から図３を用いて本発明のベースとなるＳＰＭの構成を説明する。図１において、１０３は計測対象試料、１０４は試料１０３を真空吸着してＸ、Ｙ、Ｚ方向並びにＸＹ平面内の回転方向に試料１０３を移動するための試料ステージである。試料ステージの動作は、ステージ制御部１１１によって制御される。探針１０２は探針ホルダ１１５を介して探針駆動機構１０１によって保持されている。

探針駆動機構１０１は、試料１０３上において探針１０２をＸ、Ｙ、Ｚ方向に精密に位置決めを行う。なお、探針１０２はシリコン材料などから成り、エッチングやや収束イオンビームによってその先端径が１０ナノメートル以下に加工されている。あるいは、先端に直径１０ｎｍ前後のカーボンナノチューブなどが形成されている場合もある。探針１０２はカンチレバーとその先端に形成された探針によって構成されているが、本明細書中ではカンチレバーと探針を併せて単に探針と称す。探針駆動機構１０１上には、対物レンズ１０６を備えた観察光学系鏡筒１０５が配置されている。

観察光学系１０５はその内部に撮像カメラを有しており、対物レンズ１０６で拡大された試料１０３表面の光学像は、光学像処理部１０８を経由してＴＶカメラ１０７上に表示される。なお、観察光学系１０５並びに対物レンズ１０６は、図示しない移動機構によってＺ方向に上下移動するフォーカス軸を備えている。なお、探針ホルダ１１５には小型の圧電素子が組み込まれていて、保持した探針１０２を数ナノメートルから数十ナノメートルのオーダの振幅で加振することが可能になっていてもよい。

図２Ａ〜Ｃは図１に示した探針駆動機構１０１の構造を示した説明図であり、図２Ａは探針駆動機構１０１のＸＹ平面図、図２Ｂは探針駆動機構１０１のＡ−Ａ’矢視断面図、図２Ｃは探針駆動機構１０１のＹＺ平面図をそれぞれ示した図である。探針駆動機構１０１は、ホルダ２０１及び２０２とＹステージ２０３が弾性変形部２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ、２０４ｄを介して同一平面内に一体形成されており、更にＹステージ２０３の同一平面内にＸステージ２０７がＹステージ２０３と直行する形で、弾性変形部２０８ａ、２０８ｂ、２０８ｃ、２０８ｄを介して一体形成された構造となっている。Ｘステージ２０７には、対物レンズ１０６を貫通させるためのスルーホール２１１が設けられている。ホルダ２０１、２０２とＹステージ２０３との間は、積層型圧電素子（以下本実施例では単に圧電素子と称する）２０５、２０６が接着されており、Ｙステージ２０３は圧電素子２０５、２０６が等量だけ同時に伸縮することによってＹ軸方向に駆動される。圧電素子２０５と弾性変形部２０４ａ及び２０４ｂによって構成される駆動機構と、圧電素子２０６と弾性変形部２０４ｃ及び２０４ｄによって構成される一対の駆動機構は、対物レンズの視野中央位置２１２（探針１０２の先端位置）を中心として、対象な位置に配置されている。

一般的な圧電素子（圧電セラミック素子）は、直流電圧を印加することで、長さが変化する素子である。小さい電圧で大きい変位を得るために、電極と薄い圧電素子を積層した、積層型圧電素子もよく用いられる。積層型圧電素子の例は、長さが４０ｍｍで１００Ｖの電圧を印加することで、２０マイクロメートルの伸びを生じるものである。この圧電素子の場合、電圧のノイズが５ｍＶ程度であれば、分解能は可動距離にノイズと最大印加電圧の比を掛けた値となり、分解能が１ナノメートルとなる。サブナノメートルオーダの分解能を達成するための構成については後述する
Ｙステージ２０３とＸステージ２０７との間には、圧電素子２０９、２１０が接着されており、Ｘステージ２０７は圧電素子２０９、２１０が等量だけ同時に伸縮することによってＸ軸方向に駆動される。圧電素子２０９と弾性変形部２０８ａ及び２０８ｂによって構成される駆動機構と、圧電素子２１０と弾性変形部２０８ｃ及び２０８ｄによって構成される一対の駆動機構は、対物レンズの視野中央位置２１２（探針１０２の先端位置）を中心として、対象な位置に配置されている。圧電素子２０９、２１０についても、その最大可動距離は２０マイクロメートル、可動分解能は１ナノメートルである。

Ｘステージ２０７の底面には、Ｚ軸機構部２１３がＹステージ２０３とＸステージ２０７の可動平面に対して直行する形で取り付けられている。Ｚ軸機構部２１３は、固定部２１８、２１９とＺステージ２１４が弾性変形部２１５ａ、２１５ｂ、２１５ｃ、２１５ｄを介して同一平面内に一体形成されている。固定部２１８、２１９とＺステージ２１４との間には圧電素子２１６、２１７が接着されており、Ｚステージ２１４は圧電素子２１６、２１７が等量だけ同時に伸縮することによってＺ軸方向に駆動される。圧電素子２１６と弾性変形部２１５ａ及び２１５ｂによって構成される駆動機構と、圧電素子２１７と弾性変形部２１５ｃ及び２１５ｄによって構成される一対の駆動機構は、対物レンズの光軸２１２’に対してＸＺ平面上で対象な位置に配置されている。圧電素子２１６、２１７の最大可動距離は１０マイクロメートル、可動分解能は１ナノメートルである。探針１０２は探針ホルダ１１５を介してＺステージ２１４に取り付けられており、探針１０２の先端位置は、対物レンズの視野中央位置２１２と一致するようになっている。

以上説明した通り、本発明による探針駆動機構１０１では、探針１０２を３次元的に駆動するためのＸステージ２０７、Ｙステージ２０３、Ｚ２１４ステージの動作が互いに干渉することがなく、それぞれを独立に動作させることが可能である。また、例えばＹステージ２０３において、圧電素子２０５を挟み込んで、圧電素子２０５の伸縮軸の延長線上に配置された２箇所の弾性変形部２０４ａ、２０４ｂで構成される一式のステージ駆動機構部が、Ｙステージ２０３の左右両側に一対（圧電素子２０６、弾性変形部２０４ｃ、２０４ｄ）で配置されていることから、圧電素子２０５、２０６がそれぞれ等量ずつ伸縮することにより、弾性変形部２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ、２０４ｄを全て均等に変形させることができる。この結果、Ｙステージ２０３のアッベの誤差を排除し、Ｙステージ２０３の真直度を従来よりも格段に向上させることが可能となる。この動作原理は、Ｘステージ２０７、Ｚステージ２１４でも全く同様であることは自明である。なお、探針駆動機構１０１のＸステージ２０７、Ｙステージ２０３、Ｚステージ２１４の動作は、探針駆動制御部１１０により制御される。

なお積層型の圧電素子は、電圧を印加した場合の伸縮変位に個体差が生じる場合がある。また同一の圧電素子を用いても、印加電位と変位との間にヒステリシス特性が存在する。この場合は、圧電素子毎に異なるヒステリシス特性を予め計測しておき、所望の変位にするための印加電圧を圧電素子単位で調節して印加すれば良い。更に、本実施例では探針駆動機構１０１のＸステージ２０７、Ｙステージ２０３、Ｚステージ２１４を動作させるために圧電素子を用いたが、各ステージの動力源は圧電素子に限定される訳ではなく、探針１０２の位置決めを行うに必要なだけの精度・発生力を備えたリニアアクチュエータであれば良い。探針駆動機構１０１の構成材料としては、剛性と比重の比が大きいアルミニウム合金やチタン，熱膨張率（線膨張係数）の低い鉄−ニッケル合金等の材料が用いられる。

探針駆動機構１０１の上部に配置されている観察光学系鏡筒１０５及び対物レンズ１０６は、図示しない移動機構によってＺ軸方向に上下動が可能であり、対物レンズ１０６が探針駆動機構１０１に接触しないように、Ｘステージ２０７に設けられたスルーホール２１１に挿入される。本発明の探針駆動機構１０１の構成によれば、探針１０２上にその走査を行う機構部が存在しないため、対物レンズ１０６で探針１０２を直接観察できると同時に、試料１０３表面を高解像度で観察することが可能である。例えば対物レンズ１０６の開口率が０．７、作動距離は６ミリメートルの仕様であれば、試料１０３上のパターンを解像度が１マイクロメートル以下の条件で鮮明に観察できる。なお、探針１０２の位置を固定したまま、対物レンズ１０６が探針１０２に接触しない程度に、対物レンズ１０６と試料ステージ１０４を同量（例えば１ミリメートル）下降させることにより、対物レンズ１０６の視野内に配置された探針１０２の存在の影響を受けることなく、探針１０２直下の試料１０３上のパターンを観察することも可能である。これは対物レンズ１０６の開口率が大きく、探針１０２が対物レンズ１０６の視野の一部分のみを占める条件の際に得られる光学的現象を利用したものである。

図３は探針１０２と試料１０３表面との接触を検知するための探針たわみ検出部の構成を示す説明図で、探針駆動機構１０１のＸＺ平面図である。３０１は、発振波長が６００ナノメートル、発振出力０．１ミリワットのレーザダイオードであり、このレーザダイオード３０１から発振されたレーザ光は、コリメートレンズ３０２で平行光に整形されてホルダ２０２に取り付けられたミラー３０３（図示せず）でＹ軸方向に折り返され、Ｙステージ２０３に取り付けられたミラー３０４（図示せず）で再びＸ軸方向に反射され、ミラー３０５、３０６を経て探針１０２の背面に照射される。探針１０２の背面で反射されたレーザ光は、ミラー３０７、３０８で反射され、Ｙステージ２０３に取り付けられたミラー３０９（図示せず）でＹ軸方向に折り返され、ホルダ２０２に取り付けられたミラー３１０（図示せず）で再びＸ軸方向に反射され受光器３１１で受光される。ここで、レーザダイオード３０１を探針駆動機構１０１のホルダ２０１に、受光器３１１をホルダ２０２に、ミラー３０５、３０６、３０７、３０８を図示しない治具によりＺステージ２１４に固定することで、探針１０２の位置によらず探針のたわみ量を受光器受３１１のレーザ受光面上におけるレーザ照射位置の変化として検出することができる。

受光器３１１としては、ＰＳＤ（ポジションセンシティブデバイス）、イメージセンサ、２分割あるいは４分割フォトダイオード等が使用できる。探針１０２と試料１０３が接触して探針１０２にたわみが生じると、受光器３１１の受光面上ではＹ軸方向にレーザ照射位置が移動することとなる。受光器３１１では、このレーザ照射位置の変化を電圧信号に変換し、探針たわみ検出部１０９で探針１０２と試料１０３表面の接触を検知する。探針１０２が探針ホルダ１１５等によって加振されている場合は、上記探針撓み検出部では、探針１０２のたわみによる探針撓み信号の振動の振幅や位相を検出するように構成し、これによって、探針１０２と試料１０３の間に働く力を検出するようにしてもよい。すなわち、振動する探針の先端が試料に接近すると探針先端と試料との間に働く力によって、振動振幅、加振信号に対する振動の位相、振動周波数などの振動状態が変化するので、これらを検出する事によって、力を測定できる。

次に図４Ａ及びＢを用いて、本発明による粗微動機構と応答性切替機構と変位計とを用いた、広範囲・高速・高精度ＳＰＭの構成を説明する。

まず、Ｚ方向の探針位置計測について説明する。探針ホルダ１１５の一部は、図示しない機構部によって少なくともホルダ２０１’、２０２’のどちらか一方あるいはＸステージ２０７’の底面に固定された、Ｚ軸用静電容量センサ２２４に対向するように構成されている。探針ホルダ１１５と静電容量センサ２２４との対向面の間隔は２０マイクロメートルである。ここで使用したＺ軸用静電容量センサ２２４は、探針ホルダ１１５との間隔を０．１ナノメートルの分解能で計測することが可能であり、Ｚステージ２１４’の移動量の計測を行う。探針ホルダ１１５とＺ軸用静電容量センサ２２４はＸＺ平面上において対物レンズの光軸２１２’と重なるＺ軸上に配置されている。

この配置により、対物レンズの視野中央位置２１２のステージ変位（探針１０２の先端位置の変位）を計測することができ、Ｚステージ２１４’の動作にヨーイング誤差がある場合にもアッベの誤差がほとんど生じない構成となっている。探針ホルダ１１５は、Ｚステージ２１４’を構成する金属材料と電気的な導通が得られる金属材料から成り、Ｚ軸用静電容量センサ２２４との対向面には、精密研削処理が施されている。なお，静電容量センサの代わりに後述するようなレーザ干渉変位計などの，例えば分解能が１０ピコメートル前後の，より高精度な変位センサを用いることより、更に精度・分解能の高いＳＰＭ計測を実現できる。

試料１０３側の構成は，図４Ａ及びＢの実施例では，エアスライダ４０４上に粗Ｚステージ４０３が搭載されて，その上に試料ステージ４０１が搭載されてその上に試料１０３が搭載されている。また，エアスライダ４０４と，粗Ｚステージ４０３は粗ＸＹステージ４０２と弾性プレート４０６で結合されており，定盤４０５上にスライダ４０４が置かれた状態になっている。粗ＸＹステージ４０２は図示しない構造によって定盤４０５に対して固定されている。試料１０３上の観察位置の選択は，エアスライダ４０４を弾性プレート４０６を介して粗ＸＹステージ４０２によってＸＹ平面内で動かすことで実現する。このような構成にしたのは，通常のＸステージとＹステージとＺステージを積み上げる方式に比べて，高さが小さく，静止時の剛性も高く保てるので，試料１０３の振動をほとんどなくすることが可能となり，走査プローブ顕微鏡に最適であるためである。なお，粗ＸＹステージ４０２の移動時には，エアスライダ４０４と定盤４０５の間に空気を吹き込んで摩擦力を小さい状態にして駆動してもいいし，エアスライダ４０４に空気を吹き込まずに定盤４０５に対して滑らせて移動してもいい。後者は，特に試料上の数百マイクロメートルから数十ミリメートルといった広いエリアを探針１０２で測定する場合に，特に平坦な定盤４０５用いてこの上をエアスライダ４０４を滑らせながら，探針１０２によって試料１０３の表面形状を測定する場合に，空気による間隙が生じないので，有効な移動方法である。

さらに，試料１０３上の数十マイクロメートルから数百マイクロメートルという中間的な領域を探針１０２によって測定する場合は，試料ステージ４０１を駆動する。これは圧電素子によって駆動されて，弾性ガイドを用いた，探針側のステージと同様な構造を持ったステージだが，探針側のステージのＺ軸２１４’に相当するものを持っておらず，その分探針の高速走査に必要な剛性より，可動範囲に重点を置いて設計できるので，可動範囲の数百マイクロメートルと広いステージとなっている。

広い範囲を高い平坦性を確保して走査するのは困難なので，静電容量センサやレーザ干渉変位計などによる変位センサ４１０を用いて，試料ステージ４０１の走査時の非走査方向の位置変化、すなわち、上下動を測定して，走査プローブ顕微鏡の測定結果の各点を高さデータを補正することで，より，平坦性の高い測定が実現できる。

具体的には、図４Ｂの試料ステージ４０１の裏側に平坦なターゲット４１１を設置して、このターゲット４１１の走査中の上下動を変位センサ４１０で測定する。例えば，ステージ４０１の走査時の平坦性が10ナノメートルであるときに，変位センサ４０１の精度が０．１ナノメートルであれば上記説明した補正によって，走査プローブ顕微鏡による測定結果の平坦性の測定精度を１０ナノメートルから，０．１ナノメートルに向上することが可能となる。なお，上記説明では変位計４１０によって測定結果を補正していたが，直接これをＺステージ２１４にフィードバックして試料１０３上面の試料ステージ４０１の走査による上下動に追従するように，探針１０２の高さを補正してもよい。

図２４を用いて上記補正について詳述する。試料１０３の実際の表面プロファイルが実プロファイル４５１（横軸が水平方向（Ｘ又はＹ方向）の位置、縦軸がＺ方向の位置としてプロットした）とする。このプロファイル４５１の右端には微細な段差構造があり、この部分の段差を定量的に測定したいことがしばしばある。ところが、試料１０３を搭載した試料ステージ４０１をＸＹ方向に走査する間に、走査機構のガイド機構の特性のため、図２４のステージ上下動４５２に示すように非駆動方向のＺ方向に上下動する。弾性ガイドを用いればこの上下動は小さく抑えることは可能であるが、通常数十ｎｍ、よくできたステージでも５ｎｍ程度の上下動を生じる。このため、測定されるプロファイルは図２４の測定プロファイル４５３に示すように実プロファイル４５１とステージ上下動４５２の加算されたものとなり、実プロファイル４５１の微妙な段差構造が測定できなくなる。このとき、ステージ上下動を別の方法で測定することができれば、このステージ上下動４５２のデータを測定プロファイル４５３から引き去ることで、補正プロファイル４５４を得て、補正が可能となる。

ステージ上下動を測定する方法としては、平坦性が保障された試料を測定することでも可能であるが、試料の平坦性の保障が困難であり、試料上の異物や汚れもステージ上下動プロファイル４５２の誤差につながる。また、校正用サンプルの測定時と、実サンプルの測定時の間の時間的なステージの走査特性の変動にも影響され、また、ステージ走査時の振動による上下動も毎回異なるので、完全な補正は困難である。このため、変位センサ４１０を図４Ｂのように用いて、探針と反対側から（すなわち試料ステージ４０１の裏側から）測定することによって、試料測定中の試料１０３の上下動を測定することが可能となる。この試料測定中の上下動は、試料ステージ４０１の走査の平坦面からのずれによる図２４のステージ上下動プロファイル４５２に示すような、滑らかな上下動以外にも、試料ステージ４０１の動的な上下動、すなわち、振動による誤差も同様に補正できる。

図４Ｂに示した方法では、ターゲット４１１が探針１０２による測定部の真下にあるときは、精度が保障される。ただし,粗動ステージ４０３が移動して、試料１０３の中心部以外の箇所を探針１０２によって測定する場合には、試料ステージ４０１が上下動のみでなく、同時にピッチング・ローリングなどの傾きの変化を伴う動きを同時に起こしたときに誤差を生じる。すなわち、変位計４１０による試料ステージ４０１上下動の測定箇所と、探針１０２による試料１０３測定箇所が水平方向にずれているときは、このずれ量と試料ステージ４０１の傾きの積の分だけ、探針１０３による走査位置の試料１０３の高さ変動は、変位計４１０による試料ステージ４０１の高さ変動に足してずれを持つ。

これに対応するための別の実施例を図２２を用いて説明する。図２２（ａ）および（ｂ）に示すように複数の変位計４１０−１、４１０−２を用いて試料ステージ４０１の裏面に取り付けたターゲット４１１を測定する。このときの、探針１０２走査位置における上下動は以下のように求める。２個の変位計４１０−１，４１０−２による高さ測定値をそれぞれＺ１，Ｚ２とする。探針１０２の測定位置を変位計４１０−１からの距離をｘ１、４１０−２からの距離をｘ２として表すと、探針１０２の測定位置における試料ステージ４０１高さ変動Ｚは、Ｚ＝（Ｚ１＊ｘ２＋Ｚ２＊ｘ１）／（ｘ２＋ｘ１）によって計算できる。

以上は、試料１０３が横に細長く探針１０２による測定位置が、左右方向にしかずれない場合のステージ上下動データの取得方法であるが、試料１０３が図２２の紙面奥行き方向にも広がっていて、紙面奥行き方向にも探針１０２による測定位置を移動させたい場合には、もう一個変位計４１０−３を図２２（ｃ）に示すように配置する。（図２２（ａ），（ｂ）では図示されていない。） ここで、変位計４１０−１と４１０−２を結ぶ直線からの探針１０２による走査位置の距離をｙ１、変位計４１０−３との距離をｙ２とすると、探針１０２の測定位置における試料ステージ４０１の高さ変動Ｚ’は、上記計算したＺと、追加した変位計４１０−３による高さ測定値Ｚ３を用いて、Ｚ’＝（Ｚ＊ｙ２＋Ｚ２＊ｙ１）／（ｙ２＋y１）によって計算できる。

更に別の実施例を図２３によって示す。粗動ステージ４０３が移動した場合でも，変位計４１０の位置が常に探針１０２の略下に存在するように保つことができれば、試料ステージ４０１が走査に伴ってピッチングやローリングによる傾きの変化を引き起こしても、変位計４１０一個のみでステージ上下動データ４５２を正確に測定できることになる。このための方法として、図２３（ａ）に示すように、保持部材４１２を探針駆動機構１０１のホルダ２０２に両端支持梁の構造で固定し、この保持部材４１２に変位計４１０を固定する。このとき、保持部材４１２および変位計４１０は試料ステージ４０１と接触しないように保たれる。これによって、試料１０３および試料ステージ４０１が粗動ステージ４０２によって移動しても、変位計４１０の位置は常に探針１０２の略下に保たれる。

また、この実施例に拠れば、試料測定中の上下動は、試料ステージ４０１の走査の平坦面からのずれによる図２４のステージ上下動プロファイル４５２に示すような上下動以外にも、試料ステージ４０１の動的な上下動、すなわち、振動による誤差も同様に補正できる。さらに、試料ステージ４０２側と上部の探針走査機構１０１の側の間のさまざまな変動、すなわち、温度変化による探針と試料間の相対距離の時間的なドリフトや、振動による影響も含めて、変位計４１０によって測定して補正することが可能となる。この場合は保持部４１２は振動を起こしにくい構造にする必要がある。また，熱膨張率が探針駆動機構１０１と略同じになるように材料を選定すると、温度変化によるドリフトの補正精度を高めることができる。

さらに、別の実施例として、図２３（ｂ）では支持部４１２’によって片持梁の構造で変位センサ４１０を緩やかに保持する。変位センサ４１０の水平位置は保持部４１２’によって常に探針１０２の略下に位置するように保持される。変位センサ４１０の上下方向は試料ステージ４０１の下ベース部４０１１に押し付けられているため、試料ステージ４０１の下ベース部４０１１とステージ４０１の稼動部に取り付けられたターゲット４１１の距離を測定できるようになっている。図２３（ａ）の構成では、温度ドリフトに対する補正が可能な反面、保持部４１２の剛性が低くて変位計４１０が振動を起こすと補正精度が劣化する問題があった。これに対して図２３（ｂ）の構成では、保持部４１２’の剛性が低くても、変位計４１０の上下方向位置は試料ステージ４０１の下ベース部４０１１に対して剛性高く保持できるので、振動によって補正精度が低くなる恐れはないという効果がある。

なお、図４Ｂ、図２２Ａ、図２３Ａ及びＢのすべての構成において、試料ステージ４０１側にＸ，Ｙ走査機構があるため、探針駆動機構１０１側には最低限Ｚ軸駆動機能があればよい。ＸＹ軸走査機能はより狭い範囲で高分解能な走査を行いたい場合の構成要素として必要となる。

次に、Ｘ，Ｙ方向の探針位置計測について説明する。図示しない機構部によって少なくともホルダ２０１’、２０２’のどちらか一方に固定されたＸ軸用静電容量センサ２２３とＹ軸用静電容量センサ２２２が設けられており、Ｚステージ２１４’の先端部に対向しており、Ｚステージ上の対抗面には精密研削処理が施されている。Ｘ軸用静電容量センサ２２３とＹ軸用静電容量センサ２２２はＸＹ平面上において対物レンズの視野中央位置２１２（探針１０２の先端位置）を含むそれぞれＸ軸上とＹ軸上に配置されている。この配置により、対物レンズの視野中央位置２１２のステージ変位（探針１０２の先端位置の変位）を計測することができ、Ｚステージ２１４’を載置したＸ，Ｙステージの動作に含まれるヨーイング、ピッチングなどの誤差により、アッベの誤差がほとんど生じない構成となっている。

これらの変位計の出力を用いてフィードバック制御を行う事によって、探針の先端の位置を正確に制御して走査をおこない、高精度なＳＰＭによる形状・寸法測定が可能となる。なお、静電容量センサの代わりに、後述するようなレーザ干渉変位計などの，例えば分解能が１０ピコメートル前後の，より高精度な変位センサを用いることより、更に精度・分解能の高いＳＰＭ計測を実現できる。

このとき、広範囲の高速測定と、狭い範囲の高精度測定を実現するために、以下のような構成とする。すなわち，図２Ａ〜Ｃを用いて説明した圧電素子２０５の代わりに図４Ａ及びＢの２０５ａ，２０５ｂ，２０５ｃからなる微粗動駆動機構を用いる。圧電素子２０６，２０９，２１０についても２０５と読み替えればまったく同様であるので，２０５についてのみ説明する（ただし，圧電素子２０９，２１０については更に，Ｙステージ２０３をＸステージ２０７と読み替え，Ｙ変位センサ２２２をＸ変位センサ２２３で読み替える。）。２０５ａは粗動機構を構成する圧電素子である。これが変位拡大機構２０５ｂと接合されている。２０５ｂはてこを構成していて，一端がホルダ２０１に固定されていて，中間が圧電素子２０５ａによって押され，反対側の一端が微動用圧電素子２０５ｃに接合されている。

変位拡大機構２０５ｂの固定部と２０５ｃとの接合部の距離と，固定部と２０５ａとの接合部の距離の比に相当する分（てこ拡大比）だけ，圧電素子２０５ａの変位は拡大されて圧電素子２０５ｃに伝わる。例えば，てこ拡大比が５倍として，圧電素子２０５ａの伸びを２０マイクロメートルとすると，圧電素子２０５ｃの一端は１００マイクロメートル変位する事になる。さらに圧電素子２０５ｃがＹステージ２０４に変位を伝えてＹステージが変位する。このとき，２０６ａ，ｂ，ｃからなる変位拡大系も同様にＹステージ２０４に変位を伝える。前述のように圧電素子２０５ａ，２０６ａの変位分解能が１ナノメートルとすれば，ステージ２０４に伝わる変位のノイズも５倍に拡大されて５ナノメートルとなる。

ここで，圧電素子２０４ａ〜ｄ（図２Ａ参照），２０５ｃ，２０６ｃ(図４Ａ参照)は微動用圧電素子で，こちらは，例えば，１００Ｖの電圧印加で１マイクロメートル程度伸びるようなものを用いる。すると，微動用圧電素子の変位が加算されて，Ｙステージを変位させる事になる。電圧ノイズが５ｍＶとすれば，微動用圧電素子のノイズは５０ピコメートルとなる。このとき，Ｙステージ２０３又は２０３’は，微動用圧電素子２０４ａ〜ｄ又は２０５ｃ，２０７ｃの応答が，粗動用圧電素子２０６，２０６又は２０５ａ，２０７ａよりも速ければ，変位センサ２２２でＹステージ２０３または２０３’のＹ方向位置を検出してフィードバックをかけることによって，変位センサの分解能と同じオーダの分解能でＹステージ２０３または２０３’を制御できる事になる。このフィードバック制御は図１５を用いて後述するようにステージ変位検出部１２８で検出したステージ変位データを探針走査制御部１１２で処理をして，探針駆動制御部１１０を介して圧電素子を駆動して実現する。探針駆動制御部１１０内には，粗動用圧電素子ドライバ５００，微動用圧電素子ドライバ５１０を各軸に対して装備している。
ただし，粗動側の応答性が十分小さくないと，微動用圧電素子ではノイズを打ち消すことが出来ない。すなわち，圧電素子は電気的には容量Ｃをもった負荷になり，これを出力抵抗Ｒのドライバアンプで駆動することを考える。すると，ドライバアンプの容量が大きく出力抵抗Ｒを小さく出来るとときは，図５Ａに示すように，時定数ＲＣは短くなり，アンプの入力の指令位置に速やかに応答できるが，指令位置到達後のノイズが大きく，微動用圧電素子では十分打ち消すことが出来ない。そこで，図５Ｂのように出力抵抗を大きく取るとノイズは小さくなるが，代わりに時定数ＲＣが大きくなり，微動用圧電素子でカバーできない長距離の位置決め時に応答が非常に遅くなるという問題があった。

そこで図６Ａ〜Ｆを用いて粗動用圧電素子ドライバ５００の構成を示したように，応答性切替機構を用いて粗動用圧電素子の応答を長距離の位置決め時は速くし，静定時は応答を遅くして，微動用圧電素子で位置決めをおおなうようにする。図６Ａにおいて，粗動用圧電素子は容量Ｃのコンデンサ５５０で表される。ドライバアンプ５０１は出力抵抗Ｒ（５０２）を介して出力され，粗動用圧電素子５５０に接続される。出力抵抗５０２には並列に切替器５０６ｒを介して，高速駆動用出力抵抗Ｒｓ（５０５）が接続される。Ｒｓ＜＜Ｒの場合，応答性切替信号がＯＮになると出力抵抗はＲｓＲ／（Ｒｓ＋Ｒ）≒Ｒｓとなり，時定数ＲｓＣで高速に応答する。切替器５０６ｒがオフの時は応答性ＲＣでゆっくりとノイズの少ないモードで応答する。長距離の位置決めを行う場合は，切替器５０６ｒをオンにして，目標に近づいてから，オフにすれば高速の位置決め動作と，静止時の安定性が両立できる。

図６Ａの実施例では，明示的に切替を行っていたが，自動で行うことも可能である。図６Ｂに示すように，ダイオードの向きを反対にして並列接続したもの５０６を応答性切替器５０６ｒの代わりに挿入する。すると，ダイオードの順方向電圧降下をＶｄとすると，出力抵抗５０２に流れる電流がＶｄ／Ｒを越すとダイオードがオンになり，高速応答用抵抗Ｒｓに電流が流れ応答が高速になる。圧電素子５５０に両端の電圧が目標値に近くなると，電流が少なくなるため,再び切替器５０６はオフになり，応答性が低くなり代わりにノイズが減少する。あるいは図６Ｃに示すようにしても同様である。Ｒ−Ｒｓの抵抗５０２’を抵抗Ｒｓ（５０５）と直列に接続して出力抵抗とし，抵抗５２’０と並列にダイオードにから出来た上述の切替器５０６を接続する。このとき，５０２’を流れる電流がＶｄ／（Ｒ−Ｒｓ）を越すと，ダイオードがオンになり，高速応答用抵抗Ｒｓに電流が流れ応答が高速になる。

微動用圧電素子ドライバ５１０については図６Ｄに示すように，ドライバアンプ５１１から出力抵抗Ｒｐ（５１２）を介して容量Ｃｐの圧電素子５５１に接続する。Ｒｐは時定数ＲｐＣｐが必要な応答性を実現できるように決めればいい。

このときのステップ状の位置入力に対する，変位の変化の状態を図６Ｅ及びＦに示す。粗動変位Ｘは図６Ｅに示すように，最初は時定数ＲｓＣで高速に応答し，指令位置と変位Ｘの差が小さくなると切替器５０６あるいは５０６ｒによって応答時定数がＲＣに落ちてゆっくりと，しかし，変位ノイズが小さい状態で位置Ｘが変化する。微動変位Ｘｐは図６Ｆに示すように，時定数ＲｐＣｐで高速に変位する。だだし，可動範囲が小さいので，指令位置はその範囲を超えても可動範囲内でしか変位しないが，変位ノイズは小さい。

さらに，図７に示すように，コンデンサを微動用圧電素子とドライバ回路の間に直列に挿入すれば，圧電素子とコンデンサの容量の逆数の比で，電圧は分圧されて，ノイズすなわち微動圧電素子の変位分解能が向上する。この図で，ドライバアンプ５１１は出力抵抗５１２（抵抗値Ｒｐ）を介して，さらに，圧電素５５１の静電容量Ｃｐの１／αの容量のコンデンサ５６０を通して圧電素子５５１をドライブする。これによって，コンデンサ５６０と５５１の両端の電圧はα対１に分圧されて，ノイズが１／（1＋α)に減少する。ここで，コンデンサと並列に入っている抵抗αＲｂとＲｂは十分に時定数ＲｂＣｐが長くなるようなＭΩオーダの高抵抗で，これによってコンデンサの電荷の漏れによって次第に分圧比がずれていくのを防ぐ働きのものである。例えばαを４とすれば，前述の微動用圧電素子の例では変位分解能は５０ピコメートルの５分の１の１０ピコメートルとなる。代償として微動用圧電素子の可動範囲は１マイクロメートルの５分の１の０．２マイクロメートルとなる。

次に，図８Ａ〜Ｃを用いて本発明の探針走査制御部１１２の動作を説明する。図８Ａでは，粗動目標位置８０２は変位計の測定結果をフィードバックしないオープン制御で与えられる。粗動目標位置８０２を変えてから，応答が安定するまでは，応答性切替信号８０１により応答性切替アンプ８０６の応答性を高速に保ち，その後応答性を低速（低ノイズ）に切り替える。もちろん，外部から応答性切替信号８０１をいれずに自動切換えする構成でもよい。ステージの位置は変位計８１１によって検出されて適当なフィルタ８１２をかけることによってノイズを低減してから，目標位置８０３と比較され８１３，この誤差が制御器８０５を介してアンプ８０７に伝わり，微動圧電素子８０９をフィードバック制御する。ここで,制御器と呼んでいるのは，入力に対して適当なフィルタをかけてゲインを掛けて出力するもので，制御理論では一般的に使われるものである。例えば，ＰＩＤ制御器と呼ばれる制御器では，入力そのものと，これを積分したもの，これを微分したものの３種類に夫々別のゲインを掛けて足し合わせたものを出力する。以上説明した構成によって，広い範囲の高速応答と，高精度位置決めを両立できる。

別の構成として，図８Ｂに示すように，ステージの検出位置８３１をフィルタ８３２をかけてノイズを低減してから，目標位置８２２と比較して８３３，位置の誤差を粗動・微動夫々の制御器８２３、８２５を介して粗動用は応答性切替アンプ８２６を介して，粗動圧電素子８２７を駆動し，微動用は通常のアンプ８２８を介して微動圧電素子８２９を駆動する構成も考えられる。この中で，微動用アンプ８２８への入力は別の制御器８２４を介して，粗動圧電素子８２７への制御量に加えられる。この制御器の動作は，積分動作を多くする。すると，微動圧電素子８２９が例えば平均的に伸びている状態が長く続くと，これが粗動圧電素子８２７への制御量に加えられて，粗動圧電素子８２７が伸び，代わりに微動圧電素子８２９が縮むこととなる。なお，前記記述は伸びと縮みを逆にした場合も同様に成り立つ。これによって，微動圧電素子が平均的には動作範囲の中心で使用できるように，粗動圧電素子の変位を自動的に調整することが可能となる。この図の実施例の場合は応答性切替アンプは粗動固定信号によって出力値を固定することが可能であり，これによって微動圧電素子でカバーできる走査範囲でＳＰＭを使用するときには，粗動圧電素子の動作を明示的に止めて，より低ノイズの位置宜目を実現することが出来るようになっている。

このときの変位の状態を図９Ａ〜Ｃを用いて説明する。指令位置がステップ状大きくに変化すると，位置誤差が夫々の制御器を介して粗動圧電素子のアンプと微動圧電素子のアンプに伝わり，図９Ａの粗動変位と図９Ｂの微動変位が変化する。指令位置の変化が大きいときは，図９Ａの粗動変位は高速応答し時定数ＲｓＣで変化する。一方、図９Ｂの微動変位Ｘｐは高速に変化するが，この状態が制御器を介して粗動圧電素子のアンプの入力に足しこまれるので，次第に粗動変位Ｘの方に変位が移り，図９Ｃの総合変位：Ｘ＋Ｘｐが指令位置に近づくにつれて，微動変位は再びゼロ（中間位置）に戻る。このときの総合変位は，粗動圧電素子のみのときの点線に示す変位に比べて，微動変位が足しこまれて，実践に示す変化をする。したがって，時定数は微動変位の時定数ＲｐＣｐにしたがって高速に変化する。

別の構成として，図８Ｂで説明した粗動固定信号をコントロールしなくても静定時に粗動圧電素子の動作を完全にとめて，変位ノイズの更なる向上の効果を得られる図８Ｃに示す構成も考えられる。図８Ｂと異なる点は，不感帯を設けていることである。不感帯Ａ８４２は位置誤差がある範囲以内であれば粗動圧電素子８４８を駆動しないようにするためのものであり，たとえば，入力をＸ，出力をＹとして，不感帯を±Ｗとすれば，Ｙ＝Ｘ＋Ｗ（Ｘ＜−Ｗ），Ｙ＝０（−Ｗ＜Ｘ＜Ｗ），Ｙ＝Ｘ−Ｗ（Ｗ＜Ｘ）で表される出力をする。不感帯を微動圧電素子８５０の可動範囲より若干小さい範囲とすることで，微動圧電素子８５０では位置決めが出来ない場合のみ自動的に粗動圧電素子８４８を駆動することが出来るようになる。また，不感帯Ｂ８４６も同様に設定することで，微動用圧電素子８５０が駆動範囲の中心から外れた状態が続いたときに，不感帯Ｂ８４６の手前の制御器８４５の積分出力が増加して，不感帯Ｂの出力がオンになるので，微動用圧電素子が駆動範囲の中心から外れた状態が続いたときのみ，粗動圧電素子を駆動することが出来るようになる。

このときの変位の状態を図１０Ａ〜Ｃを用いて説明する。図１０Ａに示すように指令位置のステップ状変化が小さく，微動可動範囲内に設定された不感帯Ｗよりも小さいとき，あるいは，明示的に粗動固定信号がオンになっているとき，粗動変位Ｘは変化しない。このとき位置誤差は不感帯Ａ，Ｂが信号経路に入っていない微動圧電素子用アンプに伝わって，図１０Ｂに示すように微動変位ＸｐがＲｐＣｐの時定数で応答して，図１０Ｃに示すように総合変位として指令位置に高速に追随する。

次に図１１Ａを用いて，別の構成として，アンプを一つだけで粗動用圧電素子５５０と微動用圧電素子５５１を駆動する構成を示す。ドライバアンプ５０１は出力抵抗Ｒｐ（５１２）を介して容量Ｃｐの微動用圧電素子（５５１）を駆動する。ドライバアンプ５０１はまた，出力抵抗Ｒ（５０２）を介して粗動用圧電素子５５０に接続される。出力抵抗５０２には並列に切替器５０６ｒを介して，高速駆動用出力抵抗Ｒｓ（５０５）が接続される。Ｒｓ＜＜Ｒの場合，応答性切替信号がＯＮになると出力抵抗はＲｓＲ／（Ｒｓ＋Ｒ）≒Ｒｓとなり，時定数ＲｓＣで高速に応答する。切替器５０６ｒがオフの時は応答性ＲＣでゆっくりとノイズの少ないモードで応答する。長距離の位置決めを行う場合は，切替器５０６ｒをオンにして，目標に近づいてから，オフにすれば高速の位置決め動作と，静止時の安定性が両立できる。

図１１Ａの実施例では，明示的に切替を行っていたが，自動で行うことも可能である。図１１Ｂに示すように，ダイオードの向きを反対にして並列に応答性切替器５０６ｒの代わりに挿入する。すると，ダイオードの順方向電圧降下をＶｄとすると，出力抵抗５０２に流れる電流がＶｄ／Ｒを越すとダイオードがオンになり，高速応答用抵抗Ｒｓに電流が流れ応答が高速になる。圧電素子５５０に両端の電圧が目標値に近くなると，電流が少なくなるため,再び切替器５０６はオフになり，応答性が低くなり代わりにノイズが減少する。粗動用アンプと微動用アンプの応答性の相違により，自動的に小ストロークの位置決めは微動圧電素子が応答する。大ストロークの位置決めは粗動圧電素子と微動圧電素子が同時に応答し，目標位置に近くなったところで粗動用のアンプの応答性が遅くなり，残りは微動用圧電素子が応答する。

次に図１２Ａ及びＢを用いて，図４Ａ及びＢで説明した探針１０２の高速広範囲の走査と，狭い範囲を精密に走査することを両立する別の構成を説明する。図１２Ａ及びＢの構成は図２Ａ〜Ｃで説明した構成とほぼ同じであるので，異なるところだけ説明する。Ｙ軸の圧電素子２０５と２０６は粗動圧電素子２０５ａ’，２０６a’と微動圧電素子２０５ｃ’，２０６ｃ’の２種類が夫々転結されている。図４Ａ及びＢで説明した構成では，粗動は圧電素子の変位拡大によって実現していたが，図１２Ａ及びＢでは圧電素子の長さを長くすることで実現している。Ｘ軸についても同様であり，Ｘ軸の圧電素子２０９と２１０は粗動圧電素子２０９ａ’，２１０a’と微動圧電素子２０９ｃ’，２１０ｃ’の２種類が夫々転結されている。また，Ｚ軸についても同様であり，Ｚ軸の圧電素子２１６と２１７は粗動圧電素子２１６ａ，２１７aと微動圧電素子２１６ｃ，２１７ｃの２種類が夫々転結されている。これを図４Ａ及びＢを用いて説明したのと同様な回路によって駆動する事によって，広範囲の高速走査と狭い範囲の高精度走査を両立できる。

試料ステージ１０４に関してはこの実施例では通常のＸＹＺステージとなっているが，図４Ｂで説明したステージを用いれば，さらに精度が上がるのは言うまでもない。

ざらに図１３を用いて，図４Ａ及びＢで説明した探針１０２の高速広範囲の走査と，狭い範囲を精密に走査することを両立する更に別の構成を説明する。ホルダ２０１’’’部にＹ軸粗動圧電素子２０５ａ’’が固定されている，これは，てこの原理による変位拡大機構２０５ｂ’’を介して，Ｙステージ２０３’’’を駆動している。Ｙステージ２０３はホルダ２０１に対して，弾性変形部２０４ａ’，ｂ’，ｃ’，ｄ’を介してＹ方向にのみ滑らかに動くように支持されている。Ｙステージ２０３’’’にＸ粗動圧電素子２１０ａ’’が固定されている，これは，てこの原理による変位拡大機構２１０ｂ’’を介して，Ｘステージ２０７’’を駆動している。Ｘステージ２０４’はＹステージ２０３’’’に対して，弾性変形部２０８ａ’，ｂ’，ｃ’，ｄ’を介してＸ方向にのみ滑らかに動くように支持されている。さらに，Ｘステージ２０７’’内部には弾性変形部２３０ａ’，ｂ’，ｃ’，ｄ’を介して微動ステージ２４０’がＸＹ方向にのみ滑らかに動くように支持されている。弾性変形部２３０ａ’，ｂ’，ｃ’，ｄ’はＬ字型になっているので，Ｘ方向とＹ方向の両方に滑らかに弾性変形する。

微動ステージ２４０’は微動Ｘ圧電素子２１０ｃ’’と微動Ｙ圧電素子２０５ｃ’’によって，Ｘ，Ｙ方向に夫々駆動される。微動圧電素子２１０ｃ’’、２０５ｃ’’は圧電素子の伸縮方向にのみ力を伝えるように，弾性ヒンジによってＸステージ２０７’’と微動ステージ２４０’にたいして接合されている。探針の１０２ＸＹ方向の変位はＸ変位計２２３とＹ変位計２２２によって測定されている。これを図４Ａ及びＢを用いて説明したのと同様な回路によって駆動する事によって，広範囲の高速走査と狭い範囲の高精度走査を両立できる。

ざらに図１４を用いて，図４Ａ及びＢで説明した探針１０２の高速広範囲の走査と，狭い範囲を精密に走査することを両立する更に別の構成を説明する。ホルダ２０１’’’’部内に，粗動ステージ２４１があり弾性変形部２３１ａ，ｂ，ｃ，ｄを介して粗動ステージ２４１がＸＹ方向にのみ滑らかに動くように支持されている。粗動ステージ２４１は外部に配置されたＸ粗動アクチュエータ２１０ａ’’’と，Ｙ粗動アクチュエータ２０５ａ’’’によって，夫々Ｘ方向とＹ方向に駆動される。このアクチュエータは大型の圧電素子，ボイスコイルモータ，サーボモータやステップモータのような回転モータとボールねじなどの回転ー著駆動変換機構などでもよい。

さらに，粗動ステージ２４１内部には弾性変形部２３０ａ’，ｂ’，ｃ’，ｄ’を介して微動ステージ２４０’’がＸＹ方向にのみ滑らかに動くように支持されている。弾性変形部２３０ａ’，ｂ’，ｃ’，ｄ’はＬ字型になっているので，Ｘ方向とＹ方向の両方に滑らかに弾性変形する。微動ステージ２４０’’は微動Ｘ圧電素子２１０ｃ’’’と微動Ｙ圧電素子２０５ｃ’’’によって，Ｘ，Ｙ方向に夫々駆動される。微動圧電素子２１０ｃ’’’， ２０５ｃ’’’は圧電素子の伸縮方向にのみ力を伝えるように，弾性ヒンジによって粗動ステージ２４１と微動ステージ２４０’’にたいして接合されている。

探針の１０２ＸＹ方向の変位はＸ変位計２２３とＹ変位計２２２によって測定されている。これを図４Ａ及びＢを用いて説明したのと同様な回路によって駆動する事によって，広範囲の高速走査と狭い範囲の高精度走査を両立できる。ただし，アクチュエータ２１０ａ’’’，２０５ａ’’’の種類によって適当な応答性切替あるいは粗動固定を行う必要がある。例えば，粗動ステージ２４１を押すロッドに電磁ブレーキを用いて図示しないブレーキシューを押し付けて摩擦力によって固定を行う。あるいは，粗動ステージ２４１を押すロッドに図示しない流体ダンパーを取り付けておき，ダンパーのオリフィスの流路を小さくする事によって，応答性を落とすことが出来る。あるいは，ボイスコイルモータのコイルとドライバアンプの間に外部のコイルを直列に挿入して，外部コイルの両端をリレーで短絡した場合は高速応答，リレーを開放にした場合はコイルのインダクタンスが増えた割合に比例して，コイルに流れる電流すなわちボイスコイルモータの発生力の応答時定数が長くなり，結果，変位ノイズが低減する。

続いて、図１、図１５Ａ及びＢを用いて本発明によるＳＰＭの動作を説明する。図１５Ａは、本発明によるＳＰＭを用いた半導体製造工程の一部を示した図であり、インラインＳＰＭの機能を併せて説明するものである。なお、以下の説明は半導体製造工程を仮定して行うが、半導体以外の例えばハードディスクの製造工程などでも同様に成り立つ。このばあい、ウエハは場合によって記録媒体、ウェハ、ウエハを短冊状に切り出したローバー、ローバーをハードディスク用ヘッド単位に切断したヘッドなどに、読み替えれば同様に成り立つ。

製造装置Ａ１５０１、製造装置Ｂ１５０２の順に処理されたウエハは、１ロット単位で製造装置Ｃ１５０４の処理に移るのもと、ＳＰＭ１５０３で計測を行ってから製造装置Ｃ１５０４の処理に移るものにわかれる。この割合は、ＳＰＭ１５０３のスループット（単位時間当たりのウエハの処理枚数）を考慮して予めオペレータがホストコンピュータに指示する。全ての製造装置１５０１，１５０２及び１５０４とＳＰＭ１５０３は、半導体製造ラインのホストコンピュータ１５０５とデータ網で接続されており、ホストコンピュータ１５０５では製造中の全ウエハの履歴や工程等が管理される。また、各装置間のウエハの搬送は図示しない搬送装置が行う。例えば、製造装置Ａ１５０１はドライエッチング装置、製造装置Ｂ１５０２はレジスト剥離装置、製造装置Ｃ１５０４は成膜装置である。

製造装置Ｂ１５０２での処理が終了したウエハは、ホストコンピュータ１５０５で管理されているウエハの工程管理情報に基づき、予め決められた割合でＳＰＭ１５０３に搬送される。ＳＰＭ１５０３では、搬送されたウエハの工程管理情報をホストコンピュータ１５０５に問合せ、ウエハ上における計測点の座標情報を得た後、計測を行う。ＳＰＭ１５０３では、計測の終了後ホストコンピュータ１５０５にウエハ上の各計測点の計測結果を出力し、ウエハは搬送装置によって製造装置Ｃ１５０４に搬送される。

ホストコンピュータ１５０５ではＳＰＭ１５０３から得た計測結果を解析し、必要に応じて各製造装置１５０１，１５０２及び１５０４の処理条件を変更（最適化）する。例えば、ＳＰＭ１５０３でウエハ上の複数の位置でエッチング段差を計測し、そのばらつきから製造装置Ａ１５０１（ドライエッチング装置）のエッチング条件の変更等を行う。或いは、ＳＰＭ１５０３の計測結果を解析した結果、ウエハを製造装置Ｂ１５０２に戻して再処理を行うこともる。これらの場合の処理条件は、各製造装置における通常の処理条件とは異なる処理条件で実施されるが、この条件はＳＰＭ１５０３の計測結果に基づいて適宜ホストコンピュータ１５０５が決定・管理する。以上のフィードバック（状況に応じてはＳＰＭの計測結果に基づいてＳＰＭ１５０３以降の製造工程の処理条件を決定するフィードフォワードの場合もある）作業には、オペレータが介在する場合がある。

以上の流れの中で、ＳＰＭ１５０３の計測結果に基づいて各製造装置の処理条件を決定（最適化）するに当たり、ＳＰＭ１５０３による計測精度が高精度である程、各製造装置の処理条件をきめ細かに設定することができる。また、ＳＰＭ１５０３を半導体製造工程のインライン装置として用いるには、ＳＰＭ１５０３の上流の製造装置で処理が終了したウエハが、ＳＰＭ１５０３を経由しないで次の製造装置で処理されるまでの間に、ＳＰＭ１５０３による計測を終了するのが理想的であり、従ってインラインＳＰＭのスループット向上は必須課題である。

図１５Ｂは、本発明によるＳＰＭ１５０３の一連の動作説明図である。以下、図１と併せてＳＰＭ１５０３の具体的な動作を説明する。ＳＰＭ１５０３の上流工程の製造装置１５０１および１５０２で処理が終了したウエハは、１ロット単位でケースに格納されて半導体製造ラインの搬送装置によってＳＰＭ１５０３のウエハカセットに搭載される（Ｓ１５０１）。ＳＰＭ１５０３では、ウエハケースのバーコードを読み取って、これに対応した工程情報と検査条件を半導体製造ラインのホストコンピュータから取得する（Ｓ１５０２）。その後、ＳＰＭ１５０３のローダはウエハカセットからウエハを１枚取り出し、ウエハのオリフラが一定の向きとなるようにして試料ステージ１０４に搭載する（Ｓ１５０３）。

次に以下のような工程を経てウェハのアライメントを行う（Ｓ１５０４）。先ず、ウエハ１０３は試料ステージ１０４に真空吸着され、図示しない検出器でウエハ１０３表面に描画されたウエハ番号を読み取った後に、試料ステージ１０４に搭載された状態で探針駆動機構１０１の直下に移動される。この時の試料ステージ１０４のＺ軸方向位置は、下死点で行われる。一方でこれまでの間に、観察光学系１０５は上死点まで上昇し、図示しないレボルバを回転させて対物レンズ１０６が交換されて、例えば５０倍程度の低倍率のアライメント用対物レンズ（図示せず）に取り替えられる。対物レンズ１０６とアライメント用対物レンズの同焦距離は同一となっている。続いて観察光学系１０５を降下させ、その焦点位置が探針１０２の背面（上面）と成るように、フォーカス位置が調節される。この焦点合わせ動作は、光学像処理部１０８の画像認識によって自動で行われる。続いて、観察光学系１０５を定量（例えば１ミリメートル）更に降下させ、ＳＰＭ像を採取する際よりも低い位置に観察光学系１０５の焦点位置を移動しておく。

試料ステージ１０４は、ウエハ１０３上のアライメントマーク位置がアライメント用対物レンズ（図示せず）の視野に入る程度の位置までＸＹ方向に移動した後、Ｚ方向に徐々に上昇して観察光学系１０５の焦点位置にウエハ１０３表面を一致させ、光学像処理部１０８でアライメントマークを画像認識する。この時、アライメント用対物レンズの開口率が低い条件では、観察光学系１０５で得られる光学像において探針１０２が同時に観察されてしまう場合がある。従ってアライメントマークの画像認識は、観察光学系１０５の視野内において、アライメントマークと探針１０２とが重ならないような位置で行うのが望ましい。ウエハ１０３上のアライメントマークは少なくとも２箇所以上の場所で画像認識されることにより、ウエハ１０３上のパターンと試料ステージ１０４のＸＹ座標軸との相関を得て、全体制御部１１４に記憶される。

ウエハ１０３のアライメント動作中は、観察光学系１０５を定量降下させ、ＳＰＭ像を採取する際よりも低い位置に焦点位置が移動していることから、ウエハ１０３表面と探針１０２の先端は接触することがない。アライメント動作終了後は、観察光学系１０５は上死点まで再度上昇し、図示しないレボルバを回転させて高倍率（例えば１００倍）の対物レンズ１０６に取り替えられる。そして観察光学系１０５を降下させ、その焦点位置が探針１０２の背面（上面）と成るように、フォーカス位置が調節される。この焦点合わせ動作は、光学像処理部１０８の画像認識によって自動で行われる。更に、観察光学系１０５を定量（例えば１ミリメートル）降下させ、ＳＰＭ像を採取する際よりも低い位置に焦点位置を移動しておく。なおここでは、ウエハ１０３のアライメント時に対物レンズを交換する動作を述べたが、観察光学系１０５に光学像のズーム機能を備えておき、対物レンズを交換することなく観察倍率を変更する構成でも構わない。

全体制御部はホストコンピュータから得た検査情報（座標情報）に基づき、１点目の計測点が観察光学系１０５視野に入る位置に試料ステージ１０４をＸＹ方向に移動させる（Ｓ１５０５）。光学像処理部では、観察光学系１０５の視野（ＴＶモニタ１０７上の表示領域）に含まれた計測点（または計測点の周辺パターン）を画像認識し、試料ステージ１０４のＸＹ軸を微調整することで計測点の位置出しを精密に行う。対物レンズ１０６の倍率は１００倍であり、観察光学系１０５を定量（例えば１ミリメートル）降下させ、ＳＰＭ像を採取する際よりも低い位置に焦点位置を移動してウエハ１０３表面を観察することによって、対物レンズ１０６の視野内に配置された探針１０２の存在の影響を受けることなく、ウエハ１０３表面を高解像度で観察することが可能である。例えば対物レンズ１０６の開口率が０．７の仕様であれば、ウエハ１０３上のパターンを解像度が１マイクロメートル以下の条件で鮮明に観察できる。また探針１０２直下のウエハ１０３上のパターンを観察することも可能である。これは対物レンズ１０６の開口率が大きく、探針１０２が対物レンズ１０６の視野の一部分のみを占める条件の際に得られる光学的現象を利用したものである。

なお、計測点の位置出しはオペレータがＴＶモニタ１０７を観察して、全体制御部から座標を直接指定して行っても良い。その後、観察光学系１０５を定量上昇させ、その焦点位置が探針１０２の背面（上面）と成るように、フォーカス位置が調節される。

本発明によるＳＰＭによれば観察光学系１０５の視野内で計測点が決定されてから、以後の計測動作が終了するまでの間、試料ステージ１０４を移動させる必要が無い。従来のＳＰＭでは、探針の直上に探針駆動機構が存在するために、観察光学系の視野位置とＳＰＭ像計測位置が異なっており、計測点をＳＰＭ像計測位置に移動させ、再び精密な位置決めを行うためにステージの動作時間が必要であった。或いは、試料ステージ１０４を移動させることなく計測点と探針を観察する機能を有していても、探針の直上に探針駆動機構が存在するために、観察光学系の開口率を高くすることができず、充分な解像度でウエハ表面のパターンの観察ができなかった。本発明によるＳＰＭによれば、探針駆動機構１０１にスルーホール２１１を設けた構造のため、探針１０２の直上において、高開口率の対物レンズを用いて、試料ステージ１０４を動作させることなく、計測点と探針を観察することを可能とした。

次に、探針１０２の先端をウエハ１０３表面に接触させる動作（Ｓ１５０６）を述べる。探針駆動機構１０１は、弾性変形部を有するステージを圧電素子で駆動する構造から成る３次元（Ｘ、Ｙ、Ｚ）の探針走査機構部であり、その底部には探針ホルダ１１５に保持された探針１０２が取り付けられている。探針駆動機構１０１には、対物レンズ１０６を非接触で挿入するスルーホールが設けられており、観察光学系１０５のフォーカス軸（図示せず）を調整することによって、試料ステージ１０４を移動させることなく探針１０２とウエハ１０３表面の観察が可能である。探針駆動機構１０１の可動領域は、Ｘ軸方向が２０マイクロメートル、Ｙ軸方向が２０マイクロメートル、Ｚ軸方向が１０マイクロメートルで、その詳細な構造は図２Ａ〜Ｃの通りである。

探針１０２の先端とウエハ１０３表面との接触について，図１６Ａ及びＢを用いて説明する。探針たわみ検出部１０９における検出信号をモニタリングしながら、（１）探針駆動機構１０１のＺ軸の高さを上死点まで上昇、（２）試料ステージ１０４のＺ軸を１０マイクロメートル上昇、（３）探針駆動機構１０１のＺ軸の高さを下死点まで降下、を繰り返すことで達成される。即ち、前述した（３）の過程で探針１０２の先端がウエハ１０３の表面に接触した場合、探針たわみ検出部１０９の検出信号が変化する。探針走査制御部１１２では、この変化を捉えて両者の接触を検知するが、詳細な動作原理は図３の説明の通りである。

図１６Ｂでは（３）の探針降下の３回目で試料１０３に探針１０２が接触している。この後，更に探針１０２を上死点まで上昇させてから，探針１０２のＺ方向可動範囲９１１の中心付近に設定された，目標高さ９１２内に試料表面高がくるように計算した量だけ，試料ステージ１０４のＺ軸を上昇させる。この後再度探針１０２を下降させ，探針の先端とウエハ１０３表面との接触を検知後するまで降下させる（Ｓ１５０７）。上記方法は探針と試料の接触時には，より高精度な制御の出来る探針１０２のみが駆動されているようにする事によって，試料側Ｚ軸を駆動しているときに探針１０２が試料１０３に接触する事によって，起こりうる，探針に過大な力が加わる事による微細な探針先端へのダメージを防止できるという効果がある。

図１７Ａ及びＢを用いて別の探針１０２と試料１０３との接近方法を説明する。ここでは，探針１０２を下死点まで下ろした状態で試料１０３を試料Ｚステージによって上昇させる。試料１０３と探針１０２の接触を検出するとすぐに探針１０３を高速に上死点まで退避させる。これによって，駆動によって振動している試料１０３の表面と探針１０２が接触している状態を最短に抑えて，探針１０２先端へのダメージを防止する。試料１０３表面は探針１０２の可動範囲９１１の中心付近に設定された，目標高さ９１２内に試料表面高がくるように計算した量だけ上昇を続けた後停止させる。その後，再度探針１０２を下降させ，探針の先端とウエハ１０３表面との接触を検知後するまで降下させる。

探針１０２の先端とウエハ１０３表面との接触を検知後、探針駆動機構１０１を駆動して探針１０２を走査しＳＰＭ像を採取する。例えば、ウエハ１０３上の１マイクロメートル四方の領域をＸ方向に２５６分割、Ｙ方向に１０分割し、探針１０２を例えば１マイクロメートル上昇させてから、その接触位置をＸ方向（Ｙ方向）に順次移動させて、探針１０２とウエハ１０３表面との接触検知を繰り返す。但しこの接触検知は、試料ステージ１０４は移動させず、探針駆動機構１０１の可動範囲で探針１０２のみを動作させて実施する。探針駆動機構１０１の動作は、探針走査制御部１１２によって探針駆動制御部１１０を介して制御されている。探針駆動機構１０１の各移動軸（Ｘ、Ｙ、Ｚステージ）には、図１１Ａ及びＢに示した通り静電容量センサが取り付けられており、各静電容量センサの変位はステージ変位検出部１２８で検出され、探針走査制御部１１２を経由してＳＰＭ像生成部１１３に保存される。ＳＰＭ像生成部１１３では、探針１０２がウエハ１０３上の各接触点に接触した状態で計測された探針１０２の変位（探針駆動機構１０１のＺステージ変位）の、ＸＹ平面分布像を生成する。探針駆動機構１０１に用いられている圧電素子は、２キロヘルツから３キロヘルツの応答速度で動作可能であり、以上の計測動作は数秒間で終了し、得られたＳＰＭ像（データ）は、全体制御部に保存される。

ウエハ１０３上での計測座標、計測点数は予め決められており、ウエハ１０３上で他の計測点が残っている場合は、観察光学系１０５と試料ステージ１０４を同量降下させ、ステージ１０４のＸＹ座標を次の計測点の座標に移動させて再び計測動作に移る（Ｓ１５０８）。ウエハ１０３上で他の計測点が存在しない場合は、観察光学系１０５と試料ステージ１０４を同量降下させ、ウエハ１０３を試料ステージ１０４からアンロードする（Ｓ１５０９）。ウエハケースに計測すべき次のウエハが存在する場合は、それを試料ステージ１０４にロードして計測を繰り返し(Ｓ１５１０)、ウエハケース内の全ウエハの計測が終了した場合は、全体制御部１１４に保存されたデータをホストコンピュータに出力し（Ｓ１５１１）、図示しない搬送装置がウエハケースを次の処理装置に搬送する(Ｓ１５１２)。

従来のＳＰＭにおいては、同一ウエハ上で計測位置を変える度に、計測位置決めを行う観察光学系で計測位置を認識し、探針走査機構部（探針１０２の位置）まで試料ステージを移動させる必要が有った。計測位置決めを行う観察光学系位置と、探針走査機構部（探針１０２の位置）との間隔が１５０ミリメートルの場合、試料ステージの動作に２秒〜３秒の時間を要するが、１枚のウエハ上で１０点の計測点が存在すると、計測位置決め動作のための試料ステージの動作時間の合計が２０秒〜３０秒となり、ＳＰＭの計測スループットを大きく低下させる要因となっていた。本発明のＳＰＭの動作によれば、観察光学系１０５のフォーカスを調整することによって試料ステージ１０４を移動させることなく探針１０２とウエハ１０３表面の観察ができることから、計測位置決め動作にかかる時間を省略することができる。この結果、計測対象ウエハ１枚当たりの一連の装置動作（ウエハをロードし、例えば９点の計測位置でエッチング段差を計測後、ウエハをアンロードする）にかかる時間を２分以下（３０ＷＰＨ）とすることができ、スループットが向上したインラインＳＰＭを実現することができる。

次に，図１８Ａ及びＢを用いて，測定位置を試料ＸＹステージ４１０の座標や，光学顕微鏡１０５による観察結果によって指定するのではなく，ＳＰＭ測定結果によって精密に指定したい場合の本発明の動作を説明する。９０１は探針１０２の粗動圧電素子による走査可能範囲である。この中で，測定したいパターンを含むと思われる範囲９１０をまず探針１０２で走査して測定結果９１０を得る。この中で，測りたいパターンを見つけて，ここパターンだけを含むエリアを探針１０２によって精密に測定する。このとき，このエリアが微動圧電素子による測定可能サイズ（微動素子走査可能エリア）９０２よりも小さければ，粗動圧電素子を固定して，微動圧電素子だけの走査で，高精度な測定を行うことが出来る。Ｚ軸に関しても，粗動と微動の２種類のアクチュエータを具備している場合は，測りたいエリアの高さが微動圧電素子による高さ制御幅９１２に入るように粗動圧電素子の位置を調整してから測定することで，高さに関しても高精度な測定を行うことが出来る。

この測定シーケンスを図１９を用いて説明する。まず試料ステージを移動して試料」１０３上の測定したい位置上に探針１０２をもってくる(Ｓ１９０１)。次に，Ｚ粗動アンプの応答性を明示的に切り替える必要がある場合にはこれを高速に切り替える(Ｓ１９０２)。次に，上記図１６と１７を用いて説明した試料接近処理をおこなう(Ｓ１９０３)。次にＸＹ粗動アンプの応答性を明示的に切り替える必要がある場合にはこれを高速に切り替える(Ｓ１９０４)。次に探針１０２の粗動走査を行って測定を行う(Ｓ１９０５)（以上の制御は図１５の探針走査制御部１１２によっておこなう）。これによって（ＳＰＭ像生成部１１３に）得られた測定画像の中から被測定パターンの位置を全体制御部１１４のなかで画像処理によって自動的に求めるか，ユーザが画面上で指定する(Ｓ１９０６)。
ＸＹ軸を被測定領域の中心に移動した後(Ｓ１９０７)，ＸＹ粗動アンプの応答性を明示的に切り替える必要がある場合にはこれを低速に切り替える(Ｓ１９０８)。あるいは，粗動固定を行う(Ｓ１９０９)。Ｚ軸についても粗微動機構を持っている場合は同様の処理を行う。そのあとで，探針１０２の微動圧電素子による走査を行い，高倍の高精度測定を実現する(Ｓ１９１０)。ここで，測定を終了するのであれば(Ｓ１９１１)，Ｚ粗動アンプの応答性を明示的に切り替える必要がある場合にはこれを高速に切り替えてから(Ｓ１９１２)，試料１０３退避をおこなう(Ｓ１９１３)。同じ微動走査による視野内で，更にズームをしたり，若干測定位置再度測定を行いたい場合は，再び，微動走査より行う。

別の視野で測定を行いたい場合は(Ｓ１９２０)，その位置を再び画像処理かユーザの指定によって求める所から再び行う。同じ粗動走査の範囲内に測定したいパターンがない場合は，再度，ＸＹ粗動アンプの応答性を明示的に切り替える必要がある場合にはこれを高速に切り替えてから(Ｓ１９２１)，粗動走査範囲を変更して再び走査を行うところからやり直(Ｓ１９２２)す。

以上説明したシーケンスによって，本発明で得られる広範囲の高速走査と，狭い範囲の高精度走査を切り替えて，高速・高精度測定を実現することが出る。

本発明で用いられる変位計として、静電容量センサとは別のレーザ干渉変位計の実施例を、図２０及び図２１ＡからＣに基づいて説明する。静電容量センサの場合はターゲットして平坦な金属電極との間隔を静電容量の変化に換算して検出していたが、レーザ干渉変位計の場合は、平坦なミラーとの間隔を干渉縞の位相に換算して検出するものである。

図２０に示すように、本実施例の光干渉変位センサは、図示しない光源ユニットと、センサユニット１００及び変位出力ユニット７０から成る。光源ユニットでは、例えば周波数安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザからの波長６３２．８ｎｍの直線偏光レーザ光を、偏波面保存ファイバ２で４５°の偏光方向でセンサユニット１００に導光する。

センサユニット１００は、干渉計６００及び変位演算処理ユニット５０から成る。干渉計６００では、偏波面保存ファイバ２から出射した４５°偏光をコリメータ３で平行光４にし、さらにグラントムソンプリズムなどの偏光素子５を透過させ、透過光６をプリズムミラー７及び無偏光ビームスプリッタ８で反射させて、参照ミラー９に入射させる。

参照ミラー９は、図２１Ｂに示すように、合成石英基板９ａ上にアルミニウム等の金属材料で回折格子９ｂが形成された構成となっている。この回折格子に入射する４５°方向の偏光ビーム６はベクトル分解された２つの直交偏光成分から成り、回折格子の長手方向と平行なＳ偏光成分２５ｓは回折格子で反射し、直交するＰ偏光成分２５ｐは回折格子を透過する。すなわち、この回折格子は、いわゆる回折偏光素子（Ｗｉｒｅ Ｇｒｉｄ Ｐｏｌａｒｉｚｅｒ）としての性質を示す。本実施例の場合、回折格子９ｂのピッチは１４４ｎｍ、線幅は６５ｎｍ、高さは１６５ｎｍとした。

参照ミラー９で反射されたＳ偏光ビーム６ｒは参照光として用いる。透過したＰ偏光ビーム６ｍは測定光として用いる。Ｐ偏光ビーム６ｍは１／４波長板１０を透過した後円偏光となり、測定対象物３１上に載置されたターゲットミラー１２で反射され、再び１／４波長板１０を透過後Ｓ偏光となり、参照ミラー９で反射され、１／４波長板１０を透過後円偏光としてターゲットミラー１２で反射され、１／４波長板１０を透過後Ｐ偏光となり、参照ミラー９を透過する。即ち、測定光６ｍは参照ミラー９とターゲットミラー１２との間の光路を２往復することになり、測定対象物３１の移動量３１ｄを２倍に拡大して検出することになる。参照ミラー９で反射されたＳ偏光ビーム６ｒと透過したＰ偏光ビーム６ｍは、直交偏光ビーム１４として合成され、無偏光ビームスプリッタ８を透過する。

この直交偏光ビーム１４は、迷光除去のための開口１３を通過した後、対向させた２つのピラミッド形状の四角錐プリズム１５ａ及び１５ｂにより、４つの直交偏光ビームビーム１７に分割される。ビーム分割の方法は、このようなプリズムに限定されるものではなく、回折光学素子なども適用可能である。４つの直交偏光ビームビーム１７は、位相シフト素子１８及び１９を透過することにより、直交偏光成分の間に、０、π／２、π、３π／２の位相シフトが与えられた状態で偏光干渉し、４つの位相シフト干渉光２０が生成される。

位相シフト素子１８は、図２１Ａに示すように２分割され、下半分が合成石英１８ｄで構成され、上半分はフォトニック結晶１８ｃで構成される。フォトニック結晶１８ｃは、拡大図に示すように、合成石英基板１８ｃ１に入射光の波長よりも小さなピッチの水平方向のライン＆スペース状の回折格子を形成し、その上に屈折率の異なる誘電体薄膜１８ｃ２及び１８ｃ３を積層して構成される。回折格子上に堆積した薄膜層の断面は、回折格子の凹凸によって膜厚方向に三角波形の凹凸形状が維持される。薄膜材料としては、Ｓｉ、 ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５が適用可能である。このような回折格子をベースとする多層薄膜構造は、回折格子の方向を結晶軸方向とするフォトニック結晶となり、多層薄膜間の回折、干渉作用により複屈折特性を示し、入射光の偏光や透過・反射特性を制御することが可能となる（参照：(株)フォトニックラティス製品カタログ）。
入射光の波長及び得たい特性を考慮して、回折格子ピッチ、深さ、各薄膜の膜厚は制御される。また、半導体素子製造に用いられるフォトリソグラフィ技術やスパッタリングなどの膜付け技術を用いることにより、１枚の基板上に結晶軸方向の異なる偏光素子や波長素子をアレイ状に形成できる点も大きな特徴である。フォトニック結晶１８ｃは１／４波長板としての機能を有しており、太い矢印がその結晶軸方向を示している。すなわち、図１９に示すように、４つの直交偏光ビーム１７のうちフォトニック結晶１８ｃを透過する２つの直交偏光ビームに関して、２つの偏光成分の間にπ／２の位相差が生じる。一方、残りの２つの直交偏光ビームは合成石英１８ｄを透過し、位相差は生じない。

位相シフト素子１９は、図２１Ｃに示すように２分割され、左半分が４５°の結晶軸方向を有するフォトニック結晶１９ａで構成され、右半分が逆向きの４５°の結晶軸方向を有するフォトニック結晶１９ｂで構成される。フォトニック結晶１９ａは、フォトニック結晶１８ｃと同様、拡大図に示すように、合成石英基板１９ａ１に入射光の波長よりも小さなピッチの４５°方向のライン＆スペース状の回折格子を形成し、その上に屈折率の異なる誘電体薄膜１９ａ２及び１９ａ３を積層して構成される。フォトニック結晶１９ｂの構造も同様である。フォトニック結晶１９ａ及び１９ｂは偏光素子としての機能を有しており、太い矢印がその結晶軸方向を示している。すなわち、図２０に示すように、４つの直交偏光ビームビーム１７のうちフォトニック結晶１９ａを透過する２つの直交偏光ビームを構成する２つの偏光成分と、フォトニック結晶１９ｂを透過する２つの直交偏光ビームを構成する２つの偏光成分との間に、相対的にπの位相差が与えられた状態で、両偏光成分は干渉する。

すなわち、位相シフト素子１８及び１９を透過した４つの直交偏光ビーム１７の各直交偏光成分の間に、０、π／２、π、３π／２の位相シフトが与えられた状態で偏光干渉し、４つの位相シフト干渉光２０が生成される。４つの位相シフト干渉光２０は、外乱光の影響を避けるため、波長６３２．８ｎｍに透過中心波長を有する干渉フィルタ２１を透過した後、フォトダイオードなどの４つの光電変換素子で２２で各々受光され、増幅器２３で増幅された後、４つの位相シフト干渉信号４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄとして出力される。

４つの位相シフト干渉信号４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄは、各々（１）〜（４）式で与えられる。
Ｉａ＝Ｉｍ＋Ｉｒ＋２（Ｉｍ・Ｉｒ）１／２ｃｏｓ（４πｎＤ／λ）・・・（数１）
Ｉｂ＝Ｉｍ＋Ｉｒ＋２（Ｉｍ・Ｉｒ）１／２ｃｏｓ（４πｎＤ／λ＋π）
＝Ｉｍ＋Ｉｒ−２（Ｉｍ・Ｉｒ）１／２ｃｏｓ（４πｎＤ／λ） ・・・（数２）
Ｉｃ＝Ｉｍ＋Ｉｒ＋２（Ｉｍ・Ｉｒ）１／２ｃｏｓ（４πｎＤ／λ＋π／２）
＝Ｉｍ＋Ｉｒ＋２（Ｉｍ・Ｉｒ）１／２ｓｉｎ（４πｎＤ／λ） ・・・（数３）
Ｉｄ＝Ｉｍ＋Ｉｒ＋２（Ｉｍ・Ｉｒ）１／２ｃｏｓ（４πｎＤ／λ＋３π／２）
＝Ｉｍ＋Ｉｒ−２（Ｉｍ・Ｉｒ）１／２ｓｉｎ（４πｎＤ／λ） ・・・（数４）
ここで、Ｉｍはプローブ光の検出強度、Ｉｒは参照光の検出強度、ｎは空気の屈折率、Ｄは測定対象物３１の移動量３１ｄ、λはレーザ光４の波長である。

変位演算処理ユニット５０では、（５）式に基づいて測定対象物３１の移動量Ｄが算出されて、移動量信号６１として変位出力ユニット７０に表示される。
Ｄ＝（λ／４πｎ）ｔａｎ−１｛（Ｉｃ−Ｉｄ）／（Ｉａ−Ｉｂ）｝・・・（数５）
本実施例では、参照ミラー９として回折偏光素子（Ｗｉｒｅ Ｇｒｉｄ Ｐｏｌａｒｉｚｅｒ）を用いたが、前述の説明から明らかなように、図２１Ｃに示すような水平方向に結晶軸方向を有するフォトニック結晶９ｃを用いることも可能である。また、１／４波長板１０も同様に、４５°方向に結晶軸方向を有すフォトニック結晶１０ｃを用いることも可能である。また、干渉計６００をさらに簡素化するために、図２１Ｃにおいて位相シフト素子１９をフォトニック結晶１９ａのみで構成し、（１）式及び（３）式で表される位相シフト干渉信号４１ａ及び４１ｃを得て、この２つの干渉信号から測定対象物３１の移動量Ｄを求めることも可能である。

図２０から明らかなように、ターゲットミラー１２に向かう測定光６ｍと参照光６ｒの２つのビームは、光源ユニットから出射されてセンサユニット１００に入射し、参照ミラー９に至るまで、更に参照ミラー９から４つの光電変換素子２２で受光されるに至るまで、完全に同一の光路を通る。即ち、共通光路形干渉計の構成となる。従って、仮に光路中に空気の揺らぎ等による温度分布や屈折率分布、あるいは機械振動が生じたとしても、これらの外乱は両ビームに等しく影響を及ぼすため、両ビームが干渉した際にこれら外乱の影響は完全に相殺され、干渉光は外乱の影響を受けない。唯一、参照ミラー９とターゲットミラー１２との間の光路において測定光６ｍのみが存在するが、例えば、走査プローブ顕微鏡等のストロークは高々数百ミクロン程度であるので、参照ミラー９とターゲットミラー１２との間隙は１ｍｍ以下に設定することが可能であり、このような微小間隙での外乱の影響は無視できる。また、レーザ光自身の強度変動は、（１）〜（４）式においてプローブ光検出強度Ｉｍ、参照光検出強度Ｉｒの変動となるが、変位演算処理ユニット５０における（５）式の中の減算処理及び除算処理により相殺される。

さらに本実施例の光干渉変位センサでは、単純な構成で４つの直交偏光ビームを生成し、かつアレイ状に配置した位相シフト素子により空間的に並列に４つの位相シフト干渉光を生成し受光する構成となっているので、従来の位相シフト干渉計に比べ光学部品が大幅に低減し、変位センサが格段に小形化するというメリットがある。具体的には干渉計６００の寸法を２０×１５×５０ｍｍ以下程度に縮小化可能である。また、４つの位相シフト干渉光が近接した光路を通過するため、光路間に空気の揺らぎ等による温度分布、湿度分布、気圧分布、密度分布、気流変化などの外乱が重畳されたとしても、その影響を最小限に抑えることが可能になる。

以上より、本実施例の光干渉変位センサにより、温度、湿度、気圧、密度、音響振動といった環境因子を高精度に制御することなく、測定対象物の移動量や位置をサブナノメートルから１０ピコメートル以下の精度で安定に計測することが可能であり、これを用いてＳＰＭ走査機構をフィードバック制御することで、ＳＰＭの探針先端の位置を、サブナノメートルから１０ピコメートル以下の精度で安定に制御することが可能となり、高精度なＳＰＭ装置を実現することが出来る。

１…光源ユニット ２…偏波面保存ファイバ ３…コリメータ ５…偏光素子 ７…プリズムミラー ８…無偏光ビームスプリッタ ９…参照ミラー １０…１／４波長板 １２ １２ｘ １２ｙ １２ｚ…ターゲットミラー １４ １７ ８１ ２１８…直交偏光ビーム １３…開口 １５ａ １５ｂ…四角錐プリズム １８ １９ ８２ ８３ ８４ ２１９ ２２０…位相シフト素子 ９ｃ １０ｃ １８ｃ １９ａ １９ｂ ８２ｃ ８２ｄ ８３ｃ ８３ｄ ８４ａ ８４ｂ…フォトニック結晶 ２０ ８５ ２２１…位相シフト干渉光 ２１ ８６…干渉フィルタ ２２…光電変換素子 ２３ ８８ ２２３…増幅器 ３１…測定対象物 ５０、５１、５２…変位演算処理ユニット ７０…変位出力ユニット １０１…探針駆動機構 １０２…探針 １０３…ウエハ １０４…試料ステージ １０５…観察光学系 １０６…対物レンズ ２０１、２０２…ホルダ ２０３…Ｙステージ ２０４ａ ２０４ｂ ２０４ｃ ２０４ｄ…弾性変形部 ２０５ ２０６ ２０９ ２１０ ２１６ ２１７…圧電素子 ２０５ａ ２０６ａ ２０９ａ ２１０ａ ２１６ａ ２１７ａ…粗動圧電素子 ２０５ｂ ２０６ｂ ２０９ｂ ２１０ｂ…変位拡大機構 ２０５ｃ ２０６ｃ ２０９ｃ ２１０ｃ ２１６ｃ ２１７ｃ…微動圧電素子 ２０５ａ’ ２１０ａ…粗動アクチュエータ ２０７…Ｘステージ ２０７…試料ステージ ２１１…スルーホール ２１４…Ｚステージ ２４０…微動ステージ ２３０ａ ２３０ｂ ２３０ｃ ２３０ｄ…弾性変形部 ２３１ａ ２３１ｂ ２３１ｃ ２３１ｄ…弾性変形ガイド ２４１…粗動ステージ ２２０ ２２１…ターゲット ２２２ ２２３ ２２４ ３０１…レーザダイオード ３１１…受光器 ４０１…試料ステージ ４１０…変位センサ ４０２…粗ＸＹステージ ４０４…エアスライダ ４０３…粗Ｚステージ ４０５…定盤 ４０６…弾性プレート ４１０…試料ＸＹステージ ５００…粗動用圧電素子ドライバ ５０１…ドライバアンプ ５０６…切替器 ５０６ｒ…切替器ｒ ５１０…微動用圧電素子ドライバ ５１１…ドライバアンプ ５１２…出力抵抗。

Claims (7)

1. 探針を試料表面に近接または接触させて試料表面形状を計測する走査型プローブ顕微鏡であって、探針と、該探針を保持する探針ホルダと、該探針ホルダを少なくとも上下方向に駆動する探針駆動手段と、該探針駆動手段の上下方向の位置を測定する第１の測定手段と、試料を載置して平面内で移動可能な試料ステージ手段と、前記平面と直角な方向の前記試料ステージ手段の位置を測定する第２の測定手段と、前記探針ホルダに保持された探針と前記試料ステージ手段の間の上下方向の相対位置を変化させるための上下方向粗ステージ手段と、前記探針ホルダに保持された探針と前記試料ステージ手段の間の水平方向の相対位置を変化させるための水平方向粗ステージ手段と、前記試料と上記探針ホルダに保持された探針との間の接触状態を検出する検出手段と、前記第１の測定手段で測定した情報と前記第２の測定手段で測定した情報と前記検出手段で検出した情報とを用いて試料の表面の像を生成する像生成手段とを備えたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
2. 探針駆動手段に、更に探針をＸＹ方向に駆動するＸＹ駆動部と該ＸＹ駆動部で駆動された探針のＸＹ方向の位置を測定するＸＹ方向位置測定部とを有す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。
3. 前記第２の測定手段は、前記試料ステージ手段の移動可能な平面と直角な方向の変位を測定する変位計を複数有し、該複数の変位計の出力を用いて前記試料ステージ手段の傾きを求めて該求めた傾きの情報に基づいて前記試料ステージ手段の移動可能な平面と直角な方向の変位を測定したデータを補正する測定データ補正部を有す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。
4. 前記第２の測定手段は、前記水平方向粗ステージの移動にかかわらず、前記探針の略下方に位置するように構成された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。
5. 前記探針駆動手段は前記探針ホルダを前記上下方向に駆動する上下方向駆動部と、前記上下方向と直交する平面内で駆動する平面内駆動部を有し、前記上下駆動部又は前記平面内駆動部の少なくとも一方は前記探針を駆動する駆動範囲の大きい粗動アクチュエータと駆動範囲が小さい微動アクチュエータとを備えてい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。
6. 走査型プローブ顕微鏡を用いて試料の表面形状を計測する方法であって、平面内で移動可能な試料ステージに載置した試料の表面に探針駆動系を用いて探針を上下方向に駆動すると共に上下方向粗ステージ手段により前記探針と前記試料ステージとの間の上下方向の相対位置を変化させて該探針を試料表面に近接または接触させ、該探針駆動系の上下方向の位置を測定し、前記平面と直角な方向の前記試料ステージの位置を測定し、前記探針駆動系の上下方向の位置を測定して得た情報と前記平面と直角な方向の前記試料ステージの位置を測定して得た情報とを用いて前記試料ステージの前記平面内で移動時の前記平面と直角な方向の変位成分を補正して前記試料の表面形状を計測することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡を用いた試料の表面形状計測方法。
7. 前記試料ステージの移動可能な平面と直角な方向の変位を複数の変位計で測定し、該複数の変位計測定した前記試料ステージの移動可能な平面と直角な方向の変位の情報を用いて前記試料ステージの傾きを求め、該求めた傾きの情報に基づいて前記試料ステージの移動時の前記移動可能な平面と直角な方向の変位を測定したデータを補正することを特徴とする請求項６記載の走査型プローブ顕微鏡を用いた試料の表面形状計測方法。

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