JP7529350B2 - 可変的なセットポイント設定を使用して測定装置により測定対象の表面の特性を測定する方法、この方法が遂行されるための原子顕微鏡及びこの方法が遂行されるために格納媒体に格納されたコンピュータプログラム - Google Patents

Description

本発明は、可変的なセットポイント設定を使用して測定装置により測定対象の表面の特性を測定する方法、この方法が遂行されるための原子顕微鏡及びこの方法が遂行されるために格納媒体に格納されたコンピュータプログラムに関し、より具体的には、ピンポイントモードのアプローチ動作時、アプローチされる地点の状態に基づいて可変的にセットポイントを設定することで測定対象の表面の特性を測定する方法、この方法が遂行されるための原子顕微鏡及びこの方法が遂行されるために格納媒体に格納されたコンピュータプログラムに格納されたコンピュータプログラムに関する。

走査探針顕微鏡（ＳＰＭ、Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）は、ＭＥＭＳ工程等を通して作製された微細なチップ（プローブ）を試料の表面上にスキャンさせながら（Ｓｃａｎｎｉｎｇ）、その測定対象の表面特性を測定して３Ｄイメージで示す顕微鏡をいう。このような走査探針顕微鏡は、測定方式によって、原子顕微鏡（ＡＦＭ、Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）、走査トンネリング顕微鏡（ＳＴＭ、Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）等に細分化される。

走査探針顕微鏡でチップが測定対象の表面に追随しながらスキャンすることが一般的であるが、チップと測定対象の表面間の間隔をフィードバック制御するとしてもチップと測定対象の表面間の衝突は起こるようになり、チップが損傷される原因になる。このような損傷を減らそうとチップを測定対象の表面にアプローチし、一定高さにチップを持ち上げ、他の位置にチップを移動させ、またチップを測定対象の表面にアプローチする動作を繰り返すことで、特定の地点だけの高さをそれぞれ測定して測定対象の表面のトポグラフィーを得る試みがあってきた（特許文献１参照）。

また、チップ損傷を最小化させるという目的の他に、ＥＦＭやＭＦＭのようなオプション信号で測定対象の表面の屈曲イメージが反映されないように、上述した技術を活用する試みもあってきた（特許文献２参照）。このような技術を別名ピンポイントモード（ＰｉｎＰｏｉｎｔ Ｍｏｄｅ）と称することもある。

一方、半導体の微細化、集積化が進むにつれ、狭くて深いトレンチ（Ｔｒｅｎｃｈ）構造が生じた。このような狭くて深いトレンチの形状を得るために原子顕微鏡のような走査探針顕微鏡が活用されるが、狭くて深いという形状特性上、少なくともトレンチの高さよりは長いチップを選定しなければならない。また、トレンチの側壁との干渉が最小化されるようにチップはできるだけ薄くなければならない。このようなチップの制限要素のため、長いチップが狭くて深いトレンチの表面に追随するように制御することは非常に難しい。

これによって、狭くて深いトレンチ形状を測定するためにピンポイントモードが活用されることもある。長いチップを利用したピンポイントモードの適用において、一般に事前に定められた力－セットポイントを設定して接触モードのアプローチを遂行する。狭くて深いトレンチである場合、側壁からの力干渉に耐えるために非常に高い力－セットポイントを設定するようになるが、これによってチップの破損をもたらす。

日本国特開２００４－１３２８２３号（発明の名称：サンプリング走査プローブ顕微鏡及び走査方法） 韓国登録特許第１０－２１０２６３７号（発明の名称：トポグラフィー信号及びオプション信号獲得方法、装置及びそれを備える原子顕微鏡）

本発明は、前記のような問題点を解決するために案出されたものであって、ピンポイントモードのアプローチ動作時、アプローチされる地点の状態に基づいて可変的にセットポイントを設定することで測定対象の表面の特性を測定する方法、この方法が遂行されるための原子顕微鏡及びこの方法が遂行されるために格納媒体に格納されたコンピュータプログラムに格納されたコンピュータプログラムを提供することにある。

本発明の課題は、以上において言及した課題に制限されず、言及されていないまた他の課題は、下記の記載から当業者に明確に理解され得るだろう。

前記課題を解決するための本発明の一実施例に係る方法は、チップと測定対象の表面間の相互作用を測定することで前記測定対象の特性を測定する測定装置により前記測定対象の表面の特性を測定する方法であって、前記測定対象の表面に前記チップを接近させて接触させるアプローチ動作と持ち上げる動作を繰り返し遂行して前記測定対象の表面の特性を測定する方法である。前記アプローチ動作は、特性値がセットポイントに達するように制御される動作で遂行され、前記セットポイントは、前記アプローチ動作が遂行される地点の状態に基づいて可変的に設定される。

本発明の他の特徴によれば、前記特性値は、前記チップと前記測定対象間の距離によって変化する値である。

本発明のまた他の特徴によれば、前記セットポイントは、前記チップと前記測定対象間の距離の減少量に対する前記特性値の変化量が特定値が以上である場合に決定される。

本発明のまた他の特徴によれば、前記特性値は、前記チップが前記測定対象を押す力である。

本発明の他の特徴によれば、前記セットポイントは、力－セットポイントであり、前記力－セットポイントは、前記チップと前記測定対象間の距離の減少量Δｚに対する前記チップが前記測定対象の表面を押す力の変化量ΔＦが特定値以上である場合に決定される。

本発明のまた他の特徴によれば、前記力－セットポイントは、前記チップと前記測定対象間の現在距離ｚ_{ｃｕｒｒｅｎｔ}から前記減少量Δｚを引いた値に対する距離で測定された力に前記力の変化量ΔＦを足して決定される。

本発明のまた他の特徴によれば、前記力－セットポイントは、予め決定された最大力－セットポイントを超えないように設定される。

前記課題を解決するための本発明の一実施例に係る原子顕微鏡は、チップとカンチレバーを備える探針部により、測定対象の表面を測定するように構成される。この原子顕微鏡は、前記チップが前記測定対象の表面に対してＸＹ方向に相対移動するように、前記測定対象を移動させるように構成されるＸＹスキャナ；前記探針部が取り付けられ得るように構成され、前記カンチレバーの振動または反りを測定できる光学システム及び前記光学システムにより得られるデータに基づいて前記チップと前記測定対象の表面間の距離を制御するように前記探針部をＺ方向に移動させるように構成されるＺスキャナを含むヘッド；及び、前記ＸＹスキャナ及び前記ヘッドを制御するコントローラ；を含む。前記コントローラは、前記測定対象の表面に前記チップを接近させて接触させるアプローチ動作と持ち上げる動作を繰り返し遂行して前記測定対象の表面の特性を測定するように前記ＸＹスキャナ及び前記ヘッドを制御し、前記アプローチ動作は、特性値がセットポイントに達するように制御される動作で遂行され、前記セットポイントは、前記アプローチ動作が遂行される地点の状態に基づいて可変的に設定するように制御される。

前記課題を解決するための本発明の一実施例に係るコンピュータプログラムは、上述した方法を遂行するための格納媒体に格納される。

本発明の方法によれば、測定対象の表面の状況によって異なるセットポイントを設定することで過度な押しによるチップの損傷を防止しながらも特定の部分では側壁との相互作用に耐えてチップが下部平面まで接触するようにすることで正確な測定対象の特性を得ることができるピンポイントモードを提供する。

ＸＹスキャナとＺスキャナが分離された原子顕微鏡の概略的な斜視図である。 光学システムを利用して測定対象を測定する方式を説明した概念図である。 本発明の測定対象の表面の特性を測定する方法の概略的なフローチャートである。 本発明の測定対象の表面の特性を測定する方法を概略化して示した概念図である。 アプローチされる地点によるＦ－Ｄカーブを示す図である。 上部角部分で多様なアプローチ状況によるＦ－Ｄカーブを示す図である。 側壁に接触しながらアプローチされる状況によるＦ－Ｄカーブを示す図である。 チップが側壁とは接触せずに底にアプローチされる状況によるＦ－Ｄカーブを示す図である。 本発明に係る可変的力－セットポイント設定方式を示したＦ－Ｄカーブのグラフである。 測定対象の形状による力－セットポイントを例示した図である。

本発明の利点及び特徴、そして、それらを達成する方法は、添付の図面と共に詳細に後述されている実施例を参照すると、明確になるだろう。しかし、本発明は、以下において開示される実施例に限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態に具現され、単に、本実施例は、本発明の開示が完全なものとなるようにし、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものであり、本発明は、請求項の範疇により定義されるだけである。

第１、第２等が多様な構成要素を述べるために使用されるが、これらの構成要素は、これらの用語により制限されないことはもちろんである。これらの用語は、単に一つの構成要素を他の構成要素と区別するために使用するものである。従って、以下において言及される第１構成要素は、本発明の技術的思想内で第２構成要素であってもよいことはもちろんである。併せて、第１コーティング後、第２コーティングを行うと記載したとしても、その反対の順にコーティングを行うことも本発明の技術的思想内に含まれることはもちろんである。

本明細書において図面符号を使用するにあたって、図面が異なる場合でも同じ構成を示している場合は、できるだけ同じ図面符号を使用する。

図面で示された各構成の大きさ及び厚さは、説明の便宜のために示されたものであり、本発明は、示された構成の大きさ及び厚さに必ずしも限定されるものではない。

本発明を実行するための原子顕微鏡の構成

まず、本発明の方法を遂行するための測定装置としての原子顕微鏡の構成について例示として説明する。

図１は、ＸＹスキャナとＺスキャナが分離された原子顕微鏡の概略的な斜視図であり、図２は、光学システムを利用して測定対象を測定する方式を説明した概念図である。

図１を参照すると、原子顕微鏡１００は、探針部１１０と、ＸＹスキャナ１２０と、ヘッド１３０と、Ｚステージ１４０と、固定フレーム１５０と、コントローラ１６０を含んで構成される。

探針部１１０は、カンチレバー１１１とチップ１１２を備え、チップ１１２が測定対象１の表面に接触または非接触状態で沿うように構成される。探針部１１０は、以下の他の構成と別に提供され得、後述するヘッド１３０に固定して使用する。

ＸＹスキャナ１２０は、チップ１１２が測定対象１の表面に対して第１方向に相対移動するように、測定対象１を移動させるように構成される。具体的に、ＸＹスキャナ１２０は、測定対象１をＸＹ平面でＸ方向及びＹ方向にスキャンするように機能する。

ヘッド１３０は、探針部１１０が取り付けられ得るように構成され、カンチレバー１１１の振動または反りを測定できる光学システム及びこの光学システムにより得られるデータに基づいてチップと測定対象の表面間の距離を制御するように探針部１１０を少なくとも第２方向及びその反対方向に移動させるように構成されるＺスキャナ１３１を含む。光学システムは、図２を参照して後述する。ここで、Ｚスキャナ１３１は、探針部１１０を比較的に小さな変位で移動させる。

Ｚステージ１４０は、探針部１１０とヘッド１３０を相対的に大きな変位でＺ方向に移動させる。

固定フレーム１５０は、ＸＹスキャナ１２０とＺステージ１４０を固定する。

コントローラ１６０は、少なくともＸＹスキャナ１２０、ヘッド１３０及びＺステージ１４０を制御するように構成される。

一方、原子顕微鏡１１０は、大きな変位でＸＹスキャナ１２０をＸＹ平面上で移動させることができるように構成される図示しないＸＹステージをさらに含むことができる。この場合、ＸＹステージは、固定フレーム１５０に固定されるだろう。

原子顕微鏡１００は、測定対象１の表面を探針部１１０でスキャンしてトポグラフィー（ｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ）等のイメージを得る。測定対象１の表面と探針部１１０間の相対移動は、ＸＹスキャナ１２０により行われ得、測定対象１の表面に沿うように探針部１１０を上下に移動させることは、Ｚスキャナ１３１により行われ得る。一方、探針部１１０とＺスキャナ１３１は、プローブアーム（ｐｒｏｂｅ ａｒｍ）１３２により連結される。

図２を参照すると、ＸＹスキャナ１２０は、測定対象１を支持し、測定対象１をＸＹ方向にスキャンする。ＸＹスキャナ１２０の駆動は、例えば、圧電アクチュエータ（ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｃｔｕａｔｏｒ）により発生でき、本実施例のようにＺスキャナ１３１と分離された場合は、積層された圧電駆動機（ｓｔａｃｅｄ ｐｉｅｚｏ）を使用することもできる。ＸＹスキャナ１２０については、本出願人が登録権者である韓国登録特許第１０－０５２３０３１号（発明の名称：走査探針顕微鏡でのＸＹスキャナ及びその駆動方法）及び第１０－１４６８０６１号（発明の名称：スキャナの制御方法とそれを利用したスキャナ装置）を参照する。

Ｚスキャナ１３１は、探針部１１０と連結され、探針部１１０の高さを調節できる。Ｚスキャナ１３１の駆動もＸＹスキャナ１２０のように圧電アクチュエータにより行われてもよい。Ｚスキャナ１３１については、本出願人が登録権者である韓国登録特許第１０－１４７６８０８号（発明の名称：スキャナ装置及びそれを含む原子顕微鏡）を参照する。Ｚスキャナ１３１が収縮すると、探針部１１０は、測定対象１の表面から遠くなり、Ｚスキャナ１３１が拡張されると、探針部１１０は、測定対象１の表面に近くなる。

ＸＹスキャナ１２０とＺスキャナ１３１は、図１及び図２のように分離されて別個の部材で存在することもできるが、チューブ型圧電アクチュエータにより一つの部材に統合されて存在することもできる。このようなチューブ型圧電アクチュエータの場合、ＸＹ方向の移動とＺ方向の移動を共に行うことができるが、ＸＹ方向への挙動とＺ方向への挙動がカップリングされてイメージを歪める問題を有している。しかし、このような限界にもかかわらず、このような構造が本発明に活用され得ることはもちろんである。このようなＸＹＺ統合型スキャナは、米国特許公開第２０１２－００７９６３５Ａ１（発明の名称：Ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ ｄｅｖｉｃｅｓ ｆｏｒ ｃｏｒｒｅｃｔｉｎｇ ｅｒｒｏｒｓ ｉｎ ａｔｏｍｉｃ ｆｏｒｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）等に開示されており、この他にも公知の原子顕微鏡の構造が使用され得る。

ヘッド１３０は、探針部１１０のカンチレバー１１１の振動または反りを測定できる光学システムを有し、この光学システムは、レーザ発生ユニット１３２とディテクタ（ｄｅｔｅｃｔｏｒ）１３３を含む。

レーザ発生ユニット１３２では、レーザ光（点線で示す）を探針部１１０のカンチレバー１１１の表面に照射し、カンチレバー１１１の表面から反射したレーザ光は、ＰＳＰＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｐｈｏｔｏ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）のような２軸のディテクタ１３３に結像する。このようなディテクタ１３３で検出される信号は、制御のためにコントローラ１６０に送られる。

コントローラ１６０は、ＸＹスキャナ１２０とＺスキャナ１３１と連結されて、ＸＹスキャナ１２０とＺスキャナ１３１の駆動を制御する。また、コントローラ１６０は、ディテクタ１３３から得られた信号をＡＤＣコンバータによりデジタル信号に変換し、これを活用して探針部１１０のカンチレバー１１１の反り、ねじれ等の程度を判断できる。コントローラ１６０には、コンピュータが統合されていてもよく、別途のコンピュータとコントローラ１６０と連結されていてもよい。コントローラ１６０は、一つに統合されてラックに入れられてもよいが、２つ以上に分割されて存在してもよい。

コントローラ１６０は、測定対象１をＸＹスキャナ１２０によりＸＹ方向にスキャンできるようにＸＹスキャナ１２０を駆動する信号を送る一方、探針部１１０が測定対象１の表面と一定の相互力を有するように（即ち、カンチレバー１１１が一定の程度の反りを維持するように、またはカンチレバー１１１が一定の振幅で振動するように）Ｚスキャナ１３１を制御する。即ち、コントローラ１６０は、ソフトウェア的なまたは電気回路的な閉ループフィードバックロジック（ｃｌｏｓｅｄ ｌｏｏｆ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｌｏｇｉｃ）を有する。また、コントローラ１６０は、Ｚスキャナ１３１の長さ（またはＺスキャナ１３１に使用されたアクチュエータの長さ）を測定するか、Ｚスキャナ１３１に使用されたアクチュエータに印加される電圧等を測定することで、測定対象１の表面の形状データ（ｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ）を得る。

ここで、探針部１１０のチップ１１２は、測定対象１の表面と接触した状態で測定対象１の表面と相対移動をすることもでき（これを「接触モード」という）、表面と接触していない状態で振動しながら測定対象１の表面と相対移動をすることもでき（これを「非接触モード」という）、また測定対象１の表面を叩く状態で振動しながら測定対象１の表面と相対移動をすることもできる（これを「タッピングモード」（ｔａｐｐｉｎｇ ｍｏｄｅ）という）。このような多様なモードは、既存に開発されたモードに該当するので、詳細な説明は省略する。

一方、コントローラ１６０が得る測定対象１の表面に関するデータは、形状データ以外に多様であり得る。例えば、探針部１１０に磁力を帯びるようにするか、静電力等を加える特殊な処理をすることで、測定対象１の表面の磁力に関するデータ、静電気力に関するデータ等を得ることができる。このような原子顕微鏡のモードは、ＭＦＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）、ＥＦＭ（Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）等があり、これは公知の方法を使用して具現され得る。この他にも、測定対象１の表面に関するデータは、表面の電圧、表面の電流等であってもよい。

一方、ヘッド１３０の構成は、説明の便宜上、必須な構成要素のみを記載しただけで、この他の光学システム等の具体的な構成は省略したことに留意すべきであり、例えば、ヘッド１３０には、韓国登録特許第１０－０６４６４４１号に開示された構成がさらに含まれ得る。

測定対象の表面の特性を測定する方法

以下、添付の図面を参考にして本発明の測定対象の表面の特性を測定する方法の実施例について説明する。

図３は、本発明の測定対象の表面の特性を測定する方法の概略的なフローチャートであり、図４は、本発明の測定対象の表面の特性を測定する方法を概略化して示した概念図である。

図３を参照すると、本発明の測定対象の表面の特性を測定する方法は、チップと測定対象の表面間の相互作用を測定することで測定対象の特性を測定する図１及び図２において例示した原子顕微鏡１００のような測定装置によりなされ、アプローチステップ（Ｓ１０）と、リフトステップ（Ｓ２０）と、シフトステップ（Ｓ３０）を含む。以下、本方法についての説明は、図１及び図２も共に参照する。

まず、測定対象の表面の特定の位置（第１位置）にチップ１１２が接触するように位置させる（アプローチステップ、Ｓ１０）。

図４を参照すると、本ステップ（Ｓ１０）で、測定装置は、ａ地点に位置したチップの端をｂ地点（第１位置）に送って接触させる動作を遂行する。ａ地点は、任意の位置であって、以前のシフトステップ（Ｓ３０）が完了した後のチップ１１２の端の位置であってよい。アプローチ後のチップ１１２の位置（第１位置）は、測定しようとする任意の地点である。

アプローチステップ（Ｓ１０）は、Ｚスキャナ１３１を利用してチップ１１２を測定対象１の表面に近接させることでなされる。アプローチステップ（Ｓ１０）は、チップ１１２の端が測定対象１の表面を特定の力で押すようにすることで完了する。チップ１１２の端が特定の力で押されるとカンチレバー１１１が反るようになり、カンチレバー１１１の反りは、レーザ発生ユニット１３３とディテクタ１３４を含む光学システムにより感知される。カンチレバー１１１が一定程度反るようになると、アプローチステップ（Ｓ１０）が完了し、チップ１１２の端の位置に対するデータが収集される。このようなデータは、Ｚスキャナ１３１から得られることもあり、Ｚスキャナ１３１に取り付けられた長さセンサ（例えば、ストレインゲージセンサ）等により得られることもある。この他にアプローチステップ（Ｓ１０）での具体的な制御方式は後述する。

アプローチステップ（Ｓ１０）が完了した後、上述したデータが得られると、接触したチップ１１２を測定対象の表面から離隔させる（リフトステップ、Ｓ２０）。

図４を参照すると、本ステップ（Ｓ２０）で、測定装置は、ｂ地点に位置したチップ１１２の端をｃ地点にリフトさせる。参考までに、ｃ地点は、ａ地点と同一であってもよく、図４のように同一でなくてもよい。チップ１１２をｚ方向に移動させるＺスキャナ１３１が完全な直進性を具現するならば、a、ｃ地点は一致し、アプローチステップ（Ｓ１０）によるチップ１１２の経路とリフトステップ（Ｓ２０）によるチップ１１２の経路は互いに重畳され得る。

リフトステップ（Ｓ２０）により持ち上げられたチップ１１２は、他の地点でのデータ収集のために第１位置と異なる位置（第２位置）上に位置されるように制御される（シフトステップ、Ｓ３０）。

図４を参照すると、本ステップ（Ｓ３０）で、測定装置は、ｃ地点に位置したチップの端を第２位置の上側に位置するｄ地点に移動させる。このようなチップ１１２の移動は、チップ１１２を移動させても具現され得るが、ＸＹスキャナ１２０により測定対象１を移動させても具現され得る。図１及び図２に示された測定装置によれば、ＸＹスキャナ１２０を制御して測定対象１を移動させることでシフトステップ（Ｓ３０）が遂行され得る。

ここで、シフトステップ（Ｓ３０）は、図４に示されたように、Ｘ方向と水平にチップ１１２を移動させるように具現されてもよいが、計画された他の位置上に移動させることさえできれば、どのような経路を有しても構わない。

また、リフトステップ（Ｓ２０）にシフトステップ（Ｓ３０）が含まれて別途のステップで遂行されなくてもよい。リフトステップ（Ｓ２０）の遂行時、チップ１１２を持ち上げながら水平移動させることでリフトステップ（Ｓ２０）が省略され得る。

上述したアプローチステップ（Ｓ１０）、リフトステップ（Ｓ２０）及びシフトステップ（Ｓ３０）が測定対象１の表面の複数の位置に対して繰り返し遂行されることで、測定対象１の特性を測定できる。ここで、測定対象１の特性は、測定対象１の表面のトポグラフィー（ｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ）等であってよい。しかし、この他にもチップ（１）に特殊な特性（磁気的特性、電気的特性等）を付与することでトポグラフィー以外の情報を得ることもできる。

図４のようにＸ方向に沿って測定対象１の表面の複数の位置に対して上述したステップ（Ｓ１０、Ｓ２０、Ｓ３０）を繰り返し遂行して通常の接触モードや非接触モードで得ることのできるデータを得ることができる。特に、図４において例示された深くて狭いトレンチ構造の測定で既存の接触モードや非接触モードでは測定対象１の表面にチップ１１２が追随するために非常にややこしいフィードバック条件を見出さなければならず、フィードバック条件が満足されなければチップ１１２が測定対象１に衝突するようになって優れていないイメージを得るようになることはもちろん、チップ１１２をよく取り替えなければならない問題も有していた。これに対して、本発明による方法を活用すれば、深くて狭いトレンチ構造の測定でもチップ１１２の損傷を最小化させながら優れたイメージを得ることができる。

多様なアプローチ状況でのＦ－Ｄカーブ

図５は、アプローチされる地点によるＦ－Ｄカーブを示す図であり、図６は、上部角部分で多様なアプローチ状況によるＦ－Ｄカーブを示す図であり、図７は、側壁に接触しながらアプローチされる状況によるＦ－Ｄカーブを示す図であり、図８は、チップが側壁とは接触せずに底にアプローチされる状況によるＦ－Ｄカーブを示す図である。

図５から図８を参照して、深くて狭いトレンチ構造の測定において、アプローチ動作時に発生し得る様々な状況について説明する。

まず、図５を参照すると、チップ１１２は、Ａのような上部平面部分、Ｂのような上部角部分、Ｃのような側壁部分、Ｄのような下部平面部分にアプローチされ得る。

Ａのような上部平面部分のアプローチの場合、チップ１１２と測定対象１の距離Ｄが減少するほど（即ち、アプローチ動作が進行するほど）、チップ１１２と測定対象１間の力が作用せず、チップ１１２が測定対象１の表面にくっついた後（負の力が作用）、さらにアプローチが進行するとチップ１１２が測定対象１の表面を押すことで押し力Ｆが大きくなる。

Ｂのように上部角部分にチップ１１２の端が接触しながらアプローチが遂行される場合、チップ１１２と角部分が当たった瞬間、押し力Ｆが増加するようになり、滑りが発生しながら押し力Ｆが減少して、押し力Ｆが一時的に増加してから減少する形態が現れる。以後には側壁を接触しながらチップ１１２が下降しながら押し力Ｆが増加し、下部平面に接触すると押し力Ｆが急激に増加するようになる。

Ｃのように上部角部分にチップ１１２が当たることなく直に側壁にチップ１１２が接触した後、接触状態でチップ１１２が側壁に追随しながら下がる場合、押し力Ｆが急に増加してから減少する部分が現れることはないが、側壁との摩擦により距離Ｄによって押し力Ｆが多少大きくなる区間が存在する。

Ｄのように側壁とチップ１１２が接触することはないが直に下部平面に当たるようにアプローチが進行する場合にも、側壁との相互作用により距離Ｄによって押し力Ｆが多少大きくなる区間が存在する。

このように、ＡからＤのような状況が発生し得るが、Ａ、Ｂのような場合、大きな力－セットポイントを設定する必要がないのに対し、Ｃ、Ｄのような場合に十分でない力－セットポイント設定をすればチップ１１２が下部平面に当たる前にアプローチを中断するようになって所望の測定値を得ることができなくなる。即ち、Ｃ、Ｄのような場合にもチップ１１２が下部平面まで十分に当たるようにするために多少高い力－セットポイントを設定するようになるが、むしろＢのような場合、所望しない角での滑りが発生してチップ１１２が損傷され、所望しないデータを得るようになる。これによって、各状況別に異なる力－セットポイント設定が必要である。

図６は、上部角部分にチップが接触する多様な形態を示す。まず、チップ１１２の中心とｄ_１の間隔をもって接触する場合、角で大きな力の反作用力が作用するようになるので、滑って下がるまで大きな力が必要であり、これによってＦ－Ｄカーブで最も高いピーク（ｐｅａｋ）が形成される。ｄ_１より大きなｄ_２の間隔を有するようにチップ１１２が角と接触する場合はより小さなピークが形成され、ｄ_２よりさらに大きな間隔であるｄ_３の場合、ピークが最も小さい。

一方、Ｆ－Ｄカーブでピークを過ぎた区間ではチップ１１２が側壁を滑って下がるので、摩擦力等によりＤが小さくなるにつれてＦが漸進的に大きくなる区間が存在するようになり、チップ１１２が下部平面に当たる瞬間、Ｆが急激に増加する。

仮に、力－セットポイントをＦｓｅｔと設定しておいたとしたら、２番目と３番目の例示の場合、滑りが発生しながらチップ１１２を下部平面まで押し下げる動作が遂行されながらチップ１１２が損傷されるようになる。従って、図６のような状況では、力－セットポイントをチップ１１２が平面に当たることを基準に設定することが好ましくない。

図７を参照すると、チップ１１２が側壁に付いてアプローチされるとき、側壁と接触しながら下がる区間（２～３区間）がＦ－Ｄカーブに現れることを確認することができる。２～３区間の傾きは、側壁の粗さ、角度等によって変わり得る。

また、チップ１１２に対して側壁から摩擦による力が作用すること以外に、側壁から引力または斥力が作用する。このような側壁による力は、チップ１１２の端にのみ作用するのではなく、チップ１１２の側面にも作用して、チップ１１２に作用する力に影響を及ぼす。このような側壁による力は、チップ１１２の移動方向と反対方向に作用する。

チップ１１２が図６のように角に接触することとは異なり側壁に付く場合は、チップ１１２が下部平面まで押し下げられて初めて所望の結果を得ることができる。即ち、チップ１１２は、２～３区間を過ぎて４あるいは５の区間までは進行しなければならない。それゆえ、図６のような場合とは異なりより高い力－セットポイントが要求される。

図８の場合、側壁と当たらずチップ１１２が直に下部平面に当たるようになるが、側壁の存在によってトレンチの内部にチップ１１２の端が入る瞬間、Ｆ－Ｄカーブでの傾きの変化が発生する。もちろん、図７のようにチップ１１２に摩擦力が作用することはないが、チップ１１２と側壁が非常に近接するので相互作用による力が発生する。

チップ１１２に影響を及ぼす側壁の個数が増加すると側壁との関係で発生する力が大きくなるので、Ｆ－Ｄカーブでの傾きは増加する。即ち、１個の側壁と近接した場合と２個の側壁と近接した場合には、図８のようなＦ－Ｄカーブでの差を発生させる。

図８のような場合、低い力－セットポイントの設定は、チップ１１２が下部平面に当たる前にアプローチが完了したと判断してチップ１１２を持ち上げるエラーを導出するようになる。即ち、狭くて深いトレンチ構造では、下部平面に直接チップ１１２が接触するようになる場合でも、多少高い力－セットポイント設定が必要である。

本発明に係る力－セットポイント設定方法

上述したように、狭くて深いトレンチ構造をピンポイントモードで測定するためには、アプローチされる状況別に異なる力－セットポイントを設定することが必要である。しかし、測定対象１の形状を予め認知していても各区域別に力－セットポイントを可変的に設定することが難しいため、下記のような方法を提示する。

図９は、本発明に係る可変的力－セットポイント設定方式を示したＦ－Ｄカーブのグラフであり、図１０は、測定対象の形状による力－セットポイントを例示した図である。

図９の（ａ）は、図５のＡ状況でのＦ－Ｄカーブを示し、図９の（ｂ）は、図５のＢ状況及び図６でのＦ－Ｄカーブを示し、図９の（ｃ）は、図５のＣあるいはＤ状況、図７及び図８でのＦ－Ｄカーブを示す。

このような多様な状況でのＦ－Ｄカーブを観察するとき、力－セットポイント設定は、アプローチ動作が遂行される地点の状態に基づいて可変的に設定されることが好ましい。

具体的に、力－セットポイントは、チップ１１２と測定対象１間の距離の減少量Δｚに対するチップ１１２が測定対象１の表面を押す力の変化量ΔＦが特定値以上である場合（即ち、ΔＦ／Δｚ＞Ｋ、ここで、Ｋは、事前設定された任意の値）、決定されることが好ましい。

さらに具体的に、力－セットポイントは、下記（式１）のようにチップ１１２と測定対象１間の現在距離ｚ_{ｃｕｒｒｅｎｔ}から減少量Δｚを引いた値に対する距離で測定された力に力の変化量ΔＦを足して決定されることが好ましい。

Ｆｓｅｔ（ｚ）＝Ｆ（ｚ_{ｃｕｒｒｅｎｔ}－Δｚ）＋ΔＦ （式１）

図９のようなＦ－ＤカーブでΔＦ／Δｚは傾きとして示されるが、接近距離に比して大きな力の変化が感知されるとアプローチ動作を完了することで力－セットポイントが可変的に決定され得る。図９においては、点線のような傾きより大きな力の変化が感知されるとき、力－セットポイントが決定されるように例示される。

図９の（ａ）を参照すると、アプローチが進行してＦａを力－セットポイントとしてアプローチが完了し、比較的に低い力－セットポイントが設定される。

図９の（ｂ）を参照すると、アプローチが進行してＦｂを力－セットポイントとしてアプローチが完了し、比較的に低い力－セットポイントが設定される。即ち、角にチップ１１２が接触する場合には、側壁に滑って下がる前にアプローチが完了する。

図９の（ｃ）を参照すると、アプローチが進行してチップ１１２が側壁と接触しながら滑って下がるか、側壁からの相互作用による力が作用して緩やかに力が増加する区間ではΔＦ／Δｚが特定値Ｋより小さくてアプローチが進行し続け、初めて下部平面にチップ１１２が当たって急激に力が増加するとき、アプローチが完了する。即ち、Ｆｃのような比較的に大きな値を有する力－セットポイントが設定される。

しかし、力－セットポイントは、予め決定された最大力－セットポイントを超えないように設定されることが好ましい。ここで、予め決定された最大力－セットポイントは、Ｆｃより若干大きな値に決定することが好ましい。

ここで、Ｋは、図９の（ｂ）のような角部分にチップ１１２が接触する時に増加する力の傾きよりは小さく、図９の（ｃ）のように側壁により影響を受ける区間で増加する力の傾きよりは大きく設定されることが好ましい。このようなＫの設定は、角部分では滑って下がることを防止し、側壁と当たった時には下部平面の果てまでチップ１１２を押し下げるために必要である。例えば、Δｚが１０～２０ｎｍである場合、ΔＦが５～１０ｎＮが適正であると確認されたら、Ｋを０．５Ｎ／ｍに設定できる。

図１０を参照すると、上部角部分まで低い力－セットポイントに設定され、側壁との接触が伴いながらチップ１１２がアプローチされる区間では高い力－セットポイントが設定されることを確認することができる。

また、左側の多少広いトレンチの場合、側壁と接触することはなくても相互作用がある近い区間では最小の力－セットポイントよりは高い力－セットポイントが設定されることが分かり、中央部分では上部平面とほぼ同じ力－セットポイントが設定されることが分かる。

これに対して、右側の狭いトレンチの場合、トレンチの中央にアプローチが進行しても２個の側壁による相互作用で相対的に高い力－セットポイントが設定されることが分かる。

このように、測定対象の表面の状況によって異なる力－セットポイントを設定することで過度な押しによるチップ１１２の損傷を防止しながらも特定の部分では側壁との相互作用に耐えてチップ１１２が下部平面まで接触するようにすることで正確な測定対象１の形状を得ることができる。

以上においては、力－セットポイントでもってアプローチステップを遂行することを例示したが、これに限定されるものではない。

アプローチ動作は、特性値がセットポイントに達するように制御する動作で遂行され、セットポイントは、アプローチ動作が遂行される地点の状態に基づいて可変的に設定され得る。

ここで、特性値は、チップ１１２と測定対象１間の距離によって変化する値に定められなければならず、上で例に挙げたようなチップ１１２と測定対象１間の力（押し力）の他に多様な値に定められ得る。例えば、チップ１１２と測定対象１間に電流が発生したらその電流値であってよく、チップ１１２が振動する非接触モードである場合は、振幅値であってよい。

即ち、セットポイントは、チップ１１２と測定対象１間の距離の減少量に対する特性値の変化量、即ち、傾きが特定値以上である場合に決定されることで、アプローチ動作を制御できる。

上で説明した押し力で力－セットポイントを決定する方式が他の特性値に対しても同一に適用され得る。

以上、添付の図面を参照して本発明の実施例を説明したが、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者は、本発明のその技術的思想や必須な特徴を変更することなく他の具体的な形態で実施され得るということが理解できるだろう。それゆえ、以上において記述した実施例は、全ての面で例示的なものであり、限定的ではないものと理解すべきである。

Claims (7)

1. チップと測定対象の表面間の相互作用を測定することで前記測定対象の特性を測定する測定装置により前記測定対象の表面の特性を測定する方法であって、前記測定対象の表面に前記チップを接近させて接触させるアプローチ動作と持ち上げる動作を繰り返し遂行して前記測定対象の表面の特性を測定する方法において、
   前記アプローチ動作は、特性値がセットポイントに達するように制御される動作で遂行され、
   前記セットポイントは、前記アプローチ動作が遂行される地点の形状に基づいて可変的に設定され、
   前記特性値は、前記チップと前記測定対象間の距離によって変化する値であり、
   前記セットポイントは、前記チップの移動距離に基づく前記チップと前記測定対象間の距離の減少量に対する前記特性値の変化量が特定値が以上である場合に決定される、測定対象の表面の特性を測定する方法。
2. 前記特性値は、前記チップが前記測定対象を押す力である、請求項１に記載の方法。
3. 前記セットポイントは、力－セットポイントであり、
   前記力－セットポイントは、前記チップと前記測定対象間の距離の減少量Δｚに対する前記チップが前記測定対象の表面を押す力の変化量ΔＦが特定値以上である場合に決定される、請求項２に記載の方法。
4. 前記力－セットポイントは、前記チップと前記測定対象間の現在距離ｚ_{ｃｕｒｒｅｎｔ}から前記減少量Δｚを引いた値に対する距離で測定された力に前記力の変化量ΔＦを足して決定される、請求項３に記載の方法。
5. 前記力－セットポイントは、予め決定された最大力－セットポイントを超えないように設定される、請求項４に記載の方法。
6. チップとカンチレバーを備える探針部により、測定対象の表面を測定するように構成された原子顕微鏡において、
   前記チップが前記測定対象の表面に対してＸＹ方向に相対移動するように、前記測定対象を移動させるように構成されるＸＹスキャナ；
   前記探針部が取り付けられ得るように構成され、前記カンチレバーの振動または反りを測定できる光学システム及び前記光学システムにより得られるデータに基づいて前記チップと前記測定対象の表面間の距離を制御するように前記探針部をＺ方向に移動させるように構成されるＺスキャナを含むヘッド；及び
   前記ＸＹスキャナ及び前記ヘッドを制御するコントローラ；を含み、
   前記コントローラは、
   前記測定対象の表面に前記チップを接近させて接触させるアプローチ動作と持ち上げる動作を繰り返し遂行して前記測定対象の表面の特性を測定するように前記ＸＹスキャナ及び前記ヘッドを制御し、
   前記アプローチ動作は、特性値がセットポイントに達するように制御される動作で遂行され、前記セットポイントは、前記アプローチ動作が遂行される地点の形状に基づいて可変的に設定され、
   前記特性値は、前記チップと前記測定対象間の距離によって変化する値であり、
   前記セットポイントは、前記チップの移動距離に基づく前記チップと前記測定対象間の距離の減少量に対する前記特性値の変化量が特定値が以上である場合に決定される、原子顕微鏡。
7. 前記請求項１に記載の方法を遂行するために格納媒体に格納されたコンピュータプログラム。

Images