JPH0650750A - 力検知手段を含む走査型顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 走査されている対象表面に接近した力を検知
する細いプローブを使用した走査型顕微鏡を提供する。 【構成】 走査型イメージングシステムが開示される。
細いチップを有するプローブ１０はサンプル３０の表面
付近で配置され、表面に実質的に平行な平面にあるパタ
ーンに走査される。手段４０、５０は、実質的に走査平
面内でプローブチップを振動させるために提供される。
実質的に横方向にプローブチップに作用する剪断力は、
プローブチップの振動に変化を引き起こす。このような
変化は位置検知用光検出器８０で検出される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の背景】

【発明の分野】本発明は、走査型顕微鏡、特に走査され
ている対象の表面に接近した力を検知する細いプローブ
を使用する走査型顕微鏡の分野に関する。

【０００２】

【技術背景】近年、光学的、電気的または原子力検知に
基づいた走査型顕微鏡は、色々な学問分野に有用である
ことがわかった。例えば、このような顕微鏡の使用は、
走査型電子顕微鏡検査（ＳＥＭ）の補助に有用である。
なぜなら、ＳＥＭのコントラストメカニズムに代わるそ
れらが、表面の地形及び構成を探るために使用できるか
らである。

【０００３】鋭くとがったプローブチップがサンプル表
面の近くに持ち来たされ、かつ表面に垂直に作用する力
がチップの運動に影響を及ぼす原子力顕微鏡は開示され
ていた。例えば、１９９０年１０月１６日にG.K.Binnig
に対して発行された米国再発行特許第33,387号は、チッ
プが垂直な力の結果として偏向させられるカンチレバー
ビームに取り付けられているそのような装置を開示して
いる。別の例は、１９８９年７月２５日にD.W.Pohlに対
して発行された米国特許第4,851,671 号であり、チップ
が振動している水晶に取り付けられかつ振動周波数が垂
直な力の存在によって変えられる代替装置を開示してい
る。

【０００４】プローブチップとサンプル表面間に相対的
横運動がある場合、表面に対して垂直よりむしろ平行に
作用する力が同様に存在する。（“横”寄りは、相対的
変位が、プローブの付近でサンプル表面に対して概して
平行な成分を有することを意味する。）このような剪断
力は、例えば、チップとサンプル間の静的または動的摩
擦から発生し得る。他の剪断力は、チップとサンプル間
の空気または他の流動性媒体における粘性力として発生
する。

【０００５】剪断力を検知するプローブは、従来の垂直
力検知プローブ以上のいくつかの利点を提供することが
できる。例えば、剪断力は、垂直力が作用する間隔より
大きな、サンプル表面から測定された間隔にわたって一
般に作用する。プローブが作用できるのが表面から遠く
なればなるほど、プローブまたはサンプルを損傷する見
込みは小さくなる。また、より大きな間隔で作用するこ
とは、もっと早く走査させることが可能になる。なぜな
ら高い表面地形との衝突がもっと容易に回避されるから
である。さらに、カンチレバーが取り付けられた垂直力
プローブは、一般に横方向に相当固くなっている必要が
ある。対照的に、剪断力プローブは、その方向に沿って
はるかに曲げやすくなっていても良く、サンプルの表面
地形の壁との横衝突による損傷の見込みを減じる。

【０００６】限定された状況において、サンプル表面に
平行に方向付けられる力を検知するプローブは、１９９
１年２月１２日にD.W.Abraham 等に発行された米国特許
第4,992,659 号に開示されていた。その特許は、走査さ
れるサンプル内の磁界を検知するのに適応したプローブ
を有する走査型トンネル方式顕微鏡を開示している。サ
ンプル内の磁界は、サンプル表面に平行なプローブのロ
ーレンツ力を生じるように、プローブ内のトンンネル電
流に作用する。このようなプローブは、磁気性を帯びた
金属サンプルに対する使用に限られ、従来の垂直力検知
プローブと同様なプローブまたはサンプル損傷の危険に
さらされる。その利点にもかかわらず、当該分野におけ
る専門家は、これまで多目的剪断力検知プローブを提供
するのに失敗してきた。

【０００７】

【発明の概要】我々は、サンプル表面の少なくとも一部
を走査するために使用されるべき剪断力検知プローブを
含む走査型イメージングシステムを発明した。したがっ
て、本発明のシステムは、縦軸とチップを有する細いプ
ローブを含む。また、システムは、表面付近にプローブ
チップを位置決めするための手段と、表面に関してプロ
ーブチップを変位させるための手段を含む。相対的なチ
ップ変位は、この後“走査面”と呼ばれる面に実質的に
ある、ラスター走査のような走査パターンを含む。走査
面は、走査される表面部分に実質的に平行な状態にあ
る。また、変位手段は、少なくとも１つの振動周波数で
表面に関してプローブチップを振動させるための手段を
含む。プローブチップが振動する従来の走査システムと
対照的に、本発明システムによる相対的チップ振動は走
査面内に実質的にある。システムは、さらに、位置検知
用光検出器と、プローブチップにおける振動の変化が検
出できるように、位置検知用光検出器上にプローブチッ
プを光学的にイメージさせるための手段とを含む。

【０００８】

【詳細な説明】本発明の目下好適な実施態様は、図１に
関して今述べられる。サンプル３０を支持するための台
２０と、サンプルに関してプローブを変位させるための
手段４０及び５０と共に、プローブ１０が用意される。
変位手段は、典型的に、少なくとも１つの横方向（図に
示されたＸまたはＹ）及び／または垂直方向（示された
Ｚ）にサンプルまたは台を変位させることができる圧電
型アクチュエーターである。光源６０はプローブチップ
７０を照明するために用意され、位置検知用光検出器８
０は、プローブチップからの光を検出すると共にプロー
ブチップの変位を検知するために用意される。

【０００９】剪断力は、検出が可能な数箇所において、
サンプル表面に関するプローブチップの運動に影響を及
ぼす。例えば、横への周期的（例えば正弦的）振動は、
アクチュエーター４０によってプローブチップに容易に
伝えられる。（このような振動する運動はこの後“身震
い”運動と呼ばれるであろう。）剪断力が存在する場
合、振動振幅は、チップがサンプル表面に近づくにつれ
て変化する。加うるに、駆動電圧に関する振動の位相
は、チップが表面に近付くにつれて変化するのが観察さ
れる。振幅変化及び位相変化は共に容易に観察される。
どちらのタイプの変化も、または双方の組み合わせも、
帰還及びイメージングに有用である。

【００１０】プローブは、一般的に、ある共振周波数に
おける少なくとも１つの機械的共振を有するであろう。
（重要な共振は、駆動周波数の変動に関する、振動する
振幅の局部的最大点に相当するであろう。）また、共振
周波数は剪断力により影響を及ぼされるであろう。プロ
ーブが共振に近い周波数で振動する場合、剪断力は駆動
周波数の近くかまたは遠くのいずれかに共振をシフトす
るであろう。結果として、プローブチップの振動振幅は
それぞれ増すか減るかするであろう。振幅及び位相は共
に、このような共振に近い駆動状態下にある剪断力に対
して特に感度が良い。これは、プローブが高いＱ（すな
わち品質ファクター）値を有するように容易に作られる
ため、とりわけ本当である。したがって、例えば、共振
に近い周波数でプローブ振動を駆動することが有利にな
り得る。振幅検出に適切な周波数は、例えば、プローブ
チップがサンプル表面から遠い場合、共振曲線が非常に
急勾配であるため共振における（局部的最大）振幅の約
７０％である振動振幅を生じる。また一方では、位相
は、ちょうど共振における駆動周波数に対して最も感度
が良い。したがって、位相検出に好適な周波数はほぼ共
振のところにある。

【００１１】本発明の技術は、非常に小さな剪断力に対
してさえ感度が良い。なぜなら、なかんずく、プローブ
チップの適切な弾性定数は非常に小さく、すなわち典型
的には０．１〜１０００Ｎ／ｍであり、また、振動中の
ピークピーク変位は、プローブチップがサンプル表面か
ら遠い場合（すなわち剪断力が無視できる場合）典型的
にほんの約５０〜１００ であり、プローブチップが表
面を検知している場合は一般的に一層小さくなるからで
ある。低弾性定数、高Ｑ値及び小振動変位の追加的かつ
望ましい結果は、この技術が比較的にサンプル及びプロ
ーブチップを破壊しないことである。

【００１２】模範的な検出スキームにおいて、チップ７
０は、例えばレンズ９０により位置検知用検出器８０上
に光学的にイメージされる。このような検出器は、例え
ばギャップの両側に配置された１対のフォトダイオード
を含む。ダイオード１００、１００′のこのような配置
は図２に示される。（かけがえとして、２次元的感度の
ために、４個のフォトダイオード１０１〜１０４が、図
３に示されるように、十字形状のギャップで分離された
四辺形の配置状態で容易に提供される。）代替検出器
は、図１に示されるように、ピンホール１２０を通過す
るような光のみを検出するように配置された光電子増倍
管１１０を含む。チップは、図４に示されるように、身
震い運動の方向における小さな横方のオフセット１３０
があるほかは、ピンホール上へ光学的にイメージされ
る。オフセット量は、プローブチップが所定の身震い振
幅で身震いする時、光電子増倍管出力の（身震い周波数
における）ａｃ成分を最大にするように適応される。
（このことについて、絶対ａｃ信号は、対応するｄｃ信
号に対して正規化されたａｃ信号よりむしろ典型的に最
大にされることが注目されるべきである。）（強い輪郭
として図に示される）プローブチップのイメージは、典
型的に、レンズ９０の倍率によって拡大された、回折が
制限されたスポットになるであろう。ピンホールの直径
は、典型的に、この（拡大された）スポットの直径に等
しくなるであろう。オフセットは、典型的に、静止イメ
ージから最大ｄｃ信号の約７０％を与えるのにちょうど
足りるであろう。

【００１３】本発明技術の１つの利点は、プローブチッ
プの変位が直接的に測定されるということである。結果
として、プローブチップの位置における規則正しくまた
はゆっくりと変化するエラーは、容易に検出され、訂正
される。このようなエラーは、例えば、圧電型アクチュ
エーターの非直線作用から、またはプローブチップとサ
ンプル上の近くの表面地形の垂直な壁との間の横方の引
力から生じ得る。チップをイメージさせるために用いら
れる光は、図５に示されるように、外部ソース１４０か
らチップ上へ容易に当てられる。かけがえとして、チッ
プが、図１に示されるように、光ファイバーで作られて
いる場合には、手段１５０が、プローブチップの先端部
でファイバー内に光を結合するために容易に提供され、
イメージング用の光はチップより発した光となる。この
ような内部照明は、それを用いることができる場合は、
光学的検出を使用する他力型顕微鏡に相当な利点を提供
する。なぜなら、光スポットはチップに拘束されたまま
となり、チップが移動する度に再調節する必要がないか
らである。しかしながら、プローブが、例えばタンブス
テン線を電気化学的にエッチングすることにより、不伝
導性の物質で作られている場合には、内部照明は使用で
きず、代わりに外部照明を使用しなければならない。

【００１４】光ファイバーは、近視野走査型光学顕微鏡
検査（ＮＳＯＭ）に関連して特に有用である。すなわ
ち、剪断力プローブ及びＮＳＯＭプローブとして、同一
プローブを使用できる。さらに、光学的ＮＳＯＭコント
ラストメカニズムの代わりのコントラストメカニズムを
提供するために、動作の剪断力モードは、ＮＳＯＭイメ
ージングの間、サンプル上のほぼ一定な高さにプローブ
を維持するための帰還信号を供給することができる。こ
のような帰還の利用は、ＮＳＯＭイメージ及びコントラ
ストを改善すると共に、走査される表面の垂直輪郭をプ
ローブにたどらせるため、有利である。

【００１５】ＮＳＯＭ用光ファイバープローブは、単一
モードまたは多モードファイバーのいずれかで容易に作
られる。単一モードファイバーは、一般的により良い信
号強度と信頼性と空間的解像度を提供するため、好適で
ある。内部照明された光ファイバープローブが使用され
ることになった場合は、金属被覆のないファイバーを使
用するのが一般的に好適である。なぜなら、このような
被覆は信号強度を減じる傾向があるからである。しかし
ながら、このルールには重要な例外がある。それは、剪
断力検出とＮＳＯＭの両方に同一のファイバープローブ
が使用されることになった場合である。光ファイバープ
ローブを使用するＮＳＯＭイメージングのためには、金
属、もっと一般的には、ファイバーに導かれた電磁放射
線に関して比較的小さな浸透度を有する不伝導性物質
で、前記プローブの少なくとも末端部分を被覆すること
が有利である。不伝導性の被覆１６５は図６及び７に示
される。内部照明されたＮＳＯＭプローブの場合には、
被覆されたファイバーが使用されているという事実にも
かかわらず、ＮＳＯＭイメージング及び剪断力検出用に
同じ光を利用することが有益になり得る。

【００１６】ＮＳＯＭ及び剪断力検出が組み合わされて
いる場合、内部または外部照明のいずれかを使用して、
検出光のｄｃ成分はＮＳＯＭイメージを作るのに使用で
き、それと同時に、正規化されたａｃ成分は、剪断力イ
メージを作るかまたは剪断力帰還信号を供給するために
使用できる。（正規化されたａｃ成分は、ｄｃ成分で割
られた絶対ａｃ成分である。正規化は、例えばサンプル
の伝導性の変化を補償するために必要である。）かけが
えとして、ビームスプリッターを、プローブチップから
の光が位置検知用検出器に達する前にそれのいくらかを
わきへそらし、また代わりに、ＮＳＯＭイメージング用
の別の光検出器へそれを向けるために使用しても良い。
このようなスキームは、ピンホールを通過したＮＳＯＭ
信号へ低周波雑音を別の方法で加えるかも知れない機械
的振動の影響を減じることにより、ＮＳＯＭイメージの
信号対雑音比を改善し得る。

【００１７】ＮＳＯＭイメージング及び剪断力検出の両
方のために同一波長を用いることができるが、特に超高
感度が要求される場合は、別々の波長を使用するのが有
益である。このような場合、ＮＳＯＭ用光検出器から剪
断力用波長を除外しかつ剪断力用光検出器からＮＳＯＭ
用波長を除外するために、スペクトル濾波が使用される
であろう。このような配置において、剪断検出用波長
は、外部光源から到来し、典型的に、例えば顕微鏡対物
レンズによってプローブチップ上の回折が制限されたス
ポットにフォーカスされるであろう。

【００１８】上述のように、剪断力検出による帰還は、
サンプル表面から一定の、または近似的もしくは推論的
に一定の、間隔にプローブチップを維持するために、Ｎ
ＳＯＭにおいて有益である。これを達成するための便利
な１方法は、同じプローブがＮＳＯＭイメージング及び
剪断力検出の両方に使用される際、ＮＳＯＭ走査の間、
剪断力信号を一定に維持することである。剪断力信号の
変化は、該信号を予定レベルに復帰させるためにサンプ
ル上のチップの高さを調整する（図１に示される）アク
チュエーター４０またはアクチュエーター５０の垂直
（すなわちＺ成分）変位能力を使用する閉ループ配置に
使用される。

【００１９】図８に図解したように、剪断力検知に用い
られる身震い運動１６０は、ＮＳＯＭ走査のラスター運
動１７０に容易に乗せられる。したがって、プローブチ
ップとサンプル間の総合の相対的運動は、ラスター成分
と身震い成分の和になる。相対的運動は、もっぱらサン
プルを動かすか、もっぱらプローブを動かすか、または
その２つの組み合わせによって提供できる。身震い周波
数は、ＮＳＯＭイメージにおける適切な信号対雑音比を
提供するのにまったく不足ないものであるべきである。
その目的のため、身震い周波数をＮＳＯＭ走査のピクセ
ル周波数より大きくすることがしばしば望ましい。

【００２０】例えば、有益なラスターパターンは、低速
走査軸に沿ってサンプルを動かすこと（図８の駆動波形
１８０）及び高速走査軸に沿ってプローブを動かすこと
（駆動波形１９０）によって容易に発生する。このよう
な場合、位置検知用光検出器は高速軸に沿った変位を調
べるのに感度が悪くなり、結果的に身震い運動は低速走
査軸に対して平行に方向づけられるはずである（駆動波
形２００）。かけがえとして、高速及び低速軸の両方に
沿ってサンプルを動かすことによってラスター運動を引
き起こすことは、もっと簡単だが一般的にもっと遅くな
る。このような場合、対比により、（次に必然的にプロ
ーブに加えられる）身震い運動は、高速軸方位または低
速軸方位または中間方位すら取り得る。

【００２１】結合したＮＳＯＭイメージングと剪断力イ
メージングに使用されるべきプローブは、好ましくは先
細とされた光ファイバーで作られる。言及したように、
ファイバーに伝わる電磁放射線を制限するために、少な
くとも先細部分におけるファイバーの外側に不伝導性の
被覆を備えることが望ましい。このような被覆は、ＮＳ
ＯＭイメージングに用いられる波長の電磁放射線に関し
て小さな浸透深さを有するべきである。可視波長のた
め、アルミニウム被覆がこの目的に有益である。（今
後、用語「光」は、可視波長のみならず赤外及び紫外波
長の電磁放射線も意味するように用いられる。）適切な
ＮＳＯＭプローブと、ＮＳＯＭイメージングの方法は、
１９９１年１０月１０日R.E.Betzig等により出願された
同時継続米国特許出願第07/771,413号に詳細に開示され
ている。

【００２２】図６及び７に関して、ファイバー２１５の
先細とされた端部２１０は、ファイバーの縦軸に実質的
に垂直に方向づけられた実質的に平らな面２２０で終わ
る。光学的開口部２３０は２つの方法のうちの１つを用
いて端部平面のところに限定される。図６に示される第
１の方法において、端部平面は不伝導性の被覆を単にむ
き出したままとし、その結果実質的に端部平面の全体領
域はファイバーに電磁放射線を入れることができる。図
７に示される第２の方法においては、不伝導性の被覆
は、事実上、ファイバープローブの両側面と同様に端部
平面に付けられている。その場合、端部平面より小さい
開口部が、端部平面の中央でまたはその近くで不伝導性
の被覆物質を円形の範囲に除外または除去することによ
って限定される。

【００２３】プローブがＮＳＯＭイメージングを除いた
剪断力イメージングに使用されるべき場合は、光ファイ
バーでプローブを作る必要はない。約１０００Ｎ／ｍ以
下の適切な弾性定数と、望ましい空間解像度を提供する
に足る細さのプローブチップを形成する能力とが必要な
だけである。したがって、言及したように、有益なプロ
ーブは、例えば電気化学的にエッチングされたタングス
テン線から容易に作られる。しかしながら、いくつかの
理由で、光ファイバーを使用することが好ましく、また
単一モード光ファイバーを使用することが一層好まし
い。例えば、光ファイバーで作られるプローブは、簡単
かつ費用がかからず、非常に再現しやすい結果を与える
簡単なプロセスにより作ることができる。ファイバープ
ローブは、非常に小さいチップ直径まで容易に引き下ろ
される。すなわち、例えば、単一モードファイバーは直
径約１００ ほどの小さいチップまで引き下ろされる。
さらに、約１０°またはそれ以下の小さい（頂角の１／
２として限定された）先細角度は、このような引かれた
ファイバーのチップの付近で容易に作られる。

【００２４】さらに、ファイーバープローブの製造を結
果として生じる引っ張りプロセスは、高められた解像度
用のきわめて尖ったチップを作るのに容易に適応でき
る。すなわち、乳首状のもの２４０（図９参照）または
尖ったエッジ２５０を有する端部平面（図１０参照）状
態の末端部をなすチップは、容易に作られる。乳首状の
チップは、２つの望ましい特性を合わせ持つので特に有
益である。第１に、それは、高解像度を与えかつサンプ
ル表面に狭い割れめを貫くために、非常に薄く作ること
ができる。第２に、それは、比較的短く作ることがで
き、その結果、薄いけれども望ましい周波数で振動させ
るに足る固さにまだなっている。

【００２５】尖ったエッジを有する端部平面がファイバ
ーの縦軸に垂直に方向づけられている場合は（通常はこ
の場合である）、ファイバーはエッジをサンプル表面に
向けるために傾けなければならない。しかしながら、図
１１に示されるような、かぎ状のチップ２６０を有する
ファイバープローブは容易に作られ、プローブの末端部
分は、プローブの残部が表面に対して垂直に方向づけら
れる時でさえサンプル表面にエッジを向けるために曲げ
られる。これに関して、ファイバープローブがＮＳＯＭ
イメージングを除いた剪断力イメージングに使用される
べき場合は、不伝導性の被覆は、プローブの有効性を実
質的に減らすことなく省くことができることが注目され
るべきである。

【００２６】さらに、一般に好適とされた実施例におい
て、プローブの縦軸はサンプル表面に対して実質的に垂
直になっているが、このような垂直は必須の必要条件で
はないことが注目されるべきである。言及したように、
垂直なプローブは、横方向に曲げやすくなっており、し
たがって垂直な表面地形に向かう衝突損傷を好便に回避
する。ある場合は、垂直方向における衝突から損傷を回
避するため、またはかぎ状に曲げられたプローブチップ
を形成することなくサンプル表面付近に端部平面の尖っ
たエッジを持ち来すため、サンプルに関してプローブを
傾けることが望ましいかも知れない。このような目的の
ために、プローブの縦軸は、約４５°乃至約９０°のサ
ンプル表面に対する角度を有効に示し得る。

【００２７】種々の照明配列がＮＳＯＭイメージングに
有用である。照明伝播配列においては、光は、プローブ
より発せられ、サンプルを介する伝播後検出される。照
明反射配列においては、光は、プローブより発せられ、
プローブに最も近いサンプル面からの反射後検出され
る。（いずれの場合も、検出される光は、かけがえとし
て照明光によって刺激される蛍光性の放射になり得
る。）収集伝播配列においては、外部ソースからの光
は、サンプルを介して伝播され、プローブによっ集めら
れる。収集反射配列においては、収集プローブは、外部
光源と同じサンプル面に位置を定められる。いずれのＮ
ＳＯＭ配列においても、十分な光が、剪断力検出が可能
になるようにプローブチップによって、一般的に反射さ
れ、発せられ、または散乱させられる。言及したよう
に、予備光源が、高められた感度を伴う剪断力検出のた
めに容易に提供される。

【００２８】身震い運動の振幅は、プローブチップがサ
ンプル表面から離れている時（すなわち、表面剪断力影
響が無視できる時）は、約５０ が好ましく、適当な帰
還レベルにおいては約５ 〜１０ が好ましい。

【００２９】上述のように、身震い周波数は、プローブ
の共振周波数に一致またはほぼ一致するように有効に調
整される。共振周波数はプローブチップの長さ、直径及
び形状を調節することにより合わせることができる。こ
のような調節は、固いホルダーから伸び出るファイバー
プローブの末端部分の長さを変えることにより達成され
る調節と同様に、ファイバー引っ張り状態を変更するこ
とにより達成される調節を含む。（これに関して、この
ような調節は一般的にさらに弾性定数に影響を及ぼすこ
とが注目されるべきである。）プローブが共振において
またはその近くにおいて駆動される場合、チップ振動の
振幅及び位相は両方とも剪断力に対して特に感度が良
い。概して、共振駆動されたチップのＱ（すなわち品質
ファクター）が高ければ高いほど、剪断力に対する感度
は高くなるであろう。身震い周波数の選択は２つの効果
間の交換を含み得る。一方では、より高い周波数の選択
はより早い走査を可能にするために望ましい。他方で
は、より高い身震い周波数は、サンプル表面上のより高
い高さに帰還するために少なくともいくつかの場合に現
われ、その結果劣った空間的解像度を生じる。したがっ
て、周波数の選択は速度及び解像度間の妥協を含み得
る。言及したように、位置検知用光検出器は、剪断力信
号の検出のために用意される。光検出器出力は身震い周
波数におけるａｃ成分を有するであろう。この成分は剪
断力によって影響を及ぼされる。振幅及び位相情報は共
に、基準信号及びその９０°位相差信号とでａｃ成分を
復調することにより、それから容易に得られる。

【００３０】位相情報は、プローブチップに働く剪断力
の変化に対する位相の応答が実質的に瞬時であり、かつ
その位相が（不必要な振動の形態の）機械雑音に対して
比較的感度が悪いため、特に有益である。帰還目的のた
め、サンプル表面上のプローブチップの高さは、予定限
界以内の、振幅、または位相、または振幅及び位相の結
合された関数を維持するように連続的に調節される。さ
らに、振幅か位相のいずれか、またはその両方は、イメ
ージ発生に有益である。高い走査速度が重要なところで
は、少なくとも１つの走査方向にサンプルよりむしろプ
ローブチップを動かす方が望ましい。したがって、例え
ば、サンプルは低速走査軸（図８のＹ軸）に沿って動か
され、プローブは、高速走査軸（図８のＸ軸）に沿って
動かされると共に、低速走査軸（すなわちＹ軸）と平行
に身震いさせられるであろう。ここで図１２に転じて、
外部照明されたプローブチップがラスターパターンの一
部として走査される場合は、動いているチップ２９０上
へ（静止した）ソース２８０からの（身震い検出用の）
光を向けるために、圧電駆動された偏向ミラー２７０の
ような手段を備えることが必要であろう。このような偏
向ミラーは、例えばプローブの走査運動を駆動する同一
電圧に関する開ループ制御回路によって駆動できる。か
けがえとして、帰還メカニズムは、プローブチップが
（高速）走査軸に沿って進むにしたがって、閉ループ制
御の下で偏向ミラーがそれを追跡するのを可能にするよ
うに提供され得る。

【００３１】言及したように、ラスター走査の１つの成
分、例えば高速軸成分が、プローブを動かすことにより
引き起こされた場合、位置検知用光検出器はプローブ運
動のラスター成分に対して感度が悪くなるはずである。
このような場合、模範的なフォトダイオード検出器は、
高速軸に平行に延長された挟いギャップ３１０で分離さ
れた１対の延長されたフォトダイオード３００、３０
０′を含むであろう。このような配置は、ギャップに垂
直な成分を有する変位（例えば低速軸に沿った成分を有
する変位）に対してのみ感度が良いので、低速軸に沿っ
た身震い運動を検出するが、プローブチップのラスター
運動を検出しないであろう。同様に、模範的な光電子増
倍管検出器は、ピンホールの代わりにスリットを含むマ
スクを含むであろう。フォトダイオードギャップのよう
に、スリットは、典型的には高速軸である感度の悪い軸
に平行に方向づけられるであろう。

【００３２】本発明のイメージングシステムは、なかん
ずく製造分野における応用を有する。例えば、多くの製
造プロセスは基板表面にパターンを描くことを含む。こ
のような基板は、例えば半導体ウェハである。このよう
な基板上に形成される典型的パターンは、金属沈積と、
それに続いて行われるレジスト物質の沈積、化学線の放
射に対するレジストの選択的露出、現像、及びエッチン
グとによって形成される金属導体のパターンである。こ
のようなプロセスは、試行錯誤を経てしばしば最適化さ
れるに違いないプロセスパラメーターにより特徴付けら
れる。したがって、１枚またはそれ以上の基板が典型的
に試験目的のために処理される。初期のプロセスパラメ
ーターに従ってこのような基板に形成されたパターンは
試験され、導体の線幅のような、１つまたはそれ以上の
固有寸法が測定される。固有寸法が予定仕様に適合しな
い場合は、１つまたはそれ以上のプロセスパラメーター
は、その後処理される基板を適合に至らしめるように変
更される。このような固有寸法は、本発明システムの手
段により、イメージングパターンが施された表面または
それの一部によって容易に測定される。

【００３３】

【実施例】コア及びクラッドの直径がそれぞれ３．０μ
ｍ及び８０μｍ、カットオフ波長が４５０ｎｍ、及び開
口数が０．１２である光ファイバーが１メートル分用意
された。このファイバーの一端から数インチの被覆物が
はがされ、そしてその先端部が、Sutter Instrument C
o. で製造されたモデルＰ−８７マイクロピペット引き
抜き器中の、注文で作られた取付けブロックを使用して
取り付けられた。ファイバーは、５０ワットのｃｗ 炭
酸ガスレーザーで加熱され、以下のプログラムの下で引
っ張られた。引っ張り力＝２５５、速度＝４、時間＝
１。その結果、望ましいプローブチップを含んだ長いフ
ァイバー部分と、捨てられる短い部分とが生じた。チッ
プの形態は、引っ張りパラメーター、レーザーフォーカ
ス、ビームパワー、または引っ張られるファイバーに関
するレーザービームの位置を変更することにより変える
ことができることがわかった。

【００３４】次に、ファイバープローブは、以下に説明
されるように、図１３に略図的に表わされたシステムに
組み込まれた。取扱の都合上、ファイバー端部は、長さ
の短いガラス毛管の中を通され、毛管の端部から突き出
る、プローブチップを含むファイバーの末端部分で適宜
接着された。プローブチップの共振周波数及び弾性定数
は、先細の長さ、先細部分の直径、及び毛管から伸び出
るファイバーの量を変更することにより調節することが
できることがわかった。毛管は、順番に機械的精密位置
決め器に取り付けられた圧電管４００に付属したホルダ
ーに取り付けられた。光ファイバーの後端は、精密位置
決め器の後部を通され、はがされ、そしてファイバー接
続器４１０に接続された。ファイバーには、ファイバー
接続器を介して、典型的に５１４ｎｍの波長で動作しか
つ典型的に１０マイクロワット乃至１ミリワットの範囲
のビームパワーを有するアルゴンイオンレーザー４２０
が供給された。ガラスカバー片上に回転沈積された複数
のポリスチレン球でできた薄膜からなるサンプルが用意
された。球の平均直径は１９０ であった。サンプル
は、第２の圧電管４３０に付属したホルダー上に取り付
けられた。

【００３５】粗調整は、側視型の従来の顕微鏡及びプロ
ーブとほぼ同軸に調節された従来の顕微鏡とを用いてプ
ローブチップを観察すると同時に、機械的精密位置決め
器の手段によりプローブチップを動かすことによって実
行された。また、同軸顕微鏡の対物レンズ４４０は、剪
断力検出用のプローブチップからの光を集めるのに役立
った。位置検知用検出はピンホールマスク４６０と光電
子増倍管４５０により行われた。５０μｍのピンホール
の直径が使用された。この直径は、プローブチップから
イメージされた拡大光スポットのサイズにほぼ等しかっ
た。粗調整中、プローブチップは収集対物レンズに対し
て中心にくるように合わせられ、ピンホールは、最初プ
ローブチップのマスク上のイメージに関して中心にくる
ように合わせられた。

【００３６】光電子増倍管の出力は、分配器回路４７０
のＡ及びＢ入力チャンネルに供給された。光電子増倍管
とＢ入力の間に、ローパスフィルターがそのチャンネル
からａｃ成分を除去するために用意された。分配器の出
力は、正規化されたａｃ信号を表わすＡ／Ｂ比となっ
た。正規化されたａｃ信号はロックイン増幅器の信号入
力に供給され、身震い運動を駆動するための、周波数シ
ンセサイザー５００で発生した波形が、ロックイン増幅
器の基準入力に供給された。ロックイン増幅器の出力は
復調された剪断力信号に相当した。ロックイン増幅器は
典型的に０．１ｍｓの出力時定数を有した。

【００３７】次に、プローブチップは、第１の共振周波
数以下であることが知られている周波数で任意の横方向
に身震いさせられた。次に、ピンホールは、その最大値
の約０．７倍に、ピンホールを通過後集められたｄｃ信
号を減じるために、身震い運動においてオフセットされ
た。次に、身震い周波数は、復調された信号中の尖った
立ち上がりがプローブが共振的に駆動されていることを
示すまで増加された。プローブ共振は、それらの高いＱ
値で他のシステム共振から容易に識別されることがわか
った。典型的な共振周波数は約８０ｋＨｚであった。次
に、身震い振幅は約５０ に調整された。

【００３８】次に、サンプル表面上のプローブチップの
高さは、機械的精密位置決め器を使用して約２μｍ以下
に減じられた。次に、ピンホール、収集対物レンズ及び
プローブチップは、上述のオフセット位置に再調節され
た。次に、帰還ループは、強制を受ける、サンプル圧電
管を経たプローブチップの高さ（すなわちＺ成分）を制
御するために、従来の帰還電子工学５１０を使用するこ
とによりもたらされた。強制は、（復調された信号によ
り表わされるような）身震い振幅が、自由空間（すなわ
ちサンプルから離れた）状態の下での身震い振幅のある
一部分（典型的に０．１〜０．５の範囲）でなければな
らないことであった。次に、ラスター操作が開始され
た。サンプル圧電管のＺ入力は、数値化され、従来の映
像表示手段を使用して表示された。典型的な走査速度に
おいて、２５６×２５６ピクセルイメージは０．８μｍ
×０．８μｍの範囲にわたって１５秒走査された。その
結果生じたイメージは図１４に示される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のイメージングシステムの模範的実施態
様の概略図である。

【図２】位置検知用光検出用の模範的手段の概略図であ
る。

【図３】位置検知用光検出用の代替手段の概略図であ
る。

【図４】位置検知用光検出用のピンホールマスクを調節
するための好適な方法の概略図である。

【図５】本発明の一実施態様による、プローブチップの
外部照明用の光学的配置の概略図である。

【図６】剪断力検知と同様に近視野走査型光学顕微鏡に
有用な模範的プローブの概略図である。

【図７】剪断力検知と同様に近視野走査型光学顕微鏡に
有用な模範的プローブの概略図である。

【図８】本発明の一実施態様による、ラスター走査とサ
ンプルに関してプローブを振動させるための模範的配置
の概略図である。

【図９】代替プローブチップ形状の概略図である。

【図１０】代替プローブチップ形状の概略図である。

【図１１】代替プローブチップ形状の概略図である。

【図１２】プローブチップがラスター走査の一部として
動かされる場合の模範的な光学的配置の概略図である。

【図１３】模範的な電子的信号処理回路を含む、一実施
態様における本発明のイメージングシステムの概略図で
ある。

【図１４】図１３のイメージングシステムによって生じ
た模範的イメージである。

【符号の説明】

１０ プローブ ２０ サンプル支持台 ３０ サンプル ４０、５０ 変位手段 ６０ 光源 ７０ プローブチップ ８０ 一検知用光検出器

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくともサンプル表面の一部を走査す
   るためのシステムであって、縦軸及びチップを有するプ
   ローブと、表面付近にプローブチップを位置決めするた
   めの手段と、走査パターンが、表面の一部に実質的に平
   行な状態にある走査面と呼ばれる面に描かれるように、
   表面に関してプローブチップを変位させるための手段
   と、表面に関してプローブチップを少なくとも１つの振
   動周波数で振動させるための手段とからなるシステムに
   おいて、 振動手段は、実質的に走査面内でプローブチップを振動
   させるのに適応し、 前記システムは、さらに、 位置検知用光検出器と、 プローブチップの振動変化が検出できるように位置検知
   用光検出器上にプローブチップを光学的にイメージさせ
   る手段とを含むことを特徴とするシステム。
2. 【請求項２】 走査面は縦軸に対して実質的に垂直にな
   っている請求項１記載のシステム。
3. 【請求項３】 プローブは、第１及び第２の端部を有す
   る光ファイバーの先細とされた末端部分からなり、第１
   の端部はプローブチップと実質的に同一の外延を持って
   いる請求項１記載のシステム。
4. 【請求項４】 さらに、光源と、第２のファイバー端部
   に前記光源からの光を結合するための手段を含む請求項
   ３記載のシステム。
5. 【請求項５】 少なくとも光ファイバーの先細とされた
   末端部分は、光ファイバーに導かれ得る電磁放射線の少
   なくとも数波長に対して不伝導性の物質で被覆される請
   求項３記載のシステム。
6. 【請求項６】 光ファイバーは単一モードファイバーで
   ある請求項３記載のシステム。
7. 【請求項７】 プローブは少なくとも１つの機械的共振
   周波数を有し、振動手段は共振周波数でまたは共振周波
   数の近くでプローブを振動させるのに適応する請求項１
   記載のシステム。
8. 【請求項８】 位置検知用光検出器は出力信号を発生
   し、システムは、さらに、前記出力信号を受信すると共
   に、プローブ振動の振幅及び／または位相の変化が検出
   できるように前記出力信号を処理する位相検知用検出器
   を含む請求項１記載のシステム。
9. 【請求項９】 共振周波数は、振動周波数の変動に関す
   るプローブチップの局部的最大振動振幅に対応し、振動
   手段は、局部的最大点の約７０％の振幅に対応する周波
   数でプローブを振動させるのに適応し、位置検知用検出
   器は出力信号を発生し、システムは、さらに、前記出力
   信号を受信すると共に、プローブ振動の振幅の変化が検
   出できるように前記出力信号を処理する位相検知用検出
   器を含む請求項７記載のシステム。
10. 【請求項１０】 共振周波数は、振動周波数の変動に関
    するプローブチップの局部的最大振動振幅に対応し、振
    動手段は、局部的最大点にほぼ等しい振幅に対応する周
    波数でプローブを振動させるのに適応し、位置検知用検
    出器は出力信号を発生し、システムは、さらに、前記出
    力信号を受信すると共に、プローブ振動の位相の変化が
    検出できるように前記出力信号を処理する位相検知用検
    出器を含む請求項７記載のシステム。
11. 【請求項１１】 プローブは、振動するチップ変位に関
    して約１０００Ｎ／ｍ以下の弾性定数を有する請求項１
    記載のシステム。
12. 【請求項１２】 位置検知用光検出器は出力信号を発生
    し、システムは、さらに、 ａ）出力信号から帰還信号を引き出すための手段と、 ｂ）プローブチップが走査パターンにおいて変位してい
    る間、帰還信号が実質的に一定に維持されるように、プ
    ローブチップとサンプル表面間の間隔を制御するための
    手段とを含む請求項１記載のシステム。
13. 【請求項１３】 さらに、出力信号または帰還信号から
    映像表示信号を引き出すための手段と、前記映像表示信
    号を表わす２次元的イメージを表示するための映像表示
    手段とを含む請求項１２記載のシステム。
14. 【請求項１４】 第１及び第２の端部と該第１の端部を
    含む先細とされた末端部分とを有する光ファイバーと、
    サンプル表面付近に前記第１の端部を位置決めするため
    の手段と、表面部分が走査されるように、表面の一部に
    実質的に平行な、走査面と呼ばれるべき面にあるラスタ
    ーパターンにサンプルに関して前記第１の端部を変位さ
    せるための手段とからなる近視野走査型光学顕微鏡にお
    いて、さらに、 ａ）表面に関してプローブチップを振動させるための手
    段であって、その振動の方向が実質的に走査面内にある
    手段と、 ｂ）出力信号を発生することができる位置検知用光検出
    器と、 ｃ）プローブの振動の少なくとも少しの変化が出力信号
    の変化を引き起こすように、位置検知用光検出器上にプ
    ローブチップを光学的にイメージさせるための手段と、 ｄ）出力信号から帰還信号を引き出すための手段と、 ｅ）第１の端部がラスターパターンに変位している間、
    帰還信号が実質的に一定に保たれるように、第１の端部
    とサンプル表面間の間隔を制御するための手段とを含む
    ことを特徴とする近視野走査型光学顕微鏡。
15. 【請求項１５】 ａ）各々がパターンを描かれるべき表
    面を有する多数の半導体本体を供給する工程と、 ｂ）少なくとも１つのプロセスパラメーターを設ける工
    程と、 ｃ）固有面積を有するパターンが半導体本体の表面に形
    成される程度に、プロセスパラメーターに従って少なく
    とも第１の半導体本体を処理する工程と、 ｄ）第１の半導体本体における固有寸法を測定する工程
    と、 ｅ）固有寸法を予定範囲の値と比較する工程と、 ｆ）固有寸法が予定範囲の値以外にある場合、固有寸法
    を予定範囲の値以内にするためにプロセスパラメーター
    を変更する工程と、 ｇ）ｆ）の工程の後、プロセスパラメーターに従って少
    なくとも第２の半導体本体を処理する工程と、 ｈ）少なくとも第２の半導体本体において、物品の完成
    に向けて少なくとも１つの追加工程を実行する工程とか
    らなる物品製造方法において、 前記測定工程は、チップを有するプローブを表面の一部
    付近に位置決めする工程と、走査パターンが、表面部分
    と実質的に平行な状態にある、走査面と呼ばれる面に描
    かれるように、表面に関してプローブチップを変位させ
    る工程と、振動が実質的に走査面内にあるように、表面
    に関してプローブチップを振動させる工程と、出力信号
    を発生する位置検知用光検出器上にプローブチップを光
    学的にイメージさせる工程と、プローブの振動の変化が
    検出されるように出力信号を処理する工程とからなるこ
    とを特徴とする物品製造方法。