JPH11344500A - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】試料の側壁測定に好適な走査型プローブ顕微鏡
を提供する。 【解決手段】プローブチップ保持機構５５０は、Ｚ方向
用の微動ステージ機構５１８に固定されたプローブチッ
プ保持部受け５５２を有し、これにはプローブチップ当
て付け台２６２を備えたプローブチップ保持部５５８が
取り付けられている。通常のプローブチップ５８０はそ
の支持部５８２がプローブチップ当て付け台２６２の底
面に取り付けられる。グースチップ５９０はその支持部
５９２がプローブチップ当て付け台２６２の側面に取り
付けられる。またプローブチップ保持部５５８は、当て
付け台２６２に取り付けられたグースチップ５９０を励
振させるための圧電素子５６０を備えている。通常のプ
ローブチップ５８０に対してはミラー保持機構６１０
が、グースチップ５９０に対してはミラー保持機構６４
０が圧電アクチュエーター５１０の終端部材５２０に装
着される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＩＣ半導体の段
差、例えば電極ラインパターンの側壁の粗さや傾き角の
測定に適した走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡は、プローブすな
わち探針を試料表面に１μｍ以下まで近接させた時に両
者の間に働く相互作用を検出しながらＸＹ方向あるいは
ＸＹＺ方向に走査することにより、その相互作用の二次
元マッピングを行なう装置であり、走査型トンネリング
顕微鏡（ＳＴＭ）、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、磁気力
顕微鏡（ＭＦＭ）、走査型近接場光顕微鏡（ＳＮＯＭ）
などの総称である。なかでもＡＦＭは、試料表面の凹凸
情報を得る装置としてＳＰＭのなかで最も普及してい
る。ＡＦＭは、カンチレバー先端に形成した探針（突
起）を試料表面に近づけた時に、探針に働く力により生
じるカンチレバーの変位を光学式センサー等で検出する
ことにより、間接的に試料表面の凹凸情報を得ている。

【０００３】ＡＦＭに用いられる探針は、性能的および
コスト的に有利であることからバッチファブリケーショ
ン技術である半導体プロセスを利用して作製される。例
えば、「Europhys. Lett. 2(1987) p.1281 (T. Albrech
t et al)」には、酸化シリコン薄膜をパターニングして
作製するいわゆるフラットレバーについて報告があり、
また、特開平１−２６２４０３には、これを発展させた
いわゆるバーズビーク型のプローブが提案されている。
また、米国特許５３９９２３２号に記載されているピラ
ミッド形状の探針を持つ窒化シリコン製のプローブチッ
プや米国特許５０５１３７９号に記載されているシリコ
ン製のプローブチップは、既に製品化されており、市場
から入手可能である。このようなプローブチップの探針
はポイントターミネート（一点終端）された、探針先端
の突起部を実質的な探針として使用しているが、探針全
体を眺めたとき、探針頂角は１５度から９０度に留まっ
ている。

【０００４】半導体ＩＣのデザインルールは２５６ＭＢ
の記憶容量のデバイスで０．２５μｍ則の試作品が作製
され、１ＧＢデバイスでは０．１５μｍ則が適用されよ
うとしている。これに伴ない、素子の形状検査機は、幅
が狭くアスペクト比の大きなものの線幅、さらには全体
形状を正確に測定することが求められている。このよう
な形状測定に走査型プローブ顕微鏡が適用可能として、
盛んに研究が進められている。

【０００５】Yves Martin やH. Kumar Wickramasinghe
は「Apply. Phys. Lett. Vol.64 No.19 (1994) PP.2489
-2500 」において垂直壁を画像化する新しい走査型プロ
ーブ顕微鏡を提案している。これに関する特許としては
日本国特許２５０１２８２号がある。この走査型プロー
ブ顕微鏡では、ブーツ型の探針（先端近くの胴がくびれ
た円柱状の探針）を使用することにより、試料の垂直壁
の測定を可能にしている。この様な探針は、前述のポイ
ントターミネートされた探針とは異なり、その先端のフ
レアー部分の異なる点が凹部の両側の側壁との相互作用
を起こす。つまり、ブーツ型の探針には、その先端部に
少なくとも二箇所以上に実質的な探針が存在し、これに
より実質的な探針頂角は０度以下となっている。

【０００６】ブーツ型の探針は、２μｍ径〜２．５μｍ
径のカンチレバー側の部分（太い部分）と、その先につ
ながる細い部分からなり、その細い部分はブーツの様な
形をしている。ブーツ状の部分の寸法は、長さ（高さ）
２．８μｍ、先端の探針はフレアー部分（先端）で３６
０ｎｍ径、それよりカンチレバーに近いくびれた部分で
２１０ｎｍ径である。

【０００７】このプローブチップを用いて半導体のトレ
ンチ溝や穴の側壁を測定する時、この探針先端のフレア
ー部分が張り出しているので、その部分が試料表面（側
壁）に最も接近する。従って、その様な探針の張り出し
た部分と試料表面との間隔を一定に保って、探針を走査
することにより、側壁の面荒れや傾き角度を測定するこ
とができる。

【０００８】特開平３−１０４１３６は、このようなブ
ーツ型の探針の作製方法を開示しており、探針は、単結
晶シリコンウェハーをスタートウェハーとし、フォトリ
ソグラフィーにより作製される。約１μｍ径以下の円形
のマスクを形成した後、ＣＦ4 ガスでドライエッチング
して、シリコンウェハーをほぼ垂直に掘り下げることに
より、略円柱形状のシリコン製の探針部を形成する。ド
ライエッチングの条件を変化されると、略円柱形状の探
針部分は円柱部中腹が膨らんだり細ったりする。この条
件を選択することにより、円柱部中腹が細った単結晶シ
リコン製の略円柱状の探針を得る。この後、探針部をレ
ジスト等で保護し、カンチレバーのパターニングとウェ
ハー裏面からのエッチングを行ない、ブーツ型の探針を
有するプローブチップを得ている。

【０００９】一方、ＡＦＭ用プローブチップの探針は、
測定（走査）中の試料表面と接触により探針先端が摩耗
したり折れたりする可能性があり、探針材料は安定した
ＡＦＭ測定を行なうときに注意を払う必要のある点であ
る。例えば、松山らは第５５回応用物理学会学術講演会
にて（予稿集p.473 ）において、探針材料の摩耗に関し
て報告している。単結晶シリコンや窒化シリコンは探針
材料として、よく用いられる材料であるが、両者を比較
すれば単結晶シリコンより窒化シリコン膜の方が摩耗し
難く、さらに窒化シリコン膜の中では、シリコンと窒素
とのストイキオメトリが３対４の窒化シリコン膜の方が
更に摩耗し難いことを報告している。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】Yves Martin らの垂直
壁を画像化する走査型プローブ顕微鏡によるまでもな
く、通常の走査型プローブ顕微鏡であっても、一般にア
スペクト比の高い試料の側壁の根本部分を出来るだけ正
確に測定するには、探針頂角が小さく、アスペクト比の
高い探針が必要である。

【００１１】Apply. Phys. Lett. Vol.64 No.19 (1994)
PP.2498-2500 に記載されているYves Martin らの垂直
壁を画像化する走査型プローブ顕微鏡法は、ノンコンタ
クトモードＡＦＭを応用した方法ではあるが、大気中で
の測定の間、ときどき探針が試料表面に接触してしまう
ことがある。すなわち、ノンコンタクトモードＡＦＭ測
定法を応用してはいるが、装置のフィードバック回路の
帯域が有限であることから、凹凸の大きな試料やステッ
プ状の段差部を有する試料に対して探針を全く接触させ
ることなく測定することは難しい。このあたり、例え
ば、同論文の著者であるイブ・マーチンらが特開平６−
１９４１５４号において、探針を励振させながら行なう
コンタクトモードＡＦＭ法を応用して、同様の段差を持
つ試料の側壁を測定する方法を提案しているという事実
や、ヴァージル・ビー・エリングスらが特開平７−２７
０４３４号において、やはり探針を励振させながら行な
うコンタクトモードＡＦＭ法を応用して、側壁の測定を
行なえる顕微鏡を提案しているという事実から、完全な
ノンコンタクトモードＡＦＭ測定法による垂直壁の測定
の難しさが推察される。

【００１２】試料に探針が接触すると探針が摩耗したり
折れたりし、探針の形状が測定中に変化してしまう。Yv
es Martin らの垂直壁を画像化する走査型プローブ顕微
鏡法は、例えば前述のように、サブミクロンのパターン
則の半導体ＩＣの電極パターンの形状測定を行なうのに
用いられるため、探針形状がわずか数十ｎｍ摩耗した形
状が変化しただけでも、測定結果は１０％以上も変化し
てしまう。このため、摩耗などによる探針の形状変化は
極めて深刻な問題である。一般に、測定器は高い再現性
を有している必要があるが、測定器としてYves Martin
らの垂直壁を画像化する走査型プローブ顕微鏡を考えた
とき、探針が摩耗により、この測定データの再現性を失
わせることは非常に問題である。

【００１３】データの再現性を求めるなら、頻繁に探針
形状を校正することが考えられる。しかしながら、測定
試料を測定する前に、何度も校正のための操作を行なう
ことは、測定器に求められるスループットの点で問題で
ある。校正作業のために単位時間当たりに測定すること
のできる試料数が減ってしまうからである。また、その
校正に校正用の試料を測定と同等な方法を用いて測定す
る校正方法を採用すれば、校正作業中に探針が摩耗した
りして形状変化する可能性もあり、あまり頻繁に校正作
業を行なうのも問題がある。

【００１４】また、Yves Martin らの垂直壁を画像化す
る走査型プローブ顕微鏡に用いられるブーツ型の探針の
先端部は、フレアー部分が張り出しており、少なくとも
二箇所以上の実質的な探針が存在するが、フレアー部分
のどの位置が試料と相互作用を起こしているか特定する
ことが困難である。

【００１５】さらに、Yves Martin らの論文に記載され
ている垂直壁を画像化する走査型プローブ顕微鏡法に用
いる探針は、特開平３−１０４１３６号に記載されてい
るように、単結晶シリコンをエッチングして作製され
る。前述のようにシリコンは摩耗のし易い材料であり、
摩耗は探針材料の点からも大きな問題である。

【００１６】Apply Phys. Lett. Vol.64 No.19 (1994)
PP.2498-2500あるいは特開平３−１０４１３６号に記載
されているような、単結晶シリコン製のブーツ型形状を
した探針を作製するには、ドライエッチングが用いれら
ているが、一般にサブミクロンのパターンニングを行な
うためにドライエッチングを用いると、作製条件がわず
かにずれるだけで探針形状が変化してしまうという問題
がある。

【００１７】また、サブミクロンオーダーの測定試料を
測定するにはそれより細い探針を使用する必要がある
が、その様な探針を均一性良く作製することは極めて難
しい。ウェハー間は勿論、一枚のウェハー内でも場所に
よって形状のばらつきが発生する。このことはサブミク
ロンオーダーのパターン則の半導体ＩＣを作製するため
のドライエッチング装置と同等な装置を用いて、それよ
りも細い探針の作製を試みていることを考えれば、その
大変さは容易に理解できる。

【００１８】この探針形状（寸法）のばらつきは、最終
的には探針作製において、コストアップにつながり大き
な問題である。すなわち、非常に細かい測定試料凹凸部
分を測定するためには、少なくとも設計の寸法より細い
探針に仕上がっているか否かを、出荷時に慎重に検査す
る必要があるため、検査コストがかさむからである。無
論、探針形状のばらつきは、歩留まりもかなり悪くなる
ことから、さらにコストの上昇を招いてしまう。

【００１９】本出願人は、このような実状に鑑みて、特
願平９−１５２２４２号において、垂直壁の測定に好適
なプローブチップを提案している。このプローブチップ
は、支持部から延びた片持ち梁の先端に平板状の探針部
を有しており、探針部の面法線と支持部の面法線はほぼ
平行で、片持ち梁の面法線と支持部の面法線が非平行で
あるという構造的特徴を有している。

【００２０】このような構造的特徴を持つプローブチッ
プは、支持部から延びた片持ち梁の先端に錐体状の探針
部を有し、探針部の軸と片持ち梁の面法線と支持部の面
法線がほぼ平行である通常のプローブチップに比べる
と、得意な形状を有していると言える。

【００２１】本発明の目的は、広義には、垂直壁の測定
に好適な走査型プローブ顕微鏡を提供することであり、
狭義には、本出願人が特願平９−１５２２４２号におい
て提案しているプローブチップを好適に保持するプロー
ブチップ保持機構を備えた走査型プローブ顕微鏡を提供
することである。

【００２２】本発明の別の目的は、通常のプローブチッ
プと、本出願人が特願平９−１５２２４２号において提
案しているプローブチップとの両方を好適に保持するプ
ローブチップ保持機構を備えた走査型プローブ顕微鏡を
提供することである。

【００２３】言い換えれば、支持部から延びた片持ち梁
の先端に錐体状の探針部を有し、探針部の軸と片持ち梁
の面法線と支持部の面法線がほぼ平行である通常のプロ
ーブチップと、支持部から延びた片持ち梁の先端に平板
状の探針部を有しており、探針部の面法線と支持部の面
法線はほぼ平行で、片持ち梁の面法線と支持部の面法線
が非平行であるプローブチップとの両方を好適に保持す
るプローブチップ保持機構を備えた走査型プローブ顕微
鏡を提供することである。

【００２４】

【課題を解決するための手段】本発明の走査型プローブ
顕微鏡は、支持部に支持された片持ち梁状の弾性部材部
の先端に設けられた平板状の探針部を有し、その探針部
の先端の二つの終端点が測定試料との作用点であるプロ
ーブチップを取り付け可能なプローブチップ保持機構を
有している。

【００２５】このプローブチップは、好適には、探針部
の面法線と支持部の面法線とはほぼ平行である。プロー
ブチップ保持機構は、好適には、前述のプローブチップ
と異なる形状の別のプローブチップも取り付け可能であ
る。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施の形態について説明する。本発明の第一の実施の
形態の走査型プローブ顕微鏡に用いるプローブチップ１
００について説明する。

【００２７】図１（ａ）と図１（ｂ）に示されるよう
に、弾性体から成る片持ち梁（弾性部材部）１０２が支
持部１０１から延びており、その自由端に探針部１０３
が形成されている。図１（ｃ）に示されるように、探針
部１０３は平板三角形状をしており、その先端の二つの
頂点１０４と１０５において三本の稜線が終端してい
る。平板三角形状の探針部１０３の面法線方向とその先
端の二点１０４と１０５を結ぶ稜線とはほぼ平行になっ
ている。これらの探針部１０３の先端の二つの終端点
（突起）１０４と１０５が試料上における位置を特定で
きる実質的な探針として主に作用し、試料表面、特にそ
の側壁部の表面との相互作用を生じる。つまり、探針部
１０３の先端には試料上における位置の特定できる２つ
の作用点が存在している。また、試料によっては終端点
１０４と１０５とを結ぶ稜線上のどこかの点が作用点と
なることもある。例えば、試料表面と稜線上の点とが終
端点１０４、１０５以上に接近しているような場合であ
る。しかしながら、試料の側壁部を測定する際には、稜
線上の点は作用点となることはなく、２つの終端点１０
４と１０５のいずれかが作用点として働く。この点にお
いて、このプローブチップは、Europhys. Lett. 2 (198
7) p.1281 や特開平１−２６２４０３に記載されている
プローブチップとは異なっている。

【００２８】また、片持ち梁状の弾性部材部１０２の面
法線方向と平板三角形状の探針部１０３の面法線方向は
平行でなく、従って、片持ち梁１０２は折れ曲がった形
状をしている。この点において、このプローブチップ
は、Europhys. Lett. 2 (1987)p.1281 に記載されてい
るプローブチップと異なる。

【００２９】作製した実施形態の代表的な寸法は、短冊
形状の片持ち梁１０２の長さ７０μｍ、幅４０μｍ、厚
さ０．６μｍであり、探針部１０３の高さは１５μｍで
ある。

【００３０】また、図２に本実施の形態の走査型プロー
ブ顕微鏡で用いられる別のプローブチップを示す。図４
に示されるように、プローブチップ４００は、探針部４
０３が平板三角形状であり、この点は図１に示したプロ
ーブチップ１００と同じであるが、弾性部４０２のバネ
定数や共振周波数などの機械的特性を最適化できるよう
に、探針部４０３と弾性部材４０２の厚さが図１のプロ
ーブチップ１００と異なっている。

【００３１】プローブチップ４００では、探針部４０３
が試料上の細い隙間等に入れるように、図１のプローブ
チップ１００と同じく、探針部４０３の厚さは０．６μ
ｍであるが、弾性部材部４０２の共振周波数を上げるた
め、弾性部材部４０２の厚さは２μｍである。

【００３２】上記のプローブチップ１００と４００はい
ずれも、測定時、測定試料の面法線方向と探針部の面法
線方向がほぼ垂直となるように保持して使用される（例
えば、後述する図９（ｄ）を参照）。このときの探針頂
角は実質的に零度と極めて小さなアスペクト比の高い探
針部を有していると言える。

【００３３】また、探針部を構成する材料は、単結晶シ
リコンより硬度が高い、例えば、窒化シリコン膜や炭化
シリコン膜あるいはアモルファスカーボンで構成されて
おり、測定中に探針部形状が摩耗によって変化すること
が低く押さえられる。

【００３４】上述したプローブチップ１００と４００
は、その全体形状が水面に浮かぶ鳥の様に見えるので
（後述する図３（ｅ）を参照）、本明細書ではグースチ
ップと呼ぶことにする。

【００３５】プローブチップ１００の作製方法について
図３（ａ）〜図３（ｅ）を参照して説明する。まず、ス
タートウェハーとして面方位（１００）の単結晶シリコ
ンウェハー３０１を用意する（図３（ａ））。

【００３６】この表面に酸化シリコン膜３０２を形成し
た後、フォトリソグラフィーにより酸化シリコン膜３０
２を部分的に除去し、単結晶シリコンウェハー３０１の
表面が露出するように四角い開口を形成する。そして、
この四角い開口を除く部分に形成された酸化シリコン膜
３０２をマスクとして水酸化カリウム水溶液により湿式
異方性エッチングを行ない、シリコンウェハー３０１を
掘り下げて凹部３０３を形成する（図３（ｂ））。

【００３７】次に、この酸化シリコン膜３０２をフッ酸
で取り除き、ＬＰ−ＣＶＤ（低圧化学気相蒸着法）によ
り、ウェハー３０１の表裏両側に窒化シリコン膜３０４
と３０６を形成する。この後、フォトリソグラフィーに
より、表側の窒化シリコン膜３０４を、レジスト膜３０
５をマスクにエッチングして、支持部１０１と弾性部材
部１０２と探針部１０３（図１参照）に対応する形状に
パターニングする。同じくフォトリソグラフィーによ
り、裏側の窒化シリコン膜３０６も支持部１０１に対応
する形状にパターンニングする（図３（ｃ））。

【００３８】表側の窒化シリコン膜３０４に対するパタ
ーニングは、探針先端を出来る限り尖らせるため、二回
に分けて行なうとよい。図３（ｄ）に示されるように、
シリコンウェハー３０１を上から見て、まず、レジスト
を塗布した後、Ｍ１をマスクにしてレジストを露光し、
これにより形成された開口を持つレジスト膜をマスクと
するドライエッチングにより窒化シリコン膜３０４をパ
ターンニングする。レジスト膜を取り除いた後、再度レ
ジストを塗布し、Ｍ２をマスクにしてレジストを露光
し、これにより形成された開口を持つレジスト膜をマス
クとする再度のドライエッチングにより窒化シリコン膜
３０４をパターンニングする。この手法により、三角形
のマスクを用いた一回のパターンニングに比べて、部分
Ａの角を極めて尖らせることが出来る。なお、レジスト
の露光にはプロジェクションアライナーを用いた。

【００３９】ウェハー３０１を裏側から水酸化カリウム
水溶液により湿式異方性エッチングを行なうことによ
り、プローブチップ１００を得る（図３（ｅ））。無
論、通常のＡＦＭ用プローブチップと同様に、片持ち梁
部３０８に表側から金属を蒸着して光反射コーティング
を施してもよいが、そのときは、探針部３０９に蒸着部
材が付着しないようにすることが好ましい。

【００４０】このようなプローブチップでは、探針部３
０９は膜堆積によって形成されるので、探針部３０９の
堆積面３１０、３１１はほぼ平行であり、実質的に探針
頂角が０度の高いアスペクト比を持つプローブが作製さ
れる。これにより探針部厚さより僅かに広い凹部であれ
ば、スロープ角が９０度近辺までの側壁を測定できるプ
ローブチップが得られる。

【００４１】探針部３０９は膜堆積によって形成される
ので、膜厚のばらつきは１０％以内に収めることがで
き、シリコンをドライエッチングにより掘り下げて円柱
状の探針を作る従来の方法に比べて、はるかに容易に同
じ形状の探針を作ることができる。また、これにより検
査コストの低減や歩留まりの向上が図られ、低コストな
プローブチップを提供することができる。

【００４２】さらに、探針部３０９は窒化シリコン膜で
作られるので、測定中の摩耗が少なく、測定データの再
現性が高くなる。ただ、Yves Martin らのApply. Phys.
Lett. Vol.64 No.19 (1994) pp.2498-2500 に記載され
ている探針先端の面が円形のプローブと比較したとき、
探針部の二つの終端点１０４と１０５を結ぶ線に平行な
方向（図３（ｅ）の矢印Ｎ方向）からプローブを見た時
の探針頂角は約２０度と大きい。しかし、これは測定対
象部位として、例えば半導体ＩＣの電極パターンが平行
になっているところに限り、探針部の向きと試料の方向
を選べば、電極パターンの間に形成された溝の延びる方
向に探針部の接触する部分はないので、図１（ｃ）の終
端点１０４、１０５以外の探針部がパターンに接触する
ような問題はなく、段差の側壁（垂直壁）の側壁の粗さ
や傾き角を測定することができる。

【００４３】＜第１の実施の形態＞次に、第１の実施の
形態の走査型プローブ顕微鏡について説明する。図４
（ａ）に走査型プローブ顕微鏡のＳＰＭヘッドの概略構
成を示す。このＳＰＭヘッドには、通常のプローブチッ
プと前述のグースチップの両方が取り付け可能である
が、図４（ａ）には代表的に通常のプローブチップ５８
０が描かれている。また、図５（ａ）はＳＰＭヘッドに
通常のプローブチップ５８０が取り付けられた様子を示
しており、図５（ｂ）はＳＰＭヘッドにグースチップ５
９０が取り付けられた様子を示している。

【００４４】本明細書において、通常のプローブチップ
５８０とは、図５（ａ）に示されるように、探針部５８
６の軸とカンチレバー５８４の面法線と支持部５８２の
面法線が共にほぼ平行であるプローブチップを指す。ま
た、グースチップ５９０とは、図５（ｂ）に示されるよ
うに、平板状の探針部５９６の面法線と支持部５９２の
面法線が互いに平行であり、両者が共にカンチレバー５
９４の面法線に非平行であるプローブチップを指す。

【００４５】測定試料５０８は、互いに直交するＸ方向
とＹ方向の粗動調整可能なＸステージ５０２とＹステー
ジ５０４を備えたＸＹステージ５０６の上に載置され
る。また、試料５０８の上方には、Ｚ方向の粗動調整が
可能なＺステージ（図示せず）に取り付けられたＳＰＭ
ヘッド５００が配置されている。粗動調整が可能なＸＹ
ステージ５０６およびＺステージはそれぞれの取付け部
位側で筐体あるいはべース部材（図示せず）に固定支持
されている。このＳＰＭ装置は、通常、外乱振動が測定
部位（試料近く）に伝わり難くするため、除振機構上に
載せられる。

【００４６】ＳＰＭヘッド５００は、基本的に、ＸＹＺ
方向の微動調整および走査を行なうためのトライポッド
型の圧電アクチュエーター５１０と、プローブチップを
保持するためのプローブチップ保持機構５５０と、プロ
ーブチップ５８０のカンチレバーの変位を検出するレバ
ー変位検出機構とを備えており、必要に応じて、微動ス
テージ機構の動作（変位量）のモニター機構を更に備え
る。

【００４７】レバー変位検出機構は光てこ方式の光学式
変位センサーであり、この光学式変位センサーは、測定
光を射出するレーザ５３２と、レーザ５３２からの測定
光をコリメートするレンズ５３４と、測定光をプローブ
チップのカンチレバーに向けて偏向する反射ミラー５３
８と、プローブチップのカンチレバーからの戻り光を分
離するハーフミラー５３６と、受光した光に基づいてプ
ローブチップのカンチレバーの変位に対応した信号を出
力するフォトディテクタ５４０とで構成される。

【００４８】また、ハーフミラー５３６とプローブチッ
プ５８０のカンチレバー５８４との間に１／４波長板を
挿入し、ハーフミラー５３６の代わりに偏光ビームスプ
リッタを用いてより高い効率で光をフォトディテクタ５
４０に導くように構成してもよい。

【００４９】反射ミラー５３８の位置と向きは、プロー
ブチップ保持機構５５０に取り付けられるプローブチッ
プの種類つまり通常のプローブチップかグースチップか
に応じて調整され、本実施の形態では、後述するよう
に、それぞれのチップ用の反射ミラーが別々に用意され
ており、取り付けられたチップに対応した反射ミラーが
配置される。

【００５０】トライポッド型の圧電アクチュエーター５
１０は、Ｌ字型形状の固定フレーム５１２の内側面に略
垂直に固定されたＸ方向用の微動ステージ機構５１４
と、固定フレーム５１２の別の内側面に略垂直に固定さ
れたＹ方向用の微動ステージ機構５１６と、Ｘ方向用の
微動ステージ機構５１４とＹ方向用の微動ステージ機構
５１６が共通に固定された立方体形状の終端部材５２０
と、終端部材５２０の下面に固定されたＺ方向用の微動
ステージ機構５１８とを備えており、このＺ方向用の微
動ステージ機構５１８の下端にプローブチップ保持機構
５５０が固定されている。

【００５１】例えば、Ｘ方向用の微動ステージ機構５１
４とＹ方向用の微動ステージ機構５１６とＺ方向用の微
動ステージ機構５１８は共に積層型圧電素子で構成され
る。図５（ａ）と図５（ｂ）に示すように、プローブチ
ップ保持機構５５０は、Ｚ方向用の微動ステージ機構５
１８に固定されたプローブチップ保持部受け５５２を有
し、このプローブチップ保持部受け５５２に固定ピン５
５４と５５６によってプローブチップ保持部５５８が取
り付けられている。プローブチップ保持部５５８はプロ
ーブチップチップが当て付けられ固定されるプローブチ
ップ当て付け台５６２を有している。

【００５２】通常のプローブチップ５８０は、図５
（ａ）に示されるように、その支持部５８２がプローブ
チップ当て付け台５６２の底面に取り付けられる。ま
た、グースチップ５９０は、図５（ｂ）に示されるよう
に、その支持部５９２がプローブチップ当て付け台５６
２の側面に取り付けられる。プローブチップ５８０とグ
ースチップ５９０のプローブチップ当て付け台５６２へ
の取り付けは簡単には接着で行なわれる。

【００５３】プローブチップ当て付け台５６２は、通常
のプローブチップ５８０およびグースチップ５９０の各
々を固定するために対応する当て付け面（もしくは接着
面）を有している。

【００５４】プローブチップ保持部５５８は、プローブ
チップ当て付け台５６２に取り付けられたグースチップ
５９０を励振させるための圧電素子５６０を備えてい
る。前述したように、反射ミラー５３８は、プローブチ
ップ保持機構５５０に取り付けられるプローブチップの
種類に応じて、位置と向きが変えられる。このため、図
４（ｂ）に示されるように、通常のプローブチップ５８
０用のミラー保持機構６１０と、グースチップ５９０用
のミラー保持機構６４０が別々に用意されており、これ
らは、プローブチップの種類に応じて選択的に、圧電ア
クチュエーター５１０の終端部材５２０に装着される。

【００５５】ミラー保持機構６１０は反射ミラー６１２
を有し、反射ミラー６１２は本体６１４に取り付けら
れ、本体６１４は貫通穴６１６を有している。圧電アク
チュエーター５１０の終端部材５２０には位置決めピン
５２２が形成されており、ミラー保持機構６１０を圧電
アクチュエーター５１０の終端部材５２０に装着する
際、位置決めピン５２２はミラー保持機構６１０の本体
６１４に形成された貫通穴６１６に通される。ミラー保
持機構６１０は、貫通穴６１６が形成された下端部６１
８とこれに直交する二つの延出部６２０と６２２とがそ
れぞれ終端部材５２０の角の三面に当て付けられことで
位置決めされ、これにより、図５（ａ）に示されるよう
に、反射ミラー６１２の位置と方向が定められる。

【００５６】このように位置と方向が定められた反射ミ
ラー６１２が、通常のプローブチップ５８０に対して、
前述したレバー変位検出機構の反射ミラー５３８として
機能する。つまり、レバー変位検出機構のレーザ５３２
からの測定光は、反射ミラー６１２で反射され、ミラー
保持機構６１０に設けられた開口６２８を通って、通常
のプローブチップ５８０のカンチレバー５８４に照射さ
れる。カンチレバー５８４からの反射光は、開口６２８
を通り、反射ミラー６１２で反射されて、レバー変位検
出機構のフォトディテクタ５４０へ向かう。

【００５７】同様に、ミラー保持機構６４０は反射ミラ
ー６４２を有し、反射ミラー６４２は本体６４４に取り
付けられ、本体６４４は貫通穴６４６を有している。ミ
ラー保持機構６４０を圧電アクチュエーター５１０の終
端部材５２０に装着する際、位置決めピン５２２がミラ
ー保持機構６４０の本体６４４に形成された貫通穴６４
６に通される。ミラー保持機構６４０は、貫通穴６４６
が形成された下端部６４８とこれに直交する二つの延出
部６５０と６５２がそれぞれ終端部材５２０の角の三面
に当て付けられることで位置決めされ、これにより、図
５（ｂ）に示されるように、反射ミラー６４２の位置と
方向が定められる。

【００５８】このように位置と方向が定められた反射ミ
ラー６４２が、グースチップ５９０に対して、前述した
レバー変位検出機構の反射ミラー５３８として機能す
る。つまり、レバー変位検出機構のレーザ５３２からの
測定光は、反射ミラー６４２で反射され、ミラー保持機
構６４０に設けられた開口６５８を通って、グースプロ
ーブチップ５９０のカンチレバー５９４に照射される。
カンチレバー５９４からの反射光は、開口６５８を通
り、反射ミラー６４２で反射されて、レバー変位検出機
構のフォトディテクタ５４０へ向かう。

【００５９】このように本実施の形態の装置は、通常の
プローブチップ５８０に加えて、今まで無かったプロー
ブチップであるグースチップ５９０を取り付けられる。
本実施の形態の装置では、通常のプローブチップ５８０
を用いることにより、ＸＹ方向に広がる試料表面の粗さ
を高解像度で測定することができ、また、グースチップ
５９０を用いることにより、Ｚ方向に延びる測定試料の
側壁の表面粗さを高解像度で測定することができる。

【００６０】図５（ａ）と図５（ｂ）を比較して分かる
ように、通常のプローブチップ５８０とグースチップ５
９０とでは、支持部から延びたカンチレバーの角度が異
なっており、従来の装置では、このように形の異なる複
数のプローブチップを取り付けることはできなかった
が、本実施の形態の装置では、このように形の異なる複
数のプローブチップを取り付けて測定を行なうことがで
きる。

【００６１】このため、形の異なるプローブチップ５８
０と５９０をプローブチップ当て付け台５６２の異なる
面に当て付けるとともに、取り付けたプローブチップ５
８０と５９０に対応したミラー保持部材６１０と６４０
を圧電アクチュエーター５１０の終端部材５２０に装着
することにより、レバー変位検出機構の光源部と検出部
を共用して、形状の異なるプローブチップ５８０と５９
０のカンチレバーの変位を検出できる。

【００６２】ミラー保持機構６１０と６４０の位置決め
は、終端部材５２０への当て付けで行われるが、貫通穴
６１６と６４６への位置決めピン５２２の挿入により、
取付けの確実性が向上されている。位置決めピン５２２
はミラー保持機構６１０や６４０を脱落し難くし、装置
に不慮の衝撃などが加わった場合にミラー保持機構６１
０や６４０が脱落するのを防止している。また、ミラー
保持機構６１０や６４０は、装脱着を簡単にするため、
好ましくは磁気引力により固定されるが、ネジ止めによ
り固定されてもよい。

【００６３】このように本実施の形態の装置では、ＳＰ
Ｍヘッド内のレバー変位検出機構の殆どの光学部品を共
用して、最小限の光学部品の変更で、形の異なる複数の
プローブチップのカンチレバーの変位を測定できる。図
４（ａ）において、センサー光を反射する反射ミラー５
３８の位置と向きを変えるだけで、他の半導体レーザ５
３２、コリメータレンズ５３４、ビームスプリッタ５３
６、位置検出フォトダイオード５４０などは、そのまま
の状態で使用する。

【００６４】本実施の形態では、通常のプローブチップ
とグースチップに対応するミラー保持機構について説明
したが、プローブとカンチレバーの間の角度がそれらと
も異なっているプローブに対しても、それに対応した向
きと位置でミラーを取り付けたミラー保持機構を用意す
ることにより、このようなプローブチップにも対応可能
なことは容易に理解される。すなわち、本実施の形態の
装置では、プローブチップの取り付け方法とカンチレバ
ーの変位検出の為の光てこ式の変位検出センサーの光路
調整機構を組み合わせ、プローブチップの収り付け面と
それに応じた光路調整機構を選ぶことで、広範なプロー
ブチップに対応可能な装置を提供できる。

【００６５】本実施の形態の走査型プローブ顕微鏡にお
いては、図５（ｂ）に示されるように、グースチップ５
９０をプローブチップ保持機構５５０に取り付けた場
合、探針部５９６の面法線方向と試料の面法線方向とは
垂直になり、プローブチップ５９０の探針部５９６の先
端の二点結ぶ稜線が試料の面内に平行に対峙して保持さ
れる。この結果、測定試料中の垂直に近い側壁を有する
凹凸部分に対しても、プローブチップの探針部の先端が
試料表面との間で相互作用を示すように働き、垂直近く
まで切り立った試料の側壁を正確に測定し表示すること
が可能になる。

【００６６】本実施の形態の走査型プローブ顕微鏡の測
定動作について説明する。通常のプローブチップを用い
た図５（ａ）の構成によるＡＦＭ測定は従来と同様に行
うことが可能であるので、以下では、グースチップを用
いた図５（ｂ）の構成によるＡＦＭ測定についてのみ説
明する。

【００６７】試料表面形状を測定するにあたり、グース
チップ５９０のカンチレバー（片持ち梁）５９４の変位
を測定するため、レバー変位検出機構は、片持ち梁５９
４の変位の検出が可能なようにミラー保持機構６４０を
終端部材５２０に取り付け、光軸などの調整を予め済ま
せておく。

【００６８】次に、片持ち梁５９４をその機械的共振周
波数もしくはその近傍の周波数で振動させる為、励振機
構である圧電素子５６０をその周波数で駆動させる。そ
の振幅は、試料と探針部の距離が十分離れている状態
で、１０ｎｍ〜１００ｎｍに設定される。試料表面形状
を測定する際、プローブチップ保持機構５５０に保持さ
れたプローブチップ５９０の片持ち梁５９４の先端の探
針部５９６は、試料表面の測定をしようとする部分との
距離が１００ｎｍ以下に近接しているか、もしくはその
場所にわずかに接触している状態になるようＺステージ
および微動ステージ機構５１８を調整する。この時、試
料表面の測定部分との距離が近づくに従い、上記のよう
に設定された片持ち梁５９４の振動状態は、試料表面と
の相互作用が起き始めると振幅が減少してゆく。

【００６９】あらかじめ設定した値まで片持ち梁の振動
の振幅信号が減少したところで、試料と探針部の距離を
近づけるのを止め、次に、試料と探針部が相対的にＸＹ
方向に走査されるように微動ステージ機構を駆動する。
走査領域の大きさはコントローラからの制御信号により
任意に設定可能であるが、通常、１ｎｍ平方から３００
μｍ平方程度の領域を走査する。このように試料と探針
部が相対的にＸＹ方向に走査される間、片持ち梁５９４
の振動状態が一定になるように微動ステージ機構５１８
をＺ方向に動かす。すなわちフィードバック制御を行
う。

【００７０】上記のフィードバック制御の間、片持ち梁
５９４の振動状態を示す設定値（たとえばＲＭＳ(root
mean square)値）と実際の測定値との偏差信号をコンピ
ュータヘ取り込み、モニター上に二次元画像もしくは三
次元画像として表示する。このとき、偏差信号をコンピ
ュータヘ取り込むかわりに微動ステージ機構をＺ方向に
動かす為に印加する駆動制御信号をコンピュータヘ取り
込み、モニター上に二次元画像もしくは三次元画像とし
て表示することも行われる。

【００７１】以下、本実施の形態の特徴をまとめる。ま
ず、このように本実施の形態の走査型プローブ顕微鏡に
おいては、探針部の実質的な探針頂角が零度であるグー
スチップの取付けが可能である。

【００７２】グースチップは、実質的な探針頂角が小さ
くアスペクト比が高い探針部を有しており、装置への取
り付け方を最適な状態とすることで、その特徴を最大限
に生かした測定が可能となる。本実施の形態の走査型プ
ローブ顕微鏡はグースチップを最適な状態で取り付け可
能であり、垂直に近い側壁傾き角をもった試料であって
も、その側壁を正確に測定し、表示することが可能であ
る。

【００７３】グースチップは、探針部の材料として単結
晶シリコンに比べて耐摩耗性の高い窒化シリコンや炭化
シリコンを採用することが可能であり、本実施の形態の
装置に取付けて使用した時、測定中の探針形状変化に起
因する測定誤差あるいはその変化を最小限に留めて、再
現性の高い測定を行うことが可能になる。

【００７４】また、本実施の形態の走査型プローブ顕微
鏡は、通常のプローブチップを使用して従来のＡＦＭ測
定も同じ装置で行うことが可能である。このように、１
つの装置で形状の異なるプローブチップの特徴を生かし
た測定を行なえるので、コストパフォーマンスの高い装
置であると言える。

【００７５】さらに、形状の異なるプローブチップへの
対応が、ＳＰＭヘッド内の一部の機構の変更のみで済
み、ＳＰＭヘッド全体を交換するなど大がかりな変更が
不要である。このことからもコストパフォーマンスの高
い装置であると言える。

【００７６】＜第２の実施の形態＞図６、図７（ａ）、
図７（ｂ）を用いて、第２の実施の形態の走査型プロー
ブ顕微鏡について説明する。本実施の形態は、第１の実
施の形態に対して、プローブチップ保持機構のみが異な
っている。

【００７７】図６は、本実施の形態のプローブチップ保
持機構を微動ステージ機構５１８の反対側、すなわち測
定試料側から見た斜視図である。圧電体よりなるＺ方向
の微動ステージ機構５１８の端部にはプローブチップ保
持構造体受け７０２が固定されており、このプローブチ
ップ保持機構受け７０２に対してプローブチップ保持構
造体７０３が脱着可能に取り付けられる。プローブチッ
プ保持構造体７０３をプローブチップ保持構造体受け７
０２に固定するため、プローブチップ保持構造体受け７
０２には４本の固定ピン７０４、７０５、７０６、７０
７が埋め込まれている。また、プローブチップ保持構造
体受け７０２からは、プローブチップ保持構造体７０３
と外部の電気回路とを接続するための配線７０８および
コネクター７０９が外部に延びている。

【００７８】プローブチップ保持構造体７０３は、その
機能から大別して、母材部、プローブチップ当て付け
部、プローブチップ励振機構部、プローブ固定部にわけ
られる。

【００７９】母材部は、プローブチップ保持構造体受け
７０２の固定ピンに対応した雌側のピン受け７１０、７
１１、７１２、７１３が埋め込まれた保持構造体べース
部材７１４で構成され、その保持構造体べース部材７１
４の中央には、プローブチップを取り付けるための当て
付け面７１９、７２０をもつプローブチップ当て付け台
７１８があり、プローブチップ当て付け台７１８はプロ
ーブチップの裏面の電位を決定できるようにするため導
電性をもった金属で作製される。

【００８０】プローブチップ励振機構部は、保持構造体
べース部材７１４上に、緩衝部材７１５、カンチレバー
励振用圧電体７１６、プローブチップ当て付け台固定板
７１７の順で積層されてなり、前述のプローブチップ当
て付け台７１８はこの上に更に積層されている。圧電体
７１６と外部の回路を接続して圧電体７１６に電圧を印
加するため、圧電体７１６の両面に形成されている電極
は保持構造体べース部材７１４内でピン受け７１１、７
１３につながっている。また、ピン受け７１１、７１３
は、プローブチップ保持構造体受け７０２上の電極を兼
ねた固定ピン７０５、７０７と接触し、配線７０８およ
びコネクター７０９を介して、外部の圧電体励振回路
（図示せず）に接続される。また、緩衝部材７１５は、
圧電体７１６の振動を保持構造体べース部材７１４側に
なるべく伝えないように振動を減衰するとともに、圧電
体７１６の下側の電極と保持構造体べース部材７１４の
絶縁を確実にする。

【００８１】プローブ固定部は、通常のプローブチップ
を押さえるためのプローブチップ押さえ板バネ７２１
と、グースチップを押さえるためのプローブチップばさ
み板７２８とを備えている。つまり、本実施の形態のプ
ローブチップ保持機構は、通常のプローブチップとグー
スチップの両方を選択的に保持することができ、通常の
プローブチップを保持した状態を図７（ａ）に、グース
チップを保持した状態を図７（ｂ）に示す。

【００８２】図７（ａ）に示されるように、プローブ固
定部は、通常のプローブチップを押さえるためのプロー
ブチップ押さえ板バネ７２１を備えている。プローブチ
ップ押さえ板バネ７２１の一方の先端にはチップ押さえ
部７２２、その反対の先端には指押さえしろ７２３があ
り、その中間に設けた長穴７２４を通してネジ７２７が
保持構造体べース部７１４に立てられ、プローブチップ
押さえ板バネ７２１が前後に移動可能に保持されてい
る。横ガイド板７２５は、プローブチップ押さえ板バネ
７２１の移動の時、プローブチップ押さえ板バネ７２１
の必要以上の横方向の回転を防止する。また、ばね７２
６は、プローブチップ押さえ板バネ７２１の先端のチッ
プ押さえ部７２２でプローブチップを押さえつけるとき
必要なばね圧を与えつつ、一方、プローブチップを取り
外す際に指押さえしろ７２３を指で押さえた時、適当な
反発力を得る為に設けてある。プローブチップ押さえ板
バネ７２１とプローブチップ当て付け台７１８は導通し
ており、両者はピン受け７１０と固定ピン７０４を介し
てコネクター７０９と電気的に接続しており、コネクタ
ー７０９を介して外部の所望の電位と同電位に保つこと
ができる。

【００８３】図７（ｂ）に示されるように、また、プロ
ーブ固定部は、グースチップを横から押さえるためのプ
ローブチップばさみ板７２８を備えている。プローブチ
ップばさみ板７２８は、ばね７３１と長穴７３４、７３
５、ネジ７３２、７３３により、保持構造体べース部材
７１４を滑って前後に移動可能である。プローブチップ
を取り付けるときには、プローブチップ押さえ部７２
９、７３０が作用点となって、プローブチップをばね７
３１のばね圧により、当て付け面７２０に押し当て固定
する。

【００８４】プローブチップばさみ板７２８には電極７
３６と電極７３７が設けられている。電極７３６は、保
持構造体べース部材７１４内で、プローブチップ当て付
け台７１８およびプローブチップ押さえ板バネ７２１と
接続され、これらと同電位に保たれる。また、電極７３
７は、ピン受け７１２および固定ピン７０６を介してコ
ネクター７０９と導通しており、コネクター７０９を介
して外部の装置に接続することができる。これらの電極
７３６と電極７３７は、圧電効果あるいは歪み抵抗効果
を利用した変位検出機能が付加されたカンチレバーを備
えたプローブチップの取り付けに対応するために設けら
れている。

【００８５】つまり、本実施の形態のプローブチップ保
持機構は、通常のプローブチップとグースチップに加え
て、図８に示されるように、圧電効果あるいは歪み抵抗
効果を利用した変位検出機能が付加されたカンチレバー
を備えたプローブチップ１１００の取り付けにも対応し
ている。

【００８６】このようはプローブチップ１１００は、本
出願人が特願平９−１９１３１６号において提案したも
ので、特に垂直壁の測定に好適である。図９（ａ）と図
９（ｂ）と図９（ｃ）に示されるように、プローブチッ
プ１１００は、支持部１１０１から延びる弾性体から成
る片持ち梁（弾性部材部）１１０２の自由端に探針部１
１０３が形成されている。図９（ｃ）の拡大図から分か
るように、探針部１１０３は平板三角形状をしており、
その先端の二つの頂点１１０６と１１０７において三本
の稜線が終端している。片持ち梁状の弾性部材部１１０
２と平板三角形状の探針部１１０３は、その面法線方向
が平行であるが、その厚さと形状は異なっている。弾性
部材部１１０２の厚さは、所望の共振周波数等の機械振
動特性を得るに適した厚さであり、探針部１１０３の厚
さは、図９（ｄ）に示されるように、試料１２０１の凹
部に入り込めるように十分薄くなっている。

【００８７】弾性部材部１１０２と支持部１１０１との
境界付近には、弾性部材部１１０２の変位や振動状態を
検出する検出機能部１１０４が設けられている。変位検
出機能部１１０４は、シリコンやポリシリコンのピエゾ
抵抗効果を利用したセンサーや、酸化亜鉛やＰＺＴ（チ
タン酸ジルコン酸鉛）等の圧電効果を利用したセンサー
からなる。変位検出機能部１１０４で検出される信号
は、図９（ｂ）に示される二つの電極パッド１１０５ａ
と１１０５ｂを介して外部に取り出される。

【００８８】このプローブチップ１１００は、図８に示
されるように、グースチップと全く同様に、プローブチ
ップばさみ板７２８で横から押さえられることにより固
定される。電極７３６と電極７３７はそれぞれ電極パッ
ド１１０５ａと電極パッド１１０５ｂに押し当てられ
る。その結果、変位検出機能部１１０４はコネクター７
０９と導通し、変位検出機能部１１０４で検出される変
位信号はコネクター７０９を介して取り出すことができ
る。

【００８９】なお、カンチレバーの変位検出機能部を内
蔵したプローブチップに対しては、前述した光学式のレ
バー変位検出機構は不要となるため、その光学部品の変
更は不要である。

【００９０】本実施の形態の装置のプローブチップ保持
機構は、第１の実施の形態の接着によるプローブチップ
の保持に比べ、プローブチップの取り付け取り外しを簡
単に行なえるという利点を有している。さらに、接着剤
を使用しないため、プローブチップをプローブチップ保
持機構に取り付けた後、直ちに使用できる。さらに、プ
ローブチップ取り替えの際に、剥がした接着剤がゴミと
して発生することもない。

【００９１】また、本実施の形態の装置のプローブチッ
プ保持機構は第１の実施の形態のプローブチップ保持機
構に比べて多少大きくなるが、プローブチップ保持構造
体７０３の大きさは約３０ｍｍ×２０ｍｍ×８ｍｍと、
かなりコンパクトに抑えられ作製される。

【００９２】＜第３の実施の形態＞図１０を用いて、第
３の実施の形態の走査型プローブ顕微鏡について説明す
る。本実施の形態は、ＸＹＺ方向の微動ステージ機構
に、円筒型の微動ステージ機構つまり圧電体チューブス
キャナー８０１を用いた装置である。本実施の形態の装
置においても、プローブチップ保持機構９５０は通常の
プローブチップとグースチップの両方を保持可能である
が、図１０には、通常のプローブチップ５８０が保持さ
れた様子が描かれている。

【００９３】測定試料５０８は、互いに直交するＸ方向
とＹ方向の粗動調整可能なＸステージ５０２とＹステー
ジ５０４を備えたＸＹステージ５０６の上に載置され
る。また、試料５０８の上方には、Ｚ方向の粗動調整が
可能なＺステージ８０２に取り付けられたＳＰＭヘッド
８００が配置されている。粗動調整が可能なＸＹステー
ジ５０６およびＺステージはそれぞれの取付け部位側で
筐体あるいはべース部材（図示せず）に固定支持されて
いる。このＳＰＭ装置は、通常、外乱振動が測定部位
（試料近く）に伝わり難くするため、除振機構上に載せ
られる。

【００９４】ＳＰＭヘッド８００は、Ｚステージ８０２
に固定された円筒型の微動ステージ機構８０４と、その
下端に取り付けられたレバー変位検出機構８２０と、そ
の下側に設けられたプローブチップ保持機構９５０とを
有している。

【００９５】円筒型の微動ステージ機構８０４は例えば
圧電体チューブスキャナーで構成される。プローブチッ
プはプローブチップ保持機構９５０に取り付けられ、圧
電体チューブスキャナー８０４によりＸＹＺ方向に移動
される。つまり、圧電体チューブスキャナー８０４は、
プローブチップのＸＹＺ方向への微動調整および走査動
作を可能にしている。

【００９６】レバー変位検出機構８２０は、プローブチ
ップのカンチレバーの変位を光学的に測定する光てこ方
式の変位検出機構を有し、半導体レーザ８３２、コリメ
ータレンズ８３４、ミラー８３６、反射ミラー８３８、
位置検出フォトダイオード８４０を有している。図中、
一点鎖線は光てこ方式の変位検出機構の光ビームの光路
を示している。

【００９７】半導体レーザ８３２とコリメータレンズ８
３４は、図示しない取り付け手段を介して、レバー変位
検出機構８２０の筐体８２２に取り付けられ、ミラー８
３６はミラー固定部材８２４を介して筐体８２２に取り
付けられている。

【００９８】ミラー８３８は回転可能に筐体８２２に支
持されおり、角度調整つまみ８５２によりその向きが調
整可能である。位置検出フォトディテクター８４０は、
Ｙ方向位置調整用ステージ８５６とＺ方向位置調整用ス
テージ８５８を備えたＹＺステージ８６０を介して筐体
８２２に取り付けられており、二つの調整つまみ８６２
と８８６４によりそれぞれＹ方向とＺ方向に位置調整可
能である。

【００９９】図１１（ａ）と図１１（ｂ）と図１１
（ｃ）は、本実施の形態のプローブチップ保持機構９５
０の周辺部と、レバー変位検出機構の一部をその光路と
共に示している。図１１（ａ）は通常のプローブチップ
５８０をプローブチップ保持機構９５０に取り付けた状
態を示し、図１１（ｂ）と図１１（ｃ）はグースチップ
５９０をプローブチップ保持機構９５０に取り付けた状
態を示している。

【０１００】図１１（ａ）と図１１（ｂ）と図１１
（ｃ）に示されるように、本実施の形態におけるプロー
ブチップ保持機構９５０は、レバー変位検出機構部８２
０に取り付けられたプローブチップ保持機構受け９５２
を有し、このプローブチップ保持部受け９５２に固定ピ
ン９５４によってプローブチップ保持部９５８が取り付
けられている。プローブチップ保持部９５８はプローブ
チップが固定されるプローブチップ固定部９６２を有し
ている。

【０１０１】通常のプローブチップ５８０は、図１１
（ａ）に示されるように、その支持部がプローブチップ
固定部９６２の底面に接着等により取り付けられる。ま
た、グースチップ５９０は、図１１（ｂ）と図１１
（ｃ）に示されるように、その支持部がプローブチップ
固定部９６２の側面に接着等により取り付けられる。ま
た、プローブチップ保持部９５８の内部には、これに取
り付けられたグースチップ５９０を励振させるための圧
電素子９６０が設けられている。

【０１０２】通常のプローブチップ５８０に対しては、
図１１（ａ）に示されるように、半導体レーザ８３２か
ら射出された光は、コリメータレンズ８３４を通過後、
ミラー８３６で反射され、プローブチップ５８０のカン
チレバーに入射する。カンチレバーからの反射光は反射
ミラー８３８で偏向され、位置検出フォトダイオード８
４０に入射する。

【０１０３】カンチレバーからの反射光が位置検出フォ
トディテクター８４０のほぼ中心にくるようにする位置
決めは、角度調整つまみ８５２を用いたミラー８３８の
あおり角の調整と、Ｙ方向位置調整用ステージ８５６を
用いた位置検出フォトディテクター８４０の横方向（Ｙ
方向）の移動調整により行なわれる。

【０１０４】グースチップ５９０に対しては、例えば、
図１１（ｂ）に示されるように、半導体レーザ８３２か
ら射出された光は、コリメータレンズ８３４を通過後、
ミラー８３６で反射され、プローブチップ５８０のカン
チレバーに入射する。カンチレバーからの反射光は、直
接、位置検出フォトダイオード８４０に入射する。

【０１０５】位置検出フォトディテクター８４０の位置
決めは、ＹＺステージ８６０を用いた位置検出フォトデ
ィテクター８４０の縦横方向（ＹＺ方向）の移動調整に
より行なわれる。

【０１０６】図１１（ｂ）の構成は、図１１（ａ）に比
べて、反射光の光路が短いために、光てこ方式の変位セ
ンサーの変位検出感度が劣る。この様な感度低下が無視
できない場合には、図１１（ｃ）に示されるように、別
の反射ミラー８９０を用いて、反射ミラー８３８を経由
させて、位置検出フォトディテクター８４０に入射させ
る構成にして、光路長をかせぐとよい。この場合、位置
検出フォトディテクター８４０の位置決めは、反射ミラ
ー８３８あるいは反射ミラー８９０のあおり角の調整と
位置検出フォトディテクター８４０の縦方向（Ｚ方向）
の移動調整により行なわれる。本発明は、上述の実施の
形態に何等限定されるものではない。発明の要旨を逸脱
しない範囲で行なわれる実施は、すべて本発明に含まれ
る。

【０１０７】

【発明の効果】本発明によれば、支持部に支持された弾
性部材部の先端に設けられた平板状の探針部を有し、そ
の探針部の先端の二つの終端点が測定試料との作用点で
あるプローブチップを取り付け可能なプローブチップ保
持機構を備えた走査型プローブ顕微鏡が提供される。

【０１０８】さらに、上述した試料の側壁測定に好適な
プローブチップに加えて、試料の表面粗さ測定に好適な
通常のプローブチップを取り付けることも可能であり、
これにより異なる種類の測定を多くの設備投資を必要と
することなく実現できる。つまり、コストパフォーマン
スの高い走査型プローブ顕微鏡が提供される。

【０１０９】本実施の形態における走査型プローブ顕微
鏡について、以下のことが言える。１．支持部（１０
１，４０１，１１０１）に支持された片持ち梁状の弾性
部材部（１０２，４０２，１１０２）の先端に設けられ
た平板状の探針部（１０３，４０３，１１０３）を有
し、その探針部の先端の二つの終端点（１０４，１０
５，１１０６，１１０７）が測定試料との作用点である
プローブチップ（１００，４００，１１００）を取り付
け可能なプローブチップ保持機構（５５０，７０３）を
有する走査型プローブ顕微鏡。

【０１１０】２．探針部（１０３，４０３，１１０３）
の面法線と支持部（１０１，４０１，１１０１）の面法
線とはほぼ平行である第１項に記載の走査型プローブ顕
微鏡。

【０１１１】３．前記プローブチップ保持機構（５５
０，７０３）が、前記プローブチップ（１００，４０
０，１１００）と異なる形状の別のプローブチップ（５
８０）が取り付け可能である第２項に記載の走査型プロ
ーブ顕微鏡装置。

【０１１２】４．前述の別のプローブチップは、支持部
から延びた片持ち梁状の弾性部材部の先端に錐体状の探
針部を有し、探針部の軸と弾性部材部の面法線と支持部
の面法線がほぼ平行である通常のプローブチップ（５８
０）である第３項に記載の走査型プローブ顕微鏡装置。

【０１１３】５．前記プローブチップ保持機構（５５
０，７０３）が、顕微鏡本体（８００）から取り外し可
能である第１項に記載の走査型プローブ顕微鏡装置。
６．さらに、二つの終端点（１０４，１０５，１１０
６，１１０７）を結ぶ稜線上の点が測定試料との作用点
である第１項に記載の走査型プローブ顕微鏡装置。

【０１１４】７．さらに、弾性部材部（１０２，４０
２，１１０２）に振動を加える加振手段（５６０，７１
６，９６０）と、弾性部材部の振動を検出する振動検出
手段（５３２，５３４，５３６，５３８，５４０，６１
０，６４０，７０３，１１０４，１１０５，８２０等）
とを備える第１項に記載の走査型プローブ顕微鏡。

【０１１５】８．前記振動検出手段は光学式のセンサ
（５３２，５３４，５３６，５３８，５４０，６１０，
６４０，８２０等）であって、弾性部材部へ光を照射す
る光源（５３２，８３２）と、弾性部材部で反射する光
を検出する受光手段（５４０，８４０）とを含む第７項
に記載の走査型プローブ顕微鏡。

【０１１６】９．前記振動検出手段は、光源からの光の
光路を切り換える手段（６１０，６４０）を備える第８
項に記載の走査型プローブ顕微鏡。１０．前記振動検出
手段は、前記弾性部材部で反射される光を受光手段上で
位置調整するため、弾性部材部と受光手段との間に設け
た反射面を含む第７項に記載の走査型プローブ顕微鏡。

【０１１７】１１．前記振動検出手段は前記プローブチ
ップにその一部（１１０４，１１０５）が含まれ、弾性
部材部の振動状態に応じた電気信号を出力する第７項に
記載の走査型プローブ顕微鏡。

【０１１８】１２．加振手段（５６０，７１６，９６
０）は、プローブチップ保持機構（５５０，７０３）に
組み込まれている第７項に記載の走査型プローブ顕微
鏡。１３．前記弾性部材部（１０２，４０２）の面法線
と前記探針部（１０３，４０３）の面法線とは非平行で
ある第１項または第２項に記載の走査型プローブ顕微
鏡。１４．前記弾性部材部（１１０２）の面法線と前記
探針部（１１０３）の面法線とはほぼ平行である第１項
または第２項に記載の走査型プローブ顕微鏡。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の装置に用いるプローブチップを示して
おり、（ａ）はその側面図、（ｂ）は斜視図、（ｃ）は
探針部の拡大斜視図である。

【図２】本発明の装置に用いる別のプローブチップの斜
視図である。

【図３】図１に示したプローブチップの作製方法の一連
の工程を示している。

【図４】第１の実施の形態の走査型プローブ顕微鏡のＳ
ＰＭヘッドを示しており、（ａ）はＳＰＭヘッドの概略
的な斜視図、（ｂ）はプローブチップの種類に応じて圧
電アクチュエーターの終端部材に装着される二種類のミ
ラー保持機構を示す斜視図である。

【図５】保持するプローブチップに対応したミラー保持
機構が装着されたＳＰＭヘッドを示しており、（ａ）は
通常のプローブチップ用のミラー保持機構が装着された
ＳＰＭヘッド側面図、（ｂ）はグースチップ用のミラー
保持機構が装着されたＳＰＭヘッド側面図である。

【図６】第２の実施の形態の走査型プローブ顕微鏡にお
けるプローブチップ保持機構の斜視図である。

【図７】図６に示したプローブチップ保持機構にプロー
ブチップが装着された様子を示しており、（ａ）は通常
のプローブチップが装着されたプローブチップ保持機構
の斜視図、（ｂ）はグースチップが装着されたプローブ
チップ保持機構の斜視図である。

【図８】変位検出機能を持つカンチレバーを備えたプロ
ーブチップが装着された、図６に示したプローブチップ
保持機構にプローブチップの斜視図である。

【図９】図８に示される変位検出機能を持つカンチレバ
ーを備えたプローブチップを示しており、（ａ）はその
側面図、（ｂ）は斜視図、（ｃ）はカンチレバー先端部
の拡大斜視図、（ｄ）はカンチレバー先端部を試料と共
に示した側面図である。

【図１０】第３の実施の形態の走査型プローブ顕微鏡に
おけるＳＰＭヘッドの斜視図である。

【図１１】プローブチップが装着された図１０に示した
プローブチップ保持機構をレバー変位検出機構の一部と
共に示しており、（ａ）は通常のプローブチップが装着
されたプローブチップ保持機構の側面図、（ｂ）はグー
スチップが装着されたプローブチップ保持機構の側面
図、（ｃ）はグースチップが装着されたプローブチップ
保持機構の側面図であり、レバー変位検出機構に改良を
施した図である。

【符号の説明】

５５０ プローブチップ保持機構 ５８０ 通常のプローブチップ ５９０ グースチップ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 支持部に支持された片持ち梁状の弾性部
   材部の先端に設けられた平板状の探針部を有し、その探
   針部の先端の二つの終端点が測定試料との作用点である
   プローブチップを取り付け可能なプローブチップ保持機
   構を有する走査型プローブ顕微鏡。
2. 【請求項２】 探針部の面法線と支持部の面法線とはほ
   ぼ平行である請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
3. 【請求項３】 前記プローブチップ保持機構が、前記プ
   ローブチップと異なる形状の別のプローブチップが取り
   付け可能である請求項２に記載の走査型プローブ顕微鏡
   装置。