JP6936964B2 - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、走査型プローブ顕微鏡に関する。

近年、半導体や半導体用フォトマスク、光学関連素子などのパターン形状の微細化、高精度化に伴い、これらの基板上に形成されたパターンの高さ、幅、側壁の傾斜角およびコーナーの丸みなどのパターン形状を高精度に測定する技術が求められている。これらのパターン形状の測定には、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）や走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）が用いられている。このうち、走査型プローブ顕微鏡は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）や走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）等の総称であり、大気中、真空中または液体中といった様々な環境において、試料の表面のパターン形状を測定することができる。

図９に、一般的な走査型プローブ顕微鏡を示す。図９に示すように、走査型プローブ顕微鏡１００は、観察ユニット１０１と、観察ユニット１０１に設けられ、三次元方向に伸縮可能なスキャナ１０２と、を備えている。このうち、スキャナ１０２は、ピエゾ素子により構成されており、スキャナ１０２は、スキャナ１０２を駆動制御する制御部１０３に接続されている。また、スキャナ１０２には、カンチレバー１０４が設けられ、このカンチレバー１０４の先端部には、試料ステージ１０５上に載置された試料１０６に当接するプローブ１０７が設けられている。このプローブ１０７は、傾斜した状態で試料１０６の表面に当接するように構成されている。このような構成において、制御部１０３によって、スキャナ１０２に電圧が印加されて、スキャナ１０２が伸縮する。このことにより、カンチレバー１０４を移動させ、プローブ１０７が試料１０６の表面を走査できるようになっている。

また、カンチレバー１０４の上方には、図示しない半導体レーザーが設けられており、半導体レーザーから発射されたレーザー光１０８をカンチレバー１０４の上面で反射させ、その反射光を光検出器（フォトディテクタ）１０９によって検出することで、プローブ１０７の上下方向の変位を検出している。光検出器１０９によってプローブ１０７の上下方向の変位が検出された場合、制御部１０３に信号が送信され、モニタ１１０上に試料１０６の表面のパターン形状が表示されるようになっている。なお、走査型プローブ顕微鏡においては、いくつかの測定モードが知られている。例えば、プローブを試料の表面に当接させ、カンチレバーの撓み量が一定となるように試料の表面を走査するコンタクトモード（ＡＦＭ）や、カンチレバーを振動させ、この振動の振幅が一定となるように試料の表面を走査するインターミッテントコンタクトモード（ＤＦＭ）などが知られている。

このような走査型プローブ顕微鏡としては、例えば特許文献１に開示されているように、ＤＦＭ使用時において、試料の解析精度を向上させることができる走査型プローブ顕微鏡が知られている。例えば特許文献１に記載の走査型プローブ顕微鏡においては、振動体の振動によってベース部に発生する共振振動を抑制するベース部振動抑制手段を、ベース部等に設けている。

特開２００６−１８４０７９号公報

しかしながら、図１０および図１１に示すように、走査型プローブ顕微鏡に用いられるプローブ１０７は、進行方向前方に向かって所定の角度をもって傾斜している。また、試料のパターン形状は高さが数ｎｍ〜数μｍ、幅が十数ｎｍ〜数μｍ程度の微細な構造となっている場合もある。このことにより、微細なパターン形状や急峻な段差構造を有する試料においては、プローブが試料の表面を走査することができない場合がある。すなわち、図１０に示すように、試料１０６の表面のパターン１１１が微細な構造となっている場合、進行方向前方（図１０における右側）に向かってプローブ１０７が傾斜しているため、図１０の破線に示すように、プローブ１０７は、試料１０６の表面の凸状のパターン１１１の左側壁面１１１ａには追従することができるが、右側壁面１１１ｂに追従することができず、試料１０６の表面の正確なパターン形状を得ることが困難な場合がある。また、図１１に示すように、試料１０６の表面のパターン１１１が凹状の場合においては、図１１の破線に示すように、プローブ１０７は、パターン１１１の右側壁面１１１ｂには追従することができるが、左側壁面１１１ａに追従することができず、試料１０６の表面の正確なパターン形状を得ることが困難な場合がある（図１０および図１１の破線においては、図面を簡略化するために、試料１０６の表面から離して示している）。この場合、正確なパターン形状を得るためには、試料１０６を回転させ、複数の方向から試料１０６の表面を複数回走査する必要があり、走査作業時間が長くなるといった問題があった。

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、急峻な段差構造を有する試料の表面の正確なパターン形状を得ることができるとともに、試料の走査作業時間を短縮することができる走査型プローブ顕微鏡を提供することを目的とする。

本発明は、走査型プローブ顕微鏡であって、観察ユニットと、前記観察ユニットに設けられ、三次元方向に伸縮可能なスキャナと、前記スキャナに設けられたカンチレバーと、前記カンチレバーの先端部に設けられ、試料に当接するプローブと、を備え、前記プローブは、前記試料の表面に対して直交するように配置され、前記カンチレバーに、反射面が形成され、前記反射面は、前記試料の表面に対して傾斜している走査型プローブ顕微鏡。

本発明による走査型プローブ顕微鏡において、前記カンチレバーは、前記試料の前記表面に平行に延びて配置され、前記プローブは、前記カンチレバーに対して直交するように設けられていてもよい。

本発明による走査型プローブ顕微鏡において、前記観察ユニットに設けられ、前記カンチレバーの上方から前記反射面に向かって、光を発射する光源と、前記観察ユニットに設けられ、平面視において前記光源と異なる位置に配置され、前記反射面で反射された前記光を受光する光検出器と、を更に備えていてもよい。

本発明による走査型プローブ顕微鏡において、前記反射面は、前記カンチレバーの上面に形成された研磨処理面からなっていてもよい。

本発明による走査型プローブ顕微鏡において、前記カンチレバーに設けられた反射部を更に備え、前記反射面は、前記反射部の上面により形成され、前記反射部は、接着剤により前記カンチレバーに取り付けられていてもよい。

本発明による走査型プローブ顕微鏡において、前記カンチレバーに、前記反射部を支持する窪み部が形成され、前記反射部は、接着剤により前記窪み部に取り付けられていてもよい。

本発明による走査型プローブ顕微鏡において、前記カンチレバーに、前記反射部を支持する支持部材が設けられ、前記反射部は、接着剤により前記支持部材に取り付けられていてもよい。

本発明による走査型プローブ顕微鏡において、前記支持部材は、球状に形成されていてもよい。

本発明によれば、急峻な段差構造を有する試料の正確なパターン形状を得ることができるとともに、試料の走査作業時間を短縮することができる。

図１は、本発明の第１の実施の形態における走査型プローブ顕微鏡の全体概略構成を示す図である。 図２Ａは、図１の走査型プローブ顕微鏡を用いた走査方法を説明する図である。 図２Ｂは、図１の走査型プローブ顕微鏡を用いた走査方法を説明する図である。 図２Ｃは、図１の走査型プローブ顕微鏡を用いた走査方法を説明する図である。 図２Ｄは、図１の走査型プローブ顕微鏡を用いた走査方法を説明する図である。 図２Ｅは、図１の走査型プローブ顕微鏡を用いた走査方法を説明する図である。 図３は、図１の走査型プローブ顕微鏡を用いた走査方法を説明する図であって、試料の表面のパターンを示す平面図である。 図４は、本発明の第２の実施の形態のカンチレバーを示す図である。 図５は、図４の変形例を示す図である。 図６は、本発明の第３の実施の形態のカンチレバーを示す図である。 図７は、本発明の第４の実施の形態のカンチレバーを示す図である。 図８は、図７の変形例を示す図である。 図９は、一般的な走査型プローブ顕微鏡の全体概略構成を示す図である。 図１０は、一般的な走査型プローブ顕微鏡によって、急峻な段差構造を有する試料を走査した場合に得られるパターン形状を説明する図である。 図１１は、一般的な走査型プローブ顕微鏡によって、急峻な段差構造を有する試料を走査した場合に得られるパターン形状を説明する図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施の形態について説明する。なお、本件明細書に添付する図面においては、図示と理解のしやすさの便宜上、適宜縮尺および縦横の寸法比等を、実物のそれらから変更し誇張してある。また、以下の説明においては、コンタクトモード（ＡＦＭ）で試料を走査する走査型プローブ顕微鏡および走査型プローブ顕微鏡を用いた走査方法について説明する。

図１乃至図３を用いて、本発明の実施の形態における走査型プローブ顕微鏡について説明する。ここでは、まず、本発明の実施の形態による走査型プローブ顕微鏡の一例について、図１を参照して説明する。ここで、図１は、本発明の実施の形態における走査型プローブ顕微鏡の全体概略構成を示す図である。

なお、本明細書において用いる、形状や幾何学的条件および物理的特性並びにそれらの程度を特定する、例えば、「平行」、「直交」、「傾斜」、「一致」等の用語や角度並びに物理的特性の値等については、厳密な意味に縛られることなく、同様の機能を期待し得る程度の範囲を含めて解釈することとする。また、本明細書において用いる、「試料に当接」とは、厳密な意味に縛られることなく、例えば、インターミッテントコンタクトモード（ＤＦＭ）などにおいて、試料の表面を走査ができる程度に接近すること含めたものを意味するものとして用いている。さらに、「試料の表面に対して平行」、「試料の表面に対して傾斜」または「試料の表面に対して直交」とは、厳密な意味に縛られることなく、例えば、肉眼で観察する試料の表面に対して、平行であること、傾斜していること、または直交していることを意味するものとして用いている。

図１に示された走査型プローブ顕微鏡１は、観察ユニット２と、観察ユニット２に設けられ、三次元方向に伸縮可能なスキャナ３と、スキャナ３に設けられたカンチレバー４と、カンチレバー４の先端部４ａに設けられ、試料ステージ５上に載置された試料６に当接するプローブ７と、を備えている。このうち、スキャナ３は、水平方向（ｘｙ軸方向）に伸縮可能な水平用スキャナ８と、水平用スキャナ８に支持され、上下方向（ｚ軸方向）に伸縮可能なスキャナヘッド９と、を有している。本実施の形態におけるスキャナヘッド９の下面は、図１に示すように、側方から見て試料６の表面６ａに対して平行に延びるように形成されている。また、水平用スキャナ８およびスキャナヘッド９は、ピエゾ素子により構成されていることが好適である。なお、水平用スキャナ８の伸長範囲は、例えば３０μｍ〜２００μｍの範囲内に設定され、スキャナヘッド９の伸長範囲は例えば３μｍ、５μｍまたは１５μｍの範囲内に設定されている。

カンチレバー４は、後端部４ｂに設けられた支持材１０を介して、スキャナヘッド９に支持されている。この支持材１０は、スキャナヘッド９の下面に当接しており、側方から見て水平方向に延びるように形成されている。

また、カンチレバー４は、試料６の表面６ａに対して平行に延びて配置されている。すなわち、カンチレバー４は、側方から見て水平方向に延びるように支持材１０に取り付けられており、カンチレバー４の下面が試料６の表面６ａに対して平行になっている。

さらに、カンチレバー４の先端部４ａの上面４ｃには、反射面２０が形成されている。この反射面２０は、試料６の表面６ａに対して傾斜しており、後述するレーザー光１６を反射させるものである。より具体的には、反射面２０は、側方から見て、カンチレバー４の先端部４ａおよび後端部４ｂのうち、後端部４ｂの側（図１における右側、以下、水平方向の一側と記す）に向かうにつれて上方に傾斜している。このようにして、後述する半導体レーザー１３から発射され上方から反射面２０に入射するレーザー光１６は当該半導体レーザー１３に向かって反射することなく、所定の角度で水平方向の他側（図１における左側）に向かって反射する。なお、反射面２０は、水平方向の他側に向かうにつれて上方に傾斜していてもよい。この場合、レーザー光１６は、所定の角度で水平方向の一側に向かって反射する。

また、本実施の形態における反射面２０は、カンチレバー４の上面４ｃに形成された研磨処理面からなっている。この場合、反射面２０は、カンチレバー４の先端部４ａの上面４ｃを研削し、水平方向の一側に向かうにつれて上方に傾斜させた後に、研磨処理により形成されている。

プローブ７は、カンチレバー４に対して直交するように設けられるとともに、試料６の表面６ａに対して直交するように配置されている。このようにして、プローブ７が水平方向に沿って試料６の表面６ａを走査する際に、プローブ７が試料６の表面６ａに対して直交した状態で当該表面６ａに当接することができる。

また、本実施の形態におけるプローブ７は、水平方向に延びるカンチレバー４の下面に支持された本体部７ａと、本体部７ａに支持された先端部７ｂと、を有している。この場合、本体部７ａは、カンチレバー４の下面に当接する面を底面とする角錐形状または円錐形状に形成され、本体部７ａの中心軸線と先端部７ｂの中心軸線とは一致している（図１に示す中心軸線Ｚ参照）。ここで、プローブ７の本体部７ａの中心軸線と先端部７ｂの中心軸線とが一致していない場合、例えば、側方から見て、先端部７ｂの中心軸線が本体部７ａの中心軸線に対して所定の角度で傾斜している場合、プローブ７が試料６を走査する際に、プローブ７の本体部７ａと先端部７ｂとの境界に局所的な力が作用する場合がある。この場合、当該境界において、先端部７ｂの中心軸線が本体部７ａの中心軸線に対して傾斜している方向へ、先端部７ｂが折れ曲がりやすくなり、プローブ７が損傷するおそれがある。しかしながら、本実施の形態によれば、プローブ７の本体部７ａの中心軸線と先端部７ｂの中心軸線とが一致している。このことにより、試料６を走査している際に、プローブ７の本体部７ａと先端部７ｂとの境界に局所的な力が作用した場合であっても、当該境界において、先端部７ｂが折れ曲がることを抑制でき、プローブ７が破損する可能性を低減できる。なお、プローブ７は、カンチレバー４に対して直交するように設けられるとともに、試料６の表面６ａに対して直交するように配置されていれば、任意の形状にすることができ、例えば、プローブ７が全体として角錐形状若しくは円錐形状に形成されていてもよく、または側方から見て左右非対称に形成されていてもよい。

また、走査型プローブ顕微鏡１は、スキャナ３に接続された制御部１２と、観察ユニット２に設けられた半導体レーザー１３（光源）と、観察ユニット２に設けられた光検出器１４と、を備えている。このうち、制御部１２は、スキャナ３を三次元方向に駆動制御するものである。この場合、上述した水平用スキャナ８およびスキャナヘッド９は、制御部１２に接続され、制御部１２が、水平用スキャナ８およびスキャナヘッド９に電圧を印加することにより、水平用スキャナ８が水平方向に伸縮し、スキャナヘッド９が上下方向に伸縮する。このようにして、制御部１２は、水平方向に向かって試料６の表面６ａを走査する際に、スキャナヘッド９を駆動してカンチレバー４に設けられたプローブ７を試料６に当接させ、水平用スキャナ８を駆動して水平方向にプローブ７を移動させる。なお、制御部１２は、水平用スキャナ８およびスキャナヘッド９にそれぞれ独立して電圧を印加し、水平用スキャナ８およびスキャナヘッド９をそれぞれ独立して駆動制御することができる。

また、制御部１２には、プローブ７によって走査された試料６の表面６ａのパターン形状を三次元的に表示するモニタ１５が接続されている。

半導体レーザー１３は、観察ユニット２のうち、カンチレバー４の上方に設けられており、カンチレバー４の上方から反射面２０に向かって、レーザー光１６（光）を発射するものである。本実施の形態における半導体レーザー１３は、試料６の表面６ａに対して直交する方向にレーザー光１６を発射する。

光検出器１４は、図１に示すように、観察ユニット２のうち、平面視において半導体レーザー１３と異なる位置、すなわち、水平方向において半導体レーザー１３と異なる位置に配置されている。具体的には、光検出器１４は、観察ユニット２のうち、半導体レーザー１３よりも水平方向の他側に配置されており、反射面２０で反射されたレーザー光１６を受光する。このレーザー光１６は、例えば光検出器１４の中心に入射するように調整されている。また、この光検出器１４は、制御部１２に接続されている。

ここで、カンチレバー４に設けられたプローブ７が試料６上を走査する際、プローブ７は、カンチレバー４が所定の撓み量を持つように、試料６に当接する。そして、プローブ７が試料６に当接して上下方向に変位すると、カンチレバー４の撓み量が変化する。この場合、反射面２０で反射するレーザー光１６の反射方向が変化し、光検出器１４に入射するレーザー光１６の入射位置が変化し、光検出器１４は、レーザー光１６の入射位置の位置ずれを検出する。このことにより、光検出器１４がカンチレバー４の撓み量の変化を検出し、この撓み量の変化を撓み信号として制御部１２に送信する。そして、当該信号を受信した制御部１２は、スキャナヘッド９に電圧を印加して、レーザー光１６が光検出器１４の中心に入射するように、カンチレバー４を上下方向に移動させる。このことにより、カンチレバー４の撓み量が一定の撓み量となるように、制御部１２が、スキャナヘッド９を制御する。このとき、制御部１２は、スキャナヘッド９の上下方向の変位量に基づいて試料６の凹凸を検出し、試料６の表面６ａのパターン形状を得る。そして、制御部１２はこのパターン形状をモニタ１５上に三次元的に表示する。このようにして、プローブ７の上下方向の変位を検出し、試料６の表面６ａのパターン形状を測定している。

次に、図２Ａ乃至図３を参照して、本実施の形態の作用、すなわち、図１に示す走査型プローブ顕微鏡１を用いて、試料６を走査する走査方法について説明する。ここで、図２Ａ乃至図３は、走査型プローブ顕微鏡１を用いた走査方法を説明する図である。

はじめに、図２Ａに示すように、制御部１２（図１参照）は、図示しないモータによって観察ユニット２を試料６に近づける。この際、カンチレバー４に設けられたプローブ７が試料６の表面６ａのパターン１７の近傍に位置付けられるように、制御部１２は、図示しないモータによって観察ユニット２を水平方向の一側（図２Ａにおける右側）または水平方向の他側（図２Ａにおける左側）に移動させる（図２Ａの破線参照）。本実施の形態においては、制御部１２が観察ユニット２を水平方向の一側に移動させる例を示している。次に、プローブ７が試料６の表面６ａに近づくように、制御部１２は、図示しないモータによって観察ユニット２を下方に移動させる（図２Ａの実線参照、カンチレバー４のみ図示）。

その後、図２Ｂに示すように、制御部１２は、スキャナヘッド９（図１参照）を駆動してカンチレバー４に設けられたプローブ７を試料６の表面６ａに当接させる。この場合、制御部１２は、スキャナヘッド９に電圧を印加して、スキャナヘッド９を下方に伸長させる。このようにして、制御部１２は、プローブ７の上下方向の位置を調整し、プローブ７を試料６の表面６ａに当接させる。このとき、プローブ７は、プローブ７が試料６の表面６ａに対して直交した状態で試料６の表面６ａに当接する。また、この際、カンチレバー４は、所定の撓み量を持つように撓むことになる。さらに、カンチレバー４の上面４ｃに形成された反射面２０は、図示しない半導体レーザー１３から発射され上方から反射面２０に入射するレーザー光１６（図１参照）を、当該半導体レーザー１３に向かって反射させることなく、光検出器１４（図１参照）に向かって反射させる。この際、反射面２０で反射したレーザー光１６が、光検出器１４の中心に入射するように、光検出器１４等が調整される。なお、プローブ７を試料６の表面６ａに当接させた場所が走査エリアの始点Ｓとなっている。

次に、図２Ｃに示すように、制御部１２は、水平用スキャナ８（図１参照）を駆動して水平方向の一側（図２Ｃにおける右側）に、プローブ７を移動させる。この場合、制御部１２は、水平用スキャナ８に電圧を印加して、水平用スキャナ８を水平方向の一側に伸長（または収縮）させる。このようにして、制御部１２は、プローブ７を水平方向の一側に移動させる。この際、プローブ７は試料６の表面６ａに当接しており、図２Ｃの破線に示すように、試料６の表面６ａのパターン１７を走査する。そして、プローブ７が試料６に当接して上下方向に変位すると、カンチレバー４の撓み量が変化し、反射面２０で反射するレーザー光１６の反射方向が変化することにより、光検出器１４に入射するレーザー光１６の入射位置が変化する。このとき、このレーザー光１６の入射位置の位置ずれは、光検出器１４により検出される。このことにより、光検出器１４がカンチレバー４の撓み量の変化を検出し、この撓み量の変化が光検出器１４により撓み信号として制御部１２に送信される。そして、当該信号を受信した制御部１２は、スキャナヘッド９に電圧を印加して、レーザー光１６が光検出器１４の中心に入射するように、カンチレバー４を上下方向に移動させる。このことにより、カンチレバー４の撓み量が一定の撓み量となる。また、制御部１２は、スキャナヘッド９の上下方向の変位量に基づいて試料６の表面６ａの凹凸を検出し、試料６の表面６ａのパターン形状を得る。そして、制御部１２はこのパターン形状をモニタ１５上に三次元的に表示する。なお、図２Ｃおよび図２Ｅの破線においては、図面を簡略化するために、試料６の表面６ａから離して示している。

その後、図２Ｄに示すように、制御部１２は、プローブ７が走査エリアの終点Ｆに到達するまで、水平用スキャナ８を水平方向の一側（図２Ｄにおける右側）に伸長（または収縮）させて、プローブ７を水平方向の一側に移動させる。このようにして、プローブ７は、走査エリアの終点Ｆまで試料６を走査する。ここで、例えば、プローブ７が進行方向前方（図２Ｃおよび図２Ｄにおける右側）に向かって所定の角度をもって傾斜していた場合、図１０および図１１に示すように、プローブ１０７は、試料１０６の表面のパターン１１１の左側壁面１１１ａ（または右側壁面１１１ｂ）には追従することができるが、右側壁面１１１ｂ（または左側壁面１１１ａ）に追従することができないことも考えられる。しかしながら、本実施の形態によれば、プローブ７は、プローブ７が試料６の表面６ａに対して直交しており、プローブ７が試料６の表面６ａに対して直交した状態で当該表面６ａに当接する。このことにより、プローブ７は、試料６の表面６ａのパターン１７の左側壁面１７ａに確実に追従することができ（図２Ｃの破線参照）、かつ右側壁面１７ｂにも確実に追従することができる（図２Ｄの破線参照）。このため、試料６の表面６ａの正確なパターン形状を得ることができる。

次に、図２Ｅに示すように、制御部１２は、スキャナヘッド９を駆動してカンチレバー４に設けられたプローブ７を試料６から引き離す。この場合、制御部１２は、スキャナヘッド９に電圧を印加して、スキャナヘッド９を上方に収縮させる。このようにして、制御部１２は、カンチレバー４を上方に移動し、プローブ７を試料６の表面６ａから引き離す。

その後、制御部１２は、水平用スキャナ８を駆動して水平方向の他側（図２Ｅにおける左側）に、カンチレバー４を移動させる。この場合、制御部１２は、水平用スキャナ８に電圧を印加して、水平用スキャナ８を水平方向の他側に収縮（または伸長）させる。このようにして、制御部１２は、カンチレバー４が図２Ａの実線に示す位置になるまで、カンチレバー４を水平方向の他側に移動させる。なお、この場合、制御部１２により水平用スキャナ８に印加される電圧を調整し、水平用スキャナ８を高速で水平方向の他側に収縮（または伸長）させることが好適である。このことにより、カンチレバー４の移動時間を短縮することができ、試料６の走査作業時間を短縮することができる。

このようにして、走査型プローブ顕微鏡１を用いた試料６の１走査目の走査が終了する。そして、図３に示すように、カンチレバー４をｙ軸方向に移動しながら、上述した手順を繰り返し（ｎ回）行うことにより、走査型プローブ顕微鏡１を用いた試料６の走査が終了する。なお、試料６の表面６ａのパターン１７が図２Ａ乃至図３に示すようなドットパターンではなく、他の形状のパターン、例えば、線状の凹凸が繰り返されたラインアンドスペースパターンである場合においても、走査型プローブ顕微鏡１を用いて試料６を走査することができる。

このように本実施の形態によれば、プローブ７が試料６に対して直交するように配置されている。このことにより、プローブ７は、プローブ７が試料６の表面６ａに対して直交した状態で試料６の表面６ａに当接することができる。このため、プローブ７は、試料６の表面６ａのパターン１７の左側壁面１７ａに確実に追従することができ（図２Ｃの破線参照）、かつ右側壁面１７ｂにも確実に追従することができる（図２Ｄの破線参照）。一方、例えば、プローブ７が進行方向前方（図２Ａ乃至図２Ｅにおける右側）に向かって所定の角度をもって傾斜していた場合、プローブ７は、パターン１７の進行方向の後面（左側壁面１７ａ）には追従することができるが、進行方向の前面（右側壁面１７ｂ）には追従することができないことも考えられる（図１０参照）。これに対して、本実施の形態によれば、パターン１７の進行方向の後面（左側壁面１７ａ）および前面（右側壁面１７ｂ）に確実に追従することができる（図２Ｃおよび図２Ｄ参照）。また、カンチレバー４の上面４ｃに形成された反射面２０が、試料６の表面６ａに対して傾斜している。このことにより、反射面２０が、反射面２０に入射するレーザー光１６を反射させることができる。このため、プローブ７が試料６の表面６ａに対して直交した状態であっても試料６を走査することができる。この結果、試料６のパターン１７が微細なパターン形状や急峻な段差構造を有する場合であっても、試料６を走査する際に、プローブ７が当該パターン形状に確実に追従することができる。このため、試料６を走査する際に、試料６を回転させることなく、当該試料６の正確なパターン形状を得ることができ、走査作業時間を短縮することができる。

また、本実施の形態によれば、カンチレバー４は、試料６の表面６ａに対して平行に延びるように配置され、プローブ７は、カンチレバー４に対して直交するように設けられている。すなわち、プローブ７の本体部７ａは、カンチレバー４に対して直交するように設けられるとともに、プローブ７の先端部７ｂは、試料６の表面６ａに対して直交するように配置されている。そして、本体部７ａは、カンチレバー４の下面に当接する面を底面とする角錐形状または円錐形状に形成され、本体部７ａの中心軸線と先端部７ｂの中心軸線とは一致している。このことにより、試料６を走査している際に、プローブ７の本体部７ａと先端部７ｂとの境界に局所的な力が作用した場合であっても、当該境界において、先端部７ｂが折れ曲がることを抑制できる。一方、例えば、側方から見て、先端部７ｂの中心軸線が本体部７ａの中心軸線に対して所定の角度で傾斜している場合、プローブ７が試料６を走査する際に、当該境界に局所的な力が作用すると、当該境界において、先端部７ｂの中心軸線が本体部７ａの中心軸線に対して傾斜している方向へ、先端部７ｂが折れ曲がりやすくなり、プローブ７が損傷するおそれがある。これに対して、本実施の形態によれば、プローブ７の本体部７ａの中心軸線と先端部７ｂの中心軸線とが一致しており、試料６を走査している際に、プローブ７の本体部７ａと先端部７ｂとの境界に局所的な力が作用した場合であっても、当該境界において、先端部７ｂが折れ曲がることを抑制でき、プローブ７が破損する可能性を低減できる。この結果、走査型プローブ顕微鏡１の信頼性を向上させることができる。なお、プローブ７が、カンチレバー４に対して直交するように設けられるとともに、試料６の表面６ａに対して直交するように配置されていることにより、プローブ７の構造が複雑化することを回避し、低コスト化を図ることもできる。

また、本実施の形態によれば、カンチレバー４の上方から反射面２０に向かってレーザー光１６を発射する半導体レーザー１３と、水平方向において半導体レーザー１３と異なる位置に配置され、反射面２０で反射されたレーザー光１６を受光する光検出器１４と、を備えている。このことにより、反射面２０が、半導体レーザー１３から発射され上方から反射面２０に入射するレーザー光１６を、当該半導体レーザー１３に向かって反射させることなく、光検出器１４に向かって反射させることができる。この場合においても、プローブ７が試料６の表面６ａに対して直交した状態で試料６を走査することができ、試料６のパターン１７が微細なパターン形状や急峻な段差構造を有する場合であっても、プローブ７が当該パターン形状に追従することができる。このため、試料６を走査する際に、試料６を回転させることなく、当該試料６の正確なパターン形状を得ることができ、走査作業時間を短縮することができる。

また、本実施の形態によれば、反射面２０は、カンチレバー４の上面４ｃを研磨処理した面となっている。このことにより、反射面２０を容易に形成することができる。このため、カンチレバー４の低コスト化を図ることができる。

（第２の実施の形態）
次に、図４を用いて、本発明の第２の実施の形態における走査型プローブ顕微鏡について説明する。

図４に示す第２の実施の形態においては、カンチレバーに設けられた反射部を備え、反射面が、反射部の上面により形成されている点が主に異なり、他の構成は、図１乃至図３に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図４において、図１乃至図３に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

図４に示すように、本実施の形態においては、走査型プローブ顕微鏡１は、カンチレバー４の先端部４ａの上面４ｃに設けられた反射部２１を備えている。この反射部２１は、接着剤２２によりカンチレバー４の上面４ｃに取り付けられている。本実施の形態における反射部２１は、側方から見て台形状に形成されており、反射部２１の上面２１ａは、水平方向の一側に向かうにつれて上方へ傾斜している。このような構成により、反射部２１の上面２１ａがレーザー光１６を反射させる反射面２０を形成している。なお、反射部２１は、レーザー光１６を光検出器１４に向かって反射させることができれば、任意の形状にすることができ、例えば、側方から見て三角形状等に形成されていてもよい。

このように本実施の形態によれば、反射部２１の上面２１ａが反射面２０を形成し、反射部２１が接着剤２２によりカンチレバー４の上面４ｃに取り付けられている。このことにより、反射面２０の形成作業を容易に行うことができるとともに、反射部２１の取り付け作業を容易に行うことができる。このため、反射面２０の形成作業時間を短縮することができる。また、この場合においても、上述した第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

なお、上述した本実施の形態においては、反射部２１が先端部４ａの上面４ｃに設けられている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、図５に示すように、反射部２１が、カンチレバー４の上面４ｃの全面にわたって設けられていてもよい。この場合、反射部２１は、側方から見て三角形状に形成されており、カンチレバー４の先端部４ａにおける反射部２１の上面２１ａは、水平方向の一側に向かうにつれて上方へ傾斜している。この場合においても、反射面２０の形成作業を容易に行うことができるとともに、反射部２１の取り付け作業を容易に行うことができ、反射面２０の形成作業時間を短縮することができる。また、この場合においても、上述した第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。なお、反射部２１は、レーザー光１６を光検出器１４に向かって反射させることができれば、任意の形状にすることができ、例えば、側方から見て台形状等に形成されていてもよい。

（第３の実施の形態）
次に、図６を用いて、本発明の第３の実施の形態における走査型プローブ顕微鏡について説明する。

図６に示す第３の実施の形態においては、カンチレバーに反射部を支持する窪み部が形成され、反射部が、接着剤により窪み部に取り付けられている点が主に異なり、他の構成は、図４および図５に示す第２の実施の形態と略同一である。なお、図６において、図４および図５に示す第２の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

図６に示すように、本実施の形態においては、カンチレバー４の先端部４ａの上面４ｃに、反射部２１を支持する窪み部４ｄが形成されている。そして、反射部２１は、接着剤２２により窪み部４ｄに取り付けられている。本実施の形態における反射部２１は、側方から見て板状に形成されており、窪み部４ｄに取り付けられることにより、反射部２１の上面２１ａが水平方向の一側に向かうにつれて上方へ傾斜している。この場合、反射部２１の一端部が窪み部４ｄ内で支持され、反射部２１の下面が、カンチレバー４の上面４ｃに支持されていることが好適である。なお、窪み部４ｄの形状は、反射部２１の上面２１ａが試料６の表面６ａに対して傾斜するようにすることができれば、任意の形状にすることができる。

このように本実施の形態によれば、反射部２１が接着剤２２により窪み部４ｄに取り付けられ、窪み部４ｄが反射部２１を支持している。このことにより、反射部２１の取り付け作業をより容易に行うことができ、かつ反射部２１の取付位置の位置精度を向上させることができる。また、この場合においても、上述した第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

（第４の実施の形態）
次に、図７を用いて、本発明の第４の実施の形態における走査型プローブ顕微鏡について説明する。

図７に示す第４の実施の形態においては、カンチレバーに、反射部を支持する支持部材が設けられ、反射部が、接着剤により支持部材に取り付けられている点が主に異なり、他の構成は、図４および図５に示す第２の実施の形態と略同一である。なお、図７において、図４および図５に示す第２の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

図７に示すように、本実施の形態においては、カンチレバー４の先端部４ａの上面４ｃに、反射部２１を支持する支持部材２３が設けられている。そして、反射部２１は、接着剤２２により支持部材２３に取り付けられている。本実施の形態における反射部２１は、側方から見て板状に形成されており、支持部材２３に取り付けられることにより、反射部２１の上面２１ａが、水平方向の一側に向かうにつれて上方へ傾斜している。この場合、支持部材２３は、側面から見て上下方向に延びるように矩形状に形成され、それぞれ高さの異なる２つの支持部材２３が反射部２１を支持していることが好適である。なお、支持部材２３の形状および個数は、反射部２１の上面２１ａが試料６の表面６ａに対して傾斜するように、支持部材２３が反射部２１を支持することができれば、任意の形状および個数にすることができる。例えば、図８に示すように、支持部材２３が、球状に形成されていてもよい。この場合、例えば、支持部材２３は、それぞれ径の異なる２つのビーズとすることが好適である。また、接着剤２２は、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、酢酸ビニル樹脂、シリコーン樹脂、エポキシアクリレート、ウレタンアクリレートのいずれかを含有する接着剤２２を用いることが好適である。

このように本実施の形態によれば、反射部２１が、接着剤２２により支持部材２３に取り付けられ、支持部材２３が反射部２１を支持している。このことにより、カンチレバー４に加工を施すことなく、反射部２１の取り付け作業を容易に行うことができる。このため、反射面２０の形成作業時間を短縮することができる。また、この場合においても、上述した第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明してきたが、本発明による走査型プローブ顕微鏡は、上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

１ 走査型プローブ顕微鏡
２ 観察ユニット
３ スキャナ
４ カンチレバー
４ａ 先端部
４ｃ 上面
４ｄ 窪み部
６ 試料
６ａ 表面
７ プローブ
１３ 半導体レーザー
１４ 光検出器
１６ レーザー光
２０ 反射面
２１ 反射部
２１ａ 上面
２２ 接着剤
２３ 支持部材

Claims (4)

1. 走査型プローブ顕微鏡において、
   観察ユニットと、
   前記観察ユニットに設けられ、三次元方向に伸縮可能なスキャナと、
   前記スキャナに設けられたカンチレバーと、
   前記カンチレバーの先端部に設けられ、試料に当接するプローブと、を備え、
   前記プローブは、前記試料の表面に対して直交するように配置され、
   前記カンチレバーに、反射面が形成され、
   前記反射面は、前記試料の表面に対して傾斜しており、
   前記カンチレバーのうち、前記反射面が形成された領域は、その周囲よりも厚みが薄くなっており、
   前記プローブは、
   前記カンチレバーの下面に支持された本体部と、
   前記本体部に支持された先端部と、を有し、
   前記反射面は、側方から見て、前記カンチレバーの後端部側に向かうにつれて上方に傾斜するとともに、前記カンチレバーの先端にまで延びており、
   前記反射面と前記プローブの前記先端部の中心軸線とが、側方から見て、互いに交差していることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
2. 前記反射面は、前記カンチレバーの上面に形成された研磨処理面からな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. 前記カンチレバーは、前記試料の前記表面に対して平行に延びて配置され、
   前記プローブは、前記カンチレバーに対して直交するように設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
4. 前記観察ユニットに設けられ、前記カンチレバーの上方から前記反射面に向かって、光を発射する光源と、
   前記観察ユニットに設けられ、平面視において前記光源と異なる位置に配置され、前記反射面で反射された前記光を受光する光検出器と、を更に備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡。

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