特許 6630684 高アスペクト比を有する面を検査するための走査プローブ顕微鏡及び方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6630684

(24)【登録日】2019年12月13日

(45)【発行日】2020年1月15日

(54)【発明の名称】高アスペクト比を有する面を検査するための走査プローブ顕微鏡及び方法

(51)【国際特許分類】

   G01Q 10/04 20100101AFI20200106BHJP

   G01Q 60/38 20100101ALI20200106BHJP

   G01Q 70/08 20100101ALI20200106BHJP

   B81B 3/00 20060101ALN20200106BHJP

【ＦＩ】

   G01Q10/04

   G01Q60/38 101

   G01Q70/08

   !B81B3/00

【請求項の数】9

【全頁数】28

(21)【出願番号】特願2016-575527(P2016-575527)

(86)(22)【出願日】2015年6月15日

(65)【公表番号】特表2017-521655(P2017-521655A)

(43)【公表日】2017年8月3日

(86)【国際出願番号】EP2015063291

(87)【国際公開番号】WO2015197398

(87)【国際公開日】20151230

【審査請求日】2017年2月27日

(31)【優先権主張番号】102014212311.9

(32)【優先日】2014年6月26日

(33)【優先権主張国】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】503263355

【氏名又は名称】カール・ツァイス・エスエムティー・ゲーエムベーハー

(74)【代理人】

【識別番号】100086771

【弁理士】

【氏名又は名称】西島 孝喜

(74)【代理人】

【識別番号】100088694

【弁理士】

【氏名又は名称】弟子丸 健

(74)【代理人】

【識別番号】100094569

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 伸一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100067013

【弁理士】

【氏名又は名称】大塚 文昭

(74)【代理人】

【識別番号】100109070

【弁理士】

【氏名又は名称】須田 洋之

(74)【代理人】

【識別番号】100120525

【弁理士】

【氏名又は名称】近藤 直樹

(74)【代理人】

【識別番号】100158469

【弁理士】

【氏名又は名称】大浦 博司

(72)【発明者】

【氏名】バウアー クリストフ

(72)【発明者】

【氏名】エディンガー クラウス

【審査官】 山口 剛

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００５−３３１５０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００３／０２３３８７０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２００６−２７６０２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０５１０３０９５（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特表２０１４−５０４７３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００８／００１１０６５（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｑ １０／００ − ９０／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ａ．測定先端（５３０、６３０、７３０、８３０、９３０、１０３０）を面（４１５）にわたって走査するための走査デバイス（４２０）と、
ｂ．ねじれ領域（５４５、６４５、７４５、８４５、９４５、１０４５）を有して前記測定先端（５３０、６３０、７３０、８３０、９３０、１０３０）のためのものであるカンチレバー（５４０、６４０、７４０、８４０、９４０、１０４０）であって、
ｃ．前記ねじれ領域（５４５、６４５、７４５、８４５、９４５、１０４５）が、制御信号が加えられた時にそれがねじれを受け、それによって前記測定先端（５３０、６３０、７３０、８３０、９３０、１０３０）をピボット回転させるように構成される、
前記カンチレバー（５４０、６４０、７４０、８４０、９４０、１０４０）と、
ｄ．前記測定先端（５３０、６３０、７３０、８３０、９３０、１０３０）が前記面（４１５）の領域を走査するときに、該領域が、該測定先端（５３０、６３０、７３０、８３０、９３０、１０３０）のピボット回転なしよりもピボット回転させた測定先端（５３０、６３０、７３０、８３０、９３０、１０３０）を用いて、より接近して検査されることができるか否かを決定し、該面（４１５）の該領域が、該測定先端（５３０、６３０、７３０、８３０、９３０、１０３０）のピボット回転なしよりも該ピボット回転させた測定先端（５３０、６３０、７３０、８３０、９３０、１０３０）を用いて、より接近して検査されることができるという決定に応じて、前記制御信号を出力するための制御デバイス（４８０）と
を有し、
前記走査デバイス（４２０）が、ｚ運動に対する距離フィードバックループをｚ−ｘ運動に拡張するように構成され、ｘ方向が、高速走査方向を示し、ｚ方向は前記面（４１５）に垂直であり、
前記ねじれ領域（９４５）は、前記制御信号が加えられた時に配置の第１の部分を実質的に第１の温度に保ち、かつ配置の第２の部分を実質的に第２の温度に保つように構成された配置にある材料を有し、
前記第１及び第２の温度は、異なっている、
走査プローブ顕微鏡（４００）。

【請求項2】

前記制御信号が加えられた時に前記ねじれ領域（５４５、６４５、７４５、８４５）を局所的に加熱するように構成されたレーザシステム（４９０）を更に有することを特徴とする請求項１に記載の走査プローブ顕微鏡（４００）。

【請求項3】

前記制御信号が加えられた時に前記ねじれ領域（５４５、６４５、７４５、８４５）を局所的に加熱するように構成された加熱装置（６６０、８６０）を更に有することを特徴とする請求項１に記載の走査プローブ顕微鏡（４００）。

【請求項4】

前記制御デバイス（４８０）は、前記測定先端（５３０、５３０、７３０、８３０、９３０、１０３０）を励起して振動させるために前記制御信号を変調するように構成されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の走査プローブ顕微鏡（４００）。

【請求項5】

前記ねじれ領域（５４５、６４５、７４５、８４５、９４５、１０４５）は、前記測定先端（５３０、５３０、７３０、８３０、９３０、１０３０）を±５°の角度範囲でピボット回転させるように構成されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の走査プローブ顕微鏡（４００）。

【請求項6】

前記カンチレバー（５４０、６４０、７４０、８４０）及び前記測定先端（５３０、５３０、７３０、８３０）は、１００Ｈｚ−５ＭＨｚの範囲の共振周波数を有することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の走査プローブ顕微鏡（４００）。

【請求項7】

前記走査デバイス（４２０）は、ｚ運動の信号をｘ運動に対する信号に追加するように構成されることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の走査プローブ顕微鏡（４００）。

【請求項8】

前記カンチレバー（５４０、６４０、７４０、８４０、９４０、１０４０）は、前記ねじれ領域（５４５、６４５、７４５、８４５、９４５、１０４５）に至る電気接続（６６５、８６５、９６５、１０６５、１０７５）が統合された取り付けユニット（５５０、５５０、７５０、８５０、９５０、１０５０）を有することを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の走査プローブ顕微鏡（４００）。

【請求項9】

前記カンチレバー（５４０、６４０、７４０、８４０、９４０、１０４０）は、前記測定先端（５３０、６３０、７３０、８３０、９３０、１０３０）の前記ピボット回転を決定するための少なくとも１つのセンサを有することを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の走査プローブ顕微鏡（４００）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、走査プローブ顕微鏡と高アスペクト比を有する面を検査する方法とに関する。

【背景技術】

【0002】

走査プローブ顕微鏡は、プローブを用いて試料又はその面を走査し（ｓｃａｎ）、それによって試料面のトポグラフィ（ｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ）表現を生成するための測定データを供給する。以下の本文では、走査プローブ顕微鏡をＳＰＭと略記する。プローブの測定先端（ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｔｉｐ）と試料面の間の相互作用タイプに依存して、様々なＳＰＭタイプの間で区別がつけられる。多くの場合に、互いに接触状態にない試料と測定先端の間に電圧を加え（または、印加し：ａｐｐｌｙ。他の箇所においても同様。）、得られるトンネル電流を測定する走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）が使用される。

【0003】

走査力顕微鏡（ＳＦＭ、又は原子間力顕微鏡に対してはＡＦＭ）の場合に、試料面の原子間力、一般的にはファンデルワールス力によって測定先端が偏向される（または、それる。ｄｅｆｌｅｃｔｅｄ。他の箇所においても同様。）。測定先端の偏向（または、それること。ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ。他の箇所においても同様。）は、測定先端と試料面の間に作用する力に比例し、この力を用いて面トポグラフィが決定される。論文「複数の走査近接プローブアレイのためのカンチレバーの制御可能な平面外偏向（Ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅ ｏｆｆ−ｐｌａｎｅ ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｓ ｆｏｒ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｐｒｏｘｉｍｉｔｙ ｐｒｏｂｅ ａｒｒａｙｓ）」、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ａ（２００８年）、９２：５２５〜５３０、ＤＯＩ １０．１００７／ｓ００３３９−００８−４６６８−ｙにおいて、著者Ｙ．Ｓａｒｏｖ、Ｔ．Ｉｖａｎｏｖ、及びＩ．Ｗ．Ｒａｎｇｅｌｏｗは、４×３２個の測定先端の２次元配置を有する測定プローブの製造を記載している。

【0004】

これらの一般的なＳＰＭタイプに加えて、磁気力顕微鏡又は近接場走査光学及び音響顕微鏡のような特定の用途分野に向けて使用される多数の更に別のデバイスタイプが存在する。

【0005】

全ての典型的なＳＰＭタイプは、高アスペクト比、すなわち、構造の深さ又は高さのその最小横広がりに対する高い比率を有する試料上の構造を分析するのに困難を有する。この理由から、標準のＳＰＭは、深い溝及び急勾配の側面を限られた程度までしか像生成（ｉｍａｇｅ）することができない。ここでの制限効果は、ＳＰＭプローブの測定先端の有限半径、特にその円錐角である。図１ａは、ウェブ（ｗｅｂ）の走査中のＳＰＭプローブの問題を略示している。図１ｂの点線は、急勾配側面を有する高いウェブの側面の測定中に生じる困難を象徴している。

【0006】

この問題を解決するための様々な手法が既に公知である。Ｒｅｆ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒ．８２、０２３７０７−１から０２３７０７−５ページ（２０１１年）に掲載の論文「原子間力顕微鏡による刻み目（またはアンダーカット。他の箇所においても同様。）及び側壁構造の３次元像生成（Ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｉｍａｇｉｎｇ ｏｆ ｕｎｄｅｒｃｕｔ ａｎｄ ｓｉｄｅｗａｌｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｂｙ ａｔｏｍｉｃ ｆｏｒｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）」において、著者Ｓａｎｇ−Ｊｏｏｎ Ｃｈｏ、Ｂｙｕｎｇ−Ｗｏｏｎ Ａｈｎ、Ｊｏｏｎｈｕｉ Ｋｉｍ、Ｊｕｎｇ−Ｍｉｎ Ｌｅｅ、Ｙｕｅｍｉｎｇ Ｈｕａ、Ｙｏｕｎｇ Ｋ．Ｙｏｏ、及びＳａｎｇ−ｉｌ Ｐａｒｋは、ＡＦＭプローブの測定先端を急勾配側面、特に張出ウェブに沿って誘導するための試料面の法線から±４０°のＺスキャナのＡＦＭ測定ヘッドのピボット回転（ｐｉｖｏｔｉｎｇ）を記載している。図２は、Ｚスキャナのピボット回転又は傾斜を略示している。この画像は、Ｐａｒｋ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎからの出願文献「３次元原子間力顕微鏡を用いた高スループット及び非破壊側壁粗度測定（Ｈｉｇｈ Ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ ａｎｄ Ｎｏｎ−Ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ Ｓｉｄｅｗａｌｌ Ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｕｓｉｎｇ ３−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）」（ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｐａｒｋａｆｍ．ｃｏｍ／ ｉｍａｇ−ｅｓ／ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ／ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ／ｎｏｔｅ／１＿Ｐａｒｋ＿Ｓｙｓｔｅｍｓ＿Ａｐｐ＿ Ｎｏｔｅ＿Ｓｉｄｅｗａｌｌ ＿Ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ＿２０１２＿０３＿１４．ｐｄｆ）から取ったものである。

【0007】

ＡＦＭ測定ヘッド全体をピボット回転させるための精密機構を製造する技術的レイアウトは膨大である。これに加えて、ＡＦＭによって必要とされる空間は非常に大きくなる。測定先端の支点が、次に、頻繁に起こるが正確にはユーセントリックでない場合に、ＡＦＭ測定ヘッドの傾斜は、ＡＦＭプローブの測定先端の横変位ももたらし、これは、試料上のナビゲーションを有意により困難にする。

【0008】

第２の手法では、針タイプの測定先端の代わりに、ゾウの足（広がった先端：ｆｌａｒｅｄ ｔｉｐ）として公知の形態にある測定先端が使用される。図３は、ウェブと垂直にかつそれを横切って案内されるそのような測定先端を略示している。この原理は、著者Ｙｖｅｓ Ｍａｒｔｉｎ及びＨ．Ｋｕｍａｒ Ｗｉｃｋｒａｍａｓｈｉｎｇｈｅにより、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６４（１９）、１９９４年５月９日、２４９８〜２５００ページに掲載の彼らの論文「原子間力顕微鏡での側壁を像生成する方法（Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｉｍａｇｉｎｇ ｓｉｄｅ−ｗａｌｌｓ ａｔ ａｔｏｍｉｃ ｆｏｒｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）」に最初に説明されたものである。ｚ方向（試料法線）の測定先端の運動を制御する典型的な方法に加えて、それをｘ方向（高速走査方向）に制御する第２の方法が、ゾウの足プローブを急勾配側面の上で又は張出部の下で案内するために使用される。

【0009】

ＡＦＭ測定ヘッドのためのゾウの足プローブは、生成することが非常に困難であり、従って、非常に高価である。第２のフィードバックループの構成は、更に、非常に複雑かつ従って高価なＡＦＭをもたらす。これに加えて、ゾウの足プローブを用いて既存のＡＦＭを改良（ｒｅｔｒｏｆｉｔ）することは、困難を伴ってのみ可能である。

【0010】

論文「回転タイプミラーのための熱二重カンチレバーバイモルフアクチュエータの解析及び設計（Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌ ｄｏｕｂｌｅ−ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ ｂｉ−ｍｏｒｐｈ ａｃｔｕａｔｏｒｓ ｆｏｒ ｒｏｔａｔｉｎｇ−ｔｙｐｅ ｍｉｒｒｏｒｓ）」において、著者Ｄｏｎｇ Ｈｙｕｎ Ｋｉｍ、Ｋｙｕｎｇ ｓｕ Ｏｈ、Ｓｅｕｎｇｈｏ Ｐａｒｋ、Ｏｈｍｙｏｕｎｇ Ｋｗｏｎ、Ｙｏｕｎｇ Ｋｉ Ｃｈｏｉ、及びＪｏｏｎ Ｓｉｋ Ｌｅｅは、ＭＮＨＴ２００８、ミクロ／ナノスケール熱伝達国際会議、台湾国台南市、２００８年１月６〜９日の会報、１０６３〜１０６７ページに、マイクロミラーを調節するための２つのバイメタルビーム（ｂｉｍｅｔａｌ ｂｅａｍｓ）から構成される微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）を記載している。

【0011】

日本特許出願ＪＰ ０８−０９４６５１は、ＡＦＭプローブを開示しており、そのカンチレバー（ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ）は、ピエゾ抵抗材料（ｐｉｅｚｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ ｍａｔｅｒｉａｌ）の３つのビーム（ｂｅａｍｓ）を有する。中央ビームに電圧が加えられ、カンチレバーの偏向が、２つの外部ビームの和信号から決定され、カンチレバーのねじれ（ｔｏｒｓｉｏｎ）又は曲げ（ｂｅｎｄｉｎｇ）が、２つの外部ビームの差信号から確定される。

【0012】

特許文献ＵＳ ８ ４５８ ８１０ Ｂ２は、ＡＦＭプローブの長手軸に関して非対称な配置で２つの材料を有するＡＦＭプローブのカンチレバーを開示している。これら２つの材料は、異なる線膨張率（または線膨張係数：ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ ｏｆ ｌｉｎｅａｒ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ。他の箇所においても同様。）を有する。カンチレバーの測定先端は、それによってカンチレバーの温度変化の場合に横方向に偏向される。カンチレバー上のバイモルフ材料の非対称配置に起因して、熱信号部分（横偏向）は、トポグラフィ信号部分（法線方向におけるカンチレバーの偏向）から隔離することができる。

【0013】

最後に言及した２つの文献は、ＡＦＭプローブによって供給される測定信号内でトポグラフィ部分から熱部分を分離し、それによって熱測定を可能にするという目的に対処している。急勾配の高い側面又は張出構造を決定する際の問題は、これらの文献のいずれよっても対処されていない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0014】

【特許文献1】ＪＰ ０８−０９４６５１

【特許文献2】ＵＳ ８ ４５８ ８１０ Ｂ２

【非特許文献】

【0015】

【非特許文献1】Ｙ．Ｓａｒｏｖ、Ｔ．Ｉｖａｎｏｖ、及びＩ．Ｗ．Ｒａｎｇｅｌｏｗ著「複数の走査近接プローブアレイのためのカンチレバーの制御可能な平面外偏向（Ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅ ｏｆｆ−ｐｌａｎｅ ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｓ ｆｏｒ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｐｒｏｘｉｍｉｔｙ ｐｒｏｂｅ ａｒｒａｙｓ）」、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ａ（２００８年）、９２：５２５〜５３０、ＤＯＩ １０．１００７／ｓ００３３９−００８−４６６８−ｙ

【非特許文献2】Ｓａｎｇ−Ｊｏｏｎ Ｃｈｏ、Ｂｙｕｎｇ−Ｗｏｏｎ Ａｈｎ、Ｊｏｏｎｈｕｉ Ｋｉｍ、Ｊｕｎｇ−Ｍｉｎ Ｌｅｅ、Ｙｕｅｍｉｎｇ Ｈｕａ、Ｙｏｕｎｇ Ｋ．Ｙｏｏ、及びＳａｎｇ−ｉｌ Ｐａｒｋ著「原子間力顕微鏡による刻み目及び側壁構造の３次元像生成（Ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｉｍａｇｉｎｇ ｏｆ ｕｎｄｅｒｃｕｔ ａｎｄ ｓｉｄｅｗａｌｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｂｙ ａｔｏｍｉｃ ｆｏｒｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）」、Ｒｅｆ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒ．８２、０２３７０７−１から０２３７０７−５ページ（２０１１年）

【非特許文献3】Ｐａｒｋ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎの出願「３次元原子間力顕微鏡を用いた高スループット及び非破壊側壁粗度測定（Ｈｉｇｈ Ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ ａｎｄ Ｎｏｎ−Ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ Ｓｉｄｅｗａｌｌ Ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｕｓｉｎｇ ３−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）」（ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｐａｒｋａｆｍ．ｃｏｍ／ ｉｍａｇ−ｅｓ／ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ／ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ／ｎｏｔｅ／１＿Ｐａｒｋ＿Ｓｙｓｔｅｍｓ＿Ａｐｐ＿ Ｎｏｔｅ＿Ｓｉｄｅｗａｌｌ ＿Ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ＿２０１２＿０３＿１４．ｐｄｆ）

【非特許文献4】Ｙｖｅｓ Ｍａｒｔｉｎ及びＨ．Ｋｕｍａｒ Ｗｉｃｋｒａｍａｓｈｉｎｇｈｅ著「原子間力顕微鏡での側壁を像生成する方法（Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｉｍａｇｉｎｇ ｓｉｄｅ−ｗａｌｌｓ ａｔ ａｔｏｍｉｃ ｆｏｒｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）」、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６４（１９）、１９９４年５月９日、２４９８〜２５００ページ

【非特許文献5】Ｄｏｎｇ Ｈｙｕｎ Ｋｉｍ、Ｋｙｕｎｇ ｓｕ Ｏｈ、Ｓｅｕｎｇｈｏ Ｐａｒｋ、Ｏｈｍｙｏｕｎｇ Ｋｗｏｎ、Ｙｏｕｎｇ Ｋｉ Ｃｈｏｉ、及びＪｏｏｎ Ｓｉｋ Ｌｅｅ著「回転タイプミラーのための熱二重カンチレバーバイモルフアクチュエータの解析及び設計（Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌ ｄｏｕｂｌｅ−ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ ｂｉ−ｍｏｒｐｈ ａｃｔｕａｔｏｒｓ ｆｏｒ ｒｏｔａｔｉｎｇ−ｔｙｐｅ ｍｉｒｒｏｒｓ）」ＭＮＨＴ２００８、ミクロ／ナノスケール熱伝達国際会議、台湾国台南市、２００８年１月６〜９日の会報、１０６３〜１０６７ページ

【非特許文献6】Ｔｈｏｍａｓ Ｓｕｌｚｂａｃｈ及びＩｖｏ Ｗ．Ｒａｎｇｅｌｏｗ出版「ＰＲＯＮＡＮＯ：ナノスケールの分析及び合成のための大規模平行インテリジェントカンチレバープローブプラットフォームの統合プロジェクト会報（ＰＲＯＮＡＮＯ：ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｐｒｏｊｅｃｔ ｏｎ ｍａｓｓｉｖｅｌｙ ｐａｒ−ａｌｌｅｌ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ ｐｒｏｂｅ ｐｌａｔｆｏｒｍｓ ｆｏｒ ｎａｎｏｓｃａｌｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ）」、ミュンスター：Ｖｅｒｌａｇｓｈａｕｓ Ｍｏｎｓｅｎｓｔｅｉｎ ｕｎｄ Ｖａｎｎｅｒｄａｔ、ＩＳＢＮ：９７８−３−８６９９１−１７７−９

【非特許文献7】Ｓ．Ｒ．Ｍａｎａｌｉｓ、Ｓ．Ｃ．Ｍｉｎｎｅ、及びＣ．Ｆ．Ｑｕａｔｅ著「一体型アクチュエータ及びセンサを有するカンチレバーを使用する高速像生成のための原子間力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ ｆｏｒｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｉｍａｇｉｎｇ ｕｓｉｎｇ ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｓ ｗｉｔｈ ａｎ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ａｃｔｕａｔｏｒ、ａｎｄ ｓｅｎｓｏｒ）」、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６８、８７１（１９９６年）

【非特許文献8】Ｊ．Ｓ．Ｖｉｌｌａｒｕｂｂｉａ著「走査プローブ顕微鏡の画像シミュレーション、面の再構成、及び先端の推定のためのアルゴリズム（Ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ ｆｏｒ Ｓｃａｎｎｅｄ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ Ｉｍａｇｅ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ、Ｓｕｒｆａｃｅ Ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ、ａｎｄ Ｔｉｐ Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ）」、Ｊ．Ｒｅｓ．Ｎａｔｌ．Ｉｎｓｔ．Ｓｔａｎｄ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．第１０２巻、第４号、７月〜８月、４２５〜４５４ページ

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0016】

本発明は、従って、高アスペクト比を有する構造を確実に分析することができる補助となる装置及び方法を指定するという目的に基づいている。

【課題を解決するための手段】

【0017】

本発明の一例示的実施形態により、この目的は、請求項１に記載の装置を用いて達成される。一実施形態において、装置は、（ａ）測定先端を面の上で（ｏｖｅｒ ａ ｓｕｒｆａｃｅ）走査するための走査デバイスと、（ｂ）ねじれ領域を有して測定先端のためのものであるカンチレバーであって、（ｃ）ねじれ領域が、制御信号が加えられた（ａｐｐｌｉｅｄ）時にそれがねじれを受け、それによって測定先端をピボット回転させる（ｐｉｖｏｔｓ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｔｉｐ）ように構成される上記カンチレバーと、（ｄ）測定先端のピボット回転なしよりもピボット回転させた測定先端を用いてより接近して（ｃｌｏｓｅｌｙ）検査することができる面の領域を測定先端が走査する時に制御信号を出力するための制御デバイスとを有する走査プローブ顕微鏡を含む。

【0018】

本発明による装置の一例示的実施形態は、円錐形測定先端の通常の曲率半径及び円錐角を有する測定先端の使用を可能にし、従って、高アスペクト比を持たない面を走査する時の従来の走査プローブ顕微鏡の高い分解能機能を高アスペクト比を有する試料に対しても可能にする。急勾配の高い側面を走査するために測定先端をピボット回転させることにより、本定義の走査プローブ顕微鏡は、従来のＳＰＭに対しては測定がアクセス不能な側面のコーナ又は張出部分へのアクセスを可能にする。

【0019】

ピボット回転なしの開始位置に対する測定先端の角度は、ラスター作動又は走査作動が実施される前に定められる（ｓｅｔ）。従って、試料面のトポロジー（ｔｏｐｏｌｏｇｙ）に適合されたピボット回転角を有する測定先端を用いて試料の領域を走査することができる。

【0020】

面トポロジーの構造が既知でない場合に、最初の走査で測定先端をピボット回転させずに試料領域を走査することができる。測定データから生成された画像（ｉｍａｇｅ）から、２回目の走査のための測定先端のピボット回転角が決定される。検査される試料領域が、今度はピボット回転された測定先端を用いて再度走査される。その後に、同じ試料領域の２回の走査の測定データから試料面の忠実な２回目の画像が生成されることになる。２回目の画像により、この画像が現実に依然として適合しないという仮定が生じる場合に、検査される試料領域を測定先端の異なるピボット回転角で再度走査することができる。この工程は、検査される試料領域の忠実な画像が得られるまで繰り返すことができる。

【0021】

更に、測定先端のピボット回転は、最小限の質量の運動（ｍｏｖｅｍｅｎｔ）しか必要としない。従って、走査作動中に、測定先端を非常に迅速に再現可能にピボット回転させるか又は偏向することができる。従って、本発明による装置を使用する場合に、測定先端による走査中に測定先端のピボット回転角を変更し、それによってこのピボット回転角を試料面のトポロジーに適応させることを考えることができる。

【0022】

一般的に、走査プローブ顕微鏡は、容易に交換可能な測定プローブと、モジュール方式で構成することができる制御信号を生成するための制御デバイスとを有する。従って、既存の設備を上記で定義した装置を用いて改良することができる。

【0023】

１つの更に別の態様において、ねじれ領域は、互いに接続されて異なる熱膨張率（または熱膨張係数：ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ。他の箇所においても同様。）を有する少なくとも２つの材料層を少なくとも部分領域に含む。他の態様により、ねじれ領域の少なくとも部分領域が埋込材料を含み、その結果、この部分領域とねじれ領域とが異なる熱膨張率を有する。

【0024】

１つの更に別の態様により、ねじれ領域は、測定先端の大体のピボット回転を定める（ｓｅｔｔｉｎｇ）ために互いに接続された少なくとも２つの第１の材料層を有する少なくとも第１の領域と、測定先端の細かいピボット回転を定めるために互いに接続された少なくとも２つの第２の材料層を有する少なくとも１つの第２の領域とを含み、又はねじれ領域は、測定先端の大体のピボット回転及び細かいピボット回転を定めるために少なくとも２つの埋込材料部分領域を含む。

【0025】

異なる熱膨張を有する２又は３以上の材料の接続部は、その温度変化の場合に曲がる。ねじれ領域が、測定先端を通るカンチレバーの断面平面に関して非対称な配置で互いに接続された２又は３以上の材料層を有する場合に、カンチレバーのこのねじれ領域は、温度変化の場合にねじれを受け、従って、カンチレバーもねじれを受ける。この効果は、非対称材料をカンチレバーのねじれ領域内に埋め込むことによっても同じく達成することができる。

【0026】

これに代えて、上述の断面平面に関して非対称な温度変化の場合に、ねじれ領域内の少なくとも２つの材料及び／又は埋込材料の前段落で定めたこの断面平面に関して対称な配置は、ねじれ領域、従って、カンチレバーがねじれを受け、最終的に測定先端がピボット回転又は傾斜されるという結果をもたらす。

【0027】

ねじれ領域は、互いに接続された２又は３以上の材料層の２又は３以上の領域、又は埋込材料の２又は３以上の部分領域を有するので、断面平面からの測定先端の偏向を検査される試料面に意図的かつ精密に適応させるために、局所温度変化をもたらすための２又は３以上のパラメータが利用可能である。

【0028】

別の態様により、ねじれ領域は、記録ユニット全体の上に広がる。１つの好ましい態様において、互いに接続された少なくとも２つの材料層の領域が、カンチレバー全体の上を延び、又は埋込材料の少なくとも１つの部分領域が、カンチレバー全体の上に広がる。

【0029】

カンチレバーのこの実施形態は、２又は３以上の材料層がカンチレバー全体の上に広がることができるので、容易に、従って、廉価に製造することができる。例えば、上記で定義した断面平面に関して非対称な局所温度変化をねじれ領域の範囲で選択することにより、カンチレバーのねじれ、従って、測定先端のピボット回転を様々な用途の要件に柔軟に適応させることができる。

【0030】

１つの好ましい態様において、互いに接続された少なくとも２つの材料層の領域、又は埋込材料の少なくとも１つの部分領域は、バイメタル要素を含む。

【0031】

材料層又は埋込材料とカンチレバーの残りのねじれ領域とに対して非常に異なる熱膨張率を有する材料が使用される時に、僅かな温度変化であっても、カンチレバーのねじれ領域の有意なねじれをもたらす。

【0032】

１つの更に別の態様において、ねじれ領域は、制御信号が加えられた時に配置の第１の部分を実質的に第１の温度に保ち、配置の第２の部分を実質的に第２の温度に保つように構成されたその配置にある材料を有し、第１の温度は、第２の温度と異なっている。

【0033】

このように定義されたねじれ領域は、１つの材料で間に合わせ、従って、カンチレバーの製造に関して同じく費用効果的である。ねじれ領域の構成を適応させることにより、様々な用途の要件を簡単な方式で満たすことができる。

【0034】

別の好ましい態様において、走査プローブ顕微鏡は、制御信号が加えられた時にねじれ領域を局所的に加熱するように構成されたレーザシステムを更に有する。

【0035】

レーザビームは、小さい焦点にフォーカスすることができる。更に、その入射点をねじれ領域上に精密に調節することができる。従って、レーザビームを用いて、ねじれ領域の材料システムの一部分を選択的に加熱することができる。その結果、レーザビームは、上述の好ましい非対称温度変化をもたらすことができる。従って、レーザビームは、指定の断面平面からの測定先端の偏向により、測定先端を検査される試料面トポグラフィに迅速にかつターゲットを定めた様式で適応させるのに極めて適している。

【0036】

１つの更に別の好ましい態様において、走査プローブ顕微鏡は、制御信号が加えられた時にねじれ領域を局所的に加熱するように構成された加熱装置を有する。別の態様により、走査プローブ顕微鏡は、ねじれ領域の領域内に装着されて制御信号が加えられた時にねじれ領域を局所的に加熱するように構成された少なくとも１つの加熱抵抗器を有する。

【0037】

例えば、加熱抵抗器の形態にある局所加熱装置は、ねじれ領域の一部分を選択的に加熱することができ、従って、ねじれ領域内で上述の断面平面に関して非対称な好ましい温度分布をもたらすことができる。

【0038】

１つの好ましい態様により、互いに接続された少なくとも２つの材料層又は少なくとも１つの埋め込まれた材料の部分領域のうちの少なくとも１つは、少なくとも１つの加熱抵抗器を含む。

【0039】

２つの材料層又は少なくとも１つの埋め込まれた材料の部分領域のうちの１つが２つの機能を担うので、カンチレバーのねじれ領域は複雑な構造を持たず、従って、費用効果的に製造することができる。これら２つの機能は、一方が、ねじれ領域のバイモルフ構造の一部であることであり、他方が、カンチレバーのねじれ領域内に非対称温度分布を生成するための電気抵抗器として機能することである。

【0040】

更に別の好ましい態様において、ねじれ領域は、少なくとも１つのピエゾ（ｐｉｅｚｏ）アクチュエータを含む。

【0041】

測定プローブの記録ユニットのねじれ領域としてのピエゾアクチュエータの使用は、ピエゾアクチュエータが制御信号に迅速に反応するという利点を有する。その結果、測定先端を上記で定義した断面平面の両側に動的に偏向させ、従って、走査される試料面の構造に適応させることができる。

【0042】

更に別の態様により、記録ユニットは、微小電気機械システムとして構成される。

【0043】

別の態様により、制御デバイスは、測定先端を励起して（ｅｘｃｉｔｅ）振動させるために制御信号を変調（ｍｏｄｕｌａｔｅ）するように構成される。

【0044】

測定先端を励起して振動させるのに、加熱の変調を使用することができる。対称なねじれ領域と上述の断面平面に関して非対称な温度変化との場合に、測定先端の振動は、実質的にｚ方向に、すなわち、試料面に対して垂直な方向に発生する。対称なねじれ領域の範囲における非対称な温度変化の場合に、測定先端の振動は、主としてｘ方向に、すなわち、定めた断面平面と垂直に発生する。

【0045】

ここでの及び同じく本明細書内の様々な箇所での表現「実質的に」は、現時点で利用可能な測定計器に関する測定精度を意味する。

【0046】

１つの好ましい態様において、ねじれ領域は、測定先端を±５°、好ましくは、±１０°、より強く好ましくは、±１５°、最も強く好ましくは、±２０°だけピボット回転させるように構成される。

【0047】

別の好ましい態様により、カンチレバー及び測定先端は、１００Ｈｚ−５ＭＨｚ、好ましくは、５００Ｈｚ−１ＭＨｚ、より強く好ましくは、１ｋＨｚ−５００ｋＨｚ、最も強く好ましくは、２ｋＨｚ−２００ｋＨｚの範囲の共振周波数を有する。更に別の態様により、カンチレバーは、０．００１Ｎ／ｍ〜６００Ｎ／ｍ、好ましくは、０．０２Ｎ／ｍ〜３００Ｎ／ｍ、より強く好ましくは、０．０４Ｎ／ｍ〜１５０Ｎ／ｍ、最も強く好ましくは、０．０８Ｎ／ｍ〜８０Ｎ／ｍの範囲のバネ定数を有する。

【0048】

有利な態様により、走査デバイスは、ｘ方向が高速走査方向を示す場合に、ｚ運動に対する距離フィードバックループをｚ−ｘ運動に拡張するように構成される。更に別の態様により、走査デバイスは、ｚ運動の信号をｘ運動に対する信号に追加するように構成される。

【0049】

低アスペクト比を有する面を走査する時には、測定先端の運動は、実質的にｘ方向の運動、すなわち、試料面と平行な運動である。測定先端のこのｘ方向の走査運動に、測定先端のｚ方向の振動、すなわち、試料面に対して垂直な運動を重ねることができる。急勾配の高い側面を走査する時には、測定先端が走査される側面に対して可能な限り大きい角度で制御される場合に測定データを記録することが好ましい。この制御は、測定先端のｚ運動を高速走査方向の運動に追加することによって部分的にもたらすことができる。測定先端のｚ方向の運動を低速走査方向に追加することが更に可能である。

【0050】

本出願における高速走査方向は、走査プローブ顕微鏡が、与えられた面を行方式の様式（ｌｉｎｅ−ｗｉｓｅ ｆａｓｈｉｏｎ）で走査する際の方向を指し示す（ｒｅｆｅｒｓ ｔｏ）。行方式（ｌｉｎｅ−ｗｉｓｅ）の走査方向に対して垂直な試料面上の方向を低速走査方向と呼ぶ。

【0051】

更に別の態様により、カンチレバーは、ねじれ領域に至る電気接続が統合された取り付けユニットを有する。

【0052】

走査プローブ顕微鏡のプローブは、最近では好ましくは自動交換可能である。加熱装置のための電気接続は、取り付けユニット内で統合されるので、ピボット回転可能測定先端を有するプローブは、自動的に、すなわち、手動の介在なく交換することができる。その結果は、走査プローブ顕微鏡の簡単な使用性である。以上により、上記で定義した走査プローブ顕微鏡は、例えば、製造環境において使用することができる。更に、自動プローブ交換は、高い再現性及び信頼性を確実にする。プローブ交換の自動化に起因して、１分末端の短いプローブ交換時間を達成することが更に可能である。この短いプローブ交換時間は、特に真空環境において作動するプローブ顕微鏡にとって好ましい。

【0053】

更に好ましい態様により、カンチレバーは、測定先端のピボット回転を決定するための少なくとも１つのセンサを有する。

【0054】

測定先端のピボット回転を決定するためのセンサは、好ましくは、カンチレバーのねじれ領域の上側及び／又は下側にピエゾ抵抗センサの形態で取り付けることができる。

【0055】

１つの更に別の態様により、走査プローブ顕微鏡は、走査される領域を測定先端のピボット回転なしの場合よりもピボット回転させた測定先端を用いた方がより正確に検査することができるか否かを面トポグラフィと測定先端の輪郭とで決定するように構成された検知デバイスを更に有する。

【0056】

一実施形態において、高アスペクト比を有する面を検査する方法は、（ａ）ねじれ領域を有するカンチレバーに取り付けられた測定先端を面の上で走査する段階と、（ｂ）測定先端のピボット回転なしの場合よりもピボット回転させた測定先端を用いた方がより正確に検査することができる面の領域を測定先端が走査する時に制御信号を加える段階と、（ｃ）測定先端をピボット回転させるためのねじれをねじれ領域に受けさせる段階とを含む。

【0057】

１つの更に別の態様により、本方法は、測定先端を許容（ｐｅｒｍｉｔｔｅｄ）すべきか否かを決定するために測定先端の輪郭に実質的に対応する（ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄ）面トポグラフィを検知する段階を有する。

【0058】

１つの更に別の態様により、本方法は、検知された面の高さ変化に基づいて測定先端をピボット回転するか否かを判断する段階を有する。

【0059】

初期位置に対する測定先端の角度は、好ましくは、走査作動が実施される前にピボット回転なしで定められる。従って、試料面のトポロジーに適合されたピボット回転角を有する測定先端を用いて試料の領域を走査することができる。一方、本発明による１つの方法は、走査作動中の急勾配の高い側面の検知、及び測定先端を相応に傾斜させることによる試料面の走査精度の改善を可能にする。上記で定義した断面平面から測定先端を走査工程中にピボット回転させることができるので、本発明による方法は、高アスペクト比を有する不規則な構造要素を検査するのに適している。

【0060】

更に別の態様により、上述の方法段階のうちの少なくとも１つを実施するために上述の態様のうちの１つによる走査プローブ顕微鏡が使用される。

【0061】

以下の詳細説明は、図面を参照して本発明の現時点で好ましい例示的実施形態を説明するものである。

【図面の簡単な説明】

【0062】

【図1】図１ａは、従来技術からの走査プローブ顕微鏡のプローブ又は測定プローブの測定先端が急勾配の高いウェブを走査する時のこの測定先端を用いた走査を略例示する図であり、図１ｂは、従来技術からの走査プローブ顕微鏡の測定先端を用いては確実に分析することができない図１ａの急勾配の高いウェブ付近の領域を模式的に象徴する図である。

【図2】ウェブの張出側面を走査するための原子間力顕微鏡の測定ヘッドのピボット回転を略例示する図である。

【図3】側面領域内の走査がプローブをｘ方向又は走査方向にフィードバック制御することによって実施されるゾウの足の形状のプローブを用いた実質的に垂直な側面を有するウェブの走査の概略図である。

【図4】本発明による原子間力顕微鏡の少数の重要な構成要素の概略図である。

【図5】Ｖ字形カンチレバーを有する原子間力顕微鏡のプローブの概略平面図（上部）及びこのプローブを通る略断面図（下部）である。

【図6】加熱抵抗器がＶ字形カンチレバーのビーム上に配置された後の図５のプローブの図である。

【図6a】測定先端とカンチレバーとによって形成される対称平面に関して対称にカンチレバーの下側に取り付けられて折り畳み電気線の形状を有する加熱抵抗器の図である。

【図7】ビーム形カンチレバーを有する原子間力顕微鏡のプローブの概略平面図（上部）及びこのプローブを通る略断面図（下部）である。

【図8】加熱抵抗器がカンチレバーの一部分に取り付けられた後の図７のプローブの図である。

【図9】１つの材料のみを有するカンチレバーを有する原子間力顕微鏡のプローブの概略平面図（上部）及びこのプローブを通る略断面図（下部）である。

【図10】カンチレバーのねじれ領域が２つのピエゾアクチュエータを含む原子間力顕微鏡のプローブの概略平面図（上部）及びこのプローブを通る略断面図（下部）である。

【図11】ピボット回転可能測定先端を有する走査プローブ顕微鏡を用いて高アスペクト比を有する試料面を走査する方法の第１の実施形態の流れ図である。

【図12】ピボット回転可能測定先端を有する走査プローブ顕微鏡を用いて高アスペクト比を有する試料面を検査する方法に関する第２の実施形態の流れ図である。

【発明を実施するための形態】

【0063】

図１を参照して、高アスペクト比を有する構造を走査する時の従来の走査プローブの欠点を簡単に解説する。次いで、本発明による装置の現時点で好ましい実施形態をより詳細に以下に説明する。

【0064】

図１ａの模式図１００は、高いウェブ１３０を有する試料面１２０を有する試料１１０を略示している。ウェブ１３０は、急勾配側面１４０及び部分的に張出側面１３５を有する。従来の走査プローブ顕微鏡の測定先端１５０は、試料面１２０及びウェブ１３０の面を高い横分解能で走査することができる。図１ｂに点線１７０及び１９０で模式的に象徴しているように、測定先端１５０は、ウェブ１３０の側面１３５及び１４０を不十分にしか分析することができず、その結果、従来の走査プローブ顕微鏡は、ウェブ１３０付近の領域１６０及び１８０内で再現性の高い測定データを供給することができない。

【0065】

図４は、第３のセクションにおいて定められる走査プローブ顕微鏡４００の少数の構成要素を略示している。走査プローブ顕微鏡は、試料４１０を検査するのに使用される測定変数に従って区別される。走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）は、試料４１０の面４１５のトポグラフィを分析するために試料４１０と測定先端４３０の間に電圧が加えられた時に発生する試料４１０と測定先端４３０の間のトンネル電流を使用する。原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）は、試料４１０による測定先端４３０の偏向から試料４１０の面輪郭を確定する。磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）は、試料４１０と測定先端４３０の間の磁力を測定する。走査近接場光学顕微鏡（ＳＮＯＭ）は、試料４１０と測定先端４３０の間の相互作用としてのエバネッセント電磁波を使用する。走査近接場音響顕微鏡（ＳＮＡＭ）は、試料４１０の面トポグラフィを走査するために音響近接場相互作用を使用する。走査プローブ顕微鏡の上述のリストは完全ではない。

【0066】

本出願で開示する測定先端４３０をピボット回転させるための原理は、カンチレバー、すなわち、弾力的に曲げ可能なレバーアーム又は簡略的にバネビームを有する全てのタイプの走査プローブ顕微鏡のプローブに適用することができる。カンチレバーを持たない走査プローブ顕微鏡カンチレバーを本出願で説明する構成に使用するには、その前に、これらの走査プローブ顕微鏡にカンチレバーを装着しなければならない。下記では、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）のための例示的プローブを用いて本原理を説明する。

【0067】

図４に示す原子間力顕微鏡４００は、周囲条件下又は真空チャンバ（図４には例示していない）内で作動させることができる。分析される試料４１０は、試料台４２５上に配置される。試料台４２５は、走査デバイス４２０を用いて３つの空間方向に動くことができる。走査デバイス４２０は、例えば、ピエゾアクチュエータ（図４には示していない）の形態にある例えば１又は２以上の微小変位要素を含む。

【0068】

プローブ４５５又は測定プローブ４５５は、先端４３０又は測定先端４３０と、それのためのカンチレバー４４０とを含む。カンチレバー４４０は、弾性曲げ可能レバーアーム又はバネビームを含む。カンチレバー４４０は、プローブ４５５を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）４００の保持装置（図４には示していない）に取り付けるのに使用する取り付けユニット４５０を測定先端４３０と反対に位置する端部に有する。保持装置は、ピエゾアクチュエータ（図４には例示していない）を通してＡＦＭ４００の測定ヘッドに接続することができる。測定プローブ４５５をＡＦＭ測定ヘッドの保持装置にピエゾアクチュエータ接続するピエゾアクチュエータは、同じく走査デバイスの機能を実施することができる。別の実施形態において、これに代えて又はこれに加えて、試料面４１５と測定先端の間の相対運動は、走査デバイス４２０と、測定プローブ４５５を保持装置と接続するピエゾアクチュエータとの間で分割することができる。例えば、走査デバイス４２０が、試料平面（ｘｙ平面）における試料４１０の運動を実施し、上述のピエゾアクチュエータが、試料法線方向（ｚ方向）の測定先端４３０の運動を実施する。

【0069】

しかし、試料台４２５は、好ましくは、場所固定のものであるように構成され、測定先端４３０が、分析される試料４１０の領域に微小変位要素（図４には示していない）を用いて運ばれる。

【0070】

プローブ４５５の測定先端４３０は、複数の作動モードで作動させることができる。１つのものでは、フィードバック制御を用いずに、測定先端４３０を試料４１０の面４１５の上の一定の高さの場所で走査することができる。これに代えて、閉フィードバックループにおいて、一定の力でプローブ４５５を試料面４１５の上で案内することができる。更に、変調方法を用いて、カンチレバー４４０を試料面４１５と垂直に振動させ、その結果として試料４１０の面４１５を閉フィードバックループにおいて走査することができる。この場合に、カンチレバー４４０は、その共振周波数で振動するか又は指定周波数で強制振動を実施することができる。共振周波数振動の場合に、すなわち、カンチレバー４４０又はプローブ４５５が固有周波数で振動する場合に、周波数変調（ＦＭ）の復調が発生し、この場合に、測定先端４３０と試料４１０の間の相互作用によって生じる周波数変化が測定される。共振周波数の近くでの強制振動の場合に、測定先端４３０と試料面４１５の間の相互作用に起因して変更される振動の振幅を検知するために、振幅変調（ＡＭ）の復調が実施される。

【0071】

試料４１０の面４１５による測定先端４３０又はカンチレバー４４０の偏向（ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）を測定するために、原子間力顕微鏡４００の一実施形態において、レーザシステム４６０が、レーザビーム４６５をカンチレバー４４０の先端に案内する。カンチレバー４４０によって反射されたレーザビーム４７５は、光検知器４７０によって記録される。光検知器４７０は、多くの場合に四象限構成を有する。その結果、測定先端４３０のｚ（すなわち、試料面４１５に対して垂直な）運動だけではなく、測定先端４３０のｘ方向の運動、すなわち、先端４３０のピボット回転も測定することができる。従来技術では、主として、測定先端４３０が試料４１０の上で面４１５との接触状態で案内される接触モードにおいて横力（ｌａｔｅｒａｌ ｆｏｒｃｅｓ）が発生する。横力は、今しがた（ｊｕｓｔ）検査した試料面４１５の材料を示す（ｇｉｖｅ ａｎ ｉｎｄｉｃａｔｉｏｎ）。

【0072】

本出願で定める測定プローブ４５５に関して、カンチレバー４４０に加えられる制御信号又は調節信号によって引き起こされない測定先端４３０のピボット回転を決定するために、光検知器４７０の四象限構成を使用することができる。

【0073】

これに代えて、測定先端４３０のピボット回転（図４には示していない）を確定するために干渉計を使用することができる。この目的に使用することができる干渉計タイプの例は、マイケルソン干渉計又はマッハツェンダー干渉計である。更に、カンチレバー４４０のピエゾ抵抗要素又はセンサ（図４には例示していない）を用いて測定先端４３０の偏向を検知することができる。更に、光学信号とピエゾ抵抗要素の測定データとの組合せ（同じく図４には示していない）から測定先端４３０の偏向を決定することができる。

【0074】

原子間力顕微鏡４００は、更に制御デバイス４８０を有する。制御デバイス４８０は、制御信号のための供給線４８４によって第２のレーザシステム４９０に接続される。図４に示す例では、カンチレバー４４０のビーム又はアームの局所加熱をもたらすために、第２のレーザシステム４９０のレーザビーム４９５が、プローブ４５５のカンチレバー４４０のアーム又はビームのうちの１つの上に向けられる。

【0075】

第２のレーザシステム４９０の特別な要件は課せられない。その波長は任意に選択することができる。しかし、電磁スペクトルの可視範囲の波長は、レーザビーム４９５の調節を容易にする。カンチレバー４４０の一部分を局所的に加熱するには数（ａ ｆｅｗ）ｍＷの出力で十分である。カンチレバー４４０の一部分の局所加熱をもたらすためには、＜１０μｍの焦点上にフォーカスすることが必要である。これらの要件は、最新のレーザシステムに対しては問題ではない。２つのレーザシステム４６０及び４９０の波長が異なる場合が有利である。この場合に、レーザ４９０による（例えば、迷光による）光検知器４７０の信号の外乱（ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ）を防止するためにフィルタを使用することができる。

【0076】

これに加えて、制御デバイス４８０は、取り付けユニット４５０への第２の接続部４８２を有する。制御信号は、この接続部４８２を通してプローブ４５５のカンチレバー４４０に送出することができる。以下の図では、原子間力顕微鏡４００のためのプローブ４５５のいくつかの例示的なカンチレバー４４０を紹介する。測定プローブのカンチレバーに接続部４８２及び／又は４８４を通して加えられる制御信号又は調節信号によって生じる測定先端の偏向も解説する。

【0077】

図５の模式図５００は、上部にプローブ５５５の平面図を示し、下部にプローブ５５５及び測定先端５３０の対称平面を通る断面を示している。図５の下部に示すｙｚ平面は、「発明の概要」に定めたプローブのカンチレバー及びその測定先端を通る断面平面に対応する。図４の解説の関連で上述したように、プローブ５５５は、測定先端５３０と、カンチレバー５４０と、取り付けユニット５５０とを有する。図５に示す例におけるカンチレバー５４０は、カンチレバー５４０全体の上に広がるねじれ領域５４５を有する。ねじれ領域５４５は、互いに上下に配置されて異なる熱膨張率を有する２つの層５４２及び５４４を含む。ねじれ領域５４５の２つの層５４２及び５４４は、例えば、半導体材料及び／又は電気絶縁材料で構成することができる。ここで説明する半導体層の一例は、シリコン（Ｓｉ）であり、絶縁体材料の一例は、窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）である。更に、２つの層５４２及び５４４の１つは、アルミニウム層又はクロム層のような金属層を含み、他方は、半導体層又は電気絶縁層を含むことができる。更に、これら２つの層５４２及び５４４に関して、異なる線熱膨張率（または線熱膨張係数：ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ ｏｆ ｌｉｎｅａｒ ｔｈｅｒｍａｌ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ。他の箇所においても同様。）を有する限りあらゆる材料を考えることができる。

【0078】

カンチレバー５４０の材料とは異なる線膨張（ｌｉｎｅａｒ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ）を有する第２の層を生成するために、カンチレバー５４０の全体の材料又はその部分領域内に異なる元素又は異なる化合物から構成される材料を特定の深さまで埋め込むことも可能である。この場合に、半導体製造から公知の方法及び材料を使用することができる。埋め込みは、カンチレバー５４０の上側（すなわち、測定先端５３０から遠い側）から、及び／又はカンチレバー５４０の下側（すなわち、測定先端５３０を有する側）から実施することができる。

【0079】

測定先端５３０は、カンチレバー５４０の下層５４４の材料又は上層５４２の材料、又は異なる材料で製造することができる。これは、取り付けユニット５５０にも同じく適用される。すなわち、測定先端５３０、層５４２及び５４４の１つ、及び取り付けユニット５５０を一体的に製造することができる。これに代えて、プローブ５５５の構成要素の個々のもの又は全ては、適切な材料から別個に製造し、その後に接着結合（ａｄｈｅｓｉｖｅ ｂｏｎｄｉｎｇ）等によって接続することができる。

【0080】

カンチレバー５４０のねじれ領域５４５の均一な温度変化は、ｙｚ平面内の測定先端５３０の運動又は偏向をもたらす。その一方、ねじれ領域５４５の不均一又は局所的な温度変化は、主としてｘｙ平面内の測定先端５３０の運動、より具体的には−ｘ方向又は＋ｘ方向の測定先端の追加の傾斜をもたらす。全体的に、ねじれ領域内の局所温度変化は、ｙｚ平面内とｘｙ平面内とにおける測定先端５３０の偏向の重ね合わせをもたらす。

【0081】

カンチレバー５４０のアーム又はビームの局所加熱は、例えば、レーザシステム４９０のレーザビーム４９５を用いて位置５６０においてビームを局所的に照射することによってもたらすことができる。測定先端５３０の傾斜又はピボット回転は、位置５６０においてねじれ領域５４５内に導入される光出力に第一近似で比例する。レーザビーム４９５の光出力に加えて、測定先端５３０の傾斜範囲は、レーザビーム４９５がねじれ領域５４５上に入射する位置５６０にも依存する。レーザビーム４９５が入射する材料の吸収係数（ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）及び比熱伝導（ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｈｅａｔ ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ）も、測定先端５３０のピボット回転角に影響を及ぼす。

【0082】

−ｘ方向及び＋ｘ方向の測定先端５３０の偏向は、制御デバイス４８０の制御信号が接続部４８４を通してレーザシステム４９０に加えられた時にカンチレバー５４０の低い質量に基づいてマイクロ秒の範囲の非常に短い時定数で発生する。ねじれ領域５４５上の位置５６０におけるレーザビーム４９５の最初の入射からねじれ領域５４５又はカンチレバー５４０内で熱平衡が確定され終わるまでの所要時間は、層５４２及び５４４の材料の熱伝導率に強く依存する。更に、この時定数は、カンチレバー５４０の膨張と取り付けユニット５５０の体積及び材料とによる影響を強く受ける。従って、熱時定数は、数（ａ ｆｅｗ）マイクロ秒からミリ秒の範囲で変化する。レーザビーム４９５が制御デバイス４８０によって停止された後にカンチレバー５４０が熱平衡に戻る際の時定数は、一般的に、より大きい。

【0083】

従って、測定先端５３０がその走査工程中にピボット回転状態に留まるためには、局所温度勾配を連続的なエネルギ導入によって維持しなければならない。測定プローブ５５５が変調方式で作動される場合に、カンチレバー５４０はｚ方向に振動する。しかし、カンチレバーの振動の振幅は、一般的に小さく（＜１μｍ）、その結果、この振幅は、レーザ４９０のレーザビーム４９５による局所加熱に対して無視することができる影響のみを有する。

【0084】

位置５６０の領域内の局所温度増大は、レーザビーム４９５の出力だけではなく、材料５４２及び５４４と、ねじれ領域５４５の範囲のレーザビーム４９５の位置５６０とに依存する。最大局所温度増大ΔＴは、数（ａ ｆｅｗ）Ｋ（ケルビン）の範囲にある。

【0085】

図５では、単一レーザビーム４９５が、位置５６０におけるねじれ領域５４５を局所的に加熱する。しかし、ねじれ領域５４５のアームに沿って配置された入射点（図５には示していない）を有する複数のレーザビームを用いて、ねじれ領域５４５のアーム又はビームをより大きい区域にわたって均一に加熱することができる。この目的に対して、第２のレーザシステム４９０のレーザビーム４９５から２又は３以上のレーザビームを経路変更することができる。１つの代替実施形態において、各レーザビームに対して専用レーザシステム（図４には例示していない）を使用することができる。これに代えて、ねじれ領域５４５のより大きい区域を均一に加熱するのに使用される円柱レンズを用いて楕円形フォーカスを生成することができる。レーザ４９０としてレーザダイオードが使用される時に、固体レーザは典型的には楕円形ビーム（図４に図示していない）を既に有するので、円柱レンズを省くことができる。

【0086】

図５に示す例示的なねじれ領域５４５は、異なる熱膨張率を有する２つの材料を有する。ねじれ領域５４５内に３又は４以上の材料を上下に重ね合わせ配置することも可能である。しかし、３又は４以上の異なる材料の上下重ね合わせ配置では、カンチレバー５４０の共振周波数が１０ｋＨｚから１００ｋＨｚの範囲に留まるように注意しなければならない。

【0087】

これに加えて、図５に示すねじれ領域５４５の場合に、両方の層５４２及び５４４が全体のねじれ領域５４５の上に広がる。しかし、層５４２及び５４４のうちの一方又は両方の層が全体のねじれ領域５４５にわたっては延びないことも可能である。ねじれ領域は、異なる材料を含む部分層から構成することができる。それによってプローブ５５５のねじれ領域５４５に対する製造コストが増大するが、この構成は、ねじれ領域５４５を例えばプローブ５５５の共振周波数及び測定先端５３０のピボット回転角のような様々な要件に適応させるための新しい自由度をもたらす。更に、例えば、測定先端５３０の近くに配置されたねじれ領域５４５の第１の部分層を測定先端５３０の大体の偏向に向けて使用することができる。ねじれ領域５４５内で取り付けユニット５５０の近くに配置されたねじれ領域５４５の第２の部分層は、測定先端５３０の微細な位置合わせに向けて使用することができる。

【0088】

更に、図５の例では、両方の層５４２及び５４４は、ねじれ領域５４５の区域全体を占有する。別の可能性は、層５４２及び５４４のうちの一方がねじれ領域５４５の１つの部分領域内だけに配置される配置である（図５には例示していない）。更に、層のうちの一方５４２又は５４４は、ねじれ領域５４５内の複数の部分区域に配置することができる（同じく図５には示していない）。それは、ねじれ領域を特定の用途に適応させるための更に別の自由度を提供する。

【0089】

ねじれ領域５４５を局所的に加熱するために、レーザビーム４９５は、層５４２及び５４４のうちの一方又は両方を有する位置でねじれ領域５４５上に入射することができる。更に、２つの層５４２及び５４４が配置された様々な部分領域は、レーザビーム４９５を用いて個々に照射することができる。更に、互いに接続された２又は３以上の層を有する様々な部分領域は、様々なレーザ源を用いて選択的に加熱することができる。更に、レーザシステム４９０のレーザビーム４９５から層５４２及び５４４の様々な領域上に個々に向けられる複数のレーザビームを生成することができる（図５には例示していない）。

【0090】

上述のように、図５に表すねじれ領域５４５は、カンチレバー５４０全体の上に広がる。その結果、カンチレバー５４０は単純であり、製造に関して費用効果的である。ねじれ領域５４５がカンチレバー５４０の部分区域しか覆わないカンチレバー５４０を生成することも可能である（図５には例示していない）。

【0091】

図５に表す例では、レーザビーム４９５は、カンチレバー５４０のねじれ領域５４５の左手のアーム又はビーム上の位置５６０に向けられる。位置５６０における局所加熱は、層５４２又は５４４のいずれかの材料が、より大きい線熱膨張率を有するか、に依存して、測定先端５３０の−ｘ方向又は＋ｘ方向のピボット回転をもたらす。検査される試料４１０の面トポグラフィ４１５が、測定先端５３０が反対方向に傾斜することを必要とする場合に、レーザビーム４９５は、ねじれ領域５４５の右手ビームの位置上に向けられ、ねじれ領域５４５の右手ビームが局所的に加熱される（図５には示していない）。

【0092】

図６の模式図６００は、プローブ６５５を提示している。プローブ６５５は、寸法及び材料組成に関して図５のプローブ５５５に対応し、すなわち、測定先端６３０と、カンチレバー６４０と、取り付けユニット６５０とを含む。ねじれ領域６４５は、カンチレバー６４０全体の上を延び、異なる熱膨張率を有する２つの材料６４２及び６４４を有する。更に、プローブ６５０は、ねじれユニット６４５又はカンチレバー６４０のアーム又はビームに取り付けられた加熱抵抗器６６０の形態にある加熱装置を有する。加熱抵抗器６６０は、例えば、薄いコーティングの形態で構成することができる。現時点で好ましい材料はアルミニウムである。アルミニウムは、高い熱膨張率と比較的大きい電気抵抗とを有する。類似の特性を有する他の金属も同様に使用することができる。

【0093】

簡略化目的で、図６は、加熱抵抗器６６０を矩形の形態で例示している。典型的に、加熱抵抗器は、蛇行した電気導体構造を有する。図６ａは、折り畳み電気導体の形態にある２つの加熱抵抗器を有する測定プローブの下側を示している。導体の幅は、数（ａ ｆｅｗ）マイクロメートルの範囲にある。この長さは、一般的に数（ａ ｆｅｗ）百マイクロメートル、例えば、２００μｍから５００μｍである。

【0094】

カンチレバー６４０上への加熱抵抗器の装着を例を参照して以下に説明する。例示的なカンチレバー６４０は、４．６μｍ厚のシリコン層を有する。このシリコン層は、０．６μｍの厚みを有する酸化珪素によって覆われる。最初の段階では、薄いクロム層（約５０ｎｍ）が、粘着層として酸化珪素層上に堆積される。クロム層の上には、１μｍ厚のアルミニウム層が、図６ａに示す導体構造の形態で堆積され、この層が加熱抵抗器として機能する。

【0095】

加熱抵抗器は、半導体カンチレバー６４０内にドーパントを埋め込むことによって製造することができる。この工程は、書籍「ＰＲＯＮＡＮＯ：ナノスケールの分析及び合成のための大規模平行インテリジェントカンチレバープローブプラットフォームの統合プロジェクト会報（ＰＲＯＮＡＮＯ：ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｐｒｏｊｅｃｔ ｏｎ ｍａｓｓｉｖｅｌｙ ｐａｒ−ａｌｌｅｌ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ ｐｒｏｂｅ ｐｌａｔｆｏｒｍｓ ｆｏｒ ｎａｎｏｓｃａｌｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ）」、Ｔｈｏｍａｓ Ｓｕｌｚｂａｃｈ及びＩｖｏ Ｗ．Ｒａｎｇｅｌｏｗにより出版、ミュンスター：Ｖｅｒｌａｇｓｈａｕｓ Ｍｏｎｓｅｎｓｔｅｉｎ ｕｎｄ Ｖａｎｎｅｒｄａｔ、ＩＳＢＮ：９７８−３−８６９９１−１７７−９に記載されている。

【0096】

図６に図示の実施形態において、加熱抵抗器６６０は、カンチレバー６４０の２つの層６４２及び６４４に加えて付加される。しかし、加熱抵抗器６６０を付加する時に、２つの層のうちの一方６４２又は６４４を省くことも可能である。この場合に、カンチレバーの層６４２又は６４４とは異なる線熱膨張（ｌｉｎｅａｒ ｔｈｅｒｍａｌ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ）を有する加熱抵抗器６６０が、カンチレバー６４０の第２の層の機能を担う。カンチレバー６４０のねじれ領域６４５内にドーパントを埋め込むことによって加熱抵抗器６６０を製造することができる。

【0097】

加熱抵抗器６６０は、取り付けユニット６５０を通って延び、接続部４８２を通して加熱抵抗器６６０を制御デバイス４８０に接続する２つの供給線６６５を有する。

【0098】

加熱抵抗器６６０は、それが取り付けられたねじれ領域６４５のビームの局所加熱を可能にする。図５の解説の関連で記述したものと同様に、ねじれ領域６４５のビームの局所加熱の結果として、測定先端６３０は−ｘ方向又は＋ｘ方向に傾斜する。カンチレバー６４０内で加熱抵抗器６６０による局所熱入力と取り付けユニット６５０を通じた熱放散との間での熱平衡を確定するための熱時定数は、上記に示したものと同程度の大きさのものである。カンチレバー６４０の低い質量に起因して、ねじれ領域６４５を局所的に加熱するために加熱抵抗器６６０によって熱に変換される電力は、数（ａ ｆｅｗ）ｍＷ（典型的には２ｍＷから１０ｍＷの範囲内）の範囲の低い電力で十分である。

【0099】

加熱抵抗器６６０はデジタル作動させることができ、すなわち、制御信号が加えられた時に指定電圧が加熱抵抗器６６０に加えられ、加熱抵抗器６６０は、定められた電力を対応する熱エネルギに変換する。これに代えて、加熱抵抗器６６０は、その電力損失を供給線６６５に加えられる電圧に従って定めることができるようにアナログ作動させることができる。図４に示す原子間力顕微鏡が使用される時に、加熱抵抗器６６０を閉フィードバックループとして使用することができる。この場合に、干渉計又はピエゾ抵抗センサを用いて決定することができる測定先端の傾斜は、制御変数として機能する。更に、ねじれ領域内の温度変化の測定から測定先端の傾斜を確定することができる。

【0100】

図６に示す例では、加熱抵抗器６６０は、カンチレバー６４０のビーム区域のうちの大部分の上、従って、ねじれ領域６４５の主要部分の上に広がる。これに代えて、加熱抵抗器は、ねじれ領域６４５の小部分の上に集中させることができる（図６には例示していない）。更に、加熱抵抗器６６０は、複数の小さい分散加熱抵抗器にわたって分割することができる（同じく図６には例示していない）。より小さい分散加熱抵抗器は、直列接続することができ、従って、単一制御信号を用いて制御することができる。複数の加熱抵抗器を供給線と共に個々に又は群で設け、従って、これらの加熱抵抗器を互いに独立して作動させることができる。このようにして、例えば、測定先端６３０の近くにある第１の加熱抵抗器を大体の偏向に向けて用い、取り付けユニット６５０の近くに配置された第２の加熱抵抗器を測定先端６３０の偏向の細かい調節に向けて使用することができ、又はその逆も同じく行うことができる。

【0101】

プローブ６５５の１つの代替実施形態において、加熱抵抗器６６０は、記録ユニット６４０のねじれ領域６４５の右手のアーム又はビーム上に取り付けることができる。

【0102】

図６に示す例では、ねじれ領域６４５の左手ビームの上に１つの加熱抵抗器６６０のみが配置される。それは、層６４２及び６４４の線熱膨張率に依存して測定先端６３０の方向−ｘ又は＋ｘのうちの一方における能動的偏向を可能にする。反対方向の測定先端６３０のピボット回転を可能にするために、第２の加熱抵抗器をねじれ領域６４５の右手ビーム上に配置することができる（図６には示していない）。この加熱抵抗器は、上記で加熱抵抗器６６０に関して解説したように様々な形態で構成することができる。

【0103】

図６の例では、加熱抵抗器６６０は、ねじれ領域６４５上に取り付けられる。１つの変形では、加熱抵抗器６６０又は加熱抵抗器は、ねじれ領域６４５の下側に取り付けることができる（図６ではなく図６ａに示す）。この下側取り付けは、１又は複数の加熱抵抗器が、記録ユニット６４０の偏向を決定するためのレーザビーム４６５の位置に影響を及ぼすことができないという利点を有する。その一方、カンチレバー６４０の下側に取り付けられた１又は複数の加熱抵抗器は、カンチレバー６４０と試料４１０の面４１５の間の距離を若干縮める。加熱抵抗器と供給線６６５との電気接続の領域内でカンチレバー６４０と試料面４１５の間の距離に大きく影響を及ぼすことなく供給線６６５を加熱抵抗器に接続することも困難である。

【0104】

図４から図６及び以下に説明する本出願で定める走査プローブ顕微鏡の実施形態において、１又は２以上のセンサをカンチレバー４４０、５４０、６４０上に取り付けることも可能である（図４から図６には例示していない）。これらのセンサは、カンチレバー４４０、５４０、６４０のねじれ範囲、従って、測定先端４３０、５３０、６３０のピボット回転を決定するために使用することができる。これら１又は複数のセンサは、１又は複数の加熱抵抗器の側又はカンチレバー４４０、５４０、６４０の反対側に取り付けることができる。センサは、例えば、その接続部における電圧変化を通してカンチレバーアームの曲げを示すピエゾ抵抗センサの形態で構成することができる。

【0105】

図４から図６では、Ｖ字形構成のカンチレバーを有する原子間力顕微鏡のための測定プローブを記述した。しかし、本出願で定める原子間力顕微鏡は、異なる構成のカンチレバーを有する測定プローブを使用することができる。図７の模式図７００は、ビームの形態にあるカンチレバー７４０を有する測定プローブ７５５を略示している。図７の上の部分は、測定プローブ７５５の平面図を示しており、下の部分は、プローブ７５５のカンチレバー７４０及び測定先端７３０を通る断面図を表している。測定先端７３０、カンチレバー７４０に加えて、プローブ７５５は、取り付けユニット７５０を更に有する。

【0106】

カンチレバー７４０は、その右手半分の上に広がるねじれ領域７４５を含む。カンチレバー７４０のビームは、その全長及び全幅を占有する第１の層７４４を有する。カンチレバー７４０の右手半分（平面図で見た時）の上には第２の層７４２が付加される。２つの層７４２と７４４は、異なる線熱膨張率を有する材料を有する。第２の層７４２の区域は、カンチレバー７４０内にねじれ領域７４５を形成する。

【0107】

レーザビーム４９５を用いてねじれ領域７４５を位置７７０で局所的に加熱することにより、カンチレバー７４０のねじれ領域７４５はねじれを受ける。その結果、プローブ７５５の測定先端７３０は、層７４２及び７４４の熱定数（ｔｈｅｒｍａｌ ｃｏｎｓｔａｎｔｓ）に依存して−ｘ方向又は＋ｘ方向にピボット回転する。レーザビーム４９５を用いてカンチレバー７４０のビームの左手部分（すなわち、層７４４）を局所的に加熱することにより、レーザビーム４９５がねじれ領域７４５上にフォーカスされた時の測定先端７３０の傾斜とは反対の方向に測定先端７３０を傾斜させることが更に可能である。更に、カンチレバー７４０の左手部分と右手部分は、カンチレバー７３０の一方の部分から他方の部分への熱搬送を最小にするためにスリットを用いて分離することができる。

【0108】

しかし、レーザビーム４９５を層７４４の上にフォーカスする時には、層７４２の局所加熱、従って、ねじれ領域７４５の局所加熱は、層７４４内の熱伝導によって間接的にしか発生しない。その結果、レーザビーム４９５を層７４４上に案内する時には、ねじれ領域７４５は、ねじれを緩慢にしか受けず、更に、局所加熱は低い空間分解能のみを有する。従って、層７４４がレーザビーム４９５に対して実質的に通過性（transparent）であるようにレーザ４９０の波長を選択することが好ましい。例えば、シリコンは、赤外線（ＩＲ）スペクトル範囲で通過性である。更に、シリコン窒化物は実質的に透けて見える（see-through）。

【0109】

上記に図５の関連で記述したものと類似の方式で、測定先端７３０のピボット回転範囲を定めるために、レーザビーム４９５の入射位置を選択することができる。更に、複数の位置でねじれ領域７４５を局所的に加熱することができる（図７には示していない）。

【0110】

上述したように、図７に示す例におけるねじれ領域７４５は、記録ユニット７４０の右手半分にわたってしか延びない。それによって上記で記述した欠点がもたらされる。従って、１つの好ましい代替実施形態において、ねじれ領域７４５は、同じくカンチレバー７４０全体を覆う層７４２を用いて記録ユニット７４０全体に拡大される（図７には例示していない）。層７４２及び７４４の順序は、図７の図に関して入れ替えることができる。図５のねじれ領域５４５と同様に、ねじれ領域７４５は、両方の層７４２と７４４を１つの部分区域内だけに有することができる。更に、図５に関して解説したねじれ領域５４５の全ての修正は、図７のねじれ領域７４５に対しても可能である。

【0111】

図８の模式図８００は、測定プローブ８５５を上部に平面図に示し、下部にカンチレバー８４０及び測定先端８３０を通る断面図に示している。測定プローブ８５５は、図７に示すプローブ７５５に対応する。更に、測定プローブ８５５は、取り付けユニット８５０を通して案内される供給線８６５を有する加熱抵抗器８６０の形態にある加熱装置を有する。加熱抵抗器８６０は、カンチレバー８４０の左手半分上に付加される。層８４４の局所加熱に起因して、ねじれ領域８４５はねじれを受ける。層８４４は、左手部分内で受け入れた熱を層８４４の右手部分内へ、更にそこから層８４２内に案内し、それによって２つの層８４２及び８４４の局所加熱がもたらされ、最終的に測定先端８３０の傾斜がもたらされる。図７の解説の関連で上述したように、測定先端８３０のピボット回転の方向は、層８４２及び８４４の材料の熱定数に依存する。

【0112】

同じく図７の解説の関連で上述したように、加熱抵抗器８６０は、ねじれ領域８４５を間接的にしか加熱せず、従って、上記に示した欠点を有する。測定プローブ８５５の１つの代替の好ましい実施形態において、加熱抵抗器８６０は、カンチレバー８４０の右手半分の上に取り付けることができ、それによってねじれ領域の直接的な局所加熱がもたらされる。上述のように、一般的に、層８４２及び８４４の熱膨張とは異なる熱膨張を有する加熱抵抗器８６０は、第２の層８４２の機能を担うことができ、その結果、層８４２を省くことができる（図８には例示していない）。

【0113】

−ｘ方向と＋ｘ方向の両方の測定先端８３０の傾斜を可能にするためには、第２のほぼ等しい加熱抵抗器を記録ユニット８４０のビームの右手半分の上に取り付けることが有利である（図８には示しておらず、図６ａを参照されたい）。

【0114】

図８に示す例では、加熱抵抗器８６０は、記録ユニット８４０の左手部分の大部分を覆う。図６の解説に関連して上述したように、加熱抵抗器８６０及び／又は記録ユニット８４０の右手半分の上の第２の加熱抵抗器は、記録ユニットの様々な場所に配置された複数のより小さい加熱抵抗器に分割することができる（図８には例示していない）。図６ｂは、対称平面（ｐｌａｎｅ ｏｆ ｓｙｍｍｅｔｒｙ）（ｙｚ平面）に関して対称な加熱抵抗器の配置を示している。

【0115】

加熱抵抗器８６０に置き換わることができる様々な加熱抵抗器は、個々に、互いに、又は群で駆動することができる。様々な抵抗器が制御デバイス４８０に個々に接続される場合に、測定先端８３０の大体の偏向及び細かい偏向に対して様々な加熱抵抗器を使用することができる。図８に示すように１又は複数の加熱抵抗器をカンチレバー８４０の上又は下に取り付けることができる。

【0116】

図８に示す第２の実質的に等しい抵抗器８６０が測定プローブ８５５上に付加される場合に、層８４４上に取り付けられた加熱抵抗器８６０が、層８４２上に配置された加熱抵抗器とは対照的にねじれ領域８４５を間接的にしか加熱しないという点で、ねじれ領域８４５上には非対称性が残る。この非対称性は、層８４２全体にわたって層８４２を拡大することによって除去することができ、その結果、ねじれ領域８４５は、カンチレバー８４０全体の上に広がる。更に、この非対称性は、カンチレバー８４０の上又は下にある第２の層８４２の代わりに、測定プローブ８５５の対称平面に関して対称に加熱抵抗器をカンチレバー８４０の上及び／又は下に取り付けることによって回避することができる（図６ａを参照されたい）。

【0117】

図９の模式図９００は、測定プローブ９５５を表している。測定プローブ９５５は、一端に測定先端９３０が取り付けられ、反対端に取り付けユニット９５０に取り付けられたカンチレバー９４０を有する。図５から図８と同様に、図９は、上の部分に測定プローブ９５５の平面図を示し、下の部分にカンチレバー９４０及び測定先端９３０を通る断面図を示している。図５から図８までのカンチレバー５４０、６４０、７４０、及び８４０とは対照的に、図９のカンチレバー９４０は単一材料のみを有する。半導体材料、特にシリコンは、カンチレバー９４０にとって好ましい材料である。

【0118】

カンチレバー９４０は、取り付けユニット９５０に取り付けられた２つの脚９６０及び９７０を含む。２つの脚９６０と９７０は、測定先端９３０の領域内で薄い接続ウェブ９８０を通して互いに接続される。上側の脚９６０及び下側の脚９７０は、供給線９６５及び４８２を通して原子間力顕微鏡４００の制御デバイス４８０に接続される。

【0119】

下側脚９７０は、カンチレバー９４０の長さの大部分にわたって上側脚９６０よりもある倍数だけ幅広である。図９の上の部分から分るように、測定プローブ９５５のカンチレバー９４０の上側脚９６０と下側脚９７０は同じ厚みを有する。幾何学形状に起因して、下側脚９７０は、上側脚９６０のオーム抵抗よりも数（ｓｅｖｅｒａｌ）倍小さいオーム抵抗を有する。ねじれ領域９４５は、測定プローブ９５５の場合はカンチレバー９４０全体の上に広がる。

【0120】

制御デバイス４８０によって供給線４８２及び９６５に電圧が加えられると、２つの脚９６０及び９７０は、不均一な方式で加熱される。上側脚９６０は、下側脚９７０よりも大きく強く加熱され、従って、下側脚９７０よりも強い膨張を有する。第一近似では、上側脚９６０は第１の温度を有し、下側脚９８０は第２の温度を有し、第１の温度は第２の温度よりも高い。その結果、プローブ９５５の測定先端９３０は、負のｙ方向に傾斜される。

【0121】

カンチレバー９４０の幾何学形状に起因して、測定先端９３０の負のｙ方向の傾斜だけが可能である。更に、カンチレバー９４０の大きい質量は、カンチレバー５４０、６４０、７４０、及び８４０よりも大きい熱時定数を意味する。

【0122】

図１０の模式図１０００は、２つのピエゾアクチュエータ１０６０及び１０７０を含むねじれ領域１０４５を有するカンチレバー１０４０を有する測定プローブ１０５５を示している。カンチレバー１０４０は、図４から図６までと同じくＶ字形のものである。測定先端１０３０は、Ｖ字形カンチレバー１０４０の先端に配置される。反対端では、カンチレバー１０４０は測定プローブ１０５５の取り付けユニット１０５０に取り付けられる。カンチレバー１０４０は、実質的に均一な材料層１０４２を有する。カンチレバー１０４０の左手ビーム上及び右手ビーム上の材料層の上に、各々１つのピエゾアクチュエータ１０６０及び１０７０が付加される。ピエゾアクチュエータは、原子間力顕微鏡４００の制御デバイス４８０に供給線１０６５及び１０７５、並びに４８２を通して接続される。

【0123】

ピエゾアクチュエータは、加熱抵抗器に関して上述したように、カンチレバー１０４０上に、例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ）の形態で配置することができる。この配置は、例えば、著者Ｓ．Ｒ．Ｍａｎａｌｉｓ、Ｓ．Ｃ．Ｍｉｎｎｅ、及びＣ．Ｆ．Ｑｕａｔｅにより、論文「一体型アクチュエータ及びセンサを有するカンチレバーを使用する高速像生成のための原子間力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ ｆｏｒｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｉｍａｇｉｎｇ ｕｓｉｎｇ ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｓ ｗｉｔｈ ａｎ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ａｃｔｕａｔｏｒ、ａｎｄ ｓｅｎｓｏｒ）」、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６８、８７１（１９９６年）に一例として記載されている。一般的に言って、ピエゾアクチュエータ１０６０、１０７０を取り付けるか又は埋め込むためには、半導体業界及びＭＥＭＳ（微小電気機械システム）製造からの一体型製造方法がほぼ限定的に使用される。通常、ピエゾアクチュエータは、電圧が加えられた時に長手方向の寸法に関して変化する。しかし、１つの空間方向（例えば、長手方向）、２つの空間方向（例えば、２つの横方向）、又は３つの空間方向（すなわち、長手方向と横方向の両方）に変えることができる複雑な幾何学形状を有するピエゾアクチュエータをカンチレバー１０４０上に追加することを考えることができる。

【0124】

１又は２以上のピエゾアクチュエータ１０６０、１０７０の形態にあるねじれ領域１０４５は、測定先端１０３０を正の方向又は負の方向に迅速に偏向させることができるという利点を有する。ピエゾアクチュエータ１０６０、１０７０の応答時間は、その比較的大きいキャパシタンスによって制限され、それによって加えた電圧の変化の場合に電流の流れがもたらされる。供給線１０６５の抵抗との関連でピエゾアクチュエータのキャパシタンスは、測定先端１０３０の応答を供給線１０６５に加えられる電圧信号の変化に制限する。

【0125】

図１０に示す測定プローブ１０５５は、カンチレバー１０４０の両方のアーム又はビーム上にピエゾアクチュエータ１０６０、１０７０を有する。その結果、測定先端の−ｘ方向及び＋ｘ方向のピボット回転が可能である。ピエゾアクチュエータ１０６０、１０７０は、一般的に、その平衡構成の両側で長手方向に曲がることができるので、ねじれ領域１０４５としてのピエゾアクチュエータ１０６０、１０７０の使用はほぼ十分である。

【0126】

加熱抵抗器６６０及び８６０の関連で記述したものと同様に、測定先端１０３０の大体の偏向と細かい偏向を定められた方式で実施するために、大きいピエゾアクチュエータ１０６０、１０７０を複数のより小さいピエゾアクチュエータで置換することができる。

【0127】

図１１は、高アスペクト比を有する試料面４１５を検査するために、ピボット回転可能測定先端５３０、６３０、７３０、８３０、９３０、及び１０３０を有する走査プローブ顕微鏡４００を使用する方法の第１の実施形態の流れ図１１００を示している。本方法は、１１１０で始まる。第１の段階１１２０において、測定先端５３０、６３０、７３０、８３０、９３０、及び１０３０は、デフォルト位置、すなわち、測定先端が傾斜されていない位置に運ばれる。段階１１３０において、走査プローブ顕微鏡４００が、試料面４１５の検査される領域にわたって測定先端５３０、６３０、７３０、８３０、９３０、１０３０を走査する。段階１１４０において、走査によって収集されたデータから検査ターゲット試料面４１５の画像が生成される。判断段階１１５０において生成画像が分析され、測定先端５３０、６３０、７３０、８３０、９３０、１０３０が試料面４１５を忠実に走査することができなかったということを示すもの（ｉｎｄｉｃａｔｉｏｎｓ）が画像に存在するか否かに関して判断が行われる。示すものが存在しなかった場合に、本方法は、段階１１６０で終了する。

【0128】

しかし、生成画像が試料面４１５に実質的に対応しないということを示すものを分析段階１１５０が与えた場合に、段階１１７０において、測定先端５３０、６３０、７３０、８３０、９３０、１０３０は、定められた角度だけ制御信号を加えることによってピボット回転される。通常、測定先端の３次元輪郭は既知である。測定先端の製造業者は、輪郭データを供給することができる。これに代えて、測定先端の輪郭は、例えば、走査電子顕微鏡を用いた測定によって決定することができる。更に、測定先端５３０、６３０、７３０、８３０、９３０、１０３０の輪郭は、既知の面トポグラフィを有する試料を走査することによって確定することができる。測定先端は磨耗に露出されるので、測定先端５３０、６３０、７３０、８３０、９３０、１０３０の輪郭は、時々に繰り返し決定する必要がある場合がある。著者Ｊ．Ｓ．Ｖｉｌｌａｒｕｂｂｉａは、Ｊ．Ｒｅｓ．Ｎａｔｌ．Ｉｎｓｔ．Ｓｔａｎｄ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．第１０２巻、第４号、７月〜８月、４２５〜４５４ページに掲載の論文「走査プローブ顕微鏡の画像シミュレーション、面の再構成、及び先端の推定のためのアルゴリズム（Ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ ｆｏｒ Ｓｃａｎｎｅｄ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ Ｉｍａｇｅ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ、Ｓｕｒｆａｃｅ Ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ、ａｎｄ Ｔｉｐ Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ）」において、試料面の測定画像データから測定先端の既知の輪郭を用いて試料面のトポグラフィをどのように決定することができるかを詳細に記載している。

【0129】

試料面４１５の非忠実的な画像を示すものは、例えば、試料４１０の検査される領域の少なくとも１つの部分内の試料面４１５の変化、すなわち、その面トポグラフィが測定先端の輪郭に近づく又はそれに達する場合に存在する。２回目の走査作動に向けて測定先端がピボット回転する方向は、測定データから生成された画像の分析からも集めることができる。

【0130】

段階１１８０において、ピボット回転によって生じる測定先端５３０、６３０、７３０、８３０、９３０、１０３０の望ましくない運動成分が補正される。測定先端の１つの望ましくない運動成分は、例えば、測定先端５３０、６３０、７３０、８３０、９３０、１０３０と試料面４１５の間の距離の変化、及び／又は試料面に対する測定先端の横位置の変化である。

【0131】

次の段階１１３０において、検査される試料面４１５の領域は、ピボット回転させた測定先端５３０、６３０、７３０、８３０、９３０、１０３０を用いて再度走査される。生成画像が、測定先端に起因する分解能限界を示すものを含まない場合に、本方法は、１１６０で終了する。そうでない場合に、上記で記述した工程が、測定先端のピボット回転を変更して繰り返される。２回目の走査作動の後に生成される画像は、非ピボット回転測定先端を用いて記録された最初のデータと、ピボット回転させた測定先端を用いて記録された２回目のデータとで構成される走査データから構成される。

【0132】

最後に、図１２は、高アスペクト比を有する試料面４１５を検査するためにピボット回転可能測定先端５３０、６３０、７３０、８３０、９３０、１０３０を有する走査プローブ顕微鏡４００を使用する方法の第２の実施形態の流れ図１２００を示している。本方法は、段階１２０５で開始される。第１の段階１２１０において、走査プローブ顕微鏡４００は、検査される試料面４１５の領域にわたって測定先端５３０、６３０、７３０、８３０、９３０、１０３０を走査する。判断ブロック１２１５において、測定先端５３０、６３０、７３０、８３０、９３０、１０３０が、高アスペクト比を有する試料面４１５の領域を現在走査しているか否かに関して判断が行われる。この判断は、例えば、今しがた検知された試料面４１５のトポグラフィと測定先端５３０、６３０、７３０、８３０、９３０、１０３０の輪郭との比較に基づいて行うことができる。

【0133】

判断段階１２１５の質問が「はい」と答えられた場合に、判断段階１２４０において、測定先端５３０、６３０、７３０、８３０、９３０、１０３０が走査領域の端部（ｅｎｄ）に達したか否かに関して判断が行われる。そうである場合に、本方法は、段階１２５０で終了する。そうでない場合に、制御デバイス４８０は、段階１２４５で、対応する制御信号を加えることによって測定先端５３０、６３０、７３０、８３０、９３０、１０３０をピボット回転させる。次いで、本方法は、段階１２１０に進行し、ピボット回転させた測定先端５３０、６３０、７３０、８３０、９３０、１０３０を試料面４１５にわたって走査する。

【0134】

判断段階１２１５における判断が、測定先端５３０、６３０、７３０、８３０、９３０、１０３０が高アスペクト比を持たない領域を走査しているというものである場合に、本方法は、測定先端５３０、６３０、７３０、８３０、９３０、１０３０がピボット回転されているか否かが検知される判断段階１２２０において続行される。測定先端５３０、６３０、７３０、８３０、９３０、１０３０がピボット回転されていない場合に、判断段階１２３０において、測定先端５３０、６３０、７３０、８３０、９３０、１０３０が走査領域の端部に達したか否かが決定される。そうである場合に、本方法は、段階１２３５で終了する。達していない場合に、本方法は、段階１２１０において続行され、測定先端５３０、６３０、７３０、８３０、９３０、１０３０は、試料面４１５にわたる走査を続ける。

【0135】

判断段階１２２０において、測定先端５３０、６３０、７３０、８３０、９３０、１０３０がピボット回転されているという決定が行われた場合に、段階１２２５において、測定先端５３０、６３０、７３０、８３０、９３０、１０３０の傾斜が逆転される。次いで、本方法は、判断段階１２３０において続行され、段階１２３５で終了するか又は段階１２１０において非ピボット回転測定先端５３０，６３０，７３０，８３０，９３０，１０３０を用いて試料面を走査し続けるかのいずれかである。

【符号の説明】

【0136】

４００ 走査プローブ顕微鏡
４１０ 試料
４４０ カンチレバー
４５５ 測定プローブ
４７５ 反射レーザビーム

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図6a】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】