JP3103217B2 - Scanning probe microscope and method for observing a sample using the same - Google Patents

Scanning probe microscope and method for observing a sample using the same

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JP3103217B2
JP3103217B2 JP04260751A JP26075192A JP3103217B2 JP 3103217 B2 JP3103217 B2 JP 3103217B2 JP 04260751 A JP04260751 A JP 04260751A JP 26075192 A JP26075192 A JP 26075192A JP 3103217 B2 JP3103217 B2 JP 3103217B2
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明彦 山野
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、プローブを試料に近接
させた時に観測される物理現象(例えばトンネル又は原
子間力)を利用して試料の観察像を得る走査型プローブ
顕微鏡及びそれを用いて試料を観察する方法に関するも
のである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a scanning probe microscope which obtains an observation image of a sample by utilizing a physical phenomenon (for example, a tunnel or an atomic force) observed when a probe is brought close to the sample, and uses the same. And a method for observing a sample by using the method.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、探針と試料とを接近させ、その際
に生ずる物理現象であるトンネル現象を利用して物質表
面及び表面近傍の電子構造を直接観察できる走査型プロ
ーブ顕微鏡及びそれを用いて試料を観察する方法(以後
STMと云う)が開発され[G.Binnig et al.,Helvetic
a Physica Acta,55.726(1982)]、単結晶、非晶質を問わ
ず実空間像を高い分解能で測定できるようになった。ま
た、STMは媒体に対して電流による損傷を与えずに低
電力で観測できる利点をも有し、更には超高真空中のみ
ならず大気中、溶液中でも動作し種々の材料に対して用
いることができ、学術的或いは研究分野での広範囲な応
用が期待されている。また、産業分野においても近年、
例えば特開昭63−161552号公報、同16155
3号公報に開示されているように、原子或いは分子サイ
ズの空間分解能を有する原理に着目し、記録再生装置へ
の応用、実用化が精力的に進められている。
2. Description of the Related Art In recent years, a probe and a sample are brought close to each other, and a scanning probe microscope capable of directly observing an electronic structure on a material surface and near the surface by utilizing a tunnel phenomenon which is a physical phenomenon generated at that time, and using the same. (Hereinafter referred to as STM) has been developed [G. Binnig et al., Helvetic
a Physica Acta, 55.726 (1982)], real-space images can be measured with high resolution irrespective of single crystal or amorphous. In addition, STM has the advantage that it can be observed at low power without damaging the medium due to electric current. Furthermore, it can be used not only in ultra-high vacuum but also in air and solutions to be used for various materials. It is expected to be widely applied in academic or research fields. In the industrial field,
For example, JP-A-63-161552 and JP-A-16155
As disclosed in Japanese Unexamined Patent Publication No. 3 (1999), attention is paid to a principle having a spatial resolution of an atomic or molecular size, and application to a recording / reproducing apparatus and practical application thereof are being vigorously promoted.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】STMは分子サイズの
空間分解能を持っているために、従来のSTM装置にお
いては、温度の変動、振動、圧電アクチュエータ等の駆
動系の影響によってステージや探針がドリフトを起こ
し、それにより、試料面上の探針走査領域が移動してし
まうため、時間と共に観察対象が移動するという問題点
がある。また、このような問題は他の走査型プローブ顕
微鏡、例えば原子間力顕微鏡(AFM)でも生じてい
る。
Since the STM has a spatial resolution of a molecular size, in the conventional STM device, the stage and the probe are affected by temperature fluctuation, vibration, and the influence of a driving system such as a piezoelectric actuator. Drift occurs, and the probe scanning area on the sample surface moves, which causes a problem that the observation target moves with time. Such a problem also occurs in other scanning probe microscopes, for example, an atomic force microscope (AFM).

【0004】本発明の目的は、上記従来技術の問題点を
解決し、試料の安定した観察像が得られる走査型プロー
ブ顕微鏡及びそれを用いて試料を観察する方法を提供す
ることにある。
An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art and to provide a scanning probe microscope capable of obtaining a stable observation image of a sample and a method of observing the sample using the same.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】本発明に係る走査型プロ
ーブ顕微鏡は、試料の表面に対向して配されたプローブ
と、該プローブで試料の表面を二次元的に走査する走査
手段と、前記プローブから試料の構造に対応した信号を
検出する検出手段と、該検出手段で検出された信号から
試料の観察像を出力する出力手段とから成る走査型プロ
ーブ顕微鏡において、前記出力手段から出力される観察
像がシフトしないように、前記検出手段で検出される信
号に基づいて前記走査手段による走査を制御する制御手
段を設けたことを特徴とする。
A scanning probe microscope according to the present invention comprises: a probe arranged opposite to a surface of a sample; scanning means for two-dimensionally scanning the surface of the sample with the probe; In a scanning probe microscope including a detection unit that detects a signal corresponding to a structure of a sample from a probe and an output unit that outputs an observation image of the sample from the signal detected by the detection unit, the output is output from the output unit. Control means for controlling scanning by the scanning means based on a signal detected by the detection means is provided so that an observation image is not shifted.

【0006】また、走査型プローブ顕微鏡を用いて試料
を観察する方法は、試料の表面に対向して配されたプロ
ーブで試料の表面を二次元的に走査し、前記プローブか
ら試料の構造に対応した信号を検出して、この検出され
た信号から試料の観察像を得る走査型プローブ顕微鏡を
用いて試料を観察する方法において、前記試料の観察像
がシフトしないように、前記プローブから検出される信
号に基づいて前記プローブの走査を制御することを特徴
とする。
Further, a method of observing a sample using a scanning probe microscope is such that a surface of the sample is two-dimensionally scanned by a probe arranged opposite to the surface of the sample, and the probe corresponds to the structure of the sample. In the method of observing the sample using a scanning probe microscope that obtains an observation image of the sample from the detected signal by detecting the detected signal, so that the observation image of the sample does not shift, the signal is detected from the probe. The scanning of the probe is controlled based on a signal.

【0007】[0007]

【作用】上述の構成を有する走査型プローブ顕微鏡及び
それを用いて試料を観察する方法は、走査時に得られる
信号を用いて、観察対象の構造に起因した検出信号の変
化位置を読取り、探針の位置をフィードバック制御によ
って補正することで試料面に対して走査領域を固定し、
STM像を静止させる。
A scanning probe microscope having the above-described structure and a method for observing a sample using the same are used to read a change position of a detection signal caused by a structure of an observation target using a signal obtained at the time of scanning, and to use a probe. By correcting the position by feedback control, the scanning area is fixed with respect to the sample surface,
Freeze the STM image.

【0008】[0008]

【実施例】本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明
する。図1は本発明をSTMに適用した第1の実施例の
ブロック回路構成図を示し、試料SはXY両方向に駆動
可能なステージ1上に固定され、試料Sに対向してプロ
ーブ2がZ方向駆動手段3により上下に移動可能に支持
されている。試料Sとプローブ2の間には電源4により
所定の直流電圧が印加され、この電圧によって流れるト
ンネル電流が増幅器5によって電圧に変換され、A/D
(アナログ/デジタル)変換器6に入力される。A/D
変換器6は所定のサンプリング間隔でトンネル電流の大
きさをデジタル値に変換するものであり、その出力はデ
ータ信号生成器7及びZ方向制御回路8に入力される。
データ信号生成器7はラスタ、つまりスキャン方向の1
ライン分をデータパケットとしてデータバス9に送出す
る。Z方向制御回路8はトンネル電流の大きさからプロ
ーブ2と試料Sの距離を探知し、Z方向駆動手段3の圧
電アクチュエータに印加する制御電圧にフィードバック
することにより、この距離を一定に保つよう動作する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described in detail with reference to the illustrated embodiments. FIG. 1 shows a block circuit diagram of a first embodiment in which the present invention is applied to an STM. A sample S is fixed on a stage 1 which can be driven in both X and Y directions. It is supported by the driving means 3 so as to be able to move up and down. A predetermined DC voltage is applied between the sample S and the probe 2 by the power supply 4, and a tunnel current flowing by this voltage is converted into a voltage by the amplifier 5, and the A / D
The signal is input to an (analog / digital) converter 6. A / D
The converter 6 converts the magnitude of the tunnel current into a digital value at a predetermined sampling interval, and outputs the data to the data signal generator 7 and the Z-direction control circuit 8.
The data signal generator 7 is a raster, that is, 1 in the scanning direction.
The line portion is transmitted to the data bus 9 as a data packet. The Z-direction control circuit 8 detects the distance between the probe 2 and the sample S based on the magnitude of the tunnel current, and feeds back to the control voltage applied to the piezoelectric actuator of the Z-direction drive means 3 to keep the distance constant. I do.

【0009】データバス9はCPU(中央処理装置)1
0によって制御され、データ信号生成器7からのデータ
パケットは画像データ出力部11で画像データに変換さ
れ、モニタ等から成る画像出力装置12に送られる。ま
た、同じデータパケットはデータ切出部13に送られ、
データ切出部13はエリアウインドウ指定部14の指定
に応じたエリア内のデータのみを出力する。データ切出
部13の出力は演算部15に入力され、演算部15は図
2のフローチャート図に従って後述する演算を行い、
X、Y両方向に関して前画面に対する画像の移動量を算
出し、更にこれを基にX、Y両方向のフィードバック量
を求め出力する。一方、データバス9を介してCPU1
0から伝えられる命令により、XY走査制御回路16は
X、Y両方向の制御電圧を出力する。演算部15の出力
はそれぞれD/A変換器17x、17yにより電圧に変
換され、XY走査制御回路16の出力と加算された後に
増幅器18x、18yで増幅されて、ステージ1のX方
向とY方向の圧電アクチュエータにそれぞれ印加され
る。
The data bus 9 includes a CPU (central processing unit) 1
The data packet from the data signal generator 7 is converted into image data by the image data output unit 11 and sent to the image output device 12 including a monitor or the like. Also, the same data packet is sent to the data cutout unit 13,
The data cutout unit 13 outputs only data within the area specified by the area window specifying unit 14. The output of the data cutout unit 13 is input to a calculation unit 15, and the calculation unit 15 performs a calculation described below according to the flowchart of FIG.
The amount of movement of the image with respect to the previous screen in both the X and Y directions is calculated, and based on this, the feedback amount in both the X and Y directions is calculated and output. On the other hand, the CPU 1
The XY scanning control circuit 16 outputs control voltages in both the X and Y directions according to a command transmitted from 0. The outputs of the operation unit 15 are converted into voltages by D / A converters 17x and 17y, respectively, added to the output of the XY scanning control circuit 16, and then amplified by the amplifiers 18x and 18y. Are applied to the respective piezoelectric actuators.

【0010】このような構成において、半導体プロセス
により形成された溝を持つ金電極を試料Sとして用い
て、X方向に画像の静止を行った場合を先ず説明する。
試料Sとプローブ2との間には所定の電圧が印加され、
その電圧によって両者を流れるトンネル電流がA/D変
換器6によりデジタル値に変換される。このトンネル電
流データはデータ信号生成器7により、ラスタごとにト
ンネル電流データのデータパケットとしてまとめられデ
ータバス9に送られる。本実施例では、1ラスタを51
2データ、1画面を512ラスタで構成している。
First, a case where an image is stopped in the X direction by using a gold electrode having a groove formed by a semiconductor process as a sample S in such a configuration will be described.
A predetermined voltage is applied between the sample S and the probe 2,
The tunnel current flowing through the two is converted into a digital value by the A / D converter 6 by the voltage. The tunnel current data is collected by the data signal generator 7 as data packets of the tunnel current data for each raster and sent to the data bus 9. In this embodiment, one raster is 51
Two data and one screen are composed of 512 rasters.

【0011】Z方向制御回路8はZ方向駆動手段3に取
り付けられている圧電アクチュエータに制御電圧を加え
ることによって、プローブ2と試料Sとの距離を制御す
る。その際に、Z方向制御回路8はA/D変換されたト
ンネル電流データを取り込み、それをプローブ2と試料
Sとの距離の情報として用いてフィードバック制御を行
っている。画像データ出力部11はデータバス9から受
け取ったデータパケットを用いて画像データを生成し、
モニタ等の画像出力装置12にSTM像を出力する。ま
た、XY方向走査はステージ1に取り付けられた圧電ア
クチュエータにXY走査制御回路16から出力される制
御電圧を印加することによって行う。CPU10によっ
て一連の動作が管理され、それぞれの動作により試料表
面の観察を行う。
The Z-direction control circuit 8 controls the distance between the probe 2 and the sample S by applying a control voltage to the piezoelectric actuator attached to the Z-direction drive means 3. At this time, the Z-direction control circuit 8 takes in the A / D-converted tunnel current data and performs feedback control using the data as information on the distance between the probe 2 and the sample S. The image data output unit 11 generates image data using the data packet received from the data bus 9,
An STM image is output to an image output device 12 such as a monitor. The XY scanning is performed by applying a control voltage output from the XY scanning control circuit 16 to a piezoelectric actuator attached to the stage 1. A series of operations are managed by the CPU 10, and the observation of the sample surface is performed by each operation.

【0012】次に、STM像静止機構の具体的な動作を
説明すると、先ず検出信号であるトンネル電流信号の空
間的な変化位置を効果的に検出し、フィードバック制御
を行うために、検出エリアを指定する。エリアウインド
ウ指定部14によって画面上のどの部分を検出エリアと
するかを決定し、そのエリア位置の情報をデータ切出部
13に送る。データ切出部13では、データバス9から
受け取ったトンネル電流データパケットからエリア内の
データのみを取り出し、演算部15に送る。演算部15
は図2のフローチャート図に示すように、エリア内のデ
ータの2値化処理(STEP1)、空間フィルタ処理
(STEP2)、その結果より信号変化位置つまりエッ
ジ位置の検出(STEP3)、移動量の算出(STEP
4)、及びフィードバック量の算出(STEP5)を行
って、最終的にはフィードバック量をXY走査制御回路
16の出力に加算し、走査領域を試料面に対して静止さ
せる。
Next, the specific operation of the STM image stationary mechanism will be described. First, a spatially changing position of a tunnel current signal, which is a detection signal, is effectively detected, and a detection area is set in order to perform feedback control. specify. The area window specifying unit 14 determines which part on the screen is to be a detection area, and sends information on the area position to the data extracting unit 13. The data extracting unit 13 extracts only the data in the area from the tunnel current data packet received from the data bus 9 and sends the data to the arithmetic unit 15. Arithmetic unit 15
As shown in the flowchart of FIG. 2, the data in the area are binarized (STEP1), spatial filter processing (STEP2), the signal change position, that is, the edge position is detected from the result (STEP3), and the movement amount is calculated. (STEP
4) and calculating the feedback amount (STEP 5), and finally adding the feedback amount to the output of the XY scanning control circuit 16 to stop the scanning area with respect to the sample surface.

【0013】本実施例で用いた試料Sは、金基板上に半
導体プロセスによって図3に示すように幅200nm、
深さ50nmの溝TをL字形に縦横1000nmの長さ
に作成したものを用いている。走査エリアSAの大きさは
2μm平方(トンネル電流データ数512×512個)
であり、X方向検出エリアDAX 、Y方向検出エリアDAY
は何れも250nm平方(トンネル電流データ数64×
64個)とした。検出エリアDAX 、DAY の大きさは、そ
れぞれX方向及びX方向の位置検出用エッジが次の検出
の時までにドリフトによって外に出ないような大きさと
する必要がある。
The sample S used in this embodiment has a width of 200 nm as shown in FIG.
A groove T having a depth of 50 nm and an L-shape having a length of 1000 nm in length and width is used. The size of the scanning area SA is 2 μm square (the number of tunnel current data is 512 × 512)
X-direction detection area DAX, Y-direction detection area DAY
Are 250 nm square (tunnel current data number 64 ×
64). The sizes of the detection areas DAX and DAY need to be such that the position detection edges in the X direction and the X direction do not go outside due to drift by the next detection.

【0014】図1の演算部15におけるデータ処理プロ
セスについて、図2に示す制御フローチャート図及び実
際の演算結果を用いて詳細に説明する。図4は演算回路
によって2値化処理された画像データを示し、これは検
出エリア内のデータをスレッショルド電流1nAで2値
化処理したものである。黒い部分が溝内(ビット0、観
測電流<スレッショルド電流の部分)、白い部分が溝外
(ビット1)を示している。静止制御はこの白黒の境目
を溝エッジと判定し、その位置をフィードバック制御に
よって固定する方法で行う。図4はX方向の検出エリア
のデータであり、この状態では孤立した小さな点(ノイ
ズ)が多い上、エッジ部分が不安定である。この画像の
ままで静止制御を行った場合の精度は20〜30nmで
あった。
The data processing process in the arithmetic unit 15 of FIG. 1 will be described in detail with reference to the control flowchart shown in FIG. 2 and the actual calculation results. FIG. 4 shows image data that has been binarized by the arithmetic circuit, and is obtained by binarizing data in the detection area with a threshold current of 1 nA. The black portion indicates the inside of the groove (bit 0, the portion of observed current <threshold current), and the white portion indicates the outside of the groove (bit 1). The stationary control is performed by determining the boundary between the black and white as a groove edge and fixing the position by feedback control. FIG. 4 shows data of the detection area in the X direction. In this state, there are many isolated small points (noise) and the edge portions are unstable. The accuracy when the static control was performed with this image as it was was 20 to 30 nm.

【0015】次に、2値化画像を安定させる目的で、二
次元フィルタを用いた。図5は図4のデータに対して二
次元フィルタ処理を施した後のデータである。実際に
は、3×3のデータの大きさで空間平均を取って、中心
のビットを決定する方法を採用している。これによっ
て、図5に示すように孤立点が除去され、エッジも安定
化されていることが確認できる。このフィルタを用いて
行った静止制御では精度が数倍程度上昇して5〜8nm
となり、フィルタの効果が大きいことが確かめられた。
Next, a two-dimensional filter was used for the purpose of stabilizing the binarized image. FIG. 5 shows data obtained by performing a two-dimensional filter process on the data of FIG. In practice, a method of determining the center bit by taking a spatial average with a data size of 3 × 3 is adopted. As a result, it can be confirmed that the isolated point is removed and the edge is stabilized as shown in FIG. In the static control performed using this filter, the accuracy is increased by several times to 5 to 8 nm.
It was confirmed that the effect of the filter was great.

【0016】続いて、演算部15の移動量算出方法につ
いて述べると、移動量算出には先ず信号変化位置即ち溝
エッジ位置を検出し、その位置と目標値との差から移動
量を算出する。図5を見ると、右半分の黒い領域には白
い部分がないが、左半分の白い領域(溝外)には黒い
(信号の小さい)領域が存在する。そこで、横方向のラ
インに注目し、黒い部分が右端からどれだけ連続してい
るかを測定し、その位置の全横ラインに関する平均をエ
ッジ位置として決定した。
Next, the method of calculating the amount of movement by the arithmetic unit 15 will be described. In calculating the amount of movement, first, a signal change position, that is, a groove edge position is detected, and the amount of movement is calculated from the difference between the position and a target value. Referring to FIG. 5, there is no white part in the right half black area, but there is a black (small signal) area in the left half white area (outside the groove). Therefore, attention was paid to the horizontal line, how much the black portion continued from the right end was measured, and the average of all horizontal lines at that position was determined as the edge position.

【0017】また、本実施例においては、フィードバッ
ク制御としてP制御を用いており、目標位置である検出
エリアの真中と検出位置との差をそのままフィードバッ
ク量として出力している。しかしながら、より精度の高
い柔軟な制御をするためにPID制御や、ファジィ制御
を用いることも可能である。例えば、PID制御にする
ことで、温度ドリフト等の周期の長い緩慢な移動に対し
てその移動速度を制御対象とすることができ、より精度
の高い制御が可能となる。また、ファジィ制御を用いる
ことによって、ずれ量に対して戻す速さを制御すれば、
安定化までの時間を大幅に短縮することができる。更
に、それらを組合わせて移動方法を工夫することによっ
て、より精度の高い画像を得ることができる。例えば、
1画面の補正量分を移動させる場合に、1度に1ステッ
プで移動させるのみではなく、補正回数を複数とし、1
画面分の移動量を数10回〜数100回のステップで細
かく移動させることにより、熱ドリフトのような一定の
緩慢な移動に対して、像の流れ、歪を抑制することがで
きる。
In this embodiment, the P control is used as the feedback control, and the difference between the center of the detection area, which is the target position, and the detection position is directly output as the feedback amount. However, it is also possible to use PID control or fuzzy control for more accurate and flexible control. For example, by using the PID control, the moving speed can be set as a control target for a slow movement having a long cycle such as a temperature drift, and more accurate control can be performed. In addition, by using fuzzy control, if the speed of returning to the deviation amount is controlled,
The time until stabilization can be greatly reduced. Furthermore, by combining them and devising a moving method, a more accurate image can be obtained. For example,
When moving the correction amount for one screen, not only the movement is performed one step at a time, but also the number of correction
By finely moving the moving amount for the screen in steps of several tens to several hundreds, it is possible to suppress the flow and distortion of the image with respect to a certain slow movement such as thermal drift.

【0018】なお、本実施例ではX方向の静止機構につ
いて説明したが、図3に示すY方向検出エリアDAY を用
いることにより、X方向と同様にY方向にエッジ位置を
検出し位置制御を行うことにより、Y方向も静止させる
ことができる。
In this embodiment, the stationary mechanism in the X direction has been described. However, by using the Y direction detection area DAY shown in FIG. 3, the edge position is detected and the position is controlled in the Y direction in the same manner as in the X direction. Thereby, the Y direction can be stopped.

【0019】次に、第2の実施例について説明すると、
第1の実施例ではマーカを人工的に作成する必要があっ
たが、第2の実施例では実際に観察している像の一部を
マーカとして用いることができる。フィードバックの機
構は第1の実施例で図1に示したものと同様である。先
ず、検出エリアの指定に際し、エリアが完全に包含する
ことのできる大きさの像、又は像の一部をマーカとして
選択する。図6は検出エリア内の信号を2値化処理(S
TEP11)し、空間フィルタを通した(STEP1
2)ものを示している。このように、トンネル電流が小
さい領域(黒い部分)が或る像を形成しており、検出エ
リアに包含される大きさとなっている。
Next, a second embodiment will be described.
In the first embodiment, it is necessary to artificially create a marker, but in the second embodiment, a part of an image actually observed can be used as a marker. The feedback mechanism is the same as that shown in FIG. 1 in the first embodiment. First, when specifying a detection area, an image of a size that can be completely included in the area or a part of the image is selected as a marker. FIG. 6 shows a process of binarizing the signal in the detection area (S
(STEP 11) and passed through a spatial filter (STEP 1).
2) shows things. As described above, the region (black portion) where the tunnel current is small forms a certain image, and has a size that is included in the detection area.

【0020】図7のフローチャート図に示すように、こ
の図形の重心位置を求めた(STEP13)。そして、
重心位置の変化から移動量を算出し(STEP14)、
X方向のフィードバック量の算出(STEP15)及び
Y方向のフィードバック量の算出(STEP16)を行
う。そして、このフィードバック量を、ステージに入力
される制御信号に重畳することによって観察像が移動し
ないように制御する。
As shown in the flowchart of FIG. 7, the position of the center of gravity of this figure was obtained (STEP 13). And
The amount of movement is calculated from the change in the position of the center of gravity (STEP 14),
The feedback amount in the X direction is calculated (STEP 15) and the feedback amount in the Y direction is calculated (STEP 16). Then, by superimposing this feedback amount on a control signal input to the stage, the observation image is controlled so as not to move.

【0021】重心の求め方は、先ず図6の64×64の
データを上下方向に計算し、面積が半分になる横ライン
の位置GXを求め、次に、同様に左右方向に計算し面積半
分の縦ラインの位置GYを求める。2つの位置により重心
位置(GX、GY)が求まり、その位置をXY両方向に位置
制御して目標位置に一致させることによってSTM像を
静止させる。目標位置を検出エリアの中心としてP制御
したところ、精度2nmでXY両方向について同時に静
止させることができた。
The method of calculating the center of gravity is as follows. First, 64 × 64 data shown in FIG. 6 is calculated in the vertical direction, the position GX of the horizontal line where the area is reduced to half is calculated. Find the position GY of the vertical line of. The position of the center of gravity (GX, GY) is obtained from the two positions, and the position is controlled in both the X and Y directions to match the target position, thereby stopping the STM image. When P control was performed with the target position as the center of the detection area, it was possible to simultaneously stop in both the X and Y directions with an accuracy of 2 nm.

【0022】この方法によれば、第1の実施例とは異な
り、1つの検出エリアを指定することでXY両方向につ
いて同時に制御できる。また、マーカを半導体プロセス
等を用いて人工的に作成する必要がない。なお、検出エ
リアの指定は操作者が指定したが、コンピュータ等の例
えば図1におけるCPU10によって自動的に指定する
ことにより省力化が図れる。
According to this method, different from the first embodiment, by specifying one detection area, control can be performed simultaneously in both the X and Y directions. Also, there is no need to artificially create markers using a semiconductor process or the like. Although the detection area is specified by the operator, the power can be saved by automatically specifying the detection area by, for example, the CPU 10 in FIG. 1 such as a computer.

【0023】上述の実施例は、STMに関するものであ
るが、本発明は試料とプローブとの間の他の物理量を用
いて試料を観察する装置、例えば原子間力顕微鏡(AF
M)にも適用することができる。
Although the above embodiment relates to an STM, the present invention relates to an apparatus for observing a sample by using another physical quantity between the sample and a probe, for example, an atomic force microscope (AF).
M) can also be applied.

【0024】図8はAFMに適用した第3の実施例を示
すブロック回路構成図である。図8において、図1と同
一の部材には同一の符号を付し、重複する説明は省略す
る。本実施例において、プローブ20はカンチレバー2
1によって顕微鏡本体に対してZ方向に変位可能に支持
されている。また、カンチレバー21の上面にはミラー
22が取り付けられている。このミラー22には光源2
3からの光束が入射し、ミラー22による前記光束の反
射光は、分割された受光面を有する光検出器で受光され
るようになっている。
FIG. 8 is a block circuit diagram showing a third embodiment applied to the AFM. In FIG. 8, the same members as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted. In this embodiment, the probe 20 is a cantilever 2
1 supports the microscope body so as to be displaceable in the Z direction. A mirror 22 is mounted on the upper surface of the cantilever 21. This mirror 22 has a light source 2
The light beam from the light source 3 is incident thereon, and the reflected light of the light beam by the mirror 22 is received by a photodetector having a divided light receiving surface.

【0025】上記の構成において、プローブ20を試料
Sに非常に近接させると、これらの間に原子間斥力が働
く。この状態で、ステージ1によって試料SをX方向及
びY方向に移動させると、試料Sの表面の凹凸をトレー
スするようにプローブ20が上下に変位する。プローブ
20の変位に伴ってカンチレバー21は変形し、光源2
3からの光束に対するミラー22の角度が変化する。そ
の結果、光検出器24の受光面上で反射光のスポットが
移動する。従って、このスポットの移動を光検出器24
により検出することによって、試料Sの表面の凹凸形状
を知ることができる。反射光のスポットの移動は、例え
ば受光面の分割された各部分の出力信号を差分すること
によって検出することができる。
In the above configuration, when the probe 20 is brought very close to the sample S, an interatomic repulsion acts between them. In this state, when the sample S is moved in the X direction and the Y direction by the stage 1, the probe 20 is vertically displaced so as to trace irregularities on the surface of the sample S. The cantilever 21 is deformed with the displacement of the probe 20, and the light source 2
The angle of the mirror 22 with respect to the light beam from No. 3 changes. As a result, the spot of the reflected light moves on the light receiving surface of the photodetector 24. Therefore, the movement of this spot is detected by the photodetector 24.
Thus, the uneven shape of the surface of the sample S can be known. The movement of the spot of the reflected light can be detected by, for example, subtracting the output signals of the divided portions of the light receiving surface.

【0026】上記のようにして検出された試料Sの構造
に対応した信号は、A/D変換器6によってデジタル信
号に変換され、その後は図1の実施例と同様に画像の出
力及び走査領域の補正が行われる。つまり、データ信号
生成器7からデータバス9を通ったデータから、画像デ
ータ出力部11によって画像データを生成し、例えばカ
ソード・レイ・チューブ(CRT)のような画像出力装
置12によって観察像が出力される。
A signal corresponding to the structure of the sample S detected as described above is converted into a digital signal by the A / D converter 6, and thereafter, the image output and the scanning area are performed in the same manner as in the embodiment of FIG. Is corrected. That is, image data is generated by the image data output unit 11 from the data passed from the data signal generator 7 to the data bus 9, and an observation image is output by an image output device 12 such as a cathode ray tube (CRT). Is done.

【0027】一方、データ信号生成器7から出力される
データの内、エリアウィンドウ指定部14で指定された
領域に対応するデータは、データ切出部13で取り出さ
れ、演算部15に送られる。演算部15では図2〜図6
で説明したような手法で、画像のシフトを補正するため
の補正信号を生成し、D/A変換器17x、17yを通
して、XY走査制御回路16からのステージ1に入力さ
れる制御信号にフィードバックされる。
On the other hand, of the data output from the data signal generator 7, data corresponding to the area specified by the area window specifying unit 14 is extracted by the data extracting unit 13 and sent to the arithmetic unit 15. The arithmetic unit 15 is shown in FIGS.
A correction signal for correcting the image shift is generated by the method described in the above section, and is fed back to the control signal input from the XY scanning control circuit 16 to the stage 1 through the D / A converters 17x and 17y. You.

【0028】このように本発明をAFMに適用した場合
も、STMの場合と同様に観察像のシフトを防止して、
安定した観察像が得られる。
As described above, even when the present invention is applied to the AFM, the shift of the observed image is prevented as in the case of the STM.
A stable observation image can be obtained.

【0029】[0029]

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る走査型
プローブ顕微鏡及びそれを用いて試料を観察する方法
は、温度変化、振動、ピエゾのクリープ等によるステー
ジとプローブの相対位置の変化から起こるSTM像等の
ドリフトを無くすことができるため、同一領域を長時間
に渡って観察可能である。特に、観察開始直後の温度変
化、機械系の緩和などによる像の移動を抑え、安定した
状態で観察が可能となる利点がある。また、エリアを指
定して信号変化位置の検出を行うことにより、画面の一
部分だけでも時間的に変化の少ない部分があれば、そこ
をエリアに指定することができ、例えばシリコン等の結
晶成長過程やMBE等による金属薄膜の成長過程などの
経時変化のある観察にも適応できる。
As described above, the scanning probe microscope according to the present invention and the method of observing a sample using the same are caused by a change in the relative position between the stage and the probe due to temperature change, vibration, piezo creep and the like. Since the drift of the STM image or the like can be eliminated, the same region can be observed for a long time. In particular, there is an advantage that movement of an image due to a temperature change immediately after the start of observation, relaxation of a mechanical system, or the like is suppressed, and observation can be performed in a stable state. Also, by detecting the signal change position by designating the area, if there is only a part of the screen that has little change over time, that part can be designated as the area. It can also be applied to observations with time-dependent changes such as the growth process of a metal thin film by MBE or MBE.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】第1の実施例のブロック回路構成図である。FIG. 1 is a block circuit configuration diagram of a first embodiment.

【図2】第1の実施例の演算部のフローチャート図であ
る。
FIG. 2 is a flowchart of a calculation unit according to the first embodiment.

【図3】試料の説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram of a sample.

【図4】第1の実施例のエッジ検出エリアの画像データ
のパターン図である。
FIG. 4 is a pattern diagram of image data of an edge detection area according to the first embodiment.

【図5】空間フィルタを通した後のパターン図である。FIG. 5 is a pattern diagram after passing through a spatial filter.

【図6】第2の実施例の空間フィルタを通した後の2値
化パターン図である。
FIG. 6 is a diagram showing a binarized pattern after passing through a spatial filter according to the second embodiment.

【図7】第2の実施例の演算部のフローチャート図であ
る。
FIG. 7 is a flowchart of a calculation unit according to the second embodiment.

【図8】第3の実施例のブロック回路構成図である。FIG. 8 is a block circuit configuration diagram of a third embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 ステージ 2、20 プローブ 3 Z方向駆動手段 4 電源 5、18 増幅器 6 A/D変換器 7 データ信号生成器 8 Z方向制御回路 10 CPU 13 データ切出部 15 演算部 16 XY走査制御回路 17 D/A変換器 21 カンチレバー 23 光線 24 光検出器 Reference Signs List 1 stage 2, 20 probe 3 Z-direction driving means 4 power supply 5, 18 amplifier 6 A / D converter 7 data signal generator 8 Z-direction control circuit 10 CPU 13 data cut-out unit 15 arithmetic unit 16 XY scanning control circuit 17 D / A converter 21 Cantilever 23 Light beam 24 Photodetector

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山野 明彦 東京都大田区下丸子三丁目30番2号 キ ヤノン株式会社内 (72)発明者 宮▲崎▼ 俊彦 東京都大田区下丸子三丁目30番2号 キ ヤノン株式会社内 (56)参考文献 特開 平4−238202(JP,A) 特開 平4−350503(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01B 21/00 - 21/32 G01B 7/00 - 7/34 102 G01N 37/00 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Akihiko Yamano 3-30-2 Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo Inside Canon Inc. (72) Inventor Miya ▲ Saki ▼ Toshihiko 3-30-2 Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo No. Canon Inc. (56) References JP-A-4-238202 (JP, A) JP-A-4-350503 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) G01B 21/00-21/32 G01B 7/00-7/34 102 G01N 37/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 試料の表面に対向して配されたプローブ
と、該プローブで試料の表面を二次元的に走査する走査
手段と、前記プローブから試料の構造に対応した信号を
検出する検出手段と、該検出手段で検出された信号から
試料の観察像を出力する出力手段とから成る走査型プロ
ーブ顕微鏡において、前記出力手段から出力される観察
像がシフトしないように、前記検出手段で検出される信
号に基づいて前記走査手段による走査を制御する制御手
段を設けたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
1. A probe arranged opposite to a surface of a sample, scanning means for two-dimensionally scanning the surface of the sample with the probe, and detecting means for detecting a signal corresponding to the structure of the sample from the probe. And an output unit that outputs an observation image of the sample from the signal detected by the detection unit, wherein the observation image output from the output unit is detected by the detection unit so that the observation image output from the output unit does not shift. A scanning probe microscope, further comprising control means for controlling scanning by the scanning means based on a signal.
【請求項2】 試料の表面に対向して配されたプローブ
で試料の表面を二次元的に走査し、前記プローブから試
料の構造に対応した信号を検出して、この検出された信
号から試料の観察像を得る走査型プローブ顕微鏡を用い
て試料を観察する方法において、前記試料の観察像がシ
フトしないように、前記プローブから検出される信号に
基づいて前記プローブの走査を制御することを特徴とす
る走査型プローブ顕微鏡を用いて試料を観察する方法。
2. A two-dimensional scanning of the surface of the sample with a probe arranged opposite to the surface of the sample, a signal corresponding to the structure of the sample is detected from the probe, and a sample is detected based on the detected signal. In a method of observing a sample using a scanning probe microscope that obtains an observation image of, the scanning of the probe is controlled based on a signal detected from the probe so that the observation image of the sample does not shift. Observing a sample using a scanning probe microscope.
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