CN102435784B

CN102435784B - 表面分析器

Info

Publication number: CN102435784B
Application number: CN201110278106.4A
Authority: CN
Inventors: 森本尚志; 小暮亮雅
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2010-09-16
Filing date: 2011-09-16
Publication date: 2015-01-21
Anticipated expiration: 2031-09-16
Also published as: JP5577977B2; CN102435784A; US8571284B2; US20120070039A1; JP2012063255A

Abstract

提供了一种表面分析器，利用该表面分析器，用户仅需进行简单的操作就可以定量比较试样上关注区域内诸如标高和相位等的不同物理量。通过将与相位相对应的颜色信息映射到根据试样标高的二维分布数据创建的三维图像而创建的三维彩色图像(32)显示在分析结果显示画面(30)中。基于可通过用户操作移动的指针(P和Q)创建的剖面图像(33)叠加在三维彩色图像(32)上。剖面图像(33)与试样相交的一维区域定义为关注区域。沿关注区域的标高和相位图形显示在图形显示区域(37)上，且在这些图形上叠加有游标(A～F)。将游标位置处的诸如标高值和相位值或游标之间的标高值差和相位值差等的各种特性值显示在特性值表(38)中。

Description

表面分析器

技术领域

本发明涉及诸如扫描探测器显微镜、激光显微镜或电子探测器微分析仪等的表面分析器，其中，该表面分析器能够针对试样的预定区域获取不同种类的物理量的二维分布数据。更具体地，本发明涉及用于以图形显示在这种表面分析器中获得的结果的显示处理器。

背景技术

作为典型的表面分析器的扫描探测器显微镜(SPM)是利用微小探测器扫描试样的表面并且检测由于该表面和该探测器之间的相互作用而产生的力的装置。该装置针对试样的同一区域，不仅能够收集与标高(表面高度或表面形状)有关的信息，还能够收集诸如相位、电流、粘弹性、磁力、表面电位或静电力等的各种物理量的二维分布数据。在传统使用的普通SPM中，将针对试样的预定区域测量出的物理量的二维分布数据处理成包括诸如颜色信息等的附加信息的二维图像或三维图像，并且显示在监视器的显示画面上。

在SPM中，从特定种类的物理量的分布图像无法获得的一种信息很可能可从其它种类的物理量的分布图像得到。因此，观察者经常期望同时参考两种以上的物理量的图像信息，诸如同时参考标高图像和相位图像或者同时参考表面电位图像和电流图像等。为了满足这种要求，在专利文献1所述的SPM中，显示根据一种物理量的二维分布数据所创建的三维图像，并且将示出另一种物理量的二维分布的颜色信息映射到该三维图像上，以使得在该图像上可以容易地识别出两种不同的物理量的分布之间的对应关系。

专利文献1所述的显示方法使得用户可以大致掌握试样上的预定测量区域内不同种类的物理量的二维分布的关系。然而，利用该方法，难以针对试样表面的预定区域内前述物理量之间的关系进行详细的定量测定。还难以准确地比较试样上特定位置处的多个特性值。当然，即使使用传统的SPM，也可以从收集到的所关注的物理量的二维分布数据中提取所需的特性值，并且进行前述的定量测定或比较。然而，这种任务复杂并且耗时。

背景技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平11-110532

发明内容

发明要解决的问题

已研发了本发明以解决前述问题。在可以以三维图像的形式显示同一区域上多个物理量的二维分布数据的表面分析器中，本发明的主要目的在于提供以下的一种表面分析器：观察者可以容易地指定关注部位，并且可以以定量且容易理解的方式示出在该指定部位测量出的各个物理量。

用于解决问题的方案

目的在于解决前述问题的本发明是一种表面分析器，用于针对试样的同一目标区域收集不同种类的多个物理量的二维分布数据、基于收集到的数据创建显示图像并且将所述显示图像显示在显示装置上，所述表面分析器包括：

a)第一显示处理器，用于基于所述不同种类的多个物理量中的第一物理量的二维分布数据来创建所述目标区域的三维图像，通过将基于第二物理量的二维分布数据所创建的颜色分布叠加在所述三维图像上来创建三维彩色图像，并且将所述三维彩色图像显示在所述显示装置的第一显示区域中；

b)剖面图像创建器，用于响应于用户对操作单元的操作，创建在显示在所述显示装置上的所述三维彩色图像的某位置处与所述试样的表面相交的剖面图像，并且将所述剖面图像叠加在所述三维彩色图像上；以及

c)第二显示处理器，用于将所述剖面图像与所述试样的表面相交的一维区域定义为关注区域，使用所述第一物理量和所述第二物理量的二维分布数据来创建示出所述第一物理量和所述第二物理量的值沿所述关注区域的分布或变化的图形，并且将所述图形显示在所述显示装置中与所述第一显示区域分开的第二显示区域中。

例如，当根据本发明的表面分析器被构造为SPM时，上述“不同种类的多个物理量”是标高、相位、电流、粘弹性、磁力、表面电位、静电力、压电特性、非线性介电常数和复合透射率等。

在根据本发明的表面分析器中，第一显示处理器和第二显示处理器以及剖面图像创建器通常通过执行安装在该表面分析器的系统所包括的个人计算机上的专用控制和处理软件程序来实现。

在根据本发明的表面分析器中，由第二显示处理器所显示的图形可能是以下的图形，在该图形中，横轴表示在被指定为一维区域或线形区域的关注区域内的位置，并且纵轴表示第一物理量或第二物理量的值。当第一物理量或第二物理量是试样的标高时，在该图形上绘制出的曲线示出在剖面处截出的试样截面的表面形状。当第一物理量或第二物理量是诸如相位等的物理性质的值时，在该图形上绘制出的曲线示出在剖面处截出的试样截面的表面上的该物理性质的值的分布。

在根据本发明的表面分析器中，关于应当使用操作单元进行哪种操作以及应当创建哪种剖面图像，对剖面图像创建器并无特定限制。在本发明的一个模式中，当通过操作单元在三维彩色图像上指定了位于试样上方任意位置处的两个点时，剖面图像创建器创建平剖面图像或曲剖面图像，其中，该平剖面图像或曲剖面图像由两条垂线以及连接这两个点的直线或曲线所限定，所述两条垂线是这两个点到试样基准面的垂线。“试样基准面”是用作用于确定试样的标高的零基准的平面。该平面通常平行于放置有试样的试样台的平顶。

在前述模式中，用户仅需在三维彩色图像上指定两个点以确定剖面图像，由此限定关注区域。要进行的用于设置一维关注区域的用户操作极其简单。当在三维彩色图像上指定了两个点时，由于这两个点，用户可以从视觉上直观地识别出将在试样的何处设置关注区域以及该关注区域的长度有多长。因此，当需要观察试样上的期望部位的物理性质时，用户可以容易地指定适当地包含该部位的关注区域。要叠加在三维彩色图像上的剖面图像通常为平面，尽管该剖面图像可能为曲面。即，当在三维彩色图像上指定了两个点时，绘制成连接这两个点的线可能为直线或者诸如弧线等的曲线。

在本发明的一个优选实施例中，所述表面分析器还包括：

d)特定位置选择器，用于根据用户对所述操作单元的操作来在所述显示装置的所述第二显示区域中所显示的图形上选择所述关注区域内的特定位置；以及

e)数值信息呈现器，用于根据所述第一物理量和所述第二物理量的二维分布数据来计算由所述特定位置选择器所选择的所述关注区域上的特定位置处所述第一物理量和所述第二物理量的值，并且将计算出的值显示在所述第二显示区域或者与所述第一显示区域及所述第二显示区域这两者分开的第三显示区域中。

通常，针对试样上离散设置的各个微小部位来获得通过SPM或类似的表面分析器所收集到的特定物理量的二维分布数据(当然，即使微小部位离散地设置，这些微小部位的间隔也极小)。因此，当通过特定位置选择器选择关注区域内的某位置作为特定位置时，可能不存在与该特定位置完全相对应的数据。在这种情况下，例如，可以通过使用沿着关注区域在该特定位置附近获得的多个数据进行插值来获得针对该特定位置的计算数据。

在本发明的另一优选模式中，所述特定位置选择器能够响应于用户对所述操作单元的操作来选择所述关注区域内的多个特定位置，并且所述数值信息呈现器将示出在所述多个特定位置处分别测量出的所述第一物理量和所述第二物理量的数值信息的表显示在所述第三显示区域中。利用该表面分析器，用户可以更加容易地得知关注区域内多个特定位置处的物理量的特性值，并且可以更加准确地比较这些值。

发明的效果

利用根据本发明的表面分析器，在大致掌握了试样的同一区域上多个物理量的二维分布的关系的情况下，用户可以容易地指定试样上的关注区域，并且准确地得知在试样的该指定部位内各个物理量的值。因而，用户可以在无需进行任何麻烦的操作或任务的情况下，定量地掌握关注区域内多个物理量之间的关系。当该装置被构造成以数值形式显示在关注区域内的特定位置处测量出的多个物理量时，用户可以通过简单的操作来准确地比较不同的性质。例如，在SPM的情况下，可以在试样的标高和相位之间或者在试样的标高和表面电位之间进行比较。因而，可以高效地进行针对试样表面的物理性质的分析和/或评价。

附图说明

图1是示出作为本发明的一个实施例的SPM的主要组件的结构图。

图2A示出根据利用SPM获得的数据所创建的二维标高图像的一个示例。

图2B示出根据利用SPM获得的数据所创建的二维相位图像的一个示例。

图3示出根据利用SPM获得的数据所创建的三维标高图像的一个示例。

图4示出通过将二维相位颜色信息映射到图3所示的三维标高图像上所创建的、表示标高分布和相位分布的三维彩色图像的一个示例。

图5示出本实施例的SPM的特征分析结果显示画面的一个示例。

图6是示出本实施例的SPM的特征显示处理的说明图。

图7示出用于在图5所示的分析结果显示画面内的图形显示区域中显示图形的方法的变形例。

附图标记说明

1...试样

2...试样台

3...扫描器

4...悬臂

5...探测器

6...位移计算器

7...扫描器驱动器

10...位移检测器

11...激光源

12...透镜

13...分束器

14...镜

15...光检测器

20...个人计算机

21...控制器

22...数据处理器

23...数据存储器

24...显示处理器

25...输入单元

26...显示单元

具体实施方式

以下参考附图来说明作为根据本发明的表面分析器的一个实施例的扫描探测器显微镜(SPM)。图1是示出根据本实施例的SPM的主要组件的结构图。

将要观察的试样1放置在安装于大致呈圆筒状的扫描器3的上端的试样台2上。扫描器3具有多个压电元件，并且能够根据从扫描器驱动器7施加的电压，使试样1在X方向和Y方向上移动并且微调试样1在Z方向上的位置。在试样1上方配置有末端具有探测器的悬臂4。悬臂4由包括压电元件(未示出)的激励器所驱动以进行振动。在悬臂4上方配置有用于对悬臂4在Z方向上的位移进行检测的位移检测单元10。位移检测单元10包括激光源11、透镜12、分束器13、镜14、光检测器15和其它元件。在位移检测单元10中，从激光源11发出并且由透镜12会聚的激光束由分束器13反射，从而投射到悬臂4的末端并由此被反射。反射光由镜14接收并且被再引导至光检测器15，其中，光检测器15具有分割成排列在悬臂4的位移方向(即，Z方向)上的多个区间的光接收面。

例如，在DFM(Dynamic Force Mode，动态力模式)观察时，使悬臂4在Z方向上以在其共振点附近的频率f进行振动。在这种状态下，当由于原子间力或其它因素而产生的吸引力或排斥力在探测器5与试样1的表面之间作用时，悬臂4的振幅改变。悬臂4在Z方向上的位移引起入射到光检测器15的光接收面中的多个区间的光量的比例改变。位移计算器6通过处理与这些光量相对应的检测信号来计算悬臂4的位移量，并且将所获得的值发送至控制器21。

控制器21计算用于经由扫描器驱动器7略微改变扫描器3在Z方向上的位置以消除悬臂4的位移、即维持探测器5与试样1的表面之间的距离恒定的电压值。将计算出的电压值发送至扫描器驱动器7，由此对扫描器3在Z方向上的位置进行微调。控制器21还根据预定扫描图案来计算X方向和Y方向的电压值，从而使试样1在X-Y平面内相对于探测器5移动，由此经由扫描器驱动器7对扫描器3在X方向和Y方向上的位置进行微调。将反映了Z方向上的反馈量(扫描器电压)的信号从控制器21发送至数据处理器22，其中，数据处理器22对各点(X，Y)处的该信号进行处理，以计算与试样1的标高或其它物理量相对应的数据。基于该数据，显示处理器24创建二维图像等，并且将该二维图像等显示在显示单元26的屏幕上。将所获得的数据存储在数据存储器23中。

本实施例的SPM能够使用各种测量模式来不仅测量试样1的标高(即，凹凸形状)，同时还测量诸如相位、电流、磁力、表面电位或介电常数等的其它物理量(机械性质或电磁性质)。还将这些附加数据存储在数据存储器23中。在大多情况下，控制器21、数据处理器22、数据存储器23、显示处理器24和其它组件由个人计算机20来实现，其中，个人计算机20连接有包括键盘和指示装置(例如，鼠标)的输入单元25以及包括监视器的显示单元26。可以通过运行预先安装在计算机20中的专用控制和处理软件程序来执行前述的数据收集操作和(后面要说明的)显示处理。

以下参考图2～6来说明本实施例的SPM中的显示处理器所进行的特征图像显示处理的一个示例。在以下说明中，假定已经以前述方式使用探测器5对试样1上大致呈矩形的区域进行了扫描测量，由此已获得了包括针对前述区域的试样的标高的二维分布数据和相位的二维分布数据的一组数据，并且将该组数据存储在数据存储器23中。

当观察者对输入单元25进行了预定操作时，显示处理器24在显示单元26的屏幕上创建如图5所示的分析结果显示画面30。分析结果显示画面30包括三维图像显示区域31、显示设置区域35和截面分析结果显示区域36等。

在三维图像显示区域31内，如后面所述，显示了示出预定区域内两个物理量(在本例子中，试样的标高和相位)的分布的三维彩色图像32。在三维图像显示区域31的右侧显示三维彩色图像32用的色标34。显示设置区域35包括：数据设置面板35a，用于选择要反映到三维彩色图像32中的物理量的种类；纹理颜色设置面板35b，用于选择用来显示在数据设置区域35a中设置的纹理的颜色的类型；和三维显示设置面板35c，用于控制三维彩色图像32的观看模式。截面分析结果显示区域36的上部设置有图形显示区域37，其中，图形显示区域37用于显示示出物理量(在本例子中，试样的标高和相位)沿按后面所述的方式指定的一维关注区域的分布的定量图形。在图形显示区域37下方设置有用于集体示出关注区域内的特定位置处物理量的值的特性值表38。

在数据设置面板35a上，观察者选择与“地形(geometry)”和“纹理(texture)”相对应的物理量。“地形”是指三维彩色图像32的表面形状，而“纹理”是指映射到三维彩色图像32上的颜色信息。在本例子中，分别选择试样的标高和相位作为“地形”和“纹理”。可以选择通过测量所获得的任意物理量作为“地形”或“纹理”。

响应于“地形”和“纹理”的选择以及其它各种设置，显示处理器24从数据存储器23读取相应的二维分布数据，根据所读取的数据创建三维彩色图像32，并且将所创建的图像显示在三维图像显示区域31上。例如，图2A和2B分别示出根据从试样的同一区域获取到的标高和相位的二维分布数据所创建的二维标高图像和二维相位图像。可以将图2A所示的二维标高图像扩展成如图3所示的三维图像。这种三维图像帮助观察者直观地识别试样表面的形状。

如图2B所示，在二维相位图像上由颜色信息来表现相位。可以将与图2B所示的相位相对应的颜色信息映射到图3所示的三维标高图像上，以获得如图4所示的三维彩色图像。在该三维彩色图像中，表面形状表示试样的标高，而颜色表示相位。因而，将两个物理量(即，试样的标高和相位)同时反映到一个图像中。基于从数据存储器23读取的二维分布数据，显示处理器24进行前述处理以创建如图4所示的三维彩色图像，并且将所创建的三维彩色图像显示在三维图像显示区域31内。根据所显示的三维彩色图像，观察者可以大致掌握试样上的预定区域内表面形状和表面的相位之间的关系。

如图5所示，显示处理器24在三维图像显示区域31内显示两个球形指针P和Q。可以通过使用输入单元25进行的用户操作来改变各指针的位置。当观察者通过操作鼠标或类似的指示装置将两个指针P和Q各自移动至任意位置时，显示处理器24针对指针P和Q的最新位置创建剖面图像，并且将该剖面图像显示在三维彩色图像32上。以下参考图6来说明用于创建剖面图像33的方法的一个示例。

如图6所示，SPM测量使用为了量化试样1的标高而虚拟设置的试样基准面40。例如，试样基准面40是与试样台2的平顶平行的平面。当将两个指针P和Q设置到三维彩色图像32所表示的试样上的位置处时，可以绘制出以下的三条线，即连接两个指针P和Q的线U1、从指针P延伸出并且与试样基准面40垂直相交的线U2和从指针Q延伸出并且与试样基准面40垂直相交的线U3。通过使用线U1、U2和U3作为三条边并且适当设置位于试样表面下方的另一(第四条)边来创建剖面。可视化为剖面图像33的该剖面在一维区域处与试样相交。通过将前述一维区域投影到试样基准面40或与平面40平行的其它平面上来设置关注区域41。当观察者进行用于使指针P和/或Q在试样表面的扩展方向上(即，在X方向和Y方向上)移动的操作时，剖面图像33也根据该操作而移动，从而自然导致关注区域41的移动。

此外，显示处理器24针对以前述方式利用两个指针P和Q的位置所确定的关注区域获得X-Y平面内的位置信息，并且从各个二维分布数据提取与该位置信息相对应的标高数据和相位数据。如图6所示，由于关注区域41是一维区域，因此针对沿着该一维区域的各位置提取标高数据和相位数据。随后，如图5所示，显示处理器24创建分别针对标高和相位的、横轴表示关注区域内的位置并且纵轴表示标高或相位的两个图形，并且将这两个图形以一个图形位于另一图形上方的方式显示在图形显示区域37中。当观察者进行了用于移动两个指针P和Q的操作时，关注区域在试样上移动，从而改变了该关注区域的位置信息。因此，图形显示区域37所显示的图形中的曲线的形状也改变。每当通过观察者的操作使指针P和Q移动时，更新所显示的图形以示出由此时指针P和Q的位置所确定的一维关注区域内的标高分布和相位分布。

当观察者缓慢地移动两个指针P和Q时，图形显示区域37所显示的标高分布和相位分布以依赖于个人计算机20的处理速度的速率随着这两个指针的运动而连续改变。以这种方式，观察者可以定量地掌握试样上期望的一维区域内的标高分布和相位分布。由于图形显示区域37内示出标高分布和相位分布的两个图形垂直排列并且共用同一横轴标度，因此容易定量地掌握整个关注区域内标高和相位之间的关系以及掌握关注区域内任意位置处标高和相位之间的关系。

此外，如由垂直线所示，显示处理器24将六个游标A、B、C、D、E和F叠加在图形显示区域37所示的两个图形上(尽管在图5和图6中将这些线绘制为虚线，但这些线实际为不同颜色的实线)。观察者可以通过操作鼠标或类似的指示装置来沿着横轴随意移动各游标。这些游标包括A-B、C-D和E-F这三对。对于这些游标中的各个游标，显示处理器24计算特性值并且将这些特性值显示在特性值表38中。例如，这些特性值包括：各对游标之间的区间的宽度(距离)、该区间的标高差、该区间的相位差、各游标的位置处的标高的绝对值和各游标的位置处的相位的特性值。应当注意，在图5的例子中没有计算游标A～F的位置处的标高的绝对值。当观察者进行指示装置的操作以将游标A～F中的任意游标移动至适当位置时，特性值表38的值响应于该移动操作而改变。以这种方式，可以以数值为基础来准确地比较针对关注区域内的同一位置的不同的特性值。

在实际测量时，沿X方向和Y方向获取试样上预定区域内的二维分布数据不是连续进行的，而是按预定的空间间隔、即以离散方式进行的。因此，可能实际上不存在与游标A～F的位置相对应的数据。在这种情况下，例如，可以通过使用沿着关注区域在指定位置附近的位置处获得的数据进行插值来计算出特性值表38要示出的特性值。

如至此为止所述，利用本实施例的SPM，通过观察反映了多个物理量的二维分布的三维彩色图像，观察者可以通过简单操作来设置期望的一维关注区域，并且定量地检查整个关注区域内或该关注区域内特定位置处的物理量。

在前述实施例的SPM中，在分析结果显示画面30的图形显示区域37内相互无关地显示示出不同物理量(标高和相位)沿着利用由观察者选择的指针P和Q所定义的关注区域的分布的图形。可选地，可以将不同物理量的分布以叠加形式显示在同一图形上。作为一个例子，图7示出以叠加形式显示标高分布和相位分布这两者的图形。尽管图7没有明确示出，实际上以不同的颜色绘制由点划线所示的曲线(标高分布)和由实线所示的曲线(相位分布)，以使得观察者可以容易地区分这两条曲线。

尽管前述实施例选择了SPM作为例子，但是显然，本发明通常可应用于能够针对试样表面上的特定区域测量不同种类的多个物理量的二维分布的任意类型的表面分析器。这种表面分析器的其它例子包括激光显微镜和电子探测器微分析仪。

应当注意，前述实施例仅是本发明的例子，并且显然，在本发明的精神内适当进行的任何变形、修改或添加都将落入本专利申请的权利要求书的范围内。

Claims

1.一种表面分析器，用于针对试样的同一目标区域收集不同种类的多个物理量的二维分布数据、基于收集到的数据创建显示图像并且将所述显示图像显示在显示装置上，所述表面分析器包括：

b)剖面图像创建器，用于响应于用户对操作单元的操作，创建在所述三维彩色图像的某位置处与所述试样的表面相交的剖面图像，并且将所述剖面图像叠加在所述三维彩色图像上；以及

c)第二显示处理器，用于将所述三维彩色图像上所述剖面图像与所述试样的表面相交的一维区域定义为关注区域，使用所述第一物理量和所述第二物理量的二维分布数据来创建示出所述第一物理量和所述第二物理量的值与所述关注区域的位置信息的关系的图形，并且将所述图形显示在所述显示装置中与所述第一显示区域分开的第二显示区域中。

2.根据权利要求1所述的表面分析器，其特征在于：

当通过所述操作单元在所述三维彩色图像中指定了位于所述试样上方任意位置处的两个点时，所述剖面图像创建器创建由两条垂线以及连接所述两个点的线所限定的剖面图像，其中，所述两条垂线是所述两个点到试样基准面的垂线，所述试样基准面是平行于放置有试样的试样台的平顶的平面。

3.根据权利要求1或2所述的表面分析器，其特征在于，还包括：

4.根据权利要求3所述的表面分析器，其特征在于：

所述特定位置选择器能够响应于用户对所述操作单元的操作来选择所述关注区域内的多个特定位置，并且所述数值信息呈现器将示出在所述多个特定位置处分别测量出的所述第一物理量和所述第二物理量的数值信息的表显示在所述第三显示区域中。