CN102445566A

CN102445566A - 表面分析器

Info

Publication number: CN102445566A
Application number: CN2011102762398A
Authority: CN
Inventors: 森本尚志
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2010-09-15
Filing date: 2011-09-15
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2031-09-15
Also published as: CN102445566B; US20120062592A1; JP2012063212A; US9823269B2; JP5806457B2

Abstract

本发明涉及一种表面分析器，提供了用于允许用户针对除标高以外的特定物理量(例如，相位)高效地指定试样上的关注区域(ROI)的技术。将示出试样上的可观察范围的范围指示图像34显示在试样观察显示画面30中的导航窗口33上。将用于指定放大观察范围的ROI指示框35叠加在范围指示图像34上。将以前拍摄的针对同一试样的放大图像的缩略图的列表显示在图像历史显示窗口32上。当观察者从该列表中选择任意图像时，将所选择的图像的缩略图映射到范围指示图像34上。参考该图像，观察者可以通过鼠标操作来改变ROI指示框35的位置、大小和/或角度。响应于该操作，获取在新的ROI内的试样的放大图像。

Description

表面分析器

技术领域

本发明涉及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的表面分析器。这种表面分析器的典型例子包括扫描探测器显微镜、激光显微镜和电子探测器微分析仪。

背景技术

使用显微镜对试样表面进行观察通常包括：第一步骤，对试样拍摄视野大的低倍率图像(广域图像)，将该广域图像显示在显示画面上以使观察者可以搜索该试样上的期望部位；以及第二步骤，用于进行高倍率观察以获取包括该期望部位的视野较小的放大图像，显示该放大图像。为了提高这种操作的效率，已开发和提出了各种技术。

例如，专利文献1公开了以下技术：将低倍率的广域图像和高倍率的放大图像同时显示在同一显示画面上，其中，广域图像上示出的矩形框或类似的图形元素表示与当前所示的放大图像或以前拍摄到的放大图像相对应的区域。利用该技术，观察者可以容易地掌握试样上的广域区域与关注区域(ROI)之间的位置关系以及掌握以前观测的区域的位置信息。

作为典型的表面分析器之一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与该探测器之间的相互作用而产生的力的装置。该装置针对试样上的同一区域，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(参见专利文献2)。因此，当指定试样上的关注区域以进行下一次测量时，SPM用户经常期望参考以前获得的除标高以外的特定物理量的二维分布数据、即示出该物理量的分布的图像。

专利文献1所述的图像显示方法无法完全满足这种要求。也就是说，该方法仅提供了以低倍率示出试样的表面形状(标高图像)的广域图像，其中，在该广域图像上利用框或类似的图形元素来表示与放大图像相对应的区域。利用该系统，当基于以前拍摄的示出除标高以外的特定物理量的观察图像来指定关注区域时，观察者必须通过从视觉上对广域图像上的框和以前拍摄的示出所关注的物理量的分布的图像进行比较来指定该关注区域。这种通过从视觉上比较两个以上图像来指定关注区域的任务对于观察者而言很麻烦，并且可能导致判断错误。

即使在示出标高的广域图像和示出与标高不同的特定物理量的放大观察图像同时显示在同一显示画面上时，也难以知道该广域图像上的哪个部位与观察者所选择或所指定的放大观察图像相对应。因此，当用户想通过掌握以前拍摄的针对特定物理量的多个放大观察图像的位置关系来观察特定物理量在试样的期望部位上的分布时，该任务将非常耗时且效率低。

背景技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2008-139795

专利文献2：日本特开2010-54420

发明内容

发明要解决的问题

已经开发了本发明以解决前述问题，并且本发明的主要目的在于提供一种表面分析器，该表面分析器能够帮助用户在显示画面上容易地掌握试样上的可观察区域与特定物理量的放大观察图像之间的位置关系。例如，该表面分析器能够允许用户通过从视觉上检查可观察区域内的任意位置处的特定物理量的放大观察图像，来容易、快速且正确地选择下一次测量的关注区域。

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，其能够针对试样上的任意区域获得不同种类的物理量的二维分布信息，所述表面分析器包括：

a)第一显示处理器，用于显示二维的范围指示图像，其中所述范围指示图像用于指示试样上的可观测范围；以及

b)第二显示处理器，用于基于针对位于试样上的可观测范围内的任意位置处的具有任意大小的范围所获得的特定物理量的二维分布信息来创建分布图像，并且将所述分布图像叠加在所述第一显示处理器所显示的范围指示图像上的相应位置处。

例如，当根据本发明的表面分析器被构造为SPM时，上述“不同种类的物理量”包括标高、相位、电流、粘弹性、磁力、表面电位和/或静电力。

根据本发明的表面分析器中的第一显示处理器和第二显示处理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，由第一显示处理器显示在显示画面上的范围指示图像可以是以下的图像，其中该图像不包含实质图像信息，并且仅示出试样上的整个可观测范围的位置和大小。可选地，该图像可以是以下的图像，其中该图像包含在试样上的整个可观测范围内诸如标高等的实质图像信息。第二显示处理器基于通过对试样进行观测所获得的特定物理量(例如，对于SPM而言为相位)的二维分布信息来创建分布图像，并且将该分布图像叠加在范围指示图像上与该试样上获得了前述信息的位置相对应的位置处。当以完全覆盖范围指示图像的方式将针对同一物理量所获得的多个分布图像叠加在该范围指示图像上时，配置在显示画面上的图像将形成示出了该物理量在整个可观测范围内的分布的一个图像。

在根据本发明的表面分析器中，将以前拍摄的针对特定物理量的一个或多个分布图像叠加在示出了试样上的整个可观测范围的范围指示图像上。根据所显示的图像，用户(观察者)可以快速且容易地掌握以下的各种位置关系：一个或多个分布图像与整个可观测范围之间的位置关系、多个分布图像之间的位置关系、或者位于可观测范围内且尚未进行放大观测的部位的位置等。

在本发明的一个模式中，所述表面分析器还包括：

列表显示处理器，用于创建包括一个或多个分布图像的图像列表，并且将所述图像列表显示在显示有所述范围指示图像的同一显示画面上与所述范围指示图像的显示区域不同的显示区域上，其中，所述一个或多个分布图像是基于针对位于试样上的可观测范围内的任意位置处的具有任意大小的范围所获得的特定物理量的二维分布信息而创建的；以及

图像选择器，用于允许用户选择所述列表显示处理器所显示的图像列表中所包括的任意一个或多个分布图像，

其中，所述第二显示处理器将通过所述图像选择器所选择出的各分布图像叠加在所述范围指示图像上的相应位置处。

利用该表面分析器，可以从图像列表中容易地选择以前拍摄的针对特定物理量的一个或多个分布图像，并且将所选择的分布图像叠加在范围指示图像上。因此，由于例如掌握了例如多个分布图像之间的位置关系，用户可以正确且高效地观察特定物理量在试样的期望部位上的分布。

在本发明的一个优选模式中，所述表面分析器还包括：

范围指定器，用于允许用户在所述第一显示处理器所显示的范围指示图像上指定视觉上能够与其它部位区分开的范围；以及

控制器，用于控制测量装置，以针对试样上与通过所述范围指定器所指定的范围相对应的区域，获得特定物理量的二维分布信息。

当将本发明应用于SPM时，该测量装置至少包括：悬臂，其中，该悬臂的末端设置有用于扫描试样表面的探测器；扫描器，用于使试样在X方向、Y方向和Z方向上三维移动；以及检测器，用于检测探测器在Z方向上的移动量。

在该表面分析器中，当用户经由图形用户界面在范围指示图像上指定要观察的部位时，控制器根据该指定来确定试样上要进行测量的位置和大小(范围)，并且控制测量装置以对所指定的范围进行测量。因此，通过从视觉上检查通过以前的观测所获得的分布图像，用户可以容易且快速地指定同一图像上随后要观测的部位以通过下一次观测来获得该部位的图像。

在前述表面分析器的一个优选模式中，所述范围指定器在所述范围指示图像上显示矩形框，并且允许用户对所述矩形框进行平移、调整大小和旋转，从而指定要分析的范围。例如，该范围指定器允许用户通过对诸如鼠标等的指示装置的操作来对范围指示图像上的矩形框进行平移、调整大小和/或旋转。

对矩形框进行平移是指改变试样上要进行观测的部位的位置。对矩形框进行调整大小是指改变试样上要进行观测的部位的大小。对矩形框进行旋转是指改变应当对试样上的部位进行观测的方向。例如，如果表面分析器是SPM，则对矩形框进行旋转是指改变扫描方向。

在观察诸如形成有直线状的槽的衍射光栅等的具有特征性结构的试样的情况下，该试样相对于扫描方向的方位至关重要。SPM通常能够改变扫描方向。因此，为了进行分析或评价，设置用于在设置关注区域的处理中指定扫描方向并且以前述方式基于该扫描方向来获取和显示图像的功能是非常有益的。

发明的效果

如至此为止所述，利用根据本发明的表面分析器，用户可以快速且容易地至少掌握以下的各种位置关系：针对小的范围所获得的特定物理量的一个或多个分布图像与整个可观测范围之间的位置关系、多个分布图像之间的位置关系、或者位于可观测范围内且尚未进行放大观测的部位的位置等。因此，用户可以高效地进行观测试样表面所需的操作。由于对多个图像进行视觉比较或者其它原因而产生的操作失误的数量也将减少。

附图说明

图1是示出作为本发明一个实施例的扫描探测器显微镜(SPM)的主要组件的结构图。

图2A是示出利用SPM所拍摄的标高图像的一个示例的拍摄图像，以及图2B是示出利用SPM所拍摄的相位图像的一个示例的拍摄图像。

图3是示出通过本实施例的SPM进行特征试样观察时的操作和处理的步骤的一个示例的流程图。

图4是示出试样上的可观察范围与实际观察范围之间的关系的图。

图5是示出通过本实施例的SPM进行特征试样观察处理所使用的显示画面的一个示例的示意图。

图6是图5所示的导航窗口的放大图。

图7A～7C是示出能够对图6所示的导航窗口中显示的ROI设置框进行的各种操作的图。

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

30试样观察显示画面

31实时图像显示窗口

32图像历史显示窗口

33导航窗口

34范围指示图像

35ROI设置框

具体实施方式

以下将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放置在大致呈圆筒状的扫描器3的上端所安装的试样台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所施加的电压，使试样1在X方向和Y方向上移动并微调试样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上方配置有用于检测悬臂4在Z方向上的位移的位移检测单元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具有分割为排列在悬臂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振动。在这种状态下，当由于原子间力或其它因素而产生的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不仅能够测量试样1的标高(即，表面形状)，同时还能够测量诸如相位、电流、磁力或表面电位等的其它物理量。将这些附加数据也存储在数据存储器23中。控制器21、数据处理器22、数据存储器23、显示处理器24和其它组件具体体现为个人计算机20。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面所述的数据收集操作和后面所述的图像显示处理。

以下说明通过本实施例的SPM进行试样观察的特征图像显示处理以及基于该处理中所显示的图像进行的测量控制。

图3是示出通过本实施例的SPM进行特征试样观察时的操作和处理步骤的一个示例的流程图，图4是示出试样上的可观察范围与实际观察范围之间的关系的图，图5是示出通过本实施例的SPM进行特征试样观察处理所使用的显示画面的一个示例的示意图，图6是图5所示的导航窗口的放大图，并且图7A～7C是示出能够对图6所示的导航窗口中显示的ROI指示框所进行的各种操作的图。

以下说明涉及这样一种情况，在该情况下，使用SPM，从而不仅对试样1的标高进行二维测量还对表面上的相位进行二维测量，并且创建示出相位分布的放大图像。“相位”是用于使悬臂4振动的电压信号与实际振动信号之间的相位偏移(延迟)。该相位反映了试样1的表面的诸如粘弹性或吸收性等的特定物理性质的差异。图2A是示出利用SPM所拍摄的标高图像的一个示例的拍摄图像，以及图2B是示出利用SPM所拍摄的相位图像的一个示例的拍摄图像。

如图5所示，试样观察显示画面30具有：实时图像显示窗口31，用于显示实时图像(放大图像)；图像历史显示窗口32，用于显示以前拍摄的并存储在数据存储器23中的同一试样1的放大图像的缩小版(缩略图)的列表；以及导航窗口33，用于示出试样1上的整个观察范围与以前拍摄的放大图像之间的位置关系，并且用户可以在该导航窗口33上指定下一个测量范围。如上所述，本系统同时获取试样1的标高图像和相位图像。因此，在图像历史显示窗口32中列出同一区域的标高图像和相位图像。当然，试样观察显示画面30中的窗口31、32和33的配置不限于该形式。

如图5和6所示，导航窗口33显示示出矩形框的范围指示图像34，其中，该矩形框指示此时试样1上的可观察范围。将允许用户设置观察用的关注区域(ROI)的呈矩形的ROI指示框35叠加在范围指示图像34上。ROI指示框35是可以利用输入单元25所包括的鼠标或类似的指示装置进行操作的GUI(图形用户界面)组件。即，如图7A和7B所示，可以通过利用鼠标对ROI指示框35的四个角中的任一角进行拖拉操作来调整该框的大小(图7A)，或者可以通过对整个框进行拖拉操作来平移该框(图7B)。此外，如图7C所示，当选择了旋转操作模式时，可以通过使鼠标指针绕位于ROI指示框35上方的点移动来使框35绕前述点旋转任意角度。

导航窗口33中的范围指示图像34与由图4的附图标记40所表示的试样上的可观察范围相对应。即，可观察范围40是利用由扫描器3在X方向和Y方向上驱动的探测器5能够进行扫描的整个范围。图4的可观察范围40内由虚线所示的较小范围41对应于根据后面说明的通过ROI指示框35的范围指定而利用探测器5实际要扫描和观察的范围。

以下将参考图3来说明通过本实施例的SPM进行特征试样观察的步骤。首先，观察者经由输入单元25输入用于开始观察试样1上的整个可观察范围40内的标高的命令。在接收到该命令时，控制器21经由扫描器驱动器7操作扫描器3，从而利用探测器5扫描整个可观察范围40。结果，在数据处理器22中，针对整个可观察范围40获得了与试样1的标高有关的二维分布数据。基于该数据，显示处理器24创建二维标高图像，并且将该图像(作为示出试样的标高的广域图像)显示在显示单元26的屏幕上试样观察显示画面30中的实时图像显示窗口31上(步骤S1)。根据该图像，观察者可以大致掌握试样1上的整个可观察范围40的标高。

参考实时图像显示窗口31上示出试样的标高的广域图像，观察者可以进行前述鼠标操作以任意改变范围指示图像34上的ROI指示框35的位置、大小和/或角度(方向)，从而设置试样1上要以高倍率进行观察的关注区域(步骤S2)。根据ROI指示框35的设置，控制器21经由扫描器驱动器7操作扫描器3，从而将利用探测器5仅扫描试样1上与ROI指示框35相对应的小范围。结果，在数据处理器22中获得了针对前述小范围的二维标高分布数据和二维相位分布数据。基于这些数据，显示处理器24创建二维标高图像，并且将该图像(作为示出试样的标高的广域图像)显示在显示单元26的屏幕上试样观察显示画面30中的实时图像显示窗口31上(步骤S3)。

此时，所获得的数据尚未被存储在数据存储器23中，并且观察者可以适当改变范围指示图像34上的ROI指示框35的位置、大小和/或角度。当进行这种改变时，利用探测器5实际进行扫描的范围相应地改变，并且更新实时图像显示窗口31中所显示的放大图像。在设置了ROI指示框35之后，当观察者经由输入单元25输入用于获取数据的命令时，将此时获得的数据、即针对与此时的ROI指示框35相对应的小区域的关于标高的二维分布数据和关于相位的二维分布数据存储在数据存储器23中(步骤S4和S5)。另外，还存储例如表示试样1上的可观察范围40内的相对位置的位置数据，从而识别获得了前述二维数据的位置。

基于以前述方式存储在数据存储器23中的数据，显示处理器24创建试样表面的标高的放大图像的缩略图以及相位的放大图像的缩略图，并且将这些缩略图显示在试样观察显示画面30中的图像历史显示窗口32中(步骤S6)。即，图像历史显示窗口32用于显示以前拍摄的示出同一试样的各种物理量(例如，在该情况下为试样表面的标高和相位)的放大图像的缩略图。

在图像历史显示窗口32上，观察者通过使用输入单元25进行的操作来选择任意的一个或多个图像(缩略图)，并且将所选择的图像移动到范围指示图像34上(步骤S7)。响应于该操作，显示处理器24从数据存储器23中检索与创建所选择的图像所根据的二维分布数据相关联的位置数据。基于检索到的位置数据，显示处理器24以缩略图相对于范围指示图像34的位置与这些缩略图在可观察范围40上的原始位置相对应的方式，将这些缩略图配置在范围指示图像34上(步骤S8)。这表示将与小区域相对应的放大图像的缩略图映射到范围指示图像34上。在由此产生的图像上，如图5所示，可以快速地从视觉上掌握以前拍摄的放大图像和由范围指示图像34的框所表示的可观察范围之间的位置关系。

通过从视觉上检查已映射有以前拍摄的图像的范围指示图像34，观察者可能想要获取在试样1上的可观察范围40内的另一部位的放大图像。在这种情况下，观察者可以返回至步骤S2，并且通过鼠标操作来改变范围指示图像34上的ROI指示框35的位置和/或其它属性，以设置新的关注区域。随后，以前述方式利用探测器5来扫描试样1上新设置的小区域(关注区域)，以收集试样的该小区域的标高和相位的二维分布数据。在该扫描完成之后，将根据新数据所创建的放大图像的缩略图添加至图像历史显示窗口32。

在图5的例子中，仅将相位图像的两个缩略图叠加在范围指示图像34上。可以通过在针对各个未映射区域设置ROI指示框35的情况下重复收集数据来收集在试样1的整个可观察范围40内与试样的标高和相位有关的详细二维分布数据。然而，在许多情况下，需要针对试样1上在有限区域附近的区域收集该试样的标高和相位的二维分布数据。在这种情况下，可以在已收集到期望数据时完成该观察。

在图5的例子中，从图像历史显示窗口32中选择出并显示在范围指示图像34上的缩略图示出同一物理量、即相位。然而，可以选择示出不同物理量的放大图像的缩略图，并且将所选择的缩略图一起显示在范围指示图像34上。此外，如上所述，不仅可以对试样的标高和相位进行前述处理和操作，还可以对利用SPM能够观测的任意种类的物理量进行前述处理和操作。

尽管在前述实施例中采用SPM作为例子，但是显然，本发明通常可应用于能够测量不同种类的物理量在试样表面的预定区域内的二维分布的任意表面分析器。这种表面分析器的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，其能够针对试样上的任意区域获得不同种类的物理量的二维分布信息，所述表面分析器包括：

2.根据权利要求1所述的表面分析器，其特征在于，还包括：

3.根据权利要求1或2所述的表面分析器，其特征在于，所述表面分析器被设计成用于对试样进行观测的外部测量装置，并且所述表面分析器还包括：

4.根据权利要求3所述的表面分析器，其特征在于，

所述范围指定器在所述范围指示图像上显示矩形框，并且允许用户对所述矩形框进行平移、调整大小和旋转，从而指定要分析的范围。