CN106104278B

CN106104278B - 扫描探针显微镜

Info

Publication number: CN106104278B
Application number: CN201480077349.3A
Authority: CN
Inventors: 平出雅人
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2014-03-20
Filing date: 2014-03-20
Publication date: 2019-08-27
Anticipated expiration: 2034-03-20
Also published as: JP6135820B2; US20170131324A1; WO2015140996A1; JPWO2015140996A1; CN106104278A; US9689892B2

Abstract

在扫描探针显微镜中设置有：试样移动单元(111、133)，其包括圆筒形的压电扫描器(111)，通过利用施加电压使压电扫描器(111)弯曲来使载置于该压电扫描器的上端面的试样(110)移动；扫描控制单元(132)，其通过控制所述施加电压来控制探针(114)与试样(110)的相对位置；试样厚度获取单元(138)，其获取试样(110)的厚度值；以及相关信息决定单元(139)，其使用所述厚度值来决定表示向压电扫描器(111)施加的施加电压与试样(110)表面在水平方向上的位移量之间的对应关系的相关信息，其中，扫描控制单元(132)使用所述相关信息来进行所述相对位置的控制。由此，能够进行考虑了试样(110)的厚度对XY方向上的移动量造成的影响的准确的试样扫描。

Description

扫描探针显微镜

技术领域

本发明涉及一种主要用于观察试样表面的三维形貌的扫描探针显微镜(SPM＝Scanning Probe Microscope)。

背景技术

扫描探针显微镜是如下一种显微镜：一边利用微小的探针(probe)对试样的表面进行扫描一边检测探针与试样之间的某种相互作用，由此能够针对该试样表面获取高倍率的观察图像。在扫描探针显微镜中具有检测作为相互作用的在探针与试样之间流动的电流的扫描隧道显微镜(STM＝Scanning Tunne ling Microscope)、和检测作为相互作用的作用于探针与试样之间的原子力的原子力显微镜(AFM＝Atomic Force Microscope)等。

在图6中示出以往已知的原子力显微镜的检测部的原理性结构(例如参照专利文献1等)。作为观察对象的试样10被保持在大致圆筒形状的压电扫描器11上设置的试样台12上。该压电扫描器11包括XY扫描器11a和Z扫描器11b，其中，该XY扫描器11a沿着互相正交的X、Y两个轴方向扫描试样10，该Z扫描器11b在相对于X轴和Y轴正交的Z轴方向上进行微动。这些扫描器11a、11b分别将通过从外部施加的电压而在规定范围内发生位移的压电元件(piezoelectric element)作为驱动源。在试样10的上方配置有前端具备探针14的悬臂13。当使安装于悬臂13的尖锐的探针14的前端接近到试样10的极近处(几nm以下的间隙)时，在探针14的前端与试样10的原子之间原子力(引力或斥力)发生作用。在该状态下，以探针14和试样10在X-Y平面内相对移动的方式利用压电扫描器11沿试样表面进行扫描，同时以使上述原子力保持固定的方式对探针14与试样10相距的距离(Z轴方向高度)进行反馈控制。此时的Z轴方向的反馈量成为与试样10的表面的凹凸相应的量，因此能够基于该反馈量来获得试样表面的三维图像。

在图6的结构中，为了检测悬臂13的Z轴方向的位移而在该悬臂13的上部设置了测光部20。即，在利用透镜16将从激光二极管15射出的激光会聚之后，使该激光在分束器17处反射而照射到悬臂13的前端附近。然后，经由反射镜18而利用光检测器19检测该反射光。光检测器19具有沿悬臂13的位移方向(Z轴方向)被分割为多个(通常为两个或四个)的受光面。因而，当悬臂13上下位移时，入射到多个受光面的光量的比例发生变化，因此能够通过对与该多个受光光量相应的检测信号进行运算处理来计算出悬臂13的位移量。

专利文献1：日本特开2005-233669号公报

发明内容

发明要解决的问题

在利用扫描探针显微镜对试样表面进行扫描时，如上述那样对XY扫描器11a中包含的多个电极分别施加电压，由此使探针14和试样10在X-Y平面内进行相对移动。但是，此时压电扫描器11由于压电元件的变形而进行如图7那样的摆头运动，因此安装于压电扫描器11的前端的试样在X-Y平面内的移动量与该试样的厚度相应地变动(此外，在该图中为了简化而省略了试样台的图示)。例如，当在载置有标准厚度的试样10a的状态下对XY扫描器11a的压电元件施加了规定的电压时，将试样表面的任意的点P(例如中心点)的水平方向的移动量设为距离A。在此，当在同样的压电扫描器11上载置有比试样10a厚的试样10b来替代上述试样10a的状态下对XY扫描器11a的压电元件施加与上述相同的电压时，该试样10b表面的任意的点P’(例如中心点)的水平方向的移动量、即距离B比先前的距离A大。

因此，为了准确地控制试样的移动量，需要根据试样的厚度来校正扫描器的扫描参数(试样的移动量与向压电元件施加的施加电压之间的关系)。在进行这样的扫描参数的校正时，例如使用精密光栅板来作为校正用的标准试样。精密光栅板是表面刻有微小的栅格状的槽的玻璃板，该玻璃板的厚度以及所述槽之间的间隔是已知的。将该精密光栅板载置于压电扫描器11，一边使向压电扫描器11施加的施加电压变化一边观察该精密光栅表面的三维形貌，由此能够获知与向XY扫描器11a施加的施加电压对应的试样表面的移动量。然而，对于用户而言，每当测定厚度不同的试样时都进行这样的校正是非常繁杂且花费工夫的作业。另外，使实际想要观察的试样的厚度与校正用的标准试样的厚度一致并不容易，因此还存在难以进行准确的校正这样的问题。

本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种无论试样的厚度如何都能够简单地进行试样表面的准确的观察的扫描探针显微镜。

用于解决问题的方案

为了解决上述问题而完成的本发明所涉及的扫描探针显微镜通过利用微小的探针对试样的表面进行扫描来检测试样表面的三维形貌或物理量，该扫描探针显微镜的特征在于，具有：

a)试样移动单元，其包括圆筒形的压电扫描器，通过利用施加电压使所述压电扫描器弯曲来使载置于该压电扫描器的上端面的试样移动；

b)扫描控制单元，其通过控制所述施加电压来控制所述探针与所述试样的相对位置；

c)试样厚度获取单元，其获取所述试样的厚度值；以及

d)相关信息决定单元，其使用所述试样的厚度值来决定表示向所述压电扫描器施加的施加电压与所述试样的表面在水平方向上的位移量之间的对应关系的相关信息，

其中，所述扫描控制单元使用所述相关信息来进行所述相对位置的控制。

另外，为了解决上述问题而完成的本发明所涉及的扫描探针显微镜也可以设为，通过利用微小的探针对试样的表面进行扫描来检测试样表面的三维形貌或物理量，该扫描探针显微镜的特征在于，具有：

b)三维分布数据生成单元，其生成三维分布数据，该三维分布数据表示通过利用所述试样移动单元使所述试样相对于所述探针进行移动而收集到的所述试样的表面的各位置处的规定的物理量；

c)试样厚度获取单元，其获取所述试样的厚度值；以及

其中，所述三维分布数据生成单元使用所述相关信息来生成所述三维分布数据。

还可以设为，本发明所涉及的扫描探针显微镜还具有e)试样厚度测量单元，该试样厚度测量单元测量所述试样的厚度，所述试样厚度获取单元从所述试样厚度测量单元获取所述试样的厚度值。

此外，能够设为，所述试样厚度测量单元是向使所述试样与所述探针互相接近或分离的方向驱动所述压电扫描器和/或探针的机构，根据从使所述压电扫描器和所述探针相隔预先决定的距离的状态起到驱动所述压电扫描器和/或所述探针以使载置于所述压电扫描器的上端面的所述试样的表面与所述探针接近至规定的距离的状态为止的所述压电扫描器和/或探针的驱动量，来求出所述试样的厚度值。

另外，也可以设为，扫描探针显微镜自身不设置这种试样厚度测量单元，利用所述试样厚度获取单元获取由设置于扫描探针显微镜的外部的其它测量装置(例如激光显微镜或台阶仪)测量出的试样的厚度值或由用户输入的试样的厚度值。

即，能够设为，所述本发明所涉及的扫描探针显微镜还具有f)用户输入接收单元，该用户输入接收单元接收由用户进行的试样的厚度值的输入，所述试样厚度获取单元从所述用户输入接收单元获取所述试样的厚度值。

另外，还能够设为，所述本发明所涉及的扫描探针显微镜还具有g)测量值输入接收单元，该测量值输入接收单元接收从外部的测量装置进行的所述试样的厚度值的测量值的输入，所述试样厚度获取单元从所述测量值输入接收单元获取所述试样的厚度值。

发明的效果

根据具有上述结构的本发明所涉及的扫描探针显微镜，基于考虑试样的厚度值而生成的所述相关信息来进行扫描控制单元的控制或所述三维分布数据生成单元的数据处理。因此，用户不必与想要测定的试样的厚度相应地进行繁杂的校正作业，能够简单地进行试样表面的准确的观察。

附图说明

图1是本发明的第一实施例的扫描探针显微镜的主要部分的结构图。

图2是说明相关信息的决定方法的一例的图。

图3是说明相关信息的决定方法的另一例的图。

图4是本发明的第二实施例的扫描探针显微镜的主要部分的结构图。

图5是本发明的第三实施例的扫描探针显微镜的主要部分的结构图。

图6是表示原子力显微镜的检测部的原理性结构的图。

图7是说明试样的厚度与水平方向的位移量之间的关系的示意图。

具体实施方式

[实施例1]

图1是本发明的第一实施例的扫描探针显微镜的主要部分的结构图。对与已经说明的图6相同的构成要素附加后两位与图6中附加的附图标记相同的附图标记，并适当省略说明。此外，在本实施例(以及后述的实施例2、3)中，将本发明所涉及的扫描探针显微镜设为原子力显微镜，但在其它扫描探针显微镜，例如扫描隧道显微镜中也能够同样应用本发明。

在本实施例的扫描探针显微镜中，当使探针114的前端接近试样110来进行表面观察时，来自沿Z轴方向被分割为两部分的光检测器119的检测信号被输入到位移量计算部131，位移量计算部131根据两个受光面处的受光光量的差或比等来计算悬臂113的位移量，并将该位移量输入到扫描控制部132。扫描控制部132基于悬臂113的位移量来计算使压电扫描器111在Z轴方向上位移的电压值，以使探针114与试样110表面之间的原子力始终固定。然后，通过从扫描器驱动部133向压电扫描器111施加所计算出的值的电压，来使Z扫描器111b在Z轴方向上进行微动。另外，扫描控制部132按照预先决定的扫描模式，以试样110在X-Y平面内相对于探针114进行相对移动的方式来计算X轴、Y轴方向的电压值。然后，通过从扫描器驱动部133向压电扫描器111施加所计算出的值的电压，使XY扫描器111a在X轴和Y轴方向上进行微动。反映了Z轴方向的反馈量(向扫描器施加的施加电压)的信号也被发送到数据处理部134，数据处理部134通过对X轴、Y轴方向的各位置处的该信号进行处理来再现试样表面的三维图像，并在显示部135的画面上描绘该三维图像。

在扫描控制部132如上述那样使压电扫描器111在三个轴方向上独立地进行微动时，表示向压电扫描器111施加的施加电压(扫描器电压)与对应于该施加电压的试样110的位移量之间的关系的相关信息是必需的。相关信息例如是X轴、Y轴、Z轴各轴方向的每单位施加电压的位移量的值、表示所述各方向上的位移量与施加电压之间的关系的式子、曲线图或表，该相关信息被保存于扫描控制部132的内部存储器，在如上述那样的扫描器驱动控制时利用该相关信息。

但是，向XY扫描器11a施加的施加电压与所述试样表面的X轴方向和Y轴方向(即水平方向)上的移动量之间的关系如上述那样与试样的厚度相应地变化(参照图7)。因此，在本实施例的扫描探针显微镜中，如下那样设定用于扫描器驱动的所述相关信息。

首先，试样厚度获取部138对如下那样载置于试样台112的试样110的厚度进行测量。在图1中，上述测光部120和悬臂113收容于设置在压电扫描器111的上方的头部121，该头部121能够通过包括进给丝杠136和丝杠驱动机构137的粗动机构沿上下方向移动。在此，使头部121从某个既定高度(称为“初始位置”)下降至探针114与试样表面之间的距离成为预先决定的值的高度(称为“观察位置”)时的该头部121的移动量根据试样的厚度而发生变化，因此能够基于该移动量来求出试样110的厚度。

在利用本实施例的扫描探针显微镜测量试样厚度时，将使头部121从所述初始位置下降至探针114与试样台112的表面之间的距离成为规定值时的头部121的移动量作为“基准移动量”而预先存储于试样厚度获取部138。此外，能够根据进给丝杠136的间距和由丝杠驱动机构137驱动进给丝杠136的驱动量来求出头部121的移动量。而且，在试样台112上载置有作为观察对象的试样110的状态下使头部121从所述初始位置下降至所述观察位置，试样厚度获取部138根据此时的头部121的移动量与所述基准移动量的差来计算试样110的厚度。

此外，粗动机构并不限于上述那样的包括进给丝杠136和丝杠驱动机构137的机构，例如也可以设为利用压电元件使头部121上下移动的机构。在该情况下，能够基于使头部121从初始位置下降至探针114与试样110(或试样台112)的表面之间的距离成为规定值的高度时的、向所述压电元件施加的施加电压来求出头部121的移动量。

接着，相关信息决定部139基于由所述试样厚度获取部138获取到的试样厚度的值来决定表示向XY扫描器111a施加的施加电压与试样110的X轴方向和Y轴方向的移动量之间的关系的相关信息。作为相关信息的决定方法，例如能够考虑以下那样的方法。

A.使用标准曲线的方法

在该方法中，预先使用厚度不同的多个标准试样(例如上述精密光栅板)来制作表示向XY扫描器111a施加的施加电压与试样表面的移动量之间的关系的多个标准曲线(参照图2)并存储于相关信息决定部139。然后，基于该多个标准曲线将与试样110的厚度相应的标准曲线决定为适用于该试样的观察的相关信息，并使该相关信息存储于扫描控制部132的内部存储器。在此，所述“与试样110的厚度相应的标准曲线”既可以是所述多个标准曲线中的、针对厚度与观察对象的试样110的厚度相同或最接近的标准试样得到的标准曲线，或者也可以是通过运算来根据所述多个标准曲线中的针对厚度与观察对象的试样110的厚度接近的多个标准试样得到的两个以上的标准曲线求出的该试样110的厚度时的标准曲线。

B.根据基准面的移动量和试样厚度进行计算的方法

在该方法中，预先制作表示向XY扫描器111a施加的施加电压与基准面(例如试样台112的表面)的移动量之间的关系的标准曲线并存储于相关信息决定部139。此时，当如图3所示那样将基准面的高度(例如从压电扫描器111的下端面到试样台112的表面的距离)设为h₁、将试样110的厚度设为h₂、将压电扫描器111的中心轴与水平面所成的角度设为θ时，试样表面的水平方向的移动量X₂用下式表示。

X₂＝(h₁+h₂)cosθ…(1)

另外，当将基准面的水平方向的移动量设为X₁时，所述θ用下式表示。

θ＝cos^-1(X₁/h₁)…(2)

因而，通过将式(2)代入式(1)，能够求出基准面的水平方向的移动量与试样表面的水平方向的移动量之间的关系。并且，根据预先存储于相关信息决定部139的所述标准曲线，基准面的水平方向的移动量与向XY扫描器111a施加的施加电压之间的关系是已知的，因此能够根据以上内容来求出向XY扫描器111a施加的施加电压与试样110的表面的水平方向的移动量之间的关系。相关信息决定部139将表示该关系的信息(式子或表)决定为相关信息，并存储于扫描控制部132的内部存储器。

之后，当开始观察试样110时，扫描控制部132基于所述相关信息以及X轴和Y轴方向上的目标移动量来决定向XY扫描器111a施加的施加电压的值，扫描器驱动部133向XY扫描器111a施加该施加电压。由此，进行考虑了试样110的厚度的准确的XY扫描，因此通过利用数据处理部134对通过该扫描得到的X轴和Y轴方向的各位置处的信号(上述Z轴方向的反馈量)进行处理，能够在显示部135的画面上描绘不存在失真的试样表面的三维图像。

此外，上述内容中设为利用使安装有探针114的头部121上下移动的粗动机构来测量试样110的厚度，但并不限于此，也可以在扫描探针显微镜中安装其它厚度测量机构(例如台阶仪和激光显微镜)，将由该厚度测量机构测量出的试样厚度的值发送到试样厚度获取部138。

[实施例2]

图4是第二实施例的扫描探针显微镜的主要部分的结构图。对与已经说明的图1相同的构成要素附加与在图1中附加的附图标记相同的附图标记，并适当省略说明。

本实施例的扫描探针显微镜与实施例1的扫描探针显微镜的不同点在于，将由相关信息决定部139a决定的相关信息不用于扫描控制部132a对压电扫描器111的控制，而用于数据处理部134a的数据处理。

在使用本实施例的扫描探针显微镜进行试样的观察时，首先，与实施例1同样地利用试样厚度获取部138获取试样110的厚度。然后，由相关信息决定部139a基于该厚度决定表示向XY扫描器111a施加的施加电压与试样表面在X轴方向和Y轴方向上的移动量之间的关系的相关信息(以下将该相关信息称为“数据处理用相关信息”)，并使该相关信息存储于数据处理部134a。另一方面，在扫描控制部132a的内部存储器中预先存储有表示向XY扫描器111a施加的施加电压与基准面(例如试样台112的表面)在X轴方向和Y轴方向上的移动量之间的关系的信息(以下称为“扫描器控制用相关信息”)，来作为用于XY扫描器111a的控制的信息。

接着，在使探针114的前端接近到试样110的极近处的状态下，以使探针114和试样110相对移动的方式利用XY扫描器111a沿着试样表面进行扫描，同时以使探针114与试样110之间的原子力保持固定的方式对探针114与试样相距的距离(Z轴方向高度)进行反馈控制。反映了该试样扫描的各时间点的向Z扫描器111b施加的施加电压(即Z轴方向的反馈量)和向XY扫描器111a施加的施加电压的信号也被发送到数据处理部134a，用于在数据处理部134a中生成三维图像。

但是，在本实施例中，在向XY扫描器111a施加的施加电压的控制中，利用了以试样台112的表面为基准的相关信息、即扫描器控制用相关信息，并没有考虑试样110的厚度对X轴方向和Y轴方向的位移量造成的影响。因而，如果在生成三维图像时直接使用上述信号，则在所获得的三维图像中产生失真。

因此，在本实施例中，由数据处理部134a根据所述数据处理用相关信息(即向XY扫描器111a施加的施加电压与试样表面在X轴和Y轴方向上的移动量之间的关系)和上述试样扫描的各时间点的向XY扫描器111a施加的施加电压来计算所述各时间点的测定点(即，得到所述各反馈量的点)在试样110表面的位置。使用由此求出的所述各时间点的测定点的位置和从位移量计算部131提供的各时间点的反馈量来构成试样表面的三维图像，由此能够在显示部135的画面上描绘考虑了试样110的厚度对X轴方向和Y轴方向的位移量造成的影响的不存在失真的三维图像。

[实施例3]

图5是第三实施例的扫描探针显微镜的主要部分的结构图。对与已经说明的图1相同的构成要素附加与在图1中附加的附图标记相同的附图标记，并适当省略说明。

本实施例与实施例1的不同点在于，试样厚度获取部138a不从安装于扫描探针显微镜的测量机构获取试样厚度的值，而是通过用户经由由键盘等构成的输入部140进行的输入来获取试样厚度的值。与实施例1同样地，在相关信息决定部139决定相关信息时使用由试样厚度获取部138a获取到的试样厚度的值，扫描控制部132基于该相关信息来控制向XY扫描器111a施加的施加电压。此外，并不限于此，也可以设为以下结构：如实施例2那样在数据处理部134的数据处理中使用由相关信息决定部139决定的相关信息。

以上，列举实施例对用于实施本发明的方式进行了说明，但本发明并不限定于上述实施例，在本发明的宗旨的范围内允许适当地变更。例如，在上述实施例中，设为利用安装于扫描探针显微镜的测量机构来测量试样厚度的值，或者通过由用户进行的输入来获取试样厚度的值，但是除此以外，也可以设为以下结构：具备用于连接与扫描探针显微镜分开地构成的测量装置(例如激光显微镜或台阶仪)的接口，试样厚度获取部经由该接口来获取由所述测量装置得到的试样厚度的测量值。

附图标记说明

10、110：试样；11、111：压电扫描器；11a、111a：XY扫描器；11b、111b：Z扫描器；12、112：试样台；13、113：悬臂；14、114：探针；15：激光二极管；16：透镜；17：分束器；18：反射镜；19、119：光检测器；20、120：测光部；121：头部；131：位移量计算部；132、132a：扫描控制部；133：扫描器驱动部；134、134a：数据处理部；135：显示部；136：进给丝杠；137：丝杠驱动机构；138、138a：试样厚度获取部；139：相关信息决定部；140：输入部。

Claims

1.一种扫描探针显微镜，通过利用微小的探针对试样的表面进行扫描来检测试样表面的三维形貌，该扫描探针显微镜的特征在于，具有：

c)试样厚度获取单元，其获取所述试样的厚度值；以及

其中，所述扫描控制单元使用所述相关信息进行所述相对位置的控制。

2.根据权利要求1所述的扫描探针显微镜，其特征在于，

还具备e)试样厚度测量单元，该试样厚度测量单元测量所述试样的厚度，

所述试样厚度获取单元从该试样厚度测量单元获取所述试样的厚度值。

3.根据权利要求2所述的扫描探针显微镜，其特征在于，

所述试样厚度测量单元是向使所述试样与所述探针互相接近或分离的方向驱动所述压电扫描器和/或探针的机构，根据从使所述压电扫描器和所述探针相隔预先决定的距离的状态起到驱动所述压电扫描器和/或所述探针以使载置于所述压电扫描器的上端面的所述试样的表面与所述探针接近至规定的距离的状态为止的所述压电扫描器和/或探针的驱动量，来求出所述试样的厚度值。

4.根据权利要求1所述的扫描探针显微镜，其特征在于，

还具备f)用户输入接收单元，该用户输入接收单元接收由用户进行的试样的厚度值的输入，

所述试样厚度获取单元从所述用户输入接收单元获取所述试样的厚度值。

5.根据权利要求1所述的扫描探针显微镜，其特征在于，

还具备g)测量值输入接收单元，该测量值输入接收单元接收从外部的测量装置进行的所述试样的厚度值的测量值的输入，

所述试样厚度获取单元从所述测量值输入接收单元获取所述试样的厚度值。

6.一种扫描探针显微镜，通过利用微小的探针对试样的表面进行扫描来检测试样表面的三维形貌，该扫描探针显微镜的特征在于，具有：

c)试样厚度获取单元，其获取所述试样的厚度值；以及

7.根据权利要求6所述的扫描探针显微镜，其特征在于，

8.根据权利要求7所述的扫描探针显微镜，其特征在于，

9.根据权利要求6所述的扫描探针显微镜，其特征在于，

10.根据权利要求6所述的扫描探针显微镜，其特征在于，