CN109219752B - 扫描型探针显微镜 - Google Patents

Abstract

在利用探针(16)以正向对试样(10)上的同一区域进行扫描并且获取跟踪图像数据时和以反向对该试样(10)上的同一区域进行扫描并且获取回扫图像数据时，偏差信息存储部(32)存储由偏差检测部(20)检测的偏差。该偏差表示该时间点的探针‑试样间的距离与该距离的目标值之间的偏差。因此图像数据选择部(31)针对每个测量点将正向扫描时的偏差与反向扫描时的偏差进行比较，选择偏差较小的扫描时获取到的图像数据，作为选择图像数据保存在图像数据存储部(33)的存储区域(33c)中。图像形成部(30)基于该选择图像数据生成试样表面形状图像并且显示在显示部(5)中。由此，即使在试样(10)上具有陡的凹凸并且探针‑试样间距离的反馈控制产生了跟踪延迟、紊乱的情况下，也能够显示接近实际的试样表面形状的准确的图像。

Description

扫描型探针显微镜

技术领域

本发明涉及一种扫描型探针显微镜，更详细地说，涉及一种在扫描型探针显微镜中得到的反映了试样表面形状的图像数据的处理技术。

背景技术

扫描型探针显微镜(Scanning Probe Microscope，以下简称为“SPM”)使微小的探针(Probe)的前端靠近试样表面，一边检测该探针与试样之间的力学或电磁的相互作用一边利用该探针扫描试样表面，观察该试样表面的形状、电气特性的分布等。在作为代表性的SPM的原子力显微镜(Atomic Force Microscope，以下简称为“AFM”)中，测量原子力来作为在探针与试样表面之间作用的相互作用(参照非专利文献1等)。

AFM一般具备使试样在彼此正交的X、Y、Z这三轴方向上移动的扫描器(在此，设为在载置试样的平面内取X轴、Y轴，在与该平面正交的方向上取Z轴)、配置在相对于该试样在Z轴方向上分离的位置并且在前端安装有探针的悬臂、以及检测该悬臂的挠曲的位移检测部，使探针的前端靠近试样的极附近(约数nm以下的间隙)处。此时，在探针与试样之间作用有原子力(引力或斥力)。当将该原子力保持为固定，并且驱动扫描器以使探针和试样沿着试样表面、也就是在X轴、Y轴这二轴方向上相对移动时，悬臂根据试样表面的凹凸而在Z轴方向上位移。因此，利用位移检测部检测该位移量，对扫描器进行反馈控制，以使试样在Z轴方向上微动来使所述间隙固定。用于该反馈控制的控制量反映了试样表面的凹凸，因此将该控制量取入到数据处理部中进行处理，由此生成并且显示试样表面图像。

AFM具有几个动作模式，代表性的动作模式为接触模式和无接触(动态)模式。在接触模式中，检测由于在使探针靠近试样时作用于该探针与试样表面之间的斥力产生的悬臂的翘曲，对扫描器进行反馈控制以使该翘曲的程度固定。另一方面，在动态模式中，以悬臂的谐振点附近的频率来激励靠近试样表面的悬臂。于是，由于作用于探针与试样表面之间的主要是引力，振动的振幅发生变化。因此，对扫描器进行反馈控制以使该振动的振幅固定。在任一模式中，利用用于反馈控制的控制量来生成试样表面图像都是相同的。

然而，如果在利用探针对试样表面进行扫描时在该试样表面具有陡的凹凸，则有时扫描器的反馈控制产生跟踪延迟、或者没有跟踪完而反馈控制暂时紊乱。在这样的情况下，基于用于反馈控制的控制量得到的图像数据是未反映了实际的试样表面的形状的不准确的图像数据。

在SPM中，通常在利用探针对试样表面进行扫描时，对同一一维区域进行正向和反向的两次扫描(也就是往复扫描)，分别独立地收集图像数据。一般将正向扫描称作跟踪，将反向扫描称作回扫。像这样进行往复扫描的一个大的理由是因为探针的前端形状、悬臂的弹性常数等根据扫描方向的不同而产生差异，即使在恰当地在试样表面上进行了扫描的情况下，有时跟踪时和回扫时的图像数据也不同。因此，总是获取在跟踪时得到的图像数据(以下称作“跟踪图像数据”)和在回扫时得到的图像数据(以下称作“回扫图像数据”)的平均来生成试样表面图像。

在专利文献1所记载的SPM中，为了即使在试样表面具有陡的凹凸的情况下也生成准确的试样表面图像，进行利用上述的跟踪图像数据和回扫图像数据的特征性的数据处理。具体地说，进行如下的数据处理：将通过对同一区域进行扫描而得到的跟踪图像数据和回扫图像数据进行比较，自动地识别例如在跟踪图像数据(或回扫图像数据)之中应该置换数据的部分，将该部分的数据置换为回扫图像数据(或跟踪图像数据)。另外，在该专利文献中，也提出了如下一种其它方法：在跟踪图像数据(或回扫图像数据)之中检测其值超过规定的阈值的部分，将该部分的数据置换为回扫图像数据(或跟踪图像数据)。

然而，在这样的数据处理方法中具有如下的问题。在专利文献1中，以如下情况为前提将跟踪图像数据和回扫图像数据进行比较来推测不准确的图像数据：在试样表面例如存在有陡的凸部的情况下，产生在比该凸部的顶部靠前的向上倾斜中反馈控制良好地进行跟踪，而当超过顶部后、也就是在从向上倾斜急剧地变为向下倾斜后反馈控制紊乱这样的现象。然而，例如在夹着凸部的顶部的两侧的倾斜中的一侧急剧而另一侧缓和的情况、或者凸部的顶部为几乎平坦的梯形等情况下，由于凹凸的形状使得如上述那样的前提未必成立。因此，还有时会选择跟踪图像数据和回扫图像数据中的不准确的图像数据，未必得到准确的试样表面图像。

另外，在某个部分中的跟踪图像数据的值超过规定的阈值时，针对该部分得到的回扫图像数据未必更准确地表现出试样表面形状。因而，即使在使用专利文献1中的上述其它方法的情况下，有时也会选择跟踪图像数据和回扫图像数据中的不准确的图像数据，未必仍然得到准确的试样表面图像。

专利文献1：日本特开2006-105684号公报

非专利文献1：“SPM试样室基础知识Q&A”、[online]、[2016年6月2日检索]、株式会社岛津制作所、网络<URL:http://www.an.shimadzu.co.jp/surfa ce/spm/sol/faq/faq1.htm#spm1-2>

发明内容

发明要解决的问题

即，在专利文献1所记载的方法中，未必一定能够选择更接近实际的试样表面形状的数据，因此具有由于试样表面的凹凸的状况而不能得到准确的试样表面图像这样的问题。

本发明是为了解决这样的问题而完成的，其主要的目的在于提供如下一种扫描型探针显微镜：即使在试样表面存在会产生Z轴方向的反馈控制的跟踪延迟、紊乱这样的陡的凹凸这样的情况下，也能够得到反映了该试样表面的形状的高精度的图像。

用于解决问题的方案

为了解决上述问题而完成的本发明是一种扫描型探针显微镜，具备设置有探针的悬臂以及检测该悬臂的位移的位移检测部，在使所述探针接近试样的表面的状态下，基于由所述位移检测部检测出的位移，对该探针与试样之间的分离间隔进行反馈控制以使该探针与试样之间的相互作用固定，并且通过利用该探针在该试样上的测量对象区域内进行扫描来获取该测量对象区域的表面形状图像，该扫描型探针显微镜具备：

a)数据获取部，其使所述探针与试样之间的相对位置移动使得以正向和反向对所述试样上的测量对象区域内的规定的一维区域进行扫描，分别获取正向扫描时的图像数据和反向扫描时的图像数据；

b)参照信息获取部，在由所述数据获取部获取图像数据时，所述参照信息获取部获取在所述反馈控制的控制循环中基于所述位移检测部得到的位移量与该位移量的目标值之间的偏差以及基于该位移量得到的反映了试样表面的物性信息的信号值中的至少任一个来作为参照信息；以及

c)图像数据选择处理部，其通过针对所述测量对象区域内的各测量点执行以下处理来求出与该测量对象区域对应的图像数据：针对各测量点将在正向扫描时得到的所述参照信息与在反向扫描时得到的参照信息进行比较，选择该参照信息所表示的值较小的扫描时的图像数据。

例如在本发明所涉及的扫描型探针显微镜为原子力显微镜的情况下，探针与试样之间的相互作用是指原子力。此时，如果用于试样表面形状观察的动作模式为接触模式，则基于位移检测部得到的位移量是指表示悬臂的挠曲(翘曲)的程度的位移量。另一方面，如果用于试样表面形状测量的动作模式为动态模式，则悬臂以规定频率被激励，因此基于位移检测部得到的位移量是指表示悬臂的振动振幅的变化的程度的位移量。

在本发明所涉及的第一方式的扫描型探针显微镜中，在进行基于接触模式的试样表面形状观察的情况下，参照信息获取部获取基于位移检测部得到的位移量与该位移量的目标值之间的偏差来作为参照信息。通常以使该偏差为零的方式执行探针与试样之间的分离间隔的反馈控制。此时，在位移检测部中得到表示该时间点的悬臂的挠曲的程度的位移量，因此该位移量与目标值之间的偏差表示该时间点的探针的位置与未知的实际的试样表面之间的距离同该距离的目标值(想要保持为固定的距离的值)之间的偏差。在良好地进行了上述反馈控制时，该偏差小，但当反馈控制产生跟踪延迟、紊乱时，偏差大。因而，上述偏差为反映了反馈控制的跟踪延迟、紊乱的状态的一种指标值。因此，参照信息获取部针对利用数据获取部获取图像数据的每个测量点获取上述偏差来作为参照信息。

图像数据选择部在收集到针对测量对象区域的所有的图像数据之后或与收集该图像数据并行地，针对各测量点将在正向扫描时得到的参照信息与在反向扫描时得到的参照信息进行比较，判断哪一个值小。如上述的那样，偏差小的一方的反馈控制的跟踪延迟、紊乱的影响小，因而能够推测出得到的图像数据的可靠性也高。因此，图像数据选择部选择正向扫描时和反向扫描时中的参照信息所表示的值较小的图像数据来作为该测量点的更准确的图像数据。通过在测量对象区域内的各测量点执行同样的处理，求出与该测量对象区域对应的图像数据。例如与正向扫描时的图像数据、反向扫描时的图像数据分开地保存像这样针对每个测量点选择出的图像数据，由此能够在任意的时间点显示例如由于试样上的陡的凹凸产生的反馈控制的跟踪延迟、紊乱的影响少的、精度更高的试样表面形状图像。

在上述第一方式的扫描型探针显微镜中，在利用动态模式进行试样表面形状观察的情况下，基于位移检测部得到的位移量为振动振幅，该位移量的目标值不是悬臂的挠曲量而是振动振幅的目标值，除此以外与利用上述接触模式进行试样表面形状观察的情况完全相同。

即，本发明所涉及的第二方式的扫描型探针显微镜利用动态模式进行试样表面形状观察，

上述参照信息获取部获取在使上述悬臂以规定频率振动时基于上述位移检测部得到的检测信号的振动振幅与该振动振幅的目标值之间的偏差来作为参照信息。

另外，如详知的那样，在扫描型探针显微镜中，除了观察试样表面的凹凸形状的模式以外，准备了用于获取试样表面的各种物性信息的各种模式(参照非专利文献1等)。能够使用通过这样的模式中的一部分得到的信号来代替上述偏差。

具体地说，在相位模式中，当在动态模式中使悬臂以规定频率振动时，除了检测该悬臂的振动振幅外，还检测检测信号相对于激振信号的相位延迟量。而且，基于该相位延迟量生成反映了试样表面的粘弹性的分布等的相位像。上述的实际距离与该距离的目标值之间的偏差越大则该相位延迟量越大，因此通过使用在相位模式中得到的相位延迟量来代替偏差，能够选择正向扫描时的图像数据和反向扫描时的图像数据中的更准确的数据。

即，本发明所涉及的第三方式的扫描型探针显微镜利用相位模式获取试样表面的物性信息，

上述参照信息获取部获取在使上述悬臂以规定频率振动时基于上述位移检测部得到的检测信号相对于所述悬臂的激振信号的相位延迟量来作为参照信息。

另外，在水平力模式中，在接触模式中一边使悬臂在与其长边方向垂直的方向上相对地移动一边检测作用于探针与试样之间的水平力来作为悬臂的扭曲。该水平力主要表示摩擦力，因此基于得到的水平力生成反映了试样表面的摩擦力的分布等的图像。上述的实际距离与该距离的目标值之间的偏差越大则该水平力越大，因此通过使用在水平力模式中得到的水平力来代替偏差，能够选择正向扫描时的图像数据和反向扫描时的图像数据中的更准确的数据。

此外，在扫描型探针显微镜中，除了上述相位模式、水平力模式以外，还准备了能够与接触模式、动态模式下的试样表面形状观察并行地实施的、例如力调制模式、电流模式、表面电势模式等各种模式，在这些各种模式中，能够获取表示试样表面的物性信息的分布的图像数据。也在正向扫描时和反向扫描时分别获取这样的数据。因而，在本发明所涉及的扫描型探针显微镜中，能够不仅对表示试样表面形状的图像数据进行基于参照信息的选择，还对通过上述的相位模式、水平力模式、力调制模式、电流模式、表面电势模式等得到的数据进行基于参照信息的选择，

由此，例如对于通过相位模式得到的相位像、通过电流模式得到的电阻率分布图像等，也能够生成更准确的图像并且进行显示。

发明的效果

根据本发明所涉及的扫描型探针显微镜，即使在试样上存在陡的凹凸，并且由此产生与试样-探针间距离有关的反馈控制的跟踪延迟、紊乱的情况下，也能够显示更接近实际的试样表面形状的高精度的试样表面形状图像。

附图说明

图1是本发明的第一实施例的SPM的主要部分的结构图。

图2是利用探针对第一实施例的SPM中的试样上的测量对象区域内进行扫描时的扫描区域和扫描顺序的说明图。

图3是表示在试样上存在陡的凸部的情况下得到的图像数据的状况的示意图。

图4是表示在第一实施例的SPM中与试样表面形状的图像数据获取并行地得到的偏差数据和基于该偏差数据选择的图像数据的示意图。

图5是本发明的第二实施例的SPM的主要部分的结构图。

图6是本发明的第三实施例的SPM的主要部分的结构图。

具体实施方式

[第一实施例]

以下参照附图来说明本发明所涉及的扫描型探针显微镜(SPM)的第一实施例。

图1是第一实施例的SPM的主要部分的结构图。

在测量部1中，作为测量对象的试样10被载置于设置于扫描器12之上的试样台11之上。扫描器12包括使试样10在与试样台11的上表面平行的面内在彼此正交的X、Y这两轴方向上移动的XY扫描器121、以及使试样10在与X轴及Y轴正交的Z轴方向上微动的Z扫描器122。XY扫描器121和Z扫描器122分别将通过从X-Y方向驱动部13和Z方向驱动部14施加的电压来产生位移的压电元件作为驱动源。

在试样10的上方(在此为在Z轴方向上分离的位置)配置有在前端具有探针16并且具有挠性的悬臂15。在悬臂15的上方设置有包括激光光源171、半透半反镜172、反射镜173、光检测器174以及位移量运算部175的光学位移检测部17，以检测该悬臂15的Z轴方向的位移。在光学位移检测部17中，使从激光光源171射出的激光通过半透半反镜172向大致垂直下方反射，并且照射到设置于悬臂15的前端背面的反射面。被该反射面反射后的光经由反射镜173入射到光检测器174。光检测器174例如为具有在Z轴方向和Y轴方向上被四分割的受光面的四分割光检测器。当悬臂15在Z轴方向上位移时入射到多个受光面的光量的比例发生变化。位移量运算部175对与该多个受光光量相应的检测信号进行运算处理，由此计算悬臂15的位移量(挠曲量)。

控制部2主要控制测量部1的测量动作，控制部2具备偏差检测部20、控制量计算部21以及扫描控制部22。偏差检测部20将通过位移量运算部175得到的位移量与目标值进行比较，检测该偏差。控制量计算部21计算用于以该偏差为零的方式驱动Z扫描器122的控制量，经由Z方向驱动部14控制Z扫描器122的动作。另一方面，扫描控制部22经由X-Y方向驱动部13控制XY扫描器121的动作以使试样10按照预先决定的速度、方向和顺序在X轴方向和Y轴方向上移动。

数据处理部3包括图像形成部30、图像数据选择部31、偏差信息存储部32、图像数据存储部33等功能块，数据处理部3经由显示处理部4在显示部5的画面上显示试样的表面形状图像等测量结果。另外，数据处理部3还与用于用户进行适当的输入、设定的输入部6连接。此外，通常通过由个人计算机执行安装在该个人计算机中的专用的数据处理软件来具体实现数据处理部3中包括的功能块。

如周知的那样，在SPM中能够大致通过接触模式和动态模式这两个模式进行试样表面形状的观察，但设为本第一实施例的SPM通过接触模式进行试样表面形状的观察，而将利用动态模式进行试样表面形状的观察的结构作为第二实施例来分开进行说明。

除了图1还使用图2～图4来说明第一实施例的SPM中的测量动作。

当通过未图示的驱动机构使悬臂15靠近试样10以使探针16的前端来到相对于试样10的表面极近的位置时，在探针16与试样10表面之间作用有原子力(在该情况下主要为斥力)。在该状态下扫描控制部22经由X-Y方向驱动部13驱动XY扫描器121，使得通过探针16在试样10上的测量对象区域内二维地进行扫描。

具体地说，例如图2的(a)所示，在试样10上的呈矩形状的测量对象区域100中，设定沿X轴方向延伸并且与Y轴方向平行的多个直线状的扫描区域101。而且，如图2的(b)所示，从最端部的扫描区域101起依次，在以从一个端部102到另一个端部102’的方式正向地进行扫描后以从该端部102’到出发点的端部102的方式对同一扫描区域101反向地进行扫描。之后，转移到相邻的下一个扫描区域101，同样地实施以正向和反向对该扫描区域101进行扫描这个操作。对测量对象区域100中的所有的扫描区域101重复该操作。一般将正向扫描称作跟踪，将反向扫描称作回扫。

在如上述的那样利用探针16对试样10的表面进行扫描时，当如图2的(c)中的截面所示的那样在该表面具有凹凸时，与此相应地悬臂15的挠曲量发生变化。当悬臂15的挠曲量发生变化时，被悬臂15的前端背面的反射面反射的光到达光检测器174的检测面的位置发生变化。由此从位移量运算部175输出的位移量发生变化。在控制部2中，偏差检测部20时时刻刻求出该位移量与固定的目标值之间的偏差，控制量计算部21以使该偏差为零的方式计算Z扫描器122的控制量。而且，Z方向驱动部14对Z扫描器122施加与指示的控制量对应的电压，由此驱动Z扫描器来使试样10在Z轴方向上微动。当试样10在Z轴方向上移动时，由此悬臂15的挠曲量发生变动，因此通过光学位移检测部17得到的位移量也发生变化。

通过这样的包括试样10、悬臂15、光学位移检测部17、偏差检测部20、控制量计算部21、Z方向驱动部14、Z扫描器122的闭环的反馈控制，试样10在Z轴方向上移动，以使作用于探针16与试样10之间的斥力固定，也就是探针16与试样10之间的极微小的分离距离固定。由控制量计算部21计算的控制量反映了试样10的表面的微小的凹凸，因此在数据处理部3中记录该控制量来作为图像数据。

如上述的那样，测量对象区域100中的各扫描区域101分别被进行正向和反向的两次扫描，因此针对一个测量对象区域100得到正向扫描时的图像数据(以下有时称作“跟踪图像数据”)和反向扫描时的图像数据(以下有时称作“回扫图像数据”)。在数据处理部3中，将在探针16在试样10表面上进行扫描时如上述的那样得到的控制量数据直接地或者在实施规定的数据处理之后分为跟踪图像数据和回扫图像数据来保存在图像数据存储部33中。在图像数据存储部33中设置用于保存跟踪图像数据的存储区域33a和用于保存回扫图像数据的存储区域33b，上述图像数据保存在各个存储区域33a、33b中。

此外，至此叙述的测量和处理动作与以往的SPM相同。

跟踪图像和回扫图像是通过探针16在同一扫描区域101上进行扫描后得到的结果，因此彼此相同是理想的状况，但实际上有时未必是这样的。例如当正向扫描时和反向扫描时的探针16的形状、悬臂15的弹性常数有差异时，沿着试样10表面的凹凸的探针16的跟踪性不同，因此即使是同一部位，图像数据也产生差异。另外，除了这样的装置特有的差异以外，当在试样10的表面存在陡的凸部、凹部时，有时Z扫描器122的反馈控制产生跟踪延迟、或者没有跟踪完而反馈控制暂时性紊乱。在这样的情况下当然无法得到准确的图像数据。

图3是表示当在试样10上存在陡的凸部的情况下得到的图像数据的状况的示意图。现在设为在扫描区域内存在图3的(a)所示的截面的凸部。在图3的(b)中用■表示在正向扫描时得到的图像数据，在图3的(c)中用●表示在反向扫描时得到的图像数据。另外，图3的(b)、(c)中的虚线是实际的试样10的表面的位置(高度)。该凸部的左斜面为缓斜面，与此相对，右斜面为陡斜面，而且在比基部靠近顶部的一侧倾斜变得陡峭。因此，在探针16在缓斜面上逐渐上升的正向扫描时，得到了直到该凸部的顶部为止沿着试样10的表面的大致准确的图像数据，但当通过顶部后进入陡峭的下坡时图像数据大幅紊乱。另一方面，在探针16在陡斜面上上升的反向扫描时，从该上坡的途中开始图像数据变得不准确，成为在顶部处与实际的试样10的表面大幅不同的图像数据。另外，虽然在此没有表示，但在通过探针16对具有陡斜面的凹部进行扫描时也同样地造成图像数据大幅紊乱。

在跟踪图像和回扫图像中的任一个中，在上述的那样的凸部、凹部的附近无法得到准确的图像数据，但为了生成更准确地反映了试样表面的凹凸形状的图像而需要选择更接近实际的试样表面的高度的图像数据。因此，在本第一实施例的SPM中，如以下的那样，收集更准确的图像数据并且保存在图像数据存储部33中。

与如上述的那样通过探针16在试样10表面上进行扫描来获取图像数据并行地，偏差信息存储部32时时刻刻获取偏差数据，并且将该偏差数据与测量点的位置对应地进行存储，该偏差数据表示与由偏差检测部20计算出的偏差、也就是悬臂15的挠曲量对应的光检测器174的检测面上的反射光的到达位置的位移量同目标值之间的偏差量。因而，当求出针对一个测量对象区域100的跟踪图像数据和回扫图像数据时，也并行地求出针对该跟踪图像数据的偏差数据和针对回扫图像数据的偏差数据。

通过偏差检测部20得到的偏差准确地示出该时间点的悬臂15的Z轴方向上的理想的位置与实际的位置之间的偏差。因此，推测为该偏差较小的图像数据的准确性高。因此，在获取到所有的图像数据后，图像数据选择部31针对偏差信息存储部32中保存的偏差数据，将针对试样10上的同一测量点得到的正向扫描时的偏差与反向扫描时的偏差进行比较。而且，选择偏差较小的扫描时得到的图像数据作为该测量点的图像数据。针对测量对象区域100中的各扫描区域101中的全部测量点分别实施这样的图像数据的选择处理。也就是说，在得到了图像数据的所有测量点中的各个测量点处，如果正向扫描时的偏差比反向扫描时的偏差小，则选择跟踪图像数据，如果反向扫描时的偏差比正向扫描时的偏差小，则选择回扫图像数据。像这样，针对每个测量点选择出的图像数据(跟踪图像数据和回扫图像数据中的某一个)被保存在图像数据存储部33的选择图像数据存储区域33c中。

在图4的(a)中表示图3所示的在图像数据获取时并行地得到的偏差数据的一例。在该例中，正向扫描时的偏差在探针16超过凸部的顶部之后急剧地增大，超过了反向扫描时的偏差。因此，如图4的(b)所示，在包括顶部在内的凸部的左斜面，选择跟踪图像数据，在除去顶部之外的凸部的右斜面，选择回扫图像数据。如上述的那样，偏差准确地示出各测量点处的悬臂15的Z轴方向上的理想的高度(也就是目标值)与实际的高度之间的偏差，因此通过上述那样的处理，能够选择跟踪图像数据和回扫图像数据中的、更接近实际的试样10的高度的图像数据，并且保存在选择图像数据存储区域33c中。

例如当用户从输入部6指示选择图像的显示时，图像形成部30从图像数据存储部33的选择图像数据存储区域33c读取选择图像数据，基于该数据形成试样表面形状图像，经由显示处理部4显示在显示部5的画面上。像这样，能够显示与基于跟踪图像数据的试样表面形状图像或基于回扫图像数据的试样表面形状图像相比更准确地反映了实际的试样的表面形状的图像。当然，也能够根据来自输入部6的指示在显示部5的画面上显示基于跟踪图像数据的试样表面形状图像、基于回扫图像数据的试样表面形状图像、或者基于针对每个测量点对跟踪图像数据和回扫图像数据进行平均而求出的平均图像数据的试样表面形状图像。

此外，在上述说明中，将与图像数据并行地求出的偏差数据暂时保存在偏差信息存储部32中，在获取到针对测量对象区域100的所有的图像数据之后，使用上述存储部32中保存的偏差数据进行图像数据的选择处理，但如果能够确保处理时间，则可以在图像数据的获取中利用偏差数据来进行图像数据的选择。如果能够进行这样的处理，则不需要存储针对整个测量对象区域100的偏差数据，只要具备暂时保持至多几个偏差数据的缓冲器就足够了。

[第二实施例]

图5是第二实施例的SPM的主要部分的结构图。对与上述的第一实施例的SPM相同或相当的结构要素标注相同的标记，除非特别需要则省略说明。该SPM在动态模式下进行试样表面形状测量。因此，激振控制部23驱动附设于悬臂15的未图示的压电元件，使该悬臂15以规定频率振动。另外，振幅计算部24基于由位移量运算部175得到的位移量来求出上述激振时的悬臂15的振动的振幅。偏差检测部20求出该振动振幅与该振幅的目标值之间的偏差，进行反馈控制以使该偏差为零。

在图像数据获取时从偏差检测部20得到的偏差数据与上述第一实施例同样地准确地表示悬臂15的Z轴方向上的理想的高度(也就是目标值)与实际的高度之间的偏差。因而，在本第二实施例的SPM中，与第一实施例的SPM完全同样地，针对各测量点将在正向扫描时得到的偏差与在反向扫描时得到的偏差进行比较，基于比较的结果来选择跟踪图像数据和回扫图像数据即可。

[第三实施例]

在第一实施例、第二实施例中，为了测量试样表面形状，而利用在对Z扫描器122进行反馈控制的闭环中求出的偏差进行跟踪图像数据和回扫图像数据的选择，但也能够利用能够通过SPM获取的反映了试样表面的物性信息的其它数据代替偏差来进行准确性高的图像数据的选择。

图6是第三实施例的SPM的主要部分的结构图。在该SPM中，使用通过基于相位模式的测量得到的数据来进行图像数据的选择，基于相位模式的测量能够与基于动态模式的试样表面形状测量并行地实施。

即，为了进行基于相位模式的测量，相位延迟检测部25对检测信号相对于用于对悬臂15进行激振的正弦波信号的相位延迟量进行检测。一般来讲，该相位延迟取决于试样10表面的粘弹性等。悬臂15的Z轴方向上的理想的高度与实际的高度之间的偏差越大则相位延迟量越大，因此在该SPM中，利用相位延迟量作为偏差的变化。即，偏差信息存储部32针对每个测量点存储与图像数据的获取时并行地得到的相位延迟量数据，图像数据选择部31针对每个测量点将在正向扫描时得到的相位延迟量数据与在反向扫描时得到的相位延迟量数据进行比较，来选择值小的扫描时的图像数据并且作为选择图像数据进行存储。由此，得到与第一实施例、第二实施例的SPM同样的效果。

另外，作为其它实施例，也能够使用通过基于水平力模式的测量得到的数据来进行图像数据的选择，基于水平力模式的测量能够与基于接触模式的试样表面形状测量并行地实施。在水平力模式中，在接触模式中一边使悬臂15在相对于其长边方向垂直的方向上移动，一边检测作用于探针16与试样10之间的水平力(摩擦力)来作为悬臂15的扭曲。在位移量运算部175中，通过对分别从光检测器174的四个检测面得到的检测信号进行运算处理来求出与扭曲对应的位移量。悬臂15的Z轴方向上的理想的高度与实际的高度之间的偏差越大，则该位移量越大。因此，使用该位移量作为偏差的变化，针对每个测量点进行跟踪图像数据和回扫图像数据中的某一个数据的选择即可。

另外，在上述实施例中，均进行从试样表面形状测量中的跟踪图像数据和回扫图像数据中选择更准确的图像数据的处理，但除此以外，也可以从以下的数据中选择更准确的数据：在上述的相位模式、水平力模式、以及它们之外的在SPM中被准备为标准或备选的力调制模式、电流模式、表面电势模式等各种测量模式中，在正向扫描时得到的数据和在反向扫描时得到的数据。由此，即使在试样10上具有陡的凹凸并且无法恰当地进行探针16与试样10间的距离的反馈控制的情况下，也能够不仅使试样表面形状图像的准确性提高，还使与该试样表面形状图像并行地得到的相位像等表示试样表面的物性信息的各种图像的准确性提高。

并且，上述实施例均为本发明的一例，当然即使在本发明的主旨的范围中恰当地进行变形、修正、追加也包括在本申请权利要求书中。

附图标记说明

1：测量部；10：试样；11：试样台；121：XY扫描器；122：Z扫描器；13：Y方向驱动部；14：Z方向驱动部；15：悬臂；16：探针；17：光学位移检测部；171：激光光源；172：半透半反镜；173：反射镜；174：光检测器；175：位移量运算部；2：控制部；20：偏差检测部；21：控制量计算部；22：扫描控制部；23：激振控制部；24：振幅计算部；25：相位延迟检测部；3：数据处理部；30：图像形成部；31：图像数据选择部；32：偏差信息存储部；33：图像数据存储部；33a：跟踪图像数据存储区域；33b：回扫图像数据存储区域；33c：选择图像数据存储区域；4：显示处理部；5：显示部；6：输入部；100：测量对象区域；101：扫描区域。

Claims (2)

1.一种利用相位模式获取试样表面的物性信息的扫描型探针显微镜，具备设置有探针的悬臂以及检测该悬臂的位移的位移检测部，在使所述探针接近试样的表面的状态下，基于由所述位移检测部检测出的位移，对该探针与试样之间的分离间隔进行反馈控制以使该探针与试样之间的相互作用固定，并且通过利用该探针在该试样上的测量对象区域内进行扫描来获取该测量对象区域的表面形状图像，所述扫描型探针显微镜的特征在于，具备：

a)数据获取部，其使所述探针与试样之间的相对位置移动使得以正向和反向对所述试样上的测量对象区域内的规定的一维区域进行扫描，分别获取正向扫描时的图像数据和反向扫描时的图像数据；

b)参照信息获取部，在由所述数据获取部获取图像数据时，所述参照信息获取部获取在所述反馈控制的控制循环中基于所述位移检测部得到的位移量得到的反映了试样表面的物性信息的信号值来作为参照信息；以及

c)图像数据选择处理部，其通过针对所述测量对象区域内的各测量点执行以下处理来求出与该测量对象区域对应的图像数据：针对各测量点将在正向扫描时得到的所述参照信息与在反向扫描时得到的参照信息进行比较，选择该参照信息所表示的值较小的扫描时的图像数据，

其中，所述参照信息获取部获取在使所述悬臂以规定频率振动时基于所述位移检测部得到的检测信号相对于所述悬臂的激振信号的相位延迟量来作为参照信息。

2.一种利用水平力模式获取试样表面的物性信息的扫描型探针显微镜，具备设置有探针的悬臂以及检测该悬臂的位移的位移检测部，在使所述探针接近试样的表面的状态下，基于由所述位移检测部检测出的位移，对该探针与试样之间的分离间隔进行反馈控制以使该探针与试样之间的相互作用固定，并且通过利用该探针在该试样上的测量对象区域内进行扫描来获取该测量对象区域的表面形状图像，所述扫描型探针显微镜的特征在于，具备：

a)数据获取部，其使所述探针与试样之间的相对位置移动使得以正向和反向对所述试样上的测量对象区域内的规定的一维区域进行扫描，分别获取正向扫描时的图像数据和反向扫描时的图像数据；

b)参照信息获取部，在由所述数据获取部获取图像数据时，所述参照信息获取部获取在所述反馈控制的控制循环中基于所述位移检测部得到的位移量得到的反映了试样表面的物性信息的信号值来作为参照信息；以及

c)图像数据选择处理部，其通过针对所述测量对象区域内的各测量点执行以下处理来求出与该测量对象区域对应的图像数据：针对各测量点将在正向扫描时得到的所述参照信息与在反向扫描时得到的参照信息进行比较，选择该参照信息所表示的值较小的扫描时的图像数据，

其中，所述参照信息获取部获取在使所述悬臂和试样在与该悬臂的长边方向正交的方向上相对地移动时基于所述位移检测部得到的反映了该悬臂的扭曲程度的位移量来作为参照信息。

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