CN110308310B

CN110308310B - 数据校正方法、记录介质、图像处理装置、扫描型探针显微镜

Info

Publication number: CN110308310B
Application number: CN201910213897.9A
Authority: CN
Inventors: 平出雅人; 山崎贤治
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2018-03-20
Filing date: 2019-03-20
Publication date: 2023-01-24
Anticipated expiration: 2039-03-20
Also published as: US20190294905A1; US10846547B2; JP2019164090A; JP6627903B2; CN110308310A

Abstract

本发明提供数据校正方法、记录介质、图像处理装置、扫描型探针显微镜，用于不依据观测者而良好地对所获得的图像进行高度校正。公开一种使用了通过扫描型探针显微镜(1)获取到的图像数据的多个测定数据的高度数据校正方法。在该数据校正方法中，计算机(132)从图像数据中提取基准平面区域，选择多个测定数据中的、提取出的基准平面区域内的三个点的测定数据作为第一基准点数据～第三基准点数据，设第一基准点数据～第三基准点数据的高度相同，来进行剩余的测定数据的高度校正。

Description

数据校正方法、记录介质、图像处理装置、扫描型探针显微镜

技术领域

本发明涉及一种由用于观察试样表面的三维形状的扫描型探针显微镜(SPM＝Scanning Probe Microscope)获得的图像的数据校正方法。

背景技术

扫描型探针显微镜(SPM)使充分尖锐化的探针充分地接近成为观察对象的试样，一边以使作用于探针的顶端与试样的表面的物理量固定的方式使探针的高度上下变动，一边由探针沿水平方向扫描试样表面，由此以高分辨率观察试样表面的凹凸。SPM是基于上述的动作原理来观察试样表面的凹凸的显微镜的总称，作为代表性的SPM，存在检测流动于探针与试样之间的电流来作为相互作用的扫描型隧道显微镜(STM＝Scanning TunnelingMicroscope)、检测作用于探针与试样之间的原子间力来作为相互作用的原子力显微镜(AFM＝Atomic Force Microscope)等。

扫描型探针显微镜由于表面高度方向的分辨率高，很难以其分辨率的水准将试样表面水平地设置。因而，在扫描型探针显微镜中，一般是对获取到的高度图像(以下称为SPM图像)进行高度校正，来将倾斜面校正为水平。日本特开平6-331633(专利文献1)公开了与这样的高度校正相关的技术。

在日本特开平6-331633中公开的SPM图像的高度校正方法中，根据存储的三维数据求出与预先设定的二维区域对应的三维方向的数据，使用二维区域的二维坐标和该三维方向的数据求出代表试样表面的虚拟平面，使用该虚拟平面对试样表面的倾斜进行了校正。即，以预先设定的二维区域接近于单一平面为前提求出虚拟平面，来进行高度校正。

然而，在这样的从观察面整体求出虚拟平面并进行校正的方法中，在对精密光栅、线及空间形状等针对平坦面形成有构造物、槽的试样表面进行观察的情况下，无法进行理想的高度校正。即，基于将平坦的部分与存在构造物的部分进行平均化所得到的虚拟平面进行了高度校正。另外，由于还考虑到构造物的高度、槽的深度根据部位的不同而不同的情况，因此从观察面整体求出虚拟平面是不适当的。

专利文献1：日本特开平6-331633

发明内容

发明要解决的问题

还考虑进行高度校正以使由指定的三个点包围的区域为平面的情形，但是也如日本特开平6-331633中记载的那样，需要测定者一边观察数据值一边进行指示这样的由人工进行的工序。以往，不存在提取基准平面区域的基准。因此，还产生如下问题：当测定者不同时，高度校正也不同，获得的校正后的图像也改变。

本发明的目的在于提供一种用于不依据观测者而良好地对所获得的图像进行高度校正的图像的数据校正方法、程序、图像处理装置以及扫描型探针显微镜。

用于解决问题的方案

本发明概括起来是一种数据校正方法，用于对由扫描型探针显微镜测定的表示观察对象的高度的多个测定数据进行校正，该数据校正方法包括以下步骤：边缘提取步骤，计算机从通过扫描型探针显微镜获取到的图像数据中提取边缘；基准平面区域提取步骤，将图像数据中的除边缘以外的区域的至少一部分设为基准平面区域，并提取基准平面区域；以及高度校正步骤，计算机基于属于基准平面区域的高度信息，进行多个测定数据中的各个测定数据的高度校正。

优选的是，在高度校正步骤中，选择多个测定数据中的、提取出的基准平面区域内的三个点的测定数据作为第一基准点数据～第三基准点数据，设第一基准点数据～第三基准点数据的高度相同，来进行多个测定数据中的各个测定数据的高度校正。

优选的是，在测定数据中，以X轴坐标和Y轴坐标给出水平位置，以Z轴坐标给出高度。在边缘提取步骤中，基于X-Y平面内的关注像素的Z轴坐标与同关注像素相邻的像素的Z轴坐标的差的大小，来提取边缘。在基准平面区域提取步骤中，基于提取出的边缘将X-Y平面分割为多个区域，提取多个区域中的面积最大的区域作为基准平面区域。

优选的是，在高度校正步骤中，选择多个测定数据中的、提取出的基准平面区域内的四个点以上的测定数据作为基准点数据，设被选择为基准点数据的点处于同一X-Y平面内，来进行多个测定数据中的各个测定数据的高度校正。

优选的是，图像数据是根据偏差信号得到的图像的数据。

优选的是，在高度校正步骤中，基于剩余的测定数据中的第一测定数据的X、Y坐标处的、由第一基准点数据～第三基准点数据确定的平面的Z坐标与第一测定数据的Z坐标之差，来对第一测定数据的Z坐标进行校正。

发明的效果

根据本发明，能够获得不依据观测者而良好地进行了高度校正的图像。

附图说明

图1是本发明的实施方式1所涉及的扫描型探针显微镜的概要结构图。

图2是示出由扫描型探针显微镜进行观测的试样的形状的一例的图。

图3是示出沿着图2的Y1-Y1线的高度的图表。

图4是用于说明由图1的计算机执行的测定数据的高度校正处理的流程图。

图5是示出步骤S1中获取到的图像的一例的图。

图6是示出沿着图5的Y2-Y2线的高度的图表。

图7示出对图5的图像进行处理并提取出边缘的状态。

图8是示出提取出平面区域的状态的图。

图9是用于说明高度校正的图。

图10是示出使用了高度校正后的测定数据的情况下的显示例的图。

图11是示出图1的反馈信号产生部131的内部结构的框图。

图12是示出实际形状、控制电压Vz以及偏差信号Sd的关系的一例的图。

附图标记说明

1：扫描型探针显微镜；110：试样；111：压电扫描仪；111xy、111z：扫描仪；112：试样台；113：悬臂；114：探针；115：激光二极管；119：光电检测器；120：位移检测机构；131：反馈信号产生部；132：计算机；133：扫描信号产生部；134：存储装置；135：显示部；151：目标值设定部；152：比较器；153：PI控制部。

具体实施方式

参照附图详细地说明本发明的实施方式。此外，对图中的相同或相当部分标注相同的标记，不重复对其进行说明。

[实施方式1]

图1是本发明的实施方式1所涉及的扫描型探针显微镜的概要结构图。此外，在本实施方式中，将扫描型探针显微镜设为原子力显微镜，但是也能够将本发明同样地应用于其它的扫描型探针显微镜、例如扫描型隧道显微镜。

参照图1，扫描型探针显微镜1包括载置试样110的试样台112、使试样台产生位移的压电扫描仪111、在顶端形成有探针114的悬臂(cantilever)113、检测悬臂113的位移的位移检测机构120、反馈信号产生部131、计算机132、扫描信号产生部133、存储装置134以及显示部135。

压电扫描仪111包括：Z扫描仪111z，其基于电压值Vz产生Z方向的位移；以及XY扫描仪111xy，其基于电压值Vx、Vy产生XY方向的位移。

位移检测机构120包括激光二极管115和光电检测器119。在扫描型探针显微镜1中，在使探针114的顶端接近试样110来进行表面观察时，从激光二极管115发出的激光在悬臂113背面进行反射，反射光被光电检测器119接收。当使探针114逐渐接近试样110的表面时，悬臂113如板簧那样进行挠曲，因此以光电检测器119的受光位置观测挠曲量。

反馈信号产生部131接收来自光电检测器119的检测信号。反馈信号产生部131基于检测信号计算悬臂113的挠曲量。反馈信号产生部131对试样的Z方向位置进行控制以使探针114与试样110表面之间的原子间力始终固定。反馈信号产生部131基于悬臂113的挠曲量计算使压电扫描仪111沿Z轴方向产生位移的电压值Vz，并输出到Z扫描仪111z。

扫描信号产生部133按照预先决定的扫描模式，计算X轴、Y轴方向的电压值Vx、Vy并输出到XY扫描仪111xy，以使试样110在X-Y平面内相对于探针114进行相对移动。

反映了Z轴方向的反馈量(向扫描仪的施加电压Vz和偏差信号Sd)的信号还被发送到计算机132，被存储到存储装置134中。计算机132基于表示预先存储于存储装置134中的电压Vz与同其对应的试样110的位移量之间的关系的相关信息，来根据电压Vz计算试样110的位移量。计算机132通过在X轴、Y轴方向的各位置处计算位移量，来再现试样表面的三维图像，并将其绘制在显示部135的画面上。该三维图像的数据也被存储到存储装置134中。数据包含表示X-Y平面上的位置的坐标和该坐标的试样高度。计算机132能够随时读出存储装置134中存储的三维图像的数据，并显示于显示部135。

计算机132能够根据需要进行三维图像的数据的高度校正，并显示于显示部135。

图2是示出由扫描型探针显微镜进行观测的试样的形状的一例的图。在该试样的表面，在X轴方向和Y轴方向上分别排列的多个棒状的横档交叉，从而形成了精密光栅。

图3是示出沿着图2的Y1-Y1线的高度的图表。在图3中，示出了在试样没有倾斜的理想的情况下观测到的图像数据的一条线。此外，在图2的图像数据中，用线示出了平面边界部，但是在图3中，为了容易理解校正处理，在平面边界部设置有锥形以接近实际的试样形状。水平轴表示X方向的位置，Z轴表示各X位置处的高度。此外，在使探针沿着X方向扫描的情况下，X轴也相当于时间轴。

图4是用于说明由图1的计算机执行的测定数据的高度校正处理的流程图。参照图1、图4，首先，在步骤S1中，获取试样110的观察区域的图像。作为该图像，能够使用根据通过由XY扫描仪111xy使试样台在XY方向上移动并由Z扫描仪111z搜索与探针114在高度方向上的相对位置所得到的数据再现的图像(高度像)。此外，在步骤S1中获取的图像不限于高度像，也可以是偏差像(在实施方式2中后述)、附设于扫描型探针显微镜1的激光显微镜等的图像。

图5是示出步骤S1中获取到的图像的一例的图。在图5中，由于试样的表面相对于试样台倾斜，从而在同一平面上产生了浓淡。

图6是示出沿着图5的Y2-Y2线的高度的图表。在图6中，在试样的表面以X坐标越大则表面越低的方式倾斜的情况下观测到的图像数据的一条线。水平轴表示X方向的位置，Z轴表示各X位置处的高度。

如图5所示，当直接使用具有倾斜的数据值并在显示部135显示立体图等时，图像显示出的试样表面的高低由于除了包含试样表面的凹凸成分以外还包含倾斜部分，因此难以判别试样表面的微细的形状。

因此，图1的计算机132在通过进行图4的步骤S2以后的校正处理来对高度进行校正之后显示图像。具体地说，在步骤S2中，计算机132进行提取在步骤S1中获取到的图像的边缘的处理。

图7示出对图5的图像进行处理并提取出边缘的状态。提取边缘的处理能够使用代表性的对高度像进行微分处理的方法。另外，也可以使用照片的加工技术等中的一般的轮廓提取方法。在一例中，只要提取与相邻的像素数据的差的绝对值超过某个阈值的部分即可。

接着，在步骤S3中，计算机132从在步骤S2中提取出的边缘图像中提取平面区域。

图8是示出提取出平面区域的状态的图。通过提取边缘图像中闭合的轮廓部分作为一个平面区域，由此将观察区域分割为区域A1～A17。

接着，在步骤S4中，计算机132计算区域A1～A17各自的面积，选择这些区域中的具有最大面积的区域作为基准平面区域。在图8所示的例子中，区域A17被选择为基准平面区域。此外，也可以代替选择最大面积的区域，而通过其它方法选择基准平面区域。例如，也可以选择X-Y平面上具有分散在最大的范围内的像素的区域作为基准平面区域。在精密光栅的光栅部分细等情况下，该方法较佳。另外，在试样中预先形成有基准平面区域那样的情况下，也可以选择由形状或位置确定的区域作为基准平面区域。在确认预先形成有标准形状以用于观察的微细加工产品的完成情况那样的情况下，能够采用该方法。

但是，图像的除边缘以外的区域未必能够如图8所示那样完全分类为被边缘包围的区域和未被边缘包围的区域。在这样的情况下，根据测定数据的高度信息对高度进行分组等，避免将不同高度(高度的差大于规定值)的点所属的平面识别为同一平面。或者，也可以将相同高度(高度的差小于规定值)的点所属的平面识别为同一平面，对面积值进行合计来用于基准平面区域的选择。

接着，在步骤S5中，计算机132使用所选择的基准平面区域内的三个测定点来执行测定数据的高度校正。三个点的选择可以是任意的方法。在例如图8那样基准平面区域为矩形的情况下，也可以将上边的中点与下边的两端的两个点设为三个点。也可以将所选择的三个点设为从外缘向内侧移动了规定的距离的点。另外，也可以设为距基准平面区域的中心(重心)的距离相等的三个点。另外，也可以设为基准平面区域内三角形的面积最大那样的三个点。三个点优选为正三角形的顶点，但也可以是等腰三角形或任意的三角形的顶点。

而且，计算机132使用所选择的三个点执行测定数据的高度校正。对简单的一个例子进行说明。在各测定数据中，以X轴坐标和Y轴坐标给出水平位置，以Z轴坐标给出高度。

图9是用于说明高度校正的图。在图9中，上部的波形是以虚线的形式针对图6所示的表面形状F1追记了由基准平面区域内所选择的三个点确定的平面A17。下部的波形是将用虚线表示的平面A17与图6所示的包含有倾斜部分的表面形状F1上的各测定点之间的在Z轴方向上的距离D1(用两端箭头表示)以水平配置的面A17X为基准重新绘制而成的。该处理是设所选择的三个点的高度相同来进行测定数据的高度校正的处理。

此外，在图9所示的方法中，导致X方向比实际短，因此在期望更准确的情况下，也可以计算由三个点定义的平面A17的倾斜角θ，以平面A17上的点为中心使测定数据在X-Z平面上旋转倾斜角θ，从而不只是Z坐标，X坐标也进行了校正。在该情况下，优选为针对Y轴方向也进行同样的处理。

最后，计算机132将校正后的测定数据保存到存储装置134中，或者使用校正后的测定数据制作要显示于显示部135的图像(将立体投影于平面得到的图像)并使显示部135进行显示。图10是示出使用了高度校正后的测定数据的情况下的显示例的图。

如以上说明的那样，在实施方式1中，公开一种使用了通过扫描型探针显微镜1获取到的图像数据的多个测定数据的高度数据校正方法。该数据校正方法包括以下步骤：步骤(S2～S4)，计算机132从图5的图像数据中提取图8的基准平面区域A17；以及步骤(S5)，计算机132选择多个测定数据中的、提取出的基准平面区域内的三个点P1～P3的测定数据作为第一基准点数据～第三基准点数据，设第一基准点数据～第三基准点数据的高度相同，来进行剩余的测定数据的高度校正。

优选的是，在测定数据中，以X轴坐标和Y轴坐标给出水平位置，以Z轴坐标给出高度。在提取基准平面区域的步骤(S2～S4)中，基于X-Y平面内的关注像素的Z轴坐标与同关注像素相邻的像素的Z轴坐标的差的大小来提取边缘(S2)，基于提取出的边缘将X-Y平面分割为多个区域，提取多个区域中的面积最大的区域作为基准平面区域(S3、S4)。

在实施方式1中，图像数据是根据校正前的测定数据的Z轴坐标得到的高度图像的数据。

根据实施方式1，与将观察区域视为一个平面来提取同其近似的基准平面区域的方法相比，就精密光栅等平面部与凹凸部的边界明确的形状而言，能够进行更准确的高度校正，因此易于观察微细的凹凸形状。另外，与使用者指定任意的三个点来进行高度校正的方法相比，不需要使用者一边观察图像一边指定三个点，并且由于计算机自动地提取三个点，因此在使用者之间不容易产生高度校正的差异。

此外，在实施方式1中，设为计算机132使用所选择的基准平面区域内的三个测定点执行测定数据的高度校正，但是也可以使用四个以上的测定点。

[实施方式2]

在实施方式1中，提取基准平面区域所使用的通过扫描型探针显微镜1获取到的图像数据是SPM图像(高度像)本身。但是，只要是位置关系与SPM图像数据对应的图像数据即可，也可以使用其它的图像提取基准平面区域。

在实施方式2中，对于使用偏差像作为其它的图像的情况进行说明。偏差像是根据从图1的反馈信号产生部131输出的偏差信号Sd得到的图像。

图11是示出图1的反馈信号产生部131的内部结构的框图。参照图11，反馈信号产生部131包括目标值设定部151、比较器152以及PI控制部153。

光电检测器119例如由进行了四分割的光检测电极构成，以在悬臂113的挠曲量为0时激光的光点来到分割电极的中央的方式进行对位。因此，当悬臂113发生挠曲时，激光的光点在分割电极上移动，从分割电极输出的电压产生变化。比较器152的非反转输入端子(+)接收该电压变化作为表示悬臂113的挠曲量的信号。另一方面，比较器152的反转输入端子(-)从目标值设定部151接收与悬臂113的挠曲量相关的目标值信号。

从比较器152输出的偏差信号Sd被输入到比例积分(PI)控制部153，将偏差信号Sd和其积分值进行合成得到的信号作为兼作观察像信号的Z扫描仪控制电压Vz进行输出。控制电压Vz和偏差信号Sd经由计算机132以与XY坐标相关联的方式存储到存储装置134中。

悬臂113的挠曲量沿着实际形状的凹凸发生变化，反馈信号产生部131输出控制电压Vz以使该挠曲量固定。偏差信号Sd是在该过程中产生的信号。如观察图12可知，偏差信号Sd为对实际形状的凹凸进行了微分那样的波形。因而，能够比对SPM图像(高度图像)进行微分来进行边缘提取更简单地提取实际形状的轮廓。因而，根据实施方式2，能够使图4的步骤S2的处理简单。

如以上说明的那样，在实施方式2中，公开一种使用了通过扫描型探针显微镜1获取到的图像数据的多个测定数据的高度数据校正方法。该数据校正方法包括以下步骤：步骤(S2～S4)，计算机132从图5的图像数据中提取图8的基准平面区域A17；以及步骤(S5)，计算机132选择多个测定数据中的、提取出的基准平面区域内的三个点P1～P3的测定数据作为第一基准点数据～第三基准点数据，设第一基准点数据～第三基准点数据的高度相同，来进行剩余的测定数据的高度校正。

优选的是，扫描型探针显微镜1包括：悬臂113，其设置有探针114；光电检测器119，其对悬臂113的挠曲量进行检测；以及反馈信号产生部131，其基于光电检测器119的输出与由目标值设定部151设定的目标值之差即偏差信号Sd，对探针114与作为观察对象的试样110的位置关系进行反馈控制。在实施方式2中，在图4的步骤S1中获取的图像数据是根据偏差信号Sd得到的偏差像的数据。偏差信号Sd与高度图像相比更接近提取出边缘的图像。因此，步骤S2的提取图像的边缘的处理与使用高度图像相比可以更简单。

根据实施方式2，除了与实施方式1所获得的效果同样的效果以外，还能够使图4的步骤S2的处理简单，因此能够缩短处理时间。

此外，也可以提供用于使计算机132执行实施方式1、2所示的动作(图4所示的步骤S1～步骤S5)的程序。这样的程序也能够由附属于计算机的软盘、CD-ROM(Compact Disk-Read Only Memory：光盘只读存储器)、ROM、RAM以及存储卡等计算机可读取的记录介质进行记录并作为程序产品来提供。或者，也能够由内置于计算机的硬盘等记录介质进行记录来提供程序。另外，还能够通过经由网络进行下载来提供程序。

提供的程序产品被安装到硬盘等程序保存部中并执行。此外，程序产品包含程序本身和记录程序的记录介质。

应该考虑为本次公开的实施方式的所有点是例示的，并非限制性的。本发明的范围通过权利要求书来表示，而不是通过上述的说明来表示，意图包括与权利要求书均等的意义和范围内的所有变更。

Claims

1.一种数据校正方法，用于对由扫描型探针显微镜测定的表示观察对象的高度的多个测定数据进行校正，该数据校正方法包括以下步骤：

边缘提取步骤，计算机从通过所述扫描型探针显微镜获取到的图像数据中提取与相邻像素的差的绝对值超过阈值的部分的像素来作为边缘像素；

基准平面区域提取步骤，将所述图像数据中的被所述边缘像素包围的区域的至少一部分设为基准平面区域，并提取所述基准平面区域；以及

高度校正步骤，所述计算机基于属于所述基准平面区域的高度信息，进行所述多个测定数据中的各个测定数据的高度校正，

其中，在所述高度校正步骤中，选择所述多个测定数据中的、提取出的所述基准平面区域内的三个点的测定数据作为第一基准点数据～第三基准点数据，设所述第一基准点数据～所述第三基准点数据的高度相同，来进行所述多个测定数据中的各个测定数据的高度校正。

2.一种数据校正方法，用于对由扫描型探针显微镜测定的表示观察对象的高度的多个测定数据进行校正，该数据校正方法包括以下步骤：

边缘提取步骤，计算机从通过所述扫描型探针显微镜获取到的图像数据中提取边缘；

基准平面区域提取步骤，将所述图像数据中的除所述边缘以外的区域的至少一部分设为基准平面区域，并提取所述基准平面区域；以及

其中，在所述测定数据中，以X轴坐标和Y轴坐标给出水平位置，以Z轴坐标给出高度，

在所述边缘提取步骤中，基于X-Y平面内的关注像素的Z轴坐标与同所述关注像素相邻的像素的Z轴坐标的差的大小，来提取边缘，

在所述基准平面区域提取步骤中，基于提取出的所述边缘将所述X-Y平面分割为多个区域，提取所述多个区域中的面积最大的区域作为所述基准平面区域，

在所述高度校正步骤中，选择所述多个测定数据中的、提取出的所述基准平面区域内的三个点的测定数据作为第一基准点数据～第三基准点数据，设所述第一基准点数据～所述第三基准点数据的高度相同，来进行所述多个测定数据中的各个测定数据的高度校正。

3.根据权利要求1或2所述的数据校正方法，其特征在于，

在所述高度校正步骤中，选择所述多个测定数据中的、提取出的所述基准平面区域内的四个点以上的测定数据作为基准点数据，设被选择为所述基准点数据的点处于同一X-Y平面内，来进行所述多个测定数据中的各个测定数据的高度校正。

4.根据权利要求1或2所述的数据校正方法，其特征在于，

所述图像数据是根据偏差信号得到的图像的数据。

5.根据权利要求1或2所述的数据校正方法，其特征在于，

在所述高度校正步骤中，基于所述多个测定数据中的第一测定数据的X、Y坐标处的、由所述第一基准点数据～所述第三基准点数据确定的平面的Z坐标与所述第一测定数据的Z坐标之差，来对所述第一测定数据的Z坐标进行校正。

6.一种记录介质，记录了使计算机执行根据权利要求1至5中的任一项所述的数据校正方法的程序。

7.一种图像处理装置，执行根据权利要求1至5中的任一项所述的数据校正方法。

8.一种扫描型探针显微镜，具备根据权利要求7所述的图像处理装置。