CN110389239A - 扫描型探针显微镜 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够缩短微小对象物体的观察时间的扫描型探针显微镜。通过对每条线(L)重复下述处理，来基于多条线(L)的测定范围(R)内的检测信号执行用于获取样品的表面图像的正式测定：即，一边使悬臂在沿X方向的规定长度的线(L)上进行扫描，一边以规定的第1间隔(D11)获取到检测信号后，使悬臂以规定的第2间隔(D12)在Y方向上进行扫描。在正式测定前，通过以比第1间隔(D11)宽的间隔来获取检测信号，或者使悬臂以比第2间隔(D12)宽的间隔在Y方向上进行扫描，来执行用于获取比正式测定粗的样品的表面图像的预备测定。

Description

扫描型探针显微镜

技术领域

本发明涉及具备沿样品的表面进行相对位移的悬臂的扫描型探针显微镜。

背景技术

在光杠杆方式的扫描型探针显微镜中，通过使悬臂的探针沿样品的表面移动，并且检测出悬臂的弯曲，从而能够得到样品的表面图像(凹凸图像)(例如，参照下述专利文献1)。这种扫描型探针显微镜具备向悬臂照射光的光照射部、和接收来自悬臂的反射光的光检测部。

在获取样品的表面图像时，对每条线重复下述处理：一边使悬臂在沿主扫描方向(X方向)的规定长度的线上进行扫描，一边以规定的间隔(第1间隔)获取到来自光检测部的检测信号后，使悬臂以规定的间隔(第2间隔)在副扫描方向(Y方向)上进行扫描。由此，能够基于多条线的测定范围内的检测信号来获取样品的表面图像。

悬臂是非常小的构件，并且悬臂对样品的扫描范围狭窄。因此，无法1次得到样品整体的表面图像，操作人员需要从样品表面中限定的测定范围内的图像中搜寻样品中的观察对象物体来进行观察。因此，操作人员通过一边对所得到的样品的表面图像中的观察对象物体的有无进行确认，一边重复进行悬臂与样品的位置对正，来进行调整以使样品中的观察对象物体进入测定范围内。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2014－44144号公报

发明内容

[发明要解决的问题]

在测定范围内使悬臂在X方向以及Y方向上进行扫描，并获取样品的表面图像需要一定程度的时间。因此，像上述那样重复进行悬臂与样品的位置对正，并且每次都确认使悬臂进行扫描而得到的样品的表面图像中有无观察对象物体，这样的作业对操作人员来说是很大的负担，并且成为使观察对象物体的观察所需的时间长期化的原因。

也可以考虑由光学显微镜在宽广的范围内对样品的表面图像进行拍摄，在从该摄像图像中确定了观察对象物体的位置的基础上，以使该位置进入测定范围的方式使悬臂进行扫描。然而，在观察对象物体微小的情况下(例如纳米程度大小的情况)，有时没有能够确定观察对象物体的位置程度的分辨率。

本发明是鉴于上述实际情况而完成的，其目的在于提供一种能够缩短微小对象物体的观察时间的扫描型探针显微镜。

[用于解决问题的技术手段]

(1)本发明的扫描型探针显微镜具备悬臂、光照射部、光检测部、扫描处理部、正式测定处理部、以及预备测定处理部。所述悬臂沿样品的表面进行相对位移。所述光照射部向所述悬臂照射光。所述光检测部通过接收来自所述悬臂的反射光，来输出与所述悬臂的弯曲相对应的检测信号。所述扫描处理部通过使所述悬臂分别在相互交叉的X方向以及Y方向上相对于样品的表面进行相对位移来进行扫描。所述正式测定处理部通过对每条线重复下述处理，来基于多条线的测定范围内的所述检测信号来执行用于获取样品的表面图像的正式测定：即，一边使所述悬臂在沿所述X方向的规定长度的线上进行扫描，一边以规定的第1间隔获取到所述检测信号后，使所述悬臂以规定的第2间隔在所述Y方向上进行扫描。在所述正式测定前，所述预备测定处理部以比所述第1间隔宽的间隔来获取所述检测信号，或者使所述悬臂以比所述第2间隔宽的间隔在所述Y方向上进行扫描，由此来执行用于获取比所述正式测定粗的样品的表面图像的预备测定。

根据这样的构成，在预备测定中，以比在正式测定时沿X方向获取检测信号的间隔(第1间隔)宽的间隔来获取检测信号，或者使悬臂以比在正式测定时在Y方向上进行扫描的间隔(第2间隔)宽的间隔来进行扫描，从而能够在短时间内获取比正式测定粗的样品的表面图像。因此，能够基于由预备测定所得到的样品的粗的表面图像，来在短时间内对该表面图像中的微小对象物体的有无进行确认。因此，通过对由预备测定确认为存在观察对象物体的测定范围进行正式测定，从而能够缩短微小对象物体的观察时间。

(2)所述预备测定处理部也可以从所述测定范围的中央部开始扫描。

根据这样的构成，在预备测定中，能够对测定范围的中央部中的样品的表面图像进行获取，并对该表面图像中的微小对象物体的有无进行确认，而并非在整个测定范围内对样品的表面图像进行获取。由此，与在整个测定范围内对样品的表面图像进行获取的情况相比，能够在短时间内进行预备测定，因此能够进一步缩短微小对象物体的观察时间。

(3)所述预备测定处理部也可以使所述悬臂同时在所述X方向以及所述Y方向上进行扫描。

根据这样的构成，通过使悬臂同时在X方向以及Y方向上进行扫描，从而能够相对于测定范围沿斜向对样品的表面图像进行获取，并对该表面图像中的微小对象物体的有无进行确认。由此，与在整个测定范围内对样品的表面图像进行获取的情况相比，能够在短时间内进行预备测定，因此能够进一步缩短微小对象物体的观察时间。

(4)所述预备测定处理部也可以重复下述处理：使所述悬臂在比所述规定长度短的线上并在所述X方向上进行扫描后，使所述悬臂在所述Y方向上进行扫描。

根据这样的构成，通过重复下述处理，能够相对于测定范围锯齿状地获取样品的表面图像，并对该表面图像中的微小对象物体的有无进行确认：即，使悬臂在比正式测定时的1条线的长度短的线上并在X方向上进行扫描后，使悬臂在Y方向上进行扫描。由此，与在整个测定范围内对样品的表面图像进行获取的情况相比，能够在短时间内进行预备测定，因此能够进一步缩短微小对象物体的观察时间。

(5)所述扫描型探针显微镜也可以还具备判别处理部，所述判别处理部对由所述预备测定获取到的样品的表面图像中的观察对象物体的有无进行判别。

根据这样的构成，能够基于由预备测定获取到的样品的表面图像，并由判别处理部自动地对该表面图像中的微小对象物体的有无进行判别。因此，与操作人员通过目视对观察对象物体的有无进行确认的情况相比，能够减轻操作人员的负担。

(6)也可以在由所述判别处理部判别为在样品的表面图像中存在观察对象物体的情况下，所述正式测定处理部执行所述正式测定。

根据这样的构成，能够由判别处理部自动地对由预备测定获取到的样品的表面图像中的微小对象物体的有无进行判别，其结果，对判别为存在观察对象物体的测定范围自动地进行正式测定。由此，能够进一步减轻操作人员的负担。

[发明效果]

根据本发明，能够基于由预备测定所得到的样品的粗的表面图像，在短时间内对该表面图像中的微小对象物体的有无进行确认，因此通过对由预备测定确认为存在观察对象物体的测定范围进行正式测定，从而能够缩短微小对象物体的观察时间。

附图说明

图1是示出本发明的一实施方式的扫描型探针显微镜的构成例的概略图。

图2是用于对样品的表面进行扫描时的形态进行说明的图。

图3是示出图1的扫描型探针显微镜的电气构成的一例的框图。

图4是用于对预备测定的第1实施例进行说明的图。

图5是用于对预备测定的第2实施例进行说明的图。

图6是用于对预备测定的第3实施例进行说明的图。

图7是用于对预备测定的第4实施例进行说明的图。

图8是用于对预备测定的第5实施例进行说明的图。

具体实施方式

1.扫描型探针显微镜的整体构成

图1是示出本发明的一实施方式的扫描型探针显微镜的构成例的概略图。该扫描型探针显微镜(SPM)具备悬臂1、光照射部2、分束器3、镜子4、光检测部5以及样品台6等，通过使悬臂1沿样品S的表面移动，能够得到被载置于样品台6上的样品S的表面图像(凹凸图像)。

光照射部2例如具备半导体激光器等激光光源，并向悬臂1照射光。从光照射部2照射的光经过分束器3入射至悬臂1。悬臂1具备反射面11，该反射面11中的反射光被镜子4反射从而被光检测部5接收。作为光检测部5，例如能够采用像4分割光电二极管等那样的、具备光电二极管的构成。

也可以在从光照射部2到悬臂1的光路中设置有例如准直镜头、聚焦镜头(均未图示)等其他的光学构件。在该情况下，能够在由准直镜头将来自光照射部2的照射光转换为平行光后，用聚焦镜头使该平行光聚光从而引导至悬臂1一侧。

除了分束器3之外，上述准直镜头以及聚焦镜头等构成用于将来自光照射部2的照射光引导至悬臂1的光学系统。其中，光学系统的构成并非限定于此，也可以是不具备上述那样的各光学构件的至少1个的构成。

悬臂1例如是长度为150μm左右、宽度为30～40μm左右的非常小的构件，在与反射面11相反一侧的表面设置有探针12。通过使该探针12沿样品S的表面移动，从而能够得到样品S的表面图像。

这里，悬臂1的反射面11相对于与来自光照射部2的照射光的光轴L正交的方向以规定的倾斜角度θ倾斜。因此，在使悬臂1的探针12沿样品S的表面的凹凸移动的情况下，悬臂1弯曲，反射面11的倾斜角度θ发生变化。此时，在光检测部5中接收来自反射面11的反射光的位置发生变化，从而来自光检测部5的检测信号与悬臂1的弯曲相应地发生变化，因此能够基于来自光检测部5的检测信号来得到样品S的表面图像。

在本实施方式中，是使悬臂1沿样品S的表面进行位移的构成，但也可以是通过使样品台6移动而使样品S相对于悬臂1位移的构成。也就是说，只要是悬臂1沿样品S的表面进行相对位移的构成即可。

2.对样品表面的扫描

图2是用于对样品S的表面进行扫描时的形态进行说明的图。在对样品S的表面图像进行获取时，使悬臂1沿样品S的表面在主扫描方向(X方向)以及副扫描方向(Y方向)上进行相对位移。由此，在预先确定的测定范围R内，进行沿X方向的主扫描和沿Y方向的副扫描。在本实施方式中，X方向以及Y方向相互正交，但不限定于此，只要X方向以及Y方向相互交叉即可。

主扫描通过使悬臂1在沿X方向的线L上扫描来进行。在主扫描中，来自光检测部5的检测信号以规定的间隔(第1间隔)D11被获取。线L的长度作为与测定范围R的X方向的宽度相对应的规定的长度被预先设定。副扫描是在每次进行1条线的主扫描时，使悬臂以规定的间隔(第2间隔)D12在Y方向上扫描来进行。

像这样，通过交替地进行沿X方向的主扫描和沿Y方向的副扫描，从而能够得到多条线L的测定范围R内的来自光检测部5的检测信号。能够基于这些检测信号，来对测定范围R内的样品S的表面图像进行获取。

3.扫描型探针显微镜的电气构成

图3是示出图1的扫描型探针显微镜的电气构成的一例的框图。该扫描型探针显微镜具备控制部7、存储部8、显示部9以及操作部10等。另外，虽然在图1中未图示，但扫描型探针显微镜具备悬臂移动机构20、样品移动机构30等，该悬臂移动机构20用于使悬臂1分别在X方向以及Y方向上移动，该样品移动机构30用于使样品台6分别在X方向以及Y方向上移动。

控制部7例如是包含CPU(Central Processing Unit，中央处理器)的构成。控制部7通过CPU执行程序，来作为扫描处理部71、正式测定处理部72、预备测定处理部73、图像获取处理部74、显示处理部75、判别处理部76以及样品移动处理部77

等起作用。存储部8例如由RAM(Random Access Memory，随即存取存储器)或硬盘

等构成。显示部9例如由液晶显示器构成。操作部10例如由操作键或触摸面板等构成。

扫描处理部71通过对悬臂移动机构20进行控制，使悬臂1相对于样品S的表面进行相对位移。由此，能够使悬臂1相对于样品S的表面在主扫描方向(X方向)以及副扫描方向(Y方向)上进行扫描。

如使用图2所说明的那样，正式测定处理部72通过用扫描处理部71对悬臂移动机构20进行控制以使主扫描以及副扫描交替重复地进行，来执行用于对测定范围R内的样品S的表面图像进行获取的正式测定。由此，基于以规定的间隔D11，D12分别在X方向以及Y方向上获取到的光检测部5的检测信号，能得到在整个测定范围R内的样品S的表面图像。

在由正式测定处理部72进行的正式测定前，预备测定处理部73通过使悬臂1以与正式测定不同的形态进行扫描，来执行用于获取比正式测定粗的样品S的表面图像的预备测定。具体来说，通过在主扫描中进行以比间隔D11宽的间隔对来自光检测部5的检测信号进行获取的处理、以及以比间隔D12宽的间隔来进行副扫描的处理中的至少一方，能够获取比正式测定粗的样品S的表面图像。

图像获取处理部74基于正式测定或预备测定中的由扫描处理部71进行的扫描中的来自光检测部5的检测信号，来对样品S的表面图像进行获取。此时，样品S的表面图像的各像素的亮度是与来自光检测部5的检测信号的强度相对应的值。由图像获取处理部74获取到的样品S的表面图像的数据被存储于存储部8。

显示处理部75进行用于使由图像获取处理部74获取到的样品S的表面图像显示的处理。也就是说，显示处理部75从存储部8读取由图像获取处理部74获取到的样品S的表面图像的数据，并显示于显示部9。由此，操作人员能够在显示部9中对由正式测定或预备测定获取到的样品S的表面图像进行确认。

判别处理部76进行用于对由预备测定获取到的样品S的表面图像中的观察对象物体的有无进行判别的处理。成为操作人员进行观察的对象的观察对象物体包含在样品S的一部分中，并且观察对象物体的部分相对于样品S的表面中的观察对象物体以外的部分，呈凸部或者凹部。因此，在由预备测定获取到的样品S的表面图像中，观察对象物体的部分与其他的部分相比亮度有很大不同。因此，能够基于由预备测定获取到的样品S的表面图像中的各像素的亮度的变化，来对观察对象物体的有无进行判别。

样品移动处理部77通过基于由操作人员进行操作部10的操作来对样品移动机构30进行控制，从而使样品S的位置在X方向或Y方向上移动。由此，能够使样品S的表面上的测定范围R的位置移动。在由预备测定获取到的样品S的表面图像中没有观察对象物体的情况下，操作人员通过对操作部10进行操作来使样品S的位置移动，从而能够对观察对象物体进行调整以使其进入测定范围R内。

判别处理部76的判别结果由显示处理部75显示于显示部9中。操作人员一边使样品S的位置移动一边重复执行预备测定，直到判别为在由预备测定获取到的样品S的表面图像中存在观察对象物体为止，并在判别为存在观察对象物体的情况下使正式测定执行。其中，基于判别处理部76的判别结果的正式测定或预备测定的执行也可以由正式测定处理部72或预备测定处理部73自动进行。另外，也可以省略判别处理部76，操作人员通过目视来对由预备测定获取到的样品S的表面图像中的观察对象物体的有无进行判别。

4.预备测定的实施例

(1)第1实施例

图4是用于对预备测定的第1实施例进行说明的图。在该例中，在沿X方向的主扫描中，通过以比正式测定时的间隔D11宽的间隔D21对来自光检测部5的检测信号进行获取，从而比正式测定粗的样品S的表面图像被获取。另一方面，沿Y方向的副扫描的间隔与正式测定时的间隔D12相同。

(2)第2实施例

图5是用于对预备测定的第2实施例进行说明的图。在该例中，通过以比正式测定时的间隔D12宽的间隔D22来进行沿Y方向的悬臂1的扫描，从而比正式测定粗的样品S的表面图像被获取。另一方面，沿X方向的主扫描时的间隔与正式测定时的间隔D11相同。

(3)第3实施例

图6是用于对预备测定的第3实施例进行说明的图。在该例中，扫描从测定范围R的中央部开始。中央部优选为例如X方向以及Y方向的宽度分别至少包含测定范围R的60％的范围。在沿X方向的主扫描中，来自光检测部5的检测信号以比正式测定时的间隔D11宽的间隔D21被获取。另外，沿Y方向的悬臂1的扫描以比正式测定时的间隔D12宽的间隔D22进行。其中，沿X方向的主扫描的间隔、或者沿Y方向的副扫描的间隔的某一方也可以与正式测定时的间隔D11，D12相同。

(4)第4实施例

图7是用于对预备测定的第4实施例进行说明的图。在该例中，悬臂1在X方向以及Y方向上同时进行扫描。也就是说，一边使悬臂1在X方向上位移，一边同时使悬臂1在Y方向上位移，因此悬臂1沿相对于X方向以及Y方向倾斜的方向位移。此时，以至少通过测定范围R的中央部的方式进行扫描。在悬臂1的扫描中，来自光检测部5的检测信号以比正式测定时的间隔D11宽的间隔D21在X方向上被获取。另外，悬臂1的扫描以比正式测定时的间隔D12宽的间隔D22在Y方向上进行。其中，沿X方向的主扫描的间隔、或者沿Y方向的副扫描的间隔的某一方也可以与正式测定时的间隔D11，D12相同。

(5)第5实施例

图8是用于对预备测定的第5实施例进行说明的图。在该例中，重复如下处理：在使悬臂1在比沿正式测定时的X方向的线L的长度短的线L上并在X方向上进行扫描后，使悬臂1在Y方向上进行扫描。在向X方向的主扫描后，从该位置向Y方向进行副扫描，从副扫描后的位置再次进行主扫描。像这样，通过交替地连续进行主扫描以及副扫描，从而锯齿状地进行悬臂1的扫描。此时，以至少通过测定范围R的中央部的方式进行扫描。在沿X方向的主扫描中，来自光检测部5的检测信号以比正式测定时的间隔D11宽的间隔D21被获取。另外，沿Y方向的悬臂1的扫描以比正式测定时的间隔D12宽的间隔D22进行。其中，沿X方向的主扫描的间隔、或者沿Y方向的副扫描的间隔的某一方也可以与正式测定时的间隔D11，D12相同。

5.作用效果

(1)在本实施方式中，在预备测定中，通过以比在正式测定时沿X方向对检测信号进行获取的间隔D11宽的间隔D21对检测信号进行获取(第1，3～5实施例)、或者使悬臂1以比在正式测定时使悬臂1在Y方向上进行扫描的间隔D12宽的间隔D22进行扫描(第2～5实施例)，从而能够在短时间内获取比正式测定粗的样品S的表面图像。因此，能够基于由预备测定所得到的样品S的粗的表面图像，在短时间内对该表面图像中的微小对象物体的有无进行确认。因此，通过对由预备测定确认为存在观察对象物体的测定范围R进行正式测定，从而能够缩短微小对象物体的观察时间。

(2)根据在图6中示出的第3实施例，在预备测定中，能够对测定范围R的中央部中的样品S的表面图像进行获取，并对该表面图像中的微小对象物体的有无进行确认，而不是在整个测定范围R内对样品S的表面图像进行获取。由此，与在整个测定范围R内对样品S的表面图像进行获取的情况相比，能够在短时间内进行预备测定，因此能够进一步缩短微小对象物体的观察时间。

(3)根据在图7中示出的第4实施例，通过使悬臂1同时在X方向以及Y方向上进行扫描，从而能够相对于测定范围R沿斜向对样品S的表面图像进行获取，并对表面图像中的微小对象物体的有无进行确认。由此，与在整个测定范围R内对样品S的表面图像进行获取的情况相比，能够在短时间内进行预备测定，因此能够进一步缩短微小对象物体的观察时间。

(4)根据在图8中示出的第5实施例，通过重复下述处理，能够相对于测定范围R锯齿状地对样品S的表面图像进行获取，并对该表面图像中的微小对象物体的有无进行确认：即，在使悬臂1在比正式测定时的1条线L的长度短的线L上并在X方向上进行扫描后，使悬臂1在Y方向上进行扫描。由此，与在整个测定范围R内对样品S的表面图像进行获取的情况相比，能够在短时间内进行预备测定，因此能够进一步缩短微小对象物体的观察时间。

(5)在本实施方式中，能够基于由预备测定获取到的样品S的表面图像，由判别处理部76自动地对该表面图像中的微小对象物体的有无进行判别。因此，与操作人员通过目视对观察对象物体的有无进行确认的情况相比，能够减轻操作人员的负担。此时，在由判别处理部76判别为在样品S的表面图像中存在观察对象物体的情况下，只要正式测定处理部72执行正式测定，就能对判别为存在观察对象物体的测定范围R自动地进行正式测定，因此能够进一步减轻操作人员的负担。

符号说明

1 悬臂

2 光照射部

3 分束器

4 镜子

5 光检测部

6 样品台

7 控制部

8 存储部

9 显示部

10 操作部

20 悬臂移动机构

30 样品移动机构

71 扫描处理部

72 正式测定处理部

73 预备测定处理部

74 图像获取处理部

75 显示处理部

76 判别处理部

77 样品移动处理部。

Claims (6)

1.一种扫描型探针显微镜，其特征在于，具备：

悬臂，其沿样品的表面进行相对位移；

光照射部，其向所述悬臂照射光；

光检测部，其通过接收来自所述悬臂的反射光，来输出与所述悬臂的弯曲相对应的检测信号；

扫描处理部，其通过使所述悬臂分别在相互交叉的X方向以及Y方向上相对于样品的表面进行相对位移来进行扫描；

正式测定处理部，其通过对每条线重复下述处理，来基于多条线的测定范围内的所述检测信号执行用于获取样品的表面图像的正式测定：即，一边使所述悬臂在沿所述X方向的规定长度的线上进行扫描，一边以规定的第1间隔获取到所述检测信号后，使所述悬臂以规定的第2间隔在所述Y方向上进行扫描；以及

预备测定处理部，其在所述正式测定前，以比所述第1间隔宽的间隔来获取所述检测信号，或者使所述悬臂以比所述第2间隔宽的间隔在所述Y方向上进行扫描，由此来执行用于获取比所述正式测定粗的样品的表面图像的预备测定。

2.根据权利要求1所述的扫描型探针显微镜，其特征在于，

所述预备测定处理部从所述测定范围的中央部开始扫描。

3.根据权利要求1所述的扫描型探针显微镜，其特征在于，

所述预备测定处理部使所述悬臂同时在所述X方向以及所述Y方向上进行扫描。

4.根据权利要求1所述的扫描型探针显微镜，其特征在于，

所述预备测定处理部重复下述处理：使所述悬臂在比所述规定长度短的线上并在所述X方向上进行扫描后，使所述悬臂在所述Y方向上进行扫描。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的扫描型探针显微镜，其特征在于，

还具备判别处理部，所述判别处理部对由所述预备测定获取到的样品的表面图像中的观察对象物体的有无进行判别。

6.根据权利要求5所述的扫描型探针显微镜，其特征在于，

在由所述判别处理部判别为在样品的表面图像中存在观察对象物体的情况下，所述正式测定处理部执行所述正式测定。