JP2000214175A - Measuring method for scanning probe microscope - Google Patents

Measuring method for scanning probe microscope

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JP2000214175A
JP2000214175A JP11016795A JP1679599A JP2000214175A JP 2000214175 A JP2000214175 A JP 2000214175A JP 11016795 A JP11016795 A JP 11016795A JP 1679599 A JP1679599 A JP 1679599A JP 2000214175 A JP2000214175 A JP 2000214175A
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measurement
sample
scanning
data
measurement data
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Takeshi Murayama
健 村山
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Hitachi Construction Machinery Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide measurement in high reliability by confirming errors, evaluating reliability of the measured data, and removing errors for less measurement error when wide-area measurement or long-time measurement in narrow- area scanning is performed with a scanning probe microscope. SOLUTION: Related to a measuring method by a scanning probe microscope for measuring a region 41 on the surface of a sample, reciprocation (42) is allowed in X-axis direction along the sample surface while fed (43) in Y-axis direction to acquire a first measurement data for the region, then reciprocation (44) is allowed in the Y-axis direction along the sample surface while fed (45) in the X-axis direction to acquire a second measurement data of that region, and the fist measurement data is compared to the second one to evaluate the measurement data.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は走査型プローブ顕微
鏡の測定方法に関し、特に、例えばミリの単位で決まる
比較的に広範囲の領域を広域走査で測定するのに適した
走査型プローブ顕微鏡の測定方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a measuring method of a scanning probe microscope, and more particularly to a measuring method of a scanning probe microscope suitable for measuring a relatively wide area determined by, for example, millimeters by wide area scanning. About.

【0002】[0002]

【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡は、一般的に原子
オーダ(ナノメータ(nm)以下)の測定分解能を有す
るものであり、表面の形状計測を始め各種分野に適用さ
れつつある。検出に利用する物理量に依存して、走査型
トンネル顕微鏡(STM)、原子間力顕微鏡(AF
M)、磁気力顕微鏡(MFM)などに分かれ、応用範囲
も広がりつつある。特に原子間力顕微鏡は、試料表面の
凹凸形状を高分解能で検出するのに適しており、半導
体、ディスクなどの分野で実績をあげている。以下では
原子間力顕微鏡の例について説明する。
2. Description of the Related Art Scanning probe microscopes generally have a measurement resolution on the order of atoms (nanometers (nm) or less) and are being applied to various fields including surface shape measurement. Depending on the physical quantity used for detection, scanning tunneling microscope (STM), atomic force microscope (AF)
M), magnetic force microscope (MFM), etc., and the range of application is expanding. In particular, an atomic force microscope is suitable for detecting irregularities on a sample surface with high resolution, and has been proven in the fields of semiconductors and disks. Hereinafter, an example of an atomic force microscope will be described.

【0003】図4に従来の原子間力顕微鏡の一例を示
す。装置の支柱となるフレーム101の下部に試料ステ
ージ101aが形成され、試料ステージ101a上に試
料台100が設けられ、試料台100の上に測定対象で
ある試料102が配置されている。試料102は静止状
態にあり、その位置は変化しない。フレーム101の上
部には探針接近用機構(粗動機構)103が固定され、
探針接近用機構103の下側にXYZ微動機構104が
固定されている。探針接近用機構は測定開始前の段階に
探針を試料に所定距離に接近させるために使用されるも
のであるが、探針と試料の距離をあけるときにも使用さ
れるのは勿論である。XYZ微動機構104は、直交す
る3軸であるX,Y,Zの各軸方向への微動動作を行わ
せるための機構である。ここで、X軸とY軸は図中水平
面を形成する軸であり、Z軸は水平面に直角な軸であ
る。
FIG. 4 shows an example of a conventional atomic force microscope. A sample stage 101a is formed below a frame 101 serving as a support of the apparatus, a sample stage 100 is provided on the sample stage 101a, and a sample 102 to be measured is arranged on the sample stage 100. The sample 102 is stationary and its position does not change. A probe approach mechanism (coarse movement mechanism) 103 is fixed to the upper part of the frame 101,
An XYZ fine movement mechanism 104 is fixed below the probe approach mechanism 103. The probe approach mechanism is used to bring the probe closer to the sample at a predetermined distance before the start of measurement, but it is of course also used to increase the distance between the probe and the sample. is there. The XYZ fine movement mechanism 104 is a mechanism for performing a fine movement operation in each of three orthogonal X, Y, and Z axes. Here, the X axis and the Y axis are axes forming a horizontal plane in the figure, and the Z axis is an axis perpendicular to the horizontal plane.

【0004】試料102の上方位置にはカンチレバー1
05が配置され、その先端に設けられた探針106は、
試料102の表面に臨んでいる。試料102の表面を測
定する際、探針106は、試料との間で原子間力が生じ
る程度の距離で試料102に対して接近させて配置され
る。カンチレバー105は、その基端が、XYZ微動機
構104の下端の縁に固定されている。カンチレバー1
05は、所定の柔軟性を有し、探針・試料間の距離の変
化に伴う原子間力の変化に応じてたわみ変形を生じると
いう特性を有している。
A cantilever 1 is located above the sample 102.
05 is arranged, and the probe 106 provided at the tip thereof is
It faces the surface of the sample 102. When measuring the surface of the sample 102, the probe 106 is placed close to the sample 102 at a distance such that an atomic force is generated between the probe 106 and the sample. The base end of the cantilever 105 is fixed to the edge of the lower end of the XYZ fine movement mechanism 104. Cantilever 1
05 has a predetermined flexibility, and has a characteristic that it bends and deforms in response to a change in an atomic force caused by a change in the distance between the probe and the sample.

【0005】図に示した構成はカンチレバー105の側
を移動させる方式である。上記探針接近用機構103
は、測定を行う前に探針106を試料102に対して迅
速に接近させるときに使用され、比較的に大きな距離の
移動(粗動)に使用される。上記XYZ微動機構104
には圧電素子を利用して構成されたトライポッド型微動
機構あるいはチューブ型微動機構が使用される。トライ
ポッド型微動機構は、X,Y,Zの各方向の微動動作を
生じるためのX,Y,Zの各アクチュエータによって構
成される。XYZ微動機構104にトライポッド型微動
機構が使用される場合、測定を行う際に、カンチレバー
105は、XYZ微動機構104に含まれるXアクチュ
エータとYアクチュエータの動作によって走査動作を行
い、Zアクチュエータの動作で試料102と探針106
の間の距離が調整される。
The configuration shown in the figure is a system in which the side of the cantilever 105 is moved. The probe approach mechanism 103
Is used to quickly bring the probe 106 closer to the sample 102 before measurement, and is used for a relatively large distance movement (coarse movement). XYZ fine movement mechanism 104
For this, a tripod-type fine movement mechanism or a tube-type fine movement mechanism constituted by using a piezoelectric element is used. The tripod-type fine movement mechanism is constituted by X, Y, and Z actuators for generating fine movements in X, Y, and Z directions. When a tripod type fine movement mechanism is used for the XYZ fine movement mechanism 104, when performing measurement, the cantilever 105 performs a scanning operation by the operation of the X actuator and the Y actuator included in the XYZ fine movement mechanism 104, and performs the scanning operation by the operation of the Z actuator. Sample 102 and probe 106
The distance between is adjusted.

【0006】上記カンチレバー105に対してカンチレ
バーの変位を検出する変位検出器107が設けられる。
変位検出器107には光てこ式検出光学系や干渉法を利
用した検出器が使用される。光てこ式検出光学系は、レ
ーザ光を発する光源と、レーザ光を受ける光検出器から
構成される。光源から出射されたレーザ光は、カンチレ
バーの背面の反射面で反射され、光検出器に入射され
る。カンチレバーのたわみ変形量に応じてレーザ光の入
射位置が変化することから、探針と試料の間の距離の変
化を検出できる。
A displacement detector 107 for detecting the displacement of the cantilever 105 with respect to the cantilever 105 is provided.
As the displacement detector 107, an optical lever type detection optical system or a detector utilizing an interference method is used. The optical lever detection optical system includes a light source that emits laser light and a photodetector that receives laser light. The laser light emitted from the light source is reflected by the reflection surface on the back of the cantilever and is incident on the photodetector. Since the incident position of the laser beam changes according to the amount of deflection deformation of the cantilever, a change in the distance between the probe and the sample can be detected.

【0007】上記構成において、探針接近用機構103
により探針106と試料102の距離を約1nmまで近
づけると、両者の間に原子間力が作用し、カンチレバー
105にたわみ変形が生じるようになる。そのたわみ角
を変位検出器107で検出する。変位検出器107から
出力される検出信号は、加算器108に入力される。加
算器108では、当該検出信号と基準値Vref が比較さ
れ、偏差信号Vdが出力される。この偏差信号Vdは、
制御部109に入力される。制御部109では一般的に
比例−積分補償(PI制御)が行われ、その出力信号
(Vz)はXYZ微動機構104のZアクチュエータに
与えられ、探針106と試料102の間の距離を変化さ
せる。探針106と試料102の間の距離は予め基準値
Vref によって設定された一定距離に保持されている。
In the above configuration, the probe approach mechanism 103
As a result, when the distance between the probe 106 and the sample 102 is reduced to about 1 nm, an atomic force acts between the two, and the cantilever 105 bends and deforms. The deflection angle is detected by the displacement detector 107. The detection signal output from the displacement detector 107 is input to the adder 108. The adder 108 compares the detection signal with the reference value Vref, and outputs a deviation signal Vd. This deviation signal Vd is
It is input to the control unit 109. The control unit 109 generally performs proportional-integral compensation (PI control), and the output signal (Vz) is given to the Z actuator of the XYZ fine movement mechanism 104 to change the distance between the probe 106 and the sample 102. . The distance between the probe 106 and the sample 102 is maintained at a fixed distance set in advance by the reference value Vref.

【0008】上記構成によって探針106と試料102
の距離を一定に保つ制御が実現される。XY走査回路1
10の出力信号(Vx,Vy)は、XYZ微動機構10
4のXおよびYのアクチュエータに与えられる。XY走
査回路110から出力される走査信号(Vx,Vy)に
よって、探針106は試料102の表面をXY方向に平
面走査する。この平面走査の間、上記のごとく探針10
6と試料102の間の距離が一定に保持される。
With the above configuration, the probe 106 and the sample 102
The control which keeps the distance of the constant is realized. XY scanning circuit 1
The output signal (Vx, Vy) of the XYZ fine movement mechanism 10
4 X and Y actuators. The probe 106 scans the surface of the sample 102 in the XY directions in a plane according to the scanning signals (Vx, Vy) output from the XY scanning circuit 110. During this plane scan, the probe 10
The distance between 6 and the sample 102 is kept constant.

【0009】Zアクチュエータの移動量に相当するデー
タVzと、XY走査回路110の出力信号に係るデータ
(Vx,Vy)はメモリ(図示せず)に格納される。こ
れらのデータを利用して必要な処理を行い、表示装置1
11に画像表示を行う。これにより試料102の表面形
状を観察することができる。実際、画像表示を行うため
には表示装置の画面に対応する画像メモリで、画像表示
を可能にする画素データを作成するが、当該データ作成
の処理を行う演算処理部、表示処理部の図示は省略して
いる。以上のような原理に基づき測定動作を行う原子間
力顕微鏡では、原子オーダの分解能があり、測定視野を
数nmから数100μmまで切り換えて観察することを
容易に実現できる。
Data Vz corresponding to the amount of movement of the Z actuator and data (Vx, Vy) relating to the output signal of the XY scanning circuit 110 are stored in a memory (not shown). The display device 1 performs necessary processing using these data.
11 is displayed. Thus, the surface shape of the sample 102 can be observed. Actually, in order to perform image display, pixel data that enables image display is created in an image memory corresponding to the screen of the display device, but an arithmetic processing unit and a display processing unit that perform the data creation process are not shown. Omitted. An atomic force microscope that performs a measurement operation based on the above principle has a resolution of the order of an atom, and can easily realize observation by switching the measurement field of view from several nm to several hundred μm.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】前述した原子間力顕微
鏡は、従来では、通常、微細な分解能を有する顕微鏡と
して機能することに特徴があり、半導体の表面の凹凸形
状や各種構造、CD等のディスクの表面に形成されたピ
ット等の形状測定などに使用することを前提とする測定
装置であった。そのため、測定の際にXYZ微動機構を
利用して探針106の側を移動させるように構成してい
た。かかる構成を採用する限り、大きくともせいぜい数
100μmの距離までしか走査距離を延ばすことができ
なかった。しかしながら、他方で、その測定範囲を拡大
することにより広域走査に基づいて例えばシリコンウェ
ハの表面のうねりを測定する需要も生じてきた。一般的
に技術的な側面で広域走査による広範囲の表面形状計測
の必要性も高く、微細構造の測定装置である原子間力顕
微鏡でその測定範囲を拡大することができるのであれ
ば、測定装置としての利用価値も増大することになる。
このように、走査範囲の拡大を実現するための装置構成
としては、例えば特開平6−307489号公報に示さ
れるような構成がある。この構成によれば、試料表面の
探針走査であるXY走査にはモータ駆動式のXYステー
ジを使用する。ところが、モータ駆動式を採用すると、
従来の方式では測定結果の信頼性が低下するという問題
が起きる。つまり、測定対象としてシリコンウェハの表
面の広域のうねりを測定する場合、Z方向(試料表面に
直交する方向)の測定精度は例えば数nmが要求され
る。しかしながら、このような測定精度は、時間的な温
度変化に伴うドリフト、XYステージの案内精度、シリ
コンウェハ等の試料を搭載するチャックの平面度、探針
の先端部の磨耗などが測定結果の中に誤差要因として含
まれることになる。中でも時間的な温度変化に伴うドリ
フトは、測定範囲が拡大されること(例えば20mm×
20mmの矩形範囲)から測定に時間を要し(例えば1
画面を作成するのに30分)、その間にXYステージを
移動させるためのモータからの発熱が温度変化をもたら
して試料にたわみを与え、測定しようとするシリコンウ
ェハのうねりとは別の測定装置で発生する熱の影響に基
づくうねりまで発生し、これまでも測定してしまうとい
う結果をもたらす。このように従来の広域測定装置に基
づく広域測定で得られたデータは大きな誤差成分を含む
ものであった。かかる従来構成を備えた原子間力顕微鏡
では、計測で得られた結果の信頼性を確認することは極
めて困難であり、実用的な装置として確立されておら
ず、需要に十分に応えることはできなかった。
Conventionally, the above-mentioned atomic force microscope is characterized in that it functions normally as a microscope having a fine resolution. The measuring device was intended to be used for measuring the shape of pits and the like formed on the surface of the disk. Therefore, at the time of measurement, the probe 106 is moved using the XYZ fine movement mechanism. As long as such a configuration is adopted, the scanning distance can be extended only up to a distance of at most several hundred μm. However, on the other hand, there has also been a demand for measuring, for example, the undulation of the surface of a silicon wafer based on a wide area scan by expanding the measurement range. In general, there is also a high need to measure a wide range of surface shapes by wide-area scanning from the technical aspect, and if the measurement range can be expanded with an atomic force microscope, which is a fine structure measurement device, as a measurement device Will also increase the value of use.
Thus, as a device configuration for realizing the expansion of the scanning range, there is a configuration as disclosed in, for example, JP-A-6-307489. According to this configuration, a motor-driven XY stage is used for XY scanning, which is probe scanning of the sample surface. However, if a motor drive type is adopted,
In the conventional method, there is a problem that the reliability of the measurement result is reduced. That is, when measuring a wide area undulation on the surface of a silicon wafer as a measurement target, the measurement accuracy in the Z direction (a direction orthogonal to the sample surface) is required to be, for example, several nm. However, such measurement accuracy includes drift due to temperature change over time, XY stage guidance accuracy, flatness of a chuck for mounting a sample such as a silicon wafer, and wear of the tip of a probe. Is included as an error factor. In particular, drift due to a temporal temperature change is caused by an increase in the measurement range (for example, 20 mm ×
It takes time to measure from a rectangular range of 20 mm) (for example, 1
30 minutes to create the screen), during which time the heat generated by the motor for moving the XY stage causes a temperature change, causing the sample to bend, and using a measuring device different from the undulation of the silicon wafer to be measured. A swell based on the effect of the generated heat is generated, and the result is that the measurement is performed. As described above, data obtained by wide-area measurement based on the conventional wide-area measurement device includes a large error component. With an atomic force microscope having such a conventional configuration, it is extremely difficult to confirm the reliability of the results obtained by the measurement, and it has not been established as a practical device and cannot sufficiently meet demand. Did not.

【0011】他の観点で前述の時間的な温度変化に伴う
ドリフトの問題を考察すると、この問題は、広域走査の
場合だけではなく、狭域走査の場合にも起きる。すなわ
ち、原子間力顕微鏡で狭域走査を行うときに測定時間を
十分にとって測定を行うと、測定装置の発熱源(モータ
等)からの熱による温度が試料に影響を与え、その結
果、同様にして前述の試料のうねりの問題がクローズア
ップされる。このような問題も実用性の高い微細構造の
測定装置を実現する観点からは解決されなければならな
い課題である。
From another viewpoint, considering the above-mentioned problem of drift due to temporal temperature change, this problem occurs not only in wide-area scanning but also in narrow-area scanning. In other words, if the measurement is performed with a sufficient measurement time when performing narrow-area scanning with an atomic force microscope, the temperature due to the heat from the heat source (motor, etc.) of the measuring device affects the sample, and as a result, Thus, the above-mentioned problem of the undulation of the sample is brought up. Such a problem is also a problem that must be solved from the viewpoint of realizing a highly practical microstructure measuring device.

【0012】本発明の目的は、上記問題を解決すること
にあり、原子間力顕微鏡のごとき走査型プローブ顕微鏡
において、走査範囲を例えばミリ単位の広い範囲に拡大
して測定を行った場合、あるいは狭域走査で時間をかけ
て測定を行う場合に、生じる可能性のある測定誤差を確
認できるようにし、得られた測定データの信頼性を評価
でき、測定誤差を除去して測定誤差を低減し、信頼性の
高い測定を行うことのできる走査型プローブ顕微鏡の測
定方法を提供することにある。
An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems. In a scanning probe microscope such as an atomic force microscope, when the scanning range is expanded to a wide range of, for example, a millimeter unit, or When measuring over time in a narrow area scan, it is possible to confirm the measurement error that may occur, evaluate the reliability of the obtained measurement data, remove the measurement error and reduce the measurement error Another object of the present invention is to provide a scanning probe microscope measuring method capable of performing highly reliable measurement.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段および作用】本発明に係る
走査型プローブ顕微鏡の測定方法は、上記目的を達成す
るために次のように構成される。本発明に係る測定方法
は、試料の表面で定められた測定対象領域で、試料に対
向させて配置した探針を第1方向とこれに交差する第2
方向に移動させながら、試料と探針の間に生じる物理量
が初期設定状態に保持されるように、探針に関する条件
を制御し、この制御に要した電気量から測定対象領域に
関する測定データを得るように構成される走査型プロー
ブ顕微鏡で実施される。試料は、通常、表面に測定対象
となる微細構造を有するシリコンウェハのようなもので
あり、測定対象領域は予め観察対象として設定される箇
所である。広域走査を前提とする場合、測定対象領域は
比較的に大きな面積を有する領域である。探針は、通
常、例えば原子間力顕微鏡ではカンチレバーの先端に形
成される針状の部分である。探針は、測定開始の段階で
は、試料の表面における測定対象領域の一部に原子間力
等の物理量が探針・試料間で生じるような距離で配置さ
れる。この距離は原子の大きさに相当する非常に微細な
距離である。測定が行われる間、探針と試料の間には、
測定開始時に設定された状態が保持される。測定では、
探針は試料表面に沿って移動され、測定対象領域内で移
動する。このとき、探針は、微動機構によって第1の方
向に移動されると共に、第1方向に例えば直交関係で交
差する第2方向に移動され、これによって測定対象領域
の全領域が測定されることになる。より具体的には、一
定の間隔で測定データを取得する測定点(サンプリング
ポイント)が定められており、複数の測定点に関しての
測定データが取得される。原子間力顕微鏡の場合には、
探針の高さ方向の変位が測定データとなる。以上の走査
型プローブ顕微鏡において、本発明に係る測定方法は、
試料の表面に沿って第1方向に往復動作を行わせかつ第
2方向に送り動作を行わせて測定対象領域の第1の測定
データを取得し、次に、試料の表面に沿って第2方向に
往復動作を行わせかつ第1方向に送り動作を行わせて測
定対象領域の第2の測定データを取得し、第1と第2の
測定データを比較するということにより特徴づけられ
る。測定対象領域に関して走査型プローブ顕微鏡による
測定を行う場合、探針を往復動作させながら送り動作さ
せる必要があるが、これを第1方向と第2方向を入れ替
えて2回測定を行うように構成されている。2回の測定
データを得て、これらの測定データを比較することによ
り、測定対象領域の部分に関して試料にうねりが発生し
ているかを評価することが可能となる。つまり、同じ箇
所を2回測定する場合において、例えば送り方向につい
ては探針の移動に時間がかかるが、この場合送り方向
で、仮にうねりがあるとすれば、顕著に生じる筈であ
る。従って同じ箇所の2回の測定で得られた測定データ
を比較することにより、うねりの発生状態を正確に評価
することが可能となる。なお前述の第1方向と第2方向
の交差関係は直交関係にあることが従来の一般的な測定
の仕方からいってもっとも好ましいが、原理的には往復
動作を行う方向と送り方向が決まればよく、第1方向と
第2方向が直交関係にあることは必ずしも必要ではな
い。
The measuring method of the scanning probe microscope according to the present invention is constituted as follows to achieve the above object. In the measurement method according to the present invention, in a measurement target area defined on a surface of a sample, a probe arranged opposite to the sample is moved in a first direction and a second direction intersecting the first direction.
While moving in the direction, the conditions related to the probe are controlled so that the physical quantity generated between the sample and the probe is maintained in the initial setting state, and measurement data about the measurement target area is obtained from the electric quantity required for this control. It is performed by a scanning probe microscope configured as described above. The sample is usually like a silicon wafer having a microstructure to be measured on the surface, and the measurement target region is a portion set in advance as an observation target. When wide-area scanning is assumed, the measurement target area is an area having a relatively large area. The probe is usually a needle-like portion formed at the tip of a cantilever in an atomic force microscope, for example. At the stage of starting the measurement, the probe is arranged at a distance such that a physical quantity such as an atomic force is generated between the probe and the sample in a part of the measurement target area on the surface of the sample. This distance is a very fine distance corresponding to the size of an atom. While the measurement is taking place,
The state set at the start of measurement is maintained. In the measurement,
The probe is moved along the sample surface and moves within the measurement target area. At this time, the probe is moved in the first direction by the fine movement mechanism, and is moved in the second direction intersecting the first direction, for example, in an orthogonal relationship, whereby the entire area of the measurement target area is measured. become. More specifically, measurement points (sampling points) at which measurement data are acquired at predetermined intervals are defined, and measurement data regarding a plurality of measurement points is acquired. In the case of an atomic force microscope,
The displacement in the height direction of the probe becomes measurement data. In the above scanning probe microscope, the measuring method according to the present invention,
A first reciprocating operation is performed in the first direction along the surface of the sample and a feeding operation is performed in the second direction to obtain first measurement data of the measurement target area, and then a second measurement is performed along the surface of the sample. The second measurement data of the measurement target area is obtained by performing the reciprocating operation in the direction and the feeding operation in the first direction, and comparing the first and second measurement data. When performing measurement with a scanning probe microscope on a measurement target area, it is necessary to perform a feed operation while reciprocating the probe. However, the measurement is performed twice by exchanging the first direction and the second direction. ing. By obtaining two measurement data and comparing these measurement data, it is possible to evaluate whether or not the sample is undulating with respect to the portion of the measurement target area. In other words, when measuring the same portion twice, for example, it takes time to move the probe in the feed direction. In this case, if there is undulation in the feed direction, it should occur remarkably. Therefore, it is possible to accurately evaluate the state of undulation by comparing measurement data obtained by two measurements at the same location. In addition, it is most preferable that the crossing relationship between the first direction and the second direction is orthogonal from the viewpoint of the conventional general measurement method. However, in principle, if the reciprocating direction and the feeding direction are determined, It is not always necessary that the first direction and the second direction are orthogonal to each other.

【0014】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の測定
方法は、上記の方法においてさらに好ましくは、第1と
第2の測定データの比較に関し、当該比較の処理を、第
1と第2の測定データの差を求める演算処理とする方法
である。比較の処理の仕方としては種々考えられる(差
分や最小二乗平均など)が、測定方法を制御する制御系
の構成としては差を演算して誤差成分の内容を評価する
方法が構成上簡素であり、有効な評価を行うことができ
る。さらに本発明に係る測定方法は、前述の測定対象領
域が、第1方向と第2方向のそれぞれの距離が1mm以
上であり、さらに好ましくは一辺が20mmの正方形で
あることを特徴とする方法である。この走査型プローブ
顕微鏡の測定方法は、特に時間的な温度変化に伴うドリ
フトに起因して測定データに含まれる誤差成分を評価す
ることにあり、このような温度変化に伴うドリフトは、
測定に時間がかかる広域走査による測定の場合に生じ
る。そこで、本発明による測定方法が適用される測定対
象領域としては1mm以上の広域であることを特徴とし
て明らかにしたものである。さらに好ましくは、第1と
第2の測定データの差は、走査型プローブ顕微鏡による
測定対象領域の観察は設定された複数の測定点の各々に
おける測定であることから、測定対象領域における複数
の測定点の各々に関する差であり、それ故、これらの差
の中の最大値が目標精度を越えたときには測定を再び行
うことを特徴とする方法である。さらに好ましくは、上
記複数の測定点に関する差の平均値が目標精度を越えた
ときには測定を再び行うように構成することもできる。
本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の測定方法は、上記
方法において、測定で得られた値が目標精度以下になる
まで測定を繰り返すように構成することも可能である。
以上のごとく、第1の測定データと第2の測定データの
比較として差を演算する場合において、当該差を評価す
る基準となる目標精度を予め設定しておくことにより、
さらに有効な測定データを得るべく測定の再度の実行、
さらには有効な測定データを得るまで測定動作を繰り返
し行えるように測定の自動化という構成を実現すること
が可能となる。また本発明に係る走査型プローブ顕微鏡
の測定方法は、第1の測定データに基づく観察像と第2
の測定データに基づく観察像の比較判断により誤差成分
が除去されたもっとも信頼性の高い観察像を最終的に作
成し、この観察像を表示装置の画面に映像化するように
構成することも可能である。
[0014] The method for measuring a scanning probe microscope according to the present invention, more preferably, in the above-mentioned method, relates to a comparison between the first and second measurement data. Is a method of calculating the difference between the two. There are various ways of performing the comparison process (difference, least mean square, etc.), but as a configuration of a control system for controlling the measurement method, a method of calculating the difference and evaluating the content of the error component is simple in configuration. , Effective evaluation can be performed. Further, the measurement method according to the present invention is a method in which the measurement target region is a square having a distance of 1 mm or more in each of the first direction and the second direction, and more preferably a square having a side of 20 mm. is there. The measuring method of this scanning probe microscope is to evaluate an error component included in measurement data due to a drift due to a temporal temperature change, and the drift due to such a temperature change is,
This occurs in the case of measurement by a wide area scan that requires a long time for measurement. Therefore, it has been clarified that the measurement target area to which the measurement method according to the present invention is applied is a wide area of 1 mm or more. More preferably, the difference between the first and second measurement data is that the observation of the measurement target area by the scanning probe microscope is a measurement at each of a plurality of set measurement points. The method is characterized by the differences for each of the points, and therefore, when the maximum of these differences exceeds the target accuracy, the measurement is taken again. More preferably, the measurement may be performed again when the average value of the differences regarding the plurality of measurement points exceeds the target accuracy.
The measuring method of the scanning probe microscope according to the present invention may be configured such that, in the above method, the measurement is repeated until the value obtained by the measurement becomes lower than the target accuracy.
As described above, when a difference is calculated as a comparison between the first measurement data and the second measurement data, by setting a target accuracy serving as a reference for evaluating the difference in advance,
Perform measurement again to obtain more effective measurement data,
Further, it is possible to realize a configuration of automation of measurement so that the measurement operation can be repeated until valid measurement data is obtained. Further, the measuring method of the scanning probe microscope according to the present invention includes the steps of:
It is also possible to finally create the most reliable observation image from which the error component has been removed by comparing and judging the observation images based on the measurement data, and to visualize this observation image on the screen of the display device It is.

【0015】[0015]

【発明の実施の形態】以下に、本発明の好適な実施形態
を添付図面に基づいて説明する。
Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

【0016】図1と図2を参照して本発明の代表的な実
施形態を説明する。図1は本発明に係る測定方法を実施
するための走査型プローブ顕微鏡の構成を模式的に示し
た図であり、図2は測定方法を概念的に示すための図、
図3は差分データの算出の仕方を説明する図を示してい
る。
A typical embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a scanning probe microscope for carrying out a measuring method according to the present invention, FIG. 2 is a diagram conceptually showing a measuring method,
FIG. 3 shows a diagram for explaining how to calculate the difference data.

【0017】図1を参照して走査型プローブ顕微鏡の構
成を説明する。本実施形態では走査型プローブ顕微鏡は
一例として原子間力顕微鏡であるとする。フレーム11
の下部に試料ステージ11aが形成され、試料ステージ
11aの上にXY走査機構12が設けられている。さら
にXY走査機構12上には試料台13が固定され、試料
台13の上に測定対象である試料14が搭載されてい
る。XY走査機構12は試料14をX軸方向とY軸方向
に移動させる機構であり、ここでX軸方向とY軸方向は
図1において水平平面内に含まれる直交する2軸の方向
である。試料14は試料台13の上で停止されており、
XY走査機構12によって走査動作としてX軸方向とY
軸方向に移動させられる。フレーム11の上部11bの
先部には探針接近用機構(粗動機構)15が固定され、
探針接近用機構15の下側にZ微動機構16が固定され
ている。探針接近用機構15は、最初、試料14の表面
から離れた位置にある探針を測定開始時に試料表面に接
近させるためのものであり、当然のことながら必要に応
じて探針を試料表面から離す場合にも使用される。また
この実施形態で、原子間力顕微鏡は、試料14の表面に
おいて広域測定を行える顕微鏡として構成され、そのた
め、XY走査機構12は広域走査を可能とし、通常、モ
ータ駆動式の走査機構が用いられている。実際上、XY
走査機構12としてはモータ駆動式機構に限定されず、
任意の各種機構を使用できるのは勿論である。
The configuration of the scanning probe microscope will be described with reference to FIG. In the present embodiment, the scanning probe microscope is an atomic force microscope as an example. Frame 11
A sample stage 11a is formed below the sample stage 11 and an XY scanning mechanism 12 is provided on the sample stage 11a. Further, a sample stage 13 is fixed on the XY scanning mechanism 12, and a sample 14 to be measured is mounted on the sample stage 13. The XY scanning mechanism 12 is a mechanism for moving the sample 14 in the X-axis direction and the Y-axis direction. Here, the X-axis direction and the Y-axis direction are orthogonal two-axis directions included in a horizontal plane in FIG. The sample 14 is stopped on the sample stage 13,
The XY scanning mechanism 12 performs the scanning operation in the X-axis direction and Y-direction.
Moved in the axial direction. A probe approach mechanism (coarse movement mechanism) 15 is fixed to the tip of the upper portion 11b of the frame 11,
A Z fine movement mechanism 16 is fixed below the probe approach mechanism 15. The probe approach mechanism 15 is for initially bringing a probe located at a position distant from the surface of the sample 14 close to the surface of the sample at the start of measurement. Also used when moving away from. In this embodiment, the atomic force microscope is configured as a microscope that can perform wide-area measurement on the surface of the sample 14, and therefore, the XY scanning mechanism 12 enables wide-area scanning, and a motor-driven scanning mechanism is usually used. ing. In practice, XY
The scanning mechanism 12 is not limited to a motor-driven mechanism,
Of course, any of a variety of mechanisms can be used.

【0018】原子間力顕微鏡において、走査動作とは、
試料表面に対向するごとく配置された後述の探針が試料
表面をなぞるごとく移動する動作のことである。探針と
試料のXY軸方向の相対的な位置の変位であるので、探
針と試料のいずれの方を移動させてもよいが、この実施
形態では、試料14の側にモータ駆動式のXY走査機構
12を設けることにより試料側を移動させて走査移動を
行うように構成している。モータ駆動式XY走査機構を
用いて広域走査を行う場合には、当該XY走査機構は比
較的に重量が大きいので、通常、試料側を移動させるの
が好ましい。
In the atomic force microscope, the scanning operation is
This is an operation in which a later-described probe arranged so as to face the sample surface moves as if tracing the sample surface. Since the displacement is a relative displacement between the probe and the sample in the XY axis directions, either the probe or the sample may be moved. In this embodiment, the motor-driven XY is moved to the sample 14 side. By providing the scanning mechanism 12, the sample side is moved to perform scanning movement. When performing a wide area scan using a motor-driven XY scanning mechanism, it is usually preferable to move the sample side because the XY scanning mechanism is relatively heavy.

【0019】試料14の上方位置にはカンチレバー17
が配置されている。カンチレバー17の先端には探針1
8が形成され、この探針18は、試料14の表面に対向
し、試料表面を観察できるように臨んでいる。試料14
の表面を測定する際、探針18は、前述の探針接近機構
15によって下方向へ移動され、試料14の表面との間
で原子間力が生じる程度の距離で試料14に対して接近
させて配置される。カンチレバー17は、その基端が、
上記Z微動機構16の下端の縁に固定されている。カン
チレバー17は、所定の柔軟性を有し、探針・試料間の
距離の変化に伴う原子間力の変化に応じてたわみ変形を
生じるという特性を有している。またZ微動機構16は
カンチレバー17を水平平面に垂直なZ方向に微小距離
移動させる機構で、通常、圧電素子を利用して構成され
ている。
The cantilever 17 is located above the sample 14.
Is arranged. Tip 1 at the tip of cantilever 17
8 is formed, and the probe 18 faces the surface of the sample 14 so as to be able to observe the surface of the sample. Sample 14
When the surface of the sample 14 is measured, the probe 18 is moved downward by the above-described probe approach mechanism 15 and brought close to the sample 14 at a distance such that an atomic force is generated between the probe 18 and the surface of the sample 14. Placed. The cantilever 17 has a base end
The Z fine movement mechanism 16 is fixed to an edge at the lower end. The cantilever 17 has a predetermined flexibility, and has a characteristic that it bends and deforms in response to a change in an atomic force caused by a change in the distance between the probe and the sample. The Z fine movement mechanism 16 is a mechanism for moving the cantilever 17 a minute distance in the Z direction perpendicular to the horizontal plane, and is usually configured using a piezoelectric element.

【0020】図1に示した原子間力顕微鏡の構成は、X
Y方向の走査移動の動作はXY走査機構12で行い、探
針・試料間の距離、すなわち試料14の表面に対する探
針18の高さ位置の調整(Z方向の移動)はZ微動機構
16によってカンチレバー17の側を移動させる構成で
ある。上記探針接近用機構15は、測定を開始する前に
探針18を試料14に対して迅速に接近させるときに使
用され、比較的に大きな距離の移動(粗動)に使用され
る。
The structure of the atomic force microscope shown in FIG.
The operation of the scanning movement in the Y direction is performed by the XY scanning mechanism 12, and the distance between the probe and the sample, that is, the adjustment of the height position of the probe 18 with respect to the surface of the sample 14 (movement in the Z direction) is performed by the Z fine movement mechanism 16. In this configuration, the cantilever 17 is moved. The probe approaching mechanism 15 is used when the probe 18 is quickly approached to the sample 14 before starting the measurement, and is used for a relatively large distance movement (coarse movement).

【0021】カンチレバー17に対してカンチレバーの
変位を検出する変位検出器19が設けられる。変位検出
器19には例えば光てこ式検出光学系や干渉法を利用し
た検出器が使用される。光てこ式検出光学系は、レーザ
光を発する光源と、レーザ光を受ける光検出器から構成
される。光源から出射されたレーザ光は、カンチレバー
の背面の反射面で反射され、光検出器に入射される。カ
ンチレバーのたわみ変形量に応じてレーザ光の入射位置
が変化することから、探針と試料の間の距離の変化を検
出することができる。
A displacement detector 19 for detecting the displacement of the cantilever 17 with respect to the cantilever 17 is provided. As the displacement detector 19, for example, a detector utilizing an optical lever detection optical system or an interference method is used. The optical lever detection optical system includes a light source that emits laser light and a photodetector that receives laser light. The laser light emitted from the light source is reflected by the reflection surface on the back of the cantilever and is incident on the photodetector. Since the incident position of the laser beam changes in accordance with the amount of bending deformation of the cantilever, a change in the distance between the probe and the sample can be detected.

【0022】上記構成において、探針接近用機構15に
より探針18と試料13の距離を約1nmまで近づける
と、両者の間に原子間力が作用し、カンチレバー17に
たわみ変形が生じるようになる。そのたわみ角を変位検
出器19で検出する。変位検出器19から出力される検
出信号は、加算器20に入力される。加算器20では、
マイナス(−)の当該検出信号とプラス(+)の基準値
Vref が加算されることにより偏差信号Vdが出力さ
れ、実質的には減算が行われる。この偏差信号Vdは、
制御部21に入力される。制御部21では一般的に比例
−積分補償(PI制御)が行われ、その出力信号(V
z)はZ微動機構16に与えられ、Z微動機構16を動
作させ、探針18と試料14の間の距離を測定開始の段
階で設定された一定の距離に保持するように変化させ
る。探針18と試料14の間の距離は基準値Vref によ
って予め設定された一定距離に保持されることになる。
以上のサーボループを形成する制御系の構成に基づいて
探針18と試料14の距離を基準値で決まる一定距離に
保つ制御が実現される。
In the above configuration, when the distance between the probe 18 and the sample 13 is reduced to about 1 nm by the probe approach mechanism 15, an interatomic force acts between the two, and the cantilever 17 bends. . The deflection angle is detected by the displacement detector 19. The detection signal output from the displacement detector 19 is input to the adder 20. In the adder 20,
By adding the minus (-) detection signal and the plus (+) reference value Vref, a deviation signal Vd is output, and the subtraction is substantially performed. This deviation signal Vd is
It is input to the control unit 21. The controller 21 generally performs proportional-integral compensation (PI control), and outputs an output signal (V
z) is given to the Z fine movement mechanism 16 to operate the Z fine movement mechanism 16 to change the distance between the probe 18 and the sample 14 so as to keep the distance between the probe 18 and the sample 14 at a constant distance set at the start of measurement. The distance between the probe 18 and the sample 14 is kept at a constant distance set in advance by the reference value Vref.
Based on the configuration of the control system that forms the servo loop described above, control for maintaining the distance between the probe 18 and the sample 14 at a constant distance determined by the reference value is realized.

【0023】他方、XY走査機構12の動作はXY走査
制御部22からの出力される信号で制御される。XY走
査制御部22はXY走査機構12の動作を制御し、XY
走査機構12の動作は試料表面おける走査領域を決める
ので、XY走査制御部22は試料14の表面における測
定対象領域を決めることになる。XY走査制御部22自
体はXY走査機構12の動作制御を受けもつ制御部であ
り、測定方法の全体の制御を行う上位制御部の測定実行
制御部31から測定対象領域荷関するデータおよび測定
実行命令を受けとってその制御動作を行う。XY走査制
御部22から出力される走査信号(Vx,Vy)は、X
Y走査機構12のX軸方向およびY軸方向の各モータに
与えられる。XY走査制御部22から出力される走査信
号(Vx,Vy)に基づき試料13がXY方向に移動さ
れることにより、相対的な位置関係として、探針18は
試料14の表面をXY方向に平面走査する。この平面走
査の間、上記のごとく探針18と試料14の表面との間
の距離が一定に保持される。上記の走査移動の動作で
は、通常、試料表面において測定対象領域が予め設定さ
れている。この測定対象領域は好ましくはX軸方向の辺
とY軸方向の辺からなる矩形の形状を有した領域であ
る。測定対象領域についての探針18による試料表面の
走査は、測定対象領域の全体を測定するように移動する
ため、通常、走査移動は例えばX軸方向での往復動作と
Y軸方向への送り動作の組み合わせに基づいて測定対象
領域の全体の走査が行われる。X軸方向のモータの動作
を制御する走査信号Vxと、Y軸方向のモータの動作を
制御する走査信号Vyに関して、いずれを往復動作用の
信号とし、送り動作用の信号とするかは、後述するごと
き測定方法に従って決められる。
On the other hand, the operation of the XY scanning mechanism 12 is controlled by a signal output from the XY scanning control unit 22. The XY scanning control unit 22 controls the operation of the XY scanning mechanism 12 and
Since the operation of the scanning mechanism 12 determines the scanning area on the surface of the sample, the XY scan control unit 22 determines the measurement target area on the surface of the sample 14. The XY scanning control unit 22 itself is a control unit that controls the operation of the XY scanning mechanism 12. The measurement execution control unit 31 of the higher-level control unit that performs overall control of the measurement method transmits data and measurement execution instructions related to the measurement target area. In response, the control operation is performed. The scanning signal (Vx, Vy) output from the XY scanning control unit 22 is X
It is given to each motor in the X-axis direction and the Y-axis direction of the Y scanning mechanism 12. By moving the sample 13 in the XY directions based on the scanning signals (Vx, Vy) output from the XY scanning control unit 22, the probe 18 moves the surface of the sample 14 in the XY direction as a relative positional relationship. Scan. During this plane scan, the distance between the probe 18 and the surface of the sample 14 is kept constant as described above. In the above-described scanning movement operation, the measurement target area is usually set in advance on the sample surface. The measurement target region is preferably a region having a rectangular shape including a side in the X-axis direction and a side in the Y-axis direction. Since the scanning of the sample surface by the probe 18 with respect to the measurement target area moves so as to measure the entire measurement target area, the scanning movement usually includes, for example, a reciprocating operation in the X-axis direction and a feeding operation in the Y-axis direction. Is scanned based on the combination of. Regarding the scanning signal Vx for controlling the operation of the motor in the X-axis direction and the scanning signal Vy for controlling the operation of the motor in the Y-axis direction, which of the signals for the reciprocating operation and the signal for the feeding operation will be described later. It is determined according to the measurement method.

【0024】制御回路21からZ微動機構16に対して
与えられる制御信号Vz、すなわちZ微動機構16の動
作量に相当するデータ(Vz)と、XY走査制御部22
からXY走査機構12に与えられる走査信号に係るデー
タ(Vx,Vy)は、測定対象領域に関する像を作成
し、表示するのに使用される。
The control signal Vz supplied from the control circuit 21 to the Z fine movement mechanism 16, that is, data (Vz) corresponding to the operation amount of the Z fine movement mechanism 16, and the XY scanning control section 22
The data (Vx, Vy) related to the scanning signal given to the XY scanning mechanism 12 from is used to create and display an image relating to the measurement target area.

【0025】上記の原子間力顕微鏡における機械的構成
および制御系の構成に対して、制御系から得られる制御
信号および走査信号、すなわち上記のデータ(Vz,V
x,Vy)を入力してデータの処理を行う信号処理装置
32と、測定の全体を制御して測定を実行する上記の測
定実行制御部31が設けられている。信号処理装置32
は、データ保存用のメモリ33と、後述の演算を行いか
つ測定実行制御部31に対して測定に関する指示を行う
演算処理部34と、表示装置35への表示を制御する表
示制御処理部36と、表示装置35の画面に表示される
画像データを記憶する画像メモリ37から構成されてい
る。制御部21から得られるデータVzとXY走査制御
部22から得られるデータVx,Vyは、信号処理装置
32のメモリ33に記憶される。演算処理部34は、こ
れらのデータを利用して後述するごとき必要な処理を行
い、画像メモリ37を経由して表示装置35の画面に測
定した測定対象領域の凹凸形状に関する画像の表示を行
う。こうして、表示装置35の画面に表示された画像に
よって試料14の表面形状を観察することができる。
With respect to the mechanical configuration and the configuration of the control system in the above-mentioned atomic force microscope, control signals and scanning signals obtained from the control system, that is, the data (Vz, V
(x, Vy), and a signal processing device 32 for processing data, and a measurement execution control unit 31 for controlling the entire measurement and executing the measurement. Signal processing device 32
Includes a memory 33 for storing data, an arithmetic processing unit 34 that performs an operation to be described later and issues an instruction regarding measurement to the measurement execution control unit 31, and a display control processing unit 36 that controls display on the display device 35. , An image memory 37 for storing image data displayed on the screen of the display device 35. Data Vz obtained from the control unit 21 and data Vx and Vy obtained from the XY scanning control unit 22 are stored in the memory 33 of the signal processing device 32. The arithmetic processing unit 34 performs necessary processing as described later using these data, and displays an image relating to the unevenness of the measurement target area measured on the screen of the display device 35 via the image memory 37. Thus, the surface shape of the sample 14 can be observed with the image displayed on the screen of the display device 35.

【0026】XY走査制御部22から出力される走査信
号Vx,VyはXY走査機構12に与えられ、試料14
をXY方向に平面的に移動させる。この試料14の平面
的な移動に基づき、相対的な位置関係で、探針18が試
料14の表面に対して平面走査を行うことになる。試料
14の平面的移動は、X軸方向の動作とY軸方向の動作
の組み合わせに基づいて行われる。このとき、一方向に
ついては繰返しの往復動作を行い、他方向については任
意のステップごとに送り動作を行うようにする。これに
より例えば矩形平面として設定された測定対象領域の全
域を探針18で平面走査することが可能となる。X軸方
向とY軸方向のいずれの方を繰返し往復動作とし、他方
を送り動作とするかは、出力される走査信号Vx,Vy
に基づいて決定される。
The scanning signals Vx and Vy output from the XY scanning control section 22 are given to the XY scanning mechanism 12,
Is moved two-dimensionally in the XY directions. Based on the planar movement of the sample 14, the probe 18 performs a planar scan on the surface of the sample 14 in a relative positional relationship. The planar movement of the sample 14 is performed based on a combination of the operation in the X-axis direction and the operation in the Y-axis direction. At this time, a reciprocating reciprocating operation is performed in one direction, and a feeding operation is performed at an arbitrary step in the other direction. Thus, for example, the entire area of the measurement target area set as a rectangular plane can be plane-scanned by the probe 18. The output scanning signals Vx and Vy determine which of the X-axis direction and the Y-axis direction is the reciprocating operation repeatedly and the other is the feeding operation.
Is determined based on

【0027】本実施形態による測定方法は、試料14の
表面で例えば正方形あるいは長方形等の矩形の測定対象
領域が予め設定されており、この測定対象領域が、例え
ば一辺が1mm以上の寸法で決まる広域測定領域である
場合において、測定対象領域を2通りの方法で平面走査
を行って測定を行い、同じ測定対象領域について2つの
測定データを得るようにする方法である。
In the measuring method according to the present embodiment, a rectangular measurement target area such as a square or a rectangle is set in advance on the surface of the sample 14, and this measurement target area is, for example, a wide area whose one side is determined by a dimension of 1 mm or more. In the case of a measurement region, the measurement target region is measured by performing two-dimensional scanning on the measurement target region, and two measurement data are obtained for the same measurement target region.

【0028】第1の測定では、走査信号Vxが繰返し往
復動作のための信号として作成され、走査信号Vyが送
り動作のための信号として作成される。従って、図2
(A)に示すごとく探針18は矩形の測定対象領域41
の測定でX軸方向について往復動作42を繰返しかつY
軸方向について送り動作43を行いながら、設定された
複数の測定点の各々で探針のZ方向データVzが取得さ
れる。第1の測定で得られたVzと、各測定点に関する
位置データすなわち走査データVx,Vyとは、第1の
測定データとして、関連づけられてメモリ33に記憶さ
れる。また第2の測定では、第1の測定の終了後、走査
信号Vx,Vyの役割・内容を入れ替えて、走査信号V
yを繰返し往復動作のための信号として作成し、走査信
号Vxを送り動作のための信号として作成する。従っ
て、図2(B)に示すごとく探針18は測定対象領域4
1の測定でY軸方向について往復動作44を繰返しかつ
X軸方向について送り動作45を行いながら、設定され
た複数の測定点の各々で探針のZ方向データVzが取得
される。第2の測定で得られたVzと、各測定点に関す
る位置データすなわち走査データVx,Vyとは、第2
の測定データとして、関連づけられて同様にメモリ33
に記憶される。メモリ33に記憶された第1の測定デー
タと第2の測定データによれば、広域の測定対象領域に
おける複数の測定点の各々に関して、第1の測定と第2
の測定の各々に応じた測定データ(Vz)が取得され
る。
In the first measurement, the scanning signal Vx is created as a signal for the reciprocating operation, and the scanning signal Vy is created as a signal for the feeding operation. Therefore, FIG.
As shown in (A), the probe 18 has a rectangular measurement target area 41.
The reciprocating operation 42 is repeated in the X-axis direction in the measurement of
While performing the feed operation 43 in the axial direction, the Z-direction data Vz of the probe is acquired at each of the set measurement points. Vz obtained in the first measurement and position data regarding each measurement point, that is, scan data Vx and Vy, are stored in the memory 33 in association with each other as first measurement data. In the second measurement, after the end of the first measurement, the roles and contents of the scanning signals Vx and Vy are exchanged, and the scanning signal Vx and Vy are switched.
y is generated as a signal for the reciprocating operation, and the scanning signal Vx is generated as a signal for the feed operation. Therefore, as shown in FIG. 2B, the probe 18 is
While repeating the reciprocating operation 44 in the Y-axis direction and performing the feeding operation 45 in the X-axis direction in the measurement 1, the Z-direction data Vz of the probe is acquired at each of the plurality of set measurement points. Vz obtained in the second measurement and position data regarding each measurement point, that is, scan data Vx and Vy are obtained by the second measurement.
As the measurement data of the memory 33
Is stored. According to the first measurement data and the second measurement data stored in the memory 33, the first measurement and the second measurement are performed for each of the plurality of measurement points in the wide measurement target area.
Measurement data (Vz) corresponding to each of the measurements is obtained.

【0029】上記の同じ測定対象領域についての第1の
測定の実行と第2の測定の実行は、測定実行制御部31
からの指示に基づいて行われる。XY走査制御部22で
は、測定実行制御部31からの指示に従って走査信号V
x,Vyの役割を入れ替えて2回の測定を行うための走
査動作を行うだけである。
The execution of the first measurement and the execution of the second measurement for the same measurement target area are performed by the measurement execution control unit 31.
It is performed based on the instruction from. The XY scan control unit 22 scans the scan signal V according to an instruction from the measurement execution control unit 31.
Only the scanning operation for performing two measurements is performed by exchanging the roles of x and Vy.

【0030】同じ測定対象領域41についての上記の2
回の測定が終了すると、演算処理部34は、第1の測定
データと第2の測定データとを比較する処理を行う。本
実施形態での比較処理は、一例として差分を求める演算
処理である。差分を求める演算処理の状態をイメージ的
に図3に示す。図3で、(A)は第1の測定(X軸の方
向で往復動作を行う)による測定データの配列状態を示
し、(B)は第2の測定(Y軸の方向で往復動作を行
う)による測定データの配列状態を示し、(C)は第1
の測定データと第2の測定データの差を算出して得た差
分データの配列状態を示している。図3で黒丸は測定対
象領域41における複数の測定点の各々の位置を示して
おり、その位置は(i,j)で表されている。第1の測
定の各データはDx(i,j)で表され、第2の測定の
各データはDy(j,i)で表される。図3(C)に示
されるように、各測定点の差分データDef(i,j)
は、第1の測定データと第2の測定データの測定点を一
致させて、Def(i,j)=Dx(i,j)−Dy
(j,i)として算出される。こうして第1の測定デー
タと第2の測定データの各々の差分を求めてメモリ33
に再び記憶させる。
The above 2 for the same measurement target area 41
When the measurement is completed, the arithmetic processing unit 34 performs a process of comparing the first measurement data with the second measurement data. The comparison process in the present embodiment is, for example, a calculation process for obtaining a difference. FIG. 3 schematically shows the state of the arithmetic processing for obtaining the difference. In FIG. 3, (A) shows an arrangement state of measurement data obtained by the first measurement (reciprocating operation is performed in the X-axis direction), and (B) is a second measurement (reciprocating operation is performed in the Y-axis direction). ) Shows the arrangement state of the measured data, and (C) shows the first state.
2 shows an arrangement state of difference data obtained by calculating a difference between the measurement data of the second measurement data and the second measurement data. In FIG. 3, black circles indicate the positions of a plurality of measurement points in the measurement target area 41, and the positions are represented by (i, j). Each data of the first measurement is represented by Dx (i, j), and each data of the second measurement is represented by Dy (j, i). As shown in FIG. 3C, difference data Def (i, j) of each measurement point
Def (i, j) = Dx (i, j) -Dy by matching the measurement points of the first measurement data and the second measurement data.
It is calculated as (j, i). Thus, the difference between the first measurement data and the second measurement data is obtained, and
To memorize again.

【0031】次に演算処理部34は、図3(C)に示さ
れるごとき差分データを得ると、この差分データに基づ
いて測定の結果を評価する。本来、試料14の表面にお
ける同一の測定対象領域を平面走査して測定を行ったも
のであるから、図3(A)の第1の測定データと図3
(B)の第2の測定データは測定点ごとに同じデータと
なる筈である。従って、この場合、差分データは0にな
る筈である。ところが、実際には、前述の通り、時間的
な温度ドリフト、さらにその他に、モータや機械的案内
機構を利用してなるXY移動機構12の案内誤差、探針
の磨耗等の測定誤差を含むのが一般的であるから、差分
データは0にならない。このことは、反対に、差分デー
タの大きさによって測定の信頼性を評価し確認すること
ができる。例えば差分データは、測定対象領域における
複数の測定点に関して得られるので、その差分の大きさ
の分布状態を知ることによって、どのような方向にうね
りが発生しているかを知ることができる。また例えば1
0nm以下の精度でシリコンウェハの表面のうねりを測
定したい場合において、得られた差分データが10nm
を越えるようでは、その測定データは信頼性のないもの
であると判断することができる。
Next, upon obtaining the difference data as shown in FIG. 3C, the arithmetic processing unit 34 evaluates the measurement result based on the difference data. Originally, the measurement was performed by scanning the same measurement target area on the surface of the sample 14 in a plane, so that the first measurement data in FIG.
The second measurement data in (B) should be the same for each measurement point. Therefore, in this case, the difference data should be 0. However, in actuality, as described above, it includes a temperature error over time, and further includes a measurement error such as a guide error of the XY moving mechanism 12 using a motor or a mechanical guide mechanism, and a worn probe. Is common, the difference data does not become zero. On the contrary, the reliability of the measurement can be evaluated and confirmed by the size of the difference data. For example, since the difference data is obtained for a plurality of measurement points in the measurement target area, by knowing the distribution state of the magnitude of the difference, it is possible to know in which direction the undulation is occurring. Also, for example, 1
When it is desired to measure the undulation of the surface of a silicon wafer with an accuracy of 0 nm or less, the obtained difference data is 10 nm.
Above, it can be determined that the measurement data is unreliable.

【0032】上記の構成においてメモリ33では、第1
の測定データ、第2の測定データ、および差分データが
記憶された状態にあるので、これらのデータを利用すれ
ば、表示制御処理部36と画像メモリ37の画像作成表
示機能により、表示装置35の画面にそれぞれのデータ
を用いた画像を表示することができる。
In the above configuration, the memory 33 stores the first
Since the measurement data, the second measurement data, and the difference data are stored in the storage device, the display control processing unit 36 and the image creation and display function of the image memory 37 allow the display device 35 An image using each data can be displayed on the screen.

【0033】例えば表示装置35の画面に、第1の測定
データによる画像と第2の測定データによる画像とを、
平面表示あるいは3D表示で表示すると、2つの画像を
視覚的に比較し、その差を識別することも可能である。
この状態で、同一の箇所の2つの画像で明らかな差があ
る場合、そのデータの信頼性が低いものとして判断で
き、例えば再測定を行うことになる。
For example, an image based on the first measurement data and an image based on the second measurement data are displayed on the screen of the display device 35.
When displayed in a flat display or 3D display, it is also possible to visually compare the two images and identify the difference.
In this state, if there is a clear difference between the two images at the same location, it can be determined that the reliability of the data is low, and for example, re-measurement is performed.

【0034】また差分データによれば、前述のごとく、
試料のうねり等の発生状態を評価できるので、演算処理
部34の機能として、差分データが0になるように前述
の第1の測定データまたは第2の測定データを利用して
これを補正処理することにより、測定誤差を除去した画
像を表示をするように構成することも可能である。
According to the difference data, as described above,
Since the occurrence state of the undulation of the sample or the like can be evaluated, the function of the arithmetic processing unit 34 uses the above-described first measurement data or second measurement data to correct the difference data so that the difference data becomes zero. Accordingly, it is possible to display an image from which the measurement error has been removed.

【0035】演算処理部34は、うねり等が原因で、得
られた測定データが必要とされる精度を満たさないとき
には、測定実行制御部31に対して再度の測定を指示す
るように構成することもできる。これによれば、再測定
動作の自動化を容易に実現できる。繰返しの測定を自動
的に行うことによって、最終的に必要とされる精度の測
定データを容易に得ることができる。この場合、演算処
理部34には、目標精度が設定され、測定で得られたデ
ータの精度が目標精度の条件を満たしているか否かの比
較手段が設けられる。
The arithmetic processing unit 34 is configured to instruct the measurement execution control unit 31 to perform another measurement when the obtained measurement data does not satisfy the required accuracy due to undulation or the like. Can also. According to this, automation of the re-measurement operation can be easily realized. By automatically performing the repeated measurement, it is possible to easily obtain measurement data of the accuracy finally required. In this case, the arithmetic processing unit 34 is provided with a comparison unit that sets a target accuracy and determines whether the accuracy of the data obtained by the measurement satisfies the target accuracy condition.

【0036】前述の実施形態では測定対象領域41は矩
形の領域としたが、矩形である必要は必ずしもない。ま
た2回の測定動作を行うときに、往復動作を行う方向と
送り動作を行う方向を、直交するX軸とY軸の各方向の
組み合わせとしたが、2つの方向の交差角度は直交に限
定されない。さらに前述の測定方法は、原子間力顕微鏡
以外のその他の走査型プローブ顕微鏡に一般的に行うこ
とが可能である。また前述の実施形態では、広域走査に
よる広域測定を前提に説明されたが、狭域走査による狭
域測定でも測定に時間をかける場合には、前述の温度ド
リフトの測定誤差が問題になるので、同様に前述の測定
方法を適用することができるのは勿論である。
In the above-described embodiment, the measurement target area 41 is a rectangular area. However, the measurement target area 41 is not necessarily required to be rectangular. When performing two measurement operations, the direction in which the reciprocating operation is performed and the direction in which the feeding operation is performed are a combination of orthogonal X-axis and Y-axis directions, but the intersection angle of the two directions is limited to orthogonal. Not done. Further, the above-described measurement method can be generally applied to other scanning probe microscopes other than the atomic force microscope. In the above-described embodiment, the description has been given on the premise of wide-area measurement by wide-area scanning.However, when time is taken for measurement even in narrow-area measurement by narrow-area scanning, the measurement error of the temperature drift described above becomes a problem. Similarly, it goes without saying that the above-described measurement method can be applied.

【0037】[0037]

【発明の効果】以上の説明で明らかなように本発明によ
れば、走査型プローブ顕微鏡の測定方法で、走査領域を
拡大して広域測定を行っても、走査の際の往復動作と送
り動作を入れ替えて2回の測定を行うように構成したた
め、得られた2つの測定データを比較することで測定デ
ータの評価を行うことができ、測定誤差を低減し、測定
の信頼性を確認できる。その結果、測定データの信頼性
を高めることができ、広域走査による広域測定を行うこ
とができる。広域測定のためには広域走査を可能にする
モータ等をXY走査機構として利用するが、この場合に
XY走査機構が含む熱源が発する熱に起因する温度ドリ
フトの問題も解消でき、精度の高い測定データを得るこ
とができる。また目標精度を設定し、これと測定データ
の精度とを比較する比較手段を設けることによって、広
域測定においても精度の高い測定データを得ることがで
き、かつ目標精度を満たす測定データが得られるまで測
定を繰返す自動測定を容易に実現することができる。
As is apparent from the above description, according to the present invention, the reciprocating operation and the feeding operation during scanning can be performed even if the scanning area is enlarged and the wide area is measured by the measuring method of the scanning probe microscope. Since the measurement is performed twice by exchanging the measurement data, the measurement data can be evaluated by comparing the obtained two measurement data, the measurement error can be reduced, and the reliability of the measurement can be confirmed. As a result, the reliability of the measurement data can be improved, and wide area measurement by wide area scanning can be performed. For wide-area measurement, a motor or the like that enables wide-area scanning is used as an XY scanning mechanism. In this case, the problem of temperature drift due to heat generated by a heat source included in the XY scanning mechanism can be solved, and highly accurate measurement can be performed. Data can be obtained. In addition, by setting a target accuracy and providing a comparison means for comparing the target accuracy with the accuracy of the measurement data, it is possible to obtain high-precision measurement data even in wide-area measurement, and until measurement data satisfying the target accuracy is obtained. Automatic measurement that repeats measurement can be easily realized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明に係る測定方法を実施するための走査
型プローブ顕微鏡の代表的構成を模式的に示した図であ
る。
FIG. 1 is a diagram schematically showing a typical configuration of a scanning probe microscope for performing a measuring method according to the present invention.

【図2】 本発明に係る測定方法を概念的に示すための
図である。
FIG. 2 is a diagram conceptually showing a measuring method according to the present invention.

【図3】 2つの測定データに基づき差分データを算出
する仕方を説明するための図である。
FIG. 3 is a diagram for explaining how to calculate difference data based on two measurement data.

【図4】 従来の走査型プローブ顕微鏡の一例を示す構
成図である。
FIG. 4 is a configuration diagram showing an example of a conventional scanning probe microscope.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11 フレーム 12 XY走査機構 13 試料ステージ 14 試料 15 探針接近用機構 16 Z微動機構 17 カンチレバー 18 探針 19 変位検出器 41 測定対象領域 42 往復動作 43 送り動作 Reference Signs List 11 frame 12 XY scanning mechanism 13 sample stage 14 sample 15 probe approach mechanism 16 Z fine movement mechanism 17 cantilever 18 probe 19 displacement detector 41 measurement target area 42 reciprocating operation 43 feed operation

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 2F063 AA43 BD11 CA09 CA10 DA01 DB05 DC08 DD02 EA16 EC00 FA07 GA57 JA04 LA13 LA23 LA29 MA05 2F069 AA60 EE02 EE09 GG01 GG04 GG39 GG62 GG72 HH05 JJ06 JJ14 JJ26 LL03 NN26 QQ10 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 2F063 AA43 BD11 CA09 CA10 DA01 DB05 DC08 DD02 EA16 EC00 FA07 GA57 JA04 LA13 LA23 LA29 MA05 2F069 AA60 EE02 EE09 GG01 GG04 GG39 GG62 GG72 HH05 JJ06 JJ14 JJ26 LL03

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 試料の表面で定められた測定対象領域
で、前記試料に対向させて配置した探針を試料に対して
相対的な関係で第1方向とこれに交差する第2方向に移
動させながら、前記試料と前記探針の間に生じる物理量
が初期設定状態に保持されるように、前記探針に関する
条件を制御し、この制御に要した電気量から前記測定対
象領域に関する測定データを得るように構成される走査
型プローブ顕微鏡において、 前記試料の表面に沿って第1方向に往復動作を行わせか
つ第2方向に送り動作を行わせて前記測定対象領域の第
1の測定データを取得し、次に、前記試料の表面に沿っ
て第2方向に往復動作を行わせかつ第1方向に送り動作
を行わせて前記測定対象領域の第2の測定データを取得
し、前記第1と前記第2の測定データを比較することを
特徴とする走査型プローブ顕微鏡の測定方法。
1. A probe arranged in a measurement target area defined on a surface of a sample and opposed to the sample in a first direction and a second direction intersecting the first direction relative to the sample. While controlling, the conditions related to the probe are controlled so that a physical quantity generated between the sample and the probe is maintained in an initial setting state, and measurement data related to the measurement target area is obtained from the amount of electricity required for this control. A scanning probe microscope configured to obtain a first measurement data of the measurement target area by performing a reciprocating operation in a first direction and a feeding operation in a second direction along the surface of the sample. Acquiring, and then performing a reciprocating operation in a second direction along a surface of the sample and performing a feeding operation in a first direction to acquire second measurement data of the measurement target area, And the second measurement data Measuring method of a scanning probe microscope, wherein a.
【請求項2】 前記第1と前記第2の測定データの前記
比較の処理は、前記第1と前記第2の測定データの差を
求める演算処理であることを特徴とする請求項1記載の
走査型プローブ顕微鏡の測定方法。
2. The method according to claim 1, wherein the processing of comparing the first and second measurement data is an arithmetic processing for calculating a difference between the first and second measurement data. Measurement method of scanning probe microscope.
【請求項3】 前記測定対象領域は、前記第1方向と前
記第2方向のそれぞれの距離が1mm以上であることを
特徴とする請求項1または2記載の走査型プローブ顕微
鏡の測定方法。
3. The measuring method for a scanning probe microscope according to claim 1, wherein the distance of each of the measurement target region in the first direction and the second direction is 1 mm or more.
【請求項4】 前記第1と前記第2の測定データの差は
前記測定対象領域における複数の測定点の各々に関する
差であり、これらの差の中の最大値が目標精度を越えた
ときには測定を再び行うことを特徴とする請求項1〜3
のいずれか1項に記載の走査型プローブ顕微鏡の測定方
法。
4. The difference between the first and second measurement data is a difference with respect to each of a plurality of measurement points in the measurement target area, and the measurement is performed when a maximum value among these differences exceeds a target accuracy. 4. The method according to claim 1, wherein
The measurement method of a scanning probe microscope according to any one of the above.
【請求項5】 前記第1と前記第2の測定データの差は
前記測定対象領域における複数の測定点の各々に関する
差であり、これらの差の平均値が目標精度を越えたとき
には測定を再び行うことを特徴とする請求項1〜3のい
ずれか1項記載の走査型プローブ顕微鏡の測定方法。
5. The difference between the first and second measurement data is a difference regarding each of a plurality of measurement points in the measurement target area, and when the average value of these differences exceeds a target accuracy, the measurement is performed again. The method for measuring a scanning probe microscope according to claim 1, wherein the measurement is performed.
【請求項6】 測定で得られた値が前記目標精度以下に
なるまで前記測定を繰り返すことを特徴とする請求項4
または5記載の走査型プローブ顕微鏡の測定方法。
6. The method according to claim 4, wherein the measurement is repeated until a value obtained by the measurement falls below the target accuracy.
Or the measuring method of the scanning probe microscope of 5.
【請求項7】 前記第1の測定データに基づく観察像と
前記第2の測定データに基づく観察像の比較判断により
観察像を作成し映像化することを特徴とする請求項1記
載の走査型プローブ顕微鏡の測定方法。
7. The scanning type apparatus according to claim 1, wherein an observation image is created and visualized by comparing and judging an observation image based on the first measurement data and an observation image based on the second measurement data. Probe microscope measurement method.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2002202115A (en) * 2000-11-09 2002-07-19 Samsung Electronics Co Ltd Method of automatically detecting measuring error of measuring apparatus
JP2006138655A (en) * 2004-11-10 2006-06-01 Hitachi Kenki Fine Tech Co Ltd Scanning probe microscope
JP2012132748A (en) * 2010-12-21 2012-07-12 Canon Inc Shape measuring method and shape measuring device

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