JP2001165844A - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents
走査型プローブ顕微鏡Info
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- JP2001165844A JP2001165844A JP34627699A JP34627699A JP2001165844A JP 2001165844 A JP2001165844 A JP 2001165844A JP 34627699 A JP34627699 A JP 34627699A JP 34627699 A JP34627699 A JP 34627699A JP 2001165844 A JP2001165844 A JP 2001165844A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 探針先端表面形状を反映したパラメータを算
出する機能を有する走査型プローブ顕微鏡を提供する。 【解決手段】 表面に鋭角な凸部を有する標準試料を測
定して得た表面形状像において、凸部最大高さから任意
の間隔の距離における断面図を用いて断面部分半径を近
似計算した。ここで最大高さからの距離をX、断面部分
半径をYとして平面プロットした結果が探針先端形状を
示し、計算により探針先端表面形状を反映した探針先端
曲率半径Rと探針先端開き角2αを数値化した。
出する機能を有する走査型プローブ顕微鏡を提供する。 【解決手段】 表面に鋭角な凸部を有する標準試料を測
定して得た表面形状像において、凸部最大高さから任意
の間隔の距離における断面図を用いて断面部分半径を近
似計算した。ここで最大高さからの距離をX、断面部分
半径をYとして平面プロットした結果が探針先端形状を
示し、計算により探針先端表面形状を反映した探針先端
曲率半径Rと探針先端開き角2αを数値化した。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、走査型プローブ顕
微鏡に関する。
微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の一般的な走査型プローブ顕微鏡
は、先端の鋭い探針を試料極近傍に接近させることによ
り生じる探針試料間の物理量をナノメートルオーダの分
解能で測定する装置である。走査型プローブ顕微鏡を用
いて試料表面の形状を測定する場合には、測定結果は探
針先端の形状を反映する。ここで、測定対象試料の平面
度が比較的に高ければ正確な表面像が得られる。しか
し、探針先端曲率半径より小さい凹凸を含む試料を測定
する場合には、測定結果は探針先端が表面凹凸に入り込
めないために実際の表面形状と異なる。また、探針先端
開き角より急峻な傾きを有する試料を測定する場合に
は、測定結果は探針先端が試料スロープに接触しないた
めに実際の表面形状と異なる。これより正しい表面形状
像を得るには、適切な先端表面形状を有した探針を使用
する必要がある。そのためには、走査前あるいは走査中
に、測定に用いる探針の先端形状を把握している必要が
生じる。先端曲率半径が数nm〜数十nmである探針形状を
正確に把握するには透過電子顕微鏡（TEM）が適してい
るが、走査時における探針先端の摩耗状況を調べる場合
には走査型プローブ顕微鏡本体から探針を取り外す必要
が生じるとともに観察に多くの時間を費やすため実用的
でない。また、光学顕微鏡あるいは走査型電子顕微鏡を
用いた場合には十分な分解能が得られないために正確な
探針先端形状を把握できない。ここで、先端形状を把握
したい探針を走査型プローブ顕微鏡に装着して実際に走
査して得られた形状像から、探針の評価を行う方法があ
る。具体的には、四角柱凸状パターンや金コロイド粒子
により任意方向の探針の形状および断面形状を計測する
方法や、基準試料を用いてのシュミレーション計算方法
などがある。
は、先端の鋭い探針を試料極近傍に接近させることによ
り生じる探針試料間の物理量をナノメートルオーダの分
解能で測定する装置である。走査型プローブ顕微鏡を用
いて試料表面の形状を測定する場合には、測定結果は探
針先端の形状を反映する。ここで、測定対象試料の平面
度が比較的に高ければ正確な表面像が得られる。しか
し、探針先端曲率半径より小さい凹凸を含む試料を測定
する場合には、測定結果は探針先端が表面凹凸に入り込
めないために実際の表面形状と異なる。また、探針先端
開き角より急峻な傾きを有する試料を測定する場合に
は、測定結果は探針先端が試料スロープに接触しないた
めに実際の表面形状と異なる。これより正しい表面形状
像を得るには、適切な先端表面形状を有した探針を使用
する必要がある。そのためには、走査前あるいは走査中
に、測定に用いる探針の先端形状を把握している必要が
生じる。先端曲率半径が数nm〜数十nmである探針形状を
正確に把握するには透過電子顕微鏡（TEM）が適してい
るが、走査時における探針先端の摩耗状況を調べる場合
には走査型プローブ顕微鏡本体から探針を取り外す必要
が生じるとともに観察に多くの時間を費やすため実用的
でない。また、光学顕微鏡あるいは走査型電子顕微鏡を
用いた場合には十分な分解能が得られないために正確な
探針先端形状を把握できない。ここで、先端形状を把握
したい探針を走査型プローブ顕微鏡に装着して実際に走
査して得られた形状像から、探針の評価を行う方法があ
る。具体的には、四角柱凸状パターンや金コロイド粒子
により任意方向の探針の形状および断面形状を計測する
方法や、基準試料を用いてのシュミレーション計算方法
などがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
た従来例では、探針先端形状の定量的把握ができなかっ
たり、定量的把握が出来る場合でもその過程に時間がか
かるために走査型プローブ顕微鏡が半導体ウエハ検査な
どの計測器として用いられている環境では適していな
い。また、ウエハ等のラフネス測定のような凹凸の小さ
い試料の測定において探針先端開き角は測定結果に大き
な影響を与えず、データストレージピット等のスロープ
測定のような傾斜角度測定において探針先端曲率半径は
測定結果に大きな影響を与えないことから、測定対象試
料の形状ないし測定対象数値に応じて探針の良否を判定
可能にするために探針先端曲率半径と探針先端開き角を
数値化して提示する必要がある。また、既知の形状を有
する標準試料を用いる方法では標準試料の信頼性が必要
になるとともに形状の経時変化を考慮しなければならな
い。
た従来例では、探針先端形状の定量的把握ができなかっ
たり、定量的把握が出来る場合でもその過程に時間がか
かるために走査型プローブ顕微鏡が半導体ウエハ検査な
どの計測器として用いられている環境では適していな
い。また、ウエハ等のラフネス測定のような凹凸の小さ
い試料の測定において探針先端開き角は測定結果に大き
な影響を与えず、データストレージピット等のスロープ
測定のような傾斜角度測定において探針先端曲率半径は
測定結果に大きな影響を与えないことから、測定対象試
料の形状ないし測定対象数値に応じて探針の良否を判定
可能にするために探針先端曲率半径と探針先端開き角を
数値化して提示する必要がある。また、既知の形状を有
する標準試料を用いる方法では標準試料の信頼性が必要
になるとともに形状の経時変化を考慮しなければならな
い。
【０００４】本発明は従来のこのような問題を解決する
ためになされたものであり、その目的は、標準試料を走
査し得られた形状像から探針先端表面形状を反映したパ
ラメータを算出する機能を有する走査型プローブ顕微鏡
を提供することにある。
ためになされたものであり、その目的は、標準試料を走
査し得られた形状像から探針先端表面形状を反映したパ
ラメータを算出する機能を有する走査型プローブ顕微鏡
を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、この発明は、先端の鋭い探針を有するカンチレバー
とカンチレバーの変位を検出する光学系とカンチレバー
と試料を相対的に移動させる微動・粗動機構とカンチレ
バー試料間を任意に保つ制御系から構成される走査型プ
ローブ顕微鏡において、高さが探針長以下の突起物の微
細ドット列より成る標準試料あるいはラメラー構造を有
する標準試料を走査し得られた形状像から探針先端表面
形状を反映した探針先端曲率半径と探針先端開き角を算
出する機能を持たせた。
に、この発明は、先端の鋭い探針を有するカンチレバー
とカンチレバーの変位を検出する光学系とカンチレバー
と試料を相対的に移動させる微動・粗動機構とカンチレ
バー試料間を任意に保つ制御系から構成される走査型プ
ローブ顕微鏡において、高さが探針長以下の突起物の微
細ドット列より成る標準試料あるいはラメラー構造を有
する標準試料を走査し得られた形状像から探針先端表面
形状を反映した探針先端曲率半径と探針先端開き角を算
出する機能を持たせた。
【０００６】
【作用】上記のように構成された走査型プローブ顕微鏡
において、探針先端曲率半径と探針先端開き角の算出
を、凹凸を有する標準試料表面を走査して試料表面形状
像を得ることにより行う。すなわち、実際の測定試料の
計測を行う前あるいは連続測定途中において、試料凸部
傾きと凸部先端曲率半径が探針先端開き角と探針先端曲
率半径よりも小さい部分を含む標準試料を測定すること
で得られたデータを所定の方法で解析することにより探
針先端形状を反映した探針先端曲率半径と探針先端開き
角を求める。これにより、算出された数値からアプリケ
ーションに対する探針先端形状の良否を判定することが
可能になる。
において、探針先端曲率半径と探針先端開き角の算出
を、凹凸を有する標準試料表面を走査して試料表面形状
像を得ることにより行う。すなわち、実際の測定試料の
計測を行う前あるいは連続測定途中において、試料凸部
傾きと凸部先端曲率半径が探針先端開き角と探針先端曲
率半径よりも小さい部分を含む標準試料を測定すること
で得られたデータを所定の方法で解析することにより探
針先端形状を反映した探針先端曲率半径と探針先端開き
角を求める。これにより、算出された数値からアプリケ
ーションに対する探針先端形状の良否を判定することが
可能になる。
【０００７】
【発明の実施の形態】以下に、この発明の実施の形態を
図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施例を
示す構成図である。探針１１を標準試料１２近傍に位置
することにより生じる様々な物理情報を含んだ力は、探
針１１をカンチレバー１３の先端に付けることで、カン
チレバー１３の撓みとして検出される。カンチレバー１
３の撓みは、半導体レーザ１４からのLD光を用いて微少
変位検出器１５により検出される。この検出された信号
の出力変化に基づいて探針あるいは試料に接続されたス
キャナ１６のZ方向圧電素子を用いて探針試料間距離を
一定にするように制御回路１７を通してフィードバック
制御を行う。そして、探針試料間距離制御を行いながら
探針または試料をXY走査回路１８により２次元走査し出
力信号処理を行うことで、試料の物理情報像が画像表示
装置１９において得られる。
図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施例を
示す構成図である。探針１１を標準試料１２近傍に位置
することにより生じる様々な物理情報を含んだ力は、探
針１１をカンチレバー１３の先端に付けることで、カン
チレバー１３の撓みとして検出される。カンチレバー１
３の撓みは、半導体レーザ１４からのLD光を用いて微少
変位検出器１５により検出される。この検出された信号
の出力変化に基づいて探針あるいは試料に接続されたス
キャナ１６のZ方向圧電素子を用いて探針試料間距離を
一定にするように制御回路１７を通してフィードバック
制御を行う。そして、探針試料間距離制御を行いながら
探針または試料をXY走査回路１８により２次元走査し出
力信号処理を行うことで、試料の物理情報像が画像表示
装置１９において得られる。
【０００８】図１において標準試料１２には、剣山状に
加工されたSi等や炭素共析鋼に熱処理を施すことで生じ
るラメラー状パーライト組織等の表面に鋭角の凸部を有
するものとする。標準試料の凸部傾きと凸部先端曲率半
径が探針先端開き角と探針先端曲率半径よりも小さい場
合には、上記測定を行うことで探針先端形状を反映した
標準試料形状像が得られる。得られた形状像から一個所
の凸部分を拡大する、あるいは粗走査を行うことで位置
が判明する一個所の凸部分を拡大走査することで図２に
示すような３次元形状像を得る。この形状像は、標準試
料の凸部傾きと凸部先端曲率半径が探針先端開き角と探
針先端曲率半径よりも小さいために探針先端形状を反映
する。ここで図２に示される形状像においてZ方向最大
値から任意の間隔の各Z位置での断面図から各Z位置での
断面積を求める。ここで探針先端数百nmまでの探針断面
図は真円であるとして、求められた断面積を用いてZ方
向最大値から任意の間隔の各Z位置での断面半径を算出
する。
加工されたSi等や炭素共析鋼に熱処理を施すことで生じ
るラメラー状パーライト組織等の表面に鋭角の凸部を有
するものとする。標準試料の凸部傾きと凸部先端曲率半
径が探針先端開き角と探針先端曲率半径よりも小さい場
合には、上記測定を行うことで探針先端形状を反映した
標準試料形状像が得られる。得られた形状像から一個所
の凸部分を拡大する、あるいは粗走査を行うことで位置
が判明する一個所の凸部分を拡大走査することで図２に
示すような３次元形状像を得る。この形状像は、標準試
料の凸部傾きと凸部先端曲率半径が探針先端開き角と探
針先端曲率半径よりも小さいために探針先端形状を反映
する。ここで図２に示される形状像においてZ方向最大
値から任意の間隔の各Z位置での断面図から各Z位置での
断面積を求める。ここで探針先端数百nmまでの探針断面
図は真円であるとして、求められた断面積を用いてZ方
向最大値から任意の間隔の各Z位置での断面半径を算出
する。
【０００９】最大高さからのZ位置をX、断面半径をYと
して平面プロットした結果を図３に示す。この結果は標
準試料凸部先端が先鋭化していることで探針先端形状を
示すことになる。ここで得られた探針先端形状から直線
部分と曲線部分の境目であるY座標を求めて、直線部分
の傾きαを計算することで探針先端開き角２αを得る。
次に、得られたY座標値と直線部分の傾きαと計算式Y=R
cosαを用いて計算を行うことにより、探針先端曲率半
径Rを求める。ここで標準試料凸部先端曲率半径が既知
の場合には、求めた探針先端曲率半径から標準試料凸部
先端曲率半径を差し引くことで真の探針先端曲率半径値
が得られる。
して平面プロットした結果を図３に示す。この結果は標
準試料凸部先端が先鋭化していることで探針先端形状を
示すことになる。ここで得られた探針先端形状から直線
部分と曲線部分の境目であるY座標を求めて、直線部分
の傾きαを計算することで探針先端開き角２αを得る。
次に、得られたY座標値と直線部分の傾きαと計算式Y=R
cosαを用いて計算を行うことにより、探針先端曲率半
径Rを求める。ここで標準試料凸部先端曲率半径が既知
の場合には、求めた探針先端曲率半径から標準試料凸部
先端曲率半径を差し引くことで真の探針先端曲率半径値
が得られる。
【００１０】また、試料凸部傾きと凸部先端曲率半径が
探針先端開き角と探針先端曲率半径よりも小さい部分を
含む標準試料を用いる場合には、数多くの凸部上を走査
するように設定した画郭の標準試料形状像から、Z方向
最大値から任意の間隔のZ位置での各凸部における断面
図を各凸部のZ方向最大値の平面座標が一致するように
重ねあわせる。その重ねあわせ断面図から全ての各断面
図が重なる領域すなわち断面積が最少になるような断面
図を抽出する。この作業をZ方向最大値から任意の間隔
の各Z位置で行うことで図２に示すような形状像を作製
する。ここで上記に示すようなアルゴリズムを用いて探
針先端開き角と探針先端曲率半径を算出する。
探針先端開き角と探針先端曲率半径よりも小さい部分を
含む標準試料を用いる場合には、数多くの凸部上を走査
するように設定した画郭の標準試料形状像から、Z方向
最大値から任意の間隔のZ位置での各凸部における断面
図を各凸部のZ方向最大値の平面座標が一致するように
重ねあわせる。その重ねあわせ断面図から全ての各断面
図が重なる領域すなわち断面積が最少になるような断面
図を抽出する。この作業をZ方向最大値から任意の間隔
の各Z位置で行うことで図２に示すような形状像を作製
する。ここで上記に示すようなアルゴリズムを用いて探
針先端開き角と探針先端曲率半径を算出する。
【００１１】
【発明の効果】この発明は、以上説明したように、走査
型プローブ顕微鏡において標準試料を走査し得られた形
状像から探針先端表面形状を反映したパラメータを算出
する機能を持たせたことで、走査型プローブ顕微鏡の使
用目的に応じた探針の良否を判断することが可能とな
る。また、探針先端表面形状を反映した探針先端曲率半
径と探針先端開き角を数値化することで、測定データの
解析作業における測定データの信頼性の判断を容易に行
うことが可能となる。また、以上説明したパラメータの
算出方法を用いることで既知の形状の標準試料を用いる
必要が無くなるという効果がある。
型プローブ顕微鏡において標準試料を走査し得られた形
状像から探針先端表面形状を反映したパラメータを算出
する機能を持たせたことで、走査型プローブ顕微鏡の使
用目的に応じた探針の良否を判断することが可能とな
る。また、探針先端表面形状を反映した探針先端曲率半
径と探針先端開き角を数値化することで、測定データの
解析作業における測定データの信頼性の判断を容易に行
うことが可能となる。また、以上説明したパラメータの
算出方法を用いることで既知の形状の標準試料を用いる
必要が無くなるという効果がある。
【図１】本発明の実施例における走査型プローブ顕微鏡
の構成図である。
の構成図である。
【図２】表面に鋭角な凸部をもつ標準試料の測定例であ
る。
る。
【図３】パラメータ算出方法の説明図である。
１１ 探針 １２ 標準試料 １３ カンチレバー １４ 半導体レーザ １５ 変位検出器 １６ スキャナ １７ 制御回路 １８ 走査回路 １９ 画像表示装置
Claims (4)
- 【請求項１】 先端の鋭い探針を有するカンチレバー
と、カンチレバーの変位を検出する光学系と、カンチレ
バーと試料を相対的に移動させる微動・粗動機構と、カ
ンチレバー試料間距離を任意に保つ制御系から構成され
る走査型プローブ顕微鏡において、標準試料を走査し得
られた形状像から探針先端表面形状を反映したパラメー
タを算出する機能を持たせたことを特徴とする走査型プ
ローブ顕微鏡。 - 【請求項２】 前記標準試料は高さが探針長以下の突起
物の微細ドット列より成ることを請求項１記載の走査型
プローブ顕微鏡。 - 【請求項３】 前記標準試料は高さが探針長以下のラメ
ラー構造を有する材料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。 - 【請求項４】 前記算出されるパラメータは探針先端曲
率半径と探針先端開き角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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP34627699A JP2001165844A (ja) | 1999-12-06 | 1999-12-06 | 走査型プローブ顕微鏡 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP34627699A JP2001165844A (ja) | 1999-12-06 | 1999-12-06 | 走査型プローブ顕微鏡 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001165844A true JP2001165844A (ja) | 2001-06-22 |
Family
ID=18382311
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP34627699A Pending JP2001165844A (ja) | 1999-12-06 | 1999-12-06 | 走査型プローブ顕微鏡 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001165844A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1300562C (zh) * | 2004-02-26 | 2007-02-14 | 上海大学 | 扫描探针显微镜中压电执行器模型参数标定和非线性校正方法 |
| CN103196411A (zh) * | 2012-01-10 | 2013-07-10 | 精工电子纳米科技有限公司 | 扫描型探针显微镜的探针形状评价方法 |
| CN112567252A (zh) * | 2018-08-09 | 2021-03-26 | 株式会社岛津制作所 | 扫描探针显微镜以及使用扫描探针显微镜的物理性质测定方法 |
| WO2022137600A1 (ja) * | 2020-12-21 | 2022-06-30 | 株式会社島津製作所 | 探針の評価方法およびｓｐｍ |
-
1999
- 1999-12-06 JP JP34627699A patent/JP2001165844A/ja active Pending
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1300562C (zh) * | 2004-02-26 | 2007-02-14 | 上海大学 | 扫描探针显微镜中压电执行器模型参数标定和非线性校正方法 |
| CN103196411A (zh) * | 2012-01-10 | 2013-07-10 | 精工电子纳米科技有限公司 | 扫描型探针显微镜的探针形状评价方法 |
| JP2013142586A (ja) * | 2012-01-10 | 2013-07-22 | Hitachi High-Tech Science Corp | 走査型プローブ顕微鏡の探針形状評価方法 |
| CN112567252A (zh) * | 2018-08-09 | 2021-03-26 | 株式会社岛津制作所 | 扫描探针显微镜以及使用扫描探针显微镜的物理性质测定方法 |
| CN112567252B (zh) * | 2018-08-09 | 2024-03-08 | 株式会社岛津制作所 | 扫描探针显微镜以及使用扫描探针显微镜的物理性质测定方法 |
| WO2022137600A1 (ja) * | 2020-12-21 | 2022-06-30 | 株式会社島津製作所 | 探針の評価方法およびｓｐｍ |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| RD01 | Notification of change of attorney |
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| A711 | Notification of change in applicant |
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