JP2002107283A - 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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Abstract
(57)【要約】
【課題】 試料の形状像等を、環境の影響なしに繰り返
し高精度に再現することのできる走査型プローブ顕微鏡
を提供する。 【解決手段】 試料あるいはプローブをＸＹＺ方向に微
小移動させる微小駆動手段と、微小駆動手段の変位を
Ｘ、Ｙ、Ｚ方向それぞれに測定可能な変位検出手段と、
変位検出手段の出力値を配列データとして記録し、配列
データから、Ｘ、Ｙ、Ｚそれぞれの相対位置を補正して
出力画像とする画像補正手段１５を備える構成とした。
ＳＰＭ測定部１３は、ＳＰＭコントローラ１４により制
御される。また、各変位センサの出力値は、ＳＰＭコン
トローラ１４に取り込まれ、操作・表示手段１６に送ら
れる。Ｘ，Ｙ，Ｚセンサ出力データは、操作・表示手段
１６から画像補正処理手段１５へ送られ、処理される。
し高精度に再現することのできる走査型プローブ顕微鏡
を提供する。 【解決手段】 試料あるいはプローブをＸＹＺ方向に微
小移動させる微小駆動手段と、微小駆動手段の変位を
Ｘ、Ｙ、Ｚ方向それぞれに測定可能な変位検出手段と、
変位検出手段の出力値を配列データとして記録し、配列
データから、Ｘ、Ｙ、Ｚそれぞれの相対位置を補正して
出力画像とする画像補正手段１５を備える構成とした。
ＳＰＭ測定部１３は、ＳＰＭコントローラ１４により制
御される。また、各変位センサの出力値は、ＳＰＭコン
トローラ１４に取り込まれ、操作・表示手段１６に送ら
れる。Ｘ，Ｙ，Ｚセンサ出力データは、操作・表示手段
１６から画像補正処理手段１５へ送られ、処理される。
Description
【発明の属する技術分野】本発明は、走査型トンネル顕
微鏡（ＳＴＭ）や、走査型原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）な
どに代表される走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）に関す
る。
微鏡（ＳＴＭ）や、走査型原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）な
どに代表される走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）に関す
る。
【従来の技術】現在、微小な試料の表面形状を観察する
手段として走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）や走査型原
子間力顕微鏡（ＡＦＭ）等に代表される走査型プローブ
顕微鏡（ＳＰＭ）が広く用いられている。ＳＰＭは、プ
ローブと試料表面の物理的相互作用によって、試料表面
の形状・物性等を観察するものであり、その特徴はサブ
ナノメートルオーダーという高い分解能にある。高分解
能を達成するためには、試料あるいはプローブをＸＹＺ
それぞれの方向に微小駆動する必要があるが、通常その
駆動には、圧電素子が用いられている。その圧電素子の
中でも最も一般的なのが、円筒型圧電素子である。円筒
型圧電素子は、個別に駆動信号を印加可能な電極を設け
ることで、一個の圧電素子でＸ，Ｙ，Ｚそれぞれの方向
に駆動することができ、Ｘ、Ｙ方向の変位量を比較的大
きく確保することができる、などの利便性を有する。Ｓ
ＰＭでは、この円筒型圧電素子に印加するＸＹＺそれぞ
れの駆動信号を３次元的にマッピングすることにより、
試料の表面形状等の観察像を再現することができる。図
１３は、円筒型圧電素子を利用した従来のＳＰＭの構成
を示す。プローブ５２がプローブ支持台５１を介して円
筒型圧電素子５０に取り付けられる。試料台５４上の試
料５３との物理的相互作用に応じたプローブの変化を、
相互作用検出手段５５により検出する。なお、相互作用
検出手段５５で実際に検出する対象となるのは、相互作
用が原子間力である場合には原子間力に応じたプローブ
５２のたわみであり、また、トンネル電流の場合にはプ
ローブ５２と試料５３との間に流れるトンネル電流であ
る。この相互作用検出手段５５の出力信号に応じて、円
筒型圧電素子５０のＺ方向の駆動量を制御しながら、Ｘ
Ｙ方向に走査することで、試料５３表面の形状などを観
察することが可能となる。これらの制御を行うのが、Ｓ
ＰＭコントローラ５６であり、また観察像の出力および
全体の操作を行うのが、操作・表示手段５７である。
手段として走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）や走査型原
子間力顕微鏡（ＡＦＭ）等に代表される走査型プローブ
顕微鏡（ＳＰＭ）が広く用いられている。ＳＰＭは、プ
ローブと試料表面の物理的相互作用によって、試料表面
の形状・物性等を観察するものであり、その特徴はサブ
ナノメートルオーダーという高い分解能にある。高分解
能を達成するためには、試料あるいはプローブをＸＹＺ
それぞれの方向に微小駆動する必要があるが、通常その
駆動には、圧電素子が用いられている。その圧電素子の
中でも最も一般的なのが、円筒型圧電素子である。円筒
型圧電素子は、個別に駆動信号を印加可能な電極を設け
ることで、一個の圧電素子でＸ，Ｙ，Ｚそれぞれの方向
に駆動することができ、Ｘ、Ｙ方向の変位量を比較的大
きく確保することができる、などの利便性を有する。Ｓ
ＰＭでは、この円筒型圧電素子に印加するＸＹＺそれぞ
れの駆動信号を３次元的にマッピングすることにより、
試料の表面形状等の観察像を再現することができる。図
１３は、円筒型圧電素子を利用した従来のＳＰＭの構成
を示す。プローブ５２がプローブ支持台５１を介して円
筒型圧電素子５０に取り付けられる。試料台５４上の試
料５３との物理的相互作用に応じたプローブの変化を、
相互作用検出手段５５により検出する。なお、相互作用
検出手段５５で実際に検出する対象となるのは、相互作
用が原子間力である場合には原子間力に応じたプローブ
５２のたわみであり、また、トンネル電流の場合にはプ
ローブ５２と試料５３との間に流れるトンネル電流であ
る。この相互作用検出手段５５の出力信号に応じて、円
筒型圧電素子５０のＺ方向の駆動量を制御しながら、Ｘ
Ｙ方向に走査することで、試料５３表面の形状などを観
察することが可能となる。これらの制御を行うのが、Ｓ
ＰＭコントローラ５６であり、また観察像の出力および
全体の操作を行うのが、操作・表示手段５７である。
【発明が解決しようとする課題】従来のＳＰＭは、その
高い分解能から微小領域の表面観察手段として有効であ
る。しかしながら、ここ数年、ＳＰＭにより半導体や記
録媒体の形状を精度良く計測したいという要求が増えつ
つある。ＳＰＭをこうした計測装置として見た場合、位
置決め精度や繰り返し精度などの点で十分ではない。従
来のＳＰＭでは、Ｘ、Ｙ方向の走査は、オープンループ
制御であり、印加した駆動信号どおりに圧電素子が変位
するということを前提としてプローブあるいは試料の位
置を決定している。しかし、実際には、圧電素子にはヒ
ステリシスや非直線的動作などが存在するため、その変
位量は駆動信号に比例しない。そのため、プローブの位
置は不確かなものになる。従って、得られる観察像も実
際の形状などを正確には再現していないということにな
る。これを解決するために、従来のＳＰＭでは、駆動信
号と圧電素子の変位を測定しておき、圧電素子が直線的
に動作するよう補正を行っている。しかし、この方法
も、実績値による補正であるため、大きなヒステリシス
などによる影響は改善するものの、微小位置誤差を除去
するのには十分とはいえない。また、ヒステリシスや非
直線的動作は、素子の材質のばらつき、形状精度、電極
精度等により異なるものであり、素子毎に補正係数を求
めなければならない。さらに、温度、振動等の環境条件
によってもその誤差が変化するといった課題もある。こ
こで形状精度によって生じる非直線的動作の例として、
円筒型圧電素子の厚さが均等で無い場合を考える。図１
４（ａ）は、左右の素子の厚さが均等な円筒型圧電素子
の断面図、図１４（ｂ）は、均等でない円筒型圧電素子
の断面図である。実際に用いられる圧電素子は複数の電
極を設け、３次元的に伸縮できる構造となっているが、
ここでは簡略化し、図１４（ａ）、図１４（ｂ）それぞ
れの圧電素子が、内側、外側の一面に均等な電極が形成
された垂直方向のみ伸縮するものとして考える。図１４
（ａ）の場合に、内側と外側の電極間に電位が印加され
ると左右均等に圧電素子が延びるため、図１４（ａ）中
の波線で示したように垂直方向のみの変位となり、望む
べき特性が得られる。しかし、図１４（ｂ）のように素
子の厚さが不均一であると、図１４（ａ）と同じ電位が
印加されても、図１４（ｂ）左側の膜圧の薄い部分がよ
り大きく延びるため、波線で示したように水平方向にも
変位することとなる。つまり、同じ電位を印加しても、
垂直方向の変位に誤差が生ずるだけでなく、水平方向に
も多大な誤差を生ずる原因となる。この図１４（ｂ）の
ような圧電素子をプローブ顕微鏡に用いて駆動信号のみ
から形状像を得ると、多大な誤差を生ずることは明白で
ある。
高い分解能から微小領域の表面観察手段として有効であ
る。しかしながら、ここ数年、ＳＰＭにより半導体や記
録媒体の形状を精度良く計測したいという要求が増えつ
つある。ＳＰＭをこうした計測装置として見た場合、位
置決め精度や繰り返し精度などの点で十分ではない。従
来のＳＰＭでは、Ｘ、Ｙ方向の走査は、オープンループ
制御であり、印加した駆動信号どおりに圧電素子が変位
するということを前提としてプローブあるいは試料の位
置を決定している。しかし、実際には、圧電素子にはヒ
ステリシスや非直線的動作などが存在するため、その変
位量は駆動信号に比例しない。そのため、プローブの位
置は不確かなものになる。従って、得られる観察像も実
際の形状などを正確には再現していないということにな
る。これを解決するために、従来のＳＰＭでは、駆動信
号と圧電素子の変位を測定しておき、圧電素子が直線的
に動作するよう補正を行っている。しかし、この方法
も、実績値による補正であるため、大きなヒステリシス
などによる影響は改善するものの、微小位置誤差を除去
するのには十分とはいえない。また、ヒステリシスや非
直線的動作は、素子の材質のばらつき、形状精度、電極
精度等により異なるものであり、素子毎に補正係数を求
めなければならない。さらに、温度、振動等の環境条件
によってもその誤差が変化するといった課題もある。こ
こで形状精度によって生じる非直線的動作の例として、
円筒型圧電素子の厚さが均等で無い場合を考える。図１
４（ａ）は、左右の素子の厚さが均等な円筒型圧電素子
の断面図、図１４（ｂ）は、均等でない円筒型圧電素子
の断面図である。実際に用いられる圧電素子は複数の電
極を設け、３次元的に伸縮できる構造となっているが、
ここでは簡略化し、図１４（ａ）、図１４（ｂ）それぞ
れの圧電素子が、内側、外側の一面に均等な電極が形成
された垂直方向のみ伸縮するものとして考える。図１４
（ａ）の場合に、内側と外側の電極間に電位が印加され
ると左右均等に圧電素子が延びるため、図１４（ａ）中
の波線で示したように垂直方向のみの変位となり、望む
べき特性が得られる。しかし、図１４（ｂ）のように素
子の厚さが不均一であると、図１４（ａ）と同じ電位が
印加されても、図１４（ｂ）左側の膜圧の薄い部分がよ
り大きく延びるため、波線で示したように水平方向にも
変位することとなる。つまり、同じ電位を印加しても、
垂直方向の変位に誤差が生ずるだけでなく、水平方向に
も多大な誤差を生ずる原因となる。この図１４（ｂ）の
ような圧電素子をプローブ顕微鏡に用いて駆動信号のみ
から形状像を得ると、多大な誤差を生ずることは明白で
ある。
【課題を解決するための手段】これらの課題を解決する
ために、本願発明によるプローブ顕微鏡は、微小駆動手
段の変位をＸ、Ｙ、Ｚ方向それぞれに測定可能な変位検
出手段と、試料をプローブで走査した際の各変位検出手
段出力値を配列データとして記録し、その記録した配列
データから、Ｘ、Ｙ、Ｚそれぞれの相対位置を補正し画
像を構成する画像補正手段とを備えることとした。この
ような構成により、プローブもしくは試料の位置を、素
子の材質、形状精度、外部環境条件によらず、正確に検
出することができる。従って、実際の形状を繰り返し高
精度に再現できる。さらに、この構成は、従来のＳＰＭ
の構成に変位検出手段と画像補正手段を追加するだけで
よく、従来のＳＰＭの機能を損ねることなく、極めて簡
易に構成することができる。
ために、本願発明によるプローブ顕微鏡は、微小駆動手
段の変位をＸ、Ｙ、Ｚ方向それぞれに測定可能な変位検
出手段と、試料をプローブで走査した際の各変位検出手
段出力値を配列データとして記録し、その記録した配列
データから、Ｘ、Ｙ、Ｚそれぞれの相対位置を補正し画
像を構成する画像補正手段とを備えることとした。この
ような構成により、プローブもしくは試料の位置を、素
子の材質、形状精度、外部環境条件によらず、正確に検
出することができる。従って、実際の形状を繰り返し高
精度に再現できる。さらに、この構成は、従来のＳＰＭ
の構成に変位検出手段と画像補正手段を追加するだけで
よく、従来のＳＰＭの機能を損ねることなく、極めて簡
易に構成することができる。
【発明の実施の形態】次に、本発明における実施例につ
いて説明する。本発明のＳＰＭ測定部の構成を表す模式
図を図１に示す。図１（ａ）は上面図であり、図１
（ｂ）は正面図である。従来のＳＰＭと同様に、ＸＹＺ
方向に移動可能なスキャナ１にプローブ支持台６および
プローブ７が取り付けられ、試料台９上に試料８が配置
されている。試料８の表面をプローブ７と試料８の物理
的相互作用を検出しながら走査することが可能となって
いる。なお、図１には示していないが、従来のＳＰＭと
同様に相互作用を検出するための機構も組み込まれてい
る。本実施例では、さらに、Ｘ変位センサ３、Ｙ変位セ
ンサ４、Ｚ変位センサ５を組み込み、プローブ７の移動
量を検出できるようになっている。そのため、スキャナ
１の走査時に、Ｘ、Ｙ、Ｚそれぞれの変位量をデータと
して取り込むことが可能となっている。また、本実施例
では、変位センサとして静電容量方式のものを想定して
いるためセンサ対極２がスキャナ１に取り付けられてい
るが、干渉計や光電検出器等もセンサとして利用可能で
ある。図２は、本実施例のＳＰＭ全体の構成を示すブロ
ック図である。ＳＰＭ測定部１３は、ＳＰＭコントロー
ラ１４により制御される。また、各変位センサの出力値
は、ＳＰＭコントローラ１４に取り込まれ、操作・表示
手段１６に送られる。これは、走査時のスキャナ１の駆
動とセンサ出力の取り込みを同期させる必要があるため
であり、ＳＰＭコントローラ１４により処理することで
効率的に信号を処理することができるようになってい
る。操作・表示手段１６とは、通常ＳＰＭ全体を制御
し、データを表示するコンピュータおよびプログラムで
ある。本実施例では、Ｘ，Ｙ，Ｚセンサの出力データ
は、操作・表示手段１６から画像補正処理手段１５へ送
られ、処理される。上述したＳＰＭでは、Ｘ、Ｙ、Ｚ各
センサ出力値が、それぞれ同じ要素数の配列データとし
て得られることになる。Ｘ変位センサの出力値１７
（ａ）、Ｙ変位センサ出力値１８（ａ）およびＺ変位セ
ンサ出力値１９として、それぞれの配列データの模式図
を図３に示す。Ｘ方向に１ライン走査した後、Ｙを１画
素に対応する分だけ移動し、再度Ｘを走査するという行
為を繰り返すことにより、ある領域を走査する場合、Ｘ
の各行の値は、おおよそＸ変位センサ出力値ラインプロ
ファイル１７（ｂ）のような単調増加のラインとして示
され、またＹは、各列がＹ変位センサ出力値ラインプロ
ファイル１８（ｂ）のような単調増加を示すことにな
る。もちろん、図３は理想的な走査結果であり、実際に
はスキャナのヒステリシスなどの影響より、様々な誤差
が含まれる結果となるはずである。また、Ｚ変位センサ
出力値１９は、走査した試料の表面形状と対応した高さ
を示す変位センサ値が、配列の各要素に格納される。ま
たここで、Ｘ、Ｙ、Ｚセンサ出力値が、正しくスキャナ
の変位を表しているかどうかが問題となる。例えば、図
１で示した、Ｘ、Ｙ、Ｚ変位センサの取り付け角度が、
あらかじめ想定した理想的な角度からずれていれば、当
然誤差が生じる。この場合、センサ値が正しい変位を示
すように、何らかの補正を行うことが必要である。図４
は補正の一例である。図４で示すように、Ｘ、Ｙ変位セ
ンサ軸をＵ、Ｖとし、それぞれの角度が、理想的な軸で
あるＸＹ軸からα、βだけずれている場合を考える。な
おここでは、図３で示したＸ、Ｙ変位センサのデータを
考慮してＸ、Ｙ軸を設定している。この場合、変位セン
サ軸上の（ｕ，ｖ）を、理想的なＸＹ軸上の（ｘ，ｙ）
に補正する必要があるが、その式は、以下のように表す
ことができる。 ｘ＝ｕ・ｃｏｓα＋ｖ・ｓｉｎβ ｙ＝−ｕ・ｓｉｎα＋ｖ・ｃｏｓβ この式に基づいて、Ｘ、Ｙ変位センサ値の各点の値を計
算することで、正しいセンサ値を得ることが可能とな
る。これは、変位センサ値の配列を得た後にコンピュー
タ上で行う処理である、変位センサ出力後に電気的な信
号処理として補正機能を追加することももちろん可能で
ある。また、Ｚ変位センサの取り付け角度がずれている
場合にも、同様にして補正することができる。次に、セ
ンサ値が温度変化などに応じて、ドリフトする場合を考
える。もし、このドリフトが、経過時間に応じたある関
数で表されるならば、簡単に補正することができる。例
えとして、変位センサ出力が、時間に応じて直線的に単
調増加する場合を考える。この場合、ドリフト量を表す
関数は、ドリフト量をＤ、経過時間をＴ、傾きをａ、切
片をｂとすれば、 Ｄ（Ｔ） = ａ・Ｔ + ｂ と表される。そこで、単位時間となるデータのサンプリ
ングする間隔をΔＴ、その単位時間当たりのドリフト量
をΔＤとすると、 ΔＤ = a・ΔＴ となる。このドリフト量を単位時間当たりのセンサ値の
増分から減算することで簡単に補正することが可能とな
る。これと同様に、変位センサ値のドリフトを時間の関
数Ｄ（Ｔ）として求めることができれば、簡単に補正す
ることができる。ＸＹＺ空間上に、前述のようにして得
られたそれぞれの変位センサ出力値を座標とする点をプ
ロットすれば、真の形状像ともいえる像が得られる。し
かし、そのままではデータの容量が大きく、処理を行う
コンピュータや、信号処理用の電気回路に与える負荷が
大きくなってしまう。また、コンピュータなどで扱うビ
ットマップなどの画像データとしては、画像の個々の点
のＸＹ座標がそのままスキャナの変位を、またその点の
強度がＺ方向の変位を表すようにした方が都合がよい。
このような画像を得る手段が前述の画像補正処理手段１
５である。ＸＹ変位センサ出力値に基づいて、ＸＹ平面
上に点をプロットした場合の概略図を図５に示す。Ｘ、
Ｙそれぞれに若干のバラツキが存在するとすれば、図５
に示すセンサ値ＸＹプロット２０のような点となる。そ
れらのデータを元に、点の背景に描かれた等間隔に並ん
だ配列データ２１の座標に対応するＺの値を補完すると
いう作業が本発明における画像補正処理である。このよ
うな配列データを求めておくことにより、元はＸ、Ｙ、
Ｚの３つの配列データだったものが１つのデータとして
扱える。そのため、データの効率化が図られ、また、コ
ンピュータで一般的に用いられているビットマップなど
の画像形式に簡単に転用することが可能となる。次に、
画像補正処理の大まかな流れを、図６に示すフローチャ
ートに基づいて説明する。また、補正方法の概略図を図
７に示す。まず、図６の目標点選択処理２２において、
求めるべき等間隔配列データのある一点のＸＹ座標を求
める。このＸＹ座標が図７で示す目標点である。センサ
値の組の中から、図７のセンサ値Ａ、センサ値Ｂ、セン
サ値Ｃとして示すような、その座標に最も近接した点を
３組選出する。この処理が、図６における近似点選出処
理２３である。次に、３角形判定処理２４においては、
その近接した３組の点が、ＸＹ平面に３角形を形成し、
且つ、その３角形に目標点が内在するかどうかを判定す
る。その後、その３組の点で構成される３次元空間内の
平面を表す方程式を求め（近似式算出処理２５）その式
に目標点のＸＹ座標を入力することにより、目標点のＺ
値が求められる（補正値算出処理２６）。以上の工程
を、処理完了判定処理２７により終了と判定されるま
で、即ち補正結果となる配列データの要素の数だけ繰り
返すことで、補正画像が求められることになる。図６に
おいては、補正画像の各点を目標点として選出した後
に、その点に近接する３点を検索し、さらにその３点が
３角形を形成するかどうかを判定した。しかし、あらか
じめ、ＸＹセンサ値の組を、各点を結ぶ３角形に分割し
た後、目標点が内在する３角形を検索するという手法も
ある。その手法を、図８のフローチャートに示す。この
場合、３角形分割処理３０で３角形分割することになる
が、その手法の例として、一般的に広く用いられている
ドロネーの３角形分割法を挙げる。この場合には、まず
図９に示すようなボロノイ図を作成する必要がある。な
お、図９における各点（以後母点と呼ぶ）は、ＸＹセン
サ値に基づいて平面上に配置されたものとする。そし
て、その各点を囲む多角形がボロノイ多角形と呼ばれ、
その多角形の境界は、各母点を結ぶ線分の垂直２等分線
で構成されている。ボロノイ点と呼ばれるボロノイ多角
形の頂点は、必ず３辺の交点となっており、その結果、
ボロノイ点の周りには、必ず母点が３点配置されている
ことになる。その３点を結ぶ３角形が、ドロネー３角形
と呼ばれる。つまり、このドロネー３角形を平面上全て
の点に対して求めれば、結果的に平面を３角形に分割す
ることが可能となる。そのドロネー３角形の集合を示し
たのが、図１０であり、ドロネー図と呼ばれるものであ
る。以上が、ドロネーの３角分割法であるが、この方法
の利点として、ドロネー３角形が比較的、正３角形に近
い形で求められるため、この後行う近似計算の精度の面
で、有利となることが挙げられる。また、この手法が構
造解析や画像処理などを含めた多くの分野で、一般的に
利用されているため、実績がある点も利点として挙げら
れる。ただし、この手法の場合、予めボロノイ点やドロ
ネー３角形の情報を記憶し、処理する必要があるため、
図６の処理よりも、使用するコンピュータへの記憶容量
などに対する負荷が大きくなる。そのため、使用するコ
ンピュータの性能によっては、図６の処理を選択せざる
を得ない可能性がある。以上の３角形分割の後は、図８
に示す通り、目標点のＸＹ座標の算出（目標点選択処理
３１）、目標点が含まれるドロネー３角形の選出（近接
３角形選出処理３２）、ドロネー３角形を構成する３点
から近似式を算出（近似式算出処理３３）、近似式から
補正値を算出（補正値算出処理３４）、という一連の流
れを処理完了判定処理３４で終了と判定されるまで、繰
り返すことで補正画像が求められる。図６、図８の処理
において、それぞれ平面近似を行うことで高精度の補正
が可能となるが、すべての点に置いて、平面を表す式を
求める必要があるため、処理に時間がかかる場合があ
る。そこで、精度は犠牲となるが、最も近い点のＺ変位
センサ値を、目標点のＺ値として代入する方法、あるい
は、目標点近傍の数組のＺ変位センサ値を平均し、代入
することで、処理速度を向上することができる。また、
画像補正処理として、図１１の概略図に示すような手法
も考えられる。図６における近似点選出処理２３におい
て、目標点を囲み、かつ４角形を構成するようなセンサ
値４組を、図１１のように選出する。次の近似式算出処
理２５において、まずセンサ値Ａとセンサ値Ｂを結ぶ直
線と、センサ値Ｃとセンサ値Ｄを結ぶ直線に対して、Ｙ
軸に平行で、目標点を通る直線を引き、その交点ａ，ｂ
のＸ、Ｚ座標を求める。その交点ａ，ｂを結ぶ直線の近
似式から、目標点におけるＺ値を求めることが可能とな
る。以上の実施例では、全てＺセンサ値を元にした、高
精度な形状像を求める手法について説明したが、ＳＰＭ
では、試料の高さ以外にも、光、摩擦力、表面電位など
様々な試料の特性を測定可能である。その場合にも、
Ｘ、Ｙセンサ値とともに、それらの特性情報を同時に記
録しておき、上記のＺセンサ値の配列データの代わりに
用いることで、ＸＹ方向に高精度な、それぞれの特性像
が得られることになる。その一例として、図１で示した
ＳＰＭ測定部を、走査型近視野顕微鏡として利用する場
合の構成模式図を図１２に示す。図１２において、図１
と異なる点は、試料８に光を照射するために、光ファイ
バーなどの光伝搬体により作製された光プローブ１００
を用いること、さらにそのプローブ１００に光を入光す
るための集光レンズ１０３および光源１０２が追加され
ている点である。さらに、試料８から透過した光をミラ
ー１０４と集光レンズ１０５により、光検出器１０６に
導くことで、試料８の光学的特性が測定可能となってい
る。また、ここで用いられる試料台１０１は、試料８か
らの透過光を遮ることのないような、形状や材質にする
必要がある。光検出器１０６で得られた光学的特性情報
を、前述のＺセンサ値と同様に、配列データとして保存
し、補正処理することで、ＸＹ方向の位置精度の高い光
学的特性像が得られる。また、Ｚ方向の変位が微小で、
センサを用いなくても十分な精度が得られるのであれ
ば、Ｚ方向にはセンサを設けず、従来のプローブ顕微鏡
と同様にスキャナに入力するＺ方向の駆動信号を高さ方
向を表すデータとして、補正することにより形状像を得
ることができる。
いて説明する。本発明のＳＰＭ測定部の構成を表す模式
図を図１に示す。図１（ａ）は上面図であり、図１
（ｂ）は正面図である。従来のＳＰＭと同様に、ＸＹＺ
方向に移動可能なスキャナ１にプローブ支持台６および
プローブ７が取り付けられ、試料台９上に試料８が配置
されている。試料８の表面をプローブ７と試料８の物理
的相互作用を検出しながら走査することが可能となって
いる。なお、図１には示していないが、従来のＳＰＭと
同様に相互作用を検出するための機構も組み込まれてい
る。本実施例では、さらに、Ｘ変位センサ３、Ｙ変位セ
ンサ４、Ｚ変位センサ５を組み込み、プローブ７の移動
量を検出できるようになっている。そのため、スキャナ
１の走査時に、Ｘ、Ｙ、Ｚそれぞれの変位量をデータと
して取り込むことが可能となっている。また、本実施例
では、変位センサとして静電容量方式のものを想定して
いるためセンサ対極２がスキャナ１に取り付けられてい
るが、干渉計や光電検出器等もセンサとして利用可能で
ある。図２は、本実施例のＳＰＭ全体の構成を示すブロ
ック図である。ＳＰＭ測定部１３は、ＳＰＭコントロー
ラ１４により制御される。また、各変位センサの出力値
は、ＳＰＭコントローラ１４に取り込まれ、操作・表示
手段１６に送られる。これは、走査時のスキャナ１の駆
動とセンサ出力の取り込みを同期させる必要があるため
であり、ＳＰＭコントローラ１４により処理することで
効率的に信号を処理することができるようになってい
る。操作・表示手段１６とは、通常ＳＰＭ全体を制御
し、データを表示するコンピュータおよびプログラムで
ある。本実施例では、Ｘ，Ｙ，Ｚセンサの出力データ
は、操作・表示手段１６から画像補正処理手段１５へ送
られ、処理される。上述したＳＰＭでは、Ｘ、Ｙ、Ｚ各
センサ出力値が、それぞれ同じ要素数の配列データとし
て得られることになる。Ｘ変位センサの出力値１７
（ａ）、Ｙ変位センサ出力値１８（ａ）およびＺ変位セ
ンサ出力値１９として、それぞれの配列データの模式図
を図３に示す。Ｘ方向に１ライン走査した後、Ｙを１画
素に対応する分だけ移動し、再度Ｘを走査するという行
為を繰り返すことにより、ある領域を走査する場合、Ｘ
の各行の値は、おおよそＸ変位センサ出力値ラインプロ
ファイル１７（ｂ）のような単調増加のラインとして示
され、またＹは、各列がＹ変位センサ出力値ラインプロ
ファイル１８（ｂ）のような単調増加を示すことにな
る。もちろん、図３は理想的な走査結果であり、実際に
はスキャナのヒステリシスなどの影響より、様々な誤差
が含まれる結果となるはずである。また、Ｚ変位センサ
出力値１９は、走査した試料の表面形状と対応した高さ
を示す変位センサ値が、配列の各要素に格納される。ま
たここで、Ｘ、Ｙ、Ｚセンサ出力値が、正しくスキャナ
の変位を表しているかどうかが問題となる。例えば、図
１で示した、Ｘ、Ｙ、Ｚ変位センサの取り付け角度が、
あらかじめ想定した理想的な角度からずれていれば、当
然誤差が生じる。この場合、センサ値が正しい変位を示
すように、何らかの補正を行うことが必要である。図４
は補正の一例である。図４で示すように、Ｘ、Ｙ変位セ
ンサ軸をＵ、Ｖとし、それぞれの角度が、理想的な軸で
あるＸＹ軸からα、βだけずれている場合を考える。な
おここでは、図３で示したＸ、Ｙ変位センサのデータを
考慮してＸ、Ｙ軸を設定している。この場合、変位セン
サ軸上の（ｕ，ｖ）を、理想的なＸＹ軸上の（ｘ，ｙ）
に補正する必要があるが、その式は、以下のように表す
ことができる。 ｘ＝ｕ・ｃｏｓα＋ｖ・ｓｉｎβ ｙ＝−ｕ・ｓｉｎα＋ｖ・ｃｏｓβ この式に基づいて、Ｘ、Ｙ変位センサ値の各点の値を計
算することで、正しいセンサ値を得ることが可能とな
る。これは、変位センサ値の配列を得た後にコンピュー
タ上で行う処理である、変位センサ出力後に電気的な信
号処理として補正機能を追加することももちろん可能で
ある。また、Ｚ変位センサの取り付け角度がずれている
場合にも、同様にして補正することができる。次に、セ
ンサ値が温度変化などに応じて、ドリフトする場合を考
える。もし、このドリフトが、経過時間に応じたある関
数で表されるならば、簡単に補正することができる。例
えとして、変位センサ出力が、時間に応じて直線的に単
調増加する場合を考える。この場合、ドリフト量を表す
関数は、ドリフト量をＤ、経過時間をＴ、傾きをａ、切
片をｂとすれば、 Ｄ（Ｔ） = ａ・Ｔ + ｂ と表される。そこで、単位時間となるデータのサンプリ
ングする間隔をΔＴ、その単位時間当たりのドリフト量
をΔＤとすると、 ΔＤ = a・ΔＴ となる。このドリフト量を単位時間当たりのセンサ値の
増分から減算することで簡単に補正することが可能とな
る。これと同様に、変位センサ値のドリフトを時間の関
数Ｄ（Ｔ）として求めることができれば、簡単に補正す
ることができる。ＸＹＺ空間上に、前述のようにして得
られたそれぞれの変位センサ出力値を座標とする点をプ
ロットすれば、真の形状像ともいえる像が得られる。し
かし、そのままではデータの容量が大きく、処理を行う
コンピュータや、信号処理用の電気回路に与える負荷が
大きくなってしまう。また、コンピュータなどで扱うビ
ットマップなどの画像データとしては、画像の個々の点
のＸＹ座標がそのままスキャナの変位を、またその点の
強度がＺ方向の変位を表すようにした方が都合がよい。
このような画像を得る手段が前述の画像補正処理手段１
５である。ＸＹ変位センサ出力値に基づいて、ＸＹ平面
上に点をプロットした場合の概略図を図５に示す。Ｘ、
Ｙそれぞれに若干のバラツキが存在するとすれば、図５
に示すセンサ値ＸＹプロット２０のような点となる。そ
れらのデータを元に、点の背景に描かれた等間隔に並ん
だ配列データ２１の座標に対応するＺの値を補完すると
いう作業が本発明における画像補正処理である。このよ
うな配列データを求めておくことにより、元はＸ、Ｙ、
Ｚの３つの配列データだったものが１つのデータとして
扱える。そのため、データの効率化が図られ、また、コ
ンピュータで一般的に用いられているビットマップなど
の画像形式に簡単に転用することが可能となる。次に、
画像補正処理の大まかな流れを、図６に示すフローチャ
ートに基づいて説明する。また、補正方法の概略図を図
７に示す。まず、図６の目標点選択処理２２において、
求めるべき等間隔配列データのある一点のＸＹ座標を求
める。このＸＹ座標が図７で示す目標点である。センサ
値の組の中から、図７のセンサ値Ａ、センサ値Ｂ、セン
サ値Ｃとして示すような、その座標に最も近接した点を
３組選出する。この処理が、図６における近似点選出処
理２３である。次に、３角形判定処理２４においては、
その近接した３組の点が、ＸＹ平面に３角形を形成し、
且つ、その３角形に目標点が内在するかどうかを判定す
る。その後、その３組の点で構成される３次元空間内の
平面を表す方程式を求め（近似式算出処理２５）その式
に目標点のＸＹ座標を入力することにより、目標点のＺ
値が求められる（補正値算出処理２６）。以上の工程
を、処理完了判定処理２７により終了と判定されるま
で、即ち補正結果となる配列データの要素の数だけ繰り
返すことで、補正画像が求められることになる。図６に
おいては、補正画像の各点を目標点として選出した後
に、その点に近接する３点を検索し、さらにその３点が
３角形を形成するかどうかを判定した。しかし、あらか
じめ、ＸＹセンサ値の組を、各点を結ぶ３角形に分割し
た後、目標点が内在する３角形を検索するという手法も
ある。その手法を、図８のフローチャートに示す。この
場合、３角形分割処理３０で３角形分割することになる
が、その手法の例として、一般的に広く用いられている
ドロネーの３角形分割法を挙げる。この場合には、まず
図９に示すようなボロノイ図を作成する必要がある。な
お、図９における各点（以後母点と呼ぶ）は、ＸＹセン
サ値に基づいて平面上に配置されたものとする。そし
て、その各点を囲む多角形がボロノイ多角形と呼ばれ、
その多角形の境界は、各母点を結ぶ線分の垂直２等分線
で構成されている。ボロノイ点と呼ばれるボロノイ多角
形の頂点は、必ず３辺の交点となっており、その結果、
ボロノイ点の周りには、必ず母点が３点配置されている
ことになる。その３点を結ぶ３角形が、ドロネー３角形
と呼ばれる。つまり、このドロネー３角形を平面上全て
の点に対して求めれば、結果的に平面を３角形に分割す
ることが可能となる。そのドロネー３角形の集合を示し
たのが、図１０であり、ドロネー図と呼ばれるものであ
る。以上が、ドロネーの３角分割法であるが、この方法
の利点として、ドロネー３角形が比較的、正３角形に近
い形で求められるため、この後行う近似計算の精度の面
で、有利となることが挙げられる。また、この手法が構
造解析や画像処理などを含めた多くの分野で、一般的に
利用されているため、実績がある点も利点として挙げら
れる。ただし、この手法の場合、予めボロノイ点やドロ
ネー３角形の情報を記憶し、処理する必要があるため、
図６の処理よりも、使用するコンピュータへの記憶容量
などに対する負荷が大きくなる。そのため、使用するコ
ンピュータの性能によっては、図６の処理を選択せざる
を得ない可能性がある。以上の３角形分割の後は、図８
に示す通り、目標点のＸＹ座標の算出（目標点選択処理
３１）、目標点が含まれるドロネー３角形の選出（近接
３角形選出処理３２）、ドロネー３角形を構成する３点
から近似式を算出（近似式算出処理３３）、近似式から
補正値を算出（補正値算出処理３４）、という一連の流
れを処理完了判定処理３４で終了と判定されるまで、繰
り返すことで補正画像が求められる。図６、図８の処理
において、それぞれ平面近似を行うことで高精度の補正
が可能となるが、すべての点に置いて、平面を表す式を
求める必要があるため、処理に時間がかかる場合があ
る。そこで、精度は犠牲となるが、最も近い点のＺ変位
センサ値を、目標点のＺ値として代入する方法、あるい
は、目標点近傍の数組のＺ変位センサ値を平均し、代入
することで、処理速度を向上することができる。また、
画像補正処理として、図１１の概略図に示すような手法
も考えられる。図６における近似点選出処理２３におい
て、目標点を囲み、かつ４角形を構成するようなセンサ
値４組を、図１１のように選出する。次の近似式算出処
理２５において、まずセンサ値Ａとセンサ値Ｂを結ぶ直
線と、センサ値Ｃとセンサ値Ｄを結ぶ直線に対して、Ｙ
軸に平行で、目標点を通る直線を引き、その交点ａ，ｂ
のＸ、Ｚ座標を求める。その交点ａ，ｂを結ぶ直線の近
似式から、目標点におけるＺ値を求めることが可能とな
る。以上の実施例では、全てＺセンサ値を元にした、高
精度な形状像を求める手法について説明したが、ＳＰＭ
では、試料の高さ以外にも、光、摩擦力、表面電位など
様々な試料の特性を測定可能である。その場合にも、
Ｘ、Ｙセンサ値とともに、それらの特性情報を同時に記
録しておき、上記のＺセンサ値の配列データの代わりに
用いることで、ＸＹ方向に高精度な、それぞれの特性像
が得られることになる。その一例として、図１で示した
ＳＰＭ測定部を、走査型近視野顕微鏡として利用する場
合の構成模式図を図１２に示す。図１２において、図１
と異なる点は、試料８に光を照射するために、光ファイ
バーなどの光伝搬体により作製された光プローブ１００
を用いること、さらにそのプローブ１００に光を入光す
るための集光レンズ１０３および光源１０２が追加され
ている点である。さらに、試料８から透過した光をミラ
ー１０４と集光レンズ１０５により、光検出器１０６に
導くことで、試料８の光学的特性が測定可能となってい
る。また、ここで用いられる試料台１０１は、試料８か
らの透過光を遮ることのないような、形状や材質にする
必要がある。光検出器１０６で得られた光学的特性情報
を、前述のＺセンサ値と同様に、配列データとして保存
し、補正処理することで、ＸＹ方向の位置精度の高い光
学的特性像が得られる。また、Ｚ方向の変位が微小で、
センサを用いなくても十分な精度が得られるのであれ
ば、Ｚ方向にはセンサを設けず、従来のプローブ顕微鏡
と同様にスキャナに入力するＺ方向の駆動信号を高さ方
向を表すデータとして、補正することにより形状像を得
ることができる。
【発明の効果】以上説明したように、本願発明による走
査型プローブ顕微鏡は、試料あるいはプローブをＸＹＺ
方向に微小移動可能な微小駆動手段と、微小駆動手段の
変位をＸ、Ｙ、Ｚ方向それぞれに測定可能な変位検出手
段と、試料をプローブで走査した際の各変位検出手段出
力値を配列データとして記録し、その記録した配列デー
タから、Ｘ、Ｙ、Ｚそれぞれの相対位置を補正し出力画
像を構成する画像補正手段とを備える構成とした。この
ような構成にすることにより、圧電素子のヒステリシス
や非直線動作、もしくは環境条件などの影響を受けず
に、試料の実際の形状などを、繰り返し、高精度に再現
することができる。この結果、ＳＰＭを半導体や記録媒
体の表面状態を高精度に測定する計測装置として利用す
ることができる。
査型プローブ顕微鏡は、試料あるいはプローブをＸＹＺ
方向に微小移動可能な微小駆動手段と、微小駆動手段の
変位をＸ、Ｙ、Ｚ方向それぞれに測定可能な変位検出手
段と、試料をプローブで走査した際の各変位検出手段出
力値を配列データとして記録し、その記録した配列デー
タから、Ｘ、Ｙ、Ｚそれぞれの相対位置を補正し出力画
像を構成する画像補正手段とを備える構成とした。この
ような構成にすることにより、圧電素子のヒステリシス
や非直線動作、もしくは環境条件などの影響を受けず
に、試料の実際の形状などを、繰り返し、高精度に再現
することができる。この結果、ＳＰＭを半導体や記録媒
体の表面状態を高精度に測定する計測装置として利用す
ることができる。
【図１】本発明のＳＰＭ測定部の構成模式図である。
【図２】本発明のＳＰＭ全体の構成を示すブロック図で
ある。
ある。
【図３】ＸＹＺ変位センサ値を表す概略図である。
【図４】本発明の角度補正手段の概略図である。
【図５】ＸＹ変位センサ値のプロット図である。
【図６】本発明の画像補正手段のフローチャートであ
る。
る。
【図７】本発明の画像補正手段の一例を表す概略図であ
る。
る。
【図８】本発明の３角形分割法を用いた画像補正手段の
フローチャートである。
フローチャートである。
【図９】ボロノイ図の一例である。
【図１０】ドロネー図の一例である。
【図１１】本発明の画像補正手段の一例を表す概略図で
ある。
ある。
【図１２】本発明の走査型近視野顕微鏡の構成模式図で
ある。
ある。
【図１３】従来のＳＰＭの構成模式図である。
【図１４】（ａ）膜圧が均一な円筒型圧電素子の断面図
である。 （ｂ）膜圧が不均一な円筒型圧電素子の断面図である。
である。 （ｂ）膜圧が不均一な円筒型圧電素子の断面図である。
１０ Ｘ変位センサ １１ Ｙ変位センサ １２ Ｚ変位センサ １３ ＳＰＭ測定部 １４ ＳＰＭコントローラ １５ 画像補正処理手段 １６ 操作・表示手段 １７(a) Ｘ変位センサ出力値 １７(b) Ｘ変位センサ出力値ラインプロファイル １８(a ) Ｙ変位センサ出力値 １８(b) Ｙ変位センサ出力値ラインプロファイル １９ Ｚ変位センサ出力値 ２０ ＸＹセンサ出力値プロット ２１ 配列データ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F069 AA04 AA06 AA60 BB40 DD12 EE20 EE22 GG04 GG06 GG07 GG58 GG64 HH09 HH30 JJ08 JJ15 LL03 MM32 MM34 NN00 QQ05
Claims (13)
- 【請求項１】 試料あるいはプローブをＸＹＺ方向に微
小移動させる微小駆動手段と、 前記微小駆動手段の変位をＸ、Ｙ、Ｚ方向それぞれに測
定可能な変位検出手段と、 前記変位検出手段の出力値を配列データとして記録し、
前記配列データから、Ｘ、Ｙ、Ｚそれぞれの相対位置を
補正して出力画像とする画像補正手段とを備えることを
特徴とする走査型プローブ顕微鏡。 - 【請求項２】 前記変位検出手段の理想的な位置からの
ずれ角度を補正する角度補正手段を備えることを特徴と
する請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡。 - 【請求項３】 前記変位検出手段の出力値の時間に応じ
たドリフトを補正するドリフト補正手段を備えることを
特徴とする請求項１または請求項２に記載の走査型プロ
ーブ顕微鏡。 - 【請求項４】 Ｘ、Ｙ各変位検出手段出力値と同時に、
試料表面の特性を表す情報を測定可能な特性情報測定手
段を備えるとともに、 前記画像補正手段は、試料をプローブで走査した際の各
変位検出手段出力値と特性情報測定手段出力値を配列デ
ータとして記録し、その記録した配列データから、Ｘ、
Ｙ、Ｚあるいは特性情報の相対位置を補正し出力画像を
構成することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項
に記載の走査型プローブ顕微鏡。 - 【請求項５】 前記画像補正手段が、出力画像の個々の
点のＸＹ座標が等間隔に並んだ微小駆動手段のＸＹ方向
の変位に対応するように、且つ、個々の点における強度
が微小駆動手段のＺ方向の変位、あるいは試料の表面特
性情報に対応するように構成する手段であり、 前記変位検出手段の出力値の配列データの中から、出力
画像の個々の点のＸＹ座標の近傍に存在する１組以上の
データを選出する近傍点選出手段と、 選出された近傍点から出力画像の個々の点の強度となる
補正値を求める補正値算出手段を有することを特徴とす
る請求項４に記載の走査型プローブ顕微鏡。 - 【請求項６】 前記近傍点選出手段が、出力画像のある
対象点のＸＹ座標に近い順に、２組以上のデータを選出
する機能を有することを特徴とする請求項５に記載の走
査型プローブ顕微鏡。 - 【請求項７】 前記近傍点選出手段が、出力画像のある
対象点に対して、その点に近接するＸ、Ｙ、Ｚ変位検出
手段出力値の配列データから３組を選出する機能と、そ
の選出した３組がＸＹ平面において３角形を形成し、且
つその３角形の中に出力画像の対象の点が含まれるかど
うかを判定する機能を有することを特徴とする請求項５
に記載の走査型プローブ顕微鏡。 - 【請求項８】 前記近傍点選出手段が、Ｘ、Ｙ変位検出
手段出力値の配列データをＸＹ座標としてプロットされ
るＸＹ平面を、各点を結ぶ３角形の領域に分割し、出力
画像の対象の点が含まれる３角形の頂点となる３組の点
を近傍点として選出する機能を有することを特徴とする
請求項５に記載の走査型プローブ顕微鏡。 - 【請求項９】 前記近傍点選出手段が、出力画像のある
対象点に対して、その点に近接するＸ、Ｙ、Ｚ変位検出
手段出力値の配列データから４組を選出する機能と、そ
の選出した４組がＸＹ平面において４角形を形成し、且
つその４角形の中に出力画像の対象の点が含まれるかど
うかを判定する機能を有することを特徴とする請求項５
に記載の走査型プローブ顕微鏡。 - 【請求項１０】 前記補正値算出手段が、前記近傍点選
出手段により選出した１組のデータに含まれるＺ変位検
出手段出力値を補正値とすることを特徴とする請求項６
に記載の走査型プローブ顕微鏡。 - 【請求項１１】 前記補正値算出手段が、前記近傍点選
出手段により選出した２組以上のデータに含まれるＺ変
位検出手段出力値の平均値を補正値とすることを特徴と
する請求項６〜９のいずれか一項に記載の走査型プロー
ブ顕微鏡。 - 【請求項１２】 前記補正値算出手段が、前記近傍点選
出手段により選出した３組のデータにより、ＸＹＺ空間
内に形成される近似平面により補正値を求めることを特
徴とする請求項８または請求項９に記載の走査型プロー
ブ顕微鏡。 - 【請求項１３】 前記補正値算出手段が、前記近傍点選
出手段により選出した４組のデータにより、ＸＹＺ空間
内に形成される４角形のある一辺と、その対辺とを結
び、かつその個々の点の通るような近似直線から求める
ことを特徴とする請求項９に記載の走査型プローブ顕微
鏡。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001072722A JP2002107283A (ja) | 2000-03-28 | 2001-03-14 | 走査型プローブ顕微鏡 |
| US09/814,520 US6710339B2 (en) | 2000-03-28 | 2001-03-22 | Scanning probe microscope |
| DE10113966A DE10113966A1 (de) | 2000-03-28 | 2001-03-22 | Sondenelektronenmikroskop |
Applications Claiming Priority (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000089451 | 2000-03-28 | ||
| JP2000-225153 | 2000-07-26 | ||
| JP2000225153 | 2000-07-26 | ||
| JP2000-89451 | 2000-07-26 | ||
| JP2001072722A JP2002107283A (ja) | 2000-03-28 | 2001-03-14 | 走査型プローブ顕微鏡 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002107283A true JP2002107283A (ja) | 2002-04-10 |
Family
ID=27342839
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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| Country | Link |
|---|---|
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| JP (1) | JP2002107283A (ja) |
| DE (1) | DE10113966A1 (ja) |
Cited By (3)
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