JP2003215018A - 表面情報測定方法及び表面情報測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 試料２における磁気情報等の表面情報を精度
良く測定する。 【解決手段】 前測定プロセスにおいて、試料２の測定
面２ａをカンチレバー４の探針３により平面方向に走査
し、測定面の表面形状のデータを求め、Ｚ軸制御情報と
してＺ軸制御情報記憶部２０に記憶させておく。次の本
測定プロセスにおいて、前測定プロセスにおいて走査し
た走査ラインと同一の走査ラインを走査し、この走査ラ
インにおける表面情報を測定する。その際に、Ｚ軸制御
情報記憶部２０に記憶されたＺ軸制御情報を読み出し
て、Ｚ軸制御情報処理部２１にてデータ処理を行い、処
理されたＺ軸制御情報に基いてカンチレバー４及びその
探針３の上下動を制御しながら走査を行う。このときの
データ処理は、ローパスフィルタによる平滑化処理とさ
れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する分野】本発明は、試料の表面形状に応じ
て、当該試料表面における磁気情報等の表面情報を測定
するための表面情報測定方法及び表面情報測定装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、試料の表面における凹凸情報を
測定するための走査型プローブ顕微鏡において、表面情
報測定装置として磁気情報等の表面情報が測定できる構
成のものがある。

【０００３】図６に、このような走査型プローブ顕微鏡
の測定主要部の構成を示す。同図において、試料１０２
は平面方向微動機構１０１の上に載置されており、この
平面方向微動機構１０１の駆動によって試料１０２が平
面方向に移動され、試料１０２の上面である測定面１０
２ａの表面情報が測定される構成となっている。

【０００４】試料１０２の上方には、一方の先端部下面
に探針１０３が備えられたカンチレバー１０４が配置さ
れており、このカンチレバー１０４の他方の端部は垂直
方向微動素子１０５に接合されている。さらに、カンチ
レバー１０４の他方側下面には、カンチレバー１０４を
所定の振動数で振動させるための加振素子１０６が設け
られている。

【０００５】上述の測定主要部を有する走査プローブ顕
微鏡を用いて、試料１０２の表面情報を測定する際に
は、垂直方向微動素子１０５を駆動してカンチレバー１
０４を垂直方向に微動制御し、カンチレバー１０４の探
針１０３を試料１０２の測定面１０２ａから所定間隔を
おいて配置し、平面方向微動機構１０１によって試料１
０２を所定の平面方向に移動させる。

【０００６】このとき、加振素子１０６によってカンチ
レバー１０４を所定の振動数で振動させるとともに、カ
ンチレバー１０４の一方の先端部上面にレーザ光線１０
７を上方から照射する。そして、そのレーザ光線１０７
の反射光１０７ａを検知することにより、カンチレバー
１０４の当該先端部の振動状態（例えば、振幅値や位
相）を検出し、この振動状態から試料１０２の表面情報
を測定している。

【０００７】ここで、試料１０２の測定面１０２ａには
微小な凹凸が多数存在することがある。この場合、カン
チレバー１０４の探針１０３と試料１０２の測定面１０
２ａとの間隔が、当初の測定ポイントにおいて所定の値
となるように垂直方向微動機構１０５によってカンチレ
バー１０４の位置を一旦設定し、その後カンチレバー１
０４の位置をそのままに保持した状態で平面方向微動機
構１０１によって試料１０２を平面方向に移動すると、
測定面１０２ａの凹凸によって探針１０３と測定面１０
２ａとの間隔が微小ながら変動する。探針１０３と測定
面１０２ａとの間隔が変動すると、測定面１０２ａに対
する探針１０３の位置関係が一定でなくなってカンチレ
バー１０４の感度が変動し、試料１０２の表面情報に応
じたカンチレバー１０４の振動状態に影響が出てくる。
したがって、このようなときには、この探針１０３と測
定面１０２ａとの間隔の変動によって、レーザ光線１０
７により検出されるカンチレバー１０４の振動状態が不
要に変動し、試料１０２の表面情報の測定の精度が落ち
ることがある。

【０００８】したがって、最近では、試料１０２の表面
情報を測定する前にこの測定面１０２ａの凹凸を含む表
面形状に関するデータを予め求めておき、この表面形状
のデータに基いて垂直方向微動素子１０５を駆動してカ
ンチレバー１０４を垂直微動制御するとともに、試料１
０２を平面方向に移動して試料１０２の表面情報を測定
している。この場合、試料１０２の測定面１０２ａの表
面形状に応じてカンチレバー１０４の垂直方向の位置を
制御できるので、探針１０３と測定面１０２ａとの間隔
を一定に保った状態で試料１０２の表面情報を測定する
ことができる。これにより、測定面１０２ａの凹凸等の
表面形状の影響を小さく抑えて試料１０２の表面情報が
得られるので、表面情報の測定の精度を保持することが
できる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述の方法によれば、
試料１０２の表面情報を測定する際に、測定面１０２ａ
の凹凸による影響を少なくすることができるが、この測
定面１０２ａの凹凸が激しく、例えば凹凸の高低差が大
きくかつ周期が短い場合等には、以下に記す問題点があ
った。

【００１０】すなわち、上述の方法のように試料１０２
の測定面１０２ａの凹凸等の表面形状に応じてカンチレ
バー１０４の垂直方向の位置を制御すると、カンチレバ
ー１０４自体が試料１０２の測定面１０２ａの凹凸に沿
って上下に微動する。すなわち、この測定面１０２ａの
凹凸にならってカンチレバー１０４も上下動することと
なる。このとき、この凹凸がある程度以上激しくなると
カンチレバー１０４も同様に激しく上下動することとな
り、加振素子１０６によって所定の振動数で振動してい
るカンチレバー１０４に不用な撓みが発生することがあ
る。

【００１１】カンチレバー１０４にこのような撓みが発
生すると、所定の振動数で振動しているカンチレバー１
０４の当該先端部が不用に変位することとなり、レーザ
光線１０７によって検出されるカンチレバー１０４の振
動状態も不用に変動する。この結果、検出された振動状
態に基いて行われる試料１０２の表面情報の測定の精度
が劣化する。

【００１２】また、上述の場合の他に、求めた測定面１
０２ａの表面形状のデータにノイズが加わることがあ
り、このノイズにより当該表面形状のデータに短い周期
で高低差が激しい凹凸が含まれてしまうことがある。

【００１３】このような場合にも、この激しい凹凸によ
りカンチレバー１０４がその振動時に不用に撓むことと
なり、検出された振動状態が不用に変動し、試料１０２
の表面情報の測定の精度が劣化する。

【００１４】

【課題を解決するための手段】 本発明に基く表面情報
測定方法は、試料の表面形状のデータを得る工程と、前
記データを処理する工程と、当該処理されたデータに基
いて測定素子を前記試料の表面上で移動しながら前記試
料の表面情報を得る工程とを有することを特徴とする。

【００１５】また、本発明に基く他の表面情報測定方法
は、試料の表面形状のデータを得る工程と、前記試料の
表面上の所定位置にて測定素子を当該所定位置からの距
離が初期設定値となるように配置する工程と、前記デー
タを処理する工程と、当該処理されたデータに基いて前
記測定素子を前記試料の表面上で移動しながら前記試料
の表面情報を得る工程とを有することを特徴とする。

【００１６】さらに、本発明に基く表面情報測定装置
は、試料の表面形状を測定する第１の測定素子と、前記
第１の測定素子により測定された形状測定データを記憶
する記憶部と、前記記憶部に記憶された形状測定データ
を処理する処理部と、前記試料の表面情報を測定する第
２の測定素子と、前記処理部により処理された形状測定
データに基いて前記試料の表面と前記第２の測定素子と
の間隔を制御しながら、前記試料の表面上で前記第２の
測定素子を移動させる移動機構とを有することを特徴と
する。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。

【００１８】（実施例１）図１は、本発明の実施例１に
おける表面情報測定装置である走査型プローブ顕微鏡の
概略的な構成図である。同図において、Ｘ−Ｙ方向微動
機構（平面方向微動機構）１には試料２が載置されてお
り、この試料２の上面が測定面２ａとされている。試料
２の測定面２ａの上方には、一方の先端部下面に探針３
が備えられたカンチレバー（第１及び第２の測定素子）
４が配置されており、このカンチレバー４の他方の端部
はＺ方向微動機構（垂直方向微動機構）５に接合されて
いる。さらに、カンチレバー４の他方側下面には、カン
チレバー４に振動を与えて所定の振動数で振動させるた
めのピエゾ素子等からなる加振素子６が設けられてい
る。

【００１９】ここで、Ｘ−Ｙ方向微動機構１はＸ−Ｙ方
向駆動部８により駆動され、またＺ軸微動素子５はＺ軸
駆動部９により駆動される。さらに、加振素子６は加振
制御部１０により制御される。なお、Ｘ−Ｙ方向微動機
構１及びＸ−Ｙ方向駆動部８並びにＺ軸微動素子５及び
Ｚ軸駆動部９等により試料２の移動機構が構成されてい
る。

【００２０】カンチレバー４の一方の先端部上面には発
光器１１から発光されたレーザ光線７が照射され、カン
チレバー４からのレーザ光線７の反射光７ａがフォトダ
イオード等からなる受光器１２に入射され、この受光器
１２にて反射光７ａを受光して検知することができるよ
うになっている。受光器１２からの検知信号はプリアン
プ部１３にて増幅され、その増幅された検知信号は振幅
値検出部１４に送られる。振幅値検出部１４にて検出さ
れた振幅値信号はバスライン１５に送られる。

【００２１】このバスライン１５には、所定の演算を行
うとともに装置全体を制御するシステムコントローラ１
６が接続されている。システムコントローラ１６からの
各制御信号等は、Ｚ軸目標設定部１７やリフトアップ設
定部１８及びバスライン１５に送られる。Ｚ軸目標設定
部１７ではカンチレバー４のＺ軸の目標設定値（Ｚ方向
（垂直方向）目標設定値）が設定され、設定された目標
設定値に基いた目標設定値信号がＺ軸駆動制御部１９に
送られる。Ｚ軸駆動制御部１９は受信した目標設定値信
号に基いてＺ軸駆動部９を駆動制御する。これにより、
Ｚ軸駆動部９はカンチレバー４のＺ軸位置（Ｚ方向位
置）が設定された目標設定値となるようにＺ軸微動素子
５を駆動する。

【００２２】また、Ｚ軸制御情報記憶部２０は、後述す
る試料２の測定面の形状データをＺ軸制御情報として格
納して記憶するためのメモリからなり、このＺ軸制御情
報記憶部２０から読み出されたＺ軸制御情報は、ローパ
スフィルタを備えたＺ軸制御情報処理部２１にて適宜処
理される。

【００２３】そして、リフトアップ設定部１８で設定さ
れたリフトアップ設定信号には、Ｚ軸制御情報処理部２
１にて処理されたＺ軸制御情報が加算器２２により適宜
加算され、その後バスライン１５に送られる。

【００２４】なお、Ｚ軸制御情報処理部２１に備えられ
たローパスフィルタの周波数閾値は、リフトアップ設定
部１８で設定されるリフトアップ設定信号に応じて、シ
ステムコントローラ１６の制御により適宜変化可能に構
成されている。

【００２５】バスライン１５には画像表示部２３が接続
されており、測定結果等が適宜画像表示部２３に画像情
報として表示される。

【００２６】以上の構成からなる表面情報測定装置を用
いて、試料２の表面情報を測定する際の表面情報測定方
法を、図２及び図３のフローチャートを参照して説明す
る。

【００２７】本発明における表面情報測定方法は、試料
の測定面の表面形状を測定する前測定プロセスと、この
前測定プロセスによって得られた形状データに基いて表
面情報を測定する本測定プロセスとからなり、各プロセ
スを構成する後述の各ステップは上記システムコントロ
ーラ１６によって制御される。ここで、図２のフローチ
ャートは、前測定プロセスを示したものである。

【００２８】まず、システムコントローラ１６によりＸ
−Ｙ方向駆動部８を制御してＸ−Ｙ方向微動機構１を駆
動し、試料２の測定面２ａ上での所定の走査ラインの走
査開始ポイント（所定位置）をカンチレバー４の探針３
の下に配置する（ステップＳ１）。

【００２９】次に、加振制御部１０により加振素子６を
制御し、カンチレバー４及びその探針３を第１の振動数
で振動させる。ここで、この第１の振動数は、試料２の
測定面２ａの表面形状を測定するための振動数であり、
１００〜３００ｋＨｚとされている。また、このときの
探針３の振動振幅は２〜３０ｎｍとされている（ステッ
プＳ２）。

【００３０】さらに、Ｚ軸駆動部９によりＺ軸微動素子
５を駆動してカンチレバー４をＺ方向に移動させ、探針
３の振動の振幅中心と試料２の測定面２ａとの距離（間
隔）を第１の距離に設定する。ここで、この第１の距離
は、振動するカンチレバー４の先端部の探針３の先端と
試料２の測定面２ａとの近接時での近接距離が０．１〜
１．０ｎｍ程度となるように設定される（ステップＳ
３）。

【００３１】そして、発光器１１を駆動してレーザ光線
７をカンチレバー４の当該先端部に照射する（ステップ
Ｓ４）。

【００３２】次に、カンチレバー４からのレーザ光線７
の反射光７ａを受光器１２により受光して検知する。受
光器１２は、検知した反射光７ａの受光量に応じて検知
信号をプリアンプ部１３に送信する。プリアンプ部１３
は、受信した検知信号を増幅し、増幅した検知信号を振
幅値検出部１４に送る。振幅値検出部１４は、受信した
検知信号に基いてカンチレバー４（探針３）の振動の振
幅値を検出し、この検出された振幅値に基いた振幅値信
号をバスライン１５に送る（ステップＳ５）。

【００３３】この状態で、Ｘ−Ｙ方向駆動部８によりＸ
−Ｙ方向微動機構１を駆動し、試料２を所定の平面方向
（ここでは、例えばＸ方向）に移動させて走査する。こ
の走査の際、システムコントローラ１６はバスライン１
５を介して振幅値検出部１４からの振幅値信号を受信
し、この振幅値信号が一定に保持されるようにＺ軸目標
設定部１７での目標設定値を制御する。Ｚ軸目標設定部
１７では、この目標設定値に基いて目標設定値信号を作
成し、この目標設定値信号をＺ軸駆動制御部１９に送信
する。Ｚ軸駆動制御部１９は、受信した目標設定値信号
に基いてＺ軸駆動部９を制御し、Ｚ軸駆動部９はこれに
よりＺ軸微動素子を駆動する。

【００３４】この結果、探針３は、その振動の振幅値が
一定となるように、そのＺ軸位置が制御されつつＸ方向
に走査される。すなわち、探針３の振動振幅の中心と試
料２の測定面２ａとの距離（間隔）が、測定面２ａの表
面形状に応じて一定に保持された状態で走査される。こ
れにより、試料２の測定面２ａの表面形状に沿ってカン
チレバー４が探針３とともに上下動しながら測定面２ａ
の所定の線上を走査する（ステップＳ６）。

【００３５】さらにこのときに、この一走査における探
針３の振動振幅の中心と試料２の測定面２ａとの距離を
一定に保持するために、Ｚ軸駆動部９へ供給される上記
目標設定値信号のデータをＺ軸制御情報としてＺ軸制御
情報記憶部２０に格納して記憶させる。なお、ここでの
Ｚ方向制御データは、試料２の測定面２ａの表面形状に
沿って探針３を上下動させるためのデータであり、測定
面２ａの表面形状のデータに相当する（ステップＳ
７）。

【００３６】以上のステップＳ１からステップＳ７を経
ることにより、一走査における前測定プロセスが終了す
る。

【００３７】次に、上記前測定プロセス終了後に行われ
る本測定プロセスについて、図３を用いて説明する。

【００３８】まず、前測定プロセスにおけるステップＳ
１と同様に、システムコントローラ１６によりＸ−Ｙ方
向駆動部８を制御してＸ−Ｙ方向微動機構１を駆動し、
試料２の測定面２ａ上での上記所定の走査ラインの走査
開始ポイント（所定位置）をカンチレバー４の探針３の
下に再度配置する（ステップＳ１１）。

【００３９】次に、加振制御部１０により加振素子６を
制御し、カンチレバー４を第２の振動数で振動させる。
ここで、この第２の振動数は、試料２の測定面２ａの表
面情報を測定するための振動数であり、上記の第１の振
動数の範囲と同様に１００〜３００ｋＨｚとされてい
る。また、このときの振動振幅は１０〜３０ｎｍとされ
ている（ステップＳ１２）。

【００４０】その後、システムコントローラ１６により
リフトアップ設定部１８を制御して所定のリフトアップ
設定値（固定値）を設定し、当該リフトアップ設定値を
加算器を介してＺ軸駆動部９に送信する。Ｚ軸駆動部９
は、受信したリフトアップ設定値に基いてＺ軸微動素子
５を駆動する。この結果、リフトアップ設定値に基い
て、探針３の振動の振幅中心と試料２の測定面２ａとの
距離が第２の距離（初期設定値）になるようにカンチレ
バー４が配置される。ここで、この第２の距離は約５０
ｎｍとされており、この結果、振動するカンチレバー４
の先端部の探針３の先端と試料２の測定面２ａとの近接
時での近接距離が２０〜４０ｎｍ程度となる。よって、
本測定プロセスにおいては、前測定プロセスにおける第
１の距離に設定時での近接距離０．１〜１．０ｎｍに対
して大きい近接距離が設定される（Ｓ１３）。

【００４１】そして、発光器１１を駆動してレーザ光線
７をカンチレバー４の当該先端部に照射する（ステップ
Ｓ１４）。

【００４２】次に、カンチレバー４からのレーザ光線７
の反射光７ａを受光器１２により受光して検知する。受
光器１２は、検知した反射光７ａの受光量に応じて検知
信号をプリアンプ部１３に送信する。プリアンプ部１３
は、受信した検知信号を増幅し、増幅した検知信号を振
幅値検出部１４に送る。振幅値検出部１４は、増幅され
た検知信号に基いてカンチレバー４（探針３）の振動の
振幅値を検出する（ステップＳ１５）。

【００４３】そして、Ｚ軸制御情報記憶部２０に記憶さ
れている測定面２ａの表面形状のデータに相当するＺ軸
制御情報（目標設定値信号のデータ）を読み出し、Ｚ軸
制御情報処理部２１にて当該Ｚ軸制御情報のデータ処理
を行う（Ｓ１６）。

【００４４】Ｚ軸制御情報処理部２１での処理は、デー
タをローパスフィルタに通すことによりなされるデータ
の平滑化（ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ）処理である。この平滑
化処理によりＺ軸制御情報に含まれている測定面２ａ自
体若しくはノイズによる凹凸の変化量を減らすことがで
きる。なお、ここでのローパスフィルタは、所定の周波
数閾値が設定されているこの後、Ｚ軸制御情報処理部２
１にて処理された処理済のＺ軸制御情報とリフトアップ
設定部１８にて設定された固定値であるリフトアップ設
定値とを加算器２２にて加算し、加算後のデータをＺ軸
駆動部９に送信する。そして、Ｚ軸駆動部９によりＺ軸
微動素子５が駆動されて、処理済のＺ軸制御情報が加算
されたリフトアップ設定値に応じてカンチレバー４のＺ
軸位置が制御され、この状態でＸ−Ｙ方向駆動部８によ
りＸ−Ｙ方向微動機構１を駆動し、試料２を上述の所定
の平面方向（Ｘ方向）に移動させて走査する。これによ
り、Ｚ軸制御情報処理部２１により処理されたＺ軸制御
情報に基いてカンチレバー４のＺ軸位置が制御されて、
カンチレバー４が試料２の測定面２ａの表面上で移動し
てＸ方向に走査される（ステップＳ１７）。

【００４５】さらにこのときに、レーザ光線７のカンチ
レバー４からの反射光７ａを受光器１２にて受光して検
知し、これに基く受光器１２からの検知信号をプリアン
プ部１３にて増幅する。この増幅された検知信号を受け
て振幅値検出部１４にてカンチレバー４の振幅値を検出
し、検出された振幅値に基く振幅値信号をシステムコン
トローラ１６に送信する。システムコントローラ１６
は、受信した振幅値信号に基いて磁気情報を演算して求
める。これにより、この一走査において検出されたカン
チレバー４の振動の振幅値から磁気情報を求めることが
できる（Ｓ１８）。

【００４６】求められた磁気情報は、必要に応じて画像
表示部２３に画像情報として表示される。

【００４７】以上のステップＳ１１からステップＳ１８
を経ることにより、一走査における本測定プロセスが終
了し、これにより上記所定の走査ラインにおける前測定
プロセス及び本測定プロセスが終了する。そして、試料
２の測定面２ａでの次の走査ラインにおける表面情報を
測定する必要がある場合には、その走査ラインにおける
前測定プロセス及び本測定プロセスを実行して順次繰り
返す。

【００４８】このような前測定プロセスと本測定プロセ
スとからなる表面情報測定方法によれば、前測定プロセ
スにて求めた試料の測定面の表面形状のデータを、カン
チレバーからなる測定素子のＺ軸制御情報として記憶し
ておく。次に、本測定プロセスにおいて、その記憶され
た表面形状のデータ（Ｚ軸制御情報）に対して平滑化処
理等のデータ処理を行う。そして、その処理済のデータ
に基いて測定素子の垂直方向位置（Ｚ軸位置）を制御し
ながら当該測定素子を試料の測定面上で移動して走査
し、この走査時での磁気情報等の表面情報を求める構成
となっている。

【００４９】よって、試料の測定面の凹凸が激しい場合
や、ノイズにより激しい凹凸を含む場合でも、この凹凸
情報が含まれた表面形状のデータを平滑化処理等のデー
タ処理を行うことによって、凹凸の変化量を減らした処
理済のデータを求め、この処理済のデータに基いてカン
チレバーの上下動を制御するので、カンチレバーの急峻
な上下動を抑制することができ、所定の振動数で振動し
ているカンチレバーに不用な撓みが発生することを抑え
ることができる。よって、これによりカンチレバーの先
端部が不用に変動することがなくなり、レーザ光線によ
って検出されるカンチレバーの振動状態の変動を抑える
ことができ、検出された振動状態に基いて行われる試料
の表面情報の測定の精度の劣化を防ぐことができる。

【００５０】なお、上述において、走査開始ポイントを
探針下に配置する工程（ステップＳ１）を行った後に探
針を第１の振動数で振動させる工程（ステップＳ２）を
行ったが、この順序を逆にして、探針を第１の振動数で
振動させる工程（ステップＳ２）を行った後に走査開始
ポイントを探針下に配置する工程（ステップＳ１）を行
うようにしてもよい。

【００５１】（実施例１の変形例）ここで、特に上述の
表面形状のデータに含まれた凹凸情報が、ノイズによる
影響が大きいために発生していることがわかっている場
合には、以下の測定方法を適用することもできる。

【００５２】まず、上記実施例と同様に、上述のステッ
プＳ１〜Ｓ７からなる前測定プロセスを実施する。

【００５３】次いで、本測定プロセスに移り、上述のス
テップＳ１１〜Ｓ１２を行う。そして、次のステップＳ
１３において、固定値であるリフトアップ設定値を予め
通常より大きい値に変えておき、この大きい値を固定値
として設定しておく。これにより、カンチレバー４の振
動の振幅中心と試料２の測定面２ａとの距離が、上述の
第２の距離よりも大きい、例えば１００ｎｍ程度の第３
の距離（初期設定値）となる。

【００５４】本測定プロセスにおけるカンチレバー４の
振動の振幅中心と試料２の測定面２ａとの距離を、この
第３の距離のようにやや大きく設定すると、測定面２か
らのカンチレバー４に対する感度がやや落ちることとな
るので、測定面２ａの表面形状の凹凸を細かく反映させ
て走査しなくても、測定精度が大きく劣化することはな
い。この理由は、上述のカンチレバー４の振動の振幅中
心と試料２の測定面２ａとの間の距離に対する測定面２
ａの凹凸の高低差の割合が、当該距離（初期設定値）を
大きく設定することによって小さくなるからである。す
なわち、上記距離（初期設定値）に対する凹凸の高低差
の割合が小さくなるので、測定面２ａの凹凸の高低差の
影響が小さくなる。

【００５５】次いで、上述のステップＳ１４及びステッ
プＳ１５を行う。

【００５６】その後、ステップＳ１６を行う際に、Ｚ軸
制御情報処理部２１でのＺ軸制御情報のデータ処理条件
を、上述のステップＳ１３での初期設定値に対応するリ
フトアップ設定値に応じて変える。具体的には、リフト
アップ設定値を大きしたのに応じてＺ軸制御情報処理部
２１におけるローパスフィルタの周波数閾値を下げる。
すなわち、リフトアップ設定値を大きくすると、カンチ
レバー４の振動の振幅値と試料２の測定面２ａとの間の
距離（初期設定値）が大きくなり、測定面２ａの凹凸の
高低差を細かく反映して測定する必要性が小さくなる。
よって、Ｚ軸制御情報処理部２１におけるローパスフィ
ルタの周波数閾値を下げて、より低い周波数成分のみを
抽出することにより、平滑化処理の度合いを大きくす
る。

【００５７】この後、ステップＳ１８を行う。

【００５８】この例では、ノイズに起因して含まれたＺ
軸制御情報の凹凸（ノイズ成分）の大部分をＺ軸制御情
報処理部のローパスフィルタにより除去できるので、表
面情報測定の際に、Ｚ軸制御情報のノイズ成分の影響を
極力減らすことができる。

【００５９】（実施例２）次に、図４及び図５を参照し
て本発明の実施例２について説明する。

【００６０】図４は、本発明の実施例２における表面情
報測定装置である走査型プローブ顕微鏡の概略的な構成
図である。同図においては、位相偏移検出部２４が付加
されており、その他の構成については図１の走査型プロ
ーブ顕微鏡の構成と基本的に同一である。

【００６１】すなわち、この走査型プローブ顕微鏡で
は、プリアンプ１３からの増幅された検知信号は、振幅
値検出部１４もしくは位相偏移検出部２４に選択的に送
られる構成とされている。位相偏移検出部２４には、バ
スライン１５を介して後述する参照用位相信号が入力さ
れる。また、この位相偏移検出部２４は、この参照用位
相信号に基いて検出された位相偏移信号をバスライン１
５に送信する。

【００６２】以上の構成からなる表面情報測定装置を用
いて、試料２の表面情報を測定する際の表面情報測定方
法を以下に説明する。

【００６３】この実施例２における表面情報測定方法
も、実施例１と同様に、試料の測定面の表面形状を測定
する前測定プロセスと、この前測定プロセスによって得
られた測定データに基いて表面情報を測定する本測定プ
ロセスとからなる。

【００６４】まず、実施例２での前測定プロセスは、実
施例１の前測定プロセスと同一であり、図２におけるス
テップＳ１〜Ｓ７を実行することにより行われる。すな
わち、実施例２の表面情報測定装置を示した図４におけ
る振幅値検出部１４にて、カンチレバー４の振動の振幅
値を検出し、この検出された振幅値に基いてカンチレバ
ー４のＺ軸位置を制御して走査するとともに、この走査
の際のＺ軸位置の制御データ（目標設定値信号のデー
タ）をＺ軸制御情報（表面形状のデータ）としてＺ軸制
御情報記憶部２０に格納して記憶させる。

【００６５】次に行われる本測定プロセスは、図５に示
すフローチャートに基いて実施される。

【００６６】まず、前測定プロセスにおけるステップＳ
１と同様に、システムコントローラ１６によりＸ−Ｙ方
向駆動部８を制御してＸ−Ｙ方向微動機構１を駆動し、
試料２の測定面２ａ上での上記所定の走査ラインの走査
開始ポイント（所定位置）をカンチレバー４の探針３の
下に再度配置する（ステップＳ２１）。

【００６７】次に、加振制御部１０により加振素子６を
制御し、カンチレバー４及びその探針３を第３の振動数
で振動させる。ここで、この第３の振動数は、試料２の
測定面２ａの表面情報を後述の位相偏移を基に測定する
ための振動数であり、上記の第１の振動数の範囲と同様
に１００〜３００ｋＨｚとされている。また、このとき
の探針３の振動振幅は１０〜３０ｎｍとされている（ス
テップＳ２２）。

【００６８】その後、システムコントローラ１６により
リフトアップ設定部１８を制御して所定のリフトアップ
設定値（固定値）を設定し、当該リフトアップ設定値を
加算器を介してＺ軸駆動部９に送信する。Ｚ軸駆動部９
は、受信したリフトアップ設定値に基いてＺ軸微動素子
５を駆動する。この結果、リフトアップ設定値に基い
て、探針３の振動の振幅中心と試料２の測定面２ａとの
距離が第４の距離（初期設定値）になるようにカンチレ
バー４が配置される。ここで、この第４の距離は、上述
の第２の距離と同程度の約５０ｎｍとされており、この
結果、振動するカンチレバー４の先端部の探針３の先端
と試料２の測定面２ａとの近接時での近接距離が２０〜
４０ｎｍ程度となる。よって、本測定プロセスにおいて
は、前測定プロセスにおける第１の距離に設定時での近
接距離０．１〜１．０ｎｍに対して大きい近接距離が設
定される（Ｓ２３）。

【００６９】そして、発光器１１を駆動してレーザ光線
７をカンチレバー４の当該先端部に照射する（ステップ
Ｓ２４）。

【００７０】次に、カンチレバー４からのレーザ光線７
の反射光７ａを受光器１２により受光して検知する。受
光器１２は、検知した反射光７ａの受光量に応じて検知
信号をプリアンプ部１３に送信する。プリアンプ部１３
は、受信した検知信号を増幅し、増幅した検知信号を位
相偏移検出部２４に送る。位相偏移検出部２４は、増幅
された検知信号に基いて、まずカンチレバー４（探針
３）の振動の位相を検出する（ステップＳ２５）。

【００７１】次いで、加振駆動部１０は、Ｚ方向微動素
子５加振駆動している振動の位相を参照用位相信号とし
てバスライン１５を介して位相偏移検出部２４に送信す
る。位相偏移検出部２４は、受信した参照用位相信号と
検出したカンチレバー４（探針３）の振動の位相とか
ら、参照用位相信号に対するカンチレバー４（探針３）
の振動の位相の偏移を位相偏移として検出する（ステッ
プＳ２６）。

【００７２】そして、Ｚ軸制御情報記憶部２０に記憶さ
れている測定面２ａの表面形状のデータに相当するＺ軸
制御情報（目標設定値信号のデータ）を読み出し、Ｚ軸
制御情報処理部２１にて当該Ｚ軸制御情報のデータ処理
を行う（Ｓ２７）。

【００７３】Ｚ軸制御情報処理部２１での処理は、実施
例１と同様に、ローパスフィルタによるデータの平滑化
処理とされている。この平滑化処理によりＺ軸制御情報
に含まれている測定面２ａ自体若しくはノイズによる凹
凸の変化量を減らすことができる。なお、ここでのロー
パスフィルタは、所定の周波数閾値が設定されている。

【００７４】この後、Ｚ軸制御情報処理部２１にて処理
された処理済のＺ軸制御情報とリフトアップ設定部１８
にて設定された固定値であるリフトアップ設定値とを加
算器２２にて加算し、加算後のデータをＺ軸駆動部９に
送信する。そして、Ｚ軸駆動部９によりＺ軸微動素子５
が駆動されて、処理済のＺ軸制御情報が加算されたリフ
トアップ設定値に応じてカンチレバー４のＺ軸位置が制
御され、この状態でＸ−Ｙ方向駆動部８によりＸ−Ｙ方
向微動機構１を駆動し、試料２を上述の所定の平面方向
（Ｘ方向）に移動させて走査する。これにより、Ｚ軸制
御情報処理部２１により処理されたＺ軸制御情報に基い
てカンチレバー４のＺ軸位置が制御されて、カンチレバ
ー４が試料２の測定面２ａの表面上で移動してＸ方向に
走査される（ステップＳ２８）。

【００７５】さらにこのときに、レーザ光線７のカンチ
レバー４からの反射光７ａを受光器１２にて受光して検
知し、これに基く受光器１２からの検知信号をプリアン
プ部１３にて増幅する。この増幅された検知信号を受け
て位相偏移検出部２４にて、上述のごとくカンチレバー
４の振動の位相偏移を検出し、検出された位相偏移に基
く位相偏移信号をシステムコントローラ１６に送信す
る。システムコントローラ１６は、受信した位相偏移信
号に基いて磁気情報を演算して求める。これにより、こ
の一走査において検出されたカンチレバー４の振動の位
相偏移から磁気情報を求めることができる（Ｓ２９）。

【００７６】求められた磁気情報は、必要に応じて画像
表示部２３に画像情報として表示される。

【００７７】以上のステップＳ２１からステップＳ２９
を経ることにより、一走査における本測定プロセスが終
了し、これにより上記所定の走査ラインにおける前測定
プロセス及び本測定プロセスが終了する。そして、試料
２の測定面２ａでの次の走査ラインにおける表面情報を
測定する必要がある場合には、その走査ラインにおける
前測定プロセス及び本測定プロセスを実行して順次繰り
返す。

【００７８】この実施例２における表面情報測定方法に
おいても、実施例１と同様に、前測定プロセスにて求め
た試料の測定面の表面形状のデータを、カンチレバーか
らなる測定素子のＺ軸制御情報として記憶しておく。次
に、本測定プロセスにおいて、その記憶された表面形状
のデータ（Ｚ軸制御情報）に対して平滑化処理等のデー
タ処理を行う。そして、その処理済のデータに基いて測
定素子の垂直方向位置（Ｚ軸位置）を制御しながら当該
測定素子を試料の測定面上で移動して走査し、この走査
時での磁気情報等の表面情報を求める構成となってい
る。

【００７９】よって、試料の測定面の凹凸が激しい場合
や、ノイズにより激しい凹凸を含む場合でも、この凹凸
情報が含まれた表面形状のデータを平滑化処理等のデー
タ処理を行うことによって、凹凸の変化量を減らした処
理済のデータを求め、この処理済のデータに基いてカン
チレバーの上下動を制御するので、カンチレバーの急峻
な上下動を抑制することができ、所定の振動数で振動し
ているカンチレバーに不用な撓みが発生することを抑え
ることができる。よって、これによりカンチレバーの先
端部が不用に変動することがなくなり、レーザ光線によ
って検出されるカンチレバーの振動状態の変動を抑える
ことができ、検出された振動状態に基いて行われる試料
の表面情報の測定の精度の劣化を防ぐことができる。

【００８０】（実施例２の変形例）上述の表面形状のデ
ータに含まれた凹凸情報が、ノイズによる影響が大きい
ために発生していることがわかっている場合には、実施
例１の変形例と同様に、以下の測定方法を適用すること
もできる。

【００８１】まず、上記実施例１及び実施例２と同様
に、上述のステップＳ１〜Ｓ７からなる前測定プロセス
を実施する。

【００８２】次いで、本測定プロセスに移り、上述のス
テップＳ２１〜Ｓ２２を行う。そして、次のステップＳ
２３において、実施例１の変形例と同様に、固定値であ
るリフトアップ設定値を予め通常より大きい値に変えて
おき、この大きい値を固定値として設定しておく。これ
により、カンチレバー４の振動の振幅中心と試料２の測
定面２ａとの距離が、上述の第４の距離よりも大きい、
例えば実施例１の変形例での第３の距離と同程度の１０
０ｎｍ程度の第５の距離（初期設定値）となる。

【００８３】本測定プロセスにおけるカンチレバー４の
振動の振幅中心と試料２の測定面２ａとの距離を、この
第５の距離のようにやや大きく設定すると、実施例１の
変形例と同様に、測定面２からのカンチレバー４に対す
る感度がやや落ちることとなるので、測定面２ａの表面
形状の凹凸を細かく反映させて走査しなくても、測定精
度が大きく劣化することはない。

【００８４】次いで、上述のステップＳ２４〜Ｓ２６を
行う。

【００８５】その後、ステップＳ２７を行う際に、Ｚ軸
制御情報処理部２１でのＺ軸制御情報のデータ処理条件
を、上述のステップＳ２３での初期設定値の対応するリ
フトアップ設定値に応じて変える。具体的には、実施例
１の変形例と同様に、リフトアップ設定値を大きしたの
に応じてＺ軸制御情報処理部２１におけるローパスフィ
ルタの周波数閾値を下げる。これにより、Ｚ軸制御情報
処理部２１におけるローパスフィルタの周波数閾値を下
げて、より低い周波数成分のみを抽出することにより、
平滑化処理の度合いを大きくする。

【００８６】この後、ステップＳ２９を行う。

【００８７】この例でも、実施例１の変形例と同様に、
ノイズに起因して含まれたＺ軸制御情報の凹凸（ノイズ
成分）の大部分をＺ軸制御情報処理部のローパスフィル
タにより除去できるので、表面情報測定の際に、Ｚ軸制
御情報のノイズ成分の影響を極力減らすことができる。

【００８８】なお、上述の各実施例及び各変形例におい
ては、Ｚ軸制御情報記憶部２０に記憶されているＺ軸制
御情報（目標設定信号のデータ）を読み出し、当該読み
出されたＺ軸制御情報をＺ軸制御情報処理部にてデータ
処理（平滑処理）して加算器２２に送っているが、Ｚ軸
制御情報記憶部２０内のデータをデータ処理した後に読
み出し、当該読み出されたデータ処理済みのデータを加
算器２２に送るようにしてもよい。

【００８９】また、このＺ軸情報のデータ処理は、カン
チレバー４（探針３）の振動における振幅値または位相
偏移を検出した後に行われているが、このタイミングに
限定されない。要は、カンチレバー４(探針３）の試料
２の測定面２ａ上での走査ステップ前に当該データ処理
が行われていれば何時でもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例１における表面情報測定装置
を示す構成図である。

【図２】 本発明の実施例１における前測定プロセスを
示すフローチャートである。

【図３】 本発明の実施例１における本測定プロセスを
示すフローチャートである。

【図４】 本発明の実施例２における表面情報測定装置
を示す構成図である。

【図５】 本発明の実施例２における本測定プロセスを
示すフローチャートである。

【図６】 従来の表面情報測定装置における測定主要部
を示す概略図である。

【符号の説明】

１…Ｘ−Ｙ微動機構， ２…試料， ２ａ…測定面，
３…探針，４…カンチレバー， ５…Ｚ軸微動素子，
６…加振素子， ７…レーザ光線，７ａ…反射光， ８
Ｘ−Ｙ方向駆動部， ９…Ｚ軸駆動部， １０…加振制
御部，１１…発光器， １２…受光器， １３…プリア
ンプ部， １４…振幅値検出部，１５…バスライン，
１６…システムコントローラ， １７…Ｚ軸目標設定
部，１８…リフトアップ設定部， １９…Ｚ軸駆動制御
部，２０…Ｚ軸制御情報記憶部， ２１…Ｚ軸制御情報
処理部， ２２…加算器，２３…画像表示部

Claims (22)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料の表面形状のデータを得る工程と、
   前記データを処理する工程と、当該処理されたデータに
   基いて測定素子を前記試料の表面上で移動しながら前記
   試料の表面情報を得る工程とを有する表面情報測定方
   法。
2. 【請求項２】 前記データを処理する工程において、前
   記データの平滑化処理を行うことを特徴とする請求項１
   記載の表面情報測定方法。
3. 【請求項３】 前記データの処理工程は、読み出したデ
   ータをローパスフィルタに通すことよってなされること
   を特徴とする請求項１若しくは２記載の表面情報測定方
   法。
4. 【請求項４】 前記測定素子を振動させ、当該振動の振
   幅値を検出することにより前記試料の表面情報を得るこ
   とを特徴とする請求項１乃至３何れかに記載の表面情報
   測定方法。
5. 【請求項５】 前記測定素子を振動させ、当該振動の位
   相偏移を検出することにより前記試料の表面情報を得る
   ことを特徴とする請求項１乃至３何れかに記載の表面情
   報測定方法。
6. 【請求項６】 前記試料の表面情報は磁気情報であるこ
   とを特徴とする請求項１乃至５何れかに記載の表面情報
   測定方法。
7. 【請求項７】 試料の表面形状のデータを得る工程と、
   前記試料の表面上の所定位置にて測定素子を当該所定位
   置からの距離が初期設定値となるように配置する工程
   と、前記データを処理する工程と、当該処理されたデー
   タに基いて前記測定素子を前記試料の表面上で移動しな
   がら前記試料の表面情報を得る工程とを有する表面情報
   測定方法。
8. 【請求項８】 前記データを処理する工程において、前
   記データの平滑化処理を行うことを特徴とする請求項７
   記載の表面情報測定方法。
9. 【請求項９】 前記データを処理する工程において、当
   該データの処理は前記初期設定値に基いて制御されるこ
   とを特徴とする請求項７若しくは８記載の表面情報測定
   方法。
10. 【請求項１０】 前記データを処理する工程は、読み出
    したデータをローパスフィルタに通すことによってなさ
    れることを特徴とする請求項７若しくは８記載の表面情
    報測定方法。
11. 【請求項１１】 前記データを処理する工程において、
    前記ローパスフィルタによってなされる当該データの処
    理は前記初期設定値に基いて制御されることを特徴とす
    る請求項１０記載の表面情報測定方法。
12. 【請求項１２】 前記初期設定値が大きくなると、前記
    ローパスフィルタの周波数閾値を低く制御することを特
    徴とする請求項１１記載の表面情報測定方法。
13. 【請求項１３】 前記測定素子を振動させ、当該振動の
    振幅値を検出することにより前記試料の表面情報を得る
    ことを特徴とする請求項７乃至１２何れかに記載の表面
    情報測定方法。
14. 【請求項１４】 前記測定素子を振動させ、当該振動の
    位相偏移を検出することにより前記試料の表面情報を得
    ることを特徴とする請求項７乃至１２何れかに記載の表
    面情報測定方法。
15. 【請求項１５】 前記試料の表面情報は磁気情報である
    ことを特徴とする請求項７乃至１４何れかに記載の表面
    情報測定方法。
16. 【請求項１６】 試料の表面形状を測定する第１の測定
    素子と、前記第１の測定素子により測定された形状デー
    タを記憶する記憶部と、前記記憶部に記憶された形状デ
    ータを処理する処理部と、前記試料の表面情報を測定す
    る第２の測定素子と、前記処理部により処理された形状
    データに基いて前記試料の表面と前記第２の測定素子と
    の間隔を制御しながら、前記試料の表面上で前記第２の
    測定素子を移動させる移動機構とを有する表面情報測定
    装置。
17. 【請求項１７】 前記第２の測定素子に振動を与えるた
    めの加振部と、前記第２の測定素子の振動の振幅値を検
    出する振幅値検出部とを備えることを特徴とする請求項
    １６記載の表面情報測定装置。
18. 【請求項１８】 前記第２の測定素子に振動を与えるた
    めの加振部と、前記第２の測定素子の振動の位相偏移を
    検出する位相偏移検出部とを備えることを特徴とする請
    求項１６記載の表面情報測定装置。
19. 【請求項１９】 前記第１の測定素子と前記第２の測定
    素子は、同一の測定素子からなることを特徴とする請求
    項１６乃至１８何れかに記載の表面情報測定装置。
20. 【請求項２０】 前記処理部によって前記形状データを
    平滑化処理することを特徴とする請求項１６乃至１９何
    れかに記載の表面情報測定装置。
21. 【請求項２１】 前記処理部にはローパスフィルタが備
    えられていることを特徴とする請求項１６乃至２０何れ
    かに記載の表面情報測定装置。
22. 【請求項２２】 前記試料の表面情報は磁気情報である
    ことを特徴とする請求項１６乃至２１何れかに記載の表
    面情報測定装置。