JP2004191277A - Scanning probe microscope and its measurement method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a scanning probe microscope technique for highly accurately measuring a distance between a desired position in an image and a reference position, assuming that at least one point outside the visual field of the measurement image is the reference position. <P>SOLUTION: This scanning probe microscope is equipped with an X-displacement detection part 141 and a Y-displacement detection part for detecting the relative position of a probe 1 to a specimen 3, an image acquisition part 9 having the function of storing the detection result obtained by the X-displacement detection part 141 and the Y-displacement detection part, and a means for obtaining the coordinates on a second image positioned outside the visual field of a first image from the detection result obtained by the X-displacement detection part 141 and the Y-displacement detection part, assuming that one point on the first image is the reference position. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原子分解能で試料表面を観察及び分析することが可能な走査型プローブ顕微鏡に関する。
【0002】
【従来の技術】
走査型プローブ顕微鏡(Scanning Probe Microscope;SPM)は、原子分解能で試料表面を観察及び分析することが可能な表面観察装置である。その代表的なものには、探針先端と試料表面の間に流れるトンネル電流を利用した走査型トンネル顕微鏡(Scanning Tunneling Microscope;STM)や、探針先端と試料表面の間に働く力を利用した原子間力顕微鏡(Atomic Force Microscope;AFM)等がある。
【0003】
AFMは、非導電性の試料表面においても三次元形状を高分解能で観察することが可能であり、半導体デバイスや記録ディスク等の表面形状の評価に利用されている(例えば、非特許文献1参照)。
【0004】
図3は、従来におけるAFMの基本構成を示す。カンチレバー2は、その先端に設けられた探針1がXYZスキャナ6の試料保持部に保持された試料3の表面に対向する様に配置される。探針1は、XYZスキャナ6を駆動することにより試料3に対して相対的に移動する。探針1が試料3に接近すると、それらの間に働く原子間力によりカンチレバー2が撓む。この撓み量は、レバー変位検出部4で検出され、その出力信号がZサーボ回路5へ送られる。レバー変位検出部4では、光てこ法、レーザ干渉法等の光学的方法や構成を簡素化することができる圧電抵抗効果を利用した方法によって変位検出が行われる。Zサーボ回路5では、レバー変位検出部4の出力信号とZサーボ回路5で設定される基準値が比較され、その偏差に対応したZ駆動信号がXYZスキャナ6へ出力される。つまり、探針1に作用する原子間力が一定に保持されるようにフィードバック制御が行われる。
【0005】
一方、XY信号発生部8は、XY走査のためのXトリガ信号とYトリガ信号をXY走査回路7に出力する。XY走査回路7は、Xトリガ信号及びYトリガ信号に対応したX駆動信号及びY駆動信号をXYZスキャナ6に印加し、XYZスキャナ6にXY走査を行わせる。
【0006】
また、XY信号発生部8が出力するXトリガ信号とYトリガ信号は画像取得部9にも送られ、Zサーボ回路5の出力であるZ駆動信号、すなわち、XYZスキャナ6のZ変位信号をサンプリングするタイミング信号となる。画像取得部9でサンプリングされたZ変位信号は、その時のXトリガ信号及びYトリガ信号、すなわち、XY位置信号と共に画像メモリ10に保存される。この画像メモリに保存された信号は、試料3の表面形状を表わす画像となる。
【0007】
【非特許文献1】
フィジカル・レビュー・レターズ(Rhysical Review Letters)、第56巻(1986年)、第930頁
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
従来のSPMでは、得られた表面画像をもとに試料の三次元形状の寸法を測定する。そこでは画像内の2点間の距離を測ることはできるが、画像の視野外の1点を基準位置として画像内の1点との相対的な距離を測ることはできなかった。
【0009】
SPM以外の顕微鏡でも一般的に言えることであるが、分解能の高い観察画像を得るためには観察領域を小さくする、すなわち、倍率を上げる必要がある。測定できる寸法もそれに従って小さくなる。
【0010】
記録ディスクの分野では、記録マークの微細化が進んでおり、研究レベルでは100nm以下に達している。このような微細なマーク列の数10μm以上の長周期のパターン揺らぎをnmの精度で測定したいという要求がある。従来のSPMでは、この様な測定は不可能であった。
【0011】
本発明の目的は、走査型プローブ顕微鏡の技術分野において、上述の様な測長を可能にする走査型プローブ顕微鏡及びその測定方法を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明による走査型プローブ顕微鏡は、試料に対向するプローブと試料との相対位置を検出する位置検出手段と、位置検出手段の検出結果を記憶する記憶手段と、第1の画像上の少なくとも1点を基準位置として、第1の画像の視野外に位置する第2の画像上の座標を位置検出手段の検出結果から得る手段とを備えている。
【0013】
本発明によると、プローブと試料の相対位置を検出する位置検出手段は、観察画像上の位置信号を検出するので、第1の画像と、その視野外に位置する第2の画像の相対的な位置関係を得ることができる。
【0014】
以下,本発明の代表的な構成例を列挙する。
【0015】
(1)本発明の走査型プローブ顕微鏡は、試料に対向して設置されたプローブと、前記プローブを前記試料に対して相対的に移動させる移動手段と、前記プローブと前記試料の間の相互作用を検出する検出手段と、前記移動手段による前記プローブの試料表面への走査により前記検出手段から得られる検出結果に基き、前記試料表面の情報を反映した画像を形成する手段とを有し、かつ、前記プローブと前記試料の相対位置を検出する位置検出手段と、前記位置検出手段の検出結果を記憶する記憶手段とを設けて、第1の画像上の少なくとも1点を基準位置として前記第1の画像の視野外に配置された第2の画像上の所望とする位置座標を、記憶された前記位置検出手段の検出結果に基いて計測するよう構成したことを特徴とする。
【0016】
(2)本発明の走査型プローブ顕微鏡は、試料に対向するように設置されたプローブと、前記試料を3次元的に移動させる移動手段と、前記プローブを3次元的に微動させる微動手段と、前記プローブと前記試料の間の相互作用を検出する検出手段と、前記プローブにより試料表面を走査して、前記検出手段から得られる検出結果に基づいて前記試料表面の情報を反映した画像を形成する手段とを有し、かつ、前記プローブと前記試料の相対位置を検出する位置検出手段と、前記位置検出手段の検出結果を記憶する記憶手段とを設けて、第1の画像上の少なくとも1点を基準位置として前記第1の画像の視野外に位置する第2の画像上の所望とする位置座標を、記憶された前記位置検出手段の検出結果に基いて計測するようにしたことを特徴とする。
【0017】
(3)本発明の走査型プローブ顕微鏡の測定方法は、試料にプローブを接近あるいは接触させる工程と、前記プローブを走査する工程と、前記試料と前記プローブの相互作用を検出する工程と、検出された結果に基づいて前記試料表面を反映した画像を取得する工程とを有し、かつ、前記試料と前記プローブの相対位置を計測する工程と、計測された相対位置を記憶する工程と、第1の画像上の少なくとも1点を基準として前記第1の画像の視野外の第2の画像上の所望とする位置座標を前記記憶された相対位置から得る工程を含むことを特徴とする。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について、図面を参照して説明する。なお、理解を容易にするため以下に説明する図において、図3で説明した構成要素と同じ動作を行う要素には図3と同一の名称及び符号を付けている。
【0019】
図1は、本発明による走査型プローブ顕微鏡の一実施例を示すブロック図である。カンチレバー2の自由端には、尖鋭化された探針1が設けられている。試料3は、探針1と試料3の接近及び退避を行う為のZステージ111上に設けられた試料保持部に保持されている。また、Zステージ111は、試料3を所望の観察位置に移動するためのXYステージ112上に設置されている。カンチレバー2は、探針1が試料3に対向するようにXY微動機構602に配置されている。XY微動機構602は、Z微動機構601に固定されており、それらを駆動することにより、探針1は試料3上をXYZ方向に微動できる。
【0020】
XY微動機構602及びZ微動機構601としては、圧電材料から成るチューブ型の微動機構、積層タイプの圧電素子を3個組合わせて構成するトライポッド型の微動機構、あるいは圧電素子の駆動による弾性体の弾性変形を利用した平行平板型の微動機構等が利用される。更にチューブ型、トライポッド型、平行平板型の微動機構を適当に組み合わせて構成することもできる。
【0021】
一例として、図2に示した平行平板型の微動機構について説明する。ここでは一軸のみを示しているが、例えば、この基本となる1軸微動機構を2個直交するように組み合わせることによりXY微動機構を構成することができる。
【0022】
図2に示されるように、ワイヤカット加工により固定部603、移動部604及び弾性変形部606を一体構造で形成する。固定部603と移動部604の間に挟み込んで固定された積層タイプの圧電素子605を矢印の方向に駆動して力を加えることにより、弾性変形部606が弾性変形し、固定部603に対して移動部604が動くことになる。この場合、移動部604の移動方向は弾性変形部606の変形方向に従って、固定部603と平行な方向に制限されることになる。従って、平行平板型微動機構ではチューブ型スキャナ等のように移動方向に回転成分を含まないので、圧電素子の非線形性等を補正する場合に都合が良い。
【0023】
ここで、図1を用いて本発明の基本的な動作を説明する。Zステージ111により探針1と試料3を接近させると、それらの間に働く原子間力によりカンチレバー2が撓む。この撓み量はレバー変位検出部4で検出され、Zサーボ回路5へ出力される。Zサーボ回路5では、この撓み信号がZサーボ回路5で設定される基準値と比較され、その偏差信号に対応したZ駆動信号がZ微動機構601へ出力される。このフィードバック制御により、カンチレバー2の撓み量が一定に保持され、探針1と試料3の間に働く原子間力が一定になるようにZ微動機構601がZ方向に駆動される。
【0024】
一方、XY信号発生部8は、XY微動機構602をXY走査させるためのXトリガ信号及びYトリガ信号をXY走査回路7へ出力する。XY走査回路7では、X変位検出部141、および図1では省略しているがX変位検出部141と同様の構成を持ったY変位検出部で検出されたXYステージ112とXY微動機構602のX及びY方向の相対変位に対応した変位信号と、X及びYトリガ信号とがそれぞれ比較され、それらの偏差信号に対応するX及びY駆動信号がXY微動機構602へ出力される。すなわち、XY走査動作の際、XY信号発生部8で生成されたXトリガ信号及びYトリガ信号で示されるXY座標位置にXY微動機構602が正確に変位するようにフィードバック制御が行われ、XY微動機構602の非線形性誤差を補正する。
【0025】
ここで、X及びY変位検出部141、142について、図1に明示されているX変位検出部141を取り上げて説明する。X変位検出部141では、光源17から出射されたレーザ光が偏光ビームスプリッタ15に入射する。偏光ビームスプリッタ15では入射レーザ光が2つに分割される。一方のレーザ光Aは4分の1(1/4)波長板A18を通って、XYステージ112に固定されたミラーA12で反射された後、再び4分の1波長板A18を介して偏光ビームスプリッタ15に入射する。他方のレーザ光Bは直角プリズム16で90度方向が変えられ、4分の1(1/4)波長板B19を通って、XY微動機構602に固定されたミラーB13で反射された後、再び四分の一波長板B19、直角プリズム16を介して偏光ビームスプリッタ15に入射する。
【0026】
4分の1波長板A18及び4分の1波長板B19は、その光軸が偏光ビームスプリッタ15で分割された2つのレーザ光A、Bの偏光方向に対していずれも45度の角度を成すように配置されているので、偏光ビームスプリッタ15にミラーから反射して戻ってきたレーザ光の偏光方向は、元の射出光の偏光方向と90度異なったものになる。従って、ミラーA12から反射してきたレーザ光Aは、偏光ビームスプリッタ15を透過して、レーザ干渉測長器14に入射され、ミラーB13から反射してきらレーザ光Bは偏光ビームスプリッタ15で反射して、レーザ干渉測長器14に入射される。
【0027】
レーザ干渉測長器14では、これら2つのレーザ光A、Bが重ね合され、それらの光路差のために互いに干渉する。この干渉現象はXYステージ112とXY微動機構602のX方向の相対変位量の2倍に相当する光路差となって現れる。この干渉現象を光学的に検出することにより、XYステージ112とXY微動機構602のX方向の相対変位量を高分解能に測定することができる。
【0028】
Y変位検出部も全く同様な構成を持ち、XYステージ112とXY微動機構602のY方向の相対変位量を高分解能に測定することができる。
【0029】
ここで使用したレーザ光の波長は、670nmであるので、XYステージ112とXY微動機構602のX方向の相対変位量が半波長に相当する335nmの場合に、この干渉現象の位相変化2πラジアンとなって現れる。通常、この位相は100から1000分割して検出されるので、相対変位量としては3.3から0.3nmの分解能で検出される。従って、XY微動機構602の非線形性誤差を、このような高分解能で補正することができる。
【0030】
また、XY信号発生部8から出力されるXトリガ信号とYトリガ信号は、画像取得部9にも入力され、Z微動機構601のZ駆動信号をサンプリングするタイミング信号となる。更に、本実施例では、Z駆動信号と共にX変位検出器141及びY変位検出部からのX及びY変位信号もサンプリングされる。画像取得部9でサンプリングされたX、Y、Z変位信号は、その時のXトリガ信号及びYトリガ信号と共に画像取得部9内の記憶部に保存される。記憶部に保存された信号は試料3の表面形状を表わす画像として表示部10に表示される。
【0031】
次に、図1及び図4を用いて本実施例の測定動作を説明する。ここでは、長さ100nm、幅70nm、深さ120nmの微細なピット301の列を、図4に示される様に表面に形成した記録ディスク等の試料3を取り上げて説明する。
【0032】
先ず、XYステージ112を動作させて探針1を測定領域302の測定開始点(1)に位置決めする。上述の表面形状の画像取得動作が実行され、その結果として、その位置での表面形状を表わす第1の測定画像が得られる。画像取得動作は、探針1が測定開始点へ戻り終了する。その画像内の各位置でのXY座標は、X変位検出部141及びY変位検出部により検出され画像取得部9に記憶されている。
【0033】
次に、XYステージ112を動作させて探針1を測定領域303の測定開始点(2)に位置決めする。この位置決め動作では、X変位検出部141及びY変位検出部を用いて測定領域302及び303の相対変位量が高精度に検出され、画像取得部9に記憶される。即ち、測定開始点(1)と測定開始点(2)の相対座標値が記憶される。
【0034】
次に、測定領域303で表面形状測定動作が実行され、その位置の表面形状を表す第2の測定画像が得られる。その画像内の各位置でのXY座標は、X変位検出部141及びY変位検出部により検出され、画像取得部9に記憶されている。第1の画像上の少なくとも1つの座標(x0、y0)で示されるピット位置から、第2の画像上の各位置の相対座標は画像取得部9の記憶データを元に算出される。
【0035】
上述の様に、本実施例によれば、第1画像上の任意位置に対する、第1画像の視野外に位置する第2の画像上の任意位置の相対座標が、X変位検出部141及びY変位検出部の検出分解能3.3nmから0.3nmを以って得られるので、数100nmから数10nmの寸法の微細なピット列の長周期のパターン揺らぎをnmの分解能で評価することができる。
【0036】
本実施例では、探針1が試料3に常時接触した状態で制御する計測モードの場合を示したが、本発明は、探針1と試料3が非接触の場合、あるいは探針1と試料3が断続的に接触と非接触を繰り返す場合等、他のすべての計測モードにも適用可能である。
【0037】
更に、本発明は、探針と試料の間に働く力を利用した原子間力顕微鏡のみならず、探針と試料の間に流れるトンネル電流を利用した走査型トンネル顕微鏡や、磁性試料から漏洩する磁界を検出して磁気的な情報を得る磁気力顕微鏡、探針と試料の間の静電容量を検出する静電容量顕微鏡、探針と試料の間の静電気力を利用した静電気力顕微鏡、あるいは近接場光を利用して試料表面の光学的な情報を得る近接場光顕微鏡等、他のすべての走査型プローブ顕微鏡に対して、探針による検出物理量に依存せずに適用可能であることは言うまでもない。
【0038】
以上のように、本発明によれば、プローブと試料の相対位置を検出する位置検出手段と検出された位置信号を記憶しておく手段を有しているので、第1の画像とその視野外に位置する第2の画像の相対的な位置関係を得ることができる。従って、1nm以下の分解能を以って計測された表面形状の、例えば100μm以上の長周期のパターン揺らぎを1nm以下の分解能で評価することが可能となる。
【0039】
【発明の効果】
本発明によれば、測定画像の視野外の少なくとも1点を基準位置としてその画像内の所望とする位置との距離を高精度に測定することが可能な走査型プローブ顕微鏡が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による走査型プローブ顕微鏡の一実施例を説明するブロック図。
【図2】本発明における平行平板駆動機構の構成の一例を示す図。
【図3】従来技術の構成を説明するブロック図。
【図4】本発明による測定動作を説明する図。
【符号の説明】
1…探針、2…カンチレバー、3…試料、301…ピット、302、303…測定領域、4…レバー変位検出部、5…Zサーボ回路、6…XYZスキャナ、601…Z微動機構、602…XY微動機構、603…固定部、604…移動部、605…圧電素子、606…弾性変形部、7…XY走査回路、8…XY信号発生部、9…画像取得部、10…画像メモリ、111…Zステージ、112…XYステージ、12…ミラーA、13…ミラーB、14…レーザ干渉測長器、15…偏光ビームスプリッタ、16…直角プリズム、17…光源、18…1/4波長板A、19…1/4波長板B、141…X変位検出部。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a scanning probe microscope capable of observing and analyzing a sample surface with atomic resolution.
[0002]
[Prior art]
A scanning probe microscope (SPM) is a surface observation device capable of observing and analyzing a sample surface with atomic resolution. Typical examples are a scanning tunneling microscope (STM) using a tunnel current flowing between the probe tip and the sample surface, and a force acting between the probe tip and the sample surface. Atomic Force Microscope (AFM) and the like.
[0003]
AFM is capable of observing a three-dimensional shape with high resolution even on a non-conductive sample surface, and is used for evaluating the surface shape of a semiconductor device, a recording disk, or the like (for example, see Non-Patent Document 1). ).
[0004]
FIG. 3 shows a basic configuration of a conventional AFM. The cantilever 2 is arranged so that the probe 1 provided at the tip thereof faces the surface of the sample 3 held by the sample holding section of the XYZ scanner 6. The probe 1 moves relatively to the sample 3 by driving the XYZ scanner 6. When the probe 1 approaches the sample 3, the cantilever 2 bends due to the atomic force acting between them. This amount of deflection is detected by the lever displacement detecting section 4, and an output signal thereof is sent to the Z servo circuit 5. In the lever displacement detecting section 4, displacement is detected by an optical method such as an optical lever method or a laser interference method or a method utilizing a piezoresistance effect capable of simplifying the configuration. In the Z servo circuit 5, the output signal of the lever displacement detecting section 4 is compared with a reference value set by the Z servo circuit 5, and a Z drive signal corresponding to the deviation is output to the XYZ scanner 6. That is, feedback control is performed so that the interatomic force acting on the probe 1 is kept constant.
[0005]
On the other hand, the XY signal generator 8 outputs an X trigger signal and a Y trigger signal for XY scanning to the XY scanning circuit 7. The XY scanning circuit 7 applies an X drive signal and a Y drive signal corresponding to the X trigger signal and the Y trigger signal to the XYZ scanner 6, and causes the XYZ scanner 6 to perform XY scanning.
[0006]
The X trigger signal and the Y trigger signal output from the XY signal generation unit 8 are also sent to the image acquisition unit 9 to sample the Z drive signal output from the Z servo circuit 5, that is, the Z displacement signal of the XYZ scanner 6. Timing signal. The Z displacement signal sampled by the image acquisition unit 9 is stored in the image memory 10 together with the X trigger signal and the Y trigger signal at that time, that is, the XY position signal. The signal stored in the image memory becomes an image representing the surface shape of the sample 3.
[0007]
[Non-patent document 1]
Rhysical Review Letters, Vol. 56 (1986), p. 930 [0008]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional SPM, the dimensions of the three-dimensional shape of the sample are measured based on the obtained surface image. There, it was possible to measure the distance between two points in the image, but it was not possible to measure the relative distance from one point in the image using one point outside the field of view of the image as a reference position.
[0009]
As is generally the case with a microscope other than the SPM, in order to obtain an observation image with high resolution, it is necessary to reduce the observation area, that is, increase the magnification. The dimensions that can be measured are correspondingly smaller.
[0010]
In the field of recording discs, recording marks have been miniaturized, and have reached 100 nm or less at the research level. There is a demand for measuring such long-period pattern fluctuations of fine marks of several tens μm or more with a precision of nm. Such measurement was impossible with the conventional SPM.
[0011]
An object of the present invention is to provide a scanning probe microscope capable of performing the above-described length measurement and a measuring method thereof in the technical field of the scanning probe microscope.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a scanning probe microscope according to the present invention includes: a position detecting unit that detects a relative position between a probe facing a sample and a sample; a storage unit that stores a detection result of the position detecting unit; Means for obtaining, from at least one point on the one image as a reference position, coordinates on the second image located outside the field of view of the first image from the detection result of the position detecting means.
[0013]
According to the present invention, since the position detecting means for detecting the relative position between the probe and the sample detects a position signal on the observation image, the relative position between the first image and the second image located outside the visual field is detected. A positional relationship can be obtained.
[0014]
Hereinafter, typical configuration examples of the present invention will be listed.
[0015]
(1) A scanning probe microscope according to the present invention includes a probe provided to face a sample, moving means for moving the probe relative to the sample, and an interaction between the probe and the sample. Detecting means for detecting, based on the detection result obtained from the detecting means by scanning the probe surface of the sample by the moving means, and means for forming an image reflecting information on the sample surface, and A position detecting means for detecting a relative position between the probe and the sample; and a storage means for storing a detection result of the position detecting means, wherein at least one point on a first image is a reference position and the first The present invention is characterized in that a desired position coordinate on the second image arranged outside the field of view of the image is measured based on the stored detection result of the position detecting means.
[0016]
(2) The scanning probe microscope of the present invention includes a probe installed to face the sample, a moving unit for moving the sample three-dimensionally, a fine moving unit for finely moving the probe three-dimensionally, Detecting means for detecting an interaction between the probe and the sample, and scanning the sample surface with the probe to form an image reflecting information on the sample surface based on a detection result obtained from the detecting means; Means, and a position detecting means for detecting a relative position between the probe and the sample, and a storage means for storing a detection result of the position detecting means, wherein at least one point on the first image is provided. A desired position coordinate on the second image located outside the field of view of the first image with reference to the reference position is measured based on the stored detection result of the position detecting means. To.
[0017]
(3) The measuring method of the scanning probe microscope of the present invention includes the steps of: bringing a probe close to or contacting a sample; scanning the probe; and detecting an interaction between the sample and the probe. Obtaining an image reflecting the surface of the sample based on the result, and measuring the relative position of the sample and the probe; storing the measured relative position; And obtaining a desired position coordinate on the second image outside the field of view of the first image from the stored relative position with reference to at least one point on the image.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that, in order to facilitate understanding, in the drawings described below, elements performing the same operations as those described with reference to FIG. 3 are given the same names and reference numerals as those in FIG.
[0019]
FIG. 1 is a block diagram showing one embodiment of a scanning probe microscope according to the present invention. A sharpened probe 1 is provided at the free end of the cantilever 2. The sample 3 is held by a sample holder provided on the Z stage 111 for approaching and retracting the probe 1 and the sample 3. The Z stage 111 is set on an XY stage 112 for moving the sample 3 to a desired observation position. The cantilever 2 is arranged on the XY fine movement mechanism 602 such that the probe 1 faces the sample 3. The XY fine movement mechanism 602 is fixed to the Z fine movement mechanism 601, and by driving them, the probe 1 can finely move on the sample 3 in the XYZ directions.
[0020]
As the XY fine movement mechanism 602 and the Z fine movement mechanism 601, a tube type fine movement mechanism made of a piezoelectric material, a tripod type fine movement mechanism configured by combining three stacked piezoelectric elements, or an elastic body driven by driving a piezoelectric element. A parallel plate type fine movement mechanism utilizing elastic deformation is used. Further, a tube type, a tripod type, and a parallel plate type fine movement mechanism may be appropriately combined.
[0021]
As an example, the parallel plate type fine movement mechanism shown in FIG. 2 will be described. Although only one axis is shown here, for example, an XY fine movement mechanism can be configured by combining two basic one-axis fine movement mechanisms so as to be orthogonal to each other.
[0022]
As shown in FIG. 2, the fixed portion 603, the moving portion 604, and the elastically deforming portion 606 are formed as an integral structure by wire cutting. By driving the laminated piezoelectric element 605 sandwiched and fixed between the fixed unit 603 and the moving unit 604 in the direction of the arrow to apply a force, the elastic deformation unit 606 is elastically deformed, and The moving unit 604 moves. In this case, the moving direction of the moving unit 604 is limited to a direction parallel to the fixed unit 603 according to the deformation direction of the elastic deformation unit 606. Therefore, since the parallel plate type fine movement mechanism does not include a rotational component in the moving direction unlike a tube type scanner or the like, it is convenient when correcting nonlinearity of the piezoelectric element.
[0023]
Here, the basic operation of the present invention will be described with reference to FIG. When the probe 1 and the sample 3 are brought close to each other by the Z stage 111, the cantilever 2 bends due to the atomic force acting between them. This amount of deflection is detected by the lever displacement detector 4 and output to the Z servo circuit 5. In the Z servo circuit 5, the deflection signal is compared with a reference value set in the Z servo circuit 5, and a Z drive signal corresponding to the deviation signal is output to the Z fine movement mechanism 601. By this feedback control, the amount of deflection of the cantilever 2 is kept constant, and the Z fine movement mechanism 601 is driven in the Z direction so that the atomic force acting between the probe 1 and the sample 3 becomes constant.
[0024]
On the other hand, the XY signal generator 8 outputs an X trigger signal and a Y trigger signal for causing the XY fine movement mechanism 602 to perform XY scanning to the XY scanning circuit 7. In the XY scanning circuit 7, the XY stage 112 and the XY fine movement mechanism 602 detected by the X displacement detection unit 141 and the Y displacement detection unit having a configuration similar to that of the X displacement detection unit 141 which is omitted in FIG. The displacement signal corresponding to the relative displacement in the X and Y directions is compared with the X and Y trigger signals, respectively, and the X and Y drive signals corresponding to the deviation signals are output to the XY fine movement mechanism 602. That is, at the time of the XY scanning operation, feedback control is performed so that the XY fine movement mechanism 602 is accurately displaced to the XY coordinate position indicated by the X trigger signal and the Y trigger signal generated by the XY signal generation unit 8, and the XY fine movement is performed. The nonlinearity error of the mechanism 602 is corrected.
[0025]
Here, the X and Y displacement detectors 141 and 142 will be described with reference to the X displacement detector 141 shown in FIG. In the X displacement detection section 141, the laser light emitted from the light source 17 enters the polarization beam splitter 15. In the polarization beam splitter 15, the incident laser light is split into two. One laser beam A passes through a quarter (1/4) wavelength plate A18, is reflected by a mirror A12 fixed to the XY stage 112, and is again polarized through the quarter wavelength plate A18. The light enters the splitter 15. The other laser beam B is turned 90 degrees by the right-angle prism 16, passes through a quarter (板) wavelength plate B 19, is reflected by a mirror B 13 fixed to the XY fine movement mechanism 602, and then again. The light enters the polarization beam splitter 15 via the quarter-wave plate B19 and the right-angle prism 16.
[0026]
The quarter-wave plate A18 and the quarter-wave plate B19 each have an optical axis at an angle of 45 degrees with respect to the polarization directions of the two laser beams A and B split by the polarization beam splitter 15. Thus, the polarization direction of the laser beam reflected from the mirror and returned to the polarization beam splitter 15 is different from the polarization direction of the original emission light by 90 degrees. Therefore, the laser beam A reflected from the mirror A12 passes through the polarization beam splitter 15 and is incident on the laser interferometer 14, and the laser beam B reflected from the mirror B13 is reflected by the polarization beam splitter 15 to be reflected. Are incident on the laser interferometer 14.
[0027]
In the laser interferometer 14, these two laser beams A and B are superimposed and interfere with each other due to the optical path difference between them. This interference phenomenon appears as an optical path difference corresponding to twice the relative displacement amount of the XY stage 112 and the XY fine movement mechanism 602 in the X direction. By optically detecting this interference phenomenon, the relative displacement amount in the X direction between the XY stage 112 and the XY fine movement mechanism 602 can be measured with high resolution.
[0028]
The Y-displacement detecting section has the completely same configuration, and can measure the relative displacement in the Y-direction between the XY stage 112 and the XY fine movement mechanism 602 with high resolution.
[0029]
Since the wavelength of the laser beam used here is 670 nm, when the relative displacement in the X direction between the XY stage 112 and the XY fine movement mechanism 602 is 335 nm corresponding to a half wavelength, the phase change of this interference phenomenon is 2π radians. Appears. Usually, this phase is detected by being divided into 100 to 1000, so that the relative displacement is detected with a resolution of 3.3 to 0.3 nm. Therefore, the nonlinearity error of the XY fine movement mechanism 602 can be corrected with such high resolution.
[0030]
Further, the X trigger signal and the Y trigger signal output from the XY signal generation unit 8 are also input to the image acquisition unit 9 and become timing signals for sampling the Z drive signal of the Z fine movement mechanism 601. Further, in this embodiment, the X and Y displacement signals from the X displacement detector 141 and the Y displacement detector are sampled together with the Z drive signal. The X, Y, and Z displacement signals sampled by the image acquisition unit 9 are stored in a storage unit in the image acquisition unit 9 together with the X trigger signal and the Y trigger signal at that time. The signal stored in the storage unit is displayed on the display unit 10 as an image representing the surface shape of the sample 3.
[0031]
Next, the measurement operation of this embodiment will be described with reference to FIGS. Here, a row of fine pits 301 having a length of 100 nm, a width of 70 nm, and a depth of 120 nm will be described with reference to a sample 3 such as a recording disk formed on the surface as shown in FIG.
[0032]
First, the XY stage 112 is operated to position the probe 1 at the measurement start point (1) of the measurement area 302. The above-described surface shape image acquisition operation is performed, and as a result, a first measurement image representing the surface shape at that position is obtained. The image acquisition operation is completed by returning the probe 1 to the measurement start point. The XY coordinates at each position in the image are detected by the X displacement detection unit 141 and the Y displacement detection unit and stored in the image acquisition unit 9.
[0033]
Next, the XY stage 112 is operated to position the probe 1 at the measurement start point (2) of the measurement area 303. In this positioning operation, the relative displacement amounts of the measurement areas 302 and 303 are detected with high precision using the X displacement detection section 141 and the Y displacement detection section, and stored in the image acquisition section 9. That is, the relative coordinate values of the measurement start point (1) and the measurement start point (2) are stored.
[0034]
Next, a surface shape measurement operation is performed in the measurement region 303, and a second measurement image representing the surface shape at that position is obtained. The XY coordinates at each position in the image are detected by the X displacement detection unit 141 and the Y displacement detection unit, and stored in the image acquisition unit 9. From the pit position indicated by at least one coordinate (x0, y0) on the first image, the relative coordinates of each position on the second image are calculated based on the data stored in the image acquisition unit 9.
[0035]
As described above, according to the present embodiment, the relative coordinates of the arbitrary position on the second image located outside the field of view of the first image with respect to the arbitrary position on the first image are the X displacement detection unit 141 and the Y coordinate. Since the displacement detection unit can obtain a detection resolution of 3.3 nm to 0.3 nm, it is possible to evaluate a long-period pattern fluctuation of a fine pit row having a size of several hundred nm to several tens nm with a resolution of nm.
[0036]
In this embodiment, the case of the measurement mode in which the control is performed in a state where the probe 1 is always in contact with the sample 3 has been described. The present invention is applicable to all other measurement modes, such as a case where the contact 3 intermittently repeats contact and non-contact.
[0037]
Further, the present invention is not limited to an atomic force microscope utilizing a force acting between a probe and a sample, but also a scanning tunnel microscope utilizing a tunnel current flowing between the probe and the sample, and leakage from a magnetic sample. A magnetic force microscope that detects magnetic fields to obtain magnetic information, a capacitance microscope that detects the capacitance between the probe and the sample, an electrostatic force microscope that uses the electrostatic force between the probe and the sample, or It can be applied to all other scanning probe microscopes, such as a near-field optical microscope that uses the near-field light to obtain optical information on the sample surface, without depending on the physical quantity detected by the probe. Needless to say.
[0038]
As described above, according to the present invention, since the position detecting means for detecting the relative position between the probe and the sample and the means for storing the detected position signal are provided, the first image and the position outside the field of view are provided. Can be obtained relative to each other. Therefore, it is possible to evaluate a long-period pattern fluctuation of, for example, 100 μm or more of the surface shape measured with a resolution of 1 nm or less at a resolution of 1 nm or less.
[0039]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to realize a scanning probe microscope capable of measuring a distance from a desired position in a measured image with high accuracy using at least one point outside the visual field of the measured image as a reference position.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram illustrating an embodiment of a scanning probe microscope according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a configuration of a parallel plate driving mechanism according to the present invention.
FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration of a conventional technique.
FIG. 4 is a diagram illustrating a measurement operation according to the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Probe, 2 ... Cantilever, 3 ... Sample, 301 ... Pit, 302, 303 ... Measurement area, 4 ... Lever displacement detector, 5 ... Z servo circuit, 6 ... XYZ scanner, 601 ... Z fine movement mechanism, 602 ... XY fine movement mechanism, 603: fixed unit, 604: moving unit, 605: piezoelectric element, 606: elastic deformation unit, 7: XY scanning circuit, 8: XY signal generation unit, 9: image acquisition unit, 10: image memory, 111 ... Z stage, 112 ... XY stage, 12 ... Mirror A, 13 ... Mirror B, 14 ... Laser interferometer, 15 ... Polarizing beam splitter, 16 ... Right angle prism, 17 ... Light source, 18 ... 1/4 wavelength plate A , 19 ... 1/4 wavelength plate B, 141 ... X displacement detector.

Claims (9)

試料に対向して設置されたプローブと、前記プローブを前記試料に対して相対的に移動させる移動手段と、前記プローブと前記試料の間の相互作用を検出する検出手段と、前記移動手段による前記プローブの試料表面への走査により前記検出手段から得られる検出結果に基き、前記試料表面の情報を反映した画像を形成する手段とを有し、かつ、前記プローブと前記試料の相対位置を検出する位置検出手段と、前記位置検出手段の検出結果を記憶する記憶手段とを設けて、第1の画像上の少なくとも1点を基準位置として前記第1の画像の視野外に配置された第2の画像上の所望とする位置座標を記憶された前記位置検出手段の検出結果に基いて計測するよう構成したことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。A probe installed opposite to the sample, a moving unit for moving the probe relatively to the sample, a detecting unit for detecting an interaction between the probe and the sample, and the moving unit Means for forming an image reflecting information on the sample surface based on a detection result obtained from the detection means by scanning the probe with respect to the sample surface, and detecting a relative position between the probe and the sample Position detecting means and storage means for storing a detection result of the position detecting means are provided, and at least one point on the first image is set as a reference position and a second position is located outside the field of view of the first image. A scanning probe microscope configured to measure a desired position coordinate on an image based on a stored detection result of the position detecting means. 前記プローブは、カンチレバーの自由端に設けられた探針を有し、前記探針と前記試料表面の間の相互作用を検出するようにした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。The scanning probe microscope according to claim 1, wherein the probe has a probe provided at a free end of a cantilever, and detects an interaction between the probe and the sample surface. . 前記移動手段は、前記探針と前記試料との間に働く原子間力による前記カンチレバーの撓み量を検出し、検出された撓み信号を予め定めた基準値と比較して、その偏差に対応した信号により、前記探針と前記試料との間に働く前記原子間力が一定になるように制御するよう構成されていることを特徴とする請求項2記載の走査型プローブ顕微鏡。The moving means detects a bending amount of the cantilever due to an atomic force acting between the probe and the sample, compares the detected bending signal with a predetermined reference value, and corresponds to the deviation. The scanning probe microscope according to claim 2, wherein the signal is controlled so that the interatomic force acting between the probe and the sample is constant. 前記移動手段は、前記試料を3次元的に移動させる第1の移動手段と、前記プローブを3次元的に移動させる第2の移動手段とを有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。2. The scanning type according to claim 1, wherein the moving unit includes a first moving unit that moves the sample three-dimensionally, and a second moving unit that moves the probe three-dimensionally. Probe microscope. 前記位置検出手段は、レーザ光源と偏光ビームスプリッタとレーザ干渉測長器とを有し、前記レーザ光源から出射したレーザ光を、前記偏光ビームスプリッタを介して前記第1の移動手段と前記第2の移動手段のそれぞれへ入反射せしめて、前記レーザ干渉測長器により前記プローブと前記試料の相対位置を検出するよう構成されていること特徴とする請求項4記載の走査型プローブ顕微鏡。The position detecting means has a laser light source, a polarizing beam splitter, and a laser interferometer, and transmits the laser light emitted from the laser light source to the first moving means and the second moving means via the polarizing beam splitter. 5. The scanning probe microscope according to claim 4, wherein the laser interferometer measures the relative position between the probe and the sample by causing the laser interferometer to enter and reflect each of the moving means. 前記第2の移動手段は、前記プローブの移動方向を、圧電素子の駆動による弾性体の弾性変形の方向に制限した機構を有することを特徴とする請求項4記載の走査型プローブ顕微鏡。5. The scanning probe microscope according to claim 4, wherein said second moving means has a mechanism for restricting a moving direction of said probe to a direction of elastic deformation of an elastic body by driving a piezoelectric element. 試料に対向するように設置されたプローブと、前記試料を3次元的に移動させる移動手段と、前記プローブを3次元的に微動させる微動手段と、前記プローブと前記試料の間の相互作用を検出する検出手段と、前記プローブにより試料表面を走査して、前記検出手段から得られる検出結果に基づいて前記試料表面の情報を反映した画像を形成する手段とを有し、かつ、前記プローブと前記試料の相対位置を検出する位置検出手段と、前記位置検出手段の検出結果を記憶する記憶手段とを設けて、第1の画像上の少なくとも1点を基準位置として前記第1の画像の視野外に位置する第2の画像上の所望とする位置座標を、記憶された前記位置検出手段の検出結果に基いて計測するようにしたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。A probe installed to face the sample, a moving unit for moving the sample three-dimensionally, a fine movement unit for finely moving the probe three-dimensionally, and detecting an interaction between the probe and the sample Detecting means for scanning the sample surface with the probe, and means for forming an image reflecting information on the sample surface based on the detection result obtained from the detecting means, and the probe and the Position detection means for detecting the relative position of the sample, and storage means for storing the detection result of the position detection means are provided, and at least one point on the first image is set as a reference position and is outside the field of view of the first image A scanning probe microscope characterized in that a desired position coordinate on a second image located at a position is measured based on a stored detection result of the position detecting means. 試料にプローブを接近あるいは接触させる工程と、前記プローブを走査する工程と、前記試料と前記プローブの相互作用を検出する工程と、検出された結果に基づいて前記試料表面を反映した画像を取得する工程とを有し、かつ、前記試料と前記プローブの相対位置を計測する工程と、計測された相対位置を記憶する工程と、第1の画像上の少なくとも1点を基準として前記第1の画像の視野外の第2の画像上の所望とする位置座標を前記記憶された相対位置から得る工程を含むことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の測定方法。Bringing a probe into or out of contact with a sample, scanning the probe, detecting an interaction between the sample and the probe, and acquiring an image reflecting the sample surface based on the detected result. And a step of measuring a relative position between the sample and the probe, a step of storing the measured relative position, and a step of storing the measured relative position in the first image with reference to at least one point on the first image. Obtaining a desired position coordinate on the second image outside the visual field from the stored relative position. 前記プローブとして、カンチレバーの自由端に設けた探針を用い、前記探針の先端と前記試料表面の間の相互作用を検出するようにしたことを特徴とする請求項8記載の走査型プローブ顕微鏡の測定方法。9. The scanning probe microscope according to claim 8, wherein a probe provided at a free end of a cantilever is used as the probe, and an interaction between a tip of the probe and the sample surface is detected. Measurement method.
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