JP2004233242A

JP2004233242A - Scanning probe microscope

Info

Publication number: JP2004233242A
Application number: JP2003023633A
Authority: JP
Inventors: Kazunori Yonei; 米井和則
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2003-01-31
Filing date: 2003-01-31
Publication date: 2004-08-19

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a scanning probe microscope capable of perfcorming the feedback control of a probe with higher precision even if the surface of a specimen has an inclination or noise. <P>SOLUTION: The inclination component of the specimen 10c is operated using the FFT operation and IFFT operation of an FFT/IFFT 2 with respect to the Z-feedback signal sent from an APM head 10 through a signal amplifier 11 by pre-scanning. The Z-feedback signal sent from the APM head 10 through the signal amplifier 11 by this pre-scanning is inputted to an inclination component removing arithmetic part 4 and the inclination component of the specimen is removed from the Z-feedback signal. The feedback operation is performed in a feedback arithmetic part 5 using the Z-feedback signal from which the inclination component is removed to obtain a shape component. The inclination component and the shape component are added to form a Z-scanner drive control signal which is, in turn, outputted to the Z-scanner of a piezoelectric scanner 10b and the shape component is imaged to be displayed on a monitor 12. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料測定面の凹凸形状を測定しかつ画像化する走査プローブ顕微鏡（以下、ＳＰＭともいう）の技術分野に属し、特に、試料の傾斜を考慮して凹凸形状を測定する走査プローブ顕微鏡の技術分野に属するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＳＰＭにおいては、探針をＸスキャナおよびＹスキャナでそれぞれＸ軸方向およびＹ軸方向に移動させてＸ軸およびＹ軸で定義される測定面を走査しながら探針の先端と試料の表面との間の距離（測定面に直交するＺ軸方向の距離）を測定することで、試料表面の凹凸形状を測定するとともにその凹凸形状の画像を作成している。その場合、例えば探針と試料との間に流れる電流が一定となるようにＺスキャナに駆動電圧を印加して探針をＺ軸方向に移動させ、このときのＺスキャナへの駆動印加電圧を測定することで試料表面の凹凸形状を測定している。
そして、ＳＰＭでは、試料表面の凹凸形状を測定する場合に探針をＺ軸方向に移動させるにあたって、従来、Ｚスキャナに対してフィードバック制御が行われている。
【０００３】
ところで、試料表面は探針の軸方向（つまり、Ｚ軸方向）に対して直交しなく傾斜している場合がある。このように測定面が傾斜した状態で探針により測定面の凹凸形状を測定した場合、測定したデータは試料表面の傾斜を含んだデータとなり、試料測定面の凹凸形状の正確なデータは得られない。
【０００４】
そこで、従来から、ＳＰＭで測定したデータに対して傾斜補正が行われている。この傾斜補正の一例として、試料の測定領域上でＸ、Ｙの２軸方向のライン状の走査を行って測定領域の測定面の傾斜角を算出し、走査範囲を定め、この走査範囲と測定データを用いて傾斜した測定面に直交する方向での信号レベルを算出し、走査範囲とサンプリング数と算出した信号レベルに基づいて等間隔なサンプリングピッチにおける信号レベルを内挿法により求め、求めた等間隔のサンプリングピッチにおける信号レベルを最終的なデータとして用いるようにした走査型探針顕微鏡像の傾斜補正方法が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００５】
この特許文献１に開示されている走査型探針顕微鏡像の傾斜補正方法では、測定データ記憶部に記憶された探針の位置データが適宜取り出されて、この位置データがデータ処理部で傾斜補正される。このようにして、データ処理部で試料の測定面の凹凸形状について画像処理が行われ、この画像処理で得られたデータを用いてモニタに試料表面の凹凸形状が表示される。
【特許文献１】
特開平６−１４７８２１号公報（段落番号［０００８］、［０００９］および［００１４］；［要約］）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述の特許文献１に開示されている走査型探針顕微鏡像の傾斜補正方法では、モニタに試料表面の凹凸形状を表示するためにデータ処理部で行われる画像処理で傾斜補正が行われるだけであり、探針のＺ軸方向のフィードバック制御に対しては傾斜補正は行われない。このため、試料の傾斜によってフィードバック制御信号の信号変化幅が増大したとき、例えば、目的とする表面形状信号が試料の傾斜による信号変化幅に比べて大幅に小さい場合（例えば原子像観察）などにおいて、フィードバック制御回路内の制御要素（例えばＤ／Ａ変換器等）の電圧分解能（ビット分解能）の関係から傾斜成分に細かな形状信号成分が埋もれる形になってしまう。その結果、表面形状測定のＳ／Ｎが低下するばかりでなく、演算がオーバーフローしやすくなり、探針のＺ軸方向のフィードバック制御が必ずしも高精度に行われているとは言えない。
【０００７】
また、ＳＰＭにおいては、一般に、構成される電気回路の電源ノイズ、装置ユニットの機械的構成による固有振動等の固有の周波数を持ったノイズあるいはＳＰＭの設置室の床振動や外部音響などの不特定の周波数を持ったノイズが測定した信号に含まれている。このようにノイズが測定信号に含まれると、測定画像の画質が低下するという問題がある。しかし、前述の特許文献１に開示の走査型探針顕微鏡では、これらのノイズについて考慮されていない。
【０００８】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、試料表面が傾斜してもより精度の高い探針のフィードバック制御を行うことのできる走査プローブ顕微鏡を提供することである。
本発明の他の目的は、ノイズを除去することでより精度の高い探針のフィードバック制御を行うことのできる走査プローブ顕微鏡を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために、本発明の走査プローブ顕微鏡は、探針を試料表面の測定面の方向に移動する測定面方向スキャナおよび探針を前記測定面と直交方向に移動する直交方向スキャナをそれぞれ駆動制御する制御装置を備え、前記測定面方向スキャナで探針を移動することで前記測定面をスキャンするとともに、前記直交方向スキャナのフィードバック制御により探針を前記測定面の凹凸形状に応じて前記測定面と直交方向に移動制御しかつこの直交方向の探針の移動量を用いて前記測定面を測定し、得られた前記測定面の形状情報を表示する走査プローブ顕微鏡において、前記測定面のスキャンとして第１スキャンおよび第２スキャンの２つのスキャンが設定されており、前記制御装置が、前記第１スキャンにより得られる前記測定面の前記直交方向の測定情報から前記測定面の傾斜情報を演算する信号処理演算手段と、前記第２スキャンにより得られる前記測定面の前記直交方向の測定情報から前記傾斜情報を除去して傾斜除去情報を得る傾斜除去手段と、この傾斜除去情報に従ってフィードバック演算を行うことで前記測定面の形状情報を得るフィードバック演算手段と、前記傾斜情報と前記形状情報とを合算して前記直交方向スキャナの駆動制御信号を出力するスキャナ制御信号出力手段と、前記傾斜情報および前記形状情報を記憶する記憶手段とからなり、前記記憶手段に記憶されかつ画像化された前記形状情報を表示することを特徴としている。
【００１０】
また、請求項２の発明は、前記第１および第２スキャンによる各前記直交方向の測定情報および前記駆動制御信号がアナログデータであるとともに、前記信号処理演算手段による前記傾斜情報、前記傾斜除去手段による前記傾斜除去情報および前記フィードバック演算手段による前記形状情報がデジタルデータであり、前記制御装置がアナログ−デジタル変換器およびデジタル−アナログ変換器をそれぞれ備えていることを特徴としている。
更に、請求項３の発明は、前記信号処理演算手段が少なくとも高速フーリエ変換および高速フーリエ逆変換を用いて前記傾斜情報を演算することを特徴としている。
更に、請求項４の発明は、前記信号処理演算手段が、前記形状情報から特定の周波数成分を演算により除去する周波数フィルタとして機能することを特徴としている。
【００１１】
【作用】
このように構成された本発明の走査プローブ顕微鏡においては、第１スキャンによって試料の測定面における直交方向の測定情報が得られ、この測定情報を用いて、信号処理演算手段による信号演算処理で測定面の傾斜情報が演算される。得られた傾斜情報が記憶手段に記憶される。次に、第２スキャンによって得られた測定面の傾斜情報から、記憶手段に記憶されている傾斜情報が傾斜除去手段によって除去され、その傾斜除去情報に従ってフィードバック演算手段がフィードバック演算を行うことで形状情報が得られる。そして、スキャナ制御信号出力手段により、傾斜情報と形状情報とが合算されて得られる駆動制御信号が直交方向スキャナに出力される。また、形状情報が記憶手段に記憶された後画像化されて表示される。
【００１２】
このように、試料の測定情報から、この測定情報に対して信号演算処理を行うことで得られた試料の傾斜を除去する傾斜補正を行うことで、試料の測定情報の傾斜成分と形状成分とを互いに分離してフィードバック演算を行うようにしているので、表面形状測定のＳ／Ｎ比が向上するとともに、オーバーフローをしにくい細かな試料表面形状追従のためのフィードバック演算が可能となる。従って、走査プローブ顕微鏡において、フィードバック制御がより高精度に行われるようになる。
【００１３】
特に、請求項２の発明においては、デジタル−アナログ変換器が用いられるが、前述のように傾斜成分と形状成分とが分離されることで、傾斜追従信号用のデジタル−アナログ変換器と形状追従信号用のデジタル−アナログ変換器とが分離可能となる。これにより、両デジタル−アナログ変換器のそれぞれのビット分解能を最大限活用することが可能となり、表面形状測定のＳ／Ｎ比が向上するとともに、細かな試料表面形状追従のためのフィードバック演算のオーバーフローが効果的に防止される。
【００１４】
また、請求項３の発明においては、少なくとも高速フーリエ変換および高速フーリエ逆変換を用いて傾斜情報が演算されるので、傾斜情報がより正確にかつより迅速に演算されるようになる。
更に、請求項４の発明においては、信号処理演算手段の周波数フィルタ機能により、形状情報に対して特定の周波数成分を除去するフィルタ処理が行われるので、例えば、前述の電源ノイズ、機械的構成による固有振動等のノイズあるいは床振動や外部音響のノイズなど、不特定の周波数を持ったノイズが除去可能となる。したがって、より高画質のノイズ成分の少ない測定画像が得られるようになる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて、本発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明にかかる走査プローブ顕微鏡の実施の形態の一例を示すブロック図である。
図１に示すように、この例のＳＰＭはデジタルフィードバック回路が組み合わされたフィードバック系を有している。このＳＰＭはこれを制御するコントローラ（本発明の制御装置に相当）を備えており、このＳＰＭコントローラは、入力されるアナログのフィードバック信号をデジタルデータへ変換するＡ／Ｄ変換器１と、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）、高速フーリエ逆変換（ＩＦＦＴ）およびマスク処理等を行うＦＦＴ／ＩＦＦＴ演算部（本発明の信号処理演算手段に相当）２と、Ａ／Ｄ変換器１からのデジタルデータおよびＦＦＴ／ＩＦＦＴ演算部２からのデジタルデータを記憶しておくデータ記憶部（バッファー部；本発明の記憶手段に相当）３と、Ａ／Ｄ変換器１からのデジタルデータから、データ記憶部３に蓄えられている傾斜追従信号データであるデジタルのフィードバック信号の傾斜成分を除去する傾斜成分除去演算部（本発明の傾斜除去手段に相当）４と、この傾斜成分が除去されたデジタル信号を用いてフィードバック動作を行うフィードバック演算部（本発明のフィードバック演算手段に相当）５と、データ記憶部３からの傾斜追従信号データをアナログ信号へ変換するＤ／Ａ変換器６と、フィードバック演算部５からのデジタルの形状追従信号データをアナログ信号へ変換するＤ／Ａ変換器７と、Ｄ／Ａ変換器６からのアナログの傾斜追従信号とＤ／Ａ変換器７からのアナログの形状追従信号とを合算し、フィードバック信号として出力する信号加算回路（本発明のスキャナ制御信号出力手段に相当）８と、信号加算回路８からのアナログ信号をピエゾ駆動電圧まで増幅するアンプユニット（ＨＶ−ＡＭＰ；本発明のスキャナ制御信号出力手段に相当）９とから構成されている。
その場合、Ａ／Ｄ変換器１、ＦＦＴ／ＩＦＦＴ演算部２、データ記憶部（バッファー部）３、傾斜成分除去演算部４、フィードバック演算部５、Ｄ／Ａ変換器６およびＤ／Ａ変換器７により、デジタルプロセッサであるＤＳＰユニットが構成されている。
【００１６】
また、この例のＳＰＭは、このＳＰＭコントローラと、探針１０ａが取り付けられたピエゾスキャナ１０ｂ、試料１０ｃおよび信号検出回路（不図示；ＳＰＭにおいて従来周知の信号検出回路を使用できる）で構成されるＳＰＭヘッド（装置本体）１０と、装置本体１０からの信号を処理する信号アンプ（アンプ回路）１１と、データ記憶部３に蓄えられている画像データを画像化するモニタ（画像表示装置）１２とから構成されている。
【００１７】
その場合、この例のＳＰＭのピエゾスキャナ１０ｂは、図示しないが探針１０ａを試料１０ｃの表面における測定面の方向（つまり、Ｘ軸方向およびＹ軸方向）に移動（スキャン）するＸスキャナおよびＹスキャナと、探針１０ａを試料１０ｃの測定面と直交する方向に移動（スキャン）するＺスキャナからなる。これらのＸ、ＹおよびＺスキャナはいずれもＳＰＭコントローラで駆動制御されるが、Ｚスキャナは試料１０ｃの測定面の凹凸形状に応じて移動制御される。そして、ＸおよびＹスキャナにより本発明の測定面方向スキャンが構成され、またＺスキャナにより本発明の直交方向スキャンが構成されている。
【００１８】
このように構成されたこの例のＳＰＭにおいては、信号処理演算回路を用いた傾斜補正は、プリスキャン（本発明の第１スキャンに相当）と本スキャン（本発明の第２スキャンに相当）の２つのスキャン動作により実現される。
まず、プリスキャンについて説明する。プリスキャンは、スキャンに際して、本スキャン開始前に試料全体の傾斜、つまり、測定面内の試料傾斜量を把握するために行われる（測定点は、ＦＦＴのアルゴリズムに応じて２のカイ乗個とする）。このプリスキャンの際には、傾斜補正処理は行われない。
【００１９】
このプリスキャン時におけるＳＰＭの具体的な動作は、
（１）プリスキャンは、ＳＰＭコントローラでピエゾスキャナ１０ｂのＸ、ＹおよびＺスキャナをそれぞれ個別に駆動制御し、探針１０ｃで試料１０ｃの測定面をスキャンし、信号アンプ１１を介してＳＰＭヘッド１０からの試料測定面のＺフィードバック信号を得る。
（２）Ｚフィードバック信号はＡ／Ｄ変換器１によってデジタルデータに変換され、データ記憶部３に記憶されるとともに、傾斜成分除去演算部４を介してフィードバック演算部５ｂに送られる。
（３）プリスキャンの際には、傾斜成分除去演算部４は何も演算動作を行わず、フィードバック演算部５へデータをスルーする。
（４）フィードバック演算部５は、送られてくるデータに従ってフィードバック演算を行う。
（５）フィードバック演算部５からのデータは、Ｄ／Ａ演算部７によりアナログデータへ変換されて信号加算回路８に入力される。
（６）このプリスキャンの際には、Ｄ／Ａ変換器６は動作しない。
（７）信号加算回路８はＤ／Ａ変換器７からのデータをそのままＨＶ−ＡＭＰ９へ出力する。
（８）ＨＶ−ＡＭＰ９により増幅されたピエゾ駆動信号は、ピエゾスキャナ１０ｂのＺスキャナを駆動する。
（９）プリスキャン終了後、ＦＦＴ／ＩＦＦＴ演算部２は、データ記憶部３に記憶されているデータを用いて２次元ＦＦＴ演算を行い、プリスキャン結果の周波数空間データを得る。
（１０）ＦＦＴ／ＩＦＦＴ演算部２は、Ｘ方向およびＹ方向のスキャン周波数を測定点数とスキャンロックから算出する。
（１１）前述の（９）で得られた周波数空間データには、必ずＸＹ方向の信号成分に前述の（１０）で計算されるスキャン周波数のピークが現れるので、ＦＦＴ／ＩＦＦＴ演算部２はこれをマスク処理してスキャン周波数に即した信号成分を除去する。
（１２）ＦＦＴ／ＩＦＦＴ演算部２は、マスク処理によりスキャン周波数に即した信号成分を除去した周波数空間データをＩＦＦＴ演算を用いて実時間データへ再変換する。
（１３）ＦＦＴ／ＩＦＦＴ演算部２により実時間データへ再変換されたデータは、Ｘ方向成分とＹ方向成分に分離され、それぞれの方向の傾斜成分（傾斜情報）としてデータ記憶部３に記憶される。
【００２０】
次に、本スキャンについて説明する。本スキャンは、前述のプリスキャンの結果得られた測定面内の試料傾斜量に基づき、随時傾斜量を補正しながらフィードバック演算を行い、その結果を画像化する。補正された傾斜量は傾斜追従信号として、フィードバック演算信号（形状追従信号）とは別の経路をたどって出力され、最終的に形状追従信号と傾斜追従信号を合算した信号をピエゾスキャナ１０ｂにおけるＺスキャナへ出力する。
【００２１】
この本スキャン時におけるＳＰＭの具体的な動作は、
（１４）本スキャンが開始されると、信号アンプ１１を介して送られてくるＳＰＭヘッド１０からのＺフィードバック信号がＡ／Ｄ変換器１によってデジタルデータに変換される。
（１５）Ａ／Ｄ変換器１からのデジタルデータは、傾斜成分除去演算部４を介してフィードバック演算部５へ送られる。
（１６）この（１５）の動作の際、傾斜成分除去演算部４では、Ａ／Ｄ変換器１から送られるデジタルデータが、データ記憶部３に蓄えられているＸＹ各方向の傾斜成分を除去（減算）されて試料傾斜補正動作が行われ、傾斜除去データ（傾斜除去情報）としてフィードバック演算部５へ送られる。
（１７）フィードバック演算部５では、傾斜成分除去演算部４でＸＹ各方向の傾斜成分が除去された信号データ、すなわち傾斜除去データを用いてフィードバック演算が行われ、得られた形状信号データ（形状情報）がＤ／Ａ変換器７へ送られる。
（１８）Ｄ／Ａ変換器７では、フィードバック演算部５から送られる形状信号データがアナログ信号に変換され、このアナログ信号が形状追従信号として信号加算回路８へ出力される。
（１９）一方、Ｄ／Ａ変換器６では、データ記憶部３に蓄えられているＸＹ各方向の傾斜成分データがアナログ信号に変換され、このアナログ信号が傾斜追従信号として信号加算回路８へ出力される。
（２０）これらの（１８）および（１９）の動作は、スキャンロックと同期して行われる。
（２１）信号加算回路８では、Ｄ／Ａ変換器６からの傾斜追従信号とＤ／Ａ変換器７からの形状追従信号とが合算され、合算信号がＺスキャナ制御信号としてＨＶ−ＡＭＰ９へ出力される。
（２２）ＨＶ−ＡＭＰ９では、信号加算回路８から送られるＺスキャナ制御信号が増幅され、増幅された信号はＺスキャナを駆動するためのピエゾ駆動信号としてピエゾスキャナ１０ｂへ出力される。
（２３）ピエゾスキャナ１０ｂでは、ＨＶ−ＡＭＰ９から送られるピエゾ駆動信号により、Ｚスキャナが駆動されて探針１０ａが試料１０ｃに対してＺ方向（上下方向）にスキャンされる。
（２４）また、フィードバック演算部５からの形状追従信号は、ＦＦＴ／ＩＦＦＴ演算部２へも送られ、別の演算処理（例えば、後述する周波数フィルタ演算）を施された後にデータ記憶部３に蓄えられて画像化される。
（２５）画像化された形状追従信号が画像信号としてデータ記憶部３からモニタ１２へ出力される。
【００２２】
この例のＳＰＭによれば、プリスキャンによってＡＰＭヘッド１０から信号アンプ１１を介して送られてくるＺフィードバック信号に対して、ＦＦＴ／ＩＦＦＴ２でＦＦＴ演算およびＩＦＦＴ演算を用いて試料１０ｃの傾斜を演算し、傾斜成分除去演算部４で、本スキャンによってＡＰＭヘッド１０から信号アンプ１１を介して送られてくるＺフィードバック信号から、ＦＦＴ／ＩＦＦＴ２で演算された試料１０ｃの傾斜成分を除去する傾斜補正を行い、傾斜成分が除去されたＺフィードバック信号を用いてフィードバック演算部５でフィードバック演算を行っているので、Ｚフィードバック信号の形状成分を傾斜成分から分離することができる。これにより、表面形状測定のＳ／Ｎ比を向上できるとともに、オーバーフローをしにくい細かな試料表面形状追従のためのフィードバック演算を行うことができる。従って、ＳＰＭにおいて、より精度の高いフィードバック制御を行うことができる。
【００２３】
特に、この例のＳＰＭによれば、傾斜成分と形状成分とを分離することで傾斜追従信号用のＤ／Ａ変換器６と形状追従信号用のＤ／Ａ変換器７とを分離させることができる。これにより、両Ｄ／Ａ変換器６，７のそれぞれのビット分解能を最大限活用することが可能となり、表面形状測定のＳ／Ｎ比をより効果的に向上できるとともに、細かな試料表面形状追従のためのフィードバック演算のオーバーフローを、より一層効果的に防止することができる。
また、ＦＦＴ演算およびＩＦＦＴ演算を用いて試料１０ｃの傾斜を演算しているので、この傾斜をより正確にかつより迅速に演算できる。
【００２４】
ところで、図１に示す例のＳＰＭにおけるＦＦＴ／ＩＦＦＴ演算部２は傾斜補正を行うために用いられているが、このＦＦＴ／ＩＦＦＴ演算部２は傾斜補正以外の多彩な演算処理にも用いることができる。以下に、この多彩な演算処理の一例として、ＦＦＴ／ＩＦＦＴ演算部２によるＦＦＴ／ＩＦＦＴ演算を用いた周波数フィルタについて説明する。以下に述べる動作（２６）ないし（２８）は、前述の本スキャンの動作（１４）ないし（１７）のフィードバック演算部５によるフィードバック演算の動作までと同じである。すなわち、
【００２５】
（２６）Ａ／Ｄ変換器１は信号アンプ１１を介して送られてくるＳＰＭヘッド１０からのフィードバック信号をデジタル信号へ変換する。
（２７）デジタル信号へ変換された信号はＡ／Ｄ変換器１から傾斜成分除去演算部４へ送られ、傾斜成分除去演算部４において、このデジタルデータは試料傾斜補正動作が行われることで、データ記憶部３に蓄えられているＸＹ各方向の傾斜成分を除去され、形状成分データとしてフィードバック演算部５へ送られる。
（２８）フィードバック演算部５では、入力される形状成分データを用いてフィードバック演算が行われ、形状追従信号が形成される。
（２９）この形状追従信号はフィードバック演算部５からＤ／Ａ変換器７へ出力されるとともに、常時データ記憶部３にバッファリング（記憶）される。
（３０）ＦＦＴ／ＩＦＦＴ演算部２では、データ記憶部３から１ライン測定点数分（常に、２のカイ乗個のデータ）の形状追従信号が取り出され、ＦＦＴ演算が行われる。
（３１）ＦＦＴ演算の結果、得られる周波数成分に分解されたフィードバック信号から、特定の周波数成分（電源ノイズや固有振動ノイズ等）がマスク処理で除去される。
（３２）特定の周波数成分が除去された信号はデータ記憶部３に蓄積されて画像化され、画像化されたデータは前述と同様にモニタ１２で表示される。
このように、ＦＦＴ／ＩＦＦＴ演算部２は、データ記憶部３に記憶された形状追従信号から特定の周波数成分を除去する周波数フィルタとして機能する。
【００２６】
この変形例のＳＰＭによれば、ＦＦＴ／ＩＦＦＴ演算部２の周波数フィルタ機能により、ＡＰＭヘッド１０から信号アンプ１１を介して送られてくるＺフィードバック信号から特定の周波数成分を信号処理演算を用いて除去する周波数フィルタ処理を行うようにしているので、例えば、前述の電源ノイズ、機械的構成による固有振動等のノイズあるいは床振動や外部音響のノイズなど、不特定の周波数を持ったノイズが除去可能となる。したがって、より高画質のノイズ成分の少ない測定画像を得ることができる。この変形例の他の作用効果は、前述の例と同じである。
【００２７】
図２は本発明の実施の形態の他の例を示す、図１と同様のブロック図である。なお、前述の例と同じ構成要素には同じ符号を付すことで、その詳細な説明は省略する。
前述の図１に示す例のＳＰＭでは、デジタルフィードバック回路が組み合わされたフィードバック系を有しているが、この例のＳＰＭはアナログフィードバック回路が組み合わされたフィードバック系を有している。
【００２８】
すなわち、図２に示すようにこの例のＳＰＭのコントローラは、前述の例の傾斜成分除去演算部４、フィードバック演算部５およびＤ／Ａ変換器７をいずれも備えておらず、これらに代えて、信号アンプ１１からの信号から、Ｄ／Ａ変換器６からの傾斜追従信号を除去（減算）する減算回路１３および減算回路１３からの傾斜追従信号を除去された信号を用いてフィードバック動作を行い、アナログの形状追従信号を出力するフィードバック回路１４とを備えている。また、この例のＳＰＭのコントローラは、フィードバック回路１４からのアナログの形状追従信号をデジタルデータへ変換するＡ／Ｄ変換器１５を備えている。
その場合、Ａ／Ｄ変換器１、ＦＦＴ／ＩＦＦＴ演算部２、データ記憶部（バッファー部）３、Ｄ／Ａ変換器６およびＡ／Ｄ変換器１５により、ＤＳＰユニットが構成されている。
この例のＳＰＭの他の構成は、前述の図１に示す例のＳＰＭと同じである。
【００２９】
このよう構成されたこの例のＳＰＭにおいても、前述と同様に、信号処理演算回路を用いた傾斜補正は、プリスキャンと本スキャンの２つのスキャン動作により実現される。まず、プリスキャンについて説明する。
【００３０】
この例のプリスキャン時におけるＳＰＭの具体的な動作は、
（３３）前述の例のプリスキャン時の動作（１）と同様にして、ＳＰＭヘッド１０からのアナログのＺフィードバック信号が信号アンプ１１を介して得られ、この信号はＡ／Ｄ変換器１に出力される。
（３４）このＺフィードバック信号はＡ／Ｄ変換器１によってデジタルデータに変換され、データ記憶部３に記憶される。
（３５）データ記憶部３に記憶されているデジタルデータから傾斜成分がＤ／Ａ変換器６へ送られ、このＤ／Ａ変換器６によりアナログの傾斜追従信号へ変換される。
（３６）Ｄ／Ａ変換器６からのアナログの傾斜追従信号が減算回路１３へ送られ、減算回路１３は信号アンプ１１からの信号から、Ｄ／Ａ変換器６からの傾斜追従信号を除去する。
（３７）フィードバック回路１４は、減算回路１３から送られてくるデータに従ってフィードバック演算を行い、形状追従信号を出力する。
（３８）フィードバック回路１４からの形状追従信号は、信号加算回路８に入力される。
（３９）このプリスキャンの際には、Ｄ／Ａ変換器６からの傾斜追従信号は信号加算回路８に入力されない。
（４０）以後のプリスキャン時の動作は、前述の例のＳＰＭにおけるプリスキャン時の動作（７）ないし（１３）と同じである。
【００３１】
次に、この例の本スキャンについて説明する。前述の例の本スキャンと同様に、この例の本スキャンは、前述のプリスキャンの結果得られた測定面内の試料傾斜量に基づき、随時傾斜量を補正しながらフィードバック演算を行い、その結果を画像化する。補正された傾斜量は傾斜追従信号として、フィードバック演算信号（形状追従信号）とは別の経路をたどって出力され、最終的に形状追従信号と傾斜追従信号を合算した信号をピエゾスキャナ１０ｂにおけるＺスキャナへ出力する。
【００３２】
この例の本スキャン時におけるＳＰＭの具体的な動作は、
（４１）本スキャンが開始されると、前述の例の本スキャン時の動作（１４）と同様にして、信号アンプ１１を介して送られてくるＳＰＭヘッド１０からのＺフィードバック信号がＡ／Ｄ変換器１によってデジタルデータに変換される。
（４２）デジタルデータに変換されたＺフィードバック信号はＡ／Ｄ変換器１からデータ記憶部３へ出力されて、このデータ記憶部３に記憶される。
（４３）データ記憶部３に記憶されているデジタルデータから傾斜成分がＤ／Ａ変換器６へ送られ、このＤ／Ａ変換器６によりアナログの傾斜追従信号へ変換される。
（４４）Ｄ／Ａ変換器６からのアナログの傾斜追従信号が減算回路１３へ送られ、Ａ／Ｄ変換器１から送られるデジタルデータが、データ記憶部３に蓄えられているＸＹ各方向の傾斜成分を除去（減算）されて試料傾斜補正動作が行われ、形状成分データとしてフィードバック回路１４へ送られる。
（４５）フィードバック回路１４では、減算回路１３でＸＹ各方向の傾斜成分が除去された信号データ、すなわち形状信号データを用いてフィードバック演算が行われ、得られた形状信号データが形状追従信号として信号加算回路８およびＡ／Ｄ変換器１５へ出力される。
（４６）一方、前述の例の本スキャンと同様に、Ｄ／Ａ変換器６により、データ記憶部３に蓄えられているＸＹ各方向の傾斜成分データがアナログの傾斜追従信号として信号加算回路８へ出力される。
（４７）これらの（４５）および（４６）の動作は、スキャンロックと同期して行われる。
（４８）以後のこの例の本スキャン時の動作のうち、ＨＶ−ＡＭＰ９から送られるピエゾ駆動信号により、Ｚスキャナが駆動されて探針１０ａが試料１０ｃに対してＺ方向にスキャンされるまでの動作は、前述の例の本スキャン時の動作（２１）ないし（２３）と同じである。
（４９）また、フィードバック回路１４からＡ／Ｄ変換部１５へ送られるアナログの形状追従信号は、Ａ／Ｄ変換部１５でデジタル信号へ変換されてＦＦＴ／ＩＦＦＴ演算部２へ送られる。
（５０）以後のこの例の本スキャン時の動作は、前述の例の本スキャン時の動作（２４）および（２５）と同じであり、ＦＦＴ／ＩＦＦＴ演算部２で、別の演算処理を施された後にデータ記憶部３に蓄えられて画像化されるとともに、画像化された形状追従信号が画像信号としてデータ記憶部３からモニタ１２へ出力され、モニタ１２によりこの画像信号が画像として表示される。
【００３３】
この例のＳＰＭによっても、前述の例の作用効果のうち、傾斜追従信号用のＤ／Ａ変換器６と形状追従信号用のＤ／Ａ変換器７とを分離させることによる作用効果を除いた作用効果と、ほぼ同じ作用効果を得ることができる。また、この例のＳＰＭにおいても、前述の変形例と同様に、ＦＦＴ／ＩＦＦＴ演算部２を傾斜補正以外の多彩な演算処理にも用いることができる。その場合、前述と同様にＦＦＴ／ＩＦＦＴ演算部２を周波数フィルタとして用いることで、前述の変形例と同様の作用効果を得ることができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明にかかる走査プローブ顕微鏡によれば、試料の測定情報に対し信号演算処理をして得られた試料の傾斜を試料の測定情報から除去する傾斜補正を行い、傾斜が除去された試料の測定情報を用いてフィードバック演算を行っているので、試料の測定情報の傾斜成分と形状成分とを互いに分離させることができる。これにより、表面形状測定のＳ／Ｎ比を向上できるとともに、オーバーフローをしにくい細かな試料表面形状追従のためのフィードバック演算を行うことができる。従って、走査プローブ顕微鏡において、フィードバック制御をより高精度に行うことができるようになる。
【００３５】
特に、請求項２の発明によれば、デジタル−アナログ変換器を用いているが、傾斜追従信号用のデジタル−アナログ変換器と形状追従信号用のデジタル−アナログ変換器とを分離することができるので、両デジタル−アナログ変換器のそれぞれのビット分解能を最大限活用することができる。これにより、表面形状測定のＳ／Ｎ比を更に効果的に向上できるとともに、細かな試料表面形状追従のためのフィードバック演算のオーバーフローをより一層効果的に防止できる。
【００３６】
また、請求項３の発明によれば、高速フーリエ変換および高速フーリエ逆変換を用いて傾斜情報を演算しているので、傾斜情報をより正確にかつより迅速に演算できるようになる。
更に、請求項４の発明によれば、試料の形状情報に対して特定の周波数成分を除去するフィルタ処理を行うようにしているので、例えば、前述の電源ノイズ、機械的構成による固有振動等のノイズあるいは床振動や外部音響のノイズなど、不特定の周波数を持ったノイズを除去することができる。したがって、より高画質のノイズ成分の少ない測定画像を得ることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる走査プローブ顕微鏡の実施の形態の一例を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態の他の例を示す、図１と同様のブロック図である。
【符号の説明】
１…Ａ／Ｄ変換器、２…ＦＦＴ／ＩＦＦＴ演算部、３…データ記憶部（バッファー部）、４…傾斜成分除去演算部、５…フィードバック演算部、６…Ｄ／Ａ変換器、７…Ｄ／Ａ変換器、８…信号加算回路、９…アンプユニット（ＨＶ−ＡＭＰ）、１０…ＳＰＭヘッド（装置本体）、１０ａ…探針、１０ｂ…ピエゾスキャナ、」１０ｃ…試料、１１…信号アンプ（アンプ回路）、１２…モニタ（画像表示装置）、１３…減算回路、１４…フィードバック回路、１５…Ａ／Ｄ変換器[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention belongs to the technical field of a scanning probe microscope (hereinafter, also referred to as SPM) for measuring and imaging an uneven shape of a sample measurement surface, and in particular, a scanning probe microscope for measuring an uneven shape in consideration of a tilt of a sample. It belongs to the technical field.
[0002]
[Prior art]
In the SPM, the probe is moved in the X-axis direction and the Y-axis direction by an X-scanner and a Y-scanner, respectively, and scans a measurement surface defined by the X-axis and the Y-axis. By measuring the distance between them (the distance in the Z-axis direction perpendicular to the measurement surface), the unevenness of the sample surface is measured and an image of the unevenness is created. In this case, for example, a drive voltage is applied to the Z scanner so that the current flowing between the probe and the sample becomes constant, and the probe is moved in the Z-axis direction. By measuring, the irregular shape of the sample surface is measured.
In the SPM, when the probe is moved in the Z-axis direction when measuring the uneven shape of the sample surface, feedback control is conventionally performed on the Z scanner.
[0003]
By the way, the sample surface may be inclined not orthogonally to the axial direction of the probe (that is, the Z-axis direction). When the unevenness of the measurement surface is measured with a probe while the measurement surface is inclined in this way, the measured data is data including the inclination of the sample surface, and accurate data of the unevenness of the sample measurement surface is obtained. Absent.
[0004]
Therefore, tilt correction has been conventionally performed on data measured by SPM. As an example of this tilt correction, a linear scan in the X- and Y-axis directions is performed on the measurement area of the sample to calculate the tilt angle of the measurement surface of the measurement area, and the scanning range is determined. Using the data, the signal level in the direction orthogonal to the tilted measurement surface was calculated, and the signal level at the equally-spaced sampling pitch was determined by interpolation based on the scanning range, the number of samplings, and the calculated signal level, and determined. There has been proposed a tilt correction method for a scanning probe microscope image in which signal levels at equal sampling pitches are used as final data (for example, see Patent Document 1).
[0005]
In the method of correcting the inclination of a scanning probe microscope image disclosed in Patent Document 1, position data of a probe stored in a measurement data storage unit is appropriately extracted, and the position data is corrected by a data processing unit. Is done. In this manner, the image processing is performed on the uneven shape of the measurement surface of the sample by the data processing unit, and the uneven shape of the sample surface is displayed on the monitor using the data obtained by the image processing.
[Patent Document 1]
JP-A-6-147821 (paragraph numbers [0008], [0009] and [0014]; [abstract])
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the tilt correction method for a scanning probe microscope image disclosed in Patent Document 1, tilt correction is performed by image processing performed by a data processing unit in order to display an uneven shape of a sample surface on a monitor. However, tilt correction is not performed for feedback control of the probe in the Z-axis direction. For this reason, when the signal change width of the feedback control signal increases due to the tilt of the sample, for example, when the target surface shape signal is significantly smaller than the signal change width due to the tilt of the sample (for example, in atomic image observation), However, due to the voltage resolution (bit resolution) of a control element (for example, a D / A converter or the like) in the feedback control circuit, a fine shape signal component is buried in the gradient component. As a result, not only does the S / N of the surface shape measurement decrease, but the calculation easily overflows, and it cannot be said that feedback control of the probe in the Z-axis direction is always performed with high accuracy.
[0007]
In addition, in SPM, noise having a specific frequency such as power supply noise of a configured electric circuit, natural vibration due to a mechanical configuration of a device unit, or unspecified noise such as floor vibration or external sound in a room where the SPM is installed. Noise having a frequency of is contained in the measured signal. As described above, when noise is included in the measurement signal, there is a problem that the image quality of the measurement image deteriorates. However, the scanning probe microscope disclosed in Patent Document 1 does not consider these noises.
[0008]
The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a scanning probe microscope capable of performing more accurate feedback control of a probe even when a sample surface is inclined. is there.
It is another object of the present invention to provide a scanning probe microscope capable of performing more accurate feedback control of a probe by removing noise.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, a scanning probe microscope of the present invention includes a measurement surface direction scanner for moving a probe in a direction of a measurement surface on a sample surface and an orthogonal direction scanner for moving a probe in a direction perpendicular to the measurement surface. A control device for driving and controlling each of them, while scanning the measurement surface by moving the probe with the measurement surface direction scanner, and controlling the probe according to the uneven shape of the measurement surface by feedback control of the orthogonal direction scanner. A scanning probe microscope that controls the movement in the direction perpendicular to the measurement surface and measures the measurement surface using the amount of movement of the probe in the orthogonal direction, and displays the obtained shape information of the measurement surface. Two scans, a first scan and a second scan, are set as surface scans, and the control device controls the measurement obtained by the first scan. Signal processing operation means for calculating inclination information of the measurement surface from the measurement information in the orthogonal direction of the surface; and removing the inclination information from the measurement information in the orthogonal direction of the measurement surface obtained by the second scan to incline. Slope removing means for obtaining removal information, feedback calculating means for obtaining shape information of the measurement surface by performing a feedback calculation in accordance with the tilt removal information, and adding the tilt information and the shape information to the orthogonal scanner. Scanner control signal output means for outputting a drive control signal, and storage means for storing the tilt information and the shape information, wherein the shape information stored and imaged in the storage means is displayed. I have.
[0010]
The invention according to claim 2, wherein the measurement information in the orthogonal direction and the drive control signal by the first and second scans are analog data, and the inclination information and the inclination removal means by the signal processing operation means. , And the shape information by the feedback calculation means is digital data, and the control device includes an analog-to-digital converter and a digital-to-analog converter, respectively.
Further, the invention according to claim 3 is characterized in that the signal processing operation means calculates the inclination information using at least fast Fourier transform and inverse fast Fourier transform.
Further, the invention according to claim 4 is characterized in that the signal processing operation means functions as a frequency filter for removing a specific frequency component from the shape information by operation.
[0011]
[Action]
In the scanning probe microscope of the present invention thus configured, measurement information in the orthogonal direction on the measurement surface of the sample is obtained by the first scan, and the measurement information is used for signal measurement processing by the signal processing calculation means. Surface tilt information is calculated. The obtained inclination information is stored in the storage means. Next, the inclination information stored in the storage unit is removed by the inclination removing unit from the inclination information of the measurement surface obtained by the second scan, and the feedback operation unit performs a feedback operation according to the inclination removal information to form the shape. Information is obtained. The scanner control signal output means outputs a drive control signal obtained by adding the inclination information and the shape information to the orthogonal direction scanner. After the shape information is stored in the storage means, the image is displayed as an image.
[0012]
As described above, by performing the inclination correction for removing the inclination of the sample obtained by performing the signal operation processing on the measurement information from the measurement information of the sample, the inclination component and the shape component of the measurement information of the sample are obtained. Are separated from each other and the feedback calculation is performed, so that the S / N ratio of the surface shape measurement is improved, and the feedback calculation for finely following the sample surface shape which does not easily overflow can be performed. Therefore, in the scanning probe microscope, the feedback control is performed with higher accuracy.
[0013]
In particular, the digital-to-analog converter is used in the second aspect of the present invention. However, since the slope component and the shape component are separated as described above, the digital-to-analog converter for the slope tracking signal and the shape tracking are used. A digital-to-analog converter for signals can be separated. This makes it possible to maximize the bit resolution of each of the digital-to-analog converters, improve the S / N ratio of the surface shape measurement, and overflow the feedback calculation for fine tracking of the sample surface shape. Is effectively prevented.
[0014]
According to the third aspect of the present invention, since the inclination information is calculated using at least the fast Fourier transform and the inverse fast Fourier transform, the inclination information can be calculated more accurately and more quickly.
Furthermore, in the invention according to claim 4, a filter process for removing a specific frequency component from the shape information is performed by the frequency filter function of the signal processing operation means. Noise having an unspecified frequency, such as noise such as natural vibration, floor vibration, and noise of external sound, can be removed. Therefore, a higher quality measurement image with less noise components can be obtained.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing an example of an embodiment of a scanning probe microscope according to the present invention.
As shown in FIG. 1, the SPM of this example has a feedback system in which a digital feedback circuit is combined. The SPM includes a controller (corresponding to the control device of the present invention) for controlling the SPM. The SPM controller includes an A / D converter 1 for converting an input analog feedback signal into digital data, and a high-speed Fourier converter. An FFT / IFFT operation unit (corresponding to a signal processing operation unit of the present invention) 2 for performing conversion (FFT), inverse fast Fourier transform (IFFT), and mask processing, and digital data and FFT / FFT / A / D converter 1 A data storage unit (buffer unit; corresponding to the storage unit of the present invention) 3 for storing digital data from the IFFT operation unit 2 and digital data from the A / D converter 1 are stored in the data storage unit 3. Of the digital feedback signal, which is the tilt following signal data, which is included in the tilt follower signal data. 4), a feedback operation unit (corresponding to feedback operation means of the present invention) 5 for performing a feedback operation using the digital signal from which the inclination component has been removed, and an inclination follow-up signal data from the data storage unit 3 A D / A converter 6 for converting the signal into a signal, a D / A converter 7 for converting the digital shape following signal data from the feedback operation unit 5 into an analog signal, and an analog inclination following from the D / A converter 6 A signal addition circuit (corresponding to scanner control signal output means of the present invention) 8 for adding the signal and the analog shape following signal from the D / A converter 7 and outputting the sum as a feedback signal; An amplifier unit (HV-AMP; corresponding to the scanner control signal output means of the present invention) 9 for amplifying a signal to a piezo drive voltage. That.
In that case, the A / D converter 1, the FFT / IFFT operation unit 2, the data storage unit (buffer unit) 3, the slope component removal operation unit 4, the feedback operation unit 5, the D / A converter 6, and the D / A converter 7, a DSP unit which is a digital processor is configured.
[0016]
Further, the SPM of this example is composed of the SPM controller, a piezo scanner 10b to which the probe 10a is attached, a sample 10c, and a signal detection circuit (not shown; a conventionally known signal detection circuit can be used in the SPM). An SPM head (apparatus main body) 10, a signal amplifier (amplifier circuit) 11 for processing a signal from the apparatus main body 10, a monitor (image display device) 12 for imaging image data stored in the data storage unit 3, It is composed of
[0017]
In this case, the SPM piezo scanner 10b of this example includes an X scanner and a Y scanner (not shown) that move (scan) the probe 10a in the direction of the measurement surface on the surface of the sample 10c (ie, the X-axis direction and the Y-axis direction). It comprises a scanner and a Z scanner for moving (scanning) the probe 10a in a direction perpendicular to the measurement surface of the sample 10c. The X, Y, and Z scanners are all driven and controlled by the SPM controller, but the Z scanner is controlled to move according to the unevenness of the measurement surface of the sample 10c. The X and Y scanners constitute the scan in the measurement plane direction of the present invention, and the Z scanner constitutes the orthogonal scan of the present invention.
[0018]
In the SPM of this example configured as described above, the inclination correction using the signal processing operation circuit is performed in the pre-scan (corresponding to the first scan of the present invention) and the main scan (corresponding to the second scan of the present invention). This is realized by two scanning operations.
First, the pre-scan will be described. The pre-scan is performed in order to grasp the inclination of the entire sample before starting the main scan, that is, the amount of sample inclination in the measurement plane (the number of measurement points is 2 to the power of 2 according to the FFT algorithm). Do). At the time of this pre-scan, the inclination correction processing is not performed.
[0019]
The specific operation of the SPM at the time of this prescan is as follows:
(1) In the prescan, the X, Y, and Z scanners of the piezo scanner 10b are individually driven and controlled by the SPM controller, the measurement surface of the sample 10c is scanned by the probe 10c, and the SPM head 10 is scanned via the signal amplifier 11. From the Z-feedback signal of the sample measurement surface.
(2) The Z feedback signal is converted into digital data by the A / D converter 1, stored in the data storage unit 3, and sent to the feedback operation unit 5b via the inclination component removal operation unit 4.
(3) At the time of pre-scan, the inclination component removal operation unit 4 does not perform any operation and passes data to the feedback operation unit 5.
(4) The feedback calculation unit 5 performs a feedback calculation according to the transmitted data.
(5) The data from the feedback operation unit 5 is converted into analog data by the D / A operation unit 7 and input to the signal addition circuit 8.
(6) In this pre-scan, the D / A converter 6 does not operate.
(7) The signal addition circuit 8 outputs the data from the D / A converter 7 to the HV-AMP 9 as it is.
(8) The piezo drive signal amplified by the HV-AMP 9 drives the Z scanner of the piezo scanner 10b.
(9) After the end of the prescan, the FFT / IFFT operation unit 2 performs a two-dimensional FFT operation using the data stored in the data storage unit 3 to obtain frequency space data as a result of the prescan.
(10) The FFT / IFFT calculation unit 2 calculates the scan frequencies in the X and Y directions from the number of measurement points and the scan lock.
(11) In the frequency space data obtained in the above (9), since the scan frequency peak calculated in the above (10) always appears in the XY direction signal component, the FFT / IFFT operation unit 2 Is subjected to mask processing to remove a signal component corresponding to the scan frequency.
(12) The FFT / IFFT operation unit 2 reconverts the frequency space data from which the signal component corresponding to the scan frequency has been removed by the mask processing to the real-time data by using the IFFT operation.
(13) The data reconverted into real-time data by the FFT / IFFT operation unit 2 is separated into an X-direction component and a Y-direction component, and is stored in the data storage unit 3 as a tilt component (tilt information) in each direction. You.
[0020]
Next, the main scan will be described. In the main scan, a feedback calculation is performed while correcting the tilt amount as needed based on the sample tilt amount in the measurement plane obtained as a result of the above-described prescan, and the result is imaged. The corrected amount of tilt is output as a tilt following signal along a path different from that of the feedback calculation signal (shape following signal), and finally a signal obtained by adding the shape following signal and the tilt following signal to Z in the piezo scanner 10b. Output to the scanner.
[0021]
The specific operation of the SPM during this main scan is as follows:
(14) When the main scan is started, the Z feedback signal sent from the SPM head 10 via the signal amplifier 11 is converted into digital data by the A / D converter 1.
(15) The digital data from the A / D converter 1 is sent to the feedback operation unit 5 via the inclination component removal operation unit 4.
(16) In the operation of (15), in the inclination component removal calculating section 4, the digital data sent from the A / D converter 1 removes the inclination components in the XY directions stored in the data storage section 3. The sample is corrected (subtracted), and the sample tilt correction operation is performed.
(17) In the feedback operation unit 5, feedback operation is performed using the signal data from which the inclination components in the X and Y directions have been removed by the inclination component removal operation unit 4, that is, the inclination removal data, and the obtained shape signal data (shape Information) is sent to the D / A converter 7.
(18) The D / A converter 7 converts the shape signal data sent from the feedback calculation unit 5 into an analog signal, and outputs the analog signal to the signal addition circuit 8 as a shape following signal.
(19) On the other hand, the D / A converter 6 converts the XY gradient component data stored in the data storage unit 3 into an analog signal, and outputs the analog signal to the signal adding circuit 8 as a gradient following signal. Is done.
(20) These operations (18) and (19) are performed in synchronization with the scan lock.
(21) In the signal addition circuit 8, the inclination follow-up signal from the D / A converter 6 and the shape follow-up signal from the D / A converter 7 are summed, and the sum signal is output to the HV-AMP 9 as a Z scanner control signal. Is done.
(22) In the HV-AMP 9, the Z scanner control signal sent from the signal addition circuit 8 is amplified, and the amplified signal is output to the piezo scanner 10b as a piezo drive signal for driving the Z scanner.
(23) In the piezo scanner 10b, the Z scanner is driven by the piezo drive signal sent from the HV-AMP 9, and the probe 10a scans the sample 10c in the Z direction (vertical direction).
(24) Further, the shape following signal from the feedback calculation unit 5 is also sent to the FFT / IFFT calculation unit 2 and subjected to another calculation process (for example, a frequency filter calculation described later), and then to the data storage unit 3. Stored and imaged.
(25) The image-formed shape following signal is output from the data storage unit 3 to the monitor 12 as an image signal.
[0022]
According to the SPM of this example, the tilt of the sample 10c is calculated using the FFT calculation and the IFFT calculation by the FFT / IFFT2 for the Z feedback signal sent from the APM head 10 via the signal amplifier 11 by the prescan. Then, the tilt component removal calculator 4 performs a tilt correction for removing the tilt component of the sample 10c calculated by the FFT / IFFT2 from the Z feedback signal sent from the APM head 10 via the signal amplifier 11 by the main scan. Since the feedback operation is performed by the feedback operation unit 5 using the Z feedback signal from which the inclination component has been removed, the shape component of the Z feedback signal can be separated from the inclination component. As a result, the S / N ratio of the surface shape measurement can be improved, and a feedback operation for finely following the sample surface shape, which does not easily overflow, can be performed. Therefore, more accurate feedback control can be performed in the SPM.
[0023]
In particular, according to the SPM of this example, the D / A converter 6 for the gradient tracking signal and the D / A converter 7 for the shape tracking signal can be separated by separating the gradient component and the shape component. it can. As a result, the bit resolution of each of the D / A converters 6 and 7 can be maximized, and the S / N ratio of the surface shape measurement can be more effectively improved, and the fine sample surface shape tracking can be performed. Can be more effectively prevented from overflowing the feedback calculation for the above.
Further, since the tilt of the sample 10c is calculated using the FFT calculation and the IFFT calculation, the tilt can be calculated more accurately and more quickly.
[0024]
By the way, the FFT / IFFT operation unit 2 in the SPM of the example shown in FIG. 1 is used for performing the inclination correction, but the FFT / IFFT operation unit 2 may be used for various operation processes other than the inclination correction. it can. In the following, a frequency filter using FFT / IFFT operation by the FFT / IFFT operation unit 2 will be described as an example of the various operation processes. The operations (26) to (28) described below are the same as the operations (14) to (17) of the main scan described above up to the operation of the feedback operation by the feedback operation unit 5. That is,
[0025]
(26) The A / D converter 1 converts a feedback signal sent from the SPM head 10 via the signal amplifier 11 into a digital signal.
(27) The signal converted into a digital signal is sent from the A / D converter 1 to the gradient component removal calculator 4, where the digital data is subjected to a sample tilt correction operation, The tilt components in the XY directions stored in the data storage unit 3 are removed and sent to the feedback calculation unit 5 as shape component data.
(28) The feedback calculation unit 5 performs a feedback calculation using the input shape component data to form a shape following signal.
(29) The shape following signal is output from the feedback operation unit 5 to the D / A converter 7 and is always buffered (stored) in the data storage unit 3.
(30) In the FFT / IFFT operation unit 2, the shape follow-up signals corresponding to the number of measurement points per line (always 2 chi-square data) are extracted from the data storage unit 3, and the FFT operation is performed.
(31) From the feedback signal decomposed into frequency components obtained as a result of the FFT operation, specific frequency components (such as power supply noise and natural vibration noise) are removed by mask processing.
(32) The signal from which the specific frequency component has been removed is stored in the data storage unit 3 and imaged, and the imaged data is displayed on the monitor 12 in the same manner as described above.
As described above, the FFT / IFFT operation unit 2 functions as a frequency filter that removes a specific frequency component from the shape following signal stored in the data storage unit 3.
[0026]
According to the SPM of this modified example, the frequency filter function of the FFT / IFFT calculation unit 2 uses the signal processing calculation to convert a specific frequency component from the Z feedback signal sent from the APM head 10 via the signal amplifier 11. Performs frequency filtering to eliminate noise with an unspecified frequency, such as power supply noise, noise such as natural vibration due to mechanical configuration, floor vibration, and external acoustic noise. It becomes. Therefore, it is possible to obtain a higher-quality measurement image with less noise components. Other functions and effects of this modification are the same as those of the above-described example.
[0027]
FIG. 2 is a block diagram similar to FIG. 1, showing another embodiment of the present invention. The same components as those in the above-described example are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
Although the SPM of the example shown in FIG. 1 described above has a feedback system combined with a digital feedback circuit, the SPM of this example has a feedback system combined with an analog feedback circuit.
[0028]
That is, as shown in FIG. 2, the controller of the SPM of this example does not include any of the gradient component removal operation unit 4, the feedback operation unit 5, and the D / A converter 7 of the above-described example. A feedback operation is performed using the subtraction circuit 13 for removing (subtracting) the gradient tracking signal from the D / A converter 6 from the signal from the signal amplifier 11 and the signal from which the gradient tracking signal from the subtraction circuit 13 has been removed. And a feedback circuit 14 for outputting an analog shape following signal. Further, the SPM controller of this example includes an A / D converter 15 that converts an analog shape following signal from the feedback circuit 14 into digital data.
In this case, a DSP unit is configured by the A / D converter 1, the FFT / IFFT operation unit 2, the data storage unit (buffer unit) 3, the D / A converter 6, and the A / D converter 15.
Other configurations of the SPM of this example are the same as those of the example shown in FIG.
[0029]
Also in the SPM of this example configured as described above, the inclination correction using the signal processing operation circuit is realized by two scan operations of the pre-scan and the main scan, as described above. First, the pre-scan will be described.
[0030]
The specific operation of the SPM during the pre-scan in this example is as follows.
(33) An analog Z-feedback signal from the SPM head 10 is obtained via the signal amplifier 11 in the same manner as in the prescan operation (1) in the above-described example, and this signal is sent to the A / D converter 1. Is output.
(34) The Z feedback signal is converted into digital data by the A / D converter 1 and stored in the data storage unit 3.
(35) A gradient component is sent from the digital data stored in the data storage unit 3 to the D / A converter 6, and is converted into an analog gradient following signal by the D / A converter 6.
(36) The analog slope follow-up signal from the D / A converter 6 is sent to the subtraction circuit 13, and the subtraction circuit 13 removes the slope follow-up signal from the D / A converter 6 from the signal from the signal amplifier 11. .
(37) The feedback circuit 14 performs a feedback operation according to the data sent from the subtraction circuit 13 and outputs a shape following signal.
(38) The shape following signal from the feedback circuit 14 is input to the signal adding circuit 8.
(39) At the time of this pre-scan, the inclination follow-up signal from the D / A converter 6 is not input to the signal addition circuit 8.
(40) The subsequent prescan operation is the same as the prescan operation (7) to (13) in the SPM of the above-described example.
[0031]
Next, the main scan of this example will be described. Similar to the main scan in the above-described example, the main scan in this example performs a feedback calculation while correcting the tilt amount as needed based on the sample tilt amount in the measurement plane obtained as a result of the above-described pre-scan. Is imaged. The corrected amount of tilt is output as a tilt following signal along a path different from that of the feedback calculation signal (shape following signal), and finally a signal obtained by adding the shape following signal and the tilt following signal to Z in the piezo scanner 10b. Output to the scanner.
[0032]
The specific operation of the SPM during the main scan in this example is as follows.
(41) When the main scan is started, the Z feedback signal sent from the SPM head 10 via the signal amplifier 11 is A / D in the same manner as the operation (14) at the time of the main scan in the above example. The data is converted into digital data by the converter 1.
(42) The Z feedback signal converted to digital data is output from the A / D converter 1 to the data storage unit 3 and stored in the data storage unit 3.
(43) A gradient component is sent from the digital data stored in the data storage unit 3 to the D / A converter 6, and is converted into an analog gradient tracking signal by the D / A converter 6.
(44) The analog gradient follow-up signal from the D / A converter 6 is sent to the subtraction circuit 13, and the digital data sent from the A / D converter 1 is stored in the data storage unit 3 in the XY directions. The tilt component is removed (subtracted) to perform a sample tilt correction operation, and is sent to the feedback circuit 14 as shape component data.
(45) In the feedback circuit 14, a feedback operation is performed using the signal data from which the inclination components in the XY directions have been removed by the subtraction circuit 13, that is, the shape signal data, and the obtained shape signal data is used as a shape following signal as a signal. It is output to the addition circuit 8 and the A / D converter 15.
(46) On the other hand, similarly to the main scan in the above-described example, the D / A converter 6 converts the gradient component data in each of the X and Y directions stored in the data storage unit 3 as an analog gradient following signal into the signal adding circuit 8. Output to
(47) These operations (45) and (46) are performed in synchronization with the scan lock.
(48) Among the operations at the time of the main scan in this example, the operation until the Z scanner is driven by the piezo drive signal sent from the HV-AMP 9 and the probe 10a is scanned in the Z direction with respect to the sample 10c. The operation is the same as the operations (21) to (23) at the time of the main scan in the above example.
(49) The analog shape following signal sent from the feedback circuit 14 to the A / D converter 15 is converted into a digital signal by the A / D converter 15 and sent to the FFT / IFFT calculator 2.
(50) The operation at the time of the main scan in this example is the same as the operation (24) and (25) at the time of the main scan in the above-described example, and the FFT / IFFT operation unit 2 executes another operation process. After being applied, the data is stored in the data storage unit 3 to be imaged, and the image-formed shape following signal is output as an image signal from the data storage unit 3 to the monitor 12, and the monitor 12 displays the image signal as an image. Is done.
[0033]
The SPM of this example also excludes the effect of separating the D / A converter 6 for the slope tracking signal and the D / A converter 7 for the shape tracking signal from the effects of the above-described example. Almost the same operation and effect can be obtained. Also, in the SPM of this example, the FFT / IFFT operation unit 2 can be used for various operation processes other than the inclination correction, similarly to the above-described modification. In this case, by using the FFT / IFFT operation unit 2 as a frequency filter in the same manner as described above, it is possible to obtain the same operation and effect as in the above-described modification.
[0034]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, according to the scanning probe microscope of the present invention, the tilt correction is performed to remove the tilt of the sample obtained by performing signal arithmetic processing on the measurement information of the sample from the measurement information of the sample. Since the feedback operation is performed using the measurement information of the sample from which the inclination has been removed, the inclination component and the shape component of the measurement information of the sample can be separated from each other. As a result, the S / N ratio of the surface shape measurement can be improved, and a feedback operation for finely following the sample surface shape, which does not easily overflow, can be performed. Therefore, feedback control can be performed with higher accuracy in the scanning probe microscope.
[0035]
In particular, according to the second aspect of the present invention, the digital-to-analog converter is used. However, the digital-to-analog converter for the inclination follow-up signal and the digital-to-analog converter for the shape follow-up signal can be separated. Therefore, the respective bit resolutions of the two digital-analog converters can be utilized to the maximum. Thus, the S / N ratio of the surface shape measurement can be more effectively improved, and the overflow of the feedback calculation for following the fine sample surface shape can be more effectively prevented.
[0036]
According to the third aspect of the present invention, since the inclination information is calculated using the fast Fourier transform and the inverse fast Fourier transform, the inclination information can be calculated more accurately and more quickly.
Further, according to the invention of claim 4, since the filter processing for removing a specific frequency component is performed on the shape information of the sample, for example, the power supply noise, the natural vibration due to the mechanical configuration, etc. Noise having an unspecified frequency, such as noise, floor vibration, or noise of external sound, can be removed. Therefore, it is possible to obtain a higher-quality measurement image with less noise components.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing an example of an embodiment of a scanning probe microscope according to the present invention.
FIG. 2 is a block diagram similar to FIG. 1, showing another example of the embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... A / D converter, 2 ... FFT / IFFT operation part, 3 ... Data storage part (buffer part), 4 ... Slope component removal operation part, 5 ... Feedback operation part, 6 ... D / A converter, 7 ... D / A converter, 8: signal addition circuit, 9: amplifier unit (HV-AMP), 10: SPM head (apparatus main body), 10a: probe, 10b: piezo scanner, 10c: sample, 11: signal amplifier (Amplifier circuit), 12 monitor (image display device), 13 subtraction circuit, 14 feedback circuit, 15 A / D converter

Claims

A control device for driving and controlling a measurement surface direction scanner for moving the probe in the direction of the measurement surface of the sample surface and a orthogonal direction scanner for moving the probe in a direction perpendicular to the measurement surface; The measurement surface is scanned by moving the needle, and the probe is controlled to move in the direction perpendicular to the measurement surface according to the unevenness of the measurement surface by feedback control of the orthogonal direction scanner, and the probe in the orthogonal direction is controlled. In the scanning probe microscope which measures the measurement surface using the amount of movement of the needle and displays the obtained shape information of the measurement surface,
Two scans of a first scan and a second scan are set as scans of the measurement surface,
The control device includes a signal processing operation unit configured to calculate inclination information of the measurement surface from the measurement information of the measurement surface in the orthogonal direction obtained by the first scan, and the signal processing operation unit of the measurement surface obtained by the second scan. A tilt removing unit that removes the tilt information from the orthogonal measurement information to obtain tilt removing information, a feedback calculating unit that obtains shape information of the measurement surface by performing a feedback calculation according to the tilt removing information, and the tilt information Scanner control signal output means for outputting a drive control signal of the orthogonal direction scanner by summing the shape information and the shape information, and storage means for storing the tilt information and the shape information, stored in the storage means, and A scanning probe microscope displaying the imaged shape information.

The measurement information in the orthogonal direction and the drive control signal obtained by the first and second scans are analog data, and the inclination information by the signal processing operation unit, the inclination removal information by the inclination removal unit, and the feedback operation. The shape information by the means is digital data;
The scanning probe microscope according to claim 1, wherein the control device includes an analog-digital converter and a digital-analog converter, respectively.

The scanning probe microscope according to claim 1, wherein the signal processing calculation unit calculates the tilt information using at least a fast Fourier transform and a fast Fourier inverse transform.

4. The scanning probe microscope according to claim 3, wherein the signal processing operation unit functions as a frequency filter that removes a specific frequency component from the shape information by operation.