JP2004294321A - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】主走査の位置精度を向上させて正確な走査像や観察データを得られるようにした走査型プローブ顕微鏡を提供する。
【解決手段】試料表面に探針を近接または接触させて走査し、試料表面を観察する走査型プローブ顕微鏡において、主走査信号Ｓｘおよび副走査信号Ｓｙを発生する走査信号発生部７８と、主走査の主走査方向に関する位置を補正する主走査位置補正信号Ｓｃを発生する主走査位置補正部６１と、主走査信号Ｓｘに補正信号Ｓｃを重畳して補正後主走査信号Ｓｘｃを生成する加算回路７４と、補正後主走査信号Ｓｘｃおよび副走査信号Ｓｙに応答して、探針５４を試料表面に対して主走査および副走査させるアクチュエータ駆動増幅器７０とを含む。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、走査型原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）に代表される走査型プローブ顕微鏡に係り、特に、主走査の位置精度を向上させることにより、正確な走査像あるいは観察データを得られるようにした走査型プローブ顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＡＦＭ等の走査型プローブ顕微鏡では、試料表面とプローブとの間の相互作用を利用して試料表面の微細な組織や構造を検出するために、片持ち梁の先端に探針を装着したカンチレバーがプローブとして使用される。このようなカンチレバーを用いると、探針を試料表面で走査すれば試料表面と探針との間に原子間力に基づく引力または斥力が発生する。したがって、この原子間力をカンチレバーの歪量として検出し、この歪量が一定となるように、すなわち試料表面と探針との間隙が一定となるように試料ステージをＺ軸方向へ微動させれば、その際の微動信号、あるいは検出された歪量そのものが、試料の表面形状、材質あるいはその他の特性を代表するようになる。
【０００３】
図１０は、従来の走査型プローブ顕微鏡の信号処理系統の構成を示したブロック図である。
【０００４】
３次元試料ステージ５５上には観察対象の試料５２が載置されている。試料５２の上方には、カンチレバー５３の自由端に取り付けられた探針５４が対向して配置されている。カンチレバー５３の歪量は検知部５０で検知され、試料表面と探針５４との間隙を代表する歪信号Ｓ１として比較器７５の非反転入力端子（＋）に入力される。比較器７５の反転入力端子（−）には、カンチレバー５３の歪量に関する目標値信号が目標値設定部７９から入力される。
【０００５】
比較器７５から出力される誤差信号Ｓ２は比例積分（ＰＩ）制御部７６に入力され、誤差信号Ｓ２およびその積分値を合成した信号が、走査像信号を兼ねたアクチュエータ駆動信号Ｓ３としてアクチュエータ駆動増幅器７０およびフィルタ８０に入力される。走査信号発生部７８は、探針５４を試料５２に対してＸＹ方向へ走査させるための主走査信号Ｓｘ、副走査信号Ｓｙをアクチュエータ駆動増幅器７０へ供給する。前記検知部５０、比較器７５、ＰＩ制御部７６、およびアクチュエータ駆動増幅器７０はフィードバック回路を構成している。
【０００６】
フィルタ８０の出力信号は走査像信号として、増幅器８１を介してＡ／Ｄ変換器８２へ供給され、ここでデジタル信号（画像データ）に変換されて画像メモリ８３に記憶される。画像形成部６５は、同期信号発生器８５から出力されるクロック信号に同期して、アドレス信号およびリード信号を画像メモリ８３へ出力する。当該アドレス信号およびリード信号に応答して画像メモリ８３から出力された画像データは、画像形成部６５において、前記同期信号発生器８５から供給される水平および垂直同期信号に応答してアナログ信号に変換され、カラーモニタ６３へ出力される。
【０００７】
なお、この種のＡＦＭ装置に関しては、社団法人「日本設計工学会」発行の学会誌『設計工学』（Ｖｏｌ．３７、Ｎｏ１０：２００２年１０月）の第４９５〜４９９頁（非特許文献１）において、「ＡＦＭの現状と広範囲観察ＡＦＭ装置」と題して論じられている。
【０００８】
【非特許文献１】
『設計工学』（Ｖｏｌ．３７、Ｎｏ１０：２００２年１０月）第４９５〜４９９頁
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
図１１、１２は、探針５４の走査範囲と走査軌跡を模式的に表現した図であり、探針５４は、理想的には図１１に示したように、矩形の走査範囲内をＹ方向への主走査を繰り返しながらＸ方向へ徐々に副走査される。しかしながら、実際には試料ステージ５５の駆動精度や組み付け精度等の影響により、主走査の開始点および終了点に微妙なズレが生じる。そして、図１２に示したように、主走査位置（始点および終点）に位置ズレが生じると、走査範囲が略平行四辺形となってしまうことがある。
【００１０】
画像処理系統では、探針５４の主および副走査位置と表示部６３の主および副走査位置とを対応させている。このために、上記したように走査範囲が平行四辺形になると、図１２に示したような四角形の観察対象１０が、表示部６３上に走査像として表示される際には、図８に示したように菱形に変形してしまい、正確な走査像が得られないという技術課題があった。
【００１１】
本発明の目的は、上記した従来技術の課題を解決し、主走査の位置精度を向上させて正確な走査像や観察データを得られるようにした走査型プローブ顕微鏡を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明は、試料表面に探針を近接または接触させて走査し、試料の表面形状あるいは物理量を計測する走査型プローブ顕微鏡において、主走査信号および副走査信号を発生する走査信号発生手段と、主走査の主走査方向に関する位置を補正する主走査位置補正信号を発生する手段と、前記主走査信号に主走査位置補正信号を重畳して補正後主走査信号を生成する手段と、前記補正後主走査信号および副走査信号に応答して、探針を試料表面で主走査および副走査させる手段とを含むことを特徴とする。
【００１３】
上記した特徴によれば、主走査の主走査方向に関する位置を補正できるので、主走査の主走査方向に関する位置ズレがキャンセルされるように主走査位置補正信号を設定すれば、主走査の主走査方向に関する位置が常に一定になる。この結果、試料表面の所定の走査範囲内を正確に走査できるようになり、正確な走査像あるいは観察データを得られるようになる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。図１は、本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の第１実施形態の信号処理系統の構成を示したブロック図であり、前記と同一の符号は同一または同等部分を表している。
【００１５】
３次元試料ステージ５５上には観察対象の試料５２が載置されている。試料５２の上方には、カンチレバー５３の自由端に取り付けられた探針５４が対向して配置されている。カンチレバー５３の歪量は検知部５０で検知され、試料表面と探針５４との間隙を代表する歪信号Ｓ１ として比較器７５の非反転入力端子（＋）に入力される。比較器７５の反転入力端子（−）には、カンチレバー５３の歪量に関する目標値信号が目標値設定部７９から入力される。
【００１６】
比較器７５から出力される誤差信号Ｓ２ は比例積分（ＰＩ）制御部７６に入力され、誤差信号Ｓ２ およびその積分値を合成した信号が、走査像信号を兼ねたアクチュエータ駆動信号Ｓ３ としてアクチュエータ駆動増幅器７０およびフィルタ８０に入力される。
【００１７】
Ｄ／Ａ変換器７７は、主制御部６０の主走査位置補正部６１から出力されるデジタルの主走査位置補正信号Ｓ４をアナログの主走査位置補正信号Ｓｃに変換する。主走査位置補正部６１による補正量は、入力操作部６２からオペレータにより手動で入力される。
【００１８】
走査信号発生部７８は、探針５４を試料表面でＸ方向へ主走査させるための主走査信号Ｓｘ、およびＹ方向へ副走査させるための副走査信号Ｓｙを出力する。図２、３は、それぞれ前記主走査信号Ｓｘおよび副走査信号Ｓｙの波形図である。前記主走査信号Ｓｘは、加算回路７４において主走査位置補正信号Ｓｃと重畳され、補正後主走査信号Ｓｘｃとしてアクチュエータ駆動増幅器７０へ供給される。副走査信号Ｓｙは、そのままアクチュエータ駆動増幅器７０へ供給される。
【００１９】
前記アクチュエータ駆動増幅器７０は、前記補正後主走査信号Ｓｘｃおよび副走査信号Ｓｙに応答して探針５４が試料表面で主走査および副走査されるように、３次元試料ステージ５５を駆動する。前記検知部５０、比較器７５、ＰＩ制御部７６、およびアクチュエータ駆動増幅器７０はフィードバック回路を構成している。
【００２０】
このような構成において、前記主制御部６０の主走査位置補正部６１から出力される主走査位置補正信号Ｓｃ（Ｓ４）は、主走査位置の主走査方向へのズレを補正するするためのオフセット信号であり、図４に示したように、副走査位置が進行するに連れて漸増（または漸減）する。したがって、加算回路７４から出力される補正後主走査信号Ｓｘｃは、図５に示したように、主走査位置が副走査方向へ進むに連れて始点および終点の位置が主走査方向（Ｘ方向）へシフトされる。このため、主走査信号のズレ量に合わせて、その補正量（シフト量）を調整すれば、主走査位置を正規の位置へ戻すことができる。
【００２１】
このように、本実施形態によれば、主走査の主走査方向に関する位置を補正できるので、主走査の主走査方向に関する位置ズレがキャンセルされるように補正信号を設定することにより、主走査の主走査方向に関する位置が常に一定になる。この結果、試料表面の所定の走査範囲内を正確に走査できるようになり、正確な走査像あるいは観察データを得られるようになる。
【００２２】
図６は、本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の第２実施形態の信号処理系統の構成を示したブロック図であり、前記と同一の符号は同一または同等部分を表している。
【００２３】
本実施形態では、前記Ｄ／Ａ変換器７７の代わりに、副走査信号Ｓｙを減衰して主走査位置補正信号Ｓｃを生成し、これを加算回路７４において主走査信号Ｓｘに重畳する減衰器７２を設けると共に、前記主走査位置補正部６１が、前記主走査位置補正信号Ｓ４に代えて、前記入力操作６２から入力される操作信号に応答して、減衰率指示信号Ｓ５を出力するようにした点に特徴がある。
【００２４】
すなわち、上記した第１実施形態では、主制御部６０の主走査位置補正部６１から出力される主走査位置補正信号Ｓｃ（Ｓ４）を主走査信号Ｓｘに加算することで主走査の主走査方向に関する位置を補正したが、主走査位置補正信号Ｓｃは、前記図４に示したように、主走査位置が副走査方向（Ｙ方向）へ進むに連れて漸増（または漸減）する信号であって、図３の副走査信号Ｓｙを変倍した波形に略等しい。そこで、本実施形態では主走査位置補正信号Ｓｃを独自に生成する代わりに、副走査信号Ｓｙを減衰器７２で減衰させることによって主走査位置補正信号Ｓｃを生成するようにした。
【００２５】
本実施形態によれば、副走査信号Ｓｙを減衰させるだけで主走査位置補正信号Ｓｃを生成できるので、第１実施形態に較べて構成が簡単になる。
【００２６】
図７は、本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の第３実施形態の信号処理系統の構成を示したブロック図であり、前記と同一の符号は同一または同等部分を表している。
【００２７】
上記した第１実施形態では、主走査位置の補正量をオペレータが入力操作部６２から入力し、第２実施形態でも、副走査信号Ｓｙに対する減衰率をオペレータが入力操作部６２から入力するものとして説明した。しかしながら、次に説明する第３実施形態では、始めにプレスキャンを行って主走査位置のズレ量を検出し、その補正量を自動的に求めることで、主走査位置が自動的に補正されるようにしている。
【００２８】
図８は、本実施形態による自動補正方法を模式的に表現した図であり、始めに、レファレンスサンプルとして、主走査方向と垂直な基準線Ｌｒｅｆを備えたサンプルを試料ステージ５２に載置し、次いで、主制御部６０のプレスキャン部６３により、副走査位置の異なる少なくとも２箇所で主走査（Ｌｘ１、Ｌｘ２）を行う。
【００２９】
このとき、Ａ／Ｄ変換器８２からは、図９に示したように、走査位置ごとにラインプロファイルＳｒｅｆ１，Ｓｒｅｆ２が得られる。主制御部６０の補正量検出部６２は、各ラインプロファイルＳｒｅｆ１，Ｓｒｅｆ２における前記基準線Ｌｒｅｆの検出位置の差分ΔＸと、主走査位置Ｌｘ１、Ｌｘ２の差分ΔＹとに基づいて主走査位置のズレ量を検出すると共にその補正量を求め、これを主走査位置補正部６１に登録する。これ以後は、前記第１実施形態と同様の手順で主走査位置が補正される。
【００３０】
なお、上記した説明では第１実施形態への適用例を説明したが、検出された補正量で減衰率を制御するようにすれば、第２実施形態にも同様に適用できる。
【００３１】
本実施形態によれば、主走査位置の主走査方向へのズレを、オペレータの手を煩わせることなく自動的に補正できるようになる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、以下のような効果が達成される。
（１）本発明によれば、主走査の主走査方向に関する位置を補正できるので、主走査の主走査方向に関する位置ズレがキャンセルされるように主走査位置補正信号を設定することにより、主走査の主走査方向に関する位置が常に一定になる。この結果、試料表面の所定の走査範囲内を正確に走査できるようになり、正確な走査像あるいは観察データを得られるようになる。
（２）副走査信号を減衰させて主走査位置補正信号を生成すれば、簡単な構成で主走査位置のズレを補正できるようになる。
（３）始めにプレスキャンを行って主走査位置のズレ量を求め、このズレ量に基づいて補正量を求めるようにすれば、主走査位置のズレを自動的に補正できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の第１実施形態の信号処理系統の構成を示したブロック図である。
【図２】主走査信号Ｓｘの波形図の一例を示した図である。
【図３】副走査信号Ｓｙの波形図の一例を示した図である。
【図４】主走査位置補正信号Ｓｃの波形図の一例を示した図である。
【図５】補正後主走査信号Ｓｘｃの波形図の一例を示した図である。
【図６】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の第２実施形態の信号処理系統の構成を示したブロック図である。
【図７】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の第３実施形態の信号処理系統の構成を示したブロック図である。
【図８】第３実施形態の補正量検出方法を模式的に表現した図（その１）である。
【図９】第３実施形態の補正量検出方法を模式的に表現した図（その２）である。
【図１０】従来の走査型プローブ顕微鏡の信号処理系統の構成を示したブロック図である。
【図１１】従来技術の問題点を説明するための図（その１）である。
【図１２】従来技術の問題点を説明するための図（その２）である。
【図１３】従来技術の問題点を説明するための図（その３）である。
【図１４】従来技術の問題点を説明するための図（その４）である。
【符号の説明】
５２…試料
５３…カンチレバー
５４…探針
５５…３次元試料ステージ
７０…アクチュエータ駆動増幅器
７４…差動増幅器
７６…比例積分（ＰＩ）制御部

Claims (5)

1. 試料表面に探針を近接または接触させて走査し、試料の表面形状あるいは物理量を計測する走査型プローブ顕微鏡において、
   主走査信号および副走査信号を発生する走査信号発生手段と、
   主走査の主走査方向に関する位置を補正する主走査位置補正信号を発生する手段と、
   前記主走査信号に主走査位置補正信号を重畳して補正後主走査信号を生成する手段と、
   前記補正後主走査信号および副走査信号に応答して、探針を試料表面で主走査および副走査させる手段とを含むことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
2. 前記主走査位置補正信号のレベルが、副走査位置の関数であることを特徴とする請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
3. 前記主走査位置補正信号のレベルが、副走査位置の進行に応じて漸増または漸減することを特徴とする請求項１または２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
4. 前記主走査位置補正信号を発生する手段は、副走査信号を所定の減衰率で減衰して前記主走査位置補正信号を生成することを特徴とする請求項１または２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
5. 副走査方向に関して異なる少なくとも２箇所で主走査を行うプレスキャン手段と、
   前記プレスキャンで得られた複数のラインプロファイルに基づいて、主走査位置の補正量を検出する手段とを更に含み、
   前記主走査位置補正信号を発生する手段は、前記補正量に応じた主走査位置補正信号を発生することを特徴とする請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。

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