JP3879496B2

JP3879496B2 - 走査型プローブ顕微鏡

Info

Publication number: JP3879496B2
Application number: JP2001368534A
Authority: JP
Inventors: 秀郎中島; 武史伊藤
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2001-12-03
Filing date: 2001-12-03
Publication date: 2007-02-14
Anticipated expiration: 2021-12-03
Also published as: JP2003166927A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，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は、試料表面を微小なプローブ（探針）で走査することによって三次元形状を観察する顕微鏡であり、金属，半導体，セラミック，樹脂等の表面観察やあらさの測定、液晶，高分子，蒸着膜などの薄膜の観察等の表面観察に用いられている。このような走査型プローブ顕微鏡として、プローブと試料表面との間に働く原子間力を測定する原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）が知られている。
【０００３】
原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）は、プローブ（探針）及びプローブを支持するカンチレバーと、このカンチレバーの曲がりを検出する変位検出系とを備え、探針と試料との間の原子間力（引力又は斥力）を検出し、この原子間力が一定となるように探針と試料表面との距離を制御することによって、試料表面の形状を観察する。また、ＸＹ方向及びＺ方向に移動可能なスキャナーを備え、試料とプローブとの間において、ＸＹ方向の移動よる試料の二次元的な走査とＺ方向のフィードバック制御による試料の高さ情報の取得によって、試料表面の形状を測定する。このＸＹ方向の走査及びＺ方向のフィードバック制御は、試料側あるいはプローブ側に設けた、例えばピエゾ素子等の微小変位可能な駆動機構によって行われる。
【０００４】
このフィードバック制御による表面形状の測定には、プローブを試料表面に一定の力で接触させて測定するコンタクトモードと、プローブを一定の高さに保つコンスタントハイトモードと、振動させたプローブを試料表面とほぼ非接触の状態で測定するダイナミックモードあるいは小さな振動振幅によるノンコンタクトモードがある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
走査型プローブ顕微鏡は、試料表面の三次元形状を観察する際、測定レンジに応じて走査時におけるＺ方向の移動上限が設定されている。例えば、狭い測定レンジではＺ方向の移動上限は低く設定され、これによって微小な凹凸を高い測定精度で測定し、他方、広い測定レンジではＺ方向の移動上限は高く設定され、これによってより大きな凹凸の測定に対応することができる。
【０００６】
しかしながら、試料によっては試料表面の凹凸の範囲が不明であるものがあり、予想以上に大きな凹凸がある場合がある。このような試料を走査して観察するとプローブが試料と接触し、プローブや試料が破損するおそれがある。
【０００７】
そこで、従来、走査型プローブ顕微鏡による試料表面の三次元形状の観察では、オペレータが測定データを観察し、プローブと試料表面とが接触するおそれがあると判断した場合には、マニュアル操作によってプローブを上昇させて、プローブと試料表面との接触を回避している。このようなオペレータによるマニュアル操作をしない限り、プローブは走査を続けることになり、プローブと試料表面との接触を回避することはできない。
【０００８】
したがって、走査型プローブ顕微鏡による試料表面の三次元形状の観察では、プローブと試料表面との接触を避けるために、オペレータによる監視が常時必要となり、自動測定の支障となっている。
そこで、本発明は前記した従来の問題点を解決し、走査型プローブ顕微鏡においてプローブと試料表面との接触を自動回避することを目的とし、さらに、試料表面の三次元形状を自動測定することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、プローブが試料表面を走査する間において、プローブの高さを監視することによって、プローブと試料表面との接触を自動的に回避するものである。
本発明の一態様は、プローブの高さ制限値を予め設定しておき、走査によって測定されるプローブのＺ方向の高さと高さ制限値とを比較し、プローブの高さが高さ制限値に達したときあるいは超えたときにプローブと試料との間のＺ方向の距離を広げ、これによって、プローブと試料表面との接触を回避する。
【００１０】
プローブと試料との間のＺ方向の距離は、プローブを上昇あるいはステージを下降させることによって広げることができ、このときのプローブあるいはステージの移動は、予め設定した一定距離分だけ上昇あるいは下降させる形態の他に、予め設定した高さ位置まで上昇あるいは下降させる形態とすることができる。
【００１１】
また、プローブと試料との間のＺ方向の距離を広げた後の動作は、種々の形態をとることができる。一形態は、Ｘ，Ｙ方向の移動及びＺ方向の移動共に停止させて待機させ、他の形態は、Ｚ方向の高さを広げたままの状態で、Ｘ，Ｙ方向の移動を続行してプローブを所定位置まで移動させる形態である。
【００１２】
本発明の別の態様は、プローブのＺ方向高さと予め設定した高さ制限値とを比較し、比較結果に基づいて測定レンジ及び高さ制限値を変更する。はじめに設定した測定レンジによる測定において、プローブのＺ方向高さが高さ制限値の範囲を超え、プローブが試料表面と接触するおそれがある場合には、広い測定レンジに変更することによって、プローブと試料表面との接触を回避する。このとき、同時に高さ制限値も変更し、変更した測定レンジにおいてプローブのＺ方向高さが高さ制限値の範囲にあるか否かを監視する。高さ制限値は測定レンジと連動して設定しておくことによって、測定レンジと同時に高さ制限値を自動設定することができる。
この形態によれば、試料表面に大きな凹凸がある場合であっても、プローブが試料表面と接触することなく、試料表面の三次元形状を自動測定することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図を参照しながら詳細に説明する。
はじめに、本発明の走査型プローブ顕微鏡の第１の態様について説明する。図１は本発明の走査型プローブ顕微鏡の第１の態様の概略を説明するための概略ブロック図であり、図２は第１の態様による動作を説明するためのフローチャートであり、図３は第１の態様による動作を説明するための動作概略図である。
【００１４】
図１において、走査型プローブ顕微鏡１は、通常の走査型プローブ顕微鏡が備える構成と同様に、プローブ２、プローブ２の変位を検出する検出手段３、プローブ２をＸ方向，Ｙ方向、及びＺ方向（高さ方向）に微小移動するピエゾ素子等の駆動手段４、試料Ｓを支持すると共に試料ＳをＸ方向，Ｙ方向、及びＺ方向に移動するステージ５を備える。駆動手段４及びステージ５は、走査制御手段６と共に走査機構を構成する。
【００１５】
走査制御手段６は、駆動手段４あるいはステージ５のＸ，Ｙ方向の移動を制御すると共に、検出手段３で検出した試料表面の高さ情報にフィードバックすることに基づいてＺ方向（高さ方向）の移動を制御し、プローブ２を試料表面に沿って走査する。なお、プローブ２のＸ，Ｙ，Ｚ方向の移動は、駆動手段４及びステージ５の各移動方向の種々の組み合わせとすることもできる。
本発明の走査型プローブ顕微鏡の第１の態様は、走査型プローブ顕微鏡が通常備える上記の構成に加えて、プローブの高さを監視してプローブと試料表面との接触を回避する判定手段８及び設定手段９を備える。
【００１６】
判定手段８は、プローブの高さと予め設定した高さ制限値と比較し、プローブの高さが高さ制限値に達したときあるいは高さ制限値を超えたときに走査制御手段６に通知する。走査制御手段６は、プローブの高さが高さ制限値に達したときあるいは高さ制限値を超えたことを受けると、駆動手段４あるいはステージ５を駆動してプローブ２をＺ方向（高さ方向）に上昇させ、これによってプローブ２と試料表面との接触を回避する。
【００１７】
設定手段９は、判定手段８の比較処理に用いる高さ制限値を設定する手段であり、例えば測定する試料の表面状態に応じて設定することができる。なお、高さ制限値は、設定手段９で設定する他に、判定手段８内に予め記録しておくこともできる。
【００１８】
本発明の走査型プローブ顕微鏡の第１の態様の動作例を図２のフローチャートを用いて説明する。
設定手段９によって、判定手段８に高さ制限値を設定する。高さ制限値はプローブがＺ方向（高さ方向）に移動する上限値を定めるものであり、例えば基準位置からＺ方向への距離によって定めることができる。高さ制限値は予め用意しておいた複数の値から選択することができる（ステップＳ１）。
【００１９】
高さ制限値を設定した後、走査制御手段６によって駆動手段４やステージ５を制御することによって走査を開始する。駆動手段４あるいはステージ５がＸ，Ｙ方向に駆動することによって、プローブ２は試料Ｓに対して二次元的に移動する。このとき、検出手段３は、プローブ２の先端と試料Ｓの表面との距離を検出する。走査制御手段６は検出手段３から検出値を取り込み、プローブ２の先端と試料Ｓの表面との距離が一定となるように、駆動手段４あるいはステージ５のＺ方向の制御を行う。この制御によって、プローブ２は試料Ｓに表面形状に沿って移動する。測定手段７は、検出手段３が検出する高さ方向の測定データと走査制御手段６から得た二次元の位置データに基づいて、試料表面の三次元形状を測定する（ステップＳ２）。
【００２０】
判定手段８は、測定手段７からプローブ２の高さを取り込んで（ステップＳ３）高さ制限値と比較し、プローブ２の高さが高さ制限値内であるかを判定する（ステップＳ４）。ステップＳ４の判定において、プローブ２の高さが高さ制限値内である場合には走査を続行し、プローブ２の高さが高さ制限値に達した場合あるいは超えた場合には、Ｘ，Ｙ方向の移動を止めて走査を停止し（ステップＳ５）、プローブ２を上昇させる。プローブ２の上昇は、予め設定した一定距離分だけＺ方向に移動させる他、予め設定した高さ位置まで移動させる。
【００２１】
なお、前記例では、プローブ２を上昇させているが、ステージ５側を下降させることによってプローブ２と試料Ｓの表面との距離を広げ、これによってプローブ２と試料Ｓとの接触を回避することもできる。また、プローブ２の上昇とステージ５の下降の両動作を併用することもできる（ステップＳ６）。
【００２２】
なお、判定手段８は、測定手段７からのプローブの高さに代えて、検出手段３からの検出値を用いて、高さ方向の初期位置からの高さ変動によってプローブ２の高さが高さ制限値内であるかを判定することもできる。
【００２３】
図３はプローブの動作を模式的に示したものであり、図中の実線は試料Ｓの一断面での表面形状を示し、一点鎖線ａは高さ制限値を示している。プローブ２は、走査中（図中の▲１▼）にプローブ２が高さ制限値に達すると（図中の▲２▼）、プローブ２を上昇させ（図中の▲３▼）、プローブ２と試料Ｓとの接触を回避する。
【００２４】
次に、本発明の走査型プローブ顕微鏡の第２の態様について説明する。図４は本発明の走査型プローブ顕微鏡の第２の態様の概略を説明するための概略ブロック図であり、図５は第２の態様による動作を説明するためのフローチャートであり、図６は第１の態様による動作を説明するための動作概略図である。
【００２５】
図４において、走査型プローブ顕微鏡１は、前記した第１の態様が備える構成に加えて測定レンジ設定手段１０を備える。なお、以下では第１の態様と共通する部分の説明は省略する。測定レンジ設定手段１０は、走査制御手段６及び測定手段７を制御して測定レンジを設定すると共に、設定された測定レンジの大きさに対応して設定手段９の高さ制限値を変更する。測定レンジ設定手段１０は、測定レンジの大きさに対応した高さ制限値を図示しない記録手段に記録しておき、設定された測定レンジに対応する高さ制限値を記録手段から読み出して設定手段９に設定する。なお、測定レンジ設定手段１０は、図示しない入力手段からの指令によって測定レンジを設定あるいは変更する他、判定手段８からの信号によって測定レンジを変更する。例えば、プローブが高さ制限値を超えたと判定手段８が判定した場合には、測定レンジ設定手段１０は大きな測定レンジに変更すると共に、この測定レンジに対応した高さ制限値を読み出して、設定手段９に設定する。
【００２６】
本発明の走査型プローブ顕微鏡の第２の態様の動作例を図５のフローチャートを用いて説明する。
図示しない入力手段によって、測定レンジ設定手段１０に対して測定レンジを指定し設定を行う（ステップＳ１１）。測定レンジ設定手段１０は、設定された測定レンジを走査制御手段６及び測定手段７に設定すると共に、設定された測定レンジに対応した高さ制限値を求め、求めた高さ制限値を設定手段に送る（ステップＳ１２）。設定手段９は、判定手段８に高さ制限値を設定する（ステップＳ１３）。
【００２７】
高さ制限値を設定した後、走査制御手段６によって駆動手段４やステージ５を制御して走査を開始する。前記ステップＳ２と同様にして、プローブ２を試料表面に沿って走査し、試料表面の三次元形状を測定する（ステップＳ１４）。
【００２８】
判定手段８は、測定手段７からプローブ２の高さを取り込んで（ステップＳ１５）高さ制限値と比較し、プローブ２の高さが高さ制限値内であるかを判定する（ステップＳ１６）。ステップＳ１６の判定において、プローブ２の高さが高さ制限値内である場合には走査を続行し、プローブ２の高さが高さ制限値に達した場合あるいは超えた場合には、Ｘ，Ｙ方向の移動を止めて走査を停止し（ステップＳ１７）、プローブ２を上昇、あるいはステージ５を下降、またプローブ２の上昇とステージ５の下降の両動作を併用することによってプローブ２と試料Ｓの表面との距離を広げ、これによってプローブ２と試料Ｓとの接触を回避する（ステップＳ１８）。
【００２９】
さらに測定を続ける場合には（ステップＳ１９）、測定レンジ設定手段１０によって測定レンジを変更すると共に、変更する測定レンジに対応した高さ制限値を設定しステップＳ１２から工程を続ける（ステップＳ２０）。
なお、判定手段８は、第１の態様と同様に、測定手段７からのプローブの高さに代えて、検出手段３からの検出値を用いて、高さ方向の初期位置からの高さ変動によってプローブ２の高さが高さ制限値内であるかを判定することもできる。
【００３０】
図６はプローブの動作を模式的に示したものであり、図６（ａ）は狭い測定レンジＡによる走査状態を示し、図６（ｂ）は広い測定レンジＢによる走査状態を示している。また、図中の実線は試料Ｓの一断面での表面形状を示し、一点鎖線は測定レンジＡに対応する高さ制限値ａを示し、二点鎖線は測定レンジＢ（＞Ａ）に対応する高さ制限値ｂ（＞ａ）を示している。
【００３１】
プローブ２は、測定レンジＡの範囲で走査し、走査中（図６（ａ）中の▲１▼）にプローブ２が高さ制限値ａに達すると（図６（ａ）中の▲２▼）、プローブ２を上昇させ（図６（ａ）中の▲３▼）、プローブ２と試料Ｓとの接触を回避する。
【００３２】
この後、測定レンジＡを広い測定レンジＢに変更すると共に、高さ制限値をｂに変更し、プローブ２を試料側に戻して（図６（ｂ）中の▲４▼）、走査を再開する（図６（ｂ）中の▲５▼）。このときの測定レンジは測定レンジＢに設定されているため、プローブ２は試料と接触を避けることができる。
【００３３】
さらに、プローブ２が高さ制限値ｂに達する場合には、測定を停止するか、あるいは、さらに広い測定レンジ（図示していない）に変更すると共に高さ制限値も（図示していない）変更することで対応することができる。
本発明の第２の態様によれば、試料表面の凹凸の大きさに応じて測定レンジを変更することができる。
本発明の態様によれば、プローブの摩耗や破損を防ぐことができ、また、試料の損傷を防ぐことができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の走査型プローブ顕微鏡によれば、プローブと試料表面との接触を自動回避することができ、試料表面の三次元形状を自動測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の走査型プローブ顕微鏡の第１の態様の概略を説明するための概略ブロック図である。
【図２】本発明の第１の態様による動作を説明するためのフローチャートである。
【図３】本発明の第１の態様による動作を説明するための動作概略図である。
【図４】本発明の走査型プローブ顕微鏡の第２の態様の概略を説明するための概略ブロック図である。
【図５】本発明の第２の態様による動作を説明するためのフローチャートである。
【図６】本発明の第２の態様による動作を説明するための動作概略図である。
【符号の説明】
１…走査型プローブ顕微鏡、２…プローブ、３…検出手段、４…駆動手段、５…ステージ、６…走査制御手段、７…測定手段、８…判定手段、９…設定手段、１０…測定レンジ設定手段、Ｓ…試料。

Claims

プローブを試料表面に沿って相対的に走査する走査型プローブ顕微鏡であって、プローブのＺ方向高さと予め設定した前記プローブがZ方向に移動する上限値とを比較し、当該比較結果に基づいてプローブの走査を停止しプローブと試料との接触を回避するために、プローブと試料とのＺ方向の距離を広げることを特徴とする、走査型プローブ顕微鏡。
プローブを試料表面に沿って相対的に走査する走査型プローブ顕微鏡であって、プローブのＺ方向高さと予め設定した高さ制限値とを比較し、当該比較結果に基づいて前記プローブを微小移動する駆動手段に対して設定された測定レンジ及び高さ制限値を変更することを特徴とする、走査型プローブ顕微鏡。
前記高さ制限値は測定レンジと連動す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。