JP4243403B2 - 走査型プローブ顕微鏡の走査方法 - Google Patents

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の分野に属し、特にカンチレバー探針と試料間に働く力を利用した走査型原子間力顕微鏡及び探針と試料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の分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
走査型プローブ顕微鏡の原理は、探針と試料を接近させた時の両者に作用する物理量を利用することにあり、この種の顕微鏡は、前記物理量が探針に及ぼす影響を測定することにより、試料表面物理量観察を目的とした新しいタイプの顕微鏡の一種である。
【０００３】
走査型原子間力顕微鏡、走査型トンネル顕微鏡は、走査型プローブ顕微鏡の一種であり、走査型原子間力顕微鏡は、カンチレバー探針と試料間に作用する原子間力を利用して、カンチレバー探針と試料間の距離を制御し、カンチレバー探針と試料間に作用する物理量を測定するものであり、走査型トンネル顕微鏡は、導電性探針と試料間に流れるトンネル電流を利用して、導電性探針と試料間の距離を制御し、導電性探針と試料間に作用する物理量を測定するものである。
【０００４】
走査型プローブ顕微鏡では、探針と試料間の距離を一定に制御しながら、試料の面内方向に、圧電素子などの微動機構にて面内をラスター走査し、探針と試料間の距離を制御する圧電素子などの微動機構の制御量を画像化することにより、試料表面の形状あるいは物理量などを観察することができる。
図３を参照しながら一般的な探針と試料間の相対的走査方法のひとつであるラスター走査法について説明する。
【０００５】
図３に示す探針と試料間の相対的走査方法のひとつであるラスター走査法では、Ｘ方向に探針と試料間を相対的に移動しながら、そのＸ方向の＋１走査単位毎にその位置での探針と試料間に作用する物理量を測定し、その時の探針と試料間の位置に相当する画像データの１画素データとする。Ｘ方向の全ての走査単位でのデータ収集を終了した後、Ｙ方向を＋１走査単位移動させ、Ｘ方向は座標０の位置に移動させる。この動作を連続的に行うことにより、探針と試料間に作用する面内の物理量を測定するのが従来一般的に行われているラスター走査法である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
走査型プローブ顕微鏡では、一般的に探針と試料間の距離を数ｎｍ以下の精度で制御しながら、探針と試料間に作用する物理量を面内測定することが多い。そのため前記探針と試料間に作用する物理量を面内測定する場合、高分解能測定と高速測定の両立には限界があり、スループット向上の際の課題であった。特に、試料表面の凹凸が数１００ｎｍ程度以上ある場合には、探針と試料間のクラッシュによる探針及び試料の受けるダメージを最小にするためにも、安易に走査速度を大きくすることはできなかった。
【０００７】
図３のラスター走査法で、高分解能測定を行う場合には、Ｘ方法の走査単位及び、Ｙ方向の走査単位の数を大きくする必要があるが、測定のスループットはＹ方向の走査単位の数と反比例の関係にある。つまり、Ｘ方向の１ライン走査毎の時間をｔとすると、面内の全体の測定時間は、ｔＸ（Ｙ方向の走査単位の数）となり、測定分解能を向上させるためにＹ方向の走査単位数を大きくすると、測定時間が長くなることになる。また、高速測定を行う場合は、Ｙ方向の走査単位数を小さくする必要があり、このことは測定分解能を犠牲にすることになる。
【０００８】
本発明の目的は、上記の問題を解決することにある。つまり、高分解能測定を維持しながら、全体の測定時間を短縮するための高速走査を行う走査方法を実現することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
これまで記載したように、従来の図３のラスタ走査法での走査型プローブ顕微鏡では、高分解能測定と高速走査を両立させることは原理的に困難であるので、本発明では、図３において探針が相対的に１から２に向かう時、図１や図２のように探針と試料間の相対的Ｘ方向とＹ方向をジグザグ（波状）に移動させながら、前記探針と試料間に作用する物理量を測定する構成とする。
【００１０】
本発明では、図１の走査方法により、探針の試料間の凹凸に対する相対速度が、図３のラスター走査法に比べてそれほど変わらないにも関わらず、測定される領域が、前記ラスター走査法に比べて２倍程度にでき、実質的な走査速度を向上させることが可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００１２】
図１は、請求項１に記載した代表的な走査方法の詳細図である。図１は、１走査単位の移動を直線的に行った場合の実施例であり、図２は、１走査単位の移動を正弦波的に行った場合の実施例である。
【００１３】
また、図４は、図１の走査法で走査して収集した測定データを画像にマッピングする際の前記収集したデータ点数と前記マッピングしたデータの画素数とが一致する場合の実施例であり、図５は前記収集した測定データを画像にマッピングする際の前記収集したデータ点数よりも前記マッピングしたデータの画素数が多い場合の実施例である。
【００１４】
図１と図２の走査形態は基本的に同様であるので、以下では図１をもとに走査の詳細を記述する。図１は、探針と試料間の相対的走査を、Ｘ方向を＋１走査単位だけ移動し、Ｙ方向を＋１走査単位だけ移動し、探針と試料間に作用する物理量を測定し、次にＸ方向を＋１走査単位だけ移動し、Ｙ方向を−１走査単位だけ移動し、前記探針と試料間に作用する物理量を測定するということを繰り返しながら、探針と試料間に作用する面内の物理量を測定する走査法の詳細図である。このようなジグザグな走査法により図３でのラスター走査法でのＸ方向の走査線の２本分を１度に測定することに近似的に等しくなり、実質的な走査速度を速くすることができる。また、Ｙ方向の移動は、＋１走査単位と−１走査単位の繰り返しであるので、急激な凹凸の影響を受けにくく、探針の試料間の凹凸に対す相対速度が、図３のラスタ走査法の場合とそれほど変わらない。
【００１５】
図１の走査法で、探針と試料間の物理量が測定される位置は、図１の１、２、３、――――、１９、２０、２１の位置であり、前記測定位置で収集された物理量データは、図４ので示すような画像データとしてマッピングされる。
【００１６】
図１の１、２、３、―――、１９、２０、２１で測定されたデータをＲ（１）,Ｒ（２）,Ｒ（３）,―――、Ｒ（１９）,Ｒ（２０）,Ｒ（２１）とし、図４の画像にマッピングされる位置でのデータをＤ（1,1）,Ｄ（1,2）,Ｄ（1,3）,―――,Ｄ（2,4）,Ｄ（2,5）,Ｄ（3,1）などとすると、画像にマッピングする際にはたとえば以下の関連式を適用してマッピングする。
【００１７】
Ｄ（1,1）＝Ｒ（１）
Ｄ（1,2）＝Ｒ（３）
Ｄ（1,3）＝Ｒ（５）
Ｄ（1,4）＝Ｒ（７）
Ｄ（1,5）＝Ｒ（９）
Ｄ（2,1）＝（Ｒ（１）＋Ｒ（２））／２
Ｄ（2,2）＝（Ｒ（２）＋Ｒ（３）＋Ｒ（４））／３
Ｄ（2,3）＝（Ｒ（４）＋Ｒ（５）＋Ｒ（６））／３
などのようにマッピングする。ここにおいて、図１の２と４、４と６等の中間に位置するマッピングデータＤ（２，２）、Ｄ（２，３）や端部のマッピングデータＤ（２，１）等の実際に測定しないＸＹ面内位置の画像データは、実際に測定した近接の物理量データを用い補間演算して求めている。以上が、マッピングしたデータの画素数と収集したデータ点数が一致する場合の本発明での実施例である。
【００１８】
図１の１、２、３、―――、１９、２０、２１で測定されたデータをＲ（１）,Ｒ（２）,Ｒ（３）,―――、Ｒ（１９）,Ｒ（２０）,Ｒ（２１）とし、図５の画像にマッピングされる位置でのデータをＤ（1,1）,Ｄ（1,2）,Ｄ（1,3）,―――,Ｄ（1,9）,Ｄ（1,10）,Ｄ（2,1）などとすると、画像にマッピングする際にはたとえば以下の関連式を適用してマッピングする。
【００１９】
Ｄ（1,1）＝Ｒ（１）
Ｄ（1,2）＝（Ｒ（１）＋Ｒ（２）＋Ｒ（３））／３
Ｄ（1,3）＝Ｒ（３）
Ｄ（1,4）＝（Ｒ（３）＋Ｒ（４）＋Ｒ（５））／３
Ｄ（1,10）＝（Ｒ（９）＋Ｒ（１０））／２
Ｄ（2,1）＝（Ｒ（１）＋Ｒ（２））／２
Ｄ（2,2）＝Ｒ（２）
Ｄ（2,3）＝（Ｒ（２）＋Ｒ（３）＋Ｒ（４））／３
Ｄ（2,4）＝Ｒ（４）
Ｄ（2,5）＝（Ｒ（４）＋Ｒ（５）＋Ｒ（６））／３
などのようにマッピングする。この場合、測定物理量データを全部画像データして利用し、図１の２と４、４と６等の中間に位置するマッピングデータＤ（２，３）、Ｄ（２，５）や、１と３、３と５等の中間に位置するマッピングデータＤ（１，２）、Ｄ（１，４）、あるいは端部マッピングデータＤ（１，１０）、Ｄ（２，１）等の実際に測定しないＸＹ面内位置の画像データを実際に測定した近接の物理量データを用い補間演算して求めている。
【００２０】
このようにマッピングしたデータの画素数が収集したデータ点数より多い場合の本発明での実施例であり、この例の場合擬似的に収集したデータ点数の２倍のマッピング画素数となる。
【００２１】
【発明の効果】
本発明によれば、探針の試料間の凹凸に対す相対速度が、図３のラスタ走査法の場合とそれほど変わらない走査法であるにもかかわらず、ラスター走査法でのＸ方向の走査線の２本分を１度に測定することに近似的に等しくなり、実質的な走査速度を速くすることができる。また、ジグザグに走査する特長を生かして、図５に示すように、収集したデータ点数以上の画素数にマッピングする場合、分解能を向上させうる特長を有することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による走査方法の例である。
【図２】本発明による走査方法の他の例である。
【図３】従来の走査方法の例である。
【図４】本発明での測定データマッピング例である。
【図５】本発明での他の測定データマッピング例である。

Claims (1)

1. 探針と試料の間に作用する物理量を検出して試料表面の形状および／または物理量を測定し、それに基づいた画像データを得るための走査型プローブ顕微鏡の走査方法において、
   前記探針と試料の間に作用する物理量を検出して試料表面の形状および／または物理量を測定する際、
   前記探針と前記試料を試料表面の面内方向（ＸＹ方向）に相対的に走査し、その際にＸ方向は所定の一方向に移動すると共に、前記探針の走査軌跡がジグザグ形状になるようにＹ方向に往復移動することで、
   ラスター走査法におけるＸ方向の２本分の走査線を一度に走査して検出データを取得し、前記画像データを得るのに必要な当該走査線上の未検出データについては、前記検出データのうち当該未検出データを検出すべき位置の周辺に在る複数の検出データに基づいて補間演算生成する工程を備えることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の走査方法。

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