JP6161658B2 - 調整可能なスキャン速度を有する測定装置及び測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、調整可能なスキャン速度を有する測定装置及び測定方法に関し、より具体的には、少なくとも直前に測定された高速スキャンラインのデータを用いてスキャン速度を可変的に適用することにより、測定速度を高めることができる測定装置及び測定方法に関する。

走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ、Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）は、ＭＥＭＳ工程等を介して製作された微細なプローブを試料の表面上になぞるように動かし（Ｓｃａｎｎｉｎｇ）、その試料の表面特性を測定して３Ｄイメージに見せる顕微鏡をいう。このような走査型プローブ顕微鏡は、測定方式によって、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ、Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ、Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）などに細分化されることができる。

図１は、従来のＸＹスキャナとＺスキャナとが分離された原子間力顕微鏡の概略的な斜視図である。

図１に示すように、原子間力顕微鏡１０は、測定対象１の表面を接触または非接触状態で沿うカンチレバ２と、測定対象をＸＹ平面からＸ方向及びＹ方向にスキャンするＸＹスキャナ１１と、カンチレバ２と連結されてカンチレバ２をＺ方向に相対的に小さい変位で移動させるＺスキャナ２１と、カンチレバ２とＺスキャナ２１とを相対的に大きい変位でＺ方向に移動させるＺステージ１２と、ＸＹスキャナ１１とＺステージ１２とを固定する固定フレーム１３とを備えて構成される。

原子間力顕微鏡１０は、測定対象１の表面をカンチレバ２でスキャンしてトポグラフィなどのイメージを得る。測定対象１の表面とカンチレバ２の相手移動は、ＸＹスキャナ１１により行われることができ、測定対象１の表面に沿うようにカンチレバ２を上下に移動させることは、Ｚスキャナ２１により行われることができる。一方、カンチレバ２とＺスキャナ２１とは、プローブアーム（ｐｒｏｂｅ ａｒｍ、２２）により連結される。

このような原子間力顕微鏡１０のような走査型プローブ顕微鏡は、測定対象１の表面をカンチレバ２で物理的に全てスキャンしなければならないが、スキャン速度（ｓｃａｎ ｒａｔｅ）を高めるほど、Ｚスキャナ２１のフィードバック（ｆｅｅｄｂａｃｋ）が難しくなることにより、イメージ品質が低くなるという問題がある。特に、測定対象１の表面の段差が大きい場合、カンチレバのフィードバックが難しく、スキャン速度を低めるしかなかった。すなわち、イメージ品質とスキャン速度とは、スキャンを基盤とする走査型プローブ顕微鏡で両立し難く、これにより、低いイメージスループット（ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ）が、走査型プローブ顕微鏡が産業界に広く適用されるのに障害として作用してきた。

本発明は、上記のような問題点を解決するために案出されたものであって、本発明で解決しようとする課題は、少なくとも直前に測定された高速スキャンラインのデータを用いてスキャン速度を可変的に適用することにより、測定速度を高めることができる測定装置及び測定方法を提供することにある。

本発明の課題は、以上で言及した課題等に制限されず、言及されていないさらに他の課題等は、下記の記載から当業者に明確に理解され得るであろう。

前記課題を解決するための本発明の一実施形態に係る測定方法は、感知部が測定対象の表面に沿ってスキャンしつつ、前記測定対象の表面に関するデータを取得する測定方法である。前記感知部が前記測定対象の表面の複数の高速スキャンライン（ｆａｓｔ ｓｃａｎ ｌｉｎｅ）に沿って前記表面をスキャンするように、前記感知部及び前記測定対象のうち、１つ以上が移動される。この測定方法は、前記感知部を用いて前記複数の高速スキャンラインのうち、いずれか１つの高速スキャンライン上の表面に関するデータを得るために、前記感知部が前記いずれか１つの高速スキャンラインに沿って前記表面をスキャンする第１のステップと、前記第１のステップ後、前記いずれか１つの高速スキャンラインと最も隣接した高速スキャンラインに沿うように、前記感知部及び前記測定対象のうちの１つ以上を移動させながら、前記感知部を用いて前記最も隣接した高速スキャンライン上の表面に関するデータを得る第２のステップとを含む。前記第２のステップでのスキャン速度は、少なくとも前記第１のステップで得られた表面に関するデータを用いて決定されることを特徴とする。

本発明の他の特徴によれば、前記感知部は、チップ（ｔｉｐ）を有したカンチレバ（ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ）である。

本発明のさらに他の特徴によれば、前記第２のステップにおいて、前記いずれか１つの高速スキャンライン上の表面に関するデータのスキャン距離当たりの変化率を用いてスキャン速度が決定される。

本発明のさらに他の特徴によれば、前記表面に関するデータは、表面の形状データ（ｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ ｄａｔａ）である。

本発明のさらに他の特徴によれば、前記第２のステップでのスキャン速度は、前記第１のステップで得られた前記変化率が所定値以上になる地点に対応する地点が測定される所定時間前から低くなるように設定される。

本発明のさらに他の特徴によれば、前記第２のステップでのスキャン速度は、前記第１のステップで得られた前記変化率が所定値以下になる地点に対応する地点が測定される所定時間後から高くなるように設定される。

本発明のさらに他の特徴によれば、前記第２のステップでのスキャン速度を決定する方法は、前記第１のステップでの表面に関するデータの変化値を得るステップと、前記変化値の絶対値を求めるステップと、前記絶対化された変化値をスムージング（ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ）するステップと、前記スムージングするステップを介して得られた値をスキャン速度に換算するステップとを含む。

本発明のさらに他の特徴によれば、前記第２のステップでのスキャン速度を決定する方法は、前記第１のステップでの表面に関するデータの変化値を得るステップと、前記変化値の絶対値を求めるステップと、前記絶対化された変化値をスムージングするステップと、前記スムージングするステップを介して得られた値をクリッピング（ｃｌｉｐｐｉｎｇ）するステップと、前記クリッピングするステップを介して得られた値をスキャン速度に換算するステップとを含む。

本発明のさらに他の特徴によれば、前記第２のステップでのスキャン速度を決定する方法は、前記第１のステップでの表面に関するデータの変化値を得るステップと、前記変化値の絶対値を求めるステップと、前記絶対化された変化値をクリッピングするステップと、前記クリッピングするステップを介して得られた値をスムージングするステップと、前記スムージングするステップを介して得られた値をスキャン速度に換算するステップとを含む。

本発明のさらに他の特徴によれば、前記第２のステップでのスキャン速度を決定する方法は、前記第１のステップで得られた表面に関するデータをスムージングするステップと、前記スムージングするステップを介して得られた値をスキャン速度に換算するステップとを含む。

本発明のさらに他の特徴によれば、前記第２のステップでのスキャン速度を決定する方法は、前記第１のステップで得られた表面に関するデータをスムージングするステップと、前記スムージングするステップで得られた値をクリッピングするステップと、前記クリッピングするステップを介して得られた値をスキャン速度に換算するステップとを含む。

本発明のさらに他の特徴によれば、前記第２のステップでのスキャン速度を決定する方法は、前記第１のステップで得られた表面に関するデータをクリッピングするステップと、前記クリッピングするステップで得られた値をスムージングするステップと、前記スムージングするステップを介して得られた値をスキャン速度に換算するステップとを含む。

本発明のさらに他の特徴によれば、前記スムージングするステップは、ローパスフィルタリング（ｌｏｗ ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ）技法を使用して行われる。

本発明の一実施形態に係る測定装置は、チップ（ｔｉｐ）が測定対象の表面をスキャンすることにより、前記表面に関するデータを得る測定装置である。この測定装置は、前記測定対象と前記チップとの間のＸＹ方向への相手移動を発生させるＸＹスキャナと、前記測定対象と前記チップとの間のＺ方向への相手移動を発生させるＺスキャナと、前記ＸＹスキャナと前記Ｚスキャナとの駆動を制御する制御装置とを含む。前記表面に関するデータは、前記表面のＭ個の高速スキャンライン（ｆａｓｔ ｓｃａｎ ｌｉｎｅ）の統合により得られ（ここで、Ｍは２以上の整数）、前記制御装置は、Ｎ番目（ここで、Ｎは整数であって、１＜Ｎ≦Ｍを満足する）の高速スキャンラインのスキャン速度を少なくともＮ−１番目に測定された高速スキャンラインの表面に関するデータを用いて決定し、これにより、前記ＸＹスキャナを駆動させることを特徴とする。

本発明のさらに他の特徴によれば、前記ＸＹスキャナと前記Ｚスキャナとは一体に形成される。

本発明のさらに他の特徴によれば、前記測定装置は、原子間力顕微鏡である。

本発明に係る測定方法及び測定装置によれば、測定速度を高めながらも、高い品質の測定対象の表面のイメージを提供することができる。これにより、高いスループットを期待することができる。

従来のＸＹスキャナとＺスキャナとが分離された原子間力顕微鏡の概略的な斜視図である。 本発明に係る測定方法が利用され得る原子間力顕微鏡の構成を示した概略的な概念図である。 測定対象の表面のデータ取得ポイントのマップである。 測定対象の表面に対するスキャン経路を示したものである。 スキャン速度と測定対象の傾斜度に対する相関関係を説明するための概念図である。 以前の高速スキャンラインと直後の高速スキャンラインとをスキャンするチップと測定対象の表面を示した概略的な側面図である。 本方法によるスキャン方法を示した順序図である。 図６の第２のステップでのスキャン速度を決定する方法を示した順序図である。 図７の各ステップで得られるデータを示す。 図７の各ステップで得られるデータを示す。 他の実施形態に係る第２のステップでのスキャン速度を決定する方法の各ステップで得られるデータを示す。 例示的な測定対象のトポグラフィイメージとラインプロファイル（ｌｉｎｅ ｐｒｏｆｉｌｅ）を示す。 直後の高速スキャンラインのスキャン速度を求める過程を示したグラフ等である。 一定のスキャン速度で測定されたラインプロファイルと本発明の方法を使用して得られたスキャン速度で測定されたラインプロファイルとの比較を示す。

本発明の利点及び特徴、そして、それらを達成する方法は、添付される図面とともに詳細に後述されている実施形態を参照すれば明らかになるであろう。しかし、本発明は、以下において開示される実施形態に限定されるものではなく、互いに異なる様々な形で実現されるはずであり、単に、本実施形態等は、本発明の開示が完全なようにし、本発明の属する技術分野における通常の知識を有した者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものであり、本発明は、請求項の範疇により定義されるだけである。

素子（ｅｌｅｍｅｎｔｓ）または層が他の素子または層「上（ｏｎ）」として呼ばれることは、他の素子の真上にまたは中間に他の層または他の素子を介在した場合を全て含む。

例えば、第１、第２などが多様な構成要素を述べるために使用されるが、これらの構成要素は、これらの用語により制限されないことは勿論である。これらの用語は、単に１つの構成要素を他の構成要素と区別するために使用するものである。したがって、以下において言及される第１の構成要素は、本発明の技術的思想内で第２の構成要素でありうることは勿論である。

明細書の全体にわたって同一参照符号は、同一構成要素を示す。

図面に示された各構成の大きさ及び厚さは、説明の便宜のために図示されたものであり、本発明が、図示された構成の大きさ及び厚さに必ず限定されるものではない。

本発明の種々の実施形態の各々の特徴が部分的にまたは全体的に互いに結合または組み合わせ可能であり、当業者が十分理解できるように技術的に様々な連動及び駆動が可能であり、各実施形態が互いに対して独立的に実施可能でありうるし、相関関係により、共に実施可能でありうる。

装置及びスキャンを介したイメージ取得方法
本明細書では、原子間力顕微鏡に基づいて本発明について記述するが、原子間力顕微鏡によってのみ測定方法が実現されることと限定しようとするものではなく、物理的スキャンを用いて測定対象表面のデータを得る他の測定装置でも本方法が利用可能であることはもちろんである。例えば、本方法は、走査型プローブ顕微鏡に広く使用されることができる。

図２は、本発明に係る測定方法が利用され得る原子間力顕微鏡の構成を示した概略的な概念図であり、図３ａは、測定対象の表面のデータ取得ポイントのマップであり、図３ｂは、測定対象の表面に対するスキャン経路を示したものである。

図２に示すように、原子間力顕微鏡は、ＸＹスキャナ１１と、Ｚスキャナ２１と、コントローラ３０とを備えて構成される。その他の構成は、図１の原子間力顕微鏡１０の構成を参照すればよい。

ＸＹスキャナ１１は、測定対象１を支持し、測定対象１をＸＹ方向にスキャンする。ＸＹスキャナ１１の駆動は、例えば、圧電アクチュエータ（ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｃｔｕａｔｏｒ）により発生することができ、本実施例のように、Ｚスキャナ２１と分離された場合には、積層された圧電駆動機（ｓｔａｃｅｄ ｐｉｅｚｏ）を使用することもできる。ＸＹスキャナ１１については、本出願人が登録権者である韓国登録特許第１０−０５２３０３１号（発明の名称：走査型プローブ顕微鏡でのＸＹスキャナ及びその駆動方法）及び第１０−１４６８０６１号（発明の名称：スキャナの制御方法とこれを利用したスキャナ装置）を参照する。

Ｚスキャナ２１は、チップを有したカンチレバ２と連結されて、カンチレバ２の高さを調節することができる。Ｚスキャナ２１の駆動も、ＸＹスキャナ１１のように圧電アクチュエータにより行われることができる。Ｚスキャナ２１については、本出願人が登録権者である韓国登録特許第１０−１４７６８０８号（発明の名称：スキャナ装置及びこれを含む原子間力顕微鏡）を参照する。

ＸＹスキャナ１１とＺスキャナ２１とは、図１及び図２のように分離されて別の部材として存在することができるが、チューブ型圧電アクチュエータにより１つの部材に統合されて存在することもできる。このようなチューブ型圧電アクチュエータの場合、ＸＹ方向の移動とＺ方向の移動とを共に行うことができるが、ＸＹ方向への挙動とＺ方向への挙動とがカップリングされてイメージを歪めるという問題を有している。しかし、このような限界にもかかわらず、本発明が活用され得ることはもちろんである。このようなＸＹＺ統合型スキャナは、米国特許公開第２０１２−００７９６３５Ａ１（発明の名称：Ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ ｄｅｖｉｃｅｓ ｆｏｒ ｃｏｒｒｅｃｔｉｎｇ ｅｒｒｏｒｓ ｉｎ ａｔｏｍｉｃ ｆｏｒｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）などに開示されており、その他にも、公知の原子間力顕微鏡の構造が使用され得る。

レーザ発生ユニット１５では、レーザ光（点線で図示）をカンチレバ２の表面に照射し、カンチレバ２の表面から反射されたレーザ光は、ＰＳＰＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｐｈｏｔｏ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）のような２軸のディテクタ（ｄｅｔｅｃｔｏｒ、１４）に結ばれる。このようなディテクタ１４で検出される信号はコントローラ３０に送られる。

コントローラ３０は、ＸＹスキャナ１１とＺスキャナ２１とが連結されて、ＸＹスキャナ１１とＺスキャナ２１の駆動を制御する。また、コントローラ３０は、ディテクタ１４から得られた信号をＡＤＣコンバータによりデジタル信号に変換し、これを活用してカンチレバ２の撓み、歪みなどの程度を判断することができる。コントローラ３０にはコンピュータが統合されていることができ、別のコンピュータとコントローラ３０とが連結されていることもできる。コントローラ３０は、１つに統合されてラックに入れられることができるが、２個以上に分割されて存在することもできる。

コントローラ３０は、測定対象１をＸＹスキャナ１１によりＸＹ方向にスキャンするようにＸＹスキャナ１１を駆動する信号を送る一方、カンチレバ２が測定対象１の表面と所定の相互の力を有するように（すなわち、所定程度の撓みを維持するように）Ｚスキャナ２１を制御する。すなわち、コントローラ３０は、ソフトウェア的なまたは電気回路的な廃ループフィードバックロジック（ｃｌｏｓｅｄ ｌｏｏｆ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｌｏｇｉｃ）を有する。また、コントローラ３０は、Ｚスキャナ２１の長さ（または、Ｚスキャナ２１に使用されたアクチュエータの長さ）を測定するか、Ｚスキャナ２１に使用されたアクチュエータに印加される電圧などを測定することにより、測定対象１の表面の形状データ（ｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ）を得る。

ここで、カンチレバ２のチップは、測定対象１の表面と接触状態にありうるし（これを「接触モード」という）、非接触状態にありうるし（これを「非接触モード」という）、また、測定対象１の表面を叩く状態にありうるが（これを「タッピングモード」という）、これは、測定対象１の表面状態、カンチレバ２の条件、測定条件などによって変わることができ、いかなるモードを使用しても本発明の範疇に属するであろう。

一方、コントローラ３０が得る測定対象１の表面に関するデータは、形状データの他に、様々でありうる。例えば、カンチレバ２に磁気力を浮かべるか、静電力などを加える特殊な処理をすることにより、測定対象１の表面の磁気力に関するデータ、静電気力に関するデータなどを得ることができる。このような原子間力顕微鏡のモード等は、ＭＦＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）、ＥＦＭ（Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）などがあり、これは、公知の方法を使用して実現されることができる。その他にも、測定対象１の表面に関するデータは、表面の電圧、表面の電流などでありうる。

図３ａに示すように、コントローラ３０は、カンチレバ２のチップがデータを得なければならない地点に対するマッピングデータ（ｍａｐｐｉｎｇ ｄａｔａ）を有する。このようなマッピングデータは、多様に保有され得るし、ユーザの設定により変更可能でもある。

ユーザは、測定対象１の表面の測定領域Ｍを設定する。例えば、ユーザは、１０μｍ×１０μｍの領域のデータを得るようにコントローラ３０に命令をすることができる。このようなユーザが設定した領域内でデータを得なければならない地点を決定するようになるが、細かく指定するほど解像度が高くなる。例えば、指定領域Ｍ内で２５６個×２５６個、５１２個×５１２個、５１２個×１０２４個などのデータを得るように多様に設定されることができる。指定領域Ｍ内でｉ×ｊのデータ個数を得るために、図３ａのようにｉ×ｊ個の格子型マッピングデータが選択され得る。

図３ａの全ての点にカンチレバ２のチップが位置するようにＸＹスキャナ１１は測定対象１をスキャンする。図３ｂのように、Ｘ方向に一列を速くスキャンし、その後、下に一間降りて、−Ｘ方向に一列を速くスキャンし、さらに一間降りてスキャンする方式でＸＹスキャナ１１が駆動され得る。ここで、Ｘ方向（−Ｘ方向も含む）を高速スキャン方向（ｆａｓｔ ｓｃａｎ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）と呼び、Ｙ方向を低速スキャン方向（ｓｌｏｗ ｓｃａｎ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）と呼ぶことができる。このような高速スキャン方向は、図３ｂのようにＸ方向でありうるし、これとは異なり、Ｙ方向でもありうるし、その他にも、異なる方向であっても関係ない。

高速スキャン方向に沿うラインを高速スキャンライン（ｆａｓｔ ｓｃａｎｌｉｎｅ）と呼ぶことができ、図３ｂでは、ｌ_１、ｌ_２、ｌ_３、ｌ_４等に示される。図３ａのようなマップでは、合計ｊ個の高速スキャンラインが存在するようになる。

一方、これと異なり、Ａ（１、１）、Ａ（ｉ、１）、Ａ（１、１）、Ａ（１、２）、Ａ（ｉ、２）、Ａ（１、２）、Ａ（１、３）．．．の順序どおりに１つの高速スキャンラインを往復するようにスキャンして測定対象１を測定することもできる。

ＸＹスキャナ１１が図３ｂのようなスキャン経路を利用して測定対象１の表面をスキャンすれば、カンチレバ２のチップは、Ｚスキャナ２１により測定対象１の表面に沿うようになるにつれて、トポグラフィなどの測定対象１の表面に対するデータが各地点（Ａ_ｉｊ、ここで、ｉ、ｊは１以上の整数）で収集される。これを用いてコントローラ３０は、３次元的なイメージを生成して、ユーザに提供する。

本発明の理論的説明
図４は、スキャン速度と測定対象の傾斜度に対する相関関係を説明するための概念図である。

チップ２′のＺ方向への速度（ｄｚ／ｄｔ）は、下記のように定義される。

上記の数式（１）によれば、チップ２′のＺ方向の速度は、測定対象１の傾斜度（ｓｌｏｐｅ）とＸ方向へのスキャン速度（ｓｃａｎ ｒａｔｅ）との積で定義されることができる。一方、チップ２′は、Ｚスキャナ２１による廃ループフィードバック制御によりＺ方向に移動されるので、ｄｚ／ｄｔは、次のように定義されることもできる。

数式（１）と数式（２）によれば、数式（３）が得られる。

数式（３）によれば、測定対象１の傾斜度が大きいか、スキャン速度が高いほどエラー値は大きくなる。すなわち、測定対象１の傾斜度が大きい場合には、スキャン速度を小さくしてはじめてエラー値があまり大きくならず、フィードバック制御が正しく行われ得る。逆に、測定対象１の傾斜度が小さい場合には、スキャン速度を高めてもフィードバック制御が円滑に行われ得る。結論的に、エラー値を所定範囲内に維持してイメージ品質を低下させないようにするならば、測定速度１の傾斜度によってスキャン速度をよく調節しなければならない必要があるものである。

図５は、以前の高速スキャンラインと直後の高速スキャンラインとをスキャンするチップと測定対象の表面を示した概略的な側面図である。

図５に示すように、以前の高速スキャンラインと直後の高速スキャンラインとが物理的に近接しているため、以前の高速スキャンラインをスキャンするチップ（点線で図示）と直後の高速スキャンラインをスキャンするチップ（実線で図示）とは、各々測定対象１の一部領域Ｓに対してファンデルワールス力（Ｖａｎ ｄｅｒ Ｗａａｌｓ ｉｎｔｅｒａｔｉｏｎ）等（この他にも、磁気力、静電力等）により影響を受けるようになる。すなわち、以前の高速スキャンラインで測定された表面に関するデータは、直後の高速スキャンラインで測定された表面に関するデータに影響を及ぼす。したがって、直後の高速スキャンラインでの表面に関するデータは、以前の高速スキャンラインでの表面に関するデータと類似し、以前の高速スキャンラインでの表面に関するデータにてある程度予測可能である。

このような理論的根拠は、原子間力顕微鏡に使用される常用のチップ２′の添付の半径が約５〜２０ｎｍであるが、５×５μｍの領域を５１２×５１２ｐｉｘｅｌのイメージ品質として得る場合、高速スキャンライン間の間隔が約１０ｎｍであることによっても支持される。

したがって、以前の高速スキャンラインを用いて直後の高速スキャンラインのスキャン速度を決定することは理論的に妥当である。

調整可能なスキャン速度を有する測定方法
図６は、本方法によるスキャン方法を示した順序図であり、図７は、図６の第２のステップでのスキャン速度を決定する方法を示した順序図である。また、図８及び図９は、各ステップで得られるデータを示す。

本発明の一実施形態に係る測定方法は、感知部が測定対象の表面に沿ってスキャンしつつ、測定対象の表面に関するデータを測定する測定方法に関するものである。ここで、感知部は、例えば、チップ（ｔｉｐ）でありうる。本発明による測定方法は、例えば、原子間力顕微鏡を含む走査型プローブ顕微鏡などの測定装置に使用されることができ、本明細書では、原子間力顕微鏡を例として説明する。

一方、感知部は、測定対象の表面の仮想の複数の高速スキャンラインに沿って相手移動され、高速スキャンラインに対することは、前述した図３ａ及び図３ｂと、その関連説明を参照すればよい。ここで、感知部は、それ自体が移動してもよく、測定対象が移動してもよく、両方共が移動してもよい。すなわち、感知部が測定対象の表面に沿って相手移動さえすればよく、ある部材が実際に移動されるかは、方式によって決定されれば足りる（例えば、チューブスキャナを使用した場合、ＸＹスキャナとＺスキャナとを分離して使用した場合など）。

図６に示すように、本発明の一実施形態に係る測定方法は、複数の高速スキャンラインのうち、いずれか１つの高速スキャンラインに沿って測定対象の表面をスキャンするステップ（以下、「第１のステップ」、Ｓ１１０）及び第１のステップ後、いずれか１つの高速スキャンラインと最も隣接した高速スキャンラインに沿うように感知部及び測定対象のうちの１つ以上を移動させながら、感知部を用いて最も隣接した高速スキャンライン上の表面に関するデータを得るステップ（以下、「第２のステップ」、Ｓ１２０）を含む。

第１のステップにおいて、いずれか１つの高速スキャンラインは、最初に高速スキャンされる高速スキャンライン（図３ｂのｌ_１）でありうるし、それ以後にスキャンされる任意の高速スキャンラインでありうる。第１のステップによりいずれか１つの高速スキャンライン上の表面に関するデータが得られる。データを得る方法は、公知の原子間力顕微鏡により測定される方法を参考すればよい。表面に関するデータは、前述したように、形状データ、ＥＦＭデータ、ＭＦＭデータ、電圧データ、電流データなどでありうる。

第１のステップ後、感知部は、第１のステップでスキャンされた高速スキャンラインと最も隣接した高速スキャンラインに沿って相手移動される。例えば、第１のステップにおいて、図３ｂのｌ_１が第１のステップでの高速スキャンラインであれば、第２のステップではｌ_２を沿って感知部が相手移動される。

上記で説明した「本発明の理論的説明」によれば、隣接する高速スキャンライン同士は、同じ領域からファンデルワールス力などのような力を同時に受けるようになるので、以前にスキャンされた高速スキャンライン上の表面に関するデータを用いて直後の高速スキャンライン上の表面に関するデータをある程度予測可能である。

本発明は、直後の高速スキャンラインでのスキャン速度の決定において、少なくとも直前にスキャンされた高速スキャンライン上の表面に関するデータを用いることにより、スキャン速度を最適化して測定速度を極大化することを特徴とする。

図７に示すように、第２のステップでのスキャン速度を決定する方法は、第１のステップで得られた表面に関するデータの変化値を得るステップ（Ｓ２１０）、変化値の絶対値を求めるステップ（Ｓ２２０）、スムージングするステップ（Ｓ２３０）、クリッピング（ｃｌｉｐｐｉｎｇ）するステップ（Ｓ２４０）、及びスキャン速度を決定するステップ（Ｓ２５０）を含む。

以下では、各細部ステップを図８及び図９を参照して詳しく説明する。

まず、第１のステップで得られた表面に関するデータの変化値を得る（Ｓ２１０）。図８の（ａ）に示すように、第１のステップでいずれか１つの高速スキャンラインに沿って感知部がスキャンされることにより、いずれか１つの高速スキャンライン上の測定対象の表面に関するデータが得られる。本説明では、理解を容易にするために、表面に関するデータを表面形状データ（ｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ ｄａｔａ）として例示する。

ここで、データの変化値とは、各データ取得地点（図３ａの点Ａ）でのデータの傾斜度（例えば、数式（３）のｓｌｏｐｅ）でありうるし、ディテクタ（図２の図面符号“１４”）により第１のステップでのスキャンの際、各データ取得地点で測定されるＺ方向のエラー信号（数式（２）及び（３）のＥｒｒｏｒ）でありうる。すなわち、本ステップ（Ｓ２１０）での変化値は、第１のステップ（Ｓ１１０）を行った後に計算されることができ、第１のステップ（Ｓ１１０）が完了するとともに得られることもでき、このような変化値の取得時点は、後述するＳ２２０ステップまたはＳ２３０ステップ以前であれば足りる。

本ステップ（Ｓ２１０）で図８の（ｂ）のようなデータの変化値が得られる。図８の（ｂ）に示すように、扁平な部分では変化値が０に近く、段差が大きい部分では変化値が大きく発生する。具体的に、段差がスキャン方向に対して大きくなる部分では正の変化値を有し、小さくなる部分では負の変化値を有する。

Ｓ２１０ステップで得られたデータの変化値は絶対化される（Ｓ２２０）。すなわち、負の変化値は、正の変化値に変換される。図８の（ｃ）は、本ステップ（Ｓ２２０）を介して得られた変化値の絶対値を図示する。

Ｓ２２０ステップで得られた絶対値はスムージングされる（Ｓ２３０）。スムージングとは、平滑化過程ともいうが、急激に変動する信号を軟らかく変動するように変更することをいう。図９の（ｄ）に示すように、データがスムージングされて、軟らかく変動されるように変更されたことが分かる。

一方、スムージングの技法としては、既存の様々な方法が採用され得る。例えば、スムージングは、ローパスフィルタリング（ｌｏｗ ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ）技法により実現されることもできる。

スムージングを行う理由は、急激なスキャン速度の変動が必要でないか、好ましくないためであり、さらに、高周波のノイズを除去するためでもある。

Ｓ２３０ステップで得られた値はクリッピングされる（Ｓ２４０）。具体的に、予め決められた最大値より大きいデータは、最大値と同じように調整するか、完全に除く。また、予め決められた最小値より小さいデータは、最小値と同じように調整するか、ある所定の数値になるように調整することができる。ここで、クリッピングステップ（Ｓ２４０）で最大値及び最小値のうち、いずれか１つのみを設定することもできる。

例えば、図９の（ｅ）に示すように、予め決められた最大値（点線で図示）を越える値は、最大値になるように制限される。仮りに、全ての絶対値が最大値以下であれば、以後のステップで絶対値をそのまま反映する。

クリッピングを行う理由は、非正常的に大きく得られるか、小さく得られるデータをスキャン速度に反映する必要がないためである。また、スキャン速度の最大値及び最小値を設定するためである。例えば、クリッピングしなければ、必要以上にスキャン速度が低いか、高い場合が生じるであろう。

最後に、Ｓ２４０ステップで得られたデータを用いてスキャン速度を算出する（Ｓ２５０）。Ｓ２４０ステップで得られたデータは、以前の高速スキャンライン上の表面に関するデータの変化値に絶対化、スムージング、クリッピングの過程を行ったものであるから、速度の次元ではない。したがって、これを用いてスキャン速度の次元に変換する過程が必要である。

図９の（ｅ）において、得られた値が大きければスキャン速度は小さくなければならず、小さければスキャン速度は大きくなければならない。すなわち、Ｓ２４０ステップを介して得られた値とスキャン速度とは反比例しなければならないので、図９の（ｆ）のように反転された形態のスキャン速度グラフが算出されることが好ましい。Ｓ２４０ステップで得られた値を変換する式は様々に設定され得るが、これは、当該測定対象の最大スキャン速度、最低スキャン速度などを考慮して設定することができる。

一方、Ｓ２２０ステップないしＳ２４０ステップの前後関係は変更され得る。例えば、Ｓ２３０ステップが先行され、Ｓ２２０ステップを行っても関係ない。また、Ｓ２４０ステップは省略されても関係ない。

例えば、本発明の測定方法は、Ｓ１１０での表面に関するデータの変化値を得るし（Ｓ２１０）、この変化値の絶対値を求め（Ｓ２２０）、この絶対化された変化値をスムージングし（Ｓ２３０）、このスムージングされた値をスキャン速度に換算することにより（Ｓ２５０）、行われることができる。

また、Ｓ１１０での表面に関するデータの変化値を得るし（Ｓ２１０）、この変化値の絶対値を求め（Ｓ２２０）、この絶対化された変化値をクリッピングし（Ｓ２４０）、このクリッピングされた値をスムージングし（Ｓ２３０）、このスムージングされた値をスキャン速度に換算することにより（Ｓ２５０）、行われることもできる。

図１０は、他の実施形態に係る第２のステップでのスキャン速度を決定する方法の各ステップで得られるデータを示す。

他の実施形態に係る第２のステップ（Ｓ１２０）でのスキャン速度を決定する方法は、第１のステップ（Ｓ１１０）で得られた表面に関するデータをスムージングするステップと、スムージングするステップを介して得られた値をスキャン速度に換算するステップとを含む。その他にも、スムージングするステップ後にクリッピングするステップが選択的に本方法にさらに含まれ得る。

本実施形態の測定方法は、図７に例示された測定方法とデータの絶対値を求めずに、第１のステップ（Ｓ１１０）で得られた表面に関するデータを直接スムージング、クリッピングすることにより、第２のステップ（Ｓ１２０）でのスキャン速度を求めるという点においてのみ差異があり、スムージング、クリッピングステップの具体的な事項は同様である。

図１０の（ａ）に示すように、第１のステップ（Ｓ１１０）を介して表面に関するデータ（本実施形態では表面電圧）が得られる。その後、図１０の（ｂ）のように、表面に関するデータをスムージングし、図１０の（ｃ）のように、スムージングしたデータをクリッピングする。その後、、図１０の（ｄ）のように、クリッピングされたデータはスキャン速度に換算される。

例えば、本発明の測定方法は、Ｓ１１０での表面に関するデータをスムージングし、このスムージングされた値をスキャン速度に換算することにより、行われることができる。また、本発明の測定方法は、Ｓ１１０での表面に関するデータをスムージングし、このスムージングされた値をクリッピングし、このクリッピングされた値をスキャン速度に換算することにより、行われることができる。また、本発明の測定方法は、Ｓ１１０での表面に関するデータをクリッピングし、このクリッピングされた値をスムージングし、このスムージングされた値をスキャン速度に換算することにより、行われることもできる。

本方法は、表面の電圧のように、その値が大きい部分（綿密な測定が不要な部分）ではスキャン速度を高め、その値が小さい部分（綿密な測定が必要な部分）ではスキャン速度を低める必要がある表面に関するデータの測定において適している。逆に、場合によっては、スキャン速度に換算するステップで値が小さい部分ではスキャン速度を低め、値が大きい部分ではスキャン速度を高めるようにスキャン速度を換算してもよい。

実際の実現例
図１１は、例示的な測定対象のトポグラフィイメージとラインプロファイル（ｌｉｎｅ ｐｒｏｆｉｌｅ）を示し、図１２は、直後の高速スキャンラインのスキャン速度を求める過程を示したグラフである。また、図１３は、一定のスキャン速度で測定されたラインプロファイルと、本発明の方法を使用して得られたスキャン速度で測定されたラインプロファイルとを示す。

図１１に示すように、例示的な測定対象は、高速スキャン方向をＸ方向として測定される。図１１に示すデータは、全て本出願人のＸＥシリーズの原子間力顕微鏡により得られたものである。

以前の高速スキャンラインのデータを用いて得られた直後の高速スキャンラインのスキャン速度は、前述した「調整可能なスキャン速度を有する測定方法」を利用して得られ、各ステップを通過したデータのグラフは、図１２に示される。算出される詳細な原理は、前述したとおりである。

図１３に示すように、１Ｈｚのスキャン速度で得られたラインプロファイルは、フォワード方向（ｆｏｒｗａｒｄ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ、図１３において右側方向）とバックワード方向（ｂａｃｋｗａｒｄ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ、図１３において左側方向）とが互いに不一致する。すなわち、スキャン速度があまり速くて、変化値が大きい部分でフィードバックが適宜行われなかったためである。スキャン速度を低めれば低めるほど、フォワード方向とバックワード方向のラインプロファイルは互いに一致するようになる。しかし、０．２Ｈｚのスキャン速度では、図１０のようにトポグラフィイメージを得るために１２８０秒が必要である（１つの高速スキャンラインをスキャンするのに５秒がかかり、高速スキャンラインが２５６個である場合）。

これに対し、本発明に係る方法を適用してトポグラフィイメージを得る場合、２２７秒がかかり、ラインプロファイルは、０．２Ｈｚと類似した品質で得られることが分かる。すなわち、イメージ品質は高めながらも、測定速度は画期的に減少することが分かる。これにより、原子間力顕微鏡のスループットに関する根本的な問題点を解決することができる。

前述した構成以外の構成は、本特許の出願人であるパーク・システムズ株式会社のＸＥシリーズ、ＮＸシリーズなどのヘッド及び原子間力顕微鏡の構成にしたがうことができる。しかし、これに限定されるものではない。

以上、添付された図面を参照して本発明の実施形態を説明したが、本発明の属する技術分野における通常の知識を有した者は、本発明のその技術的思想や必須的な特徴を変更せずに、他の具体的な形態で実施され得るということが理解できるであろう。したがって、以上において記述した実施形態等は、あらゆる面において例示的なものであり、限定的でないものと理解すべきである。

１ 測定対象
２ カンチレバ
２´ チップ
１１ ＸＹスキャナ
１４ ディテクタ
１５ レーザ発生ユニット
２１ Ｚスキャナ
３０ 制御装置

Claims (13)

1. 感知部が測定対象の表面に沿ってスキャンしつつ、前記測定対象の表面に関するデータを取得する測定方法であって、
   前記感知部が前記測定対象の表面の複数の高速スキャンライン（ｆａｓｔ ｓｃａｎ ｌｉｎｅ）に沿って前記表面をスキャンするように、前記感知部及び前記測定対象のうち、１つ以上が移動され、
   前記感知部を用いて前記複数の高速スキャンラインのうち、いずれか１つの高速スキャンライン上の表面に関するデータを得るために、前記感知部が前記いずれか１つの高速スキャンラインに沿って前記表面をスキャンする第１のステップと、
   前記第１のステップ後、前記いずれか１つの高速スキャンラインと最も隣接した高速スキャンラインに沿うように、前記感知部及び前記測定対象のうちの１つ以上を移動させながら、前記感知部を用いて前記最も隣接した高速スキャンライン上の表面に関するデータを得る第２のステップと、
   を含み、
   前記第２のステップでのスキャン速度は、少なくとも前記第１のステップで得られた表面に関するデータを用いて決定され、
   前記第２のステップにおいて、前記いずれか１つの高速スキャンライン上の表面に関するデータのスキャン距離当たりの変化率を用いてスキャン速度が決定され、
   前記第２のステップでのスキャン速度は、前記第１のステップで得られた前記変化率が所定値以上になる地点に対応する地点が測定される所定時間前から低くなるように設定されたり、または前記第２のステップでのスキャン速度は、前記第１のステップで得られた前記変化率が所定値以下になる地点に対応する地点が測定される所定時間後から高くなるように設定されることを特徴とする測定方法。
2. 前記感知部は、チップ（ｔｉｐ）を有したカンチレバ（ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ）であることを特徴とする請求項１に記載の測定方法。
3. 前記表面に関するデータは、表面の形状データ（ｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ ｄａｔａ）であることを特徴とする請求項１に記載の測定方法。
4. 前記第２のステップでのスキャン速度を決定する方法は、
   前記第１のステップでの表面に関するデータの変化値を得るステップと、
   前記変化値の絶対値を求めるステップと、
   前記絶対化された変化値をスムージング（ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ）するステップと、
   前記スムージングするステップを介して得られた値をスキャン速度に換算するステップと、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の測定方法。
5. 前記第２のステップでのスキャン速度を決定する方法は、
   前記第１のステップでの表面に関するデータの変化値を得るステップと、
   前記変化値の絶対値を求めるステップと、
   前記絶対化された変化値をスムージングするステップと、
   前記スムージングするステップを介して得られた値をクリッピング（ｃｌｉｐｐｉｎｇ）するステップと、
   前記クリッピングするステップを介して得られた値をスキャン速度に換算するステップと、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の測定方法。
6. 前記第２のステップでのスキャン速度を決定する方法は、
   前記第１のステップでの表面に関するデータの変化値を得るステップと、
   前記変化値の絶対値を求めるステップと、
   前記絶対化された変化値をクリッピングするステップと、
   前記クリッピングするステップを介して得られた値をスムージングするステップと、
   前記スムージングするステップを介して得られた値をスキャン速度に換算するステップと、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の測定方法。
7. 前記第２のステップでのスキャン速度を決定する方法は、
   前記第１のステップで得られた表面に関するデータをスムージングするステップと、
   前記スムージングするステップを介して得られた値をスキャン速度に換算するステップと、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の測定方法。
8. 前記第２のステップでのスキャン速度を決定する方法は、
   前記第１のステップで得られた表面に関するデータをスムージングするステップと、
   前記スムージングするステップで得られた値をクリッピングするステップと、
   前記クリッピングするステップを介して得られた値をスキャン速度に換算するステップと、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の測定方法。
9. 前記第２のステップでのスキャン速度を決定する方法は、
   前記第１のステップで得られた表面に関するデータをクリッピングするステップと、
   前記クリッピングするステップで得られた値をスムージングするステップと、
   前記スムージングするステップを介して得られた値をスキャン速度に換算するステップと、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の測定方法。
10. 前記スムージングするステップは、ローパスフィルタリング（ｌｏｗ ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ）技法を使用して行われることを特徴とする請求項４〜９のいずれか一項に記載の測定方法。
11. チップ（ｔｉｐ）が測定対象の表面をスキャンすることにより、前記表面に関するデータを得る測定装置であって、
    前記測定対象と前記チップとの間のＸＹ方向への相手移動を発生させるＸＹスキャナと、
    前記測定対象と前記チップとの間のＺ方向への相手移動を発生させるＺスキャナと、
    前記ＸＹスキャナと前記Ｚスキャナとの駆動を制御する制御装置と、
    を含み、
    前記表面に関するデータは、前記表面のＭ個の高速スキャンライン（ｆａｓｔ ｓｃａｎ ｌｉｎｅ）の統合により得られ（ここで、Ｍは２以上の整数）、
    前記制御装置は、Ｎ番目（ここで、Ｎは整数であって、１＜Ｎ≦Ｍを満足する）の高速スキャンラインのスキャン速度を少なくともＮ−１番目に測定された高速スキャンラインの表面に関するデータを用いて決定し、これにより、前記ＸＹスキャナを駆動させ、
    前記制御装置は、前記N-1番目に測定された高速スキャンラインの表面に関するデータのスキャン距離当たりの変化率を用いて、前記N番目の高速スキャンラインのスキャン速度を決定し、
    前記制御装置は、前記N番目の高速スキャンラインのスキャン速度が前記N-1番目に測定された高速スキャンラインの表面に関するデータのスキャン距離当たりの変化率が一定値以上になる地点に対応される地点が測定される一定時間前から下げるよう、前記XYスキャナを制御したり、または前記N番目の高速スキャンラインのスキャン速度が前記N-1番目に測定された高速スキャンラインの表面に関するデータのスキャン距離当たりの変化率が一定値以下になる地点に対応される地点が測定され、一定時間後から高くなるように前記XYスキャナを制御することを特徴とする測定装置。
12. 前記ＸＹスキャナと前記Ｚスキャナとは一体に形成されることを特徴とする請求項１１に記載の測定装置。
13. 前記測定装置は、原子間力顕微鏡であることを特徴とする請求項１１に記載の測定装置。