JP7400645B2 - 探針の先端径の取得方法およびｓｐｍ - Google Patents

Description

本発明は、探針の先端径の取得方法およびＳＰＭに関する。

ＳＰＭ（Scanning Probe Microscope：走査型プローブ顕微鏡）においては、カンチレバーの先端に探針が設けられており、試料に対して探針を接近させて試料表面の情報を取得し、この情報に基づいて観察画像が生成される。

特許第５９０２４８５号公報（特許文献１）には、ＳＰＭにおいて、既知試料を測定して探針の曲率半径を算出する技術が開示されている。この既知試料には、曲率半径が１０ｎｍ以下である凸部が形成されている。走査型プローブ顕微鏡は、この既知試料を測定することにより、凸部を示す観察画像を生成する。ＳＰＭは、この観察画像により示される１つの凸部の先端からの距離と、この距離により規定される位置における該凸部の幅との複数の組合せを測定し、この複数の組合せに基づいて探針の曲率半径を算出する。

特許第５９０２４８５号公報

上述の走査型プローブ顕微鏡では、１つの凸部の先端からの距離と、この距離により規定される位置における該凸部の幅との複数の組合せを測定する必要がある。したがって、探針の曲率半径を算出するための演算処理量が増大するという問題が生じ得る。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、演算処理量を増大させることなく探針の曲率半径を算出できる技術を提供することである。

本開示のある局面に従う方法は、ＳＰＭにおいて形状が既知である既知試料を探針で測定することによって探針の先端径を取得する方法である。既知試料の表面に凸部が形成されている。この方法は、凸部の高さおよび該凸部の幅のうちいずれか一方の第１距離の入力をユーザから受付けるステップを備える。また、この方法は、凸部の表面に沿って探針を相対的に移動させて、凸部の先端から第１距離により規定される基準位置に探針が移動したときの、凸部の高さおよび該凸部の幅のうち他方の第２距離を特定するステップを備える。さらに、この方法は、第１距離および第２距離に基づいて探針の先端径を取得するステップを備える。当該探針の先端径の取得は、例えば、第１距離および第２距離を所定式に代入することにより行うことができる。

本開示の別の局面に従う方法は、ＳＰＭにおいて形状が既知である既知試料を探針で測定することによって探針の先端径を取得する方法である。既知試料の表面に第１凸部と１以上の第２凸部が形成されている。この方法は、第１凸部の高さおよび該第１凸部の幅のうちいずれか一方の第１距離の入力をユーザから受付けるステップを備える。また、この方法は、第１凸部の表面に沿って探針を相対的に移動させて、第１凸部の先端から第１距離により規定される基準位置に探針が移動したときの、第１凸部の高さおよび該第１凸部の幅のうち他方の第２距離を特定するステップを備える。また、この方法は、１以上の第２凸部の各々について表面に沿って探針を相対的に移動させて、基準位置に探針が移動したときの、基準位置から該第２凸部の先端までの高さである第３距離、および基準位置における該第２凸部の幅である第４距離を特定するステップを備える。また、この方法は、第１距離および第２距離に基づいて第１の先端径を取得するステップを備える。また、この方法は、１以上の第２凸部の各々について、第３距離および第４距離に基づいて第２の先端径を取得するステップを備える。さらに、この方法は、第１の先端径と、１以上の第２凸部の各々の第２の先端径との平均値を算出することにより、探針の先端径を取得するステップとを備える。当該第１の先端径の取得は、例えば、第１距離および第２距離を所定式に代入することにより行うことができ、第２の先端径の取得は、第３距離および第４距離を所定式に代入することにより行うことができる。

本開示の技術によれば、凸部の高さおよび該凸部の幅のうちいずれか一方の距離がユーザから第１距離として入力されるとともに、これらの距離のうち他方である第２距離を、入力された第１距離に基づいて算出し、第１距離と、第２距離とに基づいて、探針の曲率半径を算出する。したがって、本開示の技術によれば、１つの凸部の先端からの距離と、この距離により規定される位置における該凸部の幅との複数の組合せを測定する必要がないことから、処理量を増大させることなく探針の曲率半径を算出できる。

実施の形態に係る走査型プローブ顕微鏡の構成を概略的に示す図である。 情報処理装置のハードウェア構成の一例を示す図である。 Ｎ個の凸部の一例を示す図である。 曲率半径を算出できる理由を説明するための図である。 情報処理装置の機能ブロック図の一例である。 情報処理装置のフローチャートの一例である。 別の実施の形態の曲率半径を算出できる理由を説明するための図である。 情報処理装置のフローチャートの一例である。 情報処理装置のフローチャートの一例である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では図中の同一または相当部分に同一符号を付してその説明は原則的に繰返さないものとする。

＜第１の実施の形態＞
［走査型プローブ顕微鏡の構成］
図１は、実施の形態に係るＳＰＭ１００の構成を概略的に示す図である。ＳＰＭ１００は、探針（プローブ）と試料Ｓの表面との間に働く原子間力（引力または斥力）を利用して試料Ｓを観察する原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope）である。

図１を参照して、実施の形態に係るＳＰＭ１００は、主たる構成要素として、観察装置８０と、情報処理装置２０と、表示装置２６と、入力装置２８とを備える。観察装置８０は、主たる構成要素として、光学系１と、カンチレバー２と、スキャナ１０と、試料保持部１２と、駆動部１６と、演算部１７と、制御部１８とを備える。

スキャナ１０は、試料Ｓと探針３との相対的な位置関係を変化させるための移動装置である。試料Ｓが、スキャナ１０上に載置された試料保持部１２の上に保持される。スキャナ１０は、試料Ｓを互いに直交するＸ、Ｙの２軸方向に走査するＸＹスキャナと、試料ＳをＺ軸方向に微動させるＺスキャナとを有する。ＸＹスキャナおよびＺスキャナは、駆動部１６から印加される電圧によって変形する圧電素子により構成されており、該圧電素子に印加される電圧に従って、スキャナ１０は、３次元方向（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向）に走査する。これにより、スキャナ１０に載置された試料Ｓと探針３との間の相対的な位置関係を変化させることができる。

カンチレバー２は、試料Ｓと対向する表面と、表面と反対側の裏面とを有しており、ホルダ４によって支持されている。カンチレバー２は、自由端である先端部の表面に探針３を有する。探針３は試料Ｓに対向して配置される。探針３は、試料Ｓの表面に沿って移動し、探針３と試料Ｓとの間に働く原子間力によって、カンチレバー２が変位する。

カンチレバー２の上方には、カンチレバー２のＺ軸方向の変位を検出するための光学系１が設けられている。光学系１は、試料Ｓの観察時に、レーザ光をカンチレバー２の裏面に照射し、カンチレバー２の裏面で反射されたレーザ光を検出する。光学系１は、レーザ光源６と、ビームスプリッタ５と、ミラー７と、光検出器８とを有する。

レーザ光源６は、レーザ光を発射するレーザ発振器を有する。光検出器８は、入射されるレーザ光を検出する４分割フォトダイオードを有する。レーザ光源６から発射されたレーザ光ＬＡは、ビームスプリッタ５で反射され、カンチレバー２の裏面に照射される。

カンチレバー２は、シリコンまたは窒化シリコンなどで形成され、カンチレバー２の背面で光学系１から照射されたレーザ光を反射することができる。カンチレバー２の裏面で反射されたレーザ光は、さらにミラー７によって反射されて光検出器８に入射する。光検出器８にてレーザ光を検出することにより、カンチレバー２の変位を検出することができる。

具体的には、光検出器８は、カンチレバー２の変位方向（Ｚ軸方向）に複数（通常２つ）に分割された受光面を有する。あるいは、光検出器８は、Ｚ軸方向およびＹ軸方向に４分割された受光面を有する。カンチレバー２が変位すると、これら複数の受光面に照射される光量の割合が変化する。光検出器８は、その複数の受光光量に応じた検出信号を演算部１７に出力する。演算部１７は、検出信号を受信すると、検出信号に基づいてカンチレバー２の変位量を算出する。演算部１７は、探針３と試料Ｓ表面との間の原子間力が常に一定になるように試料ＳのＺ方向位置を制御する。演算部１７は、カンチレバー２の変位量に基づいてスキャナ１０をＺ軸方向に変位させる電圧値を算出し、スキャナ１０に出力する。

また、演算部１７は、検出信号を制御部１８に対して出力する。制御部１８は、該検出信号に基づいて制御信号を生成し、該制御信号を情報処理装置２０に出力する。制御信号は、本開示の「測定信号」に対応する。

情報処理装置２０は、制御部１８、表示装置２６、および入力装置２８と通信可能に接続される。情報処理装置２０は、制御部１８からの制御信号に基づいて画像データ（プロファイルデータ）を生成する。

情報処理装置２０は、生成された画像データに基づいて、表示装置２６に観察画像を表示する。観察画像は、試料Ｓの表面を示す画像である。また、情報処理装置２０は、スキャナ１０を３次元方向に駆動するように、制御部１８を介して駆動部１６を制御する。

入力装置２８は、ユーザの入力操作を受け付ける。入力装置２８は、ユーザの操作内容に応じた信号を情報処理装置２０へ出力する。情報処理装置２０は、この信号を制御部１８に出力する。制御部１８は、この信号に基づいた制御を観察装置８０に対して実行する。入力装置２８は、表示装置２６上に設けられたタッチパネルであってもよいし、専用の操作ボタン、マウスまたはキーボードなどの物理操作キーであってもよい。

［情報処理装置のハードウェア構成］
図２は、情報処理装置２０のハードウェア構成の一例を示す図である。情報処理装置２０は、主たる構成要素として、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１６０と、ＲＯＭ（Read Only Memory）１６２と、ＲＡＭ（Random Access Memory）１６４と、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）１６６と、通信Ｉ／Ｆ（Interface）１６８と、表示Ｉ／Ｆ１７０と、入力Ｉ／Ｆ１７２とを有する。各構成要素はデータバスによって相互に接続されている。

通信Ｉ／Ｆ１６８は、観察装置８０と通信するためのインターフェースである。表示Ｉ／Ｆ１７０は、表示装置２６と通信するためのインターフェースである。入力Ｉ／Ｆ１７０は、入力装置２８と通信するためのインターフェースである。

ＲＯＭ１６２は、ＣＰＵ１６０にて実行されるプログラムを格納する。ＲＡＭ１６４は、ＣＰＵ１６０におけるプログラムの実行により生成されるデータ、および通信Ｉ／Ｆ１６８を経由して入力されたデータを一時的に格納することができる。ＲＡＭ１６４は、作業領域として利用される一時的なデータメモリとして機能できる。ＨＤＤ１６６は、不揮発性の記憶装置である。また、ＨＤＤ１６６に代えて、フラッシュメモリなどの半導体記憶装置を採用してもよい。

また、ＲＯＭ１６２に格納されているプログラムは、記憶媒体に格納されて、プログラムプロダクトとして流通されてもよい。または、プログラムは、情報提供事業者によって、いわゆるインターネットなどによりダウンロード可能なプログラムプロダクトとして提供されてもよい。情報処理装置２０は、記憶媒体またはインターネットなどにより提供されたプログラムを読み取る。情報処理装置２０は、読み取ったプログラムを所定の記憶領域（たとえば、ＲＯＭ１６２）に記憶する。ＣＰＵ１６０は、該記憶されたプログラムを実行することにより上述の表示処理を実行する。

記憶媒体は、ＤＶＤ-ＲＯＭ（Digital Versatile Disk Read Only Memory）、ＣＤ－ＲＯＭ（compact disc read-only memory）、ＦＤ（Flexible Disk）、ハードディスクに限られず、磁気テープ、カセットテープ、光ディスク（ＭＯ（Magnetic Optical Disc）／ＭＤ（Mini Disc）／ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）、光カード、マスクＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ（Electronically Programmable Read-Only Memory）、ＥＥＰＲＯＭ（Electronically Erasable Programmable Read-Only Memory）、フラッシュＲＯＭなどの半導体メモリなどの固定的にプログラムを担持する媒体としてもよい。また、記録媒体は、プログラムなどをコンピュータが読取可能な非一時的な媒体である。ＲＯＭ１６２と、ＲＡＭ１６４と、ＨＤＤ１６６とのうちの少なくとも１つが、本開示の「メモリ」に対応する。つまり、メモリは、情報処理装置により利用される情報を記憶する。

［探針の先端径の取得］
観察装置８０による試料Ｓの観測中に、探針３と試料Ｓとが接触する場合があり、探針３と試料Ｓとの接触回数が多くなると、探針３の先端の摩耗または探針３の先端への不純物の付着が生じる。探針３の先端の摩耗がまたは探針３の先端への不純物の付着が生じた状態で、探針３を用いた試料Ｓの測定が行われると、正確な測定を行うことができない。また、ＳＰＭ１００は、試料Ｓの弾性率を算出することが可能であり、探針３の先端径の正確な把握は、算出される弾性率の確からしさに直結する。このため、探針３の先端径を取得することが好ましい。なお、探針３の先端径は、「探針３の先端の曲率半径」または「探針３の曲率半径」とも称される。

一般的に、探針３の先端が摩耗した場合には、探針３の曲率半径が長くなる。また、探針３の先端に不純物が付着した場合には、探針３の曲率半径が長くなる場合と短くなる場合とがある。そこで、本開示のＳＰＭ１００は、探針３の曲率半径を算出する。

以下に、本開示の探針３の曲率半径の算出手法を説明する。探針３の曲率半径の算出においては、形状が既知である既知試料が用いられる。既知試料は、Ｎ（Ｎは２以上の整数）個の単位試料から構成されるものであり、Ｎ個の単位試料の各々には凸部が形成されている。つまり、既知試料の表面には、Ｎ個の凸部が形成されている。

本開示のＳＰＭ１００においては、未知試料を測定する測定モードと、探針３の曲率半径を算出する算出モードとに切換可能である。ユーザにより入力装置２８に対して所定の操作が行われた場合に、ＳＰＭ１００のモードは算出モードに切り換えられる。算出モードでは、観察装置８０は、既知試料を測定して、この測定結果を示す検出信号を情報処理装置２０に送信する。情報処理装置２０は、この検出信号に基づいて既知試料の画像データを生成する。図３は、生成された画像データにより示されるＮ個の凸部Ｐ１～ＰＮの断面図である。図３の例において、凸部の高さ方向をＺ軸方向とし、Ｚ軸方向に垂直な平面をＸＹ平面とする。また、ｎは、２～Ｎまでの変数である。なお、Ｎ個の凸部をまとめて「凸部Ｐ」とも称する。

本実施の形態の凸部Ｐ１～ＰＮの各々は、所定値以上の曲率半径を有する。ここで、所定値は予め定められる値である。

また、算出モードでは、ＳＰＭ１００は、凸部を粒子とみなして、凸部の測定を行う。したがって、ＸＹ平面における凸部Ｐ１～ＰＮの断面は、円形状に近似される。この円形状の半径は、以下では、「円相当半径」とも称される。「凸部の円相当半径」は、本開示の「凸部の幅」に対応する。また、図３に示すように、凸部Ｐ１～ＰＮの各々の高さなどの形状は、一様ではない。また、情報処理装置２０は、凸部の画像データを解析することにより、該凸部の高さ、および該凸部の円相当半径を特定することができる。

まず、情報処理装置２０は、画像データに基づいて、Ｎ個の凸部から１の凸部Ｐ１を決定し、凸部Ｐ１の測定に基づいた探針３の曲率半径を算出する。その後、情報処理装置２０は、他の凸部Ｐｎ（ｎ＝２，．．．，Ｎ）の測定に基づいた探針３の曲率半径を算出する。

ここで、凸部Ｐ１を決定する基準は、如何なる基準であってもよく、たとえば、最も高い凸部を凸部Ｐ１に決定してもよい。凸部Ｐ１は、本開示の「第１凸部」に対応する。また、他の凸部Ｐｎの各々は、本開示の「第２凸部」に対応する。

次に、凸部Ｐ１の測定に基づいた探針３の曲率半径の算出方法を説明する。以下では、凸部Ｐ１の先端Ｑ１のＺ座標を「Ｚｍａｘ１」と称する。情報処理装置２０は、画像データに基づいて、Ｚｍａｘを取得できる。凸部Ｐ１の高さＺ１は、ユーザにより入力される。情報処理装置２０は、Ｚｍａｘ－Ｚを演算することにより、ＺｍｉｎのＺ座標を算出することができる。さらに、情報処理装置２０は、画像データに基づいて（つまり、凸部Ｐ１の測定により）、Ｚｍｉｎにおける円相当半径ｒを算出する。Ｚｍｉｎは、本開示の「基準位置」に対応する。

次に、探針３の曲率半径Ｒｔの算出式を説明する。図４は、この算出式を説明するための図である。この算出式は、上述の所定式の例である。

円３００は、探針３に対応する円である。円３００は、探針３の曲率半径Ｒｔにより形成される円である。円３４０は、凸部Ｐに対応する円である。円３４０は、凸部Ｐの曲率半径Ｒｓにより形成される円である。円３４０の中心を「中心３４０Ｃ」と称する。円３２０は、探針３が凸部Ｐの表面に沿って移動する場合の先端３Ａの軌跡に対応する円である。円３２０は、この軌跡の曲率半径Ｒｉにより形成される円である。円３２０の中心を「中心３２０Ｃ」と称する。

図４において、探針３の先端３Ａが位置Ａ、位置Ｂ、および位置Ｃの各々に存在するときときの円３００が示されている。位置Ａは、探針３の先端３ＡのＺ座標がＺｍａｘである場合の位置である。位置Ｂは、探針３の先端３ＡのＺ座標がＺｍｉｎである場合の位置である。位置Ｂは、凸部Ｐの先端Ｑからユーザにより入力される距離Ｚにより規定される基準位置である。円相当半径ｒは、基準位置Ｂにおいて凸部の高さ方向と直交する断面である円の半径である。高さＺは、本開示の「第１距離」に対応する。また、図４のＺが、ユーザにより入力されるＺ１に対応する。円相当半径ｒは、本開示の「第２距離」に対応する。位置Ｃは、１つの凸部Ｐの測定において、探針３の先端３ＡのＺ座標が最小値である場合の位置である。Ｚ座標が最小値である場合とは、たとえば、探針３が試料保持部１２に位置している場合である。また、「探針３の先端３Ａが位置Ｂであるときの中心３２０Ｃと先端３Ａとを結ぶ線」と、「凸部の高さ方向の線」とがなす角度を「角度θ」とも称する。

図４に示すように、円相当半径ｒについて以下の式（１）が成立する。
ｒ＝Ｒｉ・ｓｉｎθ （１）
また、ｓｉｎθおよびｃｏｓθについて以下の式（２）が成立する。

ｓｉｎ^２θ＋ｃｏｓ^２θ＝１ （２）
式（１）を式（２）に代入すると、以下の式（３）が成立する。

ｃｏｓθ＝｛１－（ｒ／Ｒｉ）^２｝^１／２ （３）
また、高さＺについては、以下の式（４）が成立する。

Ｚ＝Ｒｉ（１－ｃｏｓθ） （４）
式（３）を式（４）に代入すると、以下の式（５）が成立する。

Ｚ＝Ｒｉ－（Ｒｉ^２－ｒ^２）^１／２ （５）
式（５）をＲｉについて解くと以下の式（６）が成立する。

Ｒｉ＝（Ｚ^２＋ｒ^２）／（２Ｚ） （６）
また、Ｒｔ、Ｒｉ、およびＲｓについて以下の式（７）が成立する。

Ｒｉ＝Ｒｔ＋Ｒｓ （７）
式（７）を式（６）に代入すると、以下の式（８）が成立する。

この式（８）が、本実施の形態における曲率半径Ｒｔの算出式である。上述のように、高さＺ１は、図３で説明したようにユーザにより入力される値である。また、円相当半径ｒは、高さＺにより規定される基準位置における値である。Ｒｓは、凸部の曲率半径であり、ユーザにより入力される値である。なお、ユーザは、既知試料の凸部の曲率半径Ｒｓを、既知試料のマニュアルなどから把握して、ＳＰＭ１００に入力することになる。

情報処理装置２０は、凸部Ｐ１の高さＺ１、円相当半径ｒ１、および凸部Ｐの曲率半径Ｒｓを、式（８）のＺ、ｒ、およびＲｓに代入することにより、凸部Ｐ１の測定による曲率半径Ｒｔ１を算出する。曲率半径Ｒｔ１は、本開示の「第１の先端径」に対応する。

説明を図３に戻す。次に、他の凸部Ｐｎの算出の手法を説明する。図３に示すように、凸部Ｐ１により算出されたＺｍｉｎが、他の凸部Ｐｎの各々に適用される。情報処理装置２０は、他の凸部Ｐｎの各々について、Ｚｍａｘｎを算出する。情報処理装置２０は、Ｚｍａｘｎ－Ｚｍｉｎを実行することにより、他の凸部Ｐｎの各々の高さＺｎを算出する。この高さＺｎは、基準位置Ｚｍｉｎから、凸部Ｐｎの先端Ｑｎまでの高さである。さらに、情報処理装置２０は、他の凸部Ｐｎの、基準位置Ｚｍｉｎにおける円相当半径ｒｎを算出する。高さＺｎが、本開示の「第３距離」に対応し、円相当半径ｒｎが、本開示の「第４距離」に対応する。

このように、情報処理装置２０は、他の凸部Ｐｎの画像データに基づいて（つまり、他の凸部Ｐｎの測定により）、高さＺｎおよび円相当半径ｒｎを算出する。

そして、情報処理装置２０は、凸部Ｐｎの高さＺｎおよび円相当半径ｒｎと、曲率半径Ｒｓを、式（８）のＺ、ｒ、およびＲｓに代入することにより、凸部Ｐｎの測定による曲率半径Ｒｔｎを算出する。この曲率半径Ｒｔｎ（ｎ＝２，．．．，Ｎ）は、Ｎ－１個の曲率半径を示す。曲率半径Ｒｔｎは、本開示の「第２の先端径」に対応する。なお、曲率半径Ｒｓは、曲率半径Ｒｔ１を算出するために用いられた曲率半径Ｒｓと同一とされる。

［情報処理装置の機能ブロック図］
図５は、情報処理装置２０の機能ブロック図の一例である。情報処理装置２０は、第１入力部３０２と、生成部３０４と、処理部３０６と、第２入力部３１０と、記憶部３１２とを含む。

第１入力部３０２は、制御部１８からの制御信号の入力を受け、該制御信号を生成部３０４に出力する。生成部３０４は、制御信号に基づいて画像データを生成し、該画像データを処理部３０６に出力する。

また、ユーザは、入力装置２８を用いて、高さＺ１および凸部Ｐの曲率半径Ｒｓを入力する。第２入力部３１０は、高さＺ１および凸部の曲率半径Ｒｓの入力を受け付ける。この高さＺ１および凸部Ｐの曲率半径Ｒｓは記憶部３１２に記憶される。

処理部３０６は、生成部３０４からの画像データと、記憶部３１２に記憶されている高さＺ１とに基づいて、凸部Ｐ１の円相当半径ｒ１と、凸部Ｐｎの円相当半径ｒｎと、凸部Ｐｎの高さＺｎとを特定する。処理部３０６は、凸部Ｐ１の円相当半径ｒ１と、記憶部３１２に記憶されている高さＺ１および曲率半径Ｒｓとを、式（８）に代入することにより、凸部Ｐ１の測定よる曲率半径Ｒｔ１を算出する。さらに、処理部３０６は、凸部Ｐｎの円相当半径ｒｎと、凸部Ｐｎの高さＺｎと、記憶部３１２に記憶されている曲率半径Ｒｓとを、式（８）に代入することにより、凸部Ｐｎの測定よる曲率半径Ｒｔｎを算出する。

処理部３０６は、曲率半径Ｒｔ１と、Ｎ－１個の曲率半径Ｒｔｎとの平均値Ｒａｖｇを算出する。処理部３０６は、平均値Ｒａｖｇを、探針３の曲率半径として表示装置２６に表示させる。

なお、処理部３０６は、他の装置に出力するようにしてもよい。他の装置は、たとえば、プリンタである。この場合には、プリンタは、探針３の曲率半径を用紙に印刷して出力する。

たとえば、特許文献１に記載の走査型プローブ顕微鏡においては、１つの凸部の高さＺ１～Ｚｍと、該Ｚ１～Ｚｍの各々により規定される位置での円相当半径ｒ１～ｒｍとの組合せ（Ｚ１、ｒ１）、（Ｚ２、ｒ２）・・・（Ｚｍ、ｒｍ）を用いて、探針の曲率半径を算出する。ｍは２以上の整数であるとする。つまり、従来の走査型プローブ顕微鏡では、ｍ個の組合せを抽出する必要があった。

一方、本実施の形態のＳＰＭ１００は、既知試料の高さＺと、高さＺにより規定される位置における幅（以下に示す円相当半径ｒ）とに基づいて、１つの凸部について探針３の曲率半径Ｒｔを算出できる（式（８）参照）。したがって、本開示のＳＰＭ１００は、従来の走査型プローブ顕微鏡と比較して、探針３の曲率半径を算出するための演算処理量を低減できる。

また、１個の凸部（たとえば、第１凸部）のみにより探針３の曲率半径を算出し、この曲率半径と基準値とを比較する構成が考えられる。しかし、この構成では、抽出された第１凸部の形状によって、算出される曲率半径のばらつきが生じる場合がある。

そこで、本実施の形態では、処理部３０６は平均値Ｒａｖｇを探針３の曲率半径として算出する。したがって、上述の曲率半径のばらつきを低減でき、その結果、探針３の曲率半径の算出精度を向上させることができる。

また、情報処理装置２０は、探針３の曲率半径を表示装置２６に表示させる。したがって、ユーザは、探針３の曲率半径を容易に認識することができる。

［情報処理装置のフローチャート］
図６は、情報処理装置２０のフローチャートの一例である。図６の処理は、算出モードに切り換えられたときに開始される。

まず、ステップＳ２において、第２入力部３１０により凸部の高さＺ１および凸部Ｐの曲率半径Ｒｓの入力を受付ける。次に、ステップＳ４において、生成部３０４は、観察装置８０からの検出信号に基づいて、Ｎ個の凸部を含む既知資料の画像データを生成する。次に、ステップＳ６において、処理部３０６は、Ｎ個の凸部のうちから第１凸部Ｐ１を決定し、該第１凸部Ｐ１のＺｍａｘ１を算出する。

次に、ステップＳ８において、処理部３０６は、第１凸部Ｐ１のＺｍａｘ１と、高さＺ１とに基づいてＺｍｉｎを特定する。次に、ステップＳ１０において、処理部３０６は、画像データに基づいて、Ｚｍｉｎ（基準位置）における第１凸部Ｐ１の円相当半径ｒ１を特定する。

次に、ステップＳ１２において、第２凸部Ｐｎ（１以上の第２凸部）の各々の円相当半径ｒｎと、高さＺｎとを特定する。

次に、ステップＳ１４において、処理部３０６は、上記式（８）に対して、第１凸部Ｐ１のＺｍａｘ１および高さＺ１と、凸部の曲率半径Ｒｓを代入することにより、曲率半径Ｒｔ１を算出する。さらに、ステップＳ１４において、処理部３０６は、上記式（８）に対して、第２凸部ＰｎのＺｍａｘｎおよび高さＺｎと、凸部の曲率半径Ｒｓを代入することにより、曲率半径Ｒｔｎを算出する。

次に、ステップＳ１６において、処理部３０６は、曲率半径Ｒｔ１と曲率半径Ｒｔｎとの平均値Ｒａｖｇを算出する。次に、ステップＳ１８において、処理部３０６は、平均値Ｒａｖｇを探針３の曲率半径として表示装置２６に表示する。

＜第２の実施の形態＞
第１の実施の形態では、既知試料が含む凸部の曲率半径Ｒｓは所定値以上である構成を説明した。第２の実施の形態では、既知試料の凸部がカーボンナノチューブのような極めて細い形状であり、曲率半径Ｒｓが所定値未満である構成（たとえば、曲率半径Ｒｓがほぼ０である構成）の場合について説明する。

第２の実施の形態における探針３の曲率半径Ｒｔを算出するための式は、以下の式（９）により示される。

式（９）は、式（８）に対して、Ｒｓ＝０を代入することにより得られる式である。
次に、式（９）により曲率半径Ｒｔを算出できる理由を説明する。図７は、曲率半径Ｒｔを算出できる理由を説明するための図である。図７において、円３００と、半直線４２０とが示されている。円３００は、探針３の曲率半径Ｒｔにより形成される円である。半直線４２０は、曲率半径がほぼ０である凸部を半直線に近似したものである。さらに、図７において、探針３の先端３Ａが凸部の表面に沿って移動する場合の先端３Ａの軌跡４１０も示されている。また、凸部の先端では、先端３Ａの軌跡４１０は、半円形状となり、この半円形状が、半円４１２として示されている。図７に示すように、円３００の半径（つまり、曲率半径Ｒｔ）と、半円４１２の半径とは同一となる。つまり、図７において、Ｒｔ＝Ｒｉとなる。よって、上記式（６）に、Ｒｔ＝Ｒｉを代入することにより、式（９）が成立する。

なお、ｒは、凸部の実際の円相当半径ではなく、曲率半径Ｒｓがほぼ０である凸部Ｐの表面に沿って探針３を相対的に移動させて算出される値である。したがって、算出されるｒは、凸部Ｐの実際の円相当半径よりも大きくなる。

図８は、本実施の形態の情報処理装置２０のフローチャートである。図８は、図６のステップＳ１４をステップＳ１４Ａに代替された図である。ステップＳ１４Ａでは、処理部３０６は、上記式（９）に対して、第１凸部Ｐ１のＺｍａｘ１と、高さＺ１とを代入することにより、曲率半径Ｒｔ１を算出する。さらに、ステップＳ１４Ａにおいて、処理部３０６は、上記式（９）に対して、第２凸部ＰｎのＺｍａｘｎと、高さＺｎとを代入することにより、曲率半径Ｒｔｎを算出する。他の処理は、図６と同一である。

本実施の形態のＳＰＭ１００であれば、既知試料が含む凸部の曲率半径がほぼ０であっても、探針３の曲率半径Ｒｔを算出することができる。

＜第３の実施の形態＞
上述の実施の形態では、情報処理装置２０は、凸部Ｐ１および凸部Ｐｎの測定に基づいて、曲率半径Ｒｔ１および曲率半径Ｒｔｎを算出し、これらの平均値Ｒａｖｇを探針３の曲率半径として算出する構成を説明した。しかしながら、情報処理装置２０は、曲率半径Ｒｔ１を探針３の曲率半径として算出するようにしてもよい。

図９は、第３の実施の形態の情報処理装置２０のフローチャートである。図９は、図６のステップＳ１２およびステップＳ１４が省略され、かつステップＳ１８がステップＳ１８Ａに代替された図である。ステップＳ１４において、処理部３０６は、曲率半径Ｒｔ１を算出する。そして、ステップＳ１８Ａにおいて、処理部３０６は、曲率半径Ｒｔ１を探針３の曲率半径として表示装置２６に表示する。また、図９のステップＳ１４においては、処理部３０６は、式（９）に基づいて、曲率半径Ｒｔ１を算出するようにしてもよい。

このような構成であっても情報処理装置２０は、探針３の曲率半径を算出することができる。

＜その他の実施の形態＞
（Ａ） 上述の実施の形態の情報処理装置２０は、高さＺ１の入力をユーザから受付け、この高さＺ１に基づいて、円相当半径ｒ１を算出する構成を説明した。しかしながら、情報処理装置２０は、円相当半径ｒ１の入力をユーザから受付け、円相当半径ｒ１に基づいて、高さＺ１を算出するようにしてもよい。

（Ｂ） 上述の算出モードにおいて、式（８）を用いて曲率半径Ｒｔを算出する第１モードと、式（９）を用いて曲率半径Ｒｔを算出する第２モードとをユーザが選択可能な構成が採用されてもよい。たとえば、探針３の曲率半径の算出に用いられる既知試料が有する凸部の曲率半径が所定値以上であるとユーザが判断した場合には、ユーザは第１モードを選択し、この曲率半径が所定値未満であるユーザが判断した場合には、ユーザは第２モードを選択する。

（Ｃ） 第１の実施の形態では、既知試料の凸部の曲率半径Ｒｓは、ユーザにより入力される構成を説明した。しかしながら、観察装置８０が、既知試料の凸部の曲率半径Ｒｓを測定するようにしてもよい。この場合には、情報処理装置２０は、測定された曲率半径Ｒｓが所定値以上であるか否かを判断し、所定値以上である場合には、上述の第１モードに切換え、所定値未満である場合には、上述の第２モードに切換えるようにしてもよい。

（Ｄ） 上述の実施の形態では、既知試料の凸部の曲率半径Ｒｓの算出式は、式（８）または式（９）である構成を説明した。しかしながら、この算出式は、高さＺ、および円相当半径ｒに基づく式であれば、他の算出式であってもよい。

（Ｅ） 上述の実施の形態では、第１凸部の測定による探針３の曲率半径Ｒｔ１と、第２凸部の測定による探針３の曲率半径Ｒｔｎとの平均値Ｒａｖｇを、探針３の曲率半径として算出する構成を説明した。しかしながら、たとえば、曲率半径Ｒｔ１と、曲率半径Ｒｔｎとに基づいて探針３の曲率半径を算出する構成であれば、他の手法により、探針３の曲率半径を算出するようにしてもよい。たとえば、曲率半径Ｒｔ１に重み係数ｗ１を乗算した値と、曲率半径Ｒｔｎ（ｎ＝１，．．．Ｎ）の各々に重み係数ｗ２を乗算した値とを加算し、この加算値をＮで除算した値を、探針３の曲率半径として算出するようにしてもよい。たとえば、以下の式（１０）のように探針３の曲率半径Ｒｔを算出するようにしてもよい。

［態様］
上述した複数の例示的な実施の形態は、以下の態様の具体例であることが当業者により理解される。

（第１項） 一態様に係る方法は、ＳＰＭにおいて形状が既知である既知試料を探針で測定することによって探針の先端径を取得する方法であって、既知試料の表面に凸部が形成されており、方法は、凸部の高さおよび該凸部の幅のうちいずれか一方の第１距離の入力をユーザから受付けるステップと、凸部の表面に沿って探針を相対的に移動させて、凸部の先端から第１距離により規定される基準位置に探針が移動したときの、凸部の高さおよび該凸部の幅のうち他方の第２距離を特定するステップと、第１距離および第２距離に基づいて探針の先端径を取得するステップとを備える。

第１項に記載の方法によれば、処理量を増大させることなく探針の曲率半径を算出できる。

（第２項） 一態様に係る方法は、ＳＰＭにおいて形状が既知である既知試料を探針で測定することによって探針の先端径を取得する方法であって、既知試料の表面に第１凸部と１以上の第２凸部が形成されており、方法は、第１凸部の高さおよび該第１凸部の幅のうちいずれか一方の第１距離の入力をユーザから受付けるステップと、第１凸部の表面に沿って探針を相対的に移動させて、第１凸部の先端から第１距離により規定される基準位置に探針が移動したときの、第１凸部の高さおよび該第１凸部の幅のうち他方の第２距離を特定するステップと、１以上の第２凸部の各々について表面に沿って探針を相対的に移動させて、基準位置に探針が移動したときの、基準位置から該第２凸部の先端までの高さである第３距離、および基準位置における該第２凸部の幅である第４距離を特定するステップと、第１距離および第２距離に基づいて第１の先端径を取得するステップと、１以上の第２凸部の各々について、第３距離および第４距離に基づいて第２の先端径を取得するステップと、第１の先端径と、１以上の第２凸部の各々の第２の先端径とに基づいて探針の先端径を取得するステップとを備える。

第２項に記載の方法によれば、処理量を増大させることなく探針の曲率半径を算出できる。さらに、凸部の形状によって生じる、算出される曲率半径のばらつきを低減できる。

（第３項） 第２項に記載の方法は、探針の先端径を取得するステップは、第１の先端径と、１以上の第２凸部の各々の第２の先端径との平均値を算出することにより探針の先端径を取得するステップを含む。

第３項に記載の方法によれば、凸部の形状によって生じる、算出される曲率半径のばらつきを低減できる。

（第４項） 第１項～第３項のいずれか１項に記載の方法は、探針の先端径を表示装置に表示させるステップをさらに備える。

第４項に記載の方法によれば、探針の先端径が表示装置に表示される。したがって、ユーザは容易に探針の先端径を把握できる。

（第５項） 第１項～第４項のいずれか１項に記載の方法において、距離に基づいて先端径を取得するステップは、

という式が用いられ、
ただし、Ｒｔは探針の先端径であり、Ｚは凸部の高さであり、ｒは凸部の幅であり、Ｒｓは凸部の曲率半径である。

第５項に記載の方法によれば、凸部の高さと、該凸部の幅と、凸部の曲率半径とに基づいて、凸部の先端径Ｒｔを算出できる。

（第６項） 第１項～第４項のいずれか１項に記載の方法において、距離に基づいて先端径を取得するステップは、

という式が用いられ、
ただし、Ｒｔは探針の先端径であり、Ｚは凸部の高さであり、ｒは凸部の幅である。

第６項に記載の方法によれば、凸部の高さと、該凸部の幅とに基づいて、凸部の曲率半径Ｒｔを算出できる。

（第７項） 一態様に係るＳＰＭは、探針を有する観察装置と、情報処理装置とを備え、観察装置は、形状が既知である既知試料を探針で測定し、該測定の結果を示す測定信号を情報処理装置に出力し、既知試料の表面に凸部が形成されており、情報処理装置は、凸部の高さおよび該凸部の幅のうちいずれか一方の第１距離の入力をユーザから受付け、凸部の表面に沿って探針を相対的に移動させて、凸部の先端から第１距離により規定される基準位置に探針が移動したときの、凸部の高さおよび該凸部の幅のうち他方の第２距離を特定し、第１距離および第２距離に基づいて探針の先端径を取得する。

第７項に記載のＳＰＭによれば、処理量を増大させることなく探針の曲率半径を算出できる。

（第８項） 一態様に係るＳＰＭは、探針を有する観察装置と、情報処理装置とを備え、観察装置は、形状が既知である既知試料を探針で測定し、該測定の結果を示す測定信号を情報処理装置に出力し、既知試料の表面に第１凸部と１以上の第２凸部が形成されており、情報処理装置は、第１凸部の高さおよび該第１凸部の幅のうちいずれか一方の第１距離の入力をユーザから受付け、第１凸部の表面に沿って探針を相対的に移動させて、第１凸部の先端から第１距離により規定される基準位置に探針が移動したときの、第１凸部の高さおよび該第１凸部の幅のうち他方の第２距離を特定し、１以上の第２凸部の各々について表面に沿って探針を相対的に移動させて、基準位置に探針が移動したときの、基準位置から該第２凸部の先端までの高さである第３距離、および基準位置における該第２凸部の幅である第４距離を特定し、第１距離および第２距離に基づいて第１の先端径を取得し、１以上の第２凸部の各々について、第３距離および第４距離に基づいて第２の先端径を取得し、第１の先端径と、１以上の第２凸部の各々の第２の先端径との平均値を算出することにより、探針の先端径を取得する。

第８項に記載のＳＰＭによれば、処理量を増大させることなく探針の曲率半径を算出できる。さらに、凸部の形状によって生じる、算出される曲率半径のばらつきを低減できる。

今回開示された各実施の形態は、技術的に矛盾しない範囲で適宜組合わせて実施することも予定されている。そして、今回開示された実施の形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本実施の形態の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１ 光学系、２ カンチレバー、３ 探針、４ ホルダ、５ ビームスプリッタ、６ レーザ光源、７ ミラー、８ 光検出器、１０ スキャナ、１２ 試料保持部、１６ 駆動部、１７ 演算部、１８ 制御部、２０ 情報処理装置、２６ 表示装置、２８ 入力装置、８０ 観察装置、１６２ ＲＯＭ、１６４ ＲＡＭ、３０４ 生成部、３０６ 処理部、３１０ 第２入力部、３１２ 記憶部。

Claims (8)

1. ＳＰＭにおいて形状が既知である既知試料を探針で測定することによって前記探針の先端径を取得する方法であって、
   前記既知試料の表面に凸部が形成されており、
   前記方法は、
   前記凸部の高さおよび該凸部の幅のうちいずれか一方の第１距離、および該凸部の曲率半径の入力をユーザから受付けるステップと、
   前記凸部の表面に沿って前記探針を相対的に移動させて、前記凸部の先端から前記第１距離により規定される基準位置に前記探針が移動したときの、前記凸部の高さおよび該凸部の幅のうち他方の第２距離を特定するステップと、
   前記第１距離、前記第２距離、および前記曲率半径に基づいて前記探針の先端径を取得するステップとを備える、方法。
2. ＳＰＭにおいて形状が既知である既知試料を探針で測定することによって前記探針の先端径を取得する方法であって、
   前記既知試料の表面に第１凸部と１以上の第２凸部が形成されており、
   前記方法は、
   前記第１凸部の高さおよび該第１凸部の幅のうちいずれか一方の第１距離、該第１凸部の曲率半径、および前記１以上の第２凸部の曲率半径の入力をユーザから受付けるステップと、
   前記第１凸部の表面に沿って前記探針を相対的に移動させて、前記第１凸部の先端から前記第１距離により規定される基準位置に前記探針が移動したときの、前記第１凸部の高さおよび該第１凸部の幅のうち他方の第２距離を特定するステップと、
   前記１以上の第２凸部の各々について表面に沿って前記探針を相対的に移動させて、前記基準位置に前記探針が移動したときの、前記基準位置から該第２凸部の先端までの高さである第３距離、および前記基準位置における該第２凸部の幅である第４距離を特定するステップと、
   前記第１距離、前記第２距離、および前記第１凸部の曲率半径に基づいて第１の先端径を取得するステップと、
   前記１以上の第２凸部の各々について、前記第３距離、前記第４距離、および前記１以上の第２凸部の曲率半径に基づいて第２の先端径を取得するステップと、
   前記第１の先端径と、前記１以上の第２凸部の各々の前記第２の先端径とに基づいて前記探針の先端径を取得するステップとを備える、方法。
3. 前記探針の先端径を取得するステップは、前記第１の先端径と、前記１以上の第２凸部の各々の前記第２の先端径との平均値を算出することにより前記探針の先端径を取得するステップを含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記探針の先端径を表示装置に表示させるステップをさらに備える、請求項１または請求項３に記載の方法。
5. 距離に基づいて先端径を取得するステップは、
   

   

   
   という式が用いられ、
   ただし、Ｒｔは探針の先端径であり、Ｚは凸部の高さであり、ｒは凸部の幅であり、Ｒｓは凸部の曲率半径である、請求項１～請求項４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記受付けるステップは、凸部の高さおよび該凸部の曲率半径の入力を受付け、
   前記第２距離は、凸部の高さ方向に垂直な平面における該凸部の断面を円形状に近似した際の該円形状の半径である、請求項１～請求項５のいずれか１項に記載の方法。
7. 探針を有する観察装置と、
   情報処理装置とを備え、
   前記観察装置は、形状が既知である既知試料を前記探針で測定し、該測定の結果を示す測定信号を前記情報処理装置に出力し、
   前記既知試料の表面に凸部が形成されており、
   前記情報処理装置は、
   前記凸部の高さおよび該凸部の幅のうちいずれか一方の第１距離、および該凸部の曲率半径の入力をユーザから受付け、
   前記凸部の表面に沿って前記探針を相対的に移動させて、前記凸部の先端から前記第１距離により規定される基準位置に前記探針が移動したときの、前記凸部の高さおよび該凸部の幅のうち他方の第２距離を特定し、
   前記第１距離、前記第２距離、および前記曲率半径に基づいて前記探針の先端径を取得する、ＳＰＭ。
8. 探針を有する観察装置と、
   情報処理装置とを備え、
   前記観察装置は、形状が既知である既知試料を前記探針で測定し、該測定の結果を示す測定信号を前記情報処理装置に出力し、
   前記既知試料の表面に第１凸部と１以上の第２凸部が形成されており、
   前記情報処理装置は、
   前記第１凸部の高さおよび該第１凸部の幅のうちいずれか一方の第１距離、該第１凸部の曲率半径、および前記１以上の第２凸部の曲率半径の入力をユーザから受付け、
   前記第１凸部の表面に沿って前記探針を相対的に移動させて、前記第１凸部の先端から前記第１距離により規定される基準位置に前記探針が移動したときの、前記第１凸部の高さおよび該第１凸部の幅のうち他方の第２距離を特定し、
   前記１以上の第２凸部の各々について表面に沿って前記探針を相対的に移動させて、前記基準位置に前記探針が移動したときの、前記基準位置から該第２凸部の先端までの高さである第３距離、および前記基準位置における該第２凸部の幅である第４距離を特定し、
   前記第１距離、前記第２距離、および前記第１凸部の曲率半径に基づいて第１の先端径を取得し、
   前記１以上の第２凸部の各々について、前記第３距離、前記第４距離、および前記１以上の第２凸部の曲率半径に基づいて第２の先端径を取得し、
   前記第１の先端径と、前記１以上の第２凸部の各々の前記第２の先端径との平均値を算出することにより、前記探針の先端径を取得する、ＳＰＭ。

Images