JPH05172510A - 表面形状測定方法 - Google Patents
表面形状測定方法Info
- Publication number
- JPH05172510A JPH05172510A JP35551691A JP35551691A JPH05172510A JP H05172510 A JPH05172510 A JP H05172510A JP 35551691 A JP35551691 A JP 35551691A JP 35551691 A JP35551691 A JP 35551691A JP H05172510 A JPH05172510 A JP H05172510A
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- Japan
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- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 探針形状の影響を排除し、凸部や凹部の形状
や寸法を正確に測定することが可能な表面形状測定方法
を提供する。 【構成】 本発明が対象とするのは、走査型トンネル顕
微鏡(STM)やタリステップ、原子間力顕微鏡(AF
M)等、探針の動きにより表面形状を測定する方法であ
る。測定に際しては、先ず、通常の測定と同様、被測定
サンプル表面を探針で走査し、探針の動きにより表面像
を得る。次いで、得られた表面像に沿って予め実測した
探針形状でトレースし、各座標での最低値をストアす
る。
や寸法を正確に測定することが可能な表面形状測定方法
を提供する。 【構成】 本発明が対象とするのは、走査型トンネル顕
微鏡(STM)やタリステップ、原子間力顕微鏡(AF
M)等、探針の動きにより表面形状を測定する方法であ
る。測定に際しては、先ず、通常の測定と同様、被測定
サンプル表面を探針で走査し、探針の動きにより表面像
を得る。次いで、得られた表面像に沿って予め実測した
探針形状でトレースし、各座標での最低値をストアす
る。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、走査型トンネル顕微鏡
等のように探針の走査によって表面形状を測定する表面
形状測定方法に関するものであり、特に、実際の表面形
状に即した表面像を得るためのデータの補正方法に関す
るものである。
等のように探針の走査によって表面形状を測定する表面
形状測定方法に関するものであり、特に、実際の表面形
状に即した表面像を得るためのデータの補正方法に関す
るものである。
【0002】
【従来の技術】例えば、光ディスクや半導体集積回路の
分野においては、サブミクロンから原子レベルに至る領
域での3次元的な微細加工やプロセスの評価技術が重要
性を増しており、より高分解能な観察手段が必要になっ
ている。このような状況から、走査型トンネル電流顕微
鏡(STM)に代表されるような、探針がサンプル表面
をスキャンし、この探針の動きによって表面形状を測定
する方法が開発されている。
分野においては、サブミクロンから原子レベルに至る領
域での3次元的な微細加工やプロセスの評価技術が重要
性を増しており、より高分解能な観察手段が必要になっ
ている。このような状況から、走査型トンネル電流顕微
鏡(STM)に代表されるような、探針がサンプル表面
をスキャンし、この探針の動きによって表面形状を測定
する方法が開発されている。
【0003】前記STMでは、サンプルを破損すること
なく3次元観察が可能であり、サンプル表面原子の配列
や電子状態を反映した像が得られることから、微細形状
測定や微細加工への応用が期待されている。
なく3次元観察が可能であり、サンプル表面原子の配列
や電子状態を反映した像が得られることから、微細形状
測定や微細加工への応用が期待されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところで、前述のよう
に探針の動きによって表面形状を測定する方法では、探
針の形状が測定結果に大きく影響し、探針の形状によっ
てサンプルの真の表面形状と測定された表面像とが異な
ってしまうという問題がある。例えば、STMの場合、
図8Aに示すように、探針101の曲率半径Rや頂角θ
が溝102の幅に比べて大きいときには、図8Bに示す
ように、観察像IMは真の表面形状とは全く異なる形状
に測定される。また、図9Aに示すように、探針101
の曲率半径Rや頂角θが溝102の幅に比べて十分に小
さい場合でも、図9Bに示すように、前記曲率半径Rや
頂角θに応じて凸部は幅広,凹部は幅狭となり、観察像
IMの溝幅W2 は実際の値W1 とは異なった値となる。
さらに、図10Aに示すように、探針の対象性が悪い
と、図10Bに示すように、得られるSTM像IMも対
象性の悪いものとなる。
に探針の動きによって表面形状を測定する方法では、探
針の形状が測定結果に大きく影響し、探針の形状によっ
てサンプルの真の表面形状と測定された表面像とが異な
ってしまうという問題がある。例えば、STMの場合、
図8Aに示すように、探針101の曲率半径Rや頂角θ
が溝102の幅に比べて大きいときには、図8Bに示す
ように、観察像IMは真の表面形状とは全く異なる形状
に測定される。また、図9Aに示すように、探針101
の曲率半径Rや頂角θが溝102の幅に比べて十分に小
さい場合でも、図9Bに示すように、前記曲率半径Rや
頂角θに応じて凸部は幅広,凹部は幅狭となり、観察像
IMの溝幅W2 は実際の値W1 とは異なった値となる。
さらに、図10Aに示すように、探針の対象性が悪い
と、図10Bに示すように、得られるSTM像IMも対
象性の悪いものとなる。
【0005】これは、STMに限らず、探針を用いて表
面形状を測定する方法全般に言えることであって、探針
の形状による影響を排除し、真の表面形状を求めること
ができるデータ処理方法が必要とされている。そこで本
発明は、かかる従来の実情に鑑みて提案されたものであ
って、凸部や凹部の幅や形状を正確に測定することが可
能な表面形状測定方法を提供することを目的とする。
面形状を測定する方法全般に言えることであって、探針
の形状による影響を排除し、真の表面形状を求めること
ができるデータ処理方法が必要とされている。そこで本
発明は、かかる従来の実情に鑑みて提案されたものであ
って、凸部や凹部の幅や形状を正確に測定することが可
能な表面形状測定方法を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、本発明の表面形状測定方法は、被測定サンプル表
面を探針で走査し、該探針の動きにより表面像を得た
後、得られた表面像上を予め実測した探針形状でトレー
スし、該探針形状が描く軌跡の最低値より真の表面像を
求めることを特徴とするものである。
めに、本発明の表面形状測定方法は、被測定サンプル表
面を探針で走査し、該探針の動きにより表面像を得た
後、得られた表面像上を予め実測した探針形状でトレー
スし、該探針形状が描く軌跡の最低値より真の表面像を
求めることを特徴とするものである。
【0007】
【作用】探針を走査することによって測定される表面像
は、探針の曲率半径等の影響を受け、寸法や形状が真の
値とは異なる。これに対して、得られた表面像上を予め
実測した探針形状でトレースし、該探針形状が描く軌跡
の最低値をストアすると、前記探針の形状分だけ高さデ
ータが浸食されたことになり、探針の形状による影響が
排除され、真の表面形状が求められる。
は、探針の曲率半径等の影響を受け、寸法や形状が真の
値とは異なる。これに対して、得られた表面像上を予め
実測した探針形状でトレースし、該探針形状が描く軌跡
の最低値をストアすると、前記探針の形状分だけ高さデ
ータが浸食されたことになり、探針の形状による影響が
排除され、真の表面形状が求められる。
【0008】
【実施例】以下、本発明をSTMに適用した実施例につ
いて、図面を参照しながら詳細に説明する。
いて、図面を参照しながら詳細に説明する。
【0009】STMは、サンプル表面と探針間のトンネ
ル電流が一定(実際にはサンプルと探針の距離dが一
定)になるように、探針をXYZ方向に独立に制御可能
なピエゾアクチュエータでスキャンし、XYZ方向のス
キャン量によって3次元計測を行うものである。
ル電流が一定(実際にはサンプルと探針の距離dが一
定)になるように、探針をXYZ方向に独立に制御可能
なピエゾアクチュエータでスキャンし、XYZ方向のス
キャン量によって3次元計測を行うものである。
【0010】STMの基本構造を図1に示す。すなわ
ち、STMは、X軸ピエゾ1a、Y軸ピエゾ1b及びZ
軸ピエゾ1cからなりXYZ方向に独立に制御可能なピ
エゾアクチュエータ1に、トンネル電流検出用の探針2
を取付けてなるものである。一方、サンプル3は、前記
探針2と対向して試料台に取付けられる。そして、サン
プル3にはバイアス電源4が接続され、数十mVから1
V程度のバイアス電圧で1nA程度のトンネル電流を検
出するように探針2とサンプル3間の距離dが設定され
る。
ち、STMは、X軸ピエゾ1a、Y軸ピエゾ1b及びZ
軸ピエゾ1cからなりXYZ方向に独立に制御可能なピ
エゾアクチュエータ1に、トンネル電流検出用の探針2
を取付けてなるものである。一方、サンプル3は、前記
探針2と対向して試料台に取付けられる。そして、サン
プル3にはバイアス電源4が接続され、数十mVから1
V程度のバイアス電圧で1nA程度のトンネル電流を検
出するように探針2とサンプル3間の距離dが設定され
る。
【0011】STM像を観察する場合には、トンネル電
流が一定になるように探針2とサンプル3間の距離dを
サーボ回路5を介して制御しながら、サンプル3表面に
平行なXY面を前記ピエゾアクチュエータ1で走査す
る。このとき、XY面の個々の画素におけるZ軸アクチ
ュエータ駆動信号(電圧)をコンピュータ6によって変
位量に換算して画像化すれば、モニター画面7上にトポ
グラフ像を得ることができる。
流が一定になるように探針2とサンプル3間の距離dを
サーボ回路5を介して制御しながら、サンプル3表面に
平行なXY面を前記ピエゾアクチュエータ1で走査す
る。このとき、XY面の個々の画素におけるZ軸アクチ
ュエータ駆動信号(電圧)をコンピュータ6によって変
位量に換算して画像化すれば、モニター画面7上にトポ
グラフ像を得ることができる。
【0012】ここで、上述のSTMにおいて、先端形状
が曲率半径Rなる探針2を用いて走査した場合のSTM
像について考える。図2は、段差部を有するサンプル3
の真の表面形状(図中線RS)並びに先端形状が曲率半
径Rなる探針2を用いて走査したSTM像(図中線I
M)を示すものである。なお、以下の図面でも同様であ
るが、図2において、探針2は便宜上半径Rなる円で表
している。また、探針2とサンプル3間の距離dは、非
常に小さな値であるので、ここでは無視した。
が曲率半径Rなる探針2を用いて走査した場合のSTM
像について考える。図2は、段差部を有するサンプル3
の真の表面形状(図中線RS)並びに先端形状が曲率半
径Rなる探針2を用いて走査したSTM像(図中線I
M)を示すものである。なお、以下の図面でも同様であ
るが、図2において、探針2は便宜上半径Rなる円で表
している。また、探針2とサンプル3間の距離dは、非
常に小さな値であるので、ここでは無視した。
【0013】いま、図中左方から探針2を走査したとす
る。すると、先ず、図中A点に至るまでは探針2の先端
位置(最低位置)でトンネリング(トンネル電流が流れ
るの意。)する。次に、探針2が点Aに達すると、サン
プル3表面のトンネリング位置は変わらず、探針2上の
トンネリング位置のみが変わっていく。すなわち、探針
2上のトンネリング位置は、斜面ACの傾斜角度αに応
じて、先端位置から角度αだけ移動した位置に移行して
いく。したがって、この間、探針2の軌跡(STM像I
M)は、点Aを中心として半径Rなる円弧を描くことに
なる。
る。すると、先ず、図中A点に至るまでは探針2の先端
位置(最低位置)でトンネリング(トンネル電流が流れ
るの意。)する。次に、探針2が点Aに達すると、サン
プル3表面のトンネリング位置は変わらず、探針2上の
トンネリング位置のみが変わっていく。すなわち、探針
2上のトンネリング位置は、斜面ACの傾斜角度αに応
じて、先端位置から角度αだけ移動した位置に移行して
いく。したがって、この間、探針2の軌跡(STM像I
M)は、点Aを中心として半径Rなる円弧を描くことに
なる。
【0014】さらに、斜面AC上では、探針2の先端位
置から角度αだけズレた位置がサンプル3表面との最短
距離になり、したがって探針2上のトンネリング位置は
前記角度αだけズレた位置から変わらず、サンプル3表
面上のトンネリング位置が変わっていく。
置から角度αだけズレた位置がサンプル3表面との最短
距離になり、したがって探針2上のトンネリング位置は
前記角度αだけズレた位置から変わらず、サンプル3表
面上のトンネリング位置が変わっていく。
【0015】次いで、探針2が点Bに達すると、探針2
上におけるトンネリング位置が、先端位置から角度αだ
け移動した位置から、先端位置へとジャンプする。すな
わち、サンプル3表面上のトンネリング位置が、点Bか
ら点Dへと瞬時に移行する。これは、探針2の先端位置
がサンプル3の段差部底面に近づくからである。そし
て、D点より右側では、前記探針2上の先端位置をトン
ネリング位置として、サンプル3上のトンネリング位置
が底面に沿って移動する。
上におけるトンネリング位置が、先端位置から角度αだ
け移動した位置から、先端位置へとジャンプする。すな
わち、サンプル3表面上のトンネリング位置が、点Bか
ら点Dへと瞬時に移行する。これは、探針2の先端位置
がサンプル3の段差部底面に近づくからである。そし
て、D点より右側では、前記探針2上の先端位置をトン
ネリング位置として、サンプル3上のトンネリング位置
が底面に沿って移動する。
【0016】上述のようにして測定されるSTM像IM
は、前記点Aにおける探針2上のトンネリング位置の変
化、及び点Bから点Cへのトンネリング位置のジャンプ
に由来して、実際の形状RSとは異なった形状となる。
具体的には、凸部の角部は探針2の半径Rだけ丸みを帯
びた像となり、その結果凸部の幅は2Δr(Δr=Rta
nα/2)だけ広がって測定される。凹部の幅は、逆に
2Δr(Δr=R tanα/2)だけ狭まって測定され
る。このようなSTM像IMは、サンプル3表面の段差
部を半径Rの球が転がるモデルによって容易に理解され
る。
は、前記点Aにおける探針2上のトンネリング位置の変
化、及び点Bから点Cへのトンネリング位置のジャンプ
に由来して、実際の形状RSとは異なった形状となる。
具体的には、凸部の角部は探針2の半径Rだけ丸みを帯
びた像となり、その結果凸部の幅は2Δr(Δr=Rta
nα/2)だけ広がって測定される。凹部の幅は、逆に
2Δr(Δr=R tanα/2)だけ狭まって測定され
る。このようなSTM像IMは、サンプル3表面の段差
部を半径Rの球が転がるモデルによって容易に理解され
る。
【0017】このように、STMによって測定される表
面像は、実際の表面形状とは形状、寸法等が異なり、そ
のままでは測定の信頼性に乏しい。そこで、本実施例に
おいては、前記STM像IMに補正を加え、実際の表面
形状RSに即した補正像を得た。
面像は、実際の表面形状とは形状、寸法等が異なり、そ
のままでは測定の信頼性に乏しい。そこで、本実施例に
おいては、前記STM像IMに補正を加え、実際の表面
形状RSに即した補正像を得た。
【0018】以下、この補正方法について説明する。前
記STM像IMに補正を加えるには、先ず、使用した探
針2の先端形状を正確に測定する。例えば、走査型電子
顕微鏡(SEM)等によって先端形状を観察し、使用し
た探針2の先端半径Rを正確に測定する。
記STM像IMに補正を加えるには、先ず、使用した探
針2の先端形状を正確に測定する。例えば、走査型電子
顕微鏡(SEM)等によって先端形状を観察し、使用し
た探針2の先端半径Rを正確に測定する。
【0019】次いで、図3に示すように、測定したST
M像IMを円の中心とし、先に測定した先端半径Rに対
応した円(半径Rの円)を転がし、そのときの各座標
(XY座標)における最低値(Z座標の最低値)をスト
アする。言い換えれば、測定したSTM像IMを半径R
の円によって浸食した値を求める。
M像IMを円の中心とし、先に測定した先端半径Rに対
応した円(半径Rの円)を転がし、そのときの各座標
(XY座標)における最低値(Z座標の最低値)をスト
アする。言い換えれば、測定したSTM像IMを半径R
の円によって浸食した値を求める。
【0020】以上により、実際の表面形状RSとほぼ同
一の補正像CIが得られ、正確な溝幅や深さ分布が測定
できる。
一の補正像CIが得られ、正確な溝幅や深さ分布が測定
できる。
【0021】例えば、図4は、溝部を測定した場合の各
像を示すものである。先にも述べた通り、実際の表面形
状RSに対してSTM像IMでは溝の幅が拡大されてい
る。すなわち、実際の表面形状RSでは、溝の底部の幅
がL1 であるのに対して、STM像IMでは、斜面の傾
斜角度α及び探針2の先端半径Rに応じて両側がΔL
(=R tanα/2)だけ拡大され、L2 (=L1 +2Δ
L)なる値を示す。これに対して、補正像CIでは、ほ
ぼ実際の表面形状RSと同様の像が得られ、溝の幅L3
も実際の溝幅L1 と一致する値として測定される。
像を示すものである。先にも述べた通り、実際の表面形
状RSに対してSTM像IMでは溝の幅が拡大されてい
る。すなわち、実際の表面形状RSでは、溝の底部の幅
がL1 であるのに対して、STM像IMでは、斜面の傾
斜角度α及び探針2の先端半径Rに応じて両側がΔL
(=R tanα/2)だけ拡大され、L2 (=L1 +2Δ
L)なる値を示す。これに対して、補正像CIでは、ほ
ぼ実際の表面形状RSと同様の像が得られ、溝の幅L3
も実際の溝幅L1 と一致する値として測定される。
【0022】凸部についても同様である。図5は凸部を
測定した場合の各像を示すものであり、溝部の場合とは
逆に、STM像IMでは凸部の幅D1 が両側においてそ
れぞれΔD(=R tanβ/2)だけ縮小され、D2 (=
D1 −2ΔD)とされる。これに対して、補正像CIで
測定される凸部の幅D3 は、実際の表面形状RSにおけ
る幅D1 とほぼ等しいものとなる。
測定した場合の各像を示すものであり、溝部の場合とは
逆に、STM像IMでは凸部の幅D1 が両側においてそ
れぞれΔD(=R tanβ/2)だけ縮小され、D2 (=
D1 −2ΔD)とされる。これに対して、補正像CIで
測定される凸部の幅D3 は、実際の表面形状RSにおけ
る幅D1 とほぼ等しいものとなる。
【0023】以上、本発明を適用した実施例について説
明したが、本発明はこの実施例に限定されるものではな
い。例えば、上述の実施例はSTMを対象にした場合の
実施例であるが、探針がサンプル表面をスキャンする測
定方法であれば如何なる測定方法であっても適用可能で
ある。かかる測定方法を例示するならば、タリステッ
プ、原子間力顕微鏡(AFM)、マグネト・フォース・
マイクロスコープ(MFM)等である。
明したが、本発明はこの実施例に限定されるものではな
い。例えば、上述の実施例はSTMを対象にした場合の
実施例であるが、探針がサンプル表面をスキャンする測
定方法であれば如何なる測定方法であっても適用可能で
ある。かかる測定方法を例示するならば、タリステッ
プ、原子間力顕微鏡(AFM)、マグネト・フォース・
マイクロスコープ(MFM)等である。
【0024】また、球による2次元の深さ分布も補正可
能であり、さらには探針の先端が円(球)以外の形状の
場合にも補正が可能である。例えば、図6に示すように
楕円形状の探針21を使用した場合や、図7に示すよう
に左右の曲率半径R1 、R2 が異なる探針22を使用し
た場合にも、同様の手法によって補正することが可能で
ある。
能であり、さらには探針の先端が円(球)以外の形状の
場合にも補正が可能である。例えば、図6に示すように
楕円形状の探針21を使用した場合や、図7に示すよう
に左右の曲率半径R1 、R2 が異なる探針22を使用し
た場合にも、同様の手法によって補正することが可能で
ある。
【0025】さらに、正確な表面形状が判明している場
合には、STM像と実際の表面形状像とから、探針の曲
率半径や頂角θ等を算出することも可能である。
合には、STM像と実際の表面形状像とから、探針の曲
率半径や頂角θ等を算出することも可能である。
【0026】
【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明においては、探針の形状による影響を排除することが
でき、凸部や凹部の幅や形状を正確に測定することが可
能である。したがって、例えば光ディスクのピット幅、
ピット長、デューティー比等を正確に把握することがで
き、その意義は非常に大きい。
明においては、探針の形状による影響を排除することが
でき、凸部や凹部の幅や形状を正確に測定することが可
能である。したがって、例えば光ディスクのピット幅、
ピット長、デューティー比等を正確に把握することがで
き、その意義は非常に大きい。
【図1】STMの基本原理を説明するための模式図であ
る。
る。
【図2】測定されるSTM像を説明するための模式図で
ある。
ある。
【図3】補正像を説明するための模式図である。
【図4】溝部における実際の表面形状、STM像、補正
像を示す模式図である。
像を示す模式図である。
【図5】凸部における実際の表面形状、STM像、補正
像を示す模式図である。
像を示す模式図である。
【図6】探針が楕円形状である場合のSTM像を示す模
式図である。
式図である。
【図7】探針の左右の曲率半径が異なる場合のSTM像
を示す模式図である。
を示す模式図である。
【図8】探針の曲率半径が溝幅に比べて大きい場合のS
TM像を示す模式図である。
TM像を示す模式図である。
【図9】探針の曲率半径が溝幅に比べて小さい場合のS
TM像を示す模式図である。
TM像を示す模式図である。
【図10】探針の形状の対称性が悪い場合のSTM像を
示す模式図である。
示す模式図である。
2・・・探針 RS・・・実際の表面形状 IM・・・STM像 CI・・・補正像
Claims (1)
- 【請求項1】 被測定サンプル表面を探針で走査し、該
探針の動きにより表面像を得た後、 得られた表面像上を予め実測した探針形状でトレース
し、該探針形状が描く軌跡の最低値より真の表面像を求
めることを特徴とする表面形状測定方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP35551691A JPH05172510A (ja) | 1991-12-24 | 1991-12-24 | 表面形状測定方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP35551691A JPH05172510A (ja) | 1991-12-24 | 1991-12-24 | 表面形状測定方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH05172510A true JPH05172510A (ja) | 1993-07-09 |
Family
ID=18444396
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP35551691A Withdrawn JPH05172510A (ja) | 1991-12-24 | 1991-12-24 | 表面形状測定方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH05172510A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH08220108A (ja) * | 1995-02-16 | 1996-08-30 | Natl Res Inst For Metals | Spm画像用の探針形状の決定方法と、これを用いた画 像補正法 |
-
1991
- 1991-12-24 JP JP35551691A patent/JPH05172510A/ja not_active Withdrawn
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH08220108A (ja) * | 1995-02-16 | 1996-08-30 | Natl Res Inst For Metals | Spm画像用の探針形状の決定方法と、これを用いた画 像補正法 |
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