JPH09178758A

JPH09178758A - 走査型プローブ顕微鏡

Info

Publication number: JPH09178758A
Application number: JP7337186A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Miyai; 良雄宮井
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1995-12-25
Filing date: 1995-12-25
Publication date: 1997-07-11

Abstract

(57)【要約】【課題】試料に対して探針が３方向に走査していく走
査型プローブ顕微鏡の非直線的走査を従来より高精度に
補正すると共に、表面に人為的に形成された凹凸部の悪
影響を回避する。【解決手段】走査部の非直線的走査から得られた検出
値２７を３次元平面で補正して、補正値の精度を上げる
と同時に、試料６の表面に形成されている電極などの凸
部３３及び凸部の周囲の影響部３６の検出値を基準値の
計算より除き、特異な凹凸の影響が微小走査装置から得
られる表面特性図に現れないようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本微小走査装置は、ＳＴＭ
（ＳｃａｎｎｉｎｇＴｕｎｎｅｌｉｎｇＭｉｃｒｏ
ｓｃｏｐｅ：走査型トンネル顕微鏡）やＡＦＭ（Ａｔｏ
ｍｉｃＦｏｒｃｅＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：原子間力顕
微鏡）等の走査型プローブ顕微鏡装置の検出値の補正に
関する。

【０００２】

【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡は、ＳＴＭやＡＦ
Ｍの総称であり、互いに相対運動する先端の尖った探針
と試料との間に発生する様々な局所的な物理相互作用を
利用し、試料表面のラフネス情報や種々の表面特性情報
を得る微小走査装置である。図５にＳＴＭを例にとり、
その測定原理およびシステム構成の概略を示す。

【０００３】走査部１は、試料の横幅方向に走査するＸ
方向の圧電部２、試料の縦幅方向に走査するＹ方向の圧
電部３及び高さ方向に走査するＺ方向の圧電部４から構
成されている。また、走査部１に、外部回路が接続され
ている導電性の探針５が取りつけられている。

【０００４】さらに探針５は、Ｗ（タングステン）やＰ
ｔ（プラチナ）等の導電性材料で構成されており、少な
くとも表面が導電性である試料６に近接するように配置
されている。そして、探針５と試料６との間に数１０ｍ
Ｖのバイアス電圧７を加えて、１ｎｍ程度の距離８まで
近付けると、量子効果によりトンネル電流９が流れる。

【０００５】このトンネル電流９は、探針５と試料６と
の距離が０．１ｎｍ近付く（または遠ざかる）と１桁大
きく（小さく）変化するので、微小な距離８の変化を電
気的に検出することが可能である。ＳＴＭ装置の制御器
１０は、走査部の圧電素子を駆動するドライバ１１を介
して走査部１を試料に対して相対運動させて、Ｘ、Ｙ方
向の走査１２により試料上の検出位置を変えながら、ト
ンネル電流９が一定となるようにＺ方向の走査１３を行
う。

【０００６】即ち、試料の色々な位置で探針５と試料６
との距離８が一定になるように制御している。このＺ方
向の走査１３は電圧で制御するが、この制御電圧の変化
が探針５と試料６との距離８を反映している。測定終了
後、制御器１０は検出値を出力１４として外部モニタ等
に送り出す。

【０００７】図６は、探針が試料上をどのように相対的
に走査するかを説明した図である。まず、Ｙ方向は固定
でＸ方向に第１番目の走査１５を行い、この時のＺ方向
の変位を検出し、以降Ｙ方向を１ライン分移動して第２
番目の走査１６、第３番目の走査１７と順次スキャン１
８する。図７はＸ、Ｙ、Ｚ各方向用圧電部への制御電圧
の変化を示した図である。

【０００８】Ｘ方向の圧電部には、図７Ｘで示される鋸
状波形１９が印加され、波形の１周期がＸ方向の１本の
走査に相当する。また、Ｙ方向の圧電部には、図７Ｙで
示される階段波形２０が印加され、波形の１階段がＸ方
向の走査線をＹ方向に一本ずつ送ることになる。さら
に、Ｚ方向の圧電部には、図７Ｚで示される試料表面の
凹凸形状を反映した不定形な波形２１が印加される。

【０００９】このように、試料の射影平面中で走査した
Ｘ、Ｙの位置情報と、その位置でのＺ方向の電圧（高
さ）情報を取り出し、外部モニタに出力することで、試
料表面の凹凸構造が観察できる。尚、装置の種類や製造
メーカ等により、試料が固定で探針が走査される場合
と、探針が固定で試料が走査される場合があるなどの違
いがあるが、基本的な原理は同じである。

【００１０】上述のように、走査型プローブ顕微鏡にお
いては、Ｘ、Ｙ、Ｚ各方向の圧電部を内蔵した走査部に
より、探針の微小な駆動を可能としている。図８に示す
ように、この走査部１は、何らかの治具２２に一端が固
定されている。この状態で、Ｘ方向またはＹ方向の圧電
部を駆動すると、探針５の先端は直線的ではなく、図８
のように曲線２３を描く。

【００１１】従って、図９に示すような平坦な試料平面
２４をＳＴＭで測定した場合、その検出値の分布は図１
０のように湾曲した曲面２５となる。この問題の対策と
して、従来の走査型プローブ顕微鏡では、得られた検出
値を数学的に補正することで影響を軽減させている。最
も一般的な方法は、先の図６に示したＸ方向の各走査毎
にＸ、Ｚの２元の関数近似を行うことである。

【００１２】図１１は従来行われてきた検出値から試料
の表面状態を求める工程図である。例えば、Ｘ方向に対
して図１１ａに示すようなランダムな凹凸の有る断面２
６を持つ試料を測定すると、上述の理由により検出値２
７は図１１ｂのように変形する。この検出値２７に関し
て、Ｘ、Ｙの２元の関数の２次曲線近似を行い、これを
基準線２８とする。

【００１３】この基準線２８と検出値２７との差２９を
各測定点毎に計算する。この差をとるということは、曲
線となっている基準線２８をＸ軸に平行な直線３０にす
ることである。検出値を補正した補正値３１は図１１ｃ
のようになり、実際の測定断面に近い値が得られる。

【００１４】全てのＸ方向に走査した検出値についてこ
の処理を行った後、Ｘ軸に平行となった各基準線を同一
のＺの値に補正する。この他の補正手法として、図６の
ような走査から得られたＸ方向の断面を全て一旦平均
し、平均して求めた平均断面での単一の２元の近似曲線
を求め、この近似曲線により各Ｘ方向の走査から得られ
る検出値を補正するものもある。

【００１５】この手法は、先の１本の走査毎に近似曲線
を求める手法を簡略化したものとして用いられている。
上記の検出値の２つの補正はＰａｒｋＳｃｉｅｎｔｉ
ｆｉｃＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製走査型プローブ顕
微鏡装置の取扱説明書に記載されている。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、この走査型
プローブ顕微鏡は、試料表面のランダムな凹凸形状を詳
細に測定できるが、特異な凹凸が試料表面に形成されて
いる場合、基準線及び基準線を基に求められた補正値が
実際の値と大きくずれてしまう欠点があった。実際上、
この特異な凹凸は、Ｓｉ基板を穿孔して形成された静電
容量用の深さ０．５μｍのトレンチであったり、Ｓｉ基
板上に堆積された厚さ１μｍの金属配線であったり、あ
るいは試料に付着した高さ５μｍの埃であったりする。

【００１７】例えば、図１２ａに示すようにＸ方向の試
料に平坦部３２と局所的に特異な凸部３３が存在すると
仮定する。この場合、図１２ｂの検出値２７が得られる
ので、検出値を２次曲線近似すると特異な凹凸の影響を
強く受けた基準線２８のような曲線となる。すると、図
１２ｃの如く、基準線は平行な直線３０になるが、補正
された補正値３１は図１２ａの形状と比較すると明らか
なように現実とはかけ離れたものとなってしまう。

【００１８】この例は、Ｘ方向のみの補正値であるが、
実際にはＹ方向の処理も重なるため、さらに実情を反映
しないものとなる。図１３は基準値から求められる平面
が補正面となっている場合の平坦部と右下に位置する凸
部とが存在する補正値の曲面図である。図１３から分か
るように凸部に隣接する平坦部が実際と異なり、低くな
っている。

【００１９】また、Ｘ方向の平均断面での近似曲線で補
正する方法においても、平均する分影響は少なくなる
が、基本的に同様な問題が存在する。本発明は、走査型
プローブ顕微鏡において、正確かつ忠実に試料の表面形
状を測定することを目的とする。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明の走査型プローブ
顕微鏡は、特異な凹凸及びランダムな凹凸を有する試料
と、該試料に対して相対運動して試料との間の物理特性
を検出する探針と、該探針と前記試料とを相対運動させ
る走査部とを備えた微小走査装置において、走査部の非
平面的駆動軌跡を補正するために、探針で検出される物
理特性に３次元曲面を用いる補正を行うことを特徴とす
る。

【００２１】また、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、
前記補正が特異な凹凸の領域を除く、ランダムな凹凸だ
けが有る領域の試料から得られる検出値を用いることを
特徴とする。さらに、本発明の走査型プローブ顕微鏡
は、検出値の少なくとも６点以上を用いて３次元の補正
曲面を得ることを特徴とする。

【００２２】それから、本発明の走査型プローブ顕微鏡
は、ある検出値に隣接する検出値までも含めた平均値を
用いて３次元の補正曲面を得ることを特徴とする。

【００２３】

【発明の実施の形態】本発明の実施形態を図を参照しつ
つ説明する。（第１実施形態）図１は本発明の走査型プローブ顕微鏡
装置の第１実施形態の補正面の作用図である。

【００２４】図１から明らかなように、検出値の補正に
用いる従来の補正面３４が少なくとも１方向に対して平
面であるのに対して、本発明は本願の補正面３５が３次
元曲面であることが特徴である。つまり、本発明は、Ｘ
方向だけの影響だけでなくＹ方向の影響をも考慮してい
るのである。

【００２５】このような構成により、特異的に存在する
凹凸の影響を排除した補正値が得られる。図２は本実施
形態の走査型プローブ顕微鏡装置の検出値の選択図であ
る。この実施形態の特徴は、補正に悪影響を与える、特
異的に存在する凹凸を包含する領域の検出値を３次元曲
線の算出に用いないことである。

【００２６】図２に示すように、試料６の平面は、特異
な凸部３３と、凸部の周囲に広がる影響部３６と、ラン
ダムな凹凸の有る基準部３７とに分けられている。例え
ば、ランダムな凹凸に相当する表面の粗さが±０．１μ
ｍのＳｉ基板上に厚さ１μｍの配線が形成されている場
合、走査方向に垂直に特異な凸部の厚さに関係する幅１
μｍ／２＝０．５μｍの影響部が生じる。

【００２７】出力モニタへの出力手順は以下の通りであ
る。最初に、平均値からの大きなずれにより試料の特異
な凸部３３の領域に含まれる検出値を座標Ａ及び検出値
Ａとする。次に凸部に相当する検出値Ａと平均値との差
より凸部の高さＨと、凸部の座標から凸部の幅Ｗを算出
する。

【００２８】さらに、求められた凸部の高さＨと凸部の
幅Ｗから、影響部３６に含まれる検出値を座標Ｂ及び検
出値Ｂとする。第４に試料の平面から座標Ａ及ぶ座標Ｂ
を除いた部分を基準部３７とし、基準部に含まれる検出
値を座標Ｃ及び検出値Ｃとする。第５に検出値Ｃを３次
元曲面に当てはめて、３次元曲線の補正面を求める。

【００２９】第６に補正面と検出値Ｃとの差により補正
値Ｃを計算する。第７に検出値Ｂを補正面の値に変換し
て検出値Ｂ’とする。最後に出力モニタに検出値Ａ、
Ｂ’、Ｃを出力する。この実施形態において、求められ
た補正値が試料の表面形状に最も近くなる。図３に本発
明により求められた試料の表面形状図を示す。

【００３０】図３に示されるように、本発明によれば、
従来の手法では補正しきれなかった、試料表面の特異な
凹凸に起因するデータ異常が無くなり、より実際の試料
表面状態を反映した測定データが得られる。図４を用い
て、検出値から補正値を求める手段を示すことにする。
図４は特異な凹凸及びランダムな凹凸を有する試料より
求められた検出値の分布図である。

【００３１】まず、検出値の集合である検出曲面３９か
ら６個の選択点３８、３８、３８、３８、３８、３８を
選び出す。次に選択された選択点３８の座標（ｘ，ｙ，
ｚ）を下のような２次曲面の方程式に代入する。ｚ＝ａｘ²＋ｂｘ＋ｃｙ²＋ｄｙ＋ｅｘｙ＋ｆ（だたし、
ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆは定数）上式は定数が６個あるので、最低６個の（ｘ，ｙ，ｚ）
の検出値があれば、決定される。

【００３２】ここで、これらの選択点の選択方法は、凸
部を避けた基準部の中心付近の座標から自動計算しても
良いし、出力モニタ上の３次元グラフィックの格子点を
コンピュータのマウス等によって人が個別に直接指定し
ても良い。特に、人が直接指定すると、画面上でより平
坦な部分を選択することが可能になる。

【００３３】また、一般的に走査型プローブ顕微鏡の測
定においては、外部環境（床振動、音響振動）等による
ノイズ成分が含まれる。これらは測定後、データ処理
（フィルター処理等）により除去できるものもあるが、
除去しきれないものもある。従って、先の実施形態で示
したように、近似曲面を求める際の参照値として指定さ
れた特定位置（ｘ，ｙ）のｚのみを採用するのではな
く、その周囲のデータ、例えば、（ｘ＋１，ｙ）や
（ｘ，ｙ＋１）の位置等の複数のｚの平均値を採用する
ことで、上記のノイズを除去することもできる。

【００３４】また、下の式に示すようにｎ次方程式（但
し、ｎは３以上の整数）であっても検出値が多数存在す
れば、より精度を上げることができる。ｚ＝ａ₁ｘⁿ＋ａ₂ｘ^n-1・・＋ａ_nｘ＋ｂ₁ｙ^o＋・・＋ｂ_o
ｙ＋ｃ₁ｘ^n-1ｙ＋ｃ₂ｘ^n-2ｙ²＋・・＋ｃ_nｘｙ^n-1＋・
・＋ｄｙ＋ｅｘｙ＋ｆ（だたし、ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，
ｆは定数）以上の実施形態では電気特性しか利用していなかった
が、磁気特性や光特性を利用しても本発明を実施するこ
とができる。

【００３５】

【発明の効果】本発明の走査型プローブ顕微鏡において
は、走査部の非平面的駆動軌跡を補正するために、探針
で検出される物理特性に３次元曲面を用いる補正を行う
ので試料の表面状態が正確かつ忠実に測定できる。ま
た、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、補正に特異な凹
凸に隣接する（０．５Ｈ＋１Ｗ）の幅の領域を除く、ラ
ンダムな凹凸だけが有る領域の試料から得られる検出値
を用いるから、特異な凹凸に影響されることなく、高精
度に試料の表面の粗さが分かる。

【００３６】さらに、本発明の走査型プローブ顕微鏡
は、検出値を少なくとも６点以上抽出するので２次曲面
で近似でき、２方向の走査の補正が可能になる。あるい
は、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、隣接する検出値
までも含めた平均値を用いるから、雑音の除去ができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の３次元曲面を用いる補正面の特性図で
ある。

【図２】本発明の凸部及びその影響部との試料上での分
布図である。

【図３】本発明の走査型プローブ顕微鏡から得られる表
面特性図である。

【図４】本発明の走査型プローブ顕微鏡の検出値の位置
関係図である。

【図５】従来の走査型プローブ顕微鏡の構成図である。

【図６】従来の走査型プローブ顕微鏡の走査軌跡図であ
る。

【図７】従来の走査型プローブ顕微鏡の３走査方向の電
流特性図である。

【図８】従来の走査型プローブ顕微鏡の走査部の詳細図
である。

【図９】平坦な試料面の３次元図である。

【図１０】従来の平坦な試料面の対する検出値の３次元
図である。

【図１１】従来のランダムな凹凸に対する出力の算出工
程図である。

【図１２】従来の人為による凹凸に対する出力の課題図
である。

【図１３】従来の特異な凹凸に対する出力の３次元図で
ある。

【符号の説明】

１走査部２Ｘ方向の圧電部３Ｙ方向の圧電部４Ｚ方向の圧電部５探針６試料７バイアス電圧８距離９トンネル電流１０制御器１１ドライバ１２Ｘ、Ｙ方向の走査１３Ｚ方向の走査１４出力１５第１番目の走査１６第２番目の走査１７第３番目の走査１８スキャン１９鋸状波形２０階段波形２１不定形波形２２治具２３曲線２４平坦な試料平面２５湾曲した曲面２６断面２７検出値２８基準線２９差３０平行な直線３１補正値３２平坦部３３特異な凸部３４従来の補正面３５本願の補正面３６影響部３７基準部３８選択点３９検出曲面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】特異な凹凸及びランダムな凹凸を有する
試料と、該試料に対して相対運動して試料との間の物理
特性を検出する探針と、該探針と前記試料とを相対運動
させる走査部とを備えた走査型プローブ顕微鏡におい
て、走査部の非平面的駆動軌跡を補正するために、探針で検
出される物理特性に３次元曲面を用いる補正を行うこと
を特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】前記補正は、試料の特異な凹凸の幅の領
域を除く、ランダムな凹凸だけが有る領域から得られる
検出値を用いることを特徴とする請求項１記載の走査型
プローブ顕微鏡。
【請求項３】前記検出値は、少なくとも６点以上であ
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。
【請求項４】前記検出値は、隣接する検出値までも含
めた平均値を用いることを特徴とする請求項２または請
求項３記載の走査型プローブ顕微鏡。