JPH11211733A

JPH11211733A - 走査形プローブ顕微鏡

Info

Publication number: JPH11211733A
Application number: JP10029334A
Authority: JP
Inventors: Masashi Iwatsuki; 槻正志岩
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 1998-01-27
Filing date: 1998-01-27
Publication date: 1999-08-06

Abstract

(57)【要約】【課題】試料内部の情報まで得ることができる走査形
プローブ顕微鏡を提供すること。【解決手段】試料とカンチレバ間に働く摩擦力を表す
演算増幅器１７の出力は、ＡＤ変換器１８を介してメモ
リ１９に記憶される。メモリ１９に記憶された試料面Ｓ
₁〜Ｓ_nに関する摩擦力データは画像処理回路２０に送ら
れ、画像処理回路２０は、摩擦力データを”１”また
は”０”のデータに２値化する。そして、画像処理回路
２０は、”１”で表わされたデータを抽出し、抽出した
データから３次元画像データを作成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【0001】

【発明の属する技術分野】本発明は、原子間力顕微鏡
や摩擦力顕微鏡等の走査形プローブ顕微鏡に関する。

【0002】

【従来の技術】走査形プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の名
称は、走査形トンネル顕微鏡、原子間力顕微鏡およびこ
れらの原理を応用した様々な顕微鏡を総称して使われる
が、現在、この走査形プローブ顕微鏡は、試料表面の観
察手段として重要な地位を占めている。

【0003】上述した走査形トンネル顕微鏡、原子間力顕微
鏡の原理を応用した顕微鏡としては、試料表面の摩擦を
測定する摩擦力顕微鏡や、試料表面の粘性や弾性を測定
する顕微鏡や、試料表面の電位を測定する顕微鏡や、試
料表面の磁気特性を測定する磁気力顕微鏡等がある。

【0004】

【発明が解決しようとする課題】このような走査形プ
ローブ顕微鏡を用いれば、試料最表面の種々の情報を得
ることができるが、試料内部の情報までは得ることがで
きない。

【0005】試料内部の情報を得る顕微鏡として、弾道電子
放射顕微鏡（ＢＥＥＭ）や走査形キャパシタンス顕微鏡
（ＳＣＭ）等が提案されているが、何れの顕微鏡も試料
表面に極めて近い内部の情報しか得ることができず、ま
た、未だ実用化レベルではない。

【0006】本発明はこのような点に鑑みて成されたもの
で、その目的は、試料内部の情報まで得ることができる
走査形プローブ顕微鏡を提供することにある。

【0007】

【課題を解決するための手段】この目的を達成する本
発明の走査形プローブ顕微鏡は、試料に探針を対向させ
た状態で試料または探針を２次元的に走査し、探針の変
位を検出して試料の２次元画像を得るようにした走査形
プローブ顕微鏡において、試料を割断する割断手段と、
試料の割断の度に得られた試料の２次元画像データを記
憶する記憶手段と、該記憶手段に記憶された２次元画像
データに基づいて試料の３次元画像データを作成する画
像処理手段を備えたことを特徴とする。

【0008】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の実
施の形態について説明する。

【0009】図１は、本発明の走査形プローブ顕微鏡の一例
として示した、摩擦力顕微鏡を示した図である。

【0010】まず、図１の構成について説明する。

【0011】図１において、１はカンチレバホルダであり、
カンチレバホルダ１の形状は、図２に示すようにコの字
状である。カンチレバホルダ１のカンチレバ保持部１ａ
の下面には、先端に探針２を有するカンチレバ３が固定
されている。また、前記カンチレバホルダ１のカッター
保持部１ｂの下面には、試料を割断するためのカッター
４が固定されている。このカッター４は前記カンチレバ
３に対向しており、カッター４の割断部４ａの高さ（Ｚ
位置）は、前記探針２の先端の高さよりΔｄだけ低い。

【0012】前記カンチレバホルダ１には移動軸５が固定さ
れており、移動軸５は、試料室壁６に固定されたカンチ
レバホルダ駆動手段７に取り付けられている。この移動
軸５は、カンチレバホルダ駆動手段７により、その軸方
向（Ｙ軸方向）に移動可能である。

【0013】８は、前記探針２に対向する試料であり、試料
８は試料ホルダ９に取り付けられている。この試料ホル
ダ９は、ＸＹ移動機構１０ａとＺ移動機構１０ｂを備え
たスキャナ１０に取り付けられており、スキャナ１０は
試料室の底部上に置かれている。

【0014】１１はＸＹ移動機構駆動手段であり、前記ＸＹ
移動機構１０ａは、このＸＹ移動機構駆動手段１１によ
り制御される。また、１２はＺ移動機構駆動手段であ
り、前記Ｚ移動機構１０ｂは、このＺ移動機構駆動手段
１２により制御される。これらの移動機構駆動手段１
１、１２は制御装置１３により制御される。さらに、制
御装置１３は、前記カンチレバホルダ駆動手段７を制御
する。

【0015】また、試料室の上壁にはレーザ発生器１４が固
定されており、レーザ発生器１４で発生したレーザ光
は、レンズ１５により前記カンチレバ３の背面上に集束
される。そして、カンチレバ３の背面で反射されたレー
ザ光は、試料室の側壁に固定されたレーザ検出器１６で
検出される。このレーザ検出器１６は、４つの検出面１
６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄを有しており、それぞれ
の検出面で検出された信号ａ、ｂ、ｃ、ｄは演算増幅器
１７に送られる。なお、前記探針２が試料８に接触して
いない状態においては、前記カンチレバ３の背面で反射
されたレーザ光が前記レーザ検出器１６の検出面の中心
Ｏに入射するように、カンチレバ３とレーザ検出器１６
の間に配置された反射ミラー（図示せず）の角度が調整
されている。

【0016】前記演算増幅器１７の出力信号は、ＡＤ変換器
１８と前記制御装置１３に送られ、ＡＤ変換器１８の出
力信号はメモリ１９に記憶される。メモリ１９は画像処
理回路２０に接続されており、画像処理回路２０の出力
信号は摩擦力像表示手段２１に送られる。

【0017】以上、図１の装置の構成について説明したが、
以下に、この装置の動作について説明する。

【0018】まず、オペレータは、観察面Ｓ₁が平らに切り
出された試料８を試料ホルダ９に取り付ける。次に、オ
ペレータは、その試料ホルダ９を前記スキャナ１０に取
り付ける。図３は、試料ホルダ９をスキャナ１０に取り
付けた直後の状態を示した図であるが、この時、試料８
は前記探針２に接触していない。

【0019】試料ホルダ９がスキャナ１０に取り付けられる
と、試料８が探針２に接触するまで、試料８は前記Ｚ移
動機構１０ｂによりＺ方向に移動される。前記制御装置
１３は、演算増幅器１７からの信号に基づき、試料８が
探針２に接触したかどうかを判断しており、制御装置１
３は、試料８が探針２に接触したと判断すると、前記Ｚ
移動機構駆動手段１２への駆動信号の供給を停止する。

【0020】ここで、前記制御装置１３のＺ移動機構駆動手
段１２の制御について詳しく説明する。

【0021】さて、試料８が探針２に接触すると、その接触
で、前記レーザ光が当たっているカンチレバ３の背面の
高さはそれまでより高くなる。その結果、レーザ光がレ
ーザ検出器１６の検出面に入射する位置は、図４に示す
ように、それまでの検出面の中心Ｏから検出面１６ａ、
１６ｂの方に移動する。このため、レーザ検出器１６か
ら出力される信号ａ、ｂ、ｃ、ｄのうち、信号ａとｂの
値は大きくなり、逆に信号ｃとｄの値は小さくなる。

【0022】前記演算増幅器１７は、レーザ検出器１６から
送られてくる信号ａ、ｂ、ｃ、ｄから、演算（｜（ａ＋
ｃ）−（ｂ＋ｄ）｜）と（（ａ＋ｂ）−（ｃ＋ｄ））を
行い、演算（（ａ＋ｂ）−（ｃ＋ｄ））の結果を前記制
御装置１３に送るが、その制御装置１３へ送られる信号
の値は、前記試料８の探針２への接触により接触前に比
べて大きくなる。制御装置１３は、演算増幅器１７から
送られてくる信号の値がそれまでより大きくなると、試
料８が探針２に接触したと判断し、前記Ｚ移動機構駆動
手段１２への駆動信号の供給を停止している。

【0023】以上、制御装置１３のＺ移動機構駆動手段１２
の制御について説明したが、以下に、図１の装置の動作
説明を続けて行う。

【0024】試料８が探針２に接触すると、制御装置１３
は、カンチレバ３の横手方向に試料８を移動させるため
に、試料８がＸＹ移動機構１０ａによりＸ方向に移動す
るように前記ＸＹ移動機構駆動手段１１を制御する。こ
の制御により、試料８はカンチレバ３の横手方向に移動
し、カンチレバ３は、カンチレバと試料間に働く摩擦力
に応じて横方向にねじれる。その結果、レーザ光がレー
ザ検出器１６の検出面に入射する位置は、図５に示すよ
うに、カンチレバと試料間に働く摩擦力に応じて検出面
１６ａ、１６ｃの方に移動する。このため、レーザ検出
器１６から出力される信号ａ、ｂ、ｃ、ｄは、カンチレ
バと試料間に働く摩擦力に応じて変化する。

【0025】上述したように、演算増幅器１７は、レーザ検
出器１６から送られてくる信号ａ、ｂ、ｃ、ｄから演算
（｜（ａ＋ｃ）−（ｂ＋ｄ）｜）を行っているが、この
カンチレバと試料間に働く摩擦力に対応する演算値はＡ
Ｄ変換器１８を介して、８ビットあるいは１６ビットの
データに変換されてメモリ１９に格納される。この時、
ＡＤ変換器１８の出力は、前記制御装置１３により、前
記試料８の探針２との接触位置に対応してメモリ１９に
記憶される。

【0026】さて、Ｘ方向への所定量の試料移動が終わる
と、試料がＹ方向に所定量移動され、そして今度は−Ｘ
方向への所定量の試料移動が行われる。そして、−Ｘ方
向への所定量の試料移動が終わると、試料がＹ方向に前
記所定量だけ移動され、その移動が終わると、前記同様
に試料がＸ方向に前記所定量移動される。このような、
Ｙ座標を順に変えてのＸ、−Ｘ方向への試料移動は所定
回行われる。この試料移動期間中、カンチレバと試料間
に働く摩擦力が検出され、前記メモリ１９には、前記
Ｘ、−Ｘ方向への試料移動期間における摩擦力データが
記憶される。このとき、前記ＡＤ変換器１８の出力は、
前記制御装置１３により、試料８の探針２との接触位置
に対応してメモリ１９に記憶される。

【0027】以上のようにして、試料８の試料面Ｓ₁に関す
る位置と摩擦力データからなる摩擦力情報が得られる
と、前記制御装置１３は、前記移動軸５がＹ方向に移動
するように前記カンチレバホルダ駆動手段７を制御す
る。この制御により、移動軸５はＹ方向に移動し、ま
た、移動軸５に固定されている前記カンチレバホルダ１
と、カンチレバホルダ１に固定されている前記カンチレ
バ３とカッター４も同様にＹ方向に移動する。

【0028】上述したように、カッター４の割断部４ａの高
さ（Ｚ位置）は、前記探針２の先端の高さよりΔｄだけ
低く、また、現在試料面Ｓ₁の高さは、カッター４の割
断部４ａの高さより前記Δｄだけ高いので、カッター４
がＹ方向に移動すると、試料８は厚さΔｄだけ削り取ら
れる。その結果、試料上には新しい試料面Ｓ₂が現れ
る。

【0029】このようにして試料の割断が行われたら、前記
制御装置１３は、前記カンチレバホルダ１が元の観察位
置（図１の位置）に戻るように、前記カンチレバホルダ
駆動手段７を制御する。そして、カンチレバホルダ１が
観察位置に戻ると、上述した動作と同じ動作により、前
記試料面Ｓ₂が探針２に接触される。そして、試料８
が、前記試料面Ｓ₁の観察時と同じように移動され、こ
の試料移動期間中、カンチレバと試料間に働く摩擦力が
検出され、前記メモリ１９には、前記Ｘ、−Ｘ方向への
試料移動期間における摩擦力データが記憶される。この
とき、前記ＡＤ変換器１８の出力は、前記制御装置１３
により、試料８の探針２との接触位置に対応してメモリ
１９に記憶される。

【0030】以上のようにして、試料８の試料面Ｓ₂に関す
る位置と摩擦力データが得られると、以下、同様にし
て、試料面Ｓ₃、Ｓ₄、…Ｓ_nに関する位置と摩擦力デー
タが得られる。

【0031】このようにして、試料８の試料面Ｓ₁、Ｓ₂、
…、Ｓ_nに関する位置と摩擦力データが得られると、前
記画像処理回路２０は、前記メモリ１９に記憶された試
料面Ｓ₁、Ｓ₂、…、Ｓ_nに関する位置と摩擦力データを
順次読み出す。そして、画像処理回路２０は、順に読み
出した摩擦力データを基準値Ｆ₀と比較して２値化摩擦
力データを作成する。画像処理回路２０は、例えば、基
準値Ｆ₀より大きい摩擦力データを２値化摩擦力デー
タ”１”とし、また、基準値Ｆ₀より小さい摩擦力デー
タを２値化摩擦力データ”０”とする。

【0032】図６は、各試料面Ｓ₁〜Ｓ_nの２値化摩擦力デー
タに基づく画像を示したものである。図６に示す試料面
Ｓ₁〜Ｓ_nの画像において、Ａ₁〜Ａ_nが前記２値化摩擦力
データ”１”に対応する部分、すなわち、カンチレバと
試料間に働く摩擦力が基準値より大きい部分である。一
方、Ｂ₁〜Ｂ_nが前記２値化摩擦力データ”０”に対応す
る部分、すなわち、カンチレバと試料間に働く摩擦力が
その基準値より小さい部分である。

【0033】さて、試料面Ｓ₁〜Ｓ_nの２値化摩擦力データが
得られると、前記画像処理回路２０は、”１”または”
０”で表わされた各試料面の２値化摩擦力データから”
１”で表わされた２値化摩擦力データ、すなわち、Ａ₁
〜Ａ_nに関する２値化摩擦力データを抽出する。そし
て、画像処理回路２０は、抽出した２値化摩擦力データ
から、前記部分Ａ₁〜Ａ_nの３次元画像データを構築す
る。

【0034】図７は、部分Ａ₁〜Ａ_nの３次元画像データに基
づく画像を示したものである。この画像は、試料の深さ
方向における、カンチレバと試料間に働く摩擦力がある
値より大きい部分の像を示しており、この画像から試料
の摩擦に関する内部情報を知ることができる。

【0035】前記部分Ａ₁〜Ａ_nの３次元画像データは、前記
摩擦力像表示手段２１に送られ、摩擦力像表示手段２１
の画面上には前記図７に示した画像が表示される。

【0036】以上、図１の装置の動作について説明したが、
図１の装置によれば、試料の摩擦に関する内部情報を得
ることができる。

【0037】また、本発明は上述した例に限定されるもので
はなく、種々の変形が考えられる。

【0038】例えば、前記画像処理回路２０の構成を、摩擦
力データを２値化するのではなく、摩擦力データを摩擦
力に対応した輝度を表す画像データに変換して出力する
ようにしても良い。このような出力により、前記摩擦力
像表示手段２１の画面上には、図８に示すように試料面
Ｓ₁〜Ｓ_n毎に多値化された像が表示される。さらに、前
記画像処理回路２０の構成を、オペレータがその表示さ
れた試料面Ｓ₁〜Ｓ_nの像中から特定の領域をマウス等で
指定すると、そのマウス等で指定された領域の３次元画
像を作成するようにしても良い。

【0039】このように画像処理回路を構成すれば、例え
ば、図８に示した試料面Ｓ₁〜Ｓ_nの像中から特定の領域
Ｃ₁〜Ｃ_nがマウス等で指定されると、表示装置の画面上
には、図９に示すような領域Ｃ₁〜Ｃ_nの３次元像が表示
される。この画像から試料の摩擦に関する内部情報を知
ることができる。

【0040】また、上記例では、試料表面はナイフエッジ等
で割断されるが、これに限定されるものではなく、イオ
ンエッチング等により試料表面をエッチングするように
しても良い。

【0041】また、試料表面を割断して３次元像を得るので
はなく、蒸着の度に試料像を得、その得られた２次元像
を画像処理して３次元像を表示するようにしても良い。

【0042】また、本発明は、摩擦力顕微鏡に限定されるも
のではなく、試料表面の粘性や弾性を測定する顕微鏡
や、試料表面の電位を測定する顕微鏡や、試料表面の磁
気特性を測定する磁気力顕微鏡等の走査形プローブ顕微
鏡にも適用可能である。

【図面の簡単な説明】

【図1】本発明の走査形プローブ顕微鏡の一例として
示した、摩擦力顕微鏡を示した図である。

【図2】図１のカンチレバ１を詳しく説明するために
示した図である。

【図3】試料ホルダを、スキャナに取り付けた直後の
状態を示した図である。

【図4】試料が探針に接触した時の、レーザ光がレー
ザ検出器の検出面に入射する位置を説明するために示し
た図である。

【図5】試料が探針に接触した状態で試料を移動させ
た時の、レーザ光がレーザ検出器の検出面に入射する位
置を説明するために示した図である。

【図6】各試料面Ｓ1〜Ｓnの２値化摩擦力データに基
づく画像を示したものである。

【図7】部分Ａ1〜Ａnの３次元画像データに基づく画
像を示したものである。

【図8】各試料面Ｓ1〜Ｓnの摩擦力データに基づく画
像を示したものである。

【図9】図８における像Ｃ1〜Ｃnの３次元像を示した
ものである。

【符号の説明】

１…カンチレバホルダ、１ａ…カンチレバ保持部、１ｂ
…カッター保持部、２…探針、３…カンチレバ、４…カ
ッター、４ａ…割断部、５…移動軸、６…試料室壁、７
…カンチレバホルダ駆動手段、８…試料、９…試料ホル
ダ、１０…スキャナ、１０ａ…ＸＹ移動機構、１０ｂ…
Ｚ移動機構、１１…ＸＹ移動機構駆動手段、１２…Ｚ移
動機構駆動手段、１３…制御装置、１４…レーザ発生
器、１５…レンズ、１６…レーザ検出器、１７…演算増
幅器、１８…ＡＤ変換器、１９…メモリ、２０…画像処
理回路、２１…摩擦力像表示手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項1】試料に探針を対向させた状態で試料また
は探針を２次元的に走査し、探針の変位を検出して試料
の２次元画像を得るようにした走査形プローブ顕微鏡に
おいて、試料を割断する割断手段と、試料の割断の度に
得られた試料の２次元画像データを記憶する記憶手段
と、該記憶手段に記憶された２次元画像データに基づい
て試料の３次元画像データを作成する画像処理手段を備
えたことを特徴とする走査形プローブ顕微鏡。
【請求項2】前記画像処理手段は、それぞれの２次元
画像データについて特定の画像データを抽出し、抽出し
た画像データに基づいて試料の３次元画像データを作成
するように構成されていることを特徴とする請求項１記
載の走査形プローブ顕微鏡。