(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料とセンサ系とを相対的に水平方向に走査するスキャナと、
該スキャナを駆動するスキャナ駆動手段と、
前記スキャナの走査面に対して鉛直方向へ試料とセンサ系間の距離を変化させる鉛直方向移動手段と、
前記センサ系の出力又は前記鉛直方向移動手段の移動量を、スキャナの水平方向の移動量に対応させて、サンプリング値としてサンプリングするサンプリング手段と、
該サンプリング手段のサンプリング値を記憶する記憶手段と、
該記憶手段に記憶されているサンプリング値を表示する表示手段とを有する走査型プローブ顕微鏡において、
前記表示手段上において測定点を指示する測定指示手段と、
前記スキャナ駆動手段を、前記試料の測定所望部分を含む第１領域を前記スキャナが走査するように制御し、前記第１領域を前記表示手段に表示させ、前記表示手段に表示された前記第１領域より小さい測定所望の第２領域を前記測定指示手段で指示し、指示された第２領域を走査するように制御する制御手段と、
前記第１領域と前記第２領域を前記サンプリング手段によりサンプリングするサンプリング値の総量を同等量に設定する設定手段とを備えていることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記制御手段により、前記測定所望の第２領域をベクタスキャン走査するように制御す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】
試料とセンサ系とを相対的に水平方向に走査するスキャナと、
該スキャナを駆動するスキャナ駆動手段と、
前記スキャナの走査面に対して鉛直方向へ試料とセンサ系間の距離を変化させる鉛直方向移動手段と、
前記センサ系の出力又は前記鉛直方向移動手段の移動量を、スキャナの水平方向の移動量に対応させて、サンプリング値としてサンプリングするサンプリング手段と、
該サンプリング手段のサンプリング値を記憶する記憶手段と、
該記憶手段に記憶されているサンプリング値を表示する表示手段とを有する走査型プローブ顕微鏡において、
前記表示手段上において測定点を指示する測定指示手段と、
前記スキャナ駆動手段を、前記試料の測定所望部分を含む領域を前記スキャナが走査するように制御し、前記領域を前記表示手段に表示させ、前記表示手段に表示された前記領域内の所望の測定点を前記測定指示手段で指示し、指示された測定点間のライン上をベクタスキャン走査するように制御する制御手段と、
前記領域と前記ライン上を走査する制御において前記サンプリング手段によりサンプリングされるサンプリング値の総量を同等量に設定する設定手段とを備えていることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
請求項３に記載の走査型プローブ顕微鏡であって、複数のラインをサンプリングすることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
前記スキャナの水平方向の移動量を測長する水平方向レーザ干渉測長機と、
該レーザ干渉測長機で得られた測長値に基づいて前記サンプリング手段を駆動するサンプリングパルスを生成する手段とを備えていることを特徴とする請求項１，３，４のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】
前記鉛直方向移動手段の移動量を測長し、該測長値をサンプリング手段へ入力する鉛直方向レーザ干渉測長機を備えていることを特徴とする請求項１，３ないし５のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】
前記サンプリング手段によりサンプリングされるサンプリング画素数を設定する設定手段を備え、
前記設定手段は、前記第１領域と前記第２領域において前記サンプリング手段によりサンプリングされるサンプリング画素数の総量を同等量に設定す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８】
前記サンプリング手段によりサンプリングされるサンプリング画素数を設定する設定手段を備え、
前記設定手段は、前記領域と前記ライン上において前記サンプリング手段によりサンプリングされるサンプリング画素数の総量を同等量に設定することを特徴とする請求項３記載の走査型プローブ顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、高分解能で高精度の測定が可能な走査型プローブ顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、走査型トンネル顕微鏡や原子間力顕微鏡などのように、ナノメートルオーダの高い縦横方向の分解能を有する走査型プローブ顕微鏡（以下、ＳＰＭと略称する）が知られている。そして、この高い分解能を実現するために、駆動分解能が高い圧電体を用いた圧電スキャナステージが広く使われている。図５に、ＸＹＺ方向に電極を有する円筒型圧電体（以下、チューブスキャナと称する）を用いた従来のＳＰＭの構成例を示す。図５において、１はチューブスキャナで、該チューブスキャナ１上にはステージ２が固定されており、ステージ２の上に試料３が載置されている。試料３にはカンチレバー４が近づけて配設され、試料３とカンチレバー４の間に働く相互作用によってカンチレバー４が変位し、その変位によりカンチレバー変位センサ５の出力が変化するように構成されている。なお、この構成例では、カンチレバー４とカンチレバー変位センサ５とでセンサ系を構成している。そして、カンチレバー変位センサ５の出力はＺスキャンドライバ６に入力され、該Ｚスキャンドライバ６からのＺ駆動信号によりチューブスキャナ１の印加電圧が変えられ、該スキャナ１をＺ方向に駆動する。すなわち、カンチレバー４の変位が常に一定になるようにステージ２をＺ方向に移動するフィードバック制御を行うようになっている。
【０００３】
一方、スキャンコントローラ７は、ＳＰＭ画像を得るためのＸＹトリガ信号をＸＹスキャンドライバ８に出力する。ＸＹスキャンドライバ８はＸ及びＹ駆動信号を出力し、チューブスキャナ１の印加電圧を変えてＸＹ走査を行わせる。なお、このＸＹ走査は、図６に示されるような一般的にラスタスキャンといわれる走査である。前記ＸＹトリガ信号はサンプリング部９にも入力され、Ｚ駆動信号、つまりＺ変位信号をサンプリングするトリガ信号となる。サンプリング部９でサンプリングされたＺ変位信号は画像メモリ１０に保存され、画像メモリ１０の内容がＣＲＴ１１に表示されてＳＰＭ画像が得られる。このＳＰＭ画像をもとに試料の３次元形状測定が行われる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図７に示されるようなベクタスキャン（ラスタスキャン方向と角度θずれるスキャン方向）の正確なＳＰＭ画像情報（例えば、画像に表示される山や溝などの大きさ、起伏など）を得るためには、ＳＰＭ画像の分解能を向上させる必要がある。したがって、従来の構成のＳＰＭにより得られるＳＰＭ画像においては、画像メモリの規模により表示分解能が決まることを考慮すれば、分解能を高くするには画像メモリを大規模にしなければならず、一方、画像メモリの容量不足による分解能のまま測定すると、画像メモリに起因するＳＰＭ画像の量子化誤差が大きくなるという問題点がある。
【０００５】
また、ＳＰＭ画像を取り込むための方法はラスタースキャンであって、試料画像を１ラインづつ取り込む方法であり、ベクタスキャン方向のＳＰＭ画像情報は画素ずれを含むものであることが考えられ、測定誤差につながるという問題点もある。
【０００６】
本発明は、従来のＳＰＭにおける上記問題点を解消するためになされたもので、画像メモリの規模を変えずに、高分解能で高精度に測定できるＳＰＭを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段及び作用】
上記問題点を解決するため、請求項１に係る発明は、試料とセンサ系とを相対的に水平方向に走査するスキャナと、該スキャナを駆動するスキャナ駆動手段と、前記スキャナの走査面に対して鉛直方向へ試料とセンサ系間の距離を変化させる鉛直方向移動手段と、前記センサ系の出力又は前記鉛直方向移動手段の移動量を、スキャナの水平方向の移動量に対応させて、サンプリング値としてサンプリングするサンプリング手段と、該サンプリング手段のサンプリング値を記憶する記憶手段と、該記憶手段に記憶されているサンプリング値を表示する表示手段とを有する走査型プローブ顕微鏡において、前記表示手段上において測定点を指示する測定指示手段と、前記スキャナ駆動手段を、前記試料の測定所望部分を含む第１領域を前記スキャナが走査するように制御し、前記第１領域を前記表示手段に表示させ、前記表示手段に表示された前記第１領域より小さい測定所望の第２領域を前記測定指示手段で指示し、指示された第２領域を走査するように制御する制御手段と、前記第１領域と前記第２領域を前記サンプリング手段によりサンプリングするサンプリング値の総量を同等量に設定する設定手段とを備えていることを特徴とするものである。
また請求項３に係る発明は、試料とセンサ系とを相対的に水平方向に走査するスキャナと、該スキャナを駆動するスキャナ駆動手段と、前記スキャナの走査面に対して鉛直方向へ試料とセンサ系間の距離を変化させる鉛直方向移動手段と、前記センサ系の出力又は前記鉛直方向移動手段の移動量を、スキャナの水平方向の移動量に対応させて、サンプリング値としてサンプリングするサンプリング手段と、該サンプリング手段のサンプリング値を記憶する記憶手段と、該記憶手段に記憶されているサンプリング値を表示する表示手段とを有する走査型プローブ顕微鏡において、前記表示手段上において測定点を指示する測定指示手段と、前記スキャナ駆動手段を、前記試料の測定所望部分を含む領域を前記スキャナが走査するように制御し、前記領域を前記表示手段に表示させ、前記表示手段に表示された前記領域内の所望の測定点を前記測定指示手段で指示し、指示された測定点間のライン上をベクタスキャン走査するように制御する制御手段と、前記領域と前記ライン上を走査する制御において前記サンプリング手段によりサンプリングされるサンプリング値の総量を同等量に設定する設定手段とを備えていることを特徴とするものである。
【０００８】
このように構成した請求項１又は３に係るＳＰＭにおいては、測定所望部分を含む第１領域と該第１領域より小さい第２領域をサンプリング手段によりサンプリングするサンプリング値の総量を同等量に設定するか、あるいは測定所望部分を含む領域と該領域内の所望の測定点間のライン上を走査する制御においてサンプリング手段によりサンプリングされるサンプリング値の総量を同等量に設定するようにしているので、記憶手段の全領域を用いて測定所望の第２領域あるいは所望測定点間のライン上のみのサンプリング情報を記憶させて表示手段に表示させることができ、記憶手段の規模を増大せずに、試料の所望部分を高分解能で、高精度に測定することが可能となる。また、請求項３に係るＳＰＭにおいては、表示手段上で測定点を指示して指示された測定点間のライン上をスキャナでベクタスキャンすることができるので、ラスタスキャンの場合に生じるライン毎の画素ずれの発生を防止することができる。
【０００９】
【実施例】
次に実施例について説明する。図１は、本発明に係るＳＰＭの第１実施例を示す概略構成図で、図５に示した従来例と同一の構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。この実施例の図５に示した従来例と異なる点は、測定点指示部１２を設けている点である。この測定点指示部１２は、従来と同様にしてＳＰＭ画像が得られたＣＲＴ１１ａ上において、図２に示すように実際に測長したい部分を横切るように、２点Ａ，Ｂを指示し、そして、ＣＲＴ１１ａより、指示した２点Ａ，Ｂの座標を受け取り、その座標間をベクタスキャンするようにスキャンコントローラ７ａに指示するものである。
【００１０】
このような構成の測定点指示部１２を設けることにより、従来と同様な手法で２点Ａ，Ｂ間のみをスキャンすることが可能となり、サンプリング部９でサンプリングされたＺ変位信号は画像メモリ１０に保存され、画像メモリ１０の内容がＣＲＴ１１ａに、例えば図３に示すように表示される。なお図３において、Ｌは図２に示した全体画像の斜線部分の長さを示している。
【００１１】この場合、画像メモリ１０はＡＢ間１ライン分のサンプリングのみに使用できるので、図３の横軸ＡＢ間の画素数は画像メモリ１０の容量内で任意に設定できる。したがって、画像メモリの容量を大きくすることなく、所望測定領域をより高分解能でサンプリングでき、量子化誤差を小さくすることができる。また、所望測定部分をベクタスキャンしているので、ラスタスキャンで問題となる画素ずれによる測定誤差を取り除くことができる。なお、本実施例では、１ラインのみのサンプリングの場合について説明したが、画像メモリ１０の容量内での任意の設定により、続けていくつものラインをサンプリングすることもできる。
【００１２】
ところで、上記第１実施例においては、スキャンコントローラ７ａより出力されるＸ，Ｙトリガに基づいてサンプリング部９でサンプリングを行うようにしており、チューブスキャナ１がＸ，Ｙトリガに対応して実際に動いているものとして、サンプリング部９へＸ，Ｙトリガを与えているものなので、実際にはチューブスキャナ１がＸ，Ｙトリガに対応して正確には動かず、サンプリング部９から得られた画像信号には歪み等が入って来るおそれがある。
【００１３】
次に述べる第２実施例は、このような問題点を解消するようにした実施例である。図４は、かかる第２実施例を示す概略構成図で、図１に示した第１実施例と同一構成部分には同一符号を付して示し、その説明を省略する。この実施例は、チューブスキャナ１の走査方向の実際の変位を、レーザ干渉測長機１３で測長し、該レーザ干渉測長機１３からの測長値を受けたパルス発生部１４が、サンプリング部９に対してサンプリングパルスを発生するように構成するものである。レーザ干渉測長系は、上記レーザ干渉測長機１３と、Ｘ干渉系１５と、Ｙ干渉系１６と、ミラー１７，１８と、ハーフミラー１９と、チューブスキャナ１の側面に設けられたＸミラー２０及びＹミラー２１とで構成されている。
【００１４】
そして、レーザ干渉測長機１３から出射されたレーザ光は、ハーフミラー１９で分岐され、その一方はミラー１７で直角に曲げられて、Ｘ干渉系１５を介してＸミラー２０に到達する。分岐された他方のレーザ光も、同様にミラー１８で直角に曲げられて、Ｙ干渉系１６を介してＹミラー２１に到達し、Ｘ干渉系１５及びＹ干渉系１６の干渉信号により、レーザ干渉測長機１３はＸ，Ｙ方向の変位を測長する。そして、パルス生成部１４にＸ，Ｙの測長値を出力する。パルス生成部１４はＸ，Ｙの測長値により、Ｘ，Ｙのサンプリングパルスを生成して、サンプリング部９に出力する。
【００１５】
このように構成した場合、パルス生成部１４より出力されるＸ，Ｙのサンプリングパルスは、実際のＸ，Ｙ方向の変位を測長した測長値に基づいて生成されたものであり、したがって、第１実施例の場合より、正確なＳＰＭ画像が得られ、精度よく測定することができる。なお、パルス生成部１４は、スキャンを行うときのサンプリングパルスをサンプリングピッチ（図２における２点Ａ，Ｂの間を２５６  点，５１２  点など所望のサンプリング点数に応じて分割した値）に合わせて出力するが、このサンプリングピッチを設定するためのコントロール部は、パルス生成部１４に含まれるものである。
【００１６】
なお、上記第２実施例においては、レーザ干渉測長機から出射されたレーザ光を分岐して、Ｘ，Ｙ方向の測長を行うようにしたものを示したが、Ｘ，Ｙそれぞれの軸にレーザ干渉測長機を配置する構成としてもよい。また、チューブスキャナはステージ側ではなく、カンチレバーとカンチレバー変位センサからなるセンサ系側に配置する構成としてもよい。
【００１７】
次に、第３実施例について説明する。この実施例は、図示は省略するが、第２実施例においてＸ，Ｙ走査方向の実際の変位をレーザ干渉測長機で測長していたのと同様に、鉛直方向（Ｚ方向）の変位もレーザ干渉測長機で測長するように構成するものである。このように構成することにより、第１及び第２実施例に示したものより正確なＳＰＭ画像が得られ、精度よく測定することができる。
【００１８】
【発明の効果】
以上、実施例に基づいて説明したように、本発明によれば、画像メモリの規模を大きくすることなく、正確なＳＰＭ画像を得ることができ、高分解能で高精度の測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るＳＰＭの第１実施例を示す概略構成図である。
【図２】ＳＰＭ画像において、所望の測長部分を示す図である。
【図３】所望測長部分の測定結果を示す図である。
【図４】本発明の第２実施例を示す概略構成図である。
【図５】従来のＳＰＭの構成例を示す概略構成図である。
【図６】ラスタスキャンの走査態様を示す図である。
【図７】ベクタスキャンの走査態様を示す図である。
【符号の説明】
１  チューブスキャナ
２  ステージ
３  試料
４  カンチレバー
５  カンチレバー変位センサ
６  Ｚスキャンドライバ
７，７ａ  スキャンコントローラ
８  ＸＹスキャンドライバ
９  サンプリング部
１０  画像メモリ
１１，１１ａ  ＣＲＴ
１２  測定点指示部
１３  レーザ干渉測長機
１４  パルス生成部
１５  Ｘ干渉系
１６  Ｙ干渉系
１７，１８  ミラー
１９  ハーフミラー
２０  Ｘミラー
２１  Ｙミラー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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