(57)【要約】【課題】  特に、試料表面を従来に比べて高精度に測定できる試料表面の測定方法及び測定装置を提供することを目的としている。【解決手段】  登録部３４に、試料表面を平坦面とみなす走査範囲を入力する。次に、記憶部３１から前記登録部３４に登録された走査範囲の実測データを引き出し、近似算出部３２では、この引き出された前記実測データから走査位置（ｘ）を変数とした二次関数成分（ｙ＝ａｘ２＋ｂｘ＋ｃ）の近似式を演算する。続いて、データ補正部３３で、全走査範囲の前記実測データから、各走査位置（ｘ）にて前記近似式により求めたデータ量（補正量）を差し引き、差し引いたデータを、補正された試料表面データとする。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
走査部材を試料表面に走査させ、走査に伴う前記走査部材の高さ方向への変位量を変位検出部にて測定し、前記変位検出部からの測定値に基づき、前記走査部材と前記試料表面との高さ方向への位置関係が一定となるように、前記走査部材の前記試料表面に対する高さ位置をピエゾ素子により調整し、走査範囲とピエゾ素子への印加電圧との関係に基づいて得られた実測データを、以下の工程により処理する試料表面の測定方法であって、
（ａ）  前記試料表面のうち予め平坦面とみなす走査範囲を登録する工程、
（ｂ）  前記（ａ）工程にて登録された走査範囲の前記実測データから、走査位置を変数とした二次関数成分の近似式を求める工程、
（ｃ）  全走査範囲の前記実測データから各走査位置にて前記近似式より求めたデータ量を差し引き、差し引いたデータを補正した試料表面データとする工程、
を有することを特徴とする試料表面の測定方法。
【請求項２】
前記試料は、スライダと、前記スライダの一端部に設けられる記録用および再生用の薄膜磁気ヘッドと、ディスク対向面を除いて前記薄膜磁気ヘッドの周囲を囲む絶縁性の保護層とを有する磁気ヘッドスライダであり、前記スライダのディスク対向面を平坦面とみなして、前記磁気ヘッドスライダのディスク対向面の形状を測定する請求項１記載の試料表面の測定方法。
【請求項３】
試料を載置するための載置台と、試料表面を走査する走査部材と、走査に伴う前記走査部材の変位量を測定する変位検出部と、前記変位検出部からの測定値に基づき、前記走査部材と前記試料表面との高さ方向への位置関係が一定となるように、前記走査部材の前記試料表面に対する高さ位置を調整するためのピエゾ素子と、走査範囲とピエゾ素子への印加電圧との関係に基づいて得られた実測データを処理するための制御部と、を有し、
前記制御部には、前記試料表面のうち予め平坦面とみなす走査範囲を登録するための登録部と、
登録された走査範囲の前記実測データから、走査位置を変数とした二次関数成分の近似式を求めるための近似式算出部と、
全走査範囲の前記実測データから各走査位置にて前記近似式より求めたデータ量を差し引き、差し引いたデータを補正した試料表面データとするデータ補正部と、を備えることを特徴とする試料表面の測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に、試料表面を従来に比べて高精度に測定できる試料表面の測定方法及び測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１及び特許文献２に記載されているように、試料表面の凹凸形状の測定を、走査プローブ顕微鏡にて行うことが出来る。走査プローブ顕微鏡には、カンチレバーの昇降のためにピエゾ素子（圧電素子）を使用している。
【０００３】
ところで試料を載せるための載置台を、Ｘ−Ｙ平面と平行な面に正確に（寸分の狂いも無く）設置できればよいが、実際には、前記載置台は、Ｘ−Ｙ平面と平行な面（水平面）から高さ方向（図示Ｚ方向）に、例えば、最も高い場所と最も低い場所の高さ方向への差が数μｍ程度、微小に傾く。あるいは載置台がたとえ正確にＸ−Ｙ平面に位置決めされても、試料表面の平坦面が微小に傾いている場合もある。
【０００４】
前記ピエゾ素子は、印加電圧に対して１ｎｍ程度の微細変形が可能である。このとき、前記ピエゾ素子には、ヒステリシスがあるため、走査方向と、前記ピエゾ素子に印加する電圧変化との関係を見ると、試料表面が平坦な部分での前記電圧変化は、走査方向に対して湾曲した状態で現れる。
【０００５】
特許文献１及び特許文献２に記載された発明では、予め前記ピエゾ素子のヒステリシス特性を測定しておき、それによって得られた補正値を用いて、実際に試料表面を走査した際に得られた実測データを補正する方法が取られている。
【特許文献１】特開平７−８３６５０号公報
【特許文献２】特開平８−２５４５４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、例えば使用環境温度の変化によって前記ピエゾ素子のヒステリシス特性は変動するために、ピエゾ素子のヒステリシス特性を予め測定しておき、それを固定の補正値として使用する方法では、使用環境温度の変化等に適切に対処できず、正確に試料表面を測定することが出来なかった。
【０００７】
そこで本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、特に、試料表面を従来に比べて高精度に測定できる試料表面の測定方法及び測定装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、走査部材を試料表面に走査させ、走査に伴う前記走査部材の変位量を変位検出部にて測定し、前記変位検出部からの測定値に基づき、前記走査部材と前記試料表面との高さ方向への位置関係が一定となるように、前記走査部材の前記試料表面に対する高さ位置をピエゾ素子により調整し、走査範囲とピエゾ素子への印加電圧との関係に基づいて得られた実測データを、以下の工程により処理する試料表面の測定方法であって、
（ａ）  前記試料表面のうち予め平坦面とみなす走査範囲を登録する工程、
（ｂ）  前記（ａ）工程にて登録された走査範囲の前記実測データから、走査位置を変数とした二次関数成分の近似式を求める工程、
（ｃ）  全走査範囲の前記実測データから各走査位置にて前記近似式より求めたデータ量を差し引き、差し引いたデータを補正した試料表面データとする工程、
を有することを特徴とするものである。
【０００９】
前記実測データは、試料表面が平坦面とみなせる部分で、走査方向に対して湾曲した状態で現れる。本発明では、この平坦面とみなせる部分での湾曲する実測データをほぼフラットな状態になるように補正する。
【００１０】
本発明では、ピエゾ素子のヒステリシス特性を従来のように予め測定しておき、それを固定の補正値として使用するのでなく、実際に測定した実測データに対して上記（ａ）〜（ｃ）工程を施すことで、測定時の前記ピエゾ素子のヒステリシス特性と、例えば載置台の傾きによる試料表面の傾きも一緒に補正対象にでき、従来に比べて、高精度に且つ簡単な方法で、試料表面を測定することができる。
【００１１】
本発明では、前記試料は、スライダと、前記スライダの一端部に設けられる記録用および再生用の薄膜磁気ヘッドと、ディスク対向面を除いて前記薄膜磁気ヘッドの周囲を囲む絶縁性の保護層とを有する磁気ヘッドスライダであり、前記スライダのディスク対向面を平坦面とみなして、前記磁気ヘッドスライダのディスク対向面の形状を測定することが好ましい。前記ディスク対向面の領域の大部分に前記スライダ表面が現れるため、本発明の測定方法をより効果的に使用することが出来る。
【００１２】
本発明における試料表面の測定装置は、
試料を載置するための載置台と、試料表面を走査する走査部材と、走査に伴う前記走査部材の変位量を測定する変位検出部と、前記変位検出部からの測定値に基づき、前記走査部材と前記試料表面との高さ方向への位置関係が一定となるように、前記走査部材の前記試料表面に対する高さ位置を調整するためのピエゾ素子と、走査範囲とピエゾ素子への印加電圧との関係に基づいて得られた実測データを処理するための制御部と、を有し、
前記制御部には、前記試料表面のうち予め平坦面とみなす走査範囲を登録するための登録部と、
登録された走査範囲の前記実測データから、走査位置を変数とした二次関数成分の近似式を求めるための近似式算出部と、
全走査範囲の前記実測データから各走査位置にて前記近似式より求めたデータ量を差し引き、差し引いたデータを補正した試料表面データとするデータ補正部と、を備えることを特徴とするものである。
【００１３】
本発明の試料表面の測定装置を用いれば、従来に比べて、高精度に且つ簡単に、試料表面を測定することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明では、従来に比べて、高精度に且つ簡単な方法で、試料表面を測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は、本実施形態の測定装置の概念図、図２は、本実施形態の測定の原理を説明するための概念図、図３は、本実施形態の測定装置のブロック図、図４は、補正前の、走行方向とピエゾ素子に印加した電圧変化との関係に基づいて得られた実測データ、及び、磁気ヘッドスライダのディスク対向面を示す平面図、図５は、図４の実測データを補正してなる試料表面データ、及び、磁気ヘッドスライダのディスク対向面を示す平面図、である。
【００１６】
図１に示す測定装置１には、操作型プローブ顕微鏡が装備されており、前記操作型プローブ顕微鏡は、例えば、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）２である。
【００１７】
前記走査型プローブ顕微鏡２には、試料３を載せるための載置台４、カンチレバー（走査部材）５、前記カンチレバー５を試料表面に走査させた際に生じる前記カンチレバー５の高さ方向への変位量を測定するための変位検出部６、及び、前記カンチレバー５の高さ位置を調整するためのピエゾ素子７とを有して構成される。
【００１８】
図１に示すように前記カンチレバー５の先端部には、前記載置台４方向に向けて探針８が設けられている。前記カンチレバー５の後端部は、カンチレバー保持部９に接続されている。そして前記カンチレバー保持部９とピエゾ素子７とが連結部１０を介して接続されている。前記変位検出部６は、レーザ部１１と、光検出器１２とで構成される。前記光検出器１２は、例えば、２分割フォトディテクタ（ＰＤ）である。
【００１９】
図１に示す走査型プローブ顕微鏡２では、前記カンチレバー５が前記試料３の表面に接触し、又は表面による反発力を受けながら走査する。本実施形態の測定の原理について図２，図３も交えて説明する。
【００２０】
図２に示すように、前記カンチレバー５の探針８が連続的に前記試料３の表面に接触し、又は表面による反発力を受けながら走査する。
【００２１】
図３に示すように、レーザ部１１は、制御部２０に設けられたＤＡボード２１とレーザ駆動部２２を介して接続され、前記レーザ部１１からは前記カンチレバー５の所定位置、例えば探針８のある位置付近にレーザ光が発せられる。
【００２２】
図１に示すように、前記レーザ光は、前記カンチレバー５で反射されて、前記光検出器１２に入射される。前記光検出器１２では前記カンチレバー５の傾きの大きさを測定し、図３に示すようにＰＤアンプ２３を介して制御部２０内のＡＤボード２４に入力される。
【００２３】
図２に示すように（１）の位置からカンチレバー５を図示右方向に走査させると、平坦面では、前記カンチレバー５の角度は一定であり、前記光検出器１２から制御部２０内に入力される前記カンチレバー５の角度信号も一定である。
【００２４】
図２に示す（２）の位置には、走査面の高さが高くなる段差があり、前記カンチレバー５が高さの高い走査面上に乗ると、前記カンチレバー５の傾きが小さくなる。この結果、前記光検出器１２から制御部２０内に入力される角度信号が変動する。
【００２５】
この結果を受けて、制御部２０では、ＤＡボード２１とピエゾアンプ２５を介して接続されるピエゾ素子７に印加させる電圧を変化させて、前記ピエゾ素子７を縮ませ、前記カンチレバー５をΔＺだけ上昇させて、図２の（３）に示すように、前記カンチレバー５の角度を再び（１）の状態のときと同じ角度になるように制御する。前記ピエゾ素子７をＺ軸方向に伸び縮させて、常に、前記カンチレバー５と試料表面との高さ方向への位置関係が一定になるようにフィードバックを行っている。前記ピエゾ素子７は印加電圧に対して１ｎｍ程度の微細変形が可能である。
【００２６】
図４の下図に示すように、例えば、試料３には、磁気ヘッドスライダ４０が用いられる。前記磁気ヘッドスライダ４０はアルミナチタンカーバイト（Ａｌ２Ｏ３−ＴｉＣ）で形成されるスライダ４１と、前記スライダ４１の一端部（トレーリング側端面；空気流出端）に設けられた再生及び記録用の薄膜磁気ヘッド４２と、ディスク対向面を除いて前記薄膜磁気ヘッド４２の周囲を囲む絶縁性の保護層４３とを有して構成される。
【００２７】
薄膜磁気ヘッド４２の再生用ヘッドは、磁性材料で形成されたシールド層４４，４５やＭＲ素子等で構成される。記録用ヘッドは、磁性材料で形成された磁極層４６，４７等で構成される。前記保護層４３は例えばＡｌ２Ｏ３で形成される。前記ディスク対向面には例えば薄いコーティング層が設けられている。
【００２８】
前記磁気ヘッドスライダ４０のディスク対向面にはラッピング処理が施される。このとき前記ディスク対向面に現れる材質の違いから前記ディスク対向面の薄膜磁気ヘッド近傍には凹凸段差が生じる。磁気ヘッドスライダ４０を使用した際に、薄膜磁気ヘッド４２とディスクとの間隔（スペーシング）を精度よく規制するため、前記薄膜磁気ヘッド４２のディスク対向面が、スライダ４１のディスク対向面からどの程度後退、又は突出した位置にあるのか、正確に知ることは重要なことである。
【００２９】
図４の上図は、図４の下図に示す一点鎖線Ａ上をカンチレバー５が走査した際の走査範囲と、前記ピエゾ素子７に印加される電圧変化に基づく実測データである。図４の上図の実測データの横軸（走査範囲）は、その下に図示されている磁気ヘッドスライダ４０の一点鎖線Ａ上の位置と紙面上下方向において一致している。なお図４では、縦軸を、前記ピエゾ素子７への印加電圧から長さ寸法（μｍ）に換算して示してある。よって図４の縦軸は、補正前の試料表面の高さ位置（相対位置）である。
【００３０】
図４の上図に示すように試料表面は細かく変動しているが、これは表面粗さ（Ｒａ）である。本実施形態では、スライダ４１の表面（ディスク対向面）を平坦面とみなしている。
【００３１】
図４の上図に示すようにデータ補正前では、平坦面とみなしたスライダ４１の表面は、凹状に湾曲した形状で現れる。また、凸状に湾曲した形状で現れる場合もある。
【００３２】
本実施形態では、以下の方法を用いて、図４に示す実測データを補正する。
図３に示すように、前記制御部２０は、記憶部３１、登録部３４、近似算出部３２、データ補正部３３、及び画像データ処理部３５を有する。
【００３３】
前記記憶部３１は、図４の上図に示す実測データ等を記憶する部分である。登録部３４は、平坦面とみなした走査範囲の情報（領域情報）を登録しておく部分である。前記近似算出部３２は、前記記憶部３１から前記登録部３４の情報を基に引き出された実測データから二次関数成分の近似式を求める部分である。前記データ補正部３３は、記憶部３１に記憶された全走査範囲の前記実測データから補正値を差し引く部分である。画像データ処理部３５は、ピエゾ素子７への印加電圧データを画像データとして処理する部分である。
【００３４】
まず、前記登録部３４に、平坦面とみなす走査範囲を入力する。例えば次のように行われる。スライダ４１の一端部に薄膜磁気ヘッド４２が設けられ、前記薄膜磁気ヘッド４２のディスク対向面を除く周囲を絶縁性の保護層４３で囲った形態では、図４の上図に示すように、走査範囲内に、ピエゾ素子７への印加電圧（表面高さ）が大きく落ち込む界面が２箇所存在することが予めわかっている。図６に示す界面１では、スライダ４１から薄膜磁気ヘッド４２に至る部分であり、界面２は、薄膜磁気ヘッド４２から保護層４３に至る部分である。
【００３５】
例えば、界面１を基準位置として、この位置から左側（走査開始側；スライダ側）へ所定距離離れた位置Ｂと位置Ｃ間の走査範囲（データ領域）を登録部３４に登録しておく。例えば前記登録部３４に登録するための実測データの走査範囲を、全走査範囲の半分以上、例えば７０％とする。
【００３６】
次に、前記登録部３４からの指示を受けて、前記記憶部３０に記憶された図４の実測データのうち、図４に示す位置Ｂと位置Ｃ間の走査範囲にある前記実測データが引き出され、近似算出部３２では、この引き出された前記実測データから走査位置（ｘ）を変数とした二次関数成分（ｙ＝ａｘ２＋ｂｘ＋ｃ）の近似式を演算する。実測データのｙ値は、表面粗さにより上下に細かく変動しているが、例えば、実測データのｙ値は、変動の中間値と規定して、前記二次成分関数を求める。最小二乗法で係数ａ，ｂ，ｃを算出することが好適である。
【００３７】
続いて、データ補正部３３で、全走査範囲の前記実測データから、各走査位置（ｘ）にて前記近似式により求めたデータ量（補正量）を差し引き、差し引いたデータを、補正された試料表面データとする。図５の上図は、補正された試料表面データである。図５の下図の磁気ヘッドスライダは図４の下図と同一である。図５の上図の試料表面データの横軸（走査範囲）は、その下に図示されている磁気ヘッドスライダ４０の一点鎖線Ａ上の位置と紙面上下方向において一致している。
【００３８】
図５の上図に示すように、補正された試料表面データは、平坦面とみなしたスライダ４１表面がほぼ平坦面として現れる。図５の上図に示すように補正された試料表面データは、上下に細かく変動しているが、これは上記したように試料表面の表面粗さ（Ｒａ）を示している。換言すれば表面粗さ成分はそのまま試料表面データに残される。
【００３９】
上記したように図４の上図の実測データを補正することで、測定時におけるピエゾ素子７のヒステリシス特性と、例えば載置台４の傾きによる試料表面の傾きも一緒に補正対象にでき、高精度に試料表面を測定することが可能である。しかも本実施形態では、平坦面とみなした箇所の実測データから二次関数の近似式を求め、各走査位置における前記近似式のデータ量（補正量）を前記実測データから差し引くという簡単な作業によって、使用環境変化等によるピエゾ素子のヒステリシス特性の変化にも適切に対応でき、よって従来より高精度に試料表面の測定を行える。本実施形態では試料表面の凹凸段差の高さ寸法のみならず、表面粗さや、段差部の形状（例えば角が丸まっているとか）等を正確に知ることができる。
【００４０】
図４及び図５で説明した補正処理は、個々の磁気ヘッドスライダ４０毎に行ってもよいし、あるいは複数個の磁気ヘッドスライダ４０の測定から得られた図４に示す実測データを平均化し、その平均化した実測データから二次関数成分を求めて、それを各磁気ヘッドスライダの実測データから差し引いてもよい。また、走査毎に補正処理をすることにより、その走査時の使用環境におけるヒステリシス特性に対応できる。
【００４１】
図４の実測データ、及び図５の補正された試料表面データは、共に、縦軸を試料表面の高さ位置として説明したが、これは画像データ処理部３５で、記憶部３０に記憶された実測データに対し、予め、ピエゾ素子の印加電圧変化を長さ単位に変換したことによるものであり、例えば、前記データ補正部３３にて、補正されたピエゾ素子７への印加電圧データを長さ単位に変換して画像処理化してもよい。
【００４２】
本実施形態の試料表面の測定方法は、図４及び図５に示す磁気ヘッドスライダに限定しないが、平坦面とみなせる部分が実測データの半分以上ある試料に好適に使用できる。
また走査型プローブ顕微鏡２以外の測定装置であっても本実施形態を適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本実施形態の測定装置の概念図、
【図２】本実施形態の測定の原理を説明するための概念図、
【図３】本実施形態の測定装置のブロック図、
【図４】補正前の、走行方向とピエゾ素子に印加した電圧変化との関係に基づいて得られた実測データ、及び、磁気ヘッドスライダのディスク対向面を示す平面図、
【図５】図４の実測データを補正してなる試料表面データ、及び、磁気ヘッドスライダのディスク対向面を示す平面図、
【符号の説明】
【００４４】
１  測定装置
２  走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）２
３  試料
４  載置台
５  カンチレバー
６  変位検出部
７  ピエゾ素子
８  探針
９  カンチレバー保持部
１１  レーザ部
１２  光検出器
２０  制御部
２１  ＤＡボード
２４  ＡＤボード
３１  記憶部
３２  近似算出部
３３  データ補正部
３４  登録部
３５  画像データ処理部
４０  磁気ヘッドスライダ
４１  スライダ
４２  薄膜磁気ヘッド
４３  保護層
【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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