(57)【要約】【課題】  数十ピコメートルの精度を備えつつ、大型の試料を測定することができる走査型プローブ顕微鏡を提供する。【解決手段】  探針をある一点に固定した状態にして測定ヘッドと試料との間の相対振動を検出し、その検出結果から相対振動の共振周波数を算出する。さらに、探針を試料表面と平行な方向に走査しながら試料表面の形状データを検出する。この形状データから算出した共振周波数を除去することで、高精度な表面形状測定が可能となる走査型プローブ顕微鏡。【選択図】  図１
2008185466.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
探針と、
前記探針を試料表面に平行な方向に走査する走査手段と、
前記探針を前記走査手段で走査しながら試料表面の形状データを検出する形状データ検出手段と、
を有する測定ヘッドを備えた走査型プローブ顕微鏡において、
前記探針で前記測定ヘッドと試料との間の相対振動を検出する相対振動検出手段と、
前記相対振動検出手段によって検出した相対振動の共振周波数を算出する共振周波数算出手段と、
前記形状データ検出手段によって検出した形状データから前記共振周波数算出手段によって算出した共振周波数を除去する共振周波数除去手段と、を有し、
前記相対振動検出手段は前記探針を試料表面に平行な方向に対して固定した状態で行うことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
試料を搭載する試料搭載部と、
前記試料搭載部を支持しながら床と接して水平に保つための土台部と、を有し、
前記土台部は試料表面に平行な方向および垂直方向に加振する外乱入力機構を備えていることを特徴とする請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】
測定ヘッドに設けられた探針によって試料表面の形状データを検出する走査型プローブ顕微鏡の測定方法において、
前記探針を試料表面に平行な方向に対して固定した状態で前記探針を用いて前記測定ヘッドと試料との間の相対振動を検出する工程と、
前記相対振動を検出する工程によって検出した相対振動の共振周波数を算出する工程と、
前記探針を試料表面に平行な方向に走査しながら試料表面の形状データを検出する工程と、
前記形状データ検出する工程によって検出した形状データから前記共振周波数を算出する工程によって算出した共振周波数を除去する工程と、
を有することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の測定方法。
【請求項４】
前記測定ヘッドと試料との間の相対振動を検出している工程のときに、搭載された試料を床と水平に保つための土台部を試料表面に平行な方向および垂直方向に加振することを特徴とする請求項３に記載の走査型プローブ顕微鏡の測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料の表面形状を測定することができる走査型プローブ顕微鏡に関して、特に数十ピコメートルの精度を備えつつ、大型の試料の表面形状を測定することができる走査型プローブ顕微鏡及びその測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
走査型プローブ顕微鏡で試料の表面形状を測定する際、ノイズ成分が測定精度を低下させる大きな原因である。ノイズ成分の一つに、探針と試料間の相対振動がある。
【０００３】
走査型プローブ顕微鏡の一例として、原子間力顕微鏡が挙げられるが、上の課題を解決するため、特開２００６−１０５９７９号公報（特許文献１）に開示されているように、カンチレバー変位計を利用した、低周波環境ノイズの低減方法がある。この方法について図５を参照しながら説明する。試料載台３８は試料５３を支持するように構成されている。カンチレバーマウント３９は、走査先端を有するカンチレバー６０の一端を支持するように構成されている。カンチレバー力検出器６３は、電圧減算器４４を介して電気カンチレバー力誤差信号４０を生成するように構成されている。カンチレバー・フィードバック・システムは、電子カンチレバー力誤差信号４０に応答する方式でカンチレバー６０を電気機械的に駆動するように、高域フィルタ３４と加振圧電素子５９とＺ軸圧電素子駆動回路７０と能動カンチレバー制御装置４３によって構成されている。試料載台フィードバック・システムは、電子カンチレバー力誤差信号４０に応答する方式で試料載台３８を電気機械的に変位するように、走査回路２８と増幅器３６とＸ軸圧電素子６２によって構成されている。カンチレバー・フィードバック・システムと試料載台フィードバック・システムとは、電子カンチレバー力誤差信号４０を並列に受け入れるように接続されている。スキャン方向の低周波な振動に対してカンチレバーがＸＹ方向に追従するため、ＸＹ方向の振動成分を除去し、低周波環境ノイズを低減することができる。なお、図５には他に、レーザー光源５６、レーザー５７、画像プロセッサ３５、ミラー３７が示されている。
【０００４】
また、特開平０５−０７９８１１号公報（特許文献２）に開示されているように、振動センサを利用した、試料と測定ヘッド間の相対振動の成分を除去する方法がある。この方法について図６を参照しながら説明する。走査型プローブ顕微鏡本体の任意点に配置された振動検出手段２７により外乱振動を検出する。検出された外乱振動が振動検出回路３１を通り、成形フィルタ回路３２を通ることにより、探針９０と試料８３の間の相対振動が推定される。推定された相対振動と、走査回路２８によって走査された探針９０によって得た試料８３の観察情報を信号処理回路２９によって演算し、観察情報から外乱振動の成分を除去する。装置上の振動データから、試料８３と測定ヘッドとの間の外乱振動を推定し、測定した形状データから、その外乱振動成分を除去することができる。なお、振動検出回路３１と成形フィルタ３２と信号処理回路２９によって構成された回路は、外乱振動除去部３３である。また、図６には他に、ベース部材８１、ステージ８２、コラム８４、除振パッド２６、制御および表示装置３０が示されている。
【特許文献１】特開２００６−１０５９７９号公報
【特許文献２】特開平０５−０７９８１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで試料のサイズが大きい場合、試料表面の形状データを測定する上で、相対振動のノイズが特に大きな障害となる。このとき装置構成を大型化する必要があるが、これにより試料と測定ヘッド間の構成によって決まる固有振動数が低下してしまう。すると、形状データを測定する際、測定する周波数帯域内に試料と測定ヘッド間の固有振動数が存在することとなり、形状データの中に振動成分を含んでしまう。これにより、数十ピコメートルの精度を達成することは不可能となる。このとき、測定する周波数帯域に入ってきた相対振動の周波数を正確に把握せずにフィルタで除去すると、必要以上に広い周波数帯域を除去してしまい、形状データに支障をきたしてしまう。一方、試料と測定ヘッド間の固有振動数よりも測定する周波数帯域を低く設定すれば、同じ範囲の測定にかかる時間が増加し、圧電素子のドリフトなど新たなノイズが測定データに重畳され、数十ピコメートルの精度を達成することは不可能となる。
【０００６】
試料のサイズが大きい場合、上記特許文献１では、試料を走査して形状データを取得するのと同時に振動を検出し補正しているため、制御系の発振と、形状データと、試料と測定ヘッドとの間の相対振動を各々正確に切り分けることができない。
【０００７】
また上記特許文献２では、別途に用意したセンサで装置の任意点の外乱振動を検出し、そのデータから試料と測定ヘッドとの間の共振周波数を計算によって推定するため、直接的に共振数周波数を測定できず、精度の向上は見込めない。
【０００８】
本発明の目的は、上記の問題を解決し、試料と測定ヘッドとの間に発生する相対振動の共振周波数を、ノイズとして埋もれさすことなく、できるだけ正確に求め、形状測定データから相対振動成分を除去することで、高精度な表面形状測定が可能な走査型プローブ顕微鏡の提供である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するための本発明に係る走査型プローブ顕微鏡は、探針と、前記探針を試料表面に平行な方向に走査する走査手段と、前記探針を前記走査手段で走査しながら試料表面の形状データを検出する形状データ検出手段と、を有する測定ヘッドを備えた走査型プローブ顕微鏡において、前記探針で前記測定ヘッドと試料との間の相対振動を検出する相対振動検出手段と、前記相対振動検出手段によって検出した相対振動の共振周波数を算出する共振周波数算出手段と、前記形状データ検出手段によって検出した形状データから前記共振周波数算出手段によって算出した共振周波数を除去する共振周波数除去手段と、を有し、前記相対振動検出手段は前記探針を試料表面に平行な方向に対して固定した状態で行うことを特徴とする。
【００１０】
また、上記目的を達成するための本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の測定方法は、測定ヘッドに設けられた探針によって試料表面の形状データを検出する走査型プローブ顕微鏡の測定方法において、前記探針を試料表面に平行な方向に対して固定した状態で前記測定ヘッドと試料との間の相対振動を検出する工程と、前記相対振動を検出する工程によって検出した相対振動の共振周波数を算出する工程と、前記探針を試料表面に平行な方向に走査しながら試料表面の形状データを検出する工程と、前記形状データ検出する工程によって検出した形状データから前記共振周波数を算出する工程によって算出した共振周波数を除去する工程と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
以上本発明の測定方法によれば、制御系の発振と試料表面の形状データに埋もれることなく試料と測定ヘッド間に発生する相対振動成分を直接的に検出し、形状データから除去することができるため、高精度な表面形状測定が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下本発明の第１の実施形態について説明する。ここでは、走査型プローブ顕微鏡のうち原子間力顕微鏡を取り上げた。
【００１３】
図１は、原子間力顕微鏡の模式図を表している。ベース部材１の上にステージ２が配置されている。また、ステージ２の可動部の上に試料３が配置されている。また、測定ヘッド５はベース部材１から伸びたコラム部材４によって支持されている。ここでステージ２は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ａ軸、Ｃ軸、Ｚ軸の各方向に移動可能である。例えば、ベース部材１からＸ軸駆動機構、Ｙ軸駆動機構、Ａ軸駆動機構、Ｃ軸駆動機構の順に積み上げられており、また粗Ｚ軸駆動機構は、その一方の側はコラム部材４に固定され、他方の側の可動部によって測定ヘッド５をＺ軸方向に上下させる構成を取る。
【００１４】
測定ヘッド５には、内部にカンチレバー変位検出手段が備わっている。カンチレバー変位検出手段は、試料表面の形状データを検出するのに使用されるとともに、試料３と測定ヘッド５との間の相対振動の検出に使用される。
【００１５】
カンチレバー変位検出手段は、試料３の表面との原子間力の変化を検出する探針を備えたカンチレバー１０と、カンチレバー１０の背面にレーザー７を照射するレーザー光源６と、カンチレバー１０の背面から反射されたレーザー７の位置を検出する受光器１３で構成されている。
【００１６】
測定ヘッド５には、カンチレバー１０を試料表面に平行な方向に走査するための走査手段として、ＸＹスキャナステージ８が固定されている。ＸＹスキャナステージ８は、Ｘ軸方向に動作可能とするＸ軸圧電素子１２と、Ｙ軸方向に動作可能とするＹ軸圧電素子（不図示）によって動作する。またＸＹスキャナステージ８には、測定ヘッド５をＺ軸方向に動作可能とするＺ軸圧電素子１１の一方の側が固定されており、他方の側は可動部となっている。Ｚ軸圧電素子１１の可動部には、カンチレバー１０の共振周波数によってカンチレバー１０を振動させる加振圧電素子９の一方の側が固定されている。加振圧電素子９の他方の側は可動部となっており、そこにはカンチレバー１０が取り付けられている。カンチレバー１０と試料３の表面との原子間力変化を、カンチレバー１０が試料表面との垂直方向にたわむ変位量として検出する。カンチレバー１０のたわみ変位量を検出する際に、レーザー光源６から照射したレーザー７が、カンチレバー１０の背面で反射し、受光器１３でレーザー７の位置を検出することにより、たわみ変位量をより大きな変位量として検出することができる。
【００１７】
トラッキング制御装置１６は、受光器１３で検出されたカンチレバー変位の電流情報を電圧情報に変換するＩＶ変換器１７と、その電圧情報を特定の帯域に絞ってロックイン検出するロックインアンプ１８を有している。さらに、その電圧情報を一定に保つようにＺ軸圧電素子への指令を算出する振幅一定制御部１９と、Ｚ軸圧電素子駆動回路２０によって構成されている。
【００１８】
また、サンプリング・データ処理装置２１は以下のような構成である。まず、カンチレバー変位検出手段によって得られた試料３と測定ヘッド５との間の相対振動データから、共振周波数を算出する共振周波数算出部２２を有している。また、カンチレバー変位検出手段により表面形状データ取得後、表面形状データから相対振動の共振周波数成分を除去する共振周波数除去処理部２４を有している。そして、共振周波数処理部２４により補正された測定データを記憶しておくための処理後測定データ記憶部２５を有している。
【００１９】
全体制御装置１５は、トラッキング制御装置１６、サンプリング・データ処理装置２１およびステージ２の各駆動機構を制御することができる。
【００２０】
次に第１の実施形態における、測定データから装置の振動成分を除去する方法について、図２の測定フロー１を用いて説明する。
まず工程ａでは、試料３おける表面形状測定点まで、ステージ２を移動させる。
【００２１】
続いて、測定ヘッド５をＺ軸方向に下降させて試料３の表面にカンチレバー１０を接触させる工程ｂを行う。この工程ｂでは、カンチレバー１０が加振圧電素子９によって加振されているＡＣモードの場合は、ロックインアンプ１８から出力されるカンチレバー１０の振幅変化で試料３への接触の検出を行う。カンチレバー１０を加振圧電素子９によって加振させないＤＣモードの場合は、ＩＶ変換器１７から出力されるカンチレバー１０の変位に対応した電圧値の変化により、カンチレバーが試料３に接触したかの検出を行う。
【００２２】
次に、試料３と測定ヘッド５との間の相対振動を検出する工程ｃを行う。
【００２３】
まず、カンチレバーが試料に接触した後のカンチレバーで変位を検出する工程ｃ−１では、ＡＣモードの場合はロックインアンプ１８から出力されるカンチレバー１０の振幅変化を、ＤＣモードの場合はＩＶ変換器１７から出力されるカンチレバー１０の変位変化を数秒間測定し、時系列の変位データとして保存する。この際、ＸＹスキャンステージ８は動作させず定点で測定を行う。この測定の際には、Ｚ軸のトラッキングサーボは行わない方が望ましい。ここでトラッキングサーボとは、ユーザーが設定したカンチレバー１０の振幅値を一定に保つように振幅一定制御部１９が演算を行い、Ｚ軸圧電素子駆動回路２０に指令を出し、Ｚ軸圧電素子１１を駆動させることである。
【００２４】
続いて共振周波数算出工程ｃ−３では、試料３と測定ヘッド５との間の時系列変位から、サンプリング・データ処理装置２１内で演算処理機により共振周波数の算出が行われる。そして共振周波数記憶工程ｃ−４では、共振周波数算出工程ｃ−３で算出された試料３と測定ヘッド５との間の共振周波数が装置内に記憶される。以上の工程により、試料３と測定ヘッド５との間の相対振動の共振周波数を算出する事ができる。
【００２５】
以上の工程を経た後、カンチレバーを試料から離す工程ｄに移る。この工程ｄではカンチレバー１０を試料３から離す。
続いて試料表面の形状データの取得を行う。
【００２６】
まず、カンチレバーを試料に接触させ、トラッキングサーボを開始させる工程ｅを行う。カンチレバー１０が加振圧電素子９によって加振されているＡＣモードの場合は、ロックインアンプ１８から出力されるカンチレバー１０の振幅変化により、カンチレバーが試料３に接触したかの検出を行う。接触が検出された後は、ユーザーが設定したカンチレバー１０の振幅値を一定に保つように振幅一定制御部１９が演算を行い、Ｚ軸圧電素子駆動回路２０に指令を出し、Ｚ軸圧電素子１１が駆動し、Ｚ軸のトラッキングサーボを行う。カンチレバー１０を加振圧電素子９によって励振させないＤＣモードの場合は、ＩＶ変換器１７から出力されるカンチレバー１０の変位に対応した電圧値の変化で試料３に接触したか検出を行う。接触が検出された後は、ユーザーが設定したカンチレバー１０のたわみ量を一定に保つように振幅一定制御部１９が演算を行い、Ｚ軸圧電素子駆動回路２０に指令を出し、Ｚ軸圧電素子１１が駆動し、Ｚ軸のトラッキングサーボを行う。
【００２７】
続いて形状スキャン測定工程ｆを行う。この工程ｆでは、Ｚ軸のトラッキングサーボを行った状態で、Ｘ軸圧電素子１２、およびＹ軸圧電素子で試料３の表面をスキャンし、Ｚ軸圧電素子１１に出力した指令値を、試料３の表面形状データとして取得する。
【００２８】
以上の工程を経た後、カンチレバーを試料から離し、トラッキングサーボを停止させる工程ｇに移る。この工程ｇでは、Ｚ軸のトラッキングサーボを停止し、カンチレバー１０を試料３から離す。
【００２９】
形状データから共振周波数成分除去を行う工程ｈでは、形状スキャン測定工程ｆで得られた試料３の表面形状データから、試料３と測定ヘッド５との間の相対振動を検出する工程ｃで記憶された試料３と測定ヘッド５との間の相対振動の共振周波数成分をフィルタによって除去する。形状データから共振周波数成分除去を行う工程ｈでは、例えば以下のような方法で行う。形状スキャン測定工程ｆで得られたＸＹスキャンの時系列データを演算処理する。続いて、試料３と測定ヘッド５との間の相対振動を検出する工程で記憶された共振周波数成分を除去するフィルタ処理を行う。そして演算処理とは逆の演算処理をして、ＸＹスキャンの時系列データを再生成する。以上の処理を行ったデータをＸＹスキャンの位置データと再合成する事で、表面形状データを得る事ができる。
【００３０】
以上の各工程を経ることによって得られた表面形状データは、試料３と測定ヘッド５との間の相対振動成分を除去した高精度なデータとなる。よって大型の試料を搭載できる大型な装置構成により、装置の固有振動数が低下しても、数十ピコメートルの精度を有する原子間力顕微鏡を提供する事ができる。
【００３１】
次に本発明の第２の実施形態について説明する。
図３は第２の実施形態における原子間力顕微鏡の模式図を表している。第１の実施形態との大きな違いは、ベース部材１が自動的にＸＹＺ軸方向に外乱を入力できる外乱入力機構１４を備えている点である。外乱入力機構１４としては、例えば、インパルスハンマをモータなどで動作させて、自動的に床振動を擬似した外乱振動を入力するといった構成が考えられる。このとき、外乱入力機構１４の制御は、全体制御装置１５により行うことができる。この床振動を擬似した加振機構による本実施形態は、床振動による変位レベルがセンサ分解能の数倍程度のとき共振周波数検出に測定誤差が生じる問題を解決するものである。
【００３２】
次に、第２の実施形態の手順について、図４の測定フロー２を用いて説明する。工程ａと工程ｂまでの手順は、第１の実施形態の手順と同じである。しかし、試料３と測定ヘッド５との間の相対振動を検出する工程ｃにおいて、外乱入力機構１４によって装置のベース部材１に外乱を入力しながら相対振動の測定を行う点が、第１の実施形態の手順とは異なる。
【００３３】
カンチレバー１０が試料３に接触した後、外乱入力開始工程ｃ−Ａで、外乱入力機構１４により装置のベース部材１にＸＹＺ軸方向の外乱入力を開始する。次にカンチレバー１０で変位を検出する工程ｃ−１では、ＡＣモードの場合はロックインアンプ１９から出力されるカンチレバー１０の振幅変化を、ＤＣモードの場合はＩＶ変換器１７から出力されるカンチレバー１０の変位変化を数秒間測定し、時系列の変位データとして保存する。その後、外乱入力停止工程ｃ−Ｂで、外乱入力機構１４により装置のベース部材１にＸＹＺ軸方向の外乱入力を停止する。続いて共振周波数算出工程ｃ−３では、試料３と測定ヘッド５との間の時系列変位から、サンプリング・データ処理装置２１内で演算処理機により共振周波数の算出が行われる。そして共振周波数記憶工程ｃ−４では、共振周波数算出工程ｃ−３で算出された試料３と測定ヘッド５との間の共振周波数が装置内に記憶される。
【００３４】
以上の工程により、より強調された試料３と測定ヘッド５との間の変位の時間変化から、ノイズ成分に対して十分に識別しやすい共振周波数のピークを取得する事ができ、試料３と測定ヘッド５との間における正確な相対振動の共振周波数を算出する事ができる。
ここで、工程ｄ以下の手順は、第１の実施形態の手順と同じである。
【００３５】
以上のように、床振動を擬似した加振機構により、試料と測定ヘッド５との間の変位をセンサノイズより大きく検出する事ができ、より正確な共振周波数を求めることができる。そのため、できるだけ正確に試料と測定ヘッド間の相対振動を除去でき、高精度な表面形状測定が可能となる。
【００３６】
なお本実施形態では、探針を備えたカンチレバーを用いて表面形状を観察する原子間力顕微鏡についての一例を示したが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではない。走査型プローブ顕微鏡の例として他に、走査型トンネル顕微鏡、磁力顕微鏡、走査型近接場顕微鏡などが挙げられる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明を適用した走査型プローブ顕微鏡の第１の実施形態を示す模式図である。
【図２】本発明を適用した走査型プローブ顕微鏡の第１の実施形態における工程フローを示す図である。
【図３】本発明を適用した走査型プローブ顕微鏡の第２の実施形態を示す模式図である。
【図４】本発明を適用した走査型プローブ顕微鏡の第２の実施形態における工程フローを示す図である。
【図５】特許文献１の発明を説明するための図である。
【図６】特許文献２の発明を説明するための図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  ベース部材
２  ステージ
３  試料
４  コラム
５  測定ヘッド
６  レーザー光源
７  レーザー
８  ＸＹスキャナーステージ
９  加振圧電素子
１０  カンチレバー
１１  Ｚ軸圧電素子
１２  Ｘ軸圧電素子
１３  受光器
１４  外乱入力装置
１５  全体制御装置
１６  トラッキング制御装置
１７  ＩＶ変換器
１８  ロックインアンプ
１９  振幅一定制御部
２０  Ｚ軸圧電素子駆動回路
２１  サンプリング・データ処理装置
２２  共振周波数算出部
２３  データサンプリング部
２４  共振周波数除去処理部
２５  処理後測定データ記憶部
【図１】
2008185466.tif 000003
【図２】
2008185466.tif 000004
【図３】
2008185466.tif 000005
【図４】
2008185466.tif 000006
【図５】
2008185466.tif 000007
【図６】
2008185466.tif 000008