(57)【要約】【課題】本発明が解決しようとする問題点は、複雑な図形を描画する場合に探針移動のシーケンスが煩雑になるという点である。また、探針と試料の相対的な移動をクローズループにより制御できる限界以下では、良好な位置再現性を得ることが難しいという点である。【解決手段】探針と試料を接近させて対向配置し、前記探針と前記試料との相対位置を変化させる走査形プローブ顕微鏡において、元図をディジタルデータとして読み込む元図読込手段と、読み込んだ前記ディジタルデータを描画データに変換する変換手段と、前記描画データに基づいて前記探針と試料の相対的な位置を制御する制御手段と、を備え、前記探針と前記試料間の相互作用力により前記試料に前記元図に基づいた図を描画する走査形プローブ顕微鏡。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
探針と試料を接近させて対向配置し、前記探針と前記試料との相対位置を変化させる走査形プローブ顕微鏡において、
元図をディジタルデータとして読み込む元図読込手段と、
読み込んだ前記ディジタルデータを描画データに変換する変換手段と、
前記描画データに基づいて前記探針と試料の相対的な位置を制御する制御手段と、を備え、
前記探針と前記試料間の相互作用力により前記試料に前記元図に基づいた図を描画する走査形プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記描画データにおける前記相互作用力がゼロの場合、描画動作を行わずに前記探針と試料の相対的な位置を移動させることを特徴とする請求項１に記載した走査形プローブ顕微鏡。
【請求項３】
前記制御手段はラスタスキャンを用いたものである請求項１又は２に記載した走査形プローブ顕微鏡。
【請求項４】
前記描画は陽極酸化による前記試料であるシリコンの酸化膜生成である請求項１乃至３のいずれかに記載した走査形プローブ顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は走査形トンネル顕微鏡、原子間力顕微鏡、磁気力顕微鏡、摩擦力顕微鏡、マイクロ粘弾性顕微鏡、表面電位差顕微鏡、走査形近接場顕微鏡及びその類似装置の総称である走査形プローブ顕微鏡（以下、ＳＰＭという）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、探針付きカンチレバーと試料を対向配置し、探針と試料の距離を数ナノメートル以下の距離にして、探針で試料表面を走査することにより、探針と試料間に働く原子間力，磁気力，或いは静電気力等の物理量を測定し、測定に基づいて試料表面の凹凸像・磁気像・分光画像等を得るように成した走査プローブ顕微鏡が注目されている。
【０００３】
この走査形プローブ顕微鏡を応用して試料に微細な図を描画することも行われている。描画する場合、図６のように探針が移動すべき経路をベクトル等で指定し、指定ベクトルに沿って探針が移動する際にバイアス電圧や押圧力等の探針−試料表面間の相互作用力を変化させることによって、試料表面を変化させて描画をおこなっている。
【０００４】
しかしながら、複雑な幾何学図形を描画する場合、探針は試料表面上を複雑な経路を通って移動することになり、探針の試料表面への衝突回避に充分な配慮が必要となるだけでなく、移動経路の選定・計算に複雑な制約条件を持ち込む必要性が出てくるため、シーケンスの構築手順が非常に複雑かつ煩雑になる。
【０００５】
また、探針を移動させる際に圧電効果を利用したピエゾ素子スキャナが用いられるが、この圧電効果の電圧−変形特性は非線形効果であるだけでなく、現在の条件だけによらず過去の経歴によって異なった変化を起こすというヒステリシスを持っている。このため、走査形プローブ顕微鏡における走査範囲には歪みが必然的に発生する。
【０００６】
この歪みを補正するために探針の移動量を微少距離検知が可能な距離センサによって検出し、フィードバック処理を行うこと（探針位置のクローズドフィードバック）が最近では行われているが、距離センサの検出限界以下の走査範囲（数十nm四方程度で、これは原子分解能レベルの走査範囲となる）ではクローズドフィードバック自体を行うことが出来ないため、探針は位置検出センサを持たないオープンループ制御による歪み補正を行うことになる。オープンループ制御下ではこのピエゾ素子スキャナのヒステリシス特性は非常に大きな障害となり、描画図形の歪みやエラーの増大を招く要因となる。そのため、複雑な幾何学形状を描画する場合に、指定経路と探針が実際に辿る経路のエラー値が大きくなりやすく、図６のように正方形や円の描画のように始点と終点が一致する図形を描画する場合にもベクトルの端点が閉じないなどのピエゾスキャナの位置再現性の問題が顕著に表れてくる。
【０００７】
なお、従来技術としては、取り込んだＣＡＤデータに基づき測定を行う表面形状測定装置がある（例えば、特許文献１）。
【０００８】
【特許文献１】特開平２００３−１５６３２６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明が解決しようとする問題点は、探針位置のベクトル指定では複雑な図形を描画する場合に探針移動のシーケンスが煩雑になるという点である。また、ベクトル指定で図形を描画する場合、探針と試料の相対的な移動をクローズループにより制御できる限界以下では、良好な位置再現性を得ることが難しいという点である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１の発明は、探針と試料を接近させて対向配置し、前記探針と前記試料との相対位置を変化させる走査形プローブ顕微鏡において、元図をディジタルデータとして読み込む元図読込手段と、読み込んだ前記ディジタルデータを描画データに変換する変換手段と、前記描画データに基づいて前記探針と試料の相対的な位置を制御する制御手段と、を備え、前記探針と前記試料間の相互作用力により前記試料に前記元図に基づいた図を描画する走査形プローブ顕微鏡である。
【００１１】
請求項２の発明は、前記描画データにおける前記相互作用力がゼロの場合、描画動作を行わずに前記探針と試料の相対的な位置を移動させることを特徴とする請求項１に記載した走査形プローブ顕微鏡である。
【００１２】
請求項３の発明は、前記制御手段はラスタスキャンを用いたものである請求項１又は２に記載した走査形プローブ顕微鏡である。
【００１３】
請求項４の発明は、前記描画は陽極酸化による前記試料であるシリコンの酸化膜生成である請求項１乃至３のいずれかに記載した走査形プローブ顕微鏡である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明により元図をディジタルデータとして読込み、これに基づいてラスタスキャン等の単純な経路の組み合わせとして試料に描画するため、複雑な図でもシーケンスが複雑にならない。また、図形を描画する場合、探針と試料の相対的な位置をオープンループ制御を行うため、クローズループにより制御できる限界以下でも良好な位置再現性を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の着想点は、複雑で高価な構成となるクローズドフィードバックによるピエゾスキャナの歪み補正を行っていないSPM装置に於いても、従来の方法では発生しやすかった元図と描画結果との大きなエラーを軽減するためにはどうすればよいかと言うところにある。そのためにはSPM装置が必然的に装備している観察測定の際の歪み補正機能（オープンループ制御による歪み補正機能）を有効に活用する必要がある。ＸＹ方向の移動量を指定してフィードバック制御を行わないオープンループ制御による歪み補正機能では、探針を任意のベクトルのように縦横に動かすような位置制御はエラーの増大が避けられないため、オープンループ制御の中でも、複数のラインから構成された図においてXY両軸に対して単位時間あたり一定の割合で位置が変位していくラスタスキャンを用いることが最適なスキャン方法と言うことになる。またラスタスキャンを用いることによって元図とのXY座標の整合性が取りやすく、単純な繰り返しシーケンスを組むだけで的確に1点ずつ元図の各画素が持つ階調に即した描画が行うことが可能となっている。以下、発明を実施するための最良の形態により、本発明を詳細に説明する。
【実施例１】
【００１６】
本発明の構成を図５を用いて説明する。図５はトンネル顕微鏡についての実施例である。試料ステージ４にはシリコン等の試料２が載置されており、探針３が試料２に対向かつ接近して配置されている。探針３はピエゾ素子で構成されたチューブ状のスキャナ１の自由端に設置されている。このスキャナ１は、ＸＹ方向に変位自在な部分と、Ｚ方向に変位自在な部分から構成されており、上部の固定端は図示しないチャンバ側の取付部に固定されている。また、スキャナ１表面にはＸ、Ｙ、Ｚ軸用の図示しない電極がメタライズされており、各電極に電圧を印加することにより圧電効果を利用してＸＹＺ方向に自由端が変位する。
【００１７】
スキャナ１のＸＹ変位部には駆動制御手段であるＸＹドライバ５が接続されており、Ｚ変位部にも駆動制御手段であるＺドライバ６が接続されている。ＸＹドライバ５及びＺドライバ６はコンピュータ７に接続されており、各ドライバを制御する。コンピュータ７は図示しない演算部、メモリ部、表示装置から構成されている。また、コンピュータ７は試料２と探針３間に所定のバイアス電圧を印加するバイアス回路１３と、探針３と試料２間に流れるトンネル電流を検出するトンネル電流検出手段を制御する。さらに、コンピュータ７には元図をディジタルデータとして読み込む元図読込手段８が接続されている。
【００１８】
以上、図５における各部の構成について説明したが、次に動作について説明する。ＳＰＭにおいて微小領域観察を行う場合、探針３を指定された微小領域内でラスタスキャンする。本発明では、このラスタスキャンの際に描画処理を行う。
【００１９】
装置の描画モードを選択すると、コンピュータ７上のソフトウェアであるＳＰＭ制御アプリケーションが起動する。図４はＳＰＭ制御アプリケーションのフローチャートである。
【００２０】
ＳＰＭ制御アプリケーションは測定条件等の現在のＳＰＭ設定を取得し、コンピュータ７の記憶装置における画像データ領域の準備を行う。
【００２１】
オペレータは描画を行う元図を記録媒体やネットワークからディジタルデータとしてＳＰＭ制御アプリケーションに読み込むオペレーションを行う。元図となるデータはＢＭＰ、ＧＩＦ又はＪＰＥＧ等の汎用画像フォーマットで描画された図形や回路図・写真をディジタルデータ化したものである。
【００２２】
ディジタルデータとして読み込まれた元図データは、ＳＰＭ制御アプリケーションにより図１のような描画データにデータ変換される。すなわち、元図のライン中の各画素とラスタスキャンの際の単位移動位置を対応させ、元図の画素が持つ階調と描画のための探針−試料間の相互作用力の大きさを対応させる。すなわち、以下のような処理がおこなわれる。
【００２３】
まず、SPMによる走査範囲を元図の画素数と同じように細分化し、元図の1画素あたりの探針移動距離を算出することにより、元図と走査範囲を1対1で対応させる。もちろん、元図の画像データを１ラインずつ取り出して計算、描画してもよい。また、元図の画素数が描画データより多い場合は、適度に間引いても良い。
【００２４】
次に、元図の各画素が持つ階調を、描画のための探針−試料間の相互作用力の大きさに変換する。元図が線分の集合（幾何学図形）であった場合、作用力は2値のみとなる（作用力のON/OFFと捉えても良い）。元図が写真をディジタルデータ化したもののような白黒2値の画像でなかった場合には、各画素毎に元図の色深度に則した階調を持っている。この階調を作用力を変化させる任意の範囲を指定することにより、作用力の大きさに変換する。ただし、元図がカラー画像であった場合などには、YcrCb変換のY値（輝度）変換式等を用いてグレースケール階調データに変換したり、各原色階調（RGB/CMYK等）のある特定色の階調のみを取り出すなどするなどして、元図を単一階調のみを持つ画像に変換しておく必要がある。
【００２５】
データ変換が終了したら、加工のための描画準備が行われる。
【００２６】
描画準備が終了したら、フォワードスキャンが実行される。すなわち、SPM制御アプリケーションから探針位置を制御しラスタスキャンを行う。フォワードスキャンでは、図３のように、変換された描画データを一ラインずつ取り出し、1画素あたりのＸ方向の探針移動距離毎に探針３を移動させ、探針３と試料２間の相互作用力により試料を加工することにより描画を行う。すなわち、この描画は描画データの画素毎の階調に対応させた電圧を探針３に対して印可して、試料２を周囲の酸素により酸化することにより行う。電圧に応じて酸化膜の厚さを変えることにより描画データの階調に対応する。このフォワードスキャンにおいて探針３の位置はオープンループによって制御される。
【００２７】
１ラインのフォワードスキャンが行われたら、１ラインのバックスキャンが実行される。バックスキャンでは、１ラインのフォワードスキャンにより描画されたラインを逆向きにＳＰＭ測定が行われる。
【００２８】
この１ライン分のフォワードスキャンとバックスキャンが行われたら、Ｙ方向に１ラインずらして、次の１ライン分のフォワードスキャンとバックスキャンが行われる。この動作が１画面分行われる。本実施例では５１２ラインである。
【００２９】
全走査範囲に渡ってラスタスキャンが終了したら、画像データ記録処理が行われる。すなわち、コンピュータ７によりバックスキャンで測定されたデータが処理され、加工後の試料面の様子を示す画像が記録される。
【００３０】
続いて描画終了処理がおこなわれてＳＰＭ制御アプリケーションが終了する。
【００３１】
以上、図４を用いて動作について説明したが、本発明によりナノファブリケーションの分野において非常に有用な、微少領域への任意図形転写機能を実現できるという効果が得られる。また、元図としてデジタル画像データを描画に用いることにより、複雑な図形を描画したい場合や、作用力を任意の範囲で変化させて描画結果に強弱差を出したい場合などでも、簡便に描画設定を行うことが出来る。元図画像として多様な画像フォーマットを取り扱えるようにしておけば、既存のCAD図面や回路パターンなどを用いて、簡単に微少領域への描画処理が行うことができる。さらに、ラスタスキャンにおいてオープンループ制御によるピエゾスキャナの歪み補正しか行っていないSPM装置に於いても、元図とのエラーが小さい微少領域描画結果を得ることが可能になる。
【００３２】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、バックスキャンを行う時にＳＰＭ測定を行わず、１回目の全範囲走査で描画のみを行い、２回目の全範囲走査でＳＰＭ測定を行っても良い。
【００３３】
また、描画方法は原子間力顕微鏡による試料への押圧でもよく、磁気打込又は電気打込でもよい。磁気打込又は電気打込の場合は表面形状に変化はなく磁気的又は電気的性質が変化する。
【００３４】
さらに、探針を移動する代わりに試料を移動させてもよい。
【実施例２】
【００３５】
実施例２の装置の構成は実施例１と同様である。実施例１では、元図の全画素に渡ってラスタスキャンを行うため、走査範囲全域を描画し終わるまでにある程度の時間を要する。そこで描画に要する時間を短縮し、なるべく短い所要時間で作業を終了できるようにするのが実施例２である。
【００３６】
この方法は、描画作用力が０になっている描画点は処理を行わずに飛ばしてしまう方法である。一番効果が顕著なのは元図が白黒2値で表される幾何学図形である場合である。白黒2値を描画のON/OFFと置き換えてしまい、描画の際のラスタスキャンでは、描画がONになる画素のみを抽出しておき、図２のようにそれらの点のみをラスタスキャン中の描画点として設定しておく。描画がOFFになる画素は描画点として設定されないので、探針は描画がONになる画素（描画点）へ連続的にスキップしていくことになり、描画処理が高速化される。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明による実施例１におけるラスタスキャンの経路と描画点を示す図である。
【図２】本発明による実施例２における描画点と探針の移動経路を示す図である。
【図３】本発明による描画の模式図である。
【図４】本発明による実施例１における描画シーケンスである。
【図５】本発明による装置のブロック図である。
【図６】従来技術における経路と描画点を示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  スキャナ
２  試料
３  探針
４  試料ステージ
５  ＸＹドライバ
６  Ｚドライバ
７  コンピュータ
８  元図読込手段
９  積分回路
１０  誤差増幅器
１１  論理回路
１２  Ｉ／Ｖ増幅器
１３  バイアス回路
１４  描画点
１５  Ｘ走査
１６  Ｙ走査
１７  相互作用力
１８  指定ベクトル
【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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