(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御対象物を物体表面に概ね平行な第一座標軸方向に相対移動させながら、前記物体表面の凹凸に沿うように前記対象物を前記物体表面に概ね垂直な第二座標軸方向へ相対移動させる制御装置，制御システムまたは追従性に影響を与えうる各要素の追従性を評価する方法において、
前記対象物の前記第一座標軸方向の移動速度に基づいて、前記第一座標軸を時間軸に置き換えることによって前記物体表面の凹凸形状を時間に対する第二座標軸方向の変化として表し、前記形状の対時間変位を得る段階と、
前記制御対象物を前記形状の対時間変位へ追従させて前記制御対象物の対時間変位を得る段階と、
前記形状の対時間変位と前記制御対象物の対時間変位とを比較する追従性評価段階とからなることを特徴とする追従性評価方法。
【請求項２】
前記追従性評価段階における前記形状の対時間変位と前記制御対象物の対時間変位の比較が時間領域、または、周波数領域、もしくは、その双方において行われることを特徴とする請求項１記載の追従性評価方法。
【請求項３】
前記追従性評価段階における前記形状の対時間変位と前記制御対象物の対時間変位の比較が、時間領域において前記形状の対時間変位と、前記制御対象物の対時間変位それぞれの単位時間あたり変化率を比較することを特徴とする請求項２記載の追従性評価方法。
【請求項４】
前記追従性評価段階における前記形状の対時間変位と前記制御対象物の対時間変位の比較が、時間領域において前記形状の対時間変位と、前記制御対象物の対時間変位との残差２乗和を計算することによって行われることを特徴とする、請求項２記載の追従性評価方法。
【請求項５】
前記追従性評価段階における前記形状の対時間変位と前記制御対象物の対時間変位の比較が、時間領域において前記形状の対時間変位と、前記制御対象物の対時間変位との相互相関関数を計算することを特徴とする、請求項２記載の追従性評価方法。
【請求項６】
前記追従性評価段階における前記形状の対時間変位と前記制御対象物の対時間変位の比較が、前記形状の対時間変位と、前記制御対象物の対時間変位とのコヒーレンス関数を計算することを特徴とする、請求項２記載の追従性評価方法。
【請求項７】
前記追従性評価段階における前記形状の対時間変位と前記制御対象物の対時間変位の比較が、前記形状の対時間変位と前記制御対象物の対時間変位それぞれをウェーブレット解析または時間／周波数共同領域解析する事によって行われることを特徴とする請求項２記載の追従性評価方法。
【請求項８】
制御対象物を物体表面に概ね平行な第一座標軸方向に移動させながら、前記物体表面の凹凸に沿うように前記制御対象物を前記物体表面に概ね垂直な第二座標軸方向へ移動させる制御装置、制御システムまたは追従性に影響を与えうる各要素の追従性評価装置において、
前記制御対象物の前記第一座標軸方向の移動速度に基づいて、前記第一座標軸を時間軸に置き換えることによって前記物体表面の凹凸形状を時間に対する第二座標軸方向の変化として表して、前記形状の対時間変位を得る疑似形状作成手段と、
前記制御対象物を前記形状の対時間変位へ追従させて前記制御対象物の対時間変位を得る測定手段と、
前記形状の対時間変位と前記制御対象物の対時間変位とを比較する追従性評価手段を有することを特徴とする追従性評価装置。
【請求項９】
前記追従性評価手段における前記形状の対時間変位と前記制御対象物の対時間変位の比較が時間領域、または、周波数領域、もしくは、その双方において行われることを特徴とする請求項８記載の追従性評価装置。
【請求項１０】
前記追従性評価手段における前記形状の対時間変位と前記制御対象物の対時間変位の比較が、時間領域において前記形状の対時間変位と、前記制御対象物の対時間変位それぞれの単位時間あたり変化率を比較することを特徴とする請求項８記載の追従性評価装置。
【請求項１１】
前記追従性評価手段における前記形状の対時間変位と前記制御対象物の対時間変位の比較が、時間領域において前記形状の対時間変位と、前記制御対象物の対時間変位との残差２乗和を計算することによって行われることを特徴とする、請求項８記載の追従性評価装置。
【請求項１２】
前記追従性評価手段における前記形状の対時間変位と前記制御対象物の対時間変位の比較が、時間領域において前記形状の対時間変位と、前記制御対象物の対時間変位との相互相関関数を計算することを特徴とする、請求項８記載の追従性評価装置。
【請求項１３】
前記追従性評価段階における前記形状の対時間変位と前記制御対象物の対時間変位の比較が、前記形状の対時間変位と、前記制御対象物の対時間変位とのコヒーレンス関数を計算することを特徴とする、請求項８記載の追従性評価装置。
【請求項１４】
前記追従性評価手段における前記形状の対時間変位と前記制御対象物の対時間変位の比較が、前記形状の対時間変位と前記制御対象物の対時間変位それぞれをウェーブレット解析または時間／周波数共同領域解析する事によって行われることを特徴とする請求項８記載の追従性評価装置。
【請求項１５】
前記疑似形状作成手段は、前記形状の対時間変位に相当する波形の電気信号を生成する手段と、前記電気信号を変位に変換する手段とを有することを特徴とする請求項８記載の追従性評価装置。
【請求項１６】
前記制御装置または、前記制御システムが走査型プローブ顕微鏡であることを特徴とする請求項８記載の追従性評価装置。
【請求項１７】
前記追従性に影響を与えうる各要素が走査型プローブ顕微鏡におけるスキャナ，カンチレバー，プローブ，フィードバック制御システムであることを特徴とする請求項８記載の追従性評価装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、追従性評価装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
制御対象物を物体表面の凹凸に追従させる制御装置または制御システムの例として走査型プローブ顕微鏡のひとつである、原子間力顕微鏡をあげ、従来の技術について説明する。
原子間力顕微鏡は、図４に示すように先端にプローブを有するカンチレバー１９、カンチレバーのたわみを検出するたわみ検出器１２、カンチレバーのたわみを一定に保ちながらラスタスキャンを行うためのスキャナ１３、フィードバック制御や、画像表示を行うためのコントローラ１７、コンピュータ２３から構成されている。
【０００３】
走査型プローブ顕微鏡では、プローブ２２がサンプル表面の凹凸に沿うように、プカンチレバー１９または、サンプル２４をサンプル面に垂直な方向へ移動させながらサンプル表面を走査する。したがって、プローブがサンプル表面の凹凸の変化にいかに追従するかが走査型プローブ顕微鏡の測定精度を決める重要な要素である。
【０００４】
これまでは、走査型プローブ顕微鏡システム全体の追従性評価は、実際にサンプルを測定することで行われていた。また、プローブまたはカンチレバー、およびスキャナ個々の追従性の評価はそれぞれの周波数特性を測定することで行われていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
実際のサンプルを測定することで、システム全体の追従性を評価する場合、プローブ形状の影響等があり追従性のみの評価が難しく、また、走査型プローブ顕微鏡の測定対象となるような微小な任意の構造を持つサンプルを作製することが困難なため、追従性評価の対象となる形状は限られてしまう。
【０００６】
プローブまたはカンチレバー、およびスキャナ個々の周波数特性からそれぞれの追従性を評価する場合には、より共振周波数が高いものはより追従性がよい、というように相対的、定性的な評価である。また、共振周波数測定時にカンチレバー等は正弦波的に振動しており、厳密には、正弦波的形状の試料表面の凹凸に対する追従性を評価していることになる。したがって、正弦波的形状以外の試料表面の凹凸に対するカンチレバー等の追従性を、共振周波数によって評価することは間接的であり、定量的な評価を行うことは難しい。
【０００７】
本発明は上記のような従来の問題点を解決することを目的とするもので、走査型プローブ顕微鏡に限らず、制御対象物を任意の形状や軌跡に追従させることを目的とする装置およびシステムの追従性を実際に形状や軌跡に追従させることなく直接的かつ定量的に評価する方法および装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
走査型プローブ顕微鏡を例に課題を解決するための手段について説明する。
上記のような課題を解決するために、本発明においては、プローブが追従すべきサンプル表面の形状とプローブの走査速度から、サンプル表面の形状に相当する波形の電気信号を生成し、この電気信号または電気信号をアクチュエータで変換した変位に対する、走査型プローブ顕微鏡システム，プローブ，カンチレバー、または、スキャナそれぞれの追従性を評価する方法とした。このようにすることで、実際にサンプル表面を走査することなく、また任意の形状に対する任意の走査速度における追従性を直接定量的に評価することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
［実施の形態１］
図１(a)において、１は制御対象物、２は制御対象物１が追従すべき物体表面の形状である。３および４はそれぞれ第一座標軸，第二座標軸である。図１（ｂ）において、４は第二座標軸、５は時間軸６は形状２の対時間変位、７は制御対象物の対時間変位である。制御対象物１が第一座標軸３の方向へ移動する際に、形状２に沿うように第二座標軸方向の位置を調整して制御対象物１を表面形状に追従させるような制御装置および制御システムにおいて、第一座標軸方向の移動速度ｖが既知であれば、任意の時刻における制御対象物１が追従すべき第二座標軸方向の位置つまり、形状２の対時間変位６を求められる。そこで、制御装置または制御システムによって対時間変位６に追従するように第二座標軸方向の位置を制御された制御対象物１の対時間変位７を測定し、形状の対時間変位６と比較することによって制御装置および制御システムの追従性を直接定量的に評価することができる。
【００１０】
形状の対時間変位６と制御対象物の対時間変位７との比較は、時間領域，周波数領域、またはその双方で行うことができる。
時間領域における比較では、形状の対時間変化６と制御対象物の対時間変化７それぞれの各時刻における傾きを求め比較することで追従性を評価することができる。これは、単純なステップ状の形状等へ対する追従性の評価に有効である。また、形状の対時間変位６をf(t)、制御対象物の対時間変位をh(t)とすると次式で表される
【００１１】
【数１】
0004005285.tif 000002
残差二乗和ｇを求めることで追従性を評価することができる。ｇが小さいほどf(t)とh(t)の類似性が高く追従性が良いと言うことになる。
また、時間領域では形状の対時間変位６と制御対象物の対時間変位７との相互相関数を計算することによっても二つの対時間変位の比較をすることができ追従性を評価することができる。
【００１２】
周波数領域では、形状の対時間変位６と制御対象物の対時間変位７それぞれをフーリエ変換し周波数成分を比較することで追従性を評価することができる。また、形状の対時間変位６と制御対象物の対時間変位７とのコヒーレンス関数を計算することで二つの対時間変位を比較することができ追従性を評価することができる。
【００１３】
また、ウエーブレット解析や時間／周波数共同領域解析によって、形状の対時間変位６と制御対象物の対時間変位７との比較を時間領域と、周波数領域双方で行うことができ、より詳細に追従性の評価を行うことができる。
以上のように、形状を対時間変位に変換し、形状の対時間変位に対する制御装置および制御システムの追従性を評価することで、実施に制御対象物を形状へ追従させることなく、任意の形状への制御装置および制御システムの追従性を直接定量的に評価することができる。
【００１４】
［実施の形態２］
図２において、８は疑似形状作成手段、９は制御装置または制御システム、１０は測定手段、１１は追従性評価手段である。
疑似形状作成手段は、図１における第一座標軸方向の速度ｖに基づき、制御装置または制御システム９が制御対象物を追従させる形状を対時間変位に変換する。疑似形状作成手段によって作成された形状の対時間変位に対して、制御対象物が追従するように制御装置または制御システム９は制御対象物の図１における第二座標軸４方向の位置を制御する。このときの制御対象物の対時間変位を測定手段１０で測定する。追従性評価手段は、形状の対時間変位と測定手段１０によって得られた制御対象物の対時間変位とを比較し追従性を直接定量的に評価する。追従性評価手段は、実施の形態１で述べた評価方法で追従性の評価を行う。
【００１５】
このような装置構成とすることで実施に制御対象物を形状へ追従させることなく任意の形状への制御装置および制御システムの追従性を直接定量的に評価することができる。
【００１６】
［実施の形態３］
図３は、走査型プローブ顕微鏡の一つである原子間力顕微鏡の追従性評価装置のブロック図である。おもに、たわみ検出器１２，スキャナ１３，波形発生装置１５，追従性評価用コンピュータ１６，SPM制御装置１７，アクチュエータ１８，カンチレバー１９，スライドガラス２０，試料台２１からなる。
追従性評価用コンピュータ１６は、任意の形状の対時間変位を計算し、波形発生装置１５から電気信号として出力する。また、たわみ検出器によってカンチレバー対時間変位を測定し、形状の対時間変化と比較することによって追従性を評価する。追従性の評価方法はおもに実施の形態１で述べた方法を用いている。
まず、SPMシステム全体の追従性を評価する方法について説明する。
【００１７】
追従性評価用コンピュータ１６で計算した形状の対時間変位を波形発生装置を通して電気信号としてアクチュエータに入力する。このときプローブ２２がスライドガラス２０に常に接触するようにスキャナ１３の位置を調節しておく。アクチュエータは形状の対時間変位に従ってカンチレバーをたわませる。このとき、SPM制御装置１７は、たわみ検出器１２でカンチレバーのたわみを測定し、たわみが一定になるようにスキャナのZ端子にかける電圧を制御する。SPMシステムの追従性が良ければカンチレバーのたわみは一定に保たれ、たわみ検出器の出力は一定になる。追従性評価用コンピュータはたわみ検出器の出力を取り込み形状の対時間変位とカンチレバー先端の対時間変位とを比較する。この場合、二つの対時間変位の類似性が低いほど追従性が良いことになる。さらに、たわみ検出器の出力の時間に対する平坦度の評価も合わせて行う。
【００１８】
カンチレバーの追従性の評価は、波形発生器１６の出力をアクチュエータ１８に入力する。このとき、プローブ２２が常にスライドガラス２０に接触するようにスライドガラス２０の位置を調節し、SPM制御装置１７によってスキャナ１３が伸張しないようにしておく。カンチレバー先端の対時間変位をたわみ検出器によって追従性評価用コンピュータ１６へ取り込み、形状の対時間変位と比較することによってカンチレバーの追従性を評価する。
【００１９】
スキャナの追従性の評価は、波形発生装置１５の出力をスキャナ１３へ入力する。このときカンチレバーの場合と同様に、プローブ２２がスライドガラス２０に接触するようにスキャナ１３の位置を調節しておく。また、カンチレバーはスキャナのＺ方向の共振周波数よりも十分高い共振周波数をもつカンチレバーを用いる。スキャナ１３の対時間変位をカンチレバーとたわみ検出器とで測定し追従性評価用コンピュータ１６へ取り込み、形状の対時間変位と比較し追従性を評価する。
【００２０】
SPM制御装置の追従性は波形発生装置１５の出力をアクチュエータ１８へ入力する。このとき、スキャナの場合と同様にプローブ２２がスライドガラス２０に常に接触するようにスキャナのＺ方向の位置を調節しておく。SPM制御装置のZ出力を追従性評価用コンピュータ１６へ取り込み、対時間変位に変換し形状の対時間変位と比較することでSPM制御装置の追従性を評価する。
【００２１】
以上のようにすることで、SPMシステム全体およびカンチレバー，スキャナ，制御装置等追従性に影響を与える要素の、任意の形状に対する追従性を実際にサンプル表面を走査することなく直接定量的に評価することができる。
【００２２】
【発明の効果】
本発明による追従性評価方法および追従性評価装置は、制御装置または制御システムが制御対象物を追従させるべき形状を対時間変位に変換し、形状の対時間変位と制御装置または制御システムが制御対象物を形状の対時間変位に追従させた際の制御対象物の対時間変位とを比較することによって追従性を評価するため、任意の形状に対する制御装置または、制御システムの追従性を直接定量的に評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に関わる追従性評価方法を示す説明図である。
【図２】本発明の実施の形態２に関わる追従性評価装置を示す説明図である。
【図３】本発明の実施の形態３に関わる追従性評価装置を示す説明図である。
【図４】従来の原子間力顕微鏡を示す説明図である。
【符号の説明】
１  制御対象物
２  試料の表面形状
３  第一座標軸
４  第二座標軸
５  時間軸
６  形状の対時間変位
７  制御対象物の対時間変位
８  疑似形状作成手段
９  制御装置または制御システム
１０  測定手段
１１  追従性評価手段
１２  たわみ検出器
１３  スキャナ
１５  波形発生装置
１６  追従性評価用コンピュータ
１７  SPM制御装置
１８  アクチュエータ
１９  カンチレバー
２０  スライドガラス
２１  試料台
２２  プローブ
２３  コンピュータ
２４  サンプル
【図１】
0004005285.tif 000003
【図２】
0004005285.tif 000004
【図３】
0004005285.tif 000005
【図４】
0004005285.tif 000006