JPH06147821A - 走査型探針顕微鏡像の傾斜補正方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 走査型探針顕微鏡で得られる測定データから
傾斜成分を取り除き、かつ補正後の測定データで描かれ
る凹凸像が正確な形状を示すようにする。 【構成】 試料２の表面に接近させた探針１で試料表面
を走査し、探針と試料表面の間のトンネル電流の物理量
を利用して試料表面の凹凸形状に対応する探針の高さ位
置を測定し、このデータを用いて凹凸形状像を作成する
測定方法に適用され、試料の測定領域上にてＸ，Ｙの２
軸方向のライン状の走査を行って測定領域の測定面の傾
斜角を算出し、走査範囲を定め、この走査範囲と測定デ
ータを用いて傾斜した測定面に直交する方向での信号レ
ベルを算出し、走査範囲とサンプリング数と算出した信
号レベルに基づいて等間隔なサンプリングピッチにおけ
る信号レベルを内挿法により求め、内挿法で求めた等間
隔のサンプリングピッチにおける信号レベルを最終的な
データとして用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は走査型探針顕微鏡像の傾
斜補正方法に関し、特に、走査型探針顕微鏡を用いた試
料の表面凹凸形状の測定および画像作成において、測定
データから傾斜成分を取り除く場合に、補正後の測定デ
ータで作られる像の凹凸形状を変形せず原形状を正確に
再現できる傾斜補正方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査型探針顕微鏡（走査型プローブ顕微
鏡ともいう）の代表的な装置例として走査型トンネル顕
微鏡（以下ＳＴＭという）について概説する。ＳＴＭで
は、探針と試料の間に流れるトンネル電流を検知し、試
料の測定面（互いに直交するＸ軸とＹ軸で定義される平
面）を探針で走査しながら、かかるトンネル電流が例え
ば一定になるように探針の高さ位置（ＸＹ平面に直交す
るＺ軸方向の変位量）を制御し、その際の探針の空間座
標、すなわち、Ｘ，Ｙ，Ｚの各軸方向の圧電素子（探針
位置を変位させるためのアクチュエータ）を伸縮させる
ための駆動用印加電圧を測定データとして用いて、試料
測定面の凹凸形状についてＣＲＴモニタに鳥瞰図等を表
示する。こうして得られた試料の測定領域の凹凸情報に
基づいて試料表面上の微細形状の観察や解析を行う。

【０００３】上記ＳＴＭによる表面形状測定では、トン
ネル電流は探針と試料の間の距離のの変化に極めて敏感
であることから、原子レベルの識別が可能という高い分
解能を持つことが知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記測定を行うＳＴＭ
で得られる情報は試料表面の凹凸形状である。しかし試
料の測定面が探針の軸方向に対して実質的に直角ではな
く傾斜している場合には、検出される探針の高さ情報
は、必要とする表面凹凸情報の他に試料表面の傾斜を含
んだ情報となる。このため、測定で得られたデータを用
いて輝度変調像や立体陰影像を作成し、ＣＲＴモニタに
表示し、解析を行う場合には、試料測定面の傾斜が障害
になり、適正な補正を行うことが必要となる。

【０００５】試料測定面の傾斜を補正する方法として、
例えば、ＸとＹの各方向のラインスキャンによる測定デ
ータに基づいて求めた測定面の傾斜角、あるいは二次元
の測定データに対し最小自乗法を用いて得られる傾斜面
の方程式などに基づいて、傾斜に起因する高さ分を減算
または加算して補正する考え方が提案されている。これ
らの方法は、写像的な意味を有する濃淡補正であり、傾
斜の程度が小さいときには簡便かつ有用な補正方法であ
るといえる。しかし、近似的な方法に過ぎないことか
ら、傾斜の程度が大きい場合には厳密には適正であると
はいえないこともある。特に傾斜の程度が大きい場合に
は、図６に示すように補正後の測定データで作成される
画像の凹凸形状（図６（Ｂ））が、実際の凹凸形状（図
６（Ａ））に比較して顕著に変形し、傾斜補正を行うと
凹凸形状を原形のまま維持することができないという不
具合が生じる。このような補正後の凹凸画像によって試
料表面の解析を行えば、判断を誤るをおそれが高くな
る。

【０００６】上記問題は、ＳＴＭだけではなく、原子間
力顕微鏡のごとき類似の構成を有する走査型探針顕微鏡
で得られる画像の傾斜補正でも起きる問題である。

【０００７】本発明の目的は、上記問題に鑑み、走査型
探針顕微鏡で得られる測定データから傾斜程度に関係な
く傾斜成分を精度よく取り除き、かつ補正後の測定デー
タで描かれる凹凸像が正確に実際の凹凸形状を示すこと
のできる走査型探針顕微鏡像の傾斜補正方法を提供する
ことにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に係る走査型探針
顕微鏡像の傾斜補正方法は、試料の表面に接近させた状
態の探針で試料表面を走査し、その走査中複数の測定箇
所のそれぞれで、探針と試料表面の間の微小間隔に生じ
るトンネル電流や原子間力等の物理量を利用して試料表
面の凹凸形状に対応する探針の高さ位置を測定し、この
高さ位置のデータを用いて試料表面の凹凸形状の画像を
作成する測定方法に適用されるものであり、試料の測定
領域上にて、好ましくは直角の角度で定められた２軸方
向のそれぞれでライン状の走査を行って測定領域の測定
面の傾斜角を算出し、この傾斜角に基づいて走査範囲を
定め、この走査範囲と測定データを用いて傾斜した前述
の測定面に直交する方向での信号レベルを算出し、走査
範囲とサンプリング数と算出した信号レベルに基づいて
等間隔なサンプリングピッチにおける信号レベルを内挿
法により求め、内挿法で求めた等間隔のサンプリングピ
ッチにおける前記信号レベルを、凹凸形状画像を作成す
るための最終的なデータとして用いるようにした傾斜補
正方法である。

【０００９】

【作用】本発明では、走査型探針顕微鏡で得られた測定
データを用いて試料の測定領域の凹凸形状の画像を作成
する場合において、測定領域の表面が傾斜していて、測
定データに含まれる傾斜成分を取り除くための傾斜補正
を行う必要があるとき、傾斜補正の演算を行って新しい
座標系に関する信号レベルを得ると共に、この信号レベ
ルを、内挿法を利用して、等間隔サンプリングピッチに
対応する信号レベルに変換する。これによって、最初に
得た測定データに傾斜補正の演算を施しても、実際の凹
凸形状を変形させることなく、傾斜成分を取り除くこと
が可能となる。換言すれば、走査型探針顕微鏡像に対し
傾斜補正を行っても、実際の凹凸形状と同じプロファイ
ルで凹凸形状像を表示させることができる。

【００１０】

【実施例】以下に、本発明の実施例を添付図面に基づい
て説明する。この実施例では、走査型探針顕微鏡の一例
としてＳＴＭについて説明する。

【００１１】図１はＳＴＭの探針部分の構成と、探針の
位置制御のための装置構成と、探針により得られる測定
データの検出・処理部の構成を示している。図１を参照
してＳＴＭの要部に関する一般的な構成および動作を説
明する。１は探針であり、探針１の先端は鋭く尖り、試
料２の表面に臨んでいる。探針１は、図示しないトライ
ポッドヘッドにおいて相互に直角になるように配置され
た棒状の微動用圧電素子３，４，５の交差部に取り付け
られている。圧電素子３はＸ軸方向の移動に関与するア
クチュエータ、圧電素子４はＹ軸方向の移動に関与する
アクチュエータ、圧電素子５はＺ軸方向の移動に関与す
るアクチュエータである。また探針１は、トライポッド
ヘッドを取り付けた図示しない手動装置、ステッピング
モータ、またはストロークの大きな粗動用圧電素子等に
よって、所要のトンネル電流が検出される距離まで試料
２の表面に近づけられる。

【００１２】探針１と試料２の間には電源６が接続さ
れ、所要の電圧がそれらの間に印加されている。この状
態で探針１を試料２に近づけ、探針１と試料２の間の距
離が所要の微小距離になると、それらの間にトンネル電
流が流れる。導電性の探針１に流れるトンネル電流は、
トンネル電流検出部７で検出され、その後トンネル電流
・距離変換部８によって、検出されたトンネル電流は探
針１と試料２の間の距離に相当する電圧信号に変換され
る。凹凸形状の測定では、探針１の走査において、検出
されるトンネル電流が一定の値に保持されるように探針
１の高さ位置を制御する。この制御を行うため、次段の
サーボ回路９は、トンネル電流・距離変換部８から出力
される距離信号を入力し、この距離信号を予め設定され
た基準距離と比較し両者が一致するように制御すること
によって、探針・試料間が一定距離に保持されるよう
に、Ｚ軸方向の圧電素子５の伸縮動作量を制御する。

【００１３】試料２の測定面における探針１のＸ軸とＹ
軸の各方向の走査は、走査部１０によって行われる。走
査部１０は、Ｘ軸方向用の圧電素子３とＹ軸方向用の圧
電素子４に対して伸縮用駆動信号を与え、これらの圧電
素子３，４の伸縮動作によって二次元的に探針１の走査
が行われる。圧電素子３，４の伸縮動作はそれぞれ独立
に行われ、圧電素子３，４の伸縮量の組み合わせで探針
のＸＹ平面における走査位置が決定される。

【００１４】Ｘ，Ｙ，Ｚの各軸方向の圧電素子３，４，
５による探針１の移動に伴い、圧電素子３，４，５の負
荷電圧、すなわち各圧電素子の伸縮量に関するデータを
空間座標として測定データ記憶部１１に記憶する。測定
データ記憶部１１に記憶された探針１の位置データは適
宜に取り出され、データ処理部１２に供給される。デー
タ処理部１２では、試料２の測定面の凹凸形状について
の画像処理を行い、画像処理で得られたデータを用いて
モニタ部１３に試料２の表面凹凸形状を表示する。本実
施例のデータ処理部１２では、後述する傾斜補正方法を
実行するための傾斜補正手段を備えている。上記の測定
データ記憶部１１とデータ処理部１２は、演算・制御部
１４に含まれる。演算・制御部１４はＣＰＵとメモリに
よって構成される。演算・制御部１４によって必要な機
能手段が実現される。

【００１５】演算・制御部１４は、さらに走査制御部１
５を有する。この走査制御部１５には、試料２の表面上
で測定すべき対象領域が設定されたときに、この領域の
探針走査で探針をどのように移動させるかという手順が
用意され、かつ走査制御部１５は、この手順を実行する
ための制御信号を走査部１０に与える機能を有してい
る。

【００１６】上記の構成において、探針１と試料２の間
にトンネル電流が流れる場合に、探針１と試料２の間の
距離は原子レベルの１ｎｍ程度であり、試料表面の凹凸
状態を検出するためには、この距離を一定に保つように
圧電素子５の伸縮動作を制御することが必要である。ト
ンネル電流は、探針・試料間の距離の変化に敏感であ
り、これによって高い分解能を得ることができる。

【００１７】ＳＴＭの上記構成に基づけば、その一連の
動作により、試料２の測定面の凹凸形状に関する情報を
得ることができる。この情報を得るためには、測定領域
で設定された複数の測定箇所のそれぞれにおいて、探針
１を走査させるための移動を停止し、探針１と試料２の
表面との距離を一定に保つためのサーボ制御が、サーボ
回路９によって複数回繰り返して行われる。

【００１８】試料２の測定領域について、前述のごとく
して予め定められた複数の測定箇所で凹凸形状の高さ位
置を測定することによって当該測定領域の凹凸情報を得
ることができる。かかる測定によって例えば図２に示す
ような測定データが得られたとする。図２に示されるよ
うに、当該測定データによって作成される試料の測定面
２ａには傾斜が存在する。測定面２ａの傾斜角は基準面
２ｂに対して定められる。この基準面は、試料２の載置
ステージ（図示せず）に平行な面であり、探針１の軸方
向すなわちＺ軸方向に直交している。傾斜を有する試料
２の測定面２ａに対して、例えばＸ軸方向およびＹ軸方
向にラインスキャンを行うことにより、あるいは二次元
測定データを得るための二次元測定を行うことにより、
任意方向のラインの測定データを得、測定面２ａの基準
面２ｂに対する傾斜角を求める。なお、二次元測定は測
定領域内の部分領域を二次元的に走査することである。
これによって、任意ライン上の凹凸データを得る。

【００１９】一例としてＹ軸方向のラインスキャン時の
測定データが、図３に示すように得られた場合、この測
定データを用いて基準面２ｂに対する試料面（平均的な
平面と想定される面２ｃ）の傾斜角θｙが求められる。
Ｘ軸方向の傾斜角についても同様に求めることができ
る。以下では、説明の便宜上、傾斜角θｙについての傾
斜補正に関して説明する。

【００２０】測定データに関し傾斜補正を行う方法を図
４（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に従って説明する。図４
（Ａ）は試料２で設定された測定面２ａでＹ軸方向にラ
インスキャンした結果得られた測定データ（探針の高さ
位置データ）を、Ｙ軸方向に並べて示したグラフであ
る。横軸がＹ₀ 軸、縦軸がＺ₀ 軸であり、Ｙ₀ −Ｚ₀ を
基準座標系とする。このグラフにおいてサンプリングピ
ッチＰ₀ は等間隔である。図４（Ａ）中１６はスキャン
方向、ΔＹ₀ は、測定時におけるＹ軸方向の走査範囲を
示している。また測定データの高さをＺ_i,0 （ｉ＝１〜
ｎ_y ；ｎ_y はサンプリング点数または測定データ数）と
する。図４（Ａ）のグラフの中には、さらに前記試料面
２ｃに対応する座標系Ｙ₁ −Ｚ₁ が示される。基準座標
系に対する角度はθｙである。

【００２１】傾斜している試料面２ｃに対する測定デー
タＺ_i,1 を、Ｚ_i,0 を用いて求めると下記の（数１）の
ようになる。（数１）等の誘導に関し図５を参照する。
図５は図４（Ａ）の一部を拡大して示し、点Ａ〜Ｇを図
中に示す。これらの点Ａ〜Ｇについては線分ＣＡ＝Ｚ
_i,0 、線分ＣＤ＝Ｚ_i,1 と定義され、かつ次の式が成立
する。 ＣＤ＝｛ＡＣ−ＡＢ｝cos θｙ Ｐ_i,1 ＝（ＣＦ² −ＣＧ² ）^1/2 ＣＦ² ＝ＥＦ² ＋Ｐ₀ ² ＝（Ｚ_i+1,0 −Ｚ_i,0 ) ² ＋Ｐ
₀ ² ＣＧ² ＝( Ｚ_i+1,1 −Ｚ_i,1 ）² 上記の関係式を用いて（数１）等が求められる。

【数１】 Ｚ_i,1 ＝｛Ｚ_i,0 −（ｉ−１）Ｐ₀ tan θｙ｝cos θｙ 測定データＺ_i,1 に対するＹ₁ 軸方向の不等間隔のサン
プリングピッチＰ_i,1を求めると、次式で与えられる。

【数２】Ｐ_i,1 ＝｛((Ｚ_i+1,0 −Ｚ_i,0 ) ² ＋Ｐ₀ ² )-
( Ｚ_i+1,1 −Ｚ_i,1 ）² ｝^1/2 試料面２ｃのＹ₁ 軸方向に沿った走査範囲ΔＹ₁ （補正
された走査範囲）は、上記の（数２）の結果を用いて、
次式で与えられる。

【数３】 ΔＹ₁ ＝ΣＰ_i,1 ただしｉ＝１〜（ｎ_y −１） 上記の値は厳密には表面凹凸の程度に応じて走査ライン
ごとに異なる。このため、走査範囲として近似的に次式
で与えられるΔＹ₁ ′を採用する。

【数４】ΔＹ₁ ′＝ΔＹ₀ ／cos θｙ ただし、ΔＹ₀ は補正前の測定で設定された走査範囲 （数３）と（数４）で求められる各値の比率ΔＹ₁ ／Δ
Ｙ₁ ′を、不等間隔の走査ピッチＰ_i,1 に乗じてＰ
_i,1 ′とし、この値と（数１）より得られる傾斜試料面
２ｃに対する高さ成分Ｚ_i,1 を用いて等間隔ピッチΔＹ
₁ ′／（ｎ_y −１）での高さ成分を内挿法により算出す
る。

【００２２】上記の傾斜補正の演算に関連して、図４
（Ｂ）は、座標系Ｙ₁ −Ｚ₁ において傾斜している試料
面２ｃに対する測定データＺ_i,1 を不等間隔ピッチＰ
_i,1 で示したグラフである。図４（Ｃ）は、座標系Ｙ₁
−Ｚ₁ において、前記内挿法で算出した等間隔ピッチΔ
Ｙ₁ ′／（ｎ_y −１）での高さ成分データを示したグラ
フである。図４（Ｃ）に示した高さ成分データを用いて
輝度変調像や立体陰影像として表示する。

【００２３】前述した傾斜補正の演算において、試料面
２ｃの方向に沿った走査範囲ΔＹ₁を（数４）で近似し
ている問題を明確にするために、以下の点を考察する。
試料２の傾斜面に対する高さ方向成分を、測定データか
ら、

【数５】 Ｙ_i,1 ＝｛（ｉ−１）Ｐ₀ ｝sin θｙ＋Ｚ_i,0 cos θｙ

【数６】 Ｚ_i,1 ＝｛（ｉ−１）Ｐ₀ ｝cos θｙ＋Ｚ_i,0 sin θｙ
で求める。補正後の走査範囲ΔＹ₁ に対する等間隔な走
査ピッチとして、

【数７】Ｐ_i ＝Ｐ₀ ／cos θｙ を採用する。以上により（数６）と（数７）で得られる
（Ｙ_i,1 ，Ｚ_i,1 ）ただしｉ＝１〜ｎ_y のデータを基
に、内挿法により試料傾斜面に対するデータを新たに算
出し、補正後の高さ方向データとして用いることができ
る。

【００２４】上記の２つの傾斜補正方法のいずれによっ
ても、走査範囲に対して数パーセント程度の表面凹凸形
状を対象として精緻な探針走査を行う実際の測定では、
問題なく傾斜補正を行うことができる。上記の各実施例
の傾斜補正方法によれば、傾斜補正後のＳＴＭ像作成デ
ータによって作成したＳＴＭ像において、実際の試料表
面の凹凸形状と異なったプロファイルとなるのを避ける
ことができる。

【００２５】前述の説明では、ＳＴＭによる画像の補正
傾斜方法について説明したが、本発明は走査型探針顕微
鏡に一般的に適用することができる。

【００２６】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように本発明によ
れば、走査型探針顕微鏡で得られる画像に対し傾斜補正
を行うにあたって、測定データから傾斜成分の取り除い
て得られる信号レベルを、さらに等間隔サンプリングピ
ッチの信号レベルに変換するように処理したため、傾斜
補正を行っても実際の凹凸形状と同じ形状をした画像を
得ることができ、傾斜した試料表面の凹凸について正確
な情報を得ることができ、解析を容易に行うことができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】走査型探針顕微鏡の一例であるＳＴＭの要部構
成を示す構成図である。

【図２】試料の傾斜した測定面を示す斜視図である。

【図３】試料の傾斜した測定面を説明するための図であ
る。

【図４】本実施例による傾斜補正の方法を説明するため
の図である。

【図５】傾斜補正方法の説明を補助する拡大図である。

【図６】傾斜補正方法の問題点を説明するための図であ
る。

【符号の説明】

１ …探針 ２ …試料 ３，４，５ …圧電素子 ７ …トンネル電流検出部 ８ …トンネル電流・距離変換部 ９ …サーボ回路 １０ …走査部 １１ …測定データ記憶部 １２ …データ処理部 １３ …モニタ部 １４ …演算・制御部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料の表面に接近させた探針で前記試料
   表面を走査し、複数の測定箇所のそれぞれで、前記探針
   と前記試料表面の間の微小間隔に生じる物理量を利用し
   て前記試料表面の凹凸形状に対応する前記探針の高さ位
   置を測定し、この高さ位置のデータを用いて前記試料表
   面の凹凸形状の画像を作成する走査型探針顕微鏡像の画
   像作成方法において、 前記試料の測定領域上にて任意方向のラインの測定デー
   タに基づき前記測定領域の測定面の傾斜角を算出し、こ
   の傾斜角に基づいて走査範囲を定め、この走査範囲と測
   定データを用いて傾斜した前記測定面に直交する方向で
   の信号レベルを算出し、前記走査範囲とサンプリング数
   と前記信号レベルに基づいて等間隔なサンプリングピッ
   チにおける信号レベルを内挿法により求め、等間隔のサ
   ンプリングピッチにて求めた前記信号レベルを用いて前
   記凹凸形状画像を作成することを特徴とする走査型探針
   顕微鏡像の傾斜補正方法。