JPH1194851A - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】除去すべき歪み成分のみを完全に除去すること
によって、実際の試料表面情報を高精度に検出すること
が可能な走査型プローブ顕微鏡を提供する。 【解決手段】ＳＰＭ測定データの隣り合うデータの差分
を算出する差分処理プロセスＳ２と、差分データから試
料形状成分を除去する試料形状成分除去プロセスＳ３
と、この試料形状成分除去回路から出力された差分デー
タに積分処理を施して、差分データに含まれている歪み
成分を算出する積分処理プロセスＳ４と、この積分回路
から出力された積分データに対して多項式近似を施す曲
線近似プロセスＳ５と、この曲線近似回路から出力され
た曲線近似成分をＳＰＭ測定データから除去することに
よって、除去すべき歪み成分のみを完全にＳＰＭ測定デ
ータから除去する歪み成分除去処理プロセスＳ６とを有
している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば原子オーダ
ーの分解能で試料の表面情報を測定するための走査型プ
ローブ顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：
Scanning Probe Microscope ）の一例として、ビニッヒ
(Binnig)やローラー(Rohrer)等によって、走査型トンネ
ル顕微鏡（ＳＴＭ：Scanning Tunneling Microscope ）
が発明されている。しかし、ＳＴＭでは、観察できる試
料が導電性の試料に限られている。そこで、サーボ技術
を始めとするＳＴＭの要素技術を利用し、絶縁性の試料
を原子オーダーの分解能で観察できる装置として原子間
力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope ）が提案
されている（特開昭６２−１３０３０２号公報参照）。

【０００３】ＡＦＭ構造は、ＳＰＭの一つとして位置付
けられており、自由端に尖鋭化した探針を持つカンチレ
バーと、探針と試料とを相対的に移動させるスキャナと
を備えている。そして、探針を試料に対向して近接させ
ると、探針先端の原子と試料表面の原子との間に働く相
互作用（原子間力、斥力、引力、粘性、磁気力など）に
よって、カンチレバーの自由端が変位する。この自由端
に生じる変位量を電気的あるいは光学的に検出しなが
ら、探針を試料表面に沿ってＸＹ方向に相対的に走査す
ることによって、試料の表面情報等（例えば、凹凸情
報）が三次元的に測定される。

【０００４】このようなＳＰＭ測定において、高い分解
能を実現するためには、探針と試料との間の相対距離を
精度良く制御可能なスキャナが必要である。そこで、ス
キャナとして、一般的には、圧電体を用いたトライポッ
ト型若しくはチューブ型の圧電体スキャナが用いられて
いる（特開昭６３−２３６９９２号公報参照）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、精度の
良いスキャナを用いた場合でも、ＳＰＭ装置の熱ドリフ
ト或いはスキャナ自身のヒステリシスやクリープ現象等
によって、ＳＰＭ測定データが歪んでしまう場合があ
る。

【０００６】例えば、表面が平坦な試料の表面を所定の
走査速度で走査して、試料の表面情報を測定した場合を
想定すると、図６（ａ）に示すように、１ライン走査の
ＳＰＭ測定データ２上に歪み成分が乗ってしまうため、
最終的に得られた三次元ＳＰＭ測定データ４は、歪み成
分の影響を受けることによって、図６（ｂ）に示すよう
な全体的に歪んだものとなってしまう。

【０００７】この場合、例えば特開平９−４３２５４号
公報に開示されたように、ＳＰＭ測定において、所定ピ
ッチでサンプリングを行った際に、隣り合うサンプルデ
ータ相互の差分を算出し、この算出結果に基づいて、歪
み成分を除去する方法も考えられる。

【０００８】しかし、この歪み成分除去方法では、実際
のＳＰＭ測定データと歪み成分との間の区別がつかない
ため、試料の表面形状に元来含まれている歪み成分（実
際の表面情報成分）も除去されてしまう場合がある。こ
の結果、実際の試料表面形状に対応したＳＰＭ測定デー
タを高精度に検出することが困難になってしまうといっ
た問題がある。

【０００９】本発明は、このような問題を解決するため
に成されており、その目的は、除去すべき歪み成分のみ
を完全に除去することによって、実際の試料表面情報を
高精度に検出することが可能な走査型プローブ顕微鏡を
提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、測定デー
タの隣り合うデータの差分を算出する差分算出回路と、
この差分算出回路から出力された差分データから試料形
状成分を除去する試料形状成分除去回路と、この試料形
状成分除去回路から出力された差分データに積分処理を
施して、差分データに含まれている歪み成分を算出する
積分回路と、この積分回路から出力された積分データに
対して曲線近似を施す曲線近似回路と、この曲線近似回
路から出力された曲線近似成分を測定データから除去す
ることによって、除去すべき歪み成分のみを測定データ
から除去する歪み成分除去回路とを備えている。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１の実施の形態
に係る走査型プローブ顕微鏡について、図１〜図３を参
照して説明する。本実施の形態の走査型プローブ顕微鏡
に適用可能な測定法としては、探針接触圧設定時のカン
チレバーの撓み状態を一定に維持しながら、カンチレバ
ーを励振させること無く探針を試料に沿って走査するこ
とによって、試料の表面情報を測定するスタティックモ
ード測定法と、所定の共振周波数でカンチレバーを励振
させた状態において、例えば振動中心と試料表面との間
の距離を一定に維持しながら、探針を試料に沿って走査
することによって、試料の表面情報を測定するダイナミ
ックモード測定法とが知られているが、以下の説明で
は、両測定法を総称して単にＳＰＭ測定ということとす
る。

【００１２】また、走査型プローブ顕微鏡は、固定した
試料に対して探針を所定方向に移動させることによっ
て、試料の表面情報をＳＰＭ測定する探針走査型と、固
定した探針に対して試料を所定方向に移動させることに
よって、試料の表面情報をＳＰＭ測定する試料走査型と
に大別されるが、いずれにも本実施の形態に適用するこ
とができる。

【００１３】なお、探針走査型の走査型プローブ顕微鏡
は、スキャナ（例えば、チューブ型圧電体スキャナ）の
可動部にカンチレバーが取り付けられており、スキャナ
に印加する電圧を制御することによって、探針を試料に
沿って所定方向に所定量だけ移動させることができるよ
うに構成されている。一方、試料走査型の走査型プロー
ブ顕微鏡は、スキャナの可動部に試料を載置することが
できるようになっており、スキャナに印加する電圧を制
御することによって、試料を探針に対して所定方向に移
動させることができるように構成されている。

【００１４】図１（ａ）に示すように、本実施の形態の
走査型プローブ顕微鏡は、コンピュータ６によって制御
された走査型プローブ顕微鏡ユニット８と、この走査型
プローブ顕微鏡ユニット８から出力されたＳＰＭ測定デ
ータを保存する測定データバッファ１０と、コンピュー
タ６に内蔵されており、ＳＰＭ測定データから所定の歪
み成分を除去する歪み成分除去回路系（図示しない）
と、この歪み成分除去回路系から出力された歪み成分除
去済みのＳＰＭ測定データを保存する歪み成分除去済み
データバッファ１２と、歪み成分除去済みのＳＰＭ測定
データを表示するディスプレイ１４とを備えている。

【００１５】このような走査型プローブ顕微鏡によっ
て、例えば図１（ｂ）に示すような格子状パターンを有
する試料１６に対して、所定ピッチで複数回のＸ走査を
行うと共に、Ｘ走査方向に対して直交するＹ走査を所定
ピッチで複数回行った場合、走査型プローブ顕微鏡ユニ
ット８からのＳＰＭ測定データ１８は、図１（ｃ）に示
すように、全体的に歪んだものとなる。

【００１６】本実施の形態に適用した歪み成分除去回路
系には、ＳＰＭ測定データ１８の隣り合うデータの差分
を算出する差分算出回路（図示しない）と、この差分算
出回路から出力された差分データから試料形状成分を除
去する試料形状成分除去回路と、この試料形状成分除去
回路から出力された差分データに積分処理を施して、差
分データに含まれている歪み成分を算出する積分回路
（図示しない）と、この積分回路から出力された積分デ
ータに対して例えば多項式近似を施す曲線近似回路（図
示しない）と、この曲線近似回路から出力された曲線近
似成分をＳＰＭ測定データ１８から除去する歪み成分除
去回路とが設けられており、この歪み成分除去回路を経
ることによって、ＳＰＭ測定データから歪み成分が除去
されるようになっている。

【００１７】以下、歪み成分除去プロセスについて、図
１及び図３を参照しながら図２のフローチャートに従っ
て説明する。実際の歪み成分除去プロセスは、複数回の
Ｘ走査及びＹ走査の夫々全てについて行われるが、説明
の簡略化のため、Ｘ方向への１ライン走査のＳＰＭ測定
データを例に採って、このＳＰＭ測定データに対する歪
み成分除去プロセスを説明する。

【００１８】いま、図１（ｃ）のΙ−Ι線（Ｘ走査方
向）に沿う断面をとると、その１ラインＸ走査のＳＰＭ
測定データは、図３（ａ）に示すように、Ｘ走査方向Ｓ
に対して高さ方向の変位Ｈが歪んだものとなっている
（プロセスＳ１）。

【００１９】このＳＰＭ測定データは、差分算出回路に
よって、その隣り合うデータの差分が算出される（プロ
セスＳ２）。このとき、差分算出回路から出力された差
分データ±Ｄには、図３（ｂ）に示すように、大きく変
化したデータ成分ｅ１，ｅ２が現れる。これらデータ成
分ｅ１，ｅ２は、夫々、試料１６の格子状パターンのエ
ッジに相当する部分のデータ成分（試料形状成分）であ
って、ＳＰＭ測定データから除去すべき歪み成分では無
い。

【００２０】そこで、試料形状成分除去回路において、
差分データ±Ｄ上に測定者が任意に（経験的に）設定可
能な所定の閾値±ｔを予め設定して、この閾値±ｔを越
えたデータ成分が試料形状成分ｅ１，ｅ２と見なされ、
これら試料形状成分ｅ１，ｅ２を例えば０（零）に置き
換えることによって、差分データ±Ｄ上から除去してい
る（プロセスＳ３）。

【００２１】試料形状成分除去回路から出力された差分
データは、続いて、積分回路において、積分処理が施さ
れる（プロセスＳ４）。このとき、歪み成分算出回路か
らは、図３（ｃ）に示すように、試料形状成分以外の歪
み成分やノイズ成分を含んだ積分データが出力される。

【００２２】しかしながら、この積分データ中には、測
定対象である試料１６の表面粗さ等に関係した成分が含
まれている可能性があるため、この積分データをそのま
まＳＰＭ測定データから除去すると、試料１６の表面粗
さ等に関係したデータも除去してしまうことになる。

【００２３】そこで、曲線近似回路において、積分デー
タに対して例えば多項式近似が施される（プロセスＳ
５）。ところで、多項式近似とは、各測定点でのＳＰＭ
測定データの間を通る曲線を仮想的に描いた場合、この
曲線と各ＳＰＭ測定データとの間の誤差距離が最小にな
るような曲線で近似を行い、その近似曲線を表す関数を
数学的に求める方法であり、近似曲線を表す関数Ｆ
（ｘ）は、一般的には、 Ｆ（ｘ）＝ａ０＋ａ１・ｘ＋ａ２・ｘ² ＋ … ＋ａｎ
・ｘⁿ という多項式を用いて表され、ａ０〜ａｎのパラメータ
の集合の値を決定する。

【００２４】そして、歪み成分除去回路において、曲線
近似回路から出力された曲線近似成分をＳＰＭ測定デー
タから除去することによって（プロセスＳ６）、図３
（ｄ）に示すように、除去すべき歪み成分が完全に除去
されたＳＰＭ測定データを得ることができる。

【００２５】そして、上述したような歪み成分除去プロ
セスを残りのＸ走査並びにＹ走査の夫々全てについて行
うことによって（プロセスＳ７，Ｓ８）、例えば図１
（ｂ）に示すような実際の試料１６の形状に一致した歪
みの無い三次元ＳＰＭ測定データを得ることができる
（プロセスＳ９）。

【００２６】このように、本実施の形態によれば、除去
すべき歪み成分のみを完全に除去することによって、実
際の試料表面情報を高精度に検出することが可能な走査
型プローブ顕微鏡を提供することができる。

【００２７】次に、本発明の第２の実施の形態に係る走
査型プローブ顕微鏡について、図４を参照して説明す
る。本実施の形態は、第１の実施の形態の改良に係り、
閾値を設定すること無く、ＳＰＭ測定データに対するデ
ータ処理によって、自動的に試料１６の試料形状成分を
算出し、除去すべき歪み成分を除去することができるよ
うになっている。

【００２８】このため、本実施の形態に適用した歪み成
分除去回路系には、差分算出回路から出力された差分デ
ータに微分処理を施す微分回路（図示しない）が設けら
れている。

【００２９】なお、その他の構成は、第１の実施の形態
と同様であるため、その説明は省略する。このような構
成において、第１の実施の形態のプロセスＳ１，Ｓ２を
経た後、差分算出回路から出力された差分データ±Ｄ
（図３（ｂ）参照）は、微分回路において、微分処理が
施される。

【００３０】このとき、微分回路から出力された微分デ
ータには、図４（ａ）に示すような零クロス点ｃ１，ｃ
２と、これら零クロス点ｃ１，ｃ２の両側にピークが立
つ。この場合、零クロス点ｃ１，ｃ２は、差分データ±
Ｄのエッジ成分（試料形状成分ｅ１，ｅ２（図３（ｂ）
参照））に相当し、ピーク間領域ａ１，ａ２は、試料形
状に関係した成分領域と見なされる。

【００３１】そこで、試料形状成分除去回路において、
これらピーク間領域ａ１，ａ２を例えば０（零）に置き
換えることによって（図４（ｂ）参照）、差分データ±
Ｄ上から除去する（プロセスＳ３）。

【００３２】試料形状成分除去回路から出力された差分
データは、続いて、第１の実施の形態と同様に、積分回
路において、積分処理（プロセスＳ４）が施された後
（図４（ｃ）参照）、曲線近似回路において、例えば多
項式近似が施される（プロセスＳ５）。そして、歪み成
分除去回路において、曲線近似回路から出力された曲線
近似成分をＳＰＭ測定データから除去することによって
（プロセスＳ６）、図４（ｄ）に示すように、除去すべ
き歪み成分が完全に除去されたＳＰＭ測定データを得る
ことができる。

【００３３】そして、上述したような歪み成分除去プロ
セスを残りのＸ走査並びにＹ走査の夫々全てについて行
うことによって（プロセスＳ７，Ｓ８）、例えば図１
（ｂ）に示すような実際の試料１６の形状に一致した歪
みの無い三次元ＳＰＭ測定データを得ることができる
（プロセスＳ９）。

【００３４】このように、本実施の形態によれば、微分
回路を増設したことによって、除去すべき歪み成分を自
動的に完全に除去することができるため、実際の試料表
面情報を高精度且つ迅速に検出することが可能な走査型
プローブ顕微鏡を提供することができる。

【００３５】次に、本発明の第３の実施の形態に係る走
査型プローブ顕微鏡について、図５を参照して説明す
る。上記第１及び第２の実施の形態では、Ｘ走査及びＹ
走査の夫々の１ライン走査毎に、歪み成分除去プロセス
を行っているが、本実施の形態は、全てのＸ走査及びＹ
走査を行った後に得られた三次元ＳＰＭ測定データから
直接試料形状成分を抽出して、除去すべき歪み成分三次
元ＳＰＭ測定データから除去することができるように構
成されている。

【００３６】このため、本実施の形態に適用した歪み成
分除去回路系には、走査型プローブ顕微鏡ユニット８
（図１（ａ）参照）から出力されたＳＰＭ測定データに
フィルタ処理（後述する）を直接施すフィルタ回路が設
けられている。

【００３７】具体的には、図５には、三次元ＳＰＭ測定
データの平面領域が示されており、この平面領域におい
て、例えば注目点をＰ（ｉ，ｊ）とすると、フィルタ回
路によって、 Ｐ（ｉ，ｊ）＝Ｐ（ｉ，ｊ＋１）＋Ｐ（ｉ＋１，ｊ）−
２×Ｐ（ｉ，ｊ） なるフィルタ処理が、ＳＰＭ測定データの全てのＸ走査
方向又はＹ走査方向に沿って施される。この結果、三次
元ＳＰＭ測定データから試料形状成分が算出されること
になる。

【００３８】つまり、本実施の形態は、試料の測定領域
を探針を用いてＸ走査若しくはＹ走査することによっ
て、試料の表面情報を測定する。そして、注目点Ｐ
（ｉ，ｊ）と、この注目点Ｐ（ｉ，ｊ）のＸ方向に隣接
するデータＰ（ｉ＋１，ｊ）及びＹ方向に隣接するデー
タＰ（ｉ，ｊ＋１）とに基づいて、試料面の差分データ
を算出する。これは図２のプロセスＳ２に該当する。

【００３９】そして、このフィルタ処理後、第１の実施
の形態と同様に、プロセスＳ３〜Ｓ８を施すことによっ
て、除去すべき歪み成分のみが一括して完全に除去され
た実際の試料表面情報を高精度に検出することができ
る。

【００４０】なお、本発明は、上述した各実施の形態の
構成に限定されることは無く、新規事項を追加しない範
囲で種々変更することができる。上述した各実施の形態
では、その一例として、積分データに対して多項式近似
を行ったが、これに限定されることは無く、例えば積分
データに対してスプライン曲線近似を施しても同様の作
用効果を実現することができる。

【００４１】なお、スプライン曲線近似に用いられるス
プライン関数は、多項式を何等かの連続条件を満たすよ
うに接続した区分的多項式であって、多項式の１つの自
然な拡張と考えられる。そして、このスプライン関数を
用いて積分データに曲線近似を施した際に得られた曲線
近似成分をＳＰＭ測定データから除去することによっ
て、例えば図３（ｄ）に示すように、除去すべき歪み成
分が完全に除去されたＳＰＭ測定データを得ることがで
きる。

【００４２】

【発明の効果】本発明によれば、除去すべき歪み成分の
みを完全に除去することによって、実際の試料表面情報
を高精度に検出することが可能な走査型プローブ顕微鏡
を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係る走
査型プローブ顕微鏡の構成を概略的に示すブロック図，
（ｂ）は、実際の試料の形状を示す斜視図、（ｃ）は、
ＳＰＭ測定データの三次元像を示す斜視図。

【図２】ＳＰＭ測定データから歪み成分を除去する歪み
成分除去プロセスを示すフローチャート。

【図３】（ａ）〜（ｄ）は、図２のフローに従って得ら
れるデータ特性を示す図。

【図４】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第２の実施の形態
に係る走査型プローブ顕微鏡において、ＳＰＭ測定デー
タから歪み成分を除去する歪み成分除去プロセスに従っ
て得られるデータ特性を示す図。

【図５】本発明の第３の実施の形態に係る走査型プロー
ブ顕微鏡において、三次元ＳＰＭ測定データから歪み成
分を除去する歪み成分除去プロセスを示す図。

【図６】従来の走査型プローブ顕微鏡において、（ａ）
は、ＳＰＭ測定データ上に歪み成分が乗った状態を示す
図、（ｂ）は、三次元ＳＰＭ測定データが、全体的に歪
んだ状態を示す図。

【符号の説明】

Ｓ２ 差分処理プロセス Ｓ３ 試料形状成分除去プロセス Ｓ４ 積分処理プロセス Ｓ５ 曲線近似プロセス Ｓ６ 歪み成分除去処理プロセス

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定データの隣り合うデータの差分を算
   出する差分算出回路と、 この差分算出回路から出力された差分データから試料形
   状成分を除去する試料形状成分除去回路と、 この試料形状成分除去回路から出力された差分データに
   積分処理を施して、差分データに含まれている歪み成分
   を算出する積分回路と、 この積分回路から出力された積分データに対して曲線近
   似を施す曲線近似回路と、 この曲線近似回路から出力された曲線近似成分を測定デ
   ータから除去することによって、除去すべき歪み成分の
   みを測定データから除去する歪み成分除去回路とを備え
   ていることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
2. 【請求項２】 前記差分算出回路から出力された差分デ
   ータに微分処理を施して、前記試料形状成分を算出可能
   な微分回路が設けられ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。
3. 【請求項３】 測定データに直接フィルタ処理を施すこ
   とによって、測定データから試料形状成分を直接算出可
   能なフィルタ回路が設けられ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。