JP3103217B2 - 走査型プローブ顕微鏡及びそれを用いて試料を観察する方法 - Google Patents
走査型プローブ顕微鏡及びそれを用いて試料を観察する方法Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、プローブを試料に近接
させた時に観測される物理現象（例えばトンネル又は原
子間力）を利用して試料の観察像を得る走査型プローブ
顕微鏡及びそれを用いて試料を観察する方法に関するも
のである。
させた時に観測される物理現象（例えばトンネル又は原
子間力）を利用して試料の観察像を得る走査型プローブ
顕微鏡及びそれを用いて試料を観察する方法に関するも
のである。
【０００２】
【従来の技術】近年、探針と試料とを接近させ、その際
に生ずる物理現象であるトンネル現象を利用して物質表
面及び表面近傍の電子構造を直接観察できる走査型プロ
ーブ顕微鏡及びそれを用いて試料を観察する方法（以後
ＳＴＭと云う）が開発され［G.Binnig et al.,Helvetic
a Physica Acta,55.726(1982)]、単結晶、非晶質を問わ
ず実空間像を高い分解能で測定できるようになった。ま
た、ＳＴＭは媒体に対して電流による損傷を与えずに低
電力で観測できる利点をも有し、更には超高真空中のみ
ならず大気中、溶液中でも動作し種々の材料に対して用
いることができ、学術的或いは研究分野での広範囲な応
用が期待されている。また、産業分野においても近年、
例えば特開昭６３−１６１５５２号公報、同１６１５５
３号公報に開示されているように、原子或いは分子サイ
ズの空間分解能を有する原理に着目し、記録再生装置へ
の応用、実用化が精力的に進められている。
に生ずる物理現象であるトンネル現象を利用して物質表
面及び表面近傍の電子構造を直接観察できる走査型プロ
ーブ顕微鏡及びそれを用いて試料を観察する方法（以後
ＳＴＭと云う）が開発され［G.Binnig et al.,Helvetic
a Physica Acta,55.726(1982)]、単結晶、非晶質を問わ
ず実空間像を高い分解能で測定できるようになった。ま
た、ＳＴＭは媒体に対して電流による損傷を与えずに低
電力で観測できる利点をも有し、更には超高真空中のみ
ならず大気中、溶液中でも動作し種々の材料に対して用
いることができ、学術的或いは研究分野での広範囲な応
用が期待されている。また、産業分野においても近年、
例えば特開昭６３−１６１５５２号公報、同１６１５５
３号公報に開示されているように、原子或いは分子サイ
ズの空間分解能を有する原理に着目し、記録再生装置へ
の応用、実用化が精力的に進められている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ＳＴＭは分子サイズの
空間分解能を持っているために、従来のＳＴＭ装置にお
いては、温度の変動、振動、圧電アクチュエータ等の駆
動系の影響によってステージや探針がドリフトを起こ
し、それにより、試料面上の探針走査領域が移動してし
まうため、時間と共に観察対象が移動するという問題点
がある。また、このような問題は他の走査型プローブ顕
微鏡、例えば原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）でも生じてい
る。
空間分解能を持っているために、従来のＳＴＭ装置にお
いては、温度の変動、振動、圧電アクチュエータ等の駆
動系の影響によってステージや探針がドリフトを起こ
し、それにより、試料面上の探針走査領域が移動してし
まうため、時間と共に観察対象が移動するという問題点
がある。また、このような問題は他の走査型プローブ顕
微鏡、例えば原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）でも生じてい
る。
【０００４】本発明の目的は、上記従来技術の問題点を
解決し、試料の安定した観察像が得られる走査型プロー
ブ顕微鏡及びそれを用いて試料を観察する方法を提供す
ることにある。
解決し、試料の安定した観察像が得られる走査型プロー
ブ顕微鏡及びそれを用いて試料を観察する方法を提供す
ることにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明に係る走査型プロ
ーブ顕微鏡は、試料の表面に対向して配されたプローブ
と、該プローブで試料の表面を二次元的に走査する走査
手段と、前記プローブから試料の構造に対応した信号を
検出する検出手段と、該検出手段で検出された信号から
試料の観察像を出力する出力手段とから成る走査型プロ
ーブ顕微鏡において、前記出力手段から出力される観察
像がシフトしないように、前記検出手段で検出される信
号に基づいて前記走査手段による走査を制御する制御手
段を設けたことを特徴とする。
ーブ顕微鏡は、試料の表面に対向して配されたプローブ
と、該プローブで試料の表面を二次元的に走査する走査
手段と、前記プローブから試料の構造に対応した信号を
検出する検出手段と、該検出手段で検出された信号から
試料の観察像を出力する出力手段とから成る走査型プロ
ーブ顕微鏡において、前記出力手段から出力される観察
像がシフトしないように、前記検出手段で検出される信
号に基づいて前記走査手段による走査を制御する制御手
段を設けたことを特徴とする。
【０００６】また、走査型プローブ顕微鏡を用いて試料
を観察する方法は、試料の表面に対向して配されたプロ
ーブで試料の表面を二次元的に走査し、前記プローブか
ら試料の構造に対応した信号を検出して、この検出され
た信号から試料の観察像を得る走査型プローブ顕微鏡を
用いて試料を観察する方法において、前記試料の観察像
がシフトしないように、前記プローブから検出される信
号に基づいて前記プローブの走査を制御することを特徴
とする。
を観察する方法は、試料の表面に対向して配されたプロ
ーブで試料の表面を二次元的に走査し、前記プローブか
ら試料の構造に対応した信号を検出して、この検出され
た信号から試料の観察像を得る走査型プローブ顕微鏡を
用いて試料を観察する方法において、前記試料の観察像
がシフトしないように、前記プローブから検出される信
号に基づいて前記プローブの走査を制御することを特徴
とする。
【０００７】
【作用】上述の構成を有する走査型プローブ顕微鏡及び
それを用いて試料を観察する方法は、走査時に得られる
信号を用いて、観察対象の構造に起因した検出信号の変
化位置を読取り、探針の位置をフィードバック制御によ
って補正することで試料面に対して走査領域を固定し、
ＳＴＭ像を静止させる。
それを用いて試料を観察する方法は、走査時に得られる
信号を用いて、観察対象の構造に起因した検出信号の変
化位置を読取り、探針の位置をフィードバック制御によ
って補正することで試料面に対して走査領域を固定し、
ＳＴＭ像を静止させる。
【０００８】
【実施例】本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明
する。図１は本発明をＳＴＭに適用した第１の実施例の
ブロック回路構成図を示し、試料ＳはＸＹ両方向に駆動
可能なステージ１上に固定され、試料Ｓに対向してプロ
ーブ２がＺ方向駆動手段３により上下に移動可能に支持
されている。試料Ｓとプローブ２の間には電源４により
所定の直流電圧が印加され、この電圧によって流れるト
ンネル電流が増幅器５によって電圧に変換され、Ａ／Ｄ
（アナログ／デジタル）変換器６に入力される。Ａ／Ｄ
変換器６は所定のサンプリング間隔でトンネル電流の大
きさをデジタル値に変換するものであり、その出力はデ
ータ信号生成器７及びＺ方向制御回路８に入力される。
データ信号生成器７はラスタ、つまりスキャン方向の１
ライン分をデータパケットとしてデータバス９に送出す
る。Ｚ方向制御回路８はトンネル電流の大きさからプロ
ーブ２と試料Ｓの距離を探知し、Ｚ方向駆動手段３の圧
電アクチュエータに印加する制御電圧にフィードバック
することにより、この距離を一定に保つよう動作する。
する。図１は本発明をＳＴＭに適用した第１の実施例の
ブロック回路構成図を示し、試料ＳはＸＹ両方向に駆動
可能なステージ１上に固定され、試料Ｓに対向してプロ
ーブ２がＺ方向駆動手段３により上下に移動可能に支持
されている。試料Ｓとプローブ２の間には電源４により
所定の直流電圧が印加され、この電圧によって流れるト
ンネル電流が増幅器５によって電圧に変換され、Ａ／Ｄ
（アナログ／デジタル）変換器６に入力される。Ａ／Ｄ
変換器６は所定のサンプリング間隔でトンネル電流の大
きさをデジタル値に変換するものであり、その出力はデ
ータ信号生成器７及びＺ方向制御回路８に入力される。
データ信号生成器７はラスタ、つまりスキャン方向の１
ライン分をデータパケットとしてデータバス９に送出す
る。Ｚ方向制御回路８はトンネル電流の大きさからプロ
ーブ２と試料Ｓの距離を探知し、Ｚ方向駆動手段３の圧
電アクチュエータに印加する制御電圧にフィードバック
することにより、この距離を一定に保つよう動作する。
【０００９】データバス９はＣＰＵ（中央処理装置）１
０によって制御され、データ信号生成器７からのデータ
パケットは画像データ出力部１１で画像データに変換さ
れ、モニタ等から成る画像出力装置１２に送られる。ま
た、同じデータパケットはデータ切出部１３に送られ、
データ切出部１３はエリアウインドウ指定部１４の指定
に応じたエリア内のデータのみを出力する。データ切出
部１３の出力は演算部１５に入力され、演算部１５は図
２のフローチャート図に従って後述する演算を行い、
Ｘ、Ｙ両方向に関して前画面に対する画像の移動量を算
出し、更にこれを基にＸ、Ｙ両方向のフィードバック量
を求め出力する。一方、データバス９を介してＣＰＵ１
０から伝えられる命令により、ＸＹ走査制御回路１６は
Ｘ、Ｙ両方向の制御電圧を出力する。演算部１５の出力
はそれぞれＤ／Ａ変換器１７ｘ、１７ｙにより電圧に変
換され、ＸＹ走査制御回路１６の出力と加算された後に
増幅器１８ｘ、１８ｙで増幅されて、ステージ１のＸ方
向とＹ方向の圧電アクチュエータにそれぞれ印加され
る。
０によって制御され、データ信号生成器７からのデータ
パケットは画像データ出力部１１で画像データに変換さ
れ、モニタ等から成る画像出力装置１２に送られる。ま
た、同じデータパケットはデータ切出部１３に送られ、
データ切出部１３はエリアウインドウ指定部１４の指定
に応じたエリア内のデータのみを出力する。データ切出
部１３の出力は演算部１５に入力され、演算部１５は図
２のフローチャート図に従って後述する演算を行い、
Ｘ、Ｙ両方向に関して前画面に対する画像の移動量を算
出し、更にこれを基にＸ、Ｙ両方向のフィードバック量
を求め出力する。一方、データバス９を介してＣＰＵ１
０から伝えられる命令により、ＸＹ走査制御回路１６は
Ｘ、Ｙ両方向の制御電圧を出力する。演算部１５の出力
はそれぞれＤ／Ａ変換器１７ｘ、１７ｙにより電圧に変
換され、ＸＹ走査制御回路１６の出力と加算された後に
増幅器１８ｘ、１８ｙで増幅されて、ステージ１のＸ方
向とＹ方向の圧電アクチュエータにそれぞれ印加され
る。
【００１０】このような構成において、半導体プロセス
により形成された溝を持つ金電極を試料Ｓとして用い
て、Ｘ方向に画像の静止を行った場合を先ず説明する。
試料Ｓとプローブ２との間には所定の電圧が印加され、
その電圧によって両者を流れるトンネル電流がＡ／Ｄ変
換器６によりデジタル値に変換される。このトンネル電
流データはデータ信号生成器７により、ラスタごとにト
ンネル電流データのデータパケットとしてまとめられデ
ータバス９に送られる。本実施例では、１ラスタを５１
２データ、１画面を５１２ラスタで構成している。
により形成された溝を持つ金電極を試料Ｓとして用い
て、Ｘ方向に画像の静止を行った場合を先ず説明する。
試料Ｓとプローブ２との間には所定の電圧が印加され、
その電圧によって両者を流れるトンネル電流がＡ／Ｄ変
換器６によりデジタル値に変換される。このトンネル電
流データはデータ信号生成器７により、ラスタごとにト
ンネル電流データのデータパケットとしてまとめられデ
ータバス９に送られる。本実施例では、１ラスタを５１
２データ、１画面を５１２ラスタで構成している。
【００１１】Ｚ方向制御回路８はＺ方向駆動手段３に取
り付けられている圧電アクチュエータに制御電圧を加え
ることによって、プローブ２と試料Ｓとの距離を制御す
る。その際に、Ｚ方向制御回路８はＡ／Ｄ変換されたト
ンネル電流データを取り込み、それをプローブ２と試料
Ｓとの距離の情報として用いてフィードバック制御を行
っている。画像データ出力部１１はデータバス９から受
け取ったデータパケットを用いて画像データを生成し、
モニタ等の画像出力装置１２にＳＴＭ像を出力する。ま
た、ＸＹ方向走査はステージ１に取り付けられた圧電ア
クチュエータにＸＹ走査制御回路１６から出力される制
御電圧を印加することによって行う。ＣＰＵ１０によっ
て一連の動作が管理され、それぞれの動作により試料表
面の観察を行う。
り付けられている圧電アクチュエータに制御電圧を加え
ることによって、プローブ２と試料Ｓとの距離を制御す
る。その際に、Ｚ方向制御回路８はＡ／Ｄ変換されたト
ンネル電流データを取り込み、それをプローブ２と試料
Ｓとの距離の情報として用いてフィードバック制御を行
っている。画像データ出力部１１はデータバス９から受
け取ったデータパケットを用いて画像データを生成し、
モニタ等の画像出力装置１２にＳＴＭ像を出力する。ま
た、ＸＹ方向走査はステージ１に取り付けられた圧電ア
クチュエータにＸＹ走査制御回路１６から出力される制
御電圧を印加することによって行う。ＣＰＵ１０によっ
て一連の動作が管理され、それぞれの動作により試料表
面の観察を行う。
【００１２】次に、ＳＴＭ像静止機構の具体的な動作を
説明すると、先ず検出信号であるトンネル電流信号の空
間的な変化位置を効果的に検出し、フィードバック制御
を行うために、検出エリアを指定する。エリアウインド
ウ指定部１４によって画面上のどの部分を検出エリアと
するかを決定し、そのエリア位置の情報をデータ切出部
１３に送る。データ切出部１３では、データバス９から
受け取ったトンネル電流データパケットからエリア内の
データのみを取り出し、演算部１５に送る。演算部１５
は図２のフローチャート図に示すように、エリア内のデ
ータの２値化処理（ＳＴＥＰ１）、空間フィルタ処理
（ＳＴＥＰ２）、その結果より信号変化位置つまりエッ
ジ位置の検出（ＳＴＥＰ３）、移動量の算出（ＳＴＥＰ
４）、及びフィードバック量の算出（ＳＴＥＰ５）を行
って、最終的にはフィードバック量をＸＹ走査制御回路
１６の出力に加算し、走査領域を試料面に対して静止さ
せる。
説明すると、先ず検出信号であるトンネル電流信号の空
間的な変化位置を効果的に検出し、フィードバック制御
を行うために、検出エリアを指定する。エリアウインド
ウ指定部１４によって画面上のどの部分を検出エリアと
するかを決定し、そのエリア位置の情報をデータ切出部
１３に送る。データ切出部１３では、データバス９から
受け取ったトンネル電流データパケットからエリア内の
データのみを取り出し、演算部１５に送る。演算部１５
は図２のフローチャート図に示すように、エリア内のデ
ータの２値化処理（ＳＴＥＰ１）、空間フィルタ処理
（ＳＴＥＰ２）、その結果より信号変化位置つまりエッ
ジ位置の検出（ＳＴＥＰ３）、移動量の算出（ＳＴＥＰ
４）、及びフィードバック量の算出（ＳＴＥＰ５）を行
って、最終的にはフィードバック量をＸＹ走査制御回路
１６の出力に加算し、走査領域を試料面に対して静止さ
せる。
【００１３】本実施例で用いた試料Ｓは、金基板上に半
導体プロセスによって図３に示すように幅２００ｎｍ、
深さ５０ｎｍの溝ＴをＬ字形に縦横１０００ｎｍの長さ
に作成したものを用いている。走査エリアSAの大きさは
２μｍ平方（トンネル電流データ数５１２×５１２個）
であり、Ｘ方向検出エリアDAX 、Ｙ方向検出エリアDAY
は何れも２５０ｎｍ平方（トンネル電流データ数６４×
６４個）とした。検出エリアDAX 、DAY の大きさは、そ
れぞれＸ方向及びＸ方向の位置検出用エッジが次の検出
の時までにドリフトによって外に出ないような大きさと
する必要がある。
導体プロセスによって図３に示すように幅２００ｎｍ、
深さ５０ｎｍの溝ＴをＬ字形に縦横１０００ｎｍの長さ
に作成したものを用いている。走査エリアSAの大きさは
２μｍ平方（トンネル電流データ数５１２×５１２個）
であり、Ｘ方向検出エリアDAX 、Ｙ方向検出エリアDAY
は何れも２５０ｎｍ平方（トンネル電流データ数６４×
６４個）とした。検出エリアDAX 、DAY の大きさは、そ
れぞれＸ方向及びＸ方向の位置検出用エッジが次の検出
の時までにドリフトによって外に出ないような大きさと
する必要がある。
【００１４】図１の演算部１５におけるデータ処理プロ
セスについて、図２に示す制御フローチャート図及び実
際の演算結果を用いて詳細に説明する。図４は演算回路
によって２値化処理された画像データを示し、これは検
出エリア内のデータをスレッショルド電流１ｎＡで２値
化処理したものである。黒い部分が溝内（ビット０、観
測電流＜スレッショルド電流の部分）、白い部分が溝外
（ビット１）を示している。静止制御はこの白黒の境目
を溝エッジと判定し、その位置をフィードバック制御に
よって固定する方法で行う。図４はＸ方向の検出エリア
のデータであり、この状態では孤立した小さな点（ノイ
ズ）が多い上、エッジ部分が不安定である。この画像の
ままで静止制御を行った場合の精度は２０〜３０ｎｍで
あった。
セスについて、図２に示す制御フローチャート図及び実
際の演算結果を用いて詳細に説明する。図４は演算回路
によって２値化処理された画像データを示し、これは検
出エリア内のデータをスレッショルド電流１ｎＡで２値
化処理したものである。黒い部分が溝内（ビット０、観
測電流＜スレッショルド電流の部分）、白い部分が溝外
（ビット１）を示している。静止制御はこの白黒の境目
を溝エッジと判定し、その位置をフィードバック制御に
よって固定する方法で行う。図４はＸ方向の検出エリア
のデータであり、この状態では孤立した小さな点（ノイ
ズ）が多い上、エッジ部分が不安定である。この画像の
ままで静止制御を行った場合の精度は２０〜３０ｎｍで
あった。
【００１５】次に、２値化画像を安定させる目的で、二
次元フィルタを用いた。図５は図４のデータに対して二
次元フィルタ処理を施した後のデータである。実際に
は、３×３のデータの大きさで空間平均を取って、中心
のビットを決定する方法を採用している。これによっ
て、図５に示すように孤立点が除去され、エッジも安定
化されていることが確認できる。このフィルタを用いて
行った静止制御では精度が数倍程度上昇して５〜８ｎｍ
となり、フィルタの効果が大きいことが確かめられた。
次元フィルタを用いた。図５は図４のデータに対して二
次元フィルタ処理を施した後のデータである。実際に
は、３×３のデータの大きさで空間平均を取って、中心
のビットを決定する方法を採用している。これによっ
て、図５に示すように孤立点が除去され、エッジも安定
化されていることが確認できる。このフィルタを用いて
行った静止制御では精度が数倍程度上昇して５〜８ｎｍ
となり、フィルタの効果が大きいことが確かめられた。
【００１６】続いて、演算部１５の移動量算出方法につ
いて述べると、移動量算出には先ず信号変化位置即ち溝
エッジ位置を検出し、その位置と目標値との差から移動
量を算出する。図５を見ると、右半分の黒い領域には白
い部分がないが、左半分の白い領域（溝外）には黒い
（信号の小さい）領域が存在する。そこで、横方向のラ
インに注目し、黒い部分が右端からどれだけ連続してい
るかを測定し、その位置の全横ラインに関する平均をエ
ッジ位置として決定した。
いて述べると、移動量算出には先ず信号変化位置即ち溝
エッジ位置を検出し、その位置と目標値との差から移動
量を算出する。図５を見ると、右半分の黒い領域には白
い部分がないが、左半分の白い領域（溝外）には黒い
（信号の小さい）領域が存在する。そこで、横方向のラ
インに注目し、黒い部分が右端からどれだけ連続してい
るかを測定し、その位置の全横ラインに関する平均をエ
ッジ位置として決定した。
【００１７】また、本実施例においては、フィードバッ
ク制御としてＰ制御を用いており、目標位置である検出
エリアの真中と検出位置との差をそのままフィードバッ
ク量として出力している。しかしながら、より精度の高
い柔軟な制御をするためにＰＩＤ制御や、ファジィ制御
を用いることも可能である。例えば、ＰＩＤ制御にする
ことで、温度ドリフト等の周期の長い緩慢な移動に対し
てその移動速度を制御対象とすることができ、より精度
の高い制御が可能となる。また、ファジィ制御を用いる
ことによって、ずれ量に対して戻す速さを制御すれば、
安定化までの時間を大幅に短縮することができる。更
に、それらを組合わせて移動方法を工夫することによっ
て、より精度の高い画像を得ることができる。例えば、
１画面の補正量分を移動させる場合に、１度に１ステッ
プで移動させるのみではなく、補正回数を複数とし、１
画面分の移動量を数１０回〜数１００回のステップで細
かく移動させることにより、熱ドリフトのような一定の
緩慢な移動に対して、像の流れ、歪を抑制することがで
きる。
ク制御としてＰ制御を用いており、目標位置である検出
エリアの真中と検出位置との差をそのままフィードバッ
ク量として出力している。しかしながら、より精度の高
い柔軟な制御をするためにＰＩＤ制御や、ファジィ制御
を用いることも可能である。例えば、ＰＩＤ制御にする
ことで、温度ドリフト等の周期の長い緩慢な移動に対し
てその移動速度を制御対象とすることができ、より精度
の高い制御が可能となる。また、ファジィ制御を用いる
ことによって、ずれ量に対して戻す速さを制御すれば、
安定化までの時間を大幅に短縮することができる。更
に、それらを組合わせて移動方法を工夫することによっ
て、より精度の高い画像を得ることができる。例えば、
１画面の補正量分を移動させる場合に、１度に１ステッ
プで移動させるのみではなく、補正回数を複数とし、１
画面分の移動量を数１０回〜数１００回のステップで細
かく移動させることにより、熱ドリフトのような一定の
緩慢な移動に対して、像の流れ、歪を抑制することがで
きる。
【００１８】なお、本実施例ではＸ方向の静止機構につ
いて説明したが、図３に示すＹ方向検出エリアDAY を用
いることにより、Ｘ方向と同様にＹ方向にエッジ位置を
検出し位置制御を行うことにより、Ｙ方向も静止させる
ことができる。
いて説明したが、図３に示すＹ方向検出エリアDAY を用
いることにより、Ｘ方向と同様にＹ方向にエッジ位置を
検出し位置制御を行うことにより、Ｙ方向も静止させる
ことができる。
【００１９】次に、第２の実施例について説明すると、
第１の実施例ではマーカを人工的に作成する必要があっ
たが、第２の実施例では実際に観察している像の一部を
マーカとして用いることができる。フィードバックの機
構は第１の実施例で図１に示したものと同様である。先
ず、検出エリアの指定に際し、エリアが完全に包含する
ことのできる大きさの像、又は像の一部をマーカとして
選択する。図６は検出エリア内の信号を２値化処理（Ｓ
ＴＥＰ１１）し、空間フィルタを通した（ＳＴＥＰ１
２）ものを示している。このように、トンネル電流が小
さい領域（黒い部分）が或る像を形成しており、検出エ
リアに包含される大きさとなっている。
第１の実施例ではマーカを人工的に作成する必要があっ
たが、第２の実施例では実際に観察している像の一部を
マーカとして用いることができる。フィードバックの機
構は第１の実施例で図１に示したものと同様である。先
ず、検出エリアの指定に際し、エリアが完全に包含する
ことのできる大きさの像、又は像の一部をマーカとして
選択する。図６は検出エリア内の信号を２値化処理（Ｓ
ＴＥＰ１１）し、空間フィルタを通した（ＳＴＥＰ１
２）ものを示している。このように、トンネル電流が小
さい領域（黒い部分）が或る像を形成しており、検出エ
リアに包含される大きさとなっている。
【００２０】図７のフローチャート図に示すように、こ
の図形の重心位置を求めた（ＳＴＥＰ１３）。そして、
重心位置の変化から移動量を算出し（ＳＴＥＰ１４）、
Ｘ方向のフィードバック量の算出（ＳＴＥＰ１５）及び
Ｙ方向のフィードバック量の算出（ＳＴＥＰ１６）を行
う。そして、このフィードバック量を、ステージに入力
される制御信号に重畳することによって観察像が移動し
ないように制御する。
の図形の重心位置を求めた（ＳＴＥＰ１３）。そして、
重心位置の変化から移動量を算出し（ＳＴＥＰ１４）、
Ｘ方向のフィードバック量の算出（ＳＴＥＰ１５）及び
Ｙ方向のフィードバック量の算出（ＳＴＥＰ１６）を行
う。そして、このフィードバック量を、ステージに入力
される制御信号に重畳することによって観察像が移動し
ないように制御する。
【００２１】重心の求め方は、先ず図６の６４×６４の
データを上下方向に計算し、面積が半分になる横ライン
の位置GXを求め、次に、同様に左右方向に計算し面積半
分の縦ラインの位置GYを求める。２つの位置により重心
位置（GX、GY）が求まり、その位置をＸＹ両方向に位置
制御して目標位置に一致させることによってＳＴＭ像を
静止させる。目標位置を検出エリアの中心としてＰ制御
したところ、精度２ｎｍでＸＹ両方向について同時に静
止させることができた。
データを上下方向に計算し、面積が半分になる横ライン
の位置GXを求め、次に、同様に左右方向に計算し面積半
分の縦ラインの位置GYを求める。２つの位置により重心
位置（GX、GY）が求まり、その位置をＸＹ両方向に位置
制御して目標位置に一致させることによってＳＴＭ像を
静止させる。目標位置を検出エリアの中心としてＰ制御
したところ、精度２ｎｍでＸＹ両方向について同時に静
止させることができた。
【００２２】この方法によれば、第１の実施例とは異な
り、１つの検出エリアを指定することでＸＹ両方向につ
いて同時に制御できる。また、マーカを半導体プロセス
等を用いて人工的に作成する必要がない。なお、検出エ
リアの指定は操作者が指定したが、コンピュータ等の例
えば図１におけるＣＰＵ１０によって自動的に指定する
ことにより省力化が図れる。
り、１つの検出エリアを指定することでＸＹ両方向につ
いて同時に制御できる。また、マーカを半導体プロセス
等を用いて人工的に作成する必要がない。なお、検出エ
リアの指定は操作者が指定したが、コンピュータ等の例
えば図１におけるＣＰＵ１０によって自動的に指定する
ことにより省力化が図れる。
【００２３】上述の実施例は、ＳＴＭに関するものであ
るが、本発明は試料とプローブとの間の他の物理量を用
いて試料を観察する装置、例えば原子間力顕微鏡（ＡＦ
Ｍ）にも適用することができる。
るが、本発明は試料とプローブとの間の他の物理量を用
いて試料を観察する装置、例えば原子間力顕微鏡（ＡＦ
Ｍ）にも適用することができる。
【００２４】図８はＡＦＭに適用した第３の実施例を示
すブロック回路構成図である。図８において、図１と同
一の部材には同一の符号を付し、重複する説明は省略す
る。本実施例において、プローブ２０はカンチレバー２
１によって顕微鏡本体に対してＺ方向に変位可能に支持
されている。また、カンチレバー２１の上面にはミラー
２２が取り付けられている。このミラー２２には光源２
３からの光束が入射し、ミラー２２による前記光束の反
射光は、分割された受光面を有する光検出器で受光され
るようになっている。
すブロック回路構成図である。図８において、図１と同
一の部材には同一の符号を付し、重複する説明は省略す
る。本実施例において、プローブ２０はカンチレバー２
１によって顕微鏡本体に対してＺ方向に変位可能に支持
されている。また、カンチレバー２１の上面にはミラー
２２が取り付けられている。このミラー２２には光源２
３からの光束が入射し、ミラー２２による前記光束の反
射光は、分割された受光面を有する光検出器で受光され
るようになっている。
【００２５】上記の構成において、プローブ２０を試料
Ｓに非常に近接させると、これらの間に原子間斥力が働
く。この状態で、ステージ１によって試料ＳをＸ方向及
びＹ方向に移動させると、試料Ｓの表面の凹凸をトレー
スするようにプローブ２０が上下に変位する。プローブ
２０の変位に伴ってカンチレバー２１は変形し、光源２
３からの光束に対するミラー２２の角度が変化する。そ
の結果、光検出器２４の受光面上で反射光のスポットが
移動する。従って、このスポットの移動を光検出器２４
により検出することによって、試料Ｓの表面の凹凸形状
を知ることができる。反射光のスポットの移動は、例え
ば受光面の分割された各部分の出力信号を差分すること
によって検出することができる。
Ｓに非常に近接させると、これらの間に原子間斥力が働
く。この状態で、ステージ１によって試料ＳをＸ方向及
びＹ方向に移動させると、試料Ｓの表面の凹凸をトレー
スするようにプローブ２０が上下に変位する。プローブ
２０の変位に伴ってカンチレバー２１は変形し、光源２
３からの光束に対するミラー２２の角度が変化する。そ
の結果、光検出器２４の受光面上で反射光のスポットが
移動する。従って、このスポットの移動を光検出器２４
により検出することによって、試料Ｓの表面の凹凸形状
を知ることができる。反射光のスポットの移動は、例え
ば受光面の分割された各部分の出力信号を差分すること
によって検出することができる。
【００２６】上記のようにして検出された試料Ｓの構造
に対応した信号は、Ａ／Ｄ変換器６によってデジタル信
号に変換され、その後は図１の実施例と同様に画像の出
力及び走査領域の補正が行われる。つまり、データ信号
生成器７からデータバス９を通ったデータから、画像デ
ータ出力部１１によって画像データを生成し、例えばカ
ソード・レイ・チューブ（ＣＲＴ）のような画像出力装
置１２によって観察像が出力される。
に対応した信号は、Ａ／Ｄ変換器６によってデジタル信
号に変換され、その後は図１の実施例と同様に画像の出
力及び走査領域の補正が行われる。つまり、データ信号
生成器７からデータバス９を通ったデータから、画像デ
ータ出力部１１によって画像データを生成し、例えばカ
ソード・レイ・チューブ（ＣＲＴ）のような画像出力装
置１２によって観察像が出力される。
【００２７】一方、データ信号生成器７から出力される
データの内、エリアウィンドウ指定部１４で指定された
領域に対応するデータは、データ切出部１３で取り出さ
れ、演算部１５に送られる。演算部１５では図２〜図６
で説明したような手法で、画像のシフトを補正するため
の補正信号を生成し、Ｄ／Ａ変換器１７ｘ、１７ｙを通
して、ＸＹ走査制御回路１６からのステージ１に入力さ
れる制御信号にフィードバックされる。
データの内、エリアウィンドウ指定部１４で指定された
領域に対応するデータは、データ切出部１３で取り出さ
れ、演算部１５に送られる。演算部１５では図２〜図６
で説明したような手法で、画像のシフトを補正するため
の補正信号を生成し、Ｄ／Ａ変換器１７ｘ、１７ｙを通
して、ＸＹ走査制御回路１６からのステージ１に入力さ
れる制御信号にフィードバックされる。
【００２８】このように本発明をＡＦＭに適用した場合
も、ＳＴＭの場合と同様に観察像のシフトを防止して、
安定した観察像が得られる。
も、ＳＴＭの場合と同様に観察像のシフトを防止して、
安定した観察像が得られる。
【００２９】
【発明の効果】以上説明したように本発明に係る走査型
プローブ顕微鏡及びそれを用いて試料を観察する方法
は、温度変化、振動、ピエゾのクリープ等によるステー
ジとプローブの相対位置の変化から起こるＳＴＭ像等の
ドリフトを無くすことができるため、同一領域を長時間
に渡って観察可能である。特に、観察開始直後の温度変
化、機械系の緩和などによる像の移動を抑え、安定した
状態で観察が可能となる利点がある。また、エリアを指
定して信号変化位置の検出を行うことにより、画面の一
部分だけでも時間的に変化の少ない部分があれば、そこ
をエリアに指定することができ、例えばシリコン等の結
晶成長過程やＭＢＥ等による金属薄膜の成長過程などの
経時変化のある観察にも適応できる。
プローブ顕微鏡及びそれを用いて試料を観察する方法
は、温度変化、振動、ピエゾのクリープ等によるステー
ジとプローブの相対位置の変化から起こるＳＴＭ像等の
ドリフトを無くすことができるため、同一領域を長時間
に渡って観察可能である。特に、観察開始直後の温度変
化、機械系の緩和などによる像の移動を抑え、安定した
状態で観察が可能となる利点がある。また、エリアを指
定して信号変化位置の検出を行うことにより、画面の一
部分だけでも時間的に変化の少ない部分があれば、そこ
をエリアに指定することができ、例えばシリコン等の結
晶成長過程やＭＢＥ等による金属薄膜の成長過程などの
経時変化のある観察にも適応できる。
【図１】第１の実施例のブロック回路構成図である。
【図２】第１の実施例の演算部のフローチャート図であ
る。
る。
【図３】試料の説明図である。
【図４】第１の実施例のエッジ検出エリアの画像データ
のパターン図である。
のパターン図である。
【図５】空間フィルタを通した後のパターン図である。
【図６】第２の実施例の空間フィルタを通した後の２値
化パターン図である。
化パターン図である。
【図７】第２の実施例の演算部のフローチャート図であ
る。
る。
【図８】第３の実施例のブロック回路構成図である。
１ ステージ ２、２０ プローブ ３ Ｚ方向駆動手段 ４ 電源 ５、１８ 増幅器 ６ Ａ／Ｄ変換器 ７ データ信号生成器 ８ Ｚ方向制御回路 １０ ＣＰＵ １３ データ切出部 １５ 演算部 １６ ＸＹ走査制御回路 １７ Ｄ／Ａ変換器 ２１ カンチレバー ２３ 光線 ２４ 光検出器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山野 明彦 東京都大田区下丸子三丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (72)発明者 宮▲崎▼ 俊彦 東京都大田区下丸子三丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (56)参考文献 特開 平４−238202（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−350503（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01B 21/00 - 21/32 G01B 7/00 - 7/34 102 G01N 37/00
Claims (2)
- 【請求項１】 試料の表面に対向して配されたプローブ
と、該プローブで試料の表面を二次元的に走査する走査
手段と、前記プローブから試料の構造に対応した信号を
検出する検出手段と、該検出手段で検出された信号から
試料の観察像を出力する出力手段とから成る走査型プロ
ーブ顕微鏡において、前記出力手段から出力される観察
像がシフトしないように、前記検出手段で検出される信
号に基づいて前記走査手段による走査を制御する制御手
段を設けたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。 - 【請求項２】 試料の表面に対向して配されたプローブ
で試料の表面を二次元的に走査し、前記プローブから試
料の構造に対応した信号を検出して、この検出された信
号から試料の観察像を得る走査型プローブ顕微鏡を用い
て試料を観察する方法において、前記試料の観察像がシ
フトしないように、前記プローブから検出される信号に
基づいて前記プローブの走査を制御することを特徴とす
る走査型プローブ顕微鏡を用いて試料を観察する方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04260751A JP3103217B2 (ja) | 1991-09-03 | 1992-09-03 | 走査型プローブ顕微鏡及びそれを用いて試料を観察する方法 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25292291 | 1991-09-03 | ||
| JP3-252922 | 1991-09-03 | ||
| JP04260751A JP3103217B2 (ja) | 1991-09-03 | 1992-09-03 | 走査型プローブ顕微鏡及びそれを用いて試料を観察する方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05203443A JPH05203443A (ja) | 1993-08-10 |
| JP3103217B2 true JP3103217B2 (ja) | 2000-10-30 |
Family
ID=26540945
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP04260751A Expired - Fee Related JP3103217B2 (ja) | 1991-09-03 | 1992-09-03 | 走査型プローブ顕微鏡及びそれを用いて試料を観察する方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3103217B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102167743B1 (ko) | 2016-11-11 | 2020-10-21 | 카부시키카이샤 이 & 제이 | 신체용 장신구 |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3057228B2 (ja) | 1998-03-31 | 2000-06-26 | 東北大学長 | 走査プローブ顕微鏡の探針位置固定方法 |
| DE102004024810A1 (de) * | 2004-05-17 | 2005-12-08 | Soft Imaging System Gmbh | Verfahren und Vorrichtung zur optischen Abtastung einer Probe |
-
1992
- 1992-09-03 JP JP04260751A patent/JP3103217B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102167743B1 (ko) | 2016-11-11 | 2020-10-21 | 카부시키카이샤 이 & 제이 | 신체용 장신구 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05203443A (ja) | 1993-08-10 |
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