JPH0783650A - 走査型プローブ顕微鏡の計測データ補正方法および計測角度誤差検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 試料の表面形状を原子的尺度で計測する走査
型プローブ顕微鏡に関し、Ｚ軸方向の計測データ補正方
法及び測定精度の検出方法の提供を目的とする。 【構成】 Ｘ−Ｙ平面の平坦部を有する複数段のＸ−Ｙ
平面部を備えた標準試料を用意する。Ｘ−Ｙ平面部段差
は予め所定値Ｈ_nまた角度は９０゜に加工されている。
探針の先端と標準試料の間隔を原子的尺度Ｔに保持しな
がら、探針を標準試料の最上段Ｘ−Ｙ平面部からその平
面方向に走査し、Ｘ−Ｙ平面部を一段降りる毎にその斜
線の長さｒ_iと計測段差ｈ_iを測定する。（Ｈ_i／ｈ_i）が
各Ｘ−Ｙ平面部位置におけるＺ軸方向の補正係数を与
え、またθ_i＝ｃｏｓ^-1（ｈ_i／ｒ_i）が角度誤差（測定
精度）を与える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、鋭い探針を用いて試料
の表面形状等を原子的尺度で計測する走査型プローブ顕
微鏡、特に、その計測データ補正方法および計測角度誤
差検出方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、量子効果を利用した走査型プロー
ブ顕微鏡が原子的尺度で物体表面の状態を観察する手段
として注目されている。走査型プローブ顕微鏡には、動
作原理によって走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ），走査
型原子間力顕微鏡（ＳＡＦＭ），走査型磁気力顕微鏡
（ＳＭＦＭ）などがある。

【０００３】いずれも鋭く尖った探針を試料表面に極め
て接近させ、この時両者間に作用する量子効果を利用し
て原子的尺度で表面の凹凸形状等を測定するものであ
る。このうち、ＳＴＭは、二つの導電性物体を原子的尺
度迄近接させると固体内電子の波動関数が相互に重畳
し、仕事間関数φより低い電圧Ｖを印加するとトンネル
電流が流れるとの現象を利用したものである。

【０００４】波動関数が金属の外の大気中で減衰する距
離は、通常の金属の清浄表面の場合φ＝１〜５ｅＶであ
るから０．１〜０．２ｎｍである。仮に、φ＝５ｅＶの
金属同士を１ｎｍに近づけると、トンネル電流値は約１
ｎＡとなり、両者の距離が０．１ｎｍ増減することによ
り電流値は１桁増減する。したがって、このトンネル電
流値が一定になるよう監視しながら探針のＺ座標を制御
すれば試料の凹凸形状が測定できる。

【０００５】一方、ＳＡＦＭは電気導電性のない材料表
面や有機材料表面をｎｍスケールで観察するのに適して
いる。これは無極性の物質表面間に、遠距離では分散力
による微弱な（約１０^-9Ｎ）引力が、また近距離では斥
力が働く現象を利用している。通常は、この微弱な力を
増幅して観察するため、探針は板バネ状のカンチレバー
部に接続されており、そのレバーの曲がりを圧電素子な
どの変位量測定系で検出しつつ両者間に一定の力が作用
するようにＺ軸方向の動きを制御してＸ−Ｙ平面を走査
するのである。

【０００６】ＳＭＦＭは強磁性体探針と磁性体試料間に
作用する相互引力（〜１０^-10Ｎ）を検出測定するもの
で０．０１〜０．１μｍの分解態が得られている。とこ
ろで、これら走査型プローブ顕微鏡においては、試料表
面の微細形状等を観察するための走査手段として、粗位
置駆動系と微位置駆動系が設けられている。粗位置駆動
系にはＹ字型三脚のそれぞれを保持台に静電吸着してク
ランプしておき、一脚ずつ吸引力を解除して移動させた
り、圧電素子で移動させる電気系駆動方式やテコを利用
してマイクロメータの動きを縮小する機械系駆動方式が
用いられている。

【０００７】もっとも重要なのは、ｎｍオーダーで試料
台または探針の動きを制御する微位置駆動系である。代
表的な走査型プローブ顕微鏡であるＳＴＭの標準的な構
成を図３に示す。

【０００８】図３では、微動装置駆動系は互いに直交す
るＸ，Ｙ，Ｚ軸系の微動機構と電気制御系から成り、微
動機構は探針に接続されている。微動機構は、圧電セラ
ミックス，たとえばＰＺＴなどから成る三本の直交アー
ム（Ｘ，Ｙ，Ｚ）とその表面に設けられた電極から形成
されているのが普通である。試料台に垂直なＺ軸方向の
微動機構に印加する電圧を制御することによって、試料
と探針間の距離を一定に保つことができる。１Ｖ印加に
対して１ｎｍ程度変形する素子を作ることは容易であ
り、Ｘ−Ｙ面内をラスター走査すれば試料表面の形状が
Ｚ軸微動素子への印加電圧としてウエーブメモリに記録
され、マイクロコンピュータに読み込まれる。したがっ
て、三軸方向の圧電素子への印加電圧を座標値とする画
面を画像として出力すれば、試料の表面形状を拡大表示
することができる。分解能は、Ｘ−Ｙ方向で約１００ｐ
ｍ，Ｚ軸方向で１ｐｍである。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記した従来技術の微
動機構で用いられる圧電材料には，圧力と電圧の関係間
に非直線性とヒステリシスという好ましくない現象があ
る。たとえば、前記したＰＺＴは印加電圧に対して直線
範囲で１ｎｍ／Ｖの変位を行い、拡大走査範囲は１μｍ
程度である。しかし、このような大振幅動作では非直線
性が顕著になる。また、２０％程度のヒステリシスがあ
り、大電圧印加後クリーピングといわれる長期の緩和現
象も観察されている。なお、このヒステリシスは、電圧
幅やスタート時の電圧値によっても変化し、軌跡が異な
ると指摘されている。このためＳＴＭやＳＡＦＭでは微
動機構に用いる圧電素子のヒステリシスカーブを予め数
式化し、この数式にパラメータをあてはめることによっ
て走査座標の補正を行なっている。図３で示したよう
に、Ｘ−Ｙライター・スキャナーに予め用意したテスト
パターン（位置補正，角度補正用）を組み込んでおき、
予備計測段階でこれを走査する。テストパターンを実測
して得た数値（ｘ，ｙ，ψ）と、テストパターンの真の
値（Ｘ，Ｙ，Φ）との比から、現時点における装置の補
正係数を算出し、試料の実測定段階に適用すれば正確な
値が得られることになる。

【００１０】同じ補正式がＺ軸方向にも適用され、Ｚ軸
微動測定値の補正が行なわれるが、Ｚ軸方向，すなわち
高さ方向には真の値の保証されたテストパターンがない
ために、補正値の精度が確認できないという問題点があ
った。本発明の目的は、Ｚ軸方向の探針の位置および測
定精度を正確に与えることができる走査型プローブ顕微
鏡の計測データ補正方法および精度検出方法を提供する
ことである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、Ｘ−Ｙ平面試
料台に垂直なＺ軸方向に保持された探針を前記試料台上
に載置された試料表面に近接させ、圧電素子によって該
表面と前記探針先端部の距離を一定にしつつ前記試料台
を移動させて、試料の表面形状を測定する走査型プロー
ブ顕微鏡において、Ｚ軸方向に既知の段差Ｈ_i（ここに
ｉ＝１〜ｎ）を有するｎ個のＸ−Ｙ 平面部の面を第１
段から第ｎ段まで複数段備えた標準試料を用意し、前記
各Ｘ−Ｙ 平面部の面方向に前記探針を走査することに
よって、既知の段差Ｈ_i（ｉ＝１〜ｎ）と測定段差ｈ
_i（ｉ＝１〜ｎ）とが補正係数ｋ_iを介して一致するよう
なその補正係数ｋ_i（ｉ＝１〜ｎ）を求めて記憶してお
き、この補正係数ｋ_i（ｉ＝１〜ｎ）で被計測材料の計
測時の圧電素子のヒステリシス補正を行わせるようにし
た走査型プローブ顕微鏡の計測データ補正方法を開示す
る。

【００１２】さらに本発明は、Ｘ−Ｙ平面試料台に垂直
なＺ軸方向に保持された探針を前記試料台上に載置され
た試料表面に近接させ、圧電素子によって該表面と前記
探針先端部の距離を一定にしつつ前記試料台を移動させ
て、試料の表面形状を測定する走査型プローブ顕微鏡に
おいて、Ｚ軸方向に既知の段差Ｈ_i（ここにｉ＝１〜
ｎ）を有するｎ個のＸ−Ｙ 平面部を第１段から第ｎ段
まで複数段備えると共に、隣合うＸ−Ｙ 平面部のＺ軸
方向の角度を正確に９０゜に設定した前記標準試料を試
料台に載置し、前記走査型プローブ顕微鏡の探針を前記
Ｘ−Ｙ 平面部の面方向に走査しながらＺ座標の変化を
計測して、前記探針がＸ−Ｙ 平面部を１段完全に降り
る迄の斜線方向をなす計測軌跡の長さｒ_i（ｉ＝１〜
ｎ）およびＸ−Ｙ 平面部の計測段差ｈ_iを測定記録し、
θ_i＝ｃｏｓ^-1（ｈ_i／ｒ_i）を演算して求めたθ_iを評価
用の測定角度誤差とする走査型プローブ顕微鏡の計測角
度誤差検出方法を開示する。

【００１３】

【作用】各Ｘ−Ｙ 平面部の段差Ｈ_iは既知であり、測定
段差誤差ｈ_iとは本来、Ｈ_i＝ｈ_iとなるべきである。然
るに、Ｈ_i≠ｈ_iとなることがあり、これは圧電素子のヒ
ステリシス特性によって生じたものである。そこで、本
発明では、補正係数ｋ_iを介してＨ_iとｈ_iとが一致すよ
うなその補正係数ｋ_iを各段毎に求め、補正係数ｋ_iで被
計測材料の計測時の圧電素子のヒステリシス補正を行わ
せることとした。更に相隣合う段差が９０゜の角度を有
している場合であっても、計測軌跡がこの９０゜段差の
部分では９０゜段差の軌跡とはならず、斜線の軌跡とな
る。そこで本発明では、この斜線の軌跡から斜線の角度
θ_iを求めて、計測時の計測軌跡の評価を行わしめるよ
うにした。

【００１４】

【実施例】図１は本発明の一実施例におけるＳＴＭのＺ
軸方向の探針座標補正係数決定を行うための説明図およ
び予備測定段階のフローチャートを示す。図１（Ａ）に
おいて１は探針，２は標準試料，３は標準試料のベース
である。この実施例においては、簡単のためにＸ−Ｙ平
面部数を４段とし、各段の段差Ｈ_iはすべて等しく、Ｈ_i
＝ａ（ｉ＝１〜４）とした。標準試料２を装置のＸ−Ｙ
ステージに据えつける時、標準試料２の下面に設けられ
た標準試料のベース３を調節して各段に平面部がＸ−Ｙ
平面に正確に一致するようにする。図示していないが、
探針１は図３のようにして圧電素子からなる微動機構に
接続されている。探針１は最初のＸ−Ｙ平面部４のＸ−
Ｙ平面上に配置されている。予備測定段階は、まずテス
トパターンを用いてＸ−Ｙ平面で行うが、この段階は本
発明に直接に関係しない故に、動作説明は省略する。こ
の後で、本発明の実施例となる図１（Ｂ）に示したプロ
グラムに沿ってＺ軸方向の予備測定を行う。図１（Ｂ）
において、まず「開始」によつて探針１は図１（Ａ）の
Ｘ−Ｙ 平面部の面方向へと移動開始する。これが「Ｘ
−Ｙ 平面部方向に探針移動」のプロセスである。探針
１はＸ−Ｙ 平面部４からＸ−Ｙ 平面部３に降りてこの
時の測定段差ｈ₄を検出する。なお、予備測定段階にお
いても実測段階と同じように探針１と試料Ｘ−Ｙ平面と
の距離は、一定の原子的尺度Ｔ（たとえば１ｎｍ）を保
持するように探針１のＺ座標は制御されている。ここで
図１に示すように、ｈ_iとは原子的尺度Ｔからの計測段
差であり、本来ｈ_i＝Ｈ_iであるべきである。しかし、圧
電素子にヒステリシス特性があるとｈ_i≠Ｈ_iとなる。

【００１５】Ｘ−Ｙ 平面部４からＸ−Ｙ 平面部１を経
てＸ−Ｙ平面に平行な標準試料のベース３表面まで探針
１を移動させると各Ｘ−Ｙ 平面部の計測段差ｈ₁〜ｈ₄
が全て検出される。ここで、平面部位４の計測探針先端
を図１のような位置Ｚ₄にするための、圧電素子への印
加電圧をＶ₄、以下平面部位３、２、１についても同様
に位置Ｚ₃、Ｚ₂、Ｚ₁にするような印可電圧をＶ₃、
Ｖ₂、Ｖ₁とすると、このＶとＺとの関数関係がヒステリ
シス特性を描く。本来ｈ_i＝Ｈ_iであるべきであるが、こ
のヒステリシス特性が存在すると、ｈ_i≠Ｈ_iとなる。そ
こで、ｈ_iとＨ_iとがある係数を介して一致するようなそ
の係数を見つける。この係数がヒステリシス特性の影響
をなくするための補正係数ｋ_i＝（ｉ＝１〜ｎ）とな
る。この補正係数を見つけるための手順は以下となる。
検出された段差ｈ_i（ｉ＝１〜４）が全てＨ_i，すなわち
ａに等しいかどうかのチェックを行う。「ＮＯ」であれ
ば、次に「（ａ／ｈ_i）を補正係数に変換」するプロセ
スへ進む。次に再測定のため「探針をＸ−Ｙ 平面部４
に移動」すると共に、マイクロコンピュータ等の制御機
器（図示せず）に「新補正係数のプログラムセット」を
行う。

【００１６】再び「Ｘ−Ｙ 平面部方向に探針移動」を
行って「段差ｈ_i検出」に入る。ただし、今回のｈ_iは実
測値が上記補正係数ｋ_iで補正されている。ｈ₁〜ｈ₄の
全てを測定し終えた後、この測定値がｈ_i，すなわちａ
に等しくなっているかどうかのチェックを行う。前回の
測定値ｈ_iの検出が今回も再現性よく行われたならば、
今回の測定によってｈ_i（ｉ＝１〜４）＝ａが確認さ
れ、予備測定段階は「終了」する。しかし、ｈ_i（ｎ＝
１〜４）≠ａであれば、再び補正プロセスに入り、ｈ_i
（ｉ＝１〜４）＝ａが達成される迄ルーチン測定を繰り
返す。すべてのＸ−Ｙ 平面部４〜１でｈ_i＝Ｈ_iとなる
ような補正係数ｋ_iが見つかれば、これを最適な補正係
数ｋ_iとして記憶しておく。

【００１７】予備測定段階が終了後、Ｘ−Ｙ平面試料台
に被検試料を設置し、試料台をＸ，Ｙ方向に走査しつつ
その表面形状を実測する。この時、探針１は試料表面と
Ｔなる距離を保持するよう微動機構が調節する。Ｘ−Ｙ
平面の座標（ｘ，ｙ）およびＺ軸座標は、前記した予備
測定段階において決定された補正係数によって較正さ
れ、ウェーブメモリに出力される。一旦メモリされた補
正情報は、画像装置に入力され、拡大した試料の表面形
状としてディスプレイされる。

【００１８】一方、図２は実施例による顕微鏡の計測角
度誤差検出方法を示す図である。図２（Ａ）に示すよう
に、多段Ｘ−Ｙ 平面部（図例では４段）を有する標準
試料２のＸ−Ｙ 平面部角度は、所定角、例えば９０゜
に精密加工されている。図では、簡単のためにＸ−Ｙ
平面部１および標準試料のベースは省略してある。ま
た、各Ｘ−Ｙ 平面部が試料台のＸ軸に沿って形成され
るようにして標準試料が試料台（図示せず）に載置され
ている。したがって、探針１のＸ−Ｙ 平面部に沿う移
動は、Ｙ軸およびＺ軸方向に限られる。

【００１９】さて、測定精度の検出プロセスは、図２
（Ｂ）で示すようなチャートに沿って行われるが、最初
探針１は図２（Ａ）のＸ−Ｙ 平面部４平坦部にある。
この位置で、前記したようにＺ軸微動機構を調節して探
針１と標準試料２との間隔をＴに保持する。しかる後、
「開始」と共に「Ｘ−Ｙ 平面部に沿って探針移動」を
行う。まずＹ軸方向に探針１を走査するとＸ−Ｙ 平面
部４のエッジをやや過ぎた個所からＺ軸方向へのシフト
も加わる。Ｚ軸方向へのシフトは、Ｘ−Ｙ 平面部３の
平坦部からＴだけ離れた位置まで続くが、この時の探針
１の軌跡は図に点線で示したように段間で斜線を形成す
るのが普通である。勿論前記した図１の場合も、正確に
は図２（Ａ）のような斜めの軌跡になるのであるが、図
１のＺ軸位置補正ではＸ−Ｙ 平面部の平坦部間の高さ
のみが重要なので、簡単のため省略したものである。

【００２０】このように探針１の軌跡が段間で斜線を描
くのは、探針１の先端が原子的尺度で尖鋭でないことに
加えて、その形状も様々であるためである。通常、探針
１は直径０．１ｍｍ程度のタングステン線などを電解研
磨して用いるが、完全に探針の先端部の曲率および形状
を制御することは、困難である。探針１の軌跡がＸ−Ｙ
平面部４の平坦部からＸ−Ｙ 平面部３の平坦部までを
カバーすると「斜線長さｒ₄の検出」が完了する。この
時、Ｚ軸方向の探針１の移動距離を測定すると「段差ｈ
₄の検出」ができる。ｒ₄とｈ₄から、前記した斜線の傾
き角度θ₄が

【数１】θ₄＝ｃｏｓ^-1（ｈ₄／ｒ₄） と計算できる。これが「角度θ₄の算出」である。この
θ₄値を「記録」後「ｉ＝１」か否かをチェックする。
ここに、ｉはＸ−Ｙ 平面部番号である。最初は勿論
「ＮＯ」であるため、次のＸ−Ｙ 平面部へ探針を移動
するルーチンに入る。「ｉ＝１」になったら作業は終了
する。長さｒ₄の代わりにそのＸ−Ｙ方向での幅ｄ₄を検
出してもよい。この時には下記となる。

【数２】θ₄＝ｔａｎ^-1（ｄ₄／ｈ₄） 同様に、傾き角度θ₃、θ₂、θ₁を求める。そしてこれ
らをメモリに格納しておく。θ₄〜θ₁は各段差における
計測軌跡の様子を示す値となり、いわゆる計測そのもの
が持つ角度誤差（いわゆる計測角度誤差）を意味する。

【００２１】ｈ_iは、図１で示したＺ軸方向の補正を含
んでいないため、圧電特性による誤差を含む。これを避
ける場合には、予め図１に示したＺ軸方向の予備測定を
行って係数補正したｈ_iを用いる必要がある。そして、
試料表面の形状等を測定する場合には、例えば、測定さ
れた角度誤差θ_iと予め設定した角度（９０゜）との差
を補正量として用い、実際の測定値を補正する。

【００２２】以上実施例に基づいて本発明を説明した
が、本発明はこれらにとどまるものではない。ＳＴＭ以
外にもＳＡＦＭやＳＭＦＭにも適用可能である。また、
前記実施例ではＺ軸方向の測定値を較正する標準試料の
段差ｈ_iをすべてａとしたが、勿論各Ｘ−Ｙ 平面部毎に
その段差が異なっていて構わない。又、角度を補正する
場合、差を用いたが測定された角度誤差θ_iと設定角度
との比を補正量としても良い。

【００２３】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば走査型
プローブ顕微鏡のＺ軸方向の走査精度を確認し、測定値
のＺ座標を補正することができる。その結果、走査型プ
ローブ顕微鏡の精度向上に資することができると考えら
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例によるＺ座標の補正プロセスを説明する
ための図である。

【図２】実施例による顕微鏡のＺ軸方向の精度検出プロ
セスを説明するための図である。

【図３】ＳＴＭの一般回路構成を示す図である。

【符号の説明】

１ 探針 ２ 標準試料 ３ 標準試料のベース

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｘ−Ｙ平面試料台に垂直なＺ軸方向に保
   持された探針を前記試料台上に載置された試料表面に近
   接させ、圧電素子によって該表面と前記探針先端部の距
   離を一定にしつつ前記試料台を移動させて、試料の表面
   形状を測定する走査型プローブ顕微鏡において、Ｚ軸方
   向に既知の段差Ｈ_i（ここにｉ＝１〜ｎ）を有するｎ個
   のＸ−Ｙ 平面部の面を第１段から第ｎ段まで複数段備
   えた標準試料を用意し、前記各Ｘ−Ｙ 平面部の面方向
   に前記探針を走査することによって、既知の段差Ｈ
   _i（ｉ＝１〜ｎ）と測定段差ｈ_i（ｉ＝１〜ｎ）とが補正
   係数ｋ_iを介して一致するようなその補正係数ｋ_i（ｉ＝
   １〜ｎ）を求めて記憶しておき、この補正係数ｋ_i（ｉ
   ＝１〜ｎ）で被計測材料の計測時の圧電素子のヒステリ
   シス補正を行わせるようにした走査型プローブ顕微鏡の
   計測データ補正方法。
2. 【請求項２】 Ｘ−Ｙ平面試料台に垂直なＺ軸方向に保
   持された探針を前記試料台上に載置された試料表面に近
   接させ、圧電素子によって該表面と前記探針先端部の距
   離を一定にしつつ前記試料台を移動させて、試料の表面
   形状を測定する走査型プローブ顕微鏡において、Ｚ軸方
   向に既知の段差Ｈ_i（ここにｉ＝１〜ｎ）を有するｎ個
   のＸ−Ｙ 平面部を第１段から第ｎ段まで複数段備える
   と共に、隣合うＸ−Ｙ 平面部のＺ軸方向の角度を９０
   ゜に設定した標準試料を試料台に載置し、前記走査型プ
   ローブ顕微鏡の探針を前記Ｘ−Ｙ 平面部方向に走査し
   ながらＺ座標の変化を計測して、前記探針がＸ−Ｙ 平
   面部を１段完全に降りる迄の斜線方向をなす計測軌跡の
   長さｒ_i（ここにｉ＝１〜ｎ）およびＸ−Ｙ 平面部の計
   測段差ｈ_iを測定記録し、θ_i＝ｃｏｓ^-1（ｈ_i／ｒ_i）を
   演算して求めたθ_iを評価用測定角度誤差とする走査型
   プローブ顕微鏡の計測角度誤差検出方法。