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JPH08233836A - Scanning probe microscope, standard for height direction calibration, and calibration method - Google Patents

Scanning probe microscope, standard for height direction calibration, and calibration method

Info

Publication number
JPH08233836A
JPH08233836A JP6466595A JP6466595A JPH08233836A JP H08233836 A JPH08233836 A JP H08233836A JP 6466595 A JP6466595 A JP 6466595A JP 6466595 A JP6466595 A JP 6466595A JP H08233836 A JPH08233836 A JP H08233836A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
sample
cantilever
calibration
probe
pitch
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP6466595A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kiyoshi Nagasawa
潔 長澤
Sumio Hosaka
純男 保坂
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Hitachi Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Construction Machinery Co Ltd, Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority to JP6466595A priority Critical patent/JPH08233836A/en
Publication of JPH08233836A publication Critical patent/JPH08233836A/en
Pending legal-status Critical Current

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  • Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)

Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【目的】 簡単な構造で安価であり、高い精度の較正を
簡単に行うことができる実用性の高い走査型プローブ顕
微鏡、較正方法、較正用基準器を提供する。 【構成】 試料14を載置する試料テーブル12と、探針22
を備えたカンチレバー21と、カンチレバーを取付け、探
針と試料の相対的位置を変位させるxyz スキャナ20と、
カンチレバーの変位を検出する変位検出装置23と、xyz
スキャナの動作量を検出する歪ゲージ61X-61Z を備え、
xyz スキャナで試料表面を走査しながら探針と試料の間
に作用する物理量に基づくカンチレバーのたわみ量を変
位検出装置で検出し、たわみ量を制御して試料表面を測
定し、少なくとも1方向に高精度のピッチp1が定められ
た格子パターン53を有する較正測定用基準試料51と、こ
の基準試料51を、ピッチが定められた1方向が傾斜方向
と一致するように試料テーブルに傾斜させて配置する傾
斜ブロック54を備える。
(57) [Summary] (Modified) [Purpose] Providing a highly practical scanning probe microscope, calibration method, and calibration standard instrument that has a simple structure, is inexpensive, and can perform highly accurate calibration easily. To do. [Structure] Sample table 12 on which sample 14 is placed, and probe 22
Equipped with a cantilever 21, xyz scanner 20 that attaches the cantilever and displaces the relative position of the probe and sample,
Displacement detector 23 that detects the displacement of the cantilever, xyz
Equipped with a strain gauge 61X-61Z that detects the movement amount of the scanner,
While scanning the sample surface with the xyz scanner, the deflection amount of the cantilever based on the physical quantity acting between the probe and the sample is detected by the displacement detector, the deflection amount is controlled, and the sample surface is measured. A calibration measurement reference sample 51 having a grid pattern 53 in which a precision pitch p1 is determined, and the reference sample 51 is arranged so as to be inclined on a sample table so that one direction in which the pitch is determined matches the inclination direction. An inclined block 54 is provided.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、半導体デバイスや光デ
ィスク等の表面形状や表面物性の測定、解析に適した走
査型プローブ顕微鏡、並びにその高さ方向較正用基準器
および較正方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a scanning probe microscope suitable for measuring and analyzing the surface shape and surface physical properties of semiconductor devices, optical disks, etc., as well as a standard for height direction calibration and a calibration method.

【0002】[0002]

【従来の技術】走査型プローブ(探針)顕微鏡は原子オ
ーダの測定分解能を有し、表面形状の計測など各種分野
に利用される。走査型プローブ顕微鏡には、検出対象の
物理量に応じて、走査型トンネル顕微鏡(STM)、原
子間力顕微鏡(AFM)、磁気力顕微鏡(MFM)など
がある。この中で原子間力顕微鏡は、試料表面の形状を
高分解能で検出するのに適しており、半導体デバイス、
光ディスク、磁気ディスクなどの表面形状の測定に利用
されている。
2. Description of the Related Art A scanning probe (probe) microscope has a measurement resolution of an atomic order and is used in various fields such as surface shape measurement. The scanning probe microscope includes a scanning tunneling microscope (STM), an atomic force microscope (AFM), a magnetic force microscope (MFM), etc., depending on the physical quantity to be detected. Among them, the atomic force microscope is suitable for detecting the shape of the sample surface with high resolution.
It is used to measure the surface shape of optical disks and magnetic disks.

【0003】図4を参照して従来の走査型プローブ顕微
鏡の例を説明する。図示した装置は走査型プローブ顕微
鏡の1つであるAFMを示す。このAFMは光学顕微鏡
と複合化されたAFMである。基台11の上にXYステ
ージ12が配置され、XYステージ12上の試料テーブ
ル13の上に測定対象である試料14が載置される。X
Yステージ12は、直交するX軸方向およびY軸方向で
定義されるXY平面内で試料テーブル13を任意に移動
させる機能を有する。XY平面は、図4において水平で
あってかつ紙面に垂直な平面である。試料テーブル13
上に載置された試料14は、試料テーブル13の移動に
伴ってXY平面内で任意の方向に移動される。また基台
11上には取付け枠体15が設けられ、この取付け枠体
15に光学顕微鏡16とZ粗動ステージ17が取り付け
られる。光学顕微鏡16は、その対物レンズ18が下方
を向き、試料14に対向している。またZ粗動ステージ
17は、上記XY平面に垂直なZ軸方向の粗動を可能に
する移動機構である。Z粗動ステージ17の下側にはx
yzスキャナ20が取り付けられる。xyzスキャナ2
0の下面にカンチレバー21が取り付けられる。xyz
スキャナ20は、カンチレバー21を互いに直交する3
軸X,Y,Zの各軸方向に微動させる機能を有する。カ
ンチレバー21の先部には試料14の表面に対向する探
針22が設けられる。またカンチレバー21の上方には
取付け枠体15に取り付けられた変位検出器23が配置
される。変位検出器23はカンチレバー21の先部の探
針22の変位を検出するための装置であり、変位検出器
23には例えばレーザ光源と光検出器からなる検出光学
系が使用される。
An example of a conventional scanning probe microscope will be described with reference to FIG. The illustrated device shows an AFM, which is one of the scanning probe microscopes. This AFM is an AFM combined with an optical microscope. The XY stage 12 is arranged on the base 11, and the sample 14 to be measured is placed on the sample table 13 on the XY stage 12. X
The Y stage 12 has a function of arbitrarily moving the sample table 13 within an XY plane defined by the orthogonal X-axis direction and Y-axis direction. The XY plane is a plane that is horizontal in FIG. 4 and is perpendicular to the paper surface. Sample table 13
The sample 14 placed thereon is moved in an arbitrary direction within the XY plane as the sample table 13 moves. A mounting frame body 15 is provided on the base 11, and an optical microscope 16 and a Z coarse movement stage 17 are mounted on the mounting frame body 15. The objective lens 18 of the optical microscope 16 faces downward and faces the sample 14. The Z coarse movement stage 17 is a moving mechanism that enables coarse movement in the Z-axis direction perpendicular to the XY plane. Below the Z coarse movement stage 17, x
The yz scanner 20 is attached. xyz scanner 2
A cantilever 21 is attached to the lower surface of 0. xyz
The scanner 20 has three cantilevers 21 which are orthogonal to each other.
It has a function of finely moving in the directions of the axes X, Y, and Z. A probe 22 facing the surface of the sample 14 is provided at the tip of the cantilever 21. A displacement detector 23 attached to the attachment frame 15 is arranged above the cantilever 21. The displacement detector 23 is a device for detecting the displacement of the probe 22 at the tip of the cantilever 21, and the displacement detector 23 uses, for example, a detection optical system including a laser light source and a photodetector.

【0004】前述のZ粗動ステージ17と、xyzスキ
ャナ20と、カンチレバー21と、探針22と、変位検
出器23によってAFMの機構部分24が形成される。
測定作動時、カンチレバー21と探針22は、Z粗動ス
テージ17によってZ軸方向に動かされ、xyzスキャ
ナ20によって3軸方向に微細に動かされる。
The Z coarse movement stage 17, the xyz scanner 20, the cantilever 21, the probe 22, and the displacement detector 23 form a mechanical portion 24 of the AFM.
During the measurement operation, the cantilever 21 and the probe 22 are moved in the Z axis direction by the Z coarse movement stage 17 and finely moved in the three axis directions by the xyz scanner 20.

【0005】XYステージ12の動作はXYステージ制
御回路25の制御に基づいて行われ、XYステージ12
の動作量はステージ変位計26で検出される。XYステ
ージ制御回路25は計算機27から制御量に関するデー
タを受け、ステージ変位計26は検出した動作量に関す
るデータを計算機27に送給する。またZ粗動ステージ
17の動作はZ粗動ステージ制御回路28で制御され、
xyzスキャナ20の動作はxyzスキャナ制御回路2
9によって制御される。Z粗動ステージ制御回路28と
xyzスキャナ制御回路29に基づく探針22のZ軸方
向の位置制御は、探針22と試料14の表面との間に作
用する原子間力が一定に保持されるように両者の間の距
離を調整するために行われるものであるので、変位検出
器23で検出された変位検出データを取り出し、力設定
器30で変位検出データと原子間力に関する力設定値と
を比較し、探針と試料表面の間で働く原子間力が常に力
設定値と一致するような制御データが、力設定器30か
らZ粗動ステージ制御回路28とxyzスキャナ制御回
路29に対して与えられる。計算機27は、力設定器3
0に力設定値を与えると共に、Z粗動ステージ制御回路
28とxyzスキャナ制御回路29に接続され、これら
の回路との間でデータのやり取りを行う。計算機27は
モニタ31を備え、このモニタ31には測定で求められ
た試料表面の像が表示される。
The operation of the XY stage 12 is performed under the control of the XY stage control circuit 25.
The movement amount of is detected by the stage displacement meter 26. The XY stage control circuit 25 receives data regarding the control amount from the computer 27, and the stage displacement meter 26 sends data regarding the detected movement amount to the computer 27. The operation of the Z coarse movement stage 17 is controlled by the Z coarse movement stage control circuit 28,
The operation of the xyz scanner 20 is performed by the xyz scanner control circuit 2
Controlled by 9. In the position control of the probe 22 in the Z-axis direction based on the Z coarse movement stage control circuit 28 and the xyz scanner control circuit 29, the atomic force acting between the probe 22 and the surface of the sample 14 is kept constant. As described above, it is performed to adjust the distance between the two. Therefore, the displacement detection data detected by the displacement detector 23 is taken out and the displacement detection data and the force set value related to the atomic force are set by the force setter 30. And the control data such that the interatomic force acting between the probe and the sample surface always agrees with the force set value is sent from the force setter 30 to the Z coarse movement stage control circuit 28 and the xyz scanner control circuit 29. Given. The calculator 27 is the force setting device 3
The force setting value is given to 0, and the Z coarse movement stage control circuit 28 and the xyz scanner control circuit 29 are connected to exchange data with these circuits. The computer 27 is equipped with a monitor 31, and the image of the sample surface obtained by the measurement is displayed on this monitor 31.

【0006】上記構成を有するAFMの操作および作動
は、次の通りである。XYステージ12上の試料テーブ
ル13の上に試料14を載せ、XYステージ12を用い
て試料14をXY平面内で移動させながら光学顕微鏡1
6を用いて試料14の観察位置を探し出す。次に、その
位置にカンチレバー21の探針22を合わせる。探針2
2の位置を試料14の観察位置に合わせるときには、同
じくXYステージ12を用いて図4中に示す距離d1だ
け移動させる。試料14の観察位置に位置合わせされた
探針22は、Z粗動ステージ17によって原子間力が作
用する位置に至るまで試料14の表面に接近させられ
る。次に、カンチレバー21の探針22が試料表面から
受ける力が一定になるようにxyzスキャナ20のZ方
向駆動部を利用して制御しながら、同時にxyzスキャ
ナ20のXY方向駆動部を利用して探針22をスキャニ
ングさせる。計算機27は、このときのxyzスキャナ
20に提供される制御用の駆動信号に基づいて試料14
の観察表面の像を作成し、モニタ31に表示する。こう
して試料14の観察表面の原子レベルの像を観察するこ
とができる。
The operation and operation of the AFM having the above structure is as follows. The sample 14 is placed on the sample table 13 on the XY stage 12, and the optical microscope 1 is used while moving the sample 14 in the XY plane using the XY stage 12.
6 is used to find the observation position of the sample 14. Next, the probe 22 of the cantilever 21 is aligned with that position. Probe 2
When the second position is aligned with the observation position of the sample 14, the XY stage 12 is also used to move the sample 14 by a distance d1 shown in FIG. The probe 22 aligned with the observation position of the sample 14 is brought close to the surface of the sample 14 by the Z coarse movement stage 17 up to the position where the atomic force acts. Next, while using the Z-direction driving unit of the xyz scanner 20 to control so that the force received by the probe 22 of the cantilever 21 from the sample surface becomes constant, at the same time, using the XY-direction driving unit of the xyz scanner 20. The probe 22 is scanned. The computer 27 calculates the sample 14 based on the control drive signal provided to the xyz scanner 20 at this time.
An image of the observation surface of is created and displayed on the monitor 31. In this way, an atomic level image of the observation surface of the sample 14 can be observed.

【0007】上記構成を有するAFMによれば、例え
ば、100倍の光学顕微鏡16では88×66μmの範
囲を、水平方向に0.25μm、垂直方向に0.5μm
の精度で、またAFM24では約10×10μmの範囲
を、水平方向に0.1nm、垂直方向に0.01nmの
分解能で測定できる。
According to the AFM having the above structure, for example, the range of 88 × 66 μm in the 100 × optical microscope 16 is 0.25 μm in the horizontal direction and 0.5 μm in the vertical direction.
In addition, the AFM 24 can measure a range of about 10 × 10 μm with a resolution of 0.1 nm in the horizontal direction and 0.01 nm in the vertical direction.

【0008】次に図5〜図7を参照して上記xyzスキ
ャナ20の具体例を説明する。図5に示されたxyzス
キャナは、カンチレバー21を下端の縁部に取り付けた
チューブ型スキャナ32である。このチューブ型スキャ
ナ32は、電圧印加で変形する圧電筒体33の外面にX
軸、Y軸、Z軸の各方向の変位を生じさせるx電極34
とy電極35とz電極36を設け、かつ圧電筒体33の
内面に共通の接地電極を設けている。圧電筒体33は圧
電素子で形成される。X軸方向のx電極34とY軸方向
のy電極35はそれぞれ2つの電極からなり、組をなす
2つのx電極34は圧電筒体33の表面上反対側の位置
に配置され、同様な組をなす2つのy電極35も圧電筒
体33の表面上反対側の位置に配置される。x電極34
とy電極35は圧電筒体33の円周回りに90度ずつ角
度をずらして配置される。図5において、例えば左側の
x電極34にプラス電圧を印加し、右側のx電極34に
マイナス電圧を印加すると、その印加電圧に比例してX
軸上プラス側に変位が生じる。また2つのx電極34に
おいて電圧の印加を反対にすると、X軸上反対のマイナ
ス方向に変位を生じる。Y軸方向の動作についてもy電
極35によって同様に行われる。
Next, a specific example of the xyz scanner 20 will be described with reference to FIGS. The xyz scanner shown in FIG. 5 is a tube type scanner 32 in which the cantilever 21 is attached to the edge of the lower end. The tube-type scanner 32 has an X-shaped structure on the outer surface of the piezoelectric cylinder 33 that is deformed by voltage application.
X-electrode 34 that causes displacement in each direction of the axis, Y-axis, and Z-axis
The y electrode 35 and the z electrode 36 are provided, and a common ground electrode is provided on the inner surface of the piezoelectric cylinder 33. The piezoelectric cylinder 33 is formed of a piezoelectric element. The x-axis electrode 34 in the X-axis direction and the y-electrode 35 in the Y-axis direction each consist of two electrodes, and the two x-electrodes 34 forming a set are arranged at positions on the opposite sides of the surface of the piezoelectric cylinder 33. The two y-electrodes 35, which are also arranged on the surface of the piezoelectric cylindrical body 33, are also arranged at opposite positions. x electrode 34
The y-electrodes 35 and the y-electrodes 35 are arranged around the circumference of the piezoelectric cylinder 33 at 90-degree angles. In FIG. 5, for example, when a positive voltage is applied to the left x electrode 34 and a negative voltage is applied to the right x electrode 34, X is proportional to the applied voltage.
Displacement occurs on the positive side on the axis. Further, when the voltage application is reversed in the two x electrodes 34, the displacement occurs in the negative direction opposite to the X axis. The operation in the Y-axis direction is similarly performed by the y-electrode 35.

【0009】上記xyzスキャナ20の問題を説明す
る。例えば上記チューブ型スキャナ32における探針2
2のX軸方向とY軸方向の動作では、その上端すなわち
圧電筒体33の上端が、図4で説明したように、Z粗動
ステージ17に取り付けられているので、上端を中心と
して円弧運動を行うことになり、そのために、X軸方
向、Y軸方向に幾何学的な移動誤差が生じる。さらにチ
ューブ型スキャナ32の圧電筒体33は、X,Y,Zの
各軸方向に電圧印加して変形を起す場合、ヒステリシス
やクリープ現象を生じ、印加電圧に比例して再現性よく
スキャニングすることができない。以上のようにxyz
スキャナ20では、移動誤差、ヒステリシス、クリープ
現象のため、測定像が歪み、正確な測定を行うことがで
きない。
The problem of the xyz scanner 20 will be described. For example, the probe 2 in the tube-type scanner 32
2, the upper end, that is, the upper end of the piezoelectric cylinder 33 is attached to the Z coarse movement stage 17 as described with reference to FIG. Therefore, a geometrical movement error occurs in the X-axis direction and the Y-axis direction. Furthermore, when the piezoelectric cylinder 33 of the tube scanner 32 is deformed by applying a voltage in each of the X, Y, and Z axis directions, hysteresis and a creep phenomenon occur, and scanning is performed with good reproducibility in proportion to the applied voltage. I can't. Xyz as above
In the scanner 20, the measurement image is distorted due to movement error, hysteresis, and creep phenomenon, and accurate measurement cannot be performed.

【0010】そこで、上記問題を解消し正確な測定を行
うことができるようにするため、従来では、図6に示さ
れるような構成が付加される例がある。すなわちチュー
ブ型スキャナ32にレバー37を設け、このレバー37
にX,Y,Zの各軸方向の変位を検出する外部変位セン
サ38X,38Y,38Zを設ける。外部変位センサ
は、例えば静電容量型変位計(分解能1nm)等が使用
される。チューブ型スキャナ32を動作させるとき、そ
の変位量を外部変位センサ38X,38Y,38Zで検
出し、この検出信号を、スキャナ32の動作を制御する
コントローラ(図示せず)にフィードバックし、かかる
フィードバック制御に基づいてスキャナ32に所望のス
キャニング移動を行わせる。
Therefore, in order to solve the above problem and enable accurate measurement, there is an example in which a configuration as shown in FIG. 6 is conventionally added. That is, the tube scanner 32 is provided with a lever 37, and the lever 37
Are provided with external displacement sensors 38X, 38Y, 38Z that detect displacements in the X, Y, Z axial directions. As the external displacement sensor, for example, a capacitance displacement meter (resolution of 1 nm) or the like is used. When the tube-type scanner 32 is operated, its displacement amount is detected by the external displacement sensors 38X, 38Y, 38Z, and this detection signal is fed back to a controller (not shown) that controls the operation of the scanner 32, and such feedback control is performed. Based on the above, the scanner 32 is caused to perform a desired scanning movement.

【0011】従来の他の構成例として、図7に示される
ものがある。この構成は、チューブ型スキャナ32のX
軸、Y軸、Z軸の各方向の変位に関与する圧電素子の部
分にその動作量を検出するための歪ゲージ39を付着し
た構成を示している。この構成例は実際の測定を行う前
に較正を行うものであり、スキャナ32の変位較正を行
うとき場合には、図6に示された外部変位センサを組み
合わせ、各電極34,35,36に所要の電圧を印加し
てスキャナ32を動作させ、そのときの各歪ゲージ39
の出力信号と外部変位センサの検出信号との関係を求め
る。歪ゲージ39の出力信号と外部変位センサの検出信
号との関係は、実際の変位量に対応する各軸方向の圧電
素子の歪み量の関係である。AFMを使用しスキャナ3
2を動作させて実際の測定を行う場合には、上記歪ゲー
ジ39で得られた較正用の値を利用してスキャンニング
動作を行わせる。これによって正確な測定像を得ること
ができる。
Another example of the conventional configuration is shown in FIG. This configuration corresponds to the X of the tube type scanner 32.
A configuration is shown in which a strain gauge 39 for detecting the amount of movement is attached to the portion of the piezoelectric element involved in the displacement in each direction of the axis, the Y axis, and the Z axis. In this configuration example, calibration is performed before actual measurement, and when displacement calibration of the scanner 32 is performed, the external displacement sensor shown in FIG. 6 is combined and each electrode 34, 35, 36 is connected. The scanner 32 is operated by applying a required voltage, and each strain gauge 39 at that time is operated.
Then, the relationship between the output signal of 1 and the detection signal of the external displacement sensor is obtained. The relationship between the output signal of the strain gauge 39 and the detection signal of the external displacement sensor is the relationship of the amount of strain of the piezoelectric element in each axial direction corresponding to the actual amount of displacement. Scanner 3 using AFM
2 is operated to perform an actual measurement, the scanning operation is performed using the calibration value obtained by the strain gauge 39. This makes it possible to obtain an accurate measurement image.

【0012】また較正を行えるように構成された装置と
して「1993年度精密工学会春期大会学術講演会講演
論文集」(文献1)の第879頁〜第880頁に開示さ
れるものがある。この装置では、円筒型圧電体の1つの
端面の内側面にミラーを設け、このミラーに円筒型圧電
体の内部を通して光を照射し、円筒型圧電体の変位量を
正確に検出する光学変位センサを付設している。これに
よって円筒型圧電体に起因するAFM像の歪みを補正す
ることができる。
Further, as an apparatus configured to perform calibration, there is an apparatus disclosed on pages 879 to 880 of "Proceedings of the 1993 Precision Engineering Society Spring Conference Academic Lectures" (Reference 1). In this device, a mirror is provided on the inner surface of one end surface of a cylindrical piezoelectric body, and light is emitted to the mirror through the inside of the cylindrical piezoelectric body to accurately detect the displacement amount of the cylindrical piezoelectric body. Is attached. This makes it possible to correct the distortion of the AFM image due to the cylindrical piezoelectric body.

【0013】[0013]

【発明が解決しようとする課題】チューブ型スキャナ3
2の上記問題を解消するための従来の構成では、次のよ
うな問題を有する。図6に示した外部変位センサを設け
た構成によれば、構成要素の数が増え、コストがかか
り、実用的ではない。図7に示された構成では、較正を
時々行わなければならず、かつ時々の較正においてコス
トのかかる外部変位センサが必要となり、やはり実用的
ではないという問題がある。また文献1に示される装置
も高価な光学変位センサを必要とし、実用性の観点では
問題がある。さらに外部変位センサや光学変位センサを
利用する構成によれば、変位センサの取付け状態が変化
する等に起因して、較正値が変化したり、不正確になる
という不具合がある。
The tube type scanner 3
The conventional configuration for solving the above problem No. 2 has the following problems. According to the configuration provided with the external displacement sensor shown in FIG. 6, the number of components increases, the cost increases, and it is not practical. The configuration shown in FIG. 7 has a problem in that calibration must be performed from time to time, and an expensive external displacement sensor is required in the calibration from time to time, which is also impractical. Further, the device disclosed in Document 1 also requires an expensive optical displacement sensor, which is problematic in terms of practicality. Further, according to the configuration using the external displacement sensor or the optical displacement sensor, there is a problem that the calibration value is changed or becomes inaccurate due to a change in a mounting state of the displacement sensor.

【0014】本発明の目的は、上記問題を解決するた
め、簡単な構造かつ安価であり、高い精度の較正を簡単
に行うことができる実用性の高い走査型プローブ顕微
鏡、その較正方法および較正用基準器を提供することに
ある。
An object of the present invention is to solve the above problems, a scanning probe microscope having a simple structure, a low cost, and a highly practical calibration that can be easily performed, a calibration method therefor, and a calibration method therefor. To provide a reference device.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】第1の本発明に係る走査
型プローブ顕微鏡の較正方法は、試料を載置する試料テ
ーブルと、試料に対向する探針を備えたカンチレバー
と、カンチレバーを取付けると共に探針と試料の相対的
位置を変位させる3軸微動機構と、カンチレバーの変位
を検出する変位検出装置と、3軸微動機構の動作量を検
出する動作量センサとを備え、3軸微動機構によって試
料の表面を走査しながら探針と試料の間に作用する物理
量に基づくカンチレバーのたわみ量を変位検出装置で検
出し、かつたわみ量を制御して試料の表面を測定する走
査型プローブ顕微鏡に適用される較正方法であり、試料
テーブルに基準試料を配置し、3軸微動機構を動作させ
て基準試料の表面を測定し、その測定の間に3軸微動機
構の動作量を動作量センサで較正値として検出し、動作
量センサで得られた較正値を用いて実際の試料測定を行
う方法である。
A method of calibrating a scanning probe microscope according to a first aspect of the present invention includes a sample table on which a sample is placed, a cantilever having a probe facing the sample, and a cantilever attached. The three-axis fine movement mechanism includes a three-axis fine movement mechanism that displaces the relative position of the probe and the sample, a displacement detection device that detects the displacement of the cantilever, and a movement amount sensor that detects the movement amount of the three-axis fine movement mechanism. Applied to a scanning probe microscope that measures the surface of the sample by detecting the deflection of the cantilever based on the physical quantity acting between the probe and the sample while scanning the surface of the sample with a displacement detector and controlling the deflection. This is a calibration method that is performed by arranging a reference sample on a sample table, operating the 3-axis fine movement mechanism to measure the surface of the reference sample, and measuring the movement amount of the 3-axis fine movement mechanism during the measurement. It detected as a calibration value capacitors, a method of performing an actual sample measurement using a calibration value obtained by the operation amount sensor.

【0016】第2の本発明は、第1の発明において、基
準試料が少なくとも1方向に高精度のピッチが定められ
た格子パターンを有することを特徴とする。
A second aspect of the present invention is characterized in that, in the first aspect, the reference sample has a grid pattern in which a highly precise pitch is defined in at least one direction.

【0017】第3の本発明は、第2の発明において、ピ
ッチが定められた1方向が傾斜方向と一致するように基
準試料を試料テーブルに既知角度で傾斜させて配置し、
ピッチの正弦値を用いて高さ方向の較正値を得ることを
特徴とする。
According to a third aspect of the present invention, in the second aspect, the reference sample is arranged at a known angle on the sample table so that one direction in which the pitch is determined coincides with the tilt direction.
It is characterized in that the sine value of the pitch is used to obtain a calibration value in the height direction.

【0018】第4の本発明は、第3の発明において、ピ
ッチの正弦値がナノオーダの精度を有する値であること
を特徴とする。
A fourth aspect of the present invention is characterized in that, in the third aspect, the sine value of the pitch is a value having a nano-order accuracy.

【0019】第5の本発明に係る走査型プローブ顕微鏡
の較正用基準器は、試料を載置する試料テーブルと、試
料に対向する探針を備えたカンチレバーと、カンチレバ
ーを取付けると共に探針と試料の相対的位置を変位させ
る3軸微動機構と、カンチレバーの変位を検出する変位
検出装置と、3軸微動機構の動作量を検出する動作量セ
ンサとを備え、3軸微動機構によって試料の表面を走査
しながら探針と試料の間に作用する物理量に基づくカン
チレバーのたわみ量を変位検出装置で検出し、かつたわ
み量を制御して試料の表面を測定する走査型プローブ顕
微鏡において使用され、少なくとも1方向に高精度のピ
ッチが定められた格子パターンを有し、試料テーブル上
に、ピッチが定められた1方向が傾斜方向と一致するよ
うに既知角度で傾斜させて配置される基準試料を用いて
構成され、ピッチの正弦値が高さ方向の較正値を求める
基準距離として用いられる。
A calibration standard for a scanning probe microscope according to a fifth aspect of the present invention is a sample table on which a sample is placed, a cantilever having a probe facing the sample, a cantilever attached and the probe and the sample. Is provided with a three-axis fine movement mechanism for displacing the relative position of the sample, a displacement detection device for detecting the displacement of the cantilever, and a movement amount sensor for detecting the movement amount of the three-axis fine movement mechanism. It is used in a scanning probe microscope that detects a deflection amount of a cantilever based on a physical amount acting between a probe and a sample while scanning with a displacement detection device and controls the deflection amount to measure the surface of a sample. The sample pattern has a grid pattern with a highly precise pitch, and is tilted at a known angle on the sample table so that one direction with the pitch matches the tilt direction. Is constructed by using a reference sample to be placed in and used as a reference distance sine value of the pitch is determined calibration values in the height direction.

【0020】第6の本発明は、第5の発明において、試
料テーブル上で既知角度の傾斜面を有する傾斜ブロック
を用意し、1方向と傾斜ブロックの傾斜方向が一致する
ように基準試料を傾斜ブロックの傾斜面上に配置したこ
とを特徴とする。
According to a sixth aspect of the present invention, in the fifth aspect, an inclined block having an inclined surface of a known angle is prepared on a sample table, and a reference sample is inclined so that one direction and the inclined direction of the inclined block coincide with each other. It is characterized in that it is arranged on the inclined surface of the block.

【0021】第7の本発明は、第5または第6の発明に
おいて、ピッチの正弦値がナノオーダの精度を有する値
であることを特徴とする。
A seventh aspect of the present invention is characterized in that, in the fifth or sixth aspect, the sine value of the pitch is a value having a nano-order accuracy.

【0022】第8の本発明に係る走査型プローブ顕微鏡
は、試料を載置する試料テーブルと、試料に対向する探
針を備えたカンチレバーと、カンチレバーを取付けると
共に探針と試料の相対的位置を変位させる3軸微動機構
と、カンチレバーの変位を検出する変位検出装置と、3
軸微動機構の動作量を検出する動作量センサとを備え、
3軸微動機構によって試料の表面を走査しながら探針と
試料の間に作用する物理量に基づくカンチレバーのたわ
み量を変位検出装置で検出し、かつたわみ量を制御して
試料の表面を測定するものであり、少なくとも1方向に
高精度のピッチが定められた格子パターンを有する較正
測定用の基準試料と、この基準試料を、ピッチが定めら
れた1方向が傾斜方向と一致するように試料テーブルに
傾斜させて配置する配置手段を備えるように構成され
る。
A scanning probe microscope according to an eighth aspect of the present invention is a sample table on which a sample is placed, a cantilever having a probe facing the sample, a cantilever attached, and a relative position between the probe and the sample. A three-axis fine movement mechanism for displacement, a displacement detection device for detecting displacement of the cantilever, and
With an operation amount sensor that detects the operation amount of the shaft fine movement mechanism,
Measuring the surface of the sample by detecting the deflection of the cantilever based on the physical quantity acting between the probe and the sample by the displacement detector while scanning the surface of the sample by the three-axis fine movement mechanism and controlling the deflection. And a reference sample for calibration measurement having a grid pattern in which a highly precise pitch is defined in at least one direction, and this reference sample are placed on a sample table so that the one direction in which the pitch is defined matches the tilt direction. It is configured to include an arrangement means for arranging at an angle.

【0023】第9の本発明は、第8の発明において、配
置手段が、傾斜角度が既知の傾斜面を有する傾斜ブロッ
クであることを特徴とする。
A ninth aspect of the present invention is characterized in that, in the eighth aspect, the arrangement means is an inclined block having an inclined surface whose inclination angle is known.

【0024】[0024]

【作用】本発明では、既に知られている微細ピッチを有
する格子パターンを備えた平面状の基準試料を利用し、
特にこれを既知角度で傾斜させて配置し基準試料として
用いることにより、高さ方向の較正を行える基準試料と
して使用することが可能となる。高さ方向の較正では、
上記既知角度に基づく上記微細ピッチの正弦値が基準距
離として利用され、傾斜角度を適宜に設定することによ
りナノオーダの基準距離を得ることができる。こうして
走査型プローブ顕微鏡において高さ方向の較正用基準器
を簡単に用意できる。
In the present invention, a planar reference sample having a grid pattern having a known fine pitch is used,
In particular, by arranging this at a known angle and using it as a reference sample, it becomes possible to use it as a reference sample that can be calibrated in the height direction. For height calibration,
The sine value of the fine pitch based on the known angle is used as the reference distance, and the reference distance on the order of nanometers can be obtained by appropriately setting the inclination angle. In this way, the standard for height calibration can be easily prepared in the scanning probe microscope.

【0025】[0025]

【実施例】以下に、本発明の実施例を図1〜図3に基づ
いて説明する。図1と図2は本発明に係る走査型プロー
ブ顕微鏡の較正方法に使用される較正用基準器の一例を
示し、図3は較正用基準器の使用の仕方およびそのため
に必要な装置構成を示す。図3において、前述の図4で
説明した要素と実質的に同一の要素には同一の符号をし
ている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to FIGS. FIGS. 1 and 2 show an example of a calibration standard used in the method for calibrating a scanning probe microscope according to the present invention, and FIG. 3 shows a method of using the calibration standard and an apparatus configuration required for the method. . In FIG. 3, elements that are substantially the same as the elements described in FIG. 4 above are given the same reference numerals.

【0026】図1に示す較正用基準器として利用される
基準試料51は、装置の設置位置の変更や測定条件の変
更等の場合に、必要に応じて実際の試料測定の前に行わ
れる較正測定において試料として使用されるものであ
る。基準試料51は、基板52の平坦な2次元(XY)
表面52aの上にX軸方向の格子パターン53が形成さ
れている。図示された格子パターン53は一例であっ
て、断面形状が三角形でかつY軸方向に伸びた凸条部5
3aが、例えば0.2μmのピッチ(p1)でX軸方向
に複数本配列されることにより形成される。基準試料5
1の格子パターン53は、例えば半導体製造技術を利用
して作られ、好ましくはシリコン基板の表面にエッチン
グマスクを置き、等方性エッチングを適用して形成され
る。従って、格子パターン53の上記ピッチp1の0.
2μmという寸法は極めて精度の高いものである。
The reference sample 51 used as the calibration reference device shown in FIG. 1 is a calibration that is performed before the actual sample measurement, if necessary, when the installation position of the device is changed or the measurement conditions are changed. It is used as a sample in measurement. The reference sample 51 is a flat two-dimensional (XY) substrate 52.
A lattice pattern 53 in the X-axis direction is formed on the surface 52a. The illustrated lattice pattern 53 is an example, and the ridge portion 5 having a triangular cross-sectional shape and extending in the Y-axis direction.
A plurality of 3a are arranged in the X-axis direction at a pitch (p1) of 0.2 μm, for example. Reference sample 5
The grid pattern 53 of No. 1 is formed by using, for example, a semiconductor manufacturing technique, and is preferably formed by placing an etching mask on the surface of a silicon substrate and applying isotropic etching. Therefore, the pitch p1 of the grid pattern 53 is 0.
The dimension of 2 μm is extremely accurate.

【0027】上記基準試料51は、断面が三角形である
複数本の凸条部で格子パターン53を形成したが、断面
は四角形、その他の形状であってもよく、また凸条部の
代りに凹条部であっても構わない。好ましい具体的な基
準試料としては、例えば1994年2月25日付け日刊
工業新聞の第8面の記事で記載された最小の標準試料を
挙げることができる。
In the reference sample 51, the grid pattern 53 is formed by a plurality of convex ridges having a triangular cross section, but the cross section may have a quadrangular or other shape, and the convex ridges may be used instead of the concave ridges. It may be a strip. As a preferred specific reference sample, for example, the minimum reference sample described in the article on page 8 of the Nikkan Kogyo Shimbun dated February 25, 1994 can be mentioned.

【0028】上記基準試料51を試料テーブルの上に平
行に、かつ格子パターン53の凸条部53aの配列方向
(図1中のX軸方向、またはピッチp1が定められた方
向)と試料テーブル上で定義されるX軸方向とを一致さ
せるように配置し、格子パターン53をAFMで測定す
れば、格子パターン53においてX軸方向についてスケ
ールとして利用できる正確な長さp1を得ることができ
るので、この長さp1を基準距離として使用することに
よってxyzスキャナ20のX軸方向の移動に関与する
圧電駆動部の較正値を得ることができる。また基準試料
51を試料テーブルの上に平行に、かつ格子パターン5
3の凸条部53aの配列方向と試料テーブル上で定義さ
れるY軸方向と一致させるように配置し、格子パターン
53をAFMで測定すれば、同様にしてxyzスキャナ
のY軸方向の移動に関与する圧電駆動部の較正値を得る
ことができる。
On the sample table, the reference sample 51 is parallel to the sample table, and the direction in which the ridges 53a of the lattice pattern 53 are arranged (the X-axis direction in FIG. 1 or the direction in which the pitch p1 is determined). When the grid pattern 53 is arranged so as to match the X-axis direction defined by, and the grid pattern 53 is measured by AFM, an accurate length p1 that can be used as a scale in the X-axis direction in the grid pattern 53 can be obtained. By using this length p1 as the reference distance, it is possible to obtain the calibration value of the piezoelectric drive unit involved in the movement of the xyz scanner 20 in the X-axis direction. In addition, the reference sample 51 is parallel to the sample table and the grid pattern 5 is formed.
3 is arranged so as to match the arrangement direction of the convex streak portions 53a and the Y-axis direction defined on the sample table, and the lattice pattern 53 is measured by AFM, the movement of the xyz scanner in the Y-axis direction is similarly performed. The calibration value of the piezoelectric drive involved can be obtained.

【0029】図1の較正用基準試料51を用いてZ軸方
向(高さ方向)の較正を行う場合には、好ましくは、図
2に示されるように例えば傾斜角θ(任意に設定でき、
既知である)の傾斜面54aを有する傾斜ブロック54
を別に用意し、この傾斜ブロック54の傾斜面の上に基
準試料51を配置することによって、高さ方向(Z軸方
向)の較正値を求めるための基準器として使用する。上
記のごとく基準試料51を傾斜させて配置すると、例え
ば傾斜角θが30度である場合、前述の複数の凸条部5
3aによってZ軸方向に0.1μmのピッチp2を有す
る段差を形成することができる。すなわち凸条部53a
によって形成されるピッチp2は一般的にp1・sin θ
(ピッチp1の正弦値)として与えられるので、θが小
さくなるほどより小さいZ軸方向のピッチp2を較正を
行うためのスケール(基準距離)として得ることができ
る。このように、格子パターン53を有する前述の基準
試料51を使用し、かつ例えば傾斜ブロック54を用意
して基準試料54を、ピッチp1が定められた方向と傾
斜方向が一致するように傾斜させて配置することによ
り、Z軸方向すなわち高さ方向に関して例えばナノオー
ダの分解能を有する較正用基準器を作ることができる。
Z軸方向の較正用基準器は、基準試料51を既知の角度
だけ傾斜するだけで作ることができ、傾斜ブロック54
は必ずしも必要ではない。
When performing calibration in the Z-axis direction (height direction) using the calibration reference sample 51 of FIG. 1, preferably, for example, an inclination angle θ (which can be arbitrarily set as shown in FIG.
Inclined block 54 having (as known) inclined surface 54a
Is separately prepared and the reference sample 51 is arranged on the inclined surface of the inclined block 54 to be used as a reference device for obtaining a calibration value in the height direction (Z-axis direction). When the reference sample 51 is arranged so as to be inclined as described above, for example, when the inclination angle θ is 30 degrees, the plurality of ridge portions 5 described above are provided.
3a makes it possible to form steps having a pitch p2 of 0.1 μm in the Z-axis direction. That is, the ridge 53a
The pitch p2 formed by is generally p1 · sin θ
Since it is given as (the sine value of the pitch p1), the smaller the θ, the smaller the pitch p2 in the Z-axis direction can be obtained as the scale (reference distance) for performing the calibration. As described above, the above-described reference sample 51 having the lattice pattern 53 is used, and, for example, the tilt block 54 is prepared, and the reference sample 54 is tilted so that the tilt direction matches the direction in which the pitch p1 is defined. By arranging it, it is possible to make a calibration standard having a resolution of, for example, nano-order in the Z-axis direction, that is, in the height direction.
The Z-axis calibration standard can be made by simply tilting the reference sample 51 by a known angle, and tilting block 54
Is not necessary.

【0030】基準試料51を傾斜させることによって実
現される上記のZ軸方向の基準器は、高さ方向の精度が
非常に高く、例えばθが30度の傾斜ブロック54にお
いて1度の誤差があったとしても3nm程度しか変化し
ないという利点を有する。
The Z-axis direction reference device realized by inclining the reference sample 51 has a very high accuracy in the height direction, and for example, there is an error of 1 degree in the inclination block 54 where θ is 30 degrees. Even if it does, it has the advantage of changing only about 3 nm.

【0031】図3に上記の較正用基準器が使用される光
学顕微鏡付きAFMを示す。このAFMについて、11
は基台、12はXYステージ、13は試料テーブルであ
り、また15は取付け枠体、16は光学顕微鏡、17は
Z粗動ステージ、20はxyzスキャナ、21はカンチ
レバー、22は探針、23はカンチレバーの変位検出
器、24はAFMである。上記の各構成要素の取付け構
造、構成、機能は図4に基づいて説明した通りのもので
ある。
FIG. 3 shows an AFM with an optical microscope in which the above calibration standard is used. About this AFM, 11
Is a base, 12 is an XY stage, 13 is a sample table, 15 is a mounting frame, 16 is an optical microscope, 17 is a Z coarse movement stage, 20 is an xyz scanner, 21 is a cantilever, 22 is a probe, 23 Is a cantilever displacement detector, and 24 is an AFM. The mounting structure, configuration, and function of each of the above components are as described with reference to FIG.

【0032】また制御に関する回路では、XYステージ
12に対してはXYステージ制御回路25とステージ変
位計26が設けられ、Z粗動ステージ17に対してはZ
粗動ステージ制御回路28が設けられ、xyzスキャナ
20に対してはxyzスキャナ制御回路29が設けられ
る。Z粗動ステージ制御回路28とxyzスキャナ制御
回路29には、力設定器30から、探針と試料表面の間
で働く原子間力が常に力設定値と一致するようにするた
めの制御データが与えられる。上記の回路25,28,
29や力設定器30等に対して、モニタ31を備えた計
算機27が設けられる。上記の各構成要素の取付け構
造、構成、機能は図4に基づいて説明した通りのもので
ある。
In the control circuit, an XY stage control circuit 25 and a stage displacement gauge 26 are provided for the XY stage 12, and a Z coarse movement stage 17 is provided with a Z stage.
A coarse movement stage control circuit 28 is provided, and an xyz scanner control circuit 29 is provided for the xyz scanner 20. The Z coarse movement stage control circuit 28 and the xyz scanner control circuit 29 receive control data from the force setting device 30 so that the atomic force acting between the probe and the sample surface always matches the force setting value. Given. The above circuits 25, 28,
A computer 27 including a monitor 31 is provided for the 29, the force setting device 30, and the like. The mounting structure, configuration, and function of each of the above components are as described with reference to FIG.

【0033】上記の装置構成において次のような新たな
構成が付加される。3軸(X,Y,Z)微動機構である
xyzスキャナ20のX軸、Y軸、Z軸の各方向の圧電
駆動部に、各圧電駆動部の動作量(動作に伴う変位量)
を検出する歪ゲージ61X,61Y,61Zを付着し、
各歪ゲージから出力される動作量に係る信号を歪ゲージ
検出器62に入力させ、xyzスキャナ20の動作量
を、歪ゲージ61X〜61Zを通して歪ゲージ検出器6
2で検出するように構成する。前述の較正用基準器を使
用した較正測定において、歪ゲージ検出器62で検出さ
れた各軸方向の信号に基づいて、スキャナ較正器63で
較正値が求められる。スキャナ較正器63で求められた
較正値は計算機27に送られ、その記憶部に記憶され、
実際の試料測定において較正値として使用される。
The following new configuration is added to the above device configuration. The amount of movement of each piezoelectric drive unit (the amount of displacement associated with the movement) in the piezoelectric drive unit in each of the X-axis, Y-axis, and Z-axis of the xyz scanner 20 that is a triaxial (X, Y, Z) fine movement mechanism
Strain gauges 61X, 61Y, 61Z for detecting
A signal related to the operation amount output from each strain gauge is input to the strain gauge detector 62, and the operation amount of the xyz scanner 20 is transmitted through the strain gauges 61X to 61Z.
It is configured to detect at 2. In the calibration measurement using the above-described calibration standard, the scanner calibrator 63 obtains a calibration value based on the signal in each axial direction detected by the strain gauge detector 62. The calibration value obtained by the scanner calibrator 63 is sent to the computer 27 and stored in its storage unit.
Used as a calibration value in actual sample measurement.

【0034】図3に示した装置構成において、上記基準
器51を利用して次のように較正用測定が行われる。実
際の試料測定を行う前に、試料ステージ13の上に、基
準試料51を傾斜ブロック54を用いて傾斜させて配置
する。かかる基準試料51に対して光学顕微鏡16で観
察領域を決定し、AFM24で基準試料51の表面に形
成された格子パターン53の測定を行う。このとき特に
Z軸方向(高さ方向)に関して各凸条部53aの間の段
差としてピッチp2を既知の基準距離として利用するこ
とができるので、xyzスキャナ20のZ軸方向の動作
を受け持つ圧電駆動部の制御データ(通常、駆動用印加
電圧)との関係で、xyzスキャナ20における実際の
Z軸方向の動作量に基づいて較正値を求めることができ
る。xyzスキャナ20における実際のZ軸方向の動作
量は、歪ゲージ61Zと歪ゲージ検出器62を通して得
られ、スキャナ較正器63で較正値が求められる。較正
値は、xyzスキャナ20におけるZ軸方向圧電駆動部
の印加電圧と実際の動作量(変位量)の対応関係という
形で求められる。実際の測定では、得られた対応関係に
基づいてxyzスキャナ20におけるZ軸方向圧電駆動
部の動作量を制御し、精度が高い測長を可能にする。
In the apparatus configuration shown in FIG. 3, the calibration measurement is performed as follows using the reference device 51. Before the actual sample measurement is performed, the reference sample 51 is placed on the sample stage 13 with the tilt block 54 tilted. The observation area of the reference sample 51 is determined by the optical microscope 16, and the AFM 24 measures the lattice pattern 53 formed on the surface of the reference sample 51. At this time, particularly in the Z-axis direction (height direction), the pitch p2 can be used as a known reference distance as a step between the ridges 53a. Therefore, the piezoelectric drive that takes charge of the operation of the xyz scanner 20 in the Z-axis direction. The calibration value can be obtained based on the actual operation amount of the xyz scanner 20 in the Z-axis direction in relation to the control data of the unit (usually, the driving applied voltage). The actual operation amount in the Z-axis direction of the xyz scanner 20 is obtained through the strain gauge 61Z and the strain gauge detector 62, and the scanner calibrator 63 obtains a calibration value. The calibration value is obtained in the form of a correspondence relationship between the applied voltage of the Z axis direction piezoelectric drive unit in the xyz scanner 20 and the actual operation amount (displacement amount). In the actual measurement, the operation amount of the Z-axis direction piezoelectric drive unit in the xyz scanner 20 is controlled based on the obtained correspondence relationship to enable highly accurate length measurement.

【0035】前記実施例では、特にZ軸方向の較正につ
いてについて説明したが、基準試料51を水平に設置し
たり、或いは傾斜して設置した場合であってもX軸方向
およびY軸方向の基準距離が明確であるときには、X軸
およびY軸の各方向についても同様に較正を行うことが
できる。
In the above-mentioned embodiment, the calibration in the Z-axis direction is described in particular. However, even when the reference sample 51 is installed horizontally or inclined, the reference in the X-axis direction and the Y-axis direction is set. When the distance is clear, the calibration can be similarly performed in each of the X-axis and Y-axis directions.

【0036】前記実施例では光学顕微鏡が複合されたA
FMについて説明したが、他の走査型プローブ顕微鏡に
ついても同様に本発明による構成を適用できる。
In the above-mentioned embodiment, the optical microscope A
Although the FM has been described, the configuration according to the present invention can be similarly applied to other scanning probe microscopes.

【0037】[0037]

【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、試料表面の微細な3次元形状を測定するAFM等
の走査型プローブ顕微鏡において、実際の試料測定前に
必要に応じて較正用測定を行える構造を有し、この較正
用測定では、既に知られている微細ピッチを有する格子
パターンを備える平面状基準試料を利用し、これを既知
角度で傾斜させて配置し基準試料として用いることによ
り、高さ方向の較正を行える基準試料として使用したた
め、簡単な構成にて精度の高い高さ方向の較正を行うこ
とができる。この高さ方向の較正では、前記既知角度に
基づき上記微細ピッチの正弦値が基準距離として利用さ
れ、傾斜角度を適宜に設定することによりナノオーダの
基準距離を得ることができる。こうして走査型プローブ
顕微鏡において高さ方向の較正用基準器を簡単かつ安価
に、実用性が高いものとして実現することができる。
As is apparent from the above description, according to the present invention, a scanning probe microscope such as an AFM for measuring a fine three-dimensional shape of a sample surface is calibrated as necessary before actual sample measurement. In this calibration measurement, a planar reference sample having a grid pattern with a fine pitch that is already known is used, and this is used as a reference sample by arranging it at a known angle. As a result, since the sample is used as a reference sample that can be calibrated in the height direction, highly accurate calibration in the height direction can be performed with a simple configuration. In this calibration in the height direction, the sine value of the fine pitch is used as the reference distance based on the known angle, and the reference distance on the order of nanometers can be obtained by appropriately setting the inclination angle. In this way, it is possible to realize a calibration standard in the height direction in a scanning probe microscope simply, inexpensively, and highly practical.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の較正用基
準器に使用される基準試料の外観斜視図である。
FIG. 1 is an external perspective view of a reference sample used in a calibration reference device of a scanning probe microscope according to the present invention.

【図2】図1の基準試料を傾斜して設置したときの側面
図である。
FIG. 2 is a side view when the reference sample of FIG. 1 is installed while being inclined.

【図3】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の一実施例
を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing an embodiment of a scanning probe microscope according to the present invention.

【図4】従来の走査型プローブ顕微鏡の一例を示す図で
ある。
FIG. 4 is a diagram showing an example of a conventional scanning probe microscope.

【図5】従来のチューブ型スキャナの一例を示す正面図
である。
FIG. 5 is a front view showing an example of a conventional tube scanner.

【図6】従来のチューブ型スキャナの変形例を示す正面
図である。
FIG. 6 is a front view showing a modified example of a conventional tube scanner.

【図7】従来のチューブ型スキャナの他の変形例を示す
正面図である。
FIG. 7 is a front view showing another modification of the conventional tube scanner.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

12 XYステージ 13 試料テーブル 14 試料 15 取付け枠体 16 光学顕微鏡 17 Z粗動ステージ 20 xyzスキャナ 21 カンチレバー 22 探針 23 変位検出器 51 基準試料 52 基板 53 格子パターン 53a 凸条部 54 傾斜ブロック 12 XY stage 13 Sample table 14 Sample 15 Mounting frame 16 Optical microscope 17 Z Coarse stage 20 xyz scanner 21 Cantilever 22 Probe 23 Displacement detector 51 Reference sample 52 Substrate 53 Lattice pattern 53a Convex ridge 54 Inclined block

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 試料を載置する試料テーブルと、前記試
料に対向する探針を備えたカンチレバーと、前記カンチ
レバーを取付けると共に前記探針と前記試料の相対的位
置を変位させる3軸微動機構と、前記カンチレバーの変
位を検出する変位検出装置と、前記3軸微動機構の動作
量を検出する動作量センサとを備え、前記3軸微動機構
によって前記試料の表面を走査しながら前記探針と前記
試料の間に作用する物理量に基づく前記カンチレバーの
たわみ量を前記変位検出装置で検出し、かつ前記たわみ
量を制御して前記試料の表面を測定する走査型プローブ
顕微鏡に適用される較正方法であり、 前記試料テーブルに基準試料を配置し、前記3軸微動機
構を動作させて前記基準試料の表面を測定し、その測定
の間に前記3軸微動機構の動作量を前記動作量センサで
較正値として検出し、前記動作量センサで得られた較正
値を用いて実際の試料測定を行うことを特徴とする走査
型プローブ顕微鏡の較正方法。
1. A sample table on which a sample is placed, a cantilever having a probe facing the sample, a triaxial fine movement mechanism for mounting the cantilever and displacing the relative position of the probe and the sample. A displacement detection device for detecting the displacement of the cantilever and an operation amount sensor for detecting the operation amount of the triaxial fine movement mechanism, and the probe and the probe while scanning the surface of the sample by the triaxial fine movement mechanism. A calibration method applied to a scanning probe microscope that detects a deflection amount of the cantilever based on a physical quantity acting between samples by the displacement detection device, and controls the deflection amount to measure the surface of the sample. A reference sample is placed on the sample table, the three-axis fine movement mechanism is operated to measure the surface of the reference sample, and the operation amount of the three-axis fine movement mechanism is measured during the measurement. Serial detected as the calibration value at operation amount sensor, a scanning probe microscope calibration method, which comprises carrying out the actual sample measurement using a calibration value obtained by the operation amount sensor.
【請求項2】 前記基準試料は少なくとも1方向に高精
度のピッチが定められた格子パターンを有することを特
徴とする請求項1記載の走査型プローブ顕微鏡の較正方
法。
2. The method for calibrating a scanning probe microscope according to claim 1, wherein the reference sample has a lattice pattern in which a highly precise pitch is defined in at least one direction.
【請求項3】 前記ピッチが定められた前記1方向が傾
斜方向と一致するように前記基準試料を前記試料テーブ
ルに既知角度で傾斜させて配置し、前記ピッチの正弦値
を用いて高さ方向の較正値を得ることを特徴とする請求
項2記載の走査型プローブ顕微鏡の較正方法。
3. The reference sample is tilted at a known angle on the sample table so that the one direction in which the pitch is determined matches the tilt direction, and the sine value of the pitch is used to determine the height direction. 3. The method for calibrating a scanning probe microscope according to claim 2, wherein the calibration value is obtained.
【請求項4】 前記ピッチの正弦値はナノオーダの精度
を有する値であることを特徴とする請求項3記載の走査
型プローブ顕微鏡の較正方法。
4. The method for calibrating a scanning probe microscope according to claim 3, wherein the sine value of the pitch is a value having nano-order accuracy.
【請求項5】 試料を載置する試料テーブルと、前記試
料に対向する探針を備えたカンチレバーと、前記カンチ
レバーを取付けると共に前記探針と前記試料の相対的位
置を変位させる3軸微動機構と、前記カンチレバーの変
位を検出する変位検出装置と、前記3軸微動機構の動作
量を検出する動作量センサとを備え、前記3軸微動機構
によって前記試料の表面を走査しながら前記探針と前記
試料の間に作用する物理量に基づく前記カンチレバーの
たわみ量を前記変位検出装置で検出し、かつ前記たわみ
量を制御して前記試料の表面を測定する走査型プローブ
顕微鏡において使用される較正用基準器であり、 少なくとも1方向に高精度のピッチが定められた格子パ
ターンを有し、前記試料テーブル上に、前記ピッチが定
められた前記1方向が傾斜方向と一致するように既知角
度で傾斜させて配置される基準試料を用いてなり、前記
ピッチの正弦値が高さ方向の較正値を求める基準距離と
して用いられることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡
の較正用基準器。
5. A sample table on which a sample is placed, a cantilever having a probe facing the sample, a triaxial fine movement mechanism for mounting the cantilever and displacing the relative position of the probe and the sample. A displacement detection device for detecting the displacement of the cantilever and an operation amount sensor for detecting the operation amount of the triaxial fine movement mechanism, and the probe and the probe while scanning the surface of the sample by the triaxial fine movement mechanism. A calibration standard used in a scanning probe microscope that detects a deflection amount of the cantilever based on a physical amount acting between samples by the displacement detection device and controls the deflection amount to measure the surface of the sample. And having a grid pattern in which a highly precise pitch is defined in at least one direction, and the one direction in which the pitch is defined is tilted on the sample table. The scanning probe microscope is characterized by using a reference sample tilted at a known angle so as to match the direction, and the sine value of the pitch is used as a reference distance for obtaining a calibration value in the height direction. Calibration standard.
【請求項6】 前記試料テーブル上で既知角度の傾斜面
を有する傾斜ブロックを用意し、前記1方向と前記傾斜
ブロックの傾斜方向が一致するように前記基準試料を前
記傾斜ブロックの前記傾斜面上に配置したことを特徴と
する請求項5記載の走査型プローブ顕微鏡の較正用基準
器。
6. A tilted block having a tilted surface of a known angle is prepared on the sample table, and the reference sample is placed on the tilted surface of the tilted block so that the one direction and the tilt direction of the tilted block coincide with each other. The calibration standard for a scanning probe microscope according to claim 5, wherein
【請求項7】 前記ピッチの前記正弦値はナノオーダの
精度を有する値であることを特徴とする請求項5または
6記載の走査型プローブ顕微鏡の較正用基準器。
7. The calibration standard for a scanning probe microscope according to claim 5, wherein the sine value of the pitch is a value having nano-order accuracy.
【請求項8】 試料を載置する試料テーブルと、前記試
料に対向する探針を備えたカンチレバーと、前記カンチ
レバーを取付けると共に前記探針と前記試料の相対的位
置を変位させる3軸微動機構と、前記カンチレバーの変
位を検出する変位検出装置と、前記3軸微動機構の動作
量を検出する動作量センサとを備え、前記3軸微動機構
によって前記試料の表面を走査しながら前記探針と前記
試料の間に作用する物理量に基づく前記カンチレバーの
たわみ量を前記変位検出装置で検出し、かつ前記たわみ
量を制御して前記試料の表面を測定する走査型プローブ
顕微鏡において、 少なくとも1方向に高精度のピッチが定められた格子パ
ターンを有する較正値測定用の基準試料と、この基準試
料を、前記ピッチが定められた前記1方向が傾斜方向と
一致するように試料テーブルに傾斜させて配置する配置
手段を備えることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
8. A sample table on which a sample is placed, a cantilever having a probe facing the sample, a triaxial fine movement mechanism for mounting the cantilever and displacing the relative position of the probe and the sample. A displacement detection device for detecting the displacement of the cantilever and an operation amount sensor for detecting the operation amount of the triaxial fine movement mechanism, and the probe and the probe while scanning the surface of the sample by the triaxial fine movement mechanism. In a scanning probe microscope that detects a deflection amount of the cantilever based on a physical amount acting between samples with the displacement detection device and controls the deflection amount to measure the surface of the sample, high precision in at least one direction. And a reference sample for measuring a calibration value, which has a grid pattern with a fixed pitch, and the reference sample has the one direction in which the pitch is defined as an inclination direction. It matches the labels, characterized in that it comprises an arrangement means for arranging tilted to the sample table in the scanning probe microscope.
【請求項9】 前記配置手段は、傾斜角度が既知の傾斜
面を有する傾斜ブロックであることを特徴とする請求項
8記載の走査型プローブ顕微鏡。
9. The scanning probe microscope according to claim 8, wherein the arranging means is an inclined block having an inclined surface with a known inclination angle.
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