JP2002031589A - Scanning probe microscope - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、走査型プローブ顕
微鏡に関する。[0001] The present invention relates to a scanning probe microscope.
【0002】[0002]
【従来の技術】金属,半導体,セラミック,樹脂等の表
面観察やあらさの測定、液晶,高分子,蒸着膜などの薄
膜の観察等のために表面観察が行われる。試料の微細な
表面形状を検査する装置として、例えば、プローブと試
料表面との間に働く原子間力を測定する原子間力顕微鏡
(AFM)や、プローブと試料表面との間に流れるトン
ネル電流を用いるトンネル顕微鏡(STM)が知られて
いる。原子間力顕微鏡(AFM)は、探針(プローブ)
及び探針を支持するカンチレバーと、このカンチレバー
の曲がりを検出する変位検出系とを備え、探針と試料と
の間の原子間力(引力又は斥力)を検出し、この原子間
力が一定となるように探針と試料表面との距離を制御す
ることによって、試料表面の形状を観察する。2. Description of the Related Art Surface observation is performed for observing the surface of metals, semiconductors, ceramics, resins, and the like, measuring roughness, and observing thin films such as liquid crystals, polymers, and vapor-deposited films. As a device for inspecting a fine surface shape of a sample, for example, an atomic force microscope (AFM) for measuring an atomic force acting between a probe and a sample surface, and a tunnel current flowing between the probe and the sample surface are used. The tunnel microscope (STM) used is known. Atomic force microscope (AFM) is a probe
A cantilever that supports the probe and a displacement detection system that detects bending of the cantilever, detects an atomic force (attractive force or repulsive force) between the probe and the sample, and determines that the atomic force is constant. The shape of the sample surface is observed by controlling the distance between the probe and the surface of the sample so that the distance between the probe and the sample surface is controlled.
【0003】走査型プローブ顕微鏡では、XY方向及び
Z方向に移動可能なスキャナーを用いて、試料とプロー
ブとの間において、XY方向の移動よる試料の二次元的
な走査とZ方向のフィードバック制御による試料の高さ
情報の取得によって、試料表面の形状を測定する。この
XY方向の走査及びZ方向のフィードバック制御は、試
料側あるいはプローブ側に設けた、例えばピエゾ素子等
の微小変位可能な駆動機構によって行われる。この駆動
機構による通常の移動範囲は、例えば、XY方向では数
十μm程度であり、Z方向では数μmのオーダーであ
る。チューブ型ピエゾ素子を用いたスキャナーの一例と
して、最大走査範囲(X,Y方向)が30μm×30μ
mで、最大測定範囲(Z方向)が5μmのものが知られ
ている。In a scanning probe microscope, two-dimensional scanning of a sample by movement in the XY directions and feedback control in the Z direction are performed between the sample and the probe using a scanner movable in the XY directions and the Z direction. The shape of the sample surface is measured by acquiring the height information of the sample. The scanning in the XY direction and the feedback control in the Z direction are performed by a minutely displaceable drive mechanism such as a piezo element provided on the sample side or the probe side. The normal movement range of this drive mechanism is, for example, about several tens of μm in the XY directions, and on the order of several μm in the Z direction. As an example of a scanner using a tube type piezo element, the maximum scanning range (X, Y directions) is 30 μm × 30 μm.
m and a maximum measurement range (Z direction) of 5 μm are known.
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】試料のZ方向の高さ
は、試料表面の形状を表すミクロな高さ分と、試料の傾
きやうねりやスキャナーの特性に基づくマクロな高さ分
を含んでいる。走査型プローブ顕微鏡は、試料のZ方向
の高さの内からミクロな高さ情報を測定することによっ
て試料表面の形状を求める。一方、マクロな高さ分は、
走査型プローブ顕微鏡による走査に支障を来すZ方向変
動分となる。走査型プローブ顕微鏡のZ方向の測定範囲
は、スキャナーのZ方向の移動範囲で制限されるため、
試料上の全走査範囲を走査するには、試料表面の高低差
がスキャナーのZ方向の移動量よりも小さく、かつ、試
料の最低高さ位置と最高高さ位置も共にスキャナーのZ
方向の移動範囲内にある必要がある。The height of the sample in the Z direction includes a micro height representing the shape of the sample surface and a macro height based on the inclination, undulation of the sample, and the characteristics of the scanner. I have. The scanning probe microscope obtains the shape of the sample surface by measuring micro height information from the height in the Z direction of the sample. On the other hand, the macro height
This is a variation in the Z direction that hinders scanning by the scanning probe microscope. Since the measurement range of the scanning probe microscope in the Z direction is limited by the movement range of the scanner in the Z direction,
In order to scan the entire scanning range on the sample, the height difference of the sample surface is smaller than the movement amount of the scanner in the Z direction, and both the minimum height position and the maximum height position of the sample are the Z position of the scanner.
Must be within range of movement in direction.
【0005】試料表面の高低差がスキャナーのZ方向の
移動量よりも小さい場合であっても、走査開始点の試料
の高さ位置が試料の最低高さ位置と最高高さ位置に対し
てどの位置であるか、あるいは、走査開始点におけるス
キャナーのZ方向の始動位置がスキャナーのZ方向の移
動範囲に対してどの位置であるかによって、走査に支障
が生じる場合がある。図8は、マクロなZ方向変動分に
よる走査に対する影響を説明するための概略図であり、
試料の傾斜、試料のうねり、スキャナーの特性等による
試料のマクロなZ方向変動分について示している。な
お、図8(a),(b)では、Z方向の移動量bは高低
差aと同じであるとし、スキャナーの移動範囲の中点か
ら走査を開始するものとする。[0005] Even when the height difference of the sample surface is smaller than the amount of movement of the scanner in the Z direction, the height position of the sample at the scanning start point is determined with respect to the minimum height position and the maximum height position of the sample. The scanning may be affected by the position or the position of the starting position of the scanner in the Z direction at the scanning start point with respect to the movement range of the scanner in the Z direction. FIG. 8 is a schematic diagram for explaining the effect on scanning due to the macro Z-direction variation.
The macro Z-direction variation of the sample due to the inclination of the sample, the undulation of the sample, the characteristics of the scanner, and the like are shown. In FIGS. 8A and 8B, it is assumed that the movement amount b in the Z direction is the same as the height difference a, and scanning is started from the middle point of the movement range of the scanner.
【0006】図8(a)は試料に傾斜がある場合を示し
ている。高低差aの傾斜面を有した試料S1をZ方向の
移動量bのスキャナーで走査する場合、走査開始点によ
って走査ができない範囲が生じる場合がある。P1の位
置(走査範囲cの中点位置)を走査開始点としたとき、
全走査範囲cを走査することができる。一方、P2、P
3の位置(走査範囲cの端点位置)を走査開始点とした
とき、Z方向のa2,及びa3はスキャナーの移動範囲
外となるため、走査範囲c2,c3を走査することがで
きない。FIG. 8A shows a case where the sample is inclined. When the sample S1 having the inclined surface with the height difference a is scanned by the scanner with the movement amount b in the Z direction, a range where scanning cannot be performed may occur depending on the scanning start point. When the position of P1 (the midpoint position of the scanning range c) is set as the scanning start point,
The entire scanning range c can be scanned. On the other hand, P2, P
When the position 3 (end point position of the scanning range c) is set as the scanning start point, the scanning ranges c2 and c3 cannot be scanned because a2 and a3 in the Z direction are outside the moving range of the scanner.
【0007】図8(b)は試料にうねりがある場合を示
している。高低差aのうねりを有した試料S2をZ方向
の移動量bのスキャナーで走査する場合においても、走
査開始点によって走査ができない範囲が生じる場合があ
る。Q1の位置(走査範囲cの中点位置)を走査開始点
としたとき、全走査範囲cを走査することができる。一
方、Q2、Q3の位置(うねりの最高点位置、最低点位
置)を走査開始点としたとき、Z方向のa2’,及びa
3’はスキャナーの移動範囲外となるため、走査範囲c
2’,c3’を走査することができない。FIG. 8B shows a case where the sample has undulation. Even when the sample S2 having the undulation of the height difference a is scanned by the scanner having the movement amount b in the Z direction, a range where scanning cannot be performed may occur depending on the scanning start point. When the position of Q1 (the middle point of the scanning range c) is set as the scanning start point, the entire scanning range c can be scanned. On the other hand, when the positions of Q2 and Q3 (the highest point position and the lowest point position of the undulation) are set as the scanning start points, a2 'and a2 in the Z direction are set.
3 'is outside the moving range of the scanner, so the scanning range c
2 ′, c3 ′ cannot be scanned.
【0008】また、傾斜やうねりを有していない試料で
あっても、スキャナーの特性等によって傾斜やうねりが
見かけ上発生する場合がある。図8(c)はピエゾ素子
を変形させることによってX,Y方向に走査させる状態
を示しており、このような走査において、X,Y方向に
おいて固定したプローブから見ると、試料表面には図8
(d)に示すようなうねりを有することになる。また、
X,Y方向の移動の偏りによっては傾斜を含むことにな
る。このようなスキャナーの特性によって生じるマクロ
なZ方向変動分についても、前記した図8(a),
(b)と同様に、走査範囲に制限が生じさせることにな
る。[0008] Even a sample having no inclination or undulation may cause apparent inclination or undulation depending on the characteristics of the scanner. FIG. 8C shows a state in which scanning is performed in the X and Y directions by deforming the piezo element. In such scanning, when viewed from a probe fixed in the X and Y directions, the surface of the sample is shown in FIG.
It has the undulation as shown in (d). Also,
Depending on the deviation of the movement in the X and Y directions, a tilt is included. The macro Z-direction variation caused by such scanner characteristics is also described in FIG.
As in (b), the scanning range is limited.
【0009】そこで、本発明は前記した従来の問題点を
解決し、試料の傾斜やうねり、スキャナーの特性等によ
るマクロなZ方向変動分を補正して、良好な走査を行う
ことを目的とする。SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-mentioned conventional problems and to perform a good scan by correcting a macro Z-direction variation caused by a tilt, undulation of a sample, characteristics of a scanner, and the like. .
【0010】[0010]
【課題を解決するための手段】本発明は、基準高さから
のマクロなZ方向変動分を補正するZ方向補正手段によ
って、試料の傾斜やうねり、スキャナーの特性等による
マクロなZ方向変動分を補正する。本発明は、試料と対
向配置するプローブと、Z方向に駆動するZ方向スキャ
ナーと、X,Y方向に走査するX,Y方向スキャナー
と、プローブの変位を検出する測定ヘッドを具備する走
査型プローブ顕微鏡において、基準高さからのマクロな
Z方向変動分を補正するZ方向補正手段を備える。SUMMARY OF THE INVENTION According to the present invention, there is provided a Z-direction correcting means for correcting a macro-Z-direction variation from a reference height. Is corrected. The present invention relates to a scanning probe having a probe opposed to a sample, a Z-direction scanner driven in the Z direction, an X and Y direction scanner for scanning in the X and Y directions, and a measuring head for detecting displacement of the probe. The microscope includes a Z-direction correction unit that corrects a macro Z-direction variation from a reference height.
【0011】Z方向補正手段の第1の態様は、Z方向変
動分を補償するためのX,Y方向の位置に対するZ方向
の補正データを備え、この補正データに基づいてZ方向
スキャナーの駆動量を補正する。補正データは、例え
ば、試料あるいはスキャナーのマクロなZ方向変動分に
基づいて形成することができ、例えば、マクロなZ方向
変動分と同じ大きさで符号を反転させたデータとするこ
とができる。また、基準高さを定め、該基準高さからの
からのZ方向変動分とすることもできる。マクロなZ方
向変動分は、走査型プローブ顕微鏡等の測定手段で予め
求めることができる。このとき、全走査範囲を一回の走
査で測定できない場合には、全走査範囲を複数の領域に
区分して求めたZ方向変動分をつなぎ合わせることによ
って測定することができる。Z方向スキャナーは、走査
型プローブ顕微鏡が通常に備えるZ軸フィードバック用
駆動機構を用いることも、あるいは、Z軸マクロ補正用
駆動機構を用いることもできる。A first aspect of the Z-direction correction means comprises Z-direction correction data for positions in the X and Y directions for compensating for Z-direction fluctuations, and the driving amount of the Z-direction scanner is determined based on the correction data. Is corrected. The correction data can be formed based on, for example, a macro Z-direction variation of the sample or the scanner. For example, the correction data can be data having the same magnitude as the macro Z-direction variation and the sign inverted. Alternatively, a reference height may be determined, and a variation in the Z direction from the reference height may be used. The macro Z-direction variation can be obtained in advance by measuring means such as a scanning probe microscope. At this time, if the entire scanning range cannot be measured by one scan, the measurement can be performed by connecting the Z-direction variation obtained by dividing the entire scanning range into a plurality of regions. As the Z-direction scanner, a drive mechanism for Z-axis feedback normally provided in a scanning probe microscope or a drive mechanism for Z-axis macro correction can be used.
【0012】また、Z方向補正手段の第2の態様は、試
料を支持する試料台と、試料台と対向して配置するプロ
ーブと、Z方向に駆動するZ方向スキャナーと、X,Y
方向に走査するX,Y方向スキャナーと、プローブの変
位を検出する測定ヘッドを具備する走査型プローブ顕微
鏡であって、試料台と試料との間において、走査型プロ
ーブ顕微鏡の基準面に対する傾斜角度を一方向又は二方
向で調整可能とする傾斜ステージを備え、この傾斜ステ
ージによって、試料あるいはスキャナーの特性による傾
斜を補正する。傾斜ステージは、X方向あるいはY方向
等の一方向、又はX方向及びY方向等の二方向で傾斜角
度を調整することができる。二方向で傾斜角度を調整す
ることによって、試料表面の任意の傾斜方向に対応する
ことができる。傾斜ステージによる傾斜角の調整は、試
料表面の目視による観察、あるいは走査による測定デー
タに基づいて行うことができる。なお、傾斜ステージの
傾斜方向は、必ずしもX方向あるいはY方向である必要
はなく、また、二方向も互いに所定角度を成せば直角で
あるでことを要さない。A second aspect of the Z-direction correcting means includes a sample stage for supporting a sample, a probe arranged to face the sample stage, a Z-direction scanner driven in the Z direction, and X, Y
A scanning probe microscope equipped with an X and Y direction scanner for scanning in a direction and a measuring head for detecting displacement of a probe, wherein an inclination angle of a scanning probe microscope with respect to a reference plane between a sample stage and a sample is determined. A tilt stage that can be adjusted in one direction or two directions is provided, and the tilt stage corrects tilt due to characteristics of a sample or a scanner. The tilt stage can adjust the tilt angle in one direction such as the X direction or the Y direction, or in two directions such as the X direction and the Y direction. By adjusting the tilt angle in two directions, it is possible to cope with an arbitrary tilt direction of the sample surface. The adjustment of the tilt angle by the tilt stage can be performed based on visual observation of the sample surface or measurement data obtained by scanning. Note that the tilt direction of the tilt stage does not necessarily need to be the X direction or the Y direction, and the two directions do not need to be perpendicular if they form a predetermined angle with each other.
【0013】また、傾斜角の調整は、走査型プローブ顕
微鏡に設けた基準面に対して行うことによって、試料の
傾斜やうねりによるZ方向変動と、スキャナー特性によ
るZ方向変動の両Z方向変動に対応することができる。The adjustment of the tilt angle is performed with respect to a reference plane provided in the scanning probe microscope, so that the Z direction fluctuation due to the tilt and undulation of the sample and the Z direction fluctuation due to the scanner characteristics are both controlled. Can respond.
【0014】本発明のZ方向補正手段の第1の態様によ
れば、試料やZ方向スキャナーの特性による傾斜やうね
りを補正することができ、走査範囲が制限されることな
く良好な走査を行うことができる。また、本発明のZ方
向補正手段の第2の態様によれば、試料やZ方向スキャ
ナーの特性による傾斜を補正することができ、走査範囲
が制限されることなく良好な走査を行うことができる。
また、予め補正データを用意することなく、目視による
調整を行うこともできる。According to the first aspect of the Z-direction correction means of the present invention, it is possible to correct tilt and undulation due to the characteristics of the sample and the Z-direction scanner, and to perform a good scan without limiting the scanning range. be able to. Further, according to the second aspect of the Z-direction correction means of the present invention, it is possible to correct the tilt due to the characteristics of the sample and the Z-direction scanner, and it is possible to perform satisfactory scanning without limiting the scanning range. .
Further, it is also possible to perform visual adjustment without preparing correction data in advance.
【0015】[0015]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
を参照しながら詳細に説明する。はじめに、本発明の第
1の実施の形態について説明する。図1は、本発明の第
1の実施の形態を説明するための概略ブロック図であ
り、走査型原子間力顕微鏡を例とした図である。走査型
プローブ顕微鏡1は、プローブ2、プローブ2を支持す
るカンチレバー3、カンチレバー3の曲がりを検出する
変位測定ヘッド4、試料SをX,Y方向に走査しZ方向
に移動させるスキャナー5を備え、プローブ2と試料S
との間の原子間力(引力及び斥力)をカンチレバー3の
撓み量で検出して、試料Sの表面形状を測定する。Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. First, a first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a schematic block diagram for explaining a first embodiment of the present invention, and is a diagram illustrating a scanning atomic force microscope as an example. The scanning probe microscope 1 includes a probe 2, a cantilever 3 that supports the probe 2, a displacement measuring head 4 that detects bending of the cantilever 3, and a scanner 5 that scans the sample S in the X and Y directions and moves the sample S in the Z direction. Probe 2 and sample S
Is detected by the amount of deflection of the cantilever 3 to measure the surface shape of the sample S.
【0016】変位測定ヘッド4は、図示しないレーザー
発振器等の光源、ミラーやスリット等の光学系、及びフ
ォトダイオード等の光検出器4aを備え、レーザー発振
器から発せられカンチレバー3で反射されたレーザー光
を光検出器4aで検出することによって、カンチレバー
3の変位を検出する。検出信号は、測定・制御手段7で
測定され、試料Sの高さデータを取得することができ
る。また、スキャナー5は、X,Y軸用駆動手段5aと
Z軸フィードバック用駆動手段5bを備える。X,Y軸
用駆動手段5aは、測定・制御手段7からの制御信号に
よって駆動して試料SをX,Y方向に走査する。一方、
Z軸フィードバック用駆動手段5bは、検出信号を受け
たフィードバック用制御手段6によるPI制御によって
Z方向のフィードバック制御を行う。X,Y軸用駆動手
段5aとZ軸フィードバック用駆動手段5bは、例え
ば、ピエゾ素子によって構成することができる。The displacement measuring head 4 includes a light source such as a laser oscillator (not shown), an optical system such as a mirror and a slit, and a photodetector 4a such as a photodiode. Laser light emitted from the laser oscillator and reflected by the cantilever 3 is shown. Is detected by the photodetector 4a, whereby the displacement of the cantilever 3 is detected. The detection signal is measured by the measurement / control means 7, and height data of the sample S can be obtained. Further, the scanner 5 includes an X- and Y-axis driving unit 5a and a Z-axis feedback driving unit 5b. The X and Y axis driving means 5a scans the sample S in the X and Y directions by being driven by a control signal from the measurement / control means 7. on the other hand,
The drive means 5b for Z-axis feedback performs feedback control in the Z direction by PI control by the feedback control means 6 having received the detection signal. The X- and Y-axis driving units 5a and the Z-axis feedback driving unit 5b can be constituted by, for example, piezo elements.
【0017】Z方向のフィードバック制御信号中には、
試料表面のミクロな変位分とマクロなZ方向変動分とが
含まれており、フィードバック制御信号をそのままZ軸
フィードバック用駆動手段5bに入力して駆動すると、
スキャナー5によるZ方向の変位量は、ミクロな変位分
にマクロなZ方向変動分を加算した量となる。この加算
量は、Z軸フィードバック用駆動手段5bの変動範囲を
超える場合があり、このときには、良好な走査を行うこ
とが困難となる。In the Z direction feedback control signal,
A micro-displacement amount and a macro-Z-direction fluctuation amount of the sample surface are included, and when the feedback control signal is directly input to the Z-axis feedback driving unit 5b and driven,
The amount of displacement in the Z direction by the scanner 5 is an amount obtained by adding a macro Z direction variation to a micro displacement. This addition amount may exceed the fluctuation range of the Z-axis feedback driving unit 5b, and in this case, it becomes difficult to perform good scanning.
【0018】本発明の走査型プローブ顕微鏡は、上記し
た走査型プローブ顕微鏡が通常備える構成に加えて、Z
方向の補正データ8、及び該補正データを用いてマクロ
なZ方向変動分を補償する構成を備える。Z方向の補正
データ8は、試料やZ方向スキャナーの特性による傾斜
やうねりを補正するデータであり、予め求めておきXY
座標位置と対応させて記憶手段等に格納しておく。補償
を行う構成は、走査中のX,Y座標位置に対応する補正
データを読み出し、読み出した補正データをフィードバ
ック用制御手段6からのフィードバック信号と共にZ軸
フィードバック用駆動手段5bに入力する。The scanning probe microscope according to the present invention has a Z
It is provided with a direction correction data 8 and a configuration for compensating a macro Z-direction variation using the correction data. The Z-direction correction data 8 is data for correcting tilt and undulation due to the characteristics of the sample and the Z-direction scanner.
It is stored in a storage means or the like in association with the coordinate position. In the configuration for performing the compensation, the correction data corresponding to the X and Y coordinate positions being scanned is read, and the read correction data is input to the Z-axis feedback driving means 5b together with the feedback signal from the feedback control means 6.
【0019】Z軸フィードバック用駆動手段5bに対し
て補正データ8を入力することによって、Z軸フィード
バック用駆動手段5bが定めるZ方向位置はマクロなZ
方向変動分を差し引いた、ミクロなZ軸方向成分のみと
なる。Z軸フィードバック用駆動手段5bは、このミク
ロなZ軸方向成分だけ試料Sを変位させ、プローブ2と
試料Sとの距離を所定距離に維持する。検出信号は、こ
のZ方向のフィードバック量として得ることができる。
これによって、Z軸方向の変位はミクロなZ軸方向成分
のみとなるため、Z軸フィードバック用駆動手段5bの
変動範囲内に納めることができ、良好な走査を行うこと
ができる。By inputting the correction data 8 to the Z-axis feedback driving means 5b, the Z-direction position determined by the Z-axis feedback driving means 5b becomes a macro Z position.
Only the micro Z-axis direction component is obtained by subtracting the direction fluctuation. The Z-axis feedback driving unit 5b displaces the sample S by this micro Z-axis direction component, and maintains the distance between the probe 2 and the sample S at a predetermined distance. The detection signal can be obtained as the feedback amount in the Z direction.
Accordingly, the displacement in the Z-axis direction is only a micro Z-axis direction component, so that the displacement can be kept within the fluctuation range of the Z-axis feedback driving unit 5b, and good scanning can be performed.
【0020】図2は、本発明の第1の実施の形態の他の
構成例を説明するための概略ブロック図である。図1に
示す構成例は、Z軸方向の駆動手段としてZ軸フィード
バック用駆動手段5bを備える構成であるのに対して、
図2の示す構成例は、Z軸方向の駆動手段としてZ軸フ
ィードバック用駆動手段5bに加えてZ軸マクロ補正用
駆動手段5cを備える。FIG. 2 is a schematic block diagram for explaining another configuration example of the first embodiment of the present invention. The configuration example shown in FIG. 1 is configured to include a Z-axis feedback driving unit 5b as a Z-axis direction driving unit.
The configuration example shown in FIG. 2 includes a Z-axis macro correction driving unit 5c in addition to the Z-axis feedback driving unit 5b as a Z-axis direction driving unit.
【0021】この構成例では、Z軸フィードバック用駆
動手段5bはフィードバック用制御手段6からの制御信
号で制御し、Z軸マクロ補正用駆動手段5cは補正デー
タ8によって制御する。Z軸フィードバック用駆動手段
5bは、ミクロな変位量とマクロな変位量を加算した量
を変位し、一方、Z軸マクロ補正用駆動手段5cはマク
ロな変位量を補償する方向で変位する。これによって、
スキャナー5のZ軸方向の変位量は、マクロな変位量が
差し引かれたミクロな変位量のみとなる。これによっ
て、Z軸方向の変位はミクロなZ軸方向成分のみとなる
ため、Z軸フィードバック用駆動手段5bの変動範囲内
に納めることができ、良好な走査を行うことができる。In this configuration example, the Z-axis feedback driving means 5b is controlled by a control signal from the feedback control means 6, and the Z-axis macro correction driving means 5c is controlled by correction data 8. The Z-axis feedback driving unit 5b displaces an amount obtained by adding the micro displacement amount and the macro displacement amount, while the Z-axis macro correction driving unit 5c displaces in a direction to compensate for the macro displacement amount. by this,
The displacement amount of the scanner 5 in the Z-axis direction is only a micro displacement amount from which a macro displacement amount is subtracted. Accordingly, the displacement in the Z-axis direction is only a micro Z-axis direction component, so that the displacement can be kept within the fluctuation range of the Z-axis feedback driving unit 5b, and good scanning can be performed.
【0022】Z軸マクロ補正用駆動手段5cは、Z軸フ
ィードバック用駆動手段5bと同様のピエゾ素子で構成
することも、あるいは静電型駆動素子やリニアモータ等
の任意の駆動機構を適用することができる。Z軸マクロ
補正用駆動手段5cとして、変位量が大きな駆動機構を
用いることによって、ピエゾ素子で駆動できない大きな
Z方向変動分に対しても対応することができる。The driving means 5c for Z-axis macro correction may be constituted by a piezo element similar to the driving means 5b for Z-axis feedback, or an arbitrary driving mechanism such as an electrostatic driving element or a linear motor may be applied. Can be. By using a drive mechanism having a large displacement amount as the Z-axis macro correction drive unit 5c, it is possible to cope with a large Z-direction variation that cannot be driven by the piezo element.
【0023】図3,4は補正データによるマクロな変位
量の補正を説明するための概略図であり、図3は傾斜を
補正する例であり、図4はうねりを補正する例である。
図3(a)はミクロな変位量と傾斜分が加算された試料
表面の変位量を模式的に示している。これに対して、図
3(b)は傾斜分の変位量を模式的に示しており、予め
測定し、この変位量を補償する補正データとして記憶し
ておく。図3(b)の補正データを用いて、図3(a)
のミクロな変位量とマクロな傾斜分とが加算された変位
量からマクロな傾斜分を差し引くことによって、図3
(c)に示すようなミクロな変位量のみを抽出すること
ができる。3 and 4 are schematic diagrams for explaining the correction of the macro displacement amount by the correction data. FIG. 3 shows an example of correcting the inclination, and FIG. 4 shows an example of correcting the undulation.
FIG. 3A schematically shows the displacement amount of the sample surface obtained by adding the micro displacement amount and the tilt amount. On the other hand, FIG. 3B schematically shows the displacement amount of the inclination, which is measured in advance and stored as correction data for compensating the displacement amount. Using the correction data of FIG. 3B, FIG.
By subtracting the macro slope from the displacement obtained by adding the micro displacement and the macro slope of FIG.
It is possible to extract only the micro displacement amount as shown in FIG.
【0024】また、図4(a)はミクロな変位量とうね
り分が加算された試料表面の変位量を模式的に示してい
る。これに対して、図4(b)はうねり分の変位量を模
式的に示しており、予め測定し、この変位量を補償する
補正データとして記憶しておく。図4(b)の補正デー
タを用いて、図4(a)のミクロな変位量とマクロなう
ねり分とが加算された変位量からマクロなうねり分を差
し引くことによって、図4(c)に示すようなミクロな
変位量のみを抽出することができる。FIG. 4A schematically shows the displacement amount of the sample surface to which the micro displacement amount and the undulation are added. On the other hand, FIG. 4B schematically shows the displacement amount of the undulation, which is measured in advance and stored as correction data for compensating the displacement amount. By using the correction data of FIG. 4B and subtracting the macro undulation from the displacement obtained by adding the micro displacement and the macro undulation of FIG. 4A, FIG. Only the micro displacement as shown can be extracted.
【0025】図3(c),図4(c)に示すミクロな変
位量は、スキャナーのZ方向の移動範囲内であるため、
走査範囲を狭めることなく全走査範囲を走査することが
できる。なお、マクロな変動量は、図3の傾斜分と図4
のうねり分とを含む形態の場合についても、補正データ
によって同様に取り扱うことができる。また、前記構成
例では、補正データは予め測定しておいた変位量を補償
するものとして記憶するとしているが、変位量自体を記
憶しておき、スキャナーのZ軸方向駆動においてこの変
位量を補正するよう調整する構成とすることもできる。Since the micro displacement shown in FIGS. 3C and 4C is within the range of movement of the scanner in the Z direction,
The entire scanning range can be scanned without narrowing the scanning range. It should be noted that the macro fluctuation amount is represented by the slope in FIG.
In the case of the form including the undulation, it can be handled similarly by the correction data. Further, in the above configuration example, the correction data is stored as compensation for the previously measured displacement amount. However, the displacement amount itself is stored, and this displacement amount is corrected when the scanner is driven in the Z-axis direction. It is also possible to adopt a configuration in which adjustment is performed.
【0026】補正データ8の取得は、例えば、図5に示
す構成によって求めることができる。図5に示す構成
は、通常の走査型プローブ顕微鏡において、検出器4か
らフィードバック用制御手段6に帰還される検出信号を
ローパスフィルタ9に通し、低周波数成分をマクロな変
動分として取出し、補正データ8に格納する。このデー
タ取得において、マクロな変動分が大きく一走査で行え
ない場合には、走査範囲を分割して複数の走査によって
得たデータを組み合わせる。The acquisition of the correction data 8 can be obtained, for example, by the configuration shown in FIG. In the configuration shown in FIG. 5, in a normal scanning probe microscope, a detection signal fed back from the detector 4 to the feedback control means 6 is passed through a low-pass filter 9 to extract low-frequency components as macro fluctuations, and to provide correction data. 8 is stored. In this data acquisition, when a macro variation is large and cannot be performed in one scan, the scan range is divided and data obtained by a plurality of scans is combined.
【0027】次に、本発明の第2の実施の形態について
説明する。図6は、本発明の第2の実施の形態を説明す
るための概略図である。第2の実施の形態において、マ
クロなZ方向変動分を補正するZ方向補正手段は、試料
台と試料との間において、走査型プローブ顕微鏡に対す
る傾斜角度を一方向又は二方向で調整可能とする傾斜ス
テージによって構成する。図6(a)は、傾斜角度を一
方向で調整する構成例であり、傾斜ステージ10は調整
ねじ11によって、試料Sを支持する支持面の傾斜角度
を調整することができる。Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 6 is a schematic diagram for explaining the second embodiment of the present invention. In the second embodiment, a Z-direction correcting unit that corrects a macro Z-direction variation enables an inclination angle with respect to a scanning probe microscope to be adjusted in one direction or two directions between a sample stage and a sample. It is composed of a tilt stage. FIG. 6A shows a configuration example in which the tilt angle is adjusted in one direction. The tilt stage 10 can adjust the tilt angle of the support surface that supports the sample S by the adjusting screw 11.
【0028】図6(b)は、傾斜角度を二方向で調整す
る構成例であり、傾斜方向を異ならせた第1の傾斜ステ
ージ10aと第2の傾斜ステージ10bとを備え、それ
ぞれ調整ねじ11a,11bによって、試料Sを支持す
る支持面の傾斜角度を調整する。なお、図6(a),
(b)は、試料Sを支持する側をスキャナーとする構成
例であるが、図6(c)に示すように、プローブ側をス
キャナーとする構成例とすることもできる。図6
(a),(b),(c)の各傾斜ステージにおいて、傾
斜角度の調整は試料Sの表面の目視による観察や走査に
よる測定データに基づいて行うことができる。FIG. 6B shows a configuration example in which the tilt angle is adjusted in two directions. The first tilt stage 10a and the second tilt stage 10b having different tilt directions are provided. , 11b adjust the inclination angle of the support surface that supports the sample S. 6 (a),
FIG. 6B shows a configuration example in which the side supporting the sample S is a scanner, but as shown in FIG. 6C, a configuration example in which the probe side is a scanner. FIG.
In each of the tilt stages (a), (b) and (c), the adjustment of the tilt angle can be performed based on measurement data obtained by visually observing or scanning the surface of the sample S.
【0029】図7は、図6(b)に示す傾斜角度を二方
向で調整する構成例による傾斜調整を説明する図であ
る。図7(a)において、表面Suが傾斜している試料
Sに対して、試料台(図示していない)との間に傾斜ス
テージ10a,10bを重ねて配置し、調節ねじ11
a,11bによってそれぞれの傾斜角度を調節する。図
7(b)は傾斜角度を調節した後の状態を示しており、
試料Sの表面Suは、走査型プローブ顕微鏡の基準面に
対する傾斜を補正することができる。FIG. 7 is a view for explaining tilt adjustment by a configuration example in which the tilt angle shown in FIG. 6B is adjusted in two directions. In FIG. 7A, the tilt stages 10a and 10b are arranged so as to overlap with a sample table (not shown) with respect to the sample S whose surface Su is tilted, and the adjusting screw 11 is set.
The respective inclination angles are adjusted by a and 11b. FIG. 7B shows a state after adjusting the inclination angle.
The inclination of the surface Su of the sample S with respect to the reference plane of the scanning probe microscope can be corrected.
【0030】ここで、試料台(図示していない)を基準
面とした場合には、試料が有する傾斜を補正することが
できる。また、走査型プローブ顕微鏡においてスキャナ
ーと別位置を基準面とした場合には、試料が有する傾斜
の他、スキャナー特性に基づく傾斜についても補正する
ことができる。Here, when a sample stage (not shown) is used as a reference plane, the inclination of the sample can be corrected. Further, when a position different from the scanner is used as the reference plane in the scanning probe microscope, it is possible to correct not only the inclination of the sample but also the inclination based on the scanner characteristics.
【0031】[0031]
【発明の効果】上記説明したように、本発明の走査型プ
ローブ顕微鏡によれば、試料の傾斜やうねり、スキャナ
ーの特性等によるマクロなZ方向変動分を補正して良好
な走査を行うことができる。As described above, according to the scanning probe microscope of the present invention, it is possible to perform a good scan by correcting the macro Z-direction variation due to the inclination and undulation of the sample and the characteristics of the scanner. it can.
【図1】本発明の第1の実施の形態を説明するための概
略ブロック図である。FIG. 1 is a schematic block diagram for explaining a first embodiment of the present invention.
【図2】本発明の第1の実施の形態の他の構成例を説明
するための概略ブロック図である。FIG. 2 is a schematic block diagram for explaining another configuration example of the first embodiment of the present invention.
【図3】補正データによるマクロな変位量(傾斜)の補
正を説明するための概略図である。FIG. 3 is a schematic diagram illustrating correction of a macro displacement amount (inclination) by correction data.
【図4】補正データによるマクロな変位量(うねり)の
補正を説明するための概略図である。FIG. 4 is a schematic diagram for explaining correction of a macro displacement amount (undulation) by correction data.
【図5】補正データの取得を説明するための概略ブロッ
ク図である。FIG. 5 is a schematic block diagram for explaining acquisition of correction data.
【図6】本発明の第2の実施の形態を説明するための概
略図である。FIG. 6 is a schematic diagram for explaining a second embodiment of the present invention.
【図7】傾斜角度を二方向で調整する構成例による傾斜
調整を説明する図である。FIG. 7 is a diagram illustrating tilt adjustment by a configuration example in which a tilt angle is adjusted in two directions.
【図8】マクロなZ方向変動分による走査に対する影響
を説明するための概略図である。FIG. 8 is a schematic diagram for explaining an effect on scanning due to a macro Z-direction variation.
1…走査型プローブ顕微鏡、2…プローブ、3…カンチ
レバー、4…検出器、5…スキャナー、5a…X,Y補
正用駆動手段、5b…Z軸フィードバック用駆動手段、
5c…Z軸マクロ補正用駆動手段、6…フィードバック
用制御手段、7…測定・制御手段、8…補正データ、9
…ローパスフィルタ、10,10a,10b…傾斜ステ
ージ、11,11a,11b…調整ねじ、S…試料、S
u…試料表面。DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Scanning probe microscope, 2 ... Probe, 3 ... Cantilever, 4 ... Detector, 5 ... Scanner, 5a ... Drive means for X and Y correction, 5b ... Drive means for Z-axis feedback,
5c: Z-axis macro correction driving means, 6: feedback control means, 7: measurement / control means, 8: correction data, 9
... low-pass filter, 10, 10a, 10b ... tilt stage, 11, 11a, 11b ... adjustment screw, S ... sample, S
u: Sample surface.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 2F069 AA54 AA60 DD08 DD12 DD22 EE11 EE22 FF01 GG04 GG06 GG07 GG15 GG35 GG39 GG52 GG56 GG62 HH04 JJ04 JJ19 JJ25 LL03 MM01 MM24 MM32 NN00 PP02 QQ05 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 2F069 AA54 AA60 DD08 DD12 DD22 EE11 EE22 FF01 GG04 GG06 GG07 GG15 GG35 GG39 GG52 GG56 GG62 HH04 JJ04 JJ19 JJ25 LL03 MM01 MM24 MM32 NN00 PP02 QQ05
Claims (2)
に駆動するZ方向スキャナーと、X,Y方向に走査する
X,Y方向スキャナーと、プローブの変位を検出する測
定ヘッドを具備する走査型プローブ顕微鏡であって、マ
クロなZ方向変動分を補正するZ方向補正手段を備え、
該Z方向補正手段は前記Z方向変動分を補償するX,Y
方向の位置に対するZ方向の補正データに基づいてZ方
向スキャナーの駆動量を補正することを特徴とする、走
査型プローブ顕微鏡。1. A scanning type comprising a probe opposed to a sample, a Z-direction scanner driven in the Z direction, an X and Y direction scanner for scanning in the X and Y directions, and a measuring head for detecting displacement of the probe. A probe microscope, comprising: a Z-direction correction unit configured to correct a macro Z-direction variation;
The Z-direction correction means includes X, Y for compensating the Z-direction variation.
A scanning probe microscope, wherein a driving amount of a Z-direction scanner is corrected based on Z-direction correction data for a position in a direction.
して配置するプローブと、Z方向に駆動するZ方向スキ
ャナーと、X,Y方向に走査するX,Y方向スキャナー
と、プローブの変位を検出する測定ヘッドを具備する走
査型プローブ顕微鏡であって、マクロなZ方向変動分を
補正するZ方向補正手段を備え、該Z方向補正手段は試
料台と試料との間において、走査型プローブ顕微鏡の基
準面に対する傾斜角度を一方向又は二方向で調整可能と
する傾斜ステージであることを特徴とする、走査型プロ
ーブ顕微鏡。2. A sample table for supporting a sample, a probe arranged to face the sample table, a Z-direction scanner driven in the Z direction, an X and Y direction scanner for scanning in the X and Y directions, What is claimed is: 1. A scanning probe microscope comprising a measuring head for detecting a displacement, comprising: a Z-direction correction unit for correcting a macro Z-direction variation, wherein the Z-direction correction unit is provided between a sample stage and a sample. A scanning probe microscope, characterized in that it is a tilt stage that allows a tilt angle with respect to a reference plane of the probe microscope to be adjusted in one direction or two directions.
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