探針の形状計測方法、試料の形状計測方法、及びプローブ顕微鏡
【課題】精度よく探針の形状を計測することができるようにする。
【解決手段】プローブを基準試料の表面に対して走査させてＡＦＭ画像を取得し、ＡＦＭ画像に対して傾斜補正を行い、基準試料を表わすＡＦＭ画像を取得する。そして、基準試料の頂面のエッジを抽出し、抽出されたエッジが表わす頂面の重心を算出して、算出した重心を、基準試料の頂面の中心として取得する。ＡＦＭ画像から、プロファイルを表わす曲線を全周にわたって抽出し、抽出された曲線の端部が、頂面の中心に一致するように、曲線を平行移動する。これによって、基準試料の外形形状を表わすデータを差し引いて、基準試料の部分を除いて、プローブの外形形状を表わすＡＦＭ画像を取得する。
【解決手段】プローブを基準試料の表面に対して走査させてＡＦＭ画像を取得し、ＡＦＭ画像に対して傾斜補正を行い、基準試料を表わすＡＦＭ画像を取得する。そして、基準試料の頂面のエッジを抽出し、抽出されたエッジが表わす頂面の重心を算出して、算出した重心を、基準試料の頂面の中心として取得する。ＡＦＭ画像から、プロファイルを表わす曲線を全周にわたって抽出し、抽出された曲線の端部が、頂面の中心に一致するように、曲線を平行移動する。これによって、基準試料の外形形状を表わすデータを差し引いて、基準試料の部分を除いて、プローブの外形形状を表わすＡＦＭ画像を取得する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、探針の形状計測方法、試料の形状計測方法、及びプローブ顕微鏡に係り、特に、片持ち張り（カンチレバー）の探針の形状を計測する探針の形状計測方法、試料の形状を計測する試料の形状計測方法、及びプローブ顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、原子間力顕微鏡に代表されるプローブ顕微鏡において、計測される形状は、用いる探針の形状に影響される。探針の形状には、開き角が少なくとも数度ある。この探針の開き角は、電子顕微鏡の開き角に比べて非常に大きいため、計測される形状において、探針の形状による影響を無視することができない。また、プローブ顕微鏡は、３次元形状を計測可能であることが特徴である。
【０００３】
また、探針の形状が数度の開き角を持ち、また、探針の先端が有限の曲率半径を持つことから、急峻な構造等の計測では、正確な計測結果を取得することが困難となる。
【０００４】
そこで、プローブ顕微鏡の探針の形状を補正して、試料の形状を計測することが知られている（例えば、特許文献１〜特許文献９）。
【特許文献１】特許第３２８０５２５号
【特許文献２】特開平５−３１２５０６
【特許文献３】特開平７−１９８３７２
【特許文献４】特開平９−４９８５０
【特許文献５】特開２００１−１６５８４４
【特許文献６】特開２００１−２０８６６９
【特許文献７】特開２００４−２６４０３９
【特許文献８】特開２００６−３０８３１３
【特許文献９】特開２００７−７８６７９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１〜特許文献９に記載の技術では、３次元的に探針の形状を計測していないため、精度よく探針の形状を計測することができない、という問題がある。
【０００６】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、精度よく探針の形状を計測することができる探針の形状計測方法、試料の形状計測方法、及びプローブ顕微鏡を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するために第１の発明に係るプローブ顕微鏡は、先鋭化した探針が端部に設けられたカンチレバーを含み、前記探針と試料の表面との間に原子間力が作用するように前記探針を前記試料の表面に対して走査して、前記試料の外形形状を計測するプローブ顕微鏡であって、基準試料として円柱部材あるいは四角柱部材の一つあるいは二つ以上を設けたことを特徴としている。
【０００８】
第１の発明に係るプローブ顕微鏡によれば、探針と基準試料の表面との間に原子間力が作用するように円柱部材あるいは四角柱部材である基準試料の表面に対して走査して、基準試料の外形形状を計測する。そして、計測して得られた基準試料の外形形状を表わすデータから、基準試料の外形形状を表わすデータを除くように補正して、探針の外形形状を計測する。
【０００９】
このように、円柱部材あるいは四角柱部材の基準試料を用いて計測して得られたデータから、探針の外形形状を計測することにより、精度よく探針の形状を計測することができる。
【００１０】
第１の発明に係るプローブ顕微鏡は、探針の外形形状を計測する探針計測手段を更に含むことができる。
【００１１】
また、第１の発明に係るプローブ顕微鏡は、探針の外形形状を除くように補正してプローブ顕微鏡像を取得する補正手段を更に含むことができる。これによって、探針の外形形状を除くように補正して、プローブ顕微鏡像を取得することにより、精度よく試料の形状を計測することができる。
【００１２】
第２の発明に係る探針の形状計測方法は、先鋭化した探針が端部に設けられたカンチレバーを含み、前記探針と試料の表面との間に原子間力が作用するように前記探針を前記試料の表面に対して走査して、前記試料の外形形状を計測するプローブ顕微鏡の探針の形状計測方法であって、柱状部材で形成された基準試料の外形形状を計測し、前記計測して得られた前記基準試料の外形形状を表わすデータから、前記基準試料の外形形状を表わすデータを除くように補正して、前記探針の外形形状を計測することを特徴としている。
【００１３】
第２の発明に係る探針の形状計測方法によれば、探針と基準試料の表面との間に原子間力が作用するように探針を基準試料の表面に対して走査して、基準試料の外形形状を計測する。そして、計測して得られた基準試料の外形形状を表わすデータから、基準試料の外形形状を表わすデータを除くように補正して、探針の外形形状を計測する。
【００１４】
このように、柱状の基準試料を用いて計測して得られたデータから、基準試料の外形形状を表わすデータを除くように補正して、探針の外形形状を計測することにより、精度よく探針の形状を計測することができる。
【００１５】
第３の発明に係る試料の形状計測方法は、先鋭化した探針が端部に設けられたカンチレバーを含み、前記探針と試料の表面との間に原子間力が作用するように前記探針を前記試料の表面に対して走査して、前記試料の外形形状を計測するプローブ顕微鏡の試料の形状計測方法であって、計測して得られた基準試料の外形形状を表わすデータから、前記基準試料の外形形状を表わすデータを除くように補正して得られた前記探針の外形形状を表わすデータを記憶するステップと、計測対象の試料の外形形状を計測するステップと、前記記憶された前記探針の外形形状を表わすデータを用いて、前記計測して得られた前記計測対象の試料の外形形状を表わすデータを補正するステップと、を備えている。
【００１６】
第３の発明に係る試料の形状計測方法によれば、計測して得られた基準試料の外形形状を表わすデータから、基準試料の外形形状を表わすデータを除くように補正して得られた探針の外形形状を表わすデータを記憶する。そして、探針と計測対象の試料の表面との間に原子間力が作用するように探針を計測対象の試料の表面に対して走査して、計測対象の試料の外形形状を計測する。記憶された探針の外形形状を表わすデータを用いて、計測して得られた計測対象の試料の外形形状を表わすデータを補正する。
【００１７】
このように、柱状の基準試料を用いて計測して得られたデータから、基準試料の外形形状を表わすデータを除くように補正して、精度よく計測された探針の外形形状を用いて、計測対象の試料の外形形状を表わすデータを補正することにより、精度よく試料の形状を計測することができる。
【００１８】
第４の発明に係る試料の形状計測方法は、探針の外形形状を表わすデータを記憶した後に、基準試料の外形形状を計測するステップと、記憶された探針の外形形状を表わすデータを用いて、計測して得られた基準試料の外形形状を表わすデータを補正するステップと、補正された基準試料の外形形状を表わすデータと、既に求められた基準試料の外形形状を表わすデータとを比較して、探針の外形形状を評価するステップとを更に備えている。これによって、探針の外形形状を評価して、探針の形状変化を監視することができる。
【００１９】
第４の発明に係るプローブ顕微鏡は、先鋭化した探針が端部に設けられたカンチレバーの前記探針を、前記探針と柱状部材で形成された基準試料の表面との間に原子間力が作用するように、前記基準試料の表面に対して走査して、前記基準試料の外形形状を計測する基準試料計測手段と、前記基準試料計測手段によって計測して得られた前記基準試料の外形形状を表わすデータから、前記基準試料の外形形状を表わすデータを除くように補正して、前記探針の外形形状を計測する探針計測手段とを含んで構成されている。
【００２０】
第５の発明に係るプローブ顕微鏡によれば、基準試料計測手段によって、カンチレバーの探針を、探針と基準試料の表面との間に原子間力が作用するように、基準試料の表面に対して走査して、基準試料の外形形状を計測する。
【００２１】
そして、探針計測手段によって、基準試料計測手段によって計測して得られた基準試料の外形形状を表わすデータから、基準試料の外形形状を表わすデータを除くように補正して、探針の外形形状を計測する。
【００２２】
このように、柱状の基準試料を用いて計測して得られたデータから、基準試料の外形形状を表わすデータを除くように補正して、探針の外形形状を計測することにより、精度よく探針の形状を計測することができる。
【００２３】
第６の発明に係るプローブ顕微鏡は、探針計測手段によって計測して得られた探針の外形形状を表わすデータを記憶する記憶手段と、探針を、計測対象の試料の表面に対して走査して、計測対象の試料の外形形状を計測する試料計測手段と、記憶手段に記憶された探針の外形形状を表わすデータを用いて、試料計測手段によって計測して得られた計測対象の試料の外形形状を表わすデータを補正する補正手段とを更に含むことができる。これによって、精度よく計測された探針の外形形状を用いて、計測対象の試料の形状を表わすデータを補正することにより、精度よく試料の形状を計測することができる。
【００２４】
上記のカンチレバーを、液中に浸漬するか、大気中に配置するか、真空中に配置するか、又はガス中に配置することができる。
【００２５】
また、上記のプローブ顕微鏡は、コンタクトモード制御、ノンコンタクトモード制御、タッピングモード制御、又はステップインモード制御によって、試料の外形形状の計測を行うことができる。
【発明の効果】
【００２６】
以上説明したように、本発明の探針の形状計測方法及びプローブ顕微鏡によれば、円柱部材あるいは四角柱部材の基準試料を用いて計測して得られたデータから、探針の外形形状を計測することにより、又は、柱状の基準試料を用いて計測して得られたデータから、基準試料の外形形状を表わすデータを除くように補正して、探針の外形形状を計測することにより、精度よく探針の形状を計測することができる、という効果が得られる。
【００２７】
本発明の試料の形状計測方法によれば、柱状の基準試料を用いて計測して得られたデータから、基準試料の外形形状を表わすデータを除くように補正して精度よく計測された探針の外形形状を用いて、計測対象の試料の外形形状を表わすデータを補正することにより、精度よく試料の形状を計測することができる、という効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、本実施の形態では、試料の試料情報、例えば外形形状としての表面形状を得るプローブ顕微鏡に本発明を適用した場合について説明する。
【００２９】
図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係るプローブ顕微鏡１０は、観察対象となる試料１２の表面との間で原子間力が作用されるプローブ（探針）１４が先端に設けられたカンチレバー１６と、試料１２の試料情報を得るために情報検出レーザ光１９を照射すると共に、カンチレバー１６の変位を検出する情報検出光学系１８と、情報検出レーザ光１９の照射状態を観察する観察照明光学系２０と、波長選択素子２４と、情報検出光学系１８及び観察照明光学系２０に関して共通の対物レンズ２８とを備えている。
【００３０】
カンチレバー１６は、例えば一端支持型構成を有し、その遊端（カンチレバー１６の支持側とは反対側の先端）に、プローブ１４を有する。また、試料１２の表面に対してプローブ１４の先端が近接ないしは軽く接触するようにカンチレバー１６が配置されている。なお、プローブ顕微鏡１０は、コンタクトモード制御、ノンコンタクトモード制御、タッピングモード制御、又はステップインモード制御によって、プローブ１４を試料１２の表面に対して走査して試料１２の外形形状を計測する。
【００３１】
カンチレバー１６は、プローブ１４の先端と、試料１２の観察がなされる表面との原子間力の作用によって支持端側を支点として撓曲変位する構成であり、カンチレバー１６は、その長さが例えば１００μｍ、厚さ４００ｎｍ〜８００ｎｍを有し、所定のばね定数を有する。カンチレバー１６及びプローブ１４は、光透過性の材料、例えばＳｉＮより形成されている。
【００３２】
プローブ１４は、試料１２に向かって凸の凹状、例えば四角錐凹状に形成され、この凹状プローブ１４の内周面と、このプローブ１４の周辺の対物レンズ２８と対向する面に、例えばＡｕあるいはＡｌ金属膜等による反射膜２２Ｒが被着形成される。そして、このプローブ１４の先端には、反射膜が被着されていないか、あるいは被着されていても極薄とされることなどによる光学的細孔が形成されている。
【００３３】
情報検出光学系１８は、カンチレバー１６の変位の検出、すなわち原子間力の大きさの検出によって、試料１２の例えば表面形状等の情報を検出する。すなわち、情報検出光学系１８は、カンチレバー１６を介して試料の表面形状を検出する。
【００３４】
情報検出光学系１８は、カンチレバー１６のプローブ１４の先端に照射するための例えば５００ｎｍの緑の波長である情報検出レーザ光１９を発生する情報検出レーザ光源３２と、集光レンズ等の光学レンズ３６と、ハーフミラー３８と、情報検出レーザ光１９のカンチレバー１６からの戻り光を検出する情報検出装置３４とを備えている。
【００３５】
情報検出装置３４は、この情報検出装置３４に導入される試料１２からの戻り光の態様、又は目的とする検出信号態様に応じて、例えばフォトダイオード、光電子増倍管（フォトマルチプライヤ）、又は分光器などによって構成される。
【００３６】
観察照明光学系２０は、カンチレバー１６に対する情報検出レーザ光１９の照射状態や、プローブ１４と試料１２との位置関係等を観察する光学系であり、例えば白色の照明光６２を発生する白色光源による照明光源６０と、照明光６２を対物レンズ２８の光軸もしくは近軸上に導入するハーフミラー６６と、試料１２からの戻り光の光学像を観察する観察装置６４と、この観察装置６４に戻り光を向かわせるミラー６８と、集光レンズ等の光学レンズ７０とを備えている。
【００３７】
観察装置６４は、例えばＣＣＤカメラなどの固体撮像素子による撮像素子７２と、撮像素子７２によって撮像された撮像光学像を映出するモニタ７４とを備えている。
【００３８】
また、照明光６２と情報検出レーザ光１９とを共に対物レンズ２８に導入する光路上に、例えばダイクロイックミラーで構成された波長選択素子２４が配置されている。波長選択素子２４は、白色光の照明光６２から、情報検出レーザ光１９の波長の光成分、すなわちこの例では５００ｎｍの緑の光成分を反射させて排除すると共に、この情報検出レーザ光１９の波長以外の波長光を透過して、照明光６２を情報検出レーザ光１９とともに対物レンズ２８に向かわせる波長選択性を有する光学素子である。
【００３９】
また、プローブ顕微鏡１０は、表面の観察がなされる試料１２に対して、プローブ顕微鏡１０の光軸、すなわちその対物レンズ２８の光軸と直交する面に沿って相対的に移動する走査型プローブ顕微鏡である。プローブ顕微鏡１０には、試料１２を上面に載置するための載置台である移動ステージ８６が設けられ、移動ステージ８６は、プローブ顕微鏡１０の上述した光軸方向に沿うｚ軸方向と、これとほぼ直交する面上で、互いに直交するｘ軸およびｙ軸方向に移動可能に構成されている。また、移動ステージ８６の移動は、制御装置８８によって制御される。
【００４０】
移動ステージ８６上には、図２に示すように、複数の基準試料５０が設けられている。この基準試料５０は、図４（Ｂ）に示すように、円柱部材で形成されている。
【００４１】
次に、本実施の形態の原理について説明する。図３（Ａ）に示すように、形状が未知の探針を、先端が非常に尖った針状の試料の表面に対して走査して、ＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）画像を取得し、取得したＡＦＭ画像に対して傾斜補正を行うと、図３（Ｂ）に示すようなＡＦＭ画像が得られる。このＡＦＭ画像が、探針の形状を表わしている。このように、先端が非常に尖った針状の試料を用いると、探針の外形形状を計測することができる。
【００４２】
しかし、図４（Ａ）に示すように、理想的な針状の試料は、強度が弱いため、現実的に作ることができない。そこで、本実施の形態では、基準試料５０を、図４（Ｂ）に示すように、プローブ１４の側面に接する程度の上面半径を持つ円柱部材で形成し、基準試料５０を用いて、プローブ１４の外形形状を計測する。なお、基準試料５０は、側壁が垂直に切り立ったものが好ましい。
【００４３】
ここで、図５に示すように、プローブ１４を基準試料５０の表面に対して走査して、プローブ１４の外形形状を計測する場合、基準試料５０の上面の半径は、プローブ１４の水平分解能に影響し、プローブ１４の側壁の面内分解能として、基準試料５０の上面の半径に相当する水平分解能以下の分解能は得られない。従って、基準試料５０の上面の半径は、できるだけ小さい半径であることが好ましい。
【００４４】
また、図６に示すように、プローブ１４を基準試料５０の表面に対して走査して、プローブ１４の外形形状を計測する場合、基準試料５０の平面である上面から得られる計測データには、プローブ１４の外形形状に関する情報が含まれない。また、基準試料５０の端部の半径は、プローブ１４の垂直分解能に影響する。従って、基準試料５０の端部のエッジは、鋭いエッジであることが好ましい。
【００４５】
本実施の形態では、プローブ１４を、移動ステージ８６に設けられた基準試料５０に対して走査して、基準試料５０の外形形状を計測し、計測して得られたデータから、基準試料５０の円柱形状を表わすデータを除くように補正して、基準試料５０の部分を除くことにより、上述した理想的な針状の試料を用いてプローブの外形形状を計測する場合と同様な計測結果を得る。即ち、外形形状が既知の基準試料５０を用いて、計測対象のプローブ１４を基準試料５０の表面に対して走査して、基準試料５０の外形形状を計測する。この計測データから、既知の基準試料５０の外形形状を表わすデータを差し引いて、基準試料５０の部分を除くことにより、プローブ１４の外形形状を取得する。
【００４６】
次に、第１の実施の形態に係るプローブ顕微鏡１０の作用について説明する。プローブ顕微鏡１０は、以下に説明するように、試料１２の表面形状を計測する。まず、照明光６２をカンチレバー１６及び試料１２に照射すると共に、情報検出レーザ光１９をカンチレバー１６に照射して、照明光６２の戻り光により、これらの照射状態等を観察照明光学系２０の観察装置６４によって観察する。そして、この観察結果に応じて、移動ステージ８６を、ｘ軸方向、ｙ軸方向、及びｚ軸方向に移動させて、試料１２の基準位置の調整を行う。また、必要に応じてカンチレバー１６の設定位置の調整を行なう。
【００４７】
そして、移動ステージ８６をｘ軸方向およびｙ軸方向に移動させて、プローブ１４を試料１２の表面に対して走査する。
【００４８】
このとき、情報検出光学系１８のレーザ光源１７からの情報検出レーザ光１９が、波長選択素子２４によって反射された後、対物レンズ２８によってカンチレバー１６の反射膜２２Ｒで反射される。そして、この反射による戻り光が、情報検出装置３４に導入される。
【００４９】
この戻り光は、カンチレバー１６の撓曲、すなわち変位に応じて、対物レンズ２８への入射角が変化し、情報検出装置３４への入射位置が変化することから、情報検出装置３４における光電変換の各部の入射光量の変化が生じる。したがって、情報検出装置３４における光電変換の各部からの出力の演算によって、カンチレバー１６における撓みを検出し、ひいては原子間力を検出することができる。つまり、プローブ１４と試料１２の表面との間隔を検出することができる。
【００５０】
この間隔を検出した信号が、移動ステージ８６の制御装置８８に入力され、移動ステージ８６のｚ軸方向の移動が調整され、常時、プローブ１４と試料１２の表面との間隔が、微小間隙をもって一定に保持される。このように、カンチレバー１６の傾きの変化によって、原子間力を測定し、測定される原子間力により試料１２の表面形状の測定を行うことができる。
【００５１】
また、オペレータによって、制御装置８８に対して、計測処理が指示されると、制御装置８８において、図７に示す計測処理ルーチンが実行される。まず、ステップ１００において、試料形状の計測が指示されているか否かを判定する。プローブ１４の磨耗モニタ又はプローブ１４の外形形状の計測が指示されている場合には、ステップ１０２で、プローブ１４の磨耗モニタが指示されているか否かを判定し、プローブ１４の外形形状の計測が指示されている場合には、ステップ１０４へ移行する。
【００５２】
ステップ１０４では、移動ステージ８６の移動により、プローブ１４を基準試料５０の表面に対して走査させて、情報検出装置３４から計測して得られる３次元のＡＦＭ画像を取得し、ステップ１０６において、上記ステップ１０４で取得したＡＦＭ画像が表わす３次元形状のｚ軸方向が傾斜しているため、ｚ軸方向が鉛直方向を向くように、ＡＦＭ画像に対して傾斜補正を行い、図８（Ａ）に示すような基準試料５０の３次元形状を表わすＡＦＭ画像を取得する。
【００５３】
次のステップ１０８では、上記ステップ１０６で得られたＡＦＭ画像が表わす３次元形状を、頂点から順番に水平面で切り出して、切り出した形状が最初に円形になる部分を抽出し、抽出した円形部分から基準試料５０の頂面のエッジを抽出する。そして、ステップ１１０において、図８（Ｂ）に示すように、上記ステップ１０８で抽出されたエッジが表わす頂面の重心を算出して、算出した重心を、基準試料５０の頂面の中心として取得する。
【００５４】
次のステップ１１２では、上記ステップ１０６で得られたＡＦＭ画像から、プロファイルを表わす曲線を全周にわたって抽出し、ステップ１１４で、図８（Ｃ）に示すように、抽出された曲線の端部が、上記ステップ１１０で算出された頂面の重心に一致するように、曲線を平行移動して、基準試料５０の外形形状を表わすデータを差し引いて、基準試料５０の部分を除く。これによって、基準試料５０の外形形状を表わす部分を除いて縮小した、図８（Ｄ）に示すような形状を表わすＡＦＭ画像を取得する。
【００５５】
そして、ステップ１１６で、上記ステップ１１４で取得した縮小した形状を表わすＡＦＭ画像から、プローブ１４の外形形状を表わすデータを算出し、メモリ（図示省略）に記憶して、計測処理ルーチンを終了する。
【００５６】
また、上記ステップ１００で、試料形状の計測が指示されていると判定すると、ステップ１１８において、プローブ１４の外形形状が既に算出されているか否かを判定し、プローブ１４の外形形状を表わすデータが算出されていない場合には、ステップ１０４へ移行するが、一方、プローブ１４の外形形状を表わすデータが既に算出され、メモリに記憶されており、図９（Ａ）に示すように、プローブ１４の外形形状が既知の場合には、ステップ１２０へ移行する。
【００５７】
ステップ１２０では、プローブ１４を、移動ステージ８６上の試料１２の表面に対して走査させて、計測して得られる３次元のＡＦＭ画像を取得し、ステップ１２２において、上記ステップ１２０で取得したＡＦＭ画像の傾斜補正を行い、図９（Ｂ）に示すような試料１２の外形形状を表わすＡＦＭ画像を取得する。
【００５８】
そして、ステップ１２４において、図９（Ｃ）に示すように、メモリに記憶されているプローブ１４の外形形状を表わすデータに応じて、プローブ１４の外形形状の影響を取り除くように、上記ステップ１２２で取得したＡＦＭ画像を補正して、正確な試料１２の外形形状を表わすＡＦＭ画像を取得し、ステップ１２６で、補正したＡＦＭ画像をディスプレイ（図示省略）によって出力して、計測処理ルーチンを終了する。
【００５９】
また、上記ステップ１０２において、プローブ１４の磨耗モニタが指示されていると判定された場合には、ステップ１２７において、プローブ１４の外形形状が既に算出されているか否かを判定し、プローブ１４の外形形状を表わすデータが算出されていない場合には、ステップ１０４へ移行するが、一方、プローブ１４の外形形状を表わすデータが既に算出され、メモリに記憶されている場合には、ステップ１２８へ移行する。
【００６０】
ステップ１２８では、プローブ１４を、基準試料５０の表面に対して走査させて、計測して得られる３次元のＡＦＭ画像を取得し、ステップ１３０において、上記ステップ１２８で取得したＡＦＭ画像の傾斜補正を行い、基準試料５０の外形の３次元形状を表わすＡＦＭ画像を取得する。
【００６１】
そして、ステップ１３２において、メモリに記憶されているプローブ１４の外形形状を表わすデータに応じて、プローブ１４の外形形状による影響を取り除くように、上記ステップ１３０で取得したＡＦＭ画像を補正して、基準試料５０の外形形状を表わすＡＦＭ画像を取得する。
【００６２】
次のステップ１３４では、初期値として予め求められた基準試料５０の外形形状を表わすＡＦＭ画像と、上記ステップ１３２で取得されたＡＦＭ画像とを比較して、形状が一致するか否かを判定する。そして、ステップ１３６において、上記ステップ１３４で形状が一致すると判定された場合には、プローブ１４の外形形状に磨耗による変化が起きていないと評価し、正しくＡＦＭ画像の補正が行われていることをディスプレイによって出力する。また、上記ステップ１３４で形状が一致しないと判定された場合には、磨耗によりプローブ１４の外形形状が変化していると評価し、正しくＡＦＭ画像の補正が行われていないことをディスプレイによって出力して、計測処理ルーチンを終了する。
【００６３】
以上説明したように、第１の実施の形態に係るプローブ顕微鏡によれば、円柱の基準試料を用いて計測して得られたＡＦＭデータから、基準試料の外形形状を表わすデータを除くように補正して基準試料の部分を除いて、プローブの外形形状を計測することにより、精度よくプローブの形状を計測することができる。
【００６４】
また、円柱の基準試料を用いて計測して得られたＡＦＭデータから、基準試料の外形形状を表わすデータを除くように補正して基準試料の部分を除いて得られたプローブの外形形状を用いて、計測対象の試料の外形形状を表わすＡＦＭデータを補正することにより、精度よく試料の外形形状を計測することができる。
【００６５】
また、接触のためにプローブの曲率半径が大きくなるが、プローブの外形形状を評価して、プローブの形状変化を監視することができるため、プローブ交換時期を決定することができ、また、プローブ先端の磨耗やプローブの破損などが分かる。また、プローブ装着時のプローブ中心軸の倒れなどの姿勢が分かる。
【００６６】
なお、本実施の形態では、磨耗モニタにおいて、初期値として予め求められた基準試料の外形形状を表わすＡＦＭ画像と、計測して得られたＡＦＭ画像とを比較する場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、過去の計測によって得られた基準試料の外形形状を表わすＡＦＭ画像と、計測して得られたＡＦＭ画像とを比較して、プローブの形状変化を監視するようにしてもよい。
【００６７】
また、カンチレバーを、大気中に配置する場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、カンチレバーを、液中に浸漬するか、真空中に配置するか、又はガス中に配置するようにしてもよい。
【００６８】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同一部分については、同一符号を付してその説明を省略する。
【００６９】
第２の実施の形態は、基準試料が四角柱部材によって形成されている点が第１の実施の形態と異なっている。
【００７０】
第２の実施の形態に係るプローブ顕微鏡１０では、移動ステージ８６上に、図１０に示すような四角柱部材で形成された基準試料２５０が設けられている。基準試料２５０は、鋭いコーナーエッジを持っていることが好ましい。
【００７１】
なお、プローブ顕微鏡１０の他の構成や、作用については、第１の実施の形態と同様であるため、説明を省略する。
【００７２】
また、上記の実施の形態では、四角柱部材で、基準試料を形成した場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、四角柱以上の多角柱部材で形成されていてもよい。また、側壁が切り立った他の柱状部材で、基準試料を形成してもよい。
【００７３】
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同様の構成となる部分については、同一符号を付してその説明を省略する。
【００７４】
第３の実施の形態は、近接場光を用いて試料情報を観察している点が、第１の実施の形態と異なっている。
【００７５】
図１１に示すように、本発明の第３の実施の形態に係るプローブ顕微鏡３１０は、カンチレバー３１６と、試料１２の試料情報を得るために情報検出レーザ光１９を照射する情報検出光学系３１８と、観察照明光学系２０と、カンチレバーの変位を検出するカンチレバー変位検出光学系３２２と、第１の波長選択素子３２４と、第２の波長選択素子３２６と、情報検出光学系３１８、観察照明光学系２０、及びカンチレバー変位検出光学系３２２に関して共通の対物レンズ２８とを備えている。
【００７６】
カンチレバー３１６は、例えば一端支持型構成を有し、その遊端（カンチレバー１６の支持側とは反対側の先端）に、プローブ３１４を有する。プローブ３１４は、試料１２の先端に向かうに従って狭窄した凹状、例えば円錐凹状に形成され、プローブ３１４の内面には、表面プラズモン共鳴が起きるように、金属蒸着によって、金、銀、アルミ等の金属膜コート３３０がプローブ３１４の先端まで形成されている。
【００７７】
また、プローブ３１４の周辺の対物レンズ２８と対向する面にも、金属膜コート３３０が被着形成されている。
【００７８】
このプローブ３１４において、情報検出光学系３１８から照射される情報検出レーザ光１９のファーフィールド光を、プローブ３１４の先端にフォーカスさせると、金属膜コート３３０の表面でプラズモン共鳴を起こし、金属膜コート３３０の表面を先端側に伝播し、先端から近接場光（ニアフィールド光）３３１が発生し、近接場光３３１が試料１２に照射される。この近接場光３３１によるスポット径は、回折限界に規制されず、対物レンズ２８の開口数および情報検出レーザ光１９の波長に依存しないため、近接場光３３１によるスポット径を、微小な照射スポット径とすることができる。
【００７９】
情報検出光学系３１８は、カンチレバー３１６のプローブ３１４の先端に照射するための情報検出レーザ光１９を発生する情報検出レーザ光源３２と、光学レンズ３６と、ハーフミラー３３８と、近接場光３３１の試料１２への照射による試料１２からの戻り光によって、試料情報を検出する情報検出装置３３４とを備えている。
【００８０】
情報検出装置３３４は、この情報検出装置３３４に導入される試料１２からの戻り光の態様や、目的とする検出信号態様に応じて、例えばフォトダイオード、光電子増倍管（フォトマルチプライヤ）、分光器等によって構成される。
【００８１】
また、情報検出光学系３１８には、例えば凹状のプローブ１４の凹状内周面から情報検出装置３３４への不要反射光を排除する不要反射光排除手段３４０と、光路を形成するミラー３４２とが設けられている。
【００８２】
不要反射光排除手段３４０は、例えば共焦点光学系３４４によって構成される。この共焦点光学系３４４は、プローブ３１４の先端との共焦点を形成する共焦点レンズ３４６と、その共焦点位置に配置されたアパーチャ３４８とから構成されている。
【００８３】
カンチレバー変位検出光学系３２２は、例えば６５０ｎｍの赤の波長である変位検出レーザ光３５０を発するレーザ光源３５２と、カンチレバー３１６からの変位検出レーザ光３５０の戻り光によってカンチレバー３１６の変位を検出するカンチレバー変位検出装置３５４と、集光レンズ等による光学レンズ３５６とを備えている。カンチレバー変位検出装置３５４は、例えば２分割フォトダイオード、４分割フォトダイオード、ＰＳＤ等によって構成されている。
【００８４】
情報検出レーザ光１９と変位検出レーザ光３５０とは、上述したように、例えば緑のレーザ光と赤のレーザ光とを用い、互いに異なる波長のレーザ光を用いており、一方、照明光源６０としては、情報検出レーザ光１９の波長及び変位検出レーザ光３５０の波長以外の波長にわたる波長帯、この例では緑および赤の波長以外の波長にわたる波長帯であって、照明光として好適な白色光の照明光６２を発光する白色光源を用いている。
【００８５】
また、照明光６２と変位検出レーザ光３５０とを共に対物レンズ２８に導入する光路上に、例えばダイクロイックミラーで構成された第１の波長選択素子３２４が配置されている。第１の波長選択素子３２４は、白色光の照明光６２から、変位検出レーザ光３５０の波長の光成分、すなわちこの例では６５０ｎｍの赤の光成分を反射させて排除すると共に、この変位検出レーザ光３５０の波長以外の波長光を透過して、照明光６２を変位検出レーザ光３５０とともに対物レンズ２８に向かわせる波長選択性を有する光学素子である。
【００８６】
また、照明光６２と変位検出レーザ光３５０と情報検出レーザ光源３２からの情報検出レーザ光１９とを共に対物レンズ２８に導入する光路上に、例えばダイクロイックミラーで構成された第２の波長選択素子３２６が配置されている。第２の波長選択素子３２６は、白色光の照明光６２から、情報検出レーザ光１９の波長光、すなわちこの例では５００ｎｍの緑の光を反射させて排除すると共に、この情報検出レーザ光１９の波長以外の波長光を透過して、照明光６２を情報検出レーザ光１９とともに対物レンズ２８に向かわせる波長選択性を有する光学素子である。
【００８７】
次に、第３の実施の形態に係るプローブ顕微鏡３１０の作用について説明する。プローブ顕微鏡３１０は、以下に説明するように、試料１２の外形形状を計測する。
【００８８】
まず、照明光６２をカンチレバー３１６および試料１２に照射すると共に、変位検出レーザ光３５０をカンチレバー３１６に照射して、照明光６２の戻り光により、これらの照射状態等を観察照明光学系２０の観察装置６４によって観察する。そして、この観察結果に応じて、移動ステージ８６をｘ軸方向、ｙ軸方向、及びｚ軸方向に移動させ、試料１２の基準位置を調整する。また、必要に応じてカンチレバー３１６の設定位置の調整を行なう。
【００８９】
そして、移動ステージ８６をｘ軸方向及びｙ軸方向に移動させて、情報検出光学系３１８からの情報検出レーザ光１９によるプローブ３１４の先端からの近接場光３３１のスポットを、試料１２の表面に対して走査する。
【００９０】
このとき、情報検出光学系３１８による情報検出レーザ光１９が、光学レンズ３６、ハーフミラー３３８を通じて、第２の波長選択素子３２６によって反射された後、対物レンズ２８によってカンチレバー３１６のプローブ３１４の先端にフォーカスされるように集光される。また、情報検出レーザ光１９の波長λより半分以下の内径ｄでは、通常の光（空気中を伝播する光）は、透過せずに反射されてしまう。通常の光が反射される部分よりプローブ３１４先端側には、近接場光しか伝播しない。プローブ３１４内面の金属膜コート３３０の表面でプラズモン共鳴を起こし、金属膜コート３３０の表面をプローブ３１４の先端側に伝播し、先端から近接場光が滲み出る。このとき、プローブ３１４の先端が試料１２の表面に充分近接されていることによって、この微小スポットの近接場光３３１が試料１２の表面に照射される。このように、近接場光によって、分解能１０ｎｍ以下が得られ、近接場光探針径が実現できる。
【００９１】
そして、この試料１２に照射された近接場光３３１が、試料１２の表面の、例えば光学的特性、すなわち反射率又は透過率によって変調される。この変調されたレーザ光は、戻り光として、対物レンズ２８に導入され、第２の波長選択素子３２６、ハーフミラー３３８、及びミラー３４２によって情報検出装置３３４に導入され、情報検出装置３３４によって試料情報が検出される。
【００９２】
このとき、プローブ３１４におけるλ≫ｄの領域からの不要反射光も、上述した経路を辿って情報検出装置３３４に向かうが、この不要反射光は、共焦点レンズ３４６による共焦点関係にないことから、その共焦点位置にあるアパーチャ３４８によって遮断され、この不要反射光がカットされる。つまり、ノイズが改善される。
【００９３】
また、カンチレバー変位検出光学系３２２のレーザ光源３５２からの変位検出レーザ光３５０は、第１の波長選択素子３２４によって反射され、第２の波長選択素子３２６を透過した後、対物レンズ２８によってカンチレバー３１６の金属膜コート３３０で反射される。そして、この反射による戻り光が、カンチレバー変位検出装置３５４に導入される。この戻り光は、カンチレバー３１６の撓曲、すなわち変位に応じて、対物レンズ２８への入射角が変化し、すなわちカンチレバー変位検出装置３５４への入射位置が変化することから、カンチレバー変位検出装置３５４における光電変換の各部の入射光量の変化が生じる。したがって、光電変換の各部による出力の演算によって、カンチレバー３１６における撓みの検出ひいては原子間力を検出することができる。つまり、プローブ３１４と試料１２の表面との間隔を検出することができる。
【００９４】
この間隔を検出した信号が、移動ステージ８６を制御する制御装置８８に入力され、移動ステージ８６のｚ軸方向の移動が調整され、常時、プローブ３１４と試料１２の表面との間隔が、微小間隙をもって一定に保持される。これによって、近接場光３３１が、常時、試料１２の表面に一定条件で照射される。
【００９５】
また、オペレータによって、制御装置８８に対して、計測処理が指示されると、制御装置８８において、第１の実施の形態と同様に計測処理ルーチンが実行される。プローブ３１４の形状の計測が指示された場合、プローブ３１４の外形形状が計測され、試料１２の形状の計測が指示された場合に、試料１２の外形形状が計測される。また、プローブ３１４の磨耗モニタが指示されると、プローブ３１４の磨耗による形状変化が計測される。
【００９６】
なお、上記の実施の形態では、光てこ方式によって、カンチレバーの変位を計測する場合を例に説明したが、これに限定するものではなく、例えば、カンチレバーに設けた歪みゲージなどのセンサ、あるいは容量変位センサ、光干渉型センサ、音さ（チューニングフォーク）型センサによって、カンチレバーの変位を計測し、試料の外形形状を計測するようにしてもよい。
【００９７】
本具体例では、たわみによるカンチレバー変位を、レンズ内通過（ＴＴＬ）型光てこ方法を用いて計測する場合を例に説明したが、アウタレンズタイプの通常用いられる光てこ方法を用いても同様なことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るプローブ顕微鏡の構成を示す概略図である。
【図２】移動ステージ上に設けられた基準試料を示す斜視図である。
【図３】（Ａ）非常に尖った試料を用いて計測する様子を示すイメージ図、及び（Ｂ）計測して得られたＡＦＭ画像を補正して、プローブの形状を表わすＡＦＭ画像が得られた様子を示すイメージ図である。
【図４】（Ａ）理想的な針状の試料を示す図、及び（Ｂ）円柱の基準試料を示す図である。
【図５】基準試料の上面の半径と、プローブの水平分解能との関係を説明するための図である。
【図６】基準試料の端部の半径と、プローブの垂直分解能との関係を説明するための図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態に係るプローブ顕微鏡における計測処理ルーチンの内容を示すフローチャートである。
【図８】（Ａ）基準試料の形状を計測した結果を示すイメージ図、（Ｂ）基準試料の頂面の中心を算出する様子を示すイメージ図、（Ｃ）曲線の端部を中心に平行移動させる様子を示すイメージ図、及び（Ｄ）基準試料の部分を除いて縮小した様子を示すイメージ図である。
【図９】（Ａ）未知の試料を計測する様子を示すイメージ図、（Ｂ）計測して得られたＡＦＭ画像を示すイメージ図、及び（Ｃ）補正して得られるＡＦＭ画像を示すイメージ図である。
【図１０】本発明の第２の実施の形態に係るプローブ顕微鏡で用いる基準試料を示す斜視図である。
【図１１】本発明の第３の実施の形態に係るプローブ顕微鏡の構成を示す概略図である。
【符号の説明】
【００９９】
１０、３１０ プローブ顕微鏡
１２ 試料
１４、３１４ プローブ
１６、３１６ カンチレバー
１８、３１８ 情報検出光学系
３４、３３４ 情報検出装置
５０、２５０ 基準試料
８６ 移動ステージ
８８ 制御装置
３２２ カンチレバー変位検出光学系
３５４ カンチレバー変位検出装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、探針の形状計測方法、試料の形状計測方法、及びプローブ顕微鏡に係り、特に、片持ち張り（カンチレバー）の探針の形状を計測する探針の形状計測方法、試料の形状を計測する試料の形状計測方法、及びプローブ顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、原子間力顕微鏡に代表されるプローブ顕微鏡において、計測される形状は、用いる探針の形状に影響される。探針の形状には、開き角が少なくとも数度ある。この探針の開き角は、電子顕微鏡の開き角に比べて非常に大きいため、計測される形状において、探針の形状による影響を無視することができない。また、プローブ顕微鏡は、３次元形状を計測可能であることが特徴である。
【０００３】
また、探針の形状が数度の開き角を持ち、また、探針の先端が有限の曲率半径を持つことから、急峻な構造等の計測では、正確な計測結果を取得することが困難となる。
【０００４】
そこで、プローブ顕微鏡の探針の形状を補正して、試料の形状を計測することが知られている（例えば、特許文献１〜特許文献９）。
【特許文献１】特許第３２８０５２５号
【特許文献２】特開平５−３１２５０６
【特許文献３】特開平７−１９８３７２
【特許文献４】特開平９−４９８５０
【特許文献５】特開２００１−１６５８４４
【特許文献６】特開２００１−２０８６６９
【特許文献７】特開２００４−２６４０３９
【特許文献８】特開２００６−３０８３１３
【特許文献９】特開２００７−７８６７９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１〜特許文献９に記載の技術では、３次元的に探針の形状を計測していないため、精度よく探針の形状を計測することができない、という問題がある。
【０００６】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、精度よく探針の形状を計測することができる探針の形状計測方法、試料の形状計測方法、及びプローブ顕微鏡を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するために第１の発明に係るプローブ顕微鏡は、先鋭化した探針が端部に設けられたカンチレバーを含み、前記探針と試料の表面との間に原子間力が作用するように前記探針を前記試料の表面に対して走査して、前記試料の外形形状を計測するプローブ顕微鏡であって、基準試料として円柱部材あるいは四角柱部材の一つあるいは二つ以上を設けたことを特徴としている。
【０００８】
第１の発明に係るプローブ顕微鏡によれば、探針と基準試料の表面との間に原子間力が作用するように円柱部材あるいは四角柱部材である基準試料の表面に対して走査して、基準試料の外形形状を計測する。そして、計測して得られた基準試料の外形形状を表わすデータから、基準試料の外形形状を表わすデータを除くように補正して、探針の外形形状を計測する。
【０００９】
このように、円柱部材あるいは四角柱部材の基準試料を用いて計測して得られたデータから、探針の外形形状を計測することにより、精度よく探針の形状を計測することができる。
【００１０】
第１の発明に係るプローブ顕微鏡は、探針の外形形状を計測する探針計測手段を更に含むことができる。
【００１１】
また、第１の発明に係るプローブ顕微鏡は、探針の外形形状を除くように補正してプローブ顕微鏡像を取得する補正手段を更に含むことができる。これによって、探針の外形形状を除くように補正して、プローブ顕微鏡像を取得することにより、精度よく試料の形状を計測することができる。
【００１２】
第２の発明に係る探針の形状計測方法は、先鋭化した探針が端部に設けられたカンチレバーを含み、前記探針と試料の表面との間に原子間力が作用するように前記探針を前記試料の表面に対して走査して、前記試料の外形形状を計測するプローブ顕微鏡の探針の形状計測方法であって、柱状部材で形成された基準試料の外形形状を計測し、前記計測して得られた前記基準試料の外形形状を表わすデータから、前記基準試料の外形形状を表わすデータを除くように補正して、前記探針の外形形状を計測することを特徴としている。
【００１３】
第２の発明に係る探針の形状計測方法によれば、探針と基準試料の表面との間に原子間力が作用するように探針を基準試料の表面に対して走査して、基準試料の外形形状を計測する。そして、計測して得られた基準試料の外形形状を表わすデータから、基準試料の外形形状を表わすデータを除くように補正して、探針の外形形状を計測する。
【００１４】
このように、柱状の基準試料を用いて計測して得られたデータから、基準試料の外形形状を表わすデータを除くように補正して、探針の外形形状を計測することにより、精度よく探針の形状を計測することができる。
【００１５】
第３の発明に係る試料の形状計測方法は、先鋭化した探針が端部に設けられたカンチレバーを含み、前記探針と試料の表面との間に原子間力が作用するように前記探針を前記試料の表面に対して走査して、前記試料の外形形状を計測するプローブ顕微鏡の試料の形状計測方法であって、計測して得られた基準試料の外形形状を表わすデータから、前記基準試料の外形形状を表わすデータを除くように補正して得られた前記探針の外形形状を表わすデータを記憶するステップと、計測対象の試料の外形形状を計測するステップと、前記記憶された前記探針の外形形状を表わすデータを用いて、前記計測して得られた前記計測対象の試料の外形形状を表わすデータを補正するステップと、を備えている。
【００１６】
第３の発明に係る試料の形状計測方法によれば、計測して得られた基準試料の外形形状を表わすデータから、基準試料の外形形状を表わすデータを除くように補正して得られた探針の外形形状を表わすデータを記憶する。そして、探針と計測対象の試料の表面との間に原子間力が作用するように探針を計測対象の試料の表面に対して走査して、計測対象の試料の外形形状を計測する。記憶された探針の外形形状を表わすデータを用いて、計測して得られた計測対象の試料の外形形状を表わすデータを補正する。
【００１７】
このように、柱状の基準試料を用いて計測して得られたデータから、基準試料の外形形状を表わすデータを除くように補正して、精度よく計測された探針の外形形状を用いて、計測対象の試料の外形形状を表わすデータを補正することにより、精度よく試料の形状を計測することができる。
【００１８】
第４の発明に係る試料の形状計測方法は、探針の外形形状を表わすデータを記憶した後に、基準試料の外形形状を計測するステップと、記憶された探針の外形形状を表わすデータを用いて、計測して得られた基準試料の外形形状を表わすデータを補正するステップと、補正された基準試料の外形形状を表わすデータと、既に求められた基準試料の外形形状を表わすデータとを比較して、探針の外形形状を評価するステップとを更に備えている。これによって、探針の外形形状を評価して、探針の形状変化を監視することができる。
【００１９】
第４の発明に係るプローブ顕微鏡は、先鋭化した探針が端部に設けられたカンチレバーの前記探針を、前記探針と柱状部材で形成された基準試料の表面との間に原子間力が作用するように、前記基準試料の表面に対して走査して、前記基準試料の外形形状を計測する基準試料計測手段と、前記基準試料計測手段によって計測して得られた前記基準試料の外形形状を表わすデータから、前記基準試料の外形形状を表わすデータを除くように補正して、前記探針の外形形状を計測する探針計測手段とを含んで構成されている。
【００２０】
第５の発明に係るプローブ顕微鏡によれば、基準試料計測手段によって、カンチレバーの探針を、探針と基準試料の表面との間に原子間力が作用するように、基準試料の表面に対して走査して、基準試料の外形形状を計測する。
【００２１】
そして、探針計測手段によって、基準試料計測手段によって計測して得られた基準試料の外形形状を表わすデータから、基準試料の外形形状を表わすデータを除くように補正して、探針の外形形状を計測する。
【００２２】
このように、柱状の基準試料を用いて計測して得られたデータから、基準試料の外形形状を表わすデータを除くように補正して、探針の外形形状を計測することにより、精度よく探針の形状を計測することができる。
【００２３】
第６の発明に係るプローブ顕微鏡は、探針計測手段によって計測して得られた探針の外形形状を表わすデータを記憶する記憶手段と、探針を、計測対象の試料の表面に対して走査して、計測対象の試料の外形形状を計測する試料計測手段と、記憶手段に記憶された探針の外形形状を表わすデータを用いて、試料計測手段によって計測して得られた計測対象の試料の外形形状を表わすデータを補正する補正手段とを更に含むことができる。これによって、精度よく計測された探針の外形形状を用いて、計測対象の試料の形状を表わすデータを補正することにより、精度よく試料の形状を計測することができる。
【００２４】
上記のカンチレバーを、液中に浸漬するか、大気中に配置するか、真空中に配置するか、又はガス中に配置することができる。
【００２５】
また、上記のプローブ顕微鏡は、コンタクトモード制御、ノンコンタクトモード制御、タッピングモード制御、又はステップインモード制御によって、試料の外形形状の計測を行うことができる。
【発明の効果】
【００２６】
以上説明したように、本発明の探針の形状計測方法及びプローブ顕微鏡によれば、円柱部材あるいは四角柱部材の基準試料を用いて計測して得られたデータから、探針の外形形状を計測することにより、又は、柱状の基準試料を用いて計測して得られたデータから、基準試料の外形形状を表わすデータを除くように補正して、探針の外形形状を計測することにより、精度よく探針の形状を計測することができる、という効果が得られる。
【００２７】
本発明の試料の形状計測方法によれば、柱状の基準試料を用いて計測して得られたデータから、基準試料の外形形状を表わすデータを除くように補正して精度よく計測された探針の外形形状を用いて、計測対象の試料の外形形状を表わすデータを補正することにより、精度よく試料の形状を計測することができる、という効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、本実施の形態では、試料の試料情報、例えば外形形状としての表面形状を得るプローブ顕微鏡に本発明を適用した場合について説明する。
【００２９】
図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係るプローブ顕微鏡１０は、観察対象となる試料１２の表面との間で原子間力が作用されるプローブ（探針）１４が先端に設けられたカンチレバー１６と、試料１２の試料情報を得るために情報検出レーザ光１９を照射すると共に、カンチレバー１６の変位を検出する情報検出光学系１８と、情報検出レーザ光１９の照射状態を観察する観察照明光学系２０と、波長選択素子２４と、情報検出光学系１８及び観察照明光学系２０に関して共通の対物レンズ２８とを備えている。
【００３０】
カンチレバー１６は、例えば一端支持型構成を有し、その遊端（カンチレバー１６の支持側とは反対側の先端）に、プローブ１４を有する。また、試料１２の表面に対してプローブ１４の先端が近接ないしは軽く接触するようにカンチレバー１６が配置されている。なお、プローブ顕微鏡１０は、コンタクトモード制御、ノンコンタクトモード制御、タッピングモード制御、又はステップインモード制御によって、プローブ１４を試料１２の表面に対して走査して試料１２の外形形状を計測する。
【００３１】
カンチレバー１６は、プローブ１４の先端と、試料１２の観察がなされる表面との原子間力の作用によって支持端側を支点として撓曲変位する構成であり、カンチレバー１６は、その長さが例えば１００μｍ、厚さ４００ｎｍ〜８００ｎｍを有し、所定のばね定数を有する。カンチレバー１６及びプローブ１４は、光透過性の材料、例えばＳｉＮより形成されている。
【００３２】
プローブ１４は、試料１２に向かって凸の凹状、例えば四角錐凹状に形成され、この凹状プローブ１４の内周面と、このプローブ１４の周辺の対物レンズ２８と対向する面に、例えばＡｕあるいはＡｌ金属膜等による反射膜２２Ｒが被着形成される。そして、このプローブ１４の先端には、反射膜が被着されていないか、あるいは被着されていても極薄とされることなどによる光学的細孔が形成されている。
【００３３】
情報検出光学系１８は、カンチレバー１６の変位の検出、すなわち原子間力の大きさの検出によって、試料１２の例えば表面形状等の情報を検出する。すなわち、情報検出光学系１８は、カンチレバー１６を介して試料の表面形状を検出する。
【００３４】
情報検出光学系１８は、カンチレバー１６のプローブ１４の先端に照射するための例えば５００ｎｍの緑の波長である情報検出レーザ光１９を発生する情報検出レーザ光源３２と、集光レンズ等の光学レンズ３６と、ハーフミラー３８と、情報検出レーザ光１９のカンチレバー１６からの戻り光を検出する情報検出装置３４とを備えている。
【００３５】
情報検出装置３４は、この情報検出装置３４に導入される試料１２からの戻り光の態様、又は目的とする検出信号態様に応じて、例えばフォトダイオード、光電子増倍管（フォトマルチプライヤ）、又は分光器などによって構成される。
【００３６】
観察照明光学系２０は、カンチレバー１６に対する情報検出レーザ光１９の照射状態や、プローブ１４と試料１２との位置関係等を観察する光学系であり、例えば白色の照明光６２を発生する白色光源による照明光源６０と、照明光６２を対物レンズ２８の光軸もしくは近軸上に導入するハーフミラー６６と、試料１２からの戻り光の光学像を観察する観察装置６４と、この観察装置６４に戻り光を向かわせるミラー６８と、集光レンズ等の光学レンズ７０とを備えている。
【００３７】
観察装置６４は、例えばＣＣＤカメラなどの固体撮像素子による撮像素子７２と、撮像素子７２によって撮像された撮像光学像を映出するモニタ７４とを備えている。
【００３８】
また、照明光６２と情報検出レーザ光１９とを共に対物レンズ２８に導入する光路上に、例えばダイクロイックミラーで構成された波長選択素子２４が配置されている。波長選択素子２４は、白色光の照明光６２から、情報検出レーザ光１９の波長の光成分、すなわちこの例では５００ｎｍの緑の光成分を反射させて排除すると共に、この情報検出レーザ光１９の波長以外の波長光を透過して、照明光６２を情報検出レーザ光１９とともに対物レンズ２８に向かわせる波長選択性を有する光学素子である。
【００３９】
また、プローブ顕微鏡１０は、表面の観察がなされる試料１２に対して、プローブ顕微鏡１０の光軸、すなわちその対物レンズ２８の光軸と直交する面に沿って相対的に移動する走査型プローブ顕微鏡である。プローブ顕微鏡１０には、試料１２を上面に載置するための載置台である移動ステージ８６が設けられ、移動ステージ８６は、プローブ顕微鏡１０の上述した光軸方向に沿うｚ軸方向と、これとほぼ直交する面上で、互いに直交するｘ軸およびｙ軸方向に移動可能に構成されている。また、移動ステージ８６の移動は、制御装置８８によって制御される。
【００４０】
移動ステージ８６上には、図２に示すように、複数の基準試料５０が設けられている。この基準試料５０は、図４（Ｂ）に示すように、円柱部材で形成されている。
【００４１】
次に、本実施の形態の原理について説明する。図３（Ａ）に示すように、形状が未知の探針を、先端が非常に尖った針状の試料の表面に対して走査して、ＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）画像を取得し、取得したＡＦＭ画像に対して傾斜補正を行うと、図３（Ｂ）に示すようなＡＦＭ画像が得られる。このＡＦＭ画像が、探針の形状を表わしている。このように、先端が非常に尖った針状の試料を用いると、探針の外形形状を計測することができる。
【００４２】
しかし、図４（Ａ）に示すように、理想的な針状の試料は、強度が弱いため、現実的に作ることができない。そこで、本実施の形態では、基準試料５０を、図４（Ｂ）に示すように、プローブ１４の側面に接する程度の上面半径を持つ円柱部材で形成し、基準試料５０を用いて、プローブ１４の外形形状を計測する。なお、基準試料５０は、側壁が垂直に切り立ったものが好ましい。
【００４３】
ここで、図５に示すように、プローブ１４を基準試料５０の表面に対して走査して、プローブ１４の外形形状を計測する場合、基準試料５０の上面の半径は、プローブ１４の水平分解能に影響し、プローブ１４の側壁の面内分解能として、基準試料５０の上面の半径に相当する水平分解能以下の分解能は得られない。従って、基準試料５０の上面の半径は、できるだけ小さい半径であることが好ましい。
【００４４】
また、図６に示すように、プローブ１４を基準試料５０の表面に対して走査して、プローブ１４の外形形状を計測する場合、基準試料５０の平面である上面から得られる計測データには、プローブ１４の外形形状に関する情報が含まれない。また、基準試料５０の端部の半径は、プローブ１４の垂直分解能に影響する。従って、基準試料５０の端部のエッジは、鋭いエッジであることが好ましい。
【００４５】
本実施の形態では、プローブ１４を、移動ステージ８６に設けられた基準試料５０に対して走査して、基準試料５０の外形形状を計測し、計測して得られたデータから、基準試料５０の円柱形状を表わすデータを除くように補正して、基準試料５０の部分を除くことにより、上述した理想的な針状の試料を用いてプローブの外形形状を計測する場合と同様な計測結果を得る。即ち、外形形状が既知の基準試料５０を用いて、計測対象のプローブ１４を基準試料５０の表面に対して走査して、基準試料５０の外形形状を計測する。この計測データから、既知の基準試料５０の外形形状を表わすデータを差し引いて、基準試料５０の部分を除くことにより、プローブ１４の外形形状を取得する。
【００４６】
次に、第１の実施の形態に係るプローブ顕微鏡１０の作用について説明する。プローブ顕微鏡１０は、以下に説明するように、試料１２の表面形状を計測する。まず、照明光６２をカンチレバー１６及び試料１２に照射すると共に、情報検出レーザ光１９をカンチレバー１６に照射して、照明光６２の戻り光により、これらの照射状態等を観察照明光学系２０の観察装置６４によって観察する。そして、この観察結果に応じて、移動ステージ８６を、ｘ軸方向、ｙ軸方向、及びｚ軸方向に移動させて、試料１２の基準位置の調整を行う。また、必要に応じてカンチレバー１６の設定位置の調整を行なう。
【００４７】
そして、移動ステージ８６をｘ軸方向およびｙ軸方向に移動させて、プローブ１４を試料１２の表面に対して走査する。
【００４８】
このとき、情報検出光学系１８のレーザ光源１７からの情報検出レーザ光１９が、波長選択素子２４によって反射された後、対物レンズ２８によってカンチレバー１６の反射膜２２Ｒで反射される。そして、この反射による戻り光が、情報検出装置３４に導入される。
【００４９】
この戻り光は、カンチレバー１６の撓曲、すなわち変位に応じて、対物レンズ２８への入射角が変化し、情報検出装置３４への入射位置が変化することから、情報検出装置３４における光電変換の各部の入射光量の変化が生じる。したがって、情報検出装置３４における光電変換の各部からの出力の演算によって、カンチレバー１６における撓みを検出し、ひいては原子間力を検出することができる。つまり、プローブ１４と試料１２の表面との間隔を検出することができる。
【００５０】
この間隔を検出した信号が、移動ステージ８６の制御装置８８に入力され、移動ステージ８６のｚ軸方向の移動が調整され、常時、プローブ１４と試料１２の表面との間隔が、微小間隙をもって一定に保持される。このように、カンチレバー１６の傾きの変化によって、原子間力を測定し、測定される原子間力により試料１２の表面形状の測定を行うことができる。
【００５１】
また、オペレータによって、制御装置８８に対して、計測処理が指示されると、制御装置８８において、図７に示す計測処理ルーチンが実行される。まず、ステップ１００において、試料形状の計測が指示されているか否かを判定する。プローブ１４の磨耗モニタ又はプローブ１４の外形形状の計測が指示されている場合には、ステップ１０２で、プローブ１４の磨耗モニタが指示されているか否かを判定し、プローブ１４の外形形状の計測が指示されている場合には、ステップ１０４へ移行する。
【００５２】
ステップ１０４では、移動ステージ８６の移動により、プローブ１４を基準試料５０の表面に対して走査させて、情報検出装置３４から計測して得られる３次元のＡＦＭ画像を取得し、ステップ１０６において、上記ステップ１０４で取得したＡＦＭ画像が表わす３次元形状のｚ軸方向が傾斜しているため、ｚ軸方向が鉛直方向を向くように、ＡＦＭ画像に対して傾斜補正を行い、図８（Ａ）に示すような基準試料５０の３次元形状を表わすＡＦＭ画像を取得する。
【００５３】
次のステップ１０８では、上記ステップ１０６で得られたＡＦＭ画像が表わす３次元形状を、頂点から順番に水平面で切り出して、切り出した形状が最初に円形になる部分を抽出し、抽出した円形部分から基準試料５０の頂面のエッジを抽出する。そして、ステップ１１０において、図８（Ｂ）に示すように、上記ステップ１０８で抽出されたエッジが表わす頂面の重心を算出して、算出した重心を、基準試料５０の頂面の中心として取得する。
【００５４】
次のステップ１１２では、上記ステップ１０６で得られたＡＦＭ画像から、プロファイルを表わす曲線を全周にわたって抽出し、ステップ１１４で、図８（Ｃ）に示すように、抽出された曲線の端部が、上記ステップ１１０で算出された頂面の重心に一致するように、曲線を平行移動して、基準試料５０の外形形状を表わすデータを差し引いて、基準試料５０の部分を除く。これによって、基準試料５０の外形形状を表わす部分を除いて縮小した、図８（Ｄ）に示すような形状を表わすＡＦＭ画像を取得する。
【００５５】
そして、ステップ１１６で、上記ステップ１１４で取得した縮小した形状を表わすＡＦＭ画像から、プローブ１４の外形形状を表わすデータを算出し、メモリ（図示省略）に記憶して、計測処理ルーチンを終了する。
【００５６】
また、上記ステップ１００で、試料形状の計測が指示されていると判定すると、ステップ１１８において、プローブ１４の外形形状が既に算出されているか否かを判定し、プローブ１４の外形形状を表わすデータが算出されていない場合には、ステップ１０４へ移行するが、一方、プローブ１４の外形形状を表わすデータが既に算出され、メモリに記憶されており、図９（Ａ）に示すように、プローブ１４の外形形状が既知の場合には、ステップ１２０へ移行する。
【００５７】
ステップ１２０では、プローブ１４を、移動ステージ８６上の試料１２の表面に対して走査させて、計測して得られる３次元のＡＦＭ画像を取得し、ステップ１２２において、上記ステップ１２０で取得したＡＦＭ画像の傾斜補正を行い、図９（Ｂ）に示すような試料１２の外形形状を表わすＡＦＭ画像を取得する。
【００５８】
そして、ステップ１２４において、図９（Ｃ）に示すように、メモリに記憶されているプローブ１４の外形形状を表わすデータに応じて、プローブ１４の外形形状の影響を取り除くように、上記ステップ１２２で取得したＡＦＭ画像を補正して、正確な試料１２の外形形状を表わすＡＦＭ画像を取得し、ステップ１２６で、補正したＡＦＭ画像をディスプレイ（図示省略）によって出力して、計測処理ルーチンを終了する。
【００５９】
また、上記ステップ１０２において、プローブ１４の磨耗モニタが指示されていると判定された場合には、ステップ１２７において、プローブ１４の外形形状が既に算出されているか否かを判定し、プローブ１４の外形形状を表わすデータが算出されていない場合には、ステップ１０４へ移行するが、一方、プローブ１４の外形形状を表わすデータが既に算出され、メモリに記憶されている場合には、ステップ１２８へ移行する。
【００６０】
ステップ１２８では、プローブ１４を、基準試料５０の表面に対して走査させて、計測して得られる３次元のＡＦＭ画像を取得し、ステップ１３０において、上記ステップ１２８で取得したＡＦＭ画像の傾斜補正を行い、基準試料５０の外形の３次元形状を表わすＡＦＭ画像を取得する。
【００６１】
そして、ステップ１３２において、メモリに記憶されているプローブ１４の外形形状を表わすデータに応じて、プローブ１４の外形形状による影響を取り除くように、上記ステップ１３０で取得したＡＦＭ画像を補正して、基準試料５０の外形形状を表わすＡＦＭ画像を取得する。
【００６２】
次のステップ１３４では、初期値として予め求められた基準試料５０の外形形状を表わすＡＦＭ画像と、上記ステップ１３２で取得されたＡＦＭ画像とを比較して、形状が一致するか否かを判定する。そして、ステップ１３６において、上記ステップ１３４で形状が一致すると判定された場合には、プローブ１４の外形形状に磨耗による変化が起きていないと評価し、正しくＡＦＭ画像の補正が行われていることをディスプレイによって出力する。また、上記ステップ１３４で形状が一致しないと判定された場合には、磨耗によりプローブ１４の外形形状が変化していると評価し、正しくＡＦＭ画像の補正が行われていないことをディスプレイによって出力して、計測処理ルーチンを終了する。
【００６３】
以上説明したように、第１の実施の形態に係るプローブ顕微鏡によれば、円柱の基準試料を用いて計測して得られたＡＦＭデータから、基準試料の外形形状を表わすデータを除くように補正して基準試料の部分を除いて、プローブの外形形状を計測することにより、精度よくプローブの形状を計測することができる。
【００６４】
また、円柱の基準試料を用いて計測して得られたＡＦＭデータから、基準試料の外形形状を表わすデータを除くように補正して基準試料の部分を除いて得られたプローブの外形形状を用いて、計測対象の試料の外形形状を表わすＡＦＭデータを補正することにより、精度よく試料の外形形状を計測することができる。
【００６５】
また、接触のためにプローブの曲率半径が大きくなるが、プローブの外形形状を評価して、プローブの形状変化を監視することができるため、プローブ交換時期を決定することができ、また、プローブ先端の磨耗やプローブの破損などが分かる。また、プローブ装着時のプローブ中心軸の倒れなどの姿勢が分かる。
【００６６】
なお、本実施の形態では、磨耗モニタにおいて、初期値として予め求められた基準試料の外形形状を表わすＡＦＭ画像と、計測して得られたＡＦＭ画像とを比較する場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、過去の計測によって得られた基準試料の外形形状を表わすＡＦＭ画像と、計測して得られたＡＦＭ画像とを比較して、プローブの形状変化を監視するようにしてもよい。
【００６７】
また、カンチレバーを、大気中に配置する場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、カンチレバーを、液中に浸漬するか、真空中に配置するか、又はガス中に配置するようにしてもよい。
【００６８】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同一部分については、同一符号を付してその説明を省略する。
【００６９】
第２の実施の形態は、基準試料が四角柱部材によって形成されている点が第１の実施の形態と異なっている。
【００７０】
第２の実施の形態に係るプローブ顕微鏡１０では、移動ステージ８６上に、図１０に示すような四角柱部材で形成された基準試料２５０が設けられている。基準試料２５０は、鋭いコーナーエッジを持っていることが好ましい。
【００７１】
なお、プローブ顕微鏡１０の他の構成や、作用については、第１の実施の形態と同様であるため、説明を省略する。
【００７２】
また、上記の実施の形態では、四角柱部材で、基準試料を形成した場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、四角柱以上の多角柱部材で形成されていてもよい。また、側壁が切り立った他の柱状部材で、基準試料を形成してもよい。
【００７３】
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同様の構成となる部分については、同一符号を付してその説明を省略する。
【００７４】
第３の実施の形態は、近接場光を用いて試料情報を観察している点が、第１の実施の形態と異なっている。
【００７５】
図１１に示すように、本発明の第３の実施の形態に係るプローブ顕微鏡３１０は、カンチレバー３１６と、試料１２の試料情報を得るために情報検出レーザ光１９を照射する情報検出光学系３１８と、観察照明光学系２０と、カンチレバーの変位を検出するカンチレバー変位検出光学系３２２と、第１の波長選択素子３２４と、第２の波長選択素子３２６と、情報検出光学系３１８、観察照明光学系２０、及びカンチレバー変位検出光学系３２２に関して共通の対物レンズ２８とを備えている。
【００７６】
カンチレバー３１６は、例えば一端支持型構成を有し、その遊端（カンチレバー１６の支持側とは反対側の先端）に、プローブ３１４を有する。プローブ３１４は、試料１２の先端に向かうに従って狭窄した凹状、例えば円錐凹状に形成され、プローブ３１４の内面には、表面プラズモン共鳴が起きるように、金属蒸着によって、金、銀、アルミ等の金属膜コート３３０がプローブ３１４の先端まで形成されている。
【００７７】
また、プローブ３１４の周辺の対物レンズ２８と対向する面にも、金属膜コート３３０が被着形成されている。
【００７８】
このプローブ３１４において、情報検出光学系３１８から照射される情報検出レーザ光１９のファーフィールド光を、プローブ３１４の先端にフォーカスさせると、金属膜コート３３０の表面でプラズモン共鳴を起こし、金属膜コート３３０の表面を先端側に伝播し、先端から近接場光（ニアフィールド光）３３１が発生し、近接場光３３１が試料１２に照射される。この近接場光３３１によるスポット径は、回折限界に規制されず、対物レンズ２８の開口数および情報検出レーザ光１９の波長に依存しないため、近接場光３３１によるスポット径を、微小な照射スポット径とすることができる。
【００７９】
情報検出光学系３１８は、カンチレバー３１６のプローブ３１４の先端に照射するための情報検出レーザ光１９を発生する情報検出レーザ光源３２と、光学レンズ３６と、ハーフミラー３３８と、近接場光３３１の試料１２への照射による試料１２からの戻り光によって、試料情報を検出する情報検出装置３３４とを備えている。
【００８０】
情報検出装置３３４は、この情報検出装置３３４に導入される試料１２からの戻り光の態様や、目的とする検出信号態様に応じて、例えばフォトダイオード、光電子増倍管（フォトマルチプライヤ）、分光器等によって構成される。
【００８１】
また、情報検出光学系３１８には、例えば凹状のプローブ１４の凹状内周面から情報検出装置３３４への不要反射光を排除する不要反射光排除手段３４０と、光路を形成するミラー３４２とが設けられている。
【００８２】
不要反射光排除手段３４０は、例えば共焦点光学系３４４によって構成される。この共焦点光学系３４４は、プローブ３１４の先端との共焦点を形成する共焦点レンズ３４６と、その共焦点位置に配置されたアパーチャ３４８とから構成されている。
【００８３】
カンチレバー変位検出光学系３２２は、例えば６５０ｎｍの赤の波長である変位検出レーザ光３５０を発するレーザ光源３５２と、カンチレバー３１６からの変位検出レーザ光３５０の戻り光によってカンチレバー３１６の変位を検出するカンチレバー変位検出装置３５４と、集光レンズ等による光学レンズ３５６とを備えている。カンチレバー変位検出装置３５４は、例えば２分割フォトダイオード、４分割フォトダイオード、ＰＳＤ等によって構成されている。
【００８４】
情報検出レーザ光１９と変位検出レーザ光３５０とは、上述したように、例えば緑のレーザ光と赤のレーザ光とを用い、互いに異なる波長のレーザ光を用いており、一方、照明光源６０としては、情報検出レーザ光１９の波長及び変位検出レーザ光３５０の波長以外の波長にわたる波長帯、この例では緑および赤の波長以外の波長にわたる波長帯であって、照明光として好適な白色光の照明光６２を発光する白色光源を用いている。
【００８５】
また、照明光６２と変位検出レーザ光３５０とを共に対物レンズ２８に導入する光路上に、例えばダイクロイックミラーで構成された第１の波長選択素子３２４が配置されている。第１の波長選択素子３２４は、白色光の照明光６２から、変位検出レーザ光３５０の波長の光成分、すなわちこの例では６５０ｎｍの赤の光成分を反射させて排除すると共に、この変位検出レーザ光３５０の波長以外の波長光を透過して、照明光６２を変位検出レーザ光３５０とともに対物レンズ２８に向かわせる波長選択性を有する光学素子である。
【００８６】
また、照明光６２と変位検出レーザ光３５０と情報検出レーザ光源３２からの情報検出レーザ光１９とを共に対物レンズ２８に導入する光路上に、例えばダイクロイックミラーで構成された第２の波長選択素子３２６が配置されている。第２の波長選択素子３２６は、白色光の照明光６２から、情報検出レーザ光１９の波長光、すなわちこの例では５００ｎｍの緑の光を反射させて排除すると共に、この情報検出レーザ光１９の波長以外の波長光を透過して、照明光６２を情報検出レーザ光１９とともに対物レンズ２８に向かわせる波長選択性を有する光学素子である。
【００８７】
次に、第３の実施の形態に係るプローブ顕微鏡３１０の作用について説明する。プローブ顕微鏡３１０は、以下に説明するように、試料１２の外形形状を計測する。
【００８８】
まず、照明光６２をカンチレバー３１６および試料１２に照射すると共に、変位検出レーザ光３５０をカンチレバー３１６に照射して、照明光６２の戻り光により、これらの照射状態等を観察照明光学系２０の観察装置６４によって観察する。そして、この観察結果に応じて、移動ステージ８６をｘ軸方向、ｙ軸方向、及びｚ軸方向に移動させ、試料１２の基準位置を調整する。また、必要に応じてカンチレバー３１６の設定位置の調整を行なう。
【００８９】
そして、移動ステージ８６をｘ軸方向及びｙ軸方向に移動させて、情報検出光学系３１８からの情報検出レーザ光１９によるプローブ３１４の先端からの近接場光３３１のスポットを、試料１２の表面に対して走査する。
【００９０】
このとき、情報検出光学系３１８による情報検出レーザ光１９が、光学レンズ３６、ハーフミラー３３８を通じて、第２の波長選択素子３２６によって反射された後、対物レンズ２８によってカンチレバー３１６のプローブ３１４の先端にフォーカスされるように集光される。また、情報検出レーザ光１９の波長λより半分以下の内径ｄでは、通常の光（空気中を伝播する光）は、透過せずに反射されてしまう。通常の光が反射される部分よりプローブ３１４先端側には、近接場光しか伝播しない。プローブ３１４内面の金属膜コート３３０の表面でプラズモン共鳴を起こし、金属膜コート３３０の表面をプローブ３１４の先端側に伝播し、先端から近接場光が滲み出る。このとき、プローブ３１４の先端が試料１２の表面に充分近接されていることによって、この微小スポットの近接場光３３１が試料１２の表面に照射される。このように、近接場光によって、分解能１０ｎｍ以下が得られ、近接場光探針径が実現できる。
【００９１】
そして、この試料１２に照射された近接場光３３１が、試料１２の表面の、例えば光学的特性、すなわち反射率又は透過率によって変調される。この変調されたレーザ光は、戻り光として、対物レンズ２８に導入され、第２の波長選択素子３２６、ハーフミラー３３８、及びミラー３４２によって情報検出装置３３４に導入され、情報検出装置３３４によって試料情報が検出される。
【００９２】
このとき、プローブ３１４におけるλ≫ｄの領域からの不要反射光も、上述した経路を辿って情報検出装置３３４に向かうが、この不要反射光は、共焦点レンズ３４６による共焦点関係にないことから、その共焦点位置にあるアパーチャ３４８によって遮断され、この不要反射光がカットされる。つまり、ノイズが改善される。
【００９３】
また、カンチレバー変位検出光学系３２２のレーザ光源３５２からの変位検出レーザ光３５０は、第１の波長選択素子３２４によって反射され、第２の波長選択素子３２６を透過した後、対物レンズ２８によってカンチレバー３１６の金属膜コート３３０で反射される。そして、この反射による戻り光が、カンチレバー変位検出装置３５４に導入される。この戻り光は、カンチレバー３１６の撓曲、すなわち変位に応じて、対物レンズ２８への入射角が変化し、すなわちカンチレバー変位検出装置３５４への入射位置が変化することから、カンチレバー変位検出装置３５４における光電変換の各部の入射光量の変化が生じる。したがって、光電変換の各部による出力の演算によって、カンチレバー３１６における撓みの検出ひいては原子間力を検出することができる。つまり、プローブ３１４と試料１２の表面との間隔を検出することができる。
【００９４】
この間隔を検出した信号が、移動ステージ８６を制御する制御装置８８に入力され、移動ステージ８６のｚ軸方向の移動が調整され、常時、プローブ３１４と試料１２の表面との間隔が、微小間隙をもって一定に保持される。これによって、近接場光３３１が、常時、試料１２の表面に一定条件で照射される。
【００９５】
また、オペレータによって、制御装置８８に対して、計測処理が指示されると、制御装置８８において、第１の実施の形態と同様に計測処理ルーチンが実行される。プローブ３１４の形状の計測が指示された場合、プローブ３１４の外形形状が計測され、試料１２の形状の計測が指示された場合に、試料１２の外形形状が計測される。また、プローブ３１４の磨耗モニタが指示されると、プローブ３１４の磨耗による形状変化が計測される。
【００９６】
なお、上記の実施の形態では、光てこ方式によって、カンチレバーの変位を計測する場合を例に説明したが、これに限定するものではなく、例えば、カンチレバーに設けた歪みゲージなどのセンサ、あるいは容量変位センサ、光干渉型センサ、音さ（チューニングフォーク）型センサによって、カンチレバーの変位を計測し、試料の外形形状を計測するようにしてもよい。
【００９７】
本具体例では、たわみによるカンチレバー変位を、レンズ内通過（ＴＴＬ）型光てこ方法を用いて計測する場合を例に説明したが、アウタレンズタイプの通常用いられる光てこ方法を用いても同様なことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るプローブ顕微鏡の構成を示す概略図である。
【図２】移動ステージ上に設けられた基準試料を示す斜視図である。
【図３】（Ａ）非常に尖った試料を用いて計測する様子を示すイメージ図、及び（Ｂ）計測して得られたＡＦＭ画像を補正して、プローブの形状を表わすＡＦＭ画像が得られた様子を示すイメージ図である。
【図４】（Ａ）理想的な針状の試料を示す図、及び（Ｂ）円柱の基準試料を示す図である。
【図５】基準試料の上面の半径と、プローブの水平分解能との関係を説明するための図である。
【図６】基準試料の端部の半径と、プローブの垂直分解能との関係を説明するための図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態に係るプローブ顕微鏡における計測処理ルーチンの内容を示すフローチャートである。
【図８】（Ａ）基準試料の形状を計測した結果を示すイメージ図、（Ｂ）基準試料の頂面の中心を算出する様子を示すイメージ図、（Ｃ）曲線の端部を中心に平行移動させる様子を示すイメージ図、及び（Ｄ）基準試料の部分を除いて縮小した様子を示すイメージ図である。
【図９】（Ａ）未知の試料を計測する様子を示すイメージ図、（Ｂ）計測して得られたＡＦＭ画像を示すイメージ図、及び（Ｃ）補正して得られるＡＦＭ画像を示すイメージ図である。
【図１０】本発明の第２の実施の形態に係るプローブ顕微鏡で用いる基準試料を示す斜視図である。
【図１１】本発明の第３の実施の形態に係るプローブ顕微鏡の構成を示す概略図である。
【符号の説明】
【００９９】
１０、３１０ プローブ顕微鏡
１２ 試料
１４、３１４ プローブ
１６、３１６ カンチレバー
１８、３１８ 情報検出光学系
３４、３３４ 情報検出装置
５０、２５０ 基準試料
８６ 移動ステージ
８８ 制御装置
３２２ カンチレバー変位検出光学系
３５４ カンチレバー変位検出装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
先鋭化した探針が端部に設けられたカンチレバーを含み、前記探針と試料の表面との間に原子間力が作用するように前記探針を前記試料の表面に対して走査して、前記試料の外形形状を計測するプローブ顕微鏡であって、
基準試料として円柱部材あるいは四角柱部材の一つあるいは二つ以上を設けたことを特徴とするプローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記探針の外形形状を計測する探針計測手段を更に含む請求項１記載のプローブ顕微鏡。
【請求項３】
前記探針の外形形状を除くように補正してプローブ顕微鏡像を取得する補正手段を更に含む請求項１又は２記載のプローブ顕微鏡。
【請求項４】
先鋭化した探針が端部に設けられたカンチレバーを含み、前記探針と試料の表面との間に原子間力が作用するように前記探針を前記試料の表面に対して走査して、前記試料の外形形状を計測するプローブ顕微鏡の探針の形状計測方法であって、
柱状部材で形成された基準試料の外形形状を計測し、
前記計測して得られた前記基準試料の外形形状を表わすデータから、前記基準試料の外形形状を表わすデータを除くように補正して、前記探針の外形形状を計測する
ことを特徴とする探針の形状計測方法。
【請求項５】
先鋭化した探針が端部に設けられたカンチレバーを含み、前記探針と試料の表面との間に原子間力が作用するように前記探針を前記試料の表面に対して走査して、前記試料の外形形状を計測するプローブ顕微鏡の試料の形状計測方法であって、
計測して得られた基準試料の外形形状を表わすデータから、前記基準試料の外形形状を表わすデータを除くように補正して得られた前記探針の外形形状を表わすデータを記憶するステップと、
計測対象の試料の外形形状を計測するステップと、
前記記憶された前記探針の外形形状を表わすデータを用いて、前記計測して得られた前記計測対象の試料の外形形状を表わすデータを補正するステップと、
を備えた試料の形状計測方法。
【請求項６】
前記探針の外形形状を表わすデータを記憶した後に、前記基準試料の外形形状を計測するステップと、
前記記憶された前記探針の外形形状を表わすデータを用いて、前記計測して得られた前記基準試料の外形形状を表わすデータを補正するステップと、
前記補正された前記基準試料の外形形状を表わすデータと、既に求められた前記基準試料の外形形状を表わすデータとを比較して、前記探針の外形形状を評価するステップと
を更に備えた請求項５記載の試料の形状計測方法。
【請求項７】
先鋭化した探針が端部に設けられたカンチレバーの前記探針を、前記探針と柱状部材で形成された基準試料の表面との間に原子間力が作用するように、前記基準試料の表面に対して走査して、前記基準試料の外形形状を計測する基準試料計測手段と、
前記基準試料計測手段によって計測して得られた前記基準試料の外形形状を表わすデータから、前記基準試料の外形形状を表わすデータを除くように補正して、前記探針の外形形状を計測する探針計測手段と、
を含むプローブ顕微鏡。
【請求項８】
前記探針計測手段によって計測して得られた前記探針の外形形状を表わすデータを記憶する記憶手段と、
前記探針を、計測対象の試料の表面に対して走査して、前記計測対象の試料の外形形状を計測する試料計測手段と、
前記記憶手段に記憶された前記探針の外形形状を表わすデータを用いて、前記試料計測手段によって計測して得られた前記計測対象の試料の外形形状を表わすデータを補正する補正手段と
を更に含む請求項７記載のプローブ顕微鏡。
【請求項９】
前記カンチレバーを、液中に浸漬するか、大気中に配置するか、真空中に配置するか、又はガス中に配置した請求項１〜３、７、及び８の何れか１項記載のプローブ顕微鏡。
【請求項１０】
コンタクトモード制御、ノンコンタクトモード制御、タッピングモード制御、又はステップインモード制御によって、試料の外形形状の計測を行うことを特徴とする請求項１〜請求項３及び請求項７〜請求項９の何れか１項記載のプローブ顕微鏡。
【請求項１】
先鋭化した探針が端部に設けられたカンチレバーを含み、前記探針と試料の表面との間に原子間力が作用するように前記探針を前記試料の表面に対して走査して、前記試料の外形形状を計測するプローブ顕微鏡であって、
基準試料として円柱部材あるいは四角柱部材の一つあるいは二つ以上を設けたことを特徴とするプローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記探針の外形形状を計測する探針計測手段を更に含む請求項１記載のプローブ顕微鏡。
【請求項３】
前記探針の外形形状を除くように補正してプローブ顕微鏡像を取得する補正手段を更に含む請求項１又は２記載のプローブ顕微鏡。
【請求項４】
先鋭化した探針が端部に設けられたカンチレバーを含み、前記探針と試料の表面との間に原子間力が作用するように前記探針を前記試料の表面に対して走査して、前記試料の外形形状を計測するプローブ顕微鏡の探針の形状計測方法であって、
柱状部材で形成された基準試料の外形形状を計測し、
前記計測して得られた前記基準試料の外形形状を表わすデータから、前記基準試料の外形形状を表わすデータを除くように補正して、前記探針の外形形状を計測する
ことを特徴とする探針の形状計測方法。
【請求項５】
先鋭化した探針が端部に設けられたカンチレバーを含み、前記探針と試料の表面との間に原子間力が作用するように前記探針を前記試料の表面に対して走査して、前記試料の外形形状を計測するプローブ顕微鏡の試料の形状計測方法であって、
計測して得られた基準試料の外形形状を表わすデータから、前記基準試料の外形形状を表わすデータを除くように補正して得られた前記探針の外形形状を表わすデータを記憶するステップと、
計測対象の試料の外形形状を計測するステップと、
前記記憶された前記探針の外形形状を表わすデータを用いて、前記計測して得られた前記計測対象の試料の外形形状を表わすデータを補正するステップと、
を備えた試料の形状計測方法。
【請求項６】
前記探針の外形形状を表わすデータを記憶した後に、前記基準試料の外形形状を計測するステップと、
前記記憶された前記探針の外形形状を表わすデータを用いて、前記計測して得られた前記基準試料の外形形状を表わすデータを補正するステップと、
前記補正された前記基準試料の外形形状を表わすデータと、既に求められた前記基準試料の外形形状を表わすデータとを比較して、前記探針の外形形状を評価するステップと
を更に備えた請求項５記載の試料の形状計測方法。
【請求項７】
先鋭化した探針が端部に設けられたカンチレバーの前記探針を、前記探針と柱状部材で形成された基準試料の表面との間に原子間力が作用するように、前記基準試料の表面に対して走査して、前記基準試料の外形形状を計測する基準試料計測手段と、
前記基準試料計測手段によって計測して得られた前記基準試料の外形形状を表わすデータから、前記基準試料の外形形状を表わすデータを除くように補正して、前記探針の外形形状を計測する探針計測手段と、
を含むプローブ顕微鏡。
【請求項８】
前記探針計測手段によって計測して得られた前記探針の外形形状を表わすデータを記憶する記憶手段と、
前記探針を、計測対象の試料の表面に対して走査して、前記計測対象の試料の外形形状を計測する試料計測手段と、
前記記憶手段に記憶された前記探針の外形形状を表わすデータを用いて、前記試料計測手段によって計測して得られた前記計測対象の試料の外形形状を表わすデータを補正する補正手段と
を更に含む請求項７記載のプローブ顕微鏡。
【請求項９】
前記カンチレバーを、液中に浸漬するか、大気中に配置するか、真空中に配置するか、又はガス中に配置した請求項１〜３、７、及び８の何れか１項記載のプローブ顕微鏡。
【請求項１０】
コンタクトモード制御、ノンコンタクトモード制御、タッピングモード制御、又はステップインモード制御によって、試料の外形形状の計測を行うことを特徴とする請求項１〜請求項３及び請求項７〜請求項９の何れか１項記載のプローブ顕微鏡。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００９−５８４７３（Ｐ２００９−５８４７３Ａ）
【公開日】平成２１年３月１９日（２００９．３．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２２８０６６（Ｐ２００７−２２８０６６）
【出願日】平成１９年９月３日（２００７．９．３）
【出願人】（５０４１４５３６４）国立大学法人群馬大学 (352)
【公開日】平成２１年３月１９日（２００９．３．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月３日（２００７．９．３）
【出願人】（５０４１４５３６４）国立大学法人群馬大学 (352)
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