走査型プローブ顕微鏡、走査型プローブ顕微鏡の探針の評価方法、およびプログラム

【課題】標準試料を測定することなく探針の評価を行うことのできる走査型プローブ顕微鏡、走査型プローブ顕微鏡の探針の評価方法、およびプログラムを提供する。
【解決手段】本発明にかかる走査型原子間力顕微鏡１００は、試料を複数の画素に分割して、各画素の高さを、探針と試料との間に作用する物理量を検出することにより測定する測定部１２０と、前記測定部１２０が測定した各画素の高さと隣接する画素の高さに基づいてそれぞれ勾配を算出する勾配算出部１１２と、算出した前記勾配を用いて、勾配を階級とした頻度分布を作成する頻度分布作成部１１４と、前記頻度分布に基づいて、前記探針の評価を行う探針評価部１１６と、を含む。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査型プローブ顕微鏡、走査型プローブ顕微鏡の探針の評価方法、およびプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
走査型原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）等の走査型プローブ顕微鏡は、使用する探針の形状が測定値の精度に大きな影響を与える。探針は、エッチング法などにより無機物や金属を４角錐などの形状に形成したものであり、消耗品として使用される。先端角度の小さい探針を形成するのは困難であるため、目的の形状を有していない探針が含まれていることがある。また探針は、破損しやすく、異物が付着することもある。このような不良の探針を見分ける方法として、特許文献１には、予め形状が認知されている標準試料を用いて正しい測定値が得られることを確認してから測定用の試料を測定する方法が開示されている。
【０００３】
しかし、この方法では、標準試料はきわめて高価であり、また測定用の試料と標準試料とを交換する手間がかかる。
【特許文献１】特開２００１−３２４４３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、標準試料を測定することなく探針の評価を行うことのできる走査型プローブ顕微鏡、走査型プローブ顕微鏡の探針の評価方法、およびプログラムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明にかかる走査型原子間力顕微鏡は、
試料を複数の画素に分割して、各画素の高さを、探針と試料との間に作用する物理量を検出することにより測定する測定部と、
前記測定部が測定した各画素の高さと隣接する画素の高さに基づいてそれぞれ勾配を算出する勾配算出部と、
算出した前記勾配を用いて、勾配を階級とした頻度分布を作成する頻度分布作成部と、
前記頻度分布に基づいて、前記探針の評価を行う探針評価部と、
を含む。
【０００６】
本発明にかかる走査型原子間力顕微鏡によれば、標準試料を用いることなく探針の評価を行うことができる。
【０００７】
本発明にかかる走査型原子間力顕微鏡において、
前記探針評価部は、前記頻度分布が所定の階級の範囲内に頻度がゼロの階級を有する場合に、前記探針に異常があると評価することができる。
【０００８】
本発明にかかる走査型原子間力顕微鏡において、
前記探針の先端角度を取得し、取得した前記先端角度に基づいて前記所定の階級の範囲を決定する階級範囲決定部をさらに含むことができる。
【０００９】
本発明にかかる走査型原子間力顕微鏡において、
前記探針評価部は、前記頻度分布が所定値以上の極大値を有し、当該極大値を有するピークの階級範囲が、ゼロを含まない場合に、前記探針に異常があると評価することができる。
【００１０】
本発明にかかる走査型原子間力顕微鏡において、
前記探針評価部は、前記頻度分布が所定値以上の複数の極大値を有する場合に、前記探針に異常があると評価することができる。
【００１１】
本発明にかかる走査型原子間力顕微鏡において、
前記探針評価部は、前記頻度分布の勾配がゼロの階級を対称中心とした場合に、頻度分布曲線が非対称である場合に、前記探針に異常があると評価することができる。
【００１２】
本発明にかかる走査型原子間力顕微鏡において、
前記測定部は、前記試料を載置する試料台に対して水平方向であるｘ軸方向に前記探針を走査することにより各画素の高さを測定し、
前記頻度分布作成部は、各画素の高さに基づいて算出されたｘ軸方向の勾配を用いて、勾配を階級とした第１の頻度分布を作成し、
前記探針に異常があると前記探針評価部が評価した場合に、前記測定部は、前記試料台に対して−ｘ軸方向に前記探針を走査することにより各画素の高さを測定し、
前記勾配算出部は、前記測定部が測定した各画素の高さと隣接する画素の高さに基づいてそれぞれ−ｘ軸方向の勾配を算出し、
前記頻度分布作成部は、前記−ｘ軸方向の勾配を用いて、勾配を階級とした第２の頻度分布を作成し、
前記探針評価部は、前記第１の頻度分布および第２の頻度分布に基づいて、前記探針の評価を行うことができる。
【００１３】
本発明にかかる走査型原子間力顕微鏡において、
前記測定部は、前記試料を載置する試料台に対して水平方向であるｘ軸方向および−ｘ軸方向に前記探針を走査することにより各画素の高さを測定し、
前記勾配算出部は、前記測定部が測定した各画素の高さと隣接する画素の高さに基づいてそれぞれｘ軸方向および−ｘ軸方向の勾配を算出し、
前記頻度分布作成部は、ｘ軸方向の勾配を用いて、勾配を階級とした第１の頻度分布を作成し、かつ−ｘ軸方向の勾配を用いて、勾配を階級とした第２の頻度分布を作成し、
前記探針評価部は、前記第１の頻度分布および第２の頻度分布に基づいて、前記探針の評価を行うことができる。
【００１４】
本発明にかかる走査型原子間力顕微鏡において、
前記探針に異常があると前記探針評価部が評価した場合に、前記探針を他の探針に交換する探針交換部をさらに含むことができる。
【００１５】
本発明にかかる走査型原子間力顕微鏡において、
前記物理量は、原子間力であり、
前記走査型プローブ顕微鏡は、走査型原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）であることができる。
【００１６】
本発明にかかる走査型原子間力顕微鏡の探針の評価方法は、
試料を複数の画素に分割して、各画素の高さを、探針と試料との間に作用する物理量を検出することにより測定し、
測定した各画素の高さと隣接する画素の高さに基づいてそれぞれ勾配を算出し、
算出した前記勾配を用いて、勾配を階級とした頻度分布を作成し、
前記頻度分布に基づいて、前記探針の評価を行う。
【００１７】
本発明にかかるプログラムは、
コンピュータを、走査型プローブ顕微鏡の探針の評価装置として機能させるためのコンピュータ読み取り可能なプログラムであって、
コンピュータを、
試料を複数の画素に分割して、各画素の高さを、探針と試料との間に作用する物理量を検出することにより測定する測定手段、
測定した各画素の高さと隣接する画素の高さに基づいてそれぞれ勾配を算出する勾配算出手段、
算出した前記勾配を用いて、勾配を階級とした頻度分布を作成する頻度分布作成手段、および
前記頻度分布に基づいて、前記探針の評価を行う探針評価手段として機能させる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本実施の形態では、走査型プローブ顕微鏡の一例として走査型原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて説明する。
【００１９】
１．走査型原子間力顕微鏡
図１は、本実施の形態にかかる走査型原子間力顕微鏡の機能構成を示すブロック図である。走査型原子間力顕微鏡１００は、コンピュータ１１０と、測定部１２０と、探針交換部１３０とを備える。コンピュータ１１０は、情報処理部１１１と、測定制御部１４０と、記憶部１５０と、表示部１６０と、入力部１７０とを含む。
【００２０】
測定部１２０は、試料を複数の画素に分割して、各画素の高さを、探針と試料との間に作用する物理量を検出することにより測定する。測定部１２０の詳細については、後述する。
【００２１】
情報処理部１１１は、勾配算出部１１２と、頻度分布作成部１１４と、探針評価部１１６と、階級範囲決定部１１８とを有する。勾配算出部１１２は、測定部１２０が測定した各画素の高さと隣接する画素の高さに基づいてそれぞれ勾配を算出し、頻度分布作成部１１４に送る。頻度分布作成部１１４は、勾配算出部１１２が算出した勾配を用いて、勾配を階級とした頻度分布を作成し、探針評価部１１６に送る。階級範囲決定部１１８は、探針１２６の先端角度を記憶部１５０または入力部１７０から取得し、取得した先端角度に基づいて所定の階級の範囲を決定し、探針評価部１１６に送る。探針評価部１１６は、頻度分布作成部１１４が作成した頻度分布と、階級範囲決定部１１８が決定した所定の階級の範囲とに基づいて、測定部１２０の探針１２６の評価を行う。
【００２２】
測定制御部１４０は、測定部１２０に試料を測定させるための制御を行う。また、測定制御部１４０は、探針評価部１１６が行った評価に基づいて測定部１２０および探針交換部１３０の制御を行う。
【００２３】
記憶部１５０は、各種の設定データ（たとえば、測定制御用データなど）を記憶する他に、情報処理部１１１および測定制御部１４０の各種処理機能を実現するためのワーク領域となるもので、その機能はＲＡＭ、ＲＯＭ、光ディスク、光磁気ディスクなどのハードウエアにより実現できる。また記憶部１５０には、走査型原子間力顕微鏡１００の各部を探針の評価装置として機能させるためのプログラムが格納されていてもよい。コンピュータ１１０は、記憶部１５０に格納されているプログラムを読み取って走査型原子間力顕微鏡１００の各部の機能を実現させてもよい。また、記憶部１５０に代えて、上述した各機能を実現するためのプログラム等を、伝送路を介してホスト装置等からダウンロードすることによって上述した走査型原子間力顕微鏡１００の各部の機能を実現することも可能である。
【００２４】
表示部１６０は、走査型原子間力顕微鏡１００の設定状態あるいは作動状態などを画像出力するものであり、その機能はＣＲＴ、ＬＣＤ、タッチパネル型ディスプレイ等の公知のハードウエアにより実現できる。
【００２５】
入力部１７０は、走査型原子間力顕微鏡１００のオペレータが各種の設定データや操作データを入力するためのものであり、その機能は、キーボード、操作ボタン、タッチパネル型ディスプレイなどのハードウエアにより実現できる。
【００２６】
探針交換部１３０は、探針評価部１１６の探針の評価に基づいて探針１２６を交換する。
【００２７】
次に、測定部１２０の詳細について説明する。測定部１２０は、公知のＡＦＭの原理に基づいて動作する。図２は、走査型原子間力顕微鏡１００の測定部１２０を模式的に示す斜視図である。測定部１２０は、プローブ１２２と、圧電素子１２８と、走査回路部１２９とを含む。走査回路部１２９は、圧電素子１２８を制御することにより、試料台１２７の位置を適切な位置に配置する。
【００２８】
より具体的には、測定部１２０は、図２に示すように、プローブ１２２と、試料台１２７と、圧電素子１２８と、半導体レーザ７と、レンズ８と、フォトダイオード９とを含む。プローブ１２２は、カンチレバー１２４と、支持部１２５と、探針１２６とを有する。試料台１２７の上には試料４が載置される。
【００２９】
なお、本実施の形態において、画素とは、たとえば試料台１２７と水平な面において、試料を複数の領域に分割したときの各領域をいう。
【００３０】
走査型原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）１００の測定部１２０は、探針１２６と試料４との間の物理的相互作用として、探針１２６と試料４の間に作用する力（原子間力）を検出する。探針１２６はカンチレバー１２４の先端部に取り付けられているため、探針１２６と試料４の間に力が作用するとカンチレバー１２４が上下方向に撓む。半導体レーザ７は、カンチレバー１２４上にレーザ光を出射する。レンズ８は、当該レーザ光をカンチレバー１２４の先端の適切な位置に照射するように集光する。フォトダイオード９は、レーザ光の反射光を検出することにより、カンチレバー１２４のたわみ量（変位）を検出する。Ｚ軸方向の圧電素子１２８は、探針１２６と試料４との間に作用する力を一定に保つように、走査回路部１２９によって制御される。Ｘ軸方向およびＹ軸方向の圧電素子１２８は、試料４上を探針１２６に走査させるために、走査回路部１２９によって制御される。
【００３１】
２．走査型原子間力顕微鏡の探針の評価方法
図３は、走査型原子間力顕微鏡１００の動作を示すフローチャートである。なお、図３では、ｘ軸方向に探針１２６を走査して測定した例を示しているが、ｙ軸方向に探針１２６を走査して測定した場合についても、走査型原子間力顕微鏡１００は、同様に動作する。
【００３２】
まず、測定部１２０は、試料４の表面形状をｘ軸方向に探針１２６を走査することにより測定する（ステップＳ１００）。表面形状は、試料４の表面の相対的な高さを示すものである。測定部１２０は、試料４をｘおよびｙ軸方向に分割して複数の画素とし、各画素の高さを示す情報を測定値とする。
【００３３】
次に、勾配算出部１１２は、測定値を微分することにより画素毎の勾配を算出する（ステップＳ１０２）。勾配算出部１１２は、ある一の画素の高さを示す情報と、当該一の画素と隣接する他の画素の高さを示す情報から、局所勾配である微分値を求める。微分は、公知の方法を用いて行われ、たとえば、差分法、Ｓｏｂｅｌ法等の画像微分法、３または４つの画素からポリゴンまたはファセットと呼ばれる傾いた面を定義し、その面の傾きを求める方法、複数の画素を平均化し、これら複数の画素を改めて１画素と定義した上で微分する方法、同様に定義された画素をさらに複数集めてポリゴンまたはファセットと呼ばれる傾いた面を定義し、その面の傾きを求める方法等によって行われる。微分は、Ｘ方向と、それと直交するＹ方向との２方向において行われる。
【００３４】
次に、頻度分布作成部１１４は、勾配算出部１１２が算出した勾配を用いて、勾配（角度）を階級とし、勾配毎の画素数を頻度とした第１の頻度分布曲線を作成する（ステップＳ１０４）。図６に頻度分布曲線の一例を示す。
【００３５】
次に、探針評価部１１６は、頻度分布作成部１１４が作成した第１の頻度分布曲線に基づいて探針１２６の評価を行う（ステップＳ１０６）。ステップＳ１０６における探針評価部１１６の詳細な動作を図４を用いて以下に説明する。
【００３６】
まず、探針評価部１１６は、第１の頻度分布曲線が複数の所定値以上の極大値を有するか否かを判断する（ステップＳ２００）。所定値以上の極大値とは、測定において誤差範囲外にある極大値を意味する。図６では、たとえば、試料Ａ（ｄｘ）の曲線は、ピークＡ１とピークＡ２の２つの極大値を有する。ここで探針評価部１１６は、第１の頻度分布曲線が複数の所定値以上の極大値を有するか否かの判断にかえて、頻度分布が所定値以上の極大値を有し、当該極大値が、勾配がゼロの階級を含まないピークの極大値であるか否かの判断を行っても良い。この場合においても、試料Ａ（ｄｘ）の曲線では、上述したピークＡ１は、その極大値が、勾配がゼロの階級を含み、ピークＡ２は、その極大値が、勾配がゼロの階級を含まないことから、同様の判断結果が得られる。
【００３７】
次に、探針評価部１１６は、第１の頻度分布曲線が所定の階級の範囲内に頻度がゼロの階級を有するか否かを判断する（ステップＳ２０２）。ここで所定の階級の範囲とは、探針１２６の探針が測定可能な勾配の範囲であり、階級範囲決定部１１８によって予め決定される。
【００３８】
図７を用いて、所定の階級の範囲の決定方法を以下に説明する。階級範囲決定部１１８は、探針１２６の所望の先端角度２ａを記憶部１５０から取得する。探針１２６の所望の先端角度２ａは、たとえば、予め入力部１７０を介して記憶部１５０に記憶されている。探針１２６の所望の先端角度２ａは、試料の種類などに応じて決めることができる。階級範囲決定部１１８は、取得した先端角度２ａに基づいて測定可能な勾配の最大値ｂを算出する。階級範囲決定部１１８は、たとえば９０度からａを差し引いてｂを算出する。所定の階級の範囲Ｘは、階級が−ｂ≦Ｘ≦ｂの範囲となる。図６において、たとえばｂ＝７０の場合には、頻度分布曲線が所定の階級の範囲内に頻度がゼロの階級を有するのは、試料Ａ（ｄｘ）の曲線および試料Ｂ（ｄｘ）の曲線である。試料Ａ（ｄｘ）の曲線は、階級が＋５３度以上の頻度がゼロである。これは、試料Ａ（ｄｘ）を測定した探針１２６の測定可能な勾配の最大値が＋５３度未満であることを示しており、探針１２６の実際の先端角度が所望の先端角度より大きいことを示している。図７は、探針１２６の先端角度が所望の先端角度である場合の探針１２６の走査状態を模式的に示す図であり、図８は、探針１２６の先端角度が所望の先端角度より大きい場合の探針１２６の走査状態を模式的に示す図である。走査型原子間力顕微鏡１００は、探針１２６の実際の先端角度が所望の先端角度である場合には、図７の矢印に示すように、試料４の表面形状を正確に測定することができる。しかし、走査型原子間力顕微鏡１００は、探針１２６の実際の先端角度が所望の先端角度より大きい場合には、図８の矢印に示すように、試料４の表面形状を正確に測定することができない。
【００３９】
次に、探針評価部１１６は、第１の頻度分布曲線が非対称であるか否かを判断する（ステップＳ２０４）。試料の表面形状が人工的に形成されたものでない場合には、通常、頻度分布曲線は勾配ゼロを中心としてほぼ対称の曲線となるため、頻度分布曲線が非対称のときには、探針１２６に異常がある可能性が高い。たとえば、図６において、試料Ａ（ｄｘ）の曲線、試料Ｂ（ｄｘ）の曲線、および試料Ｂ（ｄｙ）の曲線は、非対称の曲線である。ここで探針評価部１１６は、ＡＦＭの誤差範囲内のみの非対称性であれば、対称性の曲線であると判断する。したがって探針評価部１１６は、たとえば図６の試料Ａ（ｄｙ）の曲線については、対称であると判断する。
【００４０】
次に、探針評価部１１６は、ステップＳ２００において第１の頻度分布曲線が複数の所定値以上の極大値を有すると判断した場合、ステップＳ２０２において第１の頻度分布曲線が所定の階級の範囲内に頻度ゼロの階級を有すると判断した場合、またはステップＳ２０４において第１の頻度分布曲線が非対称であると判断した場合に、探針１２６に異常があると判断し（ステップＳ２０８）、図３のステップＳ１０８にすすむ。
【００４１】
一方探針評価部１１６は、ステップＳ２００において第１の頻度分布曲線が複数の所定値以上の極大値を有しないと判断し、ステップＳ２０２において第１の頻度分布曲線が所定の階級の範囲内に頻度ゼロの階級を有しないと判断し、かつステップＳ２０４において第１の頻度分布曲線が非対称ではないと判断した場合に、探針１２６に異常はないと判断する（ステップＳ２０６）。
【００４２】
探針評価部１１６が探針１２６に異常があると判断（ステップＳ２０８）した場合に、測定部１２０は、ステップＳ１００のｘ軸方向とは逆方向の−ｘ軸方向に走査することにより、試料４の表面形状を測定する（ステップＳ１０８）。
【００４３】
次に、勾配算出部１１２は、測定値を微分することにより画素毎の勾配を算出する（ステップＳ１１０）。ステップＳ１１０の詳細は、ステップＳ１０２と同様であるので説明を省略する。
【００４４】
次に、頻度分布作成部１１４は、勾配算出部１１２が算出した勾配を用いて、勾配（角度）を階級とし、勾配毎の画素数を頻度とした第２の頻度分布曲線を作成する（ステップＳ１１２）。ステップＳ１１２の詳細は、ステップＳ１０４と同様であるので説明を省略する。
【００４５】
次に、探針評価部１１６は、頻度分布作成部１１４が作成した第２の頻度分布曲線に基づいて探針１２６の評価を行う（ステップＳ１１４）。ステップＳ１１４における探針評価部１１６の詳細な動作を、図５を用いて以下に説明する。
【００４６】
まず、探針評価部１１６は、第２の頻度分布曲線が複数の所定値以上の極大値を有するか否かを判断する（ステップＳ２１０）。ここで探針評価部１１６は、第２の頻度分布曲線が複数の所定値以上の極大値を有するか否かの判断にかえて、頻度分布が所定値以上の極大値を有し、当該極大値が、勾配がゼロの階級を含まないピークの極大値であるか否かの判断を行っても良い。
【００４７】
探針評価部１１６が第２の頻度分布曲線が複数の所定値以上の極大値を有しないと判断した場合に、探針評価部１１６の動作はステップＳ２１４にジャンプする。
【００４８】
一方、探針評価部１１６は、第２の頻度分布曲線が複数の所定値以上の極大値を有すると判断した場合に、第２の頻度分布曲線の複数の所定値以上の極大値が、第１の頻度分布曲線の所定値以上の極大値と対応するものであるか否かを判断する（ステップＳ２１２）。たとえば探針評価部１１６は、第２の頻度分布曲線が階級５０に頻度５０００程度の極大値を有する場合、第１の頻度分布曲線の極大値が階級−５０に頻度５０００程度であれば、第１の頻度分布曲線の極大値と第２の頻度分布曲線の極大値とが対応すると判断する。ここで探針評価部１１６は、ある程度の誤差を考慮してもよく、たとえば第２の頻度分布曲線が階級５０に頻度５０００程度の極大値を有するとき、第１の頻度分布曲線の極大値が階級−４５から−５５の範囲内で頻度４０００から６０００程度であれば、第１の頻度分布曲線の極大値と第２の頻度分布曲線の極大値が対応すると判断してもよい。
【００４９】
探針評価部１１６は、第２の頻度分布曲線の複数の所定値以上の極大値が、第１の頻度分布曲線の所定値以上の極大値と対応するものであると判断した場合、およびステップＳ２１０において第２の頻度分布曲線が複数の所定値以上の極大値を有しないと判断した場合に、第２の頻度分布曲線が所定の階級の範囲内に頻度がゼロの階級を有するか否かを判断する（ステップＳ２１４）。
【００５０】
第２の頻度分布曲線が所定の階級の範囲内に頻度がゼロの階級を有しないと判断した場合に、探針評価部１１６の動作はステップＳ２１８にジャンプする。
【００５１】
一方第２の頻度分布曲線が所定の階級の範囲内に頻度がゼロの階級を有すると判断した場合に、探針評価部１１６は、第２の頻度分布曲線の頻度ゼロの階級が、第１の頻度分布曲線の頻度ゼロの階級と対応するか否かを判断する（ステップＳ２１６）。探針評価部１１６は、たとえば、第２の頻度分布曲線において階級−７０付近で頻度ゼロであった場合に、第１の頻度分布曲線において階級７０付近で頻度ゼロであれば、第２の頻度分布曲線の頻度ゼロの階級が、第１の頻度分布曲線の頻度ゼロの階級と対応すると判断する。ここで探針評価部１１６は、ある程度の誤差を考慮してもよく、たとえば、第２の頻度分布曲線において階級−７０付近で頻度ゼロであった場合に、第１の頻度分布曲線が階級６０から８０の範囲内で頻度ゼロの階級を有していれば、第２の頻度分布曲線の頻度ゼロの階級が、第１の頻度分布曲線の頻度ゼロの階級と対応すると判断してもよい。
【００５２】
探針評価部１１６は、第２の頻度分布曲線の頻度ゼロの階級が、第１の頻度分布曲線の頻度ゼロの階級と対応すると判断した場合、およびステップＳ２１４において第２の頻度分布曲線が所定の階級の範囲内に頻度がゼロの階級を有しないと判断した場合に、第２の頻度分布曲線が非対称であるか否かを判断する（ステップＳ２１８）。
【００５３】
第２の頻度分布曲線が非対称ではないと判断した場合に、探針評価部１１６の動作はステップＳ２２２にジャンプする。
【００５４】
一方探針評価部１１６は、第２の頻度分布曲線が非対称であると判断した場合に、第１の頻度分布曲線の形状が第２の頻度分極線の形状と対応するか否かを判断する（ステップＳ２２０）。探針評価部１１６は、たとえば、すべての階級において、第１の頻度分布曲線の階級Ｘの頻度と、第２の頻度分極線の階級−Ｘの頻度との差が所定値（たとえば１０００）以下であれば、第１の頻度分布曲線の形状が第２の頻度分極線の形状と対応すると判断する。
【００５５】
探針評価部１１６は、第１の頻度分布曲線の形状が第２の頻度分極線の形状と対応すると判断した場合、およびステップＳ２１８において第２の頻度分布曲線が非対称ではないと判断した場合に、探針１２６に異常はないと判断する（ステップＳ２２２）。
【００５６】
一方、ステップＳ２１２において第２の頻度分布曲線の複数の所定値以上の極大値が、第１の頻度分布曲線の所定値以上の極大値と対応するものではないと判断した場合、ステップＳ２１６において第２の頻度分布曲線の頻度ゼロの階級が、第１の頻度分布曲線の頻度ゼロの階級と対応しないと判断した場合、およびステップＳ２２０において第１の頻度分布曲線の形状が第２の頻度分極線の形状と対応しないと判断した場合に、探針評価部１１６は、探針１２６に異常があると判断する（ステップＳ２２４）。
【００５７】
Ｓ１１４において、探針評価部１１６が探針に異常があると判断した場合に、探針交換部１３０は、プローブ１２２の探針１２６を他の探針と交換する（ステップＳ１１６）。そして、走査型原子間力顕微鏡１００は、図３〜図５に示す動作を他の探針を用いて再度行わなければならない。
【００５８】
一方、ステップＳ１０６またはステップＳ１１４において探針評価部１１６が探針１２６に異常はないと判断した場合に、走査型原子間力顕微鏡１００の動作は、終了する。すなわち、走査型原子間力顕微鏡１００は、探針１２６を交換することなく次の測定を行うことができる。
【００５９】
以上の動作により、走査型原子間力顕微鏡１００は、探針１２６を評価することができる。特に、本実施の形態によれば、探針１２６を確認するための標準試料等を用いることなく、探針１２６を評価することができる。よって、標準試料にかかるコストを削減することができる。また、測定のための試料４を用いて探針１２６を評価することができるため、探針１２６に異常がなければ評価に用いた測定結果を試料４の測定値として有効に利用することができ、全体の測定時間を短縮することができる。
【００６０】
また、本実施の形態によれば、走査型原子間力顕微鏡１００は、ステップＳ１０６において探針に異常があると判断した場合に、逆方向に走査して得られた測定値から、探針に異常があるか否かをステップＳ１１４において再度確認している。これにより、より確実に不良な探針を見分けることができる。
【００６１】
３．変形例
図３のフローチャートにおいて、走査型原子間力顕微鏡１００は、ｘ軸方向に探針を走査することにより試料を測定して、探針に異常があると判断した場合に、−ｘ軸方向に探針を走査することにより試料を測定しているが、これにかえて、予めｘ軸方向および−ｘ軸方向に探針を走査することにより試料を測定した後に、探針に異常があるか否かを判断してもよい。
【００６２】
図９は、変形例にかかる走査型原子間力顕微鏡１００の動作を示すフローチャートである。
【００６３】
まず、測定部１２０は、試料４の表面形状をｘ軸方向に探針１２６を走査することにより測定する（ステップＳ３００）。
【００６４】
次に、測定部１２０は、試料４の表面形状を−ｘ軸方向に探針１２６を走査することにより測定する（ステップＳ３０２）。
【００６５】
次に、勾配算出部１１２は、ｘ軸方向および−ｘ軸方向の走査結果のそれぞれについて、測定値を微分することにより画素毎の勾配を算出する（ステップＳ３０４）。
【００６６】
次に、頻度分布作成部１１４は、勾配算出部１１２が算出した勾配を用いて、勾配（角度）を階級とし、勾配毎の画素数を頻度とした、ｘ軸方向の走査結果に基づく第１の頻度分布曲線および−ｘ軸方向の走査結果に基づく第２の頻度分布曲線を作成する（ステップＳ３０６）。
【００６７】
次に、探針評価部１１６は、頻度分布作成部１１４が作成した第１の頻度分布曲線および第２の頻度分布曲線に基づいて探針１２６に異常があるか否かを判断する（ステップＳ３０８）。ステップＳ３０８における探針評価部１１６の詳細な動作を図１０を用いて以下に説明する。
【００６８】
まず、探針評価部１１６は、第１の頻度分布曲線および第２の頻度分布曲線の少なくとも一方が複数の所定値以上の極大値を有するか否かを判断する（ステップＳ４００）。ここで探針評価部１１６は、複数の所定値以上の極大値を有するか否かの判断にかえて、頻度分布が所定値以上の極大値を有し、当該極大値が、勾配がゼロの階級を含まないピークの極大値であるか否かの判断を行っても良い。
【００６９】
次に、探針評価部１１６は、第１の頻度分布曲線および第２の頻度分布曲線の少なくとも一方が複数の所定値以上の極大値を有すると判断した場合に、第１の頻度分布曲線および第２の頻度分布曲線の双方が複数の所定値以上の極大値を有するか否かを判断する（ステップＳ４０２）。
【００７０】
次に、探針評価部１１６は、第１の頻度分布曲線および第２の頻度分布曲線の双方が複数の所定値以上の極大値を有すると判断した場合に、第１の頻度分布曲線の複数の所定値以上の極大値が、第２の頻度分布曲線の所定値以上の極大値と対応するものであるか否かを判断する（ステップＳ４０４）。
【００７１】
次に、探針評価部１１６は、ステップＳ４００において第１の頻度分布曲線および第２の頻度分布曲線の双方とも複数の所定値以上の極大値を有していないと判断した場合、およびステップＳ４０４において第１の頻度分布曲線の複数の所定値以上の極大値が、第２の頻度分布曲線の所定値以上の極大値と対応するものであると判断した場合に、第１の頻度分布曲線および第２の頻度分布曲線の少なくとも一方が所定の階級の範囲内に頻度がゼロの階級を有するか否かを判断する（ステップＳ４０６）。
【００７２】
次に、探針評価部１１６は、第１の頻度分布曲線および第２の頻度分布曲線の少なくとも一方が所定の階級の範囲内に頻度がゼロの階級を有すると判断した場合に、第１の頻度分布曲線および第２の頻度分布曲線の双方が所定の階級の範囲内に頻度がゼロの階級を有するか否かを判断する（ステップＳ４０８）。
【００７３】
次に、探針評価部１１６は、第１の頻度分布曲線および第２の頻度分布曲線の双方が所定の階級の範囲内に頻度がゼロの階級を有すると判断した場合に、第１の頻度分布曲線の頻度ゼロの階級が、第２の頻度分布曲線の頻度ゼロの階級と対応するか否かを判断する（ステップＳ４１０）。
【００７４】
ステップＳ４０６において第１の頻度分布曲線および第２の頻度分布曲線の双方が所定の階級の範囲内に頻度がゼロの階級を有しないと判断した場合、およびステップＳ４１０において第１の頻度分布曲線の頻度ゼロの階級が、第２の頻度分布曲線の頻度ゼロの階級と対応すると判断した場合に、探針評価部１１６は、探針１２６に異常はないと判断し（ステップＳ４１２）、走査型原子間力顕微鏡１００は動作を終了する。
【００７５】
一方、ステップＳ４０２において第１の頻度分布曲線および第２の頻度分布曲線のいずれか一方が複数の所定値以上の極大値を有しないと判断した場合、ステップＳ４０４において第１の頻度分布曲線の複数の所定値以上の極大値が、第２の頻度分布曲線の所定値以上の極大値と対応しないと判断した場合、ステップＳ４０８において第１の頻度分布曲線および第２の頻度分布曲線のいずれか一方が所定の階級の範囲内に頻度がゼロの階級を有しないと判断した場合、およびステップＳ４１０において第１の頻度分布曲線の頻度ゼロの階級が、第２の頻度分布曲線の頻度ゼロの階級と対応しないと判断した場合に、探針評価部１１６は、探針１２６に異常があると判断する（ステップＳ４１４）。
【００７６】
次に、探針１２６に異常があると探針評価部１１６が判断した場合に、探針交換部１３０は、プローブ１２２の探針１２６を他の探針と交換する（ステップＳ３１０）。そして、走査型原子間力顕微鏡１００は、探針評価部１１６が探針に異常がないと判断するまで図９および図１０に示す動作を他の探針を用いて行う。
【００７７】
このように、同一の試料をｘ軸方向および−ｘ軸方向の双方についての測定値に基づいて作成された頻度分布曲線を照らし合わせて探針の評価を行うことにより、より確実に探針の評価を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本実施の形態にかかる走査型原子間力顕微鏡の機能構成を示すブロック図。
【図２】走査型原子間力顕微鏡の測定部を模式的に示す斜視図。
【図３】本実施の形態にかかる走査型原子間力顕微鏡の動作を示すフローチャート。
【図４】本実施の形態にかかる探針評価部の詳細な動作を示すフローチャート。
【図５】本実施の形態にかかる探針評価部の詳細な動作を示すフローチャート。
【図６】本実施の形態にかかる頻度分布曲線の一例を示す図。
【図７】本実施の形態にかかる探針の走査状態を模式的に示す図。
【図８】本実施の形態にかかる探針の走査状態を模式的に示す図。
【図９】変形例にかかる走査型原子間力顕微鏡の動作を示すフローチャート。
【図１０】変形例にかかる探針評価部の詳細な動作を示すフローチャート。
【符号の説明】
【００７９】
１００走査型原子間力顕微鏡、１１０コンピュータ、１１１情報処理部、１１２勾配算出部、１１４頻度分布作成部、１１６探針評価部、１１８階級範囲決定部、１２０測定部、１２２プローブ、１２４カンチレバー、１２６探針、１２８圧電素子、１２９走査回路部、１３０探針交換部、１４０測定制御部、１５０記憶部、１６０表示部、１７０入力部

【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料を複数の画素に分割して、各画素の高さを、探針と試料との間に作用する物理量を検出することにより測定する測定部と、
前記測定部が測定した各画素の高さと隣接する画素の高さに基づいてそれぞれ勾配を算出する勾配算出部と、
算出した前記勾配を用いて、勾配を階級とした頻度分布を作成する頻度分布作成部と、
前記頻度分布に基づいて、前記探針の評価を行う探針評価部と、
を含む、走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
請求項１において、
前記探針評価部は、前記頻度分布が所定の階級の範囲内に頻度がゼロの階級を有する場合に、前記探針に異常があると評価する、走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】
請求項２において、
前記探針の先端角度を取得し、取得した前記先端角度に基づいて前記所定の階級の範囲を決定する階級範囲決定部をさらに含む、走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかにおいて、
前記探針評価部は、前記頻度分布が所定値以上の極大値を有し、当該極大値を有するピークの階級範囲が、ゼロを含まない場合に、前記探針に異常があると評価する、走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
請求項１ないし３のいずれかにおいて、
前記探針評価部は、前記頻度分布が所定値以上の複数の極大値を有する場合に、前記探針に異常があると評価する、走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかにおいて、
前記探針評価部は、前記頻度分布の勾配がゼロの階級を対称中心としたときに、頻度分布曲線が非対称である場合に、前記探針に異常があると評価する、走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかにおいて、
前記測定部は、前記試料を載置する試料台に対して水平方向であるｘ軸方向に前記探針を走査することにより各画素の高さを測定し、
前記頻度分布作成部は、各画素の高さに基づいて算出されたｘ軸方向の勾配を用いて、勾配を階級とした第１の頻度分布を作成し、
前記探針に異常があると前記探針評価部が評価した場合に、前記測定部は、前記試料台に対して−ｘ軸方向に前記探針を走査することにより各画素の高さを測定し、
前記勾配算出部は、前記測定部が測定した各画素の高さと隣接する画素の高さに基づいてそれぞれ−ｘ軸方向の勾配を算出し、
前記頻度分布作成部は、前記−ｘ軸方向の勾配を用いて、勾配を階級とした第２の頻度分布を作成し、
前記探針評価部は、前記第１の頻度分布および第２の頻度分布に基づいて、前記探針の評価を行う、走査型プローブ顕微鏡。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかにおいて、
前記測定部は、前記試料を載置する試料台に対して水平方向であるｘ軸方向および−ｘ軸方向に前記探針を走査することにより各画素の高さを測定し、
前記勾配算出部は、前記測定部が測定した各画素の高さと隣接する画素の高さに基づいてそれぞれｘ軸方向および−ｘ軸方向の勾配を算出し、
前記頻度分布作成部は、ｘ軸方向の勾配を用いて、勾配を階級とした第１の頻度分布を作成し、かつ−ｘ軸方向の勾配を用いて、勾配を階級とした第２の頻度分布を作成し、
前記探針評価部は、前記第１の頻度分布および第２の頻度分布に基づいて、前記探針の評価を行う、走査型プローブ顕微鏡。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれかにおいて、
前記探針に異常があると前記探針評価部が評価した場合に、前記探針を他の探針に交換する探針交換部をさらに含む、走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１０】
請求項１ないし９のいずれかにおいて、
前記物理量は、原子間力であり、
前記走査型プローブ顕微鏡は、走査型原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）である、走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１１】
試料を複数の画素に分割して、各画素の高さを、探針と試料との間に作用する物理量を検出することにより測定し、
測定した各画素の高さと隣接する画素の高さに基づいてそれぞれ勾配を算出し、
算出した前記勾配を用いて、勾配を階級とした頻度分布を作成し、
前記頻度分布に基づいて、前記探針の評価を行う、走査型プローブ顕微鏡の探針の評価方法。
【請求項１２】
コンピュータを、走査型プローブ顕微鏡の探針の評価装置として機能させるためのコンピュータ読み取り可能なプログラムであって、
コンピュータを、
試料を複数の画素に分割して、各画素の高さを、探針と試料との間に作用する物理量を検出することにより測定する測定手段、
測定した各画素の高さと隣接する画素の高さに基づいてそれぞれ勾配を算出する勾配算出手段、
算出した前記勾配を用いて、勾配を階級とした頻度分布を作成する頻度分布作成手段、および
前記頻度分布に基づいて、前記探針の評価を行う探針評価手段として機能させる、プログラム。

【図１】