走査探針顕微鏡及びそれを利用した測定方法
【課題】スキャナーの整列誤差に起因するイメージの歪曲が防止された走査探針顕微鏡及びそれを利用した測定方法を提供する。
【解決手段】（ｉ）探針と、（ｉｉ）探針の位置を直線上で変化させる第１スキャナーと、（ｉｉｉ）サンプルの位置を平面上で変化させる第２スキャナーと、（ｉｖ）第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面が、第１スキャナーによる探針の位置変化がなされる直線に対して垂直になるように、第２スキャナーまたは第１スキャナーの位置を調整する調整装置と、を備えることを特徴とする走査探針顕微鏡及びそれを利用した測定方法である。
【解決手段】（ｉ）探針と、（ｉｉ）探針の位置を直線上で変化させる第１スキャナーと、（ｉｉｉ）サンプルの位置を平面上で変化させる第２スキャナーと、（ｉｖ）第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面が、第１スキャナーによる探針の位置変化がなされる直線に対して垂直になるように、第２スキャナーまたは第１スキャナーの位置を調整する調整装置と、を備えることを特徴とする走査探針顕微鏡及びそれを利用した測定方法である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査探針顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＰＭ）及びそれを利用した測定方法に係り、さらに詳細には、スキャナーの整列誤差に起因するイメージの歪曲が防止されたＳＰＭ及びそれを利用した測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＳＰＭは、ナノスケールの解像力を有する顕微鏡であって、サンプルの表面形状やサンプルの電気的特性などをイメージとして表す顕微鏡である。ＳＰＭには、原子力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＡＦＭ）、磁気力顕微鏡（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＭＦＭ）及び走査静電容量顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＣＭ）などがある。このようなＳＰＭは、探針のチップがサンプルの表面に接しつつ移動するか、または探針のチップがサンプルの表面と一定の距離を維持しつつ移動して、サンプルの表面形状やサンプルの電気的特性などの分析に利用されうる。しかし、従来のＳＰＭの場合、備えられたスキャナーの整列誤差によって獲得したデータが、実際のサンプルの特性と異なりうるという問題点があった。
【０００３】
図１は、従来のＳＰＭを概略的に示す斜視図である。図１に示すように、フレーム５０に第１スキャナー３１及び第２スキャナー３２が備えられている。第１スキャナー３１の端部には、探針１０が付着されており、第１スキャナー３１は、探針１０を±ｚ方向に移動させる。第２スキャナー３２上には、ステージ２０が備えられており、第２スキャナー３２は、ステージ２０をｘｙ平面上で移動させる。このステージ２０上にサンプルが配置されれば、第１スキャナー３１が探針１０を±ｚ方向に移動させ、第２スキャナー３２がステージ２０、すなわち、サンプルをｘｙ平面上で移動させることによって、サンプルの表面形状やサンプルの電気的特性などに関するデータを得る。
【０００４】
図２は、理想的なＳＰＭでサンプルをスキャニングしてサンプルの表面形状を測定することを概略的に示す概念図である。ここで、理想的なＳＰＭとは、第１スキャナー３１による探針１０の位置変化がなされる直線が、第２スキャナー（図示せず）によるサンプルの位置変化がなされる平面に垂直であることを意味する。図２では、探針がｘｙ平面上で移動するように図示したが、これは、図示の便宜のためにそのように図示しただけであり、実際には、探針は、±ｚ方向、すなわち、上下にのみ移動し、サンプルがｘｙ平面上で移動する。
【０００５】
図２に示すように、探針１０のチップがサンプルの表面６０上に接しつつ、第２スキャナーによりサンプルがｘｙ平面上で移動する。このとき、サンプルの表面６０に隆起がある場合、第１スキャナー３１の長さが変わりつつ探針１０の位置が±ｚ方向に変わる。このとき、第１スキャナー３１の長さの変化に関するデータにより、サンプルの表面６０の形状に対応するイメージ７０が具現される。
【０００６】
図３は、従来のＳＰＭでサンプルをスキャニングしてサンプルの表面形状を測定することを概略的に示す概念図である。前述したように、第１スキャナー３１は、探針１０の位置を直線上で変化させ、第２スキャナーは、サンプルの位置を平面上で変化させるところ、第１スキャナー３１による探針１０の位置変化がなされる直線は、第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面に垂直であることが望ましい。しかし、実際のＳＰＭの場合、第１スキャナーと第２スキャナーとのアラインには誤差が存在して、図３に示すように、第１スキャナー３１による探針１０の位置変化がなされる直線が、第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面に垂直ではなく、所定角度θほど傾く。このような状態で、サンプルの表面６０の形状を測定すれば、図３に示すように、実際のサンプルの表面６０の形状と異なるイメージ７０が具現されるという問題点があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、前記問題点を含めて種々の問題点を解決するためのものであって、スキャナーの整列誤差に起因するイメージの歪曲が防止されたＳＰＭ、及びそれを利用した測定方法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】
【０００８】
本発明は、（ｉ）探針と、（ｉｉ）前記探針の位置を直線上で変化させる第１スキャナーと、（ｉｉｉ）サンプルの位置を平面上で変化させる第２スキャナーと、（ｉｖ）前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面が、前記第１スキャナーによる探針の位置変化がなされる直線に対して垂直になるように、前記第２スキャナーまたは前記第１スキャナーの位置を調整する調整装置と、を備えることを特徴とするＳＰＭを提供する。
【０００９】
このような本発明の他の特徴によれば、サンプルを支持するステージをさらに備え、前記第２スキャナーは、前記ステージの位置を平面上で変化させうる。
【００１０】
本発明のさらに他の特徴によれば、前記調整装置は、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の直線に沿ってサンプルの第１形状を得て、サンプルを前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内で１８０°回転させた後、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の前記直線に沿ってサンプルの第２形状を得て、前記第１形状及び前記第２形状の平均形状を求めて、前記第１形状及び前記第２形状のうち何れか一つの形状と前記平均形状との差によって、前記第２スキャナーまたは前記第１スキャナーの位置を調整できる。
【００１１】
本発明のさらに他の特徴によれば、前記調整装置は、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の直線の両端でのサンプル表面の３次元座標を測定して、前記二つの３次元座標を連結する第１直線を得て、サンプルを前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内で１８０°回転させた後、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の前記直線の両端でのサンプル表面の３次元座標を測定して、その二つの３次元座標を連結する第２直線を得て、前記第１直線及び前記第２直線の平均直線を求めて、前記第１直線及び前記第２直線のうち何れか一本の直線と前記平均直線との差によって前記第２スキャナーまたは前記第１スキャナーの位置を調整できる。
【００１２】
本発明のさらに他の特徴によれば、前記調整装置は、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の直線の両端でのサンプル表面の３次元座標を測定して、前記二つの３次元座標を連結する第１直線を得て、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面への前記第１直線の正射影イメージの長さｌ１を求め、サンプルを、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内で１８０°回転させた後、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の前記直線の両端でのサンプル表面の３次元座標を測定して、前記二つの３次元座標を連結する第２直線を得て、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面への前記第２直線の正射影イメージの長さｌ２を求めて、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の前記直線の両端でのサンプル表面の高さの差をｚとするとき、ａｒｃｔａｎ（（ｌ１−ｌ２）／２ｚ）の角度ほど前記第２スキャナーまたは前記第１スキャナーの位置を調整できる。
【００１３】
また、本発明は、探針と、前記探針の位置を直線上で変化させる第１スキャナーと、サンプルの位置を平面上で変化させる第２スキャナーと、を備えた走査探針顕微鏡を利用した測定方法であって、（ｉ）前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の直線に沿ってサンプルの第１形状を得るステップと、（ｉｉ）サンプルを、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内で１８０°回転させた後、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の前記直線に沿ってサンプルの第２形状を得るステップと、（ｉｉｉ）前記第１形状及び前記第２形状の平均形状を求めるステップと、を含むことを特徴とする測定方法を提供する。
【００１４】
また、本発明は、探針と、前記探針の位置を直線上で変化させる第１スキャナーと、サンプルの位置を平面上で変化させる第２スキャナーと、を備えた走査探針顕微鏡を利用した測定方法であって、（ｉ）前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の直線に沿ってサンプルの第１形状を得るステップと、（ｉｉ）サンプルを、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内で１８０°回転させた後、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の前記直線に沿ってサンプルの第２形状を得るステップと、（ｉｉｉ）前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面が、前記第１スキャナーによる探針の位置変化がなされる直線に対して垂直になるように、前記第１形状及び前記第２形状の平均形状を求めて、前記第１形状及び前記第２形状のうち、何れか一つの形状と前記平均形状との差によって、前記第２スキャナーまたは前記第１スキャナーの位置を調整するステップと、を含むことを特徴とする測定方法を提供する。
【００１５】
また、本発明は、探針と、前記探針の位置を直線上で変化させる第１スキャナーと、サンプルの位置を平面上で変化させる第２スキャナーと、を備えた走査探針顕微鏡を利用した測定方法であって、（ｉ）前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の直線の両端でのサンプル表面の３次元座標を測定して、前記二つの３次元座標を連結する第１直線を得るステップと、（ｉｉ）サンプルを、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内で１８０°回転させた後、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の前記直線の両端でのサンプル表面の３次元座標を測定して、その二つの３次元座標を連結する第２直線を得るステップと、（ｉｉｉ）前記第１直線及び前記第２直線の平均直線を求めて、前記第１直線及び前記第２直線のうち何れか一本の直線と前記平均直線との差によって、前記第２スキャナーまたは前記第１スキャナーの位置を調整するステップと、を含むことを特徴とする測定方法を提供する。
【００１６】
また、本発明は、探針と、前記探針の位置を直線上で変化させる第１スキャナーと、サンプルの位置を平面上で変化させる第２スキャナーと、を備えた走査探針顕微鏡を利用した測定方法であって、（ｉ）前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の直線の両端でのサンプル表面の３次元座標を測定して、前記二つの３次元座標を連結する第１直線を得て、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面への前記第１直線の正射影イメージの長さｌ１を求めるステップと、（ｉｉ）サンプルを、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内で１８０°回転させた後、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の前記直線の両端でのサンプル表面の３次元座標を測定して、前記二つの３次元座標を連結する第２直線を得て、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面への前記第２直線の正射影イメージの長さｌ２を求めるステップと、（ｉｉｉ）前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面が、前記第１スキャナーによる探針の位置変化がなされる直線に対して垂直になるように、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の前記直線の両端でのサンプル表面の高さの差をｚとするとき、ａｒｃｔａｎ（（ｌ１−ｌ２）／２ｚ）の角度ほど前記第２スキャナーまたは前記第１スキャナーの位置を調整するステップと、を含むことを特徴とする測定方法を提供する。
【００１７】
このような本発明の他の特徴によれば、既知の段差を有するサンプルを利用して前記第１スキャナーを較正するステップをさらに含みうる。
【００１８】
本発明のさらに他の特徴によれば、前記第１スキャナーを較正するステップは、前記既知の段差を有するサンプルの段差の測定時に得られる前記第１スキャナーからの電気的信号が、前記既知の段差に該当するという情報を前記ＳＰＭに入力するステップでありうる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明のＳＰＭ及びそれを利用した測定方法によれば、スキャナーの整列誤差に起因するイメージの歪曲を防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、添付された図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明すれば、次の通りである。
【００２１】
図４は、本発明の一実施形態に係るＳＰＭを概略的に示す斜視図である。図４に示すように、本実施形態に係るＳＰＭは、探針１００、第１スキャナー３１０、第２スキャナー３２０及び調整装置４００を備える。探針１００は、カンチレバー及びこのカンチレバーの先端に付着された尖ったチップを備えうる。
【００２２】
第１スキャナー３１０は、探針１００の位置を直線上で変化させる。図４では、探針１００が第１スキャナー３１０により±ｚ方向に移動することと図示されている。第２スキャナー３２０は、サンプル２００の位置を平面上で変化させるが、図４では、サンプル２００が第２スキャナー３２０によりｘｙ平面上で移動することと図示されている。以下では、便宜上、第１スキャナー３１０は、探針を±ｚ方向に移動させ、第２スキャナー３２０は、サンプル２００の位置をｘｙ平面上で移動させると説明するが、本発明がこれに限定されるものではない。このとき、サンプル２００は、図４に示すように、第２スキャナー３２０上に直接配置されてもよく、これと異なり、必要に応じてサンプルを支持するステージ上に配置され、このステージを第２スキャナー３２０によりｘｙ平面上で移動させうるなど、多様な変形が可能であるということは言うまでも無い。
【００２３】
前述したように、理想的なＳＰＭの場合、第１スキャナー３１０による探針１００の位置変化がなされる直線が、第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面に垂直である。しかし、通常的なＳＰＭの場合、第１スキャナー３１０及び第２スキャナー３２０のアラインには誤差が存在して、第１スキャナー３１０による探針１００の位置変化がなされる直線が、第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面に垂直ではなく、所定の角度θほど傾く。このような状態でサンプルの表面形状を測定すれば、実際のサンプルの表面形状と異なるイメージが具現されるという問題点があった。
【００２４】
本実施形態に係るＳＰＭは調整装置４００を備え、このような問題点を解決する。この調整装置４００は、第２スキャナー３２０の位置を調整して、第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面が、第１スキャナー３１０による探針１００の位置変化がなされる直線に対して垂直にする。図４には、調整装置４００が第２スキャナー３２０の位置を調整すると図示されているが、もちろん、これと異なり、調整装置が第１スキャナー３１０の位置を調整してもよい。また、図４には、調整装置４００が第２スキャナー３２０の各エッジごとに備えられた四つの副調整装置４１０、４２０（他の二つは図示せず）を備えると図示されているが、これと異なり、第２スキャナー３２０の中央部の下部に一つの構成要素として備えられてもよいなど、多様な変形が可能であるということは言うまでも無い。
【００２５】
このように、本実施形態に係るＳＰＭが、第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面が、第１スキャナー３１０による探針１００の位置変化がなされる直線に対して垂直になるように、第２スキャナー３２０または第１スキャナー３１０の位置を調整する調整装置４００を備えることによって、従来のＳＰＭでの第１スキャナーと第２スキャナーとのアライン誤差に起因するイメージ歪曲などを効果的に防止できる。第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面が、第１スキャナー３１０による探針１００の位置変化がなされる直線に対して垂直になるように、第２スキャナー３２０または第１スキャナー３１０の位置を調整する角度を決定する方法は、図５Ａないし図５Ｃを参照して説明する。
【００２６】
図５Ａないし図５Ｃは、図４に示すＳＰＭでの角度補正方法を概略的に示す断面図である。
【００２７】
まず、図５Ａに示すように、第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面（ｘｙ平面）内の直線に沿ってサンプルの第１形状７１０を得る。もちろん、図５Ａに示すように、第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面に対して、第１スキャナー３１０による探針１００の位置変化がなされる直線が角度θほど傾いているので、この第１形状７１０は、サンプルの表面６００に正確に対応しない。
【００２８】
その後、サンプルを、第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面（ｘｙ平面）内で１８０゜回転させ、図５Ｂに示すように、第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面（ｘｙ平面）内の直線に沿ってサンプルの第２形状７２０を得る。このとき、第２形状７２０を得るときの第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面内の直線は、第１形状７１０を得るときの第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面内の直線と同じ直線である。もちろん、図５Ｂに示すように、第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面に対して、第１スキャナー３１０による探針１００の位置変化がなされる直線が角度θほど傾いているため、この第２形状７２０は、サンプルの表面６００に正確に対応しない。
【００２９】
第１形状７１０及び第２形状７２０を得た後、図５Ｃに示すように、第１形状７１０及び第２形状７２０の平均形状７３０を求める。ここで、平均形状とは、図５Ｃで横方向の座標などの平均を意味する。すなわち、第１形状７１０における横方向の座標と、第２形状７２０における横方向の座標との平均を求めれば、第３形状７３０における横方向の座標となる。これは、後述する実施形態または変形例において、平均形状を求める方法においても同じである。このように得た平均形状７３０は、図５Ｃに示すように、実際のサンプルの表面６００に正確に対応する。したがって、第１形状７１０及び第２形状７２０のうち何れか一つの形状と平均形状７３０との差を計算することによって、第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面に対して、第１スキャナー３１０による探針１００の位置変化がなされる直線が傾いた角度θを計算できる。その後、このθほど第１スキャナー３１０または第２スキャナー３２０の位置を調整装置４００を通じて調整することによって、第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面に対して、第１スキャナー３１０による探針１００の位置変化がなされる直線を垂直にすることができる。その後、サンプルの全領域に対してスキャニングを実施して、サンプル表面の形状またはサンプルの電気的特性などに関する正確なデータを得ることができる。
【００３０】
一方、これと異なり、第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面（ｘｙ平面）内の直線に沿ってサンプル表面の形状を得ず、第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面（ｘｙ平面）内の直線の両端に対応するサンプル表面の３次元座標を測定して、この二つの３次元座標を連結する直線を利用してもよい。
【００３１】
すなわち、図５Ｄに示すように、第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面（ｘｙ平面）内の直線の両端でのサンプル表面の３次元座標を測定して、この二つの３次元座標を連結する第１直線７１０を得る。その後、サンプルを第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面（ｘｙ平面）内で１８０°回転させる。そして、第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面（ｘｙ平面）内の同じ直線の両端でのサンプル表面の３次元座標を測定して、その二つの３次元座標を連結する第２直線（図示せず）を得る。このように得た第１直線７１０及び第２直線の平均直線を求めて、第１直線７１０および前記第２直線のうちいずれか一本の直線と平均直線との差によって、第２スキャナー３２０または第１スキャナー３１０の位置を調整してもよい。
【００３２】
また、これと異なり、 第２スキャナー３２０または第１スキャナー３１０の位置を調整装置４００に調整させてもよい。すなわち、図５Ａに示すように、第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面（ｘｙ平面）内の直線の両端でのサンプル表面の３次元座標を測定して、この二つの３次元座標を連結する第１直線を得る。そして、第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面（ｘｙ平面）への第１直線の正射影イメージの長さｌ１を求める。その後、サンプルを、第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面（ｘｙ平面）内で１８０°回転させる。そして、第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面（ｘｙ平面）内の同じ直線の両端でのサンプル表面の３次元座標を測定して、この二つの３次元座標を連結する第２直線を得る。そして、第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面（ｘｙ平面）への第２直線の正射影イメージの長さｌ２を求める。
【００３３】
このように求めたｌ１及びｌ２は、第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面（ｘｙ平面）内の同じ直線の両端でのサンプル表面を連結した直線のｘｙ平面への正射影イメージの長さｌ０と次のような関係を有する。
【００３４】
（数１）
ｌ１＝ｌ０＋ｈ２ｔａｎθ
【００３５】
（数２）
ｌ２＝ｌ０−ｈ１ｔａｎθ
【００３６】
一方、既知の段差を有するサンプルを利用して、第１スキャナー３１０を較正するステップをさらに経得るが、これは、既知の段差を有するサンプルの段差の測定時に得られる第１スキャナーからの電気的信号が、その既知の段差に該当するという情報をＳＰＭに入力するステップである。このようなステップを経る場合、サンプルを１８０°回転させる前後のサンプルの段差であるｈ１及びｈ２は、同じ値、すなわち、実際のサンプル表面の段差に該当する値を有する。したがって、数式１及び数式２からｌ０を消去し、ｈ１及びｈ２の代わりに実際のサンプル表面の段差に該当する値であるｚを使用すれば、次の関係を得る。
【００３７】
（数３）
θ＝ａｒｃｔａｎ（（ｌ１−ｌ２）／２ｚ）
【００３８】
したがって、このように得られた角度ほど第２スキャナー３２０または第１スキャナー３１０の位置を調整することによって、第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面に対して、第１スキャナー３１０による探針１００の位置変化がなされる直線を垂直にすることができる。その後、サンプルの全領域に対してスキャニングを実施して、サンプル表面の形状またはサンプルの電気的特性などに関する正確なデータを得ることができる。
【００３９】
一方、第２スキャナー３２０または第１スキャナー３１０の位置を調整して、第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面に対して、第１スキャナー３１０による探針１００の位置変化がなされる直線を垂直にせずとも、実際のサンプルの表面の形状を正確に測定してもよい。
【００４０】
すなわち、まず、図５Ａに示すように、第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面（ｘｙ平面）内の直線に沿ってサンプルの第１形状７１０を得る。もちろん、図５Ａに示すように、第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面に対して、第１スキャナー３１０による探針１００の位置変化がなされる直線が角度θほど傾いているため、この第１形状７１０は、サンプルの表面６００に正確に対応しない。
【００４１】
その後、サンプルを、第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面（ｘｙ平面）内で１８０°回転させ、図５Ｂに示すように、第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面（ｘｙ平面）内の直線に沿ってサンプルの第２形状７２０を得る。このとき、第２形状７２０を得るときの第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面内の直線は、第１形状７１０を得るときの第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面内の直線と同じ直線である。もちろん、図５Ｂに示すように、第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面に対して、第１スキャナー３１０による探針１００の位置変化がなされる直線が角度θほど傾いているため、この第２形状７２０は、サンプルの表面６００に正確に対応しない。
【００４２】
第１形状７１０及び第２形状７２０を得た後、図５Ｃに示すように、第１形状７１０及び第２形状７２０の平均形状７３０を求める。この平均形状７３０は、図５Ｃに示すように、実際のサンプルの表面６００に正確に対応する。したがって、このように、サンプルを１８０°回転させる前後にわたってサンプルの表面の形状を２回測定し、これらの平均形状を求めることによって、サンプル表面の形状またはサンプルの電気的特性などに関する正確なデータを得ることができる。
【００４３】
本発明は、図面に示す実施形態を参考として説明されたが、これは、例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるという点が理解できるであろう。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲の技術的思想によって決まらねばならない。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は、走査探針顕微鏡に関連した技術分野に好適に適用され得る。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】従来のＳＰＭを概略的に示す斜視図である。
【図２】理想的なＳＰＭでサンプルをスキャニングしてサンプルの表面形状を測定することを概略的に示す概念図である。
【図３】従来のＳＰＭでサンプルをスキャニングしてサンプルの表面形状を測定することを概略的に示す概念図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るＳＰＭを概略的に示す斜視図である。
【図５Ａ】図４に示すＳＰＭでの角度補正方法またはサンプルの形状獲得方法を概略的に示す断面図である。
【図５Ｂ】図４に示すＳＰＭでの角度補正方法またはサンプルの形状獲得方法を概略的に示す断面図である。
【図５Ｃ】図４に示すＳＰＭでの角度補正方法またはサンプルの形状獲得方法を概略的に示す断面図である。
【図５Ｄ】図４に示すＳＰＭでの他の角度補正方法またはサンプルの形状獲得方法を概略的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１００ 探針
２００ サンプル
３１０ 第１スキャナー
３２０ 第２スキャナー
４００ 調整装置
５００ フレーム
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査探針顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＰＭ）及びそれを利用した測定方法に係り、さらに詳細には、スキャナーの整列誤差に起因するイメージの歪曲が防止されたＳＰＭ及びそれを利用した測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＳＰＭは、ナノスケールの解像力を有する顕微鏡であって、サンプルの表面形状やサンプルの電気的特性などをイメージとして表す顕微鏡である。ＳＰＭには、原子力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＡＦＭ）、磁気力顕微鏡（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＭＦＭ）及び走査静電容量顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＣＭ）などがある。このようなＳＰＭは、探針のチップがサンプルの表面に接しつつ移動するか、または探針のチップがサンプルの表面と一定の距離を維持しつつ移動して、サンプルの表面形状やサンプルの電気的特性などの分析に利用されうる。しかし、従来のＳＰＭの場合、備えられたスキャナーの整列誤差によって獲得したデータが、実際のサンプルの特性と異なりうるという問題点があった。
【０００３】
図１は、従来のＳＰＭを概略的に示す斜視図である。図１に示すように、フレーム５０に第１スキャナー３１及び第２スキャナー３２が備えられている。第１スキャナー３１の端部には、探針１０が付着されており、第１スキャナー３１は、探針１０を±ｚ方向に移動させる。第２スキャナー３２上には、ステージ２０が備えられており、第２スキャナー３２は、ステージ２０をｘｙ平面上で移動させる。このステージ２０上にサンプルが配置されれば、第１スキャナー３１が探針１０を±ｚ方向に移動させ、第２スキャナー３２がステージ２０、すなわち、サンプルをｘｙ平面上で移動させることによって、サンプルの表面形状やサンプルの電気的特性などに関するデータを得る。
【０００４】
図２は、理想的なＳＰＭでサンプルをスキャニングしてサンプルの表面形状を測定することを概略的に示す概念図である。ここで、理想的なＳＰＭとは、第１スキャナー３１による探針１０の位置変化がなされる直線が、第２スキャナー（図示せず）によるサンプルの位置変化がなされる平面に垂直であることを意味する。図２では、探針がｘｙ平面上で移動するように図示したが、これは、図示の便宜のためにそのように図示しただけであり、実際には、探針は、±ｚ方向、すなわち、上下にのみ移動し、サンプルがｘｙ平面上で移動する。
【０００５】
図２に示すように、探針１０のチップがサンプルの表面６０上に接しつつ、第２スキャナーによりサンプルがｘｙ平面上で移動する。このとき、サンプルの表面６０に隆起がある場合、第１スキャナー３１の長さが変わりつつ探針１０の位置が±ｚ方向に変わる。このとき、第１スキャナー３１の長さの変化に関するデータにより、サンプルの表面６０の形状に対応するイメージ７０が具現される。
【０００６】
図３は、従来のＳＰＭでサンプルをスキャニングしてサンプルの表面形状を測定することを概略的に示す概念図である。前述したように、第１スキャナー３１は、探針１０の位置を直線上で変化させ、第２スキャナーは、サンプルの位置を平面上で変化させるところ、第１スキャナー３１による探針１０の位置変化がなされる直線は、第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面に垂直であることが望ましい。しかし、実際のＳＰＭの場合、第１スキャナーと第２スキャナーとのアラインには誤差が存在して、図３に示すように、第１スキャナー３１による探針１０の位置変化がなされる直線が、第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面に垂直ではなく、所定角度θほど傾く。このような状態で、サンプルの表面６０の形状を測定すれば、図３に示すように、実際のサンプルの表面６０の形状と異なるイメージ７０が具現されるという問題点があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、前記問題点を含めて種々の問題点を解決するためのものであって、スキャナーの整列誤差に起因するイメージの歪曲が防止されたＳＰＭ、及びそれを利用した測定方法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】
【０００８】
本発明は、（ｉ）探針と、（ｉｉ）前記探針の位置を直線上で変化させる第１スキャナーと、（ｉｉｉ）サンプルの位置を平面上で変化させる第２スキャナーと、（ｉｖ）前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面が、前記第１スキャナーによる探針の位置変化がなされる直線に対して垂直になるように、前記第２スキャナーまたは前記第１スキャナーの位置を調整する調整装置と、を備えることを特徴とするＳＰＭを提供する。
【０００９】
このような本発明の他の特徴によれば、サンプルを支持するステージをさらに備え、前記第２スキャナーは、前記ステージの位置を平面上で変化させうる。
【００１０】
本発明のさらに他の特徴によれば、前記調整装置は、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の直線に沿ってサンプルの第１形状を得て、サンプルを前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内で１８０°回転させた後、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の前記直線に沿ってサンプルの第２形状を得て、前記第１形状及び前記第２形状の平均形状を求めて、前記第１形状及び前記第２形状のうち何れか一つの形状と前記平均形状との差によって、前記第２スキャナーまたは前記第１スキャナーの位置を調整できる。
【００１１】
本発明のさらに他の特徴によれば、前記調整装置は、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の直線の両端でのサンプル表面の３次元座標を測定して、前記二つの３次元座標を連結する第１直線を得て、サンプルを前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内で１８０°回転させた後、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の前記直線の両端でのサンプル表面の３次元座標を測定して、その二つの３次元座標を連結する第２直線を得て、前記第１直線及び前記第２直線の平均直線を求めて、前記第１直線及び前記第２直線のうち何れか一本の直線と前記平均直線との差によって前記第２スキャナーまたは前記第１スキャナーの位置を調整できる。
【００１２】
本発明のさらに他の特徴によれば、前記調整装置は、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の直線の両端でのサンプル表面の３次元座標を測定して、前記二つの３次元座標を連結する第１直線を得て、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面への前記第１直線の正射影イメージの長さｌ１を求め、サンプルを、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内で１８０°回転させた後、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の前記直線の両端でのサンプル表面の３次元座標を測定して、前記二つの３次元座標を連結する第２直線を得て、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面への前記第２直線の正射影イメージの長さｌ２を求めて、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の前記直線の両端でのサンプル表面の高さの差をｚとするとき、ａｒｃｔａｎ（（ｌ１−ｌ２）／２ｚ）の角度ほど前記第２スキャナーまたは前記第１スキャナーの位置を調整できる。
【００１３】
また、本発明は、探針と、前記探針の位置を直線上で変化させる第１スキャナーと、サンプルの位置を平面上で変化させる第２スキャナーと、を備えた走査探針顕微鏡を利用した測定方法であって、（ｉ）前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の直線に沿ってサンプルの第１形状を得るステップと、（ｉｉ）サンプルを、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内で１８０°回転させた後、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の前記直線に沿ってサンプルの第２形状を得るステップと、（ｉｉｉ）前記第１形状及び前記第２形状の平均形状を求めるステップと、を含むことを特徴とする測定方法を提供する。
【００１４】
また、本発明は、探針と、前記探針の位置を直線上で変化させる第１スキャナーと、サンプルの位置を平面上で変化させる第２スキャナーと、を備えた走査探針顕微鏡を利用した測定方法であって、（ｉ）前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の直線に沿ってサンプルの第１形状を得るステップと、（ｉｉ）サンプルを、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内で１８０°回転させた後、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の前記直線に沿ってサンプルの第２形状を得るステップと、（ｉｉｉ）前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面が、前記第１スキャナーによる探針の位置変化がなされる直線に対して垂直になるように、前記第１形状及び前記第２形状の平均形状を求めて、前記第１形状及び前記第２形状のうち、何れか一つの形状と前記平均形状との差によって、前記第２スキャナーまたは前記第１スキャナーの位置を調整するステップと、を含むことを特徴とする測定方法を提供する。
【００１５】
また、本発明は、探針と、前記探針の位置を直線上で変化させる第１スキャナーと、サンプルの位置を平面上で変化させる第２スキャナーと、を備えた走査探針顕微鏡を利用した測定方法であって、（ｉ）前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の直線の両端でのサンプル表面の３次元座標を測定して、前記二つの３次元座標を連結する第１直線を得るステップと、（ｉｉ）サンプルを、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内で１８０°回転させた後、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の前記直線の両端でのサンプル表面の３次元座標を測定して、その二つの３次元座標を連結する第２直線を得るステップと、（ｉｉｉ）前記第１直線及び前記第２直線の平均直線を求めて、前記第１直線及び前記第２直線のうち何れか一本の直線と前記平均直線との差によって、前記第２スキャナーまたは前記第１スキャナーの位置を調整するステップと、を含むことを特徴とする測定方法を提供する。
【００１６】
また、本発明は、探針と、前記探針の位置を直線上で変化させる第１スキャナーと、サンプルの位置を平面上で変化させる第２スキャナーと、を備えた走査探針顕微鏡を利用した測定方法であって、（ｉ）前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の直線の両端でのサンプル表面の３次元座標を測定して、前記二つの３次元座標を連結する第１直線を得て、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面への前記第１直線の正射影イメージの長さｌ１を求めるステップと、（ｉｉ）サンプルを、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内で１８０°回転させた後、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の前記直線の両端でのサンプル表面の３次元座標を測定して、前記二つの３次元座標を連結する第２直線を得て、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面への前記第２直線の正射影イメージの長さｌ２を求めるステップと、（ｉｉｉ）前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面が、前記第１スキャナーによる探針の位置変化がなされる直線に対して垂直になるように、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の前記直線の両端でのサンプル表面の高さの差をｚとするとき、ａｒｃｔａｎ（（ｌ１−ｌ２）／２ｚ）の角度ほど前記第２スキャナーまたは前記第１スキャナーの位置を調整するステップと、を含むことを特徴とする測定方法を提供する。
【００１７】
このような本発明の他の特徴によれば、既知の段差を有するサンプルを利用して前記第１スキャナーを較正するステップをさらに含みうる。
【００１８】
本発明のさらに他の特徴によれば、前記第１スキャナーを較正するステップは、前記既知の段差を有するサンプルの段差の測定時に得られる前記第１スキャナーからの電気的信号が、前記既知の段差に該当するという情報を前記ＳＰＭに入力するステップでありうる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明のＳＰＭ及びそれを利用した測定方法によれば、スキャナーの整列誤差に起因するイメージの歪曲を防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、添付された図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明すれば、次の通りである。
【００２１】
図４は、本発明の一実施形態に係るＳＰＭを概略的に示す斜視図である。図４に示すように、本実施形態に係るＳＰＭは、探針１００、第１スキャナー３１０、第２スキャナー３２０及び調整装置４００を備える。探針１００は、カンチレバー及びこのカンチレバーの先端に付着された尖ったチップを備えうる。
【００２２】
第１スキャナー３１０は、探針１００の位置を直線上で変化させる。図４では、探針１００が第１スキャナー３１０により±ｚ方向に移動することと図示されている。第２スキャナー３２０は、サンプル２００の位置を平面上で変化させるが、図４では、サンプル２００が第２スキャナー３２０によりｘｙ平面上で移動することと図示されている。以下では、便宜上、第１スキャナー３１０は、探針を±ｚ方向に移動させ、第２スキャナー３２０は、サンプル２００の位置をｘｙ平面上で移動させると説明するが、本発明がこれに限定されるものではない。このとき、サンプル２００は、図４に示すように、第２スキャナー３２０上に直接配置されてもよく、これと異なり、必要に応じてサンプルを支持するステージ上に配置され、このステージを第２スキャナー３２０によりｘｙ平面上で移動させうるなど、多様な変形が可能であるということは言うまでも無い。
【００２３】
前述したように、理想的なＳＰＭの場合、第１スキャナー３１０による探針１００の位置変化がなされる直線が、第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面に垂直である。しかし、通常的なＳＰＭの場合、第１スキャナー３１０及び第２スキャナー３２０のアラインには誤差が存在して、第１スキャナー３１０による探針１００の位置変化がなされる直線が、第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面に垂直ではなく、所定の角度θほど傾く。このような状態でサンプルの表面形状を測定すれば、実際のサンプルの表面形状と異なるイメージが具現されるという問題点があった。
【００２４】
本実施形態に係るＳＰＭは調整装置４００を備え、このような問題点を解決する。この調整装置４００は、第２スキャナー３２０の位置を調整して、第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面が、第１スキャナー３１０による探針１００の位置変化がなされる直線に対して垂直にする。図４には、調整装置４００が第２スキャナー３２０の位置を調整すると図示されているが、もちろん、これと異なり、調整装置が第１スキャナー３１０の位置を調整してもよい。また、図４には、調整装置４００が第２スキャナー３２０の各エッジごとに備えられた四つの副調整装置４１０、４２０（他の二つは図示せず）を備えると図示されているが、これと異なり、第２スキャナー３２０の中央部の下部に一つの構成要素として備えられてもよいなど、多様な変形が可能であるということは言うまでも無い。
【００２５】
このように、本実施形態に係るＳＰＭが、第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面が、第１スキャナー３１０による探針１００の位置変化がなされる直線に対して垂直になるように、第２スキャナー３２０または第１スキャナー３１０の位置を調整する調整装置４００を備えることによって、従来のＳＰＭでの第１スキャナーと第２スキャナーとのアライン誤差に起因するイメージ歪曲などを効果的に防止できる。第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面が、第１スキャナー３１０による探針１００の位置変化がなされる直線に対して垂直になるように、第２スキャナー３２０または第１スキャナー３１０の位置を調整する角度を決定する方法は、図５Ａないし図５Ｃを参照して説明する。
【００２６】
図５Ａないし図５Ｃは、図４に示すＳＰＭでの角度補正方法を概略的に示す断面図である。
【００２７】
まず、図５Ａに示すように、第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面（ｘｙ平面）内の直線に沿ってサンプルの第１形状７１０を得る。もちろん、図５Ａに示すように、第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面に対して、第１スキャナー３１０による探針１００の位置変化がなされる直線が角度θほど傾いているので、この第１形状７１０は、サンプルの表面６００に正確に対応しない。
【００２８】
その後、サンプルを、第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面（ｘｙ平面）内で１８０゜回転させ、図５Ｂに示すように、第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面（ｘｙ平面）内の直線に沿ってサンプルの第２形状７２０を得る。このとき、第２形状７２０を得るときの第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面内の直線は、第１形状７１０を得るときの第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面内の直線と同じ直線である。もちろん、図５Ｂに示すように、第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面に対して、第１スキャナー３１０による探針１００の位置変化がなされる直線が角度θほど傾いているため、この第２形状７２０は、サンプルの表面６００に正確に対応しない。
【００２９】
第１形状７１０及び第２形状７２０を得た後、図５Ｃに示すように、第１形状７１０及び第２形状７２０の平均形状７３０を求める。ここで、平均形状とは、図５Ｃで横方向の座標などの平均を意味する。すなわち、第１形状７１０における横方向の座標と、第２形状７２０における横方向の座標との平均を求めれば、第３形状７３０における横方向の座標となる。これは、後述する実施形態または変形例において、平均形状を求める方法においても同じである。このように得た平均形状７３０は、図５Ｃに示すように、実際のサンプルの表面６００に正確に対応する。したがって、第１形状７１０及び第２形状７２０のうち何れか一つの形状と平均形状７３０との差を計算することによって、第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面に対して、第１スキャナー３１０による探針１００の位置変化がなされる直線が傾いた角度θを計算できる。その後、このθほど第１スキャナー３１０または第２スキャナー３２０の位置を調整装置４００を通じて調整することによって、第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面に対して、第１スキャナー３１０による探針１００の位置変化がなされる直線を垂直にすることができる。その後、サンプルの全領域に対してスキャニングを実施して、サンプル表面の形状またはサンプルの電気的特性などに関する正確なデータを得ることができる。
【００３０】
一方、これと異なり、第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面（ｘｙ平面）内の直線に沿ってサンプル表面の形状を得ず、第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面（ｘｙ平面）内の直線の両端に対応するサンプル表面の３次元座標を測定して、この二つの３次元座標を連結する直線を利用してもよい。
【００３１】
すなわち、図５Ｄに示すように、第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面（ｘｙ平面）内の直線の両端でのサンプル表面の３次元座標を測定して、この二つの３次元座標を連結する第１直線７１０を得る。その後、サンプルを第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面（ｘｙ平面）内で１８０°回転させる。そして、第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面（ｘｙ平面）内の同じ直線の両端でのサンプル表面の３次元座標を測定して、その二つの３次元座標を連結する第２直線（図示せず）を得る。このように得た第１直線７１０及び第２直線の平均直線を求めて、第１直線７１０および前記第２直線のうちいずれか一本の直線と平均直線との差によって、第２スキャナー３２０または第１スキャナー３１０の位置を調整してもよい。
【００３２】
また、これと異なり、 第２スキャナー３２０または第１スキャナー３１０の位置を調整装置４００に調整させてもよい。すなわち、図５Ａに示すように、第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面（ｘｙ平面）内の直線の両端でのサンプル表面の３次元座標を測定して、この二つの３次元座標を連結する第１直線を得る。そして、第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面（ｘｙ平面）への第１直線の正射影イメージの長さｌ１を求める。その後、サンプルを、第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面（ｘｙ平面）内で１８０°回転させる。そして、第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面（ｘｙ平面）内の同じ直線の両端でのサンプル表面の３次元座標を測定して、この二つの３次元座標を連結する第２直線を得る。そして、第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面（ｘｙ平面）への第２直線の正射影イメージの長さｌ２を求める。
【００３３】
このように求めたｌ１及びｌ２は、第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面（ｘｙ平面）内の同じ直線の両端でのサンプル表面を連結した直線のｘｙ平面への正射影イメージの長さｌ０と次のような関係を有する。
【００３４】
（数１）
ｌ１＝ｌ０＋ｈ２ｔａｎθ
【００３５】
（数２）
ｌ２＝ｌ０−ｈ１ｔａｎθ
【００３６】
一方、既知の段差を有するサンプルを利用して、第１スキャナー３１０を較正するステップをさらに経得るが、これは、既知の段差を有するサンプルの段差の測定時に得られる第１スキャナーからの電気的信号が、その既知の段差に該当するという情報をＳＰＭに入力するステップである。このようなステップを経る場合、サンプルを１８０°回転させる前後のサンプルの段差であるｈ１及びｈ２は、同じ値、すなわち、実際のサンプル表面の段差に該当する値を有する。したがって、数式１及び数式２からｌ０を消去し、ｈ１及びｈ２の代わりに実際のサンプル表面の段差に該当する値であるｚを使用すれば、次の関係を得る。
【００３７】
（数３）
θ＝ａｒｃｔａｎ（（ｌ１−ｌ２）／２ｚ）
【００３８】
したがって、このように得られた角度ほど第２スキャナー３２０または第１スキャナー３１０の位置を調整することによって、第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面に対して、第１スキャナー３１０による探針１００の位置変化がなされる直線を垂直にすることができる。その後、サンプルの全領域に対してスキャニングを実施して、サンプル表面の形状またはサンプルの電気的特性などに関する正確なデータを得ることができる。
【００３９】
一方、第２スキャナー３２０または第１スキャナー３１０の位置を調整して、第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面に対して、第１スキャナー３１０による探針１００の位置変化がなされる直線を垂直にせずとも、実際のサンプルの表面の形状を正確に測定してもよい。
【００４０】
すなわち、まず、図５Ａに示すように、第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面（ｘｙ平面）内の直線に沿ってサンプルの第１形状７１０を得る。もちろん、図５Ａに示すように、第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面に対して、第１スキャナー３１０による探針１００の位置変化がなされる直線が角度θほど傾いているため、この第１形状７１０は、サンプルの表面６００に正確に対応しない。
【００４１】
その後、サンプルを、第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面（ｘｙ平面）内で１８０°回転させ、図５Ｂに示すように、第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面（ｘｙ平面）内の直線に沿ってサンプルの第２形状７２０を得る。このとき、第２形状７２０を得るときの第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面内の直線は、第１形状７１０を得るときの第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面内の直線と同じ直線である。もちろん、図５Ｂに示すように、第２スキャナー３２０によるサンプルの位置変化がなされる平面に対して、第１スキャナー３１０による探針１００の位置変化がなされる直線が角度θほど傾いているため、この第２形状７２０は、サンプルの表面６００に正確に対応しない。
【００４２】
第１形状７１０及び第２形状７２０を得た後、図５Ｃに示すように、第１形状７１０及び第２形状７２０の平均形状７３０を求める。この平均形状７３０は、図５Ｃに示すように、実際のサンプルの表面６００に正確に対応する。したがって、このように、サンプルを１８０°回転させる前後にわたってサンプルの表面の形状を２回測定し、これらの平均形状を求めることによって、サンプル表面の形状またはサンプルの電気的特性などに関する正確なデータを得ることができる。
【００４３】
本発明は、図面に示す実施形態を参考として説明されたが、これは、例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるという点が理解できるであろう。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲の技術的思想によって決まらねばならない。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は、走査探針顕微鏡に関連した技術分野に好適に適用され得る。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】従来のＳＰＭを概略的に示す斜視図である。
【図２】理想的なＳＰＭでサンプルをスキャニングしてサンプルの表面形状を測定することを概略的に示す概念図である。
【図３】従来のＳＰＭでサンプルをスキャニングしてサンプルの表面形状を測定することを概略的に示す概念図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るＳＰＭを概略的に示す斜視図である。
【図５Ａ】図４に示すＳＰＭでの角度補正方法またはサンプルの形状獲得方法を概略的に示す断面図である。
【図５Ｂ】図４に示すＳＰＭでの角度補正方法またはサンプルの形状獲得方法を概略的に示す断面図である。
【図５Ｃ】図４に示すＳＰＭでの角度補正方法またはサンプルの形状獲得方法を概略的に示す断面図である。
【図５Ｄ】図４に示すＳＰＭでの他の角度補正方法またはサンプルの形状獲得方法を概略的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１００ 探針
２００ サンプル
３１０ 第１スキャナー
３２０ 第２スキャナー
４００ 調整装置
５００ フレーム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
探針と、
前記探針の位置を直線上で変化させる第１スキャナーと、
サンプルの位置を平面上で変化させる第２スキャナーと、
前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面が、前記第１スキャナーによる探針の位置変化がなされる直線に対して垂直になるように、前記第２スキャナーまたは前記第１スキャナーの位置を調整する調整装置と、を備えることを特徴とする走査探針顕微鏡。
【請求項２】
前記調整装置は、
前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の直線に沿ってサンプルの第１形状を得て、サンプルを前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内で１８０°回転させた後、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の前記直線に沿ってサンプルの第２形状を得て、前記第１形状及び前記第２形状の平均形状を求めて、前記第１形状及び前記第２形状のうち何れか一つの形状と前記平均形状との差によって、前記第２スキャナーまたは前記第１スキャナーの位置を調整することを特徴とする請求項１に記載の走査探針顕微鏡。
【請求項３】
前記調整装置は、
前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の直線の両端でのサンプル表面の３次元座標を測定して、前記二つの３次元座標を連結する第１直線を得て、サンプルを前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内で１８０°回転させた後、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の前記直線の両端でのサンプル表面の３次元座標を測定して、その二つの３次元座標を連結する第２直線を得て、前記第１直線及び前記第２直線の平均直線を求めて、前記第１直線及び前記第２直線のうち何れか一本の直線と前記平均直線との差によって前記第２スキャナーまたは前記第１スキャナーの位置を調整することを特徴とする請求項１に記載の走査探針顕微鏡。
【請求項４】
前記調整装置は、
前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の直線の両端でのサンプル表面の３次元座標を測定して、前記二つの３次元座標を連結する第１直線を得て、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面への前記第１直線の正射影イメージの長さｌ１を求め、サンプルを、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内で１８０°回転させた後、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の前記直線の両端でのサンプル表面の３次元座標を測定して、前記二つの３次元座標を連結する第２直線を得て、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面への前記第２直線の正射影イメージの長さｌ２を求めて、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の前記直線の両端でのサンプル表面の高さの差をｚとするとき、ａｒｃｔａｎ（（ｌ１−ｌ２）／２ｚ）の角度ほど前記第２スキャナーまたは前記第１スキャナーの位置を調整することを特徴とする請求項１に記載の走査探針顕微鏡。
【請求項５】
探針と、前記探針の位置を直線上で変化させる第１スキャナーと、サンプルの位置を平面上で変化させる第２スキャナーと、を備えた走査探針顕微鏡を利用した測定方法であって、
前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の直線に沿ってサンプルの第１形状を得るステップと、
サンプルを、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内で１８０°回転させた後、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の前記直線に沿ってサンプルの第２形状を得るステップと、
前記第１形状及び前記第２形状の平均形状を求めるステップと、を含むことを特徴とする測定方法。
【請求項６】
既知の段差を有するサンプルを利用して、前記既知の段差を有するサンプルの段差の測定時に得られる前記第１スキャナーからの電気的信号が、前記既知の段差に該当するという情報を前記走査探針顕微鏡に入力することによって、前記第１スキャナーを較正するステップをさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の測定方法。
【請求項７】
探針と、前記探針の位置を直線上で変化させる第１スキャナーと、サンプルの位置を平面上で変化させる第２スキャナーと、を備えた走査探針顕微鏡を利用した測定方法であって、
前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の直線に沿ってサンプルの第１形状を得るステップと、
サンプルを、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内で１８０°回転させた後、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の前記直線に沿ってサンプルの第２形状を得るステップと、
前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面が、前記第１スキャナーによる探針の位置変化がなされる直線に対して垂直になるように、前記第１形状及び前記第２形状の平均形状を求めて、前記第１形状及び前記第２形状のうち、何れか一つの形状と前記平均形状との差によって、前記第２スキャナーまたは前記第１スキャナーの位置を調整するステップと、を含むことを特徴とする測定方法。
【請求項８】
既知の段差を有するサンプルを利用して、前記既知の段差を有するサンプルの段差の測定時に得られる前記第１スキャナーからの電気的信号が、前記既知の段差に該当するという情報を前記走査探針顕微鏡に入力することによって、前記第１スキャナーを較正するステップをさらに含むことを特徴とする請求項７に記載の測定方法。
【請求項９】
探針と、前記探針の位置を直線上で変化させる第１スキャナーと、サンプルの位置を平面上で変化させる第２スキャナーと、を備えた走査探針顕微鏡を利用した測定方法であって、
前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の直線の両端でのサンプル表面の３次元座標を測定して、前記二つの３次元座標を連結する第１直線を得るステップと、
サンプルを、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内で１８０°回転させた後、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の前記直線の両端でのサンプル表面の３次元座標を測定して、その二つの３次元座標を連結する第２直線を得るステップと、
前記第１直線及び前記第２直線の平均直線を求めて、前記第１直線及び前記第２直線のうち何れか一本の直線と前記平均直線との差によって、前記第２スキャナーまたは前記第１スキャナーの位置を調整するステップと、を含むことを特徴とする測定方法。
【請求項１０】
既知の段差を有するサンプルを利用して、前記既知の段差を有するサンプルの段差の測定時に得られる前記第１スキャナーからの電気的信号が、前記既知の段差に該当するという情報を前記走査探針顕微鏡に入力することによって、前記第１スキャナーを較正するステップをさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の測定方法。
【請求項１１】
探針と、前記探針の位置を直線上で変化させる第１スキャナーと、サンプルの位置を平面上で変化させる第２スキャナーと、を備えた走査探針顕微鏡を利用した測定方法であって、
前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の直線の両端でのサンプル表面の３次元座標を測定して、前記二つの３次元座標を連結する第１直線を得て、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面への前記第１直線の正射影イメージの長さｌ１を求めるステップと、
サンプルを、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内で１８０°回転させた後、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の前記直線の両端でのサンプル表面の３次元座標を測定して、前記二つの３次元座標を連結する第２直線を得て、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面への前記第２直線の正射影イメージの長さｌ２を求めるステップと、
前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面が、前記第１スキャナーによる探針の位置変化がなされる直線に対して垂直になるように、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の前記直線の両端でのサンプル表面の高さの差をｚとするとき、ａｒｃｔａｎ（（ｌ１−ｌ２）／２ｚ）の角度ほど前記第２スキャナーまたは前記第１スキャナーの位置を調整するステップと、を含むことを特徴とする測定方法。
【請求項１２】
既知の段差を有するサンプルを利用して、前記既知の段差を有するサンプルの段差の測定時に得られる前記第１スキャナーからの電気的信号が、前記既知の段差に該当するという情報を前記走査探針顕微鏡に入力することによって、前記第１スキャナーを較正するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の測定方法。
【請求項１】
探針と、
前記探針の位置を直線上で変化させる第１スキャナーと、
サンプルの位置を平面上で変化させる第２スキャナーと、
前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面が、前記第１スキャナーによる探針の位置変化がなされる直線に対して垂直になるように、前記第２スキャナーまたは前記第１スキャナーの位置を調整する調整装置と、を備えることを特徴とする走査探針顕微鏡。
【請求項２】
前記調整装置は、
前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の直線に沿ってサンプルの第１形状を得て、サンプルを前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内で１８０°回転させた後、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の前記直線に沿ってサンプルの第２形状を得て、前記第１形状及び前記第２形状の平均形状を求めて、前記第１形状及び前記第２形状のうち何れか一つの形状と前記平均形状との差によって、前記第２スキャナーまたは前記第１スキャナーの位置を調整することを特徴とする請求項１に記載の走査探針顕微鏡。
【請求項３】
前記調整装置は、
前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の直線の両端でのサンプル表面の３次元座標を測定して、前記二つの３次元座標を連結する第１直線を得て、サンプルを前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内で１８０°回転させた後、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の前記直線の両端でのサンプル表面の３次元座標を測定して、その二つの３次元座標を連結する第２直線を得て、前記第１直線及び前記第２直線の平均直線を求めて、前記第１直線及び前記第２直線のうち何れか一本の直線と前記平均直線との差によって前記第２スキャナーまたは前記第１スキャナーの位置を調整することを特徴とする請求項１に記載の走査探針顕微鏡。
【請求項４】
前記調整装置は、
前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の直線の両端でのサンプル表面の３次元座標を測定して、前記二つの３次元座標を連結する第１直線を得て、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面への前記第１直線の正射影イメージの長さｌ１を求め、サンプルを、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内で１８０°回転させた後、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の前記直線の両端でのサンプル表面の３次元座標を測定して、前記二つの３次元座標を連結する第２直線を得て、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面への前記第２直線の正射影イメージの長さｌ２を求めて、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の前記直線の両端でのサンプル表面の高さの差をｚとするとき、ａｒｃｔａｎ（（ｌ１−ｌ２）／２ｚ）の角度ほど前記第２スキャナーまたは前記第１スキャナーの位置を調整することを特徴とする請求項１に記載の走査探針顕微鏡。
【請求項５】
探針と、前記探針の位置を直線上で変化させる第１スキャナーと、サンプルの位置を平面上で変化させる第２スキャナーと、を備えた走査探針顕微鏡を利用した測定方法であって、
前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の直線に沿ってサンプルの第１形状を得るステップと、
サンプルを、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内で１８０°回転させた後、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の前記直線に沿ってサンプルの第２形状を得るステップと、
前記第１形状及び前記第２形状の平均形状を求めるステップと、を含むことを特徴とする測定方法。
【請求項６】
既知の段差を有するサンプルを利用して、前記既知の段差を有するサンプルの段差の測定時に得られる前記第１スキャナーからの電気的信号が、前記既知の段差に該当するという情報を前記走査探針顕微鏡に入力することによって、前記第１スキャナーを較正するステップをさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の測定方法。
【請求項７】
探針と、前記探針の位置を直線上で変化させる第１スキャナーと、サンプルの位置を平面上で変化させる第２スキャナーと、を備えた走査探針顕微鏡を利用した測定方法であって、
前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の直線に沿ってサンプルの第１形状を得るステップと、
サンプルを、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内で１８０°回転させた後、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の前記直線に沿ってサンプルの第２形状を得るステップと、
前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面が、前記第１スキャナーによる探針の位置変化がなされる直線に対して垂直になるように、前記第１形状及び前記第２形状の平均形状を求めて、前記第１形状及び前記第２形状のうち、何れか一つの形状と前記平均形状との差によって、前記第２スキャナーまたは前記第１スキャナーの位置を調整するステップと、を含むことを特徴とする測定方法。
【請求項８】
既知の段差を有するサンプルを利用して、前記既知の段差を有するサンプルの段差の測定時に得られる前記第１スキャナーからの電気的信号が、前記既知の段差に該当するという情報を前記走査探針顕微鏡に入力することによって、前記第１スキャナーを較正するステップをさらに含むことを特徴とする請求項７に記載の測定方法。
【請求項９】
探針と、前記探針の位置を直線上で変化させる第１スキャナーと、サンプルの位置を平面上で変化させる第２スキャナーと、を備えた走査探針顕微鏡を利用した測定方法であって、
前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の直線の両端でのサンプル表面の３次元座標を測定して、前記二つの３次元座標を連結する第１直線を得るステップと、
サンプルを、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内で１８０°回転させた後、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の前記直線の両端でのサンプル表面の３次元座標を測定して、その二つの３次元座標を連結する第２直線を得るステップと、
前記第１直線及び前記第２直線の平均直線を求めて、前記第１直線及び前記第２直線のうち何れか一本の直線と前記平均直線との差によって、前記第２スキャナーまたは前記第１スキャナーの位置を調整するステップと、を含むことを特徴とする測定方法。
【請求項１０】
既知の段差を有するサンプルを利用して、前記既知の段差を有するサンプルの段差の測定時に得られる前記第１スキャナーからの電気的信号が、前記既知の段差に該当するという情報を前記走査探針顕微鏡に入力することによって、前記第１スキャナーを較正するステップをさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の測定方法。
【請求項１１】
探針と、前記探針の位置を直線上で変化させる第１スキャナーと、サンプルの位置を平面上で変化させる第２スキャナーと、を備えた走査探針顕微鏡を利用した測定方法であって、
前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の直線の両端でのサンプル表面の３次元座標を測定して、前記二つの３次元座標を連結する第１直線を得て、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面への前記第１直線の正射影イメージの長さｌ１を求めるステップと、
サンプルを、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内で１８０°回転させた後、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の前記直線の両端でのサンプル表面の３次元座標を測定して、前記二つの３次元座標を連結する第２直線を得て、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面への前記第２直線の正射影イメージの長さｌ２を求めるステップと、
前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面が、前記第１スキャナーによる探針の位置変化がなされる直線に対して垂直になるように、前記第２スキャナーによるサンプルの位置変化がなされる平面内の前記直線の両端でのサンプル表面の高さの差をｚとするとき、ａｒｃｔａｎ（（ｌ１−ｌ２）／２ｚ）の角度ほど前記第２スキャナーまたは前記第１スキャナーの位置を調整するステップと、を含むことを特徴とする測定方法。
【請求項１２】
既知の段差を有するサンプルを利用して、前記既知の段差を有するサンプルの段差の測定時に得られる前記第１スキャナーからの電気的信号が、前記既知の段差に該当するという情報を前記走査探針顕微鏡に入力することによって、前記第１スキャナーを較正するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図５Ｄ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図５Ｄ】
【公開番号】特開２００７−３２２４１２（Ｐ２００７−３２２４１２Ａ）
【公開日】平成１９年１２月１３日（２００７．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３２１００７（Ｐ２００６−３２１００７）
【出願日】平成１８年１１月２９日（２００６．１１．２９）
【出願人】（５０６３９６９７３）ピーエスアイエー株式会社 (1)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１２月１３日（２００７．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１１月２９日（２００６．１１．２９）
【出願人】（５０６３９６９７３）ピーエスアイエー株式会社 (1)
【Ｆターム（参考）】
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