JP5156380B2 - 走査型プローブ顕微鏡及びその探針相対位置測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）に関し、特に複数のプローブ（探針）を備えたいわゆる走査型マルチプローブ顕微鏡（ＭＰＳＰＭ）の探針間の相対位置測定及び相対位置制御に関するものである。

この種の走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）には、例えば特許文献１に示すように、トンネル電流を検出して試料の表面形状などを測定する走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）がある。このような顕微鏡を用いることにより測定試料の原子レベルの観測が可能となっている。

また、近時では複数の探針を有する走査型トンネル顕微鏡が用いられるようになっている。この顕微鏡を用いることにより、試料の表面形状の観測だけでなく、測定試料の特性、例えば電気抵抗等を計測することが可能となっている。

そして、電気抵抗等の計測の前段階において、各探針を測定試料の位置へ移動させる必要があるが、従来は光学顕微鏡又は電子顕微鏡を用いて行うようにしている。

しかしながら、光学顕微鏡又は電子顕微鏡では、原子レベルの十分な分解能を得ることができず、探針の絶対位置及び探針間の相互の位置関係（特に探針の先端部分の位置関係）の認識が不十分である。そのため、探針位置を調節するときに、各探針同士が衝突してしまい、探針が損傷してしまうという問題がある。さらに、電気抵抗などを計測するときに、各探針間の位置調節が正確ではないので、計測結果も高精度とは言えないという問題もある。
特開２０００−１３６９９４号公報

そこで本発明は、上記問題点を一挙に解決するためになされたものであり、複数の探針間の相対位置を正確かつ安全に認識できることをその主たる所期課題とするものである。

すなわち本発明に係る走査型プローブ顕微鏡は、試料に対向して設けられ、当該試料の表面に平行なＸＹ方向及び垂直なＺ方向に移動可能である複数の探針と、前記試料が載置され、少なくともＸＹ方向に移動可能であるステージと、前記各探針及び／又は前記ステージをＸＹ方向に移動したときに、前記試料の表面と探針との相互作用によるＺ方向に依存する物理量を検出する検出部と、前記検出部からの検出信号を受け付けて、前記試料の表面画像を生成する画像生成部と、前記各探針間のＸＹ方向の相対位置を固定しつつ、前記ステージをＸＹ方向に移動させたときに、前記画像生成部により得られた各探針に基づく表面画像を取得し、それら各表面画像を照合して、前記各探針間の相対位置を算出する相対位置算出部と、を備えていることを特徴とする。

このようなものであれば、各探針間のＸＹ方向の相対位置を変化させないので各探針が衝突する心配を全く無くすことができる。また、各探針間のＸＹ方向の相対位置を変化させずに得た表面画像を用いて探針間の相対位置を算出しているので、複数の探針間の相対位置を正確かつ安全に認識することができる。さらに、実際の試料を用いて各探針間の相対位置を算出しているので、探針を測定試料へ正確に移動させることができ、試料の物理的、化学的又は機械的特性を正確に測定することができるようになる。

具体的な相対位置の算出方法としては、前記相対位置算出部が、前記各表面画像における共通部分を抽出し、その抽出した共通部分が一致するように各表面画像を重ね合わせることにより、前記各探針間の相対位置を算出するものであることが考えられる。

また、本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の探針の相対位置測定方法は、試料に対向して設けられ、当該試料の表面に平行なＸＹ方向及び垂直なＺ方向に移動可能である複数の探針と、前記試料が載置され、少なくともＸＹ方向に移動可能であるステージと、前記各探針及び／又は前記ステージをＸＹ方向に移動したときに、前記試料の表面と探針との相互作用によるＺ方向に依存する物理量を検出する検出部と、前記検出部からの検出信号を受け付けて、前記試料の表面画像を生成する画像生成部と、を備えた走査型プローブ顕微鏡の探針の相対位置測定方法であって、前記各探針間のＸＹ方向の相対位置を固定しつつ、前記ステージをＸＹ方向に移動させたときに、前記画像生成部により得られた各探針に基づく表面画像を取得し、それら各画像を照合して、前記各探針間の相対位置を算出することを特徴とする。

このように構成した本発明によれば、各探針間のＸＹ方向の相対位置を変化させないので各探針が衝突する心配を全く無くすことができる。また、各探針間のＸＹ方向の相対位置を変化させずに得た表面画像を用いて探針間の相対位置を算出しているので、複数の探針間の相対位置を正確かつ安全に認識することができる。さらに、実際の試料を用いて各探針間の相対位置を算出しているので、探針を測定試料へ正確に移動させることができ、試料の物理的、化学的又は機械的特性を正確に測定することができるようになる。

本発明の一実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の模式的構成図である。 同実施形態における情報処理装置の機器構成図である。 同実施形態における情報処理装置の機能構成図である。 各探針のＳＴＭ像を示す図である。 パターンマッチング判定により決定した各ＳＴＭ像及び各探針の相対位置を示す図である。 同実施形態における相対位置算出手順を含む計測手順を示すフローチャートである。

以下に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）１は、検出対象である物理量がトンネル電流である走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）であり、大気中に設置されて用いられるものである。その構成は、図１に示すように、試料Ｗに対向して設けられ、当該試料Ｗの表面に平行なＸＹ方向及び垂直なＺ方向に移動可能である複数の探針２１、２２、２３、２４と、試料Ｗが載置され、ＸＹ方向に移動可能であるステージ３と、前記探針２１、２２、２３、２４を試料Ｗの表面に平行なＸＹ方向及び垂直なＺ方向に移動させる探針移動機構４と、前記ステージ３をＸＹ方向に移動させるステージ移動機構５と、前記探針２１、２２、２３、２４の流れるトンネル電流を検出する電流検出部６と、電流検出部６からの電流信号を受け付けて、その電流信号に基づいて前記各移動機構４、５を制御するとともに試料Ｗの表面画像であるＳＴＭ像を生成等する情報処理装置７とを備えている。なお、本実施形態では、バイアス制御部（図示しない）により、各探針２１、２２、２３、２４に印加される電圧は、試料Ｗに対して−２．０［Ｖ］となるようにしている。また、本実施形態における試料Ｗはシリコン（Ｓｉ）上に被膜された白金（Ｐｔ）膜である。

以下各部について説明する。

探針２１、２２、２３、２４は、タングステン（Ｗ）又は白金イリジウム（Ｐｔ−Ｉｒ）等から形成されている。

探針移動機構４は、探針２１、２２、２３、２４を保持するとともに、当該探針２１、２２、２３、２４をＸＹＺ方向に移動させるものである。具体的には、ＸＹ方向制御部７１により制御されて探針２１、２２、２３、２４をＸＹ方向に走査させるとともに、Ｚ方向制御部７２によりフィードバック制御されて探針２１、２２、２３、２４をＺ方向に移動させるものである。その構成はピエゾ微動素子を用いたものであり、ＸＹ方向制御部７１及びＺ方向制御部７２により印加される電圧値が制御されることにより探針２１、２２、２３、２４を移動させる。

ステージ移動機構５は、後述するステージ位置制御部７４により制御されるものであり、ステージ３をＸＹ方向及びＺ方向に移動させるものである。その構成はピエゾ微動素子を用いたものであり、ステージ位置制御部７４により印加される電圧が制御されることによりステージ３を移動させる。

電流検出部６は、探針２１、２２、２３、２４又はステージ３をＸＹ方向に移動したときに、試料Ｗの表面と各探針２１、２２、２３、２４との相互作用によるＺ方向に依存した物理量であるトンネル電流を検出して、その検出信号をＺ方向制御部７２に出力するものである。

情報処理装置７は、図２に示すように、ＣＰＵ７０１の他に、メモリ７０２、入出力チャンネル７０３、キーボード等の入力手段７０４、ディスプレイ７０５等を備えた汎用乃至専用のものであり、入出力チャンネル７０３にはＡ／Ｄコンバータ７０６、Ｄ／Ａコンバータ７０７、増幅器（図示しない）などのアナログ−デジタル変換回路が接続されている。

そして、ＣＰＵ７０１及びその周辺機器が、前記メモリ７０２の所定領域に格納されたプログラムに従って協働動作することにより、この情報処理装置７は、図３に示すように、ＸＹ方向制御部７１、Ｚ方向制御部７２、画像生成部７３等として機能する。なお、この情報処理装置７は、物理的に一体である必要はなく、有線又は無線により複数の機器に分割されていても構わない。

各機能部７１〜７３について説明する。

ＸＹ方向制御部７１は、各探針２１、２２、２３、２４をＸＹ方向に走査するように探針移動機構４を制御するものである。具体的には探針移動機構４を構成するＸ方向及びＹ方向のピエゾ微動素子に印加する電圧値を調整するものである。また、各探針２１、２２、２３、２４のＸＹ方向の位置データ（例えば初期位置からの変位）を画像生成部７３に出力するものである。

Ｚ方向制御部７２は、電流検出部６からの検出信号を受け付けて、その検出信号に基づいて、試料Ｗの表面と探針２１、２２、２３、２４との間のトンネル電流が一定（例えばＩ_ｒｅｆ＝３００［ｐＡ］）となるように、探針２１、２２、２３、２４のＺ方向の高さをフィードバック制御するものである。具体的には探針移動機構４を構成するＺ方向のピエゾ微動素子に印加する電圧値を調整するものである。また、各探針２１、２２、２３、２４のＺ方向の位置データ（例えば初期位置からの変位）を画像生成部７３に出力するものである。

画像生成部７３は、ＸＹ制御部からＸＹ方向の位置データ、Ｚ方向制御からＺ方向の位置データを取得して、試料Ｗの表面画像であるＳＴＭ像を生成するものである。そして、その画像データをディスプレイ７０５に出力及び／又は後述する相対位置算出部７５に出力するものである。

そして、本実施形態における情報処理装置７は、ステージ位置制御部７４及び相対位置算出部７５をさらに備えている。

ステージ位置制御部７４は、ステージ移動機構５を制御するものであり、具体的には、ステージ移動機構５を構成するピエゾ微動素子に印加する電圧値を制御するものである。

本実施形態では、物理的特性等の計測の前段階において、初期位置（ステージ３を動かす前の位置）からＸＹ方向に所定範囲内でラスタースキャン方式で走査する。例えば走査領域が５０００ｎｍ×５０００ｎｍとなるようにステージ移動機構５を制御する。より具体的には、例えばステージ３を初期位置からＸ方向に−２５００ｎｍ〜２５００ｎｍの範囲及びＹ方向に−２５００ｎｍ〜２５００ｎｍの範囲内で走査するようにステージ移動機構５を制御する。そして、所定範囲の走査が終了したら、ステージ３を初期位置に戻すように制御する。これにより、生成された各ＳＴＭ像の中心に各探針２１、２２、２３、２４の先端部分が位置していることになる。

相対位置算出部７５は、各探針２１、２２、２３、２４間のＸＹ方向の相対位置を変化させずにステージ３をＸＹ方向に移動させたときに、画像生成部７３により得られた各探針２１、２２、２３、２４に基づくＳＴＭ像を取得し、それら各画像を照合して、各探針２１、２２、２３、２４間の相対位置を算出するものである。

具体的に相対位置算出部７５は、物理的特性等の計測の前段階において、ステージ３を各探針２１、２２、２３、２４に対して走査させることにより得られた、各探針２１、２２、２３、２４のＳＴＭ像を画像生成部７３から取得し、その４つのＳＴＭ像をパターンマッチング判定にかける。

パターンマッチング判定の目的は、それぞれのＳＴＭ像中に共通して現れる部分を認識してその部分が重なるように４枚のＳＴＭ像を重ね合わせる。

より詳細には、図４に示すように、各ＳＴＭ像中に共通して現れる特徴的な共通部分Ａ、Ｂ、Ｃの輪郭を例えばエッジ検出により抽出する。そして図５に示すように、各表面画像のＡ、Ｂ、Ｃが一致するように各ＳＴＭ像を重ね合わせる。各ＳＴＭ像の中心部分には各探針２１、２２、２３、２４が位置しているので、これにより各探針２１、２２、２３、２４の相対距離を認識することができる。なお、図５において、各ＳＴＭ像を重ね合わせることにより、探針２２と探針２４との相対距離が、〜４３０［ｎｍ］であることがわかる。

次に、本実施形態における走査型プローブ顕微鏡を用いた物理的特性等の計測までの手順を図６のフローチャートを参照して説明する。

まずオペレータが試料Ｗをステージ３上に設置する（ステップＳ１）。

そして、オペレータは図示しない光学顕微鏡で視認しながら図示しない粗動機構を用いて、ミリメートルからマイクロメートルスケールの範囲で各探針２１、２２、２３、２４をそれぞれ位置調節して、各探針２１、２２、２３、２４同士をＸＹ方向に近づける。同時に図示しない粗動機構を用いてＺ方向に各探針２１、２２、２３、２４をそれぞれ位置調節して、その先端部分を試料Ｗ表面に近づける（ステップＳ２）。

次に、オペレータがキーボード等の入力手段７０４により情報処理装置７に入力信号を入力することにより、ＸＹ方向制御部７１が各探針２１、２２、２３、２４のＸＹ方向の位置を変化させずに、ステージ位置制御部７４がステージ３を移動させることにより試料Ｗが走査され（ステップＳ３）、画像生成部７３が４探針２１、２２、２３、２４同時にＳＴＭ像を生成する（ステップＳ４）。

そして、相対位置算出部７５が画像生成部７３から前記ＳＴＭ像を示す画像データを取得する（ステップＳ５）。そして、相対位置算出部７５はそれらのＳＴＭ像を照合して共通する部分を見つけ、その共通部分が一致するように各ＳＴＭ像を重ね合わせて（ステップＳ６）、各探針２１、２２、２３、２４間の相対位置を算出する（ステップＳ７）。

その後、オペレータが入力した測定目的に応じて、ＸＹ方向制御部７１が、試料Ｗの所定位置に各探針２１、２２、２３、２４を移動させる（ステップＳ８）。このとき、各探針２１、２２、２３、２４の相対位置を保ちながら、１つずつ所定位置に移動させても良いし、各探針２１、２２、２３、２４の相対位置を保つことなくそれぞれ独立して所定位置に移動させても良い。

そして、上記のステップの後、物理的、化学的又は機械的特性等の計測を開始する（ステップＳ９）。

このように構成した本実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡１によれば、各探針間のＸＹ方向の相対位置を変化させないので各探針が衝突する心配を全く無くすことができる。また、各探針間のＸＹ方向の相対位置を変化させずに得た表面画像を用いて探針間の相対位置を算出しているので、複数の探針間の相対位置を正確かつ安全に認識することができる。さらに、実際の試料を用いて各探針間の相対位置を算出しているので、探針を測定試料へ正確に移動させることができ、試料の物理的、化学的又は機械的特性を正確に測定することができるようになる。

また、相対位置を算出するためのＳＴＭ像を４探針２１、２２、２３、２４をＸＹ方向に変化させずに、試料ＷをＸＹ方向に移動することにより得ているので、各探針２１、２２、２３、２４を独立してＸＹ方向に動かすことによる他の探針２１、２２、２３、２４との衝突を防ぐことができ、探針２１、２２、２３、２４の損傷を防ぐことができる。

さらに、各探針２１、２２、２３、２４間のＸＹ方向の相対位置を変化させずに得た原子レベルの分解能を有するＳＴＭ像を用いて、探針２１、２２、２３、２４間の相対位置を算出しているので、複数の探針２１、２２、２３、２４間の相対位置を正確かつ安全に認識することができる。

その上、位置補正も４つの探針２１、２２、２３、２４毎に行うのではなく、１つのステージ３のみについて行えば良いのでＳＴＭ像の精度を高めることができる。

加えて、実際の試料Ｗを用いて各探針２１、２２、２３、２４間の相対位置を算出しているので、正確に探針２１、２２、２３、２４を移動させることができ、試料Ｗの物理的又は化学的特性を正確に測定することができるようになる。特に、探針２１、２２、２３、２４の正確な位置調節が要求されるカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、ナノワイヤ又は単分子膜等の物理的特性等の計測に好適に用いることができる。また、大気中に設置して用いるものであるので真空装置等が必要なく装置の小型化などを実現することができる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば前記各実施形態における走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は、検出対象となる物理量がトンネル電流である走査型トンネル電流顕微鏡（ＳＴＭ）であったが、その他にも、原子間力を検出する原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、近接場光を検出する近接場光学顕微鏡（ＮＳＯＭ）、磁力を検出する磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）、摩擦力を検出する摩擦力顕微鏡（ＦＦＭ）、超音波を検出する走査型近接場超音波顕微鏡（ＳＮＡＭ）、イオン伝導を検出する走査型イオン顕微鏡（ＳＩＣＭ）等であっても良い。

また、前記実施形態では、探針が４つであったが、２又は３つであっても良いし、５以上であっても良い。

さらに前記実施形態では、走査型トンネル顕微鏡を大気中に設置して用いるものであったが、その他にも真空中に設置して用いるものであってもよい。

その他、前述した実施形態や変形実施形態の一部又は全部を適宜組み合わせてよいし、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

このように構成した本発明によれば、各探針間のＸＹ方向の相対位置を変化させないので各探針が衝突する心配を全く無くすことができる。また、各探針間のＸＹ方向の相対位置を変化させずに得た表面画像を用いて探針間の相対位置を算出しているので、複数の探針間の相対位置を正確かつ安全に認識することができる。さらに、実際の試料を用いて各探針間の相対位置を算出しているので、探針を測定試料へ正確に移動させることができ、試料の物理的、化学的又は機械的特性を正確に測定することができるようになる。

Claims (3)

1. 試料に対向して設けられ、当該試料の表面に平行なＸＹ方向及び垂直なＺ方向に移動可能である複数の探針と、
   前記試料が載置され、少なくともＸＹ方向に移動可能であるステージと、
   前記各探針及び／又は前記ステージをＸＹ方向に移動したときに、前記試料の表面と探針との相互作用によるＺ方向に依存する物理量を検出する検出部と、
   前記検出部からの検出信号を受け付けて、前記試料の表面画像を生成する画像生成部と、
   前記各探針間のＸＹ方向の相対位置を固定しつつ、前記ステージをＸＹ方向に移動させたときに、前記画像生成部により得られた各探針に基づく表面画像を取得し、それら各表面画像を照合して、前記各探針間の相対位置を算出する相対位置算出部と、を備えている走査型プローブ顕微鏡。
2. 前記相対位置算出部が、前記各表面画像における共通部分を抽出し、その抽出した共通部分が一致するように各表面画像を重ね合わせることにより、前記各探針間の相対位置を算出するものである請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡。
3. 試料に対向して設けられ、当該試料の表面に平行なＸＹ方向及び垂直なＺ方向に移動可能である複数の探針と、前記試料が載置され、少なくともＸＹ方向に移動可能であるステージと、前記各探針及び／又は前記ステージをＸＹ方向に移動したときに、前記試料の表面と探針との相互作用によるＺ方向に依存する物理量を検出する検出部と、前記検出部からの検出信号を受け付けて、前記試料の表面画像を生成する画像生成部と、を備えた走査型プローブ顕微鏡の探針相対位置測定方法であって、
   前記各探針間のＸＹ方向の相対位置を固定しつつ、前記ステージをＸＹ方向に移動させたときに、前記画像生成部により得られた各探針に基づく表面画像を取得し、それら各画像を照合して、前記各探針間の相対位置を算出することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の探針相対位置測定方法。

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