特表 2024-526642 リアルタイムドリフト補正を用いたＡＦＭイメージング

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-07-19

(54)【発明の名称】リアルタイムドリフト補正を用いたＡＦＭイメージング

(51)【国際特許分類】

   G01Q 60/34 20100101AFI20240711BHJP

【ＦＩ】

G01Q60/34

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024500223

(86)(22)【出願日】2022-06-22

(85)【翻訳文提出日】2024-02-28

(86)【国際出願番号】 US2022034483

(87)【国際公開番号】W WO2023283048

(87)【国際公開日】2023-01-12

(31)【優先権主張番号】17/370,624

(32)【優先日】2021-07-08

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】512038610

【氏名又は名称】ブルカー ナノ インコーポレイテッド

【氏名又は名称原語表記】ＢＲＵＫＥＲ ＮＡＮＯ，ＩＮＣ．

(74)【代理人】

【識別番号】100105957

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100068755

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 博宣

(74)【代理人】

【識別番号】100142907

【弁理士】

【氏名又は名称】本田 淳

(72)【発明者】

【氏名】フォノベロフ、ウラジミール

(72)【発明者】

【氏名】オズボーン、ジェイソン

(72)【発明者】

【氏名】ハンド、ショーン

(57)【要約】

関心領域の基準画像（平面）を生成するためにデータ走査の低速走査方向に原子間力顕微鏡のプローブとサンプルとの間の相対的な走査運動を提供することを含む原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）作動システム及び方法を提供する。その後、最終データ走査の高速走査方向にプローブとサンプルとの間の相対的な走査運動を提供してデータ画像を生成する。供給するステップ中に、リアルタイムで基準画像に対してデータ画像をマッピングすることで、この香椎実施形態は、取得画像の後処理を行わずに最終ドリフト補正されたデータ画像を生成する。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の方法であって、
前記方法は、
サンプルの関心領域でデータ走査の走査方向に直交する方向に前記ＡＦＭのプローブと前記サンプルとの間の相対的な走査運動を提供するステップと、
前記提供するステップ中に、前記サンプルの表面の特性を示すプローブ偏向を検出するステップと、
前記検出するステップに基づいて基準画像を生成するステップと、
前記関心領域で前記データ走査を行うために、前記プローブと前記サンプルとの間の相対的な走査運動を生じさせるステップと、
前記走査運動を生じさせるステップ中に、前記特性を示すプローブ偏向を測定するステップ、及び前記測定するステップに基づいてデータ画像を生成するステップと、
前記サンプルの画像と前記基準画像に基づいてリアルタイムで最終画像を生成するステップと、
を含む、方法。

【請求項2】

前記提供するステップは高速走査である、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記直交する方向は、前記データ走査の低速走査軸である、請求項１に記載の方法。

【請求項4】

前記基準画像は基準平面である、請求項１に記載の方法。

【請求項5】

前記最終画像を生成するステップは、前記サンプルの画像と前記基準画像を加えるステップを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項6】

前記走査運動はラスタ走査である、請求項１に記載の方法。

【請求項7】

前記検出するステップ及び前記測定するステップは、
ＡＦＭ動作のモードで実行され、
前記モードは、ピークフォースタッピング（ＰＦＴ）モード、接触モード、及びタッピングモードのいずれか１つである、請求項１に記載の方法。

【請求項8】

前記特性は前記表面のトポグラフィである、請求項１に記載の方法。

【請求項9】

ａ）前記方法の走査パラメータを調整するステップ、又は
ｂ）前記供給するステップ中に前記関心領域を調整するステップ
のうちの少なくとも一方をさらに含み、
全ての前記ステップを繰り返す、請求項１に記載の方法。

【請求項10】

原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）であって、
前記ＡＦＭのプローブとサンプルとの間の相対的な走査運動を提供するスキャナと、
ＡＦＭ動作中にプローブとサンプルの相互作用に応じて前記プローブの偏向を測定する検出器と、
前記偏向に基づいて制御信号を生成するコントローラと、
コンピュータと、
を含み、
前記偏向は、サンプル特性を示して画像として格納され、
前記コンピュータは、前記走査運動がデータ走査の低速走査軸に沿って行われるときに前記偏向に基づいて基準画像を生成した後、前記走査運動が前記画像の走査の高速走査軸に沿って行われるとき、前記偏向に基づいてデータ画像を生成し、ｃ）最終データ画像を生成するために、前記データ画像の生成中にリアルタイムで前記データ画像を前記基準画像に対してマッピングする、原子間力顕微鏡。

【請求項11】

前記基準画像を生成するための前記走査運動は、データ走査の走査方向と直交する方向である、請求項１０に記載の原子間力顕微鏡。

【請求項12】

前記直交する方向は、前記データ走査の低速走査軸である、請求項１０に記載の原子間力顕微鏡。

【請求項13】

前記コントローラは、接触モード、非接触モード、タッピングモード、ピークフォースタッピングモードのいずれか１つで制御信号を生成する、請求項１０に記載の原子間力顕微鏡。

【請求項14】

前記コントローラは、
ａ）前記ＡＦＭの走査パラメータと、
ｂ）前記データ画像のマッピング中における関心領域と、
のうち少なくとも一方を調整する、請求項１０に記載の原子間力顕微鏡。

【請求項15】

原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の方法であって、
前記方法は、
関心領域の基準画像を生成するために、データ走査の低速走査方向に前記ＡＦＭのプローブとサンプルとの間に相対的な走査運動を提供するステップと、
サンプルデータを生成するために、前記プローブと前記サンプルとの間に高速走査方向に相対的な走査運動を供給するステップと、
取得画像の後処理を行わずに最終ドリフト補正データ画像を生成するために前記供給するステップで、リアルタイムに前記基準画像に対して前記サンプルデータをプロッティングするステップと、
を含む、方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

好ましい実施形態は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ；Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）に関し、特に、ＡＦＭデータの収集におけるドリフト（ｄｒｉｆｔ）を補償するためのリアルタイム方法に関する。

【背景技術】

【0002】

原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）などの走査型プローブ顕微鏡は、チップを備えたプローブを使用して、適切な力でチップをサンプルの表面と相互作用させて表面を原子単位まで特性化する装置である。一般に、プローブは、サンプルの表面に挿入され、チップとサンプルとの間に相対的な走査移動を提供することで、サンプルの特定領域に対して表面特性データが取得され、サンプルの対応するマップを生成することができる。

【0003】

典型的なＡＦＭシステムは、図１に概略的に示されている。ＡＦＭ１０は、カンチレバー１５を有するプローブ１４を含むプローブ１２を使用する。スキャナ２４は、プローブとサンプルの相互作用を測定しながらプローブ１４とサンプル２２との間で相対運動を生成する。このようにして、サンプルの画像又は他の測定値を取得することができる。スキャナ２４は、通常３つの直交方向（ＸＹＺ）で動きを生成する１つ以上のアクチュエータから構成される。多くの場合、スキャナ２４は、例えば、ピエゾ（ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ）チューブアクチュエータのように３軸の全てにおいて、サンプル又はプローブを移動させる１つ以上のアクチュエータを含む単一の一体型ユニットである。あるいは、スキャナは、複数の分離したアクチュエータのアセンブリであってもよい。一部のＡＦＭは、例えば、サンプルを移動するＸＹスキャナ及びプローブを移動する分離されたＺアクチュエータなど、スキャナを複数の構成要素に分離する。従って、装置は、例えば、Ｈａｎｓｍａらの特許文献１、Ｅｌｉｎｇｓら特許文献２、及びＥｌｉｎｇｓらの特許文献３で説明されているように、サンプルのトポグラフィ又は一部の他の表面特性を測定する間にプローブとサンプルとの間の相対的な動きを生成することができる。

【0004】

一般的な構成において、プローブ１４は、振動（ｏｓｃｉｌａｔｉｎｇ）アクチュエータ又はカンチレバー１５の共振周波数、又は、その近くでプローブ１４を駆動するために使用されるドライブ１６に結合される場合が多い。代替構成は、カンチレバー１５のたわみ、ねじれ、又は、他の動きを測定する。プローブ１４は、チップ１７が統合されている微細加工されたカンチレバーである場合が多い。

【0005】

一般に、アクチュエータ１６（又は、代替的にスキャナ２４）がプローブ１４を振動させるために、ＳＰＭコントローラ２０の制御下で信号ソース１８から電子信号が印加される。プローブとサンプルの相互作用は、通常、コントローラ２０によるフィードバックにより制御される。特に、アクチュエータ１６は、スキャナ２４及びプローブ１４に結合されてもよいが、自己駆動されたカンチレバー／プローブの一部として、プローブ１４のカンチレバー１５と一体に形成されてもよい。

【0006】

上述のように、選択されたプローブ１４は、プローブ１４の振動の１つ以上の特性変化を検出することによりサンプル特性がモニタリングされるため、サンプル２２に接触して振動することが多い。これに関連して、偏向検出装置２５は、典型的にビームをプローブ１４の後側に向かうように利用され、ビームは検出器２６に向かって反射される。ビームが検出器２６を横切って移動することにより、ブロック２８で適切な信号が処理され、例えば、ＲＭＳ偏向を決定し、これをコントローラ２０に送信し、コントローラ２０はこれらの信号を処理してプローブ１４の振動変化を決定する。一般に、コントローラ２０は、プローブ１４振動の設定点（ｓｅｔｐｏｉｎｔ）の特性を保持するために、チップとサンプルとの間の相対的に一定の相互作用（又は、レバー１５の偏向）を保持するために制御信号を生成する。より具体的には、コントローラ２０は、設定点とチップ－サンプルの相互作用によるプローブの偏向に対応する信号を回路３０と比較して取得された誤差信号を調整するＰＩゲインコントロール（ＰＩ Ｇａｉｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ）ブロック３２及び高電圧増幅器（ＨｉｇｈＶｏｌｔａｇｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）３４を含み得る。例えば、コントローラ２０は、チップとサンプルとの間の一般的に一定の力を確保するために、設定点値Ａ_Ｓで振動振幅を保持するために使用されることが多い。代替的に、設定点の位相又は周波数が使用されてもよい。

【0007】

ワークステーション４０はまた、コントローラ２０内、及び／又は分離されたコントローラ、連結されたシステム、若しくは独立型（ｓｔａｎｄ－ａｌｏｎｅ）コントローラ内に提供され、コントローラから得られたデータを受信して、点選択、曲線適合、及び距離決定動作を行うために走査中に取得されたデータを操作する。

【0008】

ＡＦＭは、接触モード、非接触モード、及び振動モードなどの様々なモードで動作するように設計されてもよい。動作は、表面を横切って走査されるときプローブ組立体のカンチレバーの偏向に応じて、サンプル又はプローブ組立体をサンプルの表面に対して垂直に上下移動させることで達成される。走査は、通常、サンプルの表面に少なくとも平行な「ｘ－ｙ」平面で発生し、垂直運動はｘ－ｙ平面に垂直な「ｚ」方向で発生する。多くのサンプルは、平面から外れた粗さ（ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ）、曲率（ｃｕｒｖａｔｕｒｅ）、及び傾き（ｔｉｌｔ）を有するため、「一般的に平行（ｇｅｎｅｒａｌｌｙ ｐａｒａｌｌｅｌ）」という用語が使用されていることに留意されたい。このように、この垂直移動に関連するデータを格納し、例えば、表面トポグラフィの測定されたサンプル特性に対応するサンプル表面の画像を構成するために使用されてもよい。ＴａｐｐｉｎｇＭｏｄｅ（登録商標）（ＴａｐｐｉｎｇＭｏｄｅ（登録商標）は、本出願人の商標）として知られたＡＦＭ動作の１つのモードでは、チップは、プローブに関連するカンチレバーの共振周波数又はその付近で振動する。フィードバックループは「トラッキングフォース（ｔｒａｃｋｉｎｇ ｆｏｒｃｅ）」、即ち、チップ／サンプルの相互作用により生じる力を最小化し、その振動の振幅を一定に保持するように試みる。

【0009】

代替的なフィードバック装置は、位相又は振動周波数を一定に保持する。接触モードと同様に、これらのフィードバック信号は収集、格納され、サンプルを特性化するデータとして使用される。「ＳＰＭ」及び特定タイプのＳＰＭに対する略語は、ここで顕微鏡装置又は関連技術、例えば「原子間力顕微鏡」を参照するために使用され得ることに留意されたい。本明細書に明示的に組み込まれる特許文献４、特許文献５、及び特許文献６で議論された、ピークフォースタッピングモード（Ｐｅａｋ Ｆｏｒｃｅ Ｔａｐｐｉｎｇ（登録商標）（ＰＦＴ）Ｍｏｄｅ）と呼ばれるユビキタスタッピングモード（ＴａｐｐｉｎｇＭｏｄｅ（登録商標））を改善したもので、フィードバックは、各振動周期で測定された力（一時的プローブ－サンプルの相互作用力と呼ばれる）を基盤とする。

【0010】

ＡＦＭは、動作モードに関係なく、ピエゾスキャナ、光レバー偏向検出器、及びフォトリソグラフィ技術を用いて製造された極めて小さいカンチレバーを使用することにより、空気、液体、又は真空の様々な絶縁及び伝導性表面の原子レベルまで分解能を得ることができる。ＡＦＭは、分解能及び汎用性のために、半導体製造から生物学的研究に至るまで様々な分野において重要な測定装置である。

【0011】

これに関連して、ＡＦＭは、半導体製造のような高精密製造工程を含む自動化された応用分野で使用され得る。ＡＦＭは、ナノスケールの表面特徴（例えば、トポグラフィ）に対する高分解能測定を提供できるため、ＡＦＭは、半導体空間に有効であることが証明されている。しかし、従来、ＡＦＭデータは、ほとんどのＡＦＭにとって本質的な問題となるドリフト（ｄｒｉｆｔ）及びクリープ（ｃｒｅｅｐ）など、システム内の機械的摂動によって妨げられてきた。ドリフトは、任意のタイプのＳＰＭ又は実際には任意の顕微鏡で発生するアーチファクト（ａｒｔｉｆａｃｔ）であるが、ＡＦＭなどの高分解能機器ではより深刻である。一般に、サンプル（又は、プローブ）がある方向にゆっくりと移動するため、これが「ドリフト」として知られている。これは、通常、低速走査方向を変更するとき変更される画像の「歪み（ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ）」として認識され得る。この効果は、ユーザが走査範囲内の新しい関心領域（ｒｅｇｉｏｎ ｏｆ ｉｎｔｅｒｅｓｔ）に移動した場合に、特に顕著になり得る。ピエゾクリープ（Ｐｉｅｚｏ ｃｒｅｅｐ）は、ピエゾスキャナに設定された電圧を印加した後、特定位置に移動するためにこれを保持しようとするときに発生する。ピエゾは、一定期間同じ方向に動き続ける傾向がある。基本的に、特に新しい画像走査が開始されるときに特徴の伸縮又は圧縮が行われることを意味する。ピエゾクリープは、ＡＦＭ画像走査中に時間の経過とともに沈静化することがあるが、依然として問題が残っている。

【0012】

より具体的には、本件に関してＡＦＭを使用して垂直計測測定を行おうとするときに直面する問題は、走査運動（ｓｃａｎｎｉｎｇ ｍｏｔｉｏｎ）の不完全性、又は走査中のプローブの「ｚ」運動を検出することにより発生する。例えば、前述したように、ＡＦＭスキャナは、通常、ピエゾチューブを使用して垂直（Ｚ）運動だけでなく横方向（ＸＹ）の走査運動も提供する。プローブチップが走査動作の効果のために移動することにより、スキャナは「振り子」運動に近似し、プローブチップが走査原点から遠ざかるにつれてサンプルの表面からわずかに持ち上げられる。ＡＦＭは、チップが表面を追跡できるようプローブをサンプル側に向かって拡張するためにアクチュエータに対する電圧を制御し、チップリフトを補償する。このような振り子運動とその結果として生じるフィードバック補償の結果、平面の画像が湾曲、又は「曲がって（ｂｏｗｅｄ）」見える場合がある。このような「曲がり」効果の典型的な大きさは、例えば５０ミクロンの横方向の走査運動に対して垂直オフセットが１０ナノメートル程度である。同様の効果は、ピエゾ又はその他のアクチュエータの欠陥に起因する一部のＺ運動とＸ及びＹの結合によっても生じ得る。このような曲率は、有効な基準表面の正確な決定及び極めて小さい垂直寸法の正確な計測測定を不可能にする。

【0013】

カンチレバーの動きの検出が正確でなければ、走査誤差が発生する可能性がある。スキャナは「経年変化」する可能性があり、即ち、曲がり及びヒステリシス効（ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ）果を含む特性は、時間の経過とともに大きく変わり得る。このような要素は、正確な垂直計測測定を妨げる可能性もある。また、ヒステリシス及び経年変化（スキャナが時間の経過とともに変化する）、サンプルの傾き及びその他の要因を含む様々な要因によって測定の反復性が損なわれる可能性があり、必要な精度レベルでの事前校正（ｐｒｅ－ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ）が困難になる。

【0014】

ＡＦＭスキャナ／機器誤差を除去するために使用される従来技術は、通常、このような誤差だけでなく上述したような検出の特異性を収容することに成功していない。このような従来の技術の１つは、機器誤差を単純な数学関数としてモデル化するものである。例えば、多項式又は他の単純な関数によって定義される理論上の表面に対する走査データの最適な適合を算出することができる。この理論上の表面を走査データから差し引くと、走査誤差の一部が除去される。しかし、ＡＦＭの場合、単純な数学関数では、曲がり、ヒステリシス、検出誤差は、正確に説明できない場合が多い。さらに、適合ステップは、滑らかな表面から外れた特徴、おそらくは測定を要するその特徴によって損なわれる可能性がある。従って、適合（ｆｉｔｔｉｎｇ）及び差し引き（ｓｕｂｔｒａｃｔｉｏｎ）は、１ｎｍ以上の精度を必要とする多くの応用分野に十分な精度の向上につながらない場合が多い。

【0015】

機器誤差を補正するための別のタイプの試みでは、基準差し引きを使用する。この技術では、標準サンプルの基準走査がなされる。基準サンプル候補は、劈開又は研磨されたシリコンウェハーのような平坦な表面を有するものが考えられる。この走査は、その後のサンプルの全てのデータ走査から差し引かれる。Ｙｏｓｈｉｚｕｍｉの特許文献７を参照。この技術は、一般に光学的欠陥を補正するために、干渉計と共に使用される。ただし、ＡＦＭの場合、ヒステリシスによってサンプル全体の傾きに依存するスキャナの特異性が生じ、サンプルごとに大きく異なる可能性がある。従って、これらの誤差は、基準サンプルから新しいサンプルまで、及び走査ごとに変わる。従って、「標準サンプル」は存在せず、標準基準の差し引きを用いて走査誤差を除去することはできない。

【0016】

いくつかの解決方法では、サンプルを９０度回転して２つの画像を生成する。これらの解決方法は、通常、高速走査軸と低速走査軸を定義し、高速走査軸のデータはより短い時間で取得される。そのため、高速走査軸のドリフトは無視される場合が多い。システムは、そのライン内の全てのデータが表面トポグラフィを示していると仮定する。低速走査軸では、表面を横切るＡＦＭラスタのような線対線方向のドリフトは、Ｚの高さ位置の変化がデータの低周波振動に見える現像を誘発するため、無視できない。既知の解決方法では、走査方向が固定され、２つの画像が差し引かれて最適な画像が生成されるか、又は単一画像に結合される（例えば、スキャナの曲がりを除去するため）。しかし、実際には、これらの既知の技術は全て基準を提供しようとするものの、いずれの場合も基準に欠陥があり、ライン間のＺ高さは現実を模倣していない。また、それらは通常、画像取得後の相互相関処理を採用する。その結果、ユーザは、取得したデータの品質を最適化するために、走査中にＡＦＭパラメータを調整することができない。

【0017】

その結果、ＡＦＭ分野において、特にサンプルをＺの高さに対してサンプルに関する摂動の補正を提供することにより、ドリフトのようなシステム内の機械的摂動の影響を最小化又は除去する解決方法が必要であった。データ取得及び表示時間の改善が必要とされ、画像取得後の処理を行わないことが望まれている。さらに、動作中にＡＦＭ走査及び画像取得パラメータを調整できる機能も望まれていた。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0018】

【特許文献1】米国再発行特許発明第３４４８９号明細書

【特許文献2】米国特許第５２６６８０１号明細書

【特許文献3】米国特許第５４１２９８０号明細書

【特許文献4】米国特許第８７３９３０９号明細書

【特許文献5】米国特許第９３２２８４２号明細書

【特許文献6】米国特許第９５８８１３６号明細書

【特許文献7】米国特許第５２８３６３０号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0019】

好ましい実施形態は、画像後処理（ｐｏｓｔ－ｉｍａｇｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）を必要としない自己相関方法（ａｕｔｏｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｈｏｄ）を提供することによって、ＡＦＭイメージングのドリフト効果を解決しようとする現在のＡＦＭシステムの欠点を克服することにある。

【課題を解決するための手段】

【0020】

データ走査中にリアルタイムで、データ走査の低速走査軸（基準平面）で初めて取得した基準画像にデータ画像をマッピングすることにより、ドリフトによる機械的摂動の影響が最小限に抑えられる。リアルタイムで生成される最終画像の観察に基づいて、ユーザがＡＦＭパラメータを柔軟に調整できると同時に、高分解能画像が生成される。リアルタイム処理（Ｒｅａｌ ｔｉｍｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）は、ＡＦＭ画像の取得中に短時間でデータ処理を実行し、ほぼ瞬時の出力を提供する。

【0021】

好ましい実施形態の一態様によれば、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）方法は、サンプルの関心領域でデータ走査の走査方向に直交する方向にＡＦＭのプローブとサンプルとの間の相対的な走査運動を提供するステップを含む。次に、方法は、提供するステップ中にプローブ偏向（ｐｒｏｂｅ ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）を検出し、プローブ偏向はサンプル表面の特性を示し、検出ステップに基づいて基準画像（即ち、平面）を生成する。その後、方法は、関心領域でデータ走査を行うためにプローブとサンプルとの間の相対的な走査運動を供給するステップと、供給するステップ中にプローブ偏向を測定するステップとを含み、プローブの偏向は特性を示す。次に、方法は、測定するステップに基づいてデータ画像を生成し、サンプル画像と基準画像に基づいて最終画像をリアルタイムで生成する。

【0022】

好ましい実施形態のさらなる態様によれば、提供するステップは高速走査であり、直交方向はデータ走査の低速走査軸である。
好ましい実施形態の他の態様では、基準画像は基準平面であり、最終生成するステップは、サンプル画像と基準画像を加えるステップを含む。

【0023】

好ましい実施形態の他の態様によれば、走査運動はラスタ走査であり、方法は、サンプルの関心領域が画像化されるまで全てのステップを繰り返すステップをさらに含む。
好ましい実施形態の他の態様では、検出及び測定ステップはＡＦＭ動作モードで実行され、モードは、ピークフォースタッピング（ＰＦＴ）モード、接触モード（ｃｏｎｔａｃｔ ｍｏｄｅ）、及びタッピングモード（ｔａｐｐｉｎｇ ｍｏｄｅ）のうちの１つである。

【0024】

好ましい実施形態の追加の態様によれば、特性は表面のトポグラフィである。また、方法は、ａ）方法の走査パラメータ、又は、ｂ）供給するステップ中に関心領域のうちの少なくとも１つを調整するステップをさらに含み、次に、全てのステップを繰り返す。

【0025】

他の好ましい実施形態では、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）は、ＡＦＭのプローブとサンプルとの間の相対的な走査運動を提供するスキャナと、ＡＦＭ動作中にプローブとサンプルの相互作用に反応してプローブの偏向を測定する検出器を含み、偏向はサンプル特性を示し、画像として格納される。ＡＦＭは、偏向に基づいて制御信号を生成するコントローラと、走査運動がデータ走査の低速走査軸に沿って行われるとき、偏向に基づいて基準画像を生成するコンピュータをさらに含む。コンピュータは、走査運動が画像走査の高速走査軸に沿って行われるとき、偏向に基づいてデータ画像を生成し、ｃ）最終データ画像を生成するために、データ画像の生成中にリアルタイムでデータ画像を基準画像にマッピングする。

【0026】

好ましい実施形態の他の態様において、走査運動は、データ走査の走査方向に直交する方向に基準画像を生成し、直交方向はデータ走査の低速走査軸である。
好ましい実施形態のさらなる態様によれば、コントローラは、接触モード、非接触モード（ｎｏｎ－ｃｏｎｔａｃｔ ｍｏｄｅ）、タッピングモード、及びピークフォースタッピングモードのうちの１つで制御信号を生成する。また、コントローラは、ａ）ＡＦＭの走査パラメータ、又は、ｂ）データ画像マッピング中に関心領域のうち少なくとも１つを調整する。

【0027】

他の実施形態によれば、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の方法は、ＡＦＭのプローブとサンプルの関心領域にあるサンプルの間の相対的な走査運動を提供するステップを含む。次に、方法は、提供するステップ中にプローブ偏向を検出するステップ含み、検出するステップに基づいて基準画像を生成する。その後、プローブとサンプルとの間の相対的な走査運動は、関心領域に対するデータ走査を行うために提供される。プローブ偏向は、生産するステップで測定され、測定ステップによりプローブとサンプルとの間の間隔が制御される。次に、方法は、生産するステップ中にリアルタイムに、そして制御ステップに基づいて、ａ）方法の走査パラメータ、及びｂ）生産するステップ中に関心領域のうちの少なくとも１つを調整するステップを含み、次に全てを繰り返す。

【0028】

別の実施形態において、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の方法は、関心領域の基準画像を生成するために、データ走査の低速走査方向にＡＦＭのプローブとサンプルとの間に相対的な走査運動を提供するステップと、データ画像を生成するために高速走査方向にプローブとサンプルとの間の走査運動を生産するステップとを含む。次に、この方法は、生産するステップ中に基準画像に対してデータ画像をリアルタイムでプロットし、画像取得後の処理を行わずに最終的なドリフト補正されたデータ画像を生成する。

【0029】

本発明のこれら、並びに他の特徴及び利点は、以下の詳細な説明及び添付の図面から当業者には明白になるであろう。しかしながら、本発明の好ましい実施形態を示す詳細な説明及び具体的な例は、限定するものではなく、例示的な方法として提供されることを理解されたい。本発明の思想を逸脱することなく本発明の範囲内で多くの変更及び修正が行うことができ、本発明はそのような全ての修正を含む。

【0030】

本発明の好ましい実施形態は、添付の図面に示されており、全体を通じて同じ参照符号は類似の部分を示す。

【図面の簡単な説明】

【0031】

【図1】従来技術の原子間力顕微鏡ＡＦＭの概略図である。

【図2A-2C】画像後処理を行わずに、ＡＦＭ画像取得中にドリフトを収容するために好ましい実施形態で使用される走査の一連の概略図である。

【図3】ＡＦＭデータを取得し、ドリフト効果が実質的にないＡＦＭ画像を生成するためのＡＦＭシステムのブロック図である。

【図4】好ましい実施形態のドリフト補正方法を例示するフローチャートである。

【図5】ドリフト補正が適用されていないオリジナルＡＦＭトポグラフィ画像である。

【図6A】図５の画像でドリフトの効果を示すプロットである。

【図6B】図５の画像でドリフトの効果を示すプロットである。

【図7】好ましい実施形態の方法及び装置を用いてドリフト補正を行ったＡＦＭトポグラフィ画像である。

【図8A】図７のデータ画像でドリフト補正の効果を示すプロットである。

【図8B】図７のデータ画像でドリフト補正の効果を示すプロットである。

【発明を実施するための形態】

【0032】

好ましい実施形態は、画像後処理を行わずにＡＦＭシステムでドリフト効果を最小化／除去できる原子間力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ：ＡＦＭ）用のドリフト補正方法（ｄｒｉｆｔ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ）及びシステムに関する。本明細書で説明した方法は、サンプルの関心領域の初期画像が意図的データ走査の高速走査軸に直交する高速走査軸を用いて生成される自己相関を採用する。これは、走査が意図したデータ走査の低速走査軸の方向に高速走査を実行するように走査角度を変更したり、サンプルを９０°回転させることによって実現され得る。この初期画像が意図的データ走査のための基準平面として使用されると、長い時間スケールのＺドリフト誤差が最小限に抑えられる。これは、ユーザ制御の効率性、正確性、及び柔軟性を最大化するためにリアルタイムで実行される。

【0033】

まず、図２Ａ～図２Ｃを参照すると、好ましい実施形態の方法の一連のＡＦＭ走査の簡略図１００が示されている。上から下に向かって、画像化される関心特徴を有する関心領域を有するサンプル１０２が図２Ａに概略的に示されている。ＡＦＭが最終データ走査を行う前に、ラスタ走査線１０４に沿ってＡＦＭデータ取得が実行される基準走査が行われる。この場合、最終データ走査の低速走査軸に沿って高速ＡＦＭイメージングが実行される。言い換えれば、この走査のために、サンプルを９０°回転したりラスタ走査が低速走査軸に沿うように走査角度を変更してもよい。このようにして、データ走査の低速走査軸で高速走査を実行し、基準画像が取得される。

【0034】

次に、図２Ｂにおいて、最終データ走査の高速走査軸の方向にラスタ走査を行うデータ走査を行う。これは関心サンプル／領域の標準的なＡＦＭトポグラフィ画像である。ラスタ走査線１０６は、最終データ走査の高速走査軸に沿っている。この画像は、Ｚ方向のドリフトなどのシステム異常によって損なわれ、関心領域のサンプル表面のトポグラフィ画像にアーチファクトが発生し得る。

【0035】

図２Ｃは、図２Ｂの最終データ走査、即ち、トポグラフィ画像が図２Ａで生成された基準画像にラインごとにマッピングされるとき、好ましい実施形態の自己相関を示す。これらの２つの画像の処理は、ドリフトの影響を受けた低速走査軸のライン１１０がドリフト補正されたトポグラフィを有する画像を生産するために、２つの画像の自己相関で補正される画像を生産する。

【0036】

好ましい実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡機器１５０（例えば、ＡＦＭ）が図３に示されている。このシステムでは、チップ１５４を有するプローブ１５２は、ピエゾチューブスキャナ１５６によって支持されるプローブホルダ（図示せず）によって保持される。スキャナ１５６は、ＡＦＭイメージング中にサンプル１５８に対してチップ１５４を配置するために、閉ループ制御システムのサンプル特性に反応する「Ｚ」又は垂直スキャナである。チューブスキャナ１５６は、ＡＦＭ動作中にサンプル表面に対してプローブチップ１６２をラスタ化するために使用されるＸＹスキャナ１６０、好ましくは、ピエゾチューブに連結される。機械的Ｚステージ１６２は、例えば、ＡＦＭ画像の取得の開始中にチップ１５４とサンプル１５８とを連結するためにチップ１５４とサンプル１５８との間のＺ方向に大きな移動を提供するために使用される。サンプル１５８は、サンプル１５８の関心領域にプローブ１５２を配置するために、概略的なＸＹ運動を主に提供するＸＹステージ１６４に装着される。ＸＹステージコントローラ（ｓｔａｇｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）１６６は、ステージ１６４を制御してその関心領域にプローブ／サンプルを位置させる。しかしながら、ステージ１６４は、選択された走査速度でチップ１５４とサンプル１５８との間の相対的な走査運動（例えば、ラスタ）を提供するように構成され得る。コントローラ１６６はまた、ＡＦＭコントローラ１７４に応じて関心領域にデータ走査を位置させる。コントローラ１６６，１７４は、コンピュータ１８０によって実現される。

【0037】

動作時に、チップ１５４がサンプル１５８と結合された後、前述のように選択されたモードＡＦＭ動作モード（例えば、ＰＦＴモード）でＸＹスキャナ１６０を用いてサンプルの高速走査が開始される。初期「基準平面」走査（図２Ａ）で高速走査は、一般的なデータ走査の低速走査軸にて進行される。この基準走査を行うために、走査角度が修正されたりサンプルが９０°回転する。チップ１５４がサンプル１５８の表面と相互作用することでプローブ１５２が偏向し、この偏向が光学ビームバウンス偏向検出装置（ｏｐｔｉｃａｌ ｂｅａｍ－ｂｏｕｎｃｅ ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｐｐａｒａｔｕｓ）１６８によって測定される。装置１６８は、カンチレバー１５５の後面から偏向信号の高速処理のために、例えば、ＡＦＭコントローラ１７４のＤＳＰ１７６に偏向信号を送信する光検出器１７２に向けてビーム「Ｌ」を照射するレーザ１７０を含む。

【0038】

ＡＦＭコントローラ１７４は、ＡＦＭ作動モードに応じて制御信号を連続的に決定し、サンプル１５８に対してプローブ１５２のＺ位置を保持し、より具体的には、フィードバック設定点でプローブの偏向を保持するためにその信号をピエゾチューブ１５６に送信する。コントローラ１７４は、また、基準画像の生成を実行する。このＡＦＭ制御は、図４に表示された方法に関連して以下でさらに図解及び説明する。

【0039】

図４において、ＡＦＭ画像データのドリフトをリアルタイムで補正する方法２００が示されている。ブロック２０２において、ＡＦＭチップは、関心領域のサンプル表面と係合する。サンプルの初期走査は、ブロック２０４において、実行されてＡＦＭ動作モード（タッピング、ＰＦＴなど）で基準データとして格納される。この走査は、最終ＡＦＭデータ走査の低速走査軸で実行される高速走査［［速度？］］である（図２Ａ参照）。前述したように、走査角度を変更したりサンプルを回転して、走査がその領域の最終データ走査の高速走査軸に対して９０°になるようにすることができる。

【0040】

ドリフト補正方法２００は、ブロック２０６において、第１画像又は基準画像を生成するためにデータを処理するステップを含む。この画像は、トポグラフィデータに対するドリフト効果を補正するために、画像走査データとの自己相関演算で後に使用される「基準平面」を定義し、これについては以下で詳細に説明される。次に、選択されたＡＦＭ制御モードにおいて関心領域のＡＦＭデータ走査がブロック２０８で開始される。このステップで、ラスタ運動は、画像走査の高速走査軸に沿って拡張される（図２Ｂ）。サンプル表面の特性（即ち、トポグラフィ）を測定してそのデータをサンプルデータとして格納する。結果として得られる画像には、高速走査軸データとそれに直交する低速走査軸データが含まれる。

【0041】

ブロック２１０において、方法２００は、最終データ走査の低速走査データを第１画像で生成された最も適合でフィルタリングされた平均基準平面にマッピングし、結果を最終データ画像として格納する。この最終データ画像は、最終データ走査の個別高速軸データラインを生成してキャプチャーする間に、リアルタイムで生成されるドリフト補正マッピング画像（ｄｒｉｆｔ ｃｏｒｒｅｃｔｅｄ ｍａｐｐｅｄ ｉｍａｇｅ）を生成する。次に、ブロック２１２において、プローブとサンプルが分離され、リアルタイムドリフト補正が反映されたＡＦＭ画像を生成する。例示的なデータは、図５、図６Ａ、図６Ｂ（補正されていないＡＦＭ画像）だけでなく、図７、図８Ａ、図８Ｂ（ドリフト補正されたＡＦＭ画像）にも示されている。

【0042】

まず、図５を参照すると、サンプル表面の最終データ走査の高速走査軸に沿ってＡＦＭ走査が実行される従来のＡＦＭ画像３００が示されている。注目すべきは、暗いセクション３０４と明るいセクション３０２とが交互に示されることである。これは一般的なＡＦＭデータ走査中に関心領域を走査するとき低速走査軸のドリフト効果を示す。ラインとラインの明確な対比は、システムの機械的摂動（例えば、垂直又はＺ方向のドリフト）により発生する。以下でさらに明確になるように、長い時間に規模のドリフト誤差は、該当領域の関心特徴（例えば、トポグラフィ）の分解能を大きく損傷させる。

【0043】

図６Ａに示すように、低速軸におけるドリフト効果は、プロット４００でアーチファクトとして現れる（後述する図８Ａの補正画像からのデータと比較するとより顕著である）。この低周波ドリフトアーチファクトを解決して最小化するために前述した方法が使用され、下記にて説明する図７の画像が生成される。垂直カーソル（ｖｅｒｔｉｃａｌ ｃｕｒｓｏｒｓ）の間で強調表示された領域は、サンプルのトポグラフィと関係のないアーチファクトであり、ここで参照した方法を適用すると、アーチファクトが除去されてサンプル表面のトポグラフィがより正確に示される（図８Ａと関連して下記で詳説する）。図６Ｂは、プロット（ｐｌｏｔ）５００の領域５０２でアーチファクトを強調し、低周波の長い時間の規模ドリフトについて説明する。再び、好ましい実施形態（図３）のＺドリフト補正アルゴリズム２００は、初期に基準画像（サンプルを９０°回転させて関心領域の平面を定義する）をキャプチャーする。この基準画像キャプチャーは自動化され、ユーザには表示されない。これは画像ファイルに埋め込まれており、その後、前述のようにドリフトアーチファクトを除去するための自己相関マッピング動作で使用される。これは、図７、図８Ａ及び図８Ｂに示されている。

【0044】

図７は、ドリフト補正された最終ＡＦＭデータ画像６００を示す。この画像は、初期の直交走査を用いて生成された基準平面と共にドリフトの影響を受けたデータ走査（一般方向－高速走査軸に沿った高速走査）で生成される。図５のオリジナル画像とは異なり、関心領域の表面特徴は、Ｚドリフト誤差が除去されているため、分解能が極めて高い。図６Ａ（原始データ）及び図８Ａ（ドリフト補正データ６０２）の振幅比較は、低周波ドリフトアーチファクトの補正を示す。図６Ｂ及び図８Ｂの類似比較は、ドリフトの補正後に図８Ｂにおいて、振幅信号６０４の低周波成分が大きく減少した同じ内容（図６Ｂの領域５０２）を示す。

【0045】

全般的に、好ましい実施形態は、ＡＦＭ環境の機械的ドリフトによる悪影響を実質的に受けない高分解能ＡＦＭ画像を提供する。方法及びシステムは、速度及び精度の利点を提供するだけでなく、ユーザへのリアルタイムのフィードバックを提供することにより、ユーザーはＡＦＭの操作を柔軟に管理することができる。より具体的には、システム及び方法は、制御設定点、走査の速度及び方向、ドライブ信号の位相／振幅などだけではなく、走査位置を含むＡＦＭ動作の走査パラメータのリアルタイムの調整を許容する（「リアルタイム」とは、サンプルの関心領域のデータ画像の取得及び生成中、即ち、ＡＦＭ画像取得中に短い時間でデータ処理を実行し、ほぼ瞬時の出力を提供することと定義される）。要約すると、原始データ画像の後処理を必要とせずに、１つ以上の関心領域の高分解能データ画像を生成することができる。結果として得られる最終データ画像には、ドリフトによる機械的摂動が実質的にない。

【0046】

以上、本発明を実施するために発明者らが考えた最良の形態を上記に開示したが、上記の発明の実施はこれらに限定されるものではない。本発明の思想の精神及び範囲から逸脱することなく、本発明の特徴の様々な追加、修正、及び再配置を行うことができることは明らかである。

【図1】

【図2A-2C】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図7】

【図8A】

【図8B】

【国際調査報告】