| 【発明の名称】 |
走査型プローブ顕微鏡のスキャナシステム |
| 【発明者】 |
【氏名】久田 菜穂子
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| 【要約】 |
【課題】微小な領域の測定に対しても測定データを正確なＸＹ位置に関連づけて取得できる簡単な構成のスキャナシステムを提供する。
【解決手段】サンプル３は、ＸＹＺ方向に変位し得るチューブスキャナ１上に保持される。チューブスキャナ１は、探針変位検出手段５の出力が一定になるように、Ｚ駆動部６によりＺ方向にフィードバック制御されながら、ＸＹ走査制御部２によりＸＹ方向に走査される。チューブスキャナ１にはミラー７と８が取付けられており、これらの動きはそれぞれレーザ測長器９と１０によって監視される。レーザ測長器９と１０の出力パルスはＵＰ／ＤＯＷＮカウンタ１０１と１０２に入力され、１／ｎ回路１０３と１０４でｎ分の１にされ、アドレスとしてフレームメモリ１０７に供給される。また、アドレス生成と同時に、Ｚ駆動信号が測定データとしてフレームメモリ１０７に格納される。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 走査型プローブ顕微鏡に用いられるスキャナシステムであり、試料またはプローブをＸＹ方向に移動し得るスキャナと、スキャナのＸおよびＹ方向の変位を検出する第１および第２の測長器と、第１および第２の測長器で得られるスキャナのＸおよびＹ方向の変位をｎ分の１にしたデジタル値からなるアドレスを生成するアドレス生成部と、アドレス生成部で生成されたアドレスに画像データを格納する画像データ用記憶素子とを有している走査型プローブ顕微鏡のスキャナシステム。
【請求項２】 請求項１において、測定前に予め既知データが格納され、アドレス生成部で生成されたアドレスに別の既知データが格納される、画像データ用記憶素子中の各アドレスの画像データの有無の判定に用いられる判定用記憶素子と、判定用記憶素子に格納されたデータに基づいて、画像データ用記憶素子中の画像データの格納されていないアドレスを求め、そのアドレスの周辺のアドレスに格納されている画像データから補間データを求め、これを画像データ用記憶素子中の画像データの格納されていないアドレスに格納する補間データ生成部とを更に有している、走査型プローブ顕微鏡のスキャナシステム。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、微小領域を観察する走査型プローブ顕微鏡等に用いられるスキャナシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡は、試料表面の微細形状を原子レベルで観察できる装置で、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）や原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）などがあり、各種研究に使用されている。
【０００３】ＡＦＭは、特開昭６２−１３０３０２号等に記載されている通り、探針の頂点にある原子と試料表面にある原子との間に働く原子間力を利用して試料の表面形状を測定する装置である。探針を試料の表面に近づけると、引力域と斥力域のあるLennard-Jones ポテンシャルで表される原子間力（斥力、ファンデルワールスカ、共有結合力等）と呼ばれる微小な力が生じる。ＡＦＭでは、探針を柔軟なカンチレバーの自由端で支持し、探針と試料間に働く原子間力をカンチレバー（てこ）のたわみ量（探針の変位量）として検出し、たわみ量すなわち力が一定になるように探針と試料の位置関係を制御しながら探針を走査したときの制御電圧を計測することにより、試料の表面形状および相互作用（原子間力や接触力や磁気力など）の分布像を原子レベルの分解能で測定している。このため、ＡＦＭは、ＳＴＭと異なり、試料の導電性と無関係に測定できる。
【０００４】工業系市場において、測定装置には常に微小領域の高分解能化が望まれている。このため、走査型プローブ顕微鏡では、走査機構には、高分解能で位置制御できる圧電体スキャナ、特に圧電体チューブスキャナが用いられることが多い。
【０００５】走査型プローブ顕微鏡は、例えば、圧電体スキャナを用いて、探針または試料を移動させてＸＹ走査を行いながら、探針または試料をＺ方向に移動させて、探針を支持しているカンチレバーの変位を一定に保つ制御を行う。
【０００６】初期の走査型プローブ顕微鏡では、ＸＹ走査を行うために圧電体スキャナに供給するＸＹ駆動信号が一定量変化するタイミングをサンプリングパルスとし、カンチレバーの変位を一定に保つ制御のために圧電体スキャナに供給するＺ駆動信号を試料表面の高さ情報としていた。
【０００７】しかし、圧電体スキャナは、その変位特性にヒステリシスを持つため、またクリープ現象を示すため、一方向（例えばＸ方向）に直線的に圧電体スキャナを走査したつもりでも、実際は歪んだ方向に走査している。従って、圧電体スキャナの駆動信号を画像データとして形成した画像は、ヒステリシスとクリープによる歪みを含んだものとなってしまう。
【０００８】このため、最近の走査型プローブ顕微鏡は、通常、圧電体スキャナのＸＹ方向の変位を検出する変位センサを備えており、変位センサで検出されるＸＹ変位情報に従って圧電体スキャナにサーボをかけたうえでＸＹ駆動信号間隔でサンプリングを行っている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】この手法は、１０〜１００μｍ程度の比較的大きな領域に対しては有効であるが、１０〜１００ｎｍ程度の微小な領域に対しては、変位センサの分解能の粗さやサーボによるハンチング等による影響が大きく、一定のＸＹ駆動信号間隔でサンプリングした測定データに対応する位置が必ずしも一定の距離間隔にならないため、高分解能な画像を得ることが難しい。
【００１０】特開平８−２４８０４１号は、圧電体スキャナのＸＹ方向の変位をダイナミックレンジの広いレーザ測長器で測長し、測長パルスから直接サンプリングパルスを生成する手法を提案している。これによれば、Ｘ方向に走査する間、正確に一定距離間隔でサンプリングされるが、１ラインのＸ走査中にＹ方向に動いてはならないため、Ｙ方向に関してサーボをかけるなどの対策が必要である。
【００１１】また、同出願人は、特開平８−２０１４０３号において、通常よく使用されている分解能の粗いＸＹ変位センサの出力を基に、圧電体スキャナを一方向（例えばＸ方向）に直線的に駆動させるための駆動信号テーブルを予め作成しておき、実際に画像化する時に駆動信号がテーブルと等しくなる毎に、即ち、圧電体スキャナが一定距離移動する毎に、サンプリングを行う手法を提案している。この手法では、ＸＹ方向共にサーボをかけなくてもよく、歪みのない画像が得られ非常に有効である。
【００１２】しかし、予め作成したテーブルに基づいてサンプリングを行うのであるから、圧電体スキャナがクリープ現象を呈することを考慮すると、特に微小な領域の測定において、測定データが正確に一定の距離間隔でサンプリングされているとはいえない。
【００１３】本発明は、この様な現状に鑑みて成されたものであり、その目的は、簡単な構成でありながら微小な領域な測定に対しても測定データを正確なＸＹ位置に関連づけて取得できる走査型プローブ顕微鏡のスキャナシステムを提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】本発明は、走査型プローブ顕微鏡に用いられるスキャナシステムであり、試料またはプローブをＸＹ方向に移動し得るスキャナと、スキャナのＸおよびＹ方向の変位を検出する第１および第２の測長器と、第１および第２の測長器で得られるスキャナのＸおよびＹ方向の変位をｎ分の１にしたデジタル値からなるアドレスを生成するアドレス生成部と、アドレス生成部で生成されたアドレスに画像データを格納する画像データ用記憶素子とを有している。
【００１５】走査型プローブ顕微鏡のスキャナシステムは、例えば、測定前に予め既知データが格納され、アドレス生成部で生成されたアドレスに別の既知データが格納される、画像データ用記憶素子中の各アドレスの画像データの有無の判定に用いられる判定用記憶素子と、判定用記憶素子に格納されたデータに基づいて、画像データ用記憶素子中の画像データの格納されていないアドレスを求め、そのアドレスの周辺のアドレスに格納されている画像データから補間データを求め、これを画像データ用記憶素子中の画像データの格納されていないアドレスに格納する補間データ生成部とを更に有している。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。まず、第一の実施の形態について図１を用いて説明する。図１は、本実施の形態のスキャナシステムを備えた走査型プローブ顕微鏡を示している。
【００１７】図１に示されるように、サンプル３は、ＸＹＺ方向に変位し得るチューブスキャナ１上に保持される。チューブスキャナ１は、探針変位検出手段５の出力が一定になるように、Ｚ駆動部６を介してＺ方向にフィードバック制御される。この制御により、カンチレバー４の自由端に設けられた探針とサンプル３との間の距離は常に一定に保たれる。また、チューブスキャナ１はＸＹ走査制御部２の出力するＸＹ駆動信号に従ってＸＹ方向に走査を行う。例えば、Ｘ方向に１ライン走査し必要なポイント数のデータをサンプリングした後に、Ｙ方向に１ライン分移動し、同様にＸ方向に１ライン走査する。この動作を試料の走査範囲として指定された箇所全域に対して行う。
【００１８】チューブスキャナ１には、Ｘ方向を向いたミラー７とＹ方向を向いたミラー８が取付けられており、ミラー７の動きはレーザ測長器９によって、ミラー８の動きはレーザ測長器１０によって監視されている。レーザ測長器９と１０は、それぞれミラー７と８の動きに追従したＵＰパルス・ＤＯＷＮパルスを出力する。画像データ生成部１００は、この信号を使用して画像データをメモリに蓄積する。
【００１９】レーザ測長器９から出力されるＸ−ＵＰパルスとＸ−ＤＯＷＮパルスはＵＰ／ＤＯＷＮカウンタ１０１に入力され、さらに１／ｎ回路１０３でＣＰＵ１１から設定された数ｎで割った数値となる。同様に、レーザ測長器１０から出力されるＹ−ＵＰパルスとＹ−ＤＯＷＮパルスはＵＰ／ＤＯＷＮカウンタ１０２に入力され、さらに１／ｎ回路１０４でＣＰＵ１１から設定された数ｎで割った数値となる。
【００２０】例えば、レーザ測長器９と１０の１パルスが０．１ｎｍで、ＸＹ方向に２５０ｎｍの領域を１０００画素×１０００ラインで画像化する場合、ＣＰＵはｎ＝２．５を設定する。従って、１／ｎ回路１０３と１／ｎ回路１０４の出力は１つの画素を意味する。
【００２１】１／ｎ回路１０３と１／ｎ回路１０４の出力はバッファ１０５を介してフレームメモリ１０７に供給され、フレームメモリ１０７のアドレスとなり、これは常にチューブスキャナ１の正確なＸＹ位置に対応する。また、アドレス生成と同時に、Ｚ駆動信号が測定データとしてバッファ１０８を介してフレームメモリ１０７に格納される。このようにして測定データを正確なＸＹ位置に関連づけてサンプル３の画像データを得ることができる。
【００２２】ＣＰＵ１１は、上述したフレームメモリ１０７ヘの書き込み動作とは関係なく、バッファ１０９とバッファ１１０を介してフレームメモリ１０７から画像データを読み出し、モニタ（図示せず）に表示する。
【００２３】読み出しの時、ＣＰＵ１１はバッファ１０９とバッファ１１０に許可信号を送り、この許可信号は論理積回路１０６にも入力され、フレームメモリ１０７ヘの書き込み動作は禁止される。
【００２４】論理積回路１０６は、ＸＹ走査制御部２の走査中信号に基づき、走査が行われている間、クロック信号ＣＬＫのタイミングで、バッファ１０５とバッファ１０８に許可信号を出力する。
【００２５】データの書き込みは、チューブスキャナ１の動作とは全く関係のない高速なクロック信号ＣＬＫのタイミングで行われ、従って、書き込み回数は画素数よりもはるかに多い。つまり、Ｘ方向には画素数よりも多くデータのサンプリングが行われ、Ｙ方向には必要なライン数よりも多いライン数で走査される。
【００２６】これにより、測定データを正確なＸＹ位置に関連づけて取得でき、従って、正確な歪みのない画像が得られる。次に、第二の実施の形態のスキャナシステムについて図２を用いて説明する。図２は、図１の画像データ生成部１００に代わる別の画像データ生成部を示している。
【００２７】図２に示されるように、本実施形態による画像データ生成部２００は、画像データを格納する第１フレームメモリ１０７に加えて、第１フレームメモリ１０７の画像データの有無を判定するための第２フレームメモリ２０１を備えている。第２フレームメモリ２０１は第１フレームメモリ１０７と同等のものが用いられる。
【００２８】第２フレームメモリ２０１には、バッファ２０３を介して、走査前に予め既知データが書き込まれ、走査中、第１フレームメモリ１０７のデータの書き込まれたアドレスに対応するアドレスに別の既知データが書き込まれる。
【００２９】例えば、走査に先立って、第２フレームメモリ２０１の全てのメモリセルに“０”が書き込まれ、第１のフレームメモリ１０７と同じタイミングで“１”が書き込まれる。その結果、走査終了後、画像データが格納されたメモリーセルすなわち画素は“１”となり、画像データが格納されなかったメモリーセルすなわち画素は“０”となる。
【００３０】ＣＰＵ１１は、バッファ２０２を介して第２フレームメモリ２０１のデータを読み出し、第２フレームメモリ２０１でデータが“０”のメモリセルに対応する第１フレームメモリ１０７のメモリセルすなわち画素に対して、第２フレームメモリ２０１でデータが“１”のメモリセルに対応する第１フレームメモリ１０７のメモリセルすなわち画素の画像データに基づいて補間データを生成し、この補間データを書き込む。
【００３１】つまり、第２フレームメモリ２０１に格納されたデータに基づいて、画像データの書き込みが行われなかった画素が識別され、この画像データの書き込みが行われなかった画素には、その近辺の書き込みの行われた画素の画像データに基づいて生成された補間データが書き込まれる。
【００３２】これにより、例えばＹ方向に関して画素数よりも少ないライン数で走査しても、必要な領域の画像が得られる。このようにＹ方向に少ないライン数で走査することによって、測定時間が短縮される。
【００３３】以上の二つの実施の形態の説明から分かるように、測定データは、これがサンプリングされたサンプル上のＸＹ位置に対応するフレームメモリのアドレスに格納される。つまり、本発明のスキャナシステムは、チューブスキャナにサーボをかけない簡単な構成でありながら、測定データを正確なＸＹ位置に関連づけて取得できる。従って、これを用いた走査型プローブ顕微鏡は、歪みの少ない高分解能の画像を得ることができる。本発明は上述した実施の形態に何等限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で行われるすべての実施を含む。
【００３４】
【発明の効果】本発明によれば、微小な領域の測定に対しても測定データを正確なＸＹ位置に関連づけて取得できる簡単な構成のスキャナシステムが提供される。従って、簡単な構成でありながら歪みの少ない高分解能の画像を取得できる走査型プローブ顕微鏡が提供される。
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| 【出願人】 |
【識別番号】００００００３７６
【氏名又は名称】オリンパス光学工業株式会社
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| 【出願日】 |
平成１０年（１９９８）３月２３日 |
| 【代理人】 |
【弁理士】
【氏名又は名称】鈴江 武彦 （外４名）
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| 【公開番号】 |
特開平１１−２７１３３３ |
| 【公開日】 |
平成１１年（１９９９）１０月８日 |
| 【出願番号】 |
特願平１０−７３９２６ |
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