JP2000275159A - 走査型プローブ顕微鏡の画像表示方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 測定の途中で走査範囲の位置や大きさを変更
するとき、変更後の測定位置を測定者が即座に認識し、
測定位置の特定を容易に行える走査型プローブ顕微鏡の
画像表示方法を提供する。 【解決手段】 走査型プローブ顕微鏡は、往復動作と送
り動作を組み合わせて相対的位置関係として探針に試料
表面を走査させ、走査範囲内の試料表面の物理情報を取
得して表示画面に画像を表示する。或る走査範囲を定
め、測定を行い画像表示を行っている最中に走査範囲の
位置や大きさを変更したとき、変更前後の走査範囲の間
で変更量に係るデータを求め、この変更量に基づいて変
更前の走査範囲の座標を変換し、表示画面上、変更前後
の画像の表示に連続性を持たせる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は走査型プローブ顕微
鏡の画像表示方法に関し、特に、測定の途中で走査範囲
の位置や大きさを変更したときに生じる表示画面の画像
の変更において変更前後の画像の関係が連続性を保ち、
測定観察者にとって変更前後の画像の関連性を確実に認
識しながら現在の測定位置を正確に認識し測定を継続で
きる走査型プローブ顕微鏡の画像表示方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡は、原子レベルの
微細対象物の測定・観察に使用され、その測定のために
先端が尖った探針を備えている。探針は、試料の表面に
ナノメートル（ｎｍ）オーダの距離に接近させられる。
このような距離に探針と試料を接近させると、試料と探
針の間には原子間力等の物理的な相互作用が生じる。こ
のような原子間力等の物理量は探針と試料の間の距離に
依存して決まるので、この物理量を一定に保ちながら探
針を試料の表面に沿って移動させると、探針は試料表面
から一定の距離で移動することになり、その結果、探針
の高さ方向の移動制御に用いられる制御信号によって試
料表面の凹凸形状に関する情報等を得ることができる。
走査型プローブ顕微鏡の一例である原子間力顕微鏡に関
して述べると、原子間力顕微鏡は、自由端に探針を有し
かつバネ定数の小さいカンチレバーを備え、測定の際に
探針と試料の間に作用する原子間力が原因で生じるカン
チレバーのたわみ量を検出し、このたわみ量を一定に保
つように制御しながら、試料の表面に沿った２次元の探
針走査を行うことにより試料表面の凹凸形状が測定され
る。

【０００３】原子間力顕微鏡等の走査型プローブ顕微鏡
による試料の表面の凹凸形状の測定・観察では、通常、
試料表面において測定すべき２次元領域を走査範囲とし
て定め、或る軸方向（Ｘ軸方向）に探針を往復動作させ
ながら一往復毎にＸ軸方向に直交する軸方向（Ｙ軸方
向）に探針を送り動作させ、走査範囲上で設定された測
定点（測定データサンプリング点）で測定データを取得
し、これを走査範囲の全体について繰返す。試料表面に
凹凸形状に追従する制御は前述の通り探針・試料間の原
子間力を一定に保つサーボループ制御系によって実行さ
れ、他方、走査範囲で測定を行うために移動する制御は
一般的にコンピュータを利用したディジタル制御に基づ
いて実行される。当該コンピュータは、走査範囲におい
て一定の間隔で設定された多数の格子状測定点の各々へ
探針を順次に移動させ、各測定点で測定値を求め、得ら
れた測定値をディジタル値に変換し、これらのディジタ
ル値を記憶部に記憶する。コンピュータによってその表
示装置の画面に測定値を利用して試料表面の凹凸形状を
表示するときには、その表示制御処理部が表示動作を制
御する。コンピュータは、多数の測定値を記憶する記憶
部と、これらの測定値を利用して凹凸形状の画像を表示
するときに使用される、画面に対応づけられた表示用記
憶部（画像メモリまたはフレームバッファ）とを有して
いる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記のごとき構成を有
する走査型プローブ顕微鏡によって試料表面上の或る走
査範囲を走査して測定を行い、得られた測定データを用
いて表示装置の画面に画像表示を行うときの具体例を説
明し、画像表示方法上の問題を指摘する。この場合に、
走査範囲では例えば２５６×２５６の測定点が設定され
ているとし、画面に表示される画像は２５６×２５６の
画素から成り立っている。

【０００５】往復動作を行うＸ軸方向の１本の走査ライ
ンでは２５６点の測定が行われ、Ｙ軸方向に走査ライン
を１本目、２本目と送りながら全部で２５６本の走査ラ
インについて測定が行われる。測定と同時に、表示画面
に測定データに基づく画像表示が行われ、２５６本の走
査ラインをすべて測定し終わった時点で表示装置の表示
画面のすべての表示が終了する。このような表示方法に
よれば、走査型プローブ顕微鏡では探針を試料に極めて
微小な距離に近づけた状態に制御し走査を行って測定す
るので、走査速度に限界があり、そのため画面に１つの
画像を作成するのに早くても数十秒、一般的には数分の
時間を必要とした。従ってリアルタイムの測定を行うこ
とが困難であり、例えば、測定の最中に観察すべき走査
範囲を変更すると、その変更が、画面に表示された画像
にリアルタイムに反映されないという問題が提起され
た。

【０００６】走査型プローブ顕微鏡の測定の際に走査範
囲を変更するという作業は、光学顕微鏡における観察場
所の変更や倍率の変更という作業に相当する。かかる作
業は、走査型プローブ顕微鏡による通常の測定におい
て、目的とする観察場所を得るまで頻繁に繰返される作
業である。従来の走査型プローブ顕微鏡の表示方法で
は、走査範囲を変更すると、変更前の画像と変更後の画
像で不連続となり、さらに走査範囲変更後の画像が得ら
れるのが１画面分の測定が終了した後であって、数十秒
から数分の時間遅れが生じる。そのため、走査範囲で観
察場所を特定することを円滑に行うことができなかっ
た。

【０００７】走査型プローブ顕微鏡による測定で、測定
の最中に走査範囲を変更するときの問題を、図８と図９
に示した画面の表示例を参照して説明する。

【０００８】試料表面上における測定すべき範囲として
Ｌ×Ｌの正方形の範囲１０１を定める。範囲１０１では
部分領域としてＡ〜Ｐの領域が決められているものとす
る。範囲１０１の中で、最初に図８（Ａ）に示されるご
とくＬ／２×Ｌ／２の正方形の範囲１０２を走査範囲と
して探針による走査を開始して測定を始める。範囲１０
２で探針は下側のａ１点から往復動作を始め、上へ送ら
れながら往復動作を繰返す。図８（Ｂ）は、範囲１０２
を走査して下半分の領域Ｆ，Ｇを測定した後に、走査す
べき範囲を右にずらして範囲１０３に変更し、範囲１０
３の走査を行って測定を終了した状態を示している。す
なわち点ａ１の走査ラインから点ｂ１の走査ラインに至
る前までの測定を行い、その後、点ｂ２の走査ラインか
ら最上位の走査ラインに至り再び点ａ２の走査ラインか
ら点ｂ２の走査ラインに至るまでの測定を繰返して行
う。通常の走査型プローブ顕微鏡の測定で、以上のごと
き往復動作を繰返して例えば範囲１０３を測定すると、
往復動作は１Ｈｚの周期で行い、Ｘ軸２５６点×Ｙ軸２
５６ラインの測定を行う場合、１画面の画像の作成・表
示するための測定時間は２５６秒かかる。この測定時間
は、走査型プローブ顕微鏡では通常のものであり、妥当
なものである。

【０００９】上記の走査範囲１０２について測定が開始
されると同時に、測定で得られたデータを用いて表示装
置の画面１０４に画像が表示される。範囲１０２で走査
を開始し、上記のごとく途中で走査範囲を範囲１０３に
変更して上半分の測定から開始して測定を終了すると、
表示画面１０４の表示内容は図９の（Ａ），（Ｂ），
（Ｃ）のように順次に変化して示される。図９（Ａ）で
は範囲１０２の下半分の内容（領域Ｆ，Ｇ）が表示さ
れ、図９（Ｂ）では、途中で走査範囲が範囲１０２から
範囲１０３に変更されたので、範囲１０３の上半分が途
中まで表示され、図９（Ｃ）では範囲１０３の上半分の
測定が終了して領域Ｊ，Ｌの半分と領域Ｋが表示され
る。その結果、表示装置の画面１０４では途中の段階で
変更前の走査範囲１０２の下半分（Ｆ，Ｇの領域）と変
更後の走査範囲１０３の上半分（Ｊ，Ｋ，Ｌ）とが表示
されることになる。最終的には、走査範囲１０３の下半
分も測定されて、画面の全体として範囲１０３に関して
測定された画像が表示されることになるが、範囲１０２
から範囲１０３へ移動した後に１画面分を走査し終える
必要があるので、変更した後に全画像を得るには２５６
秒かかる。

【００１０】上記のごとき従来の走査範囲変更の際の画
像表示では、図９（Ｂ），（Ｃ）に示されるごとく、変
更前の画像（下半分の画像）と変更後の画像（上半分の
画像）とが連続しておらず、実際の試料表面の画像を想
定すると、画面に表示された画像で上下の関連性を認識
することは極めて難しい。従来の走査型プローブ顕微鏡
の画像表示方法によれば、走査範囲を変更するたびに、
変更後の画像が変更前の画像に関連性が低い状態で引き
続いて表示されるので、得られた画像から現在の測定位
置を正確に認識することが困難であった。

【００１１】また上記説明では、測定の途中に一度だけ
走査範囲を変更した例を示したが、実際の測定では走査
範囲の位置の変更を頻繁に繰返したり、さらには走査範
囲の大きさを変えたりすることもある。従ってそのたび
に現在の測定位置を認識することが困難となる。また走
査範囲を変更した後に１画面を測定し終わるまで測定位
置が不明であり、測定場所の特定に時間がかかるという
問題を有していた。

【００１２】本発明の目的は、上記問題を解決すること
にあり、測定の途中で走査範囲の位置や大きさを変更す
る場合でも、変更後の測定位置を測定者が即座に認識す
ることができ、測定位置の特定を容易に行うことができ
る走査型プローブ顕微鏡の画像表示方法を提供すること
にある。

【００１３】

【課題を解決するための手段および作用】本発明に係る
走査型プローブ顕微鏡は、上記目的を達成するため、次
のように構成される。

【００１４】走査型プローブ顕微鏡は、測定すべき試料
に対してその表面に臨むように探針が配置され、Ｘ軸方
向の往復動作とＹ軸方向の送り動作を組み合わせること
により相対的な位置関係として探針に試料表面を走査さ
せ、走査範囲内の試料表面の物理情報を取得して表示装
置の画面に画像を表示するように構成されている。試料
表面で測定すべき領域は予め適当に定められる。或る走
査範囲を定め、この走査範囲で測定を行い画像表示を行
っている最中に走査範囲の位置や大きさを変更したとき
には次のような画像表示処理が行われる。まず変更前後
の走査範囲の間で変更量に係るデータを得る。この変更
量に基づいて変更前の走査範囲の座標を変換し、画面の
表示が変更後の走査範囲に対応できるように、座標変換
で得た座標で画面の表示領域を定め、変更前の走査開始
点から変更点までに得た測定データと座標変換で得た座
標との対応関係に基づき画面の表示領域に画像を表示す
ると共に、変更後の走査範囲に対応した画像を測定・表
示する。

【００１５】本発明の走査型プローブ顕微鏡では、或る
走査範囲を定めて当該走査範囲を探針で走査しながら測
定を行い、得られた測定データで表示画面に走査範囲内
の試料の表面凹凸形状を表示している最中に、測定者
が、表示装置の画面で画像の上での重なり部分を保ちな
がら、走査範囲の位置を変更したり、あるいは走査範囲
を狭めたり広げたりして画像の拡大や縮小を行うとき、
走査範囲の変更前後の画像の関係、特に位置的関係に連
続性（つながり）を持たせ、その結果、現在の測定位置
が即座に認識でき、観察場所の特定が容易となる。変更
前後の画像の関係に連続性を持たせるために、走査範囲
の変更の際に、変更前の走査範囲での測定で得られた表
示画像を、座標変換処理を利用して、画面上で位置的な
調整を行うようにする。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の好適な実施形態
を添付図面に基づいて説明する。

【００１７】図１を参照して走査型プローブ顕微鏡おけ
る探針による試料の走査、試料表面の測定・観察の概要
を説明する。図１は、試料１４の表面において、適当に
定められた矩形の範囲１０を探針１８で走査してその凹
凸形状を計測する状態を示している。この表面計測装置
は走査型プローブ顕微鏡の一例としての原子間力顕微鏡
であり、探針１８はカンチレバー１７の先部に設けられ
ている。試料１４の表面の凹凸形状は、実際は極めて微
細なものであり、図示例では説明の便宜上大きさを誇張
して描いている。探針１８の先端は、最初、試料表面か
ら離れた位置にあり、この離れた状態から粗動機構によ
って接近させられ、さらに圧電素子からなる微動機構に
よって探針１８の先端と試料１４の表面とが、両者の間
に原子間力が作用するような微細な距離にまで接近させ
られる。試料１４の表面の測定範囲１０は、通常、直交
する２軸（Ｘ軸とＹ軸）で決まる２次元的な領域、すな
わち例えば正方形の平面として設定される。試料１４に
対する探針１８の位置関係は、測定を行う際、試料側ま
たは探針側を微動機構によって移動させ、相対的に、試
料表面に対して探針が走査を行うように変化させられ
る。探針１８は、試料表面における範囲１０を、例えば
点ｓ１を始点としてＸ軸方向に往復移動させながらＹ軸
方向に送って終点ｆ１に至るまで走査する。

【００１８】図２は、原子間力顕微鏡における試料１４
と探針１８およびカンチレバー１７とを関係づける構
造、微動機構、測定のための制御系、信号処理装置等の
構成を示している。

【００１９】フレーム１１の下部に試料ステージ１１ａ
が形成され、試料ステージ１１ａの上にＸＹ走査機構１
２が設けられている。さらにＸＹ走査機構１２上には試
料台１３が固定され、試料台１３の上に測定対象である
試料１４が搭載されている。ＸＹ走査機構１２は試料１
４をＸ軸方向とＹ軸方向に移動させる機構であり、ここ
でＸ軸方向とＹ軸方向は図２において水平平面内に含ま
れる直交する２軸の方向である。試料１４は試料台１３
の上で固定されており、ＸＹ走査機構１２によって走査
動作としてＸ軸方向とＹ軸方向に移動させられる。フレ
ーム１１の上部１１ｂの先部には探針接近用機構（粗動
機構）１５が固定され、探針接近用機構１５の下側にＺ
微動機構１６が固定されている。探針接近用機構１５
は、最初、試料１４の表面から離れた位置にある探針を
測定開始時に試料表面に接近させるためのものであり、
当然のことながら必要に応じて探針を試料表面から離す
場合にも使用される。

【００２０】上記構成でＸＹ走査機構１２は、試料表面
の測定の際に走査動作を行わせるためのものである。測
定が微細対象を測定する場合の狭域測定であるときには
ＸＹ走査機構１２として例えば圧電素子からなるアクチ
ュエータが用いられる。またこの実施形態では、Ｚ微動
機構１６とＸＹ走査機構１２を分けて構成したが、その
他にトライポッドのように３つの圧電素子を利用して両
者を一体にして構成することもできる。また測定が比較
的に大きなものを測定する場合の広域測定であるときに
は、ＸＹ走査機構１２として広域走査が可能な例えばモ
ータ駆動式走査機構が用いられる。

【００２１】原子間力顕微鏡において、走査動作とは、
試料表面に対向するごとく配置された後述の探針が試料
表面をなぞるごとく移動する動作のことである。探針と
試料のＸＹ軸方向の相対的な位置の変位であるので、探
針と試料のいずれの方を移動させてもよいが、この実施
形態では、試料１４の側にＸＹ走査機構１２を設けるこ
とにより試料側を移動させて走査移動を行うように構成
している。

【００２２】試料１４の上方位置にはカンチレバー１７
が配置されている。カンチレバー１７の先端には探針１
８が形成され、この探針１８は、試料１４の表面に対向
し、試料表面を観察できるように臨んでいる。試料１４
の表面を測定する際、探針１８は、前述の探針接近機構
１５によって下方向へ移動され、試料１４の表面との間
で原子間力が生じる程度の距離で試料１４に対して接近
させて配置される。カンチレバー１７は、その基端が、
上記Ｚ微動機構１６の下端の縁に固定されている。カン
チレバー１７は、所定の柔軟性を有し、探針・試料間の
距離の変化に伴う原子間力の変化に応じてたわみ変形を
生じるという特性を有している。またＺ微動機構１６は
カンチレバー１７を水平平面に垂直なＺ方向に微小距離
移動させる機構で、通常、圧電素子を利用して構成され
ている。

【００２３】図１に示した原子間力顕微鏡の構成は、Ｘ
軸およびＹ軸の各方向の走査移動の動作はＸＹ走査機構
１２で行い、探針・試料間の距離、すなわち試料１４の
表面に対する探針１８の高さ位置の調整（Ｚ軸方向の移
動）はＺ微動機構１６によってカンチレバー１７の側を
移動させる構成である。Ｚ微動機構１６による探針１８
の高さ位置の調整は、探針１８と試料表面との距離を予
め定められた一定距離に保つための位置制御に基づくも
のである。

【００２４】カンチレバー１７に対しては、カンチレバ
ーの変位を検出する変位検出器１９が設けられる。変位
検出器１９には例えば光てこ式検出光学系や干渉法を利
用した検出器が使用される。光てこ式検出光学系は、レ
ーザ光を発する光源と、レーザ光を受ける光検出器から
構成される。光源から出射されたレーザ光は、カンチレ
バーの背面の反射面で反射され、光検出器に入射され
る。カンチレバーのたわみ変形量に応じてレーザ光の入
射位置が変化することから、探針と試料の間の距離の変
化を検出することができる。

【００２５】上記構成において、探針接近用機構１５に
より探針１８と試料１３の距離を約１ｎｍまで近づける
と、両者の間に原子間力が作用し、カンチレバー１７に
たわみ変形が生じるようになる。そのたわみ角を変位検
出器１９で検出する。変位検出器１９から出力される検
出信号は、加算器２０に入力される。加算器２０では、
マイナス（−）の当該検出信号とプラス（＋）の基準値
Ｖref が加算されることにより偏差信号Ｖｄが出力さ
れ、実質的には減算が行われる。この偏差信号Ｖｄは、
制御部２１に入力される。制御部２１では一般的に比例
−積分補償（ＰＩ制御）が行われ、その出力信号（Ｖ
ｚ）はＺ微動機構１６に与えられ、Ｚ微動機構１６を動
作させ、探針１８と試料１４の間の距離を測定開始の段
階で設定された一定の距離に保持するように変化させ
る。探針１８と試料１４の間の距離は基準値Ｖref によ
って予め設定された一定距離に保持されることになる。
以上のサーボループを形成する制御系の構成に基づいて
探針１８と試料１４の距離を基準値で決まる一定距離に
保つ制御が実現される。

【００２６】他方、ＸＹ走査機構１２の動作はＸＹ走査
制御部２２から出力される信号で制御される。ＸＹ走査
制御部２２はＸＹ走査機構１２の動作を制御し、ＸＹ走
査機構１２の動作は試料表面おける走査領域を決めるの
で、ＸＹ走査制御部２２は試料１４の表面における測定
対象領域を決めることになる。ＸＹ走査制御部２２自体
はＸＹ走査機構１２の動作制御を受けもつ制御部であ
り、測定方法の全体の制御を行う上位の測定実行制御部
３１から測定対象領域に関するデータおよび測定実行命
令を受けとってその制御動作を行う。ＸＹ走査制御部２
２から出力される走査信号（Ｖｘ，Ｖｙ）は、ＸＹ走査
機構１２のＸ軸方向およびＹ軸方向の各アクチュエータ
に与えられる。ＸＹ走査制御部２２から出力される走査
信号（Ｖｘ，Ｖｙ）に基づき試料１４がＸＹ方向に移動
されることにより、相対的な位置関係として、探針１８
は試料１４の表面をＸＹ方向に平面走査する。この平面
走査の間、上記のごとく探針１８と試料１４の表面との
間の距離が一定に保たれる。上記の走査移動の動作で
は、通常、試料表面において測定対象領域が予め設定さ
れている。この測定対象領域は、図１に示したように、
Ｘ軸方向の辺とＹ軸方向の辺からなる矩形の形状を有し
た範囲１０である。測定対象範囲１０についての探針１
８による試料表面の走査は、測定対象領域の全体を測定
するように移動するため、通常、走査移動は例えばＸ軸
方向での往復動作とＹ軸方向への送り動作の組み合わせ
に基づいて測定対象範囲１０の全体の走査が行われる。
ただし、本実施形態での測定では、範囲１０の測定の途
中で測定範囲を変更するときの画像表示の処理および表
示方法に特徴があり、Ｘ軸方向のアクチュエータの動作
を制御する走査信号Ｖｘと、Ｙ軸方向のアクチュエータ
の動作を制御する走査信号Ｖｙに関して、どのように走
査信号を与えるかについては、後で説明される。

【００２７】制御部２１からＺ微動機構１６に対して与
えられる制御信号Ｖｚ、すなわちＺ微動機構１６の動作
量に相当するデータ（Ｖｚ）と、ＸＹ走査制御部２２か
らＸＹ走査機構１２に与えられる走査信号に係るデータ
（Ｖｘ，Ｖｙ）は、測定対象範囲に関する像を作成し、
表示するのに使用される。

【００２８】上記の原子間力顕微鏡における機械的構成
および制御系の構成に対して、制御系から得られる制御
信号および走査信号、すなわち上記のデータ（Ｖｚ，Ｖ
ｘ，Ｖｙ）を入力してデータの処理を行う信号処理装置
３２と、測定の全体を制御して測定を実行する上記の測
定実行制御部３１が設けられている。信号処理装置３２
は、データ保存用のメモリ３３と、所定の演算を行いか
つ測定実行制御部３１に対して測定に関する指示を行う
演算処理部３４と、表示装置３５への表示を制御する表
示制御処理部３６と、表示装置３５の画面に表示される
画像データを記憶する画像メモリ３７から構成されてい
る。制御部２１から得られるデータＶｚとＸＹ走査制御
部２２から得られるデータＶｘ，Ｖｙは、信号処理装置
３２のメモリ３３に記憶される。演算処理部３４は、こ
れらのデータを利用して後述するごとき必要な処理を行
い、画像メモリ３７を経由して表示装置３５の画面に測
定した測定対象領域の凹凸形状に関する画像の表示を行
う。特に、測定対象領域である走査範囲が変更されると
き、演算処理部３４は、測定実行制御部３１から変更情
報が与えられ、この変更情報を用いて表示装置３５に画
像表示を行うための画像データを作成する。表示装置３
５の画面に表示された画像によって試料１４の表面形状
を観察することができる。

【００２９】ＸＹ走査制御部２２から出力される走査信
号Ｖｘ，ＶｙはＸＹ走査機構１２に与えられ、試料１４
をＸＹ方向に平面的に移動させる。この試料１４の平面
的な移動に基づき、相対的な位置関係で、探針１８が試
料１４の表面に対して平面走査を行うことになる。試料
１４の平面的移動は、Ｘ軸方向の動作とＹ軸方向の動作
の組み合わせに基づいて行われる。このとき、例えばＸ
軸方向については繰返しの往復動作を行い、Ｙ軸方向に
ついては任意のステップごとに送り動作を行うようにす
る。これにより例えば矩形平面として設定された測定対
象領域の全域を探針１８で平面走査することが可能とな
る。この場合、走査信号Ｖｘが繰返し往復動作のための
信号として作成され、走査信号Ｖｙが送り動作のための
信号として作成される。探針１８は矩形の測定対象範囲
１０の測定でＸ軸方向について往復動作を繰返しかつＹ
軸方向について送り動作を行いながら、設定された複数
の測定点の各々で探針のＺ方向データＶｚが取得され
る。測定で得られたＶｚと各測定点に関する位置データ
すなわち走査データＶｘ，Ｖｙは、関連づけられてメモ
リ３３に記憶される。

【００３０】また測定実行制御部３１には走査範囲入力
器３８が付設される。走査範囲入力器３８は、原子間力
顕微鏡の操作パネルに設けられた入力操作器の一つで、
試料１４の表面に対してセットされた探針１８が走査す
べき範囲を設定する機能を有する。すなわち、測定者は
走査範囲入力器３８を操作することにより試料１４の表
面上で任意に範囲を設定することができる。この場合、
通常、測定者は、走査範囲入力器３８を用いて、測定開
始段階では予め定められた仕方（走査範囲入力器３８で
走査範囲を定める数値を入力する等）で走査範囲を指定
し、また測定の途中の段階では、例えば最初に入力した
走査範囲を一定量だけ移動させる分の数値を入力した
り、あるいは、表示装置３５の画面に表示された画像を
見ながら適当な走査開始位置を指定して走査範囲を変更
する。

【００３１】次に、上記構成を有する原子間力顕微鏡で
の画像表示方法を説明する。

【００３２】まず第１の画像表示方法として、図８を参
照して説明した、測定の途中で走査範囲を１０２から１
０３へ変更する場合の画像表示方法を説明する。

【００３３】探針１８は、図１に示されるように、探針
接近用機構１５で試料１４の表面に接近され、Ｚ微動機
構１６で探針・試料間の距離を微小に調整して探針・試
料間に所定原子間力が作用するように設定される。原子
間力の大きさは探針・試料間の距離で決まり、この探針
・試料間の一定距離はサーボループ制御系における基準
値Ｖref で保たれる。次に探針１８に試料表面を走査さ
せて測定を行う前に、図１に示す範囲１０のごとく走査
すべき範囲が設定される。走査範囲は走査範囲入力器３
８によって原子間力顕微鏡に与えられる。走査範囲入力
器３８で入力された走査範囲を定める数値は、測定実行
制御部３１の内部メモリに記憶される。この例では、走
査範囲は図８（Ａ）で示した範囲１０２である。範囲１
０２を定める上記数値は、例えば始点ａ１と終点ｃ１の
各々の座標である。入力された座標は、前述のごとく測
定実行制御部３１の内部メモリに記憶される。次に、入
力された座標は演算処理部３４に転送され、演算処理部
３４は座標を用いて範囲１０２を決定し、決定された範
囲１０２に関して例えば２５６×２５６個の測定点を算
出する。算出された各測定点の座標は、演算処理部３４
から測定制御部３１に送られ、その内部メモリに記憶さ
れる。次に測定実行制御部３１は測定点の座標に係るデ
ータをＸＹ走査制御部２２に転送する。ＸＹ走査制御部
２２は、測定点の座標データを受け取ると、始点ａ１の
座標データから順次に用いてＸＹ走査機構１２を動作さ
せ、範囲１０２の走査を開始し、各測定点で測定データ
を取得する。各測定点の測定データは制御部２１からＶ
ｚとして取り込まれ、メモリ３３において座標と関連さ
せて記憶される。各測定点の測定データは画像メモリ３
７において記憶される。画像メモリ３７における各測定
点の測定データの記憶では、表示装置３５の画面１０４
に範囲１０２の測定画像が表示され、画像メモリ３７に
おけるデータ格納状態は画面１０４における表示画像に
対応していることから、表示制御処理部３６による制御
に基づいて、範囲１０２における測定点の場所（座標デ
ータ）に対応して測定データが格納されている。

【００３４】図３は画像メモリ３７の内部における測定
データの格納状態を示す。この図では、画像メモリ３７
内の格納領域が最大エリア４１として示されている。最
大エリア４１の格納領域において走査範囲１０２に対応
する領域４２が座標データ（Ｘｉ，Ｙｊ：ｉ＝１〜２５
６，ｊ＝１〜２５６）に基づいて定義されている。測定
データは、画像メモリ４１の領域４２において、範囲１
０２における測定点の位置に対応する格納場所に格納さ
れる。範囲１０２での或る測定点の座標と、当該測定点
に係る測定データの領域４２における格納場所の座標と
は一致するように、制御されている。以上において、図
８（Ａ）に示される範囲１０２を始点ａ１から走査して
図９（Ａ）に示されるように範囲１０２の下半分を測定
した場合には、図３（Ａ）に示すごとく、画像メモリ３
７の最大エリア４１において、領域４２の下半分の格納
場所（破線で示す領域４２ａ）に測定データが格納され
る。領域４２と表示装置３５の画面１０４との関係で
は、領域４２における測定データの格納場所と、画面１
０４における表示位置が座標的に一対一に対応してい
る。従って、領域４２での測定データの格納状態は、図
９（Ａ）の表示状態と同じである。

【００３５】上記の状態において、測定の途中に、走査
範囲を範囲１０２から範囲１０３に変更する。走査範囲
の変更は、走査範囲入力器３８によって、現在の探針１
８の位置をｂ１からｂ２に移動させるように、範囲１０
２から範囲１０３への移動量を入力する。移動量のデー
タは測定実行制御部３１に入力される。さらに演算処理
部３４は、入力された移動量を用いて、測定実行制御部
３１の内部メモリに記憶された範囲１０２に係る測定点
の座標データを範囲１０３に係る測定点の座標データに
座標変換する。座標変換で得られた範囲１０３に係る測
定点の座標データは、測定実行制御部３１の内部メモリ
に記憶され、さらにＸＹ走査制御部２２に与えられる。
ＸＹ走査制御部２２は、探針１８を現在の位置ｂ１か
ら、範囲１０３における走査開始位置ｂ２へ移動させ、
測定を継続する。すなわち範囲１０３の測定を、ｂ２の
測定点から開始し、Ｘ軸方向に往復移動しながらＹ軸方
向に送り動作を行う。一方、演算処理部３４は、座標変
換で得られた範囲１０３に係る測定点の座標データを表
示制御処理部３６に供給する。表示制御処理部３６は、
画像メモリ３７の領域４２において、表示装置３５の画
面１０４に対応する部分の領域４２の各格納場所に割り
当てられたアドレスとしての座標データを、座標変換さ
れたデータに変更する。その結果、画像メモリ３７の領
域４２において、範囲１０２に対応する座標データが範
囲１０３に対応する座標データに変換され、座標変換で
消えた範囲１０２に含まれていた座標部分に格納されて
いた測定データは消え、かつ残りの測定データは位置が
シフトした新しい格納場所に移動する。その結果、本実
施形態の構成による画面１０４での画像表示方法では、
試料１４の測定の途中で、走査範囲を１０２から１０３
に変更すると、図９（Ａ）の表示状態から図４（Ａ）に
示す表示状態に移る。イメージ的には、画面１０４に表
示されていたＦ，Ｇの領域が左方向に移動量分だけシフ
トする。そして、図４（Ａ）に示された状態で点ｂ２か
らの測定が開始され、Ｊの右半分、Ｋの全体、Ｌの左半
分の測定が下側から開始され、前述と同様な方式により
表示装置３５の画面１０４に表示される。この状態の途
中および最終の各状態を、図４（Ｂ），（Ｃ）に示す。
図４の（Ｂ）と（Ｃ）では、図９の（Ｂ）と（Ｃ）とは
異なり、範囲１０２について測定した部分（Ｆ，Ｇ）と
範囲１０３について測定した部分（Ｊ，Ｋ，Ｌ）の位置
的関係が正しい関係に保たれている。すなわち測定の途
中で走査範囲を変更するときにおいて、表示画面１０４
に表示された画像で範囲的に重なり部分があるとき、変
更前の画像と変更後の画像が位置的関係として連続して
いるという特徴がある。

【００３６】上記の状態を画像メモリ３７の測定データ
の格納状態で見てみると、図３（Ｂ）に示すごとくな
る。画像メモリ３７の領域では、前述の領域４２ａに相
当する格納部分が移動量の部分だけ左側にシフトしてい
る。また領域４２ｂは範囲１０３に関して上部分の測定
によって得られた測定データが格納された領域である。
画像メモリ４１の領域４２における測定データの格納状
態で、領域４２ａにおけるデータ格納状態を範囲の変更
に伴ってシフトさせているので、領域４２ｂにおけるデ
ータ格納状態との位置的な連続状態を保つことが可能と
なる。なお領域４２において斜線で示した領域４２ｃは
測定データは格納されず、従って画面１０４の該当部分
には何も表示されない。

【００３７】その後、範囲１０３について測定が継続さ
れると、走査は、図８（Ｂ）に示す点ａ２の位置に探針
１８を移動させて、範囲１０３の下半分の走査が行われ
る。この走査によって、範囲１０３の下半分が測定さ
れ、その測定データによって画像メモリ３７の領域４２
の下半分の格納領域が書き換えられ、画面１０４におけ
る下半分の画像が範囲１０３の画像に変更される。

【００３８】以上のごとく、試料１４の表面を探針１８
で走査して表面の凹凸形状を測定している途中に、範囲
を１０２から１０３へ変更し、走査範囲の移動を行った
場合、本実施形態の画像表示方法では、Ｈの領域の一部
が欠落した画像が作成されるが、走査範囲の移動直後か
ら走査範囲に対応した画像が表示装置３５の画面に表示
されるので、測定者は、走査範囲変更前後の画像を連続
的に認識することができ、即座に現在の走査範囲を認識
でき、測定場所の特定を容易に行うことができる。特に
測定者の測定経験が少ない場合に、本実施形態による画
像表示方法は適している。

【００３９】次に第２の画像表示方法を説明する。この
画像表示方法は、特定の走査範囲で走査している途中に
走査範囲を縮小することにより、表示画面で画像を拡大
する表示方法である。図５で、（Ａ）は最初の広い走査
範囲１０１を示し、（Ｂ）は走査範囲を１０２の範囲に
狭めた例を示している。この測定では、最初に広い走査
範囲１０１を走査して測定を行っている途中で、点ｄで
走査範囲を範囲１０１から範囲１０２へ変更する。探針
１８は点ｄ１から点ｄ２へ移動して、点ｄ２から範囲１
０２の上側部分へ走査を行って画像を画面に表示し、さ
らに、範囲１０２の点ａ１に移って走査を行い、点ｄ２
まで測定を継続して画像表示を行う。

【００４０】従来の画像表示方法によって表示される画
面１０４の変化状態を図６に示す。従来の画像表示方法
によれば、図６（Ａ）に示された画像表示の途中で走査
範囲を範囲１０１から範囲１０２へ縮小することによっ
て、画面１０４での表示が途中で拡大され、図６
（Ｂ），（Ｃ）に示されるように走査範囲の変更前と変
更後の画像が不連続に接続され、現在の測定場所を正確
に認識できないという問題を提起する。

【００４１】本願発明による画像表示方法によれば、図
７に示すように表示される。この場合には、広い走査範
囲１０１における測定・表示では図６（Ａ）のところま
では同じであるが、走査範囲が狭い範囲１０２に変更さ
れると、変更前に表示されていた画像は、図７（Ａ）に
示されるように範囲１０２に含まれる部分（Ｆ，Ｇ，Ｊ
とＫの一部）のみを拡大して画面１０４の対応個所に表
示される。表示装置３５の画面１０４における表示画像
の内容を図６（Ａ）から図７（Ａ）に変更させるには、
図６（Ａ）の表示画像に対応する画像メモリ３７内の測
定データに係る座標を走査範囲変更後の表示画像に対応
させて変換する演算が行われる。当該座標変換の演算
は、前述と同様に、走査範囲入力器３８から与えられる
入力データを受けて演算処理部３４が実行し、得られた
座標変換データは、測定実行制御部３１を経由してＸＹ
走査制御部２２に供給されると共に、表示制御処理部３
６に供給される。かかる座標変換演算によって、図７
（Ａ）に示される画像が画面１０４に表示される。その
後、変更された走査範囲１０２に関して走査が行われ、
拡大された画像が表示される。なお前述の例は、走査範
囲を縮小して画像を拡大する例を説明したが、画像を縮
小する場合も同様に表示を行うことができる。

【００４２】以上のように、走査範囲の大きさを変更す
る場合にも、変更直後からその走査範囲に対応した画像
が表示されるので、測定者は、走査範囲の変更前後の画
像のつながり（連続性）を認識することができ、即座に
現在の走査範囲を認識でき、測定場所の特定を容易に行
うことができる。

【００４３】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように本発明によ
れば、走査型プローブ顕微鏡で或る走査範囲を設定して
測定を行いその表示画面に画像の表示を行っている最中
に走査範囲の移動や大きさの変更を行う場合、走査範囲
の変更直後から、変更後の走査範囲に対応した画像が表
示され、変更前後の画像の連続性が保たれ、現在の測定
場所を正確に認識することができ、測定場所の特定を容
易に行うことができる。特に測定の経験が少ない測定者
にも容易に取り扱うことができ、走査範囲の変更作業を
繰返す場合に最適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】走査型プローブ顕微鏡による測定状態を示す斜
視図である。

【図２】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の実施形態
を示す構成図である。

【図３】画像メモリの内部構造を示す図である。

【図４】本発明に係る第１の画像表示例を示す図であ
る。

【図５】本発明に係る第２の画像表示例を説明するため
の走査範囲の変更を示す図である。

【図６】従来の画像表示方法による画面の表示例を示す
図である。

【図７】本発明に係る第２の画像表示例を示す図であ
る。

【図８】走査範囲の位置を変更する場合の一例を説明す
る図である。

【図９】従来の画像表示方法による表示例を示す図であ
る。

【符号の説明】

１１ フレーム １２ ＸＹ走査機構 １３ 試料台 １４ 試料 １７ カンチレバー １８ 探針

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 村山 健 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機株 式会社土浦工場内 (72)発明者 国友 裕一 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機株 式会社土浦工場内 (72)発明者 山本 登 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機株 式会社土浦工場内 Ｆターム(参考） 2F069 AA60 DD24 DD30 GG04 GG06 GG07 HH04 JJ06 JJ14 LL03 MM32 MM34 MM38 NN00 QQ05

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料表面に臨むように探針を設け、往復
   動作と送り動作を組み合わせて前記探針に前記試料表面
   を走査させ、走査範囲内の試料表面の物理情報を取得し
   て表示装置の画面に画像を表示する走査型プローブ顕微
   鏡において、或る走査範囲で測定を行い画像表示を行っ
   ている最中に前記走査範囲を変更したとき、変更前の走
   査範囲の座標を変更後の走査範囲の変更量で変換し、こ
   の座標変換で得た座標で前記画面の表示領域を定め、変
   更前の走査開始点から変更点までに得た測定データと座
   標変換で得た前記座標との対応関係に基づき前記画面の
   表示領域に画像を表示すると共に、変更後の走査範囲に
   対応した画像を測定・表示することを特徴とする走査型
   プローブ顕微鏡の画像表示方法。