JP2002236086A - 探針走査制御方法および走査形プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 試料の同視野の連続観察を良好に行うことが
できる探針走査制御方法および走査形プローブ顕微鏡を
提供すること。 【解決手段】 オペレータは、表示画面Ａ上に表示され
る試料凹凸像Ｉ_１，Ｉ_２，Ｉ_３に対して、同一の目標位
置をカーソルＫで指定する。探針走査時刻算出手段１２
は、目標位置Ｍ_１，Ｍ_２，Ｍ_３に対応する試料４上の点
Ｍ_Ｓでの探針走査時刻Ｔ_１，Ｔ_２，Ｔ_３を求める。ま
た、移動距離算出手段１３は、前記点Ｍ_Ｓが時刻Ｔ_１か
らＴ_２にかけて移動した距離ｄ_１２と、点Ｍ_Ｓが時刻Ｔ
_２からＴ_３にかけて移動した距離ｄ_２３を求める。ドリ
フト検出手段１４は、求められた時刻Ｔ_１，Ｔ_２，Ｔ_３
と移動距離ｄ_１２，ｄ_２３に基づいて試料側のドリフト
速度Ｖを求め、また、試料側のドリフト方向を求める。
そして、制御手段１０は、試料の同視野の連続観察を行
う場合、求められたドリフト量に基づいて探針走査位置
を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】 本発明は、走査形トンネル
顕微鏡や原子間力顕微鏡などの探針走査制御方法および
走査形プローブ顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】 走査形トンネル顕微鏡（STM:Scanning
Tunneling Microscope）や原子間力顕微鏡（AFM:Atomi
c Force Microscope）などの走査形プローブ顕微鏡（SP
M:Scanning Probe Microscope）は、探針を試料上で２
次元的に走査させて試料像を得るものであり、試料上の
非常に微小な領域を観察する顕微鏡である。

【０００３】このような微小領域を観察する走査形プロ
ーブ顕微鏡では、試料ドリフトが、試料の同視野の連続
観察において大きな問題となる。すなわち、試料の同視
野の連続観察を行うために、探針を試料上で同じように
複数回フレーム走査させても、試料側がドリフトする
と、観察視野がそのドリフトに応じて変化してしまう。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】 そこで、これまで、
このような試料ドリフトを抑える試料ステージなどの改
良が行われてきたが、現在においても、上述した同視野
の連続観察における問題は解決されていない。

【０００５】本発明はこのような点に鑑みて成されたも
ので、その目的は、試料の同視野の連続観察を良好に行
うことができる探針走査制御方法および走査形プローブ
顕微鏡を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】 この目的を達成する本
発明の探針走査制御方法は、探針を試料上で走査させて
試料像を得る走査形プローブ顕微鏡において、探針を試
料上で複数回フレーム走査させて、複数枚の試料像の画
像データを取得し、その画像データに基づく複数枚の試
料像を表示手段画面上に表示させ、その表示手段画面上
に表示される各試料像に対して同一の目標位置をそれぞ
れ指定し、その指定された目標位置に対応する試料位置
での探針の走査時刻を、前記各試料像についてそれぞれ
求めると共に、前記各試料像中における前記目標位置の
位置に基づき、前記目標位置に対応する試料位置の移動
距離および移動方向を求め、前記求めた探針の各走査時
刻、前記求めた試料位置の移動距離および移動方向に基
づき、試料側のドリフト量を求め、その求めたドリフト
量に基づき、探針の試料上での走査を制御するようにし
た。

【０００７】

【発明の実施の形態】 以下、図面を用いて本発明の実
施の形態について説明する。

【０００８】図１は、本発明の走査形プローブ顕微鏡の
一例を示したものであり、本発明が適用された走査形ト
ンネル顕微鏡を示したものである。

【０００９】まず、図１の装置構成について説明する。

【００１０】図１において１はチャンバであり、その内
部の試料室２は、図示していない排気装置により排気さ
れている。

【００１１】この試料室２には試料ステージ３が配置さ
れており、ｘ，ｙおよびｚ方向に移動可能な試料ステー
ジ３は、たとえば特公昭６１−３０３７５号公報や特公
昭６１−３０３７６号公報に記載されているような構成
となっていて、試料ドリフトを抑えるように構成されて
いる。そして、試料４が試料ステージ３上にセットされ
ている。

【００１２】また、図１に示すように、探針５が前記試
料４に対向かつ接近して配置されていて、探針５は、圧
電体で出来たスキャナ６に取り付けられている。このス
キャナ６は、ｘｙ方向に移動可能なｘｙスキャナ７と、
ｚ方向に移動可能なｚスキャナ８で構成されていて、ス
キャナ６はチャンバ側の取付部９に取り付けられてい
る。

【００１３】また、図１において１０は制御手段であ
り、制御手段１０は、メモリ１１と、探針走査時刻算出
手段１２と、移動距離算出手段１３と、ドリフト検出手
段１４を備えている。

【００１４】さらに制御手段１０は、キーボードやマウ
スなどの指定手段１５と、表示手段１６と、前記ｘｙス
キャナ７を駆動制御するｘｙスキャナコントローラ１７
と、前記ｚスキャナ８を駆動制御するｚスキャナコント
ローラ１８と、探針５と試料４間に流れるトンネル電流
を検出するトンネル電流検出手段１９に接続されてい
る。なお、図１には示されていないが、探針５と試料４
間には所定のバイアス電圧が印加されている。

【００１５】以上、図１の装置構成について説明した
が、以下に動作説明を行う。

【００１６】まずオペレータは、試料観察に先立って試
料ドリフトの測定を行うために、試料ドリフトの測定を
開始させるための入力を指定手段１５により行う。する
と、ドリフト測定の指示信号が指定手段１５から制御手
段１０に送られる。

【００１７】そして、ドリフト測定の指示信号を受けた
制御手段１０は、試料４の凹凸像をまず１枚得るため
に、探針５を試料４上で１フレーム走査させるための走
査信号（ｘ_ｉ，ｙ_ｊ）（i＝1，2，…，m、j＝1，2，
…，n）をｘｙスキャナコントローラ１７に送る。この
ｘｙスキャナコントローラ１７は、制御手段１０からの
前記走査信号（ｘ_ｉ，ｙ_ｊ）に基づいてｘｙスキャナ７
をｘｙ方向に駆動させるので、探針５は試料４上を２次
元的にｘｙ走査する。

【００１８】この探針のｘｙ走査時、探針５と試料４間
に流れるトンネル電流はトンネル電流検出手段１９で検
出されており、その検出信号は制御手段１０に送られ
る。そして制御手段１０は、前記検出信号に基づき、前
記トンネル電流を一定に保つための探針高さ制御信号ｚ
_ｉｊ１（i＝1，2，…，m、j＝1，2，…，n）をｚスキャ
ナコントローラ１８に送る。このｚスキャナコントロー
ラ１８は、制御手段１０からの探針高さ制御信号ｚ
_ｉｊ１に基づいてｚスキャナ８をｚ方向に駆動させるの
で、探針のｘｙ走査時において、探針５と試料４間の距
離は常に一定に保たれる。

【００１９】このようにして探針の試料上での１フレー
ム走査が行われ、制御手段１０は、試料４の凹凸を表す
上述した探針高さ制御信号ｚ_ｉｊ１を探針５の各走査位
置（ｘ_ｉ，ｙ_ｊ）に対応させて、画像データ（ｘ_ｉ，ｙ
_ｊ，ｚ_ｉｊ１）として前記メモリ１１に記憶する。こう
して、１枚目の試料凹凸像Ｉ_１の画像データがメモリ１
１に記憶されるが、このときに制御手段１０は、その試
料凹凸像Ｉ_１の画像データに対して、像取得開始時刻Ｔ
_０１，探針５の試料上での走査範囲Ｓ_１，探針５の走査
スピードυ_１および探針５の走査点数Ｐ_１を付加情報と
してメモリ１１に記憶する。ここで、これらの付加情報
について図２を用いて説明する。

【００２０】図２は、上述した試料凹凸像Ｉ_１の画像デ
ータを取得したときの、探針５の試料４上でのｘｙ走査
の様子を示したものであり、探針５は図２に示す矢印に
沿って試料４上をｘｙ走査する。すなわち、探針５は、
座標（ｘ_０，ｙ_０，ｚ_０）を走査原点とするｘｙ走査位
置（ｘ_１，ｙ_１）を走査開始位置として、ｘｙ走査位置
（ｘ_２，ｙ_１），…，（ｘ_ｍ，ｙ_１），（ｘ_ｍ，
ｙ_２），（ｘ_ｍ−１，ｙ_２），…，（ｘ_１，ｙ_２），
…，（ｘ_ｉ，ｙ_ｊ），…，（ｘ_１，ｙ_ｎ），…，
（ｘ_ｍ，ｙ_ｎ）の順に走査位置を変える。

【００２１】このとき、上述した像取得開始時刻Ｔ_０１
とは、探針５が前記ｘｙ走査位置（ｘ_１，ｙ_１）を走査
開始したときの時刻であり、内部に時計を備えた前記制
御手段１０は、その時刻Ｔ_０１を測定してメモリ１１に
記憶する。

【００２２】また、前記走査範囲Ｓ_１とは、図２に示す
探針のｘ方向の走査幅Ｓ_ｘと探針のｙ方向の走査幅Ｓ_ｙ
であり、前記制御手段１０は、その走査範囲Ｓ_１（Ｓ_ｘ
×Ｓ _ｙ）をメモリ１１に記憶する。

【００２３】また、探針の走査スピードυ_１とは、探針
のｘｙ走査時の速度であり、探針は試料上を一定速度υ
_１でｘｙ走査する。

【００２４】そして、探針の走査点数Ｐ_１とは、デジタ
ル走査信号によってステップ状にｘｙ走査される探針の
走査点の数であり、その走査点数は図２に示すように
（ｍ×ｎ）である。

【００２５】以上、前記試料凹凸像Ｉ_１の画像データの
付加情報Ｔ_０１，Ｓ_１，υ_１，Ｐ_１について説明した
が、このうちの付加情報Ｓ_１，υ_１，Ｐ_１は、ドリフト
測定前にオペレータによって制御手段１０側に入力され
ている。そして制御手段１０は、その入力された情報に
基づいて前記走査信号（ｘ_ｉ，ｙ_ｊ）を作成してｘｙス
キャナコントローラ１７に供給している。

【００２６】さて、１枚目の試料凹凸像Ｉ_１の画像デー
タ（ｘ_ｉ，ｙ_ｊ，ｚ_ｉｊ１）が得られると、制御手段１
０は、２枚目の試料凹凸像Ｉ_２の画像データを得るため
に、探針５を試料４上で１フレーム走査させるための走
査信号（ｘ_ｉ，ｙ_ｊ）（i＝1，2，…，m、j＝1，2，
…，n）をｘｙスキャナコントローラ１７に送る。この
ときに制御手段１０からｘｙスキャナコントローラ１７
に送られる走査信号（ｘ_ｉ，ｙ_ｊ）は、試料凹凸像Ｉ_１
の画像データを得たときの走査信号（ｘ_ｉ，ｙ_ｊ）とま
ったく同じ信号であるので、ｘｙスキャナコントローラ
１７によるｘｙスキャナ７の駆動によって、探針５は試
料凹凸像Ｉ_１の画像データを得た時と同様に試料４上を
２次元的にｘｙ走査する。

【００２７】このときの探針のｘｙ走査時においても、
制御手段１０は、試料凹凸像Ｉ_１の画像データを取得し
た時と同様、前記トンネル電流検出手段１９からの検出
信号に基づき、前記トンネル電流を一定に保つための探
針高さ制御信号ｚ_ｉｊ２（i＝1，2，…，m、j＝1，2，
…，n）をｚスキャナコントローラ１８に送る。このた
め、ｚスキャナコントローラ１８によるｚスキャナ８の
駆動によって、探針のｘｙ走査時において、探針５と試
料４間の距離は常に一定に保たれる。

【００２８】このようにして探針の試料上での１フレー
ム走査が行われ、制御手段１０は、試料凹凸像Ｉ_１の画
像データ取得時と同様、得られた２枚目の試料凹凸像Ｉ
_２の画像データ（ｘ_ｉ，ｙ_ｊ，ｚ_ｉｊ２）をメモリ１１
に記憶する。このとき、制御手段１０は、得られた試料
凹凸像Ｉ_２の画像データに対して前記付加情報をメモリ
１１に記憶する。すなわち、制御手段１０は、試料凹凸
像Ｉ_２の画像データに対して、像取得開始時刻Ｔ_０２，
探針５の試料上での走査範囲Ｓ_２，探針５の走査スピー
ドυ_２および探針５の走査点数Ｐ_２を付加情報としてメ
モリ１１に記憶する。この場合、Ｓ_２＝Ｓ_１、υ_２＝υ
_１、Ｐ_２＝Ｐ_１である。

【００２９】こうして２枚目の試料凹凸像Ｉ_２の画像デ
ータが得られると、制御手段１０は、３枚目の試料凹凸
像Ｉ_３の画像データを得るために、探針５を試料４上で
１フレーム走査させるための走査信号（ｘ_ｉ，ｙ_ｊ）を
ｘｙスキャナコントローラ１７に送る。このときに制御
手段１０からｘｙスキャナコントローラ１７に送られる
走査信号（ｘ_ｉ，ｙ_ｊ）は、試料凹凸像Ｉ_１とＩ_２の画
像データを得たときの走査信号（ｘ_ｉ，ｙ_ｊ）と同じ信
号なので、探針５は試料凹凸像Ｉ_１とＩ_２の画像データ
を取得したときと同様に試料４上をｘｙ走査する。

【００３０】このときも制御手段１０は、探針５と試料
４間の距離が常に一定に保たれるように探針高さを制御
する。

【００３１】そして制御手段１０は、得られた試料凹凸
像Ｉ_３の画像データ（ｘ_ｉ，ｙ_ｊ，ｚ_ｉｊ３）をメモリ
１１に記憶する。このとき制御手段１０は、試料凹凸像
Ｉ_３の画像データに対して、像取得開始時刻Ｔ_０３，探
針５の試料上での走査範囲Ｓ _３，探針５の走査スピード
υ_３および探針５の走査点数Ｐ_３を付加情報としてメモ
リ１１に記憶する。この場合、Ｓ_３＝Ｓ_２＝Ｓ_１、υ_３
＝υ_２＝υ_１、Ｐ_３＝Ｐ_２＝Ｐ_１である。

【００３２】以上のようにして、３枚の試料凹凸像
Ｉ_１，Ｉ_２，Ｉ_３の画像データが得られると、制御手段
１０は、それらの画像データを順に読み出して表示手段
１６に供給する。これらの画像データを受け取った表示
手段１６は、図１に示すようにその表示画面Ａ上に、試
料凹凸像Ｉ_１，Ｉ_２，Ｉ_３を同時に表示する。

【００３３】さて、図１の表示画面Ａ上に表示された試
料凹凸像Ｉ_１，Ｉ_２，Ｉ_３において、各試料凹凸像中に
おける円形の像Ｉ_０は、試料４上の同一対象物に関する
ものである。このため、試料ドリフトが発生していなけ
れば、各試料凹凸像Ｉ_１，Ｉ _２，Ｉ_３中における前記像
Ｉ_０の位置は同じとなる。しかしながら、図１からもわ
かるように、各試料凹凸像Ｉ_１，Ｉ_２，Ｉ_３中における
像Ｉ_０の位置は異なっており、このことは試料ドリフト
が発生していることを表している。

【００３４】そこで次にオペレータは、表示画面Ａ上に
表示されているカーソルＫを指定手段１５を操作して画
面Ａ上で移動させ、各試料凹凸像Ｉ_１，Ｉ_２，Ｉ_３に対
して、試料凹凸像中における同一の目標位置にカーソル
Ｋを位置させてそれぞれ位置指定する。この場合にオペ
レータは、上述した像Ｉ_０の中心位置を目標位置と決
め、図１に示すように、試料凹凸像Ｉ_１については像Ｉ
_０の中心位置Ｍ_１にカーソルＫを位置させて位置指定を
行い、また、試料凹凸像Ｉ_２については像Ｉ_０の中心位
置Ｍ_２にカーソルＫを位置させて位置指定を行い、そし
て、試料凹凸像Ｉ _３については像Ｉ_０の中心位置Ｍ_３に
カーソルＫを位置させて位置指定を行う。

【００３５】なお、この位置指定については、たとえば
キーボードの特定キーを押して位置指定を行ったり、マ
ウスをクリックすることによって位置指定を行うように
すればよい。

【００３６】このようにして、試料凹凸像Ｉ_１，Ｉ_２，
Ｉ_３に対して、同一の目標位置Ｍ_１，Ｍ_２，Ｍ_３が指定
されると、試料凹凸像Ｉ_１中におけるＭ_１の位置を表す
位置指定信号（Ｍ_１）と、試料凹凸像Ｉ_２中におけるＭ
_２の位置を表す位置指定信号（Ｍ_２）と、試料凹凸像Ｉ
_３中におけるＭ_３の位置を表す位置指定信号（Ｍ_３）
が、表示手段１６から制御手段１０に送られる。そし
て、制御手段１０の探針走査時刻算出手段１２は、それ
らの位置指定信号に基づき、各試料凹凸像Ｉ_１，Ｉ _２，
Ｉ_３について、前記目標位置Ｍ_１，Ｍ_２，Ｍ_３に対応す
る試料４上の点Ｍ_Ｓでの探針走査時刻Ｔ_１，Ｔ_２，Ｔ_３
をそれぞれ求める。ここで、この探針走査時刻Ｔ_１，Ｔ
_２，Ｔ_３の求め方について説明する。

【００３７】まず探針走査時刻算出手段１２は、試料凹
凸像Ｉ_１を取得したときに、前記目標位置Ｍ_１に対応す
る試料位置Ｍ_Ｓ上を探針５が走査した時刻Ｔ_１を求める
ために、前記位置指定信号（Ｍ_１）に基づき、前記目標
位置Ｍ_１に対応する試料位置Ｍ_Ｓでの探針５のｘｙ走査
位置（ｘ_ｉ，ｙ_ｊ）Ｍ_１を求める。この求められた探針
のｘｙ走査位置（ｘ_ｉ，ｙ_ｊ）Ｍ_１が、たとえば図２に
示す（ｘ_２，ｙ_ｎ−１）のとき、探針走査時刻算出手段
１２は、次式（１）に基づいて前記時刻Ｔ_１を求める。

【００３８】Ｔ_１＝Ｔ_０１＋Ｎ_１×ｔ …（１） この式（１）において、Ｔ_０１は、試料凹凸像Ｉ_１の付
加情報としてメモリ１１に記憶された前記像取得開始時
刻Ｔ_０１である。

【００３９】また、式（１）におけるＮ_１は、前記ｘｙ
走査位置（ｘ_２，ｙ_ｎ−１）における探針５の走査順番
であり、この場合には、Ｎ_１は図２に示すように４７番
目である。探針走査時刻算出手段１２は、このときのＮ
_１を、前記ｘｙ走査位置（ｘ _２，ｙ_ｎ−１）と、試料凹
凸像Ｉ_１の付加情報としてメモリ１１に記憶された前記
走査点数Ｐ_１と、図２に矢印で示した探針の走査方向に
基づいて求めている。

【００４０】また、式（１）におけるｔは、探針５が１
つの走査点にとどまる時間（ｓ）である。探針走査時刻
算出手段１２は、この時間ｔ（ｓ）を、試料凹凸像Ｉ_１
の付加情報としてメモリ１１に記憶された前記走査範囲
Ｓ_ｘ、探針速度υ_１、およびｘ方向の走査点数ｍから、
ｔ（ｓ）＝Ｓ_ｘ／（υ_１×ｍ）により求めている。

【００４１】こうして、探針走査時刻算出手段１２は前
記時刻Ｔ_１を求めると、次に探針走査時刻算出手段１２
は、試料凹凸像Ｉ_２を取得したときに、前記目標位置Ｍ
_２に対応する試料位置Ｍ_Ｓ上を探針５が走査した時刻Ｔ
_２を求めるために、前記位置指定信号（Ｍ_２）に基づ
き、前記目標位置Ｍ_２に対応する試料位置Ｍ_Ｓでの探針
５のｘｙ走査位置（ｘ_ｉ，ｙ_ｊ）Ｍ_２を求める。この求
められた探針のｘｙ走査位置（ｘ_ｉ，ｙ_ｊ）Ｍ_２が、た
とえば図２に示す（ｘ_３，ｙ_ｎ−２）のとき、探針走査
時刻算出手段１２は、次式（２）に基づいて前記時刻Ｔ
_２を求める。

【００４２】Ｔ_２＝Ｔ_０２＋Ｎ_２×ｔ …（２） この式（２）において、Ｔ_０２は、試料凹凸像Ｉ_２の付
加情報としてメモリ１１に記憶された前記像取得開始時
刻Ｔ_０２である。また、Ｎ_２は、前記ｘｙ走査位置（ｘ
_３，ｙ_ｎ−２）における探針５の走査順番であり、この
場合には、Ｎ_２は図２に示すように３５番目である。探
針走査時刻算出手段１２は、このときのＮ_２を、上述し
たＮ_１を求めたときと同様にして求めている。また、式
（２）におけるｔは、上述した式（１）におけるｔと同
じである。

【００４３】さらに、探針走査時刻算出手段１２は、試
料凹凸像Ｉ_３を取得したときに、前記目標位置Ｍ_３に対
応する試料位置Ｍ_Ｓ上を探針５が走査した時刻Ｔ_３を求
める。この時刻Ｔ_３の求め方については、上述した時刻
Ｔ_１とＴ_２の求め方と同じである。なお、このときの目
標位置Ｍ_３に対応する試料位置Ｍ_Ｓでの探針走査位置
（ｘ_ｉ，ｙ_ｊ）Ｍ_３を（ｘ_４，ｙ_ｎ−３）とする。

【００４４】以上のようにして、探針走査時刻算出手段
１２は時刻Ｔ_１，Ｔ_２，Ｔ_３を求めると、次に制御手段
１０の移動距離算出手段１３は、前記位置指定信号（Ｍ
_１）と（Ｍ_２）に基づき、前記試料４上の点Ｍ_Ｓが時刻
Ｔ_１から時刻Ｔ_２にかけて移動した距離ｄ_１２を求め
る。この際、移動距離算出手段１３は、位置指定信号
（Ｍ_１）に基づいて前記探針走査時刻算出手段１２で求
められた探針走査位置（ｘ _ｉ，ｙ_ｊ）Ｍ_１＝（ｘ_２，ｙ
_ｎ−１）と、位置指定信号（Ｍ_２）に基づいて前記探針
走査時刻算出手段１２で求められた探針走査位置
（ｘ_ｉ，ｙ_ｊ）Ｍ_２＝（ｘ _３，ｙ_ｎ−２）から、ｄ_１２
を√（（ｘ_３−ｘ_２）^２＋（ｙ_ｎ−２−ｙ_ｎ−１）
^２ ）により求める。

【００４５】また、移動距離算出手段１３は、前記位置
指定信号（Ｍ_２）と（Ｍ_３）に基づき、前記試料４上の
点Ｍ_Ｓが時刻Ｔ_２から時刻Ｔ_３にかけて移動した距離ｄ
_２３を求める。この際、移動距離算出手段１３は、位置
指定信号（Ｍ_２）に基づいて前記探針走査時刻算出手段
１２で求められた探針走査位置（ｘ_ｉ，ｙ_ｊ）Ｍ_２＝
（ｘ_３，ｙ_ｎ−２）と、位置指定信号（Ｍ_３）に基づい
て前記探針走査時刻算出手段１２で求められた探針走査
位置（ｘ_ｉ，ｙ_ｊ）Ｍ_３＝（ｘ_４，ｙ_ｎ−３）から、ｄ
_２３を√（（ｘ_４−ｘ_３）^２＋（ｙ_ｎ−３−ｙ_ｎ−２）
^２ ）により求める。

【００４６】さて、図３は、横軸に上述した探針走査時
刻Ｔ、縦軸に上述した試料位置Ｍ_Ｓの移動距離ｄをとっ
たグラフであり、制御手段１０のドリフト検出手段１４
は、前記探針走査時刻算出手段１２で求められたＴ_１，
Ｔ_２，Ｔ_３および前記移動距離算出手段１３で求められ
たｄ_１２，ｄ_２３に基づき、図３のＬで示す直線（検量
線）を求める。このようにドリフト検出手段１４は、前
記試料位置Ｍ_Ｓの移動速度を直線Ｌで近似すると、ドリ
フト検出手段１４はその直線Ｌから、前記試料位置Ｍ_Ｓ
の移動速度Ｖ（＝Δｄ／ΔＴ）（ｍ／ｓ）を求める。す
なわち、ドリフト検出手段１４は、試料４および試料ス
テージ３を含む試料側のドリフト速度Ｖ（＝Δｄ／Δ
Ｔ）（ｍ／ｓ）を求める。

【００４７】さらにドリフト検出手段１４は、前記位置
指定信号（Ｍ_１）と（Ｍ_２）に基づき、前記試料４上の
点Ｍ_Ｓが時刻Ｔ_１から時刻Ｔ_２にかけて移動したときの
試料位置Ｍ_Ｓの移動方向Ｄ_１２を求める。図４（ａ）
は、このときに求められた移動方向Ｄ_１２をベクトルで
示したものであり、この場合、ベクトルＤ_１２の長さは
前記距離ｄ_１２に対応しており、また、ベクトルＤ_１２
の方向はｘ軸方向に対してｙ軸方向に４５度傾斜した方
向である。

【００４８】またドリフト検出手段１４は、前記位置指
定信号（Ｍ_２）と（Ｍ_３）に基づき、前記試料４上の点
Ｍ_Ｓが時刻Ｔ_２から時刻Ｔ_３にかけて移動したときの試
料位置Ｍ_Ｓの移動方向Ｄ_２３を求める。図４（ｂ）は、
このときに求められた移動方向Ｄ_２３をベクトルで示し
たものであり、この場合、ベクトルＤ_２３の長さは前記
距離ｄ_２３に対応しており、また、ベクトルＤ_２３の方
向は前記ベクトルＤ_{１ ２}と同じく、ｘ軸方向に対してｙ
軸方向に４５度傾斜した方向である。

【００４９】そしてドリフト検出手段１４は、求めたド
リフト方向Ｄ_１２とＤ_２３に基づいて、試料側のドリフ
ト方向Ｄを求める。この際、ドリフト検出手段１４は、
図４（ａ）に示したベクトルＤ_１２と図４（ｂ）に示し
たベクトルＤ_２３を加算して、図４（ｃ）に示すベクト
ルＤを求めることにより、上述した試料側のドリフト方
向Ｄを求める。この場合、ドリフト方向Ｄは、ｘ軸方向
に対してｙ軸方向に４５度傾斜した方向であり、θ＝４
５度である。

【００５０】このようにして、ドリフト検出手段１４
は、試料側のドリフト量、すなわちドリフト方向Ｄ（θ
＝４５度）とドリフト速度Ｖ（＝Δｄ／ΔＴ）（ｍ／
ｓ）を求めると、これらの情報から、試料側のｘ方向の
ドリフト速度Ｖ_ｘ＝Ｖｃｏｓθ（ｍ／ｓ）と、試料側の
ｙ方向のドリフト速度Ｖ_ｙ＝Ｖｓｉｎθ（ｍ／ｓ）をそ
れぞれ求める。

【００５１】以上、図１の装置における試料ドリフト測
定について説明したが、上述したように図１の装置にお
いては、３枚の試料凹凸像に基づき、試料側のドリフト
方向を１方向Ｄとして求めている。このように、試料側
のドリフト方向を１方向Ｄで代表させても問題とならな
い理由は、図１の試料ステージ３は構成上、そのドリフ
ト方向が変わらずにほぼ同じ方向Ｄであるためである。
このように本発明は、試料側がほぼ一定方向にドリフト
する場合に用いて有益である。

【００５２】次に、図１の装置において、試料４の同視
野の連続観察を行う場合について説明する。説明の便宜
上、上述した試料凹凸像Ｉ_１，Ｉ_２，Ｉ_３を得たときと
同じ探針走査によって、試料４上の領域ＳＡを連続観察
する場合について説明する。

【００５３】まず、制御手段１０は、前記試料領域ＳＡ
に関する１枚目の試料凹凸像Ｉ_{ＳＡ １}の画像データを得
るために、探針５を試料領域ＳＡ上で１フレーム走査さ
せるための走査信号（ｘ_ｉ，ｙ_ｊ）（i＝1，2，…，m、
j＝1，2，…，n）をｘｙスキャナコントローラ１７に送
る。このｘｙスキャナコントローラ１７は、制御手段１
０からの前記走査信号（ｘ_ｉ，ｙ_ｊ）に基づいてｘｙス
キャナ７をｘｙ方向に駆動させるので、探針５は前記試
料凹凸像Ｉ_１，Ｉ_２，Ｉ_３を取得したときと同様に試料
４上を２次元的にｘｙ走査する。

【００５４】このときの探針のｘｙ走査時においても、
制御手段１０は、試料凹凸像Ｉ_１，Ｉ_２，Ｉ_３の画像デ
ータを取得したときと同様、前記トンネル電流検出手段
１９からの検出信号に基づき、前記トンネル電流を一定
に保つための探針高さ制御信号ｚ_{ｉｊＳＡ１}（i＝1，
2，…，m、j＝1，2，…，n）をｚスキャナコントローラ
１８に送る。このため、ｚスキャナコントローラ１８に
よるｚスキャナ８の駆動によって、探針のｘｙ走査時に
おいて、探針５と試料４間の距離は常に一定に保たれ
る。

【００５５】このようにして、探針の試料上での１フレ
ーム走査が行われ、制御手段１０は、得られた１枚目の
試料凹凸像Ｉ_ＳＡ１の画像データ（ｘ_ｉ，ｙ_ｊ，ｚ
_{ｉｊＳＡ １}）をメモリ１１のメモリ部Ｍ_０に記憶する。

【００５６】また、制御手段１０は、前記画像データ
（ｘ_ｉ，ｙ_ｊ，ｚ_{ｉｊＳＡ１}）のメモリ部Ｍ_０への書き
込みを行う一方、その書き込み速度よりも高速に、メモ
リ部Ｍ _０に書き込まれた画像データを順に繰り返し読み
出して表示手段１６に供給する。この結果、この画像デ
ータを受け取った表示手段１６は、図５（ａ）に示すよ
うにその画面Ａ上に、試料凹凸像Ｉ_ＳＡ１を表示する。

【００５７】さて、１枚目の試料凹凸像Ｉ_ＳＡ１の画像
データ（ｘ_ｉ，ｙ_ｊ，ｚ_{ｉｊＳＡ１}）が得られると、制
御手段１０は、１枚目と同じ視野の２枚目の試料凹凸像
Ｉ_{Ｓ Ａ２}の画像データを得るために、探針５を走査開始
位置（ｘ_１，ｙ_１）に戻すための信号をｘｙスキャナコ
ントローラ１７に送る。すると、ｘｙスキャナコントロ
ーラ１７によるｘｙスキャナ７の駆動によって、探針５
は前記走査開始位置（ｘ_１，ｙ_１）に位置する。

【００５８】ところで、上述した試料凹凸像Ｉ_ＳＡ１取
得時における探針５の１フレーム走査時間をｔ
_ａ（ｓ）、また、２枚目の試料凹凸像Ｉ_ＳＡ２の取得開
始にあたって、探針５を走査位置（ｘ_ｍ，ｙ_ｎ）から前
記走査開始位置（ｘ_１，ｙ_１）に戻すのに要する時間を
ｔ_ｂ（ｓ）とすると、このｔ_ａ＋ｔ_ｂ（ｓ）間において
も、試料側は前記Ｖ_ｘ＝Ｖｃｏｓθ（ｍ／ｓ）の速度で
ｘ方向に、また前記Ｖ_ｙ＝Ｖｓｉｎθ（ｍ／ｓ）の速度
でｙ方向にドリフトしている。そこで、制御手段１０
は、前記ドリフト検出手段１４で検出されたＶ_ｘ＝Ｖｃ
ｏｓθ（ｍ／ｓ）と前記時間ｔ_ａ＋ｔ_ｂ（ｓ）から、試
料４が時間ｔ_ａ＋ｔ_ｂ（ｓ）間にｘ方向にドリフトした
距離ｄ_ｘ１＝（ｔ_ａ＋ｔ_ｂ）×Ｖｃｏｓθ（ｍ）を求め
る。また、制御手段１０は、前記ドリフト検出手段１４
で検出されたＶ_ｙ＝Ｖｓｉｎθ（ｍ／ｓ）と前記時間ｔ
_ａ＋ｔ_ｂ（ｓ）から、試料４が時間ｔ_ａ＋ｔ_ｂ（ｓ）間
にｙ方向にドリフトした距離ｄ_ｙ１＝（ｔ_ａ＋ｔ_ｂ）×
Ｖｓｉｎθ（ｍ）を求める。

【００５９】そして制御手段１０は、探針５を、現在の
走査開始位置（ｘ_１，ｙ_１）からｘ方向に前記ｄ_ｘ１、
ｙ方向に前記ｄ_ｙ１だけ移動させるための信号をｘｙス
キャナコントローラ１７に送る。すると、ｘｙスキャナ
コントローラ１７によるｘｙスキャナ７の駆動によっ
て、探針５は位置（ｘ_１＋ｄ_ｘ１，ｙ_１＋ｄ_ｙ１）に位
置する。

【００６０】このようにして、探針５の走査開始位置
が、事前に求められた試料ドリフト量に基づいて変更さ
れると、制御手段１０は、前記試料領域ＳＡに関する２
枚目の試料凹凸像Ｉ_ＳＡ２の画像データを得るために、
探針５を試料凹凸像Ｉ_ＳＡ１取得時と同じ走査幅だけｘ
ｙ走査させるための走査信号をｘｙスキャナコントロー
ラ１７に送る。このｘｙスキャナコントローラ１７によ
るｘｙスキャナ７の駆動によって、探針５は試料４上を
２次元的にｘｙ走査する。

【００６１】このときの探針のｘｙ走査時においても、
制御手段１０は、試料凹凸像Ｉ_{ＳＡ １}の画像データを取
得した時と同様、前記トンネル電流検出手段１９からの
検出信号に基づき、前記トンネル電流を一定に保つため
の探針高さ制御信号ｚ_{ｉｊＳ Ａ２}をｚスキャナコントロ
ーラ１８に送る。

【００６２】このようにして探針の試料上での１フレー
ム走査が行われ、制御手段１０は、得られた２枚目の試
料凹凸像Ｉ_ＳＡ２の画像データ（ｘ_ｉ，ｙ_ｊ，ｚ
_{ｉｊＳＡ２}）を、メモリ１１のメモリ部Ｍ_０に順に上書
きしていく。そして、制御手段１０においては、メモリ
部Ｍ_０に書き込まれていく画像データが高速で繰り返し
読み出されて表示手段１６に供給されるので、表示手段
１６の画面Ａ上には、前記試料凹凸像Ｉ_ＳＡ１の上に新
しく試料凹凸像Ｉ_ＳＡ２が上書きされていく。

【００６３】図５（ｂ）は、探針５の２回目のフレーム
走査が終了したときの、表示画面Ａ上に表示される試料
凹凸像Ｉ_ＳＡ２を示したものである。図５（ａ）の像と
比較してわかるように、図５（ｂ）の像と図５（ａ）の
像はほぼ同じであり、試料ドリフトによる影響は像上に
あらわれていない。

【００６４】以後、前記同様にして、探針走査開始位置
が試料ドリフト量に基づいて補正されてから、探針５が
試料凹凸像Ｉ_ＳＡ１取得時と同じ走査幅だけｘｙ走査さ
れる。このため、図１の装置においては、試料の同視野
の連続観察を良好に行うことができる。

【００６５】以上、図１の装置の動作を説明したが、本
発明はこの例に限定されるものではなく、種々の変形例
を含むものである。

【００６６】たとえば、上記例においては、探針の試料
上での１フレーム走査毎に、事前に求めておいたドリフ
ト量に基づいて探針の走査開始位置を補正するようにし
ている。これに代えて、探針の試料上での１フレーム走
査中に、求めておいたドリフト量に基づいて探針の走査
位置を補正するようにしてもよい。

【００６７】すなわち、探針の１フレーム走査における
上記例のｘ方向の探針走査速度をυ _ｘ，ｙ方向の探針走
査速度をυ_ｙとすると、前記求められた試料側のドリフ
ト速度Ｖ_ｘ，Ｖ_ｙを考慮して、探針の１フレーム走査に
おけるｘ方向の探針走査速度を（υ_ｘ＋Ｖ_ｘ）、ｙ方向
の探針走査速度を（υ_ｙ＋Ｖ_ｙ）に変更するようにして
もよい。このように、探針走査位置を試料ドリフトに同
期させてリアルタイムに補正するようにすれば、同視野
の連続観察を行うことができると共に、測定画像内にお
けるドリフトによる観察対象物の形状変形を抑制でき
る。

【００６８】なお、この場合、探針を走査開始位置（ｘ
_１，ｙ_１）に戻す戻り走査においても、前記Ｖ_ｘ，Ｖ_ｙ
に基づき、探針走査位置は試料ドリフトに同期してリア
ルタイムに補正される。

【００６９】また、上記例では、３枚の試料凹凸像を取
得して試料側のドリフト量を求めるようにしたが、２枚
の試料凹凸像を取得して試料側のドリフト量を求めるよ
うにしてもよく、また、４枚以上の試料凹凸像を取得し
て試料側のドリフト量を求めるようにしてもよい。

【００７０】また、上記例では、ドリフト測定のために
取得した試料凹凸像Ｉ_１，Ｉ_２，Ｉ _３を同時に表示画面
上に表示させたが、その試料凹凸像を１枚づつ表示させ
て前記目標位置を指定するようにしてもよい。

【００７１】また、本発明は走査形トンネル顕微鏡に限
らず、原子間力顕微鏡や摩擦力顕微鏡などの走査形プロ
ーブ顕微鏡にも適用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の走査形プローブ顕微鏡の一例を示し
た図であり、本発明が適用された走査形トンネル顕微鏡
を示した図である。

【図２】 探針の試料上でのｘｙ走査の様子を示した図
である。

【図３】 試料のドリフト速度を説明するために示した
図である。

【図４】 試料のドリフト方向を説明するために示した
図である。

【図５】 表示手段画面上に表示される試料凹凸像を示
した図である。

【符号の説明】

１…チャンバ、２…試料室、３…試料ステージ、４…試
料、５…探針、６…スキャナ、７…ｘｙスキャナ、８…
ｚスキャナ、９…取付部、１０…制御手段、１１…メモ
リ、１２…探針走査時刻算出手段、１３…移動距離算出
手段、１４…ドリフト検出手段、１５…指定手段、１６
…表示手段、１７…ｘｙスキャナコントローラ、１８…
ｚスキャナコントローラ、１９…トンネル電流検出手段

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 探針を試料上で走査させて試料像を得る
   走査形プローブ顕微鏡において、探針を試料上で複数回
   フレーム走査させて、複数枚の試料像の画像データを取
   得し、その画像データに基づく複数枚の試料像を表示手
   段画面上に表示させ、その表示手段画面上に表示される
   各試料像に対して同一の目標位置をそれぞれ指定し、そ
   の指定された目標位置に対応する試料位置での探針の走
   査時刻を、前記各試料像についてそれぞれ求めると共
   に、前記各試料像中における前記目標位置の位置に基づ
   き、前記目標位置に対応する試料位置の移動距離および
   移動方向を求め、前記求めた探針の各走査時刻、前記求
   めた試料位置の移動距離および移動方向に基づき、試料
   側のドリフト量を求め、その求めたドリフト量に基づ
   き、探針の試料上での走査を制御するようにしたことを
   特徴とする探針走査制御方法。
2. 【請求項２】 前記求めたドリフト量に基づき、探針の
   試料上での１フレーム走査毎に、探針の試料上での走査
   開始位置を補正するようにしたことを特徴とする請求項
   １記載の探針走査制御方法。
3. 【請求項３】 前記求めたドリフト量に基づき、探針の
   試料上での１フレーム走査中に、探針の試料上での走査
   位置を補正するようにしたことを特徴とする請求項１記
   載の探針走査制御方法。
4. 【請求項４】 探針を試料上で走査させて試料像を得る
   走査形プローブ顕微鏡において、探針を試料上で複数回
   フレーム走査させて、複数枚の試料像の画像データを取
   得する手段と、その画像データに基づく複数枚の試料像
   を表示手段画面上に表示させる表示手段と、その表示手
   段画面上に表示される各試料像に対して同一の目標位置
   をそれぞれ指定するための指定手段と、その指定された
   目標位置に対応する試料位置での探針の走査時刻を、前
   記各試料像についてそれぞれ求める手段と、前記各試料
   像中における前記目標位置の位置に基づき、前記目標位
   置に対応する試料位置の移動距離および移動方向を求め
   る手段と、前記求められた探針の各走査時刻、前記求め
   られた試料位置の移動距離および移動方向に基づき、試
   料側のドリフト量を求める手段と、その求められたドリ
   フト量に基づいて、探針の試料上での走査を制御する制
   御手段を備えたことを特徴とする走査形プローブ顕微
   鏡。
5. 【請求項５】 前記制御手段は、前記求めたドリフト量
   に基づき、探針の試料上での１フレーム走査毎に、探針
   の試料上での走査開始位置を補正することを特徴とする
   請求項４記載の走査形プローブ顕微鏡。
6. 【請求項６】 前記制御手段は、前記求めたドリフト量
   に基づき、探針の試料上での１フレーム走査中に、探針
   の試料上での走査位置を補正することを特徴とする請求
   項４記載の走査形プローブ顕微鏡。