JP2004325075A - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、スキャナを交換する際に、そのスキャナ固有のパラメータ情報がオペレータの手動操作を必要としないでコントローラに自動的に設定される機能を備えたＳＰＭを提供することにある。
【解決手段】本発明のＳＰＭは、スキャナの一部に当該スキャナに関する情報を示す手段を備えると共に、該スキャナが装着される本体側に前記情報を判読する手段と、該判読した情報に基づいて、当該スキャナ固有のパラメータ情報をコントローラに設定する手段とを備えるようにした。
【選択図】 図１

Description

【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においてスキャナの特性情報をその交換に伴って自動設定する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は、先端部が先鋭化された探針で試料表面を走査し、プローブと試料表面との間に働く機械的、電気的或いは磁気的な相互作用等を検出することによって、試料表面の物理量をサブナノオーダの極めて高い分解能で観察する装置である。例えば、代表的なＳＰＭである原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）では、マイクロカンチレバー（片持ち梁）とその一端に取り付けられた探針からなるプローブを用い、探針先端部と試料表面の間に働く原子間力などの力をカンチレバーのたわみ量変化という情報で検出するものである。このたわみ量変化の検出には例えば、該たわみ量が一定となるように高さ方向（以下、Ｚ方向と呼ぶ）に伸縮する圧電スキャナに電圧を印加し、この印加電圧を検出値とする等の方式が採られている。この電圧値は高さ方向変位分をキャンセルさせるものであるから、探針が対峙している位置の試料の表面高さ情報に対応したものとなる。このＡＦＭ装置は、圧電素子からなるスキャナと、プローブと、プローブ変位検出装置とを備えている。具体的な配置例としては、スキャナにより変位駆動される試料台上に試料を載せ、プローブは試料表面直上に設置し、プローブの上側すなわちカンチレバー背面部に光テコの原理を利用した光電式プローブ変位検出装置が配置される。観察は、スキャナを水平方向（以下、ＸＹ方向と呼ぶ）に主走査と副走査を組み合わせたラスター二次元走査させることによって探針先端部と該試料を相対的に変位させて行なう。変位検出値をスキャナの走査位置に対応させディスプレイ上に画像表示させることで、サブナノオーダの分解能を持った走査顕微鏡像が得られる。
【０００３】
図６は従来のＳＰＭの基本構成を示した模式図である。基盤１０１に対し、スキャナ駆動部となる円筒型圧電素子１０２がその中心軸を基盤面に垂直にして固定される。円筒型圧電素子１０２の自由端側に試料台１０３が設置され、該試料台１０３の上に試料１０４が搭載される。プローブ１０５は、例えば原子間力顕微鏡においては、シリコンプロセスで製作した自由端に先鋭化された探針をもつカンチレバーであり、試料１０４の上部に配置される。基盤１０１は、試料１０４の表面とプローブ１０５の探針先端部を接近させるためのＺ粗動ステージ１０６の上に固定される。プローブ１０５の上方にはレーザ光源とレーザスポット位置を二次元的に検出できる光電検出器とを備えたプローブ変位検出手段１０７が配設され、プローブ変位検出手段１０７の出力信号はフィードバック回路１０８に入力され、該フィードバック回路１０８の出力はＺ方向駆動電圧として円筒型圧電素子１０２に入力される。また、円筒型圧電素子１０２には、ＸＹ走査回路１０９からＸＹ走査信号が入力され、試料台１０３を介して載置した試料１０４を二次元駆動する。該ＸＹ走査回路１０９からのＸＹ走査信号は同時に表示装置１１０にも入力されると共に、該表示装置１１０には検出信号に対応したＺ方向駆動電圧も入力されて、試料１０４面の形状画像が得られる。
【０００４】
ところで、この種のＳＰＭにおいて、使用条件に合わせて用いるスキャナが選択交換されることがある。その際、使用するスキャナによりその特性が異なるため、スキャナの交換時にはそのスキャナの圧電定数や非線形性の補正係数といった各種パラメータをコントローラ（一般にはコンピュータ）に設定しなければならない。従来この設定はオペレータが手動で行なっており、その操作が面倒であるだけでなく間違いを伴い易く、もし間違えて設定してしまった時は正しい計測ができないといった問題があった。すなわち、ＸＹ走査が指定通り行なわれなかったり、Ｚ変位量がずれたり、得られた顕微鏡画像のスケールが狂ったりといった不具合が生じていた。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３５０３１９号公報
「走査型プローブ顕微鏡」 平成１４年１２月４日公開
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、上記の問題点を解決すること、すなわち、スキャナを交換する際に、そのスキャナ固有のパラメータ情報がオペレータの手動操作を必要としないで、コントローラに自動的に設定される機能を備えたＳＰＭを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のＳＰＭは、スキャナの一部に当該スキャナに関する情報を示す手段を備えると共に、該スキャナが装着される本体側に、前記情報を判読する手段と、該判読した情報に基づいて当該スキャナ固有のパラメータ情報をコントローラに設定する手段とを備えるようにした。
具体的構成として、スキャナに関する情報を示す手段がバーコード、切り欠きや穴の位置、といったスキャナを特定するマークであり、情報を判読する手段がバーコードリーダ、プッシュピンや光センサといったマーク読み取り手段であり、判読した情報に基づいて当該スキャナ固有のパラメータ情報をコントローラに設定する手段が、マークで特定されるスキャナのパラメータ情報を該マーク情報と対応させて記憶する部材と、該記憶部材から前記パラメータ情報を読み出してコントローラに設定するもので構成されるＳＰＭを提示する。
また、異なる具体例として、スキャナに関する情報を示す手段が当該スキャナ固有のパラメータ情報を記憶したＩＣチップやバーコードであり、情報を判読する手段が読み取りヘッド、バーコードリーダといった情報読み取り手段であり、判読した情報に基づいて当該スキャナ固有のパラメータ情報をコントローラに設定する手段が、前記読み取ったパラメータ情報をコントローラに設定するものとしたＳＰＭを提示する。
更なる具体例として、スキャナに関する情報を示す手段が無線発信機能を備えたＩＣチップであり、情報を判読する手段が前記無線発信された情報を受信する機能を備えたものであるＳＰＭを提示する。
なお、本明細書で「本体側」と表現するのは交換部材であるスキャナに対して用いたもので、これはＳＰＭ本体だけでなく本体に接続されているコントローラ等を含むシステム全体を示している。
【０００８】
【発明の実施の形態】
前述したように、ＳＰＭは使用に際してスキャナの交換が必要となることが有り、その際使用するスキャナの固有のパラメータをコントローラに設定しなければならない。従来はこれをオペレータが手動で行なっており、操作が面倒であるだけでなく間違いを伴う不都合があった。本発明は、この問題を解消するため、スキャナを交換した際に、ＳＰＭ自体がスキャナの種別を自動判別し、該スキャナの固有のパラメータをコントローラに設定する機能を備えることに想到した。スキャナの交換はスキャナを装着するユニットがＳＰＭ本体側に配設されていて、該装着ユニットに使用するスキャナが選択されて装着される形態でなされる。そのとき、本発明は当該スキャナ固有のパラメータ情報がコントローラに自動的に設定されるようにするため、まず、ユニットの一部に当該スキャナに関する情報を示す手段を備えると共に、該スキャナが装着される本体側に前記情報を判読する手段を持たせることにした。スキャナに備える当該スキャナに関する情報としては、当該スキャナ固有のパラメータ情報の場合と、スキャナを特定するＩＤ情報だけの場合とがある。前者の場合はスキャナの情報を読み取ってそれをコントローラに設定する方式であり、後者の場合はスキャナのＩＤ情報を読み取り、ＳＰＭ本体に接続されているコントローラ（コンピュータ）あるいはＳＰＭ本体に予め記憶させておいたＩＤに対応した各スキャナの固有のパラメータ情報テーブルから、読み取ったＩＤによって該当スキャナの固有のパラメータ情報を読み出しコントローラに設定する方式となる。
【０００９】
図３乃至図５は本発明におけるスキャナ交換の形態を説明する図であり、図３はＳＰＭの要部の構成を示す図である。図に示されるようにＳＰＭ装置の上部に測定室６が設けられ、該測定室６内にはスキャナ２の上端部に設置された試料台３と該試料台３に載置された試料面に探針先端を対峙させて配設されたプローブ５と、該プローブ５のカンチレバーの変位を検出する変位センサ７とが配置されると共に、この測定室６の下方にスキャナ２をセットする装着ユニット１が配置されている。測定に際しては試料に対する測定条件に合わせて適当なスキャナ２が選択され、装着ユニット１にセットされる。スキャナ２は円筒型圧電素子からなり、図４に示されるように円筒状のケーシングに収納されている。図５にはＳＰＭ本体にスキャナ２がセットされた状態をＡに示し、スキャナ２が外された状態をＢに示している。なお、この図５の状態では測定室６内に配置のプローブ５、変位センサ７等は後方にスライドさせている。
【００１０】
（実施例１）
選定され装着ユニット１に交換セットされたスキャナ２をＳＰＭに自動的に識別させる本発明の実施例を図１を参照して説明する。図の上段に示した例は、スキャナ２の外面部にバーコード８ａにより当該スキャナを特定するＩＤ情報または当該スキャナ固有のパラメータ情報を書き込んでおく形態である。本体側にはこのバーコード８ａの情報を読み取るバーコードリーダ９ａを装着ユニット１の壁面部に設置する。スキャナ２は円筒形状であるが装着ユニットに収納するときはＸＹ方向位置決めが必要なため、円周方向位置が決められている。バーコードリーダ９ａを装着ユニット１の壁面部に設置する位置は、スキャナ２が正しく位置決めされセットされた状態でバーコード８ａと対峙する位置である。この実施例では、バーコード８ａの情報が当該スキャナを特定するＩＤ情報であった場合は、ＳＰＭ本体側に備えられたＲＯＭ等の記憶手段にＩＤに対応した各スキャナの固有のパラメータ情報を予め記憶させておき、読み取ったＩＤに合わせて該当スキャナの固有のパラメータ情報を読み出しコントローラに設定する方式となる。また、バーコード８ａの情報が当該スキャナ固有のパラメータ情報であった場合は、前記バーコードリーダ９ａが読み取ったパラメータ情報を直接コントローラに設定する方式となる。
【００１１】
（実施例２）
図１の下段に示した例はスキャナ２に情報を記憶させた無線ＩＣチップ８ｂを取りつけ、本体側でデータ受信させる方式のものである。この無線ＩＣチップ８ｂを取りつけたスキャナ２が装着ユニット１にセットされると近傍に配置されたデータ受信素子９ｂでＩＣチップ８ｂに記憶された情報を受信する。この実施例の蓄積情報は当該スキャナを特定するＩＤ情報であっても当該スキャナ固有のパラメータ情報であってもよいが、ＩＣチップの容量は十分に大きいので当該スキャナ固有のパラメータ情報を直接記憶させる方がＲＯＭ等のパラメータ蓄積情報が必要でなく簡便といえよう。
この実施例の変形例としては無線発信するワイヤレスＩＣチップに代えて有線のＩＣチップを採用することもできる。図４に示したようにスキャナ２には本体との間で駆動電圧を送るリード線が結ばれているので信号用のリード線をつけることも容易である。
【００１２】
（実施例３）
図２の上段に示した例はスキャナ２に識別用の切り欠き８ｃを刻みＩＤ情報を記憶させた方式である。スキャナ２のいずれの位置にこの切り欠き８ｃが刻まれているかを検知してスキャナ２の特定を行なう。図示の例ではスキャナ２の底部周縁に切り欠き８ｃを刻み、装着ユニット１の底部周面部に光センサ９ｃを複数個配置し、いずれのセンサが切り欠き８ｃを検知したかで当該スキャナを特定する。光センサ９ｃとしては光源と反射光を受光する受光素子の組み合わせ等が採用できる。前述したようにスキャナ２は円筒形状であるが装着ユニット１に収納するときはＸＹ方向位置決めが必要なため、円周方向位置が決められているので、円周方向の位置でＩＤを判別することができる。この例では光センサ９ｃの数を４個としたがこれに限定されるものではなく、使用するスキャナの数分が必要となる。またスキャナ２の切り欠き８ｃは底部周縁に刻む必然性はなく、垂直方向配列であっても電極など他の部材の支障のないところであれば何処でもよい。要は位置によってＩＤの識別ができればよい。光センサ９ｃはその切り欠き８ｃの位置に対峙するように装着ユニット１側に配設する。この切り欠き８ｃによる情報記憶形態の場合は当該スキャナ固有のパラメータ情報を直接記憶させることができないため、ＳＰＭ本体側に備えられたＲＯＭ等の記憶手段にＩＤと対応する各スキャナの固有のパラメータ情報を予め記憶させておき、切り欠き８ｃから読み取ったＩＤに合わせて該当スキャナの固有のパラメータ情報を読み出してコントローラに設定する方式となる。
また、この実施例の変形としては切り欠きに代えスキャナケーシングの外面と異なる反射率例えば黒のマークをつけて、光センサ９ｃで検出した反射光の強弱によりマークの位置を判別する方式を採ることもできる。
【００１３】
（実施例４）
図２の下段に示した例はスキャナ２の底部に識別用の穴８ｄを穿ち、装着ユニット１の底部に複数のピンスイッチ９ｄを配設し、スキャナ２が装着されたときいずれのピンスイッチ９ｄと穴８ｄが一致したかを検知する。すなわち、一致しなかったピンスイッチ９ｄのピンはスキャナ２の底面に押圧されスイッチが作動し、一致したピンスイッチ９ｄのピンだけが接触せずスイッチが作動しない。このようにしてどの位置に穴が穿たれているかが検知でき、これによって当該スキャナが特定できる。図ではピンの数を３として示したがこれに限定されるものではなく、使用するスキャナの数だけピンも必要となる。この実施例も、穴の位置による情報記憶形態は当該スキャナ固有のパラメータ情報を直接記憶させることができないため、ＳＰＭ本体側に備えられたＲＯＭ等の記憶手段にＩＤと対応する各スキャナの固有のパラメータ情報を予め記憶させておき、穴８ｄから読み取ったＩＤに合わせて該当スキャナの固有のパラメータ情報を読み出してコントローラに設定する方式となる。
この実施例の変形例としては複数のピンスイッチ９ｄと不定数の穴８ｄとの組み合わせによりＩＤを特定する方式がある。例えば２つのピンスイッチ９ｄであれば穴８ｄが無いもの、一方に穴があり他方にないもの、一方に穴がなく他方に穴があるもの、そしていずれも穴であるものの４種類の識別が可能である。なお、一般にはｎ個であれば２^ｎ種類の識別が可能である。
このように本発明においては、複数のスキャナが使用されるＳＰＭにおいて、装着ユニットにスキャナがセットされた状態でいずれのスキャナがセットされたかを自動的に識別できるものであればよく、この他にも種々のバリエーションが考えられる。
【００１４】
【発明の効果】本発明の走査型プローブ顕微鏡は、スキャナの一部に当該スキャナに関する情報を示す手段を備えると共に、該スキャナが装着される本体側に、前記情報を判読する手段と、該判読した情報に基づいて当該スキャナ固有のパラメータ情報をコントローラに設定する手段とを備えたものであるから、使用条件に合わせて用いるスキャナが選択交換されると、ＳＰＭ本体側でそれを判別して使用するスキャナのパラメータをコントローラに自動的に設定する。したがって、従来のようにオペレータが手動で設定を行なうなどの面倒な作業が必要ない上、操作ミスも避けられ、正しい計測が実行できる。
本発明の走査型プローブ顕微鏡は、スキャナに関する情報を示す手段としてバーコード、切り欠きや穴の位置、といったスキャナを特定するマークを用い、情報を判読する手段としてはバーコードリーダ、プッシュピンや光センサといったマーク読み取り手段とを用い、判読した情報に基づいて当該スキャナ固有のパラメータ情報をコントローラに設定する手段としては、マークで特定されるスキャナのパラメータ情報を該マーク情報と対応させて記憶している部材と、該記憶部材から前記パラメータ情報を読み出してコントローラに設定するものを用いたものであるから、複雑な部材を用いることもないこのような簡単な構成で、従来のようにオペレータが手動で設定を行なうなどの面倒な作業が必要ない上、操作ミスも避けられて正しい計測を実現できる。
【００１５】
本発明の走査型プローブ顕微鏡は、スキャナに関する情報を示す手段として当該スキャナ固有のパラメータ情報を記憶したＩＣチップやバーコードを用い、情報を判読する手段として読み取りヘッド、バーコードリーダといった情報読み取り手段を用い、判読した情報に基づいて、当該スキャナ固有のパラメータ情報をコントローラに設定する手段として前記読み取ったパラメータ情報をコントローラに設定するものを用いたものであるから、複雑な部材を用いることもないこのような簡単な構成で、従来のようにオペレータが手動で設定を行なうなどの面倒な作業が必要ない上、操作ミスも避けられて正しい計測を実現できる。
そして、スキャナに関する情報を示す手段として無線発信機能を備えたＩＣチップを用い、情報を判読する手段として前記無線発信された情報を受信する機能を備えたものを用いた本発明の走査型プローブ顕微鏡は、ＩＣチップという容量の大きな記憶素子を使うことにより、必要な情報をすべて直接記憶させることができ、ＳＰＭ本体に接続されているコントローラにはＲＯＭ等の記憶媒体に各スキャナのパラメータ情報をＩＤに対応させて記憶しておく必要が無く、簡便なシステムで所期の目的を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の２つの実施例を示す図である。
【図２】本発明の異なる２つの実施例を示す図である。
【図３】本発明に係るＳＰＭ装置の要部構成を示す図である。
【図４】本発明に係るＳＰＭ装置において使用されるスキャナを単体で示す図である。
【図５】本発明に係るＳＰＭ装置においてスキャナがセットされた状態と外された状態を示す図である。
【図６】本発明の基礎となるＳＰＭ装置の基本構成を示す図である。
【符号の説明】
１ 装着ユニット ８ｂ ＩＣチップ
２ スキャナ ８ｃ 切り欠き
３ 試料台 ８ｄ 穴
５ プローブ ９ａ バーコードリーダ
６ 測定室 ９ｂ データ受信素子
７ 変位センサ ９ｃ 光センサ
８ａ バーコード ９ｄ ピンスイッチ

Claims (4)

1. スキャナの一部に当該スキャナに関する情報を示す手段を備えると共に、該スキャナが装着される本体側に、前記情報を判読する手段と、該手段が判読した情報に基づいて当該スキャナ固有のパラメータ情報をコントローラに設定する手段とを備えた走査型プローブ顕微鏡。
2. スキャナに関する情報を示す手段がバーコード、切り欠きや穴の位置、といったスキャナを特定するマークであり、情報を判読する手段がバーコードリーダ、プッシュピンや光センサといったマーク読み取り手段であり、判読した情報に基づいて当該スキャナ固有のパラメータ情報をコントローラに設定する手段が、マークで特定されるスキャナのパラメータ情報を該マーク情報と対応させて記憶している部材と、該記憶部材から前記パラメータ情報を読み出してコントローラに設定するもので構成された請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
3. スキャナに関する情報を示す手段が当該スキャナ固有のパラメータ情報を記憶したＩＣチップやバーコードであり、情報を判読する手段が読み取りヘッド、バーコードリーダといった情報読み取り手段であり、判読した情報に基づいて当該スキャナ固有のパラメータ情報をコントローラに設定する手段が、前記読み取ったパラメータ情報をコントローラに設定するものである請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
4. スキャナに関する情報を示す手段が無線発信機能を備えたＩＣチップであり、情報を判読する手段が前記無線発信された情報を受信する機能を備えたものである請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。

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