JP2005233669A

JP2005233669A - 走査型プローブ顕微鏡

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Publication number: JP2005233669A
Application number: JP2004040055A
Authority: JP
Inventors: Toyohiko Tanaka; 豊彦田中
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2004-02-17
Filing date: 2004-02-17
Publication date: 2005-09-02

Abstract

【課題】スキャナの種類を交換した際の入力設定忘れや入力ミスによる不適切な測定を防止する。
【解決手段】各スキャナユニットは予め制御用パラメータを記憶させたＩＣメモリを備える。電源投入時にデータ読み出し部３３は、ベース２１上に装着されているスキャナユニット１０のＩＣメモリ１０４からデータを読み出し、制御部３１は内部メモリにそのデータを保持する。試料表面の観察時に、制御部３１は内部メモリに保持してある制御用パラメータを用いてスキャナ１００への印加電圧を算出し、プローブ１４に対して試料１２をＸ−Ｙ平面内で走査するとともに、変位量算出部３０で求まるカンチレバー１３の変位量に応じてスキャナ１００をＺ軸方向に変位させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、主として試料表面の３次元形状を観察するために用いられる走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ＝Scanning Probe Microscope）に関する。

走査型プローブ顕微鏡は、微小な探針（プローブ）により試料の表面を走査しながら試料との間の何らかの相互作用を検出することで、その試料表面について高い倍率の観察画像を取得することができる顕微鏡である。走査型プローブ顕微鏡には、プローブと試料との間に流れる電流を相互作用として検出する走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ＝Scanning Tunneling Microscope）や、プローブと試料との間に作用する原子間力を相互作用として検出する原子間力顕微鏡（ＡＦＭ＝Atomic Force Microscope）などがある。

従来から知られている原子間力顕微鏡の検出部の原理的構成を図６に示す（例えば特許文献１など参照）。すなわち、スキャナ１００の上部に取り付けられた試料ホルダ１１上に試料１２を載置し、カンチレバー１３に取り付けられた尖鋭なプローブ１４の先端を試料１２のごく近傍（数nm以下の間隙）に近づける。このとき、プローブ１４の先端と試料１２の原子との間には原子間力（引力又は反発力）が作用する。この状態で、試料表面に沿ってプローブ１４と試料１２とがＸ−Ｙ平面内で相対移動するようにスキャナ１００により走査を行いつつ、上記原子間力を一定に保つようにプローブ１４の試料１２からの距離（Ｚ軸方向高さ）をフィードバック制御する。このときのＺ軸方向のフィードバック量は試料１２の表面の凹凸に応じたものとなるから、これに基づいて試料表面の３次元画像を得ることができる。

図６の構成においては、カンチレバー１３の変位を検出するために、その上部に測光部が設けられている。すなわち、レーザダイオード１５から出射したレーザ光をレンズ１６で集光した後にビームスプリッタ１７で反射させ、カンチレバー１３の先端付近に照射する。そして、その反射光をミラー１８を介して光検出器１９で検出する。光検出器１９はカンチレバー１３の変位方向（Ｚ軸方向）に複数（通常２つ）に分割された受光面を有する。したがって、カンチレバー１３が上下に変位すると複数の受光面に入射する光量の割合が変化するから、その複数の受光光量に応じた検出信号を演算処理することでカンチレバー１３の変位量を算出することができる。

スキャナ１００はピエゾ素子を含む略円筒形状体であり、外部から印加される電圧によってＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸方向にそれぞれ所定範囲で自在に変位する。試料上の狭い範囲を高い分解能で観察したい場合には同一印加電圧に対して変位量の小さなスキャナを用いるとよく、分解能は粗くてもよいが試料上の広い範囲を観察したい場合には同一印加電圧に対して変位量の大きなスキャナを用いるとよい。そのため、観察目的などに応じて適宜の特性のスキャナを使用することが好ましく、従来の走査型プローブ顕微鏡では、スキャナの交換が比較的容易であるように配慮がなされている。

但し、スキャナの種類が相違すると同一印加電圧に対してＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向のそれぞれの変位量が異なるため、どのような種類のスキャナを使用しているかという情報を制御・信号処理用のコンピュータに与える必要がある。従来の走査型プローブ顕微鏡では、こうした情報はスキャナの種類を交換した際に測定者がキー操作等により入力し直さなければならない。しかしながら、そうした入力作業は定常的な作業でないため忘れられがちであり、入力忘れや入力時のミスなどのために誤った測定結果が得られてしまうということがよくあった。

特許第２８３３４９１号公報（図５、図６及び［０００３］段〜［０００５］段）

本発明はかかる課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、スキャナの種類の交換に際しての測定者の作業を軽減できるとともに、作業の忘れやミスによる誤った測定を防止することができる走査型プローブ顕微鏡を提供することである。

上記課題を解決するために成された第１発明は、試料表面にごく近接して配置されるプローブに対して試料を相対移動させるためのスキャナが取り替え自在である走査型プローブ顕微鏡において、
スキャナはそれぞれの種類に応じた又は該スキャナに特有の制御用パラメータを予め記憶させてある記憶手段を備える一方、
顕微鏡本体は、当該顕微鏡に装着されたスキャナが備える前記記憶手段の記憶内容を読み取るデータ読み出し手段と、その読み出された制御用パラメータを用いてスキャナの駆動制御を実行するスキャナ制御手段と、
を備えることを特徴としている。

ここで、「それぞれの種類に応じた制御用パラメータ」とは、同じ種類のスキャナに対しては微小な個体差に拘わらず同一の制御用パラメータを与えた場合であり、一方、「該スキャナに特有の制御用パラメータ」とは、逆に、同じ種類のスキャナに対してほぼ同一ではあるものの微小な個体差まで反映した制御用パラメータを与えた場合である。

この第１発明に係る走査型プローブ顕微鏡の典型的な態様としては、記憶手段はＲＯＭやフラッシュメモリ等の半導体メモリであり、データ読み出し手段はスキャナと顕微鏡本体とを接続するケーブル線を介して、例えば電源投入時などに半導体メモリの記憶データを読み出す。このデータが各スキャナの制御用パラメータであるから、スキャナ制御手段は読み出された制御用パラメータを内部メモリに保持し、スキャナを駆動制御する際に該制御用パラメータを使用する。スキャナがピエゾ素子を利用したものである場合、印加電圧によって変位量、つまり試料の移動量が相違するから、制御用パラメータとは、少なくとも印加電圧と変位量との関係を示す情報を含む。

第１発明に係る走査型プローブ顕微鏡によれば、常に、測定に使用されるスキャナに対する制御用パラメータに基づいたスキャナの駆動制御が自動的に実行され、測定者がスキャナを交換するとスキャナ駆動制御に使用される制御用パラメータも自動的に変更される。したがって、スキャナ交換時に測定者がスキャナの種類等をキー入力する作業は不要になり、入力忘れや入力ミス等による不適切な測定も防止できる。また、特にこの第１発明に係る走査型プローブ顕微鏡では、スキャナ毎にそれぞれ制御用パラメータを保持させることができるので、同一種類のスキャナであっても特性の個体差を反映した正確な駆動制御が可能となるという利点がある。

また上記課題を解決するために成された第２発明は、試料表面にごく近接して配置されるプローブに対して試料を相対移動させるためのスキャナが取り替え自在である走査型プローブ顕微鏡において、
a)使用し得る各種のスキャナの制御用パラメータをスキャナの種類に対応付けて記憶しておく記憶手段と、
b)当該顕微鏡に装着されたスキャナの種類を判別するスキャナ識別手段と、
c)該識別結果に応じたスキャナに関する制御用パラメータを前記記憶手段から取得し、該パラメータを用いてスキャナの駆動制御を実行するスキャナ制御手段と、
を備えることを特徴としている。

スキャナ識別手段としては、各スキャナに、そのスキャナの種類に応じて外形的特徴、光学系特徴、電気的特徴、又は磁気的特徴のいずれかが異なるような標識を与えておき、スキャナが顕微鏡本体に装着されたときに本体側に設けた読み取り手段によって上述したような特徴を読み取ることでスキャナの種類を判別する構成とすることができる。

具体的な態様としては、例えばスキャナにあって変位とは無関係な部位に、切欠、開口或いは突部などの外形的特徴を形成し、それをスキャナ種類毎に異なるようにしておく。そして、フォトセンサなどの光学的なスキャナ識別手段により上述した外形的特徴の有無や相違を認識してスキャナの種類を識別する構成とすることができる。

また、他の態様として、スキャナ側においては、顕微鏡本体からスキャナに電力を供給するための接続用コネクタの複数の空きピンを利用し、スキャナの種類によってその空きピンのオープン又はショート等の電気的特徴を異なるようにしておく。そして、スキャナ識別手段はケーブル線を介して上記空きピンの部分のショート状態を電気的に検知することでスキャナの種類を識別する構成とすることができる。

いずれにしても、この第２発明に係る走査型プローブ顕微鏡ではスキャナ側が保持し得る情報量は非常に少なく、せいぜいスキャナの種類を表す程度のものである。そこで、スキャナの制御用パラメータ自体は顕微鏡本体の記憶手段に予め格納されており、スキャナ制御手段は、上述したような方法によって識別されたスキャナ種類に応じた制御用パラメータを記憶手段から読み出し、これを内部メモリに保持し、スキャナを駆動制御する際に該制御用パラメータを使用する。

この第２発明に係る走査型プローブ顕微鏡によっても第１発明と同様に、常に、測定に使用されるスキャナに対する制御用パラメータに基づいたスキャナの駆動制御が自動的に実行され、測定者がスキャナを交換するとスキャナ駆動制御に使用される制御用パラメータも自動的に変更される。したがって、スキャナ交換時に測定者がスキャナの種類等をキー入力する作業は不要になり、入力忘れや入力ミス等による不適切な測定も防止できる。また、特にこの第２発明に係る走査型プローブ顕微鏡では、顕微鏡本体に制御用パラメータを記憶させてあるので、或る種類のスキャナに対する制御用パラメータを修正したい場合に、その記憶内容を修正しさえすればよく、各スキャナについては何らの修正作業が必要ない。

本発明に係る走査型プローブ顕微鏡によれば、試料の大きさや観察目的などに応じてスキャナを適宜の種類のものに交換した際に、測定者はそのスキャナの種類を入力設定する等の面倒な作業が不要になり、作業が軽減できる。また、こうした入力作業を行わずともスキャナの種類に応じた適切なスキャナ駆動制御が実行されるため、従来のように入力忘れや入力ミスによる誤った測定が実行される心配がなく、所望の観察像を得ることができる。

［第１実施例］
以下、本発明の一実施例（第１実施例）である走査型プローブ顕微鏡について、図面を参照して具体的に説明する。図１は第１実施例の走査型プローブ顕微鏡の要部の構成図である。既に説明した図６と同一の構成要素には同一符号を付して説明を省略する。

図１において、上述したピエゾ素子を含んで成るスキャナ１００は顕微鏡本体２０に対して着脱自在なスキャナユニット１０の一部であり、スキャナユニット１０はスキャナ１００以外に、このスキャナ１００を本体２０のベース２１上に固定するための台座部１０１と、本体２０側に設けられたコネクタ２２に接続されるケーブルコネクタ１０３と、このケーブルコネクタ１０３とスキャナ１００の間の配線であるケーブル線１０２と、を含む。

スキャナユニット１０には、観察対象である試料の種類や観察目的等に応じて、Ｘ−Ｙ平面内の最大走査範囲及びＺ軸方向の最大測定範囲が相違するような複数種類のものが存在する。したがって、ベース２１上に装着されているスキャナユニットが試料の種類等に適さない場合には、測定者が適宜のスキャナユニットを選定して交換する。

上述したようにプローブ１４の先端を試料１２に近接させて表面観察を行うとき、Ｚ軸方向に２分割された光検出器１９からの検出信号は変位量算出部３０に入力され、変位量算出部３０は両受光面における受光光量の差や比などからカンチレバー１３の変位量を算出して制御部３１に入力する。制御部３１は、プローブ１４と試料１２表面との間の原子間力が常に一定になるように、つまりプローブ１４と試料１２表面との間の距離が常に一定になるように、カンチレバー１３の変位量に基づいてスキャナ１００をＺ軸方向に変位させる電圧値を算出し、スキャナ駆動部３２を介してスキャナ１００をＺ軸方向に微動させる。また、制御部３１は予め決められた走査パターンに従って、試料１２がＸ−Ｙ平面内でプローブ１４に対して相対移動するようにＸ軸、Ｙ軸方向の電圧値を算出し、スキャナ駆動部３２を介してスキャナ１００をＸ軸及びＹ軸方向に微動させる。Ｚ軸方向のフィードバック量（スキャナ電圧）を反映した信号はデータ処理部３４にも送られ、データ処理部３４はＸ軸、Ｙ軸方向の各位置においてその信号を処理することによって試料表面の３次元画像を再現し、これを表示部３５の画面上に描出する。

制御部３１が上述したようにスキャナ１００を三軸方向に独立に微動させる際に、スキャナ１００への印加電圧（スキャナ電圧）とそれに対応したスキャナ１００の変位量との関係を示す制御用パラメータが必要となる。そこで、本実施例の走査型プローブ顕微鏡では、次のようにしてスキャナ駆動のための制御用パラメータを制御部３１に設定するようにしている。

すなわち、各スキャナユニット１０は予めそのスキャナ１００に応じた制御用パラメータが書き込まれた例えばフラッシュメモリなどのＩＣメモリ１０４を備えている。一方、顕微鏡本体２０にはコネクタ１０３、２２を介してスキャナユニット１０のＩＣメモリ１０４からデータを読み出すためのデータ読み出し部３３が設けられ、読み出されたデータが制御部３１に与えられるようになっている。

この実施例の走査型プローブ顕微鏡では、電源投入時などの初期設定の際に、データ読み出し部３３によりベース２１上に装着されているスキャナユニット１０のＩＣメモリ１０４に記憶されているデータつまり制御用パラメータを読み出し、制御部３１の内部メモリにこの制御用パラメータを設定する。制御用パラメータは、例えばＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向毎の単位印加電圧当たりの変位量である。一旦、制御部３１の内部メモリに保存された制御用パラメータは電源が遮断されるまで保持され、上記のようなスキャナ駆動制御の際に利用される。

上述したようにスキャナユニットが他の種類のものに交換される際には、顕微鏡本体２０の電源は遮断されるから、電源投入時毎にスキャナユニット１０のＩＣメモリ１０４から新たにデータを読み込むことによって、試料観察に使用されるスキャナユニット１０に対応した制御用パラメータを確実に且つ自動的に制御部３１に設定することができる。

この第１実施例の走査型プローブ顕微鏡における制御用パラメータ設定方法の特徴は、個々のスキャナユニット１０がそれぞれ制御用パラメータをデータとして保持している点にある。そのため、同種類のスキャナユニットであっても、製造ロットの相違などに起因する個体差を反映した正確な制御用パラメータをそれぞれのスキャナユニット１０に保持させることができ、これに基づいて非常に高い精度で以てスキャナの駆動制御を行うことができる。

なお、上記実施例ではケーブル線１０２を介してデータ読み出し部３３がＩＣメモリ１０４のデータを読み出すようにしていたが、例えば無線式のＩＣタグなどを利用することによって非接触でデータの読み出しを行うようにしてもよい。また、ケーブル線を用いる場合でも、スキャナ駆動部３２からの電力供給用のケーブル線とは別にケーブル線を設けてもよい。

［第２実施例］
次に、本発明の第２実施例である走査型プローブ顕微鏡について、図面を参照して具体的に説明する。図２は第２実施例の走査型プローブ顕微鏡の要部の構成図である。既に説明した図１及び図６と同一の構成要素には同一符号を付して説明を省略する。

第２実施例の走査型プローブ顕微鏡では、制御部３１にスキャナパラメータテーブル４１が接続されている。図３がスキャナパラメータテーブルのデータ内容の一例であり、この顕微鏡で使用し得るスキャナの種類（標準、広域、狭域、深型など）に対応してそれぞれ制御用パラメータ、つまり単位印加電圧当たりの変位量データが格納されている。一方、各スキャナユニット１０の台座部１０１には図４に示すように、スキャナの種類毎に異なる位置に反射部を有するセンサドグ１０５が形成されており、顕微鏡本体２０側には各位置のセンサドグ１０５の有無を検知するためフォトセンサアレイ４０ａがスキャナ識別部４０の一部として取り付けられている。また、検出処理部４０ｂはフォトセンサアレイ４０ａによる検出信号に基づいてスキャナの種類を判定する。

この実施例の走査型プローブ顕微鏡では、例えば電源投入時などにスキャナ識別部４０がベース２１上に装着されているスキャナユニット１０のセンサドグ１０５の位置を認識することでスキャナの種類を識別し、その識別結果を制御部３１へと送る。制御部３１は識別結果で示されるスキャナ種類に対応する制御用パラメータをテーブル４１から読み出して内部メモリに設定し、第１実施例と同様に、この制御用パラメータをスキャナ駆動制御の際に利用する。

もちろん、センサドグの代わりに切欠き、開口部などの形状とする等の適宜の変形が可能である。また、フォトセンサを利用した非接触式の検知ではなく、センサユニットが適切に装着された際に押圧されてオンするマイクロスイッチなどによる検知でもよい。

一般にスキャナの種類自体はそれほど多くなく、最大８乃至１６程度の識別が行えれば十分である。したがって、この程度の数の識別が可能である手段でありさえすれば、スキャナ識別部の構成は様々な形態に変形することができる。

例えば図５は、スキャナユニットのケーブルコネクタ１０３の空きピンを利用してスキャナ識別を行うための構成図である。すなわち、ケーブルコネクタ１０３には４本の空きピンが存在するが、スキャナの種類によってその４本の空きピンのショート／オープンの状態を異なるようにしておく。図５の例では、スキャナユニット１０Ａでは、５ピン、６ピン間がショートされ、７ピン、８ピンはオープンとなっている。一方、スキャナユニット１０Ｂでは、７ピン、８ピン間がショートされ、５ピン、６ピンはオープンとなっている。スキャナ識別部４０はこの４本の空きピンの導通状態をチェックし、その結果からスキャナの種類を識別する。

また、ケーブルコネクタ１０３の２本の空きピンの間にスキャナの種類に応じた抵抗値を持つ抵抗を接続し、スキャナ識別部４０がその抵抗値を読み取るような構成としてもよい。さらにまた、スキャナの種類によってスキャナの制御用パラメータが相違するということはピエゾ素子の静電容量も相違するから、スキャナユニット側に特にスキャナ種類識別用の特徴を持たせることなく、スキャナのピエゾ素子の静電容量を計測し、その静電容量に基づいてスキャナの種類を識別するようにしてもよい。

また、上記第１及び第２実施例はいずれも本発明の一例にすぎないから、上記記載以外の点においても、本発明の趣旨の範囲で適宜に修正、変更、追加などを行っても本願発明に包含されることは明らかである。

本発明の第１実施例による走査型プローブ顕微鏡の要部の構成図。本発明の第２実施例による走査型プローブ顕微鏡の要部の構成図。第２実施例の走査型プローブ顕微鏡におけるスキャナパラメータデーブルのデータ内容の一例を示す図。第２実施例の走査型プローブ顕微鏡におけるスキャナ識別のための構成を示す図。第２実施例の走査型プローブ顕微鏡におけるスキャナ識別のための変形例の構成を示す図。原子間力顕微鏡の検出部の原理的構成を示す図。

符号の説明

１０、１０Ａ、１０Ｂ…スキャナユニット
１００…スキャナ
１０１…台座部
１０２…ケーブル線
１０３…ケーブルコネクタ
１０４…ＩＣメモリ
１０５…センサドグ
１１…試料ホルダ
１２…試料
１３…カンチレバー
１４…プローブ
１５…レーザダイオード
１６…レンズ
１７…ビームスプリッタ
１８…ミラー
１９…光検出器
２０…顕微鏡本体
２１…ベース
２２…コネクタ
３０…変位量算出部
３１…制御部
３２…スキャナ駆動部
３３…データ読み出し部
３４…データ処理部
３５…表示部
４０…スキャナ識別部
４１…スキャナパラメータテーブル

Claims

試料表面にごく近接して配置されるプローブに対して試料を相対移動させるためのスキャナが取り替え自在である走査型プローブ顕微鏡において、
スキャナはそれぞれの種類に応じた又は各スキャナに特有の制御用パラメータを予め記憶させてある記憶手段を備える一方、
顕微鏡本体は、当該顕微鏡に装着されたスキャナが備える前記記憶手段の記憶内容を読み取るデータ読み出し手段と、その読み出された制御用パラメータを用いてスキャナの駆動制御を実行するスキャナ制御手段と、を備えることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
試料表面にごく近接して配置されるプローブに対して試料を相対移動させるためのスキャナが取り替え自在である走査型プローブ顕微鏡において、
a)使用し得る各種のスキャナの制御用パラメータをスキャナの種類に対応付けて記憶しておく記憶手段と、
b)当該顕微鏡本体に装着されたスキャナの種類を判別するスキャナ識別手段と、
c)該識別結果に応じたスキャナに関する制御用パラメータを前記記憶手段から取得し、該パラメータを用いてスキャナの駆動制御を実行するスキャナ制御手段と、
を備えることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。