JP2007170862A - 走査型プローブ顕微鏡装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 退避位置から適切な位置まで検査対象物及び探針を互いに接近させる際の操作性を向上させた走査型プローブ顕微鏡装置を提供する。
【解決手段】 検査対象物が載置される載置台１１と、カンチレバーに取り付けられた探針を載置台１１上の検査対象物へ押圧しながら走査させ、検査対象物の表面形状を示す形状データを生成するプローブ顕微鏡５と、検査対象物を撮影し、カンチレバーの後方から見た顕微鏡画像を生成する光学顕微鏡１３とからなる走査型プローブ顕微鏡装置であって、載置台１１及びカンチレバーを相対的に移動させ、検査対象物及び探針を互いに接近させるアプローチ制御部１１２と、検査対象物及びカンチレバーを撮影し、カンチレバーの側方から見たサイドビュー画像を生成するサイドビューカメラ制御部１４０と、顕微鏡画像及びサイドビュー画像を画像処理し、モニター３１上に表示する画像処理部３０により構成される。
【選択図】 図４

Description

本発明は、走査型プローブ顕微鏡装置に係り、さらに詳しくは、探針が取り付けられたカンチレバーを用いて、微細な検査対象物の表面形状を観測する走査型プローブ顕微鏡装置の改良に関する。

微細な検査対象物の表面形状を観測する観測装置として、走査型プローブ顕微鏡（Scanning Probe Microscope）が知られている。走査型プローブ顕微鏡は、カンチレバー（片持ち梁）の先端に取り付けられた探針（probe：プローブ）を検査対象物上で走査させ、その走査位置及び高さを計測することによって、検査対象物の表面形状を検出している。

探針は、カンチレバーによって検査対象物に押圧されており、カンチレバーの高さは、カンチレバーに作用する押圧力が一定となるようにフィードバック制御されている。このフィードバック制御では、カンチレバーのたわみ量や振幅に基づいてカンチレバーに作用する押圧力を検出し、当該押圧力に基づいてカンチレバーの高さを制御している。探針の走査位置及び高さは、カンチレバーの走査位置及び高さから求められるため、この様なカンチレバーを検査対象物上で走査させることによって、探針の走査位置情報及び高さ情報を取得し、検査対象物の表面形状を示す形状データが生成される。

この様な走査型プローブ顕微鏡では、検査対象物に対する探針の相対的な位置情報しか得られないので、探針に対する検査対象物の位置決めが容易ではない。そこで、検査対象物を撮影する光学顕微鏡を用いて、位置決めを行わせるプローブ顕微鏡装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に記載のプローブ顕微鏡装置は、光学顕微鏡を用いて得られた撮影画像を表示し、視野内の検査対象物の位置を調整させることによって位置決めを行わせている。

通常、検査対象物を取り替える際などには、検査対象物が探針やカンチレバーと衝突して探針やカンチレバーを破損してしまうことのないように、検査対象物から探針を遠ざけて探針及びカンチレバーを退避させる動作が行われる。すなわち、探針及びカンチレバーを退避させた状態で検査対象物が配置される。従って、探針の走査時には、退避位置から適切な位置まで検査対象物及び探針を近づける必要がある。

一般に、検査対象物が光学顕微鏡の焦点位置から離れた位置に存在すると、画像がぼやけるので、検査対象物が焦点位置よりも近くにあるのか、遠くにあるのかを撮影画像によって識別するのは困難である。さらに、光学顕微鏡のピント合わせ可能な範囲は、退避時における検査対象物及び探針間の距離に比べて狭い。このため、上述した様な従来のプローブ顕微鏡装置では、光学顕微鏡の撮影画像によって検査対象物及び探針の近づき具合を判断するのは容易ではなく、検査対象物及び探針を近づけすぎることなく退避位置から適切な位置まで素早く接近させるのは困難であった。従って、退避位置から適切な位置まで検査対象物及び探針を近づける際には、ユーザが検査対象物や探針の様子を直接見て検査対象物及び探針の近づき具合を判断しなければならず、操作性が良くないという問題があった。
特開平５−１５７５５４号公報

上述した通り、従来の走査型プローブ顕微鏡装置では、退避位置から適切な位置まで検査対象物及び探針を近づける際、検査対象物や探針の様子を直接見て検査対象物及び探針の近づき具合を判断しなければならず、操作性が良くないという問題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、検査対象物及び探針を退避位置から適切な位置まで互いに近づける際の操作性を向上させた走査型プローブ顕微鏡装置を提供することを目的とする。特に、検査対象物及び探針を近づけすぎることなく退避位置から適切な位置まで素早く接近させることができる走査型プローブ顕微鏡装置を提供することを目的とする。

第１の本発明による走査型プローブ顕微鏡装置は、検査対象物が載置される載置台と、カンチレバーの先端に取り付けられた探針を上記載置台上の検査対象物へ押圧しながら走査させ、検査対象物の表面形状を示す形状データを生成するプローブ顕微鏡と、上記検査対象物を撮影し、上記カンチレバーの後方から見た顕微鏡画像を生成する光学顕微鏡とからなる走査型プローブ顕微鏡装置であって、上記載置台及び上記カンチレバーを相対的に移動させ、上記検査対象物及び上記探針を互いに接近させるアプローチ手段と、上記検査対象物及び上記カンチレバーを撮影し、カンチレバーの側方から見たサイドビュー画像を生成する撮像手段と、上記顕微鏡画像及び上記サイドビュー画像を画面表示する表示手段とを備えて構成される。

この様な構成により、検査対象物及び探針を互いに近づける際に、カンチレバーの側方から見たサイドビュー画像を画面表示することができるので、ユーザは、このサイドビュー画像を見て検査対象物及び探針の近づき具合を判断することができる。従って、退避位置から適切な位置まで検査対象物及び探針を互いに近づける際の操作性が向上し、近づけすぎることなく検査対象物及び探針を素早く接近させることができる。

第２の本発明による走査型プローブ顕微鏡装置は、上記構成に加え、上記表示手段が、顕微鏡画像及びサイドビュー画像を同一画面上に同時に表示するように構成される。この様な構成によれば、退避位置から適切な位置まで検査対象物及び探針を互いに近づける際の操作性が向上するので、検査対象物及び探針を素早く接近させることができるとともに、光学顕微鏡のピント合わせ可能な範囲内では、サイドビュー画像と合わせて顕微鏡画像によって検査対象物及び探針の近づき具合を判断することができるので、検査対象物及び探針間の距離を微調整する際の操作性を向上させることができる。

第３の本発明による走査型プローブ顕微鏡装置は、上記構成に加え、上記プローブ顕微鏡は、上記カンチレバーのたわみ量を検出するたわみ量検出手段を備え、上記アプローチ手段が、ユーザ操作に基づいて検査対象物及び探針を接近させる手動アプローチ手段と、上記手動アプローチ手段による接近速度よりも低速でさらに検査対象物及び探針を接近させ、上記たわみ量に基づいて停止させる自動アプローチ手段とからなり、上記表示手段が、上記手動アプローチ手段による接近動作時に、サイドビュー画像を表示するように構成される。

第４の本発明による走査型プローブ顕微鏡装置は、上記構成に加え、上記プローブ顕微鏡は、上記カンチレバーを構成する圧電素子の駆動により当該カンチレバーを共振させながら上記探針の走査を行う顕微鏡であり、上記カンチレバーの振幅を検出する振幅検出手段を備え、上記アプローチ手段が、ユーザ操作に基づいて検査対象物及び探針を接近させる手動アプローチ手段と、上記手動アプローチ手段による接近速度よりも低速でさらに検査対象物及び探針を接近させ、上記振幅に基づいて停止させる自動アプローチ手段とからなり、上記表示手段が、上記手動アプローチ手段による接近動作時に、サイドビュー画像を表示するように構成される。

第５の本発明による走査型プローブ顕微鏡装置は、上記構成に加え、上記光学顕微鏡により生成された２以上の顕微鏡画像について深度合成し、合成画像を生成する深度合成処理手段と、ユーザ操作に基づいて、上記載置台上の検査対象物及び上記光学顕微鏡の焦点を相対的に移動させ、上記深度合成の開始位置及び終了位置を指定する合成位置指定手段とを備え、上記深度合成処理手段が、上記開始位置及び終了位置に基づいて深度合成を行い、上記表示手段が、上記開始位置及び終了位置を指定するためのユーザ操作時に、サイドビュー画像を表示するように構成される。

本発明による走査型プローブ顕微鏡装置によれば、カンチレバーの側方から見たサイドビュー画像が画面表示されるので、ユーザは、このサイドビュー画像を見て検査対象物及び探針の近づき具合を判断することができる。従って、退避位置から適切な位置まで検査対象物及び探針を互いに近づける際の操作性を向上させることができ、近づけすぎることなく検査対象物及び探針を素早く接近させることができる。

図１は、本発明の実施の形態による走査型プローブ顕微鏡装置の概略構成の一例を示した図であり、コントローラ２０及び画像処理部３０が接続された顕微鏡本体１０の外観の様子が示されている。本実施の形態による走査型プローブ顕微鏡装置１００は、探針を走査させて検査対象物の表面形状を観測する観測装置であり、顕微鏡本体１０、コントローラ２０、画像処理部３０及びモニター３１からなる。

本実施の形態では、走査型プローブ顕微鏡の一例として、原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscope、以下、ＡＦＭと呼ぶことにする）５を備えた顕微鏡装置について説明するが、ＡＦＭ５に代えて他のプローブ顕微鏡、例えば、走査型トンネル顕微鏡（Scanning Tunneling Microscope：ＳＴＭ）を備えた顕微鏡装置であっても良い。ＡＦＭは、探針先端の原子と検査対象物表面の原子との間に作用する原子間力を利用する顕微鏡である。これに対し、ＳＴＭは、導電性を有する試料を検査対象とし、探針を試料表面に近づけた際、探針及び検査対象物間に流れるトンネル電流を利用する顕微鏡である。

顕微鏡本体１０は、検査対象物が載置される載置台１１と、カンチレバー保持部１２を有するＡＦＭ５と、顕微鏡画像を生成する光学顕微鏡１３と、カンチレバーの側方から見たサイドビュー画像を生成するサイドビューカメラ１４と、これらを収容する筐体１ａを備えて構成される。

載置台１１は、水平な載置面を有するテーブルであり、検査対象物の位置決めに使用される。カンチレバー保持部１２は、カンチレバーを着脱可能に保持するホルダーである。

光学顕微鏡１３は、載置台１１上の検査対象物を撮影し、顕微鏡画像を生成する観測装置である。ここでは、光軸変換用ミラー１５を用いて検査対象物からの光が観測され、カンチレバーの後方、すなわち、カンチレバーよりも高い位置から見た撮影画像として顕微鏡画像が生成されるものとする。光軸変換用ミラー１５は、光を反射させて光軸の向きを変更する光学素子である。この様な顕微鏡画像は、探針に対する検査対象物の水平面内における位置決めに使用される。

サイドビューカメラ１４は、載置台１１上に配置された検査対象物及びカンチレバーを撮影し、カンチレバーの側方、すなわち、水平方向から見た撮影画像をサイドビュー画像として生成する撮像装置である。このサイドビュー画像は、光学顕微鏡１３により生成される顕微鏡画像に比べて倍率の低い画像であり、検査対象物を探針に近づける際、検査対象物及び探針間の近づき具合をモニターするのに使用される。

筐体１ａには、検査対象物を取り替える際に取り出し口として使用される開口が設けられており、この開口を介して筐体１ａ内の様子を直接見ることができる。ＡＦＭ５による測定の際には、開口を着脱可能なパネル板１ｂにより塞いだ状態で、探針の走査が行われる。この様にすることにより、載置台１１付近の検査エリア内に音、風、光などが侵入するのを防ぐことができ、空気の振動や風による振動がＡＦＭ５の測定精度を低下させるのを抑制することができる。特に、カンチレバーのたわみ量や振幅を圧電素子からの電気信号に基づいて検出する自己検知式のＡＦＭ５では、光の侵入によって圧電素子の動作に不具合が生じるのを防止することができる。

また、筐体１ａの正面パネルには、顕微鏡画像の視野位置を調整するための調整用つまみ２ａ、２ｂ及び操作ボタン３と、検査エリアを照明する照明用ＬＥＤをオン又はオフする操作ボタン４が配置されている。

コントローラ２０は、顕微鏡本体１０の各部を制御する制御装置であり、ＡＦＭ５の走査系制御、光学顕微鏡１３の撮像制御、サイドビューカメラ１４の撮像制御などを行っている。ここでは、ＡＦＭ５及び光学顕微鏡１３を用いて検査対象物を観測する動作モード（以下、ＡＦＭ観測モードと呼ぶことにする）と、光学顕微鏡１３のみで検査対象物を観測する動作モード（以下、光学顕微鏡モードと呼ぶことにする）とが選択可能であるものとする。

画像処理部３０は、ＡＦＭ５により検出される形状データ、顕微鏡画像及びサイドビュー画像を画像処理し、表示データとしてモニター３１へ出力する動作を行っている。光学顕微鏡モードでは、複数の顕微鏡画像について深度合成し、合成画像をモニター３１へ出力する動作が行われる。

図２は、図１の走査型プローブ顕微鏡装置の要部における構成例を示した斜視図であり、顕微鏡本体１０における筐体内部の様子が示されている。この顕微鏡本体１０では、走査系４１、可動ステージ４３、駆動系４４，４５、光軸変換部５１、撮像部５２、ＡＦＭ５、載置台１１、カンチレバー保持部１２、光学顕微鏡１３、サイドビューカメラ１４及び光軸変換用ミラー１５が防振フレーム４０に配置されている。

可動ステージ４３は、載置台１１と共に移動させることにより、載置台１１上の検査対象物の位置を変更させる位置決め手段である。可動ステージ４３の水平面（ｘｙ平面）内における位置は、駆動系４４を制御することにより変更され、上下方向（ｚ軸方向）の位置は、駆動系４５を制御することにより変更される。可動ステージ４３の水平面内における位置を変更させることにより、ＡＦＭ５により走査可能なエリアを変更することができる。また、可動ステージ４３を上下方向に移動させることにより、検査対象物を探針に近づけ、或いは、探針から遠ざけることができる。

ＡＦＭ５は、ｘｙ平面及びｙｚ平面による断面形状がいずれもＬ字状のアーム部４０ａ（防振フレーム４０の一部）によって釣り下げられ、カンチレバー保持部１２を載置台１１の載置面に対向させて配置されている。このＡＦＭ５では、走査系４１を制御することにより、カンチレバー保持部１２の高さ方向（ｚ軸方向）における位置を調整するとともに、水平方向に走査させる動作が行われる。ここでは、走査系４１が３つのボイスコイルモーター（ＶＣＭ）４２によって駆動されるものとする。ボイスコイルモーター４２は、電気エネルギーを直進運動に変換するリニアモーターである。各ボイスコイルモーター４２により、ｘ、ｙ、ｚの各軸方向にそれぞれ独立してカンチレバーの位置を変更させることができる。

光学顕微鏡１３は、ＡＦＭ５の側方に配置され、検査対象物からの光を光軸変換用ミラー１５で反射させて顕微鏡画像の生成を行っている。この光軸変換用ミラー１５は、光学顕微鏡１３の対物レンズに対向させてカンチレバーの近傍に配置されている。検査対象物からの光は、光軸変換用ミラー１５を介して対物レンズに入射され、光軸変換部５１により概ね直角に光軸が曲げられて撮像部５２へ出力される。

図３は、図２の顕微鏡本体における載置台１１周辺の配置図である。この例では、カンチレバー１２ａがカンチレバー保持部１２からｘ軸方向に突出させて配置され、カンチレバー１２ａ先端の探針が載置台１１（円形）の中心に位置決めされている。

また、サイドビューカメラ１４は、可動ステージ４３（矩形）の対角線上に配置され、カンチレバー１２ａよりも背後からカンチレバー１２ａ付近が撮影される。

図４は、図１の走査型プローブ顕微鏡装置の要部における構成例を示したブロック図であり、コントローラ２０の機能構成が示されている。このコントローラ２０は、可動ステージ制御部１１０、ＡＦＭ制御部１２０、光学顕微鏡制御部１３０、サイドビューカメラ制御部１４０及び操作入力部１５０からなる。可動ステージ制御部１１０は、水平位置調整部１１１及びアプローチ制御部１１２からなり、駆動系４４及び４５を制御することにより可動ステージ４３を移動させる動作を行っている。

水平位置調整部１１１は、駆動系４４を制御し、ユーザ操作に基づいて可動ステージ４３の水平面内における位置を調整する動作を行っている。この可動ステージ４３の位置調整により、ＡＦＭ５の走査可能なエリアの位置を変更することができる。

アプローチ制御部１１２は、駆動系４５を制御し、可動ステージ４３の上下方向における位置を変更する動作を行っている。検査対象物を載置台１１上に配置する際などに、可動ステージ４３を下げて探針から遠ざけることにより、探針を退避させることができる。また、ＡＦＭ５による走査の際には、可動ステージ４３を上げて探針に近づけることにより、退避位置から適切な位置まで検査対象物を探針に接近させることができる。

ここでは、可動ステージ４３を上昇させることによって検査対象物を探針へ近づける際の接近動作が２段階に分けて行われるものとする。すなわち、ユーザ操作に基づいて行われる手動アプローチと、カンチレバーのたわみ量や振幅を監視しながらさらに検査対象物を探針へ接近させ、たわみ量や振幅に基づいて停止させる自動アプローチに分けて行われる。

ＡＦＭ制御部１２０は、走査制御部１２１、カンチレバー共振制御部１２２、振幅検出部１２３及び押圧制御部１２４からなり、走査系４１を制御することにより、探針を走査させる動作を行っている。走査制御部１２１は、探針を載置台１１に対して水平方向に走査させる動作を行っている。

高さ制御部１２４は、探針の高さを調整する動作を行っている。この探針の高さ制御は、カンチレバー１２ａに作用する押圧力を求めることにより行われる。探針は、カンチレバー１２ａによって検査対象物に押圧されており、探針の高さは、カンチレバー１２ａに作用する押圧力が一定となるようにフィードバック制御される。カンチレバー１２ａは、作用する押圧力に応じてたわみ量（歪）や振幅が変化するので、たわみ量や振幅によって押圧力を判断することができる。

ここでは、カンチレバー１２ａが圧電素子により構成され、圧電素子からの電気信号に基づいてたわみ量や振幅を検出することにより、カンチレバー１２ａに作用する押圧力が求められるものとする。探針の高さのフィードバック制御は、この様にして求められた押圧力の目標値に対する偏差、比例ゲイン（Ｐゲイン）及び積分ゲイン（Ｉゲイン）に基づいて行われ、探針の高さ情報が出力される。

また、カンチレバー１２ａを一定の周波数で振動させた状態で表面形状を測定する動作モード、いわゆるダンピングフォースモード（ＤＦＭ）で観測が行われるものとする。ＤＦＭでは、カンチレバー固有の共振周波数でカンチレバー１２ａを振動させながら検査対象物及び探針を近づけ、検査対象物及び探針を近づけた際に生じる振幅、位相、周波数などの変化に基づいて探針の高さが制御される。

カンチレバー共振制御部１２２は、カンチレバー１２ａを構成する圧電素子を制御し、カンチレバー１２ａを共振周波数で振動させる動作を行っている。

振幅検出部１２３は、カンチレバー１２ａを構成する圧電素子からの電気信号に基づいて、共振時におけるカンチレバー１２ａの振幅を検出する動作を行っている。高さ制御部１２４では、振幅検出部１２３により検出された振幅に基づいてカンチレバー１２ａに作用する押圧力を判断して高さ制御が行われる。

本実施の形態によるＡＦＭ５では、ＤＦＭと、ＤＦＭ以外の動作モード、例えば、探針を検査対象物に接触させながら測定する動作モード（コンタクトモード）とが選択可能であるものとする。コンタクトモードで測定を行う場合には、カンチレバー１２ａのたわみ量が検出され、このたわみ量が一定となるように、探針の高さ制御が行われる。

光学顕微鏡制御部１３０は、光学ズーム制御部１３１、フォーカス制御部１３２及び撮像制御部１３３からなる。光学ズーム制御部１３１は、ユーザ操作に基づいて光学顕微鏡１３の光学系を制御し、必要に応じて検査対象物にズームアップさせる動作を行っている。フォーカス制御部１３２は、光学顕微鏡１３の光学系を制御し、ユーザ操作に基づいて光学顕微鏡１３の焦点を移動させる動作を行っている。撮像制御部１３３は、ユーザ操作に基づいて撮像部５２を制御し、顕微鏡画像を生成する動作を行っている。

サイドビューカメラ制御部１４０は、ユーザ操作に基づいてサイドビューカメラ１４を制御し、サイドビュー画像を生成する動作を行っている。

図５は、図４のコントローラの要部における構成例を示したブロック図であり、アプローチ制御部１１２が示されている。このアプローチ制御部１１２は、手動アプローチ制御部１１２ａ及び自動アプローチ制御部１１２ｂからなる。

手動アプローチ制御部１１２ａは、操作入力部１５０からの操作入力データに基づいて、検査対象物を探針に接近させるアプローチ動作を行っている。ここでは、顕微鏡画像のピント合わせが可能な位置までのアプローチがユーザ操作によって行われるものとする。

自動アプローチ制御部１１２ｂは、手動アプローチ制御部１１２ａによる接近速度よりも低速でさらに検査対象物を探針に接近させるアプローチ動作を行っている。このアプローチ動作は、振幅検出部１２３により検出されたカンチレバー１２ａの振幅データを監視しながら行われ、当該振幅データに基づいて停止される。例えば、振幅が所定の閾値を超えると、検査対象物及び探針が適切な位置まで接近したと判断し、可動ステージ４３の上昇が停止される。

本実施の形態では、手動アプローチ制御部１１２ａによるアプローチ動作時に、顕微鏡画像及びサイドビュー画像が同一画面上に同時に表示される。なお、コンタクトモードで観測が行われる場合には、カンチレバー１２ａのたわみ量に基づいてアプローチ動作が停止される。

<ＡＦＭ観測モード>
図６のステップＳ１０１〜Ｓ１１０は、図１の走査型プローブ顕微鏡装置における動作の一例を示したフローチャートであり、ＡＦＭ観測モードにおける測定動作の処理手順が示されている。ＡＦＭ観測モードでは、まず、ＡＦＭの測定モードを選択させる選択画面がモニター３１上に表示され、カンチレバーの装着を促すメッセージが表示される（ステップＳ１０１）。

次に、カンチレバーの探針が顕微鏡画像の中央となるように、調整用つまみ２ａ及び２ｂを操作することにより、光学顕微鏡１３の視野位置が調整される（ステップＳ１０２）。視野位置の調整が完了すれば、カンチレバーの共振周波数を検出して当該共振周波数によるカンチレバーの振動を開始させる初期化処理が行われる（ステップＳ１０３）。

次に、サイドビュー画像がモニター３１上に顕微鏡画像と共に表示され、ユーザ操作に基づく手動アプローチが開始される（ステップＳ１０４）。この手動アプローチが完了すると、可動ステージ４３の水平面内における位置を調整してＡＦＭ５の走査可能なエリアの位置が決定される（ステップＳ１０５）。

ＡＦＭ５の走査可能なエリアについて、ユーザ操作による走査範囲の指定が完了すると、自動アプローチが開始される（ステップＳ１０６〜Ｓ１０８）。この自動アプローチが完了すると、ＡＦＭ５による走査（スキャン）が開始され、形状データが生成される（ステップＳ１０９，Ｓ１１０）。

図７〜図１１は、図１の走査型プローブ顕微鏡装置における動作の一例を示した図であり、ＡＦＭ観測モードにおいてモニター３１上に表示されるモニター画面２００の様子が示されている。モニター画面２００は、光学顕微鏡１３により撮影された顕微鏡画像やＡＦＭ５による観測結果を表示する表示画面である。このモニター画面２００は、メインタイトル表示領域２０１、タブ表示領域２０２、メイン画像表示領域２０３、サブタイトル表示領域２０４、観測モード表示領域２０５、操作手順表示領域２０６、メッセージ表示領域２０７、手順詳細表示領域２０８及びユーザ操作表示領域２０９からなる。

メインタイトル表示領域２０１は、動作状態を示す文字列を表示する表示領域であり、モニター画面２００における最上段に配置されている。タブ表示領域２０２は、処理中の画像データを示す文字列を処理順にタブとして表示する表示領域である。メイン画像表示領域２０３は、撮影中の顕微鏡画像やＡＦＭによる観測結果を表示する表示領域である。

サブタイトル表示領域２０４は、サブタイトルを示す文字列を表示する表示領域である。観測モード表示領域２０５は、観測モードを表示する表示領域であり、ＡＦＭ観測モード及び光学顕微鏡モードの選択ボックスが配置されている。この選択ボックスは、マウスなどのポインティングデバイスを用いて操作選択することができ、観測モードをＡＦＭモード又は光学顕微鏡モードのいずれかに切り替えることができる。

操作手順表示領域２０６は、ＡＦＭ観測時における操作手順を模式的に表示する表示領域である。具体的には、「カンチレバー装着」から「スキャン」までの各操作手順を示すアイコンと、スキャンを停止させるための停止ボタンを示すアイコンが配置されている。これらのアイコンは、操作選択することにより当該操作手順を実行させることができる。ここでは、操作選択されたアイコンをフォーカシングして表示、例えば、反転表示し、実行中の操作手順が判別可能であるものとする。

メッセージ表示領域２０７は、実行中の操作手順に関するメッセージを表示する表示領域である。手順詳細表示領域２０８は、実行中の操作手順の詳細を示す文字列を表示する表示領域である。ユーザ操作表示領域２０９は、実行中の操作手順に関し、ユーザ操作の選択対象や操作対象を表示する表示領域である。具体的には、測定モードを指定するための選択ボックスや、次の操作手順に移行させるための操作ボタン、手動アプローチの際のサイドビュー画像、可動ステージ４３を移動させるための操作ボタン、走査範囲を指定するための入力ボックスなどが動作状態に応じてユーザ操作表示領域２０９内に配置される。表示領域２０６〜２０９は、モニター画面２００内において、メイン画像表示領域２０３の右側に配置されている。

図７には、カンチレバー装着時の画面が示され、メイン画像表示領域２０３に顕微鏡画像が表示されている。このモニター画面２００では、カンチレバー保持部１２に装着されたカンチレバー１２ａ及び温度補償用の突出部１２ｂの様子が顕微鏡画像として表示されている。また、メイン画像表示領域２０３の中央で交差させた位置決め用の直線Ａ１及びＡ２が表示されている。

ユーザは、カンチレバー１２ａの装着後、調整用つまみ２ａ及び２ｂを操作して顕微鏡画像の視野位置を調整する。具体的には、カンチレバー１２ａの探針が直線Ａ１及びＡ２の交点と重なるように視野位置が調整される。視野位置の調整の完了後、「次へ」ボタン２０９ａを操作し、或いは、操作手順「手動アプローチ」を操作選択すれば、次の操作手順に移行することができる。

図８には、手動アプローチによる可動ステージ４３の高さ調整時の画面が示され、ユーザ操作表示領域２０９内にサイドビュー画像２１０が表示されている。このモニター画面２００では、光学顕微鏡１３の焦点がカンチレバー１２ａから検査対象物側の所定位置に切り替えられるとともに、カンチレバー１２ａ周辺の様子がサイドビュー画像２１０として表示されている。

このモニター画面２００におけるユーザ操作表示領域２０９には、サイドビュー画像２１０の他に、可動ステージ４３を移動させるための操作ボタン２１１ａ〜２１１ｄ及び２１２や、サイドビューカメラ１４の撮影倍率を選択するための選択ボックスが配置されている。ここでは、サイドビュー画像２１０の右側に操作ボタン２１１ａ〜２１１ｄが配置され、可動ステージ４３を上昇又は下降させる際の移動速度に関し、２段階もしくは３段階の移動速度が選択可能であるものとする。

具体的には、操作ボタン２１１ａ及び２１１ｂを操作することにより、可動ステージ４３が上昇し、検査対象物をカンチレバー１２ａ側へ移動させることができる。その際、操作ボタン２１１ａの操作により、操作ボタン２１１ｂよりも高速で移動させることができる。また、操作ボタン２１１ｃ及び２１１ｄを操作することにより、可動ステージ４３が下降し、検査対象物をカンチレバー１２ａとは反対側へ移動させることができる。その際、操作ボタン２１１ｄの操作により、操作ボタン２１１ｃよりも高速で移動させることができる。ユーザは、サイドビュー画像２１０により、アプローチの様子をリアルタイムに監視することができ、検査対象物及び探針の近づき具合を容易に判断することができる。

操作ボタン２１２は、可動ステージ４３を可動範囲内における最下点に移動させて、探針を退避させるための操作ボタンである。また、サイドビューカメラ１４の撮影倍率として、通常倍率（ここでは、「×１」と表示）による撮影モードと、通常倍率よりも高倍率（ここでは、「×２」と表示）な撮影モードのいずれかを選択することができる。ここでは、撮影画像を画像処理することによってサイドビューカメラ１４による撮影の高倍率化が行われるものとする。可動ステージ４３の高さ調整の完了後、「ＯＫ」ボタン２１３を操作し、或いは、操作手順「水平位置調整」を操作選択すれば、次の操作手順に移行することができる。

図９には、可動ステージ４３の水平位置調整時の画面が示され、ユーザ操作表示領域２０９内に調整のためのアイコンなどが表示されている。具体的には、光学顕微鏡１３の光学系を調整するためのアイコンや撮影ボタン２２０、可動ステージ４３の可動範囲及び探針位置を模式的に示す表示エリア２２１、可動ステージ４３の水平位置を調整するための操作ボタン２２２が配置されている。

ここでは、アイコンを操作することにより、ズームアップさせ、或いは、焦点を移動させた顕微鏡画像が表示されるものとする。撮影ボタン２２０は、メイン画像表示領域２０３に表示されている画像を静止画像としてメモリ内に取り込むための操作ボタンである。

表示エリア２２１には、水平面内における可動ステージ４３の可動範囲が可動ステージ４３に対する相対的な探針位置２２１ａとして表示される。操作ボタン２２２を操作して探針位置２２１ａを前後左右に移動させることにより、可動ステージ４３の水平面内における位置を調整することができる。可動ステージ４３の水平位置調整の完了後、「ＯＫ」ボタン２１３を操作し、或いは、操作手順「スキャン設定」を操作選択すれば、次の操作手順に移行することができる。

図１０には、スキャン設定時の画面が示され、ユーザ操作表示領域２０９内に走査範囲を指定するための入力ボックス２３１〜２３４やＡＦＭ５の感度を調整するための感度調整ボタン２３５が配置されている。このモニター画面２００では、メイン画像表示領域２０３内に、ＡＦＭ５の走査可能なエリアを規定する矩形枠Ａ３が顕微鏡画像に重ねて表示されている。ユーザは、この矩形枠Ａ３内において、探針の走査範囲としての矩形領域Ａ４を指定することができる。

ここでは、矩形領域Ａ４について、中心点の位置座標や縦横の走査範囲、アスペクト比（縦横比）及び角度を指定することにより、探針の走査範囲が決定されるものとする。この様な探針の走査範囲の設定の完了後、操作手順「スキャン」を操作選択すれば、ＡＦＭ５によるスキャンを開始させることができる。

図１１には、スキャン完了時の画面が示され、メイン画像表示領域２０３内にＡＦＭ５による観測結果が表示されている。この例では、ＡＦＭ５による観測結果として、検査対象物表面における高さの変化を輝度の変化として示す高さ画像Ｂ１と、所定の切断線Ａ５で切断した検査対象物断面の高低差を示すラインプロファイルＢ２が表示されている。

高さ画像Ｂ１は、矩形領域Ａ４内を走査して得られた形状データを画素ごとの輝度データに変換することによって生成される。この高さ画像Ｂ１では、検査対象物表面の高低差（凹凸）が輝度の差として表される。具体的には、高さの高いところほど明るくなっている。

<光学顕微鏡モード>
図１２は、図１の走査型プローブ顕微鏡装置の要部における構成例を示したブロック図であり、画像処理部３０の機能構成が示されている。この画像処理部３０は、合成位置指定部３０１及び深度合成処理部３０２からなり、光学顕微鏡モード時に、複数の顕微鏡画像について深度合成する動作を行っている。

顕微鏡画像についての深度合成は、焦点を一定間隔で異ならせた２以上の撮影画像を合成することにより、被写界深度の大きな画像、すなわち、高さ方向に関して広い範囲でピントの合った画像を得る画像処理である。

合成位置指定部３０１は、載置台１１上の検査対象物及び光学顕微鏡１３の焦点を相対的に移動させ、深度合成の開始位置及び終了位置を指定する動作を行っている。ここでは、可動ステージ４３を上下方向に移動させることにより、検査対象物に対する光学顕微鏡１３の焦点位置が移動されるものとする。この様な焦点位置の移動は、操作入力部１５０からの操作入力データに基づいて行われる。すなわち、可動ステージ４３を上下方向に移動させながら、ユーザ操作に基づいて深度合成の開始位置及び終了位置が指定される。ここでは、深度合成の開始位置及び終了位置を指定するために、ユーザ操作によって可動ステージ４３を移動させる動作も手動アプローチと呼ぶことにする。

深度合成処理部３０２は、合成位置指定部３０１により指定された開始位置及び終了位置情報に基づいて、顕微鏡画像を深度合成し、合成画像を生成する処理を行っている。光学顕微鏡モードでは、深度合成の開始位置及び終了位置を指定するためのユーザ操作時に、顕微鏡画像及びサイドビュー画像が同一画面上に同時に表示される。

図１３のステップＳ２０１〜Ｓ２０５は、図１の走査型プローブ顕微鏡装置における動作の他の例を示したフローチャートであり、光学顕微鏡モードにおける測定動作の処理手順が示されている。光学顕微鏡モードでは、まず、サイドビュー画像がモニター３１上に顕微鏡画像と共に表示され、ユーザ操作に基づく手動アプローチが開始される（ステップＳ２０１）。

手動アプローチが完了すると、可動ステージ４３の水平面内における位置の調整及び光学系の調整を行い、深度合成の処理対象とする顕微鏡画像が決定される（ステップＳ２０２）。次に、可動ステージ４３を移動させながら開始位置及び終了位置が指定され、深度合成の範囲が決定される（ステップＳ２０３）。

深度合成の範囲指定が完了し、深度合成の開始が指示されると、合成画像が生成される（ステップＳ２０４，Ｓ２０５）。

図１４〜図１６は、図１の走査型プローブ顕微鏡装置における動作の他の例を示した図であり、光学顕微鏡モードにおいてモニター３１上に表示されるモニター画面２００の様子が示されている。このモニター画面２００では、操作手順表示領域２０６内に、「手動アプローチ」から「撮影」又は「深度合成」までの各操作手順を示すアイコンが配置されている。

図１４には、手動アプローチによる可動ステージ４３の高さ調整時の画面が示され、ユーザ操作表示領域２０９内にサイドビュー画像２１０が表示されている。このモニター画面２００では、カンチレバー保持部１２周辺の様子がサイドビュー画像２１０として表示されている。手動アプローチによる可動ステージ４３の高さ調整の際の操作手順と、可動ステージ４３の水平位置調整の際の操作手順は、それぞれＡＦＭ観測モードにおける各操作手順と同様である。

図１５には、深度合成の開始位置指定時の画面が示され、ユーザ操作表示領域２０９内にサイドビュー画像３１０が配置されている。このモニター画面２００では、カンチレバー保持部１２周辺の様子がサイドビュー画像３１０として表示されている。

このモニター画面２００におけるユーザ操作表示領域２０９には、サイドビュー画像３１０の他に、可動ステージ４３の現在位置を表示する表示エリア３１１や、可動ステージ４３を移動させるための操作ボタン３１２ａ及び３１２ｂ、開始位置（始点）を指定するための操作ボタン３１３、設定変更ボタン３１４が配置されている。ここでは、サイドビュー画像３１０の右側に表示エリア３１１、操作ボタン３１２ａ及び３１２ｂが配置されるものとする。

具体的には、操作ボタン３１２ａを操作することにより、可動ステージ４３が上昇し、光学顕微鏡１３の焦点位置を検査対象物Ｃに対して相対的に下げることができる。一方、操作ボタン３１２ｂを操作することにより、可動ステージ４３が下降し、焦点位置を検査対象物Ｃに対して相対的に上げることができる。

設定変更ボタン３１４は、深度合成に関する設定を変更するための操作ボタンである。例えば、深度合成を行う顕微鏡画像の数や、焦点位置を連続的に異ならせる際のピッチ（可動ステージ４３の移動間隔）を変更することができる。操作ボタン３１３を操作することによって開始位置の指定が完了すれば、深度合成の終了位置指定時の画面に移行することができる。

図１６には、深度合成の終了位置指定時の画面が示されている。このモニター画面２００におけるユーザ操作表示領域２０９には、サイドビュー画像３１０、可動ステージ４３の現在位置を表示する表示エリア３１１、可動ステージ４３を移動させるための操作ボタン３１２ａ及び３１２ｂ、終了位置（終点）を指定するための操作ボタン３１５、合成開始ボタン３１６が配置されている。ユーザは、深度合成の開始位置及び終了位置を指定する際、サイドビュー画像３１０によって、可動ステージ４３の上下方向の移動の様子をリアルタイムに監視することができる。

合成開始ボタン３１６は、深度合成の処理を開始させるための操作ボタンである。操作ボタン３１５を操作することによって終了位置の指定が完了する。終了位置の指定の完了後、合成開始ボタン３１６を操作すれば、指定された位置情報に基づく深度合成が開始され、この合成処理が終了すると、メイン画像表示領域２０３内に合成画像が表示される。

本実施の形態によれば、検査対象物及び探針を互いに近づける際に、カンチレバーの側方から見たサイドビュー画像を画面表示することができるので、ユーザは、このサイドビュー画像を見て検査対象物及び探針の近づき具合を判断することができる。従って、退避位置から適切な位置まで検査対象物及び探針を互いに近づける際の操作性が向上し、近づけすぎることなく検査対象物及び探針を素早く接近させることができる。

また、顕微鏡画像及びサイドビュー画像が同一画面上に同時に表示されるので、光学顕微鏡１３のピント合わせ可能な範囲内では、サイドビュー画像と合わせて顕微鏡画像によって検査対象物及び探針の近づき具合を判断することができるので、検査対象物及び探針間の距離を微調整する際の操作性を向上させることができる。

なお、本実施の形態では、可動ステージ４３を移動させて検査対象物を探針に近づける場合の例について説明したが、本発明はこれに限られるものではない。載置台１１及びカンチレバー１２ａを相対的に移動させることによって、検査対象物及び探針を互いに近づけるものであれば、他の構成であっても良い。例えば、カンチレバーを移動させて、探針を検査対象物に近づけても良い。

本発明の実施の形態による走査型プローブ顕微鏡装置の概略構成の一例を示した図である。 図１の走査型プローブ顕微鏡装置の要部における構成例を示した斜視図であり、顕微鏡本体１０における筐体内部の様子が示されている。 図２の顕微鏡本体における検査エリア周辺の配置図の一例である。 図１の走査型プローブ顕微鏡装置の要部における構成例を示したブロック図であり、コントローラ２０の機能構成が示されている。 図４のコントローラの要部における構成例を示したブロック図であり、アプローチ制御部１１２が示されている。 図１の走査型プローブ顕微鏡装置における動作の一例を示したフローチャートであり、ＡＦＭ観測モードを選択した場合の処理手順が示されている。 図１の走査型プローブ顕微鏡装置における動作の一例を示した図であり、カンチレバー装着時の画面が示されている。 図１の走査型プローブ顕微鏡装置における動作の一例を示した図であり、手動アプローチによる可動ステージ４３の高さ調整時の画面が示されている。 図１の走査型プローブ顕微鏡装置における動作の一例を示した図であり、可動ステージ４３の水平位置調整時の画面が示されている。 図１の走査型プローブ顕微鏡装置における動作の一例を示した図であり、スキャン設定時の画面が示されている。 図１の走査型プローブ顕微鏡装置における動作の一例を示した図であり、スキャン完了時の画面が示されている。 図１の走査型プローブ顕微鏡装置の要部における構成例を示したブロック図であり、画像処理部３０の機能構成が示されている。 図１の走査型プローブ顕微鏡装置における動作の他の例を示したフローチャートであり、光学顕微鏡モードを選択した場合の処理手順が示されている。 図１の走査型プローブ顕微鏡装置における動作の他の例を示した図であり、手動アプローチによる可動ステージ４３の高さ調整時の画面が示されている。 図１の走査型プローブ顕微鏡装置における動作の他の例を示した図であり、深度合成の開始位置指定時の画面が示されている。 図１の走査型プローブ顕微鏡装置における動作の他の例を示した図であり、深度合成の終了位置指定時の画面が示されている。

符号の説明

１ａ 筐体
２ａ，２ｂ 調整用つまみ
３，４ 操作ボタン
５ ＡＦＭ
１０ 顕微鏡本体
１１ 載置台
１２ カンチレバー保持部
１２ａ カンチレバー
１３ 光学顕微鏡
１４ サイドビューカメラ
２０ コントローラ
３０ 画像処理部
３１ モニター
４０ 防振フレーム
４０ａ アーム部
４１ 走査系
４２ ボイスコイルモーター
４３ 可動ステージ
４４，４５ 駆動系
５１ 光軸変換部
５２ 撮像部
１００ 走査型プローブ顕微鏡装置
１１０ 可動ステージ制御部
１１１ 水平位置調整部
１１２ アプローチ制御部
１２０ ＡＦＭ制御部
１２１ 走査制御部
１２２ カンチレバー共振制御部
１２３ 振幅検出部
１２４ 高さ制御部
１３０ 光学顕微鏡制御部
１３１ 光学ズーム制御部
１３２ フォーカス制御部
１３３ 撮像制御部
１４０ サイドビューカメラ制御部
１５０ 操作入力部
３０１ 合成位置指定部
３０２ 深度合成処理部

Claims (5)

1. 検査対象物が載置される載置台と、
   カンチレバーの先端に取り付けられた探針を上記載置台上の検査対象物へ押圧しながら走査させ、検査対象物の表面形状を示す形状データを生成するプローブ顕微鏡と、
   上記検査対象物を撮影し、上記カンチレバーの後方から見た顕微鏡画像を生成する光学顕微鏡とからなる走査型プローブ顕微鏡装置において、
   上記載置台及び上記カンチレバーを相対的に移動させ、上記検査対象物及び上記探針を互いに接近させるアプローチ手段と、
   上記検査対象物及び上記カンチレバーを撮影し、カンチレバーの側方から見たサイドビュー画像を生成する撮像手段と、
   上記顕微鏡画像及び上記サイドビュー画像を画面表示する表示手段とを備えたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡装置。
2. 上記表示手段は、顕微鏡画像及びサイドビュー画像を同一画面上に同時に表示することを特徴とする請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡装置。
3. 上記プローブ顕微鏡は、上記カンチレバーのたわみ量を検出するたわみ量検出手段を備え、
   上記アプローチ手段は、ユーザ操作に基づいて検査対象物及び探針を接近させる手動アプローチ手段と、上記手動アプローチ手段による接近速度よりも低速でさらに検査対象物及び探針を接近させ、上記たわみ量に基づいて停止させる自動アプローチ手段とからなり、
   上記表示手段が、上記手動アプローチ手段による接近動作時に、サイドビュー画像を表示することを特徴とする請求項１又は２に記載の走査型プローブ顕微鏡装置。
4. 上記プローブ顕微鏡は、上記カンチレバーを構成する圧電素子の駆動により当該カンチレバーを共振させながら上記探針の走査を行う顕微鏡であり、上記カンチレバーの振幅を検出する振幅検出手段を備え、
   上記アプローチ手段は、ユーザ操作に基づいて検査対象物及び探針を接近させる手動アプローチ手段と、上記手動アプローチ手段による接近速度よりも低速でさらに検査対象物及び探針を接近させ、上記振幅に基づいて停止させる自動アプローチ手段とからなり、
   上記表示手段が、上記手動アプローチ手段による接近動作時に、サイドビュー画像を表示することを特徴とする請求項１又は２に記載の走査型プローブ顕微鏡装置。
5. 上記光学顕微鏡により生成された２以上の顕微鏡画像について深度合成し、合成画像を生成する深度合成処理手段と、
   ユーザ操作に基づいて、上記載置台上の検査対象物及び上記光学顕微鏡の焦点を相対的に移動させ、上記深度合成の開始位置及び終了位置を指定する合成位置指定手段とを備え、
   上記深度合成処理手段は、上記開始位置及び終了位置に基づいて深度合成を行い、
   上記表示手段は、上記開始位置及び終了位置を指定するためのユーザ操作時に、サイドビュー画像を表示することを特徴とする請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡装置。