JP2018091695A - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】観測画像に歪みが生じるのを抑制することができる走査型プローブ顕微鏡を提供する。【解決手段】観測試料２０を載置する試料ステージ２２と、観測試料２０の表面状態または動態を観測する探針１０と、試料ステージ２２を駆動するスキャナ２４と、スキャナ２４の動作を制御するコンピュータ３５とを備え、コンピュータ３５は、所定の周期で振幅の増加および減少を繰り返す走査電圧をスキャナ２４に印加し、走査電圧は、振幅の増加開始直後の第１の期間における振幅の増加の加速度が正の値である。【選択図】図１

Description

本発明は、プローブを走査しながら試料の観測を行う走査型プローブ顕微鏡に関する。

走査型プローブ顕微鏡は、プローブを試料に対して走査することにより、凹凸などの試料表面の物理情報または試料の化学的性質を信号として取得する顕微鏡である。

走査型プローブ顕微鏡には、例えば、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）、走査型磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）、走査型電気容量顕微鏡（ＳＣａＭ）、走査型近接場光顕微鏡（ＳＮＯＭ）、走査型熱顕微鏡（ＳＴｈＭ）、走査型イオン電動顕微鏡（ＳＩＣＭ）などがある。これらの走査型プローブ顕微鏡では、プローブまたは試料を水平方向（ＸＹ方向）と垂直方向（Ｚ方向）に走査し、得られた試料の物理情報または化学的性質を順次表示することにより、試料の物理情報または化学的性質を画像として表している。

走査型プローブ顕微鏡は、プローブまたは試料を水平方向と垂直方向に走査するために、Ｘ、Ｙ、Ｚの各方向に移動可能な走査機構（Ｘスキャナ、Ｙスキャナ、Ｚスキャナ）を備えている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の走査型プローブ顕微鏡は、水平方向の二次元ラスター走査の走査機構として圧電素子を備えている。当該走査型プローブ顕微鏡では、例えば、Ｘ方向の走査について、一定の周期で振幅が変化する三角波の電圧（高周波電圧）を圧電素子からＸスキャナに印加することにより、プローブまたは試料をＸ方向に駆動している。

特開２００９−２７６３１８号公報

しかし、上述した三角波の電圧によるＸスキャナの高速駆動では、三角波の山または谷における三角波の電圧に圧電素子が追従せず、観測画像が歪み、観測画像の端にいわゆるミラーイメージが発生するという問題が生じている。

上記課題に鑑み、本発明は、観測画像に歪みが生じるのを抑制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を目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の一態様にかかる走査型プローブ顕微鏡は、観測試料を載置する試料ステージと、前記観測試料の表面状態または動態を観測する探針と、前記試料ステージを駆動するスキャナと、前記スキャナの動作を制御する制御部とを備え、前記制御部は、所定の周期で振幅の増加および減少を繰り返す走査電圧を前記スキャナに印加し、前記走査電圧は、振幅の増加開始直後の第１の期間における振幅の増加の加速度が正の値である。

これにより、走査電圧の電圧増加のスピードが一定の場合に比べて、電圧増加の開始時の電圧増加のスピードを上げることができる。したがって、試料の観測領域の走査往路において、観測領域の一端側でのカンチレバーの試料に対する走査スピードを速くすることができる。よって、試料の観測領域の一端から他端に向けてカンチレバーを試料に相対的に走査する場合、観測領域の一端側において走査方向を切り替えるときに、スキャナの応答遅れの影響により観測領域の一端側近傍において観測画像に歪みが生じるのを抑制することができる。

また、前記走査電圧は、振幅の減少終了直前の第２の期間における振幅の減少の加速度が負の値であってもよい。

これにより、走査電圧の電圧減少のスピードが一定の場合に比べて、電圧減少の終了時の電圧減少スピードを遅くすることができる。よって、観測領域の走査復路において、観測領域の一端側でのカンチレバーの試料に対する走査スピードを遅くすることができる。

また、前記プローブ顕微鏡は、前記探針で検出した前記観測試料の表面状態または動態を所定のピクセル数の画像として表示する画像処理部を備え、前記第１の期間とは、前記走査電圧の振幅の増加開始から前記所定の周期の半周期に対応する前記ピクセル数の５％以上１０％以下のピクセル数分の期間であってもよい。

これにより、試料の観測領域の走査往路において、走査を開始する一端側の設定ピクセル数（Ｘ方向ピクセル数の５％以上１０％以下)の領域では、試料を他の領域よりも急峻に他端へと走査し、他の領域では一定のスピードで走査することができる。よって、観測画像に歪みが生じるのを抑制することができる。

また、前記第１の期間における前記走査電圧は、べき関数で増加してもよい。

これにより、走査電圧の電圧増加のスピードが一定の場合に比べて、電圧増加の開始時の電圧増加のスピードを急峻に上げることができる。したがって、試料の観測領域の走査往路において、観測領域の一端側でのカンチレバーの試料に対する走査スピードを急峻に上げることができる。

また、前記第１の期間における前記走査電圧は、５次または６次の関数で増加してもよい。

これにより、走査電圧の電圧増加の開始時の電圧増加スピードをより上げることができる。よって、観測領域の走査往路において、観測領域の一端側でのカンチレバーの試料に対する走査スピードをより急峻に上げることができる。

また、前記第２の期間における前記走査電圧は、２次の関数で減少してもよい。

これにより、走査電圧の電圧減少の終了時の電圧減少スピードをより遅くすることができる。よって、観測領域の走査復路において、観測領域の一端側でのカンチレバーの試料に対する走査スピードをより遅くすることができる。

また、前記画像処理部は、前記走査電圧に対応する出力信号を前記走査電圧のタイミングより第３の期間だけ遅延させて出力してもよい。

これにより、観測領域の両端に、観測画像が歪むミラー領域を振り分けることができる。よって、観測画像の歪みをより抑制することができる。

また、前記第３の期間は、前記走査電圧の振幅の増加開始から前記所定の周期の半周期に対応する前記ピクセル数の５％以内のピクセル数分の期間であってもよい。

これにより、観測領域の両端に振り分けられたミラー領域を、目立たなくすることができる。よって、観測画像の歪みをより抑制することができる。

本発明により、観測画像に歪みが生じるのを抑制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ができる。

実施の形態にかかる走査型プローブ顕微鏡の構成を示すブロック図 実施の形態にかかる走査型プローブ顕微鏡の走査方向を示す図 実施の形態にかかる走査型プローブ顕微鏡の走査信号とスキャナの移動量との関係を示す図 実施の形態にかかる走査型プローブ顕微鏡の補正前の走査信号を示す図 実施の形態にかかる走査型プローブ顕微鏡の補正後の走査信号を示す図 実施の形態にかかる走査型プローブ顕微鏡の補正前の試料観測像を示す図 実施の形態にかかる走査型プローブ顕微鏡の補正後の試料観測像を示す図 実施の形態の変形例にかかる走査型プローブ顕微鏡の試料観測像についてピクセルシフトさせたときの試料観測像の一例を示す図 実施の形態の変形例にかかる走査型プローブ顕微鏡の試料観測像についてピクセルシフトさせたときの試料観測像の一例を示す図 実施の形態の変形例にかかる走査型プローブ顕微鏡の試料観測像についてピクセルシフトさせたときの試料観測像の一例を示す図 実施の形態の変形例にかかる走査型プローブ顕微鏡の試料観測像についてピクセルシフトさせたときの試料観測像の一例を示す図 実施の形態の変形例にかかる走査型プローブ顕微鏡の試料観測像について信号速度を変化させる前の試料観測像の一例を示す図 実施の形態の変形例にかかる走査型プローブ顕微鏡の試料観測像について信号速度を変化させたときの試料観測像の一例を示す図 実施の形態の変形例にかかる走査型プローブ顕微鏡の試料観測像について信号速度を変化させたときの試料観測像の一例を示す図 実施の形態の変形例にかかる走査型プローブ顕微鏡の試料観測像について信号速度を変化させかつピクセルシフトを組み合わせたときの試料観測像の一例を示す図

以下、図面を用いて、本発明にかかる実施の形態について説明する。以下の実施の形態では、走査型プローブ顕微鏡として原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を例に挙げて説明する。なお、図面において、同一の符号が付された構成要素は、同一または同種の構成要素を示す。

また、以下で説明する実施の形態は、本発明の好ましい一具体例を示す。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態等は、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、より望ましい形態を構成する任意の構成要素として説明される。

（実施の形態）
［走査型プローブ顕微鏡の構成］
はじめに、本実施の形態にかかる走査型プローブ顕微鏡１の構成について説明する。図１は、本実施の形態にかかる走査型プローブ顕微鏡１の構成を示すブロック図である。

走査型プローブ顕微鏡１は、観測対象である試料２０の表面状態、動態等を観測する顕微鏡である。走査型プローブ顕微鏡１は、カンチレバー１０の探針１０ａの先端を試料２０に接触させて走査する接触式の顕微鏡としてもよいし、カンチレバー１０の探針１０ａの先端が試料２０に間欠的に接触する間欠接触法式でもよい、あるいはカンチレバー１０の探針１０ａの先端から所定間隔離して走査する非接触式の顕微鏡としてもよい。

図１に示すように、走査型プローブ顕微鏡１は、カンチレバー１０と、試料２０を載置する試料ステージ２２と、試料ステージ２２を三次元方向（Ｘ方向、Ｙ方向。Ｚ方向）に走査するスキャナ２４と、レーザユニット３０と、センサ３１と、振幅検出部３３と、フィードバック制御部３４と、コンピュータ３５と、発振器３６と、モニタ３７とを備えている。ここで、ＸＹ方向は、水平面上で直交する方向である。また、Ｚ方向は鉛直方向であり、試料２０の凹凸方向（高さ方向）である。

カンチレバー１０は、例えば、窒化シリコンで構成されている。カンチレバー１０は、探針１０ａと、梁部１０ｂとを有している。探針１０ａは、梁部１０ｂの一端側の片面に設けられており、先端が尖った形状に形成されている。カンチレバー１０は、探針１０ａが形成された側と反対側の梁部１０ｂの根元部分が支持部（図示せず）に支持され、カンチレバー１０の探針１０ａが配置された側の梁部１０ｂが自由端となっている。探針１０ａは試料２０が配置される試料ステージ２２側に向くように配置されている。なお、接触式の走査型プローブ顕微鏡の場合は、探針１０ａは試料２０に当接され、間欠接触式の走査型プローブ顕微鏡の場合は、梁部１０ｂが振動することで、探針１０ａは試料２０に間欠的に接触して走査される。

試料ステージ２２は、試料２０をカンチレバー１０の探針側に向けて保持するための試料ホルダである。試料ステージ２２は、スキャナ２４に搭載されている。また、試料ステージ２２は、例えば、吸着機構（図示せず）を備えることにより、試料２０を吸着して保持してもよい。なお、試料２０は、試料ステージ２２に接着されるとしてもよい。

スキャナ２４は、試料ステージ２２をＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向に移動させることにより試料２０を探針１０ａに対して相対的に走査するための走査機構である。スキャナ２４は、例えば、直径が２ｍｍ、高さが２ｍｍ程度の柱状の圧電素子（ピエゾ素子）により構成されている。スキャナ２４のＸ方向およびＹ方向の走査は、コンピュータ３５により制御され、Ｚ方向の走査は後に詳述するフィードバック制御部３４により制御される。

具体的には、スキャナ２４のＸ方向およびＹ方向の走査は、コンピュータ３５からスキャナドライバ（図示せず）にＸ走査信号およびＹ走査信号（併せてＸＹ走査信号とも呼ぶ。）が供給され、増幅されてスキャナ２４に供給される。また、スキャナ２４のＺ方向の走査は、フィードバック制御部３４からスキャナドライバ（図示せず）にフィードバック信号（ＦＢ信号）が供給され、増幅されてスキャナ２４に供給される。なお、Ｘ走査信号およびＹ走査信号は、電圧信号である。この電圧信号を、走査電圧と呼ぶ。走査電圧は、所定の周期で振幅の増加および減少を繰り返す電圧である。ＸＹ走査信号については、後に詳述する。

レーザユニット３０は、センサ３１と共に光てこ式の変位センサを構成している。レーザユニット３０は、カンチレバー１０にレーザ光を照射するためのレーザ発光装置である。レーザユニット３０から出射されたレーザ光は、カンチレバー１０の梁部１０ｂの自由端近傍であって探針１０ａが設けられた面と反対側の面で反射する。カンチレバー１０は、試料２０の表面の状態または動態に合わせて振動するので、梁部１０ｂの自由端近傍で反射したレーザ光も試料２０の表面の状態または動態に合わせて反射位置および反射強度が変化することとなる。

センサ３１は、例えばフォトダイオードで構成された受光センサである。カンチレバー１０において反射したレーザ光は、センサ３１で受光される。つまり、センサ３１は、カンチレバー１０で反射したレーザ光を受光することにより、試料２０の表面の状態または動態に対応した変位信号を検出する。

発振器３６は、カンチレバー１０に設置された圧電素子に周波数ｆの正弦波（ｓｉｎ２πｆｔ）を印加するための発振器である。ここで、周波数ｆは、カンチレバー１０の共振周波数近傍に設定され、圧電素子の振動によりカンチレバー１０が周波数ｆで振動する。探針１０ａが試料に接触すると、梁部１０ｂの変位もしくは振幅信号が変化する。この変位信号に基づいて、後述するようにスキャナ２４のＺ方向の移動のフィードバック制御が行われる。

振幅検出部３３は、センサ３１で検出された変位信号のうち、振幅変化を検出する振幅検出部である。振幅検出部３３で検出された信号は、フィードバック制御部３４に供給される。

フィードバック制御部３４は、振幅が予め設定されたセットポイント（目標値）と一致し続けるように、スキャナ２４をＺ方向に制御する。フィードバック制御部３４は、例えば、振幅からセットポイントを減算して偏差信号を生成する減算器と、偏差信号を増幅するＰＩＤ回路とを有し、スキャナ２４を制御するためのＦＢ信号を生成する。ＦＢ信号は、コンピュータ３５に供給される。

コンピュータ３５は、例えばパーソナルコンピュータ等で構成され、走査型プローブ顕微鏡１の全体を制御する。また、コンピュータ３５は、ユーザインターフェース機能を提供する。ユーザからの各種の指示がコンピュータ３５に入力されると、コンピュータ３５はユーザの入力に従ってプローブ顕微鏡１を制御する。また、コンピュータ３５は、スキャナ２４のＸ方向およびＹ方向の移動を制御する制御部である。さらに、コンピュータ３５は、フィードバック制御部３４から供給された振幅信号に基づいて試料表面の画像を生成し、画像処理部であり、生成した画像をモニタ３７に出力する。

モニタ３７は、供給された信号に基づいて画像を表示する表示部であり、コンピュータ３５から出力された試料の表面状態または動態に関する情報を画像として表示する。

［走査型プローブ顕微鏡の動作］
次に、走査型プローブ顕微鏡１の動作について説明する。以下では、間欠接触式の走査型プローブ顕微鏡１の動作について説明する。図２は、本実施の形態にかかる走査型プローブ顕微鏡１の走査方向を示す図である。図３は、本実施の形態にかかる走査型プローブ顕微鏡１の走査信号とスキャナの移動量との関係を示す図である。図４Ａは、本実施の形態にかかる走査型プローブ顕微鏡１の補正前の走査信号を示す図である。図４Ｂは、本実施の形態にかかる走査型プローブ顕微鏡１の補正後の走査信号を示す図である。

はじめに、観測対象である試料２０およびカンチレバー１０を所定の位置に配置する。試料２０は、試料ステージ２２の上に載置される。このとき、試料２０は、吸着機構または接着材等により試料ステージ２２に固定させてもよい。そして、試料２０の表面から所定の高さの位置にカンチレバー１０を配置させる。なお、接触式の走査型プローブ顕微鏡１の場合には、カンチレバー１０を試料２０の表面に接触させてもよい。

試料２０およびカンチレバー１０が配置された後、スキャナ２４は、コンピュータ３５に制御されて、ＸＹ方向に試料ステージ２２を移動させる。これにより、試料ステージ２２は、カンチレバー１０に対してＸＹ方向に走査される。つまり、カンチレバー１０は、例えば図２に示す軌跡Ｐおよび軌跡Ｑに示すように、試料２０に対して相対的にＸＹ方向に走査される。なお、図２において軌跡Ｐで示すスキャナ２４の走査を走査往路、軌跡Ｑで示すスキャナ２４の走査を走査復路という。また、軌跡Ｐの開始側を試料２０の観測領域の一端側、軌跡Ｐの終了側を試料２０の観測領域の他端側という。

カンチレバー１０の試料２０に対するＸＹ方向の相対的な位置は、コンピュータ３５により制御される。コンピュータ３５は、Ｘ方向の走査について、所定の周期で振幅が変化するＸ走査信号をスキャナ２４に供給する。ここで、所定の周期とは、試料２０の観測領域の一端と他端との間を一往復する走査周期であり、後述するように、例えば６．７ｍｓである。また、振幅とは、スキャナ２４に印加される電圧の振幅であり、例えば５Ｖｐｐ（−２．５Ｖ以上２．５Ｖ以下）である。Ｘ走査信号は、図３に示すように、一定期間（期間Ａ）の振幅の増加と一定期間（期間Ｂ）の振幅の減少とを繰り返す電圧信号である。なお、Ｘ走査信号については、後に詳述する。これにより、スキャナ２４は、例えば図２に示すように、振幅が増加する期間ＡにおいてＸ方向における正の方向に移動し、振幅が減少する期間ＢにおいてＸ方向における負の方向に移動する。なお、期間Ａにおけるスキャナ２４の走査は、上述した走査往路、期間Ｂにおけるスキャナ２４の走査は、上述した走査復路である。また、図３に示すように、スキャナ２４にＸ走査信号を印加して実際に走査を完了するまでには、一定の遅れ時間が発生する。一定の遅れ時間とは、例えば０．２ｍｓ程度である。

振幅が減少する期間Ｂでは、コンピュータ３５は、スキャナ２４をＸ方向における負の方向に移動させるとともに、Ｙ方向における正の方向にも移動させる。つまり、期間Ｂにおいて、コンピュータ３５は、カンチレバー１０が試料２０に対して図２に示す軌跡ＱのようにＸ方向およびＹ方向に相対的に走査されるように、Ｘ走査信号に加えてＹ走査信号をスキャナ２４に供給する。Ｙ走査信号は、試料２０の一端から他端までＸ方向の走査が１ライン分終了した後、試料２０の他端から一端まで走査するとき、同時にスキャナ２４をＹ方向に所定の距離移動させる信号である。ここで、所定の距離とは、試料２０の試料観測像において１ピクセル分に相当する距離である。

これにより、カンチレバー１０は、図２に示す軌跡Ｐのように試料２０の一端から他端までＸ方向の正方向に走査された後、図２に示す軌跡ＱのようにＸ方向の負の方向およびＹ方向の正の方向に移動される。このＸ方向およびＹ方向の走査を繰り返すことにより、試料２０の所定領域内にカンチレバー１０を相対的に走査させることができる。

ここで、本実施の形態におけるＸ走査信号は、図４Ａに示す線形で振幅の増加および減少を繰り返す三角波に、所定の補正を加えて、図４Ｂに示すような非線形で振幅の増加および減少を繰り返す略三角波の信号である。

図４Ａに示すように、補正をしていない三角波の信号は、振幅の増加および減少の傾きの絶対値が同一の電圧信号である。すなわち、スキャナ２４に印加される電圧の振幅の増加および減少の割合が同一である。したがって、スキャナ２４のＸ方向の正方向への移動スピードおよび負方向の移動スピードは一定であり、同一である。

例えば、図４Ａに示す三角波は、振幅の最小値が−２．５Ｖ、振幅の最大値が２．５Ｖであって、６．７ｍｓの周期で振幅の増減を繰り返す三角波である。この三角波において、電圧の増加および減少のスピードは、０．３７Ｖ／ｍｓでほぼ一定である。

これに対し、図４Ｂに示すように、補正後の走査型プローブ顕微鏡１では、図４Ａに示した三角波において、Ｘ走査信号（走査電圧）の増加開始直後の第１の期間における振幅の増加の加速度を正の値としている。ここで、第１の期間とは、例えば、Ｘ走査信号の電圧の振幅の増加開始から、Ｘ走査信号の増減の周期の半周期に対応するピクセル数の５％のピクセル数の期間である。つまり、図３に示した期間Ａに対応するピクセル数の５％のピクセル数の期間である。例えば、期間Ａでの全ピクセル数が２５６ピクセルの場合、第１の期間とは、試料観測像の一端側の１３ピクセル分の期間である。

また、第１の期間におけるＸ走査信号の振幅の増加の加速度は、べき関数（指数関数）で表される。

これにより、観測領域の走査往路において、電圧増加の開始直後の第１の期間でのＸ走査信号の振幅の増加スピードを上げることができるので、試料２０の観測領域の一端側の領域（一端側から５％のピクセル数の領域）において、試料２０を他の領域よりも急峻に他端側へと走査することができる。

また、べき関数は、例えば５次の関数である。べき関数の次数を５次とすることにより、Ｘ走査信号の振幅の増加開始直後の第１の期間での振幅の増加スピードをより上げることができる。よって、観測領域の走査往路において、観測領域の一端側でのカンチレバー１０の試料２０に対する走査スピードをより急峻に上げることができる。

なお、べき関数の次数は５次に限らず６次であってもよいし、他の次数であってもよい。べき関数の次数を高くするほど、観測領域の一端側でのカンチレバー１０の試料２０に対する走査スピードをより急峻に上げることができる。

また、図４Ｂに示すように、補正後の走査型プローブ顕微鏡１では、Ｘ走査信号の振幅の減少終了直前の第２の期間において、Ｘ走査信号の振幅の減少の加速度を負の値としている。ここで、第２の期間とは、例えば、Ｘ走査信号の電圧の振幅の増加開始から、Ｘ走査信号の増減の周期の半周期に対応するピクセル数の１０％のピクセル数の期間である。つまり、図３に示した期間Ｂに対応するピクセル数の１０％の期間である。例えば、期間Ｂでの全ピクセル数が２５６ピクセルの場合、電圧の減少終了時の領域は、試料観測像の一端側の２５ピクセル程度の領域である。

また、第２の期間におけるＸ走査信号の振幅の減少の加速度は、べき関数で表すことができる。当該べき関数は、例えば２次の関数で表すことができる。

これにより、走査領域の走査復路において、電圧減少の終了直前の第２の期間におけるＸ走査信号の振幅の減少スピードを小さくすることができるので、試料２０の観測領域の一端側の領域（一端側から１０％のピクセル数の領域）において、試料２０を他の領域よりも遅いスピードで一端側へ走査することができる。なお、試料２０の一端側の領域以外の領域では、一定の速度で走査することができる。

以上のようなＸ走査信号を用いることにより、試料２０の観測領域の一端側と他端側との間でカンチレバー１０を試料２０に相対的に走査する場合、観測領域の一端側において走査方向を切り替えるときに、スキャナ２４の走査方向の切り替え時のスキャナ２４（圧電素子）の応答遅れにより、観測領域の一端側近傍において試料観測像に歪みが生じるのを抑制することができる。

なお、第１の期間および第２の期間は、電圧増加または電圧減少の全期間に対応する全ピクセル数の５％に限らず、４％であってもよいし、適宜変更してもよい。また、図４Ａおよび図４Ｂに示すＸ走査信号において、試料２０の観測領域の両端において走査方向を逆向きにする際に生じる振動を補正するための逆伝達補正を行ったものであってもよい。

ＸＹ方向の走査中、センサ３１は、レーザユニット３０から照射されカンチレバー１０で反射した反射光を検出することにより、カンチレバー１０の振動信号を検出する。そして、センサ３１は、検出した振動振幅を振幅検出部３３に供給する。すなわち、カンチレバー１０が試料２０に対してＸ方向の正の方向に走査されるときに、カンチレバー１０の振動振幅の変化、すなわち、試料２０の表面の凹凸情報の検出が行われる。

振幅検出部３３は、供給された変位信号から振幅を検出してフィードバック制御部３４に供給する。フィードバック制御部３４は、供給された振幅がセットポイントと一致するように、スキャナ２４のＺ方向のフィードバック制御を行う。なお、セットポイントとは、あらかじめ定められた振幅の目標値である。

フィードバック制御部３４では、振幅とセットポイントの差に応じたフィードバック信号が生成され、スキャナ２４に供給される。スキャナ２４は、フィードバック信号に従ってＺ方向に動作する。より詳細には、スキャナドライバ（図示せず）がフィードバック信号に従ってスキャナ２４を駆動する。

また、振幅は、カンチレバー１０と試料２０との距離に応じて変化する。したがって、フィードバック制御により、カンチレバー１０と試料２０の距離が一定に保たれる。

このようにして、カンチレバー１０と試料の距離を一定に保ちながら、ＸＹ走査が行われる。フィードバック信号は、コンピュータ３５にも供給される。フィードバック信号は、スキャナ２４をＺ方向に駆動する信号であり、試料２０のＺ方向の高さに対応している。したがって、フィードバック信号を得ることにより、試料２０の表面の状態の情報（凹凸情報）を得ることができる。

さらに、コンピュータ３５は、ＸＹ走査の制御データと入力されるフィードバック信号とに基づいて、試料表面の凹凸情報を画像として生成し、モニタ３７に供給する。これにより、モニタ３７に試料表面の凹凸情報が三次元画像として表示される。

［走査型プローブ顕微鏡を用いた観測例］
ここで、走査型プローブ顕微鏡１を用いた観測例を示す。以下に示す観測では、試料２０として、表面に一定の凹凸のグリッドが形成されたシリコンを用いた。試料２０の表面において、グリッドは、１μｍの周期で形成されている。グリッドの凹部の大きさは、一例として０．５μｍである。なお、試料２０は、シリコンに限らず、生体試料、高分子、半導体などどのような材料であってもよい。また、試料２０の表面に一定の凹凸のグリッドを形成する場合には、グリッドの大きさ、周期は適宜変更してもよい。

図５Ａは、実施の形態にかかる走査型プローブ顕微鏡１の補正前の試料観測像を示す図である。図５Ｂは、実施の形態にかかる走査型プローブ顕微鏡１の補正後の試料観測像を示す図である。図５Ａおよび図５Ｂにおいて、観測領域は１５μｍ×１５μｍの領域である。また、図５Ａおよび図５Ｂでは、２５６×２５６ピクセルで観測および表示を行っている。観測時のカンチレバー１０の試料２０に対するＸ走査信号は、図４Ａおよび図４Ｂに示したＸ走査信号であり、走査速度は１ライン７．８ｍｓである。

印加する三角波電圧を補正していないＸ走査信号（図４Ａ参照）を用いた走査型プローブ顕微鏡１の場合、図５Ａの破線の領域に示すように、試料２０の試料観測像の一端側、すなわち、上述した三角波の振幅の増加開始直後の第１の期間には、試料観測像に歪みが生じた領域（ミラー領域）が表れている。一方、図５Ｂに示すように、印加する三角波電圧を補正したＸ走査信号（図４Ｂ参照）を用いた走査型プローブ顕微鏡１では、試料２０の試料観測像の一端側には、ミラー領域は表れていない。このことより、上述したように、図４Ｂに示したＸ走査信号を用いてスキャナ２４を動作させることにより、観測領域の一端で走査方向を切り替えるときに、観測領域の一端近傍において試料観測像にミラー領域が生じるのが抑制されていることがわかる。

［効果等］
以上、本実施の形態にかかる走査型プローブ顕微鏡によると、上述したように補正したＸ走査信号を用いることにより、試料２０の観測領域の一端から他端に向けてカンチレバー１０を試料２０に相対的に走査するときに、観測領域の一端で走査方向を切り替えるときに、スキャナ２４の走査方向の切り替えの影響により観測領域の一端近傍において試料観測像に歪みが生じるのを抑制することができる。

（変形例１）
なお、走査型プローブ顕微鏡１において、コンピュータ３５は、三角波に対応する出力信号を三角波のタイミングより第３の期間遅延させてモニタ３７に表示させてもよい。ここで、第３の期間とは、例えば、Ｘ走査信号の振幅の増加の期間すなわちＸ走査信号の振幅の増加開始から振幅の増減周期の半周期に対応するピクセル数の５％以内のピクセル数分の期間である。なお、第３の期間モニタ表示を遅延させることをピクセルシフトと呼ぶ。例えば、ピクセルシフト１０％とは、Ｘ走査信号の振幅の増加開始から振幅の増減周期の半周期に対応するピクセル数のうちの１０％を遅延させてモニタ３７に表示することをいう。

図６Ａ〜図６Ｄは、試料２０として脂質二重膜を用い、プローブ顕微鏡１により試料２０の表面を観測したときの試料観測像についてピクセルシフトさせたときの試料観測像の一例である。

図６Ａ〜図６Ｄでは、イメージングレートを０．５ｓ／ｆｒａｍｅとし、ピクセルシフトをそれぞれ０％、５％、１０％、１５％としたときの試料観測像を示している。

ピクセルシフトが０％のときは、図６Ｂの破線の領域に示すように、試料２０の試料観測像の一端側にミラー領域が現れている。

ピクセルシフトが５％のときは、図６Ｂに示すように、試料２０の試料観測像の一端側のミラー領域は、狭くなっている。これは、試料２０の試料観測像において、上述したミラー領域が試料観測像のＸ方向の一端側と他端側のそれぞれに振り分けられたためである。つまり、ミラー領域はＸ方向の両端に分散され、各ミラー領域は小さいため、ミラー領域が目立つのを抑制して違和感のない試料観測像を表示することができる。

また、ピクセルシフトが１０％のときは、図６Ｃに示すように、試料２０の試料観測像の他端側のミラー領域は、ピクセルシフトが５％のときよりも大きく現れている。

さらに、ピクセルシフトが１５％のときは、図６Ｄに示すように、試料２０の試料観測像の他端側のミラー領域は、ピクセルシフトが１０％のときよりも大きく現れている。

試料観測像についてピクセルシフトをさせることにより、試料２０の試料観測像において、上述したミラー領域を試料観測像のＸ方向の両端に振り分けることができるので、試料観測像に歪みが生じるのをより抑制することができる。なお、上述したように、第３の期間が、Ｘ走査信号の振幅の増加の期間の５％より大きくなると、試料観測像の両側に振り分けたミラー領域が目立つようになる。したがって、第３の期間は、Ｘ走査信号の振幅の増加の期間の５％以内、例えば３％程度とすることが好ましい。

また、図７Ａ〜図７Ｄは、試料２０として脂質二重膜を用い、プローブ顕微鏡１により試料２０の表面を観測したときの試料観測像について、走査信号電圧の増加および減少速度を変化させ、さらにピクセルシフトを組み合わせたときの試料観測像の一例である。

図７Ａ〜図７Ｄでは、イメージングレート（信号速度）を０．２ｓ／ｆｒａｍｅとして、走査信号電圧の増加時に操作信号のピクセル数２００の８％、すなわち１６ピクセルにおいて５次のべき関数で電圧増加を加速させたとき、走査電圧の減少時において２次関数により減速し、ピクセル数の６％、すなわち１２ピクセルで停止させたとき、さらにピクセルシフトを５％としたときの試料観測像を示している。

図７Ａに示すように、イメージングレートを０．２ｓ／ｆｒａｍｅとしたとき（イメージングレートを変化させる前）は、図７Ａの破線の領域に示すように、試料２０の試料観測像の一端側にミラー領域が現れている。

走査信号の往路において走査ピクセル数２００の８％、すなわち１６ピクセルにおいて５次のべき関数により走査信号電圧の増加率を加速させたときは、図７Ｂの破線に示すように、試料２０の試料観測像の一端側に現れたミラー領域は図７Ａと比較して狭くなっている。

さらに、走査信号の復路において、走査電圧は２次関数で減速され、ピクセル数の６％、すなわち１２ピクセルで走査を停止させた場合、図７Ｃに示すように、試料２０の試料観測像の一端側に現れたミラー領域はさらに狭くなっている。

また、さらに５％のピクセルシフトを組み合わせたときは、図７Ｄに示すように、ミラー領域は大きく現れておらず、目立たなくなっている。

このように、Ｘ走査信号の往復の形状変化とピクセルシフトを組み合わせることにより、試料観測像の両端においてミラー領域が現れるのを抑制することができる。

（その他の実施の形態）
以上、本発明にかかる走査型プローブ顕微鏡について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は実施の形態に限定されるものではない。実施の形態に対して当業者が思いつく変形を施して得られる形態、および、複数の実施の形態における構成要素を任意に組み合わせて実現される別の形態も本発明に含まれる。

例えば、上述した実施の形態では、図２に示したようにＸ方向に軌跡Ｐを取り、カンチレバーを試料に対してＸ方向に走査したときにＺ方向の凹凸情報を観測画像として検出したが、これに限らず、Ｙ方向に軌跡Ｐを取り、カンチレバーを試料に対してＹ方向に走査したときにＺ方向の凹凸情報を観測画像として検出してもよい。

また、上述した実施の形態では、探針としてカンチレバーを備えたプローブ顕微鏡について説明をしたが、探針はカンチレバーに限らず他の構成の探針であってもよい。また、探針以外の手段により試料の表面を走査してもよい。

また、走査電圧の増加開始時において、電圧増加の加速度はべき関数であってもよい。また、べき関数の次数は上述したように５次であってもよいし、５次に限らず６次または他の次数であってもよい。べき関数の次数を高くするほど、観測領域の一端側でのカンチレバー１０の試料２０に対する走査スピードをより急峻に上げることができる。

また、走査電圧の減少終了時において、電圧減少の加速度はべき関数であってもよい。

また、べき関数の次数は２次のべき関数であってもよいし他の次数であってもよい。べき関数の次数を高くするほど、観測領域の一端側でのカンチレバー１０の試料２０に対する走査スピードをより遅くすることができる。

また、観測領域の大きさおよびピクセル数は、上述した大きさおよびピクセル数に限らず、観測試料に応じて適宜変更してもよい。

また、走査型プローブ顕微鏡の構成は、上記したものに限らず、走査型プローブ顕微鏡の種類に応じて適宜変更してもよい。

本発明にかかる走査型プローブ顕微鏡は、試料表面の物理情報または試料の化学的性質を高速で観測する走査型プローブ顕微鏡またはプローブ走査装置に有用である。

１ 走査型プローブ顕微鏡
１０ カンチレバー（探針）
１０ａ 探針
１０ｂ 梁部
２０ 試料（観測試料）
２２ 試料ステージ
２４ スキャナ
３０ レーザユニット
３１ センサ
３３ 振幅検出部
３４ フィードバック制御部
３５ コンピュータ（制御部）
３６ 発振器
３７ モニタ

Claims (8)

1. 観測試料を載置する試料ステージと、
   前記観測試料の表面状態または動態を観測する探針と、
   前記試料ステージを駆動するスキャナと、
   前記スキャナの動作を制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、所定の周期で振幅の増加および減少を繰り返す走査電圧を前記スキャナに印加し、
   前記走査電圧は、振幅の増加開始直後の第１の期間における振幅の増加の加速度が正の値である
   走査型プローブ顕微鏡。
2. 前記走査電圧は、振幅の減少終了直前の第２の期間における振幅の減少の加速度が負の値である
   請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
3. 前記プローブ顕微鏡は、前記探針で検出した前記観測試料の表面状態または動態を所定のピクセル数の画像として表示する画像処理部を備え、
   前記第１の期間とは、前記走査電圧の振幅の増加開始から前記所定の周期の半周期に対応する前記ピクセル数の５％以上１０％以下のピクセル数分の期間である
   請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
4. 前記第１の期間における前記走査電圧は、べき関数で増加する
   請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
5. 前記第１の期間における前記走査電圧は、５次または６次の関数で増加する
   請求項４に記載の走査型プローブ顕微鏡。
6. 前記第２の期間における前記走査電圧は、２次の関数で減少する
   請求項２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
7. 前記画像処理部は、前記走査電圧に対応する出力信号を前記走査電圧のタイミングより第３の期間だけ遅延させて出力する
   請求項３に記載の走査型プローブ顕微鏡。
8. 前記第３の期間は、前記走査電圧の振幅の増加開始から前記所定の周期の半周期に対応する前記ピクセル数の５％以内のピクセル数分の期間である
   請求項７に記載の走査型プローブ顕微鏡。