JP2022134649A - Scanning type probe microscope, information processor, and program - Google Patents

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Keiichi Ueda
真之 阿部
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Abstract

To provide a scanning type probe microscope capable of suppressing acquisition time of a surface image.SOLUTION: A scanning type probe microscope scans a surface of an observation object along an observation range with a probe, and obtains a surface image composed of pixels of m points in an X direction and n points in a Y direction for the observation range on the basis of interaction between the probe and the surface in each position being scanned. The scanning type probe microscope performs scanning by thinning out one portion of positions corresponding to the pixels in the m points in the X direction and the n points in the Y direction within the observation range so as to scan the observation range in a shorter time than when scanning positions corresponding to entire pixels in the m points in the X direction and the n points in the Y direction within the observation range. The scanning type probe microscope has information processing means for performing interpolation processing for restoring missing pixels on the basis of observation data in which partial pixels are missing from among the pixels in the m points in the X direction and the n points in the Y direction for the observation range.SELECTED DRAWING: Figure 6

Description

本発明は、原子間力顕微鏡をはじめとする走査型プローブ顕微鏡に関し、特に、表面像の取得に要する時間を抑制できる走査型プローブ顕微鏡に関する。 The present invention relates to scanning probe microscopes such as atomic force microscopes, and more particularly to scanning probe microscopes capable of reducing the time required to acquire surface images.

走査型プローブ顕微鏡(SPM)は機械的探針を機械的に走査して試料表面の情報を得る走査型顕微鏡であって、走査型トンネリング顕微鏡(STM)、原子間力顕微鏡(AFM)、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)などの総称である。走査型プローブ顕微鏡は、試料ステージと、プローブと、該試料ステージまたは該プローブを走査のために変位させるスキャナ(アクチュエータ)と、プローブで起こる物理量の変化を検出する検出器とを、原理上の共通の要素として有している。走査型プローブ顕微鏡は、プローブと試料とを相対的にXY方向にラスター走査し所望の試料領域の表面情報をプローブを介して得て、モニタ上にマッピング表示することができる。なお、本明細書では、試料の高さ方向をZ方向とし、Z方向と直交する面内において直交する2方向をX方向及びY方向とする。 A scanning probe microscope (SPM) is a scanning microscope that obtains information on the surface of a sample by mechanically scanning a mechanical probe. It is a general term for magnetic force microscope (MFM), scanning capacitance microscope (SCaM), scanning near-field optical microscope (SNOM), scanning thermal microscope (SThM), and the like. A scanning probe microscope, in principle, has a sample stage, a probe, a scanner (actuator) that displaces the sample stage or the probe for scanning, and a detector that detects changes in physical quantities that occur in the probe. has as an element of A scanning probe microscope can perform raster scanning of a probe and a sample relative to each other in the XY directions, obtain surface information of a desired sample region through the probe, and map and display the surface information on a monitor. In this specification, the height direction of the sample is defined as the Z direction, and two orthogonal directions within a plane orthogonal to the Z direction are defined as the X direction and the Y direction.

走査型プローブ顕微鏡の典型的なものとして、原子間力顕微鏡が挙げられる。原子間力顕微鏡では、プローブとしてカンチレバーチップ(カンチレバーの先端に極めて微小な探針が付与された部材)が用いられる。 A typical scanning probe microscope is an atomic force microscope. Atomic force microscopes use a cantilever tip (a member with a very small probe attached to the tip of the cantilever) as a probe.

走査型プローブ顕微鏡では探針を物理的に移動させて走査することが必要であること、検出器で検出する応答信号やこの応答信号を用いたフィードバック制御を安定させることが必要であること、等により、表面像の取得に要する時間を短縮するには限界がある。例えば、図13に示したSi(111)7×7表面のSPM像を得るには、約5分の時間がかかる。このように表面像の取得に時間がかかることから、短時間で連続的に表面像を取得して表面で生じる現象の詳細な時間変化を観察することは困難であった。また、室温においては熱ドリフトの影響により表面像取得に時間がかかると像が歪むといった問題がある。 In a scanning probe microscope, it is necessary to physically move the probe to scan, and it is necessary to stabilize the response signal detected by the detector and the feedback control using this response signal, etc. Therefore, there is a limit to shortening the time required to acquire the surface image. For example, it takes about 5 minutes to obtain the SPM image of the Si(111)7×7 surface shown in FIG. Since it takes a long time to acquire surface images, it is difficult to continuously acquire surface images in a short period of time to observe detailed temporal changes in phenomena occurring on the surface. In addition, at room temperature, there is a problem that the image is distorted due to the influence of thermal drift if it takes time to acquire the surface image.

このような問題に対し、様々なアプローチで解決の試みが行われている。
例えば特許文献1には、信号検出回路(位相検出回路)を工夫することにより、周波数信号検出速度を早くし、高速化を行う技術が開示されている。また、特許文献2には、スキャナ装置を高速走査可能とする技術が開示されている。また、特許文献3には、探針と試料の相対位置の変化を検出して熱ドリフトを計測し、その影響を排除する技術が開示されている。また、非特許文献1には、試料より軽い探針側に走査用圧電体を付ける事により、高速な走査を可能とした走査型トンネル顕微鏡が開示されている。
Attempts have been made to solve such problems by various approaches.
For example, Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2002-100000 discloses a technique for increasing the speed of frequency signal detection by devising a signal detection circuit (phase detection circuit). Further, Japanese Patent Laid-Open No. 2002-200002 discloses a technique that enables a scanner device to perform high-speed scanning. Further, Patent Literature 3 discloses a technique of detecting a change in relative position between a probe and a sample to measure thermal drift and eliminating its influence. Non-Patent Document 1 discloses a scanning tunneling microscope that enables high-speed scanning by attaching a scanning piezoelectric member to the side of the probe that is lighter than the sample.

特許第6025082号Patent No. 6025082 特許第5268008号Patent No. 5268008 特開2012-30358号公報JP 2012-30358 A

e-JSSNT, 2020, Volume 18, p.146-151e-JSSNT, 2020, Volume 18, p.146-151

このように走査型プローブ顕微鏡での表面像の取得時間を短縮したり、熱ドリフトの影響を排除したりするための様々な手法が提案されているものの、更なる改善が望まれている。本発明の課題は、上記の問題を解決することのできる走査型プローブ顕微鏡を提供することにある。 Although various methods have been proposed to shorten the acquisition time of a surface image in a scanning probe microscope and eliminate the influence of thermal drift, further improvements are desired. An object of the present invention is to provide a scanning probe microscope that can solve the above problems.

上記の課題を解決すべく、本発明の一実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡用は、走査型プローブ顕微鏡は、探針を観測対象の表面における観測範囲に沿って走査し、走査中の各位置における探針と表面との相互作用に基づき、観測範囲についてX方向にm点、Y方向にn点の画素で構成される表面像を得る。走査型プローブ顕微鏡は、観測範囲におけるX方向にm点、Y方向にn点の画素に相当する位置の一部を間引いて走査をすることにより、観測範囲におけるX方向にm点、Y方向にn点の全画素に相当する位置を走査する場合と比較して短時間で観測範囲の走査を行う。 In order to solve the above problems, in a scanning probe microscope according to one embodiment of the present invention, a scanning probe microscope scans a probe along an observation range on a surface of an observation target, and each position during scanning Based on the interaction between the probe and the surface in , a surface image composed of pixels of m points in the X direction and n points in the Y direction is obtained for the observation range. The scanning probe microscope thins out a portion of the positions corresponding to pixels of m points in the X direction and n points in the Y direction in the observation range, thereby scanning the observation range at m points in the X direction and n points in the Y direction. The observation range is scanned in a short time compared to the case of scanning positions corresponding to all n pixels.

本発明では、走査型プローブ顕微鏡は、観測範囲についてX方向にm点、Y方向にn点の画素のうちの一部の画素が欠落した観測データに基づいて、欠落した画素を復元する補間処理を行う情報処理手段を備えるとよい。 In the present invention, the scanning probe microscope performs interpolation processing to restore missing pixels based on observation data in which some pixels are missing among m points in the X direction and n points in the Y direction in the observation range. It is preferable to provide information processing means for performing

本発明では、情報処理手段は、補間処理により、観測範囲についてX方向にm点、Y方向にn点の画素で構成される表面像を一括して出力するとよい。 In the present invention, the information processing means may collectively output a surface image composed of pixels of m points in the X direction and n points in the Y direction for the observation range by interpolation processing.

本発明では、情報処理手段は、探針の走査により観測データが追加される都度、探針の走査と並行して補間処理を行うとともに、補間処理により得られる表面像を表示手段に表示させるとよい。 In the present invention, the information processing means performs interpolation processing in parallel with the scanning of the probe every time observation data is added by scanning the probe, and causes the display device to display the surface image obtained by the interpolation processing. good.

本発明では、例えば、情報処理手段は、探針の走査と並行して行う補間処理において、探針の走査により観測データが追加される都度、取得済みの全ての観測データに基づき補間処理を行うるとよい。 In the present invention, for example, the information processing means performs interpolation processing based on all acquired observation data each time observation data is added by scanning with the probe in interpolation processing performed in parallel with scanning of the probe. good.

あるいは、情報処理手段は、探針の走査と並行して行う補間処理において、探針の走査により観測データが追加される都度、取得済みの観測データのうち新たに追加された最新追加データ、及び当該新たに追加された観測データの1つ前に追加された直前追加データとに基づき、直前追加データと最新追加データとの間の欠落した画素について補間処理を行ってもよい。 Alternatively, in interpolation processing performed in parallel with the scanning of the probe, the information processing means, each time observation data is added by scanning with the probe, includes the latest addition data newly added among the acquired observation data, and Interpolation processing may be performed on missing pixels between the immediately preceding additional data and the latest additional data based on the immediately preceding additional data added immediately before the newly added observation data.

また、本発明の一実施形態に係る情報処理装置は、走査型プローブ顕微鏡で取得したX方向にm点、Y方向にn点の画素のうちの一部の画素が欠落した観測データに基づいて、欠落した画素を復元する補間処理を行うことを特徴とする。 Further, an information processing apparatus according to an embodiment of the present invention is based on observation data in which some of the pixels of m points in the X direction and n points in the Y direction are missing, which are acquired by a scanning probe microscope. , an interpolation process for restoring missing pixels.

本発明では、補間処理により、X方向にm点、Y方向にn点の画素で構成される表面像を一括して出力するとよい。 In the present invention, it is preferable to collectively output a surface image composed of pixels of m points in the X direction and n points in the Y direction by interpolation processing.

本発明では、走査型プローブ顕微鏡による探針の走査により観測データが追加される都度、探針の走査と並行して補間処理を行うとともに、補間処理により得られる表面像を表示手段に表示させるとよい。 In the present invention, whenever observation data is added by scanning the probe by the scanning probe microscope, interpolation processing is performed in parallel with the scanning of the probe, and the surface image obtained by the interpolation processing is displayed on the display means. good.

本発明では、例えば、探針の走査と並行して行う補間処理において、探針の走査により観測データが追加される都度、取得済みの全ての観測データに基づき補間処理を行うとよい。 In the present invention, for example, in interpolation processing performed in parallel with scanning with the probe, interpolation processing may be performed based on all acquired observation data each time observation data is added by scanning with the probe.

あるいは、探針の走査と並行して行う補間処理において、探針の走査により観測データが追加される都度、取得済みの観測データのうち新たに追加された最新追加データ、及び当該新たに追加された観測データの1つ前に追加された直前追加データとに基づき、直前追加データと最新追加データとの間の欠落した画素について補間処理を行ってもよい。 Alternatively, in the interpolation processing performed in parallel with the scanning of the probe, each time observation data is added by scanning with the probe, the latest addition data newly added among the acquired observation data and the newly added data Interpolation processing may be performed on missing pixels between the immediately preceding additional data and the latest additional data based on the immediately preceding additional data added immediately before the observed data.

また、本発明の一実施形態に係るプログラムは、コンピュータを上記の何れか1項に記載の情報処理装置として機能させることを特徴とする。 A program according to an embodiment of the present invention causes a computer to function as the information processing apparatus according to any one of the above items.

原子間力顕微鏡の構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows the structure of an atomic force microscope typically. 通常の走査による探針の移動経路を模式的に示す図である。FIG. 10 is a diagram schematically showing the movement path of the probe in normal scanning; 間引き走査による探針の移動経路の一例を模式的に示す図である。FIG. 10 is a diagram schematically showing an example of a moving path of a probe in thinned scanning; 間引き走査による探針の移動経路の他の一例を模式的に示す図である。FIG. 10 is a diagram schematically showing another example of the moving path of the probe by thinning scanning; 間引き走査による探針の移動経路のさらに他の一例を模式的に示す図である。FIG. 10 is a diagram schematically showing still another example of the moving path of the probe by thinning scanning; 第1実施形態の原子間力顕微鏡で間引き走査により表面像を得る手順を示すフローチャートである。4 is a flow chart showing a procedure for obtaining a surface image by thinning scanning with the atomic force microscope of the first embodiment. 第1実施形態に係る原子間力顕微鏡で取得する観測データと、観測データから復元した表面像とを示す図である。FIG. 3 is a diagram showing observation data acquired by the atomic force microscope according to the first embodiment and a surface image restored from the observation data; 第2実施形態における補間処理の手順を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the procedure of the interpolation process in 2nd Embodiment. 第2実施形態の原子間力顕微鏡で間引き走査により表面像を得る手順を示すフローチャートである。9 is a flow chart showing a procedure for obtaining a surface image by thinning scanning with the atomic force microscope of the second embodiment. 第2実施形態に係る原子間力顕微鏡で取得する観測データと、観測データから復元した表面像とを示す図である。FIG. 10 is a diagram showing observation data acquired by an atomic force microscope according to the second embodiment and a surface image restored from the observation data; 第3実施形態における補間処理の手順を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the procedure of the interpolation process in 3rd Embodiment. 第3実施形態に係る原子間力顕微鏡で取得する観測データと、観測データから復元した表面像とを示す図である。FIG. 10 is a diagram showing observation data acquired by an atomic force microscope according to the third embodiment and a surface image restored from the observation data; 通常の走査により得られる表面像の一例である。It is an example of a surface image obtained by normal scanning.

〔第1実施形態〕
以下に、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の構成を説明する。なお、本明細書において、走査プローブ顕微鏡の構成を示した各図面では、その主要な特徴を説明するために構成要素の形状、寸法等を誇張したり変形したりして描いている場合があり、図面に描かれた形状は実物の形状を忠実に描いたものとは限らない。図1は、本発明の第1実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の構成を概略的に示した図であって、走査型プローブ顕微鏡の具体例として原子間力顕微鏡1の構成例を示している。なお、本明細書において、各図面では、その主要な特徴を説明するために構成要素の形状、寸法等を誇張したり変形したりして描いている場合があり、図面に描かれた形状は実物の形状を忠実に描いたものとは限らない。
[First Embodiment]
The configuration of a scanning probe microscope according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. In this specification, in each drawing showing the configuration of the scanning probe microscope, the shape, size, etc. of the constituent elements may be exaggerated or deformed in order to explain the main features. , The shape drawn in the drawing is not necessarily a faithful representation of the actual shape. FIG. 1 is a diagram schematically showing the configuration of a scanning probe microscope according to a first embodiment of the present invention, and shows a configuration example of an atomic force microscope 1 as a specific example of the scanning probe microscope. . In addition, in this specification, in each drawing, the shape, size, etc. of the constituent elements may be exaggerated or deformed in order to explain the main features, and the shape drawn in the drawing may be It is not necessarily a faithful depiction of the shape of the real thing.

原子間力顕微鏡1は、プローブとしてカンチレバーチップ11(カンチレバー12の先端に極めて微小な突起針である探針13が付与された部材)を用い、探針13と試料Sの表面との間の相互作用によるカンチレバー12の変化(DCモード(接触モードや非接触モード)での原子間力によるカンチレバー12の先端部分の変位や、ACモード(タッピングモードと称される場合もある)でのカンチレバー12の振動の変化など)を通じて、試料S表面の観察範囲における起伏の様子(表面像)を画像化する顕微鏡である。 The atomic force microscope 1 uses a cantilever tip 11 as a probe (a member having a probe 13, which is a very minute protruding needle, attached to the tip of the cantilever 12), and the interaction between the probe 13 and the surface of the sample S is performed. Changes in the cantilever 12 due to action (displacement of the tip portion of the cantilever 12 due to atomic force in the DC mode (contact mode or non-contact mode) and changes in the cantilever 12 in the AC mode (sometimes referred to as tapping mode) It is a microscope for imaging the state of undulations (surface image) in the observation range of the surface of the sample S through changes in vibration, etc.).

図1に例示した原子間力顕微鏡1は、顕微鏡筐体10、カンチレバーチップ11、光センサユニット17、ステージ15、スキャナ14、コントローラ18、情報処理装置19、及びモニタ20を備える。 The atomic force microscope 1 exemplified in FIG.

カンチレバーチップ11は、上述のとおり、カンチレバー12の先端に極めて微小な探針13が設けられた部材である。本実施形態では、カンチレバーチップ11は、ACモードでの測定を実施するために、カンチレバー12を振動させるための励振用圧電体16を介して顕微鏡筐体10に固定されている。 As described above, the cantilever tip 11 is a member in which an extremely fine probe 13 is provided at the tip of the cantilever 12 . In this embodiment, the cantilever tip 11 is fixed to the microscope housing 10 via an excitation piezoelectric member 16 for vibrating the cantilever 12 in order to perform measurements in AC mode.

スキャナ14は、コントローラ18からの駆動信号に基づきステージ15を変位させるアクチュエータを備えている。スキャナ14は、試料が固定されるステージ15を、少なくともX、Yの2方向に変位させる。スキャナ14はステージ15をZ方向にも変位させてもよい。あるいは、Z方向に関してはステージ15ではなくカンチレバーをZ方向に変位させる構成としてもよい。アクチュエータはいかなる方式の物であってもよい。例えば、ピエゾ圧電体に電圧を印加することにより駆動するアクチュエータを用いてもよいし、強度変調したレーザ光を形状記憶合金等に照射することにより変位を生じさせる光学式のアクチュエータを用いてもよい。 The scanner 14 has an actuator that displaces the stage 15 based on drive signals from the controller 18 . The scanner 14 displaces the stage 15 on which the sample is fixed in at least two directions of X and Y. As shown in FIG. The scanner 14 may also displace the stage 15 in the Z direction. Alternatively, as for the Z direction, the cantilever instead of the stage 15 may be displaced in the Z direction. The actuator may be of any type. For example, an actuator that drives by applying a voltage to a piezoelectric body may be used, or an optical actuator that generates displacement by irradiating a shape memory alloy or the like with intensity-modulated laser light may be used. .

スキャナ14は、顕微鏡筐体10に着脱自在に取り付けられる。スキャナ14が顕微鏡筐体10に取り付けられた状態において、ステージ15はカンチレバー12の先端にある探針13と対向する位置に配置される。ステージ15には、原子間力顕微鏡1による測定(観察)対象である試料Sが固定される。 The scanner 14 is detachably attached to the microscope housing 10 . With the scanner 14 attached to the microscope housing 10 , the stage 15 is arranged at a position facing the probe 13 at the tip of the cantilever 12 . A sample S to be measured (observed) by the atomic force microscope 1 is fixed to the stage 15 .

光センサユニット17は、カンチレバー12の先端にある探針13と試料Sの表面との相互作用に基づくカンチレバー12の変位を検出し、その変位に基づく信号を出力する検出器である。光センサユニット17は、例えば、光てこ式光学センサとして知られるセンサを備えてもよい。この光てこ式光学センサは、カンチレバー12の背面に、必要に応じてレンズ、ミラー等の光学系を介して、レーザ光を照射し、その反射光をフォトダイオードにて受光する。そして、光てこ式光学センサは、フォトダイオード上のレーザ光スポットの移動としてカンチレバー12の変位を検出する。 The optical sensor unit 17 is a detector that detects displacement of the cantilever 12 based on interaction between the probe 13 at the tip of the cantilever 12 and the surface of the sample S, and outputs a signal based on the displacement. The optical sensor unit 17 may, for example, comprise a sensor known as an optical lever optical sensor. This optical lever type optical sensor irradiates the back surface of the cantilever 12 with laser light through an optical system such as a lens and a mirror as necessary, and receives the reflected light with a photodiode. The optical lever type optical sensor detects the displacement of the cantilever 12 as the movement of the laser beam spot on the photodiode.

カンチレバー12の変位を検出する光センサユニット17は情報処理装置19に接続されている。 An optical sensor unit 17 that detects the displacement of the cantilever 12 is connected to an information processing device 19 .

情報処理装置19は、コンピュータ等により実現される。制御部191、記憶部192、入出力インタフェース193を備える。 The information processing device 19 is realized by a computer or the like. A control unit 191 , a storage unit 192 and an input/output interface 193 are provided.

制御部191は、記憶部192に記憶されている各種のプログラムを実行することにより、情報処理装置19の機能を実現する。本実施形態において制御部191は、少なくとも、後述する補間処理を実現する。その他、制御部191は、間引き走査の間引きの程度を決める間引き決定を行ってもよい。制御部191は、例えばCPU等により実現される。 The control unit 191 realizes the functions of the information processing device 19 by executing various programs stored in the storage unit 192 . In this embodiment, the control unit 191 implements at least interpolation processing, which will be described later. In addition, the control unit 191 may perform thinning determination that determines the degree of thinning in thinning scanning. The control unit 191 is implemented by, for example, a CPU.

記憶部192は、例えばRAM(Random Access Memory)、HDD(Hard disk drive)、SSD(Solid State Drive)等の記憶媒体により構成される。記憶部192は、制御部191にて実行するプログラムや、当該プログラムで用いられるデータ等を記憶する。すなわち、記憶部192は、補間処理の処理手順を規定する補間処理プログラム、間引き走査を含むスキャナの走査制御を実現する走査プログラム、間引きの程度の決定機能を実現するためのプログラム、並びにこれらのプログラムで用いられるデータ等を記憶する。また、記憶部192は、原子間力顕微鏡1による測定で得られるデータを記憶する。 The storage unit 192 is configured by a storage medium such as a RAM (Random Access Memory), HDD (Hard disk drive), SSD (Solid State Drive), or the like. The storage unit 192 stores programs executed by the control unit 191, data used in the programs, and the like. That is, the storage unit 192 stores an interpolation processing program that defines a processing procedure for interpolation processing, a scanning program that implements scanner scanning control including thinning scanning, a program that implements a thinning degree determination function, and these programs. Stores data used in Further, the storage unit 192 stores data obtained by measurement with the atomic force microscope 1 .

入出力インタフェース193は、入出力装置が接続されるインタフェースであり、例えば、モニタ20やプリンタのような出力装置や、キーボード、マウス、等の入力装置が接続される。モニタ20は、例えば液晶ディスプレイ、有機ELディスプレイ等の表示素子であり、原子間力顕微鏡1により取得した表面像、操作画面等の各種の情報を表示する。 The input/output interface 193 is an interface to which an input/output device is connected. For example, an output device such as the monitor 20 or a printer, and an input device such as a keyboard and a mouse are connected. The monitor 20 is, for example, a display element such as a liquid crystal display or an organic EL display, and displays various information such as a surface image acquired by the atomic force microscope 1 and an operation screen.

コントローラ18は、例えば、半導体レーザ駆動回路、プリアンプ回路、発振回路、AC/DC変換回路、フィードバック回路、走査制御回路、アクチュエータ駆動回路等を含んでいる。コントローラ18、情報処理装置19、及びモニタ20は、原子間力顕微鏡機構の制御駆動や信号処理を行ない、最終的に試料Sの凹凸情報をモニタ20上に表示し、これにより、使用者は試料Sの表面情報に関する知見を得ることができる。 The controller 18 includes, for example, a semiconductor laser drive circuit, a preamplifier circuit, an oscillation circuit, an AC/DC conversion circuit, a feedback circuit, a scanning control circuit, an actuator drive circuit, and the like. The controller 18, the information processing device 19, and the monitor 20 perform control driving of the atomic force microscope mechanism and signal processing, and finally display the unevenness information of the sample S on the monitor 20, so that the user can see the sample. It is possible to obtain knowledge about the surface information of S.

(通常の走査)
図2は通常の走査による探針の移動経路を模式的に示している。試料(観測対象)の表面における観測範囲について横(X方向)m点×縦(Y方向)n点の画素で構成される表面像を通常の方法で取得する場合、コントローラ18は、探針13が試料Sの表面と相互作用する程度まで探針を試料表面に近づけた上で、Y方向の観測範囲をY方向の画素数に相当するn行に等分割し、Y方向の1行目(例えば、最も上の行)から順に、各行についてX方向に(例えば左から右に)、探針13を走査する。そして、各行でのX方向への走査中、X方向の観測範囲をX方向の画素数に相当するmで当分割した各位置で光センサユニット17から出力されるのカンチレバー12の変位に基づく信号を、必要に応じて信号処理を経た上で、AC/DC変換回路により離散化した値とする。そして、この離散化した値を当該位置における画素値として情報処理装置19に取り込む。このようにして、Y方向の1行目から最終行であるn行目まで、各行につきm点の画素値を情報処理装置19に取り込み、各画素が取り込んだ画素値を有する横(X方向)m点×縦(Y方向)n点の表面像(例えば図13に示したような欠測点のない画像)として、情報処理装置19が備える記憶部192に記憶する。この表面像は、モニタ20に表示される。
(normal scan)
FIG. 2 schematically shows the movement path of the probe in normal scanning. When acquiring a surface image composed of pixels of horizontal (X direction) m points x vertical (Y direction) n points in the observation range on the surface of the sample (observation target) by a normal method, the controller 18 controls the probe 13 After bringing the probe closer to the sample surface to the extent that interacts with the surface of the sample S, the observation range in the Y direction is equally divided into n rows corresponding to the number of pixels in the Y direction, and the first row in the Y direction ( For example, the probe 13 is scanned in the X direction (for example, from left to right) for each row, starting from the top row). A signal based on the displacement of the cantilever 12 output from the optical sensor unit 17 at each position obtained by equally dividing the observation range in the X direction by m corresponding to the number of pixels in the X direction during the scanning of each row in the X direction. is a value discretized by an AC/DC conversion circuit after undergoing signal processing as necessary. Then, the discretized value is taken into the information processing device 19 as a pixel value at the position. In this way, from the first row in the Y direction to the n-th row, which is the last row, the pixel values of m points are loaded into the information processing device 19 for each row. The image is stored in the storage unit 192 provided in the information processing apparatus 19 as a surface image of m points×vertical (Y direction) n points (for example, an image without missing points as shown in FIG. 13). This surface image is displayed on the monitor 20 .

このように、通常の走査によれば、全ての画素に対応する位置を網羅するように走査をおこない、観測範囲内のすべての画素の画素値を順次取得する。 In this way, according to normal scanning, scanning is performed so as to cover positions corresponding to all pixels, and the pixel values of all pixels within the observation range are sequentially acquired.

(間引き走査)
本実施形態に係る原子間力顕微鏡1では、上述の通常の走査に加え、観測範囲におけるm点×n点の画素に相当する位置の一部を間引いて走査をすることにより、通常の走査と比較して短時間で観測範囲の走査を行う間引き走査が可能とされる。どのように走査を間引くかは任意である。例えば、図3~図5に探針の移動経路を模式的に示したような走査方法により、間引き走査を行うことができる。
(thinning scan)
In the atomic force microscope 1 according to the present embodiment, in addition to the above-described normal scanning, scanning is performed by thinning out a part of positions corresponding to m points x n pixels in the observation range. Thinning scanning for scanning the observation range in a relatively short time is possible. It is arbitrary how the scanning is thinned. For example, thinning scanning can be performed by a scanning method such as the one schematically showing the movement path of the probe in FIGS.

図3に示した走査方法は、通常の走査からY方向の行を間引いてX方向への走査を行うことにより、欠落があるデータを取得する。つまり所定の数行(図3の例では4行)につきに1行のみデータを取得する。図3の方法では、データを取得する全ての行において共通の方向に(図3の例ではすべて左から右に)X方向の走査を行う。図4に示した走査方法は、通常の走査からY方向の行を間引いてX方向への走査を行う点では図3と共通であるが、データを取得する行について、1行毎に異なる方向に(例えば図4の例では1回のX方向の走査ごとに左から右と右から左を交互に入れ替えて)X方向の走査を行う。図5に示した走査方法は、三角波状の経路に沿って走査を行う。この方法ではデータを取得する走査の方向がX方向とは平行ではなくなる。図5のような走査を行う場合、針の位置からの距離に応じた重みづけをして探針の位置周辺の各画素の画素値を決定するとよい。 The scanning method shown in FIG. 3 obtains missing data by thinning out rows in the Y direction from normal scanning and scanning in the X direction. That is, only one row of data is acquired for every predetermined number of rows (four rows in the example of FIG. 3). The method of FIG. 3 scans in the X direction in a common direction (all from left to right in the example of FIG. 3) in all rows from which data is acquired. The scanning method shown in FIG. 4 is common to FIG. 3 in that rows in the Y direction are thinned out from normal scanning and scanning in the X direction is performed. X-direction scanning is performed (for example, in the example of FIG. 4, left-to-right and right-to-left are alternately exchanged for each X-direction scanning). The scanning method shown in FIG. 5 scans along a triangular wave-like path. In this method, the scanning direction for acquiring data is no longer parallel to the X direction. When scanning as shown in FIG. 5, it is preferable to determine the pixel value of each pixel around the position of the probe by weighting according to the distance from the position of the probe.

本実施形態の原子間力顕微鏡1は、これらの間引き走査の方法の何れかを選択して使用できるように構成される。例えば、図3に示した走査方法で8行に1行のみX方向の走査を行う場合、通常の走査と比べX方向への走査を約8分の1に減らすことができるため、走査に要する時間も通常の走査と比べ約8分の1に抑制することができる。なお、図3や図4の走査方法では、Y方向における1行目と最終行については間引きの程度によらずX方向への走査を行うようにすることが好ましい。通常の走査により得た画像と後述する補間処理により復元した画像との類似性をPSNR(Peak Signal to Noise Ratio)や SSIM(Structual SIMilarity)を指標として評価し、許容できる程度の画像の劣化に収まるように間引きの程度を決定するとよい。 The atomic force microscope 1 of this embodiment is configured to be able to select and use any one of these thinned scanning methods. For example, when only one row out of eight rows is scanned in the X direction by the scanning method shown in FIG. The time can also be reduced to about 1/8 compared to normal scanning. In the scanning method of FIGS. 3 and 4, it is preferable to scan the first and last rows in the Y direction in the X direction regardless of the degree of thinning. The similarity between the image obtained by normal scanning and the image restored by the interpolation process described later is evaluated using PSNR (Peak Signal to Noise Ratio) and SSIM (Structual SIMilarity) as indicators, and the image deterioration is within an acceptable level. The degree of thinning should be determined as follows.

間引き走査を行っている間、走査中の各位置でのカンチレバー12の変位に基づく信号に基づき、通常の走査の場合と同様に、各位置での画素値が情報処理装置19に取り込まれる。 During thinning scanning, pixel values at each position are captured by the information processing device 19 based on signals based on the displacement of the cantilever 12 at each position during scanning, as in the case of normal scanning.

例えば図3に示した走査方法の場合、Y方向の1行目から最終行であるn行目までのうち、X方向への走査が行われた行についてのみ、それぞれm点の画素値が情報処理装置19に取り込まれ、記憶部192に記憶される。このとき取り込まれた画素値のデータの形式は任意である。例えば、各画素が取り込んだ画素値を有する横(X方向)m点×縦(Y方向)n点の画像(間引き画像)として、記憶してもよい。この場合、記憶される間引き画像では、X方向への走査が行われていない行については画素値が欠落した状態(例えば初期値の0で埋められた状態)である。あるいは、走査を行った行の識別情報(例えば行番号)と、当該行におけるX方向に並ぶ一連の画素値とが対応付けられた形式で、走査を行っていない行についてのデータを含まないように記憶してもよい。 For example, in the case of the scanning method shown in FIG. 3, among the first row to the n-th row, which is the last row in the Y direction, only the rows scanned in the X direction have m pixel values as information. It is taken into the processing device 19 and stored in the storage unit 192 . The format of the pixel value data fetched at this time is arbitrary. For example, it may be stored as an image (thinned image) of m horizontal (X direction) x n vertical (Y direction) points having the pixel value captured by each pixel. In this case, in the thinned-out image to be stored, the pixel values of rows not scanned in the X direction are missing (for example, filled with initial values of 0). Alternatively, in a format in which identification information of a scanned row (for example, a row number) is associated with a series of pixel values arranged in the X direction in the row, data on rows not scanned is not included. may be stored in

間引き走査における間引きの程度(何行毎にX方向の走査を行うか)は、ユーザが試行錯誤により決定してもよいが、情報処理装置19が決定するようにしてもよい。例えば、情報処理装置19は、通常の走査による表面像をあらかじめ取得し、取得した表面像に基づき間引きの程度を決定するとよい。具体的には、あらかじめ取得した表面像における所定の周期のY方向の行(例えば、8行毎の行)を残して画素値を削除して(あるいは画素値を初期値(例えば0)にして)間引き測定によるものを模擬した模擬間引き画像を生成し、当該模擬間引き画像に対して後述の補間処理を適用して欠落した画素を復元した復元画像を得て、これと元の表面像との類似度を前述のPSNRやSSIMを指標として評価し、所定の基準を満たす間引きの程度を採用するようにしてもよい。あるいは、あらかじめ取得した表面像について、2次元フーリエ変換等により空間周波数スペクトルを求め、この空間周波数スペクトルにおける主な周波数成分に基づいて間引きの程度を決定してもよい。このような間引きの程度の決定は、間引き走査を連続して行う前の準備段階で実施するとよい。 The degree of thinning in the thinning scanning (how many rows to scan in the X direction) may be determined by the user through trial and error, or may be determined by the information processing device 19 . For example, the information processing device 19 may acquire in advance a surface image obtained by normal scanning, and determine the degree of thinning based on the acquired surface image. Specifically, the pixel values are deleted (or the pixel values are set to an initial value (eg, 0)) while leaving the rows in the Y direction of a predetermined period (for example, every eight rows) in the surface image acquired in advance. ) Generate a simulated thinned image that simulates the thinning measurement, apply the interpolation processing described later to the simulated thinned image to obtain a restored image in which missing pixels are restored, and compare this with the original surface image. The degree of similarity may be evaluated using the aforementioned PSNR or SSIM as an index, and the degree of thinning that satisfies a predetermined criterion may be adopted. Alternatively, a spatial frequency spectrum may be obtained by two-dimensional Fourier transform or the like for a previously acquired surface image, and the degree of thinning may be determined based on the main frequency components in this spatial frequency spectrum. Such determination of the degree of thinning may be performed in the preparation stage before successive thinning scans.

(補間処理)
上記のような間引き走査によって得られる観測データは、観測範囲について横m点×縦n点の画素で表面像を構成する際に、一部の画素が欠落している。情報処理装置19は、補間処理を行うことにより、欠落している画素の画素値を補間して表面像を復元する。情報処理装置19は、任意のアルゴリズムにより補間処理を実現してよいが、例えば、DCT(discrete cosine transform)辞書を用いた補間、3次スプライン補間等により補間するようにするとよい。
(interpolation processing)
Observation data obtained by thinning-out scanning as described above has some pixels missing when forming a surface image with pixels of horizontal m points×vertical n points in the observation range. The information processing device 19 restores the surface image by interpolating the pixel values of the missing pixels by performing interpolation processing. The information processing device 19 may implement interpolation processing using an arbitrary algorithm, but it is preferable to perform interpolation using, for example, a DCT (discrete cosine transform) dictionary, cubic spline interpolation, or the like.

本実施形態では、情報処理装置19は、観測範囲の全体について上記のように間引き走査を行って得た観測データに対し補間処理を適用し、観測範囲についてX方向にm点、Y方向にn点の画素で構成される表面像を一括して復元して出力する。 In this embodiment, the information processing device 19 applies interpolation processing to the observation data obtained by performing the thinning-out scanning for the entire observation range as described above, and obtains m points in the X direction and n points in the Y direction for the observation range. A surface image composed of point pixels is collectively restored and output.

図6は、第1実施形態の原子間力顕微鏡1で間引き走査により表面像を得る手順を示すフローチャートである。間引き走査により観測を行う場合、はじめに間引き走査の走査パターンを選択する(ステップS01)。そして、選択した走査パターンにて走査を行い、観測範囲全体について欠測箇所を含む観測データを取得し記憶部192に格納する(ステップS02)。続いて取得した観測データに対し補間処理を適用して欠測した箇所を補完した表面像を復元し(ステップS03)、処理を終了する。 FIG. 6 is a flow chart showing a procedure for obtaining a surface image by thinning scanning with the atomic force microscope 1 of the first embodiment. When performing observation by thinning scanning, first, a scanning pattern for thinning scanning is selected (step S01). Then, scanning is performed using the selected scanning pattern, and observation data including missing points is acquired for the entire observation range and stored in the storage unit 192 (step S02). Subsequently, interpolation processing is applied to the acquired observation data to restore a surface image in which the missing portions are interpolated (step S03), and the processing ends.

なお、ステップS02(観測データの取得)までと、ステップS03とは全く別のタイミングで行うようにしてもよい。すなわち、間引き走査観測データの取得を連続して繰り返し実施して、短い時間間隔での連続した複数の観測データを記憶部192に蓄積しておき、その後、蓄積した観測データに対して補間処理を適用するとよい。このようにすることで、短い時間間隔での連続した表面像を観察することができる。 Note that steps up to step S02 (acquisition of observation data) and step S03 may be performed at completely different timings. That is, acquisition of thinned scanning observation data is continuously and repeatedly performed, and a plurality of continuous observation data at short time intervals are accumulated in the storage unit 192, and then interpolation processing is performed on the accumulated observation data. should be applied. By doing so, it is possible to observe continuous surface images at short time intervals.

図7は、第1実施形態に係る原子間力顕微鏡1で取得する観測データと、観測データから復元した表面像とを示している。ずなわち、図7(a)は、X方向への走査を8分の1に(つまり、通常の走査における8行につき1行のみの走査に)間引き走査により得られた間引き画像の一例を示している。また、図7(b)は、図7(a)の間引き画像に対しDCT辞書による補間処理を適用して復元した表面像を示している。復元した表面像は、通常の走査により得られた表面像(例えば図13)と比較すると画質が劣化してはいるものの、表面の構造を十分に認識できる程度の表面像を通常の走査と比較して約8分の1に短縮した走査時間で取得することが可能となる。 FIG. 7 shows observation data acquired by the atomic force microscope 1 according to the first embodiment and a surface image restored from the observation data. That is, FIG. 7A shows an example of a thinned image obtained by thinning the scanning in the X direction to 1/8 (that is, scanning only one row out of eight rows in normal scanning). showing. FIG. 7(b) shows a surface image restored by applying interpolation processing using a DCT dictionary to the thinned image of FIG. 7(a). Although the image quality of the reconstructed surface image is degraded compared to the surface image obtained by normal scanning (e.g., FIG. 13), the surface image is sufficiently recognizable for the surface structure. Therefore, it becomes possible to acquire the image in a scanning time shortened by a factor of about 1/8.

〔第2実施形態〕
上記の第1実施形態では、観測範囲の全体について上記のように間引き走査を行って得た観測データに対し補間処理を適用し、観測範囲についてX方向にm点、Y方向にn点の画素で構成される表面像を一括して復元する。この第1実施形態の手法を用いて観測を連続的に行いながらが、リアルタイムでモニタ20に表示する表面像を更新するリアルタイム観測を行おうとすると、観測範囲の全範囲の走査が終わり、補間処理が行われて初めて表示される表面像が更新される。したがって、観測範囲の途中まで走査が済んだ状態では表示される表面像は更新されない。また、第1実施形態における補間処理では、一回の処理量が比較的多く処理に時間がかかる場合がある。このため、補間処理に要する時間が表示する表面像の更新の律速となる場合がある。
[Second embodiment]
In the above-described first embodiment, interpolation processing is applied to observation data obtained by performing thinning-out scanning for the entire observation range as described above, and pixels of m points in the X direction and n points in the Y direction are applied to the observation range. The surface image composed of is collectively restored. While performing continuous observation using the method of the first embodiment, when attempting to perform real-time observation that updates the surface image displayed on the monitor 20 in real time, the scanning of the entire observation range is completed and interpolation processing is performed. is performed, the surface image displayed for the first time is updated. Therefore, the displayed surface image is not updated when scanning has been completed halfway through the observation range. Further, in the interpolation processing in the first embodiment, the amount of processing performed at one time is relatively large, and the processing may take a long time. For this reason, the time required for the interpolation processing may be rate-limiting in updating the displayed surface image.

第2実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡では、リアルタイム観測での第1実施形態の問題点に対処したものである。本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、基本的な構成としては第1実施形態の走査型プローブ顕微鏡と同様である。本実施形態では、リアルタイム観測を行うために観測範囲の走査と、走査により取得した観測データを用いた補間処理とを並行して行う。その際、情報処理装置19は、探針の走査によりX方向の1行分の観測データが追加される都度、探針の走査と並行して補間処理を行うとともに、補間処理により得られる表面像をモニタ20に表示させる。 The scanning probe microscope according to the second embodiment addresses the problem of the first embodiment in real-time observation. The scanning probe microscope of this embodiment has the same basic configuration as the scanning probe microscope of the first embodiment. In this embodiment, in order to perform real-time observation, scanning of the observation range and interpolation processing using observation data obtained by scanning are performed in parallel. At this time, the information processing device 19 performs interpolation processing in parallel with the scanning of the probe each time one line of observation data in the X direction is added by scanning the probe, and also performs surface image processing obtained by the interpolation processing. is displayed on the monitor 20.

本実施形態では、情報処理装置は、X方向の走査と並行して行う補間処理において、図8に模式的に示すように、X方向の走査により観測データが追加される都度、取得済みの全ての観測データに基づき補間処理を行い、補間処理が完了する都度、モニタ20に表示する表面像を更新する。 In the present embodiment, in the interpolation processing performed in parallel with the scanning in the X direction, the information processing apparatus, as schematically shown in FIG. The surface image displayed on the monitor 20 is updated each time the interpolation process is completed.

図9は、第2実施形態の原子間力顕微鏡1で間引き走査により表面像を得る手順を示すフローチャートである。間引き走査により観測を行う場合、はじめに間引き走査の走査パターンを選択する(ステップS11)。そして、選択した走査パターンにて走査を行い、観測範囲について、1行分の観測データを取得し記憶部192に格納する(ステップS12)。ステップS11で選択した走査パターンに応じて、走査が行われない行については欠落(欠測)したものとなる。そして、ステップS11で取得した1行分の観測データを用いて、補間処理を行って欠測した箇所を補間した表面像を復元する(ステップS13)。なお、本実施形態では、ステップS13での補間処理を、取得済みの全ての観測データに基づいて実施する。続いて、未復元の箇所(つまり更に走査すべき行)がある場合(ステップS14;Yes)、処理をステップS12に戻す。一方、未復元の箇所(つまり更に走査すべき行)がない場合(ステップS14;No)には、観測範囲全体の表面像が得られたことになり、処理を終了する。 FIG. 9 is a flow chart showing a procedure for obtaining a surface image by thinning scanning with the atomic force microscope 1 of the second embodiment. When performing observation by thinning scanning, first, a scanning pattern for thinning scanning is selected (step S11). Then, scanning is performed with the selected scanning pattern, and one row of observation data is acquired for the observation range and stored in the storage unit 192 (step S12). Rows that are not scanned according to the scanning pattern selected in step S11 are missing (missing measurements). Then, using the observation data for one line acquired in step S11, interpolation processing is performed to restore the surface image by interpolating the missing portions (step S13). Note that in the present embodiment, the interpolation processing in step S13 is performed based on all acquired observation data. Subsequently, if there is an unrestored portion (that is, a line to be scanned further) (step S14; Yes), the process returns to step S12. On the other hand, if there is no unrestored portion (that is, a line to be scanned further) (step S14; No), it means that the surface image of the entire observation range has been obtained, and the process ends.

図10は、第2実施形態に係る原子間力顕微鏡1で取得する観測データと、観測データから復元した表面像とを示している。図10(a-1)~(a-4)は、X方向への走査を8分の1に(つまり、通常の走査における8行につき1行のみの走査に)間引き走査により得られる観測データの例を示しており、図10(b-1)~(b-4)は、それぞれ図10(a-1)~(a-4)の観測データに対し、3次スプライン補間による補間処理を適用して復元して得られた表面像を示している。 FIG. 10 shows observation data acquired by the atomic force microscope 1 according to the second embodiment and a surface image restored from the observation data. 10(a-1) to (a-4) show observation data obtained by thinning the scanning in the X direction to 1/8 (that is, scanning only 1 row out of 8 rows in normal scanning). 10(b-1) to (b-4) show examples of interpolation processing by cubic spline interpolation for the observation data of FIGS. 10(a-1) to (a-4), respectively. The surface image obtained by applying and reconstructing is shown.

図10(a-1)は観測範囲における最初の2回のX方向の走査(1行目と9行目に相当するY方向の位置での走査)で得た観測データを示しており、図10(b-1)は、図10(a-1)の観測データから復元した表面像を示している。2回目のX方向の走査(つまり9行目の走査)により観測データが得られると、情報処理装置19にて補間処理が行われ、モニタ20に図10(b-1)の表面像が表示される。補間処理により図10(b-1)の表面像を復元するのに要した時間は55ミリ秒であった。3回目以降のX方向の走査が行われた際も、取得済みの全ての観測データに対して処理が行われる。図10(a-2)と図10(a-3)は、それぞれ観測範囲における最初の5回と最初の9回のX方向の走査で得た観測データを例示しており、図10(b-2)と図10(b-3)は、それぞれ図10(a-2)と図10(a-3)の観測データから復元した表面像を示している。補間処理での処理対象となる観測データや復元する必要のある欠陥が増加することに伴い、補間処理にて表面像を復元するのに要する時間も増加することになる。図10(a-4)は観測範囲における最後のX方向の走査までで得た観測データを示しており、図10(b-4)は、図10(a-4)の観測データから復元した表面像を示している。最後のX方向の走査により観測データが得られると、情報処理装置19にて補間処理が行われ、モニタ20に図10(b-4)の表面像が表示される。補間処理により図10(b-4)の表面像を復元するのに要した時間は1200ミリ秒であった。図10(b-4)の画質を評価すべくPsnrを計算したところ、約28.744であった。 FIG. 10(a-1) shows observation data obtained by the first two scans in the X direction (scanning at positions in the Y direction corresponding to the 1st and 9th rows) in the observation range. 10(b-1) shows a surface image restored from the observation data of FIG. 10(a-1). When observation data is obtained by the second scanning in the X direction (that is, the scanning of the ninth line), interpolation processing is performed by the information processing device 19, and the surface image of FIG. 10(b-1) is displayed on the monitor 20. be done. The time required to restore the surface image of FIG. 10(b-1) by interpolation processing was 55 milliseconds. When scanning in the X direction is performed for the third and subsequent times, processing is performed on all acquired observation data. FIGS. 10(a-2) and 10(a-3) respectively exemplify the observation data obtained in the first five scans and the first nine scans in the X direction in the observation range, and FIG. 10(b -2) and FIG. 10(b-3) show surface images restored from the observation data of FIGS. 10(a-2) and 10(a-3), respectively. As observation data to be processed by the interpolation process and defects to be restored increase, the time required to restore the surface image by the interpolation process also increases. FIG. 10(a-4) shows observation data obtained up to the last scanning in the X direction in the observation range, and FIG. 10(b-4) is restored from the observation data of FIG. 10(a-4). A surface image is shown. When observation data is obtained by the last scanning in the X direction, interpolation processing is performed by the information processing device 19, and the surface image of FIG. 10(b-4) is displayed on the monitor 20. FIG. The time required to restore the surface image of FIG. 10(b-4) by interpolation processing was 1200 milliseconds. When Psnr was calculated to evaluate the image quality of FIG. 10(b-4), it was about 28.744.

このように、第2実施形態によれば、X方向の走査の都度、観測範囲の途中まで走査が済んだ状態でも表示される表面像を走査済みの部分まで随時更新することができ、観測のリアルタイム性を向上することができる。また、観測データが追加される都度行われる補間処理では、それまでに取得済みの観測データに基づき補間処理を行うため、取得済みの観測データを反映して比較的高い精度で(第1実施形態と同程度の精度で)表面像を復元することができる。 As described above, according to the second embodiment, each time scanning in the X direction is performed, the displayed surface image can be updated up to the scanned portion as needed, even when scanning has been completed to the middle of the observation range. Real-time performance can be improved. In addition, in the interpolation processing that is performed each time observation data is added, the interpolation processing is performed based on the observation data that has been acquired up to that point. surface image can be reconstructed with the same degree of accuracy as

第2実施形態において、1回の方向への走査の後に行われる補間処理は次のX方向への走査が終わる前に完了することが好ましい。このようにすれば、補間処理がリアルタイム観測における画像取得速度の律速となることを防ぐことができる。ただし、観測範囲の走査の終わりに近いほど、補間処理の対象とする観測データが増え、処理に時間を要することになる。 In the second embodiment, it is preferred that the interpolation process performed after one directional scan is completed before the next X-direction scan is completed. By doing so, it is possible to prevent the interpolation processing from becoming rate-limiting for the image acquisition speed in real-time observation. However, the closer to the end of the scanning of the observation range, the more observation data to be interpolated, and the longer the processing takes.

〔第3実施形態〕
上記の第2実施形態では、リアルタイム観測での第1実施形態の問題点に対処し、観測範囲の走査と、走査により取得した観測データを用いた補間処理とを並行して行い、観測データが追加される都度、探針の走査と並行して補間処理を行うとともに、補間処理により得られる表面像をモニタ20に表示させた。その際、補間処理において、観測データが追加される都度、取得済みの全ての観測データに基づき補間処理を行った。このような補間処理では、観測範囲の走査の終わりに近いほど、補間処理の対象とする観測データが増え、処理に時間を要するようになり、最後の行の観測データを得た際には、第1実施形態の全範囲を一括して復元する場合と同じ量の処理を行うことになる。したがって、(特に観測範囲の走査の後半においては)補間処理に要する時間が表示する表面像の更新の律速となる場合がある。
[Third Embodiment]
In the above-described second embodiment, the problems of the first embodiment in real-time observation are dealt with. Each time an object was added, an interpolation process was performed in parallel with the scanning of the probe, and the surface image obtained by the interpolation process was displayed on the monitor 20 . At that time, in interpolation processing, every time observation data was added, interpolation processing was performed based on all acquired observation data. In such interpolation processing, the closer to the end of scanning the observation range, the more observation data to be interpolated, and the more time it takes to process it. The same amount of processing is performed as in the case of collectively restoring the entire range in the first embodiment. Therefore, the time required for the interpolation processing (particularly in the second half of scanning the observation range) may be the rate-limiting factor in updating the displayed surface image.

第2実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡では、上記の第1実施形態および第2実施形態の問題点に対処したものである。本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、基本的な構成としては第1実施形態の走査型プローブ顕微鏡と同様である。本実施形態では、リアルタイム観測を行うために観測範囲の走査と、走査により取得した観測データを用いた補間処理とを並行して行う。その際、第2実施形態と同様、情報処理装置19は、探針の走査によりX方向の1行分の観測データが追加される都度、探針の走査と並行して補間処理を行うとともに、補間処理により得られる表面像をモニタ20に表示させる。 The scanning probe microscope according to the second embodiment addresses the problems of the first and second embodiments. The scanning probe microscope of this embodiment has the same basic configuration as the scanning probe microscope of the first embodiment. In this embodiment, in order to perform real-time observation, scanning of the observation range and interpolation processing using observation data obtained by scanning are performed in parallel. At this time, as in the second embodiment, the information processing device 19 performs interpolation processing in parallel with the scanning of the probe each time one row of observation data in the X direction is added by scanning the probe, A surface image obtained by interpolation processing is displayed on the monitor 20 .

本実施形態では、情報処理装置は、X方向の走査と並行して行う補間処理において、図11に模式的に示すように、X方向の走査により観測データが追加される都度、取得済みの観測データのうち新たに追加された最新追加データ(つまり、最新のX方向の走査で得た観測データ)と、等該新たに追加された観測データの1つ前に追加された直前追加データ(つまり1回前のX方向の走査で得た観測データ)とに基づき、直前追加データと最新追加データとの間の欠落した画素について補間処理を行う。そして、補間処理の結果得られる直前追加データから最新追加データまでの画像断片を、それ以前に得られている表面像に結合する形で、モニタ20に表示する表面像を更新する。 In the present embodiment, in the interpolation processing performed in parallel with scanning in the X direction, the information processing apparatus, as schematically shown in FIG. Among the data, the latest additional data newly added (that is, the observation data obtained by the latest scanning in the X direction), and the immediately preceding additional data added before the newly added observation data (that is, Based on the observed data obtained in the previous X-direction scan), the missing pixels between the immediately preceding additional data and the latest additional data are interpolated. Then, the surface image displayed on the monitor 20 is updated in such a manner that image fragments from the immediately preceding additional data to the latest additional data obtained as a result of the interpolation processing are combined with the previously obtained surface image.

第3実施形態の原子間力顕微鏡1で間引き走査により表面像を得る手順は、第2実施形態での表面像の取得て順と基本的に同様であり、図9に示したフローチャートに従い行われる。第3実施形態では、ステップS13での補間処理を、直前追加データと最新追加データとの間の欠落した画素について実施する点で、第2実施形態都異なっている。 The procedure for obtaining a surface image by thinning scanning with the atomic force microscope 1 of the third embodiment is basically the same as the order of obtaining the surface image in the second embodiment, and is performed according to the flowchart shown in FIG. . The third embodiment differs from the second embodiment in that the interpolation processing in step S13 is performed for missing pixels between the immediately preceding added data and the latest added data.

図12は、第3実施形態に係る原子間力顕微鏡1で取得する観測データと、観測データから復元した表面像とを示している。図12(a-1)~(a-4)は、X方向への走査を8分の1に(つまり、通常の走査における8行につき1行のみの走査に)間引き走査により得られる観測データの例を示しており、図12(b-1)~(b-4)は、それぞれの(a-1)~(a-4)観測データに対し、3次スプライン補間による補間処理を適用して復元した表面像を示している。 FIG. 12 shows observation data acquired by the atomic force microscope 1 according to the third embodiment and a surface image restored from the observation data. 12(a-1) to (a-4) show observation data obtained by thinning the scanning in the X direction to 1/8 (that is, scanning only 1 row out of 8 rows in normal scanning). 12 (b-1) to (b-4) show an example of applying interpolation processing by cubic spline interpolation to each of (a-1) to (a-4) observation data. surface image reconstructed by

図12(a-1)は観測範囲における最初の2回のX方向の走査(1行目と9行目に相当するY方向の位置での走査)で得た観測データを示しており、図12(b-1)は、図12(a-1)の観測データから復元した表面像を示している。2回目のX方向の走査(つまり9行目の走査)により観測データが得られると、情報処理装置19にて補間処理が行われ、モニタ20に図12(b-1)の表面像が表示される。補間処理により図12(b-1)の表面像を復元するのに要した時間は55ミリ秒であった。3回目以降のX方向の走査が行われた際には、新たに取得した観測データとその直前に取得した観測データを用いて、補間処理が行われる。図12(a-2)と図12(a-3)は、それぞれ観測範囲における5回目および9回目の走査の後に行われる補間処理の対象となる観測データを例示しており、図12(b-2)と図12(b-3)は、それぞれ図12(a-2)と図12(a-3)の観測データから復元した表面像の断片を、それ以前に得られている表面像に結合して得られる更新後の表面像を示している。5回目および9回目の補間処理でも補間処理の対象となる観測データの量や復元する必要のある欠陥が変わらないので、補間処理にて表面像を復元するのに要する時間はいずれも55ミリ秒であった。図12(a-4)は観測範囲における最後のX方向の走査で得た観測データを示しており、図12(b-4)は、図12(a-4)の観測データから復元した表面像の断片をそれ以前に得られている表面像に結合して得られる更新後の表面像を示している。最後のX方向の走査により観測データが得られると、情報処理装置19にて補間処理が行われ、モニタ20に図12(b-4)の表面像が表示される。補間処理により図12(b-4)の表面像を復元するのに要した時間も55ミリ秒であった。図10(b-4)の画質を評価すべくPsnrを計算したところ、約27.073であった。 FIG. 12(a-1) shows observation data obtained by the first two scans in the X direction (scanning at positions in the Y direction corresponding to the 1st and 9th rows) in the observation range. 12(b-1) shows a surface image restored from the observation data of FIG. 12(a-1). When observation data is obtained by the second scanning in the X direction (that is, the scanning of the ninth line), interpolation processing is performed by the information processing device 19, and the surface image of FIG. 12(b-1) is displayed on the monitor 20. be done. The time required to restore the surface image of FIG. 12(b-1) by interpolation processing was 55 milliseconds. When scanning in the X direction is performed for the third and subsequent times, interpolation processing is performed using newly acquired observation data and immediately preceding observation data. FIGS. 12(a-2) and 12(a-3) exemplify observation data to be interpolated after the fifth and ninth scans in the observation range, respectively. 12(a-2) and 12(a-3), respectively. 4 shows an updated surface image obtained by combining with . Since the amount of observation data to be interpolated and the defects to be reconstructed do not change even in the fifth and ninth interpolation processes, the time required to reconstruct the surface image by interpolation process is 55 milliseconds. Met. FIG. 12(a-4) shows observation data obtained in the last scanning in the X direction in the observation range, and FIG. 12(b-4) shows the surface restored from the observation data of FIG. FIG. 5 shows an updated surface image obtained by combining the image fragments with the previously acquired surface image. When observation data is obtained by the last scanning in the X direction, interpolation processing is performed by the information processing device 19, and the surface image of FIG. 12(b-4) is displayed on the monitor 20. FIG. The time required to restore the surface image of FIG. 12(b-4) by interpolation processing was also 55 milliseconds. When Psnr was calculated to evaluate the image quality of FIG. 10(b-4), it was about 27.073.

このように、第3実施形態によれば、X方向の走査の都度、観測範囲の途中まで走査が済んだ状態でも表示される表面像を走査済みの部分まで随時更新することができ、観測のリアルタイム性を向上することができる。 As described above, according to the third embodiment, each time scanning in the X direction is performed, even when scanning has been completed halfway through the observation range, the displayed surface image can be updated up to the scanned portion as needed. Real-time performance can be improved.

第3実施形態においても、1回の方向への走査の後に行われる補間処理は次のX方向への走査が終わる前に完了することが好ましい。このようにすれば、補間処理がリアルタイム観測における画像取得速度の律速となることを防ぐことができる。第3実施形態では第2実施形態と異なり、観測データが追加される都度行われる補間処理は、常に直前追加データと最新追加データとに基づく処理であるため1回の補間処理に要する処理時間は観測範囲の走査の終わりに近づいてもほぼ一定である。したがって、第3実施形態によれば、補間処理がリアルタイム観測における画像取得速度の律速となることをより容易に(処理能力の高い情報処理装置を用いなくても)防ぐことができる。 Also in the third embodiment, it is preferable that the interpolation processing performed after scanning in one direction is completed before the next scanning in the X direction is completed. By doing so, it is possible to prevent the interpolation processing from becoming rate-limiting for the image acquisition speed in real-time observation. In the third embodiment, unlike the second embodiment, the interpolation processing performed each time observation data is added is always based on the immediately preceding added data and the latest added data, so the processing time required for one interpolation processing is It is almost constant near the end of the scanning of the observation range. Therefore, according to the third embodiment, it is possible to more easily prevent the interpolation processing from becoming rate-limiting for the image acquisition speed in real-time observation (without using an information processing apparatus with high processing capability).

以上で説明した本発明の各実施形態によれば、走査型プローブ顕微鏡での表面像の取得時間を短縮することができる。また、走査型プローブ顕微鏡における熱ドリフトの影響を抑制することができる。 According to each of the embodiments of the present invention described above, it is possible to shorten the acquisition time of the surface image in the scanning probe microscope. Also, the influence of thermal drift in the scanning probe microscope can be suppressed.

〔実施形態の変形例〕
なお、上記に本発明の各実施形態を説明したが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。例えば、上記の実施形態では、原子間力顕微鏡における駆動制御を例に説明したが、本発明は原子間力顕微鏡以外の走査型プローブ顕微鏡(例えば走査型トンネリング顕微鏡(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)等)にも幅広く適用することができる。
[Modification of Embodiment]
Although each embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to these examples. For example, in the above embodiments, drive control in an atomic force microscope was described as an example, but the present invention is applicable to scanning probe microscopes other than atomic force microscopes (e.g., scanning tunneling microscopes (STM), scanning magnetic force microscopes). (MFM), scanning capacitance microscope (SCaM), scanning near-field optical microscope (SNOM), scanning thermal microscope (SThM), etc.).

また、前述の各実施形態に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除、設計変更を行ったものや、各実施形態の特徴を適宜組み合わせたものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含有される。 In addition, additions, deletions, and design changes made by those skilled in the art to the above-described embodiments, and combinations of features of the embodiments as appropriate, do not include the gist of the present invention. to the extent possible are included within the scope of the present invention.

1 原子間力顕微鏡
10 顕微鏡筐体
11 カンチレバーチップ
12 カンチレバー
13 探針
14 スキャナ
15 ステージ
16 励振用圧電体
17 光センサユニット
18 コントローラ
19 情報処理装置
20 モニタ

Reference Signs List 1 atomic force microscope 10 microscope housing 11 cantilever tip 12 cantilever 13 probe 14 scanner 15 stage 16 piezoelectric body for excitation 17 optical sensor unit 18 controller 19 information processing device 20 monitor

Claims (12)

探針を観測対象の表面における観測範囲に沿って走査し、走査中の各位置における探針と前記表面との相互作用に基づき、前記観測範囲についてX方向にm点、Y方向にn点の画素で構成される表面像を得る走査型プローブ顕微鏡であって、
前記観測範囲におけるX方向にm点、Y方向にn点の画素に相当する位置の一部を間引いて走査をすることにより、前記観測範囲におけるX方向にm点、Y方向にn点の全画素に相当する位置を走査する場合と比較して短時間で前記観測範囲の走査を行う走査型プローブ顕微鏡。
The probe is scanned along the observation range on the surface of the observation target, and based on the interaction between the probe and the surface at each position during scanning, m points in the X direction and n points in the Y direction for the observation range. A scanning probe microscope for obtaining a surface image composed of pixels,
By thinning out part of positions corresponding to pixels of m points in the X direction and n points in the Y direction in the observation range and scanning, all of m points in the X direction and n points in the Y direction in the observation range are scanned. A scanning probe microscope that scans the observation range in a short time compared to scanning positions corresponding to pixels.
前記観測範囲についてX方向にm点、Y方向にn点の画素のうちの一部の画素が欠落した観測データに基づいて、欠落した画素を復元する補間処理を行う情報処理手段を備え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。 Information processing means for performing interpolation processing to restore missing pixels based on observation data in which some of the pixels of m points in the X direction and n points in the Y direction are missing in the observation range. 2. A scanning probe microscope according to claim 1. 前記情報処理手段は、前記補間処理により、前記観測範囲についてX方向にm点、Y方向にn点の画素で構成される表面像を一括して出力することを特徴とする、請求項2に記載の走査型プローブ顕微鏡。 3. The method according to claim 2, wherein the information processing means collectively outputs a surface image composed of pixels of m points in the X direction and n points in the Y direction for the observation range by the interpolation processing. Scanning probe microscope as described. 前記情報処理手段は、前記探針の走査により観測データが追加される都度、前記探針の走査と並行して前記補間処理を行うとともに、前記補間処理により得られる表面像を表示手段に表示させることを特徴とする、請求項2に記載の走査型プローブ顕微鏡。 The information processing means performs the interpolation processing in parallel with the scanning of the probe each time observation data is added by scanning the probe, and causes the display device to display the surface image obtained by the interpolation processing. 3. The scanning probe microscope according to claim 2, characterized by: 前記情報処理手段は、前記探針の走査と並行して行う前記補間処理において、前記探針の走査により観測データが追加される都度、取得済みの全ての観測データに基づき前記補間処理を行うことを特徴とする、請求項4に記載の走査型プローブ顕微鏡。 In the interpolation processing performed in parallel with the scanning of the probe, the information processing means performs the interpolation processing based on all acquired observation data each time observation data is added by the scanning of the probe. 5. The scanning probe microscope according to claim 4, characterized by: 前記情報処理手段は、前記探針の走査と並行して行う前記補間処理において、前記探針の走査により観測データが追加される都度、取得済みの観測データのうち新たに追加された最新追加データ、及び当該新たに追加された観測データの1つ前に追加された直前追加データとに基づき、前記直前追加データと前記最新追加データとの間の欠落した画素について前記補間処理を行うことを特徴とする、請求項4に記載の走査型プローブ顕微鏡。 In the interpolating process performed in parallel with the scanning of the probe, the information processing means calculates the latest additional data newly added among the acquired observation data each time the observation data is added by the scanning of the probe. , and the immediately preceding additional data added immediately before the newly added observation data, performing the interpolation processing for missing pixels between the immediately preceding additional data and the latest additional data. 5. The scanning probe microscope according to claim 4, wherein: 走査型プローブ顕微鏡で取得したX方向にm点、Y方向にn点の画素のうちの一部の画素が欠落した観測データに基づいて、欠落した画素を復元する補間処理を行う情報処理装置。 An information processing device that performs interpolation processing to restore missing pixels based on observation data obtained by a scanning probe microscope in which some pixels are missing among m points in the X direction and n points in the Y direction. 前記補間処理により、X方向にm点、Y方向にn点の画素で構成される表面像を一括して出力することを特徴とする、請求項7に記載の情報処理装置。 8. The information processing apparatus according to claim 7, wherein a surface image composed of pixels of m points in the X direction and n points in the Y direction is collectively output by the interpolation processing. 前記走査型プローブ顕微鏡による探針の走査により観測データが追加される都度、前記探針の走査と並行して前記補間処理を行うとともに、前記補間処理により得られる表面像を表示手段に表示させることを特徴とする、請求項8に記載の情報処理装置。 Each time observation data is added by scanning the probe by the scanning probe microscope, the interpolation processing is performed in parallel with the scanning of the probe, and the surface image obtained by the interpolation processing is displayed on the display means. 9. The information processing apparatus according to claim 8, characterized by: 前記探針の走査と並行して行う前記補間処理において、前記探針の走査により観測データが追加される都度、取得済みの全ての観測データに基づき前記補間処理を行うことを特徴とする、請求項9に記載の情報処理装置。 In the interpolation processing performed in parallel with scanning with the probe, each time observation data is added by scanning with the probe, the interpolation processing is performed based on all acquired observation data. 10. The information processing device according to Item 9. 前記探針の走査と並行して行う前記補間処理において、前記探針の走査により観測データが追加される都度、取得済みの観測データのうち新たに追加された最新追加データ、及び当該新たに追加された観測データの1つ前に追加された直前追加データとに基づき、前記直前追加データと前記最新追加データとの間の欠落した画素について前記補間処理を行うことを特徴とする、請求項9に記載の情報処理装置。 In the interpolation processing performed in parallel with scanning with the probe, each time observation data is added by scanning with the probe, the latest addition data newly added among acquired observation data, and the newly added data 10. The interpolation processing is performed for missing pixels between the immediately preceding added data and the latest added data, based on the immediately preceding added data added immediately before the observation data obtained. The information processing device according to . コンピュータを請求項7から11の何れか1項に記載の情報処理装置として機能させるプログラム。

A program that causes a computer to function as the information processing apparatus according to any one of claims 7 to 11.

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