JP2022134649A - Scanning type probe microscope, information processor, and program - Google Patents
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Abstract
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,
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.
〔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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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/
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
(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
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
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
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
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
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
(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
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
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
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
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
〔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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Claims (12)
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.
A program that causes a computer to function as the information processing apparatus according to any one of claims 7 to 11.
Priority Applications (1)
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JP2021033911A JP2022134649A (en) | 2021-03-03 | 2021-03-03 | Scanning type probe microscope, information processor, and program |
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Publications (1)
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