JP3058724B2 - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、走査型トンネル顕微鏡
（ＳＴＭ）、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、磁気力顕微鏡
（ＭＦＭ）のような走査型プローブ顕微鏡（ＳＸＭ）に
関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）
は、原子スケールの分解能を持つ顕微鏡として利用が進
んでいる。また、このようなＳＴＭと同等又はそれに近
い分解能を持つ同種の顕微鏡として、原子間力顕微鏡
（ＡＦＭ）や磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）等が知られてい
る。これらの顕微鏡を総称して、走査型プローブ顕微鏡
（ＳＸＭ）と言い、実用化が進められている。

【０００３】上記ＳＸＭは、探針走査装置を内蔵し、導
電性試料と探針やカンチレバー等のプローブとの間に電
圧を印加し、両者間の距離を１ｎｍ以下に接近させ、試
料表面の凸凹による距離変化をトンネル電流で検出し、
Ｚ方向アクチュエータによって距離一定となるようにフ
ィードバック制御しながら、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向にプローブ
を駆動するアクチュエータによってプローブをＸ，Ｙ方
向に数ｎｍ〜数１０μｍの範囲をラスタスキャン駆動し
て、このフィードバック制御信号をＸＹ走査に同期させ
て試料の三次元画像化を達成している。

【０００４】このようなＳＸＭは、数ｎｍ〜数１０μｍ
におよぶ走査領域を極めて高い分解能で測定しているわ
けだが、測定画像には走査範囲に応じアクチュエータの
非線形変位による歪みが存在している。このため、従来
の探針走査装置は、予め走査範囲を補正するためのＲＯ
Ｍを備えていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ＳＸＭの特
徴として、大気中，真空中，液体中，等、測定環境を問
わない点が挙げられ、各種の環境での測定が行なわれて
いる。しかしながら、アクチュエータの非線形変位は、
温度によっても変位の仕方が変わる上、アクチュエータ
の個体間でも大きな差がある。従って、一意的な方法で
は補正することが難しい。

【０００６】本発明は、上記の点に鑑みてなされたもの
で、アクチュエータの温度依存性を考慮して、同じ走査
範囲で温度を変えながら連続的に測定を行うことができ
る走査型プローブ顕微鏡、及び温度によるアクチュエー
タの変位量の変化を補正し、温度を変化させても一定の
走査範囲で探針を走査させることができる走査型プロー
ブ顕微鏡を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明による走査型プロ
ーブ顕微鏡は、試料表面の物理的情報を検出する探針
と、上記探針と試料とを相対的に移動させる走査手段と
を有し、上記探針が上記試料を走査することで得られる
上記物理的情報に基づく三次元像を画像化する走査型プ
ローブ顕微鏡において、予め上記探針を用いて標準試料
の走査を行い、上記走査手段固有の変位特性を検出し、
この変位特性に基づいて走査標準テーブルを作成してお
く走査標準テーブル作成手段と、上記走査手段の温度を
検出する温度検出手段と、上記走査標準テーブル作成手
段により作成された走査標準テーブルの温度依存性を記
した温度変換テーブルを記憶する温度変換テーブル記憶
手段と、試料を測定する際に、上記走査標準テーブルに
基づいて校正されると共に上記温度変換テーブル記憶手
段に記憶された温度変換テーブルを参照して上記温度検
出手段で検出された上記走査手段の温度に応じた温度補
償を行った校正温度補償走査点と上記探針とが一致する
ように、上記走査手段を駆動するための演算を行う演算
手段とを備えている。

【０００８】

【０００９】

【作用】本発明の探針走査装置は、走査標準テーブル作
成手段により、予め標準試料の走査により該探針走査装
置の走査手段及び走査範囲に対応した走査標準テーブル
を作成しておくと共に、温度変換テーブル記憶手段に、
この走査標準テーブル作成手段により作成された走査標
準テーブルの温度依存性を記した温度変換テーブルを記
憶しておく。そして、試料を測定する際に、温度検出手
段により上記走査手段の温度を検出し、演算手段によっ
て、上記走査標準テーブルに基づいて校正されると共に
上記温度変換テーブル記憶手段に記憶された温度変換テ
ーブルを参照して上記温度検出手段で検出された上記走
査手段の温度に応じた温度補償を行った校正温度補償走
査点と上記探針とが一致するように、上記走査手段を駆
動するための演算を行う。

【００１０】

【実施例】以下、図面を参照して、本発明の実施例を詳
細に説明する。

【００１１】図１は本発明の第１の実施例の構成を示す
図である。走査型プローブ顕微鏡（ＳＸＭ）１０に於い
ては、探針（プローブ）１１は試料１２に対向して、Ｘ
Ｙ走査駆動回路１３によりＸ及びＹ方向に走査される試
料台１４の移動によって試料表面を移動する。探針１１
と試料１２の距離ｄの変位ｒは、探針１１に係合された
変位検出器１５によって検出され、その検出出力は距離
ｄを一定にするようにＺ駆動体１６を制御するサーボ回
路１７に入力される。

【００１２】一般に、サーボ回路１７のアナログ出力
（又はＡ／Ｄ変換器１８、選択切換回路２３を経た画像
バッファ２２の出力）は、ＸＹ走査に同期してＣＲＴ１
９に三次元像として表示される。

【００１３】本実施例に於いては、サーボ回路１７のア
ナログ出力は、Ａ／Ｄ変換器１８によりＡ／Ｄ変換さ
れ、そのデジタル信号が、走査範囲を決定するＸカウン
タ２０又はＹカウンタ２１により制御される画像バッフ
ァ２２に入力される。

【００１４】すなわち、変位検出器１５からの検出信号
は、画像バッファ２２内にデジタル信号ｆ（ｉ，ｊ）
（但し、ｊ＝１，２，３，…，Ｊ、ｉ＝１，２，…，
Ｉ）とに走査ライン１本毎にＸカウンタ２０の出力タイ
ミングに合わせて取り込まれ、ビット列として扱われ
る。例えば、信号ｆ（１００，４）は４番めの走査ライ
ンで１００番めの走査点のデジタル振幅値を示してい
る。

【００１５】図２の（Ａ）は、ＳＸＭ１０の走査の際の
格子点を示し、走査ラインＪ本、各走査ライン毎にＩ個
の走査点を持っている。同図に於いて、Ｘカウンタ２０
及びＹカウンタ２１の出力タイミングは、実際にはＸ，
Ｙ方向の変位に対応するものである。同図に於いて、Ｘ
方向についてはＩ走査点を表わす長さを持ち、Ｙ方向に
ついてはＪ走査ラインの表わす長さを持つと考える。図
２の（Ｂ）は、三次元像のｊ番目のラインのデジタル振
幅値ｆ（ｉ，ｊ）を示す図である。

【００１６】また、図２の（Ａ）に於いて、Ｘ，Ｙカウ
ンタ２０，２１の出力タイミングは、Ｘ，Ｙ方向の変位
ｘ，ｙに対応し、ｘ＝ｍ_x （ｉ），ｙ＝ｍ_y （ｊ）で表
現できるものである。但し、ｘ＝ｍ_x （ｊ）はｉ走査点
目までのｘ方向のアクチュエータの変位量、ｙ＝ｍ
_y （ｊ）はｊ走査ラインまでのｙ方向のアクチュエータ
の変位量である。従って、（ｉ，ｊ）に於けるデジタル
信号値ｆ（ｉ，ｊ）は、ｆ（ｉ，ｊ）＝ｆ（ｍ
_x （ｉ），ｍ_y （ｊ））＝ｆ（ｘ，ｙ）で表わすことが
できる。これらに於いて、ｘ＝ｍ_x （ｉ），ｙ＝ｍ
_y （ｊ）は、ｉ，ｊに対応して離散的な値を取る。

【００１７】ところで、アクチュエータの変位は、ヒス
テリシスやクリープその他の要因から非線形である。図
２の（Ｃ）及び（Ｄ）は、Ｘ，Ｙ各方向のＸカウンタ２
０，Ｙカウンタ２１の出力ｉ，ｊと実際のＸ，Ｙ方向の
変位量ｍ_x （ｉ），ｍ_y （ｊ）の関係を示す図である。
ここで、ｍ_x （ｉ）は、Ｘ方向のＸカウンタ２０の出力
ｉに対応するアクチュエータの変位量、ｍ_y （ｊ）はＹ
方向のＹカウンタ２１の出力ｊに対応するアクチュエー
タの変位量である。このようにＸ，Ｙ方向の変位量ｍ_x
（ｉ），ｍ_y （ｊ）は、Ｘ，Ｙカウンタ２０，２１の出
力に対して線形でない。従って、ｆ（ｉ，ｊ）＝ｆ（ｍ
_x （ｉ），ｍ_y （ｊ））は、図２の（Ａ）に示すような
正方格子上の信号値ではなく、図３の（Ａ）に示すよう
な格子の格子点上のデータである。ここで、ｉ＝０，
１，…，Ｉ、ｊ＝０，１，…，Ｊ（整数）、ｍ
_x （ｉ），ｍ_y （ｊ）は実数である。つまり、試料１２
表面の構造を正確に表わす画像は、ｆ（ｘ，ｙ）＝ｆ
（ｍ_x （ｉ），ｍ_y （ｊ））であり、このときのｘ−ｙ
座標に於けるデータの配列は、正方格子を成形していな
い。

【００１８】ところが、ＣＲＴ１９への表示は、Ｘ，Ｙ
カウンタ２０，２１の出力ｉ，ｊをタイミングとして図
３の（Ｂ）のような正方格子点（ｘ_c ，ｙ_c ）上の配列
となっている。この時、（ｘ_c ，ｙ_c ）と（ｘ，ｙ）と
は一致していないのだが、ここではｆ（ｘ，ｙ）を＝ｆ
（ｘ_c ，ｙ_i ）（ｉ＝０，１，…，Ｉ、ｊ＝０，１，
…，Ｊ、ｘ_c ＝ｌ_x （ｉ）＝αｉ、ｙ_c ＝ｌ_y （ｊ）＝
βｊ、ｉｊは整数）の値としてデータ列を表示してい
る。従って、ＣＲＴ１９に表示される画像のＸ，Ｙ方向
のスケールと実際の画像のＸＹ方向のスケール（つまり
アクチュエータの変位量）は一致しない。図３の（Ａ）
のようなデータを図３の（Ｂ）のように表示するため
に、表示された画像には歪みが生じてしまう。また、歪
みが生じると同時に、Ｘ，Ｙ方向のスケールが表示画像
と実際の構造とで一致しないことになる。

【００１９】このようなアクチュエータの変位の非線形
性に伴う画像の歪み及びＸ，Ｙスケールの校正は、選択
切換回路２３、データトランスレータ２４，２７、及び
演算回路２５を用いて、以下に示すステップで行うこと
ができる。

【００２０】ステップ１ 画像バッファ２２内のデータ列ｆ（ｉ，ｊ）は、選択切
換回路２３を経てデータトランスレータ２４に入力され
る。データトランスレータ２４は、Ｘカウンタ２０の出
力値ｉに対応したアクチュエータの変位量の校正曲線
（ｘ＝ｍ_x （ｉ））から計算された変位量の変換テーブ
ルを有しており、Ｘカウンタ２０のタイミングと同期し
て、 ｉ → ｘ＝ｍ_x （ｉ） なる変換をリアルタイムで実行して、ｆ（ｘ，ｊ）を演
算回路２５に出力する。つまり、画像バッファ２２から
送られたデータ配列ｆ（ｉ，ｊ）は、ｆ（ｘ，ｊ）＝ｆ
（ｍ_x （ｉ），ｊ）に書き換えられて、演算回路２５に
出力される。

【００２１】ステップ２ 演算回路２５に於いては、ｆ（ｘ，ｊ）＝ｆ（ｍ
_x （ｉ），ｊ）（ｉ＝０，１，２，…，Ｉ）の値からｆ
（ｘ_c ，ｊ）＝ｆ（ｌ_x （ｉ），ｊ）を演算によって求
める。つまり、表示のｘ方向の格子点（ｘ_c ）上のｆ
（ｘ_c ，ｊ）に対応する値が測定データとしては存在し
ないので、次のような方法によって計算する。

【００２２】図４に示すように、 ｆ（ｘ_c ，ｊ）＝（１／ΔＸ）｛Δｘ_i+1 ×ｆ（ｍ_x （ｉ＋１），ｊ） ＋Δｘ_i ×ｆ（ｍ_x （ｉ），ｊ）｝ で、ｆ（ｘ_c ，ｊ）を計算する。但し、ΔＸはデータ間
の距離（変位）に対応し、ΔＸ×Ｉが画像ではｘ方向の
変位量に相当するものである。

【００２３】また、 Δｘ_i+1 ＝｜ｍ_x （ｉ＋１）−ｌ_x （ｉ＋１）｜ Δｘ_i ＝｜ｍ_x （ｉ）−ｌ_x （ｉ）｜ である。いま、ここでは、ｆ（ｘ_c ，ｊ）＝ｆ（ｌ
_x （ｉ），ｊ）の値を、ｆ（ｍ_x （ｉ），ｊ）とｆ（ｍ
_x （ｉ＋１），ｊ）の測定データの信号値を用いて線形
補間を行っているが、これはスプライン補間等を行って
も良い。

【００２４】つまり、演算回路２５に於いては、Ｙカウ
ンタ２１のタイミングで、データトランスレータ２４か
ら送られたデータ配列ｆ（ｘ，ｊ）からＸカウンタ２０
のタイミングｉで補間を行い、ｆ（ｘ_c ，ｊ）を画像バ
ッファ２６に出力する。

【００２５】ステップ３ 画像バッファ２６内のデータ列ｆ（ｘ_c ，ｊ）は、ｙカ
ウンタ２１のタイミングｊでデータトランスレータ２７
に入力される。データトランスレータ２７は、Ｙカウン
タ２１の出力値ｊに対応したアクチュエータの変位量の
校正曲線（ｙ＝ｍ_y （ｊ））から計算された変位量の変
換テーブルを有しており、Ｙカウンタ２１のタイミング
と同期して、

【００２６】ｊ → ｙ＝ｍ_y （ｊ） なる変換をリアルタイムで実行して、ｆ（ｘ_c ，ｙ）を
演算回路２５に出力する。上記ステップ１同様、画像バ
ッファ２６から送られたデータ配列ｆ（ｘ_c ，ｊ）は、
ｆ（ｘ_c ，ｙ）＝ｆ（ｘ_c ，ｍ_y （ｊ））に書き換えら
れて、再び演算回路２５に出力される。

【００２７】ステップ４ 演算回路２５に於いては、ｆ（ｘ_c ，ｙ）＝ｆ（ｘ_c ，
ｍ_y （ｊ））（ｊ＝０，１，…，Ｊ）の値からｆ
（ｘ_c ，ｙ_c ）＝ｆ（ｘ_c ，ｌ_y （ｊ））を上記ステッ
プ２と同様の方法で求める。ｙ方向の格子点（ｙ_c ）上
のｆ（ｘ_c，ｙ_c ）に対応する値が測定データとしては
存在しないので、上記ステップ２と同様の演算で計算す
る。

【００２８】 ｆ（ｘ_c ，ｙ_c ）＝（１／ΔＹ）｛Δｙ_i+1 ×ｆ（ｘ_c ，ｍ_y （ｊ＋１）｝ ＋Δｙ_i ×ｆ（ｘ_c ，ｍ_y （ｊ））｝ で、ｆ（ｘ_c ，ｙ_c ）を計算する。但し、ΔＹはデータ
間の距離に対応し、ΔＹ×Ｊが画像ではｙ方向の変位量
に相当するものである。

【００２９】また、 Δｙ_i+1 ＝｜ｍ_y （ｊ＋１）−ｌ_y （ｊ＋１）｜ Δｙ_i ＝｜ｍ_y （ｊ）−ｌ_j （ｊ）｜

【００３０】このステップ４に於いて、演算回路２５
は、Ｘカウンタ２０のタイミングｉでデータトランスレ
ータ２７から送られたデータ配列ｆ（ｘ_c ，ｊ）からＹ
カウンタ２１のタイミングｊで補間を行い、ｆ（ｘ_c ，
ｙ_c ）を画像バッファ２６に出力する。このようにして
得られたｆ（ｘ_c ，ｙ_c ）は、Ｘ，Ｙ各方向の歪みが除
去されて、画像バッファ２１からＣＲＴ１９に出力され
る。出力されたデータ配列ｆ（ｘ_c ，ｙ_c ）は、上記ス
テップ１〜ステップ４の処理によって次のように表現で
きる。

【００３１】 ｆ（ｘ_c ，ｙ_c ）＝（１／ΔＹ）｛Δｙ_j+1 ×Ｒ（Δｙ_j+1 ） ×ｆ（ｘ_c ，ｍ_y （ｊ＋１）＋Δｙ_j ×Ｒ（Δｙ_j ） ×ｆ（ｘ_c ，ｍ_y （ｊ））｝ ＝（１／ΔＸ）（１／ΔＹ）［Δｙ_j+1 ×Ｒ（Δｙ_j+1 ） ×｛Δｘ_i+1 ×Ｒ（Δｘ_i+1 ） ×ｆ（ｍ_x （ｉ＋１），ｍ_y （ｊ＋１）＋Δｘ_i ×Ｒ（Δｘ_i ）×ｆ（ｍ_x （ｉ），ｍ_y （ｊ＋１））｝ ＋Δｙ_j ×Ｒ（Δｙ_j ）×｛Δｘ_i+1 ×Ｒ（Δｘ_i+1 ） ×ｆ（ｍ_x （ｉ＋１），ｍ_y （ｊ））＋Δｘ_i ×Ｒ（Δｘ_i ）×ｆ（ｍ_x （ｉ），ｍ_y （ｊ））｝］

【００３２】いま、演算回路２５に於いて、線形補間を
実行するときは、 Ｒ（ｋ）＝１ スプライン補間をするときは、

【００３３】

【数１】 で表わすことができる。

【００３４】データトランスレータ２４，２７が有する
アクチュエータの校正テーブルは、次のようにして生成
する。アクチュエータの変位量は、数μｍ以上の領域で
は、電気マイクロやファイバセンサ等の計測器を用いて
測定することができる。しかしながら、変位量の校正曲
線を精度よく決定したり、１μｍ以下の狭い領域の校正
曲線の決定には、構造の明らかな（ｘｙ方向の構造のサ
イズが精度よく決まっている）標準サンプルを用いる。
すなわち、標準サンプルを測定し、その測定結果から校
正曲線を算出する。

【００３５】例えば、ピッチ３６００本のグレーティン
グを標準サンプルとして校正曲線を求めてみる。図５の
（Ａ）は、３６００本のグレーティングの格子に垂直な
方向の断面を表わしている。この構造の理想的なトンネ
ル電流のトレース、つまりアクチュエータが線形に変位
しているときのトレースは、図５の（Ｂ）に示すような
ものである（具体的には、測定画像のｘ方向の断面形状
である）。

【００３６】しかし、実際の測定では、アクチュエータ
の非線形変位のために、図５の（Ｃ）のようなトレース
になる。同図のようなトレースをもとにアクチュエータ
の校正曲線を計算する。計算の方法は以下の通りであ
る。

【００３７】図６に示したのは、グレーティングの格子
に垂直な方向に走査して得られたトンネル電流のトレー
スである。このトレースに於いて、構造のピーク位置を
求めて、それぞれｘ₀ ，ｘ₁ ，…，ｘ_n とする。実際の
グレーティングの構造に於いては、各格子の間隔は等し
い。つまり、ｄ＝ｘ_n+1 −ｘ_n は一定になっているはず
である。この条件を用いて、最小二乗法を行ない、ｍ次
のアクチュエータの校正曲線を計算する。通常、３次〜
４次の曲線で測定結果をよく校正できる。また、走査範
囲が数ｎｍ程度の小さい領域での校正には、グラファイ
トやＳｉ等の結晶表面を標準試料として用いる。

【００３８】次に、本発明の第２の実施例につき説明す
る。上記第１の実施例では、Ａ／Ｄ変換器１８により
Ｘ，Ｙカウンタ２０，２１の出力ｉ，ｊのタイミングで
取り込んだデータｆ（ｉ，ｊ）は、一旦画像バッファ２
２に蓄えた後（あるいは、直接ＣＲＴ１９へ表示を行な
った後）、ｘ，ｙ方向の変位量の校正を行う回路により
ｘ，ｙ方向の校正を行なうようにしている。

【００３９】本第２の実施例では、画像バッファにデー
タを蓄えることなく、Ｙカウンタ２１の出力ｊのタイミ
ングと同期して、取り込んだラインデータｆ（ｉ，ｊ）
（ｊは一定）を直接データトランスレータ２４に送り、
ｘ方向の校正を、測定と同時に行なえるようにしたもの
である。校正は、以下で述べるようなステップで実施す
ることができる。また、図７にその概念図を示す。

【００４０】ステップ１ Ｘカウンタ２０のタイミングｉと同期してＡ／Ｄ変換さ
れたデータは、Ｙカウンタ２１のタイミングｊと同期し
てデータトランスレータ２４に送られる。データトラン
スレータ２４は、Ｘカウンタ２０の出力ｉに対応したｘ
方向のアクチュエータの変位量の校正のための変換テー
ブルを有しており、Ｘカウンタ２０のタイミングと同期
して、

【００４１】ｉ → ｘ＝ｍ_x （ｉ） なる変換をリアルタイムで実行して、ｆ（ｘ，ｊ）を演
算回路２５に出力する。つまり、Ａ／Ｄ変換されたｘ走
査のデータ列ｆ（ｉ，ｊ）は、ｆ（ｘ，ｊ）＝ｆ（ｍ_x
（ｉ），ｊ）に書き換えられて、演算回路２５に出力さ
れる。

【００４２】ステップ２ 演算回路２５に於いては、前述した第１の実施例と同様
の演算処理を行ない、Ｙカウンタ２１のタイミングｊで
データトランスレータ２４から送られたデータ配列ｆ
（ｘ，ｊ）から、Ｘカウンタ２０のタイミングｉと同期
して補間データｆ（ｘ_c ，ｊ）を選択切換回路２３に出
力する。選択切換回路２３では、出力データｆ（ｘ_c ，
ｊ）をＣＲＴ１９に送り表示を行なうか、画像バッファ
２６へ送るかの選択を行なう。

【００４３】ステップ３ 画像バッファ２６内のデータ列ｆ（ｘ_c ，ｊ）は、Ｘカ
ウンタ２０のタイミングでデータトランスレータ２７に
入力され、Ｙカウンタ２１の出力値ｊと同期して、

【００４４】ｊ → ｙ＝ｍ_y （ｊ） なる変換をリアルタイムで実行する。その結果、データ
配列ｆ（ｘ_c ，ｊ）がｆ（ｘ_c ，ｙ）＝Ｆ（ｘ_c ，ｍ_y
（ｊ））に書き換えられ、再び演算回路２５に出力され
る。 ステップ４

【００４５】演算回路２５に於いては、前述した第１の
実施例と同様の演算処理を行ない、Ｘカウンタ２０のタ
イミングｉでデータトランスレータ２７から送られたデ
ータ配列ｆ（ｘ_c ，ｙ）から、Ｙカウンタ２１のタイミ
ングｊと同期して補間データｆ（ｘ_c ，ｙ_c ）を選択切
換回路２３に出力する。選択切換回路２３からは、ＣＲ
Ｔ１９に送られ、校正されたデータとして表示される。

【００４６】次に、本発明の第３の実施例を説明する。
上記第１及び第２の実施例に於いては、Ｘ，Ｙカウンタ
２０，２１のタイミングで得られたデジタル信号列ｆ
（ｉ，ｊ）に対して、アクチュエータの校正曲線から得
られたデータ変換テーブルをもとにデータのｘ，ｙ座標
の校正を行ない、画像の歪みを除去していた。本第３の
実施例に於いては、アクチュエータの校正曲線から得ら
れたｘｙ走査信号の変換テーブルから、ｘｙ走査信号を
変換してｘｙのスケールの校正、画像の歪みの除去を行
なうものである。つまり、画像バッファ２２に蓄えられ
たデジタル信号列ｆ（ｉ，ｊ）のｘｙスケールは校正さ
れており、ＣＲＴ１９に表示されるデータには歪みが生
じていない。

【００４７】このような方法は、図８に示すようなアク
チュエータの変位の非線形性を校正するためのｘｙ走査
信号の校正テーブルを有するデータトランスレータ２８
をｘｙ走査駆動回路１３の後に入れることで実施するこ
とができる。

【００４８】上記第１及び第２の実施例に於いては、
Ｘ，Ｙカウンタ２０，２１のタイミングｉ，ｊと同期し
てｘｙ駆動回路１３から図９の（Ａ）に示すようなｘｙ
走査信号Ｖ_x （ｉ），Ｖ_y （ｊ）を出力していた。ここ
で、Ｖ_x （ｉ），Ｖ_y （ｊ）は図９の（Ａ）に示すよう
なｉ，ｊのタイミングに比例している。つまり、走査信
号は三角波になっている。このときの走査範囲は、Ｖ_x
（ｉ）及びＶ_y （ｊ）の振幅で決まっている。

【００４９】本第３の実施例に於いては、ｘｙ走査の駆
動回路１３の出力Ｖ_x （ｉ），Ｖ_y（ｊ）の後に、デー
タトランスレータ２８を入れ、Ｖ_x （ｉ），Ｖ_y （ｊ）
を図９の（Ａ）のように変換して、ｘｙ方向の走査を行
なう。このデータトランスレータ２８は、アクチュエー
タの非線形変位を補正し、ｘｙ方向の変位が線形になる
ように、ｘｙ駆動回路１３の出力Ｖ_x （ｉ），Ｖ
_y （ｊ）を校正するための変換テーブルを有している。
従って、ｘｙ走査駆動回路１３からのｘｙの駆動の電圧
は図９の（Ｂ）のように非線形になるが、ｘ，ｙカウン
タ２０，２１の出力ｉ，ｊに対して、ｘ，ｙ各方向の変
位は線形になっている。つまり、歪みのない画像が、デ
ータとしてＣＲＴ１９に表示され画像バッファ２２に保
存されることになる。

【００５０】図１０は、温度補償機能を更に有する本発
明の第４の実施例の構成を示す図である。本第４の実施
例のＳＸＭ１０に於いては、探針１１は、試料１２に対
向してＸＹ走査駆動回路１３によりＸ及びＹ方向に走査
され、この走査によって試料表面を移動する。探針１１
と試料１２の距離ｄの変位ｒは、探針１１に係合された
変位検出器１５によって検出され、その検出出力は、距
離ｄを一定にするようにＺ駆動体２９を制御するサーボ
回路１７に入力される。一般に、サーボ回路１７のアナ
ログ出力あるいは画像バッファ２２のデジタル出力は、
Ｘ，Ｙ走査に同期してＣＲＴ１９に三次元画像として表
示される。

【００５１】本第４の実施例に於いては、サーボ回路１
７のアナログ出力は、Ａ／Ｄ変換器１８によりＡ／Ｄ変
換され、そのデジタル信号が走査範囲を決定するＸカウ
ンタ２０又はＹカウンタ２１により制御される画像バッ
ファ２２に入力される。

【００５２】変位検出器１５からの検出信号は、画像バ
ッファ２２内にデジタル信号ｆ（ｉ，ｊ）（但し、ｉ＝
１，２，３，…，Ｉ、ｊ＝１，２，３，…，Ｊ）として
走査ライン１本毎にＸカウンタ２０の出力タイミングに
合わせて取り込まれて、ビット列として扱われる。例え
ば、ｆ（１００，５）は、５番目の走査ラインで１００
番目の走査点のデジタル振幅値を示している。

【００５３】ところで、アクチュエータ３０のＸ，Ｙ方
向の変位は、ＸＹ駆動回路１３により行なわれる。アク
チュエータ３０は、Ｘ，Ｙ各方向の電極に電圧を印加す
ることで変位をする。この印加電圧Ｖ_X （ｉ），Ｖ
_Y （ｊ）は、演算回路３１からＸ，Ｙカウンタ２０，２
１のカウンタ出力ｉ，ｊと同期して出力される基準温度
Ｔ_b に於ける制御信号

【００５４】

【数２】 に従ってＸＹ駆動回路１３から出力される。

【００５５】図１１の（Ａ）及び（Ｂ）は、Ｘ，Ｙカウ
ンタ２０，２１のカウンタ出力に同期したＸＹ駆動回路
１３の電圧出力Ｖ_X （ｉ），Ｖ_Y（ｊ）を示したもの
で、このときのＶ_X （ｉ），Ｖ_Y （ｊ）は、アクチュエ
ータ３０の非線形変位が補正されるように出力されるた
め、ｉ，ｊに対してリニアに変位していない。しかし、
Ｖ_X （ｉ），Ｖ_Y （ｊ）をアクチュエータ３０に印加し
たときのアクチュエータ３０の変位量ｍ_X （ｉ），ｍ_Y
（ｊ）は、図１１の（Ｃ）及び（Ｄ）に示すとおり、
ｉ，ｊに対しリニアに変位する。このようにアクチュエ
ータの非線形変位を補正するように印加電圧を設定する
のは、前述した第３の実施例のようにして行なうことが
できる。

【００５６】ＸＹ駆動回路１３は、Ｄ／Ａ変換器及びそ
のＤ／Ａ変換出力を増幅するための増幅器により構成さ
れる。Ｄ／Ａ変換出力及び増幅率を決めるのは、演算回
路３１から送信される上記数２に示した制御信号であ
る。

【００５７】ＸＹ駆動回路１３を構成するＤ／Ａ変換器
と増幅器は、以下のように動作する。いま、Ｄ／Ａ変換
器として±１０Ｖ_P-P 出力の１４ビットのものを用いる
とする。このとき、Ｄ／Ａ変換器の出力電圧の分解能
は、１．２ｍＶであり、圧電定数１０ｎｍ／Ｖのアクチ
ュエータ３０を用いるとすれば、ＸＹ変位の分解能は
０．１２オングストロームである。このアクチュエータ
３０をＸ方向に０．５ｎｍステップで１００ｎｍまで変
位させるとすると、ｍ_X （１）＝０．５，ｍ_X （２）＝
１．０，…，ｍ_X （２００）＝１００ｎｍとなり、それ
ぞれの変位に対応する出力電圧がＸＹ駆動回路１３から
Ｖ_X （１），Ｖ_X （２），…，Ｖ_X （２００）と出力さ
れている。

【００５８】ところで、ＳＸＭに於いて、走査範囲は数
ｎｍ〜数１０μｍと幅が広い。上述のようなＤ／Ａ変換
器とアクチュエータを用いても、最大２００ｎｍの走査
範囲しか得られないため、Ｄ／Ａ変換器の出力を増幅す
る必要がある。つまり、走査領域に応じゲインを１０
倍，１００倍に切り換えて出力振幅も１０倍，１００倍
と増やすようにする。

【００５９】以上のようにＤ／Ａ変換器の出力電圧Ｖ_X
（ｉ），Ｖ_Y （ｊ）及び増幅器の倍率は、走査範囲に応
じて変わるものであるが、これは演算回路３１によって
制御される。即ち、演算回路３１は、設定された走査範
囲を得るように、Ｘ，Ｙカウンタ２０，２１の出力タイ
ミングｉ，ｊに同期してＸＹ駆動回路１２に上記数２に
示したような制御信号及び増幅率を送信する。

【００６０】上記数２に示したような制御信号は、基準
温度Ｔ_b に於ける、走査範囲に応じてＤ／Ａ変換器から
電圧が出力されるように決められているデジタル信号列
である。

【００６１】演算回路３１は、数２に示したようなデジ
タル信号列が走査範囲に応じていくつか用意されて記憶
してあるＲＯＭと、どのテーブルを出力し、増幅率をど
の様に設定するかを判断して、ＸＹ駆動回路１３に出力
するための選択回路等を有している。

【００６２】先に述べたようなアクチュエータを例に取
ると、走査範囲２０ｎｍ，２００ｎｍ，２μｍ，２０μ
ｍを走査するための電圧をＸＹ駆動回路１３に出力させ
るためには、演算回路３１は、次の数３に示すような内
容をデジタル信号としてＸＹ駆動回路１３に送信する。

【００６３】

【数３】

【００６４】つまり、走査の前に、増幅器の場合率を送
り、次に走査信号として上記数２に示すようなデジタル
信号列をＸ，Ｙカウンタ２０，２１のカウンタ出力ｉ，
ｊと同期して送信する。ＲＯＭ内に記憶できる制御信号
列

【００６５】

【数４】 のテーブル数は、テーブルの大きさ（サイズ）とＲＯＭ
の記憶容量によるが、例えばＲＯＭが６４Ｋバイトで、
制御信号のテーブル

【００６６】

【数５】

【００６７】のサイズが５１２バイトのときで、１２８
個のテーブルが記憶できることになる。記憶させるテー
ブルの数を多くしたいときは、ＲＯＭのメモリを拡張す
れば良い。以上のような方法で、指定した走査範囲に応
じたアクチュエータ３０の変位を行なうことができる。

【００６８】ところで、ＳＸＭの特徴として、大気中，
真空中，液体中，等、測定環境を問わない点が挙げら
れ、各種の環境での測定が行なわれている。その中の一
つに、液体ヘリウム（ｌｑヘリウム）や液体窒素を用い
て低温にし、低温下での測定を行なうものがある。この
ような低温下での測定は、超伝導物質等に対し盛んに行
なわれている。

【００６９】低温での測定では、寒剤の温度（つまり、
ｌｑＨｅの場合４．２Ｋ，ｌｑＮ₂の場合７７Ｋ）のみ
ならず、寒剤の温度〜常温あるいは高温までの範囲で温
度を変えて測定を行なうことが要求されている。

【００７０】一方、アクチュエータ３０は、温度が下が
ることで、変位量が低下することが知られており、例え
ば、液体ヘリウム温度（４．２Ｋ）では、常温の１／１
０〜１／２０になる。そのために、同じＤ／Ａ変換器の
出力Ｖ_X （ｉ），Ｖ_Y （ｊ）をアクチュエータ３０に印
加しても、温度が異なるとアクチュエータの変位量つま
り走査範囲が違ってしまう。従って、異なる温度で同じ
走査範囲を得るためには、温度によってＸＹ駆動回路に
送る数４に示したような制御信号を、その温度でのアク
チュエータ３０の変位に合わせて変える必要がある。

【００７１】例えば、液体ヘリウム温度（４．２Ｋ）
で、アクチュエータ３０の変位量が常温の場合の１／１
０になるとすると、低温で２００ｎｍ走査させるために
は、常温に於いて２μｍ走査させるときのアクチュエー
タへの印加電圧（室温で２００ｎｍ走査させるための１
０倍の電圧）を印加する必要があり、そのために演算回
路３１は、制御信号を選択して送信する。

【００７２】測定点付近の温度Ｔは、検出器３２が検出
し、演算回路３１に送る。演算回路３１は、この送られ
てきた測定温度Ｔに於けるアクチュエータ３０の変位曲
線を基に、数２に示したような制御信号を、以下の手順
で出力する。

【００７３】図１２は、各温度に於けるアクチュエータ
３０の変位曲線を示している。温度は、ｔ＝ｔ₀ ，
ｔ₁ ，ｔ₂ ，…，ｔ_n の順で高くなる。同図に於いて、
ｌ₀ だけアクチュエータ３０を変位させるとき、アクチ
ュエータ３０への印加電圧は、温度に応じて、Ｖ₀ ，Ｖ
₁ ，…となる。

【００７４】同図に於いて、基準温度はｔ＝ｔ₄ の曲線
で示され、つまりｔ＝ｔ₄ におけるアクチュエータ３０
の変位曲線に対応した制御信号のテーブルが演算回路３
１のＲＯＭに記憶されている。このとき、ｔ＝ｔ₀ でｌ
₀ だけアクチュエータ３０を変位させるためには、Ｖ₀
だけアクチュエータ３０に電圧を印加する必要がある。
Ｖ₀ の電圧を出力するための制御信号は、基準温度に於
いてｌ₀ ’のアクチュエータ３０を変位させるものであ
り、この対応関係は図１３に示す通りで、選択回路内に
記憶されている。

【００７５】また、図１２は、連続的に描いてあるが、
温度毎の変位曲線のテーブルにあっては、温度，変位
量，電圧値は離散的である。従って、選択回路では、各
パラメータを選択回路内に記憶されている値の中から値
の近い２つのデータを用いて補間する処理が行なわれ
る。最終的に出力される制御信号は、近いものを選択し
て出力する。

【００７６】このようにすることにより、同じ走査範囲
で温度を変えながら連続的に測定を行なうための探針走
査装置、及び温度によるアクチュエータの変位量の変化
を補正し、温度を変化させても一定の走査範囲で探針を
走査させる探針走査装置を提供することができる。

【００７７】なお、演算回路３１のＲＯＭ内に記憶され
ている制御信号のテーブルは、前述の別の実施例に関し
て述べたように、標準サンプルの測定を行なって作成す
ることができる。また、１μｍ以上の広い領域のテーブ
ルを作成する際には、アクチュエータの変位量を調節測
定することでも調べることができる。ＳＸＭでは、走査
領域のレンジが広いので、標準サンプルは、いくつか用
意しておく必要がある。

【００７８】演算回路３１内の選択回路に記憶させるア
クチュエータの変位曲線は、次のような手順で測定を行
なうことで生成する。 （１）温度を一定に保ち、標準サンプルの測定を行な
う。 （２）印加電圧を変化させ、走査範囲を算出する。 アクチュエータの変位量は、温度によって大きく違うの
で、印加電圧のステップは、温度毎に変える。（また、
アクチュエータのタイプによっても変位量は異なるの
で、その点も考慮する。） 上述の方法を繰り返し、図１２のような変位曲線のテー
ブルを作成する。

【００７９】変位曲線を調べる温度の間隔は、ＳＸＭ測
定の温度変化を行なう際の精度にもよるが、ＳＸＭ測定
の際の温度変化のステップと同程度、精度を問わない場
合には２倍又はそれ以上の間隔で良い。変位曲線が調べ
られていない温度の変位曲線は、制御信号の出力の際
に、測定温度前後の変位曲線から補間を行なって出力す
るので問題とはならない。

【００８０】

【発明の効果】本発明によれば、アクチュエータの温度
依存性を考慮して、同じ走査範囲で温度を変えながら連
続的に測定を行うことができる走査型プローブ顕微鏡、
及び温度によるアクチュエータの変位量の変化を補正
し、温度を変化させても一定の走査範囲で探針を走査さ
せることができる走査型プローブ顕微鏡を提供すること
ができる。

【００８１】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例のブロック構成図であ
る。

【図２】（Ａ）はＳＸＭの走査の際の格子点を示す図、
（Ｂ）は三次元像のｊ番目のラインのデジタル振幅値ｆ
（ｉ，ｊ）を示す図、（Ｃ）はＸ方向のＸカウンタの出
力ｉと実際のＸ方向の変位量ｍ_x （ｉ）の関係を示す図
で、（Ｄ）はＹ方向のＹカウンタの出力ｊと実際のＹ方
向の変位量ｍ_y （ｊ）の関係を示す図である。

【図３】（Ａ）は実際の走査点の位置関係を示す図、
（Ｂ）はＣＲＴに表示されるべき走査点の位置関係を示
す図である。

【図４】図１中の演算回路に於ける演算処理に使用され
るパラメータを説明するための図である。

【図５】（Ａ）はグレーティングの格子に垂直な方向の
断面を表わす図、（Ｂ）は（Ａ）に示す構造の理想的な
トンネル電流のトレースを示す図、（Ｃ）は（Ａ）に示
す構造の実際の測定により得られるトレースを示す図で
ある。

【図６】グレーティングの格子に垂直な方向に走査して
得られたトンネル電流のトレースを示す図である。

【図７】本発明の第２の実施例のブロック構成図であ
る。

【図８】本発明の第３の実施例のブロック構成図であ
る。

【図９】（Ａ）はデータトランスレータの出力Ｖ
_x （ｉ），Ｖ_y（ｊ）を示す図、（Ｂ）はｘｙ走査駆動
回路からのｘｙの駆動の電圧を示す図である。

【図１０】本発明の第４の実施例のブロック構成図であ
る。

【図１１】（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれＸ，Ｙカウンタ
のカウンタ出力に同期したＸＹ駆動回路の電圧出力Ｖ_X
（ｉ），Ｖ_Y （ｊ）を示す図であり、（Ｃ）及び（Ｄ）
はそれぞれＶ_X （ｉ），Ｖ_Y （ｊ）を印加したときのア
クチュエータの変位量ｍ_X（ｉ），ｍ_Y（ｊ）を示す図で
ある。

【図１２】各温度に於けるアクチュエータの変位曲線を
示す図である。

【図１３】温度と変位量に応じた制御信号の値を表わす
テーブルを示す図である。

【符号の説明】

１０…走査型プローブ顕微鏡、１８…Ａ／Ｄ変換器、２
０…Ｘカウンタ、２１…Ｙカウンタ、２２，２６…画像
バッファ、２３…選択切換回路、２４，２７，２８…デ
ータトランスレータ、２５…演算回路，３０…アクチュ
エータ、３１…演算回路、３２…温度検出器。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料表面の物理的情報を検出する探針
   と、上記探針と試料とを相対的に移動させる走査手段と
   を有し、上記探針が上記試料を走査することで得られる
   上記物理的情報に基づく三次元像を画像化する走査型プ
   ローブ顕微鏡において、 予め上記探針を用いて標準試料の走査を行い、上記走査
   手段固有の変位特性を検出し、この変位特性に基づいて
   走査標準テーブルを作成しておく走査標準テーブル作成
   手段と、上記走査手段の温度を検出する温度検出手段と、 上記走査標準テーブル作成手段により作成された走査標
   準テーブルの温度依存性を記した温度変換テーブルを記
   憶する温度変換テーブル記憶手段と、 試料を測定する際に、上記走査標準テーブルに基づいて
   校正されると共に上記温度変換テーブル記憶手段に記憶
   された温度変換テーブルを参照して上記温度検出手段で
   検出された上記走査手段の温度に応じた温度補償を行っ
   た校正温度補償走査点と上記探針とが一致するように、
   上記走査手段を駆動するための演算を行う演算手段と、 を具備することを特徴とする 走査型プローブ顕微鏡。