JP3645600B2 - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
この発明は走査型プローブ顕微鏡に関し、より詳細には、試料表面をプローブで二次元走査したときの試料、プローブ間の相互作用を検出して試料の表面情報を取得する走査型プローブ顕微鏡に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般の走査型プローブ顕微鏡(以下、SPMと称する)は、例えば図11及び図12に示されるように構成されている。
図11及び図12に於いて、ホストコンピュータ1が接続されたマイクロコンピュータ2には、Z制御部3が接続されると共に、X走査D/A変換器4及びY走査D/A変換器5を介してXフィードバック駆動回路6及びYフィードバック駆動回路7が接続されている。また、Z制御部3、Xフィードバック駆動回路6及びYフィードバック駆動回路7が接続されるXYZ駆動用圧電体8上に設けられた試料台9には、試料10が載置されるようになっている。
【0003】
上記Z制御部3には探針変位検出部11が接続されており、更にその先端にカンチレバー(探針)12が設けられている。尚、上記XYZ駆動用圧電体8は、鏡体13内に設けられたX変位センサ14及びY変位センサ15により動作される。
【0004】
このような構成に於いて、圧電体8、すなわち試料台9のX方向変位(X方向移動量)及びY方向変位(Y方向移動量)が、X,Y変位センサ14及び15により検出される。これらの変位信号ds6及びds8が、X,Yフィードバック駆動回路6及び7の一方の入力端子に入力される。また、マイクロコンピュータ2からの要求により、X走査データD3、Y走査データD4がX,Y走査D/A変換器4及び5により変換されたX走査信号ds3、Y走査信号ds4が、それぞれX,Yフィードバック駆動回路6及び7の他方の入力端子に入力される。
【0005】
すると、X,Yフィードバック駆動回路6及び7内に於いて、圧電体8の変位信号ds6及びds8と走査信号ds3及びds4とが、直線性を保つようにフィードバック制御される。これによって、図13に示されるような、圧電体8の印加電圧と、変位のヒステリシス特性により生じていた試料表面情報画像の歪みを解消し、直線性の高い画像がホストコンピュータ1に於いて得られる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような従来の走査型プローブ顕微鏡では、圧電体8の変位分解能が0.01nm程度であり、この分解能よりもX,Y変位センサ14、15の変位検出分解能が数nm程度と大きく劣っている。そのため、X,Yフィードバック駆動回路6及び7の動作時にX,Y変位センサ14、15のノイズによって圧電体8が微小に振動して、カンチレバー12の先端と試料10の表面を損傷させる原因となっていた。加えて、外部環境によってヒステリシスカーブが異なることも、ノイズの低減を図るうえでの障害となっていた。
【0007】
また、試料10の表面情報を画像化した際に、分解能がX,Y変位センサ14、15の分解能程度まで低下してしまうという問題が生じる。
更に、X,Yフィードバック駆動回路6及び7を設けてフィードバック制御することによって、応答が遅くなるため、走査速度を遅くしなければならないという問題も生ずる。
【0008】
この発明は上記課題に鑑みてなされたもので、圧電体の変位と電圧ヒステリシス特性の影響を受けず、走査速度を低下させることなく、高分解能で且つ直線性の高い高精度な試料表面情報測定が可能な走査型プローブ顕微鏡を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
すなわちこの発明は、プローブ若しくは試料を走査させる圧電体と、この圧電体をXYZ方向の少なくとも一方向に変形させる駆動手段と、上記圧電体のXYZ方向の少なくとも一方向の変位を検出する変位検出手段と、試料表面情報を測定すべき点の圧電体の測定点変位情報を格納する情報格納手段と、上記情報格納手段に、上記試料表面情報を測定する前に予備走査を行い、上記変位検出手段による変位検出値が上記試料表面情報を測定すべき点に達した時点の圧電体の印加電圧若しくは走査時間を測定点変位情報として予め格納させるテーブル作成手段と、上記試料表面情報を測定する測定走査時に、上記情報格納手段に格納された測定点変位情報に基いた測定点に於いて該試料表面情報を測定する測定手段と、を具備することを特徴とする。
またこの発明は、プローブ若しくは試料を走査させる圧電体と、この圧電体をXYZ方向の少なくとも一方向に変形させる駆動手段と、上記圧電体のXYZ方向の少なくとも一方向の変位を検出する変位検出手段と、試料表面情報を測定すべき点の圧電体の測定点変位情報を格納する情報格納手段と、1ライン走査時に上記変位検出手段による変位検出値が上記試料表面情報を測定すべき点に達した時点の圧電体の印加電圧若しくは走査時間である測定点変位情報に基いた測定点に於いて、上記試料表面情報を測定しながら、次ライン測定装置のためのテーブル作成を行うテーブル作成同時走査手段と、を具備することを特徴とする。
【0010】
【作用】
この発明の走査型プローブ顕微鏡では、予備走査を行い、試料表面情報を測定する点数より高分解能に圧電体を電圧駆動しながら、変位検出手段から変位を検出し続け、検出されている変位が、予め設定されている測定点の変位に達したか否かを検出する。変位が測定点に達した点毎に、圧電体印加電圧若しくは走査時間を測定点変位情報として情報テーブルに格納していく。予備走査終了後、測定走査を行い、圧電体印加電圧若しくは走査時間が情報テーブルに格納された測定点変位情報に達した点で試料表面情報を測定し、画像化していく。上記測定によって、走査速度を遅くすることなしに、直線性の高い画像が得られる。
【0011】
更に、上記情報テーブルを作成する際、圧電体印加電圧若しくは走査時間等の測定点変位情報を補間してテーブルを作成することによって、変位検出手段の変位分解能を上回る分解能で試料表面情報を測定することが可能となる。したがって、走査速度を遅くすることなしに、高分解能で且つ直線性の高い画像が得られる。
【0012】
また、各ライン測定走査時に、情報テーブルに格納された測定点変位情報に基いて試料表面情報を測定しながら、予備走査時に行った情報テーブル作成を次ライン測定走査のために作成することで、走査速度を遅くすることなしに、よりドリフトの少ない高分解能で且つ直線性の高い画像が得られる。
【0013】
【実施例】
以下、図面を参照してこの発明の実施例を説明する。
初めに、図1乃至図7を参照して、この発明の第1の実施例を説明する。
図1は、この発明による走査型プローブ顕微鏡の構成を示したブロック図である。
【0014】
図1に於いて、ホストコンピュータ21は、試料29の凹凸を画像表示するためのもので、タイマ22を内蔵するマイクロコンピュータ23に接続されている。このホストコンピュータ23には、Z制御部24、X走査D/A変換器25、Y走査D/A変換器26が接続されている。
【0015】
また、Z制御部24、X走査D/A変換器25及びY走査D/A変換器26が接続されるXYZ駆動用円筒型圧電体27上に設けられた試料台28には、試料29が載置されるようになっている。上記Z制御部24には、また、探針変位検出部30が接続されており、更にその先端にカンチレバー(探針)31が設けられている。
【0016】
上記XYZ駆動用円筒型圧電体12は、その下端が鏡体32に固定されており、その上端に上記試料台28が設置されている。上記鏡体32内には、試料台28の2次元方向の移動量を検出するX変位センサ33及びY変位センサ34が設けられている。
【0017】
上記マイクロコンピュータ23には、上記X変位センサ33及びY変位センサ34からの変位信号を受けるX変位A/D変換器35及びY変位A/D変換器36と、圧電体X印加電圧を測定点X変位情報として格納するX変位情報テーブル37と、圧電体Y印加電圧を測定点Y変位情報として格納するY変位情報テーブル38が接続されている。
【0018】
このような構成に於いて、上記探針変位検出部30は、周知の光てこ法によってカンチレバー31の変位を検出し、変位信号S1をZ制御部24へ出力する。このZ制御部24は、カンチレバー31の変位を一定に保つようにフィードバック制御し、圧電体27をZ方向に伸縮させるZ制御信号S2を出力すると共に、マイクロコンピュータ23からの要求に応じてZ制御データD2、つまり試料凹凸情報をマイクロコンピュータ23に出力する。
【0019】
ホストコンピュータ21は、マイクロコンピュータ23から転送された測定データD1を格納し、画像形成する。X走査D/A変換器25は、マイクロコンピュータ23から出力されたX走査データD3をD/A変換し、X走査信号S3として圧電体27へ出力する。同様に、Y走査D/A変換器26は、マイクロコンピュータ23から出力されたY走査データD4をD/A変換し、Y走査信号S4として圧電体27へ出力する。
【0020】
X変位A/D変換器35では、X変位センサ33で検出したX変位信号S6を、マイクロコンピュータ23からの要求に応じてA/D変換し、X変位データD5としてマイクロコンピュータ23に出力する。Y変位A/D変換器36では、Y変位センサ34で検出したY変位信号S8を、マイクロコンピュータ23からの要求に応じてA/D変換し、Y変位データD6としてマイクロコンピュータ23に出力する。
【0021】
図2は、この発明の走査型プローブ顕微鏡に於いて、変位情報テーブル作成のための予備走査、試料表面の測定走査時の試料29とカンチレバー31先端の位置関係を示した図である。
【0022】
次に、図3のフローチャート及び図4のタイミングチャートを参照して、X予備走査によるX変位情報テーブル作成シーケンスを説明する。尚、同実施例に於いて、測定点数は256点としている。
【0023】
初めに、フローチャート内のX目標レジスタについて説明する。
X目標レジスタは、各測定点に対応するX変位データであり、各測定点に於ける変位情報(X印加電圧)が得られる毎に、次の測定点に対応するX変位データに更新される。
【0024】
X変位測定点数レジスタは、X走査時に試料表面情報を測定すべき点の数をカウントし、各測定点に於けるX変位に応じた変位情報(X印加電圧)が得られる毎に0から256までインクリメントされる。
【0025】
試料29のX予備走査は、圧電体27の2次元走査が第1走査ライン先頭点(図2の走査原点)にある状態で開始される。そして、図5(a)に示されるような、Xテーブルポインタには“0”が初期設定される(ステップS1)。X目標レジスタには、最初の測定点のX走査位置に相当するX変位値Δx0が設定される(ステップS2)。
【0026】
X走査データD3がインクリメントされると、X走査D/A変換器25から出力されるX走査信号S3の電圧が上昇される(ステップS3)。次いで、X変位信号がA/D変換され(ステップS4)、これにより得られたX変位データD5と、X目標レジスタのX変位値Δx0とが比較される(ステップS5)。
【0027】
ここで、X変位データD5がX変位値Δx0に達していない場合は、X走査データD3のインクリメントが繰返され、X走査信号の電圧が上昇される(ステップS3〜S5の繰返し)。一方、X変位データD5がX変位値Δx0に達している場合は、測定点に達したことになるので、X走査データD3データ(つまり、X印加電圧データVx0)がX変位情報テーブルのテーブルポインタの指示するアドレス(この場合は先頭)に格納される(ステップS6)。
【0028】
次いで、Xテーブルポインタがインクリメントされて(ステップS7)、Xテーブルポインタが256か否かが比較される(ステップS8)。256でなければ、X目標レジスタに次の測定点のX走査位置に相当するX変位値Δx1が設定される(ステップS2)。それ以降、上記ステップS2〜S8のシーケンスが繰返されて、X変位情報テーブルが作成される。
【0029】
上記ステップS8にて、Xテーブルポインタが256に達したならば、X走査データD3がデクリメントされ、X走査データD3がX変位情報テーブル先頭値のVx0以下になるまで、X走査D/A変換器25から出力するX走査信号S3の電圧が下げられる(ステップS9、S10)。つまり、走査原点に達するまでS走査されて、X予備走査が終了する。
【0030】
以上のシーケンスによって作成されたX変位テーブルを利用した試料表面情報の1ライン測定走査が、図6に示される。
次に、図6のフローチャートを参照して、1ライン測定走査の処理動作を説明する。
【0031】
試料29の測定走査は、圧電体27の2次元走査が第1走査ライン先頭点(図2の走査原点)にある状態で開始される。そして、先ず、Xテーブルポインタに“0”が初期設定される(ステップS11)。次いで、X走査データD3がインクリメントされて、X走査D/A変換器25から出力されるX走査信号S3の電圧が上昇される(ステップS12)。
【0032】
X変位情報テーブルからXテーブルポインタに指示されたX変位情報(X印加電圧データVx)が読み出されて(ステップS13)、X走査データD3と比較される(ステップS14)。
【0033】
ここで、X走査データD3がX変位情報(X印加電圧データVx)に達していない場合は、X走査データD3のインクリメントが繰返されてX走査信号の電圧が上昇される。すなわち、上記ステップS12〜S14が繰返される。一方、X走査データD3がX変位情報(X印加電圧データVx)に達している場合は、測定点に達したことになるので、試料表面情報(この場合は、Z凹凸データD2)が検出されて、ホストコンピュータ21へ転送されて画像化される(ステップS15)。
【0034】
そして、Xテーブルポインタがインクリメントされた後(ステップS16)、Xテーブルポインタの値が256か否かが比較される(ステップS17)。ここで、Xテーブルポインタの値が256でなければ上記ステップS12〜17のシーケンスが繰返される。一方、256に達したならば、Xテーブルポインタに“0”が設定されたる(ステップS18)。
【0035】
その後、X走査データD3がデクリメントされて、X走査データD3がX変位情報テーブル先頭値のVx0以下になるまで、X走査D/A変換器25から出力されるX走査信号S3の電圧が下げられる(ステップS19〜S21)。つまり、走査測定開始点に達するまで、X走査されて1ライン測定走査が終了される。
【0036】
このようにして、X方向の予備走査によるX変位情報テーブル作成と、試料表面情報(Z凹凸)のX方向の1ライン測定走査が行われる。この後、図7に示されるように、X方向の予備走査と同様にY方向の予備走査を行うと、図5(b)に示されるような、Y変位情報テーブルが作成できる。
【0037】
また、そのY変位情報テーブルを利用してY方向に徐々に走査しながら、試料表面情報の1ライン測定走査を複数ライン繰返せば、1フレーム分の試料表面情報を測定することができる。
【0038】
図7(a)〜(h)は、こうした試料表面情報の1ライン測定走査を256ライン分繰返した場合の1フレーム測定走査のタイミングチャートである。尚、図7(a)、(b)、(c)、(d)は、それぞれ図4(a)、(c)、(d)、(e)に対応した図である。そして、図7(e)〜(h)に示されるようなタイミングで、Y方向への走査及び測定が行われる。
【0039】
このY方向の動作については、上述したX方向の動作に準ずるので、ここでは説明は省略する。
次に、この発明の第2の実施例を説明する。
【0040】
上述した第1の実施例では、変位センサの変位検出分解能が、試料表面情報を測定する測定点間隔に対して充分に分解できる広走査範囲の場合のX変位情報テーブル作成について述べた。
【0041】
以下に述べる第2の実施例では、狭走査範囲に於いて、X変位センサの変位検出分解能が試料表面情報を測定する測定点間隔よりも粗い場合、X変位情報(X印加電圧データVxn)を補間して高分解能のX変位情報テーブルを作成する。
【0042】
図8(a)及び(b)は、狭走査範囲のX方向予備走査に於いて、1走査ライン上の試料表面情報の測定点数256点に対して、X変位センサでは最も高分解能の変位検出で128点しか検出できない場合のX走査信号、X変位信号の様子を示した図である。また、図8(c)は同図(a)のX走査信号のVx0付近を拡大した図、図8(d)は同図(b)のX変位信号のΔx0付近を拡大した図である。
【0043】
X方向予備走査に於いて、X変位データD5がX変位値Δx0に達した場合は、X変位テーブルの先頭の測定点に達したことになる。したがって、X走査データD3データ(すなわち、X印加電圧データVx0)は、X変位情報テーブルのXテーブルポインタ0のアドレスに格納される。
【0044】
次に、X変位データD5がX変位値Δx1に達した場合は、X走査データD3データ(すなわち、X印加電圧データVx1)がXテーブルポインタのアドレスに格納される。
【0045】
このとき、Xテーブルポインタ1のアドレスには、
Vx1.5=(Vx1+Vx2)/2
が計算されて格納される。つまり、Xテーブルポインタが2n(n=0〜127)のアドレスには、X変位値Δxnに相当するX印加電圧データVxnが格納される。また、Xテーブルポインタが2n+1(n=0〜127)のアドレスには、X変位値Δxnに相当するX印加電圧データVxnと、X変位値Δxn+1に相当するX印加電圧データVxn+1から
Vxn.5=(Vn+Vn+1)/2
が計算されて格納される。
【0046】
これにより、作成された高分解能X変位情報テーブルは、図9(a)に示されるようになる。尚、同様の方法により、図9(b)に示されるような高分解能Y変位情報テーブルを作成することができる。第2の実施例としては、これらの高分解能変位テーブルを利用して、第1の実施例と同様の方法で試料表面情報を高分解能で走査測定する。
【0047】
また、上述した第2の実施例では、単純な1次近似による補間を行っているが、より狭範囲走査となって補間する点数が多くなる場合に於いては、前後の複数の変位検出点から、2次近似、3次近似やその他の手法による近似によって、実際のヒステリシス曲線に沿った高分解能変位情報テーブルを作成することが可能である。
【0048】
更に、走査範囲が狭くなったときに補間法等によってテーブルを作成することにより、狭い走査範囲でもセンサの精度より高い分解能を得て走査測定することができる。
【0049】
次に、この発明の第3の実施例を説明する。
上述した第1及び第2の実施例では、予備走査段階で変位情報テーブルを1回作成した後、測定走査段階では変位情報テーブルを更新せずに試料表面情報を測定していた。以下に述べる第3の実施例では、X及びY変位情報テーブルを2ライン分ずつ用意し、測定走査段階の各X走査ラインに於いて、X変位情報テーブルを利用して試料表面情報を測定すると同時に、次Xライン走査測定に利用する次X変位情報テーブルを作成する。
【0050】
また、X走査が次の走査ラインに移行する際、Y変位情報テーブルを利用してY走査すると同時に、次Yライン走査(すなわち、次フレーム測定走査)に利用する次Y変位情報テーブルを作成する。つまり、測定走査段階で、X変位情報テーブルは毎ライン毎に更新し、Y変位情報テーブルは毎フレームごとに更新しながら、試料表面情報の測定を行う。
【0051】
以下、図10のフローチャートを参照して、試料表面情報を測定しながら次Xライン測定走査のための次X変位情報テーブル作成を行うテーブル作成同時測定走査シーケンスの動作を説明する。
【0052】
試料29の測定走査は、X変位情報テーブルを作成するためのX予備走査が終了し、圧電体37の2次元走査が第1走査ライン先頭点(図2の走査原点)にある状態で開始される。
【0053】
先ず、Xテーブルポインタ及び次Xテ−ブルポインタに“0”が初期設定される(ステップS41、S42)。続いて、X目標レジスタには、最初の測定点のX走査位置に相当するX変位値Δx0が設定される(ステップS43)。次いで、Y走査データD3がインクリメントされて、X走査D/A変換器25から出力されるX走査信号S3の電圧が上昇される(ステップS44)。その後、試料表面情報検出処理(ステップS45〜S48)に移行する。
【0054】
試料表面情報検出処理では、X変位情報テーブルからXテーブルポインタに指示されたX変位情報(X印加電圧データVx)が読み出されて(ステップS45)、X走査データD3と比較される(ステップS46)。ここで、X走査データD3がX変位情報(X印加電圧データVx)に達していない場合は、テーブル作成処理(ステップS49〜S52)に移行する。
【0055】
一方、上記ステップS46にて、X走査データD3がX変位情報に達している場合は、試料表面情報(この場合は、Z凹凸データD2)が検出されて、ホストコンピュータ21へ転送されて画像化される(ステップS47)。そして、Xテーブルポインタがインクリメントされた後(ステップS48)、テーブル作成処理(ステップS49〜S52)に移行する。
【0056】
テーブル作成処理では、X変位信号がA/D変換されて得られたX変位データD5と、X目標レジスタのX変位値Δx0とが比較される(ステップS50、S51)。そして、X変位データD5がX変位値Δx0に達していない場合は、往路走査終了比較処理(ステップS54、S55)に移行する。一方、達している場合は、次走査ラインの測定点に達したことになるので、X走査データD3データ(すなわち、X印加電圧データVx0)が次X変位情報テーブルの次のテーブルポインタの指示するアドレス(この場合は先頭)に格納される(ステップS51)。
【0057】
次に、Xテーブルポインタがインクリメントされ(ステップS52)、X目標レジスタに次の測定点のX走査位置に相当するX変位値Δx0が設定される(ステップS53)。その後、往路走査終了処理(ステップS54〜S58)に移行する。
【0058】
往路走査終了処理(ステップS54〜S58)では、Xテーブルポインタ、次Xテーブルポインタが、両方とも256以上か否かが比較される(ステップS54、S55)。何れも256以上にならない場合は、X走査データD3がインクリメントされて、X走査D/A変換器25から出力されるX走査信号S3の電圧が上昇されて(ステップS44)、試料表面情報処理(ステップS45〜S48)、テーブル作成処理(ステップS49〜S53)が繰返される。
【0059】
これに対し、両方とも256以上になった場合は、次X変位テーブルに格納されたVxデータ群がX変位テーブルに転送格納される(ステップS56)。その後、Xテーブルポインタに“0”が設定され(ステップS57)、X目標レジスタに、次ラインの最初の測定点のX走査位置に相当するX変位値Δx0が設定される(ステップS58)。
【0060】
そして、続く復路走査処理(ステップS59〜S62)では、X走査データD3がX変位情報テーブル先頭値のVx0未満(ステップS60、S61)、且つX変位信号がA/D変換されて得られたX変位データD5が、X目標レジスタのX変位値Δx0未満になるまで(ステップS62、S63)、X走査データD3がデクリメントされて、X走査D/A変換器25から出力されるX走査信号S3の電圧を下げていく(ステップS59)。つまり、次ライン走査測定開始点に達するまでX走査して、1ライン測定走査が終了する。
【0061】
このように、第3の実施例では、X方向の1ライン測定走査時に、X変位情報テーブル作成と試料表面情報(Z凹凸)の測定を同時に行う処理を詳細に説明したが、X走査が次の走査ラインに移行する際、Y変位情報テーブルを利用してY走査すると同時に、次Yライン走査(すなわち、次フレーム測定走査)に利用する次Y変位情報テーブルを作成することも、上記シーケンスを変形して容易に達成できる。
【0062】
つまり、測定走査段階で、X変位情報テーブルはライン毎に更新し、Y変位情報テーブルはフレーム毎に更新しながら、試料表面情報の測定を行うことが可能となる。したがって、よりリアルタイムの試料表面情報の測定を行うことができる。
【0063】
尚、この発明の上述した実施例に於いては、AFMとして試料表面形状の測定を行っているが、STM、ncーAFM、MFM等の他の走査型プローブ顕微鏡全般にこの発明を用いることができることは言うまでもない。
【0064】
また、上述した実施例に於いて、マイクロコンピュータをDSP等の制御ICに置換えることや、マイクロコンピュータで行っている一致検出、大小比較、インクリメント、デクリメント等の処理を、ロジックICに置換えてハードウエア的に行うことも可能であることは勿論である。
【0065】
更に、実施例に於いては、圧電体の変位センサとして光学式センサを用いたが、静電容量センサ、レーザ測長センサ等の他のセンサに置換えることも可能である。加えて、それらの出力信号がアナログ信号に限らず、デジタル信号であっても、A/Dに変わるロジックICに置換えることが可能であることは言うまでもない。
【0066】
また、変位情報テーブルに格納する変位情報として、圧電印加電圧データVx、Vyを用いたが、マイクロコンピュータに内蔵されているタイマや他のタイマICを用いて、走査時間Tx,Tyを変位情報テーブルに格納する変位情報とすることも可能である。更には、他の物理情報を変位情報として用いることも可能である。
【0067】
加えて、上述した実施例に於いては、往路走査時に、変位情報テーブル作成や試料表面情報測定を行っていたが、復路走査時で変位情報テーブル作成や試料表面情報測定を行うことや、往路走査、復路走査時両方で変位情報テーブル作成や試料表面情報測定を行うことが可能であるのは勿論である。
【0068】
尚、この発明の上記実施態様によれば、以下の如き構成が得られる。
(1) プローブ若しくは試料を走査させる圧電体と、
この圧電体をXYZ方向の少なくとも一方向に変形させる駆動手段と、
上記圧電体のXYZ方向の少なくとも一方向の変位を検出する変位検出手段と、
試料表面情報を測定すべき点の圧電体の測定点変位情報を格納する情報テーブルと、
上記試料表面情報を測定する前の予備走査時に、上記情報テーブルに上記試料表面情報の測定点変位情報を予め格納させるテーブル作成手段と、
上記試料表面情報を測定する測定走査時に、上記情報テーブルに格納された測定点変位情報に基いた測定点に於いて該試料表面情報を測定する測定手段と
を具備することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【0069】
(2) 上記テーブル作成手段は、上記変位検出手段による変位検出値が上記試料表面情報を測定すべき点に達した時点の圧電体印加電圧若しくは走査時間を測定点変位情報として上記格納手段に格納させることを特徴とする上記(1)に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【0070】
(3) 上記テーブル作成手段は、上記変位検出手段による変位検出値が上記試料表面情報を測定すべき点に達した時点の圧電体印加電圧若しくは走査時間を測定点変位情報として上記情報テーブルに格納させる際、上記測定点変位情報を補間して変位検出分解能を上回る情報テーブルを作成することを特徴とする上記(1)及び(2)に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【0071】
(4) プローブ若しくは試料を走査させる圧電体と、
この圧電体をXYZ方向の少なくとも一方向に変形させる駆動手段と、
上記圧電体のXYZ方向の少なくとも一方向の変位を検出する変位検出手段と、
試料表面情報を測定すべき点の圧電体の測定点変位情報を格納する情報テーブルと、
1ライン走査時に上記情報テーブルの測定点変位情報に基いた測定点に於いて上記試料表面情報を測定しながら、次ライン測定走査のためのテーブル作成を行うテーブル作成同時測定走査手段と
を具備することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【0072】
(5) 上記テーブル作成同時測定走査手段は、上記変位検出手段による変位検出値が上記試料表面情報を測定すべき点に達した時点の圧電体印加電圧若しくは走査時間を測定点変位情報として上記格納手段に格納させることを特徴とする上記(4)に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【0073】
(6) 上記テーブル作成同時測定走査手段は、上記変位検出手段による変位検出値が上記試料表面情報を測定すべき点に達した時点の圧電体印加電圧若しくは走査時間を測定点変位情報として上記情報テーブルに格納させる際、上記測定点変位情報を補間して変位検出分解能を上回る情報テーブルを作成することを特徴とする上記(4)及び(5)に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【0074】
上記(1)の構成によれば、予備走査を行って試料表面情報を測定する点数より高分解能に圧電体を電圧駆動しながら、変位検出手段から変位を検出し続け、検出されている変位が、予め設定されている測定点の変位に達したか否かを検出し、変位が測定点に達した点毎に、圧電体印加電圧若しくは走査時間を測定点変位情報として情報テーブルに格納し、予備走査終了後、測定走査を行って、圧電体印加電圧若しくは走査時間が、情報テーブルに格納された測定点変位情報に達した点で試料表面情報を測定し、画像化していく。したがって、走査速度を遅くすることなく、直線性の高い画像が得られる。
【0075】
上記(2)及び(3)の構成によれば、上記情報テーブルを作成する際、圧電体印加電圧若しくは走査時間等の測定点変位情報を補間してテーブルを作成することによって、変位検出手段の変位分解能を上回る分解能で試料表面情報を測定することが可能となり、走査速度を遅くすることなく、高分解能で且つ直線性の高い画像が得られる。
【0076】
上記(4)の構成によれば、各ライン測定走査時に、情報テーブルに格納された測定点変位情報に基いて試料表面情報を測定しながら、予備走査時に行った情報テーブル作成を次ライン測定走査のために作成することで、走査速度を遅くすることなく、よりドリフトの少ない高分解能で且つ直線性の高い画像が得られる。 また、上記(5)及び(6)の構成によれば、上記情報テーブルを作成する際、圧電体印加電圧若しくは走査時間等の測定点変位情報を補間してテーブルを作成することによって、変位検出手段の変位分解能を上回る分解能で試料表面情報を測定することが可能となり、走査速度を遅くすることなく、高分解能で且つ直線性の高い画像が得られる。
【0077】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、圧電体の変位と電圧ヒステリシス特性の影響を受けず、走査速度を低下させることなく、高分解能で且つ直線性の高い高精度な試料表面情報測定が可能な走査型プローブ顕微鏡を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明による走査型プローブ顕微鏡の構成を示したブロック図である。
【図2】この発明の走査型プローブ顕微鏡に於いて、変位情報テーブル作成のための予備走査、試料表面の測定走査時の試料とカンチレバー先端の位置関係を示した図である。
【図3】この発明の走査型プローブ顕微鏡に於いて、X予備走査時の測定点X変位に於ける圧電体印加電圧を変位情報とした変位情報テーブルを作成する動作を説明するフローチャートである。
【図4】X予備走査時の変位情報テーブル作成タイミングチャートであり、(a)はX走査D/A変換タイミングを示した図、(b)はX変位A/D変換タイミングを示した図、(c)はX走査信号を示した図、(d)はX変位信号を示した図、(e)はX変位テーブル格納タイミングを示した図である。
【図5】(a)はX変位情報テーブルを示した図、(b)はY変位情報テーブルを示した図である。
【図6】X変位情報テーブルを利用した試料表面上の1ライン測定走査の動作を説明するフローチャートである。
【図7】試料表面情報の1ライン測定走査を256ライン分繰返す1フレーム測定走査のタイミングチャートであり、(a)はX走XD/A変換タイミングを示した図、(b)はX走査信号を示した図、(c)はY変位信号を示した図、(d)はX変位テーブルに基く凹凸サンプリングタイミングを示した図、(e)はY走査D/A変換タイミングを示した図、(f)はY走査信号を示した図、(g)はY変位信号を示した図、(h)はY変位テーブルに基く次Xライン走査開始タイミングを示した図である。
【図8】(a)及び(b)は、狭走査範囲のX方向予備走査に於いて、1走査ライン上の試料表面情報の測定点数256点に対して、X変位センサでは最も高分解能の変位検出で128点しか検出できない場合のX走査信号、X変位信号の様子を示した図、(c)は同図(a)のX走査信号のVx0付近を拡大した図、(d)は同図(b)のX変位信号のΔx0付近を拡大した図である。
【図9】第2の実施例に従って作成される高分解能変位情報テーブルを示したもので、(a)は高分解能X変位情報テーブル、(b)は高分解能Y変位情報テーブルを示した図である。
【図10】この発明の第3実施例に従った、試料表面情報を測定しながら次Xライン測定走査のための次X変位情報テーブル作成を行うテーブル作成同時測定走査シーケンスの動作を説明するフローチャートである。
【図11】従来の走査型プローブ顕微鏡の一例の概略構成を示したブロック図である。
【図12】図11の変位センサ及び圧電体並びに試料台の関係を示す斜視図である。
【図13】図11の圧電体の印加電圧と変位のヒステリシス特性を示した図である。
【符号の説明】
21…ホストコンピュータ、22…タイマ、23…マイクロコンピュータ、24…Z制御部、25…X走査D/A変換器、26…Y走査D/A変換器、27…XYZ駆動用円筒型圧電体、28…試料台、29…試料、30…探針変位検出部、31…カンチレバー(探針)、32…鏡体、33…X変位センサ、34…Y変位センサ、37…X変位情報テーブル、38…Y変位情報テーブル。
Claims (4)
- プローブ若しくは試料を走査させる圧電体と、
この圧電体をXYZ方向の少なくとも一方向に変形させる駆動手段と、
上記圧電体のXYZ方向の少なくとも一方向の変位を検出する変位検出手段と、
試料表面情報を測定すべき点の圧電体の測定点変位情報を格納する情報格納手段と、
上記情報格納手段に、上記試料表面情報を測定する前に予備走査を行い、上記変位検出手段による変位検出値が上記試料表面情報を測定すべき点に達した時点の圧電体の印加電圧若しくは走査時間を測定点変位情報として予め格納させるテーブル作成手段と、
上記試料表面情報を測定する測定走査時に、上記情報格納手段に格納された測定点変位情報に基いた測定点に於いて該試料表面情報を測定する測定手段と、
を具備することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。 - 上記テーブル作成手段は、上記変位検出手段による変位検出値が上記試料表面情報を測定すべき点に達した時点の圧電体印加電圧若しくは走査時間を測定点変位情報として上記情報格納手段に格納させる際、上記測定点変位情報を補間して変位検出分解能を上回る情報テーブルを構成することを特徴とする請求項1に記載の走査型プローブ顕微鏡。
- プローブ若しくは試料を走査させる圧電体と、
この圧電体をXYZ方向の少なくとも一方向に変形させる駆動手段と、
上記圧電体のXYZ方向の少なくとも一方向の変位を検出する変位検出手段と、
試料表面情報を測定すべき点の圧電体の測定点変位情報を格納する情報格納手段と、
1ライン走査時に上記変位検出手段による変位検出値が上記試料表面情報を測定すべき点に達した時点の圧電体の印加電圧若しくは走査時間である測定点変位情報に基いた測定点に於いて、上記試料表面情報を測定しながら、次ライン測定装置のためのテーブル作成を行うテーブル作成同時走査手段と、
を具備することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。 - 上記テーブル作成同時測定走査手段は、上記変位検出手段による変位検出値が上記試料表面情報を測定すべき点に達した時点の圧電体印加電圧若しくは走査時間を測定点変位情報として上記情報テーブルに格納させる際、上記測定点変位情報を補間して変位検出分解能を上回る情報テーブルを作成することを特徴とする請求項3に記載の走査型プローブ顕微鏡。
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