JP3671591B2 - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は走査型トンネル顕微鏡や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する。
【０００２】
【従来の技術】
走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）や原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）等の走査型プローブ顕微鏡においては、一般に、探針または試料をｘｙ方向（試料表面に沿う２次元方向）に走査するとともに、その走査中に、探針と試料間に作用するトンネル電流や原子間力等の特定の物理量を検出し、その検出値が設定値と一致するように探針または試料をｚ方向（探針と試料の接近／離隔方向）に駆動制御し、そのｚ方向への刻々の制御操作量を各走査位置における試料表面の画像データとして、ＣＲＴ等の表示器に表示する。
【０００３】
このような走査型プローブ顕微鏡により、反応の活性な表面や生体膜等の動画像を採取して、その構造の時間的変化を追跡することが行われている。現在、例えば１画面が２５６×２５６画素の分解能で、約１０ｎｍ平方の領域の走査を５画面／秒の走査速度でデータ採取して、十分なコントラストの画像が得られている。
【０００４】
また、このような動画像の採取以外の使用においても、走査型プローブ顕微鏡の走査速度を高める工夫が種々行われている。走査型プローブ顕微鏡における走査速度は、通常、トンネル電流や原子間力を一定に保つように動作するｚ方向への駆動を司るサーボ系の追従特性に応じて選択されるのであるが、分析試料の表面状態や、設定されている走査速度に応じて、適応的にサーボ系の定数を自動的に切り換えるようにしたものが知られている。すなわち、１画面の走査領域内において、凹凸の激しい領域が局在している場合があり、単に走査速度を高くしたのでは、凹凸の激しい領域においてｚ方向制御を司るサーボ系が追いつかず、トンネル電流や原子間力等の特定の物理量が設定値から偏差した状態で走査が行われ、測定精度が低下する。上記の対策では、このような凹凸の激しい領域において、サーボ系の定数を高応答側に自動的に切り換えることで、偏差を少なくしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
動画像の採取においては、変化の激しい構造を調べるために、上記した走査速度よりも更に高速走査をしたい要求が強い。
【０００７】
本発明は、ｚ方向への制御を司るサーボ制御系の定数を変更する方法を用いることなく、高い走査速度で高精度の画像を得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。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、その実施の形態を表す図２に示すように、試料Ｗの表面に沿うｘｙ方向に当該試料Ｗまたは探針２を走査するｘｙ方向走査系１０と、探針１と試料Ｗとが接近／離隔するｚ方向に探針２または試料Ｗを駆動するｚ方向駆動機構２１，２２およびそのサーボ制御系２０を備え、探針２と試料Ｗをｘｙ方向に相対的に走査しつつ、これらの間に作用する特定の物理量を検出して、その検出値が設定値に一致するようにｚ方向駆動機構２１を制御し、そのｚ方向駆動機構２１に与えた操作量から試料表面の画像データを得て表示器６に表示する走査型プローブ顕微鏡において、走査中に上記サーボ制御系２０における特定物理量の設定値と検出値との偏差を刻々と記憶する記憶手段８と、その記憶手段８に記憶の刻々の偏差に基づいて、上記画像データを補正する画像補正手段９を備えていることによって特徴づけられる。
【００１２】
本発明においては、走査中における物理量の設定値と検出値との偏差を逐次記憶しておき、ｚ方向駆動機構２１，２２の追従性の低下に起因する試料画像のｚ方向情報の精度低下分をその偏差の大小によって補正することで、比較的高い速度で走査しても高精度の画像を得ようとするものである。
【００１３】
すなわち、サーボ制御系２０からの操作量信号により動作するｚ方向駆動機構２１，２２の試料表面に対する追従性は、系の応答が一定である場合において、サーボ制御系２０における検出値と設定値との偏差の大きさに高い関連性がある。従って、走査中における刻々の偏差を記憶して、その偏差の大小に応じて画像データの各画素を補正することにより、高い走査速度のもとに得た画像データを高精度のデータに変換することができる。なお、偏差の大きさと補正量との関係は、例えば特定物理量の探針−試料間距離の依存性をあらかじめ調べておき、また、例えば走査速度を種々に変更して凹凸の異なる試料表面を実験的に測定する等によって、試料表面の状態に関連した系の特性を経験的に求めることにより、あらかじめ設定しておくことができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は走査型トンネル顕微鏡の実施の形態の構成図で、機械的構成を表す模式図と電気的構成を表すブロック図とを併記して示す図である。
【００１８】
試料Ｗを試料台１上に載せられ、それに対向して探針２が配置されている。試料台１は、圧電素子をアクチュエータとするｘｙ方向駆動部１１とｘｙ方向走査回路１２からなるｘｙ方向走査系１０により、探針２に対して、試料Ｗの表面に沿った２次元方向であるｘｙ方向に走査が与えられる。
【００１９】
探針２は、同じく圧電素子をアクチュエータとすｚ方向駆動部２１と、そのｚ方向駆動部２１を制御するための後述するサーボ制御系２０並びに予見操作量信号発生部７により、試料台１に対して接近／離隔する方向であるｚ方向に移動される。
【００２０】
探針２と試料Ｗとの間には、トンネル電圧電源３によって所定の電位差が与えられ、この電位差によって探針２と試料Ｗとの間に流れるトンネル電流は、トンネル電流増幅回路４によって増幅された後、サーボ制御系２０に対してトンネル電流検出値として取り込まれる。
【００２１】
サーボ制御系２０は、ｚ方向駆動部２１の圧電素子に対して駆動用の電圧信号を供給する圧電ドライバ２２と、その圧電ドライバ２２に対して加算点２３を通じて操作量信号を供給するコントローラ２４と、そのコントローラ２４に対してトンネル電流設定値を供給するためのトンネル電流設定器２５を主たる構成要素とし、コントローラ２４は、そのトンネル電流設定値とトンネル電流増幅回路４からのトンネル電流検出値との偏差εを入力し、その偏差εに応じた操作量信号を発生し、加算点２３を通じて圧電ドライバ２２に供給する。
【００２２】
圧電ドライバ２２に対して供給される操作量信号は、Ａ−Ｄ変換器（図示せず）でデジタル化された後に画像メモリ５に格納される。画像メモリ５には、同時に、ｘｙ方向走査系１０による試料台１のｘおよびｙ方向への刻々の走査データも供給されており、上記した操作量信号はｘｙ走査データと関連づけて画像メモリ５に格納され、従って、この画像メモリ５には、試料Ｗの各走査位置における探針２のｚ方向操作量データが格納されていくことになる。この画像メモリ５の内容は、ＣＲＴ６によって画像化されて試料ＷのＳＴＭ像となる。
【００２３】
さて、この実施の形態の特徴は、前記した加算点２３により、コントローラ２４からの操作量信号と予見操作量信号発生部７とが加算され、その加算後の信号が圧電ドライバ２２に対して操作量信号として供給される点である。
【００２４】
予見操作量信号発生部７は、画像メモリ５に格納されている前回の各走査位置における操作量信号、換言すれば前回の画像データを用いて、次回に供給すべき操作量を予見的に生成して出力する機能を有するもので、この例では、前回の走査時における刻々の操作量と同じ操作量が次の走査時において圧電ドライバ２２に供給されるように予見操作量信号が生成される。具体的には、画像メモリ５内に格納されている前回の操作量信号を読みだし、次の走査時におけるｘｙ走査信号をタイミング信号に用いて、同じｘｙ走査位置で同じｚ方向操作量が得られるように予見操作量信号が生成される。なお、この予見操作量信号の与え方は、ｚ方向のバイアスのドリフトが生じやすいため、変化量に対応した与え方を行うことが望ましい。
【００２５】
以上の本発明の実施の形態において、加算点２３で予見操作量信号発生部７からの予見操作量信号がコントローラ２４からの操作量信号に対して加算されるのは、試料Ｗの同じ領域を繰り返し測定して動画像を得る場合においてのみであり、以下、そのような動画像の採取時における動作について述べる。
【００２６】
試料Ｗの同じ領域を繰り返し測定する場合、試料Ｗの表面状態に全く変化がなく、かつ、何らの外乱が存在していない場合には、各走査位置において前回と同じ操作量が与えられるような予見走査量信号の供給により、トンネル電流設定器２５からの設定値とトンネル電流増幅回路４からの検出値が一致するが故に偏差εは生じず、また、前回と同じ画像データが得られるはずである。試料Ｗの表面状態が変化した場合、あるいは何らかの外乱が存在している場合には、上記のような予見走査量信号を供給することにより、表面状態の変化部分ないしは外乱の影響のある部分のみの走査中に偏差εが発生する。
【００２７】
さて、試料Ｗの同領域の繰り返し測定に際して、１回目の測定においては画像メモリ５にデータが格納されていないから、圧電ドライバ２２にはサーボ制御系２０のコントローラ２４からの操作量信号が供給され、従来の走査型トンネル顕微鏡と全く同様の測定が行われる。２回目以降の測定に際しては、画像メモリ５に格納されている前回の操作量と同等の操作量が各走査位置において加算点２３に供給される。試料Ｗの表面状態が前回の状態から変化している場合には、外乱による影響を除いた場合、探針２がその変化部分を走査中においてのみ偏差εが生じ、圧電ドライバ２２に供給される操作量信号が前回のものに対して変化し、画像データが変化するが、それ以外の領域の走査中には偏差εが生じない。従って、加算点２３および予見操作量信号発生部７のない通常のサーボ制御系２０を用いる場合のように、一定のトンネル電流設定値に対するトンネル電流検出値との偏差εが生じたときにこれを打ち消すように動作する場合に比して、この実施の形態において現れる偏差εの量が小さくなる確率が高く、探針２の試料Ｗの表面に対する追従性は、走査速度を同じとした場合にはより良好なものとなり、同等の追従性でいい場合には走査速度をより高速化することが可能となる。
【００２８】
ここで、予見走査量信号の生成の仕方は、以上のように同じ走査位置において前回の操作量と同じ操作量が得られるようにするほか、前回の操作量に対して、前回走査時における刻々の偏差量や、探針の動特性を加味した操作量を与える方法、あるいは、過去何回かの操作量の平均値が得られるようにする等の変形が可能である。
【００２９】
また、上記のようにして得られた同じ領域での時系列画像を、同一画素間で差分演算を行うことによって得た差分像を表示する機能を付加すれば、測定領域中における試料表面の変化領域の認識が容易化される。また、このような差分画像を表示する画面上で、操作者が指定した任意の領域に走査領域を変更できる機能を設けることは、動画像の採取による試料の分析作業の容易化を図るうえで極めて有効である。
【００３０】
次に、本発明の実施の形態について述べる。図２はその発明を走査型トンネル顕微鏡に適用した構成図であり、機械的構成を表す模式図と電気的構成を表すブロック図とを併記して示している。
【００３１】
この図２においては、図１に示したものと同等の機能を有する部材については同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
この実施の形態の特徴は、探針２のｚ方向への駆動を司るサーボ制御系２０のトンネル電流設定値とトンネル電流検出値との偏差εが、コントローラ２４に供給されると同時に、偏差メモリ８に刻々と格納されるとともに、その偏差メモリ８の内容を用いて、画像メモリ５の各画素データが画像補正部９によって補正されたうえでＣＲＴ６に表示される点である。
【００３２】
サーボ制御系２０の定数が一定である場合、走査中における刻々の偏差εの大きさは、試料Ｗの表面の凹凸に対する探針２のｚ方向への追従性に強い関連性があり、偏差εが大きければ大きいほど追従性は悪くなる。そこで、この偏差εと追従性との関係をあらかじめ実験的に調べ、また、トンネル電流の探針２−試料Ｗ間の距離依存性を調べておき、あるいは、同じサンプルを走査速度を十分に遅くして偏差εが０またはその近傍を維持するようにして得た画像データを基準として、その同じ領域をより高速の走査速度のもとに走査したときの偏差εの大きさと画像データから、偏差εの量と画像の補正量との関係を表す補正係数を求めておけば、その補正係数と刻々の偏差εを用いて画像データを補正することができる。
【００３３】
すなわち、偏差メモリ８には、刻々の偏差εがｘｙ方向走査信号と合わせて格納され、従ってこの偏差メモリ８には、画像メモリ５に格納されている各画素データに対応してそれぞれの画素データを得たときの偏差εが格納される。この各画素ごとの偏差εと、あらかじめ求めておいた補正係数を用いることにより、比較的高速の走査速度のもとに得た画素データを、実質的に偏差εが０またはその近傍を維持できるような走査速度のもとに得られるであろう画素データに補正することができ、高い走査速度で高精度のＳＴＭ像が得られる。
【００３４】
以上の実施の形態において、偏差メモリ８に記憶した刻々の偏差εを画像とともに表示する機能を設けても、画像の信頼性を表す目安となり得る。
次に、他の実施の形態について述べる。図３はその機械的構成を表す模式図と電気的構成を表すブロック図とを併記して示す構成図であり、この図３においても、図１，図２に示したものと同等の機能を有する部材については、同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００３５】
この実施の形態の特徴は、探針２のｚ方向への駆動を司るサーボ制御系２０のトンネル電流設定値とトンネル電流検出値との偏差εが、あらかじめ設定されている所定範囲内に収まっているか否かを判別する偏差量判別部１０１を設けるとともに、その偏差量判別部１０１により偏差εが所定範囲内に収まっていると判断されたときにのみ、ｘｙ方向走査系１００が次画素へのステップ走査を行うようにした点に特徴がある。
【００３６】
すなわち、図４にこの実施の形態の走査時における動作を表すフローチャートを示すように、偏差量判別部１０１は所定の微小インターバルごとに刻々と偏差εを取り込み、その偏差εの値が所定範囲内に収まっているか否かを判別する。ｘｙ方向走査系１００のｘｙ方向走査回路１２０は、偏差εが所定範囲内に収まっているときに限ってｘｙ方向駆動部１１に対してｘ方向への走査指令を継続的に出力するが、偏差εが所定範囲内に収まっていない状態では、走査指令を与えずに停止させたまま上記インターバルで偏差εを取り込み、偏差εが所定範囲内に収まるまで時間待ちをする。
【００３７】
従って、この例におけるｘｙ方向走査回路１２０からｘｙ方向駆動部１１に対して供給される走査用の電圧信号は、図５（Ａ）に例示するように、試料Ｗの表面状態等に応じて適宜にステップ走査の有無が繰り返され、この種の装置における通常の走査用の電圧信号が同図（Ｂ）に示されるように定常的に変化していくのと相違したものとなる。
【００３８】
この実施の形態によれば、ｘｙ方向走査系１００は、実質的に、偏差εが所定範囲内に収まっていることを確認したうえで、次画素へのステップ走査を行うことになり、換言すれば偏差εが所定範囲内に収まっていることを保証したうえで走査を行うことになり、画像メモリ５には高精度の画像データが蓄積されていくことになる。従って、当初の走査速度を比較的高速度に設定していても、試料Ｗの表面状態に適応して走査速度が自動的に変化しつつ、高精度のＳＴＭ像が得られる。
【００３９】
なお、以上の各実施の形態においては、各発明を走査型トンネル顕微鏡に適用した例を示したが、原子間力顕微鏡等、探針と試料との相互作用により得られる他の物理量を検出する走査型プローブ顕微鏡に対しても、各発明を等しく適用し得ることは勿論である。
【００４１】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、ｚ方向への制御を司るサーボ制御系における特定物理量の設定値と検出値との偏差を刻々と記憶し、その記憶内容を用いて各走査位置における画像データを補正するから、偏差量が大きくなるような高速の走査速度に設定しても高精度の画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 走査型プローブ顕微鏡の実施の形態の構成図で、機械的構成を表す模式図と電気的構成を表すブロック図とを併記して示す図
【図２】 本発明の実施の形態の構成図で、機械的構成を表す模式図と電気的構成を表すブロック図とを併記して示す図
【図３】 走査型プローブ顕微鏡の実施の形態の構成図で、機械的構成を表す模式図と電気的構成を表すブロック図とを併記して示す図
【図４】 図３の実施の形態の動作を示すフローチャート
【図５】 図３の実施の形態のｘｙ方向走査回路１２０から出力される走査用電圧信号波形の例の説明図
【符号の説明】
１ 試料台
１０ ｘｙ方向走査系
１１ ｘｙ方向駆動部
１２，１２０ ｘｙ方向走査回路
２ 探針
２０ サーボ制御系
２１ ｚ方向駆動部
２２ 圧電ドライバ
２３ 加算点
２４ コントローラ
２５ トンネル電流設定器
３ トンネル電圧電源
４ トンネル電流増幅回路
５ 画像メモリ
６ ＣＲＴ
７ 予見操作量信号発生部
８ 偏差メモリ
９ 画像補正部
１０１ 偏差量判別部
Ｗ 試料

Claims (1)

1. 試料の表面に沿うｘｙ方向に当該試料または探針を走査するｘｙ方向走査系と、探針と試料とが接近／離隔するｚ方向に探針または試料を駆動するｚ方向駆動機構およびそのサーボ制御系を備え、探針と試料をｘｙ方向に相対的に走査しつつ、これらの間に作用する特定の物理量を検出して、その検出値が設定値に一致するようにｚ方向駆動機構を制御し、そのｚ方向駆動機構に与えた操作量から試料表面の画像データを得て表示器に表示する走査型プローブ顕微鏡において、走査中に上記サーボ制御系における特定物理量の設定値と検出値との偏差を刻々と記憶する記憶手段と、その記憶手段に記憶の刻々の偏差に基づいて、上記画像データを補正する画像補正手段を備えていることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。

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