JP4050873B2 - 探針走査制御方法および走査形プローブ顕微鏡 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、走査形トンネル顕微鏡や原子間力顕微鏡などの探針走査制御方法および走査形プローブ顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
走査形トンネル顕微鏡（STM:Scanning Tunneling Microscope）や原子間力顕微鏡（AFM:Atomic Force Microscope）などの走査形プローブ顕微鏡（SPM:Scanning Probe Microscope）は、探針を試料上で２次元的に走査させて試料像を得るものであり、試料上の非常に微小な領域を観察する顕微鏡である。
【０００３】
このような微小領域を観察する走査形プローブ顕微鏡では、試料ドリフトが、試料の同視野の連続観察において大きな問題となる。すなわち、試料の同視野の連続観察を行うために、探針を試料上で同じように複数回フレーム走査させても、試料側がドリフトすると、観察視野がそのドリフトに応じて変化してしまう。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、これまで、このような試料ドリフトを抑える試料ステージなどの改良が行われてきたが、現在においても、上述した同視野の連続観察における問題は解決されていない。
【０００５】
本発明はこのような点に鑑みて成されたもので、その目的は、試料の同視野の連続観察を良好に行うことができる探針走査制御方法および走査形プローブ顕微鏡を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成する本発明の探針走査制御方法は、探針を試料上で走査させて試料像を得る走査形プローブ顕微鏡において、探針を試料上で複数回フレーム走査させて、複数枚の試料像の画像データを取得し、その画像データに基づく複数枚の試料像を表示手段画面上に表示させ、その表示手段画面上に表示される各試料像に対して同一の目標位置をそれぞれ指定し、その指定された目標位置に対応する試料位置での探針の走査時刻を、前記各試料像についてそれぞれ求めると共に、前記各試料像中における前記目標位置の位置に基づき、前記目標位置に対応する試料位置の移動距離および移動方向を求め、前記求めた探針の各走査時刻、前記求めた試料位置の移動距離および移動方向に基づき、試料側のドリフト量を求め、その求めたドリフト量に基づき、探針の試料上での１フレーム走査毎に、探針の試料上での走査開始位置を補正するようにした。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。
【０００８】
図１は、本発明の走査形プローブ顕微鏡の一例を示したものであり、本発明が適用された走査形トンネル顕微鏡を示したものである。
【０００９】
まず、図１の装置構成について説明する。
【００１０】
図１において１はチャンバであり、その内部の試料室２は、図示していない排気装置により排気されている。
【００１１】
この試料室２には試料ステージ３が配置されており、ｘ，ｙおよびｚ方向に移動可能な試料ステージ３は、たとえば特公昭６１−３０３７５号公報や特公昭６１−３０３７６号公報に記載されているような構成となっていて、試料ドリフトを抑えるように構成されている。そして、試料４が試料ステージ３上にセットされている。
【００１２】
また、図１に示すように、探針５が前記試料４に対向かつ接近して配置されていて、探針５は、圧電体で出来たスキャナ６に取り付けられている。このスキャナ６は、ｘｙ方向に移動可能なｘｙスキャナ７と、ｚ方向に移動可能なｚスキャナ８で構成されていて、スキャナ６はチャンバ側の取付部９に取り付けられている。
【００１３】
また、図１において１０は制御手段であり、制御手段１０は、メモリ１１と、探針走査時刻算出手段１２と、移動距離算出手段１３と、ドリフト検出手段１４を備えている。
【００１４】
さらに制御手段１０は、キーボードやマウスなどの指定手段１５と、表示手段１６と、前記ｘｙスキャナ７を駆動制御するｘｙスキャナコントローラ１７と、前記ｚスキャナ８を駆動制御するｚスキャナコントローラ１８と、探針５と試料４間に流れるトンネル電流を検出するトンネル電流検出手段１９に接続されている。なお、図１には示されていないが、探針５と試料４間には所定のバイアス電圧が印加されている。
【００１５】
以上、図１の装置構成について説明したが、以下に動作説明を行う。
【００１６】
まずオペレータは、試料観察に先立って試料ドリフトの測定を行うために、試料ドリフトの測定を開始させるための入力を指定手段１５により行う。すると、ドリフト測定の指示信号が指定手段１５から制御手段１０に送られる。
【００１７】
そして、ドリフト測定の指示信号を受けた制御手段１０は、試料４の凹凸像をまず１枚得るために、探針５を試料４上で１フレーム走査させるための走査信号（ｘｉ，ｙｊ）（i＝1，2，…，m、j＝1，2，…，n）をｘｙスキャナコントローラ１７に送る。このｘｙスキャナコントローラ１７は、制御手段１０からの前記走査信号（ｘｉ，ｙｊ）に基づいてｘｙスキャナ７をｘｙ方向に駆動させるので、探針５は試料４上を２次元的にｘｙ走査する。
【００１８】
この探針のｘｙ走査時、探針５と試料４間に流れるトンネル電流はトンネル電流検出手段１９で検出されており、その検出信号は制御手段１０に送られる。そして制御手段１０は、前記検出信号に基づき、前記トンネル電流を一定に保つための探針高さ制御信号ｚｉｊ１（i＝1，2，…，m、j＝1，2，…，n）をｚスキャナコントローラ１８に送る。このｚスキャナコントローラ１８は、制御手段１０からの探針高さ制御信号ｚｉｊ１に基づいてｚスキャナ８をｚ方向に駆動させるので、探針のｘｙ走査時において、探針５と試料４間の距離は常に一定に保たれる。
【００１９】
このようにして探針の試料上での１フレーム走査が行われ、制御手段１０は、試料４の凹凸を表す上述した探針高さ制御信号ｚｉｊ１を探針５の各走査位置（ｘｉ，ｙｊ）に対応させて、画像データ（ｘｉ，ｙｊ，ｚｉｊ１）として前記メモリ１１に記憶する。こうして、１枚目の試料凹凸像Ｉ１の画像データがメモリ１１に記憶されるが、このときに制御手段１０は、その試料凹凸像Ｉ１の画像データに対して、像取得開始時刻Ｔ０１，探針５の試料上での走査範囲Ｓ１，探針５の走査スピードυ１および探針５の走査点数Ｐ１を付加情報としてメモリ１１に記憶する。ここで、これらの付加情報について図２を用いて説明する。
【００２０】
図２は、上述した試料凹凸像Ｉ１の画像データを取得したときの、探針５の試料４上でのｘｙ走査の様子を示したものであり、探針５は図２に示す矢印に沿って試料４上をｘｙ走査する。すなわち、探針５は、座標（ｘ０，ｙ０，ｚ０）を走査原点とするｘｙ走査位置（ｘ１，ｙ１）を走査開始位置として、ｘｙ走査位置（ｘ２，ｙ１），…，（ｘｍ，ｙ１），（ｘｍ，ｙ２），（ｘｍ−１，ｙ２），…，（ｘ１，ｙ２），…，（ｘｉ，ｙｊ），…，（ｘ１，ｙｎ），…，（ｘｍ，ｙｎ）の順に走査位置を変える。
【００２１】
このとき、上述した像取得開始時刻Ｔ０１とは、探針５が前記ｘｙ走査位置（ｘ１，ｙ１）を走査開始したときの時刻であり、内部に時計を備えた前記制御手段１０は、その時刻Ｔ０１を測定してメモリ１１に記憶する。
【００２２】
また、前記走査範囲Ｓ１とは、図２に示す探針のｘ方向の走査幅Ｓｘと探針のｙ方向の走査幅Ｓｙであり、前記制御手段１０は、その走査範囲Ｓ１（Ｓｘ×Ｓｙ）をメモリ１１に記憶する。
【００２３】
また、探針の走査スピードυ１とは、探針のｘｙ走査時の速度であり、探針は試料上を一定速度υ１でｘｙ走査する。
【００２４】
そして、探針の走査点数Ｐ１とは、デジタル走査信号によってステップ状にｘｙ走査される探針の走査点の数であり、その走査点数は図２に示すように（ｍ×ｎ）である。
【００２５】
以上、前記試料凹凸像Ｉ１の画像データの付加情報Ｔ０１，Ｓ１，υ１，Ｐ１について説明したが、このうちの付加情報Ｓ１，υ１，Ｐ１は、ドリフト測定前にオペレータによって制御手段１０側に入力されている。そして制御手段１０は、その入力された情報に基づいて前記走査信号（ｘｉ，ｙｊ）を作成してｘｙスキャナコントローラ１７に供給している。
【００２６】
さて、１枚目の試料凹凸像Ｉ１の画像データ（ｘｉ，ｙｊ，ｚｉｊ１）が得られると、制御手段１０は、２枚目の試料凹凸像Ｉ２の画像データを得るために、探針５を試料４上で１フレーム走査させるための走査信号（ｘｉ，ｙｊ）（i＝1，2，…，m、j＝1，2，…，n）をｘｙスキャナコントローラ１７に送る。このときに制御手段１０からｘｙスキャナコントローラ１７に送られる走査信号（ｘｉ，ｙｊ）は、試料凹凸像Ｉ１の画像データを得たときの走査信号（ｘｉ，ｙｊ）とまったく同じ信号であるので、ｘｙスキャナコントローラ１７によるｘｙスキャナ７の駆動によって、探針５は試料凹凸像Ｉ１の画像データを得た時と同様に試料４上を２次元的にｘｙ走査する。
【００２７】
このときの探針のｘｙ走査時においても、制御手段１０は、試料凹凸像Ｉ１の画像データを取得した時と同様、前記トンネル電流検出手段１９からの検出信号に基づき、前記トンネル電流を一定に保つための探針高さ制御信号ｚｉｊ２（i＝1，2，…，m、j＝1，2，…，n）をｚスキャナコントローラ１８に送る。このため、ｚスキャナコントローラ１８によるｚスキャナ８の駆動によって、探針のｘｙ走査時において、探針５と試料４間の距離は常に一定に保たれる。
【００２８】
このようにして探針の試料上での１フレーム走査が行われ、制御手段１０は、試料凹凸像Ｉ１の画像データ取得時と同様、得られた２枚目の試料凹凸像Ｉ２の画像データ（ｘｉ，ｙｊ，ｚｉｊ２）をメモリ１１に記憶する。このとき、制御手段１０は、得られた試料凹凸像Ｉ２の画像データに対して前記付加情報をメモリ１１に記憶する。すなわち、制御手段１０は、試料凹凸像Ｉ２の画像データに対して、像取得開始時刻Ｔ０２，探針５の試料上での走査範囲Ｓ２，探針５の走査スピードυ２および探針５の走査点数Ｐ２を付加情報としてメモリ１１に記憶する。この場合、Ｓ２＝Ｓ１、υ２＝υ１、Ｐ２＝Ｐ１である。
【００２９】
こうして２枚目の試料凹凸像Ｉ２の画像データが得られると、制御手段１０は、３枚目の試料凹凸像Ｉ３の画像データを得るために、探針５を試料４上で１フレーム走査させるための走査信号（ｘｉ，ｙｊ）をｘｙスキャナコントローラ１７に送る。このときに制御手段１０からｘｙスキャナコントローラ１７に送られる走査信号（ｘｉ，ｙｊ）は、試料凹凸像Ｉ１とＩ２の画像データを得たときの走査信号（ｘｉ，ｙｊ）と同じ信号なので、探針５は試料凹凸像Ｉ１とＩ２の画像データを取得したときと同様に試料４上をｘｙ走査する。
【００３０】
このときも制御手段１０は、探針５と試料４間の距離が常に一定に保たれるように探針高さを制御する。
【００３１】
そして制御手段１０は、得られた試料凹凸像Ｉ３の画像データ（ｘｉ，ｙｊ，ｚｉｊ３）をメモリ１１に記憶する。このとき制御手段１０は、試料凹凸像Ｉ３の画像データに対して、像取得開始時刻Ｔ０３，探針５の試料上での走査範囲Ｓ３，探針５の走査スピードυ３および探針５の走査点数Ｐ３を付加情報としてメモリ１１に記憶する。この場合、Ｓ３＝Ｓ２＝Ｓ１、υ３＝υ２＝υ１、Ｐ３＝Ｐ２＝Ｐ１である。
【００３２】
以上のようにして、３枚の試料凹凸像Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３の画像データが得られると、制御手段１０は、それらの画像データを順に読み出して表示手段１６に供給する。これらの画像データを受け取った表示手段１６は、図１に示すようにその表示画面Ａ上に、試料凹凸像Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３を同時に表示する。
【００３３】
さて、図１の表示画面Ａ上に表示された試料凹凸像Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３において、各試料凹凸像中における円形の像Ｉ０は、試料４上の同一対象物に関するものである。このため、試料ドリフトが発生していなければ、各試料凹凸像Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３中における前記像Ｉ０の位置は同じとなる。しかしながら、図１からもわかるように、各試料凹凸像Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３中における像Ｉ０の位置は異なっており、このことは試料ドリフトが発生していることを表している。
【００３４】
そこで次にオペレータは、表示画面Ａ上に表示されているカーソルＫを指定手段１５を操作して画面Ａ上で移動させ、各試料凹凸像Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３に対して、試料凹凸像中における同一の目標位置にカーソルＫを位置させてそれぞれ位置指定する。この場合にオペレータは、上述した像Ｉ０の中心位置を目標位置と決め、図１に示すように、試料凹凸像Ｉ１については像Ｉ０の中心位置Ｍ１にカーソルＫを位置させて位置指定を行い、また、試料凹凸像Ｉ２については像Ｉ０の中心位置Ｍ２にカーソルＫを位置させて位置指定を行い、そして、試料凹凸像Ｉ３については像Ｉ０の中心位置Ｍ３にカーソルＫを位置させて位置指定を行う。
【００３５】
なお、この位置指定については、たとえばキーボードの特定キーを押して位置指定を行ったり、マウスをクリックすることによって位置指定を行うようにすればよい。
【００３６】
このようにして、試料凹凸像Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３に対して、同一の目標位置Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３が指定されると、試料凹凸像Ｉ１中におけるＭ１の位置を表す位置指定信号（Ｍ１）と、試料凹凸像Ｉ２中におけるＭ２の位置を表す位置指定信号（Ｍ２）と、試料凹凸像Ｉ３中におけるＭ３の位置を表す位置指定信号（Ｍ３）が、表示手段１６から制御手段１０に送られる。そして、制御手段１０の探針走査時刻算出手段１２は、それらの位置指定信号に基づき、各試料凹凸像Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３について、前記目標位置Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３に対応する試料４上の点ＭＳでの探針走査時刻Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３をそれぞれ求める。ここで、この探針走査時刻Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３の求め方について説明する。
【００３７】
まず探針走査時刻算出手段１２は、試料凹凸像Ｉ１を取得したときに、前記目標位置Ｍ１に対応する試料位置ＭＳ上を探針５が走査した時刻Ｔ１を求めるために、前記位置指定信号（Ｍ１）に基づき、前記目標位置Ｍ１に対応する試料位置ＭＳでの探針５のｘｙ走査位置（ｘｉ，ｙｊ）Ｍ１を求める。この求められた探針のｘｙ走査位置（ｘｉ，ｙｊ）Ｍ１が、たとえば図２に示す（ｘ２，ｙｎ−１）のとき、探針走査時刻算出手段１２は、次式（１）に基づいて前記時刻Ｔ１を求める。
【００３８】
Ｔ１＝Ｔ０１＋Ｎ１×ｔ …（１）
この式（１）において、Ｔ０１は、試料凹凸像Ｉ１の付加情報としてメモリ１１に記憶された前記像取得開始時刻Ｔ０１である。
【００３９】
また、式（１）におけるＮ１は、前記ｘｙ走査位置（ｘ２，ｙｎ−１）における探針５の走査順番であり、この場合には、Ｎ１は図２に示すように４７番目である。探針走査時刻算出手段１２は、このときのＮ１を、前記ｘｙ走査位置（ｘ２，ｙｎ−１）と、試料凹凸像Ｉ１の付加情報としてメモリ１１に記憶された前記走査点数Ｐ１と、図２に矢印で示した探針の走査方向に基づいて求めている。
【００４０】
また、式（１）におけるｔは、探針５が１つの走査点にとどまる時間（ｓ）である。探針走査時刻算出手段１２は、この時間ｔ（ｓ）を、試料凹凸像Ｉ１の付加情報としてメモリ１１に記憶された前記走査範囲Ｓｘ、探針速度υ１、およびｘ方向の走査点数ｍから、ｔ（ｓ）＝Ｓｘ／（υ１×ｍ）により求めている。
【００４１】
こうして、探針走査時刻算出手段１２は前記時刻Ｔ１を求めると、次に探針走査時刻算出手段１２は、試料凹凸像Ｉ２を取得したときに、前記目標位置Ｍ２に対応する試料位置ＭＳ上を探針５が走査した時刻Ｔ２を求めるために、前記位置指定信号（Ｍ２）に基づき、前記目標位置Ｍ２に対応する試料位置ＭＳでの探針５のｘｙ走査位置（ｘｉ，ｙｊ）Ｍ２を求める。この求められた探針のｘｙ走査位置（ｘｉ，ｙｊ）Ｍ２が、たとえば図２に示す（ｘ３，ｙｎ−２）のとき、探針走査時刻算出手段１２は、次式（２）に基づいて前記時刻Ｔ２を求める。
【００４２】
Ｔ２＝Ｔ０２＋Ｎ２×ｔ …（２）
この式（２）において、Ｔ０２は、試料凹凸像Ｉ２の付加情報としてメモリ１１に記憶された前記像取得開始時刻Ｔ０２である。また、Ｎ２は、前記ｘｙ走査位置（ｘ３，ｙｎ−２）における探針５の走査順番であり、この場合には、Ｎ２は図２に示すように３５番目である。探針走査時刻算出手段１２は、このときのＮ２を、上述したＮ１を求めたときと同様にして求めている。また、式（２）におけるｔは、上述した式（１）におけるｔと同じである。
【００４３】
さらに、探針走査時刻算出手段１２は、試料凹凸像Ｉ３を取得したときに、前記目標位置Ｍ３に対応する試料位置ＭＳ上を探針５が走査した時刻Ｔ３を求める。この時刻Ｔ３の求め方については、上述した時刻Ｔ１とＴ２の求め方と同じである。なお、このときの目標位置Ｍ３に対応する試料位置ＭＳでの探針走査位置（ｘｉ，ｙｊ）Ｍ３を（ｘ４，ｙｎ−３）とする。
【００４４】
以上のようにして、探針走査時刻算出手段１２は時刻Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３を求めると、次に制御手段１０の移動距離算出手段１３は、前記位置指定信号（Ｍ１）と（Ｍ２）に基づき、前記試料４上の点ＭＳが時刻Ｔ１から時刻Ｔ２にかけて移動した距離ｄ１２を求める。この際、移動距離算出手段１３は、位置指定信号（Ｍ１）に基づいて前記探針走査時刻算出手段１２で求められた探針走査位置（ｘｉ，ｙｊ）Ｍ１＝（ｘ２，ｙｎ−１）と、位置指定信号（Ｍ２）に基づいて前記探針走査時刻算出手段１２で求められた探針走査位置（ｘｉ，ｙｊ）Ｍ２＝（ｘ３，ｙｎ−２）から、ｄ１２を√（（ｘ３−ｘ２）２＋（ｙｎ−２−ｙｎ−１）２ ）により求める。
【００４５】
また、移動距離算出手段１３は、前記位置指定信号（Ｍ２）と（Ｍ３）に基づき、前記試料４上の点ＭＳが時刻Ｔ２から時刻Ｔ３にかけて移動した距離ｄ２３を求める。この際、移動距離算出手段１３は、位置指定信号（Ｍ２）に基づいて前記探針走査時刻算出手段１２で求められた探針走査位置（ｘｉ，ｙｊ）Ｍ２＝（ｘ３，ｙｎ−２）と、位置指定信号（Ｍ３）に基づいて前記探針走査時刻算出手段１２で求められた探針走査位置（ｘｉ，ｙｊ）Ｍ３＝（ｘ４，ｙｎ−３）から、ｄ２３を√（（ｘ４−ｘ３）２＋（ｙｎ−３−ｙｎ−２）２ ）により求める。
【００４６】
さて、図３は、横軸に上述した探針走査時刻Ｔ、縦軸に上述した試料位置ＭＳの移動距離ｄをとったグラフであり、制御手段１０のドリフト検出手段１４は、前記探針走査時刻算出手段１２で求められたＴ１，Ｔ２，Ｔ３および前記移動距離算出手段１３で求められたｄ１２，ｄ２３に基づき、図３のＬで示す直線（検量線）を求める。このようにドリフト検出手段１４は、前記試料位置ＭＳの移動速度を直線Ｌで近似すると、ドリフト検出手段１４はその直線Ｌから、前記試料位置ＭＳの移動速度Ｖ（＝Δｄ／ΔＴ）（ｍ／ｓ）を求める。すなわち、ドリフト検出手段１４は、試料４および試料ステージ３を含む試料側のドリフト速度Ｖ（＝Δｄ／ΔＴ）（ｍ／ｓ）を求める。
【００４７】
さらにドリフト検出手段１４は、前記位置指定信号（Ｍ１）と（Ｍ２）に基づき、前記試料４上の点ＭＳが時刻Ｔ１から時刻Ｔ２にかけて移動したときの試料位置ＭＳの移動方向Ｄ１２を求める。図４（ａ）は、このときに求められた移動方向Ｄ１２をベクトルで示したものであり、この場合、ベクトルＤ１２の長さは前記距離ｄ１２に対応しており、また、ベクトルＤ１２の方向はｘ軸方向に対してｙ軸方向に４５度傾斜した方向である。
【００４８】
またドリフト検出手段１４は、前記位置指定信号（Ｍ２）と（Ｍ３）に基づき、前記試料４上の点ＭＳが時刻Ｔ２から時刻Ｔ３にかけて移動したときの試料位置ＭＳの移動方向Ｄ２３を求める。図４（ｂ）は、このときに求められた移動方向Ｄ２３をベクトルで示したものであり、この場合、ベクトルＤ２３の長さは前記距離ｄ２３に対応しており、また、ベクトルＤ２３の方向は前記ベクトルＤ１２と同じく、ｘ軸方向に対してｙ軸方向に４５度傾斜した方向である。
【００４９】
そしてドリフト検出手段１４は、求めたドリフト方向Ｄ１２とＤ２３に基づいて、試料側のドリフト方向Ｄを求める。この際、ドリフト検出手段１４は、図４（ａ）に示したベクトルＤ１２と図４（ｂ）に示したベクトルＤ２３を加算して、図４（ｃ）に示すベクトルＤを求めることにより、上述した試料側のドリフト方向Ｄを求める。この場合、ドリフト方向Ｄは、ｘ軸方向に対してｙ軸方向に４５度傾斜した方向であり、θ＝４５度である。
【００５０】
このようにして、ドリフト検出手段１４は、試料側のドリフト量、すなわちドリフト方向Ｄ（θ＝４５度）とドリフト速度Ｖ（＝Δｄ／ΔＴ）（ｍ／ｓ）を求めると、これらの情報から、試料側のｘ方向のドリフト速度Ｖｘ＝Ｖｃｏｓθ（ｍ／ｓ）と、試料側のｙ方向のドリフト速度Ｖｙ＝Ｖｓｉｎθ（ｍ／ｓ）をそれぞれ求める。
【００５１】
以上、図１の装置における試料ドリフト測定について説明したが、上述したように図１の装置においては、３枚の試料凹凸像に基づき、試料側のドリフト方向を１方向Ｄとして求めている。このように、試料側のドリフト方向を１方向Ｄで代表させても問題とならない理由は、図１の試料ステージ３は構成上、そのドリフト方向が変わらずにほぼ同じ方向Ｄであるためである。このように本発明は、試料側がほぼ一定方向にドリフトする場合に用いて有益である。
【００５２】
次に、図１の装置において、試料４の同視野の連続観察を行う場合について説明する。説明の便宜上、上述した試料凹凸像Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３を得たときと同じ探針走査によって、試料４上の領域ＳＡを連続観察する場合について説明する。
【００５３】
まず、制御手段１０は、前記試料領域ＳＡに関する１枚目の試料凹凸像ＩＳＡ１の画像データを得るために、探針５を試料領域ＳＡ上で１フレーム走査させるための走査信号（ｘｉ，ｙｊ）（i＝1，2，…，m、j＝1，2，…，n）をｘｙスキャナコントローラ１７に送る。このｘｙスキャナコントローラ１７は、制御手段１０からの前記走査信号（ｘｉ，ｙｊ）に基づいてｘｙスキャナ７をｘｙ方向に駆動させるので、探針５は前記試料凹凸像Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３を取得したときと同様に試料４上を２次元的にｘｙ走査する。
【００５４】
このときの探針のｘｙ走査時においても、制御手段１０は、試料凹凸像Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３の画像データを取得したときと同様、前記トンネル電流検出手段１９からの検出信号に基づき、前記トンネル電流を一定に保つための探針高さ制御信号ｚｉｊＳＡ１（i＝1，2，…，m、j＝1，2，…，n）をｚスキャナコントローラ１８に送る。このため、ｚスキャナコントローラ１８によるｚスキャナ８の駆動によって、探針のｘｙ走査時において、探針５と試料４間の距離は常に一定に保たれる。
【００５５】
このようにして、探針の試料上での１フレーム走査が行われ、制御手段１０は、得られた１枚目の試料凹凸像ＩＳＡ１の画像データ（ｘｉ，ｙｊ，ｚｉｊＳＡ１）をメモリ１１のメモリ部Ｍ０に記憶する。
【００５６】
また、制御手段１０は、前記画像データ（ｘｉ，ｙｊ，ｚｉｊＳＡ１）のメモリ部Ｍ０への書き込みを行う一方、その書き込み速度よりも高速に、メモリ部Ｍ０に書き込まれた画像データを順に繰り返し読み出して表示手段１６に供給する。この結果、この画像データを受け取った表示手段１６は、図５（ａ）に示すようにその画面Ａ上に、試料凹凸像ＩＳＡ１を表示する。
【００５７】
さて、１枚目の試料凹凸像ＩＳＡ１の画像データ（ｘｉ，ｙｊ，ｚｉｊＳＡ１）が得られると、制御手段１０は、１枚目と同じ視野の２枚目の試料凹凸像ＩＳＡ２の画像データを得るために、探針５を走査開始位置（ｘ１，ｙ１）に戻すための信号をｘｙスキャナコントローラ１７に送る。すると、ｘｙスキャナコントローラ１７によるｘｙスキャナ７の駆動によって、探針５は前記走査開始位置（ｘ１，ｙ１）に位置する。
【００５８】
ところで、上述した試料凹凸像ＩＳＡ１取得時における探針５の１フレーム走査時間をｔａ（ｓ）、また、２枚目の試料凹凸像ＩＳＡ２の取得開始にあたって、探針５を走査位置（ｘｍ，ｙｎ）から前記走査開始位置（ｘ１，ｙ１）に戻すのに要する時間をｔｂ（ｓ）とすると、このｔａ＋ｔｂ（ｓ）間においても、試料側は前記Ｖｘ＝Ｖｃｏｓθ（ｍ／ｓ）の速度でｘ方向に、また前記Ｖｙ＝Ｖｓｉｎθ（ｍ／ｓ）の速度でｙ方向にドリフトしている。そこで、制御手段１０は、前記ドリフト検出手段１４で検出されたＶｘ＝Ｖｃｏｓθ（ｍ／ｓ）と前記時間ｔａ＋ｔｂ（ｓ）から、試料４が時間ｔａ＋ｔｂ（ｓ）間にｘ方向にドリフトした距離ｄｘ１＝（ｔａ＋ｔｂ）×Ｖｃｏｓθ（ｍ）を求める。また、制御手段１０は、前記ドリフト検出手段１４で検出されたＶｙ＝Ｖｓｉｎθ（ｍ／ｓ）と前記時間ｔａ＋ｔｂ（ｓ）から、試料４が時間ｔａ＋ｔｂ（ｓ）間にｙ方向にドリフトした距離ｄｙ１＝（ｔａ＋ｔｂ）×Ｖｓｉｎθ（ｍ）を求める。
【００５９】
そして制御手段１０は、探針５を、現在の走査開始位置（ｘ１，ｙ１）からｘ方向に前記ｄｘ１、ｙ方向に前記ｄｙ１だけ移動させるための信号をｘｙスキャナコントローラ１７に送る。すると、ｘｙスキャナコントローラ１７によるｘｙスキャナ７の駆動によって、探針５は位置（ｘ１＋ｄｘ１，ｙ１＋ｄｙ１）に位置する。
【００６０】
このようにして、探針５の走査開始位置が、事前に求められた試料ドリフト量に基づいて変更されると、制御手段１０は、前記試料領域ＳＡに関する２枚目の試料凹凸像ＩＳＡ２の画像データを得るために、探針５を試料凹凸像ＩＳＡ１取得時と同じ走査幅だけｘｙ走査させるための走査信号をｘｙスキャナコントローラ１７に送る。このｘｙスキャナコントローラ１７によるｘｙスキャナ７の駆動によって、探針５は試料４上を２次元的にｘｙ走査する。
【００６１】
このときの探針のｘｙ走査時においても、制御手段１０は、試料凹凸像ＩＳＡ１の画像データを取得した時と同様、前記トンネル電流検出手段１９からの検出信号に基づき、前記トンネル電流を一定に保つための探針高さ制御信号ｚｉｊＳＡ２をｚスキャナコントローラ１８に送る。
【００６２】
このようにして探針の試料上での１フレーム走査が行われ、制御手段１０は、得られた２枚目の試料凹凸像ＩＳＡ２の画像データ（ｘｉ，ｙｊ，ｚｉｊＳＡ２）を、メモリ１１のメモリ部Ｍ０に順に上書きしていく。そして、制御手段１０においては、メモリ部Ｍ０に書き込まれていく画像データが高速で繰り返し読み出されて表示手段１６に供給されるので、表示手段１６の画面Ａ上には、前記試料凹凸像ＩＳＡ１の上に新しく試料凹凸像ＩＳＡ２が上書きされていく。
【００６３】
図５（ｂ）は、探針５の２回目のフレーム走査が終了したときの、表示画面Ａ上に表示される試料凹凸像ＩＳＡ２を示したものである。図５（ａ）の像と比較してわかるように、図５（ｂ）の像と図５（ａ）の像はほぼ同じであり、試料ドリフトによる影響は像上にあらわれていない。
【００６４】
以後、前記同様にして、探針走査開始位置が試料ドリフト量に基づいて補正されてから、探針５が試料凹凸像ＩＳＡ１取得時と同じ走査幅だけｘｙ走査される。このため、図１の装置においては、試料の同視野の連続観察を良好に行うことができる。
【００６５】
以上、図１の装置の動作を説明したが、本発明はこの例に限定されるものではなく、種々の変形例を含むものである。
【００６６】
たとえば、上記例においては、探針の試料上での１フレーム走査毎に、事前に求めておいたドリフト量に基づいて探針の走査開始位置を補正するようにしている。これに代えて、探針の試料上での１フレーム走査中に、求めておいたドリフト量に基づいて探針の走査位置を補正するようにしてもよい。
【００６７】
すなわち、探針の１フレーム走査における上記例のｘ方向の探針走査速度をυｘ，ｙ方向の探針走査速度をυｙとすると、前記求められた試料側のドリフト速度Ｖｘ，Ｖｙを考慮して、探針の１フレーム走査におけるｘ方向の探針走査速度を（υｘ＋Ｖｘ）、ｙ方向の探針走査速度を（υｙ＋Ｖｙ）に変更するようにしてもよい。このように、探針走査位置を試料ドリフトに同期させてリアルタイムに補正するようにすれば、同視野の連続観察を行うことができると共に、測定画像内におけるドリフトによる観察対象物の形状変形を抑制できる。
【００６８】
なお、この場合、探針を走査開始位置（ｘ１，ｙ１）に戻す戻り走査においても、前記Ｖｘ，Ｖｙに基づき、探針走査位置は試料ドリフトに同期してリアルタイムに補正される。
【００６９】
また、上記例では、３枚の試料凹凸像を取得して試料側のドリフト量を求めるようにしたが、２枚の試料凹凸像を取得して試料側のドリフト量を求めるようにしてもよく、また、４枚以上の試料凹凸像を取得して試料側のドリフト量を求めるようにしてもよい。
【００７０】
また、上記例では、ドリフト測定のために取得した試料凹凸像Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３を同時に表示画面上に表示させたが、その試料凹凸像を１枚づつ表示させて前記目標位置を指定するようにしてもよい。
【００７１】
また、本発明は走査形トンネル顕微鏡に限らず、原子間力顕微鏡や摩擦力顕微鏡などの走査形プローブ顕微鏡にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の走査形プローブ顕微鏡の一例を示した図であり、本発明が適用された走査形トンネル顕微鏡を示した図である。
【図２】 探針の試料上でのｘｙ走査の様子を示した図である。
【図３】 試料のドリフト速度を説明するために示した図である。
【図４】 試料のドリフト方向を説明するために示した図である。
【図５】 表示手段画面上に表示される試料凹凸像を示した図である。
【符号の説明】
１…チャンバ、２…試料室、３…試料ステージ、４…試料、５…探針、６…スキャナ、７…ｘｙスキャナ、８…ｚスキャナ、９…取付部、１０…制御手段、１１…メモリ、１２…探針走査時刻算出手段、１３…移動距離算出手段、１４…ドリフト検出手段、１５…指定手段、１６…表示手段、１７…ｘｙスキャナコントローラ、１８…ｚスキャナコントローラ、１９…トンネル電流検出手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、走査形トンネル顕微鏡や原子間力顕微鏡などの探針走査制御方法および走査形プローブ顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
走査形トンネル顕微鏡（STM:Scanning Tunneling Microscope）や原子間力顕微鏡（AFM:Atomic Force Microscope）などの走査形プローブ顕微鏡（SPM:Scanning Probe Microscope）は、探針を試料上で２次元的に走査させて試料像を得るものであり、試料上の非常に微小な領域を観察する顕微鏡である。
【０００３】
このような微小領域を観察する走査形プローブ顕微鏡では、試料ドリフトが、試料の同視野の連続観察において大きな問題となる。すなわち、試料の同視野の連続観察を行うために、探針を試料上で同じように複数回フレーム走査させても、試料側がドリフトすると、観察視野がそのドリフトに応じて変化してしまう。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、これまで、このような試料ドリフトを抑える試料ステージなどの改良が行われてきたが、現在においても、上述した同視野の連続観察における問題は解決されていない。
【０００５】
本発明はこのような点に鑑みて成されたもので、その目的は、試料の同視野の連続観察を良好に行うことができる探針走査制御方法および走査形プローブ顕微鏡を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成する本発明の探針走査制御方法は、探針を試料上で走査させて試料像を得る走査形プローブ顕微鏡において、探針を試料上で複数回フレーム走査させて、複数枚の試料像の画像データを取得し、その画像データに基づく複数枚の試料像を表示手段画面上に表示させ、その表示手段画面上に表示される各試料像に対して同一の目標位置をそれぞれ指定し、その指定された目標位置に対応する試料位置での探針の走査時刻を、前記各試料像についてそれぞれ求めると共に、前記各試料像中における前記目標位置の位置に基づき、前記目標位置に対応する試料位置の移動距離および移動方向を求め、前記求めた探針の各走査時刻、前記求めた試料位置の移動距離および移動方向に基づき、試料側のドリフト量を求め、その求めたドリフト量に基づき、探針の試料上での１フレーム走査毎に、探針の試料上での走査開始位置を補正するようにした。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。
【０００８】
図１は、本発明の走査形プローブ顕微鏡の一例を示したものであり、本発明が適用された走査形トンネル顕微鏡を示したものである。
【０００９】
まず、図１の装置構成について説明する。
【００１０】
図１において１はチャンバであり、その内部の試料室２は、図示していない排気装置により排気されている。
【００１１】
この試料室２には試料ステージ３が配置されており、ｘ，ｙおよびｚ方向に移動可能な試料ステージ３は、たとえば特公昭６１−３０３７５号公報や特公昭６１−３０３７６号公報に記載されているような構成となっていて、試料ドリフトを抑えるように構成されている。そして、試料４が試料ステージ３上にセットされている。
【００１２】
また、図１に示すように、探針５が前記試料４に対向かつ接近して配置されていて、探針５は、圧電体で出来たスキャナ６に取り付けられている。このスキャナ６は、ｘｙ方向に移動可能なｘｙスキャナ７と、ｚ方向に移動可能なｚスキャナ８で構成されていて、スキャナ６はチャンバ側の取付部９に取り付けられている。
【００１３】
また、図１において１０は制御手段であり、制御手段１０は、メモリ１１と、探針走査時刻算出手段１２と、移動距離算出手段１３と、ドリフト検出手段１４を備えている。
【００１４】
さらに制御手段１０は、キーボードやマウスなどの指定手段１５と、表示手段１６と、前記ｘｙスキャナ７を駆動制御するｘｙスキャナコントローラ１７と、前記ｚスキャナ８を駆動制御するｚスキャナコントローラ１８と、探針５と試料４間に流れるトンネル電流を検出するトンネル電流検出手段１９に接続されている。なお、図１には示されていないが、探針５と試料４間には所定のバイアス電圧が印加されている。
【００１５】
以上、図１の装置構成について説明したが、以下に動作説明を行う。
【００１６】
まずオペレータは、試料観察に先立って試料ドリフトの測定を行うために、試料ドリフトの測定を開始させるための入力を指定手段１５により行う。すると、ドリフト測定の指示信号が指定手段１５から制御手段１０に送られる。
【００１７】
そして、ドリフト測定の指示信号を受けた制御手段１０は、試料４の凹凸像をまず１枚得るために、探針５を試料４上で１フレーム走査させるための走査信号（ｘｉ，ｙｊ）（i＝1，2，…，m、j＝1，2，…，n）をｘｙスキャナコントローラ１７に送る。このｘｙスキャナコントローラ１７は、制御手段１０からの前記走査信号（ｘｉ，ｙｊ）に基づいてｘｙスキャナ７をｘｙ方向に駆動させるので、探針５は試料４上を２次元的にｘｙ走査する。
【００１８】
この探針のｘｙ走査時、探針５と試料４間に流れるトンネル電流はトンネル電流検出手段１９で検出されており、その検出信号は制御手段１０に送られる。そして制御手段１０は、前記検出信号に基づき、前記トンネル電流を一定に保つための探針高さ制御信号ｚｉｊ１（i＝1，2，…，m、j＝1，2，…，n）をｚスキャナコントローラ１８に送る。このｚスキャナコントローラ１８は、制御手段１０からの探針高さ制御信号ｚｉｊ１に基づいてｚスキャナ８をｚ方向に駆動させるので、探針のｘｙ走査時において、探針５と試料４間の距離は常に一定に保たれる。
【００１９】
このようにして探針の試料上での１フレーム走査が行われ、制御手段１０は、試料４の凹凸を表す上述した探針高さ制御信号ｚｉｊ１を探針５の各走査位置（ｘｉ，ｙｊ）に対応させて、画像データ（ｘｉ，ｙｊ，ｚｉｊ１）として前記メモリ１１に記憶する。こうして、１枚目の試料凹凸像Ｉ１の画像データがメモリ１１に記憶されるが、このときに制御手段１０は、その試料凹凸像Ｉ１の画像データに対して、像取得開始時刻Ｔ０１，探針５の試料上での走査範囲Ｓ１，探針５の走査スピードυ１および探針５の走査点数Ｐ１を付加情報としてメモリ１１に記憶する。ここで、これらの付加情報について図２を用いて説明する。
【００２０】
図２は、上述した試料凹凸像Ｉ１の画像データを取得したときの、探針５の試料４上でのｘｙ走査の様子を示したものであり、探針５は図２に示す矢印に沿って試料４上をｘｙ走査する。すなわち、探針５は、座標（ｘ０，ｙ０，ｚ０）を走査原点とするｘｙ走査位置（ｘ１，ｙ１）を走査開始位置として、ｘｙ走査位置（ｘ２，ｙ１），…，（ｘｍ，ｙ１），（ｘｍ，ｙ２），（ｘｍ−１，ｙ２），…，（ｘ１，ｙ２），…，（ｘｉ，ｙｊ），…，（ｘ１，ｙｎ），…，（ｘｍ，ｙｎ）の順に走査位置を変える。
【００２１】
このとき、上述した像取得開始時刻Ｔ０１とは、探針５が前記ｘｙ走査位置（ｘ１，ｙ１）を走査開始したときの時刻であり、内部に時計を備えた前記制御手段１０は、その時刻Ｔ０１を測定してメモリ１１に記憶する。
【００２２】
また、前記走査範囲Ｓ１とは、図２に示す探針のｘ方向の走査幅Ｓｘと探針のｙ方向の走査幅Ｓｙであり、前記制御手段１０は、その走査範囲Ｓ１（Ｓｘ×Ｓｙ）をメモリ１１に記憶する。
【００２３】
また、探針の走査スピードυ１とは、探針のｘｙ走査時の速度であり、探針は試料上を一定速度υ１でｘｙ走査する。
【００２４】
そして、探針の走査点数Ｐ１とは、デジタル走査信号によってステップ状にｘｙ走査される探針の走査点の数であり、その走査点数は図２に示すように（ｍ×ｎ）である。
【００２５】
以上、前記試料凹凸像Ｉ１の画像データの付加情報Ｔ０１，Ｓ１，υ１，Ｐ１について説明したが、このうちの付加情報Ｓ１，υ１，Ｐ１は、ドリフト測定前にオペレータによって制御手段１０側に入力されている。そして制御手段１０は、その入力された情報に基づいて前記走査信号（ｘｉ，ｙｊ）を作成してｘｙスキャナコントローラ１７に供給している。
【００２６】
さて、１枚目の試料凹凸像Ｉ１の画像データ（ｘｉ，ｙｊ，ｚｉｊ１）が得られると、制御手段１０は、２枚目の試料凹凸像Ｉ２の画像データを得るために、探針５を試料４上で１フレーム走査させるための走査信号（ｘｉ，ｙｊ）（i＝1，2，…，m、j＝1，2，…，n）をｘｙスキャナコントローラ１７に送る。このときに制御手段１０からｘｙスキャナコントローラ１７に送られる走査信号（ｘｉ，ｙｊ）は、試料凹凸像Ｉ１の画像データを得たときの走査信号（ｘｉ，ｙｊ）とまったく同じ信号であるので、ｘｙスキャナコントローラ１７によるｘｙスキャナ７の駆動によって、探針５は試料凹凸像Ｉ１の画像データを得た時と同様に試料４上を２次元的にｘｙ走査する。
【００２７】
このときの探針のｘｙ走査時においても、制御手段１０は、試料凹凸像Ｉ１の画像データを取得した時と同様、前記トンネル電流検出手段１９からの検出信号に基づき、前記トンネル電流を一定に保つための探針高さ制御信号ｚｉｊ２（i＝1，2，…，m、j＝1，2，…，n）をｚスキャナコントローラ１８に送る。このため、ｚスキャナコントローラ１８によるｚスキャナ８の駆動によって、探針のｘｙ走査時において、探針５と試料４間の距離は常に一定に保たれる。
【００２８】
このようにして探針の試料上での１フレーム走査が行われ、制御手段１０は、試料凹凸像Ｉ１の画像データ取得時と同様、得られた２枚目の試料凹凸像Ｉ２の画像データ（ｘｉ，ｙｊ，ｚｉｊ２）をメモリ１１に記憶する。このとき、制御手段１０は、得られた試料凹凸像Ｉ２の画像データに対して前記付加情報をメモリ１１に記憶する。すなわち、制御手段１０は、試料凹凸像Ｉ２の画像データに対して、像取得開始時刻Ｔ０２，探針５の試料上での走査範囲Ｓ２，探針５の走査スピードυ２および探針５の走査点数Ｐ２を付加情報としてメモリ１１に記憶する。この場合、Ｓ２＝Ｓ１、υ２＝υ１、Ｐ２＝Ｐ１である。
【００２９】
こうして２枚目の試料凹凸像Ｉ２の画像データが得られると、制御手段１０は、３枚目の試料凹凸像Ｉ３の画像データを得るために、探針５を試料４上で１フレーム走査させるための走査信号（ｘｉ，ｙｊ）をｘｙスキャナコントローラ１７に送る。このときに制御手段１０からｘｙスキャナコントローラ１７に送られる走査信号（ｘｉ，ｙｊ）は、試料凹凸像Ｉ１とＩ２の画像データを得たときの走査信号（ｘｉ，ｙｊ）と同じ信号なので、探針５は試料凹凸像Ｉ１とＩ２の画像データを取得したときと同様に試料４上をｘｙ走査する。
【００３０】
このときも制御手段１０は、探針５と試料４間の距離が常に一定に保たれるように探針高さを制御する。
【００３１】
そして制御手段１０は、得られた試料凹凸像Ｉ３の画像データ（ｘｉ，ｙｊ，ｚｉｊ３）をメモリ１１に記憶する。このとき制御手段１０は、試料凹凸像Ｉ３の画像データに対して、像取得開始時刻Ｔ０３，探針５の試料上での走査範囲Ｓ３，探針５の走査スピードυ３および探針５の走査点数Ｐ３を付加情報としてメモリ１１に記憶する。この場合、Ｓ３＝Ｓ２＝Ｓ１、υ３＝υ２＝υ１、Ｐ３＝Ｐ２＝Ｐ１である。
【００３２】
以上のようにして、３枚の試料凹凸像Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３の画像データが得られると、制御手段１０は、それらの画像データを順に読み出して表示手段１６に供給する。これらの画像データを受け取った表示手段１６は、図１に示すようにその表示画面Ａ上に、試料凹凸像Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３を同時に表示する。
【００３３】
さて、図１の表示画面Ａ上に表示された試料凹凸像Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３において、各試料凹凸像中における円形の像Ｉ０は、試料４上の同一対象物に関するものである。このため、試料ドリフトが発生していなければ、各試料凹凸像Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３中における前記像Ｉ０の位置は同じとなる。しかしながら、図１からもわかるように、各試料凹凸像Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３中における像Ｉ０の位置は異なっており、このことは試料ドリフトが発生していることを表している。
【００３４】
そこで次にオペレータは、表示画面Ａ上に表示されているカーソルＫを指定手段１５を操作して画面Ａ上で移動させ、各試料凹凸像Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３に対して、試料凹凸像中における同一の目標位置にカーソルＫを位置させてそれぞれ位置指定する。この場合にオペレータは、上述した像Ｉ０の中心位置を目標位置と決め、図１に示すように、試料凹凸像Ｉ１については像Ｉ０の中心位置Ｍ１にカーソルＫを位置させて位置指定を行い、また、試料凹凸像Ｉ２については像Ｉ０の中心位置Ｍ２にカーソルＫを位置させて位置指定を行い、そして、試料凹凸像Ｉ３については像Ｉ０の中心位置Ｍ３にカーソルＫを位置させて位置指定を行う。
【００３５】
なお、この位置指定については、たとえばキーボードの特定キーを押して位置指定を行ったり、マウスをクリックすることによって位置指定を行うようにすればよい。
【００３６】
このようにして、試料凹凸像Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３に対して、同一の目標位置Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３が指定されると、試料凹凸像Ｉ１中におけるＭ１の位置を表す位置指定信号（Ｍ１）と、試料凹凸像Ｉ２中におけるＭ２の位置を表す位置指定信号（Ｍ２）と、試料凹凸像Ｉ３中におけるＭ３の位置を表す位置指定信号（Ｍ３）が、表示手段１６から制御手段１０に送られる。そして、制御手段１０の探針走査時刻算出手段１２は、それらの位置指定信号に基づき、各試料凹凸像Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３について、前記目標位置Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３に対応する試料４上の点ＭＳでの探針走査時刻Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３をそれぞれ求める。ここで、この探針走査時刻Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３の求め方について説明する。
【００３７】
まず探針走査時刻算出手段１２は、試料凹凸像Ｉ１を取得したときに、前記目標位置Ｍ１に対応する試料位置ＭＳ上を探針５が走査した時刻Ｔ１を求めるために、前記位置指定信号（Ｍ１）に基づき、前記目標位置Ｍ１に対応する試料位置ＭＳでの探針５のｘｙ走査位置（ｘｉ，ｙｊ）Ｍ１を求める。この求められた探針のｘｙ走査位置（ｘｉ，ｙｊ）Ｍ１が、たとえば図２に示す（ｘ２，ｙｎ−１）のとき、探針走査時刻算出手段１２は、次式（１）に基づいて前記時刻Ｔ１を求める。
【００３８】
Ｔ１＝Ｔ０１＋Ｎ１×ｔ …（１）
この式（１）において、Ｔ０１は、試料凹凸像Ｉ１の付加情報としてメモリ１１に記憶された前記像取得開始時刻Ｔ０１である。
【００３９】
また、式（１）におけるＮ１は、前記ｘｙ走査位置（ｘ２，ｙｎ−１）における探針５の走査順番であり、この場合には、Ｎ１は図２に示すように４７番目である。探針走査時刻算出手段１２は、このときのＮ１を、前記ｘｙ走査位置（ｘ２，ｙｎ−１）と、試料凹凸像Ｉ１の付加情報としてメモリ１１に記憶された前記走査点数Ｐ１と、図２に矢印で示した探針の走査方向に基づいて求めている。
【００４０】
また、式（１）におけるｔは、探針５が１つの走査点にとどまる時間（ｓ）である。探針走査時刻算出手段１２は、この時間ｔ（ｓ）を、試料凹凸像Ｉ１の付加情報としてメモリ１１に記憶された前記走査範囲Ｓｘ、探針速度υ１、およびｘ方向の走査点数ｍから、ｔ（ｓ）＝Ｓｘ／（υ１×ｍ）により求めている。
【００４１】
こうして、探針走査時刻算出手段１２は前記時刻Ｔ１を求めると、次に探針走査時刻算出手段１２は、試料凹凸像Ｉ２を取得したときに、前記目標位置Ｍ２に対応する試料位置ＭＳ上を探針５が走査した時刻Ｔ２を求めるために、前記位置指定信号（Ｍ２）に基づき、前記目標位置Ｍ２に対応する試料位置ＭＳでの探針５のｘｙ走査位置（ｘｉ，ｙｊ）Ｍ２を求める。この求められた探針のｘｙ走査位置（ｘｉ，ｙｊ）Ｍ２が、たとえば図２に示す（ｘ３，ｙｎ−２）のとき、探針走査時刻算出手段１２は、次式（２）に基づいて前記時刻Ｔ２を求める。
【００４２】
Ｔ２＝Ｔ０２＋Ｎ２×ｔ …（２）
この式（２）において、Ｔ０２は、試料凹凸像Ｉ２の付加情報としてメモリ１１に記憶された前記像取得開始時刻Ｔ０２である。また、Ｎ２は、前記ｘｙ走査位置（ｘ３，ｙｎ−２）における探針５の走査順番であり、この場合には、Ｎ２は図２に示すように３５番目である。探針走査時刻算出手段１２は、このときのＮ２を、上述したＮ１を求めたときと同様にして求めている。また、式（２）におけるｔは、上述した式（１）におけるｔと同じである。
【００４３】
さらに、探針走査時刻算出手段１２は、試料凹凸像Ｉ３を取得したときに、前記目標位置Ｍ３に対応する試料位置ＭＳ上を探針５が走査した時刻Ｔ３を求める。この時刻Ｔ３の求め方については、上述した時刻Ｔ１とＴ２の求め方と同じである。なお、このときの目標位置Ｍ３に対応する試料位置ＭＳでの探針走査位置（ｘｉ，ｙｊ）Ｍ３を（ｘ４，ｙｎ−３）とする。
【００４４】
以上のようにして、探針走査時刻算出手段１２は時刻Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３を求めると、次に制御手段１０の移動距離算出手段１３は、前記位置指定信号（Ｍ１）と（Ｍ２）に基づき、前記試料４上の点ＭＳが時刻Ｔ１から時刻Ｔ２にかけて移動した距離ｄ１２を求める。この際、移動距離算出手段１３は、位置指定信号（Ｍ１）に基づいて前記探針走査時刻算出手段１２で求められた探針走査位置（ｘｉ，ｙｊ）Ｍ１＝（ｘ２，ｙｎ−１）と、位置指定信号（Ｍ２）に基づいて前記探針走査時刻算出手段１２で求められた探針走査位置（ｘｉ，ｙｊ）Ｍ２＝（ｘ３，ｙｎ−２）から、ｄ１２を√（（ｘ３−ｘ２）２＋（ｙｎ−２−ｙｎ−１）２ ）により求める。
【００４５】
また、移動距離算出手段１３は、前記位置指定信号（Ｍ２）と（Ｍ３）に基づき、前記試料４上の点ＭＳが時刻Ｔ２から時刻Ｔ３にかけて移動した距離ｄ２３を求める。この際、移動距離算出手段１３は、位置指定信号（Ｍ２）に基づいて前記探針走査時刻算出手段１２で求められた探針走査位置（ｘｉ，ｙｊ）Ｍ２＝（ｘ３，ｙｎ−２）と、位置指定信号（Ｍ３）に基づいて前記探針走査時刻算出手段１２で求められた探針走査位置（ｘｉ，ｙｊ）Ｍ３＝（ｘ４，ｙｎ−３）から、ｄ２３を√（（ｘ４−ｘ３）２＋（ｙｎ−３−ｙｎ−２）２ ）により求める。
【００４６】
さて、図３は、横軸に上述した探針走査時刻Ｔ、縦軸に上述した試料位置ＭＳの移動距離ｄをとったグラフであり、制御手段１０のドリフト検出手段１４は、前記探針走査時刻算出手段１２で求められたＴ１，Ｔ２，Ｔ３および前記移動距離算出手段１３で求められたｄ１２，ｄ２３に基づき、図３のＬで示す直線（検量線）を求める。このようにドリフト検出手段１４は、前記試料位置ＭＳの移動速度を直線Ｌで近似すると、ドリフト検出手段１４はその直線Ｌから、前記試料位置ＭＳの移動速度Ｖ（＝Δｄ／ΔＴ）（ｍ／ｓ）を求める。すなわち、ドリフト検出手段１４は、試料４および試料ステージ３を含む試料側のドリフト速度Ｖ（＝Δｄ／ΔＴ）（ｍ／ｓ）を求める。
【００４７】
さらにドリフト検出手段１４は、前記位置指定信号（Ｍ１）と（Ｍ２）に基づき、前記試料４上の点ＭＳが時刻Ｔ１から時刻Ｔ２にかけて移動したときの試料位置ＭＳの移動方向Ｄ１２を求める。図４（ａ）は、このときに求められた移動方向Ｄ１２をベクトルで示したものであり、この場合、ベクトルＤ１２の長さは前記距離ｄ１２に対応しており、また、ベクトルＤ１２の方向はｘ軸方向に対してｙ軸方向に４５度傾斜した方向である。
【００４８】
またドリフト検出手段１４は、前記位置指定信号（Ｍ２）と（Ｍ３）に基づき、前記試料４上の点ＭＳが時刻Ｔ２から時刻Ｔ３にかけて移動したときの試料位置ＭＳの移動方向Ｄ２３を求める。図４（ｂ）は、このときに求められた移動方向Ｄ２３をベクトルで示したものであり、この場合、ベクトルＤ２３の長さは前記距離ｄ２３に対応しており、また、ベクトルＤ２３の方向は前記ベクトルＤ１２と同じく、ｘ軸方向に対してｙ軸方向に４５度傾斜した方向である。
【００４９】
そしてドリフト検出手段１４は、求めたドリフト方向Ｄ１２とＤ２３に基づいて、試料側のドリフト方向Ｄを求める。この際、ドリフト検出手段１４は、図４（ａ）に示したベクトルＤ１２と図４（ｂ）に示したベクトルＤ２３を加算して、図４（ｃ）に示すベクトルＤを求めることにより、上述した試料側のドリフト方向Ｄを求める。この場合、ドリフト方向Ｄは、ｘ軸方向に対してｙ軸方向に４５度傾斜した方向であり、θ＝４５度である。
【００５０】
このようにして、ドリフト検出手段１４は、試料側のドリフト量、すなわちドリフト方向Ｄ（θ＝４５度）とドリフト速度Ｖ（＝Δｄ／ΔＴ）（ｍ／ｓ）を求めると、これらの情報から、試料側のｘ方向のドリフト速度Ｖｘ＝Ｖｃｏｓθ（ｍ／ｓ）と、試料側のｙ方向のドリフト速度Ｖｙ＝Ｖｓｉｎθ（ｍ／ｓ）をそれぞれ求める。
【００５１】
以上、図１の装置における試料ドリフト測定について説明したが、上述したように図１の装置においては、３枚の試料凹凸像に基づき、試料側のドリフト方向を１方向Ｄとして求めている。このように、試料側のドリフト方向を１方向Ｄで代表させても問題とならない理由は、図１の試料ステージ３は構成上、そのドリフト方向が変わらずにほぼ同じ方向Ｄであるためである。このように本発明は、試料側がほぼ一定方向にドリフトする場合に用いて有益である。
【００５２】
次に、図１の装置において、試料４の同視野の連続観察を行う場合について説明する。説明の便宜上、上述した試料凹凸像Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３を得たときと同じ探針走査によって、試料４上の領域ＳＡを連続観察する場合について説明する。
【００５３】
まず、制御手段１０は、前記試料領域ＳＡに関する１枚目の試料凹凸像ＩＳＡ１の画像データを得るために、探針５を試料領域ＳＡ上で１フレーム走査させるための走査信号（ｘｉ，ｙｊ）（i＝1，2，…，m、j＝1，2，…，n）をｘｙスキャナコントローラ１７に送る。このｘｙスキャナコントローラ１７は、制御手段１０からの前記走査信号（ｘｉ，ｙｊ）に基づいてｘｙスキャナ７をｘｙ方向に駆動させるので、探針５は前記試料凹凸像Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３を取得したときと同様に試料４上を２次元的にｘｙ走査する。
【００５４】
このときの探針のｘｙ走査時においても、制御手段１０は、試料凹凸像Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３の画像データを取得したときと同様、前記トンネル電流検出手段１９からの検出信号に基づき、前記トンネル電流を一定に保つための探針高さ制御信号ｚｉｊＳＡ１（i＝1，2，…，m、j＝1，2，…，n）をｚスキャナコントローラ１８に送る。このため、ｚスキャナコントローラ１８によるｚスキャナ８の駆動によって、探針のｘｙ走査時において、探針５と試料４間の距離は常に一定に保たれる。
【００５５】
このようにして、探針の試料上での１フレーム走査が行われ、制御手段１０は、得られた１枚目の試料凹凸像ＩＳＡ１の画像データ（ｘｉ，ｙｊ，ｚｉｊＳＡ１）をメモリ１１のメモリ部Ｍ０に記憶する。
【００５６】
また、制御手段１０は、前記画像データ（ｘｉ，ｙｊ，ｚｉｊＳＡ１）のメモリ部Ｍ０への書き込みを行う一方、その書き込み速度よりも高速に、メモリ部Ｍ０に書き込まれた画像データを順に繰り返し読み出して表示手段１６に供給する。この結果、この画像データを受け取った表示手段１６は、図５（ａ）に示すようにその画面Ａ上に、試料凹凸像ＩＳＡ１を表示する。
【００５７】
さて、１枚目の試料凹凸像ＩＳＡ１の画像データ（ｘｉ，ｙｊ，ｚｉｊＳＡ１）が得られると、制御手段１０は、１枚目と同じ視野の２枚目の試料凹凸像ＩＳＡ２の画像データを得るために、探針５を走査開始位置（ｘ１，ｙ１）に戻すための信号をｘｙスキャナコントローラ１７に送る。すると、ｘｙスキャナコントローラ１７によるｘｙスキャナ７の駆動によって、探針５は前記走査開始位置（ｘ１，ｙ１）に位置する。
【００５８】
ところで、上述した試料凹凸像ＩＳＡ１取得時における探針５の１フレーム走査時間をｔａ（ｓ）、また、２枚目の試料凹凸像ＩＳＡ２の取得開始にあたって、探針５を走査位置（ｘｍ，ｙｎ）から前記走査開始位置（ｘ１，ｙ１）に戻すのに要する時間をｔｂ（ｓ）とすると、このｔａ＋ｔｂ（ｓ）間においても、試料側は前記Ｖｘ＝Ｖｃｏｓθ（ｍ／ｓ）の速度でｘ方向に、また前記Ｖｙ＝Ｖｓｉｎθ（ｍ／ｓ）の速度でｙ方向にドリフトしている。そこで、制御手段１０は、前記ドリフト検出手段１４で検出されたＶｘ＝Ｖｃｏｓθ（ｍ／ｓ）と前記時間ｔａ＋ｔｂ（ｓ）から、試料４が時間ｔａ＋ｔｂ（ｓ）間にｘ方向にドリフトした距離ｄｘ１＝（ｔａ＋ｔｂ）×Ｖｃｏｓθ（ｍ）を求める。また、制御手段１０は、前記ドリフト検出手段１４で検出されたＶｙ＝Ｖｓｉｎθ（ｍ／ｓ）と前記時間ｔａ＋ｔｂ（ｓ）から、試料４が時間ｔａ＋ｔｂ（ｓ）間にｙ方向にドリフトした距離ｄｙ１＝（ｔａ＋ｔｂ）×Ｖｓｉｎθ（ｍ）を求める。
【００５９】
そして制御手段１０は、探針５を、現在の走査開始位置（ｘ１，ｙ１）からｘ方向に前記ｄｘ１、ｙ方向に前記ｄｙ１だけ移動させるための信号をｘｙスキャナコントローラ１７に送る。すると、ｘｙスキャナコントローラ１７によるｘｙスキャナ７の駆動によって、探針５は位置（ｘ１＋ｄｘ１，ｙ１＋ｄｙ１）に位置する。
【００６０】
このようにして、探針５の走査開始位置が、事前に求められた試料ドリフト量に基づいて変更されると、制御手段１０は、前記試料領域ＳＡに関する２枚目の試料凹凸像ＩＳＡ２の画像データを得るために、探針５を試料凹凸像ＩＳＡ１取得時と同じ走査幅だけｘｙ走査させるための走査信号をｘｙスキャナコントローラ１７に送る。このｘｙスキャナコントローラ１７によるｘｙスキャナ７の駆動によって、探針５は試料４上を２次元的にｘｙ走査する。
【００６１】
このときの探針のｘｙ走査時においても、制御手段１０は、試料凹凸像ＩＳＡ１の画像データを取得した時と同様、前記トンネル電流検出手段１９からの検出信号に基づき、前記トンネル電流を一定に保つための探針高さ制御信号ｚｉｊＳＡ２をｚスキャナコントローラ１８に送る。
【００６２】
このようにして探針の試料上での１フレーム走査が行われ、制御手段１０は、得られた２枚目の試料凹凸像ＩＳＡ２の画像データ（ｘｉ，ｙｊ，ｚｉｊＳＡ２）を、メモリ１１のメモリ部Ｍ０に順に上書きしていく。そして、制御手段１０においては、メモリ部Ｍ０に書き込まれていく画像データが高速で繰り返し読み出されて表示手段１６に供給されるので、表示手段１６の画面Ａ上には、前記試料凹凸像ＩＳＡ１の上に新しく試料凹凸像ＩＳＡ２が上書きされていく。
【００６３】
図５（ｂ）は、探針５の２回目のフレーム走査が終了したときの、表示画面Ａ上に表示される試料凹凸像ＩＳＡ２を示したものである。図５（ａ）の像と比較してわかるように、図５（ｂ）の像と図５（ａ）の像はほぼ同じであり、試料ドリフトによる影響は像上にあらわれていない。
【００６４】
以後、前記同様にして、探針走査開始位置が試料ドリフト量に基づいて補正されてから、探針５が試料凹凸像ＩＳＡ１取得時と同じ走査幅だけｘｙ走査される。このため、図１の装置においては、試料の同視野の連続観察を良好に行うことができる。
【００６５】
以上、図１の装置の動作を説明したが、本発明はこの例に限定されるものではなく、種々の変形例を含むものである。
【００６６】
たとえば、上記例においては、探針の試料上での１フレーム走査毎に、事前に求めておいたドリフト量に基づいて探針の走査開始位置を補正するようにしている。これに代えて、探針の試料上での１フレーム走査中に、求めておいたドリフト量に基づいて探針の走査位置を補正するようにしてもよい。
【００６７】
すなわち、探針の１フレーム走査における上記例のｘ方向の探針走査速度をυｘ，ｙ方向の探針走査速度をυｙとすると、前記求められた試料側のドリフト速度Ｖｘ，Ｖｙを考慮して、探針の１フレーム走査におけるｘ方向の探針走査速度を（υｘ＋Ｖｘ）、ｙ方向の探針走査速度を（υｙ＋Ｖｙ）に変更するようにしてもよい。このように、探針走査位置を試料ドリフトに同期させてリアルタイムに補正するようにすれば、同視野の連続観察を行うことができると共に、測定画像内におけるドリフトによる観察対象物の形状変形を抑制できる。
【００６８】
なお、この場合、探針を走査開始位置（ｘ１，ｙ１）に戻す戻り走査においても、前記Ｖｘ，Ｖｙに基づき、探針走査位置は試料ドリフトに同期してリアルタイムに補正される。
【００６９】
また、上記例では、３枚の試料凹凸像を取得して試料側のドリフト量を求めるようにしたが、２枚の試料凹凸像を取得して試料側のドリフト量を求めるようにしてもよく、また、４枚以上の試料凹凸像を取得して試料側のドリフト量を求めるようにしてもよい。
【００７０】
また、上記例では、ドリフト測定のために取得した試料凹凸像Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３を同時に表示画面上に表示させたが、その試料凹凸像を１枚づつ表示させて前記目標位置を指定するようにしてもよい。
【００７１】
また、本発明は走査形トンネル顕微鏡に限らず、原子間力顕微鏡や摩擦力顕微鏡などの走査形プローブ顕微鏡にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の走査形プローブ顕微鏡の一例を示した図であり、本発明が適用された走査形トンネル顕微鏡を示した図である。
【図２】 探針の試料上でのｘｙ走査の様子を示した図である。
【図３】 試料のドリフト速度を説明するために示した図である。
【図４】 試料のドリフト方向を説明するために示した図である。
【図５】 表示手段画面上に表示される試料凹凸像を示した図である。
【符号の説明】
１…チャンバ、２…試料室、３…試料ステージ、４…試料、５…探針、６…スキャナ、７…ｘｙスキャナ、８…ｚスキャナ、９…取付部、１０…制御手段、１１…メモリ、１２…探針走査時刻算出手段、１３…移動距離算出手段、１４…ドリフト検出手段、１５…指定手段、１６…表示手段、１７…ｘｙスキャナコントローラ、１８…ｚスキャナコントローラ、１９…トンネル電流検出手段
Claims (2)
- 探針を試料上で走査させて試料像を得る走査形プローブ顕微鏡において、探針を試料上で複数回フレーム走査させて、複数枚の試料像の画像データを取得し、その画像データに基づく複数枚の試料像を表示手段画面上に表示させ、その表示手段画面上に表示される各試料像に対して同一の目標位置をそれぞれ指定し、その指定された目標位置に対応する試料位置での探針の走査時刻を、前記各試料像についてそれぞれ求めると共に、前記各試料像中における前記目標位置の位置に基づき、前記目標位置に対応する試料位置の移動距離および移動方向を求め、前記求めた探針の各走査時刻、前記求めた試料位置の移動距離および移動方向に基づき、試料側のドリフト量を求め、その求めたドリフト量に基づき、探針の試料上での１フレーム走査毎に、探針の試料上での走査開始位置を補正するようにしたことを特徴とする探針走査制御方法。
- 探針を試料上で走査させて試料像を得る走査形プローブ顕微鏡において、探針を試料上で複数回フレーム走査させて、複数枚の試料像の画像データを取得する手段と、その画像データに基づく複数枚の試料像を表示手段画面上に表示させる表示手段と、その表示手段画面上に表示される各試料像に対して同一の目標位置をそれぞれ指定するための指定手段と、その指定された目標位置に対応する試料位置での探針の走査時刻を、前記各試料像についてそれぞれ求める手段と、前記各試料像中における前記目標位置の位置に基づき、前記目標位置に対応する試料位置の移動距離および移動方向を求める手段と、前記求められた探針の各走査時刻、前記求められた試料位置の移動距離および移動方向に基づき、試料側のドリフト量を求める手段と、その求められたドリフト量に基づいて、探針の試料上での１フレーム走査毎に、探針の試料上での走査開始位置を補正する制御手段を備えたことを特徴とする走査形プローブ顕微鏡。
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