JP4833329B2 - 走査過程に及ぼす機械振動の騒乱効果を補償するラスタモード走査装置 - Google Patents

Description

本発明は、ラスタモード（raster mode）で走査する装置に関わり、特に請求 項１の前段部に記載するように、走査過程に及ぼす機械振動の騒乱効果を保障する、ラスタ顕微鏡に関する。

標本をラスタ走査過程において走査する装置は近年、特に標本の高い分解能精査において、とりわけ変位装置の改良、例えば非常に正確なピエゾ並進装置と、センサおよび感知要素（実施形態としてはトンネル電流を受ける、あるいは力の作用を示す感知要素）の製造の高度な発展とによって非常に重要になって来ている。標本の形態・形状(topography)を容易に概観することができ、また例えば高分子の局部的に解像された結合状態を明らかにすることができる。この場合、ナノメートルとサブナノメートル範囲以下の分解能が得られる。このような理由により、かかる装置の実際の分解能は周囲からの外的効果に強く依存する。ここで大きな役割を演ずるのが、機械振動、例えば空気の振動、または、例えば建物の運動によってつくられる物体的振動である。このようにして発生する騒乱運動（あるいは撹乱的、妨害的運動）、例えば標本を支える顕微鏡台の運動のオーダは、容易に、数マイクロメートルとなり、これは１０^−３より小さい信号／ノイズ比（Ｓ／Ｎ比）に相当する。従って、装置の高い分解能は、騒乱効果がふさわしい装置によって減少するときにしか、使用できない。

現行の技術では、例えば、積極的または消極的な、振動減衰または振動絶縁装置が使用される。しかし、このような装置は非常に高価である。さらに、とくに、例えば建物の振動から生じるような非常に低い騒乱周波数では、これらの装置は限定的な保護しか与えない。さらに、このようなシステムは、その固有の振動特性のために非常に遅い。

従って、本発明の目的は、先行技術による装置の不利点を持たない装置を提供することである。

ラスタモードで走査を行う装置は、機械振動を感知し、かつその出力が調節信号発生装置の出力と一緒に加算器に接続されるフィルタを駆動するセンサを含む。加算器の出力によって標本とセンサの間の距離を変化させる装置を制御し、走査過程に及ぼす機械振動の騒乱効果を実質的に補償（補正）する。

本発明による装置の、とくに機械振動の騒乱効果を除去することに関しての金銭的コストは、先行技術による装置と比較して最小である。機械振動を感知するセンサのほかに使用されるのは電気的な構成要素だけであるから、外部騒乱への応答は非常に速く、さらに、他の機械装置の固有振動特性によって制限されない。

フィルタが調節自在であり、かつ加算器の出力をフィルタの制御入力に接続するとき、加算器の出力信号は、フィルタを調節（適合化）することによって、このフィードバックにより経時的にほぼ一定に保持され、かつこのようにして走査過程に及ぼす機械振動の効果は自動的に補償される。測定信号に及ぼす騒乱効果を、標本上の別の測定点が「到来」することによる測定値の現実の変化から区別するために、変位装置が活動せずかつ標本の対応する点への測定過程を終了したいくつかの時点で、フィルタの適合化即ち調整を行う。

フィルタの適合化を簡単にするために、フィルタをディジタル的に構成できる。機械振動を感知するためのセンサの配置は、それぞれの構成に対して最適化され、また例えば、センサをラスタモードで走査する装置が支えられる顕微鏡台上に取り付け、センサは標本に隣接して配置されて機械振動を感知する。しかし、場合によって、このセンサを、遠隔の場所、例えば、顕微鏡台を支える床上に配置することもできる。

機械振動を感知するためのセンサは、必要に応じて関連振動の変位および／または加速度を検出できる。加速度の感知は、騒乱への、システムのより迅速な反応を可能にする。

必要とされる補償の程度により、機械振動を感知するための振動センサは、変位の平面にほぼ垂直に延在される。しかし、３軸内の振動を感知する振動センサも使用される。これは、例えば、変位の平面内での標本とセンサの相互の相対的な位置変化をもたらす騒乱を感知可能にする。これは、とくに、例えば装置それ自身によって、例えば標本の上方でセンサを動かす変位装置によってつくられる騒乱振動に関係する。

三軸振動センサの三つの出力をそれぞれフィルタ入力に接続し、かつフィルタ出力を加算器に接続すると、測定信号の騒乱を考慮した、三つの全空間方向に対する補償をおこなうことができる。すべてのフィルタがそれぞれ調節自在であり、かつ加算器の出力をそれぞれフィルタの制御入力に接続するとき、個々のフィルタを適合させることにより、加算器の出力での信号は効果的に経時的にほぼ一定となり、かつ振動がもたらす騒乱はすべて実質的に補償される。

本発明による装置は、ラスタモードで走査するすべての装置に対して使用できる。これはとくに、力顕微鏡（force microscope) 、例えば「原子力」顕微鏡または「ファンデルワールス」顕微鏡および電子と光走査式トンネル顕微鏡に関係する。

さらに、本発明によりラスタモードで走査する現行装置を修正したり、本発明による装置を機械振動減衰かつ絶縁装置と組み合わせたりすることができる。

本発明による装置の略図である。

本発明を、添付の図面を参照して、以下で二三の実施例の記述によって説明する。
図１に示す本発明による装置は、走査過程へ及ぼす機械振動の騒乱効果を補償してラスタモードで走査し、かつ顕微鏡台１上に支えられる標本７へのセンサの距離に依存する測定信号Ｓ４を感知するためのセンサ５を含む。

測定信号Ｓ４は、標本上のそれぞれの測定領域またはそれぞれの測定点とセンサとの距離の変更のために調節信号Ｓ５を発生する電子回路６へ供給される。しかし、調節信号Ｓ５は、先行技術による装置のように標本とセンサの間の距離を変更する装置へ直接には供給されず、加算器４へ供給される。さらに、本発明による装置は、機械振動を感知するセンサ２を含み、該センサの出力信号Ｓ１はフィルタ３（その出力も加算器４に接続される）の入力を駆動する。このように、加算器４はフィルタからの信号Ｓ３と調節信号発生装置からの信号Ｓ５を加算し、信号Ｓ６を与える。フィルタの調整は、時間にほぼ無関係、従って騒乱にほぼ無関係な結果信号Ｓ６を与える。標本は、実施形態に応じて標本７および／またはセンサ５を、ラスタモードでの変位させる変位装置を駆動することによって変位し、それによって、形態・形状を追跡する。

本発明の一つの態様では顕微鏡台にほぼ平行である平面内で、標本とセンサの相対位置が変化した後、標本上の新たな点が感知され、そしてある実施例においては、上述の平面にほぼ垂直に標本とセンサの相対距離を互いに変化させることによって一定の測定信号Ｓ４の設定を再度行う。試料とセンサの距離の相対変化は、標本上での二つの隣接する測定点の高さの差に対する絶対測度である。

本発明の一つの態様で、フィルタ３は調節自在に構成され、加算器４の出力はフィルタの制御入力に接続される。このように、和信号Ｓ６は調節式フィルタ３のパラメータ設定についての誤差信号としても作用する。このフィードバックは純電気的に行われるから、フィルタは、機械的フィードバックシステムと比較してより迅速に、信号Ｓ６が機器の変位装置が活動しない時間にわたってほぼ一定となるように、調節される。フィルタ３は、発明の実施の態様に応じて、アナログまたはディジタル・フィルタとして構成される。

機械振動を感知するためのセンサ２は標本の近傍に配置する。正確な位置はあまり重要ではない。しかし、それぞれの場合、騒乱Ｕは標本とセンサ５の間の相対位置と、センサ２の信号との両方に影響しなければならない。振動センサ２は、具体的には、並進運動センサおよび加速度センサの両方としてつくってもよい。本発明の特殊な態様では、振動センサは三軸構造であって、変位の平面内そしてそれに垂直な方向においても振動を感知する。三つのセンサ出力はそれぞれフィルタの入力に接続され、フィルタの出力はすべて、加算器４に接続される。標本７とセンサ５の間の距離を設定する信号Ｓ６は、上述に達成されるように、各フィルタの設定によって経時的にほぼ一定にされる。三つの空間方向での機械振動がもたらす騒乱であって、かつそれぞれ標本とセンサ５の間の相対距離に及ぼす、従って測定信号Ｓ４に及ぼす影響を持つ騒乱は、三つのフィルタが調節自在でありかつ加算器の出力をそれぞれフィルタの制御入力に接続する本発明の特殊な態様で、効果的に自動補償される。三つのディジタルフィルタのパラメータの自動的調節によって、変位装置が活動していない各時点で、信号Ｓ６は実質的に時間と共に変動しないことが保証される。

本発明による装置は、本態様による力顕微鏡、例えば「原子力」顕微鏡または「ファンデルワールス」顕微鏡、さもなくばラスタトンネル顕微鏡、例えば電子走査トンネル顕微鏡または光学的ラスタトンネル顕微鏡である。「原子力」顕微鏡の場合、センサ５は、振動されるレバーアーム上に感知要素を含む。標本点と感知要素の距離は、走査時に水平方向内での標本とセンサとの相互の相対変位に起因して変動しうる。結果として、この距離変化は、振動レバーアームの同調逸脱（detuning) を伴い、これによって、再び、感知要素と標本表面上の測定点の間の垂直距離の変化によるフィードバックがつくられる。

例えば、標本の形態・形状を決定するために、感知要素によって検知され感知要素に対する標本上の個々の測定点の距離に依存する測定信号Ｓ４は、標本の走査中一定に保持される。これは、感知要素に対して新しい測定点の「到来」後、そのときどきの測定点と感知要素の間の距離を、測定信号が特定の前もって定められる値を有するように、変更することで達成される。前もって定められる測定信号Ｓ４は標本上の測定点からの、センサの所与の距離に相当するから、このようにして装置はつねに個々の測定点からの、センサの固定の距離に制御される。新しい測定点の「到来」後の今、センサと新しい測定点の間の距離がある経路長変化するとき、これは古い測定点に対して相対的に、新しい測定点がそれぞれ、Ｚ方向内で正確にこの経路長分だけ、以前の測定点より高く、または低くにあることを意味する。センサ５と標本７の間の距離を変化させる調節信号の発生装置は、この目的に対して、機械振動によって時間とともに変化する成分を有するｚ信号Ｓ５を発生する。上述したように、この信号Ｓ５はフィルタ３からの信号Ｓ３と一緒に加算器４内に加えられ、このなかでセンサ５と標本７の間の距離を変化させる調節信号Ｓ６がつくられ、これは経時的にほぼ一定である。フィルタ３の理想的な調整によって、フィルタは入力信号Ｓ１から、信号Ｓ５の時間的変動部分に量的に等しいが逆符号を有する信号Ｓ３をつくるから、両成分は正確に相殺する。機械振動がもたらす、標本表面上の感知場所からの感知要素の距離内の騒乱は、この方法で、本発明によりほぼ補償される。

フィルタ３の調整は、本発明の実施例では各測定点で、または前もって定められる時間間隔で実施される。走査過程それ自身の間、すなわち、ｚ方向にほぼ垂直な平面内でセンサ５に相対的な標本の変位の間は、フィルタ３の設定のために前もって確立されたパラメータが維持される。

１ 顕微鏡台
２ 振動感知センサ
３ フィルタ
４ 加算器
５ センサ
６ 電子回路
７ 標本
Ｓ１ センサ２からの信号
Ｓ２ フィルタ３への信号
Ｓ３ フィルタからの信号
Ｓ４ 測定信号
Ｓ５ 調節信号
Ｓ６ 結果信号
Ｕ 騒乱

Claims (9)

1. 機械振動を受ける顕微鏡台（１）上に支持され、走査されるべき外形状を有する標本（７）について、ラスタモードによる走査を実行し、該走査過程において、該機械振動から外乱効果を補償する走査顕微鏡であって、
   該標本（７）から所定の基準距離をもって配置される第１のセンサ（５）であって、該標本(７)の外形状を感知して、該標本（７）の外形状の面から該第１のセンサ（５）への距離に依存する測定信号（Ｓ４）を出力する第１のセンサ（５）と、
   前記ラスタモードの際に、該顕微鏡台（１）と該第１のセンサ（５）とをそれぞれに対して互いに変位させる変位装置であって、該標本（７）と該第１のセンサ（５）との間の該基準距離を一定に保つ手段を有する変位装置と、
   該変位装置には直接的には接続されない電子回路(６)であって、該電子回路(６)は該第１のセンサが出力した該測定信号（Ｓ４）を処理することにより、該標本（７）と該第１のセンサ（５）との間の該基準距離に関する信号であって、かつ、時間的変動部分を有する調整信号(Ｓ５)を発生させ電子回路(６)と、
   第２のセンサ（２）であって、該第２のセンサ（２）に対する該顕微鏡台（１）における機械的な振動を感知し、振動指標信号（Ｓ１）を発生する該第２のセンサ（２）と、
   フィルタ信号（Ｓ３）を決定するための制御パラメータを有し調節自在に構成される調節式フィルタ（３）であって、該第２のセンサ（２）に接続され、該振動指標信号（Ｓ１）を処理し、該調整信号(Ｓ５)の該時間的変動部分と量的に等しく逆符号を有する該フィルタ信号（Ｓ３）を得る調節式フィルタ（３）と、
   該電子回路（６）と該調節式フィルタ（３）との両者に接続され、該フィルタ信号（Ｓ３）を該調整信号（Ｓ５）に加算して生成した最終調整信号（Ｓ６）を出力し、これにより該最終調整信号（Ｓ６）が標本（７）と該第１のセンサ（５）との間の該基準距離を一定に保つ信号として出力される該加算器(４)とを備え、
   該調節式フィルタ（３）は、該変位装置が活動しないときに該調節式フィルタ（３）の制御パラメータを調節するように、該加算器(４)により出力された最終調整信号（Ｓ６）をフィードバックした誤差信号（Ｓ２）として該調節式フィルタ（３）に再入力されるように接続され、
   該変位装置は、前記ラスタモードによる走査を実行する際に、該最終調整信号（Ｓ６）により該標本（７）と該第１のセンサ（５）との間の該基準距離を一定に保つことを特徴とする走査顕微鏡。
2. 請求項１に記載の走査顕微鏡であって、該顕微鏡台（１）は走査面上を可動であって、
   該変位装置は、
   該標本（７）と該第１のセンサ（５）とをそれぞれに対してほぼ該走査面上で変位するための第１の機器と、
   該標本（７）と該第１のセンサ（５）との間の該基準距離を該走査面に対してほぼ垂直方向に調整する第２の機器とを備えることを特徴とする走査顕微鏡。
3. 請求項１に記載の走査顕微鏡であって、該調節式フィルタ（３）はディジタル・フィルタであることを特徴とする走査顕微鏡。
4. 請求項１に記載の走査顕微鏡であって、機械振動を感知する該第２のセンサは、振動または該振動に関する加速度の増幅信号を感知することを特徴とする走査顕微鏡。
5. 請求項２に記載の走査顕微鏡であって、該第２のセンサ（２）は、該走査面とほぼ垂直な振動を感知することを特徴とする走査顕微鏡。
6. 請求項１に記載の走査顕微鏡であって、該第２のセンサ（２）は、３軸方向の機械振動を感知して、これらに対応する3つの出力を有し、
   該調節式フィルタ（３）は３つのフィルタからなり、前記第２のセンサ(２)の３つの出力のそれぞれは該３つのフィルタのそれぞれに接合されていて、該３つのフィルタはそれぞれ制御パラメータを調節し、該３つのフィルタの出力のそれぞれは該加算器（４）に結合され、それぞれに基づいて該最終調整信号（Ｓ６）が該標本（７）と該第１のセンサ（５）との間の３つの空間方向における該基準距離を一定に保つ信号として出力されることを特徴とする走査顕微鏡。
7. 請求項１に記載の走査顕微鏡であって、該調節式フィルタ（３)は、フィルタパラメータに対して調整可能であり、該調節式フィルタ（３）は、該加算器（４）の出力端に接合されている制御入力を有していることを特徴とする走査顕微鏡。
8. 請求項１に記載の走査顕微鏡であって、該走査顕微鏡は、力顕微鏡またはトンネル顕微鏡であることを特徴とする走査顕微鏡。
9. 請求項１に記載の走査顕微鏡で、ラスタモードで標本（７）の走査を行う際の信号処理方法であって、
   該標本（７）と該第１のセンサ（５）との間の距離に応じた該第１のセンサ（５）による測定信号（Ｓ４）を送る工程と、
   該第１のセンサ（５）に結合された電子回路(６)により調整信号（Ｓ５）を発生させる工程と、
   該第１のセンサ（５）に対する標本（７）の走査の移動の間に第２のセンサ（２）によって、該標本（７）の機械振動を感知し、振動指標信号（Ｓ１）を発生する工程と、
   フィルタ信号（Ｓ３）を決定するための制御パラメータを有し調節自在に構成される調整式フィルタ（３）により該振動指標信号（Ｓ１）からフィルタ信号（Ｓ３）を発生させる工程と、
   該フィルタ信号（Ｓ３）を該調整信号（Ｓ５）に加えて最終調整信号（Ｓ６）を生成し、該変位装置が活動しないときに該調節式フィルタ（３）の制御パラメータを調節するように、該最終調整信号（Ｓ６）をフィードバックした誤差信号（Ｓ２）として該調整式フィルタ（３）に再入力する工程と、
   これにより該最終調整信号（Ｓ６）を該標本（７）と該第１のセンサ（５）との間の該基準距離を一定に保つ信号として出力する工程と、
   該変位装置において、前記ラスタモードによる走査を実行する際に、該最終調整信号（Ｓ６）により該標本（７）と該第１のセンサ（５）との間の該基準距離を一定に保つ工程とを備えることを特徴とする信号処理方法。

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