JP4859789B2 - 走査型プローブ顕微鏡及びその探針衝突回避方法 - Google Patents

Description

本発明は、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）に関し、特に複数のプローブ（探針）を備えた、いわゆる走査型マルチプローブ顕微鏡（ＭＰＳＰＭ）の各探針の衝突回避に関するものである。

この種の走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）には、例えば特許文献１に示すように、トンネル電流（相互作用）を検出して試料の表面形状等を測定する走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）等がある。このような顕微鏡を用いることにより測定試料の原子レベルの観測が可能となっている。

また、例えば特許文献２に示すように、近時では複数の探針を有する走査型トンネル顕微鏡が用いられるようになっている。この顕微鏡を用いることにより、試料の表面形状の観測だけでなく、測定試料の特性、例えば電気抵抗等を計測することが可能となっている。

従来、このような走査型マルチプローブ顕微鏡（ＭＰＳＰＭ）を用いて電気抵抗等を計測する場合、その前段階において各探針を測定試料の位置へ移動させるには光学顕微鏡又は電子顕微鏡が用いられている。
特開２０００−１３６９９４号公報 特開平７−１３４１３７号公報

しかしながら、光学顕微鏡又は電子顕微鏡では、原子レベルの十分な分解能を得ることができず、探針の絶対位置及び探針間の相互の位置関係の認識が不十分である。更に、探針から得られた画像を照合して探針の位置を求めた場合も、各探針の位置について得られる情報は、探針が試料表面と相互作用した各部分についての位置情報のみであり、ある有限の大きさ（曲率半径）を持つ探針の形状を含めた位置を充分に認識することはできない。そのため、探針位置を調節するときに、各探針同士が衝突してしまい、探針が損傷してしまうという問題がある。

そこで本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、走査型マルチプローブ顕微鏡（ＭＰＳＰＭ）の複数の探針が互いに衝突する事態を回避することをその主たる所期課題とするものである。

すなわち本発明に係る走査型プローブ顕微鏡は、試料が載置されるステージと、試料に対向して設けられ、前記ステージに対して相対的に移動可能である複数の探針と、前記試料の表面と探針との相互作用を検出する検出部と、前記検出部で検出された相互作用に基づいて、前記試料の表面画像を生成する画像生成部と、前記画像生成部により得られた各探針に基づく表面画像を取得し、それら各表面画像から前記各探針の形状を推算する探針形状推算部と、前記探針形状推算部により得られた各探針の形状についての情報を取得し、前記各探針が前記各探針のまわりの他の探針と衝突しうる危険領域を算出する危険領域算出部と、を備えることを特徴とする。なお、本発明において「各探針に基づく表面画像」にはスキャンラインのデータそのものも含まれる。

このようなものであれば、各探針の形状に基づいて、探針同士の衝突が起こるおそれのある領域を割り出すことができるので、探針間の衝突を未然に防いで、各探針を破損せずに安全に移動することができる。そして、安全に各探針を近接することができるので、特に、探針の正確な位置調節が要求されるカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、ナノワイヤ又は単分子膜等の物理的特性等の計測に好適に用いることができる。

更に本発明に係る走査型プローブ顕微鏡は、前記画像生成部により得られた各探針に基づく表面画像を取得し、それら各表面画像上のラインのプロファイルから、それら各表面画像ごとに、前記検出部で検出された相互作用の変化率のより大きな部分を選択する選択部を備えていて、前記探針形状推算部は、前記選択部から前記相互作用の変化率のより大きな部分の表面画像を取得し、前記変化率のより大きな部分の表面画像と仮定された試料の表面形状とから、前記各探針の形状を推算することが好ましい。

本発明に係る走査型プローブ顕微鏡は、更に、前記危険領域算出部により得られた危険領域についての情報を取得し、前記各探針がこれら危険領域に進入すると衝突を警告する警報を発する衝突警告部を備えていてもよい。

また、本発明に係る探針衝突回避方法は、試料が載置されるステージと、試料に対向して設けられ、前記ステージに対して相対的に移動可能である複数の探針と、前記試料の表面と探針との相互作用を検出する検出部と、前記検出部で検出された相互作用に基づいて、前記試料の表面画像を生成する画像生成部と、を備えた走査型プローブ顕微鏡の探針衝突回避方法であって、前記画像生成部により得られた各探針に基づく表面画像を取得し、それら各表面画像から前記各探針の形状を推算し、当該各探針の形状についての情報から前記各探針が他の探針と衝突しうる危険領域を算出することを特徴とする。

このように構成した本発明によれば、探針の衝突やそれに伴う探針の破損を未然に防いで、安全に各探針を近接することができるので、特に、探針の正確な位置調節が要求されるカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、ナノワイヤ又は単分子膜等の物理的特性等の計測に好適に用いることができる。

以下に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）１は、検出対象である相互作用が物理量のトンネル電流である走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）であり、大気中に設置されて用いられるものである。その構成は、図１に示すように、水平に試料Ｗが載置されるステージ２と、試料Ｗに対向して設けられ、ＸＹ方向及び垂直なＺ方向に移動可能である複数の探針３１、３２、３３、３４と、前記探針３１、３２、３３、３４をステージ２に平行なＸＹ方向及び垂直なＺ方向に移動させる探針移動機構４と、前記ステージ２をＸＹ方向に移動させるステージ移動機構５と、前記探針３１、３２、３３、３４の流れるトンネル電流を検出する電流検出部６と、電流検出部６からの電流信号を受け付けて、その電流信号に基づいて探針移動機構４を制御するとともに試料Ｗの表面画像であるＳＴＭ像を生成等する情報処理装置７と、を備えている。なお、本実施形態では、バイアス制御部（図示しない）により、各探針３１、３２、３３、３４に印加される電圧は、試料Ｗに対して−２．０［Ｖ］となるように制御されている。また、本実施形態における試料Ｗはシリコン（Ｓｉ）上に被膜された白金（Ｐｔ）膜である。

以下各部について説明する。

探針３１、３２、３３、３４は、タングステン（Ｗ）又は白金イリジウム（Ｐｔ−Ｉｒ）等から形成されている。

探針移動機構４は、探針３１、３２、３３、３４を保持するとともに、当該探針３１、３２、３３、３４をＸＹＺ方向に移動させるものである。具体的には、図３に示すように、ＸＹ方向制御部７１により制御されて探針３１、３２、３３、３４をＸＹ方向に走査させるとともに、Ｚ方向制御部７２によりフィードバック制御されて探針３１、３２、３３、３４をＺ方向に移動させるものである。その構成はピエゾ微動素子を用いたものであり、ＸＹ方向制御部７１及びＺ方向制御部７２により印加される電圧値が制御されることにより探針３１、３２、３３、３４を移動する。

ステージ移動機構５は、後述するステージ位置制御部７５により制御されるものであり、ステージ２をＸＹ方向に移動させるものである。その構成はピエゾ微動素子を用いたものであり、ステージ位置制御部７５により印加される電圧が制御されることによりステージ２を移動させる。

検出部としての電流検出部６は、図１及び図３に示すように、探針３１、３２、３３、３４をＸＹ方向に移動したときに、試料Ｗの表面と各探針３１、３２、３３、３４との相互作用によるＺ方向に依存した物理量であるトンネル電流を検出して、その検出信号をＺ方向制御部７２に出力するものである。

情報処理装置７は、図２に示すように、ＣＰＵ７０１の他に、メモリ７０２、入出力チャンネル７０３、キーボード等の入力手段７０４、ディスプレイ等の出力手段７０５等を備えた汎用乃至専用のものであり、入出力チャンネル７０３にはＡ／Ｄコンバータ７０６、Ｄ／Ａコンバータ７０７、増幅器（図示しない）等のアナログ−デジタル変換回路が接続されている。

そして、ＣＰＵ７０１及びその周辺機器が、前記メモリ７０２の所定領域に格納されたプログラムに従って協働動作することにより、この情報処理装置７は、図３に示すように、ＸＹ方向制御部７１、Ｚ方向制御部７２、画像生成部７３等として機能する。なお、この情報処理装置７は、物理的に一体である必要はなく、有線又は無線により複数の機器に分割されていても構わない。

各機能部７１〜７３について説明する。

ＸＹ方向制御部７１は、各探針３１、３２、３３、３４をＸＹ方向に走査するように探針移動機構４を制御するものである。具体的には探針移動機構４を構成するＸ方向及びＹ方向のピエゾ微動素子に印加する電圧値を調整するものである。また、各探針３１、３２、３３、３４のＸＹ方向の位置データ（例えば初期位置からの変位）を画像生成部７３に出力するものである。

Ｚ方向制御部７２は、電流検出部６からの検出信号を受け付けて、その検出信号に基づいて、試料Ｗの表面と探針３１、３２、３３、３４との間のトンネル電流が一定（例えばＩ_ｒｅｆ＝３００［ｐＡ］）となるように、探針３１、３２、３３、３４のＺ方向の高さをフィードバック制御するものである。具体的には探針移動機構４を構成するＺ方向のピエゾ微動素子に印加する電圧値を調整するものである。また、各探針３１、３２、３３、３４のＺ方向の位置データ（例えば初期位置からの変位）を画像生成部７３に出力するものである。

画像生成部７３は、ＸＹ方向制御部７１からＸＹ方向の位置データ又は後述するステージ位置制御部７５からのステージ位置データと、更にＺ方向制御部７２からＺ方向の位置データを取得して、試料Ｗの表面画像であるＳＴＭ像を生成するものである。

そして、本実施形態における情報処理装置７は、画像補正部７４、ステージ位置制御部７５、相対位置算出部７６、選択部７７、探針形状推算部７８、危険領域算出部７９及び衝突警告部８０を更に備えている。

画像補正部７４は、画像生成部７３からＳＴＭ像の画像データを取得して、前記ＳＴＭ像のノイズ等を補正するものであり、具体的には、画像の傾斜や、探針にゴミが付着したことに起因するノイズ（スキャンラインのベースの上昇）を補正し、更に、メディアンフィルタリングを行なってピーク状ノイズを修正するよう画像処理するものである。

画像補正部７４において行なう画像の傾斜や、探針にゴミが付着したことに起因するノイズ（スキャンラインのベースの上昇）の補正として、本実施形態では具体的に、（１）ＳＴＭ像上のラインのＺ方向の位置データの平均値を算出して、これら平均値を用いて補正を行なう手段、又は、（２）ＳＴＭ像上のラインについて、前記Ｚ方向に対するピクセル数のヒストグラムを作成し、これらヒストグラムを用いて補正を行なう手段、のいずれかを実施する。

上記（１）の手段として具体的には、画像の傾斜を補正する場合（１）−１は、ＳＴＭ像上の任意のラインのＺ方向の位置データの平均値を算出し、当該平均値から近接するラインのＺ方向の位置データの平均値を引いてその差を算出する。そして、当該任意のラインのＺ方向の位置データから上記の差分を差し引き、近接するラインのＺ方向の位置データの平均値と略同じになるように処理して、ＳＴＭ像を補正する。一方、ノイズの補正を行なう場合（１）−２は、各スキャンラインのＺ方向の位置データの平均値を算出し、当該平均値から近接するスキャンラインのＺ方向の位置データの平均値を引いてその差を算出する。そして、当該スキャンラインのＺ方向の位置データから上記の差分を差し引き、近接するスキャンラインのＺ方向の位置データの平均値と略同じになるように処理して、ＳＴＭ像を補正する。

より詳細には、例えば、図４に示すように、任意のスキャンライン（ａ）のＺ方向の位置データの平均値がＺａであり、隣接するスキャンライン（ｂ）のＺ方向の位置データの平均値がＺｂである場合、その差│Ｚａ−Ｚｂ│＝ΔＺを算出し、異常スキャンラインのＺ方向の位置データをΔＺ引き下げる（又は引き上げる）ことにより、補正が行なわれる。

上記（２）の手段として具体的には、まず、ＳＴＭ像上の任意のラインのＺ方向に対するピクセル数のヒストグラムを作成し、次いで、近接するラインについてのヒストグラムのピークを重ね合わせる。そして、ピクセル数のピーク位置に基づいてＺ方向の位置データのズレを算出する。次に、当該任意のラインのＺ方向の位置データを補正して、これらのヒストグラムのピークが略重なり合うように処理して、ＳＴＭ像を補正する。

より詳細には、例えば、図５に示すように、任意のスキャンライン（ａ）とそれに隣接するスキャンライン（ｂ）についてＺ方向高さ（高さはピクセルの濃淡で示される。）に対するピクセル数のヒストグラムを作成し、これらヒストグラムのピークを重ね合わせ、ヒストグラムのピクセル数のピーク位置のＺ方向のズレ（ΔＺ）を算出し、スキャンライン（ａ）のＺ方向の位置データをΔＺ引き下げる（又は引き上げる）ことにより、補正が行なわれる。

ステージ位置制御部７５は、ステージ移動機構５を制御するものであり、具体的には、ステージ移動機構５を構成するピエゾ微動素子に印加する電圧値を制御するものである。

本実施形態では、物理的特性等の計測の前段階において、ステージ２を動かし、初期位置（ステージ２を動かす前の位置）からＸＹ方向に所定範囲内でラスタースキャン方式で走査する。例えば走査領域が５０００ｎｍ×５０００ｎｍとなるようにステージ移動機構５を制御する。より具体的には、例えばステージ２を初期位置からＸ方向に−２５００ｎｍ〜２５００ｎｍの範囲及びＹ方向に−２５００ｎｍ〜２５００ｎｍの範囲内で走査するようにステージ移動機構５を制御する。このようにステージ２を動かすと各探針３１、３２、３３、３４による画像を同時に取得することができる。そして、所定範囲の走査が終了したら、ステージ２を初期位置に戻すように制御する。これにより、生成された各ＳＴＭ像の中心に各探針３１、３２、３３、３４の先端部分が位置していることになる。

相対位置算出部７６は、画像生成部７３により得られた各探針３１、３２、３３、３４に基づくＳＴＭ像に補正処理が施されたものを画像補正部７４から取得し、それら各画像を照合して、各探針３１、３２、３３、３４間の相対位置を算出するものである。

具体的に相対位置算出部７６は、物理的特性等の計測の前段階において、ステージ２を移動して各探針３１、３２、３３、３４を試料Ｗに対して走査させることにより得られた、各探針３１、３２、３３、３４のＳＴＭ像に補正処理が施されたものを画像補正部７４から取得し、その４つのＳＴＭ像をパターンマッチングする。

画像の照合の１つであるパターンマッチングの方法としては、例えば、図６に示すように、相対位置算出部７６において各ＳＴＭ像中に共通して現れる特徴的な共通部分Ａ、Ｂ、Ｃの輪郭をエッジフィルタリングにより抽出する。そして図７に示すように、各表面画像のＡ、Ｂ、Ｃが一致するように各ＳＴＭ像を重ね合わせる。各ＳＴＭ像の中心部分には各探針３１、３２、３３、３４が位置しているので、これにより各探針３１、３２、３３、３４の相対距離を認識することができる。なお、図７において、各ＳＴＭ像を重ね合わせることにより、探針３２と探針３４との相対距離が、〜４３０［ｎｍ］であることがわかる。

選択部７７は、画像生成部７３により得られた各探針３１、３２、３３、３４に基づくＳＴＭ像に補正処理が施されたものを画像補正部７４から取得し、それらＳＴＭ画像上の任意のラインのプロファイルから、高さ（Ｚ方向の位置データ）の変化率の最も大きな部分を選択する。

より詳細には、例えば図８に示すように、各探針３１、３２、３３、３４により得られたスキャンラインのプロファイルから、オペレータによる判断を受け付けるか又は所定のプログラムに従って処理することにより、各探針３１、３２、３３、３４ごとに各探針の形状を最も絞り込むことが可能な部分として、Ｚ方向の位置データの変化率が最も大きな部分を選択する（ａ）。より具体的には、オペレータが視覚を介して判断する場合は、Ｚ方向の位置データの変化率が大きな部分ほど画像のコントラストの変化が明瞭であり、これに対して、Ｚ方向の位置データの変化率が小さい部分ほど画像のコントラストの変化が緩慢であるとして、これらコントラストの変化を判断基準として、スキャンラインのプロファイルからコントラストの変化が最も明瞭な部分を選び出す。一方、プログラムに従って処理する場合は、スキャンラインに沿ったスキャンラインのプロファイルの高さ（Ｚ方向の位置データ）の変化率を算出し、各探針３１、３２、３３、３４ごとに得られたスキャンラインのプロファイルからＺ方向の位置データの変化率が最も大きな部分を選び出す。

Ｚ方向の位置データが変化する部分からは探針の形状の最大値（試料Ｗの表面形状をステップと仮定したとき）と最小値（試料Ｗの表面形状をプロファイル通りと仮定したとき、点となる）が得られる。実際の探針の形状は同じであるので、最大値がとりうる値のなかの最小値が探針の形状として最適である。先述のように選択すれば、探針形状の最大値中の最小値を推算することができる変化部分を得ることができる。

探針形状推算部７８は、選択部７７から高さ（Ｚ方向の位置データ）の変化率の最も大きな部分のＳＴＭ画像を取得し、また、その部分の試料Ｗの表面形状を９０°に立ち上（下）がるステップであると仮定し、それら各ＳＴＭ像と仮定されたステップ状の表面形状とからデコンボリューションを行うことにより、前記各探針３１、３２、３３、３４の形状を推算する。

即ち、例えば図８に示すように、選択された部分の実際の試料Ｗの表面形状を９０°に立ち上（下）がるステップであると仮定し、仮定された試料Ｗの表面形状と選択された部分のスキャンラインのプロファイルとからデコンボリューションを行うことにより（ｂ）、探針の形状についての情報として、例えば、曲率半径を推算する。この推算を各探針３１、３２、３３、３４ごとに行なう。

危険領域算出部７９は、探針形状推算部７８により得られた各探針３１、３２、３３、３４の形状についての情報（以下、形状情報という。）を取得し、各探針３１、３２、３３、３４が他の探針と衝突する可能性が高い危険領域を算出する。つまり換言すれば、デコンボリューションによって探針形状を求めることにより少なくともそれ以上には探針が存在しないと推定される領域が各探針ごとに決定される。つまり、危険領域内は、ある一方の探針が必ず存在するとは言えないが、少なくとも探針が存在する可能性があり、その中では他方の探針がどのような形状であっても（仮想的に点状の探針を想定したとしても）衝突しうることになる。

より詳細には、例えば、図９に示すように、画像生成部７３により探針３１、３３に基づくＳＴＭ像が得られた場合、前記探針形状推算部７８は、仮定された試料Ｗの表面形状と画像補正部７４により補正処理が施されたＳＴＭ像とからデコンボリューションを行うことにより、探針３１と探針３３の形状を推算し、それぞれの曲率半径を探針３１が２０ｎｍ、探針３３が５０ｎｍと算出する。一方、相対位置算出部７６はパターンマッチングを行い、探針３１に基づくＳＴＭ像と、探針３３に基づくＳＴＭ像とに共通して現れる部分を認識してその部分が重なるように、これら２枚のＳＴＭ像を重ね合わせ、探針３１と探針３３との相対位置を算出する。そして、危険領域算出部７９は、探針形状推算部７８により得られた探針３１の形状情報である曲率半径から、探針３３が移動した場合、探針３１と衝突する可能性が高い危険領域を算出する。図９に示す例では、探針３１の先端部の位置を中心として、探針３１の曲率半径である２０ｎｍ半径の領域とその周囲の領域が、探針３３を移動する場合の危険領域として判断される。ここで、前記周囲の領域とは、例えば、探針移動機構４に依存して探針３１が存在しうる領域をいう。つまり、前記周囲の領域はマニピュレータ等の探針移動機構４が移動可能な領域であり、探針移動機構４の動きに伴って探針３１が存在しうる領域である。

衝突警告部８０は、危険領域算出部７９により得られた危険領域についての情報（以下、危険領域情報という。）と、前記相対位置算出部７６により得られた各探針３１、３２、３３、３４間の相対位置についての情報とを取得し、各探針３１、３２、３３、３４がこれら危険領域に進入すると衝突を警告する警報を発する。

衝突警告部８０が発する警報は、音、光や振動等のオペレータが認知しうるものであり、情報処理装置７に備わったディスプレイ、スピーカやバイブレータ等の出力手段７０５を介して発せられる。

次に、本実施形態における走査型プローブ顕微鏡１を用いた物理的特性等の計測までの手順を図１０のフローチャートを参照して説明する。

まずオペレータが試料Ｗをステージ２上に載置する（ステップＳ１）。

そして、オペレータは図示しない光学顕微鏡で視認しながら図示しない粗動機構を用いて、パターンマッチングが可能な範囲であるミリメートルからマイクロメートルスケールの範囲で各探針３１、３２、３３、３４をそれぞれ位置調節して、各探針３１、３２、３３、３４同士をＸＹ方向に近づける。同時に図示しない粗動機構を用いてＺ方向に各探針３１、３２、３３、３４をそれぞれ位置調節して、その先端部分を試料Ｗ表面に近づける（ステップＳ２）。

次に、オペレータがキーボード等の入力手段７０４により情報処理装置７に入力信号を入力することにより、ＸＹ方向制御部７１が各探針３１、３２、３３、３４のＸＹ方向の位置を変化させずに、ステージ位置制御部７５がステージ２を移動することにより試料Ｗを走査して（ステップＳ３）、画像生成部７３が４探針３１、３２、３３、３４同時にＳＴＭ像を生成する（ステップＳ４）。

更に、画像補正部７４が画像生成部７３から前記ＳＴＭ像を示す画像データを取得する（ステップＳ５）。画像補正部７４はそれらのＳＴＭ像の傾斜や、探針にゴミが付着したことに起因するノイズ（スキャンラインのベースの上昇）を補正する。その後、画像補正部７４は更に、メディアンフィルタリングを行なって前記ＳＴＭ像上のピーク状ノイズを修正するよう画像処理する。

画像補正部７４が行なう画像の傾斜や探針にゴミが付着したことに起因するノイズ（スキャンラインのベースの上昇）の補正として、本実施形態では具体的に、（１）ＳＴＭ像上のラインのＺ方向の位置データの平均値を算出して、これら平均値を用いて補正を行なう手段、又は、（２）ＳＴＭ像上のラインについて、前記Ｚ方向に対するピクセル数のヒストグラムを作成し、これらヒストグラムを用いて補正を行なう手段、のいずれかを実施する。

上記（１）の手段が実施されノイズの補正が行なれる場合、図１１に示すように、まず、各スキャンラインのＺ方向の位置データの平均値が算出される（Ｓ５−１）。次いで、当該平均値から近接するスキャンラインの平均値を引いてその差が算出される（Ｓ５−２）。そして、スキャンラインのＺ方向の位置データから上記の差分が差し引かれ（Ｓ５−３）、近接するスキャンラインのＺ方向の位置データの平均値が略同じになるように処理され、前記ＳＴＭ画像が補正される。

上記（２）の手段が実施された場合、図１２に示すように、まず、ＳＴＭ像上の任意のラインについて、前記Ｚ方向に対するピクセル数のヒストグラムが作成される（Ｓ５−１１）。次いで、近接するラインについてのヒストグラムのピークが重ね合わされる（Ｓ５−１２）。そして、ピクセル数のピーク位置に基づいてＺ方向の位置データのズレが算出される（Ｓ５−１３）。次に、当該任意のラインのＺ方向の位置データが補正されて（Ｓ５−１４）、これらのヒストグラムのピークが略重なり合うように処理され、前記ＳＴＭ像が補正される。

上記（１）の手段と（２）の手段のいずれを実施するかは、任意に選択することが可能である。

次いで、相対位置算出部７６が画像補正部７４から補正処理後のＳＴＭ像を示す画像データを取得して、相対位置算出部７６はそれらのＳＴＭ像を照合して共通する部分を見つけ、その共通部分が一致するように各ＳＴＭ像を重ね合わせて、各探針３１、３２、３３、３４間の相対位置を算出する（ステップＳ６）。

また、選択部７７が画像補正部７４から補正処理後のＳＴＭ像を示す画像データを取得して、それらＳＴＭ像上のラインのプロファイルより高さ（相互作用により得られたＺ方向の位置データ）の変化率の最も大きな部分を選択する。（ステップＳ７）。

また、探針形状推算部７８が選択部７７から前記変化率の最も大きな部分のＳＴＭ像を示す画像データを取得して、それら各ＳＴＭ像と仮定された試料Ｗの表面形状とからデコンボリューションを行うことにより、各探針３１、３２、３３、３４の形状を推算する（ステップＳ８）。

そして、危険領域算出部７９が、探針形状推算部７８から各探針３１、３２、３３、３４の形状情報を取得し、各探針３１、３２、３３、３４が移動した場合、他の探針と衝突する可能性が高い危険領域を算出する（ステップＳ９）。

その後、オペレータが入力した測定目的に応じて、ＸＹ方向制御部７１が、試料Ｗの所定位置に各探針３１、３２、３３、３４を移動させる（ステップＳ１０）。このとき、各探針３１、３２、３３、３４の相対位置を保ちながら、１つずつ所定位置に移動させても良いし、各探針３１、３２、３３、３４の相対位置を保つことなくそれぞれ独立して所定位置に移動させても良い。

一方、衝突警告部８０は危険領域算出部７９から危険領域情報を、相対位置算出部７６から各探針３１、３２、３３、３４間の相対位置情報を、それぞれ取得し、各探針３１、３２、３３、３４がこれら危険領域に進入すると衝突を警告する警報を発する（ステップＳ１１）。

そして、上記のステップの後、物理的、化学的又は機械的特性等の計測を開始する（ステップＳ１２）。

このように構成した本実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡１によれば、各探針３１、３２、３３、３４の形状に基づいて、各探針３１、３２、３３、３４間の衝突が起こりやすい領域を割り出すことができるので、各探針３１、３２、３３、３４間の衝突を未然に防いで、各探針３１、３２、３３、３４を破損せずに安全に移動することができる。そして、安全に各探針３１、３２、３３、３４を近接することができるので、特に、探針３１、３２、３３、３４の正確な位置調節が要求される微細な構造物であるカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、ナノワイヤ又は単分子膜等の物理的特性等の計測に好適に用いることができる。

また、本実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡１は、試料Ｗの表面形状が未知であっても、各探針３１、３２、３３、３４により得られた画像のラインのプロファイルごとに、最も高さ（Ｚ方向の位置データ）の変化率の大きな部分を選択し、この部分の試料Ｗの実際の表面形状を９０°に立ち上（下）がるステップであると仮定するので、当該試料Ｗの表面形状とＳＴＭ像とから各探針３１、３２、３３、３４の形状を推算することができる。

また、画像補正部７４を有することにより、ＳＴＭ像の傾斜や、各探針３１、３２、３３、３４にゴミが付着したことに起因するノイズ等を効果的に補正することが可能となるので、複数の探針３１、３２、３３、３４により採取されたＳＴＭ像の重ね合わせが正確かつ容易になり、各探針間の相対位置の算出精度も高くなる。その結果として、試料Ｗの物理的、化学的又は機械的特性を高い精度で効率的に測定することができる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

前記実施形態においては画像生成部７３が生成したＳＴＭ像を画像補正部７４が補正したが、計測目的によっては当該補正は行なわなくても良い（ただし、補正処理を行なったほうが得られる計測結果の精度が高くなる。）。

前記実施形態では探針形状を推算する際にデコンボリューションを行なったが、探針形状を推算する方法はデコンボリューションに限定されない。例えば、選択されたスキャンラインのプロファイルの一部であって仮定した試料Ｗの表面形状と想定する部分を探針形状とすることもできる。

前記実施形態では選択部７７は各探針３１、３２、３３、３４のスキャンライン全て（スキャンした全ての範囲）から高さ（Ｚ方向の位置データ）の変化率の最も大きな部分を選択したが、任意の範囲のスキャンラインから選択するようにしてもよい。

前記実施形態においては、図８に示すように、スキャンラインのプロファイルより探針形状を推算したが、探針形状を推算するために使用するラインはスキャンラインに限られず、試料Ｗの表面画像上の任意のラインを用いることができる。また、試料Ｗの表面画像上の任意のライン（スキャンラインを含む。）は直線に限定されず曲線であってもよい。

本発明に係る走査型プローブ顕微鏡により探針の危険領域を求める際に用いる試料は表面形状が既知の標準サンプルであってもよく、その場合は表面形状を仮定せず、既知の表面形状を用いて、探針形状を推算する。この際、探針形状の推算に用いるＺ方向の位置データの変化部分は特に限定されず任意に選択可能である。

前記実施形態においては、危険領域算出部７９が探針形状推算部７８により得られた各探針３１、３２、３３、３４の形状情報を取得し、各探針３１、３２、３３、３４が他の探針と衝突しうる危険領域を算出したが、危険領域算出部７９と共に、又は、危険領域算出部７９に代えて、探針形状推算部７８により得られた各探針３１、３２、３３、３４の形状情報と、相対位置算出部７６により得られた各探針３１、３２、３３、３４間の相対位置情報と、をそれぞれ取得して、各探針３１、３２、３３、３４が他の探針と衝突せずに安全に移動しうる安全領域を算出する安全領域算出部を備えていても良い。

例えば、図９に示すように、探針３１の曲率半径が２０ｎｍ、探針３３の曲率半径が５０ｎｍと算出された場合は、探針３１の先端部の位置を中心として、探針３１と探針３３の曲率半径の和である７０ｎｍ半径の領域とその周囲の領域以外の領域が、探針３３を移動する場合の安全領域とされる。

前記実施形態における走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は、検出対象となる相互作用がトンネル電流である走査型トンネル電流顕微鏡（ＳＴＭ）であったが、その他にも、原子間力を検出する原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、近接場光を検出する近接場光学顕微鏡（ＳＮＯＭ）、磁力を検出する磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）、摩擦力を検出する摩擦力顕微鏡（ＦＦＭ）、超音波を検出する走査型近接場超音波顕微鏡（ＳＮＡＭ）、イオン伝導を検出する走査型イオン顕微鏡（ＳＩＣＭ）、静電気力を検出するケルビンフォース顕微鏡（ＫＦＭ）等であっても良い。なお、例えば近接場光学顕微鏡（ＳＮＯＭ）においては近接場プローブが探針、光検出部が検出部に相当する。

また、前記実施形態における走査型プローブ顕微鏡は、これらの各種走査型プローブ顕微鏡の複合型であってもよく、その場合探針（プローブ）としては異なる種類のものが複数並存していても良い。

また、前記実施形態では、探針が４つであったが、複数であれば２つであっても３つであっても良いし、５つ以上であっても良い。

更に前記実施形態では、走査型トンネル顕微鏡を大気中に設置して用いるものであったが、その他にも真空中に設置して用いるものであってもよい。

前記実施形態では各探針３１、３２、３３、３４を固定してステージ２を移動することにより試料Ｗを走査したが、これとは反対に、ステージ２を固定し各探針３１、３２、３３、３４を移動させても良く、その場合は情報処理装置７が各探針３１、３２、３３、３４の移動経過を記憶しておくことが必要である。なお、前記実施形態のようにステージ２を移動させると、探針間の相対位置を保ったまま試料Ｗ表面を走査できるので、探針同士の接触を避けることができる。

本発明に係る走査型プローブ顕微鏡は、各探針３１、３２、３３、３４の形状を推算した結果を記憶しておく探針形状記憶部を備えていても良い。このような探針形状記憶部を備えていれば、探針を新たなものと交換したり、探針が衝突等により変形したりした時にのみ、探針形状を推算し直せば良い。

その他、前述した実施形態や変形実施形態の一部又は全部を適宜組み合わせてもよく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

本発明の一実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の模式的構成図である。 同実施形態における情報処理装置の機器構成図である。 同実施形態における情報処理装置の機能構成図である。 同実施形態における画像補正例（１）を示す図である。 同実施形態における画像補正例（２）を示す図である。 各探針のＳＴＭ像を示す図である。 パターンマッチングをした後のＳＴＭ像及び各探針の相対位置を示す図である。 探針形状の推算方法を示す図である。 探針の形状情報から得られた危険領域を示す図である。 同実施形態における相対位置算出手順を含む計測手順を示すフローチャートである。 同実施形態における画像補正手順（１）を示すフローチャートである。 同実施形態における画像補正手順（２）を示すフローチャートである。

符号の説明

Ｗ・・・試料
１・・・走査型プローブ顕微鏡（走査型トンネル顕微鏡）
２・・・ステージ
３１、３２、３３、３４・・・探針
４・・・探針移動機構
５・・・ステージ移動機構
６・・・電流検出部
７・・・情報処理装置
７１・・・ＸＹ方向制御部
７２・・・Ｚ方向制御部
７３・・・画像生成部
７４・・・画像補正部
７５・・・ステージ位置制御部
７６・・・相対位置算出部
７７・・・選択部
７８・・・探針形状推算部
７９・・・危険領域算出部
８０・・・衝突警告部

Claims (4)

1. 試料が載置されるステージと、
   試料に対向して設けられ、前記ステージに対して相対的に移動可能である複数の探針と、
   前記試料の表面と探針との相互作用を検出する検出部と、
   前記検出部で検出された相互作用に基づいて、前記試料の表面画像を生成する画像生成部と、
   前記画像生成部により得られた各探針に基づく表面画像を取得し、それら各表面画像から前記各探針の形状を推算する探針形状推算部と、
   前記探針形状推算部により得られた各探針の形状についての情報を取得し、前記各探針が前記各探針のまわりの他の探針と衝突しうる危険領域を算出する危険領域算出部と、を備えることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
2. 前記画像生成部により得られた各探針に基づく表面画像を取得し、それら各表面画像上のラインのプロファイルから、それら各表面画像ごとに、前記検出部で検出された相互作用の変化率のより大きな部分を選択する選択部を備え、
   前記探針形状推算部は、前記選択部から前記相互作用の変化率のより大きな部分の表面画像を取得し、前記変化率のより大きな部分の表面画像と仮定された試料の表面形状とから、前記各探針の形状を推算する請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡。
3. 更に、前記危険領域算出部により得られた危険領域についての情報を取得し、前記各探針がこれら危険領域に進入すると衝突を警告する警報を発する衝突警告部を備える請求項１又は２記載の走査型プローブ顕微鏡。
4. 試料が載置されるステージと、試料に対向して設けられ、前記ステージに対して相対的に移動可能である複数の探針と、前記試料の表面と探針との相互作用を検出する検出部と、前記検出部で検出された相互作用に基づいて、前記試料の表面画像を生成する画像生成部と、を備えた走査型プローブ顕微鏡の探針衝突回避方法であって、
   前記画像生成部により得られた各探針に基づく表面画像を取得し、それら各表面画像から前記各探針の形状を推算し、当該各探針の形状についての情報から前記各探針が前記各探針のまわりの他の探針と衝突しうる危険領域を算出する探針衝突回避方法。