JP6624287B2 - 走査型プローブ顕微鏡用データ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、走査型プローブ顕微鏡において探針で試料表面を走査しながら取得した、該試料表面の複数の測定点における探針と試料表面の間に働く相互作用のデータを解析するために用いられる走査型プローブ顕微鏡用データ処理装置に関し、特に、フォースカーブ等の、第１の物理量の変化に対する第２の物理量の変化を示す二軸データを解析する装置に関する。

走査型プローブ顕微鏡（SPM: Scanning Probe Microscope）では、微小な探針（プローブ）の先端を試料表面に近づけ、該探針で試料表面を走査しながら該探針と試料の間の力学的な相互作用や電磁気的な相互作用等に関するデータを取得する。取得されたデータは走査型プローブ顕微鏡用のデータ処理装置に取り込まれ、試料表面の形状や電気的特性の分布などの解析に供される。

走査型プローブ顕微鏡により得られるデータの1つにフォースカーブと呼ばれるものがある（図１）。フォースカーブは試料表面の複数の測定点のそれぞれにおいて取得されるデータであり、探針を試料表面に近づけつつデータを取得するアプローチラインと、探針を試料表面から遠ざけつつデータを取得するリリースラインからなる。

以下、アプローチライン及びリリースラインについて説明する。
アプローチラインのデータ取得時には、弾性支持体であるカンチレバーの先端側に取り付けられた探針を試料表面の測定点の鉛直上方に位置させた状態から、カンチレバーの基部を試料表面に近づけていく。このとき、カンチレバーの基部側を降下させてもよく、試料を上昇させてもよい。試料表面と探針の先端がある程度離れている間は、探針の先端と試料表面の間に働く力はほぼ０であるが、探針の先端がさらに近づくと試料表面との間にファンデルワールス力が働き、探針の先端が試料表面に引き寄せられる。これによりカンチレバーの先端側が下がるように撓む。この撓みはカンチレバーの先端側の鉛直方向の負の変位量として計測される。その状態からカンチレバーの基部を試料表面に近づけていくと、今度は探針の先端が試料表面に接触した状態のままカンチレバーの先端側が上がるように撓み、変位量が正の値に転じる。そして、この変位量が所定の正の値に達したところでカンチレバーの基部を試料表面に近づける動作を停止する。アプローチライン（図１の実線）は、これら一連の、試料表面とカンチレバーの基部の距離に対するカンチレバーの先端側の変位量の変化を表すものであり、そのデータは図１の右方から左方に向かって取得される。

上記のようにしてアプローチラインを取得した後、前記基部を試料表面から遠ざけていくと、カンチレバーの撓みが徐々に解消され、先端側の変位量も0に近づいていく。変位量が0になった後も、試料表面の吸着力により、しばらくの間は探針の先端が試料表面に付着した状態が維持されるため、今度はカンチレバーの先端側が下がるように撓んで変位量が負の値に転じる。そのままカンチレバーの基部を試料表面から遠ざけていくと、カンチレバーの弾性復元力が試料表面の吸着力を上回り、探針の先端が試料表面から離脱して変位量が0に戻る。アプローチライン（図１の破線）は、これら一連の、試料表面とカンチレバーの基部の距離に対するカンチレバーの先端側の変位量の変化を表し、そのデータは図１の左方から右方に向かって取得される。

上記のようにして得られたフォースカーブ（アプローチライン及びリリースライン）のデータは走査型プローブ顕微鏡用データ処理装置に送られる。データ処理装置では、フォースカーブの特徴量として、例えば、カンチレバーの先端側の変位量の最小値、前記変位量が前記所定の正の値に達したときの試料表面とカンチレバーの基部の距離から、フォースカーブの（前記変位量が前記所定の正の値に達した点を一方の端部とする線分の）傾きなどが求められる。そして、これらの特徴量から、試料表面の吸着力の情報、試料表面の凹凸（高さ）の情報、試料表面の硬さの情報などが得られる。データ処理装置では、さらに、こうして得られた各測定点の特徴量から、1測定点を1画素とする試料表面の二次元マッピング画像を作成する。

このようにして得られた二次元マッピング画像は、例えば図２に示すような、試料表面の解析を行うための解析画面に表示される。この画面の左側には、上述した複数種類の特徴量のうち使用者により選択された特徴量を用いて作成された試料表面の二次元マッピング画像が表示されている。使用者が二次元マッピング画像を視認し、該二次元マッピング画像上で詳細なフォースカーブを確認したい画素（測定点）をクリック等の操作で選択すると、その測定点で取得されたフォースカーブが画面右側に表示される。

特開２００５−２８３４３３号公報

試料表面に物質の組成が変化する境界が存在する場合、該境界をまたぐ測定点間でフォースカーブの形状等が大きく変化する。従って、こうしたフォースカーブの形状等の変化を捉えることで詳細な解析が必要な領域（着目領域）を決定することができる。しかし、従来の走査型プローブ顕微鏡用データ処理装置は、測定点のフォースカーブを1つずつ順に確認しなければならず、フォースカーブの形状等の変化を捉えることが難しいという問題があった。

ここでは各測定点のフォースカーブを表示させる場合を例に説明したが、第１の物理量の変化に対する第２の物理量の変化を示す、種々の二軸データ（探針に流す電流量に対する電圧値の変化を示すI/Vカーブ、探針から試料表面の測定点に与える力の大きさに対する電圧値の変化を示すF/Vカーブなど）について上記同様の問題があった。

本発明が解決しようとする課題は、走査型プローブ顕微鏡により取得した二軸データから作成された二次元マッピングデータにおいて、測定点間での二軸データの形状等の変化を容易に捉えることができるデータ処理装置を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明は、走査型プローブ顕微鏡を用いて探針で試料表面を走査することにより該試料表面の複数の測定点のそれぞれについて取得された、第１の物理量の変化に対する第２の物理量の変化を示す二軸データを処理する走査型プローブ顕微鏡用データ処理装置であって、
a) 前記複数の測定点のそれぞれにおける前記二軸データから1乃至複数種類の特徴量を求める特徴量算出部と、
b) 前記1乃至複数種類の特徴量のうちの1つを使用者に選択させる特徴量選択部と、
c) 前記使用者による前記特徴量の選択に基づいて、前記複数の測定点のそれぞれにおける特徴量を、各測定点を1画素とする二次元マッピング画像として画面表示する二次元マッピング画像表示部と、
d) 前記二次元マッピング画像における画素の1つが使用者により選択されると、該選択された画素と該画素に隣接する1乃至複数の画素に対応する測定点の前記二軸データを画面表示する二軸データ表示部と
を備えることを特徴とする。

前記第１の物理量の変化に対する第２の物理量の変化を示す二軸データとは、例えば試料表面と探針の先端の距離に対する原子間力の変化を示すフォースカーブ、探針に流す電流量に対する電圧値の変化を示すI/Vカーブ、探針から試料表面の測定点に与える力の大きさに対する電圧値の変化を示すF/Vカーブである。また、前記特徴量は、例えば二軸データがフォースカーブである場合には、カンチレバーの先端の変位量の最小値、前記変位量が前記所定の正の値に達したときの試料表面とカンチレバーの基部の距離、フォースカーブの傾きである。
前記二軸データ表示部が二軸データを画面表示する測定点は、好ましくは使用者により選択された画素を中心とする所定範囲内に位置する画素に対応する測定点であり、例えば選択された画素（測定点）を中心とする3点×3点や、5点×5点とすることができる。

本発明に係る走査型プローブ顕微鏡用データ処理装置では、使用者が二次元マッピング画像において1つの画素を選択すると、該画素に隣接する1乃至複数の画素（測定点）の二軸データも同時に画面表示される。例えば、二軸データ表示部による測定点の表示が3点×3点である場合には9点の二軸データが、5点×5点である場合には25点の二軸データが使用者による一度の画素選択操作で画面表示されるため、測定点間の二軸データの形状等の変化を容易に捉えることができる。

本発明に係る走査型プローブ顕微鏡用データ処理装置は、さらに、
e) 前記画面表示された二軸データのうちの1乃至複数個が使用者により選択されると、該選択された二軸データを拡大して画面表示する拡大表示部
を備えた構成とすることができる。

上記拡大表示部を備えた態様の走査型プローブ顕微鏡用データ処理装置を用いると、使用者は所望の二軸データのみを拡大して画面表示させることができ、該二軸データの詳細な解析や所望の二軸データ間の比較に有用である。

また、本発明に係る走査型プローブ顕微鏡用データ処理装置では、使用者により複数の二軸データが選択された場合に、該複数の二軸データのそれぞれに対応する、前記二次元マッピング画像上の位置を表示する構成とすることが好ましい。これにより、各二軸データがどの測定点で得られたものであるかを容易に判別することができる。

本発明に係る走査型プローブ顕微鏡用データ処理装置は、さらに、
f) 前記二次元マッピング画像において2つの画素が使用者により選択された場合に、当該2点を結ぶ線分上の位置を1軸とし、前記第１の物理量を別の1つの軸として、対応する位置の第２の物理量の値に応じた色を付して二次元的に画面表示する二次元データ表示部
を備えた構成を採ることができる。

上記二次元データ表示部を備えた態様の走査型プローブ顕微鏡用データ処理装置を用いると、使用者が選択した2画素（測定点）を結ぶ線分上の位置に対する二軸データの変化を容易に把握することができる。

本発明に係る走査型プローブ顕微鏡データ処理装置を用いることにより、測定点間での二軸データの形状等の変化を容易に捉えることができる。

走査型プローブ顕微鏡を用いた測定により得られるフォースカーブの一例。 従来の走査型プローブ顕微鏡用データ処理装置における解析画面の一例。 本発明に係る走査型プローブ顕微鏡用データ処理装置の一実施例を含む、走査型プローブ顕微鏡の要部構成図。 本実施例における解析画面の一例。 本実施例における解析画面の別の一例。 本実施例における解析画面のさらに別の一例。

本発明に係る走査型プローブ顕微鏡用データ処理装置の実施例について、以下、図面を参照して説明する。

図３は本実施例の走査型プローブ顕微鏡用データ処理装置を含む、走査型プローブ顕微鏡の要部構成図である。この走査型プローブ顕微鏡は、測定部１と制御・処理部２からなり、制御・処理部２は測定制御部３とデータ処理部４を備えている。制御・処理部２の実体は後述の構成及び機能ブロックを備えたパーソナルコンピュータであり、入力部５と表示部６が接続されている。このデータ処理部４が、本発明に係る走査型プローブ顕微鏡用データ処理装置に相当する。

測定部１では、測定対象の試料１０がスキャナ１２の上に設けられた試料台１１の上に載置される。スキャナ１２は、試料台１１を水平面内で互いに直交するＸ、Ｙの２軸方向に移動させるＸＹスキャナ１２１と、試料台１１をＸ軸及びＹ軸に対し直交するＺ軸方向（鉛直方向）に微動させるＺスキャナ１２２と、を含む。ＸＹスキャナ１２１及びＺスキャナ１２２はそれぞれ、測定制御部３からの制御信号に基づき動作する圧電素子（図示なし）により駆動される。

試料１０の上方（ここではＺ軸方向に離れた位置）には、先端に探針１６を有し可撓性を有するカンチレバー１５が配置されている。カンチレバー１５のＺ軸方向の変位を検出するために、該カンチレバー１５の上方には、レーザ光源１７１、ハーフミラー１７２、ミラー１７３、光検出器１７４、及び変位量演算部１７５を含む光学的変位検出部１７が設けられている。光学的変位検出部１７では、レーザ光源１７１から出射したレーザ光をハーフミラー１７２で略垂直下方に反射させ、カンチレバー１５の先端背面に設けられた反射面に照射する。この反射面で反射された光はミラー１７３を経て光検出器１７４に入射する。光検出器１７４は、例えば、Ｚ軸方向及びＹ軸方向に４分割された受光面を有する４分割光検出器である。カンチレバー１５がＺ軸方向に変位すると複数の受光面に入射する光量の割合が変化する。変位量演算部１７５は、その複数の受光光量に応じた検出信号を演算処理することで、カンチレバー１５の先端部の変位量（撓み量）を算出する。

測定制御部３は、主として測定部１の測定動作を制御するものであり、使用者により入力される種々の測定条件に基づき、スキャナ１２を駆動してカンチレバー１５で試料１０の表面を走査し、試料１０表面の各測定点におけるアプローチラインとリリースラインからなるフォースカーブのデータを取得する。測定により得られたデータはデータ処理部４の記憶部４０に保存される。本実施例では、試料１０の表面の各測定点におけるフォースカーブを取得する測定を行う場合について説明するが、本実施例の走査型プローブ顕微鏡では、フォースカーブの測定以外にも、コンタクトモード、ダイナミックモード等の種々の測定モードを実行可能である。なお、各測定の実行方法は従来同様であるため、測定に関する詳細な説明を省略する。

データ処理部４は、記憶部４０の他に、機能ブロックとして、特徴量算出部４１、特徴量選択部４２、二次元マッピング画像表示部４３、二軸データ表示部４４、拡大表示部４５、及び二次元データ表示部４６を備えている。これらの機能ブロックは、制御・処理部２を構成するコンピュータのＣＰＵによりデータ処理用プログラムを実行することにより具現化される。

以下、本実施例の走査型プローブ顕微鏡における特徴的な動作である、データ処理部４による測定データの処理について詳述する。記憶部４０には、上述の測定により得られた、試料１０の表面の各測定点のフォースカーブのデータが予め保存されている。

使用者が試料１０の解析開始を指示すると、記憶部４０から試料１０について得られたフォースカーブのデータが読み込まれる。また、特徴量選択部４２は、表示部６を通じて、使用者に特徴量の種類の選択を促す。具体的には、使用者に、カンチレバーの先端の変位量の最小値（絶対値が最大である負の値）、カンチレバーの変位量が所定の最大値に達したときの試料表面とカンチレバーの基部の距離、フォースカーブの傾きのうちの１種類を特徴量として選択させる。カンチレバーの先端側の変位量の最小値から試料表面の吸着力の情報が、前記変位量が前記所定の正の値に達したときの試料表面とカンチレバーの基部の距離から試料表面の凹凸（高さ）の情報が、フォースカーブの（カンチレバーの変位量が所定の最大値に達した点を一方の端部とする線分の）傾きから試料表面の硬さの情報が、それぞれ得られる。また、必要に応じて、当該特徴量をアプローチラインとリリースラインのいずれから求めるかを使用者に追加選択させる。例えば、カンチレバーの先端側の変位量の最小値はアプローチラインとリリースラインで異なるため、これが特徴量として選択された場合には、いずれのラインから特徴量を求めるかを使用者に選択させる。

以下では、使用者がカンチレバーの変位量が所定の最大値に達したときの試料表面とカンチレバーの基部の距離を特徴量として選択した場合を例に説明する。他の特徴量が選択された場合のデータ処理動作も同様である。なお、この特徴量はアプローチラインとリリースラインで共通であるため、上記追加選択は行わない。

使用者により上記選択がなされると、特徴量算出部４１は、試料１０の表面の各測定点における、使用者に選択された特徴量（カンチレバーの変位量が所定の最大値に達したときの試料表面とカンチレバーの基部の距離）を求める。そして、二次元マッピング画像表示部４３が、測定点をそれぞれ1画素とし、特徴量の値を色の違いで表現した二次元マッピング画像を作成し、表示部６の解析画面の左側領域に表示する。この二次元マッピング画像は、試料１０の表面の凹凸の状態を示す画像である。なお、本実施例では使用者が特徴量の種類を選択した後に特徴量を求める順としたが、特徴量算出部４１が算出可能な全種類の特徴量を求めた後に、使用者に特徴量の種類を選択させるようにしてもよい。

使用者が入力部（マウス）を操作し、解析画面に表示された二次元マッピング画像上にマウスカーソルを置くと、図４に示すように、該マウスカーソルが置かれた位置の画素（測定点）を中心とし、該画素（測定点）に隣接する画素（測定点）を含む3×3の画素（測定点）のフォースカーブが、二次元マッピング画像の右側領域にプレビュー表示される。図４において、実線で囲まれたフォースカーブはマウスカーソルが置かれた位置の画素（測定点）のものであり、それ以外のフォースカーブは隣接画素（測定点）のものである。本実施例では二次元マッピング画像の右側の領域にプレビュー表示しているが、表示位置はこれに限られず、また、二次元マッピング画像に重なるようにプレビュー表示するようにしてもよい。また、表示するフォースカーブの数は3×3の計9個に限らず、5×5の計25個、上下左右に隣接する4つを含む計5個、あるいは予め決められた方向に隣接する1画素を含む計2個など、適宜に構成することができる。

このように、本実施例では、使用者が二次元マッピング画像において1つの画素（測定点）にカーソルを合わせると、該画素（測定点）に隣接する1乃至複数の画素（測定点）の二軸データも同時に解析画面にプレビュー表示される。図４に示す例では9個の測定点のフォースカーブが解析画面上にプレビュー表示されるため、使用者は隣接する測定点間の二軸データの形状等の変化を容易に捉えることができる。

図４に示す画面が表示された状態で、使用者がマウスクリック操作等により1つの画素を指定すると、拡大表示部４５は、二次元マッピング画像のうちマウスカーソルが位置する画素の周辺部分を拡大表示する。また、プレビュー表示された9個のフォースカーブのそれぞれにチェックボックスを追加表示する。使用者が、9個のフォースカーブの中から、より詳細に確認したいフォースカーブのチェックボックスにチェックを入れて選択し、その選択動作を確定させる（例えば画面上に表示される「OK」ボタンを押下する）と、拡大表示部４５は、選択されたフォースカーブを拡大表示する。なお、拡大表示されている二次元マッピング画像の下方には、スクロールバーが表示されており、使用者がスクロールバーを移動させることにより二次元マッピング画像の拡大／縮小の程度を適宜に変更することができる。

このとき、使用者が複数のフォースカーブ（ここでは2つ）を選択すると、拡大表示部４５は、図５に示すように、選択された2つのフォースカーブに符号（Ａ、Ｂ）を付し、また、二次元マッピング画像上の対応する画素位置にも符号（Ａ、Ｂ）を表示する。これにより、使用者は、選択したフォースカーブがどの画素（測定点）のものであるかを容易に判別することができる。

また、二次元マッピング画像上で2つの画素（測定点）を選択する所定の操作（例えば点Ａでマウスクリックし、クリック状態を維持したまま点Ｂでクリックを解除する操作）を行うと、二次元データ表示部４６は、二次元マッピング画像上に、選択された点Ａと点Ｂを結ぶ線分を表示する。そして、使用者が当該線分を確定する操作（例えば画面上に表示される「OK」ボタンを押下する操作）を行うと、二次元データ表示部４６は、解析画面の右側領域に、図６に示すような図を表示する。この図は、線分ＡＢ間に位置する各測定点のフォースカーブを横方向に並べたものである。即ち、横軸が該線分上の位置に対応しており、縦軸方向の上端と下端はフォースカーブの左端と右端にそれぞれ対応する（図６下図参照）。使用者は、この表示を見ることにより、線分ＡＢ上でのフォースカーブ（アプローチライン又はリリースライン）の形状や値の変化を容易に確認することができる。また、この図の上端部の形状から試料表面の凹凸を確認することができる。なお、図６は白黒図であるが、実際に表示される線分には、フォースカーブの縦軸の値（カンチレバーの先端部の変位量）に応じた色が付される。

上記実施例は一例であって、本発明の趣旨に沿って適宜に変更することができる。
上記実施例ではフォースカーブを解析画面に表示するものとしたが、種々の二軸データ（第１の物理量の変化に対する第２の物理量の変化を示すデータ）をさせるものとして構成することができる。例えば、探針に流す電流量に対する電圧値の変化を示すI/Vカーブ、探針から試料表面の測定点に与える力の大きさに対する電圧値の変化を示すF/Vカーブの表示などにも好適に用いることができる。

また、上記実施例では、走査型プローブ顕微鏡の一部として、走査型プローブ顕微鏡用データ処理装置を備える例を挙げたが、本発明に係る走査型プローブ顕微鏡用データ処理装置は走査型プローブ顕微鏡本体と別体で構成してもよい。

１…測定部
１０…試料
１１…試料台
１２…スキャナ
１２１…ＸＹスキャナ
１２２…Ｚスキャナ
１５…カンチレバー
１６…探針
１７…光学的変位検出部
１７１…レーザ光源
１７２…ハーフミラー
１７３…ミラー
１７４…光検出器
１７５…変位量演算部
２…制御・処理部
３…測定制御部
４…データ処理部
４０…記憶部
４１…特徴量算出部
４２…特徴量選択部
４３…二次元マッピング画像表示部
４４…二軸データ表示部
４５…拡大表示部
４６…二次元データ表示部
５…入力部
６…表示部

Claims (4)

1. 走査型プローブ顕微鏡を用いて探針で試料表面を走査することにより該試料表面の複数の測定点のそれぞれについて取得された、第１の物理量の変化に対する第２の物理量の変化を示す二軸データを処理する走査型プローブ顕微鏡用データ処理装置であって、
   a) 前記複数の測定点のそれぞれにおける前記二軸データから1乃至複数種類の特徴量を求める特徴量算出部と、
   b) 前記1乃至複数種類の特徴量のうちの1つを使用者に選択させる特徴量選択部と、
   c) 前記使用者による前記特徴量の選択に基づいて、前記複数の測定点のそれぞれにおける特徴量を、各測定点を1画素とする二次元マッピング画像として画面表示する二次元マッピング画像表示部と、
   d) 前記二次元マッピング画像における画素の1つが使用者により選択されると、該選択された画素と該画素に隣接する1乃至複数の画素に対応する測定点の前記二軸データを画面表示する二軸データ表示部と
   を備えることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡用データ処理装置。
2. e) 前記画面表示された二軸データのうちの1乃至複数個が使用者により選択されると、該選択された二軸データを拡大して画面表示する拡大表示部
   を備え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用データ処理装置。
3. 前記拡大表示部が、使用者により複数の二軸データが選択された場合に、該複数の二軸データのそれぞれに対応する、前記二次元マッピング画像上の位置を表示することを特徴とする請求項２に記載の走査型プローブ顕微鏡用データ処理装置。
4. f) 前記二次元マッピング画像において2つの画素が使用者により選択された場合に、当該２点を結ぶ線分上の位置を1軸とし、前記第１の物理量を別の1つの軸として、対応する位置の第２の物理量の値に応じた色を付して二次元的に画面表示する二次元データ表示部
   を備え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用データ処理装置。