JP7281841B2 - 走査プローブ顕微鏡 - Google Patents
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Description
これらの走査プローブ顕微鏡は、カンチレバーの変位を示す信号を検出し、この信号に基づいてカンチレバーと試料の表面との間の物理量(力や振動振幅)を一定に維持させながら、探針を試料の表面に沿って相対的に走査させ、試料表面形状や、カンチレバーと試料が相互作用した物理的な測定データを取得する。
一方、従来から画像処理の分野では、隣接する画像データの差分画像を生成して見やすくするエッジ強調(画像強調)と称される技術が用いられている。しかしながら、走査プローブ顕微鏡の分野では、差分データは、例えば画像の歪み成分を除去して画像の精度を改善するための利用に留まっていた(特許文献1参照)。この理由として、走査型プローブ顕微鏡の分野におけるエッジ強調は、AFMにおけるカンチレバーの走査方向の変位信号や、DFMにおけるカンチレバーの走査方向の振動振幅の変位信号である誤差信号を利用した誤差信号像を得ることで行われるためと考えられる。
又、用途に応じて、測定データのみを取得して表示したい場合もあれば、差分データを取得して表示したい場合、又は測定データと差分データの両方を画面上に表示したい場合もある。このような各種要望に対し、例えば一律に差分データを計算すると、差分データが不要な場合にコンピュータの処理が無駄になると共に、処理速度が低下するという問題がある。又、特定の試料や表面形状の場合にのみ選択的に差分データを取得したい場合に対応できない。
そして、測定データと差分データの両方を画面上に表示する走査プローブ顕微鏡はこれまで開発されていない。
又、第1の分布像と第2の分布像を1つの表示手段に表示させれば、各分布像の一方を表示させた場合に比べ、元の像(例えば形状像)である第1の分布像と、差分データからなる第2の分布像を、一画面上で見比べることができるので、より有用な情報が得られる。
データの算出方向によっては、第1の分布像や第2の分布像のコントラスト等が低下して見にくくなり、有用な情報が得られないことがある。そこで、この走査プローブ顕微鏡によれば、算出方向を変えることで、第1の分布像や第2の分布像のコントラスト等を増加させて見やすくし、さらに有用な情報が得られる。
データの差引き順序によっては、第2の分布像のコントラスト等が低下して見にくくなり、有用な情報が得られないことがある。そこで、この走査プローブ顕微鏡によれば、差引き順序を変えることで第2の分布像の明暗を反転させ、コントラスト等を増加させて見やすくし、さらに有用な情報が得られる。
この走査プローブ顕微鏡によれば、差分データ毎に前記第2の分布像を順次表示させることで、第2の分布像のコントラスト等が低下して見にくくなったと感じたときにすぐに算出方向及び/又は前記差引き順序を変えることができ、その後の第2の分布像を見やすくし、有用な情報が得られるようになる。
この走査プローブ顕微鏡によれば、差分データ毎に前記第2の分布像を順次表示させることで、第2の分布像のコントラスト等が低下して見にくくなったと感じた過去の(算出済の)第2の分布像を、算出方向及び/又は前記差引き順序を変えて再算出するので、過去の第2の分布像をも見やすくし、有用な情報が得られるようになる。
この走査プローブ顕微鏡によれば、1ライン毎に、測定データ及び/又は差分データを表示させるので、リアルタイムで即座に測定データ及び/又は差分データを見ることができる。又、測定データ及び/又は差分データが見にくいと感じたときにすぐに対応(算出方向及び/又は前記差引き順序の変更)ができる。
図1(a)において、走査プローブ顕微鏡200は、先端に探針99を有するカンチレバー1と、試料300が載置される試料台10と、カンチレバー1に振動を与えるカンチレバー加振部3と、カンチレバー加振部3を駆動させるための加振電源(加振信号発生器)21と、カンチレバー1の変位を示す信号を検出する変位検出器5と、交流-直流変換機構6と、制御手段(プローブ顕微鏡コントローラー24、コンピュータ40)等とを有する。
プローブ顕微鏡コントローラー24は周波数・振動特性検出機構7を有している。
コンピュータ40は、走査プローブ顕微鏡200の動作を制御するための制御基板、CPU(中央制御処理装置)、ROM、RAM、ハードディスク等の記憶手段、インターフェース、操作部等を有する。又、コンピュータ40にはモニタ(表示手段)41及びキーボード42が接続されている。
なお、走査プローブ顕微鏡200は、カンチレバー1が固定され、試料300側をスキャンするサンプルスキャン方式となっている。
プローブ顕微鏡コントローラー24は、測定データを適宜増幅し、試料表面形状や、カンチレバーと試料が相互作用した物理量を取得する
なお、バイアス電源回路29は、試料台10へ直接バイアス電圧を印加し、探針99と試料300間の表面電位を測定するKFMなどでも使用する。
アクチュエータ(スキャナ)11は、試料台10(及び試料300)を3次元に移動(微動)させるものであり、試料台10をそれぞれxy(試料300の平面)方向に走査する2つの(2軸の)圧電素子11a、11bと、試料台10をz(高さ)方向に走査する圧電素子11cと、を備えた円筒になっている。圧電素子は、電界を印加すると結晶がひずみ、外力で結晶を強制的にひずませると電界が発生する素子であり、圧電素子としては、セラミックスの一種であるPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)を一般に使用することができるが、粗動機構12の形状や動作方法はこれに限られない。
圧電素子11a~11cはX,Y,Z出力アンプ22に接続され、X,Y,Z出力アンプ22から所定の制御信号(電圧)を出力して圧電素子11a、11bをそれぞれxy方向へ駆動し、圧電素子11cをz方向へ駆動する。圧電素子11cへ出力される電気信号は、プローブ顕微鏡コントローラー24の中で検出され、上述の「測定データ」として取り込まれる。
カンチレバー1は、カンチレバーチップ部8の側面に接し、片持ちバネの構造を構成している。カンチレバーチップ部8は、カンチレバーチップ部押さえ9により斜面ブロック2に押さえつけられ、斜面ブロック2は、加振器3に固定されている。そして、加振機3は加振電源21からの電気信号により振動し、カンチレバー1及びその先端の探針99を振動させる。カンチレバーの加振方法として、圧電素子、電場や磁場、光照射、電流の通電なども含まれる。
変位検出器5の電気信号の振幅は、プリアンプ50を通過して適宜増幅され、交流-直流変換機構6により振幅の大きさに対応した直流のレベル信号に変換される。
そして、試料台10のxy面内の変位に対して、(i) 試料台10の高さの変位から3次元形状像を、(ii)共振状態の位相の値から位相像を、(iii)振動振幅の目標値との差により誤差信号像を、(iv)探針試料間の物性値から多機能測定像を、コンピュータ40上に表示し、解析や処理を行うことにより、プローブ顕微鏡として動作させる。
又、分布像算出手段40aは、算出方向指定手段40cからの指示に従った算出方向で、第1の分布像及び第2の分布像を算出する。同様に、分布像算出手段40aは、差引き順序指定手段40dからの指示に従った差引き順序で、第2の分布像を算出する。
なお、算出方向指定手段40c及び差引き順序指定手段40dの指示は、キーボード42からユーザが行う。
そして、表示制御手段40bは、分布像算出手段40aが算出した分布像をモニタ41に表示させる。
図3において、例えばキーボード42からユーザが第1の分布像と第2の分布像のいずれか(本例では、第1の分布像と第2の分布像の両方)を取得(表示)したい旨の要求を入力すると、表示制御手段40bは、要求があった分布像の算出を分布像算出手段40aに指示する(ステップS100)。
分布像算出手段40aは、後述するステップS110の判定処理の後、指示された分布像を1ライン毎に算出する(ステップS102)。
表示制御手段40bは、算出された分布像を1ライン毎にモニタ41に表示させる(ステップS104)。
ここで、後述するステップS110で指定が無い限り、ステップS102、104では、後述する算出方向及び差引き順序はデフォルトの値(例えば、算出方向は走査方向と同一)である。又、算出方向が走査方向と同一の場合、1ラインは1つの走査線に相当する。
そこで、隣接する測定データのの差分データからなる第2の分布像202を算出して表示することで、例えば大きな山M1と小さな山M2が同一画像上に含まれていても、エッジ強調して山M1、M2を区別した明瞭な画像202が得られる。
とりわけ、第1の分布像201と、第2の分布像202とにおいて、同一位置の測定データ及び差分データを同時に表示させると、両分布像の相違を同一位置で比較できるので、さらに有用な情報が得られる。
又、「同時」とは、測定データの1画素を逐次表示する場合であれば、測定データの1画素と、その前後の差分データによる1画素とを対応させて同時刻に表示させる。但し、通常は走査線等の1ライン毎に表示を行うので、測定データの特定の1ラインと、その差分データによる1ライン分のデータとを同時刻に表示させてもよい。
又、上記趣旨に含まれる限り、他のデータの単位を「同一位置」や、「同時」に表示させても良い(例えば2ライン分を1単位として同時に表示するなど)。
そこで、第1の分布像及び第2の分布像を算出する算出方向S2を、走査方向S1と同一方向でなく、例えば十字を横断する縦向きとすると、図7に示すように、第2の分布像202yに有用な情報を含ませることができる。
まず、分布像算出手段40aは、ステップS100の後でS102の前に、データの算出方向及び/又は差引き順序が指定されたか否かを判定する(ステップS110)。差引き順序については後述する。
ここで、算出方向の指定は、例えばキーボード42からユーザが算出方向を入力すると、算出方向指定手段40cがその算出方向を分布像算出手段40aに設定して行うことができる。
ステップS110で「Yes」であれば、ステップS112に移行し、「No」であれば、ステップS102に移行する。
続いて、ステップS114で「No」であれば、ステップS104に移行し、指定された算出方向で算出された分布像を表示する。
測定データa1、a2、a3の並ぶ方向を走査方向S1とすると、走査方向S1と異なる算出方向は多数あり、例えば走査方向S1に直交する算出方向S2の他、S1とS2のなす角(本例では90度)の二等分線となる算出方向S31、S1とS31の間の算出方向S32、S2とS31の間の算出方向S33など、個々の測定データを一列に結ぶ方向であれば制限されない。
又、1ラインとは、例えば算出方向S31の場合、算出方向S31に平行な個々の線上のすべてのデータであり、図8では、データa1、a5、a9が1ライン、データa4、a8が1ラインである。又、算出方向S31のように算出方向が走査方向S1に対して斜め(直交する算出方向S2を除く)の場合、1ラインのデータ数は一定ではなく、例えば上述のように、算出方向S31の場合は、1ラインでデータが2個、3個の異なる場合がある。但し、1ラインでデータ1個となる場合は算出方向から除く。
この場合、図9(a)に示すように、測定スタートから3本の各ラインD1,D2,D3が表示され、これを見たユーザが算出方向S2を変えた場合、第2の分布像202xyは、各ラインD1,D2,D3におけるフラットな分布像と、算出方向S2による各ラインD4~D6の分布像が併存し、算出方向S2による全体像を把握し難いことがある。
なお、図9(b)において、指定前の走査方向S1では、測定データによる第2の分布像が3ライン(D1~D3)得られるが、図8の算出方向S31に示すように、算出方向が走査方向S1に対して斜めの場合、測定スタートからの測定データが同一であっても、得られる第2の分布像は同数のラインになるとは限らず、2ライン(D11、D12)に減少しても構わない。
まず、分布像算出手段40aは、ステップS112の後、算出方向の指定前の第2の分布像を再算出するか否かを判定する(ステップS114)。
ここで、再算出の有無は、例えばキーボード42からユーザが再算出の要求を入力すると、分布像算出手段40aがその要求を取得して行うことができる。又、デフォルトで再算出するよう設定されていてもよい。
ステップS114で「Yes」であれば、ステップS116に移行して後述するフラグがあるか否かを判定し、「Yes」であれば、ステップS104に移行し、「No」であれば、ステップS118に移行する。
続いてステップS120では、、表示制御手段40bは、S118で再算出した第2の分布像と、算出方向を指定後の第2の分布像とをまとめてモニタ41に表示させる。
ステップS120又はステップS104に続き、ステップS130では、分布像算出手段40aは、測定データが終了したか否かを判定し、「Yes」であれば処理を終了し、「No」であれば、ステップS110に戻って処理を繰り返す。
つまり、例えば図9(b)にて、最初のステップS114では再算出した第2の分布像D11、D12と、算出方向を指定後の第2の分布像D4~D6がまとめて表示されるが、2回目以降のステップS114では、指定後の第2の分布像が1ライン毎にD6の後に付け加えられることとなる。
図10(a)に示すように、第2の分布像を算出する際、隣接するデータの差分の差引き順序としては、(1)1ライン上の時系列的に後のデータa2から時系列的に前のデータa1を差し引いて差分D(=a2-a1)を算出する他、(2)(1)と逆の順序で、差分-D(=a1-a2)を算出するものがある。そして、差分Dと差分-Dとは高低が逆になり、第2の分布像の明暗を反転させる効果があり、差分Dによる第2の分布像が見難い場合に、明暗を反転させて差分-Dを表示すると見やすくなることがある。このように、目的に応じて差引き順序を選択することができる。
従って、例えば図7にて、D1~D3の第2の分布像202が見難い場合に、例えばキーボード42からユーザが差引き順序を入力すると、差引き順序指定手段40dがその差引き順序を分布像算出手段40aに設定して行うことができる。
以後、図8の縦軸に沿ったデータ列に基づく図10(b)の差分をD',-D'で表す。
又、図11に示すように、算出方向と差引き順序とを共に指定することもできる。この場合、図9(b)に相当する図11(a)にて、算出方向S2の第2の分布像(各ラインD11,D12,D4~D6)を見たユーザが差分Dに対応する差引き順序dから差分-Dに対応する-dに変えた場合、差引き順序を変える前の第2の分布像(各ラインD11,D12,D4~D6)について、差引き順序-dで第2の分布像を再算出し、指定後の差引き順序の第2の分布像(各ラインD7以降)と共に表示すると好ましい。差引き順序-dで再算出した第2の分布像を、模式的にラインD110,D120,D40~D60で表す。
図12(a)は第1の分布像(形状像)P1であり、図12(b)、(c)はそれぞれ図8の横軸に沿った差分+D,-D(図10(a)参照)を行った第2の分布像P1+D、P1-Dを示す。
一方、図12(d)、(e)はそれぞれ図8の縦軸に沿った差分+D',-D' (図10(b)参照)を行った第2の分布像P1+D'、P1-D'を示す。
図13についても同様であり、図12の符号P1をそれぞれP2で置き換えることとする。
差分+D,-Dの間で高低(明暗)が反転し、同様に差分+D',-D' の間で高低(明暗)が反転することがわかる。従って、必要に応じて所定の差分を行って第2の分布像を得ることで、より多くの情報を取得することができる。
例えば、上記実施形態では、測定データが形状データの場合について説明したが、走査プローブ顕微鏡で測定可能な他の物理量であってもよい。又、上記実施形態では、DFM測定モードについて説明したが、例えばコンタクトモードに、本発明を適用できる。例えば、コンタクトモードで摩擦像を測定する際に、本発明を適用できる。
又、本発明は、走査プローブ顕微鏡のカンチレバー側をスキャンして測定を行うレバースキャン方式にも適用できる。
5 変位検出器
40a 分布像算出手段
40b 表示制御手段
40c 算出方向指定手段
40d 差引き順序指定手段
41 表示手段(モニタ)
99 探針
200 走査プローブ顕微鏡
201 第1の分布像
202、202x 第2の分布像
202y 算出方向を指定後の第2の分布像
206 差引き順序を指定後の第2の分布像
300,301 試料
S1 走査方向
S2、S31,S32,S33 算出方向
L1~L3 走査方向の1ライン
D1~D3、D4~D7、D11,D12,D110,D120,D40~D60 算出方向の1ライン
Claims (6)
- 試料の表面に接触又は近接させる探針が設けられたカンチレバーと、前記カンチレバーの変位を示す信号を検出する変位検出器とを備え、前記信号に基づいて前記カンチレバーと前記試料の表面との間の所定の物理量を一定に維持させながら、前記探針を前記試料の表面に沿って相対的に走査させたときに得られた測定データを取得する走査プローブ顕微鏡において、
前記測定データの1次元又は2次元の第1の分布像と、前記測定データの並ぶ方向を走査方向とし、前記走査方向、前記走査方向と直交する方向、又は前記走査方向と前記走査方向と直交する方向とのなす角の二等分線となる方向を算出方向とし、前記算出方向に隣接するデータの差分データの1次元又は2次元の第2の分布像とを算出する分布像算出手段と、
前記分布像算出手段に対し、前記第1の分布像及び前記第2の分布像の両方の算出を指示すると共に、当該算出させた分布像を所定の表示手段に表示させる表示制御手段と、
をさらに備え、
前記表示制御手段は、前記第1の分布像及び前記第2の分布像の両方を表示する際、同一位置の前記測定データ及び前記差分データを同時に表示させることを特徴とする走査プローブ顕微鏡。 - 前記第1の分布像及び前記第2の分布像を算出する際のデータの算出方向を指定する算出方向指定手段をさらに備え、
前記分布像算出手段は、前記算出方向指定手段によって指定された前記算出方向に沿って、第1の分布像及び前記第2の分布像のうち、前記表示手段に表示される分布像を算出する請求項1に記載の走査プローブ顕微鏡。 - 前記第2の分布像を算出する際の隣接するデータの差分の差引き順序を指定する差引き順序指定手段をさらに備え、
前記分布像算出手段は、前記差引き順序指定手段によって指定された差引き順序で、前記第2の分布像を算出する請求項1又は2に記載の走査プローブ顕微鏡。 - 前記第2の分布像を算出する際の隣接するデータの差分の差引き順序を指定する差引き順序指定手段をさらに備え、
前記分布像算出手段は、前記差引き順序指定手段によって指定された差引き順序で、前記第2の分布像を算出し、
前記表示制御手段は、走査方向又は前記算出方向に沿う差分データ毎に前記第2の分布像を順次表示させ、
前記分布像算出手段は、前記第2の分布像の表示中に、前記算出方向指定手段及び/又は前記差引き順序指定手段によって前記算出方向及び/又は前記差引き順序が指定されたとき、指定された前記算出方向及び/又は前記差引き順序に基づいて前記第2の分布像を算出する請求項2に記載の走査プローブ顕微鏡。 - 前記分布像算出手段は、指定された前記算出方向及び/又は前記差引き順序に基づいて、当該指定前の前記測定データによる前記第2の分布像を再算出し、
前記表示制御手段は、前記再算出した前記第2の分布像と、前記指定後の前記第2の分布像とを共に表示させる請求項4に記載の走査プローブ顕微鏡。 - 前記表示制御手段は、走査方向又は前記算出方向の1ライン毎に、前記測定データ及び/又は前記差分データを表示させる請求項1~5のいずれか一項に記載の走査プローブ顕微鏡。
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