JPH05340712A - 走査型プローブ顕微鏡リアルタイム表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】走査型プローブ顕微鏡で、試料表面の物理情報
の時間的な変化を観察しながら、そのときの測定データ
を詳細に分析できるようにすること。 【構成】マイクロコンピュータ１０は、連続測定を行な
いながら各測定点で測定したデータを、ホストコンピュ
ータ２８上の画像記憶部２８Ａとリアルタイム表示用画
像記憶部３０の両方に次々に格納していき、リアルタイ
ム表示用画像記憶部３０に格納された測定画像を表示装
置３２で順次更新して画像表示していくと同時に、ホス
トコンピュータ２８の画像記憶部２８Ａに測定画像を連
続して格納しておく。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、走査型トンネル顕微鏡
などの走査型プローブ顕微鏡に係り、特に測定データの
リアルタイム表示に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）
は原子スケールの分解能を持つ顕微鏡として利用が進ん
でいる。また、ＳＴＭと同等、もしくはそれに近い分解
能を持つ同種の顕微鏡として原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）
や磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）などが知られている。これら
の顕微鏡を総称して、走査型プローブ顕微鏡（ＳＸＭ）
といい、様々な分野で実用化が進められている。

【０００３】上記走査型トンネル顕微鏡は、導電性試料
と探針との間を１ｎｍ以下に接近させ、両者の間に電圧
を印加して試料表面の凸凹による距離変化をトンネル電
流で検出し、ｚ方向のアクチュエータによって距離一定
となるようにフィードバック制御しながら、ｘ，ｙ，ｚ
方向に金属探針を駆動するアクチュエータによって、探
針をｘ，ｙ方向に数ｎｍ〜数十μｍの範囲をラスタスキ
ャン駆動して、このフィードバック信号をｘ，ｙ走査に
同期させて試料表面の３次元画像化を達成している。

【０００４】また、上記原子間力顕微鏡や磁気力顕微鏡
に於いても、探針と試料間の局所的関係を両者の距離に
依存した力によってカンチレバーなどに弾性体変位さ
せ、この変位を検出し、これを上記走査型トンネル顕微
鏡同様フィードバック制御信号として用い、前述の走査
型トンネル顕微鏡と同様に試料の表面特性を３次元画像
化している。

【０００５】このように走査型プローブ顕微鏡を用いる
ことで、試料表面の原子配列や電荷密度の分布、磁化分
布などを実空間で観察することが可能である。走査型ト
ンネル顕微鏡や原子間力顕微鏡では、シリコンの表面７
×７、グラファイトなどの表面原子配列をはじめ、超伝
導体の渦糸の配列、低次元電気伝導体に見られる電荷密
度波の構造、あるいは液晶やＬＢ膜など有機物の分子配
列の状態、ＤＮＡの構造が観察されている。また、磁気
力顕微鏡では、磁性材料の表面分布や磁区、磁壁の様
子、あるいは磁気記録媒体の記録状態が観察されてい
る。

【０００６】従来の走査型プローブ顕微鏡、例えば原子
間力顕微鏡は、図８の（Ａ）や（Ｂ）に示すような構成
となっている。即ち、図８の（Ａ）に示す原子間力顕微
鏡は、マイクロコンピュータ（マイコン）１００の制御
によって、試料１０２の表面形状に応じて、ＸＹＺ駆動
圧電体１０４をＺサーボしながら２次元走査して、ＡＦ
Ｍ測定を行なう。１０６，１０８はＸ，Ｙ走査信号発生
用Ｄ／Ａ変換器であり、１１０はＺ制御回路１１２から
出力されるＺサーボ信号のＡ／Ｄ変換器である。測定デ
ータを表示観察するために、マイコン１００は、各サン
プル点で測定したデータを、ホストコンピュータ１１４
の画像記憶部１１４Ａに転送し、ＣＲＴモニタ１１４Ｂ
に表示する。あるいは、図８の（Ｂ）に示すように、マ
イコン１００は、各サンプル点で測定したデータを、専
用のフレームメモリ１１６に格納して、専用のＴＶモニ
タ１１８に表示する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
走査型プローブ顕微鏡に於いては、試料表面の物理情報
の時間的な変化を観察したいという要望がある。

【０００８】しかし、図８の（Ａ）の従来例に示すよう
な装置の場合、短時間の変化を観察したい時には、ホス
トコンビュータ１１４上で表示するためのデータ処理に
時間がかかり、リアルタイムでの画像表示が間に合わな
いという問題がある。また、図８の（Ｂ）の従来例に示
すような装置の場合、短時間の変化を観察することは可
能であるが、測定したデータを分析する場合に、ＶＴＲ
等に録画した画像を再生して観察することはできても複
雑な分析は不可能である。

【０００９】また、走査型プローブ顕微鏡に於いては、
試料測定を行なって得られた測定画像を観察して、局所
的に任意の物理情報を測定したいとか、局所的に任意の
制御を行ないたいという要望もある。

【００１０】しかしながら、一回目の試料測定から時間
経過が大きいと、装置のドリフトなどによって、指定し
たポイントにプローブを再び移動させることは不可能で
ある。

【００１１】本発明は、上記の点に鑑みてなされたもの
で、試料表面の物理情報の時間的な変化を観察しなが
ら、そのときの測定データを詳細に分析できるように
し、また測定試料の局所的な任意の物理情報を測定する
ことを可能とする走査型プローブ顕微鏡リアルタイム表
示装置を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の走査型プローブ顕微鏡リアルタイム表示装
置は、プローブを試料表面に沿って所定範囲走査して試
料表面像を得る走査型プローブ顕微鏡に於いて、測定を
制御するマイクロコンピュータと、測定データを記憶す
る第１の画像記憶手段と測定データを表示する第１の画
像表示手段とを有し、前記第１の画像記憶手段に記憶さ
れた測定データを加工して前記第１の画像表示手段に表
示するホストコンピュータ手段と、前記測定データを記
憶する第２の画像記憶手段と、前記第２の画像記憶手段
に格納された前記測定データを表示する第２の画像表示
手段と、各測定点で測定した測定データを、前記第１の
画像記憶手段と前記第２の画像記憶手段の両方に順次格
納させる制御手段とを備え、前記第２の画像記憶手段に
格納した測定データを前記第２の表示手段で瞬時に表示
していくことを特徴とする。

【００１３】また、本発明の走査型プローブ顕微鏡リア
ルタイム表示装置は、前記測定試料の任意の位置を指示
すると共に、その指示位置情報を前記制御手段に出力す
る画像上位置指示手段をさらに具備し、前記第２の画像
表示手段は、表示している測定画像上に、前記画像上位
置指示手段によって指示された指示位置を示す表示を行
い、前記制御手段は、前記画像上位置指示手段からの前
記指示位置情報に応じて、指示された前記測定試料の任
意の部分に任意の制御を行なうことを特徴とする。

【００１４】

【作用】即ち、本発明の走査型プローブ顕微鏡リアルタ
イム表示装置によれば、連続測定中は、各測定点で測定
したデータを前記第１の画像記憶手段と前記第２の画像
記憶手段の両方に次々に格納していき、前記第２の画像
記憶手段には格納された測定画像を前記第２の表示手段
で順次更新して画像表示していきながら、ホストコンピ
ュータ手段の第１の画像記憶手段には測定画像を連続し
て格納しておき、測定終了後、試料表面の物理情報の時
間的な変化を分析できるようにしている。

【００１５】さらに本発明の走査型プローブ顕微鏡リア
ルタイム表示装置では、連続測定中に、測定資料の任意
の部分に任意の制御を行なわせるために、画像上位置指
示手段によって、第２の画像表示手段に順次更新して表
示されている測定画像上の任意の位置を指示し、また制
御手段により測定試料の部分に任意の制御を時間的な遅
れなしに行なわせるようにしている。

【００１６】

【実施例】以下、図面を参照して、本発明の実施例を説
明する。

【００１７】図１は、本発明の第１の実施例の適用され
た原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の構成を示す図である。本
実施例の原子間力顕微鏡は、マイクロコンピュータ（マ
イコン）１０の制御によって、試料１２の表面形状に応
じて、ＸＹＺ駆動圧電体１４をＺサーボしながら２次元
走査して、ＡＦＭ測定を行なう。Ｄ／Ａ変換器１６，１
８は、マイコン１０からのＸ，Ｙ走査信号をアナログ信
号に変換して、ＸＹＺ駆動圧電体１４に印加する。ま
た、Ａ／Ｄ変換器２０は、走査中のサンプル点（例えば
一走査ライン上の２５６点）において探針変位検出回路
２２で検出されたカンチレバー２４の変位に応じてＺ制
御回路２６から出力されるＺサーボ信号をディジタル信
号に変換して、マイコン１０に入力する。マイコン１０
は、各サンプル点で測定したデータを、ホストコンピュ
ータ２８の画像記憶部２８Ａと、リアルタイム表示用画
像記憶部３０に転送し、表示装置３２にはリアルタイム
にＡＦＭ画像が表示される。

【００１８】上記リアルタイム表示用画像記憶部３０
は、図２に示すような構成となっている。即ち、マイコ
ン１０は、スイッチ３０Ａを介してフレームメモリ部３
０Ｂに各サンプル点で測定したＡＦＭ画像データ３４を
書き込む。次に、データ転送部３０Ｃがスイッチ３０Ａ
を切り替えて、フレームメモリ部３０Ｂに書き込まれた
データを、デュアルポートフレームメモリ部３０Ｄへ転
送する。スキャンコンバータ部３０Ｅは、デュアルポー
トフレームメモリ部３０Ｄからデータを読み出して、リ
アルタイム表示映像信号３６に変換して、表示装置３２
にＡＦＭ画像を表示する。

【００１９】ここで、フレームメモリ部３０Ｂからデュ
アルポートフレームメモリ部３０Ｄへのデータ転送を、
各走査ラインの測定終了毎に行なうと、表示装置３２に
表示されるＡＦＭ画像は、ラスタ走査線を一本毎に更新
される。また、フレームメモリ部３０Ｂからデュアルポ
ートフレームメモリ部３０Ｄへのデータ転送を、各走査
フレームの測定終了毎に行なうと、表示装置３２に表示
されるＡＦＭ画像は、１フレーム毎に更新され、高速測
定の際、静止画の連続表示がされることになる。

【００２０】一方、上記ホストコンピュータ２８上にあ
る画像記憶部２８Ａのメモリ構成は、図３に示すよう
に、２８Ａ₁ 〜２８Ａ₁₆の１６画像フレーム連続測定用
になっている。以下、上記のような構成に於ける連続画
像測定動作を図４のフローチャートを参照して説明す
る。

【００２１】連続測定を開始して、１フレーム目のＡＦ
Ｍ測定で得られるデータは、第１画像フレーム２８Ａ₁
に格納していくと同時に、リアルタイム表示用画像記憶
部３０に書き込み、表示装置３２に１フレーム目測定の
ＡＦＭ画像を表示する（ステップＳ１１）。次に、２フ
レーム目のＡＦＭ測定で得られるデータは、第２画像フ
レーム２８Ａ₂ に格納していくと同時に、リアルタイム
表示用画像記憶部３０に上書きして、表示装置３２に２
フレーム目測定のＡＦＭ画像を表示する（ステップＳ１
３）。３フレーム以後の測定も同様の処理，表示を繰り
返し、１６フレーム目測定のＡＦＭ画像を表示装置３２
に表示する（ステップＳ１５）。以上で、１順目の１６
フレーム分の測定が終了する。

【００２２】２順目以後のＡＦＭ測定で得られるデータ
は、画像記憶部２８Ａに１順目で格納したデータに上書
きして格納していくと共に、各フレーム測定終了毎に測
定終了の入力があったか否かを判断しながら、測定を繰
り返していく。つまり、１７フレーム目のＡＦＭ測定で
得られるデータは、第１画像フレーム２８Ａ1 に上書き
して格納していくと同時に、表示装置３２に１７フレー
ム目測定のＡＦＭ画像を表示し（ステップＳ１１）、１
７フレーム目測定後、１８フレーム目の測定に入る前
に、マウス２８Ｂから測定終了の入力があったか否かを
判断する（ステップＳ１２）。測定終了の入力があった
時点で測定を終了し、最後に測定した画像から以前の連
続１６フレーム分の測定画像を、ホストコンピュータ２
８は、ＴＶモニタ２８Ｃで時系列に表示したり、個々の
画像データを解析したりといった、所望の処理を行う。

【００２３】以上のように、走査型プローブ顕微鏡に於
いて、試料表面の物理情報の時間的な変化を観察しなが
ら、そのときの測定データを詳細に分析するのは困難で
あったが、本実施例のように、連続測定を行ないなが
ら、各測定点で測定したデータを、ホストコンピュータ
上の画像記憶部（第１の画像記憶手段）とリアルタイム
表示用画像記憶部（第２の画像記憶手段）の両方に、次
々に格納していき、リアルタイム表示用画像記憶部に格
納された測定画像を表示装置で順次更新して画像表示し
ていくと同時に、ホストコンピュータの画像記憶部に測
定画像を連続して格納しておくことで、測定終了後、試
料表面の物理情報の時間的な変化を分析することが可能
となる。

【００２４】次に、本発明を指示ポイントに於けるトン
ネルｄＩ／ｄＶ測定（ＰＴＳ測定）機能付の走査型トン
ネル顕微鏡（ＳＴＭ）に応用した場合の、本発明の第２
の実施例を説明する。

【００２５】図５はその構成を示す図であり、同図に示
すＳＴＭは、マイコン４０の制御によって、試料４２と
探針４４の間に流れるトンネル電流信号に応じて、ＸＹ
Ｚ駆動圧電体４６をサーボしながら２次元走査して、Ｓ
ＴＭ測定を行なう。Ｄ／Ａ変換器４８，５０は、マイコ
ン４０により発生されるＸ，Ｙ走査信号をアナログ信号
に変換してＸＹＺ駆動圧電体４６に印加する。Ａ／Ｄ変
換器５２は、Ｚ制御回路５４から出力されるＺサーボ信
号をディジタル信号に変換して、マイコン４０に入力す
る。

【００２６】マイコン４０は、各サンプル点で測定した
データを、ホストコンピュータ５６の画像記憶部５６Ａ
と、リアルタイム表示用画像記憶部５８に転送し、表示
装置６０にはリアルタイムにＳＴＭ画像が表示される。

【００２７】測定画像上位置指示部６２は、表示装置６
０に表示されたＳＴＭ画像上の任意の位置にクロスカー
ソル６０Ａを合せられるように構成されており、その指
示位置アドレス６４はマイコン４０によって読み出され
る。

【００２８】加算器６６は、ロックインアンプ６８の変
調信号とＤ／Ａ変換器７０の信号を加算したバイアス信
号７２を試料４２に出力する。ロックインアンプ６８は
トンネル電流検出回路７４から出力されるトンネル電流
信号７６を演算して、トンネルｄＩ／ｄＶ信号を出力す
る。Ａ／Ｄ変換器７８，８０はトンネル電流，トンネル
ｄＩ／ｄＶ信号をディジタル信号に変換してマイコン４
０に入力する。

【００２９】図６は、上記リアルタイム表示画像記憶部
５８と画像上位置指示部６２のより詳細な構成を示す図
である。即ち、マイコン４０は、スイッチ５８Ａを介し
てフレームメモリ部５８Ｂに各サンプル点で測定したＳ
ＴＭ画像データ８２を書き込む。次に、データ転送部５
８Ｃがスイッチ５８Ａを切り替えて、フレームメモリ部
５８Ｂに書き込まれたデータを、デュアルポートフレー
ムメモリ部５８Ｄへ転送する。スキャンコンバータ部５
８Ｅは、デュアルポートフレームメモリ部５８Ｄからデ
ータを読み出して、リアルタイム表示映像信号８４に変
換して、表示装置６０にＳＴＭ画像を表示する。

【００３０】フレームメモリ部５８Ｂからデュアルポー
トフレームメモリ部５８Ｄへのデータ転送を、各走査ラ
インの測定終了毎に行なうと、表示装置６０に表示され
るＳＴＭ画像はラスタ走査線を一本毎に更新される。ま
た、フレームメモリ部５８Ｂからデュアルポートフレー
ムメモリ部５８Ｄへのデータ転送を、各走査フレムの走
査終了毎に行なうと、表示装置６０に表示されるＳＴＭ
画像は１フレーム毎に更新され、高速測定の際、静止画
の連続表示がされることになる。

【００３１】一方、測定画像上位置指示部６２の位置ア
ドレス一致検出部６２Ａは、リアルタイム表示用画像記
憶部５８のデュアルポートフレームメモリ部５８Ｄから
スキャンコンバータ部５８Ｅに読み出されるデータの表
示位置アドレス８６と、指示位置アドレスカウンタ部６
２Ｂから出力する指示位置アドレス６４とを比較して、
位置アドレス一致信号８８をスキャンコンバータ部５８
Ｅに出力する。スキャンコンバータ部５８Ｅはその信号
８８に基づいて、クロスカーソル６０Ａを表示装置６０
上に表示させる。

【００３２】なお、同図中の参照番号６２Ｃは、位置指
示の入力手段としての４方向指示可能な位置指示スイッ
チであるが、これはジョイスティック，トラックボー
ル，マウス等，に置き換えることも可能である。

【００３３】次に、上記の構成の本発明の第２の実施例
に於けるＳＴＭ連続測定中のポイントトンネルｄＩ／ｄ
Ｖ測定動作を、図７の（Ａ）のフローチャートを参照し
て説明する。

【００３４】即ち、連続測定を開始して、１フレーム目
のＳＴＭ測定で得られるデータは、リアルタイム表示用
画像記憶部５８に書き込み、表示装置６０に１フレーム
目測定のＳＴＭ画像を表示する（ステップＳ２２）。２
フレーム目のＳＴＭ測定に入る前に、マウス５６Ｂから
ＰＴＳ測定命令の入力があったか否かを判断する（ステ
ップＳ２１）。入力が無ければ、２フレーム目以後も同
様の測定、表示を繰り返す（ステップＳ２２）。

【００３５】その間に、測定画像上位置指示表示部６２
によって、表示装置６０に表示されたＳＴＭ画像上で、
ＰＴＳ測定を行ないたいポイントにクロスカーソル６０
Ａを移動させ、目標のポイントに合わせたら、マウス５
６ＢからＰＴＳ測定命令を入力する。

【００３６】すると、次フレームの測定開始前に、上記
ステップＳ２１にて、ＰＴＳ測定命令の入力があったと
判断し、マイコン４０は、測定画像上位置指示部６２よ
り指示位置アドレス６４を読み出してから（ステップＳ
２３）、ＳＴＭ測定を開始する。そして、そのフレーム
のＳＴＭ測定で得られるデータは、リアルタイムタイム
表示用画像記憶部５８に上書きして、表示装置６０にＳ
ＴＭ画像を表示すると同時に、ホストコンピュータ５６
の画像記憶部５６Ａ上に、ＰＴＳ測定時ＳＴＭ画像
“１”５６Ａ₁ （図７の（Ｂ）参照）として格納してい
く。また、そのフレームのＳＴＭ測定中に、ＸＹ走査ポ
イントが、測定画像上位置指示部６２で指示されたポイ
ントに達したならば、ＸＹ走査を一時停止してＰＴＳ測
定を行ない、そのＰＴＳ測定データは画像記憶部５６Ａ
上に、ＰＴＳデータ“１”５６Ａ₂ として格納する（ス
テップＳ２４）。

【００３７】こうして、ＰＴＳ測定したフレームのＳＴ
Ｍ測定が終了したならば、測定終了命令が入ったか否か
をし判断（ステップＳ２５）、測定終了でなければ上記
ステップＳ２１に戻って上記のルーチンを繰り返す。

【００３８】ＰＴＳ測定を連続で行なう場合は、画像記
憶部５６Ａに、ＰＴＳ測定時ＳＴＭ画像“２”５６
Ａ₃ ，ＰＴＳデータ“２”５６Ａ₄ の様に、連続に格納
していくことも可能であるし、１フレームのＳＴＭ測定
中に、複数点のＰＴＳ測定を行なうことも可能である。

【００３９】以上のように、従来は、試料測定を行なっ
て得られた測定画像を観察して局所的に任意の物理情報
を測定しようとした場合、試料測定からの時間経過が大
きいと、装置のドリフト等によって指定したポイントに
プローブを再び移動させることが困難であったが、本実
施例によれば、連続測定を行ないながら、リアルタイム
表示画像上位置指示部によって、順次更新して表示され
ている測定画像上の任意の位置を指示して、次のフレー
ム測定のＸＹ走査時に測定試料の指示された位置の物理
情報を測定することにより、測定試料の局所的な任意の
物理情報を測定することが可能になる。

【００４０】なお、上記第１及び第２の実施例は、原子
間力顕微鏡及び走査型トンネル顕微鏡に本発明を適用し
た場合について説明したが、本発明は、磁気力顕微鏡
等、他の走査型プローブ顕微鏡にも適用可能なことは勿
論である。

【００４１】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
試料表面の物理情報の時間的な変化を観察しながら、そ
のときの測定データを詳細に分析できるようにし、また
測定試料の局所的な任意の物理情報を測定することを可
能とする走査型プローブ顕微鏡リアルタイム表示装置を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の走査型プローブ顕微鏡リアルタイム表
示装置の第１の実施例の適用された原子間力顕微鏡のブ
ロック構成図である。

【図２】図１中のリアルタイム表示用画像記憶部のブロ
ック構成図である。

【図３】図１中のホストコンピュータの画像記憶部のメ
モリ構成を示す図である。

【図４】第１の実施例の動作を説明するためのフローチ
ャートである。

【図５】本発明の走査型プローブ顕微鏡リアルタイム表
示装置の第２の実施例の適用された走査型トンネル顕微
鏡のブロック構成図である。

【図６】図５中のリアルタイム表示用画像記憶部及び測
定画像上位置指示部のブロック構成図である。

【図７】（Ａ）は第２の実施例の動作を説明するための
フローチャートであり、（Ｂ）は図５中のホストコンピ
ュータの画像記憶部のメモリ構成を示す図である。

【図８】（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ従来の走査型プロ
ーブ顕微鏡の例としての原子間力顕微鏡のブロック構成
図である。

【符号の説明】

１０…マイクロコンピュータ（マイコン）、１２…試
料、１４…ＸＹＺ駆動圧電体、１６，１８…Ｄ／Ａ変換
器、２０…Ａ／Ｄ変換器、２２…探針変位検出回路、２
４…カンチレバー、２６…Ｚ制御回路、２８…ホストコ
ンピュータ、２８Ａ…画像記憶部、３０…リアルタイム
表示用画像記憶部、３２…表示装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プローブを試料表面に沿って所定範囲走
   査して試料表面像を得る走査型プローブ顕微鏡に於い
   て、 測定を制御するマイクロコンピュータと、 測定データを記憶する第１の画像記憶手段と測定データ
   を表示する第１の画像表示手段とを有し、前記第１の画
   像記憶手段に記憶された測定データを加工して前記第１
   の画像表示手段に表示するホストコンピュータ手段と、 前記測定データを記憶する第２の画像記憶手段と、 前記第２の画像記憶手段に格納された前記測定データを
   表示する第２の画像表示手段と、 各測定点で測定した測定データを、前記第１の画像記憶
   手段と前記第２の画像記憶手段の両方に順次格納させる
   制御手段と、 を具備し、前記第２の画像記憶手段に格納した測定デー
   タを前記第２の表示手段で瞬時に表示していくことを特
   徴とする走査型プローブ顕微鏡リアルタイム表示装置。