JPH0650708A - 走査型トンネル顕微鏡における画像表示方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 走査型トンネル顕微鏡における画像表示方法
で、試料表面の断面像を最適な演算で作成し、かつ正確
な形状の断面図を表示する。 【構成】 試料表面の凹凸形状をトンネル電流を利用し
て測定し、凹凸形状の高さに関する測定データを処理し
て凹凸形状を表示画面に表示する走査型トンネル顕微鏡
であり、測定データを２次元の配列で作成するステップ
と、２次元の配列を平均平面が基準面に平行になるよう
に傾斜補正するステップと、２次元の配列を用いて凹凸
形状の濃淡図を表示するステップと、濃淡図において断
面図が必要である２点を指定するステップと、２点の間
に存在する測定データを２次元の配列から取出して１次
元の配列を作成するステップと、前記１次元の配列に対
して所定角度で傾斜補正するステップと、傾斜補正され
た１次元の配列を用いて前記２点間の断面図を表示する
ステップとから構成される。所定角度は、凹凸形状を有
する試料面の平均平面と基準面とがなす角度である。

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に
おける画像表示方法に係り、特に、トンネル電流を利用
して主として微細対象物の凹凸形状を測定する走査型ト
ンネル顕微鏡において試料測定面の濃淡像および試料測
定面の任意部分の断面像を作成し表示する方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】走査型トンネル顕微鏡（以下ＳＴＭとい
う）は、探針と試料を原子レベルの距離に接近させて両
者の間にトンネル電流を流し、このトンネル電流を利用
して例えば試料表面の微細な凹凸形状を測定するように
構成される。さらに具体的に説明すると、探針の先端を
試料の測定面に向け、この探針をその軸方向が測定面に
対し垂直になるように配置し、この状態を維持して探針
を測定面に沿って走査させながら、探針と測定面の間隔
が一定に保持されるように探針の高さ位置（測定面から
の距離）を制御する。探針の走査および高さ位置制御の
ために、駆動装置としてＸ，Ｙ，Ｚの各軸方向につき圧
電素子を設ける。各軸方向の３つの圧電素子のそれぞれ
の伸縮のための制御量に基づいて、探針の位置に関する
データを求め、試料の測定面の微細な凹凸形状を画像化
するためのデータを得る。ＳＴＭの画像表示装置によっ
て試料表面の凹凸形状の垂直断面図を作成して表示する
場合には、従来では一般的に、先ず測定面を走査してデ
ータを収集し、測定面の像を濃淡像で表示し、次に表示
画面における濃淡図で測定面の微細構造を確認し、濃淡
図を作成するための測定データを用いて指定領域の断面
図を作成し、表示するようにしていた。

【０００３】ところでＳＴＭでは、濃淡図を作成すると
きと断面図を作成するときとでは、本来的に使用するデ
ータの性質が異なる。すなわち、濃淡図を作成するデー
タでは、試料表面の微細な構造を表示することに関し、
走査面内における形状や位置関係を把握しやすいことが
重要である。一方、断面図を作成するデータでは、形態
を正確に表示するため測長を行う関係上、断面に関する
形状が正確に把握されることが重要となる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ＳＴＭによる濃淡図で
は、試料表面の微細構造を見やすくするために、画像処
理により試料表面の全体の傾斜を補正し、濃淡像をエン
ハンス（強調）して表示することが望ましい。濃淡像を
エンハンスする手法としては、従来、図４および図５に
示すように、２つの手法が考えられる。

【０００５】図４に従って第１の手法を説明する。４１
は測定データの配列を示す。この配列４１は、ＸＹ平面
上の走査領域４２に関し試料測定面を走査し、Ｚ軸方向
で示される高さデータを得ることで、形成される。４３
は、試料測定面の凹凸形状を示す面である。凹凸面４３
について、平均平面４４が求められる。求めた平均平面
４４の傾斜角を利用し、走査領域４２を一定に保ったま
ま、配列４１に傾斜補正の演算を適用し、凹凸面４３が
ＸＹ平面に平行になるようにする。この第１の手法によ
れば、走査領域４２の各座標点の高さデータに対して単
純に引き算を施せばよいので、演算を短時間で行うこと
ができる。こうして得られた凹凸面４３の測定データを
用いて濃淡図を作成し、さらにこの濃淡図を利用して任
意の箇所の断面像を作成する。第１の手法によれば、走
査領域４２は変化しないが、垂直断面内の微細構造の形
状が本来の形状から変形するという不具合を有する。

【０００６】図５に従って第２の手法を説明する。前述
の配列４１において、凹凸面４３の法線４５を求め、こ
の法線４５がＸＹ平面に垂直になるように、配列４１に
対して座標変換を施す。この結果、凹凸面４３は、ＸＹ
平面に平行な面となる。この凹凸面４３の測定データを
用いて濃淡図を作成し、この濃淡図を利用して任意の箇
所の断面図を作成する。第２の手法によれば、走査領域
の形状は変化するが、基本的に垂直断面形状は変化しな
い。しかし、試料の断面形状によっては、２次元配列で
は表現できない場合も起こり得る。２次元配列で表現で
きない場合には、データの一部を捨てる必要があり、こ
のため垂直断面の形状が変化することになる。またこの
手法によれば、回転操作を伴うので、演算が複雑にな
り、データ点数が多い場合には、演算時間が長くなると
いう不具合も有する。

【０００７】本発明の目的は、試料表面の断面像を最適
な演算で正確に作成し表示する走査型トンネル顕微鏡に
おける画像表示方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に係る走査型トン
ネル顕微鏡における画像表示方法は、試料表面の凹凸形
状を探針・試料間に流れるトンネル電流を利用して測定
する機能と、凹凸形状の高さに関する測定データを処理
して凹凸形状を表示画面に表示する機能を有する走査型
トンネル顕微鏡の画像表示方法であり、立体である前記
凹凸形状に関する測定データを２次元の配列で作成する
ステップと、２次元の配列を平均平面が基準面に平行に
なるように傾斜補正するステップと、傾斜補正された２
次元の配列を用いて凹凸形状の濃淡図を表示するステッ
プと、濃淡図において断面図が必要である２点を指定す
るステップと、前記２点の間に存在する測定データを２
次元の配列から取出して１次元の配列を作成するステッ
プと、前記１次元の配列に対して所定角度で傾斜補正す
るステップと、傾斜補正された１次元の配列を用いて前
記２点間の断面図を表示するステップとから構成され
る。前記の方法において、好ましくは、前記所定角度
は、凹凸形状を有する試料面の平均平面と基準面とがな
す角度である。

【０００９】

【作用】本発明による走査型トンネル顕微鏡における画
像表示方法では、濃淡図を作成するための画像処理と、
断面図を作成するための画像処理とを、基本的に互いに
独立させる構成としている。濃淡図を作成・表示するた
めの画像処理は、前述の第１の手法を利用して行うよう
に構成し、試料表面における微細構造の面内構造や配置
を認識しやすくしている。これによって高速に、断面図
を作成するための位置指定を可能とする濃淡図を表示す
ることができる、断面図を作成・表示するための画像処
理は、濃淡図で指定された２点間を結ぶ直線間の各座標
に対応する測定データを、濃淡図を表示するための原デ
ータから取り出して用いる。取り出した測定データは１
次元の配列として作成される。断面図の表示において、
１次元の配列の測定データを回転させるが、その回転角
は、濃淡図の作成・表示で使用された平均平面と基準面
とが作る角度が使用される。以上によって、３次元配列
で測定データを持たなくとも、精度を低下させることな
く、指定部分の断面図を作成・表示することができる。

【００１０】

【実施例】以下に、本発明の実施例を図１〜図３に基づ
いて本発明を説明する。図１は、本発明に係る画像表示
方法を実施するためのアルゴリズムの一例を示してい
る。図２は、ＳＴＭの基本的な構成を示す。上記アルゴ
リズムは、演算部内のデータ処理部で実行される。

【００１１】先ず、図２に従ってＳＴＭの基本構成を説
明する。探針１は、その先端部を試料２の測定対象であ
る表面領域に対向させた状態で表面に垂直に配置され
る。探針１は３次元圧電アクチュエータ（探針微動機
構）に取り付けられる。３次元圧電アタチュエータは、
図示しないトライポッドヘッドに相互に直交した位置関
係で配置されたＸ，Ｙ，Ｚの各軸方向のロッド形状の圧
電素子３，４，５によって構成される。探針１は圧電素
子３〜５の垂直交差部に取り付けられる。圧電素子３，
４は、探針１を試料２の表面に沿ってＸＹ走査（平面走
査）させるための駆動装置である。圧電素子５は、探針
１のＺ方向の位置を変化させ、探針１と試料２の間の距
離（試料表面に対する探針の高さ位置）を調整するため
の駆動装置である。

【００１２】探針１と試料２の間には、トンネル電流を
流すための電源６が接続される。電源６により探針１と
試料２の間に所要電圧が印加された状態で、探針１が、
図示しない粗動機構で試料２に接近させられ、探針１と
試料２の間の距離が或る原子レベルの微小距離になる
と、探針・試料間にトンネル電流が流れる。トンネル電
流が流れる現象は、量子効果に起因するトンネル現象に
基づいている。粗動機構としては、ストロークの大きい
粗動用圧電素子やステッピングモータ等が使用される。
探針１と試料２の間の微小距離の調整は、前述の圧電素
子５の伸縮動作で行われる。圧電素子５の伸縮の動作量
は、圧電素子５に印加される電圧によって決定される。
圧電素子５への印加電圧はサーボ回路７から与えられ
る。

【００１３】ＳＴＭにおける測定動作では、探針１と試
料２の間隔を、最初に一定の距離にセットする。距離の
セットは、探針・試料間に流れるトンネル電流の値を所
定の一定値に設定することにより行われる。トンネル電
流値を一定値に設定することは、サーボ回路８の中に、
検出電圧と比較するための基準値（電圧値）を設定する
ことにより行われる。探針１を走査させる時、探針・試
料間のトンネル電流を検出し、このトンネル電流を、最
初に設定した一定値に保持することにより、探針１と試
料２の間隔を最初の一定距離に保持する。この制御は、
サーボ回路７によって圧電素子５の動作をサーボ制御す
ることで行われる。探針１は、試料２の測定面の原子レ
ベルの微細凹凸形状をなぞって移動するので、探針１を
移動させるための制御データに基づいて、測定面の凹凸
形状を測定することができる。図１において、８はトン
ネル電流を検出し増幅する機能を有するトンネル電流検
出部であり、９は検出した電流値を距離（電圧値）に換
算する機能を有する電流・距離換算部である。電流・距
離換算部９から出力される信号は、サーボ回路７に与え
られる。サーボ回路７は、基準電圧との比較に基づき、
電流・距離換算部９の出力信号（上記の検出電圧）が所
定の一定値（基準値）になるように、探針１のＺ軸方向
移動を決定する電圧を設定し、圧電素子５に対し供給す
る。

【００１４】１０は、探針１を走査させる圧電素子３，
４の動作を制御するＸＹ走査部である。試料２の測定面
の上で探針１を平面走査する時、圧電素子３，４のそれ
ぞれの伸縮動作を所定のタイミングで制御する。Ｘ軸方
向の圧電素子３およびＹ軸方向の圧電素子４の各伸縮動
作による平面走査は、ＸＹ走査部１０から与えられる走
査のための制御信号に基づいて行われる。

【００１５】ＳＴＭの測定において、探針１に測定動作
を行わせるため、圧電素子３〜５の伸縮動作が制御され
る。圧電素子３〜５の伸縮動作に伴い、サーボ回路７で
生成されるＺ軸方向の制御データおよびＸＹ走査部１０
で使用されるＸおよびＹの各軸方向の制御データは、測
定データ記憶部１２に供給され、格納される。換言すれ
ば、圧電素子３〜５の負荷電圧、すなわち各圧電素子の
伸縮量を空間座標として測定データ記憶部１２に記憶す
る。測定データ記憶部１２に格納された探針１の測定動
作に関する制御データ（空間座標値）は、そのまま試料
表面の凹凸形状を表す測定データとなる。この測定デー
タは、データ処理部１３によって適宜なタイミングで処
理され、これによって作成された画像データをモニタ部
１４に供給し、その画面に試料測定面の画像が表示され
る。上記の測定データ記憶部１２とデータ処理部１３
は、演算部１１の内部に設けられる。演算部１１は、Ｃ
ＰＵおよびメモリで構成される。

【００１６】上記の構成において、探針１と試料２の間
にトンネル電流が流れる場合、探針１と試料２の間の距
離は、原子レベルの微細距離、例えば１ｎｍ程度であ
る。試料表面の凹凸状態を検出するためには、設定され
た微細距離を一定に保つように圧電素子５の伸縮動作を
制御することが必要である。探針・試料間に流れるトン
ネル電流は、探針１と試料２との間の距離の変化に敏感
であり、この特性によって高い分解能を得ることができ
る。

【００１７】次に図１に従って、上記構成を有するＳＴ
Ｍにおいてそのデータ処理部１３で実行される画像表示
方法について説明する。測定データ格納部１２には、２
次元配列Ａ［ｊ］［ｉ］に測定面の１面分のデータが格
納されている。ｊ，ｉはそれぞれ走査平面のＹ座標およ
びＸ座標に対応し、Ａ［ｊ］［ｉ］は、ＸＹ座標（ｉ，
ｊ）における探針の高さデータを表す。Ａ［ｊ］［ｉ］
は測定したままの原データであり、傾斜補正等の何の処
理も施されていない。本実施例によるアルゴリズムは、
図１で明らかなように、Ａ［ｊ］［ｉ］に画像処理を行
って濃淡像を作成し、その濃淡図を表示する部分Ｐ１
と、任意の２点を指定し、その２点の間に存する部分の
測定データをＡ［ｊ］［ｉ］から読取り、画像処理を行
って上記２点間の断面像を作成し、その断面図を表示す
る部分Ｐ２とから構成される。

【００１８】濃淡図を表示するアルゴリズム部分Ｐ１で
は、先ず最初に測定データを最小二乗法を用いて平面に
フィッティングする。フィッティングされた平面を、以
下では平均平面という。ｊ，ｉの各点でＡ［ｊ］［ｉ］
から所要の量を引いて平均平面が基準面（ＸＹ平面）に
平行になるように傾斜補正を行い、傾斜補正したデータ
を新たな２次元の配列Ｂ［ｊ］［ｉ］に代入する。以上
の処理内容はステップＳ１で行われる。次に、ステップ
Ｓ２で配列Ｂ［ｊ］［ｉ］をエンハンスし、最後にステ
ップＳ３でエンハンスしたＢ［ｊ］［ｉ］を用いて濃淡
像を作成しその濃淡図をモニタ部１４に描画する。

【００１９】断面図を表示するアルゴリズム部分Ｐ２で
は、先ず最初に、表示された濃淡図内において、断面像
を作成するための断面線を決める２点を指定し（ステッ
プＳ４）、指定された２点間の測定データを配列Ａ
［ｊ］［ｉ］から読み出す（ステップＳ５）。読み出し
た測定データを１次元の配列Ｃ［ｋ］に代入する（ステ
ップＳ５）。次に、指定した２点で定義される断面線が
水平になるように、座標変換を適用して配列Ｃ［ｋ］の
傾斜を回転して補正し（ステップＳ６）、補正した配列
Ｃ［ｋ］をエンハンスし（ステップＳ７）、その後にエ
ンハンスした配列Ｃ［ｋ］を用いて断面図をモニタ部１
４に描画する（ステップＳ８）。傾斜補正の際の回転角
θは、図３に示す通り、最初に指定した２点ＡとＢによ
って定義されかつ平均平面２１に含まれるに線分２２
と、基準面２３とのなす角である。これらの２点Ａ，Ｂ
の座標をそれぞれ（ｘ１，ｙ１），（ｘ２，ｙ２）と
し、平均平面２１の方程式をｚ＝ａｘ＋ｂｙ＋ｃとする
と、θは次式で求められる。

【００２０】

【数１】

【００２１】上記実施例によれば、濃淡図上で試料表面
の断面を観察したい場所を指定する場合に、濃淡図に関
し傾斜補正とエンハンスがすでに施されているので、指
定を行うことが容易である。また断面図は、測定データ
をＡ［ｊ］［ｉ］から直接に取出して形成されるため、
断面像の形状は正確である。さらに、場所を指定した濃
淡図とほぼ同じ角度の傾斜補正が施されているので、場
所を指定した濃淡図の場所と比較してみても、ほとんど
違和感がない。断面図の作成・描画のための演算におい
て、断面図表示の元になる配列Ｂ［ｊ］［ｉ］と、演算
時に参照となるＡ［ｊ］［ｉ］とは、互いの引数ｊ，ｉ
の関係が１対１に対応しているため、演算が簡潔であ
り、処理を短時間で行うことができる。補正を行うため
に回転角θは、指定した２点の座標と平均平面の方程式
に基づき求められるため、１次元配列Ｃ［ｋ］から平均
の傾きを求めて補正回転角θを求めるよりも、短時間で
演算処理を行うことができる。

【００２２】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
よれば、濃淡図を作成するための画像処理と、断面図を
作成するための画像処理を互いに独立させ、最適な処理
で正確な形状の断面図を作成し表示することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る画像表示方法のアルゴリズムを示
すフローチャートである。

【図２】走査型トンネル顕微鏡の基本構成を示す構成図
である。

【図３】断面線の傾斜補正を説明するための図である。

【図４】従来の断面図作成の第１の手法を説明するため
の図である。

【図５】従来の断面図作成の第２の手法を説明するため
の図である。

【符号の説明】

１ …探針 ２ …試料 ３〜５ …圧電素子 １１ …演算部 １２ …測定データ格納部 １３ …データ処理部 ２１ …平均平面 ２２ …線分 ２３ …基準面

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料表面の凹凸形状を探針・試料間に流
   れるトンネル電流を利用して測定する手段と、前記凹凸
   形状の高さに関する測定データを処理して前記凹凸形状
   を表示画面に表示する手段を有する走査型トンネル顕微
   鏡における画像表示方法において、 立体である前記凹凸形状に関する前記測定データを２次
   元の配列で作成するステップと、 前記２次元の配列を平均平面が基準面と平行になるよう
   に傾斜補正するステップと、 傾斜補正された前記２次元の配列を用いて前記凹凸形状
   の濃淡図を表示するステップと、 前記濃淡図において断面図が必要である２点を指定する
   ステップと、 前記２点の間に存在する測定データを前記２次元の配列
   から取出して１次元の配列を作成するステップと、 前記１次元の配列に対して所定角度で傾斜補正するステ
   ップと、 傾斜補正された前記１次元の配列を用いて前記２点間の
   断面図を表示するステップと、 からなることを特徴とする走査型トンネル顕微鏡におけ
   る画像表示方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の走査型トンネル顕微鏡に
   おける画像表示方法において、前記所定角度は、前記凹
   凸形状を有する試料面の前記平均平面と、前記基準面と
   がなす角度であることを特徴とする走査型トンネル顕微
   鏡における画像表示方法。