WO2007145012A1 - 探針設計支援システム、探針設計支援方法及び探針設計支援プログラム - Google Patents

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WO2007145012A1
WO2007145012A1 PCT/JP2007/057324 JP2007057324W WO2007145012A1 WO 2007145012 A1 WO2007145012 A1 WO 2007145012A1 JP 2007057324 W JP2007057324 W JP 2007057324W WO 2007145012 A1 WO2007145012 A1 WO 2007145012A1
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atom
probe
atoms
unstable
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Naoki Watanabe
Masaru Tsukada
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Waseda University
Mizuho Information and Research Institute Inc
Original Assignee
Waseda University
Mizuho Information and Research Institute Inc
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q30/00—Auxiliary means serving to assist or improve the scanning probe techniques or apparatus, e.g. display or data processing devices
    • G01Q30/04—Display or data processing devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q70/00—General aspects of SPM probes, their manufacture or their related instrumentation, insofar as they are not specially adapted to a single SPM technique covered by group G01Q60/00
    • G01Q70/16—Probe manufacture

Definitions

  • Probe design support system Probe design support method, and probe design support program
  • the present invention relates to a probe design support system, a probe design support method, and a probe design support program for supporting the design of the atomic structure of a probe used when performing numerical simulation on a measurement image of a scanning probe microscope.
  • SPM scanning probe microscope
  • a scanning probe microscope moves the sharp tip of the probe closer to the sample, and physical phenomena such as atomic attraction, interatomic repulsive force, and current (tunnel current) generated between the tip of the probe and the sample. Measure the shape and properties of the sample surface at the atomic level.
  • the tip of the probe is related to the resolution and stability of the scanning probe microscope. It is desired that the tip of the probe is sharp at the atomic level and that the atom at the tip is stable (for example, see Patent Document 1).
  • microcrystalline nanopillars are grown on the tip of a probe used in a scanning probe microscope by atom movement from a heated source substrate. When heated, the bonds between the atoms on the substrate are broken, and the atoms on the substrate move to the tip of the probe at a temperature lower than that of the substrate, where it recrystallizes. As a result, a small protrusion composed of atoms in a more stable state is formed at the tip of the probe.
  • Patent Document 2 discloses a technique for creating a very sharp and thin conical probe having a stable single atom at the tip.
  • the atomic arrangement of the workpiece probe is observed using a measurement probe.
  • the A single pulse or repetitive pulse is applied between the two probes with an appropriate voltage and polarity to remove, process or move the determined atoms, leaving a single stable atom at the tip of the probe. Create a sharp tip.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2 0 0 4-2 7 9 3 4 9
  • Patent Document 2 Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-1 7 8 9 3 5
  • the tip shape of an actual probe is not always such a simple shape.
  • the complicated shape of the probe also affects the actual measurement image obtained by the scanning probe microscope.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems, and provides a probe design support method and a probe design support system for efficiently designing a probe tip structure for numerical simulation of a measurement image by a scanning probe microscope. And providing a probe design support program.
  • one embodiment of the present invention is used in a scanning probe microscope using a control computer connected to a data input unit and an output unit that outputs an image of the tip of the probe.
  • a control computer connected to a data input unit and an output unit that outputs an image of the tip of the probe.
  • the system that supports the design of the probe.
  • the control computer arranges virtual atoms inside the crystal structure constituting the probe, stores the coordinates of each virtual atom, and supplies the crystal plane orientation and cutting position via the input means. And using the boundary condition determined based on the crystal plane orientation and the cutting position, the virtual atom outside the boundary to be deleted from the crystal structure is identified, and the stored coordinates of the virtual atom are used.
  • the change in display of the unstable virtual atom displays a crystal structure excluding the unstable virtual atom.
  • the display change of the unstable virtual atom is repeated until all unstable virtual atoms are deleted.
  • the display of the unstable virtual atom is changed, the facet of the convex cell formed in the crystal structure is identified based on the stored coordinates of the virtual atom, and the facet is configured.
  • Count the total number of virtual atoms and the number of bonds with neighboring atoms of the virtual atoms calculate the total number of dangling bonds of virtual atoms constituting the facet from the total number of virtual atoms and the number of bonds, and calculate the dangling bonds calculated
  • the number of virtual atoms constituting the facet is calculated to calculate the atomic ratio, and the unstable facet is identified based on the calculated atomic ratio.
  • Another embodiment of the present invention is for a scanning probe microscope using a control computer connected to a data input means and an output means for outputting an image of the tip of the probe! / Provide a way to support the design of scoring probes.
  • the control computer arranges virtual atoms inside the crystal structure constituting the probe, stores the coordinates of each virtual atom, and supplies the crystal plane orientation and cutting position via the input means.
  • Still another aspect of the present invention provides a program for allowing a control computer connected to a data input means and an output means for outputting an image of the tip of a probe to support the design of a probe used in a scanning probe microscope.
  • the control computer arranges virtual atoms inside the crystal structure constituting the probe, stores the coordinates of each virtual atom, and sets the crystal plane orientation and cutting position as the input means. Using the boundary condition determined on the basis of the crystal plane orientation and the cutting position, the off-boundary virtual atom to be deleted from the crystal structure is identified, and the coordinates of the stored virtual atom are obtained.
  • FIG. 1 is a block diagram of a probe design support system according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic explanatory diagram of a processing procedure according to a preferred embodiment, where (a) shows a cut surface, (b) shows an atomic arrangement after removing atoms on the cut surface, and (c) shows a plurality of times.
  • Fig. 2 shows the facets of convex vesicles formed by cutting.
  • Figure 3 is a flowchart for creating an atomic configuration list.
  • Figure 4 is a flow chart for cutting the crystal plane.
  • Figure 5 is a flowchart for removing unstable atoms.
  • Figure 6 is a flowchart for removing unstable facets.
  • FIG. 7 is a schematic perspective view of the tip of a probe having one-time symmetry.
  • FIG. 8 is a schematic perspective view of the tip of a probe having a two-fold symmetry.
  • FIG. 9 is a schematic perspective view of the tip of a probe having four-fold symmetry.
  • Figure 10 shows an example of the initial display screen.
  • Fig. 11 is a schematic diagram of the display screen of Fig. 10.
  • Fig. 12 is a perspective view of the tip of the probe before cutting.
  • Fig. 13 is a perspective view of the tip of the probe after the first stage cutting process.
  • Fig. 14 is a perspective view of the tip of the probe after the second stage cutting process.
  • Fig. 15 is a perspective view of the tip of the probe after the fourth cutting process.
  • Figure 16 shows an example of a screen displaying the tip of the formed probe.
  • Figure 17 shows a screen that selectively displays virtual atoms and bonds at the tip of the probe.
  • Figure 18 shows a screen that selectively displays the cutting surface at the tip of the probe.
  • Figure 19 shows a screen displaying the selected facets at the tip of the probe.
  • Figure 20 is a partially enlarged view of a probe with unstable atoms.
  • Figure 21 1 is a partially enlarged view of the probe after removing unstable atoms.
  • Fig. 22 is a schematic diagram of a probe having a simple tip shape, which is handled in the prior art.
  • Figure 23 is a schematic diagram of a probe having a complicated tip shape.
  • the probe design support system supports the design of a scanning probe microscope (SPM) probe by cutting a crystal structure (for example, a diamond structure crystal). .
  • SPM scanning probe microscope
  • the probe design support system includes an input means 15, an output means 16, and a control means 20.
  • the input means 15 is used for inputting various data and instructions to the control means 20 and includes, for example, a pointing device and a keyboard operated while looking at a graphical user interface (GUI).
  • GUI graphical user interface
  • the input means 15 supplies the unit structure, Miller index, cutting position and symmetry to the control means 20.
  • the output means 16 is used to output the processing result of the control means 20.
  • the output means 16 includes, for example, a display device that displays 3D graphics.
  • the control means 20 executes a probe design support program having a program code for performing processing (storage stage, acquisition stage, deletion display stage, display change stage, etc.) described later.
  • the probe design support program is stored on a computer-readable recording medium such as a memory card, flexible disk, optical disk (CD-ROM, DVD-ROM, ...), or magneto-optical disk (MO, MD, ). Stored and provided to the probe design support system.
  • the recording medium may be a medium on which a program uploaded or downloaded via a communication medium is recorded, a disk device, or a storage device of a server device to which a probe design support system is connected via a communication medium. .
  • the recording medium may be a recording medium that records a program code that can be directly executed by a computer, or may be a recording medium that records a program code that is converted into an executable format upon installation. It may also be a recording medium on which program codes that have been converted or compressed are recorded.
  • the control unit 20 functions as a storage unit, an acquisition unit, a deletion display unit, a display change unit, and the like.
  • Control means 20 includes: unit structure setting unit 2 0 1, atom arrangement list creation unit 2 0 6, mirror index setting unit 2 1 1, cutting position setting unit 2 1 2, symmetry setting unit 2 1 3, cutting plane A generation unit 2 15, an arrangement list update unit 2 16, and an atomic arrangement list storage unit 2 20 are provided.
  • the unit structure setting unit 20 1 sets unit structure data for specifying the arrangement of virtual atoms in the crystal structure constituting the probe.
  • the unit structure setting unit 2 0 1 can include a memory for storing unit structure data supplied via the input means 15.
  • the unit structure data includes data for specifying the type of crystal structure (number of bonds, bond angle) and atomic spacing (bond length).
  • the crystal structure data can be stored in advance in a memory.
  • the atomic arrangement list creation unit 2 06 is based on the unit structure data recorded in the unit structure setting unit 2 0 1, and the virtual atoms of the crystal structure in the virtual 3D space (3D space) Generates an atomic configuration list for.
  • the atomic arrangement list creating unit 206 creates an atomic arrangement list including the coordinates of each virtual atom before cutting the crystal structure.
  • the Miller index setting unit 21 1 sets crystal plane orientation data for cutting the crystal structure.
  • the Miller index setting unit 2 1 1 can include a memory for storing crystal plane orientation data supplied via the input means 15.
  • the cutting plane for cutting the crystal structure is specified by the Mira index.
  • the Miller index is expressed as (a m b m C m ).
  • a m , b m , and C m are values corresponding to the X, Y, and Z axes, respectively.
  • Cutting position setting unit 2 1 2 sets the cutting position d m of the cut surface.
  • the cutting position ⁇ tough 2 1 2 was selected through the input unit 1 5 may include a memory for storing a cutting position d m.
  • the cutting position storage unit 21 2 stores the cutting position d m in association with the mirror index stored in the mirror index setting unit 21 1.
  • the cutting position can be expressed by the depth from the origin.
  • the equation that defines the cutting plane can be calculated from the Mira index and the cutting position.
  • the symmetry setting unit 21 3 sets the symmetry of the cut surface.
  • the symmetry setting unit 21 3 can include a memory that stores the selection data of the symmetry of the cut surface supplied via the input means 15. Examples of symmetry of the cutting plane are rotational symmetry around the Z axis. In this embodiment, “1 time symmetry (C 1)”, “2 times symmetry (C 2)”, “3 times symmetry” (C 3), “4-fold symmetry (C4)”, and “6-fold symmetry (C 6)” can be selected. When “One-time symmetry” is selected, cutting is performed only on the specified cutting plane as shown in FIG.
  • the original cutting plane specified by the data stored in the mirror index setting unit 2 1 1 and the cutting position setting unit 21 2 is set to 1 as shown in FIG. Rotate 80 degrees to generate a cut surface after rotation, and the cut is performed at two cut surfaces, the original cut surface and the cut surface after rotation.
  • the original cut plane is rotated by 20 degrees to generate two post-rotation cut planes, consisting of the original cut plane and the two post-rotation cut planes.
  • Cutting is performed at two cut planes.
  • 4-fold symmetry the original cut plane is 90 Rotating by degrees, three post-rotation cut surfaces are generated, and cutting is performed at four cut surfaces consisting of the original cut surface and the three post-rotation cut surfaces.
  • 6-fold symmetry the original cut plane is rotated by 60 degrees to generate five post-rotation cut planes, consisting of the original cut plane and the five post-rotation cut planes. 6 Cutting is performed at two cutting planes.
  • the cutting plane generation unit 2 1 5 is parallel to the crystal plane of the crystal structure based on the data stored in the mirror index setting unit 2 1 1, the cutting position setting unit 2 1 2 and the symmetry setting unit 2 1 3. Generate an equation that defines a simple cutting plane. Specifically, an equation that defines the cutting plane is calculated based on the Miller index stored in the mirror index setting unit 2 11 1 and the cutting position stored in the cutting position setting unit 2 1 1 2. When k-fold symmetry (k> l) is stored in the symmetry setting unit 2 1 3, the equation that defines the cut surface by rotating the Miller index by ⁇ 3 60 / k j degrees is calculated.
  • the atom arrangement list storage unit 2 20 stores an atom arrangement list representing the coordinates of virtual atoms arranged in the 3D space. This atomic configuration list is created by the atomic configuration list creation unit 2 06 and updated by the configuration list update units 2 1 6 and 2 3 5.
  • the atomic arrangement list storage unit 2 2 0 also stores bond data representing bonds between atoms.
  • Control means 20 includes facet extraction means 2 3 1, coupling number calculation means 2 3 2, unstable An atom specifying unit 2 3 3, an unstable facet specifying unit 2 3 4, an arrangement list updating unit 2 3 5, and 3D display control means 2 40 are provided.
  • the facet extracting means 2 3 1 specifies a convex cell (cell) composed of virtual atoms arranged based on the atom arrangement list stored in the atom arrangement list storage unit 2 20, and is formed on the surface of the convex cell. The formed facets are extracted.
  • the unstable atom specifying unit 2 3 3 specifies an unstable atom based on the number of bonds of each virtual atom, as will be described later.
  • the unstable atom identification part 2 3 3 holds the reference bond number for determining whether or not the atom is an unstable atom. In this embodiment, the reference combination number is “1”.
  • the configuration list update unit 2 3 5 virtually removes unstable atoms identified by the unstable atom identification unit 2 3 3 and unstable facets identified by the unstable facet identification unit 2 3 4. Update the atomic arrangement list of atoms.
  • the 3D display control means 2 4 0 sequentially acquires the atomic arrangement list stored in the atomic arrangement list storage unit 2 20, and based on the atomic arrangement list, the probe of the probe formed in the 3D space is acquired. Data for displaying the shape is generated.
  • the 3D display control means 2 4 0 can display the display screen 1 0 0 shown in FIG. 10, FIG. 11, and FIG. 16 on the output means 16.
  • the 3D display control means 2 40 generates 3D model image data according to the data representing the display format selected by GUI.
  • the probe design support system of the present embodiment includes an atomic arrangement list generation process for generating a crystal structure in a 3D space, and a crystal plane that cuts the crystal structure along a cutting plane parallel to the crystal plane. Cutting, and then performing unstable atom deletion processing or unstable facet deletion processing. The outline of these processes will be described with reference to FIG. (1)
  • the probe design support system displays the atoms and surfaces of the tip of the probe (crystal structure) in 3D.
  • the crystal structure is columnar.
  • the probe design support system calculates the cutting plane to cut the columnar crystal structure.
  • step S 1 1 1 the unit structure setting unit 20 1 of the control means 20 includes unit structure data for specifying the unit structure of the crystal structure (probe) (for example, a body-centered cubic lattice structure or a diamond structure). Is obtained via the input means 15, stored in the memory, and supplied to the atom arrangement list creation unit 206.
  • the unit structure for example, a body-centered cubic lattice structure or a diamond structure.
  • the atomic arrangement list creation unit 206 generates an atomic arrangement list of virtual atoms in the crystal structure (step S 1-2). Specifically, the atom arrangement list creation unit 206 arranges virtual atoms in the 3D space according to the unit structure data and the crystal structure (number of bonds, bond angle, bond length). The atom arrangement list creation unit 206 calculates the X, Y, and ⁇ coordinates of each virtual atom with respect to the set origin. The atom arrangement list creation unit 206 generates an initial atom arrangement list including the coordinates of all virtual atoms.
  • the atom arrangement list creation unit 206 records the generated initial atom arrangement list in the atom arrangement list storage unit 220 (step S 1-3).
  • a 3D model can be generated in 3D space using the coordinates of the initial atomic configuration list.
  • the control means 20 obtains a Miller index (a m b m cm ) representing the cut surface and a cut position d ⁇ representing the height of the cut surface (step S2-1).
  • the cut surface generation unit 2 1 5 of the control unit 20 includes a mirror index, a cutting position, a mirror index setting unit 2 1 1, a cutting position setting unit 2 1 2, and a symmetry setting unit 2 1 3. Get the symmetry respectively.
  • the Miller index setting unit 2 1 1 has a mirror index (0 0 1) and (0 1 0), and the cutting position setting unit 2 1 2 has a predetermined value and symmetry
  • the sex setting section 2 1 3 data representing the 4-fold symmetry is stored.
  • the crystal structure is cut by the crystal plane set by the mirror index setting unit 2 1 1, the cutting position setting unit 2 1 2, and the symmetry setting unit 2 1 3.
  • the cut surface generation unit 2 15 generates the following judgment formula using the numerical values acquired from the mirror index setting unit 2 1 1 and the cutting position setting unit 2 1 2.
  • the cut surface generation unit 2 15 calculates a k-fold symmetry determination formula based on the symmetry acquired from the symmetry setting unit 2 13. Specifically, the cut surface generator 2 15 generates a judgment formula in which the Miller index is changed in accordance with the rotation of the crystal plane. Then, the cut surface generator 2 15 temporarily stores these determination formulas.
  • step S2-2 the configuration list update unit 2 1 6 acquires the coordinates ( Xn , y admir, z supplement) of each virtual atom recorded in the atom configuration list storage unit 2 20, and determines the decision formula f ( Substitute for x, y, z).
  • the arrangement list update unit 2 1 6 uses the atomic arrangement list storage unit 2 2 0 From this, the data representing the coordinates ( ⁇ ⁇ , y n , Z n) is deleted (step S 2 1 4).
  • step S2-4 is skipped. As a result, this position The virtual atoms of the mark (X n, ⁇ ⁇ , Z tenu) remain in the atom arrangement list stored in the atom arrangement list storage unit 2 2 0. All atoms stored in the atom arrangement list storage unit 2 2 0 Repeat steps S2-2—S2-4 for placement.
  • step S2-5) the control means 20 confirms whether there is another cut surface. For example, in the case of an initial value for which four-fold symmetry is set, four judgment formulas are generated for the Miller index (0 1 0). Therefore, if there are other judgment formulas that have not been disconnected (in the case of “NO” in step S2-5), step S2—! ⁇ Repeat steps S2-4.
  • the 3D display control means 2 40 of the control means 2 0 sequentially generates display data based on the atomic arrangement list stored in the atomic arrangement list storage unit 2 20, and outputs the display data to the output means 16. It is possible to display 3D model images of the tip of the probe during and after the cutting process.
  • the atomic arrangement list storage unit 2 20 acquires the atomic arrangement list stored in the unit 20 and generates 3D model image data from the viewpoint selected by the designer based on this list.
  • the 3D display control means 2 4 0 then displays the 3D model image of the tip of the probe.
  • Output means 1 6 are displayed.
  • the atomic arrangement is displayed on the display panel section 110 of the display screen 100 as shown in FIG.
  • the display panel section 1 1 0 displays the 3D model image of the atomic arrangement recorded in the atomic arrangement list storage section 2 20.
  • the orientation and position of the 3D model image output to the display panel unit 110 can be changed by changing the viewpoint by operating the pointing device.
  • the display screen 100 will be described with reference to FIG.
  • the display screen 100 includes a display panel unit 110 and a control panel unit 120.
  • Control panel section 1 2 0 functions as a GUI including check boxes 1 2 1, 1 2 2, 1 2 3 for selecting the display format, and list box 1 2 5 for selecting the symmetry of the cut plane .
  • the “V” check box 1 2 1 is selected when you want to display “points” representing atomic positions and “lines” representing bonds.
  • the “s” check box 1 2 2 is selected when it is desired to display the outer surface of the crystal structure including the cutting plane.
  • the “f” check box 1 2 3 is selected when you want to display a facet composed of atoms exposed on the surface.
  • control panel unit 120 includes a check box for selecting a cutting plane and a slider operated when adjusting the cutting position of each cutting plane.
  • the check box is used to set a Miller index (a m b m c m ) that indicates the corresponding cut plane.
  • Slider, used et is to adjust the cutting position d m of each cutting surface. Only the slider corresponding to the cutting plane selected by the check box can be operated. In this embodiment, the cutting position dm is smaller and the crystal structure is cut deeper as the position of the slider is on the left side.
  • control panel section 1 2 0 has an unstable atom removal check box 1 3 0 that is selected when unstable atoms are to be removed, and an unstable facet removal check that is selected when unstable facets are to be removed. There is a box (not shown). As a result, either the unstable atom or the unstable facet can be automatically removed.
  • the control panel unit 120 includes an execution button 140 operated when performing the structure optimization calculation after the arrangement of the atoms is disturbed by random numbers.
  • control means 20 is configured to store the atomic arrangement recorded in the atomic arrangement list storage unit 2 20. Reset the configuration list to generate the initial atomic configuration list, and then execute the same process as the crystal plane cutting process in Fig. 4.
  • the control means 20 obtains the Miller index (a m b m c m ) representing the cutting plane and the cutting position d m (step S2-1).
  • the mirror index setting unit 21 1 specifies the mirror index selected in the control panel unit 120 of the display screen 100, and the cutting position setting unit 2 1 2 acquires the cutting position corresponding to the mirror index.
  • the symmetry setting unit 21 3 acquires symmetry.
  • Each setting unit (2 1 1, 21 2, 21 3) stores the mirror index, cutting position, and symmetry selected in the control panel unit 1 2 0 in each memory.
  • the cut surface generation unit 2 15 obtains the mirror index, the cutting position, and the symmetry from the mirror index setting unit 2 1 1, the cutting position setting unit 2 1 2, and the symmetry setting unit 21 3, respectively.
  • the control means 20 determines the cutting plane based on the Miller index, the cutting position, and the symmetry for all atomic arrangements, and performs a cutting process using the cutting plane.
  • the cut surface generator 2 15 generates a judgment formula.
  • the configuration list update unit 2 1 6 substitutes the coordinates of each virtual atom into the decision formula f (X, y, z) (step S2-2).
  • control means 20 checks whether there is another cut surface (step S2-5). If there is another judgment formula that has not been cut (if “NO” in step S2-5), use this judgment formula to step S2—! ⁇ S 2-4 is repeated.
  • step s 2-5 the crystal plane cutting process is terminated.
  • 3D display control The means 240 sequentially generates display data based on the atomic arrangement list stored in the atomic arrangement list storage unit 220, supplies the display data to the output means 16, and allows the probe during processing and after processing to be performed.
  • the 3D model image of the tip can be displayed.
  • the control means 20 performs the above-described crystal plane cutting process based on this mirror index for each mirror index set in the control panel unit 120.
  • “4-fold symmetry” is selected, and in addition to the initial Miller index (00 1) and (0 10), the Miller index ( When 0 1 1), (1 1 1), (01 3), (1 1 3) are set, the control means 20 performs cutting processing in order from the cutting plane with the smaller Miller index order. Specifically, from the initial shape (00 1, 0 1 0) shown in Fig. 1 2, first, as shown in Fig. 1 3, first, it is 1 by the four-fold symmetry cutting plane of Mira 1 index (01 1). Stage cutting is performed.
  • the second-stage cutting is performed by the four-fold symmetry of the Miller index (1 1 1). Furthermore, as shown in Fig. 15, the third and fourth stages are cut by the four-fold symmetry of the Miller indices (0 1 3) and (1 1 3), respectively.
  • Control panel section 1 Cuts at all Miller index cutting planes set in 20.
  • the 3D model image of the probe after cutting is displayed on the display panel section 110 as shown in FIG.
  • the “v” check box 1 21 is checked, the virtual atom point and bond line shown in Fig. 17 are displayed.
  • “s” check box 1 22 is checked, the outer surface shown in Figure 18 will be displayed.
  • the “f” check box 1 23 is checked, the facets shown in Figure 19 will be displayed.
  • Figure 16 is a 3D model image of the probe structure that combines the displays of Figures 17, 18, and 19.
  • the unstable atom deletion process shown in FIG. 5 will be described. This process is executed when the unstable atom removal checkbox 130 is selected as described above.
  • the facet extraction means 2 3 1 force of the control means 2 0 1 Force Atom arrangement list storage section 2 2 0 Identify and extract the atoms that make up this facet (step S3-1).
  • This convex cell can be calculated using a known geometric calculation.
  • the control means 20 calculates the number of bonds with neighboring atoms (step S 3-2). Specifically, the bond number calculation means 2 3 2 of the control means 20 counts the number of adjacent virtual atoms (neighboring atoms) to which each virtual atom is bonded for each virtual atom on each facet. In one example, the bond number calculation means 2 3 2 uses the coordinates for each surface atom recorded in the atom arrangement list storage unit 2 20 to count the number of virtual atoms existing at the position of the bond length of the atom. .
  • the unstable atom specifying unit 2 3 3 of the control means 20 compares the number of bonds of each virtual atom with the standard number of bonds (step S 3-3). If a virtual atom with a bond number equal to or less than the standard bond number is found (in the case of “Y E S” in step S3-3), this virtual atom is judged to be unstable. Therefore, the unstable atom specifying unit 2 3 3 deletes the coordinate data of this unstable atom from the atom arrangement list (step S 3-4). In the present embodiment, since the standard bond number is “1”, the unstable atom identification unit 2 3 3 uses virtual atoms with the number of neighboring atoms to which virtual atoms are bonded as “1” or less as unstable atoms. Identifies it.
  • Steps S 3-2 to S 3-4 are performed for the virtual atoms constituting all facets, that is, the virtual atoms located on the surface of the crystal structure.
  • the 3D display control means 24 0 generates 3D data based on the virtual atoms stored in the atom arrangement list storage unit 2 2 0 and outputs the 3D data.
  • Fig. 20 shows the facets before removing the unstable atoms
  • Fig. 21 shows the facets after removing the unstable atoms.
  • the control means 20 determines whether or not all surface atoms are stable (step S 3-5). Specifically, for each surface atom recorded in the atomic arrangement list storage unit 220, the number of bonds is compared with the standard number of bonds to evaluate the stability.
  • control means 20 terminates the unstable atom deletion process. This makes it possible to design a probe in which all virtual atoms on the surface are stable.
  • control means If the unstable facet removal check box is selected, control means
  • the facet extracting means 2 3 1 extracts the facets on the surface of the convex cell formed by the imaginary atoms in the atomic arrangement list stored in the atomic arrangement list storage unit 2 20 (step S 4— 1).
  • the control means 20 calculates the total number A S of virtual atoms on the facet surface (Step S 4-2).
  • the control means 20 calculates the total number D of dangling bonds of virtual atoms on the facet surface (step S 4-3).
  • bond number calculation means 2 3 2 force Calculates the number of bonds of virtual atoms with neighboring atoms.
  • the control means 20 multiplies the total number of surface atoms and the number of bonds to calculate the total number of virtual atoms on the facet surface.
  • the control means 20 subtracts the number of bonds of all virtual atoms on the surface from the total number of bonds. This calculates the total number D of dangling bonds of surface atoms in the facet.
  • control means 20 calculates the atomic ratio (step S 4-4). Specifically, the unstable facet identification unit 2 3 4 calculates the atomic ratio by dividing the total number D of dangling bonds by the total number of virtual atoms AS on the facet surface. Compare the ratio of the number of atoms and the reference value.
  • unstable facet identification unit 2 3 4 determines that this facet is unstable. If it is found, delete this facet (steps S 4-6). Specifically, the unstable facet identification unit 2 3 4 deletes the coordinates of the virtual atoms constituting the unstable facet from the atom arrangement list storage unit 2 20. As a result, the control means 20 deletes the unstable facet and generates a new facet.
  • the 3D display control means 2 4 0 sequentially generates display data and supplies it to the output means 16 and displays it on the display panel section 1 1 0 of the display screen 1 0 0 of the output means 1 6. To do.
  • the 3D display control means 2 40 may generate display data that highlights the facets determined to be stable (for example, highlighted in blue). On the other hand, the display data may be generated by deleting the unstable facet immediately before and making the newly appearing facet stand out (for example, highlighted in yellow).
  • control means 20 confirms whether or not all facets are stable (step S 4-7).
  • the unstable facets were deleted in step S 4 _ 6 and the stability was evaluated including the newly generated facets. If all facets are determined to be stable (“YES” in step S 4-7), control means 20 finishes the unstable facet deletion process. As described above, by removing unstable facets, it is possible to design a probe in which all virtual atoms on the surface are stable.
  • the control means 2 0 is near the outermost surface of the tip of the designed probe.
  • the structure optimization calculation is performed for the virtual atom.
  • the virtual atoms in several layers from the outermost surface of the tip are simulated by performing structural optimization calculations on the positions that the virtual atoms can take after being disturbed by random numbers.
  • This structure optimization calculation is The minimization by the conjugate gradient method of the total energy value in the known StillingerWeber's classical force field potential can be used.
  • control means 20 stores the positions (coordinates) that can be taken by the virtual atoms calculated by the structure optimization calculation.
  • the 3D display control means 2 4 0 generates 3D display data from the stored coordinates of each virtual atom and supplies the 3D display data to the output means 1 6, causing the display panel unit 1 10 to become unstable. Display so that a virtual atom or a facet containing this virtual atom can be identified.
  • the design of a probe used in a scanning probe microscope in which the shape at the atomic level affects the measurement is supported. Specifically, from the original crystal structure
  • the control means 20 obtains the Miller index (a m b m c m ) and the cutting position d m (step S 2-1), generates a cutting processing judgment formula, and sets the coordinates of each virtual atom. Substitute into the decision formula f (x, y, z) (step S2 1 2). Then, the arrangement list updating unit 2 16 deletes the coordinates (x n , yêt, zn) of the virtual atoms removed by the cutting process using the judgment formula from the atom arrangement list storage unit 2 2 0 (step S 2 ⁇ 4) This cutting process is repeated for all atoms stored in the atomic arrangement list storage unit 2 20. This makes it possible to use a cutting plane in a probe having an atomic level structure. In addition, using the tip structure of this probe, more accurate calculation can be performed in the numerical simulation of the measurement image using a scanning probe microscope to improve accuracy. be able to.
  • the facet of the probe calculated from the geometric calculation is displayed on the display panel unit 110. Since the facets of the actual probe cut at the crystal plane can be displayed, the designer can visually grasp the shape of the probe utilizing the characteristics of the crystal structure.
  • the control means 20 is a convex cell. Extract the atoms that make up the facet of the surface (step S 3— 1). The control means 20 deletes unstable atoms with a small number of bonds from the list (step S 3-4). In the unstable facet deletion process, the facet extraction means 2 3 1 extracts the facets on the surface of the convex cell formed by the arranged atoms left by cutting (step S 4-1). Then, the control means 20 evaluates the stability for each facet. Specifically, the total number of virtual atoms on the facet surface and the total number of dangling bonds of virtual atoms are counted, and the atomic ratio is calculated.
  • this facet is determined to be unstable, and this facet is deleted (step S 4-6). In this way, the probe structure is stabilized by removing unstable virtual atoms and unstable facets, so that it is possible to construct a probe that takes actual surface phenomena into consideration.
  • the control means 20 when a new surface atom is generated by deleting the unstable atom, the control means 20 repeats the step again until all virtual atoms are stabilized. S3-1—S3-4 are repeated (“NO” in step S3-15).
  • the control means 20 when a new facet is generated by deleting the unstable facet, performs the processing from step S4-1 onwards until all facets are stabilized. Is repeated (“NO” in step S4-7).
  • unstable virtual atoms can be removed by chaining unstable facets to stabilize the probe structure, thus making it possible to construct a probe that takes into account actual surface phenomena.
  • control means 20 calculates the structure (optimization) of the state (position) when virtual atoms in several layers near the outermost surface of the tip of the designed probe are disturbed by random numbers. Simulate with This makes it possible to detect the facet of a virtual atom that becomes unstable due to a disturbance, and to evaluate the stability of the probe structure.
  • the 3D display control means 2 40 displays a 3D image of the tip of the probe on the display screen 100.
  • Control panel 1 2 0 corresponds to Miller index A check box is included.
  • the designer can specify the cutting plane by specifying the Miller index of the control panel section 120. Therefore, the designer can specify the shape of the probe efficiently.
  • control panel unit 1 2 0 includes a slider for setting the cutting position d m of the cut surface. For this reason, since the cutting position can be adjusted efficiently by the GUI, the design of the probe structure can be easily changed.
  • the control panel unit 120 includes a check box for selecting a display format.
  • These display formats include the display format for displaying virtual atom points and bond lines (“v” check box), and the display format for displaying the outer surface of the crystal structure including the cutting plane (“s” check box).
  • the preferred embodiment may be modified as follows.
  • the unstable atom deletion process and the unstable facet deletion process are determined based on whether the virtual atoms constituting the facets of the convex cell surface are stable.
  • the present invention is not limited to this, and it may be determined whether the virtual atom is stable or unstable from the shape of the cut surface.
  • the unit structure setting unit 20 1 obtains data on the unit structure of the probe (step S 1-1).
  • data specifying the unit structure of the crystal structure (for example, a body-centered cubic lattice structure or a diamond structure) is acquired via the input means 15.
  • Acquisition of data about the unit structure is not limited to this method, and unit structure data specified for the material type may be used as data for specifying the unit structure of the crystal structure, for example.
  • the control means 20 stores a unit structure table for specifying the unit structure according to the material type. .
  • the unit structure setting unit 2 0 1 acquires the unit structure associated with the designated material type from the unit structure table. As a result, it is possible to efficiently design a probe composed of various materials without inputting physical constants for each material.
  • the unstable facet was determined based on the atomic ratio obtained by dividing the total number of dangling bonds by the total number of surface atoms.
  • the determination of unstable facets is not limited to this method. For example, if the ratio of the total number of bonds with neighboring atoms divided by the total number of surface atoms is below a certain level, it may be determined that the facet is unstable.
  • the structure optimization calculation was performed on the positions that the virtual atom can take.
  • the control means 20 identifies and stores the coordinate data of the virtual atom that becomes unstable due to the additional calculation. For example, the control means 20 records a flag for displaying an alarm (for example, red) for the coordinates of the unstable virtual atom. It is also possible to record alarms for the entire facet including this virtual atom.
  • control means 20 generates 3D display data and supplies it to the output means 16, and the display panel section 1 1 0 of the display screen 1 0 0 has an unstable virtual atom, or You may display so that the facet containing this virtual atom may be identified.

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Abstract

制御手段（２０）は、仮想３Ｄ空間に設定された結晶構造体の内部に仮想原子を配置して、各原子の座標を原子配置リスト記憶部（２２０）に記憶する。制御手段（２０）は、ミラー指数設定部（２１１）から取得したミラー指数と、切断位置設定部（２１２）から取得した切断面の切断位置によって決まる境界条件に基づいて、原子配置リスト記憶部（２２０）から削除すべき境界外仮想原子を特定する。制御手段（２０）は、切断後の探針の表面に位置する各仮想原子の結合数を計数し、この結合数に基づいて不安定な仮想原子を特定し、不安定な仮想原子の表示を変更する。

Description

明細書 探針設計支援システム、 探針設計支援方法及び探針設計支援プログラム 技術分野
本発明は、 走査プローブ顕微鏡の測定画像について数値シミュレーシヨンを行 なう際に用いる探針の原子構造の設計を支援する探針設計支援システム、 探針設 計支援方法及び探針設計支援プログラムに関するものである。 背景技術
試料表面の細かい形状や性質を測定するための顕微鏡の 1つに、 走査型プロ一 ブ顕微鏡 （S P M； Scanning Probe Microscope) がある。 走查型プローブ顕微 鏡は、 探針の鋭い先端を試料に近づけて、 探針の先端と試料との間の発生する原 子間引力や原子間斥力、 電流 （トンネル電流） などの物理的現象を測定して、 試 料表面の形状や性質を原子レベルで測定する。
探針の先端は走查型プローブ顕微鏡の分解能や安定性に関連する。 探針の先端 は原子レベルで鋭く、 かつ先端にある原子が安定であることが要望されている （ 例えば、 特許文献 1参照。 ） 。 この要望に応じるために、 特許文献 1に記載の技 術では、 走査型プローブ顕微鏡で用いられる探針先端に、 加熱した原料基板から の原子移動によって微結晶のナノピラー （先端突起） を成長させる。 そして、 加 熱されることにより基板の原子同士の結合が切断されて、 基板の原子は、 基板よ りも低温の探針の先端へ移動し、 そこで再結晶化する。 これにより、 より安定し た状態の原子からなる小さな突起が探針の先端に形成される。
また、 安定な一つの原子が先端にある、 非常に鋭く細い円錐状の探針を作成す る技術が特許文献 2に開示されている。 この特許文献 2に記載の技術においては 、 測定用探針を用いて、 被加工探針の原子配置を観察する。 観察の結果、 被加工 探針において、 取り除くべき原子又は付加すべき原子又は動かす原子等を決定す る。 そして、 両探針間に、 適切な電圧と極性で、 単パルス又は繰り返しパルスを 印加して、 決定した原子を除去、 加工又は移動させて被加工探針の先端に安定な 一つの原子を残し、 鋭い先端の探針を作製する。
[特許文献 1 ] 特開 2 0 0 4— 2 7 9 3 4 9号公報
[特許文献 2 ] 特開平 8— 1 7 8 9 3 5号公報 発明の開示
ところで、 走查型プローブ顕微鏡で測定した画像を解析するため、 試料表面と 探針先端の原子スケールでの状態の数値計算によるシミュレーシヨンが行なわれ ている。 従来のシミュレーションでは、 例えば図 2 2に示すように、 探針先端の 原子構造をシンプルな形状にモデル化した探針構造が用レ、られていた。 この探針 構造では、 原子は規則正しく並べられている。 このような探針構造の原子配置 （ 原子座標） を記述したデータファイルは、 配置の規則性を利用して容易に作成で きる。
しかし、 現実の探針の先端形状は、 このようなシンプルな形状とは限らない。 例えば図 2 3に示すように、 多数の面で構成された複雑な形状をしている方が多 レ、。 探針の複雑な形状は、 走査型プローブ顕微鏡による実際の測定画像にも影響 を与える。 複雑な形状の探針構造の原子配置を記述したデータファイルを作成す るためには、 手作業で試行錯誤の編集を繰り返す必要があった。 従って、 現実の 複雑な探針構造でシミュレーションを行なうことは難しい。
本発明は、 上述の問題に鑑みてなされ、 走查型プローブ顕微鏡による測定画像 の数値シミュレーションのための探針先端構造を効率的に設計するための探針設 計支援方法、 探針設計支援システム及び探針設計支援プログラムを提供すること にある。
上記問題点を解決するために、 本発明の一態様は、 データ入力手段と探針の先 端部の画像を出力する出力手段とに接続された制御コンピュータを用いて、 走查 プローブ顕微鏡に用いる探針の設計を支援するシステムを提供する。 そのシステ ムは、 前記制御コンピュータが、 前記探針を構成する結晶構造体の内部に仮想原 子を配置して、 各仮想原子の座標を記憶し、 結晶面方位と切断位置を、 前記入力 手段を介して取得し、 前記結晶面方位と前記切断位置に基づいて決定される境界 条件を用いて、 前記結晶構造体から削除すべき境界外仮想原子を特定し、 前記記 憶した仮想原子の座標を用いて、 前記境界外仮想原子を除く結晶構造体の画像を 前記出力手段に表示し、 前記結晶構造体の表面に位置する各仮想原子の結合数を 計数し、 計数した結合数に基づいて不安定な仮想原子を特定し、 前記不安定な仮 想原子の表示を変更するようにプログラムされていることを特徴とする。
一実施形態では、 前記不安定な仮想原子の表示の変更は、 前記不安定な仮想原 子を除く結晶構造体を表示する。
一実施形態では、 前記不安定な仮想原子の表示の変更は、 すべての不安定な仮 想原子が削除されるまで繰り返される。
一実施形態では、 前記不安定な仮想原子の表示の変更は、 前記記憶された仮想 原子の座標に基づいて、 前記結晶構造体に形成された凸胞のファセットを特定し 、 前記ファセットを構成する仮想原子の総数及び仮想原子の近隣原子との結合数 を計数し、 前記仮想原子の総数と前記結合数から前記ファセットを構成する仮想 原子のダングリングボンドの総数を算出し、 算出したダングリングボンドの総数 を、 前記ファセットを構成する仮想原子の数で除算して原子数割合を算出し、 算 出した原子数割合に基づいて、 不安定なファセットを特定することを含む。 本発明の別の態様は、 データ入力手段と探針の先端部の画像を出力する出力手 段に接続された制御コンピュータを用いて、 走查プロ一ブ顕微鏡に用！/ヽる探針の 設計を支援する方法を提供する。 その方法は、 前記制御コンピュータが、 前記探 針を構成する結晶構造体の内部に仮想原子を配置して、 各仮想原子の座標を記憶 し、 結晶面方位と切断位置を、 前記入力手段を介して取得し、 前記結晶面方位と 前記切断位置に基づいて決定される境界条件を用いて、 前記結晶構造体から削除 すべき境界外仮想原子を特定し、 前記記憶した仮想原子の座標を用いて、 前記境 界外仮想原子を除く結晶構造体の画像を前記出力手段に表示し、 前記結晶構造体 の表面に位置する各仮想原子の結合数を計数し、 計数した結合数に基づいて不安 定な仮想原子を特定し、 前記不安定な仮想原子の表示を変更することを特徴とす る。
本発明の更に別の態様は、 データ入力手段と探針の先端部の画像を出力する出 力手段に接続された制御コンピュータに、 走査プローブ顕微鏡に用いる探針の設 計を支援させるプログラムを提供する。 そのプログラムは、 前記制御コンビユー タが、 前記探針を構成する結晶構造体の内部に仮想原子を配置して、 各仮想原子 の座標を記憶し、 結晶面方位と切断位置を、 前記入力手段を介して取得し、 前記 結晶面方位と前記切断位置に基づいて決定される境界条件を用いて、 前記結晶構 造体から削除すべき境界外仮想原子を特定し、 前記記憶した仮想原子の座標を用 いて、 前記境界外仮想原子を除く結晶構造体の画像を前記出力手段に表示し、 前 記結晶構造体の表面に位置する各仮想原子の結合数を計数し、 計数した結合数に 基づいて不安定な仮想原子を特定し、 前記不安定な仮想原子の表示を変更するよ うに構成されたプログラムコードを備えている。 図面の簡単な説明
図 1は本発明の好ましい実施形態に従う探針設計支援システムのプロック図。 図 2は好ましい実施形態に従う処理手順の概略説明図であり、 （ a ) は切断面 を示し、 （b ) は切断面で原子を除去した後の原子配置を示し、 （c ) は複数回 の切断によって形成された凸胞のファセットを示す。
図 3は原子配置リスト生成のフローチヤ一ト。
図 4は結晶面切断のフローチヤ一ト。
図 5は不安定原子削除のフローチヤ一ト。
図 6は不安定ファセット削除のフローチヤ一ト。
図 7は 1回対称性を有する探針の先端部の模式的斜視図。
図 8は 2回対称性を有する探針の先端部の模式的斜視図。
図 9は 4回対称性を有する探針の先端部の模式的斜視図。 図 1 0は初期の表示画面の一例。
図 1 1は図 1 0の表示画面の模式図。
図 1 2は切断前の探針の先端部の斜視図。
図 1 3は 1段階目の切断処理後の探針の先端部の斜視図。
図 1 4は 2段階目の切断処理後の探針の先端部の斜視図。
図 1 5は 4段階目の切断処理後の探針の先端部の斜視図。
図 1 6は形成された探針の先端部を表示した画面の一例。
図 1 7は探針の先端部の仮想原子と結合を選択的に表示した画面。
図 1 8は探針の先端部の切断面を選択的に表示した画面。
図 1 9は探針の先端部の選択されたファセットを表示した画面。
図 2 0は不安定原子のある探針の部分拡大図。
図 2 1は不安定原子を削除した後の探針の部分拡大図。
図 2 2は従来技術で取り扱う、 簡単な先端形状を有する探針の模式図。
図 2 3は複雑な先端形状を有する探針の模式図。 発明を実施するための最良の形態
以下、 本発明の好ましい実施形態に従う探針設計支援システムを図 1〜図 2 1 を参照して説明する。 本実施形態の探針設計支援システムは、 走査型プローブ顕 微鏡 （S P M； Scanning Probe Microscope) の探針を、 結晶構造体 （例えばダ ィャモンド構造の結晶） を切断して設計するのを支援する。
図 1に示すように、 探針設計支援システムは、 入力手段 1 5、 出力手段 1 6及 び制御手段 2 0カゝら構成されている。
入力手段 1 5は、 制御手段 2 0に各種データや指示を入力するために用いられ 、 例えば、 グラフィカルユーザィンターフェイス ( G U I ) を見ながら操作され るポインティングデバイスやキーボードを含む。 好ましい実施形態では、 入力手 段 1 5は、 単位構造、 ミラー指数、 切断位置及び対称性を、 制御手段 2 0に供給 する。 出力手段 1 6は、 制御手段 2 0の処理結果を出力するために用いられる。 出力 手段 1 6は、 例えば 3次元グラフィックスを表示する表示装置を含む。
制御手段 2 0は、 後述する処理 （記憶段階、 取得段階、 削除表示段階及び表示 変更段階等） を行なうためのプログラムコードを備えた探針設計支援プログラム を実行する。 探針設計支援プログラムは、 メモリカード， フレキシブルディスク ， 光ディスク（CD-ROM,DVD-ROM，... ), 光磁気ディスク（MO,MD,...)等のコン ピュータ読み取り可能な記録媒体に格納されて、 探針設計支援システムに提供さ れる。 記録媒体は、 通信媒体を介してアップロード又はダウンロードされたプロ グラムを記録した媒体、 ディスク装置、 または、 通信媒体を介して探針設計支援 システムが接続されるサーバ装置の記憶装置であってもよい。 記録媒体は、 コン ピュータによって直接実行可能なプログラムコードを記録した記録媒体であって もよく、 インストールすることによって実行可能な形式に変換されるプログラム コードを記録した記録媒体であつてもよく、 暗号化または圧縮されたプログラム コードを記録した記録媒体であってもよい。 制御手段 2 0は、 記憶手段、 取得手 段、 削除表示手段及び表示変更手段等として機能する。
制御手段 2 0は、 単位構造設定部 2 0 1、 原子配置リスト作成部 2 0 6、 ミラ 一指数設定部 2 1 1、 切断位置設定部 2 1 2、 対称性設定部 2 1 3、 切断面生成 部 2 1 5、 配置リスト更新部 2 1 6及び原子配置リスト記憶部 2 2 0を備えてい る。
単位構造設定部 2 0 1は、 探針を構成する結晶構造体の仮想原子の配置を特定 するための単位構造データを設定する。 この単位構造設定部 2 0 1は、 入力手段 1 5を介して供給された単位構造データを記憶するメモリを含むことができる。 単位構造データは、 結晶構造の種別 （結合数、 結合角） と原子間隔 （結合長） を 特定するためのデータを含む。 なお、 結晶構造データは、 予めメモリに記憶させ ておくことも可能である。
原子配置リスト作成部 2 0 6は、 単位構造設定部 2 0 1に記録された単位構造 データに基づいて、 仮想 3次元空間 （3 D空間） における結晶構造体の仮想原子 の原子配置リストを生成する。 この原子配置リスト作成部 206は、 結晶構造体 を切断する前の各仮想原子の座標を含む原子配置リストを作成する。
ミラー指数設定部 21 1は、 結晶構造体を切断するための結晶面方位データを 設定する。 このミラー指数設定部 2 1 1は、 入力手段 1 5を介して供給された、 結晶面方位データを記憶するメモリを含むことができる。 本実施形態では、 ミラ 一指数により結晶構造体を切断する切断面を特定する。 ミラー指数は、 （am bm C m ) で表現される。 am， bm, C mは、 それぞれ X軸、 Y軸、 Z軸に対 応する値である。
切断位置設定部 2 1 2は、 切断面の切断位置 dmを設定する。 この切断位置設 定部 2 1 2は、 入力手段 1 5を介して選択された、 切断位置 dmを記憶するメモ リを含むことができる。 切断位置記憶部 21 2は、 切断位置 dmを、 ミラー指数 設定部 21 1に記憶されたミラー指数と対応付けて記憶する。 本実施形態では、 切断位置は原点からの深さによつて表すことができる。 ミラ一指数と切断位置に より、 切断面を定義する方程式を算出することができる。
対称性設定部 21 3は、 切断面の対称性を設定する。 この対称性設定部 21 3 は、 入力手段 1 5を介して供給された、 切断面の対称性の選択データを記憶する メモリを含むことができる。 切断面の対称性の例は Z軸回りの回転対称性であり 、 本実施形態では 「1回対称性 （C 1) 」 、 「2回対称性 （C 2) 」 、 「3回対 称性 （C 3) 」 、 「4回対称性 （C4) 」 、 「6回対称性 （C 6) 」 から選択す ることができる。 「1回対称性」 が選択された場合、 図 7に示すように、 指定さ れた切断面のみで切断が行なわれる。 「2回対称性」 が選択された場合、 図 8に 示すように、 ミラー指数設定部 2 1 1及び切断位置設定部 21 2に記憶されたデ ータによって指定された元の切断面を 1 80度回転して、 回転後切断面を生成し 、 元の切断面と回転後切断面の 2つの切断面で切断が行なわれる。 「3回対称性 」 が選択された場合、 元の切断面を 1 20度ずつ回転して、 2つの回転後切断面 を生成し、 元の切断面と 2つの回転後切断面とからなる 3つの切断面で切断が行 なわれる。 4回対称性が選択された場合、 図 9に示すように、 元の切断面を 90 度ずつ回転して、 3つの回転後切断面を生成し、 元の切断面と 3つの回転後切断 面とからなる 4つの切断面で切断が行なわれる。 6回対称性が選択された場合に は、 元の切断面を 6 0度ずつ回転して、 5つの回転後切断面を生成し、 元の切断 面と 5つの回転後切断面とからなる 6つの切断面で切断が行なわれる。
本実施形態では、 当初の結晶構造体のモデルとして直方体が設定されている。 プログラムの起動時の初期値として、 ミラー指数設定部 2 1 1にはミラー指数 （ 0 0 1 ) 及び （0 1 0 ) が記憶されており、 切断位置設定部 2 1 2には所定値が 記憶されており、 対称性設定部 2 1 3には 4回対称性が記憶されている。 これら のミラー指数、 切断位置、 対称性を用いることにより、 3 D空間に当初の結晶構 造体のモデルとしての直方体を生成することができる。
切断面生成部 2 1 5は、 ミラー指数設定部 2 1 1、 切断位置設定部 2 1 2及ぴ 対称性設定部 2 1 3に記憶されたデータに基づいて、 結晶構造体の結晶面に平行 な切断面を定義する方程式を生成する。 具体的には、 ミラー指数設定部 2 1 1に おいて記憶されたミラー指数と、 切断位置設定部 2 1 2において記憶された切断 位置とに基づいて切断面を定義する方程式を算出する。 対称性設定部 2 1 3に k 回対称性 （k > l ) が記憶されている場合には、 ミラー指数を Γ 3 6 0 / k j 度 ずつ回転させた切断面を定義する方程式を算出する。
配置リス ト更新部 2 1 6は、 結晶構造体を結晶面に平行な切断面で切断した 後に残った結晶構造体の仮想原子の原子配置リストを生成する。 具体的には、 原子配置リスト記憶部 2 2 0に記録された座標に対して、 切断面生成部 2 1 5 が生成した判断式 == 0を境界条件として、 切断によって除去される仮想原子を 特定して、 除去される仮想原子の座標を削除する。
原子配置リスト記憶部 2 2 0は、 3 D空間に配置された仮想原子の座標を表す 原子配置リストを記憶する。 この原子配置リストは、 原子配置リス ト作成部 2 0 6によって作成され、 配置リスト更新部 2 1 6， 2 3 5によって更新される。 原 子配置リスト記憶部 2 2 0は、 原子同士の結合を表す結合データも記憶する。 制御手段 2 0は、 ファセッ ト抽出手段 2 3 1、 結合数算出手段 2 3 2、 不安定 原子特定部 2 3 3、 不安定ファセッ ト特定部 2 3 4、 配置リス ト更新部 2 3 5及 び 3 D表示制御手段 2 4 0を備えている。
ファセット抽出手段 2 3 1は、 原子配置リスト記憶部 2 2 0に記憶された原子 配置リストに基づいて配置された仮想原子によって構成される凸胞 （cell) を特 定し、 この凸胞表面に形成された小面 （ファセッ ト） を抽出する。
結合数算出手段 2 3 2は、 ファセットを構成する各仮想原子の結合数を算出す る。
不安定原子特定部 2 3 3は、 後述するように、 個々の仮想原子の結合数に基づ いて不安定原子を特定する。 不安定原子特定部 2 3 3は、 不安定原子であるかど うかを判断するための基準結合数を保持する。 本実施形態の基準結合数は 「1」 である。
不安定ファセット特定部 2 3 4は、 後述するように、 ファセットを構成する各 仮想原子の結合数に基づいて不安定ファセットを特定する。
配置リス ト更新部 2 3 5は、 不安定原子特定部 2 3 3により特定された不安定 原子や、 不安定ファセッ ト特定部 2 3 4により特定された不安定ファセッ トを削 除して仮想原子の原子配置リストを更新する。
3 D表示制御手段 2 4 0は、 逐次、 原子配置リスト記憶部 2 2 0に記憶されて いる原子配置リストを取得し、 この原子配置リストに基づいて 3 D空間に形成さ れた探針の形状を表示するためのデータを生成する。 本実施形態では、 3 D表示 制御手段 2 4 0は、 図 1 0、 図 1 1、 図 1 6に示す表示画面 1 0 0を出力手段 1 6に表示させることができる。 3 D表示制御手段 2 4 0は、 G U Iによって選択 された視座ゃ表示形式を表すデータに応じて 3 Dモデル画像データを生成する。 次に、 探針の設計支援の一例を、 図 2〜図 2 1を参照して説明する。
まず、 本実施形態の探針設計支援システムは、 3 D空間に結晶構造体を生成す る原子配置リス ト生成処理と、 この結晶構造体を結晶面と平行な切断面で切断す る結晶面切断処理とを行い、 更に、 不安定原子削除処理又は不安定ファセッ ト削 除処理を行なう。 これらの処理の概略について図 2を用いて説明する。 (1) 探針設計支援システムは、 探針の先端部 （結晶構造体） の原子と面を 3D 表示する。
(2) 図 2 (a) の例では、 結晶構造体は柱状である。 探針設計支援システムは 、 柱状の結晶構造体を切断する切断面を計算する。
(3) 図 2 (b) に示すように、 探針設計支援システムは、 切断後に残る仮想原 子を含む結晶構造体を 3 D表示する。 切断後の結晶構造体の断面を再構成して 3 D表示する。
(4) 図 2 (c) に示すように、 探針設計支援システムは、 切断後の結晶構造体 の仮想原子のうち表面に露出した原子によつて構成される多数の小面 （ファセッ ト） を検出して 3D表示する。
以下、 具体的な処理を詳述する。
(原子配置リスト生成処理）
図 3を参照して、 仮想原子の原子配置リス トの生成を説明する。 ステップ S 1 一 1において、 制御手段 20の単位構造設定部 20 1は、 結晶構造体 （探針） の 単位構造 （例えば、 体心立方格子構造やダイヤモンド構造など） を特定するため の単位構造データを、 入力手段 1 5を介して取得し、 メモリに記憶し、 原子配置 リスト作成部 206に供給する。
原子配置リスト作成部 206は、 結晶構造における仮想原子の原子配置リスト を生成する （ステップ S 1— 2) 。 具体的には、 原子配置リスト作成部 206は 、 単位構造データと結晶構造 （結合数、 結合角、 結合長） に従って、 3D空間に 仮想原子を配置する。 原子配置リスト作成部 206は、 設定された原点に対する 各仮想原子の X, Y， Ζ座標を算出する。 原子配置リス ト作成部 206は、 すべ ての仮想原子の座標を含む初期原子配置リストを生成する。
原子配置リスト作成部 206は、 生成した初期原子配置リス トを原子配置リス ト記憶部 220に記録させる （ステップ S 1— 3) 。 初期原子配置リス トの座標 を用いて、 3D空間に 3次元モデルを生成することができる。
(初期値による結晶面切断処理） 次に、 図 4、 図 1 2〜図 2 1を用いて、 結晶面切断処理について詳述する。 制御手段 2 0は、 切断面を表すミラー指数 （am bm cm) と、 切断面の高さ を表す切断位置 d∞を取得する （ステップ S 2— 1 ) 。 具体的には、 制御手段 2 0の切断面生成部 2 1 5は、 ミラー指数設定部 2 1 1、 切断位置設定部 2 1 2、 対称性設定部 2 1 3から、 ミラー指数、 切断位置、 対称性をそれぞれ取得する。 上述のように、 プログラムの起動時には、 初期値として、 ミラー指数設定部 2 1 1にはミラー指数 （0 0 1 ) 及び （0 1 0) 、 切断位置設定部 2 1 2には所定値 、 対称性設定部 2 1 3には 4回対称性を表すデータが記憶されている。
次に、 ミラー指数設定部 2 1 1、 切断位置設定部 2 1 2、 対称性設定部 2 1 3 によつて設定された結晶面によつて結晶構造体が切断される。
切断面生成部 2 1 5は、 ミラ一指数設定部 2 1 1、 切断位置設定部 2 1 2から 取得した数値を用いて、 以下の判断式を生成する。
f (x， y , z ) = [am] * [x] + [ bm] * [y] + [ c m] 氺 [ z ] +
[dm]
更に、 切断面生成部 2 1 5は、 対称性設定部 2 1 3から取得した対称性に基づ いて、 k回対称性の判断式を算出する。 具体的には、 切断面生成部 2 1 5は、 結 晶面の回転に対応させてミラー指数を変更した判断式を生成する。 そして、 切断 面生成部 2 1 5は、 これらの判断式を一時的に記憶する。
ステップ S 2— 2において、 配置リスト更新部 2 1 6は、 原子配置リスト記憶 部 2 2 0に記録された各仮想原子の座標 （Xn ， y„ , z„ ) を取得し、 判断式 f (x， y， z ) に代入する。
算出結果 f ( Xn, yn， z j が 0よりも大きい場合 （ステップ S 2— 3にお いて 「NO」 の場合） 、 配置リス ト更新部 2 1 6は、 原子配置リスト記憶部 2 2 0から、 この座標 （χη , yn ， Z n ) を表すデータを削除する （ステップ S 2 一 4) 。
一方、 算出結果. f (Xn, yn, Z n) が 0以下の場合 （ステップ S 2— 3にお いて 「YE S」 の場合） 、 ステップ S 2— 4をスキップする。 この結果、 この座 標 （X n , Υ η , Z„ ) の仮想原子は、 原子配置リスト記憶部 2 2 0に記憶され た原子配置リストに残る。 原子配置リスト記憶部 2 2 0に記憶されているすべて の原子配置について、 ステップ S 2— 2〜S 2— 4を繰り返す。
すべての原子配置についてステップ S 2— 2〜S 2— 4の切断処理を完了した 場合には、 制御手段 2 0は、 他に切断面があるかどうかを確認する （ステップ S 2 - 5 ) 。 例えば、 4回対称性が設定されている初期値の場合、 ミラー指数 （0 1 0 ) に対して、 4個の判断式が生成されている。 そこで、 他に切断処理を行な つていない判断式が残っている場合 （ステップ S 2— 5において 「N O」 の場合 ) には、 残りの各判断式を用いてステップ S 2—：！〜 S 2— 4を繰り返し行なう 。
すべての判断式を用いて切断処理が終了した場合 （ステップ S 2— 5において 「Y E S」 の場合） には、 結晶面切断処理を終了する。
制御手段 2 0の 3 D表示制御手段 2 4 0は、 逐次、 原子配置リスト記憶部 2 2 0に記憶された原子配置リストに基づいて表示データを生成し、 出力手段 1 6に その表示データを供給して、 切断処理中及び処理後の探針の先端部の 3 Dモデル 画像を表示することができる。
(表示画面）
次に、 出力手段 1 6に表示される画面を説明する。 3 D表示制御手段 2 4 0は
、 原子配置リス ト記憶部 2 2 0に記憶された原子配置リストを取得し、 このリス トに基づいて、 設計者によって選択された視座からの 3 Dモデル画像データを生 成する。 そして、 3 D表示制御手段 2 4 0は、 探針の先端部の 3 Dモデル画像を
、 出力手段 1 6に表示させる。
原子配置は、 図 1 0に示すように、 表示画面 1 0 0の表示パネル部 1 1 0に表 示される。 の表示パネル部 1 1 0は、 原子配置リスト記憶部 2 2 0に記録された 原子配置の 3 Dモデル画像が表示される。 表示パネル部 1 1 0に出力された 3 D モデル画像の向きや位置は、 ポインティングデバイスの操作により視座を変える ことで、 変更することができる。 次に、 図 1 1を参照して、 表示画面 1 0 0について説明する。
表示画面 1 0 0は、 表示パネル部 1 1 0及び制御パネル部 1 2 0を含む。 制御 パネル部 1 2 0は、 表示形式を選択するためのチェックボックス 1 2 1 , 1 2 2 , 1 2 3、 切断面の対称性を選択するためのリストボックス 1 2 5を含む G U I として機能する。 表示形式を選択するチェックボックスには、 「v (vertex)」 チ エックボックス 1 2 1、 「 s (surface) J チェックボックス 1 2 2、 「 f (facet) J チェックボックス 1 2 3がある。 「 V」 チェックボックス 1 2 1は、 原子位置を 表す 「点」 と結合を表す 「線」 とを表示したいときに選択される。 「s」 チエツ クボックス 1 2 2は、 切断面を含む結晶構造体の外表面を表示したいときに選択 される。 「f 」 チェックボックス 1 2 3は、 表面に露出した原子によって構成さ れる小面 （ファセッ ト） を表示したいときに選択される。
更に、 制御パネル部 1 2 0には、 切断面を選択するためのチェックボックスと 、 各切断面の切断位置を調整するときに操作されるスライダとを含む。 チェック ボックスは、 対応する切断面を示すミラー指数 （a m b m c m ) を設定するた めに用いられる。 スライダは、 各切断面の切断位置 d mを調整するために用いら れる。 なお、 チェックボックスによって選択された切断面に対応するスライダの みが操作可能となる。 また、 本実施形態では、 スライダの位置が左側にある程、 切断位置 d mが小さく、 結晶構造体が深く切り取られる。
更に、 制御パネル部 1 2 0には、 不安定原子を除去したいときに選択される不 安定原子除去チェックボックス 1 3 0、 不安定ファセットを除去したいときに選 択される不安定ファセッ ト除去チェックボックス （図示しない） がある。 これに より、 不安定原子又は不安定ファセットの一方を自動的に除去することができる 。 また、 制御パネル部 1 2 0には、 原子の配置が乱数による擾乱を受けた後の構 造最適化計算を行なうときに操作される実行ボタン 1 4 0が含まれる。
(入力操作による結晶面切断処理）
ミラー指数のチェックボックスとスライダとを利用した、 切断面の設定を説明 する。 まず、 制御手段 2 0は、 原子配置リスト記憶部 2 2 0に記録された原子配 置リストをリセットして初期原子配置リストを生成し、 その後、 図 4の結晶面切 断処理と同様な処理を実行する。
制御手段 20は、 切断面を表すミラー指数 （am bm cm ) と切断位置 dm を取得する （ステップ S 2— 1) 。 ミラー指数設定部 21 1は、 表示画面 1 00 の制御パネル部 1 20において選択されたミラー指数を特定し、 切断位置設定部 2 1 2はそのミラー指数に対応する切断位置を取得する。 対称性設定部 21 3は 対称性を取得する。 各設定部 （2 1 1, 21 2, 21 3) は、 制御パネル部 1 2 0において選択されているミラー指数、 切断位置、 対称性を、 各メモリに記憶す る。
次に、 切断面生成部 2 1 5は、 ミラー指数設定部 2 1 1、 切断位置設定部 2 1 2、 対称性設定部 21 3から、 ミラー指数、 切断位置、 及び対称性をそれぞれ取 得する。 制御手段 20は、 すべての原子配置に対して、 ミラー指数、 切断位置、 及び対称性によって切断面を決定し、 その切断面を用いて切断処理を行なう。 具 体的には、 切断面生成部 2 1 5は判断式を生成する。 配置リスト更新部 2 1 6は 、 各仮想原子の座標を判断式 f ( X， y， z ) に代入する （ステップ S 2— 2 ) 。 算出結果 f (Xn， yn， Zn) が 0よりも大きい場合 (ステップ S 2- 3にお いて 「NO」 の場合） 、 配置リスト更新部 21 6は、 原子配置リスト記憶部 22 0から、 この座標 （χη， yn , zn ) を削除する （ステクプ S 2-4) 。 そし て、 原子配置リスト記憶部 220に記憶されているすべての原子について、 ステ ップ S 2— 2〜S 2— 4が繰り返して行なわれる。
すべての原子配置についてステップ S 2— 2〜S 2— 4を完了した場合には、 制御手段 20は、 他に切断面があるかどうかを確認する （ステップ S 2— 5) 。 他に切断処理を行なっていない判断式がある場合 （ステップ S 2— 5において 「 NO」 の場合） には、 この判断式を用いてステップ S 2—：！〜 S 2— 4が繰り返 し行なわれる。
すべての判断式について切断処理が終了している場合 （ステップ s 2— 5にお いて 「YES」 の場合） には、 結晶面切断処理を終了する。 なお、 3D表示制御 手段 240は、 逐次、 原子配置リスト記憶部 220に記憶された原子配置リスト に基づいて表示データを生成し、 出力手段 1 6に表示データを供給して、 処理中 及ぴ処理後の探針の先端部の 3 Dモデル画像を表示することができる。
このように、 制御手段 20は、 制御パネル部 120に設定された 1つのミラー 指数毎に、 このミラー指数に基づいて、 上述した結晶面切断処理を行なう。 例え ば、 図 1 6の制御パネル部 1 20に示すように、 「4回対称性」 が選択されてお り、 初期値のミラー指数 （00 1) , (0 10) 以外に、 ミラー指数 （0 1 1) 、 （1 1 1) 、 （01 3) 、 （1 1 3) が設定されている場合、 制御手段 20は ミラー指数の次数が小さい切断面から順に切断処理を行なう。 具体的には、 図 1 2に示す最初の形状 （00 1、 0 1 0) から、 図 1 3に示すように、 まず、 ミラ 一指数 （01 1) の 4回対称性の切断面により 1段階目の切断が行なわれる。 次 に、 図 14に示すように、 ミラー指数 （1 1 1) の 4回対称性の切断面により 2 段階目の切断が行なわれる。 更に、 図 1 5に示すように、 ミラー指数 （0 1 3) 、 (1 1 3) の 4回対称性の切断面により、 それぞれ 3段階目、 4段階目の切断 が行なわれる。
制御パネル部 1 20に設定されたすベてのミラー指数の切断面で切断を行なう 。 切断後の探針の 3 Dモデル画像が図 1 6に示すように表示パネル部 1 1 0に表 示される。 「v」 チェックボックス 1 21がチェックされている場合、 図 1 7に 示す仮想原子を表す点と結合を表す線が表示される。 「s」 チェックボックス 1 22がチェックされている場合、 図 1 8に示す外表面が表示される。 「f 」 チヱ ックボックス 1 23がチェックされている場合、 図 1 9に示すファセットが表示 される。 図 16は、 図 1 7, 1 8， 1 9の表示を合成した探針構造の 3 Dモデル 画像である。
(不安定原子削除処理）
次に、 図 5に示す不安定原子削除処理について説明する。 この処理は、 前述の ように、 不安定原子除去チェックボックス 1 30が選択されている場合に実行さ れる。 まず、 制御手段 2 0のファセット抽出手段 2 3 1力 原子配置リスト記憶部 2 2 0に記憶されている仮想原子の座標に基づいて、 配置原子が構成する凸胞表面 の小面 （ファセット） を特定し、 このファセットを構成する原子を抽出する （ス テツプ S 3— 1 ) 。 なお、 この凸胞は公知の幾何学的計算を用いて算出すること ができる。
次に、 制御手段 2 0は、 近隣原子との結合数の算出を行なう （ステップ S 3— 2 ) 。 具体的には、 制御手段 2 0の結合数算出手段 2 3 2は、 各ファセット上の 各仮想原子について、 各仮想原子が結合している隣接した仮想原子 （近隣原子） の数をカウントする。 一例では、 結合数算出手段 2 3 2は、 原子配置リスト記憶 部 2 2 0に記録された表面原子毎に、 座標を用いて、 原子の結合長の位置に存在 する仮想原子数を力ゥントする。
制御手段 2 0の不安定原子特定部 2 3 3は、 各仮想原子の結合数と基準結合数 を比較する （ステップ S 3— 3 ) 。 結合数が基準結合数以下の仮想原子が見つか つた場合 （ステップ S 3— 3において 「Y E S」 の場合） には、 この仮想原子は 不安定であると判断される。 そこで、 不安定原子特定部 2 3 3は、 この不安定原 子の座標データを原子配置リストから削除する （ステップ S 3— 4 ) 。 本実施形 態では、 基準結合数が 「1」 であるため、 不安定原子特定部 2 3 3は、 仮想原子 が結合する近隣原子の数が 「1」 以下の仮想原子を、 不安定原子であると特定す る。 そして、 制御手段 2 0の配置リスト更新部 2 3 5は、 特定した不安定原子を 原子配置リス ト記憶部 2 2 0に記憶されている原子配置リス トから削除する。 ステップ S 3— 2〜S 3— 4の処理を、 すべてのファセットを構成する仮想原 子、 すなわち結晶構造体の表面に位置する仮想原子について行なう。
なお、 この処理においても、 3 D表示制御手段 2 4 0は、 原子配置リスト記憶 部 2 2 0に記憶されている仮想原子に基づいて 3 Dデータを生成し、 この 3 Dデ ータを出力手段 1 6に供給し、 出力手段 1 6において表示する。 図 2 0は不安定 原子を削除する前のファセットを示し、 図 2 1は不安定原子を削除した後のファ セットを示す。 制御手段 2 0は、 すべての表面原子が安定であるか否かを判定する （ステップ S 3 - 5 ) 。 具体的には、 原子配置リスト記憶部 2 2 0に記録された各表面原子 について、 結合数と基準結合数とを比較して、 安定性を評価する。 ここで、 不安 定原子を削除した場合、 新たなファセットが形成されるので、 新たなファセット についても上述したステップ S 3—：！〜 S 3— 4の処理を繰り返す。
すべての表面原子が安定と判断された場合 （ステップ S 3— 5において 「Y E S J ) 、 制御手段 2 0は、 不安定原子削除処理を終了する。 以上のように、 不安 定の仮想原子を削除することにより、 表面の全ての仮想原子が安定している探針 を設計することができる。
(不安定ファセット削除処理）
不安定ファセット除去チェックボックスが選択されている場合には、 制御手段
2 0は、 図 6に示す不安定ファセット削除処理を行なう。 具体的には、 ファセッ ト抽出手段 2 3 1は、 原子配置リスト記憶部 2 2 0に記憶された原子配置リスト の伋想原子が構成する凸胞の表面のファセットを抽出する (ステップ S 4— 1 ) 。
次に、 ファセット毎にファセットの安定性を評価する。
まず、 制御手段 2 0は、 ファセット表面の仮想原子の総数 A Sを算出する （ス テツプ S 4— 2 ) 。 次に、 制御手段 2 0は、 ファセット表面の仮想原子のダング リングボンドの総数 Dを算出する （ステップ S 4— 3 ) 。 具体的には、 結合数算 出手段 2 3 2力 仮想原子の近隣原子との結合数を算出する。 そして、 制御手段 2 0は、 表面原子の総数と結合数とを乗算して、 ファセットの表面にある仮想原 子の全結合数を算出する。 更に、 制御手段 2 0は、 全結合数から、 表面の全仮想 原子の結合数を減算する。 これにより、 ファセットにおける表面原子のダングリ ングボンドの総数 Dが算出される。
次に、 制御手段 2 0は、 原子数割合を算出する （ステップ S 4— 4 ) 。 具体的 には、 不安定ファセット特定部 2 3 4は、 ダングリングボンドの総数 Dを、 ファ セット表面の仮想原子の総数 A Sで除算することにより原子数割合を算出し、 算 出した原子数割合と基準値とを比較する。
算出した原子数割合が基準値よりも大きいファセットが見つかった場合 （ステ ップ S 4— 5において 「Y E S」 の場合） には、 不安定ファセット特定部 2 3 4 は、 このファセットは不安定であると判断し、 このファセットを削除する （ステ ップ S 4— 6 ) 。 具体的には、 不安定ファセット特定部 2 3 4は、 この不安定フ ァセットを構成する仮想原子の座標を、 原子配置リスト記憶部 2 2 0から削除す る。 これにより、 制御手段 2 0は、 不安定ファセットを削除して、 新たなファセ ットを生成する。
この場合にも、 3 D表示制御手段 2 4 0は、 逐次、 表示データを生成して出力 手段 1 6に供給し、 出力手段 1 6の表示画面 1 0 0の表示パネル部 1 1 0に表示 する。 3 D表示制御手段 2 4 0は、 安定であると判定されたファセットを目立た せた （例えば青色表示で強調した） 表示データを生成してもよい。 一方、 直前に 不安定ファセットを削除して新たに出現したファセットを目立たせた （例えば黄 色表示で強調した） 表示データを生成してもよい。
そして、 制御手段 2 0は、 すべてのファセットが安定しているか否かを確認す る （ステップ S 4— 7 ) 。 この場合、 ステップ S 4 _ 6において不安定ファセッ トを削除したことに.より新たに生成されたファセットを含めて、 安定性の評価を 行なう。 すべてのファセットについて安定と判断された場合 （ステップ S 4— 7 において 「Y E S」 の場合） 、 制御手段 2 0は、 不安定ファセット削除処理を終 了する。 以上のように、 不安定のファセットを削除することにより、 表面の全て の仮想原子が安定している探針を設計することができる。
(安定性検証処理）
上述の処理を通じて探針構造の設計を完了した後、 制御パネル部 1 2 0の実行 ポタン 1 4 0が選択された場合、 制御手段 2 0は、 設計された探針の先端部の最 表面近傍の仮想原子についての構造最適化計算を行なう。 ここでは、 先端部の最 表面から数層にある仮想原子が、 乱数による擾乱を受けた後に仮想原子が取り得 る位置を構造最適化計算を行なってシミュレ一トする。 この構造最適化計算は、 公知の StillingerWeber の古典力場ポテンシャルでの全エネルギー値の共役勾 配法による最小化を用いることができる。
そして、 制御手段 2 0は、 構造最適化計算によって算出した仮想原子が取り得 る位置 （座標） を記憶する。 次に、 3 D表示制御手段 2 4 0は、 記憶した各仮想 原子の座標から 3 D表示データを生成して出力手段 1 6に供給して、 表示パネル 部 1 1 0に、 不安定となる仮想原子、 又はこの仮想原子を含むファセットを識別 できるように表示する。
好ましい実施形態の探針設計支援システムによれば、 以下のような効果を得る ことができる。
好ましい実施形態では、 原子レベルの形状が測定に影響を与える走査型プロ一 ブ顕微鏡に用いる探針の設計支援を行なう。 具体的には、 当初の結晶構造体から
、 結晶面に沿って切削を行なう。 ここで、 制御手段 2 0は、 ミラー指数 （a m b m c m ) と切断位置 d mを取得し (ステップ S 2 - 1 ) 、 切断処理の判断式を 生成し、 各仮想原子の座標を判断式 f ( x , y , z ) に代入する （ステップ S 2 一 2 ) 。 そして、 配置リスト更新部 2 1 6は、 判断式を用いた切断処理により除 かれた仮想原子の座標 （x n， y„， z n ) を原子配置リスト記憶部 2 2 0から 削除する （ステップ S 2— 4 ) 。 この切断処理は、 原子配置リスト記憶部 2 2 0 に記憶されているすべての原子について繰り返して行なわれる。 これにより、 原 子レベルの構造を有する探針において、 切断面を用いて、 効率的に構造体を形成 することができる。 更に、 この探針の先端構造を用いて、 走査型プローブ顕微鏡 による測定画像の数値シミュレーションにおいて、 より的確な計算を行ない、 精 度を向上させることができる。
好ましい実施形態では、 幾何学的計算から算出された探針のファセットを表示 パネル部 1 1 0に表示する。 結晶面で切断された実際の探針のファセットを表示 できるので、 設計者は結晶構造の特性を活かした探針の形状を視覚的に把握する ことができる。
好ましい実施形態では、 不安定原子削除処理において、 制御手段 2 0は、 凸胞 表面のファセットを構成する原子を抽出する （ステップ S 3— 1 ) 。 制御手段 2 0は、 結合数が少ない不安定原子をリストから削除する （ステップ S 3— 4 ) 。 また、 不安定ファセット削除処理において、 ファセット抽出手段 2 3 1は、 切断 により残された配置原子が構成する凸胞の表面のファセットを抽出する （ステツ プ S 4— 1 ) 。 そして、 制御手段 2 0は、 ファセット毎に安定性を評価する。 具 体的には、 ファセット表面の仮想原子の総数及び仮想原子のダングリングボンド の総数を計数し、 原子数割合を算出する。 この原子数割合が基準値よりも大きい 場合には、 このファセットは不安定であると判断して、 このファセットを削除す る （ステップ S 4— 6 ) 。 このように、 不安定な仮想原子や不安定なファセット を取り除いて探針構造を安定にするので、 実際の表面現象を考慮した探針を構成 することができる。
好ましい実施形態では、 不安定原子削除処理においては、 不安定原子を削除す ることにより新たな表面原子が生じた場合には、 制御手段 2 0は、 全仮想原子が 安定するまで、 再度、 ステップ S 3— 1〜S 3— 4を繰り返す (ステップ S 3一 5において 「N O」 ） 。 また、 不安定ファセット削除処理においては、 制御手段 2 0は、 不安定ファセットを削除することにより新たなファセットが生成された 場合には、 全ファセットが安定するまで、 ステップ S 4— 1以降の処理を繰り返 す （ステップ S 4— 7において 「N O」 ） 。 これにより、 不安定な仮想原子ゃ不 安定なファセットを連鎖的に取り除いて探針構造を安定にするので、 実際の表面 現象を考慮した探針を構成する とができる。
好ましい実施形態では、 制御手段 2 0は、 設計された探針の先端部の最表面近 傍の数層にある仮想原子が、 乱数による擾乱を受けたときの状態 （位置） を構造 最適化計算でシミュレートする。 これにより、 擾乱により不安定となる仮想原子 ゃファセットを検出することができ、 探針構造体の安定性を評価することができ る。
好ましい実施形態では、 3 D表示制御手段 2 4 0は、 探針の先端部の 3 D画像 を表示画面 1 0 0に表示する。 制御パネル部 1 2 0には、 ミラー指数に対応する チェックボックスが含まれている。 設計者は、 制御パネル部 1 2 0のミラー指数 を特定することにより、 切断面を指定することができる。 従って、 設計者は、 効 率的に探針の形状を指定できる。
更に、 制御パネル部 1 2 0には、 切断面の切断位置 d mを設定するためのスラ イダが含まれている。 このため、 切断位置を G U Iにより効率的に調整すること ができるので、 探針構造の設計変更を容易に行なうことができる。
好ましい実施形態では、 制御パネル部 1 2 0には、 表示形式を選択するチエツ クボックスが含まれている。 これら表示形式には、 仮想原子の点と結合線との表 示する表示形式 （ 「v」 チェックボックス） 、 切断面を含む結晶構造体の外表面 を表示する表示形式 （ 「s」 チェックボックス） 及ぴ表面原子により構成される ファセットを表示する表示形式 （ 「f 」 チェックボックス） がある。 設計者はチ エックボックスを選択的にチェックすることにより、 探針內の仮想原子を表す点 、 仮想原子同士の結合を示す線、 切断により形成される探針の面、 切断後に残つ た仮想原子により形成されるファセットの形状などを選択的に表示させることが できる。
好ましい実施形態は、 以下のように変更してもよい。
好ましい実施形態では、 不安定原子削除処理及び不安定ファセット削除処理は 、 凸胞表面のファセットを構成する仮想原子が安定か否かにより判定した。 これ に限定されるものではなく、 切断面の形状から、 仮想原子が安定か不安定である かを判定してもよい。
好ましい実施形態では、 単位構造設定部 2 0 1が探針の単位構造についてのデ ータを取得した （ステップ S 1— 1 ) 。 この場合、 結晶構造体の単位構造 （例え ば、 体心立方格子構造やダイヤモンド構造など） を特定するデータを入力手段 1 5を介して取得する。 単位構造についてのデータの取得は、 この方法に限定され るものではなく、 結晶構造体の単位構造を特定するデータとして、 例えば、 材料 種別に対して特定される単位構造データを用いてもよい。 この場合、 制御手段 2 0に、 材料種別に応じて単位構造を特定する単位構造テーブルを記憶させておく 。 そして、 入力手段 1 5を用いて材料種別が指定されると、 単位構造設定部 2 0 1は、 指定された材料種別に対応付けられた単位構造を単位構造テーブルから取 得する。 これにより、 材料毎の物性定数を入力することなく、 多様な材料から構 成された探針を効率的に設計することができる。
好ましい実施形態の不安定ファセット削除処理では、 ダングリングボンドの総 数を表面原子の総数で除算した原子数割合に基づいて、 不安定ファセットを判定 した。 不安定ファセットの判定は、 この方法に限定されるものではない。 例えば 、 近隣原子との結合総数を表面原子の総数で除算した割合が、 一定以下の場合に は不安定ファセットであると判定してもよい。
好ましい実施形態では、 探針構造の設計を完了した後、 仮想原子が取り得る位 置についての構造最適化計算を行なった。 これに限らず、 探針構造の設計を完了 した後に、 探針の先端部の最表面近傍の数層の仮想原子が、 乱数による擾乱を受 けた後の不安定状態について追加計算を行なってもよい。 この場合、 制御手段 2 0は、 追加計算により不安定となる仮想原子の座標データを特定して記憶する。 例えば、 制御手段 2 0は、 不安定となる仮想原子の座標に対して、 アラーム （例 えば赤色） を表示させるためのフラグを記録する。 また、 この仮想原子を含むフ ァセット全体にアラームを記録するようにしてもよレ、。 更に、 制御手段 2 0は、 3 D表示デ一タを生成して出力手段 1 6に供給して、 表示画面 1 0 0の表示パネ ル部 1 1 0に、 不安定となる仮想原子、 又はこの仮想原子を含むファセットを識 別できるように表示してもよい。

Claims

請求の範囲
1 . データ入力手段と探針の先端部の画像を出力する出力手段とに接続され た制御コンピュータを用いて、 走査プローブ顕微鏡に用いる探針の設計を支援す るシステムであって、
前記制御コンピュータが、
前記探針を構成する結晶構造体の内部に仮想原子を配置して、 各仮想原子の座 標を記憶し、
結晶面方位と切断位置を、 前記入力手段を介して取得し、
前記結晶面方位と前記切断位置に基づいて決定される境界条件を用いて、 前記 結晶構造体から削除すべき境界外仮想原子を特定し、
前記記憶した仮想原子の座標を用いて、 前記境界外仮想原子を除く結晶構造体 の画像を前記出力手段に表示し、
前記結晶構造体の表面に位置する各仮想原子の結合数を計数し、
計数した結合数に基づいて不安定な仮想原子を特定し、
前記不安定な仮想原子の表示を変更するようにプログラムされていることを特 徵とする探針設計支援システム。
2 . 前記不安定な仮想原子の表示の変更は、 前記不安定な仮想原子を除く結 晶構造体を表示することを特徴とする請求項 1に記載の探針設計支援システム。
3 . 前記不安定な仮想原子の表示の変更は、 すべての不安定な仮想原子が削 除されるまで繰り返されることを特徴とする請求項 1又は 2に記載の探針設計支 援システム。
4 . 前記不安定な仮想原子の表示の変更は、
前記記憶された仮想原子の座標に基づいて、 前記結晶構造体に形成された凸胞 のファセットを特定し、
前記ファセットを構成する仮想原子の総数及び仮想原子の近隣原子との結合数 を計数し、
前記仮想原子の総数と前記結合数から前記ファセットを構成する仮想原子のダ ングリングボンドの総数を算出し、
算出したダングリングボンドの総数を、 前記ファセットを構成する仮想原子の 数で除算して原子数割合を算出し、
算出した原子数割合に基づいて、 不安定なファセットを特定することを含む請 求項 1〜 3のいずれか 1項に記載の探針設計支援システム。
5 . データ入力手段と探針の先端部の画像を出力する出力手段に接続された 制御コンピュータを用いて、 走查プ口一ブ顕微鏡に用レ、る探針の設計を支援する 方法であって、
前記制御コンピュータが、
前記探針を構成する結晶構造体の内部に仮想原子を配置して、 各仮想原子の座 標を記憶し、
結晶面方位と切断位置を、 前記入力手段を介して取得し、
前記結晶面方位と前記切断位置に基づいて決定される境界条件を用いて、 前記 結晶構造体から削除すべき境界外仮想原子を特定し、
前記記憶した仮想原子の座標を用いて、 前記境界外仮想原子を除く結晶構造体 の画像を前記出力手段に表示し、
前記結晶構造体の表面に位置する各仮想原子の結合数を計数し、
計数した結合数に基づいて不安定な仮想原子を特定し、
前記不安定な仮想原子の表示を変更することを特徴とする探針設計支援方法。
6 . データ入力手段と探針の先端部の画像を出力する出力手段に接続された 制御コンピュータに、 走查プローブ顕微鏡に用いる探針の設計を支援させるプロ グラムであって、
前記制御コンピュータが、
前記探針を構成する結晶構造体の內部に仮想原子を配置して、 各仮想原子の座 標を記憶し、
結晶面方位と切断位置を、 前記入力手段を介して取得し、
前記結晶面方位と前記切断位置に基づいて決定される境界条件を用いて、 前記 結晶構造体から削除すべき境界外仮想原子を特定し、
前記記憶した仮想原子の座標を用いて、 前記境界外仮想原子を除く結晶構造体 の画像を前記出力手段に表示し、
前記結晶構造体の表面に位置する各仮想原子の結合数を計数し、
計数した結合数に基づいて不安定な仮想原子を特定し、
前記不安定な仮想原子の表示を変更するように構成されたプログラムコードを 備えていることを特徴とする探針設計支援プログラム。
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07174769A (ja) * 1993-12-21 1995-07-14 Advantest Corp 走査型探針顕微鏡の探針先端表面形状評価方法
JPH08178935A (ja) * 1994-12-27 1996-07-12 Yuzo Mori 走査型プローブ顕微鏡用探針の製造方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07174769A (ja) * 1993-12-21 1995-07-14 Advantest Corp 走査型探針顕微鏡の探針先端表面形状評価方法
JPH08178935A (ja) * 1994-12-27 1996-07-12 Yuzo Mori 走査型プローブ顕微鏡用探針の製造方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
MIURA N. ET AL.: "Theoretical Analysis of Tip Effect on Noncontact Atomic Force Microscopy Image of Si(100) 2 x 1: H Surface", JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, vol. 41, no. 1, PART 1, 2002, pages 306 - 308, XP003020861 *
TSUKADA M.: "Hisesshoku Genshikanryoku Kenbikyo no Rironteki Kiso to Simulation", DAI 50 KAI OYO BUTSURIGAKU KANKEI RENGO KOENKAI KOEN YOKOSHU, 27 March 2003 (2003-03-27), pages 131, XP003020862 *
WATANABE S. ET AL.: "First Principles Study of the Effect of Tip Shape on Scanning Tunneling Microscopy Images", JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, vol. 32, no. 6B, PART 1, 1993, pages 2911 - 2913, XP000487432 *

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