(57)【要約】【課題】走査画像領域の周辺部に存在する特定箇所のより詳細な観察を、その特定箇所の周辺部を含めて走査領域の設定を容易に間違うことなく行なうことができる走査プローブ顕微鏡等における像表示方法および走査プローブ顕微鏡を実現する。【解決手段】領域Ｒ１における試料の２次元走査によって得られた信号に基づき、表示装置１４には領域Ｒ１の像が表示されるが、この領域Ｒ１の像は、像表示領域Ｗの全体に表示されるのではなく、像表示領域Ｗの中心部分に縮小された状態で表示される。その結果、像表示領域Ｗにおける領域Ｒ１の像の外側には、ラバーバンドとしての余白領域Ｔが設けられる。像の右上の特定の箇所Ｐの詳細な像をその周囲の像と共に観察したい場合には、枠ｒ２を所望観察箇所が含まれるような位置に移動させる。このとき、枠ｒ２は表示された像の外側の余白部分も含めて設定することができる。【選択図】      図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料を探針に対して相対的に２次元的に走査すると共に、試料と探針との間の距離を変化させるスキャナーと、試料と探針との相対的な走査に応じて得られる信号に基づいて像を表示する走査プローブ顕微鏡において、現走査領域の像を表示画面の中心部に表示すると共に、表示画面中において現走査領域の像の周辺に像は表示されないが、スキャナーの走査位置とは関連付けられている余白領域を設け、該像領域と余白領域を含む表示画面中に次に観察すべき所望領域を設定する大きさとその位置が可変の枠を重畳して表示し、この枠を移動させると共に枠の大きさを任意に変えて所望の倍率の所望位置における像を取得する領域を設定し、設定された領域で試料と探針とを相対的に２次元走査し、異なった領域における異なった倍率の像を得るようにした走査プローブ顕微鏡の像表示方法。
【請求項２】
試料を探針に対して相対的に２次元的に走査すると共に、試料と探針との間の距離を変化させるスキャナーと、試料と探針との相対的な走査に応じて得られる信号に基づいて像を表示する表示装置を有した走査プローブ顕微鏡において、現走査領域の像を表示画面の中心部に表示すると共に、表示画面中において現走査領域の像の周辺に像信号は供給されないが、スキャナーの走査位置とは関連付けられている余白領域を設け、該像領域と余白領域を含む表示画面中に次に観察すべき所望領域を設定する大きさが可変の枠を重畳して表示する制御装置を設け、制御装置は制御装置に接続されているポインティングデバイスを操作して、この枠を移動させると共に枠の大きさを任意に変えて所望の倍率の所望位置における像を取得する領域を設定し、設定された領域で試料と探針とを相対的に２次元走査し、異なった領域における異なった倍率の像を得るように各構成要素を制御するように構成した走査プローブ顕微鏡。
【請求項３】
走査プローブ顕微鏡は異なった複数の像情報を同時に取得出きるように構成されており、次に観察すべき領域を選択するモードにおいて、領域選択を行う像として、複数の像の中から特定の像を指定することができるように構成された請求項２記載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項４】
制限された領域の像の観察状態から、スキャナーによって走査可能な全領域を指定できるように構成された請求項２記載の走査プローブ顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、走査トンネル顕微鏡や原子間力顕微鏡などの走査プローブ顕微鏡における像の表示方法および走査プローブ顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
走査トンネル顕微鏡や原子間力顕微鏡を始めとした走査プローブ顕微鏡では、試料とプローブ（探針）とを相対的に微少距離移動させ、試料の所定の２次元領域を走査するようにしている。その一例として、探針が先端に取り付けられたカンチレバーを発振させながら試料表面を走査し、発振の周波数や振幅の変化から、探針と試料間の相互作用を測定するノンコンタクト走査プローブ顕微鏡および該顕微鏡の像の表示方法について説明する。
【０００３】
図１は、カンチレバーの変位検出に光てこ方式を用いた周波数変調（ＦＭ）検出法によるノンコンタクト走査プローブ顕微鏡を示している。図において、測定試料１に対向してカンチレバー２が配置されている。カンチレバー２の先端の試料１に面した側には探針３が取り付けられている。
【０００４】
カンチレバー２の探針がとりつけられた端部と逆の端部にはピエゾ素子４が取り付けられている。ピエゾ素子４には、発振制御増幅器５から適宜な周波数の電圧が印加される。この結果、ピエゾ素子４への印加電圧に応じてピエゾ素子は伸縮し、それに伴ってカンチレバー２は図中上下方向に撓むことになる。
【０００５】
このカンチレバー２の撓み量は、カンチレバー２の探針３が取りつけられた先端部の上面が鏡面となっており、この鏡面にレーザー光源６からのレーザー光を照射し、鏡面によって反射された光を分割フォトダイオード７によって検出することにより測定される。この分割フォトダイオード７は、レーザー光の入射位置に応じた信号を発生する。すなわち、カンチレバー２が変位すると、分割フォトダイオードに入射するレーザー光のスポット位置がシフトする。このレーザー光のスポット位置のシフトに応じて分割フォトダイオード７の出力が変化し、カンチレバー２の変位を検出することができる。
【０００６】
カンチレバー２が振動すると、それに対応して正弦波が分割フォトダイオード７から出力される。分割フォトダイオード７の出力は、発振制御増幅器５を介してカンチレバー２の根元に接続してあるピエゾ素子４に入力される。このカンチレバーが振動すると、カンチレバー２の共振周波数は選択的に増幅され、カンチレバー２は共振周波数で発振する。
【０００７】
また、分割フォトダイオード７の出力は、周波数変調（ＦＭ）復調器９で共振周波数が直流電圧成分に変換されている。この直流成分が一定となるように、すなわち、共振周波数が一定となるように、カンチレバー２と試料１との間の距離をＺドライバ１０によって制御している。
【０００８】
試料１はスキャナ１１上に取り付けられているが、スキャナ１１は詳細には図示されていないが、ピエゾ素子を用いてスキャナ１１の先端に取りつけられた試料を探針３に対して走査できるように構成されている。すなわち、Ｚドライバ１０からの電圧の値に応じて、スキャナ１１は図中上下方向（縦方向）に伸縮させられる。
【０００９】
また、Ｘ，Ｙドライバ１２からの電圧に応じて、スキャナ１１は湾曲し，紙面の左右方向（Ｘ方向）と，紙面に垂直な方向（Ｙ方向）に２次元的に走査される。このＸ，Ｙドライバ１２からの試料の横方向の２次元走査信号、およびＺドライバ１０からの縦方向の変位信号は、ＣＰＵ１３に供給される。
【００１０】
ＣＰＵ１３は、Ｘ，Ｙドライバ１２の２次元走査信号に同期した表示装置や液晶ディスプレイなどの表示装置１４に、Ｚドライバ１０からの試料の縦方向の移動信号を供給する。この結果、表示装置１４には、試料の２次元方向の走査に応じてＺ方向に移動する試料の軌跡が画像として表示される。なお、ＣＰＵ１３にはＣＰＵ１３に指示を与えるためのキーボード１５とポインティングデバイスとしてマウス１６とが接続されている。
【００１１】
このような構成で、スキャナ１１によって試料１の所望領域を２次元的に走査し、その間、探針３が取りつけられたカンチレバー２を発振させる。この際、試料１の走査に応じて試料１とカンチレバー２（探針）との間の距離が変化すると、試料１と探針３との間の相互作用により、探針３にかかる力が変化し、発振周波数が共振周波数から外れることになる。
【００１２】
この発振を共振周波数で発振するように、すなわち、ＦＭ復調器９からの直流成分が一定となるように、Ｚドライバ１０を制御して、試料１とカンチレバー２の間の距離を一定に維持する。このような作用により、Ｚドライバ１０からスキャナ１１に印加される電圧は、試料のＸ，Ｙ方向の走査に基づく試料１と探針３との間の距離の変化に応じて変化する。この結果、Ｚドライバ１０からスキャナ８に供給される電圧値を試料１のＸ，Ｙ走査に応じて、表示装置１４上に画像として表示すると、試料表面の凹凸像を得ることができる。
【００１３】
次に、上記した走査プローブ顕微鏡における像の表示方法について説明する。図２は、ＣＰＵ１３に接続された表示装置１４の画面を示しているが、この図には像の表示に関連する部分のみを図示しており、走査プローブ顕微鏡の他の操作等に関するボタン等が表示されている領域は除かれている。図中Ｗは像の表示領域であり、初期段階では当該走査プローブ顕微鏡における最大走査範囲の像が表示されている。オペレータは、この最大走査範囲の像から観察すべき領域をラフに選択する。
【００１４】
この観察領域の選択は、像表示画面Ｗに表示された最大走査範囲の像に重ねて四角の枠ｒ１を表示させ、この枠ｒ１の大きさ（拡大と縮小）と位置とを表示装置に接続されたキーボード１５やマウス１６を用いて設定できるように構成されている。例えば、四角の４つの角の対向する２つの角、例えばＫ１とＫ２とにカーソルを移動させ、それぞれの点においてマウス１６をダブルクリックすることにより、枠ｒ１が表示される。表示された枠ｒ１の拡大と縮小は、例えば枠ｒ１の左上の角Ｋ１にマウス１６によってカーソルを移動させ、カーソルを角Ｋ１上に位置させた状態で、マウス１６をクリックしドラッグすることにより、枠ｒ１の中心位置は変化することなく、枠ｒ１の大きさが拡大あるいは縮小される。
【００１５】
次に、枠ｒ１の位置を移動させたい場合には、像表示領域Ｗに対応してＸ方向とＹ方向のスクロールバーＳｘ、Ｓｙが表示されており、このスクロールバーを用いて枠ｒ１の位置を移動させることができる。すなわち、枠ｒ１をＸ方向に移動させたい場合には、マウス１６でカーソルをスクロールバーＳｘのボタンＢｘの位置に移動させ、マウスをクリックした状態で、ボタンＢｘを右あるいは左方向に任意に移動させる。このボタンＢｘの移動に伴って、枠ｒ１の中心位置がＸ方向に移動させられる。
【００１６】
また、枠ｒ１をＹ方向に移動させたい場合には、マウス１６でカーソルをスクロールバーＳｙのボタンＢｙの位置に移動させ、マウスをクリックした状態で、ボタンＢｙを上あるいは下方向に任意に移動させる。このボタンＢｙの移動に伴って、枠ｒ１の中心位置がＹ方向に移動させられる。なお、領域枠ｒ１の移動は、枠ｒ１の中心部にカーソルを移動させ、その状態でマウス１６をドラッグすることによっても行なうことができる。
【００１７】
このような操作により、次に拡大して観察すべき領域を含むように枠ｒ１が表示される。この後、キーボード１５などによって枠ｒ１で囲まれた観察領域Ｒ１の像表示をＣＰＵ１３に指示すると、ＣＰＵ１３はＸ，Ｙドライバ１２を制御し、試料１をスキャナ１１によって領域Ｒ１で探針３に対して２次元走査を行なう。
【００１８】
その結果、図３に示すように、領域Ｒ１の走査像が像表示領域Ｗに拡大して表示される。この拡大されれた領域Ｒ１の像中に重ねて更に拡大したい領域Ｒ２を決める枠ｒ２が重畳して表示される。この領域の大きさとその位置とは、次に拡大表示される領域を含むように、前記領域Ｒ１の設定を行ったと同様な操作により任意に調整することができる。
【００１９】
このように、マウス１６などのポインティングデバイスを用いて観察視野を移動させる方式は、走査電子顕微鏡の画像を対象とした特許文献１に開示されている。
【００２０】
【特許文献１】
特開平６―３１００７２号公報
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来においては、試料表面の所望とする微細な領域の詳細な観察（高い倍率の像の観察）を行う場合、最大走査領域の像を最初に表示し、その中の観察すべき任意の領域を枠によって指定し、枠によって指定された領域の像（より高い倍率の像）を表示画面全体に表示している。更に表示された高倍率の像中の観察すべき任意の領域を枠で指定し、枠によって指定されたより高倍率の像を表示画面全体に表示している。このような低倍率の像を観察して所望の領域を選択し、選択された領域の像を表示して観察し、更に選択された領域の像を表示し、観察して所望の領域を選択する動作を繰り返すことにより、試料表面の所望とする微細な領域の像の観察を適切な倍率で行なうようにしている。
【００２２】
ここで、図３の拡大像中の周辺部、例えば右上の箇所Ｐの詳細な像観察を行なうためには、枠を点線に示すように移動させることになる。この場合、詳細な観察を行なう箇所の周囲も併せて観察しようとすると、操作が煩雑となる。すなわち、まず、観察したい箇所を含むように枠を点線に示すように移動させ、次に、オフセット機能を用いて現走査範囲を僅かに外側（図３の例では右上の方向）に観察領域を移す必要がある。
【００２３】
この際、オフセット機能では、スクロールバーＳｘ，ＳｙのボタンＢｘ，Ｂｙを移動させることになるが、高倍率の像が表示されている時には、ボタンの僅かな移動であっても、表示装置に表示されている像の表示領域（試料１１の走査領域）は大きく変化し、所望観察箇所Ｐを中心とした像を表示させることが困難になるばかりではなく、所望観察箇所Ｐから表示領域が大きく離れ、再び所望観察箇所を表示させることが不可能になることもある。
【００２４】
本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、その目的は、走査画像領域の周辺部に存在する特定箇所のより詳細な観察を、その特定箇所の周辺部を含めて走査領域の設定を容易に間違うことなく行なうことができる走査プローブ顕微鏡における像表示方法および走査プローブ顕微鏡を実現するにある。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
本発明に基づく走査プローブ顕微鏡における像表示方法および走査プローブ顕微鏡は、試料を探針に対して相対的に２次元的に走査すると共に、試料と探針との間の距離を変化させるスキャナと、試料と探針との相対的な走査に応じて得られる信号に基づいて像を表示する表示装置を有した走査プローブ顕微鏡において、現走査領域の像を表示画面の中心部に表示すると共に、表示画面中において現走査領域の像の周辺に像信号は供給されないが、スキャナーの走査位置とは関連付けられている余白領域を設け、該像領域と余白領域を含む表示画面中に次に観察すべき所望領域を設定する大きさが可変の枠を重畳して表示し、この枠を移動させると共に枠の大きさを任意に変えて所望の倍率の所望位置における像を取得する領域を設定し、設定された領域で試料と探針とを相対的に２次元走査し、異なった領域における異なった倍率の像を得るように構成したことを特徴としている。
【００２６】
その結果、現走査領域の画像が表示されており、実際の画像を見ながら次の走査領域の指定ができることになる。また、現走査領域の画像の外側にラバーバンドとして動作する余白領域を設けたので、画像のズームアップとオフセットの設定が同一の画面でできるようになると共に、現画像をはみ出した領域も含めて次回の走査領域として指定することができるので、操作性の優れた走査プローブ顕微鏡を提供することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。この第１の実施の形態における走査プローブ顕微鏡の構成は、図１に示した構成と同一であるが、ＣＰＵ１３による制御方式が相違する。この実施の形態において所望領域の拡大像を表示する場合、最初は、図２に示した従来の方式と同様に、像表示画面Ｗに表示された最大走査範囲の像に重ねて四角の枠ｒ１を表示させ、この枠ｒ１の大きさ（拡大と縮小）と位置とを表示装置に接続されたキーボード１５やマウス１６を用いて設定できるように構成する。
【００２８】
例えば、四角の４つの角の対向する２つの角、例えばＫ１とＫ２とにカーソルを移動させ、それぞれの点においてマウス１６をダブルクリックすることにより、枠ｒ１が表示される。表示された枠ｒ１の拡大と縮小は、例えば枠ｒ１の左上の角Ｋ１にマウス１６によってカーソルを移動させ、カーソルを角Ｋ１上に位置させた状態で、マウス１６をクリックし斜め方向にドラッグすることにより、枠ｒ１の中心位置は変化することなく、枠ｒ１の大きさが拡大あるいは縮小される。
【００２９】
次に、枠ｒ１の位置を移動させたい場合には、像表示領域Ｗに対応してＸ方向とＹ方向のスクロールバーＳｘ、Ｓｙが表示されており、このスクロールバーを用いて枠ｒ１の位置を移動させることができる。すなわち、枠ｒ１をＸ方向に移動させたい場合には、マウス１６でカーソルをスクロールバーＳｘのボタンＢｘの位置に移動させ、マウスをクリックした状態で、ボタンＢｘを右あるいは左方向に任意に移動させる。このボタンＢｘの移動に伴って、枠ｒ１の中心位置がＸ方向に移動させられる。
【００３０】
また、枠Ｒ１をＹ方向に移動させたい場合には、マウス１６でカーソルをスクロールバーＳｙのボタンＢｙの位置に移動させ、マウスをクリックした状態で、ボタンＢｙを上あるいは下方向に任意に移動させる。このボタンＢｙの移動に伴って、枠Ｒ１の中心位置がＹ方向に移動させられる。なお、領域枠ｒ１の移動は、枠ｒ１の中心部にカーソルを移動させ、その状態でマウス１６をドラッグすることによっても行なうことができる。
【００３１】
このような操作により、次に拡大して観察すべき領域を含むように枠ｒ１が表示される。この後、キーボード１５などによって観察領域Ｒ１の像表示をＣＰＵ１３に指示すると、ＣＰＵ１３はＸ，Ｙドライバ１２を制御し、試料１をスキャナー１１によって領域Ｒ１で探針３に対して２次元走査を行なう。
【００３２】
上記した領域Ｒ１における試料の２次元走査によって得られた信号に基づき、陰極線管１４には領域Ｒ１の像が表示されるが、この領域Ｒ１の像は、図４に示すように、像表示領域Ｗの全体に表示されるのではなく、像表示領域Ｗの中心部分に、図３に示した従来方式とは異なり、１／２程度に縮小された状態で表示される。その結果、像表示領域Ｗにおける領域Ｒ１の像が表示された中心領域の外側には、余白領域Ｔが設けられる。
【００３３】
この余白領域Ｔは、ラバーバンドとなっており、このラバーバンドに含まれる画素には画像信号は供給されないものの、各画素と試料の走査位置とは関連が持たれている。このような像の表示がなされた状態で、像の右上の特定の箇所Ｐの詳細な（高い倍率の）像をその周囲の像と共に観察したい場合には、まず次に表示すべき領域Ｒ２を指定する枠ｒ２を画面の中心部分に点線で示すように表示する。
【００３４】
次に、枠ｒ２を所望観察領域が含まれるような位置に移動させる。図の実線の枠が移動させられた枠ｒ２であり、この枠の移動は、中心部分に表示された枠ｒ２の中心位置Ｃ１にマウス１６によりカーソルを移動させ、その位置からマウス１６によってカーソルを枠ｒ２が所望観察領域Ｐが含まれる位置Ｃ２までドラッグすることによって行なわれる。このようにして、領域Ｒ２を移動させた後、キーボード１５によって領域Ｒ２の像の取得の指令が出されると、試料１は、探針３に対して領域Ｒ２において２次元的に走査される。
【００３５】
このように、特定の領域（倍率）の像を表示するに当たって、その像の周囲にラバーバンドを設けるようにしたので、次の観察領域を指定する枠を、表示された像の中のみで移動させるだけではなく、像をはみ出した外側も含めて枠を表示し、次に観察したい領域を設定することができる。したがって、煩雑なスクロールバーを用いた像領域の移動を行う必要がなくなり、装置の操作性を向上させることができる。
【００３６】
ところで、走査プローブ顕微鏡では、多種の像情報が試料と探針との間の２次元走査によって得られる。例えば、図１の構成により、走査領域の凹凸像、振幅像、位相像等の情報が得られ、これら３種の像を表示画面Ｗ上に同時に表示している場合、観察領域の選択をどの像によって行なうことが好適かを選択する必要がある。そのため、第２の実施の形態では、図５に示すように、表示画面領域の余白領域Ｔの左下部分に像の選択ボタンＩを設け、このボタンＩによって観察領域の選択を行なう際の像の選択を行うことができるように構成している。
【００３７】
次に実際の走査領域がスキャナー１１で走査できる全領域に比べて小さく、なおかつ次回の走査領域を大きく動かす必要がある場合には、図６に示すように、表示画面領域の余白領域Ｔの右下部分に全領域表示と示されたボタンＡを設け、このボタンＡをクリックすることにより、表示画面Ｗの全体に、図２で示したと同様のスキャナー１１で走査できる全領域を表示できるように構成することも有効である。
【００３８】
以上本発明の実施の形態を説明したが、本発明は上記した実施の形態に限定されず幾多の変形が可能である。例えば、試料をスキャナによって２次元的に走査するようにしたが、探針側を２次元走査するように構成しても良い。また、観察領域の選択を行なうための像としては、前記した３種類の像以外の像を使用しても良い。更に、次に表示する領域を設定するために大きさと位置が変えられる枠を用いたが、この枠の中には、次に表示する領域の輝度を高めること、また、その領域を特定のカラーで表示して、他の領域と識別可能とすることも含むものである。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に基づく走査プローブ顕微鏡における像の表示方法および走査プローブ顕微鏡では、現走査領域の像を表示画面の中心部に表示すると共に、表示画面中において現走査領域の像の周辺に像信号は供給されないが、スキャナーの走査位置とは関連付けられている余白領域を設け、該像領域と余白領域を含む表示画面中に次に観察すべき所望領域を設定する大きさが可変の枠を重畳して表示し、この枠を移動させると共に枠の大きさを任意に変えて所望の倍率の所望位置における像を取得する領域を設定し、設定された領域で試料と探針とを相対的に２次元走査し、異なった領域における異なった倍率の像を得るように構成したことを特徴としている。
【００４０】
その結果、現走査領域の画像が表示されており、実際の画像を見ながら次の走査領域の指定ができることになる。また、現走査領域の画像の外側にラバーバンドとして動作する余白領域を設けたので、画像のズームアップとオフセットの設定が同一の画面でできるようになると共に、現画像をはみ出した領域も含めて次回の走査領域として指定することができるので、操作性の優れた走査プローブ顕微鏡を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】走査プローブ顕微鏡の一例としてのノンコンタクト走査プローブ顕微鏡示す図である。
【図２】ＣＰＵに接続された表示装置の画面を示す図である。
【図３】拡大された像と次に走査すべき領域を示す枠が表示された画面を示す図である。
【図４】本発明に基づいて表示された像と、次に走査すべき領域を示す枠が表示された画面を示す図である。
【図５】走査領域を指定するための像の種類を選択できるようにした実施の形態を説明するための図である。
【図６】高い倍率の像の観察から、スキャナーの全走査範囲の像を表示させるための実施の形態を示す図である。
【符号の説明】
１  試料
２  カンチレバー
３  探針
４  ピエゾ素子
５  発振制御増幅器
６  光源
７  分割フォトダイオード
９  ＦＭ復調器
１０  Ｚドライバ
１１  スキャナ
１２  ＸＹドライバ
１３，２０  ＣＰＵ
１４  表示装置
１５  キーボード
１６  マウス
【図１】
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【図２】
2004219367.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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