(57)【要約】【課題】走査機構の微動範囲が試料の表面形状に対して適切に設定される走査型プローブ顕微鏡を提供する。【解決手段】走査型プローブ顕微鏡１００は、探針１１２を自由端部に持つカンチレバー１１０と、カンチレバー１１０を支持すると共に探針１１２の変位を検出するセンサー１２０と、試料１３０を支持すると共に試料１３０を移動させるＸＹＺ制御機構１４０と、探針１１２と試料１３０を近接させる近接機構１５０と、ＸＹＺ制御機構１４０と近接機構１５０を制御すると共に試料１３０の測定範囲の画像を得る制御部１６０と、制御部１６０で得られた画像を表示する表示装置１７０とを有している。制御部１６０は、近接動作の間、測定範囲内の複数の測定点での最新の高さ情報の代表値を計算し続け、その代表値がＸＹＺ制御機構１４０のＺ微動範囲の設定値になった時点で近接機構１５０を停止させる。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
探針を自由端部に持つカンチレバーと、
　カンチレバーを支持すると共にカンチレバーの自由端部の変位を検出するためのセンサーと、
　試料を支持すると共に試料を移動させるためのＸＹＺ制御機構と、
　探針と試料とを近接させるための近接機構と、
　ＸＹＺ制御機構と近接機構とを制御すると共に試料の測定範囲の画像を得るための制御部と、
　制御部で得られた画像を表示するための表示装置とを有しており、
　近接機構により探針と試料とが近接されるあいだ、制御部は、測定範囲内の複数の測定点での最新の高さ情報の代表値を計算し続け、その代表値がＸＹＺ制御機構のＺ微動範囲の予め設定した値になった時点で近接機構を停止させる、走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
請求項１において、制御部で得られた画像を保存するためのメモリーを更に有している、走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】
請求項２において、制御部は、測定条件が変更される毎に、その予め設定された測定範囲内の一部分の画像を取得し、このようにして得られた複数の画像を並べて表示装置に表示させる、走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
探針を自由端部に持つカンチレバーと、
　カンチレバーを支持すると共にカンチレバーの自由端部の変位を検出するためのセンサーと、
　試料を支持すると共に試料を移動させるためのＸＹＺ制御機構と、
　探針と試料とを近接させるための近接機構と、
　ＸＹＺ制御機構と近接機構とを制御すると共に試料の測定範囲の実時間で更新される画像を得るための制御部と、
　制御部で得られる画像を表示するための表示装置と、
　制御部で得られる画像の画像データを保存するためのメモリーとを有しており、
　制御部は、試料の測定範囲の実時間で更新される画像を表示装置に表示させると共に、測定条件が変更される毎に、変更前の試料の測定範囲の画像データをメモリーに保存し、メモリーに保存されている画像データに従って、以前の測定条件に対応する試料の測定範囲の画像を、試料の測定範囲の実時間で更新される画像と一緒に表示装置に表示させる、走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
　制御部は、測定条件が変更される毎に、変更前の試料の測定範囲の全体の画像データをメモリーに保存する、請求項４に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】
　制御部は、測定条件が変更される毎に、変更前の試料の測定範囲内の特定の一部分の画像データをメモリーに保存し、以前のそれぞれの測定条件に対応する試料の測定範囲内の特定の一部分の複数の画像を表示装置に表示させる、請求項４に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】
　制御部は、測定条件が変更される毎にメモリーに保存される画像データに基づいて、試料の測定範囲内の特定の一部分のラインプロファイルを求め、そのラインプロファイルをメモリーに保存し、以前のそれぞれの測定条件に対応する試料の測定範囲内の特定の一部分の複数のラインプロファイルを表示装置に表示させる、請求項６に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項８】
　制御部は、測定条件が変更される毎に、変更前の試料の測定範囲内の特定の一部分の画像データを、変更前の測定条件と相互に関連づけてメモリーに保存し、
　走査型プローブ顕微鏡は、メモリーに保存されている測定条件の一つを選択するためのインターフェースを更に有しており、
　制御部は、インターフェースによる選択に従って測定条件を変更する、請求項４に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項９】
　制御部は、以前のそれぞれの測定条件に対応する試料の測定範囲内の特定の一部分の複数の画像を表示装置に表示させ、
　インターフェースは、表示装置に表示されている試料の測定範囲内の特定の一部分の複数の画像から一つの画像を測定者が指定することを可能にし、
　制御部は、インターフェースによって指定された画像に対応する測定条件に変更する、請求項８に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１０】
　制御部は、測定条件が変更される毎にメモリーに保存される画像データに基づいて、試料の測定範囲内の特定の一部分のラインプロファイルを求め、そのラインプロファイルを対応する測定条件と相互に関連づけてメモリーに保存し、以前のそれぞれの測定条件に対応する試料の測定範囲内の特定の一部分の複数のラインプロファイルを表示装置に表示させ、
　インターフェースは、表示装置に表示されている試料の測定範囲内の特定の一部分の複数のラインプロファイルから一つのラインプロファイルを測定者が指定することを可能にし、
　制御部は、インターフェースによって指定されたラインプロファイルに対応する測定条件に変更する、請求項９に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１１】
　制御部は、以前のそれぞれの測定条件を表示装置に表示させ、
　インターフェースは、表示装置に表示されている複数の測定条件から一つの測定条件を測定者が指定することを可能にし、
　制御部は、インターフェースによって指定された測定条件に変更する、請求項１０に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は、試料とプローブ（探針あるいは探触針）の相互作用に基づいて試料の情報を得る走査型プローブ顕微鏡に関し、特に、探針と試料を相互作用の生じる距離に近接させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
　特開平９−２２９９４２号公報（特許文献１）は、試料を保持する試料保持手段と、この試料に対向して保持された探触針と、この試料と探触針とを相対的に駆動する駆動手段と、からなり、試料と探触針との間に作用する物理量の変化に基づき試料の表面状態を検出観察する走査型プローブ顕微鏡において、前記探触針と試料の表面状態とを光学的に観察する試料観察光学系と、前記試料や前記探触針の損傷を防ぐ手段とを備えたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡を開示している。
【０００３】
　この走査型プローブ顕微鏡では、試料の表面の物理情報に基づいて探触針の位置を調整している。
【０００４】
　また特開平６−２０１３１５号公報（特許文献２）は、尖った先端部を有するカンチレバーと、前記探針先端部の変位を検出する手段と、前記探針部の共振特性の変化を検出する手段と、前記試料と前記探針とを相対的に３次元に制御駆動する手段と、前記試料の表面情報を記憶する手段と、複数の表面情報を演算処理する手段と、前記表面情報を画像形成する手段とで構成される走査型プローブ顕微鏡において、前記試料と前記探針との間に働く力情報の内、前記探針の振動振幅の中心値から得られる第１の表面情報、及び、振幅値から得られる第２の表面情報の試料探針間距離依存性の測定を同時に行ない、第１の表面情報若しくは第２の表面情報のいずれかに、または、両方に基づく試料探針間隔を制御することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡装置を開示している。
【０００５】
　この走査型プローブ顕微鏡装置では、表面の複数の物理情報を同時に利用して試料探針間隔を制御している。
【０００６】
　日本国特許第２６３３８５８号公報（特許文献３）は、先端を鋭利に尖らせた探針と、該探針に対向して配置された試料の試料表面との間の物理情報を検出する手段と、該物理情報に基づき該探針と試料表面との距離を制御するサーボ手段と、該探針と試料表面に沿って２次元的に相対的に移動させる走査機構と、該探針または該試料の動きおよび該物理情報を該走査機構からの情報に対応して表示する表示手段とを有するプローブ顕微鏡において、該サーボ手段よりも広い移動範囲で探針と該試料表面との間隔をステップ的に調節する他の駆動手段と該物理情報に応じて該他の駆動手段の動作を停止する信号を出力する手段とを備えることを特徴とするプローブ顕微鏡を開示している。
【０００７】
　この走査型プローブ顕微鏡装置では、探触針のサーボ手段よりも広い移動範囲を持ち間隔をステップ的に調整する手段を用いて、探針と試料表面との間の物理情報に応じて探針と試料の間隔を調節している。
【０００８】
　日本国特許第２５３４４３９号公報（特許文献４）は、振動カンチレバー及び先端部を有する検出プローブを第１位置からターゲット表面上方に位置決めする非接触位置決め方法において、前記検出プローブを、前記ターゲット表面上方にあって前記検出プローブが前記ターゲット表面と音響的に相互作用する領域内にある第２位置へ降下するステップ及び前記検出プローブを、前記ターゲット表面上方にあって前記検出プローブが前記ターゲット表面と原子的に相互作用する領域内にある第３の最終位置へ更に降下するステップを含み、前記音響的相互作用は前記振動カンチレバーの振動振幅の減衰を促進するものであり、前記原子的相互作用は前記振動カンチレバーに対して振動振幅の減衰を更に促進するものであり、前記音響的相互作用を前記振動カンチレバーの減衰された振動振幅と減衰されない振動振幅の比で監視して前記第２位置を検出するステップ並びに前記原子的相互作用を前記振動カンチレバーの減衰された振幅の変化と前記先端部及び前記ターゲット表面間の距離の変化の比で監視して前記第３位置を検出するステップを更に含む非接触位置決め方法を開示している。
【０００９】
　この非接触位置決め方法では、プローブをターゲット表面（試料表面のこと）振幅減衰に基づいて、プローブとターゲット表面が原子的相互作用を及ぼす位置を検出している。
【００１０】
　これらの先行技術は、物理量の変化や物理情報や振幅の変化に基づいて試料と探針の間隔を検出し調整する手法を開示しているが、平面的な広がりを持つ試料のどの位置での情報に基づいてこの動作を行なうのが適切であるかは明示していない。
【００１１】
　これまでのプローブ顕微鏡における近接方法は、走査範囲内の１点において、あるいは走査ライン毎にその走査ライン上の１点において、探針を近接させ、前述の手法に従って試料と探針の間隔を調整するのが一般的である。
【００１２】
　これまでの走査型プローブ顕微鏡は、通常、１ラインの走査に０．１ないし２．０秒程度の時間を要する。これに対して、特開２００１−３３０４２５号は、これまでのＡＦＭに比べて１桁以上速い速度、例えば２フレーム／秒の速度で測定し得る可能な高速ＡＦＭを開示している。
【特許文献１】特開平９−２２９９４２号公報
【特許文献２】特開平６−２０１３１５号公報
【特許文献３】特許第２６３３８５８号公報
【特許文献４】特許第２５３４４３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
　これまでのプローブ顕微鏡においては、試料と探針とを相互作用が生じる距離に近づける近接は、走査範囲に対して、その中の１点あるいは複数の点を基準にして、あるいは、各走査ラインに対して、その上の１点あるいは複数の点を基準にして、前述の手法に従って試料と探針の間隔を調整することにより行なわれるのが一般的である。
【００１４】
　しかし、このような調整では、走査機構の微動範囲、特に試料と探針の間隔方向のＺ微動範囲が、試料の表面形状に対して適切に設定されない事態が起こり得る。
【００１５】
　例えば、間隔調整つまり近接の基準に選んだ点が、試料の測定範囲内の高い位置であった場合、走査機構の微動範囲は、図１０に示されるように、そのＺ微動範囲の中心が試料の測定範囲内の高い位置に来るように設定される。この場合、試料の測定範囲内の低い位置が走査機構の微動範囲内に位置しないため、試料の測定範囲内の低い位置の情報は取得され得ない。
【００１６】
　反対に、近接の基準に選んだ点が、試料の測定範囲内の低い位置であった場合、走査機構の微動範囲は、図１１に示されるように、そのＺ微動範囲の中心が試料の測定範囲内の低い位置に来るように設定される。この場合、試料の測定範囲内の高い位置が走査機構の微動範囲内に位置しないため、試料の測定範囲内の高い位置の情報は取得され得ない。
【００１７】
　更には、試料の測定範囲内の高い位置の近くでは、Ｚ微動に関して制御可能範囲を越えるため、試料の損傷や探針の損傷が生じる恐れもある。
【００１８】
　また、１ラインの走査に０．１ないし２．０秒程度の時間を要する走査型プローブ顕微鏡では、先に得た画像の上に新しく得た走査ラインの情報を上書きしていっても、画像の更新が比較的遅いため、測定条件変更前後の変化を画面上で容易に確認できる。
【００１９】
　しかし、前述したように、１秒間に１２画面分以上の情報を取得し表示し得る高速走査型プローブ顕微鏡では、画像更新が速過ぎるため、測定条件の変更前後の変化を画面上で確認することは難しい。
【００２０】
　本発明の目的は、走査機構の微動範囲が試料の表面形状に対して適切に設定される走査型プローブ顕微鏡を提供することである。
【００２１】
　また本発明の別の目的は、測定条件の変更前後の変化を画面上で確認し得る高速走査型プローブ顕微鏡を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
　本発明の走査型プローブ顕微鏡は、探針を自由端部に持つカンチレバーと、カンチレバーを支持すると共にカンチレバーの自由端部の変位を検出するためのセンサーと、試料を支持すると共に試料を移動させるためのＸＹＺ制御機構と、探針と試料とを近接させるための近接機構と、ＸＹＺ制御機構と近接機構とを制御すると共に試料の測定範囲の画像を得るための制御部と、制御部で得られた画像を表示するための表示装置とを有しており、近接機構により探針と試料とが近接されるあいだ、制御部は、測定範囲内の複数の測定点での最新の高さ情報の代表値を計算し続け、その代表値がＸＹＺ制御機構のＺ微動範囲の予め設定した値になった時点で近接機構を停止させる。
【００２３】
　本発明の別の走査型プローブ顕微鏡は、探針を自由端部に持つカンチレバーと、カンチレバーを支持すると共にカンチレバーの自由端部の変位を検出するためのセンサーと、試料を支持すると共に試料を移動させるためのＸＹＺ制御機構と、探針と試料とを近接させるための近接機構と、ＸＹＺ制御機構と近接機構とを制御すると共に試料の測定範囲の実時間で更新される画像を得るための制御部と、制御部で得られる画像を表示するための表示装置と、制御部で得られる画像の画像データを保存するためのメモリーとを有しており、制御部は、試料の測定範囲の実時間で更新される画像を表示装置に表示させると共に、測定条件が変更される毎に、変更前の試料の測定範囲の画像データをメモリーに保存し、メモリーに保存されている画像データに従って、以前の測定条件に対応する試料の測定範囲の画像を、試料の測定範囲の実時間で更新される画像と一緒に表示装置に表示させる。
【発明の効果】
【００２４】
　本発明によれば、試料の表面形状に対して試料と探針の近接を適切に行なえる走査型プローブ顕微鏡が提供される。これにより、近接の失敗により貴重な試料や探針を損傷させることが低減される。
【００２５】
　また、本発明によれば、高速走査においては見逃すことになりかねない測定条件の変化を比較できるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
　以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
【００２７】
　第一実施形態
　本発明の第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡を図１に概略的に示す。本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は例えば非励振型の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）である。
【００２８】
　図１に示されるように、走査型プローブ顕微鏡１００は、探針１１２を自由端部に持つカンチレバー１１０と、カンチレバー１１０を支持すると共に探針１１２の変位を検出するためのセンサー１２０と、試料１３０を支持すると共に試料１３０を移動させるためのＸＹＺ制御機構１４０と、探針１１２と試料１３０を近接させるための近接機構１５０と、ＸＹＺ制御機構１４０と近接機構１５０とを制御すると共に試料１３０の測定範囲の画像を得るための制御部１６０と、制御部１６０で得られた画像等を表示するための表示装置１７０とを有している。
【００２９】
　ＸＹＺ制御機構１４０は、試料１３０をＸ軸（紙面水平方向）とＹ軸（紙面法線方向）とＺ軸（紙面上下方向）の各々に沿って独立に移動し得る。これにより、探針１１２は試料１３０に対してＸ軸とＹ軸とＺ軸の三軸に沿って走査され得る。
【００３０】
　探針１１２と試料１３０が互いに接近すると、それらの間に相互作用が生じる。探針１１２を支持しているカンチレバー１１０は、探針１１２と試料１３０の間に生じた相互作用に応じて物理量が変化し、センサー１２０は、その物理量の変化を検知する。
【００３１】
　具体的には、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は原子間力顕微鏡であるため、探針１１２と試料１３０の間に生じる相互作用は、探針１１２と試料１３０の間に働く原子間力であり、相互作用に応じて変化する物理量は、カンチレバー１１０の自由端の変位である。
【００３２】
　しかし、本発明においては、相互作用が原子間力に物理量がカンチレバーの自由端の変位に限定されるものではない。例えば、走査型プローブ顕微鏡が励振型の原子間力顕微鏡であれば、物理量はカンチレバーの振動の振幅や位相や周波数であってよい。また、走査型プローブ顕微鏡が走査型トンネル顕微鏡であれば、相互作用は電位障壁であり、物理量はトンネル電流であってよく、走査型プローブ顕微鏡が近接場顕微鏡であれば、相互作用は近接場であり、物理量は近接場に由来する光（エバネッセント波）であってよい。
【００３３】
　制御部１６０は、ＸＹ走査信号をＸＹＺ制御機構１４０に供給して試料１３０をＸ軸とＹ軸に沿って移動させることにより、試料１３０に対して探針１１２をＸＹ走査する。また、制御部１６０は、センサー１２０からの情報に基づいてＺ制御信号をＸＹＺ制御機構１４０に供給して試料１３０をＺ軸に沿って移動させることにより、試料１３０に対する探針１１２のＺ軸に沿った位置を制御する。
【００３４】
　制御部１６０は、ＸＹ走査信号とＺ制御信号に基づいて試料１３０の測定範囲の画像を形成し、これを表示装置１７０に必要ならば他の情報と共に表示させる。制御部１６０は、これらのＸＹ走査信号とＺ制御信号を一時的に記憶するバッファメモリー１６２を含んでいる。
【００３５】
　走査型プローブ顕微鏡１００による測定は、探針１１２と試料１３０が充分に離れている状態で、すなわち探針１１２と試料１３０の間に相互作用が生じていない状態で開始され、近接機構１５０によって試料１３０が探針１１２に徐々に近づけられる。制御部１６０は、近接機構１５０による試料１３０と探針１１２の接近を、その間に得られる画像データに基づいて停止させる。
【００３６】
　最初、探針１１２と試料１３０は、それらの間に相互作用が生じる距離よりも離れており、その状態で試料１３０に対して探針１１２がＸＹ走査される。その間、制御部１６０は、センサー１２０の出力信号を所定の目標値に維持するように、ＸＹＺ制御機構１４０をフィードバック制御する。このため、制御部１６０は、センサー１２０の出力信号を所定の目標値に維持するＺ制御信号をＸＹＺ制御機構１４０に供給する。ＸＹＺ制御機構１４０は、Ｚ制御信号に従って、試料１３０をＺ軸に沿って微動させる。
【００３７】
　このような制御の下において、試料１３０と探針１１２の間に相互作用が生じていないうちは、試料１３０と探針１１２は、ＸＹＺ制御機構１４０のＺ軸に沿った微動範囲内において、最も近づいた状態に維持される。その結果、探針１１２は、ＸＹＺ制御機構１４０の微動範囲内で試料１３０に最も近い一定の高さを走査し続ける。
【００３８】
　その間、試料１３０と探針１１２の間には相互作用が生じていないため、センサー１２０の出力信号は、目標値よりも低いある一定値の近くを装置ノイズ幅で推移し続ける。これに呼応して、制御部１６０からＸＹＺ制御機構１４０に供給されるＺ制御信号は、ＸＹＺ制御機構１４０の微動範囲の限界のため、ある一定値の近くを装置ノイズ幅で推移し続ける。
【００３９】
　近接機構１５０は、カンチレバーを支持するセンサー１２０または試料１３０を支持するＸＹＺ制御機構１４０またはその両方をＺ軸に沿って移動させることにより、試料１３０と探針１１２を互いに近接させる。
【００４０】
　近接開始後もしばらくは、試料１３０と探針１１２の間には相互作用が生じないため、センサー１２０の出力信号は、目標値よりも低いある一定値の近くを推移し続ける。
【００４１】
　更に近接を続けると、試料１３０の測定範囲内の最も高い位置と探針１１２との間隔が、試料１３０と探針１１２の間に相互作用が生じる距離を下回るようになり、試料１３０と探針１１２の間に相互作用が生じ始める。その結果、センサー１２０の出力信号は、目標値を越えるようになる。
【００４２】
　センサー１２０の出力信号が目標値を越えた場合には、制御部１６０は、センサー１２０の出力信号を目標値に維持するＺ制御信号をＸＹＺ制御機構１４０に供給する。これにより、試料１３０と探針１１２の間に相互作用が生じている間は、センサー１２０の出力信号を目標値に維持するようにフィードバック制御される。
【００４３】
　このように、センサー１２０の出力信号は、試料１３０と探針１１２の間に相互作用が生じていない間は、探針１１２は試料１３０の測定範囲の表面形状に関係なく所定の平面上を移動するため一定値であるが、試料１３０と探針１１２の間に相互作用が生じている間は、探針１１２は試料１３０の測定範囲の表面に対して一定の間隔を維持して移動するため、試料１３０の測定範囲の高さ情報を反映している。
【００４４】
　制御部１６０は、順次、試料１３０の測定範囲の一画面分の画素数のＺ制御信号、例えば１００点×１００ラインの高さ情報を、その内部に設けられているバッファメモリー１６２に保存する。
【００４５】
　なお、１００点×１００ラインの画素数に対するＺ制御信号すなわち高さ情報を２５６階調（８ビット）で保存するには、１０キロバイトのメモリーを要する。この場合には、バッファメモリー１６２は、少なくとも１０キロバイトの容量を有している必要がある。
【００４６】
　また、制御部１６０は、一画面分のＺ制御信号とＸＹ走査信号とに基づいて、試料１３０の画像を形成し、これを表示装置１７０に表示させる。
【００４７】
　試料１３０と探針１１２の間に相互作用が生じ始めた直後では、表示装置１７０には、図３に示されるように、試料１３０の測定範囲のごく一部分だけに高さ情報が反映された画像が表示される。
【００４８】
　制御部１６０は、近接動作のあいだ、バッファメモリー１６２に保存されたあるいは送られてくる最新の１００００点でのＺ制御信号の平均値、すなわち測定範囲内の複数の測定点での最新の高さ情報の平均値を計算し続け、最新の１００００点での平均値がＸＹＺ制御機構１４０のＺ微動範囲の予め設定した値になった時点で近接機構１５０を停止させる。
【００４９】
　なお、高さ情報は平均値に限らず、ＸＹ走査平面内の高さ情報を反映する代表値であれば構わない。例えば、中間値、中央値、最大値、最小値が例示される。また、停止の位置も中間値に限らず統計的処理により設定しても構わない。
【００５０】
　これにより、ＸＹＺ制御機構１４０の微動範囲は、図２に示されるように、そのＺ微動範囲の中心が試料１３０の測定範囲の平均的な高さに来るように設定される。大抵の場合、試料１３０の測定範囲内の最も高い所も最も低い所も含む。つまり、ＸＹＺ制御機構１４０のＺ微動範囲が最適な位置に設定される。その結果、表示装置１７０には、図４に示されるように、試料１３０の測定範囲の全体にわたり高さ情報が反映された鮮明な画像が表示される。
【００５１】
　第二実施形態
　本発明の第二実施形態の走査型プローブ顕微鏡を図５に概略的に示す。図中、第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡の部材と同じ参照符号で示された部材は同等の部材を示しており、それらの詳しい説明は省略する。
【００５２】
　本実施形態の走査型プローブ顕微鏡２００は、第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡１００の各構成に加えて、得られた試料１３０の測定範囲の画像等の情報を必要に応じて保存するための外部メモリー１８０を更に有している。
【００５３】
　走査型プローブ顕微鏡２００では、探針１１２と試料１３０の近接は第一実施形態と全く同様にして行なわれる。
【００５４】
　制御部１６０は、バッファメモリー１６２に順次保存されるＺ制御信号とＸＹ走査信号に基づいて試料１３０の測定範囲の画像を形成し、これを実時間で更新される画像として表示装置１７０に表示させる。制御部１６０は、また、このように実時間で更新される試料１３０の測定範囲の画像を必要に応じて外部メモリー１８０に保存すると共に、また外部メモリー１８０に保存された画像を必要に応じて表示装置１７０に表示させる。
【００５５】
　走査型プローブ顕微鏡においては、測定物理量の目標設定値や制御の時定数や走査速度等の測定パラメータ値の変更に伴って、求める画像情報が変化する場合が多い。最適な測定条件を見つけるには、測定パラメータ値を変化させた際の画像の変化を参考にすることが有効である。このためには、実時間で更新される画像と並列に、測定パラメータ値つまり測定条件を変更する直前の画像を見比べる必要がある。
【００５６】
　このため、制御部１６０は、測定条件が変更される毎に、変更前の画像（例えば図７に示される）を外部メモリー１８０に保存し、これを表示装置１７０に表示しておきながら、これに並べて、実時間で更新される画像（例えば図６に示される）を表示装置１７０に表示させる。これにより、測定者は、測定条件の変更前後での画像を見比べることができる。
【００５７】
　つまり、制御部１６０は、試料の測定範囲の実時間で更新される画像を表示装置１７０に表示させると共に、測定条件が変更される毎に、変更前の試料の測定範囲の全体の画像データをメモリー１８０に保存し、メモリー１８０に保存されている画像データに従って、以前の測定条件に対応する試料の測定範囲の画像を、試料の測定範囲の実時間で更新される画像と一緒に表示装置１７０に表示させる。
【００５８】
　ここで、「測定条件が変更される」とは、測定条件が、測定者の意図する新しい測定条件に変更されることを意味する。このため、測定条件を変更する作業をしている最中に過渡的に生じる測定条件の変化は、ここでいう「測定条件が変更される」には含まれない。従って、画像の保存は、例えば、新しく設定した測定パラメータ値を制御部１６０に反映させるトリガーとなるボタンやキーなどを測定者が押したタイミングや、測定パラメータ値を連続的に変化させるレバーやダイヤルやスクロールバーあるいは測定パラメータ値を小さなステップで変化させるボタンやキーの操作終了後に所定の時間が経過したタイミングで行なわれる。
【００５９】
　外部メモリー１８０に保存される画像は一枚の画像に限定されない。外部メモリー１８０に複数の測定条件が変更される直前の複数の画像が保存されてもよい。更に、各測定条件が変更される前の複数の画像を、実時間測定の更新間隔と同期させて連続的に表示されてもよい。これにより、複数の制御条件の変化前の画像と実時間表示の画像との比較が行なえる。
【００６０】
　また、複数の画像の平均画像を求め、これを表示することにより、時間変化の影響を受けていない凹凸情報の比較を行なうこともできる。更には、実時間で更新される画像信号と測定条件が変更される直前の画像信号との差を求め、制御条件の変化が試料１３０上の何処において顕著であるのかを示す画像を得てもよい。
【００６１】
　あるいは、第一実施形態における近接途中で近接動作を止めた際に、止める直前に表示していた画像を外部メモリー１８０に保存しておくことにより、時間変化を伴う測定におけるデータの喪失を避けてもよい。
【００６２】
　本実施形態によれば、１秒間に２画面分もの情報が採取できる高速走査型プローブ顕微鏡装置に対しても、制御条件を変えたことによる変化の比較を行なうことができる。
【００６３】
　第三実施形態
　本発明の第三実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、構成的には第二実施形態の走査型プローブ顕微鏡と同様であるが、制御の仕方において異なっている。
【００６４】
　本実施形態では、表示装置１７０を介して、図８に示されるように、試料１３０の測定範囲内の注目すべき場所（例えば生体分子がある部分）が設定される。注目すべき場所は、試料の測定範囲内の特定の一部分であり、例えば、Ｙ方向の走査範囲の１／１２の領域が設定される。
【００６５】
　制御条件あるいは測定条件は、この注目すべき場所の状態、すなわち、試料の測定範囲内の特定の一部分の画像データに基づいて変えられる。制御部１６０は、測定条件が変わる毎に、注目すべき場所の１／１２サイズの画像情報を外部メモリー１８０に保存すると共に、これを表示装置１７０に順に送る。
【００６６】
　ここで、「測定条件が変わる」とは、前述の「測定条件が変更される」と同様に、測定条件が、測定者の意図する新しい測定条件に変更されることを意味する。従って、測定条件を変える作業をしている最中に過渡的に生じる測定条件の変化は、ここでいう「測定条件が変わる」には含まれない。
【００６７】
　制御部１６０は、また、測定条件が変わる毎に外部メモリー１８０に保存される注目すべき場所の画像情報に基づいて、注目すべき場所の高さ情報を反映したラインプロファイルを求め、そのラインプロファイルを外部メモリー１８０に保存すると共に、これを表示装置１７０に順に送る。
【００６８】
　表示装置１７０は、１／１２サイズの画像情報を、図９に上側に示されるように並べて表示する。表示装置１７０には、例えば、これに加えて、図９に下側に示される高さ情報すなわちラインプロファイルが一緒に表示される。
【００６９】
　つまり、制御部１６０は、測定条件が変更される毎に、変更前の試料１３０の測定範囲内の特定の一部分の画像データをメモリー１８０に保存し、以前のそれぞれの測定条件に対応する試料１３０の測定範囲内の特定の一部分の複数の画像を、例えば変更順に並べて表示装置１７０に表示させる。
【００７０】
　更に、制御部１６０は、測定条件が変更される毎にメモリーに保存される画像データに基づいて、試料の測定範囲内の特定の一部分のラインプロファイルを求め、そのラインプロファイルをメモリー１８０に保存し、以前のそれぞれの測定条件に対応する試料の測定範囲内の特定の一部分の複数のラインプロファイルを、例えば変更順に並べて表示装置１７０に表示させる。
【００７１】
　測定者は、表示装置１７０に表示されている１／１２サイズの画像情報またはラインプロファイルに基づいて、注目すべき場所の測定条件を決めることができる。
【００７２】
　また、実時間で更新される画像とは別に、注目すべき場所に関する一定間隔、すなわちＹ方向に一定の幅の数画面分の画像が並べて表示される。このように並べて表示される複数の画像は、それぞれ、順に変えられた測定条件に対応しているので、注目すべき場所の時系列的変化が見易い。
【００７３】
　本実施形態によれば、実時間で更新される画像表示と同時に、測定範囲内で予め指定した注目すべき場所の連続変化表示されるので、測定条件の最適化を行ない易い。
【００７４】
　第四実施形態
　本発明の第四実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、構成的には第三実施形態の走査型プローブ顕微鏡とほぼ同様であるが、制御系が相違している。
【００７５】
　実時間で更新される画像とモニター画面に表示されている測定条件の異なる複数の画像データ、すなわち比較用画像列、もしくは高さ情報、すなわちラインプロファイル列を見て、その中から測定者が最適な画像を選び、その時の測定パラメータ値を本測定に用いる測定パラメータ値として再度適用して測定を行なえるようになっている。
【００７６】
　本発明の第四実施形態の走査型プローブ顕微鏡の制御系を図１２に示す。図中、第三実施形態の走査型プローブ顕微鏡の部材（図５に示される）と同じ参照符号で示された部材は同等の部材を示している。
【００７７】
　図１２には、図５におけるカンチレバー１１０とセンサー１２０とＸＹＺ制御機構１４０と近接機構１５０とを含む装置本体を除いた部分が描かれている。すなわち、図１２には、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡における、表示装置１７０と制御部１６０とバッファメモリー１６２と外部メモリー１８０とが描かれている。
【００７８】
　本実施形態の走査型プローブ顕微鏡では、図１２に示されるように、制御部１６０は、バッファメモリー１６２のほか、入出力制御部２３０、データバス切り換え調停部２３１、中央演算部２３２、外部メモリー制御部２３３を含む。外部メモリー１８０は例えば磁気ハードディスクであり、その場合、外部メモリー制御部２３３はハードディスクコントローラである。
【００７９】
　バッファメモリー１６２は、ビデオＲＡＭ（ランダム・アクセス・メモリー）２１５や主記憶メモリー２１６からなる。
【００８０】
　ビデオＲＡＭ２１５には表示装置１７０に表示されるデータが格納され、データの格納のタイミングとは非同期で格納されたデータを表示装置１７０に送り出し表示させる。
【００８１】
　主記憶メモリー２１６には、図示しない装置本体より入出力制御部２３０を介して入力されるデータを中央演算部２３２で処理し、そのデータを格納する時に使うほか、制御部１６０により装置本体側のＸＹＺ制御機構や近接機構などを駆動制御するためのプログラムが格納される。
【００８２】
　主記憶メモリー２１６の中は、装置本体で測定され入力される画像データが格納されるメモリー領域２１７、その入力値を基に中央演算部２３２で演算されたラインプロファイルデータが格納されるメモリー領域２１８、一つの測定条件を特定する一まとまりの測定パラメータ値を格納するメモリー領域２１９、プログラムを格納するメモリー領域などに大きく分けられている。
【００８３】
　例えば、測定条件１においては、それを特定する一まとまりの測定パラメータ値からなる測定条件データが領域２２７に格納される。また、そのときの部分画像データとラインプロファイルデータはそれぞれ領域２２１と領域２２４に、その測定条件データと相互に関連づけられて格納される。ここで、部分画像データとは、試料の測定範囲内の特定の一部分の画像データであり、第三の実施の形態で説明した注目すべき場所の画像データのことである。
【００８４】
　測定条件２においては、その測定条件データと部分画像データとラインプロファイルデータとがそれぞれ領域２２８と領域２２２と領域２２５に相互に関連づけられて格納される、同様に、測定条件３においては、それぞれのデータがそれぞれ領域２２９と領域２２３と領域２２６とに相互に関連づけられて格納される。
【００８５】
　走査に応じて次々と装置本体のセンサーからの信号が送られてくる。例えば測定条件１が最新の設定条件であってこの測定条件で測定しているとき、測定領域のフレームデータは領域２３４に次々に格納されフレーム毎に上書きされ更新される。このデータがビデオＲＡＭ２１５に送られることにより、表示装置１７０の実時間画像表示領域２０１にデータ転送の遅れを許容して実時間で表示される。このとき実時間画像表示領域２０１には装置本体側で探針が試料上を走査するほぼ全測定領域のデータがグレースケールで表示される。つまり、試料の測定領域の全体の画像が表示装置１７０の実時間画像表示領域２０１に実時間で表示される。
【００８６】
　第三の実施の形態と同様、注目すべき場所として、試料の測定領域の特定の一部分が指定され、特に注意深く検討されることになる。図１２において、領域２０２がその指定された領域を示している。この部分に対応する画像データは、主記憶メモリー２１６内で更に別な領域（例えば領域２２１と領域２２２と領域２２３）にコピーされ格納される。このデータの格納については既に述べた通りである。
【００８７】
　例えば、図１２に示されるように、領域２２１と領域２２２と領域２２３には、３フレームの部分画像データが格納される。ラインプロファイルデータは測定条件を変更していったとき、測定条件の変更の直前の部分画像の所定のＸ走査ラインのデータが格納される。領域２２４と領域２２５と領域２２６は、このようにして格納されるラインプロファイルデータの格納領域を示している。領域２２４と領域２２５と領域２２６に格納されているラインプロファイルデータは、それぞれ、領域２２１と領域２２２と領域２２３に格納されている部分画像データに対応している。
【００８８】
　図１２には、測定中、表示装置１７０にそれぞれの情報が表示されている様子を示している。測定中すなわち探針がＸＹＺ走査されている時の実時間の画像が実時間画像表示領域２０１に表示される。そのときの注目すべき領域２０２も一緒に表示される。表示装置１７０には、更に、比較用画像列２０３とラインプロファイル列２０５と測定条件データ列２０７とが表示される。
【００８９】
　比較用画像列２０３は、それぞれの測定条件で測定した部分画像を並べたものである。比較用画像列２０３の部分画像の各々は、主記憶メモリー２１６の領域２１７に格納されている３フレームの部分画像データを順番に繰り返し読み出すことにより表示される。その結果、比較用画像列２０３の部分画像は、３フレームの動画として表示される。
【００９０】
　また、ラインプロファイル列２０５はそれぞれの測定条件で測定した部分画像データの測定条件変更直前のラインプロファイルを並べたものである。ラインプロファイル列２０５のラインプロファイルの各々は、主記憶メモリー２１６の領域２１８に格納されているラインプロファイルデータを読み出すことにより表示される。ラインプロファイルは、静止画として表示される。
【００９１】
　同じ測定条件における比較用画像列２０３の部分画像データとラインプロファイル列２０５のラインプロファイルとは、それぞれの対応関係が分かり易いように、表示画面上で線２１０により結ばれている。
【００９２】
　測定条件データ列２０７は、それぞれの測定条件を並べたもので、画面右側に表示されている。一つの測定条件は、一まとまりの複数の測定パラメータ値２０８で表現され、その複数の測定パラメータ値２０８は大括りされ一つの四角枠で囲まれて表示されている。言い換えれば、一つの測定条件データは、一つの四角枠の中に表示される。また、ラインプロファイル列２０５のラインプロファイルとそれに対応する測定条件データを取り囲む四角枠とは、それぞれの対応関係が分かり易いように、表示画面上で線２１１により結ばれている。
【００９３】
　図１２では、最新の１０個の測定条件に対する、比較用画像列２０３と、ラインプロファイル列２０５と、測定条件データ列２０７とが表示されている様子が描かれている。従って、比較用画像列２０３の部分画像データとラインプロファイル列２０５のラインプロファイルと測定条件データ列２０７の一まとまりの複数の測定パラメータ値２０８を取り囲んでいる四角枠は共に、１０個ずつ表示されている。部分画像データとラインプロファイルと四角枠は、例えばスクロール表示により、常に最新の１０個が表示される。
【００９４】
　実時間画像表示領域２０１に実時間で表示されているデータを取得している時の測定パラメータ値は最新測定パラメータ値表示領域２１３に表示される。表示装置１７０には、新測定条件適用ボタン２１４と、表示装置１７０上の位置を指し示すカーソル２１２とが表示されている。これら使い方については後述する。
【００９５】
　本実施形態では、このように複数の測定条件で測定を行ない得られたデータがそれぞれのときの測定条件と対応づけられてバッファメモリー１６２に格納されると共に、表示装置１７０に表示される。これにより、測定者は、表示装置１７０中の画像を比較して測定条件による画像の差を理解することができる。また、測定者は、その時の測定条件を知ることができる。
【００９６】
　従来の走査型プローブ顕微鏡においては測定速度が遅いため、このように複数のデータを取り込むには相当時間がかかり、このような測定条件による差を比較するという作業には全く実効性が認められない。例えば、１画面を得るのに数分かかる従来の走査型プローブ顕微鏡では、１０回の測定条件を変更してこのような画面を表示するには１時間あるいはそれ以上がかかってしまう。このため、従来の走査型プローブ顕微鏡でこのようなことをすることは全く現実的でないことはすぐに理解される。すなわち、本実施形態は、１秒で２画面あるいはそれ以上の早い速度で画像取得が可能な高速走査型プローブ顕微鏡において初めて効力を発揮する。
【００９７】
　本実施形態の特長として、複数のデータを比較することができることの他に、その時の測定条件が関連づけられてバッファメモリーに格納されていることがあげられる。通常の測定では、より良い画像になるように測定条件をつめてゆくので、最後すなわち最新の測定パラメータ値で行なわれる測定が一番良い画像を与えることが多い。しかし、少し前の測定パラメータ値で行なった測定の方が、画像が良かったという場合もしばしばある。そのような場合に、本実施形態は特に有効である。
【００９８】
　すなわち、本実施形態では、表示装置１７０上で良い画像を振り返り、その測定条件をカーソル２１２により選択する。測定条件の選択は、カーソル２１２により、所望の良い画像に対応する部分画像データまたはラインプロファイルまたは測定条件データまたはそれらを結んでいる線２１０や線２１１を指定することにより行なう。部分画像データは選択されたことが分かるよう表示される。例えば、図１２に示されるように、対応する部分画像データ２０４（下から３番目の部分画像）の左にマーカ２３５が表示される。更に、部分画像データ２０４の背景色も変更される。また、ラインプロファイルも選択されたことが分かるように表示される。例えば、対応するラインプロファイル２０６の背景色が変更される。同様に、測定条件データも選択されたことが分かるように表示される。例えば、対応する測定条件データ２０９を囲む四角枠の中の背景色が変更される。更に、測定条件データ２０９の測定パラメータ値は最新測定パラメータ値表示領域２１３にコピーされ表示される。この条件を適用して再度測定を行い全画面の実時間画像を観察したい場合には、新測定条件適用ボタン２１４にカーソル２１２を移動させ選択・実行すればよい。これに反応して、制御部１６０は、選択された測定条件による測定を開始する。
【００９９】
　本実施形態によれば、複数のデータを表示装置上で比較することができることに加え、その時の測定条件が関連づけられてバッファメモリーに格納されているので、測定履歴を振り返り最も良い測定条件で再度測定を行なう作業がきわめて効率的に行なえる。例えば、少し前のパラメータ値を再度キータイプして入力するより、遙かに簡単に測定パラメータ値の再設定が行なえることは、容易に理解される。
【０１００】
　高速走査型プローブ顕微鏡ではこれまでの走査型プローブ顕微鏡に比べ走査速度が速く、この一連の条件設定の作業において、パラメータ値の変更が画像データに即座に反映され、短時間でその効果を確認することができる。
【０１０１】
　従来の走査型プローブ顕微鏡では同じことをしようとしても、一画面の走査に数分の時間を費やしてしまい、条件を変えた１０画面のデータを取得して、比較表示するには数１０分から数時間という長い時間がかかってしまう。
【０１０２】
　これに対して本実施の形態の走査型プローブ顕微鏡においてはモニター画面に表示されている複数の画像データに対応する測定パラメータ値がそれぞれの画像データに対応づけて記憶保存され、複数表示されている画像履歴を振り返りその中で最も良いと測定者が判断する画像を指定すると、その画像データを取得した時の測定パラメータ値セットが読み出され、測定者が適用を判断し、新測定条件適用ボタンが押されるのを待機する状態になる。
【０１０３】
　これまでの説明から分かるように、本実施形態においては、制御部１６０は、測定条件が変更される毎に、変更前の試料の測定範囲内の特定の一部分の画像データを、変更前の測定条件と相互に関連づけてメモリー２１６に保存する。走査型プローブ顕微鏡は、メモリー２１６に保存されている測定条件の一つを選択するためのインターフェースを更に有しており、制御部は、インターフェースによる選択に従って測定条件を変更する。
【０１０４】
　また、制御部１６０は、以前のそれぞれの測定条件に対応する試料の測定範囲内の特定の一部分の複数の画像を、例えば変更順に並べて表示装置１７０に表示させる。インターフェースは、例えばグラフィカルユーザーインターフェースで構成され、表示装置１７０に表示されている試料の測定範囲内の特定の一部分の複数の画像から一つの画像を測定者が指定することを可能にする。制御部は、インターフェースによって指定された画像に対応する測定条件に変更する。
【０１０５】
　更に、制御部１６０は、測定条件が変更される毎にメモリー２１６に保存される画像データに基づいて、試料の測定範囲内の特定の一部分のラインプロファイルを求め、そのラインプロファイルを対応する測定条件と相互に関連づけてメモリー２１６に保存し、以前のそれぞれの測定条件に対応する試料の測定範囲内の特定の一部分の複数のラインプロファイルを、例えば変更順に並べて表示装置１７０に表示させる。インターフェースは、表示装置１７０に表示されている試料の測定範囲内の特定の一部分の複数のラインプロファイルから一つのラインプロファイルを測定者が指定することを可能にする。制御部は、インターフェースによって指定されたラインプロファイルに対応する測定条件に変更する。
【０１０６】
　更に、制御部１６０は、以前のそれぞれの測定条件を表示装置に表示させる。インターフェースは、表示装置１７０に表示されている複数の測定条件から一つの測定条件を測定者が指定することを可能にする。制御部１６０は、インターフェースによって指定された測定条件に変更する。
【０１０７】
　これまで、図面を参照しながら本発明の実施の形態を述べたが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において様々な変形や変更が施されてもよい。
【０１０８】
　例えば、第一実施形態では、近接判定に先立つ走査を、Ｚ制御に対する帰還制御が常に働いている状態で行っているが、第二実施形態のように外部メモリーを用意し、複数の画像の物理量情報を外部メモリーに蓄え、それら画像間の相互相関係数に基づいて、近接判定を行なってもよい。あるいは、それらの画像を平均加算し、ノイズを落とし、アプローチの判定を行なってもよい。
【０１０９】
　第四実施形態では、表示装置１７０に、比較用画像列２０３とラインプロファイル列２０５と測定条件とが一緒に表示されるが、比較用画像列２０３とラインプロファイル列２０５だけが表示されてもよい。更には、比較用画像列２０３とラインプロファイル列２０５の一方だけが表示されてもよい。また、比較用画像列２０３の部分画像は動画として表示されているが、静止画として表示されてもよい。また、ラインプロファイルは静止画として表示されているが、部分画像と同様に複数のフレーム分のデータを主記憶メモリー２１６に格納しておくことにより動画として表示されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１１０】
【図１】本発明の第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡を概略的に示している。
【図２】図１の走査型プローブ顕微鏡において、近接動作後のＸＹＺ制御機構の微動範囲を示している。
【図３】試料と探針の間に相互作用が生じ始めた直後における試料の測定範囲の画像を示している。
【図４】近接動作後における試料の測定範囲の画像を示している。
【図５】本発明の第二実施形態の走査型プローブ顕微鏡を概略的に示している。
【図６】図５の走査型プローブ顕微鏡の表示装置に表示される実時間で更新される画像を示している。
【図７】図５の走査型プローブ顕微鏡の表示装置に表示される測定条件変更前の画像を示している。
【図８】本発明の第三実施形態の走査型プローブ顕微鏡において、予め設定された試料の測定範囲内の注目すべき場所を示している。
【図９】間隔をおいて取得された図８に示された注目すべき場所の画像が並べて表示された画像と、その高さ情報とを示している。
【図１０】近接の基準点が試料の測定範囲内の高い位置で場合における走査機構の微動範囲を示している。
【図１１】近接の基準点が試料の測定範囲内の低い位置であった場合における走査機構の微動範囲を示している。
【図１２】本発明の第四実施形態の走査型プローブ顕微鏡の制御系の構成を示している。
【符号の説明】
【０１１１】
１００…走査型プローブ顕微鏡、１１０…カンチレバー、１１２…探針、１２０…センサー、１３０…試料、１４０…ＸＹＺ制御機構、１５０…近接機構、１６０…制御部、１６２…バッファメモリー、１７０…表示装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2004132979.tif 000010
【図９】
2004132979.tif 000011
【図１０】
2004132979.tif 000012
【図１１】
2004132979.tif 000013
【図１２】
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