(57)【要約】【課題】観察倍率にかかわらず、傾き補正を手動操作により簡単かつ正確に行える走査型プローブ顕微鏡を提供する。【解決手段】走査信号発生部７８と、走査範囲に応じて前記走査信号を減衰し、当該走査範囲に対応した減衰後走査信号を発生する走査範囲設定部９４と、減衰後走査信号に応答して探針を試料表面で走査する走査機構７９，５５と、試料表面と探針との間隙を予定値に保つ制御信号を発生する制御手段７４，７５，７６，と、試料の傾きを調整するための操作量を入力する傾き調整部９３と、操作量および減衰後走査信号に基づいて傾き補正信号を発生する傾き補正部９２と、傾き補正信号を制御信号に加算する加算部８０とを具備した。【選択図】　　図１
2004037144.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料表面に探針を近接させ、両者の間隙が予定値に保たれるように、探針および試料の少なくとも一方をＺ方向へ微動させながら探針を試料表面でＸＹ方向に走査する走査型プローブ顕微鏡において、
走査信号を発生する手段と、
走査範囲を設定する手段と、
前記走査範囲に応じて前記走査信号を減衰し、当該走査範囲に対応した減衰後走査信号を発生する走査範囲設定手段と、
前記減衰後走査信号に応答して探針を試料表面で走査する走査手段と、
試料表面と探針との間隙を予定値に保つ制御信号を発生する制御手段と、
試料の傾きを調整するための操作量を入力する傾き調整手段と、
前記操作量および減衰後走査信号に基づいて傾き補正信号を発生する傾き補正手段と、
前記傾き補正信号を制御信号に加算する手段とを具備したことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記傾き補正信号は、走査範囲の一端から他端に向かって、前記操作量に応じた割合で漸増または漸減することを特徴とする請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、走査型原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：　Ａｔｏｍｉｃ　Ｆｏｒｃｅ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）に代表される走査型プローブ顕微鏡に係り、特に、試料の観察面が全体的に傾斜している場合でも、その表面形状を正確に検出できる走査型プローブ顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＡＦＭ等の走査型プローブ顕微鏡では、試料表面と走査プローブとの間の相互作用を利用して試料表面の微細な組織や構造を検出するために、片持ち梁の先端に探針を装着したカンチレバーが走査プローブとして使用される。このようなカンチレバーを用いると、探針を試料表面で走査した際に試料表面と探針との間には原子間力に基づく引力または斥力が発生する。したがって、この原子間力をカンチレバーの撓み量として検出し、この撓み量が一定となるように、すなわち試料表面と探針との間隙が一定となるように試料ステージをＺ軸方向へ微動させる制御を実行すれば、その際の制御信号あるいは検出された撓み量そのものが試料表面の形状を代表するようになる。
【０００３】
上記した構成の走査型プローブ顕微鏡では、試料表面の凹凸が表示装置上では輝度の強弱として観察されるため、解像度やＳＮ比を向上させるためには、表示装置へ供給される映像信号の最大振幅と当該表示装置の入力定格とを略一致させることが望ましい。
【０００４】
一方、試料の表面形状が同じであっても、図６に示したように試料表面が全体的に傾斜している場合と、図７に示したように傾斜していない場合とを比較すると、試料表面が傾斜していなければ、図７に示したように、検出される振幅Δｄ２は試料表面の凹凸成分の振幅と一致する。したがって、図８に示したように、振幅Δｄ２が表示装置の定格と一致するように検出信号を増幅すれば、解像度やＳＮ比の優れた画像を得ることができる。
【０００５】
これに対して、図６に示したように試料表面が全体的に傾斜していると、検出信号には傾き成分が含まれてしまうために変位量Δｄ１が比較的大きくなってしまう。したがって、検出信号の増幅度を上げることができず、傾斜していない場合に比べて凹凸成分自体の振幅が小さくなるので解像度やＳＮ比が低下してしまうという問題があった。
【０００６】
このような技術課題を解決するために、本発明の発明者等は、試料表面の傾きを検出して補正する機能を新たに設け、試料表面の凹凸のみを抽出できるようにした走査型プローブ顕微鏡を発明し、特許出願（特願平９−１９２７５４号）した。図９は、傾き補正機能を備えた従来の走査型プローブ顕微鏡のブロック図である。
【０００７】
３次元試料ステージ５５上には試料５２が載置され、試料５２の上方には、カンチレバー５３の自由端に取り付けられた探針５４が対向して配置されている。カンチレバー５３の撓み量は、レーザ発生器７１から放出されてカンチレバー５３の背面で反射されたレーザ光７２のスポット位置を位置検出器７３で測定することにより検出される。
【０００８】
位置検出器７３は、例えば４分割された光検出電極から構成されており、カンチレバー５３の撓み量が０の時にはレーザ光７２のスポットが該４分割電極の中央に来るように位置合わせされている。このため、カンチレバー５３に撓みが発生すると、該レーザ光７２のスポットが該４分割電極上を移動し、４分割電極から出力される電圧に差が発生する。この電圧差は差動増幅器７４によって増幅され、撓み量信号Ｓ１として比較器７５の非反転入力端子（＋）に入力される。比較器７５の反転入力端子（−）には、カンチレバー５３の撓み量に関する目標値信号が目標値設定部７７から入力される。
【０００９】
比較器７５から出力される誤差信号Ｓ２は比例積分（ＰＩ）制御部７６に入力され、誤差信号Ｓ２およびその積分値を合成した信号が、観察像信号を兼ねた制御信号Ｓ３として出力される。制御信号Ｓ３は増幅器８１を介してＡ／Ｄ変換器８２へ供給され、ここでデジタル信号（画像データ）に変換されて画像メモリ８３の対応するアドレスに記憶される。
【００１０】
ＭＰＵ８４は、同期信号発生器８５から出力されるクロック信号に同期して、アドレス信号およびリード信号を画像メモリ８３へ出力する。当該アドレス信号およびリード信号に応答して画像メモリ８３から出力された画像データはＲＡＭ−ＤＡＣ８６へ供給される。ＲＡＭ−ＤＡＣ８６は、同期信号発生器８５から供給される水平および垂直同期信号に応答して画像データをアナログ信号に変換し、これをモニタ装置８７へ出力する。
【００１１】
傾き検出ＭＰＵ９０は、Ａ／Ｄ変換器９１によってデジタル信号に変換された制御信号Ｓ３に基づいて試料表面の傾き量を演算し、これを傾き補正部９２へ通知する。傾き補正部９２はＤ／Ａ変換器９２ａを含み、通知された傾き量を補正するための傾き補正信号Ｓ４を走査信号の関数として発生する。加算回路８０は、制御信号Ｓ３に傾き補正信号Ｓ４を加算し、これをアクチュエータ駆動信号Ｓ６としてアクチュエータ駆動増幅器７９へ供給する。
【００１２】
このような構成によれば、ＰＩ制御部７６から出力される制御信号Ｓ３からは傾き成分が取り除かれていることになるので、増幅器８１は制御信号Ｓ３を十分に増幅することができ、鮮明でノイズの少ない画像が得られるようになる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した傾きの自動補正とは別に、作業者が観察像を観察しながら手作業で傾きを補正することを希望する場合がある。この場合、作業者は操作つまみなどを操作し、この操作量に応じた信号を前記制御信号Ｓ３に重畳することになる。
【００１４】
ここで、図１０（ａ）に示したように、試料表面が角度θだけ傾斜しており、最大傾き量がΔｄ１である場合、上記した従来技術では、傾き補正回路９２による最大補正量ｄｍａｘ１が、走査範囲すなわち観察倍率とは無関係に、前記最大傾き量Δｄ１を十分に補正できるように設定され、補正ピッチは、Ｄ／Ａ変換器９２ａの分解能に応じて、前記最大補正量ｄｍａｘ１をｎ等分した値（ｄｍａｘ１／ｎ）に設定される。
【００１５】
しかしながら、試料をＸＹ方向に拡大して観察すると、同図（ｂ）に示したように、試料の傾斜角度が同一であっても、そのときの最大傾き量Δｄ２は前記Δｄ１よりも小さくなる。にもかかわらず、従来技術では補正ピッチが前記最大補正量ｄｍａｘ１に基づいて設定されるために、補正ピッチが傾きに対して過大となってしまい、同図（ｄ）に示したように、微小な傾き補正が行えずに傾きΔｄ３が残ってしまうという技術課題があった。なお、補正ピッチを小さくするために最大補正量ｄｍａｘを小さく設定すると、傾きを補正しきれなくなるという新たな課題が生じてしまう。
【００１６】
さらに、ＸＹ方向への拡大後、同図（ｃ）に示したように、Ｚ方向へも拡大すると、この拡大倍率に応じて補正ピッチも拡大されてしまうので、僅かな操作でもＺ方向の変位量が大きくなってしまい、微妙な調整が難しくなるという技術課題があった。
【００１７】
本発明の目的は、上記した従来技術の課題を解決し、観察倍率にかかわらず、傾き補正を簡単かつ正確に行える走査型プローブ顕微鏡を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明は、走査型プローブ顕微鏡において、走査範囲を設定する手段と、走査範囲に応じて走査信号を減衰し、当該走査範囲に対応した減衰後走査信号を発生する走査範囲設定手段と、減衰後走査信号に応答して探針を試料表面で走査する走査手段と、試料表面と探針との間隙を予定値に保つ制御信号を発生する制御手段と、試料の傾きを調整するための操作量を入力する傾き調整手段と、操作量および減衰後走査信号に基づいて傾き補正信号を発生する傾き補正手段と、傾き補正信号を制御信号に加算する手段とを具備したことを特徴とする。
【００１９】
上記した特徴を備えたことにより、本発明によれば、傾き補正回路９２による最大補正量ｄｍａｘ２が、走査範囲に応じて走査信号を減衰して得られた減衰後走査信号に基づいて動的に設定される。したがって、図１０（ｂ）のような拡大観察時には、傾き補正回路９２による最大補正量ｄｍａｘ２が走査範囲の縮小に比例して小さく設定され、補正ピッチも最大傾き量Δｄｍａｘ２をｎ等分した値（ｄｍａｘ２／ｎ）に設定されるので、微小な傾き補正が可能になる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好ましい実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明を適用した走査型プローブ顕微鏡の信号処理系統のブロック図であり、前記と同一の符号は同一または同等部分を表している。
【００２１】
図９に関して説明した従来技術と比較すれば明らかなように、本実施形態では、前記傾き検出ＭＰＵ９０およびＡ／Ｄコンバータ９１の代わりに、作業者の手動操作に応答して試料表面の傾きを調整する傾き調整部９３を設けると共に、観察倍率すなわち走査範囲に応じて走査信号をアッテネートし、減衰後走査信号を生成する走査範囲設定部９４を設けた点に特徴がある。
【００２２】
図２は、前記傾き調整部９３および傾き補正部９２の主要部の構成を示したブロック図である。傾き調整部９３および傾き補正部９２は、Ｘ方向およびＹ方向のそれぞれに対して傾きを調整・補正するが、ここではＸ方向に関する動作のみを説明し、Ｙ方向に関する動作説明は省略する。
【００２３】
傾き調整部９３において、エンコーダ９３１は、その操作つまみ９３２の回動量に応じたパルス信号を発生する。ＯＲゲート９３５は、ＭＰＵ８４またはスイッチ９３４によりプリセットされるカウント値を出力する。８ビットのアップ／ダウンカウンタ９３３は、前記ＯＲゲート９３５から入力されるカウント値をプリセットし、その後、前記エンコーダ９３１から入力されるパルス信号に基づいて前記プリセット値をアップカウントまたはダウンカウントする。本実施形態では、プリセット値が「１２８」であるものとして説明する。
【００２４】
傾き補正部９２において、乗算型ＤＡＣ（８ビット）の入力端子（ＩＮ）には、前記傾き調整部９３から出力されたカウント値が、ゲインを代表する走査量として入力される。リファレンス入力端子（ＲＥＦ）には、前記走査範囲設定部９４により走査範囲に応じてアッテネートされた減衰後走査信号Ｖｘが入力され、フィードバック抵抗端子（ＲＦＢ）には、オペアンプＯＰ１の出力端子が接続され、電流出力端子（ＯＵＴ）は、オペアンプＯＰ１の反転入力端子に接続される。
【００２５】
前記乗算型ＤＡＣおよびオペアンプＯＰ１は０〜−１倍の反転増幅器を構成し、前記傾き調整部９３によって指示されたゲイン（カウント値）で減衰後走査信号Ｖｘを増幅して出力する。
【００２６】
減衰後走査信号Ｖｘ　は、抵抗値２ｒの抵抗Ｒ１を介してオペアンプＯＰ２に入力される。オペアンプＯＰ１から出力される乗算信号Ｓｘ　は、抵抗値ｒの抵抗Ｒ２を介してオペアンプＯＰ２に入力される。オペアンプＯＰ２の入力端子と出力端子とは、抵抗値２ｒの抵抗Ｒ３を介して接続されている。したがって、減衰後走査信号Ｖｘ　および乗算信号Ｓｘは１対２の比率で加算され、オペアンプＯＰ２から傾き補正信号Ｓ４として出力される。
【００２７】
傾き補正部９２は、作業者によって指示されたゲイン（カウント値）が「０」で、そのデジタル値が“１２８［８０Ｈ］”のときに乗算信号Ｓｘ　が−１／２・Ｖｘ　となるように予め調整されており、このときの傾き補正信号Ｓ４は「０」となる。
【００２８】
図３は、前記傾き調整部９３により設定されたカウント値、傾き補正部９２へ通知されるデジタル値、乗算信号Ｓｘおよび傾き補正信号Ｓ４の関係を示した図である。
【００２９】
設定されたゲインが“２５５”であると、乗算出力Ｓｘは［−Ｖｘ（２５５／２５６）］となり、傾き補正信号Ｓ４は［Ｖｘ（１２７／１２８）］　となる。また、演算されたゲインが“１２８”であれば、乗算出力Ｓｘは［−Ｖｘ（１２８／２５６）］となり、傾き補正信号Ｓ４は「０」となる。さらに、設定されたゲインが“０”であれば、乗算出力Ｓｘは［−Ｖｘ（０／２５６）］となり、傾き補正信号Ｓ４は［−Ｖｘ（１２８／１２８）］　となり、傾き補正信号Ｓ４の補正ピッチは減衰後走査信号Ｖｘを２５６分割した値となる。
【００３０】
このような構成において、探針５４を試料５２の表面に近接させた状態で試料ステージをＸ方向へ走査すると、試料表面と探針５４との間の原子間力によってカンチレバー５３が撓み、これが位置検出器７３および差動増幅器７４で検出される。探針５４と試料表面との間隙が前記ＰＩ制御部７６によって制御されていれば、作動増幅器７４から出力される撓み量信号Ｓ１は試料５２の表面と探針５４との間隙を代表するから、比較器７５から出力される誤差信号Ｓ２は、探針５４によって検出された試料表面形状と実際の試料表面形状との差を表すことになる。ＰＩ制御部７６は、誤差信号Ｓ２およびその積分値を合成した信号を、観察像信号を兼ねた制御信号Ｓ３として出力する。
【００３１】
ここで、初期状態では傾き調整部９３のプリセット値は「１２８」であり、傾き補正部９２のから出力される傾き補正信号が「０」なので、観察試料が図４のように右上がりに角度θだけ傾いていれば、制御信号Ｓ３は、当該傾きを反映した値を示すことになる。
【００３２】
ここで、作業者が傾き調整部９３の回転つまみ９３２を操作して前記カウンタ９３３をアップカウントすると、減衰後走査信号Ｖｘをパラメータとする補正信号Ｓ４が前記補正ピッチ（Ｖｘ／２５６）で変化し、図５（ａ）に示したように、前記カウント値に応じた一次関数となる。
【００３３】
そして、この傾き補正信号Ｓ４は加算回路８０によって前記制御信号Ｓ３に加算されるので、ＰＩ制御部７６から出力される制御信号Ｓ３からは、図５（ｂ）　に示したように、傾き成分が取り除かれていることになる。したがって、観察像信号増幅器７７は入力信号（制御信号Ｓ６）を十分に増幅することができ、鮮明でノイズの少ない画像が得られるようになる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、傾き補正信号が作業者の操作量および減衰後走査信号に基づいて生成されるので補正ピッチを小さくできる。したがって、拡大倍率にかかわらず、傾き補正を簡単かつ正確に行えるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した走査型プローブ顕微鏡のブロック図である。
【図２】図１の傾き調整部および傾き補正部の構成を示したブロック図である。
【図３】傾き補正演算の一例を示した図である。
【図４】傾斜面を観察した場合の制御信号の一例を示した図である。
【図５】傾き補正後の制御信号の一例を示した図である。
【図６】試料表面が傾斜している場合に計測される変位量を示した図である。
【図７】試料表面が傾斜していない場合に計測される変位量を示した図である。
【図８】試料表面が傾斜していない場合の増幅動作を示した図である。
【図９】傾き補正機能を備えた従来の走査型プローブ顕微鏡のブロック図である。
【図１０】本発明の作用効果を説明した図である。
【符号の説明】
５２…試料，
５３…カンチレバー，
５４…探針，
５５…３次元試料ステージ，
７３…位置検出器，
７４…差動増幅器，
７９…アクチュエータ駆動増幅器，
８０…加算回路，
９０…ＭＰＵ，
９１…Ａ／Ｄコンバータ，
９２…傾き補正部，
９３…傾き調整部，
９４…走査範囲設定部
【図１】
2004037144.tif 000003
【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】
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【図９】
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【図１０】
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