(57)【要約】【課題】対象物を容易かつ迅速に観察することができる顕微鏡システム、顕微鏡システムを用いた観察条件調整方法および観察条件調整プログラムを提供する。【解決手段】ＣＰＵは、カンチレバーのたわみ量を初期値に設定し（ステップＳ２１）、そのたわみ量を保つように試料の表面にカンチレバーを往復走査させる（ステップＳ２２）。ＣＰＵは、表示装置における同一のピクセルに対応する往路高さデータと復路高さデータとを１ピクセル毎に比較し、それらの差分の絶対値（差分値）を算出し、さらに算出された複数の差分値の総和を算出し（ステップＳ２３）、算出された差分値の総和が予め定められたしきい値以下であるか否かを判別する（ステップＳ２４）。ＣＰＵは、総和がしきい値以下である場合に現在のたわみ量を基準たわみ量として設定し（ステップＳ２５）、総和がしきい値以下でない場合にたわみ量を再設定する（ステップＳ２６）。【選択図】図７
2007170875.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料の表面形状を測定する顕微鏡システムであって、
試料が載置される載置面を有する試料載置台と、
探針を保持する保持部材と、
前記試料載置台と前記探針とを前記載置面に平行な方向に相対的に走査させる走査手段と、
前記探針と前記載置面上の試料との間の距離と一定の関係を有する物理量を検出する検出手段と、
前記走査手段による走査時に、前記検出手段により検出される物理量が一定値になるように前記載置面に対して垂直な方向における前記保持部材の位置を変化させる駆動手段と、
前記駆動手段により変化する前記保持部材の位置に対応する位置情報を取得するとともに、その位置情報から前記載置面上の試料の表面形状に関する形状情報を取得する取得手段と、
前記物理量の一定値の設定時に、前記走査手段により前記保持部材を前記載置面上の試料の表面上の一方向および逆方向に相対的に移動させ、同一位置において前記取得手段により取得される位置情報の差が予め定められた範囲内になるように前記物理量の一定値を設定するとともに、前記物理量の一定値に対応する基準値を設定する設定手段と、
前記物理量の一定値の調整時に、前記設定手段により設定された基準値を調整することにより前記物理量の一定値を調整するための調整手段とを備えることを特徴とする顕微鏡システム。
【請求項２】
前記検出手段により検出される物理量は、前記保持部材のたわみ量であることを特徴とする請求項１記載の顕微鏡システム。
【請求項３】
前記調整手段は、
前記設定手段により設定された基準値を初期基準値として表示するとともに初期基準値を基準として基準値の調整可能な範囲を表示する表示手段と、
前記表示手段により表示された調整可能な範囲内の値を指定する指定手段と、
前記指定手段により指定された値と前記初期基準値との差に応じて前記駆動手段を制御することにより前記物理量の一定値を調整する制御手段とを含むことを特徴とする請求項１または２記載の顕微鏡システム。
【請求項４】
前記表示手段は、前記初期基準値の画像および前記調整可能な範囲の画像を表示するとともに、前記初期基準値の画像を前記調整可能な範囲の画像上に表示し、
前記指定手段は、前記初期基準値の画像を前記調整可能な範囲の画像上で移動させることにより前記調整可能な範囲内の値を指定することを特徴とする請求項３記載の顕微鏡システム。
【請求項５】
前記表示手段は、前記調整可能な範囲の画像の階調または色彩を前記調整可能な範囲内の値に応じて変化させることを特徴とする請求項３または４記載の顕微鏡システム。
【請求項６】
試料載置台に載置された試料の画像を取得する光学顕微鏡をさらに備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の顕微鏡システム。
【請求項７】
前記光学顕微鏡により取得された画像、および前記取得手段により取得された前記試料の表面形状に関する形状情報に基づく画像を表示する画像表示装置をさらに備えることを特徴とする請求項６記載の顕微鏡システム。
【請求項８】
載置面を有する試料載置台に載置された試料の表面形状を測定する顕微鏡システムを用いた観察方法であって、
前記試料載置台と保持部材により保持された探針とを前記載置面に平行な方向に相対的に走査させつつ、前記探針と前記載置面上の試料との間の距離と一定の関係を有する物理量を検出するとともに、前記検出される物理量が一定値になるように前記載置面に対して垂直な方向における前記保持部材の位置を変化させるステップと、
前記変化する保持部材の位置に対応する位置情報を取得するとともに、その位置情報から前記載置面上の試料の表面形状に関する形状情報を取得するステップと、
前記物理量の一定値の設定時に、前記保持部材を前記載置面上の試料の表面上の一方向および逆方向に相対的に移動させ、同一位置において取得される位置情報の差が予め定められた範囲内になるように前記物理量の一定値を設定するとともに、前記物理量の一定値に対応する基準値を設定するステップと、
前記物理量の一定値の調整時に、前記設定された基準値を調整することにより前記物理量の一定値を調整するステップとを備えることを特徴とする観察方法。
【請求項９】
載置面を有する試料載置台に載置された試料の表面形状を測定する顕微鏡システムを制御するコンピュータにより実行可能な観察プログラムであって、
前記試料載置台と保持部材により保持された探針とを前記載置面に平行な方向に相対的に走査させつつ、前記探針と前記載置面上の試料との間の距離と一定の関係を有する物理量を検出するとともに、前記検出される物理量が一定値になるように前記載置面に対して垂直な方向における前記保持部材の位置を変化させる処理と、
前記変化する保持部材の位置に対応する位置情報を取得するとともに、その位置情報から前記載置面上の試料の表面形状に関する形状情報を取得する処理と、
前記物理量の一定値の設定時に、前記保持部材を前記載置面上の試料の表面上の一方向および逆方向に相対的に移動させ、同一位置において取得される位置情報の差が予め定められた範囲内になるように前記物理量の一定値を設定するとともに、前記物理量の一定値に対応する基準値を設定する処理と、
前記物理量の一定値の調整時に、前記設定された基準値を調整することにより前記物理量の一定値を調整する処理とを、
前記コンピュータに実行させることを特徴とする観察プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査型プローブ顕微鏡による試料の観察が可能な顕微鏡システム、観察方法および観察プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、従来の光学顕微鏡または電子顕微鏡等とは全く異なる原理を利用した走査型プローブ顕微鏡（Scanning Probe Microscope:ＳＰＭ）が開発され、注目を浴びている。
【０００３】
走査型プローブ顕微鏡は、プローブと呼ばれる鋭く尖った探針を自由端に有するカンチレバーを備えている。上記の走査型プローブ顕微鏡の一例である原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscope:ＡＦＭ）においては、探針を試料に近づけると、探針の先端を構成している原子と試料を構成している原子との間に原子間力が生じる。この原子間力によりカンチレバーの自由端が変位する。
【０００４】
このカンチレバーの自由端の変位を電気的に測定しながら、探針を試料に沿って走査させることにより、試料の表面形状を示す三次元的な情報を得ることができる。例えば、カンチレバーの自由端の変位を一定に保つように探針と試料との距離を制御しながら探針を走査させると、探針の先端は試料表面の凹凸に沿って移動するので、探針の先端の位置情報から試料の表面形状を示す三次元的な情報を得ることができる。
【０００５】
なお、走査型プローブ顕微鏡のその他の例としては、探針の原子と試料表面の原子との間に生じる原子間力を用いる代わりに、探針と試料との間に流れるトンネル電流を利用することにより試料表面の三次元的な情報を得ることも可能な走査型トンネル顕微鏡もある。
【０００６】
また、光学顕微鏡と走査型プローブ顕微鏡とが一体化されたプローブ走査装置が開発されている。
【０００７】
ここで、従来のプローブ走査装置の概略を図面を参照しながら説明する。なお、下記に示すプローブ走査装置は、光学顕微鏡と走査型プローブ顕微鏡の一例である原子間力顕微鏡とが一体的に構成されたものである（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
図１１は、従来のプローブ走査装置を示す模式図である。
【０００９】
図１１に示すように、支持台９０１には、図示しないリニアガイドを介して光学系支持台９０２が上下方向に移動可能に設けられている。
【００１０】
光学系支持台９０２には、対物レンズ９０７、変位計測光学系９０６および観察光学系９０４が取り付けられている。
【００１１】
光学系支持台９０２上に設けられた光学系支持台粗動マイクロメーター９０３を調整することにより、対物レンズ９０７、変位計測光学系９０６および観察光学系９０４を一体的に上下に移動させることができる。
【００１２】
また、光学系支持台９０２には、図示しないリニアガイドを介してスキャナ支持台９１５が上下方向に移動可能に設けられている。
【００１３】
スキャナ支持台９１５には、探針微動用円筒型圧電素子９０８が固定されている。探針微動用円筒型圧電素子９０８の下端に探針支持リング９０９が設けられている。
【００１４】
この探針支持リング９０９にカンチレバー９１８が取り付けられており、カンチレバー９１８の自由端に探針９１０が設けられている。なお、探針９１０は、探針支持リング９０９の中央の開口部分から突出するように設けられている。
【００１５】
スキャナ支持台９１５上に設けられたスキャナ支持台粗動マイクロメーター９１４を調整することにより、スキャナ支持台９１５を光学系支持台９０２に対して上下方向に移動させることができる。
【００１６】
一方、支持台９０１上には、試料走査用円筒型圧電素子９１３が固定されている。試料走査用円筒型圧電素子９１３上には試料台９１２が設けられており、試料台９１２上に試料９１１が載置される。
【００１７】
上記のような構成により、光学顕微鏡による試料の観察と走査型プローブ顕微鏡による試料の観察とを一台のプローブ走査装置により行うことができる。
【特許文献１】特開平５−１５７５５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
ところで、上記のプローブ走査装置においては、予め走査型プローブ顕微鏡による試料９１１の観察条件を設定しておく必要がある。
【００１９】
走査型プローブ顕微鏡による試料９１１の観察モードとして、探針９１０と試料９１１とを互いに接触する位置まで近付けて、試料９１１と試料台９１２とを相対的に移動させ、探針９１０を試料９１１の表面形状に沿って走査させるコンタクトモードがある。
【００２０】
このコンタクトモードにおいて、カンチレバー９１８は、上述のように、その自由端に取り付けられた探針９１０を試料９１１の表面に十分近づけた状態で保持する。この状態で、探針９１０と試料９１１の表面との間に原子間力が生じることにより、カンチレバー９１８がたわむ。
【００２１】
走査型プローブ顕微鏡による試料９１１の観察時には、使用者は、予め観察条件として、例えばカンチレバー９１８のたわみ量を設定する。
【００２２】
ここで、変位計測光学系９０６により実際のたわみ量を測定し、カンチレバー９１８のたわみ量が設定された値で一定に保たれるように探針微動用円筒型圧電素子９０８をフィードバック制御する。それにより、試料９１１の表面形状を示す三次元的な情報が得られる。
【００２３】
しかしながら、設定されたたわみ量の大きさが適切でない場合、走査型プローブ顕微鏡による試料９１１の観察を正確に行うことはできない。以下、適切とされるたわみ量を最適たわみ量と呼ぶ。
【００２４】
例えば、設定されたたわみ量が最適たわみ量に比べて過度に大きい場合には、探針９１０および試料９１１の少なくとも一方が損傷してしまう。
【００２５】
また、設定されたたわみ量が最適たわみ量に比べて過度に小さい場合には、探針９１０が試料９１１の形状に追従できず、試料９１１の表面形状を正確に得ることができない。
【００２６】
ここで、最適たわみ量は、カンチレバー９１８の種類により異なる。そのため、使用者は、設定するたわみ量をカンチレバー９１８の種類ごとに予め定められた値に初期設定する。
【００２７】
また、最適たわみ量は探針９１０の走査速度および試料９１１の表面形状等によっても変化する。そこで、使用者は、初期設定されたたわみ量を探針９１０の走査速度および試料９１１の表面形状等に応じて調整する。
【００２８】
しかしながら、最適たわみ量は、カンチレバー９１８の種類が同一であっても、個々のカンチレバー９１８ごとにばらつきがある。
【００２９】
したがって、カンチレバー９１８を交換すると、探針９１０の走査速度および試料９１１の表面形状等の条件が同じ場合でも、使用者によるたわみ量の調整量が異なる場合がある。その結果、従来、走査型プローブ顕微鏡による試料９１１の観察は、熟練を要するとともに迅速な作業が困難であった。
【００３０】
本発明の目的は、試料を容易かつ迅速に観察することができる顕微鏡システム、顕微鏡システムを用いた観察方法および観察プログラムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００３１】
（１）第１の発明に係る顕微鏡システムは、試料の表面形状を測定する顕微鏡システムであって、試料が載置される載置面を有する試料載置台と、探針を保持する保持部材と、試料載置台と探針とを載置面に平行な方向に相対的に走査させる走査手段と、探針と載置面上の試料との間の距離と一定の関係を有する物理量を検出する検出手段と、走査手段による走査時に、検出手段により検出される物理量が一定値になるように載置面に対して垂直な方向における保持部材の位置を変化させる駆動手段と、駆動手段により変化する保持部材の位置に対応する位置情報を取得するとともに、その位置情報から載置面上の試料の表面形状に関する形状情報を取得する取得手段と、物理量の一定値の設定時に、走査手段により保持部材を載置面上の試料の表面上の一方向および逆方向に相対的に移動させ、同一位置において取得手段により取得される位置情報の差が予め定められた範囲内になるように物理量の一定値を設定するとともに、物理量の一定値に対応する基準値を設定する設定手段と、物理量の一定値の調整時に、設定手段により設定された基準値を調整することにより物理量の一定値を調整するための調整手段とを備えるものである。
【００３２】
この発明に係る顕微鏡システムにおいては、試料が試料載置台に載置され、走査手段により試料載置台と保持部材により保持された探針とが載置面に平行な方向に相対的に走査されるとともに、探針と載置面上の試料との間の距離と一定の関係を有する物理量が検出手段により検出される。
【００３３】
このとき、検出手段により検出される物理量が一定値になるように載置面に対して垂直な方向における保持部材の位置が駆動手段により変化される。そして、取得手段により、保持部材の位置に対応する位置情報が取得されるとともに、その位置情報から載置面上の試料の表面形状に関する形状情報が取得される。このようにして、試料の表面形状が観察される。
【００３４】
物理量の一定値の設定時には、設定手段が、走査手段により保持部材を載置面上の試料の表面上の一方向および逆方向に相対的に移動させ、同一位置において取得手段により取得される位置情報の差が予め定められた範囲内になるように物理量の一定値を設定する。また、設定手段は、物理量の一定値に対応する基準値を設定する。それにより、物理量の一定値がその保持部材の特性のばらつきにかかわらず最適な値に設定される。
【００３５】
その後、使用者は、調整手段により基準値を調整することにより物理量の一定値を調整することができる。これにより、使用者は試料の観察条件に応じて物理量の一定値を容易に所望の値に調整することができる。その結果、試料を容易かつ迅速に観察することが可能となる。
【００３６】
（２）検出手段により検出される物理量は、保持部材のたわみ量であってもよい。この場合、検出手段により検出されるたわみ量が一定値になるように載置面に対して垂直な方向における保持部材の位置が駆動手段により変化される。そして、取得手段により、保持部材の位置に対応する位置情報が取得されるとともに、その位置情報から載置面上の試料の表面形状に関する形状情報が取得される。
【００３７】
たわみ量の一定値の設定時には、設定手段が、走査手段により保持部材を載置面上の試料の表面上の一方向および逆方向に相対的に移動させ、同一位置において取得手段により取得される位置情報の差が予め定められた範囲内になるようにたわみ量の一定値を設定する。また、設定手段は、たわみ量の一定値に対応する基準値を設定する。それにより、たわみ量の一定値がその保持部材の特性のばらつきにかかわらず最適な値に設定される。
【００３８】
（３）調整手段は、設定手段により設定された基準値を初期基準値として表示するとともに初期基準値を基準として基準値の調整可能な範囲を表示する表示手段と、表示手段により表示された調整可能な範囲内の値を指定する指定手段と、指定手段により指定された値と初期基準値との差に応じて駆動手段を制御することにより物理量の一定値を調整する制御手段とを含んでもよい。
【００３９】
この場合、表示手段により、基準値が初期基準値として表示され、初期基準値を基準とした基準値の調整可能な範囲が表示される。これにより、使用者は表示手段により表示される初期基準値と、基準値の調整可能な範囲とを容易に認識することができる。
【００４０】
また、表示手段により表示された調整可能な範囲内の値が指定手段により指定される。指定された値と初期基準値との差に応じて駆動手段が制御手段により制御されることにより物理量の一定値が調整される。
【００４１】
これにより、使用者は、指定手段により表示された調整可能な範囲内の所望の値を指定して、物理量の一定値を所望の値に容易に調整することができる。
【００４２】
（４）表示手段は、初期基準値の画像および調整可能な範囲の画像を表示するとともに、初期基準値の画像を調整可能な範囲の画像上に表示し、指定手段は、初期基準値の画像を調整可能な範囲の画像上で移動させることにより調整可能な範囲内の値を指定してもよい。
【００４３】
この場合、表示手段により初期基準値の画像および調整可能な範囲の画像が表示されるので、使用者は、初期基準値と、基準値を調整可能な範囲とを容易に認識することができる。
【００４４】
また、使用者は、初期基準値の画像を調整可能な範囲の画像上で移動させることにより視覚的に所望の値を指定することができる。その結果、使用者は物理量の一定値を所望の値に容易に調整することができる。
【００４５】
（５）表示手段は、調整可能な範囲の画像の階調または色彩を調整可能な範囲内の値に応じて変化させてもよい。
【００４６】
この場合、使用者は調整可能な範囲内の値を階調または色彩により視覚的に認識することができる。その結果、使用者は物理量の一定値を所望の値に容易に調整することができる。
【００４７】
（６）顕微鏡システムは、試料載置台に載置された試料の画像を取得する光学顕微鏡をさらに備えてもよい。
【００４８】
この場合、光学顕微鏡により試料載置台に載置された試料の画像が取得される。それにより、使用者は、取得手段により表面形状に関する形状情報を取得すべき試料の領域を光学顕微鏡により探索することができる。
【００４９】
（７）顕微鏡システムは、光学顕微鏡により取得された画像、および取得手段により取得された試料の表面形状に関する形状情報に基づく画像を表示する画像表示装置をさらに備えてもよい。
【００５０】
この場合、光学顕微鏡により取得された画像、および取得手段により取得された試料の表面形状に関する形状情報に基づく画像が、画像表示装置により表示される。
【００５１】
それにより、使用者は、光学顕微鏡により取得された画像、および取得手段により取得された試料の表面形状に関する形状情報に基づく画像を個別の表示装置を用いることなく容易に視認することができる。
【００５２】
（８）第２の発明に係る観察方法は、載置面を有する試料載置台に載置された試料の表面形状を測定する顕微鏡システムを用いた観察方法であって、試料載置台と保持部材により保持された探針とを載置面に平行な方向に相対的に走査させつつ、探針と載置面上の試料との間の距離と一定の関係を有する物理量を検出するとともに、検出される物理量が一定値になるように載置面に対して垂直な方向における保持部材の位置を変化させるステップと、変化する保持部材の位置に対応する位置情報を取得するとともに、その位置情報から載置面上の試料の表面形状に関する形状情報を取得するステップと、物理量の一定値の設定時に、保持部材を載置面上の試料の表面上の一方向および逆方向に相対的に移動させ、同一位置において取得される位置情報の差が予め定められた範囲内になるように物理量の一定値を設定するとともに、物理量の一定値に対応する基準値を設定するステップと、物理量の一定値の調整時に、設定された基準値を調整することにより物理量の一定値を調整するステップとを備えるものである。
【００５３】
この発明に係る観察方法においては、試料が試料載置台に載置され、試料載置台と保持部材により保持された探針とが載置面に平行な方向に相対的に走査されるとともに、探針と載置面上の試料との間の距離と一定の関係を有する物理量が検出される。
【００５４】
このとき、検出される物理量が一定値になるように載置面に対して垂直な方向における保持部材の位置が変化される。そして、保持部材の位置に対応する位置情報が取得されるとともに、その位置情報から載置面上の試料の表面形状に関する形状情報が取得される。このようにして、試料の表面形状が観察される。
【００５５】
物理量の一定値の設定時には、保持部材が載置面上の試料の表面上の一方向および逆方向に相対的に移動され、同一位置において取得される位置情報の差が予め定められた範囲内になるように物理量の一定値が設定される。また、物理量の一定値に対応する基準値が設定される。それにより、物理量の一定値がその保持部材の特性のばらつきにかかわらず最適な値に設定される。
【００５６】
その後、使用者は、基準値を調整することにより物理量の一定値を調整することができる。これにより、使用者は試料の観察条件に応じて物理量の一定値を容易に所望の値に調整することができる。その結果、試料を容易かつ迅速に観察することが可能となる。
【００５７】
（９）第３の発明に係る観察プログラムは、置面を有する試料載置台に載置された試料の表面形状を測定する顕微鏡システムを制御するコンピュータにより実行可能な観察プログラムであって、試料載置台と保持部材により保持された探針とを載置面に平行な方向に相対的に走査させつつ、探針と載置面上の試料との間の距離と一定の関係を有する物理量を検出するとともに、検出される物理量が一定値になるように載置面に対して垂直な方向における保持部材の位置を変化させる処理と、変化する保持部材の位置に対応する位置情報を取得するとともに、その位置情報から載置面上の試料の表面形状に関する形状情報を取得する処理と、物理量の一定値の設定時に、保持部材を載置面上の試料の表面上の一方向および逆方向に相対的に移動させ、同一位置において取得される位置情報の差が予め定められた範囲内になるように物理量の一定値を設定するとともに、物理量の一定値に対応する基準値を設定する処理と、物理量の一定値の調整時に、設定された基準値を調整することにより物理量の一定値を調整する処理とを、コンピュータに実行させるものである。
【００５８】
この発明に係る観察プログラムにおいては、試料が載置される試料載置台と保持部材により保持された探針とが載置面に平行な方向に相対的に走査されるとともに、探針と載置面上の試料との間の距離と一定の関係を有する物理量が検出される。
【００５９】
このとき、検出される物理量が一定値になるように載置面に対して垂直な方向における保持部材の位置が変化される。そして、保持部材の位置に対応する位置情報が取得されるとともに、その位置情報から載置面上の試料の表面形状に関する形状情報が取得される。このようにして、試料の表面形状が観察される。
【００６０】
物理量の一定値の設定時には、保持部材が載置面上の試料の表面上の一方向および逆方向に相対的に移動され、同一位置において取得される位置情報の差が予め定められた範囲内になるように物理量の一定値が設定される。また、物理量の一定値に対応する基準値が設定される。それにより、物理量の一定値がその保持部材の特性のばらつきにかかわらず最適な値に設定される。
【００６１】
その後、使用者は、基準値を調整することにより物理量の一定値を調整することができる。これにより、使用者は試料の観察条件に応じて物理量の一定値を容易に所望の値に調整することができる。その結果、試料を容易かつ迅速に観察することが可能となる。
【発明の効果】
【００６２】
本発明に係る顕微鏡システム、観察方法および観察プログラムにおいては、試料が試料載置台に載置され、試料載置台と保持部材により保持された探針とが載置面に平行な方向に相対的に走査されるとともに、探針と載置面上の試料との間の距離と一定の関係を有する物理量が検出される。
【００６３】
このとき、検出される物理量が一定値になるように載置面に対して垂直な方向における保持部材の位置が変化される。そして、保持部材の位置に対応する位置情報が取得されるとともに、その位置情報から載置面上の試料の表面形状に関する形状情報が取得される。このようにして、試料の表面形状が観察される。
【００６４】
物理量の一定値の設定時には、保持部材が載置面上の試料の表面上の一方向および逆方向に相対的に移動され、同一位置において取得される位置情報の差が予め定められた範囲内になるように物理量の一定値が設定され、その物理量の一定値に対応する基準値が設定される。それにより、物理量の一定値がその保持部材の特性のばらつきにかかわらず最適な値に設定される。
【００６５】
その後、使用者は、基準値を調整することにより物理量の一定値を調整することができる。これにより、使用者は試料の観察条件に応じて物理量の一定値を容易に所望の値に調整することができる。その結果、試料を容易かつ迅速に観察することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６６】
本発明の一実施の形態に係る顕微鏡システム、観察方法および観察プログラムについて、図面を参照しつつ説明する。
【００６７】
（１）  顕微鏡システムの構成
図１は、本発明の一実施の形態に係る顕微鏡システムの外観を示す図である。図１に示すように、本実施の形態に係る顕微鏡システム１は、プローブ走査装置１Ａおよびパーソナルコンピュータ１Ｂからなる。プローブ走査装置１Ａおよびパーソナルコンピュータ１Ｂは、互いにケーブルｃａにより接続されている。
【００６８】
図１では、プローブ走査装置１Ａが斜視図で示され、パーソナルコンピュータ１Ｂは正面図で示されている。ここで、プローブ走査装置１Ａの斜視図において、水平面内で直交する２方向をＸ方向およびＹ方向とし、Ｘ方向およびＹ方向に垂直な方向をＺ方向とする。これらのＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向の定義は、後述する図２、図４および図６においても同様である。
【００６９】
（１−ａ）  プローブ走査装置の構成
プローブ走査装置１Ａについて説明する。図２は、図１のプローブ走査装置１Ａの組立て斜視図である。
【００７０】
図１および図２に示すように、本実施の形態に係るプローブ走査装置１Ａは、原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscope:ＡＦＭ）１０および光学顕微鏡２０を一体的に備える。原子間力顕微鏡１０および光学顕微鏡２０は、顕微鏡連結部材４０に取り付けられ、ベース筐体部５０により保持される。
【００７１】
図２に示すように、ベース筐体部５０は、ＸＹ平面に平行となるように配置される底板５１を有する。底板５１の四隅には、Ｚ方向に延びる支持脚５３ａ，５３ｂ，５３ｃ，５３ｄが取り付けられている。また、底板５１の四辺には、４つの支持脚５３ａ，５３ｂ，５３ｃ，５３ｄおよび底板５１を取り囲むように補強板５２が取り付けられている。
【００７２】
プローブ走査装置１Ａの組立て時において、４つの支持脚５３ａ，５３ｂ，５３ｃ，５３ｄの上端部には、それぞれ弾性部材５４ａ，５４ｂ，５４ｃ，５４ｄが取り付けられる。
【００７３】
顕微鏡連結部材４０は、ＡＦＭ固定部材４１と光学顕微鏡固定部材４２とが一体的に形成された構造を有する。ＡＦＭ固定部材４１は、略箱形状を有し、内部に試料載置台収容空間４１ｓを有する。光学顕微鏡固定部材４２は角筒形状を有し、内部に光学顕微鏡収容空間４２ｓを有する。
【００７４】
顕微鏡連結部材４０においては、ＡＦＭ固定部材４１に原子間力顕微鏡１０が取り付けられ、光学顕微鏡固定部材４２に光学顕微鏡２０が取り付けられる。これにより、原子間力顕微鏡１０および光学顕微鏡２０が一体的に連結される。
【００７５】
顕微鏡連結部材４０への原子間力顕微鏡１０および光学顕微鏡２０の取り付けの詳細は後述する。
【００７６】
原子間力顕微鏡１０および光学顕微鏡２０が連結された状態で、ＸＹ平面内における顕微鏡連結部材４０の上端部側の四隅が被支持部４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄとして各弾性部材５４ａ，５４ｂ，５４ｃ，５４ｄの上端部に取り付けられる。
【００７７】
これにより、図１に示すように、顕微鏡連結部材４０により互いに連結された原子間力顕微鏡１０および光学顕微鏡２０が、ベース筐体部５０により弾性的に保持される。
【００７８】
原子間力顕微鏡１０は、ＡＦＭスキャナ１１および試料載置台３０を備える。ＡＦＭスキャナ１１は、顕微鏡連結部材４０のＡＦＭ固定部材４１上に取り付けられる。
【００７９】
具体的には、図２に示すように、ＡＦＭ固定部材４１の上端部にＡＦＭスキャナ支持部４４が形成されている。ＡＦＭスキャナ支持部４４は、平面視でＬ字状をなし、水平な上面を有する。この上面上にＡＦＭスキャナ１１が取り付けられる。
【００８０】
ＡＦＭスキャナ１１の下部には、図１に示すように、ミラーホルダ２６および図示しないカンチレバー保持部が設けられている。ミラーホルダ２６は光学顕微鏡２０のミラー２５を保持し、カンチレバー保持部は後述する探針が設けられたカンチレバーを保持する。
【００８１】
原子間力顕微鏡１０による試料Ｍの観察時には、カンチレバーのＺ方向の変位、すなわち後述する圧電素子１１０（図４）に連結されたカンチレバー保持部のＺ方向の変位がケーブルｃａを通じてパーソナルコンピュータ１Ｂに送られる。それにより、パーソナルコンピュータ１Ｂは後述する表示装置にカンチレバーの変位に基づく画像を表示する。
【００８２】
ＡＦＭスキャナ１１のカンチレバーに設けられている探針を試料Ｍの表面に沿って走査させる構成の詳細は後述する。
【００８３】
図２に示すように、試料載置台３０は顕微鏡連結部材４０の試料載置台収容空間４１ｓに収容される。試料載置台３０は、移動プレート３０ａ、Ｚ方向移動機構３０ｂおよびＸＹ方向移動機構３０ｃを含む。
【００８４】
図２によれば、ＸＹ方向移動機構３０ｃ上にＺ方向移動機構３０ｂが設けられ、Ｚ方向移動機構３０ｂ上に移動プレート３０ａが設けられている。
【００８５】
ＸＹ方向移動機構３０ｃは２つのモータＭａ，Ｍｂを有する。また、Ｚ方向移動機構３０ｂは図示しない１つのモータを有する。これらの３つのモータは、後述の図３の動作制御部８１に接続されている。動作制御部８１には、後述の図３のＸ方向電動スイッチＳＷ１、Ｙ方向電動スイッチＳＷ２およびＺ方向電動スイッチＳＷ３が接続されている。図１および図２では、これらのスイッチＳＷ１〜ＳＷ３を図示しないが、実際はプローブ走査装置１Ａの正面側に各スイッチＳＷ１〜ＳＷ３が設けられる。
【００８６】
上記のＸ方向電動スイッチＳＷ１、Ｙ方向電動スイッチＳＷ２およびＺ方向電動スイッチＳＷ３に代えて、移動プレート下降スイッチ、最下点スイッチおよび照明スイッチを設けてもよい。
【００８７】
この場合、移動プレート下降スイッチは、試料Ｍが載置された移動プレート３０ａを下降させるために用いられる。最下点スイッチは、試料Ｍが載置された移動プレート３０ａを移動プレート３０ａがＺ方向で移動可能な最下点に移動させるために用いられる。照明スイッチは、プローブ走査装置１Ａ内に設けられる照明（図示せず）をオンまたはオフするために用いられる。
【００８８】
使用者は、Ｚ方向電動スイッチＳＷ３を操作することによりＺ方向移動機構３０ｂを動作させる。これにより、試料Ｍが載置された移動プレート３０ａをＺ方向（鉛直方向）に移動させることができる。
【００８９】
また、使用者は、Ｘ方向電動スイッチＳＷ１およびＹ方向電動スイッチＳＷ２を操作することによりＸＹ方向移動機構３０ｃを動作させる。これにより、試料Ｍが載置された移動プレート３０ａをＸ方向およびＹ方向（水平方向）に移動させることができる。
【００９０】
光学顕微鏡２０は、レンズ格納部２１、光軸変換部２２、電動ズーム鏡筒２３、ＣＣＤ（電荷結合素子）カメラボックス２４、ミラー２５（図１）、ミラーホルダ２６（図１）および遊動台座２７を備える。光軸変換部２２は光軸変換ミラー２２ａを内蔵する。
【００９１】
電動ズーム鏡筒２３は、後述の図３のズーム調整装置２３１およびフォーカス調整装置２３２を内蔵する。また、ＣＣＤカメラボックス２４は後述の図３のＣＣＤカメラ２４１を内蔵する。
【００９２】
光学顕微鏡２０のレンズ格納部２１は、光軸変換部２２に取り付けられ、光軸変換部２２は、電動ズーム鏡筒２３の上端部に取り付けられている。電動ズーム鏡筒２３の下端部にＣＣＤカメラボックス２４が設けられている。光軸変換部２２の内部では、光軸変換ミラー２２ａが電動ズーム鏡筒２３の軸心の延長線上に配置されている。
【００９３】
光学顕微鏡２０の電動ズーム鏡筒２３は、Ｚ方向に平行な軸に対してやや傾斜するように遊動台座２７により支持される。
【００９４】
遊動台座２７が、顕微鏡連結部材４０の光学顕微鏡固定部材４２上に取り付けられる。これにより、遊動台座２７に支持された電動ズーム鏡筒２３が光学顕微鏡収容空間４２ｓ内に収容される。
【００９５】
なお、遊動台座２７の光学顕微鏡固定部材４２上への取り付けは、接続部材４２ｃ（図１）を光学顕微鏡固定部材４２の上面にネジ止めし、固定された接続部材４２ｃに遊動台座２７をネジ止めすることにより行う。
【００９６】
遊動台座２７は、図示しない２つの移動機構を有する。一方の移動機構は、電動ズーム鏡筒２３およびそれに取り付けられた各構成部をＹ方向に移動させることができる。また、他方の移動機構は、電動ズーム鏡筒２３およびそれに取り付けられた各構成部を電動ズーム鏡筒２３の軸心に沿う方向に移動させることができる。
【００９７】
２つの移動機構は、ともに光学顕微鏡固定部材４２上に設けられる光学顕微鏡移動操作部６０に接続される。図１に示すように、光学顕微鏡移動操作部６０には、Ｙ方向操作ノブ６０ａおよび上下方向操作ノブ６０ｂが設けられている。
【００９８】
Ｙ方向操作ノブ６０ａは遊動台座２７の一方の移動機構を操作するために設けられ、上下方向操作ノブ６０ｂは遊動台座２７の他方の移動機構を操作するために設けられる。
【００９９】
これにより、使用者は、Ｙ方向操作ノブ６０ａを操作することにより光学顕微鏡２０をＹ方向に移動させることができる。また、使用者は、上下方向操作ノブ６０ｂを操作することにより光学顕微鏡２０を電動ズーム鏡筒２３の軸心に沿う方向に移動させることができる。
【０１００】
ここで、試料Ｍが試料載置台３０上に載置された状態で、ミラー２５は試料Ｍの上方に位置する。この場合、図示しない光源から発せられる照明光が試料Ｍに照射され、その試料Ｍからの反射光がミラー２５に照射される。
【０１０１】
試料Ｍからの反射光は、ミラー２５により反射され、レンズ格納部２１内のレンズを通して光軸変換部２２内の光軸変換ミラー２２ａにより反射される。光軸変換ミラー２２ａによる反射光は、電動ズーム鏡筒２３を通してＣＣＤカメラボックス２４に取り込まれる。それにより、ＣＣＤカメラボックス２４内のＣＣＤカメラに試料Ｍの画像が形成される。
【０１０２】
光学顕微鏡２０による試料Ｍの観察時には、ＣＣＤカメラに形成された試料Ｍの画像がケーブルｃａを通じてパーソナルコンピュータ１Ｂに送られる。それにより、パーソナルコンピュータ１Ｂは後述する表示装置に試料Ｍの画像を表示する。
【０１０３】
（１−ｂ）  顕微鏡システムの制御系
顕微鏡システム１の制御系について説明する。図３は、顕微鏡システム１の制御系を説明するためのブロック図である。
【０１０４】
図３に示すように、本実施の形態に係る顕微鏡システム１において、プローブ走査装置１Ａは、原子間力顕微鏡１０、光学顕微鏡２０、インターフェイス部８０、動作制御部８１、記憶部８２、Ｘ方向電動スイッチＳＷ１、Ｙ方向電動スイッチＳＷ２およびＺ方向電動スイッチＳＷ３を備える。
【０１０５】
原子間力顕微鏡１０はＡＦＭスキャナ１１および試料載置台３０を含み、光学顕微鏡２０はズーム調整装置２３１、フォーカス調整装置２３２およびＣＣＤカメラ２４１を含む。
【０１０６】
プローブ走査装置１Ａにおいて、上記の各構成部は互いに電気的に接続されている。インターフェイス部８０はケーブルｃａを介してパーソナルコンピュータ１Ｂに接続されている。
【０１０７】
動作制御部８１は、例えばＣＰＵ（中央演算処理装置）またはマイクロコンピュータ等を含み、プローブ走査装置１Ａ内の他の構成部の動作を制御する。
【０１０８】
記憶部８２は、例えばメモリからなり、各構成部の動作に関するプログラムを記憶する。
【０１０９】
試料載置台３０は、Ｘ方向移動モータ、Ｙ方向移動モータおよびＺ方向移動モータを有する。これらのモータは、それぞれ、図２のモータＭａ、モータＭｂおよびＺ方向移動機構３０ｂのモータに相当する。
【０１１０】
使用者によりＸ方向電動スイッチＳＷ１が操作されると、動作制御部８１はＸ方向移動モータを動作させる。使用者によりＹ方向電動スイッチＳＷ２およびＺ方向電動スイッチＳＷ３が操作された場合も、同様に、動作制御部８１はＹ方向移動モータおよびＺ方向移動モータを動作させる。
【０１１１】
その結果、上述のように、図１の試料Ｍが載置された移動プレート３０ａをＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向に移動させることが可能となる。
【０１１２】
図３において、光学顕微鏡２０に含まれるズーム調整装置２３１は光学顕微鏡２０の倍率を調整する。また、フォーカス調整装置２３２は光学顕微鏡２０の焦点位置を調整する。
【０１１３】
使用者が後述するパーソナルコンピュータ１Ｂの入力装置９５により光学顕微鏡２０の倍率を入力すると、パーソナルコンピュータ１Ｂから動作制御部８１に光学顕微鏡２０の倍率を示す信号が与えられる。これにより、動作制御部８１は、与えられた信号に基づいてズーム調整装置２３１を動作させる。その結果、光学顕微鏡２０の倍率が調整される。
【０１１４】
また、使用者が後述するパーソナルコンピュータ１Ｂの入力装置９５により光学顕微鏡２０の焦点位置を入力すると、パーソナルコンピュータ１Ｂから動作制御部８１に光学顕微鏡２０の焦点位置を示す信号が与えられる。これにより、動作制御部８１は、与えられた信号に基づいてフォーカス調整装置２３２を動作させる。その結果、光学顕微鏡２０の焦点位置が調整される。
【０１１５】
光学顕微鏡２０のＣＣＤカメラ２４１は、試料Ｍの画像をパーソナルコンピュータ１Ｂに出力する。これにより、後述するパーソナルコンピュータ１Ｂの表示装置９１に光学顕微鏡２０により観察される試料Ｍの画像が表示される。
【０１１６】
パーソナルコンピュータ１Ｂは、インターフェイス部９０、表示装置９１、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）９２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）９３、ＣＰＵ９４、入力装置９５、記録媒体駆動装置９６および外部記憶装置９７を備える。
【０１１７】
インターフェイス部９０は、ケーブルｃａを介してプローブ走査装置１Ａに接続されている。
【０１１８】
表示装置９１は、液晶表示パネルまたはＣＲＴ（陰極線管）等からなり、原子間力顕微鏡１０により観察される試料Ｍの画像および光学顕微鏡２０により観察される試料Ｍの画像を表示する。
【０１１９】
ＲＯＭ９２にはシステムプログラムが記憶される。記録媒体駆動装置９６は、ＣＤ（コンパクトディスク）ドライブ、ＤＶＤ（デジタルバーサタイルディスク）ドライブ等からなり、ＣＤ、ＤＶＤドライブ等の記録媒体９８に対してデータの読み書きを行う。
【０１２０】
記録媒体９８には、後述するたわみ量設定プログラムおよびたわみ量調整プログラムが記録されている。
【０１２１】
入力装置９５は、キーボードおよびマウス等からなり、使用者が種々の指令およびデータの入力をするために用いられる。本実施の形態では、例えば後述する初期値およびカンチレバーの種類がキーボードにより入力され、後述する調整値がマウスにより指定される。
【０１２２】
外部記憶装置９７は、ハードディスク装置等からなり、記録媒体駆動装置９６を介して記録媒体９８から読み込まれたたわみ量設定プログラムおよびたわみ量調整プログラムを記憶する。
【０１２３】
ＣＰＵ９４は、外部記憶装置９７に記憶されたたわみ量設定プログラムおよびたわみ量調整プログラムをＲＡＭ９３上で実行し、パーソナルコンピュータ１Ｂの各構成部を制御するとともに、プローブ走査装置１Ａに種々の信号を出力する。
【０１２４】
なお、記録媒体９８の代わりにＲＯＭ等の半導体メモリ、ハードディスク装置等の他の記録媒体を用いてもよい。また、たわみ量設定プログラムおよびたわみ量調整プログラムをインターネットを通して外部記憶装置９７にダウンロードしてもよい。
【０１２５】
（１−ｃ）  コンタクトモードを用いる原子間力顕微鏡の制御系の詳細
プローブ走査装置１Ａの原子間力顕微鏡１０の制御系の詳細を説明する。ここで、コンタクトモードとは、原子間力顕微鏡１０において、後述の探針を試料Ｍに接触する位置まで近付けて試料表面に沿って走査させる観察モードである。
【０１２６】
図４は、図１の原子間力顕微鏡１０のコンタクトモードを用いる場合の制御系を示すブロック図である。
【０１２７】
原子間力顕微鏡１０は、板バネ状のカンチレバー１００、探針１０１および圧電素子１１０を含む。
【０１２８】
カンチレバー１００の先端に探針１０１が設けられている。この探針１０１を探針１０１と試料Ｍとの間で原子間力が生じるように試料Ｍに近付ける。これにより、カンチレバー１００が上下方向にたわむ。
【０１２９】
ＡＦＭスキャナ１１内に設けられた圧電素子１１０により試料Ｍ表面に沿った探針１０１の走査が行われる。圧電素子１１０は、試料Ｍ表面に沿って探針１０１を走査させるために、カンチレバー１００をＸ方向およびＹ方向に移動させる。
【０１３０】
なお、探針１０１を固定した状態で試料載置台３０の移動プレート３０ａ（図１）をＸ方向およびＹ方向に移動させることにより、試料Ｍ表面に沿った探針１０１の走査を行ってもよい。また、圧電素子１１０の代わりにボイスコイルモータを用いてもよい。
【０１３１】
圧電素子１１０は、カンチレバー１００のたわみ量を一定に保つように、すなわち、探針１０１と試料Ｍとの間に生じる原子間力を一定に保つようにカンチレバー１００をＺ軸方向に動作させる。探針１０１と試料Ｍとの間の原子間力を一定に保つために圧電素子１１０に印加した電圧値の変化に基づいてＺ方向におけるカンチレバー１００の位置情報が取得される。この位置情報から試料Ｍの３次元的な表面形状に関する形状情報が取得される。これにより、その形状情報を画像化することが可能となる。
【０１３２】
なお、圧電素子１１０は、動作制御部８１により制御される。動作制御部８１は、ＣＰＵ１３１、変位検出部１３２、Ｚ方向サーボ回路１３３およびＸ−Ｙ方向サーボ回路１３４を含む。
【０１３３】
Ｚ方向サーボ回路１３３は、カンチレバー１００の探針１０１がＺ方向に動作するように圧電素子１１０を制御する。また、Ｘ−Ｙ方向サーボ回路１３４は、カンチレバー１００の探針１０１がＸ方向およびＹ方向に移動するように圧電素子１１０を制御する。変位検出部１３２については後述する。
【０１３４】
ここで、試料Ｍ表面の凹凸により生じるカンチレバー１００のたわみ量を一定に保つための原子間力顕微鏡１０における動作について説明する。
【０１３５】
カンチレバー１００には、例えば歪ゲージ等を含む変位センサが内蔵される。これにより、カンチレバー１００の微小な変位に応じた信号が出力される。
【０１３６】
変位センサの出力信号は、動作制御部８１の変位検出部１３２に与えられる。それにより変位検出部１３２は、カンチレバー１００のたわみ量を検出する。
【０１３７】
動作制御部８１のＣＰＵ１３１は、変位検出部１３２により検出されたカンチレバー１００のたわみ量に基づいて、このたわみ量を一定に保つように圧電素子１１０を制御する。
【０１３８】
動作制御部８１は、図３のインターフェイス部８０を介してパーソナルコンピュータ１Ｂに接続されている。これにより、上述のように、カンチレバー１００のＺ方向の変位（カンチレバー保持部のＺ方向の変位）がケーブルｃａを通じてパーソナルコンピュータ１Ｂに送られる。それにより、パーソナルコンピュータ１Ｂの図３の表示装置９１に、試料Ｍの３次元的な形状情報に基づく画像が映し出される。
【０１３９】
なお、本実施の形態においては、原子間力顕微鏡１０の測定モードとして、コンタクトモードを用いているが、これに限定されるものではなく、探針１０１を試料Ｍに接触させることなく探針１０１を共振させ、試料Ｍ表面の近傍を走査させるノンコンタクトモード（ダンピングモード）を用いてもよい。
【０１４０】
上記では、カンチレバー１００のたわみ量を検出するために、カンチレバー１００に変位センサを内蔵する自己検知方式が用いられているが、レーザ光をカンチレバー１００に照射し、カンチレバー１００からの反射光を光検出器により検出してカンチレバー１００のたわみ量を検出する光てこ方式を用いてもよい。
【０１４１】
（２）  顕微鏡システムによる試料の観察手順
顕微鏡システム１による試料Ｍの観察手順について説明する。図５は、本発明の一実施の形態に係る顕微鏡システム１の操作手順の一例を示すフローチャートである。
【０１４２】
図５に示すように、使用者は、図１の試料載置台３０の移動プレート３０ａ上に試料Ｍを載置し（ステップＳ１）、光学顕微鏡２０による試料Ｍの観察を行う（ステップＳ２）。
【０１４３】
このステップＳ２において、使用者は、例えば光学顕微鏡２０の倍率の調整、原子間力顕微鏡１０による試料Ｍの観察対象領域の探索、および原子間力顕微鏡１０による試料Ｍの観察対象領域の指定等を行う。
【０１４４】
なお、原子間力顕微鏡１０による試料Ｍの観察対象領域の探索時において、使用者は例えば光学顕微鏡２０の位置調整を行う。具体的には、上述の圧電素子１１０により探針１０１が移動可能な領域の中心と、光学顕微鏡２０による観察視野の中心とが一致するように、光学顕微鏡２０の位置を調整する。この位置調整は、使用者が図１のＹ方向操作ノブ６０ａおよび上下方向操作ノブ６０ｂを操作することにより行われる。
【０１４５】
次いで、使用者は、原子間力顕微鏡１０による試料Ｍの観察条件を設定する（ステップＳ３）。
【０１４６】
使用者による観察条件の設定には、図４のカンチレバー１００のたわみ量の調整が含まれる。なお、本実施の形態において、使用者によるカンチレバー１００のたわみ量の調整は、後述する顕微鏡システム１のたわみ量設定処理後に行われる。
【０１４７】
このように、使用者は、観察条件の設定として少なくともカンチレバー１００のたわみ量の調整を行った後、原子間力顕微鏡１０による試料Ｍの観察を行う（ステップＳ４）。その結果、使用者は観察対象領域における試料Ｍの正確な３次元形状を得ることができる。
【０１４８】
（３）  適切なたわみ量の自動設定
本実施の形態に係る顕微鏡システム１においては、例えばカンチレバー１００の取り付け時またはカンチレバー１００の交換時に、カンチレバー１００のたわみ量が自動的にそのカンチレバー１００に適切とされるたわみ量（後述の基準たわみ量）に設定される。
【０１４９】
たわみ量設定処理の詳細を説明する。図６は、顕微鏡システム１によるたわみ量設定処理の詳細を説明するための図である。
【０１５０】
図６（ａ）に示すように、たわみ量設定処理の開始時において、原子間力顕微鏡１０では、探針１０１が試料Ｍ上に近づけられ、探針１０１を保持するカンチレバー１００が一定のたわみ量を保つように試料Ｍの任意の１ライン上を往復走査される。図６（ａ）では、Ｘ方向位置Ｐ１，Ｐ２間でカンチレバー１００を往復走査する例が示されている。
【０１５１】
このときのたわみ量を初期値と呼ぶ。初期値は、予めパーソナルコンピュータ１Ｂの外部記憶装置９７（図３）に記憶されている。また、使用者は入力装置９５（図３）を操作することにより所望の初期値を外部記憶装置９７に記憶させてもよい。
【０１５２】
ここで、初期値が実際に試料Ｍを観察する際に適切とされるたわみ量よりも十分に小さい場合を想定する。ここでいう適切なたわみ量とは、カンチレバー１００に設けられた探針１０１が走査方向にかかわらず十分に試料Ｍの表面に追従するときのカンチレバー１００のたわみ量をいう。
【０１５３】
この場合、Ｘ方向位置Ｐ１からＸ方向位置Ｐ２にかけての往路（実線矢印）では、探針１０１がカンチレバー１００により引っ張られるように試料Ｍの表面上を走査される。また、Ｘ方向位置Ｐ２からＸ方向位置Ｐ１にかけての復路（点線矢印）では、探針１０１がカンチレバー１００により押し進められるように試料Ｍの表面上を走査される。
【０１５４】
そのため、初期値が適切なたわみ量よりも十分に小さい場合、試料Ｍの表面に対する探針１０１の追従性は、往路と復路とで大きく異なる。
【０１５５】
その結果、図６（ｂ）に示すように、試料Ｍの１ライン上で測定される試料Ｍの表面形状、すなわちカンチレバー１００が走査されることにより測定される試料Ｍの表面の高さ（Ｚ方向位置）の変化が、往路（実線）と復路（点線）とで大きく異なる。この場合、試料Ｍの正確な３次元形状を得ることはできない。
【０１５６】
以下の説明において、往路で測定される試料Ｍの高さに関するデータを往路高さデータと称し、復路で測定される試料Ｍの高さに関するデータを復路高さデータと称する。
【０１５７】
上記のように、往路高さデータと復路高さデータとが大きく異なる場合、原子間力顕微鏡１０では、カンチレバー１００が初期値よりも所定量大きいたわみ量を保つように試料Ｍの表面上を再度往復走査される。それにより、新たなたわみ量が再設定され、そのたわみ量で試料Ｍの表面形状が再測定される。図６（ｃ）に、新たに設定されたたわみ量での試料Ｍの測定結果が示されている。
【０１５８】
このように、たわみ量設定処理時においては、カンチレバー１００のたわみ量の再設定、および試料Ｍの表面形状の測定が繰り返される。その結果、図６（ｄ）に示すように、往路高さデータと復路高さデータとがほぼ等しくなったときのたわみ量が基準たわみ量として設定される。
【０１５９】
なお、本実施の形態に係る顕微鏡システム１において、たわみ量設定処理時に図６（ｂ）〜図６（ｄ）に示す測定結果は図３の表示装置９１には表示されないが、使用者が基準たわみ量を手動により設定する場合には、表示装置９１に試料Ｍの測定結果が表示される。
【０１６０】
したがって、使用者による基準たわみ量の手動設定時において、使用者は表示装置９１に表示される試料Ｍの測定結果に基づいてカンチレバー１００のたわみ量を調整し、基準たわみ量を設定する。
【０１６１】
上記の例では、基準たわみ量の設定は、往路高さデータと復路高さデータとがほぼ等しくなった場合に行われるが、基準たわみ量の設定基準については後述する。
【０１６２】
たわみ量設定処理の流れを説明する。たわみ量設定処理は、外部記憶装置９７に記憶されるたわみ量設定プログラムをパーソナルコンピュータ１ＢのＣＰＵ９４（図３）が実行することにより行われる。
【０１６３】
図７は、たわみ量設定プログラムのフローチャートである。顕微鏡システム１によるたわみ量設定処理は、使用者が入力装置９５を操作してＣＰＵ９４にたわみ量設定プログラムを実行する旨の指令を与えることにより開始される。
【０１６４】
図７に示すように、ＣＰＵ９４は、初めに外部記憶装置９７から予め設定されている初期値を読み込み、カンチレバー１００のたわみ量を初期値に設定する（ステップＳ２１）。
【０１６５】
次に、ＣＰＵ９４は、設定されたたわみ量を保つように試料Ｍの表面にカンチレバー１００を往復走査させる（ステップＳ２２）。ここで、ステップＳ２２の最初の処理において設定されたたわみ量は上述の初期値である。
【０１６６】
このステップＳ２２の処理により、試料Ｍの１ライン上の往路高さデータおよび復路高さデータが取得される。
【０１６７】
そこで、ＣＰＵ９４は、表示装置９１の画面上における同一のピクセルに対応する往路高さデータと復路高さデータとを１ピクセル毎に比較し、それらの差分の絶対値（以下、差分値と呼ぶ。）を算出し、さらに算出された複数の差分値の総和を算出する（ステップＳ２３）。
【０１６８】
続いて、ＣＰＵ９４は、算出された差分値の総和が予め定められたしきい値以下であるか否かを判別する（ステップＳ２４）。差分値の総和がしきい値以下である場合、ＣＰＵ９４は、現在のたわみ量を基準たわみ量として設定する（ステップＳ２５）。
【０１６９】
ここで、ステップＳ２４において用いられるしきい値は、予めカンチレバーの種類等に応じて決定されており、外部記憶装置９７に記憶されている。
【０１７０】
ステップＳ２４において、差分値の総和がしきい値以下でない場合、ＣＰＵ９４は、カンチレバー１００のたわみ量を所定量変化させることによりたわみ量を再設定する（ステップＳ２６）。そして、ＣＰＵ９４はステップＳ２２〜Ｓ２４の処理を繰り返す。
【０１７１】
（４）  たわみ量の調整
上述のように、本実施の形態に係る顕微鏡システム１においては、顕微鏡システム１のたわみ量設定処理後、実際の試料Ｍの観察前に使用者が入力装置９５（図３）を操作してカンチレバー１００のたわみ量の調整を行う。
【０１７２】
たわみ量の調整時において、使用者はカンチレバー１００の種類を入力し、表示装置９１（図３）に表示される調整用スライドバーを入力装置９５のマウスにより操作する。
【０１７３】
調整用スライドバーについて説明する。図８は、たわみ量の調整時に表示装置９１に表示される調整用スライドバーを示す図である。
【０１７４】
図８によれば、調整用スライドバーＶは、スライドラインＶ１、移動ボタンＶ２，Ｖ３、つまみＶ４およびグラデーションラインＶ５を含む。
【０１７５】
使用者は、入力装置９５のマウスを用いてつまみＶ４または移動ボタンＶ２，Ｖ３を操作することによりたわみ量の調整値を指定する。それにより、カンチレバー１００のたわみ量の調整を行うことができる。
【０１７６】
図８において、スライドラインＶ１は、調整値に対応する長さで表示される。スライドラインＶ１上に表示されたつまみＶ４を移動させることにより任意の調整値を指定することができる。また、移動ボタンＶ２，Ｖ３をマウスでクリック操作することにより調整値を１ずつ増減することができる。
【０１７７】
グラデーションラインＶ５には、調整値に対応する階調、または調整値に対応する色彩が表示される。それにより、使用者は調整値を指定する際に、感覚的にたわみ量の調整値を認識することができる。
【０１７８】
たわみ量を調整する際に、カンチレバー１００を試料Ｍの１ライン上で走査させた後、上述の測定結果を表示装置９１に表示させる。この場合、使用者は、カンチレバー１００のたわみ量の調整結果を認識することができる。
【０１７９】
調整値の１単位に相当するたわみ量は、予め図３の外部記憶装置９７に記憶されたたわみ量テーブルにおいてカンチレバー１００の種類に関連付けられた調整単位により決定される。
【０１８０】
図９は、たわみ量テーブルの一例を示す図である。図９に示すように、たわみ量テーブルでは、例えばカンチレバー１００の種類と、調整単位とが互いに関連付けされている。
【０１８１】
図９の例では、カンチレバー１００の種類Ａ、ＢおよびＣの各々に調整単位１ｎｍ、２ｎｍおよび３ｎｍが関連付けされている。これにより、たわみ量の調整時に使用者がカンチレバー１００の種類をＡと入力した場合、調整値の１単位に相当するたわみ量は１ｎｍに決定される。
【０１８２】
使用者のたわみ量の調整時に行われる顕微鏡システム１のたわみ量調整処理の流れを説明する。たわみ量調整処理は、外部記憶装置９７に記憶されるたわみ量調整プログラムをパーソナルコンピュータ１ＢのＣＰＵ９４（図３）が実行することにより行われる。
【０１８３】
図１０は、たわみ量調整プログラムのフローチャートである。顕微鏡システム１によるたわみ量調整処理は、使用者が入力装置９５を操作してＣＰＵ９４にたわみ量調整プログラムを実行する旨の指令を与えることにより開始される。
【０１８４】
初めに、ＣＰＵ９４は、使用者の操作により入力装置９５からカンチレバー１００の種類が入力されたか否かを判別する（ステップＳ３１）。カンチレバー１００の種類が入力された場合、ＣＰＵ９４は、外部記憶装置９７に記憶されている上述のたわみ量テーブルに基づいて、入力されたカンチレバー１００の種類に関連付けられた調整単位を読み込む（ステップＳ３２）。一方、カンチレバー１００の種類が入力さない場合、ＣＰＵ９４は、ステップＳ３１の動作を繰り返す。
【０１８５】
次に、ＣＰＵ９４は図８の調整用スライドバーＶを表示装置９１に表示する（ステップＳ３３）。なお、この処理は上記のステップＳ３１およびステップＳ３２の前に行われてもよい。
【０１８６】
ここで、ＣＰＵ９４は、使用者が入力装置９５により調整用スライドバーＶを操作することにより調整値が指定されたか否かを判別する（ステップＳ３４）。
【０１８７】
調整値が指定された場合、ＣＰＵ９４は、指定された調整値および読み込んだ調整単位に基づいてカンチレバー１００の実際のたわみ量の調整量を算出する（ステップＳ３５）。そして、ＣＰＵ９４は、算出された調整量に基づいてカンチレバー１００のたわみ量の調整を行う（ステップＳ３６）。それにより、たわみ量調整処理が終了する。
【０１８８】
（５）  効果
本実施の形態に係る顕微鏡システム１においては、試料Ｍが試料載置台３０の移動プレート３０ａ上に載置され、ＡＦＭスキャナ１１の圧電素子１１０によりカンチレバー１００に取り付けられた探針１０１がＸＹ方向に走査されるとともに、探針１０１と移動プレート３０ａ上の試料Ｍとの間の距離と一定の関係を有するカンチレバー１００のたわみ量が変位検出部１３２により検出される。
【０１８９】
このとき、検出されるたわみ量が一定値になるようにＺ方向におけるカンチレバー１００の位置がＡＦＭスキャナ１１の圧電素子１１０により変化される。そして、ＣＰＵ９４、動作制御部８１および圧電素子１１０により、カンチレバー１００の位置に対応する位置情報が取得されるとともに、その位置情報から移動プレート３０ａ上の試料Ｍの表面形状に関する形状情報が取得される。このようにして、試料Ｍの表面形状が観察される。
【０１９０】
基準たわみ量の設定時には、ＣＰＵ９４が、カンチレバー１００を移動プレート３０ａ上の試料Ｍの表面上の一方向および逆方向に相対的に移動させ、同一位置において取得される位置情報の差が予め定められた範囲内になるように基準たわみ量を設定する。また、ＣＰＵ９４は、基準たわみ量に対応する基準値を設定する。それにより、基準たわみ量がそのカンチレバー１００の特性のばらつきにかかわらず最適な値に設定される。
【０１９１】
その後、使用者は、ＣＰＵ９４により基準たわみ量に対応する基準値を調整することにより基準たわみ量を調整することができる。これにより、使用者は試料Ｍの観察条件に応じて基準たわみ量を容易に所望の値に調整することができる。その結果、試料Ｍを容易かつ迅速に観察することが可能となる。
【０１９２】
本実施の形態では、コンタクトモードを用いる原子間力顕微鏡１０を備えるプローブ走査装置１Ａについて説明したが、ノンコンタクトモードを用いる原子間力顕微鏡１０を備えるプローブ走査装置１Ａにおいても上記と同様の効果を得ることができる。
【０１９３】
ここで、ノンコンタクトモードとは、上述のように、原子間力顕微鏡１０において、自由端に探針１０１を備え、所定の大きさで振動するカンチレバー１００を振動の大きさが一定に保たれるように試料表面に沿って走査させる観察モードである。この場合、上記のたわみ量に代えてカンチレバー１００の実効振幅を試料Ｍの観察条件として用いる。
【０１９４】
また、本実施の形態に係る観察方法は、試料Ｍ表面に探針１０１を近接させ、その探針１０１を一定のたわみ量で支持するカンチレバー１００の位置情報に基づいて試料Ｍの形状情報を得ることが可能な顕微鏡システム１であれば、原子間力顕微鏡１０以外の走査型プローブ顕微鏡を備える他の顕微鏡システムにも適用できる。
【０１９５】
原子間力顕微鏡１０以外の走査型プローブ顕微鏡としては、例えば走査型トンネル顕微鏡、走査型磁気力顕微鏡および静電気力顕微鏡等がある。
【０１９６】
（６）  請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応関係
以上、本発明の一実施の形態に係る顕微鏡システム、観察方法および観察プログラムにおいて、試料載置台３０の移動プレート３０ａの上面は載置面に相当し、カンチレバー１００は保持部材に相当し、Ｘ方向およびＹ方向は載置面に平行な方向に相当し、ＡＦＭスキャナ１１の圧電素子１１０は走査手段に相当し、カンチレバー１００のたわみ量は物理量に相当し、パーソナルコンピュータ１ＢのＣＰＵ９４、プローブ走査装置１Ａの動作制御部８１および圧電素子１１０は取得手段に相当する。
【０１９７】
また、カンチレバー１００に内蔵された変位センサおよび変位検出部１３２は検出手段に相当し、基準たわみ量は物理量の一定値に相当し、試料載置台３０のＺ方向移動機構３０ｂおよびＸＹ方向移動機構３０ｃは駆動手段に相当し、Ｚ方向におけるカンチレバー１００の位置情報は位置情報に相当し、カンチレバー１００が走査されることにより測定される試料Ｍの表面の高さ（Ｚ方向位置）は形状情報に相当し、パーソナルコンピュータ１ＢのＣＰＵ９４は設定手段、制御手段および調整手段に相当する。
【０１９８】
さらに、ＣＰＵ９４が設定する基準たわみ量は基準値に相当し、図８の調整用スライドバーにおいて、たわみ量の調整時に表示されるつまみＶ４の位置に対応する調整値は初期基準値に相当し、図８の調整用スライドバーにおいて、スライドラインＶ１の長さに対応する調整値の範囲は基準値の調整可能な範囲に相当する。
【０１９９】
また、表示装置９１は表示手段および画像表示装置に相当し、入力装置９５のマウスおよびキーボードは指定手段に相当する。
【産業上の利用可能性】
【０２００】
本発明は、光学顕微鏡、原子間力顕微鏡および走査型電子顕微鏡等を用いる顕微鏡システムに有効に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【０２０１】
【図１】本発明の一実施の形態に係る顕微鏡システムの外観を示す図である。
【図２】図１のプローブ走査装置の組立て斜視図である。
【図３】顕微鏡システムの制御系を説明するためのブロック図である。
【図４】図１の原子間力顕微鏡のコンタクトモードを用いる場合の制御系を示すブロック図である。
【図５】本発明の一実施の形態に係る顕微鏡システムの操作手順の一例を示すフローチャートである。
【図６】顕微鏡システムによるたわみ量設定処理の詳細を説明するための図である。
【図７】たわみ量設定プログラムのフローチャートである。
【図８】たわみ量の調整時に表示装置に表示される調整用スライドバーを示す図である。
【図９】たわみ量テーブルの一例を示す図である。
【図１０】たわみ量調整プログラムのフローチャートである。
【図１１】従来のプローブ走査装置を示す模式図である。
【符号の説明】
【０２０２】
１  顕微鏡システム
１Ａ  プローブ走査装置
１Ｂ  パーソナルコンピュータ
１０  原子間力顕微鏡
１１  ＡＦＭスキャナ
２０  光学顕微鏡
３０  試料載置台
３０ａ  移動プレート
３０ｂ  Ｚ方向移動機構
３０ｃ  ＸＹ方向移動機構
８１  動作制御部
９１  表示装置
９４  ＣＰＵ
９５  入力装置
１００  カンチレバー
１０１  探針
１１０  圧電素子
１３２  変位検出部
Ｍ  試料
Ｖ１  スライドライン
Ｖ４  つまみ
Ｖ５  グラデーションライン
【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】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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