(57)【要約】【課題】温度ドリフトの影響のない試料の物性値を反映した複数の画像を短時間で取得する走査型プローブ顕微鏡を提供する。【解決手段】試料の物性値を反映した画像を最初に取得する際には、ＸＹＺスキャナー１２によりプローブ２１を二次元走査して試料Ｓの三次元情報を取得し、その二次元走査の方向と取得した三次元情報とに基づいてプローブ走査軌道を演算部２５により算出し、算出したプローブ走査軌道はメモリー２７に保存し、プローブ走査軌道に従ってプローブ２１をＸＹＺスキャナー１２により走査して試料の物性値を反映した画像を取得し、試料の物性値を反映した画像をそれ以降に取得する際には、メモリー２７に保存されているプローブ走査軌道に従ってプローブ２１をＸＹＺスキャナー１２により走査して試料Ｓの物性値を反映した画像を取得する。【選択図】      図１
2007278896.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料の物性値を反映した画像を取得する走査型プローブ顕微鏡であり、
プローブを自由端に備えたカンチレバーと、
前記試料に対して前記プローブを走査する走査手段と、
前記プローブの動きを検出する検出手段と、
前記試料の表面形状の三次元情報と温度ドリフトに対する補正データとを互いに関連づけて保存する保存手段と、
前記物性値を測定する際のプローブ走査軌道を前記三次元情報と前記補正データに基づいて算出する演算手段とを有し、
試料の物性値を反映した画像を最初に取得する際には、前記走査手段により前記プローブを二次元走査して前記三次元情報と前記補正データを取得し、取得した前記三次元情報と前記補正データに基づいて前記プローブ走査軌道を前記演算手段により算出し、算出した前記プローブ走査軌道を前記保存手段に保存し、算出した前記プローブ走査軌道に従って前記プローブを前記走査手段により走査して前記試料の物性値を反映した画像を取得し、
試料の物性値を反映した画像をそれ以降に取得する際には、前記保存手段に保存されている前記プローブ走査軌道に従って前記プローブを前記走査手段により走査して前記試料の物性値を反映した画像を取得する、走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記補正データが前記二次元走査の副走査の方向である、請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】
前記補正データが前記二次元走査の副走査の方向と速さである、請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
前記プローブ走査軌道が関数である、請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
前記演算部が前記プローブ走査軌道の有効時間を設定する、請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】
前記演算部が温度に基づいて前記プローブ走査軌道を補正する、請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】
前記物性値が磁気力である、請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項８】
試料の物性値を反映した画像を取得する走査型プローブ顕微鏡であり、
プローブを自由端に備えたカンチレバーと、
前記試料に対して前記プローブを走査する走査手段と、
前記プローブの動きを検出する検出手段と、
前記試料の表面形状の三次元情報と温度ドリフトに対する補正データとを互いに関連づけて保存する保存手段と、
前記保存手段に保存されている前記三次元情報とこれに対応する前記補正データとに基づいて前記物性値を測定する際のプローブ走査軌道を算出する演算手段とを有し、
試料の物性値を反映した画像を最初に取得する際には、前記走査手段により前記試料に対して前記プローブをＸＹ平面に沿ってＸＹ走査するとともに前記検出手段により得られる前記プローブの動きに基づいて前記試料と前記プローブの間の距離を測定して前記試料の表面形状の三次元情報を取得し、前記三次元情報を取得した際の前記ＸＹ走査の方向を前記補正データとして前記三次元情報と共に両者を関連づけて前記保存手段に保存し、前記保存手段に互いに関連づけて保存されている前記三次元情報と前記補正データとに基づいて前記物性値を測定する際の前記プローブ走査軌道を前記演算手段により算出し、算出した前記プローブ走査軌道を前記保存手段に保存し、算出した前記プローブ走査軌道に従って前記プローブを前記走査手段により走査するとともに前記検出手段で得られる前記プローブの動きに基づいて前記試料の物性値を測定して前記試料の物性値を反映した画像を取得し、
試料の物性値を反映した画像をそれ以降に取得する際には、前記保存手段に保存されている前記プローブ走査軌道に従って前記プローブを前記走査手段により走査するとともに前記検出手段で得られる前記プローブの動きに基づいて前記試料の物性値を測定して前記試料の物性値を反映した画像を取得する、走査型プローブ顕微鏡。
【請求項９】
前記保存手段は、前記ＸＹ走査におけるＸ軸に沿ったＸ走査とＹ軸に沿ったＹ走査のうち、Ｘ走査に比べて遅いＹ走査の方向を前記補正データとして保存する、請求項８に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１０】
前記保存手段は、Ｙ走査における＋Ｙ方向と−Ｙ方向とを前記補正データとしてそれぞれ＋Ｙ方向のＸＹ走査時の三次元情報と−Ｙ方向のＸＹ走査時の三次元情報とに関連づけて保存する、請求項９に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１１】
前記保存手段は、前記走査方向に加えて走査速度を補正データとして保存する、請求項８に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１２】
前記保存手段は、前記Ｙ走査の方向に加えて前記Ｙ走査の走査速度を補正データとして保存する、請求項９に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１３】
前記保存手段は、前記＋Ｙ走査方向と前記−Ｙ走査方向とに加えて前記＋Ｙ走査時の走査速度と前記−Ｙ走査時の走査速度をそれぞれ補正データとして保存する、請求項１０に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１４】
前記演算部は、前記試料の物性値を反映した画像を取得する際に前記メモリーに保存されている前記プローブ走査軌道を使用するか否かを判断する、請求項８に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１５】
前記演算部は、前記プローブ走査軌道の有効時間を保持する時間リミットを含み、前記プローブ走査軌道の算出に使用した前記補正データを取得した時刻からの経過時間と前記有効時間とを比較して前記プローブ走査軌道を使用するか否かを判断する、請求項８に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１６】
前記演算部は、前記プローブ走査軌道を関数として算出する、請求項８に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１７】
前記プローブと前記試料の間に存在する構造物の温度を検出する温度検出手段をさらに有し、前記演算部は、前記温度検出手段で検出される温度に基づいて前記プローブ走査軌道を補正する、請求項８に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１８】
走査型プローブ顕微鏡によって試料の物性値を反映した画像を取得する方法であり、
試料の物性値を反映した画像を最初に取得する際には、プローブを二次元走査して前記試料の表面形状の三次元情報を取得し、前記三次元情報と前記二次元走査の方向とに基づいてプローブ走査軌道を算出するとともにこれを保存しておき、前記プローブ走査軌道に従って前記プローブを走査して前記試料の物性値を反映した画像を取得し、
試料の物性値を反映した画像をそれ以降に取得する際には、保存されている前記プローブ走査軌道に従って前記プローブを走査して前記試料の物性値を反映した画像を取得する、走査型プローブ顕微鏡によって試料の物性値を反映した画像を取得する方法。
【請求項１９】
走査型プローブ顕微鏡によって試料の物性値を反映した画像を取得する方法であり、
試料の物性値を反映した画像を最初に取得する際には、前記試料に対してプローブをＸＹ平面に沿ってＸＹ走査するとともに前記プローブの動きに基づいて前記試料と前記プローブの間の距離を測定して前記試料の表面形状の三次元情報を取得し、前記三次元情報を取得した際の前記ＸＹ走査の方向を補正データとして前記三次元情報と共に両者を関連づけて保存し、互いに関連づけて保存されている前記三次元情報と前記補正データとに基づいて前記物性値を測定する際のプローブ走査軌道を算出し、算出した前記プローブ走査軌道を保存し、前記プローブ走査軌道に従って前記プローブを走査するとともに前記プローブの動きに基づいて前記試料の物性値を測定して前記試料の物性値を反映した画像を取得し、
試料の物性値を反映した画像をそれ以降に取得する際には、保存されている前記プローブ走査軌道に従って前記プローブを走査するとともに前記プローブの動きに基づいて前記試料の物性値を測定して前記試料の物性値を反映した画像を取得する、走査型プローブ顕微鏡によって試料の物性値を反映した画像を取得する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料の物性値を反映した画像を取得する走査型プローブ顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は、径が数ｎｍ程度と微小なプローブにより、原子間力やトンネル電流、磁気力といった試料の物性値の力を検出し、それを画像化できる応用性の高い顕微鏡で、広く馴染みのある装置である。
【０００３】
ＳＰＭにおいて、図５に示されるように、プローブ２１の走査軌道Ｌと試料Ｓの表面との間に傾きが生じていると、試料Ｓに対してプローブ２１を二次元的に走査する際に、プローブ２１の先端と試料Ｓの表面との間の距離を一定に保つことができないため、正しくＳＰＭ測定を行なえない場合がある。例えば、磁気力の検出である。磁気力の検出は、試料から発する微量の磁気力を検出する必要があるが、磁気力には極性や、磁気力のない個所もあり、磁気力を検出したプローブ２１の変化の情報によりプローブ２１の先端と試料Ｓの表面との間を適切な距離とすることはできない。したがって、磁気力を安定して検出するには、試料Ｓの表面とプローブ２１の先端との間の距離を最適にし、その最適な距離を一定に保ちつつ、プローブＳを二次元に走査することが望ましい。しかし、試料Ｓとプローブ２１の二次元の走査面に傾きが生じていると、プローブ２１をＸ軸とＹ軸に沿って走査した場合に、Ｚ軸に沿った試料とプローブ２１の間の距離が変化するため、磁気力を検出できないケースが発生する。
【０００４】
この問題に対して、特許２８３７０８３号は、磁気力の測定を行なう際に、毎回、試料の表面形状をＳＰＭ測定によって取得し、直前に取得した試料の表面形状の情報に基づいてプローブと試料の間の距離を一定に保つプローブ走査軌道を算出し、このプローブ走査軌道に沿ってプローブを走査しながら磁気力を検出することによって、磁気力を安定して測定し得るＳＰＭを提案している。このＳＰＭでは、磁気力の測定を行なう際は、表面形状測定と磁気力測定とが交互に行なわれる。
【特許文献１】特許２８３７０８３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般的なＳＰＭ測定は、図６に示されるように、試料Ｓの表面上を、Ｘ軸に沿った走査⇒＋Ｙ方向にステップ⇒Ｘ軸に沿った走査を繰り返すシーケンスで行なわれ、多くの時間を要する。また、一般にＳＰＭでは、同一試料に対して複数枚の画像を連続して取得することが多く、このように連続して画像を取得する際には、Ｘ軸に沿った走査⇒＋Ｙ方向にステップ⇒Ｘ軸に沿った走査⇒＋Ｙ方向にステップを繰り返すシーケンスによる画像取得と、Ｘ軸に沿った走査⇒−Ｙ方向にステップ⇒Ｘ軸に沿った走査⇒−Ｙ方向にステップを繰り返すシーケンスによる画像取得とが繰り返し行なわれる。このＳＰＭでの画像取得には時間がかかるため、温度変化によって引き起こされる試料Ｓとプローブ２１の間に存在する構造物の熱収縮のために試料Ｓとプローブ２１との間の距離が変化してしまう、いわゆる温度ドリフトの影響を大きく受けてしまう。
【０００６】
特許２８３７０８３号のＳＰＭでは、目的の物性値、例えば、磁気力を検出して画像化する際に、温度ドリフトによる試料とプローブとの間の距離の変化を表面形状への影響を少なくするため、磁気力を測定するたびに、試料の表面形状情報を取得するため、最低でも通常の画像取得時間の二倍の時間を要する。また、プローブは摩耗するため、走査回数（走査距離）が多いほど、摩耗量も多くなる。
【０００７】
本発明は、このような実状を考慮して成されたものであり、その目的は、温度ドリフトの影響のない試料の物性値を反映した複数の画像を短時間で取得する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】
【０００８】
本発明は、一つの側面によると、試料の物性値を反映した画像を取得する走査型プローブ顕微鏡である。
【０００９】
本発明による走査型プローブ顕微鏡は、プローブを自由端に備えたカンチレバーと、前記試料に対して前記プローブを走査する走査手段と、前記プローブの動きを検出する検出手段と、前記試料の表面形状の三次元情報と温度ドリフトに対する補正データとを互いに関連づけて保存する保存手段と、前記物性値を測定する際のプローブ走査軌道を前記三次元情報と前記補正データに基づいて算出する演算手段とを有し、試料の物性値を反映した画像を最初に取得する際には、前記走査手段により前記プローブを二次元走査して前記三次元情報と前記補正データを取得し、取得した前記三次元情報と前記補正データに基づいて前記プローブ走査軌道を前記演算手段により算出し、算出した前記プローブ走査軌道を前記保存手段に保存し、算出した前記プローブ走査軌道に従って前記プローブを前記走査手段により走査して前記試料の物性値を反映した画像を取得し、試料の物性値を反映した画像をそれ以降に取得する際には、前記保存手段に保存されている前記プローブ走査軌道に従って前記プローブを前記走査手段により走査して前記試料の物性値を反映した画像を取得する。
【００１０】
本発明による別の走査型プローブ顕微鏡は、プローブを自由端に備えたカンチレバーと、前記試料に対して前記プローブを走査する走査手段と、前記プローブの動きを検出する検出手段と、前記試料の表面形状の三次元情報と温度ドリフトに対する補正データとを互いに関連づけて保存する保存手段と、前記保存手段に保存されている前記三次元情報とこれに対応する前記補正データとに基づいて前記物性値を測定する際のプローブ走査軌道を算出する演算手段とを有し、試料の物性値を反映した画像を最初に取得する際には、前記走査手段により前記試料に対して前記プローブをＸＹ平面に沿ってＸＹ走査するとともに前記検出手段により得られる前記プローブの動きに基づいて前記試料と前記プローブの間の距離を測定して前記試料の表面形状の三次元情報を取得し、前記三次元情報を取得した際の前記ＸＹ走査の方向を前記補正データとして前記三次元情報と共に両者を関連づけて前記保存手段に保存し、前記保存手段に互いに関連づけて保存されている前記三次元情報と前記補正データとに基づいて前記物性値を測定する際の前記プローブ走査軌道を前記演算手段により算出し、算出した前記プローブ走査軌道を前記保存手段に保存し、算出した前記プローブ走査軌道に従って前記プローブを前記走査手段により走査するとともに前記検出手段で得られる前記プローブの動きに基づいて前記試料の物性値を測定して前記試料の物性値を反映した画像を取得し、試料の物性値を反映した画像をそれ以降に取得する際には、前記保存手段に保存されている前記プローブ走査軌道に従って前記プローブを前記走査手段により走査するとともに前記検出手段で得られる前記プローブの動きに基づいて前記試料の物性値を測定して前記試料の物性値を反映した画像を取得する。
【００１１】
本発明は、別の側面によると、走査型プローブ顕微鏡によって試料の物性値を反映した画像を取得する方法である。
【００１２】
本発明による画像取得方法は、試料の物性値を反映した画像を最初に取得する際には、プローブを二次元走査して前記試料の表面形状の三次元情報を取得し、前記三次元情報と前記二次元走査の方向とに基づいてプローブ走査軌道を算出するとともにこれを保存しておき、前記プローブ走査軌道に従って前記プローブを走査して前記試料の物性値を反映した画像を取得し、試料の物性値を反映した画像をそれ以降に取得する際には、保存されている前記プローブ走査軌道に従って前記プローブを走査して前記試料の物性値を反映した画像を取得する。
【００１３】
本発明による別の画像取得方法は、試料の物性値を反映した画像を最初に取得する際には、前記試料に対してプローブをＸＹ平面に沿ってＸＹ走査するとともに前記プローブの動きに基づいて前記試料と前記プローブの間の距離を測定して前記試料の表面形状の三次元情報を取得し、前記三次元情報を取得した際の前記ＸＹ走査の方向を補正データとして前記三次元情報と共に両者を関連づけて保存し、互いに関連づけて保存されている前記三次元情報と前記補正データとに基づいて前記物性値を測定する際のプローブ走査軌道を算出し、算出した前記プローブ走査軌道を保存し、前記プローブ走査軌道に従って前記プローブを走査するとともに前記プローブの動きに基づいて前記試料の物性値を測定して前記試料の物性値を反映した画像を取得し、試料の物性値を反映した画像をそれ以降に取得する際には、保存されている前記プローブ走査軌道に従って前記プローブを走査するとともに前記プローブの動きに基づいて前記試料の物性値を測定して前記試料の物性値を反映した画像を取得する、走査型プローブ顕微鏡によって試料の物性値を反映した画像を取得する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、温度ドリフトの影響のない試料の物性値を反映した複数の画像を短時間で取得する走査型プローブ顕微鏡が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。以下の実施形態では、代表的に、試料の磁気力を反映した画像を取得する走査型プローブ顕微鏡の例を説明する。
【００１６】
＜第一実施形態＞
図１は、本発明の第一実施形態による走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）を概略的に示している。
【００１７】
図１に示されるように、走査型プローブ顕微鏡１０は、試料Ｓが載せられる試料台１１と、プローブ２１を自由端に備えたカンチレバー２２と、試料Ｓとプローブ２１をＸ軸とＹ軸とＺ軸に沿って相対的に移動させるＸＹＺスキャナー１２と、プローブ２１（実際にはカンチレバー２２の自由端）の動きを検出する検出器２４と、カンチレバー２２に振動を与えてプローブ２１を振動させる加振機器２３と、走査軌道を算出する演算部２５と、ＸＹＺスキャナー１２を制御する制御装置２６と、諸情報を記憶しておくメモリー２７とを有している。
【００１８】
カンチレバー２２は加振機器２３に保持されている。試料台１１はＸＹＺスキャナー１２に支持されている。ＸＹＺスキャナー１２はベース１３に固定されている。検出器２４と加振機器２３と制御装置２６とメモリー２７と演算部２５は、ベース１３に立てて固定されたフレーム１４に支持されているヘッド部１５内に内蔵されている。
【００１９】
ＸＹＺスキャナー１２は、これに限らないが、例えば圧電チューブスキャナーで構成されてよい。検出器２４は、これに限らないが、例えば光てこ法を利用した光学系で構成されてよい。
【００２０】
二次元走査（ＸＹ走査）は、試料に対してプローブを主走査軸に沿って高速で往復移動させる主走査に試料に対してプローブを副走査軸に沿って低速で移動させる副走査を組み合わせて行なわれる。通常、主走査軸にＸ軸が設定され、副走査軸にＹ軸が設定される。
【００２１】
主走査（Ｘ走査）は高速なので、一回の主走査（Ｘ走査）の間に取得されるデータの相互間に温度ドリフトの影響は通常は無視してよい。しかし、副走査（Ｙ走査）は低速なので、一回の副走査（Ｙ走査）が終了するまでの間すなわち一回の二次元走査（ＸＹ走査）が終了するまでの間に取得されるデータの相互間において温度ドリフトの影響を無視できない場合がある。この場合、ＸＹ走査の終期に取得したデータは、ＸＹ走査の初期に取得したデータと比較して、一回のＸＹ走査に要する時間中の温度ドリフトに起因する誤差を含んでいる。
【００２２】
ＸＹ走査は、副走査軸に沿った移動方向によって、試料に対してプローブをＸ軸に沿って高速で往復移動させながら＋Ｙ方向に低速で移動させるものと、試料に対してプローブをＸ軸に沿って高速で往復移動させながら−Ｙ方向に低速で移動させるものとに分けられる。以下では、前者を＋Ｙ方向のＸＹ走査、前者を−Ｙ方向のＸＹ走査と呼んで両者を区別することにする。
【００２３】
まず、試料Ｓの表面形状の三次元情報と温度ドリフトに対する補正データを取得する動作を説明する。
【００２４】
加振機器２３によりカンチレバー２２に振動を与え、プローブ２１をＺ軸に沿って振動させる。プローブ２１の動きすなわちＺ軸に沿った変位を検出器２４で検出し、プローブ２１の振動周波数や振幅の変化を演算部２５によりモニターする。また、ＸＹＺスキャナー１２により試料Ｓとプローブ２１の間の距離を原子間力の検出に適した距離に近づける。この状態では、プローブ２１の振動周波数や振幅は、試料Ｓの表面とプローブ２１の先端との間のＺ軸に沿った距離に依存する。また、制御装置２６によりＸＹＺスキャナー１２をＸ軸とＹ軸に沿って駆動し、試料Ｓに対してプローブ２１をＸＹ走査する。ＸＹ走査中、プローブ２１の振動周波数や振幅を一定に維持するように、制御装置２６によりＸＹＺスキャナー１２をＺ軸に沿って駆動して、試料Ｓとプローブ２１の先端との間の距離をフィードバック制御（Ｚ走査）する。そのフィードバック制御量は、試料Ｓの表面とプローブ２１の先端との間の距離（試料形状と温度ドリフトが含まれたもの）を反映している。これを、そのＸＹ平面内の位置における試料Ｓの高さ情報（Ｚ値）として取得する。つまり、ＸＹ平面内の位置を示すＸ値およびＹ値と、その位置におけるＺ値とからなる座標データを取得する。ＸＹ走査の間、Ｚ値の取得を所定のタイミングで繰り返して、多数の（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の座標データを取得する。このようにして得られる座標データの集合は、試料Ｓの表面形状を反映した曲面を規定する。これら（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の座標データの集合を試料Ｓの表面形状の三次元情報としてメモリー２７に保存する。さらに、その時のＸＹ走査におけるプローブ２１のＹ走査の方向（＋Ｙ方向または−Ｙ方向）をＹ補正データ（＋Ｙ補正データまたは−Ｙ補正データ）として三次元情報に関連づけてメモリー２７に保存する。関連づけは、例えば、三次元情報のファイルネームを、プローブ２１のＹ走査の方向のパラメーター値（＋Ｙ，−Ｙ）としてもよいし、記号化したりしてもよい。
【００２５】
次に、試料Ｓの磁気力を検出し、磁気力を反映した画像を複数枚連続して取得する動作を説明する。
【００２６】
加振機器２３によりカンチレバー２２に振動を与え、プローブ２１をＺ軸に沿って振動させる。プローブ２１の動き動きすなわちＺ軸に沿った変位を検出器２４で検出し、プローブ２１の振動周波数や振幅の変化を演算部２５によりモニターして磁気力を検出する。磁気力を検出しながら、プローブ２１を試料Ｓに低速で接近させていき、または、プローブ２１を試料Ｓに接触した状態から遠ざけていき、磁気力を安定して検出できるように、試料Ｓとプローブ２１の間の距離を調整する。つまり、ＸＹＺスキャナー１２により試料Ｓとプローブ２１の間の距離を磁気力の検出に適した距離に調整する。ここで、試料Ｓとプローブ２１の間の距離は既知量としてもよい。この状態では、プローブ２１の振動周波数や振幅は、試料Ｓとプローブ２１の間に作用する磁気力に依存する。
【００２７】
ここで、一枚目の画像を取得する際のプローブ２１のＸＹ走査の副走査方向を＋Ｙ方向とする。次に、Ｙ走査の方向に基づいて、Ｙ補正データをメモリー２７から読み出し、演算部２５により走査軌道を算出する。（ここでは、Ｙ走査方向は、＋Ｙ方向であるので、＋Ｙ補正データをメモリー２７から読み出す。）算出した走査軌道はメモリー２７に保存する。続いて、制御装置２６によりＸＹＺスキャナー１２をＸ軸とＹ軸とＺ軸に沿って駆動し、算出した走査軌道に従って試料Ｓに対してプローブ２１を走査する。走査中、所定のタイミングで繰り返しプローブ２１の振動周波数や振幅の変化に基づいて磁気力を検出し、その検出結果をその位置における磁気力情報として取得する。このようにして取得した多数の位置における磁気力情報に基づいて、＋Ｙ方向のＸＹ走査における試料Ｓの磁気力を反映した画像を取得する。
【００２８】
次に、二枚目の画像を連続して効率良く取得するため、プローブ２１のＹ走査の方向を−Ｙ方向に変更する。また、Ｙ補正データは、Ｙ走査の方向に合わせて−Ｙ補正データをメモリー２７から読み出し、演算部２５により走査軌道を算出する。算出した走査軌道はメモリー２７に保存する。続いて、制御装置２６によりＸＹＺスキャナー１２をＸ軸とＹ軸とＺ軸に沿って駆動し、算出した走査軌道に従って試料Ｓに対してプローブ２１を走査する。走査中、所定のタイミングで繰り返しプローブ２１の振動周波数や振幅の変化に基づいて磁気力を検出し、その検出結果をその位置における磁気力情報として取得する。このようにして取得した多数の位置における磁気力情報に基づいて、−Ｙ方向のＸＹ走査における試料Ｓの磁気力を反映した画像を取得する。
【００２９】
これ以降は、上記と同様に、プローブ２１のＹ走査の方向（＋Ｙ方向または−Ｙ方向）を順番に変更しながら、プローブ２１のＹ走査の方向（＋Ｙ方向または−Ｙ方向）に応じて、メモリー２７に記憶されている対応するプローブ走査軌道に従ってプローブ２１を走査しながら磁気力の測定を行ない、磁気力の測定によって得られた多数の位置における磁気力情報に基づいて、試料Ｓの磁気力を反映した画像を順に取得していく。
【００３０】
本実施形態では、試料Ｓの磁気力の測定に先立って試料Ｓの表面形状の三次元情報を取得する際に、温度ドリフトに対する補正データとしてＸＹ走査における低速の副走査であるＹ走査の方向（±Ｙ方向）を取得し、これを三次元情報に関連づけて保存しておく。試料Ｓの磁気力を測定する際は、一回目に、保存されている三次元情報とＹ走査の方向（±Ｙ方向）とに基づいて磁気力測定用のプローブ走査軌道を算出し、算出したプローブ走査軌道に従ってプローブ２１を走査しながら試料Ｓの磁気力を測定し、測定結果に基づいて試料Ｓの磁気力を反映した画像を作成する。Ｙ走査の方向（±Ｙ方向）を考慮して算出したプローブ走査軌道は温度ドリフトの影響が排除されているので、磁気力測定中のプローブ２１の先端と試料Ｓとの間の距離が最適化される。算出したプローブ走査軌道は保存しておく。二回目以降では、保存されているプローブ走査軌道を読み出し、このプローブ走査軌道に従ってプローブ２１を走査しながら試料Ｓの磁気力を測定し、測定結果に基づいて試料Ｓの磁気力を反映した画像を作成する。このように、試料Ｓの磁気力の測定のたびに試料Ｓの表面形状の三次元情報を取得しないので、試料Ｓの磁気力を反映した複数の画像を短時間で取得できる。
【００３１】
本実施形態では、試料Ｓを移動させるＸＹＺスキャナー１２は、試料Ｓに対してプローブ２１を走査する走査手段を構成している。しかし、走査手段はこれに限定されるものではなく、プローブ２１と試料Ｓを相対的に移動させさえすれば、どのような構成であってもよい。走査手段は、プローブ２１をＸ軸とＹ軸とＺ軸に沿って移動させるＸＹＺスキャナーで構成されもよい。または、プローブ２１と試料Ｓの一方をＸ軸とＹ軸に沿って移動させるＸＹスキャナーと、プローブ２１と試料Ｓの他方をＺ軸に沿って移動させるＺスキャナーとで構成されてもよい。
【００３２】
＜第二実施形態＞
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、基本的に第一実施形態と同様な構成を有している。本実施形態では、補正データとしてメモリー２７に保存する情報が第一実施形態と相違している。
【００３３】
本実施形態において磁気力を反映した画像を取得する手順は基本的に第一実施形態と同じである。ただし本実施形態では、試料Ｓの表面形状の三次元情報を取得する際に、温度ドリフトに対する補正データとして、ＸＹ走査のＹ走査の方向（±Ｙ方向）と速さをメモリー２７に保存する。また、磁気力を測定する際のプローブ走査軌道は、メモリー２７に互いに関連づけて保存されている三次元情報とＹ走査の方向および速さとに基づいて演算部２５により算出する。そのほかは第一実施形態と同じである。
【００３４】
本実施形態では、試料Ｓの磁気力の測定に先立って試料Ｓの表面形状の三次元情報を取得する際に、温度ドリフトに対する補正データとしてＸＹ走査における低速の副走査であるＹ走査の方向（±Ｙ方向）と速さを三次元情報に関連づけて保存しておく。試料Ｓの磁気力を測定する際は、一回目に、保存されている三次元情報とＹ走査の方向（±Ｙ方向）とに基づいて磁気力測定用のプローブ走査軌道を算出し、算出したプローブ走査軌道に従ってプローブ２１を走査しながら試料Ｓの磁気力を測定し、測定結果に基づいて試料Ｓの磁気力を反映した画像を作成する。プローブ走査軌道はＹ走査の方向（±Ｙ方向）に加えて速さを考慮して算出されているので、温度ドリフトの影響が第一実施形態よりもさらに好適に排除され、磁気力測定中のプローブ２１の先端と試料Ｓとの間の距離が最適化される。算出したプローブ走査軌道は保存しておく。二回目以降では、保存されているプローブ走査軌道を読み出し、このプローブ走査軌道に従ってプローブ２１を走査しながら試料Ｓの磁気力を測定し、測定結果に基づいて試料Ｓの磁気力を反映した画像を作成する。このように、試料Ｓの磁気力の測定のたびに試料Ｓの表面形状の三次元情報を取得しないので、試料Ｓの磁気力を反映した複数の画像を短時間で取得できる。
【００３５】
＜第三実施形態＞
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡の装置構成は基本的に第一実施形態と同様である。本実施形態は、走査軌道の算出の仕方において第一実施形態と相違している。
【００３６】
本実施形態では、走査軌道を関数として算出する。例えば、試料Ｓの表面形状を平面と想定し、走査軌道として、適当な三点の座標データから平面の関数（例えばｅ＝ａＸ＋ｂＹ＋ｃＺ）を算出する。想定する関数は平面の関数に限るものではなく、試料Ｓの表面形状を表わす関数であれば、どのような関数であってもよい。また、試料Ｓの表面形状を表わす関数ではなく、Ｘ走査とＹ走査ごとに傾きの関数（例えばＹ＝ａＸ＋ｂ）を想定してもよい。つまり、走査軌道は一つの関数として算出しても、複数の関数の組み合わせとして算出してもよい。そのほかの動作は第一実施形態と同じである。
【００３７】
走査軌道の関数は、メモリー２７に保存されている試料Ｓの表面形状の三次元情報（多数の点の座標データ）に基づいて想定してよい。あるいは、三次元情報をメモリー２７に保存する段階で、三次元情報を演算部２５により平面などの関数に変換して保存してもよい。また、試料Ｓの表面形状があらかじめ分かっている場合には、第一実施形態で説明したような多数点の座標データの取得は行なわずに、その表面形状を表わす関数の算出に必要な個数の座標データだけを取得してもよい。例えば、算出する関数が平面の関数であれば、三点の座標データだけを取得すればよい。
【００３８】
本実施形態では、プローブ走査軌道を関数とすることにより、プローブ走査軌道としてメモリー２７に保存するデータ量が低減する。また、プローブ走査軌道の算出や磁気力測定時の走査制御などを簡単な取り扱いとすることができる。
【００３９】
＜第四実施形態＞
図２は、本発明の第四実施形態による走査型プローブ顕微鏡を概略的に示している。本実施形態の走査型プローブ顕微鏡の装置構成は基本的に第一実施形態と同じである。図２において、図１に示された部材と同一の参照符号で指示された部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
【００４０】
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡では、演算部２５がプローブ走査軌道の有効時間を設定する。このため演算部２５は時計３１と時間リミット３２を有している。時間リミット３２は、演算部２５により算出されたプローブ走査軌道の有効時間の情報を保持する。有効時間は、温度変化と時間の関係を考慮して決定する。
【００４１】
第一実施形態と同様に、試料Ｓの磁気力の測定に先立って試料Ｓの表面形状の三次元情報を取得し、取得した三次元情報はメモリー２７に保存する。また、この三次元情報を取得した際のＹ走査の方向を補正データとして三次元情報に関連づけてメモリー２７に保存する。
【００４２】
本実施形態ではさらに、補正データを保存するタイミングで、演算部２５により時計３１から時刻情報を読み出し、読み出した時刻情報を補正データに関連づけてメモリー２７に保存する。
【００４３】
補正データと時刻情報の関連づけは、例えば、三次元情報のファイルネームを、プローブ２１のＹ走査の方向のパラメーター値に、時刻情報を加えたものとしてもよいし、記号化したりしてもよい。
【００４４】
一回目の試料Ｓの磁気力の測定は第一実施形態と同様に行なう。つまり、演算部２５により走査軌道を算出し、算出した走査軌道をメモリー２７に保存する。算出した走査軌道に従って試料Ｓに対してプローブ２１を走査しながら、所定のタイミングで繰り返しプローブ２１の振動周波数や振幅の変化に基づいて磁気力を測定する。
【００４５】
ここでいう一回目の測定は＋Ｙ方向のＹ走査と−Ｙ方向のＹ走査のおのおのに関してである。また続く説明中の二回目以降の測定は＋Ｙ方向のＹ走査と−Ｙ方向のＹ走査のおのおのに関してである。
【００４６】
二回目以降に試料Ｓの磁気力を測定する際、まず、メモリー２７に保存されている走査軌道を使用するか否かを演算部２５により判断する。走査軌道を使用するか否かの判断は次のようにして行なう。走査軌道の算出に用いた補正データに関連づけて保存されている時刻情報をメモリー２７から読み出す。読み出した時刻情報を時計３１の時刻と比較して補正データの経過時間を算出する。算出した経過時間を時間リミット３２に保持されている有効時間と比較する。経過時間が有効時間よりも短い場合は、第一実施形態と同様に、メモリー２７から走査軌道を読み出し、読み出した走査軌道を使用して磁気力の測定を行なう。また、経過時間が有効時間よりも長い場合は、一回目の測定と同じ手順に従って磁気力の測定を行なう。
【００４７】
図３に本実施形態の変形例を示す。図３に示すように、演算部２５にインターフェース３３を設け、メモリー２７に保存されているプローブ走査軌道の有効時間をユーザーにより設定するようにしてもよい。また、演算部２５に判断を任せる代わりに、試料Ｓの磁気力を測定する都度、インターフェース３３により三次元情報と補正データの取得時刻を表示して、プローブ走査軌道の使用の可否をユーザーが判断するようにしてもよい。
【００４８】
本実施形態では、メモリー２７に保存している走査軌道の有効性を経過時間に基づいて、言い換えれば温度ドリフトの変化を考慮して見直している。これにより、常に好適な条件で磁気力の測定を行なえる。
【００４９】
＜第五実施形態＞
図４は、本発明の第五実施形態による走査型プローブ顕微鏡を概略的に示している。本実施形態の走査型プローブ顕微鏡の装置構成は第一実施形態とほとんど同じである。図２において、図１に示された部材と同一の参照符号で指示された部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
【００５０】
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡の構成に加えて、フレーム１４に取り付けられた温度センサー４１を有している。温度センサー４１は、ヘッド部１５とベース１３との間において、フレーム１４に取り付けられている。フレーム１４の温度変化によるプローブ２１と試料Ｓの１℃あたりの伸縮量は、伸縮量係数（線膨張係数）として、メモリー２７に保存されている。この伸縮量係数は、実際のＳＰＭ測定の測定結果から算出してもよい。また、フレーム１４の熱膨張係数とプローブ試料間の距離との関数としてもよい。
【００５１】
試料Ｓの磁気力の測定に先立って、試料Ｓの表面形状の三次元情報を取得する。試料Ｓの表面形状の三次元情報の取得は第一実施形態と同様に行なう。つまり、加振機器２３によりプローブ２１を振動させ、ＸＹＺスキャナー１２により試料Ｓとプローブ２１の間の距離を原子間力の検出に適した距離に近づけ、ＸＹＺスキャナー１２により試料Ｓに対してプローブ２１をＸＹ走査する。ＸＹ走査中、プローブ２１の振動周波数や振幅を一定に維持するように、ＸＹＺスキャナー１２により試料プローブ間距離をフィードバック制御（Ｚ走査）する。そのフィードバック量をＸＹ平面内の位置（Ｘ値，Ｙ値）における試料Ｓの高さ情報（Ｚ値）として取得する。これを所定のタイミングで繰り返して多数の座標データを取得し、これらを試料Ｓの表面形状の三次元情報としてメモリー２７に保存する。さらに、そのＸＹ走査におけるプローブ２１のＹ走査の方向（＋Ｙ方向または−Ｙ方向）をＹ補正データ（＋Ｙ補正データまたは−Ｙ補正データ）として三次元情報に関連づけてメモリー２７に保存する。
【００５２】
本実施形態においても、第一実施形態と同様に、試料Ｓの磁気力の測定の際には、メモリー２７に保存されている三次元情報と補正データとに基づいて算出された走査軌道に従って、ＸＹＺスキャナー１２により試料Ｓに対してプローブ２１をＸＹ走査する。ただし本実施形態では、ＸＹＺスキャナー１２による走査と同時に、演算部２５によって、伸縮係数をメモリー２７から呼び出し、温度センサー４１により得られる温度情報を参照し、リアルタイム（または一定時間間隔ごと）にプローブ走査軌道のＺ値を補正する。Ｚ値の補正は、例えば、［補正後のＺ値］＝［補正前のＺ値］＋［伸縮係数］×［温度変化量］の式に従って行なう。この補正されたプローブ走査軌道に従ってプローブ２１を走査しながら磁気力を測定し、磁気力の測定によって得られたＸＹ平面内の多数の位置における磁気力情報に基づいて、試料Ｓの磁気力を反映した画像を取得する。
【００５３】
本実施形態では、温度ドリフト量を決める温度変化の情報を取得し、取得した温度変化の情報に基づいてプローブ走査軌道を補正する。これにより、常に好適なプローブ走査軌道を使用して磁気力を測定できる。
【００５４】
これまで、図面を参照しながら本発明の実施形態を述べたが、本発明は、これらの実施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。
【００５５】
上述した実施形態では、試料の磁気力を画像化する（磁気力を反映した画像を取得する）ＳＰＭの例を説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、ほかの物性値を画像化するＳＰＭ、例えばＫＦＭ（Kelvin Probe Force Microscope）であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の第一実施形態による走査型プローブ顕微鏡を概略的に示している。
【図２】本発明の第四実施形態による走査型プローブ顕微鏡を概略的に示している。
【図３】本発明の第四実施形態の変形例を示している。
【図４】本発明の第五実施形態による走査型プローブ顕微鏡を概略的に示している。
【図５】走査型プローブ顕微鏡における試料とプローブの位置関係を示している。
【図６】走査型プローブ顕微鏡における二次元走査すなわちＸＹ走査のシーケンスを示している。
【符号の説明】
【００５７】
１０…走査型プローブ顕微鏡、１１…試料台、１２…ＸＹＺスキャナー、１３…ベース、１４…フレーム、１５…ヘッド部、２１…プローブ、２２…カンチレバー、２３…加振機器、２４…検出器、２５…演算部、２６…制御装置、２７…メモリー、３１…時計、３２…時間リミット、３３…インターフェース、４１…温度センサー。
【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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