(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スキャナでプローブと試料の相対位置を三次元的に変位させて、試料の形状や物理量を測定する走査型プローブ顕微鏡のスキャナ駆動方法において、
前記スキャナのＺ軸方向の長さ値および走査位置を示す値とから補正パラメータを求め、
前記補正パラメータを用いて前記スキャナのＺ軸の駆動量を補正することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡のスキャナ駆動方法。
【請求項２】
スキャナでプローブと試料の相対位置を三次元的に変位させて、試料の形状や物理量を測定する走査型プローブ顕微鏡のスキャナ駆動方法において、
前記スキャナのＺ軸方向の長さ値と、走査位置を示す値と、形状像測定時に設定される走査範囲の値とから補正パラメータを求め、
前記補正パラメータを用いて前記スキャナのＺ軸の駆動量を補正することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡のスキャナ駆動方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の方法を選択して使用することができることを特徴とする、走査型プローブ顕微鏡のスキャナ駆動方法。
【請求項４】
前記スキャナが、ボイスコイルモータを用いたことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡のスキャナ駆動方法。
【請求項５】
試料表面の形状情報や物理情報を測定する走査型プローブ顕微鏡であって、
プローブと、
前記プローブを試料表面に平行なＸＹ方向および前記試料表面に垂直なＺ方向に相対的に移動させるスキャナと、
前記スキャナのＺ方向の移動を制御する第一駆動信号発生部と、
前記スキャナのＸＹ方向の移動を制御する第二駆動信号発生部と、
前記スキャナの駆動体部のＺ軸方向の長さ値を予め記憶しておく記憶部と、
前記記憶部から得られる前記スキャナの駆動体部の長さと、前記第二駆動信号発生部から得られる試料表面上の走査位置とから、前記試料表面に平行なＸ方向に相対的に走査した際に前記プローブの先端部が直線移動するように補正する補正パラメータを算出するΔＺ算出部とを備え、
前記ΔＺ算出部で算出された補正パラメータに基づいて、前記第一駆動信号発生部で前記スキャナのＺ方向の駆動量を可変することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】
前記ΔＺ算出部が、あらかじめ設定した走査範囲値を追加して補正値を算出することを特徴とする請求項５に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】
前記スキャナが、ボイスコイルモータからなることを特徴とする請求項５または６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、原子間力顕微鏡をはじめとする走査型プローブ顕微鏡のスキャナ駆動方法に関し、特に、プローブまたは試料が円弧状に走査されることに起因するエラーの影響を回避できるようにする走査型プローブ顕微鏡のスキャナ駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
走査型プローブ顕微鏡はその名が示すように、鋭利な先端を持つプローブ（探針）で試料表面上を相対的に走査して測定を行う装置であり、原子・分子配列を含めた試料表面の形状情報や静電気力・表面電位・磁気力などの物理量を測定することができる。
【０００３】
そして走査型プローブ顕微鏡では、プローブ（または試料）を走査するのに「スキャナ」と総称される駆動機構が用いられている。従来スキャナには、微小変位の制御が容易な圧電素子が用いられることが多かったが、圧電素子には「リニアリティが低い」「走査範囲を大きくできない」といったデメリットもあるため、最近では高いリニアリティを有する「ボイスコイルモータ」を用いたものが登場してきている（例：特許３１２８５１２号）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ボイスコイルモータをスキャナに用いる場合、スキャナのＸ、Ｙ、Ｚの各軸に対してそれぞれ１基ずつ合計３基のボイスコイルモータが必要になる。すなわち、例えば図１に示すような構成となる。従って、このスキャナをＸＹ方向に走査するとスキャナの駆動体部はＺ軸駆動用ボイスコイルモータとの連結点を支点として円弧状に動く。これにより、走査されるプローブ（または試料）は走査位置Ｘに応じてＺ方向にΔＺだけ変位することになる（図２）。従って、表面形状を測定する場合、試料表面が全体として平面状であっても、測定される形状像は誤差成分ΔＺによって曲面状になってしまう。このエラーは「円弧エラー」などと呼ばれ、走査範囲が広いほど影響が大きくなる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明においては、走査型プローブ顕微鏡のスキャナ駆動方法において、
スキャナの駆動体部のＺ軸方向の長さ値を予め記憶しておく手段と、
該長さ値および現在の走査位置を示す値から補正パラメータを求める手段または、該長さ値、形状像測定時に設定される走査範囲の値、および現在の走査位置を示す値から補正パラメータを求める手段と、
該補正パラメータを用いてスキャナのＺ軸の駆動量を補正する手段
とを含む方法とした。
【０００６】
なお、本発明の方法では、スキャナの駆動体部の先端にセットされるプローブまたは試料の寸法を考慮する必要がない。プローブ走査タイプ（図２）を例に取ると、プローブの先端点Ａ、スキャナの駆動体部４の先端部の点Ｂ、および支点Ｐの相対的な位置関係（各点間の距離や角度など）は、走査中のどの状態においても変わらないので、点Ｂの動きを補正することで点Ａの動きの補正に代えることができる。従って、スキャナの駆動体部のみのＺ軸方向の長さ（線分ＰＢの長さ）値が与えられれば本発明の方法による補正が可能になる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
（１）  第一実施形態例
【０００８】
本発明のスキャナ駆動方法による第一実施形態例を説明するための図を図３および図４に示した。
【０００９】
図３は、補正パラメータの求め方を説明する図で、わかりやすくするために図２から支点Ｐおよび駆動体部４の先端部の点Ｂを抜き出して線分ＰＢで駆動体部４を代表させ、さらに、説明に必要な情報を追記している。
【００１０】
ここで点Ｂは、走査位置Ｘに応じてＺ方向にΔＺだけ変位し、円弧７上を動く。このとき、点ＰをΔＺだけ押し下げるようにスキャナのＺ軸の駆動量を補正すると、点Ｂが直線８上を動くようにできる。図３より、ΔＺは次式で求められる。
ΔＺ＝Ｒ−（Ｒ2−Ｘ2）1/2
つまりΔＺは、走査位置Ｘと線分ＰＢの長さ（図２におけるスキャナの駆動体部４のＺ軸方向の長さ）Ｒから求められる。
【００１１】
図４は、第一実施形態例のブロック図である。Ｘ軸駆動信号発生部１０は、Ｘ軸駆動信号１４を発生し、Ｘ軸駆動用ボイスコイルモータ１に出力してスキャナのＸ軸を駆動するとともにΔＺ算出部１３にも送る。ΔＺ算出部１３は、Ｘ軸駆動信号１４を受け取って現在の走査位置Ｘを求め、このＸと長さ値Ｒ記憶部１２に記憶された駆動体部４のＺ軸方向の長さ値Ｒとから補正パラメータΔＺを求めて、Ｚ軸駆動信号発生部１１に送る。Ｚ軸駆動信号発生部１１は、受け取ったΔＺを用いて補正を行い、補正されたＺ軸駆動信号１５をＺ軸駆動用ボイスコイルモータ３に出力してスキャナのＺ軸を駆動する。
【００１２】
なお、図４中、点線で囲まれた長さ値Ｒ記憶部１２およびΔＺ算出部１３は通常、その機能をプログラムしたソフトウェアとして実装される。
（２）第二実施形態例
【００１３】
本発明のスキャナ駆動方法による第二実施形態例を説明するための図を図５および図６に示した。
【００１４】
図５は、補正パラメータの求め方を説明する図で、わかりやすくするために図２から支点Ｐおよび駆動体部４の先端部の点Ｂを抜き出して線分ＰＢで駆動体部４を代表させ、さらに、説明に必要な情報を追記している。
【００１５】
ここで点Ｂは、走査位置Ｘに応じてＺ方向にΔＺだけ変位し、円弧７上を動く。このとき、点ＰをΔＺ’だけ押し上げるようにスキャナのＺ軸の駆動量を補正すると、点Ｂが直線９上を動くようにできる。図５より、ΔＺ’は次式で求められる。
ΔＺ’＝（Ｒ2−Ｘ2）1/2−（Ｒ2−ＸS2）1/2
なお、ここでＸSは、形状像測定時に設定される走査範囲の値Ｓから求められる値である。通常Ｓは、正方形の走査範囲の一辺の長さで表されることが多いので、ＸS＝Ｓ／２と考えてよい。つまりΔＺ’は、このＸS、走査位置Ｘ、および線分ＰＢの長さ（図２におけるスキャナの駆動体部４のＺ軸方向の長さ）Ｒから求められる。
【００１６】
図６は、第二実施形態例のブロック図である。走査範囲設定部１６は、操作者によって設定された走査範囲の値Ｓを記憶するとともに、Ｓから走査範囲の上限を定める値ＸSを求めてＸ軸駆動信号発生部１０およびΔＺ算出部１３に送る。Ｘ軸駆動信号発生部１０は、走査範囲がＸSを越えないようにＸ軸駆動信号１４を発生し、Ｘ軸駆動用ボイスコイルモータ１に出力してスキャナのＸ軸を駆動するとともにΔＺ算出部１３に送る。ΔＺ算出部１３は、Ｘ軸駆動信号１４を受け取って現在の走査位置Ｘを求め、このＸと走査範囲設定部１６から受け取ったＸSと長さ値Ｒ記憶部１２に記憶された駆動体部４のＺ軸方向の長さ値Ｒとから補正パラメータΔＺを求めて、Ｚ軸駆動信号発生部１１に送る。Ｚ軸駆動信号発生部１１は、受け取ったΔＺを用いて補正を行い、補正されたＺ軸駆動信号１５をＺ軸駆動用ボイスコイルモータ３に出力してスキャナのＺ軸を駆動する。
【００１７】
なお、図６中、点線で囲まれた長さ値Ｒ記憶部１２、ΔＺ算出部１３、および走査範囲設定部１６は通常、その機能をプログラムしたソフトウェアとして実装される。
各図においては、プローブ走査タイプでかつプローブにカンチレバーを用いた構成を例に取っているが、本発明における「特許請求の範囲」はこの構成に限定されない。すなわち、試料走査タイプである場合や、カンチレバー以外のプローブが用いられる場合も含まれる。
【００１８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、プローブまたは試料が直線状に走査されるようにすることが可能となり、円弧上に走査されることに起因するエラーの影響を回避して、より正確な形状像の測定が行えるようになる。
【００１９】
【図面の簡単な説明】
【図１】ボイスコイルモータを用いたスキャナの構成例を示す模式図。
【図２】円弧エラーΔＺが発生するメカニズム、および、プローブ５の先端点Ａ、駆動体部４の先端部の点Ｂ、および円弧運動の支点となるＺ軸駆動用ボイスコイルモータ３と駆動体部４の連結点Ｐの相対的な位置関係を示す模式図。
【図３】本発明のスキャナ駆動方法による第一実施形態例を説明するための図。
【図４】本発明のスキャナ駆動方法による第一実施形態例の基本構成を示すブロック図。
【図５】本発明のスキャナ駆動方法による第二実施形態例を説明するための図。
【図６】本発明のスキャナ駆動方法による第二実施形態例の基本構成を示すブロック図。
【符号の説明】
１  Ｘ軸駆動用ボイスコイルモータ
２  Ｙ軸駆動用ボイスコイルモータ
３  Ｚ軸駆動用ボイスコイルモータ
４  駆動体部（注：Ｚ軸駆動用ボイスコイルモータ３によって駆動される、Ｚ軸駆動用ボイスコイルモータ３との連結点からプローブ５との接続点までの全体を指す）
５  プローブ
６  従来の技術による走査時に、プローブ５の先端点Ａが描く円弧
７  従来の技術による走査時に、走査時に駆動体部４の先端部の点Ｂが描く円弧
８  本発明のスキャナ駆動方法による第一実施形態例において、走査時に駆動体部４の先端部の点Ｂが描く直線
９  本発明のスキャナ駆動方法による第二実施形態例において、走査時に駆動体部４の先端部の点Ｂが描く直線
１０  Ｘ軸駆動信号発生部
１１  Ｚ軸駆動信号発生部
１２  長さ値Ｒ記憶部
１３  ΔＺ算出部
１４  Ｘ軸駆動信号
１５  Ｚ軸駆動信号
１６  走査範囲設定部
【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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