(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料と探針をピエゾ素子を用いて相対的にＸ方向とＹ方向に２次元走査するようにした走査プローブ顕微鏡において、走査の基本波形に歪補正波形を加算し、Ｘ方向とＹ方向の走査信号波形を作成するようにすると共に、走査方向の角度をθとした場合、Ｘ方向の歪補正波形およびＹ方向の歪補正波形のそれぞれのｓｉｎθ成分とｃｏｓθ成分を独立して設定できるように構成した走査プローブ顕微鏡において、
Ｘｓ，ＹｓをそれぞれＸ方向とＹ方向の走査信号とし、他の記号を下記のとおりとした場合、Ｘｓ，Ｙｓは、次の式によって作成されることを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
Ｘｓ＝Ｍ１（ｘ＋ｃｏｍｐＸ（ａｘ＋ｂｘ2＋ｃ））＊ｃｏｓθ
＋Ｍ３（ｙ＋ｃｏｍｐＹ´（ｄｙ＋ｅｙ2＋ｆ））＊ｓｉｎθ
＋Ｘｏｆｓ
Ｙｓ＝Ｍ２（ｙ＋ｃｏｍｐＹ（ｄｙ＋ｅｙ2＋ｆ））＊ｃｏｓθ
−Ｍ４（ｘ＋ｃｏｍｐＸ´（ａｘ＋ｂｘ2＋ｃ））＊ｓｉｎθ
＋Ｙｏｆｓ
ｘ：Ｘ方向の基本波形（三角波）
ｙ：Ｙ方向の基本波形（三角波）
Ｍ１〜Ｍ４：走査倍率（振幅）
（ａｘ＋ｂｘ2＋ｃ）：Ｘ方向の歪補正波形
（ｄｙ＋ｅｙ2＋ｆ）：Ｙ方向の歪補正波形
ｃｏｍｐＸ：Ｘ方向の歪補正波形の振幅を変えるための係数
ｃｏｍｐＸ´：Ｘ方向の歪補正波形の振幅を変えるための係数
ｃｏｍｐＹ：Ｙ方向の歪補正波形の振幅を変えるための係数
ｃｏｍｐＹ´：Ｙ方向の歪補正波形の振幅を変えるための係数
θ：基準方向に対する走査方向の回転角度
Ｘｏｆｓ：走査領域を決めるためのＸ方向のオフセット位置
Ｙｏｆｓ：走査領域を決めるためのＹ方向のオフセット位置
【請求項２】
試料と探針をピエゾ素子を用いて相対的にＸ方向とＹ方向に２次元走査するようにした走査プローブ顕微鏡において、走査の基本波形に歪補正波形を加算し、Ｘ方向とＹ方向の走査信号波形を作成するようにすると共に、走査方向の角度をθとした場合、Ｘ方向の歪補正波形およびＹ方向の歪補正波形のそれぞれのｓｉｎθ成分とｃｏｓθ成分を独立して設定できるように構成した走査プローブ顕微鏡において、
Ｘｓ，Ｙｓを走査信号とし、他の記号を下記のとおりとした場合、Ｘｓ，Ｙｓは、次の式によって作成されることを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
Ｘｓ＝Ｍ１｛（ｘ＋ａｘ＋ｂｘ2＋ｃ）＊ｃｏｓθ
＋Ｍ３（ｙ＋ｄｙ＋ｅｙ2＋ｆ）＊ｓｉｎθ｝＋Ｘｏｆｓ
Ｙｓ＝Ｍ２｛（ｙ＋ｇｙ＋ｈｙ2＋ｉ）＊ｃｏｓθ
−Ｍ４（ｘ＋ｊｘ＋ｋｘ2＋１）＊ｓｉｎθ｝＋Ｙｏｆｓ
ｘ：Ｘ方向の基本波形（三角波）
ｙ：Ｙ方向の基本波形（三角波）
Ｍ１〜Ｍ４：走査倍率（振幅）
（ａｘ＋ｂｘ2＋ｃ）：Ｘ方向の歪補正波形
（ｊｘ＋ｋｘ2＋ｌ）：Ｘ方向の歪補正波形
（ｄｙ＋ｅｙ2＋ｆ）：Ｙ方向の歪補正波形
（ｇｙ＋ｈｙ2＋ｉ）：Ｙ方向の歪補正波形
θ：基準方向に対する走査方向の回転角度
Ｘｏｆｓ：走査領域を決めるためのＸ方向のオフセット位置
Ｙｏｆｓ：走査領域を決めるためのＹ方向のオフセット位置
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、走査トンネル顕微鏡や原子間力顕微鏡などの走査プローブ顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
走査トンネル顕微鏡を始めとした走査プローブ顕微鏡は、金属、半導体、絶縁体、高分子材料、生体試料等の表面形状および物性を観察することが可能な顕微鏡である。このような走査プローブ顕微鏡では、試料とプローブ（探針）とを相対的に微小距離移動させ、試料の所定の２次元領域をプローブによって走査するようにしている。
【０００３】
この微小距離の移動機構としては、微小量の機械的な移動が可能な圧電体が用いられている。この移動機構の構造には、トライポット形やチューブ形等があるが、対称性が良く、ＸＹ軸方向（走査）での最大変位に対するサイズが小さく、肉厚を薄くして、印加電圧当たりの変位を大きくしても、剛性が保たれるなどの特徴から、チューブ形の圧電体が多く用いられている。
【０００４】
図１はチューブ構造の移動機構（スキャナ）の一例を示しており、１はフレキシブルに変形する圧電体チューブである。チューブ１の表面には軸対称に４枚の薄板状の電極２〜５が貼り付けられている。この４枚の電極の内、対向する２枚の電極２、４はＸ方向駆動用の電極、３と５はＹ方向駆動用の電極である。なお、Ｙ方向駆動用の電極５は、チューブ１の裏側に設けられているため、図示されていない。
【０００５】
チューブ１の先端部には、リング状の電極６が貼り付けられているが、この電極６はＺ方向駆動用の電極である。なお、チューブ１の内側には、電極２〜６に対応して接地電位の電極が貼りつけられているが、それらの電極は図示されていない。チューブ１の先端部には探針（プローブ）７が先端に設けられたカンチレバー８に取り付けられており、図示していないが、このカンチレバー８に接近して試料が配置される。
【０００６】
このような構造で、電極２とチューブ形圧電体１の内側に電極２に対応して貼りつけられた接地電位の電極との間に、電源から正の電圧が印加されると、圧電体１は伸び、電極４とチューブ形圧電体１の内側に電極４に対応して貼りつけられた接地電位の電極との間に、負の電圧を印加すると、圧電体４は収縮することになる。この結果、チューブ１は全体としてＸ方向に曲げられ、プローブ７はＸ方向に移動させられる。
【０００７】
このプローブ７のＸ方向への曲がり量（Ｘ方向への変位量）は、電極への印加電圧の大きさによる。したがって、電極に印加する電圧を徐々に大きくしていけば、プローブ７は試料に対してＸ方向に走査されることになる。同様に電極３，５に極性が互いに逆の電圧を印加すれば、プローブ７はＹ方向に走査される。更に、電極６に電圧を印加することにより、プローブ７はＺ方向に移動させられる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このようにして、走査プローブ顕微鏡では、プローブに対向して配置される試料に対し、プローブはＸ、Ｙの２次元走査がなされる。ところで、圧電体の形状変化特性にはヒステリシスがあり、プローブの走査幅を大きくした場合には、ヒステリシスや非線形性の特性に起因する２次元走査の歪みが発生する。図２は圧電体のヒステリシス特性を示したもので、図中縦軸が印加電圧、横軸が圧電体に発生する力、すなわち移動距離である。
【０００９】
圧電体に取り付けられた電極に一方向に変位する電圧を印加すると、電圧の変化により圧電体は実線で示すような力を受け、その力に応じた距離の移動が生じる。圧電体に所定の大きさの電圧を印加した後、印加電圧を元に戻すように変化させると、圧電体に働く力（変位量）は実線のように変化せず、点線のように変化する。このような特性を有した圧電体により、プローブ７を往復２次元走査すると、得られる像（例えばトンネル顕微鏡像）は歪んだものとなる。
【００１０】
上記した観察像のＸＹ面上の歪を取り除く（補正する）ために、非線形電圧信号を電極に印加する方式が考えられている。この方式では、前もって図３（ａ）に示すごとき線形電圧信号を印加した観察を、電圧信号の振幅や周期の条件を変えて数回行い、観察された像の歪から図３（ｂ）に示すごとき歪補正波形信号を作成する。この歪補正波形信号と図３（ａ）に示す線形電圧信号を合成した図３（ｃ）に示す合成波形信号（非線形電圧信号）を算出する。この非線形電圧信号を電極に印加する方式によって、ＸＹ走査速度はほとんど一定となり、ＸＹ面上の歪を補正することが可能と考えられる。
【００１１】
ここで、基本波形信号に歪補正波形信号を合成し、Ｘ走査電極とＹ走査電極に印加する信号Ｘｓ，Ｙｓをそれぞれ数式で表すと、次のとおりとなる。
0003926159.tif 000002
なお、上式で用いた記号の定義は次の通りである。
【００１２】
Ｘｓ：Ｘ方向の信号波形
Ｙｓ：Ｙ方向の信号波形
ｘ：Ｘ方向の基本波形（三角波）
ｙ：Ｙ方向の基本波形（三角波）
Ｍｘ：Ｘ方向の走査倍率（振幅）
Ｍｙ：Ｙ方向の走査倍率（振幅）
（ａｘ＋ｂｘ2＋ｃ）：Ｘ方向の歪補正波形
（ｄｙ＋ｅｙ2＋ｆ）：Ｙ方向の歪補正波形
ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ：２次式による歪補正波形の係数
compＸ：Ｘ方向の歪補正波形の振幅を変えるための補正係数
compＹ：Ｙ方向の歪補正波形の振幅を変えるための補正係数
θ：基準方向に対する走査方向の回転角度
Ｘofs：走査領域を決めるためのＸ方向のオフセット位置
Ｙofs：走査領域を決めるためのＹ方向のオフセット位置
上記（１）式、（２）式に基づく信号波形を供給する回路構成の一例を図４に示す。図４において、１０はＸ方向の基本波形ｘの発生源、１１はＹ方向の基本波形ｙの発生源である。また、１２はＸ方向の歪補正波形の発生源、１３はＹ方向の歪補正波形の発生源である。
【００１３】
Ｘ方向の基本波形発生源１０からの基本波形ｘ，Ｙ方向の基本波形発生源１１からの基本波形ｙは、それぞれＤＡ変換器１４，１５によってアナログ信号に変換される。また、Ｘ方向の歪補正波形発生源１２からの歪補正波形（ａｘ＋ｂｘ2＋ｃ），Ｙ方向の歪補正波形発生源１３からの歪補正波形（ｄｙ＋ｅｙ2＋ｆ）は、それぞれＤＡ変換器１６，１７によってアナログ信号に変換される。
【００１４】
ＤＡ変換器１６の出力信号は、ＤＡ変換器１８の基準信号として用いられ、compＸとの乗算が行われ、Ｘ方向の歪補正波形の振幅は、compＸの値に応じて変えられる。ＤＡ変換器１８の出力信号は，ＤＡ変換器１４の出力信号と加算器１９において加算される。この結果、加算器１９からは次の信号が得られる。
【００１５】
ｘ＋compＸ（ａｘ＋ｂｘ2＋ｃ）
ＤＡ変換器１７の出力信号は，ＤＡ変換器２０の基準信号として用いられ、compＹとの乗算が行われ、Ｙ方向の歪補正波形の振幅は、compＹの値に応じて変えられる。ＤＡ変換器２０の出力信号は、ＤＡ変換器１５の出力信号と加算器２１において加算される。この結果、加算器２１からは次の信号が得られる。
【００１６】
ｙ＋compＹ（ｄｙ＋ｅｙ2＋ｆ）
加算器１９の出力信号は、ＤＡ変換器２２，２３の基準電圧とされ、ＤＡ変換器２２においてＭｘ＊cosθとの乗算が行われ、また、ＤＡ変換器２３においてＭｘ＊sinθとの乗算が行われる。また、加算器２１の出力信号は、ＤＡ変換器２４，２５の基準電圧とされ、ＤＡ変換器２４においてＭｙ＊cosθとの乗算が行われ、また、ＤＡ変換器２５においてＭｙ＊sinθとの乗算が行われる。
【００１７】
このようにして、基本波形と歪補正波形とが加算されたＸ方向とＹ方向の走査信号は、その振幅がＭｘ，Ｍｙの値によって変えられ、また、このＸ方向の走査信号とＹ方向の走査信号は、走査方向を回転させるためにｓｉｎθ成分，ｃｏｓθ成分に分けて演算される。
【００１８】
ＤＡ変換器２２の出力信号
｛Ｍｘ（ｘ＋compＸ（ａｘ＋ｂｘ2＋ｃ））cosθ｝
と、ＤＡ変換器２５の出力信号
｛Ｍｙ（ｙ＋compＹ（ｄｙ＋ｅｙ2＋ｆ））sinθ｝
と、更にＸ方向のオフセット値Ｘofsが出力されるＤＡ変換器２６からの信号は、加算器２７において加算され、加算器２７の出力端子２８からは前述した（１）式で示されたＸ方向の走査信号が得られる。
【００１９】
また、ＤＡ変換器２４の出力信号
｛Ｍｙ（ｙ＋compＹ（ｄｙ＋ｅｙ2＋ｆ））cosθ｝
と、ＤＡ変換器２３の出力信号
｛Ｍｘ（ｘ＋compＸ（ａｘ＋ｂｘ2＋ｃ））sinθ｝
と、更にＹ方向のオフセット値Ｙofsが出力されるＤＡ変換器２９からの信号は、加算器３０において加算され、加算器３０の出力端子３１からは前述した（２）式で示されたＹ方向の走査信号が得られる。
【００２０】
このようにして、基本波形と歪補正波形とが加算されたＸ方向とＹ方向の走査信号は、その振幅がＭｘ，Ｍｙの値によって変えられ、また、このＸ方向の走査信号とＹ方向の走査信号は、走査方向を回転させるためにｓｉｎθ成分，ｃｏｓθ成分に分けて演算される。
【００２１】
このようにして得られた（１）式に基づくＸ方向走査信号と、（２）式に基づくＹ方向走査信号とをそれぞれＸ走査用ピエゾ素子とＹ走査用ピエゾ素子に印加すれば，ヒステリシスの影響をほぼ除去することができる。その結果，得られる象は歪が極めて少なくなったものとなる。
【００２２】
しかしながら、（１）式と（２）式に基づく走査信号により、試料とプローブを相対的に走査しても，走査の方向を回転させた場合に像がゆがんでしまう現象がみられた。この原因を検討したところ、遅い走査方向（例えばＹ方向）の信号に、早い走査方向（例えばＸ方向）の信号が重畳されることが原因であることが判明した。
【００２３】
図５は、高周波重畳比（横軸）に対する変位振幅の変化（縦軸）を示すグラフである。この図から明らかなように、遅い走査方向（例えばＹ方向）の信号の振幅変化は、早い走査方向（例えばＸ方向）の信号が重畳されると、その重畳比によって、同じ振幅の電圧で走査されても，変位の振幅は比率が増えるにしたがって増加し、ヒステリシスの量が減ってくることが判明した。なお、早い走査の方は、遅い走査が重畳されても，変位の増加現象は生じなかった。
【００２４】
したがって、（１）式と（２）式に基づく走査信号により走査を行い、走査方向を回転させると、遅い走査信号に速い走査信号が回転角θにしたがった比率で重畳されることになる。この結果、（１）式と（２）式に基づく走査では、走査の方向を変えたときに像がゆがんでしまう。
【００２５】
本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、その目的は、試料とプローブの相対的な走査をピエゾ素子によって行う場合に、走査方向の回転時にもピエゾ素子のヒステリシスの影響を著しく低減し、像のゆがみをなくした走査プローブ顕微鏡を実現するにある。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
本発明に基づく走査プローブ顕微鏡は、試料と探針をピエゾ素子を用いて相対的にＸ方向とＹ方向に２次元走査するようにした走査プローブ顕微鏡において、走査の基本波形に歪補正波形を加算し、Ｘ方向とＹ方向の走査信号波形を作成するようにすると共に、走査方向の角度をθとした場合、Ｘ方向の歪補正波形およびＹ方向の歪補正波形のそれぞれのｓｉｎθ成分とｃｏｓθ成分を独立して設定できるように構成した走査プローブ顕微鏡において、
Ｘｓ，ＹｓをそれぞれＸ方向とＹ方向の走査信号とし、他の記号を下記のとおりとした場合、Ｘｓ，Ｙｓは、次の式によって作成されることを特徴とする。
Ｘｓ＝Ｍ１（ｘ＋ｃｏｍｐＸ（ａｘ＋ｂｘ2＋ｃ））＊ｃｏｓθ
＋Ｍ３（ｙ＋ｃｏｍｐＹ´（ｄｙ＋ｅｙ2＋ｆ））＊ｓｉｎθ
＋Ｘｏｆｓ
Ｙｓ＝Ｍ２（ｙ＋ｃｏｍｐＹ（ｄｙ＋ｅｙ2＋ｆ））＊ｃｏｓθ
−Ｍ４（ｘ＋ｃｏｍｐＸ´（ａｘ＋ｂｘ2＋ｃ））＊ｓｉｎθ
＋Ｙｏｆｓ
ｘ：Ｘ方向の基本波形（三角波）
ｙ：Ｙ方向の基本波形（三角波）
Ｍ１〜Ｍ４：走査倍率（振幅）
（ａｘ＋ｂｘ2＋ｃ）：Ｘ方向の歪補正波形
（ｄｙ＋ｅｙ2＋ｆ）：Ｙ方向の歪補正波形
ｃｏｍｐＸ：Ｘ方向の歪補正波形の振幅を変えるための係数
ｃｏｍｐＸ´：Ｘ方向の歪補正波形の振幅を変えるための係数
ｃｏｍｐＹ：Ｙ方向の歪補正波形の振幅を変えるための係数
ｃｏｍｐＹ´：Ｙ方向の歪補正波形の振幅を変えるための係数
θ：基準方向に対する走査方向の回転角度
Ｘｏｆｓ：走査領域を決めるためのＸ方向のオフセット位置
Ｙｏｆｓ：走査領域を決めるためのＹ方向のオフセット位置
【００２７】
この結果，走査方向の回転により、Ｘ方向の走査とＹ方向の走査が重畳されても、その比率によって走査波形の振幅やヒステリシス補正量を変えることができるので、走査による像のゆがみが著しく少なくなった。
【００２８】
また、請求項２の発明では、演算器主体の回路構成とし、Ｙ成分についてはＸ成分の重畳によってその補正量を変える演算を追加するようにしたので、像のゆがみを大幅に少なくすることができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
本発明においては、図１に示したピエゾ素子を用いたプローブの走査機構において、従来用いた（１）式と（２）式に基づいて、ピエゾ素子のヒステリシスによる像の歪を補正することを基本としている。そして、各走査位置における歪補正量であるＸ方向，Ｙ方向それぞれのｓｉｎθ成分，ｃｏｓθ成分を別々に設定するようにした。その結果、走査方向θを回転させたときの得られる像の歪を大幅に少なくすることが可能となる。
【００３０】
すなわち、本発明の一実施の形態では，従来の（１）式と（２）式に基づく走査信号に対し、次の（３）式と（４）式に基づく走査信号を用いる。
0003926159.tif 000003
上式において、compＸ’はＸ方向の歪補正波形の振幅を変えるためのcompＸとは別の補正係数、compＹ’はＹ方向の歪補正波形の振幅を変えるためのcompＹとは別の補正係数である。
【００３１】
図６は、上記（３）式，（４）式に基づいた走査信号を得るための回路構成を示している。この図６で図３の従来の構成と同一ないしは類似の構成要素には同一番号を付してある。図６において、１０はＸ方向の基本波形ｘの発生源、１１はＹ方向の基本波形ｙの発生源である。また、１２はＸ方向の歪補正波形の発生源，１３はＹ方向の歪補正波形の発生源である。
【００３２】
Ｘ方向の基本波形発生源１０からの基本波形ｘ，Ｙ方向の基本波形発生源１１からの基本波形ｙは、それぞれＤＡ変換器１４，１５によってアナログ信号に変換される。また、Ｘ方向の歪補正波形発生源１２からは歪補正波形（ａｘ＋ｂｘ2＋ｃ）が発生され、Ｙ方向の歪補正波形発生源１３からも次の歪補正波形（ｄｙ＋ｅｙ2＋ｆ）が発生される。これらの歪補正波形の内、（ａｘ＋ｂｘ2＋ｃ）、（ｄｙ＋ｅｙ2＋ｆ）は、それぞれＤＡ変換器１６，１７によってアナログ信号に変換される。
【００３３】
ＤＡ変換器１６の出力信号は、ＤＡ変換器１８の基準信号として用いられ，compＸとの乗算が行われ、Ｘ方向の歪補正波形の振幅は、compＸの値に応じて変えられる。ＤＡ変換器１８の出力信号は、ＤＡ変換器１４の出力信号と加算器１９において加算される。この結果、加算器１９からは次の信号が得られる。
【００３４】
ｘ＋compＸ（ａｘ＋ｂｘ2＋ｃ）
この加算器１９の出力信号は、ＤＡ変換器２２の基準信号として用いられ、Ｍ１＊cosθとの乗算が行われる。以下に示すこの乗算結果は、加算器２７に供給される。
【００３５】
Ｍ１（ｘ＋compＸ（ａｘ＋ｂｘ2＋ｃ））＊cosθ
ＤＡ変換器１７の出力信号は、ＤＡ変換器２０の基準信号として用いられ、compＹとの乗算が行われ、Ｙ方向の歪補正波形の振幅は、compＹの値に応じて変えられる。ＤＡ変換器２０の出力信号は、ＤＡ変換器１５の出力信号と加算器２１において加算される。この結果、加算器２１からは次の信号が得られる。
【００３６】
ｙ＋compＹ（ｄｙ＋ｅｙ2＋ｆ）
この加算器２１の出力信号は、ＤＡ変換器２４の基準電圧とされ、ＤＡ変換器２４においてＭ２＊cosθとの乗算が行われる。以下に示すこの乗算結果は、加算器３０に供給される。
【００３７】
Ｍ２（ｙ＋compＹ（ｄｙ＋ｅｙ2＋ｆ））＊cosθ
また、上記したＸ方向の歪補正波形発生源１２からの他方の歪補正波形（ａｘ＋ｂｘ2＋ｃ）は、ＤＡ変換器１６を介してＤＡ変換器３５にも供給され、compＸ’と乗算される。このＤＡ変換器３５の出力信号は、加算器３６においてＤＡ変換器１４からの走査波形と加算され、次に示す信号が得られる。
【００３８】
ｘ＋compＸ’（ａｘ＋ｂｘ2＋ｃ）
加算器３６の加算出力は，ＤＡ変換器２３において、−Ｍ４＊sinθとの乗算が行われる。この結果、次に示すＤＡ変換器２３の出力信号は、加算器３０に供給される。
【００３９】
−Ｍ４（ｘ＋ｃｍｐＸ’（ａｘ＋ｂｘ2＋ｃ））＊sinθ
また，上記したＹ方向の歪補正波形発生源１３からの他方の歪補正波形（ｄｙ＋ｅｙ2＋ｆ）は、ＤＡ変換器１７を介してＤＡ変換器３７に供給され、compＹ’と乗算される。このＤＡ変換器３７の出力信号は、加算器３８においてＤＡ変換器１５からの走査信号と加算され、次に示す信号が得られる。
【００４０】
ｙ＋compＹ’（ｄｙ＋ｅｙ2＋ｆ）
加算器３８の加算出力は、ＤＡ変換器２５において、Ｍ３＊sinθとの乗算が行われる。この結果，次に示すＤＡ変換器２５の出力信号は、加算器２７に供給される。
【００４１】
Ｍ３（ｙ＋compＹ’（ｄｙ＋ｅｙ2＋ｆ））＊sinθ
このように，ＤＡ変換器２２の出力信号
Ｍ１（ｘ＋compＸ（ａｘ＋ｂｘ2＋ｃ））＊cosθ
と、ＤＡ変換器２５の出力信号
Ｍ３（ｙ＋compＹ’（ｄｙ＋ｅｙ2＋ｆ））＊sinθ
と、更にＸ方向のオフセット値Ｘofsが出力されるＤＡ変換器２６からの信号は、加算器２７において加算され、加算器２７の出力端子２８からは前述した（３）式で示されたＸ方向の走査信号が得られる。
【００４２】
また、ＤＡ変換器２４の出力信号
Ｍ２（ｙ＋compＹ（ｄｙ＋ｅｙ2＋ｆ））cosθ
と、ＤＡ変換器２３の出力信号
−Ｍ４（ｘ＋compＸ’（ａｘ＋ｂｘ2＋ｃ））＊sinθ
と、更にＹ方向のオフセット値Ｙofsが出力されるＤＡ変換器２９からの信号は、加算器３０において加算され、加算器３０の出力端子３１からは前述した（４）式で示されたＹ方向の走査信号が得られる。
【００４３】
ここで、補正波形の係数ａ〜ｆをＸ方向の走査信号とＹ方向の走査信号の重畳の状態やヒステリシスの状態に応じて適宜設定し、また、各補正波形の振幅をcompＸ、compＹ、compＸ’compＹ’によって最適な値に設定すれば、歪のないプローブと試料との相対的な２次元走査が達成でき、得られる像も歪のないものとなる。
【００４４】
このように、Ｘ，Ｙの両方向の歪補正量のそれぞれのｓｉｎθ成分とｃｏｓθ成分を別々に調整できるようにしたので、（３）式に基づくＸ方向走査信号と、（４）式に基づくＹ方向走査信号とを、それぞれＸ走査用ピエゾ素子とＹ走査用ピエゾ素子に印加すれば、設定するパラメータの数が増えたが、走査方向（走査方向の角度θ）を回転させている場合でも、ヒステリシスの影響をほぼ除去することができる。その結果、得られる像は歪が著しく少なくなったものとなる。なお、上式では、補正項を２次式で示したが、より高い次数の式にしてもよい。
【００４５】
なお、図ではＭ１＊ｃｏｓθ，Ｍ２＊ｃｏｓθ，Ｍ３＊ｓｉｎθ，−Ｍ４＊ｓｉｎθをそれぞれ１個のＤＡ変換器で演算しているが、小さい振幅でも精度よく回転させるために、Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，−Ｍ４，ｃｏｓθ，ｓｉｎθを別々のＤＡ変換器で演算するようにしてもよい。
【００４６】
図７は本発明の他の実施の形態を示している。この実施の形態では，前記した（３），（４）式が次の（５），（６）式に置きかえられている。
0003926159.tif 000004
図７の構成で、演算装置４０にはＭ１，Ｍ２の値が保持されており、Ｍ１はＤＡ変換器４１に出力され、Ｍ２はＤＡ変換器４２に出力される。更に、演算により、次の値が求められており、その値はＤＡ変換器４３によってアナログ信号に変換され、ＤＡ変換器４１の基準電圧として出力されている。
【００４７】
（ｘ＋ａｘ＋ｂｘ2＋ｃ）＊cosθ＋Ｍ３（ｙ＋ｄｙ＋ｅｙ2＋f）＊sinθ
また、次の値も演算装置４０で求められており、その値はＤＡ変換器４４によってアナログ信号に変換され，ＤＡ変換器４２の基準電圧として出力されている。
【００４８】
（ｙ＋ｇｙ＋ｈｙ2＋ｉ）＊ｃｏｓθ−Ｍ４（ｘ＋ｊｘ＋ｋｘ2＋ｌ）＊ｓｉｎθ
更に、Ｘ方向のオフセット値Ｘｏｆｓは、ＤＡ変換器４５に供給され、Ｙ方向のオフセット値Ｙｏｆｓは、ＤＡ変換器４６に供給されている。ＤＡ変換器４１，４５の出力信号は加算器４７によって加算され、Ｘ方向の走査信号端４８に供給される。また、ＤＡ変換器４２，４６の出力信号は加算器４９によって加算され、Ｙ方向の走査信号端子５０に供給される。
【００４９】
ここで、従来の走査回路では、重畳による振幅とヒステリシスの変化分が考慮されず、ｊ＝ａ，ｋ＝ｂ，ｌ＝ｃ，ｇ＝ｄ，ｈ＝ｅ，ｉ＝ｆとされていた。しかしながら、この図７の構成では、各係数を重畳による振幅とヒステリシスの変化分に対応させて設定することができるので、走査方向を回転させても、像の歪を著しく少なくすることができる。
【００５０】
なお、この実施の形態では、１６ビットを超えるＤＡ変換器が実現困難であるため、小振幅から大振幅までの走査信号をそれぞれ１個のＤＡ変換器で制御できないので、複数のＤＡ変換器を用いている。
【００５１】
以上本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、それらの形態に限定されず幾多の変形が可能である。例えば、カンチレバーを走査し、試料を固定させたが、逆にカンチレバーを固定し、試料側を走査する構成にも本発明を適用することができる。
【００５２】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明に基づく走査プローブ顕微鏡では、試料と探針をピエゾ素子を用いて相対的にＸ方向とＹ方向に２次元走査するようにした走査プローブ顕微鏡において、走査の基本波形に歪補正波形を加算し、Ｘ方向とＹ方向の走査信号波形を作成するようにすると共に、走査方向の角度をθとした場合、Ｘ方向の歪補正波形およびＹ方向の歪補正波形のそれぞれのｓｉｎθ成分とｃｏｓθ成分を独立して設定できるように構成した走査プローブ顕微鏡において、
Ｘｓ，ＹｓをそれぞれＸ方向とＹ方向の走査信号とし、他の記号を下記のとおりとした場合、Ｘｓ，Ｙｓは、次の式によって作成されることを特徴としている。
Ｘｓ＝Ｍ１（ｘ＋ｃｏｍｐＸ（ａｘ＋ｂｘ2＋ｃ））＊ｃｏｓθ
＋Ｍ３（ｙ＋ｃｏｍｐＹ´（ｄｙ＋ｅｙ2＋ｆ））＊ｓｉｎθ
＋Ｘｏｆｓ
Ｙｓ＝Ｍ２（ｙ＋ｃｏｍｐＹ（ｄｙ＋ｅｙ2＋ｆ））＊ｃｏｓθ
−Ｍ４（ｘ＋ｃｏｍｐＸ´（ａｘ＋ｂｘ2＋ｃ））＊ｓｉｎθ
＋Ｙｏｆｓ
ｘ：Ｘ方向の基本波形（三角波）
ｙ：Ｙ方向の基本波形（三角波）
Ｍ１〜Ｍ４：走査倍率（振幅）
（ａｘ＋ｂｘ2＋ｃ）：Ｘ方向の歪補正波形
（ｄｙ＋ｅｙ2＋ｆ）：Ｙ方向の歪補正波形
ｃｏｍｐＸ：Ｘ方向の歪補正波形の振幅を変えるための係数
ｃｏｍｐＸ´：Ｘ方向の歪補正波形の振幅を変えるための係数
ｃｏｍｐＹ：Ｙ方向の歪補正波形の振幅を変えるための係数
ｃｏｍｐＹ´：Ｙ方向の歪補正波形の振幅を変えるための係数
θ：基準方向に対する走査方向の回転角度
Ｘｏｆｓ：走査領域を決めるためのＸ方向のオフセット位置
Ｙｏｆｓ：走査領域を決めるためのＹ方向のオフセット位置
【００５３】
この結果、走査方向の回転により、走査が重畳されても、その比率によって走査波形の形状、振幅やヒステリシス補正量を変えることができるので、走査による像のゆがみが著しく少なくなった。
【００５４】
また、請求項２記載の発明では、演算器主体の回路構成とし、Ｙ成分についてはＸ成分の重畳によってその補正量を変える演算を追加するようにしたので、像のゆがみを大幅に少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ピエゾ素子を用いた走査プローブ顕微鏡の走査機構の一例を示す図である。
【図２】ピエゾ素子による走査におけるヒステリシス現象を説明するための図である。
【図３】走査波形，歪補正波形および合成波形を示す図である。
【図４】従来のＸ，Ｙ走査信号の発生回路を示す図である。
【図５】高周波重畳比に対する変位振幅の変化を示す図である。
【図６】本発明に基づく走査プローブの走査回路の一例を示す図である。
【図７】演算装置を用いた本発明の他の実施の形態を示す図である。
【符号の説明】
１０  Ｘ方向走査基本波形発生源
１１  Ｙ方向走査基本波形発生源
１２，１３  歪補正波形発生源
１４〜１８，２２〜２６，２９、３５、３７  ＤＡ変換器
１９、２１、２７、３０、３６、３８  加算器
【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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