JPH10246728A - 走査型プローブ顕微鏡における部分測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】大きな面積の走査でのアクチュエータの線形性
補正と小さな面積の走査での位置的な連続性を保てるよ
うにすること。 【解決手段】測定試料の測定領域全体を走査して表示し
（ステップＳ１０，Ｓ１１）、この内の一部分が指定さ
れと（ステップＳ１２，Ｓ１６）、指定された測定領域
の一部分の内の所定位置に探針を移動した後（ステップ
ＳＳ１４，１５，Ｓ１７）、指定された一部分をＸ，Ｙ
方向に相対的に走査して（ステップＳ１８）、探針と測
定試料との実際の相対的移動量を測定する（ステップＳ
１９）。そして、この測定された実際の相対的移動量に
基づいて、探針が測定領域の指定された一部分をＸ，Ｙ
方向に実際に相対的に走査するように補正して走査を行
い（ステップＳ２０，Ｓ２１）、この補正により実際に
走査して得られた測定結果を表示する（ステップＳ２
２）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する分野】本発明は、探針を試料に近接させ
て走査することにより試料の微視的な表面情報を得る走
査型プローブ顕微鏡に係り、特に、試料の全体的な走査
に続けて狭い部分を走査する部分測定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、原子スケールの分解能を持つ顕微
鏡として、走査型プローブ顕微鏡（Scanning Probe Mic
roscope: SPM）の利用が進んでいる。この走査型プロー
ブ顕微鏡（Scanning Probe Microscope: SPM）として
は、試料と探針の相互作用力をカンチレバーの変位量や
振動特性とすることにより試料表面の形状及び物性を検
出する原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscope: AF
M）や、ｎｍオーダーの距離に近接させた試料と探針の
間にバイアス電圧を印加した時に流れるトンネル電流の
特性を利用して試料表面の物性を測定する走査型トンネ
ル顕微鏡（Scanning Tunneling Microscope: STM）、及
び、試料表面もしくは探針先端部に局在するエバネッセ
ント光を用いて光の回折限界を超える分解能で試料の屈
折率分布を測定する近視野顕微鏡（Near Field Microsc
ope ）、もしくは、Photon- 走査型トンネル顕微鏡（Ph
oton-Scanning Tunneling Microscope: PSTM）、等が知
られている。

【０００３】図６は、このような従来のＳＰＭの一例を
示す図である。カンチレバー１０の自由端表面に設けら
れた先端が尖鋭な探針１２が、円筒型圧電体等の三次元
微動素子１４によりＸ，Ｙ，Ｚの方向に微動される試料
台１６上に保持された試料１８と正対するように配置さ
れる。試料１８は、高圧アンプ２０による印加電圧に応
じて微動するアクチュエータとしての三次元微動素子１
４による試料台１６の移動により、Ｘ，Ｙ方向に走査さ
れる。この試料台１６の移動によって試料１８表面を移
動する探針１２と試料１８の間の距離の変位は、カンチ
レバー１０の自由端裏面に照射したレーザー光の反射光
を元にカンチレバー１０の端点の変位量を検出する変位
検出装置２２によって検出される。Ｚ制御機構２４は、
この検出された変位信号を例えばディジタル信号に変換
してコントローラ２６に出力するとともに、上記変位信
号に基づいて、前記探針１２と前記試料１８との間に働
く力を一定に維持するように三次元微動素子１４をＺ方
向に駆動する。

【０００４】コントローラ２６は、このＺ制御機構２４
による力一定動作を行いながら試料１８を探針１２に対
して相対的に走査したりＸ，Ｙ方向の位置を制御するた
めの元信号を発生し、これをＸ走査Ｄ／Ａコンバータ２
８，Ｙ走査Ｄ／Ａコンバータ３０によりアナログ値に変
換した後（以後、このアナログ信号をレファレンス信号
と称する）、上記高圧アンプ２０により三次元微動素子
１４に印加する。

【０００５】ここで、レファレンス信号にランプ波を印
加すれば、三次元微動素子１４はそれを支持する筐体３
２とともにカンチレバー１０に対して、試料１８をラン
プ波の通りに微動させることになるが、この場合、三次
元微動素子（圧電体）１４は、図３の（Ｅ）の印加電圧
に対する変位量の特性図に示すような非線形性を有して
いるため、実際には、リニアに走査が行われることには
ならない。

【０００６】そこで、画像解析装置３４は、コントロー
ラ２６から、Ｘ変位センサ３６，Ｙ変位センサ３８から
Ｘ，Ｙ変位Ａ／Ｄコンバータ４０，４２を介してディジ
タル信号として取り込まれた試料１８又は探針１２の
Ｘ，Ｙ方向の変位量と、上記変位検出装置２２によって
検出された変位量に対応する凹凸信号とを受け、画像の
ゆがみ補正等の画像解析を行って、三次元像として表示
する。

【０００７】あるいは、レファレンス信号をそのまま高
圧アンプ２０に供給するのではなく、Ｘフィードバック
制御回路４４，Ｙフィードバック制御回路４６を介して
供給する。即ち、Ｘフィードバック制御回路４４，Ｙフ
ィードバック制御回路４６は、Ｘ変位センサ３６，Ｙ変
位センサ３８により検出した試料１８又は探針１２の
Ｘ，Ｙ方向の変位量がＸ，Ｙのレファレンス信号と一致
するように、高圧アンプ２０により三次元微動素子１４
をＸ，Ｙ方向に駆動する。そして、画像解析装置３４
は、上記変位検出装置２２によって検出された変位量に
対応する凹凸信号をコントローラ２６から受け、画像解
析を行って、三次元像として表示する。

【０００８】以上のように、従来の走査型プローブ顕微
鏡では、圧電体の変位を測定する光学式変位センサ，静
電容量式変位センサ，歪みゲージ，等を利用して変位信
号を検出し、画像のゆがみ補正をソフトウェアで行った
り、センサ信号に対してサーボをかける制御を行って、
圧電体の非線形性に起因する画像のゆがみを補正してい
た。

【０００９】なお、図６に示すように、アナログスイッ
チＳＷＸ，ＳＷＹによって、Ｘ，Ｙ走査Ｄ／Ａコンバー
タ２８，３０とＸ，Ｙフィードバック制御回路４４，４
６とを選択的に高圧アンプ２０に接続することにより、
ゆがみ補正とＸ，Ｙ走査のサーボ動作とを選択的に行う
ことができるようになっている。また、サーボ状態から
非サーボ状態に切り替える際の針とびを防止するため、
コントローラ２６は、Ｘ，Ｙ電圧Ａ／Ｄコンバータ４
８，５０によってＸ，Ｙフィードバック制御回路４４，
４６の出力電圧をディジタル信号として取り込み、それ
に対応する信号をＸ，Ｙ走査Ｄ／Ａコンバータ２８，３
０から出力されるように制御する。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述したよ
うにＳＰＭを用いて試料１８を測定する際に、Ｘ，Ｙ走
査のサーボ動作を行う場合、Ｘ，Ｙフィードバック制御
回路４４，４６から高圧アンプ２０を介して三次元微動
素子１４に印加される走査信号は、ｎｍオーダーのノイ
ズを持っている。このノイズは、Ｘ，Ｙ変位センサ３
６，３８のセンサ信号のノイズに起因するものであり、
走査範囲にはよらない。このため、試料１８のごく一部
を走査範囲として測定する場合のＸ，Ｙ走査範囲は、こ
のノイズの大きさによって規定されてしまう。

【００１１】そこで、試料１８のごく一部を走査範囲と
して測定する場合、アナログスイッチＳＷＸ，ＳＷＹを
切り替えて、サーボ動作を停止させれば、このノイズを
避けることができるようになる。

【００１２】しかしながら、例えば、図３の（Ｆ）に示
すように１００μｍ角のＡＦＭ測定を行った後で、走査
範囲を狭めて、点（Ｘｏｆｆｓｅｔ，Ｙｏｆｆｓｅｔ）
を中心とする領域Ａを新たな走査範囲として設定した場
合、試料測定の広い面積から狭い領域までＸ，Ｙのサー
ボ動作を行っていれば、この走査範囲の変更に伴うＸ，
Ｙのオフセット量と走査範囲は一意的に決まり、設定画
面上の走査範囲と実際の走査範囲の対応が保たれるが、
ノイズを避けるためにＸ，Ｙのサーボ動作を無くして、
電圧を比例配分した場合には、Ｘ，Ｙのサーボ動作時か
らの連続性が保てなくなってしまう。即ち、三次元微動
素子（圧電体）１４の非線形性の影響により、位置ずれ
が生じたり、走査範囲が小さくなってしまい、所望の測
定領域の測定結果が得られないことになる。

【００１３】本発明は、上記の点に鑑みてなされたもの
で、カンチレバー上の探針と試料との間に働く相互作用
（原子間力、静電気力及び磁気力）によって変化するカ
ンチレバーの撓みを一定に保つことにより、試料と探針
の間に働く力を一定に保ちながら、試料と探針の相対的
位置を走査する動作において、大きな面積の走査でのア
クチュエータの線形性補正と小さな面積の走査での位置
的な連続性を保つことのできる走査型プローブ顕微鏡に
おける部分測定方法を提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明による走査型プローブ顕微鏡における部分
測定方法は、探針を測定試料に対し相対的に走査させて
前記測定試料表面の測定領域の物理的あるいは化学的量
を測定する走査型プローブ顕微鏡であって、前記測定領
域全体を走査することにより得られた測定結果を表示す
るステップと、前記表示された測定領域の測定結果の内
の一部分を指定するステップと、前記探針もしくは前記
測定試料を相対的に移動させて、前記指定された測定領
域の一部分の内の所定位置に前記探針を移動するステッ
プと、前記所定位置に移動された探針が前記測定領域の
一部分をＸ方向及びそれに垂直なＹ方向に相対的に走査
するように、前記探針もしくは前記測定試料を移動させ
るステップと、前記測定領域の一部分の走査における前
記探針と測定試料との実際の相対的移動量を測定するス
テップと、前記探針が前記測定領域の前記指定された一
部分をＸ方向及びそれに垂直なＹ方向に実際に相対的に
走査するように、前記測定された実際の相対的移動量に
基づいて補正して、前記探針もしくは前記測定試料を移
動させるステップと、前記補正により実際に走査して得
られた測定結果を表示するステップと、を具備すること
を特徴としている。

【００１５】即ち、本発明の走査型プローブ顕微鏡にお
ける部分測定方法によれば、まず、測定試料の測定領域
全体を走査して、得られた測定結果を表示し、この表示
された測定領域の測定結果の内の一部分を指定する。次
に、この指定に応じて、探針もしくは測定試料を相対的
に移動させて、この指定された測定領域の一部分の内の
所定位置に探針を移動した後、この探針が前記指定され
た測定領域の一部分をＸ方向及びそれに垂直なＹ方向に
相対的に走査するように、探針もしくは測定試料を移動
させ、この測定領域の一部分の走査における探針と測定
試料との実際の相対的移動量を測定する。そして、この
測定された実際の相対的移動量に基づいて、探針が測定
領域の前記指定された一部分をＸ方向及びそれに垂直な
Ｙ方向に実際に相対的に走査するように補正して、前記
探針もしくは前記測定試料を移動させ、この補正により
実際に走査して得られた測定結果を表示する。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
実施の形態を説明する。図６は、本発明の実施の形態の
適用される走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の構成を示
す図である。

【００１７】即ち、カンチレバー１０の自由端表面に設
けられた先端が尖鋭な探針１２が、円筒型圧電体等の三
次元微動素子１４によりＸ，Ｙ，Ｚの方向に微動される
試料台１６上に保持された試料１８と正対するように配
置される。試料１８は、高圧アンプ２０による印加電圧
に応じて微動するアクチュエータとしての三次元微動素
子１４による試料台１６の移動により、Ｘ，Ｙ方向に走
査される。この試料台１６の移動によって試料１８表面
を移動する探針１２と試料１８の間の距離の変位は、カ
ンチレバー１０の自由端裏面に照射したレーザー光の反
射光を元にカンチレバー１０の端点の変位量を検出する
変位検出装置２２によって検出される。Ｚ制御機構２４
は、この検出された変位信号を例えばディジタル信号に
変換してコントローラ２６に出力するとともに、上記変
位信号に基づいて、前記探針１２と前記試料１８との間
に働く力を一定に維持するように三次元微動素子１４を
Ｚ方向に駆動する。

【００１８】コントローラ２６は、このＺ制御機構２４
による力一定動作を行いながら試料１８を探針１２に対
して相対的に走査したりＸ，Ｙ方向の位置を制御するた
めの元信号を発生し、これをＸ走査Ｄ／Ａコンバータ２
８，Ｙ走査Ｄ／Ａコンバータ３０によりアナログ値に変
換した後（以後、このアナログ信号をレファレンス信号
と称する）、上記高圧アンプ２０により三次元微動素子
１４に印加する。

【００１９】画像解析装置３４は、Ｘ変位センサ３６及
びＹ変位センサ３８からＸ変位Ａ／Ｄコンバータ４０及
びＹ変位Ａ／Ｄコンバータ４２を介してディジタル信号
として取り込まれた試料１８又は探針１２のＸ及びＹ方
向の変位量と、上記変位検出装置２２によって検出され
た変位量に対応する凹凸信号とをコントローラ２６から
受け、画像のゆがみ補正等の画像解析を行って、三次元
像として表示する。

【００２０】あるいは、レファレンス信号をそのまま高
圧アンプ２０に供給するのではなく、Ｘフィードバック
制御回路４４，Ｙフィードバック制御回路４６を介して
供給する。即ち、Ｘフィードバック制御回路４４，Ｙフ
ィードバック制御回路４６は、Ｘ変位センサ３６及びＹ
変位センサ３８により検出した試料１８又は探針１２の
Ｘ及びＹ方向の変位量がＸ及びＹのレファレンス信号と
一致するように、高圧アンプ２０により三次元微動素子
１４をＸ及びＹ方向に駆動する。そして、画像解析装置
３４は、上記変位検出装置２２によって検出された変位
量に対応する凹凸信号をコントローラ２６から受け、画
像解析を行って、三次元像として表示する。

【００２１】なお、アナログスイッチＳＷＸ及びＳＷＹ
によって、Ｘ走査Ｄ／Ａコンバータ２８及びＹ走査Ｄ／
Ａコンバータ３０と、Ｘフィードバック制御回路４４及
びＹフィードバック制御回路４６とを、選択的に高圧ア
ンプ２０に接続することにより、ゆがみ補正とＸ，Ｙ走
査のサーボ動作とを選択的に行うことができるようにな
っている。また、サーボ状態から非サーボ状態に切り替
える際の針とびを防止するため、コントローラ２６は、
Ｘ電圧Ａ／Ｄコンバータ４８及びＹ電圧Ａ／Ｄコンバー
タ５０によってＸフィードバック制御回路４４及びＹフ
ィードバック制御回路４６の出力電圧をディジタル信号
として取り込み、それに対応する信号をＸ走査Ｄ／Ａコ
ンバータ２８及びＹ走査Ｄ／Ａコンバータ３０から出力
されるように制御する。

【００２２】次に、このような構成のＳＰＭにおける部
分測定方法を説明する。図１は、本発明の第１の実施の
形態の動作フローチャートであり、本実施の形態は、走
査中にＸ，Ｙのフィードバック機能を使用しない場合の
例である。

【００２３】まず、リニア補正無し測定を行う（ステッ
プＳ１０）。この測定は、実際には、図２の（Ａ）のフ
ローチャートに示すようにして行われる。即ち、試料１
８と探針１２の関係は、通常のＡＦＭ動作により、力一
定動作になっている。この動作の下で、アナログスイッ
チＳＷＸ及びＳＷＹは、コントローラ２６の指令により
それぞれＩ側になっており、コントローラ２６からＸ走
査Ｄ／Ａコンバータ２８及びＹ走査Ｄ／Ａコンバータ３
０を介して三角波状の走査信号が高圧アンプ２０に印加
され、三次元微動素子１４は試料１８をＸ及びＹ方向に
走査する（ステップＳ１０Ａ）。その走査本数及び測定
点数は、例えば２５６×２５６点であり、各サンプリン
グポイント（ｘｓ，ｙｓ）で、Ｚ制御機構２４の出力デ
ータを数値化Ｚ（ｘｓ，ｙｓ）して、画像解析装置３４
の不図示画像記憶部の図３の（Ａ）に示すようなデータ
メモリ３４Ａに記憶する（ステップＳ１０Ｃ）。ここで
即時に、対応する２５６×２５６点のＺデータを、図３
の（Ｂ）に示すような表示メモリ３４Ｂに転送し、画面
上の対応する点に、強度に対するテーブルを参照した輝
度信号として表示することもできる。なお、Ｚ信号とし
ては、三次元微動素子１４のＺ方向の変位を不図示のＺ
変位センサのセンサ信号を数値化したものでもかまわな
い。

【００２４】このようなデータ取り込みを上記２５６×
２５６の全サンプリングポイントについて終了するまで
（ステップＳ１０Ｄ）繰り返すことになるが、走査中に
探針１２が所定のサンプリングポイント（ｘｎ，ｙｎ）
（例えば、サンプリングの８点おき、８ラインおき［ｘ
ｎ（ｙｎ）＝０，８，１６，…，２４８］）にきたとき
には（ステップＳ１０Ｂ）、Ｚ信号にとどまらず、Ｘ，
Ｙの変位量に相当するＸ変位センサ３６とＹ変位センサ
３８の出力値を、Ｘ変位Ａ／Ｄコンバータ４０及びＹ変
位Ａ／Ｄコンバータ４２でＸ（ｘｎ，ｙｎ）及びＹ（ｘ
ｎ，ｙｎ）のように数値化し、画像解析装置３４上の図
３の（Ｃ）及び（Ｄ）に示すようなＸ及びＹ変位メモリ
３４Ｃ，３４Ｄに記憶する（ステップＳ１０Ｅ）。

【００２５】このように、ステップＳ１０におけるリニ
ア補正無し測定の工程では、２５６×２５６点の画像Ｚ
（ｘｓ，ｙｓ）及び３２×３２点のＸ，Ｙ平面上の変位
の記録であるＸ（ｘｎ，ｙｎ）及びＹ（ｘｎ，ｙｎ）が
記憶される。

【００２６】このようにして画像解析装置３４に取り込
まれた画像Ｚ（ｘｓ，ｙｓ）は、図３の（Ｂ）の表示メ
モリ３４Ｂに書き込まれ、画像解析装置３４の表示装置
の画面上に２５６×２５６点の画素ピクセルの輝度Ｚ
（ｐｘ，ｐｙ）で表示される（ステップＳ１１）。

【００２７】即ち、画像解析装置３４の表示装置の画面
上で、オペレータがより詳しく見たい位置を指定するこ
とにより、オフセット位置（ｐｘｏｆｆ，ｐｙｏｆｆ）
を設定する（ステップＳ１２）。このときの実際のＸ，
Ｙ平面上でのオフセット位置を知るために、測定時にＸ
変位メモリ３４Ｃ及びＹ変位メモリ３４Ｄに記録した３
２×３２点×２のＸ及びＹ変位信号データの内で、上記
オフセット位置（ｐｘｏｆｆ，ｐｙｏｆｆ）に近接する
最低４点の変位の記録（Ｘ（ｘｎ，ｙｎ），Ｙ（ｘｎ，
ｙｎ））から、指定したオフセット位置の座標に当たる
変位センサ信号の値（Ｘｏｆｆｓｅｔ，Ｙｏｆｆｓｅ
ｔ）を求める（ステップＳ１３）。

【００２８】または、Ｘｏｆｆｓｅｔ＝Ｘ（ｐｘｏｆ
ｆ，ｐｙｏｆｆ）、Ｙｏｆｆｓｅｔ＝Ｙ（ｐｘｏｆｆ，
ｐｙｏｆｆ）としても良い。ここで、Ｘ（ｐｘ，ｐｙ）
及びＹ（ｐｘ，ｐｙ）の関数は、サンプリングした２５
６×２５６点の位置（ｐｘ，ｐｙ）が実際の空間ではど
の位置になるのかを求めるためのセンサ信号の組みであ
るＸ変位メモリ３４Ｃ及びＹ変位メモリ３４Ｄの（Ｘ
（ｘｎ，ｙｎ），Ｙ（ｘｎ，ｙｎ））から求めた変換関
数である。この変換関数は、前述したような画面上で近
接する４点のＸ，Ｙ変位のサンプリング値の重み付けし
た平均から求める変換アルゴリズムであっても良いし、
サンプリングデータを元にＸ及びＹの信号に関して関数
曲面に当てはめ、変換関数を求めたものであっても良
い。

【００２９】上記のようにして２５６×２５６点の画像
Ｚ（ｘｓ，ｙｓ）及び３２×３２点の実際のＸ，Ｙ平面
上の変位の記録であるＸ（ｘｎ，ｙｎ）及びＹ（ｘｎ，
ｙｎ）が記憶されていれば、新たな走査の中心位置を何
処に置くかを正確に指定することができる。

【００３０】次に、アクチュエータの非線形性を考慮す
る必要のない程度に走査領域を小さく設定して、測定を
行う。まず、この測定を開始するに当たって、探針１２
を新たな走査領域の中心にもっていくために、Ｘ，Ｙそ
れぞれの変位センサ信号が前述の（Ｘｏｆｆｓｅｔ，Ｙ
ｏｆｆｓｅｔ）になるように、三次元微動素子１４への
Ｘ及びＹの印加電圧を調整する。それには、例えば、コ
ントローラ２６からの指令で、Ｘ，Ｙのリニアサーボを
行うために、アナログスイッチＳＷＸ及びＳＷＹをＳ側
にして、フィードバック動作をオンにする（ステップＳ
１４）。

【００３１】そして、探針１２の位置を移動させる（ス
テップＳ１５）。即ち、この状態で、Ｘフィードバック
制御回路４４及びＹフィードバック制御回路４６のレフ
ァレンス値となるＸ走査Ｄ／Ａコンバータ２８及びＹ走
査Ｄ／Ａコンバータ３０の出力を、上記Ｘｏｆｆｓｅｔ
及びＹｏｆｆｓｅｔになるまで変化させる。これによ
り、探針１２は、新たな走査領域の中心に移動すること
になる。ここで、コントローラ２６は、Ｘフィードバッ
ク制御回路４４及びＹフィードバック制御回路４６から
三次元微動素子１４に印加しているサーボ信号ｖｘｈｏ
ｌｄ，ｖｙｈｏｌｄを、Ｘ電圧Ａ／Ｄコンバータ４８及
びＹ電圧Ａ／Ｄコンバータ５０を介して取り込み、Ｘフ
ィードバック制御回路４４及びＹフィードバック制御回
路４６に対してホールド信号Ｈｏｌｄを供給して、これ
らＸ及びＹフィードバック制御回路４４及び４６から三
次元微動素子１４への信号ｖｘｈｏｌｄ，ｖｙｈｏｌｄ
の印加状態を保持する。

【００３２】この間に、画像解析装置３４の表示装置の
画面上で、オペレータがより詳しく見たい範囲を指定す
ることにより、走査領域（ＬＸ，ＬＹ）を設定すること
ができる（ステップＳ１６）。勿論、この走査領域の設
定は、上記ステップＳ１２でのオフセット位置の設定動
作に続けて行っても良い。

【００３３】そして、Ｘ走査Ｄ／Ａコンバータ２８及び
Ｙ走査Ｄ／Ａコンバータ３０の出力信号を上記サーボ信
号値ｖｘｈｏｌｄ，ｖｙｈｏｌｄにし、アナログスイッ
チＳＷＸ及びＳＷＹをＩ側に戻すことにより、サーボ動
作をオフにする（ステップＳ１７）。これは、アナログ
スイッチＳＷＸ，ＳＷＹを切り替えたときに、Ｘ走査Ｄ
／Ａコンバータ２８及びＹ走査Ｄ／Ａコンバータ３０の
出力信号が、切り替え前に印加されていた電圧と異なる
と、探針１２が新たな走査領域の中心から移動してしま
う、いわゆる針飛びが生じてしまうということを防ぐた
めである。

【００３４】次に、この電圧ｖｘｈｏｌｄ，ｖｙｈｏｌ
ｄを中心として、新たな走査範囲の像を取るプリスキャ
ンを行う（ステップＳ１８）。即ち、走査領域の確認の
ために、コントローラ２６は、Ｘ走査Ｄ／Ａコンバータ
２８及びＹ走査Ｄ／Ａコンバータ３０から、Ｘ方向とＹ
方向に少なくとも１回ずつ走査信号として圧電定数ＤＸ
及びＤＹから見積もられる電圧ＬＸ／ＤＸ及びＬＹ／Ｄ
Ｙを、三次元微動素子１４に印加する。そして、Ｘ変位
Ａ／Ｄコンバータ４０及びＹ変位Ａ／Ｄコンバータ４２
を介してＸ変位センサ３６及びＹ変位センサ３８によ
り、そのときの走査量、つまり走査範囲ＬＸＰＲＥ及び
ＬＹＰＲＥを検出する（ステップＳ１９）。

【００３５】次に、コントローラ２６は、得られた走査
範囲ＬＸＰＥＲ及びＬＹＰＲＥに対して設定したい走査
範囲ＬＸ及びＬＹとの比率で、走査電圧Δｖｘ及びΔｖ
ｙを、次の計算を元に設定し直す（ステップＳ２０）。

【００３６】Δｖｘ＝ＬＸ／ＤＸ・ＬＸ／ＬＸＰＲＥ， Δｖｙ＝ＬＹ／ＤＹ・ＹＸ／ＬＹＰＲＥ そして、上記ｖｘｈｏｌｄ，ｖｙｈｏｌｄを走査電圧の
中心とし、且つ、このΔｖｘ，Δｖｙを走査電圧範囲と
して、Ｘ走査Ｄ／Ａコンバータ２８及びＹ走査Ｄ／Ａコ
ンバータ３０の出力を発生させることで、探針走査を行
う（ステップＳ２１）。これにより、適切な位置で適切
な走査範囲の像を取り込むことができるようになるの
で、後は、Ｚ制御機構２４の出力データを数値化して、
そのまま画像解析装置３４により表示を行うことができ
る（ステップＳ２２）。

【００３７】なお、更に走査領域を小さくしていく場合
には、圧電体の非線形性を無視できるようになるため、
ここで得られた電圧値の比例配分で正しい走査範囲と走
査中心の設定が可能となる。また、別の位置に移動する
場合には、リニア補正が必要な領域のＸ（ｘｎ，ｙ
ｎ），Ｙ（ｘｎ，ｙｎ）のデータを元に再度走査中心及
び走査領域の設定をし直すことになる。

【００３８】次に、本発明の第２の実施の形態を、図４
のフローチャートを参照して説明する。本実施の形態
は、得られた３２×３２点のＸ，Ｙ平面上の変位の記録
であるＸ（ｘｎ，ｙｎ）及びＹ（ｘｎ，ｙｎ）に基づい
て実際の試料１８の形を反映する画像に補正表示する場
合である。

【００３９】即ち、前述したような第１の実施の形態と
同様のステップＳ１０のリニア補正無し測定を行った
後、ソフト補正表示を行う（ステップＳ３０）。これ
は、画像解析装置３４において、上記３２×３２点のデ
ータから、二次元変換式を計算し、各ピクセル座標（ｐ
ｘ，ｐｙ）の位置に対応する値を割り当てて表示するも
のである。このときの変換は、変位信号Ｘ，Ｙを２５６
分割した内の（ｐｘ，ｐｙ）に比例配分された変位信号
に対応した点 ｐｘ×Δｘ＝Ｘ（ｘｓ，ｙｓ）， ｐｙ×Δｙ＝Ｙ（ｘｓ，ｙｓ） となるデータメモリ３４Ａのサンプリング点（ｘｓ，ｙ
ｓ）のＺ方向の信号Ｚ（ｘｓ，ｙｓ）を、表示メモリ３
４Ｂの（ｐｘ，ｐｙ）に割り付けることになる。ここ
で、ΔｘはＸ方向の走査ラインの長さをサンプリング数
で割った長さに相当する変位センサ信号の大きさであ
り、ΔｙはＹ方向の走査範囲を走査ライン数で割った長
さに相当する変位センサ信号の大きさである。

【００４０】そして、このようにして割り付けられた画
像解析装置３４の表示画面上で、次の測定に際して中心
位置となるオフセット位置（Ｘｏｆｆｓｅｔ，Ｙｏｆｆ
ｓｅｔ）を指定すると（ステップＳ３１）、このオフセ
ット位置（Ｘｏｆｆｓｅｔ，Ｙｏｆｆｓｅｔ）は、画面
上のピクセルから指定した（ｐｘｏｆｆ，ｐｙｏｆｆ）
から Ｘｏｆｆｓｅｔ＝Δｘ×ｐｘｏｆｆ， Ｙｏｆｆｓｅｔ＝Δｙ×ｐｙｏｆｆ として変位センサ信号の値として決められる。

【００４１】なお、これは、変位センサ信号のゲインが
決まっていることから、換算した値として実際の長さで
数値入力することも可能である。こうして、オフセット
位置（Ｘｏｆｆｓｅｔ，Ｙｏｆｆｓｅｔ）が設定された
ならば、後は、前述の第１の実施の形態のステップＳ１
４以降と同様の処理を行うことにより、適切な位置で適
切な走査範囲の像を取り込むことができるようになる。

【００４２】なお、これら第１の実施の形態の通常表示
と第２の実施の形態のソフト補正表示の両方を実施でき
るようにＳＰＭを構成し、それらを任意に切り替えられ
るようにしても良いことは勿論である。

【００４３】次に、本発明の第３の実施の形態を、図５
のフローチャートを参照して説明する。本実施の形態
は、従来例で説明したような走査に際してＸ，Ｙ変位セ
ンサ３６，３８の値を元にＸ，Ｙの走査にサーボをかけ
て走査の線形性補正を行っていた場合に、走査領域を小
さくした時にＸ，Ｙのサーボ動作を行わないでノイズの
少ない測定を行うようにした例である。

【００４４】まず、Ｘ，Ｙリニア補正あり測定を行って
データメモリ３４ＡにＺ（ｘｓ，ｙｓ）を格納し（ステ
ップＳ４０）、この配列をそのまま表示メモリ３４に転
送して画像解析装置３４にて表示する（ステップＳ４
１）。ここで、表示される像は、少なくともＸ，Ｙ平面
の配置に関して実際の試料１８の測定領域と相似形にな
っている。

【００４５】なお、上記ステップＳ４０でのリニア補正
あり測定は、図２の（Ｂ）に示すようにして行われる。
即ち、まず、コントローラ２６からの指令で、Ｘ，Ｙの
リニアサーボを行うために、アナログスイッチＳＷＸ及
びＳＷＹをＳ側にして、フィードバック動作をオンにす
る（ステップＳ４０Ａ）。そして、Ｘ及びＹフィードバ
ック制御回路４４及び４６によるサーボ動作を行いなが
ら、試料１８をＸ及びＹ方向に走査する（ステップＳ４
０Ｂ）。その走査本数及び測定点数は、例えば２５６×
２５６点であり、各サンプリングポイント（ｘｓ，ｙ
ｓ）で、Ｚ制御機構２４の出力データを数値化Ｚ（ｘ
ｓ，ｙｓ）して、画像解析装置３４のデータメモリ３４
Ａに記憶する（ステップＳ４０Ｃ）。このようなデータ
取り込みを上記２５６×２５６の全サンプリングポイン
トについて終了するまで（ステップＳ１０Ｄ）繰り返
す。

【００４６】このようなリニア補正あり測定によって２
５６×２５６点の画像Ｚ（ｘｓ，ｙｓ）が記憶され、画
像解析装置３４にて表示されたならば、次に、このリニ
ア補正測定を行った画像の表示された画面上でのオペレ
ータの位置指定に応じて、走査中心となるオフセット位
置を設定する（ステップＳ４２）。その指定位置の画像
上の点をｐｘｏｆｆ，ｐｙｏｆｆとすると、その位置で
のＸ及びＹ変位センサ３６及び３８の出力値Ｘｏｆｆｓ
ｅｔ，Ｙｏｆｆｓｅｔは、その位置でＸ走査Ｄ／Ａコン
バータ２８及びＹ走査Ｄ／Ａコンバータ３０から出力さ
れていたＸ及びＹサーボのレファレンスの値と等しいの
で、画面の画素に対応するｐｘｏｆｆ，ｐｙｏｆｆから
求めることができる。

【００４７】ここの段階で、Ｘ及びＹのサーボ切り替え
用のアナログスイッチＳＷＸ及びＳＷＹはＳ側になって
いるので、Ｘ走査Ｄ／Ａコンバータ２８の出力をＸｏｆ
ｆｓｅｔに、またＹ走査Ｄ／Ａコンバータ３０の出力を
Ｙｏｆｆｓｅｔになるように値を変化させることによ
り、探針１２を新たな走査領域の中心に移動する（ステ
ップＳ１５）。ここで、コントローラ２６は、Ｘフィー
ドバック制御回路４４及びＹフィードバック制御回路４
６から三次元微動素子１４に印加しているサーボ信号ｖ
ｘｈｏｌｄ，ｖｙｈｏｌｄを、Ｘ電圧Ａ／Ｄコンバータ
４８及びＹ電圧Ａ／Ｄコンバータ５０を介して取り込
み、Ｘフィードバック制御回路４４及びＹフィードバッ
ク制御回路４６に対してホールド信号Ｈｏｌｄを供給し
て、これらＸ及びＹフィードバック制御回路４４及び４
６から三次元微動素子１４への信号ｖｘｈｏｌｄ，ｖｙ
ｈｏｌｄの印加状態を保持する。

【００４８】この間に、オペレータは、表示画面上で範
囲指定することにより、走査範囲ＬＸ，ＬＹを設定する
ことができる（ステップＳ１６）。そして、オフセット
位置に探針１２が移動したところで、前述したようにＸ
及びＹフィールドバック制御回路４４及び４６をホール
ド状態にして、アナログスイッチＳＷＸ及びＳＷＹをＩ
側に切り替えて、サーボ動作を停止させる（ステップＳ
１７）。

【００４９】次に、この電圧ｖｘｈｏｌｄ，ｖｙｈｏｌ
ｄを中心として、新たな走査範囲の像を取るプリスキャ
ンを行う（ステップＳ１８）。即ち、走査領域の確認の
ために、コントローラ２６は、Ｘ走査Ｄ／Ａコンバータ
２８及びＹ走査Ｄ／Ａコンバータ３０から、Ｘ方向とＹ
方向に少なくとも１回ずつ走査信号として圧電定数ＤＸ
及びＤＹから見積もられる電圧ＬＸ／ＤＸ及びＬＹ／Ｄ
Ｙを、三次元微動素子１４に印加する。そして、Ｘ変位
Ａ／Ｄコンバータ４０及びＹ変位Ａ／Ｄコンバータ４２
を介してＸ変位センサ３６及びＹ変位センサ３８によ
り、そのときの走査量、つまり走査範囲ＬＸＰＲＥ及び
ＬＹＰＲＥを検出する（ステップＳ１９）。

【００５０】次に、コントローラ２６は、得られた走査
範囲ＬＸＰＥＲ及びＬＹＰＲＥに対して設定したい走査
範囲ＬＸ及びＬＹとの比率で、走査電圧Δｖｘ及びΔｖ
ｙを、次の計算を元に設定し直す（ステップＳ２０）。

【００５１】Δｖｘ＝ＬＸ／ＤＸ・ＬＸ／ＬＸＰＲＥ， Δｖｙ＝ＬＹ／ＤＹ・ＹＸ／ＬＹＰＲＥ そして、上記ｖｘｈｏｌｄ，ｖｙｈｏｌｄを走査電圧の
中心とし、且つ、このΔｖｘ，Δｖｙを走査電圧範囲と
して、Ｘ走査Ｄ／Ａコンバータ２８及びＹ走査Ｄ／Ａコ
ンバータ３０の出力を発生させることで、探針走査を行
う（ステップＳ２１）。これにより、適切な位置で適切
な走査範囲の像を取り込むことができるようになるの
で、後は、Ｚ制御機構２４の出力データを数値化して、
そのまま画像解析装置３４により表示を行うことができ
る（ステップＳ２２）。

【００５２】このように、変位センサ信号を元に探針を
移動し、サーボしていた電圧との対照により探針位置を
決定し、探針走査のサーボを切って走査信号を直接印加
することにより、ノイズの少ない信号で測定を行うこと
が可能になる。

【００５３】なお、上記第１乃至第３の実施の形態にお
いては、走査範囲ＬＸ，ＬＹの設定を探針位置移動を行
っている間に行うものとして説明したが、これは、オフ
セット位置の設定に続けて行っても良いし、サーボをオ
フした後でも良く、要は、プリスキャンを行う前に設定
すれば良いものである。

【００５４】さらに、以上の実施の形態中のＸ，Ｙ変位
センサ３６，３８としては、光学的変位センサや、歪み
ゲージ、静電容量センサ、その他でもかまわない。ま
た、測定動作としては、ＡＦＭに限ったものではなく、
走査型トンネル顕微鏡ＳＴＭや、磁気力顕微鏡ＭＦＭ、
ＡＣモードのＡＦＭ等、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰ
Ｍ）一般として知られる、圧電体を用いて平面走査を行
い、得られた像から探針の位置のＸＹのオフセットを行
う、形状測定装置あるいは物性分析装置のＸＹ位置制御
動作に関しても同様の使用が可能であることは当然であ
る。

【００５５】また、装置構成では、コントローラ２６の
代わりに、ＤＳＰ等の制御ＩＣに置き換えることや、コ
ントローラ２６で行っている一致検出（フィードバック
制御）をロジックＩＣに置き換えてハード的に行うこと
や、コントローラ２６でのフィルタ処理を他のデジタル
信号処理によるフィルタ処理で行ったり、Ａ／Ｄ変換す
る前段でアナログＩＣによるアナログフィルタ処理に置
き換えることも可能である。

【００５６】以上実施の形態に基づいて本発明を説明し
たが、本発明は上述した実施の形態に限定されるもので
はなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形や応用が可
能である。ここで、本発明の要旨をまとめると以下のよ
うになる。

【００５７】（１） 探針を測定試料に対し相対的に走
査させて前記測定試料表面の測定領域の物理的あるいは
化学的量を測定する走査型プローブ顕微鏡において、前
記測定領域全体を走査することにより得られた測定結果
を表示するステップと、前記表示された測定領域の測定
結果の内の一部分を指定することにより、前記測定領域
の一部分を指定するステップと、前記探針もしくは前記
測定試料を相対的に移動させて、前記指定された測定領
域の一部分の内の所定位置に前記探針を移動するステッ
プと、前記所定位置に移動された探針が前記測定領域の
一部分をＸ方向及びそれに垂直なＹ方向に相対的に走査
するように、前記探針もしくは前記測定試料を移動させ
るステップと、前記測定領域の一部分の走査における前
記探針と測定試料との実際の相対的移動量を測定するス
テップと、前記探針が前記測定領域の前記指定された一
部分をＸ方向及びそれに垂直なＹ方向に実際に相対的に
走査するように、前記測定された実際の相対的移動量に
基づいて補正して、前記探針もしくは前記測定試料を移
動させるステップと、前記補正により実際に走査して得
られた測定結果を表示するステップと、を具備すること
を特徴とする走査型プローブ顕微鏡における部分測定方
法。

【００５８】即ち、アクチュエータの非線形性を考慮し
て測定領域の一部分の所定位置（例えば中心）を指定
し、この指定された部分を走査させた場合の実際の探針
の移動量に応じて、指定された部分に対応する実際の範
囲を走査できるようにしたので、大きな面積の走査での
アクチュエータの線形性補正と小さな面積の走査での位
置的な連続性を保つことができるようになる。

【００５９】（２） 前記探針と測定試料との相対的な
移動及び走査は、前記測定試料を三次元方向それぞれに
移動させるアクチュエータに対する印加電圧を変化させ
ることにより行われ、前記探針の所定位置への移動は、
前記アクチュエータの非線形性を補正するように前記印
加電圧が調整されて行われ、前記測定領域全体の走査、
前記測定領域の一部分の走査、及び前記実際の相対的移
動量に基づいて補正された走査は、前記印加電圧の調整
を行うこと無く行われることを特徴とする前記（１）に
記載の走査型プローブ顕微鏡における部分測定方法。

【００６０】即ち、探針の所定位置への移動はノイズの
影響を無視できるので、走査のフィードバック動作（サ
ーボ動作）を行って正確に位置決めすることができる。 （３） 前記測定領域全体の走査時に、所定間隔で前記
探針と測定試料との実際の相対的移動量を測定するステ
ップをさらに含み、前記測定領域全体を走査することに
より得られた測定結果を表示するステップは、前記測定
した実際の相対的移動量に基づいて測定結果を補正して
表示することを特徴とする前記（２）に記載の走査型プ
ローブ顕微鏡における部分測定方法。

【００６１】即ち、予めテーブルを用意しておくのでは
なく、測定ごとに新しい補正用テーブルを作成するの
で、経時変化や環境の変化に対応することができる。 （４） 前記探針と測定試料との相対的な移動及び走査
は、前記測定試料を三次元方向それぞれに移動させるア
クチュエータに対する印加電圧を変化させることにより
行われ、前記測定領域全体の走査及び前記探針の所定位
置への移動は、前記アクチュエータの非線形性を補正す
るように前記印加電圧が調整されて行われ、前記測定領
域の一部分の走査及び前記実際の相対的移動量に基づい
て補正された走査は、前記印加電圧の調整を行うこと無
く行われることを特徴とする前記（１）に記載の走査型
プローブ顕微鏡における部分測定方法。

【００６２】測定領域全体の走査ではサーボ動作を行っ
て正確に走査を行い、走査領域を小さくした時にはサー
ボどうさを行わないでノイズの少ない測定を行うことが
でき、しかもその際、位置的な連続性を保つことが可能
になる。

【００６３】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
カンチレバー上の探針と試料との間に働く相互作用（原
子間力、静電気力及び磁気力）によって変化するカンチ
レバーの撓みを一定に保つことにより、試料と探針の間
に働く力を一定に保ちながら、試料と探針の相対的位置
を走査する動作において、大きな面積の走査でのアクチ
ュエータの線形性補正と小さな面積の走査での位置的な
連続性を保つことのできる走査型プローブ顕微鏡におけ
る部分測定方法を提供することができる。

【００６４】即ち、本発明の走査型プローブ顕微鏡の部
分測定方法によって、圧電体の変位と電圧ヒステリシス
特性の影響を受ける測定に対しても、変位検出センサの
ノイズレベルに応じた探針制御法の切り替えで、走査位
置及び走査範囲変更の連続性を保つことができるように
なり、μｍレベルの探針位置と原子的オーダーの測定領
域とで対応のとれる、高分解能かつ直線性の高い高精度
な試料表面情報測定が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の動作フローチャー
トである。

【図２】（Ａ）はリニア補正無し測定のフローチャート
であり、（Ｂ）はリニア補正あり測定のフローチャート
である。

【図３】（Ａ）乃至（Ｄ）はそれぞれ画像解析装置内の
メモリ割付を示す図であり、（Ｅ）は圧電体の非線形を
示す線図、（Ｆ）は走査領域の変更を説明するための図
である。

【図４】本発明の第２の実施の形態の動作フローチャー
トである。

【図５】本発明の第３の実施の形態の動作フローチャー
トである。

【図６】従来及び本発明の適用される走査型プローブ顕
微鏡（ＳＰＭ）のブロック構成図である。

【符号の説明】

１０ カンチレバー １２ 探針 １４ 三次元微動素子（圧電体） １６ 試料台 １８ 試料 ２０ 高圧アンプ ２２ 変位検出装置 ２４ Ｚ制御機構 ２６ コントローラ ２８ Ｘ走査Ｄ／Ａコンバータ ３０ Ｙ走査Ｄ／Ａコンバータ ３２ 筐体 ３４ 画像解析装置 ３６ Ｘ変位センサ ３８ Ｙ変位センサ ４０ Ｘ変位Ａ／Ｄコンバータ ４２ Ｙ変位Ａ／Ｄコンバータ ４４ Ｘフィードバック制御回路 ４６ Ｙフィードバック制御回路 ４８ Ｘ電圧Ａ／Ｄコンバータ ５０ Ｙ電圧Ａ／Ｄコンバータ ＳＷＸ，ＳＷＹ アナログスイッチ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 探針を測定試料に対し相対的に走査させ
   て前記測定試料表面の測定領域の物理的あるいは化学的
   量を測定する走査型プローブ顕微鏡において、 前記測定領域全体を走査することにより得られた測定結
   果を表示するステップと、 前記表示された測定領域の測定結果の内の一部分を指定
   するステップと、 前記探針もしくは前記測定試料を相対的に移動させて、
   前記指定された測定領域の一部分の内の所定位置に前記
   探針を移動するステップと、 前記所定位置に移動された探針が前記測定領域の一部分
   をＸ方向及びそれに垂直なＹ方向に相対的に走査するよ
   うに、前記探針もしくは前記測定試料を移動させるステ
   ップと、 前記測定領域の一部分の走査における前記探針と測定試
   料との実際の相対的移動量を測定するステップと、 前記探針が前記測定領域の前記指定された一部分をＸ方
   向及びそれに垂直なＹ方向に実際に相対的に走査するよ
   うに、前記測定された実際の相対的移動量に基づいて補
   正して、前記探針もしくは前記測定試料を移動させるス
   テップと、 前記補正により実際に走査して得られた測定結果を表示
   するステップと、 を具備することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡にお
   ける部分測定方法。
2. 【請求項２】 前記探針と測定試料との相対的な移動及
   び走査は、前記測定試料を三次元方向それぞれに移動さ
   せるアクチュエータに対する印加電圧を変化させること
   により行われ、 前記探針の所定位置への移動は、前記アクチュエータの
   非線形性を補正するように前記印加電圧が調整されて行
   われ、 前記測定領域全体の走査、前記測定領域の一部分の走
   査、及び前記実際の相対的移動量に基づいて補正された
   走査は、前記印加電圧の調整を行うこと無く行われるこ
   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
   における部分測定方法。
3. 【請求項３】 前記測定領域全体の走査時に、所定間隔
   で前記探針と測定試料との実際の相対的移動量を測定す
   るステップをさらに含み、 前記測定領域全体を走査することにより得られた測定結
   果を表示するステップは、前記測定した実際の相対的移
   動量に基づいて測定結果を補正して表示することを特徴
   とする請求項２に記載の走査型プローブ顕微鏡における
   部分測定方法。
4. 【請求項４】 前記探針と測定試料との相対的な移動及
   び走査は、前記測定試料を三次元方向それぞれに移動さ
   せるアクチュエータに対する印加電圧を変化させること
   により行われ、 前記測定領域全体の走査及び前記探針の所定位置への移
   動は、前記アクチュエータの非線形性を補正するように
   前記印加電圧が調整されて行われ、 前記測定領域の一部分の走査及び前記実際の相対的移動
   量に基づいて補正された走査は、前記印加電圧の調整を
   行うこと無く行われ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における部分測定方法。