走査型プローブ顕微鏡装置及び走査型プローブ顕微鏡装置用プログラム
【課題】 表面の凹凸による輪郭が明瞭でない検査対象物であっても、感度の調整具合を適切に判断することができる走査型プローブ顕微鏡装置を提供する。
【解決手段】 カンチレバーに取り付けられた探針を検査対象物上で往復走査させる走査制御部２４と、カンチレバーに作用する押圧力の目標値に対する偏差に基づいて探針の高さを制御する高さ制御部２６と、探針の走査位置情報及び高さ情報に基づいて走査線上の表面形状を検出する表面形状検出部２７ａと、走査位置情報及び偏差に基づいて走査線上の偏差分布を求める偏差分布検出部２７ｂと、往復走査の往路及び復路においてそれぞれ得られた表面形状を重ねて２次元表示するとともに、往路及び復路においてそれぞれ得られた偏差分布を重ねて２次元表示する表示制御部２９と、ユーザが指定するオフセット量に基づいて往路及び復路における走査位置情報をオフセットさせるオフセット調整部２８により構成される。
【解決手段】 カンチレバーに取り付けられた探針を検査対象物上で往復走査させる走査制御部２４と、カンチレバーに作用する押圧力の目標値に対する偏差に基づいて探針の高さを制御する高さ制御部２６と、探針の走査位置情報及び高さ情報に基づいて走査線上の表面形状を検出する表面形状検出部２７ａと、走査位置情報及び偏差に基づいて走査線上の偏差分布を求める偏差分布検出部２７ｂと、往復走査の往路及び復路においてそれぞれ得られた表面形状を重ねて２次元表示するとともに、往路及び復路においてそれぞれ得られた偏差分布を重ねて２次元表示する表示制御部２９と、ユーザが指定するオフセット量に基づいて往路及び復路における走査位置情報をオフセットさせるオフセット調整部２８により構成される。
【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装置及び走査型プローブ顕微鏡装置用プログラムに係り、さらに詳しくは、探針が取り付けられたカンチレバーを用いて、微細な検査対象物の表面形状を検出する走査型プローブ顕微鏡装置の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
微細な検査対象物の表面形状を観測する観測装置として、走査型プローブ顕微鏡が知られている。走査型プローブ顕微鏡は、カンチレバー（片持ち梁）の先端に取り付けられた探針（probe：プローブ）を検査対象物上で走査させ、その走査位置及び高さを計測することによって、検査対象物の表面形状を検出している（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
探針は、カンチレバーによって検査対象物に押圧されており、カンチレバーの高さは、カンチレバーに作用する押圧力が一定となるようにフィードバック制御されている。このフィードバック制御では、カンチレバーのたわみ量や振幅に基づいてカンチレバーに作用する押圧力を検出し、当該押圧力の目標値に対する偏差に基づいてカンチレバーの高さを制御している。探針の走査位置及び高さは、カンチレバーの走査位置及び高さから求められるため、この様なカンチレバーを検査対象物上で走査させることによって、探針の走査位置情報及び高さ情報を取得し、検査対象物の表面形状を示す形状データが生成される。
【０００４】
この様な走査型プローブ顕微鏡では、探針の走査速度、高さ制御の目標値及びフィードバックゲインによって、検査対象物表面の凹凸に対する探針の追従性や応答性が変化する。例えば、形状データの生成時間を短縮するために、探針の走査速度を速くすると、探針の追従性が低下してしまうことから、所望の観測精度に応じて走査速度を決定する必要がある。そこで、上述したプローブ顕微鏡では、探針の走査速度や押圧力の目標値及びフィードバックゲインを変更することによる感度調整が行われている。この感度調整は、通常、ユーザによる操作入力に基づいて行われ、例えば、同じ走査線上を往復走査させて得られる表面形状の画面表示を見て感度の調整具合が判断される。表面形状の画面表示では、往復走査の往路及び復路においてそれぞれ得られた走査線上の表面形状を重ねて表示され、ユーザは、走査位置ごとの高さを往路及び復路間で比較することによって、感度調整が適切であるか否かを判断している。
【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】
【０００５】
一般に、往復走査の往路及び復路においてそれぞれ得られる各表面形状には、検査対象物表面の形状変化に対する探針の応答遅れ、走査方向の切り替えによる探針やカンチレバーのブレにより、往路及び復路間で走査方向にずれが生じることが少なくない。このため、上述した様な従来の走査型プローブ顕微鏡装置では、各表面形状の高さを比較する際、往路及び復路間の対応付けがしづらく、感度調整が容易ではないという問題があった。特に、表面の凹凸による輪郭が明瞭でない検査対象物については、表面形状の変化が緩慢となるので、往路及び復路間の対応付けが極めて困難であった。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、感度調整を容易化させた走査型プローブ顕微鏡装置及び走査型プローブ顕微鏡装置用プログラムを提供することを目的とする。特に、表面の凹凸による輪郭が明瞭でない検査対象物であっても、感度の調整具合を適切に判断することができる走査型プローブ顕微鏡装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の本発明による走査型プローブ顕微鏡装置は、カンチレバーの先端に取り付けられた探針を検査対象物へ押圧し、同じ走査線上を往復走査させる走査手段と、上記カンチレバーに作用する押圧力を検出し、検出した押圧力の目標値に対する偏差に基づいて上記探針の高さを制御する高さ制御手段と、上記探針の走査位置情報及び高さ情報に基づいて、上記走査線上の表面形状を検出する表面形状検出手段と、上記走査位置情報及び上記偏差に基づいて、上記走査線上の偏差分布を求める偏差分布検出手段と、上記往復走査の往路及び復路においてそれぞれ得られた上記表面形状を重ねて２次元表示するとともに、上記往路及び復路においてそれぞれ得られた上記偏差分布を重ねて２次元表示する表示制御手段と、ユーザが指定するオフセット量に基づいて、上記往路及び復路における上記走査位置情報を相対的にオフセットさせるオフセット調整手段とを備え、上記表示制御手段が、オフセット後の上記走査位置情報に基づいて表面形状及び偏差分布を表示するように構成される。
【０００８】
この走査型プローブ顕微鏡装置では、往復走査させて得られた表面形状及び偏差分布がそれぞれ往復走査の往路及び復路について重ねて２次元表示され、ユーザが指定するオフセット量に基づいて、往路及び復路における走査位置情報がオフセットされる。この様な構成により、表面形状及び偏差分布について、必要に応じてオフセット量を変更して表示させることができるので、表面形状や偏差分布を往路及び復路間で比較する際の対応付けを容易化することができる。
【０００９】
第２の本発明による走査型プローブ顕微鏡装置は、上記構成に加え、上記表示制御手段が、偏差分布を表示する際、往路又は復路のいずれか一方の偏差分布について偏差の符号を反転させて表示するように構成される。この様な構成によれば、偏差分布について往復走査の往路及び復路間で比較する際、走査位置ごとの偏差の対応付けがさらに容易となるので、表面の凹凸による輪郭が明瞭でない検査対象物であっても、感度の調整具合が適切であるか否かを容易に判断することができる。
【００１０】
第３の本発明による走査型プローブ顕微鏡装置は、上記構成に加え、上記表示制御手段が、同一画面上において、表面形状及び偏差分布を同時に表示するとともに、走査位置を一致させて表示するように構成される。この様な構成によれば、走査位置を一致させて表面形状及び偏差分布が表示されるので、これらの比較が容易となり、オフセット量や感度を調整する際の利便性を向上させることができる。
【００１１】
第４の本発明による走査型プローブ顕微鏡装置は、上記構成に加え、ユーザ操作に基づいて、上記目標値を変更する目標値変更手段を備えて構成される。
【００１２】
第５の本発明による走査型プローブ顕微鏡装置は、上記構成に加え、ユーザ操作に基づいて、比例ゲイン及び積分ゲインを変更するフィードバックゲイン変更手段を備え、上記高さ制御手段が、上記比例ゲイン及び積分ゲインに基づいて、上記探針の高さをフィードバック制御するように構成される。
【００１３】
第６の本発明による走査型プローブ顕微鏡装置用プログラムは、カンチレバーの先端に取り付けられた探針を検査対象物へ押圧し、同じ走査線上を往復走査させる走査手段と、上記カンチレバーに作用する押圧力を検出し、検出した押圧力の目標値に対する偏差に基づいて上記探針の高さを制御する高さ制御手段と、上記探針の走査位置情報及び高さ情報に基づいて、上記走査線上の表面形状を検出する表面形状検出手段と、上記往復走査の往路及び復路においてそれぞれ得られた上記表面形状を重ねて２次元表示する表示制御手段とからなる走査型プローブ顕微鏡装置を制御するためのプログラムであって、上記走査位置情報及び上記偏差に基づいて、上記走査線上の偏差分布を求める偏差分布検出手順と、ユーザが指定するオフセット量に基づいて、上記往路及び復路における上記走査位置情報を相対的にオフセットさせるオフセット調整手順と、上記往路及び復路においてそれぞれ得られた上記偏差分布を重ねて２次元表示させるとともに、オフセット後の上記走査位置情報に基づいて表面形状及び偏差分布を表示させる表示処理手順とをコンピュータに実行させるように構成される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明による走査型プローブ顕微鏡装置及び走査型プローブ顕微鏡装置用プログラムによれば、必要に応じてオフセット量を変更して表面形状及び偏差分布を表示させることができるので、往路及び復路間で比較する際の対応付けが容易となり、ユーザはこれらの表示を見て感度の調整具合を判断することができ、感度調整を容易化することができる。特に、偏差分布における反転表示により、走査位置ごとの偏差の対応付けがさらに容易となるので、表面の凹凸による輪郭が明瞭でない検査対象物であっても、感度の調整具合を適切に判断することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は、本発明の実施の形態による走査型プローブ顕微鏡装置の概略構成の一例を示した図であり、コントローラ２０が接続された顕微鏡本体１０の外観の様子が示されている。本実施の形態による走査型プローブ顕微鏡装置１００は、探針（probe：プローブ）を走査させることにより、検査対象物の表面形状を観測する観測装置であり、顕微鏡本体１０、コントローラ２０及びモニター３０からなる。
【００１６】
本実施の形態では、ＳＰＭ（Scanning Probe Microscope：走査型プローブ顕微鏡）の一例として、原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscope：ＡＦＭ）５を備えた顕微鏡装置について説明するが、ＡＦＭ５に代えて他のプローブ顕微鏡、例えば、走査型トンネル顕微鏡（Scanning Tunneling Microscope：ＳＴＭ）を備えた顕微鏡装置であっても良い。ＡＦＭは、探針先端の原子と検査対象物表面の原子との間に作用する原子間力を利用する顕微鏡である。これに対し、ＳＴＭは、導電性を有する試料を検査対象とし、探針を試料表面に近づけた際、探針及び検査対象物間に流れるトンネル電流を利用する顕微鏡である。
【００１７】
顕微鏡本体１０は、検査対象物が載置される載置台１１と、カンチレバー保持部１２を有するＡＦＭ５と、顕微鏡画像を生成する光学顕微鏡１３と、カンチレバーの側方から見たサイドビュー画像を生成するサイドビューカメラ１４と、これらを収容する筐体１ａを備えて構成される。
【００１８】
載置台１１は、水平な載置面を有するテーブルであり、検査対象物の位置決めに使用される。カンチレバー保持部１２は、カンチレバーを着脱可能に保持するホルダーである。
【００１９】
光学顕微鏡１３は、載置台１１上の検査対象物を撮影し、顕微鏡画像を生成する撮像装置である。ここでは、光軸変換用ミラー１５を用いて検査対象物からの光が観測され、カンチレバーの後方、すなわち、カンチレバーよりも高い位置から見た撮影画像として顕微鏡画像が生成されるものとする。光軸変換用ミラー１５は、光を反射させて光軸の向きを変更する光学素子である。この様な顕微鏡画像は、探針に対する検査対象物の水平面内における位置決めに使用される。
【００２０】
サイドビューカメラ１４は、載置台１１上に配置された検査対象物及びカンチレバーを撮影し、カンチレバーの側方、すなわち、水平方向から見た撮影画像をサイドビュー画像として生成する撮像装置である。このサイドビュー画像は、光学顕微鏡１３により生成される顕微鏡画像に比べて倍率の低い画像であり、検査対象物を探針に近づける際、検査対象物及び探針間の近づき具合をモニターするのに使用される。
【００２１】
筐体１ａには、検査対象物を取り替える際に取り出し口として使用される開口が設けられており、この開口を介して筐体１ａ内の様子を直接見ることができる。ＡＦＭ５による測定の際には、開口を着脱可能なパネル板１ｂにより塞いだ状態で、探針の走査が行われる。この様にすることにより、載置台１１付近の検査エリア内に音、風、光などが侵入するのを防ぐことができ、空気の振動や風による振動がＡＦＭ５の測定精度を低下させるのを抑制することができる。特に、カンチレバーのたわみ量や振幅を圧電素子からの電気信号に基づいて検出する自己検知式のＡＦＭ５では、光の侵入によって圧電素子の動作に不具合が生じるのを防止することができる。
【００２２】
また、筐体１ａの正面パネルには、顕微鏡画像の視野位置を調整するための調整用つまみ２ａ、２ｂ及び操作ボタン３と、検査エリアを照明する照明用ＬＥＤをオン又はオフする操作ボタン４が配置されている。
【００２３】
コントローラ２０は、顕微鏡本体１０の各部を制御する制御装置であり、ＡＦＭ５の走査系制御、光学顕微鏡１３の撮像制御、サイドビューカメラ１４の撮像制御などを行っている。また、ＡＦＭ５により検出される形状データ、顕微鏡画像及びサイドビュー画像を画像処理し、表示データとしてモニター３０へ出力する動作を行っている。ここでは、ＡＦＭ５及び光学顕微鏡１３を用いて検査対象物を観測する動作モード（以下、ＡＦＭ観測モードと呼ぶことにする）と、光学顕微鏡１３のみで検査対象物を観測する動作モード（以下、光学顕微鏡モードと呼ぶことにする）とが選択可能であるものとする。
【００２４】
図２は、図１の走査型プローブ顕微鏡装置の要部における構成例を示した斜視図であり、顕微鏡本体１０における筐体内部の様子が示されている。この顕微鏡本体１０では、走査系４１、可動ステージ４３、駆動系４４，４５、光軸変換部５１、撮像部５２、ＡＦＭ５、載置台１１、カンチレバー保持部１２、光学顕微鏡１３、サイドビューカメラ１４及び光軸変換用ミラー１５が防振フレーム４０に配置されている。
【００２５】
可動ステージ４３は、載置台１１と共に移動させることにより、載置台１１上の検査対象物の位置を変更させる位置決め手段である。可動ステージ４３の水平面（ｘｙ平面）内における位置は、駆動系４４を制御することにより変更され、上下方向（ｚ軸方向）の位置は、駆動系４５を制御することにより変更される。可動ステージ４３の水平面内における位置を変更させることにより、ＡＦＭ５により走査可能なエリアを変更することができる。また、可動ステージ４３を上下方向に移動させることにより、検査対象物を探針に近づけ、或いは、探針から遠ざけることができる。
【００２６】
また、可動ステージ４３を上昇させることによって検査対象物を探針へ近づける際の接近動作が２段階に分けて行われるものとする。すなわち、ユーザ操作に基づいて行われる手動アプローチと、カンチレバーのたわみ量や振幅を監視しながらさらに検査対象物を探針へ接近させ、たわみ量や振幅に基づいて停止させる自動アプローチに分けて行われる。
【００２７】
ＡＦＭ５は、ｘｙ平面及びｙｚ平面による断面形状がいずれもＬ字状のアーム部４０ａ（防振フレーム４０の一部）によって釣り下げられ、カンチレバー保持部１２を載置台１１の載置面に対向させて配置されている。このＡＦＭ５では、走査系４１を制御することにより、カンチレバー保持部１２の高さ方向（ｚ軸方向）における位置を調整するとともに、水平方向に走査させる動作が行われる。ここでは、走査系４１が３つのボイスコイルモーター（ＶＣＭ）４２によって駆動されるものとする。ボイスコイルモーター４２は、電気エネルギーを直進運動に変換するリニアモーターである。各ボイスコイルモーター４２により、ｘ、ｙ、ｚの各軸方向にそれぞれ独立してカンチレバーの位置を変更させることができる。
【００２８】
光学顕微鏡１３は、ＡＦＭ５の側方に配置され、検査対象物からの光を光軸変換用ミラー１５で反射させて顕微鏡画像の生成を行っている。この光軸変換用ミラー１５は、光学顕微鏡１３の対物レンズに対向させてカンチレバーの近傍に配置されている。検査対象物からの光は、光軸変換用ミラー１５を介して対物レンズに入射され、光軸変換部５１により概ね直角に光軸が曲げられて撮像部５２へ出力される。
【００２９】
ここでは、カンチレバーがカンチレバー保持部１２からｘ軸方向に突出させて配置され、カンチレバー先端の探針が載置台１１（円形）の中心に位置決めされるものとする。
【００３０】
図３は、図１の走査型プローブ顕微鏡装置の要部における構成例を示したブロック図であり、コントローラ２０の機能構成が示されている。このコントローラ２０は、操作入力部２１、感度調整部２２、走査情報記憶部２３、走査制御部２４、高さ制御情報記憶部２５、高さ制御部２６、表面形状検出部２７ａ、偏差分布検出部２７ｂ、オフセット調整部２８及び表示制御部２９からなる。
【００３１】
走査制御部２４は、走査系４１を制御し、探針を走査させる動作を行っている。この探針の走査は、走査情報記憶部２３内に格納されている走査情報に基づいて行われる。具体的には、探針の走査範囲、解像度、走査速度２３ａなどが走査情報として走査情報記憶部２３内に書き換え可能に格納され、これらの走査情報に従って水平面内における位置の制御が行われる。感度調整の際には、同じ走査線上を往復走査させる動作（往復スキャン）が行われ、探針の走査位置情報が出力される。
【００３２】
高さ制御部２６は、走査系４１を制御し、探針の高さを調整する動作を行っている。この探針の高さ制御は、カンチレバーに作用する押圧力を検出することにより行われる。探針は、カンチレバーによって検査対象物に押圧されており、探針の高さは、カンチレバーに作用する押圧力が一定となるようにフィードバック制御される。カンチレバーは、作用する押圧力に応じてたわみ量（歪）や振幅が変化するので、たわみ量や振幅によって押圧力を判断することができる。
【００３３】
ここでは、カンチレバーが圧電素子により構成され、圧電素子からの電気信号に基づいてたわみ量や振幅を求めることにより、カンチレバーに作用する押圧力が検出されるものとする。探針の高さのフィードバック制御は、この様にして検出された押圧力の目標値に対する偏差、比例ゲイン（Ｐゲイン）及び積分ゲイン（Ｉゲイン）に基づいて行われ、探針の高さ情報が出力される。
【００３４】
高さ制御情報記憶部２５内には、これらのフィードバックゲインや目標値（以下、フォースリファレンスと呼ぶことにする）がフィードバックパラメータ２５ａとして書き換え可能に格納されている。
【００３５】
ここでは、カンチレバーを一定の周波数で振動させた状態で表面形状を測定する動作モード、いわゆるダンピングフォースモード（ＤＦＭ）と、探針を検査対象物に接触させながら測定する動作モード（コンタクトモード）とが選択可能であるものとする。ＤＦＭでは、カンチレバー固有の共振周波数でカンチレバーを振動させながら検査対象物及び探針を近づけ、検査対象物及び探針を近づけた際に生じる振幅、位相及び周波数の変化に基づいて探針の高さが制御される。
【００３６】
表面形状検出部２７ａは、探針の走査位置情報及び高さ情報に基づいて、走査線上の表面形状を検出する動作を行っている。この表面形状は、走査線で検査対象物を切断したときの形状データであり、走査位置ごとの高さ情報からなる。
【００３７】
偏差分布検出部２７ｂは、探針の走査位置情報及び偏差に基づいて、走査線上の偏差分布を検出する動作を行っている。この偏差分布は、探針の高さ制御における制御量を規定する偏差を走査位置ごとに示したデータであり、探針の高さの変化率分布に相当する。
【００３８】
操作入力部２１は、ユーザ操作に基づいて入力信号を生成するユーザインターフェースである。感度調整部２２は、操作入力部２１からの入力信号に基づいて、探針の走査速度２３ａ及びフィードバックパラメータ２５ａを変更する感度の変更手段である。
【００３９】
オフセット調整部２８は、ユーザが指定するオフセット量に基づいて、往復走査の往路及び復路における走査位置情報を相対的にオフセットさせる処理を行っている。
【００４０】
表示制御部２９は、表面形状検出部２７ａにより検出された表面形状と、偏差分布検出部２７ｂにより検出された偏差分布をモニター３０上に画面表示させる動作を行っている。具体的には、往復走査の往路及び復路においてそれぞれ得られた表面形状が重ねて２次元表示されるとともに、往路及び復路においてそれぞれ得られた偏差分布が重ねて２次元表示される。
【００４１】
偏差分布を重ねて表示する際には、往路又は復路のいずれか一方の偏差分布について、偏差の符号を反転させて表示する反転表示モードと、反転させずに表示する通常表示モードとを選択することができる。ここでは、反転表示モードにおいて、復路について符号反転が行われるものとする。
【００４２】
表示制御部２９では、オフセット調整部２８によるオフセット後の走査位置情報に基づいて、表面形状及び偏差分布の表示が行われる。ここでは、復路について、走査位置をずらすことによりオフセット調整が行われ、表面形状及び偏差分布の表示位置が往路及び復路間で変更されるものとする。
【００４３】
<ＡＦＭ観測>
図４のステップＳ１０１〜Ｓ１１０は、図１の走査型プローブ顕微鏡装置における動作の一例を示したフローチャートであり、ＡＦＭ観測モードにおける測定動作の処理手順が示されている。ＡＦＭ観測モードでは、まず、ＡＦＭ５の動作モードを選択させる選択画面がモニター３０上に表示され、カンチレバーの装着を促すメッセージが配置される（ステップＳ１０１）。
【００４４】
次に、カンチレバーの探針が顕微鏡画像の中央となるように、調整用つまみ２ａ及び２ｂを操作することにより、光学顕微鏡１３の視野位置が調整される（ステップＳ１０２）。視野位置の調整が完了すれば、カンチレバーの共振周波数を検出して当該共振周波数によるカンチレバーの振動を開始させる初期化処理が行われる（ステップＳ１０３）。
【００４５】
次に、サイドビュー画像がモニター３１上に顕微鏡画像と共に表示され、ユーザ操作に基づく探針の手動アプローチが開始される（ステップＳ１０４）。この手動アプローチが完了すると、可動ステージ４３の水平面内における位置を調整してＡＦＭ５の走査可能なエリアの位置が決定される（ステップＳ１０５）。
【００４６】
ＡＦＭ５の走査可能なエリアについて、ユーザ操作による走査範囲の指定が完了すると、探針の自動アプローチが開始される（ステップＳ１０６〜Ｓ１０８）。この自動アプローチが完了すると、ＡＦＭ５による走査（スキャン）が開始され、形状データが生成される（ステップＳ１０９，Ｓ１１０）。
【００４７】
図５〜図９は、図１の走査型プローブ顕微鏡装置における動作の一例を示した図であり、ＡＦＭ観測モードにおいてモニター３０上に表示されるモニター画面２００の様子が示されている。モニター画面２００は、光学顕微鏡１３により撮影された顕微鏡画像やＡＦＭ５による観測結果を表示する表示画面である。このモニター画面２００は、メインタイトル表示領域２０１、タブ表示領域２０２、メイン画像表示領域２０３、サブタイトル表示領域２０４、観測モード表示領域２０５、操作手順表示領域２０６、メッセージ表示領域２０７、手順詳細表示領域２０８及びユーザ操作表示領域２０９からなる。
【００４８】
メインタイトル表示領域２０１は、動作状態を示す文字列を表示する表示領域であり、モニター画面２００における最上段に配置されている。タブ表示領域２０２は、処理中の画像データを示す文字列を処理順にタブとして表示する表示領域である。メイン画像表示領域２０３は、撮影中の顕微鏡画像やＡＦＭ５による観測結果を表示する表示領域である。
【００４９】
サブタイトル表示領域２０４は、サブタイトルを示す文字列を表示する表示領域である。観測モード表示領域２０５は、観測モードを表示する表示領域であり、ＡＦＭ観測モード及び光学顕微鏡モードの選択ボックスが配置されている。この選択ボックスは、マウスなどのポインティングデバイスを用いて操作選択することができ、観測モードをＡＦＭモード又は光学顕微鏡モードのいずれかに切り替えることができる。
【００５０】
操作手順表示領域２０６は、ＡＦＭ観測時における操作手順を模式的に表示する表示領域である。具体的には、「カンチレバー装着」から「スキャン」までの各操作手順を示すアイコンと、スキャンを停止させるための停止ボタンを示すアイコンが配置されている。これらのアイコンは、操作選択することにより当該操作手順を実行させることができる。ここでは、操作選択されたアイコンをフォーカシングして表示、例えば、反転表示し、実行中の操作手順が判別可能であるものとする。
【００５１】
メッセージ表示領域２０７は、実行中の操作手順に関するメッセージを表示する表示領域である。手順詳細表示領域２０８は、実行中の操作手順の詳細を示す文字列を表示する表示領域である。ユーザ操作表示領域２０９は、実行中の操作手順に関し、ユーザ操作の選択対象や操作対象を表示する表示領域である。具体的には、測定モードを指定するための選択ボックスや、次の操作手順に移行させるための操作ボタン、手動アプローチの際のサイドビュー画像、可動ステージ４３を移動させるための操作ボタン、走査範囲を指定するための入力ボックスなどが動作状態に応じてユーザ操作表示領域２０９内に配置される。表示領域２０６〜２０９は、モニター画面２００内において、メイン画像表示領域２０３の右側に配置されている。
【００５２】
図５には、カンチレバー装着時の画面が示され、メイン画像表示領域２０３に顕微鏡画像が表示されている。このモニター画面２００では、カンチレバー保持部１２に装着されたカンチレバー１２ａ及び温度補償用の突出部１２ｂの様子が顕微鏡画像として表示されている。また、メイン画像表示領域２０３の中央で交差させた位置決め用の直線Ａ１及びＡ２が表示されている。
【００５３】
ユーザは、カンチレバー１２ａの装着後、調整用つまみ２ａ及び２ｂを操作して顕微鏡画像の視野位置を調整する。具体的には、カンチレバー１２ａの探針が直線Ａ１及びＡ２の交点と重なるように視野位置が調整される。視野位置の調整の完了後、「次へ」ボタン２０９ａを操作し、或いは、操作手順「手動アプローチ」を操作選択すれば、次の操作手順に移行することができる。
【００５４】
図６には、手動アプローチによる可動ステージ４３の高さ調整時の画面が示され、ユーザ操作表示領域２０９内にサイドビュー画像２１０が表示されている。このモニター画面２００では、光学顕微鏡１３の焦点位置がカンチレバー１２ａから検査対象物側の所定位置に切り替えられるとともに、カンチレバー１２ａ周辺の様子がサイドビュー画像２１０として表示されている。
【００５５】
このモニター画面２００におけるユーザ操作表示領域２０９には、サイドビュー画像２１０の他に、可動ステージ４３を移動させるための操作ボタン２１１ａ〜２１１ｄ及び２１２や、サイドビューカメラ１４の撮影倍率を選択するための選択ボックスが配置されている。ここでは、サイドビュー画像２１０の右側に操作ボタン２１１ａ〜２１１ｄが配置され、可動ステージ４３を上昇又は下降させる際の移動速度に関し、２段階もしくは３段階の移動速度が選択可能であるものとする。
【００５６】
具体的には、操作ボタン２１１ａ及び２１１ｂを操作することにより、可動ステージ４３が上昇し、検査対象物をカンチレバー１２ａ側へ移動させることができる。その際、操作ボタン２１１ａの操作により、操作ボタン２１１ｂよりも高速で移動させることができる。また、操作ボタン２１１ｃ及び２１１ｄを操作することにより、可動ステージ４３が下降し、検査対象物をカンチレバー１２ａとは反対側へ移動させることができる。その際、操作ボタン２１１ｄの操作により、操作ボタン２１１ｃよりも高速で移動させることができる。
【００５７】
操作ボタン２１２は、可動ステージ４３を可動範囲内における最下点に移動させて、探針を退避させるための操作ボタンである。また、サイドビューカメラ１４の撮影倍率として、通常倍率（ここでは、「×１」と表示）による撮影モードと、通常倍率よりも高倍率（ここでは、「×２」と表示）な撮影モードのいずれかを選択することができる。ここでは、撮影画像を画像処理することによってサイドビューカメラ１４による撮影の高倍率化が行われるものとする。可動ステージ４３の高さ調整の完了後、「ＯＫ」ボタン２１３を操作し、或いは、操作手順「水平位置調整」を操作選択すれば、次の操作手順に移行することができる。
【００５８】
図７には、可動ステージ４３の水平位置調整時の画面が示され、ユーザ操作表示領域２０９内に調整のためのアイコンなどが表示されている。具体的には、光学顕微鏡１３の光学系を調整するためのアイコンや撮影ボタン２２０、可動ステージ４３の可動範囲及び探針位置をグラフィカルに示す表示エリア２２１、可動ステージ４３の水平位置を調整するための操作ボタン２２２が配置されている。
【００５９】
ここでは、アイコンを操作することにより、ズームアップさせ、或いは、焦点位置を移動させた顕微鏡画像が表示されるものとする。撮影ボタン２２０は、メイン画像表示領域２０３に表示されている画像を静止画像としてメモリ内に取り込むための操作ボタンである。
【００６０】
表示エリア２２１には、水平面内における可動ステージ４３の可動範囲が可動ステージ４３に対する相対的な探針位置２２１ａとして表示される。操作ボタン２２２を操作して探針位置２２１ａを前後左右に移動させることにより、可動ステージ４３の水平面内における位置を調整することができる。可動ステージ４３の水平位置調整の完了後、「ＯＫ」ボタン２１３を操作し、或いは、操作手順「スキャン設定」を操作選択すれば、次の操作手順に移行することができる。
【００６１】
図８には、スキャン設定時の画面が示され、ユーザ操作表示領域２０９内に走査範囲を指定するための入力ボックス２３１〜２３４やＡＦＭ５の感度を調整するための感度調整ボタン２３５が配置されている。このモニター画面２００では、メイン画像表示領域２０３内に、ＡＦＭ５の走査可能なエリアを規定する矩形枠Ａ３が顕微鏡画像に重ねて表示されている。ユーザは、この矩形枠Ａ３内において、探針の走査範囲としての矩形領域Ａ４を指定することができる。
【００６２】
ここでは、矩形領域Ａ４について、中心点の位置座標や縦横の走査範囲、アスペクト比（縦横比）及び角度を指定することにより、探針の走査範囲が決定されるものとする。この様な探針の走査範囲の設定の完了後、操作手順「スキャン」を操作選択すれば、ＡＦＭ５によるスキャンを開始させることができる。
【００６３】
図９には、スキャン完了時の画面が示され、メイン画像表示領域２０３内にＡＦＭ５による観測結果が表示されている。この例では、ＡＦＭ５による観測結果として、検査対象物表面における高さの変化を輝度の変化として示す高さ画像Ｂ１と、所定の切断線Ａ５で切断した検査対象物断面の高低差を示すラインプロファイルＢ２が表示されている。
【００６４】
高さ画像Ｂ１は、矩形領域Ａ４内を走査して得られた形状データを画素ごとの輝度データに変換することによって生成される。この高さ画像Ｂ１では、検査対象物表面の高低差（凹凸）が輝度の差として表される。具体的には、高さの高いところほど明るくなっている。
【００６５】
<感度調整>
図１０のステップＳ２０１〜Ｓ２０９は、図１の走査型プローブ顕微鏡装置における動作の一例を示したフローチャートであり、感度調整時の処理手順が示されている。まず、ユーザにより走査位置が指定されると、所定の範囲内で走査線上を往復走査させる往復スキャンが開始される（ステップＳ２０１，Ｓ２０２）。この往復スキャンが完了すると、走査位置情報や高さ情報、偏差情報から表面形状及び偏差分布が検出され、モニター３０上に画面表示される（ステップＳ２０３、Ｓ２０４）。
【００６６】
このとき、ユーザにより、偏差分布の反転表示モードが選択指定されれば、復路について偏差の符号を反転させる処理が行われる（ステップＳ２０５，Ｓ２０８）。次に、ユーザは、モニター３０上の表面形状及び偏差分布を見て往路及び復路間における走査方向のずれを判断し、オフセット量を指定するための操作入力を行う。この操作入力に基づいて走査位置情報がオフセットされ、オフセット後の表面形状及び偏差分布が表示される（ステップＳ２０６）。
【００６７】
次に、ユーザは、オフセット後の表面形状及び偏差分布を見て感度の調整具合を判断し、感度の変更が必要であれば、感度変更のための操作入力を行う。この操作入力に基づいて感度調整が行われ（ステップＳ２０７，Ｓ２０９）、ステップＳ２０２からステップＳ２０６までの処理手順が繰り返される。感度の調整具合が適切であり、再度の感度変更が不要となれば、この処理は終了する。
【００６８】
図１１（ａ）〜（ｃ）は、図１の走査型プローブ顕微鏡装置における動作の一例を示した図であり、往復スキャン完了時にモニター３０上に表示される表面形状が模式的に示されている。図１１の（ａ）及び（ｂ）には、ＡＦＭ５の感度が適切でない場合が示され、図１１の（ｃ）には、オフセット量Ｃ２を調整し感度を適正化させた場合が示されている。
【００６９】
一般に、探針の走査速度が大きく、或いは、探針の高さ制御における目標値が小さいと、検査対象物表面の凹凸に対する探針の追従性が低下し、表面形状の立ち下がり部分Ｃ１などでなまりが生じる。（ａ）には、往復スキャンの往路及び復路について、立ち下がり部分Ｃ１になまりが生じている例が示されている。
【００７０】
また、探針の走査速度が小さくても、目標値が大きく、或いは、探針の高さ制御における比例ゲインや積分ゲインが大きいと、立ち上がりの際にオーバーシュートが発生し、表面形状の立ち上がり部分に発振ノイズＣ３が生じる。（ｂ）には、往路及び復路について、立ち上がり部分に発振ノイズＣ３が生じている例が示されている。
【００７１】
ユーザは、この様な形状データの画面表示を見て、感度の調整具合を判断することになる。その際、往路及び復路間のオフセット量Ｃ２が小さくなるように、予めオフセット調整しておくと、感度が適切であるか否かが判断しやすくなる。
【００７２】
図１２（ａ）及び（ｂ）は、図１の走査型プローブ顕微鏡装置における動作の一例を示した図であり、図１１の表面形状に対応する偏差分布が模式的に示されている。図１２（ａ）には、ＡＦＭ５の感度が適切でない場合が示され、図１２（ｂ）には、オフセット量Ｃ２を調整し感度を適正化させた場合が示されている。
【００７３】
この偏差分布では、表面形状の立ち上がりに対応して偏差の正領域側に極大点を有する凸部分が生じ、立ち下がりに対応して負領域側に極小点を有する凸部分が生じている。この様な偏差分布によれば、表面形状に大きな変化が生じている部分のみが凸部分として抽出されるので、往路及び復路についてのオフセット調整が行いやすくなる。従って、この様な偏差分布に基づいてオフセット量Ｃ２を調整し、オフセット調整後の形状データに基づいて感度調整を行えば、感度の調整具合を適切に判断することができる。
【００７４】
具体的には、偏差分布について、往路及び復路間で凸部分の走査方向における位置が一致するように、オフセット量Ｃ２が調整される。
【００７５】
図１３は、図１の走査型プローブ顕微鏡装置における動作の一例を示した図であり、反転表示モードにおける偏差分布が模式的に示されている。この例では、復路の偏差分布について、偏差の符号が反転されている。この様にして偏差分布を表示すれば、往路及び復路間における偏差分布の重なり具合によって、走査方向における位置の対応付けが適切であるか否かを判断することができるので、オフセット量Ｃ２の調整がさらに容易となる。
【００７６】
図１４〜図１６は、図１の走査型プローブ顕微鏡装置における動作の一例を示した図であり、感度調整時のモニター画面２００の様子が示されている。図１４には、往復スキャン設定時の画面が示されている。このモニター画面２００では、メイン画像表示領域２０３に顕微鏡画像が表示され、ユーザ操作表示領域２０９内には、往復スキャンの走査位置を指定するための入力ボックス２４１が配置されている。
【００７７】
ここでは、往復スキャンの走査位置として、中心点の位置座標を入力すれば、矩形枠Ａ３内にその位置座標によって規定される走査線Ｄ１が表示されるものとする。走査位置の指定後、「往復スキャン」ボタン２４２を操作すれば、走査線Ｄ１についての往復スキャンを開始させることができる。
【００７８】
図１５には、往復スキャン完了時の画面が示され、往復スキャンにより得られた表面形状及び偏差分布が同一画面上に同時に表示されている。このモニター画面２００では、メイン画像表示領域が上下に分割され、上側領域にタイトル３１１及び表面形状３１２が表示され、下側領域にタイトル３２１及び偏差分布３２２が表示されている。
【００７９】
また、メイン画像表示領域の右側には、メッセージや模式図が配置される表示領域３２３と、感度設定に関する表示領域３３０及び３３１と、オフセット設定に関する表示領域３４０及び３４１が配置されている。
【００８０】
表面形状３１２は、左右方向を走査方向（ｙ軸方向）とし、上下方向を高さ方向（ｚ軸方向）として表示され、走査位置ごとの高さからなる往路波形Ｅ１及び復路波形Ｅ２が重ねて配置されている。
【００８１】
偏差分布３２２は、表面形状３１２と走査位置を一致させて表示され、走査位置ごとの偏差からなる往路波形Ｅ３及び復路波形Ｅ４が重ねて配置されている。すなわち、往路及び復路の走査開始位置や走査終了位置、走査方向の表示スケールを一致させて、表面形状３１２及び偏差分布３２２が表示されている。この偏差分布３２２では、往路波形Ｅ３及び復路波形Ｅ４について、偏差のゼロ点を一致させて表示されている。
【００８２】
表示領域３２３には、感度調整の目安を示すメッセージや模式図と、偏差分布３２２の反転表示を選択させる選択ボックス３２４が配置されている。ＡＦＭ５の感度は、表面形状の往路波形及び復路波形が一致し、或いは、偏差分布の往路波形及び復路波形が上下対象となれば、適切であると判断することができる。
【００８３】
感度設定の表示領域３３１には、探針の走査速度を指定するためのアイコン３３２や、高さ制御の目標値（フォースリファレンス）を指定するための入力ボックス３３３、フィードバックゲインを指定するための入力ボックス３３４及び３３５が配置されている。
【００８４】
オフセット設定の表示領域３４１には、表面形状３１２及び偏差分布３２２について、往路及び復路間のオフセット量を調整するためのアイコン３４２が配置されている。この例では、アイコン３４２の操作レバーを右側へ移動させれば、復路波形Ｅ２及びＥ４を右側へ移動させることができ、操作レバーを左側へ移動させれば、復路波形Ｅ２及びＥ４を左側へ移動させることができる。
【００８５】
図１６には、オフセット量を調整した後の表面形状３１２及び偏差分布３２２が示されている。このモニター画面２００には、復路波形Ｅ２及びＥ４を左側に移動させることによって、オフセット調整された表面形状３１２及び偏差分布３２２が表示されている。ユーザは、この様にしてオフセット調整された形状データを見て感度の調整具合を判断し、必要に応じて感度調整を行う。感度調整として、走査速度やフォースリファレンス、フィードバックゲインを変更した場合、「再スキャン」ボタン３５０を操作すれば、往復スキャンを開始させることができる。この再度の往復スキャンが完了すれば、再スキャンにより得られた表面形状及び偏差分布がモニター画面２００上に表示される。
【００８６】
本実施の形態によれば、表面形状及び偏差分布について、必要に応じてオフセット量を変更して表示させることができるので、表面形状や偏差分布を往路及び復路間で比較する際の対応付けを容易化することができる。また、偏差分布については、反転表示させることにより、走査位置ごとの偏差の対応付けがさらに容易となるので、表面の凹凸による輪郭が明瞭でない検査対象物であっても、感度の調整具合が適切であるか否かを容易に判断することができる。
【００８７】
なお、本実施の形態では、往復走査の復路について走査位置をずらすことにより、往路及び復路間でオフセット調整される場合の例について説明したが、本発明はこれに限られるものではない。往路について走査位置をずらすことにより、オフセット調整しても良い。また、本実施の形態では、反転表示モードにおいて、復路について偏差の符号が反転される場合の例について説明したが、往路について偏差の符号を反転させても良い。
【００８８】
また、本実施の形態では、可動ステージ４３を移動させて検査対象物を探針に近づける場合の例について説明したが、本発明はこれに限られるものではない。載置台１１及びカンチレバー１２ａを相対的に移動させることによって、検査対象物及び探針を近づけるものであれば、他の構成であっても良い。例えば、カンチレバーを移動させて、探針を検査対象物に近づけても良い。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本発明の実施の形態による走査型プローブ顕微鏡装置の概略構成の一例を示した図であり、顕微鏡本体１０の外観の様子が示されている。
【図２】図１の走査型プローブ顕微鏡装置の要部における構成例を示した斜視図であり、顕微鏡本体１０における筐体内部の様子が示されている。
【図３】図１の走査型プローブ顕微鏡装置の要部における構成例を示したブロック図であり、コントローラ２０の機能構成が示されている。
【図４】図１の走査型プローブ顕微鏡装置における動作の一例を示したフローチャートであり、ＡＦＭ観測モードにおける測定動作の処理手順が示されている。
【図５】図１の走査型プローブ顕微鏡装置における動作の一例を示した図であり、カンチレバー装着時の画面が示されている。
【図６】図１の走査型プローブ顕微鏡装置における動作の一例を示した図であり、手動アプローチによる可動ステージ４３の高さ調整時の画面が示されている。
【図７】図１の走査型プローブ顕微鏡装置における動作の一例を示した図であり、可動ステージ４３の水平位置調整時の画面が示されている。
【図８】図１の走査型プローブ顕微鏡装置における動作の一例を示した図であり、スキャン設定時の画面が示されている。
【図９】図１の走査型プローブ顕微鏡装置における動作の一例を示した図であり、スキャン完了時の画面が示されている。
【図１０】図１の走査型プローブ顕微鏡装置における動作の一例を示したフローチャートであり、感度調整時の処理手順が示されている。
【図１１】図１の走査型プローブ顕微鏡装置における動作の一例を示した図であり、往復スキャン完了時にモニター３０上に表示される表面形状が模式的に示されている。
【図１２】図１の走査型プローブ顕微鏡装置における動作の一例を示した図であり、図１１の表面形状に対応する偏差分布が模式的に示されている。
【図１３】図１の走査型プローブ顕微鏡装置における動作の一例を示した図であり、反転表示モードにおける偏差分布が模式的に示されている。
【図１４】図１の走査型プローブ顕微鏡装置における動作の一例を示した図であり、往復スキャン設定時の画面が示されている。
【図１５】図１の走査型プローブ顕微鏡装置における動作の一例を示した図であり、往復スキャン完了時の画面が示されている。
【図１６】図１の走査型プローブ顕微鏡装置における動作の一例を示した図であり、オフセット量を調整した後の表面形状３１２及び偏差分布３２２が示されている。
【符号の説明】
【００９０】
１ａ 筐体
２ａ，２ｂ 調整用つまみ
３，４ 操作ボタン
５ ＡＦＭ
１０ 顕微鏡本体
１１ 載置台
１２ カンチレバー保持部
１２ａ カンチレバー
１３ 光学顕微鏡
１４ サイドビューカメラ
１５ 光軸変換用ミラー
２０ コントローラ
２１ 操作入力部
２２ 感度調整部
２３ 走査情報記憶部
２４ 走査制御部
２５ 高さ制御情報記憶部
２６ 高さ制御部
２７ａ 表面形状検出部
２７ｂ 偏差分布検出部
２８ オフセット調整部
２９ 表示制御部
３０ モニター
４０ 防振フレーム
４０ａ アーム部
４１ 走査系
４２ ボイスコイルモーター
４３ 可動ステージ
４４，４５ 駆動系
５１ 光軸変換部
５２ 撮像部
１００ 走査型プローブ顕微鏡装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査型プローブ顕微鏡装置及び走査型プローブ顕微鏡装置用プログラムに係り、さらに詳しくは、探針が取り付けられたカンチレバーを用いて、微細な検査対象物の表面形状を検出する走査型プローブ顕微鏡装置の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
微細な検査対象物の表面形状を観測する観測装置として、走査型プローブ顕微鏡が知られている。走査型プローブ顕微鏡は、カンチレバー（片持ち梁）の先端に取り付けられた探針（probe：プローブ）を検査対象物上で走査させ、その走査位置及び高さを計測することによって、検査対象物の表面形状を検出している（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
探針は、カンチレバーによって検査対象物に押圧されており、カンチレバーの高さは、カンチレバーに作用する押圧力が一定となるようにフィードバック制御されている。このフィードバック制御では、カンチレバーのたわみ量や振幅に基づいてカンチレバーに作用する押圧力を検出し、当該押圧力の目標値に対する偏差に基づいてカンチレバーの高さを制御している。探針の走査位置及び高さは、カンチレバーの走査位置及び高さから求められるため、この様なカンチレバーを検査対象物上で走査させることによって、探針の走査位置情報及び高さ情報を取得し、検査対象物の表面形状を示す形状データが生成される。
【０００４】
この様な走査型プローブ顕微鏡では、探針の走査速度、高さ制御の目標値及びフィードバックゲインによって、検査対象物表面の凹凸に対する探針の追従性や応答性が変化する。例えば、形状データの生成時間を短縮するために、探針の走査速度を速くすると、探針の追従性が低下してしまうことから、所望の観測精度に応じて走査速度を決定する必要がある。そこで、上述したプローブ顕微鏡では、探針の走査速度や押圧力の目標値及びフィードバックゲインを変更することによる感度調整が行われている。この感度調整は、通常、ユーザによる操作入力に基づいて行われ、例えば、同じ走査線上を往復走査させて得られる表面形状の画面表示を見て感度の調整具合が判断される。表面形状の画面表示では、往復走査の往路及び復路においてそれぞれ得られた走査線上の表面形状を重ねて表示され、ユーザは、走査位置ごとの高さを往路及び復路間で比較することによって、感度調整が適切であるか否かを判断している。
【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】
【０００５】
一般に、往復走査の往路及び復路においてそれぞれ得られる各表面形状には、検査対象物表面の形状変化に対する探針の応答遅れ、走査方向の切り替えによる探針やカンチレバーのブレにより、往路及び復路間で走査方向にずれが生じることが少なくない。このため、上述した様な従来の走査型プローブ顕微鏡装置では、各表面形状の高さを比較する際、往路及び復路間の対応付けがしづらく、感度調整が容易ではないという問題があった。特に、表面の凹凸による輪郭が明瞭でない検査対象物については、表面形状の変化が緩慢となるので、往路及び復路間の対応付けが極めて困難であった。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、感度調整を容易化させた走査型プローブ顕微鏡装置及び走査型プローブ顕微鏡装置用プログラムを提供することを目的とする。特に、表面の凹凸による輪郭が明瞭でない検査対象物であっても、感度の調整具合を適切に判断することができる走査型プローブ顕微鏡装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の本発明による走査型プローブ顕微鏡装置は、カンチレバーの先端に取り付けられた探針を検査対象物へ押圧し、同じ走査線上を往復走査させる走査手段と、上記カンチレバーに作用する押圧力を検出し、検出した押圧力の目標値に対する偏差に基づいて上記探針の高さを制御する高さ制御手段と、上記探針の走査位置情報及び高さ情報に基づいて、上記走査線上の表面形状を検出する表面形状検出手段と、上記走査位置情報及び上記偏差に基づいて、上記走査線上の偏差分布を求める偏差分布検出手段と、上記往復走査の往路及び復路においてそれぞれ得られた上記表面形状を重ねて２次元表示するとともに、上記往路及び復路においてそれぞれ得られた上記偏差分布を重ねて２次元表示する表示制御手段と、ユーザが指定するオフセット量に基づいて、上記往路及び復路における上記走査位置情報を相対的にオフセットさせるオフセット調整手段とを備え、上記表示制御手段が、オフセット後の上記走査位置情報に基づいて表面形状及び偏差分布を表示するように構成される。
【０００８】
この走査型プローブ顕微鏡装置では、往復走査させて得られた表面形状及び偏差分布がそれぞれ往復走査の往路及び復路について重ねて２次元表示され、ユーザが指定するオフセット量に基づいて、往路及び復路における走査位置情報がオフセットされる。この様な構成により、表面形状及び偏差分布について、必要に応じてオフセット量を変更して表示させることができるので、表面形状や偏差分布を往路及び復路間で比較する際の対応付けを容易化することができる。
【０００９】
第２の本発明による走査型プローブ顕微鏡装置は、上記構成に加え、上記表示制御手段が、偏差分布を表示する際、往路又は復路のいずれか一方の偏差分布について偏差の符号を反転させて表示するように構成される。この様な構成によれば、偏差分布について往復走査の往路及び復路間で比較する際、走査位置ごとの偏差の対応付けがさらに容易となるので、表面の凹凸による輪郭が明瞭でない検査対象物であっても、感度の調整具合が適切であるか否かを容易に判断することができる。
【００１０】
第３の本発明による走査型プローブ顕微鏡装置は、上記構成に加え、上記表示制御手段が、同一画面上において、表面形状及び偏差分布を同時に表示するとともに、走査位置を一致させて表示するように構成される。この様な構成によれば、走査位置を一致させて表面形状及び偏差分布が表示されるので、これらの比較が容易となり、オフセット量や感度を調整する際の利便性を向上させることができる。
【００１１】
第４の本発明による走査型プローブ顕微鏡装置は、上記構成に加え、ユーザ操作に基づいて、上記目標値を変更する目標値変更手段を備えて構成される。
【００１２】
第５の本発明による走査型プローブ顕微鏡装置は、上記構成に加え、ユーザ操作に基づいて、比例ゲイン及び積分ゲインを変更するフィードバックゲイン変更手段を備え、上記高さ制御手段が、上記比例ゲイン及び積分ゲインに基づいて、上記探針の高さをフィードバック制御するように構成される。
【００１３】
第６の本発明による走査型プローブ顕微鏡装置用プログラムは、カンチレバーの先端に取り付けられた探針を検査対象物へ押圧し、同じ走査線上を往復走査させる走査手段と、上記カンチレバーに作用する押圧力を検出し、検出した押圧力の目標値に対する偏差に基づいて上記探針の高さを制御する高さ制御手段と、上記探針の走査位置情報及び高さ情報に基づいて、上記走査線上の表面形状を検出する表面形状検出手段と、上記往復走査の往路及び復路においてそれぞれ得られた上記表面形状を重ねて２次元表示する表示制御手段とからなる走査型プローブ顕微鏡装置を制御するためのプログラムであって、上記走査位置情報及び上記偏差に基づいて、上記走査線上の偏差分布を求める偏差分布検出手順と、ユーザが指定するオフセット量に基づいて、上記往路及び復路における上記走査位置情報を相対的にオフセットさせるオフセット調整手順と、上記往路及び復路においてそれぞれ得られた上記偏差分布を重ねて２次元表示させるとともに、オフセット後の上記走査位置情報に基づいて表面形状及び偏差分布を表示させる表示処理手順とをコンピュータに実行させるように構成される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明による走査型プローブ顕微鏡装置及び走査型プローブ顕微鏡装置用プログラムによれば、必要に応じてオフセット量を変更して表面形状及び偏差分布を表示させることができるので、往路及び復路間で比較する際の対応付けが容易となり、ユーザはこれらの表示を見て感度の調整具合を判断することができ、感度調整を容易化することができる。特に、偏差分布における反転表示により、走査位置ごとの偏差の対応付けがさらに容易となるので、表面の凹凸による輪郭が明瞭でない検査対象物であっても、感度の調整具合を適切に判断することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は、本発明の実施の形態による走査型プローブ顕微鏡装置の概略構成の一例を示した図であり、コントローラ２０が接続された顕微鏡本体１０の外観の様子が示されている。本実施の形態による走査型プローブ顕微鏡装置１００は、探針（probe：プローブ）を走査させることにより、検査対象物の表面形状を観測する観測装置であり、顕微鏡本体１０、コントローラ２０及びモニター３０からなる。
【００１６】
本実施の形態では、ＳＰＭ（Scanning Probe Microscope：走査型プローブ顕微鏡）の一例として、原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscope：ＡＦＭ）５を備えた顕微鏡装置について説明するが、ＡＦＭ５に代えて他のプローブ顕微鏡、例えば、走査型トンネル顕微鏡（Scanning Tunneling Microscope：ＳＴＭ）を備えた顕微鏡装置であっても良い。ＡＦＭは、探針先端の原子と検査対象物表面の原子との間に作用する原子間力を利用する顕微鏡である。これに対し、ＳＴＭは、導電性を有する試料を検査対象とし、探針を試料表面に近づけた際、探針及び検査対象物間に流れるトンネル電流を利用する顕微鏡である。
【００１７】
顕微鏡本体１０は、検査対象物が載置される載置台１１と、カンチレバー保持部１２を有するＡＦＭ５と、顕微鏡画像を生成する光学顕微鏡１３と、カンチレバーの側方から見たサイドビュー画像を生成するサイドビューカメラ１４と、これらを収容する筐体１ａを備えて構成される。
【００１８】
載置台１１は、水平な載置面を有するテーブルであり、検査対象物の位置決めに使用される。カンチレバー保持部１２は、カンチレバーを着脱可能に保持するホルダーである。
【００１９】
光学顕微鏡１３は、載置台１１上の検査対象物を撮影し、顕微鏡画像を生成する撮像装置である。ここでは、光軸変換用ミラー１５を用いて検査対象物からの光が観測され、カンチレバーの後方、すなわち、カンチレバーよりも高い位置から見た撮影画像として顕微鏡画像が生成されるものとする。光軸変換用ミラー１５は、光を反射させて光軸の向きを変更する光学素子である。この様な顕微鏡画像は、探針に対する検査対象物の水平面内における位置決めに使用される。
【００２０】
サイドビューカメラ１４は、載置台１１上に配置された検査対象物及びカンチレバーを撮影し、カンチレバーの側方、すなわち、水平方向から見た撮影画像をサイドビュー画像として生成する撮像装置である。このサイドビュー画像は、光学顕微鏡１３により生成される顕微鏡画像に比べて倍率の低い画像であり、検査対象物を探針に近づける際、検査対象物及び探針間の近づき具合をモニターするのに使用される。
【００２１】
筐体１ａには、検査対象物を取り替える際に取り出し口として使用される開口が設けられており、この開口を介して筐体１ａ内の様子を直接見ることができる。ＡＦＭ５による測定の際には、開口を着脱可能なパネル板１ｂにより塞いだ状態で、探針の走査が行われる。この様にすることにより、載置台１１付近の検査エリア内に音、風、光などが侵入するのを防ぐことができ、空気の振動や風による振動がＡＦＭ５の測定精度を低下させるのを抑制することができる。特に、カンチレバーのたわみ量や振幅を圧電素子からの電気信号に基づいて検出する自己検知式のＡＦＭ５では、光の侵入によって圧電素子の動作に不具合が生じるのを防止することができる。
【００２２】
また、筐体１ａの正面パネルには、顕微鏡画像の視野位置を調整するための調整用つまみ２ａ、２ｂ及び操作ボタン３と、検査エリアを照明する照明用ＬＥＤをオン又はオフする操作ボタン４が配置されている。
【００２３】
コントローラ２０は、顕微鏡本体１０の各部を制御する制御装置であり、ＡＦＭ５の走査系制御、光学顕微鏡１３の撮像制御、サイドビューカメラ１４の撮像制御などを行っている。また、ＡＦＭ５により検出される形状データ、顕微鏡画像及びサイドビュー画像を画像処理し、表示データとしてモニター３０へ出力する動作を行っている。ここでは、ＡＦＭ５及び光学顕微鏡１３を用いて検査対象物を観測する動作モード（以下、ＡＦＭ観測モードと呼ぶことにする）と、光学顕微鏡１３のみで検査対象物を観測する動作モード（以下、光学顕微鏡モードと呼ぶことにする）とが選択可能であるものとする。
【００２４】
図２は、図１の走査型プローブ顕微鏡装置の要部における構成例を示した斜視図であり、顕微鏡本体１０における筐体内部の様子が示されている。この顕微鏡本体１０では、走査系４１、可動ステージ４３、駆動系４４，４５、光軸変換部５１、撮像部５２、ＡＦＭ５、載置台１１、カンチレバー保持部１２、光学顕微鏡１３、サイドビューカメラ１４及び光軸変換用ミラー１５が防振フレーム４０に配置されている。
【００２５】
可動ステージ４３は、載置台１１と共に移動させることにより、載置台１１上の検査対象物の位置を変更させる位置決め手段である。可動ステージ４３の水平面（ｘｙ平面）内における位置は、駆動系４４を制御することにより変更され、上下方向（ｚ軸方向）の位置は、駆動系４５を制御することにより変更される。可動ステージ４３の水平面内における位置を変更させることにより、ＡＦＭ５により走査可能なエリアを変更することができる。また、可動ステージ４３を上下方向に移動させることにより、検査対象物を探針に近づけ、或いは、探針から遠ざけることができる。
【００２６】
また、可動ステージ４３を上昇させることによって検査対象物を探針へ近づける際の接近動作が２段階に分けて行われるものとする。すなわち、ユーザ操作に基づいて行われる手動アプローチと、カンチレバーのたわみ量や振幅を監視しながらさらに検査対象物を探針へ接近させ、たわみ量や振幅に基づいて停止させる自動アプローチに分けて行われる。
【００２７】
ＡＦＭ５は、ｘｙ平面及びｙｚ平面による断面形状がいずれもＬ字状のアーム部４０ａ（防振フレーム４０の一部）によって釣り下げられ、カンチレバー保持部１２を載置台１１の載置面に対向させて配置されている。このＡＦＭ５では、走査系４１を制御することにより、カンチレバー保持部１２の高さ方向（ｚ軸方向）における位置を調整するとともに、水平方向に走査させる動作が行われる。ここでは、走査系４１が３つのボイスコイルモーター（ＶＣＭ）４２によって駆動されるものとする。ボイスコイルモーター４２は、電気エネルギーを直進運動に変換するリニアモーターである。各ボイスコイルモーター４２により、ｘ、ｙ、ｚの各軸方向にそれぞれ独立してカンチレバーの位置を変更させることができる。
【００２８】
光学顕微鏡１３は、ＡＦＭ５の側方に配置され、検査対象物からの光を光軸変換用ミラー１５で反射させて顕微鏡画像の生成を行っている。この光軸変換用ミラー１５は、光学顕微鏡１３の対物レンズに対向させてカンチレバーの近傍に配置されている。検査対象物からの光は、光軸変換用ミラー１５を介して対物レンズに入射され、光軸変換部５１により概ね直角に光軸が曲げられて撮像部５２へ出力される。
【００２９】
ここでは、カンチレバーがカンチレバー保持部１２からｘ軸方向に突出させて配置され、カンチレバー先端の探針が載置台１１（円形）の中心に位置決めされるものとする。
【００３０】
図３は、図１の走査型プローブ顕微鏡装置の要部における構成例を示したブロック図であり、コントローラ２０の機能構成が示されている。このコントローラ２０は、操作入力部２１、感度調整部２２、走査情報記憶部２３、走査制御部２４、高さ制御情報記憶部２５、高さ制御部２６、表面形状検出部２７ａ、偏差分布検出部２７ｂ、オフセット調整部２８及び表示制御部２９からなる。
【００３１】
走査制御部２４は、走査系４１を制御し、探針を走査させる動作を行っている。この探針の走査は、走査情報記憶部２３内に格納されている走査情報に基づいて行われる。具体的には、探針の走査範囲、解像度、走査速度２３ａなどが走査情報として走査情報記憶部２３内に書き換え可能に格納され、これらの走査情報に従って水平面内における位置の制御が行われる。感度調整の際には、同じ走査線上を往復走査させる動作（往復スキャン）が行われ、探針の走査位置情報が出力される。
【００３２】
高さ制御部２６は、走査系４１を制御し、探針の高さを調整する動作を行っている。この探針の高さ制御は、カンチレバーに作用する押圧力を検出することにより行われる。探針は、カンチレバーによって検査対象物に押圧されており、探針の高さは、カンチレバーに作用する押圧力が一定となるようにフィードバック制御される。カンチレバーは、作用する押圧力に応じてたわみ量（歪）や振幅が変化するので、たわみ量や振幅によって押圧力を判断することができる。
【００３３】
ここでは、カンチレバーが圧電素子により構成され、圧電素子からの電気信号に基づいてたわみ量や振幅を求めることにより、カンチレバーに作用する押圧力が検出されるものとする。探針の高さのフィードバック制御は、この様にして検出された押圧力の目標値に対する偏差、比例ゲイン（Ｐゲイン）及び積分ゲイン（Ｉゲイン）に基づいて行われ、探針の高さ情報が出力される。
【００３４】
高さ制御情報記憶部２５内には、これらのフィードバックゲインや目標値（以下、フォースリファレンスと呼ぶことにする）がフィードバックパラメータ２５ａとして書き換え可能に格納されている。
【００３５】
ここでは、カンチレバーを一定の周波数で振動させた状態で表面形状を測定する動作モード、いわゆるダンピングフォースモード（ＤＦＭ）と、探針を検査対象物に接触させながら測定する動作モード（コンタクトモード）とが選択可能であるものとする。ＤＦＭでは、カンチレバー固有の共振周波数でカンチレバーを振動させながら検査対象物及び探針を近づけ、検査対象物及び探針を近づけた際に生じる振幅、位相及び周波数の変化に基づいて探針の高さが制御される。
【００３６】
表面形状検出部２７ａは、探針の走査位置情報及び高さ情報に基づいて、走査線上の表面形状を検出する動作を行っている。この表面形状は、走査線で検査対象物を切断したときの形状データであり、走査位置ごとの高さ情報からなる。
【００３７】
偏差分布検出部２７ｂは、探針の走査位置情報及び偏差に基づいて、走査線上の偏差分布を検出する動作を行っている。この偏差分布は、探針の高さ制御における制御量を規定する偏差を走査位置ごとに示したデータであり、探針の高さの変化率分布に相当する。
【００３８】
操作入力部２１は、ユーザ操作に基づいて入力信号を生成するユーザインターフェースである。感度調整部２２は、操作入力部２１からの入力信号に基づいて、探針の走査速度２３ａ及びフィードバックパラメータ２５ａを変更する感度の変更手段である。
【００３９】
オフセット調整部２８は、ユーザが指定するオフセット量に基づいて、往復走査の往路及び復路における走査位置情報を相対的にオフセットさせる処理を行っている。
【００４０】
表示制御部２９は、表面形状検出部２７ａにより検出された表面形状と、偏差分布検出部２７ｂにより検出された偏差分布をモニター３０上に画面表示させる動作を行っている。具体的には、往復走査の往路及び復路においてそれぞれ得られた表面形状が重ねて２次元表示されるとともに、往路及び復路においてそれぞれ得られた偏差分布が重ねて２次元表示される。
【００４１】
偏差分布を重ねて表示する際には、往路又は復路のいずれか一方の偏差分布について、偏差の符号を反転させて表示する反転表示モードと、反転させずに表示する通常表示モードとを選択することができる。ここでは、反転表示モードにおいて、復路について符号反転が行われるものとする。
【００４２】
表示制御部２９では、オフセット調整部２８によるオフセット後の走査位置情報に基づいて、表面形状及び偏差分布の表示が行われる。ここでは、復路について、走査位置をずらすことによりオフセット調整が行われ、表面形状及び偏差分布の表示位置が往路及び復路間で変更されるものとする。
【００４３】
<ＡＦＭ観測>
図４のステップＳ１０１〜Ｓ１１０は、図１の走査型プローブ顕微鏡装置における動作の一例を示したフローチャートであり、ＡＦＭ観測モードにおける測定動作の処理手順が示されている。ＡＦＭ観測モードでは、まず、ＡＦＭ５の動作モードを選択させる選択画面がモニター３０上に表示され、カンチレバーの装着を促すメッセージが配置される（ステップＳ１０１）。
【００４４】
次に、カンチレバーの探針が顕微鏡画像の中央となるように、調整用つまみ２ａ及び２ｂを操作することにより、光学顕微鏡１３の視野位置が調整される（ステップＳ１０２）。視野位置の調整が完了すれば、カンチレバーの共振周波数を検出して当該共振周波数によるカンチレバーの振動を開始させる初期化処理が行われる（ステップＳ１０３）。
【００４５】
次に、サイドビュー画像がモニター３１上に顕微鏡画像と共に表示され、ユーザ操作に基づく探針の手動アプローチが開始される（ステップＳ１０４）。この手動アプローチが完了すると、可動ステージ４３の水平面内における位置を調整してＡＦＭ５の走査可能なエリアの位置が決定される（ステップＳ１０５）。
【００４６】
ＡＦＭ５の走査可能なエリアについて、ユーザ操作による走査範囲の指定が完了すると、探針の自動アプローチが開始される（ステップＳ１０６〜Ｓ１０８）。この自動アプローチが完了すると、ＡＦＭ５による走査（スキャン）が開始され、形状データが生成される（ステップＳ１０９，Ｓ１１０）。
【００４７】
図５〜図９は、図１の走査型プローブ顕微鏡装置における動作の一例を示した図であり、ＡＦＭ観測モードにおいてモニター３０上に表示されるモニター画面２００の様子が示されている。モニター画面２００は、光学顕微鏡１３により撮影された顕微鏡画像やＡＦＭ５による観測結果を表示する表示画面である。このモニター画面２００は、メインタイトル表示領域２０１、タブ表示領域２０２、メイン画像表示領域２０３、サブタイトル表示領域２０４、観測モード表示領域２０５、操作手順表示領域２０６、メッセージ表示領域２０７、手順詳細表示領域２０８及びユーザ操作表示領域２０９からなる。
【００４８】
メインタイトル表示領域２０１は、動作状態を示す文字列を表示する表示領域であり、モニター画面２００における最上段に配置されている。タブ表示領域２０２は、処理中の画像データを示す文字列を処理順にタブとして表示する表示領域である。メイン画像表示領域２０３は、撮影中の顕微鏡画像やＡＦＭ５による観測結果を表示する表示領域である。
【００４９】
サブタイトル表示領域２０４は、サブタイトルを示す文字列を表示する表示領域である。観測モード表示領域２０５は、観測モードを表示する表示領域であり、ＡＦＭ観測モード及び光学顕微鏡モードの選択ボックスが配置されている。この選択ボックスは、マウスなどのポインティングデバイスを用いて操作選択することができ、観測モードをＡＦＭモード又は光学顕微鏡モードのいずれかに切り替えることができる。
【００５０】
操作手順表示領域２０６は、ＡＦＭ観測時における操作手順を模式的に表示する表示領域である。具体的には、「カンチレバー装着」から「スキャン」までの各操作手順を示すアイコンと、スキャンを停止させるための停止ボタンを示すアイコンが配置されている。これらのアイコンは、操作選択することにより当該操作手順を実行させることができる。ここでは、操作選択されたアイコンをフォーカシングして表示、例えば、反転表示し、実行中の操作手順が判別可能であるものとする。
【００５１】
メッセージ表示領域２０７は、実行中の操作手順に関するメッセージを表示する表示領域である。手順詳細表示領域２０８は、実行中の操作手順の詳細を示す文字列を表示する表示領域である。ユーザ操作表示領域２０９は、実行中の操作手順に関し、ユーザ操作の選択対象や操作対象を表示する表示領域である。具体的には、測定モードを指定するための選択ボックスや、次の操作手順に移行させるための操作ボタン、手動アプローチの際のサイドビュー画像、可動ステージ４３を移動させるための操作ボタン、走査範囲を指定するための入力ボックスなどが動作状態に応じてユーザ操作表示領域２０９内に配置される。表示領域２０６〜２０９は、モニター画面２００内において、メイン画像表示領域２０３の右側に配置されている。
【００５２】
図５には、カンチレバー装着時の画面が示され、メイン画像表示領域２０３に顕微鏡画像が表示されている。このモニター画面２００では、カンチレバー保持部１２に装着されたカンチレバー１２ａ及び温度補償用の突出部１２ｂの様子が顕微鏡画像として表示されている。また、メイン画像表示領域２０３の中央で交差させた位置決め用の直線Ａ１及びＡ２が表示されている。
【００５３】
ユーザは、カンチレバー１２ａの装着後、調整用つまみ２ａ及び２ｂを操作して顕微鏡画像の視野位置を調整する。具体的には、カンチレバー１２ａの探針が直線Ａ１及びＡ２の交点と重なるように視野位置が調整される。視野位置の調整の完了後、「次へ」ボタン２０９ａを操作し、或いは、操作手順「手動アプローチ」を操作選択すれば、次の操作手順に移行することができる。
【００５４】
図６には、手動アプローチによる可動ステージ４３の高さ調整時の画面が示され、ユーザ操作表示領域２０９内にサイドビュー画像２１０が表示されている。このモニター画面２００では、光学顕微鏡１３の焦点位置がカンチレバー１２ａから検査対象物側の所定位置に切り替えられるとともに、カンチレバー１２ａ周辺の様子がサイドビュー画像２１０として表示されている。
【００５５】
このモニター画面２００におけるユーザ操作表示領域２０９には、サイドビュー画像２１０の他に、可動ステージ４３を移動させるための操作ボタン２１１ａ〜２１１ｄ及び２１２や、サイドビューカメラ１４の撮影倍率を選択するための選択ボックスが配置されている。ここでは、サイドビュー画像２１０の右側に操作ボタン２１１ａ〜２１１ｄが配置され、可動ステージ４３を上昇又は下降させる際の移動速度に関し、２段階もしくは３段階の移動速度が選択可能であるものとする。
【００５６】
具体的には、操作ボタン２１１ａ及び２１１ｂを操作することにより、可動ステージ４３が上昇し、検査対象物をカンチレバー１２ａ側へ移動させることができる。その際、操作ボタン２１１ａの操作により、操作ボタン２１１ｂよりも高速で移動させることができる。また、操作ボタン２１１ｃ及び２１１ｄを操作することにより、可動ステージ４３が下降し、検査対象物をカンチレバー１２ａとは反対側へ移動させることができる。その際、操作ボタン２１１ｄの操作により、操作ボタン２１１ｃよりも高速で移動させることができる。
【００５７】
操作ボタン２１２は、可動ステージ４３を可動範囲内における最下点に移動させて、探針を退避させるための操作ボタンである。また、サイドビューカメラ１４の撮影倍率として、通常倍率（ここでは、「×１」と表示）による撮影モードと、通常倍率よりも高倍率（ここでは、「×２」と表示）な撮影モードのいずれかを選択することができる。ここでは、撮影画像を画像処理することによってサイドビューカメラ１４による撮影の高倍率化が行われるものとする。可動ステージ４３の高さ調整の完了後、「ＯＫ」ボタン２１３を操作し、或いは、操作手順「水平位置調整」を操作選択すれば、次の操作手順に移行することができる。
【００５８】
図７には、可動ステージ４３の水平位置調整時の画面が示され、ユーザ操作表示領域２０９内に調整のためのアイコンなどが表示されている。具体的には、光学顕微鏡１３の光学系を調整するためのアイコンや撮影ボタン２２０、可動ステージ４３の可動範囲及び探針位置をグラフィカルに示す表示エリア２２１、可動ステージ４３の水平位置を調整するための操作ボタン２２２が配置されている。
【００５９】
ここでは、アイコンを操作することにより、ズームアップさせ、或いは、焦点位置を移動させた顕微鏡画像が表示されるものとする。撮影ボタン２２０は、メイン画像表示領域２０３に表示されている画像を静止画像としてメモリ内に取り込むための操作ボタンである。
【００６０】
表示エリア２２１には、水平面内における可動ステージ４３の可動範囲が可動ステージ４３に対する相対的な探針位置２２１ａとして表示される。操作ボタン２２２を操作して探針位置２２１ａを前後左右に移動させることにより、可動ステージ４３の水平面内における位置を調整することができる。可動ステージ４３の水平位置調整の完了後、「ＯＫ」ボタン２１３を操作し、或いは、操作手順「スキャン設定」を操作選択すれば、次の操作手順に移行することができる。
【００６１】
図８には、スキャン設定時の画面が示され、ユーザ操作表示領域２０９内に走査範囲を指定するための入力ボックス２３１〜２３４やＡＦＭ５の感度を調整するための感度調整ボタン２３５が配置されている。このモニター画面２００では、メイン画像表示領域２０３内に、ＡＦＭ５の走査可能なエリアを規定する矩形枠Ａ３が顕微鏡画像に重ねて表示されている。ユーザは、この矩形枠Ａ３内において、探針の走査範囲としての矩形領域Ａ４を指定することができる。
【００６２】
ここでは、矩形領域Ａ４について、中心点の位置座標や縦横の走査範囲、アスペクト比（縦横比）及び角度を指定することにより、探針の走査範囲が決定されるものとする。この様な探針の走査範囲の設定の完了後、操作手順「スキャン」を操作選択すれば、ＡＦＭ５によるスキャンを開始させることができる。
【００６３】
図９には、スキャン完了時の画面が示され、メイン画像表示領域２０３内にＡＦＭ５による観測結果が表示されている。この例では、ＡＦＭ５による観測結果として、検査対象物表面における高さの変化を輝度の変化として示す高さ画像Ｂ１と、所定の切断線Ａ５で切断した検査対象物断面の高低差を示すラインプロファイルＢ２が表示されている。
【００６４】
高さ画像Ｂ１は、矩形領域Ａ４内を走査して得られた形状データを画素ごとの輝度データに変換することによって生成される。この高さ画像Ｂ１では、検査対象物表面の高低差（凹凸）が輝度の差として表される。具体的には、高さの高いところほど明るくなっている。
【００６５】
<感度調整>
図１０のステップＳ２０１〜Ｓ２０９は、図１の走査型プローブ顕微鏡装置における動作の一例を示したフローチャートであり、感度調整時の処理手順が示されている。まず、ユーザにより走査位置が指定されると、所定の範囲内で走査線上を往復走査させる往復スキャンが開始される（ステップＳ２０１，Ｓ２０２）。この往復スキャンが完了すると、走査位置情報や高さ情報、偏差情報から表面形状及び偏差分布が検出され、モニター３０上に画面表示される（ステップＳ２０３、Ｓ２０４）。
【００６６】
このとき、ユーザにより、偏差分布の反転表示モードが選択指定されれば、復路について偏差の符号を反転させる処理が行われる（ステップＳ２０５，Ｓ２０８）。次に、ユーザは、モニター３０上の表面形状及び偏差分布を見て往路及び復路間における走査方向のずれを判断し、オフセット量を指定するための操作入力を行う。この操作入力に基づいて走査位置情報がオフセットされ、オフセット後の表面形状及び偏差分布が表示される（ステップＳ２０６）。
【００６７】
次に、ユーザは、オフセット後の表面形状及び偏差分布を見て感度の調整具合を判断し、感度の変更が必要であれば、感度変更のための操作入力を行う。この操作入力に基づいて感度調整が行われ（ステップＳ２０７，Ｓ２０９）、ステップＳ２０２からステップＳ２０６までの処理手順が繰り返される。感度の調整具合が適切であり、再度の感度変更が不要となれば、この処理は終了する。
【００６８】
図１１（ａ）〜（ｃ）は、図１の走査型プローブ顕微鏡装置における動作の一例を示した図であり、往復スキャン完了時にモニター３０上に表示される表面形状が模式的に示されている。図１１の（ａ）及び（ｂ）には、ＡＦＭ５の感度が適切でない場合が示され、図１１の（ｃ）には、オフセット量Ｃ２を調整し感度を適正化させた場合が示されている。
【００６９】
一般に、探針の走査速度が大きく、或いは、探針の高さ制御における目標値が小さいと、検査対象物表面の凹凸に対する探針の追従性が低下し、表面形状の立ち下がり部分Ｃ１などでなまりが生じる。（ａ）には、往復スキャンの往路及び復路について、立ち下がり部分Ｃ１になまりが生じている例が示されている。
【００７０】
また、探針の走査速度が小さくても、目標値が大きく、或いは、探針の高さ制御における比例ゲインや積分ゲインが大きいと、立ち上がりの際にオーバーシュートが発生し、表面形状の立ち上がり部分に発振ノイズＣ３が生じる。（ｂ）には、往路及び復路について、立ち上がり部分に発振ノイズＣ３が生じている例が示されている。
【００７１】
ユーザは、この様な形状データの画面表示を見て、感度の調整具合を判断することになる。その際、往路及び復路間のオフセット量Ｃ２が小さくなるように、予めオフセット調整しておくと、感度が適切であるか否かが判断しやすくなる。
【００７２】
図１２（ａ）及び（ｂ）は、図１の走査型プローブ顕微鏡装置における動作の一例を示した図であり、図１１の表面形状に対応する偏差分布が模式的に示されている。図１２（ａ）には、ＡＦＭ５の感度が適切でない場合が示され、図１２（ｂ）には、オフセット量Ｃ２を調整し感度を適正化させた場合が示されている。
【００７３】
この偏差分布では、表面形状の立ち上がりに対応して偏差の正領域側に極大点を有する凸部分が生じ、立ち下がりに対応して負領域側に極小点を有する凸部分が生じている。この様な偏差分布によれば、表面形状に大きな変化が生じている部分のみが凸部分として抽出されるので、往路及び復路についてのオフセット調整が行いやすくなる。従って、この様な偏差分布に基づいてオフセット量Ｃ２を調整し、オフセット調整後の形状データに基づいて感度調整を行えば、感度の調整具合を適切に判断することができる。
【００７４】
具体的には、偏差分布について、往路及び復路間で凸部分の走査方向における位置が一致するように、オフセット量Ｃ２が調整される。
【００７５】
図１３は、図１の走査型プローブ顕微鏡装置における動作の一例を示した図であり、反転表示モードにおける偏差分布が模式的に示されている。この例では、復路の偏差分布について、偏差の符号が反転されている。この様にして偏差分布を表示すれば、往路及び復路間における偏差分布の重なり具合によって、走査方向における位置の対応付けが適切であるか否かを判断することができるので、オフセット量Ｃ２の調整がさらに容易となる。
【００７６】
図１４〜図１６は、図１の走査型プローブ顕微鏡装置における動作の一例を示した図であり、感度調整時のモニター画面２００の様子が示されている。図１４には、往復スキャン設定時の画面が示されている。このモニター画面２００では、メイン画像表示領域２０３に顕微鏡画像が表示され、ユーザ操作表示領域２０９内には、往復スキャンの走査位置を指定するための入力ボックス２４１が配置されている。
【００７７】
ここでは、往復スキャンの走査位置として、中心点の位置座標を入力すれば、矩形枠Ａ３内にその位置座標によって規定される走査線Ｄ１が表示されるものとする。走査位置の指定後、「往復スキャン」ボタン２４２を操作すれば、走査線Ｄ１についての往復スキャンを開始させることができる。
【００７８】
図１５には、往復スキャン完了時の画面が示され、往復スキャンにより得られた表面形状及び偏差分布が同一画面上に同時に表示されている。このモニター画面２００では、メイン画像表示領域が上下に分割され、上側領域にタイトル３１１及び表面形状３１２が表示され、下側領域にタイトル３２１及び偏差分布３２２が表示されている。
【００７９】
また、メイン画像表示領域の右側には、メッセージや模式図が配置される表示領域３２３と、感度設定に関する表示領域３３０及び３３１と、オフセット設定に関する表示領域３４０及び３４１が配置されている。
【００８０】
表面形状３１２は、左右方向を走査方向（ｙ軸方向）とし、上下方向を高さ方向（ｚ軸方向）として表示され、走査位置ごとの高さからなる往路波形Ｅ１及び復路波形Ｅ２が重ねて配置されている。
【００８１】
偏差分布３２２は、表面形状３１２と走査位置を一致させて表示され、走査位置ごとの偏差からなる往路波形Ｅ３及び復路波形Ｅ４が重ねて配置されている。すなわち、往路及び復路の走査開始位置や走査終了位置、走査方向の表示スケールを一致させて、表面形状３１２及び偏差分布３２２が表示されている。この偏差分布３２２では、往路波形Ｅ３及び復路波形Ｅ４について、偏差のゼロ点を一致させて表示されている。
【００８２】
表示領域３２３には、感度調整の目安を示すメッセージや模式図と、偏差分布３２２の反転表示を選択させる選択ボックス３２４が配置されている。ＡＦＭ５の感度は、表面形状の往路波形及び復路波形が一致し、或いは、偏差分布の往路波形及び復路波形が上下対象となれば、適切であると判断することができる。
【００８３】
感度設定の表示領域３３１には、探針の走査速度を指定するためのアイコン３３２や、高さ制御の目標値（フォースリファレンス）を指定するための入力ボックス３３３、フィードバックゲインを指定するための入力ボックス３３４及び３３５が配置されている。
【００８４】
オフセット設定の表示領域３４１には、表面形状３１２及び偏差分布３２２について、往路及び復路間のオフセット量を調整するためのアイコン３４２が配置されている。この例では、アイコン３４２の操作レバーを右側へ移動させれば、復路波形Ｅ２及びＥ４を右側へ移動させることができ、操作レバーを左側へ移動させれば、復路波形Ｅ２及びＥ４を左側へ移動させることができる。
【００８５】
図１６には、オフセット量を調整した後の表面形状３１２及び偏差分布３２２が示されている。このモニター画面２００には、復路波形Ｅ２及びＥ４を左側に移動させることによって、オフセット調整された表面形状３１２及び偏差分布３２２が表示されている。ユーザは、この様にしてオフセット調整された形状データを見て感度の調整具合を判断し、必要に応じて感度調整を行う。感度調整として、走査速度やフォースリファレンス、フィードバックゲインを変更した場合、「再スキャン」ボタン３５０を操作すれば、往復スキャンを開始させることができる。この再度の往復スキャンが完了すれば、再スキャンにより得られた表面形状及び偏差分布がモニター画面２００上に表示される。
【００８６】
本実施の形態によれば、表面形状及び偏差分布について、必要に応じてオフセット量を変更して表示させることができるので、表面形状や偏差分布を往路及び復路間で比較する際の対応付けを容易化することができる。また、偏差分布については、反転表示させることにより、走査位置ごとの偏差の対応付けがさらに容易となるので、表面の凹凸による輪郭が明瞭でない検査対象物であっても、感度の調整具合が適切であるか否かを容易に判断することができる。
【００８７】
なお、本実施の形態では、往復走査の復路について走査位置をずらすことにより、往路及び復路間でオフセット調整される場合の例について説明したが、本発明はこれに限られるものではない。往路について走査位置をずらすことにより、オフセット調整しても良い。また、本実施の形態では、反転表示モードにおいて、復路について偏差の符号が反転される場合の例について説明したが、往路について偏差の符号を反転させても良い。
【００８８】
また、本実施の形態では、可動ステージ４３を移動させて検査対象物を探針に近づける場合の例について説明したが、本発明はこれに限られるものではない。載置台１１及びカンチレバー１２ａを相対的に移動させることによって、検査対象物及び探針を近づけるものであれば、他の構成であっても良い。例えば、カンチレバーを移動させて、探針を検査対象物に近づけても良い。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本発明の実施の形態による走査型プローブ顕微鏡装置の概略構成の一例を示した図であり、顕微鏡本体１０の外観の様子が示されている。
【図２】図１の走査型プローブ顕微鏡装置の要部における構成例を示した斜視図であり、顕微鏡本体１０における筐体内部の様子が示されている。
【図３】図１の走査型プローブ顕微鏡装置の要部における構成例を示したブロック図であり、コントローラ２０の機能構成が示されている。
【図４】図１の走査型プローブ顕微鏡装置における動作の一例を示したフローチャートであり、ＡＦＭ観測モードにおける測定動作の処理手順が示されている。
【図５】図１の走査型プローブ顕微鏡装置における動作の一例を示した図であり、カンチレバー装着時の画面が示されている。
【図６】図１の走査型プローブ顕微鏡装置における動作の一例を示した図であり、手動アプローチによる可動ステージ４３の高さ調整時の画面が示されている。
【図７】図１の走査型プローブ顕微鏡装置における動作の一例を示した図であり、可動ステージ４３の水平位置調整時の画面が示されている。
【図８】図１の走査型プローブ顕微鏡装置における動作の一例を示した図であり、スキャン設定時の画面が示されている。
【図９】図１の走査型プローブ顕微鏡装置における動作の一例を示した図であり、スキャン完了時の画面が示されている。
【図１０】図１の走査型プローブ顕微鏡装置における動作の一例を示したフローチャートであり、感度調整時の処理手順が示されている。
【図１１】図１の走査型プローブ顕微鏡装置における動作の一例を示した図であり、往復スキャン完了時にモニター３０上に表示される表面形状が模式的に示されている。
【図１２】図１の走査型プローブ顕微鏡装置における動作の一例を示した図であり、図１１の表面形状に対応する偏差分布が模式的に示されている。
【図１３】図１の走査型プローブ顕微鏡装置における動作の一例を示した図であり、反転表示モードにおける偏差分布が模式的に示されている。
【図１４】図１の走査型プローブ顕微鏡装置における動作の一例を示した図であり、往復スキャン設定時の画面が示されている。
【図１５】図１の走査型プローブ顕微鏡装置における動作の一例を示した図であり、往復スキャン完了時の画面が示されている。
【図１６】図１の走査型プローブ顕微鏡装置における動作の一例を示した図であり、オフセット量を調整した後の表面形状３１２及び偏差分布３２２が示されている。
【符号の説明】
【００９０】
１ａ 筐体
２ａ，２ｂ 調整用つまみ
３，４ 操作ボタン
５ ＡＦＭ
１０ 顕微鏡本体
１１ 載置台
１２ カンチレバー保持部
１２ａ カンチレバー
１３ 光学顕微鏡
１４ サイドビューカメラ
１５ 光軸変換用ミラー
２０ コントローラ
２１ 操作入力部
２２ 感度調整部
２３ 走査情報記憶部
２４ 走査制御部
２５ 高さ制御情報記憶部
２６ 高さ制御部
２７ａ 表面形状検出部
２７ｂ 偏差分布検出部
２８ オフセット調整部
２９ 表示制御部
３０ モニター
４０ 防振フレーム
４０ａ アーム部
４１ 走査系
４２ ボイスコイルモーター
４３ 可動ステージ
４４，４５ 駆動系
５１ 光軸変換部
５２ 撮像部
１００ 走査型プローブ顕微鏡装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カンチレバーの先端に取り付けられた探針を検査対象物へ押圧し、同じ走査線上を往復走査させる走査手段と、
上記カンチレバーに作用する押圧力を検出し、検出した押圧力の目標値に対する偏差に基づいて上記探針の高さを制御する高さ制御手段と、
上記探針の走査位置情報及び高さ情報に基づいて、上記走査線上の表面形状を検出する表面形状検出手段と、
上記走査位置情報及び上記偏差に基づいて、上記走査線上の偏差分布を求める偏差分布検出手段と、
上記往復走査の往路及び復路においてそれぞれ得られた上記表面形状を重ねて２次元表示するとともに、上記往路及び復路においてそれぞれ得られた上記偏差分布を重ねて２次元表示する表示制御手段と、
ユーザが指定するオフセット量に基づいて、上記往路及び復路における上記走査位置情報を相対的にオフセットさせるオフセット調整手段とを備え、
上記表示制御手段は、オフセット後の上記走査位置情報に基づいて表面形状及び偏差分布を表示することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡装置。
【請求項２】
上記表示制御手段は、偏差分布を表示する際、往路又は復路のいずれか一方の偏差分布について偏差の符号を反転させて表示す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装置。
【請求項３】
上記表示制御手段は、同一画面上において、表面形状及び偏差分布を同時に表示するとともに、走査位置を一致させて表示す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装置。
【請求項４】
ユーザ操作に基づいて、上記目標値を変更する目標値変更手段を備えた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装置。
【請求項５】
ユーザ操作に基づいて、比例ゲイン及び積分ゲインを変更するフィードバックゲイン変更手段を備え、
上記高さ制御手段が、上記比例ゲイン及び積分ゲインに基づいて、上記探針の高さをフィードバック制御す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装置。
【請求項６】
カンチレバーの先端に取り付けられた探針を検査対象物へ押圧し、同じ走査線上を往復走査させる走査手段と、上記カンチレバーに作用する押圧力を検出し、検出した押圧力の目標値に対する偏差に基づいて上記探針の高さを制御する高さ制御手段と、上記探針の走査位置情報及び高さ情報に基づいて、上記走査線上の表面形状を検出する表面形状検出手段と、上記往復走査の往路及び復路においてそれぞれ得られた上記表面形状を重ねて２次元表示する表示制御手段とからなる走査型プローブ顕微鏡装置を制御するためのプログラムであって、
上記走査位置情報及び上記偏差に基づいて、上記走査線上の偏差分布を求める偏差分布検出手順と、
ユーザが指定するオフセット量に基づいて、上記往路及び復路における上記走査位置情報を相対的にオフセットさせるオフセット調整手順と、
上記往路及び復路においてそれぞれ得られた上記偏差分布を重ねて２次元表示させるとともに、オフセット後の上記走査位置情報に基づいて表面形状及び偏差分布を表示させる表示処理手順とをコンピュータに実行させることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡装置用プログラム。
【請求項１】
カンチレバーの先端に取り付けられた探針を検査対象物へ押圧し、同じ走査線上を往復走査させる走査手段と、
上記カンチレバーに作用する押圧力を検出し、検出した押圧力の目標値に対する偏差に基づいて上記探針の高さを制御する高さ制御手段と、
上記探針の走査位置情報及び高さ情報に基づいて、上記走査線上の表面形状を検出する表面形状検出手段と、
上記走査位置情報及び上記偏差に基づいて、上記走査線上の偏差分布を求める偏差分布検出手段と、
上記往復走査の往路及び復路においてそれぞれ得られた上記表面形状を重ねて２次元表示するとともに、上記往路及び復路においてそれぞれ得られた上記偏差分布を重ねて２次元表示する表示制御手段と、
ユーザが指定するオフセット量に基づいて、上記往路及び復路における上記走査位置情報を相対的にオフセットさせるオフセット調整手段とを備え、
上記表示制御手段は、オフセット後の上記走査位置情報に基づいて表面形状及び偏差分布を表示することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡装置。
【請求項２】
上記表示制御手段は、偏差分布を表示する際、往路又は復路のいずれか一方の偏差分布について偏差の符号を反転させて表示す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装置。
【請求項３】
上記表示制御手段は、同一画面上において、表面形状及び偏差分布を同時に表示するとともに、走査位置を一致させて表示す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装置。
【請求項４】
ユーザ操作に基づいて、上記目標値を変更する目標値変更手段を備えた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装置。
【請求項５】
ユーザ操作に基づいて、比例ゲイン及び積分ゲインを変更するフィードバックゲイン変更手段を備え、
上記高さ制御手段が、上記比例ゲイン及び積分ゲインに基づいて、上記探針の高さをフィードバック制御す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装置。
【請求項６】
カンチレバーの先端に取り付けられた探針を検査対象物へ押圧し、同じ走査線上を往復走査させる走査手段と、上記カンチレバーに作用する押圧力を検出し、検出した押圧力の目標値に対する偏差に基づいて上記探針の高さを制御する高さ制御手段と、上記探針の走査位置情報及び高さ情報に基づいて、上記走査線上の表面形状を検出する表面形状検出手段と、上記往復走査の往路及び復路においてそれぞれ得られた上記表面形状を重ねて２次元表示する表示制御手段とからなる走査型プローブ顕微鏡装置を制御するためのプログラムであって、
上記走査位置情報及び上記偏差に基づいて、上記走査線上の偏差分布を求める偏差分布検出手順と、
ユーザが指定するオフセット量に基づいて、上記往路及び復路における上記走査位置情報を相対的にオフセットさせるオフセット調整手順と、
上記往路及び復路においてそれぞれ得られた上記偏差分布を重ねて２次元表示させるとともに、オフセット後の上記走査位置情報に基づいて表面形状及び偏差分布を表示させる表示処理手順とをコンピュータに実行させることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡装置用プログラム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２００７−１７０８６１（Ｐ２００７−１７０８６１Ａ）
【公開日】平成１９年７月５日（２００７．７．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３６５３５５（Ｐ２００５−３６５３５５）
【出願日】平成１７年１２月１９日（２００５．１２．１９）
【出願人】（０００１２９２５３）株式会社キーエンス (681)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年７月５日（２００７．７．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１２月１９日（２００５．１２．１９）
【出願人】（０００１２９２５３）株式会社キーエンス (681)
【Ｆターム（参考）】
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