JP7031851B2 - Atomic force microscope - Google Patents
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Description
本発明は、原子間力顕微鏡に係り、特に、鮮明な画像を得るためのフィードバック回路等の制御回路の各種制御パラメータを自動で初期設定する技術に関する。 The present invention relates to an atomic force microscope, and more particularly to a technique for automatically initializing various control parameters of a control circuit such as a feedback circuit for obtaining a clear image.
原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope）は、カンチレバーの先端に設けた探針と試料に作用する原子間力を計測し、試料の形状を測定する。カンチレバーは、片持ちバネ構造を有し、探針と試料表面を微小な力で接触させ、カンチレバーのたわみ量が一定になるように探針・試料間距離（Ｚ方向の距離）をフィードバック制御（一例としてＰＩＤ制御）しながら、水平面上（ＸＹ平面上）にスキャンすることで、表面形状を画像化する。 Atomic Force Microscope (AFM) measures the shape of a sample by measuring the atomic force acting on the sample and the probe provided at the tip of the cantilever. The cantilever has a cantilever structure, and the probe and the sample surface are brought into contact with each other with a slight force, and the distance between the probe and the sample (distance in the Z direction) is feedback-controlled so that the amount of deflection of the cantilever is constant (distance in the Z direction). By scanning on a horizontal plane (on an XY plane) while controlling PID as an example, the surface shape is imaged.
このような原子間力顕微鏡においては、試料の測定を開始する前等に、走査条件（走査範囲、速度、解像度等）や、ＰＩＤ制御のゲイン（制御パラメータ）を初期設定する必要がある。また、鮮明な画像を得るために、プリスキャンを実行し、操作者が画像を目視することにより、ＰＩＤ制御のゲインを最適な数値となるように調整する操作を行っている。 In such an atomic force microscope, it is necessary to initially set the scanning conditions (scanning range, speed, resolution, etc.) and the gain (control parameter) of PID control before starting the measurement of the sample. Further, in order to obtain a clear image, a prescan is executed and the operator visually observes the image to adjust the gain of the PID control so as to be an optimum value.
このような制御パラメータの調整は、熟練者であれば数分程度の短時間で行うことができるが、初心者などの熟練していない操作者の場合には、長時間を要してしまう、或いは、好適な設定ができないという問題が生じる。 Such adjustment of control parameters can be performed in a short time of about several minutes by a skilled person, but it may take a long time for an unskilled operator such as a beginner. However, there is a problem that a suitable setting cannot be made.
また、例えば特許文献１には、カンチレバーの交換時における初期設定方法について記載されているが、ＰＩＤ制御のゲインなどの制御パラメータを自動調整することについて開示されていない。そこで、何とか制御パラメータの設定を自動化したいという要望が高まっていた。 Further, for example, Patent Document 1 describes an initial setting method at the time of replacement of a cantilever, but does not disclose automatic adjustment of control parameters such as gain of PID control. Therefore, there has been a growing demand for somehow automating the setting of control parameters.
本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、制御回路の制御パラメータの設定を自動で実施することが可能な原子間力顕微鏡を提供することにある。 The present invention has been made to solve such a conventional problem, and an object thereof is to provide an atomic force microscope capable of automatically setting control parameters of a control circuit. To do.
上記目的を達成するため、本願発明は、試料台に載置した試料にカンチレバーを接触させ、前記カンチレバーのたわみ量が一定となるように前記試料をスキャンして前記試料の表面形状を検出する原子間力顕微鏡において、前記試料台を前記カンチレバーのたわみ方向に変位させるＺ方向スキャナと、前記Ｚ方向スキャナの変位を制御する制御回路と、前記制御回路の制御パラメータを設定するパラメータ設定部と、を有し、前記パラメータ設定部は、前記試料をスキャンして前記試料表面の凹凸データを取得し、前記制御パラメータを調整して前記凹凸データのエッジの傾きが予め設定した第１の閾値よりも大きくなったときの制御パラメータを、制御パラメータとして設定することを特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention detects the surface shape of the sample by bringing the cantilever into contact with the sample placed on the sample table and scanning the sample so that the amount of deflection of the cantilever is constant. In an atomic force microscope, a Z-direction scanner that displaces the sample table in the deflection direction of the cantilever, a control circuit that controls the displacement of the Z-direction scanner, and a parameter setting unit that sets control parameters of the control circuit. The parameter setting unit scans the sample to acquire unevenness data on the surface of the sample, adjusts the control parameters, and the inclination of the edge of the unevenness data is larger than a preset first threshold value. It is characterized in that the control parameter when it becomes large is set as a control parameter .
本発明に係る原子間力顕微鏡では、制御回路の制御パラメータを自動で設定するので、操作者の熟練度によらず、短時間で且つ高精度な制御パラメータの初期設定が可能となる。 In the atomic force microscope according to the present invention, since the control parameters of the control circuit are automatically set, it is possible to set the initial settings of the control parameters in a short time and with high accuracy regardless of the skill level of the operator.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
［本実施形態の構成説明］
図１は、本発明の一実施形態に係る原子間力顕微鏡の構成を示すブロック図である。本実施形態に係る原子間力顕微鏡１００は、スキャナ１５、カンチレバー１１、レーザダイオード１７、及びフォトダイオード１８を備えており、カンチレバー１１のたわみ量が一定になるように、スキャナ１５をカンチレバーのたわみ方向（これを、Ｚ方向とする）に変位させ、この変位量に基づいて試料の形状を測定するものである。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[Structure explanation of this embodiment]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an atomic force microscope according to an embodiment of the present invention. The
図１に示すように、本実施形態に係る原子間力顕微鏡１００は、測定対象となる試料１２を載置する試料台１３と、該試料台１３の下方に設けられて試料台１３を支持するスキャナ１５を備えている。また、スキャナ１５の下方には、該スキャナをＺ方向に移動させるモータ１６が設けられている。
As shown in FIG. 1, the
スキャナ１５は、試料台１３をＺ方向に変位させるピエゾアクチュエータ（Ｚ方向スキャナ、以下、「Ｚピエゾ１５ａ」という）を備えている。更に、Ｚ方向に直交する平面（Ｚ方向を法線とする平面）であるＸＹ平面方向に試料台１３を変位させるピエゾアクチュエータ（以下、「ＸＹピエゾ１５ｂ」という）を備えている。
The
また、Ｚピエゾ１５ａに制御電圧を出力するＺピエゾ制御回路２２と、ＸＹピエゾ１５ｂに制御電圧を出力するＸＹピエゾ制御回路２３と、モータ１６に制御電圧を出力するモータ制御回路２４を備えている。
Further, it includes a Z
Ｚピエゾ１５ａ、及びＸＹピエゾ１５ｂに制御電圧を与えることにより、試料台１３をＺ方向、及びＸＹ平面に、ナノメートル（ｎｍ）のオーダーで微細に変位させることができる。なお、Ｚ方向は例えば鉛直方向であり、ＸＹ平面は例えば水平面である。
By applying a control voltage to the
試料台１３の上部近傍には、片持ちバネ構造を有するカンチレバー１１が設けられている。カンチレバー１１の先端には、試料台１３に載置される試料に対して微細な力で接触する探針１１ａが設けられている。また、カンチレバー１１の後端は、図示省略の支持部材にて支持されている。
A
カンチレバー１１の上方には、レーザダイオード１７、及びフォトダイオード１８が設けられている。レーザダイオード１７は、例えば半導体レーザであり、カンチレバー１１の探針１１ａの背面にレーザ光を照射する。フォトダイオード１８は、カンチレバー１１で反射した光を受光する。なお、レーザダイオード１７とカンチレバー１１の間、及びカンチレバー１１とフォトダイオード１８の間には、レーザ光を反射するミラーやビームスプリッタなどが設けられるが、図１では記載を省略している。
A
フォトダイオード１８は、図２（ａ）に示すように２ブロックに分割されたフォトディテクタ１８ａ、１８ｂを有している。なお、フォトディテクタは、２分割に限定されず、４分割のフォトディテクタを用いることもできる。フォトダイオード１８は、差動増幅器１９に接続され、差動増幅器１９は、振幅検出器２０に接続されている。
差動増幅器１９は、各フォトディテクタ１８ａ、１８ｂで検出された信号の差分信号を検出して、振幅検出器２０に出力する。
The
The
振幅検出器２０は、差動増幅器１９より出力される差分信号を、ＲＭＳ信号（Root Mean Square；実効値）に変換し、変換後のＲＭＳ信号を制御回路２１に出力する。例えば、図２（ａ）に示すように、点線で示すレーザ光の中心がフォトダイオード１８の中心Ｎ１とほぼ一致する場合には、フォトディテクタ１８ａの検出信号Ｓａとフォトディテクタ１８ｂの検出信号Ｓｂの差分信号はほぼゼロとなる。一方、図２（ｂ）に示すように、レーザ光の中心がフォトダイオード１８の中心Ｎ１から外れている場合には、検出信号ＳａとＳｂの差分信号が大きくなり、ひいてはＲＭＳ信号が大きくなる。つまり、ＲＭＳ信号は、フォトダイオード１８の中心Ｎ１に対するレーザ光照射位置のずれ量を示す指標となる。
The
制御回路２１は、ＲＭＳ信号と、後述する目標電圧出力部３１より出力される目標電圧とを比較する演算部２１ａを備えており、ＰＩＤ制御を実行して、ＲＭＳ信号を目標電圧に近づける（差分をゼロとする）ためのＺピエゾ１５ａの制御電圧を演算する。演算した制御電圧をＺピエゾ制御回路２２に出力する。制御回路２１は、例えばＰＩＤ制御を実行するフィードバック回路である。
The
ＲＭＳ信号を目標電圧に近づけるということは、フォトダイオード１８で受光するレーザ光の位置を所望の位置に合わせること、例えば、図２（ａ）に示したように、レーザ光の中心がＮ１に合うように制御するということであり、カンチレバー１１のたわみ量（Ｚ方向の変位）を一定に保持するということである。
Bringing the RMS signal closer to the target voltage means aligning the position of the laser beam received by the
制御回路２１で演算した制御電圧をＺピエゾ制御回路２２に出力することにより、該Ｚピエゾ制御回路２２は、カンチレバー１１のたわみ量を一定とするための制御を行う。この際、ＰＩＤ制御の積分ゲイン（制御回路の制御パラメータ）を後述する方法で調整することにより、制御特性を向上させる。
By outputting the control voltage calculated by the
また、図１に示すように、本実施形態の原子間力顕微鏡１００は、コントローラ３０を備えている。コントローラ３０は、目標電圧出力部３１と、パラメータ設定部３２と、画像生成部３３と、駆動指令部３４と、画像解析部３５を備えている。
Further, as shown in FIG. 1, the
なお、コントローラ３０は、試料１２の測定を開始する前に、制御回路２１の制御パラメータを設定する構成要素のみを示しており、その他の制御要素の記載を省略している。また、コントローラ３０は、例えば、ＣＰＵ、メモリ、及び入出力部を備える汎用のマイクロコントローラ等で構成することができる。
Note that the
目標電圧出力部３１は、振幅検出器２０で検出されるＲＭＳ信号の目標電圧を設定し、演算部２１ａに出力する。
The target
駆動指令部３４は、試料１２の測定を開始する際に、Ｚピエゾ制御回路２２、ＸＹピエゾ制御回路２３、及び、モータ制御回路２４に駆動指令信号を出力する。
When starting the measurement of the
画像生成部３３は、制御回路２１からＺピエゾ制御回路２２に出力した制御電圧を取得し、この制御電圧に基づいて試料１２の表面形状を画像化する。
即ち、上述したように、カンチレバー１１の探針１１ａと試料１２の表面を微小な力で接触させ、カンチレバー１１のたわみ量が一定になるように、Ｚピエゾ１５ａに制御電圧を与えて探針１１ａと試料１２との間の距離を制御する。更に、ＸＹピエゾ１５ｂをＸＹ平面上で平面スキャンする。具体的には、Ｘ方向（第１の方向）のスキャンをジグザグに往復させることにより、ＸＹ平面全体をスキャンする。すると、スキャナ１５のＺ方向の移動量が試料１２のＺ方向の大きさ、即ち、試料１２の凹凸を示すことになり、ＸＹ平面上での試料１２の凹凸データが得られる。換言すれば、制御回路２１からＺピエゾ制御回路２２に出力する制御電圧は、試料１２の凹凸を示すことになる。画像生成部３３は、この制御電圧に基づき、コントラストを付与して試料１２の表面形状を画像化する。
The
That is, as described above, the
パラメータ設定部３２は、試料１２の測定を開始する前の設定時に、画像生成部３３で生成される画像を解析し、画像の解析結果に基づいてＰＩＤ制御の制御パラメータを設定する。具体的には、ＰＩＤ制御の積分ゲインが最適値となるように設定する。なお、本実施形態では、一例として積分ゲインのみを設定する例について示すが、比例ゲイン、微分ゲインについも適切な数値となるように制御しても良い。
The
［本実施形態の動作説明］
次に、本実施形態に係る原子間力顕微鏡１００による、設定時の処理手順を、図３Ａ、図３Ｂに示すフローチャートを参照して説明する。この処理は、例えば、測定対象となる新規の試料１２を試料台１３の上に載置して、該試料１２の測定を開始する際の設定として実施される。
[Explanation of operation of this embodiment]
Next, the processing procedure at the time of setting by the
初めに、試料台１３の上に試料１２が載置されると、ステップＳ１１において、モータ制御回路２４は、モータ１６をＺ方向に予め設定した基準値だけ移動させる。基準値は、カンチレバー１１が試料１２の表面に微小な力で接触する程度の距離に設定されている。
First, when the
ステップＳ１２において、パラメータ設定部３２は、制御回路２１の積分ゲイン（制御パラメータ）を初期値に設定してプリスキャンを実施する。即ち、ＸＹピエゾ１５ｂを駆動して試料台１３を平面スキャンし、更に、フォトダイオード１８で受光されるレーザ光が所望の位置となるように、Ｚピエゾ１５ａを駆動させる。この際の制御回路２１より出力される制御電圧に基づいて、試料台１３の表面画像を生成する。ステップＳ１３において、ＡＦＭ（Atomic Force Microscope）画像を取得する。なお、プリスキャンは、制御パラメータを設定する処理が終了するまで継続して実施される。
In step S12, the
ステップＳ１４において、画像解析部３５は、取得したＡＦＭ画像が鮮明な画像であるか否かを判断する。画像が鮮明であるか否かの判断は、画像のコントラスト、ノイズ、エッジ部の輝度変化、等の要素に基づき、周知の画像処理技術を用いて行うことができる。
In step S14, the
鮮明な画像が得られた場合には（ステップＳ１４でＹＥＳ）、試料台１３のＺ方向の位置、及び制御回路２１に設定されている積分ゲイン（制御パラメータ）は、適正に設定されているものと判断し、ステップＳ３４において、コントローラ３０は、試料１２を実際に測定するための本スキャンの実施に移行する。即ち、制御パラメータの設定を終了する。
When a clear image is obtained (YES in step S14), the position of the sample table 13 in the Z direction and the integrated gain (control parameter) set in the
一方、鮮明な画像が得られない場合には（ステップＳ１４でＮＯ）、ステップＳ１５において、画像解析部３５は画像が得られているか否かを判断する。例えば、画像生成部３３で生成した画像にエッジが存在せず、凹凸が検出されていないことが明らかな場合、即ち、図４（ａ）に示すように、試料１２の表面が確認できないような画像である場合には、画像無しと判断する。画像無しと判断した場合には、ステップＳ１６に処理を進める。画像有りと判断した場合には、図３ＢのステップＳ２０に処理を進める。
On the other hand, when a clear image cannot be obtained (NO in step S14), in step S15, the
ステップＳ１６において、駆動指令部３４は、モータ制御回路２４に駆動指令を出力する。モータ制御回路２４は、モータ１６を駆動して試料台１３をカンチレバー１１に接近させる。また、ステップＳ１７において、Ｚピエゾ制御回路２２は、Ｚピエゾ１５ａを初期位置に設定する。
In step S16, the
ステップＳ１８において、プリスキャンで取得されるデータに基づいて、ＡＦＭ画像を生成する。ステップＳ１９において、再度画像が存在するか否かを判断し、画像無しの場合には、ステップＳ１５に処理を戻す。モータ１６の駆動により、試料台１３がカンチレバー１１に向けて接近すると、例えば、図４（ｂ）に示すように試料１２の表面の凹凸が画像化されてくる。更に、試料台１３が最適な位置に達すると、図４（ｃ）に示すように、試料１２の表面の凹凸が鮮明に画像化される。
In step S18, an AFM image is generated based on the data acquired by the prescan. In step S19, it is determined whether or not the image exists again, and if there is no image, the process returns to step S15. When the sample table 13 approaches the
そして、表面画像が鮮明となり、ステップＳ１９にて画像有りと判断された場合には、ステップＳ２０に処理を進める。ステップＳ２０において、画像生成部３３は、Ｘ方向の１つのラインに沿ってスキャンしたときの、プロファイルを読み込む。図５は、試料１２の表面の一例を示す画像であり、黒い円形部分が凹部を示している。例えば、直線Ｍ１に沿ってスキャンしたときのプロファイルを読み込む。
Then, when the surface image becomes clear and it is determined in step S19 that there is an image, the process proceeds to step S20. In step S20, the
ステップＳ２１において、プロファイルのＸラインの傾斜（Ｘチルト）がゼロであるか否かを判断する。例えば、図６（ａ）に示すように、符号ｋ１に示すプロファイルが得られた場合には、各凹凸部分の中心位置が傾斜しており、中心位置を結ぶラインｍ１が画像の横軸方向に対して傾斜している。このような場合には、Ｘチルト＝０でないと判断する。ステップＳ２２において、Ｚピエゾ制御回路２２は、Ｘチルト＝０となるように、Ｚピエゾ１５ａを駆動する。図６（ｂ）に示すように、符号ｋ２に示すプロファイルが得られ、ラインｍ２が画像の横軸方向に対してほぼ平行となった場合に、Ｘチルト＝０と判断する。
In step S21, it is determined whether or not the inclination (X tilt) of the X line of the profile is zero. For example, as shown in FIG. 6A, when the profile shown by the reference numeral k1 is obtained, the center position of each uneven portion is inclined, and the line m1 connecting the center positions is in the horizontal axis direction of the image. On the other hand, it is inclined. In such a case, it is determined that X tilt = 0. In step S22, the Z
Ｘチルト＝０である場合には、ステップＳ２３において、プロファイルのＹラインの傾斜（Ｙチルト）がゼロであるか否かを判断する。Ｙチルト＝０でない場合には、ステップＳ２５において、Ｚピエゾ制御回路２２は、Ｙチルト＝０となるように、Ｚピエゾ１５ａを駆動する。
When X tilt = 0, in step S23, it is determined whether or not the inclination (Y tilt) of the Y line of the profile is zero. If Y tilt = 0, in step S25, the Z
Ｙチルト＝０である場合には、ステップＳ２６において、プリスキャンにより得られるプロファイルに基づいて、再度Ｘチルト、Ｙチルトがゼロであるか否かを判断し、ゼロである場合には、ステップＳ２８に処理を進める。ステップＳ２０～Ｓ２７の処理により、画像の傾斜を補正することができる。 When Y tilt = 0, in step S26, it is determined again whether or not X tilt and Y tilt are zero based on the profile obtained by prescan, and when it is zero, step S28 is determined. Proceed to the process. By the processing of steps S20 to S27, the inclination of the image can be corrected.
ステップＳ２８において、画像生成部３３は、取得した画像のＸラインプロファイルを読み込む。
ステップＳ２９において、パラメータ設定部３２は、制御回路２１の積分ゲインを調整する。
In step S28, the
In step S29, the
ステップＳ３０において、画像解析部３５は、プリスキャンにより得られる画像に基づき、凹凸部のエッジの傾き、コントラスト、及び往復プロファイルの比較、の少なくとも一つの要因に基づいて、制御回路２１の設定されている積分ゲインが適切な数値であるか否かを判断し、更に、適切でなければ適切な数値となるように、積分ゲインを調整する。以下、詳細に説明する。
In step S30, the
（凹凸部のエッジの傾き）
例えば、図７（ａ）に示すように、プリスキャンにより得られる画像がやや不鮮明な場合には、Ｘライン（画像の横方向のライン）のプロファイルは、図７（ｃ）の符号ｐ２に示すようなエッジ部分で滑らかになる曲線となる。符号Ｒ１に示すように、凹凸部のエッジでの曲線ｐ２の立ち上がり、或いは立ち下がりの傾きは、緩やかである。画像解析部３５は、このエッジの傾きｄ１を演算し、この傾きｄ１が予め設定した閾値ｄth（第１の閾値）よりも大きいか否かを判断する。ｄ１＜ｄthである場合には、積分ゲインは適切な数値ではない（ＮＧ）と判断する。
(Inclination of the edge of the uneven part)
For example, as shown in FIG. 7 (a), when the image obtained by prescan is slightly unclear, the profile of the X line (horizontal line of the image) is shown by reference numeral p2 in FIG. 7 (c). It becomes a curve that becomes smooth at the edge part like this. As shown by reference numeral R1, the slope of the rising edge or the falling edge of the curve p2 at the edge of the uneven portion is gentle. The
そして、傾斜ｄ１が大きくなる方向に積分ゲインを変化させ、ｄ１≧ｄthとなった場合に、積分ゲインが適切な数値になったものと判断する。例えば、傾きｄ１が大きくなり、図７（ｃ）の符号ｐ１に示す曲線のようになった場合に、積分ゲインが適切であると判断する。この場合、プリスキャンにより得られる画像は、図７（ｂ）に示すように鮮明な画像となる。 Then, the integrated gain is changed in the direction in which the gradient d1 increases, and when d1 ≧ dth, it is determined that the integrated gain has become an appropriate numerical value. For example, when the slope d1 becomes large and the curve shown by the reference numeral p1 in FIG. 7C is obtained, it is determined that the integrated gain is appropriate. In this case, the image obtained by the prescan is a clear image as shown in FIG. 7B.
（コントラスト）
上述した図７（ａ）のように、画像がやや不鮮明な場合には、Ｘラインのプロファイルは、凹部と凸部の振幅の差分Ｑ１が小さい（図７（ｃ）参照）。従って、画像化したときのコントラストが低くなる。画像解析部３５は、振幅の差分Ｑ１を演算し、差分Ｑ１が予め設定した閾値Ｑth（第２の閾値）よりも大きいか否かを判断する。Ｑ１＜Ｑthである場合には、積分ゲインは適切な数値ではない（ＮＧ）と判断する。
(contrast)
When the image is slightly unclear as in FIG. 7 (a) described above, the X-line profile has a small difference Q1 in amplitude between the concave portion and the convex portion (see FIG. 7 (c)). Therefore, the contrast when imaged is low. The
そして、差分Ｑ１が大きくなる方向に積分ゲインを変化させ、Ｑ１≧Ｑthとなった場合に、積分ゲインが適切な数値になったものと判断する。例えば、差分Ｑ１が大きくなり、図７（ｃ）の符号ｐ１に示す曲線の振幅になった場合に、積分ゲインが適切であると判断する。 Then, the integrated gain is changed in the direction in which the difference Q1 increases, and when Q1 ≧ Qth, it is determined that the integrated gain has become an appropriate numerical value. For example, when the difference Q1 becomes large and the amplitude of the curve shown by the reference numeral p1 in FIG. 7C is obtained, it is determined that the integrated gain is appropriate.
（往復プロファイルの比較）
前述したように、カンチレバー１１で試料１２をスキャンする際には、試料台１３をＸＹ平面上で、Ｘ方向にジグザグにスキャンする。この場合、Ｘ軸方向の往路と復路では、若干Ｙ方向に変位しているものの、ほぼ同一のＸラインをスキャンすることになるので、往路と復路でプロファイルに大きな差はないはずである。従って、往路と復路のプロファイルを取得し、これらを比較することにより、積分ゲインが適切であるか否かを判断する。
(Comparison of round-trip profiles)
As described above, when scanning the
図８（ａ）は、符号ｑ１が往路のプロファイルの一例を示し、符号Ｑ２が復路のプロファイルの一例を示している。図８（ａ）から明らかなように、曲線ｑ１とｑ２との間には大きなずれが生じている。このような場合には、曲線ｑ１とｑ２が一致、或いはほぼ一致するように積分ゲインを調整する。そして、図８（ｂ）に示すように、曲線ｑ１とｑ２の差分がほぼゼロとなった場合に、積分ゲインが適切であると判断する。判断方法は、一例として、往路のプロファイルと復路のプロファイルの一致度を相関係数等を演算して算出し、一致度が予め設定した第３の閾値よりも大きい場合に、往路のプロファイルと復路のプロファイルが一致していると判断する。
なお、上述したように、凹凸部のエッジの傾き、コントラスト、往復プロファイルの比較を全て行う必要はなく、これらのうちの少なくとも一つを実施することにより、積分ゲインを設定することができる。
In FIG. 8A, reference numeral q1 shows an example of an outward profile, and reference numeral Q2 shows an example of a return profile. As is clear from FIG. 8A, there is a large deviation between the curves q1 and q2. In such a case, the integrated gain is adjusted so that the curves q1 and q2 match or almost match. Then, as shown in FIG. 8B, when the difference between the curves q1 and q2 becomes almost zero, it is determined that the integrated gain is appropriate. As an example, the determination method is to calculate the degree of matching between the outbound profile and the inbound profile by calculating a correlation coefficient or the like, and when the degree of matching is larger than a preset third threshold value, the outbound profile and the inbound profile are determined. Judge that the profiles of are matched.
As described above, it is not necessary to compare the inclination of the edge of the uneven portion, the contrast, and the reciprocating profile, and the integrated gain can be set by performing at least one of these.
そして、図３ＢのステップＳ３１では、上述した方法により積分ゲインが適切であると判断された場合には、「ＯＫ」であると判断して、ステップＳ３２に処理を進める。
ステップＳ３２において、画像生成部３３は、プリスキャンにより得られるデータからＡＦＭ画像を生成する。ステップＳ３３において、生成したＡＦＭ画像が鮮明な画像であるか否かを判断し、鮮明な画像が得られた場合には、積分ゲインの設定を終了し、本スキャンの実施に移行する（ステップＳ３４）。
Then, in step S31 of FIG. 3B, when it is determined that the integrated gain is appropriate by the above-mentioned method, it is determined that it is “OK”, and the process proceeds to step S32.
In step S32, the
こうして、試料１２の測定を開始する前の、制御回路２１で設定する積分ゲイン（制御パラメータ）を自動設定することができるのである。
In this way, the integral gain (control parameter) set by the
このようにして、本実施形態に係る原子間力顕微鏡１００では、以下に示す効果を達成することができる。
（１）
試料の測定時にプリスキャンを実行し、試料表面の凹凸データに基づいて制御回路２１の制御パラメータ（例えば、ＰＩＤ制御の積分ゲイン）を自動で設定する。従って、操作者の熟練度に関係なく、制御パラメータを設定できるので、短時間で制御パラメータを最適に設定することが可能となる。
In this way, the
(1)
A prescan is executed at the time of measuring the sample, and the control parameter of the control circuit 21 (for example, the integrated gain of PID control) is automatically set based on the unevenness data of the sample surface. Therefore, since the control parameters can be set regardless of the skill level of the operator, the control parameters can be optimally set in a short time.
（２）
試料表面をプリスキャンして得られるデータからＸ方向のプロファイルを生成し、更に、制御回路２１の制御パラメータを調整し、プロファイルから得られるエッジの傾きが閾値ｄth（第１の閾値）を上回ったときの制御パラメータを求め、これを制御パラメータに設定する。凹凸部のエッジの傾きが大きいということは、画像が鮮明に表示されているということであり、制御パラメータを好適な数値に設定することが可能となる。従って、操作者の熟練度に関係なく、制御パラメータを短時間で且つ好適に設定することが可能となる。
(2)
A profile in the X direction was generated from the data obtained by prescanning the sample surface, and further, the control parameters of the
（３）
試料表面をプリスキャンして得られるデータからＸ方向のプロファイルを生成し、更に、制御回路２１の制御パラメータを調整し、プロファイルから得られる凹凸部の振幅の差分Ｑ１が閾値Ｑth（第２の閾値）を上回ったときの制御パラメータを求め、これを制御パラメータに設定する。凹凸部の振幅の差分が大きいということは、画像のコントラストが大きく、鮮明に表示されているということであり、制御パラメータを好適な数値に設定することが可能となる。従って、操作者の熟練度に関係なく、制御パラメータを短時間で且つ好適に設定することが可能となる。
(3)
A profile in the X direction is generated from the data obtained by prescanning the sample surface, the control parameters of the
（４）
試料表面をプリスキャンして得られるデータからＸ方向の、一往復のプロファイルを生成し、更に、制御回路２１の制御パラメータを調整し、往路のプロファイルと復路のプロファイルの一致度が高い（第３の閾値よりも大きい）場合に、このときの制御パラメータを求め、これを制御パラメータとして設定する。往路と復路でプロファイルが一致しているということは、正確にスキャンが行われてプロファイルが取得されているということであり、制御パラメータを好適な数値に設定することが可能となる。従って、操作者の熟練度に関係なく、制御パラメータを短時間で且つ好適に設定することが可能となる。
(4)
From the data obtained by prescanning the sample surface, a one-way profile in the X direction is generated, and the control parameters of the
以上、本発明の実施形態を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。 Although embodiments of the present invention have been described above, the statements and drawings that form part of this disclosure should not be understood to limit the invention. This disclosure will reveal to those skilled in the art various alternative embodiments, examples and operational techniques.
１１ カンチレバー
１１ａ 探針
１２ 試料
１３ 試料台
１５ スキャナ
１５ａ Ｚピエゾ（Ｚ方向スキャナ）
１５ｂ ＸＹピエゾ
１６ モータ
１７ レーザダイオード
１８ フォトダイオード
１８ａ、１８ｂ フォトディテクタ
１９ 差動増幅器
２０ 振幅検出器
２１ 制御回路
２１ａ 演算部
２２ Ｚピエゾ制御回路
２３ ＸＹピエゾ制御回路
２４ モータ制御回路
３０ コントローラ
３１ 目標電圧出力部
３２ パラメータ設定部
３３ 画像生成部
３４ 駆動指令部
３５ 画像解析部
１００ 原子間力顕微鏡
11
15b XY piezo 16
Claims (4)
前記試料台を前記カンチレバーのたわみ方向に変位させるＺ方向スキャナと、
前記Ｚ方向スキャナの変位を制御する制御回路と、
前記制御回路の制御パラメータを設定するパラメータ設定部と、
を有し、
前記パラメータ設定部は、前記試料をスキャンして前記試料表面の凹凸データを取得し、前記制御パラメータを調整して前記凹凸データのエッジの傾きが予め設定した第１の閾値よりも大きくなったときの制御パラメータを、制御パラメータとして設定すること
を特徴とする原子間力顕微鏡。 In an atomic force microscope in which a cantilever is brought into contact with a sample placed on a sample table and the sample is scanned so that the amount of deflection of the cantilever is constant to detect the surface shape of the sample.
A Z-direction scanner that displaces the sample table in the deflection direction of the cantilever, and
A control circuit that controls the displacement of the Z-direction scanner,
A parameter setting unit that sets the control parameters of the control circuit,
Have,
When the parameter setting unit scans the sample to acquire unevenness data on the surface of the sample and adjusts the control parameters so that the inclination of the edge of the unevenness data becomes larger than a preset first threshold value. To set the control parameter of
Atomic force microscope featuring.
前記試料台を前記カンチレバーのたわみ方向に変位させるＺ方向スキャナと、
前記Ｚ方向スキャナの変位を制御する制御回路と、
前記制御回路の制御パラメータを設定するパラメータ設定部と、
を有し、
前記パラメータ設定部は、前記試料をスキャンして得られる前記試料表面の凹凸データを取得し、前記制御パラメータを調整して前記凹凸データの振幅が予め設定した第２の閾値よりも大きくなったときの制御パラメータを、制御パラメータとして設定すること
を特徴とする原子間力顕微鏡。 In an atomic force microscope in which a cantilever is brought into contact with a sample placed on a sample table and the sample is scanned so that the amount of deflection of the cantilever is constant to detect the surface shape of the sample.
A Z-direction scanner that displaces the sample table in the deflection direction of the cantilever, and
A control circuit that controls the displacement of the Z-direction scanner,
A parameter setting unit that sets the control parameters of the control circuit,
Have,
When the parameter setting unit acquires unevenness data on the surface of the sample obtained by scanning the sample and adjusts the control parameters so that the amplitude of the unevenness data becomes larger than a preset second threshold value. To set the control parameter of
Atomic force microscope featuring .
を特徴とする請求項１または２に記載の原子間力顕微鏡。 The parameter setting unit adjusts the control parameters , measures the degree of agreement between the outbound and inbound profiles when the sample is scanned in the first direction on a plane orthogonal to the deflection direction of the cantilever, and the degree of agreement. To set the control parameter when becomes larger than the preset third threshold value as the control parameter.
The atomic force microscope according to claim 1 or 2.
を特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の原子間力顕微鏡。 The atomic force microscope according to any one of claims 1 to 3 , wherein the control circuit is a PID circuit, and the control parameter is an integral gain .
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