扫描型探针显微镜用数据处理装置的制作方法

本发明涉及一种用于对在扫描型探针显微镜中利用探针扫描试样表面获取到的、该试样表面的多个测定点上的探针与试样表面之间发生的相互作用的数据进行解析的扫描型探针显微镜用数据处理装置，尤其涉及一种对力曲线等表示相对于第1物理量的变化的第2物理量的变化的两轴数据进行解析的装置。

背景技术：

在扫描型探针显微镜(spm：scanningprobemicroscope)中，使微小的探针(probe)的顶端靠近试样表面，利用该探针扫描试样表面来获取该探针与试样之间的力学相互作用、电磁相互作用等相关的数据。获取到的数据被导入至扫描型探针显微镜用的数据处理装置而供试样表面的形状、电特性的分布等的解析。

由扫描型探针显微镜获得的数据之一有称为力曲线的数据(图1)。力曲线是在试样表面的多个测定点中的各方获取的数据，由使探针靠近试样表面来获取数据的靠近线和使探针远离试样表面来获取数据的释放线构成。

下面，对靠近线及释放线进行说明。

在获取靠近线的数据时，从使安装在作为弹性支承体的悬臂的顶端侧的探针位于试样表面的测定点的铅垂上方的状态起，使悬臂的基部朝试样表面不断靠近。此时，可使悬臂的基部侧下降，也可使试样上升。在试样表面与探针的顶端相隔一定程度时，作用于探针的顶端与试样表面之间的力大致为0，而当探针的顶端进一步靠近时，与试样表面之间产生范德瓦尔斯力，探针的顶端被试样表面吸引。由此，悬臂的顶端侧以下降的方式发生弯曲。该弯曲以悬臂的顶端侧的铅垂方向的负位移量的形式进行测量。当从该状态起使悬臂的基部朝试样表面不断靠近时，这一次是在探针的顶端与试样表面接触的状态下悬臂的顶端侧以上升的方式发生弯曲，位移量转为正值。继而，在该位移量达到规定的正值时，停止使悬臂的基部朝试样表面靠近的动作。靠近线(图1的实线)表示这一系列的、相对于试样表面与悬臂的基部的距离的悬臂的顶端侧的位移量的变化，该数据是以从图1的右方去往左方的方式而获取。

在像上述那样获取到靠近线后，使所述基部不断远离试样表面，这时，悬臂的弯曲逐渐解除，顶端侧的位移量也不断接近0。位移量变成0后，也会因试样表面的吸附力而使得探针的顶端在短时间内维持附着在试样表面的状态，因此，这一次是悬臂的顶端侧以下降的方式发生弯曲而使得位移量转为负值。当就这样使悬臂的基部不断远离试样表面时，悬臂的弹性复原力超过试样表面的吸附力，探针的顶端脱离试样表面，位移量回到0。靠近线(图1的虚线)表示这一系列的相对于试样表面与悬臂的基部的距离的悬臂的顶端侧的位移量的变化，该数据是以从图1的左方去往右方的方式而获取。

以上述方式获得的力曲线(靠近线及释放线)的数据被送至扫描型探针显微镜用数据处理装置。在数据处理装置中，例如，根据悬臂的顶端侧的位移量的最小值、所述位移量达到所述规定的正值时的试样表面与悬臂的基部的距离来求力曲线的(将所述位移量达到所述规定的正值的点作为一边的端部的线段的)斜率等作为力曲线的特征量。继而，根据这些特征量来获得试样表面的吸附力的信息、试样表面的凹凸(高度)的信息、试样表面的硬度的信息等。在数据处理装置中，进而根据如此获得的各测定点的特征量来制作以1测定点为1像素的试样表面的二维映射图像。

如此获得的二维映射图像显示在例如图2所示那样的用以进行试样表面的解析的解析画面上。该画面的左侧显示的是使用上述多种特征量中的由使用者选择的特征量制作出的试样表面的二维映射图像。当使用者观察二维映射图像并通过点击等操作在该二维映射图像上选择想要确认详细的力曲线的像素(测定点)时，该测定点上获取到的力曲线会显示在画面右侧。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2005-283433号公报

技术实现要素：

发明要解决的问题

在试样表面存在物质的组成发生变化的交界的情况下，在跨越该交界的测定点之间，力曲线的形状等会发生大幅变化。因而，可以通过捕捉这种力曲线的形状等的变化来决定需要详细的解析的区域(关注区域)。但是，以往的扫描型探针显微镜用数据处理装置必须逐一依次确认测定点的力曲线，存在难以捕捉力曲线的形状等的变化这一问题。

此处是以显示各测定点的力曲线的情况为例来进行的说明，但对于表示相对于第1物理量的变化的第2物理量的变化的各种两轴数据(表示相对于流至探针的电流量的电压值的变化的i/v曲线、表示相对于从探针施加至试样表面的测定点的力的大小的电压值的变化的f/v曲线等)，都存在上述同样的问题。

本发明要解决的问题在于提供一种在根据由扫描型探针显微镜获取到的两轴数据制作出的二维映射数据中，能够容易地捕捉测定点间的两轴数据的形状等的变化的数据处理装置。

解决问题的技术手段

为了解决上述问题而成的本发明为一种扫描型探针显微镜用数据处理装置，其特征在于，所述扫描型探针显微镜用数据处理装置对表示相对于第1物理量的变化的第2物理量的变化的两轴数据进行处理，所述两轴数据通过使用扫描型探针显微镜利用探针扫描试样表面而针对该试样表面的多个测定点中的各方获取到的,所述扫描型探针显微镜用数据处理装置具备：

a)特征量算出部，其根据所述多个测定点中的各方的所述两轴数据来求1种至多种特征量；

b)特征量选择部，其让使用者选择所述1种至多种特征量中的1种；

c)二维映射图像显示部，其根据所述使用者对所述特征量的选择而将所述多个测定点中的各方的特征量画面显示为以各测定点为1像素的二维映射图像；以及

d)两轴数据显示部，当所述二维映射图像中的像素中的1个被使用者选择时，其对与该被选择的像素以及邻接于该像素的1个至多个像素相对应的测定点的所述两轴数据进行画面显示。

所谓表示相对于所述第1物理量的变化的第2物理量的变化的两轴数据，例如是指表示相对于试样表面与探针的顶端的距离的原子间力的变化的力曲线、表示相对于流至探针的电流量的电压值的变化的i/v曲线、表示相对于从探针施加至试样表面的测定点的力的大小的电压值的变化的f/v曲线。此外，关于所述特征量，例如在两轴数据为力曲线的情况下，是指悬臂的顶端的位移量的最小值、所述位移量达到所述规定的正值时的试样表面与悬臂的基部的距离、力曲线的斜率。

所述两轴数据显示部对两轴数据进行画面显示的测定点优选为与位于以由使用者选择的像素为中心的规定范围内的像素相对应的测定点，例如可以设为以被选择的像素(测定点)为中心的3点×3点、5点×5点。

在本发明的扫描型探针显微镜用数据处理装置中，当使用者在二维映射图像中选择1个像素时，邻接于该像素的1个至多个像素(测定点)的两轴数据也同时进行画面显示。例如，在两轴数据显示部进行的测定点的显示为3点×3点的情况下，通过使用者的一次像素选择操作对9点的两轴数据进行画面显示，在两轴数据显示部进行的测定点的显示为5点×5点的情况下，通过使用者的一次像素选择操作对25点的两轴数据进行画面显示，因此，能够容易地捕捉测定点间的两轴数据的形状等的变化。

本发明的扫描型探针显微镜用数据处理装置能够设为还具备e)放大显示部的构成，当进行所述画面显示的两轴数据中的1个至多个被使用者选择时，所述放大显示部将该被选择的两轴数据放大来进行画面显示。

当使用具备上述放大显示部的形态的扫描型探针显微镜用数据处理装置时，使用者可以仅将所期望的两轴数据放大来进行画面显示，在该两轴数据的详细的解析、所期望的两轴数据间的比较上较为有用。

此外，本发明的扫描型探针显微镜用数据处理装置优选设为如下构成：在使用者选择了多个两轴数据的情况下，显示与该多个两轴数据中的各方相对应的所述二维映射图像上的位置。由此，能够容易地判别各两轴数据是在哪一测定点获得的。

本发明的扫描型探针显微镜用数据处理装置能够采用还具备f)二维数据显示部的构成，在使用者在所述二维映射图像中选择了2个像素的情况下，所述二维数据显示部以连结该2点的线段上的位置为1轴，制作将位于所述线段上的各测定点的两轴数据排列而成的二维数据并进行画面显示。

当使用具备上述二维数据显示部的形态的扫描型探针显微镜用数据处理装置时，能够容易地掌握针与连结使用者所选择的2像素(测定点)的线段上的位置相对应的两轴数据的变化。

发明的效果

通过使用本发明的扫描型探针显微镜数据处理装置，能够容易地捕捉测定点间的两轴数据的形状等的变化。

附图说明

图1为通过使用了扫描型探针显微镜的测定获得的力曲线的一例。

图2为以往的扫描型探针显微镜用数据处理装置中的解析画面的一例。

图3为包含本发明的扫描型探针显微镜用数据处理装置的一实施例的、扫描型探针显微镜的主要部分构成图。

图4为本实施例中的解析画面的一例。

图5为本实施例中的解析画面的另一例。

图6为本实施例中的解析画面的又一例。

具体实施方式

下面，参考附图，对本发明的扫描型探针显微镜用数据处理装置的实施例进行说明。

图3为包含本实施例的扫描型探针显微镜用数据处理装置的扫描型探针显微镜的主要部分构成图。该扫描型探针显微镜由测定部1和控制处理部2构成，控制处理部2具备测定控制部3和数据处理部4。控制处理部2的实体为具备后文叙述的构成及功能块的个人计算机，连接有输入部5和显示部6。该数据处理部4相当于本发明的扫描型探针显微镜用数据处理装置。

在测定部1中，测定对象试样10载置于扫描仪12上所设置的试样台11上。扫描仪12包含xy扫描仪121和z扫描仪122，所述xy扫描仪121使试样台11沿在水平面内相互正交的x、y两个轴方向移动，所述z扫描仪122使试样台11沿与x轴及y轴正交的z轴方向(铅垂方向)微动。xy扫描仪121及z扫描仪122分别由根据来自测定控制部3的控制信号进行动作的压电元件(未图示)进行驱动。

在试样10的上方(此处为z轴方向上远处的位置)，配置有在顶端具有探针16且具有可挠性的悬臂15。为了检测悬臂15的z轴方向的位移，在该悬臂15的上方设置有包含激光源171、半反射镜172、反射镜173、光检测器174及位移量运算部175的光学位移检测部17。在光学位移检测部17中，利用半反射镜172使从激光源171出射的激光朝大致垂直下方反射，照射至在悬臂15的顶端背面设置的反射面。在该反射面反射后的光经过反射镜173而入射至光检测器174。光检测器174为例如具有在z轴方向及y轴方向上进行了4分的受光面的4分割光检测器。当悬臂15沿z轴方向位移时，入射至多个受光面的光量的比例发生变化。位移量运算部175对与这多个受光光量相应的检测信号进行运算处理，由此算出悬臂15的顶端部的位移量(弯曲量)。

测定控制部3主要控制测定部1的测定动作，根据由使用者输入的各种测定条件来驱动扫描仪12而利用悬臂15对试样10的表面进行扫描，获取试样10表面的各测定点上的由靠近线和释放线构成的力曲线的数据。通过测定而获得的数据保存至数据处理部4的存储部40。在本实施例中，是对进行获取试样10的表面的各测定点上的力曲线的测定的情况进行说明，但本实施例的扫描型探针显微镜除了力曲线的测定以外，也能执行接触模式、动态模式等各种测定模式。再者，各测定的执行方法与以往相同，因此省略测定相关的详细说明。

除了存储部40以外，数据处理部4还具备特征量算出部41、特征量选择部42、二维映射图像显示部43、两轴数据显示部44、放大显示部45以及二维数据显示部46作为功能块。这些功能块通过由构成控制处理部2的计算机的cpu执行数据处理用程序来实现。

下面，对本实施例的扫描型探针显微镜的特征性动作即数据处理部4对测定数据的处理进行详细叙述。存储部40中预先保存有通过上述测定获得的试样10的表面的各测定点的力曲线的数据。

当使用者指示开始试样10的解析时，从存储部40读取针对试样10获得的力曲线的数据。此外，特征量选择部42通过显示部6让使用者选择特征量的种类。具体而言，让使用者选择悬臂的顶端的位移量的最小值(绝对值最大的负值)、悬臂的位移量达到规定的最大值时的试样表面与悬臂的基部的距离、力曲线的斜率中的1种作为特征量。根据悬臂的顶端侧的位移量的最小值来获得试样表面的吸附力的信息，根据所述位移量达到所述规定的正值时的试样表面与悬臂的基部的距离来获得试样表面的凹凸(高度)的信息，根据力曲线的(以悬臂的位移量达到规定的最大值的点为一个端部的线段的)斜率来获得试样表面的硬度的信息。此外，根据需要让使用者追加选择根据靠近线和释放线中的哪一方来求该特征量。例如，悬臂的顶端侧的位移量的最小值在靠近线和释放线中不一样，因此，在选择它作为特征量的情况下，让使用者选择根据哪一个线来求特征量。

下面，以使用者选择了悬臂的位移量达到规定的最大值时的试样表面与悬臂的基部的距离作为特征量的情况为例进行说明。选择其他特征量的情况下的数据处理动作也是一样的。再者，该特征量在靠近线和释放线中是共通的，因此不进行上述追加选择。

当由使用者进行上述选择时，特征量算出部41求出试样10的表面的各测定点上的、使用者所选择的特征量(悬臂的位移量达到规定的最大值时的试样表面与悬臂的基部的距离)。继而，二维映射图像显示部43制作将测定点分别作为1像素、以颜色的差异来表现特征量的值的二维映射图像，并显示在显示部6的解析画面的左侧区域。该二维映射图像是表示试样10的表面的凹凸的状态的图像。再者，本实施例是设为在使用者选择特征量的种类之后求特征量这一顺序，但也可在特征量算出部41求出能够算出的所有种类的特征量之后让使用者选择特征量的种类。

当使用者操作输入部(鼠标)而将鼠标光标置于解析画面上显示出来的二维映射图像上时，如图4所示，以放置该鼠标光标的位置的像素(测定点)为中心而包含邻接于该像素(测定点)的像素(测定点)的3×3个像素(测定点)的力曲线预览显示在二维映射图像的右侧区域内。图4中，被实线围住的力曲线是放置鼠标光标的位置的像素(测定点)的力曲线，这以外的力曲线是邻接像素(测定点)的力曲线。本实施例是在二维映射图像的右侧的区域内进行预览显示，但显示位置并不限于此，此外，也能以重叠在二维映射图像上的方式进行预览显示。此外，显示的力曲线的数量不限于3×3合计9个，可以酌情构成为5×5合计25个、包含上下左右邻接的4个的合计5个、或者包含在预先决定的方向上邻接的1像素的合计2个等。

如此，在本实施例中，当使用者在二维映射图像上将光标放在1个像素(测定点)上时，邻接于该像素(测定点)的1个至多个像素(测定点)的两轴数据也同时预览显示在解析画面上。在图4所示的例子中，9个测定点的力曲线预览显示在解析画面上，因此，使用者能够容易地捕捉邻接的测定点间的两轴数据的形状等的变化。

当在图4所示的画面被显示出来的状态下使用者通过鼠标点击操作等来指定1个像素时，放大显示部45对二维映射图像中的鼠标光标所处的像素的周边部分进行放大显示。此外，对预览显示出来的9个力曲线中的各方追加显示复选框。当使用者从9个力曲线中勾选想要更详细地进行确认的力曲线的复选框而进行选择并使该选择动作确定下来(例如按下画面上显示的“ok”按钮)时，放大显示部45对所选择的力曲线进行放大显示。再者，在放大显示出来的二维映射图像的下方显示有滚动条，使用者可以通过移动滚动条来酌情变更二维映射图像的放大/缩小的程度。

此时，当使用者选择多个力曲线(此处为2个)时，放大显示部45像图5所示那样对所选择的2个力曲线标注符号(a、b)，此外，在二维映射图像上的对应的像素位置上也显示符号(a、b)。由此，使用者能够容易地判别所选择的力曲线是哪一像素(测定点)的力曲线。

此外，当在二维映射图像上进行选择2个像素(测定点)的规定操作(例如在点a进行鼠标点击并在维持点击状态的情况下于点b解除点击的操作)时，二维数据显示部46在二维映射图像上显示连结所选择的点a与点b的线段。继而，当使用者进行确定该线段的操作(例如按下画面上显示的“ok”按钮的操作)时，二维数据显示部46在解析画面的右侧区域显示图6所示那样的图。该图是将位于线段ab间的各测定点的力曲线沿横向排列而成。即，横轴对应于该线段上的位置，纵轴方向的上端和下端分别对应于力曲线的左端和右端(参考图6下图)。通过观察该显示，使用者能够容易地确认线段ab上的力曲线(靠近线或释放线)的形状和值的变化。此外，根据该图的上端部的形状，能够确认试样表面的凹凸。再者，图6为黑白图，但实际显示的线段是与力曲线的纵轴的值(悬臂的顶端部的位移量)相应的颜色。

上述实施例为一例，可以遵循本发明的宗旨来酌情进行变更。

上述实施例是将力曲线显示在解析画面上，但能以采用各种两轴数据(表示相对于第1物理量的变化的第2物理量的变化的数据)的形式构成。例如，也能较佳地用于表示相对于流至探针的电流量的电压值的变化的i/v曲线、表示相对于从探针施加至试样表面的测定点的力的大小的电压值的变化的f/v曲线的显示等。

此外，在上述实施例中，列举的是配备扫描型探针显微镜用数据处理装置作为扫描型探针显微镜的一部分的例子，但本发明的扫描型探针显微镜用数据处理装置也能以区别于扫描型探针显微镜主体的另一主体构成。

符号说明

1测定部

10试样

11试样台

12扫描仪

121xy扫描仪

122z扫描仪

15悬臂

16探针

17光学位移检测部

171激光源

172半反射镜

173反射镜

174光检测器

175位移量运算部

2控制处理部

3测定控制部

4数据处理部

40存储部

41特征量算出部

42特征量选择部

43二维映射图像显示部

44两轴数据显示部

45放大显示部

46二维数据显示部

5输入部

6显示部。