JP2000009742A - 走査型プローブ顕微鏡のアプローチ方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】連続した１回のアプローチ動作だけで、正確な
コンタクト位置を短時間に特定すると同時に、走査時の
適正な探針荷重値を設定することが可能な走査型プロー
ブ顕微鏡のアプローチ方法を提供する。 【解決手段】Ｚ軸粗動機構１２によってカンチレバー４
の探針６を試料８方向に連続的に接近させる１回のアプ
ローチ動作中、変位センサ１０（受光素子１８）から出
力される全ての変位信号Ｔ１をコントローラ１４に取り
込みながら、この変位信号が予め設定した閾値Ｒになる
まで探針を試料に接近させてＺ軸粗動機構を停止させ
る。そして、この間にコントローラに取り込まれた全て
の変位信号に基づいて、探針先端が試料表面に接触した
ときのコンタクト位置Ｃを算出して特定すると同時に、
コンタクト位置に基づいて走査時の適正な探針荷重値Ｌ
を設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、走査型プローブ顕
微鏡によって試料を測定する際に、カンチレバーの自由
端に設けられた探針を試料に近接させて位置付けるアプ
ローチ方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば特開平８−３５９７４号公報に
は、カンチレバーが取り付けれらスキャナと、このスキ
ャナを支持した粗動機構と、カンチレバーの変位状態を
検出して所定の変位信号を出力する変位検出センサとを
備えた走査型プローブ顕微鏡が開示されており、この走
査型プローブ顕微鏡のアプローチ方法では、粗動機構に
よってカンチレバーの探針を一定距離だけ試料方向に粗
動させた後、スキャナを数回伸縮させて変位信号の変化
（カンチレバー自由端の変位）をカウントし、このカウ
ント値に基づいて、探針先端と試料表面とが接触したと
きのコンタクト位置を特定している。具体的には、カウ
ント値が所定値を示したときには、そのカウント値に基
づいて、コンタクト位置を特定し、そうでないときに
は、カウント値が所定値を示すまで、探針先端を試料表
面に接近させてスキャナを数回伸縮させるといった動作
を繰り返す。

【０００３】また、別のアプローチ方法としては、以下
の方法が知られている。即ち、粗動機構によってカンチ
レバーの探針を一定距離ずつ試料方向にステップ粗動さ
せ、各々のステップ粗動毎にスキャナを伸縮させながら
カンチレバーの撓み状態（又は、カンチレバーの振動振
幅の変化状態）を検出し、その検出データに基づいてコ
ンタクト位置を特定している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
アプローチ方法は、粗動機構によってカンチレバーの探
針を試料に接近させる毎にスキャナを伸縮させるといっ
た断続的な動作が繰り返されるため、正確なコンタクト
位置を特定するまでに長時間を要する。

【０００５】また、従来のアプローチ方法では、コンタ
クト位置のみを検出しているため、走査時の探針荷重値
を設定する場合には、再度スキャナを伸縮させて、試料
表面に対する探針の接触圧（荷重値）を適正化しなけれ
ばならない。

【０００６】本発明は、このような問題点を解決するた
めに成されており、その目的は、連続した１回のアプロ
ーチ動作だけで、正確なコンタクト位置を短時間に特定
すると同時に、走査時の適正な探針荷重値を設定するこ
とが可能な走査型プローブ顕微鏡のアプローチ方法を提
供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明の走査型プローブ顕微鏡のアプローチ
方法は、カンチレバーの探針を試料方向に連続的に接近
させる１回のアプローチ動作中において、所定の閾値に
達するまで、カンチレバーの変位状態を示す全ての変位
信号を取り込む信号取込工程と、前記変位信号が前記閾
値に達したとき、前記アプローチ動作を停止させる工程
と、前記信号取込工程において取り込まれた全ての変位
信号に基づいて、前記探針の先端が前記試料の表面に接
触したときのコンタクト位置を算出して特定する工程
と、前記コンタクト位置に基づいて、走査時の探針荷重
値を設定する工程とを有する。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態に係
る走査型プローブ顕微鏡のアプローチ方法について、図
１及び図２を参照して説明する。なお、走査型プローブ
顕微鏡は、固定した試料に対して探針を所定方向に移動
させることによって、試料の表面情報を測定する探針走
査型と、固定した探針に対して試料を所定方向に移動さ
せることによって、試料の表面情報を測定する試料走査
型とに大別されるが、いずれにも本発明のアプローチ方
法を適用することができる。

【０００９】本実施の形態では、その一例として、探針
走査型プローブ顕微鏡を用いたアプローチ方法について
説明する。図１（ａ）には、本発明のアプローチ方法に
適用した探針走査型プローブ顕微鏡の構成が示されてい
る。探針走査型プローブ顕微鏡は、スキャナ２（例え
ば、チューブ型圧電体スキャナ）の可動端にカンチレバ
ー４が取り付けられており、スキャナ２に印加する電圧
を制御することによって、探針６を試料（例えば、半導
体基板、情報記録用ディスクなど）８に沿って所定方向
（ＸＹＺ方向）に所定量だけ移動させることができるよ
うに構成されている。

【００１０】具体的には、本実施の形態では、ＤＣ（Di
rect Contact）モード測定用の探針走査型プローブ顕微
鏡を想定しており、この探針走査型プローブ顕微鏡は、
自由端に探針６が設けられたカンチレバー４と、このカ
ンチレバー４の探針６を試料８表面に沿って所定方向
（例えば、ＸＹＺ方向）に走査させるためのスキャナ２
（例えば、チューブ型圧電体スキャナ）と、カンチレバ
ー４の自由端の変位を光学的に検出することが可能な変
位センサ１０と、スキャナ２をＺ方向に沿って移動させ
ることによって、カンチレバー４の探針６を試料８に対
して接近させたり離間させることが可能なＺ軸粗動機構
１２と、スキャナ２及びＺ軸粗動機構１２を駆動制御す
るためのコントローラ１４とを備えている。

【００１１】変位センサ１０は、カンチレバー４の背面
（探針６が設けられた面とは反対側の面）に向けてレー
ザー光を照射する発光素子１６と、カンチレバー４の背
面から反射した反射光を受光し、その受光量及び／又は
受光位置に対応した変位信号Ｔ１をコントローラ１４へ
出力する受光素子１８（例えば、４分割フォトダイオー
ド）とを備えている。

【００１２】コントローラ１４は、変位センサ１０（受
光素子１８）から出力される変位信号Ｔ１を全て取り込
むことが可能なメモリ機能、変位信号Ｔ１に基づいて所
定のサーボ信号Ｔ２をスキャナ２に印加して、試料８に
対する探針６の接触圧（荷重値）を一定に維持するフィ
ードバック制御機能、メモリ機能に取り込まれた変位信
号Ｔ１に基づいて、探針６先端が試料８表面に接触した
ときのコンタクト位置を算出する機能などを有してい
る。

【００１３】なお、試料８は、ステージ２０上にセット
されている。なお、ステージ２０は、試料８をＸＹ方向
（試料８の面方向）に移動するための移動機構（図示し
ない）を備える構成としても良い。

【００１４】次に、本実施の形態のアプローチ方法につ
いて、図１及び図２を参照して説明する。本実施の形態
のアプローチ方法は、Ｚ軸粗動機構１２によってカンチ
レバー４の探針６を試料８方向に連続的に接近させる１
回のアプローチ動作中、変位センサ１０（受光素子１
８）から出力される全ての変位信号Ｔ１をコントローラ
１４に取り込みながら、この変位信号Ｔ１が予め設定し
た閾値Ｒになるまで探針６を試料８に接近させてＺ軸粗
動機構１２を停止させる。そして、この間にコントロー
ラ１４に取り込まれた全ての変位信号Ｔ１に基づいて、
探針６先端が試料８表面に接触したときのコンタクト位
置Ｃを特定すると同時に、このコンタクト位置Ｃに基づ
いて走査時の適正な探針荷重値Ｌを設定する。

【００１５】なお、閾値Ｒは、コンタクト位置Ｃを越え
て探針６先端が試料８表面に押し込まれた状態（確実に
圧接している状態）を示す値であり、この閾値Ｒは、カ
ンチレバー４のバネ定数に対応したカンチレバー４の変
位特性（カンチレバー４の撓み特性）を検出することに
よって、予め設定することができる。

【００１６】また、適正な探針荷重値Ｌは、閾値Ｒに基
づいてコンタクト位置Ｃを特定した後に、このコンタク
ト位置Ｃを基準として、探針６先端を試料８表面に押し
込む量である。つまり、適正な探針荷重値Ｌは、確実に
探針６先端が試料８表面にコンタクトしている位置を示
す値であると共に、試料８の硬度等に応じて観察者が適
宜設定できる所望の値である。また、図１（ｂ）に示す
ように、適正な探針荷重値Ｌに対応する変位信号（探針
荷重信号）は、コンタクト位置Ｃを示す変位信号と閾値
Ｒとの間に設定される。

【００１７】以下、本実施の形態のアプローチ方法を具
体的に説明する。なお、本実施の形態において、Ｚ軸粗
動機構１２の粗動速度（カンチレバー４の探針６を試料
８に接近させる速度）は、一定とする。

【００１８】まず、コントローラ１４によって、探針６
先端と試料８表面との間を数ミリ程度離間させるよう
に、Ｚ軸粗動機構１２をＺ方向に移動制御する。この状
態において、コントローラ１４からＺ軸粗動機構１２に
制御信号Ｔ３を印加することによって、カンチレバー４
を支持したスキャナ２をＺ方向に沿って移動させて、カ
ンチレバー４の探針６を試料８に接近させる（図２のス
テップＳ１）。

【００１９】このようにカンチレバー４の探針６を試料
８に接近させると、探針６先端と試料８表面との間の相
互作用（例えば、原子間力、磁気力、粘着力、斥力、引
力など）によってカンチレバー４の自由端が変位するた
め、変位センサ１０（受光素子１８）からの変位信号Ｔ
１は、図１（ｂ）に示すような特性を呈する。

【００２０】コントローラ１４は、変位センサ１０（受
光素子１８）から出力される全ての変位信号Ｔ１を取り
込みながら、この変位信号Ｔ１が閾値Ｒに達するまで、
Ｚ軸粗動機構１２を連続的に駆動させて探針６を試料８
に一気に接近させる（図２のステップＳ２）。

【００２１】そして、変位信号Ｔ１が閾値Ｒに達したと
き、コントローラ１４は、Ｚ軸粗動機構１２を停止制御
する（図２のステップＳ３）。次に、コントローラ１４
は、Ｚ軸粗動機構１２を停止させるまでに取り込んだ全
ての変位信号Ｔ１に基づいて、探針６先端が試料８表面
に接触したときのコンタクト位置Ｃを算出する。

【００２２】本実施の形態では、コンタクト位置Ｃの算
出方法として、経過時間に基づく算出法と微分算出法の
２つの方法を適用している。まず、経過時間に基づく算
出法は、閾値Ｒに達した時間ｔ１から一定時間前ｔ２の
信号出力をコンタクト位置Ｃの変位信号として算出する
方法である。

【００２３】上述したようにコントローラ１４には、閾
値Ｒに達するまでの時間経過に対応した全ての変位信号
Ｔ１が取り込まれているため、変位信号特性が急変する
コンタクト位置Ｃとその時間ｔ２とを同時に算出して特
定することができる。

【００２４】具体的には、Ｚ軸粗動機構１２の粗動速度
（カンチレバー４の探針６を試料８に接近させる速度）
をｖ（＝一定）、時間ｔ２から時間ｔ１までの所要時間
をΔｔとすると、時間ｔ２から時間ｔ１までにＺ軸粗動
機構１２が粗動した距離（探針６が試料８に接近した距
離）Δｚは、Δｚ＝ｖ×Δｔとなる。従って、時間ｔ１
の位置からΔｚだけ探針６をＺ方向に戻した位置をコン
タクト位置Ｃとして算出して正確に特定することができ
る。

【００２５】一方、微分算出法は、コントローラ１４に
取り込んだ全ての変位信号Ｔ１に対して、空間的にフィ
ルタ処理を行ってノイズ成分を除去した後、微分処理を
施すことによってコンタクト位置Ｃを算出する方法であ
る。

【００２６】この微分算出法としては、変位センサ１０
（受光素子１８）からの変位信号Ｔ１をローパスフィル
タ等を用いてリアルタイムに微分処理する方法が一般的
であるが、ノイズの影響によってずれた位置をコンタク
ト位置Ｃとして誤算出してしまうおそれがある。具体的
には、ノイズのレベルがある程度高い場合、実際のコン
タクト位置Ｃの変位信号もノイズと共にフィルタリング
され、変位信号の変化として捕らえることがでなくな
る。この場合、かなりの時間を経過した後でなければ、
変位信号の変化が表れなくなるため、実際のコンタクト
位置Ｃよりも遅れて表れた変位信号の変化位置が、あた
かも真のコンタクト位置であるかのように特定されてし
まう。このように特定された誤ったコンタクト位置で
は、探針６を試料８にある程度押し込んだ状態となって
しまう。従って、リアルタイムの微分算出法では、正確
なコンタクト位置Ｃを特定することはできない。

【００２７】しかしながら、本実施の形態では、コンタ
クト位置Ｃの変位信号を含んだ全ての変位信号Ｔ１をコ
ントローラ１４に空間的に確保しているため、その全て
の変位信号に対して空間的なフィルタ処理及び微分処理
を施すことによって、探針６先端が試料８表面に最初に
接触した変位信号の変化を正確に算出して、実際のコン
タクト位置Ｃの特定することができる。

【００２８】上記の通り経過時間に基づく算出法、又
は、微分算出法を用いて、コンタクト位置Ｃを特定した
後、続けて又は同時に、コントローラ１４は、そのコン
タクト位置Ｃに基づいて、走査時の適正な探針荷重値Ｌ
を設定する（図２のステップＳ４）。

【００２９】探針荷重値（試料８表面に対する探針６の
接触圧）を設定する方法は、コンタクト位置Ｃから閾値
Ｒに達する間にコントローラ１４に取り込まれた変位信
号Ｔ１のうち、探針荷重値Ｌに対応する所望の変位信号
（以下、探針荷重信号という）Ｌを特定し、その探針荷
重信号Ｌとなるように試料８に対する探針６の圧接状態
を調整する。

【００３０】具体的には、変位信号Ｔ１が閾値Ｒとなる
までの履歴から、探針６先端が試料８表面に最初に接触
したコンタクト位置Ｃを算出した後に、このコンタクト
位置Ｃを基準として、センサ信号（変位信号Ｔ１）が適
正な探針荷重値（探針荷重信号）Ｌになるまでスキャナ
２をＺ方向に縮め（図２のステップＳ４）、その時点で
サーボ状態とする（図２のステップＳ５）。

【００３１】このように探針荷重値Ｌを設定しておけ
ば、従来のように改めて探針荷重値を設定すること無
く、上述したアプローチ動作に連続して試料８に対する
探針６の適正な荷重値の設定及び走査を行うことができ
る。

【００３２】なお、探針荷重値は、以下のように求める
ことができる。 探針の変位（ｎｍ）＝変位信号（Ｖ）×変位定数（ｎｍ
／Ｖ） 探針荷重値（ｎＮ）＝探針の変位（ｎｍ）×探針のバネ
定数（ｎＮ／ｍ） この場合、変位定数及びバネ定数は、探針６を含む装置
構成によって一意的に決定される。

【００３３】このように本実施の形態によれば、探針６
を試料８方向に連続的に接近させている間に、コンタク
ト位置Ｃを越えて設定した閾値Ｒに達するまで、変位セ
ンサ１０から出力される全ての変位信号Ｔ１を取り込ん
だことによって、連続した１回のアプローチ動作だけ
で、正確なコンタクト位置Ｃを短時間に特定すると同時
に、走査時の適正な探針荷重値Ｌを設定することが可能
な走査型プローブ顕微鏡のアプローチ方法を提供するこ
とができる。

【００３４】なお、上述した実施の形態では、ＤＣ（Di
rect Contact）モード測定用の探針走査型プローブ顕微
鏡を想定したが、これに限定されることは無く、図３に
示すように、ＡＣ（ Alternative Contact）モード測定
用の探針走査型プローブ顕微鏡にも本発明のアプローチ
方法を適用することが可能である。

【００３５】図３（ａ）に示すように、本変形例の探針
走査型プローブ顕微鏡には、カンチレバー４を所望の共
振周波数で振動させるための励振用圧電素子２２が設け
られている。

【００３６】励振用圧電素子２２は、コントローラ１４
によって制御されており、コントローラ１４から所定の
励振信号が印加されることによって、カンチレバー４を
所定の振動振幅で励振させることができるように構成さ
れている。

【００３７】また、変位センサ１０（受光素子１８）か
らは、所定の振動振幅で励振しているカンチレバー４の
振動振幅の変化が所定の変位信号Ｔ１となって出力され
るようになっている。

【００３８】なお、その他の構成は、上述した実施の形
態と同様であるため、その説明は省略する。本変形例の
アプローチ方法も上述の実施の形態と同様に、Ｚ軸粗動
機構１２によってカンチレバー４の探針６を試料８方向
に連続的に接近させる１回のアプローチ動作中、変位セ
ンサ１０（受光素子１８）から出力される全ての変位信
号Ｔ１をコントローラ１４に取り込みながら、この変位
信号Ｔ１が予め設定した閾値Ｒになるまで探針６を試料
８に接近させてＺ軸粗動機構１２を停止させる。そし
て、この間にコントローラ１４に取り込まれた全ての変
位信号Ｔ１に基づいて、探針６先端が試料８表面に接触
したときのコンタクト位置Ｃを特定すると同時に、この
コンタクト位置Ｃに基づいて走査時の適正な探針荷重値
Ｌとなるようにスキャナ２を縮ませ、サーボ状態とす
る。

【００３９】本変形例では、コントローラ１４に取り込
まれる変位信号は、図３（ｂ）に示すような特性を呈す
る。なお、探針荷重値は、以下のように求める。 探針の振動振幅（ｎｍ）＝変位信号（Ｖ）×変位定数
（ｎｍ／Ｖ） 探針荷重値（ｎＮ）＝探針の振動振幅（ｎｍ）×振動振
幅定数（ｎＮ／ｍ） その他の設定条件や具体的なアプローチ方法などは、上
述した実施の形態と同様であるため、その説明は省略す
る。

【００４０】このように本変形例によれば、探針６を試
料８方向に連続的に接近させている間に、コンタクト位
置Ｃを越えて設定した閾値Ｒに達するまで、変位センサ
１０から出力される全ての変位信号Ｔ１を取り込んだこ
とによって、連続した１回のアプローチ動作だけで、正
確なコンタクト位置Ｃを短時間に特定すると同時に、走
査時の適正な探針荷重値Ｌを設定することが可能な走査
型プローブ顕微鏡のアプローチ方法を提供することがで
きる。

【００４１】また、上述した実施の形態（図１参照）及
び変形例（図３参照）では、Ｚ軸粗動機構１２の粗動速
度（カンチレバー４の探針６を試料８に接近させる速
度）を一定にした場合について説明したが、この粗動速
度を任意に変化（例えば、粗動開始時は早く、閾値Ｒに
近付くに従って遅くする）させても、上述した実施の形
態及び変形例と同様の作用効果を実現することができ
る。

【００４２】具体的には、コンタクト位置Ｃの算出方法
として、経過時間に基づく算出法では、Ｚ軸粗動機構１
２の現在位置（試料８表面に対する探針６先端の位置）
と、現在位置に対応した変位信号値と、変位信号の経過
時間とを組にしてコントローラ１４に取り込んで置け
ば、これら各データ同士の相関がとれるので、正確なコ
ンタクト位置Ｃを短時間に算出することができる。ま
た、微分算出法では、Ｚ軸粗動機構１２の現在位置（試
料８表面に対する探針６先端の位置）と、現在位置に対
応した変位信号値とを組にしてコントローラ１４に取り
込んで置けば、これら各データ同士の相関がとれるの
で、正確なコンタクト位置Ｃを短時間に算出することが
できる。

【００４３】また、上述した実施の形態（図１参照）及
び変形例（図３参照）では、スキャナ２の初期状態を標
準状態（圧電体に電圧が印加されていない状態）として
考えていたが、特にこれに限定されるものではない。

【００４４】例えば、上述の実施の形態からも分かるよ
うに、スキャナ２は、走査時の適正な探針荷重値Ｌまで
縮められる。つまり、このスキャナ２を縮めた状態を想
定して、スキャナ２を標準状態より予め所定の長さだけ
伸ばしておくことも本発明においては有効である。この
ような状態にスキャナ２の長さを設定することによっ
て、スキャナ２の可動範囲を有効に使用することが可能
となる。

【００４５】また、上述した実施の形態（図１参照）及
び変形例（図３参照）では、探針走査型プローブ顕微鏡
について説明したが、試料走査型プローブ顕微鏡にも本
発明のアプローチ方法を適用することができる。

【００４６】試料走査型プローブ顕微鏡の構成として
は、例えば、カンチレバー４を変位センサ１０と共に固
定し、その下方において、Ｚ軸粗動機構１２上にスキャ
ナ２を配置し、このスキャナ２の可動端上に試料８をセ
ットする構成、又は、カンチレバー４を変位センサ１０
と共にＺ軸粗動機構１２に固定し、その下方において、
スキャナ２の可動端上に試料８をセットする構成などが
適用できる。

【００４７】なお、探針走査型プローブ顕微鏡の構成と
しても、例えば、カンチレバー４を変位センサ１０と共
にスキャナ２の可動端に固定し、その下方において、Ｚ
軸粗動機構１２上に試料８をセットする構成でも良い。

【００４８】

【発明の効果】本発明によれば、連続した１回のアプロ
ーチ動作だけで、正確なコンタクト位置を短時間に特定
すると同時に、走査時の適正な探針荷重値を設定するこ
とが可能な走査型プローブ顕微鏡のアプローチ方法を提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は、本発明の一実施の形態に係る走査型
プローブ顕微鏡の構成を概略的に示す図、（ｂ）は、ア
プローチ動作時の変位信号の特性を示す図。

【図２】アプローチ動作のフローチャート。

【図３】（ａ）は、本発明の変形例に係る走査型プロー
ブ顕微鏡の構成を概略的に示す図、（ｂ）は、アプロー
チ動作時の変位信号の特性を示す図。

【符号の説明】

４ カンチレバー ６ 探針 ８ 試料 １０ 変位センサ １２ Ｚ軸粗動機構 １４ コントローラ １８ 受光素子 Ｔ１ 変位信号 Ｒ 閾値 Ｃ コンタクト位置 Ｌ 探針荷重値

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 カンチレバーの探針を試料方向に連続的
   に接近させる１回のアプローチ動作中において、 所定の閾値に達するまで、カンチレバーの変位状態を示
   す全ての変位信号を取り込む信号取込工程と、 前記変位信号が前記閾値に達したとき、前記アプローチ
   動作を停止させる工程と、 前記信号取込工程において取り込まれた全ての変位信号
   に基づいて、前記探針の先端が前記試料の表面に接触し
   たときのコンタクト位置を算出して特定する工程と、 前記コンタクト位置に基づいて、走査時の探針荷重値を
   設定する工程とを有することを特徴とする走査型プロー
   ブ顕微鏡のアプローチ方法。
2. 【請求項２】 前記閾値は、前記コンタクト位置を越え
   て前記探針の先端が前記試料の表面に押し込まれた状態
   を示す値であることを特徴とする請求項１に記載の走査
   型プローブ顕微鏡のアプローチ方法。
3. 【請求項３】 前記走査時の探針荷重値に対応する変位
   信号は、前記コンタクト位置を示す変位信号と前記閾値
   との間で設定されることを特徴とする請求項１又は２に
   記載の走査型プローブ顕微鏡のアプローチ方法。