JP2000088733A

JP2000088733A - 走査型プローブ顕微鏡

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Publication number: JP2000088733A
Application number: JP10272513A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Murayama; 健村山; Yuichi Kunitomo; 裕一国友; Noboru Yamamoto; 登山本; Takashi Morimoto; 高史森本; Hiroshi Kuroda; 浩史黒田
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1998-09-09
Filing date: 1998-09-09
Publication date: 2000-03-31

Abstract

(57)【要約】【課題】走査型プローブ顕微鏡で、Ｚ方向の測定範囲
を拡大し、走査範囲を大幅に広げ、例えば数ｍｍ、数十
ｍｍの広範囲の測定を可能にする。【解決手段】走査型プローブ顕微鏡において、Ｚ微動
部１８ａの動作量を判定し探針接近用機構１７を動作さ
せる判定制御部２６を設ける。判定制御部２６は、探針
２０で試料表面１６ａを広範囲に走査し探針・試料間の
距離がＺ微動部の移動可能範囲を越えるとき、探針接近
用機構１７を動作させ、Ｚ微動部の動作不足分を補い、
探針・試料間の距離を一定に保つ。Ｚ微動部と探針接近
用機構を協調動作させることで、傾斜やうねりのある試
料表面を有する試料を広範囲に測定することを可能にす
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
鏡に関し、特に、探針・試料間の距離を大きく変えるこ
とのできる移動機構を利用して広域走査による測定を行
える走査型プローブ顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は、原
子オーダ（ナノメータ（ｎｍ）以下）の測定分解能を有
し、表面の形状計測など、各種の分野に適用されつつあ
る。検出に利用する物理量に依存して、走査型トンネル
顕微鏡（ＳＴＭ）、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、磁気力
顕微鏡（ＭＦＭ）などに分かれ、応用範囲も広がりつつ
ある。特に原子間力顕微鏡は、試料表面の凹凸形状を高
分解能で検出するのに適しており、半導体、ディスクな
どの分野で実績をあげている。以下では、原子間力顕微
鏡の例について説明する。

【０００３】図５に従来の原子間力顕微鏡の一例を示
す。１０１は顕微鏡の支柱としてのフレームである。試
料ステージ１０１ａがフレーム１０１の下部に形成され
る。試料移動機構１００が試料ステージ１０１ａの上に
配置される。さらに測定対象である試料１０２が試料移
動機構１００の上に搭載される。フレーム１０１の上部
に探針接近用機構（粗動機構）１０３が固定され、さら
に探針接近用機構１０３の下側にＸＹＺ微動機構１０４
が固定されている。探針接近用機構１０３は、主に試料
１０２に対して探針１０６を迅速に接近させるときに使
用されるもので、探針１０６を大きな距離で移動（粗
動）させる場合に使用される粗動機構である。ＸＹＺ微
動機構１０４として、圧電素子を利用して構成されたト
ライポッド型微動機構あるいはチューブ型微動機構が使
用される。

【０００４】試料１０２の上方位置にはカンチレバー１
０５が配置される。カンチレバー１０５の先端に設けら
れた探針１０６は試料１０２の表面に臨んでいる。試料
１０２を測定するとき、探針１０６と試料１０２の間の
距離は両者の間で原子間力が生じるように設定される。
カンチレバー１０５はＸＹＺ微動機構１０４の下端に固
定されている。カンチレバー１０５は、柔軟性を有し、
探針・試料間の距離の変化に対応して原子間力が変化す
るとき、原子間力に応じたたわみ変形を生じるという特
性を持っている。

【０００５】１０７はカンチレバーの変位を検出する変
位検出器１０７である。変位検出器１０７には例えば光
てこ式検出光学系や干渉法を利用した検出器が使用され
る。光てこ式検出光学系は、カンチレバー１０５の背面
にレーザ光を当てる光源と、反射したレーザ光を受ける
光検出器から構成される。

【０００６】探針接近用機構１０３により探針１０６と
試料１０２の距離を約１ｎｍまでにすると、両者の間に
原子間力が作用し、カンチレバー１０５にたわみ変形が
生じる。たわみ角は変位検出器１０７で検出される。変
位検出器１０７から出力される検出信号は、加算器１０
８に入力される。加算器１０８は、検出信号と基準値Ｖ
ref を比較し、偏差信号Ｖｄを出力する。偏差信号Ｖｄ
は制御部１０９に入力される。制御部１０９は一般的に
比例−積分補償（ＰＩ制御）を行う。制御部１０９の出
力信号（Ｖｚ）はＸＹＺ微動機構１０４のＺ微動部に与
えられ、探針１０６と試料１０２の間の距離を変化させ
る。探針１０６と試料１０２の間の距離は基準値Ｖref
によって決まる所定距離に保持される。

【０００７】上記構成は、探針１０６と試料１０２の距
離を所定の一定距離に保つ制御を実現する。ＸＹ走査回
路１１０から出力される走査信号（Ｖｘ，Ｖｙ）はＸＹ
Ｚ微動機構１０４のＸＹ微動部に与えられる。走査信号
（Ｖｘ，Ｖｙ）は、探針１０６に、試料１０２の表面を
走査させる。この走査の間、探針１０６と試料１０２の
間の距離は一定に保持される。Ｚ微動部の移動量に相当
するデータＶｚと、ＸＹ走査回路１１０から出力される
走査信号のデータ（Ｖｘ，Ｖｙ）は図示しないメモリに
格納される。図示しない信号処理回路はこれらのデータ
を利用して必要な処理を行い、表示装置１１１に画像表
示を行う。これにより試料１０２の表面形状が観察され
る。このように、原子間力顕微鏡は原子オーダの分解能
の測定を行うことができる。原子間力顕微鏡では、測定
視野は数ｎｍから数１００μｍまで切り換えられる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来の原子間力顕微鏡
の測定範囲は、ＸＹＺ微動機構１０４の移動可能範囲に
よって制約される。ＸＹＺ微動機構１０４では、原子オ
ーダの分解能を確保する上で、一般的に圧電素子等の固
体アクチュエータが用いられる。そのため原子間力顕微
鏡の測定ための移動範囲は約１００μｍが限界となる。
移動範囲を拡大するためストロークを大きくしても、分
解能が低下する。従って実用上約１０μｍ程度の微小領
域で走査範囲を設定するのが一般的であった。

【０００９】一方、原子間力顕微鏡は、特徴であるとこ
ろのＺ方向の測定分解能を維持しながら、ＸＹ方向の測
定範囲を大きくすることができれば、試料表面のうねり
の計測、各種の３次元形状計測に利用でき、応用分野が
広がる。ＸＹ方向の測定範囲を大きくするための一つの
構成として、試料移動機構１００をＸＹ平面の走査に使
用し、Ｚ方向に関しては高分解能な圧電素子機構で制御
することが考えられる。例えば試料移動機構１００とし
て静圧案内式の機構を用いて構成し、ＸＹ平面の走査を
行わせれば、数十ｍｍ、数百ｍｍの測定範囲の原子間力
顕微鏡の測定が原理的に可能になる。測定分解能を確保
するためには通常Ｚ方向の微動部に圧電素子を用いるの
で、Ｚ方向のストロークすなわち高さ方向の移動範囲が
不足する。

【００１０】図６を参照して問題点を説明する。図６で
（Ａ）は傾斜を有する試料表面１０２ａを示し、（Ｂ）
はうねりを有する試料表面１０２ａを示す。図６の
（Ａ）は試料表面１０２ａに沿って探針１０６がＡ〜Ｄ
の順序で移動する様子が示されている。図６の（Ａ）
で、試料表面に沿う方向（ＸＹ方向）の原子間力顕微鏡
の測定範囲が数十μｍ（図中ｄ２に相当）であれば、Ｚ
方向の測定範囲はその１／１０で数μｍとなる。従っ
て、圧電素子のＺ微動部でも問題は生じない。しかし、
試料表面に沿う方向の測定範囲が例えば数十ｍｍ（図中
ｄ１に相当）であれば、Ｚ方向の測定範囲はｈ１以上必
要である。測定範囲がｈ１以上であるときには、圧電素
子のＺ微動部ではストロークが足りず、実用的ではな
い。このことは図６の（Ｂ）のうねりの場合にも同様で
ある。従って実用性を達成するためには、Ｚ方向の測定
範囲を大きくすることが必要である。一方、原子間力顕
微鏡のＺ方向の測定範囲はＺ微動部のストロークにより
決定される。Ｚ微動部に圧電素子を用いるとき、ストロ
ークは約１０μｍが限界である。従って通常の原子間力
顕微鏡によれば、例えば数ｍｍ、数十ｍｍの広範囲の測
定を行うことは実用上困難である。この問題は走査型プ
ローブ顕微鏡について一般的に生じる。

【００１１】課題に関連する従来技術として特開平６−
１７４４６１号公報に開示される走査型プローブ顕微鏡
を挙げる。この走査プローブ顕微鏡では、観察対象であ
る試料の表面に大きな傾斜があると予想されるとき、Ｘ
およびＹの各方向にラインスキャンを例えば数本行って
当該傾斜を測定し、観察の際、粗動機構や第３の駆動機
構によって予想される傾斜を吸収するように構成され
る。従って、微動機構のＺ方向は試料表面の凹凸だけに
追従すればよく、ゲインを下げることなく観察を行うこ
とができる。

【００１２】本発明の目的は、上記課題に解決すること
にあり、Ｚ方向の測定範囲を拡大できるようにして、走
査範囲を大幅に広げることができ、例えば数ｍｍ、数十
ｍｍの広範囲の測定を可能にする走査型プローブ顕微鏡
を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段および作用】本発明に係る
走査型プローブ顕微鏡は、上記目的を達成するため、次
のように構成される。走査型プローブ顕微鏡は、探針を
備えるカンチレバーと、探針と試料に相対的変位を与え
る３軸移動機構と、カンチレバーの変位を検出する変位
検出手段と、探針と試料の距離を変化させる粗動機構
（探針接近用機構）を備え、変位検出手段（光てこ式の
位置検出系）の出力信号に基づき探針と試料の間に生じ
る相互作用が一定状態に保持されるように制御し、制御
信号によって試料の表面特性を測定するように構成され
る。走査型プローブ顕微鏡は、さらに、３軸移動機構
は、探針または試料を測定平面に沿って広範囲に移動す
るＸＹ移動装置と、圧電素子で形成され、走査の間、探
針・試料間を微小距離で一定に保つＺ微動装置とからな
り、探針・試料間の距離がＺ微動装置の移動可能範囲を
越えるとき、粗動機構を動作させて動作不足分を補い、
探針・試料間の距離を一定に保たせる制御手段（判定制
御部）を備えている。試料または探針をＸＹ平面（試料
の測定平面）に沿って移動させるＸＹ移動装置に、広い
移動を行える装置を使用して構成すると、試料表面を走
査するとき、試料表面の変化も大きくなることが予測さ
れる。試料と探針の間の距離を通常のサーボ制御で行う
とき、当該距離を予め設定された一定距離に保持するに
は、Ｚ方向の移動を行う圧電素子で形成されたＺ微動装
置では不足分が生じる。そこで、Ｚ微動装置の動作状態
（ストロークの伸縮状態）を監視し判定する制御部を付
設し、Ｚ微動装置で不足分が生じたときには、粗動機構
により当該不足分を補うようにする。ＸＹ走査を行うた
めの移動機構として広い範囲の移動を可能にする例えば
静圧案内式ＸＹ移動装置を使用し、探針・試料間の距離
は圧電素子で形成されるＺ微動装置と粗動機構（探針接
近用機構など）の協調動作で制御し、これにより傾斜や
うねりのある試料表面を有する試料を広範囲に測定する
ことが可能になる。前記の構成において、さらに、粗動
機構が動作するとき、粗動機構が動作する前のＺ微動装
置の制御データと、粗動機構が動作した後のＺ微動装置
の制御データとが同一値としてみなして扱い、Ｚ微動装
置の制御データの連続性を保つように構成される。粗動
機構が動作する前後において、Ｚ微動装置の制御データ
では不連続な状態が生じる。Ｚ微動装置の制御データは
試料表面の測定データとして使用されるものであるか
ら、試料表面の凹凸情報のみが得られるように連続性を
維持する処理が行われる。前記の構成において、好まし
くは、制御手段は、Ｚ微動装置の最大移動範囲をＵｚと
するとき、Ｚ微動装置の移動動作による変位がｋ×Ｕｚ
（ｋは１以下）となった時に粗動機構を接近方向に動作
させ、Ｚ微動装置の移動動作による変位が（１−ｋ）×
Ｕｚ（ｋは１以下）となった時に粗動機構を離れ方向に
動作させる。前記の構成において、粗動機構が接近方向
に移動動作を行う時、Ｚ微動装置はサーボ制御系により
縮み、粗動機構が離れ方向に移動動作を行う時、Ｚ微動
装置はサーボ制御系により伸びるように構成される。前
記の構成において、さらに好ましくは、ＸＹ移動装置は
静圧案内式の移動装置であることを特徴とする。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の好適な実施形態
を添付図面に基づいて説明する。

【００１５】図１〜図３を参照して本発明の実施形態を
説明する。本実施形態で便宜上原子間力顕微鏡の例を説
明するが、本発明が適用される走査型プローブ顕微鏡は
これに限定されない。

【００１６】１１は、原子間力顕微鏡の支柱を形成する
フレームである。フレーム１１の下部に顕微鏡ステージ
１１ａが形成されている。顕微鏡ステージ１１ａの上面
に基準面が形成される。顕微鏡ステージ１１ａの基準面
上には、ＸＹ移動部１２が配置され、ＸＹ移動部１２を
ＸＹ方向に移動させるためのＸＹアクチュエータ（駆動
機構）が固定されている。ＸＹアクチュエータは、図２
に示すごとく、Ｘ方向用アクチュエータ１３ｘとＹ方向
用アクチュエータ１３ｙから構成される。アクチュエー
タ１３ｘ，１３ｙとＸＹ移動部１２とはそれぞれ連結部
１４ｘ，１４ｙで連結されている。ＸＹアクチュエータ
として、電磁コイル式モータ（ボイスコイルモータ）、
電磁モータ、圧電モータ、変位拡大機構、その他の各種
のものが用いられる。図１では、図中にＸ，Ｙ，Ｚの各
軸方向が定義され、これらの３軸は互いに直交してい
る。ＸＹ移動部１２およびこれをＸＹ方向に移動させる
機構は、本実施形態の場合、試料を広範囲（数ｍｍ、数
十ｍｍ以上）で移動させることのできるＸＹ移動装置が
使用される。ＸＹ移動装置は、後述するごとく例えば静
圧案内式の装置が使用される。なおＸＹ移動装置には、
上記機構以外に、任意の機構を採用できる。例えば通常
のころがり案内機構とボールネジ等を組み合わせてなる
機構を使用できる。

【００１７】アクチュエータ１３ｘ，１３ｙは、ＸＹ走
査部２４から出力される走査信号Ｖｘ，Ｖｙによって動
作し、ＸＹ移動部１２をＸ方向とＹ方向へ移動させる。

【００１８】ＸＹ移動部１２の内部には、高圧の圧力流
体（高圧空気または高圧油等）を流す流路１２ａが形成
される。流路１２ａの導入口は、ＸＹ移動部１２の側壁
に形成され、排出口はその底面に形成される。流路１２
ａの導入口には、高さ位置制御部１５の出力管が接続さ
れる。高さ位置制御部１５は、適宜に、ＸＹ移動部１２
の流路１２ａに高圧流体を供給する。高さ位置制御部１
５から流路１２ａに供給された圧力流体は、ＸＹ移動部
１２の底面の排出口から吹き出される。ＸＹ移動部１２
の底面の排出口から圧力流体が吹き出されると、顕微鏡
ステージ１１ａの基準面に対してＸＹ移動部１２の位置
（高さ位置）が上昇し、ＸＹ移動部１２が浮いた状態と
なる。ＸＹ移動部１２の底面から圧力流体が排出される
と、ＸＹ移動部１２と顕微鏡ステージ１１ａの基準面の
間には静圧軸受けが形成される。これにより、ＸＹ移動
部１２は静圧案内の下で当該基準面に沿ってＸＹ方向に
移動できる。静圧軸受けは、高圧の圧力流体でＸＹ移動
部１２を支持し、その剛性を高くする。以上のごとく、
ＸＹ移動部１２とＸＹアクチュエータ１３と高さ位置制
御部１５は、静圧案内式のＸＹ移動装置を構成する。高
さ位置制御部１５による圧力流体の供給動作は、オペレ
ータの操作により、必要に応じて選択的に行われる。高
さ位置制御部１５からＸＹ移動部１２の流路１２ａへ圧
力流体が供給されないとき、底面の排出口から圧力流体
が排出されず、ＸＹ移動部１２は顕微鏡ステージ１１ａ
の基準面に接触して配置される。このとき剛性はより高
いものになる。試料１６は、ＸＹ移動部１２の上面に搭
載されている。

【００１９】フレーム１１の上部には探針接近用機構
（粗動機構）１７が固定され、探針接近用機構１７の下
側にＸＹＺ微動機構１８が固定されている。探針接近用
機構１７とＸＹＺ微動機構１８は、従来装置と同じ構成
を有する。探針接近用機構１７は、通常、主に測定を試
料に探針を迅速に接近させるため、圧電素子からなる微
動機構に対して相対的に大きな移動を行える粗動機構で
あるが、当然のことながら試料から探針を離すときにも
使用される。本実施形態では、Ｚ微動部と協調動作を行
うため、探針接近用機構１７は、探針を試料に近づける
場合、または探針を試料から離す場合のいずれにも適宜
なタイミングで駆動される。ＸＹＺ微動機構１８には、
トライポッド型微動機構、チューブ型微動機構、平行平
板型微動機構が使用される。ＸＹＺ微動機構１８は、探
針の走査動作（試料と探針の間で表面に沿った方向の相
対的位置を変化させる動作）に関係するＸＹ微動部と、
試料の表面に対する探針の高さ位置を変化させるＺ微動
部とから構成される。本実施形態の走査型プローブ顕微
鏡では、測定を行うとき、探針と試料の間の距離を一定
に保つＺ微動部のみが使用され、ＸＹ微動部は使用され
ない。ＸＹ方向の走査には、走査範囲を拡大できる前述
の静圧案内式ＸＹ移動装置が使用される。Ｚ微動部は圧
電素子を利用して作られる微小移動装置である。

【００２０】試料１６の上方位置にはカンチレバー１９
が配置される。カンチレバーの先端に設けられた探針２
０は、試料１６の表面に臨んでいる。試料１６の表面を
測定するとき、探針２０は試料１６に接近され、探針２
０と試料１６の間の距離は原子間力が生じる程度に設定
される。カンチレバー１９は、ＸＹＺ微動機構１８の下
端に固定されている。カンチレバー１９は柔軟な材料で
作られ、探針・試料間の距離の変化して原子間力が変化
するとき、カンチレバー１９にたわみ変形が生じる。

【００２１】カンチレバー１９に対して、たわみ変形に
よるカンチレバーの変位を検出する変位検出器２１が設
けられる。変位検出器２１には従来の光てこ式検出光学
系や干渉法を利用した検出器が使用される。

【００２２】探針接近用機構１７により探針２０と試料
１６の距離を約１ｎｍまで近づけると、両者の間に原子
間力が作用し、カンチレバー１９にたわみ変形が生じ
る。たわみ角は変位検出器２１で検出される。変位検出
器２１から出力される検出信号は、加算器２２に入力さ
れる。加算器２２は、検出信号と基準値Ｖref を比較
し、偏差信号Ｖｄを出力する。偏差信号Ｖｄは制御部２
３に入力される。制御部２３は一般的に比例−積分補償
（ＰＩ制御）を行い、出力信号（Ｖｚ）をＸＹＺ微動機
構１８のＺ微動部に与える。出力信号（Ｖｚ）は探針２
０と試料１６の間の距離を変化させる。探針２０と試料
１６の間の距離は予め基準値Ｖref によって設定された
一定距離に保持される。こうして探針２０と試料１６の
間の距離を基準値Ｖref で決まる一定値に保つサーボル
ープによる制御系（サーボ制御系）が形成される。

【００２３】試料１５の表面を測定するとき、ＸＹ走査
制御部２４の出力信号Ｖｘ，Ｖｙに基づいて静圧案内式
のＸＹ移動装置で試料１６をＸＹ方向に走査移動させ、
ＸＹＺ微動機構１８のＺ微動部にサーボ制御系による制
御信号Ｖｚを与え、Ｚ方向に移動させる。試料１６の表
面を走査する間、制御信号Ｖｚによって探針２０と試料
１６の間の距離は一定に保持される。

【００２４】ＸＹＺ微動機構１８のＺ微動部の移動量に
相当するデータＶｚとＸＹ走査制御部２４の走査信号に
係るデータ（Ｖｘ，Ｖｙ）をメモリ２５に格納し、さら
に信号処理部２６でこれらのデータを利用して必要な処
理を行う。処理で得られたデータで表示装置２７にＡＦ
Ｍ像の画像が表示される。これにより試料１６の表面形
状を原子間力顕微鏡の高い分解能で観察することができ
る。

【００２５】上記構成によれば、静圧案内式のＸＹ移動
装置によってＸＹ平面を広く、例えば数ｍｍまたは数十
ｍｍで走査すると、原理的には広い範囲のＡＦＭ像を表
示できる、しかしながら、一般的に、ＸＹＺ微動機構１
８のＺ微動部の移動範囲は小さいので、試料１６の表面
に傾斜がある場合、あるいはうねりがある場合には、試
料表面に追従できず、測定が行えない。そこで本実施形
態の構成では、広範囲のＡＦＭ像を得ることができるよ
うにするため、さらにＺ方向の移動に関しても次の構成
が付加される。

【００２６】２６は判定制御部である。判定制御部２６
は、制御信号Ｖｚを入力し、Ｚ微動部の動作状態をモニ
タし、当該動作状態を判定し、動作状態が予め決められ
た状態になったときに、探針接近用機構１７を動作させ
る。これにより、探針が広範囲に走査された場合に、探
針接近用機構１７を適宜に動作させ、Ｚ微動部と協調動
作を行い、探針・試料間の距離を所定の一定距離に保持
することが可能になる。判定制御部２６の動作例を次に
説明する。

【００２７】例えば試料１６の表面に傾斜が存在し、走
査に従い探針・試料間の距離が次第に大きくなり、Ｚ微
動部が最大に伸びても、探針・試料間の距離を一定に保
持できない場合が生じる。この場合には、探針接近用機
構１７を動作させ、探針２０を試料１６に接近させ、Ｚ
微動部の伸びの不足分を補う。ただし、探針接近用機構
１７が動作して探針２０が試料１６に近づくときには、
接近の程度に応じて、Ｚ微動部はそのサーボ制御系によ
り縮み、探針・試料間の距離が常に一定距離に保持され
る。反対に、試料１６の表面に傾斜が、走査に従い探針
・試料間の距離が次第に小さくなるように存在すると
き、Ｚ微動部が最大に縮んでも、探針・試料間の距離を
一定に保持できない場合が生じる。この場合には、探針
接近用機構１７を動作させ、探針２０を試料１６から離
れさせ、Ｚ微動部の縮みの不足分を補う。ただし、探針
接近用機構１７が動作して探針２０が試料１６から離れ
るときには、離れの程度に応じて、Ｚ微動部はそのサー
ボ制御系により伸び、探針・試料間の距離が常に一定距
離に保持される。

【００２８】図３は、試料１６の表面で一定方向の傾斜
が存在し、走査を行うに従って探針・試料間の距離が次
第に大きくなる例を概念的に図解する図であるす。図３
で、（Ａ）は相対的に試料表面に沿って探針が右方向に
移動する状態（測定点Ａ〜Ｆ）を示し、（Ｂ）はＺ微動
部の実際の動作軌跡（探針の移動軌跡と同じ）を示し、
（Ｃ）は（Ｂ）に示した動作軌跡が連続性を持つように
処理した軌跡を示している。図３（Ａ）で、１６は試
料、１６ａは試料表面である。試料表面１６ａに対して
探針２０の先端が臨む。１８ａは上記ＸＹＺ微動機構１
８に含まれるＺ微動部を示す。探針２０はＺ微動部１８
ａの下端に固定され、Ｚ微動部１８ａは探針接近用機構
１７の下部に固定されている。図３の例は、説明の便宜
を考慮して、図１の構成を変形して、探針接近用機構１
７の下部に直接にＺ微動部１８ａを取り付けた例を示し
ている。

【００２９】測定点Ａから測定点Ｆまでの動作を説明す
る。測定点Ａでは、Ｚ微動部１８ａは縮んでいるとす
る。図３（Ａ）に示されるように、ＸＹ移動部１２の移
動で試料１６が左方向に移動することにより、探針２０
が試料表面１６ａの傾斜に沿って右方向に移動すると、
探針２０と試料表面１６ａの間の距離は一定距離に保持
される。試料１６が左側に移動するたびに試料表面１６
ａの傾斜に応じて、Ｚ微動部１８ａは順次に伸びる。Ｚ
微動部１８ａの最大の伸び位置Ｌに達すると、それ以降
の追従制御ができなくなる。そこで判定制御部２６は、
Ｚ微動部１８ａの圧電素子の動作状態をその制御信号Ｖ
ｚでモニタし、動作状態が、例えばｋ×Ｕｚ（Ｕｚ：動
作範囲，ｋ＝０．９）になったとき探針接近用機構１７
を伸びるように動作させる。このように、Ｚ微動部１８
ａは、移動が可能な範囲にあるときには伸びる動作を行
い（ＡからＢ、ＣからＤ）、測定点Ｃ，Ｅの時点のよう
にＺ微動部１８ａによる移動を行えないときは、探針接
近用機構１７が伸び、不足分を補っている。探針接近用
機構１７が伸びるとき、そのサーボ制御系によりＺ微動
部１８ａは縮む。

【００３０】以上のごとく、本来のサーボ制御系による
Ｚ微動部１８ａのＺ軸方向の探針２０の位置制御と、Ｚ
微動部１８ａの伸縮動作が追従できないときの探針接近
用機構１７による位置制御とを組合わせる（協調動作）
という上記の制御法で、試料１６の測定を行うと、Ｚ微
動部１８ａの動作軌跡に関して、図３（Ｂ）に示すよう
な軌跡が得られる。図３（Ｂ）で、Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３は
各々探針接近用機構１７の動作点を示している。探針接
近用機構１７の具体的な構成としては種々のもの用いる
ことができる。探針接近用機構１７に例えばねじ送り機
構を用いる場合、通常は、最小の移動ステップがＺ微動
部１８ａの動作範囲よりも大きく、移動の精度もナノメ
ータのオーダは難しいので、その動作軌跡は階段状の不
連続な軌跡となる。測定における動作軌跡の不連続点
は、探針接近用機構１７が動作するときにのみ生じる。
これらの不連続点は前述した信号処理部２６により連続
するように修正され、探針２０の高さ方向（Ｚ軸方向）
の動作軌跡は図３（Ｃ）に示されるように連続性を有す
るごとくつなげられる。このような連続性処理によれ
ば、表示装置２７の画面には、探針接近用機構１７の動
作による影響は与えられず、広範囲の測定であっても、
Ｚ微動部１８ａの動作量で得られる試料表面の凹凸情報
のみが表示されるという利点を有する。

【００３１】図４は、試料１６の表面の傾斜が途中で逆
になった場合の例を示す。図４で、（Ａ）は相対的に試
料表面に沿って探針が右方向に移動する状態（測定点Ａ
〜Ｆ）を示し、（Ｂ）はＺ微動部の実際の動作軌跡を示
す。図４において、図３で説明した要素と同一の要素に
は同一の符号を付している。図４（Ａ）で、測定点Ａ〜
Ｃについて、Ｚ微動部１８ａの動作は図３で説明した場
合と同じである。測定点Ｄ〜ＦについてはＺ微動部１８
ａは傾斜面の変化に沿って縮むように動作する。この動
作で、測定点Ｄから測定点Ｅへ移るとき、Ｚ微動部１８
ａの動作が０．１×Ｕｚとなると、判定制御部２６がこ
の動作状態を判定し、探針接近用機構１７は、探針・試
料間の距離を大きく離し、Ｚ微動部１８ａによる探針・
試料間の距離の一定保持を継続させる。以上により、Ｚ
微動部１８ａの動作に関して図４（Ｂ）に示される動作
軌跡が得られる。探針接近用機構１７が動作する時点に
対応して階段状の変化Ｓ１，Ｓ２による不連続点が示さ
れる。これらの不連続点は図３の例で説明したのと同様
に、前述した信号処理部２６により連続するように修正
される。

【００３２】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように本発明によ
れば、原子間力顕微鏡等の走査型プローブ顕微鏡におい
て、試料表面に対する高さ方向の探針の移動を、Ｚ微動
部と探針接近用機構（粗動機構）を協調的に動作させ、
Ｚ微動部の動作不足分を探針接近用機構で補うようにし
たため、広い範囲の測定の走査に対処でき、広範囲の測
定を行うことができる。広い範囲を走査するときに常に
探針・試料間の距離を一定の距離に保持できるので、試
料表面の傾斜やうねりなどの測定を行うことができ、さ
らに探針と試料の衝突を回避することもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の代表的実
施形態を示す構成図である。

【図２】静圧案内式のＸＹ移動装置の部分平面図であ
る。

【図３】一方向に一定の傾斜を有する試料表面を走査し
て測定を行うときのＺ微動部と探針接近用機構の協調動
作を示す説明図である。

【図４】傾斜が途中で反転する試料表面を走査して測定
を行うときのＺ微動部と探針接近用機構の協調動作を示
す説明図である。

【図５】従来の走査型プローブ顕微鏡の代表例を示す構
成図である。

【図６】広い範囲で試料表面を走査するときのＺ方向の
位置調整の問題を説明する図である。

【符号の説明】

１２ＸＹ移動部１５高さ位置制御部１６試料１７探針接近用機構１８ＸＹＺ微動機構１８ａＺ微動部１９カンチレバー２０探針２１変位検出器２６判定制御部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山本登茨城県土浦市神立町650番地日立建機株式会社土浦工場内 (72)発明者森本高史茨城県土浦市神立町650番地日立建機株式会社土浦工場内 (72)発明者黒田浩史茨城県土浦市神立町650番地日立建機株式会社土浦工場内Ｆターム(参考） 2F069 AA60 DD20 GG01 GG04 HH04 JJ08 JJ15 LL03 MM24 MM38 NN06 5H303 AA20 BB03 BB08 BB12 CC06 DD01 DD06 DD14 DD25 HH05 KK02 KK03 QQ01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】探針を備えるカンチレバーと、前記探針
と試料に相対的変位を与える３軸移動機構と、カンチレ
バーの変位を検出する変位検出手段と、前記探針と前記
試料の距離を変化させる粗動機構を備え、前記変位検出
手段の出力信号に基づき前記探針と前記試料の間に生じ
る相互作用が一定状態に保持されるように制御し、制御
信号によって前記試料の表面特性を測定する走査型プロ
ーブ顕微鏡において、前記３軸移動機構は、前記探針または前記試料を測定平
面に沿って広範囲に移動するＸＹ移動装置と、圧電素子
で形成され、走査の間、探針・試料間を微小距離で一定
に保つＺ微動装置とからなり、探針・試料間の距離が前
記Ｚ微動装置の移動可能範囲を越えるとき、前記粗動機
構を動作させて動作不足分を補い、探針・試料間の距離
を一定に保たせる制御手段を備えることを特徴とする走
査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】前記粗動機構が動作するとき、前記粗動
機構が動作する前のの前記Ｚ微動装置の制御データと、
前記粗動機構が動作した後の前記Ｚ微動装置の制御デー
タとが同一値としてみなして扱い、前記Ｚ微動装置の制
御データの連続性を保つことを特徴とする請求項１記載
の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】前記制御手段は、前記Ｚ微動部の最大移
動範囲をＵｚとするとき、前記Ｚ微動装置の移動動作に
よる変位がｋ×Ｕｚ（ｋは１以下）となった時に前記粗
動機構を接近方向に移動させ、前記Ｚ微動装置の移動動
作による変位が（１−ｋ）×Ｕｚ（ｋは１以下）となっ
た時に前記粗動機構を離れ方向に移動させることを特徴
とする請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】前記粗動機構が前記接近方向に移動動作
を行う時、前記Ｚ微動装置はサーボ制御系により縮み、
前記粗動機構が前記離れ方向に移動動作を行う時、前記
Ｚ微動装置はサーボ制御系により伸びることを特徴とす
る請求項３記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】前記ＸＹ移動装置は静圧案内式の移動装
置であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項
に記載の走査型プローブ顕微鏡。