JP2000136993A - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents
走査型プローブ顕微鏡Info
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- JP2000136993A JP2000136993A JP10312590A JP31259098A JP2000136993A JP 2000136993 A JP2000136993 A JP 2000136993A JP 10312590 A JP10312590 A JP 10312590A JP 31259098 A JP31259098 A JP 31259098A JP 2000136993 A JP2000136993 A JP 2000136993A
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- scanning
- sample
- driving means
- probe microscope
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 走査型プローブ顕微鏡のXYZアクチュエータ
にチューブ型の圧電体が用いられるが、首振り運動によ
りＸＹ方向へ走査するため、走査範囲が大きくなると、
首振り運動による観察像の湾曲の度合いは大きくなり、
コンピュータによるデータ処理で補正しなければならな
い。また、チューブを長くすると、ＸＹ方向の可動範囲
を広げることができるが、共振周波数が低くなり、走査
スピードが低下する。そこで、走査範囲を拡大しても観
察像が湾曲せず、かつ走査スピードの低下しない走査型
プローブ顕微鏡を提供する。 【解決手段】 観察像の湾曲を防止するため、ＸＹＺ各
方向に独立したアクチュエータで走査を行い、Ｚ方向に
最も共振周波数の高いアクチュエータ８を、Ｙ方向に共
振周波数が低く可動範囲の広いアクチュエータ２を用い
ることによって走査スピードを低下させずに走査範囲を
拡大することを可能とした。
にチューブ型の圧電体が用いられるが、首振り運動によ
りＸＹ方向へ走査するため、走査範囲が大きくなると、
首振り運動による観察像の湾曲の度合いは大きくなり、
コンピュータによるデータ処理で補正しなければならな
い。また、チューブを長くすると、ＸＹ方向の可動範囲
を広げることができるが、共振周波数が低くなり、走査
スピードが低下する。そこで、走査範囲を拡大しても観
察像が湾曲せず、かつ走査スピードの低下しない走査型
プローブ顕微鏡を提供する。 【解決手段】 観察像の湾曲を防止するため、ＸＹＺ各
方向に独立したアクチュエータで走査を行い、Ｚ方向に
最も共振周波数の高いアクチュエータ８を、Ｙ方向に共
振周波数が低く可動範囲の広いアクチュエータ２を用い
ることによって走査スピードを低下させずに走査範囲を
拡大することを可能とした。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、試料表面の微細な
構造を観察するのに用いる走査型プローブ顕微鏡に関す
る。
構造を観察するのに用いる走査型プローブ顕微鏡に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】図３は従来の走査型プローブ顕微鏡の一
つである原子間力顕微鏡の説明図である。図３におい
て、１３はカンチレバー、１２はカンチレバーのたわみ
検出器、１４は試料、１５は試料ステージ、１６はＸＹ
Ｚアクチュエータ、１７はコンピュータおよびコントロ
ーラである。この従来の原子間力顕微鏡においては、Ｘ
ＹＺアクチュエータ上の試料ステージに試料をのせ、試
料をカンチレバー先端に固定された先鋭化されたプロー
ブへ接触させ、アクチュエータで試料をＸ−Ｙ面内に走
査する。このとき、カンチレバーのたわみをたわみ検出
器５でモニターし、一定のたわみになるようにコントロ
ーラがフィードバック制御を行いアクチュエータで試料
のＺ方向の位置を調節する。試料表面上の各位置での調
節量をコンピュータで画面上にマッピングすることによ
って、試料表面の微細な構造の観察像を得ることができ
る。走査型プローブ顕微鏡によって得られる観察像に
は、表面形状に加えて、たとえば、プローブに磁性体を
用いれば、試料表面の磁気的な性質の分布、または、表
面が親水性または、疎水性のプローブを用いて、試料表
面の親水性・疎水性分布というように、試料表面の物理
的または、化学的性質の分布像がある。
つである原子間力顕微鏡の説明図である。図３におい
て、１３はカンチレバー、１２はカンチレバーのたわみ
検出器、１４は試料、１５は試料ステージ、１６はＸＹ
Ｚアクチュエータ、１７はコンピュータおよびコントロ
ーラである。この従来の原子間力顕微鏡においては、Ｘ
ＹＺアクチュエータ上の試料ステージに試料をのせ、試
料をカンチレバー先端に固定された先鋭化されたプロー
ブへ接触させ、アクチュエータで試料をＸ−Ｙ面内に走
査する。このとき、カンチレバーのたわみをたわみ検出
器５でモニターし、一定のたわみになるようにコントロ
ーラがフィードバック制御を行いアクチュエータで試料
のＺ方向の位置を調節する。試料表面上の各位置での調
節量をコンピュータで画面上にマッピングすることによ
って、試料表面の微細な構造の観察像を得ることができ
る。走査型プローブ顕微鏡によって得られる観察像に
は、表面形状に加えて、たとえば、プローブに磁性体を
用いれば、試料表面の磁気的な性質の分布、または、表
面が親水性または、疎水性のプローブを用いて、試料表
面の親水性・疎水性分布というように、試料表面の物理
的または、化学的性質の分布像がある。
【０００３】次に、現在多くの走査型プローブ顕微鏡に
用いられているチューブ型のＸＹＺアクチュエータにつ
いて図４を用いて説明する。図４において、（ａ），
（ｂ）はそれぞれ、チューブ型ＸＹＺアクチュエータの
斜視図と断面図である。チューブ型ＸＹＺアクチュエー
タは多くの場合、チューブ状の圧電体１８とその外側
の、分割された電極２０〜２４、および内側の全面を覆
う電極１９というような構造となっている。電極２０お
よび２１は試料をＸ方向へ走査するための電極であり、
電極２２および２３は試料をＹ方向へ走査するための電
極である。電極２４は試料をＺ方向へ走査するための電
極であり、電極１９は電極２０〜２４の共通の対電極で
ある。たとえば、電極２０および２１へ極性を変えて電
圧を印可すると一方の電極で覆われている部分は伸張
し、もう一方の電極で覆われている部分は収縮するた
め、矢印で示すように圧電体はＸ方向へ首振り運動をす
る。Ｙ方向についても、電極２２および２３へ同様に電
圧を印可することで、首振り運動をする。これらを組み
合わせることにより試料または、プローブをＸＹ面内で
走査することができる。また、電極２４に電圧を印可す
ることによって圧電体がＺ方向へ伸縮するので、試料ま
たはプローブをＺ方向へ移動することができる。
用いられているチューブ型のＸＹＺアクチュエータにつ
いて図４を用いて説明する。図４において、（ａ），
（ｂ）はそれぞれ、チューブ型ＸＹＺアクチュエータの
斜視図と断面図である。チューブ型ＸＹＺアクチュエー
タは多くの場合、チューブ状の圧電体１８とその外側
の、分割された電極２０〜２４、および内側の全面を覆
う電極１９というような構造となっている。電極２０お
よび２１は試料をＸ方向へ走査するための電極であり、
電極２２および２３は試料をＹ方向へ走査するための電
極である。電極２４は試料をＺ方向へ走査するための電
極であり、電極１９は電極２０〜２４の共通の対電極で
ある。たとえば、電極２０および２１へ極性を変えて電
圧を印可すると一方の電極で覆われている部分は伸張
し、もう一方の電極で覆われている部分は収縮するた
め、矢印で示すように圧電体はＸ方向へ首振り運動をす
る。Ｙ方向についても、電極２２および２３へ同様に電
圧を印可することで、首振り運動をする。これらを組み
合わせることにより試料または、プローブをＸＹ面内で
走査することができる。また、電極２４に電圧を印可す
ることによって圧電体がＺ方向へ伸縮するので、試料ま
たはプローブをＺ方向へ移動することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】以上、説明したように
現在ほとんどの走査型プローブ顕微鏡のＸＹＺアクチュ
エータにチューブ型のものが用いられている。チューブ
型のＸＹＺアクチュエータは、すでに図４を用いて説明
したように、内側の電極４８とたとえば、電極２１との
間に電圧を印可すると電極１９と電極２１との間に挟ま
れた圧電体が伸縮することによって起こる首振り運動に
よって試料または、プローブを走査する。
現在ほとんどの走査型プローブ顕微鏡のＸＹＺアクチュ
エータにチューブ型のものが用いられている。チューブ
型のＸＹＺアクチュエータは、すでに図４を用いて説明
したように、内側の電極４８とたとえば、電極２１との
間に電圧を印可すると電極１９と電極２１との間に挟ま
れた圧電体が伸縮することによって起こる首振り運動に
よって試料または、プローブを走査する。
【０００５】圧電体の長さに対し走査範囲が十分小さい
場合には、首振り運動による観察像の湾曲は十分無視で
きるが、走査範囲が大きくなるにつれて湾曲の度合いは
大きくなり、通常、コンピュータによるデータ処理によ
って補正しなければならない。また、チューブ型ＸＹＺ
アクチュエータにおいてはチューブを長くするだけで、
Ｘ−Ｙ面内の可動範囲を広げることができるが、反面、
長くなることによって共振周波数が低くなり、走査スピ
ードが低下してしまう。
場合には、首振り運動による観察像の湾曲は十分無視で
きるが、走査範囲が大きくなるにつれて湾曲の度合いは
大きくなり、通常、コンピュータによるデータ処理によ
って補正しなければならない。また、チューブ型ＸＹＺ
アクチュエータにおいてはチューブを長くするだけで、
Ｘ−Ｙ面内の可動範囲を広げることができるが、反面、
長くなることによって共振周波数が低くなり、走査スピ
ードが低下してしまう。
【０００６】そこで、本発明においては、走査範囲を拡
大しても、観察像が湾曲せず、かつ走査スピードの低下
しない走査型プローブ顕微鏡を提供することを目的とす
る。
大しても、観察像が湾曲せず、かつ走査スピードの低下
しない走査型プローブ顕微鏡を提供することを目的とす
る。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明にかかわる、走査
型プローブ顕微鏡においては観察像の湾曲を防止するた
めに、直線運動の組み合わせによって、ＸＹＺ各方向の
走査を行い、さらに、各方向に独立したアクチュエータ
を有し、Ｚ方向に最も共振周波数の高いアクチュエータ
を用い、Ｙ方向に共振周波数が低く可動範囲の広いアク
チュエータを用いることによって走査スピードを低下さ
せることなく走査範囲を拡大することを可能とした。
型プローブ顕微鏡においては観察像の湾曲を防止するた
めに、直線運動の組み合わせによって、ＸＹＺ各方向の
走査を行い、さらに、各方向に独立したアクチュエータ
を有し、Ｚ方向に最も共振周波数の高いアクチュエータ
を用い、Ｙ方向に共振周波数が低く可動範囲の広いアク
チュエータを用いることによって走査スピードを低下さ
せることなく走査範囲を拡大することを可能とした。
【０００８】
【発明の実施の形態】図１は、走査型プローブ顕微鏡に
よる観察像に関する説明図である。１は走査線を表して
いる。Ｘ方向の走査周波数をｆｘとし、プローブが試料
表面をＸ方向に一回走査する間に試料表面に等間隔の凹
凸がｎ個あるとすると、Ｚアクチュエータはｆｘのｎ倍
の周波数で振動可能でなければならない。一方で、一つ
の観察像がｍ本の走査線で構成されているとすると、Ｙ
アクチュエータはｆｘ／ｍの周波数で振動可能であれば
よい。つまり、アクチュエータの共振周波数を考える
と、Ｚアクチュエータに要求される共振周波数が最も高
く、Ｙアクチュエータの共振周波数が最も低い。可動範
囲については、現在使用されている一般的なものでＺ方
向は通常２μｍ、Ｘ方向およびＹ方向は等しく２０μｍ
程度である。アクチュエータの可動範囲と共振周波数は
トレードオフの関係にあり、可動範囲を大きくとろうと
するとアクチュエータのサイズが大きくなり共振周波数
が低くなってしまう。しかし、すでに述べたように、最
も高い共振周波数が要求されるＺアクチュエータはＸお
よびＹアクチュエータに比べて可動範囲は小さくてよ
い。また、ＸアクチュエータはＹアクチュエータに比べ
高い共振周波数を要求される。通常の走査型プローブ顕
微鏡においてはＸ方向とＹ方向の走査範囲は等しいが、
要求される共振周波数はＸ方向の共振周波数のほうが高
い。
よる観察像に関する説明図である。１は走査線を表して
いる。Ｘ方向の走査周波数をｆｘとし、プローブが試料
表面をＸ方向に一回走査する間に試料表面に等間隔の凹
凸がｎ個あるとすると、Ｚアクチュエータはｆｘのｎ倍
の周波数で振動可能でなければならない。一方で、一つ
の観察像がｍ本の走査線で構成されているとすると、Ｙ
アクチュエータはｆｘ／ｍの周波数で振動可能であれば
よい。つまり、アクチュエータの共振周波数を考える
と、Ｚアクチュエータに要求される共振周波数が最も高
く、Ｙアクチュエータの共振周波数が最も低い。可動範
囲については、現在使用されている一般的なものでＺ方
向は通常２μｍ、Ｘ方向およびＹ方向は等しく２０μｍ
程度である。アクチュエータの可動範囲と共振周波数は
トレードオフの関係にあり、可動範囲を大きくとろうと
するとアクチュエータのサイズが大きくなり共振周波数
が低くなってしまう。しかし、すでに述べたように、最
も高い共振周波数が要求されるＺアクチュエータはＸお
よびＹアクチュエータに比べて可動範囲は小さくてよ
い。また、ＸアクチュエータはＹアクチュエータに比べ
高い共振周波数を要求される。通常の走査型プローブ顕
微鏡においてはＸ方向とＹ方向の走査範囲は等しいが、
要求される共振周波数はＸ方向の共振周波数のほうが高
い。
【０００９】図２において、２はＹアクチュエータ、３
はＸアクチュエータ、４はＺアクチュエータ、５は先端
にプローブを持つカンチレバーである。Ｚアクチュエー
タ８の変位面９にカンチレバー１１が固定されており、
カンチレバー１１はＺアクチュエータの伸縮によりＺ方
向へ移動する。Ｚアクチュエータ８の基準面１０はＸア
クチュエータ５の変位面７に固定されており、Ｚアクチ
ュエータ８はＸアクチュエータ５の伸縮に伴ってカンチ
レバー１１とともにＸ方向へ移動する。Ｘアクチュエー
タ５の基準面６はＹアクチュエータの変位面４に固定さ
れており、ＸアクチュエータはＹアクチュエータの伸縮
に伴いカンチレバー１１およびＺアクチュエータ８とと
もにＹ方向へ移動する。
はＸアクチュエータ、４はＺアクチュエータ、５は先端
にプローブを持つカンチレバーである。Ｚアクチュエー
タ８の変位面９にカンチレバー１１が固定されており、
カンチレバー１１はＺアクチュエータの伸縮によりＺ方
向へ移動する。Ｚアクチュエータ８の基準面１０はＸア
クチュエータ５の変位面７に固定されており、Ｚアクチ
ュエータ８はＸアクチュエータ５の伸縮に伴ってカンチ
レバー１１とともにＸ方向へ移動する。Ｘアクチュエー
タ５の基準面６はＹアクチュエータの変位面４に固定さ
れており、ＸアクチュエータはＹアクチュエータの伸縮
に伴いカンチレバー１１およびＺアクチュエータ８とと
もにＹ方向へ移動する。
【００１０】すでに述べたように、Ｙアクチュエータに
要求される共振周波数は、Ｘアクチュエータに要求され
る共振周波数より低いため、より可動範囲の大きなアク
チュエータを用いることができる。従って、観察像はＸ
方向の辺よりもＹ方向の辺が長い長方形となる。このよ
うな構成とすることで、ＸＹＺアクチュエータが直線運
動の組み合わせによって構成されるため、従来のチュー
ブ型アクチュエータのような観察像の湾曲を抑制するこ
とができる。さらに、ＸＹＺアクチュエータが、各方向
に独立したアクチュエータで構成されるため各方向にお
ける運動が干渉しあうことがなくなる。さらに、各方向
のアクチュエータが独立しているため、各方向ごと共振
周波数や可動範囲等が最適なアクチュエータを選択する
ことができるので、走査範囲の拡大と走査スピードの向
上を両立することができる。また、図ではカンチレバ−
側に、ＸＹＺアクチュエータを設置しているが、試料側
に設置しても、プロ−ブと試料を相対的に移動させるこ
とができるので、上記と同様な効果を得ることができ
る。
要求される共振周波数は、Ｘアクチュエータに要求され
る共振周波数より低いため、より可動範囲の大きなアク
チュエータを用いることができる。従って、観察像はＸ
方向の辺よりもＹ方向の辺が長い長方形となる。このよ
うな構成とすることで、ＸＹＺアクチュエータが直線運
動の組み合わせによって構成されるため、従来のチュー
ブ型アクチュエータのような観察像の湾曲を抑制するこ
とができる。さらに、ＸＹＺアクチュエータが、各方向
に独立したアクチュエータで構成されるため各方向にお
ける運動が干渉しあうことがなくなる。さらに、各方向
のアクチュエータが独立しているため、各方向ごと共振
周波数や可動範囲等が最適なアクチュエータを選択する
ことができるので、走査範囲の拡大と走査スピードの向
上を両立することができる。また、図ではカンチレバ−
側に、ＸＹＺアクチュエータを設置しているが、試料側
に設置しても、プロ−ブと試料を相対的に移動させるこ
とができるので、上記と同様な効果を得ることができ
る。
【００１１】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
走査範囲に関わらず観察像の湾曲が起こらず、ＸＹＺの
各方向に最適なアクチュエータを選択することができ、
そのため、走査スピードの向上と走査範囲の拡大を両立
することができる。さらに、ＸＹＺ各方向のアクチュエ
ータの運動が独立しているため、観察像の歪みを抑制す
ることができ、実際の試料表面との整合性を高めること
ができる。
走査範囲に関わらず観察像の湾曲が起こらず、ＸＹＺの
各方向に最適なアクチュエータを選択することができ、
そのため、走査スピードの向上と走査範囲の拡大を両立
することができる。さらに、ＸＹＺ各方向のアクチュエ
ータの運動が独立しているため、観察像の歪みを抑制す
ることができ、実際の試料表面との整合性を高めること
ができる。
【図１】走査型プローブ顕微鏡による観察像の走査方法
を示す説明図である。
を示す説明図である。
【図２】本発明にかかわる走査型プローブ顕微鏡の一例
を示す模式図である。
を示す模式図である。
【図３】従来の走査型プローブ顕微鏡を示す模式図であ
る。
る。
【図４】従来のチューブ型ＸＹＺアクチュエータを示す
模式図である。
模式図である。
１ 走査線 ２ Ｙアクチュエータ ３ Ｙアクチュエータの基準面 ４ Ｙアクチュエータの変位面 ５ Ｘアクチュエータ ６ Ｘアクチュエータの基準面 ７ Ｘアクチュエータの変位面 ８ Ｚアクチュエータ ９ Ｚアクチュエータの変位面 １０ Ｚアクチュエータの基準面 １１ カンチレバー １２ たわみ検出器 １３ カンチレバー １４ 試料 １５ 試料台 １６ ＸＹＺアクチュエータ １７ コンピュータおよびコントローラ １８ 圧電体 １９ 〜２４ 電極
Claims (6)
- 【請求項１】 微小なプローブが試料表面上を走査す
ることによって、試料表面の微小な構造を観察する走査
型プローブ顕微鏡において、前記試料表面に対して平行
に、前記プローブと前記試料を相対的に移動させて走査
するための、Ｘ方向へ駆動するＸ駆動手段およびＹ方向
へ駆動するＹ駆動手段と、前記試料表面の凹凸に応じ
て、前記プロ−ブと前記試料表面を相対的に近づけたり
遠ざけたりするための、Ｚ方向へ駆動するＺ駆動手段
と、がそれぞれ独立した駆動手段からなることを特徴と
する走査型プローブ顕微鏡。 - 【請求項２】 前記Ｘ駆動手段、前記Ｙ駆動手段および
前記Ｚ駆動手段は、可動範囲および共振周波数のうち少
なくとも一方が異な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３】 前記Ｘ駆動手段、前記Ｙ駆動手段および
前記Ｚ駆動手段の前記共振周波数が、前記Ｚ駆動手段が
最も高く、次いで前記Ｘ駆動手段が高く、前記Ｙ駆動手
段が最も低いことを特徴とする請求項２記載の走査型プ
ローブ顕微鏡。 - 【請求項４】 前記Ｘ駆動手段、前記Ｙ駆動手段および
前記Ｚ駆動手段の前記可動範囲が、前記Ｙ駆動手段が最
も大きく、次いで前記Ｘ駆動手段が大きく、前記Ｚ駆動
手段が最も小さいことを特徴とする請求項２記載の走査
型プローブ顕微鏡。 - 【請求項５】 前記Ｘ駆動手段、前記Ｙ駆動手段および
前記Ｚ駆動手段の少なくとも一つに圧電アクチュエータ
を用いることを特徴とした請求項１記載の走査型プロー
ブ顕微鏡。 - 【請求項６】 前記走査型プローブ顕微鏡において、前
記試料表面に対し平行かつ相対的に移動する前記プロー
ブは、前記試料に対するＸ方向とＹ方向の移動量とが異
なり、Ｚ方向から見た観察領域および、ＸＹ平面におけ
る前記プローブの位置とその位置における前記試料の高
さまたは、前記試料の性質を表す値の大きさを画像化し
た観察像が長方形であ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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10312590A JP2000136993A (ja) | 1998-11-02 | 1998-11-02 | 走査型プローブ顕微鏡 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10312590A JP2000136993A (ja) | 1998-11-02 | 1998-11-02 | 走査型プローブ顕微鏡 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000136993A true JP2000136993A (ja) | 2000-05-16 |
Family
ID=18031039
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10312590A Pending JP2000136993A (ja) | 1998-11-02 | 1998-11-02 | 走査型プローブ顕微鏡 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000136993A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005140782A (ja) * | 2003-11-04 | 2005-06-02 | Pacific Nanotechnology Inc | 振動走査型プローブ顕微鏡 |
| JP2005531781A (ja) * | 2002-07-04 | 2005-10-20 | ユニバーシティ・オブ・ブリストル | 走査型プローブ顕微鏡 |
-
1998
- 1998-11-02 JP JP10312590A patent/JP2000136993A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005531781A (ja) * | 2002-07-04 | 2005-10-20 | ユニバーシティ・オブ・ブリストル | 走査型プローブ顕微鏡 |
| JP2005140782A (ja) * | 2003-11-04 | 2005-06-02 | Pacific Nanotechnology Inc | 振動走査型プローブ顕微鏡 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| RD01 | Notification of change of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7421 Effective date: 20040302 |
|
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