JP2001033373A

JP2001033373A - 走査型プローブ顕微鏡

Info

Publication number: JP2001033373A
Application number: JP11211417A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Kuroda; 浩史黒田
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1999-07-27
Filing date: 1999-07-27
Publication date: 2001-02-09

Abstract

(57)【要約】【課題】 μｍ級の微細な対象物の観察を行える走査型
プローブ顕微鏡での測定を探針摩耗の問題を起こすこと
なく高い測定精度で行える。【解決手段】探針１４による試料表面の走査を行わせ
るためのＸＹスキャナ１２と、サンプリング位置で探針
を試料表面に接近させ、サンプリング位置の間の移動で
は探針を試料表面から退避させる圧電素子１８と、サン
プリング位置での測定動作でサーボ制御系に基づき探針
と試料表面との間の距離を設定された基準距離に保つサ
ーボ用圧電素子１７と、サンプリング位置の間の探針の
移動の際、直前のサンプリング位置での測定値に対応す
る電圧でサーボ用圧電素子の状態を保持する制御装置２
５を備える。測定箇所が一定間隔で離散的な複数のサン
プリング位置として定められ、サンプリング位置の間の
移動の際には探針は退避させられ試料表面から離れた状
態で移動する。

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、探針を駆動制御する圧電素子のヒス
テリシスによる影響を低減することができる走査型プロ
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は、原子間力顕微
鏡に代表されるように、例えば半導体基板の表面凹凸を
測定するごとく、探針と試料表面との間に作用する原子
間力を利用して微細な凹凸形状を測定・観察するのに利
用されている。試料表面における走査範囲は、走査用ア
クチュエータとして圧電素子が一般的に使用され、圧電
素子によって得られる変位量は例えばμｍ（ミクロンメ
ートル）級のストローク、大きくても１００μｍ程度で
あり、極めて微細なものである。他方、近年では、走査
型プローブ顕微鏡において広域に走査して広域領域を観
察できることが望まれている。具体的に述べると、半導
体製造工程での製造対象物の微細化に伴って、半導体基
板の表面の平坦性、あるいは各種半導体デバイスの製造
工程により基板表面上に堆積された膜の表面の平坦性の
評価に対する必要性が高くなっている。特にＣＭＰによ
る平坦化工程の評価では、数ｍｍ（ミリメートル）から
数十ｍｍの広い範囲の凹凸形状をｎｍ（ナノメートル）
の分解能で測定することが求められる。

【０００３】上記のごとき微細測定であって大視野の観
察が可能な装置として、従来では、走査型プローブ顕微
鏡の代わりに、例えば特開平１０−６２１５８号公報に
開示される装置が提案されていた。この公開公報に開示
される装置は表面粗さ計であり、その従来技術の欄では
触針式と光学式の表面粗さ計について記述されている。
触針式の表面粗さ計は、試料の表面に針部材を接触さ
せ、試料表面を針部材で走査して試料表面の凹凸形状を
測定する。針部材の動きは差動トランス式の検出器によ
り検出される。他方、光学式の表面粗さ計は、試料表面
の凹凸形状が光学的変位検出系で検出される。表面粗さ
計は本来的に機械的な構造で試料表面を広域的に観察で
きるように構成されたものである。針部材は試料表面に
接触し、機械的な構造によって試料表面が変形・破壊さ
れること、および分解能が低いこと等の理由から、上記
公開公報では針部材として原子間力顕微鏡で使用される
カンチレバーを使用することを提案し、表面粗さ計に原
子間力顕微鏡の特徴を利用することを提案している。

【０００４】また走査型プローブ顕微鏡の一例として特
開平７−８３６５１号に開示されるものがある。この走
査型プローブ顕微鏡では、探針を移動させる圧電駆動部
材において、例えばＺ軸方向の駆動部分を複数の部分に
分け、それぞれの部分の駆動を特定の周波数帯域を有す
る異なる制御信号で行うように構成している。このよう
な構成を採用する理由は、例えば、単一の圧電素子で微
動機構を構成し、大きな動きを行わせると、ヒステリシ
スの影響が大きなり、良好な追従性が得られないからで
ある。例えば、大きなうねりの上に微小な凹凸が形成さ
れた試料表面を測定する場合には、大きなうねりと微小
な凹凸の両方を１つの圧電素子で追従することが要求さ
れるが、両方の動きの追従性を高くすることはヒステリ
シスが原因で無理である。

【０００５】さらに、本来ミクロンメートル（μｍ）級
の測定を行う従来の走査型プローブ顕微鏡の測定・観察
において、その走査範囲をミリメートル（ｍｍ）の範囲
に拡大した場合、試料表面における探針の移動距離は長
くなる。従来の通常の測定方法によれば、その移動の
間、探針はその先端が試料表面に極めて接近した状態で
移動することになり、探針先端が試料表面に接触する場
合もあるので、探針の先端の摩耗が顕著になる。その結
果、測定精度が低下するという問題が提起される。また
探針が摩耗すると、探針の全体の長さが短くなり、その
分、探針で得られる高さ情報に誤差が含まれることにな
り、測定対象である表面領域内の分解能が低下する。加
えて、探針の摩耗量が増すことによって、探針の交換が
頻繁になるために、測定のスループットが低下する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前述の特開平１０−６
２１５８号公報に開示される装置では、表面粗さ計にお
いて原子間力顕微鏡のカンチレバーの探針を利用するこ
とにより、従来の表面粗さ計に比較して、試料表面に加
えられる接触圧力を低減できたことを効果として主張し
ているが、この装置であっても単に原子間力顕微鏡のカ
ンチレバーを使用するだけでは探針の摩耗による精度低
下とスループットの低下の解決は困難である。

【０００７】また、広い範囲を原子間力顕微鏡等に準じ
たｎｍレベルの高い分解能で測定する場合には、前述の
ごとく、従来では走査用アクチュエータとして圧電素子
を用い、探針走査速度は１０μｍ／秒程度であるので、
非常に時間がかかるものであった。例えば１０ｍｍ×１
０ｍｍの範囲を走査して２５６×２５６点で測定を行う
場合、測定時間はおよそ１４２分（５１２０００秒）と
なる。さらに上記のごとく１０ｍｍ×１０ｍｍの広範囲
を２５６×２５６点の測定点で測定を行う場合には、４
０μｍごとに１回表面データを取得すればよいにも拘ら
ず、従来の測定方法によれば、測定点の間においても試
料表面の凹凸を倣うように探針を移動させなければなら
ず、非常に測定効率が悪いものとなる。

【０００８】上記の問題を避けるため、一般的に、測定
データを得るためのサンプリング位置のみで探針を試料
表面に接近させ、サーボ制御系に基づいて試料表面に対
する探針の高さ位置を設定された基準位置に保持し、サ
ンプリング位置の間は移動のための区間とし、移動の区
間中は探針を試料表面から退避させ、離した状態で移動
を行うようにする構成が考えられている（特開平２−５
３４０号公報等）。この構成に基づく移動状態の一例を
図４に示す。この図で、１０１は探針、１０２は探針１
０１の移動の軌跡、１０３はサンプリング位置、１０２
ａは接近動作、１０２ｂは退避動作、１０２ｃは試料表
面１０４から離れた状態での移動を示している。このよ
うな構成では、探針１０１を圧電素子を利用して上記移
動軌跡１０２のように移動させることになるが、特に接
近動作１０２ａはトンネル電流を検出しながら徐々に接
近させるように行われるため、動作速度が遅いことが問
題となる。

【０００９】また一般的に、例えば原子間力顕微鏡のア
クチュエータに用いられる圧電素子では、印加される電
圧に対する変位特性は非線型でかつヒステリシスを有し
ている。変位特性の一例を図５に示す。図５の左側に示
した（Ａ）で、１０５はロッド状の圧電素子で、矢印１
０６のごとく伸縮して変位が生じるものとする。圧電素
子１０５の伸縮動作は試料表面と探針の間の距離を一定
に保持するための指示信号（電圧信号）Ｖｚがアンプ１
０７を介して印加されることにより生じ、圧電素子１０
５は試料表面の凹凸形状に追従するように変位する。図
５の右側で示した（Ｂ）で圧電素子１０５の変位は１０
８の部分に相当し、この変位を生じさせるための電圧は
１０９の部分に対応する。図５に示す通り、通常の観察
では、探針の高さ位置（試料表面から探針先端までの距
離）を変化させるために、試料表面の凹凸分に相当する
非常に狭い範囲１０９の印加電圧を加えるようにしてい
る。これに対して、図４に示した前述のごとき動作で試
料表面１０４を測定する場合には、接近動作と退避動作
の際に圧電素子１０５に対して大きな振幅の電圧を印加
して大きな変位を生じさせなければならない。そのため
に、圧電素子のヒステリシスの影響が問題となり、測定
精度が低下することになる。

【００１０】さらに、特開平２−５３４０号公報に開示
された走査型プローブ顕微鏡では、試料表面に対する垂
直方向（高さ方向）における探針の位置は１つの圧電素
子で変化させるようにしていた。１つの圧電素子で、通
常の測定のためのサーボ制御による動作と接近・退避の
ための移動動作とを兼用しようとすると、圧電素子の伸
縮動作について測定のための動作制御と接近・退避のた
めの動作制御を組み合わせることが必要となり、特に接
近は断続的に生成される三角波形状の駆動信号を用いて
ゆっくり行われることが必要で、動作制御が複雑になる
という問題が提起される。

【００１１】本発明の目的は、上記の問題を解決するこ
とにあり、通常の試料表面の凹凸測定では本来μｍ級の
微細な対象物の観察を行うための走査型プローブ顕微鏡
において、探針摩耗の問題を起こすことなく、圧電素子
のヒステリシスの影響が少ない高い測定精度で走査を行
うことができる走査型プローブ顕微鏡を提供することに
ある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】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に、次のように
構成される。

【００１３】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡は、試
料の表面に臨む探針を備え、探針と試料の間を所定間隔
（接触状態も含む）に保持しながら試料表面を探針で走
査して表面を測定するものであり、測定領域において測
定を行う箇所が一定間隔で離散的な複数のサンプリング
位置として定められ、当該サンプリング位置で探針を試
料表面に接近させてサーボ制御系が働いた状態の通常の
測定動作に基づいて測定を行い、サンプリング位置の間
の移動の際には探針は退避させられ試料表面から離れた
状態で移動する。このため、当該走査型プローブ顕微鏡
は、探針による試料表面の走査を行わせるための移動機
構（ＸＹスキャナ）と、上記サンプリング位置で探針を
試料の表面に接近させ、サンプリング位置の間の移動で
は探針を試料表面から退避させる駆動装置と、サンプリ
ング位置での測定動作でサーボ制御系に基づき探針と試
料表面との間の距離を設定された基準距離に保つサーボ
用圧電素子と、サンプリング位置の間の探針の移動の
際、直前のサンプリング位置での測定値に対応する電圧
でサーボ用圧電素子の状態を保持する制御手段とを備え
ている。

【００１４】本発明では、測定箇所をサンプリング位置
として離散的に選択して設定し、移動の際には探針は試
料表面から離れて移動し、測定を行うサンプリング位置
のみで探針が試料表面に接近して測定を行うように構成
され、探針の高さ方向の移動に関しては、接近・退避動
作と、測定のための試料表面追従動作とがある。そこ
で、接近・退避動作用の駆動装置と、試料表面追従用の
サーボ用圧電素子が設けられる。駆動装置としては接近
・退避用圧電素子が好ましいが、その他に、モータを利
用した駆動装置、空圧や油圧を利用した駆動装置を用い
ることもできる。駆動装置として接近・退避用圧電素子
を用いる場合、探針の高さ方向への移動に関与する圧電
素子は、接近・退避用のものと測定時の表面追従を行う
サーボ用のものに分けて２段階で構成される。接近・退
避用圧電素子は接近時の伸長、退避時の収縮のオン・オ
フ制御で動作させ、サーボ用圧電素子は微小の範囲で追
従サーボ制御で動作させる。これによって、移動の際の
探針摩耗の問題を解消でき、さらに圧電素子のヒステリ
シスの問題も解消できる。

【００１５】上記の走査型プローブ顕微鏡において、上
記移動機構は、試料を搭載し、試料を試料表面に平行な
方向（例えば水平方向）にｍｍの長さ単位で移動させる
試料ステージである。移動機構としては、パルスモータ
等を利用して構成される試料側のステージが好ましい。

【００１６】上記の走査型プローブ顕微鏡において、接
近・退避用圧電素子とサーボ用圧電素子の各々は１つの
圧電素子を２分割することにより形成されることが好ま
しい。接近・退避用のアクチュエータと測定の際のサー
ボ用アクチュエータを圧電素子で構成する場合には、２
分割型の圧電素子で形成することが容易である。この構
成の場合には、電極部のみが各圧電素子ごと独立に設け
られる。

【００１７】上記の走査型プローブ顕微鏡において、上
記接近・退避用の駆動装置は、設定された走査範囲で接
近・退避動作を行って測定箇所である複数のサンプリン
グ位置を定め、上記サーボ用圧電素子は、サンプリング
位置の各々でのみサーボ制御系を能動状態にして測定動
作を行うように構成される。

【００１８】

【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。

【００１９】図１は走査型プローブ顕微鏡の一例を示
し、原子間力顕微鏡の全体を示すシステム構成を示して
いる。図２は上記原子間力顕微鏡において試料の表面を
探針で走査しながら特定の領域を観察する場合に例えば
広域走査に基づいて広い範囲を測定するときの探針の位
置の変化の仕方に関する制御方法とタイミングチャート
を示し、Ｘ方向およびＺ方向の探針移動の際の各部の電
圧信号の波形チャートと高さ方向の探針位置を示してい
る。探針の位置の変化は、試料表面に沿うＸＹ方向の探
針の走査動作と、試料・探針間の距離を調整する高さ方
向（Ｚ方向）の移動動作とによって生じさせられる。

【００２０】全体的なシステム構成は、図１に示すごと
く、水平に保持されたテーブル１１の上にＸＹスキャナ
１２が配置され、その上に観察対象である試料１３が配
置されている。図１においてテーブル１１の表面に平行
な面は水平面であり、ここでは直交の２軸Ｘ，Ｙにより
ＸＹ平面と定義される。試料１３は例えば半導体ウェハ
のごとき薄板の基板状部材であり、観察しようとする面
を上面として配置されている。ＸＹスキャナ１２は試料
１３をＸ方向あるいはＹ方向へ相対的に大きな距離で移
動させる移動機構であり、例えばパルスモータ等を利用
して構成される移動用試料ステージである。ＸＹスキャ
ナ１２によるＸＹ方向の移動ストロークはｍｍ（ミリメ
ートル）の長さ単位で行われ、例えば数十ｍｍのストロ
ークが設定される。またＸＹスキャナ１２の上に搭載さ
れた試料１３に対しては、その上面を観察すべく、その
上側に、先端に探針１４が形成されたカンチレバー１５
が配置される。探針１４の先端は試料１３の表面に臨ん
でいる。上記の構成の結果、試料１３をＸＹスキャナ１
２で移動させることにより、試料１３に臨む探針１４が
相対的な位置関係として試料表面を広い範囲で走査し、
広域走査に基づく広域領域の測定を行うことが可能とな
る。

【００２１】上記カンチレバー１５はその基端が固定さ
れ、探針１４が設けられた先端は自由端となっている。
カンチレバー１５は小さいバネ定数を有する弾性レバー
部材であり、先端の探針１４と試料１３の間で原子間力
が生じると、受ける力に応じてたわみ変形が生じる。１
６は、その下端に上記カンチレバー１５を取付け、カン
チレバー１５を水平面に垂直な方向（Ｚ方向）に移動さ
せるＺ方向駆動装置である。Ｚ方向駆動装置１６は、好
ましくは、上下の位置に配置された２つの圧電素子１
７，１８で構成されている。圧電素子１７は通常の測定
・観察を行う際に試料表面に対する探針１４の高さ位置
を設定された基準の一定位置に保持するためのサーボ用
圧電素子である。圧電素子１８は、探針１４すなわちカ
ンチレバー１５の全体を、試料１３の表面に接近させた
り、当該表面から退避させたりするための接近・退避用
圧電素子である。このようにカンチレバー１５（探針１
４）をＺ方向に移動させるためのＺ方向駆動装置１６は
２つの圧電素子による２段構成によって形成されてい
る。Ｚ方向駆動装置１６を１つの圧電素子で形成し、こ
れを２分割することにより上記圧電素子１７，１８を形
成することもできる。なおＺ方向駆動装置１６は、実際
には、図示しない顕微鏡フレームに固定されている。

【００２２】上記の構成によれば、ＸＹスキャナ１２上
に搭載された試料１３の表面に対して探針１４を間隔を
あけて臨ませた状態において、ＸＹスキャナ１２で試料
１３をＸＹ方向へ相対的に大きなストロークで移動させ
つつ、カンチレバー１５すなわち探針１４の試料表面に
対する高さ位置をＺ方向駆動装置１６の圧電素子１７，
１８で調整することにより、試料表面においてミリメー
トル級の走査範囲に基づく広域観察を行うことが可能と
なる。探針１４の試料表面に対する高さ位置を調整する
Ｚ方向駆動装置１６について、圧電素子１８は試料表面
で一定間隔で設定された多数のサンプリング位置の各々
で探針１４（カンチレバー１５）を試料表面に所定間隔
で接近させまたは試料表面から退避させるためのアクチ
ュエータであり、圧電素子１７は上記の各サンプリング
位置での接近状態で通常の測定・観察のためのサーボ制
御に基づき試料表面の凹凸形状に沿って試料表面の測定
データを得るためのアクチュエータである。従って、試
料１３の表面を広域走査で測定するときに、探針１４
は、圧電素子１８によりサンプリング位置のみにおいて
接近させられ、圧電素子１７を利用して表面追従を行っ
て試料表面の凹凸形状に関する測定データを取得し、或
るサンプリング位置から他のサンプリング位置への探針
１４の移動は、圧電素子１８による退避動作により探針
は試料表面から離れた状態でＸＹスキャナ１２によって
行われる。

【００２３】接近・退避用のアクチュエータは上記のご
とく長いストロークで伸縮する圧電素子１８が好ましい
が、これに限定されるものではない。

【００２４】試料１３の上方に配置されるカンチレバー
１５に対して、試料表面に対する探針１４の高さ位置
（Ｚ方向の変位）を検出するための検出系が設けられ
る。この検出系はカンチレバー１５のたわみ変形とレー
ザ光とを利用して構成される光てこ式光学検出系であ
る。光てこ式光学検出系は、カンチレバーの背面に形成
された反射面に対してレーザ光２１を照射するレーザ光
源２２と、当該背面で反射されたレーザ光２１を受ける
例えば４分割光検出器２３から構成される。カンチレバ
ー１５の背面で反射されたレーザ光２１による反射スポ
ットが光検出器２３の４分割された受光面に入射され
る。探針１４が試料表面から原子間力を受けた状態で探
針・試料間の距離が変化すると探針が受ける原子間力が
変化し、探針１４の高さ位置が変位し、カンチレバー１
５のたわみ変形量が変化する。カンチレバー１５のたわ
み変形量の変化量に応じて光検出器２３の受光面におけ
るレーザ光２１の反射スポットはその中心位置から変位
するので、探針・試料間の距離が設定された基準の一定
距離に保持されるように、後述するサーボ制御系によっ
て、試料表面に対する探針１４（カンチレバー１５）の
高さ位置が調整される。これにより光検出器２３の受光
面におけるレーザ光２１の反射スポットの位置も探針・
試料間の設定された一定間隔に応じた中心位置に保持さ
れる。上記の構成において、光検出器２３は４分割型の
受光面としたが、少なくとも２分割型であればよい。ま
たレーザ光源２２と４分割光検出器２３からなる光てこ
式光学検出系の取付け構造は具体的に示されていない
が、上記作用を生じさせる構造であれば、任意の構造を
採用することができる。例えば、圧電素子１７，１８か
らなるＺ方向駆動装置１６とカンチレバー１５からなる
ユニットに対して所定の配置関係を満たすようにして一
体的に組み付けるように構成することもできる。なお図
１等の図示において、圧電素子１７，１８、カンチレバ
ー１５、光てこ式光学検出系などは、説明の便宜上、実
際物とは異なり、大きさ等に関して誇張して描かれてい
る。

【００２５】次に制御系について説明する。２４はサー
ボ用圧電素子１７のＺ方向の伸縮動作を制御するサーボ
制御装置である。サーボ制御装置２４は、上記の光検出
器２３から出力される探針・試料間距離を表す検出信号
ｓ１を入力する。サーボ制御装置２４は、入力された検
出信号ｓ１と設定された基準の一定距離を表す信号との
差を求め出力する減算器と、この減算器から出力された
差信号が０となるようにサーボ用圧電素子１７を動作さ
せる制御用電圧信号Ｖｚを作成して出力する制御回路と
から構成される。試料表面の各サンプリング位置におい
て、試料１３に対して探針・試料間で原子間力が作用す
る程度に探針が接近するように圧電素子１８によりカン
チレバー１５を移動させた状態で、上記の光てこ式光学
検出系、サーボ制御装置２４、サーボ用圧電素子１７に
よってサーボ制御のフィードバックループが形成され、
このサーボ制御ループによってカンチレバー１５のたわ
み変形量が一定になるように保持され、探針・試料間の
距離が設定された基準距離に保持される。

【００２６】２５は上位の制御装置であり、制御装置２
５は信号処理装置と記憶部と表示装置と入力部などから
なる例えばパーソナルコンピュータで構成されている。
制御装置２５は、電圧信号Ｖ₀によってサーボ制御装置
２４内に設定される上記基準距離の情報を与えると共
に、サーボ制御装置２４からサーボ用圧電素子１７に与
えられる制御用電圧信号Ｖｚを入力するように構成され
る。また制御装置２５は、ＸＹ走査回路を内蔵し、試料
１３を搭載しこれをＸＹ方向に走査移動させるためのＸ
Ｙスキャナ１２に対してその動作を制御する走査制御信
号ｓ２を与える。試料１３を移動させるための走査デー
タは制御装置２５内のＸＹ走査回路で生成され、走査制
御信号ｓ２としてＸＹスキャナ１２に出力されると共に
制御装置２５の記憶部に保存される。従って、制御装置
２５の記憶部には試料１３の表面における測定領域が走
査範囲データとして記憶されている。特に本実施形態の
場合、上記ＸＹスキャナ１２を動作させることによりｍ
ｍ（ミリメートル）級の広域走査による広域測定が行え
る。制御装置２５は、測定領域に関する上記の走査デー
タ（サンプリング位置の位置データ）と、各サンプリン
グ位置でのサーボ用圧電素子１７に印加される電圧信号
Ｖｚ（試料１３の表面に対する高さデータ）とを組み合
わせることにより、試料１３の観察表面についての凹凸
形状に関する画像データが作成され、表示部の画面に観
察画像が表示される。

【００２７】さらに制御装置２５は、或るサンプリング
位置での測定が終了した後、次のサンプリング位置へ移
動するときに、上記測定が終了した時点の圧電素子１７
への印加電圧Ｖｚをホールドすべくホールド信号ｓ３を
圧電素子１７へ与える。ホールド信号ｓ３は電圧素子１
７に印加される電圧Ｖｚの値のホールド状態をオンまた
はオフする。

【００２８】さらに制御装置２５は、Ｚ方向駆動装置１
６の接近・退避用圧電素子１８に対して接近動作のため
の伸張、および退避動作のための収縮を行わせるための
制御用電圧信号Ｖｒを出力する。電圧信号Ｖｒは試料表
面の測定領域でサンプリング位置のみで圧電素子１８に
与えられ、各サンプリング位置で圧電素子１８は探針１
４の接近・退避ための伸縮動作を行う。サンプリング位
置の間を探針１４が移動するときには、探針１４（カン
チレバー１５全体）は退避させられ、試料１３の表面か
ら離れた状態で移動を行う。試料１３の測定表面におけ
るサンプリング位置の位置情報は予め制御装置２５側に
用意される。また接近・退避用圧電素子１８の接近のた
めの伸張動作量および退避のための収縮動作量は予め制
御装置２５側で設定されている。

【００２９】図２を参照して上記構成を有する原子間力
顕微鏡の動作を説明する。図２では構成図（Ａ）とタイ
ミングチャート（Ｂ）が示される。

【００３０】この原子間力顕微鏡によれば前述の通り試
料１３の表面で広域測定を行うことができる。広域測定
のために広域走査を行う必要があるが、ＸＹスキャナ１
２によって試料１３を移動することにより広域走査が行
われる。また試料１３の表面に対する探針１４の高さ位
置ＨはＺ方向駆動装置１６の圧電素子１７，１８の伸縮
動作で調整される。図２の上側の構成図（Ａ）に示され
るように、前述のごとくサンプリング位置での探針の接
近・退避動作は電圧信号Ｖｒで制御される圧電素子１８
の伸縮動作で行われ、サンプリング位置での測定・観察
のための動作は電圧信号Ｖｚで制御される圧電素子１７
の伸縮動作で行われる。

【００３１】さらに図２のタイミングチャート（Ｂ）で
は、一例としてサンプリング位置Ｐ１で測定を行い、そ
の後サンプリング位置Ｐ２へ移動して測定を行う動作例
が示されている。タイミングチャート（Ｂ）では、上段
から、ＸＹスキャナ１２に含まれるＸスキャナによるＸ
方向の速度、電圧Ｖｚのホールド状態、サーボのオン・
オフ（ＯＮ／ＯＦＦ）状態、電圧Ｖｚの変化状態、電圧
Ｖｒの印加状態（ＯＮ／ＯＦＦ状態）、試料表面からの
探針の高さＨの変化状態のそれぞれを示している。また
タイミングチャートで横軸は時間の経過を示すが、図２
では移動方向であるＸ方向に対応させて示している。Ｘ
スキャナによる速度は一定値に保持されるので、試料表
面に対して探針は停止することなく走査を継続する。最
初の状態ではサンプリング位置Ｐ１に到達する手前の
状態であるので、探針１４は試料１３の表面から離れ退
避状態にて移動の状態にある。従って、電圧Ｖｒはオフ
されており、圧電素子１８の変位は最少である。また電
圧Ｖｚのホールド状態はオンであって前回の測定で決ま
った値に保持され、サーボ制御はオフの状態になってい
る。状態ではサンプリング位置Ｐ１に到達したので、
サーボの状態がオンになり、電圧Ｖｚのホールド状態が
解除される。また電圧Ｖｒもオンになるので、圧電素子
１８も伸張し、探針１４は試料の表面に接近する。サー
ボ状態がオンになっているので、探針１４が試料表面に
接近して設定された基準距離が保持されるように、上記
サーボ制御系によりサーボが働く。実際に、探針１４が
予め設定された押し付け力（基準距離）で試料１３の表
面に押し付けられるように、サーボ用圧電素子１７には
電圧Ｖｚが与えられ、駆動される。サーボ用圧電素子１
７が作動し、サーボ制御系が働くことによって試料１３
の表面の凹凸に応じて電圧Ｖｚが変化する。サンプリン
グ位置Ｐ１である状態に達したとき、の区間の例え
ばサーボ制御系が安定状態になったところの或る位置で
の電圧Ｖｚが記録される。こうしてサンプリング位置Ｐ
１で試料表面の凹凸形状が測定される。その後の状態
では、次のサンプリング位置Ｐ２に移動するための準備
がなされる。すなわち電圧Ｖｒがオフになって圧電素子
１８を収縮させ、探針１４を試料表面から退避させる。
さらに電圧Ｖｚのホールド状態をオンにし、サーボの状
態をオフにする。この結果、探針１４は試料１３の表面
から離れた状態で次のサンプリング位置Ｐ２に向かって
移動する。次のサンプリング位置Ｐ２の状態でも、前
述と同様な動作が繰り返され、測定電圧Ｖｚが記録され
る。

【００３２】上記の動作において、試料表面からの探針
の高さＨの変化によって、探針の接近動作、退避動作が
明らかにされる。サンプリング位置Ｐ１，Ｐ２のみで接
近動作が行われ、このとき電圧Ｖｒのホールド状態が解
除されかつサーボがオンになってサーボ用圧電素子１７
を駆動することによって駆動用電圧Ｖｚを求め、本来の
試料表面測定が行われる。サンプリング位置での測定を
行った後に次のサンプリング位置へ移動するときには、
サーボ用圧電素子１７を駆動する印加電圧Ｖｚをホール
ドする。これにより、広域の走査範囲による測定であっ
ても、設定されたサンプリング位置のみで試料表面に接
近してサーボ制御系の作用により測定を行って電圧Ｖｚ
を取得し、サンプリング位置の間の移動では電圧Ｖｚを
ホールドすることにより、接近・退避動作を行ってもヒ
ステリシスの影響の少ない精度の良好な測定を行うこと
ができる。またサンプリング位置の間の移動は試料表面
から探針を退避させた状態で移動するので、移動中に探
針が資料表面に接触するのを防止し、探針の摩耗を防止
でき、大視野観察を高速に行うことができる。

【００３３】図３は、圧電素子１７，１８の各々に対し
てこれらを駆動する電圧Ｖｚ，Ｖｒが印加される構成を
簡略して示すと共に、圧電素子１７への印加電圧とその
変位の関係を示している。測定時の試料表面追従のため
のサーボ用圧電素子１７に対しては、アンプ３１を通し
て表面の凹凸分に関連する電圧信号Ｖｚが印加される。
電圧信号Ｖｚは（２）に示されるように狭い範囲３３の
電圧変化が利用される。従って圧電素子１７においてヒ
ステリシスの影響を排除できる。また、接近・退避用の
圧電素子１８にはサンプリング位置に対応してアンプ３
２を通して接近・退避の変位分に対応するパルス的な電
圧Ｖｒが印加される。電圧Ｖｒは、（２）に示されるご
とく比較的に広い範囲３４で電圧変化が生じるように設
定されている。オン・オフの２つの状態で変位を生じさ
せるように構成したため、圧電素子１８でのヒステリシ
スの影響を排除することができる。

【００３４】上記の実施形態によるＺ方向駆動装置１６
では、サーボ用圧電素子１７を上側に設け、その下側に
接近・退避用圧電素子１８を付設した構造となっている
が、取付け構造を反対にし、接近・退避用圧電素子１８
の下側にサーボ用圧電素子１７を付設することもでき
る。

【００３５】また上記の接近・退避用圧電素子の代わり
に、一般的な接近・駆動用の駆動装置、例えばモータを
利用した駆動装置、空圧や油圧を利用した駆動装置を用
いることもできる。このような構成では、接近・退避用
駆動装置に前述のサーボ用圧電素子を付設した構成が好
ましい。

【００３６】上記実施形態では、広域走査を行える移動
機構として試料側を移動させるＸＹスキャナを設けた
が、探針側に移動機構を設けることもできる。また走査
型プローブ顕微鏡の例として原子間力顕微鏡について説
明したが、他の方式の走査型プローブ顕微鏡に対しても
本発明を適用できるのは勿論である。さらに上記では、
広域走査の例で記述したが、本発明は狭域走査であって
かつ各測定点間を退避して移動する測定においても適用
することができるのは勿論であり、この場合にもヒステ
リシスの影響が少なく精度の良いかつ測定速度の速い測
定を行うことができる。

【００３７】

【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、試料表面を探針で広域走査できる移動機構を設
け、測定の際に試料表面を追従する探針の変位を生じさ
せる圧電素子と、試料表面に対する探針の接近、試料表
面からの探針の退避を行う圧電素子を設け、接近・退避
動作および測定動作を行えるようにしたため、探針の摩
耗を低減することは勿論、圧電素子のヒステリシスの影
響を大幅に低減でき、測定精度の低下を防止することが
でき、さらに測定時間を短縮することができる。また本
発明は広域測定への応用に適し、広域測定を行う場合
に、広域の測定領域における各サンプリング位置での接
近・退避動作および測定動作を行うことができ、ｍｍ級
の広い走査範囲に対する試料表面の凹凸情報をｎｍ以下
の分解能で測定することができる。

【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全体シス
テムを示す構成図である。

【図２】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の動作を説
明する図である。

【図３】２つの圧電素子に印加される駆動電圧を説明す
る図である。

【図４】接近・退避動作で広域測定を行う探針の動きを
説明する図である。

【図５】従来の走査型プローブ顕微鏡における代表的な
単一圧電素子の駆動電圧を説明する図である。

【符号の説明】

１２ＸＹスキャナ１３試料１４探針１５カンチレバー１６Ｚ方向駆動装置１７サーボ用圧電素子１８接近・退避用圧電素子２４サーボ制御装置２５制御装置

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｌ 41/09 Ｈ０１Ｌ 41/08 ＵＦターム(参考） 2F069 AA54 AA57 AA60 DD06 DD15 DD19 DD20 GG02 GG06 GG15 GG35 GG39 GG52 GG56 GG62 HH04 JJ04 JJ25 LL03 MM04 MM11 MM24 MM32 PP02 QQ05 5H303 AA20 BB03 BB09 BB12 BB17 CC10 DD03 DD14 DD19 EE03 EE07 FF03 GG11 HH01 HH07

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料の表面に臨む探針を備え、前記探針
と前記試料の間を所定距離に保持しながら前記表面を前
記探針で走査して前記表面を測定する走査型プローブ顕
微鏡において、前記探針による前記試料の表面の走査を行う移動機構
と、サンプリング位置で前記探針を前記試料の表面に接近さ
せ、前記サンプリング位置の間の移動では前記探針を前
記試料の表面から退避させる駆動装置と、前記サンプリング位置での測定動作でサーボ制御系に基
づき前記探針と前記試料の表面との間の距離を設定され
た基準距離に保つサーボ用圧電素子と、サンプリング位置の間の探針の移動の際、直前のサンプ
リング位置での測定値に対応する電圧で前記サーボ用圧
電素子の状態を保持する制御手段と、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】前記駆動装置は接近・退避用圧電素子で
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。
【請求項３】前記接近・退避用圧電素子と前記サーボ
用圧電素子の各々は１つの圧電素子を２分割することに
より形成される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】前記接近・退避用圧電素子は、設定され
た走査範囲で接近・退避動作を行って測定箇所である複
数のサンプリング位置を定め、前記サーボ用圧電素子
は、前記サンプリング位置の各々でのみサーボ制御系を
能動状態にして測定動作を行う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】前記移動機構は、前記試料を搭載し、前
記試料を試料表面に平行な方向にｍｍの長さ単位で移動
させる試料ステージ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。