JP2001165839A - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 スキャナ外筒の設定温度を粗動温度から予熱
温度に切替えた時点から、被測定物の測定を開始できる
ようになるまでの時間を短縮できる走査型プローブ顕微
鏡を提供することにある。 【解決手段】 スキャナ１４、１５を試料３０にアプロ
ーチする際に、温度設定部６１にて、粗動温度から予熱
温度の間の温度を多段階に設定する。これにより、スキ
ャナ外筒１５、粘性体１７、スキャナ内筒１４は多段階
の温度になり、その都度、スキャナ１４、１５間の歪み
が除去され、この歪みの除去は短時間で行われるので、
ボイスコイルモータ３のコイル６に流れる電流を短時間
で安定化させることができるようになる。なお、前記多
段階の温度設定の予熱温度への設定の直前に、該予熱温
度より低い温度に設定するようにしても良い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は走査型原子間力顕
微鏡（ＡＦＭ）等の走査型プローブ顕微鏡に関し、特
に、被測定物にアプローチを開始してから、該被測定物
を測定できる状態に至るまでの時間を短縮できるように
した走査型プローブ顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の走査型プローブ顕微鏡の一例を、
図１、図８を参照して説明する。図８は図１の温度設定
部６１の具体例を示す回路図である。スキャナをステー
ジ３１上に載置された被測定物３０に近付ける、すなわ
ちアプローチする時には、まず、ＣＰＵ５６は粗動温度
を設定する可変抵抗７１（図８参照）を選択し、電流源
６５からスキャナ外筒１５に巻回されたヒータ１６に電
流を流し、粘性体１７が所定の粗動温度になるようにス
キャナ外筒１５を加熱する。該粗動温度の制御は、前記
温度設定部６１、温度データ変換部６２、比較器６３、
ＰＩ制御部６４、および電流源６５の作用により行われ
る。

【０００３】粘性体１７が所定の粗動温度になり軟化す
ると、目標値設定部５２に目標値がセットされ、電流源
５４がオンされる。そうすると、ボイスコイルモータ３
のコイル６に電流が流れてボイスコイルモータ３は力を
発生し、その力は可動子４、スピンドル８へ伝わる。ス
ピンドル８は、ばね１１、１２を介してスキャナ内筒１
４に接続されているので、粘性体１７が粗動温度になっ
て軟化していると、スキャナ内筒１４は外筒１５からず
れ、検出体であるカンチレバー１０が被測定物３０に近
接するようになる。カンチレバー１０が被測定物３０に
接触すると、自己検知型のカンチレバー１０からの信号
が変化し、検出器９から出力される検出信号が比較器５
１で目標値設定部５２に設定された目標値と比較され
る。比較器５１からの誤差信号は、ＰＩ（比例積分）制
御部５３に入力され、ＰＩ制御部５３はカンチレバー１
０が被測定物３０に一定の力で接するように電流源５４
に制御信号を与える。

【０００４】ＣＰＵ５６は、ＰＩ制御部５３の信号をＡ
／Ｄ変換器５５を通して読込み、カンチレバー１０が被
測定物３０にアプローチしたか否かをチェックしてい
る。ＣＰＵ５６はアプローチしたことを検出すると、ス
キャナ外筒１５が予熱温度になるように可変抵抗７２
（図８参照）を選択する。該予熱温度は粗動温度より約
１０°Ｃ程度低い温度であり、粘性体１７を硬化させス
キャナ内筒１４を外筒１５に固定させる。

【０００５】スキャナ内筒１４が外筒１５に固定される
と、Ｘ，Ｙボイスコイルモータ４１、４２（４２は図示
せず）に走査信号を供給してカンチレバー１０をＸ，Ｙ
方向に走査し、ＰＩ制御部５３の信号をＡ／Ｄ変換器５
５を介して取込み、被測定物３０の表面形状を測定す
る。測定データはメモリ５７に蓄えられる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】さて、カンチレバー１
０が被測定物３０にアプローチされたことにより、前記
したように、スキャナ外筒１５が粗動温度からこれより
低い温度である予熱温度に切り替えられると、スキャナ
内筒１４、外筒１５（以下、スキャナ１４、１５と呼
ぶ）の温度は室温、筐体への熱伝導等により冷やされ、
所定時間後に予熱温度になる。

【０００７】この温度低下に伴い、スキャナ１４、１５
の縮み量は、図９のように、時間ｔ（横軸）と共に増加
する。図中のｔ0 は予熱温度に切替えられた時間、ｔ3
はスキャナ内筒１４、外筒１５および粘性体１７の歪み
が該予熱温度で安定化した時間を示す。一方、粘性体１
７は予熱温度に切替えられた時点から、時間と共に硬く
なるので、前記ボイスコイルモータ３のコイル６に一定
電流を流した時のスキャナ１４と１５のずれ速度は、図
１０に示すように、粘性体１７が予熱温度に近付くにつ
れて指数関数的に低下する。図中のＴa は粗動温度、
（Ｔa −ΔＴ）は予熱温度を示す。

【０００８】したがって、カンチレバー１０を被測定物
３０にアプローチする時に、図１１(b) に示されている
ように、カンチレバー１０が被測定物３０に接した時間
ｔ0で、スキャナ外筒１５の設定温度を粗動温度Ｔa か
ら予熱温度（Ｔa −ΔＴ）に切替えると、前記コイル６
に流れる電流は同図(a) のように変化する。すなわち、
時間ｔ0 からスキャナ１４、１５の温度が低下し始める
と、最初はスキャナ１４、１５の縮み量（または縮み速
度）よりずれ速度の方が大きいからコイル電流は急激に
低下する。しかし、時間ｔ1 になると、縮み速度とずれ
速度が等しくなり、時間ｔ1 を過ぎると、縮み速度の方
がずれ速度より大きくなり、これらが再び等しくなる時
間ｔ2 までは、コイル電流は増加する。時間ｔ2 を過ぎ
ると、縮み速度とずれ速度はほぼ均衡しながら徐々に小
さくなる。このため、時間ｔ2 からｔ3 までは、コイル
電流は徐々に減少し、安定状態に入る。

【０００９】時間ｔ3 に達すると、スキャナをＸＹ方向
に走査する動作が開始され、被測定物３０の画像データ
が、前記のようにしてメモリ５７に蓄えられる。なお、
前記時間ｔ3 以前、すなわちボイスコイルモータ３のコ
イル６に流れる電流が安定しない間に被測定物３０の観
測を開始すると、該コイル６に流れる電流が観測データ
に重畳し、得られた画像データは、例えばＹ軸方向に傾
いたデータとなる。また、この傾き量が大きいと、Ｚ軸
の制御範囲を越えてしまい、画像が得られないという事
態にもなる。

【００１０】したがって、被測定物３０の観測を開始す
るには、前記時間ｔ3 以降でなければならないが、従来
装置では、時間ｔ0 からｔ3 までに長い時間がかかり、
観測開始までの待ち時間が長いという問題があった。こ
の発明の目的は、前記した従来技術の問題点を除去し、
スキャナ外筒の設定温度を粗動温度から予熱温度に切替
えた時点から、被測定物の測定を開始できるようになる
までの時間を短縮できる走査型プローブ顕微鏡を提供す
ることにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記した目的を達成する
ために、本発明は、スキャナ内筒の先端に取り付けられ
た検出体を被測定物にアプローチさせる時に、スキャナ
外筒およびスキャナ内筒の設定温度を多段階に制御し
て、前記スキャナ外筒とスキャナ内筒との間に挿入され
た粘性体の軟化温度である粗動温度から、硬化温度であ
る予熱温度まで下げるようにした点に特徴がある。

【００１２】この特徴によれば、前記粘性体が軟化して
いる間に、スキャナ外筒とスキャナ内筒間に発生する温
度低下に起因する歪みを、段階的に除去できるので、ボ
イスコイルモータのコイルに流れる電流を短時間に安定
化させることができるようになる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下に、図面を参照して、本発明
を詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態の構成
を示すブロック図であり、図２は本実施形態のアプロー
チ時の概略の動作を示すフローチャートである。電流値
検出部５０は、電流源５４からコイル６に流れる電流を
検出し、検出データをＣＰＵ５６に送出する。温度設定
部６１は、後述するように、例えば複数段階の温度を設
定することができる。温度データ変換部６２は温度セン
サ１８の検出信号を電圧データに変換する。比較器６３
は該温度データ変換部６２の出力と温度設定部６１で設
定された温度とを比較し、前者が後者より大きければ＋
の信号、小さければ−の信号を出力する。比較器６３の
出力は、ＰＩ制御部６４で比例積分され、電流源６５を
制御する。この制御により、スキャナ１４、１５は、温
度設定部６１で設定された温度に保持される。他の構成
は、既に説明されているので、説明を省略する。

【００１４】次に、本実施形態のアプローチの動作を、
図２のフローチャート、および図３(a)(b)のタイミング
チャートを参照して説明する。図３(a) の縦軸はボイス
コイルモータ３のコイル６に流れる電流、横軸は時間、
同図(b) の縦軸は温度設定部６１の設定温度、横軸は時
間を示す。ステップＳ１でアプローチ開始の指示があっ
たか否かの判断がなされ、この判断が肯定になると、ス
テップＳ２に進んで、温度設定部６１の設定温度が粗動
温度Ｔa に設定される。次に、ステップＳ３で電流源６
５がオンにされ、ヒータ１６に電流が供給される。温度
センサ１８はスキャナ外筒１５の温度を検知し、検知信
号を温度データ変換部６２とＣＰＵ５６に供給する。最
初は、スキャナ外筒１５の温度は粗動温度Ｔa より低い
ので、比較器６３からは＋の信号が出力され、ＰＩ制御
部６４から大きな電流を流す指示が与えられる。

【００１５】以上の動作が続けられ、ステップＳ４の判
断が肯定になると、すなわちスキャナ外筒１５の温度が
粗動温度Ｔa 以上になると粘性体１７は軟化したことに
なるから、ステップＳ５に進んで、電流源５４をオンに
する。ステップＳ６ではコイル６の電流が予め定められ
た電流値ｉ0 に等しくなったか否かが判断され、この判
断が否定の時にはステップＳ５に戻り、フィードバック
制御が続行される。この時、カンチレバー１０が被測定
物３０に接触しても、従来方法とは異なり、直ぐに設定
温度を下げないようにするので、粘性体１７の縮み量は
少なく、かつスキャナ１４、１５間のずれは速いから、
コイル６に流れる電流は直ぐに前記ｉ0に下がる。

【００１６】ステップＳ６の判断が肯定になると、ステ
ップＳ７に進んで設定温度が（Ｔa−４／８ΔＴ）にさ
れる。ここに、ΔＴ＝（粗動温度）−（予熱温度）であ
る。ステップＳ８では、ステップＳ６と同様に、コイル
６の電流＝ｉ0 になったか否かの判断がなされ、否定の
場合はステップＳ７に戻り、フィードバック制御が続行
される。設定温度が（Ｔa −４／８ΔＴ）にされると、
スキャナ１４、１５は収縮を始めるが、予熱温度（Ｔa
−ΔＴ）より高いので、スキャナ１４、１５間のずれは
予熱温度の時より速く、コイル６に流れる電流は直ぐに
前記ｉ0 に下がる。

【００１７】ステップＳ８の判断が肯定になると、ステ
ップＳ９に進んで、設定温度が（Ｔa −６／８ΔＴ）に
され、ステップＳ１０でコイル６の電流＝ｉ0 になった
か否かが判断される。ステップＳ１０の判断が肯定にな
ると、ステップＳ１１に進んで、設定温度が（Ｔa −７
／８ΔＴ）にされ、ステップＳ１２でコイル６の電流＝
ｉ0 になったか否かが判断される。この時も、設定温度
が予熱温度より高いので、スキャナ１４、１５間のずれ
は予熱温度の時より速く、コイル６に流れる電流は直ぐ
に前記ｉ0 に下がる。

【００１８】ステップＳ１２の判断が肯定になると、ス
テップＳ１３で設定温度が予熱温度である（Ｔa −Δ
Ｔ）にされ、ステップＳ１４で電流値が安定するまで待
ち、アプローチ動作を終了する。前記実施形態によれ
ば、図３(a)(b)から明らかなように、設定温度の制御を
多段にして予熱温度まで下げるようにしたので、粘性体
１７が柔らかい間に、すなわち粘性体１７の温度が予熱
温度より高くスキャナ１４、１５のずれ速度が速い間
に、歪み、すなわちスキャナ１４、１５の縮みと粘性体
１７によるスキャナ１４、１５のずれの残りを、段階的
に除去できるようになり、結果的に短時間で、コイル６
に流れる電流を安定させることができるようになる。例
えば、従来装置の１／３〜１／５程度の時間に短縮でき
るようになる。なお、前記実施形態の温度設定は一例で
あり、温度設定を段階的に低減させるのであれば、他の
温度設定であっても良い。

【００１９】次に、本発明の第２実施形態を、図４およ
び図５を参照して説明する。図４は本実施形態の要部の
フローチャートを示し、図２のステップＳ１〜Ｓ１２ま
では同一であるので図示を省略されている。また、図５
(a) ，(b) は、それぞれ、コイル６に流れる電流値、設
定温度のタイミングチャートである。この実施形態は、
前記第１の実施形態に比べて、ステップＳ１２の後にス
テップＳ１５、Ｓ１６を挿入した点にある。すなわち、
本実施形態では、ステップＳ１５で、一旦予熱温度より
低い温度（＝Ｔa −９／８ΔＴ）に設定し、その後予熱
温度（＝Ｔa −ΔＴ）に設定（ステップＳ１３）するよ
うにした点に特徴がある。

【００２０】この実施形態によれば、段階的な温度制御
の最後の方に、予熱温度より低い温度の設定を挿入する
ことにより、スキャナ１４、１５の熱による縮みを大き
くすることができ、コイル６に流れる電流を一旦大きく
することができる。そうすると、ボイスコイルモータ３
から発生される力を一時的に大きくすることができ、続
いて１／８ΔＴだけ温度を上げて予熱温度にすることに
より、スキャナ１４、１５を速くずらせて該スキャナ１
４、１５の歪みを速く除去できるようになる。このた
め、コイル６に流れる電流を、前記第１実施形態より、
短時間で安定化させることができるようになる。

【００２１】図６、図７は、前記温度設定部６１の具体
例を示す回路図である。図６の可変抵抗７１、７２、７
３、７４、７５は、それぞれ粗動温度Ｔa 、予熱温度Ｔ
a −ΔＴ、Ｔa −４／８ΔＴ、Ｔa −６／８ΔＴ、Ｔa
−７／８ΔＴを設定するものであり、その選択は、ＣＰ
Ｕ５６から、スイッチ手段８１、８２、８３、８４、８
５に指令を出すことにより行われる。なお、前記第２実
施形態の場合には、Ｔa −９／８ΔＴを設定する可変抵
抗と選択スイッチ手段をもう１個追加すれば良い。

【００２２】図７は、Ｄ／Ａ変換器９１を用いた場合の
回路例である。スキャナ外筒１５と内筒１４の間隔は加
工精度のばらつきにより変化する。このため、これらの
筒の間に挿入される粘性体１７の量も変わり、同じ温度
でも、スキャナ外筒１５と内筒１４のずれ速度は変わ
る。したがって、粗動温度および予熱温度は、装置１台
々々調整する必要がある。また、ずれ速度は、図１０に
示したような特性を示すので、予熱温度は粗動温度から
推測することができる。粗動温度は、遅ければアプロー
チに時間がかかり、速ければカンチレバーが試料に衝突
して壊れてしまう恐れがある。したがって、粗動速度
は、調整できるようにしておくのが好適であり、本具体
例では、可変抵抗器９３を用いて調整できるようにす
る。

【００２３】可変抵抗器９３で調整された粗動温度はＡ
／Ｄ変換器９２を介してＣＰＵ５６に読込まれる。ＣＰ
Ｕ５６は、この粗動温度から予熱温度を計算する。次い
で、ＣＰＵ５６は、該粗動温度および予熱温度から、粗
動温度Ｔa 、予熱温度Ｔa −ΔＴ、Ｔa −４／８ΔＴ、
Ｔa −６／８ΔＴ、Ｔa −７／８ΔＴ、（およびＴa−
９／８ΔＴ）に相当するデジタルデータを求め、前記し
た所定のタイミングでＤ／Ａ変換器９１に出力する。Ｄ
／Ａ変換器９１は該デジタルデータをアナログ信号に変
換して、出力する。

【００２４】前記実施形態では、スキャナ１４、１５の
温度を段階的に粗動温度から予熱温度まで下げるように
したが、本発明はこれに限定されず連続的に下げるよう
にしても良い。

【００２５】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、検出体が被測定物にアプローチを開始してか
ら、ボイスコイルモータのコイルに流れる電流が安定す
るまでの時間を、従来より大幅に、例えば１／３〜１／
５程度に短縮することができる。このため、測定者は被
測定物をステージにセットした後、該被測定物の測定を
短時間で開始できるようになり、操作性を大幅に向上さ
せることができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態の構成を示すブロック図で
ある。

【図２】本発明の一実施形態の動作を説明するためのフ
ローチャートである。

【図３】本実施形態の動作を説明するためのタイミング
チャートである。

【図４】本発明の第２実施形態の要部の動作を説明する
ためのフローチャートである。

【図５】第２実施形態の動作を説明するためのタイミン
グチャートである。

【図６】温度設定部の一具体例を示す回路図である。

【図７】温度設定部の他の具体例を示す回路図である。

【図８】従来装置の温度設定部の構成を示すブロック図
である。

【図９】粗動温度から予熱温度に変えた時のスキャナの
縮み量を示す図である。

【図１０】粗動温度から予熱温度に変えた時のスキャナ
のずれ速度を示す図である。

【図１１】従来装置のアプローチ動作のタイミングチャ
ートである。

【符号の説明】

３…ボイスコイルモータ、 ６…コイル、 １４…スキャナ内筒、 １５…スキャナ外筒、 １６…ヒータ、 １８…温度センサ、 ３０…試料、 ５６…ＣＰＵ、 ６１…温度設定部、 ６２…温度データ変換部、 ６３…比較器、 ６４…ＰＩ制御部、 ６５…電流源。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｚ軸方向の力を発生するボイスコイルモ
   ータと、該ボイスコイルモータによってＺ軸方向に移動
   させられるスキャナ内筒と、筐体に固定されたスキャナ
   外筒と、該スキャナ内筒とスキャナ外筒との間に挿入さ
   れた粘性体と、該スキャナ外筒を加熱する手段とを備
   え、被測定物の表面に検出体を近接させて、該被測定物
   の表面の画像データを得る走査型プローブ顕微鏡におい
   て、 前記スキャナ内筒の先端に取り付けられた前記検出体を
   前記被測定物にアプローチさせる時に、前記スキャナ外
   筒およびスキャナ内筒の設定温度を多段階に制御して、
   前記粘性体の軟化温度である粗動温度から、硬化温度で
   ある予熱温度まで下げるようにしたことを特徴とする走
   査型プローブ顕微鏡。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡
   において、 前記粗動温度と予熱温度との間で、多段階に制御するこ
   とを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載の走査型プロー
   ブ顕微鏡において、 前記多段階の制御において、予熱温度に設定する前に、
   該予熱温度より低い設定温度を設けるようにすることを
   特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の走査型プローブ顕微鏡
   において、 前記予熱温度より低い温度設定が、予熱温度設定の直前
   であることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。