JP2002022637A - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 走査型プローブ顕微鏡において、試料表面と
プローブ間を一定距離とするプローブ状態の測定を一走
査内で行う。 【解決手段】 表面形状を測定する測定態様とプローブ
状態を測定する測定態様の二つの測定態様を一走査内で
切換え、プローブ−試料表面間の一定距離制御と、この
距離状態でのプローブ状態の測定を繰り返して、一走査
内において試料表面とプローブ間を一定距離とするプロ
ーブ状態の測定を可能とするものであり、プローブ２と
試料ｓを相対的に走査させる走査型プローブ顕微鏡に、
プローブ−試料表面間の距離をフィードバック制御し距
離信号を検出する第１の振動振幅と、プローブ状態を検
出する第２の振動振幅を切換える振動振幅切換手段８
と、フィードバック制御の有効無効を切換える７制御切
換手段と、距離信号とプローブの状態信号の検出を切換
える９検出信号切換手段を備える構成とし、各切換手段
７，８，９の切換動作を同期させる。

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
微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡は、試料表面を微
小なプローブ（探針）で走査することによって三次元形
状を観察する顕微鏡であり、金属，半導体，セラミッ
ク，樹脂等の表面観察やあらさの測定、液晶，高分子，
蒸着膜などの薄膜の観察等の表面観察に用いられてい
る。このような走査型プローブ顕微鏡として、プローブ
と試料表面との間に働く原子間力を測定する原子間力顕
微鏡（ＡＦＭ）が知られている。

【０００３】原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）は、プローブ
（探針）及びプローブを支持するカンチレバーと、この
カンチレバーの曲がりを検出する変位検出系とを備え、
探針と試料との間の原子間力（引力又は斥力）を検出
し、この原子間力が一定となるように探針と試料表面と
の距離を制御することによって、試料表面の形状を観察
する。また、ＸＹ方向及びＺ方向に移動可能なスキャナ
ーを備え、試料とプローブとの間において、ＸＹ方向の
移動よる試料の二次元的な走査とＺ方向のフィードバッ
ク制御による試料の高さ情報の取得によって、試料表面
の形状を測定する。このＸＹ方向の走査及びＺ方向のフ
ィードバック制御は、試料側あるいはプローブ側に設け
た、例えばピエゾ素子等の微小変位可能な駆動機構によ
って行われる。

【０００４】このフィードバック制御による表面形状の
測定には、プローブを試料表面に接触させて測定するコ
ンタクトモードあるいはコンタクトハイトモードと、振
動させたプローブを試料表面とほぼ非接触の状態で測定
するダイナミックモードあるいは小さな振動振幅による
ノンコンタクトモードがある。

【０００５】また、走査型プローブ顕微鏡では、表面形
状測定の他に、プローブ状態を測定することによって試
料の物性測定、電気・磁気測定、力学測定を行うことが
できる。例えば、共振周波数付近で小振動振幅でプロー
ブを振動させ、試料によってプローブの振動に生じる位
相遅れを検出し、この位相検出によって試料表面の特性
を測定することができる。また、導電性のプローブによ
って試料表面の電位分布を測定したり、漏洩磁場による
磁気力を検出することによって試料の磁気情報を測定す
ることができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】走査型プローブ顕微鏡
によってプローブ状態を測定する場合、通常、共振周波
数付近で小振幅で振動させたプローブを試料に接近さ
せ、このときにプローブに生じる位相変化、電流変化、
磁気変化等を検出することによって行っている。このと
き、非接触でかつプローブ−試料表面間の距離変動によ
る影響を除くために、試料表面とプローブとの距離は一
定に維持されることが望ましい。しかしながら、従来の
走査型プローブ顕微鏡では、小振動振幅によるプローブ
状態の測定を、試料表面とプローブ間を一定距離に維持
するフィードバック制御による走査と同時に行えないと
いう問題がある。これは、試料表面とプローブ間を一定
距離に維持するフィードバック制御において、コンタク
トモード及びコンタクハイトトモードではプローブと試
料表面とを接触させる必要があり、また、ダイナミック
モードでは試料表面と接触する可能性があり、非接触を
要するプローブ状態の測定ができないためである。ま
た、ノンコンタクトモードでは十分な精度で一定距離に
維持することができず、プローブ状態の測定精度が低下
するためである。

【０００７】そのため、従来、走査型プローブ顕微鏡に
よるプローブ状態の測定では、フィードバック制御を行
わずに一定距離でオフセットした状態で走査して測定し
たり、あるいは、フィードバック制御による走査で試料
表面の高さ情報を予め求めておき、この高さ情報に基づ
いてプローブ−試料表面間の距離を制御して走査し測定
することが行われている。

【０００８】図５は従来の走査型プローブ顕微鏡による
プローブ状態の測定を説明する図である。図５（ａ）
は、フィードバック制御によらず固定したオフセット量
でプローブを走査する場合を模式的に示している。この
走査による測定では、試料に傾斜やうねりがある場合に
追従することができないため、プローブ−試料表面間の
距離を一定の保持することはできないという問題があ
る。

【０００９】また、図５（ｂ）は、予め求めておいた高
さ情報に基づく間隔制御よるプローブ状態の測定を説明
する図である。はじめに、図５（ｂ−１）に示すように
試料表面の形状をフィードバック制御し、図５（ｂ−
２）に示す高さ情報を求めておく。その後、この高さ情
報に一定のオフセット量を加えたものを離間距離として
プローブを走査し、プローブ状態を測定する。この測定
では、高さ情報の測定時とプローブ状態の測定時との間
に時間差があるため、この間に試料表面のドリフトによ
ってずれが生じ、プローブ−試料表面間の距離を正確に
制御することが困難になるという問題があり、また、同
一ラインあるいは同一領域を二度走査する必要があるた
め、測定時間が長時間化するという問題がある。そこ
で、本発明は前記した従来の問題点を解決し、試料表面
とプローブ間を一定距離とするプローブ状態の測定を一
走査内で行うことを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、表面形状を測
定する測定態様とプローブ状態を測定する測定態様の二
つの測定態様を一走査内で切換え、表面形状を測定する
測定態様によるプローブ−試料表面間の一定距離制御
と、この距離状態でのプローブ状態の測定を繰り返すこ
とによって、一走査内において試料表面とプローブ間を
一定距離とするプローブ状態の測定を可能とする。ここ
で、測定態様は、プローブの振動振幅、フィードバック
制御の有無によって変更することができる。

【００１１】本発明の走査型プローブ顕微鏡は、上記の
測定態様の切換えによる一走査内でのプローブ状態の測
定を行うために、プローブと試料を相対的に走査させる
走査型プローブ顕微鏡に、プローブ−試料表面間の距離
をフィードバック制御し距離信号を検出する第１の振動
振幅と、プローブ状態を検出する第２の振動振幅を切換
える振動振幅切換手段と、フィードバック制御の有効無
効を切換える制御切換手段と、距離信号とプローブの状
態信号の検出を切換える検出信号切換手段を備える構成
とし、各切換手段の切換動作を同期させることにより、
一走査においてプローブ−試料表面間の距離を一定とし
てプローブの状態信号を得る。

【００１２】第１の振動振幅は、通常ダイナミックモー
ドと呼ばれる、プローブ−試料表面間の距離をフィード
バック制御するためにプローブを振動させる振動振幅で
あり、第２の振動振幅と比較して大きな振動振幅であ
る。また、第２の振動振幅は、プローブ状態を測定する
ためにプローブを振動させる振動振幅であり、第１の振
動振幅と比較して小さな振動振幅である。振動振幅切換
手段は、測定態様に応じてプローブの振動振幅を第１の
振動振幅と第２の振動振幅とで切換える。

【００１３】表面形状の測定態様では、フィードバック
制御を行うと共に第１の振動振幅でプローブを振動さ
せ、このとき検出されるフィードバック信号によってプ
ローブと試料表面間の距離信号を求めることができる。
一方、プローブ状態の測定態様では、フィードバック制
御を行わずに第２の振動振幅でプローブを振動させ、プ
ローブ振動の位相変化や振幅変化や周波数変化、あるい
は電流変化、電圧変化、磁気変化等のプローブ状態を求
める。このプローブ状態から試料の物性や電磁気的特性
を知ることができる。

【００１４】そこで、本発明の走査型プローブ顕微鏡
は、振動振幅切換手段と制御切換手段とを同期させて切
換えることによって、表面形状測定とプローブ状態測定
の二つの測定態様間を切換え、プローブ状態の測定時に
は、プローブ−試料表面間を常に一定距離とする。ま
た、前記各切換手段と同期して検出信号切換手段を切換
えることによって、プローブ状態の測定時にプローブの
状態信号を検出信号として取り込み、表面形状の測定時
にはフィードバック信号を取り込むことができる。取り
込んだプローブの状態信号は画像処理して表示すること
ができる。また、プローブの状態信号画像は、同じく画
像処理された表面形状画像と並列あるいは重ねて表示す
ることができる。本発明の走査型プローブ顕微鏡によれ
ば、一走査でプローブ状態を測定することができるた
め、観察時間を短縮したりドリフトによる影響を低減す
ることができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
を参照しながら詳細に説明する。はじめに、本発明の走
査型プローブ顕微鏡の構成について説明する。図１は、
本発明の走査型プローブ顕微鏡を説明するための概略ブ
ロック図である。走査型プローブ顕微鏡１は、プローブ
２、プローブ２を支持するカンチレバー機構３、カンチ
レバー３の曲がりを検出する変位測定ヘッド４、試料Ｓ
をＸ，Ｙ方向に走査しＺ方向に移動させるスキャナー５
を備え、プローブ２と試料Ｓとの間の原子間力（引力及
び斥力）をカンチレバー３の撓み量で検出して試料Ｓの
表面形状を測定し、プローブ状態を検出して試料Ｓの特
性を測定する。

【００１６】カンチレバー機構３は、プローブ２を振動
可能に支持するカンチレバー本体３ａ、カンチレバー本
体３ａを所定の振動振幅で振動させるカンチレバー駆動
手段３ｂ、プローブ２の振動状態や電磁気特性等のプロ
ーブ状態を検出するプローブ状態信号検出手段３ｃを備
える。また、変位測定ヘッド４は、図示しないレーザー
発振器等の光源、ミラーやスリット等の光学系、及びフ
ォトダイオード等の光検出器４ａを備え、レーザー発振
器から発せられカンチレバー３で反射されたレーザー光
を光検出器４ａで検出することによって、カンチレバー
３の変位を検出する。検出信号は、測定・制御手段７で
測定され、試料Ｓの高さデータを所得する。

【００１７】スキャナー５は、Ｘ，Ｙ軸用駆動手段５ａ
とＺ軸フィードバック用駆動手段５ｂを備える。Ｘ，Ｙ
軸用駆動手段５ａは、測定・制御手段７からの制御信号
によって駆動して試料ＳをＸ，Ｙ方向に走査する。一
方、Ｚ軸フィードバック用駆動手段５ｂは、検出信号を
受けたフィードバック用制御手段６によるＰＩ制御によ
ってＺ方向のフィードバック制御を行う。Ｘ，Ｙ軸用駆
動手段５ａとＺ軸フィードバック用駆動手段５ｂは、例
えば、ピエゾ素子によって構成することができる。上記
のフィードバック制御手段６及びカンチレバー駆動手段
３ｂは、制御切換手段７及び振動振幅切換８によって、
動作状態の切換えが行われる。

【００１８】制御切換手段７は、フィードバック用制御
手段６にフィードバックを有効無効にする切換信号を送
り、切換信号によってフィードバック用制御手段６のフ
ィードバック制御をオン・オフする。切換手段７からの
切換信号によってフィードバック制御がオン状態に切換
えられた場合には、フィードバック制御が有効となりプ
ローブ２と試料Ｓとの間は所定距離に制御される。この
とき、検出器４ａから得られるフィードバック信号から
は、試料の表面形状を知ることができる。一方、切換手
段７からの切換信号によってフィードバック制御がオフ
状態に切換えられた場合には、フィードバック制御が無
効となりプローブ２と試料表面との距離は切換え前の状
態に維持され、プローブ状態の測定が行われる。

【００１９】振動振幅切換８は、カンチレバー駆動手段
３ｂに振動振幅の大きさを切換える振動振幅切換信号を
送り、振動振幅切換信号によってカンチレバー本体３ａ
の振動状態を切換え、プローブ２の振動振幅の大きさを
切換える。ここで、制御手段１０は、振動振幅切換８の
切換と制御切換手段７の切換とを同期して行う。フィー
ドバック制御のオン状態への切換えとプローブの振動振
幅の大振幅への切換え、フィードバック制御のオフ状態
への切換えとプローブの振動振幅の小振幅への切換えは
同期して行われる。

【００２０】フィードバック制御を有効とする場合に
は、振動振幅切換手段８からの振動振幅切換信号によっ
てプローブの振動振幅は大振幅に切換えられ、プローブ
２と試料Ｓとの間は所定距離に制御される。また、フィ
ードバック制御を無効とする場合には、振動振幅切換手
段８からの振動振幅切換信号によってプローブの振動振
幅は小振幅に切換えられ、プローブ２と試料Ｓとの間は
所定距離に制御され、プローブ状態の測定が行われる。

【００２１】また、制御手段１０は、検出信号切換手段
９を制御して、プローブ状態信号検出手段３Ｃからのプ
ローブ状態信号と検出器４ａからのフィードバック信号
を切換え、それぞれプローブ状態信号処理手段１１及び
表面形状信号処理手段１２に入力する。プローブ状態信
号処理手段１１は、入力したプローブ状態信号を信号処
理して試料特性等を求める。また、表面形状信号処理手
段１２は、入力したフィードバック信号を信号処理して
表面形状信号を求める。プローブ状態信号及び表面形状
信号は、画像処理手段１３で画像化することができ、図
示しない表示装置に表示することができる。なお、プロ
ーブ状態信号による画像及び表面形状信号による画像
は、個別あるいは並べて表示することも、両画像を重ね
合わせて表示することもできる。また、制御手段１０
は、Ｘ，Ｙ軸用駆動手段５ａ及び画像処理手段１３に二
次元位置情報を送り、Ｘ，Ｙ方向の走査や、プローブ状
態信号及び表面形状信号の二次元位置との対応処理を行
う。

【００２２】次に、本発明の走査型プローブ顕微鏡によ
る動作を図２のフローチャートを用いて説明する。はじ
めに、Ｘ，Ｙ軸用駆動手段５ａによって、試料Ｓ上の初
期位置にプローブ２を位置決めし（ステップＳ１）、そ
の後、プローブ及び試料を相対的に移動して走査しなが
らステップＳ２によるプローブ−試料表面間の一定距離
制御と、ステップＳ３によるプローブ状態の測定とを繰
り返して（ステップＳ４）、一走査でプローブ状態測定
を行う。

【００２３】ステップＳ２によるプローブ−試料表面間
の一定距離制御では、振動振幅切換手段８から大振幅の
切換信号をカンチレバー駆動手段３ｂに送ることによっ
て、プローブ２の振動振幅を大振幅に切換えると共に、
制御切換手段７からフィードバック用制御手段６にフィ
ードバックを有効とするオン切換信号を送ることによっ
て、フィードバック制御を行う。これによって、プロー
ブ２と試料表面との間は所定距離に定められる（ステッ
プＳ２ａ）。このとき、検出信号切換手段９をフィード
バック信号を取り込むように切換える（ステップＳ２
ｂ）。

【００２４】プローブ２の試料表面に対する位置が、プ
ローブ状態を測定する測定点である場合には（ステップ
Ｓ２ｃ）、このときのフィードバック信号を取り込むこ
とによって表面形状信号を入力することができる（ステ
ップＳ２ｅ）。一方、プローブ２の試料表面に対する位
置が、プローブ状態を測定する測定点でない場合には
（ステップＳ２ｃ）、Ｘ，Ｙ軸用駆動手段５ａを駆動し
てプローブ２と試料表面との相対位置を変更し（ステッ
プＳ２ｄ）、ステップＳ２ａ〜２ｃを繰り返す。ステッ
プＳ２の工程によって、プローブ状態を測定する測定点
において、プローブと試料表面との間を所定距離とした
状態で、ステップＳ３によって該測定点におけるプロー
ブ状態を測定する。

【００２５】ステップＳ３によるプローブ状態の測定で
は、振動振幅切換手段８から小振幅の切換信号をカンチ
レバー駆動手段３ｂに送ることによって、プローブ２の
振動振幅を小振幅に切換えると共に、制御切換手段７か
らフィードバック用制御手段６にフィードバックを無効
とするオン切換信号を送ることによって、フィードバッ
ク制御を停止する。（ステップＳ３ａ）。このとき、検
出信号切換手段９をプローブ状態信号を取り込むように
切換え（ステップＳ３ｂ）、検出信号をプローブ状態信
号として取り込む（ステップＳ３ｃ）。上記ステップＳ
２，３の工程を、プローブと試料表面との相対位置を変
更しながら（ステップＳ５）、一走査内で測定終了まで
繰り返す（ステップＳ４）。これによって、プローブ−
試料表面間の距離を一定とするプローブ状態測定を一走
査内で行うことができる。

【００２６】図３は走査位置毎の動作状態を概略的に説
明する図である。なお、図３では、図中の左方から右方
を走査方向とし、各動作点Ａ〜Ｄでの状態を示してお
り、（ｂ），（ｃ），（ｄ）は動作点Ｂにおける順次動
作を示し、（ｆ），（ｇ），（ｈ）は動作点Ｄにおける
順次動作を示している。動作点Ａでは、大振幅かつフィ
ードバック制御によるステップＳ２の工程を行うことに
よって表面形状信号を求める（図３（ａ））。走査方向
上の次点の動作点Ｂでは、同じく大振幅かつフィードバ
ック制御によるステップＳ２の工程でプローブと試料表
面間を一定距離とした後（図３（ｂ））、フィードバッ
ク制御を停止し小振幅としてステップＳ３の工程でプロ
ーブ状態信号を測定する（図３（ｃ））。

【００２７】さらに、走査方向上の次点の動作点Ｃに移
動するために、大振幅かつフィードバック制御として
（図３（ｄ））、動作点Ｃに移動し表面形状信号を求め
る（図３（ｅ））。以後は、図３（ａ）と図３（ｂ），
（ｃ），（ｄ）の動作を動作点Ｃ，Ｄで繰り返し、動作
点Ｃで表面形状信号を測定し、動作点Ｄでプローブ状態
信号を測定する。上記説明では、表面形状信号とプロー
ブ状態信号の測定を測定点毎に交互に行う例を示してい
るが、表面形状信号とプローブ状態信号の測定態様はこ
の交互測定に限らず任意とすることができる。

【００２８】図４は、表面形状信号とプローブ状態信号
の測定態様を説明する概略図である。なお、図４におい
て、×印はプローブ状態信号を測定する測定点を示し、
○印は表面形状信号を測定する測定点を示している。図
４（ａ）は、前記した表面形状信号とプローブ状態信号
を交互に測定する測定態様を示しており、走査方向（図
中の矢印）に沿って、表面形状信号の測定とプローブ状
態信号の測定を繰り返す。図４（ｂ）は、連続する２点
での表面形状信号の測定と１点でのプローブ状態信号の
測定をパターンとして、この測定パターンを走査方向
（図中の矢印）に沿って繰り返す。なお、表面形状信号
の連続する測定点数は任意とすることができる。図４
（ｃ）は、表面形状信号の測定を行わず、全測定点にお
いてプローブ状態信号を測定する態様である。

【００２９】図４（ａ），（ｂ），（ｃ）の測定態様は
表面形状及びプローブ状態を点分析で求める態様である
が、線分析で求める態様とすることもできる。図４
（ｄ）は、表面形状信号の測定を線分析（図中の白抜き
の矢印）で求め、プローブ状態信号の測定を点分析で求
める態様であり、図４（ｅ）は、表面形状信号の測定及
びプローブ状態信号を線分析（表面形状信号は図中の白
抜きの矢印で示し、プローブ状態信号は図中の矢印で示
している）で求める態様である。なお、図４（ｅ）の測
定態様ではプローブ状態信号を線分析で行うため、各線
分析部分の初期位置ではプローブ−試料表面間の距離は
一定であるが、その後の部分のプローブ−試料表面間の
距離が一定であることは補償されない。そのため、この
図４（ｅ）の測定態様は、線分析部分内において、試料
表面の傾斜やうねりによる距離変化が十分に小さい場合
に適用することができる。

【００３０】

【発明の効果】上記説明したように、本発明の走査型プ
ローブ顕微鏡によれば、試料表面とプローブ間を一定距
離とするプローブ状態の測定を一走査内で行うことがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の走査型プローブ顕微鏡を説明するため
の概略ブロック図である。

【図２】本発明の走査型プローブ顕微鏡による動作を説
明するフローチャートである。

【図３】走査位置毎の動作状態を概略的に説明する図で
ある。

【図４】表面形状信号とプローブ状態信号の測定態様を
説明する概略図である。

【図５】従来の走査型プローブ顕微鏡によるプローブ状
態の測定を説明する図である。

【符号の説明】

１…走査型プローブ顕微鏡、２…プローブ、３…カンチ
レバー、３ａ…カンチレバー本体、３ｂ…カンチレバー
駆動手段、３ｃ…プローブ状態信号検出手段、４…変位
測定ヘッド、４ａ…検出器、５…スキャナー、５ａ…
Ｘ，Ｙ補正用駆動手段、５ｂ…Ｚ軸フィードバック用駆
動手段、５ｃ…Ｚ軸マクロ補正用駆動手段、６…フィー
ドバック用制御手段、７…制御切換手段、８…振動振幅
切換手段、９…検出信号切換手段、１０…制御手段、１
１…プローブ状態信号処理手段、１２…表面形状信号処
理手段、１３…画像処理手段、Ｓ…試料。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プローブと試料を相対的に走査させる走
   査型プローブ顕微鏡であって、プローブ−試料表面間の
   距離をフィードバック制御し距離信号を検出する第１の
   振動振幅と、プローブ状態を検出する第２の振動振幅を
   切換える振動振幅切換手段と、前記フィードバック制御
   の有効無効を切換える制御切換手段と、前記距離信号と
   プローブの状態信号の検出を切換える検出信号切換手段
   を備え、前記各切換手段の切換動作を同期させることに
   より、プローブ−試料表面間の距離を一定として走査す
   るプローブの状態信号を得ることを特徴とする、走査型
   プローブ顕微鏡。