JP2002350319A - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 半導体パターンや光ディスクのスタンパのピ
ット等を測定するのに好適な走査型プローブ顕微鏡、す
なわち、非直線動作やドリフトおよびＸＹＺ軸の干渉動
作がなく、繰り返し精度が高い、走査型プローブ顕微鏡
を提供する。 【構成】 走査型プローブ顕微鏡において、円筒型圧電
素子の自由端に具備され、前記自由端と一体となって動
作する立体構造体１０３と、前記立体構造体の周囲近傍
に、立体構造体１０３と接触することのないようにある
一定の隙間を保って設置固定され、参照基準位置を提供
する固定構造体１０４を有し、さらに、立体構造体１０
３と固定構造体１０４との複数の方向の隙間を随時測定
する隙間測定手段１０５と、隙間の変化情報を蓄積する
情報蓄積手段１１３と、隙間の変化情報から試料表面形
状を再現するコンピュータ１１４からなることを特徴と
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、円筒側面が湾曲す
ることにより水平方向のラスター走査を行い、円筒軸方
向に伸縮運動することにより垂直方向の駆動をする円筒
型圧電素子と、先鋭化された先端部を有するプローブを
備え、プローブと試料表面を相対的に走査することによ
り、試料表面の物理的情報を観察する走査型プローブ顕
微鏡（ＳＰＭ）に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡は、機械的もしく
は電子的探針（以下プローブと称す）で試料表面を走査
し、プローブと試料表面との間に働く相互作用を検出す
ることによって、試料表面の物理量をｎｍ（１０^-9ｍ）
以下の極めて高い分解能で観察する装置である。例え
ば、走査型プローブ顕微鏡の一つとして代表的な原子間
力顕微鏡（ＡＦＭ）では、マイクロカンチレバーと呼ば
れるプローブを用い、カンチレバー試料表面の間に働く
原子間力などを、カンチレバーのたわみ量変化という情
報で検出し、このたわみ量が一定となるように高さ方向
（以下、Ｚ方向と呼ぶ）に伸縮するスキャナに電圧を印
加する。この印加電圧を高さ情報とすることによって試
料の表面形状が再現され観察することが可能になる。こ
の走査型プローブ顕微鏡の装置は、主に圧電素子からな
るスキャナと、プローブと、プローブ変位検出装置とか
らなる。具体的な一例としては、スキャナの上に試料台
を設けて試料を載せ、プローブは試料表面直上に配置
し、プローブの上側にプローブ変位検出装置を配置す
る。観察は、試料をスキャナによって水平方向（以下、
ＸＹ方向と呼ぶ）にラスター走査（テレビのブラウン管
の走査方法に類似）をして行う、という構成が挙げられ
る。こうした構成を持つ走査型プローブ顕微鏡は、試料
表面の微小な範囲（１〜１００μｍ）を高分解能で観察
するには最適の装置である。

【０００３】図６は従来の走査型プローブ顕微鏡の構成
を示した模式図である。基盤５０１に円筒型圧電素子５
０２が中心軸を基盤５０１に垂直にして固定される。円
筒型圧電素子５０２の自由端側に試料台５０３が設置さ
れ、試料台５０３の上に試料５０４を搭載する。試料５
０４の上部にプローブ５０５が配置される。プローブ５
０５は、例えば原子間力顕微鏡においては、シリコンプ
ロセスで製作した片持ち梁（カンチレバー）であり、そ
の自由端に先鋭化された針（チップ）を形成する。

【０００４】基盤５０１は、試料５０４の表面とプロー
ブ５０５を接近させるためのＺ粗動ステージ５０６の上
に固定される。プローブ５０５の上方にはプローブ変位
検出手段５０７があり、プローブ変位検出手段５０７に
はフィードバック回路５０８が接続され、フィードバッ
ク回路５０８は円筒型圧電素子５０２に接続される。同
時に円筒型圧電素子５０２には、ＸＹ走査回路５０９が
接続される。

【０００５】試料５０４は円筒型圧電素子５０２によ
り、ＸＹ方向の走査およびＺ方向の微動駆動させること
が可能である。この駆動を可能とするために円筒型圧電
素子５０２の側面にはいくつかに分割された電極を形成
する。どの電極に電圧を印加するかを制御することによ
って、円筒型圧電素子５０２を屈曲あるいは伸縮させる
ことができる。一般的に、屈曲がＸＹ方向の動作であ
り、伸縮がＺ方向の動作として利用される。

【０００６】試料５０４とプローブ５０５との距離はプ
ローブ変位検出手段５０７によって検出される。プロー
ブ変位検出手段としては光てこや光干渉計を用いた方式
がある。試料５０４をＸＹ走査回路５０９によりＸＹ方
向にラスター走査しつつ、フィードバック回路５０８に
より円筒型圧電素子５０２にＺ方向の駆動電圧を印加
し、試料５０４とプローブ５０５の距離が常に一定にな
るように制御する。この制御信号とＸＹ走査信号をモニ
ター５１０に入力すれば、試料５０４の表面状態を画像
として再現することができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】以上に示したような従
来の走査型プローブ顕微鏡は、スキャナに圧電素子を利
用する関係上、分解能は非常に高い（水平方向０．１ｎ
ｍ、高さ方向０．０１ｎｍ）。走査型プローブ顕微鏡に
おける観察対象は、従来、金属表面の原子像や単分子膜
の分子配列などであり、装置の用途は試料表面の微細構
造観察・研究であった。こうした用途においては、圧電
素子の高い分解能は非常に有効である。

【０００８】一方、ここ数年、半導体ウェハ上のパター
ンの微細構造や、ディスクのスタンパやレプリカの表面
形状を高精度で測定する用途が要求されるようになっ
た。こうした用途ではＸＹ方向およびＺ方向に高い繰り
返し精度（１％以下）が必要とされる。すでに説明した
ような従来の走査型プローブ顕微鏡は、分解能は高いも
のの、圧電素子特有の非直線動作やドリフト等が原因
で、繰り返し精度は５％程度であり、１％以下という高
い繰り返し精度には対応することが出来ない。

【０００９】具体的には、従来の走査型プローブ顕微鏡
では、ＸＹ方向の走査は、オープンループ制御であり、
印加した駆動電圧とおりに圧電素子が変位することを前
提としている。実際には、圧電素子には非直線動作が存
在し、その変位量は駆動電圧には比例しない。これを解
決するために、駆動電圧と変位量を予め測定しておき、
圧電素子が直線的に動作するように駆動電圧の補正を行
っている。しかし、この方法では、環境温度変化や、経
過時間による変動を吸収することができない。

【００１０】また、ドリフトは駆動電圧を一定としてい
ても変位量が変化していく現象であり、これが原因とな
り、ＸＹ走査時に走査軸が徐々にずれていく場合があ
る。こうした場合、従来の走査型プローブ顕微鏡では、
ＸＹ軸は直交しているものとして画像を再現するため、
再現像に歪みを生じてしまう。

【００１１】さらに、円筒型圧電素子の特性として、円
筒肉厚のばらつきによって、高さ方向の伸縮動作時に水
平方向（ＸＹ方向）への干渉動作を発生し、微小変位を
生ずる場合がある。こうした場合も、従来の走査型プロ
ーブ顕微鏡およびＸＹ方法では、ＸＹ軸は変動しないも
のとして再現するため、測定断面に歪みを生じてしま
う。このような非直線動作やドリフトおよびＸＹＺ軸の
干渉動作が、従来の走査型プローブ顕微鏡の繰り返し精
度を劣化させる原因となっている。

【００１２】そこで、本発明の目的は、従来の走査型プ
ローブ顕微鏡の持つ上記のような課題を解決し、繰り返
し精度が高く、半導体パターンや光ディスクのスタンパ
のピット等の測定に好適な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】上述した課題を解決する
ために、本願発明は、先鋭化された先端部を有するプロ
ーブと試料表面を円筒型圧電素子によって相対的に走査
することにより、試料表面の物理的情報を観察する走査
型プローブ顕微鏡において、円筒型圧電素子の自由端に
具備され、前記自由端と一体となって動作する立体構造
体と、前記立体構造体の周囲近傍に前記立体構造体と隙
間を保って設けられ、参照基準位置を提供する固定構造
体と、前記立体構造体と前記固定構造体との複数の方向
の隙間を測定する隙間測定手段と、を備え、前記隙間測
定手段により測定された隙間の変化情報から試料表面形
状を再現することとした。

【００１４】さらに、測定対象となる方向が、前記円筒
型圧電素子が試料表面を走査する方向と同一であるこ
と、すなわち、ＸＹＺ座標で表される試料表面のＸ、Ｙ
方向およびＺ方向の３方向であることとした。

【００１５】また、前記立体構造体が、前記円筒型圧電
素子の走査方向（すなわちＸ、Ｙ、Ｚ方向の駆動軸方
向）に垂直な平滑面を有し、前記固定構造体が、前記立
体構造物の平滑面と隙間を介して対向する平滑面を有す
ることとした。さらに、前記立体構造体の平滑面と前記
固定構造体の平滑面の少なくとも一方に前記隙間測定手
段を設けることとした。ここで、前記固定構造体は、前
記立体構造物の平滑面と平行かつ同数の平滑面を有する
こととした。

【００１６】あるいは、先鋭化された先端部を有するプ
ローブと試料表面を円筒型圧電素子によって相対的に走
査し、水平方向での各位置での前記プローブと試料表面
の相互作用量を測定することにより試料表面の物理的情
報を観察する走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）におい
て、前記円筒型圧電素子にとりつけられ、かつ、前記圧
電素子の変位と共に変位する試料台あるいはプローブ取
り付け台のX、Y、Z方向の変位量を測定し、該変位量か
ら試料表面状態を求める構成とした。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明による走査型プローブ顕微
鏡は、円筒側面が湾曲することにより水平方向のラスタ
ー走査を行い、円筒軸方向に伸縮運動することにより垂
直方向の駆動をする円筒型圧電素子と、先鋭化された先
端部を有するプローブとを有し、プローブと試料表面を
相対的に走査することにより、試料表面の物理的情報を
観察する走査型プローブ顕微鏡であって、円筒型圧電素
子の自由端に一体となって動作するように円筒型圧電素
子に設けられた立体構造体と、立体構造体の一定の隙間
を保つように設けられ、参照基準位置を提供する固定包
囲構造体と、立体構造体と包囲構造体との複数の方向の
隙間を随時測定する隙間測定手段と、隙間の変化情報を
蓄積する情報蓄積手段と、隙間の変化情報から試料表面
形状を再現するコンピュータを備える構成である。

【００１８】また、本発明による走査型プローブ顕微鏡
は、先鋭化された先端部を有するプローブと試料表面を
円筒型圧電素子によって相対的に走査し、水平方向での
各位置でのプローブと試料表面の相互作用量を測定する
ことにより試料表面の物理的情報を観察する走査型プロ
ーブ顕微鏡（ＳＰＭ）において、円筒型圧電素子に取り
付けられ、かつ、この圧電素子の変位と共に変位する試
料台あるいはプローブ取り付け台のＸ、Ｙ、Ｚ方向の変
位量を測定し、該変位量から試料表面状態を求める構成
である。

【００１９】このような構成により、円筒型圧電素子１
０２の自由端すなわち試料の実際の移動量が測定でき、
これに基づいて試料の表面形状を再現するため、圧電素
子の非直線動作やドリフトおよびＸＹＺ軸の干渉動作に
影響されない正確な画像を得ることができる。

【００２０】

【実施例】以下に、本発明の実施例について図に基づい
て説明する。 （１）第１の実施例 図１は、本発明の走査型プローブ顕微鏡のうち、第１の
実施例を示した模式図である。なお、試料に平行な面を
Ｘ、Ｙ方向とし、試料の高さ方向をＺ方向として図示す
る。

【００２１】円筒型圧電素子１０２は、その中心軸が基
盤１０１と垂直になるように固定される。円筒型圧電素
子１０２の側面にはいくつかに分割された電極が形成さ
れている。そのため、その自由端をＸ、Ｙ、Ｚ方向に駆
動させることが可能である。円筒型圧電素子１０２の自
由端に立体構造体１０３が固定される。本図では立体構
造体１０３は円盤形状を有し、円筒型圧電素子１０２の
中心軸と同軸の中心軸を持つ。立体構造体１０３の外側
に、立体構造体１０３と接触することのないようにある
一定の隙間を保って固定構造体１０４が設置される。固
定構造体１０４は円筒型圧電素子１０２の固定されてい
る基盤１０１に固定される。立体構造体１０３は、円筒
型圧電素子１０２の走査軸方向（すなわち、Ｘ、Ｙ、Ｚ
軸方向）に対してそれぞれ垂直な平滑面を有する。固定
構造体１０４はこの３つの平滑面のそれぞれに対して平
行な平滑面を備える。

【００２２】立体構造体１０３または固定構造体１０４
のいずれか一方の平滑面には隙間測定手段が具備され
る。本実施例では、固定構造体１０４に隙間測定手段１
０５が設けられている。測定対象となる隙間の方向は、
円筒型圧電素子１０２が試料表面を走査する方向と同一
方向であり、従って、隙間測定手段１０５は、Ｘ、Ｙお
よびＺ方向の３方向を測定可能となるように備えられ
る。ここで、隙間測定手段１０５としては例えば静電容
量式センサーが挙げられる。静電容量式センサーの測定
端面を固定構造体１０４の平滑面に一致させることによ
りそのセッティングを簡便に行うことができる。

【００２３】立体構造体１０３の上には試料台１０６が
設置される。本図では立体構造体１０３と試料台１０６
は別構造であるが、立体構造体１０３が試料台１０６を
兼ねる構造も、もちろん可能である。

【００２４】試料台１０６の上に試料１０７を搭載す
る。試料１０７の上部にプローブ１０８が配置される。
プローブ１０８は、例えば原子間力顕微鏡においては、
シリコンプロセスで製作した片持ち梁（カンチレバー）
であり、その自由端には先鋭化された針（チップ）が形
成される。

【００２５】基盤１０１は、試料１０７の表面とプロー
ブ１０８の先端を接近させるためのＺ粗動ステージ１０
９の上に固定される。

【００２６】プローブ１０８の上方にはプローブ変位検
出手段１１０があり、プローブ変位検出手段１１０には
フィードバック回路１１１が接続され、フィードバック
回路１１１は円筒型圧電素子１０２のＺ電極に接続され
る。同時に円筒型圧電素子１０２のＸＹ電極には、ＸＹ
走査回路１１２が接続される。

【００２７】隙間測定手段１０５によって測定された隙
間寸法の情報は、情報蓄積手段１１３に蓄えられる。情
報蓄積手段１１３にはコンピュータ１１４が接続され、
コンピュータ１１４にはモニター１１５が接続される。

【００２８】次に動作を説明する。

【００２９】今、ＸＹ走査回路１１２により円筒型圧電
素子１０２のＸＹ電極に電圧を入力し、円筒型圧電素子
１０２に屈曲運動を励起させる。入力電圧を制御するこ
とにより円筒型圧電素子１０２の自由端に搭載される試
料１０７がＸＹ方向にラスター走査される。この時に、
試料１０７に近接されたプローブ１０８は、試料１０７
の表面との相互作用により、試料１０７の形状に合わせ
て高さ方向（Ｚ方向）に曲がり変形を起こす。この変形
量はプローブ変位検出手段１１０によって検出される。
ここで得られる変位信号は、フィードバック回路１１１
に入力され、フィードバック回路１１１は、プローブ１
０８の変形量が常に一定となるように円筒型圧電素子１
０２のＺ電極に制御電圧信号を印加する。従来の走査型
プローブ顕微鏡では、すでに説明しているように、Ｚ電
極に印加する制御電圧信号とＸＹラスター走査信号をモ
ニター１１５に入力すれば、試料１０７の表面形状を画
像として再現することができる。

【００３０】本願発明では、Ｚ電極に印加する制御電圧
信号とＸＹラスター走査信号から直接に試料１０７の表
面形状を再現しない。円筒型圧電素子１０２の自由端の
動作は、立体構造体１０３と固定構造体１０４との間の
隙間の変化状態として知ることができる。隙間の変化
は、ＸＹＺの各方向について隙間測定手段１０５によっ
て測定され、測定値が情報として情報蓄積手段１１３に
蓄積される。この情報を基にコンピュータ１１４によっ
て３次元画像を再構成すれば、この３次元画像がすなわ
ち試料１０７の表面形状となる。

【００３１】ここで、従来の走査型プローブ顕微鏡の圧
電素子のドリフトによる画像への影響と、本願発明によ
って得られる画像について説明する。図２（ａ）は測定
されるべき形状とＸＹ座標を示したもの、図２（ｂ）は
従来の走査型プローブ顕微鏡で得られる形状像、図２
（ｃ）は本願発明の走査型プローブ顕微鏡で得られる形
状像である。図２（ａ）において、Ｘ軸方向への動作時
にのみドリフトが発生する例を示す。固定されたＸＹ軸
で囲まれた四角形が、従来の走査型プローブ顕微鏡にお
いて圧電素子が動作すると設定される走査領域である。
一点鎖線は実際の圧電素子のＸＹ軸であり、これらの線
で囲まれた四角形が走査領域となる。測定される形状像
は、圧電素子のZ軸の変化により得られる。ここでは、
凹み形状の２個のピットを例とする。最初のピットが記
録されるタイミングをＴｘ１、２個目のピットが記録さ
れるタイミングをＴｘ２とする。記録タイミングは、走
査線の起点からの時間であるから、２つのピットがＹ軸
方向に一直線にならんでいても、その起点がドリフトし
てずれていけば、記録タイミングは異なる。

【００３２】図２（ａ）では、Ｔｘ１＞Ｔｘ２である。
この結果を固定されたＸＹ軸に当てはめると、図２
（ｂ）に示すようにピット配置が歪んでしまう。これが
従来の走査型プローブ顕微鏡で得られる形状像である。
これに対して、本願発明の走査型プローブ顕微鏡では、
Ｘ軸がドリフトしていく様子も測定されるため、実際の
ＸＹ軸にＴｘ１、Ｔｘｔ２のタイミングを重ねることが
出来る。この結果として、図２（ｃ）に示すように正確
なピット位置を再現することができる。

【００３３】次に、従来の走査型プローブ顕微鏡におけ
る圧電素子のＸＹＺ軸の干渉動作による影響を図３に示
す。円筒型圧電素子の特性として、円筒肉厚のばらつき
によって、高さ方向の伸縮動作時に、水平方向（ＸＹ方
向）への干渉動作を発生し、微小変位を生ずる場合があ
る。こうした場合も、従来の走査型プローブ顕微鏡で
は、ＸＹ軸は変動しないものとして再現されるため、測
定断面に歪みを生じてしまう。図３においては、ピット
の凹みをプローブの先端でトレースする様子を示す。太
い実線が実際のピット形状、一点鎖線が、干渉動作のな
い理想的なトレースライン、細い実線は干渉動作がある
場合のトレースラインである。この例ではＺ軸を動作し
た時にＸ軸方向へ干渉動作をする場合を示す。

【００３４】なお、ここでは、プローブ先端の動きは、
円筒型圧電素子の自由端の動きそのものであると考え
る。

【００３５】ここでｈ１を干渉動作の発生しない高さと
する。この時のＸ座標をＸａ１、Ｘｅ１とする。Ｘａ１
は実際の圧電素子のＸ座標であり、本願発明の走査型プ
ローブ顕微鏡で利用されるものである。Ｘｅ１は印加電
圧より決定されるＸ座標であり、予め求められる式に基
づいて計算される。こちらは従来の走査型プローブ顕微
鏡で利用される座標である。

【００３６】次に、プローブが移動し、ｈ２の高さでピ
ットの底面に接触する際、プローブは圧電素子の干渉動
作により、例えば、矢印で示すような動作をする。この
時、実際の圧電素子のＸ座標はＸａ２であるが、印加電
圧より決定されるＸ座標はＸｅ２である。従来の走査型
プローブ顕微鏡ではＸｅ２の座標がピット底面の位置で
あると判断される。

【００３７】最後に、プローブがｈ３の高さで再びピッ
ト上面に到達すると考える。このとき、実際の圧電素子
のＸ座標はＸａ３であり、印加電圧より決定されるＸ座
標はＸｅ３である。

【００３８】Ｘａ１、Ｘａ２、Ｘａ３とｈ１、ｈ２、ｈ
３の高さをプロットすれば一点鎖線で表すようなライン
が得られる。このラインは、実際の圧電素子先端の動作
を示し、本願発明の走査型プローブ顕微鏡で得られる断
面像である。また、Ｘｅ１、Ｘｅ２、Ｘｅ３とｈ１、ｈ
２、ｈ３の高さプロットすれば細い実線で表すようなラ
インが得られる。このラインで再現される断面像は、従
来の走査型プローブ顕微鏡で得られるものであり、実際
のピット断面形状とは異なる、歪んだものとなる。

【００３９】このような非直線動作やドリフトおよびＸ
ＹＺ軸の干渉動作が、従来の走査型プローブ顕微鏡の繰
り返し精度を劣化させる原因となっている。

【００４０】本願発明では、円筒型圧電素子１０２の自
由端すなわち試料の実際の移動量を測定し、これを元に
試料表面形状を再現するため、圧電素子の非直線動作や
ドリフトおよびＸＹＺ軸の干渉動作に影響されない正確
な画像を得ることができる。

【００４１】なお、本実施例では、試料１０７を円筒型
圧電素子１０２によって走査する構成を示したが、円筒
型圧電素子１０２を上側に配置し、プローブ１０８を走
査する構成も可能である。 （２）第２の実施例 図４は、本発明の走査型プローブ顕微鏡のうち、第２の
実施例を示した模式図である。

【００４２】円筒型圧電素子１０２は中心軸を基盤１０
１と垂直になるよう基盤１０１に固定される。円筒型圧
電素子１０２の自由端に、側面に貫通孔を有する筒体１
１６を介して立体構造体１０３が固定される。本図では
立体構造体１０３は円盤形状をなし、円筒型圧電素子１
０２の中心軸と同軸の中心軸を有している。立体構造体
１０３の外側に、立体構造体１０３と接触することのな
いようにある一定の隙間を保って固定構造体１０４が設
置される。立体構造体１０３は、円筒型圧電素子１０２
の駆動軸方向、すなわち、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向に対して垂
直な平滑面を有する。この３つの平滑面のそれぞれに対
して、固定構造体１０４は３つの平行な平滑面を備えて
いる。

【００４３】固定構造体１０４は、その内側を水平方向
隙間補償手段１１７によって接続されている。水平方向
隙間補償手段１１７は、複数の梁で構成されており、筒
体１１６の貫通孔を非接触に通過してスポーク状に包囲
構造体１０４の内側を支えている。その熱膨張係数は包
囲構造体１０４と同じである。望ましくは、同じ材質を
用いる。筒体１１６もまた、固定構造体１０４と同じで
ある。

【００４４】固定構造体１０４と基盤１０１は、高さ方
向隙間補償手段１１８により接続されている。高さ方向
隙間補償手段１１８は、円筒型圧電素子１０２と同軸の
中空円筒形状をしており、その高さおよび熱膨張係数
は、円筒型圧電素子１０２と等しい。

【００４５】立体構造体１０３または固定構造体１０４
のいずれか一方の平滑面には隙間測定手段１０５が具備
される。本実施例では、固定構造体１０４側に隙間測定
手段１０５が設けられている。測定対象となる隙間の方
向は、円筒型圧電素子１０２が試料表面を走査する方向
と同一方向であり、従って、隙間測定手段１０５は、
Ｘ、ＹおよびＺ方向の３方向を測定可能となるように備
えられる。その他の構成については、第１の実施例と同
じである。

【００４６】ここで、周囲の熱変化により材料が膨張収
縮する場合を考える。立体構造体１０３と固定構造体１
０４および水平方向隙間補償手段１１７は、同じ熱膨張
係数の材質からなり、例えば、アルミニウムやステンレ
ス等の金属である。立体構造体１０３と固定構造体１０
４および水平方向隙間補償手段１１６は、周辺温度の変
化、例えば温度上昇により、円筒型圧電素子１０２の中
心軸を中心に、放射状に膨張する。すなわち、立体構造
体１０３と固定構造体１０４および水平方向隙間補償手
段１１６は、その中心軸に垂直な放射方向、すなわちＸ
Ｙ方向には等しく膨張し、その結果、立体構造体１０３
と固定構造体１０４の隙間は周囲の熱に関わらず常に一
定となる。立体構造体１０３と固定構造体１０４は、そ
れぞれ筒体１１６と高さ方向隙間補償手段１１８に接続
されているが、その接続部は水平方向の拘束はなく、こ
のため、立体構造体１０３と固定構造体１０４が放射状
に膨張しても、筒体１１６と高さ方向隙間補償手段１１
８に応力を与えるものではない。

【００４７】一方、基盤１０１と円筒型圧電素子１０
２、および高さ方向隙間補償手段１１７は、同じ熱膨張
係数の材質からなり、例えば、ＰＺＴである。ＰＺＴは
セラミクスであるため、金属より小さい膨張係数を有す
る。円筒型圧電素子１０２、および高さ方向隙間補償手
段１１７は軸方向に長いため、温度上昇により高さ方向
の伸びが顕著である。しかしながら、円筒型圧電素子１
０２と高さ方向隙間補償手段１１８は、同じ材質であ
り、全長が伸びても、その自由端面、すなわち、立体構
造体１０３、固定構造体１０４が搭載される高さは等し
くなる。

【００４８】隙間測定手段１０５は、固定構造体１０４
に固定されている。このうち高さ方向の隙間を測定する
手段を高さ方向隙間測定手段１０５（ａ）とする。高さ
方向隙間測定手段１０５（ａ）は、固定構造体１０４の
伸びに合わせて固定構造体１０４の自由端側、すなわ
ち、図中では上に向かって上昇する。

【００４９】一方、立体構造体１０３と筒体１１６も、
固定構造体１０４と同じ熱膨張係数を有しているため、
同様に伸びる。この結果、立体構造体１０３は、高さ方
向隙間測定手段１０５（ａ）と同じ量だけ、図中上に向
かって上昇する。前述のように立体構造体１０３と固定
構造体１０４の搭載される高さは等しいため、伸びの起
点は同じであり、したがって、結果として、立体構造体
１０３と高さ方向隙間測定手段１０５（ａ）の隙間は、
周辺温度の変化に関わらず一定である。

【００５０】以上のような構成とすることにより、周辺
温度の変化によらず立体構造体１０３と固定構造体１０
４の隙間を一定とすることができる。したがって、温度
ドリフトのない安定した走査型プローブ顕微鏡を提供す
ることができる。その他の効果は、実施例1と変わりな
い。

【００５１】なお、本実施例においても第１の実施例と
同様に、円筒型圧電素子１０２を上側に配置し、プロー
ブ１０８を走査する構成も可能である。 （３）第３の実施例 図５は、本発明の走査型プローブ顕微鏡のうち、第３の
実施例を示した模式図である。基盤１０１に円筒型圧電
素子１０２が中心軸を基盤１０１と垂直に固定される。
第１、第２の実施例とは異なり、円筒型圧電素子１０２
は上から吊される格好となる。基盤１０１はＺ粗動ステ
ージ１０９下に固定される。円筒型圧電素子１０２の自
由端に、立体構造体１０３が固定される。立体構造体１
０３の外側に、立体構造体１０３と接触することのない
ようにある一定の隙間を保って固定構造体１０４が設置
される。立体構造体１０３は、円筒型圧電素子１０２の
駆動軸方向、すなわち、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向に対して垂直
な平滑面を有する。この３つの平滑面のそれぞれに対し
て、固定構造体１０４は３つの平行な平滑面を備える。

【００５２】立体構造体１０３または固定構造体１０４
のいずれか一方の平滑面には隙間測定手段１０５が具備
される。本実施例では、固定構造体１０４側に隙間測定
手段１０５が備わる。測定対象となる隙間の方向は、円
筒型圧電素子１０２が試料表面を走査する方向と同一方
向であり、したがって、隙間測定手段１０５は、Ｘ、Ｙ
およびＺ方向の３方向を測定可能となるように備えられ
る。隙間測定手段１０５としては例えば静電容量式セン
サーが挙げられる。

【００５３】固定構造体１０４のうち、隙間測定手段１
０５が具備される部分の近傍には隙間調整手段１１９が
設置されている。隙間調整手段１１９は、隙間の間隔を
調整する方向に移動可能となっている。構造としては例
えば、1軸のスライド式ステージなどが挙げられる。

【００５４】円筒型圧電素子１０２の自由端部、すなわ
ち立体構造体１０３の最先端部にプローブ１０８が固定
される。

【００５５】プローブ１０８の下方に試料１０７と、そ
れを搭載する試料台１０６が設置される。第１、第２の
実施例とは異なり、試料台１０６と試料１０７は動かす
必要がなく、固定される。プローブ１０８の上方にはプ
ローブ変位検出手段１１０があり、プローブ変位検出手
段１１０にはフィードバック回路１１１が接続され、フ
ィードバック回路１１１は円筒型圧電素子１０２のＺ電
極に接続される。同時に、円筒型圧電素子１０２のＸＹ
電極にはＸＹ走査回路１１２が接続される。

【００５６】隙間測定手段１０５によって測定された隙
間寸法の情報は、情報蓄積手段１１３に蓄えられる。情
報蓄積手段１１３にはコンピュータ１１４が接続され、
コンピュータ１１４にはモニター１１５が接続される。

【００５７】本実施例の動作については、プローブ１０
８を試料１０７に対して走査させる点が、第１、第２の
実施例とは異なるが、発揮される効果については何ら変
わるところはない。

【００５８】

【発明の効果】この発明は、以上説明したように、先鋭
化された先端部を有するプローブと試料表面を相対的に
走査することにより、試料表面の物理的情報を観察する
走査型プローブ顕微鏡において、円筒型圧電素子の自由
端と一体となって動作するように前記自由端に設けられ
た立体構造体と、前記立体構造体の周囲近傍に前記立体
構造体と接触することのないようにある一定の隙間を保
って設置固定され、参照基準位置を提供する固定構造体
と、前記立体構造体と前記固定構造体との複数の方向の
隙間を随時測定する隙間測定手段と、前記隙間の変化情
報を蓄積する情報蓄積手段と、前記隙間の変化情報から
試料表面形状を再現するコンピュータを備える構成とし
た。

【００５９】このような構成とすることにより、圧電素
子特有の非直線動作やドリフトおよびＸＹＺの干渉動作
に影響されず、したがって、繰り返し精度が高く、半導
体パターンや光ディスクのスタンパのピット等の測定に
好適な走査型プローブ顕微鏡を提供することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による走査型プローブ顕微鏡の構成の一
例を示した模式図である。

【図２】走査型プローブ顕微鏡の圧電素子のドリフトに
よる画像への影響の一例を説明した模式図である。

【図３】走査型プローブ顕微鏡の圧電素子のＸＹＺ軸の
干渉動作による画像への影響の一例を説明した模式図で
ある。

【図４】本発明の走査型プローブ顕微鏡のうち、第２実
施例の構成の一例を示した模式図である。

【図５】本発明の走査型プローブ顕微鏡のうち、第３実
施例の構成の一例を示した模式図である。

【図６】従来の走査型プローブ顕微鏡の実施例を示した
模式図である。

【符号の説明】

１０１ 基盤 １０２ 円筒型圧電素子 １０３ 立体構造体 １０４ 固定構造体 １０５ 隙間測定手段 １０５（ａ）高さ方向隙間測定手段 １０６ 試料台 １０７ 試料 １０８ プローブ １０９ Ｚ粗動手段 １１０ プローブ変位検出手段 １１１ フィードバック回路 １１２ ＸＹ走査回路 １１３ 情報蓄積手段 １１４ コンピュータ １１５ モニター １１６ 筒体 １１７ 水平方向隙間補償手段 １１８ 高さ方向隙間補償手段 １１９ 隙間調整手段 ６０１ 基盤 ６０２ 円筒型圧電素子 ６０３ 試料台 ６０４ 試料 ６０５ プローブ ６０６ Ｚ粗動手段 ６０７ プローブ変位検出手段 ６０８ フィードバック回路 ６０９ ＸＹ走査回路 ６１０ モニター

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宮谷 竜也 千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地 セ イコーインスツルメンツ株式会社内 Ｆターム(参考） 2F069 AA44 AA57 AA60 AA64 BB15 DD12 EE02 EE26 GG04 GG06 GG07 GG62 HH04 HH30 JJ08 JJ15 LL03 MM02 MM23 MM32 MM34 PP02

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 先鋭化された先端部を有するプローブと
   試料表面を円筒型圧電素子によって相対的に走査するこ
   とにより、試料表面の物理的情報を観察する走査型プロ
   ーブ顕微鏡であって、 前記円筒型圧電素子の自由端に具備され、前記自由端と
   一体となって動作する立体構造体と、 前記立体構造体の周囲近傍に前記立体構造体と隙間を保
   って設けられ、参照基準位置を提供する固定構造体と、 前記立体構造体と前記固定構造体との複数の方向の隙間
   を測定する隙間測定手段と、を備えるとともに、 前記隙間測定手段により測定された隙間の変化情報から
   試料表面形状を再現することを特徴とする走査型プロー
   ブ顕微鏡。
2. 【請求項２】 測定対象となる方向が、前記円筒型圧電
   素子が試料表面を走査する方向と同一であることを特徴
   とする請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
3. 【請求項３】 前記立体構造体が、前記円筒型圧電素子
   の走査方向に垂直な平滑面を有し、前記固定構造体が、
   前記立体構造物の平滑面と隙間を介して対向する平滑面
   を有し、前記立体構造体の平滑面と前記固定構造体の平
   滑面の少なくとも一方に前記隙間測定手段が設けられた
   ことを特徴とする請求項２または３に記載の走査型プロ
   ーブ顕微鏡。
4. 【請求項４】 前記固定構造体が、前記隙間の隙間量を
   調整する隙間調整手段を有することを特徴とする請求項
   １または３に記載の走査型プローブ顕微鏡。
5. 【請求項５】 前記立体構造体と前記固定構造体の少な
   くとも一方が熱膨張による隙間変化を補償する隙間補償
   手段を含むことを特徴とする請求項１または４に記載の
   走査型プローブ顕微鏡。
6. 【請求項６】 前記立体構造体の平滑面と前記固定構造
   体の平滑面は、前記隙間の平行度を調整する際の治具も
   兼ねることを特徴とする請求項３または５に記載の走査
   型プローブ顕微鏡。
7. 【請求項７】 前記立体構造体は、前記円筒型圧電素子
   と同軸の円盤形状をなしており、前記固定構造体は、前
   記円筒型圧電素子と同軸の中空円筒形状をなし、かつ、
   内筒を梁状の水平方向隙間補償手段で支え、 前記立体構造体と、前記固定構造体および前記水平方向
   隙間補償手段は等しい熱膨張係数を有し、 前記立体構造体および前記固定構造体は、それぞれ前記
   円筒型圧電素子および高さ方向隙間測定手段の上に搭載
   され、前記円筒型圧電素子および高さ方向隙間測定手段
   は等しい熱膨張係数を有することを特徴とする請求項６
   記載の走査型プローブ顕微鏡。
8. 【請求項８】 前記隙間測定手段が静電容量センサーで
   あることを特徴とする請求項７記載の走査型プローブ顕
   微鏡。
9. 【請求項９】 先鋭化された先端部を有するプローブと
   試料表面を円筒型圧電素子によって相対的に走査し、水
   平方向での各位置での前記プローブと試料表面の相互作
   用量を測定することにより試料表面の物理的情報を観察
   する走査型プローブ顕微鏡において、前記円筒型圧電素
   子に取り付けられ、かつ、前記圧電素子の変位と共に変
   位する試料台あるいはプローブ取り付け台のＸ、Ｙ、Z
   方向の変位量を測定し、該変位量から試料表面状態を求
   める事を特徴とする走査型プローブ顕微鏡。