JP2003014605A

JP2003014605A - 走査型プローブ顕微鏡

Info

Publication number: JP2003014605A
Application number: JP2001198871A
Authority: JP
Inventors: Naoko Hisada; 菜穂子久田; Takeshi Yamagishi; 毅山岸
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2001-06-29
Filing date: 2001-06-29
Publication date: 2003-01-15

Abstract

(57)【要約】【課題】凹凸の激しい試料に対しても、測定時間を長く
することなく、正確な三次元形状測定を行なえる走査型
プローブ顕微鏡を提供する。【解決手段】走査型プローブ顕微鏡は、試料１０２が載
せられる試料台１０４と、試料台１０４をＺ軸に沿って
移動させるためのＺスキャナー１０６と、試料台１０４
をＸ軸とＹ軸に沿って移動させるためのＸＹスキャナー
１０８と、試料１０２との相互作用を検出するためのカ
ンチレバー１１２と、カンチレバー１１２の変位を検出
するためのＺセンサー１１６と、Ｚスキャナー１０６を
制御するためのＺ制御部１１８と、ＸＹスキャナー１０
８を制御するためのＸＹ制御部１３０とを備えている。
ＸＹ制御部１３０は、予備測定で得られる試料１０２の
形状データを記憶するためのメモリー１３２と、その試
料形状データに基いて修正された走査波形を生成するた
めの走査波形生成部１３４とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、試料の表面情報を
測定す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、ナノメートル
以下の感度を持つことから、半導体をはじめとし、微小
領域における表面情報、特に三次元形状を評価する装置
として広く使用されている。

【０００３】従来の走査型プローブ顕微鏡の構成を図６
に示す。試料６０２は試料台６０４上に置かれ、試料台
６０４はＸＹスキャナー６０８とＺスキャナー６０６上
にあり三次元方向に移動可能となっている。ここでＸＹ
スキャナー６０８およびＺスキャナー６０６は、微小移
動が可能な圧電体駆動ステージにより構成され、各軸、
印加する電圧におよそ比例して変位を発生する。

【０００４】カンチレバー６１２は試料６０２に極近接
して配置され、カンチレバー６１２と試料６０２との間
に働く相互作用、例えば原子間力をカンチレバー６１２
の撓みとして、Ｚセンサー６１６が検出するようになっ
ている。Ｚセンサー６１６の出力はＺ制御部６１８に送
られ、Ｚ制御部６１８はＺセンサー６１６の出力が一定
になるように、即ち、カンチレバー６１２と試料６０２
の間に働く力を一定となるようにＺスキャナー６０６を
移動させる。一方、ＸＹスキャナー６０８には走査波形
生成部６３４からの駆動信号が送られ、これにより試料
６０２をカンチレバー６１２に対し、水平方向に走査さ
せる。このようにＺ制御を行いつつＸＹ（水平）方向に
走査を行うことで、カンチレバー６１２は試料６０２の
表面をなぞって動く。

【０００５】このときのＺスキャナーの動きを変位セン
サー６２２にて測定し、ＸＹスキャナー６０８の位置に
同期させてＣＰＵ６２８に取り込むことで、試料６０２
の表面トレース情報を得ることが出来る。上述のように
原子間力によるカンチレバー６１２の撓みを制御対象と
するなら、得られる情報は試料６０２の三次元形状情報
である。

【０００６】スキャナー移動量は、例えば光波干渉計や
静電容量センサの如き高分解能変位センサを用いて、よ
り正確な形状情報を得ることが行われている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】走査波形生成部６３４
の一例を図７に示す。パルス発生器６４２は、設定され
た数のパルス列をクロック信号に基づき生成する。ＵＰ
／ＤＯＷＮカウンター６４０は、パルス発生器６４２の
出力パルスＰＬＳとカウント方向を示すＤＩＲに従い計
数を行う。カウンター６４０の出力はＤ／Ａ６５０にて
デジタルから概三角波状のアナログ波形に変換され、高
圧アンプ６５２を介してスキャナーに印加される。

【０００８】このようにＸＹ（水平）方面に走査しなが
らＺ制御を行い、この間のスキャナーの動きを取得する
ことにより、試料の三次元計測が可能となるのである。
当然のことながら、パルス列の周波数が早いほど短時間
での測定が可能となる。

【０００９】しかしながら、従来の走査型プローブ顕微
鏡には、以下に示すような問題点がある。凹凸の激しい
試料や比較的大きな段差を持つ試料に対しては、Ｚ制御
部６１８の制御能力が追いつけず、Ｚセンサー６１６の
出力を一定に保つことが出来ない、すなわち、カンチレ
バー６１２が充分に試料６０２の表面に追従できなくな
ることがある。

【００１０】図８はこの様子を概略的に示している。図
８（ａ）に示されるように、比較的大きな段差を持つ試
料に対して、その段差を横切る一本の走査線に沿った走
査を考える。

【００１１】図８（ｂ）において、破線は、カンチレバ
ー６１２が試料６０２の表面を充分に追従できた場合の
測定結果を示しており、実線は、カンチレバー６１２が
試料６０２の表面を充分に追従できず、その結果として
制御残りがある場合の測定結果を示している。実線のデ
ータは、走査方向に遅れを持つような形状となり、得ら
れる形状情報には誤差が含まれ、正確な三次元情報でな
くなっている。

【００１２】このような場合、ＸＹ方向の走査速度を充
分に遅くすれば、カンチレバー６１２は試料表面を正確
に追従できるが、その反面、一度の測定に要する時間が
長くなってしまう。

【００１３】測定時間の長さはスループットが悪いとい
う点はもとより、温度や気圧の安定、操作者や周辺にあ
る機器から発する音響振動の低減等、精密な測定に対し
有害な測定環境要因の排除を長時間にわたって確保する
必要が出てくるが、これら全てを長時間安定、排除する
ことは極めて難しい。

【００１４】本発明は、このような現状を考慮して成さ
れたものであり、その目的は、凹凸の激しい試料や比較
的大きな段差を持つ試料に対しても、測定時間を長くす
ることなく、正確な三次元形状測定を行なえる走査型プ
ローブ顕微鏡を提供することである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、ひとつには、
カンチレバーのＺ変位を検出するＺセンサー信号に基づ
いてカンチレバーと試料間の距離を制御するＺ制御部を
有し、水平方向に走査を行うことにより試料の三次元形
状データを取得する走査型プローブ顕微鏡であり、試料
形状データを記憶するための記憶手段と、記憶手段に記
憶された試料形状データに基づいて修正された走査波形
を生成するための走査波形生成部とを有していることを
特徴とする。

【００１６】本発明は、またひとつには、カンチレバー
のＺ変位を検出するＺセンサー信号に基づいてカンチレ
バーと試料間の距離を制御するＺ制御部を有し、水平方
向に走査を行うことにより試料の三次元形状データを取
得する走査型プローブ顕微鏡であり、試料形状データを
記憶するとともに、記憶した試料形状データを前記Ｚ制
御部からの信号に加算して出力する波形生成部を有して
いることを特徴とする。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施の形態について説明する。

【００１８】第一実施形態本発明の第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡の構成を
図１に示す。

【００１９】図１に示されるように、本実施形態の走査
型プローブ顕微鏡は、試料１０２が載せられる試料台１
０４と、試料台１０４をＺ軸に沿って移動させるための
Ｚスキャナー１０６と、試料台１０４をＸ軸とＹ軸に沿
って移動させるためのＸＹスキャナー１０８と、試料１
０２との相互作用を検出するためのカンチレバー１１２
と、カンチレバー１１２の変位を検出するためのＺセン
サー１１６と、Ｚセンサー１１６からのＺセンサー信号
に従ってＺスキャナー１０６を制御するためのＺ制御部
１１８と、ＸＹスキャナー１０８を制御するためのＸＹ
制御部１３０とを備えている。

【００２０】カンチレバー１１２は、弾性的変形可能
で、片持ちに支持されており、その自由端にプローブす
なわち探針１１４を備えている。探針１１４は試料１０
２に対して、探針先端と試料表面の原子間に相互作用、
例えば原子間力が発生する距離に近づけられる。探針１
１４と試料の間に作用する原子間力はカンチレバー１１
２を特にＺ軸に沿って変形させる。カンチレバー１１２
のＺ軸に沿った変形すなわちＺ変位は原子間力の大きさ
に依存する。

【００２１】Ｚセンサー１１６は、このカンチレバー１
１２のＺ変位を検出し、このＺ変位を示すＺセンサー信
号を出力する。Ｚセンサー１１６から出力されるＺセン
サー信号は、カンチレバー１１２のＺ変位を示してお
り、従って、探針１１４と試料１０２の間に作用する原
子間力を反映している。Ｚ制御部１１８は、Ｚセンサー
１１６から入力されるＺセンサー信号に従って、例えば
Ｚセンサー信号を一定に保つように、Ｚスキャナー１０
６を制御する。

【００２２】試料１０２は、その表面の所定の領域内の
多数の点が探針１１４の下を通過するように、ＸＹスキ
ャナー１０８によってＸ軸とＹ軸に沿って移動される。
つまり、試料１０２に対して探針１１４がＸＹ走査され
る。このＸＹ走査の間、試料１０２は、Ｚセンサー１１
６からのＺセンサー信号が一定に保たれるように、Ｚ制
御部１１８とＺスキャナー１０６によってＺ軸に沿って
移動される。つまり、試料１０２に対して探針１１４が
Ｚ走査される。

【００２３】この制御の結果、試料１０２に対する探針
１１４の先端の相対的な軌跡は、試料１０２の前述の所
定の領域の表面形状を反映している。つまり、探針先端
は、試料１０２に対して、試料１０２の前述の所定の領
域に平行な曲面上を、すなわち前述の所定の領域と同じ
凹凸を持つ曲面上を移動する。

【００２４】走査型プローブ顕微鏡は、ＸＹスキャナー
１０８の変位を検出するためのＸＹ変位検出器１２４
と、Ｚスキャナー１０６の変位を検出するためのＺ変位
検出器１２２と、ＸＹ変位検出器１２４からのＸＹ位置
情報とＺ変位検出器１２２からのＺ位置情報とを処理す
るＣＰＵ１２６とを更に備えている。

【００２５】ＸＹ変位検出器１２４は、ＸＹスキャナー
１０８の変位信号すなわち試料１０２に対する探針１１
４のＸＹ位置情報を出力し、Ｚ変位検出器１２２は、Ｚ
スキャナー１０６の変位情報すなわち試料１０２に対す
る探針１１４のＺ位置情報を出力する。ＣＰＵ１２６
は、入力されるＸＹ位置情報とＺ位置情報とを同期して
処理することにより、試料１０２の表面形状を示す三次
元形状データを得る。この三次元形状データは、例えば
画像化され、モニターに表示される。

【００２６】走査型プローブ顕微鏡による測定では、通
常、試料の位置決めや位置の確認のために、実際の測定
の前に何回かの予備測定が行なわれる。これは光学顕微
鏡では観察できない微小範囲の測定を行なう走査型プロ
ーブ顕微鏡ゆえに必要な手順である。この予備測定の時
点で試料１０２のおおよその表面形状が分かる。

【００２７】ＸＹ制御部１３０は、この予備測定におい
て得られる試料１０２のおおよその表面形状の情報を利
用して、ＸＹスキャナー１０８の制御を行なう、つま
り、ＸＹ走査の速度を変更する。具体的には、凹凸の激
しい箇所では走査速度を遅くする一方、凹凸の少ない箇
所では走査速度を早くする。

【００２８】このため、ＸＹ制御部１３０は、予備測定
において得られる試料１０２の形状データを記憶するた
めの第一のメモリー１３２と、第一のメモリー１３２に
記憶されている試料形状データに基いて修正された走査
波形を生成するための走査波形生成部１３４とを備えて
いる。ＸＹ制御部１３０は、メモリー１３２に記憶され
ている試料１０２の形状データに基づいて、凹凸の激し
い箇所では走査速度を遅くし、凹凸の少ない箇所では走
査速度を早くする。

【００２９】走査波形生成部１３４は、図２に示される
ように、ＸＹ走査のためのパルスを生成するためのパル
ス生成部１４２と、パルス生成部１４２から出力される
パルス信号ＰＬＳとカウント方向を示すＤＩＲに従って
計数するためのＵＰ／ＤＯＷＮカウンター１４８と、Ｕ
Ｐ／ＤＯＷＮカウンター１４８からのデジタルデータを
アナログデータに変換するためのＤ／Ａ変換器１５０
と、Ｄ／Ａ変換器１５０からの出力波形を増幅してＸＹ
スキャナー１０８に供給するための高圧アンプ１５２と
を有している。

【００３０】パルス生成部１４２は、ＣＬＯＣＫ１４６
とパルス発生器１４４とを含んでおり、パルス発生器１
４４はＣＬＯＣＫ１４６から供給されるクロック信号に
基づいて所定のパルス列を生成する。パルス生成部１４
２から出力されるパルス信号ＰＬＳとカウント方向を示
す信号ＤＩＲはＵＰ／ＤＯＷＮカウンター１４８によっ
て計数される。ＵＰ／ＤＯＷＮカウンター１４８の出力
は、Ｄ／Ａ変換器１５０によってデジタルからアナログ
波形に変換され、このアナログ波形は高圧アンプ１５２
を介してＸＹスキャナー１０８に供給される。

【００３１】走査波形生成部１３４は、さらに、第一の
メモリー１３２に記憶されている試料形状データに基づ
いて、パルス生成部１４２から出力されるパルス波形を
修正する走査波形修正部１６０を有している。走査波形
生成部１３４は、この走査波形修正部１６０により、第
一のメモリー１３２に記憶されている予備測定で得られ
た試料形状データに基づいて修正された走査波形をＸＹ
スキャナー１０８に出力する。

【００３２】走査波形修正部１６０は、第一のメモリー
１３２から読み出した試料形状データから形状変化の激
しい位置の情報を抜き出すための加減速演算部１６２
と、加減速演算部１６２で得られる形状変化の激しい位
置の情報を記憶するための第二のメモリー１６４と、第
二のメモリー１６４から読み出した形状変化の激しい位
置の情報とＸＹ変位検出器１２４から入力されるＸＹ位
置情報とを比較し、その比較結果に基づいて加減速要求
信号をパルス生成部１４２に出力するトリガー発生器１
６６とを有している。

【００３３】加減速演算部１６２は、第一のメモリー１
３２から試料形状データを読み出し、その中から形状変
化の激しい点を求め、その前後の位置の情報を出力す
る。加減速演算部１６２から出力される形状変化の激し
い点の前後の位置の情報は第二のメモリー１６４に保存
される。第二のメモリー１６４に保存されている形状変
化の激しい点の前後の位置の情報は、走査速度が加減速
されるべき位置の情報である。

【００３４】トリガー発生器１６６は、ＸＹ変位検出器
１２４から入力されるＸＹ位置情報を第二のメモリー１
６４から読み出した次に加減速されるべき位置の情報と
を比較し、両者が一致するタイミングでパルス生成部１
４２に加減速要求信号を出力する。パルス生成部１４２
はトリガー発生器１６６から入力される加減速要求信号
に従って出力パルスＰＬＳの速度を変化させる。

【００３５】例えば、探針がＸ軸に沿って移動されるも
のとし、試料が図３に示されるＸ−Ｚ形状を有している
ものとする。この場合、走査波形生成部１３４は、加減
速演算部１６２において、Ｘに対するＺの変化率ｄＺ／
ｄＸを算出し、ｄＺ／ｄＸの絶対値（｜ｄＺ／ｄＸ｜）
が最大になる位置（前述の形状変化の激しい点）を求
め、トリガー発生器１６６により、走査波形を、｜ｄＺ
／ｄＸ｜の最大位置の少し前から走査速度を減速させる
ように変更し、｜ｄＺ／ｄＸ｜の最大位置で走査速度を
加速させるように変更する。減速を開始する位置は、例
えば｜ｄＺ／ｄＸ｜の大きさに応じて決定される。

【００３６】以上の制御により、試料１０２に対して探
針１１４は、形状変化の激しい位置の前後すなわち段差
のある部分では、比較的ゆっくり走査され、ほとんど平
坦な部分では、比較的はやく走査される。従って、予測
される試料形状変化に適した走査速度で走査される。そ
の結果、試料の表面形状が高い精度で短い時間内で測定
される。

【００３７】本実施形態の各構成は様々の変更が可能で
ある。

【００３８】パルス発生器１４４には、市販のモータコ
ントロール用ＩＣが使用され、これに付随している減速
加速端子に加減速要求信号が入力されてもよい。

【００３９】トリガー発生器１６６に入力されるＸＹ位
置情報は、ＸＹ変位検出器１２４の出力の代わりに、Ｕ
Ｐ／ＤＯＷＮカウンター１４８またはパルス生成部１４
２からの出力が用いられてもよい。

【００４０】本測定のＸＹ走査が往復走査を含んでいる
場合、例えば、試料１０２に対して探針１１４が、Ｘ軸
に沿って一方向に移動され、次にＹ軸に沿って一方向に
わずかに移動され、続いてＸ軸に沿って反対方向に移動
され、次にＹ軸に沿って一方向にわずかに移動される。

【００４１】従って、このようにＸＹ走査が往復走査を
含んでいる場合には、第一のメモリー１３２に記憶され
る試料形状データは、予備測定によって得られる情報で
はなく、往復走査のうちの往時の情報であってもよい。
この場合、加減速演算部１６２は、往時の情報が得られ
てから演算を開始し、それに基づいて復時の走査速度を
制御する。

【００４２】また、走査波形生成部１３４は、パルス生
成部１４２とカウンター１４８を用いて走査波形を生成
しているが、膨大なメモリーを用いて、試料形状に応じ
た走査波形を直接メモリーからＤ／Ａに書込んでもよ
い。

【００４３】第二実施形態本発明の第二実施形態の走査型プローブ顕微鏡の構成を
図４に示す。図中、第一実施形態の部材と同等の部材は
同一の参照符号で示され、その詳しい説明は続く記述で
は重複を避け省略する。

【００４４】図４に示されるように、本実施形態の走査
型プローブ顕微鏡は、試料１０２が載せられる試料台１
０４と、試料台１０４をＺ軸に沿って移動させるための
Ｚスキャナー１０６と、試料台１０４をＸ軸とＹ軸に沿
って移動させるためのＸＹスキャナー１０８と、試料１
０２との相互作用を検出するためのカンチレバー１１２
と、カンチレバー１１２の変位を検出するためのＺセン
サー１１６と、Ｚセンサー１１６からのＺセンサー信号
に従ってＺスキャナー１０６を制御するためのＺ制御部
１１８と、ＸＹスキャナー１０８の変位を検出するため
のＸＹ変位検出器１２４と、ＸＹ位置情報とＺ位置情報
とを処理するＣＰＵ１２６とを備えている。

【００４５】本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、Ｘ
Ｙスキャナー１０８を駆動するための走査波形生成部２
３４と、Ｚスキャナー１０６を駆動するための波形生成
部２４２とを備えている。

【００４６】走査波形生成部２３４は、図７に示される
従来例の走査波形生成部６３４と同じ構成を有してい
る。すなわち、走査波形生成部２３４は、ＸＹ走査のた
めのパルスを生成するためのパルス発生器６４２と、パ
ルス発生器６４２から出力されるパルスを計数するため
のＵＰ／ＤＯＷＮカウンター６４８と、ＵＰ／ＤＯＷＮ
カウンター６４８からのデジタルデータをアナログデー
タに変換するためのＤ／Ａ変換器６５０と、Ｄ／Ａ変換
器６５０からの出力波形を増幅するための高圧アンプ６
５２とを有している。

【００４７】パルス発生器６４２は、ＣＬＯＣＫ６４６
とパルス発生器６４２とを含んでおり、パルス発生器６
４２はＣＬＯＣＫ６４６から供給されるクロック信号に
基づいて所定のパルス列を生成する。パルス発生器６４
２から出力されるパルス信号ＰＬＳとカウント方向を示
す信号ＤＩＲはＵＰ／ＤＯＷＮカウンター６４８によっ
て計数される。ＵＰ／ＤＯＷＮカウンター６４８の出力
は、Ｄ／Ａ変換器６５０によってデジタルからアナログ
波形に変換され、このアナログ波形は高圧アンプ６５２
を介してＸＹスキャナー１０８に供給される。

【００４８】ＸＹスキャナー１０８は走査波形生成部２
３４から供給される走査信号に従って一定の手法により
駆動される。例えば、ＸＹスキャナー１０８はＸ軸に沿
って一定の速さで往復移動されると共にＹ軸に沿って間
欠的に一定のわずかな距離ずつ移動される。あるいは、
ＸＹスキャナー１０８はＸ軸に沿って比較的高い一定の
速さで往復移動されながらＹ軸に沿って比較的低い一定
の速さで移動される。これにより、探針１１４が試料１
０２に対してラスター走査される。

【００４９】一方、Ｚスキャナー１０６を駆動するため
の波形生成部２４２は、予備測定で得られた試料１０２
の形状データを記憶するためのメモリー２４４と、メモ
リー２４４から読み出される試料形状データをアナログ
値に変換するＤ／Ａ変換器２４６と、Ｄ／Ａ変換器２４
６の出力とＺ制御部１１８の出力とを加算する加算器２
４８とを有している。

【００５０】予備測定で得られた試料１０２の形状デー
タは、ＣＰＵ１２６よりメモリー２４４に書き込まれ記
憶される。メモリー２４４に記憶されている形状データ
は、ＸＹスキャナー１０８のＸＹ位置情報に同期して順
次読み出される。読み出された形状データは、Ｄ／Ａ変
換器２４６によってアナログ値に変換される。Ｄ／Ａ変
換器２４６での変換比率つまりアンプゲインは、Ｚスキ
ャナー１０６を記憶されている形状変化分相当変位させ
る値に設定されている。Ｄ／Ａ変換器２４６の出力は、
加算器２４８によってＺ制御部１１８の出力と加算され
て、Ｚスキャナー１０６に供給される。この結果、Ｚス
キャナー１０６は、Ｚ制御部１１８が動作していなくて
も試料のおよその形状をなぞるするように動く。

【００５１】例えば、図８（ａ）に示されるような段差
試料に対して、Ｚ制御部１１８が動作していない状態で
の探針１１４の軌跡は、図８（ｂ）の実線に示されるも
のとなる。また、Ｚ制御部１１８へ送られるＺセンサー
出力信号は、図８（ｂ）に破線で示される形状変化と実
線で示される形状変化の差に相当する。従って、Ｚ制御
部１１８が追従すべき偏差が実質的に低減される。つま
り、試料形状変化の追従が制御ループ外からある程度行
なわれ、Ｚ制御部１１８の追従性能は実際の形状よりも
小さなＺ変化に対して適用される。

【００５２】このように試料形状変化の追従が制御ルー
プの外からある程度行なわれるため、制御にかかる負担
が軽減されるので、より凹凸の激しい試料や段差の大き
な試料に対しても、走査速度を低下させることなく、正
確な追従を行うことができる。

【００５３】本実施形態では、メモリー２４４からの読
み出しは、ＸＹ位置情報に同期させて行なっているが、
走査波形生成部２３４が発生するＸＹ駆動信号に対応さ
せて行なわれてもよい。また、ＣＰＵ１２６内の試料形
状データを一度メモリー２４４に書き込んでいるが、波
形生成部２４２がＣＰＵ１２６内のメモリーを共有し、
試料形状データがＣＰＵ１２６から直接読み出されてＤ
／Ａ変換器２４６に転送されてもよい。

【００５４】変形例本実施形態の変形例として、図４の波形生成部２４２に
代えて適用可能な別の波形生成部を図５に示す。

【００５５】図５に示されるように、本変形例の波形生
成部２６２は、Ｚ制御部１１８からの出力をデジタルデ
ータに変換ためのＡ／Ｄ変換器２６４と、試料１０２の
形状データを記憶するためのメモリー２６６と、メモリ
ー２６６から読み出される試料形状データをアナログ値
に変換するためのＤ／Ａ変換器２６８と、Ｄ／Ａ変換器
２６８の出力とＺ制御部１１８の出力とを加算するため
の加算器２７２と、Ｄ／Ａ変換器２６８から加算器２７
２への信号の流れを制御するためのスイッチ２７０とを
有している。

【００５６】メモリー２６６は、ＣＰＵ１２６から入力
される書き込み／読み出し信号（Ｒ／Ｗ信号）に応じ
て、データの書き込み／読み出しを行なう。スイッチ２
７０は、書き込み／読み出し信号に応じて、Ｄ／Ａ変換
器２６８からの出力の加算器２７２への伝送を制御す
る。

【００５７】データの書き込みと読み出しは、例えば、
予備測定と本測定でそれぞれ行なわれる。あるいは、デ
ータの書き込みと読み出しは、前述したように、往復走
査の往路と復路でそれぞれ行なわれてもよい。

【００５８】メモリー２６６ヘのデータ書き込み時は、
ＣＰＵ１２６からメモリー２６６とスイッチ２７０に対
して書き込み（Ｒ）信号が送られる。書き込み信号の入
力に応じて、スイッチ２７０はＤ／Ａ変換器２６８から
加算器２７２への信号の伝送を遮断する。また、メモリ
ー２６６はＺ制御部１１８の出力をＡ／Ｄ変換器２６４
を介して取り込んで記憶する。この書き込みは、例え
ば、光波干渉計や静電容量センサー等の高分解能の変位
検出器１２４によって得られるＸＹ位置情報に同期して
行なわれる。あるいは、走査波形生成部２３４から出力
される走査信号に同期して行なわれてもよい。

【００５９】一方、メモリー２６６からのデータ読み出
し時は、ＣＰＵ１２６からメモリー２６６とスイッチ２
７０に読み出し（Ｗ）信号が送られる。読み出し信号の
入力に応じて、スイッチ２７０はＤ／Ａ変換器２６８か
ら加算器２７２への信号の伝送を開通させる。また、メ
モリー２６６からは書き込み時と同じくＸＹ位置情報に
同期させてデータの読み出しが行われ、メモリー２６６
内に記憶されていたデータがＸＹ位置情報に同期して順
次Ｚ制御部１１８からの出力に加算されてＺスキャナー
ヘ１０６に供給される。

【００６０】これにより、Ｚ制御部１１８の偏差が小さ
くなり、より正確な追従が行なわれる。

【００６１】本変形例においてメモリー２６６に書き込
まれるデータは、Ｚ制御部１１８が実際に制御を行なっ
た結果圧電体スキャナー１０６に印加した電圧である。
圧電体には一般に印加電圧と発生電位との間に非線形性
があり、位置としてＺ制御結果を記憶した場合、再生に
若干の誤差が発生する。しかし、この変形例では制御結
果を印加電圧として記憶するのでＺ制御部１１８の行な
った制御性能を余すことなく記憶し、再生することが可
能である。

【００６２】これまで、いくつかの実施の形態について
図面を参照しながら具体的に説明したが、本発明は、上
述した実施の形態に限定されるものではなく、その要旨
を逸脱しない範囲で行なわれるすべての実施を含む。

【００６３】例えば、上述した実施形態では、Ｚセンサ
ー信号は、カンチレバーのＺ変位すなわちたわみ量その
ものであるかのように説明したが、カンチレバーが振動
しており、その振動振幅値であってもよい。

【００６４】

【発明の効果】本発明によれば、凹凸の激しい試料や比
較的大きな段差を持つ試料に対しても、測定時間を長く
することなく、正確な三次元形状測定を行なえる走査型
プローブ顕微鏡が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡
の構成を示している。

【図２】図１に示されるＸＹ制御部の詳しい構成を示し
ている。

【図３】図２の加減速演算部内での処理を概略的に説明
するための図である。

【図４】本発明の第二実施形態の走査型プローブ顕微鏡
の構成を示している。

【図５】第二実施形態の変形例として、図４の波形生成
部に代えて適用可能な別の波形生成部を示している。

【図６】従来の走査型プローブ顕微鏡の構成を示してい
る。

【図７】図６に示される走査波形生成部の構成を示して
いる。

【図８】図６の走査型プローブ顕微鏡において、カンチ
レバーが比較的大きな段差を持つ試料の表面に充分に追
従できない様子を概略的に示している。

【符号の説明】

１０４試料台１０６Ｚスキャナー１０８ＸＹスキャナー１１２カンチレバー１１４探針１１６Ｚセンサー１１８Ｚ制御部１３０ＸＹ制御部１３２メモリー１３４走査波形生成部１４２パルス生成部１４４パルス発生器１４６ＣＬＯＣＫ１４８カウンター１５０Ｄ／Ａ変換器１５２高圧アンプ１６０走査波形修正部１６２加減速演算部１６４メモリー１６６トリガー発生器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】カンチレバーのＺ変位を検出するＺセン
サー信号に基づいてカンチレバーと試料間の距離を制御
するＺ制御部を有し、水平方向に走査を行うことにより
試料の三次元形状データを取得する走査型プローブ顕微
鏡において、試料形状データを記憶するための記憶手段と、記憶手段
に記憶された試料形状データに基づいて修正された走査
波形を生成するための走査波形生成部とを有しているこ
とを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】前記走査波形生成部は、走査波形の基と
なるパルスを出力するためのパルス生成部と、第一の記
憶手段に記憶された試料形状データに基づいて、予め走
査波形の加減速タイミングを計算するための加減速演算
部と、加減速タイミングの情報を記憶するための第二の
記憶手段と、走査中の水平方向の位置と第二の記憶手段
に記憶されている情報とに基づいて、パルス生成部に加
減速タイミングを指示するトリガー部とを有しているこ
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。
【請求項３】カンチレバーのＺ変位を検出するＺセン
サー信号に基づいてカンチレバーと試料間の距離を制御
するＺ制御部を有し、水平方向に走査を行うことにより
試料の三次元形状データを取得する走査型プローブ顕微
鏡において、試料形状データを記憶するとともに、記憶した試料形状
データを前記Ｚ制御部からの信号に加算して出力する波
形生成部を有していることを特徴とする走査型プローブ
顕微鏡。
【請求項４】前記波形生成部は、前記Ｚ制御部が出力す
る波形の書き込みと読み出しを選択的に行なうための記
憶手段と、読み出されたデジタル値をアナログ値に変換
するＤ／Ａ変換部と、変換されたアナログ値を前記Ｚ制
御部からの信号に加算する加算部とを有していることを
特徴とする請求項３に記載の走査型プローブ顕微鏡。