JP2003215017A - 走査プローブ顕微鏡 - Google Patents
走査プローブ顕微鏡Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 像の歪誤差をより小さくすることができる、
プローブと試料との相対的な２次元走査を行いうる走査
プローブ顕微鏡を実現する。 【解決手段】 ＸＹ電極２〜５に電圧を印加し、チュー
ブ１をＸＹ方向に駆動し、プローブ７をＸＹ面上で走査
する。この走査によって、反射鏡１０が傾き、その傾き
によって反射鏡１０で反射されたレーザ光の傾きが変化
する。このレーザ光の傾きの変化によって、光検出器１
２に入射するレーザ光の位置が変化し、その変化量は、
光検出器１２によって検出される。光検出器１２の検出
信号は、制御ＣＰＵ２１に供給される。制御ＣＰＵ２１
は、供給された検出信号を制御量としてＸＹ制御回路１
７を制御する。ＸＹ制御回路１７は、ＸＹ走査回路１８
を制御し、プローブ７がＸＹ面上で一定の速度で試料１
６の所定領域を走査するように、ＸＹ走査回路１８から
ＸＹ電極２〜５に印加する電圧を調整する。
プローブと試料との相対的な２次元走査を行いうる走査
プローブ顕微鏡を実現する。 【解決手段】 ＸＹ電極２〜５に電圧を印加し、チュー
ブ１をＸＹ方向に駆動し、プローブ７をＸＹ面上で走査
する。この走査によって、反射鏡１０が傾き、その傾き
によって反射鏡１０で反射されたレーザ光の傾きが変化
する。このレーザ光の傾きの変化によって、光検出器１
２に入射するレーザ光の位置が変化し、その変化量は、
光検出器１２によって検出される。光検出器１２の検出
信号は、制御ＣＰＵ２１に供給される。制御ＣＰＵ２１
は、供給された検出信号を制御量としてＸＹ制御回路１
７を制御する。ＸＹ制御回路１７は、ＸＹ走査回路１８
を制御し、プローブ７がＸＹ面上で一定の速度で試料１
６の所定領域を走査するように、ＸＹ走査回路１８から
ＸＹ電極２〜５に印加する電圧を調整する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、走査トンネル顕微
鏡や原子間力顕微鏡などの走査プローブ顕微鏡に関す
る。
鏡や原子間力顕微鏡などの走査プローブ顕微鏡に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】走査トンネル顕微鏡を始めとした走査プ
ローブ顕微鏡は、金属、半導体、絶縁体、高分子材料、
生体試料等の表面形状および物性を観察することが可能
な顕微鏡である。このような走査プローブ顕微鏡では、
試料とプローブ（探針）とを相対的に微小距離移動さ
せ、試料の所定の２次元領域をプローブによって走査す
るようにしている。
ローブ顕微鏡は、金属、半導体、絶縁体、高分子材料、
生体試料等の表面形状および物性を観察することが可能
な顕微鏡である。このような走査プローブ顕微鏡では、
試料とプローブ（探針）とを相対的に微小距離移動さ
せ、試料の所定の２次元領域をプローブによって走査す
るようにしている。
【０００３】この微小距離の移動機構としては、微小量
の機械的な移動が可能な圧電体が用いられている。この
移動機構の構造には、トライポット形やチューブ形等が
あるが、対称性が良く、ＸＹ軸方向（走査）での最大変
位に対するサイズが小さく、肉厚を薄くして、印加電圧
当たりの変位を大きくしても、剛性が保たれるなどの特
徴から、チューブ形の圧電体が多く用いられている。
の機械的な移動が可能な圧電体が用いられている。この
移動機構の構造には、トライポット形やチューブ形等が
あるが、対称性が良く、ＸＹ軸方向（走査）での最大変
位に対するサイズが小さく、肉厚を薄くして、印加電圧
当たりの変位を大きくしても、剛性が保たれるなどの特
徴から、チューブ形の圧電体が多く用いられている。
【０００４】図１はチューブ構造の移動機構（スキャ
ナ）の一例を示しており、１はフレキシブルに変形する
圧電体チューブである。チューブ１の表面には軸対称に
４枚の薄板状の電極２〜５が貼り付けられている。この
４枚の電極の内、対向する２枚の電極２、４はＸ方向駆
動用の電極、３と５はＹ方向駆動用の電極である。な
お、Ｙ方向駆動用の電極５は、チューブ１の裏側に設け
られているため、図示されていない。
ナ）の一例を示しており、１はフレキシブルに変形する
圧電体チューブである。チューブ１の表面には軸対称に
４枚の薄板状の電極２〜５が貼り付けられている。この
４枚の電極の内、対向する２枚の電極２、４はＸ方向駆
動用の電極、３と５はＹ方向駆動用の電極である。な
お、Ｙ方向駆動用の電極５は、チューブ１の裏側に設け
られているため、図示されていない。
【０００５】チューブ１の先端部には、リング状の電極
６が貼り付けられているが、この電極６はＺ方向駆動用
の電極である。なお、チューブ１の内側には、電極２〜
６に対応して接地電位の電極が貼りつけられているが、
それらの電極は図示されていない。チューブ１の先端部
には探針（プローブ）７が先端に設けられたカンチレバ
ー８取り付けられており、図示していないが、このカン
チレバー８に接近して試料が配置される。
６が貼り付けられているが、この電極６はＺ方向駆動用
の電極である。なお、チューブ１の内側には、電極２〜
６に対応して接地電位の電極が貼りつけられているが、
それらの電極は図示されていない。チューブ１の先端部
には探針（プローブ）７が先端に設けられたカンチレバ
ー８取り付けられており、図示していないが、このカン
チレバー８に接近して試料が配置される。
【０００６】このような構造で、電極２とチューブ形圧
電体１の内側に電極２に対応して貼りつけられた接地電
位の電極との間に、電源から正の電圧が印加されると、
圧電体２は伸び、電極４とチューブ形圧電体１の内側に
電極４に対応して貼りつけられた接地電位の電極との間
に、負の電圧を印加すると、圧電体４は収縮することに
なる。この結果、チューブ１は全体としてＸ方向に曲げ
られ、プローブ７はＸ方向に移動させられる。
電体１の内側に電極２に対応して貼りつけられた接地電
位の電極との間に、電源から正の電圧が印加されると、
圧電体２は伸び、電極４とチューブ形圧電体１の内側に
電極４に対応して貼りつけられた接地電位の電極との間
に、負の電圧を印加すると、圧電体４は収縮することに
なる。この結果、チューブ１は全体としてＸ方向に曲げ
られ、プローブ７はＸ方向に移動させられる。
【０００７】このプローブ７のＸ方向への曲がり量（Ｘ
方向への変位量）は、電極への印加電圧の大きさによ
る。したがって、電極に印加する電圧を徐々に大きくし
ていけば、プローブ７は試料に対してＸ方向に走査され
ることになる。同様に電極３、５に極性が互いに逆の電
圧を印加すれば、プローブ７はＹ方向に走査される。更
に、電極６に電圧を印加することにより、プローブ７は
Ｚ方向に移動させられる。
方向への変位量）は、電極への印加電圧の大きさによ
る。したがって、電極に印加する電圧を徐々に大きくし
ていけば、プローブ７は試料に対してＸ方向に走査され
ることになる。同様に電極３、５に極性が互いに逆の電
圧を印加すれば、プローブ７はＹ方向に走査される。更
に、電極６に電圧を印加することにより、プローブ７は
Ｚ方向に移動させられる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】このようにして、走査
プローブ顕微鏡では、プローブに対向して配置される試
料に対し、プローブはＸ、Ｙの２次元走査がなされる。
ところで、圧電体の形状変化特性にはヒステリシスがあ
り、プローブの走査幅を大きくした場合には、ヒステリ
シスや非線形性の特性に起因する２次元走査の歪みが発
生する。図２は圧電体のヒステリシス特性を示したもの
で、図中縦軸が印加電圧、横軸が圧電体に発生する力、
すなわち移動距離である。
プローブ顕微鏡では、プローブに対向して配置される試
料に対し、プローブはＸ、Ｙの２次元走査がなされる。
ところで、圧電体の形状変化特性にはヒステリシスがあ
り、プローブの走査幅を大きくした場合には、ヒステリ
シスや非線形性の特性に起因する２次元走査の歪みが発
生する。図２は圧電体のヒステリシス特性を示したもの
で、図中縦軸が印加電圧、横軸が圧電体に発生する力、
すなわち移動距離である。
【０００９】圧電体に取り付けられた電極に一方向に変
位する電圧を印加すると、電圧の変化により圧電体は実
線で示すような力を受け、その力に応じた距離の移動が
生じる。圧電体に所定の大きさの電圧を印加した後、印
加電圧を元に戻すように変化させると、圧電体に働く力
（変位量）は実線のように変化せず、点線のように変化
する。このような特性を有した圧電体により、プローブ
７を往復２次元走査すると、得られる像（例えばトンネ
ル顕微鏡像）は歪んだものとなる。
位する電圧を印加すると、電圧の変化により圧電体は実
線で示すような力を受け、その力に応じた距離の移動が
生じる。圧電体に所定の大きさの電圧を印加した後、印
加電圧を元に戻すように変化させると、圧電体に働く力
（変位量）は実線のように変化せず、点線のように変化
する。このような特性を有した圧電体により、プローブ
７を往復２次元走査すると、得られる像（例えばトンネ
ル顕微鏡像）は歪んだものとなる。
【００１０】上記した観察像のＸＹ面上の歪を取り除く
（補正する）ために、非線形電圧信号を電極に印加する
方式が考えられている。この方式では、前もって線形電
圧信号を印加した観察を、電圧信号の振幅や周期の条件
を変えて数回行い、観察された像の歪から非線形電圧信
号の形を算出する。この非線形電圧信号を電極に印加す
る方式によって、ＸＹ走査速度はほとんど一定となり、
ＸＹ面上の歪は、誤差５％以内に補正することが可能で
ある。
（補正する）ために、非線形電圧信号を電極に印加する
方式が考えられている。この方式では、前もって線形電
圧信号を印加した観察を、電圧信号の振幅や周期の条件
を変えて数回行い、観察された像の歪から非線形電圧信
号の形を算出する。この非線形電圧信号を電極に印加す
る方式によって、ＸＹ走査速度はほとんど一定となり、
ＸＹ面上の歪は、誤差５％以内に補正することが可能で
ある。
【００１１】この電極に非線形電圧信号を印加する方式
では、前もって線形電圧信号を印加した観察を電圧信号
の振幅や周期の条件を変えて数回行い、観察された像の
歪から非線形電圧信号の形を算出しなければならない。
また、適切な非線形電圧信号の形は、走査範囲および速
度によって異なるため、ある走査範囲および速度におい
て算出した非線形電圧信号が常に適切であるとは限らな
い。そのため、ＸＹ面上の歪誤差は、全ての走査範囲お
よび速度内において５％以内が限界である。
では、前もって線形電圧信号を印加した観察を電圧信号
の振幅や周期の条件を変えて数回行い、観察された像の
歪から非線形電圧信号の形を算出しなければならない。
また、適切な非線形電圧信号の形は、走査範囲および速
度によって異なるため、ある走査範囲および速度におい
て算出した非線形電圧信号が常に適切であるとは限らな
い。そのため、ＸＹ面上の歪誤差は、全ての走査範囲お
よび速度内において５％以内が限界である。
【００１２】本発明は、このような点に鑑みてなされた
もので、その目的は、像の歪誤差をより小さくすること
ができる、プローブと試料との相対的な２次元走査を行
いうる走査プローブ顕微鏡を実現するにある。
もので、その目的は、像の歪誤差をより小さくすること
ができる、プローブと試料との相対的な２次元走査を行
いうる走査プローブ顕微鏡を実現するにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明に基づく走査プロ
ーブ顕微鏡は、先端に探針を有したカンチレバーと試料
とを相対的に走査し、試料表面の形状や物性を観察する
ようにした走査プローブ顕微鏡であって、カンチレバー
と試料のいずれかを走査するためのスキャナとしてチュ
ーブ形圧電体を用い、圧電体に走査電圧信号を印加し、
電圧信号に応じて圧電体を湾曲させてカンチレバーと試
料のいずれかを変位させるようにした走査プローブ顕微
鏡において、圧電体と一体となって変位する反射鏡と、
反射鏡にレーザ光を照射するための光源と、反射鏡によ
って反射された光を検出する光検出器とを設け、光検出
器によって検出された信号に応じて圧電体に印加する電
圧を制御するように構成したことを特徴としている。
ーブ顕微鏡は、先端に探針を有したカンチレバーと試料
とを相対的に走査し、試料表面の形状や物性を観察する
ようにした走査プローブ顕微鏡であって、カンチレバー
と試料のいずれかを走査するためのスキャナとしてチュ
ーブ形圧電体を用い、圧電体に走査電圧信号を印加し、
電圧信号に応じて圧電体を湾曲させてカンチレバーと試
料のいずれかを変位させるようにした走査プローブ顕微
鏡において、圧電体と一体となって変位する反射鏡と、
反射鏡にレーザ光を照射するための光源と、反射鏡によ
って反射された光を検出する光検出器とを設け、光検出
器によって検出された信号に応じて圧電体に印加する電
圧を制御するように構成したことを特徴としている。
【００１４】本発明では、ＸＹ走査における圧電体の変
位量を監視し、この変位量の変化が一定速度となるよう
に、ＸＹ走査用の電圧信号を制御する。
位量を監視し、この変位量の変化が一定速度となるよう
に、ＸＹ走査用の電圧信号を制御する。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。図３、図４は、本発明に基
づく走査プローブ顕微鏡の原理を説明するための図であ
り、図１のスキャナと同一ないしは類似の構成要素には
同一番号を付し、その詳細な説明は省略する。図３にお
いて、スキャナＡの一端は基盤Ｐに固定されており、他
端にはプローブ７を有したカンチレバー８が取り付けら
れている。このカンチレバーに対向して試料（図示せ
ず）が配置される。
施の形態を詳細に説明する。図３、図４は、本発明に基
づく走査プローブ顕微鏡の原理を説明するための図であ
り、図１のスキャナと同一ないしは類似の構成要素には
同一番号を付し、その詳細な説明は省略する。図３にお
いて、スキャナＡの一端は基盤Ｐに固定されており、他
端にはプローブ７を有したカンチレバー８が取り付けら
れている。このカンチレバーに対向して試料（図示せ
ず）が配置される。
【００１６】チューブ形スキャナＡのＸ方向の２枚の電
極に電圧を印加すると、スキャナＡは、Ａ’として示さ
れるように曲げられる。このスキャナＡにはスキャナと
共に変位する反射鏡１０が取り付けられている。反射鏡
１０には、図４に示すように、基盤Ｐに対して固定され
たレーザダイオードのごとき光源１１からのレーザ光が
照射される。
極に電圧を印加すると、スキャナＡは、Ａ’として示さ
れるように曲げられる。このスキャナＡにはスキャナと
共に変位する反射鏡１０が取り付けられている。反射鏡
１０には、図４に示すように、基盤Ｐに対して固定され
たレーザダイオードのごとき光源１１からのレーザ光が
照射される。
【００１７】光源１１からのレーザ光は、反射鏡１０に
よって反射され、光検出器１２に入射して検出される。
光検出器１２は、２分割のフォトダイオードあるいは４
分割のフォトダイオード等であり、入射するレーザ光の
位置を絶対的または相対的に検出できるように構成され
ている。このレーザ光の検出位置により、プローブ７に
よる走査位置が判明する。
よって反射され、光検出器１２に入射して検出される。
光検出器１２は、２分割のフォトダイオードあるいは４
分割のフォトダイオード等であり、入射するレーザ光の
位置を絶対的または相対的に検出できるように構成され
ている。このレーザ光の検出位置により、プローブ７に
よる走査位置が判明する。
【００１８】本発明は、スキャナＡによる探針７の試料
に対するＸＹ走査中に生じる光検出器１２に入射するレ
ーザ光の位置変化を検出し、検出された信号を制御量と
してフィードバック制御によってＸＹ走査を行うことに
より、ＸＹ面上の歪を補正するものである。
に対するＸＹ走査中に生じる光検出器１２に入射するレ
ーザ光の位置変化を検出し、検出された信号を制御量と
してフィードバック制御によってＸＹ走査を行うことに
より、ＸＹ面上の歪を補正するものである。
【００１９】さて、図３に示すように、紙面に水平方向
をＸ軸方向、紙面に垂直な方向をＹ軸方向とし、チュー
ブ形電極２〜５のＸ電極２、４に電圧を印加して、チュ
ーブを曲げ、プローブ７（カンチレバー８）を＋Ｘ方向
に走査したとする。
をＸ軸方向、紙面に垂直な方向をＹ軸方向とし、チュー
ブ形電極２〜５のＸ電極２、４に電圧を印加して、チュ
ーブを曲げ、プローブ７（カンチレバー８）を＋Ｘ方向
に走査したとする。
【００２０】ここで、ｄをＸＹ走査用のチューブ形電極
２〜５の半径、ｌをＸＹ走査用の電極２〜５の長さ、ｒ
をＸＹ走査用のチューブ形電極２〜５の下端からプロー
ブ７（カンチレバー８）の先端までの距離、θをＸＹ走
査用のチューブ形圧電体の湾曲による水平軸からの角
度、ΔＬをＸＹ走査用のチューブ形圧電体の湾曲による
プローブ（カンチレバー）の変位量、ΔＲをＸＹ走査用
のチューブ形圧電体の湾曲による水平軸からの角度によ
るプローブ（カンチレバー）の変位量とする。
２〜５の半径、ｌをＸＹ走査用の電極２〜５の長さ、ｒ
をＸＹ走査用のチューブ形電極２〜５の下端からプロー
ブ７（カンチレバー８）の先端までの距離、θをＸＹ走
査用のチューブ形圧電体の湾曲による水平軸からの角
度、ΔＬをＸＹ走査用のチューブ形圧電体の湾曲による
プローブ（カンチレバー）の変位量、ΔＲをＸＹ走査用
のチューブ形圧電体の湾曲による水平軸からの角度によ
るプローブ（カンチレバー）の変位量とする。
【００２１】このとき、Ｘ電極に電圧を印加したときの
チューブ形圧電体（ＸＹ）の歪量を、図面上左側面にお
いて＋Δｌ伸び、右側面において‐Δｌ縮んだとする
と、θ、ΔＬ、ΔＲは、それぞれ以下のように表され
る。
チューブ形圧電体（ＸＹ）の歪量を、図面上左側面にお
いて＋Δｌ伸び、右側面において‐Δｌ縮んだとする
と、θ、ΔＬ、ΔＲは、それぞれ以下のように表され
る。
【００２２】θ＝Δｌ／ｄ
ΔＬ＝（ｌｄ／Δｌ）（１‐cosθ）
ΔＲ＝ｒsinθ
ここで、θ≪１より、
ΔＬ＝（ｌｄ／２Δｌ）θ2＝ｌΔｌ
ΔＲ＝ｒθ＝ｒΔｌ／ｄ
となる。したがって、Ｘ方向のプローブ（カンチレバ
ー）の変位量である（ΔＬ＋ΔＲ）は、 （ΔＬ＋ΔＲ）＝（ｌ＋２ｒ）（Δｌ／２ｄ） となり、チューブ形圧電体（ＸＹ）の歪量Δｌに比例す
る。また、このとき反射鏡１０は、紙面に水平な方向に
対して角度θだけ傾くため、図３に示すように、光源１
１から発生し、反射鏡１０によって反射されたレーザ光
は、角度２θだけ傾いて光検出器１２に入射する。
ー）の変位量である（ΔＬ＋ΔＲ）は、 （ΔＬ＋ΔＲ）＝（ｌ＋２ｒ）（Δｌ／２ｄ） となり、チューブ形圧電体（ＸＹ）の歪量Δｌに比例す
る。また、このとき反射鏡１０は、紙面に水平な方向に
対して角度θだけ傾くため、図３に示すように、光源１
１から発生し、反射鏡１０によって反射されたレーザ光
は、角度２θだけ傾いて光検出器１２に入射する。
【００２３】ここで、ｓを反射鏡１０と光検出器１２と
の間のレーザ光の位置変位量、ΔＳを光検出器１２に入
射するレーザ光の位置変位量とすると、θ≪１より、 ΔＳ＝２ｓθ＝（２ｓΔｌ／ｄ） となり、ΔＳはチューブ形圧電体の歪量Δｌに比例す
る。
の間のレーザ光の位置変位量、ΔＳを光検出器１２に入
射するレーザ光の位置変位量とすると、θ≪１より、 ΔＳ＝２ｓθ＝（２ｓΔｌ／ｄ） となり、ΔＳはチューブ形圧電体の歪量Δｌに比例す
る。
【００２４】したがって、ΔＳすなわちΔｌが時間に対
して一定の変位量となるように、Ｘ電極２、４に電圧を
印加すると、Ｘ方向のプローブ７（カンチレバー８）の
変位量（ΔＬ＋ΔＲ）も時間に対して一定となる。これ
は、Ｙ方向の走査についても同様である。
して一定の変位量となるように、Ｘ電極２、４に電圧を
印加すると、Ｘ方向のプローブ７（カンチレバー８）の
変位量（ΔＬ＋ΔＲ）も時間に対して一定となる。これ
は、Ｙ方向の走査についても同様である。
【００２５】この結果、プローブ７を一定の速度でＸＹ
方向に走査を行うことができるため、ＸＹ面上の歪を補
正することが可能となる。例えば、光検出器１２として
４分割されたフォトダイオードを用いたとすると、４分
割フォトダイオードに入射するレーザ光の位置変位量の
検出は、周知の技術（原子間力顕微鏡の光てこ方式）で
あり、その検出信号とΔＳは比例関係となる。
方向に走査を行うことができるため、ＸＹ面上の歪を補
正することが可能となる。例えば、光検出器１２として
４分割されたフォトダイオードを用いたとすると、４分
割フォトダイオードに入射するレーザ光の位置変位量の
検出は、周知の技術（原子間力顕微鏡の光てこ方式）で
あり、その検出信号とΔＳは比例関係となる。
【００２６】したがって、この検出信号を制御量として
フィードバック制御を行い、ＸＹ方向の走査を制御する
ことにより、一定の速度でプローブのＸＹ走査を行うこ
とができ、ＸＹ面上の歪を補正することが可能となる。
なお、反射鏡の取りつけ位置はＸＹ方向の圧電体の変位
量が正確に反映される必要から、ＸＹ方向の電極２〜５
が設けられた圧電体位置と、Ｚ方向の電極６が設けられ
た圧電体位置との間が望ましい。
フィードバック制御を行い、ＸＹ方向の走査を制御する
ことにより、一定の速度でプローブのＸＹ走査を行うこ
とができ、ＸＹ面上の歪を補正することが可能となる。
なお、反射鏡の取りつけ位置はＸＹ方向の圧電体の変位
量が正確に反映される必要から、ＸＹ方向の電極２〜５
が設けられた圧電体位置と、Ｚ方向の電極６が設けられ
た圧電体位置との間が望ましい。
【００２７】次により具体的な実施の形態について図を
参照して説明する。まず図５に示された実施の形態で
は、チューブ形のスキャナＳの一方の端部は筐体１５に
固定され、他方の端部先端に探針７が設けられたカンチ
レバー８が取りつけられている。ＸＹ方向走査用の電極
２〜５と、Ｚ方向走査用の電極６との間の圧電体１の外
側に、反射鏡１０が設けられている。
参照して説明する。まず図５に示された実施の形態で
は、チューブ形のスキャナＳの一方の端部は筐体１５に
固定され、他方の端部先端に探針７が設けられたカンチ
レバー８が取りつけられている。ＸＹ方向走査用の電極
２〜５と、Ｚ方向走査用の電極６との間の圧電体１の外
側に、反射鏡１０が設けられている。
【００２８】反射鏡１０に照射するレーザ光を発生する
レーザ光源１１と、反射鏡１０によって反射された光を
検出する光検出器１２は、筐体１５に固定されている。
また、表面の形状や物性が測定される試料１６は、カン
チレバー８に対向して配置されている。
レーザ光源１１と、反射鏡１０によって反射された光を
検出する光検出器１２は、筐体１５に固定されている。
また、表面の形状や物性が測定される試料１６は、カン
チレバー８に対向して配置されている。
【００２９】ＸＹ走査用電極２〜５には、ＸＹ制御回路
１７によって制御されるＸＹ走査回路１８から走査電圧
が印加される。また、Ｚ走査用電極６には、Ｚ制御回路
１９によって制御されるＺ走査回路２０から走査電圧が
印加される。ＸＹ制御回路１７とＺ制御回路１９とは、
制御ＣＰＵ２１によってコントロールされる。
１７によって制御されるＸＹ走査回路１８から走査電圧
が印加される。また、Ｚ走査用電極６には、Ｚ制御回路
１９によって制御されるＺ走査回路２０から走査電圧が
印加される。ＸＹ制御回路１７とＺ制御回路１９とは、
制御ＣＰＵ２１によってコントロールされる。
【００３０】制御ＣＰＵ２１には入力装置２２から倍率
等の操作パラメータが入力される。この制御ＣＰＵ２１
には、光検出器１２からの検出信号が供給され、また、
プローブ７からの検出信号が供給される。制御ＣＰＵ２
１を介して得られた各種データはデータ処理・表示装置
２３に供給され、この装置２３でデータの処理とその結
果の表示が行われる。このような構成の動作を次に説明
する。
等の操作パラメータが入力される。この制御ＣＰＵ２１
には、光検出器１２からの検出信号が供給され、また、
プローブ７からの検出信号が供給される。制御ＣＰＵ２
１を介して得られた各種データはデータ処理・表示装置
２３に供給され、この装置２３でデータの処理とその結
果の表示が行われる。このような構成の動作を次に説明
する。
【００３１】ＸＹ電極２〜５に電圧を印加し、チューブ
１をＸＹ方向に駆動し、プローブ７（カンチレバー８）
をＸＹ面上で走査する。この走査によって、反射鏡１０
が傾き、その傾きによって反射鏡１０で反射されたレー
ザ光の傾きが変化する。
１をＸＹ方向に駆動し、プローブ７（カンチレバー８）
をＸＹ面上で走査する。この走査によって、反射鏡１０
が傾き、その傾きによって反射鏡１０で反射されたレー
ザ光の傾きが変化する。
【００３２】このレーザ光の傾きの変化によって、光検
出器１２に入射するレーザ光の位置が変化する。このレ
ーザ光の入射位置の変化量は、光検出器１２によって検
出される。光検出器１２の検出信号は、制御ＣＰＵ２１
に供給される。制御ＣＰＵ２１は、供給された検出信号
を制御量としてＸＹ制御回路１７を制御する。ＸＹ制御
回路１７は、ＸＹ走査回路１８を制御し、プローブ７
（カンチレバー８）がＸＹ面上で一定の速度で試料１６
の所定領域を走査するように、ＸＹ走査回路１８からＸ
Ｙ電極２〜５に印加する電圧を調整する。
出器１２に入射するレーザ光の位置が変化する。このレ
ーザ光の入射位置の変化量は、光検出器１２によって検
出される。光検出器１２の検出信号は、制御ＣＰＵ２１
に供給される。制御ＣＰＵ２１は、供給された検出信号
を制御量としてＸＹ制御回路１７を制御する。ＸＹ制御
回路１７は、ＸＹ走査回路１８を制御し、プローブ７
（カンチレバー８）がＸＹ面上で一定の速度で試料１６
の所定領域を走査するように、ＸＹ走査回路１８からＸ
Ｙ電極２〜５に印加する電圧を調整する。
【００３３】このようなＸＹ方向への走査に伴い、プロ
ーブ７から制御ＣＰＵ２１には、例えば試料１６の表面
形状の変化に対応した信号が供給される。制御ＣＰＵ２
１は、このプローブ７からの信号強度が一定となるよう
にＺ制御回路１９をコントロールする。Ｚ制御回路１９
は、Ｚ走査回路２０を制御し、Ｚ走査回路２０からＺ電
極６に印加する電圧を変化させる。このＺ電極に印加さ
れる電圧の値は、ＸＹ走査信号と共にデータ処理・表示
装置２３に供給され、ＸＹ走査に応じた画像として表示
される。
ーブ７から制御ＣＰＵ２１には、例えば試料１６の表面
形状の変化に対応した信号が供給される。制御ＣＰＵ２
１は、このプローブ７からの信号強度が一定となるよう
にＺ制御回路１９をコントロールする。Ｚ制御回路１９
は、Ｚ走査回路２０を制御し、Ｚ走査回路２０からＺ電
極６に印加する電圧を変化させる。このＺ電極に印加さ
れる電圧の値は、ＸＹ走査信号と共にデータ処理・表示
装置２３に供給され、ＸＹ走査に応じた画像として表示
される。
【００３４】図６は本発明の他の実施の形態を示してい
るが、図５に示した実施の形態と同一ないしは類似の構
成要素には同一番号を付してある。この図６に示した構
成では、図５に示した構成と比較して、プローブ７（カ
ンチレバー８）を筐体１５に取りつけ、試料１６をスキ
ャナＳの移動端に載置するようにしている。この実施の
形態でも、試料１６をプローブ７（カンチレバー８）に
対して、一定の速度でＸＹ方向に走査するため、図５の
構成と同様な各種の制御回路等が用いられている。
るが、図５に示した実施の形態と同一ないしは類似の構
成要素には同一番号を付してある。この図６に示した構
成では、図５に示した構成と比較して、プローブ７（カ
ンチレバー８）を筐体１５に取りつけ、試料１６をスキ
ャナＳの移動端に載置するようにしている。この実施の
形態でも、試料１６をプローブ７（カンチレバー８）に
対して、一定の速度でＸＹ方向に走査するため、図５の
構成と同様な各種の制御回路等が用いられている。
【００３５】図７も本発明の他の実施の形態を示してお
り、図５に示した実施の形態と同一ないしは類似の構成
要素には同一番号が付されている。この図７に示した構
成では、図５に示した構成と比較して、スキャナＡの変
位を測定する光学系が相違している。反射鏡１０には、
筐体１５に取りつけられた光源１１からのレーザ光がビ
ームスプリッタ２５を透過して照射される。反射鏡１０
によって反射された光は、ビームスプリッタ２５によっ
て反射され、光検出器１２に入射する。なお、この実施
の形態で、光源１１、反射鏡１２、ビームスプリッタ２
５は、筐体１５に固定されており、反射鏡１０のみがス
キャナＳと共に傾斜する。
り、図５に示した実施の形態と同一ないしは類似の構成
要素には同一番号が付されている。この図７に示した構
成では、図５に示した構成と比較して、スキャナＡの変
位を測定する光学系が相違している。反射鏡１０には、
筐体１５に取りつけられた光源１１からのレーザ光がビ
ームスプリッタ２５を透過して照射される。反射鏡１０
によって反射された光は、ビームスプリッタ２５によっ
て反射され、光検出器１２に入射する。なお、この実施
の形態で、光源１１、反射鏡１２、ビームスプリッタ２
５は、筐体１５に固定されており、反射鏡１０のみがス
キャナＳと共に傾斜する。
【００３６】図８も本発明の他の実施の形態を示してお
り、図５に示した実施の形態と同一ないしは類似の構成
要素には同一番号が付されている。この図８に示した構
成では、図５に示した構成と比較して、反射鏡１０をス
キャナＳの内部に配置した点が相違する。そのため、チ
ューブ１の一部には、光源１１からのレーザ光をチュー
ブ内の反射鏡１０に入射させるための開口Ｋ１と、反射
鏡１０によって反射された光をスキャナ外部の光検出器
１２に導くための開口Ｋ２とが設けられている。なお、
この実施の形態でも、反射鏡１０は、チューブ状のスキ
ャナと共に傾斜することはもちろんである。
り、図５に示した実施の形態と同一ないしは類似の構成
要素には同一番号が付されている。この図８に示した構
成では、図５に示した構成と比較して、反射鏡１０をス
キャナＳの内部に配置した点が相違する。そのため、チ
ューブ１の一部には、光源１１からのレーザ光をチュー
ブ内の反射鏡１０に入射させるための開口Ｋ１と、反射
鏡１０によって反射された光をスキャナ外部の光検出器
１２に導くための開口Ｋ２とが設けられている。なお、
この実施の形態でも、反射鏡１０は、チューブ状のスキ
ャナと共に傾斜することはもちろんである。
【００３７】図９も本発明の他の実施の形態を示してお
り、図５に示した実施の形態と同一ないしは類似の構成
要素には同一番号が付されている。この図９に示した構
成では、図５に示した構成と比較して、Ｘ方向の変位量
を検出する反射鏡１０に加えて、Ｙ方向の変位量を検出
するための反射鏡２６をスキャナＳの外側に設けてい
る。更に、Ｙ方向の変位量を測定するため、反射鏡２６
にレーザ光を照射するための光源２７と、反射鏡２６に
よって反射された光を検出する光検出器２８が設けられ
ている。
り、図５に示した実施の形態と同一ないしは類似の構成
要素には同一番号が付されている。この図９に示した構
成では、図５に示した構成と比較して、Ｘ方向の変位量
を検出する反射鏡１０に加えて、Ｙ方向の変位量を検出
するための反射鏡２６をスキャナＳの外側に設けてい
る。更に、Ｙ方向の変位量を測定するため、反射鏡２６
にレーザ光を照射するための光源２７と、反射鏡２６に
よって反射された光を検出する光検出器２８が設けられ
ている。
【００３８】光検出器１２で検出されたプローブ７のＸ
方向の変位量に対応した信号と、光検出器２８で検出さ
れたプローブ７のＹ方向の変位量に対応した信号は、制
御ＣＰＵ２１に供給される。制御ＣＰＵ２１は、光検出
器１２および２８からの検出信号を制御量としてＸＹ制
御回路１７を制御する。ＸＹ制御回路１７は、ＸＹ走査
回路１８を制御し、プローブ７（カンチレバー８）がＸ
Ｙ面上で一定の速度で試料１６の所定領域を走査するよ
うに、ＸＹ走査回路１８からＸＹ電極２〜５に印加する
電圧を調整する。
方向の変位量に対応した信号と、光検出器２８で検出さ
れたプローブ７のＹ方向の変位量に対応した信号は、制
御ＣＰＵ２１に供給される。制御ＣＰＵ２１は、光検出
器１２および２８からの検出信号を制御量としてＸＹ制
御回路１７を制御する。ＸＹ制御回路１７は、ＸＹ走査
回路１８を制御し、プローブ７（カンチレバー８）がＸ
Ｙ面上で一定の速度で試料１６の所定領域を走査するよ
うに、ＸＹ走査回路１８からＸＹ電極２〜５に印加する
電圧を調整する。
【００３９】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に基づく走
査プローブ顕微鏡は、先端に探針を有したカンチレバー
と試料とを相対的に走査し、試料表面の形状や物性を観
察するようにした走査プローブ顕微鏡であって、カンチ
レバーと試料のいずれかを走査するためのスキャナとし
てチューブ形圧電体を用い、圧電体に走査電圧信号を印
加し、電圧信号に応じて圧電体を湾曲させてカンチレバ
ーと試料のいずれかを変位させるようにした走査プロー
ブ顕微鏡において、圧電体と一体となって変位する反射
鏡と、反射鏡にレーザ光を照射するための光源と、反射
鏡によって反射された光を検出する光検出器とを設け、
光検出器によって検出された信号に応じて圧電体に印加
する電圧を制御するように構成したことを特徴としてい
る。
査プローブ顕微鏡は、先端に探針を有したカンチレバー
と試料とを相対的に走査し、試料表面の形状や物性を観
察するようにした走査プローブ顕微鏡であって、カンチ
レバーと試料のいずれかを走査するためのスキャナとし
てチューブ形圧電体を用い、圧電体に走査電圧信号を印
加し、電圧信号に応じて圧電体を湾曲させてカンチレバ
ーと試料のいずれかを変位させるようにした走査プロー
ブ顕微鏡において、圧電体と一体となって変位する反射
鏡と、反射鏡にレーザ光を照射するための光源と、反射
鏡によって反射された光を検出する光検出器とを設け、
光検出器によって検出された信号に応じて圧電体に印加
する電圧を制御するように構成したことを特徴としてい
る。
【００４０】この結果、本発明では、ＸＹ走査における
圧電体の変位量を監視し、この変位量の変化が一定速度
となるように、ＸＹ走査用の電圧信号を制御することが
できるので、歪のない像を得ることができる。
圧電体の変位量を監視し、この変位量の変化が一定速度
となるように、ＸＹ走査用の電圧信号を制御することが
できるので、歪のない像を得ることができる。
【図１】走査プローブ顕微鏡に用いられるスキャナの一
例を示す図である。
例を示す図である。
【図２】圧電体のヒステリシス特性を示す図である。
【図３】本発明の原理を説明するための図である。
【図４】本発明の原理を説明するための図である。
【図５】本発明に基づく走査プローブ顕微鏡の第１の実
施の形態を示す図である。
施の形態を示す図である。
【図６】本発明に基づく走査プローブ顕微鏡の他の実施
の形態を示す図である。
の形態を示す図である。
【図７】本発明に基づく走査プローブ顕微鏡の他の実施
の形態を示す図である。
の形態を示す図である。
【図８】本発明に基づく走査プローブ顕微鏡の他の実施
の形態を示す図である。
の形態を示す図である。
【図９】本発明に基づく走査プローブ顕微鏡の他の実施
の形態を示す図である。
の形態を示す図である。
１ 圧電体
２〜６ 電極
７ プローブ
８ カンチレバー
１０ 反射鏡
１１ 光源
１２ 光検出器
１５ 筐体
１６ 試料
１７ ＸＹ制御回路
１８ ＸＹ走査回路
１９ Ｚ制御回路
２０ Ｚ走査回路
２１ 制御ＣＰＵ
２２ 入力装置
２３ データ処理・表示装置
Claims (8)
- 【請求項１】 先端に探針を有したカンチレバーと試料
とを相対的に走査し、試料表面の形状や物性を観察する
ようにした走査プローブ顕微鏡であって、カンチレバー
と試料のいずれかを走査するためのスキャナとしてチュ
ーブ形圧電体を用い、ＸＹ走査用圧電体に走査電圧信号
を印加し、電圧信号に応じて圧電体を湾曲させてカンチ
レバーと試料のいずれかを変位させるようにした走査プ
ローブ顕微鏡において、ＸＹ走査用圧電体と一体となっ
て変位する反射鏡と、反射鏡にレーザ光を照射するため
の光源と、反射鏡によって反射された光を検出する光検
出器とを設け、光検出器によって検出された信号に応じ
て圧電体に印加する電圧を制御するように構成した走査
プローブ顕微鏡。 - 【請求項２】 チューブ形圧電体を用いたスキャナの先
端にカンチレバーを取り付け、探針を試料に対して走査
するようにした請求項１記載の走査プローブ顕微鏡。 - 【請求項３】 チューブ形圧電体を用いたスキャナの先
端に試料を取り付け、試料を探針に対して走査するよう
にした請求項１記載の走査プローブ顕微鏡。 - 【請求項４】 光検出器は複数の検出素子から成り、ス
キャナの変位量と方向を検出するように構成した請求項
１〜３の何れかに記載の走査プローブ顕微鏡。 - 【請求項５】 反射鏡はチューブ形圧電体の外側に取り
つけられた請求項１〜４の何れかに記載の走査プローブ
顕微鏡。 - 【請求項６】 反射鏡はチューブ形圧電体の内部に取り
つけられ、圧電体の一部には、外部に設けられた光源か
らのレーザ光を反射鏡に照射するためと反射鏡によって
反射された光を外部の光検出器に導くために、開口が設
けられた請求項１〜４の何れかに記載の走査プローブ顕
微鏡。 - 【請求項７】 圧電体に取りつけられる反射鏡として、
Ｘ方向の変位を検出する第１の反射鏡と、Ｙ方向の変位
を検出する第２の反射鏡の２種の反射鏡が用いられ、そ
れぞれの反射鏡に対して、光源と光検出器が設けられた
請求項１〜３の何れかに記載の走査プローブ顕微鏡。 - 【請求項８】 チューブ形圧電体より成るスキャナの一
端は固定され、固定された側にＸＹ走査用の電圧信号が
印加される電極を設け、走査のために変位する側にＺ方
向への変位のための電圧信号が印加される電極が設けら
れ、ＸＹ走査用電極とＺ方向への変位用電極との間に反
射鏡が設けられた請求項１〜７の何れかに記載の走査プ
ローブ顕微鏡。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002016497A JP2003215017A (ja) | 2002-01-25 | 2002-01-25 | 走査プローブ顕微鏡 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002016497A JP2003215017A (ja) | 2002-01-25 | 2002-01-25 | 走査プローブ顕微鏡 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003215017A true JP2003215017A (ja) | 2003-07-30 |
Family
ID=27652542
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002016497A Withdrawn JP2003215017A (ja) | 2002-01-25 | 2002-01-25 | 走査プローブ顕微鏡 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003215017A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1300562C (zh) * | 2004-02-26 | 2007-02-14 | 上海大学 | 扫描探针显微镜中压电执行器模型参数标定和非线性校正方法 |
| JP2007218707A (ja) * | 2006-02-16 | 2007-08-30 | Canon Inc | 原子間力顕微鏡 |
| US20100306885A1 (en) * | 2006-08-15 | 2010-12-02 | Georgia Tech Research Corporation | Cantilevers with Integrated Actuators for Probe Microscopy |
| KR101198178B1 (ko) | 2010-06-14 | 2012-11-12 | 삼성전자주식회사 | 고속 및 고정밀 원자힘 현미경 |
-
2002
- 2002-01-25 JP JP2002016497A patent/JP2003215017A/ja not_active Withdrawn
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1300562C (zh) * | 2004-02-26 | 2007-02-14 | 上海大学 | 扫描探针显微镜中压电执行器模型参数标定和非线性校正方法 |
| JP2007218707A (ja) * | 2006-02-16 | 2007-08-30 | Canon Inc | 原子間力顕微鏡 |
| US20100306885A1 (en) * | 2006-08-15 | 2010-12-02 | Georgia Tech Research Corporation | Cantilevers with Integrated Actuators for Probe Microscopy |
| US8321959B2 (en) * | 2006-08-15 | 2012-11-27 | Georgia Tech Research Corporation | Cantilevers with integrated piezoelectric actuators for probe microscopy |
| KR101198178B1 (ko) | 2010-06-14 | 2012-11-12 | 삼성전자주식회사 | 고속 및 고정밀 원자힘 현미경 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20050405 |