JP2006250649A - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】 観察対象や観察目的に応じてスキャナを交換する必要が無く、高い分解能を保ったまま、微小領域から広域までの観察を行うことのできる走査型プローブ顕微鏡を提供する。
【解決手段】 探針１３をＸ−Ｙ−Ｚ軸方向に移動させる探針側スキャナ１０と試料１２をＸ−Ｙ−Ｚ軸方向に移動させる試料側スキャナ１１の２つのスキャナを設ける。探針側スキャナ１０として最大走査範囲の小さいスキャナ、試料側スキャナ１１として最大走査範囲の大きいスキャナを使用し、観察対象や観察目的に応じて両者を切り替えて使用する。あるいは、探針側スキャナ１０で微小領域の走査を行うと共に、試料側スキャナ１１によって観察視野を移動させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、走査型プローブ顕微鏡（Scanning Probe Microscope；ＳＰＭ）に関する。

走査型プローブ顕微鏡は、微小な探針（プローブ）により試料の表面を走査しながら試料との間の相互作用を検出することで、その試料表面の形状や物理量を検出して画像化することができる顕微鏡であり、前記相互作用として、探針と試料との間に流れる電流を利用する走査型トンネル顕微鏡（Scanning Tunneling Microscope；ＳＴＭ）や、探針と試料との間に作用する原子間力を利用する原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscope；ＡＦＭ）などがある。

従来から知られている原子間力顕微鏡の要部の構成を図３に示す（例えば特許文献１など参照）。原子間力顕微鏡は、先端に先鋭な探針３３を備えたカンチレバー３４と、該カンチレバー３４の変位を検出するための変位検出系と、上面に試料３２を載置し該試料３２をＸ−Ｙ−Ｚ軸方向に移動させるための３次元スキャナ３１を有しており、探針３３の先端を３次元スキャナ３１上に載置された試料３２のごく近傍（数nm以下の間隙）に近づけると、探針３３の先端と試料３２の原子との間には原子間力（引力又は反発力）が作用する。この状態で、試料表面に沿って探針３３と試料３２とがＸ−Ｙ平面内で相対移動するようにスキャナ３１による走査を行いつつ、上記原子間力を一定に保つように探針３３の試料３２からの距離（Ｚ軸方向高さ）をフィードバック制御する。このときのＺ軸方向のフィードバック量は試料３２の表面の凹凸に応じたものとなるから、これに基づいて試料表面の３次元画像を得ることができる。

変位検出系は、上記カンチレバー３４のＺ軸方向の変位を検出するためのものであり、カンチレバー３４の先端付近にレーザー光を照射するためのレーザー光源３５と、カンチレバー３４で反射した該レーザー光を検出するための光検出器３６等を有し、光てこの原理を利用してカンチレバー３４の撓み角を検出することにより、カンチレバー３４の上下動を検出することができるものである。

また、走査型プローブ顕微鏡には、上記のように３次元スキャナ上に試料を載置し、該３次元スキャナによって試料を移動させて観察を行うものの他に、図４に示すように、カンチレバー３４に３次元スキャナ３０を装着し、該３次元スキャナ３０によって探針３３を移動させて観察を行うものもある。この場合にも、変位検出系からの信号に基づき、探針３３と試料３２の間に作用する原子間力が一定になるように、３次元スキャナ３０のＺ軸方向の変位をフィードバック制御しながら、Ｘ−Ｙ平面内の走査を行うことにより、試料表面の３次元画像が取得される。

特開2000-338027号公報（[0003],［0004], 図7）

スキャナは圧電素子（ピエゾ素子）を含む略円筒形状体であり、外部から印加される電圧によってＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸方向にそれぞれ所定範囲で自在に変位する。走査型プローブ顕微鏡によって観察可能な範囲は、このスキャナのＸ−Ｙ軸方向の可動範囲（すなわち最大走査範囲）によって決まり、最大走査範囲の大きなスキャナでは、より大きな観察領域を確保することができる。スキャナの最大走査範囲を大きくするためには、スキャナのサイズを大きくすればよいが、一方で、高分解能の画像を得るためには、装置全体の剛性を高めるために、スキャナのサイズを小さくする必要がある。すなわち、一般的に最大走査範囲の大きなスキャナでは、高分解能の画像が得にくくなるという難点があり、大きな観察領域の確保と、高分解能での観察を同時に実現することは困難であった。

そのため、走査型プローブ顕微鏡においては、観察対象や観察目的に応じて最大走査範囲の異なるスキャナを使い分ける必要があったが、スキャナの交換やその後の設定変更等に手間が掛かるという問題があった。

また、近年では圧電素子の非線形性に起因するスケール誤差を補正するために、位置センサを組み込んだスキャナが実用化されている。これは、スキャナの変位を位置センサで検出し、その変位信号をスキャナの駆動機構にフィードバックすることで線形性を保ったまま広域の観察画像を得ることができるものである。しかし、このような場合、位置センサを組み込むことによって、更に装置が大型化し、高分解能観察が困難になるという問題が生じていた。

また、走査型プローブ顕微鏡では試料の熱ドリフトなどにより、観察視野が時間と共に移動してしまうことがある。そのため、通常は、得られた観察画像を基に熱ドリフトなどによって視野が移動した量を検出し、スキャナでそれを補正することによって、同一視野での観察を継続できるようにしている。しかし、高分解能観察が可能な小型のスキャナの場合、最大走査範囲が小さいために、長時間観察を行っていると観察視野の移動を補正しきれなくなり、観察したい領域が視野の外へ移動してしまう場合があった。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、スキャナを交換することなく微小領域から広域までの観察を行うことのできる走査型プローブ顕微鏡を提供することである。また更に、本発明が解決しようとする課題は、高い分解能を保ったまま、広域の観察や線形性を保った観察、同一視野での長時間観察等を実現することのできる走査型プローブ顕微鏡を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明の走査型プローブ顕微鏡は、微小な探針によって試料の表面を走査することにより、試料表面の３次元形状や物理量を検出する走査型プローブ顕微鏡において、
a)探針をＸ−Ｙ−Ｚ軸方向に移動させる探針移動機構と、
b)試料をＸ−Ｙ−Ｚ軸方向に移動させる試料移動機構と、
を有することを特徴とする。

なお、ここで、上記試料移動機構のＸ−Ｙ軸方向の可動範囲が、上記探針移動機構のＸ−Ｙ軸方向の可動範囲よりも大きいものとすることが望ましい。

また、本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の第１の態様のものは、
c)上記探針移動機構を用いて試料表面のデータを取得する微小領域観察手段と、
d)上記試料移動機構を用いて試料表面のデータを取得する広域観察手段と、
を有し、前記微小領域観察手段と前記広域観察手段とを切り替えることにより、観察視野の広さを変化させることを特徴とする。

本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の第２の態様のものは、
c)上記探針移動機構を用いて試料表面のデータを取得する微小領域観察手段と、
d)上記試料移動機構を用いて観察視野を移動させる観察視野移動手段と、
を有し、前記観察視野移動手段によって観察視野を移動させながら、前記微小領域観察手段による試料表面のデータの取得を行うことを特徴とする。

本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の第３の態様のものは、上記第１又は第２の態様のものにおいて、更に、
e)上記試料移動機構の位置を検出する位置センサと、
f)前記位置センサによって検出された前記試料移動機構の位置情報に基づいて該試料移動機構の非線形性を補正する非線形性補正手段と、
を有することを特徴とする。

本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の第４の態様のものは、上記いずれかの態様のものにおいて、更に、
g)熱ドリフトによる観察視野の移動方向及び移動量を検出するドリフト検出手段と、
h)前記ドリフト検出手段によって検出された観察視野の移動方向及び移動量に基づいて上記試料移動機構を制御することにより、熱ドリフトを補正するドリフト補正手段と、
を有することを特徴とする。

上記のような構成を有する本発明の走査型プローブ顕微鏡によれば、上記試料移動機構及び上記探針移動機構によって、試料及び探針をそれぞれＸ−Ｙ−Ｚ軸方向に移動させることができるようになり、これまで困難であった種々の観察を実現できるようになる。

例えば、上記本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の第１の態様のものでは、Ｘ−Ｙ軸方向の可動範囲の小さい（すなわち最大走査範囲の小さい）探針移動機構と、Ｘ−Ｙ軸方向の可動範囲の大きい（すなわち最大走査範囲の大きい）試料移動機構とを、切り替えて使用することができ、微小領域の観察を行う際には前者を使用し、広域の観察を行う際には後者を使用することで、従来のように観察対象や観察目的に応じてスキャナを交換する必要がなくなり、スキャナの交換や設定変更に掛かる手間を省くことができるようになる。

また、上記本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の第２の態様のものによれば、Ｘ−Ｙ軸方向の可動範囲の小さい探針移動機構とＸ−Ｙ軸方向の可動範囲の大きい試料移動機構とを併用し、探針移動機構を用いて微小領域の走査を行うと共に、試料移動機構を用いて観察視野を移動させることができ、高分解能を保ったまま微小領域から広域までの観察を行うことが可能となる。

また、本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の第３の態様のものでは、Ｘ−Ｙ軸方向の可動範囲の大きい試料移動機構の位置を検出するための位置センサを設け、該試料移動機構の位置情報に基づいて試料移動機構をフィードバック制御することによって、スキャナの非線形性を補償して、広域走査において線形性を保った画像取得を行うことが可能となる。

更に、本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の第４の態様のものでは、熱ドリフトによる観察視野の移動方向及び移動量を検出するドリフト検出手段と、試料移動機構によって、該観察視野の移動を打ち消すように試料移動機構を動かすドリフト補正手段を設けたことにより、微小領域走査用の探針移動機構を用いた観察を行いながら、試料移動機構によってドリフト補正を行うことができ、高分解能観察においても同一視野を長時間維持することが可能となる。

以下、実施例を用いて本発明の走査型プローブ顕微鏡を実施するための最良の形態について説明する。

［実施例１］
図１に、本発明の走査型プローブ顕微鏡の一実施例である原子間力顕微鏡の概略構成を示す。本実施例の原子間力顕微鏡は、上面に試料１２を保持し、該試料１２をＸ−Ｙ軸方向に走査すると共にＺ軸方向に変位させることのできる試料側スキャナ１１と、探針１３を備えたカンチレバー１４に装着され、探針１３をＸ−Ｙ軸方向に走査すると共にＺ軸方向に変位させることのできる探針側スキャナ１０とを備えている。

探針側スキャナ１０と試料側スキャナ１１では、その最大走査範囲が異なっており、ここでは、試料側スキャナ１１として最大走査範囲の大きなスキャナ（広域走査用スキャナ）を、探針側スキャナ１０として最大走査範囲の小さなスキャナ（微小領域走査用スキャナ）を使用している。

探針側スキャナ１０と試料側スキャナ１１はそれぞれ、探針側スキャナ駆動部１７と試料側スキャナ駆動部１８に接続されており、各スキャナ駆動部がスキャナ制御部２０からの信号に応じて各スキャナを構成する圧電素子１０ａ、１１ａに適当な電圧を印加することにより、各スキャナをＸ−Ｙ−Ｚ軸方向に駆動させることができる。

また、本実施例の原子間力顕微鏡は、変位検出系の光検出器１６からの検出信号を基にカンチレバー１４の変位量を算出する変位量算出部１９を備えており、該変位量算出部１９によって算出されたカンチレバー１４の変位量はスキャナ制御部２０に入力される。スキャナ制御部２０は該変位量に基づいて、探針１３と試料表面との間の原子間力が常に一定になるように、つまり探針１３と試料表面との間の距離が常に一定になるように、探針側スキャナ１０又は試料側スキャナ１１をＺ軸方向に変位させるための電圧値を算出し、探針側スキャナ駆動部１７又は試料側スキャナ駆動部１８を介して探針側スキャナ１０又は試料側スキャナ１１をＺ軸方向に微動させる。

また、スキャナ制御部２０は予め決められた走査パターンに従って、試料１２がＸ−Ｙ平面内で探針１３に対して相対移動するようにＸ軸、Ｙ軸方向の電圧値を算出し、探針側スキャナ駆動部１７又は試料側スキャナ駆動部１８を介してスキャナをＸ軸及びＹ軸方向に微動させる。

Ｚ軸方向のフィードバック量（スキャナ電圧）を反映した信号は制御／処理部２１にも送られ、制御／処理部２１はＸ軸、Ｙ軸方向の各位置においてその信号を処理することによって試料表面の３次元画像を再現し、これをモニタ２２上に描出する。なお、制御／処理部２１は汎用コンピュータに搭載された専用ソフトウェア等によって実現することができ、該汎用コンピュータに接続されたキーボードやマウス等の入力部２３によって、操作者の指示が制御／処理部２１に入力される。

本実施例の原子間力顕微鏡によって試料の観察を行う際には、まず操作者が入力部２３で所定の操作を行うことにより、観察したい領域の大きさに応じた適切なスキャナを選択する。ここで、探針側スキャナ１０が選択された場合には、スキャナ制御部２０からの駆動信号は探針側スキャナ駆動部１７に送られ、該駆動信号に応じた電圧が探針側スキャナ１０の各圧電素子１０ａに印加される。また、試料側スキャナ１１が選択された場合には、試料側スキャナ駆動部１８に駆動信号が送られ、該駆動信号に応じた電圧が試料側スキャナ１１の各圧電素子１１ａに印加される。微小領域の観察を行う際には、最大走査範囲の小さい探針側スキャナ１０を用いた走査を行って画像を取得し、このとき試料側スキャナ１１は使用しない。また、広域の観察を行う際には、最大走査範囲の大きな試料側スキャナ１１を使用して画像を取得し、このとき探針側スキャナ１０は使用しない。

なお、このとき上記のように使用するスキャナを操作者が選択する代わりに、操作者が入力した観察範囲の大きさに基づいて、制御／処理部２１がどちらのスキャナを使用するかを自動的に判断してスキャナ制御部２０へコマンドを送るようにしてもよい。

また、上記のように探針側スキャナ１０と試料側スキャナ１１を観察したい領域の広さに応じて使い分けるだけでなく、両者を併用することで、探針側スキャナ１０による微小領域の走査を行って画像を取得すると共に、試料側スキャナ１１によって観察視野を移動させることもでき、これにより、高分解能を維持しながら広範囲の観察を行うことができる。このような場合には、スキャナ制御部２０から探針側スキャナ駆動部１７に対して試料表面を走査して画像を取得するための駆動信号が出力されると同時に、試料側スキャナ駆動部１８に対して任意の位置へ試料１２を移動させるための駆動信号が出力される。このとき、試料側スキャナによって試料１２を移動させる量は、操作者が入力部２３を用いて行った設定に基づいて制御／処理部２１で算出され、スキャナ制御部２０に送られる。

また、熱ドリフトなどによって観察視野が移動した場合には、制御／処理部２１によって、連続して取得された２枚の観察画像から同一部位が抽出され、その部位の移動量と方向が自動的に算出される。更に、制御／処理部２１ではそれらの情報から該視野の移動を補正する方向へ試料１２を移動させる量が算出され、その結果がスキャナ制御部２０を通じて試料側スキャナ１１に送られる。これにより、次の観察画像では、ドリフトした量だけ試料１２が逆方向へ移動されるため、モニタ２２上では試料１２が移動していないように観察される。このように、本実施例の原子間力顕微鏡においては、最大走査範囲の小さな探針側スキャナ１０を用いた高解像度観察を行いながら、最大走査範囲の大きな試料側スキャナ１１を用いてドリフト補正を行うことができるため、同一視野を維持したまま、長時間の高解像度観察を行うことが可能となる。

［実施例２］
本実施例の原子間力顕微鏡は、上記実施例１の原子間力顕微鏡に試料側スキャナ１１の位置を検出するための位置センサ２４を設けたものである。このような構成とすることにより、位置センサ２４からの信号をスキャナ制御部２０にフィードバックして、圧電素子の非線形性に起因するスケール誤差を補償することができる。したがって、本実施例の原子間力顕微鏡によれば、上述のように試料側スキャナ１１と探針側スキャナ１０を併用して、高解像度で広範囲の観察を行うような場合にも、線形性を保ったまま試料１２を広範囲で移動させることができ、従来困難であった試料の正確な位置決めと高分解能観察とを両立させることが可能となる。

以上、実施例を用いて本発明を実施するための最良の形態について説明を行ったが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変更が許容されるものである。例えば、本発明の構成は、上記実施例のような原子間力顕微鏡に限らず、走査型トンネル顕微鏡など各種の走査型プローブ顕微鏡に適用することができる。また、上記実施例とは逆に、最大走査範囲の小さなスキャナを試料側スキャナとし、最大走査範囲の大きなスキャナを探針側スキャナとしてもよい。この場合、上記のようなドリフト補正などの際の視野移動には探針側スキャナを使用する。

本発明の第１の実施例に係る原子間力顕微鏡の概略構成を示す図。 本発明の第２の実施例に係る原子間力顕微鏡の概略構成を示す図。 従来の原子間力顕微鏡の一例を示す模式図。 従来の原子間力顕微鏡の他の例を示す模式図。

符号の説明

１０…探針側スキャナ
１０ａ，１１ａ…圧電素子
１１…試料側スキャナ
１２、３２…試料
１３、３３…探針
１４、３４…カンチレバー
１５、３５…レーザー光源
１６、３６…光検出器
１７…探針側スキャナ駆動部
１８…試料側スキャナ駆動部
１９…変位量算出部
２０…スキャナ制御部
２１…制御／処理部
２２…モニタ
２３…入力部
２４…位置センサ

Claims (6)

1. 微小な探針によって試料の表面を走査することにより、試料表面の３次元形状や物理量を検出する走査型プローブ顕微鏡において、
   a)探針をＸ−Ｙ−Ｚ軸方向に移動させる探針移動機構と、
   b)試料をＸ−Ｙ−Ｚ軸方向に移動させる試料移動機構と、
   を有することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
2. 上記試料移動機構のＸ−Ｙ軸方向の可動範囲が、上記探針移動機構のＸ−Ｙ軸方向の可動範囲よりも大きい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. 更に、
   c)上記探針移動機構を用いて試料表面のデータを取得する微小領域観察手段と、
   d)上記試料移動機構を用いて試料表面のデータを取得する広域観察手段と、
   を有し、前記微小領域観察手段と前記広域観察手段とを切り替えることにより、観察視野の広さを変化させることを特徴とする請求項２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
4. 更に、
   c)上記探針移動機構を用いて試料表面のデータを取得する微小領域観察手段と、
   d)上記試料移動機構を用いて観察視野を移動させる観察視野移動手段と、
   を有し、前記観察視野移動手段によって観察視野を移動させながら、前記微小領域観察手段による試料表面のデータの取得を行うことを特徴とする請求項２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
5. 更に、
   e)上記試料移動機構の位置を検出する位置センサと、
   f)前記位置センサによって検出された前記試料移動機構の位置情報に基づいて該試料移動機構の非線形性を補正する非線形性補正手段と、
   を有することを特徴とする請求項３又は４に記載の走査型プローブ顕微鏡。
6. 更に、
   g)熱ドリフトによる観察視野の移動方向及び移動量を検出するドリフト検出手段と、
   h)前記ドリフト検出手段によって検出された観察視野の移動方向及び移動量に基づいて上記試料移動機構を制御することにより、熱ドリフトを補正するドリフト補正手段と、
   を有することを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
   

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