JP2008122168A - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】カンチレバーを共振点付近で振動させながら試料表面の走査を行う場合に、その振動振幅のダイナミックレンジを拡大することでより最適な条件での表面観察を可能とする。
【解決手段】圧電定数の相違する複数の圧電素子２１、２２を絶縁材２３を挟んで振動方向に重ね、各圧電素子２１、２２に独立に交流電圧を印加する駆動部２４、２５を設ける。カンチレバー１０を小さく振動させたい場合には圧電定数の小さな圧電素子を選んで、それにのみ駆動部から交流電圧を印加し、逆にカンチレバー１０を大きく振動させたい場合には圧電定数の大きな圧電素子を選んで、それにのみ駆動部から交流電圧を印加する、又は複数の圧電素子を同時に駆動する。これにより、振動振幅のダイナミックレンジを広げることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は走査型プローブ顕微鏡に関し、さらに詳しくは、探針が設けられたカンチレバーをその共振点付近で振動させながら試料表面を走査して測定を行う走査型プローブ顕微鏡に関する。

金属、半導体、セラミック、合成樹脂等の表面観察や表面粗さ等の測定を行うものとして、探針（プローブ）と試料表面間に作用する原子間力を測定する原子間力顕微鏡（ＡＦＭ＝Atomic Force Microscope）を代表とする走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ＝Scanning Probe Microscope）が広く知られている。原子間力顕微鏡ではいくつかの測定モードが用いられるが、最近では、探針を設けたカンチレバーをその共振点付近で振動させ、その状態で探針に働く試料表面との間の相互作用をカンチレバーの振動の振幅、位相、或いは周波数の変化に変換して検出する、ノンコンタクトモードやダイナミックモードと呼ばれる方法が用いられることが多い（例えば特許文献１など参照）。

図５は従来から知られている原子間力顕微鏡の検出部の原理的構成図である。カンチレバー１０の先端には尖鋭な探針１１が取り付けられ、カンチレバー１０の基部１２はセラミクスの圧電素子１３を装着した台座１４に固着されている。圧電素子１３や台座１４などは図示しないカンチレバーホルダに保持され、カンチレバーホルダが装置（顕微鏡）に固定されている。圧電素子１３は印加される電圧によりその厚み方向（図５中では上下方向）に形状が変化するものであるため、駆動部１５から所定周波数ｆの交流電圧を印加すると、圧電素子１３の振動によってカンチレバー１０は上下動する。前述のノンコンタクトモードやダイナミックモードでは、交流電圧の周波数ｆはカンチレバー１０の機械的な共振点付近に設定され、これによりカンチレバー１０には圧電素子１３自体の振動振幅よりも大きな振幅の振動が誘起される。なお、カンチレバー１０の変位は図示しない光学的な検出機構により検出される。

このときの圧電素子１３の変位量は、印加される交流電圧の振幅のほか、圧電素子１３の材料や形状などに依存する。またカンチレバー１０の振動振幅は、圧電素子１３の変位量のほか、カンチレバー１０の材質や形状などに依存するばね定数、カンチレバー１０の基部１２と台座１４との接触状態、などによっても変化する。たとえ同一種類のカンチレバー１０であってもばね定数などの個体差は無視できない程度に大きいため、同一振幅の交流電圧を印加したときにカンチレバー１０の振動振幅には比較的大きな差が生じる場合がある。

原子間力顕微鏡においてカンチレバー１０の振幅は重要な測定パラメータの１つであり、観察する試料Ｓの材質や形状などに応じて適当な振幅が得られるようにオペレータが印加電圧の振幅を調整する必要がある。しかしながら、圧電素子１３に印加する電圧が同一であっても、前述のようにカンチレバー１０の種類や形状などが異なると振動振幅が異なる。その結果、振動しにくいカンチレバー１０を使用する場合、圧電素子１３に最大電圧を印加しても最適な観察条件に適合する振幅に足りない場合がある。一方、振動し易いカンチレバー１０を使用する場合、駆動部１５で安定的に発生可能な最小電圧を圧電素子１３に印加しても最適な観察条件に適合する振幅よりも大きくなってしまうことがある。即ち、従来の走査型プローブ顕微鏡ではカンチレバー１０の振動振幅の調整のダイナミックレンジが狭いために必ずしも最適な条件で測定を行うことができない場合あり、これが例えば観察画像の精度の低下などの一因となることがある。

特開平１１−２６３７号公報（段落０００３−０００４）

本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その主たる目的は、カンチレバーをその共振点付近の周波数で振動させる場合に、カンチレバーの振動振幅の調整のダイナミックレンジを大きくすることが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第１発明は、探針が設けられたカンチレバーをその共振点付近で振動させながら試料表面を走査し、試料表面と探針との間の相互作用による振動の変化に基づいて試料表面に関する情報を収集する走査型プローブ顕微鏡において、
a)前記カンチレバーを振動させるための複数の振動子と、
b)前記複数の振動子に対しそれぞれ独立に励振用の交流電圧を印加する振動子駆動手段と、
を備え、前記複数の振動子の選択又は組み合わせにより前記カンチレバーの振動振幅を調整可能としたことを特徴としている。

また上記課題を解決するために成された第２発明は、探針が設けられたカンチレバーをその共振点付近で振動させながら試料表面を走査し、試料表面と探針との間の相互作用による振動の変化に基づいて試料表面に関する情報を収集する走査型プローブ顕微鏡において、
a)前記カンチレバーを振動させるために該カンチレバーからそれぞれ異なる距離に設けられた複数の振動子と、
b)前記複数の振動子に対し選択的に励振用の交流電圧を印加する振動子駆動手段と、
を備えることを特徴としている。

また上記課題を解決するために成された第３発明は、探針が設けられたカンチレバーをその共振点付近で振動させながら試料表面を走査し、試料表面と探針との間の相互作用による振動の変化に基づいて試料表面に関する情報を収集する走査型プローブ顕微鏡において、
a)前記カンチレバーを振動させるための振動子と、
b)前記振動子の一方の電極に所定周波数である励振用の交流電圧を印加し、前記振動子の他方の電極に前記交流電圧と周波数が同一で位相が調整可能である交流電圧を印加する振動子駆動手段と、
を備えることを特徴としている。

第１乃至第３発明に係る走査型プローブ顕微鏡において、振動子は典型的には圧電素子（ピエゾ素子）とすることができる。

第１発明に係る走査型プローブ顕微鏡では、同じ又は異なる振動特性（振動子が圧電素子である場合には圧電定数）の複数の振動子をその振動方向に重ねて、且つ独立に駆動可能に配設する。好ましくは、複数の振動子は少なくともその振動特性が相違するものを含むものとするとよい。例えば圧電定数の小さな圧電素子では圧電定数の大きな圧電素子に比べて同一振幅の交流電圧が印加されたときの振動振幅が小さい。したがって、試料によってカンチレバーの種類によって或いは測定目的によってカンチレバーの振動を非常に微小に抑えたいような場合に、圧電定数の小さな圧電素子を選択して振動子駆動手段により該圧電素子に励振用の交流電圧を印加することにより、或る程度大きな電圧を印加しながら圧電素子の振幅を小さくすることができる。一方、カンチレバーを大きく振動させたいような場合に、圧電定数の大きな圧電素子を選択して又は複数の圧電素子を同時に選択して振動子駆動手段により励振用の交流電圧を印加することにより、大きな振動振幅を得ることができる。

このように第１発明に係る走査型プローブ顕微鏡によれば、カンチレバーの振動振幅の制御のダイナミックレンジを広くすることができるので、様々な種類や形状のカンチレバーに対してそれぞれ最適な振幅で振動させることができるようになり、例えば試料表面の観察画像の精度（解像度）を改善することができる。また、１つの顕微鏡で多様な試料の測定に対応することが可能となる。また、同一のカンチレバーでその振動振幅を小振幅から大振幅まで条件を変えながら測定を行いたい場合に、従来はカンチレバーを別のカンチレバーホルダに付け替える必要があったが、第１発明に係る走査型プローブ顕微鏡によれば、１つのカンチレバーホルダで小振幅から大振幅までをカバーできるので付け替えの必要がない。そのため、付け替えの手間が省け効率的であるのはもちろんのこと、カンチレバーの付け替えに伴う試料の視野のズレもないので、良好な試料表面観察が行えるという利点がある。

また第２発明に係る走査型プローブ顕微鏡では、複数の振動子として例えば圧電素子がカンチレバーから異なる距離に配設されており、距離が遠い圧電素子による振動はカンチレバーに伝わるまでに減衰が大きい。つまり、カンチレバーから遠い位置に設けられた圧電素子は実効的に圧電定数が小さな圧電素子と同じように機能するから、上記第１発明と同様に選択的に圧電素子を駆動することで第１発明と同様の作用・効果を得ることができる。

また第３発明に係る走査型プローブ顕微鏡では、圧電素子の２つの電極に印加する交流電圧の位相差が調整可能となっている。圧電素子は２つの電極に印加された電圧の差で振動するため、一方の電極に印加する交流電圧の周波数、振幅、位相を固定したままで、他方の電極に印加する同一周波数、同一振幅の交流電圧の位相のみを変化させると、位相が逆極性となるときに圧電素子の振動振幅は最大となり、そこから位相がずれるに従い振動振幅は小さくなる。したがって、従来のように交流電圧の振幅を変化させることで圧電素子の振動振幅を調整するのに加えて上記のような位相制御により圧電素子の振動振幅を調整することで、カンチレバーの振動振幅の制御のダイナミックレンジを広げることができる。それによって、第１発明、第２発明と同様の作用・効果を得ることができる。さらにまた、第３発明に係る走査型プローブ顕微鏡では、従来のカンチレバーホルダをそのまま利用して、励振用の交流電圧を印加する駆動手段の回路のみを変更すればよいので、比較的低廉なコストで既存装置への導入が可能である。

［第１実施例］
まず第１発明の一実施例（第１実施例）である走査型プローブ顕微鏡について、図面を参照して具体的に説明する。図１は第１実施例による走査型プローブ顕微鏡の検出部全体の概略構成図である。

図１に示すように、観察対象である試料Ｓは略円筒形状であるスキャナ５６の上に設けられた試料台５７の上に保持される。スキャナ５６は圧電素子を備え、外部から印加される電圧によって試料Ｓをｘ、ｙの２軸方向に走査し且つｚ軸方向に微動させる。試料Ｓの上方には先端に探針１１を有するカンチレバー１０が配置され、カンチレバー１０は後述する圧電素子を含む励振部により振動される。

このカンチレバー１０の変位を検出するために、レーザ光源５１、レンズ５２、ビームスプリッタ５３、ミラー５４、光検出器５５が設けられている。即ち、レーザ光源５１から出射したレーザ光をレンズ５２で集光した後にビームスプリッタ５３で反射させ、カンチレバー１０の先端付近に照射する。そして、その反射光をミラー５４を介して光検出器５５で検出する。光検出器５５はカンチレバー１０の変位方向（ｚ軸方向）に複数（通常２つ）に分割された受光面を有する。したがって、カンチレバー１０が上下に変位すると複数の受光面に入射する光量の割合が変化するから、その複数の受光光量に応じた検出信号を演算処理することでカンチレバー１０の変位量を算出することができる。

上記構成の走査型プローブ顕微鏡におけるノンコンタクトモードでの測定動作を簡単に説明する。後述する励振部によりカンチレバー１０はその共振点付近の周波数ｆでｚ軸方向に振動され、このとき探針１１と試料Ｓの表面との間に引力（又は斥力）が作用するとカンチレバー１０の振動振幅が変化する。光検出器５５による検出信号によりこの振動振幅の微小な変化量を検知し、この変化量をゼロにする、つまり振動振幅を一定に維持するようにスキャナ５６のｚ軸方向の圧電素子をフィードバック制御する。その状態でスキャナ５６のｘ軸−ｙ軸方向の圧電素子を制御することで試料Ｓを走査すると、上記フィードバック制御量は試料Ｓ表面の微小な凹凸に対応したものとなるから、試料Ｓの表面画像を作成することができる。

次に本実施例の走査型プローブ顕微鏡において特徴的な励振部の構成について図２により説明する。図２はカンチレバーの励振部の詳細図であって、既に説明した図５の構成と同じ構成要素には同一符号を付して説明を省略する。

この実施例では、台座１４を介してカンチレバー１０を励振させる振動子は、平板状の絶縁材２３を挟んで振動方向に重ねられた第１圧電素子２１と第２圧電素子２２との２つから成る。ここでは、第１圧電素子２１と第２圧電素子２２とは圧電定数が相違したものであり、第１圧電素子２１の圧電定数は第２圧電素子２２のそれよりも大きいものが選択されている。また、各圧電素子２１、２２にはそれぞれ独立に交流電圧を印加可能な第１駆動部２４、第２駆動部２５が設けられ、それら駆動部２４、２５は制御部２６により制御される。

いま第１圧電素子２１を用いてカンチレバー１０を励振させた場合に、交流電圧の電圧信号１０ｍＶに対してカンチレバー１０の振動振幅が１００ｎｍであったものとする。この振幅では試料Ｓに与える力が大きすぎるために試料Ｓを損傷するおそれが高いような場合、振動振幅を小さくして観察することが要求される。このときに要求されるカンチレバー１０の振動振幅が例えば１０ｎｍであるとすると、第１圧電素子２１を用いてこの振動振幅を達成するには電圧信号を１ｍＶに設定する必要がある。ところが、電圧信号を１０ｍＶ以下にすると一般的に駆動部のノイズレベルと信号強度が同程度となり、安定して圧電素子を駆動することができなくなる。そこで、このように微小な振動振幅が必要な場合には圧電定数の小さな第２圧電素子２２を用いることとする。

第２圧電素子２２が例えば電圧信号１０ｍＶに対しカンチレバー１０の振動振幅が５ｎｍになるものであるとすると、カンチレバー１０の振動振幅を１０ｎｍとするために必要な電圧信号は２０ｍＶとなる。これであればノイズレベルよりも十分に信号強度が大きいため、圧電素子を安定的に駆動することが可能である。即ち、試料Ｓの種類やカンチレバー１０自体の種類（ばね定数などの特性、形状、サイズなどの相違）、或いは測定目的などによって、カンチレバー１０の振動振幅を小さくしたい場合には、圧電定数の小さな第２圧電素子２２を励振に利用するように第２駆動部２５により第２圧電素子２２に所定周波数、振幅の交流電圧を印加するとよい。

一方、これとは逆にカンチレバー１０の振動振幅を大きくしたい場合には、圧電定数の大きな第１圧電素子２１を励振に利用するように第１駆動部２４により第１圧電素子２１に所定周波数、振幅の交流電圧を印加するとよい。さらに、第１、第２圧電素子２１、２２を同時に同一周波数、同一位相で振動させるように第１、第２駆動部２４、２５から共に交流電圧を印加することで、この走査型プローブ顕微鏡において最大の振動振幅を得ることができる。このようにして本実施例の走査型プローブ顕微鏡によれば、カンチレバー１０の振動振幅のダイナミックレンジを従来よりも広げ、且つ安定的な励振を達成することができる。

なお、制御部２６はオペレータが図示しない操作部で行う操作に応じて駆動部２４、２５の制御の変更を行うようにしてもよいが、それ以外に、例えば台座１４に取り付けられたカンチレバー１０の種類などを自動的に判別し、その判別結果に基づいて自動的に励振に利用する圧電素子２１、２２の選択を行って駆動部２４、２５を制御するような構成としてもよい。

［第２実施例］
次に第２発明の一実施例（第２実施例）である走査型プローブ顕微鏡について、特徴的な励振部の構成を図３により説明する。図３はカンチレバーの励振部の詳細図であって、既に説明した図２、図５の構成と同じ構成要素には同一符号を付して説明を省略する。

カンチレバー１０の基部１２が固定される台座１４には、基部１２から近い位置に第１圧電素子３１、基部１２から遠い位置に第２圧電素子３２の２つが設けられ、これら圧電素子３１、３２や台座１４などはカンチレバーホルダ１６により保持されている。ここでは第１、第２圧電素子３１、３２はその圧電定数が同じものであるが、異なるものでもよい。また、各圧電素子３１、３２にはそれぞれ独立に交流電圧を印加可能な第１駆動部３３、第２駆動部３４が設けられ、それら駆動部３３、３４は制御部３５により制御される。

第１、第２圧電素子３１、３２が振動するとき、その振動はいずれも台座１４を伝播しカンチレバー１０の基部１２に達する。台座１４を伝播する間に振動振幅は減衰するから、もともとの圧電素子３１、３２自体の振動振幅は同一であったとしても基部１２からの距離が遠いほどカンチレバー１０の振動振幅は小さくなる。したがって、第２圧電素子３２は第１実施例における圧電定数の小さな第２圧電素子２２に相当し、第１実施例と同様に、第１、第２圧電素子３１、３２を選択的に駆動することでカンチレバー１０の振動振幅のダイナミックレンジを広げることができる。

［第３実施例］
次に第３発明の一実施例（第３実施例）である走査型プローブ顕微鏡について、特徴的な励振部の構成を図４により説明する。図４はカンチレバーの励振部の詳細図であって、既に説明した図２、図３、図５の構成と同じ構成要素には同一符号を付して説明を省略する。

この第３実施例による走査型プローブ顕微鏡では、圧電素子の構成自体は図５で説明した従来と同じであり、これを駆動する駆動部の構成に特徴を有している。即ち、圧電素子１３の一方の電極１３ｂには電圧源部４１で生成された交流電圧Ａ・sinωｔが印加され、他方の電極１３ａには位相シフト部４２により交流電圧Ａ・sinωｔの位相をδだけシフトさせた交流電圧Ａ・sin（ωｔ＋δ）が印加される。制御部４３は電圧源部４１に対し交流電圧の振幅Ａと周波数ωｔを制御するとともに、位相シフト部４２に対し位相シフト量δを制御する。

圧電素子１３は２つの電極１３ａ、１３ｂに与えられた交流電圧の差で振動する。従来は図５に示したように結線されているため、２つの電極１３ａ、１３ｂ間にはちょうど逆相の電圧が印加され、そのときに振動振幅は最大となる。上記のように電圧が印加された場合、その差は、
Ａ・sin（ωｔ＋δ）−Ａ・sin（ωｔ）＝−２Ａ・sin（δ／２）・cos（ωｔ＋δ／２） …(1)
となる。(1)式は位相δを制御することで、振動振幅を制御できることを表している。

そこで、例えば制御部４３の制御の下に、電圧源部４１はノイズに埋もれない程度の適宜の大きさの振幅Ａを有する交流電圧を出力し、位相シフト部４２ではシフト量δをπから小さくする又は大きくするように制御することで、圧電素子１３の実効的な振動振幅を交流電圧の振幅Ａに対応したものからさらに小さくしてゆくことができる。これにより、第１、第２実施例と同様に、カンチレバー１０の振動振幅のダイナミックレンジを広げることができる。

なお、上記第１乃至第３実施例で説明した励振部の構成は組み合わせて用いることもでき、それによってさらなる振動振幅のダイナミックレンジの拡大が可能となる。また、上記実施例はいずれも本発明の一例であるから、上記に記載した以外の点においても、本発明の趣旨の範囲で適宜に修正、変更、追加などを行っても本願特許請求の範囲に包含されることは明らかである。例えば、第１、第２実施例では圧電素子を２つだけ設けていたが、３つ以上の複数であってもよい。また、複数の圧電素子の中で１つの圧電素子のみを選択的に利用する（複数を同時に駆動しない）場合には、駆動部は１つのみでスイッチ等により交流電圧を印加する圧電素子を切り替える構成としてもよい。

第１実施例による走査型プローブ顕微鏡の検出部全体の概略構成図。 第１実施例の走査型プローブ顕微鏡におけるカンチレバーの励振部の詳細図。 第２実施例の走査型プローブ顕微鏡におけるカンチレバーの励振部の詳細図。 第３実施例の走査型プローブ顕微鏡におけるカンチレバーの励振部の詳細図。 従来の走査型プローブ顕微鏡におけるカンチレバーの励振部の詳細図。

符号の説明

１０…カンチレバー
１１…探針
１２…基部
１３、２１、２２、３１、３２…圧電素子
１３ａ、１３ｂ…電極
１４…台座
２４、２５、３３、３４…駆動部
１６…カンチレバーホルダ
２３…絶縁材
２６、３５、４３…制御部
４１…電圧源部
４２…位相シフト部
Ｓ…試料

Claims (4)

1. 探針が設けられたカンチレバーをその共振点付近で振動させながら試料表面を走査し、試料表面と探針との間の相互作用による振動の変化に基づいて試料表面に関する情報を収集する走査型プローブ顕微鏡において、
   a)前記カンチレバーを振動させるための複数の振動子と、
   b)前記複数の振動子に対しそれぞれ独立に励振用の交流電圧を印加する振動子駆動手段と、
   を備え、前記複数の振動子の選択又は組み合わせにより前記カンチレバーの振動振幅を調整可能としたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
2. 前記複数の振動子は少なくともその振動特性が相違するものを含む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. 探針が設けられたカンチレバーをその共振点付近で振動させながら試料表面を走査し、試料表面と探針との間の相互作用による振動の変化に基づいて試料表面に関する情報を収集する走査型プローブ顕微鏡において、
   a)前記カンチレバーを振動させるために該カンチレバーからそれぞれ異なる距離に設けられた複数の振動子と、
   b)前記複数の振動子に対し選択的に励振用の交流電圧を印加する振動子駆動手段と、
   を備えることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
4. 探針が設けられたカンチレバーをその共振点付近で振動させながら試料表面を走査し、試料表面と探針との間の相互作用による振動の変化に基づいて試料表面に関する情報を収集する走査型プローブ顕微鏡において、
   a)前記カンチレバーを振動させるための振動子と、
   b)前記振動子の一方の電極に所定周波数である励振用の交流電圧を印加し、前記振動子の他方の電極に前記交流電圧と周波数が同一で位相が調整可能である交流電圧を印加する振動子駆動手段と、
   を備えることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。

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