JP2919119B2 - 走査プローブ顕微鏡及び記録再生装置 - Google Patents
走査プローブ顕微鏡及び記録再生装置Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、プローブの走査面と試
料面との傾きを補正する機構を有する走査プローブ顕微
鏡及び記録再生装置に関するものである。
料面との傾きを補正する機構を有する走査プローブ顕微
鏡及び記録再生装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】ＳＸＭとは探針と試料間の距離に依存す
る種々の相互作用を検出しながら探針を試料の表面上を
走査させることによって、試料の表面状態を測定する技
術の総称である。これはトンネル電流を利用する走査型
トンネル顕微鏡（以下ＳＴＭと云う）から派生してきた
測定法であるので、ＳＴＭを例として説明する。G.Binn
igらによって開発されたＳＴＭ[G.Binnig et al.,Helve
tica Physica Acta,55,726(1982)] は、金属の探針と導
電性試料との間に電圧を加えて、両者を１ｎｍ程度の距
離にまで近付けるとトンネル電流が流れることを利用し
ている。この電流は両者の距離変化に非常に敏感に単調
増加するので、トンネル電流と探針の高さとを把握しな
がら試料上を走査すれば、試料の表面状態を極めて高精
度に知ることができる。
る種々の相互作用を検出しながら探針を試料の表面上を
走査させることによって、試料の表面状態を測定する技
術の総称である。これはトンネル電流を利用する走査型
トンネル顕微鏡（以下ＳＴＭと云う）から派生してきた
測定法であるので、ＳＴＭを例として説明する。G.Binn
igらによって開発されたＳＴＭ[G.Binnig et al.,Helve
tica Physica Acta,55,726(1982)] は、金属の探針と導
電性試料との間に電圧を加えて、両者を１ｎｍ程度の距
離にまで近付けるとトンネル電流が流れることを利用し
ている。この電流は両者の距離変化に非常に敏感に単調
増加するので、トンネル電流と探針の高さとを把握しな
がら試料上を走査すれば、試料の表面状態を極めて高精
度に知ることができる。
【０００３】探針を試料上に走査させて試料の表面状態
を観測する場合に、検出されるトンネル電流が一定とな
るように探針の高さを制御し、探針の高さ変化量を測定
する方法（以下電流一定モードと云う）と、探針の高さ
を一定値に固定して走査させた時のトンネル電流Jtの変
化量を測定する方法（以下高さ一定モードと云う）の２
通りがあるが、何れの場合にも探針の走査は試料面と平
行に行うことが前提である。この場合に、例えば高配向
グラファイト（ＨＯＰＧ）等の結晶を観察すれば、原子
の配列に対応して図７のような結果が得られる筈であ
る。
を観測する場合に、検出されるトンネル電流が一定とな
るように探針の高さを制御し、探針の高さ変化量を測定
する方法（以下電流一定モードと云う）と、探針の高さ
を一定値に固定して走査させた時のトンネル電流Jtの変
化量を測定する方法（以下高さ一定モードと云う）の２
通りがあるが、何れの場合にも探針の走査は試料面と平
行に行うことが前提である。この場合に、例えば高配向
グラファイト（ＨＯＰＧ）等の結晶を観察すれば、原子
の配列に対応して図７のような結果が得られる筈であ
る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前提に
反して試料が傾いて載置されている場合等には、表面形
状が歪んで観測されることになる。探針の走査範囲が比
較的小さければ電気的なフィルタを用いて、試料表面の
実際の構造に起因する信号のみを分離することができる
が、傾きが大きい場合には十分に広い範囲を観測するこ
とは困難である。例えば、電流一定モードでも、試料の
傾きに由来する探針の高さ方向の総変位量が探針の高さ
方向微動範囲を越える場合には、連続的測定は不可能と
なる。
反して試料が傾いて載置されている場合等には、表面形
状が歪んで観測されることになる。探針の走査範囲が比
較的小さければ電気的なフィルタを用いて、試料表面の
実際の構造に起因する信号のみを分離することができる
が、傾きが大きい場合には十分に広い範囲を観測するこ
とは困難である。例えば、電流一定モードでも、試料の
傾きに由来する探針の高さ方向の総変位量が探針の高さ
方向微動範囲を越える場合には、連続的測定は不可能と
なる。
【０００５】また、高さ一定モードを選択した場合に試
料が傾いていると、探針が試料から離れ過ぎてトンネル
電流を検出することが不可能となるか、或いは探針が試
料に接触するかの何れかである。このような事態を避け
るために、通常はたとえ高さ一定モードであっても、検
出されたトンネル電流の値が一定の範囲内に収まるよう
にフィードバックして、探針の高さを徐々に変化させて
いる場合が多い。この場合においても、探針の高さ方向
微動範囲を越えての補正は不可能である。
料が傾いていると、探針が試料から離れ過ぎてトンネル
電流を検出することが不可能となるか、或いは探針が試
料に接触するかの何れかである。このような事態を避け
るために、通常はたとえ高さ一定モードであっても、検
出されたトンネル電流の値が一定の範囲内に収まるよう
にフィードバックして、探針の高さを徐々に変化させて
いる場合が多い。この場合においても、探針の高さ方向
微動範囲を越えての補正は不可能である。
【０００６】また、仮に範囲内に収まっている場合であ
っても、探針の走査面（以下ＸＹ面と云う）方向と試料
面（以下Ｘ’Ｙ’面と云う）方向が平行でない限り、図
８に示すように探針の移動距離と実空間距離との間に差
が生ずる。つまり、試料表面と走査面とが成す角をθと
すると、検出信号には傾きに由来する高さ変化が重畳さ
れてしまう。これを、従来のように電気的フィルタを用
いて試料の傾きに由来する低周波成分をカットし、原子
の周期構造に基づく信号を取り出しても、探針の移動距
離が試料表面上では（１／ cosθ）倍の長さに渡って走
査していることになるから、得られた信号では距離が c
osθ倍に圧縮されてしまう。従って、距離寸法精度が悪
く、観察領域が大きくなればなるほど実空間と走査距離
との差は拡大する。
っても、探針の走査面（以下ＸＹ面と云う）方向と試料
面（以下Ｘ’Ｙ’面と云う）方向が平行でない限り、図
８に示すように探針の移動距離と実空間距離との間に差
が生ずる。つまり、試料表面と走査面とが成す角をθと
すると、検出信号には傾きに由来する高さ変化が重畳さ
れてしまう。これを、従来のように電気的フィルタを用
いて試料の傾きに由来する低周波成分をカットし、原子
の周期構造に基づく信号を取り出しても、探針の移動距
離が試料表面上では（１／ cosθ）倍の長さに渡って走
査していることになるから、得られた信号では距離が c
osθ倍に圧縮されてしまう。従って、距離寸法精度が悪
く、観察領域が大きくなればなるほど実空間と走査距離
との差は拡大する。
【０００７】このような問題はＳＴＭに限らず、探針や
試料の移動機構がＳＴＭと同一であるＳＸＭ全てについ
て当てはまる。更には、このようなＳＸＭを利用した分
子オーダでの高密度記録再生を行う装置では、ＸＹ面と
Ｘ’Ｙ’面との不一致つまり非平行が、記録再生及び消
去の精度を損なってしまう可能性がある。
試料の移動機構がＳＴＭと同一であるＳＸＭ全てについ
て当てはまる。更には、このようなＳＸＭを利用した分
子オーダでの高密度記録再生を行う装置では、ＸＹ面と
Ｘ’Ｙ’面との不一致つまり非平行が、記録再生及び消
去の精度を損なってしまう可能性がある。
【０００８】なお、特開平２−１４７８０３号公報では
前記の問題を解決するため、試料を人手で回転できる機
構を具備したＳＴＭが提案されているが、この極めて厳
密な操作を人手で行うことは困難で煩わしい。
前記の問題を解決するため、試料を人手で回転できる機
構を具備したＳＴＭが提案されているが、この極めて厳
密な操作を人手で行うことは困難で煩わしい。
【０００９】本発明の目的は、ＳＸＭ測定及びＳＸＭを
利用し、測定精度或いは記録再生精度を高めるために、
被走査面の傾斜度を制御する走査プローブ顕微鏡及び記
録再生装置を提供することにある。
利用し、測定精度或いは記録再生精度を高めるために、
被走査面の傾斜度を制御する走査プローブ顕微鏡及び記
録再生装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めの本発明に係る走査プローブ顕微鏡は、表面状態検出
用のプローブを試料上で走査させて前記試料の表面状態
を測定する走査型プローブ顕微鏡において、試料を前記
プローブの走査方向に対して相対的に傾斜させる傾動機
構と、前記プローブにより検出された表面状態に対応す
る信号成分のうち任意の空間周波数を有する信号成分を
選択して検出する検出回路と、該検出回路の検出に基づ
いて前記傾動機構を制御する制御回路とを具備したこと
を特徴とする。
めの本発明に係る走査プローブ顕微鏡は、表面状態検出
用のプローブを試料上で走査させて前記試料の表面状態
を測定する走査型プローブ顕微鏡において、試料を前記
プローブの走査方向に対して相対的に傾斜させる傾動機
構と、前記プローブにより検出された表面状態に対応す
る信号成分のうち任意の空間周波数を有する信号成分を
選択して検出する検出回路と、該検出回路の検出に基づ
いて前記傾動機構を制御する制御回路とを具備したこと
を特徴とする。
【００１１】また、上記特定発明と関連する本発明に係
る記録再生装置は、プローブを記録媒体上で走査させて
該記録媒体に記録及び／又は再生を行う装置において、
前記記録媒体を前記プローブの走査方向に対して相対的
に傾斜させる傾動機構と、前記プローブにより検出され
た前記記録媒体からの信号成分のうち任意の空間周波数
を有する信号成分を選択して検出する検出回路と、該検
出回路の検出に基づいて前記傾動機構を制御する制御回
路とを具備したことを特徴とする。
る記録再生装置は、プローブを記録媒体上で走査させて
該記録媒体に記録及び／又は再生を行う装置において、
前記記録媒体を前記プローブの走査方向に対して相対的
に傾斜させる傾動機構と、前記プローブにより検出され
た前記記録媒体からの信号成分のうち任意の空間周波数
を有する信号成分を選択して検出する検出回路と、該検
出回路の検出に基づいて前記傾動機構を制御する制御回
路とを具備したことを特徴とする。
【００１２】
【作用】上述の構成を有する走査プローブ顕微鏡及び記
録再生装置は、プローブにより検出された表面状態の信
号成分のうち任意の空間周波数を有する信号成分を選択
して、傾斜を制御する。
録再生装置は、プローブにより検出された表面状態の信
号成分のうち任意の空間周波数を有する信号成分を選択
して、傾斜を制御する。
【００１３】
【実施例】本発明を図１〜図６に図示の実施例に基づい
て詳細に説明する。図１は本発明に係るＳＴＭの一例を
ブロック回路図として表したものである。探針１は導電
材料とされ、例えば金、タングステン、白金、白金−イ
リジウム合金、白金−ロジウム合金、パラジウムコート
金、銀、炭化タングステン、炭化チタンなどを用いるこ
とができる。探針１の先端はできるだけ尖っていること
が望ましく、例えば１ｍｍφのタングステン棒の先端を
電界研摩法を用いて尖らせたもの等が用いられている
が、探針１の作成方法はこれに限定されるものではな
い。また、探針１の本数も１本に限る必要もなく、複数
個用いることも考えられる。
て詳細に説明する。図１は本発明に係るＳＴＭの一例を
ブロック回路図として表したものである。探針１は導電
材料とされ、例えば金、タングステン、白金、白金−イ
リジウム合金、白金−ロジウム合金、パラジウムコート
金、銀、炭化タングステン、炭化チタンなどを用いるこ
とができる。探針１の先端はできるだけ尖っていること
が望ましく、例えば１ｍｍφのタングステン棒の先端を
電界研摩法を用いて尖らせたもの等が用いられている
が、探針１の作成方法はこれに限定されるものではな
い。また、探針１の本数も１本に限る必要もなく、複数
個用いることも考えられる。
【００１４】観察対称となる試料２は、ＸＹステージ３
上にＸＹ軸傾動機構４を設けて成る試料台上に設置され
る。ＸＹステージ３はＸＹ粗動機構５上に取り付けら
れ、ＸＹ粗動機構５にはＸＹ粗動駆動回路６の出力が接
続されている。また、ＸＹ軸傾動機構４にはＸＹ傾斜駆
動回路７の出力が接続されている。一方、探針１は高さ
方向に微動可能なＺ方向微動機構８及びＸＹ方向に走査
可能なＸＹ方向微動機構９に取り付けられている。微動
機構８、９は何れもピエゾ素子等のオングストロームオ
ーダの微小な移動が好適に行えるアクチュエータが用い
られており、それぞれサーボ回路１０、ＸＹ走査駆動回
路１１により駆動されるようになっている。
上にＸＹ軸傾動機構４を設けて成る試料台上に設置され
る。ＸＹステージ３はＸＹ粗動機構５上に取り付けら
れ、ＸＹ粗動機構５にはＸＹ粗動駆動回路６の出力が接
続されている。また、ＸＹ軸傾動機構４にはＸＹ傾斜駆
動回路７の出力が接続されている。一方、探針１は高さ
方向に微動可能なＺ方向微動機構８及びＸＹ方向に走査
可能なＸＹ方向微動機構９に取り付けられている。微動
機構８、９は何れもピエゾ素子等のオングストロームオ
ーダの微小な移動が好適に行えるアクチュエータが用い
られており、それぞれサーボ回路１０、ＸＹ走査駆動回
路１１により駆動されるようになっている。
【００１５】一方、探針１と試料２との間には、バイア
ス電圧Vbを印加するためのバイアス電圧印加部１２が接
続され、トンネル電流Jtを検出し増幅するためのトンネ
ル電流増幅部１３が介挿されている。また、サーボ回路
１０とトンネル電流増幅部１３とに接続する探針高さ検
出部１４が設けられ、この高さ検出部２４の出力は分波
器１５を介してＸＹ傾斜駆動回路７に接続されている。
更に、以上の各部を制御し、信号を処理するためのマイ
クロコンピュータ１６が設けられ、ＸＹ粗動駆動回路
６、ＸＹ走査駆動回路１１、バイアス電圧印加部１２、
トンネル電流増幅部１３、探針高さ検出部１４、分波器
１５と接続されている。また、マイクロコンピュータ１
６には、処理結果を表示するための表示回路１７が接続
されている。
ス電圧Vbを印加するためのバイアス電圧印加部１２が接
続され、トンネル電流Jtを検出し増幅するためのトンネ
ル電流増幅部１３が介挿されている。また、サーボ回路
１０とトンネル電流増幅部１３とに接続する探針高さ検
出部１４が設けられ、この高さ検出部２４の出力は分波
器１５を介してＸＹ傾斜駆動回路７に接続されている。
更に、以上の各部を制御し、信号を処理するためのマイ
クロコンピュータ１６が設けられ、ＸＹ粗動駆動回路
６、ＸＹ走査駆動回路１１、バイアス電圧印加部１２、
トンネル電流増幅部１３、探針高さ検出部１４、分波器
１５と接続されている。また、マイクロコンピュータ１
６には、処理結果を表示するための表示回路１７が接続
されている。
【００１６】以上の構成において、バイアス電圧印加部
１２は探針１と試料２との間にバイアス電圧Vbを印加
し、このとき探針１と試料２との間に流れるトンネル電
流Jtをトンネル電流増幅部１３により検出し増幅する。
電流一定モード、高さ一定モードの何れにおいても、マ
イクロコンピュータ１６を用いて検出された探針１の高
さ信号を分波器１５によって、試料２の表面の凹凸や電
子状態を変化に基づく高さ成分と、試料２の傾きによっ
てもたらされた成分とに分離し、後者はＸＹ軸傾斜制御
機構７にフィードバックして、このような成分がほぼ零
になるように試料台上の試料２の傾きを補正する。
１２は探針１と試料２との間にバイアス電圧Vbを印加
し、このとき探針１と試料２との間に流れるトンネル電
流Jtをトンネル電流増幅部１３により検出し増幅する。
電流一定モード、高さ一定モードの何れにおいても、マ
イクロコンピュータ１６を用いて検出された探針１の高
さ信号を分波器１５によって、試料２の表面の凹凸や電
子状態を変化に基づく高さ成分と、試料２の傾きによっ
てもたらされた成分とに分離し、後者はＸＹ軸傾斜制御
機構７にフィードバックして、このような成分がほぼ零
になるように試料台上の試料２の傾きを補正する。
【００１７】以下に傾きを補正する動作を具体的に説明
すると、先ず何れのモードかによりＸ軸方向に探針１を
操作し、試料２の高さ信号を得る。必要に応じて同じ線
上を往復走査してもよいが、得られた信号を分波器１５
を用いて任意の周波数領域を含む複数の周波数帯に分割
する。その中から、通常では最も低い試料の傾きに由来
する周波数を選択し、この周波数の振幅が最小になるよ
うにＸＹ軸傾斜駆動回路７を用いて試料２の傾きを補正
する。走査は希望する観察領域の大きさに合わせて適当
な距離について行えばよく、走査及びＸＹ軸傾斜駆動回
路７へのフィードバックは必要に応じて複数回行っても
よい。同様の操作をＹ軸に関しても行えば、試料表面
（Ｘ’Ｙ’面）と探針走査面（ＸＹ面）とは平行にな
り、その後に得られる観察結果は寸法精度が極めて優れ
たものとなる。
すると、先ず何れのモードかによりＸ軸方向に探針１を
操作し、試料２の高さ信号を得る。必要に応じて同じ線
上を往復走査してもよいが、得られた信号を分波器１５
を用いて任意の周波数領域を含む複数の周波数帯に分割
する。その中から、通常では最も低い試料の傾きに由来
する周波数を選択し、この周波数の振幅が最小になるよ
うにＸＹ軸傾斜駆動回路７を用いて試料２の傾きを補正
する。走査は希望する観察領域の大きさに合わせて適当
な距離について行えばよく、走査及びＸＹ軸傾斜駆動回
路７へのフィードバックは必要に応じて複数回行っても
よい。同様の操作をＹ軸に関しても行えば、試料表面
（Ｘ’Ｙ’面）と探針走査面（ＸＹ面）とは平行にな
り、その後に得られる観察結果は寸法精度が極めて優れ
たものとなる。
【００１８】なお、信号を任意の周波数に分波し、分波
された信号成分の振幅を調べるためにはロックインアン
プを利用してもよい。ロックインアンプは入力信号中の
任意の周波数の信号成分の振幅を調べることができる他
に、参照とする信号を入力し、参照信号を同じ周波数を
持つ入力信号成分の振幅を調べることができる。従っ
て、参照信号として探針１の掃引信号を用いれば、より
簡単に試料２の傾きの程度を知ることができる。
された信号成分の振幅を調べるためにはロックインアン
プを利用してもよい。ロックインアンプは入力信号中の
任意の周波数の信号成分の振幅を調べることができる他
に、参照とする信号を入力し、参照信号を同じ周波数を
持つ入力信号成分の振幅を調べることができる。従っ
て、参照信号として探針１の掃引信号を用いれば、より
簡単に試料２の傾きの程度を知ることができる。
【００１９】また、ＸＹ軸傾動機構４としては、微細か
つ精密に試料の傾きを２軸制御できる機構であればよい
が、ＸＹ軸傾斜ステージ又はＸＹ軸ゴニオメータの形式
を採用することが簡便である。前者は３点支持のステー
ジであって、支持点の内の少なくとも２点の高さが可変
であり、これを適宜調節することによってステージ面の
傾きを変えることができる。支持点の長さを変えるに
は、マイクロメータヘッド等を用いる機械的な方法の他
に圧電素子を利用してもよい。後者のＸＹ軸ゴニオメー
タは、ステージの傾斜回転が可能な２個のゴニオメータ
を組合わせて、２軸の傾斜回転を可能としたものであ
る。可変量は少ないがより微細な制御が可能であり好ま
しい。ただし、観察領域が非常に広範囲である場合等に
は前者の使用が好ましいこともある。
つ精密に試料の傾きを２軸制御できる機構であればよい
が、ＸＹ軸傾斜ステージ又はＸＹ軸ゴニオメータの形式
を採用することが簡便である。前者は３点支持のステー
ジであって、支持点の内の少なくとも２点の高さが可変
であり、これを適宜調節することによってステージ面の
傾きを変えることができる。支持点の長さを変えるに
は、マイクロメータヘッド等を用いる機械的な方法の他
に圧電素子を利用してもよい。後者のＸＹ軸ゴニオメー
タは、ステージの傾斜回転が可能な２個のゴニオメータ
を組合わせて、２軸の傾斜回転を可能としたものであ
る。可変量は少ないがより微細な制御が可能であり好ま
しい。ただし、観察領域が非常に広範囲である場合等に
は前者の使用が好ましいこともある。
【００２０】図２はＸＹ軸傾動機構４の一例である。ス
テージ２１は基準面２２上に３点支持されており、２点
Ａ、Ｂの支持は圧電素子２３、２４により行われてお
り、基準面２２とステージ２１との間の距離をオングス
トローム単位で変化させることができる。残る１つの支
持点Ｃは、突状体２５によって基準面２２に点接触する
ように構成されており、圧電素子２３、２４の動きに対
してステージ２１が自在に動くことを妨げないようにな
っている。３つの支持点Ａ、Ｂ、Ｃは基準面２２上の正
三角形の頂点の位置に配置されており、かつ支持点Ｃと
ＡはＸＹステージ３のＸ軸方向と平行になるように配置
されている。
テージ２１は基準面２２上に３点支持されており、２点
Ａ、Ｂの支持は圧電素子２３、２４により行われてお
り、基準面２２とステージ２１との間の距離をオングス
トローム単位で変化させることができる。残る１つの支
持点Ｃは、突状体２５によって基準面２２に点接触する
ように構成されており、圧電素子２３、２４の動きに対
してステージ２１が自在に動くことを妨げないようにな
っている。３つの支持点Ａ、Ｂ、Ｃは基準面２２上の正
三角形の頂点の位置に配置されており、かつ支持点Ｃと
ＡはＸＹステージ３のＸ軸方向と平行になるように配置
されている。
【００２１】本発明者らは試料２として１０ｍｍ角の高
配向グラフアイト（ＨＯＰＧ）を用いて、本発明のＳＴ
Ｍの効果を確認するための実験を行い良好な結果を得
た。ただし、探針１としては機械研摩した１ｍｍφの白
金−ロジウム（ロジウム２０％）を用いた。この場合
に、ＨＯＰＧを上述のＸＹ軸傾斜ステージ２１上に設置
した後に、バイアス電圧Vbをサンプルバイアス１Ｖとし
てトンネル電流Jtが１ｎＡになるように、探針１をＸＹ
方向微動機構９を用いて試料に近付ける。次に、トンネ
ル電流Jtが一定になるように、探針１の高さをサーボ回
路１３を用いて制御する電流一定モードにより、Ｘ軸方
向に探針１を長さ１ｍｍに渡って０．１Ｈｚの掃引周波
数で往復走査させる。そのとき、サーボ回路１０を介し
てＸＹ方向微動機構９に加えられた電圧信号波形は図３
に示すようになった。この信号を分波器１５を介して周
波数０．１２Ｈｚ以下のものと、それ以上のものとに分
離し、次に探針１の掃引を引き続き行いながら、周波数
０．１２Ｈｚ以下の信号成分がほぼ零になるように支持
点Ａの高さを調節する。次いで、同様にして探針１をＹ
軸方向に０．１Ｈｚの掃引周波数で掃引し、その際にＸ
Ｙ方向微動機構９に加えられた電圧信号のうち、０．１
２Ｈｚ以下の周波数成分がほぼ零になるように支持点Ｂ
の高さを調節する。
配向グラフアイト（ＨＯＰＧ）を用いて、本発明のＳＴ
Ｍの効果を確認するための実験を行い良好な結果を得
た。ただし、探針１としては機械研摩した１ｍｍφの白
金−ロジウム（ロジウム２０％）を用いた。この場合
に、ＨＯＰＧを上述のＸＹ軸傾斜ステージ２１上に設置
した後に、バイアス電圧Vbをサンプルバイアス１Ｖとし
てトンネル電流Jtが１ｎＡになるように、探針１をＸＹ
方向微動機構９を用いて試料に近付ける。次に、トンネ
ル電流Jtが一定になるように、探針１の高さをサーボ回
路１３を用いて制御する電流一定モードにより、Ｘ軸方
向に探針１を長さ１ｍｍに渡って０．１Ｈｚの掃引周波
数で往復走査させる。そのとき、サーボ回路１０を介し
てＸＹ方向微動機構９に加えられた電圧信号波形は図３
に示すようになった。この信号を分波器１５を介して周
波数０．１２Ｈｚ以下のものと、それ以上のものとに分
離し、次に探針１の掃引を引き続き行いながら、周波数
０．１２Ｈｚ以下の信号成分がほぼ零になるように支持
点Ａの高さを調節する。次いで、同様にして探針１をＹ
軸方向に０．１Ｈｚの掃引周波数で掃引し、その際にＸ
Ｙ方向微動機構９に加えられた電圧信号のうち、０．１
２Ｈｚ以下の周波数成分がほぼ零になるように支持点Ｂ
の高さを調節する。
【００２２】以上の操作を行った後に、ＨＯＰＧの表面
の２００オングストローム角を走査したところ、第２近
接炭素原子距離が２．４６オングストロームである歪み
のない像が電流一定モード及び距離一定モードの何れの
モードを用いた場合においても得られた。更に、このよ
うな観測領域からＸ軸方向に０．５ｍｍ離れた地点にお
いて、同様の観測を行ったところ、同様に歪みのない原
子像を得ることもできた。
の２００オングストローム角を走査したところ、第２近
接炭素原子距離が２．４６オングストロームである歪み
のない像が電流一定モード及び距離一定モードの何れの
モードを用いた場合においても得られた。更に、このよ
うな観測領域からＸ軸方向に０．５ｍｍ離れた地点にお
いて、同様の観測を行ったところ、同様に歪みのない原
子像を得ることもできた。
【００２３】このように本発明によれば、寸法精度に優
れたＳＴＭ像を広い範囲に渡って得ることができる。な
お、一旦試料２つの表面と探針１の走査面とを平行にし
た後は、走査中に探針１が試料２に衝突する危険性を回
避し、更には或いは探針１のＺ方向の位置を補正する操
作が軽減できるので、結果的に速い掃引速度で試料を観
察することが可能となる。
れたＳＴＭ像を広い範囲に渡って得ることができる。な
お、一旦試料２つの表面と探針１の走査面とを平行にし
た後は、走査中に探針１が試料２に衝突する危険性を回
避し、更には或いは探針１のＺ方向の位置を補正する操
作が軽減できるので、結果的に速い掃引速度で試料を観
察することが可能となる。
【００２４】また、本発明は単に各点でのトンネル電流
Jtを測定する場合だけではなく、各点でのトンネル電流
Jtをバイアス電圧Vbで微分して測定する走査型トンネル
分光法（ＳＴＳ）に対しても有効である。
Jtを測定する場合だけではなく、各点でのトンネル電流
Jtをバイアス電圧Vbで微分して測定する走査型トンネル
分光法（ＳＴＳ）に対しても有効である。
【００２５】探針及び試料の駆動機構がＳＴＭと同様で
ある他のＳＸＭ、例えば探針と試料との間に働く原子間
力を測定し、その大きさを一定にするようにフィードバ
ックをかけて、試料表面の構造を得る走査型原子力顕微
鏡（ＡＦＭ）に適用できる。ＡＦＭに適用する場合に
は、図４に示すようにＡＴＭの探針１の代りにカンチレ
バー３２に取り付けた力検出用探針３１を用いる。例え
ば、力検出用探針３１としてはダイヤモンド針、またカ
ンチレバー３２としては弾性定数０．５Ｎ／ｍのＳｉ3
Ｎ4 薄膜を用いることができ、カンチレバー３２の変位
量を測定するカンチレバー変位測定系３３は各種のもの
が知られているが、光てこ方式等が好適である。ＡＦＭ
ではトンネル電流を測定しないので、ＳＴＭにおけるバ
イアス電圧印加部やトンネル電流増幅部等は必要ではな
いが、その他の同一の符号を付した部材に関しては先の
ＳＴＭの実施例と同様である。
ある他のＳＸＭ、例えば探針と試料との間に働く原子間
力を測定し、その大きさを一定にするようにフィードバ
ックをかけて、試料表面の構造を得る走査型原子力顕微
鏡（ＡＦＭ）に適用できる。ＡＦＭに適用する場合に
は、図４に示すようにＡＴＭの探針１の代りにカンチレ
バー３２に取り付けた力検出用探針３１を用いる。例え
ば、力検出用探針３１としてはダイヤモンド針、またカ
ンチレバー３２としては弾性定数０．５Ｎ／ｍのＳｉ3
Ｎ4 薄膜を用いることができ、カンチレバー３２の変位
量を測定するカンチレバー変位測定系３３は各種のもの
が知られているが、光てこ方式等が好適である。ＡＦＭ
ではトンネル電流を測定しないので、ＳＴＭにおけるバ
イアス電圧印加部やトンネル電流増幅部等は必要ではな
いが、その他の同一の符号を付した部材に関しては先の
ＳＴＭの実施例と同様である。
【００２６】本発明者らはＡＦＭについても、本発明を
適用した場合の効果を確認する実験を行って良好な結果
を得た。即ち、コンパクトディスクを試料２としてＸＹ
軸傾動機構４上に設置した後に、力検出用探針３１をＸ
Ｙ方向微動機構９を用いて、例えば引力が１０-7Ｎ／ｍ
になるまで試料２に近付ける。次に、Ｘ軸方向に力検出
用探針３１を長さ０．５ｍｍに渡って、０．１Ｈｚの掃
引周波数で往復走査させると、カンチレバー変位測定系
３３によって検出されるカンチレバー３２の変位量信号
は図５に示すようになった。
適用した場合の効果を確認する実験を行って良好な結果
を得た。即ち、コンパクトディスクを試料２としてＸＹ
軸傾動機構４上に設置した後に、力検出用探針３１をＸ
Ｙ方向微動機構９を用いて、例えば引力が１０-7Ｎ／ｍ
になるまで試料２に近付ける。次に、Ｘ軸方向に力検出
用探針３１を長さ０．５ｍｍに渡って、０．１Ｈｚの掃
引周波数で往復走査させると、カンチレバー変位測定系
３３によって検出されるカンチレバー３２の変位量信号
は図５に示すようになった。
【００２７】この信号を分波器１５を介して周波数０．
１２Ｈｚ以下のものとそれ以上のものとに分離し、次に
力検出用探針３１の掃引を引き続き行いながら、周波数
０．１２Ｈｚ以下の信号成分がほぼ零になるように、Ｘ
Ｙ軸傾動機構４によりＸ軸方向の傾斜を調節する。更
に、掃引距離を順次に１ｍｍ、２ｍｍ、５ｍｍに伸ばし
ながら、同様の調整を行う。また、同様にして力検出探
針３１をＹ軸方向に０．１Ｈｚの掃引周波数で最大５ｍ
ｍに渡って掃引し、そのときのカンチレバー変位信号の
うち、０．１２Ｈｚ以下の周波数成分がほぼ零になるよ
うに、Ｙ軸方向の傾斜を調節する。
１２Ｈｚ以下のものとそれ以上のものとに分離し、次に
力検出用探針３１の掃引を引き続き行いながら、周波数
０．１２Ｈｚ以下の信号成分がほぼ零になるように、Ｘ
Ｙ軸傾動機構４によりＸ軸方向の傾斜を調節する。更
に、掃引距離を順次に１ｍｍ、２ｍｍ、５ｍｍに伸ばし
ながら、同様の調整を行う。また、同様にして力検出探
針３１をＹ軸方向に０．１Ｈｚの掃引周波数で最大５ｍ
ｍに渡って掃引し、そのときのカンチレバー変位信号の
うち、０．１２Ｈｚ以下の周波数成分がほぼ零になるよ
うに、Ｙ軸方向の傾斜を調節する。
【００２８】以上の操作を行った後に、試料２の表面を
５０μｍ角に操作したところ、記録ビットの歪みのない
像が得られた。更に、このような観測領域からＸ軸方向
及びＹ軸方向に３ｍｍ離れた地点において同様の観測を
行ったところ、同様に歪みのない記録ビット像を得るこ
とができ、広い領域において歪みなくＡＦＭ像を観察で
きることが確認できた。
５０μｍ角に操作したところ、記録ビットの歪みのない
像が得られた。更に、このような観測領域からＸ軸方向
及びＹ軸方向に３ｍｍ離れた地点において同様の観測を
行ったところ、同様に歪みのない記録ビット像を得るこ
とができ、広い領域において歪みなくＡＦＭ像を観察で
きることが確認できた。
【００２９】なお、前述のＸＹ軸傾動機構４の調整を省
略したところ、最初の５０μｍの観測領域角での測定は
可能であったが、観測領域からＸ軸方向及びＹ軸方向に
３ｍｍ離れた地点において同様の観測を行おうとしたと
ころ、力検出用探針３１が試料２に衝突してしまい、観
察は不可能となった。
略したところ、最初の５０μｍの観測領域角での測定は
可能であったが、観測領域からＸ軸方向及びＹ軸方向に
３ｍｍ離れた地点において同様の観測を行おうとしたと
ころ、力検出用探針３１が試料２に衝突してしまい、観
察は不可能となった。
【００３０】以上の他に、本発明はＡＦＭにおける探針
を鉄やニッケルの強磁性体、又はこれらを他の材料で作
成した探針上にコーティングしたものに代えて、試料上
の局所的な磁力を測定する走査型磁力顕微鏡（ＭＦ
Ｍ）、マイクロピペット電極を探針として用いて電解質
溶液中の試料表面構造をイオン伝導度の変化から測定す
る走査イオンコンダクタンス顕微鏡（ＳＩＣＭ）、探針
を超音波振動させて試料表面で反射して探針に戻って来
る超音波の振幅や位相の変化を利用し、或いは超音波振
動する探針と試料表面に働く原子間力の強さに応じて試
料内に発生する音響波を測定して試料の表面構造を測定
する走査型音響顕微鏡（ＳＴＵＭ又はＳＴＡＭ）、又は
光の波長より小さい直径のピンホールを有する光学探針
を用い、外部光源により試料を照射した際に生ずる試料
表面に生じたエバネッセント光を光学探針で検出して、
試料の表面構造を知る走査型近接場光学顕微鏡（ＮＳＯ
Ｍ）等についても応用可能である。
を鉄やニッケルの強磁性体、又はこれらを他の材料で作
成した探針上にコーティングしたものに代えて、試料上
の局所的な磁力を測定する走査型磁力顕微鏡（ＭＦ
Ｍ）、マイクロピペット電極を探針として用いて電解質
溶液中の試料表面構造をイオン伝導度の変化から測定す
る走査イオンコンダクタンス顕微鏡（ＳＩＣＭ）、探針
を超音波振動させて試料表面で反射して探針に戻って来
る超音波の振幅や位相の変化を利用し、或いは超音波振
動する探針と試料表面に働く原子間力の強さに応じて試
料内に発生する音響波を測定して試料の表面構造を測定
する走査型音響顕微鏡（ＳＴＵＭ又はＳＴＡＭ）、又は
光の波長より小さい直径のピンホールを有する光学探針
を用い、外部光源により試料を照射した際に生ずる試料
表面に生じたエバネッセント光を光学探針で検出して、
試料の表面構造を知る走査型近接場光学顕微鏡（ＮＳＯ
Ｍ）等についても応用可能である。
【００３１】更には、ＳＴＭ又は同様の原理のＳＸＭを
利用して記録媒体としての試料に情報の記録又は再生又
は消去を行う高密度記録再生装置に対しても有効であ
る。図６はＳＴＭを利用した記録再生装置に適用した場
合であり、基本的には先の実施例において示したＳＴＭ
装置と同様であるが、記録・再生のためのパルス電源４
１を有し、試料２の代りに記録媒体４２を用いた点が異
なっている。また、探針１は情報の記録・再生の目的に
用いられるが、例えば０．３ｍｍφの棒状の金（Ａｕ）
を塩酸中で電界研磨したものを用いればよい。ＸＹ軸傾
動機構４は図２に示したものと同様のものを用いること
ができる。記録媒体４２としては、劈開したマイカ上に
Ａｕを基板温度４５０℃で厚さ５０００オングストロー
ムにエプタキシャルに蒸着したもの等が好適である。
利用して記録媒体としての試料に情報の記録又は再生又
は消去を行う高密度記録再生装置に対しても有効であ
る。図６はＳＴＭを利用した記録再生装置に適用した場
合であり、基本的には先の実施例において示したＳＴＭ
装置と同様であるが、記録・再生のためのパルス電源４
１を有し、試料２の代りに記録媒体４２を用いた点が異
なっている。また、探針１は情報の記録・再生の目的に
用いられるが、例えば０．３ｍｍφの棒状の金（Ａｕ）
を塩酸中で電界研磨したものを用いればよい。ＸＹ軸傾
動機構４は図２に示したものと同様のものを用いること
ができる。記録媒体４２としては、劈開したマイカ上に
Ａｕを基板温度４５０℃で厚さ５０００オングストロー
ムにエプタキシャルに蒸着したもの等が好適である。
【００３２】本発明者らはこのような記録再生装置に、
本発明を適用した場合の効果を確認する実験を行って良
好な結果を得た。即ち、前述のような記録媒体４２をＸ
Ｙ軸傾動機構４上に設置した後に、例えばバイアス電圧
Vbを１００ｍＶとして、トンネル電流Jtが０．１ｎＡに
なるように、探針１をＸＹ方向微動機構９を用いて記録
媒体４２に近付け、次にこのようなトンネル電圧Jtが一
定になるように探針１の高さをサーボ回路１０を用いて
電流一定モードで制御しながら、Ｘ軸方向に探針１を例
えば５００μｍに渡って、０．１Ｈｚの掃引周波数で往
復走査させる。そのとき、サーボ回路１０を介してＸＹ
方向微動機構９に加えられた電圧信号を分波器１５を介
して周波数０．１２Ｈｚ以下のものとそれ以上のものと
に分離し、次に探針１の掃引を引き続き行いながら、周
波数０．１２Ｈｚ以下の信号成分がほぼ零になるように
支持点Ａの高さを調節する。次いで、同様にして探針１
をＹ軸方向に０．１Ｈｚの掃引周波数で掃引し、そのと
きにＸＹ方向微動機構９に加えられた電圧信号のうち、
０．１２Ｈｚ以下の周波数成分がほぼ零になるように支
持点Ｂの高さを圧電素子２４により調節する。
本発明を適用した場合の効果を確認する実験を行って良
好な結果を得た。即ち、前述のような記録媒体４２をＸ
Ｙ軸傾動機構４上に設置した後に、例えばバイアス電圧
Vbを１００ｍＶとして、トンネル電流Jtが０．１ｎＡに
なるように、探針１をＸＹ方向微動機構９を用いて記録
媒体４２に近付け、次にこのようなトンネル電圧Jtが一
定になるように探針１の高さをサーボ回路１０を用いて
電流一定モードで制御しながら、Ｘ軸方向に探針１を例
えば５００μｍに渡って、０．１Ｈｚの掃引周波数で往
復走査させる。そのとき、サーボ回路１０を介してＸＹ
方向微動機構９に加えられた電圧信号を分波器１５を介
して周波数０．１２Ｈｚ以下のものとそれ以上のものと
に分離し、次に探針１の掃引を引き続き行いながら、周
波数０．１２Ｈｚ以下の信号成分がほぼ零になるように
支持点Ａの高さを調節する。次いで、同様にして探針１
をＹ軸方向に０．１Ｈｚの掃引周波数で掃引し、そのと
きにＸＹ方向微動機構９に加えられた電圧信号のうち、
０．１２Ｈｚ以下の周波数成分がほぼ零になるように支
持点Ｂの高さを圧電素子２４により調節する。
【００３３】以上の操作を行った後に、記録媒体４２上
の任意の第１の位置において、探針１の高さを一定に保
持した状態で、パルス電源４１を用いて＋４．０Ｖ、パ
ルス幅３００ｎＳの電圧を印加し、その後に電圧印加点
を中心に３００オングストローム角の領域を電流一定モ
ードで観察したところ、直径１００オングストローム、
高さ２０オングストロームの突起物が形成されており、
記録が行われていることが確かめられた。
の任意の第１の位置において、探針１の高さを一定に保
持した状態で、パルス電源４１を用いて＋４．０Ｖ、パ
ルス幅３００ｎＳの電圧を印加し、その後に電圧印加点
を中心に３００オングストローム角の領域を電流一定モ
ードで観察したところ、直径１００オングストローム、
高さ２０オングストロームの突起物が形成されており、
記録が行われていることが確かめられた。
【００３４】次に、先の第１の位置からＸ方向に５０μ
ｍ離れた第２の位置において同様の方法を用いて情報の
記録を行い、その後に同様の方法を用いて第２の位置よ
りもＹ方向に５０μｍ離れた第３の位置、更に第３の位
置からＸ方向に−５０μｍ離れた第４の位置において、
順次に記録が問題なく行えることを確かめた。更に、第
４の位置からＹ方向に−５０μｍ離れた第１の位置に探
針１を移動させたところ、第１の位置には既に記録が行
われていることが確かめられた。即ち、探針１は正しく
元の第１の位置に戻っており、位置制御の寸法精度が非
常に高いことが確認された。
ｍ離れた第２の位置において同様の方法を用いて情報の
記録を行い、その後に同様の方法を用いて第２の位置よ
りもＹ方向に５０μｍ離れた第３の位置、更に第３の位
置からＸ方向に−５０μｍ離れた第４の位置において、
順次に記録が問題なく行えることを確かめた。更に、第
４の位置からＹ方向に−５０μｍ離れた第１の位置に探
針１を移動させたところ、第１の位置には既に記録が行
われていることが確かめられた。即ち、探針１は正しく
元の第１の位置に戻っており、位置制御の寸法精度が非
常に高いことが確認された。
【００３５】このように本発明を適用すれば、記録ビッ
トの位置に対する精度が大幅に向上するので、記録・再
生・消去を精度良く行うことが可能となる。特に、記録
媒体４２自体が大きい場合、或いは記録領域が広範囲で
ある場合に極めて有効であり、記録再生装置は記録又は
再生のみの装置としてもよい。
トの位置に対する精度が大幅に向上するので、記録・再
生・消去を精度良く行うことが可能となる。特に、記録
媒体４２自体が大きい場合、或いは記録領域が広範囲で
ある場合に極めて有効であり、記録再生装置は記録又は
再生のみの装置としてもよい。
【００３６】
【発明の効果】以上説明したように本発明に係る走査プ
ローブ顕微鏡及び記録再生装置は、次のような利点があ
る。
ローブ顕微鏡及び記録再生装置は、次のような利点があ
る。
【００３７】(1) 試料の微細な表面状態を検出する走査
型プローブ顕微鏡において、極めて寸法精度に優れた観
察が広い領域において可能である。
型プローブ顕微鏡において、極めて寸法精度に優れた観
察が広い領域において可能である。
【００３８】(2) 記録再生装置において、位置精度の高
い記録・再生が可能であり、記録再生の再現性が高い。
い記録・再生が可能であり、記録再生の再現性が高い。
【図１】ＳＴＭ装置のブロック回路図である。
【図２】ＸＹ軸傾斜ステージの一例の構成図である。
【図３】Ｚ方向微動機構に加えられた電圧信号波形図で
ある。
ある。
【図４】ＡＦＭ装置のブロック回路図である。
【図５】ＡＦＭのカンチレバーの変位量の信号波形図で
ある。
ある。
【図６】ＳＴＭを利用した記録再生装置の構成のブロッ
ク回路図である。
ク回路図である。
【図７】探針の高さ変化の理想的な信号波形図である。
【図８】実際に得られる探針高さ変化の信号波形図であ
る。
る。
１ 探針 ２ 試料 ３、２１ ＸＹステージ ４ ＸＹ軸傾動機構 ５ ＸＹ粗動機構 ６ ＸＹ粗動駆動回路 ８ Ｚ方向微動機構 ９ ＸＹ方向微動機構 １２ バイアス電圧印加部 １３ トンネル電流増幅部 １４ 探針高さ検出部 １５ 分波器 １６ マイクロコンピュータ ２２ 基準面 ２３、２４ 圧電素子 ２５ 突状体 ３１ 力検出用探針 ３２ カンチレバー ３３ カンチレバー変位測定系 ４１ パルス電源 ４２ 記録媒体 Ａ、Ｂ、Ｃ 支持点
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 武田 俊彦 東京都大田区下丸子三丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (72)発明者 江口 健 東京都大田区下丸子三丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (56)参考文献 特開 平４−212001（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01B 7/00 - 7/34 G01B 21/00 - 21/32
Claims (13)
- 【請求項１】 表面状態検出用のプローブを試料上で走
査させて前記試料の表面状態を測定する走査型プローブ
顕微鏡において、試料を前記プローブの走査方向に対し
て相対的に傾斜させる傾動機構と、前記プローブにより
検出された表面状態に対応する信号成分のうち任意の空
間周波数を有する信号成分を選択して検出する検出回路
と、該検出回路の検出に基づいて前記傾動機構を制御す
る制御回路とを具備したことを特徴とする走査プローブ
顕微鏡。 - 【請求項２】 前記傾動機構はＸＹ軸傾斜ステージ又は
ＸＹ軸ゴニオステージとした請求項１に記載の走査プロ
ーブ顕微鏡。 - 【請求項３】 前記軸傾斜ステージの傾斜機構は少なく
とも２つの圧電素子を利用した請求項２に記載の走査プ
ローブ顕微鏡。 - 【請求項４】 試料台上に前記試料を載せ、前記試料上
を前記プローブにより任意の領域又は区間を走査させて
前記試料面（Ｘ’Ｙ’面）と前記プローブの走査面との
傾き量を検出する傾斜検出手段と、前記傾き量が最も小
さくなるように前記傾動機構を制御する手段とを有する
請求項１に記載の走査プローブ顕微鏡。 - 【請求項５】 前記プローブと試料間のトンネル電流を
利用した走査型トンネル顕微鏡とした請求項１に記載の
走査プローブ顕微鏡。 - 【請求項６】 前記プローブと試料間の原子間力を利用
した走査型原子間力顕微鏡とした請求項１に記載の走査
型プローブ顕微鏡。 - 【請求項７】 前記プローブと試料間の磁力を利用した
走査型磁力顕微鏡とした請求項１に記載の走査プローブ
顕微鏡。 - 【請求項８】 前記プローブと試料間のイオン電導を利
用した走査型イオン顕微鏡とした請求項１に記載の走査
プローブ顕微鏡。 - 【請求項９】 前記プローブと試料間の音響を利用した
走査型音響顕微鏡とした請求項１に記載の走査プローブ
顕微鏡。 - 【請求項１０】 前記プローブと試料間のエバネッセン
ト光を利用した走査型近接場光学顕微鏡とした請求項１
に記載の走査プローブ顕微鏡。 - 【請求項１１】 検出された表面状態に対応する信号成
分のうち任意の空間周波数を有する信号成分の振幅を検
出する検出回路として、ロックインアンプを用いた請求
項１に記載の走査プローブ顕微鏡。 - 【請求項１２】 前記任意の空間周波数は前記プローブ
の面内方向掃引周波数に等しくした請求項１に記載の走
査プローブ顕微鏡。 - 【請求項１３】 プローブを記録媒体上で走査させて該
記録媒体に記録及び／又は再生を行う装置において、前
記記録媒体を前記プローブの走査方向に対して相対的に
傾斜させる傾動機構と、前記プローブにより検出された
前記記録媒体からの信号成分のうち任意の空間周波数を
有する信号成分を選択して検出する検出回路と、該検出
回路の検出に基づいて前記傾動機構を制御する制御回路
とを具備したことを特徴とする記録再生装置。
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