JP2964317B2 - 原子間力顕微鏡型表面粗さ計 - Google Patents
原子間力顕微鏡型表面粗さ計Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は試料表面の凹凸を測
定する表面粗さ計に関する。
定する表面粗さ計に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の技術として、触針式表面粗さ計と
光学式表面粗さ計が知られている。触針式表面粗さ計
は、先端を尖らせた針を試料に接触させ、試料表面を走
査したときの針の振動を検出して表面粗さを測定するも
のである。
光学式表面粗さ計が知られている。触針式表面粗さ計
は、先端を尖らせた針を試料に接触させ、試料表面を走
査したときの針の振動を検出して表面粗さを測定するも
のである。
【０００３】図４は従来の触針式表面粗さ計の構成図で
ある。試料６は試料６を触針２２に対して走査させるた
めのＸＹステージ８の上に搭載される。触針２２には、
先端を曲率半径数μｍ程度に尖らせたダイヤモンドが使
用される。触針２２はレバー２１に取り付けられ、レバ
ー２１はヒンジ２３のまわりに回動自在に固定されてい
る。触針２２の動きは、差動トランス方式の検出器２４
によって検出される。測定時に試料表面に与えられる力
は数ｍｇ、即ち１０−５Ｎ（ニュートン）程度である。
ある。試料６は試料６を触針２２に対して走査させるた
めのＸＹステージ８の上に搭載される。触針２２には、
先端を曲率半径数μｍ程度に尖らせたダイヤモンドが使
用される。触針２２はレバー２１に取り付けられ、レバ
ー２１はヒンジ２３のまわりに回動自在に固定されてい
る。触針２２の動きは、差動トランス方式の検出器２４
によって検出される。測定時に試料表面に与えられる力
は数ｍｇ、即ち１０−５Ｎ（ニュートン）程度である。
【０００４】光学式表面粗さ計は、試料表面の凹凸を光
学的変位検出系で測定するものである。光学的変位検出
方式としては、干渉計を利用したもの、非点収差法や臨
界角法などが知られている。
学的変位検出系で測定するものである。光学的変位検出
方式としては、干渉計を利用したもの、非点収差法や臨
界角法などが知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来の触
針式表面粗さ計は、測定時の接触圧力が大きいため、測
定時に試料表面を変形または破壊してしまい、正確な測
定ができないという問題点があった。接触圧力を下げる
ためには、触針や検出器を含む機械系を小型化し、ヒン
ジなどの回動・摺動部の摩擦を小さくすることが必要だ
が、大幅な改善は困難である。
針式表面粗さ計は、測定時の接触圧力が大きいため、測
定時に試料表面を変形または破壊してしまい、正確な測
定ができないという問題点があった。接触圧力を下げる
ためには、触針や検出器を含む機械系を小型化し、ヒン
ジなどの回動・摺動部の摩擦を小さくすることが必要だ
が、大幅な改善は困難である。
【０００６】また触針の先端の曲率半径が数μｍあるた
め、測定面内方向の分解能が数μｍ以上になってしまう
という問題点があった。分解能を向上させるためには針
先を尖らせることが必要であり、加工により針先を尖ら
せることは可能であるが、接触圧力が大きいため針先を
尖らせるほど試料表面の破壊や針先の摩耗が顕著とな
り、測定結果の信頼性が失われる。そのために触針先端
を数μｍ以下に尖らせることが出来なかった。
め、測定面内方向の分解能が数μｍ以上になってしまう
という問題点があった。分解能を向上させるためには針
先を尖らせることが必要であり、加工により針先を尖ら
せることは可能であるが、接触圧力が大きいため針先を
尖らせるほど試料表面の破壊や針先の摩耗が顕著とな
り、測定結果の信頼性が失われる。そのために触針先端
を数μｍ以下に尖らせることが出来なかった。
【０００７】また光学式表面粗さ計においても、測定面
内方向の分解能は、使用する光の波長の回折限界による
制限により、数百ｎｍ（ナノメーター）の分解能が限界
であった。
内方向の分解能は、使用する光の波長の回折限界による
制限により、数百ｎｍ（ナノメーター）の分解能が限界
であった。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本発明では、触針に原子間力顕微鏡に使用されるカンチ
レバーを使用し、半導体レーザー、レンズ、光検出素子
より成り、カンチレバーの変位量をレーザー光をカンチ
レバーに照射しその反射光の位置ずれとして光検出素子
にて検出する変位検出系と、カンチレバーと試料の距離
を制御するための圧電素子と、圧電素子の変位を検出す
るための変位測定手段とを有する構成とした。
本発明では、触針に原子間力顕微鏡に使用されるカンチ
レバーを使用し、半導体レーザー、レンズ、光検出素子
より成り、カンチレバーの変位量をレーザー光をカンチ
レバーに照射しその反射光の位置ずれとして光検出素子
にて検出する変位検出系と、カンチレバーと試料の距離
を制御するための圧電素子と、圧電素子の変位を検出す
るための変位測定手段とを有する構成とした。
【０００９】従来の表面粗さ計に対して、本発明者らの
提案している表面粗さ計は、原子間力顕微鏡の特徴を複
合化したものである。原子間力顕微鏡（ＡＦＭ、Ａｔｏ
ｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）はＳＴＭ
の発明者であるＧ．Ｂｉｎｎｉｇらによって考案（Ｐｈ
ｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ ｖｏｌ．
５６ ｐ９３０ １９８６）されて以来、新規な表面形
状観察手段として期待され、研究が進められている。そ
の原理は先端を充分に鋭くした検出チップと試料間に働
く原子間力を、検出チップが取り付けられているカンチ
レバーの変位として測定し、カンチレバーの変位量を一
定に保ちながら試料表面を走査し、カンチレバーの変位
量を一定に保つための制御信号を形状情報として、試料
表面の形状を測定するものである。
提案している表面粗さ計は、原子間力顕微鏡の特徴を複
合化したものである。原子間力顕微鏡（ＡＦＭ、Ａｔｏ
ｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）はＳＴＭ
の発明者であるＧ．Ｂｉｎｎｉｇらによって考案（Ｐｈ
ｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ ｖｏｌ．
５６ ｐ９３０ １９８６）されて以来、新規な表面形
状観察手段として期待され、研究が進められている。そ
の原理は先端を充分に鋭くした検出チップと試料間に働
く原子間力を、検出チップが取り付けられているカンチ
レバーの変位として測定し、カンチレバーの変位量を一
定に保ちながら試料表面を走査し、カンチレバーの変位
量を一定に保つための制御信号を形状情報として、試料
表面の形状を測定するものである。
【００１０】カンチレバーの変位検出系としては、レー
ザー光をカンチレバーに照射し、その反射光の位置ずれ
を光検出素子で検出して変位信号とする、光てこ方式と
呼ばれる方式（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ
Ｐｈｙｓｉｃｓ ６５（１）、１ ｐ１６４ Ｊａｎ
ｕａｒｙ １９８９）が一般的である。
ザー光をカンチレバーに照射し、その反射光の位置ずれ
を光検出素子で検出して変位信号とする、光てこ方式と
呼ばれる方式（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ
Ｐｈｙｓｉｃｓ ６５（１）、１ ｐ１６４ Ｊａｎ
ｕａｒｙ １９８９）が一般的である。
【００１１】図２に原子間力顕微鏡に使用されるカンチ
レバーの概略図を示す。原子間力顕微鏡で検出する原子
間力とは、１０−９〜１０−７Ｎ程度の微小な力であ
り、その微小な力を検出するために、カンチレバーのバ
ネ定数はできるだけ小さくすることが必要となる。また
測定スピードを上げるためには、共振周波数をできるだ
け高くする必要がある。バネを柔らかくして共振周波数
を上げるためには、カンチレバーを可能な限り小さく作
らなければならない。原子間力顕微鏡のカンチレバーは
半導体の微細加工プロセスによって、レバーの長さＬ１
が１００〜４００μｍ、厚みｔが１μｍ以下、チップの
大きさｈが数μｍ、チップ先端の曲率半径が数十ｎｍに
作られており、バネ定数０．１Ｎ／ｍ程度、共振周波数
は数十〜数百ｋＨｚである。このように柔らかいバネを
使用することによって、試料表面に与える接触圧力を１
０−９〜１０−７Ｎ程度にまで低減させることが可能で
ある。またチップ先端が曲率半径数十ｎｍと尖っている
ため、面内方向の分解能も向上する。
レバーの概略図を示す。原子間力顕微鏡で検出する原子
間力とは、１０−９〜１０−７Ｎ程度の微小な力であ
り、その微小な力を検出するために、カンチレバーのバ
ネ定数はできるだけ小さくすることが必要となる。また
測定スピードを上げるためには、共振周波数をできるだ
け高くする必要がある。バネを柔らかくして共振周波数
を上げるためには、カンチレバーを可能な限り小さく作
らなければならない。原子間力顕微鏡のカンチレバーは
半導体の微細加工プロセスによって、レバーの長さＬ１
が１００〜４００μｍ、厚みｔが１μｍ以下、チップの
大きさｈが数μｍ、チップ先端の曲率半径が数十ｎｍに
作られており、バネ定数０．１Ｎ／ｍ程度、共振周波数
は数十〜数百ｋＨｚである。このように柔らかいバネを
使用することによって、試料表面に与える接触圧力を１
０−９〜１０−７Ｎ程度にまで低減させることが可能で
ある。またチップ先端が曲率半径数十ｎｍと尖っている
ため、面内方向の分解能も向上する。
【００１２】本発明においてカンチレバーを試料表面に
押し付けるときのカンチレバーの変位量は、通常数ｎｍ
に設定する。従って半導体レーザー、レンズ、光検出素
子より成る変位検出系には、１ｎｍ以下の精度が要求さ
れる。図３は本発明における変位検出系の概略図であ
る。半導体レーザー２から出たレーザー光はレンズ３を
介してカンチレバー４の背面に集光される。反射した光
は光検出素子５に照射される。カンチレバーと光検出素
子との距離Ｌ２を、カンチレバーの長さＬ１の数百倍に
なるように構成することにより、カンチレバーの変位は
光検出素子上で数百倍に拡大されて検出される。このよ
うに構成された変位検出系により、カンチレバーの変位
は１ｎｍ以下の精度で測定される。
押し付けるときのカンチレバーの変位量は、通常数ｎｍ
に設定する。従って半導体レーザー、レンズ、光検出素
子より成る変位検出系には、１ｎｍ以下の精度が要求さ
れる。図３は本発明における変位検出系の概略図であ
る。半導体レーザー２から出たレーザー光はレンズ３を
介してカンチレバー４の背面に集光される。反射した光
は光検出素子５に照射される。カンチレバーと光検出素
子との距離Ｌ２を、カンチレバーの長さＬ１の数百倍に
なるように構成することにより、カンチレバーの変位は
光検出素子上で数百倍に拡大されて検出される。このよ
うに構成された変位検出系により、カンチレバーの変位
は１ｎｍ以下の精度で測定される。
【００１３】カンチレバーの変位量を制御するための圧
電素子の感度は、印加電圧１Ｖに対して数十ｎｍになる
ように設計されている。このような圧電素子を使用する
ことによって、カンチレバーの変位量を１ｎｍ以下の精
度で制御することが可能となる。
電素子の感度は、印加電圧１Ｖに対して数十ｎｍになる
ように設計されている。このような圧電素子を使用する
ことによって、カンチレバーの変位量を１ｎｍ以下の精
度で制御することが可能となる。
【００１４】圧電素子は通常、印加電圧に対して非線形
な変位を示すヒステリシス特性を有しており、変位測定
手段によって線形化補正を行う。変位測定手段として、
例えば静電容量型センサーを組み込めばよい。静電容量
方式では、１Ｖ／μｍ程度の感度は容易に得られる。ノ
イズレベルが１０ｍＶあるとしても、約１０ｎｍの精度
で圧電素子の変位、即ち試料表面の凹凸を測定すること
が可能となる。センサーの方式として他にも、光学的手
法や、ひずみゲージを圧電素子に直接貼り付ける方法な
どが考えられる。
な変位を示すヒステリシス特性を有しており、変位測定
手段によって線形化補正を行う。変位測定手段として、
例えば静電容量型センサーを組み込めばよい。静電容量
方式では、１Ｖ／μｍ程度の感度は容易に得られる。ノ
イズレベルが１０ｍＶあるとしても、約１０ｎｍの精度
で圧電素子の変位、即ち試料表面の凹凸を測定すること
が可能となる。センサーの方式として他にも、光学的手
法や、ひずみゲージを圧電素子に直接貼り付ける方法な
どが考えられる。
【００１５】印加電圧に対する変位量を正しく求めるた
めのもう一つの方法として、ヒステリシス特性を前もっ
て測定しておき、ソフトウェアにより較正する方法も考
えられる。このような構成とすることにより、試料表面
に加えられる接触圧力を、従来の表面粗さ計よりも１／
１００〜１／１００００に低減することができ、試料表
面の接触圧力による変形や破壊を防止し、正確な凹凸情
報を得ることが可能となる。
めのもう一つの方法として、ヒステリシス特性を前もっ
て測定しておき、ソフトウェアにより較正する方法も考
えられる。このような構成とすることにより、試料表面
に加えられる接触圧力を、従来の表面粗さ計よりも１／
１００〜１／１００００に低減することができ、試料表
面の接触圧力による変形や破壊を防止し、正確な凹凸情
報を得ることが可能となる。
【００１６】またチップ先端が曲率半径数十ｎｍと尖っ
ているため、面内方向の分解能も従来の表面粗さ計より
も向上する。
ているため、面内方向の分解能も従来の表面粗さ計より
も向上する。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施例を図面に基
づいて説明する。図１に本発明に係る表面粗さ計の実施
例を示す。図１において、ヘッド１にはカンチレバー４
と、半導体レーザー２、レンズ３、光検出素子５よりな
るカンチレバー４の変位検出系が構成されている。図３
は本発明における変位検出系の概略図である。半導体レ
ーザー２から出たレーザー光はレンズ３を介してカンチ
レバー４の背面に集光される。半導体レーザー２は最大
定格出力５ｍＷ、中心波長６８０ｎｍである。反射した
光は光検出素子５に照射される。カンチレバー４と光検
出素子５との距離Ｌ２は、カンチレバー４の長さＬ１の
数百倍になるように構成されている。光検出素子は正方
形の素子が４つ集合した形状をしており、その４つの素
子の中心にレーザースポット５−ａが入射するように調
整される。カンチレバー４が試料６に対して押しつけら
れ１ｎｍ変位したとき、光検出素子５の上のレーザース
ポット５−ａは、５−ｙ軸に沿って上方向に数百ｎｍ変
位する。このとき５−ｘ軸をはさむ上下の素子におい
て、上側２素子の入射光量が増加し出力が増大する。ま
た下側２素子の入射光量は低下し出力が減小する。ここ
で上側２素子と下側２素子の差分を求める回路を形成す
れば、カンチレバー４の変位に比例した差分出力が得ら
れる。図１において、プリアンプ１０にその差分増幅回
路が内蔵されている。試作した装置の差分増幅回路の変
位検出感度は、約２０ｍＶ／ｎｍであった。また５−ｙ
軸をはさむ左右の２素子間の差分出力は、カンチレバー
４の捻れ方向の角度に対応し、試料表面とカンチレバー
間の摩擦力を反映したデータを得ることができる。
づいて説明する。図１に本発明に係る表面粗さ計の実施
例を示す。図１において、ヘッド１にはカンチレバー４
と、半導体レーザー２、レンズ３、光検出素子５よりな
るカンチレバー４の変位検出系が構成されている。図３
は本発明における変位検出系の概略図である。半導体レ
ーザー２から出たレーザー光はレンズ３を介してカンチ
レバー４の背面に集光される。半導体レーザー２は最大
定格出力５ｍＷ、中心波長６８０ｎｍである。反射した
光は光検出素子５に照射される。カンチレバー４と光検
出素子５との距離Ｌ２は、カンチレバー４の長さＬ１の
数百倍になるように構成されている。光検出素子は正方
形の素子が４つ集合した形状をしており、その４つの素
子の中心にレーザースポット５−ａが入射するように調
整される。カンチレバー４が試料６に対して押しつけら
れ１ｎｍ変位したとき、光検出素子５の上のレーザース
ポット５−ａは、５−ｙ軸に沿って上方向に数百ｎｍ変
位する。このとき５−ｘ軸をはさむ上下の素子におい
て、上側２素子の入射光量が増加し出力が増大する。ま
た下側２素子の入射光量は低下し出力が減小する。ここ
で上側２素子と下側２素子の差分を求める回路を形成す
れば、カンチレバー４の変位に比例した差分出力が得ら
れる。図１において、プリアンプ１０にその差分増幅回
路が内蔵されている。試作した装置の差分増幅回路の変
位検出感度は、約２０ｍＶ／ｎｍであった。また５−ｙ
軸をはさむ左右の２素子間の差分出力は、カンチレバー
４の捻れ方向の角度に対応し、試料表面とカンチレバー
間の摩擦力を反映したデータを得ることができる。
【００１８】図２はカンチレバーの形状を示す概略図で
ある。原子間力顕微鏡のカンチレバーは半導体の微細加
工プロセスによって製造される。レバーの長さＬ１が１
００〜４００μｍ、厚みｔが１μｍ以下、チップの大き
さｈが数μｍ、チップ先端の曲率半径が数十ｎｍに作ら
れており、バネ定数０．１Ｎ／ｍ程度、共振周波数は数
十〜数百ｋＨｚである。
ある。原子間力顕微鏡のカンチレバーは半導体の微細加
工プロセスによって製造される。レバーの長さＬ１が１
００〜４００μｍ、厚みｔが１μｍ以下、チップの大き
さｈが数μｍ、チップ先端の曲率半径が数十ｎｍに作ら
れており、バネ定数０．１Ｎ／ｍ程度、共振周波数は数
十〜数百ｋＨｚである。
【００１９】図１において、圧電素子７の一方にはヘッ
ド１が固定され、もう一方は部材１５を介してＺステー
ジ９に固定されている。圧電素子７は中空円筒形状をし
ており、円筒の外側、内側それぞれに電極が設けられて
いる。材質はチタン酸バリウムやジルコン酸鉛などの圧
電セラミックスである。一方の電極をアースとし、もう
一方に電圧を印加すると、圧電効果により素子が伸縮す
る。圧電素子７の感度は、印加電圧１Ｖに対して数十ｎ
ｍになるように設計されている。最小制御量は１ｎｍ以
下、最大駆動電圧４００Ｖに対して変位量数十μｍであ
る。
ド１が固定され、もう一方は部材１５を介してＺステー
ジ９に固定されている。圧電素子７は中空円筒形状をし
ており、円筒の外側、内側それぞれに電極が設けられて
いる。材質はチタン酸バリウムやジルコン酸鉛などの圧
電セラミックスである。一方の電極をアースとし、もう
一方に電圧を印加すると、圧電効果により素子が伸縮す
る。圧電素子７の感度は、印加電圧１Ｖに対して数十ｎ
ｍになるように設計されている。最小制御量は１ｎｍ以
下、最大駆動電圧４００Ｖに対して変位量数十μｍであ
る。
【００２０】圧電素子７の変位量を測定するための静電
容量型センサ１６が圧電素子７に隣接して設けられてい
る。静電容量型センサは、２枚の金属板を互いに近接さ
せて設置し、金属板間の距離変動を静電容量の変化によ
って測定するものである。金属板の一方はヘッド１裏面
に、もう一方は部材１５に支柱を介して固定され、２枚
の金属板間の間隙が数１０μｍになるよう調整されてい
る。試作したセンサーの特性を調べたところ、感度は
０．５Ｖ／μｍ、測定範囲４０μｍであった。
容量型センサ１６が圧電素子７に隣接して設けられてい
る。静電容量型センサは、２枚の金属板を互いに近接さ
せて設置し、金属板間の距離変動を静電容量の変化によ
って測定するものである。金属板の一方はヘッド１裏面
に、もう一方は部材１５に支柱を介して固定され、２枚
の金属板間の間隙が数１０μｍになるよう調整されてい
る。試作したセンサーの特性を調べたところ、感度は
０．５Ｖ／μｍ、測定範囲４０μｍであった。
【００２１】試料６はＸＹステージ８の上に搭載され
る。ＸＹステージ８およびＺステージ９は、モーター１
９、１８を駆動源とし、ボールネジ等の伝達機構、クロ
スローラガイド等のガイド機構より構成される電動テー
ブルである。モーターとして制御を簡便に行うためには
ステップモーターが選ばれる。またテーブルを高速に駆
動する場合、サーボモーターを使用し、エンコーダ等の
センサーによる閉ループ制御を行う。ＸＹステージ８の
最小移動量は目標とするデータの分解能により決定す
る。
る。ＸＹステージ８およびＺステージ９は、モーター１
９、１８を駆動源とし、ボールネジ等の伝達機構、クロ
スローラガイド等のガイド機構より構成される電動テー
ブルである。モーターとして制御を簡便に行うためには
ステップモーターが選ばれる。またテーブルを高速に駆
動する場合、サーボモーターを使用し、エンコーダ等の
センサーによる閉ループ制御を行う。ＸＹステージ８の
最小移動量は目標とするデータの分解能により決定す
る。
【００２２】Ｚステージ９はヘッド１を試料６に近づけ
るために使用される。ヘッド１を試料６に近づける手順
は、まず目標とするカンチレバー４の変位量をソフトウ
ェアに登録する。次にプリアンプ１０の差分出力を監視
しながらヘッド１を試料６に接近させる。このとき、圧
電素子７は伸びきった状態、即ちカンチレバー４を試料
６に最も近づけた状態にしておく。カンチレバー４と試
料６が接触していない間は、差分出力に変動がないの
で、接近動作を継続する。カンチレバー４と試料６が接
触した瞬間に、差分出力に変化が生じる。ここでＺステ
ージ９は一旦停止し、予め登録した目標値に差分出力が
一致するように圧電素子７の変位を調整する。測定開始
前の圧電素子７の長さは、伸縮両方向に均等に動けるよ
うに可動範囲の中心に位置することが望ましいので、最
後にＺステージ９をゆっくりと上下させながら圧電素子
７を伸縮させ、カンチレバー４の変位を一定に維持しな
がら圧電素子７の長さを中立位置になるように調整し
て、接近作業を完了する。接近作業完了時には、カンチ
レバー４は予め登録された変位量だけたわみ、圧電素子
７は伸縮可動範囲の中立位置の状態となっている。カン
チレバー４の変位量は、試料６に対する接触圧力を極力
低減させるために、１０ｎｍ以下に設定することが望ま
しい。
るために使用される。ヘッド１を試料６に近づける手順
は、まず目標とするカンチレバー４の変位量をソフトウ
ェアに登録する。次にプリアンプ１０の差分出力を監視
しながらヘッド１を試料６に接近させる。このとき、圧
電素子７は伸びきった状態、即ちカンチレバー４を試料
６に最も近づけた状態にしておく。カンチレバー４と試
料６が接触していない間は、差分出力に変動がないの
で、接近動作を継続する。カンチレバー４と試料６が接
触した瞬間に、差分出力に変化が生じる。ここでＺステ
ージ９は一旦停止し、予め登録した目標値に差分出力が
一致するように圧電素子７の変位を調整する。測定開始
前の圧電素子７の長さは、伸縮両方向に均等に動けるよ
うに可動範囲の中心に位置することが望ましいので、最
後にＺステージ９をゆっくりと上下させながら圧電素子
７を伸縮させ、カンチレバー４の変位を一定に維持しな
がら圧電素子７の長さを中立位置になるように調整し
て、接近作業を完了する。接近作業完了時には、カンチ
レバー４は予め登録された変位量だけたわみ、圧電素子
７は伸縮可動範囲の中立位置の状態となっている。カン
チレバー４の変位量は、試料６に対する接触圧力を極力
低減させるために、１０ｎｍ以下に設定することが望ま
しい。
【００２３】測定は次の手順で行われる。まず測定する
領域をソフトウェアに登録し、測定を開始する。試料６
を登載したＸＹステージ８は、指令に従って測定領域を
決められた速度で走査する。このときカンチレバー４は
試料６の凹凸に応じて上下に変位しようとし、光検出素
子５からプリアンプ１０を経て出力される差分信号に設
定値からの偏差が生じる。この差分信号の変差を無くす
ように圧電素子７を制御することによって、カンチレバ
ー４の変位を一定に維持しつつ試料表面を走査すること
ができる。カンチレバー４の変位は一定に維持されてい
るので、試料表面の凹凸の高さ、即ち粗さ情報は、圧電
素子７の伸縮量と一致し、静電容量型センサー１６によ
って測定される。
領域をソフトウェアに登録し、測定を開始する。試料６
を登載したＸＹステージ８は、指令に従って測定領域を
決められた速度で走査する。このときカンチレバー４は
試料６の凹凸に応じて上下に変位しようとし、光検出素
子５からプリアンプ１０を経て出力される差分信号に設
定値からの偏差が生じる。この差分信号の変差を無くす
ように圧電素子７を制御することによって、カンチレバ
ー４の変位を一定に維持しつつ試料表面を走査すること
ができる。カンチレバー４の変位は一定に維持されてい
るので、試料表面の凹凸の高さ、即ち粗さ情報は、圧電
素子７の伸縮量と一致し、静電容量型センサー１６によ
って測定される。
【００２４】ＸＹステージ８とＺステージ９はステージ
コントローラ１１を介して電装１２により制御される。
電装１２は、ステージコントローラ１１に対する制御命
令のやり取り、圧電素子７を駆動する高圧電源や制御回
路、プリアンプ１０から受け取った信号の電気的処理な
どの機能を持つ。
コントローラ１１を介して電装１２により制御される。
電装１２は、ステージコントローラ１１に対する制御命
令のやり取り、圧電素子７を駆動する高圧電源や制御回
路、プリアンプ１０から受け取った信号の電気的処理な
どの機能を持つ。
【００２５】コンピュータ１３は装置全体の制御と取得
したデータの画像処理および粗さ情報の演算を行い、処
理したデータをモニター１４上に表示する。図５は、本
発明の第２の実施例であり、カンチレバーを試料面に対
して垂直に振動させる測定方式の表面粗さ計の構成を示
している。
したデータの画像処理および粗さ情報の演算を行い、処
理したデータをモニター１４上に表示する。図５は、本
発明の第２の実施例であり、カンチレバーを試料面に対
して垂直に振動させる測定方式の表面粗さ計の構成を示
している。
【００２６】図５において、半導体レーザー２、レンズ
３、光検出素子５により形成される変位検出系とカンチ
レバー４は実施例１と同じであり、振動子１７が要素と
して追加されている。振動子１７はカンチレバー４本体
に装着され、電装１２の交流信号源に接続されている。
振動子１７の材質は圧電素子７の材質と同様の圧電セラ
ミックスである。振動子１７にカンチレバー４の共振周
波数と同じ周波数の交流信号を印加すると、カンチレバ
ー４はその共振周波数で強制振動させられる。この強制
振動状態で試料６の表面に接近させると、試料表面との
相互作用により、振動状態が変化する。このときの状態
変化を相殺するように圧電素子７を制御することによっ
て、実施例１と同様に試料表面の凹凸を検出することが
できる。具体的には状態変化とは、振動の振幅、周波
数、位相などの変化を意味する。
３、光検出素子５により形成される変位検出系とカンチ
レバー４は実施例１と同じであり、振動子１７が要素と
して追加されている。振動子１７はカンチレバー４本体
に装着され、電装１２の交流信号源に接続されている。
振動子１７の材質は圧電素子７の材質と同様の圧電セラ
ミックスである。振動子１７にカンチレバー４の共振周
波数と同じ周波数の交流信号を印加すると、カンチレバ
ー４はその共振周波数で強制振動させられる。この強制
振動状態で試料６の表面に接近させると、試料表面との
相互作用により、振動状態が変化する。このときの状態
変化を相殺するように圧電素子７を制御することによっ
て、実施例１と同様に試料表面の凹凸を検出することが
できる。具体的には状態変化とは、振動の振幅、周波
数、位相などの変化を意味する。
【００２７】実施例１は従来の触針式表面粗さ計と同様
に、常時接触しながら試料表面をなぞっていく方式であ
るのに対して、実施例２の振動方式は、振動の１周期の
間に一回だけ試料に接触するためにカンチレバーと試料
が離れている時間の方が長く、接触と離脱を繰り返す方
式である。この方式には、試料表面の摩擦力の影響や、
試料表面の水分層や汚れによる吸着力の影響を低減でき
るという利点がある。
に、常時接触しながら試料表面をなぞっていく方式であ
るのに対して、実施例２の振動方式は、振動の１周期の
間に一回だけ試料に接触するためにカンチレバーと試料
が離れている時間の方が長く、接触と離脱を繰り返す方
式である。この方式には、試料表面の摩擦力の影響や、
試料表面の水分層や汚れによる吸着力の影響を低減でき
るという利点がある。
【００２８】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、試料表面
に加えられる接触圧力を従来の表面粗さ計よりも１／１
００〜１／１００００に低減することができ、試料表面
の接触圧力による変形や破壊を防止し、正確な凹凸情報
を得ることが可能となる。
に加えられる接触圧力を従来の表面粗さ計よりも１／１
００〜１／１００００に低減することができ、試料表面
の接触圧力による変形や破壊を防止し、正確な凹凸情報
を得ることが可能となる。
【００２９】またチップ先端が曲率半径数十ｎｍと尖っ
ているため、面内方向の分解能も従来の表面粗さ計より
も向上する。
ているため、面内方向の分解能も従来の表面粗さ計より
も向上する。
【図１】本発明にかかる表面粗さ計の構成を示すブロッ
ク図。
ク図。
【図２】カンチレバーの説明図。
【図３】カンチレバー変位検出系の説明図。
【図４】従来の表面粗さ計の構成を示すブロック図。
【図５】本発明にかかる別の実施例を示す表面粗さ計の
ブロック図である。
ブロック図である。
１ ヘッド ２ 半導体レーザー ３ レンズ ４ カンチレバー ５ 光検出素子 ６ 試料 ７ 圧電素子 ８ ＸＹステージ ９ Ｚステージ １０ プリアンプ １１ ステージコントローラ １２ 電装 １３ コンピュータ １４ モニター １６ 静電容量型センサー １７ 振動子
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−83137（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−83138（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−120405（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30 G01B 21/00 - 21/30 G01B 7/34 G01N 37/00
Claims (4)
- 【請求項１】 試料表面の凹凸を検出する触針と、半導
体レーザー、レンズ、光検出素子より成り、触針の変位
量をレーザー光を触針に照射しその反射光の位置ずれと
して光検出素子にて検出する変位検出手段と、試料と触
針を一定の距離に制御するための微動機構と、触針を試
料に対して接近させるためのモーター駆動型Ｚステージ
と、試料を触針に対して２次元的に走査させるモーター
駆動型ＸＹステージと、装置全体を制御するコンピュー
タを有することを特徴とする表面粗さ計。 - 【請求項２】 上記触針が原子間力顕微鏡に使用される
カンチレバーであることを特徴とする特許請求の範囲第
一項記載の表面粗さ計。 - 【請求項３】 上記微動機構が圧電素子であることを特
徴とする特許請求の範囲第一項記載の表面粗さ計。 - 【請求項４】 上記微動機構の変位を測定する変位測定
手段を設けたことを特徴とする特許請求の範囲第一項記
載の表面粗さ計。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22395196A JP2964317B2 (ja) | 1996-08-26 | 1996-08-26 | 原子間力顕微鏡型表面粗さ計 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22395196A JP2964317B2 (ja) | 1996-08-26 | 1996-08-26 | 原子間力顕微鏡型表面粗さ計 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1062158A JPH1062158A (ja) | 1998-03-06 |
| JP2964317B2 true JP2964317B2 (ja) | 1999-10-18 |
Family
ID=16806260
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP22395196A Expired - Lifetime JP2964317B2 (ja) | 1996-08-26 | 1996-08-26 | 原子間力顕微鏡型表面粗さ計 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2964317B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008203212A (ja) * | 2007-02-22 | 2008-09-04 | Fujitsu Ltd | 結晶試料の形状評価方法および形状評価装置、プログラム |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6881954B1 (en) | 1999-07-27 | 2005-04-19 | Hitachi Construction Machinery Co., Ltd. | Scanning probe microscope and method of measurement |
| JP2006308709A (ja) * | 2005-04-27 | 2006-11-09 | Tohoku Univ | 顕微鏡ステージ、および、焦点位置計測装置と共焦点顕微鏡システム |
| CN104048611A (zh) * | 2013-03-12 | 2014-09-17 | 昆山允可精密工业技术有限公司 | 测量力可控接触式测头 |
| CN103941044B (zh) * | 2014-04-06 | 2016-05-18 | 南开大学 | 原子力显微镜跨尺度高精度进样机构 |
| JP2017181135A (ja) | 2016-03-29 | 2017-10-05 | 株式会社日立ハイテクサイエンス | 走査型プローブ顕微鏡及びそのプローブ接触検出方法 |
| JP6885585B2 (ja) | 2017-03-28 | 2021-06-16 | 株式会社日立ハイテクサイエンス | 走査型プローブ顕微鏡、及びその走査方法 |
| CN109238181B (zh) * | 2018-09-29 | 2023-09-26 | 昆明理工大学 | 一种基于多级光杠杆的电梯轨道平整度检测系统及方法 |
-
1996
- 1996-08-26 JP JP22395196A patent/JP2964317B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008203212A (ja) * | 2007-02-22 | 2008-09-04 | Fujitsu Ltd | 結晶試料の形状評価方法および形状評価装置、プログラム |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH1062158A (ja) | 1998-03-06 |
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