JP2967965B2 - 走査型プローブ顕微鏡用スキャナ及びそれを備える走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents
走査型プローブ顕微鏡用スキャナ及びそれを備える走査型プローブ顕微鏡Info
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- JP2967965B2 JP2967965B2 JP14812393A JP14812393A JP2967965B2 JP 2967965 B2 JP2967965 B2 JP 2967965B2 JP 14812393 A JP14812393 A JP 14812393A JP 14812393 A JP14812393 A JP 14812393A JP 2967965 B2 JP2967965 B2 JP 2967965B2
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- Japan
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- cantilever
- probe
- scanning probe
- probe microscope
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、走査型プローブ顕微鏡
で用いるスキャナに関する。なお、本明細書では、走査
型トンネル顕微鏡、走査型原子間力顕微鏡等のマイクロ
プローブを走査する形式の顕微鏡を走査型プローブ顕微
鏡と称する。
で用いるスキャナに関する。なお、本明細書では、走査
型トンネル顕微鏡、走査型原子間力顕微鏡等のマイクロ
プローブを走査する形式の顕微鏡を走査型プローブ顕微
鏡と称する。
【０００２】
【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡、例えば走査型ト
ンネル顕微鏡は米国特許第４３４３９９３号明細書に記
載されている。一般に、走査型プローブ顕微鏡では、試
料又はプローブのどちらかを、圧電素子の組み込まれた
スキャナを用いてＸＹ方向に走査する。この時、試料−
プローブ間の相互作用を一定にするように、プローブの
Ｚ軸方向の変位を制御すると、そのＺ軸方向変位から試
料表面の情報を得ることができる。
ンネル顕微鏡は米国特許第４３４３９９３号明細書に記
載されている。一般に、走査型プローブ顕微鏡では、試
料又はプローブのどちらかを、圧電素子の組み込まれた
スキャナを用いてＸＹ方向に走査する。この時、試料−
プローブ間の相互作用を一定にするように、プローブの
Ｚ軸方向の変位を制御すると、そのＺ軸方向変位から試
料表面の情報を得ることができる。
【０００３】例えば、走査型トンネル顕微鏡において
は、プローブと試料との間に所定のトンネル電圧を印可
し、流れるトンネル電流の大きさが一定になるようにス
キャナのＺ軸方向圧電素子に印可する電圧をフィードバ
ック制御する。この制御によってプローブと試料の間の
距離が高精度に一定に維持されるので、スキャナのＸ軸
方向の圧電素子及びＹ軸方向の圧電素に走査電圧を印可
して試料表面をラスター走査しながらＺ軸方向の圧電素
子に印可したフィードバック電圧を記録すると、試料表
面の凹凸を拡大した走査型トンネル顕微鏡像が得られ
る。
は、プローブと試料との間に所定のトンネル電圧を印可
し、流れるトンネル電流の大きさが一定になるようにス
キャナのＺ軸方向圧電素子に印可する電圧をフィードバ
ック制御する。この制御によってプローブと試料の間の
距離が高精度に一定に維持されるので、スキャナのＸ軸
方向の圧電素子及びＹ軸方向の圧電素に走査電圧を印可
して試料表面をラスター走査しながらＺ軸方向の圧電素
子に印可したフィードバック電圧を記録すると、試料表
面の凹凸を拡大した走査型トンネル顕微鏡像が得られ
る。
【０００４】この時、プローブの実際の変位は、一般に
圧電素子に印可した電圧の関数として計算される。
圧電素子に印可した電圧の関数として計算される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】スキャナの圧電素子へ
の印可電圧からプローブ又は試料の変位を計算する従来
の方法では、スキャナに使用する圧電素子のヒステリシ
スや非線形性、クリープなどの特性から、印可電圧が同
じでも、状態により変位には大きな誤差が残るという問
題がある。周期的な往復運動あるいは単調な運動をする
だけであって電圧の履歴が単純なＸＹ方向の走査では、
各種の補正式を用いることにより精度を上げる方法も考
えられるが、各圧電素子の特性のバラツキもあり誤差数
％以下の精度は簡単には得られない。また、サーボ状態
で変位するＺ軸方向の圧電素子は、複雑な電圧履歴を持
つので、ＸＹ方向の走査精度より一層大きな誤差を含む
ことになる。
の印可電圧からプローブ又は試料の変位を計算する従来
の方法では、スキャナに使用する圧電素子のヒステリシ
スや非線形性、クリープなどの特性から、印可電圧が同
じでも、状態により変位には大きな誤差が残るという問
題がある。周期的な往復運動あるいは単調な運動をする
だけであって電圧の履歴が単純なＸＹ方向の走査では、
各種の補正式を用いることにより精度を上げる方法も考
えられるが、各圧電素子の特性のバラツキもあり誤差数
％以下の精度は簡単には得られない。また、サーボ状態
で変位するＺ軸方向の圧電素子は、複雑な電圧履歴を持
つので、ＸＹ方向の走査精度より一層大きな誤差を含む
ことになる。
【０００６】本発明の目的は、走査型プローブ顕微鏡の
スキャナによるプローブ又は試料の変位を、個々の圧電
素子の特性のバラツキやヒステリシスにかかわりなく、
簡単に高精度に得ることができるようにすることにあ
る。
スキャナによるプローブ又は試料の変位を、個々の圧電
素子の特性のバラツキやヒステリシスにかかわりなく、
簡単に高精度に得ることができるようにすることにあ
る。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、光源、カンチレ
バー、光点の移動を検知するポジションセンサを含む光
学系、すなわち光てこセンサを備えたスキャナを有す
る。
に、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、光源、カンチレ
バー、光点の移動を検知するポジションセンサを含む光
学系、すなわち光てこセンサを備えたスキャナを有す
る。
【０００８】
【作用】光てこの原理により、カンチレバーの角度変化
をポジションセンサ上の光点の移動として検知する。そ
して、カンチレバーの角度変化より圧電素子したがって
プローブ又は試料の実際の変位を一義的かつ高精度に検
知する。
をポジションセンサ上の光点の移動として検知する。そ
して、カンチレバーの角度変化より圧電素子したがって
プローブ又は試料の実際の変位を一義的かつ高精度に検
知する。
【０００９】
【実施例】図１は、本発明による走査型プローブ顕微鏡
の実施例を示す図である。この実施例では、Ｚ軸圧電素
子によるＺ軸方向のプローブ変位を光てこセンサで検知
する。走査型プローブ顕微鏡のスキャナは、スキャナベ
ース１、Ｚ軸圧電素子２、Ｘ軸圧電素子３、Ｙ軸圧電素
子（図示せず）及びプローブ５を有する。図１には、ト
ライポッド型のスキャナを例示したが、スキャナの形状
は円筒型その他の形状であってもよい。また、スキャナ
にはプローブ５の代わりに試料を付けてもよい。
の実施例を示す図である。この実施例では、Ｚ軸圧電素
子によるＺ軸方向のプローブ変位を光てこセンサで検知
する。走査型プローブ顕微鏡のスキャナは、スキャナベ
ース１、Ｚ軸圧電素子２、Ｘ軸圧電素子３、Ｙ軸圧電素
子（図示せず）及びプローブ５を有する。図１には、ト
ライポッド型のスキャナを例示したが、スキャナの形状
は円筒型その他の形状であってもよい。また、スキャナ
にはプローブ５の代わりに試料を付けてもよい。
【００１０】本発明によるスキャナは、上記要素に加え
て、プローブ５に固定されたカンチレバー受け４、カン
チレバー６、カンチレバーを固定するカンチレバーベー
ス７、レーザ光源１０、ＰＳＤ（ポジションセンサ）１
１、カンチレバーをスキャナベースに対して移動させる
機構としてのマイクロヘッド９、スキャナベースに固定
されたベースおさえ８を含む。
て、プローブ５に固定されたカンチレバー受け４、カン
チレバー６、カンチレバーを固定するカンチレバーベー
ス７、レーザ光源１０、ＰＳＤ（ポジションセンサ）１
１、カンチレバーをスキャナベースに対して移動させる
機構としてのマイクロヘッド９、スキャナベースに固定
されたベースおさえ８を含む。
【００１１】まず、マイクロヘッド９でカンチレバー６
とカンチレバー受け４の相対位置を調整して、カンチレ
バー６が点線１４で示されるようにわずかにたわんでい
る状態になるようにする。この時、レーザ光源１０から
発射された光線は、カンチレバー６で反射された後、破
線１３で示された光路を進んでＰＤＳ１１に入射する。
とカンチレバー受け４の相対位置を調整して、カンチレ
バー６が点線１４で示されるようにわずかにたわんでい
る状態になるようにする。この時、レーザ光源１０から
発射された光線は、カンチレバー６で反射された後、破
線１３で示された光路を進んでＰＤＳ１１に入射する。
【００１２】この状態から、Ｚ軸圧電素子２が長さｚだ
け伸びてプローブ５がＺ軸方向に距離ｚだけ変位し、実
線の相対位置関係になったとすると、カンチレバー６は
角度αだけたわむ。すると、レーザ光源１０から発射さ
れ、カンチレバー６で反射した光線は、光路１３から角
度２αだけ偏向した実線の光路１２を進んでＰＳＤ１１
に入射する。
け伸びてプローブ５がＺ軸方向に距離ｚだけ変位し、実
線の相対位置関係になったとすると、カンチレバー６は
角度αだけたわむ。すると、レーザ光源１０から発射さ
れ、カンチレバー６で反射した光線は、光路１３から角
度２αだけ偏向した実線の光路１２を進んでＰＳＤ１１
に入射する。
【００１３】カンチレバー６からＰＳＤ１１までの光路
長をＬとすると、カンチレバーのたわみ角αが充分小さ
ければ、ＰＳＤ上での光点の移動距離ｄは、ｄ＝２αＬ
となる。ここで、カンチレバーの長さをｒとすると、α
＝ｚ／ｒとなる。以上より、ｚ＝αｒ＝ｄｒ／２Ｌとな
る。ここで、短いカンチレバー長ｒ、長い光路長Ｌ、位
置分解能のよいＰＳＤを用いれば、充分精度の良いｚが
得られる。例えば、ｒ＝１ｍｍ，Ｌ＝５０ｍｍ，ｄ＝
０．１μｍでは、ｚ＝１ｎｍ程度の分解能が得られる。
長をＬとすると、カンチレバーのたわみ角αが充分小さ
ければ、ＰＳＤ上での光点の移動距離ｄは、ｄ＝２αＬ
となる。ここで、カンチレバーの長さをｒとすると、α
＝ｚ／ｒとなる。以上より、ｚ＝αｒ＝ｄｒ／２Ｌとな
る。ここで、短いカンチレバー長ｒ、長い光路長Ｌ、位
置分解能のよいＰＳＤを用いれば、充分精度の良いｚが
得られる。例えば、ｒ＝１ｍｍ，Ｌ＝５０ｍｍ，ｄ＝
０．１μｍでは、ｚ＝１ｎｍ程度の分解能が得られる。
【００１４】カンチレバーを半導体のプロセスを用いて
作れば、ｒ＝２０μｍ程度が得られてより有効である。
ＰＳＤでは光点の位置による位置検出に非線形の誤差が
生じるが、ＰＳＤにはヒステリシスがないので補正は簡
単である。カンチレバーをスキャナベースに対して移動
させるための移動機構としては、前記マイクロヘッド以
外のものも利用できる。また、光源もレーザ以外のもの
も利用可能である。
作れば、ｒ＝２０μｍ程度が得られてより有効である。
ＰＳＤでは光点の位置による位置検出に非線形の誤差が
生じるが、ＰＳＤにはヒステリシスがないので補正は簡
単である。カンチレバーをスキャナベースに対して移動
させるための移動機構としては、前記マイクロヘッド以
外のものも利用できる。また、光源もレーザ以外のもの
も利用可能である。
【００１５】Ｚ軸圧電素子によるプローブ変位は、圧電
素子への印加電圧から計算すると複雑な電圧履歴の影響
で誤差が大きいため、とりわけ本発明が有効である。本
実施例では、スキャナによるプローブのＺ軸方向変位を
光てこセンサで検出するようにしたが、同様な構成でプ
ローブのＸ軸方向変位又はＹ軸方向変位を光てこセンサ
で検知するようにすることも可能である。また、スキャ
ナに２つ以上の光てこセンサを独立に配置することによ
り、プローブの２軸以上の変位を同時に光てこセンサで
検知するように構成することも可能である。
素子への印加電圧から計算すると複雑な電圧履歴の影響
で誤差が大きいため、とりわけ本発明が有効である。本
実施例では、スキャナによるプローブのＺ軸方向変位を
光てこセンサで検出するようにしたが、同様な構成でプ
ローブのＸ軸方向変位又はＹ軸方向変位を光てこセンサ
で検知するようにすることも可能である。また、スキャ
ナに２つ以上の光てこセンサを独立に配置することによ
り、プローブの２軸以上の変位を同時に光てこセンサで
検知するように構成することも可能である。
【００１６】
【発明の効果】本発明の走査型プローブ顕微鏡は、スキ
ャナに光てこセンサを備えることにより、プローブの変
位を高精度に検知することができる。これは、圧電素子
への印加電圧からの計算ではヒステリシスによる誤差の
大きいＺ軸圧電素子による変位の検知に特に有効であ
る。
ャナに光てこセンサを備えることにより、プローブの変
位を高精度に検知することができる。これは、圧電素子
への印加電圧からの計算ではヒステリシスによる誤差の
大きいＺ軸圧電素子による変位の検知に特に有効であ
る。
【図１】本発明による走査型プローブ顕微鏡の実施例の
構成を示す図。
構成を示す図。
１…スキャナベース ２…Ｚ軸圧電素子 ３…Ｘ軸
圧電素子 ４…カンチレバー受け ５…プローブ ６…カンチ
レバー ７…カンチレバーベース ８…ベースおさえ ９…
マイクロヘッド １０…レーザ １１…ＰＳＤ １２…変位前の光線
１３…変位後の光線 １４…変位前のカンチレバーベースの相対位置
圧電素子 ４…カンチレバー受け ５…プローブ ６…カンチ
レバー ７…カンチレバーベース ８…ベースおさえ ９…
マイクロヘッド １０…レーザ １１…ＰＳＤ １２…変位前の光線
１３…変位後の光線 １４…変位前のカンチレバーベースの相対位置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 橋本 昭 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機 株式会社 土浦工場内 (56)参考文献 特開 平５−71951（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01B 21/00 - 21/32 G01N 37/00
Claims (4)
- 【請求項１】 先端に取り付けられたプローブ又は試料
をスキャナベースに対して変位させる手段を有する走査
型プローブ顕微鏡用スキャナであって、 前記スキャナベースに対して一定の位置関係にあるカン
チレバーベースと、前記プローブ又は試料に対して固定
されたカンチレバー受けと、一端が前記カンチレバーベ
ースに固定され他端が前記カンチレバー受けに接触して
変位可能なカンチレバーと、前記カンチレバーに光線を
照射する光源と、前記カンチレバーによって反射された
光線を検知するポジションセンサとを含み、前記ポジシ
ョンセンサへの光線の入射位置から前記スキャナベース
に対する前記プローブ又は試料の変位を検知することを
特徴とする走査型プローブ顕微鏡用スキャナ。 - 【請求項２】 前記プローブ又は試料をスキャナベース
に対して変位させる手段は圧電素子であることを特徴と
する請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡用スキャナ。 - 【請求項３】 前記カンチレバーは、前記スキャナベー
スに対する前記プローブ又は試料のＺ軸方向の変位によ
って前記光源からの光線の反射角度が変化するように配
置されていることを特徴とする請求項１又は２記載の走
査型プローブ顕微鏡用スキャナ。 - 【請求項４】 請求項１、２又は３記載の走査型プロー
ブ顕微鏡用スキャナを備える走査型プローブ顕微鏡。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14812393A JP2967965B2 (ja) | 1993-06-18 | 1993-06-18 | 走査型プローブ顕微鏡用スキャナ及びそれを備える走査型プローブ顕微鏡 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14812393A JP2967965B2 (ja) | 1993-06-18 | 1993-06-18 | 走査型プローブ顕微鏡用スキャナ及びそれを備える走査型プローブ顕微鏡 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH074953A JPH074953A (ja) | 1995-01-10 |
| JP2967965B2 true JP2967965B2 (ja) | 1999-10-25 |
Family
ID=15445776
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP14812393A Expired - Lifetime JP2967965B2 (ja) | 1993-06-18 | 1993-06-18 | 走査型プローブ顕微鏡用スキャナ及びそれを備える走査型プローブ顕微鏡 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2967965B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5656769A (en) * | 1994-08-11 | 1997-08-12 | Nikon Corporation | Scanning probe microscope |
| CN1300565C (zh) * | 2004-12-28 | 2007-02-14 | 天津大学 | 基于角度测量的原子力显微镜测量装置 |
| CN1300564C (zh) * | 2004-12-28 | 2007-02-14 | 天津大学 | 基于角度测量的原子力显微镜测量方法 |
-
1993
- 1993-06-18 JP JP14812393A patent/JP2967965B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH074953A (ja) | 1995-01-10 |
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