JP3131517B2 - 走査型プローブ顕微鏡装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、同一試料の複数の表面
情報を分離して得た個々の情報を合成し表面情報を形成
する表面情報分離装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】 一般に、 所定の周波数で振動するカ
ンチレバーで試料表面上を走査させて得た表面情報から
画像を形成する走査プローブ顕微鏡がある。

【０００３】 例えば、特開昭６３-３０９８０２号公
報に提案される原子間力顕微鏡は、尖った先端部を持つ
片持ちばりを原子間力が発生可能な距離まで、試料表面
に近づけた状態で走査し、原子間力に影響されて生じる
片持ちばりの振動振幅の変化から固有振動数のシフトを
検出する。ここで、検出された振動数のシフトが、前記
片持ちばりの先端部と前記試料表面の距離を示す情報と
使用され、前記試料表面の像が形成される。また、前記
片持ちばりの先端部に磁粉を付着させることによって、
試料の磁力情報を得ることが可能な走査型磁力顕微鏡
（MFM）として用いることができる。

【０００４】 前述した片持ちばりの固有振動数のシフ
トを検出する方法について、図９に一定の振動振幅でカ
ンチレバーの根元を励振し、励振周波数を横軸として探
針先端の振動振幅を縦軸にしたカンチレバーの振動特性
を示し説明する。

【０００５】図９（ａ）には、試料からの力、例えば磁
力の影響を受けていないカンチレバーの固有振動数をｆ
１とする振動特性を示す。図９（ｂ）には、試料探針間
の距離が近付くことにより、探針は試料からのLennard-
Jones Potential による引力、静電引力、磁気力等の影
響を受け、力の距離依存性に基づく力勾配の値に応じて
固有振動数がｆ２に下がる特性になる。

【０００６】さらに図９（ｃ）に示すように、試料ステ
ージを探針に近付け、試料探針間に働く引力がカンチレ
バーのばねによる力を越えると、急激に探針先端が試料
表面に引き込まれ、探針先端が試料と接触し、振動振幅
が全周波数帯域で“０”になる。

【０００７】そして、このようなアプローチ特性を示す
カンチレバーの根元を、励振周波数ｆ３の正弦波で一定
の振幅の振動をさせておき、試料を探針に近付ける。そ
のときの探針先端の振動振幅の変化を試料位置に対応さ
せると、図１０に示すような特性になる。

【０００８】次に図１１には、従来の走査型磁気力顕微
鏡の構成を示し説明する。

【０００９】この走査型磁気力顕微鏡において、カンチ
レバー８は、加振圧電体９によって振動する。探針変位
検出部１０は、前記カンチレバー８の先端の探針部の変
位を検出し、変位信号Ｓ１を振幅検出部１１に出力す
る。

【００１０】この振幅検出部１１は、前記カンチレバー
８を加振するための正弦波信号Ｓ３を前記加振圧電体９
に出力し、さらに振幅検出部１１は正弦波信号Ｓ３と同
じ周波数の信号をロックイン検出し、振幅信号Ｓ２を差
動アンプ１２の一端に出力する。また他端には定電源１
３が接続されている。

【００１１】そして、ホストコンピュータ２は、マイク
ロコンピュータ（以下、マイコンと称する）１から転送
された測定データを格納し、画像形成する。前記マイコ
ン１は、Ｘ制御部４、Ｙ制御部５を介して、ＸＹＺ駆動
圧電体７を２次元走査するように制御しながら測定を行
ない、その測定データを前記ホストコンピュータ２に転
送する。この測定方法にはコンスタント磁力勾配測定
と、コンスタントハイト測定がある。

【００１２】前記コンスタント磁力勾配測定では、前記
差動アンプ１２により、振幅信号Ｓ２と定電源２２の設
定値との差信号をとり、ｚ制御部３では前記差信号が
“０”になるように、前記ＸＹＺ圧電体７をＺ方向に伸
縮させる。つまり、前記振幅信号Ｓ２を一定値に保つよ
うにＺ制御し、そのＺ制御データＶｚをマイコン１を介
して取り込み、測定データとしている。

【００１３】一方、コンスタントハイト測定では、振動
しているカンチレバー８の根元を固定して試料６の表面
から読出し、Ａ／Ｄ変換部３からＡ／Ｄ変換して出力さ
れた信号、つまり振幅信号Ｓ２を測定データとする。

【００１４】また、カンチレバーの固有振動数のシフト
を検出するのに振幅検出部１１に換えて、位相検出器を
用い、変位信号Ｓ１の正弦波信号Ｓ３からの位相ずれを
検出する手法も用いられることがある。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前述したＭＦ
Ｍ測定では、メモリースコープ等に探針の振動振幅の試
料位置依存性を得て、この依存性から、コンスタント磁
力勾配測定では、設定したい振動振幅の値を読み取り、
読み取った値をもとに制御の目標値（定電源２２の設定
値）を設定している。

【００１６】また、コンスタントハイト測定の場合に
は、この距離依存性曲線をもとに特定の試料探針間距離
を設定している。これらの手順には測定者の値の読み間
違い等による誤動作の危険性を伴っている。

【００１７】 また試料探針間距離の正確な測定のため
にz方向の微動機構を静止させる又は制御する必要があ
るが、傾きを持った試料表面の走査に伴う試料探針間距
離の変化に対しては振動振幅信号の変化に応じて試料の
傾きを直す等の手間のかかる作業が必要であった。

【００１８】そこで本発明は、容易に試料探針間距離の
正確な設定及び見積りが行え、一定の試料探針間距離で
の探針走査ができる走査型プローブ顕微鏡装置を提供す
ることを目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、尖った探針部を有するカンチレバーと、前
記探針部の変位を検出する手段と、前記探針部の共振特
性の変化を検出する手段と、前記試料を３次元に制御駆
動する手段と、前記試料の表面情報を記憶する手段と、
複数の前記表面情報を演算処理する手段と、前記表面情
報を画像形成する手段とで構成される走査型プローブ顕
微鏡において、前記試料と無振動の探針に働く力情報か
らなる第１の表面情報と、所定振動する探針を用いた磁
気力の勾配情報からなる第２の表面情報の試料探針間距
離に対する依存性の測定を同時に行ない、第１の表面情
報若しくは第２の表面情報のいずれかに基づく試料探針
間隔を制御する走査型プローブ顕微鏡装置を提供する。

【００２０】

【作用】以上のような構成の走査型プローブ顕微鏡装置
は、ＭＦＭにおいて検出されている探針の変位の中心値
と、探針の振動振幅値の試料探針間との距離の依存性曲
線が測定され、２つの曲線が画像化され、等磁力勾配像
の測定における振動振幅値の設定とコンスタントハイト
像測定における試料探針間距離が設定及び見積りされ
る。また、試料位置の見積りを利用して平坦な試料のコ
ンスタントハイト像測定の探針走査平面が検出され、一
定の試料探針間距離で探針走査される。

【００２１】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。

【００２２】図１には、本発明による第１実施例として
の走査型プローブ顕微鏡装置の構成を示し説明する。

【００２３】この走査型プローブ顕微鏡装置において、
マイクロコンピュータ（以下、マイコンと称する）２１
は、検出した表面情報から画像を形成するホストコンピ
ュータ２２が設けられている。また前記マイコン２１
は、Ｚ制御部２３、Ｘ制御部２４、Ｙ制御部２５を制御
し、試料２６が載置されるＸＹＺ駆動圧電体２７を伸縮
動作して、該試料２６を任意のＸ，Ｙ，Ｚ方向に微動さ
せる。

【００２４】また、前記ＸＹＺ駆動圧電体２７は、粗動
制御部２８に制御される試料ステージ粗動部２９上に設
けられており、該ＸＹＺ駆動圧電体２７を移動すること
により、前記試料２６の大きな移動が行なわれる。

【００２５】また、前記試料ステージ粗動部２９は本体
３０上に取り付けられており、本体支柱が上方へ設けら
れ、カンチレバー３１が設けられている。

【００２６】前記カンチレバー３１は、前記試料２６の
表面に尖った先端部を近付けるように設けられ、加振圧
電体３２、カンチレバー粗動アクチェエータ３３を介し
て取り付けられる。このカンチレバー粗動アクチェエー
タ３３は、マイコン１によって制御されるレバー位置制
御部３４によって駆動され、前記カンチレバー３１の位
置を移動させる。

【００２７】前記カンチレバー３１は、前記加振圧電体
３２によって振動され、試料表面上の走査による所定振
動若しくは、無振動のカンチレバー３１の先端部の変位
は、探針変位検出部３５により検出され、変位信号Ｓ１
として振幅検出部３６及びＡ／Ｄ変換部３７に出力され
る。

【００２８】前記振幅検出部３６は、前記加振圧電体３
２に前記カンチレバー３１を加振するための正弦波信号
Ｓ３を出力し、その正弦波と同じ周波数の信号をロック
インアンプ検出し、振幅信号Ｓ２として前記Ａ／Ｄ変換
部３７に出力する。前記振幅検出部３６は、前記マイコ
ン２１の制御により、振幅信号Ｓ２を出力する若しく
は、停止することができる。

【００２９】前記Ａ／Ｄ変換部３７は、前記マイコン２
１の制御により、変位信号Ｓ１若しくは振幅信号Ｓ２の
いずれかの信号を選択し出力することができる。

【００３０】前記マイコン２１は、前記前記Ｘ制御部２
４、前記Ｙ制御部２５を制御し、前記ＸＹＺ駆動圧電体
２７をカンチレバー３１に対して、２次元走査しなが
ら、測定を行い、そのカンチレバー３１の変位を測定デ
ータとしてホストコンピュータ２２に転送する。前記ホ
ストコンピュータ２２は、前記マイコン２１から転送さ
れた測定データを格納し、画像形成して表示出力する。

【００３１】次に、このように構成された走査型プロー
ブ顕微鏡装置のよる、試料の移動に対するフォースカー
ブ及び探針振動振幅曲線を図２に示し、図３に示す粗動
アプローチシーケンスのフローチャート及び図４に示す
微動アプローチシーケンスのフローチャートを参照し
て、走査型プローブ顕微鏡装置の測定動作について説明
する。

【００３２】この粗動アプローチの動作を図３を参照し
て説明する。

【００３３】測定に際して、ｘｙｚ駆動圧電体２７に載
置される試料２６の微動範囲（ｚ方向について±Ｖｚｍ
ａｘ）に、カンチレバー３１の先端探針部を持ち込むた
めに、前記試料２６を粗動アプローチさせる。

【００３４】まず探針部の位置を探針変位検出器３５で
検出し、その出力信号Ｓ１を例えば“０”の基準点に設
定する（ステップＳ１）。次に、ホストコンピュータ２
２の画面上に示されるアプローチスイッチを図示しない
マウス等で指定し、マイコン２１に対して、粗動アプロ
ーチ動作の開始を命令する（ステップＳ２）。

【００３５】そして前記ｘｙｚ微動圧電体２７のｚ微動
信号Ｖｚを試料２６を探針から離す方向の余地がある設
定、例えば“０”にする（ステップＳ３）。試料ステー
ジ粗動部２９に対して、粗動制御部２８から試料２６が
カンチレバー３１の先端探針部に近付く方向に一定量移
動するような信号を出力させる（ステップＳ４）。

【００３６】次に、変位信号Ｓ１をＡＤ変換部３７でＡ
Ｄ変換し、得られた信号が設定値を越えたか否か判断す
る（ステップＳ５）。この判断で、設定値を越えていな
い場合には（ＮＯ）、ステップＳ４に戻り、変位信号Ｓ
ｌが設定値を越えた場合には（ＹＥＳ）、ｘｙｚ駆動圧
電体のｚ微動信号Ｖｚを−Ｖｚｍａｘにして、試料２６
と探針の間隔を試料の微動範囲の最遠点にして（ステッ
プＳ６）、粗動アプローチ動作を終了させる。

【００３７】次に前記試料２６をｘｙｚ駆動圧電体２７
により、ｚ方向に走査して、図２（ａ）に示すフォース
カーブと、図２（ｂ）に示す試料位置（Ｖｚ）対探針振
動振幅（振幅信号Ｓ２）曲線とを得る手法について、図
４のアプローチ動作のフローチャートを参照し説明す
る。

【００３８】 まず、従来例で説明したと同様に、カン
チレバー３１の探針先端部が一定の振幅V１で振動する
ような正弦波信号S３を、振幅検出器３６から加振圧電
体３２に所定の振幅Vmodで与える（ステップ１１）。こ
の印加により探針変位検出部３５は、この探針部の変位
を検出し、変位信号S１を出力する。前記振幅検出器３
６は、この変位信号S１の振幅を検出し、その振幅に応
じた振幅信号S２を出力する。この時、粗動アプローチ
を追えたxyz駆動圧電体２７のz方向微動信号Vzは、-Vzm
axになっている。すなわち、図１０で示したように、z
方向微動信号が -Vzmaxのときに振幅信号S２の値はV１
である。

【００３９】 次に、z制御部２３から出力されるVz信
号を -VzmaxからVzmaxの間で走査する。このときの変位
信号S１と振幅信号S２の値を走査に同期して、A／D変換
器３７でA／D変換する。このA／D変換された変位信号S
１及び振幅信号S２の値はマイコン２１を介して、ホス
トコンピュータ２２に送られ、Vz信号の値を横軸とし
て、ホストコンピュータ２２の表示画面上にグラフとし
て表示され、若しくは記憶される（ステップ１２）。こ
の動作を所定回数繰り返す（ステップ１３）。

【００４０】この様な走査により、図２（ａ）に示す試
料位置（Ｖｚ）対探針変位（変位信号Ｓ１）曲線、いわ
ゆるフォースカーブと、同図（ｂ）に示す試料位置（Ｖ
ｚ）対探針振動振幅（振幅信号Ｓ２）曲線の２つの特性
が得られる。そして、依存性曲線測定としては、前記試
料２６がカンチレバー３１から遠ざかる方向の最大値を
ｚ微動信号Ｖｚとし（ステップＳ１４）、測定されたｚ
依存性曲線をホストコンピュータ２２上にこれらの２つ
の曲線を表示する（ステップＳ１５）。

【００４１】次に、等磁力勾配像若しくはコンスタント
ハイトＭＦＭ像の測定を行うか否か判断し（ステップＳ
１６）、測定しなければ（ＮＯ）、他の測定若しくは他
の動作を行う（ステップＳ１７）。

【００４２】次に、測定したい像を設定する（ステップ
Ｓ１８）。即ち、等磁力勾配像の測定（ステップＳ１
９）、若しくはコンスタントハイトＭＦＭ像の測定（ス
テップＳ２４）を決定する。

【００４３】まず、ステップＳ１９を選択し、等磁力勾
配像を測定する場合を説明する。

【００４４】前記等磁力勾配像を測定するときには、振
幅信号Ｓ２を一定に制御する必要がある。そこで、ステ
ップＳ１５の動作により得られた試料位置（Ｖｚ）対探
針振動振幅（振幅信号Ｓ２）曲線（図２（ｂ））上の縦
軸の高さをホストコンピュータ２２上でマウス等により
Ｓ２軸のＶ２を指定する（ステップＳ２０）。

【００４５】次に、−Ｖｚｍａｘに設定されているＺ制
御部２３の出力信号Ｖｚを試料２６が探針に近づく方向
に移動させながら振幅信号Ｓ２をモニターする（ステッ
プＳ２１）。モニターしている振幅信号Ｓ２が設定され
ているＶ２の値になったところで、マイコン２１により
制御されるＶｚを、振幅信号Ｓ２によりＶ２の値が保持
されるような自動制御動作に切り替える（ステップＳ２
２）。

【００４６】さらにＸ制御部２４及びＹ制御部２５から
出力される走査信号に同期して、Ｖｚ信号を取り込み、
ＸＹ信号に応じた場所に表示することによって、等磁力
勾配像を得る（ステップＳ２３）。

【００４７】次にコンスタントハイトＭＦＭ像の測定を
する場合を説明する。このコンスタントハイトＭＦＭ像
は、カンチレバー３１の高さを一定にしておき、探針部
の振幅信号Ｓ２の変化を測定するものであり、前記カン
チレバー３１の高さを一定に設定する必要がある。

【００４８】そこで、ステップＳ１５により得られた試
料位置（Ｖｚ）対探針振動振幅（Ｓ２）曲線上の横軸の
試料位置を、ホストコンピュータ２２で図２（ｂ）のよ
うに表示される曲線上で、マウス等によりＶｚ軸の設定
位置ｔ５を指定する（ステップＳ２５）。

【００４９】つぎにマイコン２１からの指示で、−Ｖｚ
ｍａｘに設定されているＺ制御部２３の出力信号Ｖｚを
ｔ５の値になるまで変化させ、Ｖｚの値をｔ５で固定す
る（ステップＳ２６）。さらに、Ｘ制御部２４及びＹ制
御部２５から出力される走査信号に同期して振幅信号Ｓ
２を取り込み、ホストコンピュータ２２上あるいは表示
装置上のＸＹ軸に応じた場所に表示することによってコ
ンスタントハイトＭＦＭを得る（ステップＳ２７）。

【００５０】このようにホストコンピュータ２２上に示
される図５のような特性曲線を参照しながら設定を行
い、その設定がマイコンを通して装置の制御に直結する
ため、人為的な誤動作等を避けることができる。

【００５１】次に本発明の第２実施例としての走査型プ
ローブ顕微鏡装置について説明する。この第２実施例の
構成は、図１の構成と同じであり、測定動作が異なって
いる。 図５に示すカンチレバーの移動に対するフォー
スカーブ及び力勾配信号のカンチレバー位置依存性曲
線、図６に示す粗動アプローチシーケンスのフローチャ
ート及び図７に示す微動アプローチシーケンスのフロー
チャートを参照して説明する。

【００５２】この走査型プローブ顕微鏡装置は、第１実
施例と同様に、ｘｙｚ駆動圧電体２７に載置される試料
２６の微動範囲にカンチレバー３１の先端探針部を持ち
込むために、前記試料２６を粗動アプローチさせる。こ
の動作は、第１実施例とほぼ同じである。但し、前述し
た図３のステップＳ６において、試料と探針の間隔を遠
ざけるのにｚ制御部４から出力されるＶｚ信号を用いて
ｘｙｚ駆動圧電体２７をｚ方向に動かしていたが、レバ
ー位置制御部３４から出力されるＶｔｉｐ信号を用い
て、探針を試料の微動範囲より遠くに移動するとしても
よい。

【００５３】そして前記カンチレバー３１をｚ方向に走
査して、図５（ａ）に示すフォースカーブ、同図（ｂ）
に示す試料位置（Ｖｚ）対探針振動振幅（Ｓ２）曲線を
得る手法について説明する。

【００５４】まず、第１実施例で説明したと同様に、カ
ンチレバー３１の先端探針部が一定の振幅Ｖ１で振動す
るような正弦波信号Ｓ３を、振幅検出器３６から加振圧
電体３２に所定の振幅Ｖｍｏｄで与える（ステップＳ３
１）。

【００５５】そして粗動アプローチを終えたカンチレバ
ー粗動アクチュエータ３３のｚ方向微動信号Ｖｔｉｐ
は、図５に示すように前記試料２６の微動範囲を越えて
位置Ｕ１にある。この粗動アプローチを終えた段階で
は、第１実施例と同様に、前記試料２６と探針が十分離
れている（即ち、ｚ方向微動信号が位置Ｕ１）の時に、
振幅信号Ｓ２の値はＶ１となる。

【００５６】次に、レバー位置制御部３４から出力され
るＶｔｉｐ信号を位置Ｕ１から位置Ｕ３の間で走査す
る。このときの探針の変位信号Ｓ１及び探針の振幅信号
Ｓ２の値を走査に同期して、Ａ／Ｄ変換器３７でＡ／Ｄ
変換する。

【００５７】そしてＡ／Ｄ変換された変位信号Ｓ１及び
振幅信号Ｓ２の値は、マイコン２１を介して、ホストコ
ンピュータ２２に送られ、Ｖｔｉｐ信号の値を横軸とし
て、前記ホストコンピュータ２２に、そのの表示画面上
にグラフ化される若しくは、記憶される（ステップＳ３
２）。

【００５８】このような動作を所定回数繰り返す（ステ
ップＳ３３）。

【００５９】この様な走査により、図５（ａ）に示すカ
ンチレバー位置（Ｖｔｉｐ）対探針変位（Ｓ１）曲線、
いわゆるフォースカーブと、同図（ｂ）に示すカンチレ
バー位置（Ｖｔｉｐ）対探針振動振幅（振幅信号Ｓ２）
曲線の２つの特性が得られる。そして、アプローチ開始
時のカンチレバー粗動信号Ｖｔｉｐに戻し（ステップＳ
３４）、測定されたｚ依存性曲線をホストコンピュータ
２２上に表示する（ステップＳ３５）。次に、等磁力勾
配像若しくはコンスタントハイトＭＦＭ像の測定を行う
か判断し（ステップＳ３６）、測定しなければ（Ｎ
Ｏ）、他の測定若しくは他の動作を行う（ステップＳ３
７）。

【００６０】次に、測定したい像を設定する（ステップ
Ｓ３８）。即ち、等磁力勾配像の測定（ステップＳ３
９）、若しくはコンスタントハイトＭＦＭ像の測定（ス
テップＳ４４）を決定する。

【００６１】まず、等磁力勾配像の測定を説明する（ス
テップＳ３９）。

【００６２】前述した第１実施例と同様に、等磁力勾配
像を測定するために、ステップＳ３５の動作により得ら
れた図５（ｂ）に示すカンチレバー位置（Ｖｚ）対探針
振動振幅（振幅信号Ｓ２）曲線上の縦軸の高さをホスト
コンピュータ上に表示されている図５（ｂ）上でマウス
等により、Ｓ２軸の設定位置Ｖ２を指定する（ステップ
Ｓ４０）。

【００６３】次に位置Ｕ１にあるレバー位置制御部３４
の出力信号Ｖｔｉｐを、探針に試料２６が近づく方向に
移動させながら（ステップＳ４１）、振幅信号Ｓ２をモ
ニターする。その振幅信号Ｓ２が予め設定しておいたＶ
２の値になった時点で、マイコン２１で制御されたＶｚ
を、振幅信号Ｓ２がＶ２の値を保つ自動制御動作に切り
替える（ステップＳ４２）。

【００６４】最終的にＸ制御部２４及びＹ制御部２４か
ら出力されることになる走査信号に同期してＶｚ信号を
取り込み、ＸＹ信号に応じた場所に表示することによっ
て等磁力勾配像を得る（ステップＳ４３）。

【００６５】次に、コンスタントハイトＭＦＭ像の測定
をする場合を説明する。このコンスタントハイトＭＦＭ
像は、カンチレバー３１の高さを一定にしておき、探針
部の振動振幅信号Ｓ２の変化を測定するものであり、カ
ンチレバー３１の高さを一定に設定する必要がある。

【００６６】まず、ステップＳ３５の動作により得られ
たホストコンピュータ２２上のＶｔｉｐ対Ｓ１曲線（図
５（ａ））のＳ１軸上で試料位置はフォースカーブが水
平になっているＷ０の位置と考えられる。

【００６７】そこでマウス等により、Ｓ１軸の試料位置
（Ｗ０）を基準とした、カンチレバー３１の高さＷ２を
指定する（ステップＳ４５）。次にマイコン２１からの
指示でレバー位置制御部３４の出力信号Ｖｔｉｐを探針
が試料２６に近づく方向に変位信号Ｓ１がＷ１信号がＷ
２になるまで変化させ、図５（ａ）に示すように、Ｖｔ
ｉｐ信号の値を位置Ｕ５で固定する（ステップＳ４
６）。

【００６８】さらに、Ｘ制御部２４及びＹ制御部２５か
ら出力される走査信号に同期して、振幅信号Ｓ２を取り
込み、ホストコンピュータ２２上あるいは表示装置上の
ＸＹ軸に応じた場所に表示することによってコンスタン
トハイトＭＦＭ像が得られる（ステップＳ４７）。

【００６９】以上説明したように、この第２実施例の走
査型プローブ顕微鏡装置では、探針変位の信号を用いて
試料の位置を確認した上で変位測定値による距離設定を
行うために、正確な試料探針間距離の設定と見積りが実
現されている。

【００７０】次に本発明による第３実施例としての走査
型プローブ顕微鏡装置を説明する。前述した第２実施例
においては、探針の試料からの高さをｘｙ平面領域上の
一点で設定していたが、試料の傾きを考慮したときにＸ
Ｙ走査に従い、試料と探針の間隔が変化する。

【００７１】そこで、この走査型プローブ顕微鏡装置
は、図７に示すフローチャートのように、走査領域内の
試料平面の傾きを知るために、第２実施例で行った依存
性曲線を測定領域の最低３点以上で行い、試料面の平均
的な平面を計算し、その平面から高さを設定することに
より試料探針間の距離を一定に保ちながらコンスタント
ハイト像測定を行う。

【００７２】まず、測定平面の２次元領域を示すための
正方形を走査範囲及び走査方向を含めて、図７（ｂ）に
示すようにホストコンピュータ２２の画面上に表示する
（ステップＳ５１）。

【００７３】次に、前記正方形中の少なくとも３点をサ
ンプリング点としてマウス等により指定する（ステップ
Ｓ５２）。そしてＸＹＺ駆動圧電体２７に測定点（Ｐ
１，Ｐ２，…）の座標に該当するＸＹ制御信号を印加す
る（ステップＳ５３）。

【００７４】次に第１実施例で説明したと同様に、カン
チレバー３１の先端探針部が一定の振幅Ｖ１で振動する
ような正弦波信号Ｓ３を、振幅検出器３６から加振圧電
体３２に所定の振幅Ｖｍｏｄで与える（ステップＳ５
４）。そして所定の振幅及びオフセットでカンチレバー
粗動信号Ｖｔｉｐを走査する。また、この走査信号に同
期して、（変位信号Ｓ１と）振幅信号Ｓ２を記憶もしく
は、ホストコンピュータ２２の画面に表示する（ステッ
プＳ５５）。

【００７５】次に、前記カンチレバー粗動信号Ｖｔｉｐ
の走査が所定回数になるまで繰り返し行い（ステップＳ
５６）、所定回数に達した時点で、アプローチ開始時の
カンチレバー粗動信号Ｖｔｉｐに戻す（ステップＳ５
７）。

【００７６】そして、図７（ｂ）に示す全ての測定点Ｐ
１，Ｐ２，…の走査を行ったか判断し（ステップＳ５
８）、終了していない場合には（ＮＯ）、ステップＳ５
３に戻り、終了したならば（ＹＥＳ）、各測定点のカン
チレバー粗動信号Ｖｔｉｐ対試料位置（Ｖｚ）対探針変
位（変位信号Ｓ１）曲線を測定領域中のｘｙ座標と共に
ホストコンピュータ２２の画面上に表示する（ステップ
Ｓ５９）。

【００７７】そして各測定点での探針位置［Ｗ２（Ｐ
１，Ｐ２，…）］を設定する（ステップＳ６０）。ｘｙ
各点で設定された高さに基づいて走査する平面を計算す
る（ステップＳ６１）。この計算で得られた平面のＸＹ
走査に同期して、振幅信号Ｓ２を記録し及び表示して、
コンスタントハイトＭＦＭ像を得る（ステップＳ６
２）。 この走査型プローブ顕微鏡装置において、計算
によって得られた平面のｚ方向の変位を実現するのに、
ｘｙｚ駆動圧電体用信号Ｖｚを用いても、カンチレバー
粗動アクチュエータ駆動用信号Ｖｔｉｐを用いてもよ
い。

【００７８】この動作により試料の傾きを簡単な前動作
によって正確に知ることが出来るため、傾斜の付いたサ
ンプルに対して、試料探針間距離を一定に保ちながら探
針の振動振幅の変化を測定することが出来る。

【００７９】さらに図８には、第４実施例として、前述
した第１，第２，第３実施例で示した各構成部材がある
程度独立して機能を持つように構成された走査型プロー
ブ顕微鏡装置を示す。ここで、第４実施例の構成部材で
図１の部材と同等の機能及び動作を行う部材には、同じ
参照符号し特徴部分のみを説明する。

【００８０】この走査型プローブ顕微鏡装置において、
Ａ／Ｄ変換部３７は所定のタイミングで変位信号Ｓ１，
振幅信号Ｓ２，Ｖｚ信号をＡ／Ｄ変換し、ホストコンピ
ュータ２２上に転送する機能を有する。そしてＸ走査回
路４３及びＹ走査回路４４は少なくとも走査におけるデ
ータの取り込みのタイミングを前記ホストコンピュータ
２２とやり取りしている。

【００８１】また、粗動制御部２８は、少なくともＡ／
Ｄ変換部３７で取り込まれる変位信号Ｓ１を判断基準と
して、粗動のオンオフのできるものである。そしてレバ
ー位置制御部３４は、少なくともカンチレバー３１の根
元をｚ方向に走査するタイミングをホストコンピュータ
２２とやり取りしている。

【００８２】そして、差動アンプ４６の基準電位となる
電圧源４７は、設定される振動振幅の値に該当する電圧
になるように制御される。前記差動アンプ４６からの出
力は、自動制御回路４８に入力されるが、自動制御回路
４８では、入力される値が“０”になるように、ｘｙｚ
駆動圧電体２７のｚ方向を自動制御するものである。

【００８３】また、走査回路４１は、試料２６をｚ方向
に走査する際のタイミングを前記ホストコンピュータ２
２とやり取りでき、また前記ホストコンピュータ２２か
らの指令により任意の位置から、前記試料２６を探針か
ら遠ざける方向に値を振ることが出来るものである。ま
た、発振器４５は、前記カンチレバー３１を励振して探
針先端を振動させるもので、前記ホストコンピュータ２
２からの指令でオン・オフが出来るようになっている。
また、従来例でも述べたとおり振幅検出器３６の換わり
に位相検出器を用いても実現可能である。

【００８４】この構成により第１，第２，第３実施例の
測定が実現することができる。

【００８５】以上説明したように、本発明の走査型プロ
ーブ顕微鏡装置によれば、試料に対するアプローチの方
法によって、カンチレバーの振動を用いて試料の情報を
取り出す走査型プローブ顕微鏡において、試料探針間に
働く力を反映するカンチレバーの変位量の試料位置依存
性と、試料探針間の力勾配を反映する探針の振動振幅信
号の試料表面からの距離依存性に基づいて、測定の制御
量の設定及び試料探針間隔設定を高精度で間違いなくに
行うことが出来るようになる。

【００８６】また、カンチレバー側を走査することによ
り試料位置を検出することが出来、試料探針間距離の設
定をより高精度に行うことが出来るようになる。

【００８７】さらに、測定領域中の複数の点において距
離依存性測定を行い、試料の傾きを測定することによっ
て、試料表面に傾きのある場合に試料の傾きに合わせた
一定の試料探針間隔での物性情報の変化を測定すること
が可能となる。

【００８８】また本発明は、前述した実施例では走査型
磁力顕微鏡（ＭＦＭ）を示し説明したが、ＭＦＭに限ら
ず、ファンデルワールス力顕微鏡、静電気力顕微鏡な
ど、カンチレバーを振動させてその固有振動数のツフト
を検出することでカンチレバーに影響する微弱な力を検
出する走査型プローブ顕微鏡全般に応用可能であり、他
にも発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形や応用が
可能であることは勿論である。

【００８９】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、容
易に試料探針間距離の正確な設定及び見積りが行え、一
定の試料探針間距離での探針走査ができる走査型プロー
ブ顕微鏡装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明による第１実施例としての走査
型プローブ顕微鏡装置の構成を示す図である。

【図２】図２は、試料の移動に対するフォースカーブ及
び探針振動振幅曲線を示す図である。

【図３】図３は、第１実施例の粗動アプローチシーケン
スを示すフローチャートである。

【図４】図４は、第１実施例の微動アプローチシーケン
スを示すフローチャートである。

【図５】図５は、第２実施例としての走査型プローブ顕
微鏡装置のカンチレバーの移動に対するフォースカーブ
及び力勾配信号のカンチレバー位置依存性曲線を示す図
である。

【図６】図６は、第２実施例の粗動アプローチシーケン
スを示すフローチャートである。

【図７】図７は、第３実施例としての走査型プローブ顕
微鏡装置の微動アプローチシーケンスを示すフローチャ
ートである。

【図８】図８は、本発明による第４実施例としての走査
型プローブ顕微鏡装置の構成を示す図である。

【図９】図９は、励振周波数と探針先端の振動振幅によ
るカンチレバーの振動特性を示す図である。

【図１０】図１０は、探針先端の振動振幅の変化と試料
位置との関係を示す図である。

【図１１】図１１は、従来の走査型磁気力顕微鏡の構成
を示す図である。

【符号の説明】

１，２１…マイクロコンピュータ（マイコン）、２，２
２…ホストコンピュータ、３，２３…ｚ制御部、４，２
４…Ｘ制御部、５，２５…Ｙ制御部、６，２６…試料、
７，２７…ＸＹＺ駆動圧電体、８，３１…カンチレバ
ー、９，３２…加振圧電体、１０，３５…探針変位検出
部、１１，３６…振幅検出部、１２…差動アンプ、１３
…定電源、１４，３７…Ａ／Ｄ変換部２８…粗動制御
部、２９…試料ステージ粗動部、３０…本体、３３…カ
ンチレバー粗動アクチェエータ。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−312563（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−184201（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−203626（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−116401（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−309802（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 21/00 - 21/32 G01B 7/00 - 7/34 102 G01N 13/10 - 13/24 G01N 37/00 H01J 37/28

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 尖った先端部を有するカンチレバーと、
   前記探針先端部の変位を検出する手段と、前記探針部の
   共振特性の変化を検出する手段と、前記試料と前記探針
   とを相対的に３次元に制御駆動する手段と、前記試料の
   表面情報を記憶する手段と、複数の表面情報を演算処理
   する手段と、前記表面情報を画像形成する手段とで構成
   される走査型プローブ顕微鏡において、前記試料と前記探針との間に働く力情報の内、前記探針
   の振動振幅の中心値から得られる第1の表面情報、及
   び、振幅値から得られる第2の表面情報 の試料探針間距
   離依存性の測定を同時に行ない、 第１の表面情報若しくは第２の表面情報のいずれかに、
   または、両方に基づく試料探針間隔を制御することを特
   徴とする走査型プローブ顕微鏡装置。
2. 【請求項２】 前記第2の表面情報から選られる力情報
   は原子間力、または、静電気力、または、Lennard-Jone
   s Potentialによる引力、または、ファンデルワールス
   力であることを特徴とする請求項１に記載の走査型プロ
   ーブ顕微鏡装置。
3. 【請求項３】 尖った先端部を有するカンチレバーと、
   前記探針先端部の変位を検出する手段と、前記探針部の
   共振特性の変化を検出する手段と、前記試料と前記探針
   とを相対的に３次元に制御駆動する手段と、前記試料の
   表面情報を記憶する手段と、複数の表面情報を演算処理
   する手段と、前記表面情報を画像形成する手段とで構成
   される走査型プローブ顕微鏡において、 前記試料と前記探針との間に働く力情報の内、前記探針
   の振動振幅の中心値から得られる第1の表面情報、及
   び、振幅値から得られる磁気力の勾配情報からなる第2
   の表面情報の試料探針間距離依存性の測定を同時に行な
   い、 第１の表面情報若しくは第２の表面情報のいずれかに、
   または、両方に基づく試料探針間隔を制御することを特
   徴とする走査型プローブ顕微鏡装置。
4. 【請求項４】 前記試料と前記探針間隔の制御は等磁気
   力勾配を一定に保つように行う前記試料と前記探針間隔
   をこと特徴とする請求項３に記載の走査型プローブ顕微
   鏡装置。
5. 【請求項５】 前記試料と前記探針間隔を一定に保つよ
   うに制御すること特徴 とする請求項３に記載の走査型プ
   ローブ顕微鏡装置。
6. 【請求項６】 走査領域内で距離依存性曲線を行うこと
   特徴とする請求項３に記載の走査型プローブ顕微鏡装
   置。
7. 【請求項７】 走査領域内で距離依存性曲線を３以上の
   点で行い、前記試料と前記探針間隔を一定に保つように
   制御すること特徴とする請求項３に記載の走査型プロー
   ブ顕微鏡装置。
8. 【請求項８】 前記探針を前記試料表面からの高さ方向
   に走査すること特徴とする請求項３に記載の走査型プロ
   ーブ顕微鏡装置。