JP3179380B2 - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

走査型プローブ顕微鏡

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JP3179380B2 JP21632297A JP21632297A JP3179380B2 JP 3179380 B2 JP3179380 B2 JP 3179380B2 JP 21632297 A JP21632297 A JP 21632297A JP 21632297 A JP21632297 A JP 21632297A JP 3179380 B2 JP3179380 B2 JP 3179380B2
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、走査型原子間力顕
微鏡（ＡＦＭ： Atomic Force Microscope）に代表され
る走査型プローブ顕微鏡に係り、特に、プローブ駆動系
に生じる共振振動を速やかに減衰させるようにした走査
型プローブ顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】ＡＦＭ等の走査型プローブ顕微鏡では、
試料表面とプローブとの間の相互作用を利用して試料表
面の微細な組織や構造を検出するために、片持ち梁の先
端に探針を装着したカンチレバーがプローブとして使用
される。試料表面と探針との間には、原子間力に基づく
引力または斥力が発生するので、探針を試料表面でＸＹ
方向へ主および副走査させながら原子間力をカンチレバ
ーの歪量として検出し、この歪量すなわち試料表面と探
針との間隙が一定となるように試料ステージをＺ軸方向
へ微動させれば、その際の微動信号、あるいは検出され
た歪量そのものが試料表面の形状を代表するようにな
る。
【０００３】プローブの主および副走査方向への走査機
構ならびにＺ方向への微動機構としては、これまでステ
ッピングモータと差動ねじとを組み合わせた機構やＰＺ
Ｔ等の圧電アクチュエータを用いた機構が提案されてい
たが、大きさやコストの面で改善の余地が多々あった。
そこで、本出願人は、音響用スピーカに適用されている
ボイスコイルモータを用いてプローブを走査および微動
させる走査型プローブ顕微鏡を開発し、これを特許出願
した（特願平８−２５２０１号）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ボイスコイルモータを
走査手段や微動手段として採用した場合、プローブを支
持する支持機構と各ボイスコイルモータの可動子とは連
結部材を介して機械的に連結される。このとき、主およ
び副走査の周波数やＺ微動の周波数（以下、これらを駆
動周波数と表現する場合もある）が、ボイスコイルモー
タや支持機構を含むプローブ駆動系の固有振動数と一致
してしまうと、プローブを駆動する際に駆動系が共振し
てプローブが大きく振動してしまう。このため、プロー
ブの駆動系は、その固有振動数ｆ0 がプローブの主およ
び副走査周波数ｆx 、ｆy やＺ微動周波数ｆz と一致し
ないように設計される。具体的には、プローブの駆動系
は、その固有振動数ｆ0 が駆動周波数の５ないし１０倍
以上となるように設計することが望ましい。
【０００５】しかしながら、本発明者の実験によれば、
たとえプローブの駆動周波数とプローブ駆動系の固有振
動数とが一致していなくても、主および副走査の折り返
し時には、本来の走査周波数よりも高い周波数成分を含
む振動が発生するため、プローブ駆動系がこれに共振し
て大きく振動することがある。図３は、ボイスコイルモ
ータに入力される走査信号と、実際の探針の走査位置と
の関係を比較して示した図であり、特に同図(a) は、プ
ローブを主走査方向へ走査するための主走査信号（駆動
電流ＩX ）を表し、同図(b) は、主走査信号ＩX に応答
して走査された探針の主走査方向に関する実際の位置
（縦軸）を表している。
【０００６】プローブ駆動系は、走査開始直後から最初
の折り返しまでは共振せず、プローブの走査位置は主走
査信号Ｉx に正確に追従している。しかしながら、プロ
ーブが折り返し動作をすると、走査方向が瞬間的に変わ
ることから、本来の走査周波数よりも高い周波数成分を
含む振動が生じ、これによって駆動系に共振振動が生じ
る。したがって、折り返し後は駆動系が比較的大きく振
動して走査位置が不安定になる。その後は共振が徐々に
減衰して安定方向に向かうものの、次に再び折り返し動
作が行われると、前記と同様にプローブが再び共振して
走査位置が不安定になる。
【０００７】このように、従来技術ではプローブの走査
折り返し時に発生する振動によるプローブ駆動系の共振
が考慮されていなかったため、プローブを安定して走査
することができず、観察像が不鮮明になってしまうとい
う問題があった。本発明の目的は、上記した従来技術の
問題点を解決し、プローブ走査によって生じるプローブ
駆動系の共振振動を速やかに減衰させるようにした走査
型プローブ顕微鏡を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明では、試料表面に探針を近接させ、両者
の間隙が予定値に保たれるように、探針をＺ方向へ微動
させながらＸＹ方向へ走査する走査型プローブ顕微鏡に
おいて、自由端に探針が形成された片持ち梁式の走査プ
ローブを主および副走査方向ならびにＺ方向へ駆動する
各駆動手段の少なくとも一つをボイスコイルモータによ
って構成し、当該ボイスコイルモータの固定子と可動子
との間に、その共振振動のＱを小さく抑える粘性流体を
充填するようにした。
【０００９】上記した構成によれば、主および副走査の
折り返し時に、本来の走査周波数よりも高い周波数成分
を含む振動が発生してプローブの駆動系に伝達され、そ
の結果、ボイスコイルモータを含む駆動系が共振振動し
ても、これを速やかに減衰させることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明を詳
細に説明する。図１は、本発明の一実施形態の走査プロ
ーブ顕微鏡の主要部の構成を示した図である。筐体１の
上部には第１の永久磁石２が装着され、永久磁石２の中
央部には、環状溝５で囲まれた心棒部３が形成されてい
る。永久磁石２の心棒部３にはキャップ状の可動子４が
遊嵌され、可動子４の外周部にはボイスコイル６が巻回
されている。環状溝５内には、コロイド状の磁性材料を
含む粘性流体（磁性流体）７が充填されており、永久磁
石２、心棒部３、可動子４およびボイスコイル６は、音
響用スピーカ等で使用されているボイスコイルモータを
形成している。
【００１１】前記可動子４の閉塞端４ａの中央部には、
ｚ方向に延びるスピンドル８の一端が固着されている。
スピンドル８の他端には、固定端が中筒１３によって支
持された片持ち梁１４の自由端が固着されている。片持
ち梁１４には支持台１２を介してプローブ１０のカンチ
レバー１０ｂが固定されており、カンチレバー１０ｂの
自由端には探針１０ａが形成されている。
【００１２】前記筐体１の側面には、また、第２の永久
磁石２１が装着され、永久磁石２１の中央部には、環状
溝２８で囲まれた心棒部２２が形成されている。心棒部
２２にはキャップ状の可動子２３が遊嵌され、可動子２
３の外周部にはボイスコイル２５が巻回されている。環
状溝２８内には前記と同様に粘性流体２６が充填されて
おり、第２の永久磁石２１、心棒部２２、可動子２３お
よびボイスコイル２５は前記と同様のボイスコイルモー
タを形成している。なお、図示していないが、環状溝
５、２８には溝外部と連通する開口が形成されており、
粘性流体７，２６を当該溝５、２８内へ充填する際に溝
内部の空気が当該開口から排気され、粘性流体を容易に
充填することができる。
【００１３】可動子２３にはｘ方向のスピンドル２７の
一端が固着され、スピンドル２７の他端は中筒１３の側
部に固着されている。このボイスコイルモータは主走査
方向（Ｘ方向）のスピンドル２７に作用するが、図示さ
れていない同構成のボイスコイルモータが９０°回転し
た位置に設けられており、副走査方向（Ｙ方向）のスピ
ンドルに作用する。そして、前記主および副走査方向の
ボイスコイルモータを駆動することにより、前記探針１
０ａは試料表面に対してラスタ走査される。前記探針１
０ａと対向する位置には試料台３１が設けられ、試料台
３１上には観察対象の試料３２が載置されている。該試
料台３１は試料ステージ３３上に設置されている。
【００１４】前記各ボイスコイルモータに充填された粘
性流体は、それぞれの可動子およびこれに連結された駆
動系の固有振動のＱを低く抑えるダンパーとして作用す
る。このため、充填する粘性流体の粘性率（粘度）を高
くし過ぎると、ダンパーとしての機能は向上するものの
可動子の応答性が低下してしまう。反対に粘性率を低く
し過ぎるとダンパーとしての機能が低下してしまう。こ
のため、粘性流体の粘性率としては５００〜１５００セ
ンチポアズの範囲であることが望ましい。
【００１５】各ボイスコイルモータに充填する粘性流体
の粘性率は上記した範囲内で同じでも良いが、各ボイス
コイルモータは駆動周波数が異なるので、それぞれの駆
動周波数に適した粘性率の粘性流体を充填することが望
ましい。例えば、Ｚ微動の周波数は主および副走査の周
波数よりも十分に高く、Ｚ微動用ボイスコイルモータに
充填する粘性流体の粘性率を高くし過ぎると微動信号に
対する微動の応答性が低下してしまうので、Ｚ微動用ボ
イスコイルモータに充填する粘性流体の粘性率は、主お
よび副走査用ボイスコイルモータのそれよりも低くする
ことが望ましい。同様の観点から、主走査用ボイスコイ
ルモータに充填する粘性流体の粘性率は、副走査用ボイ
スコイルモータのそれよりも低くすることが望ましい。
【００１６】図２は、図１の走査プローブ顕微鏡と接続
される駆動回路系のブロック図であり、図１と同一の符
号は同一または同等部分を表している。探針１０ａの変
位、例えばプローブ１０の撓み量が変位検出器９で検出
されると、その検出信号が基準値発生器４２から出力さ
れる基準値と差動増幅器４１によって比較される。該基
準値は、探針１０ａと試料面との距離が所定値になった
時に変位検出器９から出力される値と等しいので、探針
１０ａと試料面との距離が所定値からずれている時に
は、差動増幅器４１はずれ量に応じた大きさの信号を出
力する。
【００１７】差動増幅器４１から出力された差分信号は
積分回路４３および比例回路４４により処理され、Ｖ−
Ｉ変換器４５に入力される。Ｖ−Ｉ変換器４５は、入力
された電圧信号を電流信号に変換してボイスコイル６へ
供給する。すなわち、変位検出器９、差動増幅器４１、
積分回路４３、比例回路４４およびＶ−Ｉ変換器４５は
フィードバック回路を構成している。
【００１８】一方、ラスタスキャナ４６は主および副走
査方向の走査信号電流Ｉx ，Ｉy を、それぞれＸ方向可
動子２３およびＹ方向可動子３４に巻回されているボイ
スコイル２５、３５に供給する。また、ラスタスキャナ
４６はＣＲＴ４７にＸ，Ｙ走査信号を供給する。試料表
面の形状、物理量等の検査情報は、Ｖ−Ｉ変換器４５の
入力側から取り出されてＣＲＴ４７に供給される。
【００１９】このような構成において、最初は探針１０
ａと試料表面との距離が大きいので、基準値発生器４２
から出力される基準値と変位検出器９からの変位検出値
との差も大きく、差動増幅器４１からは大きな信号電圧
が出力される。この信号電圧は積分回路４３および比例
回路４４により処理され、Ｖ−Ｉ変換器４５により電流
Ｉz に変換されて、可動子４に巻回されたボイスコイル
６に供給される。
【００２０】永久磁石２の磁界と、ボイスコイル６に流
れる電流Ｉz によって発生する磁界とにより、可動子４
を下方に動かす力が発生する。この結果、可動子４に接
続されたスピンドル８は下降する力を受け、片持ち梁１
４が下方へ撓んでプローブ１０も下方へ移動する。この
移動は、前記ボイスコイル６に流れる電流Ｉz が大きい
ために速やかに行われる。
【００２１】以上のようにして、探針１０ａが試料３２
の表面に近付き両者の間が所定の距離になると、変位検
出器９からの変位検出値と基準値発生機４２からの基準
値とがほぼ等しい大きさになるので、差動増幅器４１か
ら出力される信号電圧は０付近の大きさになり、前記ボ
イスコイル６に流れる電流Ｉも小さくなる。以上のよう
にしてＺ方向に関する粗動が終了すると、主および副走
査とＺ微動とが同時に行われる。まず、主および副走査
機構およびその動作について説明する。なお、Ｘ方向の
走査とＹ方向の走査は同一または同等の機構により行わ
れるので、ここではＸ方向の走査機構に注目して説明す
る。
【００２２】図１の永久磁石２１の心棒部２２に遊嵌さ
れた可動子２３に巻回されているボイスコイル２５に、
前記ラスタスキャナ４６から主走査電流Ｉx が供給され
ると、可動子２３に接続されているＸ方向のスピンドル
２７がＸ方向の力を受ける。いま、前記ボイスコイル２
５に負方向の電流Ｉx が流れて、スピンドル２７が図１
の左方向に押されたとすると中筒１３も同方向に振られ
る。逆に、前記ボイスコイル２５に正方向の電流Ｉx が
流れて、スピンドル２７が図１の右方向に引かれたとす
ると、中筒１３も同方向に振られる。このようにして、
中筒１３が−Ｘから＋Ｘ方向に振られると、探針１０ａ
も試料表面で−Ｘから＋Ｘ方向へ走査されることにな
る。
【００２３】次に、前記主および副走査の間に行われる
ｚ微動の動作を簡単に説明する。前記フィードバック回
路（図２参照）は、試料３２の表面の凹凸に合わせてプ
ローブ１０の撓み量が一定になるように可動子４を上下
に変位ｚだけ動かす。変位ｚはボイスコイル６に流れる
電流Ｉz に比例し、変位ｘは探針１０ａが試料３２の表
面をトレースした時の変位量であるから、試料３２の表
面の凹凸は前記電流Ｉz に比例する。すなわち、ボイス
コイル６に流れる電流Ｉz をモニタすると、試料３２の
表面の凹凸を計測することができる。
【００２４】図３(c) は、本発明において同図(a) の主
走査信号ＩX に応答して走査された探針の主走査方向に
関する実際の位置（縦軸）を表している。同図(b) と比
較すれば明らかなように、本実施形態によれば、走査折
り返し後は駆動系が共振するので走査位置が多少不安定
になるものの、粘性流体によって共振振動のＱが低く抑
えられているので振動振幅が小さいことがわかる。しか
も、共振振動が素早く減衰されるので、共振の影響が表
れるのは折り返し直後のみで、その後は安定した走査が
可能になる。
【００２５】なお、上記した実施形態では粘性流体とし
て磁性流体を用いるものとして説明したが、本発明はこ
れのみに限定されず、磁性材料を含まないシリコーンオ
イル
【００２６】等の他の粘性流体であっても良い。
【発明の効果】本発明によれば、以下のような効果が達
成される。 (1) 主および副走査手段ならびにＺ方向微動手段の少な
くとも一つをボイスコイルモータによって構成すると共
に、当該ボイスコイルモータの固定子と可動子との間に
は、ボイスコイルモータに生じる共振振動のＱを低く抑
える粘性流体を充填したので、主および副走査の折り返
し時に生じる比較的高周波の振動によってプローブ駆動
系に共振振動が生じても、これを素早く減衰させること
ができ、プローブの共振に起因した観察像の乱れを最小
限に抑えることができる。 (2) 主走査用のボイスコイルモータに充填する粘性流体
の粘性率と、副走査用のボイスコイルモータに充填する
粘性流体の粘性率と、Ｚ微動用のボイスコイルモータに
充填する粘性流体の粘性率とを異ならせれば、各駆動系
の動作に影響を与えることなく、それぞれの共振振動の
Ｑを低下させることができる。 (3) 粘性流体が充填されて可動子が遊嵌されるように形
成された固定子の環状の溝内には、外部と連通する開口
を形成したので、粘性流体を当該溝内へ充填する際に溝
内部の空気が当該開口から排気され、粘性流体の充填が
容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した走査型プローブ顕微鏡の構成
図である。
【図２】本発明を適用した走査型プローブ顕微鏡の駆動
回路系のブロック図である。
【図３】走査信号と実際の走査位置との関係を比較して
示した図である。
【符号の説明】
２ 永久磁石 ３ 心棒部 ４ 可動子 ５ 環状溝 ６ ボイスコイル ７ 粘性流体 １０ プローブ １０ｂ カンチレバー １０ａ 探針 １２ 支持台 １４ 片持ち梁
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平９−196930（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−113519（ＪＰ，Ａ) 国際公開96／7074（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01N 13/10 - 13/24 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 試料表面に探針を近接させ、両者の間隙
    が予定値に保たれるように、探針をＺ方向へ微動させな
    がらＸＹ方向へ走査する走査型プローブ顕微鏡におい
    て、 自由端に前記探針が形成された片持ち梁式の走査プロー
    ブと、主走査信号と副走査信号とを 発生する走査信号発生手段
    と、前記 主走査信号に応答して前記探針が試料表面で主走査
    されるように前記走査プローブを駆動する主走査手段
    と、前記 副走査信号に応答して前記探針が前記試料表面で副
    走査されるように前記走査プローブを駆動する副走査手
    段と、前記 試料表面と前記探針との間隙が予定値に保たれるよ
    うに前記走査プローブを試料に対してＺ方向へ微動させ
    るＺ方向微動手段とを具備し、前記主走査手段と前記副走査手段と前記Ｚ方向微動手段
    とは、それぞれ ボイスコイルモータによって構成され、
    前記それぞれのボイスコイルモータの固定子と可動子と
    の間には、その共振振動のＱを減衰させる粘性流体が充
    填されており、前記主走査手段としての主走査ボイスコ
    イルモータに充填される粘性流体と、前記副走査手段と
    しての副走査ボイスコイルモータに充填される粘性流体
    と、前記Ｚ方向微動手段としてのＺ方向ボイスコイルモ
    ータに充填される粘性流体とは、それぞれ粘性率を異に
    することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
  2. 【請求項２】 前記Ｚ方向ボイスコイルモータに充填さ
    れる粘性流体の粘性率は、前記主走査ボイスコイルモー
    タと前記副走査ボイスコイルモータとに充填される粘性
    流体の粘性率よりも低い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。
  3. 【請求項３】 前記主走査ボイスコイルモータに充填さ
    れる粘性流体の粘性率は、前記副走査ボイスコイルモー
    タに充填される粘性流体の粘性率よりも低いことを特徴
    とする請求項１又は２記載の走査型プローブ顕微鏡。
  4. 【請求項４】 前記粘性流体は磁性流体であることを特
    徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の走査型プロー
    ブ顕微鏡。
  5. 【請求項５】 前記粘性流体の粘性率は５００〜１５０
    ０センチポアズ の範囲であることを特徴とする請求項１
    乃至４のいずれか記載の走査型プローブ顕微鏡。
  6. 【請求項６】 前記ボイスコイルモータの可動子は、固
    定子に形成された環状の溝内に遊嵌され、前記溝内には
    粘性流体が充填され、前記溝内には溝外部と連通する開
    口が形成されたことを特徴とする請求項１乃至５のいず
    れか記載の走査型プローブ顕微鏡。
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