JP3202646B2 - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents
走査型プローブ顕微鏡Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、水晶振動子をプロ
ーブの位置制御に利用する走査型プローブ顕微鏡に関す
る。
ーブの位置制御に利用する走査型プローブ顕微鏡に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】従来、走査型プローブ顕微鏡の位置制御
方式としては、トンネル電流検知方式及びエバネセント
光検知方式、原子間力検知方式などが知られていた。ト
ンネル電流をプローブの位置制御に利用した走査型プロ
ーブ顕微鏡としては、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）
があり、またエバネセント光をプローブの位置制御に利
用した走査型プローブ顕微鏡としてはフォトンＳＴＭが
あるが、測定試料が限定されることから、原子間力をプ
ローブの位置制御に利用した原子間力顕微鏡（ＡＦ
Ｍ）、近接場走査光学顕微鏡（ＮＳＯＭ）などが主に利
用されている。原子間力検知方式には、プローブの変位
をレーザー光により検出する方式と水晶振動子の発生電
流の変化を利用する方式がある。
方式としては、トンネル電流検知方式及びエバネセント
光検知方式、原子間力検知方式などが知られていた。ト
ンネル電流をプローブの位置制御に利用した走査型プロ
ーブ顕微鏡としては、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）
があり、またエバネセント光をプローブの位置制御に利
用した走査型プローブ顕微鏡としてはフォトンＳＴＭが
あるが、測定試料が限定されることから、原子間力をプ
ローブの位置制御に利用した原子間力顕微鏡（ＡＦ
Ｍ）、近接場走査光学顕微鏡（ＮＳＯＭ）などが主に利
用されている。原子間力検知方式には、プローブの変位
をレーザー光により検出する方式と水晶振動子の発生電
流の変化を利用する方式がある。
【０００３】プローブの変位検出にレーザー光を用いる
走査型プローブ顕微鏡としては、例えば、「特開平６−
５０７５０、力検知手段を含む走査型顕微鏡、ロバート
・エリック・ベツトズイツグ」に開示されている。プロ
ーブの変位検出に水晶振動子を用いる走査型プローブ顕
微鏡としては、例えば、カレド・カライ等により、Ａｐ
ｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６６（１４）、１９９５、
１８４２〜１８４４ページに開示されている。以下、こ
れらの装置の概略を述べる。
走査型プローブ顕微鏡としては、例えば、「特開平６−
５０７５０、力検知手段を含む走査型顕微鏡、ロバート
・エリック・ベツトズイツグ」に開示されている。プロ
ーブの変位検出に水晶振動子を用いる走査型プローブ顕
微鏡としては、例えば、カレド・カライ等により、Ａｐ
ｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６６（１４）、１９９５、
１８４２〜１８４４ページに開示されている。以下、こ
れらの装置の概略を述べる。
【０００４】図２は従来の「レーザー光を用いる走査型
プローブ顕微鏡」の概略図である。光ファイバー３１０
の先端をテーパー状７０に加工する。ＸＹＺステージ５
０上に試料台２０が設置されている。試料台の上には試
料３０がセットされている。光ファイバープローブ７０
を微動素子４０を用いて、試料面と平行に振動させる。
プローブ先端には試料表面からの水平方向の力すなわち
シアーフォースが働き、プローブの振動状態が変化す
る。プローブ７０の振動状態の測定には、位置制御用の
レーザー光（図では省略）を先端に照射し、プローブ７
０の影をレンズ９０と光検出器３０で検出することで行
う。シアーフォースを一定に保持するように、すなわ
ち、振幅変化または位相変化を一定に保持するように微
動素子４０を用いて、試料表面とプローブ先端の距離を
制御する。試料からの距離に応じてシアーフォースが急
速に減衰することを利用して、試料表面とプローブ先端
との距離をナノメーターのオーダーで一定に制御でき
る。ＸＹＺ微動素子４０を用いて、試料表面をラスター
走査する。このようにして、試料の表面形状がナノメー
ターのオーダーで測定できる。
プローブ顕微鏡」の概略図である。光ファイバー３１０
の先端をテーパー状７０に加工する。ＸＹＺステージ５
０上に試料台２０が設置されている。試料台の上には試
料３０がセットされている。光ファイバープローブ７０
を微動素子４０を用いて、試料面と平行に振動させる。
プローブ先端には試料表面からの水平方向の力すなわち
シアーフォースが働き、プローブの振動状態が変化す
る。プローブ７０の振動状態の測定には、位置制御用の
レーザー光（図では省略）を先端に照射し、プローブ７
０の影をレンズ９０と光検出器３０で検出することで行
う。シアーフォースを一定に保持するように、すなわ
ち、振幅変化または位相変化を一定に保持するように微
動素子４０を用いて、試料表面とプローブ先端の距離を
制御する。試料からの距離に応じてシアーフォースが急
速に減衰することを利用して、試料表面とプローブ先端
との距離をナノメーターのオーダーで一定に制御でき
る。ＸＹＺ微動素子４０を用いて、試料表面をラスター
走査する。このようにして、試料の表面形状がナノメー
ターのオーダーで測定できる。
【０００５】図３は従来の「水晶振動子を用いる走査型
プローブ顕微鏡」の主要部の概略図である。４００は光
ファイバープローブ、４１０は水晶振動子である。光フ
ァイバープローブを水晶振動子に接着する。水晶振動子
を振動用ピエゾ素子（図では省略）で共振させる。水晶
振動子の振動により、光ファイバープローブは振動す
る。プローブの先端が試料に接近すると、プローブ先端
には試料表面からの水平方向の力すなわちシアーフォー
スが働き、水晶振動子の振動状態が変化する。水晶の圧
電効果による発生電荷を測定することで、水晶振動子の
振動状態を測定する。シアーフォースを一定に保持する
ように、すなわち、水晶振動子の出力の振幅変化または
位相変化を一定に保持するようにピエゾ圧電スキャナー
（図では省略）を用いて、試料表面とプローブ先端の距
離を制御する。試料からの距離に応じてシアーフォース
が急速に減衰することを利用して、試料表面とプローブ
先端との距離をナノメーターのオーダーで一定に制御で
きる。ＸＹＺ微動素子（図では省略）を用いて、試料表
面をラスター走査する。このようにして、試料の表面形
状がナノメーターのオーダーで測定できる。
プローブ顕微鏡」の主要部の概略図である。４００は光
ファイバープローブ、４１０は水晶振動子である。光フ
ァイバープローブを水晶振動子に接着する。水晶振動子
を振動用ピエゾ素子（図では省略）で共振させる。水晶
振動子の振動により、光ファイバープローブは振動す
る。プローブの先端が試料に接近すると、プローブ先端
には試料表面からの水平方向の力すなわちシアーフォー
スが働き、水晶振動子の振動状態が変化する。水晶の圧
電効果による発生電荷を測定することで、水晶振動子の
振動状態を測定する。シアーフォースを一定に保持する
ように、すなわち、水晶振動子の出力の振幅変化または
位相変化を一定に保持するようにピエゾ圧電スキャナー
（図では省略）を用いて、試料表面とプローブ先端の距
離を制御する。試料からの距離に応じてシアーフォース
が急速に減衰することを利用して、試料表面とプローブ
先端との距離をナノメーターのオーダーで一定に制御で
きる。ＸＹＺ微動素子（図では省略）を用いて、試料表
面をラスター走査する。このようにして、試料の表面形
状がナノメーターのオーダーで測定できる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかし、このような従
来の走査型プローブ顕微鏡では、以下に述べるような欠
点があった。レーザー光を用いる走査型プローブ顕微鏡
では、シアーフォース検出のためにレーザー光を光プロ
ーブ先端近傍の試料表面に照射し、その反射光中のプロ
ーブ先端像（影）を検出している。このため、反射光量
が試料表面の形状、反射率に影響されやすく、振動振幅
の測定が困難であり、正確な表面形状測定が困難となっ
ていた。また、レーザー光の位置合わせが容易でなく、
データの再現性に問題があった。
来の走査型プローブ顕微鏡では、以下に述べるような欠
点があった。レーザー光を用いる走査型プローブ顕微鏡
では、シアーフォース検出のためにレーザー光を光プロ
ーブ先端近傍の試料表面に照射し、その反射光中のプロ
ーブ先端像（影）を検出している。このため、反射光量
が試料表面の形状、反射率に影響されやすく、振動振幅
の測定が困難であり、正確な表面形状測定が困難となっ
ていた。また、レーザー光の位置合わせが容易でなく、
データの再現性に問題があった。
【０００７】水晶振動子を用いる走査型プローブ顕微鏡
では、水晶振動子とプローブの接着部が極めて微小領域
（例えば、一辺が約１００μｍの正方形部分）となりや
すく、接着作業が困難であった。また、接着量および硬
化度、接着部位などにより、水晶振動子の素子特性が変
化しやすく、再現性よい振動子センサーを得ることが困
難となっていた。このため、工業用の目的では利用が困
難となっていた。また、プローブの交換時には、水晶振
動子と共に交換しなければならず、コストアップととも
に再現性のある表面形状測定が不可能となっていた。
では、水晶振動子とプローブの接着部が極めて微小領域
（例えば、一辺が約１００μｍの正方形部分）となりや
すく、接着作業が困難であった。また、接着量および硬
化度、接着部位などにより、水晶振動子の素子特性が変
化しやすく、再現性よい振動子センサーを得ることが困
難となっていた。このため、工業用の目的では利用が困
難となっていた。また、プローブの交換時には、水晶振
動子と共に交換しなければならず、コストアップととも
に再現性のある表面形状測定が不可能となっていた。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の走査型プローブ
顕微鏡は、先端に探針を有するプローブと、圧電振動体
と交流電圧発生手段からなる加振部と、水晶振動子と電
流電圧増幅回路からなる振動検出部と、プローブを試料
表面に接近させる粗動手段と、Ｚ軸微動素子とＺサーボ
回路とからなる試料とプローブ間の距離制御手段と、Ｘ
Ｙ微動素子とＸＹ走査回路とからなる２次元走査手段
と、測定信号の３次元画像化を行うデータ処理手段とか
ら構成され、弾性体のバネ圧でプローブを水晶振動子に
固定することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡とし
た。そしてこのような構成をとることにより、再現性よ
く表面形状測定が可能な走査型プローブ顕微鏡を提供す
る。
顕微鏡は、先端に探針を有するプローブと、圧電振動体
と交流電圧発生手段からなる加振部と、水晶振動子と電
流電圧増幅回路からなる振動検出部と、プローブを試料
表面に接近させる粗動手段と、Ｚ軸微動素子とＺサーボ
回路とからなる試料とプローブ間の距離制御手段と、Ｘ
Ｙ微動素子とＸＹ走査回路とからなる２次元走査手段
と、測定信号の３次元画像化を行うデータ処理手段とか
ら構成され、弾性体のバネ圧でプローブを水晶振動子に
固定することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡とし
た。そしてこのような構成をとることにより、再現性よ
く表面形状測定が可能な走査型プローブ顕微鏡を提供す
る。
【０００９】
【実施の形態】図１は、本発明の走査型プローブ顕微鏡
の概略図である。本発明の走査型プローブ顕微鏡は、先
端に探針を有するプローブ１と、圧電振動体２と交流電
圧発生手段３からなる加振部と、水晶振動子４と電流電
圧増幅回路５からなる振動検出部と、プローブを試料表
面に接近させる粗動手段６と、Ｚ軸微動素子１１とＺサ
ーボ回路１２とからなる試料とプローブ間の距離制御手
段と、ＸＹ微動素子１３とＸＹ走査回路１４とからなる
２次元走査手段と、測定信号の３次元画像化を行うデー
タ処理手段１５とから構成され、弾性体１６のバネ圧で
プローブ１を水晶振動子４に固定する。
の概略図である。本発明の走査型プローブ顕微鏡は、先
端に探針を有するプローブ１と、圧電振動体２と交流電
圧発生手段３からなる加振部と、水晶振動子４と電流電
圧増幅回路５からなる振動検出部と、プローブを試料表
面に接近させる粗動手段６と、Ｚ軸微動素子１１とＺサ
ーボ回路１２とからなる試料とプローブ間の距離制御手
段と、ＸＹ微動素子１３とＸＹ走査回路１４とからなる
２次元走査手段と、測定信号の３次元画像化を行うデー
タ処理手段１５とから構成され、弾性体１６のバネ圧で
プローブ１を水晶振動子４に固定する。
【００１０】プローブを水平に振動させながら試料表面
近傍に接近させると、プローブ先端にシアーフォースが
働き、プローブの振動振幅が減少する。プローブと水晶
振動子とはバネ圧で固定され一体として作動するため、
プローブの振動振幅の減少は水晶振動子の振動振幅の減
少となる。水晶振動子の振動振幅の減少は、出力電流の
減少となり電流電圧増幅回路で検出される。水晶振動子
の出力電流を一定にするように、Ｚ軸微動素子とＺサー
ボ回路により試料とプローブとの距離を制御すること
で、プローブ先端が試料面から一定の距離に保たれる。
このような状態でプローブを試料面内で相対的に２次元
走査し、３次元画像化を行うようにした。
近傍に接近させると、プローブ先端にシアーフォースが
働き、プローブの振動振幅が減少する。プローブと水晶
振動子とはバネ圧で固定され一体として作動するため、
プローブの振動振幅の減少は水晶振動子の振動振幅の減
少となる。水晶振動子の振動振幅の減少は、出力電流の
減少となり電流電圧増幅回路で検出される。水晶振動子
の出力電流を一定にするように、Ｚ軸微動素子とＺサー
ボ回路により試料とプローブとの距離を制御すること
で、プローブ先端が試料面から一定の距離に保たれる。
このような状態でプローブを試料面内で相対的に２次元
走査し、３次元画像化を行うようにした。
【００１１】上記のように、プローブと試料との距離制
御を水晶振動子を用いて行うことで、レーザー光を用い
る走査型プローブ顕微鏡のような位置制御用レーザーが
不要となり、レーザー光の位置および反射光量の変動に
よるデータの不正確さの問題を回避できる。また、弾性
体のバネ圧でプローブを水晶振動子に固定することで、
従来の水晶振動子を用いる走査型プローブ顕微鏡で問題
となっていた接着の変動によるデータの変動がなく、ま
た、プローブ交換時にはプローブのみ交換すればよいた
め、同一の水晶振動子が使用でき、測定条件の再現性、
さらにデータの再現性を高めることが可能である。ま
た、プローブ交換のみであるため、低コストであり、か
つ困難な接着が不要となり、取り扱いが極めて簡単にな
る。
御を水晶振動子を用いて行うことで、レーザー光を用い
る走査型プローブ顕微鏡のような位置制御用レーザーが
不要となり、レーザー光の位置および反射光量の変動に
よるデータの不正確さの問題を回避できる。また、弾性
体のバネ圧でプローブを水晶振動子に固定することで、
従来の水晶振動子を用いる走査型プローブ顕微鏡で問題
となっていた接着の変動によるデータの変動がなく、ま
た、プローブ交換時にはプローブのみ交換すればよいた
め、同一の水晶振動子が使用でき、測定条件の再現性、
さらにデータの再現性を高めることが可能である。ま
た、プローブ交換のみであるため、低コストであり、か
つ困難な接着が不要となり、取り扱いが極めて簡単にな
る。
【００１２】
【実施例】以下に、この発明の実施例を説明する． ［実施例１］図４は、本発明の走査型プローブ顕微鏡の
実施例１の概略図である。試料の雰囲気を制御できる走
査型プローブ顕微鏡としての実施例を示した。
実施例１の概略図である。試料の雰囲気を制御できる走
査型プローブ顕微鏡としての実施例を示した。
【００１３】水晶振動子４と圧電振動体２は、水晶振動
子ホルダー２５に接着固定されている。圧電振動体とし
ては板状のＰＺＴ素子を、水晶振動子としては時計用の
水晶振動子を用いた。ＰＺＴ素子に交流電圧を印加する
とＰＺＴ素子が振動し、水晶振動子を強制振動させる。
振動周波数を水晶振動子の共振周波数（例えば３２．７
ｋＨｚ）にすると、水晶振動子が共振する。水晶振動子
が振動すると、圧電効果により水晶振動子の電極に電荷
が誘起され、電流として電流電圧増幅回路により検出さ
れる。水晶振動子の振動振幅に比例した電流が発生する
ため、検出された電流により水晶振動子の振動状態が測
定できる。圧電振動体としてはＰＺＴ板の他、円筒形の
ＰＺＴスキャナーや積層ＰＺＴ板などが考えられ、いず
れも本発明に含まれる。また、水晶振動子としては時計
用以外の水晶振動子も本発明に含まれる。
子ホルダー２５に接着固定されている。圧電振動体とし
ては板状のＰＺＴ素子を、水晶振動子としては時計用の
水晶振動子を用いた。ＰＺＴ素子に交流電圧を印加する
とＰＺＴ素子が振動し、水晶振動子を強制振動させる。
振動周波数を水晶振動子の共振周波数（例えば３２．７
ｋＨｚ）にすると、水晶振動子が共振する。水晶振動子
が振動すると、圧電効果により水晶振動子の電極に電荷
が誘起され、電流として電流電圧増幅回路により検出さ
れる。水晶振動子の振動振幅に比例した電流が発生する
ため、検出された電流により水晶振動子の振動状態が測
定できる。圧電振動体としてはＰＺＴ板の他、円筒形の
ＰＺＴスキャナーや積層ＰＺＴ板などが考えられ、いず
れも本発明に含まれる。また、水晶振動子としては時計
用以外の水晶振動子も本発明に含まれる。
【００１４】プローブ１は、弾性体１６のバネ圧で水晶
振動子に固定される。プローブとしては、タングステン
の先端を化学エッチングし、テーパー状に加工したもの
を用いた。プローブとしては、このように金属プローブ
の他、シリコンや窒化シリコンのカンチレバーや光ファ
イバーやガラスピペットをテーパー状に加工したものも
考えられ、本発明に含まれる。また、テーパー加工方法
については、化学エッチングの他、機械的研磨や加熱延
伸加工も考えられ、本発明に含まれる。探針先端につい
ては、磁性体膜を形成し磁気力検知プローブとしたもの
や金や白金膜を形成し導電性プローブとしたものも考え
られ、いずれも本発明に含まれる。弾性体としては、ス
テンレス鋼の板バネを用いた。水晶振動子は力検出感度
が高いため、弾性体のバネ定数は小さいものが望まし
い。本発明では、厚さ１００μｍ、幅１ｍｍ、長さ１０
ｍｍの片持ちバネを用いた。弾性体としては、この他、
りん青銅の板バネやコイル状のバネ、シリコンゴムなど
のゴム類などが考えられ、いずれも本発明に含まれる。
また、プローブ自身のバネ性を生かして固定することも
可能であり、本発明に含まれる。バネ固定の場合、バネ
圧のめあすとしては、水晶振動子の振動特性すなわちＱ
値を利用する。光導波プローブを固定しない場合、水晶
振動子のＱ値は、例えば、３０００程度である。光導波
プローブをバネ固定すると、Ｑ値は５００以下になる。
走査型プローブ顕微鏡として望ましいＱ値は１００〜４
００程度である。Ｑ値がこの範囲になるようにバネ圧を
調整する。
振動子に固定される。プローブとしては、タングステン
の先端を化学エッチングし、テーパー状に加工したもの
を用いた。プローブとしては、このように金属プローブ
の他、シリコンや窒化シリコンのカンチレバーや光ファ
イバーやガラスピペットをテーパー状に加工したものも
考えられ、本発明に含まれる。また、テーパー加工方法
については、化学エッチングの他、機械的研磨や加熱延
伸加工も考えられ、本発明に含まれる。探針先端につい
ては、磁性体膜を形成し磁気力検知プローブとしたもの
や金や白金膜を形成し導電性プローブとしたものも考え
られ、いずれも本発明に含まれる。弾性体としては、ス
テンレス鋼の板バネを用いた。水晶振動子は力検出感度
が高いため、弾性体のバネ定数は小さいものが望まし
い。本発明では、厚さ１００μｍ、幅１ｍｍ、長さ１０
ｍｍの片持ちバネを用いた。弾性体としては、この他、
りん青銅の板バネやコイル状のバネ、シリコンゴムなど
のゴム類などが考えられ、いずれも本発明に含まれる。
また、プローブ自身のバネ性を生かして固定することも
可能であり、本発明に含まれる。バネ固定の場合、バネ
圧のめあすとしては、水晶振動子の振動特性すなわちＱ
値を利用する。光導波プローブを固定しない場合、水晶
振動子のＱ値は、例えば、３０００程度である。光導波
プローブをバネ固定すると、Ｑ値は５００以下になる。
走査型プローブ顕微鏡として望ましいＱ値は１００〜４
００程度である。Ｑ値がこの範囲になるようにバネ圧を
調整する。
【００１５】水晶振動子ホルダー２５はＸＹＺ微動素子
１１、１３に固定される。微動素子としては、ＸＹＺの
３軸スキャナーが一体となった円筒形ピエゾ圧電素子を
用いた。微動素子としては、この他、Ｚ軸とＸＹ軸が分
離したピエゾスキャナーや電歪素子を用いたものが考え
られ、本発明に含まれる。この他、ピエゾステージや平
行バネを用いたステージ、１軸ピエゾ素子をＸＹＺの３
軸に配置し一体化したトライポッド形圧電素子、積層形
のピエゾスキャナーなどが考えられ、いずれも本発明に
含まれる。
１１、１３に固定される。微動素子としては、ＸＹＺの
３軸スキャナーが一体となった円筒形ピエゾ圧電素子を
用いた。微動素子としては、この他、Ｚ軸とＸＹ軸が分
離したピエゾスキャナーや電歪素子を用いたものが考え
られ、本発明に含まれる。この他、ピエゾステージや平
行バネを用いたステージ、１軸ピエゾ素子をＸＹＺの３
軸に配置し一体化したトライポッド形圧電素子、積層形
のピエゾスキャナーなどが考えられ、いずれも本発明に
含まれる。
【００１６】プローブの試料１７への接近には粗動手段
６を用いる。粗動手段としては、ステッピングモーター
と減速ギヤ、粗動ネジ、リニアガイドからなる粗動機構
を用いた。粗動機構については、この他に、Ｚステージ
にステッピングモーターを付加したものや、圧電素子を
用いたステージ、例えばインチワーム機構などやＺステ
ージと圧電素子を組み合わせたステージなどが考えら
れ、いずれも本発明に含まれる。
６を用いる。粗動手段としては、ステッピングモーター
と減速ギヤ、粗動ネジ、リニアガイドからなる粗動機構
を用いた。粗動機構については、この他に、Ｚステージ
にステッピングモーターを付加したものや、圧電素子を
用いたステージ、例えばインチワーム機構などやＺステ
ージと圧電素子を組み合わせたステージなどが考えら
れ、いずれも本発明に含まれる。
【００１７】真空チャンバー１８を用いて、試料を真空
中に保持した。このようにして試料を真空中に保持でき
る。また、真空チャンバーにガス導入口をつけ、試料を
不活性ガスや反応性ガス中にさらすことも可能であり、
本発明に含まれる。このような構成により、ナノメータ
ーのオーダーで再現性よく表面形状が測定できた。
中に保持した。このようにして試料を真空中に保持でき
る。また、真空チャンバーにガス導入口をつけ、試料を
不活性ガスや反応性ガス中にさらすことも可能であり、
本発明に含まれる。このような構成により、ナノメータ
ーのオーダーで再現性よく表面形状が測定できた。
【００１８】［実施例２］図５は、本発明の走査型プロ
ーブ顕微鏡の実施例２の概略図である。試料を加熱冷却
できる走査型近接場光学顕微鏡としての実施例を示し
た。レーザー光源１９から出た光は光変調器２７によっ
て周期的に振幅変調を受ける。光変調器としては、音波
による光変調器（ＡＯモジュレータ）を用いた。光変調
器としては、この他、電界による光変調器（ＥＯモジュ
レータ）やモーターで光チョッパーを回転させる機械式
モジュレータなどが考えられ、いずれも本発明に含まれ
る。変調されたレーザー光は、カップリング２１によっ
て光導波プローブ１に導入する。光導波プローブはプロ
ーブ自身のバネ圧により水晶振動子４に固定される。光
導波プローブの先端開口より試料１７に照射する。試料
からの反射光をレンズ７、ミラー２３、２２と光学窓２
４を介して、レンズ８で集光する。集光された光は、ハ
ーフミラー３１で２方向に分岐し、光検出器９とＣＣＤ
カメラ２９で測定される。ハーフミラーは、場合によっ
ては、ダイクロイックミラーで置き換えることも可能で
あり、また、光量確保のため、ミラーを使用しないこと
も考えられる。光検出器９によって検出された光は、ロ
ックインアンプを用いて、Ｓ／Ｎ比よく測定され、デー
タ処理手段１５で３次元の画像化を行う。
ーブ顕微鏡の実施例２の概略図である。試料を加熱冷却
できる走査型近接場光学顕微鏡としての実施例を示し
た。レーザー光源１９から出た光は光変調器２７によっ
て周期的に振幅変調を受ける。光変調器としては、音波
による光変調器（ＡＯモジュレータ）を用いた。光変調
器としては、この他、電界による光変調器（ＥＯモジュ
レータ）やモーターで光チョッパーを回転させる機械式
モジュレータなどが考えられ、いずれも本発明に含まれ
る。変調されたレーザー光は、カップリング２１によっ
て光導波プローブ１に導入する。光導波プローブはプロ
ーブ自身のバネ圧により水晶振動子４に固定される。光
導波プローブの先端開口より試料１７に照射する。試料
からの反射光をレンズ７、ミラー２３、２２と光学窓２
４を介して、レンズ８で集光する。集光された光は、ハ
ーフミラー３１で２方向に分岐し、光検出器９とＣＣＤ
カメラ２９で測定される。ハーフミラーは、場合によっ
ては、ダイクロイックミラーで置き換えることも可能で
あり、また、光量確保のため、ミラーを使用しないこと
も考えられる。光検出器９によって検出された光は、ロ
ックインアンプを用いて、Ｓ／Ｎ比よく測定され、デー
タ処理手段１５で３次元の画像化を行う。
【００１９】試料表面の測定領域の移動は、試料のＸＹ
ステージ２６を用いて行う。ＸＹステージとしては、ピ
エゾ駆動方式のＸＹステージを用いた。ＸＹステージと
しては、この他、ステッピングモーターとＸＹステージ
を組み合わせたステージなどが考えられるが、本発明に
含まれる。試料の冷却には、クライオスタットを用い
た。ヘリウムガスフローによる冷却機構を有しているた
め、短時間（約３０分）で試料温度を室温から液体ヘリ
ウム温度まで冷却できる。試料を冷却する手段として
は、この他に、銅などの金属を冷却し、真空中の試料に
接触させて冷却する方法や液体ヘリウムの断熱膨張を利
用した機械式冷凍機などが考えられるが、いずれも本発
明に含まれる。試料の加熱には、ヒーター３２を用い
た。ヒーターとしてはマンガニン線を用い銅の試料台の
外側に巻き付ける構成とした。ヒーターに流す電流を制
御して加熱を行う。ヒーターとしては、タングステン線
や炭素薄膜、マンガニン薄膜を利用することも考えられ
本発明に含まれる。以上のような構成により、試料の温
度を液体ヘリウム温度の低温から高温まで変化した状態
で、試料表面に、光導波プローブの波長以下の開口より
レーザー光を照射し、反射光をレンズで集光し、光検出
器で検出できた。光導波プローブを試料面内で走査する
ことにより、ナノメーターのオーダーで再現性よく表面
形状が測定でき、同時に試料面内の反射光分布を波長以
下の高分解能で測定できた。
ステージ２６を用いて行う。ＸＹステージとしては、ピ
エゾ駆動方式のＸＹステージを用いた。ＸＹステージと
しては、この他、ステッピングモーターとＸＹステージ
を組み合わせたステージなどが考えられるが、本発明に
含まれる。試料の冷却には、クライオスタットを用い
た。ヘリウムガスフローによる冷却機構を有しているた
め、短時間（約３０分）で試料温度を室温から液体ヘリ
ウム温度まで冷却できる。試料を冷却する手段として
は、この他に、銅などの金属を冷却し、真空中の試料に
接触させて冷却する方法や液体ヘリウムの断熱膨張を利
用した機械式冷凍機などが考えられるが、いずれも本発
明に含まれる。試料の加熱には、ヒーター３２を用い
た。ヒーターとしてはマンガニン線を用い銅の試料台の
外側に巻き付ける構成とした。ヒーターに流す電流を制
御して加熱を行う。ヒーターとしては、タングステン線
や炭素薄膜、マンガニン薄膜を利用することも考えられ
本発明に含まれる。以上のような構成により、試料の温
度を液体ヘリウム温度の低温から高温まで変化した状態
で、試料表面に、光導波プローブの波長以下の開口より
レーザー光を照射し、反射光をレンズで集光し、光検出
器で検出できた。光導波プローブを試料面内で走査する
ことにより、ナノメーターのオーダーで再現性よく表面
形状が測定でき、同時に試料面内の反射光分布を波長以
下の高分解能で測定できた。
【００２０】［実施例３］図６は、本発明の走査型プロ
ーブ顕微鏡の実施例３の概略図である。試料を液体中に
保持できる走査型プローブ顕微鏡としての実施例を示し
た。試料１７は液セル３３中に保持され、液体３４で満
たされる。この他の構成については、真空チャンバーを
除いて実施例１と同様である。このような構成により、
液中の試料についてもナノメーターのオーダーで再現性
よく表面形状が測定できた。
ーブ顕微鏡の実施例３の概略図である。試料を液体中に
保持できる走査型プローブ顕微鏡としての実施例を示し
た。試料１７は液セル３３中に保持され、液体３４で満
たされる。この他の構成については、真空チャンバーを
除いて実施例１と同様である。このような構成により、
液中の試料についてもナノメーターのオーダーで再現性
よく表面形状が測定できた。
【００２１】
【発明の効果】以上説明したように、この発明では、先
端に探針を有するプローブ１と、圧電振動体２と交流電
圧発生手段３からなる加振部と、水晶振動子４と電流電
圧増幅回路５からなる振動検出部と、プローブを試料表
面に接近させる粗動手段６と、Ｚ軸微動素子１１とＺサ
ーボ回路１２とからなる試料とプローブ間の距離制御手
段と、ＸＹ微動素子１３とＸＹ走査回路１４とからなる
２次元走査手段と、測定信号の３次元画像化を行うデー
タ処理手段１５とから構成され、弾性体１６のバネ圧で
プローブ１を水晶振動子４に固定することとした。
端に探針を有するプローブ１と、圧電振動体２と交流電
圧発生手段３からなる加振部と、水晶振動子４と電流電
圧増幅回路５からなる振動検出部と、プローブを試料表
面に接近させる粗動手段６と、Ｚ軸微動素子１１とＺサ
ーボ回路１２とからなる試料とプローブ間の距離制御手
段と、ＸＹ微動素子１３とＸＹ走査回路１４とからなる
２次元走査手段と、測定信号の３次元画像化を行うデー
タ処理手段１５とから構成され、弾性体１６のバネ圧で
プローブ１を水晶振動子４に固定することとした。
【００２２】上記のように、プローブと試料との距離制
御を水晶振動子を用いて行うことで、レーザー光を用い
る走査型プローブ顕微鏡のような位置制御用レーザーが
不要となり、レーザー光の位置および反射光量の変動に
よるデータの不正確さの問題を回避できる。また、弾性
体のバネ圧で光導波プローブを水晶振動子に固定するこ
とで、従来の水晶振動子を用いる走査型プローブ顕微鏡
で問題となっていた接着の変動によるデータの変動がな
く、また、プローブ交換時にはプローブのみ交換すれば
よいため、同一の水晶振動子が使用でき、測定条件の再
現性、さらにデータの再現性を高めることが可能であ
る。また、プローブ交換のみであるため、低コストであ
り、かつ困難な接着が不要となり、取り扱いが極めて簡
単になる。このようにして再現性の高い走査型プローブ
顕微鏡が実現できる。
御を水晶振動子を用いて行うことで、レーザー光を用い
る走査型プローブ顕微鏡のような位置制御用レーザーが
不要となり、レーザー光の位置および反射光量の変動に
よるデータの不正確さの問題を回避できる。また、弾性
体のバネ圧で光導波プローブを水晶振動子に固定するこ
とで、従来の水晶振動子を用いる走査型プローブ顕微鏡
で問題となっていた接着の変動によるデータの変動がな
く、また、プローブ交換時にはプローブのみ交換すれば
よいため、同一の水晶振動子が使用でき、測定条件の再
現性、さらにデータの再現性を高めることが可能であ
る。また、プローブ交換のみであるため、低コストであ
り、かつ困難な接着が不要となり、取り扱いが極めて簡
単になる。このようにして再現性の高い走査型プローブ
顕微鏡が実現できる。
【図１】本発明の走査型プローブ顕微鏡の概略図であ
る。
る。
【図２】従来のレーザー光を用いる走査型プローブ顕微
鏡の概略図である。
鏡の概略図である。
【図３】従来の水晶振動子を用いる走査型プローブ顕微
鏡の概略図である。
鏡の概略図である。
【図４】本発明の走査型プローブ顕微鏡の実施例１の概
略図である。
略図である。
【図５】本発明の走査型プローブ顕微鏡の実施例２の概
略図である。
略図である。
【図６】本発明の走査型プローブ顕微鏡の実施例３の概
略図である。
略図である。
１ プローブ ２ 圧電振動体 ３ 交流電圧発生手段 ４ 水晶振動子 ５ 電流電圧増幅回路 ６ 粗動機構 ７ レンズ ８ レンズ ９ 光検出器 １１ Ｚ軸微動素子 １２ Ｚサーボ回路 １３ ＸＹ微動素子 １４ ＸＹ走査回路 １５ データ処理手段 １６ 弾性体 １７ 試料 １８ クライオスタット １９ レーザー光源 ２１ レンズ ２２ ミラー ２３ ミラー ２４ 光学窓 ２５ 水晶振動子ホルダー ２６ ＸＹステージ ２７ 光変調器 ２８ ロックインアンプ ２９ ＣＣＤカメラ ３１ ハーフミラー ３２ ヒーター ３３ 液セル ３４ 液体 ３５ 真空チャンバー
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−180616（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−284005（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−94650（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−96714（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−122341（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−260803（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−129017（ＪＰ，Ａ) Ｋｈａｌｅｄ Ｋａｒｒａｉ ａｎｄ Ｒｏｂｅｒｔ Ｄ．Ｇｒｏｂｅｒ、 “Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｔｉｐ −ｓａｍｐｌｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｃ ｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ ｎｅａｒ ｆｉ ｅｌｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｉｃｒｏｓ ｃｏｐｅｓ”、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙ ｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ａｍｅｒｉ ｃａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐ ｈｙｓｉｃｓ、1995年、第66巻、第14 号、ｐ．1842−1844 Ｒｏｂｅｒｔ Ｄ．Ｇｒｏｂｅｒ，Ｔ ｉｍｏｔｈｙ Ｄ．Ｈａｒｒｉｓ，Ｊａ ｙ Ｋ．Ｔｒａｕｔｍａｎ，ａｎｄ Ｅ ｒｉｃ Ｂｅｔｚｉｇ、“Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏ ｎ ｏｆ ａ ｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａ ｔｕｒｅ ｎｅａｒ−ｆｉｅｌｄ ｓｃ ａｎｎｉｎｇ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｉｃ ｒｏｓｃｏｐｅ”、Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｓｔｒｕ ｍｅｎｔｓ、Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｉｎｓ ｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ、 1994年、第65巻、第３号、ｐ．626−631 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01N 13/10 - 13/24 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (14)
- 【請求項１】 先端に探針を有するプローブと、圧電振
動体と交流電圧発生手段からなる加振部と、水晶振動子
と電流電圧増幅回路からなる振動検出部と、プローブを
試料表面に接近させる粗動手段と、Ｚ軸微動素子とＺサ
ーボ回路とからなる試料とプローブ間の距離制御手段
と、ＸＹ微動素子とＸＹ走査回路とからなる２次元走査
手段と、測定信号の３次元画像化を行うデータ処理手段
とからなる走査型プローブ顕微鏡において、前記圧電振動体に前記水晶振動子を固着すると共に、前
記水晶振動子に前記プローブを弾性体のばね圧により前
記水晶振動子と前記プローブとが前記圧電振動体の振動
に応答して一体に作動するように固定されるようにした
ことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。 - 【請求項２】 プローブが走査型トンネル顕微鏡の探針
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。 - 【請求項３】 プローブが原子間力顕微鏡のカンチレバ
ー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。 - 【請求項４】 カンチレバーが磁性体からなる磁気力顕
微鏡のカンチレバーであることを特徴とする請求項３記
載の走査型プローブ顕微鏡。 - 【請求項５】 カンチレバーが導電性のカンチレバーで
あり、試料表面の電位または電流を検出する手段がさら
に含まれることを特徴とする請求項３記載の走査型プロ
ーブ顕微鏡。 - 【請求項６】 試料を冷却する手段がさらに含まれるこ
とを特徴とする請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡。 - 【請求項７】 試料を加熱する手段がさらに含まれるこ
とを特徴とする請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡。 - 【請求項８】 試料を真空中に保持する手段がさらに含
まれ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。 - 【請求項９】 試料を不活性ガスまたは反応性ガス中に
保持する手段がさらに含まれ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。 - 【請求項１０】 試料を液体中に保持する手段がさらに
含まれ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。 - 【請求項１１】 試料表面の測定位置を移動できる試料
ステージがさらに含まれ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。 - 【請求項１２】 試料表面に光照射を行う手段がさらに
含まれ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。 - 【請求項１３】 試料を透過した光または試料表面の反
射光または試料表面からの発光を集光する手段および検
出する手段がさらに含まれることを特徴とする請求項１
２記載の走査型プローブ顕微鏡。 - 【請求項１４】 光の周期的変調手段とロックイン検出
手段がさらに含まれることを特徴とする請求項１３記載
の走査型プローブ顕微鏡。
Priority Applications (9)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP09121697A JP3202646B2 (ja) | 1997-04-09 | 1997-04-09 | 走査型プローブ顕微鏡 |
| TW087105150A TW371717B (en) | 1997-04-09 | 1998-04-04 | Scanning probe microscope |
| CA002231310A CA2231310A1 (en) | 1997-04-09 | 1998-04-08 | Scanning probe microscope |
| US09/057,349 US6201227B1 (en) | 1997-04-09 | 1998-04-08 | Scanning probe microscope |
| KR1019980012643A KR19980081247A (ko) | 1997-04-09 | 1998-04-09 | 주사식 프로브 현미경 |
| DE69806995T DE69806995T2 (de) | 1997-04-09 | 1998-04-09 | Vorrichtung zur Materialbearbeitung, Datenaufzeichnung oder Datenwiedergabe mit Rastersondenmikroskop |
| DE69824909T DE69824909T2 (de) | 1997-04-09 | 1998-04-09 | Rastersondenmikroskop |
| EP98302889A EP0871166B1 (en) | 1997-04-09 | 1998-04-09 | Apparatus for machining, recording, or reproducing, using scanning probe microscope |
| EP98302811A EP0871006B1 (en) | 1997-04-09 | 1998-04-09 | Scanning probe microscope |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP09121697A JP3202646B2 (ja) | 1997-04-09 | 1997-04-09 | 走査型プローブ顕微鏡 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10282121A JPH10282121A (ja) | 1998-10-23 |
| JP3202646B2 true JP3202646B2 (ja) | 2001-08-27 |
Family
ID=14020236
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP09121697A Expired - Fee Related JP3202646B2 (ja) | 1997-04-09 | 1997-04-09 | 走査型プローブ顕微鏡 |
Country Status (7)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6201227B1 (ja) |
| EP (1) | EP0871006B1 (ja) |
| JP (1) | JP3202646B2 (ja) |
| KR (1) | KR19980081247A (ja) |
| CA (1) | CA2231310A1 (ja) |
| DE (1) | DE69824909T2 (ja) |
| TW (1) | TW371717B (ja) |
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|---|---|---|---|---|
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| JP3387846B2 (ja) * | 1999-03-04 | 2003-03-17 | セイコーインスツルメンツ株式会社 | 走査型プローブ顕微鏡 |
| TW424155B (en) * | 1999-05-03 | 2001-03-01 | Ind Tech Res Inst | Beating mode near-field optical microscope |
| JP2001027596A (ja) * | 1999-05-13 | 2001-01-30 | Canon Inc | 走査型プローブによる表面特性・電気的特性の検出装置と検出方法、およびこれらにより構成されたマルチプローブによる表面特性・電気的特性の検出装置と検出方法、並びに観察装置と観察方法 |
| US6888135B2 (en) | 2000-10-18 | 2005-05-03 | Nec Corporation | Scanning probe microscope with probe formed by single conductive material |
| US20040257561A1 (en) * | 2000-11-24 | 2004-12-23 | Takao Nakagawa | Apparatus and method for sampling |
| KR100421375B1 (ko) * | 2001-01-15 | 2004-03-09 | 제원호 | 고속 주사탐침 현미경용 고주파 진동 탐침 |
| KR100465086B1 (ko) * | 2001-06-25 | 2005-01-06 | 학교법인 한양학원 | 접촉형 원자간력 현미경에 공급되는 구형파의 지속 시간및 진폭을 조절하는 장치 및 방법 |
| US6953930B2 (en) * | 2001-08-27 | 2005-10-11 | Nippon Telegraph And Telephone Corporation | Conductive transparent probe and probe control apparatus |
| JP3942869B2 (ja) * | 2001-11-14 | 2007-07-11 | エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社 | 走査型プローブ顕微鏡 |
| US6853724B2 (en) * | 2001-12-14 | 2005-02-08 | Adc Dsl Systems, Inc. | Cascade low-pass filter to improve xDSL band attenuation for POTS splitter |
| US20050092907A1 (en) * | 2003-11-04 | 2005-05-05 | West Paul E. | Oscillating scanning probe microscope |
| JP2005288672A (ja) * | 2004-04-06 | 2005-10-20 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 微小構造体の製造方法及び製造装置 |
| US8694088B2 (en) * | 2005-01-07 | 2014-04-08 | Bioelectromed Corp. | Hand-held electric field imager for measuring the electric field in mammalian skin and other epithelial structures |
| KR100866048B1 (ko) * | 2005-10-24 | 2008-10-30 | 주식회사 케이엔제이 | 평면 보상 자동 초점장치 및 방법 |
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| KR100934217B1 (ko) * | 2007-12-10 | 2009-12-29 | 한국전자통신연구원 | 진동 측정을 위한 미소센서 |
| KR100904281B1 (ko) * | 2008-01-09 | 2009-06-25 | 파크시스템스 주식회사 | 주사 탐침 현미경 및 이를 이용한 측정방법 |
| WO2010008720A1 (en) * | 2008-07-18 | 2010-01-21 | Bioelectromed Corp. | Hand-held electric field imager for measuring the surface topography of mammalian skin and other epithelial structures |
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| KR101722007B1 (ko) * | 2009-05-28 | 2017-03-31 | 더 리서치 파운데이션 오브 더 스테이트 유니버시티 오브 뉴욕 | 계측 프로브 및 계측 프로브를 구성하는 방법 |
| KR101678041B1 (ko) * | 2010-02-17 | 2016-11-21 | 삼성전자 주식회사 | 원자간 힘 현미경 및 이를 이용한 시료 측정방법 |
| KR101218177B1 (ko) * | 2010-04-05 | 2013-01-18 | (주)나노포커스 | 원자현미경 |
| US9527732B2 (en) * | 2010-09-23 | 2016-12-27 | Seagate Technology Llc | Methods and devices for correcting errors in atomic force microscopy |
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| CN102506701B (zh) * | 2011-10-14 | 2014-10-08 | 合肥工业大学 | 基于石英音叉的三维谐振触发测头及三维谐振触发定位方法 |
| CN102538657B (zh) * | 2011-12-30 | 2014-12-03 | 合肥工业大学 | 基于pvdf的三维谐振触发测头及三维谐振触发定位方法 |
| DE102012108707A1 (de) * | 2012-09-17 | 2014-05-28 | Breitmeier Messtechnik Gmbh | Oberflächenprofil- und/oder Rauheitsmessgerät |
| KR101415053B1 (ko) * | 2012-12-31 | 2014-07-04 | 한국기계연구원 | 저온 mrfm의 프로브 장치 |
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