JP3497913B2 - 走査型プローブ顕微鏡およびその測定方法 - Google Patents
走査型プローブ顕微鏡およびその測定方法Info
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- JP3497913B2 JP3497913B2 JP07981495A JP7981495A JP3497913B2 JP 3497913 B2 JP3497913 B2 JP 3497913B2 JP 07981495 A JP07981495 A JP 07981495A JP 7981495 A JP7981495 A JP 7981495A JP 3497913 B2 JP3497913 B2 JP 3497913B2
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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お
よびその測定方法に関し、特に、高速な走査を行い測定
時間を短縮する走査型プローブ顕微鏡およびその測定方
法に関するものである。
よびその測定方法に関し、特に、高速な走査を行い測定
時間を短縮する走査型プローブ顕微鏡およびその測定方
法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】走査型プローブ（探針）顕微鏡は原子オ
ーダの測定分解能を有し、表面形状の計測など各種分野
に利用される。走査型プローブ顕微鏡には、検出対象の
物理量に応じて、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）、原
子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）など
がある。この中で原子間力顕微鏡は、試料表面の形状を
高分解能で検出するのに適しており、半導体や光ディス
クなどの表面形状の測定に利用されている。
ーダの測定分解能を有し、表面形状の計測など各種分野
に利用される。走査型プローブ顕微鏡には、検出対象の
物理量に応じて、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）、原
子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）など
がある。この中で原子間力顕微鏡は、試料表面の形状を
高分解能で検出するのに適しており、半導体や光ディス
クなどの表面形状の測定に利用されている。
【０００３】走査型プローブ顕微鏡の測定方法の一例と
して特開平１−１６９３０４号公報に示される方法があ
る。この文献に示される測定方法は、ＳＴＭの測定方法
であり、測定時における探針の走査移動において試料表
面との衝突を避けると共に高速な移動を可能にするもの
である。その測定方法の具体的な内容は、試料表面に沿
って移動するときには、試料表面から十分に離れた距離
で移動し、測定すべき位置に到達したときに試料表面に
トンネル電流が流れる程度の距離まで接近移動し、所定
のトンネル電流を流れるのを測定した後試料表面から離
れて上記距離まで移動し、その後、同様に測定箇所間の
走査移動と測定箇所での測定移動とを繰り返す。このよ
うに測定を行う箇所以外は、試料表面から離れて衝突を
心配することなく高速で移動できるので、走査時間を短
縮し、大きな面積の試料面を測定することができる。
して特開平１−１６９３０４号公報に示される方法があ
る。この文献に示される測定方法は、ＳＴＭの測定方法
であり、測定時における探針の走査移動において試料表
面との衝突を避けると共に高速な移動を可能にするもの
である。その測定方法の具体的な内容は、試料表面に沿
って移動するときには、試料表面から十分に離れた距離
で移動し、測定すべき位置に到達したときに試料表面に
トンネル電流が流れる程度の距離まで接近移動し、所定
のトンネル電流を流れるのを測定した後試料表面から離
れて上記距離まで移動し、その後、同様に測定箇所間の
走査移動と測定箇所での測定移動とを繰り返す。このよ
うに測定を行う箇所以外は、試料表面から離れて衝突を
心配することなく高速で移動できるので、走査時間を短
縮し、大きな面積の試料面を測定することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】試料の表面において大
きな範囲を走査型プローブ顕微鏡で測定する場合、測定
に要する時間を短くすることが望まれる。この要望を満
たすために、前述した特開平１−１６９３０４号公報に
示される走査型トンネル顕微鏡の測定方法を利用するこ
とができる。しかし、この測定方法によれば、試料表面
に接近したり試料表面から離れたりする移動を各測定箇
所で行わなければならないため、走査速度をそれ程高め
ることができず、測定時間の短縮について或る程度の制
限を受けるという問題があった。
きな範囲を走査型プローブ顕微鏡で測定する場合、測定
に要する時間を短くすることが望まれる。この要望を満
たすために、前述した特開平１−１６９３０４号公報に
示される走査型トンネル顕微鏡の測定方法を利用するこ
とができる。しかし、この測定方法によれば、試料表面
に接近したり試料表面から離れたりする移動を各測定箇
所で行わなければならないため、走査速度をそれ程高め
ることができず、測定時間の短縮について或る程度の制
限を受けるという問題があった。
【０００５】本発明の目的は、上記問題に鑑み、試料表
面における例えば数百ミクロンの大きな範囲を測定する
場合、高速に走査して短時間で測定できる走査型プロー
ブ顕微鏡およびその測定方法を提供することにある。
面における例えば数百ミクロンの大きな範囲を測定する
場合、高速に走査して短時間で測定できる走査型プロー
ブ顕微鏡およびその測定方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明に係る走査型プロ
ーブ顕微鏡は、上記目的を達成するため、カンチレバー
の先部に設けられた探針を所望の或る距離で試料の表面
に接近させ、この距離を保ちながら探針を試料表面に沿
って走査移動させて試料表面の凹凸形状に関する情報を
得るもので、探針に振幅が次第に増大する振動を断続的
に与える加振手段と、探針の位置変化を検出する位置検
出手段と、位置検出手段の出力信号から最大ピーク値を
検出する振幅ピーク検出手段と、変換データを予め記憶
する記憶手段と、この変換データに基づいて前記振幅ピ
ーク検出手段により得られた検出値から試料の表面形状
を求める処理手段とによって構成される。
ーブ顕微鏡は、上記目的を達成するため、カンチレバー
の先部に設けられた探針を所望の或る距離で試料の表面
に接近させ、この距離を保ちながら探針を試料表面に沿
って走査移動させて試料表面の凹凸形状に関する情報を
得るもので、探針に振幅が次第に増大する振動を断続的
に与える加振手段と、探針の位置変化を検出する位置検
出手段と、位置検出手段の出力信号から最大ピーク値を
検出する振幅ピーク検出手段と、変換データを予め記憶
する記憶手段と、この変換データに基づいて前記振幅ピ
ーク検出手段により得られた検出値から試料の表面形状
を求める処理手段とによって構成される。
【０００７】また本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の
測定方法は、上記目的を達成するため、カンチレバーの
先部に設けられた探針を所望の一定の距離で試料表面に
接近させ、その距離を保ちながら探針を試料表面に沿っ
て走査移動させ、そしてこの走査中に探針に振幅が次第
に増大する振動を断続的に与え、探針の振動における最
大ピーク値と探針および試料表面の間の距離に関する変
換データ、例えば両者の関係を表す表データに基づいて
試料表面の凹凸形状（プロファイル）に関する情報を求
める方法である。
測定方法は、上記目的を達成するため、カンチレバーの
先部に設けられた探針を所望の一定の距離で試料表面に
接近させ、その距離を保ちながら探針を試料表面に沿っ
て走査移動させ、そしてこの走査中に探針に振幅が次第
に増大する振動を断続的に与え、探針の振動における最
大ピーク値と探針および試料表面の間の距離に関する変
換データ、例えば両者の関係を表す表データに基づいて
試料表面の凹凸形状（プロファイル）に関する情報を求
める方法である。
【０００８】上記の振動の振幅は直線的に増大すること
が望ましい。
が望ましい。
【０００９】また各測定予定箇所で上記の振動が与える
ことを特徴とする。
ことを特徴とする。
【００１０】
【作用】本発明では、試料表面の微細な凹凸形状を測定
するため探針による試料表面の走査が行われる間、振幅
が次第に増大する振動を探針に与えるようにカンチレバ
ーを所定の時間間隔で断続的に加振する。探針の振幅が
次第に増大すると、走査移動のために試料の表面との間
で保たれた所定距離と探針の振れ幅がほぼ等しくなり、
探針が試料表面に極めて接近する。その後、探針の振幅
は小さくなり、振動状態は消滅する。このような振動を
走査の間に所定の時間間隔で繰り返し行い、探針の振動
時に得られた探針の試料表面との接触等（非接触の場合
もあり得る）に伴う振動データを用いて試料表面の凹凸
形状に関する情報を得る。振動データに基づいて試料表
面の凹凸形状に関する情報を得るには、探針（カンチレ
バー）の振動と、探針および試料表面の距離との関係を
数値表などの変換データとして記憶手段に予め用意して
おく。探針走査中は、通常、試料表面から一定の距離に
保ち、測定時には探針に所定の振動を与えて試料表面と
の距離を測定するので、試料表面に接近させる或いは試
料表面から離れるための移動を特別に行う必要がない。
従って、走査移動に要する時間を短縮できる。
するため探針による試料表面の走査が行われる間、振幅
が次第に増大する振動を探針に与えるようにカンチレバ
ーを所定の時間間隔で断続的に加振する。探針の振幅が
次第に増大すると、走査移動のために試料の表面との間
で保たれた所定距離と探針の振れ幅がほぼ等しくなり、
探針が試料表面に極めて接近する。その後、探針の振幅
は小さくなり、振動状態は消滅する。このような振動を
走査の間に所定の時間間隔で繰り返し行い、探針の振動
時に得られた探針の試料表面との接触等（非接触の場合
もあり得る）に伴う振動データを用いて試料表面の凹凸
形状に関する情報を得る。振動データに基づいて試料表
面の凹凸形状に関する情報を得るには、探針（カンチレ
バー）の振動と、探針および試料表面の距離との関係を
数値表などの変換データとして記憶手段に予め用意して
おく。探針走査中は、通常、試料表面から一定の距離に
保ち、測定時には探針に所定の振動を与えて試料表面と
の距離を測定するので、試料表面に接近させる或いは試
料表面から離れるための移動を特別に行う必要がない。
従って、走査移動に要する時間を短縮できる。
【００１１】
【実施例】以下に、本発明の実施例を添付図面に基づい
て説明する。
て説明する。
【００１２】図１は本発明に係る走査型プローブ顕微鏡
の一例として原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の構成を示す。
測定対象である試料１１は、ＸＹＺスキャナ１２の上に
配置される。ＸＹＺスキャナ１２は、Ｘ軸方向への変位
を生じる圧電素子、Ｙ軸方向への変位を生じる圧電素
子、Ｚ軸方向への変位を生じる圧電素子を備え、制御装
置から各圧電素子に対して駆動信号を与えられることに
よって、試料１１を任意の方向に微小に移動させる。Ｘ
ＹＺスキャナ１２はフレーム１３の下部に固定される。
他方、フレーム１３の上部には加振器１４を介してカン
チレバー１５が配置される。加振器１４は圧電素子を用
いて構成される。カンチレバー１５の先端には探針１６
が設けられる。探針１６の先端は試料１１の表面に臨
む。ＸＹＺスキャナ１２で試料１１の位置をＸ軸、Ｙ軸
の各方向に移動させることによって、相対的に試料１１
の表面上で探針１６を走査移動させることができる。ま
たカンチレバー１５は加振器１４によって加振され、そ
の結果探針１６が振動する。カンチレバー１５の上方に
はレーザ光源１７と光検出器１８が配置される。レーザ
光源１７から出射されたレーザ光１９は、カンチレバー
１５の背面に設けられた反射面に照射され、そこで反射
して光検出器１８に入射するように光路を設定される。
カンチレバー１５の先部が図中高さ方向すなわちＺ軸方
向に移動すると、光検出器１８におけるレーザ光１９の
入射位置が変化する。光検出器１８におけるレーザ光１
９の入射位置を検出することによって、探針１６のＺ軸
方向の位置変位を検出することができる。レーザ光源１
７と光検出器１８によって探針１６の位置を検出するた
めの位置検出装置が構成される。
の一例として原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の構成を示す。
測定対象である試料１１は、ＸＹＺスキャナ１２の上に
配置される。ＸＹＺスキャナ１２は、Ｘ軸方向への変位
を生じる圧電素子、Ｙ軸方向への変位を生じる圧電素
子、Ｚ軸方向への変位を生じる圧電素子を備え、制御装
置から各圧電素子に対して駆動信号を与えられることに
よって、試料１１を任意の方向に微小に移動させる。Ｘ
ＹＺスキャナ１２はフレーム１３の下部に固定される。
他方、フレーム１３の上部には加振器１４を介してカン
チレバー１５が配置される。加振器１４は圧電素子を用
いて構成される。カンチレバー１５の先端には探針１６
が設けられる。探針１６の先端は試料１１の表面に臨
む。ＸＹＺスキャナ１２で試料１１の位置をＸ軸、Ｙ軸
の各方向に移動させることによって、相対的に試料１１
の表面上で探針１６を走査移動させることができる。ま
たカンチレバー１５は加振器１４によって加振され、そ
の結果探針１６が振動する。カンチレバー１５の上方に
はレーザ光源１７と光検出器１８が配置される。レーザ
光源１７から出射されたレーザ光１９は、カンチレバー
１５の背面に設けられた反射面に照射され、そこで反射
して光検出器１８に入射するように光路を設定される。
カンチレバー１５の先部が図中高さ方向すなわちＺ軸方
向に移動すると、光検出器１８におけるレーザ光１９の
入射位置が変化する。光検出器１８におけるレーザ光１
９の入射位置を検出することによって、探針１６のＺ軸
方向の位置変位を検出することができる。レーザ光源１
７と光検出器１８によって探針１６の位置を検出するた
めの位置検出装置が構成される。
【００１３】上記の機構的部分に対して制御・演算処理
部分が設けられる。２０は制御・演算処理装置、２１は
表示装置である。制御・演算処理装置２０は、ＸＹＺス
キャナ１２に含まれるＸ軸方向圧電素子とＹ軸方向圧電
素子に対して駆動制御信号を与え、この駆動制御信号は
ＸＹ駆動回路２２を経由して駆動信号Ｖｘ，Ｖｙとして
供給される。また制御・演算処理装置２０は、ＸＹＺス
キャナ１２に含まれるＺ軸方向圧電素子に対して駆動制
御信号を与え、この駆動制御信号はＺ駆動回路２３を経
由して駆動信号Ｖｚとして供給される。制御・演算処理
装置２０の制御に基づき生成される駆動信号Ｖｘ，Ｖｙ
によって試料１１の表面における測定範囲が設定され、
当該測定範囲の探針１６による走査が可能となる。また
制御・演算処理装置２０の制御に基づき生成される駆動
信号Ｖｚによって探針１６と試料１１の表面との距離が
調整される。
部分が設けられる。２０は制御・演算処理装置、２１は
表示装置である。制御・演算処理装置２０は、ＸＹＺス
キャナ１２に含まれるＸ軸方向圧電素子とＹ軸方向圧電
素子に対して駆動制御信号を与え、この駆動制御信号は
ＸＹ駆動回路２２を経由して駆動信号Ｖｘ，Ｖｙとして
供給される。また制御・演算処理装置２０は、ＸＹＺス
キャナ１２に含まれるＺ軸方向圧電素子に対して駆動制
御信号を与え、この駆動制御信号はＺ駆動回路２３を経
由して駆動信号Ｖｚとして供給される。制御・演算処理
装置２０の制御に基づき生成される駆動信号Ｖｘ，Ｖｙ
によって試料１１の表面における測定範囲が設定され、
当該測定範囲の探針１６による走査が可能となる。また
制御・演算処理装置２０の制御に基づき生成される駆動
信号Ｖｚによって探針１６と試料１１の表面との距離が
調整される。
【００１４】また制御・演算処理装置２０は加振用制御
信号を出力し、この加振用制御信号はカンチレバー加振
回路２４で加振用駆動信号（以下加振信号という）Ｖou
t に変換され、加振信号Ｖout は加振器１４に与えられ
る。加振信号Ｖout を与えられた加振器１４は、後述す
るような特性を有する振動をカンチレバー１５に与え
る。上記加振信号Ｖout は、図３に示すように所定の時
間間隔（Ｔ２）で断続的に一定時間（Ｔ１）の間発生さ
れる。
信号を出力し、この加振用制御信号はカンチレバー加振
回路２４で加振用駆動信号（以下加振信号という）Ｖou
t に変換され、加振信号Ｖout は加振器１４に与えられ
る。加振信号Ｖout を与えられた加振器１４は、後述す
るような特性を有する振動をカンチレバー１５に与え
る。上記加振信号Ｖout は、図３に示すように所定の時
間間隔（Ｔ２）で断続的に一定時間（Ｔ１）の間発生さ
れる。
【００１５】一方、制御・演算処理装置２０に入力され
る信号は、前述の光検出器１８から出力される位置検出
信号Ｖinであり、この位置検出信号Ｖinは振幅ピーク検
出回路２５に入力され、振幅ピーク検出回路２５の出力
信号は制御・演算処理装置２０に入力される。振幅ピー
ク検出回路２５では位置検出信号Ｖinの振幅変動のうち
の最大ピーク値が取り出され、この最大ピーク値が試料
表面における高さ情報として制御・演算処理装置２０に
入力され、試料１１の表面の凹凸形状測定のデータとし
て使用される。制御・演算処理装置２０で求められた試
料１１の表面における測定範囲の凹凸形状は表示装置２
１に表示される。
る信号は、前述の光検出器１８から出力される位置検出
信号Ｖinであり、この位置検出信号Ｖinは振幅ピーク検
出回路２５に入力され、振幅ピーク検出回路２５の出力
信号は制御・演算処理装置２０に入力される。振幅ピー
ク検出回路２５では位置検出信号Ｖinの振幅変動のうち
の最大ピーク値が取り出され、この最大ピーク値が試料
表面における高さ情報として制御・演算処理装置２０に
入力され、試料１１の表面の凹凸形状測定のデータとし
て使用される。制御・演算処理装置２０で求められた試
料１１の表面における測定範囲の凹凸形状は表示装置２
１に表示される。
【００１６】以上の構成を有するＡＦＭの測定動作を、
上記の図１と図２〜図４を参照して説明する。
上記の図１と図２〜図４を参照して説明する。
【００１７】このＡＦＭの測定によれば、ＸＹＺスキャ
ナ１２を作動させることにより、試料１１の表面におい
て設定された測定範囲を探針１６によって走査する時、
所定の時間間隔Ｔ２で上記の加振信号Ｖout を加振器１
４に与えてカンチレバー１５を加振する。カンチレバー
加振回路２４から出力される加振信号Ｖout の波形を図
２の（Ａ）に示す。加振信号は、一定時間Ｔ１の間に限
り発生するもので、カンチレバー１５の共振周波数また
はその近傍の周波数を有する交流信号であって、期間Ｔ
１の間に振幅が０から次第に増大して最終的に最大振幅
でＶo1のピーク値をとり、再び０に戻るという振幅特性
を有する交流信号である。加振信号の各振幅ピークを繋
ぐ包絡線は線形性を有する直線であることが望ましい。
図２の（Ａ）に示される加振信号が加振器１４からカン
チレバー１５に与えられると、探針１６は加振信号と同
じ振幅特性で振動する。
ナ１２を作動させることにより、試料１１の表面におい
て設定された測定範囲を探針１６によって走査する時、
所定の時間間隔Ｔ２で上記の加振信号Ｖout を加振器１
４に与えてカンチレバー１５を加振する。カンチレバー
加振回路２４から出力される加振信号Ｖout の波形を図
２の（Ａ）に示す。加振信号は、一定時間Ｔ１の間に限
り発生するもので、カンチレバー１５の共振周波数また
はその近傍の周波数を有する交流信号であって、期間Ｔ
１の間に振幅が０から次第に増大して最終的に最大振幅
でＶo1のピーク値をとり、再び０に戻るという振幅特性
を有する交流信号である。加振信号の各振幅ピークを繋
ぐ包絡線は線形性を有する直線であることが望ましい。
図２の（Ａ）に示される加振信号が加振器１４からカン
チレバー１５に与えられると、探針１６は加振信号と同
じ振幅特性で振動する。
【００１８】図２の（Ａ）に示す加振信号Ｖout で探針
１６が振動したとすると、探針１６が、試料１１の表面
から、原子間力という物理的作用の影響を当該表面から
受けない十分な距離で離れているときには、図２の
（Ｂ）に示す検出信号Ｖinが光検出器１８から得られ
る。この検出信号Ｖinは、振幅が０から次第に増大し、
最終的な最大振幅でＶi1のピーク値となり、その後０に
戻る交流信号である。また加振信号Ｖout で探針１６が
振動した場合に、探針１６が或る距離に接近し、試料表
面から原子間力の影響を受けるときには、図２の（Ｃ）
に示すように、上記のピーク値Ｖi1に達する前に探針先
端と試料表面の間の原子間力による相互作用のため、検
出信号Ｖinでは或るピーク値Ｖi2を境に減衰する。この
ピーク値Ｖi2は今回の振動において最大ピーク値とな
り、探針１６と試料１１の表面の距離に基づいて決まる
ものである。なお、最大ピーク値Ｖi2を生じる時、探針
１６の先端と試料表面とが接触している場合と、非接触
の場合とがある。これらは最大ピーク値Ｖi2後のＶinの
減衰特性によって判断できる。振幅ピーク検出回路２５
は、光検出器１８から出力される検出信号Ｖinの中から
最大ピーク値Ｖi2を検出し、このピーク値Ｖi2を制御・
演算処理装置２０に出力する。このように測定予定箇所
（データ取得点）でカンチレバー１５を加振し、そのた
びに検出された信号Ｖinから最大ピーク値Ｖi2を得るこ
とにより、試料１１の表面凹凸形状に関する情報を求め
ることができる。なお試料表面の凹凸形状を求める場合
において、最大ピーク値と探針および試料の間の距離と
の関係を調べ、その関係を表などにして表し、記憶部等
に変換データとして持っている必要がある。
１６が振動したとすると、探針１６が、試料１１の表面
から、原子間力という物理的作用の影響を当該表面から
受けない十分な距離で離れているときには、図２の
（Ｂ）に示す検出信号Ｖinが光検出器１８から得られ
る。この検出信号Ｖinは、振幅が０から次第に増大し、
最終的な最大振幅でＶi1のピーク値となり、その後０に
戻る交流信号である。また加振信号Ｖout で探針１６が
振動した場合に、探針１６が或る距離に接近し、試料表
面から原子間力の影響を受けるときには、図２の（Ｃ）
に示すように、上記のピーク値Ｖi1に達する前に探針先
端と試料表面の間の原子間力による相互作用のため、検
出信号Ｖinでは或るピーク値Ｖi2を境に減衰する。この
ピーク値Ｖi2は今回の振動において最大ピーク値とな
り、探針１６と試料１１の表面の距離に基づいて決まる
ものである。なお、最大ピーク値Ｖi2を生じる時、探針
１６の先端と試料表面とが接触している場合と、非接触
の場合とがある。これらは最大ピーク値Ｖi2後のＶinの
減衰特性によって判断できる。振幅ピーク検出回路２５
は、光検出器１８から出力される検出信号Ｖinの中から
最大ピーク値Ｖi2を検出し、このピーク値Ｖi2を制御・
演算処理装置２０に出力する。このように測定予定箇所
（データ取得点）でカンチレバー１５を加振し、そのた
びに検出された信号Ｖinから最大ピーク値Ｖi2を得るこ
とにより、試料１１の表面凹凸形状に関する情報を求め
ることができる。なお試料表面の凹凸形状を求める場合
において、最大ピーク値と探針および試料の間の距離と
の関係を調べ、その関係を表などにして表し、記憶部等
に変換データとして持っている必要がある。
【００１９】図３は、Ｘ軸方向の一部の探針走査区間
と、この区間における加振信号Ｖoutの発生状態、およ
び駆動信号Ｖｘ，Ｖｚの発生状態とを示す。図３におい
て横軸は時間軸ｔを示し、縦軸は電圧軸を示す。なお縦
軸の電圧では加振信号Ｖout 、駆動信号Ｖｘ，Ｖｚの間
の大小関係を示すものではなく、図３は単に各信号の時
間経過に伴う変化状態の対応関係を示すものである。
と、この区間における加振信号Ｖoutの発生状態、およ
び駆動信号Ｖｘ，Ｖｚの発生状態とを示す。図３におい
て横軸は時間軸ｔを示し、縦軸は電圧軸を示す。なお縦
軸の電圧では加振信号Ｖout 、駆動信号Ｖｘ，Ｖｚの間
の大小関係を示すものではなく、図３は単に各信号の時
間経過に伴う変化状態の対応関係を示すものである。
【００２０】ＸＹＺスキャナ１２内のＺ軸方向の圧電素
子に印加される駆動信号（電圧信号）Ｖｚは一定の電圧
値に保持される。このことは、駆動信号Ｖｚを一定値に
固定することによって、非測定箇所での走査移動ではカ
ンチレバー１５すなわち探針１６と試料１１の間の距離
はサーボ制御が行われず、試料表面から所望の一定距離
に固定されることを意味する。またＸＹＺスキャナ１２
に内蔵されるＸ軸方向の圧電素子に印加される駆動信号
（電圧信号）Ｖｘの電圧値は次第に大きくなる。従っ
て、相対的な位置変化によって探針１６は試料表面上で
Ｘ軸方向に変位し、走査移動を行う。そのような走査移
動中に時間間隔Ｔ２で断続的にカンチレバー１５が加振
されると、各加振時において、時間Ｔ１の間走査を停止
して探針１６において前述の振動が生じ、その結果、最
大ピーク値Ｖi2が得られる。時間間隔Ｔ２で測定箇所す
なわちデータ取得点が設定され、各データ取得点で最大
ピーク値を求めることができる。各データ取得点ごとの
最大ピーク値Ｖi2は、試料１１の表面の凹凸形状を反映
しており、この最大ピーク値Ｖi2を利用して制御・演算
処理装置２０で表示データを生成し、表示装置２１に試
料表面の凹凸形状を表示する。
子に印加される駆動信号（電圧信号）Ｖｚは一定の電圧
値に保持される。このことは、駆動信号Ｖｚを一定値に
固定することによって、非測定箇所での走査移動ではカ
ンチレバー１５すなわち探針１６と試料１１の間の距離
はサーボ制御が行われず、試料表面から所望の一定距離
に固定されることを意味する。またＸＹＺスキャナ１２
に内蔵されるＸ軸方向の圧電素子に印加される駆動信号
（電圧信号）Ｖｘの電圧値は次第に大きくなる。従っ
て、相対的な位置変化によって探針１６は試料表面上で
Ｘ軸方向に変位し、走査移動を行う。そのような走査移
動中に時間間隔Ｔ２で断続的にカンチレバー１５が加振
されると、各加振時において、時間Ｔ１の間走査を停止
して探針１６において前述の振動が生じ、その結果、最
大ピーク値Ｖi2が得られる。時間間隔Ｔ２で測定箇所す
なわちデータ取得点が設定され、各データ取得点で最大
ピーク値を求めることができる。各データ取得点ごとの
最大ピーク値Ｖi2は、試料１１の表面の凹凸形状を反映
しており、この最大ピーク値Ｖi2を利用して制御・演算
処理装置２０で表示データを生成し、表示装置２１に試
料表面の凹凸形状を表示する。
【００２１】図４は、走査移動３１における非測定状態
で移動を行うための移動区間３２と、測定箇所すなわち
データ取得点３３を示す。図４に示されるように、誇張
して示されたカンチレバー１５の中心位置（振動の中
心、例えば基端の位置）はＺ軸方向の一定の高さ位置に
保持される。データ取得点３３は離散的に設定され、飛
び越し走査が行われる。
で移動を行うための移動区間３２と、測定箇所すなわち
データ取得点３３を示す。図４に示されるように、誇張
して示されたカンチレバー１５の中心位置（振動の中
心、例えば基端の位置）はＺ軸方向の一定の高さ位置に
保持される。データ取得点３３は離散的に設定され、飛
び越し走査が行われる。
【００２２】なお前記実施例において、測定で得られた
最大ピーク値を用いて試料１１の測定範囲の凹凸形状の
情報を得るためには、前述の通り、予め最大ピーク値Ｖ
i2と高さとの関係を調べておく必要がある。当該関係
は、次の手順によって調べられる。まず走査を停止して
探針１６が試料１１の表面から原子間力の作用を受けな
い距離まで試料１１を探針から離す。次に図２の（Ａ）
に示す信号でカンチレバー１５を加振し、このときの加
振信号Ｖout の最大ピーク値Ｖ01に対する検出信号Ｖin
の最大ピーク値Ｖi1を記録する。振幅ピーク検出回路２
５の出力信号をモニタしながら、ＸＹＺスキャナ１２の
Ｚ軸方向の圧電素子を駆動して試料１１を探針１６に接
近させ、上記出力信号が減少し始めた位置をＺ軸の原点
とする。さらに試料１１を探針１６側に接近移動させ、
Ｚ軸方向の移動距離とＶi2との関係を記録する。このよ
うにして得られた情報に基づいてＶi2と高さとの対応関
係に関する表を作成することができ、測定の際各データ
取得点で得られた最大ピーク値Ｖi2に基づいて高さのデ
ータに変換し、高さのデータを用いて試料表面の凹凸形
状を表示する。
最大ピーク値を用いて試料１１の測定範囲の凹凸形状の
情報を得るためには、前述の通り、予め最大ピーク値Ｖ
i2と高さとの関係を調べておく必要がある。当該関係
は、次の手順によって調べられる。まず走査を停止して
探針１６が試料１１の表面から原子間力の作用を受けな
い距離まで試料１１を探針から離す。次に図２の（Ａ）
に示す信号でカンチレバー１５を加振し、このときの加
振信号Ｖout の最大ピーク値Ｖ01に対する検出信号Ｖin
の最大ピーク値Ｖi1を記録する。振幅ピーク検出回路２
５の出力信号をモニタしながら、ＸＹＺスキャナ１２の
Ｚ軸方向の圧電素子を駆動して試料１１を探針１６に接
近させ、上記出力信号が減少し始めた位置をＺ軸の原点
とする。さらに試料１１を探針１６側に接近移動させ、
Ｚ軸方向の移動距離とＶi2との関係を記録する。このよ
うにして得られた情報に基づいてＶi2と高さとの対応関
係に関する表を作成することができ、測定の際各データ
取得点で得られた最大ピーク値Ｖi2に基づいて高さのデ
ータに変換し、高さのデータを用いて試料表面の凹凸形
状を表示する。
【００２３】前記実施例ではＡＦＭについて説明した
が、上記の測定方法は走査型プローブ顕微鏡に一般的に
適用することができる。
が、上記の測定方法は走査型プローブ顕微鏡に一般的に
適用することができる。
【００２４】
【発明の効果】以上の説明で明らかなように本発明によ
れば、カンチレバーと試料の相対的位置を変えて探針を
走査移動するときカンチレバーの高さ方向の位置を固定
して走査移動を行い、各データ取得点でカンチレバーに
所定の振動を与えて測定を行うようにし、高さ方向の移
動を行わなくとも済むようにしたため、測定のための走
査移動を高速化でき、測定時間を短縮化できると共に、
広い測定範囲であっても短時間で測定を行うことができ
る。
れば、カンチレバーと試料の相対的位置を変えて探針を
走査移動するときカンチレバーの高さ方向の位置を固定
して走査移動を行い、各データ取得点でカンチレバーに
所定の振動を与えて測定を行うようにし、高さ方向の移
動を行わなくとも済むようにしたため、測定のための走
査移動を高速化でき、測定時間を短縮化できると共に、
広い測定範囲であっても短時間で測定を行うことができ
る。
【図１】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の構成図で
ある。
ある。
【図２】カンチレバーに与えられる振動（加振信号）の
波形、位置検出装置で得られる検出信号の波形、実際測
定時に発生する検出信号の波形を示す波形図である。
波形、位置検出装置で得られる検出信号の波形、実際測
定時に発生する検出信号の波形を示す波形図である。
【図３】加振信号とＸ軸方向駆動信号とＺ軸方向駆動信
号の変化状態を示す図である。
号の変化状態を示す図である。
【図４】走査時のカンチレバーの振動状態と移動区間と
データ取得点の関係を示す図である。
データ取得点の関係を示す図である。
１１ 試料
１２ ＸＹＺスキャナ
１３ フレーム
１４ 加振器
１５ カンチレバー
１６ 探針
１７ レーザ光源
１８ 光検出器
１９ レーザ光
２０ 制御・演算処理装置
２１ 表示装置
２２ ＸＹ駆動回路
２３ Ｚ駆動回路
２４ カンチレバー加振回路
２５ 振幅ピーク検出回路
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 昭64−15601（ＪＰ，Ａ)
特開 昭63−281002（ＪＰ，Ａ)
特開 平８−106646（ＪＰ，Ａ)
特開 平７−270434（ＪＰ，Ａ)
特開 平７−191756（ＪＰ，Ａ)
特開 平６−74754（ＪＰ，Ａ)
特開 平６−50707（ＪＰ，Ａ)
特開 平６−26855（ＪＰ，Ａ)
特開 平６−241716（ＪＰ，Ａ)
特開 平６−213910（ＪＰ，Ａ)
特開 平６−201371（ＪＰ，Ａ)
特開 平６−201315（ＪＰ，Ａ)
特開 平６−194115（ＪＰ，Ａ)
特開 平６−180227（ＪＰ，Ａ)
特開 平６−109787（ＪＰ，Ａ)
特開 平５−322552（ＪＰ，Ａ)
特開 平５−296761（ＪＰ，Ａ)
特開 平５−273277（ＪＰ，Ａ)
特開 平５−203443（ＪＰ，Ａ)
特開 平５−196704（ＪＰ，Ａ)
特開 平５−187864（ＪＰ，Ａ)
特開 平５−172509（ＪＰ，Ａ)
特開 平５−157552（ＪＰ，Ａ)
特開 平５−142315（ＪＰ，Ａ)
特開 平４−369407（ＪＰ，Ａ)
特開 平４−296681（ＪＰ，Ａ)
特開 平３−148007（ＪＰ，Ａ)
特開 平２−5340（ＪＰ，Ａ)
特開 平２−216001（ＪＰ，Ａ)
特開 平１−216204（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G01N 13/10 - 13/24
ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (5)
- 【請求項１】 カンチレバーの先部に設けられた探針を
或る距離で試料の表面に接近させ、前記距離を保ちなが
ら前記探針を前記試料表面に沿って走査移動させて前記
試料表面の形状に関する情報を得る走査型プローブ顕微
鏡において、 前記探針に振幅が次第に増大する振動を断続的に与える
加振手段と、 前記探針の位置変化を検出する位置検出手段と、 前記位置検出手段の出力信号から最大ピーク値を検出す
る振幅ピーク検出手段と、 変換データを予め記憶する記憶手段と、 前記変換データに基づいて前記振幅ピーク検出手段によ
り得られた検出値から前記試料の表面形状を求める処理
手段と、 からなることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。 - 【請求項２】 前記振動の振幅は直線的に増大すること
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】 カンチレバーの先部に設けられた探針を
或る距離で試料の表面に接近させ、前記距離を保ちなが
ら前記探針を前記試料表面に沿って走査移動させて前記
試料表面の形状に関する情報を得る走査型プローブ顕微
鏡の測定方法であり、 前記探針に振幅が次第に増大する振動を断続的に与え、
前記探針の振動で得られる最大ピーク値と前記探針およ
び前記試料表面の間の距離に関する変換データに基づい
て前記試料表面の形状に関する情報を求めることを特徴
とする走査型プローブ顕微鏡の測定方法。 - 【請求項４】 前記振動の振幅は直線的に増大すること
を特徴とする請求項３記載の走査型プローブ顕微鏡の測
定方法。 - 【請求項５】 各測定予定箇所で前記振動を与えること
を特徴とする請求項３記載の走査型プローブ顕微鏡の測
定方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP07981495A JP3497913B2 (ja) | 1995-03-10 | 1995-03-10 | 走査型プローブ顕微鏡およびその測定方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP07981495A JP3497913B2 (ja) | 1995-03-10 | 1995-03-10 | 走査型プローブ顕微鏡およびその測定方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08248039A JPH08248039A (ja) | 1996-09-27 |
| JP3497913B2 true JP3497913B2 (ja) | 2004-02-16 |
Family
ID=13700680
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP07981495A Expired - Fee Related JP3497913B2 (ja) | 1995-03-10 | 1995-03-10 | 走査型プローブ顕微鏡およびその測定方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3497913B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009537840A (ja) * | 2006-05-24 | 2009-10-29 | ユニヴェルシテ ジョセフ フーリエ | 制御される原子間力顕微鏡 |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH1130619A (ja) * | 1997-07-11 | 1999-02-02 | Jeol Ltd | 走査プローブ顕微鏡 |
-
1995
- 1995-03-10 JP JP07981495A patent/JP3497913B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009537840A (ja) * | 2006-05-24 | 2009-10-29 | ユニヴェルシテ ジョセフ フーリエ | 制御される原子間力顕微鏡 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH08248039A (ja) | 1996-09-27 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |