JPH06137856A - 圧電薄膜式非接触走査型力顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、試料表面の微細な組織構造を表面
とプローブとの間の相互作用を利用して画像化する走査
型プローブ顕微鏡に関し、特に試料表面の力の勾配の検
出装置を簡素化できるようにするものである。 【構成】 薄膜弾性体としてのプローブ１のチップと試
料７の表面との間に働く力の勾配を非接触状態で検出す
るための検出機構が、プローブ１に電極，圧電薄膜，電
極の順に層着された少なくとも３層の低曲げ剛性をもつ
層構造２と、プローブ１と層構造２とからなるカンチレ
バーＣをその固有振動数で外部より励起振動させる圧電
体励振機構８と、層構造２の圧電薄膜のアドミッタンス
変化を電圧信号に変換して増幅する増幅器５とから構成
されている。これにより試料７の表面の力の勾配の検出
装置が簡素化されて、超高真空中で動作する走査型力顕
微鏡を容易に実現できるようになる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、試料表面の微細な組織
あるいは構造を表面とプローブとの間の相互作用を利用
して画像化する走査型トンネル顕微鏡等の走査型プロー
ブ顕微鏡に関し、特に非接触状態での表面とプローブと
の間の力の勾配を利用した圧電薄膜式非接触走査型力顕
微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の代表的な非接触走査型力顕微鏡で
は、図10に示すように、被測定試料21が３軸（ＸＹＺ）
方向に走査可能な圧電走査体22の上に載置されるととも
に、試料21に対向しうるように配設されて先端にタング
ステンチップ23aを有する片持ち梁23が、同片持ち梁23
をその共振周波数ω₀で交流変位させるための励振用圧
電体24に固着されている。そして、片持ち梁23の先端付
近の交流変位を検出するためのヘテロダイン光干渉方式
のレーザプローブＬＰが片持ち梁23の背後（試料21とは
逆側）に配設され、同片持ち梁23とレーザプローブＬＰ
との間には、同レーザプローブＬＰからのレーザ光を片
持ち梁23先端部に集光させるための対物レンズ25が設け
られている。

【０００３】なお、レーザプローブＬＰは、He―Neレー
ザ26、ドーププリズム27、1/4波長板28、偏光ビームス
プリッタ29、ブラッグセル30、ビームスプリッタ31、偏
光板32、フォトディテクタ33、検出回路34をそなえて構
成されている。また、片持ち梁23の変位に相当するレー
ザプローブＬＰにそなえられた検出回路34からの検出信
号に基づいて圧電走査体22にＺ軸方向（鉛直方向、試料
１面の法線方向）の走査制御信号送出するフィードバッ
ク制御系35が設けられている。さらに圧電走査体22のＸ
Ｙ方向（水平方向、試料21面内２方向）の走査信号を送
出するＣＰＵ36と、同ＣＰＵ36からの入力信号と検出回
路34あるいは制御系35からの信号とに基づいて画像を表
示するディスプレイ37がそなえられている。

【０００４】このような構成により、従来の引力場検出
式の非接触走査型力顕微鏡では次のような作用が行われ
る。まず、試料21は、圧電走査体22によりＺ（鉛直）方
向に移動されて、励振用圧電体24により共振周波数ω₀
で所定の振幅だけ強制振動させられた片持ち梁23の先端
のチップ23aに近づけられる。そして、試料21とチップ2
3aとの間隔がある範囲内になると試料21表面からの引力
場がチップ23aに働いて、同チップ23aのコンプライアン
スを変化させ、これにより片持ち梁23の共振点が移動し
て同片持ち梁23の周波数ω₀での交流変位は減少するこ
とになる。上記の試料21表面からの引力場は、試料21と
チップ23aとの間の距離の関数であるため、試料21を圧
電走査体２によりＸＹ（水平）方向に移動させた場合、
試料21の凹凸に応じて片持ち梁23の交流変位は変化す
る。

【０００５】そして、例えば定引力場モードと呼ぶこと
のできる測定方式では、ＣＰＵ36からのＸＹ走査信号に
よって圧電走査体23上の試料21をＸＹ方向に走査しなが
ら、レーザプローブＬＰの検出回路34からの検出信号に
基づいて、同検出信号が一定となるように制御系35から
のＺ制御信号で圧電走査体22をＺ方向に変位させる。そ
して、上記のＸＹ走査信号とＺ制御信号とからディスプ
レイ37上に試料表面の凹凸情報に対応した画像を表示す
る作用が行われるのである。［Y.Martin, C.C.William
s, and H.K.Wickramasinghe ,Jounal of Applied Phys
ics 61, 4723(1987) 参照］

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
ような従来の非接触走査型力顕微鏡では、片持ち梁先端
の交流変位を検出するレーザプローブが、多数の光学部
品から構成されているため複雑となり、装置として大型
化するという問題点がある。また、試料表面の引力場等
の力の勾配を検出する検出装置は、力の勾配を梁の交流
変位の変化に変換する片持ち梁と交流変位の変化を検出
するレーザプローブという２つの系から構成されている
ため、装置の調整がかなり難しくなるという問題点あ
る。

【０００７】本発明は、このような問題点の解決をはか
ろうとするもので、片持ち梁先端に働く試料表面からの
力の勾配をその先端変位を測定する変位計を用いること
なく、上記変位を直接信号に変換することが可能であ
る、低ばね剛性のカンチレバー上に電極に挟まれた圧電
薄膜を形成した構造を有する微小力センサーを用いるこ
とにより、試料表面の力の勾配の検出装置を簡素化でき
るようにした、圧電薄膜式非接触走査型力顕微鏡を提供
することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
め、本発明の圧電薄膜式非接触走査型力顕微鏡は、試料
用保持台と、同保持台上の試料に対向しうるように配設
されて先端にチップを有するプローブを備えるととも
に、同プローブのチップと上記試料の表面との間の距離
に応じて変化する物理量として同プローブのチップと上
記試料との間に働く力の勾配を非接触状態で検出するた
めの検出機構を備えた検出装置と、上記の試料およびプ
ローブ相互間の３次元での相対的な位置関係を変化させ
る精密微動機構と、上記試料表面の凹凸情報を得るべく
上記検出装置からの検出信号に基づいて上記精密微動機
構に走査制御信号を送出する制御機構とを備えた非接触
走査型力顕微鏡において、上記プローブが、薄膜弾性体
として形成され、上記検出機構が、上記薄膜弾性体とし
てのプローブに電極，圧電薄膜，電極の順に層着された
少なくとも３層の低曲げ剛性をもつ層構造と、上記のプ
ローブと層構造とからなるカンチレバーをその固有振動
数で外部より励起振動させる圧電体励振機構と、上記層
構造の圧電薄膜のアドミッタンス変化を電圧信号に変換
して増幅する増幅器とから構成されていることを特徴と
している。

【０００９】そして、上記層構造が上記カンチレバーの
幅方向に２等分割されるように形成され、分割された各
々の圧電薄膜のアドミッタンス変化を独立して検出でき
るように、上記増幅器が２系統の入力部をそなえたこと
を特徴としている。さらに、上記増幅器が、微小電圧増
幅器と上記圧電体励振機構に入力される励起信号を分岐
して減圧した電圧信号および抵抗体からなる微小電流源
とをそなえ、同微小電流源が上記層構造における圧電薄
膜を挟むどちらか一方の電極と上記微小電圧増幅器の接
地側端子との間に接続されるとともに、上記の圧電薄膜
を挟む他方の電極と上記接地側端子との間の電圧を増幅
すべく、上記他方の電極が微小電圧増幅器の入力側端子
に接続されたことを特徴としている。また、上記カンチ
レバーの一端部がシリコンウエハに支持され、同シリコ
ンウエハに上記増幅器が一体に作り込まれていることを
特徴としている。

【００１０】あるいは、試料用保持台と、同保持台上の
試料に対向しうるように配設されて先端にチップを有す
るプローブを備えるとともに、同プローブのチップと上
記試料の表面との間の距離に応じて変化する物理量とし
て同プローブのチップと上記試料との間に働く力の勾配
を非接触状態で検出するための検出機構を備えた検出装
置と、上記の試料およびプローブ相互間の３次元での相
対的な位置関係を変化させる精密微動機構と、上記試料
表面の凹凸情報を得るべく上記検出装置からの検出信号
に基づいて上記精密微動機構に走査制御信号を送出する
制御機構とを備えた非接触走査型力顕微鏡において、上
記プローブが、薄膜弾性体として形成され、上記検出機
構が、上記薄膜弾性体としてのプローブに電極，圧電薄
膜，電極の順に層着された少なくとも３層の低曲げ剛性
をもつ層構造と、上記のプローブと層構造とからなるカ
ンチレバーをその固有振動数で外部より励起振動させる
圧電体励振機構と、上記層構造の圧電薄膜の電気変位を
電圧信号に変換して増幅する電気変位増幅器とから構成
されていることを特徴としている。

【００１１】そして、上記層構造が上記カンチレバーの
幅方向に２等分割されるように形成され、分割された各
々の圧電薄膜の電気変位を独立して検出できるように、
上記電気変位増幅器が２系統の入力部をそなえたことを
特徴としている。また、上記電気変位増幅器が、コンデ
ンサと電荷有感型増幅器とをそなえ、上記コンデンサが
上記層構造における圧電薄膜を挟むどちらか一方の電極
と上記電荷有感型増幅器の入力端子との間に介挿された
ことを特徴としている。さらに、上記カンチレバーの一
端部がシリコンウエハに支持され、同シリコンウエハに
上記電気変位増幅器が一体に作り込まれていることを特
徴としている。

【００１２】あるいは、試料用保持台と、同保持台上の
試料に対向しうるように配設されて先端にチップを有す
るプローブを備えるとともに、同プローブのチップと上
記試料の表面との間の距離に応じて変化する物理量とし
て同プローブのチップと上記試料との間に働く力の勾配
を非接触状態で検出するための検出機構を備えた検出装
置と、上記の試料およびプローブ相互間の３次元での相
対的な位置関係を変化させる精密微動機構と、上記試料
表面の凹凸情報を得るべく上記検出装置からの検出信号
に基づいて上記精密微動機構に走査制御信号を送出する
制御機構とを備えた非接触走査型力顕微鏡において、上
記プローブが、薄膜弾性体として形成され、上記検出機
構が、上記薄膜弾性体としてのプローブに電極，圧電薄
膜，電極の順に層着された少なくとも３層の低曲げ剛性
をもつ層構造と、上記のプローブと層構造とからなるカ
ンチレバーをその固有振動数で励起振動させるべく上記
層構造の電極間に交流電圧を印加する発振器と、上記層
構造の電極間に流れる電流を検出する電流検出器とから
構成されていることを特徴としている。

【００１３】そして、上記層構造が上記カンチレバーの
幅方向に２等分割されるように形成され、分割された各
々の電極間に交流電圧を印加する発振器が２系統の出力
部を備えるとともに、上記電極間に流れる電流を独立し
て検出できるように上記電流検出器がが２系統の入力部
をそなえたことを特徴としている。また、上記プローブ
先端のチップの少なくとも表面が磁性体で形成されたこ
とを特徴としている。さらに。上記チップが、先端を尖
鋭化処理された材料で形成されていることを特徴として
いる。あるいは、上記薄膜弾性体としてのプローブがシ
リコン、シリコンの酸化膜または窒化膜で形成されると
ともに、上記圧電薄膜が酸化亜鉛あるいはチタン酸ジル
コン酸鉛系の圧電セラミックスで形成されていることを
特徴としている。

【００１４】そして、上記層構造の最外側の電極の表面
に薄い絶縁膜が形成されていることを特徴としている。
また、上記カンチレバーの一端部側が基台に支持され、
上記圧電体励振機構が、上記精密微動機構における鉛直
移動機構を兼ねるように構成されて、上記基台に結合さ
れていることを特徴としている。

【００１５】

【作用】前述した本発明の圧電薄膜式走査型引力場顕微
鏡では、圧電体励振機構により所要の振幅（交流変位）
でカンチレバーを共振させ、上記振幅に相当した信号と
して上記カンチレバーの層構造における圧電薄膜のアド
ミッタンス変化あるいは電気変位を増幅器を介して検出
する作用が行われる。また、発振器に上記層構造の電極
間に直接所定の交流電圧を印加することにより所要の振
幅でカンチレバーを共振させ、上記振幅に相当した信号
として上記層構造の電極間に流れる電流を検出する作用
が行われる。そして、上記のようにカンチレバーの振幅
を反映した信号の検出を行いながら、同信号に基づいて
精密微動機構により、カンチレバー先端のチップと同チ
ップに対向する被測定試料表面との間の距離を上記チッ
プに上記試料表面からの力場がある程度働く範囲まで減
少させる作用が行われる。すなわち、これにより上記チ
ップと上記試料表面との間の距離の関数である力の勾配
を検出する作用が行われるのである。

【００１６】さらに、上記のチップと試料表面との間の
距離を一定に保つべく、上記チップに働く力場を反映し
た上記圧電薄膜からの検出信号に基づいて精密微動機構
にＺ軸方向（鉛直方向）駆動用の制御信号が送出され、
この状態で制御機構からの走査信号により試料をその面
内ＸＹ方向に走査する作用が行われる。さらに上記の走
査信号と制御信号とに基づいて、引力場一定条件の試料
表面の凹凸像をディスプレイ上に画像化する作用が行わ
れる。

【００１７】

【実施例】以下、図面により本発明の実施例について説
明すると、図１〜図６は第１実施例としての圧電薄膜式
非接触走査型力顕微鏡を示すもので、図１はその全体構
成図、図２はその要部の平面図、図３は図２のＡーＡ断
面図、図４は図３のＢーＢ断面図、図５はその原理説明
図、図６はその出力特性を示すグラフであり、図７〜図
９は第２実施例としての圧電薄膜式非接触走査型力顕微
鏡を示すもので、図７はその要部の平面図、図８は図７
のＸーＸ断面図、図９は図４に対応した水平方向の断面
図である。また、図１１は第３実施例としての圧電薄膜
式非接触走査型力顕微鏡の全体構成図を示すものであ
る。さらに、図１２は第４実施例としての圧電薄膜式非
接触走査型力顕微鏡の全体構成図を示すものである。

【００１８】図１〜４に示すように、第１実施例の圧電
薄膜式非接触走査型力顕微鏡は、試料７の保持台とし
て、ＣＰＵ11からＺ軸粗動用ユニット12aを介し出力さ
れるＺ軸粗動信号Ｚ-ＣＳに基づいて試料７のＺ軸方向
（鉛直方向、試料面に対して法線方向）の粗動を行うＺ
軸粗動機構10をそなえるとともに、同Ｚ軸粗動機構10上
の試料７に対向できるようにカンチレバーＣが配設され
ている。そして、カンチレバーＣは、先端にチップ1aを
有する薄膜弾性体として形成されたプローブ１と、同プ
ローブ１に電極2a，圧電薄膜2b，電極2cの順に層着され
た層構造２とから構成され、その一端部は基台４に支持
されている。

【００１９】カンチレバーＣの材質としては、プローブ
１はシリコンの酸化膜または窒化膜で形成されるととも
に、圧電薄膜2bは酸化亜鉛またはチタン酸ジルコン酸鉛
系の圧電セラミックスで形成されており、さらに基台４
はシリコンで形成されている。なお、チップ1aは、シリ
コンのエッチング等を利用してプローブ１と同材質のシ
リコンの酸化膜もしくは窒化膜で形成されるか、あるい
は先端を尖鋭化処理された走査型トンネル顕微鏡（ＳＴ
Ｍ）用のタングステンチップ等をプローブ１の先端に接
合することにより形成される。また、チップと試料との
間に働く力として磁力を利用する場合には、チップ1aの
表面には磁性体が被覆される。

【００２０】カンチレバーＣの形状としては、図２
（ａ）に示す長方形型と、図２（ｂ）に示す三角形型が
考えられるが、一般には三角形型の方が安定な構造であ
るため、層構造２の圧電薄膜2bからの信号も安定するこ
とが期待される。また、本実施例の圧電薄膜式非接触走
査型力顕微鏡では、層構造２の最外側の電極2cの表面
に、薄い絶縁膜３が形成されており、この絶縁膜３は通
常は層構造２の全体を覆って外雰囲気から同層構造２を
遮断するようになっている。なお、絶縁膜３の材質もシ
リコンの酸化膜あるいは窒化膜が用いられる。ところ
で、層構造２における電極2a，2cは、電極を外部の増幅
器５に接続するため、絶縁膜３の開口3a，3bから電極2
a’，電極2c’に接続されている。

【００２１】以上述べた上記カンチレバーの諸構造の材
料、諸元の一例を［表１］に示す。

【表１】 なお、カンチレバーＣは、シリコンの異方性エッチン
グ，反応性イオンビームエッチング，ＲＦマグネトロン
スパッタリング等のマイクロマシーニングと呼ばれる微
細加工技術を利用して製作される。そしてさらに、基台
４は台4aを介して、発振器６からの変調信号ＭＳにより
振動させることが可能な圧電体励振機構としての圧電板
８に結合され、同圧電板８は、ＣＰＵ11から電力増幅器
12b，12cを介して出力されるＸＹ走査信号ＸＹ-ＦＳ，
Ｚ制御信号Ｚ-ＦＳに基づいて３次元で微動しうる精密
微動機構としてのＸＹＺ圧電走査体９に固着されてお
り、これによりプローブ１のチップ1aおよび試料７相互
間の３次元での相対的な位置関係を変化させることがで
きる。

【００２２】なお、ＸＹＺ圧電走査体９およびＺ軸粗動
機構10は、振動外乱に対する安定性を考慮して本実施例
では支持台14に一体的に固着されているが、３点支持機
構などを利用してそれぞれを独立の支持台上に構成する
ことも可能である。さらに、本実施例の圧電薄膜式非接
触走査型力顕微鏡は、層構造２の圧電薄膜2bのアドミッ
タンスを電圧信号に変換して増幅する増幅器５をそなえ
ている。そして、増幅器５は、微小電圧増幅器5a，微小
電流源5bおよびロックインアンプ5cから構成されてい
る。微小電流源5bは、圧電板８に入力される変調信号Ｍ
Ｓを分岐した信号を抵抗体で減圧できるように構成され
ており、その出力インピーダンスは、圧電薄膜2bを挟む
電極2a，2c間のインピーダンスよりも十分に大きく設定
される。そして、この微小電流源5bは電極2a’あるいは
電極2c’のどちらか一方の電極と微小電圧増幅器5aの接
地側端子との間に接続される。

【００２３】また、微小電圧増幅器5aの入力側端子に
は、上記の微小電流源5bに接続された電極2a’あるいは
2c’とは別の方の電極が接続され、同電極と上記接地側
端子との間の電圧を増幅して出力信号Ｓ１を出力できる
ようになっている。さらに、ロックインアンプ5cには発
振器６から変調信号ＭＳと同じ周波数の参照信号ＲＥＦ
が入力されるようになっており、ロックインアンプ5cは
この参照信号ＲＥＦをもとに出力信号Ｓ１を増幅して信
号Ｓ２に変換できるようになっている。なお、ロックイ
ンアンプ5cにおける検出信号Ｓ２はＣＰＵ11に入力され
る。また、ＣＰＵ11には同ＣＰＵ11からの入力信号に基
づいて画像を表示しうるディスプレイ13が接続されてい
る。

【００２４】以上の構成により、本実施例の圧電薄膜式
非接触走査型力顕微鏡では、次のような作用効果が得ら
れる。はじめに、図５，６により本発明の圧電薄膜式非
接触走査型力顕微鏡の引力場の検出原理とおよびその特
性について説明する。まず、プローブ１および層構造２
などからなるカンチレバーＣはその共振周波数で圧電板
８により強制振動される。なお、この時の振動振幅（交
流変位）は、通常２〜３nmに設定される。カンチレバー
Ｃの振動時には、その振動振幅に応じて層構造２におけ
る圧電薄膜2bの圧電効果により、電極2aと電極2cとの間
のアドミッタンスが変化し、このアドミッタンス変化が
増幅器５で検出信号Ｓ２に変換され、同信号Ｓ２がＣＰ
Ｕ11に入力される。

【００２５】そして、上記のように圧電薄膜2bのアドミ
ッタンス変化の検出を行いながら、ＣＰＵ11からの制御
信号Ｚ-ＣＳによりＺ軸粗動機構10を駆動して試料７を
チップ1aに近づける。チップ1aと試料７の表面の間の距
離がある程度（数nm〜30nm）小さくなると、試料７の表
面の引力場による力の勾配ｆ’の影響を受けて（図中
Ｂ）、系の共振点は、例えば低周波数側のω’に移動す
る（破線）。これにより、ω₀における振幅はａから
ａ’に変わり、上記のアドミッタンス変化の度合も減少
してロックインアンプ5cで検出される検出信号は減少す
る。さらに、Ｚ軸粗動機構10の動きを固定して、ＸＹＺ
圧電走査体９によりチップ1aと試料７の表面との間の距
離を連続的に変化させると、試料７の表面からの引力場
も連続的に変化して、圧電薄膜2bのアドミッタンス変化
すなわちカンチレバーＣの振幅に対応した信号としての
ロックインアンプ5cにおける検出信号は図６のような特
性を示すことになる。

【００２６】チップ1aが試料７の表面の極近傍まで近づ
くと、系の共振点は大きく移動して、振動振幅ａはほぼ
０になる。なおこれらの共振特性は、カンチレバーのバ
ネ剛性（コンプライアンス），固有振動数および機械的
品質係数Ｑ（Ｑ値）に密接に関係するとともに、チップ
1aの形状および試料７やチップ1aの表面の状態（例えば
表面の吸着層など）にも大きく依存している。表１で示
した諸元のカンチレバーでは、バネ剛性は数Ｎ/ｍ，最
低次の固有振動数は30〜80kHz，機械的Ｑ値は大気中で1
50〜200程度となる。

【００２７】本実施例の圧電薄膜式非接触走査型力顕微
鏡における検出機構は上述のような特性を有しているの
で、次のように走査型プローブ顕微鏡を実現することが
可能となる。初期の共振周波数ω₀での検出信号の振幅
が減少している状態、すなわちカンチレバーの振動振幅
が試料７表面の引力場の影響で減少している状態で、Ｃ
ＰＵ11からのＸＹ走査信号ＸＹ-ＦＳによりＸＹＺ圧電
走査体９を駆動して試料７をＸＹ方向に走査すると、試
料７の表面の凹凸に応じてチップ1aと試料７の表面との
間の距離が変化するので、カンチレバーＣの振動振幅も
変化し、圧電薄膜2bからの検出信号Ｓ２も変化する。引
力場一定モードと呼ぶことのできる測定モードでは、試
料７をＸＹＺ圧電走査体９でＸＹ方向に走査しながら、
検出信号Ｓ２に基づいてフィードバック制御によりＸＹ
Ｚ圧電走査体９のＺ方向変位を調節してチップ1aと試料
７の表面との間の距離が一定に保たれる。そして、ＸＹ
Ｚ圧電走査体９に印加されたＣＰＵ11からの信号Ｚ-Ｆ
Ｓを利用して試料７の表面の凹凸がディスプレイ13にお
いて画像化される。

【００２８】また、本発明の圧電薄膜式非接触走査型力
顕微鏡により、磁力顕微鏡（ＭＦＭ）を実現することも
できる。すなわち、チップ1aの表面に磁性体が被覆され
ていれば、試料が例えば磁気記録媒体のように磁化され
た部分と磁化されていない部分を有する場合には、その
場所に応じてチップ1aは磁力を受けたり受けなかったり
するため、この磁力の勾配によりカンチレバーＣの振幅
が変化して磁化状態に応じた画像が得られることにな
る。もちろん、このようなＭＦＭでは磁化の度合を示す
画像を上述した引力場検出の力顕微鏡と同様に得ること
もできる。なお、磁力はチップ1aと試料７表面の磁化の
状態により引力の場合も斥力の場合もある。斥力である
場合には共振周波数のシフトは高周波数側になるが、カ
ンチレバーＣの励振周波数が固有振動数に設定されてい
れば、周波数シフトによって振幅が減少するのは引力で
あっても斥力であっても同様である。

【００２９】以上により、本実施例の圧電薄膜式非接触
走査型力顕微鏡によれば、次のような効果ないし利点が
得られる。まず、カンチレバーＣの交流変位を測定する
ための光波干渉計等の別の変位計が不要であるため、装
置がコンパクトになり、かつ光学系の調整等の複雑な操
作をする必要がなくなる。また、従来のＳＴＭ（走査ト
ンネル顕微鏡）のトンネルチップ部を、本実施例のカン
チレバーＣに取り替えるのみで装置構成を行うことがで
きる。そして、装置が簡易であるため、真空中あるいは
低温中の特殊環境下での実験に利用することも容易であ
る。

【００３０】次に、図７〜９により本発明の第２実施例
について説明する。本実施例でも基本的な全体構成は、
第１実施例の構成（図１）とほぼ同様である。本実施例
では、図７〜９に示すように、層構造２がカンチレバー
Ｃの幅方向に２等分割されるように形成されている。し
たがって、図中、カンチレバーＣの左側には電極2la，
圧電薄膜2lb，電極2lcの順に層着された層構造2lが設け
られ、右側には電極2ra，圧電薄膜2rb，電極2rcの順に
層着された層構造2rが設けられている。なお、これらの
層構造2l，2rの材質等は第１実施例と同様である。ま
た、本実施例では、増幅器５が２系統設けられている。
つまり、電極2laに接続された電極2la’および電極2lc
に接続された電極2lc’間のアドミッタンス変化に相当
する信号と、電極2raに接続された電極2ra’および電極
2rcに接続された電極2rc’間の信号とは、別々の増幅器
５で増幅され、別々の信号としてＣＰＵ11に入力される
ことになる。個々の増幅器５の構成は第１実施例と同様
である。なお、電極2laおよび電極2raと電極２la’およ
び電極２ra’とは、それぞれ一体となるように構成し
て、この電極を増幅器５の接地側端子に接続する方の電
極とすることもできる。

【００３１】第２実施例の圧電薄膜式非接触走査型力顕
微鏡は、以上の構成を有しているため次のような作用が
得られる。第１実施例と同様にカンチレバーＣを励振さ
せた状態で圧電薄膜2bからの信号の検出を行いながら、
チップ1aと試料７の表面が近接した状態でカンチレバー
Ｃの幅方向にチップ1aの走査が行われると、チップ1aは
縦方向の力の勾配の作用を受けると同時に、接触状態で
は摩擦力に相当するような横方向の力の作用も受ける。
この横方向の力もチップー試料間距離の関数になってい
るが、その力の勾配はカンチレバーのねじれ振動に影響
を及ぼすことになる。カンチレバーＣのねじれ振動は、
カンチレバーＣ上の左右の層構造2l，2rのそれぞれの圧
電薄膜2lb，2rbからの信号の差となって現われるため、
この差が一定となるように圧電走査体９の動きを制御す
れば、横方向の力の勾配の一定像として試料表面の像が
得られることになる。なお、このような横方向の力を利
用した走査型プローブ顕微鏡は、一般にラテラルフォー
ス顕微鏡（ＬＦＭ）と称される。

【００３２】上記の手段で得られる像は、試料表面の形
状を示す凹凸像とは異なった像になることも予想され、
表面の物性を調べるうえで有効な手段になると期待され
る。もちろん、本実施例において２つの増幅器５からの
信号の和を圧電薄膜2bからの信号として採用した場合に
は、第１実施例と全く同様の作用が得られる。また、第
２実施例でも第１実施例と同様の効果が得られることは
言うまでもない。なお、第１実施例でも第２実施例で
も、圧電板８は、ＸＹＺ圧電走査体９のＺ方向の駆動部
で代用されるようにして構成されてもよい。その場合、
電力増幅器12cからの出力信号Ｚ-ＦＳに発振器からの出
力信号ＭＳが重畳される。

【００３３】さらに、ＸＹＺ圧電走査体９は、カンチレ
バーＣ側ではなく、試料７側に取付けられてもよい。ま
た、ＸＹＺ圧電走査体９は、例えばＸＹ方向の走査体は
試料７側に取付け、Ｚ方向の走査体はカンチレバーＣ側
に取付けるというように、独立させて別々に取付けても
よい。また、第１実施例および第２実施例における増幅
器５は、カンチレバーＣの基台４がシリコンで構成され
ている場合には、半導体プロセスを利用してカンチレバ
ーＣ近傍に作り込むこともできる。

【００３４】図11に示すように、第３実施例の圧電薄膜
式非接触走査型力顕微鏡も、ほぼ第１実施例と同様の構
成を有している。すなわち、試料７の保持台として、Ｃ
ＰＵ11からＺ軸粗動用ユニット12aを介し出力されるＺ
軸粗動信号Ｚ-ＣＳに基づいて試料７のＺ軸方向（鉛直
方向、試料面に対して法線方向）の粗動を行うＺ軸粗動
機構10をそなえるとともに、同Ｚ軸粗動機構10上の試料
７に対向できるようにカンチレバーＣが配設されてい
る。そして、カンチレバーＣは、先端にチップを有する
薄膜弾性体として形成されたプローブ１と、同プローブ
１に電極，圧電薄膜，電極の順に層着された層構造２と
から構成され、その一端部は基台４に支持されている。
また、カンチレバーＣの材質，形状および製作プロセス
については、第１実施例と同様である。

【００３５】さらに、本実施例の圧電薄膜式非接触走査
型力顕微鏡でも、層構造２の最外側の電極の表面に、薄
い絶縁膜が形成されてもよく、同絶縁膜の材質も第１実
施例と同様である。また、電極の構成についても第１実
施例と同様である。そしてさらに、基台４は台4aを介し
て、発振器６からの変調信号ＭＳにより振動させること
が可能な圧電体励振機構としての圧電板８に結合され、
同圧電板８は、ＣＰＵ11から電力増幅器12b，12cを介し
て出力されるＸＹ走査信号ＸＹ-ＦＳ，Ｚ制御信号Ｚ-Ｆ
Ｓに基づいて３次元で微動しうる精密微動機構としての
ＸＹＺ圧電走査体９に固着されており、これによりプロ
ーブ１のチップおよび試料７相互間の３次元での相対的
な位置関係を変化させることができる。さらに、本実施
例の圧電薄膜式非接触走査型力顕微鏡は、層構造２の圧
電薄膜の電気変位を電圧信号に変換して増幅する電気変
位増幅器50をそなえている。そして、電気変位増幅器50
は、コンデンサ50a，電荷有感型増幅器50bおよびロック
インアンプ50cから構成されている。

【００３６】そして、コンデンサ50aが層構造２におけ
る圧電薄膜を挟むどちらか一方の電極と電荷有感型増幅
器50bの入力端子との間に介挿されており、層構造２の
他方の電極は接地される。これにより上記圧電薄膜の電
気変位を電圧信号に変換して、出力信号Ｓ１を出力でき
るようになっている。さらに、ロックインアンプ50cに
は発振器６から変調信号ＭＳと同じ周波数の参照信号Ｒ
ＥＦが入力されるようになっており、ロックインアンプ
50cはこの参照信号ＲＥＦをもとに出力信号Ｓ１を増幅
して信号Ｓ２に変換できるようになっている。なお、ロ
ックインアンプ50cにおける検出信号Ｓ２はＣＰＵ11に
入力される。また、ＣＰＵ11には同ＣＰＵ11からの入力
信号に基づいて画像を表示しうるディスプレイ13が接続
されている。

【００３７】以上の構成により、本実施例の圧電薄膜式
非接触走査型力顕微鏡では、ほぼ第１実施例と同様の作
用効果が得られる。すなわち本実施例では、第１実施例
においてカンチレバーの振動振幅に対応する信号として
検出されていたアドミッタンス変化のかわりに、電気変
位が検出されるのである。また、第２実施例における２
系統の増幅器を本実施例の電気変位増幅器50で構成すれ
ば、第２実施例とほぼ同様の作用効果を得ることができ
る。なお、本実施例でも、圧電板８は、ＸＹＺ圧電走査
体９のＺ方向の駆動部で代用されるようにして構成され
てもよい。その場合、電力増幅器12cからの出力信号Ｚ-
ＦＳに発振器からの出力信号ＭＳが重畳される。さら
に、ＸＹＺ圧電走査体９は、カンチレバーＣ側ではな
く、試料７側に取付けられてもよい。また、ＸＹＺ圧電
走査体９は、例えばＸＹ方向の走査体は試料７側に取付
け、Ｚ方向の走査体はカンチレバーＣ側に取付けるとい
うように、独立させて別々に取付けてもよい。また、電
気変位増幅器50は、カンチレバーＣの基台４がシリコン
で構成されている場合には、半導体プロセスを利用して
カンチレバーＣ近傍に作り込むこともできる点の他の実
施例と同様である。

【００３８】次に、図12により第４実施例としての圧電
薄膜式非接触走査型力顕微鏡について説明する。図12に
示すように本実施例も、ほぼ第１，３実施例と同様の構
成を有している。すなわち、試料７の保持台として、Ｃ
ＰＵ11からＺ軸粗動用ユニット12aを介し出力されるＺ
軸粗動信号Ｚ-ＣＳに基づいて試料７のＺ軸方向（鉛直
方向、試料面に対して法線方向）の粗動を行うＺ軸粗動
機構10をそなえるとともに、同Ｚ軸粗動機構10上の試料
７に対向できるようにカンチレバーＣが配設されてい
る。そして、カンチレバーＣは、先端にチップを有する
薄膜弾性体として形成されたプローブ１と、同プローブ
１に電極，圧電薄膜，電極の順に層着された層構造２と
から構成され、その一端部は基台４に支持されている。
また、カンチレバーＣの材質，形状および製作プロセス
については、第１実施例と同様である。さらに、本実施
例の圧電薄膜式非接触走査型力顕微鏡でも、層構造２の
最外側の電極の表面に、薄い絶縁膜が形成されてもよ
く、同絶縁膜の材質も第１実施例と同様である。また、
電極の構成についても第１実施例と同様である。

【００３９】そしてさらに、基台４は台4aを介して、Ｃ
ＰＵ11から電力増幅器12b，12cを介して出力されるＸＹ
走査信号ＸＹ-ＦＳおよびＺ制御信号Ｚ-ＦＳに基づいて
３次元で微動しうる精密微動機構としてのＸＹＺ圧電走
査体９に固着されており、これによりプローブ１のチッ
プおよび試料７相互間の３次元での相対的な位置関係を
変化させることができる。さらに、本実施例の圧電薄膜
式非接触走査型力顕微鏡は、層構造２の電極間に交流電
圧を印加するための発振器60と、層構造２の電極間に流
れる電流を検出する電流検出器61とをそなえている。発
振器60で印加される交流電圧の周波数をカンチレバーＣ
の固有振動数に一致させると、カンチレバーＣは上記交
流電圧に比例したある振幅で振動する。層構造２の電極
間の圧電薄膜の圧電効果により、カンチレバーＣの振動
振幅に応じて電極間のアドミッタンスは変化するから、
上記電極間に流れる電流を検出すれば、カンチレバーＣ
の振動振幅に関する信号を得ることになる。

【００４０】ところで、電流検出器61は、電流-電圧変
換器61aとロックインアンプ61bとから構成されている。
そして、発振器60は層構造２における圧電薄膜を挟むど
ちらか一方の電極に接続され、層構造２の他方の電極は
電流-電圧変換器61aに接続される。これにより上記圧電
薄膜に流れる電流を電圧信号に変換して、出力信号Ｓ１
を出力できるようになっている。さらに、ロックインア
ンプ61bには発振器60から変調信号ＭＳと同じ周波数の
参照信号ＲＥＦが入力されるようになっており、ロック
インアンプ61bはこの参照信号ＲＥＦをもとに出力信号
Ｓ１を増幅して信号Ｓ２に変換できるようになってい
る。なお、ロックインアンプ61bにおける検出信号Ｓ２
はＣＰＵ11に入力される。また、ＣＰＵ11には同ＣＰＵ
11からの入力信号に基づいて画像を表示しうるディスプ
レイ13が接続されている。

【００４１】以上の構成により、本実施例の圧電薄膜式
非接触走査型力顕微鏡では、ほぼ第１，３実施例と同様
の作用効果が得られる。すなわち本実施例でも、基本的
には第１実施例と同様カンチレバーの振動振幅に対応す
る信号としては、層構造２の圧電薄膜のアドミッタンス
変化を検出するが、層構造２の電極間に印加される交流
電圧はカンチレバーＣを所要の振幅で振動させるための
信号を兼ねているため、一般には第１実施例のそれに比
べてより大きな振幅の電圧信号になっている。また、発
振器60からの変調信号を２系統にして、第２実施例にお
ける２分割された電極に各々同じ交流電圧を印加すると
ともに、電流検出器61を２系統用意して各々の層構造２
の電極に接続すれば、第２実施例とほぼ同様の作用効果
を得ることができる。さらに、ＸＹＺ圧電走査体９は、
カンチレバーＣ側ではなく、試料７側に取付けられても
よい。また、ＸＹＺ圧電走査体９は、例えばＸＹ方向の
走査体は試料７側に取付け、Ｚ方向の走査体はカンチレ
バーＣ側に取付けるというように、独立させて別々に取
付けてもよい。

【００４２】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の圧電薄膜
式非接触走査型力顕微鏡によれば次のような効果ないし
利点が得られる。 （１）カンチレバーの交流変位を測定するための光波干
渉計等の別の変位計が不要であるため、装置がコンパク
トになり、かつ力の勾配を交流変位の変化に変換するカ
ンチレバー部と光学系との間での調整等の複雑な作業が
なくなる。特に、ラテラルフォース顕微鏡（ＬＦＭ）を
構成する場合には、システムは非常に簡素化する。 （２）従来のＳＴＭ（走査トンネル顕微鏡）のトンネル
チップ部を、本実施例のカンチレバーに取り替えるのみ
の改造で装置構成を行うことができる。 （３）装置が簡素化されるため、真空中あるいは低温中
の特殊環境下での実験に利用することが容易である。特
に上記（２）項の利点と合わせ超高真空走査型力顕微鏡
を容易に構成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例としての圧電薄膜式非接触
走査型力顕微鏡の全体構成図である。

【図２】図１の圧電薄膜式非接触走査型力顕微鏡の要部
の平面図である。

【図３】図２のＡーＡ断面図である。

【図４】図３のＢーＢ断面図である。

【図５】図１の圧電薄膜式非接触走査型力顕微鏡の原理
説明図である。

【図６】図１の圧電薄膜式非接触走査型力顕微鏡の出力
特性を示すグラフである。

【図７】本発明の第２実施例としての圧電薄膜式非接触
走査型力顕微鏡の要部の平面図である。

【図８】図７のＸーＸ断面図である。

【図９】図７の圧電薄膜式非接触走査型力顕微鏡の図４
に対応した水平方向の断面図である。

【図１０】従来の非接触走査引力顕微鏡の全体構成図で
ある。

【図１１】本発明の第３実施例としての圧電薄膜式非接
触走査型力顕微鏡の全体構成図である。

【図１２】本発明の第４実施例としての圧電薄膜式非接
触走査型力顕微鏡の全体構成図である。

【符号の説明】

Ｃ カンチレバー １ プローブ ２ 層構造 2a，2a’ 電極 2b 圧電薄膜 2c，2c’ 電極 2l，2r 層構造 2la，2la’，2ra，2ra’ 電極 2lb，2rb 圧電薄膜 2lc，2lc’，2rc，2rc’ 電極 ３ 絶縁膜 3a，3b 開口 ４ 基台 4a 台 ５ 増幅器 5a 微小電圧増幅器 5b 微小電流源 5c ロックインアンプ ６ 発振器 ７ 試料 ８ 圧電板（圧電体励振機構） ９ ＸＹＺ圧電走査体（精密微動機構） 10 Ｚ軸粗動機構（試料台） 11 ＣＰＵ 12a Ｚ軸粗動用駆動ユニット 12b 電力増幅器 12c 電力増幅器 13 ディスプレイ 14 支持台 50 電気変位増幅器 50a コンデンサ 50b 電荷有感型増幅器 50c ロックインアンプ 60 発振器 61 電流検出器 61a 電流-電圧変換器 61b ロックインアンプ

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料用保持台と、同保持台上の試料に対
   向しうるように配設されて先端にチップを有するプロー
   ブを備えるとともに、同プローブのチップと上記試料の
   表面との間の距離に応じて変化する物理量として同プロ
   ーブのチップと上記試料との間に働く力の勾配を非接触
   状態で検出するための検出機構を備えた検出装置と、上
   記の試料およびプローブ相互間の３次元での相対的な位
   置関係を変化させる精密微動機構と、上記試料表面の凹
   凸情報を得るべく上記検出装置からの検出信号に基づい
   て上記精密微動機構に走査制御信号を送出する制御機構
   とを備えた非接触走査型力顕微鏡において、上記プロー
   ブが、薄膜弾性体として形成され、上記検出機構が、上
   記薄膜弾性体としてのプローブに電極，圧電薄膜，電極
   の順に層着された少なくとも３層の低曲げ剛性をもつ層
   構造と、上記のプローブと層構造とからなるカンチレバ
   ーをその固有振動数で外部より励起振動させる圧電体励
   振機構と、上記層構造の圧電薄膜のアドミッタンス変化
   を電圧信号に変換して増幅する増幅器とから構成されて
   いることを特徴とする、圧電薄膜式非接触走査型力顕微
   鏡。
2. 【請求項２】 上記層構造が上記カンチレバーの幅方向
   に２等分割されるように形成され、分割された各々の圧
   電薄膜のアドミッタンス変化を独立して検出できるよう
   に、上記増幅器が２系統の入力部をそなえたことを特徴
   をする、請求項１に記載の圧電薄膜式非接触走査型力顕
   微鏡。
3. 【請求項３】 上記増幅器が、微小電圧増幅器と上記圧
   電体励振機構に入力される励起信号を分岐して減圧した
   電圧信号および抵抗体からなる微小電流源とをそなえ、
   同微小電流源が上記層構造における圧電薄膜を挟むどち
   らか一方の電極と上記微小電圧増幅器の接地側端子との
   間に接続されるとともに、上記の圧電薄膜を挟む他方の
   電極と上記接地側端子との間の電圧を増幅すべく、上記
   他方の電極が微小電圧増幅器の入力側端子に接続された
   ことを特徴とする、請求項１または２に記載の圧電薄膜
   式非接触走査型力顕微鏡。
4. 【請求項４】 上記カンチレバーの一端部がシリコンウ
   エハに支持され、同シリコンウエハに上記増幅器が一体
   に作り込まれていることを特徴とする、請求項１〜３の
   いずれか一つに記載の圧電薄膜式非接触走査型力顕微
   鏡。
5. 【請求項５】 試料用保持台と、同保持台上の試料に対
   向しうるように配設されて先端にチップを有するプロー
   ブを備えるとともに、同プローブのチップと上記試料の
   表面との間の距離に応じて変化する物理量として同プロ
   ーブのチップと上記試料との間に働く力の勾配を非接触
   状態で検出するための検出機構を備えた検出装置と、上
   記の試料およびプローブ相互間の３次元での相対的な位
   置関係を変化させる精密微動機構と、上記試料表面の凹
   凸情報を得るべく上記検出装置からの検出信号に基づい
   て上記精密微動機構に走査制御信号を送出する制御機構
   とを備えた非接触走査型力顕微鏡において、上記プロー
   ブが、薄膜弾性体として形成され、上記検出機構が、上
   記薄膜弾性体としてのプローブに電極，圧電薄膜，電極
   の順に層着された少なくとも３層の低曲げ剛性をもつ層
   構造と、上記のプローブと層構造とからなるカンチレバ
   ーをその固有振動数で外部より励起振動させる圧電体励
   振機構と、上記層構造の圧電薄膜の電気変位を電圧信号
   に変換して増幅する電気変位増幅器とから構成されてい
   ることを特徴とする、圧電薄膜式非接触走査型力顕微
   鏡。
6. 【請求項６】 上記層構造が上記カンチレバーの幅方向
   に２等分割されるように形成され、分割された各々の圧
   電薄膜の電気変位を独立して検出できるように、上記電
   気変位増幅器が２系統の入力部をそなえたことを特徴を
   する、請求項５に記載の圧電薄膜式非接触走査型力顕微
   鏡。
7. 【請求項７】 上記電気変位増幅器が、コンデンサと電
   荷有感型増幅器とをそなえ、上記コンデンサが上記層構
   造における圧電薄膜を挟むどちらか一方の電極と上記電
   荷有感型増幅器の入力端子との間に介挿されたことを特
   徴とする、請求項５または６に記載の圧電薄膜式非接触
   走査型力顕微鏡。
8. 【請求項８】 上記カンチレバーの一端部がシリコンウ
   エハに支持され、同シリコンウエハに上記電気変位増幅
   器が一体に作り込まれていることを特徴とする、請求項
   ５〜７のいずれか一つに記載の圧電薄膜式非接触走査型
   力顕微鏡。
9. 【請求項９】 試料用保持台と、同保持台上の試料に対
   向しうるように配設されて先端にチップを有するプロー
   ブを備えるとともに、同プローブのチップと上記試料の
   表面との間の距離に応じて変化する物理量として同プロ
   ーブのチップと上記試料との間に働く力の勾配を非接触
   状態で検出するための検出機構を備えた検出装置と、上
   記の試料およびプローブ相互間の３次元での相対的な位
   置関係を変化させる精密微動機構と、上記試料表面の凹
   凸情報を得るべく上記検出装置からの検出信号に基づい
   て上記精密微動機構に走査制御信号を送出する制御機構
   とを備えた非接触走査型力顕微鏡において、上記プロー
   ブが、薄膜弾性体として形成され、上記検出機構が、上
   記薄膜弾性体としてのプローブに電極，圧電薄膜，電極
   の順に層着された少なくとも３層の低曲げ剛性をもつ層
   構造と、上記のプローブと層構造とからなるカンチレバ
   ーをその固有振動数で励起振動させるべく上記層構造の
   電極間に交流電圧を印加する発振器と、上記層構造の電
   極間に流れる電流を検出する電流検出器とから構成され
   ていることを特徴とする、圧電薄膜式非接触走査型力顕
   微鏡。
10. 【請求項１０】 上記層構造が上記カンチレバーの幅方
    向に２等分割されるように形成され、分割された各々の
    電極間に交流電圧を印加する発振器が２系統の出力部を
    備えるとともに、上記電極間に流れる電流を独立して検
    出できるように上記電流検出器がが２系統の入力部をそ
    なえたことを特徴をする、請求項９に記載の圧電薄膜式
    非接触走査型力顕微鏡。
11. 【請求項１１】 上記プローブ先端のチップの少なくと
    も表面が磁性体で形成されたことを特徴とする、請求項
    １〜１０のいずれか１つに記載の圧電薄膜式非接触走査
    型力顕微鏡。
12. 【請求項１２】 上記チップが、先端を尖鋭化処理され
    た材料で形成されていることを特徴とする、請求項１〜
    １１のいずれか１つに記載の圧電薄膜式非接触走査型力
    顕微鏡。
13. 【請求項１３】 上記薄膜弾性体としてのプローブがシ
    リコン、シリコンの酸化膜または窒化膜で形成されると
    ともに、上記圧電薄膜が酸化亜鉛あるいはチタン酸ジル
    コン酸鉛系の圧電セラミックスで形成されていることを
    特徴とする、請求項１〜１２のいずれか１つに記載の圧
    電薄膜式非接触走査型力顕微鏡。
14. 【請求項１４】 上記層構造の最外側の電極の表面に薄
    い絶縁膜が形成されていることを特徴とする、請求項１
    〜１３のいずれか一つに記載の圧電薄膜式非接触走査型
    力顕微鏡。
15. 【請求項１５】 上記カンチレバーの一端部側が基台に
    支持され、上記圧電体励振機構が、上記精密微動機構に
    おける鉛直移動機構を兼ねるように構成されて、上記基
    台に結合されていることを特徴とする、請求項１〜１４
    のいづれか一つに記載の圧電薄膜式非接触走査型力顕微
    鏡。