JPH06213910A - 形状を除く表面のパラメータを正確に測定し、または形状に関連した仕事を行うための方法および相互作用装置 - Google Patents
形状を除く表面のパラメータを正確に測定し、または形状に関連した仕事を行うための方法および相互作用装置Info
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- G—PHYSICS
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- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
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Abstract
(57)【要約】
【目的】表面の形状による影響を受けることなく、形状
を除く表面パラメータの測定または所定の仕事を行うこ
と。 【構成】表面の形状を除くパラメータを示す表面の測定
値を発生するか、または表面に仕事を行うようプローブ
を表面上に走査するための装置および方法である。この
走査は２つの段階から成る。まず、第１の走査では、形
状情報を得て、この情報を記憶し、第２回の走査では記
憶した形状情報を使用してプローブの高さを制御しなが
ら形状を除く表面のパラメータを測定するか、仕事を行
う。
を除く表面パラメータの測定または所定の仕事を行うこ
と。 【構成】表面の形状を除くパラメータを示す表面の測定
値を発生するか、または表面に仕事を行うようプローブ
を表面上に走査するための装置および方法である。この
走査は２つの段階から成る。まず、第１の走査では、形
状情報を得て、この情報を記憶し、第２回の走査では記
憶した形状情報を使用してプローブの高さを制御しなが
ら形状を除く表面のパラメータを測定するか、仕事を行
う。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、走査プローブ形顕微鏡
に関し、より詳細には、形状を除く表面のパラメータを
示す表面の測定値を発生したり、または表面上で仕事を
行なったりするための装置および方法に関する。走査プ
ローブ形顕微鏡、例えば走査トンネル効果形顕微鏡また
は原子間力形顕微鏡はプローブが表面にごく接近する
か、表面にわずかに接触するか、または表面に当接した
状態で表面上を移動するようプローブを走査することに
より作動する。
に関し、より詳細には、形状を除く表面のパラメータを
示す表面の測定値を発生したり、または表面上で仕事を
行なったりするための装置および方法に関する。走査プ
ローブ形顕微鏡、例えば走査トンネル効果形顕微鏡また
は原子間力形顕微鏡はプローブが表面にごく接近する
か、表面にわずかに接触するか、または表面に当接した
状態で表面上を移動するようプローブを走査することに
より作動する。
【０００２】
【従来技術】走査トンネル形顕微鏡では、プローブの先
端はトンネル効果電流がプローブの先端と表面との間を
流れるように表面から数個の原子の距離だけ離間してい
る。トンネル効果電流はプローブと表面との間の距離を
示すよう測定されるか、またはプローブの垂直高さを調
節し、電流すなわち表面からのプローブの距離を一定に
維持するフィードバックシステムで、より一般的に使用
される。従って、フィードバック信号は表面の形状（ト
ポグラフィー）の測定値となっている。原子間力形顕微
鏡では、プローブ先端は屈曲自在なアームに取り付ける
ことができ、よって、研究対象である表面の形状を検出
するようにアームの曲げを測定する。これとは異なり、
フィードバックシステムは表面の形状を示すフィードバ
ック信号により、表面にかかるプローブの力を一定に維
持するよう使用することもできる。
端はトンネル効果電流がプローブの先端と表面との間を
流れるように表面から数個の原子の距離だけ離間してい
る。トンネル効果電流はプローブと表面との間の距離を
示すよう測定されるか、またはプローブの垂直高さを調
節し、電流すなわち表面からのプローブの距離を一定に
維持するフィードバックシステムで、より一般的に使用
される。従って、フィードバック信号は表面の形状（ト
ポグラフィー）の測定値となっている。原子間力形顕微
鏡では、プローブ先端は屈曲自在なアームに取り付ける
ことができ、よって、研究対象である表面の形状を検出
するようにアームの曲げを測定する。これとは異なり、
フィードバックシステムは表面の形状を示すフィードバ
ック信号により、表面にかかるプローブの力を一定に維
持するよう使用することもできる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上記のいずれのタイプ
の顕微鏡も走査プローブ形顕微鏡と称される一般的装置
の変形である。走査プローブ形顕微鏡は、最初は上記の
２つのタイプの相互作用を使用するだけであった。この
相互作用とは、詳細にはトンネル効果電流または原子間
力形顕微鏡を用いた場合の接触力である。これらタイプ
の相互作用は、プローブの高さを調節し、表面の形状を
トレースするのに使用されていた。
の顕微鏡も走査プローブ形顕微鏡と称される一般的装置
の変形である。走査プローブ形顕微鏡は、最初は上記の
２つのタイプの相互作用を使用するだけであった。この
相互作用とは、詳細にはトンネル効果電流または原子間
力形顕微鏡を用いた場合の接触力である。これらタイプ
の相互作用は、プローブの高さを調節し、表面の形状を
トレースするのに使用されていた。
【０００４】最近、プローブと表面との間の他のタイプ
の相互作用を使用して、表面の異なるタイプの測定値ま
たは像を得る開発を含む多くの開発がなされた。例え
ば、ファンデルワールス力、磁気力、静電力、イオンコ
ンダクタンス、電気化学的活動度および光強度、波長ま
たは偏光度のようなパラメータを示す表面の像を発生す
ることが好ましいことがある。これら新しいタイプの相
互作用は表面の形状を除く表面のパラメータを示すの
で、形状の測定と同時にこれら新しいタイプの相互作用
を測定することは困難である。
の相互作用を使用して、表面の異なるタイプの測定値ま
たは像を得る開発を含む多くの開発がなされた。例え
ば、ファンデルワールス力、磁気力、静電力、イオンコ
ンダクタンス、電気化学的活動度および光強度、波長ま
たは偏光度のようなパラメータを示す表面の像を発生す
ることが好ましいことがある。これら新しいタイプの相
互作用は表面の形状を除く表面のパラメータを示すの
で、形状の測定と同時にこれら新しいタイプの相互作用
を測定することは困難である。
【０００５】あるパラメータを検出することにより、プ
ローブの先端によりサンプルの表面をトラッキングして
いた従来の走査プローブ形顕微鏡は、上記のようにトン
ネル効果電流、接触力、ファンデルワールス力、磁気
力、静電力、イオン導電率、電気化学的活動度および光
強度、波長または偏光度を利用していた。これらパラメ
ータのうちのいくつか、例えばトンネル効果電流および
接触力は、一般に検出が容易であり、表面の形状を示し
ている。
ローブの先端によりサンプルの表面をトラッキングして
いた従来の走査プローブ形顕微鏡は、上記のようにトン
ネル効果電流、接触力、ファンデルワールス力、磁気
力、静電力、イオン導電率、電気化学的活動度および光
強度、波長または偏光度を利用していた。これらパラメ
ータのうちのいくつか、例えばトンネル効果電流および
接触力は、一般に検出が容易であり、表面の形状を示し
ている。
【０００６】これらパラメータを除くパラメータ、例え
ば磁気力は、検出がより困難であり、表面の形状には直
接関連していないことがある。このため、これらパラメ
ータに応答した測定信号、例えばフィードバック信号は
限界的または不安定であり、位置信号としては使用でき
ない。例えばこれらパラメータのいくつかは、表面上で
は連続的でなくなる。例えば、磁気力は表面上で変化し
たり、消失したり、方向を上下に変え得る。従ってこれ
らパラメータからの位置信号は安定しておらず、よって
これらの他のパラメータを使用してプローブが表面をト
ラッキングすることはできない。
ば磁気力は、検出がより困難であり、表面の形状には直
接関連していないことがある。このため、これらパラメ
ータに応答した測定信号、例えばフィードバック信号は
限界的または不安定であり、位置信号としては使用でき
ない。例えばこれらパラメータのいくつかは、表面上で
は連続的でなくなる。例えば、磁気力は表面上で変化し
たり、消失したり、方向を上下に変え得る。従ってこれ
らパラメータからの位置信号は安定しておらず、よって
これらの他のパラメータを使用してプローブが表面をト
ラッキングすることはできない。
【０００７】形状を除くパラメータを示す表面の像を形
成することが望ましいことが多い。従って、微弱になっ
たり、または不連続となったりする、形状を除くこれら
パラメータを測定する際には、サンプル表面上のプロー
ブの高さを制御するための位置情報を得るのに、これら
相互作用に依拠しないことが有利である。従って、これ
ら他のパラメータを測定しながら、これら他のパラメー
タの測定値により表面形状に沿うすべての点で表面から
既知の距離だけプローブを離間させることが好ましい。
例えば、流体で被覆された表面上の電気化学的電流を測
定する際は、かかる固定分離法が有効である。この場
合、プローブの高さを制御するのにトンネル効果電流を
使用するには望ましい間隔は長すぎることになり、また
間隔を短くしたとしても電気化学的電流とトンネル効果
電流は混在し合い、位置制御システムを混同させること
になる。
成することが望ましいことが多い。従って、微弱になっ
たり、または不連続となったりする、形状を除くこれら
パラメータを測定する際には、サンプル表面上のプロー
ブの高さを制御するための位置情報を得るのに、これら
相互作用に依拠しないことが有利である。従って、これ
ら他のパラメータを測定しながら、これら他のパラメー
タの測定値により表面形状に沿うすべての点で表面から
既知の距離だけプローブを離間させることが好ましい。
例えば、流体で被覆された表面上の電気化学的電流を測
定する際は、かかる固定分離法が有効である。この場
合、プローブの高さを制御するのにトンネル効果電流を
使用するには望ましい間隔は長すぎることになり、また
間隔を短くしたとしても電気化学的電流とトンネル効果
電流は混在し合い、位置制御システムを混同させること
になる。
【０００８】形状以外の測定用の望ましいパラメータの
測定の一つの重要な例としては、サンプル表面における
磁界の測定がある。一つの従来例は、ルーガー（Ruger
）氏およびヴィックラマシング（Wickramashinghe)氏
によりアプライド・ フィジカル・ レター(Appl.Phys.Let
t.)52、1988年1 月18日244 頁に示唆されているように、
表面上で磁気プローブすなわちプローブ先端を振動さ
せ、サンプルによる振動周波数の変化を検出する技術が
ある。サンプルはプローブに磁気力およびファンデルワ
ールス引力の双方を生じさせるので、フィードバックデ
ータには磁気情報とプローブ高さ情報の双方が含まれ
る。多くのサンプルではこれらの力は極めて微弱であ
り、良好でないフィードバック信号しか発生させないの
で、プローブはサンプルに衝突したり、表面から離間す
るようドリフトする。この結果、このルーガー氏等によ
る従来例に示唆されているような技術は、広く普及する
方法とは認められていない。
測定の一つの重要な例としては、サンプル表面における
磁界の測定がある。一つの従来例は、ルーガー（Ruger
）氏およびヴィックラマシング（Wickramashinghe)氏
によりアプライド・ フィジカル・ レター(Appl.Phys.Let
t.)52、1988年1 月18日244 頁に示唆されているように、
表面上で磁気プローブすなわちプローブ先端を振動さ
せ、サンプルによる振動周波数の変化を検出する技術が
ある。サンプルはプローブに磁気力およびファンデルワ
ールス引力の双方を生じさせるので、フィードバックデ
ータには磁気情報とプローブ高さ情報の双方が含まれ
る。多くのサンプルではこれらの力は極めて微弱であ
り、良好でないフィードバック信号しか発生させないの
で、プローブはサンプルに衝突したり、表面から離間す
るようドリフトする。この結果、このルーガー氏等によ
る従来例に示唆されているような技術は、広く普及する
方法とは認められていない。
【０００９】磁界を測定するための別の技術は、モアラ
ンド（Moreland）氏およびライス（Rice）氏により提案
されている。この技術は、カンチレバーに支持された可
撓性の磁気プローブすなわち先端を備えたトンネル効果
形顕微鏡を使用するものである。フィードバック信号は
トンネル効果電流であり、この電流はプローブの先端を
表面のすぐ上に維持するのに使用される。磁気吸引力に
より可撓性プローブ先端を表面に向けて引き寄せ、一
方、位置制御システムはカンチレバーを曲げることによ
りプローブ先端を所定位置に上昇させる。従って、磁界
パターンは表面の上下する領域として観察される。不幸
なことに、このように位置データと磁気データとの組み
合わせは不正確さを生じさせるので、モアランド氏およ
びライス氏のシステムでは不利である。更に、トンネル
効果電流を得るのに、サンプルは電気的に導電性でなけ
ればならず、このことは導電性でない磁気テープまたは
光磁気ディスクのような多くの磁気媒体に対しては不利
である。
ンド（Moreland）氏およびライス（Rice）氏により提案
されている。この技術は、カンチレバーに支持された可
撓性の磁気プローブすなわち先端を備えたトンネル効果
形顕微鏡を使用するものである。フィードバック信号は
トンネル効果電流であり、この電流はプローブの先端を
表面のすぐ上に維持するのに使用される。磁気吸引力に
より可撓性プローブ先端を表面に向けて引き寄せ、一
方、位置制御システムはカンチレバーを曲げることによ
りプローブ先端を所定位置に上昇させる。従って、磁界
パターンは表面の上下する領域として観察される。不幸
なことに、このように位置データと磁気データとの組み
合わせは不正確さを生じさせるので、モアランド氏およ
びライス氏のシステムでは不利である。更に、トンネル
効果電流を得るのに、サンプルは電気的に導電性でなけ
ればならず、このことは導電性でない磁気テープまたは
光磁気ディスクのような多くの磁気媒体に対しては不利
である。
【００１０】上記説明から明らかなように、一般に形状
を除くパラメータを測定するのにプローブを表面に対し
て既知の高さで走査できることが好ましい。更に、走査
プローブシステムは極めて微細な規模で表面の特徴を修
正または構成できる能力を有している。一般にかかる機
能は、位置フィードバック信号を不要とできるか、また
はかかる信号とは両立できない。従来の技術では、形状
以外のパラメータの走査プローブによる測定をプローブ
の高さの検出と同時に実行していた。本発明で利用でき
る走査上の改良を目的とした従来の２つの特許として、
米国特許第4,889,988 号（エリングズ（Elings) および
ガーリー（Gurley）特許）および米国特許第4,954,704
号（エリングズ（Elings）およびマイヴァルド（Maival
d ）特許）がある。
を除くパラメータを測定するのにプローブを表面に対し
て既知の高さで走査できることが好ましい。更に、走査
プローブシステムは極めて微細な規模で表面の特徴を修
正または構成できる能力を有している。一般にかかる機
能は、位置フィードバック信号を不要とできるか、また
はかかる信号とは両立できない。従来の技術では、形状
以外のパラメータの走査プローブによる測定をプローブ
の高さの検出と同時に実行していた。本発明で利用でき
る走査上の改良を目的とした従来の２つの特許として、
米国特許第4,889,988 号（エリングズ（Elings) および
ガーリー（Gurley）特許）および米国特許第4,954,704
号（エリングズ（Elings）およびマイヴァルド（Maival
d ）特許）がある。
【００１１】前者の米国特許第4,889,988 号は走査プロ
ーブ形顕微鏡において、プローブまたはサンプルのデジ
タル制御された運動を利用するものであり、走査プロー
ブ形顕微鏡の走査運動を良好に制御するのに、デジタル
式に記憶された位置データを使用することを教示してい
る。この特許は、形状の測定をするものであるが、形状
以外のサンプルの表面の特性を測定するものではない。
しかしながら、本発明は本発明の走査プローブのため
に、米国特許4,889,988 号特許のデジタル制御運動を利
用できるので、この特許の内容を本願で援用する。
ーブ形顕微鏡において、プローブまたはサンプルのデジ
タル制御された運動を利用するものであり、走査プロー
ブ形顕微鏡の走査運動を良好に制御するのに、デジタル
式に記憶された位置データを使用することを教示してい
る。この特許は、形状の測定をするものであるが、形状
以外のサンプルの表面の特性を測定するものではない。
しかしながら、本発明は本発明の走査プローブのため
に、米国特許4,889,988 号特許のデジタル制御運動を利
用できるので、この特許の内容を本願で援用する。
【００１２】米国特許第4,954,704 号は、破損の危険な
くプローブがサンプル表面上を急速に移動でき、次の走
査のために急速にプローブを位置決めできるよう、プロ
ーブの戻り運動を制御するのに、記憶されたデジタル形
状データを使用する高速走査方法を教示している。しか
しながら、この特許は戻り走査または次の走査の間に形
状以外のサンプルの特性の測定をすることを示唆してい
ない。この特許も走査の制御をするのに本発明でも利用
できるので、その内容を本願で援用する。
くプローブがサンプル表面上を急速に移動でき、次の走
査のために急速にプローブを位置決めできるよう、プロ
ーブの戻り運動を制御するのに、記憶されたデジタル形
状データを使用する高速走査方法を教示している。しか
しながら、この特許は戻り走査または次の走査の間に形
状以外のサンプルの特性の測定をすることを示唆してい
ない。この特許も走査の制御をするのに本発明でも利用
できるので、その内容を本願で援用する。
【００１３】上記２つの米国特許のいずれも、走査を改
良することを目的としているので、本願でも有効である
が、本発明の要旨である形状以外のサンプル表面の特性
を測定すること、またはサンプル表面で仕事を行うこと
は、開示していない。
良することを目的としているので、本願でも有効である
が、本発明の要旨である形状以外のサンプル表面の特性
を測定すること、またはサンプル表面で仕事を行うこと
は、開示していない。
【００１４】
【課題を解決するための手段】本発明は、２段階で走査
装置および方法に関する。本方法では、まず、正確な位
置センサ、例えばトンネル効果電流プローブまたは原子
間力プローブを使用してサンプルの表面の形状を走査
し、表面の形状を示す精密な情報をメモリに記憶する。
次に、この記憶された形状情報を使用して表面に対して
プローブを正確に位置決めしながら、形状以外の表面の
特性の測定を行うか、またはある仕事を行う。制御され
た位置測定または仕事を行う前に行われる形状検出機能
は、ポイントごと、ラインごとまたはラスター像ごとに
行うことができる。
装置および方法に関する。本方法では、まず、正確な位
置センサ、例えばトンネル効果電流プローブまたは原子
間力プローブを使用してサンプルの表面の形状を走査
し、表面の形状を示す精密な情報をメモリに記憶する。
次に、この記憶された形状情報を使用して表面に対して
プローブを正確に位置決めしながら、形状以外の表面の
特性の測定を行うか、またはある仕事を行う。制御され
た位置測定または仕事を行う前に行われる形状検出機能
は、ポイントごと、ラインごとまたはラスター像ごとに
行うことができる。
【００１５】本発明の第２回の操作では、プローブは記
憶データを使用することにより全て位置決めできるの
で、必ずしも直接位置フィードバックは必要でない。第
２回の走査では、プローブ位置決め装置は表面を示す記
憶データを使用して所定の測定または仕事を行うのに任
意にプローブを位置決めする。第２回の走査における好
ましいプローブ位置は測定または仕事に応じて決まるの
で、プローブは表面に接触させてもよいし、または測定
または仕事に応じた最適距離だけ表面から上方に離間さ
せてもよいし、また、表面から上方に上昇させ、次に表
面に接触させたり、表面に対して他の移動を行うことも
できる。
憶データを使用することにより全て位置決めできるの
で、必ずしも直接位置フィードバックは必要でない。第
２回の走査では、プローブ位置決め装置は表面を示す記
憶データを使用して所定の測定または仕事を行うのに任
意にプローブを位置決めする。第２回の走査における好
ましいプローブ位置は測定または仕事に応じて決まるの
で、プローブは表面に接触させてもよいし、または測定
または仕事に応じた最適距離だけ表面から上方に離間さ
せてもよいし、また、表面から上方に上昇させ、次に表
面に接触させたり、表面に対して他の移動を行うことも
できる。
【００１６】
【効果】従って、本発明は記憶された形状データを使用
し、プローブ走査装置により他の測定または活動を行
い、広範な用途に対処できる。例えば、本発明は磁気記
録媒体の表面における磁界の測定、作動中の集積回路の
表面における温度または電界の測定、量子井戸形トラン
ジスタのマイクロ機械加工、生物学的細胞メモリの電気
化学的マッピングまたは従来の正確な形状測定により改
善できる他の測定または活動に対処できるものである。
し、プローブ走査装置により他の測定または活動を行
い、広範な用途に対処できる。例えば、本発明は磁気記
録媒体の表面における磁界の測定、作動中の集積回路の
表面における温度または電界の測定、量子井戸形トラン
ジスタのマイクロ機械加工、生物学的細胞メモリの電気
化学的マッピングまたは従来の正確な形状測定により改
善できる他の測定または活動に対処できるものである。
【００１７】
【実施例】図１および図２は、サンプルの表面における
磁界の測定を行うための従来装置を示す。例えば、図１
に示すように、ルーガーが示唆したような従来装置で
は、カンチレバーアーム１２の端部に支持された磁気先
端１０がサンプル１４の表面の上方にて振動される。こ
の磁気先端の振動およびＸ、ＹおよびＺ方向の位置決め
は位置制御装置１６によって行われ、この制御装置１６
はＸＹ位置決め装置１８に接続されると共に、カンチレ
バーアーム１２を介して磁気先端１０に接続されてい
る。検出器２０はサンプル１４の表面における種々の力
に起因する磁気先端１０の振動周波数の変化を検出す
る。
磁界の測定を行うための従来装置を示す。例えば、図１
に示すように、ルーガーが示唆したような従来装置で
は、カンチレバーアーム１２の端部に支持された磁気先
端１０がサンプル１４の表面の上方にて振動される。こ
の磁気先端の振動およびＸ、ＹおよびＺ方向の位置決め
は位置制御装置１６によって行われ、この制御装置１６
はＸＹ位置決め装置１８に接続されると共に、カンチレ
バーアーム１２を介して磁気先端１０に接続されてい
る。検出器２０はサンプル１４の表面における種々の力
に起因する磁気先端１０の振動周波数の変化を検出す
る。
【００１８】検出器２０から信号プロセッサ２２にフィ
ードバック信号が与えられ、信号プロセッサからは理論
的に磁界を示す出力信号が発生される。信号プロセッサ
２２は、サンプル１４に対する先端１０の位置を制御す
るよう、位置制御装置１６に結合されている。不幸なこ
とに、サンプルは通常磁気先端１０に対して作用する多
数の力（磁気力およびファンデルワールス引力を含む）
を生じさせるので、フィードバック信号は磁気情報およ
びプローブ高さ情報の双方を含んでいることになる。更
に、多くのサンプルに対しては、これらの力は極めて微
弱であり、良好でないフィードバック信号を生じさせ、
次にこの良好でないフィードバック信号はプローブをサ
ンプル表面に衝突させたり、表面から離間するようドリ
フトさせたりする。このタイプの装置を使用することに
よる種々の問題により、サンプル表面の磁界またはその
他のパラメータを測定するためのルーガー装置の使用が
制限されている。
ードバック信号が与えられ、信号プロセッサからは理論
的に磁界を示す出力信号が発生される。信号プロセッサ
２２は、サンプル１４に対する先端１０の位置を制御す
るよう、位置制御装置１６に結合されている。不幸なこ
とに、サンプルは通常磁気先端１０に対して作用する多
数の力（磁気力およびファンデルワールス引力を含む）
を生じさせるので、フィードバック信号は磁気情報およ
びプローブ高さ情報の双方を含んでいることになる。更
に、多くのサンプルに対しては、これらの力は極めて微
弱であり、良好でないフィードバック信号を生じさせ、
次にこの良好でないフィードバック信号はプローブをサ
ンプル表面に衝突させたり、表面から離間するようドリ
フトさせたりする。このタイプの装置を使用することに
よる種々の問題により、サンプル表面の磁界またはその
他のパラメータを測定するためのルーガー装置の使用が
制限されている。
【００１９】図２はモアランド氏およびライス氏により
示唆された別の磁界測定技術を示す。このモアランドお
よびライス装置では、トンネル効果形顕微鏡はサンプル
６０の表面の上方に位置する可撓性磁気先端５０を含
む。電流検出器６２により生じたトンネル効果電流であ
るフィードバック信号は、信号プロセッサ５２に印加さ
れ、次に信号プロセッサは位置制御装置を制御して、磁
気先端５０を表面のすぐ上に維持する。この磁気先端は
カンチレバー５６の端部にてサンプル６０の上方に支持
され、磁気吸引力により磁気先端５０が表面に向かって
引き寄せられると、位置制御装置５４はカンチレバーを
曲げることにより磁気先端を所定位置に戻すよう上昇さ
せる。この位置制御装置５４は、ＸＹ位置決め装置５８
も制御する。
示唆された別の磁界測定技術を示す。このモアランドお
よびライス装置では、トンネル効果形顕微鏡はサンプル
６０の表面の上方に位置する可撓性磁気先端５０を含
む。電流検出器６２により生じたトンネル効果電流であ
るフィードバック信号は、信号プロセッサ５２に印加さ
れ、次に信号プロセッサは位置制御装置を制御して、磁
気先端５０を表面のすぐ上に維持する。この磁気先端は
カンチレバー５６の端部にてサンプル６０の上方に支持
され、磁気吸引力により磁気先端５０が表面に向かって
引き寄せられると、位置制御装置５４はカンチレバーを
曲げることにより磁気先端を所定位置に戻すよう上昇さ
せる。この位置制御装置５４は、ＸＹ位置決め装置５８
も制御する。
【００２０】不幸なことに、このモアランドおよびライ
ス装置を用いると、磁界パターンは表面の上下する領域
として観察されるので、形状データと磁気データが混在
することになる。異なるタイプのデータを分離すること
はできず、磁界の真の像を得ることはできないので、当
然ながらこの装置は不利である。更にサンプル表面はト
ンネル効果電流を得るのに電気的に導電性でなければな
らない。このことは、導電性でない多くの重要な磁気媒
体、例えば磁気テープまたは光磁気ディスクに対して不
利である。従って、モアランドおよびライス装置は、磁
界を測定するのに広く利用されるものとは認められてい
ない。
ス装置を用いると、磁界パターンは表面の上下する領域
として観察されるので、形状データと磁気データが混在
することになる。異なるタイプのデータを分離すること
はできず、磁界の真の像を得ることはできないので、当
然ながらこの装置は不利である。更にサンプル表面はト
ンネル効果電流を得るのに電気的に導電性でなければな
らない。このことは、導電性でない多くの重要な磁気媒
体、例えば磁気テープまたは光磁気ディスクに対して不
利である。従って、モアランドおよびライス装置は、磁
界を測定するのに広く利用されるものとは認められてい
ない。
【００２１】図３〜図６は、本発明に係わる装置および
方法の一般的な形態およびより特定された実施例を示す
ものである。本発明の図３〜図６の説明において、同様
なまたは同一の機能を有する部品に対しては同じ参照符
号がつけてある。更に、ある時には原子間力形顕微鏡、
別の時には走査トンネル効果形顕微鏡を参照するが、本
発明を実施する際にはこれらタイプのうちの一方または
他方の顕微鏡も使用できると解すべきである。一般的
に、形状情報は上記タイプのうちの一方または他方のタ
イプである走査プローブ形顕微鏡を使用して発生され
る。
方法の一般的な形態およびより特定された実施例を示す
ものである。本発明の図３〜図６の説明において、同様
なまたは同一の機能を有する部品に対しては同じ参照符
号がつけてある。更に、ある時には原子間力形顕微鏡、
別の時には走査トンネル効果形顕微鏡を参照するが、本
発明を実施する際にはこれらタイプのうちの一方または
他方の顕微鏡も使用できると解すべきである。一般的
に、形状情報は上記タイプのうちの一方または他方のタ
イプである走査プローブ形顕微鏡を使用して発生され
る。
【００２２】更に、説明する種々の実施例では、プロー
ブ先端に対してサンプルを移動するためのセパレート式
のＸＹ位置決め装置が示されている。次に、サンプルに
対してＺ方向に移動するためのプローブ先端も示されて
いる。サンプルをＸＹ方向に移動する代わりに、サンプ
ル表面に対してプローブ先端を高さ方向、すなわちＺ方
向に移動しながら、更にプローブ先端をＸＹ方向に移動
させることもできる。従って、サンプルに対するプロー
ブ先端のＺ方向すなわち高さ方向の移動を制御するため
の位置制御装置しか示していないが、サンプルを固定し
た状態に維持してプローブ先端のすべての方向へ移動さ
せてもよい。これとは別に、プローブの先端を固定し、
サンプルをＸＹ方向およびＺ方向に移動させてもよい。
説明を簡単にするため、種々の運動を図示し、かつ上記
のようになっているが、本発明はこれらの特定の構造の
みに限定されるものではない。
ブ先端に対してサンプルを移動するためのセパレート式
のＸＹ位置決め装置が示されている。次に、サンプルに
対してＺ方向に移動するためのプローブ先端も示されて
いる。サンプルをＸＹ方向に移動する代わりに、サンプ
ル表面に対してプローブ先端を高さ方向、すなわちＺ方
向に移動しながら、更にプローブ先端をＸＹ方向に移動
させることもできる。従って、サンプルに対するプロー
ブ先端のＺ方向すなわち高さ方向の移動を制御するため
の位置制御装置しか示していないが、サンプルを固定し
た状態に維持してプローブ先端のすべての方向へ移動さ
せてもよい。これとは別に、プローブの先端を固定し、
サンプルをＸＹ方向およびＺ方向に移動させてもよい。
説明を簡単にするため、種々の運動を図示し、かつ上記
のようになっているが、本発明はこれらの特定の構造の
みに限定されるものではない。
【００２３】図３は本発明の装置および方法を一般的な
形態で示す。図３から判るように、本発明は２段階の走
査装置であり、この装置はまず精密位置センサ、例えば
原子間力センサまたはトンネル効果電流プローブを使用
してサンプルの表面形状を走査し、表面の形状の正確な
表示をメモリに記憶する。この記憶された形状情報は、
形状以外の別の測定または別個の仕事を行う第２回の走
査中に、表面に対してプローブを正確に位置決めするの
に使用される。
形態で示す。図３から判るように、本発明は２段階の走
査装置であり、この装置はまず精密位置センサ、例えば
原子間力センサまたはトンネル効果電流プローブを使用
してサンプルの表面形状を走査し、表面の形状の正確な
表示をメモリに記憶する。この記憶された形状情報は、
形状以外の別の測定または別個の仕事を行う第２回の走
査中に、表面に対してプローブを正確に位置決めするの
に使用される。
【００２４】本発明は記憶されたデータのみを使用する
ことにより、第２回の操作段階でプローブを位置決めで
きるので、点ごと、ラインごとまたはラスター像式のい
ずれかで、このような２段階の操作を行うことができ
る。第２段階では、直接的な位置フィードバックを行う
必要はないが、かかるフィードバックが望ましい場合
は、これを用いることもできると解される。しかしなが
ら通常は第２回の操作段階ではプローブの位置制御装置
は表面の形状を示す、メモリに記憶されたデータを使用
して形状以外の測定を行うのに、または他のある仕事を
行うのに好ましいようにプローブを位置決めする。表面
に対するプローブの好ましい位置は測定または仕事に応
じて決まるが、プローブは表面に接触するか、最適距離
だけ表面から上に離間するか、または表面より上に上昇
し次に表面に接触したり、または他の態様で移動しても
よいと解すべきである。
ことにより、第２回の操作段階でプローブを位置決めで
きるので、点ごと、ラインごとまたはラスター像式のい
ずれかで、このような２段階の操作を行うことができ
る。第２段階では、直接的な位置フィードバックを行う
必要はないが、かかるフィードバックが望ましい場合
は、これを用いることもできると解される。しかしなが
ら通常は第２回の操作段階ではプローブの位置制御装置
は表面の形状を示す、メモリに記憶されたデータを使用
して形状以外の測定を行うのに、または他のある仕事を
行うのに好ましいようにプローブを位置決めする。表面
に対するプローブの好ましい位置は測定または仕事に応
じて決まるが、プローブは表面に接触するか、最適距離
だけ表面から上に離間するか、または表面より上に上昇
し次に表面に接触したり、または他の態様で移動しても
よいと解すべきである。
【００２５】図３に示すように、プローブ１００はサン
プル１０２の表面に接触するか、またはそのすぐ上方に
位置するかのいずれかに示されている。プローブが原子
間力形顕微鏡の原理で形状情報を検出する場合は、通常
プローブはサンプル１０２の表面に接触する。しかしな
がら、プローブが走査トンネル効果形顕微鏡の原理でサ
ンプル１０２の表面の形状を検出する場合、プローブは
数個の原子の距離だけ表面から上に離間する。使用する
走査プローブ形顕微鏡のタイプに応じて、検出器１０４
はサンプル１０２の表面の形状を検出し、信号プロセッ
サ１０６に印加される信号を発生する。
プル１０２の表面に接触するか、またはそのすぐ上方に
位置するかのいずれかに示されている。プローブが原子
間力形顕微鏡の原理で形状情報を検出する場合は、通常
プローブはサンプル１０２の表面に接触する。しかしな
がら、プローブが走査トンネル効果形顕微鏡の原理でサ
ンプル１０２の表面の形状を検出する場合、プローブは
数個の原子の距離だけ表面から上に離間する。使用する
走査プローブ形顕微鏡のタイプに応じて、検出器１０４
はサンプル１０２の表面の形状を検出し、信号プロセッ
サ１０６に印加される信号を発生する。
【００２６】通常の走査プローブ形顕微鏡では、信号プ
ロセッサは位置制御装置１０８に信号を送り、位置制御
装置１０８はカンチレバー１０１の端に示されているプ
ローブ１００のＺ位置を制御でき、更に、ＸＹ位置決め
装置１１２を使用して、プローブ１００とサンプルとの
間のＸＹ位置も決定できる。上記のようにプローブ１０
０のＸＹ位置も制御するようにできるので、この場合、
サンプル１０２を移動する必要はなくなる。また、プロ
ーブの先端１００を固定しておいて、サンプル１０２を
ＸＹ方向に移動するだけでなく、Ｚ方向にも移動するこ
ともできる。
ロセッサは位置制御装置１０８に信号を送り、位置制御
装置１０８はカンチレバー１０１の端に示されているプ
ローブ１００のＺ位置を制御でき、更に、ＸＹ位置決め
装置１１２を使用して、プローブ１００とサンプルとの
間のＸＹ位置も決定できる。上記のようにプローブ１０
０のＸＹ位置も制御するようにできるので、この場合、
サンプル１０２を移動する必要はなくなる。また、プロ
ーブの先端１００を固定しておいて、サンプル１０２を
ＸＹ方向に移動するだけでなく、Ｚ方向にも移動するこ
ともできる。
【００２７】プローブ１００またはサンプル１０２のＸ
Ｙ位置のみならず、Ｚ位置を表示する信号プロセッサ１
０６からの出力は、次にメモリ１１４に記憶される。こ
うしてメモリ１１４に記憶された情報は、本質的にはサ
ンプル１０２の表面の形状に関するものである。次に、
この記憶された形状データは後にサンプル１０２の表面
形状を示す信号として得ることができる。より詳細に
は、サンプル１０２の形状を示す記憶情報はサンプル１
０２の表面の２回目の走査中に信号プロセッサ１０６へ
の入力信号として供給できる。記憶された形状信号は位
置制御装置１０８を制御でき、表面の既知の形状に対す
る所望のＸＹＺ位置にプローブ先端を位置させ、形状以
外の所定の測定または所定の仕事を行うことができる。
Ｙ位置のみならず、Ｚ位置を表示する信号プロセッサ１
０６からの出力は、次にメモリ１１４に記憶される。こ
うしてメモリ１１４に記憶された情報は、本質的にはサ
ンプル１０２の表面の形状に関するものである。次に、
この記憶された形状データは後にサンプル１０２の表面
形状を示す信号として得ることができる。より詳細に
は、サンプル１０２の形状を示す記憶情報はサンプル１
０２の表面の２回目の走査中に信号プロセッサ１０６へ
の入力信号として供給できる。記憶された形状信号は位
置制御装置１０８を制御でき、表面の既知の形状に対す
る所望のＸＹＺ位置にプローブ先端を位置させ、形状以
外の所定の測定または所定の仕事を行うことができる。
【００２８】プローブの先端１００は検出器１０４を使
用して走査プローブ装置による他の測定を行ったり、プ
ローブの先端で他の仕事を行うことができるように、別
の機能を有することができる。例えば、第２回の走査中
に次の測定または仕事、すなわち磁界または電界の測
定、表面温度の測定、種々の電気化学的測定、表面のマ
イクロ機械加工、ＤＮＡのストランドの操作を行っても
よい。これら他の測定または仕事のいずれも、高い信頼
性で行うことができる。その理由は、第２回の表面の走
査では表面の形状は正確なマップに作成されているの
で、プローブの位置を表面に接触させるか、または最適
または一定の距離だけ表面から上方に離間させたり、ま
たは表面に対して所望の運動を行わせ、信頼性の高い測
定または仕事を行うことができるからである。
用して走査プローブ装置による他の測定を行ったり、プ
ローブの先端で他の仕事を行うことができるように、別
の機能を有することができる。例えば、第２回の走査中
に次の測定または仕事、すなわち磁界または電界の測
定、表面温度の測定、種々の電気化学的測定、表面のマ
イクロ機械加工、ＤＮＡのストランドの操作を行っても
よい。これら他の測定または仕事のいずれも、高い信頼
性で行うことができる。その理由は、第２回の表面の走
査では表面の形状は正確なマップに作成されているの
で、プローブの位置を表面に接触させるか、または最適
または一定の距離だけ表面から上方に離間させたり、ま
たは表面に対して所望の運動を行わせ、信頼性の高い測
定または仕事を行うことができるからである。
【００２９】上記のように、図４〜図６は本発明の３つ
の特定の実施例を示すものであるが、本願に図示した特
定の実施例以外の他の多くのタイプの測定または仕事を
行うことができると解すべきである。
の特定の実施例を示すものであるが、本願に図示した特
定の実施例以外の他の多くのタイプの測定または仕事を
行うことができると解すべきである。
【００３０】図４はサンプル１０２がデジタル記憶磁気
媒体、（例えばハードディスク）の磁界の測定を行うた
めの本発明の特定の実施例を示す。図４の実施例では、
プローブ１００は磁気先端を含み、好ましくは形状測定
のための第１回の走査は原子間力形顕微鏡（ＡＦＭ）に
よって行われる。上記のように、本発明はサンプルの表
面を少なくとも２回走査するものである。図４の実施例
では、まずサンプルの形状を測定し、それをメモリ１１
４に記憶するのに原子間力形顕微鏡による走査を行う。
第２回の走査では、磁気先端１０１をサンプル１０２の
表面から上方に所定の距離に維持し、サンプル内の磁気
力を測定する。
媒体、（例えばハードディスク）の磁界の測定を行うた
めの本発明の特定の実施例を示す。図４の実施例では、
プローブ１００は磁気先端を含み、好ましくは形状測定
のための第１回の走査は原子間力形顕微鏡（ＡＦＭ）に
よって行われる。上記のように、本発明はサンプルの表
面を少なくとも２回走査するものである。図４の実施例
では、まずサンプルの形状を測定し、それをメモリ１１
４に記憶するのに原子間力形顕微鏡による走査を行う。
第２回の走査では、磁気先端１０１をサンプル１０２の
表面から上方に所定の距離に維持し、サンプル内の磁気
力を測定する。
【００３１】図４に第２回の走査で特定して示すよう
に、磁気力１２０はサンプル１０２の特定部分に局部的
に存在する。第２回の走査中は磁気先端１００に作用す
る磁気力１２０により生じるカンチレバー１１０のたわ
みが検出器１０４により検出され、磁界の像を示す出力
信号が発生できる。この像は信号１２２により示され
る。このカンチレバー１１０のたわみは検出器１０４に
より直接測定できる。これとは別に、使用できる別の技
術では、共振周波数に近い周波数でカンチレバーを振動
させ、この結果生じる振動の振幅を検出器１０４で測定
し、磁界を測定する方法もある。また本願発明者により
出願された超低力形原子間力形顕微鏡（An Ultra Low F
orce Atomic Force Microscope）を発明の名称とする継
続中の米国特許出願に記載されているように、振動中の
先端でサンプルの表面を打つことにより形状を測定する
こともできる。また、ルーガーによる非接触原子間力形
顕微鏡モードで形状を測定することもできるが、この方
法は現在のところ多少不安定である。
に、磁気力１２０はサンプル１０２の特定部分に局部的
に存在する。第２回の走査中は磁気先端１００に作用す
る磁気力１２０により生じるカンチレバー１１０のたわ
みが検出器１０４により検出され、磁界の像を示す出力
信号が発生できる。この像は信号１２２により示され
る。このカンチレバー１１０のたわみは検出器１０４に
より直接測定できる。これとは別に、使用できる別の技
術では、共振周波数に近い周波数でカンチレバーを振動
させ、この結果生じる振動の振幅を検出器１０４で測定
し、磁界を測定する方法もある。また本願発明者により
出願された超低力形原子間力形顕微鏡（An Ultra Low F
orce Atomic Force Microscope）を発明の名称とする継
続中の米国特許出願に記載されているように、振動中の
先端でサンプルの表面を打つことにより形状を測定する
こともできる。また、ルーガーによる非接触原子間力形
顕微鏡モードで形状を測定することもできるが、この方
法は現在のところ多少不安定である。
【００３２】しかしながら、より重要なことに、本発明
は磁気力の強さ、方向または不連続性と無関係にメモリ
１１４からの記憶された形状情報を使用してサンプル１
０２の表面上を高い信頼性で、かつ正確にガイドされる
プローブ１００を提供するものである。本発明はサンプ
ルが導電性でない場合、原子間力形顕微鏡を用いて形状
を検出し、サンプルがサンプルが導電性であれば、原子
間力または走査トンネル形顕微鏡のいずれかを用いるこ
とができるので、導電性サンプルまたは非導電性サンプ
ルのいずれにも実施できる。
は磁気力の強さ、方向または不連続性と無関係にメモリ
１１４からの記憶された形状情報を使用してサンプル１
０２の表面上を高い信頼性で、かつ正確にガイドされる
プローブ１００を提供するものである。本発明はサンプ
ルが導電性でない場合、原子間力形顕微鏡を用いて形状
を検出し、サンプルがサンプルが導電性であれば、原子
間力または走査トンネル形顕微鏡のいずれかを用いるこ
とができるので、導電性サンプルまたは非導電性サンプ
ルのいずれにも実施できる。
【００３３】振動カンチレバーの使用により、磁気勾配
の検出も可能である。より詳細には一定の磁界により振
動の中心がシフトするが、磁気勾配は有効バネ定数を変
え、カンチレバーおよびプローブ先端の共振周波数をシ
フトさせる。よって、共振しないように振動を駆動で
き、磁気勾配に起因する検出共振周波数の変化を振動振
幅の変化として観察できる。第２回の走査中のプローブ
の先端１００は高さの測定には使用されず、サンプルの
表面とは接触しないので、図４の実施例では磁気力また
は磁気勾配の真の測定値をプローブの先端１００のＸＹ
位置の関数として与えることができる。磁気吸引力およ
び磁気反発力のいずれも、先端が表面から離間してお
り、いずれの方向にも応答できるので、測定が可能であ
る。
の検出も可能である。より詳細には一定の磁界により振
動の中心がシフトするが、磁気勾配は有効バネ定数を変
え、カンチレバーおよびプローブ先端の共振周波数をシ
フトさせる。よって、共振しないように振動を駆動で
き、磁気勾配に起因する検出共振周波数の変化を振動振
幅の変化として観察できる。第２回の走査中のプローブ
の先端１００は高さの測定には使用されず、サンプルの
表面とは接触しないので、図４の実施例では磁気力また
は磁気勾配の真の測定値をプローブの先端１００のＸＹ
位置の関数として与えることができる。磁気吸引力およ
び磁気反発力のいずれも、先端が表面から離間してお
り、いずれの方向にも応答できるので、測定が可能であ
る。
【００３４】図５は、サンプルの電界強度の測定を行う
本発明の別の実施例を示す。このタイプの測定は集積回
路のテストにも使用できる。一般的に、電界強度の測定
のため先端１００は導電性であり、第１回の走査は原子
間力形顕微鏡または走査トンネル効果形顕微鏡を使用し
て行うことができ、形状に関する像を示す情報をメモリ
１１４に記憶する。第２回の走査では形状を示す記憶デ
ータを使用してサンプル１０２の表面上での導電性先端
１００の走査を制御する。
本発明の別の実施例を示す。このタイプの測定は集積回
路のテストにも使用できる。一般的に、電界強度の測定
のため先端１００は導電性であり、第１回の走査は原子
間力形顕微鏡または走査トンネル効果形顕微鏡を使用し
て行うことができ、形状に関する像を示す情報をメモリ
１１４に記憶する。第２回の走査では形状を示す記憶デ
ータを使用してサンプル１０２の表面上での導電性先端
１００の走査を制御する。
【００３５】電源１２６は先端１００とサンプル１０２
との間に電圧差を生じさせ、先端１００とサンプル１０
２の間に電界を生じさせるようになっている。この電界
はサンプル表面と先端との間、または先端と表面より下
方の構造、例えば集積回路内のゲートとの間にも生じ
る。先端とサンプルとの間に生じるこのような電界によ
り、先端とサンプルとの間に吸引力が生じ、この吸引力
は先端をサンプル表面上で走査する際に測定できる。こ
の引き寄せ力は先端とサンプルとの間の電圧を変えるこ
とにより変えることができる。更に、電源１２６はサン
プル上の電界を測定するのに検出器１０４をフィルタと
位相検出用検出器とで構成できるよう発振用部品を含む
ことができる。一般に、この発振周波数は感度を高める
ようにプローブ／カンチレバー構造体１１０の共振周波
数近くに選択される。
との間に電圧差を生じさせ、先端１００とサンプル１０
２の間に電界を生じさせるようになっている。この電界
はサンプル表面と先端との間、または先端と表面より下
方の構造、例えば集積回路内のゲートとの間にも生じ
る。先端とサンプルとの間に生じるこのような電界によ
り、先端とサンプルとの間に吸引力が生じ、この吸引力
は先端をサンプル表面上で走査する際に測定できる。こ
の引き寄せ力は先端とサンプルとの間の電圧を変えるこ
とにより変えることができる。更に、電源１２６はサン
プル上の電界を測定するのに検出器１０４をフィルタと
位相検出用検出器とで構成できるよう発振用部品を含む
ことができる。一般に、この発振周波数は感度を高める
ようにプローブ／カンチレバー構造体１１０の共振周波
数近くに選択される。
【００３６】また、プローブ先端１００の走査を制御す
るのに使用されるメモリ１１４内に記憶された形状情報
により、プローブはサンプル１０２の表面より上の所定
高さに維持することができ、形状データと電界データと
の混じり合いを防止する。図５の実施例に示すような装
置の使用例としては、集積回路を走査し、回路内の種々
の位置において作動中の回路の電圧を測定する例があ
る。図５の実施例は回路電圧を接触状態で測定しないよ
うに回路上に絶縁材料、例えば二酸化シリコンの薄膜が
広がっている時でも作動する。検出器１０４からの出力
信号はグラフ１２８に示すような電界像を示すことがで
きる。
るのに使用されるメモリ１１４内に記憶された形状情報
により、プローブはサンプル１０２の表面より上の所定
高さに維持することができ、形状データと電界データと
の混じり合いを防止する。図５の実施例に示すような装
置の使用例としては、集積回路を走査し、回路内の種々
の位置において作動中の回路の電圧を測定する例があ
る。図５の実施例は回路電圧を接触状態で測定しないよ
うに回路上に絶縁材料、例えば二酸化シリコンの薄膜が
広がっている時でも作動する。検出器１０４からの出力
信号はグラフ１２８に示すような電界像を示すことがで
きる。
【００３７】図６は、サンプル１０２の表面における電
気化学的信号を測定するための本発明に係わる更に別の
実施例を示す。図６では導電性先端を使用することがで
きる。原子間力形または走査トンネル効果形顕微鏡のい
ずれかを使用した第１回の走査では、信号プロセッサ１
０６および位置制御装置１０８からの情報に基づき、メ
モリ１１４にサンプル１０２の表面の正確な形状に関す
る像を記憶する。
気化学的信号を測定するための本発明に係わる更に別の
実施例を示す。図６では導電性先端を使用することがで
きる。原子間力形または走査トンネル効果形顕微鏡のい
ずれかを使用した第１回の走査では、信号プロセッサ１
０６および位置制御装置１０８からの情報に基づき、メ
モリ１１４にサンプル１０２の表面の正確な形状に関す
る像を記憶する。
【００３８】次に、サンプル１０２の表面の第２回の走
査の際は、電気化学的測定を行うよう表面の上の最適高
さに先端１００を保持するよう、記憶された形状情報を
使用する。導電性先端が表面に過度に接近して保持され
ると、トンネル効果電流または接触電流が電気化学的測
定を妨害する。従って、記憶された形状データを用いる
ことにより、表面の上にあるプローブ先端１００の高さ
に起因する作用による妨害を受けることなく、所望の電
気化学的信号の正確な測定が可能となる。電気化学的像
を示す検出器１０４からの出力信号はグラフ１３０に示
されているようなものである。
査の際は、電気化学的測定を行うよう表面の上の最適高
さに先端１００を保持するよう、記憶された形状情報を
使用する。導電性先端が表面に過度に接近して保持され
ると、トンネル効果電流または接触電流が電気化学的測
定を妨害する。従って、記憶された形状データを用いる
ことにより、表面の上にあるプローブ先端１００の高さ
に起因する作用による妨害を受けることなく、所望の電
気化学的信号の正確な測定が可能となる。電気化学的像
を示す検出器１０４からの出力信号はグラフ１３０に示
されているようなものである。
【００３９】本発明のいずれの実施例においても、形状
以外のパラメータの第２回の測定または所望の仕事は、
ポイントごと、ラインごとまたは全ラスター像ごとのい
ずれかで行うことができる。従って、ポイントごと、ラ
インごとまたは全ラスター像ごとの走査を第１回の走査
と第２回の走査で交互に変えることができる。例えば、
走査ラインを交互に行うよう選択すれば、装置は一本の
走査ラインおきに通常の走査プローブ形顕微鏡として機
能し、一本の走査ラインおきに、装置は形状以外のパラ
メータを検出するか、または所望の仕事を行う。記憶さ
れた信号は異なるＸＹ位置のすべてにおいて、表面に対
するプローブの高さすなわちＺ位置を制御するのに使用
される。
以外のパラメータの第２回の測定または所望の仕事は、
ポイントごと、ラインごとまたは全ラスター像ごとのい
ずれかで行うことができる。従って、ポイントごと、ラ
インごとまたは全ラスター像ごとの走査を第１回の走査
と第２回の走査で交互に変えることができる。例えば、
走査ラインを交互に行うよう選択すれば、装置は一本の
走査ラインおきに通常の走査プローブ形顕微鏡として機
能し、一本の走査ラインおきに、装置は形状以外のパラ
メータを検出するか、または所望の仕事を行う。記憶さ
れた信号は異なるＸＹ位置のすべてにおいて、表面に対
するプローブの高さすなわちＺ位置を制御するのに使用
される。
【００４０】ポイントごとに形状以外のパラメータの測
定または所望の仕事を行いたい場合、まず、第１回の走
査で所定の点の高さを測定し、次に先に記憶された高さ
に従ってプローブに対する所望の高さを維持してもよ
い。全体の像を使用すれば、Ｙ方向にわずかにインクリ
メントしながら一連のＸ軸運動をスイープすることによ
り走査パターンが形成され、測定すべき表面領域をカバ
ーする１つのラスターを形成する。Ｙ方向にインクリメ
ントするごとに、走査プローブ形顕微鏡はＸ軸に沿って
走査し、第２の走査でプローブを位置決めする際に後に
使用できるよう、各点におけるサンプル表面の高さを記
憶する。
定または所望の仕事を行いたい場合、まず、第１回の走
査で所定の点の高さを測定し、次に先に記憶された高さ
に従ってプローブに対する所望の高さを維持してもよ
い。全体の像を使用すれば、Ｙ方向にわずかにインクリ
メントしながら一連のＸ軸運動をスイープすることによ
り走査パターンが形成され、測定すべき表面領域をカバ
ーする１つのラスターを形成する。Ｙ方向にインクリメ
ントするごとに、走査プローブ形顕微鏡はＸ軸に沿って
走査し、第２の走査でプローブを位置決めする際に後に
使用できるよう、各点におけるサンプル表面の高さを記
憶する。
【００４１】ポイントごと、ラインごとまたはラスター
ごとのいずれかによる走査は、２つの別々の像を発生す
る。一方の像とは、サンプルの表面の形状の像であり、
他方の像とは、測定済みの形状以外の別のパラメータの
像である。このように２種類の情報を分離しているた
め、本発明の重要な利点が得られる。本発明の他の特徴
は従来可能であった測定と異なるタイプの測定が可能で
あることである。
ごとのいずれかによる走査は、２つの別々の像を発生す
る。一方の像とは、サンプルの表面の形状の像であり、
他方の像とは、測定済みの形状以外の別のパラメータの
像である。このように２種類の情報を分離しているた
め、本発明の重要な利点が得られる。本発明の他の特徴
は従来可能であった測定と異なるタイプの測定が可能で
あることである。
【００４２】例えば、磁界と磁気勾配の双方を測定する
ことが可能である。２回目の走査中は表面には接触しな
いので、磁気力によるカンチレバーの直接的なたわみは
磁界強度のみに比例する。他方、カンチレバーおよび磁
気プローブ先端の振動共振周波数は磁気勾配によって変
移し、この磁気勾配はカンチレバーのバネ定数プラス距
離に従って変化する力を発生する。
ことが可能である。２回目の走査中は表面には接触しな
いので、磁気力によるカンチレバーの直接的なたわみは
磁界強度のみに比例する。他方、カンチレバーおよび磁
気プローブ先端の振動共振周波数は磁気勾配によって変
移し、この磁気勾配はカンチレバーのバネ定数プラス距
離に従って変化する力を発生する。
【００４３】従って、所望すれば２回の走査シーケンス
を使用して磁界および磁界勾配の双方を測定できる。形
状のための１回目の走査を行い、次に平均偏向量および
カンチレバーの共振周波数を観測する振動駆動を伴う第
２回の走査を行って、磁界および磁界勾配の双方を得
る。これとは別に、磁界および磁界勾配に対する最適検
出高さを変えることができるので、第３の走査を行って
もよい。
を使用して磁界および磁界勾配の双方を測定できる。形
状のための１回目の走査を行い、次に平均偏向量および
カンチレバーの共振周波数を観測する振動駆動を伴う第
２回の走査を行って、磁界および磁界勾配の双方を得
る。これとは別に、磁界および磁界勾配に対する最適検
出高さを変えることができるので、第３の走査を行って
もよい。
【００４４】従って、本発明は形状に関連した力と明ら
かに測定値が異なる状態で、サンプルの表面における多
くの異なる測定を行えるという汎用性が高い。本発明は
第１回の走査で形状の情報を得てこれを記憶し、第２回
の走査で記憶済みの形状情報を使用してプローブの高さ
を制御しながら、別の測定または相互作用を実施すると
いう２段階の走査の操作を行うものである。
かに測定値が異なる状態で、サンプルの表面における多
くの異なる測定を行えるという汎用性が高い。本発明は
第１回の走査で形状の情報を得てこれを記憶し、第２回
の走査で記憶済みの形状情報を使用してプローブの高さ
を制御しながら、別の測定または相互作用を実施すると
いう２段階の走査の操作を行うものである。
【００４５】更に、この２段階操作は表面を変形するの
に実施できる。第２回の走査では、表面に対し既知の深
さまたは力で表面をマークするか、表面より上の所定高
さで移動させて先端と表面との間に正確な電界を発生す
るようプローブの先端を極めて正確に制御できる。かか
る技術は、微細な規模で構成または変形できる潜在力を
有するということが判っている。これら技術は本発明か
らもたらされるものである。以上で、特定実施例を参照
して本発明を説明したが、種々の変形および変更が可能
であり、本発明は特許請求の範囲のみに限定されるもの
である。
に実施できる。第２回の走査では、表面に対し既知の深
さまたは力で表面をマークするか、表面より上の所定高
さで移動させて先端と表面との間に正確な電界を発生す
るようプローブの先端を極めて正確に制御できる。かか
る技術は、微細な規模で構成または変形できる潜在力を
有するということが判っている。これら技術は本発明か
らもたらされるものである。以上で、特定実施例を参照
して本発明を説明したが、種々の変形および変更が可能
であり、本発明は特許請求の範囲のみに限定されるもの
である。
【図１】サンプル表面における磁界を測定するためのル
ーガー氏により示唆された従来の構造体を示す図。
ーガー氏により示唆された従来の構造体を示す図。
【図２】サンプル表面における磁界を検出するためのモ
ーランド氏およびライス氏により示唆された従来の構造
体。
ーランド氏およびライス氏により示唆された従来の構造
体。
【図３】形状以外のサンプル表面のパラメータを検出す
るか、サンプル表面において仕事を行うための本発明の
一般的な態様を示す図。
るか、サンプル表面において仕事を行うための本発明の
一般的な態様を示す図。
【図４】サンプルの表面における磁界を測定するための
本発明の第１実施例を示す図。
本発明の第１実施例を示す図。
【図５】サンプルの表面における電界を測定するための
本発明の第３の実施例を示す図。
本発明の第３の実施例を示す図。
【図６】サンプルの表面における電気化学的電流を測定
するための本発明の第４の実施例を示す図。
するための本発明の第４の実施例を示す図。
１００ プローブ先端 １０２ サンプル １０４ 検出器 １０６ 信号プロセッサ １０８ 位置制御装置 １１０ カンチレバーアーム １１２ ＸＹ位置決め装置 １１４ メモリ
Claims (36)
- 【請求項１】 サンプル表面に対して位置決めされたプ
ローブを含み、ＸＹ平面においてプローブとサンプル表
面との相対的移動を行い、表面に対して垂直なＺ方向に
プローブを制御し、検出し、表面の形状に応答してデー
タを発生する走査プローブ形顕微鏡において、形状を除
く表面のパラメータを正確に測定するか、または形状に
関連した仕事を行うための方法であって、 プローブによりＸＹ平面においてサンプル表面の第１回
の走査を行い、表面に対し垂直なＺ方向にプローブを制
御し、検出し、表面の形状を示すデータをプローブから
発生し、 表面の形状を示すデータを記憶し、 記憶データに従ってＸ、ＹおよびＺ方向にプローブを制
御するよう、記憶データに応答してサンプル表面をプロ
ーブによる少なくとも第２回の走査を行い、 少なくとも第２回の走査の間に形状を除く表面のパラメ
ータを測定するか、形状に関連した仕事を行う諸工程を
備えた方法。 - 【請求項２】 第１回の走査は、原子間力測定により形
状データを発生する請求項１に記載の方法。 - 【請求項３】 第１回の走査は、トンネル効果電流の測
定により形状データを発生する請求項１に記載の方法。 - 【請求項４】 第２回の走査は、磁気力に関係した表面
の測定値を発生する請求項１に記載の方法。 - 【請求項５】 測定される磁気力は、磁界、磁気勾配ま
たはその双方である請求項４に記載の方法。 - 【請求項６】 第２回の走査は、静電力に関連した表面
の測定を行う請求項１に記載の方法。 - 【請求項７】 第２回の走査は、サンプルの表面を変形
するのに使用される請求項１に記載の方法。 - 【請求項８】 変形は、サンプルの表面を切断または線
を引くことにより行われる請求項７に記載の方法。 - 【請求項９】 変形は、電界を印加することにより行わ
れる請求項７に記載の方法。 - 【請求項１０】 第２回の走査は電気化学力に関係する
表面の測定値を発生する請求項１に記載の方法。 - 【請求項１１】 形状に関する別のデータおよび第１回
および第２回の走査からの形状とは別の測定値を発生す
る別の工程を含む請求項１に記載の方法。 - 【請求項１２】 プローブとサンプルの表面との間にお
いて、形状の測定以外の相互作用を発生するための方法
であって、 ＸＹ平面において複数の位置にてサンプル表面に対しプ
ローブの第１回の走査を行い、 表面に垂直なＺ方向に複数の位置において第１回の走査
中にプローブを制御し、表面の形状を測定すると共に複
数の位置における形状を示すデータを発生し、 複数の位置における表面の形状を示すデータを記憶し、 サンプルの表面に対しプローブの第２回の走査を行い、
複数の位置における形状を示す記憶データに従って複数
の位置にてプローブのＺ方向の制御を行い、 サンプルの表面に対しプローブの第２回の走査を行い、
複数の位置における形状を示す記憶データに従って複数
の位置においてプローブをＺ方向に制御し、 第２回の走査中にプローブとサンプル表面との間で形状
の測定値を除く相互作用力を複数の位置で発生する諸工
程を備えた方法。 - 【請求項１３】 第１回の走査中の形状データの測定値
は原子間力によって得られる請求項１２に記載の方法。 - 【請求項１４】 第１回の走査中の形状データの測定値
はトンネル効果電流により得られる請求項１２に記載の
方法。 - 【請求項１５】 第２回の走査中のプローブとサンプル
表面との間の相互作用力は原子間力の値である請求項１
２に記載の方法。 - 【請求項１６】 磁気力の測定値は、磁界、磁気勾配ま
たはその双方の測定値を含む請求項１５に記載の方法。 - 【請求項１７】 第２回の走査におけるプローブとサン
プル表面との間の相互作用力は、静電力の測定値である
請求項１２に記載の方法。 - 【請求項１８】 第２回の走査におけるプローブとサン
プル表面との間の相互作用は、電気化学力の測定によっ
て行われる請求項１２に記載の方法。 - 【請求項１９】 第１回および第２回の走査から別個の
データを発生する別の工程を含む請求項１２に記載の方
法。 - 【請求項２０】 プローブと表面との間の相互作用力
は、表面を変形する力である請求項１２に記載の方法。 - 【請求項２１】 サンプル表面に対して位置決めされた
プローブを有し、ＸＹ平面においてプローブとサンプル
表面との間の相対的移動を行い、表面に対して垂直なＺ
方向にプローブを制御し、検出し、表面の形状に応答し
てデータを発生する走査プローブ形顕微鏡を含む相互作
用装置であって、 プローブによりＸＹ平面においてサンプル表面の第１回
の走査を行い、表面に対し垂直なＺ方向にプローブを制
御し、検出し、表面の形状を示すデータをプローブから
発生する手段と、 表面の形状を示すデータを記憶する手段と、 記憶データに従ってＸ、ＹおよびＺ方向にプローブを制
御するよう、記憶データに応答してサンプル表面をプロ
ーブによる少なくとも第２回の走査を行う手段と、 少なくとも第２回の走査の間に形状を除く表面のパラメ
ータを測定するか、形状に関連した仕事を行う手段とを
備えた相互作用装置。 - 【請求項２２】 第１回の走査を行うための手段は、原
子間力測定値により形状データを発生する請求項２１に
記載の装置。 - 【請求項２３】 第１回の走査を行うための手段は、ト
ンネル効果電流の測定値により形状データを発生する請
求項２１に記載の装置。 - 【請求項２４】 第２回の走査中に測定を行うための手
段は、原子間力に関係する表面の測定値を発生する請求
項２１に記載の装置。 - 【請求項２５】 測定される磁気力は、磁界、磁気勾配
またはその双方である請求項２４に記載の装置。 - 【請求項２６】 第２回の走査中に測定を行うための手
段は、静電気力に関する表面の測定を行う請求項２１に
記載の装置。 - 【請求項２７】 第２回の走査中に測定するための手段
は、電気化学力に関する表面の測定を行う請求項２１に
記載の装置。 - 【請求項２８】 第１回および第２回の走査から形状に
関係する別個のデータおよび形状以外の測定を行う手段
を含む請求項２１に記載の装置。 - 【請求項２９】 プローブとサンプル表面との間にて、
形状の測定値を除く相互作用力を発生するための装置で
あって、ＸＹ平面における複数の位置でサンプル表面に
対しプローブの第１回の走査を行うための手段と、 表面に垂直なＺ方向に複数の位置において第１回の走査
中にプローブを制御し、表面の形状を測定すると共に複
数の位置における形状を示すデータを発生する手段と、 複数の位置における表面の形状を示すデータを記憶する
手段と、 サンプルの表面に対しプローブの第２回の走査を行い、
複数の位置における形状を示す記憶データに従って複数
の位置にてプローブのＺ方向の制御を行うための手段
と、 サンプルの表面に対しプローブの第２回の走査を行い、
複数の位置における形状を示す記憶データに従って複数
の位置においてプローブをＺ方向に制御するための手段
と、 第２回の走査中にプローブとサンプル表面との間で形状
の測定を除く相互作用力を複数の位置で発生するための
手段を備えた相互作用力を発生するための装置。 - 【請求項３０】 第１回の走査中の形状データの測定値
は原子間力によって得られる請求項２９に記載の装置。 - 【請求項３１】 第１回の走査中の形状データの測定値
はトンネル効果電流により得られる請求項２９に記載の
装置。 - 【請求項３２】 第２回の走査中のプローブとサンプル
表面との間の相互作用力は原子間力の測定値である請求
項２９に記載の装置。 - 【請求項３３】 磁気力の測定値は、磁界、磁気勾配ま
たはその双方の測定値を含む請求項３２に記載の装置。 - 【請求項３４】 第２回の走査におけるプローブとサン
プル表面との間の相互作用力は、静電気力の測定値であ
る請求項２９に記載の装置。 - 【請求項３５】 第２回の走査におけるプローブとサン
プル表面との間の相互作用力は、電気化学力の測定値で
ある請求項２９に記載の装置。 - 【請求項３６】 第１回および第２回の走査から別個の
データを発生する別の工程を含む請求項２９に記載の装
置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US982871 | 1992-11-30 | ||
| US07982871 US5308974B1 (en) | 1992-11-30 | 1992-11-30 | Scanning probe microscope using stored data for vertical probe positioning |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06213910A true JPH06213910A (ja) | 1994-08-05 |
| JP2837083B2 JP2837083B2 (ja) | 1998-12-14 |
Family
ID=25529589
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5298454A Expired - Lifetime JP2837083B2 (ja) | 1992-11-30 | 1993-11-29 | 形状を除く表面のパラメータを正確に測定し、または形状に関連した仕事を行うための方法および相互作用装置 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (2) | US5308974B1 (ja) |
| EP (1) | EP0600452B1 (ja) |
| JP (1) | JP2837083B2 (ja) |
| DE (1) | DE69320920T2 (ja) |
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| KR20180082668A (ko) * | 2017-01-09 | 2018-07-19 | 세종대학교산학협력단 | Afm을 이용한 3차원 스캔 방법 |
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