JPH0626852A - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】試料の表面を正確に表現する画像を得ることの
できる走査型プローブ顕微鏡を提供する。 【構成】カンチレバー５の変位を検出する光てこセンサ
ユニット４は、ｚステージ９に設けた円筒型圧電体１５
の上に取り付けてある。ｚステージ９の上端には、光て
こセンサユニット４のｚ位置を検出するｚ変位検出セン
サ１３が取り付けてある。円筒型圧電体１５の内側に
は、上端に試料台２４を設けた円筒型圧電体７と、試料
６のｘｙ位置を検出する変位検出センサ１４ａと１４ｂ
が設けてある。円筒型圧電体７はマイコン３１からの走
査信号に従ってｘｙ走査を行ない、その間、円筒型圧電
体１５はｚ制御回路３４からのサーボ信号に従って伸縮
し、カンチレバー５の変位を一定に保つ。ホストコンピ
ュータ３２は各変位信号を取り込み、これらの変位信号
に基づいて試料表面の画像を形成して表示する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、試料の表面に沿って探
針を走査することにより試料の情報を得る走査型プロー
ブ顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】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）や原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）
や磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）などが知られている。

【０００３】ＳＴＭは、１ｎｍ程度の間隔で配置された
導電性の探針と試料の間に電圧を印加した際に流れ、そ
の大きさが間隔に依存して変化するトンネル電流の性質
を利用し、トンネル電流を一定に保ちながら探針を試料
表面に沿って走査したときの探針の位置情報に基づいて
試料表面の形状を計測する装置である。

【０００４】一方、ＡＦＭとＭＦＭは共に、柔軟なカン
チレバーの自由端に設けた探針を試料に近づけた際に探
針と試料の間に作用する力（ＡＦＭでは原子間力、ＭＦ
Ｍでは磁気力）を利用して試料の情報を得ている。つま
り、探針の受ける力に応じて生じるカンチレバーの自由
端の変位を一定に保ちながら試料の表面を走査し、その
ときの探針の位置情報から試料の情報を得ている。この
ように探針と試料の間に作用する何等かの力を利用して
試料観察を行なうこれらの装置は総称して走査型力顕微
鏡（ＳＦＭ）と呼ばれている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このような走査型プロ
ーブ顕微鏡では、走査のために探針や試料を移動させる
手段には、通常はｎｍの精度で位置制御が行なえる圧電
素子を使用している。そして、探針や試料の位置は圧電
素子に印加した電圧から求めている。

【０００６】ところで、一般に圧電素子は、図１０に示
すように、印加電圧と変位との間の関係にヒステリシス
を有している。このため、印加電圧から求めた探針や試
料の位置はヒステリシスによる誤差を含んでおり、この
ように求めた位置情報に基づいて形成した画像は厳密な
意味で実際の試料表面を正確に表現していないことにな
る。本発明は、試料の表面を正確に表現した画像を得る
ことのできる走査型プローブ顕微鏡を提供することを目
的とする。

【０００７】

【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、試料表面に対して探針を平行な方向に移動さ
せるｘｙ走査手段と、試料表面に対して探針を垂直な方
向に移動させるｚ走査手段と、試料表面に平行な方向に
おける探針の相対的な位置を検出する手段であって、ヒ
ステリシスのない出力特性を有しているｘｙ位置検出手
段と、試料表面に垂直な方向における探針の相対的な位
置を検出する手段であって、ヒステリシスのない出力特
性を有しているｚ位置検出手段と、探針先端と試料表面
の間隔に依存して変化する物理量を探針と試料の間に発
生させる手段と、ｘｙ走査手段により探針を試料表面に
沿って走査する間、常に物理量が一定になるようにｚ走
査手段を制御する制御手段と、ｘｙ位置検出手段とｚ位
置検出手段により得られる試料表面に対する探針の相対
的な位置情報に基づいて試料表面の画像を形成する手段
とを備えている。

【０００８】

【作用】本発明では、探針を試料表面に沿って走査する
間、試料表面に対する探針の三次元的な位置は、ヒステ
リシスのない出力特性を持った位置検出手段を用いて検
出される。すなわち、試料表面に平行なｘｙ方向におけ
る探針のｘｙ位置はｘｙ位置検出手段により求められ、
試料表面に垂直なｚ方向における探針のｚ位置はｚ位置
検出手段により求められる。これらの位置検出手段は、
光てこ法や干渉法などを用いた光学系により構成され、
その変位出力特性にはヒステリシスがなく再現性が高
い。従って、これらの位置検出手段により得られる探針
の位置情報は誤差が少ない。試料表面の画像は、この誤
差の少ない位置情報に基づいて形成される。

【０００９】

【実施例】以下、図面を参照しながら本発明の実施例に
ついて説明する。

【００１０】まず、本発明の第一実施例である原子間力
顕微鏡について図１〜図３を参照しながら説明する。本
実施例は、図１に示すように、光てこセンサユニット４
を有している。光てこセンサユニット４は、自由端に探
針を有するカンチレバー５と、レーザービームを射出す
るレーザーダイオード３と、レーザービームをカンチレ
バー５の自由端に向けて偏向するミラー２と、カンチレ
バー５の自由端で反射されたレーザービームを受光する
フォトディテクター１とを有している。光てこセンサユ
ニット４は、ｚステージ９に固定した円筒型圧電体１５
の上にセンサユニット支持部２１を介して設けられてい
る。円筒型圧電体１５は、光てこセンサユニット４を上
下方向すなわちｚ方向に移動させる。ｚステージ９は、
モーター８によりｚ方向に移動できるようにリニアガイ
ド１０を介して基盤１１に取り付けられており、移動を
円滑に行なうためのばね１２がｚステージ９と基盤１１
の間に設けられている。ｚステージ９の上端には、光て
こセンサユニット４のｚ方向の位置を光学的に検出する
ｚ変位検出センサ１３が取り付けてある。また、ｚステ
ージ９は円筒型圧電体１５を取り付けた底部に開口を有
しており、これらの内側に、下端が基盤１１に固定され
た円筒型圧電体７が配置されている。円筒型圧電体７の
上端には試料６を載せる試料台２４が取り付けてあり、
円筒型圧電体７はこの試料６をｘｙ方向に移動させる。
さらに、円筒型圧電体１５の内側には、試料６のｘｙ位
置を光学的に検出するｘ変位検出センサ１４ａとｙ変位
検出センサ１４ｂが設けられている。このｘ変位検出セ
ンサ１４ａとｙ変位検出センサ１４ｂさらに上述したｚ
変位検出センサには、光干渉計センサや容量変位計セン
サ・バンドルファイバ型変位計センサ・臨界角法による
変位計センサ（ＨＩＰＯＳＳ）等の非接触型変位検出セ
ンサを用いる。これらの変位検出センサの変位−出力信
号特性は図９に示すようにヒステリシスを含んでいな
い。

【００１１】次に図３を参照しながら測定動作について
説明する。まず、フォトディテクター１の出力をモニタ
ーしながらモーター８を用いてｚステージ９を下げて行
き、カンチレバー５の探針と試料６の間に所定の大きさ
の原子間力が発生し、フォトディテクター１が所定の出
力を示したところで接近を停止させる（図２（Ａ））。

【００１２】続いて、この状態からマイコン３１による
制御に従ってｘｙ走査が行なわれる。マイコン３１から
出力されるｘ走査信号とｙ走査信号はそれぞれＤ／Ａ３
７と３８を介して円筒型圧電体７に供給される。円筒型
圧電体７は入力される走査信号に従って試料６をｘｙ方
向に移動させる。この移動は例えばカンチレバー５の探
針により試料６の表面がラスター走査されるように行な
われる。このとき試料６の位置は、常にｘ変位検出セン
サ１４ａとｙ変位検出センサ１４ｂにより検出されてお
り、その位置情報であるｘ変位信号とｙ変位信号はそれ
ぞれＡ／Ｄ３５と３６を介してマイコン３１に取り込ま
れる。

【００１３】この走査の間、光てこセンサユニット４か
ら出力されるカンチレバー変位信号は常にｚ制御回路３
４に入力されており、ｚ制御回路３４はカンチレバー変
位信号を一定に保つように円筒型圧電体１５を駆動する
ｚサーボ信号を出力している。例えば図２（Ｂ）に示す
ように、試料６をｘ方向に移動させると、試料６の表面
の凹凸に応じて試料表面と探針の間隔が変化するため、
フォトディテクター１から出力されるカンチレバー変位
信号が変化する。ｚ制御回路３４は、この変化が消える
ように、すなわち探針と試料表面の間隔が初期の値に戻
るように、光てこセンサユニット４を移動させるｚサー
ボ信号を円筒型圧電体１５に供給している。このとき、
光てこセンサユニット４の位置すなわち探針の位置は、
ｚ変位検出センサ１３により検出されており、その位置
情報であるｚ変位信号はＡ／Ｄ３３を介してマイコン３
１に入力されている。

【００１４】マイコン３１は、入力したｘ変位信号とｙ
変位信号とｚ変位信号をホストコンピュータ３２に転送
し、ホストコンピュータ３２はｚ変位信号をｘ変位信号
とｙ変位信号に同期させて処理することにより、試料６
の表面の画像を形成し、これを表示する。上述したよう
に、ｘ変位検出センサ１４ａとｙ変位検出センサ１４ｂ
とｚ変位検出センサ１３は変位出力特性にヒステリシス
を含んでいないので、こられの変位検出センサにより得
られた変位信号に基づいて形成された画像は試料表面を
精度良く示している。

【００１５】次に本発明の第二実施例である原子間力顕
微鏡について図４〜図６を参照しながら説明する。本実
施例では、カンチレバーの変位を検出する手段として、
第一実施例の光てこセンサユニットに代えて光ファイバ
ーセンサユニットを用いている。また、ｚ変位検出セン
サには、臨界角法による変位計センサ（ＨＩＰＯＳＳ）
を用いている。

【００１６】図４に示すように、光ファイバーセンサユ
ニット６０は光干渉計６２を備えている。光干渉計６２
には光ファイバー６１が設けられており、この光ファイ
バー６１により測定光がカンチレバー５の自由端に導か
れる。光ファイバーセンサユニット６０は、上方からの
試料観察を可能にする開口を有している。

【００１７】ｚ変位検出センサ１３は、ｚステージ９に
対してｚ方向に移動可能にリニアガイド２０を介して設
けられたｚ変位センサステージ１７に支持されている。
このｚセンサステージ１７とｚステージ９の間には、ｚ
センサステージ１７を下方に付勢するばね１９が設けら
れており、ｚセンサステージ１７にはこれを上方に引き
上げるためのモーター１８が取り付けられている。ｚ変
位検出センサ１３は、臨界角法を用いた変位計測光学系
１３ａと、対物レンズ１３ｂとを有している。この対物
レンズ１３ｂを介して試料６を光学的に観察する、ＣＣ
Ｄセンサ１６を設置した観察光学系２２が、ｚ変位検出
センサ１３の上に配置されている。

【００１８】光干渉計６２からの光干渉計計測光４１
は、図５に示すように、光ファイバー６１の先端からカ
ンチレバー５の自由端に照射される。また、観察光学系
２２からの観察光４２は、一部がカンチレバー５に遮ら
れながらも試料６に照射される。ｚ変位検出センサ１３
からのｚ変位計測光４３はカンチレバー５の固定端に照
射される。

【００１９】試料６を載せる試料台２４は、図６に示す
ように、隣接する二つの平面が互いに直交している板状
に形成されている。この試料台２４は、その側面がｘ方
向とｙ方向に直交するように、ｘｙ微動素子である円筒
型圧電体７の自由端に取り付けられている。ｘ変位検出
センサ１４ａとｙ変位検出センサ１４ｂは、それぞれｘ
方向に直交した側面とｙ方向に直交した側面を測定面と
する容量変位検出センサで構成されている。

【００２０】本実施例の装置による測定は、第一実施例
と同様に行なわれ、試料表面を精度良く表現した画像が
得られる。本実施例では、原子間力顕微鏡による測定と
同時に、観察光学系により試料を光学的に観察すること
ができる。

【００２１】続いて、本実施例の変形例について図７と
図８を参照しながら説明する。本実施例では、図７に示
すように、光ファイバーセンサユニット６０をｘｙ方向
に移動させる円筒型圧電体１５がｚステージ９に固定さ
れている。そして、基盤１１の上には大型のｘｙ微動ス
テージ２３が設けられている。ｘｙ微動ステージ２３
は、図８に示すように、隣接する二つの平面が互いに直
交している板状に形成された試料台２４を有している。
この試料台２４は、その側面がｘ方向とｙ方向に直交す
るように配置されており、ｘ方向に直交した側面には、
一端が基盤固定台１１ａに固定されたｘ駆動圧電体２３
ａの他端が固定され、ｙ方向に直交した側面には、一端
が基盤固定台１１ｂに固定されたｙ駆動圧電体２３ｂの
他端が固定されている。これらの二つの駆動圧電体２３
ａと２３ｂの伸縮動作により、試料台２４はｘｙ方向に
微動される。駆動圧電体２３ａと２３ｂを取り付けた面
の反対側の側面の近くには、これらの側面を測定面とす
るｘ変位検出センサ１４ａとｙ変位検出センサ１４ｂが
配置されている。この変形例の装置は、大型のｘｙ微動
ステージ２３を有しているので、大型の試料６を観察す
ることができる。

【００２２】本発明は上述した実施例に限定されるもの
ではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々
多くの変形や修正が可能である。実施例では、本発明を
原子間力顕微鏡に適用した例を説明したが、磁気力顕微
鏡や走査型トンネル顕微鏡に適用することもできる。

【００２３】

【発明の効果】本発明によれば、誤差の少ない光学的な
位置検出手段により探針の位置情報を得ているので、試
料表面を正確に表現する画像が得られるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例である原子間力顕微鏡の構
成を示す。

【図２】図１の装置における試料とカンチレバーの走査
時の様子を示す。

【図３】図１の装置の制御系と情報処理系を示す。

【図４】本発明の第二実施例である原子間力顕微鏡の構
成を示す。

【図５】図４の装置においてカンチレバーと試料に照射
される計測光と観察光を示す。

【図６】図４の装置における試料周辺の様子を示す。

【図７】第二実施例の原子間力顕微鏡の変形例の構成を
示す。

【図８】図７の装置のｘｙ微動ステージの構成を示す。

【図９】図１のｚ変位検出センサの変位−出力特性を示
す。

【図１０】圧電素子の印加電圧−変位特性を示す。

【符号の説明】

４…光てこセンサユニット、７…円筒型圧電体、１３…
ｚ変位検出センサ、１４ａ…ｘ変位検出センサ、１４ｂ
…ｙ変位検出センサ、１５…円筒型圧電体、３１…マイ
コン、３２…ホストコンピュータ、３４…ｚ制御回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料の表面に沿って探針を走査して試料
   表面を調べる走査型プローブ顕微鏡であって、 試料表面に対して探針を平行な方向に移動させるｘｙ走
   査手段と、 試料表面に対して探針を垂直な方向に移動させるｚ走査
   手段と、 試料表面に平行な方向における探針の相対的な位置を検
   出する手段であって、ヒステリシスのない出力特性を有
   しているｘｙ位置検出手段と、 試料表面に垂直な方向における探針の相対的な位置を検
   出する手段であって、ヒステリシスのない出力特性を有
   しているｚ位置検出手段と、 探針先端と試料表面の間隔に依存して変化する物理量を
   探針と試料の間に発生させる手段と、 ｘｙ走査手段により探針を試料表面に沿って走査する
   間、常に物理量が一定になるようにｚ走査手段を制御す
   る制御手段と、 ｘｙ位置検出手段とｚ位置検出手段により得られる試料
   表面に対する探針の相対的な位置情報に基づいて試料表
   面の画像を形成する手段とを備えている走査型プローブ
   顕微鏡。