JPH06281444A

JPH06281444A - 走査プローブ顕微鏡及びその制御誤差の補正方法

Info

Publication number: JPH06281444A
Application number: JP27665893A
Authority: JP
Inventors: Sumio Hosaka; 純男保坂; Atsushi Kikukawa; 敦菊川; Hajime Koyanagi; 肇小柳; Yukio Honda; 幸雄本多; Kiyoshi Nagasawa; 潔長澤
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd; Hitachi Ltd
Priority date: 1992-11-06
Filing date: 1993-11-05
Publication date: 1994-10-07
Anticipated expiration: 2021-03-29
Also published as: JP3761906B2

Abstract

(57)【要約】【目的】探針を試料表面に接近させ、探針が試料表面
から受ける原子間力や磁気力などの微小力を検出して試
料表面の観察や処理を行う走査プローブ型表面顕微処理
装置において、種々の環境変化によって生じるカンチレ
バの変位を補正して、再現性よく、かつ、高精度に動作
する装置を実現する。【構成】カンチレバ１の先端に設けられた探針１７を
試料２の表面に接近させ、原子間力や磁気力などの微小
力によって生じるカンチレバ１の変位を光てこ方式微小
力検出器３０で検出し、カンチレバ変位検出回路５、カ
ンチレバ変位出力信号補正回路２５を通して、力一定サ
ーボ回路９により、試料２を支持するＸＹＺスキャナ１
４を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、探針により試料表面の
構造や状態を観察する走査プローブ顕微鏡に係り、特に
探針を保持するカンチレバーの撓みを制御しながら試料
を走査する顕微鏡に関する。代表的には原子間力顕微鏡
であるが、試料表面の形態観察のみでなく種々の物理的
性質の分布を計測する顕微鏡、さらには情報を媒体表面
に記録するための微細加工の機能をも備えた装置にも関
係する。

【０００２】

【従来の技術】走査プローブ顕微鏡と呼べるものの最初
の例は１９８３年に開発された走査トンネル顕微鏡(Ｓ
ＴＭ)である。これはトンネル電流を利用したものであ
る。その後、固体プローブを使用し、これを試料表面に
ｎｍのオーダで近接させ、種々の物理現象を利用して使
用表面の構造や物性を原子オーダの解像度で観察あるい
は計測する装置が次々と提案された。この中で、原子間
力顕微鏡(ＡＦＭ)はトンネル電流の代りに原子間力、磁
気力、光、音等を利用した顕微鏡である。カンチレバー
の先端に有する探針と試料とに働く微小力（斥力あるい
は引力）を一定に保ち、即ち、カンチレバーの撓みを検
出し、サーボにより撓みを一定に保ちつつ、試料を走査
して探針の動きにより表面を観察するＡＦＭについては
特開昭６２−１３０３０２号に論じられている。

【０００３】さらに、ジャーナル・オブ・バキューム・
サイエンス・アンド・テクノロジー(J. Vac. Sci. Tech
nol.）、Ａ８巻（１９９０年）、第３６９〜３７３頁に
は光てこ方式でカンチレバーの撓みを拡大して検出する
機構を備えた原子間力顕微鏡が記載されている。

【０００４】また、アプライド・フィジックス・レター
ズ（Applied Physics Letters）第６１巻（１９９２
年）、第８号、第１００３〜１００５頁には、原子間力
顕微鏡の原理を用い、さらに赤外レーザ光によりプロー
ブ尖端を加熱して試料表面に情報を示すピットを形成す
る情報書き込み機能を付加した装置、つまり原子間力顕
微鏡の原理を応用した情報ストレージ装置が示される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】光てこによりカンチレ
バーの撓みを拡大して検出する機構を備えた走査プロー
ブ顕微鏡、あるいはその原理を用いた関連する装置で
は、カンチレバーの撓みによるプローブ尖端の変位を約
１０００倍にも拡大して検出することができる。その反
面、この鋭敏なカンチレバーを使用しているので、これ
を安定に動作させるには種々の難かしさがある。例え
ば、カンチレバーにはその撓みを検出するためにレーザ
光が照射されているが、レーザ光が照射には加熱効果が
あり、それだけでカンチレバーに反りが生じる。カンチ
レバーの先端に力が加わって生じる撓みと区別するた
め、これを自由状態での反りと呼ぶ。この反りの量は個
々のカンチレバでバラツキがある。また周囲温度などの
環境の変化により変動する。特に、真空中で試料表面を
観察するようにした走査プローブ顕微鏡では、真空排気
に伴う断熱膨張で温度が変化したり、また真空排気が進
むにしたがいカンチレバからの熱放散の度合いが変化
し、カンチレバの反りが大きく変化する。また、エージ
ングによっても反りの量が変化する。

【０００６】カンチレバの自由状態での反りが変化した
ままで走査プローブ顕微鏡を駆動すると、探針と試料と
の間の力を制御するサーボ制御に誤差が生じる。誤差が
著しい場合は、探針に試料からの力が加わらない状態で
プローブの走査が成されたり、もしくは逆に予定以上の
力が加わって、試料もしくはプローブを破損することも
ある。

【０００７】従って本発明の一つの目的は、プローブ先
端の探針と試料との間に働く力を常に精度良く制御で
き、もって再現性のある試料の観察結果が得られる走査
プローブ顕微鏡を提供することにある。

【０００８】本発明の別の目的は、真空中の試料の表面
を観察できる走査プローブ顕微鏡を提供するにある。

【０００９】本発明の更に別の目的は、試料の観察のた
めの準備動作を容易に迅速に行える走査プローブ顕微鏡
を提供するにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の特徴は、カンチ
レバの撓みを検出する変位検出器の出力信号のレベルに
補正を加える補正手段を設け、補正された変位検出信号
が所定の目標値に一致するよう試料とプローブとの相対
距離をサーボ制御する点にある。より詳しくは、上記補
正手段は探針と試料表面を十分に離してカンチレバを自
由状態としたときの上記変位検出器の出力信号のレベル
を保存する手段と、保存されたレベルに応じて上記変位
検出器の出力信号をレベルシフトする手段を有する。

【００１１】本発明の別の特徴によれば、補正手段とし
てカンチレバを自由状態としたときの上記変位検出器の
出力信号のレベルを取り込み、このレベルを新たな基準
値としてサーボ制御の目標値を算出する手段を設ける。

【００１２】本発明の更に別の特徴は、上記カンチレバ
の取付け位置もしくは上記変位検出器の取付け位置の少
なくとも一方を微小調整し、上記カンチレバを自由状態
としたときの上記変位検出器の出力信号のレベルを所定
の基準値に向けて調整可能する機構、つまり機械的補正
手段を設けたた点にある。変位検出器として、光てこ式
変位検出器を用いる装置の場合は、この機械的補正手段
としてカンチレバで反射したレーザ光の位置を検出する
光位置検出器の取付け位置を微小調整する手段を採用で
きる。一方カンチレバ取付け位置を微小調整する機械的
補正手段としては、圧電素子を介してカンチレバをベー
スに取付け、圧電素子への印加電圧によりカンチレバ取
付け位置を調整する手段が採用できる。

【００１３】試料を新たにセットした際の観察準備の手
順は以下の通りとなる。まずプローブと試料の相対距離
(繰り出し距離)を設定する位置設定手段を起動して探針
を試料表面に接近させる。探針が試料表面を検知したと
ころで位置設定手段の動作を反転して繰り出し距離を所
定量減少させ、カンチレバを自由状態とする。この状態
で上述の補正手段により変位検出器の出力信号の補正を
行う。しかる後に、探針を再び試料表面に接近させ、探
針が再び試料表面を検知してから一定量だけ繰り出し距
離の増加を継続する。この状態で位置設定手段を固定
し、観察準備を完了する。

【００１４】

【作用】カンチレバを自由状態としたときの上記変位検
出器の出力信号のレベルを保存し、これに応じて検出器
の出力信号を補正する手段を備える、もしくはこれに応
じてサーボ制御の目標値を算出する手段を備えるいずれ
の構成でも、カンチレバ自身の反りにより生じるサーボ
制御の誤差が精度良く、迅速に補正される。また、補正
動作は余り人手を掛けずに容易に行える。よって、探針
に加わる力を所望の値に保持して探針の動きによる試料
表面の観察ができ、再現性のある観察結果が得られる。

【００１５】カンチレバもしくは位置検出器の取付け位
置を調整する機械的補正手段では、上述の電気的補正手
段に比べると補正精度、及び迅速性でやや劣るものの、
同様の結果が得られる。特に、カンチレバに大きな反り
が生じればこの機械的補正が必要となることがある。つ
まり、まず機械的補正により変位検出器の出力信号に含
まれる誤差を電気的補正手段の補正範囲内に納め、最終
的には電気的補正も加えて精密な補正を行なう。特に、
真空中で動作させる走査プローブ顕微鏡では、真空排気
前に機械的補正あるいは電気的補正を行ない、真空排気
後に電気的補正のみを行なうのが便利である。

【００１６】探針が試料表面を検知するまで探針（また
は試料）を繰り出し、次に繰り出し距離を減少させてカ
ンチレバを自由状態とし、位置検出出力の補整を行った
後、再度探針（または試料）を繰り出し、探針が試料表
面を検知してからなお一定量だけ繰り出しを継続して停
止する試料観察の準備手順によれば、、カンチレバ自身
の変形によるサーボ制御の誤差が除去されるとともに、
サーボ制御のアクチュエータの適正な制御範囲内で力一
定制御を行なう準備がなされるので、再現性の良い試料
の観察結果が得られる。また、この観察準備をシーケン
ス制御により自動的に行なう構成とすることもできる。

【００１７】

【実施例】図１は、本発明の実施例の原子間力顕微鏡の
構成を示した図である。本装置は基本的には真空中の試
料を観察するよう構成されている。

【００１８】先端に探針１７を備えたカンチレバ１がプ
ローブベース２３に取付けれらプローブを形成する。ま
たプローブベース２３には光てこ方式変位検出器３０が
搭載される。観察対象である試料２はＸＹＺスキャナ１
４に搭載され、観察対象面が探針１７に近接するよう配
置される。プローブベース２３は尺取虫機構３１を介し
てテーブル２９に支持されており、尺取虫機構３１の駆
動によりプローブのＺ軸方向のポジシニングができるよ
うになっている。Ｚ軸は観察対象面と垂直である。な
お、ＸＹＺスキャナ１４は粗動機構を介して上記テーブ
ルに支持されている。またテーブルは除振機構を介して
装置ベースに取り付けられる。この装置ベース、除振機
構、粗動機構などは図から省略されている。これらの機
構系は真空容器２４の中に設置される。すなわち、試料
２をＸＹＺスキャナ１４に搭載した後、真空排気系２７
を動作させ、真空中で試料２の表面を観測するようにな
っている。制御ユニット４５からは、装置各部を制御す
る制御信号が発せられる。

【００１９】光てこ方式微小力検出器３０は、カンチレ
バ１の先の探針１７に力が加わった時に生じるカンチレ
バの撓みを拡大して検出する。すなわち半導体レーザ素
子３から発せられたレーザビーム１８は集光用レンズ２
０でカンチレバ１の背面に集光される。カンチレバ１の
背面からの反射ビーム１９はミラー２１ａおよび２１ｂ
で反射して光位置検出器４に入射する。光位置検出器４
は２個の電流出力を有し、それら電流出力の比は光位置
検出器４に入射する光の位置に依存する。変位検出回路
５は上記２個の電流出力を受け、これを反射ビーム１９
の基準位置からの偏向に比例した電圧をもつ変位検出信
号に変換する。この光てこ方式光学系の拡大率は約１０
００倍であり、１Åの探針１７の位置変化が光位置検出
器の受光面４上で約０．１μｍとなり、Åオーダ以下の
探針の位置変化も検出できる。なお、光位置検出器４は
移動機構２２を介して検出器ベース２３に取り付けられ
ており、移動機構２２により光位置検出器４そのものの
位置を調節できる。

【００２０】ＸＹＺスキャナ１４として、例えばトライ
ポッド型圧電素子スキャナが用いられる。つまりＸＹＺ
スキャナ１４はＸ軸圧電素子、Ｙ軸圧電素子及びＺ軸圧
電素子を含み、これらの圧電素子により駆動される可動
端に試料２が搭載される。Ｘ軸圧電素子及びＹ軸圧電素
子はＸＹ走査回路１３で制御され、もって探針１７が試
料の観察対象領域を走査するように試料２の位置が２次
元走査される。一方、Ｚ軸圧電素子はカンチレバ１の先
の探針１７と試料表面との間に生じる斥力を一定に保つ
サーボ制御のために用いられる。すなわち、上記変位検
出回路５で得た変位検出信号は、信号補正回路２５で電
圧値が補正されてサーボ回路９に導かれる。サーボ回路
９は、補正された変位信号のレベルが設定された目標値
になるようにＺ制御信号を発生してＺ軸圧電素子を駆動
する。これにより光位置検出器４で検出される反射ビー
ムの偏向量が一定に保たれるように、ひいてはカンチレ
バ１の撓みが一定に保たれるように試料２のＺ軸方向の
位置が微細に制御され、もって探針１７と試料表面との
間に生じる斥力を一定に保つソフトコンタクトドライブ
が実行される。ただし、このようなソフトコンタクトド
ライブを可能にするためには、サーボ回路９に入力する
変位検出信号が探針１７と試料表面との間に生じる斥力
を正しく反映していること、およびＺ軸圧電素子は、そ
の伸縮の制御範囲内で駆動されることの二つの条件を満
足しなければならない。この２条件を達成するために信
号補正回路２５及び尺取虫機構３１が使用される。以下
これらの部分の機能について詳述する。

【００２１】光てこ方式変位検出器３０に取り付けられ
るカンチレバ１の自由状態での反りは、個々にバラツキ
がある。また、カンチレバ１の取付けの際の誤差によっ
ても、カンチレバ１が自由状態であるときの変位検出回
路５の出力電圧にバラツキが生じる。さらに、真空容器
２４の内部を真空排気すると、カンチレバ１の自由状態
での反りは例えば図２のように変化する。図２（ａ）で
は、大気中でのカンチレバ１の姿勢を実線で、真空排気
後の撓みの形を破線で示してある。これはレーザ光１８
で照射されたカンチレバ１の熱放散が大気中と真空中と
で大きく変わり、カンチレバ１の温度が変化したためで
ある。その結果、反射されたレーザ光１９はＰ₁点から
Ｐ₂点にシフトする。図２（ｂ）は、この時間変化を変
位検出回路５の出力電圧で表わしたものである。このよ
うに変位検出回路５の出力電圧は排気の始めには急激な
変化を示し、その後、元に戻ろうとするが、大気中とは
異なったレベルに収斂する。この変化の様子はカンチレ
バ１の種類によって異なる。いずれの場合でも、カンチ
レバが自由状態のときの変位検出信号のレベルに対応し
て変位検出回路５の出力電圧を補正する必要がある。本
実施例では信号補正回路２５により、この補正を電気的
に行う。

【００２２】信号補正回路２５は変位検出回路５の出力
電圧を入力するサンプルホールド回路５１と、変位検出
回路５の出力電圧をサンプルホールド回路の出力電圧だ
けレベルシフトして出力するレベルシフト回路５２を含
んでいる。まず検出器ベ−ス２３の位置が試料１２から
遠ざかるように尺取虫機構３１を動作させて探針１７と
試料表面との間に斥力が加わらないようにする。つま
り、カンチレバ１を自由状態にする。この状態で信号補
正回路２５のサンプルホールド回路をサンプル動作させ
る。これにより、信号補正回路２５の出力はレベルシフ
トされ、探針１７に実際かかる斥力がゼロのときサーボ
回路９の入力が基準値（本実施例ではゼロボルト）とな
るように補正される。以上のようにして信号補正回路２
５による補正（較正）が完了する。つぎに、尺取虫機構
３１により検出器ベ−ス２３を一定距離だけ前方に繰り
だす。サーボ回路９は、信号補正回路２５からの補正さ
れた変位検出信号のレベルが設定された目標値となるよ
うＺ制御信号を発生してＸＹＺスキャナ１４のＺ軸圧電
素子を駆動するので、探針１７と試料表面との間に生じ
る斥力を一定に保つソフトコンタクトドライブが正しく
実行される。この状態でＸＹ走査回路１３を駆動して、
試料２を二次元走査すると、試料２の表面の凹凸に倣う
ようにＸＹＺスキャナ１４のＺ軸圧電素子が制御され、
この制御電圧から試料２の高さ方向の情報を得ることが
できる。さらに、これらのＸ、Ｙ、Ｚの値を計算機シス
テム１２に入力することにより、試料２の表面の三次元
像が得られる。尚、サンプルホールド回路には、ホール
ド出力を長時間一定に保持できないものが多い。ホール
ド期間中にホールド出力が変化すると、これに起因して
探針１７に加わる力に誤差が生じるので、これを防ぐた
め信号補正回路２５のサンプルホールド回路５１の部分
をデジタル計算機システムで構成するのがより好まし
い。すなわち、カンチレバ１を自由状態にしたときの変
位検出回路５の出力電圧をＡＤ変換してデジタル計算機
のメモリに取り込む。メモリに保存された値をメモリか
ら読みだしてＤＡ変換し、レベルシフト回路５２に与え
る。信号補正回路２５の全体をデジタル計算機システム
で構成する、もしくはアナログ動作のサンプルホールド
回路のホールド出力をＡＤ変換してデジタル計算機のメ
モリに取り込む構成とする等の変形も可能である。

【００２３】次に、上述した補正の時期について述べ
る。本実施例では、試料をセットし、真空容器内を真空
排気するたびに上述した補正をおこなう。この場合の具
体的動作は後で更に詳しく述べる。一方、一旦真空容器
内を真空排気した後に、観察領域を変える、もしくは探
針１７と試料表面との間の斥力の設定値などの条件を変
えて観察を複数回繰り返すのが一般的である。真空容器
内を真空排気した時にはカンチレバ１の環境が激変する
ので、その自由状態での反りが収斂するのにある時間を
要することを考慮すると、真空容器内を真空排気した際
には複数回上記の補正を実行し、補正の合間に試料の観
察を行うのが好ましい。真空排気した後に一定時間が経
過すれば、その後は補正動作を入れずに観察を繰り返し
てかまわない。

【００２４】一方、真空排気を行わずに試料を観察する
場合がある。また、図１の構成から真空排気系２７及び
真空容器２４を除いた走査プローブ顕微鏡も存在する。
このような装置でも、観察する試料を交換したとき、も
しくは外気温度が変化したとき、カンチレバ自身の反り
が変化する可能性もある。したがって、新たな試料をセ
ットする毎に、観察に先立ち上記の補正を行うのも効果
がある。

【００２５】また、装置各部の経年変化に対処するため
には、装置の動作時間、もしくは絶対時間を積算するタ
イマを設け、時間の積算値が一定値に達する毎に上記の
補正を行うのがよい。

【００２６】カンチレバの変形に起因す変位検出信号の
誤差の補正方法として、電気的な方法だけではなく、機
械的な方法もある。これは図１の移動機構２２を用いて
変位検出回路５の出力が基準レベルになるように光位置
検出器４の位置をＹ方向に移動する方法である。ただ
し、上述の信号補正回路２５による電気的補正はこの機
械的補正より簡便であり、かつ自動的に行える利点を有
する。また、機械的に１μｍ以下の位置精度を出すこと
は極めて困難なため、移動機構２２を用いた補正を行っ
ても、最終的には上述した電気的補正を更に加えること
が必要な場合が多い。真空排気したことによるカンチレ
バの環境変化に対応して力一定サーボ回路の入力信号を
補正するのに移動機構２２を用いるには、真空容器２４
の外部から移動機構２２が操作可能でなければならな
い。これに対し、上記実施例のように信号補正回路２５
を設けた装置構成では、移動機構２２は、真空容器２４
を取りはずして初めて操作可能になるものでも良い。但
し、真空排気に先立ち、移動機構２２の操作による較正
を予め行い、真空排気後に信号補正回路２５による電気
的補正を行うのが好ましい。いずれの装置構成でも、短
期間ごとの補正は変位信号補正回路２５のみにより行
い、より長期間ごとの補正の際には移動機構２２の操作
をも行うのが実際的である。

【００２７】次に、試料２を交換した際に変位検出信号
のレベルを補正する具体的な手順を図３を参照して説明
する。図３にて、（ａ）はＸＹＺスキャナ１４のＺ軸圧
電素子の伸び量の時間変化、（ｂ）は尺取虫機構３１に
よる検出器ベース２３の繰り出し距離の時間変化、
（ｃ）はサーボ回路９への入力信号の時間変化を示す。
較正動作は以下の〜の手順で行われるが、これは図
３中の時間区分〜に対応している。

【００２８】まず、尺取虫機構３１によりプローブ
ベース２３を連続的に前方に繰り出す。つまりプローブ
ベース２３をＺ方向に移動させる。当初、探針１７は試
料２の表面から十分に離れているので、サーボ回路９へ
の入力信号は探針１７と試料表面との間に加わる力がゼ
ロであることを示す基準値(図３の例ではゼロボルト）
に本来なるべきだが、カンチレバ１自身の変形により、
Ｖ_ｏｆｆになっている。探針１７が試料２の表面に到達
すると、力一定サーボ制御により、サーボ回路９への入
力信号は図のように目標値Ｖ_fにほぼ等しくなる。

【００２９】尺取虫機構３１を更に一定時間動作さ
せ、検出器ベース２３をさらに前方に繰り出す。検出器
ベース２３が前方に移動するに従い、ＸＹＺスキャナ１
４のＺ軸圧電素子の伸び量は力一定サーボ制御により伸
びきった状態から徐々に小さくなる。

【００３０】次に、尺取虫機構３１の駆動方向を反
転し、プローブベース２３を後退させる。ＸＹＺスキャ
ナ１４のＺ軸圧電素子の伸び量は逆に増加し、伸びきっ
た状態に戻る。なお、尺取虫機構３１の駆動方向の反転
は、例えばサーボ回路９の入力信号レベルのモニタによ
り自動的に行うことができる。つまり、サーボ回路９の
入力信号がＶ_fの近傍に到達してからの経過時間を監視
するタイマを制御ユニット４５に設け、経過時間が一定
値に達したら自動的に尺取虫機構３１の駆動方向を反転
すれば良い。力一定サーボ制御が有効に機能し、探針１
７が試料２の表面に押圧されている期間（図３の，
）では電圧Ｖ_fを目標値としてフィードバック制御が
おこなわれるものの、探針１７に実際に加わる力はＶ
_offとＶ_fとのレベル差Ｖ_f′に対応する力となる。

【００３１】Ｚ軸圧電素子が伸びきった状態となっ
た後も尺取虫機構３１による後退の動作を継続し、探針
１７が試料２から離れた地点からｄだけ、さらに遠ざけ
る。ｄは表面からの力の影響が無視できる距離で、具体
的には２μｍ以上である。

【００３２】この位置で探針１７を固定し、力一定
サーボ回路９の入力信号を補正する。具体的には、入力
信号をＶ_offだけレベルシフトして基準値（図３ではゼ
ロボルト）になるように補正する。前述したように、信
号補正回路25のサンプルホールド回路をサンプル動作さ
せることにより補正を自動的に、かつ迅速に行うことが
できる。また移動機構22が操作可能ならこれの手動操作
で補正を行っても良い。

【００３３】補正の完了後、再び尺取虫機構３１に
よる繰り出し動作を開始する。探針１７が試料２の表面
に再び到達すると、サーボ回路９が有効に機能しはじ
め、サーボ回路９への入力信号は再び目標値Ｖ_fとな
る。探針１７に加わる力は、設定された目標値Ｖ_fに相
当する力になる。

【００３４】探針１７が試料２の表面に到達した後
も引き続き尺取虫機構３１により繰り出し動作を継続
し、ＸＹＺスキャナ１４のＺ軸圧電素子の伸び量を減少
させる。

【００３５】Ｚ軸圧電素子の伸び量が適正になった
ところで尺取虫機構３１による繰り出し動作を停止して
検出器ベース２３の位置を固定する。これにより、試料
２をＸＹ平面内で２次元走査して試料表面を観察するた
めの準備動作が完了する。通常はＺ軸圧電素子の伸び量
が伸び量の制御範囲の中央値付近になったとき繰り出し
動作を停止するのが最も好ましい。なお、上述の適正な
位置でのプローブベース２３の固定は、力一定サーボ回
路９の出力であるＺ制御信号と設定伸び量を示す参照信
号との比較により自動的に行うことができる。

【００３６】以上により、カンチレバ自身の反りに起因
する力一定制御の誤差の補正と、プローブベースの適正
位置まで繰り出しとを含む試料観察の準備動作が迅速に
できる。とくに、制御ユニット４５による自動的なシー
ケンス制御で図３に示した準備動作を実行すると、サー
ボ回路９の入力信号を補正した時点から試料の観察開始
までの時間を著しく短くできる。したがって、真空排気
時など変化の激しい環境においても、信頼性の高い試料
の３次元データを得ることができる。尚、光位置検出器
４はポシションセンサ−ダイオ−ドあるいは分割型ホト
ダイオ−ドが適当である。ポジションセンサ−ダイオ−
ドは２出力型のものと４出力型のもの、分割型では２分
割のものと４分割のものがあり、４出力型あるいは４分
割を使用した場合、原子間力及び摩擦力が検出できるの
で好都合である。

【００３７】図４は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の試
料台に原子間力顕微鏡ユニット（ＡＦＭユニット）を組
込んだ別の実施例の主要部を示す。ＳＥＭ用ベース３７
の上に、ＳＥＭ用ＸＹ移動機構３２、その上に金属板３
４とゴムのように軟らかいダンパ材３５を積層した除振
機構３３、さらにその上にＡＦＭユニットを固定したＡ
ＦＭ用ベース４２、を順次、積み上げ、それらを真空フ
ランジ３９に取り付けた構造になっている。ＡＦＭユニ
ットは探針を含む光てこ式変位検出器３０、この検出器
３０を試料２に向けて繰り出す、もしくは後退させるた
めの尺取虫機構３１、試料２を支持、走査するＸＹＺス
キャナ１４、さらにこのスキャナ１４をＸＹに動かしＡ
ＦＭでの視野選択するためのＸＹ移動機構３８から構成
されている。ここでＡＦＭ用ベース４２の底面はＳＥＭ
用ベース３７と平行で、ＳＥＭの対物レンズ４０を出た
電子ビーム４１の軸と直交している。また、探針１７と
試料２とは同時にＳＥＭで観察できるようになってい
る。

【００３８】この実施例で、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）
を駆動する電子回路部分、及びデータ処理のための構成
は図１に示した実施例と全く同様であり、また真空排気
に伴うカンチレバ自身の撓みによる誤差の較正の動作も
全く同様である。このＳＥＭとＡＦＭの結合システムを
用いると、探針でＡＦＭ観察する領域の選定精度が光学
顕微鏡に比べて遥かに向上し、サブミクロンオーダでの
視野選択が可能になる。また、ＳＥＭにより探針１７の
先端の評価を行うこともできる。さらにこのシステムで
は、ＳＥＭ像とＡＦＭ像とを同時に観察することができ
る。

【００３９】本実施例で原子間力顕微鏡と走査型電子顕
微鏡との複合を示したが、その他に、透過型電子顕微
鏡、２次イオン質量分析計、オージェ電子分析計、電子
線プローブマイクロアナライザなどの真空を利用した理
化学機器、あるいは分子線エピタキシー装置、電子線描
画装置、イオン打込み装置、電子線測長装置などの半導
体プロセス用装置との組合せもあり得る。

【００４０】図５はさらに別の実施例を示す。この実施
例の原子間力顕微鏡が図１の実施例と異なるのは、変位
信号補正回路２５が省略され、変位検出回路５からの検
出信号がサーボ回路９に直接入力される点である。ま
た、カンチレバ１自身の変形による力一定サーボ制御の
誤差を解消するために、カンチレバ１は圧電素子４７を
介してプローブベース２３に取り付けられている。さら
に圧電素子４７を駆動する駆動回路４８、および変位検
出回路５の出力信号レベルを表示する表示器４９が付加
されている。その他は図１の実施例と全く同様であり、
図１と共通する部分には同一符号を付している。

【００４１】図５の実施例における変位検出信号の補正
は以下のように実行される。前述の実施例と同様に、ま
ず尺取虫機構３１による繰り出し距離を減少させ、カン
チレバ１を自由状態にする。次に駆動回路４８の出力電
圧を調整し、カンチレバ１の姿勢を微小調整する。この
とき表示器４９に表示される変位検出回路５の出力信号
レベルを参照しながら調整を行い、出力信号レベルが基
準値となったら駆動回路４８の出力電圧を固定し、補正
を完了する。真空排気後の補正をこの方法で行う場合、
真空排気に先立って移動機構２２による補正を予め実行
した方が良いのは本実施例でも同様である。

【００４２】図６はさらに別の実施例を示す。これまで
示した種々の実施例では、カンチレバ１の変形に起因す
る力一定サーボ制御の誤差を解消するために、変位検出
信号のレベルが補正されるのに対し、図６の実施例では
力一定サーボ制御の目標値Ｖｆが補正される。このため
に、サーボ回路９による力一定サーボ制御の目標値Ｖｆ
は計算機システム１２で算出され、サーボ回路９に与え
られる。また変位検出回路５から出力する変位検出信号
を計算機システム１２に取り込むための入力装置５０が
付加されている。その他は図５の実施例と同様であり、
図５と共通する部分には同一符号が付してある。

【００４３】これまでの実施例と同様に、まず尺取虫機
構３１による繰り出し距離を減少させ、カンチレバ１を
自由状態にする。この状態で、入力装置５０を起動し、
変位検出回路５の出力している変位検出信号を計算機シ
ステム１２に取り込む。カンチレバ１が自由状態である
ので変位検出信号のレベルは基準値（例えばゼロボル
ト）であるべきだが、カンチレバ１が変形していれば取
り込まれる変位検出信号のレベルはＶ_offとなる。計算
機システム１２には力一定サーボ制御の基準値を格納す
るためのレジスタが設定されており、このレジスタの内
容を取り込まれたＶ_offの値に書き替える。つまり新た
な基準値が設定される。また計算機システム１２には変
位検出信号に誤差が無いときの力一定サーボ制御の目標
値Ｖft が格納された別のレジスタがある。新たな基準
値への書替えの後、計算機システム１２はＶft とＶ
_offとの和を算出し、この和の値を新たな目標値Ｖｆと
してサーボ回路９に出力する。

【００４４】以上により変位検出信号のレベルを補正し
たのと等価な補正が行われるので、補正動作のあと尺取
虫機構３１によりプローブを前方に繰り出すと、サーボ
回路９による力一定サーボ制御が正確に機能し、探針１
７に加わる力は目標値Ｖftに正確に対応した値とな
る。なお、実施例では計算機システムによりサーボ回路
の目標値を補正する構成としたが、アナログ回路で同等
な補正を実現することもできる。つまり、図１の信号補
正回路２５と同様なサンプルホールド回路、レベルシフ
ト回路により目標値を補正することもできる。

【００４５】図５の実施例で説明した圧電素子４７によ
る調整で変位検出回路５の出力信号レベルを完全に基準
値に一致させるには、極めて微妙な調整が必要である。
これに対し、図６の実施例で述べた補正は、自動的に正
確に行われる。ただし、Ｖ_offの値が本来の基準値（ゼ
ロボルト）から大きくずれている場合には、図５の実施
例で説明した圧電素子４７による調整を予め行い、Ｖ
_offを許容範囲内にしてから計算機システム１２へのＶ
_offの取り込みを開始しなければならない。

【００４６】図７は更に別の実施例を示す。本実施例
は、カンチレバに作用する力を所定値(目標値)に制御す
るために光干渉方式の変位検出器１０３を用いた原子間
力顕微鏡である。探針１０９を備えたカンチレバ１０４
とＸＹＺスキャナ１００とを接続するプローブベース１
０２の内部にはレーザ投光器１０５とハーフミラー１１
２と反射ミラー１１１とホトダイオード１０６が設けら
れる。レーザ投光器１０５から照射されたレーザ光の一
部は、ハーフミラー１１２によりホトダイオード１０６
へ導かれる。ハーフミラー１１２を通過したレーザ光は
反射ミラー１１１で反射してハーフミラー１１２に再び
到達し、カンチレバ１０４に導かれる。カンチレバ１０
４で反射したレーザ光はハーフミラー１１２を通過して
ホトダイオード１０６へ到達する。その際、最初にハー
フミラー１１２によりホトダイオード１０６へ導かれた
レーザ光（参照光）と、カンチレバ１０４で反射された
レーザ光とが干渉しあう。ホトダイオード１０６は変位
検出回路５５により駆動されており、変位検出回路５５
の出力信号はホトダイオード１０６の受光強度を反映し
ている。この出力信号は変位検出信号としてサーボ回路
９に与えられる。サーボ回路９はＸＹＺスキャナ１００
のＺ軸圧電素子を駆動してカンチレバ１０４の撓みが一
定になるようにプローブベース１０２の位置をサーボ制
御する。図７では省略しているが試料とプローブとの相
対距離を微小調節するポジショナが設けられる。本実施
例では、探針１０９に加わる力を一定に制御し、さらに
また探針と試料の相対位置をＸＹ平面内で二次元走査す
るためのＸＹＺスキャナ１００をプローブ側に配置し、
Ｚ方向距離（繰り出し距離）を調節するポジショナを試
料側に配置している。これらは、プローブ側、試料側の
いずれに配置しても良いことは明らかである。

【００４７】サーボ回路９の動作を停止し、試料２を探
針１０９に向かって徐々に繰り出した場合のホトダイオ
ード１０６の受光強度の変化を図８で説明する。試料２
と探針１０９が離れており、カンチレバ１０４が自由状
態である範囲では受光強度は一定の値である。繰り出し
距離が増加し、探針１０９に加わる斥力によりカンチレ
バ１０４が撓むと、カンチレバ１０４で反射したレーザ
光と参照光との位相差が変化し、受光強度が変化する。
その変化は、繰り出し距離の増加に対し、より正確には
カンチレバのレーザ照射面の変位に対し正弦波を描き、
その正弦波の周期はレーザ光の波長の２分の１と等しく
なる。そこで、図８に実線で示すように、カンチレバ１
０４が自由状態であるときの受光強度が最大強度と最小
強度の中間値になるようにし、試料の繰り出しにより一
旦受光強度が変化してから再びこの中間値近傍になった
とき試料を固定し、中間値を目標値としてサーボ回路９
とＺ軸圧電素子によるサーボ制御を行えば、カンチレバ
１０４の撓みをレーザ光の４分の１波長に対応するＤｂ
に制御することができる。このように探針１０９に加わ
る斥力を一定に制御できるが、温度変化などでカンチレ
バ自身が変形し、自由状態でのホトダイオード１０６の
受光強度が図８の破線のように変化すると、上記中間値
を目標値とするサーボ制御の結果、探針１０９に加わる
斥力は、図中にＤａと示した撓みに対応した値となる。

【００４８】そこで、図７の実施例では、カンチレバ１
０４は圧電素子１１３を介してブロック１０２に取り付
けられている。駆動回路４８の出力により圧電素子１１
３を制御してカンチレバ１の位置を調整できる。また、
変位検出回路５５の出力する変位検出信号のレベルを表
示する表示器４９を備える。試料２の観察に先だち、試
料２を後退させてカンチレバ１０４を自由状態にする。
次に駆動回路４８の出力電圧を調整し、カンチレバ１の
位置を微小調整する。このとき表示器４９に表示される
変位検出回路５５の出力信号レベルを参照しながら調整
を行い、出力信号レベルが所定値（本実施例の場合、最
大値と最小値の中間値で、サーボ回路９に設定する目標
値と等しい）となったら駆動回路４８の出力電圧を固定
する。このような補正を行った後、ポジショナにより試
料を所定距離だけ繰り出し、サーボ回路９によるサーボ
制御を開始すると、探針１０９に加わる斥力をＤｂに正
しく制御できる。

【００４９】以上表面顕微鏡、特に原子間力顕微鏡に本
発明を適用した種々の実施例を示した。本発明にかかる
技術はカンチレバの撓みを利用して探針と試料との間に
生じる微小力を検知することにより観察画像を得る走査
プローブ顕微鏡に広く適用できる事は明らかであろう。
即ち、試料表面と探針尖端の間に働く原子間斥力ではな
く原子間吸着力(引力)を検知してこれを制御する構成で
も良い。さらに試料表面からの漏れ磁界による磁気力を
検知する、試料と探針の間の静電力を検知するなど、種
々の構成をもつ走査プローブ顕微鏡に本発明の技術を適
用できる。また、情報を読みだす動作は走査プローブ型
顕微鏡そのものであり、更に媒体表面に情報書き込みを
行う手段を設けた装置に本発明に係る技術を適用するこ
とも可能である。この場合、情報書き込みには、探針に
よる試料表面の電界蒸発作用、熱化学作用、熱による相
変化作用、熱機械作用、機械加工、電荷注入、垂直磁気
反転などの作用により実現できる。これにより、超高密
度のファイルシステムが実現でき、本発明をこれらのシ
ステムに適用することにより、高精度な情報処理が実現
できる。

【００５０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る走査
プローブ顕微鏡では、探針を先端に有するカンチレバの
反りのバラツキを補正することができ、探針と試料表面
との間で極めて正確な力一定サーボが実現できる。これ
により高精度な観察や情報処理が可能となる。さらに、
真空排気する際に生じるカンチレバの反りの変化も補正
でき、電子顕微鏡をはじめとする種々の超高真空排気シ
ステムと走査プローブ顕微鏡の複合化が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明一実施例である原子間力顕微鏡のブロッ
ク図である。

【図２】実施例の真空排気時に生じるカンチレバの反り
の様子を及びその時間経過を示す概念図及び特性図であ
る。

【図３】実施例の自動補正動作を説明するタイムチャー
トである。

【図４】原子間力顕微鏡を走査型電子顕微鏡の試料台に
組込んだ別の実施例の主要部を示す部分断面図である。

【図５】更に別の実施例のブロック図である。

【図６】更に別の実施例のブロック図である。

【図７】更に別の実施例のブロック図である。

【図８】図７の実施例の制御特性を示す概念図である。

【符号の説明】

１、１０４…カンチレバ、２…試料、４…光位置検出
器、５…変位検出回路、９…サーボ回路、１２…計算機
システム、１３…ＸＹ走査回路、１４、１００…ＸＹＺ
スキャナ、１７、１０９…探針、２３…プローブベー
ス、２４…真空容器、２５…信号補正回路、２７…真空
排気系、３０…光てこ式変位検出器、４７、１１３…圧
電素子、４８…駆動回路、４９…表示器、５０…入力装
置、５１…サンプルホールド回路、５２…レベルシフト
回路、５５…変位検出回路、１０５…レーザ投光器、１
０６…ホトダイオード。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小柳肇東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者本多幸雄東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者長澤潔茨城県土浦市神立町650番地日立建機株式会社技術研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一端に探針を備えるカンチレバと、該カン
チレバを保持するプローブベースとを有するプローブ、上記プローブベースと上記探針に近接して配置される試
料との少なくとも一方を駆動して上記プローブと上記試
料との相対位置を移動する走査手段、上記カンチレバの撓みを検出する変位検出手段、上記カンチレバが自由状態であるときの上記カンチレバ
の変位の検出値に応じて上記変位検出手段の検出出力を
補正する補正手段、及び補正された上記変位検出手段の
検出出力を入力して上記プローブと上記試料との相対距
離を制御し、もって上記試料と上記探針の間に働く力を
制御するサーボ制御手段、を含むことを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項２】上記補正手段は、上記カンチレバが自由状
態であるときの上記変位検出手段の検出出力をサンプリ
ングしてその値をホールドするサンプルホールド手段、
該サンプルホールド手段のホールド出力に応じて上記変
位検出手段の検出出力をレベルシフトするレベルシフト
回路を含むことを特徴とする請求項１に記載の走査プロ
ーブ顕微鏡。
【請求項３】上記補正手段は、上記カンチレバが自由状
態であるときの上記変位検出手段の検出出力をサンプリ
ングしてその値をホールドするサンプルホールド手段、
該サンプルホールド手段のホールド出力を記憶する記憶
手段、該記憶手段から読みだす上記ホールド出力に応じ
て上記変位検出手段の検出出力をレベルシフトするレベ
ルシフト回路を含むことを特徴とする請求項１に記載の
走査プローブ顕微鏡。
【請求項４】上記カンチレバは圧電素子を介して上記プ
ローブベースに保持され、上記補正手段は、上記圧電素
子を用いて上記プローブベースに対するカンチレバの位
置もしくは姿勢を調整する手段を含むことを特徴とする
請求項１に記載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項５】上記変位検出手段は、上記カンチレバにレ
ーザ光を照射するレーザ投光器と、上記カンチレバから
の反射レーザ光の偏向を検出する光位置検出器とを含
み、上記補正手段は上記光位置検出器の位置調整を行う
移動手段を含むことを特徴とする請求項１に記載の走査
プローブ顕微鏡。
【請求項６】上記変位検出手段は、上記カンチレバにレ
ーザ光を照射するレーザ投光機と、上記カンチレバから
の反射レーザ光と所定に参照用レーザ光との干渉光を検
出する光検出器を含むこと特徴とする請求項１に記載の
走査プローブ顕微鏡。
【請求項７】一端に探針を備えるカンチレバと、該カン
チレバを保持するプローブベースとを有するプローブ、上記プローブベースと上記探針に近接して配置される試
料との少なくとも一方を駆動して上記プローブと上記試
料との相対位置を移動する走査手段、上記カンチレバの撓みを検出する変位検出手段、上記変位検出手段の検出出力を入力し、該検出出力のレ
ベルが設定された目標値に一致するよう上記プローブと
上記試料との相対距離を制御し、もって上記試料と上記
探針の間に働く力を制御するサーボ制御手段、及び上記
カンチレバが自由状態であるときの上記変位検出手段の
検出出力のレベルに応じて上記サーボ制御手段の目標値
を補正する補正手段、を含むことを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項８】上記補正手段は、上記カンチレバが自由状
態であるときの上記変位検出手段の検出出力を取り込
み、取り込まれた検出出力のレベルを基準値として上記
目標値を算出する計算機システムからなることを特徴と
する請求項７に記載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項９】一端に探針を備えるカンチレバと、該カン
チレバを保持するプローブベースとを有するプローブ、上記プローブベースと、上記探針に近接して配置される
試料との少なくとも一方を駆動して上記プローブと上記
試料との相対位置を上記試料の観察対象表面を含む平面
内で移動する走査手段、上記プローブベースと上記試料との、上記試料の観察対
象表面を含む平面と垂直方向の相対距離を調節する位置
設定手段、上記カンチレバの撓みを検出する変位検出手段、上記上記変位検出手段の検出出力を補正する補正手段、補正された上記変位検出手段の検出出力を入力して上記
プローブと上記試料との相対距離を制御し、もって上記
試料と上記探針の間に働く力を制御するサーボ制御手
段、及び、上記位置設定手段を駆動して上記カンチレバを自由状態
とし、上記補正手段を起動する補正シーケンス制御手
段、を含むことを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項１０】上記補正シーケンス制御手段は、上記探
針が上記試料に接触するまで上記設定手段による繰り出
し距離を増加させ、次に繰り出し距離を所定量減少させ
ることにより上記カンチレバを自由状態とし、次に上記
補正手段を起動し、次に上記繰り出し距離を再び増加さ
せることを特徴とする請求項９に記載の走査プローブ顕
微鏡。
【請求項１１】上記補正シーケンス制御手段は、上記試
料が交換されるごとに上記補正手段を起動することを特
徴とする請求項９に記載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項１２】上記補正シーケンス制御手段は、所定時
間が経過するごとに上記補正手段を起動することを特徴
とする請求項９に記載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項１３】上記補正シーケンス制御手段は、上記カ
ンチレバの周囲を真空排気した後に上記補正手段を起動
することを特徴とする請求項９に記載の走査プローブ顕
微鏡。
【請求項１４】上記補正シーケンス制御手段は、上記カ
ンチレバの周囲を真空排気した後に上記補正手段を複数
回起動することを特徴とする請求項９に記載の走査プロ
ーブ顕微鏡。
【請求項１５】請求項１、請求項７もしくは請求項９の
いずれかに記載の走査プローブ顕微鏡において、上記探
針と上記試料の間には、原子間斥力、原子間引力、吸着
力、摩擦力、磁気力もしくは静電力のいずれかが作用す
ることを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項１６】請求項１、請求項７もしくは請求項９の
いずれかに記載の走査プローブ顕微鏡において、さらに
上記試料の表面に電子ビームを照射し、該電子ビームと
上記試料との相対走査により上記試料の電子顕微鏡像を
得る手段を含むことを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項１７】請求項１６に記載の走査プローブ顕微鏡
に電子顕微鏡像を得る手段を兼ね備える装置において、
走査プローブ顕微鏡の探針と試料とを同時に観察できる
構造としたことを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項１８】一端に探針を備えるカンチレバを含むプ
ローブと、上記プローブと上記探針に近接して配置され
る試料との少なくとも一方を駆動して上記プローブと上
記試料との相対位置を移動する走査手段と、上記カンチ
レバの撓みを検出する変位検出手段と、上記プローブと
上記試料の少なくとも一方を繰り出して両者の相対距離
を設定するポジショニング手段と、上記変位検出手段の
検出出力を入力して上記プローブと上記試料との相対距
離を制御し、もって上記試料と上記探針の間に働く力を
制御するサーボ制御手段とを含む走査プローブ顕微鏡の
動作補正方法において、上記探針が上記試料に接するま
で上記ポジショニング手段による繰り出し距離を増加
し、次に上記探針と上記試料の間に働く力が実質的に無
くなるまで上記ポジショニング手段による繰り出し距離
を減少し、次に上記変位検出手段の検出出力が基準値と
なるよう上記変位検出手段の検出出力をレベルシフト
し、次に上記ポジショニング手段による繰り出し距離を
再び増加し、上記探針が上記試料に接してからなお所定
距離だけ上記繰り出し距離を増加してから上記ポジショ
ニング手段による繰り出しを停止することを特徴とする
走査プローブ顕微鏡の制御誤差の補正方法。
【請求項１９】一端に探針を備えるカンチレバを含むプ
ローブと、上記プローブと上記探針に近接して配置され
る試料との少なくとも一方を駆動して上記プローブと上
記試料との相対位置を移動する走査手段と、上記カンチ
レバの撓みを検出する変位検出手段と、上記変位検出手
段の検出出力を入力して上記プローブと上記試料との相
対距離を制御し、もって上記試料と上記探針の間に働く
力を制御するサーボ制御手段と、上記カンチレバ及び上
記試料を含む環境を真空排気する真空排気手段を含む走
査プローブ顕微鏡の動作補正方法において、上記真空排
気手段による真空排気に先立ち上記カンチレバを自由状
態とし、上記変位検出手段の検出出力が基準値となるよ
うに上記変位検出手段の取付け位置及び上記カンチレバ
の取付け位置の少なくとも一方を補正すること、上記真
空排気手段による真空排気後に上記カンチレバを自由状
態とし、上記変位検出手段の検出出力が基準値となるよ
う上記変位検出手段の検出出力をレベルシフトすること
を特徴とする走査プローブ顕微鏡の制御誤差の補正方
法。