JPH07140153A - 走査型プローブ顕微鏡の振動除去手段及びその方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】試料表面情報の測定に悪影響を与えるノイズを
除去することによって、高精度な試料表面情報の測定を
行うことができる走査型プローブ顕微鏡の振動除去手段
及びその方法を提供する。 【構成】試料２４の表面情報を測定する走査型プローブ
顕微鏡に設けられた鏡体２６と、この鏡体に設置された
ＸＹＺ駆動用円筒型圧電体４４と、この圧電体を振動さ
せるＺ制御部３８及び変調信号発生部４０と、圧電体振
動の際に生じる鏡体の振動状態を検出するカンチレバー
変位検出部２７及び振幅検出部４８と、任意の周波数成
分を除去可能に構成された周波数及び特性可変のフィル
タ４６と、試料表面情報の測定前にカンチレバー変位検
出部及び振幅検出部を介して検出された固有振動周波数
特性に基づいて、試料表面情報から固有振動周波数成分
を除去するように、フィルタの周波数及び特性を制御す
るマイコン２８とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば測定中に発生す
る機械振動等のノイズを除去することによって、低ノイ
ズの測定画像を得るために改良された走査型プローブ顕
微鏡の振動除去手段及びその方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の走査型プローブ顕微鏡と
しては、例えば、特開平５−７９８１１号及び特開平５
−７９８３４号に開示された顕微鏡が知られている。即
ち、図４に示すように、測定中において、鏡体２上に設
けられたＸＹＺ駆動用円筒型圧電体４は、ＸＹ走査部６
によって２次元方向に微動される。このとき、ＸＹＺ駆
動用円筒型圧電体４上の試料台８が、同方向に微動され
ることによって、試料台８上の試料１０も同一方向に微
動される。

【０００３】試料１０が２次元方向に微動された際、カ
ンチレバー１２は、試料１０の表面凹凸に応じて変位す
るが、その変位量はカンチレバー変位検出部１４によっ
て検出される。

【０００４】カンチレバー変位検出部１４は、検出した
変位量に対応したカンチレバー変位信号Ｓ１をＺ制御部
１６へ出力する。コンスタントフォース測定の場合、カ
ンチレバー変位信号Ｓ１を一定に保つように、Ｚ制御部
１６からＺ制御信号Ｓ２がＸＹＺ駆動用円筒型圧電体４
へ出力される。そして、ＸＹＺ駆動用円筒型圧電体４を
Ｚ方向に伸縮して、カンチレバー変位信号を一定に保持
させた状態で試料表面情報の測定が行われる。このと
き、Ｚ制御部１６から出力されたＺ制御信号Ｓ２は、表
面情報検出部１８を介してＡ／Ｄ変換された後、表面情
報データＤ１としてホストコンピュータ２０に転送さ
れ、画像化される。

【０００５】コンスタントハイト測定の場合、Ｚ制御部
１６から常時一定のＺ制御信号Ｓ２が出力された状態で
カンチレバー変位信号Ｓ１を検出することによって試料
表面情報の測定が行われる。このとき、検出されたカン
チレバー変位信号Ｓ１は、表面情報検出部１８を介して
Ａ／Ｄ変換された後、表面情報データＤ１としてホスト
コンピュータ２０に転送され、画像化される。なお、上
述した測定シーケンスは、マイクロコンピュータ（以
下、マイコンと称する）２２によって制御されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
走査型プローブ顕微鏡は、０．０１ｎｍの高分解能に基
づいて、試料表面を２次元方向に走査しながら、試料表
面情報を画像化している関係上、例えば鏡体２の固有振
動周波数成分を含む音や外部振動等の外乱が入ると鏡体
２が部分的に振動して試料表面情報に固有振動周波数成
分のノイズが含まれてしまう。この結果、試料表面情報
を高精度に測定できなくなるといった問題が発生する。

【０００７】本発明は、このような課題を解決するため
になされており、その目的は、試料表面情報の測定に悪
影響を与えるノイズを除去することによって、高精度な
試料表面情報の測定を行うことができる走査型プローブ
顕微鏡の振動除去手段及びその方法を提供することにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明の走査型プローブ顕微鏡の振動除去手
段及びその方法は、試料の表面情報を測定する前に、予
め測定環境における鏡体の固有振動周波数特性を検出し
ておき、表面情報測定時に、その固有振動周波数成分を
表面情報信号から除去するように構成されている。

【０００９】

【作用】本発明によれば、試料の表面情報の測定前に、
予め測定環境における鏡体の固有振動周波数特性が検出
され、試料の表面情報測定時に、試料表面情報から鏡体
の固有振動周波数成分が除去される。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の第１の実施例に係る走査型プ
ローブ顕微鏡の振動除去手段及びその方法について、図
１及び図３を参照して説明する。図１には、本実施例の
走査型プローブ顕微鏡の振動除去手段に適用された測定
シーケンス制御の構成が概略的に示されている。

【００１１】本実施例では、試料２４の表面情報を測定
する前に、予め測定環境における鏡体２６の固有振動周
波数を検出しておき、表面情報測定時に、その固有振動
周波数成分を表面情報信号から除去することにより、表
面情報を高精度に画像化させることを特徴とする。な
お、以下の測定シーケンスは、マイコン２８によって制
御されている。

【００１２】まず、カンチレバー３０の探針３２を試料
台３４上に載置された試料２４の表面に接近させた状態
で鏡体２６の固有振動周波数の検出を行う。このとき、
アナログスイッチ３６は、第１の端子３６ａに接続され
る。この結果、Ｚ制御部３８及び変調信号発生部４０か
ら出力されたＺ制御信号Ｓ２及び変調信号Ｓ５は、加算
器４２によって加算された後、加算信号Ｓ６として第１
の端子３６ａを介して鏡体２６上に設けられた励振手段
即ちＸＹＺ駆動用円筒型圧電体４４に入力される。

【００１３】このとき、変調信号発生部４０から出力さ
れた変調信号Ｓ５によって、ＸＹＺ駆動用円筒型圧電体
４４には、周波数変調された加算信号Ｓ６が入力される
ことになる。

【００１４】このような加算信号Ｓ６に基づいて、ＸＹ
Ｚ駆動用円筒型圧電体４４を所定方向に振動させること
によって、鏡体２６を振動させる。このとき、鏡体２６
に設けられたカンチレバー変位検出部２７は、カンチレ
バー３０の変位を検出し、検出されたカンチレバー変位
信号Ｓ１を信号選択機能を有するフィルタ４６へ出力す
る。

【００１５】フィルタ４６は、マイコン制御によって上
記変調周波数と同じ周波数を検出可能なバンドパスフィ
ルタに設定されている。この結果、フィルタ４６は、カ
ンチレバー変位信号Ｓ１をバンドパスして得られたフィ
ルタ信号Ｓ７を振幅検出部４８へ出力する。

【００１６】振幅検出部４８は、振幅検出器とＡ／Ｄ変
換器とを備えており（いずれも図示しない）、フィルタ
信号Ｓ７は、振幅検出器からＡ／Ｄ変換器を介してＡ／
Ｄ変換された後、振幅データＤ２としてマイコン２８へ
出力される。

【００１７】マイコン２８は、変調信号発生部４０やフ
ィルタ４６等に設定されている周波数を機械的な固有振
動が発生し得る範囲内で逐次更新させ、振幅データＤ２
が最大となった周波数ｆｃ（図３（ａ）参照）を記憶す
る。

【００１８】この結果、マイコン２８には、鏡体２６の
固有振動周波数成分ｆｃ（図３（ａ）参照）が記憶され
ることになる。次に、試料２４の表面情報の測定が行わ
れる。

【００１９】このとき、アナログスイッチ３６は、第２
の端子３６ｂに接続される。そして、マイコン制御によ
ってフィルタ４６は、上記固有振動周波数成分ｆｃを除
去させる周波数ｆａを有するように、その周波数特性
（図３（ｂ）参照）が規定されたノッチフィルタに設定
される。

【００２０】コンスタントハイト測定において、Ｚ制御
部３８は、常時一定のＺ制御信号Ｓ２を出力するように
マイコン制御される。この結果、ＸＹＺ駆動用円筒型圧
電体４４は、その伸縮が常時一定に保持される。

【００２１】この状態において、ＸＹ走査部５０からＸ
Ｙ走査信号Ｓ３，Ｓ４をＸＹＺ駆動用円筒型圧電体４４
へ出力して、圧電体４４をＸＹ方向に微動させる。この
結果、試料台３４上に載置された試料２４は、圧電体４
４の微動に伴ってＸＹ方向に微動される。

【００２２】試料２４の微動に伴うカンチレバー３０の
変位は、カンチレバー変位検出部２７によって検出され
る。このとき、カンチレバー変位検出部２７からは、カ
ンチレバー変位信号Ｓ１がフィルタ４６へ出力される。

【００２３】フィルタ４６は、カンチレバー変位信号Ｓ
１を選択し、その信号から上記固有振動周波数成分ｆｃ
を除去したフィルタ信号Ｓ７を表面情報検出部５２へ出
力する。

【００２４】表面情報検出部５２は、Ａ／Ｄ変換器（図
示しない）を有しており、フィルタ信号Ｓ７をＡ／Ｄ変
換して得られたカンチレバー変位値を表面情報データＤ
１としてマイコン２８へ出力する。

【００２５】表面情報データＤ１は、マイコン２８から
ホストコンピュータ５４へ転送された後、画像化され
る。コンスタントフォース測定において、Ｚ制御部３８
からは、カンチレバー変位信号Ｓ１を常時一定に保持さ
せるＺ制御信号Ｓ２が出力される。この結果、ＸＹＺ駆
動用円筒型圧電体４４は、カンチレバー３０の変位量を
常時一定に維持させるように、Ｚ方向に伸縮する。

【００２６】この状態において、フィルタ４６には、Ｚ
制御部３８から出力されたＺ制御信号Ｓ２が入力されて
おり、フィルタ４６は、Ｚ制御信号Ｓ２を選択し、その
Ｚ制御信号Ｓ２から上記固有振動周波数成分ｆｃを除去
したフィルタ信号Ｓ７を表面情報検出部５２へ出力す
る。

【００２７】そして、表面情報検出部５２からマイコン
２８へ出力された上記表面情報データＤ１は、ホストコ
ンピュータ５４によって画像化される。このように本実
施例によれば、表面情報測定前に予め検出した鏡体２６
の固有振動周波数ｆｃを表面情報信号から除去するよう
に、フィルタ４６の周波数特性を設定することができる
ため、高精度に試料２４の表面情報測定を行うことが可
能となる。

【００２８】次に、本発明の第２の実施例に係る走査型
プローブ顕微鏡の振動除去手段及びその方法について、
図２及び図３を参照して説明する。なお、本実施例の説
明に際し、第１の実施例と同一の構成には同一符号を付
してその説明を省略する。

【００２９】本実施例では、鏡体２６の固有振動周波数
をＺ変位検出部５６を介して光学的に検出することを特
徴とする。なお、以下の測定シーケンスも第１の実施例
と同様に、マイコン２８によって制御されている。

【００３０】まず、カンチレバー３０の探針３２を試料
台３４上に載置された試料２４の表面に接近させた状
態、あるいは、接近させることなく鏡体２６の固有振動
周波数の検出を行う。

【００３１】このとき、アナログスイッチ３６は、第１
の端子３６ａに接続される。この結果、Ｚ制御部３８及
び変調信号発生部４０から出力されたＺ制御信号Ｓ２及
び変調信号Ｓ５は、加算器４２によって加算された後、
加算信号Ｓ６として第１の端子３６ａを介して鏡体２６
上に設けられたＸＹＺ駆動用円筒型圧電体４４に入力さ
れる。

【００３２】このとき、変調信号発生部４０から出力さ
れた変調信号Ｓ５によって、ＸＹＺ駆動用円筒型圧電体
４４には、周波数変調された加算信号Ｓ６が入力される
ことになる。

【００３３】このような加算信号Ｓ６に基づいて、ＸＹ
Ｚ駆動用円筒型圧電体４４を所定方向に振動させること
によって、鏡体２６を振動させる。このとき、鏡体２６
に設けられたＺ変位検出部５６は、ＸＹＺ駆動用円筒型
圧電体４４上の試料台３４のＺ方向の変位を光学的に検
出し、検出されたＺ変位信号Ｓ８をフィルタ４６へ出力
する。

【００３４】フィルタ４６は、Ｚ変位信号Ｓ８をバンド
パスして得られたフィルタ信号Ｓ７を振幅検出部４８へ
出力する。振幅検出部４８は、フィルタ信号Ｓ７の振幅
データＤ２をマイコン２８へ出力する。

【００３５】マイコン２８は、変調信号発生部４０やフ
ィルタ４６等に設定されている周波数を機械的な固有振
動が発生し得る範囲内で逐次更新させ、振幅データＤ２
が最大となった周波数成分ｆｃ（図３（ａ）参照）を記
憶する。

【００３６】この結果、マイコン２８には、鏡体２６の
固有振動周波数成分ｆｃ（図３（ａ）参照）が記憶され
ることになる。次に、試料２４の表面情報の測定が行わ
れる。

【００３７】このとき、アナログスイッチ３６は、第２
の端子３６ｂに接続される。そして、マイコン制御によ
ってフィルタ４６は、上記固有振動周波数成分ｆｃを除
去させる周波数ｆａを有するように、その周波数特性
（図３（ｂ）参照）が規定されたノッチフィルタに設定
される。

【００３８】以下、第１の実施例と同様にコンスタント
ハイト測定又はコンスタントフォース測定が行われ、試
料２４の表面情報が画像化される。本実施例の効果も第
１の実施例と同様であるためその説明は省略する。

【００３９】なお、上述した各実施例では、励振手段と
してカンチレバー３０又は試料台３４を微動させるＸＹ
Ｚ駆動用円筒型圧電体４４が兼用されているが、例え
ば、ｎｃ−ＡＦＭに適用された圧電体や鏡体２６の一部
に設置した励振専用の圧電体等で置換することも可能で
ある。また、圧電体以外の電気機械変換部品に置き換え
てもよい。

【００４０】また、フィルタ４６の代わりに、マイコン
２８内において、振幅検出部４８及び表面情報検出部５
２を介してＡ／Ｄ変換された信号をデジタル信号処理し
て上記固有振動によるノイズを除去するように構成する
ことも好ましい。

【００４１】また、Ｚ制御部３８、変調信号発生部４
０、加算器４２、アナログスイッチ３６をマイコン２８
とＤ／Ａ変換との組み合わせにまとめて置き換えて、マ
イコン２８でソフト的にシーケンス等を切り換える方式
や、マイコン２８の代わりにＤＳＰ等の制御ＩＣに置き
換えることも好ましい。

【００４２】また、上述した各実施例では、ＡＦＭとし
て試料表面情報の測定を行っているが、ＳＴＭ、ｎｃ−
ＡＦＭ、ＭＦＭ等の他の走査型プローブ顕微鏡全般に亘
って本発明を適用することも可能である。

【００４３】

【発明の効果】本発明によれば、試料の表面情報を測定
する前に、予め測定環境における鏡体の固有振動周波数
を検出しておき、表面情報測定時に、その固有振動周波
数成分を表面情報信号から除去することができるため、
表面情報を高精度に画像化させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係る走査型プローブ顕
微鏡の振動除去手段の構成を概略的に示すブロック図。

【図２】本発明の第２の実施例に係る走査型プローブ顕
微鏡の振動除去手段の構成を概略的に示すブロック図。

【図３】（ａ）は、鏡体の固有振動周波数を検出するた
めに、鏡体を振動させた際の振幅周波数特性を示す図、
（ｂ）は、鏡体の固有振動周波数を除去するように設定
されたフィルタの周波数特性を示す図。

【図４】従来の走査型プローブ顕微鏡の構成を概略的に
示すブロック図。

【符号の説明】

２４…試料、２６…鏡体、２７…カンチレバー変位検出
部、２８…マイコン、３８…Ｚ制御部、４０…変調信号
発生部、４４…ＸＹＺ駆動用円筒型圧電体、４６…フィ
ルタ、４８…振幅検出部。

フロントページの続き (72)発明者 酒井 信明 東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号 オリ ンパス光学工業株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料の表面情報を測定する走査型プロー
   ブ顕微鏡に設けられた鏡体と、 この鏡体の一部に設置された励振手段と、 この励振手段を振動させる振動手段と、 前記励振手段を振動させた際に生じる前記鏡体の振動状
   態を検出する検出手段と、 任意の周波数成分を除去可能に構成された周波数可変及
   び特性可変のフィルタ手段と、 前記試料の表面情報を測定する前に前記検出手段を介し
   て検出された前記鏡体の固有振動周波数特性に基づい
   て、前記試料の表面情報から前記鏡体の固有振動周波数
   成分を除去するように、前記フィルタ手段の周波数及び
   特性を制御する制御手段とを備えていることを特徴とす
   る走査型プローブ顕微鏡の振動除去手段。
2. 【請求項２】 試料の表面情報を測定する走査型プロー
   ブ顕微鏡に設けられた鏡体と、 この鏡体の一部に設置され、且つ、カンチレバー及び前
   記試料の少なくとも一方を微動させる圧電体と、 この圧電体を振動させる振動手段と、 前記圧電体を振動させた際に生じる前記カンチレバーの
   振動状態を検出する検出手段と、 任意の周波数成分を除去可能に構成された周波数可変及
   び特性可変のフィルタ手段と、 前記試料の表面情報を測定する前に前記検出手段を介し
   て検出された前記カンチレバーの振動状態に基づいて、
   前記鏡体の固有振動周波数特性を検出すると共に、前記
   試料の表面情報から前記鏡体の固有振動周波数成分を除
   去するように、前記フィルタ手段の周波数及び特性を制
   御する制御手段とを備えていることを特徴とする走査型
   プローブ顕微鏡の振動除去手段。
3. 【請求項３】 試料の表面情報を測定する走査型プロー
   ブ顕微鏡に設けられた鏡体と、 この鏡体の一部に設置され、且つ、カンチレバー及び前
   記試料の少なくとも一方を微動させる圧電体と、 この圧電体を振動させる振動手段と、 この振動手段によって生じる前記圧電体の振動状態を光
   学的に検出する検出手段と、 任意の周波数成分を除去可能に構成された周波数可変及
   び特性可変のフィルタ手段と、 前記試料の表面情報を測定する前に前記検出手段を介し
   て光学的に検出された前記圧電体の振動状態に基づい
   て、前記鏡体の固有振動周波数特性を検出すると共に、
   前記試料の表面情報から前記鏡体の固有振動周波数成分
   を除去するように、前記フィルタ手段の周波数及び特性
   を制御する制御手段とを備えていることを特徴とする走
   査型プローブ顕微鏡の振動除去手段。
4. 【請求項４】 試料の表面情報を測定する走査型プロー
   ブ顕微鏡に設けられた鏡体を振動させる振動工程と、 前記鏡体の振動状態を検出する検出工程と、 前記試料の表面情報を測定する前に前記検出工程を介し
   て検出された前記鏡体の固有振動周波数特性に基づい
   て、任意の周波数成分を除去可能に構成されたフィルタ
   手段の周波数及び特性を制御する工程と、 前記試料の表面情報測定時において、前記フィルタ手段
   によって、前記試料の表面情報から前記鏡体の固有振動
   周波数成分を除去する工程とを有することを特徴とする
   走査型プローブ顕微鏡の振動除去方法。