JPH0720134A - 走査プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 可変電流モードによる測定において、走査線
間の移動時におけるプローブの試料表面との接触を回避
する走査プローブ顕微鏡を提供する。 【構成】 試料表面に対してプローブ１を、走査開始点
と走査終了点を結ぶ走査線と、走査終了点と次の走査開
始点を結ぶ帰線とに沿って移動させることにより２次元
的に走査して、試料表面の表面分析を行なう走査プロー
ブ顕微鏡において、プローブ１の試料法線方向の移動を
行なう駆動手段９と、走査線と帰線とで駆動手段の移動
量を異ならせる制御手段１２とを具備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、走査プローブ顕微鏡に
関し、特に走査プローブ顕微鏡の走査機構の構成に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】走査プローブ顕微鏡として、例えばプロ
ーブと試料表面との間に流れるトンネル電流を用いるト
ンネル顕微鏡（ＳＴＭ）や、プローブと試料の表面原子
間に働く原子間力を測定する原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）
が知られている。

【０００３】例えば、トンネル顕微鏡は、圧電素子によ
ってＸ，Ｙ，Ｚ方向に移動可能に支持されたプローブを
試料表面に近づけ、プローブと試料表面との間に流れる
トンネル電流を用いることにより試料の表面の原子の大
きさのオーダーの凹凸を観察するものであり、以下の２
つの測定モードが知られている。

【０００４】第１の測定モードは図４に示す定電流モー
ド（ＣＣモード）である。この定電流モードにおいて
は、トンネル電流Ｊｔが一定となるようにピエゾアクチ
ュエータにフィードバックをかけてＺ方向の変位を制御
するものであり、Ｘ，Ｙ方向に走査を行いながらこのと
きのフィードバック量をデータとして取り込むことによ
って、試料表面の凹凸を観察するものである。

【０００５】一方、第２の測定モードは図５に示す可変
電流モード（定高さモード（ＣＨモード））である。こ
の可変電流モードにおいては、ピエゾアクチュエータの
Ｚ方向に印加する電圧を一定とすることによりプローブ
の試料に対する高さを一定とし、Ｘ，Ｙ方向に走査をし
ながらトンネル電流Ｊｔの変化を測定することによっ
て、試料表面の凹凸を観察するものである。

【０００６】また、Ｘ，Ｙ方向の走査は、一ライン上の
走査線に沿って測定信号を取り込む工程と、帰線に沿っ
て次の走査線のラインに移動する工程との繰り返しによ
って行なわれるものであり、これによって試料の２次元
的データを得ることができる。なお、通常、帰線におい
ては測定信号を取り込まず、次の走査の開始位置にプロ
ーブを移動させるものである。

【０００７】従来、走査プローブ顕微鏡においては、こ
の２つの測定モードの内いずかを選択して、その選択し
た測定モードによりＸ，Ｙ方向の走査を行なっており、
観察者が測定モードを切り替えるまで同一の測定モード
によって試料表面の観察を行っている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来の走査プローブ顕
微鏡において可変電流モードによって観察を行なう場合
には、その可変電流モードは定電流モードに対して、走
査速度が速く、ノイズに強く、また制御が容易であると
いう特徴を有しているが、試料に対するプローブの高さ
が走査中において一定であるため、測定信号を取り込む
走査線に沿った移動の他に、次の走査線に移動する測定
を行なわない帰線に沿った移動において、試料の傾斜や
試料のドリフトによって試料表面とプローブとの距離が
接近し、プローブが試料面と接触して損傷が生じる場合
があるという問題点がある。

【０００９】そこで、本発明は前記した従来の走査プロ
ーブ顕微鏡の問題点を解決し、可変電流モードによる測
定において、走査線間の移動時におけるプローブの試料
表面との接触を回避する走査プローブ顕微鏡を提供する
ことを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記目的を達
成するために、試料表面に対してプローブを、走査開始
点と走査終了点を結ぶ走査線と、走査終了点と次の走査
開始点を結ぶ帰線とに沿って移動させることにより２次
元的に走査して、試料表面の表面分析を行なう走査プロ
ーブ顕微鏡において、プローブの試料法線方向の移動を
行なう駆動手段と、走査線と帰線とで駆動手段の移動量
を異ならせる制御手段とを具備するものである。

【００１１】本発明において、走査線は、試料上の走査
領域において走査開始点と走査終了点を結ぶラインであ
り、通常複数本のラインによって走査領域全体を分割
し、そのラインに沿ってプローブを走査するものであ
り、また、帰線は、プローブを走査終了点から走査開始
点へ戻す場合の軌跡となるものであり、ライン間および
異なる走査領域間に設けられるものである。

【００１２】また、本発明において、駆動手段はプロー
ブを試料に対して試料法線方向での移動を行なうもので
あり、例えば圧電素子等を採用することができる。

【００１３】また、本発明において、制御手段はプロー
ブの試料に対する試料法線方向での移動量を制御し、試
料とプローブとの試料法線方向における相対的位置を制
御するものであり、例えば駆動手段を圧電素子とした場
合にはその圧電素子に印加する印加電圧を制御するもの
である。また、本発明の制御手段は、走査線上において
プローブを試料に対して一定の高さに制御することがで
きる。

【００１４】

【作用】前記構成とすることにより、試料表面の表面分
析を行なう走査プローブ顕微鏡において、プローブを試
料表面に対して、走査開始点と走査終了点を結ぶ走査線
と、走査終了点と次の走査開始点を結ぶ帰線とに沿って
移動させることにより２次元的に走査するとともに、そ
の走査中において、駆動手段によってプローブを試料法
線方向に移動し、制御手段によってその駆動手段の移動
量を走査線と帰線とで異ならせるものである。

【００１５】そして、プローブは、試料上の走査領域に
おいて走査開始点と走査終了点を結ぶ複数本のラインに
よって走査領域全体を分割してなる走査線に沿って走査
するものであり、また、走査終了点から走査開始点への
戻り、および異なる走査領域間の移動は帰線に沿って行
なわれる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図を参照しながら詳
細に説明するが、本発明は実施例に限定されるものでは
ない。

【００１７】なお、以下に説明する実施例１から実施例
６は、一つの走査が終了して次の走査開始されるされる
までの帰線における移動工程と、２回目以降の走査開始
におけるプローブの高さ設定の点で相違している。

【００１８】〔実施例１〕 （実施例１の走査構成）はじめに、本発明の実施例１の
走査構成について、図１の本発明の実施例の走査状態を
説明する図を用いて説明する。

【００１９】図１において、本発明の実施例１の走査プ
ローブ顕微鏡は試料２上に設定された走査領域を走査
し、その走査領域における試料表面の凹凸を観察する。
この走査領域は、例えば図に示すように複数個の走査領
域２１，２２とすることができる。本発明の走査プロー
ブ顕微鏡は、この走査領域上において測定信号を得る走
査線３と次の走査線に移動するための測定信号を取り込
まない帰線４により走査を行なっている。また、異なる
走査領域間における移動も帰線５により行なうものであ
る。なお、図１においては、走査線３を実線により示
し、帰線４および５を破線により示している。

【００２０】そして、この走査線３においては可変電流
モードによって行い、ピエゾアクチュエータのＺ方向の
圧電素子に印加する電圧を一定とすることによりプロー
ブの試料に対する高さを一定とし、この時のトンネル電
流Ｊｔを測定する。一方、帰線４においては、定電流モ
ードによって一つの走査線の終了位置から次の走査線３
の開始位置に移動するものであり、通常測定を行なって
いない。従来の走査プローブ顕微鏡においては、この帰
線４の移動を可変電流モードによって行なうのに対し
て、本発明の実施例１は定電流モードによって行なう点
で相違している。

【００２１】（実施例１の装置構成）次に、本発明の実
施例１の走査プローブ顕微鏡の装置構成を、図２を用い
て説明する。

【００２２】図２において、試料２との間のトンネル電
流を検出するプローブ１は、ピエゾアクチュエータ６に
設置されており、このピエゾアクチュエータ６によって
Ｘ，Ｙ方向の走査、およびＺ方向での試料との距離調整
が行なわれる。このうち、Ｘ，Ｙ方向の走査は、ピエゾ
アクチュエータ６のＸ方向のピエゾ素子７とＹ方向のピ
エゾ素子８によって行なわれ、また、Ｚ方向の移動は、
ピエゾアクチュエータ６のＺ方向のピエゾ素子９によっ
て行なわれる。なお、ピエゾアクチュエータ６自体は図
示しない粗動機構に設置され、この粗動機構によってト
ンネル電流が検出される程度の距離まで試料表面に近づ
けられる。

【００２３】プローブ１から検出されるトンネル電流Ｊ
ｔは、トンネル電流増幅回路１１を通して駆動制御回路
１２とサーボ回路１３に入力される。駆動制御回路１２
は、可変電流モード（ＣＨモード）によって走査線３の
ラインを走査するための回路であり、ピエゾアクチュエ
ータ６を図示しない粗動機構によって試料２に接近させ
た後、トンネル電流Ｊｔを観察しながらピエゾアクチュ
エータ６のＺ方向のピエゾ素子９に印加する電圧を調節
して、プローブ１の試料２からの高さを設定する。ま
た、駆動制御回路１２中には、この設定電圧を記憶する
ためのメモリ等の記憶手段を有している。

【００２４】一方、サーボ回路１３は、定電流モード
（ＣＣモード）によって帰線４上を移動するための回路
であり、トンネル電流Ｊｔを例えば一定のトンネル電流
Ｊｔ₀となるようにフィードバック信号を形成して、ピ
エゾアクチュエータ６のＺ方向のピエゾ素子９に入力す
る。また、サーボ回路１３は駆動制御回路１２に対し
て、定電流モードにおいて設定したピエゾ素子への印加
電圧値を入力する構成を有しており、その印加電圧値は
例えば駆動制御回路１２のメモリに記憶される。

【００２５】表示装置１５は、可変電流モードにおいて
検出したトンネル電流Ｊｔを入力して表面の凹凸状態を
表示する。なお、この表示装置１５は、例えばＣＲＴ、
液晶表示装置等の周知の表示装置を用いることができ、
さらにこの検出信号を図示しない信号処理装置や記憶装
置に入力して、各種の演算処理や表示のための処理ある
いは記憶を行なうこともできる。

【００２６】走査回路１４は、ピエゾアクチュエータ６
のＸ方向のピエゾ素子７とＹ方向のピエゾ素子８を駆動
して、Ｘ，Ｙ方向の移動を行なう。例えば、走査線３の
移動方向をＸ方向とすると、走査線３に沿った移動は、
ピエゾ素子８の駆動を停止しピエゾ素子７を駆動するこ
とにより行なわれ、また、帰線４に沿った移動は、ピエ
ゾ素子８を一ライン分だけＹ方向に移動し、ピエゾ素子
７を前記走査線３に沿った移動と反対方向に駆動するこ
とにより行なわれる。また、この走査回路１４は、走査
線３と帰線４との切り替え時において、切替え信号を駆
動制御回路１２とサーボ回路１３と表示回路１５に対し
て出力する。駆動制御回路１２とサーボ回路１３は、こ
の切替え信号によって交互に駆動され、それぞれ走査線
３における可変電流モードと帰線４における定電流モー
ドとによる走査を行なう。

【００２７】また、表示装置１５で表示される測定信号
は、駆動制御回路１２が駆動しているときのトンネル電
流Ｊｔであるため、表示装置１５は切替え信号により可
変電流モードから定電流モードへの切替えのタイミング
を検出し、帰線４を移動している間での測定信号の保持
等の信号処理を行なう。

【００２８】（実施例１の作用）次に、本発明の実施例
１の走査プローブ顕微鏡の作用を、図２、および図３を
用い、走査線（走査開始）の移動工程、帰線の移動工
程、および走査線（２回目以降の走査）の移動工程に分
けて説明する。なお、図３において、２０は走査領域で
あり、走査は走査開始点１０からＸ方向に１ライン分行
い、次にＹ方向に１ライン分ずれるとともにＸ方向に１
ライン分戻って、再びＸ方向に１ライン分走査を行なう
という移動を繰り返す場合を表示している。

【００２９】本発明の実施例１の走査プローブ顕微鏡
は、一つの可変電流モードによる走査が終了して次の走
査開始されるまでの帰線における移動工程を定電流モー
ドによって行い、次の走査開始におけるプローブの高さ
設定を、プローブ１と試料表面との距離Ｓを初期設定値
Ｓ₀ とするものである。

【００３０】走査線（走査開始）の移動工程：はじめ
に、ピエゾアクチュエータ６を図示しない粗動機構によ
って試料２に接近させた後、駆動制御回路１２において
トンネル電流Ｊｔを観察しながらピエゾアクチュエータ
６のＺ方向のピエゾ素子９に印加する電圧Ｖを調節し
て、プローブ１の試料２からの高さを設定する。ここ
で、走査開始点１０での試料２の表面の高さｈはｈ₀ で
あり、プローブ１と試料表面との距離ＳがＳ₀ でトンネ
ル電流ＪｔがＪｔ₀ となるようなピエゾ素子９への印加
電圧ＶをＶ₀ とする。この印加電圧Ｖ₀ は、駆動制御回
路１２に設置されたメモリ等の記憶手段に記憶され、こ
の走査線の移動工程中の印加電圧値を設定する。なお、
このとき、プローブ１の試料２の図示しない基準位置か
らの高さＨはＨ₀ （＝ｈ₀ ＋Ｓ₀ ）となる。

【００３１】この走査開始位置から、走査回路１４から
の信号によってＸ方向のピエゾ素子７を駆動して、図３
の破線の方向に可変電流モードによって移動させる。こ
の可変電流モードにおいては、走査回路１４からの切替
え信号により駆動回路１２に切り替えて駆動し、プロー
ブ１の試料２の図示しない基準位置からの高さＨが一定
値Ｈ₀ となるように、ピエゾ素子９に対して一定電圧Ｖ
₀ を印加する。測定信号となるトンネル電流Ｊｔは、走
査開始位置においてはＪｔ₀ であるが、移動中では試料
表面の凹凸に応じて変化し、一ラインの終了位置におい
ては例えばＪｔ₁ となる。

【００３２】帰線の移動工程：前記可変電流モードによ
り、走査線の一ラインの終了位置にプローブ１が移動し
た後、次の走査線への移動を定電流モードにより帰線に
沿って行なう。図３において、この帰線の移動を白抜き
の矢印によって表している。

【００３３】この定電流モードでは、トンネル電流Ｊｔ
の値を走査開始時と同じＪｔ₀ となるように制御するこ
とによって、プローブ１と試料表面との距離Ｓを一定距
離Ｓ₀ に保持しながら、次の走査線の走査開始位置に移
動させるものである。この移動は、図２の走査回路１４
の切替え信号によって駆動回路１２からサーボ回路１３
に切替え、トンネル電流が設定値Ｊｔ₀ となるようにフ
ィードバック信号をＺ方向のピエゾ素子９に印加してプ
ローブ１をＺ方向に制御し、同時に走査回路１４によっ
てＹ方向に一ライン分移動させＸ方向に一ライン分戻す
ことによって行なわれる。この工程は定電流モードであ
るため、移動中においてＺ方向のピエゾ素子への印加電
圧は変化し、一つのラインの走査終了時における印加電
圧値は例えばＶ₂ となり、プローブ１の高さはＨ₂ （＝
ｈ₂ ＋Ｓ₀ ）となる。

【００３４】したがって、プローブ１と試料表面との距
離Ｓが常に一定距離Ｓ₀ に制御されるため、帰線の移動
中においてプローブ１が試料の表面の突起した部分と接
触することを防止することができる。

【００３５】走査線（２回目以降の走査）の移動工程：
前記定電流モードによる帰線の移動工程によって、プロ
ーブ１は次の走査線３の開始位置に移動し、そのときの
プローブ１と試料表面との距離はＳ₀ となっている。こ
の状態から、再び走査回路１４からの信号によってＸ方
向のピエゾ素子７を駆動して、図３の破線の方向に可変
電流モードによって移動させる。このとき、走査回路１
４は切替え信号を出力して、サーボ回路１３から駆動制
御回路１２への切替えを行なう。この走査におけるプロ
ーブ１の高さをＨ₂ に一定に保持するためには、Ｚ方向
のピエゾ素子への印加電圧値Ｖ₂ が必要である。そのた
め、この印加電圧値Ｖ₂ をサーボ回路１３から駆動制御
回路１２のメモリに入力して記憶させ、この印加電圧値
Ｖ₂ を基にして前記した走査線の移動工程と同様にし
て、駆動制御回路１２により可変電流モードの移動を行
なう。

【００３６】なお、図１に示すように、試料中の走査領
域２１から他の走査領域２２への移動は、前記した帰線
の移動と同様にして定電流モードによって行なうことが
できる。

【００３７】（実施例１特有の効果）実施例１の構成に
よれば、各ラインの走査開始位置において、プローブと
試料表面との距離を常に一定とすることができる。した
がって、試料が熱等によってドリフトした場合や試料が
Ｙ方向に傾斜している場合でも、そのドリフトや傾斜を
補正した像を求めることができ、また、各ライン毎にプ
ローブと試料表面との距離を補正してプローブと試料表
面との接触を防止することができる。

【００３８】〔実施例２〕次に、実施例２について説明
する。

【００３９】（実施例２の走査構成）実施例２の走査構
成は、前記実施例１の走査構成と同様に、走査線３にお
いてはプローブの試料に対する高さを一定とする可変電
流モードによって行い、一つの走査線の終了位置から次
の走査線３の開始位置までの帰線４においては、プロー
ブと試料表面との距離を一定に保持する定電流モードに
よって移動するものであるため、ここではその説明を省
略する。

【００４０】そして、実施例２は帰線４の移動を定電流
モードによって行なう点において、従来の走査プローブ
顕微鏡と相違している。

【００４１】（実施例２の装置構成）次に、本発明の実
施例２の走査プローブ顕微鏡の装置構成を、図６を用い
て説明する。

【００４２】図６に示す実施例２の走査プローブ顕微鏡
の装置構成は、図２に示した前記実施例１の走査プロー
ブ顕微鏡の装置構成とほぼ同様であり、サーボ回路１３
から駆動制御回路１２への設定電圧の入力の有無の点で
相違している。そこで、以下の説明では、この相違点に
ついて説明し、その他の共通する構成については説明を
省略する。

【００４３】実施例２におけるサーボ回路１３は、前記
実施例１と同様に定電流モード（ＣＣモード）によって
帰線４上を移動するための回路であり、トンネル電流Ｊ
ｔを例えば一定のトンネル電流Ｊｔ₀ となるようにフィ
ードバック信号を形成して、ピエゾアクチュエータ６の
Ｚ方向のピエゾ素子９に入力する。実施例１において
は、この定電流モードの終了時でのピエゾ素子への印加
電圧値を駆動制御回路１２に入力し、駆動制御回路１２
はこの印加電圧値を基にして可変電流モードによる移動
を行なっているのに対して、この実施例２においては、
定電流モードの終了時でのピエゾ素子への印加電圧値を
駆動制御回路１２に入力することはせず、ピエゾ素子へ
の印加電圧値は初期設定した値を用いる。そこで、図６
に示すように、サーボ回路１３から駆動制御回路１２へ
のピエゾ素子への印加電圧値に関する信号の授受は無い
構成となる。

【００４４】（実施例２の作用）次に、本発明の実施例
２の走査プローブ顕微鏡の作用を、図６、および図７を
用い、走査線（走査開始）の移動工程、帰線の移動工
程、および走査線（２回目以降の走査）の移動工程に分
けて説明する。なお、図７において、２０は走査領域で
あり、走査は走査開始点１０からＸ方向に１ライン分行
い、次にＹ方向に１ライン分ずれるとともにＸ方向に１
ライン分戻って、再びＸ方向に１ライン分走査を行なう
という移動を繰り返す場合を表示している。

【００４５】本発明の実施例２の走査プローブ顕微鏡
は、一つの可変電流モードによる走査が終了して次の走
査開始されるされるまでの帰線における移動工程を定電
流モードによって行う点では前記実施例１と同様である
が、次の走査開始におけるプローブの高さ設定を、プロ
ーブ１と試料の基準の位置からの高さＨを初期設定値Ｈ
₀ とする点で相違している。

【００４６】したがって、実施例２の作用において、走
査線（走査開始）の移動工程と帰線の移動工程は前記実
施例１と同様であり、２回目以降の走査での走査線の移
動工程が前記実施例１と相違する。

【００４７】そこで、以下では、走査線（走査開始）の
移動工程と帰線の移動工程の説明について省略し、２回
目以降の走査での走査線の移動工程について説明する。

【００４８】走査線（２回目以降の走査）の移動工程：
前記定電流モードによる帰線の移動工程によって、プロ
ーブ１は次の走査線３の開始位置に移動し、そのときの
プローブ１と試料表面との距離はＳ₀ となっている。こ
の状態から、再び走査回路１４からの信号によってＸ方
向のピエゾ素子７を駆動して、図３の破線の方向に可変
電流モードによって移動させる。このとき、走査回路１
４は切替え信号を出力して、サーボ回路１３から駆動制
御回路１２への切替えを行なう。実施例２における走査
線上の移動では、プローブ１の試料の基準位置からの高
さＨを初期値と同じＨ₀ となるようにして行なう。この
ためには、Ｚ方向のピエゾ素子への初期値である印加電
圧値Ｖ₀ が必要である。そのため、走査開始時において
この初期値である印加電圧値Ｖ₀ を駆動制御回路１２の
メモリに記憶させておき、２回目以降の走査においてメ
モリからこの印加電圧値Ｖ₀ を読み出し、この印加電圧
値Ｖ₀ を基にして前記した走査線の移動工程と同様にし
て、駆動制御回路１２により可変電流モードの移動を行
なう。

【００４９】したがって、実施例２における２回目以降
の走査では、プローブ１と試料表面との距離は走査開始
時の初期値Ｓ₀ とはならず、試料表面の高さｈに応じて
変化することになる。

【００５０】（実施例２特有の効果）実施例２の構成に
よれば、各ラインの走査開始位置において、プローブの
試料の基準位置からの高さは一定となる。したがって、
試料が熱等によってドリフトした場合や試料がＹ方向に
傾斜している場合において、そのドリフトや傾斜を含め
た試料の凹凸の像を求めることができる。

【００５１】〔実施例３〕次に、実施例３について説明
する。

【００５２】（実施例３の走査構成）実施例３の走査構
成は、前記実施例１の走査構成と同様に、走査線３にお
いてはプローブの試料に対する高さを一定とする可変電
流モードによって行い、一つの走査線の終了位置から次
の走査線３の開始位置までの帰線４においては、プロー
ブと試料表面との距離を一定に保持する定電流モードに
よって移動するものであるため、ここではその説明を省
略する。

【００５３】そして、実施例３は帰線４の移動を定電流
モードによって行なう点において、従来の走査プローブ
顕微鏡と相違している。

【００５４】（実施例３の装置構成）本発明の実施例３
の走査プローブ顕微鏡の装置構成は、前記実施例１の走
査プローブ顕微鏡の装置構成と同様であり、その走査プ
ローブ顕微鏡の作用について相違するので、装置構成に
ついての説明を省略する。

【００５５】（実施例３の作用）次に、本発明の実施例
３の走査プローブ顕微鏡の作用を、図２、および図８を
用い、走査線（走査開始）の移動工程、帰線の移動工
程、および走査線（２回目以降の走査）の移動工程に分
けて説明する。なお、図８において、２０は走査領域で
あり、走査は走査開始点１０からＸ方向に１ライン分行
い、次にＹ方向に１ライン分ずれるとともにＸ方向に１
ライン分戻って、再びＸ方向に１ライン分走査を行なう
という移動を繰り返す場合を表示している。

【００５６】本発明の実施例３の走査プローブ顕微鏡
は、走査線の移動工程の可変電流モードにおいては実施
例１と同様であって、走査開始時点におけるプローブ１
と試料表面との距離Ｓ初期設定値Ｓ₀ とし、走査中にお
けるプローブ１の試料の基準位置に対する高さＨを一定
となる様に制御を行なうが、帰線の移動工程の定電流モ
ードにおいてはプローブ１と試料表面の距離Ｓを、前工
程の可変電流モードの終了時における距離と同一とする
点で前記実施例１と相違している。

【００５７】したがって、実施例３の作用において、走
査線（走査開始）の移動工程と走査線（２回目以降の走
査）の移動工程は前記実施例１と同様であり、帰線の移
動工程が前記実施例１と相違している。

【００５８】そこで、以下では、走査線（走査開始）の
移動工程と走査線（２回目以降の走査）移動工程の説明
について省略し、帰線の移動工程についてのみ説明す
る。

【００５９】帰線の移動工程：可変電流モードによって
走査線の一ラインの終了位置にプローブ１が移動した
後、次の走査線への移動を定電流モードにより帰線に沿
って行なう。図８において、この帰線の移動を白抜きの
矢印によって表している。

【００６０】前工程の終了位置では、トンネル電流Ｊｔ
はＪｔ₁ で、プローブ１と試料表面との距離ＳはＳ₁ と
なっている。この帰線の移動工程の定電流モードでは、
トンネル電流Ｊｔの値を前工程の走査終了時と同じＪｔ
₁ となるように制御することによって、プローブ１と試
料表面との距離Ｓを前工程の終了位置と同じ一定距離Ｓ
₁ に保持しながら、次の走査線の走査開始位置に移動さ
せるものである。この移動は、図２の走査回路１４の切
替え信号によって駆動回路１２からサーボ回路１３に切
替え、トンネル電流が設定値Ｊｔ₁ となるようにフィー
ドバック信号をＺ方向のピエゾ素子９に印加してプロー
ブ１をＺ方向に制御し、同時に走査回路１４によってＹ
方向に一ライン分移動させＸ方向に一ライン分戻すこと
によって行なわれる。なお、このフィードバックの基準
となる設定値Ｊｔ₁ は、サーボ回路１３の図示しない記
憶手段に記憶しておく。

【００６１】この工程は定電流モードであるため、移動
中においてＺ方向のピエゾ素子への印加電圧は変化し、
帰線終了時における印加電圧値は例えばＶ₂ となり、プ
ローブ１の高さはＨ₂ （＝ｈ₂ ＋Ｓ₀ ）となる。

【００６２】したがって、プローブ１と試料表面との距
離Ｓが常に一定距離Ｓ₁ に制御されるため、帰線の移動
中においてプローブ１が試料の表面の突起した部分と接
触することを防止することができる。

【００６３】（実施例３特有の効果）実施例３の構成に
よれば、可変電流モードと定電流モードとの切替えにお
いて、プローブ１のＺ方向での移動を行なうことなく、
一方のモードの終了時の高さと次のモードの開始時の高
さを同一とすることができる。

【００６４】〔実施例４〕次に、実施例４について説明
する。

【００６５】（実施例４の走査構成）実施例４の走査構
成は、前記実施例１の走査構成と同様に、走査線３にお
いてはプローブの試料に対する高さを一定とする可変電
流モードによって行い、一つの走査線の終了位置から次
の走査線３の開始位置までの帰線４においては、プロー
ブと試料表面との距離を一定に保持する定電流モードに
よって移動するものであるため、ここではその説明を省
略する。

【００６６】そして、実施例４は帰線４の移動を定電流
モードによって行なう点において、従来の走査プローブ
顕微鏡と相違している。

【００６７】（実施例４の装置構成）本発明の実施例４
の走査プローブ顕微鏡の装置構成は、前記実施例２の走
査プローブ顕微鏡の装置構成と同様であり、その走査プ
ローブ顕微鏡の作用について相違するので、装置構成に
ついての説明を省略する。

【００６８】（実施例４の作用）次に、本発明の実施例
４の走査プローブ顕微鏡の作用を、図６、および図９を
用い、走査線（走査開始）の移動工程、帰線の移動工
程、および走査線（２回目以降の走査）の移動工程に分
けて説明する。なお、図９において、２０は走査領域で
あり、走査は走査開始点１０からＸ方向に１ライン分行
い、次にＹ方向に１ライン分ずれるとともにＸ方向に１
ライン分戻って、再びＸ方向に１ライン分走査を行なう
という移動を繰り返す場合を表示している。

【００６９】本発明の実施例４の走査プローブ顕微鏡
は、走査線の移動工程の可変電流モードにおいては実施
例２と同様であって、試料の基準位置に対するプローブ
１の高さＨを初期設定値Ｈ₀ となる様に制御を行なう
が、帰線の移動工程の定電流モードにおいてはプローブ
１と試料表面の距離Ｓを、前工程の可変電流モードの終
了時における距離と同一とする点で前記実施例２と相違
している。

【００７０】したがって、実施例４の作用において、走
査線（走査開始）の移動工程と走査線（２回目以降の走
査）の移動工程は前記実施例２と同様であり、帰線の移
動工程が前記実施例２と相違している。

【００７１】そこで、以下では、走査線（走査開始）の
移動工程と走査線（２回目以降の走査）移動工程の説明
について省略し、帰線の移動工程についてのみ説明す
る。

【００７２】帰線の移動工程：可変電流モードによって
走査線の一ラインの終了位置にプローブ１が移動した
後、次の走査線への移動を定電流モードにより帰線に沿
って行なう。図９において、この帰線の移動を白抜きの
矢印によって表している。

【００７３】前工程の終了位置では、トンネル電流Ｊｔ
はＪｔ₁ で、プローブ１と試料表面との距離ＳはＳ₁ と
なっている。この帰線の移動工程の定電流モードでは、
トンネル電流Ｊｔの値を前工程の走査終了時と同じＪｔ
₁ となるように制御することによって、プローブ１と試
料表面との距離Ｓを前工程の終了位置と同じ一定距離Ｓ
₁ に保持しながら、次の走査線の走査開始位置に移動さ
せるものである。この移動は、図２の走査回路１４の切
替え信号によって駆動回路１２からサーボ回路１３に切
替え、トンネル電流が設定値Ｊｔ₁ となるようにフィー
ドバック信号をＺ方向のピエゾ素子９に印加してプロー
ブ１をＺ方向に制御し、同時に走査回路１４によってＹ
方向に一ライン分移動させＸ方向に一ライン分戻すこと
によって行なわれる。なお、このフィードバックの基準
となる設定値Ｊｔ₁ は、サーボ回路１３の図示しない記
憶手段に記憶しておく。

【００７４】この工程は定電流モードであるため、移動
中においてＺ方向のピエゾ素子への印加電圧は変化し、
帰線終了時における印加電圧値は例えばＶ₂ となり、プ
ローブ１の高さはＨ₂ （＝ｈ₂ ＋Ｓ₀ ）となる。

【００７５】したがって、プローブ１と試料表面との距
離Ｓが常に一定距離Ｓ₁ に制御されるため、帰線の移動
中においてプローブ１が試料の表面の突起した部分と接
触することを防止することができる。

【００７６】（実施例４特有の効果）実施例４の構成に
よれば、可変電流モードから定電流モードとの切替えに
おいてプローブ１のＺ方向での移動を行なうことなく、
可変電流モードの終了時の高さと定電流モードの開始時
の高さを同一とすることができる。

【００７７】〔実施例５〕次に、実施例５について説明
する。

【００７８】（実施例５の走査構成）実施例５の走査構
成は、前記実施例１の走査構成と同様に、走査線３にお
いてはプローブの試料に対する高さを一定とする可変電
流モードによって行い、一つの走査線の終了位置から次
の走査線３の開始位置までの帰線４においては、プロー
ブと試料表面との距離を一定に保持する定電流モードに
よって移動するものであるため、ここではその説明を省
略する。

【００７９】そして、実施例５は走査線と帰線の移動を
共に可変電流モードによって行なう点で前記実施例１〜
実施例４と相違しており、また、この帰線の移動でのプ
ローブの高さを走査線の移動でのプローブの高さと異な
らせる点で従来の走査プローブ顕微鏡と相違している。

【００８０】（実施例５の装置構成）次に、本発明の実
施例５の走査プローブ顕微鏡の装置構成を、図１０を用
いて説明する。

【００８１】図１０に示す実施例５の走査プローブ顕微
鏡の装置構成は、図２に示した前記実施例１の走査プロ
ーブ顕微鏡の装置構成と比較して、サーボ回路１３を有
していない点で相違している。そこで、以下の説明で
は、この相違点について説明し、その他の共通する構成
については説明を省略する。

【００８２】実施例５における走査プローブ顕微鏡で
は、Ｚ方向のピエゾ素子９の駆動は駆動制御回路１２に
よる可変電流モードのみで行なわれ、フィードバックに
よる定電流モードでの駆動は行なわないため、装置構成
要素としてサーボ回路１３は不要である。そのため、実
施例５の走査プローブ顕微鏡は、駆動回路として駆動制
御回路１２のみを有している。

【００８３】そして、この駆動制御回路１２は、走査線
の移動と帰線の移動とにおいて、試料の基準位置に対す
るプローブ１の高さＨを異ならせている。例えば、走査
線の移動においては、試料の基準位置に対するプローブ
１の高さＨをＨ₀ としているのに対して、帰線の移動に
おいては、試料の基準位置に対するプローブ１の高さＨ
をＨｂとしている。この試料の基準位置に対するプロー
ブ１の高さＨは、駆動制御回路１２からＺ方向のピエゾ
素子９に印加する印加電圧Ｖの値により設定される。駆
動制御回路１２は、この印加電圧Ｖの値をメモリに記憶
しておくこともできる。

【００８４】（実施例５の作用）次に、本発明の実施例
５の走査プローブ顕微鏡の作用を、図１０、および図１
１を用い、走査線（走査開始）の移動工程、帰線の移動
工程、および走査線（２回目以降の走査）の移動工程に
分けて説明する。なお、図１１において、２０は走査領
域であり、走査は走査開始点１０からＸ方向に１ライン
分行い、次にＹ方向に１ライン分ずれるとともにＸ方向
に１ライン分戻って、再びＸ方向に１ライン分走査を行
なうという移動を繰り返す場合を表示している。

【００８５】本発明の実施例５の走査プローブ顕微鏡
は、一つの可変電流モードによる走査が終了して次の走
査開始されるされるまでの帰線における移動工程を可変
電流モードによって行う点で前記実施例１、実施例３と
相違しているが、次の走査開始におけるプローブの高さ
設定を、プローブ１と試料の基準の位置からの高さＨを
初期設定値Ｈ₀ とする点で前記実施例１、実施例３と同
じである。

【００８６】したがって、実施例５の作用において、走
査線（走査開始）の移動工程と２回目以降の走査での走
査線の移動工程は前記実施例１、実施例３と同様であ
り、帰線の移動工程が前記実施例１、実施例３と相違す
る。

【００８７】そこで、以下では、走査線（走査開始）の
移動工程と２回目以降の走査での走査線の移動工程の説
明について省略し、帰線の移動工程について説明する。

【００８８】帰線の移動工程：可変電流モードによって
走査線の一ラインの終了位置にプローブ１が移動した
後、次の走査線への移動を可変電流モードにより帰線に
沿って行なう。図１１において、この帰線の移動を白抜
きの矢印によって表している。

【００８９】前工程の終了位置では、その走査開始位置
と同様に、試料の基準位置に対するプローブ１の高さＨ
はＨ₀ である。この帰線の移動工程の可変電流モードで
は、試料の基準位置に対するプローブ１の高さＨを前記
Ｈ₀ よりも高いＨｂとなるように、ピエゾ素子への印加
電圧をＶｂとするものである。この高さＨｂは、プロー
ブの移動中において試料の表面と接触を防止するのに充
分な距離に設定する。この移動は、図１０の走査回路１
４の切替え信号によって駆動制御回路１２における印加
電圧値をＶｂに設定してピエゾ素子９に印加し、プロー
ブ１をＺ方向に制御し、同時に走査回路１４によってＹ
方向に一ライン分移動させＸ方向に一ライン分戻すこと
によって行なわれる。なお、この印加電圧Ｖｂは、駆動
制御回路１２のメモリ等の記憶手段に記憶しておくこと
ができる。

【００９０】この帰線の工程は可変電流モードであるた
め、帰線の終了位置でのプローブの高さはＨ₀ となる。
ここで、この実施例５では、次の走査線の移動における
プローブの高さをＨ₂ （＝Ｓ₀ ＋ｈ₀ ）として、プロー
ブと試料表面との距離Ｓが初期設定値Ｓ₀ となるように
している。そこで、駆動制御回路１２は、走査回路１４
からの切替え信号によってピエゾ素子への印加電圧値を
ＶｂからＶ₂ へ切り替える。

【００９１】したがって、帰線の移動中において試料の
基準位置からのプローブ１の高さが、試料の凹凸と比較
して充分大きくなるように高さ制御されるため、帰線の
移動中においてプローブ１が試料の表面の突起した部分
と接触することを防止することができる。

【００９２】（実施例５特有の効果）実施例５の構成に
よれば、可変電流モードから定電流モードへ、および定
電流モードから可変電流モードへのモードの切替えを行
なう必要がなく、装置構成を簡略化することができる。

【００９３】また、実施例５の構成によれば、各ライン
の走査開始位置において、プローブと試料表面との距離
を常に一定とすることができる。したがって、試料が熱
等によってドリフトした場合や試料がＹ方向に傾斜して
いる場合でも、そのドリフトや傾斜を補正した像を求め
ることができ、また、各ライン毎にプローブと試料表面
との距離を補正してプローブと試料表面との接触を防止
することができる。

【００９４】〔実施例６〕次に、実施例６について説明
する。

【００９５】（実施例６の走査構成）実施例６の走査構
成は、前記実施例１の走査構成と同様に、走査線３にお
いてはプローブの試料に対する高さを一定とする可変電
流モードによって行い、一つの走査線の終了位置から次
の走査線３の開始位置までの帰線４においては、プロー
ブと試料表面との距離を一定に保持する定電流モードに
よって移動するものであるため、ここではその説明を省
略する。

【００９６】そして、実施例６は走査線と帰線の移動を
共に可変電流モードによって行なう点で前記実施例１〜
実施例４と相違しており、また、この帰線の移動でのプ
ローブの高さを走査線の移動でのプローブの高さと異な
らせる点で従来の走査プローブ顕微鏡と相違している。
また、実施例６は、２回目以降の走査線の移動を開始す
るときのプローブの設定高さの点で前記実施例５と相違
している。

【００９７】（実施例６の装置構成）本発明の実施例６
の走査プローブ顕微鏡の装置構成は、図１０に示す前記
実施例５の装置構成と同様であるので、詳細な説明は省
略する。

【００９８】実施例６の駆動制御回路１２は、走査線の
移動と帰線の移動とにおいて、実施例５と同様に試料の
基準位置に対するプローブ１の高さＨを異ならせてい
る。例えば、走査線の移動においては、試料の基準位置
に対するプローブ１の高さＨをＨ₀ としているのに対し
て、帰線の移動においては、試料の基準位置に対するプ
ローブ１の高さＨをＨｂとしている。この試料の基準位
置に対するプローブ１の高さＨは、駆動制御回路１２か
らＺ方向のピエゾ素子９に印加する印加電圧Ｖの値によ
り設定される。駆動制御回路１２は、この印加電圧Ｖの
値をメモリに記憶しておくこともできる。また、２回目
以降の走査線の移動においては、ピエゾ素子への印加電
圧をＶ₀ として試料の基準位置に対するプローブの高さ
をＨ₀ となるよう設定している。

【００９９】（実施例６の作用）次に、本発明の実施例
６の走査プローブ顕微鏡の作用を、図１０、および図１
２を用い、走査線（走査開始）の移動工程、帰線の移動
工程、および走査線（２回目以降の走査）の移動工程に
分けて説明する。なお、図１２において、２０は走査領
域であり、走査は走査開始点１０からＸ方向に１ライン
分行い、次にＹ方向に１ライン分ずれるとともにＸ方向
に１ライン分戻って、再びＸ方向に１ライン分走査を行
なうという移動を繰り返す場合を表示している。

【０１００】本発明の実施例６の走査プローブ顕微鏡
は、一つの可変電流モードによる走査が終了して次の走
査開始されるされるまでの帰線における移動工程を可変
電流モードによって行う点で前記実施例２、実施例４と
相違しているが、２回目以降の走査開始におけるプロー
ブの高さ設定を、プローブ１と試料の基準の位置からの
高さＨを初期設定値Ｈ₀ とする点で前記実施例２、実施
例４と同じである。また、前記実施例５とは、２回目以
降の走査開始におけるプローブの高さ設定を初期設定値
Ｈ₀ とする点で相違している。

【０１０１】したがって、実施例６の作用において、走
査線（走査開始）の移動工程と２回目以降の走査での走
査線の移動工程は前記実施例２、実施例４と同様であ
り、帰線の移動工程で前記実施例２、実施例４と相違し
ており、走査線（走査開始）の移動工程と帰線の移動工
程は前記実施例５と同様であり、２回目以降の走査での
走査線の移動工程で前記実施例５と相違している。

【０１０２】そこで、以下では、走査線（走査開始）の
移動工程と帰線の移動工程の説明について省略し、２回
目以降の走査での走査線の移動工程について説明する。

【０１０３】走査線（２回目以降の走査）の移動工程：
前記定電流モードによる帰線の移動工程によって、プロ
ーブ１は次の走査線３の開始位置に移動し、そのときの
試料の基準位置に対するプローブ１の高さＨはＨｂとな
っている。この状態から、再び走査回路１４からの信号
によってＸ方向のピエゾ素子７を駆動して、破線の方向
に可変電流モードによって移動させる。このとき、走査
回路１４は切替え信号を出力して、駆動制御回路１２に
おける印加電圧をＶｂからＶ₀ への切替えを行なう。走
査開始時においてこの初期値である印加電圧値Ｖ₀ を駆
動制御回路１２のメモリに記憶させておき、２回目以降
の走査においてメモリからこの印加電圧値Ｖ₀ を読み出
し、この印加電圧値Ｖ₀ を基にして前記した走査線の移
動工程と同様にして、駆動制御回路１２により可変電流
モードの移動を行なう。

【０１０４】したがって、実施例６における２回目以降
の走査では、プローブ１と試料表面との距離Ｓは走査開
始時の初期値Ｓ₀ とはならず、試料表面の高さｈに応じ
て変化することになる。

【０１０５】（実施例６特有の効果）実施例６の構成に
よれば、可変電流モードから定電流モードへ、および定
電流モードから可変電流モードへのモードの切替えを行
なう必要がなく、装置構成を簡略化することができる。

【０１０６】また、実施例６の構成によれば、各ライン
の走査開始位置において、プローブの試料の基準位置か
らの高さは一定となる。したがって、試料が熱等によっ
てドリフトした場合や試料がＹ方向に傾斜している場合
において、そのドリフトや傾斜を含めた試料の凹凸の像
を求めることができる。

【０１０７】〔変形例〕本発明の走査プローブ顕微鏡と
して、前記実施例のトンネル顕微鏡に代えて、プローブ
と試料の表面原子間に働く原子間力を測定する原子間力
顕微鏡（ＡＦＭ）を用いることもできる。

【０１０８】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能で
あり、それらを本発明の範囲から排除するものではな
い。

【０１０９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
走査プローブ顕微鏡の可変電流モードによる測定におい
て、走査線間の移動時におけるプローブの試料表面との
接触を回避することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の走査状態を説明する図であ
る。

【図２】本発明の実施例１，４の走査プローブ顕微鏡の
装置構成図である。

【図３】本発明の実施例１の走査工程を説明する図であ
る。

【図４】走査プローブ顕微鏡の定電流モードを説明する
図である。

【図５】走査プローブ顕微鏡の可変電流モードを説明す
る図である。

【図６】本発明の実施例２，３の走査プローブ顕微鏡の
装置構成図である。

【図７】本発明の実施例２の走査工程を説明する図であ
る。

【図８】本発明の実施例３の走査工程を説明する図であ
る。

【図９】本発明の実施例４の走査工程を説明する図であ
る。

【図１０】本発明の実施例５，６の走査プローブ顕微鏡
の装置構成図である。

【図１１】本発明の実施例５の走査工程を説明する図で
ある。

【図１２】本発明の実施例６の走査工程を説明する図で
ある。

【符号の説明】

１…プローブ、２…試料、３…走査線、４，５…帰線、
６…ピエゾアクチュエータ、７，８，９…ピエゾ素子、
１０…走査開始点、１１…トンネル電流増幅回路、１２
…駆動制御回路、１３…サーボ回路、１４…走査回路、
１５…表示回路、２０，２１，２２…走査領域

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料表面に対してプローブを、走査開始
   点と走査終了点を結ぶ走査線と、走査終了点と次の走査
   開始点を結ぶ帰線とに沿って移動させることにより２次
   元的に走査して、試料表面の表面分析を行なう走査プロ
   ーブ顕微鏡において、（ａ）プローブの試料法線方向の
   移動を行なう駆動手段と、（ｂ）前記走査線と前記帰線
   とで前記駆動手段の移動量を異ならせる制御手段とを有
   することを特徴とする走査プローブ顕微鏡。