JPH08166394A - 走査型プローブ顕微鏡の圧電体変位振幅検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】この発明は、ＸＹ走査やＺ制御の変位振幅を圧
電体変位センサで検出してその振幅電圧を設定したり、
ＸＹ走査やＺ制御の変位振幅を圧電体変位センサで検出
してその変位振幅を表示設定することを特徴とする。 【構成】マイクロコンピュータ２２は、Ｚ制御部２３、
Ｘ制御部２４、Ｙ制御部２５を介してＸＹＺ駆動用圧電
体２８を３次元方向に制御すると共に、Ｚ制御データを
試料８の凹凸データとして、ホストコンピュータ２１へ
転送する。ＸＹＺ駆動用圧電体２８下端の鏡体３１に
は、Ｘ変位検出センサ３３、Ｙ変位検出センサ３４が設
けられる。Ｘ制御部２４は、Ｘ走査Ｄ／Ａ変換器２４
ａ、ＸオフセットＤ／Ａ変換器２４ｂ、Ｘ変位Ａ／Ｄ変
換器２４ｃ、加算器２４ｄから成る。Ｙ制御部２５は、
Ｙ走査Ｄ／Ａ変換器２５ａ、ＹオフセットＤ／Ａ変換器
２５ｂ、Ｙ変位Ａ／Ｄ変換器２５ｃ、加算器２５ｄから
成る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は走査型プローブ顕微鏡
の圧電体変位振幅検出装置に関し、特に高分解能で且つ
直線性の高い高精度な試料表面情報測定が可能な走査型
プローブ顕微鏡の圧電体変位振幅検出装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】一般に、走査型プローブ顕微鏡では、プ
ローブまたは試料を３次元方向に移動させるために圧電
体を用いている。圧電体には、図１０（ａ）に示される
ような印加電圧と変位のヒステリシス特性を有してい
る。そして、このヒステリシス特性に起因する測定画像
の歪みを解消するために、一方向乃至複数の方向の圧電
体変位検出センサが設けられ、圧電体のＸＹ変位とＸＹ
走査信号とが直線性を保つようにフィードバック制御す
る走査型プローブ顕微鏡や、圧電体をＺ制御した際、Ｚ
変位検出センサの出力信号を凹凸情報として画像化する
走査型プローブ顕微鏡が開発されている。

【０００３】ところで、従来のＸＹフィードバック制御
機能付き走査型プローブ顕微鏡では、圧電体の変位分解
能（０．０１ｎｍ程度）より圧電体変位検出センサの変
位検出分解能（数ｎｍ程度）が劣っている点と、ＸＹ走
査電圧が小さい場合は圧電体の印加電圧と変位の関係が
直線性特性に近付く点から、以下のように走査測定して
いる。すなわち、ＸＹ走査範囲が大きい場合は、ＸＹ変
位フィードバックを行って（閉ループ）走査測定して直
線性の高い測定画像を得ている。一方、ＸＹ走査範囲が
小さい場合は、圧電体に印加するオフセット電圧（圧電
体印加電圧のＤＣ成分）に対しては変位フィードバック
を行って設定し、走査電圧は変位フィードバックを行わ
ずに（開ループ）走査測定して分解能の高い測定画像を
得ている。

【０００４】また、従来のＺ変位センサ付き走査型プロ
ーブ顕微鏡に於いて、大きな凹凸を測定する場合は、Ｚ
変位検出センサの出力信号を凹凸情報として直線性の高
い測定画像を得ている。また、小さい凹凸を測定する場
合は、Ｚサーボ電圧を凹凸情報として分解能の高い測定
画像を得ている。

【０００５】図１１は、ＸＹ走査範囲が小さい場合に対
応したＸＹフィードバック制御機能付き走査型プローブ
顕微鏡の従来例を示したもので、その詳細は本件出願人
による特願平５−２９８７４８号に記載されている。ま
た、図１２は、図１１のＸＹＺ駆動用圧電体８の３次元
方向の変位を検出する圧電体変位検出センサ付きのスキ
ャナシステムの例を示したものである。

【０００６】図１１及び図１２に於いて、ホストコンピ
ュータ１が接続されたマイクロコンピュータ２には、Ｚ
制御部３、Ｘ制御部４、Ｙ制御部５が接続されている。
Ｚ制御部３には探針変位検出部６が接続されており、更
にその先端にカンチレバー７が設けられている。また、
Ｚ制御部３、Ｘ制御部４、Ｙ制御部５が接続されるＸＹ
Ｚ駆動用圧電体８上に設けられた試料台９には、試料１
０が載置されるようになっている。尚、上記ＸＹＺ駆動
用圧電体８は、鏡体１１内に設けられたＺ変位検出セン
サ１２、Ｘ変位検出センサ１３及びＹ変位検出センサ１
４により動作される。

【０００７】また、上記Ｘ制御部４内は、Ｘ走査Ｄ／Ａ
変換器４ａ、ＸオフセットＤ／Ａ変換器４ｂ、Ｘオフセ
ットサーボ回路４ｃ、加算器４ｄ及びＬＰＦ（ローパス
フィルタ）４ｅを有している。尚、図示されないが、Ｚ
制御部３及びＹ制御部５についても、Ｘ制御部４内と同
様の構成となっている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来のＸＹフ
ィードバック制御機能付き走査型プローブ顕微鏡に於い
て、ＸＹ走査範囲が小さい場合は、変位フィードバック
を行わずに（開ループ）走査測定して分解能の高い測定
画像を得ている。しかしながら、図１０（ｂ）に示され
るように、圧電体に印加するオフセット電圧（圧電体印
加電圧のＤＣ成分）を、Ｖｏ１からＶｏ４まで変化させ
ると、圧電体の印加電圧と変位の直線特性の傾きが変化
してしまう。このため、印加電圧範囲Ｖｓを一定にして
も、Ｄｓ１からＤｓ４のように、変位する範囲が異なっ
てしまう。このとき、印加電圧が０Ｖ付近の電圧変位特
性の傾きを基準に換算して、ＸＹ走査電圧を印加して測
定した結果を画像化すると、現実のＸＹ走査範囲とサイ
ズが異なるという問題が生じる。

【０００９】また、従来のＺ変位センサ機能付き走査型
プローブ顕微鏡に於いて、Ｚ制御電圧の制御範囲が小さ
い場合は、Ｚ制御電圧を凹凸情報として画像化して分解
能の高い測定画像を得ている。しかしながら、圧電体に
印加されているオフセット電圧（圧電体印加電圧のＤＣ
成分）が変化すると、図１０（ｂ）に示されるように、
圧電体の印加電圧と変位の直線特性の傾きが変化してし
まい、Ｚ制御電圧が一定であっても、オフセット電圧レ
ベルによってＺ制御電圧が異なってしまう。このとき、
印加電圧が０Ｖ付近の電圧変位特性の傾きを基準に換算
して、Ｚ制御電圧を凹凸情報として画像化すると、現実
の凹凸とサイズが異なるという問題が生じてしまうもの
であった。

【００１０】この発明は上記課題に鑑みてなされたもの
で、印加電圧が０Ｖ付近の電圧変位特性の傾きを基準に
換算して、ＸＹ走査電圧を印加して測定した結果を画像
化した場合に現実のＸＹ走査範囲とサイズが異なること
なく、またＺ制御電圧を凹凸情報として画像化した場合
に現実の凹凸とサイズが異なることのない走査型プロー
ブ顕微鏡の圧電体変位振幅検出装置を提供することを目
的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】すなわちこの発明は、プ
ローブまたは試料を微動させる圧電体と、この圧電体の
ＸＹ方向の変位を検出する、少なくとも一方向の変位検
出手段と、上記変位検出手段から検出された信号に応じ
て、上記圧電体をＸＹ方向に走査変形させる走査電圧の
振幅を設定する、少なくとも一方向の走査振幅設定手段
と、上記走査振幅設定手段により振幅設定されたＸＹ方
向の走査電圧を発生する、少なくとも一方向の走査電圧
発生手段とを具備し、上記走査振幅設定手段は、測定前
に予備走査を少なくとも１回行いながら、少なくとも一
方向の走査電圧の振幅を設定することを特徴とする。

【００１２】またこの発明は、プローブまたは試料を微
動させる圧電体と、この圧電体のＸＹ方向の少なくとも
一方向の変位を検出する変位検出手段と、上記圧電体を
ＸＹ方向に走査変形させる振幅電圧一定の走査電圧を発
生する、少なくとも一方向の走査電圧発生手段と、上記
変位検出手段によって検出された少なくとも一方向の走
査変位振幅を記憶する記憶手段とを具備し、上記変位検
出手段は、走査測定中に、ＸＹ方向の少なくとも一方向
の走査変位振幅を少なくとも１回検出し、上記記憶手段
は上記変位検出手段によって少なくとも１回検出された
上記ＸＹ方向の少なくとも一方向の走査変位振幅を記憶
することを特徴とする。

【００１３】更にこの発明は、プローブまたは試料を微
動させる圧電体と、上記プローブから試料表面情報を検
出して圧電体をＺ方向に変形させる信号を発生するＺ制
御手段と、上記圧電体のＺ方向の変位を検出するＺ変位
検出手段と、上記圧電体をＸＹ方向に走査変形させる走
査電圧を発生する少なくとも一方向の走査電圧発生手段
と、上記Ｚ変位検出手段によって検出されたＺ変位振幅
を記憶する記憶手段とを具備し、上記Ｚ変位検出手段は
測定前にＸＹ方向の少なくとも一方向の予備走査を少な
くとも１回行いながら上記Ｚ変位振幅を検出し、上記記
憶手段は測定前に上記検出された上記Ｚ変位振幅を記憶
することを特徴とする。

【００１４】更にまたこの発明は、プローブまたは試料
を微動させる圧電体と、上記プローブから試料表面情報
を検出して圧電体をＺ方向に変形させる信号を発生する
Ｚ制御手段と、上記圧電体のＺ方向の変位を検出するＺ
変位検出手段と、上記圧電体をＸＹ方向に走査変形させ
る走査電圧を発生する、少なくとも一方向の走査電圧発
生手段と、上記Ｚ変位検出手段によって検出されたＺ変
位振幅を記憶する記憶手段とを具備し、上記Ｚ変位検出
手段は走査測定中に上記Ｚ変位振幅を少なくとも１回検
出し、上記記憶手段は走査測定中に上記検出された上記
Ｚ変位振幅を記憶することを特徴とする。

【００１５】

【作用】この発明にあっては、Ｘ及びＹ圧電体の変位検
出手段と、Ｘ及びＹの走査電圧発生手段と、上記変位検
出手段からの検出信号を演算し、上記走査電圧発生手段
から出力する信号の振幅を制御する。そして、第１のＸ
Ｙ制御方法では、走査測定を開始する前に、変位検出を
行いながら予備走査を少なくとも１回繰返す。このと
き、測定したい走査範囲に相等する走査電圧範囲を検出
し、走査測定時は検出された走査電圧に固定して行う。
第２のＸＹ制御方法では、走査測定の際、Ｘ及びＹ走査
電圧の最小走査電圧出力時と最大走査電圧出力時に、少
なくとも１回変位検出を行うことによって、実際の走査
範囲を検出し、走査測定後に実際の走査範囲データを表
示する。

【００１６】また、この発明にあっては、Ｚ変位検出手
段と、走査電圧発生手段と、上記Ｚ変位検出手段からの
検出信号を演算し、走査電圧発生手段からの出力信号を
制御したり、上記走査電圧発生手段の出力信号から上記
Ｚ変位検出手段の検出信号とＺ変位を演算するＺ制御手
段と、Ｚ圧電定数を記憶する記憶手段とを設けて、試料
凹凸測定を行う。そして、第１のＺ制御方法では、上記
Ｚ制御手段によって、常にＺサーボをかけながら、ＸＹ
走査測定を開始する前に、Ｚ変位検出を行いながら予備
走査を少なくとも１回繰返す。このとき、測定したい試
料凹凸範囲に相等するＺ変位範囲を検出し、Ｚサーボ電
圧範囲とＺ変位範囲から、Ｚ圧電定数を演算して記憶し
ておく。ＸＹ走査測定時は出力しているＺサーボ電圧と
Ｚ圧電定数からＺ変位を演算して試料凹凸データとす
る。また、第２のＺ制御方法では、上記Ｚ制御手段によ
って、常にＺサーボをかけながら、ＸＹ走査測定を行っ
ている際、Ｚサーボ電圧を試料凹凸データとして測定す
る。Ｚサーボ電圧の最小電圧出力時と最大電圧出力時
に、Ｚ変位検出を少なくとも１回行い、Ｚ変位の範囲を
検出記憶すると同時に、サーボ電圧範囲も記憶する。走
査測定後に、測定中に記憶したＺサーボ電圧範囲とＺ変
位範囲から、実際のＺ変位範囲を演算して表示する。

【００１７】

【実施例】以下、図面を参照してこの発明の実施例を説
明する。図１は、この発明の第１の実施例を示したもの
で、走査型プローブ顕微鏡をＡＦＭに適用した装置の構
成図である。

【００１８】図１に於いて、ホストコンピュータ２１
は、試料３０の凹凸を画像表示するためのものである。
このホストコンピュータ２１が接続されたマイクロコン
ピュータ２２には、Ｚ制御部２３、Ｘ制御部２４、Ｙ制
御部２５が接続されている。そして、探針変位検出部２
６は、カンチレバー２７の変位を検出し、探針変位信号
Ｓ１をＺ制御部２３へ出力する。

【００１９】上記マイクロコンピュータ２２は、Ｚ制御
部２３、Ｘ制御部２４、Ｙ制御部２５を介してＸＹＺ駆
動用圧電体２８を３次元方向に制御しながら、Ｚ制御デ
ータＤ２を、ＸＹＺ駆動用圧電体２８の上端に固定され
た試料台２９上に載置される試料８の凹凸データＤ１０
として、ホストコンピュータ２１へ転送する。また、Ｘ
ＹＺ駆動用圧電体２８の下端は、鏡体３１に固定されて
いる。この鏡体３１には、ＸＹＺ駆動用圧電体２８の上
端の変位、すなわち試料台９とこれに載置された試料３
０の変位量を検出するＸ変位センサ３３及びＹ変位セン
サ３４が設けられる。

【００２０】上記Ｚ制御部２３は、探針変位信号Ｓ１を
検出する。そして、マイクロコンピュータ２２で探針変
位を一定に保つようなＺ制御データＤ２を演算して、Ｚ
制御部２３内のＤ／Ａ変換器（図示せず）を介してＺ制
御信号Ｓ２をＸＹＺ駆動用圧電体２８に出力する。

【００２１】上記Ｘ制御部２４は、Ｘ走査信号Ｓ４を出
力するＸ走査Ｄ／Ａ変換器２４ａ、Ｘオフセット信号Ｓ
５を出力するＸオフセットＤ／Ａ変換器２４ｂ、Ｘ変位
センサ３３から出力されるＸ変位信号Ｓ６をＡ／Ｄ変換
するＸ変位Ａ／Ｄ変換器２４ｃ、Ｘ走査信号Ｓ４とＸオ
フセット信号Ｓ５を加算してＸ駆動信号Ｓ１０を出力す
る加算器２４ｄから成る。

【００２２】更に、上記Ｙ制御部２５は、Ｙ走査信号Ｓ
７を出力するＹ走査Ｄ／Ａ変換器２５ａ、Ｙオフセット
信号Ｓ８を出力するＹオフセットＤ／Ａ変換器２５ｂ、
Ｙ変位センサ３４から出力されるＹ変位信号Ｓ９をＡ／
Ｄ変換するＹ変位Ａ／Ｄ変換器２５ｃ、Ｙ走査信号Ｓ７
とＹオフセット信号Ｓ８を加算してＹ駆動信号Ｓ１１を
出力する加算器２５ｄから成る。

【００２３】次に、図２のタイミングチャートを参照し
て、第１の実施例による測定の動作を説明する。図２
（ａ）はＸ駆動信号Ｓ１０の電圧、図２（ｂ）はＸ変位
Ａ／Ｄ変換タイミングを示したものである。

【００２４】先ず、Ｘ変位信号Ｓ６について、Ｘ変位Ａ
／Ｄ変換器２４ｂにてＡ／Ｄ変換を連続して行う。それ
と共に、所望の位置に達するまでＸオフセットＤ／Ａ変
換器２４ｂの出力を変化させていき、試料３０をＸオフ
セット移動させる。Ｙオフセット移動についても、上記
のＸ方向と同様の方法で行う（区間Ｔ１）。

【００２５】次いで、予め設定されている走査振幅電圧
で予備走査を開始する。すなわち、走査折返し点でＸ変
位信号Ｓ６をＸ変位Ａ／Ｄ変換器２４ｂでＡ／Ｄ変換し
ながら、Ｘ走査Ｄ／Ａ変換器２４ａから出力するＸ走査
信号Ｓ４の走査振幅電圧を所望の走査変位振幅になるよ
うに近付けていく。Ｙ走査振幅電圧の設定も、上記のＸ
方向と同様の方法で行う（区間Ｔ２）。

【００２６】Ｘ、Ｙともに所望の走査変位振幅になった
ならば、走査振幅電圧を固定して、実際の走査測定を開
始する。その後、Ｘ変位信号Ｓ６のＡ／Ｄ変換検出は行
わない。Ｙについても同様に行う（区間Ｔ３）。

【００２７】このように測定することによって、小さい
ＸＹ範囲の測定の際、圧電体にオフセット電圧が印加し
ても、高分解能で且つ直線性の高い、高精度な試料表面
情報測定が可能となる。

【００２８】図３は、上述した第１の実施例の変形例を
示すタイミングチャートである。Ｘ＜Ｙオフセット（区
間Ｔ１）は上述した第１の実施例と同じである。次い
で、予備走査の時、一定の振幅電圧での走査を複数回繰
返し、走査折返し点で、Ｘ変位信号Ｓ６がＡ／Ｄ変換さ
れたデータを、マイクロコンピュータ２２で加算平均演
算する。それと共に、Ｘ走査振幅電圧を、所望の走査変
位振幅になるように近付けていく。Ｙ走査振幅電圧の設
定についても、上記のＸ方向と同様の方法で行う（区間
Ｔ２）。Ｘ、Ｙともに所望の走査変位振幅になったなら
ば、走査振幅電圧を固定して実際の走査測定を開始する
（区間Ｔ３）。

【００２９】この方法によって、その走査変位振幅をよ
り高精度に設定することができる。図３は、一定の振幅
電圧での走査（各々、区間Ｔ２ａ、Ｔ２ｂ、Ｔ２ｃ）を
４回繰返した例を示したものである。

【００３０】図４は、第１の実施例の更に他の変形例を
示すタイミングチャートである。予備走査の時、Ｘ制御
部２４は、Ｘ変位信号Ｓ６を連続してＡ／Ｄ変換しなが
ら、所望の走査変位振幅の下端に達するまで、Ｘ走査Ｄ
／Ａ変換器２４ａから出力する走査電圧を下げ続ける。
そして、所望の走査変位振幅の下端に達したならば、Ｘ
走査Ｄ／Ａ変換器２４ａから出力する走査電圧を上げ始
める。引続き、所望の走査変位振幅の上端に達するま
で、Ａ／Ｄ変換を連続して行いながらＸ走査Ｄ／Ａ変換
器２４ａから出力する走査電圧を上げ続ける。所望の走
査変位振幅の上端に達したならば、走査電圧を折返す。
Ｙ走査振幅電圧の設定についても、上記のＸ方向と同様
の方法で予備走査を行う（区間Ｔ２）。

【００３１】次いで、Ｘ、Ｙともに所望の走査変位振幅
の走査振幅電圧に固定して実際の走査測定を開始する
（区間Ｔ３）。この方法によって、Ｘ、Ｙともに１往復
の予備走査で所望の走査変位振幅に設定できるため、よ
り速く走査電圧を設定することができる。

【００３２】次に、この発明の第２の実施例を説明す
る。図５は、この発明の第２の実施例の構成を示したも
ので、走査型プローブ顕微鏡をＡＦＭに適用した装置の
構成図である。

【００３３】図５に於いて、マイクロコンピュータ２２
には、メモリ２２ａが内蔵されている。このメモリは、
同実施例に於いては、測定中に、Ｘ変位Ａ／Ｄ変換器２
４ｃ、Ｙ変位Ａ／Ｄ変換器２５ｃでＡ／Ｄ変換されたＸ
変位データＤ６、Ｙ変位データＤ９を格納するためのも
のである。

【００３４】その他の装置構成については、上述した第
１の実施例と同じであるので、ここでは各機能の説明を
省略する。次に、図６のタイミングチャートを参照し
て、第２の実施例による測定の動作を説明する。

【００３５】図６（ａ）はＸ駆動信号Ｓ１０の電圧、同
図（ｂ）はＸ変位Ａ／Ｄ変換タイミング、同図（ｃ）は
Ｙ駆動信号Ｓ１１の電圧、同図（ｄ）はＹ変位Ａ／Ｄ変
換タイミングを示したものである。

【００３６】先ず、Ｘ変位信号Ｓ６について、Ｘ変位Ａ
／Ｄ変換器２４ｂにてＡ／Ｄ変換を連続して行う。それ
と共に、所望の位置に達するまでＸオフセットＤ／Ａ変
換器２４ｂの出力を変化させていき、試料３０をＸオフ
セット移動させる。Ｙオフセット移動についても上記の
Ｘ方向と同様の方法で行う（区間Ｔ１）。

【００３７】次いで、オフセット測定が終了したら、予
め走査範囲に相等するように設定されている走査振幅電
圧で走査測定を開始する。走査測定中（区間Ｔ３）、Ｘ
走査に関しては、図６（ａ）及び（ｂ）に示されるよう
に、走査折返し毎にＸ変位信号Ｓ６をＸ変位Ａ／Ｄ変換
器２４ｂにてＡ／Ｄ変換して、Ｘ変位データＤ６をメモ
リ２２ａに格納する。一方、Ｙ走査に関しては、図６
（ｃ）及び（ｄ）に示されるように、第１走査ライン
（区間Ｔ３ａ）と最終走査ライン（区間Ｔ３ｂ）で、Ｙ
変位信号Ｓ９をＹ変位Ａ／Ｄ変換器２５ｂで複数回Ａ／
Ｄ変換して、Ｙ変位データをメモリ２２ａに格納する。

【００３８】そして、走査測定後に、メモリ２２ａに格
納されたＸ変位データＤ６のデータ群からＸ走査変位振
幅を、Ｙ変位データＤ９のデータ群からＹ走査変位振幅
を、演算する。次いで、演算して得られたＸ及びＹ走査
変位振幅データをホストコンピュータ２１に転送して、
測定された凹凸画像のＸＹ走査範囲として表示する。

【００３９】このように測定することによって、小さい
ＸＹ範囲の測定の際、圧電体にオフセット電圧が印加し
ても、高分解能で且つ直線性の高い高精度な試料表面情
報測定が可能となる。

【００４０】尚、上述した第２の実施例に於いては、Ｘ
及びＹ変位の上端、下端の検出を走査測定中に複数回行
ってその平均を演算しているが、各々１回ずつの変位検
出によって、その後の演算を省略することが可能である
ことは言うまでもない。

【００４１】次に、この発明の第３の実施例を説明す
る。図７は、この発明の第３の実施例で、走査型プロー
ブ顕微鏡をＡＦＭに適用した装置の構成図を示したもの
である。

【００４２】図７に於いて、Ｚ変位センサ３２は、ＸＹ
Ｚ駆動用圧電体２８のＺ方向の変位を検出し、Ｚ変位信
号Ｓ３を出力するものである。また、Ｚ制御部２３は、
ＺサーボＡ／Ｄ変換器２３ａ、ＺサーボＤ／Ａ変換器２
３ｂ、Ｚ変位Ａ／Ｄ変換器２３ｃとから構成されてい
る。ＺサーボＡ／Ｄ変換器２３ａは、探針変位信号Ｓ１
を検出して、マイクロコンピュータ２２で探針変位を一
定に保つようなＺ制御データＤ２を演算して、Ｚサーボ
Ｄ／Ａ変換器２３ｂからＺ制御信号Ｓ２を出力する。更
に、Ｚ変位Ａ／Ｄ変換器２３ｃは、Ｚ変位センサ３２か
ら出力されるＺ変位信号Ｓ３をＡ／Ｄ変換するもので、
そのデータはマイクロコンピュータ２２がＺ変位データ
Ｄ３として検出する。

【００４３】マイクロコンピュータ２２は、Ｚ制御デー
タＤ２とＺ変位データＤ３とから圧電定数Ｄ２０（図示
せず）を演算して求める。そして、測定中に得られたＺ
制御データＤ２と圧電定数Ｄ２０とから、Ｚ変位を演算
して、試料３０の凹凸データＤ１０としてホストコンピ
ュータ２１へ転送する。

【００４４】メモリ２２ａは、予備走査中に、Ｚサーボ
Ｄ／Ａ変換器２３ｂから出力されるＺ制御データＤ２の
最大値及び最小値と、Ｚ変位Ａ／Ｄ変換器２３ｃでＡ／
Ｄ変換されたＸ変位データＤ３の最大値及び最小値と、
マイクロコンピュータ２２で演算して得られた圧電定数
Ｄ２０とを格納する。

【００４５】他の構成要素については、上述した第１の
実施例と同じであるので、各機能の説明は省略する。次
に、図８のタイミングチャートを参照して、第３の実施
例による測定動作を説明する。

【００４６】図８（ａ）はＸ駆動信号Ｓ１０の電圧、同
図（ｂ）はＺ制御信号Ｓ２の電圧、同図（ｃ）はＺサー
ボＤ／Ａ変換タイミング、同図（ｄ）はＺ変位Ａ／Ｄ変
換タイミングを示す。

【００４７】先ず、Ｘ変位信号Ｓ６について、Ｘ変位Ａ
／Ｄ変換器２４ｂにてＡ／Ｄ変換を連続して行う。それ
と共に、所望の位置に達するまでＸオフセットＤ／Ａ変
換器２４ｂの出力を変化させていき、試料３０をＸオフ
セット移動させる。Ｙオフセット移動についても、上記
のＸ方向と同様の方法で行う。オフセット移動の間、図
８（ｂ）、（ｃ）に示されるように、常にＺサーボし続
けて試料３０の凹凸や傾きに合わせて、ＸＹＺ駆動用圧
電体２８をＺ方向に伸縮させている（区間Ｔ１）。

【００４８】次に、予め設定されている走査振幅電圧で
予備走査を開始し、走査折返し点でＸ変位信号Ｓ６をＸ
変位Ａ／Ｄ変換器２４ｂでＡ／Ｄ変換する。それと共
に、Ｘ走査Ｄ／Ａ変換器２４ａから出力するＸ走査電圧
Ｓ４の走査振幅電圧を、所望の走査変位振幅になるよう
に近付けていく。Ｙ走査振幅電圧の設定についても、上
記のＸ方向と同様の方法で行う。

【００４９】予備走査の間は、図８（ｂ）、（ｃ）、
（ｄ）に示されるように、常にＺサーボ動作はし続け
る。そして、試料３０の凹凸や傾きに沿ってＸＹＺ駆動
用圧電体２８をＺ方向に伸縮させるように、ＺサーボＤ
／Ａ変換器２３ｂから出力するＺ制御信号Ｓ２を変化さ
せ、その最大電圧値と最小電圧値をメモリ２２ａに記憶
する。このとき、Ｚ変位Ａ／Ｄ変換器２３ｃでＺ変位信
号Ｓ３についてＡ／Ｄ変換を繰返し、Ｚ変位の最大値と
最小値をメモリ２２ａに記憶する。

【００５０】Ｘ、Ｙともに所望の走査変位振幅になった
ならば、メモリ２２ａに格納されたＺ制御信号Ｓ２の電
圧振幅とＺ変位振幅から、圧電定数Ｄ２０をマイクロコ
ンピュータ２２で演算して、メモリ２２ａに格納する
（区間Ｔ２）。

【００５１】その後、走査振幅電圧を固定して実際の走
査測定を開始する。測定中は、Ｚ制御電圧であるＺ制御
データＤ２と、予備走査で得られた圧電定数Ｄ２０を演
算して得られたデータを、試料３０の凹凸データとして
ホストコンピュータ２１へ転送する（区間Ｔ３）。

【００５２】このような測定によって、小さいＺ範囲の
測定の際、圧電体にＺオフセット電圧が印加されていて
も、高分解能で且つ直線性の高い高精度な試料表面情報
測定が可能となる。

【００５３】尚、上述した第３の実施例に於いて、ＸＹ
予備走査の方法は上述した第１の実施例の２つの変形例
に説明した方法とすることも可能である。また、予備走
査中に、ＺサーボＤ／Ａ変換毎にＺ変位Ａ／Ｄ変換を行
って、そのＺ変位Ａ／Ｄ変換データ群からＺ変位の最大
値と最小値を検出しているが、ＺサーボＤ／Ａ変換で最
大電圧と最小電圧を更新して出力する時のみ、Ｚ変位Ａ
／Ｄ変換を行って、Ｚ変位の最大値と最小値を検出する
ことによって、その後の比較演算処理を省略することが
可能であることは言うまでもない。

【００５４】次に、この発明の第４の実施例について説
明する。この第４の実施例に従った装置の構成は、図７
に示された第３の実施例と同じである。

【００５５】マイクロコンピュータ２２に内蔵されてい
るメモリ２２ａは、走査測定中に、ＺサーボＤ／Ａ変換
器２３ｂから出力されるＺ制御データＤ２の最大値及び
最小値と、Ｚ変位Ａ／Ｄ変換器２３ｃでＡ／Ｄ変換され
たＸ変位データＤ３の最大値及び最小値とを格納する。

【００５６】その他の構成要素については、上述した第
３の実施例と同じであるため、各機能の説明は省略す
る。次に、図９を参照して、第４の実施例の測定動作を
説明する。

【００５７】図９（ａ）はＸ駆動信号Ｓ１０の電圧、同
図（ｂ）はＺ制御信号Ｓ２の電圧、同図（ｃ）はＺサー
ボＤ／Ａ変換タイミング、同図（ｄ）はＺ変位Ａ／Ｄ変
換タイミングを示す。

【００５８】先ず、Ｘ変位信号Ｓ６についてＸ変位Ａ／
Ｄ変換器２４ｂでＡ／Ｄ変換を連続して行いながら、所
望の位置に達するまでＸオフセットＤ／Ａ変換器２４ｂ
の出力を変化させていき、試料３０をＸオフセット移動
させる。Ｙオフセット移動についても上記のＸ方向と同
様の方法で行う。オフセット移動の間、図９（ｂ）、
（ｃ）に示されるように、常にＺサーボ動作をし続け
て、試料３０の凹凸や傾きに合わせて、ＸＹＺ駆動用圧
電体２８をＺ方向に伸縮させている（区間Ｔ１）。

【００５９】そして、オフセット測定が終了したら、予
め走査範囲に相等するように設定されている走査振幅電
圧で走査測定を開始する。走査測定中（区間Ｔ３）は、
図９（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示されるように、常にＺ
サーボ動作し続けて試料３０の凹凸や傾きに沿ってＸＹ
Ｚ駆動用圧電体２８をＺ方向に伸縮させるように、Ｚサ
ーボＤ／Ａ３ｂから出力するＺ制御信号Ｓ２を変化させ
る。そして、その最大電圧値と最小電圧値を、メモリ２
２ａに記憶する。このとき、Ｚ変位Ａ／Ｄ変換器２３ｃ
にてＺ変位信号Ｓ３のＡ／Ｄ変換を繰返し、Ｚ変位の最
大値と最小値もメモリ２２ａに記憶する（区間Ｔ３）。

【００６０】走査測定後は、メモリ２２ａに格納された
Ｚ制御信号Ｓ２の電圧振幅とＺ変位振幅とから、マイク
ロコンピュータ２２で演算して得られたＺ変位振幅デー
タをホストコンピュータ２１に転送する。そして、この
ホストコンピュータ２１に測定された凹凸画像のＺ範囲
として表示する。

【００６１】このような測定によって、小さいＺ範囲の
測定の際、圧電体にＺオフセット電圧が印加されていて
も、高分解能で且つ直線性の高い高精度な試料表面情報
測定が可能となる。

【００６２】尚、上述した第４の実施例に於いては、走
査測定中に、ＺサーボＤ／Ａ変換毎にＺ変位Ａ／Ｄ変換
を行って、そのＺ変位Ａ／Ｄ変換データ群からＺ変位の
最大値と最小値を検出しているが、ＺサーボＤ／Ａ変換
で最大電圧と最小電圧を更新して出力する時のみＺ変位
Ａ／Ｄ変換を行って、Ｚ変位の最大値と最小値を検出す
ることによって、その後の比較演算処理を省略すること
が可能であることは言うまでもない。

【００６３】また、上述した第１乃至第４の実施例に於
ける装置構成では、走査Ｄ／Ａ変換器とオフセットＤ／
Ａ変換器を別々に設けてアナログ信号の段階で加算して
いるが、これに限られるものではない。例えば、１個の
Ｄ／Ａ変換器にまとめてデジタル値の段階で加算した
り、デジタル制御で行っている各種サーボをアナログ制
御に置換えても良い。また、マイクロコンピュータ２２
の代わりにＤＳＰ等の制御ＩＣに置換えたり、マイクロ
コンピュータ２２で行っている各種の演算をホストコン
ピュータ２１上で行うことが可能であるのは言うまでも
ない。

【００６４】更に、上述した実施例に於いては、ＡＦＭ
として試料表面形状の測定を行ったが、ＳＴＭ、ｎｃ−
ＡＦＭ、ＭＦＭ等の他の走査型プローブ顕微鏡全般にこ
の発明を用いることができることは勿論である。

【００６５】尚、この発明の上記実施態様によれば、以
下の如き構成が得られる。 （１） プローブまたは試料を微動させる圧電体と、こ
の圧電体のＸＹ方向の変位を検出する、少なくとも一方
向の変位検出手段と、上記変位検出手段から検出された
信号に応じて、上記圧電体をＸＹ方向に走査変形させる
走査電圧の振幅を設定する、少なくとも一方向の走査振
幅設定手段と、上記走査振幅設定手段により振幅設定さ
れたＸＹ方向の走査電圧を発生する、少なくとも一方向
の走査電圧発生手段とを具備し、上記走査振幅設定手段
は、測定前に予備走査を少なくとも１回行いながら、少
なくとも一方向の走査電圧の振幅を設定することを特徴
とする走査型プローブ顕微鏡の圧電体変位振幅検出装
置。

【００６６】（２） プローブまたは試料を微動させる
圧電体と、この圧電体のＸＹ方向の少なくとも一方向の
変位を検出する変位検出手段と、上記圧電体をＸＹ方向
に走査変形させる振幅電圧一定の走査電圧を発生する、
少なくとも一方向の走査電圧発生手段と、上記変位検出
手段によって検出された少なくとも一方向の走査変位振
幅を記憶する記憶手段とを具備し、上記変位検出手段
は、走査測定中に、ＸＹ方向の少なくとも一方向の走査
変位振幅を少なくとも１回検出し、上記記憶手段は上記
変位検出手段によって少なくとも１回検出された上記Ｘ
Ｙ方向の少なくとも一方向の走査変位振幅を記憶するこ
とを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の圧電体変位振幅
検出装置。

【００６７】（３） プローブまたは試料を微動させる
圧電体と、上記プローブから試料表面情報を検出して圧
電体をＺ方向に変形させる信号を発生するＺ制御手段
と、上記圧電体のＺ方向の変位を検出するＺ変位検出手
段と、上記圧電体をＸＹ方向に走査変形させる走査電圧
を発生する少なくとも一方向の走査電圧発生手段と、上
記Ｚ変位検出手段によって検出されたＺ変位振幅を記憶
する記憶手段とを具備し、上記Ｚ変位検出手段は測定前
にＸＹ方向の少なくとも一方向の予備走査を少なくとも
１回行いながら上記Ｚ変位振幅を検出し、上記記憶手段
は測定前に上記検出された上記Ｚ変位振幅を記憶するこ
とを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の圧電体変位振幅
検出装置。

【００６８】（４） プローブまたは試料を微動させる
圧電体と、上記プローブから試料表面情報を検出して圧
電体をＺ方向に変形させる信号を発生するＺ制御手段
と、上記圧電体のＺ方向の変位を検出するＺ変位検出手
段と、上記圧電体をＸＹ方向に走査変形させる走査電圧
を発生する、少なくとも一方向の走査電圧発生手段と、
上記Ｚ変位検出手段によって検出されたＺ変位振幅を記
憶する記憶手段とを具備し、上記Ｚ変位検出手段は走査
測定中に上記Ｚ変位振幅を少なくとも１回検出し、上記
記憶手段は走査測定中に上記検出された上記Ｚ変位振幅
を記憶することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の圧
電体変位振幅検出装置。

【００６９】（５） プローブまたは試料を微動させる
ための圧電体のＸＹ方向の変位を検出する工程と、この
検出する工程により検出された検出信号に応じて、上記
圧電体をＸＹ方向の少なくとも一方向に走査変形させる
走査電圧の振幅を設定する工程と、上記設定された振幅
に応じて所望の走査範囲に相当する走査電圧を発生する
工程と、上記走査範囲内の電圧を少なくとも１回予備走
査測定する工程と、この予備走査測定により検出された
走査電圧で走査測定する工程とを具備することを特徴と
する走査型プローブ顕微鏡の圧電体変位振幅検出方法。

【００７０】（６） プローブまたは試料を微動させる
ための圧電体のＸＹ方向の変位を検出する工程と、この
検出する工程により検出された検出信号に応じて、上記
圧電体をＸＹ方向の少なくとも一方向に走査変形させる
走査電圧の振幅を設定する工程と、上記設定された振幅
に応じて所望の走査範囲に相当する走査電圧を発生する
工程と、上記走査電圧の最小走査電圧出力時及び最大走
査電圧出力時に少なくとも１回上記圧電体の変位を検出
する工程と、この変位検出によって測定される実際の走
査範囲を表示する工程とを具備することを特徴とする走
査型プローブ顕微鏡の圧電体変位振幅検出方法。

【００７１】（７） プローブまたは試料を微動させる
ための圧電体のＺ方向の変位を検出する工程と、この検
出する工程により検出された検出信号に応じて、上記圧
電体をＸＹ方向に走査変形させる走査電圧の振幅を設定
する工程と、上記設定された振幅に応じて所望の走査範
囲に相当する走査電圧を発生する工程と、上記走査範囲
内の電圧で少なくとも１回Ｚ変位検出をする工程と、上
記走査電圧の範囲と上記Ｚ変位検出からＺ圧電定数を記
憶する工程と、上記走査電圧とＺ圧電定数からＺ変位を
測定する工程とを具備することを特徴とする走査型プロ
ーブ顕微鏡の圧電体変位振幅検出方法。

【００７２】（８） プローブまたは試料を微動させる
ための圧電体のＺ方向の変位を検出する工程と、この検
出する工程により検出された検出信号に応じて、上記圧
電体をＸＹ方向に走査変形させる走査電圧の振幅を設定
する工程と、上記設定された振幅に応じて所望の走査範
囲に相当する走査電圧を発生する工程と、上記走査範囲
内の電圧で少なくとも１回Ｚ変位検出をする工程と、上
記走査電圧の範囲と上記Ｚ変位検出からＺ圧電定数を記
憶する工程と、上記走査電圧とＺ圧電定数からＺ変位を
演算する工程と、この演算により実際のＺ変位範囲を表
示する工程とを具備することを特徴とする走査型プロー
ブ顕微鏡の圧電体変位振幅検出方法。

【００７３】上記（１）、（２）、（５）及び（６）の
構成によれば、小さいＸＹ範囲の測定の際、圧電体にオ
フセット電圧が印加しても、高分解能で且つ直線性の高
い、高精度な試料表面情報測定が可能となる。

【００７４】上記（３）、（４）、（７）及び（８）の
構成によれば、小さいＺ範囲の測定の際、圧電体にＺオ
フセット電圧が印加されていても、高分解能で且つ直線
性の高い高精度な試料表面情報測定が可能となる。

【００７５】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、印加電
圧が０Ｖ付近の電圧変位特性の傾きを基準に換算して、
ＸＹ走査電圧を印加して測定した結果を画像化した場合
に現実のＸＹ走査範囲とサイズが異なることなく、また
Ｚ制御電圧を凹凸情報として画像化した場合に現実の凹
凸とサイズが異なることのない走査型プローブ顕微鏡の
圧電体変位振幅検出装置を提供することができるので、
小さいＸＹ範囲の測定や、小さい凹凸測定の際、圧電体
にオフセット電圧が印加されていても、高分解能で且つ
直線性の高い高精度な試料表面情報測定が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施例を示したもので、走査
型プローブ顕微鏡をＡＦＭに適用した装置の構成図であ
る。

【図２】第１の実施例の動作を説明するもので、（ａ）
はＸ駆動信号Ｓ１０の電圧、（ｂ）はＸ変位Ａ／Ｄ変換
タイミングを示したタイミングチャートである。

【図３】第１の実施例の変形例で、動作を説明するタイ
ミングチャートである。

【図４】第１の実施例の更に他の変形例で、動作を説明
するタイミングチャートである。

【図５】この発明の第２の実施例の構成を示したもの
で、走査型プローブ顕微鏡をＡＦＭに適用した装置の構
成図である。

【図６】第２の実施例による測定の動作を説明するタイ
ミングチャートである。

【図７】この発明の第３の実施例で、走査型プローブ顕
微鏡をＡＦＭに適用した装置の構成図である。

【図８】第３の実施例による測定動作を説明するタイミ
ングチャートである。

【図９】第４の実施例による測定動作を説明するタイミ
ングチャートである。

【図１０】従来の圧電体の印加電圧と変位のヒステリシ
ス特性を示した図である。

【図１１】ＸＹ走査範囲が小さい場合に対応したＸＹフ
ィードバック制御機能付き走査型プローブ顕微鏡の従来
例を示した構成図である。

【図１２】図１１のＹＺ駆動用圧電体８の３次元方向の
変位を検出する圧電体変位検出センサ付きのスキャナシ
ステムの例を示した図である。

【符号の説明】

２１…ホストコンピュータ、２２…マイクロコンピュー
タ、２３…Ｚ制御部、２４…Ｘ制御部、２５…Ｙ制御
部、２６…探針変位検出部、２７…カンチレバー、２８
…ＸＹＺ駆動用圧電体、２９…試料台、３０…試料、３
１…鏡体、３２…Ｚ変位センサ、３３…Ｘ変位センサ、
３４…Ｙ変位センサ。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プローブまたは試料を微動させる圧電体
   と、 この圧電体のＸＹ方向の変位を検出する、少なくとも一
   方向の変位検出手段と、 上記変位検出手段から検出された信号に応じて、上記圧
   電体をＸＹ方向に走査変形させる走査電圧の振幅を設定
   する、少なくとも一方向の走査振幅設定手段と、 上記走査振幅設定手段により振幅設定されたＸＹ方向の
   走査電圧を発生する、少なくとも一方向の走査電圧発生
   手段とを具備し、 上記走査振幅設定手段は、測定前に予備走査を少なくと
   も１回行いながら、少なくとも一方向の走査電圧の振幅
   を設定することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の圧
   電体変位振幅検出装置。
2. 【請求項２】 プローブまたは試料を微動させる圧電体
   と、 この圧電体のＸＹ方向の少なくとも一方向の変位を検出
   する変位検出手段と、 上記圧電体をＸＹ方向に走査変形させる振幅電圧一定の
   走査電圧を発生する、少なくとも一方向の走査電圧発生
   手段と、 上記変位検出手段によって検出された少なくとも一方向
   の走査変位振幅を記憶する記憶手段とを具備し、 上記変位検出手段は、走査測定中に、ＸＹ方向の少なく
   とも一方向の走査変位振幅を少なくとも１回検出し、上
   記記憶手段は上記変位検出手段によって少なくとも１回
   検出された上記ＸＹ方向の少なくとも一方向の走査変位
   振幅を記憶することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡
   の圧電体変位振幅検出装置。
3. 【請求項３】 プローブまたは試料を微動させる圧電体
   と、 上記プローブから試料表面情報を検出して圧電体をＺ方
   向に変形させる信号を発生するＺ制御手段と、 上記圧電体のＺ方向の変位を検出するＺ変位検出手段
   と、 上記圧電体をＸＹ方向に走査変形させる走査電圧を発生
   する少なくとも一方向の走査電圧発生手段と、 上記Ｚ変位検出手段によって検出されたＺ変位振幅を記
   憶する記憶手段とを具備し、 上記Ｚ変位検出手段は測定前にＸＹ方向の少なくとも一
   方向の予備走査を少なくとも１回行いながら上記Ｚ変位
   振幅を検出し、上記記憶手段は測定前に上記検出された
   上記Ｚ変位振幅を記憶することを特徴とする走査型プロ
   ーブ顕微鏡の圧電体変位振幅検出装置。
4. 【請求項４】 プローブまたは試料を微動させる圧電体
   と、 上記プローブから試料表面情報を検出して圧電体をＺ方
   向に変形させる信号を発生するＺ制御手段と、 上記圧電体のＺ方向の変位を検出するＺ変位検出手段
   と、 上記圧電体をＸＹ方向に走査変形させる走査電圧を発生
   する、少なくとも一方向の走査電圧発生手段と、 上記Ｚ変位検出手段によって検出されたＺ変位振幅を記
   憶する記憶手段とを具備し、 上記Ｚ変位検出手段は走査測定中に上記Ｚ変位振幅を少
   なくとも１回検出し、上記記憶手段は走査測定中に上記
   検出された上記Ｚ変位振幅を記憶することを特徴とする
   走査型プローブ顕微鏡の圧電体変位振幅検出装置。