JPH08248040A - 走査型プローブ顕微鏡およびその測定方法 - Google Patents
走査型プローブ顕微鏡およびその測定方法Info
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- JPH08248040A JPH08248040A JP7981595A JP7981595A JPH08248040A JP H08248040 A JPH08248040 A JP H08248040A JP 7981595 A JP7981595 A JP 7981595A JP 7981595 A JP7981595 A JP 7981595A JP H08248040 A JPH08248040 A JP H08248040A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 走査型プローブ顕微鏡で、試料表面における
例えば数百ミクロンの大きな範囲を測定する場合、高速
に走査して短時間で測定する。 【構成】 カンチレバー15の先部に設けられた探針16を
試料11の表面に接近させ、探針を試料表面に沿って走査
移動させて試料表面の形状に関する情報を得る方法であ
り、探針に小さい振幅の振動を定常的に与え、さらに探
針に大きな振幅の振動を断続的に与え、探針に大きな振
幅の振動を与えた状態で、探針の振幅が小さい振幅と大
きい振幅の間の範囲に含まれる値となるように前記探針
を試料に接近させ、試料の表面形状に関する情報を求め
る。
例えば数百ミクロンの大きな範囲を測定する場合、高速
に走査して短時間で測定する。 【構成】 カンチレバー15の先部に設けられた探針16を
試料11の表面に接近させ、探針を試料表面に沿って走査
移動させて試料表面の形状に関する情報を得る方法であ
り、探針に小さい振幅の振動を定常的に与え、さらに探
針に大きな振幅の振動を断続的に与え、探針に大きな振
幅の振動を与えた状態で、探針の振幅が小さい振幅と大
きい振幅の間の範囲に含まれる値となるように前記探針
を試料に接近させ、試料の表面形状に関する情報を求め
る。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は走査型プローブ顕微鏡お
よびその測定方法に関し、特に、高速な走査を行い測定
時間を短縮する走査型プローブ顕微鏡およびその測定方
法に関するものである。
よびその測定方法に関し、特に、高速な走査を行い測定
時間を短縮する走査型プローブ顕微鏡およびその測定方
法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】走査型プローブ（探針）顕微鏡は原子オ
ーダの測定分解能を有し、表面形状の計測など各種分野
に利用される。走査型プローブ顕微鏡には、検出対象の
物理量に応じて、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）、原
子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）など
がある。この中で原子間力顕微鏡は、試料表面の形状を
高分解能で検出するのに適しており、半導体や光ディス
クなどの表面形状の測定に利用されている。
ーダの測定分解能を有し、表面形状の計測など各種分野
に利用される。走査型プローブ顕微鏡には、検出対象の
物理量に応じて、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）、原
子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）など
がある。この中で原子間力顕微鏡は、試料表面の形状を
高分解能で検出するのに適しており、半導体や光ディス
クなどの表面形状の測定に利用されている。
【０００３】走査型プローブ顕微鏡の測定方法の一例と
して特開平１−１６９３０４号公報に示される方法があ
る。この文献に示される測定方法は、ＳＴＭの測定方法
であり、測定時における探針の走査移動において試料表
面との衝突を避けると共に高速な移動を可能にするもの
である。その測定方法の具体的な内容は、試料表面に沿
って移動するときには、試料表面から十分に離れた距離
で移動し、測定すべき位置に到達したときに試料表面に
トンネル電流が流れる程度の距離まで接近移動し、所定
のトンネル電流を流れるのを測定した後試料表面から離
れて上記距離まで移動し、その後、同様に測定箇所間の
走査移動と測定箇所での測定移動とを繰り返す。このよ
うに測定を行う箇所以外は、試料表面から離れて衝突を
心配することなく高速で移動できるので、走査時間を短
縮し、大きな面積の試料面を測定することができる。
して特開平１−１６９３０４号公報に示される方法があ
る。この文献に示される測定方法は、ＳＴＭの測定方法
であり、測定時における探針の走査移動において試料表
面との衝突を避けると共に高速な移動を可能にするもの
である。その測定方法の具体的な内容は、試料表面に沿
って移動するときには、試料表面から十分に離れた距離
で移動し、測定すべき位置に到達したときに試料表面に
トンネル電流が流れる程度の距離まで接近移動し、所定
のトンネル電流を流れるのを測定した後試料表面から離
れて上記距離まで移動し、その後、同様に測定箇所間の
走査移動と測定箇所での測定移動とを繰り返す。このよ
うに測定を行う箇所以外は、試料表面から離れて衝突を
心配することなく高速で移動できるので、走査時間を短
縮し、大きな面積の試料面を測定することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】試料の表面において大
きな範囲を走査型プローブ顕微鏡で測定する場合、測定
に要する時間を短くすることが望まれる。この要望を満
たすために、前述した特開平１−１６９３０４号公報に
示される走査型トンネル顕微鏡の測定方法を利用するこ
とができる。しかし、この測定方法によれば、試料表面
に接近したり試料表面から離れたりする移動を各測定箇
所で多く行わなければならないため、走査速度をそれ程
高めることができず、測定時間の短縮について或る程度
の制限を受けるという問題があった。
きな範囲を走査型プローブ顕微鏡で測定する場合、測定
に要する時間を短くすることが望まれる。この要望を満
たすために、前述した特開平１−１６９３０４号公報に
示される走査型トンネル顕微鏡の測定方法を利用するこ
とができる。しかし、この測定方法によれば、試料表面
に接近したり試料表面から離れたりする移動を各測定箇
所で多く行わなければならないため、走査速度をそれ程
高めることができず、測定時間の短縮について或る程度
の制限を受けるという問題があった。
【０００５】本発明の目的は、上記の問題に鑑み、試料
表面における例えば数百ミクロンの大きな範囲を測定す
る場合、高速に走査して短時間で測定できる走査型プロ
ーブ顕微鏡およびその測定方法を提供することにある。
表面における例えば数百ミクロンの大きな範囲を測定す
る場合、高速に走査して短時間で測定できる走査型プロ
ーブ顕微鏡およびその測定方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明に係る走査型プロ
ーブ顕微鏡は、上記目的を達成するため、カンチレバー
の先部に設けられた探針を試料の表面に接近させ、この
探針を試料表面に沿って走査移動させて試料表面の形状
に関する情報を得る走査型プローブ顕微鏡であり、探針
に小さい振幅の振動を定常的に与え、さらに探針に大き
な振幅の振動を断続的に与える加振手段と、探針を試料
に接近させる移動手段と、探針の位置変化を検出する位
置検出手段と、位置検出手段の検出信号を入力し、大き
な振幅で振動する探針を、その振幅が小さい振幅と大き
い振幅の間の範囲に含まれる値となるように試料に接近
させるように移動手段を制御する制御手段と、制御手段
の制御信号に基づき試料の表面形状に関する情報を求め
る処理手段とによって構成される。
ーブ顕微鏡は、上記目的を達成するため、カンチレバー
の先部に設けられた探針を試料の表面に接近させ、この
探針を試料表面に沿って走査移動させて試料表面の形状
に関する情報を得る走査型プローブ顕微鏡であり、探針
に小さい振幅の振動を定常的に与え、さらに探針に大き
な振幅の振動を断続的に与える加振手段と、探針を試料
に接近させる移動手段と、探針の位置変化を検出する位
置検出手段と、位置検出手段の検出信号を入力し、大き
な振幅で振動する探針を、その振幅が小さい振幅と大き
い振幅の間の範囲に含まれる値となるように試料に接近
させるように移動手段を制御する制御手段と、制御手段
の制御信号に基づき試料の表面形状に関する情報を求め
る処理手段とによって構成される。
【０００７】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の測定
方法は、カンチレバーの先部に設けられた探針を試料の
表面に接近させ、探針を試料表面に沿って走査移動させ
て試料表面の形状に関する情報を得る方法であり、探針
に小さい振幅の振動を定常的に与え、さらに探針に大き
な振幅の振動を断続的に与え、探針に大きな振幅の振動
を与えた状態で、探針の振幅が小さい振幅と大きい振幅
の間の範囲に含まれる値となるように前記探針を試料に
接近させ、試料の表面形状に関する情報を求めるように
した方法である。
方法は、カンチレバーの先部に設けられた探針を試料の
表面に接近させ、探針を試料表面に沿って走査移動させ
て試料表面の形状に関する情報を得る方法であり、探針
に小さい振幅の振動を定常的に与え、さらに探針に大き
な振幅の振動を断続的に与え、探針に大きな振幅の振動
を与えた状態で、探針の振幅が小さい振幅と大きい振幅
の間の範囲に含まれる値となるように前記探針を試料に
接近させ、試料の表面形状に関する情報を求めるように
した方法である。
【０００８】上記の測定方法では、各測定予定箇所で大
きな振幅の振動が前記探針に対して与えられる。
きな振幅の振動が前記探針に対して与えられる。
【０００９】
【作用】本発明では、走査移動の間一定の小さい振幅の
振動が定常的に与えられる探針対してデータ取得点ごと
に断続的に大きな振幅を有する振動を与えてその振幅を
変化させ、かつ大きな振幅で振動する探針を試料表面に
接近させて当該振動の振幅を所望の状態に制御すること
により試料表面の凹凸形状の測定を可能にする。探針に
与えた大きな振幅の振動とカンチレバーの試料方向への
移動を組み合わせることによって各測定箇所で試料表面
の高さに関する情報を得ることができるので、カンチレ
バーの全体を単に試料に対して接近・退避させる測定方
法に比較して走査速度を高めることができる。従って、
走査移動に要する時間を短縮でき、大きな測定範囲を高
速に測定できる。
振動が定常的に与えられる探針対してデータ取得点ごと
に断続的に大きな振幅を有する振動を与えてその振幅を
変化させ、かつ大きな振幅で振動する探針を試料表面に
接近させて当該振動の振幅を所望の状態に制御すること
により試料表面の凹凸形状の測定を可能にする。探針に
与えた大きな振幅の振動とカンチレバーの試料方向への
移動を組み合わせることによって各測定箇所で試料表面
の高さに関する情報を得ることができるので、カンチレ
バーの全体を単に試料に対して接近・退避させる測定方
法に比較して走査速度を高めることができる。従って、
走査移動に要する時間を短縮でき、大きな測定範囲を高
速に測定できる。
【００１０】
【実施例】以下に、本発明の実施例を添付図面に基づい
て説明する。
て説明する。
【００１１】図１は本発明に係る走査型プローブ顕微鏡
の一例として原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の構成を示す。
測定対象である試料１１は、ＸＹＺスキャナ１２の上に
配置される。ＸＹＺスキャナ１２は、Ｘ軸方向への変位
を生じる圧電素子、Ｙ軸方向への変位を生じる圧電素
子、Ｚ軸方向への変位を生じる圧電素子を備え、制御装
置から各圧電素子に対して駆動信号を与えられることに
よって、試料１１を任意の方向に微小に移動させる。Ｘ
ＹＺスキャナ１２はＺ軸粗動機構２６を介してフレーム
１３の下部に固定される。Ｚ軸粗動機構２６は圧電素子
を内蔵し、Ｚ軸方向の比較的に大きな距離で移動させる
ための機構である。他方、フレーム１３の上部には加振
器１４を介してカンチレバー１５が配置される。加振器
１４は圧電素子を用いて構成される。カンチレバー１５
の先端には探針１６が設けられる。探針１６の先端は試
料１１の表面に臨む。ＸＹＺスキャナ１２で試料１１の
位置をＸ軸、Ｙ軸の各方向に移動させることによって、
相対的に試料１１の表面上で探針１６を走査移動させる
ことができる。またカンチレバー１５は加振器１４によ
って加振され、その結果探針１６が振動する。カンチレ
バー１５の上方にはレーザ光源１７と光検出器１８が配
置される。レーザ光源１７から出射されたレーザ光１９
は、カンチレバー１５の背面に設けられた反射面に照射
され、そこで反射して光検出器１８に入射するように設
定される。カンチレバー１５の先部が図中高さ方向すな
わちＺ軸方向に移動すると、光検出器１８におけるレー
ザ光１９の入射位置が変化する。光検出器１８における
レーザ光１９の入射位置を検出することによって、探針
１６のＺ軸方向の位置変位を検出することができる。レ
ーザ光源１７と光検出器１８によって探針１６の位置を
検出するための位置検出装置が構成される。
の一例として原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の構成を示す。
測定対象である試料１１は、ＸＹＺスキャナ１２の上に
配置される。ＸＹＺスキャナ１２は、Ｘ軸方向への変位
を生じる圧電素子、Ｙ軸方向への変位を生じる圧電素
子、Ｚ軸方向への変位を生じる圧電素子を備え、制御装
置から各圧電素子に対して駆動信号を与えられることに
よって、試料１１を任意の方向に微小に移動させる。Ｘ
ＹＺスキャナ１２はＺ軸粗動機構２６を介してフレーム
１３の下部に固定される。Ｚ軸粗動機構２６は圧電素子
を内蔵し、Ｚ軸方向の比較的に大きな距離で移動させる
ための機構である。他方、フレーム１３の上部には加振
器１４を介してカンチレバー１５が配置される。加振器
１４は圧電素子を用いて構成される。カンチレバー１５
の先端には探針１６が設けられる。探針１６の先端は試
料１１の表面に臨む。ＸＹＺスキャナ１２で試料１１の
位置をＸ軸、Ｙ軸の各方向に移動させることによって、
相対的に試料１１の表面上で探針１６を走査移動させる
ことができる。またカンチレバー１５は加振器１４によ
って加振され、その結果探針１６が振動する。カンチレ
バー１５の上方にはレーザ光源１７と光検出器１８が配
置される。レーザ光源１７から出射されたレーザ光１９
は、カンチレバー１５の背面に設けられた反射面に照射
され、そこで反射して光検出器１８に入射するように設
定される。カンチレバー１５の先部が図中高さ方向すな
わちＺ軸方向に移動すると、光検出器１８におけるレー
ザ光１９の入射位置が変化する。光検出器１８における
レーザ光１９の入射位置を検出することによって、探針
１６のＺ軸方向の位置変位を検出することができる。レ
ーザ光源１７と光検出器１８によって探針１６の位置を
検出するための位置検出装置が構成される。
【００１２】上記の機構的部分に対して制御・演算処理
部分が設けられる。２０は制御・演算処理装置、２１は
表示装置である。制御・演算処理装置２０は、ＸＹＺス
キャナ１２に含まれるＸ軸方向圧電素子とＹ軸方向圧電
素子に対して駆動制御信号を与え、この駆動制御信号は
ＸＹ駆動回路２２を経由して駆動信号Ｖｘ，Ｖｙとして
供給される。また制御・演算処理装置２０は、Ｚ軸粗動
機構２６のＺ軸方向圧電素子に対して駆動制御信号を直
接的に駆動信号Ｖz2として供給する。制御・演算処理装
置２０の制御に基づき生成される駆動信号Ｖｘ，Ｖｙに
よって試料１１の表面における測定範囲が設定され、当
該測定範囲の探針１６による走査が可能となる。また制
御・演算処理装置２０の制御に基づき生成される駆動信
号Ｖz2によって探針１６と試料１１の表面との距離が調
整される。
部分が設けられる。２０は制御・演算処理装置、２１は
表示装置である。制御・演算処理装置２０は、ＸＹＺス
キャナ１２に含まれるＸ軸方向圧電素子とＹ軸方向圧電
素子に対して駆動制御信号を与え、この駆動制御信号は
ＸＹ駆動回路２２を経由して駆動信号Ｖｘ，Ｖｙとして
供給される。また制御・演算処理装置２０は、Ｚ軸粗動
機構２６のＺ軸方向圧電素子に対して駆動制御信号を直
接的に駆動信号Ｖz2として供給する。制御・演算処理装
置２０の制御に基づき生成される駆動信号Ｖｘ，Ｖｙに
よって試料１１の表面における測定範囲が設定され、当
該測定範囲の探針１６による走査が可能となる。また制
御・演算処理装置２０の制御に基づき生成される駆動信
号Ｖz2によって探針１６と試料１１の表面との距離が調
整される。
【００１３】また制御・演算処理装置２０は加振用制御
信号を出力し、この加振用制御信号はカンチレバー加振
回路２４で加振用駆動信号（以下加振信号という）Ｖou
t に変換され、加振信号Ｖout は加振器１４に与えられ
る。加振信号Ｖout を与えられた加振器１４は、加振信
号Ｖout に基づいて後述するような特性を有する振動を
カンチレバー１５に与える。上記加振信号Ｖout の波形
の例を、図２の（Ａ）に示す。
信号を出力し、この加振用制御信号はカンチレバー加振
回路２４で加振用駆動信号（以下加振信号という）Ｖou
t に変換され、加振信号Ｖout は加振器１４に与えられ
る。加振信号Ｖout を与えられた加振器１４は、加振信
号Ｖout に基づいて後述するような特性を有する振動を
カンチレバー１５に与える。上記加振信号Ｖout の波形
の例を、図２の（Ａ）に示す。
【００１４】一方、加振信号Ｖout に基づいて加振器１
４によってカンチレバー１５が振動し、その結果探針１
６が振動すると、前述の光検出器１８から位置検出信号
Ｖinが出力される。位置検出信号Ｖinは探針１６が試料
表面から原子間力の影響を受けないとき、図２の（Ｂ）
に示すような波形で生じる。この位置検出信号Ｖinは振
幅検出回路２５に入力される。振幅検出回路２５では位
置検出信号Ｖinの振幅が検出される。振幅検出回路２５
で検出された振幅に関する信号はサーボ回路２７に入力
される。サーボ回路２７は、振幅検出回路２５で検出さ
れる振幅に関する信号が予め設定された値に保持される
ようにＺ駆動回路２３に対して制御信号を供給する。Ｚ
駆動回路２３から出力される駆動信号Ｖz1はＸＹＺスキ
ャナ１２に内蔵されるＺ軸方向圧電素子に供給され、振
幅検出回路２５で検出される振幅に関する信号が予め設
定された値に保持される。またサーボ回路２７から出力
される制御信号は制御・演算処理装置２０にも供給され
る。当該制御信号は、制御・演算処理装置２０において
試料１１の表面の高さに関する情報として扱われる。な
お当該制御信号の代わりに駆動信号Ｖz1を用いてもよ
い。
４によってカンチレバー１５が振動し、その結果探針１
６が振動すると、前述の光検出器１８から位置検出信号
Ｖinが出力される。位置検出信号Ｖinは探針１６が試料
表面から原子間力の影響を受けないとき、図２の（Ｂ）
に示すような波形で生じる。この位置検出信号Ｖinは振
幅検出回路２５に入力される。振幅検出回路２５では位
置検出信号Ｖinの振幅が検出される。振幅検出回路２５
で検出された振幅に関する信号はサーボ回路２７に入力
される。サーボ回路２７は、振幅検出回路２５で検出さ
れる振幅に関する信号が予め設定された値に保持される
ようにＺ駆動回路２３に対して制御信号を供給する。Ｚ
駆動回路２３から出力される駆動信号Ｖz1はＸＹＺスキ
ャナ１２に内蔵されるＺ軸方向圧電素子に供給され、振
幅検出回路２５で検出される振幅に関する信号が予め設
定された値に保持される。またサーボ回路２７から出力
される制御信号は制御・演算処理装置２０にも供給され
る。当該制御信号は、制御・演算処理装置２０において
試料１１の表面の高さに関する情報として扱われる。な
お当該制御信号の代わりに駆動信号Ｖz1を用いてもよ
い。
【００１５】以上の構成を有するＡＦＭの測定動作を、
上記の図１と図２〜図４を参照して説明する。
上記の図１と図２〜図４を参照して説明する。
【００１６】このＡＦＭの測定によれば、駆動信号Ｖ
ｘ，ＶｙによってＸＹＺスキャナ１２を作動させること
により試料１１の表面において設定された測定範囲で探
針１６による走査を行う時、上記の加振信号Ｖout を加
振器１４に与えてカンチレバー１５を加振する。カンチ
レバー加振回路２４から出力される加振信号Ｖout の波
形を図２の（Ａ）と図３に示す。加振信号Ｖout は、カ
ンチレバー１５の共振周波数またはその近傍の周波数を
有する交流信号であり、一定の小さい振幅Ｖominを有す
る振動が定常的に与えれる状態において、一定の時間間
隔Ｔ２で断続的に期間Ｔ１の間振幅Ｖominよりも大きな
振幅Ｖomaxを有する振動で加振されて生じる交流信号で
ある。図２の（Ａ）や図３に示される加振信号が加振器
１４からカンチレバー１５に与えられると、探針１６は
加振信号と同じ振幅特性で振動することになる。
ｘ，ＶｙによってＸＹＺスキャナ１２を作動させること
により試料１１の表面において設定された測定範囲で探
針１６による走査を行う時、上記の加振信号Ｖout を加
振器１４に与えてカンチレバー１５を加振する。カンチ
レバー加振回路２４から出力される加振信号Ｖout の波
形を図２の（Ａ）と図３に示す。加振信号Ｖout は、カ
ンチレバー１５の共振周波数またはその近傍の周波数を
有する交流信号であり、一定の小さい振幅Ｖominを有す
る振動が定常的に与えれる状態において、一定の時間間
隔Ｔ２で断続的に期間Ｔ１の間振幅Ｖominよりも大きな
振幅Ｖomaxを有する振動で加振されて生じる交流信号で
ある。図２の（Ａ）や図３に示される加振信号が加振器
１４からカンチレバー１５に与えられると、探針１６は
加振信号と同じ振幅特性で振動することになる。
【００１７】図２の（Ａ）に示す加振信号Ｖout で探針
１６が振動したとすると、探針１６が、試料１１の表面
から、原子間力という物理的作用の影響を当該表面から
受けない十分な距離で離れているときには、図２の
（Ｂ）に示す検出信号Ｖinが光検出器１８から得られ
る。この検出信号Ｖinは、基本的に加振信号Ｖout と同
じ波形を有する交流信号であり、小さい振幅の振動部分
（振幅Ｖimin）と大きな振幅部分（振幅Ｖimax）を含ん
でいる。加振信号Ｖout で探針１６が振動した場合に、
大きな振幅の振動を与え、探針１６を試料表面に対して
所定距離になるように接近させ、試料表面から原子間力
の影響を受けるときには、図２の（Ｃ）に示すように、
大きな振幅の振動部分の振幅が減少する状態になる。こ
のときの大きな振幅の値はＶisetとなっており、また振
幅値ＶisetがＶimin＜Ｖiset＜Ｖimaxの条件を満たすよ
うに探針１６を試料表面に接近させる。試料表面の測定
を行うときには、このように小さい振幅の振動状態にあ
るカンチレバー１５を測定予定箇所（データ取得点）で
大きな振幅で加振し、そのたびに大きな振幅が上記の値
Ｖisetとなるようにサーボ回路２７によってＺ軸方向の
位置を調整し、探針１６と試料１１の間の距離を測定に
適した距離にする。これによって、サーボ回路２７から
出力される制御信号（駆動信号Ｖz1であってもよい）を
用いて試料表面の凹凸形状に関する情報を得ることがで
きる。
１６が振動したとすると、探針１６が、試料１１の表面
から、原子間力という物理的作用の影響を当該表面から
受けない十分な距離で離れているときには、図２の
（Ｂ）に示す検出信号Ｖinが光検出器１８から得られ
る。この検出信号Ｖinは、基本的に加振信号Ｖout と同
じ波形を有する交流信号であり、小さい振幅の振動部分
（振幅Ｖimin）と大きな振幅部分（振幅Ｖimax）を含ん
でいる。加振信号Ｖout で探針１６が振動した場合に、
大きな振幅の振動を与え、探針１６を試料表面に対して
所定距離になるように接近させ、試料表面から原子間力
の影響を受けるときには、図２の（Ｃ）に示すように、
大きな振幅の振動部分の振幅が減少する状態になる。こ
のときの大きな振幅の値はＶisetとなっており、また振
幅値ＶisetがＶimin＜Ｖiset＜Ｖimaxの条件を満たすよ
うに探針１６を試料表面に接近させる。試料表面の測定
を行うときには、このように小さい振幅の振動状態にあ
るカンチレバー１５を測定予定箇所（データ取得点）で
大きな振幅で加振し、そのたびに大きな振幅が上記の値
Ｖisetとなるようにサーボ回路２７によってＺ軸方向の
位置を調整し、探針１６と試料１１の間の距離を測定に
適した距離にする。これによって、サーボ回路２７から
出力される制御信号（駆動信号Ｖz1であってもよい）を
用いて試料表面の凹凸形状に関する情報を得ることがで
きる。
【００１８】図３は、Ｘ軸方向の一部の探針走査区間
と、この区間における加振信号Ｖoutの発生状態、およ
び駆動信号Ｖｘ，Ｖz1の発生状態とを示す。図３におい
て横軸は時間軸ｔを示し、縦軸は電圧軸を示す。なお縦
軸の電圧では加振信号Ｖout 、駆動信号Ｖｘ，Ｖz1の間
の大小関係を示すものではなく、図３は単に各信号の時
間経過に伴う変化状態を示すものである。
と、この区間における加振信号Ｖoutの発生状態、およ
び駆動信号Ｖｘ，Ｖz1の発生状態とを示す。図３におい
て横軸は時間軸ｔを示し、縦軸は電圧軸を示す。なお縦
軸の電圧では加振信号Ｖout 、駆動信号Ｖｘ，Ｖz1の間
の大小関係を示すものではなく、図３は単に各信号の時
間経過に伴う変化状態を示すものである。
【００１９】ＸＹＺスキャナ１２内のＸ軸方向の圧電素
子に印加される駆動信号（電圧信号）Ｖｘの電圧値は次
第に大きくなる。従って、相対的な位置変化によって探
針１６は試料表面上でＸ軸方向に変位し、走査移動を行
う。そのような走査移動中に、カンチレバー１５は加振
信号Ｖout によって加振される。すなわち、カンチレバ
ー１５（探針１６）は、加振器１４によって定常的に小
さい振幅の振動を与えられ、その上に測定箇所ごとに大
きな振幅の振動を与えられる。ＡＦＭが測定状態にある
ときには、サーボ回路２７は、前述のごとく探針１６と
試料１１の表面との距離が振幅の大きい振動の加振時に
振幅検出回路２５の出力信号がＶisetとなるようにサー
ボ制御を行うよう設定されている。その結果、サーボ回
路２７は制御信号をＺ駆動回路２３に出力し、当該制御
信号に対応する駆動信号Ｖz1をＸＹＺスキャナ１２内の
Ｚ軸方向の圧電素子に与える。試料表面を走査する間に
得られるサーボ回路２７から出力される制御信号（これ
に対応する駆動信号Ｖz1）によって試料１１の表面の凹
凸形状に関する高さ情報を得ることができる。
子に印加される駆動信号（電圧信号）Ｖｘの電圧値は次
第に大きくなる。従って、相対的な位置変化によって探
針１６は試料表面上でＸ軸方向に変位し、走査移動を行
う。そのような走査移動中に、カンチレバー１５は加振
信号Ｖout によって加振される。すなわち、カンチレバ
ー１５（探針１６）は、加振器１４によって定常的に小
さい振幅の振動を与えられ、その上に測定箇所ごとに大
きな振幅の振動を与えられる。ＡＦＭが測定状態にある
ときには、サーボ回路２７は、前述のごとく探針１６と
試料１１の表面との距離が振幅の大きい振動の加振時に
振幅検出回路２５の出力信号がＶisetとなるようにサー
ボ制御を行うよう設定されている。その結果、サーボ回
路２７は制御信号をＺ駆動回路２３に出力し、当該制御
信号に対応する駆動信号Ｖz1をＸＹＺスキャナ１２内の
Ｚ軸方向の圧電素子に与える。試料表面を走査する間に
得られるサーボ回路２７から出力される制御信号（これ
に対応する駆動信号Ｖz1）によって試料１１の表面の凹
凸形状に関する高さ情報を得ることができる。
【００２０】大きな振幅の振動は時間間隔Ｔ２で繰り返
し与えられる。大きな振幅の振動期間が終了すると、探
針１６の振幅は小さい値Ｖominになり、またサーボ回路
２７によるサーボ目標値はＶiminに設定される。走査移
動中にサーボ回路２７の入力がサーボ目標値Ｖiminを満
たしている限り、出力される制御信号すなわち駆動信号
Ｖz1は一定値に保持され、次の測定箇所すなわちデータ
取得点に移動する。仮に走査移動中に探針１６が試料１
１に接近し過ぎ衝突のおそれがあるときには、サーボ回
路２７のサーボ制御の働きによって試料１１は探針１６
から退避するように動作が行われる。
し与えられる。大きな振幅の振動期間が終了すると、探
針１６の振幅は小さい値Ｖominになり、またサーボ回路
２７によるサーボ目標値はＶiminに設定される。走査移
動中にサーボ回路２７の入力がサーボ目標値Ｖiminを満
たしている限り、出力される制御信号すなわち駆動信号
Ｖz1は一定値に保持され、次の測定箇所すなわちデータ
取得点に移動する。仮に走査移動中に探針１６が試料１
１に接近し過ぎ衝突のおそれがあるときには、サーボ回
路２７のサーボ制御の働きによって試料１１は探針１６
から退避するように動作が行われる。
【００２１】図４は探針１６の走査移動の一例を示し、
走査移動３１におけるサーボ制御が効いた非測定状態で
移動を行うための移動区間３２と、測定箇所すなわちデ
ータ取得点３３を示す。図４に示されるように、誇張し
て示されたカンチレバー１５の中心位置（振動の中心、
例えば基端の位置）は試料１１の表面の凹凸形状に応じ
てそのＺ軸方向の高さ位置を変化し、離散的に設定され
たデータ取得点３３で前述の測定動作を行う。こうして
飛び越し走査が行われる。この走査方法では、或るデー
タ取得点から次のデータ取得点に移動するまでの間、探
針と試料との最接近距離は、図２の（Ｃ）の（Ｖiset−
Ｖimin）に相当する距離だけ離れており、あえてＺ軸方
向の移動機構を用いて試料を退避する必要がないので、
高速に移動を行うことができる。またこの移動の間、サ
ーボ回路２７のサーボ制御は働いているので、位置検出
装置の出力信号すなわち光検出器１８の出力がＶiminに
なるような場合には、試料１１を探針１６から退避させ
るので、カンチレバーや探針および試料が破損するのを
防止できる。
走査移動３１におけるサーボ制御が効いた非測定状態で
移動を行うための移動区間３２と、測定箇所すなわちデ
ータ取得点３３を示す。図４に示されるように、誇張し
て示されたカンチレバー１５の中心位置（振動の中心、
例えば基端の位置）は試料１１の表面の凹凸形状に応じ
てそのＺ軸方向の高さ位置を変化し、離散的に設定され
たデータ取得点３３で前述の測定動作を行う。こうして
飛び越し走査が行われる。この走査方法では、或るデー
タ取得点から次のデータ取得点に移動するまでの間、探
針と試料との最接近距離は、図２の（Ｃ）の（Ｖiset−
Ｖimin）に相当する距離だけ離れており、あえてＺ軸方
向の移動機構を用いて試料を退避する必要がないので、
高速に移動を行うことができる。またこの移動の間、サ
ーボ回路２７のサーボ制御は働いているので、位置検出
装置の出力信号すなわち光検出器１８の出力がＶiminに
なるような場合には、試料１１を探針１６から退避させ
るので、カンチレバーや探針および試料が破損するのを
防止できる。
【００２２】前記実施例ではＡＦＭについて説明した
が、上記の測定方法は走査型プローブ顕微鏡に一般的に
適用することができる。
が、上記の測定方法は走査型プローブ顕微鏡に一般的に
適用することができる。
【００２３】
【発明の効果】以上の説明で明らかなように本発明によ
れば、走査型プローブ顕微鏡において走査移動時および
測定時にカンチレバーや探針を所定の振動状態で加振す
ると共にサーボ制御の作動状態に保持するようにしたた
め、探針と試料の間を適切な距離に保って各データ取得
点の間を移動することができ、かつＺ軸方向の移動を少
なくできるため高速に走査移動を行うことができ、また
サーボ制御は常に働いている状態にあるので、探針と試
料の衝突を避けることができ、カンチレバーや探針、お
よび試料の破損を防ぐことができる。このように、測定
時の走査移動を高速化でき、測定時間を短縮化できると
共に、広い測定範囲であっても短時間で測定を行うこと
ができる。
れば、走査型プローブ顕微鏡において走査移動時および
測定時にカンチレバーや探針を所定の振動状態で加振す
ると共にサーボ制御の作動状態に保持するようにしたた
め、探針と試料の間を適切な距離に保って各データ取得
点の間を移動することができ、かつＺ軸方向の移動を少
なくできるため高速に走査移動を行うことができ、また
サーボ制御は常に働いている状態にあるので、探針と試
料の衝突を避けることができ、カンチレバーや探針、お
よび試料の破損を防ぐことができる。このように、測定
時の走査移動を高速化でき、測定時間を短縮化できると
共に、広い測定範囲であっても短時間で測定を行うこと
ができる。
【００２４】また或る測定箇所から次の測定箇所に移動
するときにカンチレバーを小さい振幅で振動させている
ため、衝突回避の動作を行う時に反応良く動作させるこ
とができ、かつ高速化に適している。
するときにカンチレバーを小さい振幅で振動させている
ため、衝突回避の動作を行う時に反応良く動作させるこ
とができ、かつ高速化に適している。
【図１】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の構成図で
ある。
ある。
【図２】カンチレバーに与えられる振動（加振信号）の
波形、位置検出装置で得られる検出信号の波形、実際測
定時に発生する検出信号の波形を示す波形図である。
波形、位置検出装置で得られる検出信号の波形、実際測
定時に発生する検出信号の波形を示す波形図である。
【図３】加振信号とＸ軸方向駆動信号とＺ軸方向駆動信
号の変化状態を示す図である。
号の変化状態を示す図である。
【図４】走査時のカンチレバーの振動状態と移動区間と
データ取得点の関係を示す図である。
データ取得点の関係を示す図である。
１１ 試料 １２ ＸＹＺスキャナ １３ フレーム １４ 加振器 １５ カンチレバー １６ 探針 １７ レーザ光源 １８ 光検出器 １９ レーザ光 ２０ 制御・演算処理装置 ２１ 表示装置 ２２ ＸＹ駆動回路 ２３ Ｚ駆動回路 ２４ カンチレバー加振回路 ２５ 振幅検出回路 ２６ Ｚ軸粗動機構 ２７ サーボ回路
Claims (3)
- 【請求項１】 カンチレバーの先部に設けられた探針を
試料の表面に接近させ、前記探針を前記試料表面に沿っ
て走査移動させて前記試料表面の形状に関する情報を得
る走査型プローブ顕微鏡において、 探針に小さい振幅の振動を定常的に与え、さらに前記探
針に大きな振幅の振動を断続的に与える加振手段と、 前記探針を前記試料に接近させる移動手段と、 前記探針の位置変化を検出する位置検出手段と、 前記位置検出手段の検出信号を入力し、前記大きな振幅
で振動する前記探針を、その振幅が前記小さい振幅と前
記大きい振幅の間の範囲に含まれる値となるように前記
試料に接近させるように移動手段を制御する制御手段
と、 前記制御手段の制御信号に基づき前記試料の表面形状に
関する情報を求める処理手段と、 からなることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。 - 【請求項２】 カンチレバーの先部に設けられた探針を
試料の表面に接近させ、前記探針を前記試料表面に沿っ
て走査移動させて前記試料表面の形状に関する情報を得
る走査型プローブ顕微鏡の測定方法であり、 探針に小さい振幅の振動を定常的に与え、さらに前記探
針に大きな振幅の振動を断続的に与え、前記探針に前記
大きな振幅の振動を与えた状態で、前記探針の振幅が前
記小さい振幅と前記大きい振幅の間の範囲に含まれる値
となるように前記探針を前記試料に接近させ、前記試料
の表面形状に関する情報を求めるようにしたことを特徴
とする走査型プローブ顕微鏡の測定方法。 - 【請求項３】 各測定予定箇所で前記大きな振幅の振動
を前記探針に与えることを特徴とする請求項２記載の走
査型プローブ顕微鏡の測定方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP07981595A JP3588701B2 (ja) | 1995-03-10 | 1995-03-10 | 走査型プローブ顕微鏡およびその測定方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP07981595A JP3588701B2 (ja) | 1995-03-10 | 1995-03-10 | 走査型プローブ顕微鏡およびその測定方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08248040A true JPH08248040A (ja) | 1996-09-27 |
| JP3588701B2 JP3588701B2 (ja) | 2004-11-17 |
Family
ID=13700706
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP07981595A Expired - Fee Related JP3588701B2 (ja) | 1995-03-10 | 1995-03-10 | 走査型プローブ顕微鏡およびその測定方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3588701B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7562564B2 (en) | 2003-01-30 | 2009-07-21 | Hitachi, Ltd. | Scanning probe microscope and sample observing method using this and semiconductor device production method |
| CN113520303A (zh) * | 2021-07-15 | 2021-10-22 | 苏州微清医疗器械有限公司 | 一种提高共聚焦扫描光学成像图像分辨率的方法 |
-
1995
- 1995-03-10 JP JP07981595A patent/JP3588701B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7562564B2 (en) | 2003-01-30 | 2009-07-21 | Hitachi, Ltd. | Scanning probe microscope and sample observing method using this and semiconductor device production method |
| CN113520303A (zh) * | 2021-07-15 | 2021-10-22 | 苏州微清医疗器械有限公司 | 一种提高共聚焦扫描光学成像图像分辨率的方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3588701B2 (ja) | 2004-11-17 |
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Legal Events
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| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
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