JPH08262037A - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】この発明は、応答性を速め、探針や試料表面に
損傷を与えず、制御系パラメータの調整を不要とするた
め、検出した圧電体の変位と規範モデルの出力を比較
し、その偏差量を制御して圧電体の機械的な共振ピーク
を抑える。 【構成】プローブ変位検出部１５から、カンチレバー１
４の探針の変位を検出し、カンチレバーのＺ方向変位制
御部１６で設定したリファレンス値と比較し、更にその
偏差を積分し印加電圧を生成する。この印加電圧を、モ
デル追従制御部１８内のローパスフィルタ２３を介し
て、圧電体３の規範モデル出力Ｚｍを得る。この出力Ｚ
ｍと、圧電体Ｚ方向の変位検出部２０により圧電体変位
センサ１９からから得た圧電体３のＺ方向の変位の偏差
を、比較器２４及び比例微分制御部２５で演算する。そ
して、比例微分制御部２５の出力とカンチレバーのＺ方
向変位制御部１６とを比較器２６で比較した後、圧電体
３の印加電圧を制御する。

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
に関し、より詳細には規範モデルを利用して圧電体のＺ
方向の追従制御を行う走査型プローブ顕微鏡に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】圧電体を用いた３次元走査機構は、微動
変位移動ステージをナノメートルオーダの分解能で駆動
するために、よく使われている。特に、トンネル電流を
利用して試料表面を原子寸度でなぞって画像化する走査
型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ：Scanning Tunneling Micro
scope ）や、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force M
icroscope ）等の原子分解能を必要とする走査型プロー
ブ顕微鏡（ＳＰＭ：Scanning Probe Microscope ）に於
いては、試料や探針のｘｙｚ方向の位置決めステージを
駆動する機構として広く普及している。

【０００３】一般に、走査型プローブ顕微鏡は、上述し
たＳＴＭを初めとして、多様化している探針と試料を接
近させ、その間に働く物理量を検出し、それを媒体にし
て試料表面の凹凸をなぞり、試料表面の性質の違いを知
る原子サイズオーダで三次元的な測定装置である。

【０００４】また、上述したＡＦＭはＳＴＭに類似して
おり、走査型プローブ顕微鏡の１つとして位置付けられ
ている。ＡＦＭでは、自由端に鋭い探針を有するカンチ
レバーを、試料に対向、近接して設けている。そして該
カンチレバーの探針の先端の原子と試料原子との間に働
く相互作用力により、変位するカンチレバーの動きを電
気的或いは光学的に捕らえて測定しつつ、試料をＸＹ方
向に走査し、カンチレバーの探針部との位置関係を相対
的に変化させることによって、試料の凹凸情報等を原子
サイズオーダで三次元的に捕らえることができる。

【０００５】走査型プローブ顕微鏡に於いては、画素品
質の劣化を防止するために、高精度、高速応答の位置制
御技術の開発が要求されている。すなわち、高速走査性
及び試料表面の微細な情報変化の検出が求められてい
る。特に、ＸＹ走査速度が速くなるにつれ、Ｚ方向の応
答性を更に速くしなければならない。

【０００６】走査型プローブ顕微鏡に於ける高速走査、
高速応答を実現するための基本的考え方は、Ｚ軸微動機
構用圧電体の共振周波数をできるだけ高くし、且つ共振
時の振幅をできるだけ小さくすることにある。すなわ
ち、圧電体の剛性をできるだけ高くする。すると、圧電
体の位置制御精度の向上は、圧電体の高い剛性及び制御
系の高ゲイン化によって達成することができると考えら
れる。

【０００７】しかしながら、全ての機構材料が有限の質
量と剛性を有する限り、固有振動数の増大には限界があ
る。図７は、従来の走査型プローブ顕微鏡の構成の一例
を示したブロック図である。

【０００８】この走査型プローブ顕微鏡は、測定する試
料１を支持する試料台２と、この試料台２を支持して且
つ試料台２を移動させる圧電体３と、自由端に探針を有
するカンチレバー４と、プローブ変位検出部５と、Ｚ変
位サーボ制御部６と、ＸＹ信号走査部７と、画像表示装
置８とから構成される。

【０００９】上記プローブ変位検出部５は、カンチレバ
ー４の探針と試料１との間の相互作用によって生じるカ
ンチレバー４の変位を、光学的及び電気的に検出し、変
位信号ＳｚをＺ変位サーボ制御部６へ出力する。

【００１０】Ｚ変位サーボ制御部６は、試料１の表面と
カンチレバー４の探針先端を一定距離に保つようにフィ
ードバック制御するためのものである。上記Ｚ変位サー
ボ制御部６は、Ｚ制御電圧Ｖｚを圧電体３に印加して圧
電体３を伸縮させて試料１をＺ方向に移動させる。それ
と共に、ＸＹ信号走査部７から出力されるＸＹ走査信号
が圧電体３に印加されて２次元方向に走査される。この
ときのＺ制御信号Ｖｚ、つまり試料１の凹凸情報が画像
表示装置８に転送される。すなわち、ＸＹ面内を走査す
るＸＹ走査制御部に同期して、Ｚ変位サーボ制御部６の
制御電圧が測定される。

【００１１】画像表示装置８は、転送された測定データ
を格納し、試料表面の凹凸情報の３次元画像形成、及び
試料表面情報分析を行うためのものである。図８は、図
７に示された走査型プローブ顕微鏡のＺサーボ制御部６
及びその周辺部の構成を示すブロック線である。

【００１２】このフィードバック制御系に於いて、下記
（１）式で表される値のリファレンス信号とプローブ変
位検出部５から検出された変位信号Ｓｚとの差が比較器
９で求められる。その後、積分制御部１０で積分され
て、圧電体３に印加される電圧Ｖｚが生成される。

【００１３】

【数１】

【００１４】図９（ａ）は、従来例の圧電体のＺ軸変位
量、積分器ゲインと印加電圧周波数の特性を示すボード
線図である。同図からもわかるように、圧電体３は、共
振周波数ｆ₀ に於いてピークが現れている。共振点の振
幅はかなり大きいものであり、走査型プローブ顕微鏡の
位置制御圧電体は、減衰性が悪い機械振動系であること
がわかる。

【００１５】図９（ａ）に示されるように、Ｚ軸圧電体
の第１次共振周波数付近での影響をできるだけ小さくす
るために、積分器のゲイン特性ｆｉが圧電体３の共振点
からかなり低い周波数で落とされる。つまり、Ｚ制御の
周波数特性は、図９（ｂ）に示されるように、共振点に
於ける合成した閉ループのゲイン特性のピークを０ｄＢ
以下に抑えるように設定しなければならない。これは、
制御系は、ピーク値が０ｄＢを越えると不安定になって
しまうからである。

【００１６】図８に示される従来のＺ軸サーボ制御系で
は、図９（ｂ）に示されるように、合成した閉ループの
ゲイン特性が積分ゲインＫｉの増大と共に右にシフト
し、圧電体３の共振ピークを持ち上げるため、制御系が
不安定となる。したがって、実用的には、積分ゲインＫ
ｉをかなり小さな値で使わなくてはならない。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】走査型プローブ顕微鏡
は、試料表面と探針先端を一定距離に保つように、試料
１をＺ方向に制御しながらＸＹ２次元方向に走査し、こ
のときの圧電体３に印加する電圧信号を試料表面の凹凸
情報として画像形成している。

【００１８】しかしながら、圧電体３の特性として、変
位と印加電圧の周波数との関係に、図９に示されるよう
な固有振動特性があるために、Ｚ方向の制御を高速に行
おうとすると、圧電体３が発振して安定したＺ方向の制
御が行なえないという課題を有している。図８に示され
る従来のＺ方向の変位サーボ制御系では、圧電体３の第
１次共振ピークの影響を避けるために、積分器のゲイン
特性が圧電体３の共振点からかなり低い所で落とされて
いる。それ故、閉ループのゲインを大きくとることがで
きず、サーボ系の応答が遅くなっている。

【００１９】図１０は、長さ４０ｍｍ、直径９．２ｍｍ
の円筒型圧電体のＺ方向の周波数特性を示したもので、
同図（ａ）はゲイン特性図、同図（ｂ）は位相特性図で
ある。これにより、この圧電体は減衰性が悪い機械振動
系であることがわかる。

【００２０】図１１は、図１０の圧電体を使用した従来
の走査型プローブ顕微鏡のＺ方向の変位サーボ制御系の
応答特性図である。試料断面の形状は矩形状になってい
る。また、試料断面の凹凸の段差は約５００ｎｍであ
る。尚、図１１では、実際の形状が破線で示され、追従
特性を表したものが実線で示されている。

【００２１】図１１（ａ）は、Ｘ方向に一定の走査速度
で、走査時にＺ方向に圧電体が試料表面の凹凸の段差に
追従している様子を示した特性図である。同図では、追
従性が良くなく、立上がりが追従せずに丸くなっている
ことがわかる。

【００２２】そこで、応答を速くするためには、積分器
のゲインを大きく設定しなければならない。しかしなが
ら、図１１（ｂ）に示されるように、積分器のゲインが
大きくなると応答は速くなるものの、発振しているのが
わかる。

【００２３】更に、Ｘ方向の走査速度を倍に速くする
と、図１１（ｃ）に示されるように、圧電体が試料表面
の凹凸に追従しなくなってしまう。このように、図１１
に示される試料の凹凸断面に対して、Ｚ方向のサーボの
応答は良くないため、位置決め精度が高くできないとい
う課題を有している。したがって、大きい或いは険しい
段差を有した試料に対して、Ｚ方向に測定誤差が生じる
ため、高速な２次元走査も行うことができず、高速の測
定をすることができない。特に、凹凸の大きい段差を有
する試料の場合、サーボの応答が遅いので、走査中に探
針が試料表面に当たってしまい、探針や試料の表面に損
傷を与える虞れもある。

【００２４】また、試料台や試料を交換すると、その試
料台及び試料の重さの増加に伴って圧電体の共振点が低
い方にシフトするため、制御ゲインを更に下げなければ
ならない。そのため、試料台や試料の交換毎に、制御系
のパラメータを調整しなければならないという課題も有
している。

【００２５】この発明は上記課題に鑑みてなされたもの
で、制御系を安定させて応答性を速めると共に、走査中
に探針が試料表面に当たって探針や試料の表面に損傷を
与える恐れがなく、試料台や試料の交換毎に制御系のパ
ラメータを調整しなくともよい走査型プローブ顕微鏡を
提供することを目的とする。

【００２６】

【課題を解決するための手段】すなわちこの発明は、圧
電体を用いた走査型プローブ顕微鏡に於いて、上記圧電
体のＺ方向の変位を制御すべく所定の印加電圧を与える
Ｚ方向変位制御手段と、上記圧電体のＺ方向の変位を検
出するＺ方向変位検出手段と、上記Ｚ方向変位制御手段
から出力される電圧に基いて上記圧電体の規範モデルの
変位を算出し、この規範モデルの変位と上記Ｚ方向変位
検出手段で検出された変位とに基いて、上記Ｚ方向変位
制御手段から出力される電圧を上記圧電体の規範モデル
出力に追従するように制御して上記圧電体に与える追従
制御手段と具備することを特徴とする。

【００２７】

【作用】この発明の走査型プローブ顕微鏡では、先ず、
カンチレバーの変位検出部、或いはトンネル電流検出部
から、カンチレバーの探針の変位Ｓｚを検出し、予め設
定されたリファレンス値と比較して、その偏差△Ｚを積
分器で積分し、下記（２）式で表される印加電圧を生成
する。

【００２８】

【数２】 そして、上記（２）式の印加電圧を特定のローパスフィ
ルタを通し、圧電体の規範モデルの出力Ｚｍを得る。こ
の圧電体の規範モデルの出力Ｚｍと、圧電体Ｚ方向の変
位検出部から得た圧電体のＺ方向の変位の偏差△Ｓを、
比例微分制御部で演算する。これにより、圧電体の実際
変位が規範モデルの出力に追従するように圧電体の印加
電圧Ｖｚを、下記（３）及び（４）式が成立するように
制御する。

【００２９】

【数３】

【００３０】このように、この発明の走査型プローブ顕
微鏡は、圧電体の変位を検出し、共振しない規範モデル
の出力と比較して、その偏差量を積極的に制御すること
によって、圧電体に印加する電圧を調節して圧電体の機
械的な共振ピークを抑圧する。その結果、制御帯域が拡
大され、制御ループのゲインを高く設定することができ
るため、Ｚ方向変位サーボ制御系の応答を速くすること
が可能となる。

【００３１】また、Ｚ方向の制御精度が高くなると共
に、圧電体のＸＹ方向の走査速度を遅くらせることな
く、安定で且つ高速な試料表面の微細な情報の変化を検
出することが可能となる。特に、凹凸差の大きい険しい
試料の場合、走査中に探針及び試料表面に大きな損傷を
与える恐れがなくなる。また、試料台や試料の重さの変
動に伴って圧電体の共振点が変化しても、制御ゲインを
変更しなくても、安定で且つ高速な試料表面の微細な情
報の変化を検出することが可能となる。

【００３２】

【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の実施例で、走査型プ
ローブ顕微鏡による位置制御系の構成を示すブロック図
である。

【００３３】図１に於いて、走査型プローブ顕微鏡は、
測定する試料１１を支持する試料台１２と、この試料台
１２を支持して且つ試料台１２を移動させる円筒型圧電
体１３と、自由端に探針を有するカンチレバー１４と、
プローブ変位検出部１５と、カンチレバーのＺ方向変位
制御部１６と、ＸＹ信号走査部１７と、モデル追従制御
部１８と、圧電体のＺ方向の変位を検出する圧電体変位
センサ１９及び圧電体Ｚ方向の変位検出部２０と、ＳＰ
Ｍ（画像）表示装置２１とから構成される。

【００３４】上記プローブ変位検出部１５は、カンチレ
バー１４の探針と試料１１との間の相互作用によって生
じるカンチレバー１４の探針の変位を、光学的及び電気
的に検出し、変位信号ＳｚをＺ方向変位制御部１６へ出
力する。

【００３５】このＺ方向変位制御部１６は、試料１１の
表面とカンチレバー１４の探針先端を一定距離に保つよ
うにフィードバック制御するためのものであり、変位検
出、積分等機能を有しているものである。

【００３６】すなわち、Ｚ方向変位制御部１６では、上
記プローブ変位検出部１５から探針の変位Ｓｚが検出さ
れる。そして、この変位Ｓｚと予め設定されたリファレ
ンス値とが比較されて、その偏差△Ｚが積分器（図示せ
ず）で積分され、上記（２）式で表される印加電圧が生
成されて、モデル追従制御部１８に出力される。

【００３７】

【数４】

【００３８】一方、上記圧電体Ｚ方向の変位検出部２０
では、試料台１２上に載置されるＺ方向の圧電体変位セ
ンサ１９から圧電体３の実際変位Ｚｋが検出される。こ
こで検出された変位信号Ｚｋは、モデル追従制御部１８
及び画像表示装置２１に入力される。

【００３９】また、ＸＹ信号走査部１７から出力される
ＸＹ走査信号Ｖｘ，Ｖｙは、圧電体１３に印加されてこ
の圧電体１３が２次元方向に走査される。このときのＸ
Ｙ走査信号Ｖｘ，Ｖｙは上記圧電体Ｚ方向の変位検出部
２０からの変位信号Ｚｋと共に、画像表示装置２１に転
送される。

【００４０】モデル追従制御部１８は、ローパスフィル
タ２３と、比例微分制御部２５と、比較器２４及び２６
とから構成される。ローパスフィルタの次数は、圧電体
１３のＺ方向の第１次共振ピークの次数と同じである。
ローパスフィルタ２３のカットオフ周波数は、圧電体１
３のＺ方向の第１次共振周波数に等しく設定される。
尚、このローパスフィルタ２３は、アナログフィルタ、
デジタルフィルタの何れで構成しても良い。

【００４１】また、上記圧電体変位センサ１９は、例え
ば光学センサや静電容量センサで構成することができ、
これらによって、圧電体３のＺ方向の変位を直接に検出
することができる。

【００４２】このような構成に於いて、カンチレバーＺ
方向変位制御部１６から上記（２）式で表される値の電
圧指令を受けると、モデル追従制御部１８では、ローパ
スフィルタ２３を通過して圧電体１３の規範モデルの変
位として変位Ｚｍが生じる。つまり、この変位Ｚｍは、
振動や外乱といった外乱的な要素の影響を受けない変位
である。

【００４３】次いで、モデル追従制御部１８内の比例微
分制御部２５では、比較器２４で比較された規範モデル
の出力Ｚｍと、圧電体Ｚ方向の変位検出部２０で検出さ
れた圧電体１３の実際変位Ｚｋとの偏差が、下記６式及
び（７）式のように演算される。

【００４４】

【数５】

【００４５】そして、その偏差が、比例微分制御部２５
で補正されて補正電圧△Ｖが生成される。この補正電圧
△Ｖが、比較器２６にて上記（２）で表される値の印加
電圧に加算される。これにより、圧電体１３の変位Ｚｋ
が規範モデル出力Ｚｍに追従されるように制御される。

【００４６】特に、共振点付近で圧電体１３の印加電圧
が減少されて圧電体１３の機械的な共振ピークの影響が
抑えられる。圧電体１３の応答が規範モデルの出力と完
全に一致していれば、補正電圧△Ｖ＝０となり、従来の
制御系と等価になる。

【００４７】図２（ａ）及び（ｂ）は、この第１の実施
例による走査型プローブ顕微鏡のＺ方向の変位サーボ制
御系の試料表面凹凸の追従特性を示した図である。従来
の制御方式と比較するために、制御条件、すなわち試料
の段差、走査速度は、図１１（ａ）及び（ｃ）と同じで
ある。

【００４８】尚、図２及び後述する図４では、実際の試
料断面の形状が破線で示され、追従特性を表したものが
実線で示されている。このように、第１の実施例によれ
ば、図２（ａ）に示されるように、Ｘ方向に一定の走査
速度で、走査時にＺ方向に圧電体が試料表面の凹凸にほ
ぼ追従していることがわかる。従来の図１１（ａ）に示
される応答特性図と比べて、試料表面の凹凸に対して圧
電体の追従性が向上していることが明らかである。

【００４９】また、図２（ｂ）に示されるように、同図
（ａ）に対してＸ方向に走査速度が倍に速くしても、圧
電体の追従特性は良好なものとなっている。しかも、図
１１（ｃ）の従来の応答特性と比べて、図２に示される
第１の実施例による応答特性は、その立ち上がり時間が
大幅に短くなっている。その結果、高速走査が可能であ
ることが示されている。

【００５０】図３は、図１０に示される特性図に対し
て、試料の重さが１．５倍になった場合の圧電体のＺ方
向の周波数特性を示したもので、同図（ａ）はゲイン特
性図、同図（ｂ）は位相特性図である。試料の重さが
１．５倍になっているため、共振点は６．４４１ＫＨｚ
から５．４０１ＫＨｚに変動している。

【００５１】しかしながら、上述したように走査型プロ
ーブ顕微鏡を構成することにより、共振点が変動して
も、制御ゲインを変更しなくても、図４に示されるよう
に、圧電体の試料表面の凹凸への追従性は良好である。

【００５２】このように、圧電体の変位を検出し、共振
しない規範モデルの出力と比較して、その偏差量を積極
に制御することによって、圧電体に印加する電圧を調整
し、圧電体の機械的な共振ピークが十分に抑圧される。
その結果、制御帯域が拡大され、制御ループのゲインを
高く設定することができるため、Ｚ方向変位サーボ制御
系の応答を速くすることができる。

【００５３】また、Ｚ方向の制御精度が高くなると共
に、圧電体のＸＹ方向の走査速度を遅らせることなく、
安定で且つ高速な試料表面の微細な情報の変化を検出す
ることが可能となる。特に、凹凸差の大きい、険しい試
料の場合、走査中に探針及び試料表面に大きな損傷を与
える虞れがなくなる。

【００５４】更に、試料台及び試料の重さの変動に伴っ
て圧電体の共振点が変化しても、制御ゲインを変更しな
くても、安定で且つ高速な試料表面の微細な情報の変化
を検出することが可能となる。

【００５５】尚、上述した第１の実施例では、圧電体上
に試料台及び試料を載置したプローブ走査型顕微鏡を示
したが、これに限られずに、例えば図５に示されるよう
なカンチレバー走査のプローブ顕微鏡であっても良い。

【００５６】すなわち、圧電体１３′の下端に、探針を
有するカンチレバー１４′と変位センサ用の板３０が取
付けられ、このカンチレバーバー１４′の探針の下方に
試料台１２が位置される。そして、この試料台１２上に
試料１１が載置される。板３０の上に、近傍に設けられ
た圧電体変位センサ１９から、圧電体の変位が検出され
る。その他の構成は、図１と同じであるので説明は省略
する。

【００５７】このように構成すれば、試料台や試料の重
さは変化しないので、圧電体の共振点も変化することが
ない。したがって、制御帯域も変化せず、制御ループの
ゲインを高く設定することが更に容易できるため、Ｚ方
向変位サーボ制御系の応答を速くすることができる。

【００５８】次に、この発明の第２の実施例について説
明する。図６は、この発明の第２の実施例で、走査型プ
ローブ顕微鏡による位置制御系の構成を示すブロック図
である。圧電体の変位は、カンチレバーの変位を検出す
ることによって間接的に検出される走査型プローブ顕微
鏡である。

【００５９】図６に於いて、走査型プローブ顕微鏡は、
測定する試料１１を支持する試料台１２と、この試料台
１２を支持して且つ試料台１２を移動させる圧電体１３
と、自由端に探針を有するカンチレバー１４と、このカ
ンチレバー１４の探針と試料１１との間の相互作用によ
って生じる該カンチレバー１４の変位を光学的に検出す
るプローブ変位検出部１５と、カンチレバーのＺ方向変
位制御部１６と、ＸＹ信号走査部１７と、モデル追従制
御部１８及びＳＰＭ（画像）表示装置２１とから構成さ
れる。

【００６０】上記プローブ変位検出部１５は、カンチレ
バー１４の探針の変位を光学的及び電気的に検出し、変
位信号ＳｚをカンチレバーのＺ方向変位制御部１６へ出
力するとに、上記画像表示装置２１及びモデル追従制御
部１８内の比較器２４に出力する。

【００６１】また、上記カンチレバーのＺ方向変位制御
部１６は、試料１１の表面とカンチレバー１４の探針先
端を、一定距離に保つようにフィードバックするための
ものである。そして、プローブ変位検出部１５で検出さ
れた探針の変位Ｓｚと、予め設定された上記（１）式で
表されるリファレンス値と比較する。比較した後、その
偏差△Ｚを積分器（図示せず）で積分し、上記（２）式
で表される印加電圧を生成してモデル追従制御部１８に
出力する。

【００６２】

【数６】

【００６３】モデル追従制御部１８では、ローパスフィ
ルタ２３、比較器２４及び２６、比例微分制御部２５と
から構成されている。ローパスフィルタ２３の次数は、
圧電体１３のＺ方向の第１次ピークの次数と同じであ
る。また、ローパスフィルタ２３のカットオフ周波数
は、圧電体１３のＺ方向の第１次共振周波数に等しく設
定される。

【００６４】カンチレバーＺ方向の変位制御部１６から
の上記（２）式で表される値の電圧指令は、ローパスフ
ィルタ２３を通過し、圧電体１３の規範モデルの変位と
して変位Ｚｍが生じる。

【００６５】更に、比較器２４にて規範モデル（ローパ
スフィルタ２３）の出力Ｚｍと、プローブ変位検出部１
５で検出されたカンチレバーの実際変位Ｓｚとが比較さ
れ、その偏差が比例微分制御部２５に於いて次のように
演算される。

【００６６】

【数７】

【００６７】すなわち、その偏差が比例微分制御部２５
で補正されて、補正電圧△Ｖが生成される。そして、比
較器２６にて、この補正電圧△Ｖを上記（２）式で表さ
れる印加電圧に加算する。

【００６８】これにより、カンチレバー１４の実際変位
Ｓｚを規範モデル出力Ｚｍが追従するように圧電体１３
が制御される。特に、共振点付近で圧電体１３に印加電
圧を減少させて、圧電体１３の機械的なピークの影響を
抑える。

【００６９】尚、この第２の実施例の場合は、カンチレ
バー１４の機械的な共振周波数を圧電体１３の機械的な
共振周波数より２倍以上高くしなければならない。この
ように、カンチレバーの変位を検出することによって圧
電体の変位が検出され、この圧電体の変位を、共振しな
い規範モデルの出力と比較し、その偏差量を積極に制御
することによって、圧電体に印加する電圧を調節し、圧
電体の機械的な共振ピークが十分に抑圧される。その結
果、制御帯域が拡大され、制御ループのゲインを高く設
定することができるので、Ｚ方向変位サーボ制御系の応
答を速くさせることができる。

【００７０】また、Ｚ方向の制御精度が高くなると共
に、圧電体のＸＹ方向の走査速度を遅くらせずに、安定
で且つ高速な試料表面の微細な情報の変化を検出するこ
とが可能となる。特に、凹凸差の大きい、険しい試料の
場合、走査中に、探針及び試料表面に大きな損傷を与え
る恐れがなくなる。

【００７１】尚、上述した実施例では、原子間力顕微鏡
を用いたが、この発明は走査型トンネル顕微鏡（ＳＴ
Ｍ）にも適用可能なことは勿論である。また、上述した
実施例では走査型プローブ顕微鏡として用いたが、半導
体製造に於ける露光装置の位置決め装置にもこの発明が
適用可能であるのは勿論である。

【００７２】更に、規範モデルとしては単なる低次ロー
パスフィルタというように非常に簡単に構成することが
できる。したがって、従来の制御を行っていた位置走査
制御システムに対しても、僅かなソフトウェア或いはハ
ードウェアを追加するだけで容易に適用できるため、か
なり実用的である。

【００７３】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） 圧電体を用いた走査型プローブ顕微鏡に於い
て、上記圧電体のＺ方向の変位を制御すべく所定の印加
電圧を与えるＺ方向変位制御手段と、上記圧電体のＺ方
向の変位を検出するＺ方向変位検出手段と、上記Ｚ方向
変位制御手段から出力される電圧に基いて上記圧電体の
規範モデルの変位を算出し、この規範モデルの変位と上
記Ｚ方向変位検出手段で検出された変位とに基いて、上
記Ｚ方向変位制御手段から出力される電圧を上記圧電体
の規範モデル出力に追従するように制御して上記圧電体
に与える追従制御手段と具備することを特徴とする走査
型プローブ顕微鏡。

【００７４】（２） 上記追従制御手段は、上記Ｚ方向
変位制御手段から出力される電圧に基いて上記圧電体の
規範モデルの変位を算出する変位算出手段と、この変位
算出手段で算出された変位と、上記Ｚ方向変位検出手段
で検出された変位との偏差を求めて補正電圧を算出する
補正手段と、この補正手段で算出された補正電圧に従っ
て、上記Ｚ方向変位制御手段から出力される電圧上記圧
電体の印加電圧を補正する手段とから成ることを特徴と
する上記（１）に記載の走査型プローブ顕微鏡。

【００７５】（３） 上記Ｚ方向変位検出手段は、上記
圧電体のＺ方向の変位を直接的に検出する光学センサ若
しくは静電容量センサを有して構成されることを特徴と
する上記（２）に記載の走査型プローブ顕微鏡。

【００７６】（４） 上記Ｚ方向変位検出手段は、上記
圧電体のＺ方向の実際変位を間接的に検出するトンネル
電流検出手段若しくはカンチレバーの変位検出手段を有
して構成されることを特徴とする上記（２）に記載の走
査型プローブ顕微鏡。

【００７７】（５） 上記変位算出手段は、上記圧電体
のＺ軸方向の第１次共振ピーク特性の次数に等しいアナ
ログローパスフィルタで、且つ、このフィルタのカット
オフ周波数がＺ方向の第１次共振ピーク特性の共振周波
数に等しいアナログローパスフィルタで構成されること
を特徴とする上記（２）に記載の走査型プローブ顕微
鏡。

【００７８】（６） 上記変位算出手段は、上記圧電体
のＺ軸方向の第１次共振ピーク特性の次数に等しいデジ
タルローパスフィルタで、且つ、このフィルタのカット
オフ周波数がＺ方向の第１次共振ピーク特性の共振周波
数に等しいデジタルローパスフィルタで構成されること
を特徴とする上記（２）に記載の走査型プローブ顕微
鏡。

【００７９】上記（１）及び（２）の構成によれば、圧
電体の変位を検出し、共振しない規範モデルの出力と比
較して、その偏差量を積極的に制御することによって、
圧電体に印加する電圧を調整し、圧電体の機械的な共振
ピークが十分に抑圧される。その結果、制御帯域が拡大
され、制御ループのゲインを高く設定することができる
ため、Ｚ方向変位サーボ制御系の応答を速くさせる。ま
た、Ｚ方向の制御精度が高くなると共に、圧電体のＸＹ
方向の走査速度を遅くせずに、安定で且つ高速な試料表
面の微細な情報の変化を検出することが可能となる。特
に、凹凸の大きい険しい試料の場合、走査中に探針及び
試料表面に大きな損傷を与える虞れがなくなる。

【００８０】上記（３）及び（４）の構成によれば、試
料台及び試料の重さの変動に伴って圧電体の共振点が変
化しても、制御ゲインを変更しなくても、安定で且つ高
速な試料表面の微細な情報の変化を検出することが可能
となる。上記（５）及び（６）の構成によれば、規範モ
デルとしては単なる低次ローパスフィルタというように
非常に簡単な構成で実現することができる。

【００８１】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、制御系
を安定させて応答性を速めると共に、走査中に探針が試
料表面に当たって探針や試料の表面に損傷を与える恐れ
がなく、試料台や試料の交換毎に制御系のパラメータを
調整しなくともよい走査型プローブ顕微鏡を提供するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施例で、走査型プローブ顕
微鏡による位置制御系の構成を示すブロック図である。

【図２】第１の実施例による走査型プローブ顕微鏡のＺ
方向の変位サーボ制御系の試料表面凹凸の追従特性を示
した図である。

【図３】試料の重さが１．５倍になった場合の圧電体の
Ｚ方向の周波数特性を示したもので、（ａ）はゲイン特
性図、（ｂ）は位相特性図である。

【図４】共振点変動した場合の試料表面の凹凸の追従特
性を示した図である。

【図５】この発明の第１の実施例の変形例で、逆走査型
プローブ顕微鏡による位置制御系の構成を示すブロック
図である。

【図６】この発明の第２の実施例で、走査型プローブ顕
微鏡による位置制御系の構成を示すブロック図である。

【図７】従来の走査型プローブ顕微鏡の構成の一例を示
したブロック図である。

【図８】図７の走査型プローブ顕微鏡のＺサーボ制御部
６及びその周辺部の構成を示すブロック線である。

【図９】（ａ）は従来例の圧電体のＺ軸変位量、積分器
ゲインと印加電圧周波数の特性を示すボード線図、
（ｂ）は同図（ａ）の各要素を合成した閉ループ周波数
特性を示すボード線図である。

【図１０】従来の円筒型圧電体のＺ方向の周波数特性を
示したもので、（ａ）はゲイン特性図、（ｂ）は位相特
性図である。

【図１１】従来の走査型プローブ顕微鏡のＺ方向の変位
サーボ制御系の試料表面凹凸の追従特性を示した図であ
る。

【符号の説明】

１１…試料、１２…試料台、１３…圧電体、１４…カン
チレバー、１５…プローブ変位検出部、１６…カンチレ
バーのＺ方向変位制御部、１７…ＸＹ信号走査部、１８
…モデル追従制御部、１９…圧電体変位センサ、２０…
圧電体Ｚ方向の変位検出部、２１…ＳＰＭ（画像）表示
装置、２３…ローパスフィルタ、２４、２６…比較器、
２５…比例微分制御部。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電体を用いた走査型プローブ顕微鏡に
   於いて、 上記圧電体のＺ方向の変位を制御すべく所定の印加電圧
   を与えるＺ方向変位制御手段と、 上記圧電体のＺ方向の変位を検出するＺ方向変位検出手
   段と、 上記Ｚ方向変位制御手段から出力される電圧に基いて上
   記圧電体の規範モデルの変位を算出し、この規範モデル
   の変位と上記Ｚ方向変位検出手段で検出された変位とに
   基いて、上記Ｚ方向変位制御手段から出力される電圧を
   上記圧電体の規範モデル出力に追従するように制御して
   上記圧電体に与える追従制御手段と具備することを特徴
   とする走査型プローブ顕微鏡。
2. 【請求項２】 上記追従制御手段は、 上記Ｚ方向変位制御手段から出力される電圧に基いて上
   記圧電体の規範モデルの変位を算出する変位算出手段
   と、 この変位算出手段で算出された変位と、上記Ｚ方向変位
   検出手段で検出された変位との偏差を求めて補正電圧を
   算出する補正手段と、 この補正手段で算出された補正電圧に従って、上記Ｚ方
   向変位制御手段から出力される電圧上記圧電体の印加電
   圧を補正する手段とから成ることを特徴とする請求項１
   に記載の走査型プローブ顕微鏡。
3. 【請求項３】 上記Ｚ方向変位検出手段は、上記圧電体
   のＺ方向の変位を直接的に検出する光学センサ若しくは
   静電容量センサを有して構成されることを特徴とする請
   求項２に記載の走査型プローブ顕微鏡。