JPH09119938A

JPH09119938A - 走査型プローブ顕微鏡

Info

Publication number: JPH09119938A
Application number: JP29894095A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Murayama; 健村山
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1995-10-24
Filing date: 1995-10-24
Publication date: 1997-05-06

Abstract

(57)【要約】【課題】カンチレバーに設けた圧電薄膜によりＺ軸の
サーボを直接行い、測定時間を大幅に向上する。【解決手段】試料12に臨む探針15を備えたカンチレバ
ー13と、試料と探針の相対的位置を変化させる微動機構
11を備え、微動機構によって探針が試料の表面を走査
し、探針・試料間の原子間力等に基づき生じるカンチレ
バーのたわみ量を制御することで試料表面の形状等を得
る構成を有し、カンチレバーに設けられたカンチレバー
加振用圧電薄膜16と、圧電薄膜にカンチレバー共振点付
近の周波数の電圧を印加し微小振動を生じさせる第１電
圧印加手段23と、カンチレバーの微小振動の周波数を検
知する検知手段19,20,25と、周波数が一定に保たれるよ
うにカンチレバーにたわみ変形を生じさせる第２電圧印
加手段24を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は走査型プローブ顕微
鏡に関し、特に高速測定に適した走査型プローブ顕微鏡
に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡は、原子レベルの
寸法オーダの測定分解能を有するものであり、表面の形
状計測など各種の分野に適用されつつある。検出に利用
する物理量により、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
どに分かれ、応用範囲も広がっている。

【０００３】中でも原子間力顕微鏡は、試料表面の形状
を高分解能で検出するに適しており、半導体、ディスク
の表面計測などの分野で実績を上げている。以下では、
原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の例を挙げて説明する。

【０００４】図３に従来の原子間力顕微鏡の構成を示
す。試料台としての機能を有するＸＹＺ微動機構５１の
上に被測定試料５２が載置される。試料５２の上方位置
にカンチレバー５３が配置される。カンチレバー５３の
基端は固定され、先端には探針５４が設けられる。探針
５４の先端は試料５２の観察表面に臨む。またカンチレ
バー５３の上方位置にはレーザ光発振器５５と、レーザ
光検出器５６が配置される。レーザ光発振器５５から出
射されたレーザ光５７は、カンチレバー５３の背面に設
けられた鏡面部で反射され、レーザ光検出器５６に対し
て照射される。

【０００５】上記の構成において、カンチレバー接近機
構（図示せず）により、探針５４と試料５２の間隔を約
１ｎｍ（ナノメータ）にまで近づけると両者の間に原子
間力が作用し、カンチレバー５３にたわみ変形が生じる
ようになる。そのたわみ角を上記レーザ光５７により光
てこの原理で検出する。測定開始前に、試料５２と探針
５４の間は原子間力が作用する所定の距離に保持され
る。

【０００６】試料表面を測定するときには、ＸＹＺ微動
機構５１のＸＹ微動部によって試料５２をＸまたはＹの
各方向に走査し、この走査の間、ＸＹＺ微動機構５１に
含まれるＺ微動部によってカンチレバー５３のたわみ角
が所定の角度になるようにする。ＸＹＺ微動機構５１の
Ｚ微動部の移動量をモニタすることによって、試料５２
の表面形状を計測することができる。なお図３では、Ｘ
ＹＺ微動機構５１の動作を制御する制御手段、レーザ光
検出器５６の検出信号を取り込み、当該制御手段にフィ
ードバックする手段、Ｚ微動部の移動量に関する信号を
取り出し、表面形状を演算する演算手段、モニタ等の図
示を省略している。

【０００７】原子間力顕微鏡は、その原理上、非常に高
い測定分解能力を有するが、探針５４を試料５２の表面
に沿って機械的に走査するため、測定時間を短縮するこ
とが難しいという本質的な問題を含んでいる。原子間力
顕微鏡での機械的走査では、ＸＹ平面内で試料５２を機
械的に走査すると同時に、試料５２の観察表面と探針５
４の間隔を一定に保つようにＺ軸方向の動作を機械的に
制御することが必要とされる。

【０００８】また機械制御の高速化を図るためには、機
械部分の共振点を高くする必要がある。例えば、トライ
ポッド型、チューブ型といった一般に用いられるバルク
型圧電素子を用いた微動機構の場合、寸法としては数十
ｍｍが一般的であり、その共振点としては数ｋＨｚから
１０ｋＨｚ程度になる。

【０００９】機構における寸法と共振点の関係を、片持
ち梁構造を例にして説明する。図４に示すモデルにおい
て、片持ち梁の共振点は次の式で表される。

【００１０】ｆ＝１／２π（ｋ／ｍ）^1/2 …（１） ∝Ｔ／Ｌ² ここで、ｆ：共振点（固有振動数）ｋ：剛性（ばね定数）ｍ：質量Ｔ：板厚Ｌ：長さ

【００１１】例えば、Ｔ：Ｌ＝１：１００の場合を考え
る。１ｍｍ：１００ｍｍと１μｍ：１００μｍの場合、
それらの間の共振周波数の比率は、１／１００²：１０
^-3／（１０００^-3）²＝１：１０００になる。この結果
によれば、寸法が小さい方が共振周波数が大きくなり、
共振点の面では圧倒的に有利になることが分かる。この
ことから、従来の圧電素子を用いた微動機構では、サイ
ズが相対的に大きくなるため、機構の共振点を大きくす
ることが困難となる。

【００１２】従って、ＸＹＺ微動機構５１に含まれるＺ
微動部をカンチレバー５３側に設けて、カンチレバー５
３をＺ軸方向に移動させるようにし、試料台側の寸法を
小さくすることにより、極めて高速な計測を行うことが
可能となる。

【００１３】そこで、従来、カンチレバー５３にＺｎＯ
等の圧電薄膜を付加して構成した走査型プロ−ブ顕微鏡
が提案されている。例えば第４２回応用物理学関連連合
講演会、講演予稿集、Ｎｏ．２、Ｐ４７４にその一例が
記載されている。図５にその基本構成を示す。６１，６
２はＺｎＯ等の薄膜圧電体、６３，６４，６５は電極で
ある。本構成を有する走査型プローブ顕微鏡は動的走査
型力顕微鏡と呼ばれるものである。この走査型プローブ
顕微鏡では、カンチレバー５３をその共振点近傍の周波
数で微小振動させ、探針と試料の間の距離に応じてその
共振周波数が変化することを利用しており、探針と試料
の間の距離を一定に保つサーボが行われる。

【００１４】本構成において、一方の薄膜圧電体６１は
カンチレバー５３の加振用に用いられ、他方の薄膜圧電
体６２はカンチレバー５３の変位検出用に用いられる。
６６は加振用の信号発生器、６７は変位検出器である。
６８はコントローラであり、このコントローラはカンチ
レバー５３の振動周波数と基準周波数（Ｖref ）を比較
器６９で比較し、その後、制御器７０を介してＸＹＺ微
動機構５１の中のＺ軸圧電素子に電圧を印加する。なお
圧電体は、電圧を印加すると歪みが生じ、この歪み（応
力）が作用すると、電圧が発生するという可逆的な特性
を有する。探針５４と試料５２の間の距離調整の調整・
制御はＸＹＺ微動機構５１によって行われる。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】上記構成を有する従来
の動的走査型のプローブ顕微鏡では、カンチレバー５３
に圧電薄膜を用いているが、Ｚ軸方向の微動の制御に関
するＺ軸サーボはバルク型圧電素子を用いたＸＹＺ微動
機構５１で行われるので、根本的なＺ軸サーボ特性の向
上は望めない。

【００１６】本発明の目的は、上記課題を解決すること
にあり、カンチレバーに設けた圧電薄膜によりＺ軸のサ
ーボを直接行える構成であって測定時間を大幅に向上し
た走査型プローブ顕微鏡を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段および作用】第１の本発明
（請求項１に対応）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、試料に臨む探針を備えたカンチ
レバーと、試料と探針の相対的位置を変化させる微動機
構とを備え、微動機構によって探針が試料の表面を走査
し、その走査の間、探針と試料の間の原子間力等の相互
作用に基づき生じるカンチレバーのたわみ量を制御する
ことで試料の表面における形状等の物理情報を得る構成
を有し、さらに、カンチレバーに設けられたカンチレバ
ー加振用の圧電薄膜と、圧電薄膜にカンチレバーの共振
点付近の周波数の電圧を印加してカンチレバーに微小振
動を生じさせる第１電圧印加手段と、カンチレバーの微
小振動の周波数を検知する検知手段と、この検知手段の
出力信号に基づき周波数が一定に保たれるようにカンチ
レバーにたわみ変形を生じさせる第２電圧印加手段とを
備えるように構成される。

【００１８】第２の本発明（請求項２に対応）に係る走
査型プローブ顕微鏡は、第１の発明において、前記検知
手段が、好ましくは、レーザ光発振器とレーザ光検出器
からなる光学系検出手段であることを特徴とする。

【００１９】第３の本発明（請求項３に対応）に係る走
査型プローブ顕微鏡は、第１の発明において、前記検知
手段が、好ましくは、カンチレバーの微小振動の周波数
を検出する圧電薄膜であることを特徴とする。

【００２０】第４の本発明（請求項４に対応）に係る走
査型プローブ顕微鏡は、第３の発明において、好ましく
は、周波数検出用圧電薄膜と加振用圧電薄膜とが積層し
て形成される。

【００２１】第５の本発明（請求項５に対応）に係る走
査型プローブ顕微鏡は、上記の各発明において、圧電薄
膜がＺｎＯであることを特徴とする。

【００２２】本発明では、カンチレバーの共振点近傍の
周波数に一致する周波数を有する正弦波電圧信号を圧電
薄膜に印加することにより、カンチレバーに微振動を生
じさせる。このときの振動振幅は、方式にもよるが、１
〜数十ｎｍ程度とする。この状態で探針を試料の表面に
対して数ｎｍの距離まで接近させ、探針・試料間に原子
間力等を発生させると、カンチレバーの共振周波数が当
該距離の大きさに対応して変化する。カンチレバーの変
位は、一般に用いられている光てこ方式、あるいは圧電
薄膜で検出される。変位信号から振動周波数を検知し、
振動周波数が一定になるようＺ軸のサーボを行う。振動
周波数が一定になるようＺ軸のサーボを行うことによっ
て、探針・試料間の距離を所定の距離に保持することが
できる。Ｚ軸のサーボは、加振用の圧電薄膜に所望の電
圧を印加し、カンチレバーにたわみ変形を生じさせるこ
とで行われる。すなわち、第１電圧印加手段からの加振
用電圧信号と第２電圧印加手段からのＺ軸サーボ用信号
が同時に圧電薄膜に印加される。

【００２３】上記構成において、カンチレバーの共振点
を数百ｋＨｚとした場合、原子間力に伴う変化分はその
１％以下であり極めて微小である。従って、力を受けな
い状態での共振周波数近傍の周波数を有する信号をモニ
タする。Ｚ軸サーボ用信号は、試料表面の形状により変
化するため、加振用の周波数領域になると両者が干渉し
不都合が生じることが予想できる。従って実際には、Ｚ
軸サーボに関するサーボ帯域をカンチレバーの共振点の
例えば１／２〜１／１０程度にすることで干渉を防止す
る。この場合においても数１０〜１００ｋＨｚ程度のサ
ーボ帯域を確保することができる。

【００２４】従来用いられている、トライポッド型、チ
ューブ型といったバルク圧電素子を用いたＺ軸サーボで
は、その機構共振点の制約からサーボ帯域は数ｋＨｚ以
下に限られていた。従って試料をＸＹ方向に高速で走査
するとＺ軸サーボが追従できなくなり、高速な測定がで
きなかった。今回の薄膜圧電体を用いた方式は、従来法
に比べおよそ１０〜１００倍の高速測定を実現でき、走
査型プローブ顕微鏡の欠点といわれる測定時間の問題を
解決できるものである。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施形態を添付
図面に基づいて説明する。

【００２６】図１に本発明の第１実施形態を示す。この
走査型プローブ顕微鏡の例は原子間力顕微鏡である。試
料台としての機能を有するＸＹ微動機構１１の上面に試
料１２が載置される。試料１２の上方位置にカンチレバ
ー１３が配置される。カンチレバー１３の基端は取付け
部１４に固定され、その先端には探針（プローブともい
う）１５が設けられる。探針１５の先端は、試料１２の
観察表面に臨む。図１に示したカンチレバー１３および
探針１５は、説明の便宜上その寸法を誇張して描いてい
る。実際には、カンチレバー１３の長さは１００μｍ程
度、厚みは１μｍ程度である。

【００２７】この構成では、試料台において、試料１２
を微動させる機構部分はＸＹ微動機構１１のみとなり、
Ｚ微動機構部分は含まれない。このＸＹ微動機構１１
は、一般的な圧電素子を用いたもので構成される。例え
ば、よく知られたチューブ型圧電素子あるいはトライポ
ッド型圧電素子が使用される。

【００２８】カンチレバー１３の背面部には、積層構造
で、圧電薄膜１６と電極１７，１８が設けられる。圧電
薄膜１６の材料には例えばＺｎＯが用いられる。圧電薄
膜１６は、電極１７，１８によって挟まれている。電極
１７，１８は、圧電薄膜１６に対して電圧を印加するた
めのものである。なおＧＮＤ側の配線は図示を省略して
いる。電極１７，１８を介して圧電薄膜１６に電圧を印
加すると、圧電薄膜１６に変形が生じ、その結果カンチ
レバー１３においてもユニモルフの原理でたわみ変形が
生じる。

【００２９】カンチレバーまたは探針に関して生じた変
位は、レーザ光発振器１９とレーザ光検出器２０からな
る光学系変位検出器によって検出される。２１は、カン
チレバー１３の背面部に設けられた電極１７で反射され
るレーザ光の軌跡を示している。

【００３０】上記電極１７，１８に印加される電圧信号
は加算器２２から供給される。加算器２２では、信号発
生器２３からの電圧信号とコントローラ２４からの電圧
信号が加算される。信号発生器２３は、カンチレバー１
３の共振点近傍の周波数を有する正弦波電圧信号（Ｖ
ｂ）を出力する。コントローラ２４の内部構造は後述さ
れる。

【００３１】一方、上記のレーザ光検出器２０は、光の
強度を検出することにより、カンチレバー１３の振動の
周波数に関する情報（ｆ）を取り出す。レーザ光検出器
２０で取り出された周波数情報は、周波数−電圧変換器
２５で、周波数に比例する電圧に変換される。周波数−
電圧変換器２５から出力された電圧信号（Ｖｆ）はコン
トローラ２４に入力される。

【００３２】コントローラ２４は加算器２６とＰＩ制御
機能および増幅機能を有する制御部２７とを内蔵する。
加算器２６では基準電圧（Ｖref ）と入力電圧（Ｖｆ）
との偏差を求め、制御部２７では、求められた偏差に基
づいて圧電素子印加電圧（Ｖｓ）を生成し、出力する。
印加電圧Ｖｓは前述の加算器２２に入力される。

【００３３】次に、上記構成を有する走査型プローブ顕
微鏡の動作を説明する。

【００３４】信号発生器２３はカンチレバー１３の共振
点近傍の周波数に一致する周波数を有する正弦波電圧信
号Ｖｂを出力する。この正弦波電圧信号は、加算器２２
を通り、電極１７，１８を介して圧電薄膜１６に印加さ
れる。実際には、電極１７，１８に電位差を与える形で
印加する。この状態で、カンチレバー１３に共振点近傍
の周波数に一致する周波数の微振動が生じる。

【００３５】図示しない探針接近機構により、探針１５
を試料１２に約１ｎｍの距離まで近づけると、探針と試
料の間に原子間力が作用し、カンチレバー１３の共振点
がわずかに変化する。この変位に関する状態はレーザ光
検出器２０で周波数情報ｆとして検出され、周波数−電
圧変換器２５を介して周波数に対応する電圧信号Ｖｆに
変換される。

【００３６】コントローラ２４では、基準周波数に係る
基準電圧Ｖref と電圧信号Ｖｆを比較し、加算器２６に
より偏差信号を出力する。この偏差信号は制御部２７に
入力され、ここから圧電素子印加電圧Ｖｓが出力され
る。加算器２２では、印加電圧Ｖｓと加振用電圧信号Ｖ
ｂとが合計され、この合計電圧が圧電薄膜１６に印加さ
れる。このうちサーボ用電圧Ｖｓが圧電薄膜１６に印加
されると、カンチレバー１３にたわみ変形が生じ、探針
１５と試料１２の間の距離を大きく変えることができ
る。一般的に加振用電圧信号Ｖｂによるカンチレバー１
３の振動は、振幅１〜数十ｎｍで一定振幅とする。それ
に対し、サーボ用電圧Ｖｓによるカンチレバー１３のた
わみ（振幅）はμｍオーダに設定される。サーボ用電圧
Ｖｓによるカンチレバー１３の振動周波数は探針・試料
間距離に依存するため、この振動周波数を一定に保つよ
うに電圧Ｖｓによる制御を行えば、探針・試料間距離を
一定に保つことができる。実際には、サーボ用電圧Ｖｓ
によるカンチレバーの振幅は０．１〜数μｍオーダに設
定され、ＸＹ微動機構１１により試料１２をＸＹ平面で
走査のために移動し、その間、上記方式によって探針１
５と試料１２との間の距離を一定に保つように制御す
る。そして、印加電圧Ｖｓをモニタすることによって、
試料１２の表面形状を測定することが可能になる。

【００３７】上記構成によれば、このようにカンチレバ
ー１３自身が持つ構造でＺ軸方向の移動のサーボ制御を
行えるようにしたので、数十から１００ｋＨｚ程度の高
速なＺ軸サーボが実現でき、走査型プローブ顕微鏡とし
ての測定時間を大幅に（従来比：１０〜１００倍程度）
短縮することができる。

【００３８】カンチレバーの共振点を数百ｋＨｚとした
場合、例えば原子間力に伴う変化分はその１％以下であ
り極めて微小である。従って、力を受けない状態での共
振周波数近傍の周波数を有する信号をモニタする。Ｚ軸
サーボ用信号は、試料表面の形状により変化するため、
加振用の周波数領域になると両者が干渉し不都合が生じ
ることが予想できる。従って実際には、Ｚ軸のサーボ帯
域をカンチレバーの共振点の例えば１／２〜１／１０程
度にすることで干渉を防止する。この場合においても数
１０〜１００ｋＨｚ程度のサーボ帯域を確保することが
できる。

【００３９】従来用いられているトライポッド型やチュ
ーブ型といったバルク圧電素子を用いたＺ軸サーボで
は、その機構共振点の制約からサーボ帯域は数ｋＨｚ以
下に限られていた。従って試料をＸＹ方向に高速で走査
すると、Ｚ軸サーボが追従できなくなり、高速な測定が
できなかった。本実施形態の圧電薄膜を用いた方式は、
従来法に比べおよそ１０〜１００倍の高速測定を実現で
き、走査型プローブ顕微鏡の欠点といわれる測定時間の
問題を解決できる。

【００４０】次に、図２を参照して本発明の第２実施形
態を説明する。基本的構成は第１実施形態と同じである
が、カンチレバー１３の振動数情報を検出するにあたっ
て圧電薄膜を利用するようにした点が異なっている。図
２中、図１で説明した要素と同一の要素には同一の符号
を付し、その説明を省略する。

【００４１】図２に示した構成では、加振用およびＺ軸
サーボ用の圧電薄膜３１と、カンチレバー１３の振動数
検出用の圧電薄膜３２とを備え、これらを積層してカン
チレバー１３の下面に付設している。また２枚の圧電薄
膜３１，３２は３枚の電極３３，３４，３５によってサ
ンドウィッチ状に配置される。加振用およびＺ軸サーボ
用の圧電薄膜３１、およびこれに関連する制御系の部分
に関しては第１実施形態と同様な作用および効果が生じ
る。また周波数検出系の構成として、第１実施形態にお
ける光学系の代わりに薄膜圧電体を使用するようにした
ため、構成が簡素かつ安価となり、製作しやすく、メン
テナンスが容易となる。

【００４２】なおカンチレバーの振動数検出には、レー
ザ干渉を用いた方式、静電容量を用いた方式など各種の
ものを用いることができる。また、周波数の検出手段と
しては、周波数自身を検出する方式の他に、周波数シフ
トに伴う或る周波数成分の振幅変化の形で計測する方式
などが有効である。さらに、同一のカンチレバーに２組
の圧電薄膜を形成し、一方を加振用に、他方をＺ軸サー
ボ用として構成することも可能である。

【００４３】

【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、動的走査型のプローブ顕微鏡において、カンチレ
バーに圧電薄膜を設けカンチレバー自身でＺ軸サーボを
行えるようにしたので、高速なＺ軸サーボを行うことが
でき、走査型プローブ顕微鏡の測定時間を大幅に向上さ
せることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態を示す構成図である。

【図２】本発明の第２の実施形態を示す構成図である。

【図３】従来の走査型プローブ顕微鏡の一例を示す構成
図である。

【図４】カンチレバーの寸法を示す図である。

【図５】従来の動的走査型のプローブ顕微鏡の一例を示
す構成図である。

【符号の説明】

１１ＸＹ微動機構１２試料１３カンチレバー１５探針１６圧電薄膜１７，１８電極１９レーザ光発振器２０レーザ光検出器２５周波数−電圧変換器３１，３２圧電薄膜３３〜３５電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料に臨む探針を備えたカンチレバー
と、前記試料と前記探針の相対的位置を変化させる微動
機構とを備え、前記微動機構によって前記探針が前記試
料の表面を走査し、走査の間、前記探針と前記試料の間
の相互作用に基づき生じる前記カンチレバーのたわみ量
を制御することで前記試料の表面における物理情報を得
る走査型プローブ顕微鏡において、前記カンチレバーに設けられたカンチレバー加振用の圧
電薄膜と、前記圧電薄膜に前記カンチレバーの共振点付
近の周波数の電圧を印加して前記カンチレバーに微小振
動を生じさせる第１電圧印加手段と、前記カンチレバー
の微小振動の周波数を検知する検知手段と、この検知手
段の出力信号に基づき前記周波数が一定に保たれるよう
に前記カンチレバーにたわみ変形を生じさせる第２電圧
印加手段とを備えることを特徴とする走査型プローブ顕
微鏡。
【請求項２】前記検知手段は、光学系検出手段である
ことを特徴とする請求項１記載の走査型プローブ顕微
鏡。
【請求項３】前記検知手段は、前記カンチレバーの微
小振動の周波数を検出する圧電薄膜であることを特徴と
する請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】前記周波数検出用圧電薄膜と前記加振用
圧電薄膜を積層させて形成したことを特徴とする請求項
３記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】前記圧電薄膜はＺｎＯであることを特徴
とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の走査型プロ
ーブ顕微鏡。