JPH0972925A

JPH0972925A - 走査型顕微鏡

Info

Publication number: JPH0972925A
Application number: JP7228252A
Authority: JP
Inventors: Takuma Yamamoto; ▲琢▼磨山本; Hiroyuki Sugimura; 博之杉村; Nobuyuki Nakagiri; 伸行中桐
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1995-09-05
Filing date: 1995-09-05
Publication date: 1997-03-18

Abstract

(57)【要約】【目的】試料表面の吸着力、形状、堅さの測定を同時に
行い、その２次元分布を表示することができる走査型顕
微鏡を提供する。【構成】探針１ａを先端に有するカンチレバー１、レバ
ーホルダー２、試料３を載せる試料ホルダー４、試料３
を上下させて探針１ａと試料３とを接触および離間させ
るためのピエゾ素子５、ＸＹ走査機構６、ピエゾ駆動制
御装置７、ＸＹ走査機構制御装置８、半導体レーザー
９、光変位検出手段１０、コンピュータ１１、及び、表
示装置１２を有するものであり、コンピュータ１１は、
試料３表面上に設定されている複数の測定点のそれぞれ
について、各測定点で取得されたデータから試料３表面
の形状、吸着力、及び堅さを求め、これらデータに基づ
きそれぞれの２次元分布を求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、走査型プローブ顕微鏡
に係り、特に、試料の表面組成によって変化する吸着力
を測定することができる走査型顕微鏡に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】先端の鋭い探針により試料表面を走査す
ることで、試料表面の情報を原子レベルの高空間分解能
で調べる技術として、様々なタイプの走査型プローブ顕
微鏡が提案されている。走査型プローブ顕微鏡の代表的
なものとしては、探針と試料間のトンネル電流を利用す
る走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）や、探針と試料間に
働く微少な力を利用する原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）等が
ある。

【０００３】この原子間力顕微鏡においては、一般的に
シリコンの微細加工技術により作製する先端に探針を有
するカンチレバーを用い、カンチレバーの撓みを何らか
の手段によりモニターし、撓みが一定になるように試料
表面を走査する事で試料表面の凹凸の情報を得る。ま
た、探針を走査した時に摩擦力により生じるカンチレバ
ーの捻れをモニターすることで摩擦力顕微鏡として働か
せることも可能である。さらに、探針を特定の化学的な
性質を有する官能基を持つ有機分子で覆うことにより、
試料との間に働く化学的な吸着力が測定されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、走査型プロ
ーブ顕微鏡により、探針と試料との間の吸着力を測定す
る場合には、カンチレバー先端の探針を試料に接触させ
た後、引き離し、このとき、探針を試料側に引っ張る吸
着力の大きさ、すなわち探針と試料を引き離すために必
要な力の大きさを、離れる瞬間のカンチレバーの撓み量
として測定していた。

【０００５】より具体的には、各測定点において、探針
を試料に接触させてから離すまで探針に働く力の軌跡で
あるフォースカーブを一端取得し、そのフォースカーブ
を評価することにより求めていたため、吸着力の２次元
分布の像を得るには時間がかかり、そのためドリフトの
影響を受ける場合があった。

【０００６】また、上記走査型プローブ顕微鏡によれ
ば、例えばカンチレバーの撓み量を一定とするように走
査することで、試料表面の凹凸も測定し、その２次元分
布の像を得ることができるが、上記吸着力の測定とは別
々に実施されていた。

【０００７】このため、試料についての吸着力と形状と
の両方の測定を完了するには、長い時間がかかってい
た。また、両測定は独立して行われているため、その結
果得られた２つの２次元分布の像を併せて利用するに
は、両者の空間的な相関性をとることが必要であった。

【０００８】また、試料表面へカンチレバー先端の探針
を接触させ、さらに押し込んでいくと、探針は試料から
の斥力を受けて、試料と反対の方向に向かって撓みだす
が、この撓みの量は、試料表面の堅さに関連する物理的
特性に対応するものである。

【０００９】すなわち、探針と試料とが接触した点か
ら、探針をさらに例えば距離ａだけ押し込んだとし、こ
の時、試料が堅く、全く変形しないとすると、カンチレ
バーは前記距離ａに対応する分だけ撓む。一方、試料が
やわらかく、距離ｂだけへこんだとすると、カンチレバ
ーは、その距離差（ａ−ｂ）に対応する分しか撓まな
い。よって、上述したように、試料に接触してから、さ
らに押し込んだ場合に測定されるカンチレバーの撓み量
から、試料の堅さに対応する物理量を測定することがで
きる。

【００１０】本発明は、以上の点を顧みてなされたもの
であり、各測定点で効率よく吸着力を測定し、その２次
元分布を取得することができる走査型顕微鏡を提供する
ことを目的とする。

【００１１】また、本発明の他の目的は、吸着力及び形
状の測定を同時に行うことができる走査型顕微鏡を提供
することにある。

【００１２】また、本発明の他の目的は、各測定点で、
カンチレバー先端の探針が試料に接触してからさらに押
し込んだ場合に測定される当該カンチレバーの撓み量か
ら、試料の堅さに対応する物理量（以下の説明では単に
堅さと呼ぶ）を測定し、その２次元分布を取得すること
ができる走査型顕微鏡を提供することにある。

【００１３】また、本発明の他の目的は、吸着力及び形
状の測定に加えて、上記堅さの測定を、同時に行うこと
ができる走査型顕微鏡を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的は、探針を備え
たカンチレバーと、前記カンチレバーの撓み量を検出す
る撓み量検出装置と、前記探針と試料表面との相対距離
を変位させるＺ変位機構と、前記試料表面上での前記探
針の位置を変位させるＸＹ変位機構と、前記ＸＹ変位機
構を制御して前記試料表面上に予め設定した複数の測定
点のそれぞれに前記探針を配置させると共に、各測定点
で前記Ｚ変位機構を制御して、予め定めた一連の動作プ
ロセスに従い前記探針と試料とを接触及び離間させる制
御装置とを有する走査型顕微鏡において、前記制御装置
から前記ＸＹ変位機構及び前記Ｚ変位機構へ送られる制
御情報を、それぞれ、前記探針の試料表面上の位置を示
す位置情報、及び、前記探針と試料との相対距離を示す
距離情報として受け入れると共に、前記撓み量検出装置
の検出結果を受け入れ、当該受け入れたデータから、各
測定点毎の位置情報と各測定点毎での試料表面の吸着力
及び凹凸形状とを求める情報処理装置と、前記情報処理
装置により求められた結果に応じて、試料表面の形状及
び吸着力の２次元分布を示す画像を生成して表示する表
示装置とを有し、前記情報処理装置は、前記各測定点毎
に、前記Ｚ変位機構による一連の動作プロセス中に検出
された前記カンチレバーの試料側への撓みの量の最大値
を、試料表面の吸着力を示す情報とし、前記一連の動作
プロセス中に前記カンチレバーの撓みの量が予め定めた
ゼロと定める範囲内に含まれた時点での前記探針と試料
との相対距離を示す第１の距離を、試料表面の凹凸形状
を示す情報とすることを特徴とする走査型顕微鏡により
達成される。

【００１５】上記他の目的は、上記発明による走査型顕
微鏡において、前記制御装置は、前記一連の動作プロセ
スにおいて、前記探針と試料とが接触した後、前記探針
を、前記カンチレバーの撓み量が予め定めた値となるま
で、さらに試料表面へ押し込むものであり、前記情報処
理装置は、前記各測定点毎に、さらに、前記カンチレバ
ーの撓み量が前記予め定めた値となった時点での前記探
針と試料との相対距離を第２の距離として求め、前記予
め定めた値を、前記第１の距離と前記第２の距離との差
で割算し、その割算結果を試料表面の堅さを示す情報と
するものであり、前記表示装置は、試料表面の凹凸形状
及び吸着力の２次元分布を示す画像と共に、試料表面の
堅さの２次元分布を画像を生成して表示することを特徴
とする走査型顕微鏡により達成される。

【００１６】上記他の目的は、また、上記発明による走
査型顕微鏡において、前記制御装置は、前記一連の動作
プロセスにおいて、前記探針と試料とが接触した後、前
記探針をさらに試料表面へ予め定めた第２の距離だけ押
し込むものであり、前記情報処理装置は、前記各測定点
毎に、さらに、前記探針が前記第２の距離だけ押し込ま
れたときの前記カンチレバーの撓み量を、前記第１の距
離と前記予め定めた第２の距離との差で割算し、その割
算結果を試料表面の堅さを示す情報とするものであり、
前記表示装置は、試料表面の凹凸形状及び吸着力の２次
元分布を示す画像と共に、試料表面の堅さの２次元分布
を画像を生成して表示することを特徴とする走査型顕微
鏡により達成される。

【００１７】上記他の目的は、また、探針を備えたカン
チレバーと、前記カンチレバーの撓み量を検出する撓み
量検出装置と、前記探針と試料表面との相対距離を変位
させるＺ変位機構と、前記試料表面上での前記探針の位
置を変位させるＸＹ変位機構と、前記ＸＹ変位機構を制
御して前記試料表面上に予め設定した複数の測定点のそ
れぞれに前記探針を配置させると共に、各測定点で前記
Ｚ変位機構を制御して、予め定めた一連の動作プロセス
に従い前記探針と試料とを接触及び離間させる制御装置
とを有する走査型顕微鏡において、前記制御装置から前
記ＸＹ変位機構及び前記Ｚ変位機構へ送られる制御情報
を、それぞれ、前記探針の試料表面上の位置を示す位置
情報、及び、前記探針と試料との相対距離を示す距離情
報として受け入れると共に、前記撓み量検出装置の検出
結果を受け入れ、当該受け入れたデータから、各測定点
毎の位置情報と各測定点毎での試料表面の堅さを求める
情報処理装置と、前記情報処理装置により求められた結
果に応じて、試料表面の堅さの２次元分布を示す画像を
生成して表示する表示装置とを有し、前記制御装置は、
前記一連の動作プロセスにおいて、前記探針と試料とが
接触した後、前記探針を、前記カンチレバーの撓み量が
予め定めた値となるまで、さらに試料表面へ押し込むも
のであり、前記情報処理装置は、前記各測定点毎に、さ
らに、前記カンチレバーの撓み量が前記予め定めた値と
なった時点での前記探針と試料との相対距離を第２の距
離として求め、前記予め定めた値を、前記第１の距離と
前記第２の距離との差で割算し、その割算結果を試料表
面の堅さを示す情報とすることを特徴とする走査型顕微
鏡により達成される。

【００１８】

【作用】本発明でのカンチレバーの一連の動作におけ
る、試料−探針間の相対距離とカンチレバーの撓み量と
の関係を、図２に示されたフォースカーブを参照して説
明する。図２は、試料−探針間の相対的距離を横軸に、
カンチレバーの撓み量を縦軸にとったものであり、横軸
は右にいくほど探針が試料から遠ざかっているのを示し
ている。また、縦軸は０点がカンチレバーの撓みが全く
ない点を、また上側が試料側へのカンチレバーの撓み
を、下側が試料と反対側への撓みをそれぞれ示してい
る。なお、図中のＢ、Ｃ点は接近時に通る点であり、厳
密にはＡ−Ｄ間の直線上にはない。

【００１９】本発明の測定動作において、カンチレバー
は、試料との非接触の状態から接触の状態へ移り、さら
に、非接触の状態へ戻るという、一連の動作プロセスを
実行する。すなわち、最初は、予め定めた非接触の状態
（Ｅ点）からカンチレバーを下降させ、カンチレバー先
端の探針を試料に接触させる（Ｃ点）。なお、Ｃ点で
は、探針が試料と接触する瞬間に引力を受けるため、カ
ンチレバーは試料側へ撓む。

【００２０】さらに探針を押し込むと、今度は試料から
の斥力を受ける。このため、カンチレバーの撓みは、試
料側から、撓みのない状態（Ｂ点）を経て、試料と反対
側に撓み出す。このＢ点での探針と試料との相対距離
は、吸着力には依存せず、試料表面の凹凸形状に対応す
る。よって、Ｂ点での相対距離を測定することで、試料
の形状を測定することができる。

【００２１】次に、カンチレバーをさらに押し込んで、
予め定めた撓み量が得られる状態（Ａ点）となるまで下
降させる。このＡ点とＢ点での、撓みの量の差及び相対
距離の差から、試料の堅さを測定することができる。

【００２２】すなわち、試料３が十分堅い場合には探針
１ａの位置は試料３の上下分だけ変化するが、試料３が
柔らかい場合には試料３に変形のために探針１ａの位置
変化は試料３の上下分よりも小さくなる。よって、試料
３が柔らかくなるにしたがって撓み量の最大値と最小値
の差が小さくなり、試料３の堅さを評価できる。

【００２３】次に、探針を試料から離していくと、カン
チレバーの試料と反対側への撓みは次第に小さくなり、
Ｂ点を過ぎると、今度は吸着力により試料側へ引っ張ら
れるため試料側へ撓みだし、最終的には、探針と試料が
離間する（Ｄ点）。ここで、探針と試料間の吸着力が大
きくなるに従い、探針と試料を引き離すのに要する力が
大きくなり、この結果カンチレバーは、Ｄ点での撓み量
が大きくなる。

【００２４】なお、カンチレバーは探針が試料と接触す
る瞬間（Ｃ点）でも引力を受けて試料側へ撓むが、探針
が試料から離れるときと比較すると非常に小さい。従っ
て、探針を試料に接触させてから離すという、上記一連
の動作プロセスにおけるカンチレバーの試料側への撓み
量の最大値が、すなわち探針が試料から離れる瞬間のカ
ンチレバーの撓み量となっている。

【００２５】よって、前記一連の動作プロセス中のカン
チレバーの試料側への撓み量の最大値を求めることによ
り、試料表面の化学的性質に依存した吸着力の大きさを
知ることができる。

【００２６】さらに、上記一連の動作プロセスにおい
て、フォースカーブを記憶しそれを評価するのではな
く、Ｂ点での探針−試料間の相対距離、ＡＢ間での相対
距離及び撓み量の変位、Ｄ点での撓み量をそれぞれ測定
するだけで、試料表面の形状、試料の堅さ及び吸着力
を、同時に、かつ、効率的に測定することができる。

【００２７】また、上記一連のプロセスを繰り返しなが
ら、探針を試料表面上に走査させ、試料表面のＸＹ平面
上での位置情報と対応させて、上記各データを取り込む
ことにより、試料表面の形状、堅さ、及び吸着力の二次
元分布をそれぞれ測定することが可能となる。

【００２８】

【実施例】以下に、本発明の一実施例を図を参照して説
明するが、本発明はこれに限定されるものではない。図
１は、本実施例の走査型顕微鏡の概略構成を示すブロッ
ク図である。

【００２９】本実施例の走査型顕微鏡は、探針１ａを先
端に有するカンチレバー１、レバーホルダー２、試料３
を載せる試料ホルダー４、試料３を上下させて探針１ａ
と試料３とを接触および離間させるためのピエゾ素子
５、ＸＹ走査機構６、ピエゾ駆動制御装置７、ＸＹ走査
機構制御装置８、半導体レーザー９、光変位検出手段１
０、コンピュータ１１、及び、表示装置１２を有してい
る。

【００３０】カンチレバー１は、例えば窒化シリコン製
のものを用い、測定しようとする吸着力の特性に応じ
て、当該カンチレバー１の探針１ａを特定の官能基をも
つ有機分子で覆う構成とする。

【００３１】試料３と探針１ａとの相対的位置の変化さ
せるための駆動機構としては、試料３を周期的に上下さ
せるためのピエゾ素子５が、探針１ａが試料３表面上を
走査するように移動させるＸＹ走査機構６に取り付けら
れた構造をしている。本実施例では、ピエゾ素子５には
積層型のピエゾ素子を、ＸＹ走査機構６にはチューブ型
のピエゾ素子を用いるものとする。

【００３２】また、本実施例においては、ピエゾ素子５
とＸＹ走査機構６の２つの試料駆動機構を用いたが、１
つの駆動機構により行うことも可能である。また、試料
ではなくカンチレバー１側を動かす構成としてもよい。

【００３３】カンチレバー１の撓み量は、光てこ法等の
撓み測定手段を用いることにより観測する。すなわち、
カンチレバー１の撓み量は、半導体レーザー９から出射
され、カンチレバー１で反射された反射光の方角を、光
変位検出手段１０で検出することによって検出する。ま
た、カンチレバー１の撓みを検出する手段としては、光
てこ法ではなく干渉計等を用いてもよく、カンチレバー
１自身に撓み量を検出する機構を持たせてもよい。

【００３４】コンピュータ１１は、記憶装置及び演算処
理装置を含むものであり、試料３の表面上に予め設定さ
れている複数の測定点のそれぞれに、探針１ａが順次配
置されるようにＸＹ走査機構制御装置８を制御すると共
に、各測定点において、予め定めた一連の動作プロセス
に従い、探針１ａと試料３との相対距離を変化させるよ
うに、ピエゾ駆動制御機構７を制御する。

【００３５】コンピュータ１１は、さらに、後述する処
理手順に従い、試料３表面上の測定点の位置を示す位置
情報、各測定点で行われるカンチレバー１の上下動作に
伴い得られる試料３と探針１ａとの相対的距離を示す距
離情報、及び、所定のタイミングで検出されるカンチレ
バー１の撓み量を示す撓み量情報を取得する。さらに、
これら情報に基づいて、各測定点での試料３の形状、堅
さ、及び、吸着力を求めると共に、それらの２次元分布
を示す画像を生成し、表示装置１２へ表示する。

【００３６】表示装置１２は、例えば図５に示すよう
に、表示画面５０１上に複数のウインドゥを設け、各ウ
インドゥに、試料３表面の凹凸形状を示す画像５０２、
試料３表面の堅さの２次元分布を示す画像５０３、試料
３表面の吸着力の２次元分布を示す画像５０４を表示す
る。

【００３７】画像５０２、５０３、５０４は、測定中に
リアルタイムで画像を表示し、測定終了時には各画像デ
ータの最大値ならびに最小値より最適化して再表示を行
う。画像５０５は、前記３つの２次元分布画像のうちの
１つ、もしくは複数をもとにして加工を施した画像を表
示するが、例えば、前記２次元分布画像のうちの１つに
ローパスやハイパス等のフィルタを施したものや、前記
３つの２次元分布画像のうちの複数を重ねる等して生成
した、互いの相関関係を示す画像を表示させても良い。
さらに、ウインドゥ５０１は、これらの動作を行わせる
ための複数のアイコンからなるアイコン列５０６を有す
る構成としても良い。

【００３８】さらに、前記３つの２次元分布画像のうち
の複数を重ねる等して生成した、互いの相関関係を示す
画像５０５を示す構成としても良い。

【００３９】次に、本実施例における処理手順につい
て、図３、図４のフローチャートを参照して説明する。
本実施例では、試料３表面上に設定される複数の測定点
は、マトリックス状に配置されるものであり、図３にお
いて、ｎは各行及び各列での測定点の数を示す。

【００４０】本処理手順では、図３のフローチャートに
示すように、コンピュータ１１によりＸＹ走査制御装置
８を介してＸＹ走査機構６をコントロールし、試料３の
各測定点（ｉ，ｊ）上に探針１ａが順次配置されるよう
にする（ステップ３０１〜３０２及び３０４〜３０
７）。

【００４１】各測定点（ｉ，ｊ）では、試料３の表面形
状、堅さ、及び、吸着力の測定を行うと共に、その測定
結果を当該測定点での位置情報を記憶する（ステップ３
０３）。このステップについては後述する。

【００４２】全ての測定点での測定が終了した後、ステ
ップ３０８では、コンピュータ１１が、各測定点での測
定結果及び位置情報に応じて、試料３の表面形状、堅
さ、及び、吸着力についての２次元分布画像をそれぞれ
生成して、表示装置１２に表示する。

【００４３】次に、図３のステップ３０３での処理を、
図４のフローチャートを参照して説明する。なお、カン
チレバー１の撓みの量は、試料側へ撓む方向を正として
説明する。

【００４４】本処理では、最初にステップ４０１におい
て、ピエゾ駆動制御装置７によりピエゾ素子５を伸び縮
みさせることで、前記一連の動作プロセスを実行する。
すなわち、探針１ａと試料３とを非接触状態から接触状
態へ、さらに、該接触状態から非接触状態へと遷移させ
る。これは、図２のフォースカーブ上では、点Ｅ−＞点
Ｃ−＞点Ｂ−＞点Ａ−＞点Ｄ−＞点Ｅへと移動すること
となる。

【００４５】本実施例において、カンチレバー１を上下
させる範囲の下限（図２中の点Ａ）では、カンチレバー
１の試料３への押し込み量が、各測定点において一定と
なるように設定する。より具体的には、カンチレバー１
を押し込んだ場合の撓み量が、各測定点で予め定めた値
となるようにフィードバック制御を行う。また、カンチ
レバー１を上下させる範囲の上限（図２中の点Ｅ）は、
試料３とカンチレバー１との吸着力を考慮して、図２中
の点Ｄが観測される位置よりも大きな位置となるように
予め設定する。

【００４６】また、従来のように、本実施例の装置を原
子間力顕微鏡として動作させることにより、試料３の形
状を取得し、該取得した形状情報をもとに、試料３の傾
きを補正し、さらに試料３の凹凸形状の程度から、各測
定点においてピエゾ素子５により試料を上下させる量を
決定する構成としても構わない。

【００４７】ステップ４０１では、さらに、探針１ａと
試料３との相対的距離に比例する物理量である、ピエゾ
駆動制御装置７によりピエゾ素子５に印加される電圧Ｓ
と、変位検出手段１０により検出されるカンチレバー１
の撓みの量Ｔをモニターし、それらのデータを所定のタ
イミングで取り込み、コンピュータ１１の記憶装置の配
列Ｓ（ｋ）、Ｔ（ｋ）として格納する。ここで、ｋ＝
１、・・・ｍであり、ｍは、上述したように探針１ａを
上下させる一連の動作プロセスにおいて取得すべきデー
タの数である。

【００４８】次に、ステップ４０２で各変数の初期設定
し、その後、後述するステップで試料３の形状、堅さ、
及び吸着力を示すデータを特定するために、ステップ４
０１で取得され記憶されているデータＴ（ｋ）、Ｓ
（ｋ）を、後述するステップで順次読み出していく。

【００４９】ステップ４０３、４０４、４０５では、Ｔ
（ｋ）の値が予め設定された０に非常に近いしきい値ａ
よりも大きいかどうかを調べ、図２のフォースカーブ上
の点Ｅから点Ｃを通り、点Ｂまでの範囲を超えた時点、
すなわち、撓み量が試料側と反対側へ撓みだし、ほとん
どゼロとなった時点での撓み量ｔ１、及び、ピエゾ素子
５への印加電圧ｓ１を検出する。

【００５０】ステップ４０５において、検出される撓み
量ｔ１は非常に小さいものであり、ここでのピエゾ素子
５の印加電圧ｓ１は試料３表面の凹凸形状に直接対応す
るものである。

【００５１】次に、ステップ４０６、４０７では、図２
のフォースカーブ上の点Ｂから点Ａを通り、さらに、点
Ａから点Ｄへ向かって移動を開始した状態、すなわち、
探針１ａが試料３へ押し込まれ、さらに、該押し込まれ
た探針１ａを逆に離間していく状態において、試料３と
は反対側への撓み量の最大となる位置（図２の点Ａ）で
測定された撓み量の最小値ｍｉｎと、その時点でのピエ
ゾ素子５への印加電圧ｓ２とを検出する。

【００５２】ステップ４０７で検出される撓み量ｍｉｎ
は、予め設定された探針１ａの押し込み量の最大値に対
応するものである。この撓み量ｍｉｎとピエゾ素子５へ
の印加電圧ｓ２とは、後述するステップ４１２での堅さ
の算出処理に用いられる。

【００５３】次に、ステップ４０８、４０９では、図２
のフォースカーブ上の点Ａから点Ｄを経由して点Ｅへ到
達する状態において、吸着力により試料側へ撓むカンチ
レバー１の撓み量の最大値ｍａｘ（図２参照）を検出す
る。

【００５４】最後に、ステップ４１２では、上記ステッ
プ４０５、４０７、４０９で得られた各データに基づい
て、以下の式から、この測定点での形状、堅さ及び吸着
力を求め、当該測定点の位置情報と共に、コンピュータ
１１の記憶装置に記憶する。

【００５５】ｄａｔ１（ｉ，ｊ）＝ｓ１ｄａｔ２（ｉ，ｊ）＝ｍａｘｄａｔ３（ｉ，ｊ）＝（ｔ１−ｍｉｎ）／（ｓ１−ｓ
２）ここで、ｄａｔ１（ｉ，ｊ）は測定点（ｉ，ｊ）での形
状データ、ｄａｔ２（ｉ，ｊ）は測定点（ｉ，ｊ）での
吸着力データ、ｄａｔ３（ｉ，ｊ）は測定点（ｉ，ｊ）
での堅さデータである。

【００５６】上述したような処理によれば、試料３表面
上の複数の測定点のそれぞれでの形状データ、吸着力デ
ータ、及び、堅さデータを求めることができ、これらに
基づいて、試料３表面の凹凸形状、吸着力及び堅さの２
次元分布を求めることができる。

【００５７】

【発明の効果】本発明によれば、各測定点で効率よく吸
着力を測定し、その２次元分布を取得することができる
走査型顕微鏡を提供することができる。

【００５８】また、本発明によれば、各測定点で、カン
チレバー先端の探針が試料に接触してからさらに押し込
んだ場合に測定される当該カンチレバーの撓み量から、
試料の堅さを測定し、その２次元分布を取得することが
できる走査型顕微鏡を提供することにある。

【００５９】また、本発明によれば、試料表面の吸着
力、形状、及び堅さを、同時に測定し、その２次元分布
を取得することができる走査型顕微鏡を提供することが
できる。

【００６０】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した走査型顕微鏡の一実施例の概
略構成を示すブロック図である。

【図２】カンチレバーの撓み量の軌跡であるフォースカ
ーブの一例を示す説明図である。

【図３】図１の実施例の動作例を説明するフローチャー
トである。

【図４】図１の実施例の動作におけるでデータ取得及び
演算処理手順の一例を示すフローチャートである。

【図５】図１の実施例の表示装置により表示される測定
結果の表示例を示す説明図である。

【符号の説明】

１・・・カンチレバー、１ａ・・探針、２・・・レバーホルダー、３・・・試料、４・・・試料ホルダー、５・・・ピエゾ素子、６・・・ＸＹ走査機構、７・・・ピエゾ駆動制御装置、８・・・ＸＹ走査制御装置、９・・・半導体レーザー、１０・・・変位検出装置、１１・・・コンピュータ、１２・・・表示装置。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】探針を備えたカンチレバーと、前記カンチレバーの撓み量を検出する撓み量検出装置
と、前記探針と試料表面との相対距離を変位させるＺ変位機
構と、前記試料表面上での前記探針の位置を変位させるＸＹ変
位機構と、前記ＸＹ変位機構を制御して前記試料表面上に予め設定
した複数の測定点のそれぞれに前記探針を配置させると
共に、各測定点で前記Ｚ変位機構を制御して、予め定め
た一連の動作プロセスに従い前記探針と試料とを接触及
び離間させる制御装置とを有する走査型顕微鏡におい
て、前記制御装置から前記ＸＹ変位機構及び前記Ｚ変位機構
へ送られる制御情報を、それぞれ、前記探針の試料表面
上の位置を示す位置情報、及び、前記探針と試料との相
対距離を示す距離情報として受け入れると共に、前記撓
み量検出装置の検出結果を受け入れ、当該受け入れたデ
ータから、各測定点毎の位置情報と各測定点毎での試料
表面の吸着力及び凹凸形状とを求める情報処理装置と、前記情報処理装置により求められた結果に応じて、試料
表面の形状及び吸着力の２次元分布を示す画像を生成し
て表示する表示装置とを有し、前記情報処理装置は、前記各測定点毎に、前記Ｚ変位機
構による一連の動作プロセス中に検出された前記カンチ
レバーの試料側への撓みの量の最大値を、試料表面の吸
着力を示す情報とし、前記一連の動作プロセス中に前記
カンチレバーの撓みの量が予め定めたゼロと定める範囲
内に含まれた時点での前記探針と試料との相対距離を示
す第１の距離を、試料表面の凹凸形状を示す情報とする
ことを特徴とする走査型顕微鏡。
【請求項２】請求項１において、前記制御装置は、前記一連の動作プロセスにおいて、前
記探針と試料とが接触した後、前記探針を、前記カンチ
レバーの撓み量が予め定めた値となるまで、さらに試料
表面へ押し込むものであり、前記情報処理装置は、前記各測定点毎に、さらに、前記
カンチレバーの撓み量が前記予め定めた値となった時点
での前記探針と試料との相対距離を第２の距離として求
め、前記予め定めた値を、前記第１の距離と前記第２の
距離との差で割算し、その割算結果を試料表面の堅さを
示す情報とするものであり、前記表示装置は、試料表面の凹凸形状及び吸着力の２次
元分布を示す画像と共に、試料表面の堅さの２次元分布
を画像を生成して表示することを特徴とする走査型顕微
鏡。
【請求項３】請求項１において、前記制御装置は、前記一連の動作プロセスにおいて、前
記探針と試料とが接触した後、前記探針をさらに試料表
面へ予め定めた第２の距離だけ押し込むものであり、前記情報処理装置は、前記各測定点毎に、さらに、前記
探針が前記第２の距離だけ押し込まれたときの前記カン
チレバーの撓み量を、前記第１の距離と前記予め定めた
第２の距離との差で割算し、その割算結果を試料表面の
堅さを示す情報とするものであり、前記表示装置は、試料表面の凹凸形状及び吸着力の２次
元分布を示す画像と共に、試料表面の堅さの２次元分布
を画像を生成して表示することを特徴とする走査型顕微
鏡。
【請求項４】探針を備えたカンチレバーと、前記カンチレバーの撓み量を検出する撓み量検出装置
と、前記探針と試料表面との相対距離を変位させるＺ変位機
構と、前記試料表面上での前記探針の位置を変位させるＸＹ変
位機構と、前記ＸＹ変位機構を制御して前記試料表面上に予め設定
した複数の測定点のそれぞれに前記探針を配置させると
共に、各測定点で前記Ｚ変位機構を制御して、予め定め
た一連の動作プロセスに従い前記探針と試料とを接触及
び離間させる制御装置とを有する走査型顕微鏡におい
て、前記制御装置から前記ＸＹ変位機構及び前記Ｚ変位機構
へ送られる制御情報を、それぞれ、前記探針の試料表面
上の位置を示す位置情報、及び、前記探針と試料との相
対距離を示す距離情報として受け入れると共に、前記撓
み量検出装置の検出結果を受け入れ、当該受け入れたデ
ータから、各測定点毎の位置情報と各測定点毎での試料
表面の堅さを求める情報処理装置と、前記情報処理装置により求められた結果に応じて、試料
表面の堅さの２次元分布を示す画像を生成して表示する
表示装置とを有し、前記制御装置は、前記一連の動作プロセスにおいて、前
記探針と試料とが接触した後、前記探針を、前記カンチ
レバーの撓み量が予め定めた値となるまで、さらに試料
表面へ押し込むものであり、前記情報処理装置は、前記各測定点毎に、さらに、前記
カンチレバーの撓み量が前記予め定めた値となった時点
での前記探針と試料との相対距離を第２の距離として求
め、前記予め定めた値を、前記第１の距離と前記第２の
距離との差で割算し、その割算結果を試料表面の堅さを
示す情報とすることを特徴とする走査型顕微鏡。
【請求項５】探針を備えたカンチレバーと、前記カンチレバーの撓み量を検出する撓み量検出装置
と、前記探針と試料表面との相対距離を変位させるＺ変位機
構と、前記Ｚ変位機構を制御して、予め定めた一連の動作プロ
セスに従い前記探針と試料とを接触及び離間させる制御
装置とを有する表面計測装置であって、前記制御装置から前記Ｚ変位機構へ送られる制御情報
を、前記探針と試料との相対距離を示す距離情報として
受け入れると共に、前記撓み量検出装置の検出結果を受
け入れ、当該受け入れたデータから、各測定点毎の位置
情報と各測定点毎での試料表面の吸着力及び凹凸形状と
を求める情報処理装置とを有し、前記情報処理装置は、前記各測定点毎に、前記Ｚ変位機
構による一連の動作プロセス中に検出された前記カンチ
レバーの試料側への撓みの量の最大値を、試料表面の吸
着力を示す情報とし、前記一連の動作プロセス中に前記
カンチレバーの撓みの量が予め定めたゼロと定める範囲
内に含まれた時点での前記探針と試料との相対距離を示
す第１の距離を、試料表面の凹凸形状を示す情報とする
ことを特徴とする表面計測装置。
【請求項６】予め定めた一連の動作プロセスに従い、カ
ンチレバーの探針と試料表面とを接触及び離間させる場
合に、その動作プロセスに伴い変化するカンチレバーの
撓み量から、試料表面の吸着力を求める表面測定方法に
おいて、前記一連の動作プロセス中に検出された前記カンチレバ
ーの試料側への撓みの量の最大値を、試料表面の吸着力
を示す情報とし、前記一連の動作プロセス中に前記カン
チレバーの撓み量が予め定めたゼロと定める範囲内に入
った時点での前記探針と試料との相対距離を示す第１の
距離を、試料表面の凹凸形状を示す情報とすることを特
徴とする表面測定方法。
【請求項７】探針を備えたカンチレバーと、前記カンチレバーの撓み量を検出する撓み量検出装置
と、前記探針と試料表面との相対距離を変位させるＺ変位機
構と、前記Ｚ変位機構を制御して、予め定めた一連の動作プロ
セスに従い前記探針と試料とを接触及び離間させる制御
装置とを有する表面計測装置であって、前記制御装置から前記Ｚ変位機構へ送られる制御情報
を、前記探針と試料との相対距離を示す距離情報として
受け入れると共に、前記撓み量検出装置の検出結果を受
け入れ、当該受け入れたデータから、各測定点毎の位置
情報と各測定点毎での試料表面の堅さを求める情報処理
装置を有し、前記制御装置は、前記一連の動作プロセスにおいて、前
記探針と試料とが接触した後、前記探針を、前記カンチ
レバーの撓み量が予め定めた値となるまで、さらに試料
表面へ押し込むものであり、前記情報処理装置は、前記各測定点毎に、さらに、前記
カンチレバーの撓み量が前記予め定めた値となった時点
での前記探針と試料との相対距離を第２の距離として求
め、前記予め定めた値を、前記第１の距離と前記第２の
距離との差で割算し、その割算結果を試料表面の堅さを
示す情報とすることを特徴とする表面計測装置。