JPH10104246A

JPH10104246A - 走査型プローブ顕微鏡の探針移動方法および移動機構

Info

Publication number: JPH10104246A
Application number: JP27864196A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Kuroda; 浩史黒田
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1996-09-30
Filing date: 1996-09-30
Publication date: 1998-04-24
Anticipated expiration: 2016-09-30
Also published as: JP3548972B2

Abstract

(57)【要約】【課題】応答性を高め、探針・試料間の相対的な移動
動作（水平移動）で高速な移動を達成し、フェイルセー
フ機能を有し、探針や試料の破壊・損傷を防止する。【解決手段】この走査型プローブ顕微鏡は、大気環境
で測定が行われ、探針12の移動動作が行われる。探針12
はカンチレバー11の先部に設けられる。試料16の表面に
は吸着層16b が形成される。探針・試料の移動機構は粗
動を行う粗動ステージ31を含む。粗動ステージはスッテ
ピングモータを含み、パルス信号で駆動される。またカ
ンチレバーを発振させる圧電素子13を備える。粗動ステ
ージを駆動するパルス信号はカンチレバーの発振動作に
基づいて作られる。

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
鏡の探針移動方法および移動機構に関し、特に、大気環
境で探針を試料表面に沿って粗動させるとき、カンチレ
バーの振動動作で作られるパルス信号を利用して粗動動
作を制御し、探針・試料間を安全に保って高速に移動す
る方法および移動させる機構に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡の代表例である原
子間力顕微鏡では、試料表面の或る観察場所の測定を行
うとき、当該観察場所で複数の測定点（サンプリング
点）を設定し、探針は複数の測定点を順次に微小移動
（微動）しながら、各測定点で測定を行う。測定点間の
微小移動はＸＹ走査回路によって行われる。

【０００３】また観察・測定を開始する前の段階では、
相対的に大きな移動（粗動）を行うため粗動機構によっ
て探針を試料表面に対して所定の微小距離になるよう接
近させる。この粗動機構による接近移動の動作制御で
は、探針が試料に衝突することにより探針および試料が
損傷することを避けることが必要である。粗動機構は、
さらに、探針が試料表面から離れる退避移動、他の観察
場所に移動するための試料表面にほぼ平行な移動（水平
移動）を行う働きを有する。

【０００４】粗動機構（図示せず）によって探針を或る
観察場所から他の観察場所へ移動させる従来の例を図５
に従って説明する。この探針の移動では、観察場所７１
から観察場所７２に移るとき、まず観察場所７１でカン
チレバー７５の先端の探針７３を試料表面７４から大き
く離し（退避移動Ｍ１）、次に観察場所７２に移動し
（水平移動Ｍ２）、さらに観察場所７２で試料表面７４
に接近する（接近移動Ｍ３）。原子間力顕微鏡によって
観察する試料表面の凹凸はサブミクロンオーダの凹凸で
あるが、試料表面の傾斜や異物の存在のために探針が試
料表面や異物に衝突するのを避けるため、退避移動Ｍ１
に示すごとく、通常、探針を数十ミクロン退避させた後
に他の観察場所へ移動させるようにしていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前述した従来の探針の
移動方法では、試料表面の傾きが大きい場合あるいは異
物が相対的に大きい場合、または水平移動の距離が大き
い場合に、退避のための移動量を大きくする必要が生じ
る。退避のための移動量が大きくなると、それに要する
時間、および次の観察場所での接近移動に要する時間が
増加し、全体として測定時間が長くなるという問題が提
起される。

【０００６】また試料によっては、水平移動の際に探針
が試料表面などに接触するということもあり得る。この
ような場合、従来では、移動中の接触に起因するカンチ
レバー７５の変位を検出し、急停止を行い、探針をさら
に退避させるようにした。しかしながら、機械系の慣性
のため急停止が間に合わず、探針の先端を破壊するおそ
れがある。従って、水平移動の速度を高めることができ
ないという問題が提起された。

【０００７】また水平移動の速度を大きくするために
は、接触が生じないであろうと考えられる距離まで探針
７３を退避させることが必要である。この距離は測定試
料に依存して決まるが、通常、数百ミクロンである。こ
のように退避させると、退避と接近の移動に時間を有
し、全体としての測定時間のスループットは低下する。

【０００８】本発明の目的は、上記の課題を解決するこ
とにあり、試料表面上で或る観察場所から他の観察場所
へ探針を移動させるとき、高速移動を行うことができ、
全体の観察時間の短縮を達成できる走査型プローブ顕微
鏡の探針移動方法および移動機構を提供することにあ
る。

【０００９】

【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の探針
移動方法は、上記目的を達成するため、探針と試料を相
対的に移動させる粗動装置を備え、探針と試料の表面と
の間の相互作用に基づき当該表面の微細性状を大気環境
で測定する走査型プローブ顕微鏡で実施される探針移動
方法であり、上記粗動装置はステッピングモータ等を含
んでパルス信号で駆動制御され、探針と試料を相対的に
移動させるとき、カンチレバーを発振させ、当該カンチ
レバーの発振動作で粗動装置を動作させるパルス信号を
作るように構成される。

【００１０】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の探針移動方法は、第１の発明の方
法において、探針を試料の表面に沿って実質的に平行に
移動させることを特徴とする。

【００１１】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の探針移動方法は、第１または第２
の発明の方法において、カンチレバーの発振動作で生じ
る周波信号を分周してパルス信号を作り、当該パルス信
号の周波数で移動の速度を決定するようにしたことを特
徴とする。

【００１２】第１の本発明（請求項４に対応）に係る走
査型プローブ顕微鏡の移動機構は、上記目的を達成する
ため、次のように構成される。この走査型プローブ顕微
鏡は、大気環境で測定動作や移動動作が行われるもの
で、測定時に試料の測定表面に臨むように配置される探
針（プローブ）を先部に有するカンチレバーを備えてお
り、さらに当該カンチレバーと試料とを接近移動、退避
移動、水平移動させる機構部（粗動装置）を備える。大
気環境にある試料の表面には吸着層が形成されている。
カンチレバーと試料を接近させ探針を試料の表面に所要
間隔で配置し、これにより、探針と試料の表面との間の
相互作用に基づき当該表面の微細性状（凹凸形状等）を
測定する。本発明に係る移動機構は、かかる走査型プロ
ーブ顕微鏡に適用され、カンチレバーと試料を相対的に
粗動させる機構部の構成に関する。当該移動機構は、粗
動ステージからなり、例えばスッテピングモータによっ
て構成され、パルス信号で駆動されるにように構成され
る。またカンチレバーを発振（振動）させる構成を有
し、そのための発振装置を備える。上記の粗動ステージ
を駆動するためのパルス信号として、カンチレバーの発
振動作から得られる発振信号に基づいて作られるパルス
信号が使用される。

【００１３】上記の構成によれば、探針と試料を相対的
に水平移動させるとき、カンチレバーを発振させ、カン
チレバーの発振動作で得られる交流電気信号を利用し
て、粗動ステージのパルス信号を生成した。従って、試
料と探針が接触する直前で試料表面の吸着層が探針を引
き込み、これによってカンチレバーの発振を停止させ、
上記パルス信号の発生をなくし、水平移動を自動的に停
止させることが可能となる。高速の移動動作を行いなが
ら、探針と試料と衝突を防ぎ、探針や試料の破損を防止
しながら、適切な距離で水平移動させることができる。

【００１４】第２の本発明（請求項５に対応）に係る走
査型プローブ顕微鏡の移動機構は、上記の発明の構成に
おいて、カンチレバーの発振動作を交流電気信号に変換
する変換器と、交流電気信号を方形波信号に変換する波
形整形器と、方形波信号を分周する分周器を備え、この
分周器で得られた分周信号を上記パルス信号として用い
るように構成される。

【００１５】

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

【００１６】図１は、本発明による探針移動方法を実行
する通常の接触モード（コンタクトモード）の原子間力
顕微鏡（以下「ＡＦＭ」という）の例を示す。このＡＦ
Ｍは、試料表面を観察（測定）する場合に接触状態で動
作する。また当該ＡＦＭは大気中の環境で観察が行われ
るものであることを前提としている。従って、観察を開
始する前の段階で、大気中に置かれた試料の表面には吸
着層が形成されている。この吸着層は、大気中の水分子
が試料表面に着くことに層状に形成されるものであり、
ほぼ数ナノメータ（ｎｍ）の厚みを有する層となってい
る。

【００１７】ＡＦＭに含まれる粗動装置すなわち下記の
粗動ステージ３１は、相対的に試料表面に対して探針を
接近移動、退避移動、水平移動（平行移動）させるため
の装置である。ＡＦＭによって大気環境でかつ接触モー
ドで試料表面の観察・測定を行うときに、粗動装置によ
って探針と試料の位置関係を相対的に大きく変える。例
えば観察開始前に探針を試料表面に接近させるとき、ま
たは或る観察場所から他の観察場所へ探針を移動させる
とき、粗動ステージ３１が利用される。

【００１８】図１に従ってＡＦＭの構成および動作を説
明する。

【００１９】１１はカンチレバーで、その先端に探針１
２が設けられている。カンチレバー１１の基部は加振用
圧電素子１３を介してフレーム１４の上部に固定され
る。フレーム１４の下部にはＸＹＺスキャナ１５と粗動
ステージ３１が設けられる。ＸＹＺスキャナ１５は粗動
ステージ３１の上に設けられ、粗動ステージ３１はフレ
ーム１４の下部に固定される。ＸＹＺスキャナ１５の上
面には試料１６が配置される。ＸＹＺスキャナ１５は、
直交する３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の各軸方向に微小な
変位を発生するための圧電素子からなる微動駆動部（Ｘ
軸方向駆動部、Ｙ軸方向駆動部、Ｚ軸方向駆動部）を内
蔵している。これによって、試料１６を任意の方向に微
小距離だけ移動させることができる。ＸＹＺスキャナ１
５は、観察・測定時における探針・試料間の距離の調整
やＸＹ走査移動のための微動機構として働く。粗動ステ
ージ３１は、ＸＹＺスキャナ１５および試料１６をＸ，
Ｙ，Ｚの各軸方向に比較的に大きな距離で移動させるも
ので、前述の通り、相対的に探針１２と試料１６を接近
させる場合、探針１２を試料表面から退避させる場合、
または試料表面に沿ってほぼ平行に探針１２を移動させ
る場合に用いられる。粗動ステージ３１は、具体的に、
例えばステッピングモータなどの作動装置を内蔵し、こ
のステッピングモータによって上記移動のための動作を
行う。従って、粗動ステージ３１には、外部からステッ
ピングモータを動作させる駆動信号としてのパルス信号
（Ｐｘ，Ｐｙ，Ｐｚ）３２が入力される。

【００２０】上記構成において、試料１６の表面上で設
定された或る観察場所を観察する場合、当該観察場所に
複数の測定点（サンプリング点）が設定され、探針１２
は決められた順序で試料表面の各測定点へ移動して測定
を行う。測定点で、探針１２は、その先端が試料表面に
実質的に接触した状態で試料１６に対向する。探針１２
と試料１６の接近状態は、通常の接触モードの観察が開
始される前の段階で、粗動ステージ３１を動作させるこ
とにより設定される。

【００２１】カンチレバー１１の上方にはレーザ光源１
７が配置され、レーザ光源１７から出射されたレーザ光
１８はカンチレバー１１の背面先部付近の反射面を照射
する。当該反射面で反射されたレーザ光１８は位置セン
サ（光検出器）１９の受光面に入射される。レーザ光源
１７とカンチレバー１１と位置センサ１９によって光て
こ方式の変位検出器（検出光学系）が構成される。カン
チレバー１１の先端部が、探針１２と試料１６の表面と
の間に生じる原子間力（物理的作用）に基づいて図１中
Ｚ軸方向へ変位すると、位置センサ１９の受光面内で反
射光のスポット位置が変位する。位置センサ１９は、反
射光のスポット位置の変位を電圧値の変化に変換して出
力する。こうして、カンチレバー１１の先端部のＺ軸方
向の変化すなわち探針１２のＺ軸方向の変化は、位置セ
ンサ１９の出力電圧の変化として取り出される。

【００２２】次に、制御系（信号処理系）について説明
する。位置センサ１９から出力される電圧信号は、切換
えスイッチ３３の接続状態によって下記の２つの系統の
いずれかに供給される。切換えスイッチ３３の切換え動
作は、自動または手動によって行われる。

【００２３】第１の系統は、図１において切換えスイッ
チ３３が下側の端子３３ａに接続される場合で、信号増
幅器３４とサーボ装置３５から構成される。この第１系
統は、試料１６の表面の通常測定に関連する制御系であ
る。測定の際の位置センサ１９から出力される電圧信号
は、探針１２のＺ軸方向の位置、すなわちカンチレバー
１１のたわみ量を表す信号であり、当該電圧信号は、信
号増幅器３４とサーボ装置３５を経由して、ＸＹＺスキ
ャナ１５のＺ軸方向駆動部を動作させる駆動信号Ｖｚに
変換され、ＸＹＺスキャナ１５に供給される。信号増幅
器３４は、位置センサ１９の出力信号を所要のレベルま
で増幅する。信号増幅器３４の出力信号はサーボ装置３
５に入力される。このサーボ装置３５は、演算制御部３
６ａと表示部３６ｂを備える演算処理装置３６からバス
３７を経由して指示されるサーボ制御条件に従って、入
力された信号を上記駆動信号Ｖｚに変換する。この駆動
信号ＶｚによってＸＹＺスキャナ１５内のＺ軸方向駆動
部が動作し、試料１６のＺ軸方向の位置が調整され、探
針１２と試料１６との距離が所定距離（実質的な接触状
態）に保持され、試料１６の表面の凹凸形状が測定され
る。

【００２４】より詳しくは、演算処理装置３６はコンピ
ュータで構成され、ＣＰＵと記憶部を備える。その記憶
部（ハードディスク、フロッピーディスク等）には試料
表面を測定するためＡＦＭの移動動作（粗動と微動）を
制御するプログラム（測定プログラム）と、測定データ
を記憶して、この測定データから試料１６の観察表面の
微細形状に関する画像を上記表示部３６ｂに表示するた
めの画像データを作成するための処理を行うプログラム
（画像作成プログラム）が記憶される。

【００２５】サーボ装置３５は、探針・試料の間が所定
距離になるように、ＸＹＺスキャナ１５に対してそのＺ
軸方向駆動部の駆動信号Ｖｚを与える。ＸＹＺスキャナ
１５のＺ軸方向駆動部によるＺ軸方向の動作に関してサ
ーボ装置３５にサーボ動作を行わせた状態で、ＸＹ走査
回路部を用いてＸＹＺスキャナ１５のＸとＹの各軸方向
の駆動部を動作させ、探針１２に試料１６のＸＹ平面を
走査させる。このとき、観察領域における各測定点のＸ
Ｙ平面内の座標と、各測定点のＶｚ（サーボ装置３５の
出力電圧値）が、演算処理装置３６の記憶部に測定デー
タとして記憶される。記憶部に記憶された測定データ
は、前述の画像作成プログラムによって逐次にあるいは
一括して処理され、試料１６における観察場所の表面形
状に関する画像データを作成し、この画像データを用い
て表示部３６ｂの画面に測定画像を表示する。こうして
試料１６の観察場所の表面形状が得られる。

【００２６】なお試料表面の通常の観察・測定におい
て、上記の通り、上記探針・試料間の距離の調整のため
のＺ軸方向の制御に併せて、探針で試料表面を走査する
ための位置制御が必要となる。この走査の位置制御のた
めの駆動信号は、演算処理装置３６に内蔵されるＸＹ走
査回路部から信号Ｖｘ，ＶｙとしてＸＹＺスキャナ１５
に与えられる。

【００２７】接触モードＡＦＭは、観察場所で測定動作
を行う際、カンチレバー１１は非振動状態にあり、探針
１２と試料１６の間は実質的に接触状態に保持される。
また粗動ステージ３１の動作によって或る観察場所から
他の観察場所へ移動するときには、以下に説明するよう
に、カンチレバー１１は圧電素子１３によって加振され
て発振（振動）状態にあり、当該振動状態に基づいて得
られる交流信号を利用して高速移動の機能と接触時のフ
ェイルセーフの機能が実現される。

【００２８】次に、第２の系統は、図１において切換え
スイッチ３３が上側の端子３３ｂに接続される場合で、
波形整形器４１と分周器４２から構成される。この第２
系統は、高速移動モードに関連する制御系である。波形
整形器４１は位置センサ１９から出力される後述するよ
うな交流電圧信号を入力し、これに基づいて同じ周波数
の方形波形の周期信号を作る。分周器４２は、波形整形
器４１の出力信号を分周して所定の周波数のパルス信号
を作り、粗動ステージ３１を駆動するための上記パルス
信号３２を出力する。パルス信号３２は粗動ステージ３
１に対し駆動信号として与えられる。波形整形器４１お
よび分周器４２の各々の動作、並びに高速移動モードの
制御の方法は以下に説明される。

【００２９】４３は、カンチレバー１１を振動させるた
めの加振用圧電素子１３を駆動する信号を与える発振器
である。発振器４３は、駆動信号を生成するための周期
信号を演算処理装置３６から与えられる。

【００３０】次に、前述の高速移動モードに関連する制
御系の動作と制御手順を、上記の図１、図２〜図４を参
照して説明する。さらに試料表面に対する探針の動きの
説明として前述の図５を利用する。

【００３１】この高速移動は、試料１６の表面の或る観
察場所から他の観察場所への探針移動に関するもので、
粗動ステージ３１によって当該移動が行われる。粗動ス
テージ３１は実際には試料１６の側を移動させるもので
あるが、相対的な関係であることから、探針１２の移動
として説明する。探針の移動を開始する前の状態では、
探針１２は試料１６の表面に対して接近した状態にあ
り、探針と試料表面との間では数ｎＮ（ナノニュート
ン）〜数十ｎＮの原子間力が働いている。これは、図５
のＡ１の状態であり、或る観察場所における静止状態で
ある。

【００３２】まず最初に試料１６の表面からカンチレバ
ー１１と探針１２を約１０ミクロン退避させる（図５に
おけるＡ２の状態）。この退避移動は、粗動ステージ３
１によって行われる。図１で、演算制御部３６ａから出
力されるパルス信号Ｐｚは、粗動ステージ３１に含まれ
るＺ軸方向用の駆動部すなわちステッピングモータを駆
動するための信号であり、これにより退避移動と接近移
動が行われる。高速移動モードとして切換えスイッチ３
３は図１中上側端子３３ｂに接続される。また、発振器
４３の出力信号によって加振用圧電素子１３を駆動し、
カンチレバー１１をその共振周波数ｆ₀で発振させる。
振動状態にあるカンチレバー１１に対してはレーザ光源
１８からレーザ光が照射され、その反射光は位置センサ
１９に入射する。カンチレバー１１の振動動作は位置セ
ンサ１９によってモニタされる。図２の（ａ）は、位置
センサ１９から出力される交流電気信号４４の状態を示
し、カンチレバー１１の振動状態を実質的に示してい
る。交流電気信号４４の周波数はおよそ数十ｋＨｚであ
る。交流電気信号４４において、最低の値をとる時、カ
ンチレバー１１はもっとも試料側に接近した状態にあ
る。

【００３３】高速移動モードにあるとき切換えスイッチ
３３は端子３３ｂに接続されるので、位置センサ１９の
出力信号すなわち電気信号４４は、波形整形器４１によ
って図２の（ｂ）のような方形波信号４５に整形され
る。この方形波信号４５は分周器４２に入力され、分周
器４２は分周処理する。この実施形態では図２の（ｃ）
に示すように例えば１／４に分周された分周信号が生成
される。この分周信号は、前述のパルス信号３２に相当
する。上記分周比は、演算処理装置３６から指示され
る。

【００３４】分周器４２から出力される分周信号すなわ
ち上記パルス信号３２は粗動ステージ３１に供給され
る。粗動ステージ３１はＸ軸用およびＹ軸用のステッピ
ングモータを内蔵する。パルス信号３２はこれらのステ
ッピングモータに対して駆動信号として与えられる。ス
テッピングモータは、入力した分周信号を用いて例えば
１パルスについて０．５μｍだけ探針１２を移動させ
る。図１で、パルス信号３２のＸ軸成分はＰｘ、Ｙ軸成
分はＰｙで示される。Ｐｘ，Ｐｙの周期で粗動ステージ
３１によるＸ軸またはＹ軸の各方向の速度が決まる。換
言すれば、分周器４２で設定された分周比によって探針
１２の移動速度が決定される。当該分周比は演算処理装
置３６によって指示され、分周比は任意に変更すること
ができる。

【００３５】図２の交流電気信号４４とパルス信号３２
の位相関係から明らかなように、粗動ステージ３１に内
蔵されるＸＹの各ステッピングモータを駆動するための
パルス信号の発生する時期は、発振状態にあるカンチレ
バー１１が試料１６の表面から遠ざかるように変位する
時期に合わせてある。探針１２と試料表面が接触する可
能性を小さくするためである。

【００３６】なお、本実施形態におけるカンチレバー１
１は、例えば、窒化珪素で作られ、全長が１００μｍ、
バネ定数が約０．１Ｎ／ｍ、共振周波数は約２０ｋＨｚ
である。

【００３７】上記のパルス信号３２の成分Ｐｘ，Ｐｙが
粗動ステージ３１に与えられることにより、探針１２は
試料表面に沿ってほぼ平行な状態で移動（水平移動）す
る。図３は、カンチレバー１１が発振しながら移動する
状態を示す。カンチレバー１１は振幅数μｍで発振して
いる（矢印Ｂ）。分周器４２における分周比を例えば１
／１６に設定すると、１秒間に１２５０パルスが与えら
れるので、粗動ステージ３１による移動速度は６２５μ
ｍ／秒となる。図３の移動例では、移動の途中に試料１
６の表面において凸部（または傾斜部）１６ａが形成さ
れ、探針１２がこの凸部１６ａに接触して探針１２の移
動が停止する状態を示すものである。移動は、粗動ステ
ージ３１によって試料１６を左側に移動すること（矢印
Ｃ）によって、実質的に試料表面に対して探針１２およ
びカンチレバー１１を右方向に移動させている。試料１
６の凸部１６ａは次第に振動状態にあるカンチレバー１
１すなわち先部の探針１２に接近し、接触状態が発生す
るようになる。

【００３８】図３（ａ）は、カンチレバー１１およびそ
の先部の探針１２が振動しながら、試料１６の表面に沿
ってほぼ平行な移動軌跡で図中右方向に移動している状
態を示す。実際の動作としては、カンチレバー１１と探
針１２は振動するだけであり、試料１６が粗動ステージ
３１によって図中左方向に移動している。探針１２は試
料１６の表面から約１０ミクロン離れた位置にて約数ミ
クロンの振幅で振動している。試料１６には凸部１６ａ
が存在し、試料表面の全体には前述した吸着層１６ｂが
形成されている。

【００３９】図３（ｂ），（ｃ）は、探針１２の先端
が、凸部１６ａの表面の吸着層１６ｂに接触しようとす
る状態を示す。より詳しくは、図３（ｂ）では探針先端
が吸着層表面に接触し、図３（ｃ）では探針１２が吸着
層１６ｂに吸着されている。探針１２に対しては吸着層
１６ｂの表面張力が作用し、探針１２が吸着層１６ｂの
中に引き込まれる。これによってカンチレバー１１は大
きく試料側に変位する。探針１２が試料表面の吸着層１
６ｂに吸着されると、カンチレバー１１の振動は停止す
る。

【００４０】一方、図２を再び参照すると、探針１２が
試料１６から遠ざかる方向にカンチレバー１１が変位し
たとき波形整形器４１からパルスが出力され、かかるパ
ルスが連続的に生じて方形波信号４５が生成される。そ
して、このようにして波形整形器４１から出力された方
形波信号４５を分周して分周信号、すなわち粗動ステー
ジ３１を動作させるためのパルス信号３２を作り出す。
従って、カンチレバー１１の発振が停止すると、方形波
信号４５は生成されず、それ故にパルス信号３２も発生
しない。従って、吸着層１６ｂから探針１２が解放され
ない限り、カンチレバー１１の発振は停止状態に保持さ
れる。カンチレバー１１の発振が停止状態になると、分
周器４２からパルス信号３２は出力されないので、その
後、粗動ステージ３１に駆動用のパルス信号３２が入力
されることはない。従って、試料１６は停止状態に保持
される。

【００４１】なお、図３（ｄ）に示すごとく、機械系の
慣性のために試料１６が左方へ移動しても、カンチレバ
ー１１は吸着層１６ｂの吸着作用によって試料表面側に
余分に変位しているため（図３（ｂ）に示す）、カンチ
レバー１１や探針１２を破損するほどの大きな力が作用
することはない。

【００４２】このように試料表面に対して粗動ステージ
３１によって探針１２（カンチレバー１１）を水平移動
させ、探針１２が凸部１６ａの吸着層１６ｂに接触する
と、吸着層１６ｂの引き込み力によってカンチレバー１
１の発振が停止し、試料１６はそれ以上に探針１２に接
近せず、自動停止動作が完了する。これによって、高速
の水平移動を行いながら、接触時に自動停止を行い、探
針や試料の破損を防止する。

【００４３】しかしながら、探針１２の停止箇所が目的
とする観察場所（目的地）でない場合には、再度移動を
開始しなければならない。図４に、水平移動に関する全
体の制御ステップを示す。ステップＳ１１では水平移動
の処理が行われる。水平移動の処理では、パルス信号３
２に応じて、設定された単位距離（１ステップ）ごとの
移動が行われる。判断ステップＳ１２では、水平移動を
行いながら目的地に到達したか否かが判断される。目的
地すなわち他の観察場所に到達したときに、カンチレバ
ー１１の発振動作を停止する（ステップＳ１３）。その
場所で、探針１２は試料１６の表面に接近し、測定を開
始する（ステップＳ１４）。水平移動の最中に、試料１
６の表面の凸部１６ａに接触すると、前述のごとく、探
針１２とカンチレバー１１の水平移動は自動的に停止す
る。この場合、目的地に達していないので、ステップＳ
１５，Ｓ１６が実行される。探針１２が凸部１６ａに接
触して停止したか否かはカンチレバー１１の発振状態で
判断される（ステップＳ１５）。カンチレバー１１が発
振状態を持続する限り、ステップＳ１１に戻って水平移
動を継続する。カンチレバー１１が発振していない場合
には、ステップＳ１６でカンチレバー１１を退避させ、
再び発振させ、ステップＳ１５の判断を経由してステッ
プＳ１１に戻り、水平移動を再び行う。最終的には、目
的地に到達するまで水平移動のための制御が実行され
る。

【００４４】上記構成によれば、分周器４２における分
周比を設定することによって所望の水平移動速度を設定
でき、また高速な移動速度を設定できる。さらに試料表
面の吸着層１６ｂと探針１２との間の作用で、カンチレ
バー１１の発振を停止させ、試料１６と探針１２の接触
による破損を防止することができ、試料１６と探針１２
との衝突を避けるためのフェイルセーフ機能が作用す
る。

【００４５】上記実施形態によれば、ステッピングモー
タ等のパルス駆動型の粗動ステージ３１を利用すること
により、試料表面に沿ってほぼ平行に探針を移動させる
装置を簡単な構成にて実現することができ、かつフェイ
ルセーフの機能によって十分な保護が図られている。例
えば、レーザ光源１７や位置センサ１９の不良によりカ
ンチレバー１１の動作をモニタできなくなった場合にも
探針・試料の相対的移動の動作は停止する。さらに、特
に動作停止の判定にコンピュータ等の特別の装置を必要
とせず、安価に実現することができる。

【００４６】前述の実施形態では、粗動装置である粗動
ステージ３１を試料側に設けたが、カンチレバー側に設
けることができるのは勿論である。

【００４７】また前述の実施形態ではＡＦＭで説明した
が、同様な構成および作用を有する走査型プローブ顕微
鏡に対して本発明を適用できるのは勿論である。

【００４８】さらに上記実施形態では測定時の動作を接
触モードとしたが、必ずこれに限定されるというもので
はなく、非接触モードや周期的に接触するモードのＡＦ
Ｍであっても、本発明の構成を適用できる。本発明は、
走査型プローブ顕微鏡一般に適用できるのは勿論であ
る。

【００４９】

【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で探針・試料間で水平移動
を行うに当たって、試料表面に吸着層が形成される大気
環境での移動動作であり、カンチレバーを発振させ、探
針・試料間の水平移動をパルス駆動の粗動装置を用いて
行い、かつ当該粗動装置を駆動するパルス信号をカンチ
レバーの発振動作に基づいて作るようにしたため、当該
パルス信号を適宜に作ることによって高速に水平移動が
できると共に、吸着層の探針引き込み作用とカンチレバ
ーの停止状態の特長に基づいてカンチレバーの発振動作
を探針や試料を破壊・損傷することなく安全に停止する
ことができる。このように、応答性を高くし、高速な水
平移動を達成でき、さらに、特別な構成を加えることな
くそれ自体でフェイルセーフ機能を備えることができ
る。また従来の移動方法に比較して移動前の段階で退避
距離を小さく設定でき、退避移動のための時間、水平移
動後の接近移動のための時間を短縮でき、観察のための
装置全体のスループットを向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の代表的な実施形態を示す構成図であ
る。

【図２】装置各部の信号の波形を示す波形図である。

【図３】探針と試料の接触状態を説明する図である。

【図４】水平移動のための制御を示すフローチャートで
ある。

【図５】従来のＡＦＭにおける水平移動の問題を説明す
る図である。

【符号の説明】

１１カンチレバー１２探針１３加振用圧電素子１５ＸＹＺスキャナ１６試料１６ａ凸部１６ｂ吸着層１７レーザ光源１９位置センサ３１粗動ステージ３２パルス信号３４信号増幅器３５サーボ装置３６演算処理装置４１波形整形器４２分周器４３発振器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】探針と試料を相対的に移動させる粗動装
置を備え、前記探針と前記試料の表面との間の相互作用
に基づき当該表面の微細性状を大気環境で測定する走査
型プローブ顕微鏡において、前記粗動装置はパルス信号
で駆動制御され、前記探針と前記試料を相対的に移動さ
せるとき、カンチレバーを発振させ、当該カンチレバー
の発振動作で前記粗動装置を動作させる前記パルス信号
を作るようにしたことを特徴とする走査型プローブ顕微
鏡の探針移動方法。
【請求項２】前記探針を前記試料の表面に沿って実質
的に平行に移動させ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の探針移動方法。
【請求項３】前記カンチレバーの発振動作で生じる周
波信号を分周して前記パルス信号を作り、当該パルス信
号の周波数で移動の速度を決定するようにしたことを特
徴とする請求項１または２記載の走査型プローブ顕微鏡
の探針移動方法。
【請求項４】探針を有するカンチレバーを備え、前記
探針と試料の表面との間の相互作用に基づき当該表面の
微細性状を大気環境で測定する走査型プローブ顕微鏡に
おいて、パルス信号で動作するように構成され、前記探針と前記
試料を相対的に移動させる粗動装置と、前記カンチレバーを発振させる発振装置とを備え、前記パルス信号で前記粗動装置を駆動して前記探針と前
記試料を相対的に移動させるとき、前記カンチレバーの
発振動作から得られる発振信号に基づいて前記パルス信
号を生成する手段を設けたことを特徴とする走査型プロ
ーブ顕微鏡の移動機構。
【請求項５】前記カンチレバーの発振動作を交流電気
信号に変換する変換器と、前記交流電気信号を方形波信
号に変換する波形整形器と、前記方形波信号を分周する
分周器を備え、この分周器で得られた分周信号を前記パ
ルス信号として用いたことを特徴とする請求項４記載の
走査型プローブ顕微鏡の移動機構。