JPH10221061A - プローブ顕微鏡の校正装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 測定の際に本来の測定対象である変位量以外
に外乱による変位量成分を除去し、高精度の測定データ
を得るプローブ顕微鏡の校正装置を提供する。 【解決手段】 試料11の測定面に対向して配置される探
針17を備えたカンチレバー18と、試料と探針を相対的に
移動させるＸＹステージ13と、試料・探針間距離を調整
する接近・退避ステージ23と、カンチレバーの変位量を
検出する検出機構19,20 を備え、この検出機構によって
得られた信号を用いて測定画像を作成し、測定面を観察
するように構成され、校正試料12と、この校正試料用に
設けられた、探針27を備える他のカンチレバー28、他の
ＸＹステージ14、他の接近・退避ステージ26、検出機構
29,30 と、上記検出機構によって得られた上記信号から
他の検出機構によって得られた信号を除去する演算処理
部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】本発明はプローブ顕微鏡の校
正装置に関し、特に、本来の測定試料とその測定機構に
対して校正試料とその測定に関連する機構を並設し、測
定データから外乱成分を除去し、測定誤差の少ないデー
タを得ることができるプローブ顕微鏡の校正装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】例えば走査型プローブ顕微鏡では、測定
試料をＸＹ方向に移動させるＸＹステージ上に載置し、
カンチレバーの先部に設けた探針を試料の表面に接近さ
せ、当該探針で試料表面を走査しながら試料の表面情報
を得るように構成されている。このようなプローブ顕微
鏡では、その構成上、床振動や騒音等の外乱（外的な振
動）が測定系統に侵入し、その結果、外乱によって測定
装置の機構部のバネ要素等が振動を起こすことがある。
顕微鏡装置に対し外乱が与えられると、測定データの中
に外乱による成分が含まれ、測定誤差が大きくなり、測
定の精度が低下する。

【０００３】外的な振動を除去する従来の測定装置とし
て特開平６−２７３４２８号公報に示された物理量測定
センサを挙げることができる。この測定センサでは、本
来の測定を行う振動センサ部に対して、梁の周囲に作用
する外的な振動を計測する少なくとも１つ以上の補正用
振動センサを備え、計測用振動センサと補正用振動セン
サを同じ基板の上に近接して設けるようにしている。

【０００４】上記の従来の測定装置では、測定物の測定
のため設けられた計測用振動センサと、これと同じ構成
を有する補正用振動センサを用意し、２つのセンサを同
じ基板の上に近接して配置している。計測用振動センサ
はノンコンタクトモードで計測を行うものである。また
付設された補正用振動センサは、片持ち梁（カンチレバ
ー）の周囲に作用する外的な振動を計測するためのもの
である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記の従来の測定装置
では、補正用振動センサで外的な振動で生じる成分のみ
を検出し、計測用振動センサの出力信号から外的振動の
成分を除去することにより、測定精度を高めている。し
かしながら、従来の測定装置では、上記公報の図１等で
明らかなように、片持ち梁の周囲の外的な振動のみを検
出するようにしており、計測装置の各部から装置全体に
加わる外乱に対して対処することができないという問題
があった。

【０００６】また上記の従来の測定装置は、ノンコンタ
クトモードの装置で適用できるだけであり、コンタクモ
ードやタッピングモードの装置に適用することができな
いという問題があった。

【０００７】本発明の目的は、上記の問題を解決するこ
とにあり、測定の際に、本来の測定対象である変位量以
外に、顕微鏡装置に対し外乱として加わる振動に起因し
て生じる変位量成分を除去し、高い精度の測定データを
得られるようにしたプローブ顕微鏡の校正装置を提供す
ることにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段および作用】本発明に係る
プローブ顕微鏡の校正装置は、上記目的を達成するた
め、試料の測定面に対向して配置される探針を備えたカ
ンチレバーと、試料と探針を測定面に沿う方向に相対的
に移動させる走査移動機構（ＸＹステージ）と、測定面
と探針の間の距離を調整する接近・退避機構（接近・退
避ステージ）と、カンチレバーに生じる変位量を検出す
る検出機構（光学的検出系等）を備え、この検出機構の
出力信号によって得られた信号を用いて測定画像を作成
し、測定面を観察するように構成されるものであり、さ
らに、校正試料と、この校正試料用に設けられた、探針
を備える他のカンチレバーおよび他の走査移動機構（Ｘ
Ｙステージ）および他の接近・退避機構（接近・退避ス
テージ）および他の検出機構（光学的検出系等）と、上
記検出機構の出力信号によって得られた上記信号（ｓ
２，４２）から他の検出機構の出力信号によって得られ
た信号（ｓ４，４１）を除去する演算処理手段（演算処
理部）とを備える。

【０００９】本発明の構成では、床振動等の外乱に対し
て、測定用の機構部と同じ条件で振動が発生するよう
に、測定用機構部と同じ構成および負荷を有する校正用
の機構部を設けるようにした。従って、顕微鏡装置で発
生する外乱に起因する測定誤差が、本来の測定データと
校正試料に関する測定データとにおいて同様に発生す
る。そこで、校正試料についての測定では、探針は当該
校正試料の任意の一点に固定させ、他方、測定用機構部
による本来の測定対象である試料に関しては走査移動を
行って通常の測定を行うようにする。かかる状態で、本
来の測定試料と校正試料を同時にサンプリングして、各
々の測定データを得る。この場合、校正試料の測定デー
タは外乱のみが含まれることになり、測定試料の測定デ
ータには外乱に関するデータと試料の表面形状に関する
データが含まれることになる。従って、測定試料の測定
データから、校正試料の測定データを差し引けば、外乱
の影響の少ない測定データを最終的に得ることができ
る。

【００１０】

【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。

【００１１】図１は、本発明に係るプローブ顕微鏡の装
置構成を、測定対象である試料と装置フレームと測定に
関係する機構部分等との結合構造という観点から、模式
的に示したものである。図１の構成では、それに含まれ
るいくつかの振動要素（バネ要素等）が示される。顕微
鏡装置に外乱が与えられると、これらの振動要素で振動
が起きる。図１に示されたプローブ顕微鏡は、走査型の
プローブ顕微鏡として構成されている。図１に基づき本
発明による校正装置およびその校正方法を原理的に説明
する。

【００１２】図示された顕微鏡装置では、測定対象であ
る試料１１（以下「測定試料１１」という）と、後で行
われる校正処理に使用される校正用の試料１２（以下
「校正試料１２」という）が用意される。測定試料１１
は、そのための専用のＸＹステージ１３の上に置かれて
いる。校正試料１２も、同様に、そのための専用のＸＹ
ステージ１４の上に置かれている。図１では、ＸＹステ
ージ１３，１４は記号表現で概念的に示される。ＸＹス
テージ１３，１４は、測定試料１１や校正試料１２をＸ
Ｙ平面（図１中水平方向）内で移動させる機構である。
図１で示されたＸＹステージ１３，１４に係る記号は、
振動が発生する要素であることを意味している。ＸＹス
テージ１３，１４は、線１５ａの部分と振動要素１５ｂ
の部分で描かれた装置フレーム１５の上に設けられてい
る。従って、図１の表現では、線図によって各ＸＹステ
ージと装置フレームが構造の上で接続された関係である
ことを示している。

【００１３】図１に示した構成では、測定試料１１に対
応して、その上側に測定部１６が配置される。この測定
部１６は、測定試料１１に対し接近した状態で配置され
る探針１７と、この探針１７を備えるカンチレバー１８
と、カンチレバー１８の背面に形成された鏡面を利用し
て当該カンチレバー１８の変形による変位量を検出する
ためのレーザダイオード１９とフォトダイオード２０か
ら構成される。レーザダイオード１９とフォトダイオー
ド２０は例えば光てこ式光学的検出系を形成している。
レーザダイオード１９から出射されたレーザ光２１は、
カンチレバー１８の背面で反射され、フォトダイオード
２０の受光面に入射される。この状態で、探針１７と測
定試料１１の間に生じた物理量の変化に応じてカンチレ
バー１８にたわみ変形が生じると、フォトダイオード２
０におけるレーザ光２１の入射位置が変化し、カンチレ
バー１８で生じた変位量が検出される。フォトダイオー
ド２０からカンチレバー１８の変位量に関する検出信号
ｓ１が出力される。フォトダイオード２０から出力され
る信号ｓ１は、制御部２２に入力される。制御部２２
で、信号ｓ１は、カンチレバー１８の変位量が常に一定
に維持されるように、下記の接近・退避ステージ２３の
動作を制御する制御信号の生成に用いられる。制御部２
２では、基準信号が設定されており、この基準信号と信
号ｓ１との差を求め、当該差が０になるように上記制御
信号が生成される。生成された制御信号は、信号ｓ２と
して接近・退避ステージ２３に与えられると共に、測定
試料１１の表面情報を含む信号として演算処理部２４に
供給される。カンチレバー１８とレーザダイオード１９
とフォトダイオード２０は、Ｚ軸方向の接近・退避の移
動を行うための上述の接近・退避ステージ２３に固定さ
れている。ここでＺ軸方向は、図１において垂直方向で
ある。接近・退避ステージ２３は、さらに装置フレーム
１５の上部に固定されている。

【００１４】測定試料１１に対応する上述の測定部１６
と接近・退避ステージ２３に対し、これに並列的にかつ
同一の構成にて、校正試料１２に対応する測定部２５と
接近・退避ステージ２６が設けられる。校正試料１２に
対応する測定部２５には、上記測定部１６と同様に、探
針２７を備えたカンチレバー２８と、レーザダイオード
２９およびフォトダイオード３０からなる光学的検出系
が含まれている。レーザダイオード２０から出射された
レーザ光３１は、カンチレバー２８の背面で反射し、フ
ォトダイオード３０に入射される。校正用の測定部２５
と接近・退避ステージ２６も、同様に、装置フレーム１
５の上部に取り付けられている。フォトダイオード３０
から出力された検出信号ｓ３は、制御部３２に入力され
る。制御部３２で生成された制御信号ｓ４は接近・退避
ステージ２６へ与えられる。制御部３２から出力された
制御信号は、さらに演算処理部２４に入力される。

【００１５】図１に示した構成では、顕微鏡装置のいず
れかで外乱が与えられたとき、フォトダイオード２０，
３０から出力される検出信号で外乱の影響が同じになる
ように、顕微鏡装置の各部における剛性や負荷が、同じ
条件に設定されている。

【００１６】上記のプローブ顕微鏡による測定試料１１
の測定とデータ処理を説明する。測定データの処理に関
しては図２を参照する。測定の際、測定試料１１は、Ｘ
Ｙステージ１３の動作によってＸＹ平面内にて移動され
ることになり、探針と測定試料との相対的な位置関係の
変化に基づいて、測定試料１１の表面は探針１７によっ
て走査されることになる。これに対して、ＸＹステージ
１４の上に配置された校正試料１２については、ＸＹス
テージ１４を動作させず、校正試料１２を静止させた状
態に保持する。このような状態で、測定部１６によって
測定試料１１の表面を走査しながら測定のための動作が
行われ、測定試料データ（信号ｓ２に対応）を得る。一
方、静止状態にある校正試料１２の表面を測定部２５に
よって測定し、校正試料データ（信号ｓ４に対応）を得
る。測定試料データと校正試料データの各々の取得で
は、同じサンプリングのタイミングでデータが取得され
る。校正試料１２と測定部２５の関係では、測定部２５
は校正試料１２の表面の同じ箇所のみ、換言すれば、凹
凸の変化がない一定の高さの箇所のみを測定することに
なる。従って、測定部２５によって測定される校正試料
１２の表面は一定の高さの表面であるので、フォトダイ
オード３０から出力される信号は一定値の信号に保たれ
る。

【００１７】上記の測定の最中に、例えば図１に示され
るように、顕微鏡装置の全体に対して、任意の箇所から
外乱Ｇが与えられたとする。図示例では、一例として３
箇所の外乱の発生場所が示されている。この外乱Ｇは正
弦波状の振動であると仮定する。かかる外乱Ｇが顕微鏡
装置に加わると、外乱による振動はカンチレバー１８，
２８の各々に生じ、外乱に関する影響がフォトダイオー
ド２０，３０から出力される検出信号に含まれることに
なる。

【００１８】前述の通り、校正試料１２に関しては、走
査動作を行わず、カンチレバー２８は一定の場所に保持
され、固定した状態で試料表面を測定部２５が測定する
ため、測定部２５で得られる校正試料データは外乱のみ
を含むことになる。何故ならば、測定部２５のカンチレ
バー２８お呼び探針２７で校正試料１２の表面を測定す
るとき、常に同じ場所を測定することになるから、試料
表面の一定の高さの場所を常に測定することになり、そ
の測定データは例えば０の値をとるように一定値を示
す。従って、フォトダイオード３０の出力で変動信号が
出力される場合には、外乱Ｇが原因で生じたもののみが
現れることになる。図２の（Ａ）に示される波形４１
は、フォトダイオード３０から出力される信号ｓ３また
は制御部３２からから出力される信号ｓ４の波形を示
し、実質的に校正試料データを示す。

【００１９】これに対して、図２の（Ｂ）に示される波
形４２は、測定試料１１に関して測定部１６のフォトダ
イオード２０の出力から得られる信号ｓ１または制御部
２２から出力される信号ｓ２の波形を示し、実質的に測
定試料データを示す。測定試料１１の測定部１６による
測定では、測定部１６と測定試料１１の間で走査動作が
行われるので、測定で得られた測定試料データと外乱デ
ータが混合した合成データが得られる。図２の（Ｂ）
で、一点鎖線で示した４３は外乱の波形を示している。

【００２０】測定部１６と制御部２２等で得られた測定
試料データ、測定部２５と制御部３２等で得られた校正
試料データは、演算処理部２４に入力される。そして、
当該演算処理部２４で、図２（Ｂ）で示した測定試料デ
ータから図２（Ａ）で示した校正試料データを減算（校
正処理）することにより、最終的に、図２（Ｃ）に示さ
れるような外乱の要素を含まない校正処理後の測定試料
データ４４が求められる。校正処理後の測定試料データ
４４は、測定試料１１に関する外乱を含まない表面デー
タとして扱われる。最終的に得られた表面データを用い
て、表示部３３に、測定試料１１の表面の形態に関する
画像が表示される。

【００２１】次に図３に本発明に係るプローブ顕微鏡の
機構部分の具体的な装置構成の一例を示す。図３に示さ
れるように、装置フレーム５１は左右対称の形状を有す
る。装置フレーム１５の左側水平部１５Ａに測定試料１
１を配置するためのＸＹステージ１３が設けられ、右側
水平部１５Ｂに校正試料１２を配置するためのＸＹステ
ージ１４が配置される。装置フレーム１５の直立部１５
Ｃには背中合せの配置でＺ軸方向の接近・退避ステージ
２３，２６が設けられている。各接近・退避ステージ２
３，２６は、保持部２３ａ，２６ａを備える。保持部２
３ａ，２６ａは、各々の接近・退避ステージによって上
下に移動する。保持部２３ａには、探針１７を備えたカ
ンチレバー１８と、カンチレバー１８の背面にレーザ光
２１を照射するレーザダイオード１９と、当該レーザ光
２１を受けるフォトダイオード２０が配備される。従っ
て保持部２３ａには前述の測定部１６が設けられる。ま
た保持部２６ａには、探針２７を備えたカンチレバー２
８と、カンチレバー２８の背面にレーザ光３１を照射す
るレーザダイオード２９と、当該レーザ光３１を受ける
フォトダイオード３０が配備される。従って、保持部２
６ａには前述の測定部２５が設けられる。保持部２３ａ
は測定試料１１の上方に配置され、探針１７は測定試料
１１に臨んでいる。保持部２６ａは校正試料１２の上方
に配置され、探針２７は校正試料１２に臨んでいる。測
定を行う際には、保持部２３ａは接近・退避ステージ２
３によって下降し、探針１７が測定試料１１に対して所
望の位置まで接近される。また保持部２６ａは接近・退
避ステージ２６によって下降し、探針２７が校正試料１
２に対して所望の位置まで接近される。

【００２２】かかる状態で、ＸＹステージ１３はＸＹ方
向に移動し、測定試料１１の表面が走査されながらその
測定部よって測定される。その間、校正試料１２の側で
は、前述の通り、ＸＹステージ１４は移動しない状態に
保持され、その測定部は校正試料１２の一定箇所を測定
し続ける。

【００２３】前述した本発明に係るプローブ顕微鏡の校
正装置は、測定試料に対して校正試料を用意し、校正試
料に対して、本来の測定機構と実質的に同一の、測定に
関する機構を設けるようにしたため、コンタクトモー
ド、タッピングモード、ノンコンタクトモードの各種の
プローブ顕微鏡に適用することが可能である。ここで、
コンタクトモードでは、探針・試料間距離が或る距離よ
り小さくなるに応じてカンチレバーの変位が大きくなる
という特性を利用し、カンチレバーの変位を一定に保持
する制御を行う。タッピングモードでは、カンチレバー
を一定周波数で振動させた状態で、探針・試料間距離が
或る距離より小さくなるに応じてカンチレバーの振幅が
小さくなるという特性を利用し、カンチレバーの振幅を
一定に保持する制御を行う。さらに、ノンコンタクトモ
ードでは、カンチレバーを一定周波数で振動させた状態
で、探針・試料間距離が或る距離より小さくなるに応じ
てカンチレバーの周波数が小さくなるという特性を利用
し、カンチレバーの周波数を一定に保持する制御を行
う。

【００２４】

【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、本来の測定試料およびその測定用機構部に対し
て、校正試料およびその測定のための機構部を併設し、
校正用機構部は本来の測定用機構部と同じ構成および負
荷を有するので、顕微鏡装置で発生する外乱に起因する
測定誤差が、本来の測定データと校正試料に関する測定
データとにおいて同様に発生し、従って、本来の測定デ
ータから校正試料に関する測定データを減算することに
よって、外乱が除かれた測定データを得ることができ、
高い精度の測定データを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るプローブ顕微鏡の基本構成を概念
的に示した線図である。

【図２】校正試料に関する測定波形（Ａ）と測定試料に
関する測定波形（Ｂ）と校正後の測定試料に関する測定
波形（Ｃ）を示す波形図である。

【図３】本発明に係るプローブ顕微鏡の機構部分の具体
的構成の一例を示す構成図である。

【符号の説明】

１１ 測定試料 １２ 校正試料 １３，１４ ＸＹステージ １５ 装置フレーム １６，２５ 測定部 １７，２７ 探針 １８，２８ カンチレバー １９，２９ レーザダイオード ２０，３０ フォトダイオード ２３，２６ 接近・退避ステージ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料の測定面に対向して配置される探針
   を備えたカンチレバーと、前記試料と前記探針を前記測
   定面に沿う方向に相対的に移動させる走査移動機構と、
   前記測定面と前記探針の間の距離を調整する接近・退避
   機構と、前記カンチレバーに生じる変位量を検出する検
   出機構を備え、この検出機構の出力信号によって得られ
   た信号を用いて測定画像を作成し、前記測定面を観察す
   るプローブ顕微鏡において、 校正試料と、この校正試料用に設けられた、探針を備え
   る他のカンチレバーおよび他の走査移動機構および他の
   接近・退避機構および他の検出機構と、前記検出機構の
   出力信号によって得られた前記信号から前記他の検出機
   構の出力信号によって得られた信号を除去する演算処理
   手段とを備えることを特徴とするプローブ顕微鏡の校正
   装置。