JPH10283972A - 走査型プローブ顕微鏡を用いた加工、記録、再生装置 - Google Patents
走査型プローブ顕微鏡を用いた加工、記録、再生装置Info
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- JPH10283972A JPH10283972A JP9092635A JP9263597A JPH10283972A JP H10283972 A JPH10283972 A JP H10283972A JP 9092635 A JP9092635 A JP 9092635A JP 9263597 A JP9263597 A JP 9263597A JP H10283972 A JPH10283972 A JP H10283972A
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- G—PHYSICS
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- Y10S977/849—Manufacture, treatment, or detection of nanostructure with scanning probe
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- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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- Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
- Testing Or Measuring Of Semiconductors Or The Like (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 再現性よく表面形状測定が可能であり、加工
精度、記録精度がよく、容易に情報の再生が可能な走査
型プロ−ブ顕微鏡を用いた加工、記録、再生装置を提供
する。 【解決手段】 先端に探針を有するプロ−ブ１と、圧電
振動体２と交流電圧発生手段３からなる加振部と、水晶
振動子４と電流電圧増幅回路５からなる振動検出部と、
プロ−ブを試料表面に接近させる粗動手段６と、Ｚ軸微
動素子１１とＺサ−ボ回路１２とからなる試料とプロ−
ブ間の距離制御手段と、ＸＹ微動素子１３とＸＹ走査回
路１４とからなる２次元走査手段と、測定信号の３次元
画像化を行うデ−タ処理手段１５とからなり、さらに弾
性体１６のバネ圧でプロ−ブ１を水晶振動子４に固定す
ることとした走査型プロ−ブ顕微鏡を用いた加工、記
録、再生装置の構成とした。
精度、記録精度がよく、容易に情報の再生が可能な走査
型プロ−ブ顕微鏡を用いた加工、記録、再生装置を提供
する。 【解決手段】 先端に探針を有するプロ−ブ１と、圧電
振動体２と交流電圧発生手段３からなる加振部と、水晶
振動子４と電流電圧増幅回路５からなる振動検出部と、
プロ−ブを試料表面に接近させる粗動手段６と、Ｚ軸微
動素子１１とＺサ−ボ回路１２とからなる試料とプロ−
ブ間の距離制御手段と、ＸＹ微動素子１３とＸＹ走査回
路１４とからなる２次元走査手段と、測定信号の３次元
画像化を行うデ−タ処理手段１５とからなり、さらに弾
性体１６のバネ圧でプロ−ブ１を水晶振動子４に固定す
ることとした走査型プロ−ブ顕微鏡を用いた加工、記
録、再生装置の構成とした。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、水晶振動子をプロ
ーブの位置制御に利用する走査型プローブ顕微鏡を用い
た加工、記録、再生装置に関する。
ーブの位置制御に利用する走査型プローブ顕微鏡を用い
た加工、記録、再生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、走査型プローブ顕微鏡の位置制御
方式としては、トンネル電流検知方式及びエバネセント
光検知方式、原子間力検知方式などが知られていた。ト
ンネル電流をプローブの位置制御に利用した走査型プロ
ーブ顕微鏡としては、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）
があり、またエバネセント光をプローブの位置制御に利
用した走査型プローブ顕微鏡としてはフォトンＳＴＭが
あるが、測定試料が限定されることから、原子間力をプ
ローブの位置制御に利用した原子間力顕微鏡（ＡＦ
Ｍ）、近接場走査光学顕微鏡（ＮＳＯＭ）などが主に利
用されている。原子間力検知方式には、プローブの変位
をレーザー光により検出する方式と水晶振動子の発生電
流の変化を利用する方式がある。
方式としては、トンネル電流検知方式及びエバネセント
光検知方式、原子間力検知方式などが知られていた。ト
ンネル電流をプローブの位置制御に利用した走査型プロ
ーブ顕微鏡としては、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）
があり、またエバネセント光をプローブの位置制御に利
用した走査型プローブ顕微鏡としてはフォトンＳＴＭが
あるが、測定試料が限定されることから、原子間力をプ
ローブの位置制御に利用した原子間力顕微鏡（ＡＦ
Ｍ）、近接場走査光学顕微鏡（ＮＳＯＭ）などが主に利
用されている。原子間力検知方式には、プローブの変位
をレーザー光により検出する方式と水晶振動子の発生電
流の変化を利用する方式がある。
【０００３】プローブの変位検出にレーザー光を用いる
走査型プローブ顕微鏡としては、例えば、「特開平６−
５０７５０、力検知手段を含む走査型顕微鏡、ロバート
・エリック・ベツトズイツグ」に開示されている。プロ
ーブの変位検出に水晶振動子を用いる走査型プローブ顕
微鏡としては、例えば、カレド・カライ等により、Ａｐ
ｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６６（１４）、１９９５、
１８４２〜１８４４ページに開示されている。以下、こ
れらの装置の概略を述べる。
走査型プローブ顕微鏡としては、例えば、「特開平６−
５０７５０、力検知手段を含む走査型顕微鏡、ロバート
・エリック・ベツトズイツグ」に開示されている。プロ
ーブの変位検出に水晶振動子を用いる走査型プローブ顕
微鏡としては、例えば、カレド・カライ等により、Ａｐ
ｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６６（１４）、１９９５、
１８４２〜１８４４ページに開示されている。以下、こ
れらの装置の概略を述べる。
【０００４】図２は従来の「レーザー光を用いる走査型
プローブ顕微鏡」の概略図である。光ファイバー３１０
の先端をテーパー状７０に加工する。ＸＹＺステージ５
０上に試料台２０が設置されている。試料台の上には試
料３０がセットされている。光ファイバープローブ７０
を微動素子４０を用いて、試料面と平行に振動させる。
プローブ先端には試料表面からの水平方向の力すなわち
シアーフォースが働き、プローブの振動状態が変化す
る。プローブ７０の振動状態の測定には、位置制御用の
レーザー光（図では省略）を先端に照射し、プローブ７
０の影をレンズ９０と光検出器３０で検出することで行
う。シアーフォースを一定に保持するように、すなわ
ち、振幅変化または位相変化を一定に保持するように微
動素子４０を用いて、試料表面とプローブ先端の距離を
制御する。試料からの距離に応じてシアーフォースが急
速に減衰することを利用して、試料表面とプローブ先端
との距離をナノメーターのオーダーで一定に制御でき
る。ＸＹＺ微動素子４０を用いて、試料表面をラスター
走査する。このようにして、試料の表面形状がナノメー
ターのオーダーで測定できる。この状態で、プローブ先
端より電界、磁界、電流、光、熱、圧力等を試料表面に
印加することにより、試料表面を加工することができ
る。また、試料移動手段を用いて試料表面上に加工分布
を形成することで情報の記録が可能であり、また形成さ
れた加工情報を試料移動手段を用いて順次測定すること
により情報の再生が可能である。
プローブ顕微鏡」の概略図である。光ファイバー３１０
の先端をテーパー状７０に加工する。ＸＹＺステージ５
０上に試料台２０が設置されている。試料台の上には試
料３０がセットされている。光ファイバープローブ７０
を微動素子４０を用いて、試料面と平行に振動させる。
プローブ先端には試料表面からの水平方向の力すなわち
シアーフォースが働き、プローブの振動状態が変化す
る。プローブ７０の振動状態の測定には、位置制御用の
レーザー光（図では省略）を先端に照射し、プローブ７
０の影をレンズ９０と光検出器３０で検出することで行
う。シアーフォースを一定に保持するように、すなわ
ち、振幅変化または位相変化を一定に保持するように微
動素子４０を用いて、試料表面とプローブ先端の距離を
制御する。試料からの距離に応じてシアーフォースが急
速に減衰することを利用して、試料表面とプローブ先端
との距離をナノメーターのオーダーで一定に制御でき
る。ＸＹＺ微動素子４０を用いて、試料表面をラスター
走査する。このようにして、試料の表面形状がナノメー
ターのオーダーで測定できる。この状態で、プローブ先
端より電界、磁界、電流、光、熱、圧力等を試料表面に
印加することにより、試料表面を加工することができ
る。また、試料移動手段を用いて試料表面上に加工分布
を形成することで情報の記録が可能であり、また形成さ
れた加工情報を試料移動手段を用いて順次測定すること
により情報の再生が可能である。
【０００５】図３は従来の「水晶振動子を用いる走査型
プローブ顕微鏡」の主要部の概略図である。４００は光
ファイバープローブ、４１０は水晶振動子である。光フ
ァイバープローブを水晶振動子に接着する。水晶振動子
を振動用ピエゾ素子（図では省略）で共振させる。水晶
振動子の振動により、光ファイバープローブは振動す
る。プローブの先端が試料に接近すると、プローブ先端
には試料表面からの水平方向の力すなわちシアーフォー
スが働き、水晶振動子の振動状態が変化する。水晶の圧
電効果による発生電荷を測定することで、水晶振動子の
振動状態を測定する。シアーフォースを一定に保持する
ように、すなわち、水晶振動子の出力の振幅変化または
位相変化を一定に保持するようにピエゾ圧電スキャナー
（図では省略）を用いて、試料表面とプローブ先端の距
離を制御する。試料からの距離に応じてシアーフォース
が急速に減衰することを利用して、試料表面とプローブ
先端との距離をナノメーターのオーダーで一定に制御で
きる。ＸＹＺ微動素子（図では省略）を用いて、試料表
面をラスター走査する。このようにして、試料の表面形
状がナノメーターのオーダーで測定できる。この状態
で、プローブ先端より電界、磁界、電流、光、熱、圧力
等を試料表面に印加することにより、試料表面を加工す
ることができる。また、試料移動手段を用いて試料表面
上に加工分布を形成することで情報の記録が可能であ
り、また形成された加工情報を試料移動手段を用いて順
次測定することにより情報の再生が可能である。
プローブ顕微鏡」の主要部の概略図である。４００は光
ファイバープローブ、４１０は水晶振動子である。光フ
ァイバープローブを水晶振動子に接着する。水晶振動子
を振動用ピエゾ素子（図では省略）で共振させる。水晶
振動子の振動により、光ファイバープローブは振動す
る。プローブの先端が試料に接近すると、プローブ先端
には試料表面からの水平方向の力すなわちシアーフォー
スが働き、水晶振動子の振動状態が変化する。水晶の圧
電効果による発生電荷を測定することで、水晶振動子の
振動状態を測定する。シアーフォースを一定に保持する
ように、すなわち、水晶振動子の出力の振幅変化または
位相変化を一定に保持するようにピエゾ圧電スキャナー
（図では省略）を用いて、試料表面とプローブ先端の距
離を制御する。試料からの距離に応じてシアーフォース
が急速に減衰することを利用して、試料表面とプローブ
先端との距離をナノメーターのオーダーで一定に制御で
きる。ＸＹＺ微動素子（図では省略）を用いて、試料表
面をラスター走査する。このようにして、試料の表面形
状がナノメーターのオーダーで測定できる。この状態
で、プローブ先端より電界、磁界、電流、光、熱、圧力
等を試料表面に印加することにより、試料表面を加工す
ることができる。また、試料移動手段を用いて試料表面
上に加工分布を形成することで情報の記録が可能であ
り、また形成された加工情報を試料移動手段を用いて順
次測定することにより情報の再生が可能である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかし、このような従
来の走査型プローブ顕微鏡では、以下に述べるような欠
点があった。レーザー光を用いる走査型プローブ顕微鏡
では、シアーフォース検出のためにレーザー光を光プロ
ーブ先端近傍の試料表面に照射し、その反射光中のプロ
ーブ先端像（影）を検出している。このため、反射光量
が試料表面の形状、反射率に影響されやすく、振動振幅
の測定が困難であり、正確な表面形状測定が困難となっ
ていた。また、レーザー光の位置合わせが容易でなく、
データの再現性に問題があった。したがって、加工精
度、記録精度に問題があり、情報の再生が困難であっ
た。
来の走査型プローブ顕微鏡では、以下に述べるような欠
点があった。レーザー光を用いる走査型プローブ顕微鏡
では、シアーフォース検出のためにレーザー光を光プロ
ーブ先端近傍の試料表面に照射し、その反射光中のプロ
ーブ先端像（影）を検出している。このため、反射光量
が試料表面の形状、反射率に影響されやすく、振動振幅
の測定が困難であり、正確な表面形状測定が困難となっ
ていた。また、レーザー光の位置合わせが容易でなく、
データの再現性に問題があった。したがって、加工精
度、記録精度に問題があり、情報の再生が困難であっ
た。
【０００７】水晶振動子を用いる走査型プローブ顕微鏡
では、水晶振動子とプローブの接着部が極めて微小領域
（例えば、一辺が約１００μｍの正方形部分）となりや
すく、接着作業が困難であった。また、接着量および硬
化度、接着部位などにより、水晶振動子の素子特性が変
化しやすく、再現性よい振動子センサーを得ることが困
難となっていた。このため、工業用の目的では利用が困
難となっていた。また、プローブの交換時には、水晶振
動子と共に交換しなければならず、コストアップととも
に再現性のある表面形状測定が不可能となっていた。し
たがって、加工精度、記録精度に問題があり、情報の再
生が困難であった。
では、水晶振動子とプローブの接着部が極めて微小領域
（例えば、一辺が約１００μｍの正方形部分）となりや
すく、接着作業が困難であった。また、接着量および硬
化度、接着部位などにより、水晶振動子の素子特性が変
化しやすく、再現性よい振動子センサーを得ることが困
難となっていた。このため、工業用の目的では利用が困
難となっていた。また、プローブの交換時には、水晶振
動子と共に交換しなければならず、コストアップととも
に再現性のある表面形状測定が不可能となっていた。し
たがって、加工精度、記録精度に問題があり、情報の再
生が困難であった。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の走査型プローブ
顕微鏡を用いた加工、記録、再生装置は、先端に探針を
有するプローブと、圧電振動体と交流電圧発生手段から
なる加振部と、水晶振動子と電流電圧増幅回路からなる
振動検出部と、プローブを試料表面に接近させる粗動手
段と、Ｚ軸微動素子とＺサーボ回路とからなる試料とプ
ローブ間の距離制御手段と、ＸＹ微動素子とＸＹ走査回
路とからなる２次元走査手段と、測定信号の３次元画像
化を行うデータ処理手段とから構成され、弾性体のバネ
圧でプローブを水晶振動子に固定することを特徴とする
走査型プローブ顕微鏡を用いた加工、記録、再生装置と
した。そしてこのような構成をとることにより、再現性
よく表面形状測定が可能であり、加工精度、記録精度が
よく、容易に情報の再生が可能な走査型プローブ顕微鏡
を用いた加工、記録、再生装置を提供する。
顕微鏡を用いた加工、記録、再生装置は、先端に探針を
有するプローブと、圧電振動体と交流電圧発生手段から
なる加振部と、水晶振動子と電流電圧増幅回路からなる
振動検出部と、プローブを試料表面に接近させる粗動手
段と、Ｚ軸微動素子とＺサーボ回路とからなる試料とプ
ローブ間の距離制御手段と、ＸＹ微動素子とＸＹ走査回
路とからなる２次元走査手段と、測定信号の３次元画像
化を行うデータ処理手段とから構成され、弾性体のバネ
圧でプローブを水晶振動子に固定することを特徴とする
走査型プローブ顕微鏡を用いた加工、記録、再生装置と
した。そしてこのような構成をとることにより、再現性
よく表面形状測定が可能であり、加工精度、記録精度が
よく、容易に情報の再生が可能な走査型プローブ顕微鏡
を用いた加工、記録、再生装置を提供する。
【０００９】
【発明の実施の形態】図１は、本発明の走査型プローブ
顕微鏡を用いた加工、記録、再生装置の概略図である。
本発明の走査型プローブ顕微鏡を用いた加工、記録、再
生装置は、先端に探針を有するプローブ１と、圧電振動
体２と交流電圧発生手段３からなる加振部と、水晶振動
子４と電流電圧増幅回路５からなる振動検出部と、プロ
ーブを試料表面に接近させる粗動手段６と、Ｚ軸微動素
子１１とＺサーボ回路１２とからなる試料とプローブ間
の距離制御手段と、ＸＹ微動素子１３とＸＹ走査回路１
４とからなる２次元走査手段と、測定信号の３次元画像
化を行うデータ処理手段１５とから構成され、弾性体１
６のバネ圧でプローブ１を水晶振動子４に固定する。
顕微鏡を用いた加工、記録、再生装置の概略図である。
本発明の走査型プローブ顕微鏡を用いた加工、記録、再
生装置は、先端に探針を有するプローブ１と、圧電振動
体２と交流電圧発生手段３からなる加振部と、水晶振動
子４と電流電圧増幅回路５からなる振動検出部と、プロ
ーブを試料表面に接近させる粗動手段６と、Ｚ軸微動素
子１１とＺサーボ回路１２とからなる試料とプローブ間
の距離制御手段と、ＸＹ微動素子１３とＸＹ走査回路１
４とからなる２次元走査手段と、測定信号の３次元画像
化を行うデータ処理手段１５とから構成され、弾性体１
６のバネ圧でプローブ１を水晶振動子４に固定する。
【００１０】プローブを水平に振動させながら試料表面
近傍に接近させると、プローブ先端にシアーフォースが
働き、プローブの振動振幅が減少する。プローブと水晶
振動子とはバネ圧で固定され一体として作動するため、
プローブの振動振幅の減少は水晶振動子の振動振幅の減
少となる。水晶振動子の振動振幅の減少は、出力電流の
減少となり電流電圧増幅回路で検出される。水晶振動子
の出力電流を一定にするように、Ｚ軸微動素子とＺサー
ボ回路により試料とプローブとの距離を制御すること
で、プローブ先端が試料面から一定の距離に保たれる。
プローブを試料面内で相対的に２次元走査し、３次元画
像化を行うようにした。この状態で、プローブ先端より
電界、磁界、電流、光、熱、圧力等を試料表面に印加す
ることにより、試料表面を加工することができる。ま
た、試料移動手段を用いて試料表面上に加工分布を形成
することで情報の記録が可能であり、また形成された加
工情報を試料移動手段を用いて順次測定することにより
情報の再生が可能である。
近傍に接近させると、プローブ先端にシアーフォースが
働き、プローブの振動振幅が減少する。プローブと水晶
振動子とはバネ圧で固定され一体として作動するため、
プローブの振動振幅の減少は水晶振動子の振動振幅の減
少となる。水晶振動子の振動振幅の減少は、出力電流の
減少となり電流電圧増幅回路で検出される。水晶振動子
の出力電流を一定にするように、Ｚ軸微動素子とＺサー
ボ回路により試料とプローブとの距離を制御すること
で、プローブ先端が試料面から一定の距離に保たれる。
プローブを試料面内で相対的に２次元走査し、３次元画
像化を行うようにした。この状態で、プローブ先端より
電界、磁界、電流、光、熱、圧力等を試料表面に印加す
ることにより、試料表面を加工することができる。ま
た、試料移動手段を用いて試料表面上に加工分布を形成
することで情報の記録が可能であり、また形成された加
工情報を試料移動手段を用いて順次測定することにより
情報の再生が可能である。
【００１１】上記のように、プローブと試料との距離制
御を水晶振動子を用いて行うことで、レーザー光を用い
る走査型プローブ顕微鏡のような位置制御用レーザーが
不要となり、レーザー光の位置および反射光量の変動に
よるデータの不正確さの問題を回避できる。また、弾性
体のバネ圧でプローブを水晶振動子に固定することで、
従来の水晶振動子を用いる走査型プローブ顕微鏡で問題
となっていた接着の変動によるデータの変動がなく、ま
た、プローブ交換時にはプローブのみ交換すればよいた
め、同一の水晶振動子が使用でき、測定条件の再現性、
さらにデータの再現性を高めることが可能である。ま
た、プローブ交換のみであるため、低コストであり、か
つ困難な接着が不要となり、取り扱いが極めて簡単にな
る。さらに、再現性よく表面形状測定が可能であり、加
工精度、記録精度がよく、容易に情報の再生が可能な走
査型プローブ顕微鏡を用いた加工、記録、再生装置が実
現できる。
御を水晶振動子を用いて行うことで、レーザー光を用い
る走査型プローブ顕微鏡のような位置制御用レーザーが
不要となり、レーザー光の位置および反射光量の変動に
よるデータの不正確さの問題を回避できる。また、弾性
体のバネ圧でプローブを水晶振動子に固定することで、
従来の水晶振動子を用いる走査型プローブ顕微鏡で問題
となっていた接着の変動によるデータの変動がなく、ま
た、プローブ交換時にはプローブのみ交換すればよいた
め、同一の水晶振動子が使用でき、測定条件の再現性、
さらにデータの再現性を高めることが可能である。ま
た、プローブ交換のみであるため、低コストであり、か
つ困難な接着が不要となり、取り扱いが極めて簡単にな
る。さらに、再現性よく表面形状測定が可能であり、加
工精度、記録精度がよく、容易に情報の再生が可能な走
査型プローブ顕微鏡を用いた加工、記録、再生装置が実
現できる。
【００１２】
【実施例】以下に、この発明の実施例を説明する。 ［実施例１］図４は、本発明の走査型プローブ顕微鏡を
用いた加工、記録、再生装置の実施例１の概略図であ
る。試料の雰囲気を制御できる走査型プローブ顕微鏡を
用いた加工装置としての実施例を示した。 水晶振動子
４と圧電振動体２は、水晶振動子ホルダー２５に接着固
定されている。圧電振動体としては板状のＰＺＴ素子
を、水晶振動子としては時計用の水晶振動子を用いた。
ＰＺＴ素子に交流電圧を印加するとＰＺＴ素子が振動
し、水晶振動子を強制振動させる。振動周波数を水晶振
動子の共振周波数（例えば３２．７ｋＨｚ）にすると、
水晶振動子が共振する。水晶振動子が振動すると、圧電
効果により水晶振動子の電極に電荷が誘起され、電流と
して電流電圧増幅回路により検出される。水晶振動子の
振動振幅に比例した電流が発生するため、検出された電
流により水晶振動子の振動状態が測定できる。圧電振動
体としてはＰＺＴ板の他、円筒形のＰＺＴスキャナーや
積層ＰＺＴ板などが考えられ、いずれも本発明に含まれ
る。また、水晶振動子としては時計用以外の水晶振動子
も本発明に含まれる。
用いた加工、記録、再生装置の実施例１の概略図であ
る。試料の雰囲気を制御できる走査型プローブ顕微鏡を
用いた加工装置としての実施例を示した。 水晶振動子
４と圧電振動体２は、水晶振動子ホルダー２５に接着固
定されている。圧電振動体としては板状のＰＺＴ素子
を、水晶振動子としては時計用の水晶振動子を用いた。
ＰＺＴ素子に交流電圧を印加するとＰＺＴ素子が振動
し、水晶振動子を強制振動させる。振動周波数を水晶振
動子の共振周波数（例えば３２．７ｋＨｚ）にすると、
水晶振動子が共振する。水晶振動子が振動すると、圧電
効果により水晶振動子の電極に電荷が誘起され、電流と
して電流電圧増幅回路により検出される。水晶振動子の
振動振幅に比例した電流が発生するため、検出された電
流により水晶振動子の振動状態が測定できる。圧電振動
体としてはＰＺＴ板の他、円筒形のＰＺＴスキャナーや
積層ＰＺＴ板などが考えられ、いずれも本発明に含まれ
る。また、水晶振動子としては時計用以外の水晶振動子
も本発明に含まれる。
【００１３】プローブ１は、弾性体１６のバネ圧で水晶
振動子に固定される。プローブとしては、タングステン
の先端を化学エッチングし、テーパー状に加工したもの
を用いた。プローブとしては、このように金属プローブ
の他、シリコンや窒化シリコンのカンチレバーや光ファ
イバーやガラスピペットをテーパー状に加工したものも
考えられ、本発明に含まれる。また、テーパー加工方法
については、化学エッチングの他、機械的研磨や加熱延
伸加工も考えられ、本発明に含まれる。探針先端につい
ては、磁性体膜を形成し磁気力検知プローブとしたもの
や金や白金膜を形成し導電性プローブとしたものも考え
られ、いずれも本発明に含まれる。弾性体としては、ス
テンレス鋼の板バネを用いた。水晶振動子は力検出感度
が高いため、弾性体のバネ定数は小さいものが望まし
い。本発明では、厚さ１００μｍ、幅１ｍｍ、長さ１０
ｍｍの片持ちバネを用いた。弾性体としては、この他、
りん青銅の板バネやコイル状のバネ、シリコンゴムなど
のゴム類などが考えられ、いずれも本発明に含まれる。
また、プローブ自身のバネ性を生かして固定することも
可能であり、本発明に含まれる。バネ固定の場合、バネ
圧のめあすとしては、水晶振動子の振動特性すなわちＱ
値を利用する。光導波プローブを固定しない場合、水晶
振動子のＱ値は、例えば、３０００程度である。光導波
プローブをバネ固定すると、Ｑ値は５００以下になる。
走査型プローブ顕微鏡として望ましいＱ値は１００〜４
００程度である。Ｑ値がこの範囲になるようにバネ圧を
調整する。
振動子に固定される。プローブとしては、タングステン
の先端を化学エッチングし、テーパー状に加工したもの
を用いた。プローブとしては、このように金属プローブ
の他、シリコンや窒化シリコンのカンチレバーや光ファ
イバーやガラスピペットをテーパー状に加工したものも
考えられ、本発明に含まれる。また、テーパー加工方法
については、化学エッチングの他、機械的研磨や加熱延
伸加工も考えられ、本発明に含まれる。探針先端につい
ては、磁性体膜を形成し磁気力検知プローブとしたもの
や金や白金膜を形成し導電性プローブとしたものも考え
られ、いずれも本発明に含まれる。弾性体としては、ス
テンレス鋼の板バネを用いた。水晶振動子は力検出感度
が高いため、弾性体のバネ定数は小さいものが望まし
い。本発明では、厚さ１００μｍ、幅１ｍｍ、長さ１０
ｍｍの片持ちバネを用いた。弾性体としては、この他、
りん青銅の板バネやコイル状のバネ、シリコンゴムなど
のゴム類などが考えられ、いずれも本発明に含まれる。
また、プローブ自身のバネ性を生かして固定することも
可能であり、本発明に含まれる。バネ固定の場合、バネ
圧のめあすとしては、水晶振動子の振動特性すなわちＱ
値を利用する。光導波プローブを固定しない場合、水晶
振動子のＱ値は、例えば、３０００程度である。光導波
プローブをバネ固定すると、Ｑ値は５００以下になる。
走査型プローブ顕微鏡として望ましいＱ値は１００〜４
００程度である。Ｑ値がこの範囲になるようにバネ圧を
調整する。
【００１４】水晶振動子ホルダー２５はＸＹＺ微動素子
１１、１３に固定される。微動素子としては、ＸＹＺの
３軸スキャナーが一体となった円筒形ピエゾ圧電素子を
用いた。微動素子としては、この他、Ｚ軸とＸＹ軸が分
離したピエゾスキャナーや電歪素子を用いたものが考え
られ、本発明に含まれる。この他、ピエゾステージや平
行バネを用いたステージ、１軸ピエゾ素子をＸＹＺの３
軸に配置し一体化したトライポッド形圧電素子、積層形
のピエゾスキャナーなどが考えられ、いずれも本発明に
含まれる。
１１、１３に固定される。微動素子としては、ＸＹＺの
３軸スキャナーが一体となった円筒形ピエゾ圧電素子を
用いた。微動素子としては、この他、Ｚ軸とＸＹ軸が分
離したピエゾスキャナーや電歪素子を用いたものが考え
られ、本発明に含まれる。この他、ピエゾステージや平
行バネを用いたステージ、１軸ピエゾ素子をＸＹＺの３
軸に配置し一体化したトライポッド形圧電素子、積層形
のピエゾスキャナーなどが考えられ、いずれも本発明に
含まれる。
【００１５】プローブの試料１７への接近には粗動手段
６を用いる。粗動手段としては、ステッピングモーター
と減速ギヤ、粗動ネジ、リニアガイドからなる粗動機構
を用いた。粗動機構については、この他に、Ｚステージ
にステッピングモーターを付加したものや、圧電素子を
用いたステージ、例えばインチワーム機構などやＺステ
ージと圧電素子を組み合わせたステージなどが考えら
れ、いずれも本発明に含まれる。
６を用いる。粗動手段としては、ステッピングモーター
と減速ギヤ、粗動ネジ、リニアガイドからなる粗動機構
を用いた。粗動機構については、この他に、Ｚステージ
にステッピングモーターを付加したものや、圧電素子を
用いたステージ、例えばインチワーム機構などやＺステ
ージと圧電素子を組み合わせたステージなどが考えら
れ、いずれも本発明に含まれる。
【００１６】真空チャンバー１８を用いて、試料を真空
中に保持した。このようにして試料を真空中に保持でき
る。また、真空チャンバーにガス導入口をつけ、試料を
不活性ガスや反応性ガス中にさらすことも可能であり、
本発明に含まれる。この状態で、プローブ先端より電
界、磁界、電流、光、熱、圧力等を試料表面に印加する
ことにより、試料表面を加工することができた。
中に保持した。このようにして試料を真空中に保持でき
る。また、真空チャンバーにガス導入口をつけ、試料を
不活性ガスや反応性ガス中にさらすことも可能であり、
本発明に含まれる。この状態で、プローブ先端より電
界、磁界、電流、光、熱、圧力等を試料表面に印加する
ことにより、試料表面を加工することができた。
【００１７】このような構成により、ナノメーターのオ
ーダーで再現性よく表面形状が測定でき、また精度よく
加工が可能な走査型プローブ顕微鏡を用いた加工装置が
実現できた。 ［実施例２］図５は、本発明の走査型プローブ顕微鏡を
用いた加工、記録、再生装置の実施例２の概略図であ
る。走査型近接場光学顕微鏡としての記録、再生装置の
実施例を示した。
ーダーで再現性よく表面形状が測定でき、また精度よく
加工が可能な走査型プローブ顕微鏡を用いた加工装置が
実現できた。 ［実施例２］図５は、本発明の走査型プローブ顕微鏡を
用いた加工、記録、再生装置の実施例２の概略図であ
る。走査型近接場光学顕微鏡としての記録、再生装置の
実施例を示した。
【００１８】レーザー光源１９から出た光は光変調器２
７によって周期的に振幅変調を受ける。光変調器として
は、音波による光変調器（ＡＯモジュレータ）を用い
た。光変調器としては、この他、電界による光変調器
（ＥＯモジュレータ）やモーターで光チョッパーを回転
させる機械式モジュレータなどが考えられ、いずれも本
発明に含まれる。変調されたレーザー光は、カップリン
グ２１によって光導波プローブ１に導入する。光導波プ
ローブはプローブ自身のバネ圧により水晶振動子４に固
定される。光導波プローブの先端開口より試料１７に照
射する。試料からの反射光をレンズ７、ミラー２３、２
２と光学窓２４を介して、レンズ８で集光する。集光さ
れた光は、ハーフミラー３１で２方向に分岐し、光検出
器９とＣＣＤカメラ２９で測定される。ハーフミラー
は、場合によっては、ダイクロイックミラーで置き換え
ることも可能であり、また、光量確保のため、ミラーを
使用しないことも考えられる。光検出器９によって検出
された光は、ロックインアンプを用いて、Ｓ／Ｎ比よく
測定され、データ処理手段１５で３次元の画像化を行
う。試料表面の測定領域の移動は、試料のＸＹステージ
２６を用いて行う。ＸＹステージとしては、ピエゾ駆動
方式のＸＹステージを用いた。ＸＹステージとしては、
この他、ステッピングモーターとＸＹステージを組み合
わせたステージなどが考えられるが、本発明に含まれ
る。試料の加熱には、ヒーター３２を用いた。ヒーター
としてはマンガニン線を用い銅の試料台の外側に巻き付
ける構成とした。ヒーターに流す電流を制御して加熱を
行う。ヒーターとしては、タングステン線や炭素薄膜、
マンガニン薄膜を利用することも考えられ本発明に含ま
れる。以上のような構成により、試料の温度を常温から
高温まで変化した状態で、試料表面に、光導波プローブ
の波長以下の開口よりレーザー光を照射し、反射光をレ
ンズで集光し、光検出器で検出できた。光導波プローブ
を試料面内で走査することにより、ナノメーターのオー
ダーで再現性よく表面形状が測定でき、同時に試料面内
の反射光分布を波長以下の高分解能で測定できた。さら
に、プローブ先端より電界、磁界、電流、光、熱、圧力
等を試料表面に印加することにより、試料表面上に情報
の記録が行え、また、記録された情報を測定することで
再生が可能であった。
７によって周期的に振幅変調を受ける。光変調器として
は、音波による光変調器（ＡＯモジュレータ）を用い
た。光変調器としては、この他、電界による光変調器
（ＥＯモジュレータ）やモーターで光チョッパーを回転
させる機械式モジュレータなどが考えられ、いずれも本
発明に含まれる。変調されたレーザー光は、カップリン
グ２１によって光導波プローブ１に導入する。光導波プ
ローブはプローブ自身のバネ圧により水晶振動子４に固
定される。光導波プローブの先端開口より試料１７に照
射する。試料からの反射光をレンズ７、ミラー２３、２
２と光学窓２４を介して、レンズ８で集光する。集光さ
れた光は、ハーフミラー３１で２方向に分岐し、光検出
器９とＣＣＤカメラ２９で測定される。ハーフミラー
は、場合によっては、ダイクロイックミラーで置き換え
ることも可能であり、また、光量確保のため、ミラーを
使用しないことも考えられる。光検出器９によって検出
された光は、ロックインアンプを用いて、Ｓ／Ｎ比よく
測定され、データ処理手段１５で３次元の画像化を行
う。試料表面の測定領域の移動は、試料のＸＹステージ
２６を用いて行う。ＸＹステージとしては、ピエゾ駆動
方式のＸＹステージを用いた。ＸＹステージとしては、
この他、ステッピングモーターとＸＹステージを組み合
わせたステージなどが考えられるが、本発明に含まれ
る。試料の加熱には、ヒーター３２を用いた。ヒーター
としてはマンガニン線を用い銅の試料台の外側に巻き付
ける構成とした。ヒーターに流す電流を制御して加熱を
行う。ヒーターとしては、タングステン線や炭素薄膜、
マンガニン薄膜を利用することも考えられ本発明に含ま
れる。以上のような構成により、試料の温度を常温から
高温まで変化した状態で、試料表面に、光導波プローブ
の波長以下の開口よりレーザー光を照射し、反射光をレ
ンズで集光し、光検出器で検出できた。光導波プローブ
を試料面内で走査することにより、ナノメーターのオー
ダーで再現性よく表面形状が測定でき、同時に試料面内
の反射光分布を波長以下の高分解能で測定できた。さら
に、プローブ先端より電界、磁界、電流、光、熱、圧力
等を試料表面に印加することにより、試料表面上に情報
の記録が行え、また、記録された情報を測定することで
再生が可能であった。
【００１９】このような構成により、ナノメーターのオ
ーダーで再現性よく表面形状が測定でき、また精度よく
記録、再生が可能な走査型プローブ顕微鏡を用いた記
録、再生装置が実現できた。
ーダーで再現性よく表面形状が測定でき、また精度よく
記録、再生が可能な走査型プローブ顕微鏡を用いた記
録、再生装置が実現できた。
【００２０】
【発明の効果】以上説明したように、この発明では、先
端に探針を有するプローブ１と、圧電振動体２と交流電
圧発生手段３からなる加振部と、水晶振動子４と電流電
圧増幅回路５からなる振動検出部と、プローブを試料表
面に接近させる粗動手段６と、Ｚ軸微動素子１１とＺサ
ーボ回路１２とからなる試料とプローブ間の距離制御手
段と、ＸＹ微動素子１３とＸＹ走査回路１４とからなる
２次元走査手段と、測定信号の３次元画像化を行うデー
タ処理手段１５とから構成され、弾性体１６のバネ圧で
プローブ１を水晶振動子４に固定することとした。
端に探針を有するプローブ１と、圧電振動体２と交流電
圧発生手段３からなる加振部と、水晶振動子４と電流電
圧増幅回路５からなる振動検出部と、プローブを試料表
面に接近させる粗動手段６と、Ｚ軸微動素子１１とＺサ
ーボ回路１２とからなる試料とプローブ間の距離制御手
段と、ＸＹ微動素子１３とＸＹ走査回路１４とからなる
２次元走査手段と、測定信号の３次元画像化を行うデー
タ処理手段１５とから構成され、弾性体１６のバネ圧で
プローブ１を水晶振動子４に固定することとした。
【００２１】上記のように、プローブと試料との距離制
御を水晶振動子を用いて行うことで、レーザー光を用い
る走査型プローブ顕微鏡のような位置制御用レーザーが
不要となり、レーザー光の位置および反射光量の変動に
よるデータの不正確さの問題を回避できる。また、弾性
体のバネ圧で光導波プローブを水晶振動子に固定するこ
とで、従来の水晶振動子を用いる走査型プローブ顕微鏡
で問題となっていた接着の変動によるデータの変動がな
く、また、プローブ交換時にはプローブのみ交換すれば
よいため、同一の水晶振動子が使用でき、測定条件の再
現性、さらにデータの再現性を高めることが可能であ
る。また、プローブ交換のみであるため、低コストであ
り、かつ困難な接着が不要となり、取り扱いが極めて簡
単になる。このようにして再現性の高い走査型プローブ
顕微鏡が実現でき、加工精度、記録精度がよく、容易に
情報の再生が可能な走査型プローブ顕微鏡を用いた加
工、記録、再生装置が実現できる。
御を水晶振動子を用いて行うことで、レーザー光を用い
る走査型プローブ顕微鏡のような位置制御用レーザーが
不要となり、レーザー光の位置および反射光量の変動に
よるデータの不正確さの問題を回避できる。また、弾性
体のバネ圧で光導波プローブを水晶振動子に固定するこ
とで、従来の水晶振動子を用いる走査型プローブ顕微鏡
で問題となっていた接着の変動によるデータの変動がな
く、また、プローブ交換時にはプローブのみ交換すれば
よいため、同一の水晶振動子が使用でき、測定条件の再
現性、さらにデータの再現性を高めることが可能であ
る。また、プローブ交換のみであるため、低コストであ
り、かつ困難な接着が不要となり、取り扱いが極めて簡
単になる。このようにして再現性の高い走査型プローブ
顕微鏡が実現でき、加工精度、記録精度がよく、容易に
情報の再生が可能な走査型プローブ顕微鏡を用いた加
工、記録、再生装置が実現できる。
【図１】本発明の走査型プローブ顕微鏡を用いた加工、
記録、再生装置の概略図である。
記録、再生装置の概略図である。
【図２】従来のレーザー光を用いる走査型プローブ顕微
鏡の概略図である。
鏡の概略図である。
【図３】従来の水晶振動子を用いる走査型プローブ顕微
鏡の概略図である。
鏡の概略図である。
【図４】本発明の走査型プローブ顕微鏡を用いた加工、
記録、再生装置の実施例１の概略図である。
記録、再生装置の実施例１の概略図である。
【図５】本発明の走査型プローブ顕微鏡を用いた加工、
記録、再生装置の実施例２の概略図である。
記録、再生装置の実施例２の概略図である。
１ プローブ ２ 圧電振動体 ３ 交流電圧発生手段 ４ 水晶振動子 ５ 電流電圧増幅回路 ６ 粗動機構 ７ レンズ ８ レンズ ９ 光検出器 １１ Ｚ軸微動素子 １２ Ｚサーボ回路 １３ ＸＹ微動素子 １４ ＸＹ走査回路 １５ データ処理手段 １６ 弾性体 １７ 試料 １８ クライオスタット １９ レーザー光源 ２１ レンズ ２２ ミラー ２３ ミラー ２４ 光学窓 ２５ 水晶振動子ホルダー ２６ ＸＹステージ ２７ 光変調器 ２８ ロックインアンプ ２９ ＣＣＤカメラ ３１ ハーフミラー ３２ ヒーター ３３ 液セル ３４ 液体
Claims (22)
- 【請求項１】 先端に探針を有するプローブと、圧電振
動体と交流電圧発生手段からなる加振部と、水晶振動子
と電流電圧増幅回路からなる振動検出部と、プローブを
試料表面に接近させる粗動手段と、Ｚ軸微動素子とＺサ
ーボ回路とからなる試料とプローブ間の距離制御手段
と、ＸＹ微動素子とＸＹ走査回路とからなる２次元走査
手段と、測定信号の３次元画像化を行うデータ処理手段
とからなる走査型プローブ顕微鏡を用いた加工装置にお
いて、 ａ）弾性体のバネ圧でプローブを水晶振動子に固定する
ことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡を用いた加工装
置。 - 【請求項２】 プローブが走査型トンネル顕微鏡の探針
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
顕微鏡を用いた加工装置。 - 【請求項３】 プローブが原子間力顕微鏡のカンチレバ
ーであることを特徴とする請求項１記載の走査型プロー
ブ顕微鏡を用いた加工装置。 - 【請求項４】 カンチレバーが磁性体からなる磁気力顕
微鏡のカンチレバーである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を用いた加工装置。 - 【請求項５】 カンチレバーが導電性のカンチレバーで
あり、試料表面に電位を印加する手段がさらに含まれる
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
を用いた加工装置。 - 【請求項６】 試料を真空中に保持する手段がさらに含
まれることを特徴とする請求項１記載の走査型プローブ
顕微鏡を用いた加工装置。 - 【請求項７】 試料を不活性ガスまたは反応性ガス中に
保持する手段がさらに含まれ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を用いた加工装置。 - 【請求項８】 試料表面の測定位置を移動できる試料ス
テージがさらに含まれ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を用いた加工装置。 - 【請求項９】 試料表面に光照射を行う手段がさらに含
まれることを特徴とする請求項１記載の走査型プローブ
顕微鏡を用いた加工装置。 - 【請求項１０】 試料を透過した光または試料表面の反
射光を集光する手段および検出する手段がさらに含まれ
ることを特徴とする請求項９記載の走査型プローブ顕微
鏡を用いた加工装置。 - 【請求項１１】 光の周期的変調手段とロックイン検出
手段がさらに含まれることを特徴とする請求項１０記載
の走査型プローブ顕微鏡を用いた加工装置。 - 【請求項１２】 先端に探針を有するプローブと、圧電
振動体と交流電圧発生手段からなる加振部と、水晶振動
子と電流電圧増幅回路からなる振動検出部と、プローブ
を試料表面に接近させる粗動手段と、Ｚ軸微動素子とＺ
サーボ回路とからなる試料とプローブ間の距離制御手段
と、ＸＹ微動素子とＸＹ走査回路とからなる２次元走査
手段と、測定信号の３次元画像化を行うデータ処理手段
とからなる走査型プローブ顕微鏡を用いた記録、再生装
置において、 ａ）弾性体のバネ圧でプローブを水晶振動子に固定する
ことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡を用いた記録、
再生装置。 - 【請求項１３】 プローブが走査型トンネル顕微鏡の探
針であることを特徴とする請求項１２記載の走査型プロ
ーブ顕微鏡を用いた記録、再生装置。 - 【請求項１４】 プローブが原子間力顕微鏡のカンチレ
バーであることを特徴とする請求項１２記載の走査型プ
ローブ顕微鏡を用いた記録、再生装置。 - 【請求項１５】 カンチレバーが磁性体からなる磁気力
顕微鏡のカンチレバーであることを特徴とする請求項１
４記載の走査型プローブ顕微鏡を用いた記録、再生装
置。 - 【請求項１６】 カンチレバーが導電性のカンチレバー
であり、試料表面に電位を印加する手段がさらに含まれ
ることを特徴とする請求項１４記載の走査型プローブ顕
微鏡を用いた記録、再生装置。 - 【請求項１７】 試料を真空中に保持する手段がさらに
含まれることを特徴とする請求項１２記載の走査型プロ
ーブ顕微鏡を用いた記録、再生装置。 - 【請求項１８】 試料を不活性ガスまたは反応性ガス中
に保持する手段がさらに含まれることを特徴とする請求
項１２記載の走査型プローブ顕微鏡を用いた記録、再生
装置。 - 【請求項１９】 試料表面の測定位置を移動できる試料
ステージがさらに含まれることを特徴とする請求項１２
記載の走査型プローブ顕微鏡を用いた記録、再生装置。 - 【請求項２０】 試料表面に光照射を行う手段がさらに
含まれることを特徴とする請求項１２記載の走査型プロ
ーブ顕微鏡を用いた記録、再生装置。 - 【請求項２１】 試料を透過した光または試料表面の反
射光を集光する手段および検出する手段がさらに含まれ
ることを特徴とする請求項２０記載の走査型プローブ顕
微鏡を用いた記録、再生装置。 - 【請求項２２】 光の周期的変調手段とロックイン検出
手段がさらに含まれることを特徴とする請求項２１記載
の走査型プローブ顕微鏡を用いた記録、再生装置。
Priority Applications (7)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9092635A JPH10283972A (ja) | 1997-04-10 | 1997-04-10 | 走査型プローブ顕微鏡を用いた加工、記録、再生装置 |
| TW087105151A TW369603B (en) | 1997-04-10 | 1998-04-04 | Apparatus for machining, recording, and reproducing, using scanning probe microscope |
| CA002231224A CA2231224A1 (en) | 1997-04-10 | 1998-04-08 | Apparatus for machining, recording, and reproducing, using scanning probe microscope |
| DE69806995T DE69806995T2 (de) | 1997-04-09 | 1998-04-09 | Vorrichtung zur Materialbearbeitung, Datenaufzeichnung oder Datenwiedergabe mit Rastersondenmikroskop |
| US09/057,809 US5990477A (en) | 1997-04-10 | 1998-04-09 | Apparatus for machining, recording, and reproducing, using scanning probe microscope |
| KR1019980012644A KR100526217B1 (ko) | 1997-04-10 | 1998-04-09 | 주사식 프로브 현미경을 이용한 가공장치와, 주사식 프로브 현미경을 이용한 기록 및 재생장치 |
| EP98302889A EP0871166B1 (en) | 1997-04-09 | 1998-04-09 | Apparatus for machining, recording, or reproducing, using scanning probe microscope |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9092635A JPH10283972A (ja) | 1997-04-10 | 1997-04-10 | 走査型プローブ顕微鏡を用いた加工、記録、再生装置 |
| US09/057,809 US5990477A (en) | 1997-04-10 | 1998-04-09 | Apparatus for machining, recording, and reproducing, using scanning probe microscope |
Publications (1)
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