JPH1090283A

JPH1090283A - 走査型プローブ顕微鏡

Info

Publication number: JPH1090283A
Application number: JP23935496A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Warabe; 毅童
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1996-09-10
Filing date: 1996-09-10
Publication date: 1998-04-10

Abstract

(57)【要約】【課題】画像上の歪みを防止し、試料段差の測定誤差を
抑え、走査範囲が大きい場合においてもＺ方向における
大きな測定誤差を避け、走査範囲を犠牲せずに且つスキ
ャナを長くすることもなくＺ方向の高い剛性を保つこ
と。【解決手段】この走査型プローブ顕微鏡は、試料に対し
て走査部材を相対的に走査すべく３次元方向に駆動自在
の圧電体スキャナと、上記圧電体スキャナの主走査及び
副走査方向の印加電圧に基づいて、補正電圧テーブルを
用いて、上記圧電体スキャナの円弧走査による上記主走
査及び副走査方向に対して垂直な方向の円弧変位量を算
出する上記円弧変位量算出手段と、上記円弧変位量算出
手段により算出された円弧変位量を補正電圧に変換する
変換手段と、上記変換手段により変換された補正電圧を
上記圧電体スキャナへの印加電圧に加算する加算手段と
を具備することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば走査型トン
ネル顕微鏡(STM;Scanning Tunneling Microscope) や原
子間力顕微鏡(AFM;Atomic Force Microscope) 等の走査
型プローブ顕微鏡(SPM;;Scanning Probe Microscope)
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、ＳＴＭやＡＦＭ等の原子分解能を
必要とするＳＰＭにおいては、試料や探針の３次元（Ｘ
ＹＺ）方向の駆動機構として円筒型圧電体が使用されて
いる。上記ＳＴＭは、トンネル電流を利用して試料表面
を原子寸法で走査し画像化する走査型トンネル顕微鏡で
ある。また、上記ＡＦＭは、自由端に鋭い探針を有する
カンチレバーを試料に対向・近接して有し、該探針の先
端の原子と試料原子との間に働く相互作用力により、変
位するカンチレバーの動きを電気的或いは光学的にとら
えて測定しつつ、試料をＸＹＺ方向に走査し、カンチレ
バーの探針部との位置関係を相対的に変化させることに
よって、試料の凹凸情報等を原子サイズオーダで三次元
的にとらえるものである。このようなＳＴＭやＡＦＭ等
といったＳＰＭは、従来は主として物質表面の形状を観
測する装置として使用されていたが、最近では更に試料
の段差や半導体の線幅等を計る高精度な測定機としても
使用されるようになってきた。

【０００３】ここで、図７には従来技術に係るＳＰＭの
構成の一例を示し説明する。尚、図中のＸ，Ｙ，Ｚは各
３次元方向をそれぞれ示している。同図に於いて、円筒
型圧電体１０９の内部の上端中央には、Ｚ方向の変位を
測定するための変位センサ１０８が配設されている。ま
た、円筒型圧電体１０９の下端は、Ｘ変位センサ１１０
及びＹ変位センサ１１１を有するユニットに固定されて
いる。このＸ変位センサ１１０及びＹ変位センサ１１１
は、スキャナのＸ，Ｙの２次元方向の移動量を検出する
ためのセンサであり、詳細は例えば特開平６−２２９７
５３号公報に記載されているので、ここでは説明を省略
する。この他、円筒型圧電体１０９の自由端には、試料
を保持する試料台１０７が配置されている。そして、こ
れらが一体となって円筒型圧電体スキャナを構成してい
る。

【０００４】一方、プローブ変位検出部１０４は、その
先端部にカンチレバー１０５を有しており、該カンチレ
バー１０５の変位を光学的及び電気的に検出し、その検
出結果に基づく変位信号ＳｚをＺ変位サーボ制御部１０
０へと出力する。Ｚ変位サーボ制御部１００は、この変
位信号Ｓｚを受けると、カンチレバー１０５の変位を一
定に保持するようにフィードバック制御すべく、円筒型
圧電体１０９をＺ方向に伸縮させるためのＺ制御信号Ｖ
ｚ^*を円筒型圧電体スキャナに出力する。

【０００５】上記円筒型圧電体スキャナのＸ，Ｙ変位セ
ンサ１１０，１１１からは、ＸＹ位置制御回路１０２に
対して、実際の変位ｘｐ，ｙｐが出力される。Ｘ，Ｙ走
査信号発生部１０１からは、ＸＹ走査制御回路１０２に
対して、走査信号ｘ^*，ｙ^*が出力される。そして、この
ＸＹ位置制御回路１０２から、Ｘ方向の圧電体の駆動電
圧Ｖｘ^*、Ｙ方向の圧電体の駆動電圧Ｖｙ^*が、上記円筒
型圧電体１０９に出力される。ＳＰＭ像表示装置１０３
は、転送されてきた測定データを格納し、当該データに
基づいて試料の凹凸情報に係る画像を形成する。

【０００６】即ち、ＸＹ面内を走査するＸＹ位置制御回
路１０２に同期してＺ変位サーボ制御部１００の制御電
圧を計測する。つまり、この従来技術に係るＳＰＭで
は、試料表面と探針先端を一定距離に保つように試料を
Ｚ方向に制御しながらＸ，Ｙ方向の２次元方向に走査し
つつ、圧電体に印加する電圧信号を試料表面の凹凸情報
として画像形成している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
たような従来技術に係るＳＰＭでは、ＸＹ走査時に、即
ち例えば図８（ｂ）の状態から図８（ａ）の状態に変位
するときに、円筒型圧電体スキャナの自由端の軌跡が曲
線（円弧）となることにより、画像のＺ方向に試料高さ
の測定誤差Δｈが生じてしまう。

【０００８】ここで、図９は長さ８０ｍｍ、直径９．２
ｍｍの円筒型圧電体がＸ方向に走査する時のＺ方向変位
の実測値を示したものである。同図において、波形Ａは
Ｘ変位センサ１１０からの信号ｘｐを示しており、波形
ＢはＺ方向の変位センサ１０８の出力を示している。こ
の例では波形Ｂに対してフィルタリング処理をしていな
いため、ノイズがのった波形となっているが、実際にフ
ィルタリング処理を施せば規則性のある波形となる。さ
らに、波形Ａが曲線を有しているのは圧電スキャナのヒ
ステリシスの影響によるものである。また、例えば、同
図のａ点は円筒型圧電体がＸ方向に変位していないと
き、ｂ，ｃ点は左右に最大に変位しているときを示して
いる。同図より明らかなように、従来技術では、８０μ
ｍ走査範囲でＺ方向に約７０ｎｍの誤差が生じていた。

【０００９】これらの問題に対して、Digital Instrume
nts 社のVirgil B.Elings 氏が、米国特許第５３０６９
１９号により、円筒型圧電体スキャナ外部に８分割電極
を貼り、これを用いてｘ，ｙ走査中に自由端を水平に保
つことが可能な円筒型スキャナを提案した。しかしなが
ら、このＤＩ社の提案では、スキャナの移動端面全体を
水平にするために、スキャナの上部と下部が同時に逆方
向に曲がるため、次の問題点があった。即ち、第１に従
来の同じ長さの円筒型のスキャナと比べてＸＹ方向の走
査範囲が著しく狭くなる。第２にＸＹ方向の走査範囲を
確保するためにスキャナの長さを増加しなければならな
い。そして、この結果、Ｚ方向の剛性が低くなり、Ｚ方
向の共振周波数が下がるといった問題が生じていた。

【００１０】本発明は上記問題に鑑みてなされたもの
で、その目的とするところは、画像上に歪みが生じるこ
とを防止し、試料段差の測定誤差を抑えると共に、走査
範囲が大きい場合においてもＺ方向における大きな測定
誤差を避け、且つ、走査範囲を犠牲にすることもなく、
スキャナを長くすることもなく、Ｚ方向の高い剛性を保
つことができる走査型プローブ顕微鏡を提供することに
ある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、第１の態様による走査型プローブ顕微鏡は、試料に
対して走査部材を相対的に走査すべく３次元方向に駆動
自在の圧電体スキャナと、上記圧電体スキャナの自由端
の平面において、該スキャナの中心に配設したセンサ
と、当該中心を中心角として直角となるように配設した
２つのセンサとを有し、上記圧電体スキャナの主走査方
向及び副走査方向に対して垂直な方向の変位量を検出す
る変位検出手段と、上記変位検出手段により検出された
変位量に基づいて、上記圧電体スキャナの円弧走査によ
る上記主走査及び副走査方向に対して垂直な方向の円弧
変位量を算出する円弧変位量算出手段と、上記円弧変位
量算出手段により算出された円弧変位量を補正電圧に変
換する変換手段と、上記変換手段により変換された補正
電圧に基づいて上記圧電体スキャナへの印加電圧を演算
する演算手段と、を具備することを特徴とする。

【００１２】第２の態様による走査型プローブ顕微鏡
は、試料に対して走査部材を相対的に走査すべく３次元
方向に駆動自在の圧電体スキャナと、上記圧電体スキャ
ナの主走査及び副走査方向の印加電圧に基づいて、補正
電圧テーブルを用いて、上記圧電体スキャナの円弧走査
による上記主走査及び副走査方向に対して垂直な方向の
円弧変位量を算出する円弧変位量算出手段と、上記円弧
変位量算出手段により算出された円弧変位量を補正電圧
に変換する変換手段と、上記変換手段により変換された
補正電圧に基づいて上記圧電体スキャナへの印加電圧を
演算する演算手段とを具備することを特徴とする。

【００１３】そして、第３の態様による走査型プローブ
顕微鏡は、試料に対して走査部材を相対的に走査すべく
３次元方向に駆動自在の圧電体スキャナと、上記圧電体
スキャナの主走査方向の変位を検出する第１の検出手段
と、上記圧電体スキャナの副走査方向の変位を検出する
第２の検出手段と、上記圧電体スキャナの円弧走査によ
る上記主走査及び副走査方向に対して垂直な方向の円弧
変位量を、補正電圧テーブルを用いて、上記第１及び第
２の検出手段により検出された圧電体スキャナの主走査
及び副走査方向の変位検出量に基づいて算出する円弧変
位量算出手段と、上記円弧変位量算出手段により算出さ
れた円弧変位量を補正電圧に変換する変換手段と、上記
変換手段により変換された補正電圧に基づいて上記圧電
体スキャナへの印加電圧を演算する演算手段とを具備す
ることを特徴とする。

【００１４】上記第１乃至第３の態様は以下の作用を奏
する。即ち、第１の態様による走査型プローブ顕微鏡で
は、圧電体スキャナにより試料に対して走査部材が相対
的に走査され、変位検出手段により上記圧電体スキャナ
の主走査方向及び副走査方向に対して垂直な方向の変位
量が検出され、円弧変位量算出手段により、上記変位検
出手段により検出された変位量に基づいて、上記圧電体
スキャナの円弧走査による上記主走査及び副走査方向に
対して垂直な方向の円弧変位量が算出され、変換手段に
より上記円弧変位量算出手段により算出された円弧変位
量が補正電圧に変換され、演算手段により上記変換手段
により変換された補正電圧に基づいて上記圧電体スキャ
ナへの印加電圧が演算される。

【００１５】そして、第２の態様による走査型プローブ
顕微鏡は、圧電体スキャナにより試料に対して走査部材
が相対的に走査され、円弧変位量算出手段により上記圧
電体スキャナの主走査及び副走査方向の印加電圧に基づ
いて、補正電圧テーブルを用いて、上記圧電体スキャナ
の円弧走査による上記主走査及び副走査方向に対して垂
直な方向の円弧変位量が算出され、変換手段により上記
円弧変位量算出手段により算出された円弧変位量が補正
電圧に変換され、演算手段により上記変換手段により変
換された補正電圧に基づいて上記圧電体スキャナへの印
加電圧が演算される。

【００１６】さらに、第３の態様による走査型プローブ
顕微鏡では、圧電体スキャナにより試料に対して走査部
材が相対的に走査され、第１の検出手段により上記圧電
体スキャナの主走査方向の変位が検出され、第２の検出
手段により上記圧電体スキャナの副走査方向の変位が検
出され、円弧変位量算出手段により、上記圧電体スキャ
ナの円弧走査による上記主走査及び副走査方向に対して
垂直な方向の円弧変位量が、補正電圧テーブルを用い
て、上記第１及び第２の検出手段により検出された圧電
体スキャナの主走査及び副走査方向の変位検出量に基づ
いて算出され、変換手段により上記円弧変位量算出手段
により算出された円弧変位量が補正電圧に変換され、演
算手段により上記変換手段により変換された補正電圧に
基づいて上記圧電体スキャナへの印加電圧が演算され
る。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
実施の形態について説明する。先ず図１には本発明の第
１の実施の形態に係る走査型プローブ顕微鏡（以下、Ｓ
ＰＭと称する）の構成を示して説明する。

【００１８】同図に示されるように、圧電体６の所定位
置には電極７が配設されており、さらに、圧電体６の自
由端には試料１２を搭載するための試料台１４が配設さ
れている。そして、上記試料台１４の所定位置には圧電
体変位センサ８が設けられている。詳細には、図２に示
されるように、円形の試料台１４の中心に相当する位置
にセンサｏ（８ａ）が配設され、このセンサｏ（８ａ）
の配設位置を中心として直角となるように、ｘ方向及び
ｙ方向の変位を測定するためのセンサｘ（８ｂ）とセン
サｙ（８ｃ）がそれぞれ配設されている。これら３つの
センサ８ａ乃至８ｃの配設位置は本発明の特徴点のひと
つである。そして、上記構成要素により、圧電体スキャ
ナが構成されている。

【００１９】センサ８ｃ，８ａは試料台１４の下であれ
ばセンサｏからの距離は任意に設定できる。したがっ
て、圧電体６の内部および外部に配置することが可能で
ある。一方、自由端に探針を有するカンチレバー１の変
位を光学的に検出すべくプローブ変位検出部２が配設さ
れており、該プローブ変位検出部２の出力はカンチレバ
ーのＺ方向変位サーボ制御部３の入力に接続されてい
る。上記プローブ変位検出部２は、探針と試料１２との
間の相互作用によって生じるカンチレバー１の変位を光
学的に検出するものである。上記圧電体変位センサ８ａ
乃至８ｃの出力は、減算器９ａ，９ｂを介してＺ方向円
弧変位演算部１０の入力に接続されており、該Ｚ方向円
弧変位演算部１０の出力は、変位−電圧変換部１１の入
力に接続されている。そして、この圧電体変位センサ８
と演算器９とでＺ方向変位検出部が構成されている。

【００２０】この他、Ｘ，Ｙ信号走査部４の出力は電極
７を介して上記圧電体６に接続されており、上記Ｚ方向
変位サーボ制御部３、Ｘ，Ｙ信号走査部４の出力はＳＰ
Ｍ像表示装置５の入力に接続されている。さらに、上記
Ｚ方向変位サーボ制御部３の出力と上記変位−電圧変換
部１１の出力は減算器１５の入力に接続され、該減算器
１５の出力は電極７を介して上記圧電体６に接続されて
いる。

【００２１】このような構成において、プローブ変位検
出部２は、カンチレバー１の探針の変位を光学的及び電
気的に検出し、変位信号ＳｚをＺ方向変位サーボ制御部
３へと出力する。Ｚ方向変位サーボ制御部３では、試料
表面とカンチレバー１の探針先端を一定距離に保つよう
にフィードバック制御する。即ち、Ｚ方向変位サーボ制
御部３では、プローブ変位検出部２から探針の変位Ｓｚ
を検出し、設定したリファレンス値と比較して、その偏
差を内部の積分器で積分し、印加電圧Ｖｚ^*を生成し減
算器１５の一方の入力端に出力する。

【００２２】一方、Ｚ方向変位検出部では、圧電体変位
センサ８の出力から圧電体のＸ，Ｙ方向の実際の変位信
号Ｘｓ，Ｙｓを検出し、該変位信号Ｘｓ，ＹｓをＺ方向
湾曲変位演算部１０に出力する。即ち、図２に示される
ように、センサ８ａ乃至８ｃは、スキャナ端面のｏ，
ｘ，ｙの３点のＺ方向の各変位ｈｏ，ｈｘ，ｈｙをそれ
ぞれ検出し、減算器９ａ，９ｂへと出力する。そして、
減算器９ａでは、センサｏ（８ａ）の出力ｈｏとセンサ
ｘ（８ｂ）の出力ｈｘとの差分ｈｏ−ｈｘを算出し、減
算器９ｂでは、センサｏ（８ａ）の出力ｈｏとセンサｙ
（８ｃ）の出力ｈｙとの差分ｈｏ−ｈｙを算出する。そ
して、これら減算器９ａ，９ｂの出力がＺ方向円弧変位
演算部１０に入力される。

【００２３】続いて、Ｚ方向円弧変位演算部１０では、
上記センサ出力ｈｏ，ｈｘ，ｈｙ及びＸ，Ｙ変位センサ
からの変位検出値Ｓｘ，Ｓｙを用いて、図３に示される
Ｚ方向円弧変位誤差量Δｈを求める。

【００２４】即ち、センサｏ（８ａ）の出力をｈｏ、セ
ンサｘ（８ｂ）の出力をｈｘ、センサｙ（８ｃ）の出力
をｈｙ、スキャンｘ方向の変位換算値或いは変位検出値
をＳｘ、スキャンｙ方向の変位換算値或いは変位検出値
をＳｙ、センサｏとセンサｘ間の距離をＬｘ、センサｏ
とセンサｙ間の距離をＬｙとすると、Ｚ方向円弧変位誤
差量Δｈは次式により算出される。

【００２５】 Δｈ＝Δｈｘ＋Δｈｙ＝｜（ｈｏ−ｈｘ）・Ｓｘ｜／Ｌｘ＋｜（ｈｏ−ｈｙ）・Ｓｙ｜／Ｌｙ（１）圧電体６のＸ方向の変位ＳｘおよびＹ方向の変位Ｓｙ
は、図１ではＸＹ信号走査部４からの走査信号Ｖｘ，Ｖ
ｙから計算によって変位Ｓｘ，Ｓｙを求めているが、図
６、図７に記載したようなＸ変位センサ、Ｙ変位センサ
を用いて検出した実際の変位Ｓｘ，Ｓｙを使用すること
も可能である。

【００２６】こうして、変位−電圧変換部１１では、上
記（１）式で求めたＺ方向円弧変位誤差量Δｈを補正電
圧ΔＶに変換し、この補正電圧ΔＶをＺ方向変位サーボ
制御部３からの出力電圧Ｖｚ^*から減算器１５で減算
し、次式（２）で示される印加電圧Ｖｚを電極７を介し
て圧電体６に印加する。

【００２７】Ｖｚ＝Ｖｚ^*−ΔＶ（２）以上説明したように、本発明のＳＰＭでは、円筒型圧電
体スキャナのＸ，Ｙ平面にてスキャナの中心とＸ，Ｙ方
向に３か所にＺ方向の変位量を検出するセンサを設け、
その検出変位量とＸＹ方向の変位に基づいて、若しくは
予めたテーブルとＸＹ方向の変位に基づいて、補正量を
求め、Ｚ方向サーボ制御系からの印加電圧に補償量を加
え、Ｚ変位円弧誤差を補正する。即ち、圧電体スキャナ
にＺ方向の印加電圧を調整し、Ｚサーボ制御系で積極に
制御することによって、円筒型圧電体自由端の曲線の運
動によるＺ方向の測定誤差を補正する。

【００２８】このように第１の実施態様では圧電体スキ
ャナ６の円弧変位によるＺ方向の変位誤差を演算し、補
正電圧に変換して電極７へ印加してフィードバック制御
を行っているから、Ｚ方向円弧変位誤差を除去すること
ができる。この特徴は種々のＳＰＭへ適用可能である。
たとえば、図１ではＸＹ信号走査部４からの走査信号Ｖ
ｘ，Ｖｙから走査位置を求めるタイプのＳＰＭである
が、圧電体６のＸＹ位置をＸＹ変位センサＳｘ，Ｓｙで
正確に検出するタイプのＳＰＭたとえば従来例の説明で
使用した図７のＳＰＭ装置と組み合わせて使用すること
もできることは勿論である。

【００２９】次に図４には第２の実施の形態に係るＳＰ
Ｍの構成を示して説明する。同図に示されるように、圧
電体６の所定位置には電極７が配設されており、さら
に、該圧電体６の自由端には試料１２を搭載するための
試料台１４が配設されている。また、自由端に探針を有
するカンチレバー１はプローブ変位検出部２に接続さ
れ、該プローブ変位検出部２の出力はカンチレバー１の
Ｚ方向変位サーボ制御部３の入力に接続されている。上
記プローブ変位検出部２は探針と試料との間の相互作用
によって生じる上記カンチレバー１の変位を光学的に検
出するものである。

【００３０】一方、Ｘ，Ｙ信号走査部４の出力は上記電
極７を介して圧電体６に接続されており、上記Ｚ方向変
位サーボ制御部３の出力は減算器１５の一方の入力端に
接続されている。更に、上記Ｘ，Ｙ信号走査部４の出力
はＺ方向円弧変位補正テーブル１８を有するＺ方向円弧
変位誤差演算部２０及びＳＰＭ像表示装置５の入力に接
続されており、このＺ方向円弧変位誤差演算部２０の出
力は変位−電圧変換部１１を介して上記減算器１５の他
の入力端に接続されている。そして、この減算器の出力
は電極７を介して圧電体６に接続されている。

【００３１】このような構成において、プローブ変位検
出部２は、カンチレバー１の探針の変位を光学的及び電
気的に検出し、変位信号ＳｚをＺ方向変位サーボ制御部
３へと出力する。Ｚ方向変位サーボ制御部３は、試料表
面とカンチレバー１の探針先端を一定距離に保つように
フィードバック制御する。即ち、プローブ変位検出部２
からの探針の変位Ｓｚを検出し、該変位Ｓｚを予め設定
されたリファレンス値と比較して、その偏差を内部の積
分器で積分し、印加電圧Ｖｚ^*を生成する。

【００３２】続いて、図４（ｂ）に示すように、Ｚ方向
円弧変位誤差演算部２０では、予め定めたスキャナの
Ｘ，Ｙ方向の印加電圧とＺ方向円弧誤差補正量との関係
を示すＺ方向円弧変位補正テーブル１８に基づいて、
Ｘ，Ｙ方向の印加電圧に応じてＺ方向円弧変位誤差量Δ
ｈを求める。変位−電圧変換部１１は、このＺ方向円弧
変位誤差量Δｈを補正電圧ΔＶに変換する。そして、減
算器１５では、この補正電圧ΔＶをＺサーボ制御からの
出力電圧Ｖｚ^*より減算し、印加電圧Ｖｚ（＝Ｖｚ^*−Δ
Ｖ）として電極７を介して圧電体６に印加する。

【００３３】ここで、図５（ａ）には円筒型圧電体の走
査状態と、Ｘ方向の走査波形と、Ｚ方向の円弧による変
位との関係を示し説明する。尚、同図の上段は円筒型圧
電体の走査状態を示し、中段はＸ方向の走査波形を示
し、下段はＺ方向の円弧による変位を示している。同図
に示されるように、円筒型圧電体の走査状態がＸ方向に
左右最大となったときに、Ｚ方向の円弧による変位も最
大となる。尚、この図５（ａ）に示される中段及び下段
の波形は先に示した図９の波形Ａ，Ｂにそれぞれ対応す
るものである。そして、この図５（ａ）の関係を基に作
成したのが、図５（ｂ）に示されるＸ方向の走査電圧と
Ｚ方向円弧誤差補正量との関係を示すテーブルである。
尚、同様の手法により、Ｙ方向の走査電圧とＺ方向円弧
誤差補正量との関係を示すテーブルも作成され予め用意
されることになる。

【００３４】このように、第２の実施の形態に係るＳＰ
Ｍによれば、スキャナの円弧移動によるカンチレバーの
探針が所在位置のＺ方向の変位誤差を各走査点の補正電
圧により該変位誤差を無くすため、画像上の歪みが生じ
なく、試料段差の測定誤差も抑える。また、走査範囲を
犠牲にせずに、スキャナを長くしないでもよいので、Ｚ
方向の高い剛性が保たれるといった利点がある。

【００３５】次に図６には第３の実施の形態に係るＳＰ
Ｍの構成を示して説明する。同図に示されるように、圧
電体６の所定位置には電極７が配設されており、さら
に、該圧電体６の自由端には試料１２を搭載するための
試料台１４が配設されている。また、上記圧電体６に
は、Ｘ変位センサ１６及びＹ変位センサ１７が配設され
ている。一方、自由端に探針を有するカンチレバー１は
プローブ変位検出部２に接続され、該プローブ変位検出
部２の出力はカンチレバー１のＺ方向変位サーボ制御部
３に接続されている。上記プローブ変位検出部２は探針
と試料との間の相互作用によって生じるカンチレバー１
の変位を光学的に検出するものである。上記Ｘ，Ｙ変位
センサ１６，１７の出力はＺ方向円弧変位補正テーブル
１８を有するＺ方向円弧変位誤差演算部２０及びＳＰＭ
像表示装置５の入力に接続されており、このＺ方向円弧
変位補正テーブル１８の出力は変位−電圧変換部１１を
介して減算器１５の入力に接続されている。上記カンチ
レバーのＺ方向変位サーボ制御部３の出力は上記減算器
１５の他の入力に接続されると共に、ＳＰＭ像表示装置
５の入力にも接続される。そして、上記減算器１５の出
力は電極７を介して圧電体６に接続されている。

【００３６】このような構成において、プローブ変位検
出部２は、カンチレバー１の探針の変位を光学的及び電
気的に検出し、変位信号ＳｚをＺ変位サーボ制御部３へ
出力する。Ｚ変位サーボ制御部３は、試料表面とカンチ
レバー１の探針先端を一定距離に保つようにフィードバ
ック制御する。プローブ変位検出部２から探針の変位Ｓ
ｚを検出し、設定したリファレンス値と比較して、その
偏差を内部の積分器で積分し、印加電圧Ｖｚ^*を生成す
る。

【００３７】Ｚ方向円弧変位誤差演算部２０では、図６
（ｂ）に示すように、Ｘ，Ｙ変位センサから圧電体の
Ｘ，Ｙ方向の実際変位Ｘｓ，Ｙｓを受け、この変位信号
Ｓｘ，ＳｙとＺ方向円弧変位誤差量のテーブルとに基づ
いて、Ｘ，Ｙ方向の変位に応じたＺ方向円弧変位誤差量
Δｈを求める。そして、変位−電圧変換部１１では、こ
の求めたＺ方向円弧変位誤差量Δｈを補正電圧ΔＶに変
換し、該補正電圧ΔＶをＺ方向変位サーボ制御部３から
の出力電圧Ｖｚ^*より減算し、印加電圧Ｖｚとして電極
７を介して圧電体６に印加し、Ｚ方向の変位を適正に制
御する。

【００３８】このように、第３の実施の形態に係るＳＰ
Ｍでは、予めたスキャナのＸ，Ｙ方向の変位量とＺ方向
円弧変位誤差量テーブルから補正電圧を求め、それによ
りＺ方向円弧変位誤差を無くする。その結果、画像上の
歪みが生じなく、試料の測定誤差も抑えられる。また、
走査範囲が犠牲にならずに、スキャナを長くしなくても
よいので、Ｚ方向の高い剛性が保たれる。

【００３９】その結果、本発明によれば、画像上に歪み
が生じることもなく、試料段差の測定誤差も抑えること
ができる。特に、走査範囲が大きい場合においても、Ｚ
方向における大きな測定誤差を避けられる。また、走査
範囲が犠牲せず、スキャナを長くすることもなく、Ｚ方
向の高い剛性を保つことができる。

【００４０】尚、本発明の上記実施態様には、以下の発
明も含まれる。（１）円筒型圧電体スキャナと、上記円筒型圧電体スキ
ャナの主走査方向であるＸ方向及び副走査方向であるＹ
方向に垂直な方向であるＺ方向の変位を検出するＺ方向
変位検出手段と、上記スキャナのＸ，Ｙ方向の変位を検
出するＸ，Ｙ方向変位検出手段と、上記スキャナの円弧
走査によるＺ方向の円弧変位量を算出する円弧変位量算
出手段と、上記円弧変位量を補正電圧に変換する変換手
段と、上記補正電圧を印加電圧に加算する加算手段と、
を備えることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。（２）上記Ｚ方向変位検出手段が、その変位量を検出す
べく、スキャナの自由端のＸ−Ｙ平面において、スキャ
ナの中心位置とＸ方向、Ｙ方向の所定位置に配設された
３つのセンサを有することを特徴とする上記（１）に記
載の走査型プローブ顕微鏡。（３）上記円弧変位量算出手段が、スキャナのＸ，Ｙ，
Ｚの３次元方向の変位検出量に基づいてリアルタイムで
円弧変位量を算出することを特徴とする上記（１）に記
載の走査型プローブ顕微鏡。（４）上記円弧変位量算出手段が、スキャナのＸ，Ｙ方
向の変位検出量に係る補正電圧テーブルを用いることを
特徴とする上記（１）に記載の走査型プローブ顕微鏡。（５）上記円弧変位量算出手段が、スキャナのＸ，Ｙ方
向の印加電圧に係る補正電圧テーブルを用いることを特
徴とする上記（１）に記載の走査型プローブ顕微鏡。

【００４１】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
走査範囲が大きい場合においてもＺ方向における大きな
測定誤差を避けることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係るＳＰＭの構成
を示す図である。

【図２】圧電変位センサ８の配置関係を詳細に示す図で
ある。

【図３】Ｚ方向円弧変位誤差量Δｈを示す図である。

【図４】本発明の第２の実施の形態に係るＳＰＭの構成
を示す図である。

【図５】（ａ）は円筒型圧電体の走査状態と、Ｘ方向の
走査波形と、Ｚ方向の円弧による変位との関係を示し、
（ｂ）はＸ方向の走査電圧とＺ方向円弧誤差補正量との
関係に係るテーブルを示す図であｒ。

【図６】本発明の第３の実施の形態に係るＳＰＭの構成
を示す図である。

【図７】従来技術に係るＳＰＭの構成の一例を示す図で
ある。

【図８】円筒型圧電体スキャナの変位による円弧誤差Δ
ｈを示す図である。

【図９】従来技術の長さ８０ｍｍ、直径９．２ｍｍの円
筒型圧電体がＸ方向に走査する時のＺ方向変位の実測値
を示す図である。

【符号の説明】

１カンチレバー２プローブ変位検出部３Ｚ方向変位制御部４Ｘ，Ｙ信号走査部５ＳＰＭ像表示装置６圧電体７電極８圧電体変位センサ９減算器１０Ｚ方向湾曲変位演算部１１変位−電圧変換部１２試料１３スキャナ１４試料台１５減算器１６Ｘ変位センサ１７Ｙ変位センサ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料に対して走査部材を相対的に走査す
べく３次元方向に駆動自在の圧電体スキャナと、上記圧電体スキャナの自由端の平面において、該スキャ
ナの中心に配設したセンサと、当該中心を中心角として
直角となるように配設した２つのセンサとを有し、上記
圧電体スキャナの主走査方向及び副走査方向に対して垂
直な方向の変位量を検出する変位検出手段と、上記変位検出手段により検出された変位量に基づいて、
上記圧電体スキャナの円弧走査による上記主走査及び副
走査方向に対して垂直な方向の円弧変位量を算出する円
弧変位量算出手段と、上記円弧変位量算出手段により算出された円弧変位量を
補正電圧に変換する変換手段と、上記変換手段により変換された補正電圧に基づいて上記
圧電体スキャナへの印加電圧を演算する演算手段と、を
具備することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】試料に対して走査部材を相対的に走査す
べく３次元方向に駆動自在の圧電体スキャナと、上記圧電体スキャナの主走査及び副走査方向の印加電圧
に基づいて、補正電圧テーブルを用いて、上記圧電体ス
キャナの円弧走査による上記主走査及び副走査方向に対
して垂直な方向の円弧変位量を算出する円弧変位量算出
手段と、上記円弧変位量算出手段により算出された円弧変位量を
補正電圧に変換する変換手段と、上記変換手段により変換された補正電圧に基づいて上記
圧電体スキャナへの印加電圧を演算する演算手段と、を
具備することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】試料に対して走査部材を相対的に走査す
べく３次元方向に駆動自在の圧電体スキャナと、上記圧電体スキャナの主走査方向の変位を検出する第１
の検出手段と、上記圧電体スキャナの副走査方向の変位を検出する第２
の検出手段と、上記圧電体スキャナの円弧走査による上記主走査及び副
走査方向に対して垂直な方向の円弧変位量を、補正電圧
テーブルを用いて、上記第１及び第２の検出手段により
検出された圧電体スキャナの主走査及び副走査方向の変
位検出量に基づいて算出する円弧変位量算出手段と、上記円弧変位量算出手段により算出された円弧変位量を
補正電圧に変換する変換手段と、上記変換手段により変換された補正電圧に基づいて上記
圧電体スキャナへの印加電圧を演算する演算手段と、を
具備することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。