JPH11264833A - 走査型プローブ顕微鏡及びそのプローブ駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 試料表面の狭い領域を観察する場合であって
も、駆動部のヒステリシス等を適切に補正しつつプロー
ブを滑らかに駆動し、歪みやノイズのない測定データを
得る。 【解決手段】 制御部５９は、試料表面の測定を開始す
る度に当該測定に先立って、当該測定において行おうと
する所望の移動パターンに近いパターンでプローブ１が
Ｘ方向及びＹ方向に移動されるように、Ｘ，Ｙ方向駆動
用圧電素子６，７に駆動信号を供給する。このとき、当
該供給した駆動信号に応じたプローブ１の変位を２分割
フォトディテクタ１２，１５により計測する。この計測
結果に基づいて、前記駆動信号とプローブ１の変位との
関係を示す近似式を求める。当該試料表面の測定におい
て、前記近似式から求めた駆動信号であって前記所望の
移動パターンを実現するための駆動信号を、圧電素子
６，７に供給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、走査型プローブ顕
微鏡及びそのプローブ駆動方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡は、プローブと試
料表面とを相対的に移動させて前記試料表面の所定の情
報を得る測定を行う。例えば、原子間力顕微鏡では、先
端に鋭い探針を持つ微少なカンチレバーをプローブとし
て用い、このカンチレバーを試料表面に接触又は近接さ
せ、カンチレバーと試料とを相対的に走査したとき、試
料の３次元形状によりプローブ先端に作用する力の変化
により起こるカンチレバーの撓みの変化を検出すること
により、試料の表面形状を高分解能で観察できる。

【０００３】従来から、走査型プローブ顕微鏡では、プ
ローブの走査のためにプローブを試料表面に対して相対
的に移動させる駆動部として、圧電素子が広く使われて
きた。この圧電素子は電圧を印加すると、内部応力に変
化が生じ、当該素子が変形する。その素子変形はオング
ストロームの位置決めの再現性があるが、印加電圧の範
囲に応じて単位変位量が変化したり、印加電圧に対しヒ
ステリシスを持ったりする。そのため、従来から、走査
型プローブ顕微鏡では、プローブをリニアに駆動するこ
とが難しく、得られるＳＰＭ像は歪みを持つことが多か
った。そこで、このような圧電素子の特性に鑑みて、次
の２つの技術が提案されている。

【０００４】第１に、印加電圧の範囲に応じて圧電素子
の単位変位量が変化することに鑑み、圧電素子に印加す
る電圧の範囲の振幅と印加電圧の範囲に含まれる基準電
圧を変数として単位電圧当たりの変位量を決定する近似
式を予め設定し、目標変位を発生するための印加電圧の
大きさを、前記近似式において前記基準電圧を与えるこ
とにより決定する圧電素子の駆動方法が提案されている
（特開平５−３５３３４号公報、米国特許第５，３８
４，５０７号公報）。

【０００５】第２に、圧電素子の変位を光学的あるいは
歪みセンサ等により計測し、その計測された変位が所望
の変位となるように圧電素子に対してフィードバック制
御を行い、圧電素子をリニアに駆動する技術が提案され
ている（米国特許第５，２１０，４１０号公報）。

【０００６】ところで、走査型プローブ顕微鏡が広く使
われている工業分野では、特に半導体分野では、溝やト
レンチの側壁など垂直に近い試料の形状を測定する必要
性が増大している。そこで、プローブと真横にある試料
との相互作用力を検出し、縦方向（試料表面と略垂直な
方向）のみならず横方向（試料表面と略平行な方向）の
移動に対してもフィードバックをかけながら試料の上面
のみならず側面をも正確にトレースする原子間力顕微鏡
の技術が報告されている（Yves Martin and H.Krmar Wi
ckramasinghe, Appl. Phys. Lett. 64 (19), 9 May 199
4, "Method for imaging sidewalls by atomic force m
icroscopy"）。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】前述した第１の技術で
は、圧電素子への印加電圧の範囲の振幅と印加電圧の範
囲に含まれる基準電圧を変数として単位電圧当たりの変
位量を決定する近似式を一旦設定した後には、試料表面
の測定の際に毎回常に同じ近似式から目標変位を発生す
るための印加電圧の大きさを決定している。ところが、
圧電素子に印加する電圧の範囲の振幅と印加電圧範囲に
含まれる基準電圧（いわゆる印加電圧範囲のオフセッ
ト）が同一であっても、経時変化やそれまで当該圧電素
子に印加されてきた印加電圧の履歴によって圧電素子の
変位が異なる。したがって、前述した第１の技術では、
圧電素子の経時変化や印加電圧の履歴によって圧電素子
の変位量に誤差が生じ、試料表面の測定像に歪みが生じ
てしまう。また、前述した第１の技術では、圧電素子に
印加する電圧の範囲の振幅と印加電圧の範囲に含まれる
基準電圧を変数として単位電圧当たりの変位量を決定す
る近似式を用いているため、圧電素子に印加する電圧の
範囲の振幅と印加電圧の範囲に含まれる基準電圧であれ
ば、その印加電圧の範囲では印加電圧に応じてリニアに
圧電素子が変位するものとみなしており、ヒステリシス
の影響を精度良く取り除くことができない。さらに、印
加電圧の周波数によってもヒステリシスループが異なり
圧電素子の変位が異なるが、前述した第１の技術では、
圧電素子に印加する電圧の範囲の振幅と印加電圧の範囲
に含まれる基準電圧を変数として単位電圧当たりの変位
量を決定する近似式を用いているため、印加電圧の周波
数の変位によって圧電素子の変位量に誤差が生じ、試料
表面の測定像に歪みが生じてしまう。

【０００８】前述した第２の技術では、センサにより計
測された圧電素子の変位が所望の変位となるように圧電
素子に対してフィードバック制御を行っているので、前
記第１の技術で生ずる前述した問題は生じない。

【０００９】しかしながら、前述した第２の技術では、
試料表面の狭い領域（約１μｍ以下）を観察しようとす
るときに問題があった。それは、圧電素子の変位を計測
するセンサのノイズが変位に換算して約数ｎｍ程度ある
ため、１ラインの走査中５００点程度データを測定する
ＳＰＭの場合、走査範囲が１μｍ以下になると、各測定
点の間隔がセンサのノイズレベルと同じになってしま
う。このノイズを含んだセンサからの信号に基づいてフ
ィードバック制御を行うと制御が不安定になり、制御が
発振してしまう。図１１はこの状態を示している。図１
１において、曲線は理想的な制御信号の例を示し、折れ
線は実際の制御信号を示している。圧電素子は、印加さ
れた電圧に対し変位にヒステリシスがある。つまり、電
圧を印加し始めたときには圧電素子の変位は少なく、そ
の後急激に変位が大きくなる。そのため、前記第２の技
術によれば、そのヒステリシスを補正し、圧電素子をリ
ニアに駆動するための電圧は、始め急激に印加電圧を増
やし圧電素子を強制的に変位させた後、印加電圧を緩や
かに増加させ、圧電素子の変位を抑えることになる。こ
のため、図１１に示すように理想的な制御曲線は上に凸
の曲線となる。しかし、実際に圧電素子を狭い領域（１
μｍ以下）で駆動する場合、前述したようにセンサから
のノイズが実際の駆動の制御間隔と等しいレベルとなる
ため、そのノイズにより図１１中の折れ線のように実際
の制御は不安定となる。そのため、前述した第２の技術
では、試料表面の狭い領域を観察する場合、得られるＳ
ＰＭ像はノイズを多く含んだ不鮮明な像となってしま
う。

【００１０】従来技術の一つとして前述した、試料表面
の急峻な側壁をイメージングするために、プローブに作
用する力に基づいてプローブと試料との相対的な移動に
関して縦方向のみならず横方向の移動に対してもフィー
ドバックをかける走査型プローブ顕微鏡においても、プ
ローブを試料表面に対して相対的に移動させる駆動部と
して圧電素子が用いられている。このような走査型プロ
ーブ顕微鏡では、プローブに作用する力に基づいて横方
向の移動を行う圧電素子をフィードバック制御している
ので、当該圧電素子の変位をセンサにより計測してその
計測された変位に基づいて当該圧電素子に対してフィー
ドバックをかけることはできず、前述した第２の技術を
適用することは不可能である。そのため、このような走
査型プローブ顕微鏡では、得られる画像は圧電素子のヒ
ステリシス等の影響を含んだものとなっていた。

【００１１】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たもので、試料表面の狭い領域を観察する場合であって
も、駆動部のヒステリシス等を適切に補正しつつプロー
ブを滑らかに駆動することができ、歪みやノイズのない
測定データを得ることができる走査型プローブ顕微鏡及
びそのプローブ駆動方法を提供することを目的とする。

【００１２】また、本発明は、駆動部のヒステリシス等
の影響のない測定データを得ることができる、プローブ
に作用する力に基づいてプローブと試料表面との相対的
な移動に関して縦方向のみならず横方向の移動に対して
も制御する走査型プローブ顕微鏡を提供することを目的
とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、本発明の第１の態様による走査型プローブ顕微鏡の
プローブ駆動方法は、プローブと試料表面とを相対的に
移動させて前記試料表面の所定の情報を得る測定を行う
走査型プローブ顕微鏡において、供給された駆動信号に
応答して前記プローブと前記試料表面とを前記試料表面
と略平行な所定方向に相対的に移動させる駆動部を用
い、前記プローブと前記試料表面とを前記所定方向に相
対的に移動させるプローブ駆動方法であって、（ａ）前
記測定を開始する度に当該測定に先立って、前記プロー
ブと前記試料表面とが当該測定において行おうとする所
望の移動パターンに近いパターンで前記所定方向に相対
的に移動されるように、前記駆動部に駆動信号を供給し
つつ、当該供給した駆動信号に応じた前記プローブの相
対的な変位を計測し、（ｂ）当該測定に先立って、前記
計測された変位に基づいて、前記駆動信号と前記プロー
ブの相対的な変位との関係を示す近似式を求め、（ｃ）
当該測定において、前記近似式から求めた駆動信号であ
って前記所望の移動パターンを実現するための駆動信号
を、前記駆動部に供給するものである。

【００１４】この第１の態様によれば、試料表面の測定
の度に、当該測定に先立って、当該測定において行おう
とする所望の移動パターンに近い移動パターン（例え
ば、周波数、振幅、オフセット）でプローブと試料表面
とが試料表面と略平行な所定方向に相対的に移動され、
駆動部に印加した駆動信号に応じたプローブの相対的な
変位が計測され、この計測に基づいて、駆動信号とプロ
ーブの相対的な変位との関係を示す近似式が求められ
る。そして、試料表面の当該測定においては、この近似
式から求めた前記所望の移動パターンを実現するための
駆動信号が駆動部に供給される。このように、試料表面
の測定の度に当該測定に先立って実測した駆動信号に応
じたプローブの相対的な変位から求めた近似式に基づい
て得た駆動信号が、試料表面の当該測定において駆動部
に供給される。このため、前記第１の態様によれば、駆
動部が、ヒステリシスを持っていたり、駆動信号の振幅
や、駆動信号のオフセットや、経年変化や、駆動信号の
周波数や、それまでに供給した駆動信号の履歴などによ
り、変位が異なる特性を持っていても、試料表面の測定
においてはこれらの影響を受けない適切なプローブの駆
動を達成することができ、駆動部のヒステリシス等の影
響のない試料表面の測定データを得ることができる。そ
して、前記第１の態様によれば、計測したプローブの相
対的な変位を試料表面の測定において直接駆動部の制御
に用いるのではなく、計測したプローブの相対的な変位
から一旦前記近似式を求め、この近似式を基づいて駆動
部を制御している。このため、試料表面の狭い範囲を観
察する場合であっても、試料表面の測定において制御が
不安定になるようなことがなく、プローブを滑らかに駆
動することができ、ノイズのない試料表面の測定データ
を得ることができる。

【００１５】本発明の第２の態様による走査型プローブ
顕微鏡は、プローブと試料表面とを相対的に移動させて
前記試料表面の所定の情報を得る測定を行う走査型プロ
ーブ顕微鏡において、供給された駆動信号に応答して前
記プローブと前記試料表面とを前記試料表面と略平行な
所定方向に相対的に移動させる駆動部と、前記プローブ
の前記試料表面に対する前記所定方向への相対的な変位
を計測する変位計測部と、前記測定を開始する度に当該
測定に先立って、前記プローブと前記試料表面とが、当
該測定において行おうとする所望の移動パターンに近い
パターンで前記所定方向に相対的に移動されるように、
前記駆動部に駆動信号を供給する第１の制御部と、前記
第１の制御部から前記駆動部に供給された駆動信号に対
応した前記変位計測部により計測された変位に基づい
て、前記駆動信号と前記計測された変位との関係を示す
近似式を求める近似式算出部と、当該測定において、前
記近似式から求めた駆動信号であって前記所望の移動パ
ターンを実現するための駆動信号を、前記駆動部に供給
する第２の制御部と、を備えたものである。

【００１６】この第２の態様による走査型プローブ顕微
鏡は、前記第１の態様によるプローブ駆動方法を達成す
るものであり、前記第１の態様と同様の利点が得られ
る。

【００１７】本発明の第３の態様による走査型プローブ
顕微鏡は、前記第２の態様による走査型プローブ顕微鏡
において、前記駆動部が圧電素子を有し、前記駆動信号
が前記圧電素子への印加電圧であるものである。

【００１８】前記第２の態様や前記第１の態様の場合、
この第３の態様のように前記駆動部が圧電素子である場
合に特に有効であるが、前記駆動部は必ずしも圧電素子
に限定されるものではない。

【００１９】本発明の第４の態様による走査型プローブ
顕微鏡は、プローブと試料表面とを相対的に移動させて
前記試料表面の所定の情報を得る測定を行う走査型プロ
ーブ顕微鏡であって、前記プローブに作用する力を検出
し、当該検出された力に基づいて、前記プローブの前記
試料表面に対する前記試料平面と略垂直な第１の方向へ
の相対的な移動及び前記プローブの前記試料表面に対す
る前記試料平面と略平行な前記第２の方向への相対的な
移動を制御する走査型プローブ顕微鏡において、前記プ
ローブの前記試料表面に対する前記第１の方向への相対
的な変位を計測する第１の変位計測部と、前記プローブ
の前記試料表面に対する前記第２の方向への相対的な変
位を計測する第２の変位計測部と、を備え、前記第１の
変位計測部により計測された変位に相当するデータ及び
第２の変位計測部により計測された変位に相当するデー
タを測定データの一部として用いるものである。

【００２０】この第４の態様によれば、プローブの試料
表面に対する縦方向（第１の方向）への相対的な変位が
第１の変位計測部により計測され、プローブの試料表面
に対する横方向（第２の方向）への相対的な変位が第２
の計測部により計測され、これらの計測された変位に相
当するデータが試料表面の測定データの一部として用い
られる。このため、プローブに作用する力に基づいてプ
ローブと試料表面との相対的な移動に関して縦方向のみ
ならず横方向の移動に対しても制御しているにも関わら
ず、駆動部のヒステリシス等の影響のない測定データを
得ることができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明による走査型プロー
ブ顕微鏡及びそのプローブ駆動方法について、図面を参
照して説明する。

【００２２】（第１の実施の形態）まず、本発明の第１
の実施の形態による走査型プローブ顕微鏡について、図
１乃至図５を参照して説明する。

【００２３】図１は、本実施の形態による走査型プロー
ブ顕微鏡を示す概略構成図である。図２は本実施の形態
による走査型プローブ顕微鏡のプローブ駆動装置２の動
作原理を示す図であり、図２（ａ）はそのプローブ駆動
装置２の２軸平行ばね３の概念斜視図、図２（ｂ）は２
軸平行ばね３を上から見た図である。図３は、本実施の
形態による走査型プローブ顕微鏡のプローブ装置の他の
動作原理を示す概念斜視図である。説明の便宜上、これ
らの図に示すように、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ
軸を定義する（後述する他の図も同様）。ＸＹ平面が試
料表面（図示せず）と略平行な面、Ｚ方向が試料表面と
略垂直な方向となる。なお、本実施の形態による走査型
プローブ顕微鏡は、原子間力顕微鏡として構成されてい
る。

【００２４】本実施の形態による走査型プローブ顕微鏡
は、図１に示すように、通常の原子間力顕微鏡において
用いられる先端側に探針１ａを有するカンチレバーとし
て構成されたプローブ１と、該プローブ１をＸ方向、Ｙ
方向及びＺ方向に移動させるプローブ駆動装置２とを有
している。

【００２５】プローブ駆動装置２は、図１乃至図３に示
すように、第１の変位部材である２軸平行ばね３と、第
２の変位部材である縦方向平行ばね４と、支持基材５
と、Ｘ方向駆動用の駆動部としてのＸ方向用積層型圧電
素子６（本実施の形態では、駆動力発生装置となってい
る。）と、Ｙ方向駆動用の駆動部としてのＹ方向用積層
型圧電素子７（本実施の形態では、駆動力発生装置とな
っている。）と、Ｚ方向駆動用の駆動部としてのＺ方向
用積層型圧電素子８（本実施の形態では、駆動力発生装
置となっている。）とを有している。図１中、２０は支
持基材５を支持するマイクロメータである。

【００２６】また、本実施の形態による走査型プローブ
顕微鏡は、プローブ１の撓みを検出する光てこ法による
光源９及び２分割フォトディテクタ１０と、Ｘ方向用積
層型圧電素子６による駆動量を計測することによりプロ
ーブ１のＸ方向の変位を計測する変位計測部としての、
光てこ法による光源１１、２分割フォトディテクタ１２
及びミラー１３と、Ｙ方向用積層型圧電素子７による駆
動量を計測することによりプローブ１のＹ方向の変位を
計測する変位計測部としての、光てこ法による光源１
４、２分割フォトディテクタ１５及びミラー１６と、Ｚ
方向用積層型圧電素子８による駆動量を計測することに
よりプローブ１のＺ方向の変位を計測する変位計測部と
しての、光てこ法による光源１７、２分割フォトディテ
クタ１８及びミラー１９と、を有している。前記光源１
１，１４，１７及び２分割フォトディテクタ１２，１
５，１８は支持基材５に固定されている。一方、ミラー
１３，１６，１９は２軸平行ばね３を構成する後述する
部材２４，２３及び縦方向平行ばね４の後述する突起部
３６にそれぞれ設けられている。２軸平行ばね３の先端
（自由端）には、プローブ１とそのプローブ１の撓みを
検出するための光源９及び２分割フォトディテクタ１０
が位置調整されて固定されている。光源９，１１，１
４，１７としては、半導体レーザやＬＥＤ等が使用可能
であるが、本実施の形態では、より指向性の良い半導体
レーザを使用している。

【００２７】前記２軸平行ばね３は、金属板、例えば、
剛性の高い金属であるステンレスからなる板や、軽量の
アルミや、軽量かつ剛性に富むチタンなどを、例えばワ
イヤーカット法により形成した略々正方形の枠状の構造
を有している。２軸平行ばね３の固定端３０は、２軸平
行ばね３と同様の材料と方法により略々正方形の枠状に
形成した、縦方向平行ばね４の自由端により支持されて
おり、縦方向平行ばね４の他端（固定端）は支持基材５
に固定されている。

【００２８】前記２軸平行ばね３と縦方向平行ばね４を
駆動するための前記圧電素子６，７，８は、図１に示す
ように、それぞれの平行ばね３，４と支持基材５との間
に挟み込まれている。後に詳細に説明するが、圧電素子
６が伸張すると、２軸平行ばね３がＸ方向に押され、そ
れにより２軸平行ばね３が変形してプローブ１がＸ方向
に変位する。圧電素子７が伸張すると、２軸平行ばね３
がＹ方向に押され、それにより２軸平行ばね３が変形し
てプローブ１がＹ方向に変位する。圧電素子８が伸張す
ると、縦方向平行ばね４がＺ方向に押され、それにより
縦方向平行ばね４が変形してプローブ１がＺ方向に変位
する。いずれの圧電素子６，７，８も、２軸平行ばね３
及び縦方向平行ばね４とは固着されておらず、当接され
ているのみである。よって、圧電素子６，７，８が縮小
した場合には、２軸平行ばね３及び縦方向平行ばね４
は、自己の弾性力により元の位置に戻る。

【００２９】ここで、２軸平行ばね３について、図２を
参照して詳細に説明する。なお、図２においては、圧電
素子６，７，８や光てこ法による検出系９〜１９は示し
ていない。図２において、２１〜２４は４つの曲げ剛性
の強い部材であり、２５〜２９は、部材２１〜２４の端
部に設けられた曲げ剛性の弱いヒンジ部である。また、
３０は２軸平行ばね３の固定端、３１は圧電素子６によ
って発生する力の方向、３２はこの力によるプローブ１
０の移動方向を示している。

【００３０】この２軸平行ばね３においては、４つの曲
げ剛性の高い部材２１〜２４によって枠が形成され、当
該枠は正方形の１角が削られて５角形となった形状をし
ている。そして、削られた１角が固定端３０となり、そ
れと相対する角が自由端となっている。その自由端にプ
ローブ１が取り付けられている。図面には示していない
が、Ｘ方向駆動用の圧電素子６の一端及びＹ方向駆動用
の圧電素子７の一端は、前記部材２１〜２４のうち、固
定端３０に近い部材２４，２３にそれぞれ当接してい
る。

【００３１】図２（ａ）において、圧電素子６により発
生する力３１を、部材２４に垂直な方向（Ｘ方向）によ
り加えると、２軸平行ばね３は実線で示した形状から各
５つのヒンジ部２５〜２９を中心に機械てこ部分（部材
２１〜２４）が回転運動し、図中の破線の形状に変形す
る。このとき、２軸平行ばね３の自由端に設けられたプ
ローブ１は図中矢印３２の方向に駆動される。このと
き、部材２３は、後に述べる理由のためほとんど変位せ
ず、部材２４はヒンジ部２９を中心に回転し、部材２２
はヒンジ部２７を中心に回転し、部材２１は力３１の方
向に略平行に移動するような変形をする。よって、プロ
ーブ１は、力３１の方向と同じ方向（Ｘ方向）に移動す
る。プローブ１の移動軌跡は、厳密に言えば、緩やかな
円弧を描くが、その変位が微小であるため直線とみなす
ことができる。

【００３２】ここで、圧電素子６による力を２軸平行ば
ね３の固定端３０付近に加えると、てこの原理により、
てこの変位端は大きく変位するため、結果としてプロー
ブ１の駆動量を大きくすることができる。

【００３３】また、圧電素子７による力を、部材２３に
垂直な方向（Ｙ方向）から当該部材２３に加えた場合、
同様の理由により、プローブ１はＹ方向に移動する。

【００３４】このように、変位部材である２軸平行ばね
３は、固定端３０の中心と自由端の中心とを結ぶ線に対
して軸対称となっているため、部材２３と部材２４に力
が加えられた場合に、それぞれ場合のプローブ１の変位
に干渉がない。それゆえ、このような平行ばねを２軸平
行ばねと呼んでいる。

【００３５】なお、２軸平行ばね３の部材２３，２４の
固定端３０に近い方のヒンジ部２８，２９は、その他の
ヒンジ部２５，２６，２７に比べて強い弾性を持つよう
に設計されている。このため、圧電素子６により部材２
４に加えられた駆動力の大部分は、２軸平行ばね３の固
定端３０に近い方のヒンジ部２９により受け止められ、
圧電素子７により部材２３に加えられた駆動力の大部分
は、２軸平行ばね３の固定端３０に近い方のヒンジ部２
８により受け止められる。このように設計することによ
り、圧電素子６により部材２４に力が加わった場合にお
いては、部材２３はほとんど変位せず、プローブ１の変
位はＸ方向に限られる。同様に、圧電素子７により部材
２３に力が加わった場合においては、部材２４はほとん
ど変位せず、プローブ１の変位はＹ方向に限られる。

【００３６】次に、図２（ｂ）を参照して、圧電素子
６，７による２軸平行ばね３の駆動量、すなわち、プロ
ーブ１のＸ方向の変位及びＹ方向の変位を計測する原理
について説明する。２軸平行ばね３の支持端（固定端）
３０に近い方の２つの部材２４，２３にそれぞれミラー
１３，１６が設けられている（図２（ｂ）では、ミラー
１６は省略されている。）。圧電素子６による駆動力に
より部材２４が回転運動を起こすと、図２（ｂ）中の破
線で示すように、ミラー１３も同時に傾く。そのミラー
１３に光源１１からの光３３を入射させ、反射光３４を
２分割フォトディテクタ１２に入射させる。２分割フォ
トディテクタ１２は、分割された各受光面に入射する光
量を引き算することにより入射光の重心の位置を検出す
ることができる。機械てこ２４が駆動され、ミラー１３
が傾くと、そこから反射する反射光３４の光軸が傾く。
それにより２分割フォトディテクタ１２に入射する光ス
ポットの位置が動くため、２軸平行ばね３のＸ方向の駆
動量、すなわち、プローブ１のＸ方向の変位を計測する
ことができる。

【００３７】同様に、圧電素子７による駆動力により部
材２３が回転運動を起こすと、ミラー１６が同時に傾
く。そのミラー１６に光源１４からの光を入射させ、反
射光を２分割フォトディテクタ１５に入射させる。２分
割フォトディテクタ１５は、分割された各受光面に入射
する光量を引き算することにより入射光の重心の位置を
検出することができる。機械てこ２３が駆動され、ミラ
ー１６が傾くと、そこから反射する反射光の光軸が傾
く。それにより２分割フォトディテクタ１５に入射する
光スポットの位置が動くため、２軸平行ばね３のＹ方向
の駆動量、すなわち、プローブ１のＹ方向の変位を計測
することができる。

【００３８】次に、プローブ１を縦方向に駆動する原理
とその駆動量の計測の原理について、図３を参照して説
明する。本実施の形態では、縦方向平行ばね４によりプ
ローブ１を縦方向（Ｚ方向）に駆動する。縦方向平行ば
ね４は、略正方形を形成するように結合された４つの部
材から構成され、その４隅には曲げ剛性の弱いヒンジ部
が形成されていて、２軸平行ばね３と同様の働きをす
る。

【００３９】縦方向平行ばね４は、その上部の部材の上
面に突起部３６を有している。そして、その突起部３６
に縦方向駆動用の圧電素子８からの駆動力が矢印３７の
方向に加えられると、前記４つの部材が前記ヒンジ部を
中心に回転運動する。そのため、前記突起部３６も円弧
の矢印３８の方向に傾く。その結果、縦方向平行ばね４
の自由端は縦方向に変位する。このとき実際には縦方向
平行ばね４の自由端の軌跡は円弧となるが、その変位が
前記部材（機械てこ）の長さに比べて微小であるため、
直線とみなすことができる。そのため、縦方向平行ばね
４の自由端に固定されている２軸平行ばね３とその先端
のプローブ１は直線的に上下方向（矢印３９の方向）に
駆動され、他の軸との干渉がない。

【００４０】縦方向平行ばね４の縦方向の変位量、すな
わち、プローブ１のＺ方向の変位の計測は、前述したＸ
方向及びＹ方向の変位の計測と原理的に等しい。前記突
起部３６にはミラー１９が設けられていて、そのミラー
１９に光源１７から光４０を入射させ、その反射光４１
を２分割フォトディテクタ１８に入射させることによ
り、反射光４１の重心の位置を計測する。この位置が、
縦方向平行ばね４の駆動量、すなわち、プローブ１のＺ
方向の変位に比例した値となる。

【００４１】以上説明したように、本実施の形態では、
プローブ１をＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向に駆動するため
に前述したプローブ装置２が用いられ、圧電素子６，
７，８がそれぞれＸ方向用駆動部、Ｙ方向用駆動部及び
Ｚ方向用駆動部を構成している。もっとも、このプロー
ブ装置２に代えて、例えば、いわゆるチューブスキャナ
やトライポット型スキャナ等を用いてもよい。また、本
実施の形態では、前述したように、プローブ１のＸ方
向、Ｙ方向及びＺ方向の変位をそれぞれ計測する各変位
計測部として光てこ法によるものが用いられているが、
容量性方式や歪み計方式などの他の種々の変位計測部を
用いてもよい。

【００４２】また、本実施の形態による走査型プローブ
顕微鏡は、図１に示すように、前述した各要素の他に、
信号処理回路５１〜５４と、Ａ／Ｄ変換器５５〜５８
と、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）５９と、パ
ーソナルコンピュータ（ＰＣ）６０と、ＣＲＴ等の表示
装置６１と、Ｄ／Ａ変換器６２〜６４と、駆動回路６５
とを備えている。

【００４３】前記信号処理回路５１は、Ｘ方向変位計測
用の２分割フォトディテクタ１２の受光面の２つの領域
からの出力信号をそれぞれ増幅して両者の差を示す信号
（すなわち、プローブ１のＸ方向の変位を示す信号）を
出力する。この信号は、Ａ／Ｄ変換器５５によりＡ／Ｄ
変換されて前記ＤＳＰ５９に供給される。同様に、前記
信号処理回路５２は、Ｙ方向変位計測用の２分割フォト
ディテクタ１５の受光面の２つの領域からの出力信号を
それぞれ増幅して両者の差を示す信号（すなわち、プロ
ーブ１のＹ方向の変位を示す信号）を出力する。この信
号も、Ａ／Ｄ変換器５６によりＡ／Ｄ変換されて前記Ｄ
ＳＰ５９に供給される。同様に、前記信号処理回路５３
は、Ｚ方向変位計測用の２分割フォトディテクタ１８の
受光面の２つの領域からの出力信号をそれぞれ増幅して
両者の差を示す信号（すなわち、プローブ１のＺ方向の
変位を示す信号）を出力する。この信号も、Ａ／Ｄ変換
器５７によりＡ／Ｄ変換されて前記ＤＳＰ５９に供給さ
れる。同様に、前記信号処理回路５４は、プローブ１の
撓み検出用の２分割フォトディテクタ１０の受光面の２
つの領域からの出力信号をそれぞれ増幅して両者の差を
示す信号（すなわち、プローブ１の撓みを示す信号）を
出力する。この信号も、Ａ／Ｄ変換器５８によりＡ／Ｄ
変換されて前記ＤＳＰ５９に供給される。

【００４４】前記Ｄ／Ａ変換器６２，６３，６４は、Ｄ
ＳＰ５９からのＸ，Ｙ，Ｚ方向の各移動指令値をそれぞ
れＤ／Ａ変換し、前記駆動回路３２はＤ／Ａ変換された
各信号を増幅して駆動信号（印加電圧）として各圧電素
子６，７，８にそれぞれ供給する。

【００４５】本実施の形態では、前記ＤＳＰ５９は、図
４に示す動作を行う。図４は、ＤＳＰ５９の動作を示す
概略フローチャートである。

【００４６】まず、ＤＳＰ５９は、パーソナルコンピュ
ータ６０から測定開始指令が与えられるまで待つ（ステ
ップＳ１）。この測定開始指令は、キーボートやマウス
等の図示しない入力装置による測定者からの指令に応じ
てパーソナルコンピュータ６０がＤＳＰ５９に与えるも
のである。パーソナルコンピュータ６０は、測定者から
の指令（例えば、試料表面の走査領域や走査速度などの
指令を含む）を解析して、測定者が指定した試料表面の
測定の動作を実現するのに必要な、プローブ１のＸ方向
の移動パターン（例えば、周波数あるいは速度、振幅、
オフセット（移動範囲の基準位置）等）及びＹ方向の移
動パターン（例えば、周波数あるいは速度、振幅、オフ
セット（移動範囲の基準位置）等）を示すデータを、測
定開始指令と共にＤＳＰ５９に供給する。

【００４７】前記測定開始指令がＤＳＰ５９に供給され
ると、試料表面の形状データを得るいわば本測定に先立
って、変位計測を行う（ステップＳ２）。すなわち、ス
テップＳ２において、ＤＳＰ５９は、当該測定開始指令
と共に受け取ったプローブ１のＸ方向及びＹ方向の移動
パターンを示すデータに基づいて、当該移動パターンに
応じた駆動信号（印加電圧）をＤ／Ａ変換器６２，６３
及び駆動回路６５を介してＸ方向駆動用圧電素子６及び
Ｙ方向駆動用圧電素子７にそれぞれ与え、パーソナルコ
ンピュータ６０により指示された移動パターンに近い移
動パターンでプローブ１をＸ方向及びＹ方向に移動させ
る。このとき、ＤＳＰ５９は、各圧電素子６，７への各
印加電圧の大きさ（すなわち、ＤＳＰ５９からＤ／Ａ変
換器６２，６３へそれぞれ供給した移動指令値に相当）
に応じたプローブ１のＸ方向及びＹ方向の変位の計測値
をＡ／Ｄ変換器５５，５６から取り込み、ＤＳＰ５９の
内部のメモリ（図示せず）に格納する。

【００４８】ここで、このステップＳ２の変位計測につ
いて、図５（ａ）を参照して具体的に説明する。図５
（ａ）は、圧電素子６の印加電圧と変位との関係を示す
図である。図５（ａ）において、大きなヒステリシス曲
線１００は、圧電素子６に印加電圧をかけない状態と印
加可能な最大電圧を印加した状態との間で所定周波数で
電圧の大きさを大きくしていったり小さくしていったり
した場合のヒステリシス曲線を示す。図５（ａ）におい
て、小さなヒステリシス曲線１０１は、任意のオフセッ
ト及び任意の振幅を有する任意の印加電圧範囲の印加電
圧を周期的に任意の周波数で印加した場合のヒステリシ
ス曲線を示す。ヒステリシス曲線１０１において、最小
印加電圧及び最大印加電圧をそれぞれＶｍｉｎ及びＶｍ
ａｘとし、これらにそれぞれ対応して得られる圧電素子
６の変位をそれぞれＤｍｉｎ及びＤｍａｘとする。今、
パーソナルコンピュータ６０から指示されたプローブ１
のＸ方向の走査範囲がＤｍｉｎ〜Ｄｍａｘであるとする
と、前記ステップＳ２では、この範囲Ｄｍｉｎ〜Ｄｍａ
ｘの変位がほぼ得られるであろう印加電圧範囲（すなわ
ち、電圧範囲Ｖｍｉｎ〜Ｖｍａｘに近い電圧範囲）の印
加電圧を、パーソナルコンピュータ６０により指示され
た周波数で圧電素子６に印加するように、ＤＳＰ５９は
移動指令値をＤ／Ａ変換器６２に与えていく。このと
き、前述したように、ＤＳＰ５９は、圧電素子６への各
印加電圧の大きさ（すなわち、ＤＳＰ５９からＤ／Ａ変
換器６２へ供給した移動指令値に相当）に応じたプロー
ブ１のＸ方向の変位の計測値をＡ／Ｄ変換器５５から計
測結果として取り込み、ＤＳＰ５９の内部のメモリ（図
示せず）に格納する。図５（ａ）には、その計測結果を
計測点として×印１０２で示している。前述した変位計
測部のノイズのため、測定結果を示す×印１０２は、本
来のヒステリシス曲線１０２からばらついている。以上
の説明では、Ｘ方向駆動用の圧電素子６に関して説明し
たが、Ｙ方向駆動用の圧電素子７についても同様であ
る。

【００４９】再び図４を参照すると、前記ステップＳ２
が終了した後、ＤＳＰ５９は、ステップＳ２で各圧電素
子６，７に関して得られた計測結果から、圧電素子６の
印加電圧とプローブ１のＸ方向の変位（すなわち、圧電
素子６の変位）との関係を示す近似式及び圧電素子７の
印加電圧とプローブ１のＹ方向の変位（すなわち、圧電
素子７の変位）との関係を示す近似式を算出する（ステ
ップＳ３）。圧電素子６に関して説明すると、例えば、
ＤＳＰ５９は、前述した図５（ａ）中の×印で示す各計
測点に対し圧電素子６が伸びていく場合（印加電圧を大
きくしていく場合）と縮んでいく場合（印加電圧を小さ
くしていく場合）のそれぞれの場合においてフィッティ
ングした各２次曲線を、近似式として最小二乗法により
算出する。これらの２次曲線のうちの圧電素子６が伸び
ていく場合の計測点に対してフィッティングした２次曲
線Ｄ＝ｆ（Ｖ）を図５（ｂ）に示す。圧電素子７に関し
ても以上の説明と同様である。なお、この例では、ヒス
テリシス曲線を２次曲線により近似したが、例えば、３
次曲線、４次曲線や更に次数の高い曲線などで近似して
もよい。

【００５０】前記ステップＳ３が終了した後、ＤＳＰ５
９は、ステップＳ１においてパーソナルコンピュータ６
０から指示された移動パターンを実現するための、Ｘ方
向及びＹ方向用の駆動信号（印加電圧）（厳密に言え
ば、Ｄ／Ａ変換器６２，６３に供給すべき移動指令値）
を、ステップＳ３で求めた近似式から算出する（ステッ
プＳ４）。圧電素子６が伸びていく場合について説明す
ると、ＤＳＰ５９は、前記移動パターンを実現するため
のＸ方向のプローブ１の変位（圧電素子６の変位）が図
５（ｂ）中の変位Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４（図示の例で
は、それぞれの間隔は一定）である場合には、これらの
変位Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４をもたらす印加電圧Ｖ１，
Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４を前記近似式Ｄ＝ｆ（Ｖ）を解くこと
により求める。この関数を解く方法としては、解の公式
を使って簡単に求めることができる。もっとも、ヒステ
リシス曲線を高次の曲線で近似した場合、解の公式を用
いるより、ニュートン法により数値計算により求めた方
が計算が速い場合、例えば、ニュートン法を用いて印加
電圧を求めてもよい。図５（ｂ）に示す例では、変位Ｄ
の間隔はＤ１からＤ４まで一定であるが、これに対し、
その変位を生じさせる印加電圧Ｖ１からＶ４までの印加
電圧Ｖの間隔はだんだん狭くなっていっているのが分か
る。なお、圧電素子６を縮ませる場合には、ステップＳ
３において圧電素子６が縮んでいく場合の計測点より求
めた近似式から、前述と同様にして印加電圧を求めれば
よい。圧電素子７に関しても以上の説明と同様である。

【００５１】以上説明したステップＳ２〜Ｓ４は本測定
に先立って行われる準備段階であるが、この準備段階が
終了すると、本測定が行われる（ステップＳ５）。本実
施の形態では、いわゆるコンタクトモードにより本測定
を行う。なお、本発明では、本測定の測定モードはコン
タクトモードに限定されるものではないことは言うまで
もない。具体的には、本実施の形態では、ＤＳＰ５９
は、ステップＳ４で求めたＸ方向及びＹ方向用の駆動信
号（印加電圧）を圧電素子６，７にそれぞれ印加して、
ステップＳ１においてパーソナルコンピュータ６０から
指示された移動パターンを実現することによって、プロ
ーブ１を試料表面に対してＸＹ平面内で走査しながら、
Ａ／Ｄ変換器５８からプローブ１の撓み検出信号に基づ
いてこの検出信号が一定となるようにＤ／Ａ変換器６４
及び駆動回路６５を介してＺ方向駆動用の圧電素子８に
駆動信号を与える。このとき、ＤＳＰ５９は、各Ｘ方向
及びＹ方向の駆動信号に対応する移動指令値と、これに
対応してＡ／Ｄ変換器５８から得られたＺ方向の変位の
計測値（Ｚ方向の駆動信号に対応する移動指令値でもよ
い。）とを互いに関連付けて、試料表面の形状データと
してＤＳＰ５９の内部のメモリに格納する。この形状デ
ータは、パーソナルコンピュータ６０に取り込まれ、表
示装置６１により画像表示される。

【００５２】なお、前述した図５（ｂ）に示す例では、
前述したように、ステップＳ４において、圧電素子６が
伸びて行く場合に関して変位Ｄ１からＤ４まで変位Ｄの
間隔が一定である変位Ｄ１〜Ｄ４に対してこれらをもた
らす印加電圧Ｖ１〜Ｖ４を求めている。このため、ステ
ップＳ５において、これらの印加電圧Ｖ１〜Ｖ４を圧電
素子６に順に印加することにより、印加電圧を非線型に
圧電素子６に印加して、プローブ１をＤ１からＤ４まで
の距離をリニアに駆動することができる。

【００５３】以上説明したように、本実施の形態によれ
ば、本測定（ステップＳ５）の度に、当該本測定に先立
って、当該本測定において行おうとする所望の移動パタ
ーンに近い移動パターンでプローブ１がＸ方向及びＹ方
向に移動され、圧電素子６，７に印加した駆動信号に応
じたプローブ１の相対的な変位が計測され（ステップＳ
２）、この計測に基づいて、駆動信号とプローブ１の変
位との関係を示す近似式が求められ（ステップＳ３）、
この近似式から求めた前記所望の移動パターンを実現す
るための駆動信号が求められる（ステップＳ４）。そし
て、当該本測定（ステップＳ５）においては、前記近似
式から求めた前記所望の移動パターンを実現するための
駆動信号が圧電素子６，７に供給される。このため、本
実施の形態によれば、圧電素子６，７が、ヒステリシス
を持っていたり、駆動信号の振幅や、駆動信号のオフセ
ットや、経年変化や、駆動信号の周波数や、それまでに
供給した駆動信号の履歴などにより、変位が異なる特性
を持っているにも関わらず、本測定（ステップＳ５）に
おいてこれらの影響のない試料表面の形状データを得る
ことができる。そして、本実施の形態によれば、計測し
たプローブ１の変位を本測定において直接圧電素子６，
７の制御に用いるのではなく、計測したプローブ１の変
位から一旦前記近似式を求め、この近似式を基づいて圧
電素子６，７を制御している。このため、試料表面の狭
い範囲を観察する場合のように、変位計測部のノイズに
起因して生ずる図５（ａ）中の×印１０２のような変位
計測点のバラツキが大きくなるであっても、本測定にお
いて制御が不安定になるようなことがなく、プローブ１
を滑らかに駆動することができ、ノイズのない試料表面
の形状データを得ることができる。

【００５４】また、本実施の形態では、ステップＳ５の
本測定においては、予めステップＳ４で算出した駆動信
号を圧電素子６，７に印加している。このため、前述し
た従来の第２の技術のように圧電素子の変位に対しフィ
ードバックをかけて圧電素子をリニアに駆動する方式に
比べてプローブ１を高速に圧電素子６，７を駆動するこ
とができる。すなわち、圧電素子の変位に対しフィード
バックをかけて圧電素子をリニアに駆動する従来の方式
では、各駆動ごとに圧電素子の変位の目標変位とのずれ
を圧電素子にフィードバックしなければならない。その
ため、フィードバック用の回路が必要であり、また、デ
ジタルサーボを行う場合、フィードバック量を計算しな
ければならず、ＣＰＵの負荷が増大し、高速な圧電素子
の駆動が困難である。これに対し、本実施の形態では、
ステップＳ５の本測定においては、予めステップＳ４で
算出した駆動信号を圧電素子６，７に印加しているの
で、圧電素子６，７を高速に駆動することができる。

【００５５】なお、本実施の形態では、ステップＳ４の
駆動信号の算出をステップＳ５の本測定に先立って行っ
ているが、ステップＳ５において駆動信号の算出を行い
ながら本測定を行うことも可能である。

【００５６】また、本実施の形態では、Ｘ方向駆動用及
びＹ方向駆動用の圧電素子６，７の両方に関してステッ
プＳ２〜Ｓ４を行っているが、本実施の形態では、圧電
素子６，７のうちの一方のみにステップＳ２〜Ｓ５を適
用し、他方の圧電素子に関しては本測定において従来の
通常の原子間力顕微鏡における駆動を行ってもよい。

【００５７】（第２の実施の形態）次に、本発明の第２
の実施の形態による走査型プローブ顕微鏡について、図
６乃至図１０を参照して説明する。

【００５８】図６は、本実施の形態による走査型プロー
ブ顕微鏡を示す概略構成図である。図７は、そのプロー
ブ２００の部分を拡大した概略斜視図である。図８は、
そのプローブ２００のねじれ振動の様子を示す概念斜視
図であり、図８（ａ）は探針部先端が相互作用を受けて
いない状態を示す図、図８（ｂ）は探針部先端が相互作
用を受けている状態を示す図である。図６において、図
１乃至図３中の要素と同一又は対応する要素には同一符
号を付し、その重複した説明は省略する。

【００５９】本実施の形態による走査型プローブ顕微鏡
は、原子間力顕微鏡として構成されているが、プローブ
２００に作用する力を検出し、当該検出された力に基づ
いて、プローブ２００のＸ方向及びＺ方向への移動を制
御するように、構成されている。

【００６０】本実施の形態による走査型プローブ顕微鏡
が前述した第１の実施の形態による走査型プローブ顕微
鏡と異なる所は、プローブ１に代えてプローブ２００が
用いられている点、プローブ２００にねじれ振動を励振
する圧電振動子２１０が追加されている点、圧電振動子
２１０に励振信号を供給する発振回路２２０が追加され
ている点、信号処理回路５４とＡ／Ｄ変換器５８との間
にロックインアンプ２３０が追加されている点、光源９
及び２分割フォトディテクタ１０が２軸平行ばね３の先
端（自由端）に固定されたミラー２１５を介してプロー
ブ２００のミラー部２０１に光を照射しその反射光を受
光するようになっている点、及び、ＤＳＰ５９の動作で
ある。

【００６１】まず、プローブ２００について説明する。
プローブ２００は、図７及び図８に示すように、プロー
ブ２００は、反射面を有するミラー部２０１と、探針部
２０２と、ねじれ部２０３と、支持体２０４とを備えて
いる。本実施の形態では探針部２０２の先端は曲がって
いないが、探針部２０２の先端を少し曲げ、試料表面に
ほぼ垂直に切り立った側壁がある場合にも、その側壁と
探針部２０２先端との相互作用が検出し易くなるように
してもよい。

【００６２】このプローブ２００は、後述する圧電振動
子２１０によって、図８（ａ）（ｂ）に示すねじれ方向
２０７に加振させて用いる。なお、加振させるときの回
転軸は、軸２０９を中心に回転させる。

【００６３】図８（ａ）は、プローブ２００の探針部２
０２の先端が、試料と相互作用を受けておらず、プロー
ブ２００がねじれ共振状態であるときの様子を示してい
る。図８（ｂ）は、プローブ２００の探針部２０２の先
端が、試料と相互作用を受けた時の状態を示している。
なお、図８（ａ）（ｂ）中の矢印２０８は、探針部２０
２の先端の軌跡を示しており、軸２０９は、プローブ２
００がねじれ共振にあるときのプローブ２００の回転軸
を示している。

【００６４】このようにプローブ２００は加振を受けて
いるため、プローブ２００の一番細い部分であるねじれ
部２０３が捻れながら、左右に回転する。そのため、ね
じれ部２０４より先にあるミラー部２０１と探針部２０
２はねじれ共振の状態になり、軸２０９を中心に周期的
に左右に回転する。この状態を図８（ａ）に示す。この
ように、プローブ２００がねじれ共振にある状態で、探
針部２０２の先端が試料等からの相互作用を受けると、
例えば試料からのファンデルワールス力などの力を探針
部２０２の先端が矢印２０４が示す方向に受けると、探
針先端がその方向に引き寄せられる。この状態を図８
（ｂ）に示す。そうすると、ミラー部２０１と探針部２
０２が回転軸２０９から外れるため、軸周りの慣性モー
メントが急激に増大する。慣性モーメントが増大する
と、ねじれ方向の共振周波数低くなるため、プローブ２
００自体のねじれ共振状態から外れ、ミラー部２０１が
軸２０９を中心に振られる角度範囲は小さくなる。な
お、以降、ミラー部２０１の振られる角度量をねじれ方
向の振幅と言う。このミラー部２０１の振幅の減少を検
出することにより、探針部２０２の先端と試料に存在す
る側壁との距離の変化を検出することができる。また、
プローブ２００が試料底面に近づいたときは、試料底面
と探針先端との間にダンピングが働き、同じくプローブ
２００のねじれ共振の振幅が減少する。そのことによ
り、探針２０２の先端と試料底面との距離の変化も検出
することができる。

【００６５】前記プローブ２００の支持体２０４は、図
７に示すように、プローブホルダとしてのクリップ２１
３により保持されている。クリップ２１３の上側部分２
１３ａの上面は、前記回転軸２０９がＺ方向に一致して
支持体２０４がクリップ２１３により保持されるよう
に、２軸平行ばね３の先端（自由端）に固定されてい
る。プローブ２００にねじれ振動を励振する圧電振動子
２１０は、支持部材としてのボール２１１，２１２と共
にクリップ２１３に設けられている。なお、図７では、
理解を容易にするため、クリップ２１３が透明であるか
の如く示している。圧電振動子２１０は、Ｘ方向に伸縮
して振動する。また、振動子２１０上面及びボール２１
１，２１２の上部はクリップ２１３の上側部分２１３ａ
の下面に固定されている。クリップ２１３のバネ力によ
って、振動子２１０及びボール２１１，２１２の各下面
がプローブ２００の支持体２０４の上面に接触するとと
もに、クリップ２１３の下側部分２０３ｂの上面がプロ
ーブ２００の支持体４の下面に接触し、プローブ２００
の支持体２０４が振動子２１０及びボール２１１，２１
２の各下面とクリップ２１３の下側部分２１３ｂの上面
との間に挟持されている。振動子２１０５及びボール２
１１，２１２は、ＸＺ平面と平行な所定面内において、
ボール２１１を直角の頂点とする直角三角形の、それぞ
れの頂点の位置に配置されている。すなわち、振動子２
１０及びボール２１１はＸ軸と平行な直線上に配置さ
れ、振動子２１１及びボール２１２はＺ軸と平行な直線
上に配置されている。したがって、圧電振動子２１０に
励振信号を与えると、プローブ２００は、前述したねじ
れ方向２０７に励振されることになる。

【００６６】前記発振回路は、ＤＳＰ５９の制御下にお
いて、プローブ２００のねじれ共振周波数に近い周波数
を有する励振信号（正弦波信号）を圧電振動子２１０に
与えるとともに、当該励振信号を参照信号としてロック
インアンプ２３０に与える。これにより、プローブ２０
０にはねじれ共振が励起される。

【００６７】前記光源９、２分割フォトディテクタ１０
及びミラーが、プローブ２００のミラー部２０１の変位
を検出する検出部を構成している。光源９からの光は、
ミラー２１５で反射されることで、プローブ２００のミ
ラー部２０１に照射される。そして、ミラー部２０１を
反射した光は、再びミラー２１５により反射されて、２
分割フォトディテクタ１０に入射される。この２分割フ
ォトディテクタ１０により入射した光スポットの位置の
変化を検出することで、ミラー部２０１の反射面の角度
の変位量を検出する。このミラー２０１の反射面の角度
の変位量がプローブ２００のねじれ方向の振幅となる。

【００６８】前記信号処理回路５４は、２分割フォトデ
ィテクタ１０の受光面の２つの領域からの出力信号をそ
れぞれ増幅して両者の差を示す信号（すなわち、プロー
ブ２００のねじれ振動の状態を示す信号）を出力する。
前記ロックインアンプ２３０は、信号処理回路５４から
の信号の周波数成分のうち、発振回路２２０から振動子
２１０に与えられた励振信号の周波数と同じ周波数成分
の振幅に比例したレベルの信号（ねじれ振動の振幅信
号）を出力する。この信号は、Ａ／Ｄ変換器５８により
Ａ／Ｄ変換されて前記ＤＳＰ５９に供給される。このよ
うにして、ＤＳＰ５９には、プローブ２００のねじれ振
動の振幅の検出値、すなわち、プローブ１に作用する力
を示す値が、Ａ／Ｄ変換器５８から入力される。

【００６９】前記ＤＳＰ５９は、基本的には、発振回路
２２０を介して振動子２１０を励振し、また、Ａ／Ｄ変
換器５８からのねじれ振動の振幅の検出値に基づいて、
Ｄ／Ａ変換器６２，６３，６４及び駆動回路６５を介し
てＸ，Ｙ，Ｚ方向用圧電素子６，７，８にそれぞれ駆動
信号を与え、プローブ２００の試料表面に対する相対的
な移動を制御する。そして、ＤＳＰ５９は、この際に、
Ａ／Ｄ変換器５５，５６，５７から得られたプローブ２
００のＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向の変位を、試料表面の
形状を示すデータとして、ＤＳＰ５９内のメモリ（図示
せず）に記憶する。

【００７０】ＤＳＰ５９の前記メモリ内の前記データ
は、パーソナルコンピュータ６０に取り込まれ、表示装
置６１により画像表示される。

【００７１】本実施の形態では、ＤＳＰ５９は、発振回
路２２０を介して振動子２１０を励振させつつ、各Ｙ方
向位置におけるＸＺ平面と平行な各面内において、当該
面内の方向であって、ねじれ振動の振幅が一定となるよ
うな方向に、プローブ２００が移動するように、Ａ／Ｄ
変換器５８からのねじれ振動の振幅の検出値に基づい
て、Ｄ／Ａ変換器６２，６３，６４及び駆動回路６５を
介してＸ，Ｙ，Ｚ方向用圧電素子６，７，８にそれぞれ
駆動信号を与え、プローブ２００の試料表面に対する相
対的な移動を制御する。すなわち、Ａ／Ｄ変換器５８か
らのねじれ振動の振幅の検出値は、ＤＳＰ５９により絶
えずプローブ１のＸＺ平面と平行な面内における移動方
向にフィードバックされる。

【００７２】ここで、このようなＤＳＰ５９の動作の一
具体例について、図９を参照して説明する。図９は、本
実施の形態におけるＤＳＰ５９の動作の一例を示す概略
フローチャートである。

【００７３】まず、ＤＳＰ５９は、オートチューニング
動作を行う（ステップＳ１１）。すなわち、ＤＳＰ５９
は、発振回路２２０を作動させてその励振周波数を変化
させつつ、Ａ／Ｄ変換器５８からの信号を得、このデー
タに基づいて以後の動作において使用する励振周波数を
自動的に決定する。本実施の形態では、以後の動作にお
いては、ＤＳＰ５９は、この決定した励振周波数で発振
回路２２０を作動させ続ける。

【００７４】次に、ＤＳＰ５９は、予め定めたＹ方向位
置及びＸ方向位置において、プローブ２００が試料表面
から十分に離れたＺ方向位置からＺ方向に移動して試料
に近接していくように、駆動指令を発生してプローブ２
００をＺ方向に移動させていく。そして、ＤＳＰ５９
は、Ａ／Ｄ変換器５８からのねじれ振動の振幅の検出値
が所定の目標値になったときに、駆動指令を停止し、探
針部２の試料への接近を止める（ステップＳ１２）。

【００７５】以上のステップＳ１１，Ｓ１２がいわば測
定の準備段階である。

【００７６】その後、ＤＳＰ５９は、現時点で得られて
いる最新の探針駆動ベクトルに従った駆動指令を発生
し、当該探針駆動ベクトルに従ってプローブ２００を移
動させる（ステップＳ１３）。探針駆動ベクトルは、１
ステップの駆動により、現時点の位置から移動させるべ
き次の時点の位置までの、ＸＺ平面と平行な面内におけ
る方向と移動距離を示すベクトルである。したがって、
ステップＳ１３では、当該探針駆動ベクトルのＸ成分が
示す距離だけ探針部２をＸ方向に移動させるとともに、
当該探針駆動ベクトルのＺ成分が示す距離だけ探針部２
をＺ方向に移動させることとなる。ステップＳ１２から
ステップＳ１３に最初に移行し場合には、未だ後述する
ステップＳ１４，Ｓ１５，Ｓ１６を経ておらずに探針駆
動ベクトルが得られていないので、本実施の形態では、
初期の探針駆動ベクトルとしてＸ成分が所定値でＺ成分
がゼロのベクトルを用いる。すなわち、最初にステップ
Ｓ１３に移行した際には、プローブ２００をＺ方向に移
動させることなく、Ｘ方向に所定距離移動させる。もっ
とも、初期の探針駆動ベクトルはこのようなベクトルに
限定されるものではなく、任意のベクトルを採用するこ
とができる。本実施の形態では、探針駆動ベクトルの長
さ（１ステップの駆動により移動させる距離）は常に一
定とし、その方向のみを制御することとしている。

【００７７】次に、ＤＳＰ５９は、Ａ／Ｄ変換器５８か
らのねじれ振動の振幅の検出値を取り込み、ねじれ振動
の振幅の検出値とその振幅の所定の目標値との偏差ΔＡ
ｒを算出する（ステップＳ１４）。

【００７８】すなわち、ＤＳＰ５９は、ステップＳ１４
において、まず、下記の数１によって、前記偏差ΔＡｒ
から、サーボ角（すなわち、プローブ２００のＸＺ平面
と平行な当該面内の移動方向の補正量）θを求める。つ
まり、前記偏差ΔＡｒに所定のゲイン（所定係数）Ｇｒ
を乗算した値のアークタンジェントにより求めた角度
を、サーボ角θとする。

【００７９】

【数１】θ＝ＡｒｃＴａｎ（Ｇｒ・ΔＡｒ）

【００８０】次に、ＤＳＰ５９は、ステップＳ１５にお
いて、ベクトルの回転の行列を計算することにより、現
時点で得られている最新の探針駆動ベクトルを前記サー
ボ角θだけ回転して新たな探針駆動ベクトルを求める。

【００８１】ステップＳ１５の後に、ＤＳＰ２６は、Ａ
／Ｄ変換器５５，５６，５７から現時点で得られたＸ方
向、Ｙ方向及びＺ方向の計測値を、試料表面の形状デー
タとして、当該ＤＳＰ５９内のメモリに記憶する（ステ
ップＳ１６）。

【００８２】ステップＳ１６が終了すると、ステップＳ
１３に戻り、ステップＳ１３〜Ｓ１６の動作を繰り返
す。

【００８３】図９においては省略しているが、ステップ
Ｓ１３〜Ｓ１６を繰り返すことにより、プローブ２００
がＸ方向の所定の位置まで到達すると（すなわち、探針
がＸ方向の所定の範囲をトレースすると）、ＤＳＰ５９
は、プローブ２００をＹ方向に所定距離移動させる移動
指令を発生し、その後、当該Ｙ方向位置におけるＸＺ平
面内において、ステップＳ１３〜Ｓ１６を繰り返し、こ
れらの動作を繰り返してＸＹ平面における所定の２次元
の範囲について探針部２を移動させる。これにより、測
定が完了する。このように、本実施の形態では、各Ｙ方
向位置においてステップＳ１３〜１６を繰り返すが、場
合によっては、１つのＹ方向位置においてのみステップ
Ｓ１３〜Ｓ１６を繰り返すだけでもよい。

【００８４】次に、図１０を参照して説明したＤＳＰ５
９動作に従ったプローブ２００の制御の具体的な様子の
一例とその物理的な意味について、図５を参照して説明
する。図５は、本実施の形態による走査型プローブ顕微
鏡におけるプローブ２００の制御の様子を模式的に示す
図である。

【００８５】前記ステップＳ１１の動作が終了した後、
試料３００から遠く離れた自由空間において、前記手法
によりプローブ２００をねじれ方向に励振し、以後測定
が完了するまでこれらの励振を継続する。その励振によ
るプローブ２００のねじれ振動の振幅を、図１０中に矢
印９１で示す。探針部２は自由空間において振動してい
るため、そのねじれ方向の振幅９１は比較的大きい。

【００８６】次に、前記ステップＳ１２によって、プロ
ーブ２００をＺ方向の矢印９２の方向に動かし、プロー
ブ２００を試料３００に近づける。すると、プローブ２
００には試料３００からのファンデルワールス力が作用
し始める。プローブ２００が近づく試料３００の箇所が
ＸＹ平面と略平行であるとすると、ねじれ方向の振幅は
ファンデルワールス力がシェアーフォースとして働くた
めのダンピングにより、減少する。その減少により、ね
じれ方向の振幅が予め決められた目標値となったところ
で、プローブ２００の試料３００への接近を止める。こ
の状態が前記ステップＳ１２が終了して試料観察の準備
が整った状態である。このときのねじれ振動の振幅の目
標値を、矢印９３として示す。なお、図１０に示す例で
は、プローブ２００の試料３００への接近が終了したと
きねじれ方向の振幅が予め決められた目標値となったも
のとしている。

【００８７】次に、前記ステップＳ１３により、測定開
始時（時点ｔ＝０）において、予め決めておいた長さの
水平方向（Ｘ方向）の探針駆動ベクトル９４の指示する
地点にプローブ２００を駆動する。この地点にプローブ
２００が移動した時点が時点ｔ＝１である。時点ｔ＝１
において、プローブ２００と試料３００との相対距離は
時点ｔ＝０の時と変わらないため、ねじれ振動の振幅は
目標値からの差はない。そのため、時点ｔ＝１のときの
プローブ２００のねじれ振動の振幅を示す矢印９５は、
時点ｔ＝０のときの矢印９３と同じ大きさである。した
がって、前記ステップＳ１４，Ｓ１５により求められた
新たな探針駆動ベクトルは前記探針駆動ベクトル９４と
同じになる。

【００８８】そして、前記ステップＳ１３により、再び
探針駆動ベクトル９４の指示する地点にプローブ２００
を駆動する。この時点ｔ＝２において、プローブ２００
と試料３００の表面の凸部の側壁との間の相対距離が狭
くなる。すると、試料側壁からのファンデルワールス力
によりプローブ２００のねじれ振動の振幅が減少する。
そのため、時点ｔ＝２においてねじれ振動の振幅が目標
値から小さくなり、時点ｔ＝２のときのプローブ２００
のねじれ振動の振幅を示す矢印９６は、ｔ＝０のときの
矢印９３及びｔ＝１のときの矢印９５より小さくなる。
そのため、時点ｔ＝２において、前記ステップＳ１４で
求めたねじれ振動の振幅の偏差ΔＡｒは、ゼロでなくあ
る値をとる。このため、時点ｔ＝２において前記ステッ
プＳ１５で求めたサーボ角θはゼロではなくその偏差Δ
Ａｒに応じたある値をとり、時点ｔ＝２において前記ス
テップＳ１５で求めた探針駆動ベクトル９７は、時点ｔ
＝１で求められた探針駆動ベクトル９４に対して当該サ
ーボ角θだけ回転したものとなる。

【００８９】次に、前記ステップＳ１３により、新しく
得られた探針駆動ベクトル９７の指示する地点にプロー
ブ２００を駆動する。この地点にプローブ２００が移動
した時点が時点ｔ＝３である。

【００９０】このように順次プローブ２００のねじれ振
動の振幅の偏差ΔＡｒから、サーボ角θを決定し、探針
駆動ベクトルに作用させて行くことにより、試料３００
の表面の凸部又は凹部の側壁部も正確にトレースするこ
とができる。

【００９１】本実施の形態によれば、前述したように、
プローブ２００に作用する力を示すＡ／Ｄ変換器５８か
らのねじれ振動の振幅の検出値に基づいて、プローブ１
をＸ方向のみならずＺ方向にも制御している。しかしな
がら、本実施の形態によれば、前述したように、Ａ／Ｄ
変換器５５，５６，５７から得られたプローブ２００の
Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向の変位を、試料表面の形状を
示すデータとして得ている。プローブ２００は試料表面
をトレースすることから、プローブ２００の位置は試料
表面を表しているのである。このため、プローブ２００
に作用する力に基づいてプローブ２００をＺ方向のみな
らずＺ方向にも制御しているのにもかかわらず、圧電素
子６，７，８のヒステリシス等の影響のない試料表面形
状の測定データを得ることができる。

【００９２】なお、本実施の形態では、Ｙ方向の変位も
試料表面の形状を示すデータの一部として用いられてい
るが、本発明では、Ｙ方向に関しては、ＤＳＰ５９から
のＹ方向の移動指令値を、試料表面の形状を示すデータ
の一部として用いてもよい。

【００９３】以上、本発明の各実施の形態について説明
したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるもの
ではない。例えば、本発明は、原子間力顕微鏡以外の他
の種々の走査型プローブ顕微鏡にも適用することができ
ることは言うまでもない。

【００９４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
試料表面の狭い領域を観察する場合であっても、駆動部
のヒステリシス等を適切に補正しつつプローブを滑らか
に駆動することができ、歪みやノイズのない測定データ
を得ることができる走査型プローブ顕微鏡及びそのプロ
ーブ駆動方法を提供することができる。

【００９５】また、本発明によれば、駆動部のヒステリ
シス等の影響のない測定データを得ることができる、プ
ローブに作用する力に基づいてプローブと試料表面との
相対的な移動に関して縦方向のみならず横方向の移動に
対しても制御する走査型プローブ顕微鏡を提供すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態による走査型プロー
ブ顕微鏡を示す概略構成図である。

【図２】図１に示す走査型プローブ顕微鏡のプローブ駆
動装置の動作原理を示す図であり、図２（ａ）はそのプ
ローブ駆動装置の２軸平行ばねの概念斜視図、図２
（ｂ）はその２軸平行ばねを上から見た図である。

【図３】図１に示す走査型プローブ顕微鏡のプローブ装
置の他の動作原理を示す概念斜視図である。

【図４】図１に示す走査型プローブ顕微鏡のデジタルシ
グナルプロセッサ（ＤＳＰ）の動作を示す概略フローチ
ャートである。

【図５】圧電素子の印加電圧と変位との関係を示す図で
あり、図５（ａ）は変位の計測値を示す図、図５（ｂ）
は印加電圧の求め方を示す図である。

【図６】本発明の第２の実施の形態による走査型プロー
ブ顕微鏡を示す概略構成図である。

【図７】図６に示す走査型プローブ顕微鏡のプローブの
部分を拡大した概略斜視図である。

【図８】図８は図７に示すプローブのねじれ振動の様子
を示す概念斜視図である。

【図９】図６に示す走査型プローブ顕微鏡のデジタルシ
グナルプロセッサ（ＤＳＰ）の動作を示す概略フローチ
ャートである。

【図１０】図６に示す走査型プローブ顕微鏡におけるプ
ローブの制御の様子を模式的に示す図である。

【図１１】従来技術における理想的な制御信号及び実際
の制御信号を示す図である。

【符号の説明】

１，２００ プローブ ２ プローブ駆動装置 ６ Ｘ方向駆動用圧電素子 ７ Ｙ方向駆動用圧電素子 ８ Ｚ方向駆動用圧電素子 ９，１１，１４，１７ 光源 １０，１２，１５，１８ ２分割フォトディテクタ ミラー １３，１６，１９ ５１〜５４ 信号処理回路 ５５〜５８ Ａ／Ｄ変換器 ５９ デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ） ６０ パーソナルコンピュータ ６１ 表示装置 ６２〜６４ Ｄ／Ａ変換器 ２１０ 圧電振動子 ２２０ 発振回路 ２３０ ロックインアンプ ２０１ ミラー部 ２０２ 探針部 ２０３ ねじれ部 ２０４ 支持体 ２０８ 探針部の軌跡 ２０９ 回転軸 ２１２ クリップ ３００ 試料

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プローブと試料表面とを相対的に移動さ
   せて前記試料表面の所定の情報を得る測定を行う走査型
   プローブ顕微鏡において、供給された駆動信号に応答し
   て前記プローブと前記試料表面とを前記試料表面と略平
   行な所定方向に相対的に移動させる駆動部を用い、前記
   プローブと前記試料表面とを前記所定方向に相対的に移
   動させるプローブ駆動方法であって、 前記測定を開始する度に当該測定に先立って、前記プロ
   ーブと前記試料表面とが当該測定において行おうとする
   所望の移動パターンに近いパターンで前記所定方向に相
   対的に移動されるように、前記駆動部に駆動信号を供給
   しつつ、当該供給した駆動信号に応じた前記プローブの
   相対的な変位を計測し、 当該測定に先立って、前記計測された変位に基づいて、
   前記駆動信号と前記プローブの相対的な変位との関係を
   示す近似式を求め、 当該測定において、前記近似式から求めた駆動信号であ
   って前記所望の移動パターンを実現するための駆動信号
   を、前記駆動部に供給することを特徴とする走査型プロ
   ーブ顕微鏡のプローブ駆動方法。
2. 【請求項２】 プローブと試料表面とを相対的に移動さ
   せて前記試料表面の所定の情報を得る測定を行う走査型
   プローブ顕微鏡において、 供給された駆動信号に応答して前記プローブと前記試料
   表面とを前記試料表面と略平行な所定方向に相対的に移
   動させる駆動部と、 前記プローブの前記試料表面に対する前記所定方向への
   相対的な変位を計測する変位計測部と、 前記測定を開始する度に当該測定に先立って、前記プロ
   ーブと前記試料表面とが、当該測定において行おうとす
   る所望の移動パターンに近いパターンで前記所定方向に
   相対的に移動されるように、前記駆動部に駆動信号を供
   給する第１の制御部と、 前記第１の制御部から前記駆動部に供給された駆動信号
   に対応した前記変位計測部により計測された変位に基づ
   いて、前記駆動信号と前記計測された変位との関係を示
   す近似式を求める近似式算出部と、 当該測定において、前記近似式から求めた駆動信号であ
   って前記所望の移動パターンを実現するための駆動信号
   を、前記駆動部に供給する第２の制御部と、 を備えたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
3. 【請求項３】 前記駆動部が圧電素子を有し、前記駆動
   信号が前記圧電素子への印加電圧であることを特徴とす
   る請求項２記載の走査型プローブ顕微鏡。
4. 【請求項４】 プローブと試料表面とを相対的に移動さ
   せて前記試料表面の所定の情報を得る測定を行う走査型
   プローブ顕微鏡であって、前記プローブに作用する力を
   検出し、当該検出された力に基づいて、前記プローブの
   前記試料表面に対する前記試料平面と略垂直な第１の方
   向への相対的な移動及び前記プローブの前記試料表面に
   対する前記試料平面と略平行な前記第２の方向への相対
   的な移動を制御する走査型プローブ顕微鏡において、 前記プローブの前記試料表面に対する前記第１の方向へ
   の相対的な変位を計測する第１の変位計測部と、 前記プローブの前記試料表面に対する前記第２の方向へ
   の相対的な変位を計測する第２の変位計測部と、 を備え、 前記第１の変位計測部により計測された変位に相当する
   データ及び第２の変位計測部により計測された変位に相
   当するデータを測定データの一部として用いることを特
   徴とする走査型プローブ顕微鏡。