JP2000227436A - 走査探針顕微鏡および試料観察方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 試料の表面を高精度に観察する。 【解決手段】 位置決め部１には、圧電素子であるピエ
ゾ素子９と、先端に探針３ｂを有するカンチレバー２ｂ
が取付けられており、探針３ｂはピエゾ素子９に取付け
られた可動基板４の表面に接触している。さらに、可動
基板４には先端に探針３ａを有するカンチレバー２ａが
取付けられており、探針３ａは水平方向に移動可能なＸ
Ｙ駆動部１１上に載置された観察用の試料８の表面に接
触している。光源６から照射されたレーザ光１０がカン
チレバー２ｂ、３ｂで反射され、反射されたレーザ光１
０をそれぞれ分割光ディテクタ５ａ、５ｂで受光して探
針３ａ、３ｂの高さ位置であるｚ位置として検出する。
分割光ディテクタ５ａから出力された信号と比較信号と
の差が増幅器７により増幅されて、帰還信号としてピエ
ゾ素子９に入力される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、試料表面と相互作
用する探針により試料表面を走査することで試料表面を
観察する走査探針顕微鏡および試料観察方法方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】走査探針顕微鏡（Scanning probe micro
scope：SPM）は微細な針先を持つ探針を試料表面に近接
させるなどして針先と表面とを相互作用させ、その相互
作用の程度を針先と表面との相対的な距離に帰還してそ
の相互作用を一定に保ち、帰還信号により表面の形状あ
るいは表面の物理的性質などに関わる量を画像として表
示するものである。

【０００３】そのひとつである原子間力顕微鏡（Atomic
force microscope：AFM）では、探針と試料表面との相
互作用を探針の位置として検出し、その位置信号を入力
としてピエゾ素子により表面−探針間の距離に帰還をか
けて表面−探針間の相互作用を定常に保ち、探針が表面
上を走査するとき、表面−探針間の距離を制御するピエ
ゾ素子の駆動信号を収集し、表面の形状を画像化する
（Scanning Force Microscopy With Applications to E
lectric, Magnetic and Atomic Forces, Dror Sarid, O
xford University Press, 1994）。

【０００４】従来のＡＦＭ法の１例のブロック図を図６
に示す。

【０００５】探針３０３はカンチレバー３０２の先端に
下向きに取り付けられている。ピエゾ素子３０９上に載
置された試料３０８の表面に探針３０３が接触（コンタ
クト）した状態で不図示のＸＹ駆動装置により、試料３
０８と探針３０３とが水平方向（Ｘ−Ｙ）に相対走査さ
れることにより生じる探針３０３の上下（ｚ）方向の変
位は、カンチレバー３０２の微少の振れ角として光テコ
により敏感に計測される。すなわち、光源３０６から放
射されたレーザ光３１０がカンチレバー３０２先端の上
面で反射し、その反射光は位置感応型の分割光ディテク
タ３０５により検出される。そして、ＰＤ回路３２１に
より探針のz変位に線形なｚ位置信号Ｖcに変換される。

【０００６】ｚ位置信号Ｖcと比較信号との差分は、次
にフィルタ、微分、積分、比例回路あるいはこれらの回
路動作と同様の効果を与えるようにコンピュータソフト
により駆動されるＤＳＰ（digital signal processin
g）などを用いて、積分変換、比例変換などを含む演算
を施された後、ピエゾ素子をｚ変位に駆動する電圧信号
Ｖpとしてピエゾ素子３０９に与えられる。図６に示す
ように、通常、試料３０８はピエゾ素子３０９上に載置
され、帰還はピエゾ素子３０９のｚ変位が試料３０８の
表面と探針３０３との間の距離を一定にするようにかけ
られる。すなわち、探針３０３の位置は帰還信号で生じ
るピエゾ素子３０９の伸び縮みにより一定に保たれるこ
とから試料３０８の凹凸、すなわち表面形状はこの電圧
信号Ｖpのみを用いて画像化される。

【０００７】また、ＡＦＭの別のモードとしてカンチレ
バーを共振周波数またはその近傍の周波数で振動させ、
振動の振幅または位相などを検出してｚ位置信号Ｖcと
して用いる方法が知られている。

【０００８】さらに、他のモードのＡＦＭとして、あら
かじめｚ位置信号Ｖcとピエゾ素子を駆動する電圧信号
Ｖpとの間の量的関係を実験的に求めておき、探針の走
査とともにｚ位置信号Ｖcと電圧信号Ｖpの信号を同時に
計測、収集し、決定されている関係を用いてｚ位置信号
Ｖcと電圧信号Ｖpとの両信号からz変位を合成し、高速
に表面の凹凸を画像化する方法がある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述のＡＦＭのピエゾ
素子を駆動する電圧信号Ｖpは、これとピエゾ素子のｚ
変位が線形関係にあり、また理想的な帰還であれば、走
査で決まる試料表面上の(ｘ、ｙ)位置とにより、試料表
面の形状（トポグラフィー）を表すこととなる。ここに
理想的な帰還とは、試料の表面を走査して時間域あるい
は周波数域に試料表面の形状の信号が変換されたとき、
電圧信号Ｖpを広帯域で測定するのに十分広い帰還帯
域、大きな帰還利得があり、かつ、ピエゾ素子の電圧−
変位応答に非線形性、履歴のない場合である。

【００１０】しかしながら、電気−機械変換を行うピエ
ゾ素子には多かれ少なかれ非線形性、履歴などがあるた
め、これらが帰還系に含まれるとき、その系は理想から
大きく外れ、取得された表面形状の画像には誤差が含ま
れることとなる。実際、使用されるピエゾ素子は電気的
に微少変位を検出するのに適してはいるが、素子の使用
条件に依存して、入力である電界強度と出力である変位
の間には履歴現象、余効、クリープなどが介在する。こ
れらは、ＡＦＭにおけるピエゾ素子への印加電圧を取得
して得られる画像の、表面凹凸の高さ変位に含まれる誤
差の原因となる。

【００１１】そこで、本発明は、上述した誤差の原因を
排除し、高精度な試料表面の観察が可能な走査探針顕微
鏡および試料観察方法を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明の走査探針顕微鏡は、試料の表面に対向させてカ
ンチレバーの自由端に設けられた走査用探針と、前記走
査用探針と前記試料とを相対走査させる走査手段と、前
記カンチレバーの固定端を支持し、前記走査用探針を前
記試料の表面に対して略垂直な方向に移動させるように
伸縮する圧電素子と、前記走査用探針と前記試料との相
互作用力が一定となるように前記圧電素子を伸縮させる
帰還信号を与える制御手段と、前記圧電素子の伸縮量を
検知する伸縮量検知手段と、前記伸縮量検知手段により
検知された前記圧電素子の伸縮量を、前記走査用探針の
前記試料の表面に対して略垂直な方向への移動量として
出力する出力手段とを有する。

【００１３】上記のとおり構成された本発明の走査探針
顕微鏡では、走査用探針を試料表面に接触させながら、
走査手段により走査用探針と試料とが相対走査される。
このとき、試料の表面形状に応じて、走査用探針が試料
表面と略垂直な方向（ｚ方向）に移動するが、走査用探
針は、圧電素子によりその方向に移動可能に設けられて
おり、走査用探針と試料との相互作用力が一定となるよ
うに圧電素子が制御手段で伸縮される。圧電素子の伸縮
量は伸縮量検知手段で検知され、この圧電素子の伸縮量
が走査用探針のｚ方向への移動量として出力される。こ
れにより、試料表面の観察の際には、走査用探針と試料
との相互作用力が一定となるようにするために圧電素子
に与える信号ではなく、圧電素子の伸縮量そのものを利
用することができるので、圧電素子へ与えられる信号に
含まれる多値性が回避される。

【００１４】また、圧電素子の一端を支持部材に支持さ
せるとともに他端に可動基板を設け、上記伸縮量検知手
段として、圧電素子の伸縮に伴う可動基板の変位を検知
する、上記走査用探針と同様の構成を有する変位検知用
探針を用いることで、走査用探針のｚ方向の位置の検知
と同じ原理を用いて圧電素子の伸縮量を検知することが
できる。すなわち、圧電素子の伸縮量の検知には、走査
用探針のｚ方向への移動量を検知するための手段の一部
を共通に用いることが可能となり、その分だけ構成が簡
素化される。この場合特に、走査用探針を、走査用探針
が設けられたカンチレバーの略共振周波数で励振させる
発振手段を有することで、走査用探針と試料との相対走
査中の、走査用探針の試料への引っ掛かり、跳び、探針
の損傷等が防止される。さらに、上記出力手段からの出
力と、走査用探針のｚ方向への移動量を出力する変位量
出力手段からの出力とを合成させる合成手段を有するこ
とで、試料表面を短時間で観察することが可能となる。

【００１５】本発明の試料観察方法は、カンチレバーの
自由端に設けられた走査用探針と、一端が支持部材に支
持され他端に前記カンチレバーの固定端が支持された圧
電素子と、前記圧電素子の伸縮量を検知する伸縮量検知
手段とを有するヘッドを用意する工程と、試料を前記走
査用探針と接触させて対向配置する工程と、前記走査用
探針と前記試料とを相対走査する工程と、前記走査用探
針と前記試料との相互作用力が一定となるように前記圧
電素子を伸縮させる工程と、前記伸縮量検知手段により
検知された前記圧電素子の伸縮量を、前記走査用探針の
前記試料の表面に対して略垂直な方向への移動量として
出力する工程とを有する。

【００１６】上記のような本発明の試料観察方法によれ
ば、ヘッドの走査用探針を試料と接触させて対向配置
し、両者を相対走査させると、試料表面の形状に応じて
走査用探針が試料表面と略垂直な方向（ｚ方向）に移動
する。このとき、走査用探針と試料との相互作用力が一
定となるように、走査用探針を支持する圧電素子を伸縮
させ、その伸縮量を検出して走査用探針のｚ方向への移
動量として出力する。これにより、圧電素子の伸縮量
を、試料表面のｚ方向への位置として利用することがで
きるので、走査用探針と試料との相互作用力を一定とす
る際に圧電素子へ与えられる信号に含まれる多値性が回
避される。

【００１７】また、上記ヘッドを、カンチレバーが可動
基板を介して圧電素子に支持されるとともに、伸縮量検
知手段が、支持部材に支持されたカンチレバーの自由端
に設けられた変位検知用探針を有する構造とし、上記圧
電素子の伸縮量を走査用探針の移動量として出力する工
程では、圧電素子の伸縮による可動基板の変位に基づく
変位検知用探針の変位量を検知することで、圧電素子の
伸縮量が容易に検知される。この場合、走査用探針と試
料との相対走査の際の走査用探針の引っ掛かり、跳び、
損傷等を防止するために、走査用探針を走査用探針が設
けられたカンチレバーの略共振周波数で励振させる工程
を有することが好ましい。さらには、試料表面を短時間
で観察するために、走査用探針の変位量と変位検知用探
針の変位量とを合成する工程を有してもよい。

【００１８】

【発明の実施の形態】（第１の実施形態）図１に本実施
形態の走査探針顕微鏡の帰還ループに関わる部分のブロ
ック図を示す。

【００１９】ｚ方向に移動可能な位置決め部１には、圧
電素子であるピエゾ素子９と、先端に探針３ｂを有する
カンチレバー２ｂとが取付けられている。ピエゾ素子９
は、ｚ方向に伸縮するように上端が位置決め部１に固定
されている。ピエゾ素子９の下端には可動基板４が取付
けられており、この可動基板４の上面には探針３ｂが接
触している。

【００２０】可動基板４には先端に探針３ａを有するカ
ンチレバー２ａが取付けられている。試料８の観察時に
は、探針３ａは水平方向であるＸＹ方向に移動可能なＸ
Ｙ駆動部１１上に載置された観察用の試料８の表面に接
触される。

【００２１】また、本実施形態の走査探針顕微鏡は、カ
ンチレバー２ｂ、３ｂにレーザ光１０を照射させる光源
６と、カンチレバー２ｂ、３ｂで反射されたレーザ光１
０をそれぞれ受光してカンチレバー２ｂ、３ｂの振れ、
すなわち探針３ａ、３ｂの高さ位置であるｚ位置として
検出する（光てこ）、位置感応型の光センサである分割
光ディテクタ５ａ、５ｂと、ローパスフィルタ１５と、
分割光ディテクタ５ａから出力されローパスフィルタ１
５を介した信号と比較信号との差に基づいた信号をピエ
ゾ素子９に入力する増幅器７ａと、分割光ディテクタ５
ｂから出力された信号が入力される増幅器７ｂと、ＸＹ
駆動部１１へ走査信号を出力し、かつ、増幅器７ｂから
出力された信号が入力され、この入力信号を基に、観測
した試料８の表面形状の画像処理を行うコンピュータ１
２とを有する。

【００２２】なお、上述の位置決め部１と、分割光ディ
テクタ５ａ、５ｂと、ＸＹ駆動部１１とは不図示の固定
部に搭載されているものであり、また、位置決め部１の
ｚ方向への移動は、試料８と探針３ｂとの初期位置を規
定する際になされるものである。

【００２３】次に、上記構成を有する本実施形態の走査
探針顕微鏡の動作に関して説明する。

【００２４】探針３ａが試料８の表面に接触しながら相
対走査する際、探針３ａと試料８との間の相互作用を定
常に保つため、カンチレバー２ａで反射したレーザ光１
０を受光した分割光ディテクタ５ａは、探針３ａのｚ位
置信号Ｖ_Cをローパスフィルタ１５を介して増幅器７ａ
へと出力する。増幅器７ａには、ｚ位置信号Ｖ_C以外
に、比較信号が入力され、これらを基にピエゾ素子９に
対して、ピエゾ素子９をｚ方向に駆動させるピエゾ素子
信号Ｖ_Pを負帰還させる。

【００２５】このため、比較信号の設定値を種々変化さ
せることにより帰還が成立している状態で探針３ａのｚ
位置に関わるｚ位置信号Ｖcとピエゾ素子９の伸縮に関
わるピエゾ素子信号Ｖpの関係を従来のように決定可能
ではある。ちなみに、図２はその１例を示したグラフで
あるが、この場合、ｚ位置信号Ｖcとピエゾ素子信号Ｖp
との間に履歴に由来する２値性が存在する。この例では
約４０nmのｚ位置の変化に対し約２nmほどの履歴があ
る。そこで、本実施形態では、試料８の表面形状の決定
に、ｚ位置信号Ｖcとピエゾ素子信号Ｖpとの関係は用い
ない。

【００２６】一方、本実施形態の表面形状の決定のため
の基となる、比較信号入力の設定値を変えた探針３ａか
らのｚ位置信号Ｖcと、探針３ｂからのｚ位置信号Ｖ_Zと
の関係を示したグラフを図３に示す。この探針３ｂから
のｚ位置信号Ｖ_Zは、探針３ｂが可動基板４に接触する
ことで測定がなされる可動基板４のｚ位置、すなわち、
上述の負帰還により伸縮したピエゾ素子９の変位に関す
る信号である。図３に示すように、図２で見られた履歴
による２値性は存在せず、ｚ位置信号Ｖcとｚ位置信号
Ｖ_Zは互いに１値性を保っていることがわかる。

【００２７】本実施形態では、試料８の表面形状の決定
に、試料８と探針３ａとの相互作用力である探針３ａが
試料８の表面を押す力を一定にさせるためのピエゾ素子
９への負帰還信号であるピエゾ素子信号Ｖpを用いず、
ピエゾ素子９の伸縮量を表す探針３ｂからのｚ位置信号
Ｖ_Zを用いている。

【００２８】以上、本実施形態によれば、試料８の表面
を探針３ａにより走査して探針３ａからのｚ位置信号Ｖ
cを収集しながら、同時に探針３ｂからのｚ位置信号Ｖ_Z
を収集することで試料８の表面形状を観察する。このた
め、ピエゾ素子９の伸縮の履歴によるピエゾ素子信号Ｖ
pの多値性を排除するとともに、多値性に由来する誤差
を回避でき、試料８の表面形状を高精度に観察できる。

【００２９】また、試料８に対する光てこの構成がカン
チレバー２ａ、探針３ａおよび分割光ディテクタ５ａで
構成され、可動基板４に対する光てこもカンチレバー２
ｂ、探針３ｂおよび分割光ディテクタ５ｂと、基本的に
同じ構造の部品で構成されるとともに、光源６を供用し
たことで装置の構成の簡略化を図ることができる。

【００３０】（第２の実施形態）次に、図４に本実施形
態の走査探針顕微鏡の帰還ループに関わる部分のブロッ
ク図を示す。

【００３１】基本的な共振周波数が２ｋＨｚのピエゾ素
子１０９ａの下端に取付けられた可動基板１０４の下面
に、さらに、発振器１１６により３００ｋＨｚ程度の正
弦波電圧で駆動されるピエゾ素子１０９ｂが取付けられ
ている。このピエゾ素子１０９ｂには、先端に探針１０
３ａを有する共振周波数が３００ｋＨｚ程度のカンチレ
バー１０２ａが取付けられている。

【００３２】また、回路系には、分割光ディテクタ１０
５ａからの正弦波電圧の信号を振幅信号に変換するロッ
クイン回路１１４を有する。

【００３３】上述の構成以外は基本的に第１の実施形態
と同様であるため、詳細の説明は省略する。

【００３４】本実施形態も、カンチレバー１０２ｂ、１
０３ｂで反射されたレーザ光１１０をそれぞれ分割光デ
ィテクタ１０５ａ、１０５ｂにより受光してカンチレバ
ー１０２ｂ、１０３ｂの振れ、すなわち探針１０３ａ、
１０３ｂの高さ位置であるｚ位置として検出する光てこ
を構成している。なお、本実施形態の場合、分割光ディ
テクタ１０５ａからは、３００ｋＨｚ程度の正弦波電圧
の信号が出力され、この信号はロックイン回路１１４に
より振幅信号に変換され、さらに、４００Ｈｚに遮断周
波数を持つ低域濾波器であるローパスフィルタ１１５を
経た信号をｚ位置信号Ｖcとして増幅器１０７ａに入力
される。

【００３５】ピエゾ素子１０９ａへの負帰還信号は、第
１の実施形態と同様に、増幅器１０７へと入力された比
較信号とｚ位置信号Ｖcとの差を増幅したピエゾ素子信
号Ｖpが与えられる。

【００３６】また、試料１０８の表面形状の決定も、第
１の実施形態と同様に、ピエゾ素子信号Ｖpを用いず、
交流的に振動する探針１０３ａからの信号であるｚ位置
信号Ｖcと、ピエゾ素子１０９ａの伸縮量を表す探針１
０３ｂからのｚ位置信号Ｖ_Zとを用いている。

【００３７】以上により、本実施形態は、第１の実施形
態と同様に、ピエゾ素子１０９ａの伸縮の履歴によるピ
エゾ素子信号Ｖpの多値性を排除するとともに、多値性
に由来する誤差を回避でき、試料１０８の表面形状を高
精度に観察できる。

【００３８】また、本実施形態は、第１の実施形態と同
様に、光てこに関する基本構成を同じとしたことで装置
の構成の簡略化が図れる。

【００３９】さらに、本実施形態は探針１０３ａを振動
させることで、探針１０３ａの試料１０８への引っ掛
り、引っ掛かり後の探針１０３ａの跳びによる表面形状
再現の不正確さ、試料１０８に対する探針１０３ａの引
きずりによる試料１０８あるいは探針１０３ａの損傷等
を防ぐことができる。

【００４０】（第３の実施形態）次に、図５に本実施形
態の走査探針顕微鏡の帰還ループに関わる部分のブロッ
ク図を示す。

【００４１】本実施形態の走査探針顕微鏡では、ロック
イン回路２１４からの出力が、８０Ｈｚに遮断周波数を
持つ低域濾波器である第１のローパスフィルタ２１５ａ
を介してｚ位置信号Ｖcとして出力される点、およびｚ
位置信号Ｖcと探針２０３ｂからのｚ位置信号Ｖ_Zとが合
成器２２０で合成されてから、コンピュータ２１２へと
入力される点が第２の実施形態と異なる。それ以外の構
成は、基本的に第２の実施形態と同様であるため詳細の
説明は省略する。

【００４２】上述の構成により画像化された探針２０３
ｂからのピエゾ素子２０９ａの伸縮信号は、交流的に振
動する探針２０３ａと試料２０８の表面との相互作用に
関わる高さ情報の低周波数成分、すなわち探針２０３ａ
の走査にともないゆっくりと変化する表面の高さ情報で
ある。また探針２０３ａの振幅信号化されたｚ位置信号
Ｖcは主として高周波数成分からなり、ｚ位置信号Ｖcが
探針２０３ｂからの信号と関係づけられていることか
ら、走査にともない速く変化する試料２０８の表面の高
さ情報に変換できる。これらｚ位置信号Ｖcと探針２０
３ｂからの信号とを高さ情報として、合成器２２０で合
成することにより試料２０８の表面の凹凸像が画像化さ
れる。このため、本実施形態の走査探針顕微鏡は、一画
面（面積：約５μｍ×５μｍ）を１０秒程度の高速で取
得することが可能となる。

【００４３】以上、本実施形態も第１および第２の実施
形態と同様に、ピエゾ素子２０９ａの伸縮の履歴による
ピエゾ素子信号Ｖpの多値性を排除するとともに、多値
性に由来する誤差を回避でき、試料２０８の表面形状を
高精度に観察できる。

【００４４】また、本実施形態も第１および第２の実施
形態と同様に、光てこに関する基本構成を同じとしたこ
とで装置の構成の簡略化が図れる。

【００４５】さらに、高速性と、ピエゾ素子の履歴など
の問題を除いた高精度とを兼ね備えた高速ＡＦＭ法であ
る本実施形態の走査探針顕微鏡は、特に半導体素子の微
細化が、例えば10μｍ角ほどの領域においてサブミクロ
ンから数十ナノメートルの長さスケールの人工物である
急峻なトレンチ構造あるいは微細配線を問題とする段階
にあることから、試作デバイスの評価方法ないしは装置
生産ラインにおける抜き取り検査のような表面評価に関
わる要請に対し果たす役割は大きい。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、試
料表面の観察の際には、走査用探針と試料との相互作用
力が一定となるようにするために圧電素子に与える信号
ではなく、圧電素子の伸縮量そのものを利用することが
できるので、圧電素子へ与えられる信号に含まれる多値
性を回避し、試料表面を高精度に観察することができ
る。

【００４７】また、伸縮量検知手段を、カンチレバーに
設けられた変位検知用探針を含むものとすることで、圧
電素子の伸縮量を簡単な構成でかつ容易に検知すること
ができる。この場合特に、走査用探針を、走査用探針が
設けられたカンチレバーの略共振周波数で励振させるこ
とで、走査用探針と試料との相対走査の際の走査用探針
の引っ掛かり、跳び、損傷等を防止することができる。
さらに、走査用探針の変位量と変位検知用探針の変位量
とを合成させることで、試料表面を短時間で観察するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態の走査探針顕微鏡の帰
還ループに関わる部分のブロック図である。

【図２】本発明の第１の実施形態の走査探針顕微鏡にお
ける、探針３ａの信号Ｖ_Cとピエゾ信号Ｖ_Pとの関係を示
すグラフである。

【図３】本発明の第１の実施形態の走査探針顕微鏡にお
ける、探針３ａの信号Ｖ_Cとピエゾ信号Ｖ_Pとの関係を示
すグラフである。

【図４】本発明の第２の実施形態の走査探針顕微鏡の帰
還ループに関わる部分のブロック図である。

【図５】本発明の第３の実施形態の走査探針顕微鏡の帰
還ループに関わる部分のブロック図である。

【図６】従来のＡＦＭ法の帰還ループに関わる部分のブ
ロック図である。

【符号の説明】

１、２０１ 位置決め部 ２ａ、２ｂ、１０２ａ、１０２ｂ カンチレバー ３ａ、３ｂ、１０３ａ、１０３ｂ、２０３ａ、２０３ｂ
探針 ４、１０４、２０４ 可動基板 ５ａ、５ｂ、１０５ａ、１０５ｂ 分割光ディテクタ ６ 光源 ７、１０７ａ 増幅器 ８、１０８、２０８ 試料 ９、１０９ａ、１０９ｂ、２０９ａ、２０９ｂ ピエ
ゾ素子 １０ レーザ光 １１ ＸＹ駆動部 １２ コンピュータ １１４、２１４ ロックイン回路 １５、１１５ ローパスフィルタ ２１５ａ 第１のローパスフィルタ ２２０ 合成回路

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料の表面に対向させてカンチレバーの
   自由端に設けられた走査用探針と、 前記走査用探針と前記試料とを相対走査させる走査手段
   と、 前記カンチレバーの固定端を支持し、前記走査用探針を
   前記試料の表面に対して略垂直な方向に移動させるよう
   に伸縮する圧電素子と、 前記走査用探針と前記試料との相互作用力が一定となる
   ように前記圧電素子を伸縮させる帰還信号を与える制御
   手段と、 前記圧電素子の伸縮量を検知する伸縮量検知手段と、 前記伸縮量検知手段により検知された前記圧電素子の伸
   縮量を、前記走査用探針の前記試料の表面に対して略垂
   直な方向への移動量として出力する出力手段とを有する
   走査探針顕微鏡。
2. 【請求項２】 前記圧電素子はその伸縮方向の一端が支
   持部材によって支持されるとともに、他端に可動基板を
   介して前記カンチレバーが支持され、 前記伸縮量検知手段は、前記圧電素子の伸縮による前記
   可動基板の変位量を検知する、前記支持部材に支持され
   たカンチレバーの自由端に設けられた変位検知用探針を
   有する、請求項１に記載の走査探針顕微鏡。
3. 【請求項３】 前記走査用探針が設けられたカンチレバ
   ー及び前記変位検知用探針が設けられたカンチレバーに
   レーザ光を照射する光源と、 前記走査用探針が設けられたカンチレバーに照射されて
   反射した前記レーザ光を受光し、前記走査用探針の前記
   試料の表面に対して略垂直な方向への移動量として出力
   する変位量出力手段とを有し、 前記制御手段は、前記変位量出力手段からの出力に基づ
   いて前記圧電素子に前記帰還信号を与え、前記出力手段
   は、前記変位検知用探針が設けられたカンチレバーに照
   射されて反射した前記レーザ光を受光し、前記可動基板
   の変位に基づく前記変位検知用探針の変位量を前記圧電
   素子の伸縮量とする、請求項２に記載の走査探針顕微
   鏡。
4. 【請求項４】 前記走査用探針を前記走査用探針が設け
   られたカンチレバーの略共振周波数で励振させる発振手
   段を有する請求項２または３に記載の走査探針顕微鏡。
5. 【請求項５】 前記走査用探針を前記走査用探針が設け
   られたカンチレバーの略共振周波数で励振させる発振手
   段と、 前記出力手段からの出力と前記変位量出力手段からの出
   力とを合成させる合成手段とを有する請求項３に記載の
   走査探針顕微鏡。
6. 【請求項６】 カンチレバーの自由端に設けられた走査
   用探針と、一端が支持部材に支持され他端に前記カンチ
   レバーの固定端が支持された圧電素子と、前記圧電素子
   の伸縮量を検知する伸縮量検知手段とを有するヘッドを
   用意する工程と、 試料を前記走査用探針と接触させて対向配置する工程
   と、 前記走査用探針と前記試料とを相対走査する工程と、 前記走査用探針と前記試料との相互作用力が一定となる
   ように前記圧電素子を伸縮させる工程と、 前記伸縮量検知手段により検知された前記圧電素子の伸
   縮量を、前記走査用探針の前記試料の表面に対して略垂
   直な方向への移動量として出力する工程とを有する、試
   料観察方法。
7. 【請求項７】 前記ヘッドは、前記カンチレバーが可動
   基板を介して前記圧電素子に支持されるとともに、前記
   伸縮量検知手段は、前記支持部材に支持されたカンチレ
   バーの自由端に設けられた変位検知用探針を有し、 前記圧電素子の伸縮量を前記走査用探針の移動量として
   出力する工程は、前記圧電素子の伸縮による前記可動基
   板の変位に基づく前記変位検知用探針の変位量を検知す
   る工程を有する、請求項６に記載の試料観察方法。
8. 【請求項８】 前記走査用探針を前記走査用探針が設け
   られたカンチレバーの略共振周波数で励振させる工程を
   有する、請求項７に記載の試料観察方法。
9. 【請求項９】 前記走査用探針の変位量と前記変位検知
   用探針の変位量とを合成する工程を有する請求項８に記
   載の試料観察方法。