JPH02147951A - 探針走査型顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

に産業上の利用分野】 本発明は探針走査型顕微鏡に係り、とくに探針をＸ軸方
向および／またはＹ軸方向に走査させながら各走査位置
において探針をその軸線方向（Ｚ軸方向〉に移動させて
試料と対接させて試料の観察を行なうようにした探針走
査型顕微鏡に関する。 Ｋ発明の概要】 Ｘ軸方向およびＹ軸方向に走査可能なスキャナに取付け
た探針に超音波を印加し、超音波の反射波の位相の変化
から探針の先端と試料の表面との接触を検知するように
し、この位相変化に応じて探針を高さ方向に制御するよ
うにし、これによって試料の表面像を得るようにした探
針走査型顕微鏡に関するものである。

【従来の技術】

光学顕微鏡よりも高い倍率で試料を観察する手段として
、従来より電子顕微鏡が用いられている。 透過型電子顕微鏡は原子分解能をもつが、試料の薄片化
が必要になる。また電子線の回折を利用しているために
、表面構造の観察が国難である。走査型電子顕微鏡は表
面を観察できるが、試料にある程度の導電性を持たせる
必要があり、その分解能は最大２ｎｍ程度にとどまる。 走査型トンネル顕微鏡（Ｓ　Ｔ　Ｍ　）は、トンネル電
流を利用して探針のＺ軸方向の送りを制御するようにし
たものであって、表面の原子サイズの分解能０．１０ｍ
以下をもつ。また走査型原子開力顕微鏡（八Ｆ　Ｍ　）
は、マイクロビームの先端と表面原子間に働く力をマイ
クロビームの微少変形により検出しながら、変位が一定
量を保つようにマイクロビームを走査し、表面形状を調
べるものである。 この他に微小な観察を行なうものとして、超音波顕微鏡
がある。超音波顕微鏡は超音波パルスを音響レンズによ
って収束し、試料の表面に当て、試料の表面の音響イン
ピーダンスの変化による反射超音波の強度で像を得るよ
うにしたものである。 ざらに触針式表面粗さ計が知られている。この粗さ計は
ダイヤモンド針を表面に当てながら表面を走査すること
によって観察を行なうものである。 Ｋ発明が解決しようとする問題点】 透過型電子顕微鏡では試料を薄片化する必要があり、走
査型電子顕微鏡では試料に導電性を必要とする。また電
子顕微鏡は何れの型も真空雰囲気を必要とする欠点があ
る。また走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）は、トンネル
電流を利用するものであるために、電流が流れる試料で
なければ用いることができない。 つぎに走査型原子開力顕微鏡（ＡＦＭ）は、装置が非常
に複雑であって、取扱いが極めて困難である欠点がある
。また超音波パルスはその分解能が１００ｎｌｌ程度で
あって、しかも超音波を伝えるために８１ルンズと試料
との闇に液体を介在させる必要がある。また触針式表面
粗さ計は垂直感度は１　ｎｍ以下にすることができるも
のの、横方向の分解能が１０１００ｎ、：達せず、また
荷重をかけるため試料に圧痕を代官という欠点がある。 本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであっ
て、導電性を有しない試料をも測定することが可能にな
るとともに、雰囲気を真空にしたりあるいは液体を介在
させたりする必要がなく、しかも高い分解能で表面の観
察を行なうことが可能な探針走査型顕微鏡を提供するこ
とを目的とするものである。 Ｋ問題点を解決するための手段】 本発明は、探針をＸ軸方向および／またはＹ軸方向に走
査させながら各走査位置において探針をその軸線方向（
Ｚ軸方向）に移動させて試料と対接させて試料の観察を
行なうようにした顕微鏡において、超音波振動子を前記
探針に取付けるとともに、前記超音波振動子からの超音
波の反射波の位相を検出する位相検出手段を設け、前記
探針の試料側の先端部が反射面を構成するように前記超
音波振動子から超音波を発生させ、前記探針が試料に近
接するようにＺ軸方向に移動させ、試料表面に探針の先
端が接触することによる反射波の位相のずれが一定値に
なるように前記探針のＺ軸方向の変位を制御しながら探
針をＸ軸方向および／またはＹ軸方向に走査させること
によって試料の表面像を得るようにしたものである。 Ｋ作用メ 従って探針をＺ軸方向に移動させ、超音波の反射波の位
相の変化から探針と試料との接触をＯ３ｌｎｍのオーダ
ーで知ることができる。このような検出動作をＸ軸方向
および／またはＹ軸方向に探針を走査しながら行なうこ
とによって、試料の表面像を得ることが可能になる。 Ｋ実施例】 第２図は本発明の一実施例に係る探針走査型顕微鏡の全
体の構成を示すものであって、ベース１０上には粗ｌ］
機構１１を介してＸＹＩＩ動ステージ１２が設けられて
いる。ステージ１２上には支持部１３が取付けられると
ともに、この支持部１３に７粗動１！１Ｉｆｌ１４を介
して粗動ブロック１５が取付けられるようになっている
。そして粗動ブロック１５によって、Ｙスキャナ１６、
Ｘスキャナ１７、Ｘスキャナ１８を介して探針１９が支
持されている。探針１９の先端部は試料台２０上の試料
２１０表面に対接されるようになっている。また探針１
９は超音波１辰仙子２２を備えるようになっている。 上記超音波振動子２２は第１図に示す抵抗ブリッジ回路
２５を介して高周波パルス発生器２６と高周波増幅器２
７どに接続されるようになっている。そして高周波パル
ス発生器２６は周波数綜合器２８に接続されるとともに
、周波数綜合器２８と高周波増幅器２７とが位相検出回
路２９に接続されている。位相検出回路２９はＺスキャ
ナ制御回路３０に接続され、この制御回路３０によって
Ｘスキャナ１８を介して探針１９をその軸線方向すなわ
ちＺ軸方向に移動させるようにしている。 またＸスキャナ１７およびＹスキャナ１６はスキャナ制
御回路３１によって制御される。ＣＲＴ３２のスクリー
ン面上ではスキャナ制御回路３１からの信号に同期して
Ｘ−Ｙに輝点が掃引され、肺度はＸスキャナ１８の電圧
によって変調されるようになっている。 以上のような構成において、第２図に示す粗動機構１１
はＸＹ粗動ステージ１２をＸ軸方向およびＹ軸方向の所
定の位置まで移動させ、探＄４１９の先端部が試料台２
０上の試料２１の所定の位置と対向するようにする。さ
らにＺ粗動機１１４１４によって粗動ブロック１５をＺ
軸方向の所定の位置まで移動させる。そしてスキャナ制
御回路３１によってＸスキャナ１７およびＹスキャナ１
６を制御し、探針１９をＸ軸方向およびＹ軸方向に走査
する。 探針１９の上端側の部分には圧電体２２が貼付けられて
おり、高周波パルス発生器２６によって発生される高周
波電圧をブリッジ２５を通して上記圧電体２２に印加す
ると、圧電体２２から高周波の超音波が発生することに
なる。発射された超音波パルスは深針１９内を伝播し、
自由端、すなわち試料２１と対向する先端部で反射され
る。超音波パルスエコー沫と呼ばれる固体の音響測定法
を利用して超音波パルスの位相を観察する。この観察は
第１図に示す回路中の位相検出回路２９によって行なわ
れる。探針先端部はテーパ状になっており、収束作用を
行なわせながら超音波パルスをその先端部で反射するよ
うにしている。 スキャナ制御回路３０は７スキヤナ１８を用いて探針１
９を７軸方向に移動する。ずなわち探針１９の先端部が
試料２１の表面に近付くように送る。探針１９の先端が
試料２１の表面に非常に接近し、試料２１の表面どの距
離が原子サイズになると、探針１９の先端に集中された
超音波は試料２１にも伝えられることなり、これによっ
て反射して受信されるエコー高周波パルスの位相が変化
する。 理想的に超音波パルスが探針１９の先端に収束された状
態で探針１９の先端部が試料２１０表面に接触すると、
探針１９と試料２１の音響インピーダンス比で決まる位
相変化が生ずる。従って位相変化量は最大の場合がπで
ある。探針１９の先端の超音波撮動により、１振動周期
の接触している時間の周期に対する割合に応じて０から
最大値πまで連続的に変化する。位相の変化は位相検波
回路を内蔵した位相検出回路２９によって検出される。 位相の変化は１０−３まで測定可能である。 従って位相検出回路２９の出力をスキャナ制御回路３０
にフィードバックすることにより、探ｊ１１９が試料２
１の表面に全く接触していないときの反射波の位相に対
しである一定の位相差となるように７スキヤナ１８を制
御しながらスキャナ制御回路３１によって制御されるＸ
スキャナ１７およびＹスキャナ１６を用いて探針１９を
試料２１の表面を走査させることになる。これによって
試料２１の表面の原子サイズでの凹凸を知ることが可能
になり、試料２１の微細な表面像をＣＲＴ３２を通して
得ることができるようになる。 このような探ｒ４走査型顕微鏡は、走査型トンネル顕微
鏡（ＳＴＭ）と同様の構成とすることができ、これに超
音波振動子２２を付加するだけでその探針１９をそのま
ま使用しながら、同時に力学的な相互作用による像を得
ることが可能になる。 また導電性試料２１を観察する場合には、ＳＴＭによっ
て得られる像と超音波の反射波を利用する本顕微鏡によ
る像とを比較して、表面構造をより正確に（ｙえること
ができる。また本実施例の顕微鏡は超音波の反８４波の
位相の変化を検出づるものであるから、絶縁体から成る
試料２１の表面をも観察することができる。また探針１
９は／スキャノ−１８によって７方向に送られるように
なっており、原子サイズでの接触を利用しているために
、ダイＡ７モンド釦を試料の表面に接触さぜる触針式粗
さ計のように表面を傷つけることはない。 上記実施例の探針１９はその断面形状が円形であって先
端がテーバ状になっている円柱状の形状を有しているが
、このような構造に代えて、第３図および第４図に示す
ような薄膜探針３５を用いることも可能である。薄膜に
よって構成されるりＤスビーム３５を探針とするととも
に、その基端側に圧電体簿膜３６を取付け、しかも探針
３５を支持体３７によって支持させるようにしてもよい
。 このような探針３５においても、圧電体簿膜３６からの
超音波を先端部で反射することになる。そして第４図に
示すように探針３５が非常に薄いために効率の高い探針
になる。 【発明の効果）１ 以上のように本発明は、超音波振動子を探針に設けると
ともに、超音波振動子からの超音波の反射波の位相を検
出する位相検出手段を設け、探針の試料側の先端部が反
射面を構成するように超音波振動子から超音波を発生さ
せ、探針を７軸方向に移動させて試料表面によって反則
波の位相が変化するときの探針のＸ軸方向の変位を検出
するとともに、探針をＸ軸方向および／またはＹ軸方向
に走査させながら前記反射波の位相のずれが一定噴にな
るように前記探針のＸ軸方向の変化を制御することによ
って試料の表面像を得るようにしたものぐある。従って
反射波の位相の変化から探針の試料表面への接触を知る
ことができ、このような検出をＸ軸方向および／または
Ｙ軸方向に走査させながら行４【うことによって、試料
の表面像を高い分解能で得ることが可能になる。また絶
縁材料から成る試料をも観察可能になり、しかも観察の
際に試料の表面を傷つけることがない。 ・探針 ・試料 ・超音波振動子 ・高周波パルス発生器 ・位相検出回路 ・Ｚスキャナ制御回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、探針をＸ軸方向および／またはＹ軸方向に走査させ
   ながら各走査位置において探針をその軸線方向（Ｚ軸方
   向）に移動させて試料と対接させて試料の観察を行なう
   ようにした顕微鏡において、超音波振動子を前記探針に
   取付けるとともに、前記超音波振動子からの超音波の反
   射波の位相を検出する位相検出手段を設け、前記探針の
   試料側の先端部が反射面を構成するように前記超音波振
   動子から超音波を発生させ、前記探針が試料に近接する
   ようにＺ軸方向に移動させて試料表面によって反射波の
   位相が変化するときの前記探針のＺ軸方向の変位を検出
   するとともに、探針をＸ軸方向および／またはＹ軸方向
   に走査させながら前記反射波の位相のずれが一定値をと
   るように前記探針のＺ軸方向の変位を制御することによ
   って試料の表面の像を得るようにしたことを特徴とする
   探針走査型顕微鏡。