JPH06174458A - 表面情報分離測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、同一試料の複数の表面情報を分離し
て個々に情報を検出し合成した表面情報を形成し、表面
状態に影響されない表面情報分離装置を提供することを
目的とする。 【構成】本発明は、マイコン２１により伸縮動作が制御
されるＸＹＺ駆動圧電体２６に載置される試料２５が任
意のＸ，Ｙ，Ｚ方向に走査され、該試料表面に先端部を
近付けたカンチレバー２７と、カンチレバー２７を振動
させる加振圧電体２８と、試料表面上の走査によるカン
チレバー２７の変位（変位信号Ｓ１，振幅信号Ｓ２）を
検出する探針変位検出部２９と、得られた測定データを
画像形成するホストコンピュータ３２とで構成され、前
記カンチレバー２７の走査により得られる試料表面の凹
凸のＡＦＭデータと、振動するカンチレバー２７の走査
により得られる試料表面のコンスタント磁力勾配との差
から表面情報（ＭＦＭデータ）を検出し画像形成する表
面情報分離測定装置である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、同一試料の複数の表面
情報を分離して得た個々の情報を合成し表面情報を形成
する表面情報分離装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、試料表面上を所定の固有振動す
るカンチレバーで試料表面上を走査させて得た表面情報
から画像を形成する走査型プローブ顕微鏡がある。

【０００３】例えば、特開昭６３−３０９８０２号公報
に提案される原子力間顕微鏡は、尖った先端部を持つ片
持ち針を原子間力が発生可能な距離まで、試料表面に近
付けた状態で走査し、原子間力に影響されて生じる片持
ち針の振動数の固有振動数からシフトを検出する。ここ
で、検出された振動数のシフトが、前記片持ち針の先端
部と前記試料表面の距離を示す情報として利用され、前
記試料表面の像が形成される。

【０００４】さらに、片持ち針の先端部に磁粉を付着さ
せることによって、試料の磁力情報を得ることが可能な
走査型磁力顕微鏡（ＭＦＭ）となる。

【０００５】前述した片持ち針の固有振動数のシフトを
検出する手法について、図７に示すカンチレバーの振動
特性を参照して説明する。

【０００６】図７（ａ）は、片持ち針に外力の影響を受
けていない状態のカンチレバーの振動特性を示し、ｆ１
は固有振動数である。また図７（ｂ）は、前記片持ち針
に弱い引力の影響を受けた状態であり、固有振動数がｆ
２に下がる。

【０００７】さらに前記片持ち針に強い引力の影響を受
けた状態では、図７（ｃ）に示すようなカンチレバーの
振動特性になり、固有振動数がｆ３まで下がる。

【０００８】この時、周波数ｆ４でカンチレバーを振動
させ、その時のカンチレバーの先端部の振幅を検出す
る。この振幅によって、ｆ１，ｆ２，ｆ３の変化をＶ
１，Ｖ２，Ｖ３の変化に置き換え検出することができ
る。

【０００９】図８には、従来の走査型磁力顕微鏡の構成
を示し説明する。

【００１０】この走査型磁力顕微鏡においては、マイク
ロコンピュータ（以下、マイコンと称する）１に制御さ
れるＺ制御部２、Ｘ制御部３、Ｙ制御部４により、試料
５を載置するＸＹＺ駆動圧電体６が伸縮動作され、該試
料５が任意のＸ，Ｙ，Ｚ方向に移動される。

【００１１】また、前記試料の表面に尖った先端部を近
付けるように設けられたカンチレバー７は、加振圧電体
８を介して、探針変位検出部９に取り付けられる。この
カンチレバー７は、前記加振圧電体８によって振動さ
れ、試料表面上の走査によるカンチレバー７の変位は、
前記探針変位検出部９により検出され、変位信号Ｓ１と
して振幅検出部１０に出力される。

【００１２】前記振幅検出部１０は、前記加振圧電体８
に前記カンチレバー７を加振するための正弦波信号Ｓ３
を出力し、その正弦波と同じ周波数の信号をロックイン
アンプ検出し、振幅信号Ｓ２としてＡ／Ｄ変換部１１に
出力する。

【００１３】前記マイコン１は、前記Ｘ制御部３，Ｙ制
御部４を制御し、ＸＹＺ駆動圧電体６上の試料５を２次
元走査させながら、測定を行い、前記カンチレバー７の
変位を測定データとしてホストコンピュータ１２に転送
する。前記ホストコンピュータ１２は、前記マイコン１
から転送された測定データを格納し、画像形成して表示
出力する。

【００１４】このような従来の走査型磁力顕微鏡による
測定方法には、コンスタント磁力勾配測定と、コンスタ
ントハイト測定がある。前記コンスタント磁力勾配測定
の場合は、Ａ／Ｄ変換部１１から読出される情報に基づ
いて、Ｚ制御部２を介して、ＸＹＺ圧電体６をＺ方向に
伸縮させる。つまり、振幅信号Ｓ２を一定値に保つよう
にＺ制御部２を制御し、そのＺ制御データを測定データ
とする。

【００１５】一方、前記コンスタントハイト測定の場合
には、試料５の表面から振動しているカンチレバー７の
先端部の振動中心位置までの距離を固定して、Ａ／Ｄ変
換部１１から読出した信号、すなわち、振幅信号Ｓ２を
測定データとしている。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前述した従来
の走査型磁力顕微鏡により、試料表面の磁力情報を測定
する場合、測定データ値（像）に該試料の表面状態が影
響する。

【００１７】すなわち、図９（ａ）に示すような試料の
表面に凹凸がない磁性体試料であれば、図９（ｂ）に示
すような測定像は試料表面の磁力情報を純粋に反映した
磁力像（ＭＦＭ像）が得られる。

【００１８】しかし、表面が全く平坦な試料は少なく、
実際には、図１０（ａ）に示すような試料表面に凹凸が
あり、図１０（ｂ）に示すように、測定像は試料表面の
凹凸情報と磁力情報が混在した像になってしまい、純粋
な磁力情報が得られないという問題が生じる。同様に、
図１１（ａ）のような測定では、図１１（ｂ）に示す混
在像が得られたりする。

【００１９】そこで本発明は、同一試料の複数の表面情
報を分離して個々に情報が検出され合成された表面情報
を画像形成する、表面状態に影響されない表面情報分離
測定装置を提供することを目的とする。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、試料を３次元に移動させる試料移動手段
と、前記試料移動手段により移動される前記試料の表面
上を表面形状に沿って走査する尖った先端部を有するカ
ンチレバーと、前記カンチレバーを所定振動数で振動さ
せる振動体と、前記カンチレバーの走査の際に生じる前
記先端部の変位を検出する変位検出手段と、前記カンチ
レバー振幅を検出する振幅検出手段と、前記変位検出手
段から送出される無振動のカンチレバーの走査で得られ
た第１の表面情報及び、振幅検出手段から送出される所
定振動のカンチレバーの走査で得られた第２の表面情報
を演算処理する演算手段と、前記演算手段により演算出
力された測定データに基づき、表面情報を画像形成する
画像形成手段と、前記試料の表面情報を記憶する手段と
で構成される表面情報分離測定装置を提供する。

【００２１】

【作用】以上のような構成の表面情報分離測定装置は、
試料の表面を凹凸測定（ＡＦＭ測定）と磁力情報測定
（ＭＦＭ測定）が別個に連続して行なわれ、試料表面の
凹凸情報と磁力情報を分離して得られ、得られた混在像
から凹凸像を差し引いたものがＭＦＭ像とされ、凹凸測
定で得られた凹凸像に沿うようにカンチレバーを走査し
ながら、ＭＦＭ測定される。

【００２２】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。

【００２３】図１には、本発明による表面情報分離測定
装置の概略的な構成を示し説明する。 表面情報分離測
定装置において、マイクロコンピュータ（以下、マイコ
ンと称する）２１に制御されるＺ制御部２２、Ｘ制御部
２３、Ｙ制御部２４により、試料２５を載置するＸＹＺ
駆動圧電体２６が伸縮動作され、該試料２５が任意の
Ｘ，Ｙ，Ｚ方向に移動される。

【００２４】また、前記試料２５の表面に尖った先端部
を近付けるように設けられたカンチレバー２７は、加振
圧電体２８を介して、探針変位検出部２９に取り付けら
れる。このカンチレバー２７は、前記加振圧電体２８に
よって振動され、試料表面上の走査による所定振動若し
くは無振動のカンチレバー２７の先端部の変位は、前記
探針変位検出部２９により検出され、変位信号Ｓ１とし
て振幅検出部３０及びＡ／Ｄ変換部３１に出力される。

【００２５】前記振幅検出部３０は、前記加振圧電体２
８に前記カンチレバー２７を加振するための正弦波信号
Ｓ３を出力し、その正弦波と同じ周波数の信号をロック
インアンプ検出し、振幅信号Ｓ２として前記Ａ／Ｄ変換
部３１に出力する。前記振幅検出部３０は、前記マイコ
ン２１の制御により、振幅信号Ｓ２を出力する若しく
は、停止することができる。

【００２６】前記Ａ／Ｄ変換部３１は、前記マイコン２
１の制御により、変位信号Ｓ１若しくは振幅信号Ｓ２の
いずれかの信号を選択し出力することができる。

【００２７】前記マイコン２１は、前記前記Ｘ制御部２
３、前記Ｙ制御部２４を制御し、前記ＸＹＺ駆動圧電体
２６をカンチレバー２７に対して、２次元走査しなが
ら、測定を行い、カンチレバー２７の変位を測定データ
としてホストコンピュータ３２に転送する。前記ホスト
コンピュータ３２は、前記マイコン２１から転送された
測定データを格納し、画像形成して表示出力する。

【００２８】また、ＡＦＭ測定で得られた凹凸情報を格
納するための記憶部３３を有している。

【００２９】次に図２のフローチャートを参照して、前
記表面情報分離測定装置によるコンスタント磁力勾配Ｍ
ＦＭ測定モードの測定について説明する。

【００３０】まず、カンチレバー２７を振動させずに、
ＸＹＺ駆動圧電体２６を伸縮させ、試料表面の走査開始
位置をカンチレバーの先端部の下に来るように試料２５
を移動させる（ステップＳ１）。

【００３１】そして前記カンチレバー２７を振動させず
に、変位信号Ｓ１を一定に保つようにＺ制御部２２を制
御しながら、Ｘ方向に１ライン分の走査を行い、ＡＦＭ
測定する（ステップＳ２）。このＡＦＭ測定による１ラ
イン分の凹凸データを記憶部３３に格納する（ステップ
Ｓ３）。

【００３２】そして、１ライン分のＡＦＭ測定が終了し
たか否か判定し（ステップＳ４）、終了前であれば（Ｎ
Ｏ）、ステップＳ２に戻り、終了した後であれば（ＹＥ
Ｓ）、前記カンチレバー２７の先端部をその走査ライン
の走査開始位置まで、前記ＸＹＺ駆動圧電体２６を伸縮
させて、Ｘ方向に走査して戻る（ステップＳ５）。

【００３３】次に、カンチレバー２７を振動させ、振幅
信号Ｓ２を一定に保つようにＺ制御部２２を制御しなが
ら、前記ＸＹＺ駆動圧電体２６を伸縮させて、試料２５
を同一走査ラインのＸ方向に走査する（ステップＳ
６）。

【００３４】この走査ラインの各測定点のＺ制御値と、
前に測定したＡＦＭ測定時の同一測定点での凹凸データ
との差をＭＦＭデータとして、ホストコンピュータ３２
へ転送する。そして前記ホストコンピュータ３２でＭＦ
Ｍ像を画像形成して表示する（ステップＳ７）。

【００３５】前述した１ライン分のＭＦＭ測定が終了し
たか否か判定し（ステップＳ８）、１ライン分のＭＦＭ
測定が未終了であれば（ＮＯ）、ステップＳ５に移行
し、１ライン分の測定終了であれば（ＹＥＳ）、全ライ
ンの測定が完了したか否か判定する（ステップＳ９）。

【００３６】この判定で全ラインの測定が完了していれ
ば（ＹＥＳ）、ＭＦＭ測定を終了する。しかし、全ライ
ンの測定が未完了であれば（ＮＯ）、ＸＹＺ駆動圧電体
２６を伸縮させ、次に測定するＸ方向の走査ラインの走
査開始位置が前記カンチレバー２７の先端部の下に来る
ように前記試料２５をＹ方向に走査し移動させる（ステ
ップＳ１０）。そして２ライン目以降も、同様な測定を
繰り返し、全ラインの測定を行う。

【００３７】以上のような測定により、ＡＦＭ測定で試
料表面を図３（ａ）に示すように走査して、図３（ｂ）
に示すような凹凸データを得た後、同一Ｘ走査ラインを
図１０（ａ）に示すように走査する。そして、得られた
図１０（ｂ）に示すような混在データから前記凹凸デー
タを各測定点で差し引き、図４に示すＭＦＭデータが得
られる。

【００３８】次に図５に示すフローチャートを参照し、
本発明の表面情報分離測定装置によるコンスタントハイ
トＭＦＭ測定モードの測定について説明する。

【００３９】まず、カンチレバー２７を振動させずに、
ＸＹＺ駆動圧電体２６を伸縮させ、試料表面の走査開始
位置をカンチレバーの先端部の下に来るように試料２５
を移動させる（ステップＳ１１）。

【００４０】そして前記カンチレバー２７を振動させず
に、変位信号Ｓ１を一定に保つようにＺ制御部２２を制
御しながら、Ｘ方向に１ライン分の走査を行い、ＡＦＭ
測定する（ステップＳ１２）。このＡＦＭ測による１ラ
イン分の凹凸データを記憶部３３に格納する（ステップ
Ｓ１３）。

【００４１】そして、１ライン分のＡＦＭ測定が終了し
たか否か判定し（ステップＳ１４）、終了前であれば
（ＮＯ）、ステップＳ２に戻り、終了した後であれば
（ＹＥＳ）、前記カンチレバー２７の先端部をその走査
ラインの走査開始位置まで、前記ＸＹＺ駆動圧電体２６
を伸縮させて、Ｘ方向に走査して戻る（ステップＳ１
５）。

【００４２】次に記憶部３３から前記凹凸データを読出
す。そして前記カンチレバー２７の先端部の軌道（振幅
の中心の軌道）が試料表面から一定距離（高さ）を保つ
ように、すなわち、前記試料表面から一定距離離れた位
置で、前記カンチレバー２７の先端部が試料表面の凹凸
をトレースするように、Ｚ制御部２２を制御しつつ、前
記カンチレバー２７を振動させ、同一走査ラインのＸ走
査を行う（ステップＳ１６）。

【００４３】そして、前記走査ラインの各測定点では、
その時の振幅信号Ｓ２をＡ／Ｄ変換部３１でＡ／Ｄ変換
して、ＭＦＭデータとしてマイコン２１に送出され、該
マイコン２１では、ホストコンピュータ３２へ転送す
る。このホストコンピュータ３２では、ＭＦＭ像が画像
形成され表示される（ステップＳ１７）。

【００４４】前述した１ライン分のＭＦＭ測定が終了し
たか否か判定し（ステップＳ１８）、１ライン分のＭＦ
Ｍ測定が未終了であれば（ＮＯ）、ステップＳ５に移行
し、１ライン分の測定終了であれば（ＹＥＳ）、全ライ
ンの測定が完了したか否か判定する（ステップＳ１
９）。

【００４５】この判定で全ラインの測定が完了していれ
ば（ＹＥＳ）、ＭＦＭ測定を終了する。しかし、全ライ
ンの測定が未完了であれば（ＮＯ）、ＸＹＺ駆動圧電体
２６を伸縮させ、次に測定するＸ方向の走査ラインの走
査開始位置が前記カンチレバー２７の先端部の下に来る
ように前記試料２５をＹ方向に走査し移動させる（ステ
ップＳ２０）。そして２ライン目以降も、同様な測定を
繰り返し、全ラインの測定を行う。

【００４６】このようなコンスタントハイトＭＦＭ測定
モードの測定によって、まずＡＦＭ測定で試料表面を図
３（ａ）に示すように走査して、図３（ｂ）に示すよう
な凹凸データを得た後、図６（ａ）に示すように試料表
面から一定距離離れた振幅中心の軌道となるように同一
Ｘ走査ラインを走査して図６（ｂ）に示すコンスタント
ハイトＭＦＭデータが得られる。

【００４７】尚、本実施例において、各ラインごとにＡ
ＦＭ測定／ＭＦＭ測定を繰り返しながら測定したが、全
ラインごとにＡＦＭ測定／ＭＦＭ測定を繰り返して測定
することも可能である。

【００４８】また、本実施例において、マイコン２１で
記憶部３３にＡＦＭデータを格納して演算処理を行った
が、ホストコンピュータ１でホストコンピュータ上の記
憶部にＡＦＭ測定データを格納して演算処理することが
可能である。

【００４９】また、本実施例においては、ＭＦＭ測定を
示したが、これに限定されるものではなく、静電力顕微
鏡等、カンチレバーを振動させて、その固有新同数のシ
フトを検出することで、カンチレバーに影響する微弱な
力を検出する走査型プローブ顕微鏡全般に応用すること
が可能である。

【００５０】以上説明したように、本実施例の表面情報
分離測定装置は、凹凸測定（ＡＦＭ測定）と磁力情報測
定（ＭＦＭ測定）を連続して行い、試料表面の凹凸情報
と磁力情報を分離して得ることにより、混在像から凹凸
像を引き算したものをＭＦＭ像としたり、凹凸測定で得
られた凹凸像に沿うようにカンチレバーを走査しなが
ら、ＭＦＭ測定して、正確なＭＦＭ像を得ることができ
る。

【００５１】また本発明は、前述した実施例に限定され
るものではなく、他にも発明の要旨を逸脱しない範囲で
種々の変形や応用が可能であることは勿論である。

【００５２】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、同
一試料の複数の表面情報を分離して個々に情報を検出し
合成した表面情報を形成し、表面状態に影響されない表
面情報分離装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明による表面情報分離測定装置の
概略的な構成を示す図である。

【図２】図２は、図１に示した表面情報分離測定装置に
よるコンスタント磁力勾配ＭＦＭ測定モードの測定を説
明するためのフローチャートである。

【図３】図３（ａ）は、試料表面に凹凸がある試料をカ
ンチレバー先端部が走査する凹凸軌道を示し、図３
（ｂ）は、その試料表面の凹凸像を示す図である。

【図４】図４は、図１に示した表面情報分離測定装置で
得られるコンスタント磁力勾配ＭＦＭ像を示す図であ
る。

【図５】図５は、図１に示した表面情報分離測定装置に
よるコンスタントハイトＭＦＭ測定モードの測定を説明
するためのフローチャートである。

【図６】図６（ａ）は、凹凸がある試料表面から一定距
離離れたカンチレバー先端部が走査する振幅中心軌道を
示し、図６（ｂ）は、その試料表面のコンスタントハイ
トＭＦＭ像を示す図である。

【図７】図７（ａ）は、片持ち針に外力の影響を受けて
いない状態のカンチレバーの振動特性を示す図であり、
図７（ｂ）は、前記片持ち針に弱い引力の影響を受けた
状態のカンチレバーの振動特性を示す図であり、図７
（ｃ）は、前記片持ち針に強い引力の影響を受けた状態
のカンチレバーの振動特性を示す図である。

【図８】図８は、従来の走査型磁力顕微鏡の構成を示す
図である。

【図９】図９（ａ）は、試料表面が平坦な磁性体試料上
をカンチレバー先端部が走査する状態を示し、図９
（ｂ）は、その試料表面の磁力情報（ＭＦＭ像）を示す
図である。

【図１０】図１０（ａ）は、試料表面に凹凸がある磁性
体試料をカンチレバー先端部が走査する状態を示し、図
１０（ｂ）は、その試料表面の磁力情報（ＭＦＭ像）を
示す図である。

【図１１】図１１（ａ）は、試料表面に凹凸がある磁性
体試料をカンチレバー先端部が走査する状態を示し、図
１１（ｂ）は、その試料表面の混在像を示す図である。

【符号の説明】

１，２１…マイクロコンピュータ（マイコン）、２，２
２…Ｚ制御部、３，２３…Ｘ制御部、４，２４…Ｙ制御
部、５，２５…試料、６，２６…ＸＹＺ駆動圧電体、
７，２７…カンチレバー、８，２８…加振圧電体、９，
２９…探針変位検出部、１０，３０…振幅検出部、１
１，３１…Ａ／Ｄ変換部、１２，３２…ホストコンピュ
ータ、３３…記憶部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料を３次元に移動させる試料移動手段
   と、 前記試料移動手段により移動される前記試料の表面上を
   表面形状に沿って走査する尖った先端部を有するカンチ
   レバーと、 前記カンチレバーを所定振動数で振動させる振動体と、 前記カンチレバーの走査の際に生じる前記先端部の変位
   を検出する変位検出手段と、 前記カンチレバー振幅を検出する振幅検出手段と、 前記変位検出手段から送出される無振動のカンチレバー
   の走査で得られた第１の表面情報及び、振幅検出手段か
   ら送出される所定振動のカンチレバーの走査で得られた
   第２の表面情報を演算処理する演算手段と、 前記演算手段により演算出力された測定データに基づ
   き、表面情報を画像形成する画像形成手段と、 前記試料の表面情報を記憶する手段とを具備することを
   特徴とする表面情報分離測定装置。