JPH0727560A - 走査型探針顕微鏡及びその制御方法 - Google Patents
走査型探針顕微鏡及びその制御方法Info
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- JPH0727560A JPH0727560A JP5175422A JP17542293A JPH0727560A JP H0727560 A JPH0727560 A JP H0727560A JP 5175422 A JP5175422 A JP 5175422A JP 17542293 A JP17542293 A JP 17542293A JP H0727560 A JPH0727560 A JP H0727560A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 探針１と試料３の表面との間に発生する摩擦
力に影響されることなく、また探針１が試料３の表面の
急峻な斜面をすべり落ちることなく、表面形状を安定に
精度良く測定するための走査型探針顕微鏡及びその制御
方法を提供する。 【構成】 探針１を試料３の表面へ接近させた時の、カ
ンチレバー２の自由端２ａのたわみ量及びねじれ量を検
出し、たわみ量とねじれ量とから演算される値が設定値
以上になった時のカンチレバー２の試料３への接近距離
を測定する。
力に影響されることなく、また探針１が試料３の表面の
急峻な斜面をすべり落ちることなく、表面形状を安定に
精度良く測定するための走査型探針顕微鏡及びその制御
方法を提供する。 【構成】 探針１を試料３の表面へ接近させた時の、カ
ンチレバー２の自由端２ａのたわみ量及びねじれ量を検
出し、たわみ量とねじれ量とから演算される値が設定値
以上になった時のカンチレバー２の試料３への接近距離
を測定する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、探針を用いて物質表面
の構造を分子・原子レベルで調べる原子間力顕微鏡等を
含む走査型探針顕微鏡に関するものである。
の構造を分子・原子レベルで調べる原子間力顕微鏡等を
含む走査型探針顕微鏡に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、固体表面を原子レベルで観察でき
る走査型探針顕微鏡の一種として原子間力顕微鏡が開発
されている。原子間力顕微鏡の原理を図８を用いて説明
する。図８において、試料３はＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各方
向に移動可能なテーブル１０上に載置されている。原子
間力顕微鏡では微小な力を検出するために、自由端近傍
に探針１を有する長さ１００μｍから２００μｍ程度の
カンチレバー２が用いられる。試料３の表面の走査は、
制御用コンピュータ７から圧電体駆動装置８を介してＸ
軸，Ｙ軸方向の圧電素子４、５に電圧を印加して行われ
る。試料３を探針１に近づけると、探針１と試料３間に
働く原子間力によりカンチレバー２の自由端にたわみが
生じる。このたわみ量を一定に保つように制御信号発生
回路２３を通して、圧電体駆動装置８によりＺ軸方向圧
電素子６を制御しながら試料３の表面を走査する。従っ
て、このようなフィードバック制御におけるＺ軸方向圧
電素子６の制御量が試料３の表面の凹凸に相当し、この
制御量をコンピュータ７等により画像化することにより
原子間力顕微鏡像が得られる。
る走査型探針顕微鏡の一種として原子間力顕微鏡が開発
されている。原子間力顕微鏡の原理を図８を用いて説明
する。図８において、試料３はＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各方
向に移動可能なテーブル１０上に載置されている。原子
間力顕微鏡では微小な力を検出するために、自由端近傍
に探針１を有する長さ１００μｍから２００μｍ程度の
カンチレバー２が用いられる。試料３の表面の走査は、
制御用コンピュータ７から圧電体駆動装置８を介してＸ
軸，Ｙ軸方向の圧電素子４、５に電圧を印加して行われ
る。試料３を探針１に近づけると、探針１と試料３間に
働く原子間力によりカンチレバー２の自由端にたわみが
生じる。このたわみ量を一定に保つように制御信号発生
回路２３を通して、圧電体駆動装置８によりＺ軸方向圧
電素子６を制御しながら試料３の表面を走査する。従っ
て、このようなフィードバック制御におけるＺ軸方向圧
電素子６の制御量が試料３の表面の凹凸に相当し、この
制御量をコンピュータ７等により画像化することにより
原子間力顕微鏡像が得られる。
【０００３】一方、このようなフィードバック制御を行
わずに、カンチレバー２の自由端のたわみ量を直接検出
し、そのたわみ量を画像化することによっても原子間力
顕微鏡像が得ることができる。この場合、カンチレバー
２の自由端のたわみ量は、変位測定機構２４により測定
される。変位測定機構２４としては、例えば光てこ、レ
ーザー干渉、トンネル電流などの方式が用いられてい
る。
わずに、カンチレバー２の自由端のたわみ量を直接検出
し、そのたわみ量を画像化することによっても原子間力
顕微鏡像が得ることができる。この場合、カンチレバー
２の自由端のたわみ量は、変位測定機構２４により測定
される。変位測定機構２４としては、例えば光てこ、レ
ーザー干渉、トンネル電流などの方式が用いられてい
る。
【０００４】一般に、原子間力顕微鏡の分解能は探針１
の先端曲率半径に依存し、曲率半径が小さいほど分解能
は上がる。現在のところ、数１００オングストローム程
度の曲率の探針が作製され、マイカ等の原子像が観察さ
れている。一方、原子間力顕微鏡は、試料表面の原子レ
ベルでの観察のほか、ナノメータあるいはマイクロメー
タオーダでの凹凸の大きな試料の観察に用いられる。こ
のような凹凸の大きな試料観察の場合、特にグレーティ
ング等の深い溝形状を有する試料を観察する場合、探針
の先端曲率が小さいことが要求されると同時に、溝部の
底まで届くように、直径に対する長さの割合が大きい
（高アスペクト比）ことが要求される。このような高ア
スペクト比の探針として、針状結晶を利用した探針が有
望である。
の先端曲率半径に依存し、曲率半径が小さいほど分解能
は上がる。現在のところ、数１００オングストローム程
度の曲率の探針が作製され、マイカ等の原子像が観察さ
れている。一方、原子間力顕微鏡は、試料表面の原子レ
ベルでの観察のほか、ナノメータあるいはマイクロメー
タオーダでの凹凸の大きな試料の観察に用いられる。こ
のような凹凸の大きな試料観察の場合、特にグレーティ
ング等の深い溝形状を有する試料を観察する場合、探針
の先端曲率が小さいことが要求されると同時に、溝部の
底まで届くように、直径に対する長さの割合が大きい
（高アスペクト比）ことが要求される。このような高ア
スペクト比の探針として、針状結晶を利用した探針が有
望である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】試料３の表面を探針１
で走査する場合、カンチレバー２の自由端のたわみ量
は、試料３の表面の凹凸による原子間力による影響の
他、試料３の表面の摩擦係数の違いや、カンチレバー２
の自身のねじれによる影響などを受ける。そして、これ
らの影響がノイズとなり、試料３の表面形状を精度良く
測定できない場合が生ずる。例えば、試料３としてマイ
カを用い、探針１の受ける力の大きさを１×１０-8Ｎの
斥力に設定し、各点でのカンチレバー２の自由端のたわ
み量をコンピュータ７により画像化したところ、原子間
力顕微鏡像として対称性の良い原子像が得られた。とこ
が、探針１の受ける力の大きさを１×１０-7Ｎの斥力に
設定し、同様の操作を行ったところ、得られた原子間力
顕微鏡像の原子レベルの凹凸には、非対称性が現れるこ
とが確認された。また、高アスペクト比の探針１を用い
て垂直に近いような壁面を有する形状の試料３を測定す
る場合、探針１の側面が走査中に壁面に衝突することも
ある。探針１の側面が壁面に衝突した状態では、カンチ
レバー２の自由端には、たわみはほとんど生じないで、
試料３の表面と探針１との距離をそのままの状態に保っ
たままで走査が続けられる。その結果、正確な原子間力
顕微鏡像が得られないばかりか、探針１やカンチレバー
２等が破壊される。さらに、前述の垂直に近いような急
な傾斜を有する壁面を走査する場合、探針１と試料３の
表面間に斥力が生じたとき、探針１が壁面をすべり落
ち、原子間力顕微鏡像が歪むことがある。
で走査する場合、カンチレバー２の自由端のたわみ量
は、試料３の表面の凹凸による原子間力による影響の
他、試料３の表面の摩擦係数の違いや、カンチレバー２
の自身のねじれによる影響などを受ける。そして、これ
らの影響がノイズとなり、試料３の表面形状を精度良く
測定できない場合が生ずる。例えば、試料３としてマイ
カを用い、探針１の受ける力の大きさを１×１０-8Ｎの
斥力に設定し、各点でのカンチレバー２の自由端のたわ
み量をコンピュータ７により画像化したところ、原子間
力顕微鏡像として対称性の良い原子像が得られた。とこ
が、探針１の受ける力の大きさを１×１０-7Ｎの斥力に
設定し、同様の操作を行ったところ、得られた原子間力
顕微鏡像の原子レベルの凹凸には、非対称性が現れるこ
とが確認された。また、高アスペクト比の探針１を用い
て垂直に近いような壁面を有する形状の試料３を測定す
る場合、探針１の側面が走査中に壁面に衝突することも
ある。探針１の側面が壁面に衝突した状態では、カンチ
レバー２の自由端には、たわみはほとんど生じないで、
試料３の表面と探針１との距離をそのままの状態に保っ
たままで走査が続けられる。その結果、正確な原子間力
顕微鏡像が得られないばかりか、探針１やカンチレバー
２等が破壊される。さらに、前述の垂直に近いような急
な傾斜を有する壁面を走査する場合、探針１と試料３の
表面間に斥力が生じたとき、探針１が壁面をすべり落
ち、原子間力顕微鏡像が歪むことがある。
【０００６】本発明は、以上のような従来の走査型探針
顕微鏡や原子間力顕微鏡の有する問題点を解決するため
になされたものであり、試料表面を走査する際における
摩擦力等の影響を受けることなく試料の表面形状を精度
良く測定できるとともに、垂直に近い壁面等を有する試
料の表面を走査する場合でも、高アスペクト比の探針が
衝突することなく、また壁面をすべり落ちることがな
く、試料表面を精度良く観察できる走査型探針顕微鏡及
びその制御方法を提供することを目的とする。
顕微鏡や原子間力顕微鏡の有する問題点を解決するため
になされたものであり、試料表面を走査する際における
摩擦力等の影響を受けることなく試料の表面形状を精度
良く測定できるとともに、垂直に近い壁面等を有する試
料の表面を走査する場合でも、高アスペクト比の探針が
衝突することなく、また壁面をすべり落ちることがな
く、試料表面を精度良く観察できる走査型探針顕微鏡及
びその制御方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の走査型探針顕微鏡は、カンチレバーの自由
端近傍に備えられた探針を、物質表面に接近もしくは接
触させ、前記探針と前記物質表面との間に生じる力を、
前記物質表面の各測定点で検出しながら、前記物質表面
を走査する走査型探針顕微鏡であって、前記カンチレバ
ー自由端のねじれ量及びたわみ量の検出機構を具備し、
前記各測定点において、前記探針と前記物質表面とが離
れた状態から、前記物質表面と前記カンチレバーとを相
対的に接近させ、前記検出機構により検出されたカンチ
レバー自由端のたわみ量及びねじれ量から演算された値
が所定の設定値になった時点における前記物質表面と前
記カンチレバーとの相対的接近距離を測定するように構
成されている。 上記構成において、カンチレバー自由
端のたわみ量及びねじれ量から演算された値が、前記た
わみ量又は前記ねじれ量のいずれか大きい方の値である
ことが好ましい。また、ねじれ量が絶対値で与えられる
ことが好ましい。さらに、カンチレバー自由端のたわみ
量及びねじれ量の検出機構が、光源及び４分割フォトダ
イオードで構成されていることが好ましい。また、本発
明の別の走査型探針顕微鏡は、カンチレバーの自由端近
傍に備えられた探針を、物質表面に接近もしくは接触さ
せ、前記探針と前記物質表面との間に生じる力を、前記
物質表面の各測定点で検出しながら、前記物質表面を走
査する走査型探針顕微鏡であって、前記各測定点におい
て、前記探針と前記物質表面とが離れた状態から、前記
物質表面と前記カンチレバーとを相対的に接近させ、前
記カンチレバー自由端のたわみ量の前記物質表面と前記
カンチレバーとの相対的接近距離に対する変化量が所定
の設定値になった時点における前記接近距離を測定する
ように構成されている。上記構成において、カンチレバ
ー自由端のたわみ量の検出機構が、光源及び２分割フォ
トダイオードで構成されていることが好ましい。本発明
のさらに別の走査型探針顕微鏡は、カンチレバーの自由
端近傍に備えられた導電性探針と物質表面間にバイアス
電圧を印加し、前記導電性探針を前記物質表面に接近も
しくは接触させ、前記導電性探針と前記物質表面との間
に流れる電流を前記物質表面の各測定点で検出しなが
ら、前記物質表面を走査する走査型探針顕微鏡であっ
て、前記各測定点において、前記探針と前記物質表面と
が離れた状態から、前記物質表面と前記カンチレバーと
を相対的に接近させ、前記導電性探針と前記物質表面間
に流れる電流が所定の設定値になった時の前記接近距離
を測定するように構成されている。上記構成において、
導電性探針と物質表面間に流れる電流が接触電流である
ことが好ましい。さらに、上記各走査型探針顕微鏡にお
いて、探針が四面体の体心付近から４頂点方向に針状結
晶が延びた酸化亜鉛ウィスカで構成されていることが好
ましい。さらに、探針を物質表面から引き離して物質表
面上の各測定点間を移動することが好ましい。一方、本
発明の走査型探針顕微鏡の制御方法は、カンチレバーの
自由端近傍に備えられた探針を、物質表面に接近もしく
は接触させ、前記探針と前記物質表面との間に生じる力
を、前記物質表面の各測定点で検出しながら、前記物質
表面を走査する走査型探針顕微鏡の制御方法であって、
前記物質表面上のある測定点において、前記探針と前記
物質表面とが離れた状態から前記物質表面と前記カンチ
レバーとを相対的に接近させ、前記探針が前記物質表面
に接触したことによるカンチレバー自由端のたわみ量及
びねじれ量を検出し、検出されたたわみ量及びねじれ量
から演算された値が所定の設定値になった時点における
前記物質表面と前記カンチレバーとの相対的接近距離を
測定し、前記探針を前記物質表面から引き離して前記物
質表面上の次の測定点まで移動させるように構成されて
いる。上記方法において、カンチレバーの自由端のたわ
み量又はねじれ量のいずれか大きい方の値を前記演算さ
れた値として用いることが好ましい。また、本発明の別
の走査型探針顕微鏡の制御方法は、カンチレバーの自由
端近傍に備えられた探針を、物質表面に接近もしくは接
触させ、前記探針と前記物質表面との間に生じる力を、
前記物質表面の各測定点で検出しながら、前記物質表面
を走査する走査型探針顕微鏡の制御方法であって、前記
物質表面上のある測定点において、前記探針と前記物質
表面とが離れた状態から前記物質表面と前記カンチレバ
ーとを相対的に接近させ、前記探針が前記物質表面に接
触したことによるカンチレバー自由端のたわみ量を検出
し、前記カンチレバー自由端のたわみ量の前記物質表面
と前記カンチレバーとの相対的接近距離に対する変化量
が所定の設定値になった時点における前記物質表面と前
記カンチレバーとの相対的接近距離を測定し、前記探針
を前記物質表面から引き離して前記物質表面上の次の測
定点まで移動させるように構成されている。本発明のさ
らに別の走査型探針顕微鏡の制御方法は、カンチレバー
の自由端近傍に備えられた導電性探針と物質表面間にバ
イアス電圧を印加し、前記導電性探針を前記物質表面に
接近もしくは接触させ、前記導電性探針と前記物質表面
との間に流れる電流を前記物質表面の各測定点で検出し
ながら、前記物質表面を走査する走査型探針顕微鏡の制
御方法であって、前記物質表面上のある測定点におい
て、前記探針と前記物質表面とが離れた状態から前記物
質表面と前記カンチレバーとを相対的に接近させ、前記
導電性探針と前記物質表面間に流れる電流が所定の設定
値になった時点における前記物質表面と前記カンチレバ
ーとの相対的接近距離を測定し、前記探針を前記物質表
面から引き離して前記物質表面上の次の測定点まで移動
させるように構成されている。上記方法において、導電
性探針と物質表面間に流れる接触電流を測定することが
好ましい。
に、本発明の走査型探針顕微鏡は、カンチレバーの自由
端近傍に備えられた探針を、物質表面に接近もしくは接
触させ、前記探針と前記物質表面との間に生じる力を、
前記物質表面の各測定点で検出しながら、前記物質表面
を走査する走査型探針顕微鏡であって、前記カンチレバ
ー自由端のねじれ量及びたわみ量の検出機構を具備し、
前記各測定点において、前記探針と前記物質表面とが離
れた状態から、前記物質表面と前記カンチレバーとを相
対的に接近させ、前記検出機構により検出されたカンチ
レバー自由端のたわみ量及びねじれ量から演算された値
が所定の設定値になった時点における前記物質表面と前
記カンチレバーとの相対的接近距離を測定するように構
成されている。 上記構成において、カンチレバー自由
端のたわみ量及びねじれ量から演算された値が、前記た
わみ量又は前記ねじれ量のいずれか大きい方の値である
ことが好ましい。また、ねじれ量が絶対値で与えられる
ことが好ましい。さらに、カンチレバー自由端のたわみ
量及びねじれ量の検出機構が、光源及び４分割フォトダ
イオードで構成されていることが好ましい。また、本発
明の別の走査型探針顕微鏡は、カンチレバーの自由端近
傍に備えられた探針を、物質表面に接近もしくは接触さ
せ、前記探針と前記物質表面との間に生じる力を、前記
物質表面の各測定点で検出しながら、前記物質表面を走
査する走査型探針顕微鏡であって、前記各測定点におい
て、前記探針と前記物質表面とが離れた状態から、前記
物質表面と前記カンチレバーとを相対的に接近させ、前
記カンチレバー自由端のたわみ量の前記物質表面と前記
カンチレバーとの相対的接近距離に対する変化量が所定
の設定値になった時点における前記接近距離を測定する
ように構成されている。上記構成において、カンチレバ
ー自由端のたわみ量の検出機構が、光源及び２分割フォ
トダイオードで構成されていることが好ましい。本発明
のさらに別の走査型探針顕微鏡は、カンチレバーの自由
端近傍に備えられた導電性探針と物質表面間にバイアス
電圧を印加し、前記導電性探針を前記物質表面に接近も
しくは接触させ、前記導電性探針と前記物質表面との間
に流れる電流を前記物質表面の各測定点で検出しなが
ら、前記物質表面を走査する走査型探針顕微鏡であっ
て、前記各測定点において、前記探針と前記物質表面と
が離れた状態から、前記物質表面と前記カンチレバーと
を相対的に接近させ、前記導電性探針と前記物質表面間
に流れる電流が所定の設定値になった時の前記接近距離
を測定するように構成されている。上記構成において、
導電性探針と物質表面間に流れる電流が接触電流である
ことが好ましい。さらに、上記各走査型探針顕微鏡にお
いて、探針が四面体の体心付近から４頂点方向に針状結
晶が延びた酸化亜鉛ウィスカで構成されていることが好
ましい。さらに、探針を物質表面から引き離して物質表
面上の各測定点間を移動することが好ましい。一方、本
発明の走査型探針顕微鏡の制御方法は、カンチレバーの
自由端近傍に備えられた探針を、物質表面に接近もしく
は接触させ、前記探針と前記物質表面との間に生じる力
を、前記物質表面の各測定点で検出しながら、前記物質
表面を走査する走査型探針顕微鏡の制御方法であって、
前記物質表面上のある測定点において、前記探針と前記
物質表面とが離れた状態から前記物質表面と前記カンチ
レバーとを相対的に接近させ、前記探針が前記物質表面
に接触したことによるカンチレバー自由端のたわみ量及
びねじれ量を検出し、検出されたたわみ量及びねじれ量
から演算された値が所定の設定値になった時点における
前記物質表面と前記カンチレバーとの相対的接近距離を
測定し、前記探針を前記物質表面から引き離して前記物
質表面上の次の測定点まで移動させるように構成されて
いる。上記方法において、カンチレバーの自由端のたわ
み量又はねじれ量のいずれか大きい方の値を前記演算さ
れた値として用いることが好ましい。また、本発明の別
の走査型探針顕微鏡の制御方法は、カンチレバーの自由
端近傍に備えられた探針を、物質表面に接近もしくは接
触させ、前記探針と前記物質表面との間に生じる力を、
前記物質表面の各測定点で検出しながら、前記物質表面
を走査する走査型探針顕微鏡の制御方法であって、前記
物質表面上のある測定点において、前記探針と前記物質
表面とが離れた状態から前記物質表面と前記カンチレバ
ーとを相対的に接近させ、前記探針が前記物質表面に接
触したことによるカンチレバー自由端のたわみ量を検出
し、前記カンチレバー自由端のたわみ量の前記物質表面
と前記カンチレバーとの相対的接近距離に対する変化量
が所定の設定値になった時点における前記物質表面と前
記カンチレバーとの相対的接近距離を測定し、前記探針
を前記物質表面から引き離して前記物質表面上の次の測
定点まで移動させるように構成されている。本発明のさ
らに別の走査型探針顕微鏡の制御方法は、カンチレバー
の自由端近傍に備えられた導電性探針と物質表面間にバ
イアス電圧を印加し、前記導電性探針を前記物質表面に
接近もしくは接触させ、前記導電性探針と前記物質表面
との間に流れる電流を前記物質表面の各測定点で検出し
ながら、前記物質表面を走査する走査型探針顕微鏡の制
御方法であって、前記物質表面上のある測定点におい
て、前記探針と前記物質表面とが離れた状態から前記物
質表面と前記カンチレバーとを相対的に接近させ、前記
導電性探針と前記物質表面間に流れる電流が所定の設定
値になった時点における前記物質表面と前記カンチレバ
ーとの相対的接近距離を測定し、前記探針を前記物質表
面から引き離して前記物質表面上の次の測定点まで移動
させるように構成されている。上記方法において、導電
性探針と物質表面間に流れる接触電流を測定することが
好ましい。
【０００８】
【作用】本発明の走査型探針顕微鏡及びその制御方法
は、従来例のように探針を試料表面から力を受けた状態
で試料表面上を移動させるのではなく、各測定点間を移
動する際、探針が試料表面から離れるように一旦カンチ
レバーをＺ軸方向に移動させ（引き離し）た後、カンチ
レバーを次の測定点まで移動させ、あるいは、Ｚ軸方向
に移動させ（引き離し）ながら移動させる。そして、次
の測定点に到着した後、カンチレバー（探針）を試料表
面に接近させ、試料表面の凹凸を測定する。そのため、
試料表面の摩擦係数の違いなどによるカンチレバー自由
端のたわみや、カンチレバー自由端のねじれによる影響
が排除される。また、探針を試料表面から離して移動さ
せるので、高アスペクト比の探針を用いて垂直に近いよ
うな壁面を有する形状の試料を観察する場合でも、探針
の側面が走査中に壁面に衝突することない。さらに、上
記垂直に近いような急斜面を有する壁面で、探針が試料
表面に接触した後、さらにカンチレバーを接近させるこ
とにより、探針と試料表面間に斥力が発生し、探針が壁
面をすべり落ちた場合、すべり落ちることによってカン
チレバーの自由端のねじれ量が大きくなる。カンチレバ
ーの自由端のねじれ量から算出される値が所定の設定値
以上になると、カンチレバーを試料表面から引き離すた
め、探針のすべり落ちによる影響は小さくなる。また、
カンチレバー自由端のたわみ量の接近距離に対する変化
量を検出するように構成した場合、カンチレバー自由端
のたわみ量検出機構によるたわみの信号成分とその他の
ノイズ成分との識別が容易になる。たとえば、検出機構
として光てこ法を用いた場合、カンチレバー自由端から
の反射光による信号成分と、試料表面からの反射光等に
よるノイズ成分とを容易に識別することができ、微小な
力を検出することが可能となる。例えば、探針が試料表
面に接触した瞬間を捕らえることもできる。従って、探
針が試料表面に接触した瞬間に、探針を試料表面から引
き離すように制御することにより、探針と試料表面間に
は大きな力が働くことはない。その結果、急斜面を有す
る壁面を走査する場合でも、探針が接触時にすべり落ち
ることはない。さらに、探針と試料が接触した時点にお
ける探針と試料との間に流れる接触電流を検出するよう
に構成した場合も、探針が試料表面に接触した瞬間を捕
らえることができる。
は、従来例のように探針を試料表面から力を受けた状態
で試料表面上を移動させるのではなく、各測定点間を移
動する際、探針が試料表面から離れるように一旦カンチ
レバーをＺ軸方向に移動させ（引き離し）た後、カンチ
レバーを次の測定点まで移動させ、あるいは、Ｚ軸方向
に移動させ（引き離し）ながら移動させる。そして、次
の測定点に到着した後、カンチレバー（探針）を試料表
面に接近させ、試料表面の凹凸を測定する。そのため、
試料表面の摩擦係数の違いなどによるカンチレバー自由
端のたわみや、カンチレバー自由端のねじれによる影響
が排除される。また、探針を試料表面から離して移動さ
せるので、高アスペクト比の探針を用いて垂直に近いよ
うな壁面を有する形状の試料を観察する場合でも、探針
の側面が走査中に壁面に衝突することない。さらに、上
記垂直に近いような急斜面を有する壁面で、探針が試料
表面に接触した後、さらにカンチレバーを接近させるこ
とにより、探針と試料表面間に斥力が発生し、探針が壁
面をすべり落ちた場合、すべり落ちることによってカン
チレバーの自由端のねじれ量が大きくなる。カンチレバ
ーの自由端のねじれ量から算出される値が所定の設定値
以上になると、カンチレバーを試料表面から引き離すた
め、探針のすべり落ちによる影響は小さくなる。また、
カンチレバー自由端のたわみ量の接近距離に対する変化
量を検出するように構成した場合、カンチレバー自由端
のたわみ量検出機構によるたわみの信号成分とその他の
ノイズ成分との識別が容易になる。たとえば、検出機構
として光てこ法を用いた場合、カンチレバー自由端から
の反射光による信号成分と、試料表面からの反射光等に
よるノイズ成分とを容易に識別することができ、微小な
力を検出することが可能となる。例えば、探針が試料表
面に接触した瞬間を捕らえることもできる。従って、探
針が試料表面に接触した瞬間に、探針を試料表面から引
き離すように制御することにより、探針と試料表面間に
は大きな力が働くことはない。その結果、急斜面を有す
る壁面を走査する場合でも、探針が接触時にすべり落ち
ることはない。さらに、探針と試料が接触した時点にお
ける探針と試料との間に流れる接触電流を検出するよう
に構成した場合も、探針が試料表面に接触した瞬間を捕
らえることができる。
【０００９】
【実施例】以下、本発明の走査型探針顕微鏡及びその制
御方法を、それらの好適な実施例を用いて、さらに具体
的に説明する。
御方法を、それらの好適な実施例を用いて、さらに具体
的に説明する。
【００１０】＜実施例１＞図１は、本発明の走査型探針
顕微鏡及びその制御方法の第１の実施例を示す概略図で
ある。図１において、探針１はカンチレバー２の自由端
２ａの近傍に取り付けられている。探針１として、例え
ば四面体の体心付近から４頂点方向に針状結晶が延び、
各針状結晶の長さが約５μｍの形状の酸化亜鉛ウィスカ
を用いる。カンチレバー２は、例えば長さ２００μｍ、
ばね定数０．０３Ｎ／ｍである。試料３は、Ｘ軸、Ｙ
軸、Ｚ軸の３方向にそれぞれ微動可能な圧電素子４、
５、６等で構成されたチューブ型の微動機構１０の上に
載置されている。コンピュータ７と圧電体駆動装置８に
より発生する電圧をＸ軸及びＹ軸方向に駆動する圧電素
子４及び５にそれぞれ印加することにより、試料３の水
平面内の走査を行う。カンチレバー２の自由端２ａのた
わみ量及びねじれ量は、いわゆる光てこの原理を用いて
検出する。すなわち、例えば出力５ｍＷの半導体レーザ
ー１１から出射されたレーザー光をレンズ１２によりカ
ンチレバー２の自由端２ａの背面２ｂに集光する。そし
て、カンチレバー２の背面２ｂからの反射光を４分割フ
ォトダイオード１３により検出する。４分割フォトダイ
オード１３の各素子ａ、ｂ、ｃ及びｄの出力は、それぞ
れプリアンプ１４を介してコンピュータ７に入力され
る。４分割フォトダイオード１１の各素子ａ、ｂ、ｃ及
びｄからコンピュータ７に入力された電圧をそれぞれ、
Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ及びＶｄとすると、たわみ量δは、δ
＝（Ｖａ＋Ｖｂ）−（Ｖｃ＋Ｖｄ）で与えられる。ま
た、ねじれ量γは、γ＝（Ｖａ＋Ｖｃ）−（Ｖｂ＋Ｖ
ｄ）で与えられる。
顕微鏡及びその制御方法の第１の実施例を示す概略図で
ある。図１において、探針１はカンチレバー２の自由端
２ａの近傍に取り付けられている。探針１として、例え
ば四面体の体心付近から４頂点方向に針状結晶が延び、
各針状結晶の長さが約５μｍの形状の酸化亜鉛ウィスカ
を用いる。カンチレバー２は、例えば長さ２００μｍ、
ばね定数０．０３Ｎ／ｍである。試料３は、Ｘ軸、Ｙ
軸、Ｚ軸の３方向にそれぞれ微動可能な圧電素子４、
５、６等で構成されたチューブ型の微動機構１０の上に
載置されている。コンピュータ７と圧電体駆動装置８に
より発生する電圧をＸ軸及びＹ軸方向に駆動する圧電素
子４及び５にそれぞれ印加することにより、試料３の水
平面内の走査を行う。カンチレバー２の自由端２ａのた
わみ量及びねじれ量は、いわゆる光てこの原理を用いて
検出する。すなわち、例えば出力５ｍＷの半導体レーザ
ー１１から出射されたレーザー光をレンズ１２によりカ
ンチレバー２の自由端２ａの背面２ｂに集光する。そし
て、カンチレバー２の背面２ｂからの反射光を４分割フ
ォトダイオード１３により検出する。４分割フォトダイ
オード１３の各素子ａ、ｂ、ｃ及びｄの出力は、それぞ
れプリアンプ１４を介してコンピュータ７に入力され
る。４分割フォトダイオード１１の各素子ａ、ｂ、ｃ及
びｄからコンピュータ７に入力された電圧をそれぞれ、
Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ及びＶｄとすると、たわみ量δは、δ
＝（Ｖａ＋Ｖｂ）−（Ｖｃ＋Ｖｄ）で与えられる。ま
た、ねじれ量γは、γ＝（Ｖａ＋Ｖｃ）−（Ｖｂ＋Ｖ
ｄ）で与えられる。
【００１１】ピッチ１μｍ、高さ１．５μｍ、溝部壁面
の傾斜角８０°のグレーティング試料を観察した場合に
おける具体的な制御方法について説明する。グレーティ
ング試料の溝方向と、カンチレバーの長手方向が平行に
なるように試料を設置した。本実施例では、探針１が試
料３から斥力を受け、カンチレバー２の自由端２ａに発
生するたわみ量δのコンピュータ７への入力値が、０．
５Ｖ（たわみ量１０ｎｍに相当）以上になった時、ある
いは、カンチレバー２の自由端２ａのねじれ量γのコン
ピュータへの入力値の絶対値が、０．５Ｖ（ねじれ量
０．１°に相当）以上になった時、圧電素子６を駆動し
て、探針１を試料３の表面からＺ軸方向に引き離すよう
に設定した。測定時におけるＸ軸及びＺ軸方向の圧電素
子４及び６に印加する電圧１０１及び１０２のタイミン
グを示した電圧波形図を図２に示す。カンチレバー２の
自由端２ａのたわみ量δ及びねじれ量γを前記光てこに
より検出しながら、Ｚ軸方向の圧電素子６に印加する電
圧を徐々に増加し、探針１を試料３の表面に接近させ
た。カンチレバー２の自由端２ａのたわみ量δ及びねじ
れ量γが所定の設定値になった時、Ｚ軸方向の圧電素子
６に印加した電圧１４を試料表面の凹凸データとしてコ
ンピュータ７に記憶させた。それと同時に、Ｚ軸方向の
圧電素子６に印加している電圧を減少させ、探針１を試
料３の表面から２μｍ引き離した。その後、Ｘ軸方向の
圧電素子４により試料３をＸ軸方向に２０ｎｍ移動させ
た。再びＺ軸方向の圧電体６に印加する電圧を徐々に増
加し、上記操作と同じ操作を繰り返した。各測定点にお
ける測定間隔は５ｍ秒程度であった。この様な測定をＸ
軸方向において２５６回繰り返し、１走査線分の走査を
終了した。次に、Ｙ軸方向の圧電素子５により試料３を
Ｙ軸方向に２０ｎｍ移動させ、同様の操作によりさらに
１走査線の走査を行った。Ｙ軸方向の２５６走査線を走
査の後、コンピュータ７に記憶させた２５６×２５６個
の電圧データに基づいて、試料３の表面の凹凸を画像化
した。
の傾斜角８０°のグレーティング試料を観察した場合に
おける具体的な制御方法について説明する。グレーティ
ング試料の溝方向と、カンチレバーの長手方向が平行に
なるように試料を設置した。本実施例では、探針１が試
料３から斥力を受け、カンチレバー２の自由端２ａに発
生するたわみ量δのコンピュータ７への入力値が、０．
５Ｖ（たわみ量１０ｎｍに相当）以上になった時、ある
いは、カンチレバー２の自由端２ａのねじれ量γのコン
ピュータへの入力値の絶対値が、０．５Ｖ（ねじれ量
０．１°に相当）以上になった時、圧電素子６を駆動し
て、探針１を試料３の表面からＺ軸方向に引き離すよう
に設定した。測定時におけるＸ軸及びＺ軸方向の圧電素
子４及び６に印加する電圧１０１及び１０２のタイミン
グを示した電圧波形図を図２に示す。カンチレバー２の
自由端２ａのたわみ量δ及びねじれ量γを前記光てこに
より検出しながら、Ｚ軸方向の圧電素子６に印加する電
圧を徐々に増加し、探針１を試料３の表面に接近させ
た。カンチレバー２の自由端２ａのたわみ量δ及びねじ
れ量γが所定の設定値になった時、Ｚ軸方向の圧電素子
６に印加した電圧１４を試料表面の凹凸データとしてコ
ンピュータ７に記憶させた。それと同時に、Ｚ軸方向の
圧電素子６に印加している電圧を減少させ、探針１を試
料３の表面から２μｍ引き離した。その後、Ｘ軸方向の
圧電素子４により試料３をＸ軸方向に２０ｎｍ移動させ
た。再びＺ軸方向の圧電体６に印加する電圧を徐々に増
加し、上記操作と同じ操作を繰り返した。各測定点にお
ける測定間隔は５ｍ秒程度であった。この様な測定をＸ
軸方向において２５６回繰り返し、１走査線分の走査を
終了した。次に、Ｙ軸方向の圧電素子５により試料３を
Ｙ軸方向に２０ｎｍ移動させ、同様の操作によりさらに
１走査線の走査を行った。Ｙ軸方向の２５６走査線を走
査の後、コンピュータ７に記憶させた２５６×２５６個
の電圧データに基づいて、試料３の表面の凹凸を画像化
した。
【００１２】上記の走査方法により得られた走査型探針
顕微鏡による試料３の断面形状（走査型探針顕微鏡像）
を図３に示す。また、たわみ量δが１０ｎｍ以上になっ
た時に探針１を試料３から引き離すように設定した場合
において、同一の試料３を走査して得られた走査型探針
顕微鏡像の断面形状を図４に示す。図４において、グレ
ーティングの斜面の傾斜角がほぼ９０°になり、エッジ
部で像に歪みが発生した。これは、傾斜部を測定する
際、ＺｎＯウィスカによる探針１が試料３の傾斜部に接
触し、探針１が試料３から受ける斥力によりカンチレバ
ー２の自由端２ａが１０ｎｍ以上たわむ以前に、探針１
が傾斜部をすべり落ちたことが原因と考えられる。これ
に対し、図３において、画像化されたグレーティング斜
面の傾斜角はほぼ８０°であり、精度良く観察できるこ
とが確認された。これは、探針１が傾斜部ですべり落ち
ようとすると、カンチレバー２の自由端２ａにねじれが
発生し、探針１が傾斜部からすべり落ちる前に、探針１
による試料３の表面の凹凸情報がコンピュータ７に取り
込まれたためである。
顕微鏡による試料３の断面形状（走査型探針顕微鏡像）
を図３に示す。また、たわみ量δが１０ｎｍ以上になっ
た時に探針１を試料３から引き離すように設定した場合
において、同一の試料３を走査して得られた走査型探針
顕微鏡像の断面形状を図４に示す。図４において、グレ
ーティングの斜面の傾斜角がほぼ９０°になり、エッジ
部で像に歪みが発生した。これは、傾斜部を測定する
際、ＺｎＯウィスカによる探針１が試料３の傾斜部に接
触し、探針１が試料３から受ける斥力によりカンチレバ
ー２の自由端２ａが１０ｎｍ以上たわむ以前に、探針１
が傾斜部をすべり落ちたことが原因と考えられる。これ
に対し、図３において、画像化されたグレーティング斜
面の傾斜角はほぼ８０°であり、精度良く観察できるこ
とが確認された。これは、探針１が傾斜部ですべり落ち
ようとすると、カンチレバー２の自由端２ａにねじれが
発生し、探針１が傾斜部からすべり落ちる前に、探針１
による試料３の表面の凹凸情報がコンピュータ７に取り
込まれたためである。
【００１３】なお、本実施例では、たわみ量δのコンピ
ュータへの入力値が、０．５Ｖ（たわみ量１０ｎｍに相
当）以上になった時、あるいは、カンチレバー自由端の
ねじれ量γのコンピュータ７への入力値の絶対値が、
０．５Ｖ（ねじれ量０．１°に相当）以上になった時、
Ｚ軸方向の圧電素子６により探針１を試料３からＺ軸方
向に引き離すように設定したが、たわみ量δ＋ねじれ量
γの値が０．５Ｖ以上になった時、探針１を試料３から
Ｚ軸方向に引き離すように設定した場合、さらに測定精
度が向上することが確認された。また、本実施例では、
探針１を試料３の表面から引き離した後に、カンチレバ
ー２（又は探針１）のＸ軸方向への移動を行ったが、探
針１を試料３の表面に接触させたままＸ方向に移動さ
せ、移動開始後たわみ量δ又はねじれ量γの値が所定値
を超えた時に探針１を試料３の表面から引き離しても、
同様の効果が得られる。
ュータへの入力値が、０．５Ｖ（たわみ量１０ｎｍに相
当）以上になった時、あるいは、カンチレバー自由端の
ねじれ量γのコンピュータ７への入力値の絶対値が、
０．５Ｖ（ねじれ量０．１°に相当）以上になった時、
Ｚ軸方向の圧電素子６により探針１を試料３からＺ軸方
向に引き離すように設定したが、たわみ量δ＋ねじれ量
γの値が０．５Ｖ以上になった時、探針１を試料３から
Ｚ軸方向に引き離すように設定した場合、さらに測定精
度が向上することが確認された。また、本実施例では、
探針１を試料３の表面から引き離した後に、カンチレバ
ー２（又は探針１）のＸ軸方向への移動を行ったが、探
針１を試料３の表面に接触させたままＸ方向に移動さ
せ、移動開始後たわみ量δ又はねじれ量γの値が所定値
を超えた時に探針１を試料３の表面から引き離しても、
同様の効果が得られる。
【００１４】＜実施例２＞次に、本発明の走査型探針顕
微鏡及びその制御方法の第２の実施例を図５を用いて説
明する。図５に示す第２の実施例は、図１に示した第１
の実施例の構成が基本的にそのまま利用しているが、カ
ンチレバー２の自由端２ａの背面２ｂからの反射光は２
分割フォトダイオード１３’で検出し、たわみ量のみを
測定する構成である。従って、第１の実施例と共通する
基本的構成の図示及びその説明は省略する。図５におい
て、探針１と試料３の表面とを接近させ、探針１が試料
３の表面に接触した後、探針１を試料３の表面から引き
離した場合における、２分割フォトダイオード１３’の
両素子ｅ及びｆからの出力の差信号をコンピュータ７に
入力した。このときの２分割フォトダイオード１３’か
らの出力の差信号とＺ軸方向の圧電素子６に印加した電
圧波形との関係を図６に示す。図６において、１１５は
出力の差信号、すなわちカンチレバー２の自由端２ａの
たわみ量δに相当する探針１と試料３の表面との間に働
く力を表わし、１１６はＺ軸方向の圧電素子６に印加す
る電圧波形を表わす。
微鏡及びその制御方法の第２の実施例を図５を用いて説
明する。図５に示す第２の実施例は、図１に示した第１
の実施例の構成が基本的にそのまま利用しているが、カ
ンチレバー２の自由端２ａの背面２ｂからの反射光は２
分割フォトダイオード１３’で検出し、たわみ量のみを
測定する構成である。従って、第１の実施例と共通する
基本的構成の図示及びその説明は省略する。図５におい
て、探針１と試料３の表面とを接近させ、探針１が試料
３の表面に接触した後、探針１を試料３の表面から引き
離した場合における、２分割フォトダイオード１３’の
両素子ｅ及びｆからの出力の差信号をコンピュータ７に
入力した。このときの２分割フォトダイオード１３’か
らの出力の差信号とＺ軸方向の圧電素子６に印加した電
圧波形との関係を図６に示す。図６において、１１５は
出力の差信号、すなわちカンチレバー２の自由端２ａの
たわみ量δに相当する探針１と試料３の表面との間に働
く力を表わし、１１６はＺ軸方向の圧電素子６に印加す
る電圧波形を表わす。
【００１５】Ｚ軸方向の圧電素子６に印加する電圧を徐
々に増加し、探針１を試料３の表面に接近させると、最
初に２分割フォトダイオードの出力の差信号１１５には
正弦波状の部分１１７が現れた。次に、探針１と試料３
の表面との間にファンデアワールス力による引力１１８
が現れ、さらに探針１を試料３の表面に接近させると探
針１と試料３とが接触し、斥力１１９が現れた。逆に、
図６中Ａで示す時点から、Ｚ軸方向の圧電素子６に印加
する電圧を徐々に減少させ、探針１を試料３の表面から
引き離そうとした。すると、斥力１１９は引力１２０に
変わり、試料３の表面の水等の不純物による非常に大き
な吸着力１２１が現れた。その後急に、探針１が試料３
の表面から引き離され、カンチレバー２の自由端２ａの
たわみ量δは０となり、その後、再び正弦波状の差信号
１２２が現れた。この一連の動作で、探針１が試料３の
表面から離れている時に現れる正弦波状のノイズ成分１
１７及び１２２は、試料３の表面に漏れたレーザー光が
反射し、２分割フォトダイオードに入射したことが原因
と考えられる。従って、単に２分割フォトダイオードの
各素子からの出力の差信号からカンチレバー２に作用す
る力を検出する方法では、このノイズ成分より微小な力
を検出することは困難である。そこで、本実施例ではカ
ンチレバー２の自由端２ａのたわみ量δ（すなわち探針
１と試料３の表面との間に作用する力）の接近距離に対
する変化量が、正弦波状ノイズの接近距離に対する変化
量より十分大きいことを利用して、これらの変化量を検
出することにより、カンチレバー２の自由端２ａからの
反射光による信号と、試料３の表面からの反射光等によ
るノイズとの識別を行った。この方法により、正弦波状
のノイズレベル以下の非常に小さな力を検出することが
できた。
々に増加し、探針１を試料３の表面に接近させると、最
初に２分割フォトダイオードの出力の差信号１１５には
正弦波状の部分１１７が現れた。次に、探針１と試料３
の表面との間にファンデアワールス力による引力１１８
が現れ、さらに探針１を試料３の表面に接近させると探
針１と試料３とが接触し、斥力１１９が現れた。逆に、
図６中Ａで示す時点から、Ｚ軸方向の圧電素子６に印加
する電圧を徐々に減少させ、探針１を試料３の表面から
引き離そうとした。すると、斥力１１９は引力１２０に
変わり、試料３の表面の水等の不純物による非常に大き
な吸着力１２１が現れた。その後急に、探針１が試料３
の表面から引き離され、カンチレバー２の自由端２ａの
たわみ量δは０となり、その後、再び正弦波状の差信号
１２２が現れた。この一連の動作で、探針１が試料３の
表面から離れている時に現れる正弦波状のノイズ成分１
１７及び１２２は、試料３の表面に漏れたレーザー光が
反射し、２分割フォトダイオードに入射したことが原因
と考えられる。従って、単に２分割フォトダイオードの
各素子からの出力の差信号からカンチレバー２に作用す
る力を検出する方法では、このノイズ成分より微小な力
を検出することは困難である。そこで、本実施例ではカ
ンチレバー２の自由端２ａのたわみ量δ（すなわち探針
１と試料３の表面との間に作用する力）の接近距離に対
する変化量が、正弦波状ノイズの接近距離に対する変化
量より十分大きいことを利用して、これらの変化量を検
出することにより、カンチレバー２の自由端２ａからの
反射光による信号と、試料３の表面からの反射光等によ
るノイズとの識別を行った。この方法により、正弦波状
のノイズレベル以下の非常に小さな力を検出することが
できた。
【００１６】この手法を用いて、直径１μｍ、高さ１．
５μｍ、側壁の傾斜角８０°のＩＣ用コンタクトホール
を、ＺｎＯウィスカによる探針１を具備した長さ２００
μｍのカンチレバー２を用いて観察した。このときの具
体的な制御方法について説明する。この場合、探針１が
試料３の表面から斥力を受け、カンチレバー２の自由端
２ａのたわみ量δの接近距離に対する変化量が、０．８
以上になった時、Ｚ軸方向の圧電素子６に印加した電圧
をコンピュータ７に試料表面の凹凸データとして記憶さ
せた。それと同時に、探針１を試料３から２μｍ引き離
し、探針１をＸ軸方向の次の測定点へ１０ｎｍ移動させ
た。各測定点における測定間隔は２ｍ秒程度であった。
このような測定をＸ軸方向において２５６回繰り返し、
１走査線分の走査を終了した。次に、探針１をＹ軸方向
に１０ｎｍ移動させ、同様の操作によりさらに１走査線
の走査を行った。Ｙ軸方向に２５６走査線の走査を行っ
た後、コンピュータ７に記憶させた２５６×２５６個の
電圧データに基づいて試料３の表面の凹凸を画像化し
た。
５μｍ、側壁の傾斜角８０°のＩＣ用コンタクトホール
を、ＺｎＯウィスカによる探針１を具備した長さ２００
μｍのカンチレバー２を用いて観察した。このときの具
体的な制御方法について説明する。この場合、探針１が
試料３の表面から斥力を受け、カンチレバー２の自由端
２ａのたわみ量δの接近距離に対する変化量が、０．８
以上になった時、Ｚ軸方向の圧電素子６に印加した電圧
をコンピュータ７に試料表面の凹凸データとして記憶さ
せた。それと同時に、探針１を試料３から２μｍ引き離
し、探針１をＸ軸方向の次の測定点へ１０ｎｍ移動させ
た。各測定点における測定間隔は２ｍ秒程度であった。
このような測定をＸ軸方向において２５６回繰り返し、
１走査線分の走査を終了した。次に、探針１をＹ軸方向
に１０ｎｍ移動させ、同様の操作によりさらに１走査線
の走査を行った。Ｙ軸方向に２５６走査線の走査を行っ
た後、コンピュータ７に記憶させた２５６×２５６個の
電圧データに基づいて試料３の表面の凹凸を画像化し
た。
【００１７】この試料の測定では、探針１が試料３の表
面に接触した状態におけるカンチレバー２の自由端２ａ
のたわみ量δの接近距離に対する変化量を１とすると、
探針１が試料３の表面から離れているときの試料３の表
面からの反射光等に起因するノイズの接近距離に対する
変化量は、最大約０．１であった。従って、設定値を
０．８にすることにより、探針１が試料３の表面に接触
した位置を検出することが可能となる。さらに、探針１
が試料３の表面に接触すると同時に、探針１を試料３の
表面から引き離すように制御することによって、探針１
にはほとんど斥力が働かない。その結果、測定中に探針
１が試料３の側壁をすべり落ちることもなく、それに起
因した画像の歪も発生せず、傾斜角８０゜のコンタクト
ホールが精度良く観察できた。
面に接触した状態におけるカンチレバー２の自由端２ａ
のたわみ量δの接近距離に対する変化量を１とすると、
探針１が試料３の表面から離れているときの試料３の表
面からの反射光等に起因するノイズの接近距離に対する
変化量は、最大約０．１であった。従って、設定値を
０．８にすることにより、探針１が試料３の表面に接触
した位置を検出することが可能となる。さらに、探針１
が試料３の表面に接触すると同時に、探針１を試料３の
表面から引き離すように制御することによって、探針１
にはほとんど斥力が働かない。その結果、測定中に探針
１が試料３の側壁をすべり落ちることもなく、それに起
因した画像の歪も発生せず、傾斜角８０゜のコンタクト
ホールが精度良く観察できた。
【００１８】＜実施例３＞次に、本発明の走査型探針顕
微鏡及びその制御方法の第３の実施例を、図７を用いて
説明する。図７は、本発明の走査型探針顕微鏡の第３の
実施例の構成を示す概略図である。探針１には、四面体
の体心付近から４頂点方向に針状結晶が延び、各針状結
晶の長さが約５μｍの形状の酸化亜鉛ウィスカを用い
た。この探針１が、表面に金を被覆した長さ２００μ
ｍ、ばね定数０．０３Ｎ／ｍのカンチレバー２の自由端
２ａの近傍に導電性接着剤により取り付けられている。
試料３は、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の３方向の圧電素子４、
５、６で形成されたチューブ型の微動機構上１０に設置
される。試料３の水平面内の走査は、コンピュータ７と
圧電体駆動装置８により発生した電圧をＸ、およびＹ方
向の圧電体に印加することにより行った。探針１と試料
３との間には、１００ｋΩの抵抗を介して０．１Ｖのバ
イアス電圧が印加され、これらの間に流れる電流を検出
し、コンピュータ７に入力する。
微鏡及びその制御方法の第３の実施例を、図７を用いて
説明する。図７は、本発明の走査型探針顕微鏡の第３の
実施例の構成を示す概略図である。探針１には、四面体
の体心付近から４頂点方向に針状結晶が延び、各針状結
晶の長さが約５μｍの形状の酸化亜鉛ウィスカを用い
た。この探針１が、表面に金を被覆した長さ２００μ
ｍ、ばね定数０．０３Ｎ／ｍのカンチレバー２の自由端
２ａの近傍に導電性接着剤により取り付けられている。
試料３は、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の３方向の圧電素子４、
５、６で形成されたチューブ型の微動機構上１０に設置
される。試料３の水平面内の走査は、コンピュータ７と
圧電体駆動装置８により発生した電圧をＸ、およびＹ方
向の圧電体に印加することにより行った。探針１と試料
３との間には、１００ｋΩの抵抗を介して０．１Ｖのバ
イアス電圧が印加され、これらの間に流れる電流を検出
し、コンピュータ７に入力する。
【００１９】以下に、ピッチ１μｍ、高さ１．５μｍ、
溝部壁面の傾斜角８０°の表面が金で構成されたグレー
ティングを観察したときの具体的な制御方法について説
明する。この場合、探針１が試料３に接触し、探針１と
試料３との間に流れる電流が０．５μＡ以上になった
時、探針１を試料３から引き離すように設定した。測定
時のＸ軸及びＺ軸方向の圧電素子４及び６に印加する電
圧のタイミングは、実施例１の場合と同様に設定した。
この場合も、上記実施例２の場合と同様に、探針１が試
料３の表面に接触すると同時に、探針１が試料３の表面
から引き離されるため、探針１にはほとんど斥力は働か
ない。その結果、測定中に探針１が試料３の側壁をすべ
り落ちることもなく、それに起因した画像の歪も発生せ
ず、傾斜角８０゜のグレーティング斜面が精度良く観察
できた。
溝部壁面の傾斜角８０°の表面が金で構成されたグレー
ティングを観察したときの具体的な制御方法について説
明する。この場合、探針１が試料３に接触し、探針１と
試料３との間に流れる電流が０．５μＡ以上になった
時、探針１を試料３から引き離すように設定した。測定
時のＸ軸及びＺ軸方向の圧電素子４及び６に印加する電
圧のタイミングは、実施例１の場合と同様に設定した。
この場合も、上記実施例２の場合と同様に、探針１が試
料３の表面に接触すると同時に、探針１が試料３の表面
から引き離されるため、探針１にはほとんど斥力は働か
ない。その結果、測定中に探針１が試料３の側壁をすべ
り落ちることもなく、それに起因した画像の歪も発生せ
ず、傾斜角８０゜のグレーティング斜面が精度良く観察
できた。
【００２０】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、各測定
点間を移動する際、探針が試料表面から離れるように一
旦カンチレバーをＺ軸方向に移動させ（引き離し）た
後、カンチレバーを次の測定点まで移動させ、次の測定
点に到着した後、カンチレバー（探針）を試料表面に接
近させ、試料表面の凹凸を測定するように構成したの
で、試料表面の摩擦係数の違いなどによるカンチレバー
自由端のたわみや、カンチレバー自由端のねじれによる
影響（ノイズ成分）が除去され、精度良く試料表面を観
察することができる。また、探針を試料表面から離して
移動させるので、高アスペクト比の探針を用いて垂直に
近いような壁面を有する形状の試料を観察する場合で
も、探針の側面が走査中に壁面に衝突することない。さ
らに、探針が試料表面の傾斜面すべり落ちる際に発生す
るカンチレバーの自由端のねじれ量が増加を検出し、カ
ンチレバーの自由端のねじれ量から算出される値が所定
の設定値以上になると、カンチレバーを試料表面から引
き離すように構成したので、探針のすべり落ちによる画
像の歪はほとんど発生しない。また、カンチレバー自由
端のたわみ量の接近距離に対する変化量を検出するよう
に構成した場合、カンチレバー自由端のたわみ量検出機
構によるたわみの信号成分とその他のノイズ成分との識
別が容易になる。さらに、探針と試料が接触した時点に
おける探針と試料との間に流れる接触電流を検出するよ
うに構成した場合も、探針が試料表面に接触した瞬間を
捕らえることができる。
点間を移動する際、探針が試料表面から離れるように一
旦カンチレバーをＺ軸方向に移動させ（引き離し）た
後、カンチレバーを次の測定点まで移動させ、次の測定
点に到着した後、カンチレバー（探針）を試料表面に接
近させ、試料表面の凹凸を測定するように構成したの
で、試料表面の摩擦係数の違いなどによるカンチレバー
自由端のたわみや、カンチレバー自由端のねじれによる
影響（ノイズ成分）が除去され、精度良く試料表面を観
察することができる。また、探針を試料表面から離して
移動させるので、高アスペクト比の探針を用いて垂直に
近いような壁面を有する形状の試料を観察する場合で
も、探針の側面が走査中に壁面に衝突することない。さ
らに、探針が試料表面の傾斜面すべり落ちる際に発生す
るカンチレバーの自由端のねじれ量が増加を検出し、カ
ンチレバーの自由端のねじれ量から算出される値が所定
の設定値以上になると、カンチレバーを試料表面から引
き離すように構成したので、探針のすべり落ちによる画
像の歪はほとんど発生しない。また、カンチレバー自由
端のたわみ量の接近距離に対する変化量を検出するよう
に構成した場合、カンチレバー自由端のたわみ量検出機
構によるたわみの信号成分とその他のノイズ成分との識
別が容易になる。さらに、探針と試料が接触した時点に
おける探針と試料との間に流れる接触電流を検出するよ
うに構成した場合も、探針が試料表面に接触した瞬間を
捕らえることができる。
【図１】本発明に係る走査型探針顕微鏡及びその制御方
法の第１の実施例を示す概略図
法の第１の実施例を示す概略図
【図２】第１の実施例におけるＸ軸及びＺ軸方向の圧電
素子へ印加する電圧のタイミングを示す電圧波形図
素子へ印加する電圧のタイミングを示す電圧波形図
【図３】第１の実施例によるカンチレバーの自由端のた
わみ量およびねじれ量により制御した走査型探針顕微鏡
による試料の断面形状を示す図
わみ量およびねじれ量により制御した走査型探針顕微鏡
による試料の断面形状を示す図
【図４】第１の実施例によるカンチレバーの自由端のた
わみ量のみにより制御した走査型探針顕微鏡による試料
の断面形状を示す図
わみ量のみにより制御した走査型探針顕微鏡による試料
の断面形状を示す図
【図５】本発明に係る走査型探針顕微鏡及びその制御方
法の第２の実施例を示す概略図
法の第２の実施例を示す概略図
【図６】本発明に係る走査型探針顕微鏡及びその制御方
法の第２の実施例によるカンチレバーの自由端のたわみ
量（探針と試料表面間の力）とＺ軸方向の圧電素子に印
加する電圧との関係を示す図
法の第２の実施例によるカンチレバーの自由端のたわみ
量（探針と試料表面間の力）とＺ軸方向の圧電素子に印
加する電圧との関係を示す図
【図７】本発明に係る走査型探針顕微鏡及びその制御方
法の第３の実施例を示す概略図
法の第３の実施例を示す概略図
【図８】従来の原子間力顕微鏡の構成を示す概略図
１ ： 探針 ２ ： カンチレバー ３ ： 試料 ４ ： Ｘ軸方向の圧電素子 ５ ： Ｙ軸方向の圧電素子 ６ ： Ｚ軸方向の圧電素子 ７ ： コンピュータ ８ ： 圧電体駆動装置 １０ ： 微動機構 １１ ： 半導体レーザー １２ ： 集光レンズ １３ ： ４分割フォトダイオード １４ ： プリアンプ １０１： Ｘ軸方向の圧電素子に印加した電圧 １０２： Ｚ軸方向の圧電素子に印加した電圧 １１５： ２分割フォトダイオードの差信号（探針と試
料表面間の力） １１６： Ｚ軸方向の圧電素子に印加した電圧 １１７： 正弦波状ノイズ １１８： ファンデアワールス引力 １２０： 斥力 １２１： 吸着力 １２２： 正弦波状ノイズ
料表面間の力） １１６： Ｚ軸方向の圧電素子に印加した電圧 １１７： 正弦波状ノイズ １１８： ファンデアワールス引力 １２０： 斥力 １２１： 吸着力 １２２： 正弦波状ノイズ
Claims (15)
- 【請求項１】 カンチレバーの自由端近傍に備えられた
探針を、物質表面に接近もしくは接触させ、前記探針と
前記物質表面との間に生じる力を、前記物質表面の各測
定点で検出しながら、前記物質表面を走査する走査型探
針顕微鏡であって、前記カンチレバー自由端のねじれ量
及びたわみ量の検出機構を具備し、前記各測定点におい
て、前記探針と前記物質表面とが離れた状態から、前記
物質表面と前記カンチレバーとを相対的に接近させ、前
記検出機構により検出されたカンチレバー自由端のたわ
み量及びねじれ量から演算された値が所定の設定値にな
った時点における前記物質表面と前記カンチレバーとの
相対的接近距離を測定する走査型探針顕微鏡。 - 【請求項２】 カンチレバー自由端のたわみ量及びねじ
れ量から演算された値が、前記たわみ量又は前記ねじれ
量のいずれか大きい方の値である請求項１に記載の走査
型探針顕微鏡。 - 【請求項３】 ねじれ量が絶対値で与えられる請求項１
又は２に記載の走査型探針顕微鏡。 - 【請求項４】 カンチレバー自由端のたわみ量及びねじ
れ量の検出機構が、光源及び４分割フォトダイオードで
構成されている請求項１から３のいずれかに記載の走査
型探針顕微鏡。 - 【請求項５】 カンチレバーの自由端近傍に備えられた
探針を、物質表面に接近もしくは接触させ、前記探針と
前記物質表面との間に生じる力を、前記物質表面の各測
定点で検出しながら、前記物質表面を走査する走査型探
針顕微鏡であって、前記各測定点において、前記探針と
前記物質表面とが離れた状態から、前記物質表面と前記
カンチレバーとを相対的に接近させ、前記カンチレバー
自由端のたわみ量の前記物質表面と前記カンチレバーと
の相対的接近距離に対する変化量が所定の設定値になっ
た時点における前記接近距離を測定する走査型探針顕微
鏡。 - 【請求項６】 カンチレバー自由端のたわみ量の検出機
構が、光源及び２分割フォトダイオードで構成されてい
る請求項５に記載の走査型探針顕微鏡。 - 【請求項７】 カンチレバーの自由端近傍に備えられた
導電性探針と物質表面間にバイアス電圧を印加し、前記
導電性探針を前記物質表面に接近もしくは接触させ、前
記導電性探針と前記物質表面との間に流れる電流を前記
物質表面の各測定点で検出しながら、前記物質表面を走
査する走査型探針顕微鏡であって、前記各測定点におい
て、前記探針と前記物質表面とが離れた状態から、前記
物質表面と前記カンチレバーとを相対的に接近させ、前
記導電性探針と前記物質表面間に流れる電流が所定の設
定値になった時の前記接近距離を測定する走査型探針顕
微鏡。 - 【請求項８】 導電性探針と物質表面間に流れる電流が
接触電流である請求項７に記載の走査型探針顕微鏡。 - 【請求項９】 探針が、四面体の体心付近から４頂点方
向に針状結晶が延びた酸化亜鉛ウィスカで構成されてい
る請求項１から８のいずれかに記載の走査型探針顕微
鏡。 - 【請求項１０】 探針を物質表面から引き離して物質表
面上の各測定点間を移動する請求項１から９のいずれか
に記載の走査型探針顕微鏡。 - 【請求項１１】 カンチレバーの自由端近傍に備えられ
た探針を、物質表面に接近もしくは接触させ、前記探針
と前記物質表面との間に生じる力を、前記物質表面の各
測定点で検出しながら、前記物質表面を走査する走査型
探針顕微鏡の制御方法であって、前記物質表面上のある
測定点において、前記探針と前記物質表面とが離れた状
態から前記物質表面と前記カンチレバーとを相対的に接
近させ、前記探針が前記物質表面に接触したことによる
カンチレバー自由端のたわみ量及びねじれ量を検出し、
検出されたたわみ量及びねじれ量から演算された値が所
定の設定値になった時点における前記物質表面と前記カ
ンチレバーとの相対的接近距離を測定し、前記探針を前
記物質表面から引き離して前記物質表面上の次の測定点
まで移動させる走査型探針顕微鏡の制御方法。 - 【請求項１２】 カンチレバーの自由端のたわみ量又は
ねじれ量のいずれか大きい方の値を前記演算された値と
して用いる請求項１１に記載の走査型探針顕微鏡の制御
方法。 - 【請求項１３】 カンチレバーの自由端近傍に備えられ
た探針を、物質表面に接近もしくは接触させ、前記探針
と前記物質表面との間に生じる力を、前記物質表面の各
測定点で検出しながら、前記物質表面を走査する走査型
探針顕微鏡の制御方法であって、前記物質表面上のある
測定点において、前記探針と前記物質表面とが離れた状
態から前記物質表面と前記カンチレバーとを相対的に接
近させ、前記探針が前記物質表面に接触したことによる
カンチレバー自由端のたわみ量を検出し、前記カンチレ
バー自由端のたわみ量の前記物質表面と前記カンチレバ
ーとの相対的接近距離に対する変化量が所定の設定値に
なった時点における前記物質表面と前記カンチレバーと
の相対的接近距離を測定し、前記探針を前記物質表面か
ら引き離して前記物質表面上の次の測定点まで移動させ
る走査型探針顕微鏡の制御方法。 - 【請求項１４】 カンチレバーの自由端近傍に備えられ
た導電性探針と物質表面間にバイアス電圧を印加し、前
記導電性探針を前記物質表面に接近もしくは接触させ、
前記導電性探針と前記物質表面との間に流れる電流を前
記物質表面の各測定点で検出しながら、前記物質表面を
走査する走査型探針顕微鏡の制御方法であって、前記物
質表面上のある測定点において、前記探針と前記物質表
面とが離れた状態から前記物質表面と前記カンチレバー
とを相対的に接近させ、前記導電性探針と前記物質表面
間に流れる電流が所定の設定値になった時点における前
記物質表面と前記カンチレバーとの相対的接近距離を測
定し、前記探針を前記物質表面から引き離して前記物質
表面上の次の測定点まで移動させる走査型探針顕微鏡の
制御方法。 - 【請求項１５】 導電性探針と物質表面間に流れる接触
電流を測定する請求項１４に記載の走査型探針顕微鏡の
制御方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5175422A JPH0727560A (ja) | 1993-07-15 | 1993-07-15 | 走査型探針顕微鏡及びその制御方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5175422A JPH0727560A (ja) | 1993-07-15 | 1993-07-15 | 走査型探針顕微鏡及びその制御方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0727560A true JPH0727560A (ja) | 1995-01-27 |
Family
ID=15995826
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5175422A Pending JPH0727560A (ja) | 1993-07-15 | 1993-07-15 | 走査型探針顕微鏡及びその制御方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0727560A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP3226009A1 (en) * | 2016-03-29 | 2017-10-04 | Hitachi High-Tech Science Corporation | Scanning probe microscope and probe contact detection method |
| JP2021060432A (ja) * | 2021-01-25 | 2021-04-15 | 株式会社日立ハイテクサイエンス | 走査型プローブ顕微鏡及びそのプローブ接触検出方法 |
-
1993
- 1993-07-15 JP JP5175422A patent/JPH0727560A/ja active Pending
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP3226009A1 (en) * | 2016-03-29 | 2017-10-04 | Hitachi High-Tech Science Corporation | Scanning probe microscope and probe contact detection method |
| JP2017181135A (ja) * | 2016-03-29 | 2017-10-05 | 株式会社日立ハイテクサイエンス | 走査型プローブ顕微鏡及びそのプローブ接触検出方法 |
| CN107238733A (zh) * | 2016-03-29 | 2017-10-10 | 日本株式会社日立高新技术科学 | 扫描型探针显微镜及其探针接触检测方法 |
| KR20170113160A (ko) * | 2016-03-29 | 2017-10-12 | 가부시키가이샤 히다치 하이테크 사이언스 | 주사형 프로브 현미경 및 그 프로브 접촉 검출 방법 |
| US10151773B2 (en) | 2016-03-29 | 2018-12-11 | Hitachi High-Tech Science Corporation | Scanning probe microscope and probe contact detection method |
| CN107238733B (zh) * | 2016-03-29 | 2020-07-03 | 日本株式会社日立高新技术科学 | 扫描型探针显微镜及其探针接触检测方法 |
| JP2021060432A (ja) * | 2021-01-25 | 2021-04-15 | 株式会社日立ハイテクサイエンス | 走査型プローブ顕微鏡及びそのプローブ接触検出方法 |
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