JPH08254541A

JPH08254541A - 走査型プローブ顕微鏡

Info

Publication number: JPH08254541A
Application number: JP8477595A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Hoshino; 吉弘星野; Takeshi Murayama; 健村山
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1995-03-16
Filing date: 1995-03-16
Publication date: 1996-10-01

Abstract

(57)【要約】【目的】試料表面の凹凸形状等に追従させるための探
針のＺ軸方向の移動制御を高速化し、高速でかつ高精度
に測定を行う。【構成】試料11に対向する探針14を先部に備えるカン
チレバー15と、カンチレバーのたわみ変形に伴う所定の
変位を検出する変位検出装置18,19 と、カンチレバーす
なわちその先部の探針と試料の相対的な位置を変化させ
る微動装置と、この微動装置の動作を制御するための制
御手段25,26,27とを備え、測定動作の間制御手段で生成
される制御量に基づいて試料の測定表面の情報を得るよ
うに構成され、さらに、微動装置が、探針と試料の間の
距離を調整するための第１の微動装置31と、試料の測定
表面における探針の位置を調整するための第２の微動装
置34とからなり、前記カンチレバーを第１微動装置に設
け、この第１微動装置を第２微動装置に設けるように構
成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は走査型プローブ顕微鏡に
関し、特に、試料表面に探針を接近させ、試料と探針の
間に作用する原子間力等を利用して試料表面の形状等の
情報を得る走査型プローブ顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査型プローブ（探針）顕微鏡は原子オ
ーダの測定分解能を有し、表面の微細形状の計測など各
種分野に利用される。走査型プローブ顕微鏡には、検出
対象の物理量に応じて、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴ
Ｍ）、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、磁気力顕微鏡（ＭＦ
Ｍ）などがある。この中で原子間力顕微鏡は、試料表面
の形状を高分解能で検出するのに適しており、半導体や
光ディスクなどの表面形状の測定に利用されている。

【０００３】走査型プローブ顕微鏡の一例である原子間
力顕微鏡の従来の構成例を図４を参照して説明する。こ
の原子間力顕微鏡は光てこ検出方式のものである。測定
対象である試料１１はＸＹＺ微動装置１２の上に載置さ
れる。ＸＹＺ微動装置１２は内部にＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の
各方向への微動を生じさせる圧電素子が設けられる。Ｘ
軸とＹ軸の各圧電素子の動作を制御することにより試料
１１の表面のスキャニング（走査動作）を可能にし、Ｚ
軸の圧電素子の動作を制御することにより試料表面の高
さ方向の微細な移動を可能にする。ＸＹＺ微動装置１２
は、Ｚ粗動装置１３の上に配置される。このＺ粗動装置
１３は、試料表面の測定開始前の段階で探針１４を試料
１１に所要の距離に接近させるために用いられる。

【０００４】試料１１の上方位置には、先端に上記探針
１４を備えるカンチレバー１５が配置され、カンチレバ
ー１５はホルダ１６によって支持される。１７は図示し
ない取付け構造で固定されたフレームであり、このフレ
ーム１７には上記ホルダ１６とレーザ光源１８と光検出
器１９が取り付けられる。レーザ光源１８と光検出器１
９は移動装置２０，２１を介して取り付けられる。レー
ザ光源１８は、レーザ光２２をカンチレバー１５の背面
に設けた反射面に照射し、その反射光が光検出器１９に
入射される。光検出器１９は２分割フォトダイオード等
の受光素子が使用される。２３はレーザ光源１８に電力
を供給する電源である。

【０００５】光検出器１９の出力信号は微小力検出回路
２４に入力され、微小力検出回路２４は光検出器１９の
検出信号から微小力に関する情報を得る。この微小力に
関する情報は、カンチレバー１５のたわみ量すなわち探
針１４のＺ軸方向の移動量に関するものである。微小力
検出回路２４の出力信号は制御回路２５に入力される。
制御回路２５は、計算機２６から測定に関する指令（試
料表面からの高さ）を与えられ、測定時に微小力検出回
路２４の出力信号を監視しながらカンチレバー１５のた
わみ量が設定された一定値に保たれるように、ＸＹＺ微
動装置１２のＺ軸方向の動作量をサーボ制御する。また
ＸＹ走査回路２７は、計算機２６から測定範囲の設定に
関する指令を与えられ、ＸＹＺ微動装置１２のＸ軸およ
びＹ軸の各方向の動作量を適宜に制御して当該測定範囲
の走査動作を行う。

【０００６】上記原子間力顕微鏡の測定の動作は次の通
り行われる。まず、図示しない制御手段の制御に基づき
Ｚ粗動装置１３を動作させ、探針１４に対して試料１１
を接近させると、両者の間に原子間力が作用する距離ま
で試料１１は接近する。原子間力が作用したか否かは、
レーザ光源１８からレーザ光２２を出射させた状態に保
ち、カンチレバー１５のたわみ量を光検出器１９の検出
信号を調べることによって知ることができる。Ｚ粗動装
置１３の動作状態を制御して、試料１１と探針１４の距
離は両者間に望ましい原子間力が作用する距離に保持さ
れる。

【０００７】試料１１と探針１４の間隔が上記の状態に
設定された状態で、試料１１をＸＹＺ微動装置１２によ
ってＸ，Ｙの各軸方向に微動させることにより探針１４
による試料表面の走査が行われる。この走査の間、探針
１４と試料１１の表面との間の距離は、微小力検出回路
２４の出力信号に基づいてＸＹＺ微動装置１２のＺ軸方
向の動作をサーボ制御する制御回路２５によって、一定
値に保持される。

【０００８】試料１１の表面における測定範囲全体を上
記のように走査したとき、制御回路２５で生成された制
御量データが、試料１１の表面の凹凸形状の測定データ
となる。計算機２６は上記制御量データを取り込み、所
定のデータ処理を行い、これによって試料１１の表面に
おける測定範囲の凹凸形状の情報を得る。得られた凹凸
形状の情報は、必要に応じて図示しない表示装置に表示
される。

【０００９】上記の従来例の説明では、探針１４に対し
て試料１１をＸ，Ｙ，Ｚの各軸方向に移動させる構成を
述べたが、試料１１を固定された試料テーブルに載置
し、カンチレバー１５等を設けたフレーム１７を他のＸ
ＹＺ微動装置に設け、試料に対して探針１４の側を移動
させる構成とすることもできる（特開昭３−２９６６１
２号公報）。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】探針１４に対して試料
１１をＸＹＺ微動装置１２で移動させるようにした従来
装置では、表面積の大きな試料すなわち比較的に重量の
ある試料を測定する場合には、試料表面の凹凸形状に追
従させるための探針のＺ軸方向の移動制御が必然的に遅
くなり、そのままの状態で試料を測定し観察することが
困難であった。そこで、大きな試料を観察したい箇所を
小さく切り取って測定を行うようにしていた。

【００１１】また特開昭３−２９６６１２号公報に示さ
れる従来装置では、試料に対して探針をＸ，Ｙ，Ｚの各
方向に動作させるようにしていた。従って、試料が大き
なものであっても上述のような問題は生じない。しかし
ながら、この従来例では、実際には、探針だけではな
く、探針を備えるカンチレバー、位置検出機構を形成す
るレーザ光源や光検出器を備えたフレームの全体を移動
させる構成となっているため、結果的に移動対象が重量
のあるものとなり、同様に前述した探針のＺ軸方向の移
動制御が遅くなり、高速かつ高精度な観察を行うことが
できないという不具合を有する。

【００１２】本発明の目的は、上記問題を解決するた
め、試料表面の凹凸形状に追従させるための探針のＺ軸
方向の移動制御を高速化し、高速でかつ高精度に測定を
行うことができる走査型プローブ顕微鏡を提供すること
にある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明に係る走査型プロ
ーブ顕微鏡は、上記目的を達成するために、試料に対向
する探針を先部に備えるカンチレバーと、カンチレバー
のたわみ変形に伴う所定の変位を検出する変位検出装置
と、カンチレバーすなわちその先部の探針と試料の相対
的な位置を変化させる微動装置と、この微動装置の動作
を制御するための制御手段とを備え、測定動作の間制御
手段で生成される制御量に基づいて試料の測定表面の情
報を得るように構成されるものであり、さらに、前記の
微動装置が、探針と試料の間の距離を調整するための第
１の微動装置と、試料の測定表面における探針の位置を
調整するための第２の微動装置とからなり、前記カンチ
レバーを第１微動装置に設け、この第１微動装置を第２
微動装置に設けるように構成される。

【００１４】第２微動装置にさらに上記の変位検出装置
を設け、変位検出装置とカンチレバーとを一緒に移動さ
せるようにした。

【００１５】また他の観点に基づき、前述の基本的な構
成と作用を有する走査型プローブ顕微鏡において、前記
微動装置が、探針と試料の間の距離のみを調整するよう
にカンチレバーを取り付けるカンチレバー専用微動装置
を含むように構成される。

【００１６】変位検出装置は、好ましくは、カンチレバ
ーにレーザ光等を照射する光源と、カンチレバーで反射
されたレーザ光等を受光する光検出器とからなる。

【００１７】また他の本発明に係る走査型プローブ顕微
鏡は、試料に対向する探針を先部に備えるカンチレバー
と、カンチレバーに対してレーザ光を照射してカンチレ
バーの変位を検出するレーザ光変位検出装置と、カンチ
レバーと試料の相対的位置を変化させる微動装置と、こ
の微動装置の動作を制御する制御手段とを備え、この制
御手段で生成される制御量に基づいて前記試料の測定表
面の情報を得るように構成され、さらに、微動装置は、
探針と試料の間の距離を調整する第１微動装置と、試料
の測定表面における探針の位置を調整する第２微動装置
とからなり、カンチレバーを第１微動装置に設け、この
第１微動装置とレーザ光変位検出装置を第２微動装置に
設け、かつレーザ光源をカンチレバーの斜め上方に配置
し、カンチレバーにレーザ光を案内するハーフミラーを
設けるように構成される。

【００１８】さらに第２微動装置が有する空間を利用し
て光学顕微鏡等の観察装置を配置し、ハーフミラーの上
方空間を開放して光学顕微鏡等によってカンチレバーを
観察するように構成される。

【００１９】

【作用】本発明では、探針と試料の間の距離の調整、お
よび試料表面における探針による走査を行う微動装置に
関し、探針と試料の間の距離の調整、すなわち試料表面
に対してほぼ直角な方向（Ｚ軸方向）の探針の位置変化
に関係する専用の微動装置を設ける。換言すれば、カン
チレバーをＺ軸方向に変位させるための専用の微動装置
を設けるようにした。このＺ方向微動装置は、小型で軽
量なカンチレバーのみを独立にＺ軸方向に移動させ得る
ので、高速かつ高精度に探針のＺ軸方向の位置を制御す
ることができる。

【００２０】さらに光てこ方式の変位検出装置のレーザ
光を案内するハーフミラーを設け、スペースの有効利用
を図って光学顕微鏡等の観察装置と複合化させると、測
定範囲を見出すのに都合がよい。

【００２１】

【実施例】以下に、本発明の実施例を添付図面に基づい
て説明する。

【００２２】図１は本発明の第１実施例を示す。この実
施例では、走査型プローブ顕微鏡の一例として原子間力
顕微鏡を示す。図１において、図４で説明した要素と実
質的に同一の要素には同一の符号を付している。この実
施例による走査型プローブ顕微鏡は、先端部に探針１４
を備えるカンチレバー１５を、探針１４の先端が試料１
１に対向するように配置される。カンチレバー１５は、
カンチレバーの基端を固定するホルダ１６を介してＺ方
向微動装置３１に取り付けられる。Ｚ方向微動装置３１
は、カンチレバー１５をＺ軸方向、すなわち試料１１の
表面にほぼ垂直な方向に微小移動させるための駆動装置
である。Ｚ方向微動装置３１は圧電素子を内蔵する。試
料１１は、Ｘ軸およびＹ軸の各方向に試料１１を相対的
に大きな変位で移動させるＸＹ粗動装置３２の上に載置
される。かかるカンチレバー１５の配置位置によって、
探針１４はＸＹ粗動装置３２上の試料１１に対向する。

【００２３】３３はプレート状の取付けフレームであ
る。取付けフレーム３３には、上記Ｚ方向微動装置３１
とレーザ光源１８と光検出器１９が取り付けられる。レ
ーザ光源１８と光検出器１９は、それぞれ位置合せのた
めの移動装置２０，２１を介して取付けフレーム３３に
取り付けられる。取付けフレーム３３での取付け状態に
おいて、カンチレバー１５の探針１４は取付けフレーム
３３の下側のほぼ中央位置に位置し、さらに発振電源２
３によって駆動されることによりレーザ光源１８から出
射されるレーザ光２２は、カンチレバー１５の背面に照
射され、その反射光が図示しないレンズを通って光検出
器１９に入射されるように位置調整が行われている。探
針１４と試料１１の表面との間で原子間力が作用する
と、カンチレバー１５でたわみ変形が発生する。カンチ
レバー１５でたわみ変形が発生すると、光検出器１９に
おけるレーザ光２２の入射位置が変化するので、その変
化を利用してカンチレバー１５のたわみ量すなわち変位
を検出することができる。レーザ光源１８と光検出器１
９は光てこ方式の変位検出装置を構成する。

【００２４】上記取付けフレーム３３は、筒型のＸＹ方
向微動装置３４に固定される。このＸＹ方向微動装置３
４は、試料１１の表面に対して探針１４をほぼ平行な方
向に移動させるので、試料表面を走査するための微動装
置である。筒型のＸＹ方向微動装置３４は、筒型部材の
外面において直交する方向にＸ方向移動用電極、Ｙ方向
移動用電極を設け、筒型部材の内面に接地電極を設けて
おり、よく知られた構造を有する。

【００２５】上記機構に対して以下の制御系が設けられ
る。光検出器１９で検出されたカンチレバーの変位量に
関する情報は、微小力検出回路２４で検出され、制御回
路２５に入力される。制御回路２５は、計算機２６から
制御指令を受けると共に、この制御指令と、微小力検出
回路２４から入力される検出データとに基づいてサーボ
制御を実行すべくＺ方向微動装置３１の動作量を決定す
る制御信号をＺ方向微動装置３１に対して出力する。Ｚ
方向微動装置３１に対して制御回路２５から送給される
制御量は、同時に計算機２６にも取り込まれる。また探
針１４によって試料１１の表面の測定範囲を走査するた
め、ＸＹ走査回路２７は計算機２６から走査に係る制御
信号を受け、ＸＹ方向微動装置３４に対し走査制御信号
を送給する。計算機２６は、走査範囲に関して制御回路
２５から得られる制御量の情報に基づいて、試料表面に
おける測定範囲に関して凹凸形状の情報を求める。

【００２６】上記構成を有する原子間力顕微鏡では、次
のように測定のための動作が行われる。まず探針１４と
試料１１との間の距離が、図示しないＺ粗動装置により
両者の間で原子間力の作用が生じる程度、すなわち１ｎ
ｍ程度の距離に設定される。探針１４と試料１１の間に
原子間力が作用すると、カンチレバー１５にたわみ変形
が生じ、たわみ変形に伴うたわみ量は前述の通り光検出
器１９によって検出される。光検出器１９で検出される
たわみ量の情報を取り出す微小力検出回路２４、および
計算機２６からの指令信号と微小力検出回路２４の検出
信号に基づいて上記たわみ量を設定された一定値に保つ
ためのサーボ制御を実行する制御回路２５を通して、Ｚ
方向微動装置３１の動作の制御が行われる。また計算機
２６から指令される走査範囲に基づいてＸＹ走査回路２
７はＸＹ方向微動装置３４の動作を制御し、探針１４に
よって試料１１の表面を走する。このとき制御回路２５
において得られる制御量が試料１１の表面の凹凸形状に
対応し、この制御量を計算機２６によってデータ処理す
ることによって試料１１の表面の測定範囲の凹凸形状を
算出する。

【００２７】レーザ光源１８とカンチレバー１５と光検
出器１９からなる光てこ方式光学系の構成において、た
わみ変形で背面に反射面を備えたカンチレバー１５がＺ
軸方向に移動すると、光検出器１９でのレーザ光の入射
位置が変化する。当該入射位置の変化では、測定誤差が
含まれるが、変化量は非常に微小であるため、カンチレ
バー１５のＺ軸方向の移動に起因する測定誤差は微小で
あるので、通常の測定では無視でき、問題にならない。
また当該測定誤差が無視できないような厳密な測定で
は、カンチレバー１５の移動方向がＺ軸方向のみである
ことから、カンチレバー１５の移動量と測定誤差との関
係を予め測定しておき、測定誤差を補正できるようにし
ておくことが望ましい。

【００２８】上記の実施例によれば、小型・軽量なカン
チレバー１５のみをＺ軸方向に移動させるカンチレバー
専用のＺ方向微動装置３１を設けるようにしたため、探
針１４の試料表面の凹凸形状の高さ方向の移動の制御を
高速に行うことができ、当該凹凸形状の追従を滑らかに
行うことができるので、測定精度が向上する。また係る
Ｚ方向微動装置３１とレーザ光源１８等の変位検出装置
とを取付けフレーム３３を介してＸＹ方向微動装置３４
に設けることにより、測定に必要な微動装置をカンチレ
バー１５の側に設けるようにしたので、試料１１の側に
は微動装置を設ける必要がなくなり、大きな試料であっ
てもそのまま測定することができる。

【００２９】図２は本発明の第２の実施例を示す。図２
において図１で説明した要素と実質的に同じ要素には同
一の符号を付している。この実施例では、レーザ光源１
８とその移動装置２０をカンチレバー１６の真上位置に
配置するのをやめ、斜め上方に配置し、カンチレバー１
５の真上空間を開けている。そして図３に示す通り、カ
ンチレバー１５の真上位置には、レーザ光源１８から横
方向に出射されたレーザ光２２をカンチレバー１５の背
面の反射面に導き、反射させた後、光検出器１９に入射
させるハーフミラー４１を配置する。さらに、カンチレ
バー１５の真上位置に対応する取付けフレーム３３の部
分に所要の径の孔４２を形成し、かつＸＹ方向微動装置
３４の筒型部材の内部空間には例えば光学顕微鏡（図示
せず）の対物レンズ４３を配置し、対物レンズ４３が孔
４２およびハーフミラー４１を通してカンチレバー１５
および試料１１の表面に臨むように構成される。上記図
３は、カンチレバー１５の正面から見た図である。

【００３０】上記実施例によれば、走査型プローブ顕微
鏡においてカンチレバー１５の上方空間を有効利用で
き、光学顕微鏡等の他の観察装置と原子間力顕微鏡との
複合化を容易に行うことができる。

【００３１】前記の各実施例では原子間力顕微鏡につい
て述べたが、本発明の要部構成を走査型プローブ顕微鏡
一般に適用できるのは勿論である。

【００３２】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように本発明によ
れば、ＸＹＺ微動機構を、カンチレバーを取付けカンチ
レバーをＺ方向のみに移動させる微動機構と、この微動
機構と変位検出装置を取付けるＸＹ走査を行うための微
動機構とに分けて構成したため、大きな試料を切断する
ことなく、高速でかつ高精度に観察することができる。
また、ハーフミラーを利用してレーザ光源の配置位置を
変更し、カンチレバーの上方空間を開放し、かつカンチ
レバーの上方空間に観察装置を設けるようにしたため、
観察装置との複合化を容易に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の実施例を
示す構成図である。

【図２】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の他の実施
例を示す構成図である。

【図３】図２の要部の構成図である。

【図４】従来の走査型プローブ顕微鏡の例を示す構成図
である。

【符号の説明】

１１試料１４探針１５カンチレバー１６ホルダ１８レーザ光源１９光検出器２０，２１移動装置２２レーザ光３１Ｚ方向微動装置３２ＸＹ粗動装置３３取付けフレーム３４ＸＹ方向微動装置４１ハーフミラー４２孔４３対物レンズ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料に対向する探針を先部に備えるカン
チレバーと、前記カンチレバーの変位を検出する変位検
出装置と、前記カンチレバーと前記試料の相対的位置を
変化させる微動装置と、この微動装置の動作を制御する
制御手段とを備え、この制御手段で生成される制御量に
基づいて前記試料の測定表面の情報を得る走査型プロー
ブ顕微鏡において、前記微動装置は、前記探針と前記試料の間の距離を調整
する第１微動装置と、前記試料の前記測定表面における
前記探針の位置を調整する第２微動装置とからなり、前
記カンチレバーを前記第１微動装置に設け、この第１微
動装置を前記第２微動装置に設けたことを特徴とする走
査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】前記変位検出装置を前記第２微動装置に
設けたことを特徴とする請求項１記載の走査型プローブ
顕微鏡。
【請求項３】試料に対向する探針を先部に備えるカン
チレバーと、前記カンチレバーの変位を検出する変位検
出装置と、前記カンチレバーと前記試料の相対的位置を
変化させる微動装置と、この微動装置の動作を制御する
制御手段とを備え、この制御手段で生成される制御量に
基づいて前記試料の測定表面の情報を得る走査型プロー
ブ顕微鏡において、前記微動装置は、前記探針と前記試料の間の距離のみを
調整するように前記カンチレバーを取り付けるカンチレ
バー専用微動装置を含むことを特徴とする走査型プロー
ブ顕微鏡。
【請求項４】前記変位検出装置は、前記カンチレバー
に光を照射する光源と、前記カンチレバーで反射された
前記光を受光する光検出器とからなることを特徴とする
請求項１〜３のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕
微鏡。
【請求項５】試料に対向する探針を先部に備えるカン
チレバーと、前記カンチレバーに対してレーザ光を照射
して前記カンチレバーの変位を検出するレーザ光変位検
出装置と、前記カンチレバーと前記試料の相対的位置を
変化させる微動装置と、この微動装置の動作を制御する
制御手段とを備え、この制御手段で生成される制御量に
基づいて前記試料の測定表面の情報を得る走査型プロー
ブ顕微鏡において、前記微動装置は、前記探針と前記試料の間の距離を調整
する第１微動装置と、前記試料の前記測定表面における
前記探針の位置を調整する第２微動装置とからなり、前
記カンチレバーを前記第１微動装置に設け、この第１微
動装置と前記レーザ光変位検出装置を前記第２微動装置
に設け、かつレーザ光源を前記カンチレバーの斜め上方
に配置し、前記カンチレバーにレーザ光を案内するハー
フミラーを設けたことを特徴とする走査型プローブ顕微
鏡。
【請求項６】前記第２微動装置が有する空間を利用し
て観察装置を配置し、前記ハーフミラーの上方空間を開
放して前記観察装置によって前記カンチレバーを観察す
るように構成したことを特徴とする請求項５記載の走査
型プローブ顕微鏡。