JPH0868799A - 走査型プロ−ブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】試料の上方におけるスペ−スを確保できる走査
型プロ−ブ顕微鏡を提供する。 【構成】試料２を載置する粗動ステ−ジ３と、粗動ステ
−ジ３に対して軸線が水平になるように配置されたチュ
−ブスキャナ１０と、試料２の観察対象面２ａとの相互
作用を検出するための探針４を有するカンチレバ−５
と、カンチレバ−５を支持するカンチレバ−支持部６
と、カンチレバ−５に光を照射する照射装置７と、カン
チレバ−５で反射された光を検出する受光装置８と、カ
ンチレバ−支持部６、照射装置７、および、受光装置８
をチュ−ブスキャナ１０に固定する板状部材９と、チュ
−ブスキャナ１０を軸線方向に移動させる微動素子１１
と、チュ−ブスキャナ１０および微動素子１１を駆動す
る制御回路を有して構成される。

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−ブ顕微
鏡、特に、走査型原子間力顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】試料の表面形状を原子レベルで観察する
ことができる顕微鏡が開発されており、中でも、ＳＰＭ
（Scanning Probe Microscope:走査型プロ−ブ顕微鏡）
が知られている。このＳＰＭは、探針を試料の上方で、
試料表面に沿って走査しながら、これらの相互作用に関
する情報を検出し、この検出結果をもとに試料表面の３
次元形状を表示する装置である。

【０００３】ＳＰＭとしては、例えば、ＳＴＭ（走査型
トンネル顕微鏡）やＡＦＭ（走査型原子間力顕微鏡）が
ある。ＳＴＭでは、試料と探針との間に流れるトンネル
電流を検出することで、ＡＦＭでは、試料と探針との間
に生じる原子間力を検出することで、試料の表面形状を
観察することができる。

【０００４】以下に、従来のＡＦＭの一例を図７（ａ）
を用いて説明する。

【０００５】この従来例（ＡＦＭ ３０）は、試料３１
を載せた状態で、当該試料を３次元方向に移動させるチ
ュ−ブスキャナ３２と、チュ−ブスキャナ３２の概略位
置決めを行う粗動ステ−ジ３３と、試料３１に向かって
突出した探針３４ａを有し、かつ、その背面に反射面３
５が形成されているカンチレバ−３４と、反射面３５に
光を照射するための光源３６および集光レンズ３７と、
反射面３５からの反射光を受光する受光部３８と、チュ
−ブスキャナ３２を駆動する制御回路３９と、観察結果
を表示する表示装置４０とを備えている。カンチレバ−
３４には、可撓性を有する部材が用いられる。チュ−ブ
スキャナ３２には、例えば、図８に示すような円筒形状
の圧電素子４１が用いられる。圧電素子４１の外周面に
は、４枚の電極４２、４３、４４、４５が等間隔に設け
られ、また、内周面には、共通電極４６が設けられてい
る。この圧電素子４１は、これらの電極に印加される電
圧に応じて自身の一部が伸縮し、その形が微妙に変化す
る。このときの変位を利用することで、上部に載置され
ている試料３１を任意の方向に移動させる。

【０００６】試料の観察時においては、図７（ａ）に示
す制御回路３９は、チュ−ブスキャナ３２を駆動し、試
料表面上の目的の領域を走査する。走査中は、探針３４
ａと試料３１との間に原子間力が作用するので、この力
によってカンチレバ−３４が撓むことにある。この撓み
に応じて、反射面３５からの反射光の光路が変化する。
制御回路３９は、受光部３８を介して、この光路の変化
を検出し、カンチレバ−３４の撓み量を検出する。そし
て、制御回路３９は、この検出結果をフィ−ドバックし
ながら、この撓み量が一定になるように、チュ−ブスキ
ャナ３２を駆動する。したがって、探針３４ａは、この
試料表面に沿って移動することが可能となる。尚、制御
回路３９は、チュ−ブスキャナ３２を駆動するための情
報に基づいて試料３１の表面形状を把握し、この結果を
表示装置４０に立体像として表示させる。

【０００７】ところで、チュ−ブスキャナの圧電素子に
は、普通、セラミックス系の材料が用いられる。したが
って、チュ−ブスキャナの製作可能な大きさが限られて
しまい（最大径３０ｍｍ程度）、載置する試料の大きさ
が制限される。また、チュ−ブスチャナに大型の試料を
載せてしまうと、チュ−ブスチャナの機械的な共振周波
数が低下して外部の影響を受けやすくなり、顕微鏡自体
の分解能が低下してしまう。

【０００８】このようなことを考慮して、カンチレバ−
をチュ−ブスキャナ側に設けているＡＦＭが知られてい
る。このＡＦＭは、例えば、図７（ｂ）に示すように構
成される。図７（ｂ）に示すＡＦＭ ４７は、チュ−ブ
スキャナ３２を駆動することでカンチレバ−３４を移動
させ、粗動ステ−ジ３３上の試料３１の表面形状を観察
する。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うに構成すると、試料３１の上方に、光源３６、集光レ
ンズ３７、および、受光部３８のほか、さらにチュ−ブ
スキャナ３２が配置されることになりスペ−スが無くな
ってしまう。普通、ＡＦＭをはじめ探針を有する走査型
プロ−ブ顕微鏡では、観察を開始する前に、まず、探針
を試料表面上の目的の領域まで移動させる。このとき、
探針の位置を確認するために光学顕微鏡が用いられる。
この光学顕微鏡は、試料の真上から観察できるように配
置した方が視野が広くなり正確な観察が行える。しか
し、図７（ｂ）に示すような構成では、試料の上方に光
学顕微鏡をさらに配置することは難しい。

【００１０】このような問題点を考慮し、本発明の目的
は、試料の上方におけるスペ−スを確保できる走査型プ
ロ−ブ顕微鏡を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の第１の態様によれば、試料を載置するためのステ−ジ
と、前記ステ−ジに対して軸線が水平になるように配置
された円筒形の圧電素子と、前記試料の観察対象面との
相互作用を検出するための探針を有するカンチレバ−
と、前記カンチレバ−を前記円筒形の圧電素子の一方の
端面に固定するための固定部材と、前記円筒形の圧電素
子に装着された電極と、前記電極に電圧を印加するとと
もに前記電圧を調節することで前記円筒形の圧電素子を
変形させ、前記探針を前記観察対象面に沿って移動させ
る制御手段とを備えることを特徴とする走査型プロ−ブ
顕微鏡が提供される。

【００１２】上記目的を達成するための第２の態様によ
れば、第１の態様において、前記電極は、前記円筒形の
圧電素子の内周面に形成された電極と、前記円筒形の圧
電素子の外周面に形成された電極とを有して構成され、
前記円筒形の圧電素子の外周面に形成された電極は、前
記ステ−ジに対して水平な方向において対面し、かつ、
互いの面積が等しい２つの電極と、前記ステ−ジに対し
て垂直な方向において対面し、かつ、互いの面積が等し
い２つの電極とからなり、前記水平な方向において対面
するそれぞれの電極の面積は、前記垂直な方向において
対面する電極の面積よりも大きいことを特徴とする走査
型プロ−ブ顕微鏡が提供される。

【００１３】上記目的を達成するための第３の態様によ
れば、第１または第２の態様において、前記円筒形の圧
電素子を前記軸線方向に移動させる微動機構をさらに備
えることを特徴とする走査型プロ−ブ顕微鏡が提供され
る。

【００１４】上記目的を達成するための第４の態様によ
れば、第１、第２または第３の態様において、前記カン
チレバ−に光を照射する照射装置と、前記カンチレバ−
で反射された光を検出する受光装置をさらに備え、前記
制御手段は、前記受光装置の検出結果に基づいて、前記
探針の相互作用によるカンチレバ−の撓み量を求め、こ
の撓み量に応じて前記電圧を調節し、前記固定部材は、
さらに、前記照射装置および前記受光装置を前記円筒形
の圧電素子の前記一方の端面に固定することを特徴とす
る走査型プロ−ブ顕微鏡が提供される。

【００１５】上記目的を達成するための第５の態様によ
れば、第４の態様において、前記試料の観察対象面の上
方に配置された光学顕微鏡をさらに備え、前記照射装置
および前記受光装置のそれぞれは、前記光学顕微鏡の視
野外に配置されていることを特徴とする走査型プロ−ブ
顕微鏡が提供される。

【００１６】

【作用】前記第１の態様において、前記制御手段は、前
記電極に電圧を印加するとともに前記電圧を調節するこ
とで前記円筒形の圧電素子を変形させ、前記探針を前記
観察対象面に沿って移動させる。

【００１７】前記第２の態様において、前記円筒形の圧
電素子は、外周面に形成された電極の構成に応じた電圧
が印加される。

【００１８】前記第３の態様において、前記微動機構
は、前記円筒形の圧電素子を前記軸線方向に移動させる
ことができる。

【００１９】前記第４の態様において、前記制御手段
は、前記受光装置の検出結果に基づいて、前記探針の相
互作用によるカンチレバ−の撓み量を求め、この撓み量
に応じて前記電圧を調節する。

【００２０】前記第５の態様において、前記照射装置お
よび前記受光装置のそれぞれは、前記光学顕微鏡の視野
外に配置されており、観察の邪魔になることはない。

【００２１】

【実施例】以下、本発明をＡＦＭ（走査型原子間力顕微
鏡）に適用した場合の実施例を図面を用いて説明する。

【００２２】図１は、本実施例のＡＦＭの全体構成図、
図２は、本実施例のＡＦＭの一部を拡大した斜視図、図
３は、本実施例のＡＦＭに使用されるカンチレバ−の斜
視図である。

【００２３】図１および図２に示すように、このＡＦＭ
１は、試料２が載置されている粗動ステ−ジ３と、観
察対象となる試料表面（観察対象面２ａ）との相互作用
を検出する探針４が先端部に設けられている板状のカン
チレバ−５と、探針４が観察対象面２ａに向くような状
態でカンチレバ−５を支持するカンチレバ−支持部６
と、照射装置７と、受光装置８と、これら（カンチレバ
−支持部６、照射装置７、受光装置８）を固定する板状
部材９と、板状部材９を一方の端面に取り付け、当該板
状部材９を移動させるチュ−ブスキャナ１０と、チュ−
ブスキャナ１０を固定するとともに、当該チュ−ブスキ
ャナ１０を移動させる微動素子１１と、光学顕微鏡１２
（図２では対物レンズ１３のみ示されている）と、チュ
−ブスキャナ１０および微動素子１１を駆動するための
制御回路１４と、表示装置１５とを備えている。チュ−
ブスキャナ１０は、図１および図２に示すように、粗動
ステ−ジ３に対して軸線１０ａが水平になるように配置
されている。したがって、試料２の上方には、十分なス
ペ−スが確保され、光学顕微鏡１２の対物レンズ１３を
観察対象面２ａの真上に配置することが可能になってい
る。

【００２４】カンチレバ−５の先端部には、図３に示す
ように、前述した探針４のほか、光を反射する反射面１
６が探針４の反対側の位置に形成されている。

【００２５】照射装置７は、図示しないが、その内部に
光源と、光源から放射された光をカンチレバ−５の反射
面１６に向けて集光する集光レンズが設けられている。
本実施例では、光源に半導体レ−ザを用いている。受光
装置８は、反射面１６からの反射光を受光するための２
分割光検出器であり、例えば、フォトダイオ−ドを用い
て構成される。尚、この２分割光検出器は、制御回路１
４に接続されている。

【００２６】板状部材９は、軽量な部材であればよく、
例えば、アルミ板を用いることができる。尚、カンチレ
バ−支持部６、照射装置７、および、受光装置８は、こ
の板状部材９に固定されているので、同方向に移動する
ことになる。したがって、移動中、これらの光学的な関
係が保たれることになる。また、照射装置７、および、
受光装置８は、光学顕微鏡１２の視野に入らないない位
置に配置されている。

【００２７】チュ−ブスキャナ１０の構成の詳細は、図
４に示されている。

【００２８】図４に示すように、チュ−ブスキャナ１０
は、円筒形の圧電素子１７と、圧電素子１７の外周面に
形成された電極１８、１９、２０、２１と、内周面に形
成された共通電極２２とから構成される。圧電素子１７
には、例えば、ＰＺＴが用いられる。

【００２９】電極１８、１９は、粗動ステ−ジ３（図１
および図２参照）に対して水平な方向において対面し、
かつ、互いの面積が等しくなるように形成されている。
一方、電極２０、２１は、粗動ステ−ジ３に対して垂直
な方向において対面し、かつ、互いの面積が等しくなる
ように形成されている。また、電極１８、１９のそれぞ
れ面積は、電極２０（２１）の面積よりも大きくなって
いる。尚、説明を簡略化するため、円筒形の圧電素子１
７の軸線方向をＹ方向、粗動ステ−ジ３に対して垂直な
方向をＺ方向、Ｙ方向およびＺ方向に垂直な方向をＸ方
向とする。

【００３０】外周面に形成された各電極は、制御回路１
４に高圧アンプ２３、２４、２５、２６を介して接続さ
れ、また、共通電極２２は、接地されている。そして、
チュ−ブスキャナ１０は、電極１８、１９に、絶対値が
同じで極性が異なる電圧が与えられるとＸ方向に曲が
り、図１および図２で示した板状部材９を介して、カン
チレバ−５に設けられている探針４をＸ方向に移動させ
る。例えば、制御回路１４は、高圧アンプ２４を介して
電極１８に、＋１００Ｖの電圧を印加するともに、高圧
アンプ２５を介して電極１９に、−１００Ｖの電圧を印
加し、探針４を、図４のＸ方向において左から右に移動
させる。尚、移動の向きにおいては、使用する圧電素子
の特性により決定されるものであり、圧電素子によって
は、右から左に移動させるものもある。一方、電極２
０、２１に絶対値が同じで極性が異なる電圧が与えられ
ると、チュ−ブスキャナ１０は、Ｚ方向に曲がり、探針
４をＺ方向に移動させる。

【００３１】また、本実施例では微動素子１１に、一般
的な、積層型の圧電セラミックアクチュエ−タを用いて
いる。アクチュエ−タの内部には、多数の層状の電極
（図示せず）が端面（チュ−ブスキャナ１０が固定され
ている面）１１ａと平行にＹ方向に並んで設けられてい
る。各電極それぞれは、側面に設けられている２つの外
部電極１１ｂ、１１ｃにより電気的に並列に接続されて
いる、また、外部電極１１ｂは、高圧アンプ２７を介し
て制御回路１４に接続され、外部電極１１ｃは、接地さ
れている。アクチュエ−タ１１は、前述の電極に引加さ
れる電圧に応じて、Ｙ方向に伸縮し、これにともなっ
て、探針４をＹ方向に移動させる。

【００３２】ところで、本実施例のチュ−ブスキャナの
電極の構成は、図１、図２および図４に示した通りであ
るが、図７（ｂ）に示すような、微動ステ−ジ３３に対
して垂直に配置されていた従来のチュ−ブスキャナの電
極の構成は、図８に示すようになっていた。すなわち、
圧電素子４１の外周面に形成された４つの電極４２、４
３、４４、４５のそれぞれの面積は同一であった。この
圧電素子４１は、電極４２、４３に絶対値が同じで極性
が異なる電圧が与えられて、Ｘ方向に曲がり、また、電
極４４、４５に絶対値が同じで極性が異なる電圧が与え
られて、Ｙ方向に曲がり、ここでは図示しない探針をそ
の方向に移動させるものである。また、圧電素子４１
は、いずれかの極性の電圧が４つの電極のすべてに与え
られると、Ｚ方向において、その極性に応じて、伸びる
ように変形するか、または、縮むように変形する。した
がって、探針をＺ方向に移動させることができる。

【００３３】ところで、このような円筒形の圧電素子
は、本実施例の円筒形の圧電素子も含めて、通常、Ｘ方
向またはＹ方向での曲がりの度合いと、Ｚ方向での伸縮
の度合いが異なっている。例えば、直径１０ｍｍ、長さ
３０ｍｍ程度の円筒形の圧電素子を用いた場合、曲がり
量は伸縮量の５倍程度になる。具体的には、図８におい
て、Ｘ方向に１０μｍ、Ｙ方向に１０μｍ、Ｚ方向に２
μｍというような比率で探針を移動させることが可能と
なる。

【００３４】しかしながら、この従来のチュ−ブスキャ
ナを本実施例にそのまま適用すると、図２の座標系にお
いて、Ｘ方向に１０μｍ、Ｚ方向に１０μｍ、Ｙ方向に
２μｍという移動範囲になる。制御対象面２ａに沿って
探針４を走査する場合、表面の凹凸方向、すなわちＺ方
向の探針４の移動量は５μｍ程度でよく、反対に、試料
の走査範囲を決定づけるＸ方向およびＹ方向の移動量に
ついては、できるだけ大きいほうがよい。したがって、
本実施例のように、電極１８、１９の面積を、電極２
０、２１の面積よりも大きくしておけば、チュ−ブスキ
ャナ１０のＺ方向の曲がり量よりもＸ方向の曲がり量の
ほうが大きくなり、効率的に圧電素子を利用することが
できる。また、Ｙ方向においては、圧電素子１７の伸縮
方向になってしまう。したがって、当該圧電素子の伸縮
による探針の移動は行わず、本実施例のように微動素子
を用いたほうが、Ｙ方向における移動量を大きくするこ
とができる。

【００３５】つぎに、本実施例のＡＦＭの動作について
図１〜図４を用いて説明する。尚、ＡＦＭの動作につい
ては、既によく知られているので詳細は省略する。

【００３６】観察対象面２ａの観察を行う場合、まず、
制御回路１４により、チュ−ブスキャナ１０および微動
素子１１を駆動し、探針４を観察対象面上における目的
の観察領域まで移動する。探針４の位置は、光学顕微鏡
１２によって視認することができる。制御回路１４は、
さらに、チュ−ブスキャナ１０および微動素子１１を駆
動し、観察領域内を探針４で走査する。このとき、カン
チレバ−５は、観察対象面２ａと探針４との間に生じる
原子間力により撓むことになる。２分割光検出器８は、
反射面１６で反射されたレ−ザ−光を受光することで、
カンチレバ−５の撓みによるレ−ザ−光の光路差を検出
し、この光路差に応じた作動出力を行う。制御回路１４
は、この出力をフィ−ドバックしながらカンチレバ−５
の撓み量が一定になるようにチュ−ブスキャナ１０のＺ
方向の動きを制御する。したがって、探針４は、観察対
象面２ａに沿って移動することが可能となる。制御回路
１４は、このときの探針４の駆動量を用いて、観察対象
面２ａの表面形状の画像情報を生成し、表示装置１５に
これを表示させる。

【００３７】以上、本実施例のＡＦＭの構成について記
述したが、図５に示すように微動素子１１とチュ−ブス
キャナ１０との間に平行ばね２８を配置してもよい。こ
の平行ばね２８は、Ｙ軸方向にのみ変位するように構成
されており、微動素子１１の動きをチュ−ブスキャナ１
０に伝達することができる。

【００３８】また、図６に示すように、チュ−ブスキャ
ナ１０の端面に、カンチレバ−支持部６を直接固定する
ように構成してもよい。この場合、照射装置および受光
装置は、試料の上方に保持される。そして、照射装置
は、カンチレバ５−の動きに追従するように反射面１６
に光を照射し、また、受光装置は、この反射光を随時受
光できるように構成すればよい。

【００３９】

【発明の効果】本発明によれば、試料の上方におけるス
ペ−スが確保をできる走査型プロ−ブ顕微鏡が実現され
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る走査型原子間力顕微鏡の
構成図。

【図２】本発明の実施例に係る走査型原子間力顕微鏡の
一部を拡大した斜視図。

【図３】本発明の実施例に係るカンチレバ−の斜視図。

【図４】本発明の実施例に係るチュ−ブスキャナの説明
図。

【図５】本発明の実施例に係る走査型原子間力顕微鏡の
構成図。

【図６】本発明の実施例に係る走査型原子間力顕微鏡の
一部を拡大した斜視図。

【図７】従来の走査型原子間力顕微鏡の構成図。

【図８】従来の走査型原子間力顕微鏡のチュ−ブスキャ
ナの説明図。

【符号の説明】

１、３０、４７：ＡＦＭ（走査型原子間力顕微鏡）、
２、３１：試料、 ３、３３：粗動ステ−ジ、 ４、３
４ａ：探針、 ５、３４：カンチレバ−、 ６：カンチ
レバ−支持部、 ７：照射装置、 ８：受光装置、
９：板状部材、１０、３２：チュ−ブスキャナ、 １
１：微動素子、 １２：光学顕微鏡、 １３：対物レン
ズ、 １４、３９：制御回路、 １５、４０：表示装
置、 １６、３５：反射面、 １７、４１：圧電素子、
１８、１９、２０、２１、４２、４３、４４、４５：
電極、 ２２、４６：共通電極、 ２３、２４、２５、
２６、２７：高圧アンプ、２８：平行ばね、 ３６：光
源、 ３７：集光レンズ、 ３８：受光部

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】試料を載置するためのステ−ジと、前記ス
   テ−ジに対して軸線が水平になるように配置された円筒
   形の圧電素子と、前記試料の観察対象面との相互作用を
   検出するための探針を有するカンチレバ−と、前記カン
   チレバ−を前記円筒形の圧電素子の一方の端面に固定す
   るための固定部材と、前記円筒形の圧電素子に装着され
   た電極と、前記電極に電圧を印加するとともに前記電圧
   を調節することで前記円筒形の圧電素子を変形させ、前
   記探針を前記観察対象面に沿って移動させる制御手段と
   を備えることを特徴とする走査型プロ−ブ顕微鏡。
2. 【請求項２】請求項１において、 前記電極は、 前記円筒形の圧電素子の内周面に形成された電極と、前
   記円筒形の圧電素子の外周面に形成された電極とを有し
   て構成され、 前記円筒形の圧電素子の外周面に形成された電極は、 前記ステ−ジに対して水平な方向において対面し、か
   つ、互いの面積が等しい２つの電極と、前記ステ−ジに
   対して垂直な方向において対面し、かつ、互いの面積が
   等しい２つの電極とからなり、 前記水平な方向において対面するそれぞれの電極の面積
   は、前記垂直な方向において対面する電極の面積よりも
   大きいことを特徴とする走査型プロ−ブ顕微鏡。
3. 【請求項３】請求項１または２において、 前記円筒形の圧電素子を前記軸線方向に移動させる微動
   機構をさらに備えることを特徴とする走査型プロ−ブ顕
   微鏡。
4. 【請求項４】請求項１、２または３において、 前記カンチレバ−に光を照射する照射装置と、前記カン
   チレバ−で反射された光を検出する受光装置をさらに備
   え、前記制御手段は、前記受光装置の検出結果に基づい
   て、前記探針の相互作用によるカンチレバ−の撓み量を
   求め、この撓み量に応じて前記電圧を調節し、 前記固定部材は、さらに、前記照射装置および前記受光
   装置を前記円筒形の圧電素子の前記一方の端面に固定す
   ることを特徴とする走査型プロ−ブ顕微鏡。
5. 【請求項５】請求項４において、 前記試料の観察対象面の上方に配置された光学顕微鏡を
   さらに備え、 前記照射装置および前記受光装置のそれぞれは、前記光
   学顕微鏡の視野外に配置されていることを特徴とする走
   査型プロ−ブ顕微鏡。