JPH09264897A

JPH09264897A - 走査型プローブ顕微鏡

Info

Publication number: JPH09264897A
Application number: JP9929396A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Murayama; 健村山; Hiroshi Kuroda; 浩黒田
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1996-03-28
Filing date: 1996-03-28
Publication date: 1997-10-07

Abstract

(57)【要約】【課題】走査型プローブ顕微鏡で、カンチレバーに設
けた圧電薄膜によりＺ軸のサーボを直接行い、測定時間
を向上し、簡単な回路構成を実現する。【解決手段】探針15を備えたカンチレバー13と、試料
12と探針の相対位置を変化させるＸＹ微動機構11を備え
る。探針が試料の表面を走査し、探針・試料間の原子間
力等に基づき生じるカンチレバーたわみ量を制御するこ
とで試料の形状情報を得る。カンチレバーに電極17,18
に挟まれた圧電薄膜16を設け、カンチレバーホルダ14に
加振用圧電体20を設ける。圧電体にはカンチレバーの共
振周波数等の電圧を印加し、共振点の振動を生じさせ
る。その振動振幅が検知装置16,22 で検知される。圧電
薄膜には、カンチレバーの共振周波数よりも低い周波数
の電圧信号を印加し、たわみ変形を生じさせる。サーボ
制御機構で、カンチレバーのたわみ変形に基づき、検知
装置で検出されたカンチレバーの共振周波数の振動振幅
が一定になるように、探針・試料間の距離を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は走査型プローブ顕微
鏡に関し、特に、高速測定に適した走査型プローブ顕微
鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡は、原子レベルの
オーダの測定分解能を有するものであり、表面の形状計
測など各種の分野に適用されつつある。検出に利用する
物理量により、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）、原子
間力顕微鏡（ＡＦＭ）、磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）などに
分かれ、応用範囲も広がっている。

【０００３】中でも原子間力顕微鏡は、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、ディス
クの表面計測などの分野で実績を上げている。以下で
は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の例を挙げて説明する。

【０００４】図４に従来の原子間力顕微鏡の構成を示
す。試料台として機能するＸＹＺ微動機構５１の上に被
測定試料５２が載置される。ここでＸ，Ｙ，Ｚは直交す
る３軸を意味する。Ｘ軸とＹ軸で決まるＸＹ平面は試料
台の載置面に平行であり、Ｚ軸方向はＸＹ平面に垂直で
ある。試料５２の上方位置にカンチレバー５３が配置さ
れる。カンチレバー５３の基端は固定され、先端には探
針５４が設けられる。探針５４の先端は試料５２の観察
表面に臨む。またカンチレバー５３の上方位置にはレー
ザ光発振器（レーザ光源）５５と、レーザ光検出器５６
が配置される。レーザ光発振器５５から出射されたレー
ザ光５７は、カンチレバー５３の背面に設けられた鏡面
部（反射面）で反射され、レーザ光検出器５６に対して
照射される。

【０００５】上記の構成において、カンチレバー接近機
構（図示せず）により、探針５４と試料５２の間隔を約
１ｎｍ（ナノメータ）にまで近づけると両者の間に原子
間力が作用し、カンチレバー５３にたわみ変形が生じる
ようになる。たわみ変形におけるたわみ角を、上記レー
ザ光５７によって光てこの原理に従って検出する。測定
開始前に、試料５２と探針５４の間は原子間力が作用す
る所定の距離に保持される。

【０００６】試料表面を測定するときには、ＸＹＺ微動
機構５１のＸＹ微動部によって試料５２をＸまたはＹの
各方向に走査し、この走査の間、ＸＹＺ微動機構５１に
含まれるＺ微動部によってカンチレバー５３のたわみ角
が所定の角度になるようにする。ＸＹＺ微動機構５１の
Ｚ微動部の移動量をモニタすることによって、試料５２
の表面形状を計測することができる。なお図４では、Ｘ
ＹＺ微動機構５１の動作を制御する制御手段、レーザ光
検出器５６の検出信号を取り込み、当該制御手段にフィ
ードバックする手段、Ｚ微動部の移動量に関する信号を
取り出し、表面形状を演算する演算手段、モニタ等の図
示を省略している。

【０００７】原子間力顕微鏡は、その原理上、非常に高
い測定分解能力を有するが、探針５４を試料５２の表面
に沿って機械的に走査するため、測定時間を短縮するこ
とが難しいという本質的な問題を含んでいる。原子間力
顕微鏡での機械的走査では、ＸＹ平面内で試料５２を機
械的に走査すると同時に、試料５２の観察表面と探針５
４の間隔を一定に保つようにＺ軸方向の動作を機械的に
制御することが必要とされる。

【０００８】また機械制御の高速化を図るためには、機
械部分の共振点を高くする必要がある。例えば、トライ
ポッド型、チューブ型といった一般に用いられるバルク
型圧電素子を用いた微動機構の場合、寸法としては数十
ｍｍが一般的であり、その共振点としては数ｋＨｚから
１０ｋＨｚ程度になる。

【０００９】機構における寸法と共振点の関係を、片持
ち梁構造を例にして説明する。図５に示すモデルにおい
て、片持ち梁の共振点は次の式で表される。

【００１０】

【数１】ｆ＝１／２π（ｋ／ｍ）^1/2 …（１） ∝Ｔ／Ｌ² ここで、ｆ：共振点（固有振動数）ｋ：剛性（ばね定数）ｍ：質量Ｔ：板厚Ｌ：長さ

【００１１】例えば、Ｔ：Ｌ＝１：１００の場合を考え
る。１ｍｍ：１００ｍｍと１μｍ：１００μｍの場合、
それらの間の共振周波数の比率は、１／１００²：１０
^-3／（１００×１０^-3）²＝１：１０００になる。この
結果によれば、寸法が小さい方が共振周波数が大きくな
り、共振点の面では圧倒的に有利になることが分かる。
このことから、従来の圧電素子を用いた微動機構では、
サイズが相対的に大きくなるため、機構の共振点を大き
くすることが困難となる。

【００１２】従って、ＸＹＺ微動機構５１に含まれるＺ
微動部をカンチレバー５３側に設けて、カンチレバー５
３をＺ軸方向に移動させるようにし、試料台側の寸法を
小さくすることにより、極めて高速な計測を行うことが
可能となる。

【００１３】カンチレバー自身をＺ軸微動機構として作
用させる従来技術として特開平４−３５０５１０号公報
に開示されるものがある。この公知文献に開示される機
構では、探針と試料の間に流れるトンネル電流を測定す
ることにより試料表面の微細形状を測定するものであ
り、当該トンネル電流が変化したときその値が予め設定
された一定値になるように、カンチレバー自身にたわみ
変形を生じさせるように構成される。カンチレバー自身
のＺ軸方向のたわみ変形に基づき、カンチレバーの先端
の探針と試料の表面との間の間隔を調整し、もってカン
チレバー自身によってＺ軸微動機構を構成している。し
かしながら、当該公報に開示されるカンチレバー自身を
Ｚ軸微動機構として利用する構成は、トンネル電流顕微
鏡に使用することはできても、原子間力顕微鏡等に使用
することはできない。原子間力顕微鏡等の力型走査顕微
鏡では、探針と試料間に作用する力をカンチレバーのた
わみ量として検出するからである。カンチレバー自身を
Ｚ軸微動機構としてたわみ変形させると、本来の原子間
力を検出できない。

【００１４】また従来、カンチレバー５３にＺｎＯ等の
圧電薄膜を付加して構成した走査型プローブ顕微鏡が提
案されている。例えば第４２回応用物理学関連連合講演
会、講演予稿集、Ｎｏ．２、Ｐ４７４にその一例が記載
されている。図６に、その基本構成を示す。６１，６２
はＺｎＯ等の薄膜圧電体、６３，６４，６５は電極であ
る。この走査型プローブ顕微鏡は、動的走査型力顕微鏡
と呼ばれる。この走査型プローブ顕微鏡では、カンチレ
バー５３をその共振点近傍の周波数で微小振動させ、探
針と試料の間の距離に応じてその共振周波数が変化する
ことを利用しており、探針と試料の間の距離を一定に保
つサーボ制御が行われる。

【００１５】上記の走査型プローブ顕微鏡では、一方の
薄膜圧電体６１はカンチレバー５３の加振用に用いら
れ、他方の薄膜圧電体６２はカンチレバー５３の変位検
出用に用いられる。６６は加振用の信号発生器、６７は
変位検出器である。６８はコントローラであり、このコ
ントローラはカンチレバー５３の振動周波数と基準周波
数（Ｖref ）を比較器６９で比較し、その後、制御器７
０を介してＸＹＺ微動機構５１の中のＺ軸圧電素子に電
圧を印加する。なお圧電体は、電圧を印加すると歪みが
生じ、この歪みが作用すると、電圧が発生するという可
逆的な特性を有する。探針５４と試料５２との間の距離
調整は、ＸＹＺ微動機構５１によって行われる。

【００１６】上述の走査型プローブ顕微鏡は、換言すれ
ば、カンチレバー５３の共振点近傍の周波数が一定にな
るように、カンチレバー自身にたわみ変形を生じさせ、
或る意味でＺ軸微動機構として使用するものである。基
本的に周波数の検出であるために、カンチレバーをたわ
み変形させＺ軸方向の微動機構として作用させても、本
来の原子間力検出の間で干渉が生ぜず、測定が可能とな
る。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】上記構成を有する従来
の動的走査型のプローブ顕微鏡では、カンチレバー５３
に圧電薄膜を用いているが、Ｚ軸方向の微動の制御に関
するＺ軸サーボはバルク型圧電素子を用いたＸＹＺ微動
機構５１で行われるので、根本的なＺ軸サーボ制御特性
の向上は望めない。そこで、高いＺ軸サーボ制御特性を
有し、極めて高速な計測を行える動的な走査型プローブ
顕微鏡が望まれる。

【００１８】さらに周波数の検出に関する構成につい
て、簡易な回路方式にて実現できる装置構成が望まれ
る。

【００１９】本発明の目的は、上記２つの課題を解決す
ることにあり、カンチレバーに設けた圧電薄膜によりＺ
軸のサーボを直接行える構成であって、高速計測によっ
て測定時間を大幅に向上し、かつ簡単な回路構成および
測定方式を有する走査型プローブ顕微鏡を提供すること
にある。

【００２０】

【課題を解決するための手段および作用】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、次
のように構成される。

【００２１】第１の走査型プローブ顕微鏡（請求項１対
応）は、試料に臨む探針を先端部に備えたカンチレバー
と、試料と探針の相対的位置を変化させる微動機構（Ｘ
Ｙ微動機構）を備える。この構成で、微動機構によって
探針が試料の表面を走査し、この走査の間、探針と試料
の間の相互作用（原子間力等）に基づき生じるカンチレ
バーのたわみ量を制御することで試料の表面における形
状等の物理情報を得るようにする。さらに、カンチレバ
ーに電極に挟まれた圧電薄膜を設け、カンチレバーを取
り付けるカンチレバーホルダに加振用圧電体を設ける。
加振用圧電体には、電圧信号を出力する信号発生器（第
１の電圧印加手段）によって、カンチレバーの共振周波
数またはその付近の周波数の電圧を印加し、これによっ
てカンチレバーに共振周波数の振動を生じさせる。カン
チレバーの共振周波数の振動振幅が検知装置で検知され
る。またカンチレバーの圧電薄膜には、第２の信号発生
器（第２の電圧印加手段）でカンチレバーの共振周波数
よりも低い周波数の電圧信号を印加し、カンチレバーに
たわみ変形を生じさせる。さらにサーボ制御機構（制御
手段）を設け、カンチレバーのたわみ変形に基づき、検
知装置で検出されたカンチレバーの共振周波数の振動振
幅が一定になるように、探針と試料の間の距離を制御す
るように構成される。

【００２２】本発明では、カンチレバーの共振点または
近傍の周波数を有する正弦波電圧信号を加振用圧電体に
印加することにより、カンチレバーを微振動させる。こ
のときの振動振幅は、方式にもよるが、１〜数十ｎｍ程
度とする。この状態で探針を試料の表面に対して数ｎｍ
の距離まで接近させ、探針・試料間に原子間力等を発生
させると、カンチレバーの振動振幅が変化することが確
認される。この現象の中には、外力により共振周波数が
変化し、測定周波数の振幅が変わる場合も含まれる。従
って、カンチレバーの振動周波数を一定に保つと探針・
試料間の距離も一定に保たれ、この原理を利用して試料
の表面の形状を測定できる。本発明で、探針・試料間の
距離を一定に保つことは、カンチレバーの表面に圧電薄
膜を設け、これに所定周波数の電圧信号を印加すること
でカンチレバーにたわみ変形を起こさせることで行われ
る。これにより高速な測定動作が可能となる。またカン
チレバーに誘起される電圧などを利用してカンチレバー
のたわみ変形をモニタする。探針・試料間の距離を一定
に保つようにサーボ制御を行うための基準となる信号
は、カンチレバーの共振点またはその近傍の周波数の振
動の振幅値である。

【００２３】なお圧電薄膜に誘起される電圧は、共振点
における振動による電圧と、カンチレバーにおける強制
的なたわみ変形による電圧とが合成されたものである。
通常、これらを分離することはできない。そこで、本発
明では、カンチレバーに強制的なたわみ変形を起こさせ
る電圧信号の周波数を、カンチレバーの共振点の周波数
よりも低くし、これにより２つの変位モードを分離する
ようにしている。

【００２４】実際上カンチレバーの共振点を数百ｋＨｚ
とすることができる。カンチレバーの共振点を数百ｋＨ
ｚとした場合、原子間力に伴う変化分はその１％以下で
あり極めて微小である。カンチレバーでたわみ変形を生
じさせるＺ軸サーボ用の電圧信号は、実際には、その帯
域をカンチレバーの共振点の例えば１／２〜１／１０程
度にすることで、干渉を防止できる。この場合において
も数１０〜１００ｋＨｚ程度のサーボ帯域を確保でき
る。

【００２５】従来用いられている、トライポッド型、チ
ューブ型といったバルク圧電素子を用いたＺ軸サーボで
は、その機構共振点の制約からサーボ帯域は数ｋＨｚ以
下に限られていた。従って試料をＸＹ方向に高速で走査
するとＺ軸サーボが追従できなくなり、高速な測定がで
きなかった。今回の薄膜圧電体を用いた方式は、従来法
に比べおよそ１０〜１００倍の高速測定を実現でき、走
査型プローブ顕微鏡の欠点といわれる測定時間の問題を
解決できるものである。

【００２６】第２の走査型プローブ顕微鏡（請求項２に
対応）は、上記の構成において、加振用圧電体がカンチ
レバーホルダに設けられるように構成される。

【００２７】第３の走査型プローブ顕微鏡（請求項３に
対応）は、上記の構成において、探針が試料に接触しな
いようにしてカンチレバーを振動させる。

【００２８】第４の走査型プローブ顕微鏡（請求項４に
対応）は、上記の構成において、振動振幅は検知装置に
含まれる実効値演算回路によって求められるように構成
される。サーボ制御に使用する基準信号を求める構成が
簡素となる。

【００２９】第５の走査型プローブ顕微鏡（請求項５に
対応）は、上記の構成において、圧電薄膜に印加される
電圧の周波数は共振周波数の１／２〜１／１０であるこ
とが好ましい。

【００３０】第６の走査型プローブ顕微鏡（請求項５に
対応）は、上記の構成において、検知装置はカンチレバ
ーの圧電薄膜で誘起される電圧を検出する構成である。

【００３１】第７の走査型プローブ顕微鏡（請求項７に
対応）は、上記の構成において、検知装置は、光てこ方
式の検出光学系である。

【００３２】第８の走査型プローブ顕微鏡（請求項８に
対応）は、上記の構成において、圧電薄膜は好ましくは
ＺｎＯである。

【００３３】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施形態を添付
図面に基づいて説明する。

【００３４】図１に本発明の第１の実施形態を示す。こ
の走査型プローブ顕微鏡の例は原子間力顕微鏡である。
試料台としての機能を有するＸＹ微動機構１１の上面に
試料１２が載置される。試料１２の上方位置にカンチレ
バー１３が配置される。カンチレバー１３の基端は、カ
ンチレバーホルダ１４に固定され、その先端には探針１
５が設けられる。探針１５の先端は、試料１２の観察表
面に臨む。図１に示したカンチレバー１３および探針１
５は、説明の便宜上その寸法を誇張して描いている。実
際には、カンチレバー１３の長さは１００μｍ程度、厚
みは１μｍ程度である。

【００３５】上記構成では、試料台において試料１２を
微動させる機構部分はＸＹ微動機構１１のみとなり、Ｚ
微動機構部分は含まれない。このＸＹ微動機構１１は、
一般的な圧電素子を用いたもので構成される。例えば、
よく知られたチューブ型圧電素子あるいはトライポッド
型圧電素子が使用される。

【００３６】カンチレバー１３の背面部には、積層構造
で、圧電薄膜１６と電極１７，１８が設けられる。圧電
薄膜１６の材料には例えばＺｎＯが用いられる。圧電薄
膜１６は、電極１７，１８によって挟まれている。電極
１７，１８は、圧電薄膜１６に対して電圧信号（Ｖｓ）
を印加するためのものである。なおＧＮＤ側の配線は図
示を省略している。電極１７，１８を介して圧電薄膜１
６に電圧信号Ｖｓを印加すると、電圧信号Ｖｓに基づい
て圧電薄膜１６に変形が生じ、その結果カンチレバー１
３においてユニモルフの原理でたわみ変形が生じる。

【００３７】カンチレバーホルダ１４は壁部１９に固定
され、かつその中間部に加振用圧電体２０を備える。加
振用圧電体２０には、信号発生器２１から加振用電圧信
号が供給される。加振電圧信号は、カンチレバー１３の
共振周波数またはその付近の周波数（または高調波周波
数）を有する正弦波電圧信号である。信号発生器２１か
ら加振用電圧信号を与えられた圧電体２０に基づき、カ
ンチレバー１３は共振周波数またはその付近の周波数で
振動する。

【００３８】図１において、カンチレバー１３の背面の
電極１７から出力されるように示された符号Ｖａは、カ
ンチレバー１３自身のたわみ変形で圧電薄膜１６に誘起
された電圧信号を表す。電圧信号Ｖａは、カンチレバー
１３がたわむときに圧電薄膜１６内では歪みが生じる
が、この歪みに対応して誘起される。カンチレバー１３
は共振周波数またはその付近の周波数で振動しているの
で、電圧信号Ｖａも周波数を有する正弦波電圧信号とな
る。圧電薄膜１６から取り出された電圧信号Ｖａは、フ
ィルタ２２に供給される。フィルタ２２には、カンチレ
バー１３の共振周波数付近の信号のみを通過させるバン
ドパスフィルタ、または共振周波数以上の周波数成分を
通過させるハイパスフィルタが使用される。フィルタ２
２から取り出された周波信号は、実効値演算回路２３に
入力される。実効値演算回路２３は実効値演算機能と増
幅機能を有する。実効値演算回路２３は、入力された周
波信号から当該周波信号の実効値を演算し、実効値で決
まる一定振幅を有する電圧信号Ｖｂを出力する。実効値
演算回路２３から出力された電圧信号Ｖｂはコントロー
ラ２４に入力される。

【００３９】カンチレバー１３の先端に設けた探針１５
が試料１２の表面から離れているときには、探針１５と
試料１２の間に力が働かないので、カンチレバー１３は
共振周波数で所定振幅にて自由振動を行っている。この
とき、上記電圧信号Ｖａは自由振動の共振周波数と同じ
周波数の信号を表し、上記電圧信号Ｖｂはカンチレバー
１３の共振点付近の振動の振幅を表す。探針１５と試料
１２の間をｎｍオーダの距離まで近付けると、探針・試
料間に原子間力が反力として作用し始める。また探針１
５と試料１２をさらに接近させると、接触による反力が
作用するようになる。反力としての要因としては、その
他に、静電力、磁気力、吸着力などがある。このような
反力が作用すると、カンチレバー１３の自由振動の振幅
が変化する。従って、カンチレバー１３の振動における
振幅を予め設定された一定値に保つようにすれば、探針
・試料間の距離を予め設定した一定距離に保つことがで
きる。

【００４０】図２は、カンチレバー１３における共振点
（共振周波数ｆ₀）での、反力に起因する振幅の変化を
示すものである。図２で、横軸は周波数（ｆ）を示し、
縦軸は信号強度（振幅）を示す。共振周波数ｆ₀に着目
すると、自由振動のときには振幅がａ₁であるのに対し
て、探針・試料間の距離が変化すると、周波数の分布が
２７から２８へ推移して振幅がａ₂に変化する。従っ
て、共振点付近の振動の振幅によって、探針・試料間の
距離の変化を知ることができる。

【００４１】以上のごとく、カンチレバー１３の共振振
動における振幅を所定の一定値に保つようにして試料１
２の測定表面を走査すれば、そのデータによって試料の
表面の形状を測定することができる。カンチレバー１３
の振動における振幅値、すなわち、探針・試料間の距離
は、実効値演算回路２３の出力電圧値Ｖｂに基づいて知
ることができる。従って、電圧信号Ｖｂに基づいて、探
針・試料間の距離を一定に保つことができる。

【００４２】コントローラ２４は、加算器２５と、ＰＩ
（比例−積分）制御機能および増幅機能を有する制御器
２６とから構成される。コントローラ２４に入力された
電圧信号Ｖｂは、加算器２５で基準電圧（Ｖref ）との
間の偏差を求められる。制御器２６では、求められた偏
差信号に基づいて電圧信号（Ｖｓ）が生成される。電圧
信号Ｖｓは前述の電極１７，１８に印加され、圧電薄膜
１６を変形させる。圧電薄膜１６が変形すると、カンチ
レバー１３にたわみ変形を生じさせ、これによって探針
・試料間の距離が制御される。

【００４３】上記において、カンチレバー１３の共振周
波数は例えば１００ｋＨｚ以上に高く設定される。これ
によって、カンチレバー１３を高速に変形させる。他
方、電極１７，１８を介して圧電薄膜１６に与えられる
電圧信号Ｖｓの最高周波数（サーボ帯域）はカンンチレ
バー１３の共振周波数よりも小さい周波数に設定され
る。例えば１０〜５０ｋＨｚに設定される。

【００４４】かかる各周波数の設定によって、電圧信号
Ｖｂにはサーボによるカンチレバーたわみの影響が除去
され、飛躍的に高速化された測定方法を実現できる。

【００４５】次に、上記構成を有する走査型プローブ顕
微鏡の動作を説明する。

【００４６】信号発生器２１はカンチレバー１３の共振
点またはその近傍の周波数を有する電圧信号を出力す
る。この電圧信号は、カンチレバーホルダ１４の加振用
圧電体２０に印加される。カンチレバー１３は、カンチ
レバーホルダ１４を介して共振点またはその近傍の周波
数で振動する。

【００４７】図示しない探針接近機構により、探針１５
を試料１２に約１ｎｍの距離まで近づけると、探針と試
料の間に原子間力が作用し、カンチレバー１３の共振点
に関する周波数について電圧信号Ｖｂが変化する。

【００４８】コントローラ２４では、基準電圧Ｖref と
電圧信号Ｖｂを比較し、加算器２５により偏差信号を出
力する。この偏差信号は制御器２６に入力され、ここか
ら圧電薄膜１６に印加する電圧信号Ｖｓが出力される。
サーボ用電圧信号Ｖｓが圧電薄膜１６に印加されると、
カンチレバー１３にたわみ変形が生じ、探針１５と試料
１２の間の距離を変えることができる。

【００４９】一般的に加振用電圧信号によるカンチレバ
ー１３の振動は、振幅１〜数十ｎｍで一定振幅とする。
それに対し、サーボ用電圧信号Ｖｓによるカンチレバー
１３のたわみ（振幅）はμｍオーダに設定される。

【００５０】電圧信号Ｖｂの振動振幅は探針・試料間の
距離に依存するため、この振動振幅を一定に保つように
電圧信号Ｖｓによる制御を行えば、探針・試料間の距離
を一定に保つことができる。実際には、サーボ用電圧信
号Ｖｓによるカンチレバーの振幅は０．１〜数μｍオー
ダに設定され、ＸＹ微動機構１１により試料１２をＸＹ
平面で走査のために移動し、その間、上記方式によって
探針１５と試料１２との間の距離を一定に保つように制
御する。そして、印加電圧信号Ｖｓをモニタすることに
よって、試料１２の表面形状を測定できる。

【００５１】上記構成によれば、このようにカンチレバ
ー１３自身が持つ構造でＺ軸方向の移動のサーボ制御を
行えるようにしたので、数十から１００ｋＨｚ程度の高
速なＺ軸サーボが実現でき、走査型プローブ顕微鏡とし
ての測定時間を大幅に（従来比：１０〜１００倍程度）
短縮することができる。

【００５２】カンチレバー１３の共振点を数百ｋＨｚと
した場合、例えば原子間力に伴う変化分はその１％以下
であり極めて微小である。従って、力を受けない状態で
の共振周波数近傍の周波数を有する信号をモニタする。
Ｚ軸サーボ用電圧信号は、試料表面の形状により変化す
るため、加振用電圧信号の周波数領域になると両者が干
渉し不都合が生じることが予想できる。従って、前述の
通り、実際には、Ｚ軸のサーボ帯域をカンチレバーの共
振点の周波数よりも低い、例えば１／２〜１／１０程度
にすることで干渉を防止する。この場合においても数１
０〜１００ｋＨｚ程度のサーボ帯域を確保することがで
きる。

【００５３】また本実施形態では、光てこ方式の検出光
学系を用いていないので、調整時間が短縮され、装置構
成が簡素かされる。特に、光軸調整が不要となるため
に、極めて使い勝手が良い装置を実現できる。

【００５４】さらに、従来用いられているトライポッド
型やチューブ型といったバルク圧電素子を用いたＺ軸サ
ーボでは、その機構共振点の制約からサーボ帯域は数ｋ
Ｈｚ以下に限られていた。従って試料をＸＹ方向に高速
で走査すると、Ｚ軸サーボが追従できなくなり、高速な
測定ができなかった。本実施形態の圧電薄膜を用いた方
式は、従来法に比べおよそ１０〜１００倍の高速測定を
実現でき、走査型プローブ顕微鏡の欠点といわれる測定
時間の問題を解決できる。

【００５５】次に、図３を参照して本発明の第２の実施
形態を説明する。基本的構成は第１の実施形態と同じで
あるが、カンチレバー１３の振動状態を検出するにあた
って光てこ方式の検出光学系を利用するようにした点が
異なっている。図３中、図１で説明した要素と同一の要
素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

【００５６】カンチレバーに関して生じた変位は、レー
ザ光発振器３１とレーザ光検出器３２からなる光学系変
位検出器によって検出される。３３は、カンチレバー１
３の背面部に設けられた電極１７で反射されるレーザ光
の軌跡を示している。レーザ光発振器３１とレーザ光検
出器３２からなる光学系変位検出器で得られるカンチレ
バー１３の振動は、レーザ光検出器３２で電圧信号に変
換され、フィルタ２２に供給される。その他の構成、お
よび構成に基づき作用は第１の実施形態で説明されたも
のと同じである。第２実施形態によっても、高速の測定
を行うことができる。またカンチレバー１３の上の圧電
薄膜１６に電圧を印加する構成と、カンチレバー１３の
変位検出部とは分離された構成にあるので、変位計測の
高精度化を達成できる。

【００５７】なおカンチレバーの振動数検出には、レー
ザ干渉を用いた方式、静電容量を用いた方式など各種の
ものを用いることができる。さらに、同一のカンチレバ
ーに２組の圧電薄膜を形成し、一方を加振用に、他方を
Ｚ軸サーボ用として構成することも可能である。

【００５８】

【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、動的走査型のプローブ顕微鏡において、カンチレ
バーをその共振周波数またはその付近の周波数で振動さ
せ、カンチレバーに圧電薄膜を設けカンチレバー自身で
Ｚ軸サーボを行えるようにしたので、高速なＺ軸サーボ
を行うことができ、走査型プローブ顕微鏡の測定時間を
大幅に向上させることができる。またカンチレバーの振
動に関する振幅を実効値演算回路で求めるようにしたた
め、構成を簡素化できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態を示す構成図である。

【図２】探針・試料間の距離の変化に応じた周波数分布
の推移を示す周波数分布図である。

【図３】本発明の第２の実施形態を示す構成図である。

【図４】従来の走査型プローブ顕微鏡の一例を示す構成
図である。

【図５】カンチレバーの寸法を示す図である。

【図６】従来の走査型プローブ顕微鏡の構成図である。

【符号の説明】

１１ＸＹ微動機構１２試料１３カンチレバー１４カンチレバーホルダ１５探針１６圧電薄膜１７，１８電極２０加振用圧電体２１信号発生機２２フィルタ２３実効値演算回路２４コントローラ２５加算器２６制御器３１レーザ光発振器３２レーザ光検出器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料に臨む探針を備えたカンチレバー
と、前記試料と前記探針の相対的位置を変化させる微動
機構とを備え、前記微動機構によって前記探針が前記試
料の表面を走査し、走査の間、前記探針と前記試料の間
の相互作用に基づき生じる前記カンチレバーのたわみ量
を制御することで前記試料の表面における物理情報を得
る走査型プローブ顕微鏡において、前記カンチレバーに設けられた圧電薄膜と、加振用圧電体に対し前記カンチレバーの共振周波数また
はその付近の周波数の電圧を印加し、前記カンチレバー
に振動を生じさせる第１の電圧印加手段と、前記カンチレバーの前記共振周波数の振動振幅を検知す
る検知手段と、前記カンチレバーの前記圧電薄膜に前記カンチレバーの
前記共振周波数よりも低い周波数の電圧を印加し、前記
カンチレバーにたわみ変形を生じさせる第２の電圧印加
手段と、前記カンチレバーの前記たわみ変形に基づき、前記検知
手段で検出された前記共振周波数の前記振動振幅が一定
になるように、前記探針と前記試料の間の距離を制御す
る制御手段と、を備えたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】前記加振用圧電体はカンチレバーホルダ
に設けられる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】前記探針が前記試料に接触しない状態で
前記カンチレバーを振動させ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４】前記振動振幅は前記検知手段に含まれる
実効値演算回路によって求められることを請求項１記載
の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】前記圧電薄膜に印加される電圧の周波数
は、前記共振周波数の１／２〜１／１０であることを特
徴とする請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】前記検知手段は、前記カンチレバーの前
記圧電薄膜で誘起される電圧を検出する構成を含むこと
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７】前記検知手段は、光てこ方式の検出光学
系を含む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８】前記圧電薄膜はＺｎＯであることを特徴
とする請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡。