JPH0980060A - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

走査型プローブ顕微鏡

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JPH0980060A
JPH0980060A JP23691595A JP23691595A JPH0980060A JP H0980060 A JPH0980060 A JP H0980060A JP 23691595 A JP23691595 A JP 23691595A JP 23691595 A JP23691595 A JP 23691595A JP H0980060 A JPH0980060 A JP H0980060A
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JP
Japan
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measured
piezoelectric element
sample
displacement
scanning probe
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JP23691595A
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English (en)
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Yasushi Miyamoto
裕史 宮本
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Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Optical Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】試料表面の高さ情報を正確に得る走査型プロー
ブ顕微鏡を提供する。 【解決手段】円筒型圧電素子36は鏡基43に支持され
ており、その下端にはカンチレバー変位検出部39が固
定され、カンチレバー変位検出39には、先端に探針を
備えるカンチレバー40が取り付けられている。円筒型
圧電素子36の内側のカンチレバー変位検出部39の上
面には凹面状の被測定面を持つ被測定部材38が固定さ
れており、被測定部材38の被測定面のz方向の変位を
検出するZセンサー37が鏡基43に支持され、円筒型
圧電素子36の内側に配置されている。試料41は、鏡
基43に取り付けられた試料ステージ42の上に載置さ
れる。

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
微鏡に関する。
【0002】
【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡では、試料表面の
高さ情報は、通常、圧電素子に印加した電圧から算出さ
れている。しかし、圧電素子は、その動作特性にヒステ
リシスを有し、またクリープ現象を示すため、印加電圧
は圧電素子の変位を正確に示してはいない。このため、
圧電素子のZ方向の変位を検出する手段を設けた走査型
プローブ顕微鏡も考えられている。
【0003】Z変位検出機構を設けた走査型プローブ顕
微鏡の一例を図5に示す。X走査信号発生器11から出
力されるx走査信号とY走査信号発生器12から出力さ
れるy走査信号は高圧アンプ13を介して円筒型圧電素
子2に供給され、円筒型圧電素子2は試料3をxy方向
に走査する。走査中、レーザーダイオード5、ミラー
6、フォトダイオード7、差動アンプ8からなる光学系
によって、カンチレバー4の変位はモニターされ、サー
ボ回路9は差動アンプ8の出力に基づきカンチレバー4
の変位を一定に保つためのzサーボ信号を出力する。z
サーボ信号は高圧アンプ13を介して円筒型圧電素子2
に供給され、円筒型圧電素子2はカンチレバー4の変位
を一定に保つようにz方向に伸縮する。
【0004】円筒型圧電素子2の自由端の下面にはミラ
ー18が設けられ、このミラー18に向けて光学干渉計
15に接続された光ファイバー14の端が配置されてお
り、ミラー18の移動量すなわち円筒型圧電素子2のz
方向の変位が光学干渉計15によって測定される。コン
ピューター10は、光学干渉計15により測定されるz
変位と、x走査信号とy走査信号とに基づいて、試料3
の表面の像を形成する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】この走査型プローブ顕
微鏡では、z方向にサーボをかけてxy走査しながら、
光学干渉計15によって、円筒型圧電素子2の自由端の
下面に設けたミラー18のz変位を検出し、これを試料
3の表面の高さ情報としている。しかし、光学干渉計1
5で測定されるミラー18のz変位は、xy走査時にミ
ラー18が傾斜することによる誤差を含んでおり、これ
もまた試料3の高さ情報を正確に示してはいない。
【0006】これは光学干渉計を用いた場合に限った話
ではなく、他の光学式センサーや、静電容量センサー等
の電気式センサーを用いた場合にも同様のことがいえ、
測定されるz変位はミラー18に対応する被測定面の傾
斜による誤差を含んだものとなる。
【0007】この辺の事情について図6を用いて詳しく
説明する。ここでは、後述する実施例との比較を行ない
易いように、前述した試料走査型の走査型プローブ顕微
鏡とは異なり探針走査型のものを例にあげて説明する。
【0008】図6(A)に示すように、円筒型圧電素子
36の下端にはカンチレバー変位検出部39が固定され
ており、その下方にカンチレバー40が取り付けられて
いる。円筒型圧電素子36の内側にはZセンサー37が
配置され、その測定対象である平面ミラー等の被測定部
材19はカンチレバー変位検出部39の上面に固定され
ている。
【0009】図6(A)は、平坦な試料41をzサーボ
をかけてx方向に走査して測定した様子を示している。
図から分かるように、円筒型圧電素子36が湾曲する
と、被測定部材19が傾くとともに、Zセンサー37の
測定箇所が端へずれるため、Zセンサー37で測定され
る被測定部材19のz方向の位置はΔZ=D1の誤差を
含んだものとなる。このため、平坦な試料41を測定し
ているにも拘らず、測定される表面形状は図6(B)に
示すように高さD1の丘陵状に湾曲したものになる。
【0010】従って、図6(C)に示すような形状の試
料を測定した場合には、その表面形状は図6(D)に示
す形状として測定される。
【0011】本発明は、試料表面の高さ情報を正確に得
る走査型プローブ顕微鏡を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明の走査型プローブ
顕微鏡は、探針と、探針と試料の間に三方向に相対的な
移動を生じさせるための圧電素子と、試料の表面方向
(xy方向)に探針と試料の間の相対的な移動が生じる
ように圧電素子を駆動するXY駆動手段と、試料の高さ
方向(z方向)に探針と試料の間の相対的が移動が生じ
るように圧電素子を駆動するZ駆動手段と、圧電素子に
固定された被測定部材で、被測定面を持つ被測定部材
と、被測定部材の被測定面のz方向の変位を検出するZ
変位検出手段とを有し、被測定部材の被測定面は、Z変
位検出手段による測定箇所が、圧電素子のxy方向に関
する駆動とは無関係に、z方向に関して常に同じ位置と
なる曲面である。
【0013】さらに具体的には、圧電素子は円筒型圧電
素子で、被測定部材は円筒型圧電素子の内側の自由端に
固定され、被測定面は凹面である。
【0014】試料に対して探針をその表面方向(xy方
向)に走査した際、被測定部材の被測定面は、Z変位検
出手段の測定箇所のz方向の位置は常に同じとなる。従
って、探針先端と試料表面の間の距離が常に一定となる
ように試料表面の高さ方向(z方向)にサーボ制御すれ
ば、Z変位検出手段によって検出される被測定面のz方
向の変位は、試料表面の凹凸を真に反映したものとな
る。
【0015】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態の走査
型プローブ顕微鏡について、図1〜図4を参照しながら
説明する。
【0016】図1に示すように、円筒型圧電素子36は
鏡基43に支持されており、その下端(自由端)にはカ
ンチレバー変位検出部39が固定され、カンチレバー変
位検出39には、先端に探針を備えるカンチレバー40
が取り付けられている。円筒型圧電素子36の内側のカ
ンチレバー変位検出部39の上面には凹面状の被測定面
を持つ被測定部材38が固定されており、被測定部材3
8の被測定面のz方向の変位を検出するZセンサー37
が鏡基43に支持され、円筒型圧電素子36の内側に配
置されている。
【0017】また、カンチレバー40の下方には、試料
ステージ42が鏡基43に取り付けられており、その上
に試料41が載置される。
【0018】カンチレバー変位検出部39は、カンチレ
バー40の変位を検出し、レバー変位信号S5をサーボ
回路34へ出力する。サーボ回路34はレバー変位信号
S5を一定に保つようにzサーボ信号S4を円筒型圧電
素子36に出力する。XY走査回路33はX走査信号S
2とY走査信号S3を円筒型圧電素子36に出力する。
これにより円筒型圧電素子36は、カンチレバー40の
探針が試料41の表面をなぞるように変形する。
【0019】Zセンサー37は、円筒型圧電体36の自
由端に設けられた被測定部材38の被測定面のz方向の
変位を検出し、z変位信号S1をZ変位検出回路32に
出力する。マイクロプロセッサー30は、XY走査回路
33からx走査信号とy走査信号をxy位置データとし
て取り込むとともに、これに同期させてZ変位検出回路
からz変位信号を試料表面の高さ情報であるz変位デー
タとして取り込む。マイクロプロセッサー30はxy位
置データとz変位データをホストコンピューター31に
転送し、ホストコンピューター31はxy位置データと
z変位データとに基づき、試料表面の凹凸の画像を形成
する。
【0020】次に、この実施の形態の装置によって得ら
れる測定結果について図2を参照しながら説明する。図
2(A)は、平坦な試料41をzサーボをかけてx方向
に走査して測定した様子を示している。被測定部材38
の被測定面のz方向の位置は、Zセンサー37により測
定される部分が、円筒型圧電素子36の曲がり加減に関
係無く、常に同じ位置にある。言い換えれば、被測定部
材38の被測定面には、Zセンサー37による測定箇所
のz位置が変わらない曲面を選ぶ。従って、円筒型圧電
素子36の曲がりによる誤差ΔZは、ΔZ=0となって
いる。
【0021】このため、図2(A)に示すような平坦な
試料41を測定した場合には、測定される表面形状は図
2(B)に示すような平坦なものとなる。また、図2
(C)に示すような形状の試料を測定した場合には、測
定される表面形状は図2(D)に示すものとなる。
【0022】このように、本発明によれば、試料表面の
形状を忠実に示した測定結果が得られる。本発明の利点
は、この実施の形態による測定結果である図2と従来例
による測定結果である図6とを比較すれば歴然である。
【0023】なお、上の説明では、Zセンサー37の構
成については特に触れなかったが、Zセンサー37とし
ては、例えば、図3に示す静電容量センサー等の電気式
変位検出センサー44を用いることができる。この場
合、被測定部材38の被測定面には導電膜が設けられ
る。また、図4に示す光学干渉計等の光学式変位検出セ
ンサー47を用いることもできる。この場合、被測定部
材38の被測定面には光学反射膜が設けられる。
【0024】また、被測定部材38の被測定面の形状は
球面や非球面などが考えられ、このような被測定部材3
8は例えば凹レンズに光学反射膜や導電膜を施すことに
より作製される。
【0025】実施の形態では、走査型プローブ顕微鏡と
して、原子間力顕微鏡(AFM)を例にあげて説明して
いるが、勿論、本発明は、カンチレバーを励振させて試
料表面形状を測定する励振モードAFM、試料表面の磁
気情報を検出する磁気力顕微鏡(MFM)、トンネル電
子顕微鏡(STM)などの他の種類の走査型プローブ顕
微鏡にも適用可能である。
【0026】また、実施の形態では、被測定部材38の
被測定面を凹面としたが、Zセンサー37、円筒型圧電
体36、カンチレバー40、試料41の配置によっては
凸面とすることも可能である。
【0027】
【発明の効果】本発明の走査型プローブ顕微鏡によれ
ば、被測定部材の傾斜による誤差を含まない試料表面の
高さ情報が得られるので、試料表面の真の凹凸を測定で
きる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態の走査型プローブ顕微鏡の
構成を示す図である。
【図2】図1に示した走査型プローブ顕微鏡による測定
結果を説明するための図である。
【図3】Zセンサーに電気式変位検出センサーを用いた
様子を示す図である。
【図4】Zセンサーに光学式変位検出センサーを用いた
様子を示す図である。
【図5】Z変位検出機構を設けた走査型プローブ顕微鏡
の一例を示す図である。
【図6】Z変位検出機構を有する従来の走査型プローブ
顕微鏡による測定結果を説明する図である。
【符号の説明】
32…Z変位検出回路、33…XY走査回路、34…サ
ーボ回路、36…円筒型圧電素子、37…Zセンサー、
38…被測定部材、40…カンチレバー。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】走査型プローブ顕微鏡において、 探針と、 探針と試料の間に三方向に相対的な移動を生じさせるた
    めの圧電素子と、 試料の表面方向(xy方向)に探針と試料の間の相対的
    な移動が生じるように圧電素子を駆動するXY駆動手段
    と、 試料の高さ方向(z方向)に探針と試料の間の相対的が
    移動が生じるように圧電素子を駆動するZ駆動手段と、 圧電素子に固定された被測定部材で、被測定面を持つ被
    測定部材と、 被測定部材の被測定面のz方向の変位を検出するZ変位
    検出手段とを有し、 被測定部材の被測定面は、Z変位検出手段による測定箇
    所が、圧電素子のxy方向に関する駆動とは無関係に、
    z方向に関して常に同じ位置となる曲面である、走査型
    プローブ顕微鏡。
  2. 【請求項2】請求項1において、圧電素子は円筒型圧電
    素子であり、被測定部材は円筒型圧電素子の内側の自由
    端に固定されており、被測定面は凹面である、走査型プ
    ローブ顕微鏡。
JP23691595A 1995-09-14 1995-09-14 走査型プローブ顕微鏡 Withdrawn JPH0980060A (ja)

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