JPH1010140A

JPH1010140A - 走査型プローブ顕微鏡

Info

Publication number: JPH1010140A
Application number: JP18542896A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Murayama; 健村山; Takashi Morimoto; 高史森本; Hiroshi Kuroda; 浩史黒田; Sumio Hosaka; 純男保坂
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd; Hitachi Ltd
Priority date: 1996-06-26
Filing date: 1996-06-26
Publication date: 1998-01-16

Abstract

(57)【要約】【課題】走査型プローブ顕微鏡で、高速測定と広範囲
測定を同時に行えるようにする。【解決手段】探針15を備えたカンチレバー13、試料・
探針の位置を相対的に変化させるＸＹＺ微動機構11を備
え、ＸＹＺ微動機構で表面走査と探針・試料間距離調整
を行い、カンチレバーのたわみ量を制御し試料表面の物
理情報を得る。さらにカンチレバーの圧電薄膜16と、カ
ンチレバーを所定周波数で振動させる第１信号発生器21
と、カンチレバーにたわみ変形を生じさせる第２信号発
生器26と、検知装置(22,23) と、カンチレバーの振動振
幅等が一定になるように探針・試料間距離を制御するサ
ーボ制御機構(25,26,24)を備える。当該制御は、圧電薄
膜によるカンチレバーのたわみ変形とＺ微動機構部11b
の組み合わせによって行われる。

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
鏡に関し、特に、高速測定と広範囲測定の両方に適した
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９に、従来の原子間力顕微鏡の構成の代
表例を示す。この原子間力顕微鏡では、トライポッド型
またはチューブ型といった一般的なバルク型圧電素子に
よる微動機構が使用される。試料台として機能するＸＹ
Ｚ微動機構１５１の上に被測定試料１５２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１５２の上
方位置にカンチレバー１５３が配置される。カンチレバ
ー１５３の基端は固定され、先端には探針１５４が設け
られる。探針１５４の先端は試料１５２の観察表面に臨
む。またカンチレバー１５３の上方位置にはレーザ光発
振器（レーザ光源）１５５と、レーザ光検出器１５６が
配置される。レーザ光発振器１５５から出射されたレー
ザ光１５７は、カンチレバー１５３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１５６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１５４と試料１５２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１５３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１５７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１５２と探針１５４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１５１のＸＹ微動部によって試料１５２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１
５１に含まれるＺ微動部によってカンチレバー１５３の
たわみ角が所定の角度になるようにする。ＸＹＺ微動機
構１５１のＺ微動部の移動量をモニタすることによっ
て、試料１５２の表面形状を計測することができる。

【０００７】レーザ光検出器１５６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機構、ＸＹＺ微
動機構１５１の動作を制御する制御機構、Ｚ微動部の移
動量に関する信号を取り出し、表面形状を演算し表示す
る機構を概略的に説明する。上記のレーザ光検出器１５
６から出力される検出信号（検出電圧）は増幅器１８１
で増幅され、加算器１８２に入力される。加算器１８２
では、さらに基準電圧（電圧値Ｖref ）が入力されてお
り、検出電圧と基準値が比較され、その結果、検出電圧
に関する偏差信号Ｖｄが出力される。偏差信号Ｖｄは制
御器１８３に入力される。制御器１８３では比例・積分
補償（ＰＩ制御のための信号補償）が行われ、ここから
Ｚ軸方向制御信号Ｖｚが出力され、Ｚ方向微動用の増幅
器１８４に入力される。増幅器１８４の出力信号は、Ｘ
ＹＺ微動機構１５１に含まれるＺ微動部に与えられる。
これにより、Ｚ微動部を動作させ、探針１５４と試料１
５２との相対的な距離を変化させる。上記の構成によ
り、探針・試料間の距離が一定に保たれる制御が行われ
る。また１８５はＸＹ走査回路である。ＸＹ走査回路１
８５の出力は増幅器１８６を介してＸＹＺ微動機構１５
１に含まれるＸＹ微動部に入力し、試料１５２をＸＹ方
向に平面走査させる。ＸＹ走査回路１８５のＸＹ平面走
査のための出力信号と制御器１８３から出力されるＺ微
動部の移動量に相当するＶｚとを記憶部に格納し、これ
らの信号を組合せて画像信号を作成し、測定した形状の
画像をモニタ１８７に表示する。これにより、モニタ１
８７によって試料１５２の表面の微細な凹凸形状を観察
できる。

【０００８】上記のごとく、原子間力顕微鏡では、ＸＹ
平面内で、試料１５２の観察表面を機械的に走査すると
同時に、試料１５２の観察表面と探針１５４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。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１５４を試料１５２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。

【０００９】機械制御の高速化を達成するためには、微
動機構の共振点を高くする、すなわち剛性を上げる必要
がある。図９で説明したトライポッド型またはチューブ
型といった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、その共振点は数
ｋＨｚから１０ｋＨｚ程度になる。かかる微動機構で
は、当該微動機構の共振点すなわち剛性を上げると、変
位量が低下する。従って、そのままでは、実用的な観察
装置として使用することが難しい。

【００１０】さらに一般的に述べると、立方体型または
円柱型（円筒型を含む）の微動機構の機械的な共振点
は、次式で与えられる。図９を参照して説明した上記の
トライポッド型またはチューブ型の微動機構もこの種類
に属する。

【００１１】

【数１】ｆ∝１／Ｌ …（１）ここで、Ｌ：立方体型／円柱型の圧電体の変位方向の
長さ

【００１２】上記（１）式によれば、立方体型／円柱型
を有する微動機構で共振点を上げるためには、圧電体の
長さを短くすればよいことが分かる。しかしながら、圧
電体の長さを短くすると、発生変位量が低下することに
なるので、前述の通り、このままでは実用的な計測が難
しいという問題を有する。

【００１３】次に、図１０を参照して、片持ち梁構造を
有する微動機構について、当該微動機構における寸法と
共振点の関係を説明する。片持ち梁構造を有する微動機
構の共振点は次の式で表される。

【００１４】

【数２】ｆ＝１／２π（ｋ／ｍ）^1/2 …（２） ∝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

【００１５】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。

【００１６】従って、ＸＹＺ微動機構１５１に含まれる
Ｚ微動部をカンチレバー１５３側に設けて、カンチレバ
ー１５３をＺ軸方向に移動させるようにすることによ
り、極めて高速な計測を行うことが可能となることが予
想される。

【００１７】カンチレバー自身をＺ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微動機構を構成している。

【００１８】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。何故なら、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。原子間力顕微鏡の場合、カンチレバー自身をＺ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
できないという問題が起きる。

【００１９】一方、従来では、カンチレバー１５３にＺ
ｎＯ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１１に、その基本的な構成を示
す。１６１，１６２はＺｎＯ等の薄膜圧電体、１６３，
１６４，１６５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１５３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が行われる。

【００２０】上記の走査型プローブ顕微鏡では、一方の
薄膜圧電体１６１はカンチレバー１５３の加振用に用い
られ、他方の薄膜圧電体１６２はカンチレバー１５３の
変位検出用に用いられる。１６６は加振用の信号発生
器、１６７は変位検出器である。１６８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１５３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１７０を介してＸＹＺ微動機構１５１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１５４
と試料１５２との間の距離調整は、ＸＹＺ微動機構１５
１によって行われる。

【００２１】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１５３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、これにより或る意味でＺ微動機構として使用するも
のである。基本的に周波数を検出するためのものである
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との間で
干渉が生ぜず、測定が可能となる。しかしながら、Ｚ微
動機構としてバルブ型の通常の圧電体を用いているため
高速性は確保されていない。

【００２２】図１１に示した従来例の説明では、圧電体
が片持ち梁であることを前提にし、カンチレバー自身に
圧電体を設け、微動機能部自身をコンパクトに作れば良
いという論点で述べ、またカンチレバー自身を微動機構
として構成するための従来方法と問題点についても述べ
た。カンチレバー自身を微動機構に構成するという場合
のもっとも大きな問題点は、微動機構の変位量を大きく
するためには一般的にカンチレバーを長く薄くする必要
があり、カンチレバー自身の共振点が低下するというこ
とである。

【００２３】

【発明が解決しようとする課題】高速測定が達成できる
ように微動機構の剛性や共振点を高めるためには、前述
の通り、立方体型／円柱型の圧電体を用いた微動機構の
場合には圧電体の変位方向の長さ（厚み）を小さくする
こと、また、カンチレバー自身をアクチュエータにする
場合には微動機構の寸法を小さくすることが、それぞれ
要求される。しかしながら、前者の構成および後者の構
成の両方共に、微動機構の剛性や共振点を高めると、微
動機構の変位量が低下し、実用的な原子間力顕微鏡（一
般的には走査型プローブ顕微鏡）としての測定が困難に
なるという問題を提起する。

【００２４】また特に後者の場合に、カンチレバー１５
３の共振点を高めるためにはカンチレバーの剛性を上げ
ることが必要である。しかしこのことは、反面、圧電薄
膜に電圧を印加してカンチレバーをたわませるとき、カ
ンチレバーのたわみ量が低下するという問題を提起す
る。例えばカンチレバーの共振点を１００ｋＨｚに設定
しようとする場合に、圧電薄膜における電圧印加でカン
チレバーのたわみ量を１μｍ以上確保することは困難な
状況である。共振点設定との関係でカンチレバーのたわ
み量が制限されるということは、Ｚ軸方向の測定範囲が
狭くなるという問題を提起する。なお、カンチレバーの
共振点を高めるためにカンチレバーの剛性を上げなけれ
ばならないことは、立方体型／円柱型の圧電体を用いた
微動機構の場合も全く同じである。

【００２５】本発明の目的は、上記の問題を解決するこ
とにあり、立方体型／円柱型の圧電体を用いた微動機構
の場合、または、カンチレバー自身をアクチュエータに
する場合のいずれでも、探針・試料間の距離制御を高速
に行うことによって高速な測定を行うことができると共
に、Ｚ軸方向の測定範囲を拡大できるようにした走査型
プローブ顕微鏡を提供することにある。

【００２６】

【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。

【００２７】第１の走査型プローブ顕微鏡（請求項１に
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ＸＹＺ微動
機構（第１微動機構）と、カンチレバーのたわみ変形に
伴って生じる変位を検出する検出装置（カンチレバー変
位検出手段）とを備える。かかる構成で、ＸＹＺ微動機
構によって、探針が試料の表面を走査しかつ探針・試料
間の距離を調整し、走査の間、ＸＹＺ微動機構のための
制御系（「第１制御手段」という）によって、探針と試
料の間の相互作用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物理情報を得る
ようにする。上記走査型プローブ顕微鏡では、さらに、
上記ＸＹＺ微動機構の共振点より高い共振点を有する他
の微動機構（第２微動機構）を設け、試料と探針の距離
を、第１制御手段と、第２微動機構の動作を制御する制
御系（「第２制御手段」という）との組み合わせによっ
て変化させるように構成し、第１制御手段から得られる
信号と第２制御手段から得られる信号を加算して前述の
物理情報を得るように構成される。

【００２８】上記の本発明では、カンチレバー変位検出
装置で得られた信号と予め設定された基準値とを比較
し、それらの偏差信号を、第１制御手段と第２制御手段
に同時に与えるようにし、探針・試料間の距離を上記の
２つの制御手段によって同時に制御するようにしてい
る。この構成で、ＸＹＺ微動機構（第１微動機構）の共
振点は相対的に低く、一方、他の微動機構部（第２微動
機構）の共振点はＸＹＺ微動機構の共振点よりも高く
（例えば１００ｋＨｚ以上）する。またＸＹＺ微動機構
によるＺ軸方向の変位量は数μｍと大きく、その制御帯
域は例えば数ｋＨｚであり、一方、第２微動機構の変位
量は逆に小さくなり（例えば数百ｎｍ）、その制御帯域
は例えば数十ｋＨｚである。このようにすると、試料の
表面凹凸が第２微動機構の変位量より小さい場合には、
第２制御手段の方が第１制御手段により高速に動作する
ため、第１制御手段による補償が行われる前に動作が完
了し、ほぼ第２制御手段のみで試料表面の凹凸形状を測
定する。また試料の表面凹凸が第２微動機構部の変位よ
り大きい場合には、第１制御手段と第２制御手段が同時
に働く。すなわち、試料表面の大きなうねりは第１制御
手段およびＸＹＺ微動機構で追従し、その中に含まれる
微小凹凸（高周波成分）は第２制御手段および第２微動
機構で追従する。こうして２つの制御手段の出力値を加
算することによって、試料表面を正確に測定できる。以
上のごとく、探針・試料間の距離制御を高速に行うと同
時に、Ｚ軸方向の測定範囲が拡大される。

【００２９】第２の走査型プローブ顕微鏡（請求項２に
対応）は、第１の構成において、好ましくは、微動機構
部がカンチレバーに設けられた圧電薄膜で構成される。

【００３０】第３の走査型プローブ顕微鏡（請求項３に
対応）は、第２の構成において、カンチレバーを所定周
波数（共振周波数、その付近の周波数、または高調波周
波数）で振動させる第１の信号発生器（第１の電圧印加
手段）と、カンチレバーの圧電薄膜にカンチレバーの所
定周波数よりも低い周波数の電圧を印加し、カンチレバ
ーにたわみ変形を生じさせる第２の信号発生器（第２の
電圧印加手段）とを備える。上記のカンチレバー変位検
出装置はカンチレバーの所定周波数の振動の振幅または
周波数を検知する検知装置であり、また第２制御手段
は、当該検知装置で検出されたカンチレバーの振動に関
する振幅または周波数が一定になるように、探針と試料
の間の距離を制御し、探針・試料間の距離が、圧電薄膜
によるカンチレバーのたわみ変形と、ＸＹＺ微動機構の
Ｚ微動機構部（距離調整部）との組み合わせによって制
御される。

【００３１】本発明では、第１の信号発生器で与えられ
るカンチレバーの共振点等の周波数を有する電圧信号
で、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
せると、探針・試料間の原子間力等や接触力が作用し、
カンチレバーの振動の振幅や周波数が変化することが確
認される。従って、カンチレバーの振動振幅や振動周波
数を一定に保つと、探針・試料間の距離も一定に保た
れ、試料表面の形状を測定できる。

【００３２】本発明では、カンチレバーに圧電薄膜を設
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、探針・試料
間の距離を一定に保持する。これにより、従来装置とは
異なり、高速な測定動作が可能となる。例えば、原子
像、薄膜表面、Ｓｉ表面などは表面形状が１００ｎｍ以
下のことが多く、上記の圧電薄膜に関連する構成部分の
みで高速な測定を行うことができる。

【００３３】本発明では、さらに、第１制御手段からの
制御信号をＸＹＺ微動機構のＺ微動機構部にも与えるよ
うに構成した。圧電薄膜に関連する構成部分では高速測
定に対応できるが、広範囲の測定に対応できない。そこ
で、Ｚ微動機構部による探針・試料間の距離の調整を併
用することで、広範囲の測定に対応できるようにした。
制御の反応状態では、圧電薄膜に関連する制御部分が優
先的に作用する。

【００３４】上記のごとく本発明によれば、高速測定と
広範囲測定が可能となる。制御用の偏差信号は圧電薄膜
とＺ微動機構部に同時に入力されるが、動作の速い圧電
薄膜の方が先に動作し、偏差を減少させるように働く。
従って、圧電薄膜によるカンチレバーの動作範囲内の測
定は、ほとんど圧電薄膜だけで行われ、測定の高速性が
維持される。また、圧電薄膜によるカンチレバーの変形
範囲より大きい段差形状が存在した場合には、圧電薄膜
がフルストロークまでカンチレバーを変形させた後、広
範囲に移動を行うことができるＺ微動機構部が動作する
ことになる。こうして、高速測定と広範囲測定を両立す
ることができる。

【００３５】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。

【００３６】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。

【００３７】第４の走査型プローブ顕微鏡（請求項４に
対応）は、第１の構成において、好ましくは、上記第２
微動機構はカンチレバーを保持するホルダに設けられる
ことを特徴とする。

【００３８】第５の走査型プローブ顕微鏡（請求項５に
対応）は、第１の構成において、上記第２微動機構が試
料を支持するように設けられることを特徴とする。

【００３９】第６の走査型プローブ顕微鏡（請求項６に
対応）は、第３の構成において、カンチレバーが加振用
圧電体を備えたカンチレバーホルダに固定され、第１の
信号発生器は、加振用圧電体に電圧信号を与えてカンチ
レバーを振動させるようにした。

【００４０】第７の走査型プローブ顕微鏡（請求項７に
対応）は、上記第３の構成において、第１の信号発生器
が、カンチレバーの圧電薄膜に電圧信号を与えてカンチ
レバーを振動させるように構成される。

【００４１】第８の走査型プローブ顕微鏡（請求項８に
対応）は、上記第３の構成において、検知装置が、カン
チレバーの振動振幅を検出する手段を含む。

【００４２】第９の走査型プローブ顕微鏡（請求項９に
対応）は、上記第８の構成において、カンチレバーの振
動振幅を検出する手段が、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。

【００４３】第１０の走査型プローブ顕微鏡（請求項１
０に対応）は、上記第８の走査型プローブ顕微鏡の構成
において、好ましくは、上記検知装置が、カンチレバー
の振動周波数を検出する手段を含む。

【００４４】第１１の走査型プローブ顕微鏡（請求項１
１に対応）は、上記検知装置が、光てこ方式の検出光学
系を含む。

【００４５】第１２の走査型プローブ顕微鏡（請求項１
２に対応）は、上記の各構成において、カンチレバー変
位検出装置から出力される信号は、第１制御手段および
第２制御手段に同時に入力されることを特徴とする。

【００４６】

【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。

【００４７】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ＸＹＺ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
１５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
１５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。またカンチレバーホルダ１４
の寸法は数ミリ程度のものである。

【００４８】上記構成で、試料台において試料１２を微
動させる機構部分はＸＹＺ微動機構１１である。Ｘ，
Ｙ，Ｚは直交する３軸座標系を定める軸で、ＸＹ平面は
図１中水平な面であり、Ｚ軸は当該ＸＹ平面に垂直な軸
である。従ってＸＹＺ微動機構１１は３軸の各方向に微
動させる３軸微動機構である。ＸＹＺ微動機構１１に
は、試料１２の測定面上の探針走査のためのＸＹ微動機
構部１１ａと、探針・試料間の距離を調整するためのＺ
微動機構部１１ｂが含まれる。このＸＹＺ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。

【００４９】カンチレバー１３の背面部には、積層構造
にて、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やＰＺＴ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（Ｖ１）を印加するためのものである。なおＧＮＤ
（アース）側の配線はその図示を省略している。電極１
７，１８を介して圧電薄膜１６に電圧信号Ｖ１を印加す
ると、電圧信号Ｖ１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１３においてユニモルフの原
理でたわみ変形が生じる。

【００５０】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
を有する例えば正弦波形の電圧信号である。本実施形態
では、共振周波数であるとする。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は共振周波数で振動する。

【００５１】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
は共振周波数で振動しているので、電圧信号Ｖａも所定
の周波数を有する電圧信号となる。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
のみを通過させるバンドパスフィルタ、または共振点の
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２２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は加算器２５に入力される。

【００５２】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（ナノミリ）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１５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。

【００５３】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。

【００５４】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。

【００５５】コントローラの部分は、前述の加算器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から構成される。加算器２５に入力された
電圧信号Ｖｂは、加算器２５で、基準電圧（Ｖref ）と
の間において偏差（Ｖｄ）が求められる。制御器２６
は、偏差信号Ｖｄに基づき、当該偏差信号Ｖｄが０にな
るようにカンチレバー１３を変形させるための制御用の
電圧信号（Ｖ１）を生成する。電圧信号Ｖ１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・試料間の距離が望
ましい状態になるように制御される。

【００５６】上記において、カンチレバー１３の共振周
波数は例えば１００ｋＨｚ以上に高く設定することがで
きる。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Ｖ１の最高周波数（サーボ帯域）はカ
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。

【００５７】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、その結果、従来のサーボ帯域数ｋＨｚから飛躍的
に高速化された測定方法を実現できる。

【００５８】また、加算器２５に入力された電圧信号Ｖ
ｂと基準電圧（Ｖref ）に基づき当該加算器２５で生成
された上記偏差信号Ｖｄは、制御器２４を経由して、信
号Ｖ２としてＸＹＺ微動機構１１のＺ微動機構部１１ｂ
に入力される。制御器２４の働きは上記制御器２６の働
きと実質的に同じである。従って、圧電薄膜１６に与え
られる電圧信号と基本的に同じ信号がＸＹＺ微動機構１
１のＺ微動機構部１１ｂに与えられる。この構成によれ
ば、Ｚ微動機構部１１ｂの作用によってＺ軸方向の移動
に関して３μｍ以上の移動範囲を容易に達成できる。

【００５９】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。

【００６０】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。

【００６１】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。

【００６２】加算器２５では、基準電圧Ｖref と電圧信
号Ｖｂを比較し、偏差信号Ｖｄを出力する。この偏差信
号Ｖｄは制御器２６および制御器２４に入力される。制
御器２６は、圧電薄膜１６に印加する電圧信号Ｖ１を出
力し、制御器２４はＺ微動機構部１１ｂに印加する電圧
信号Ｖ２を出力する。サーボ用電圧信号Ｖ１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。また、制御器２４からの電圧信号Ｖ２がＺ微動機
構部１１ｂに入力されると、所定条件の下で探針・試料
間の距離を変えることができる。ただし、後述するごと
く、制御器２６から出力される電圧信号Ｖ１は高速な測
定に寄与するものであり、他方、制御器２４から出力さ
れる電圧信号Ｖ２は広範囲の測定に寄与するものであ
り、制御器２６，２４の出力する電圧信号による制御に
おいては、制御器２６から出力される電圧信号Ｖ１によ
る制御が速度的に優先される。

【００６３】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、振幅が１〜数十ｎｍであって、一定
の振幅であるとする。これに対し、サーボ用電圧信号Ｖ
１によるカンチレバー１３のたわみ（振幅）はミクロン
（μｍ）オーダまたはサブミクロンオーダに設定され
る。

【００６４】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Ｖ１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Ｖ１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微動機構部１１ａ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Ｖ１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。

【００６５】上記構成によれば、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）短縮でき
る。

【００６６】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
数十〜１００ｋＨｚ程度のサーボ帯域を確保できる。

【００６７】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
成が簡素化される。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。

【００６８】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のみを用いた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。本実施形態の圧電薄膜を組合
せた方式は、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、および広範囲測定の両立の問題を解
決できる。

【００６９】次に、ＸＹＺ微動機構１１内のＺ微動機構
部１１ｂと、前述の圧電薄膜１６のサーボ制御に基づく
測定との協調動作について説明する。

【００７０】圧電薄膜１６に関するサーボ制御は、圧電
薄膜１６に電圧信号Ｖ１を印加することで、試料１２の
測定表面の形状を測定している。しかし、この測定が行
えるのは、試料表面の形状の変化がカンチレバー１３の
たわみ変形可能範囲内にあることを条件とする。実際上
の測定では、カンチレバー１３のたわみ変形は１μｍ以
下になることを想定しており、試料表面の大きな段差を
測定することに対応できない。そこで、制御器２４を介
して電圧信号Ｖ２がＺ微動機構部１１ｂに入力されるよ
うにし、探針・試料間の距離を制御する構成を別のルー
トで付加した。Ｚ微動機構部１１ｂによる移動範囲は、
容易に例えば３μｍ以上にすることができる。

【００７１】以上の構成において、表面ラフネスなどの
圧電薄膜１６で対応できる範囲のものは、圧電薄膜１６
に基づくカンチレバー１３のたわみ変形だけで測定を高
速に行わせることができる。試料１２の表面の段差形状
が大きく、圧電薄膜１６によるたわみ変形のストローク
で対応できないときには、圧電薄膜１６の変形作用によ
って変位可能な最終端までカンチレバー１３は変形する
が、その後は、引き続きＺ微動機構部１１ｂが残存する
電圧信号Ｖ２に基づいて動作を開始する。Ｚ微動機構部
１１ｂによる探針・試料間の距離調整では、高速測定は
行えないが、広範囲な測定が可能となる。

【００７２】以上のごとく、本実施形態による構成によ
れば、試料１２の表面形状に追従するように探針１５を
移動させ、試料表面の測定を行うときに、圧電薄膜１６
およびこれに関連するサーボ制御機構と、Ｚ微動機構部
１１ｂおよびこれに関連するサーボ制御機構とを組み合
わせ、試料表面の相対的に小さい凹凸は圧電薄膜１６お
よびこれに関連するサーボ制御機構によって高速に追従
され、試料表面の相対的に大きな凹凸はＺ微動機構部１
１ｂおよびこれに関連するサーボ制御機構によって追従
され、高速測定から広範囲測定まで対応をとることがで
きる。

【００７３】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
異なる。図３中、図１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、その詳細な説明を省略す
る。

【００７４】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
よび当該構成に基づく作用は第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に電圧を印加する部分と、カンチレバー１
３の変位検出部とが分離された構成にあるので、変位測
定の高精度化を達成できる。

【００７５】次に、図４を参照して本発明の第３の実施
形態を説明する。第３の実施形態は第２の実施形態の変
形例であり、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している。相違
する点は、加振用圧電体２０の代わりにカンチレバー１
３に設けられた圧電薄膜１６に直接に高周波電圧を印加
してカンチレバー１３を共振振動させること、およびカ
ンチレバー１３の振動周波数を利用して振動状態を検知
していることである。図４において、図３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、その詳
細な説明を省略する。

【００７６】カンチレバー１３は壁部４０に直接に固定
される。制御器２６から出力される電圧信号（Ｖ１）に
は、加算器４１で、信号発生器２１から出力される加振
用高周波電圧信号が加えられ、電極１７，１８を介して
圧電薄膜１６に印加される。従って、圧電薄膜１６に
は、振動を制御するための電圧信号Ｖ１と、カンチレバ
ー１３を振動させるための高周波電圧信号が印加され
る。カンチレバー１３の振動の状態は、光てこ式の検出
光学系で周波数信号として検出され、周波数−電圧変換
器４２で周波数信号から電圧振幅値信号に変換される。
当該電圧振幅値はカンチレバー１３の振動周波数に対応
している。かかる構成において、カンチレバー１３の振
動周波数を一定に保つように、圧電薄膜１６とＺ微動機
構部１１ｂに電圧を印加し、前述の実施形態の場合と同
様に探針・試料間の距離を一定に保持する制御を行い、
高速の測定と広範囲の測定を連続的に切り替えながら行
うことができる。本実施形態によれば、加振用の圧電体
が別途に設ける必要がないために構成が簡素になり、ま
たカンチレバー１３の振動に関して共振周波数を一定に
保つ方式であるため、測定が電圧信号Ｖ１によるカンチ
レバー１３のたわみの影響を受けないようにすることが
できる。

【００７７】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。

【００７８】次に、図５を参照して本発明の第４の実施
形態を説明する。前述の第１から第３の実施形態ではカ
ンチレバーに微動機構を設けて高速測定と広範囲測定を
行い得る構成を説明した。上記の実施形態に対し、本実
施形態では、カンチレバーのホルダ側に立方体型または
円柱型（円筒型も含む）の薄形圧電素子を利用して形成
された微動機構を設けると共に当該微動機構の共振点を
高め、かつ２段のサーボ制御回路を用いることにより、
高速測定と広範囲測定を行える構成を示している。図５
に示された要素で、前述の実施形態で説明された要素と
実質的に同一の要素には同一の符号を付し、詳細な説明
を省略する。

【００７９】１１１は、試料１２を載置し、当該試料１
２を微動させるためのＸＹＺ微動機構（第１の微動機
構）である。このＸＹＺ微動機構１１１の内部にはＺ微
動機構部１１１ｂとＸＹ微動機構部１１１ａが含まれ
る。ＸＹＺ微動機構１１には、一般的にはトライポッド
型またはチューブ型の圧電素子が使用される。Ｚ軸方向
の変位量としては数μｍ程度を確保するので、微動機構
の共振点としては１０ｋＨｚ以下になるのが通例であ
る。試料１２の上側には、探針１５を先端に備えるカン
チレバー１３が配置され、カンチレバー１３の端部には
カンチレバーホルダとしての働きを有する第２の微動機
構５１が設けられる。微動機構５１には、厚み数ｍｍ
（ミリ）以下の単板型の圧電素子を用いる。微動機構５
１では、圧電素子の板圧が小さいので、共振点が１００
ｋＨｚ以上の高い周波数となり、変位量を数百ｎｍ以上
確保することが可能である。

【００８０】カンチレバー１３で生じる変位は、レーザ
光３３による光てこの原理で検出される。レーザ光検出
器３２の出力信号は、増幅器５８を経由して信号Ｖｂと
して加算器２５に入力される。加算器２５は、信号Ｖｂ
を基準電圧Ｖref と比較して偏差信号Ｖｄを出力する。
加算器２５から出力される偏差信号Ｖｄは、第１の微動
機構１１１の制御に関与する制御器２４、第２の微動機
構５１の制御に関与するぎ制御器２６に入力され、制御
器２４，２６の各々から制御のための前述の電圧信号Ｖ
１，Ｖ２が出力される。制御器２４，２６は共に比例−
積分の補償を行う。制御器２６からの電圧信号Ｖ１は第
２の微動機構５１に与えられ、制御器２４からの電圧信
号Ｖ２はＺ微動機構部１１１ｂに与えられる。本実施形
態では、電圧信号Ｖ１，Ｖ２を増幅する増幅器５２，５
３が設けられている。また電圧信号Ｖ１，Ｖ２は、加算
器５４において加算された後に、メモリ５５に格納され
る。さらにＸＹ走査回路５６から出力された信号は増幅
器５７を介してＸＹ微動機構部１１ａに与えられると共
に、メモリ５５に与えられ、ここに格納される。ＸＹ走
査回路５６の出力信号は、Ｚ方向の電圧信号（Ｖ１＋Ｖ
２）と組合され、試料表面形状をモニタ（図示せず）に
表示するのに使用される。

【００８１】なお電圧信号Ｖ１，Ｖ２、加算器５４、メ
モリ５５、ＸＹ走査回路５６等の構成は、前述した各実
施形態においても同じである。

【００８２】図６と図７を参照して、測定の動作を、試
料表面形状と電圧信号Ｖ１，Ｖ２との関係に基づいて説
明する。

【００８３】図６は、試料１２の表面形状１２ａの凹凸
が、第２の微動機構５１の可動範囲よりも小さい場合の
例である。この例としては、原子像、Ｓｉウェハの表
面、各種薄膜の表面などの例がある。第１の微動機構１
１１に比較し、第２の微動機構５１の共振点は約１０倍
以上高くされている。同様に、制御帯域に関しても、第
１の制御系の制御帯域すなわち第１のＸＹＺ微動機構１
１１（Ｚ微動機構部１１１ｂ）の制御器２４の制御帯域
よりも、第２の制御系の制御帯域すなわち第２の微動機
構５１に関する制御器２６の制御帯域を約１０倍程度高
速にしている。例えば、１ｋＨｚと１０ｋＨｚ程度に設
定されている。かかる試料表面形状に対して、電圧信号
Ｖ１と電圧信号Ｖ２の変化では、第１の制御系の電圧信
号Ｖ１は試料表面形状の微小凹凸に追従できずフラット
な信号になり、第２の制御系の電圧信号Ｖ２は当該微小
凹凸に追従できほぼ試料表面形状に一致した信号とな
る。電圧信号Ｖ１，Ｖ２は加算器５４で加算されるの
で、電圧信号Ｖ２の部分によって高速な測定を可能にす
る。第１の微動機構１１１のみを用いた従来の走査型プ
ローブ顕微鏡に比較して、図５の構成を有する走査型プ
ローブ顕微鏡は高速な測定を行うことができる。

【００８４】図７は、試料１２の表面形状１２ａの凹凸
が、第２の微動機構５１の可動範囲よりも大きい場合の
例である。かかる試料表面形状に対して、電圧信号Ｖ１
と電圧信号Ｖ２の変化では、第１の制御系による電圧信
号Ｖ１は試料表面形状の凹凸に追従して大きなうねり成
分を表す信号になり、第２の制御系による電圧信号Ｖ２
は補正しきれない高周波成分を検出し、これを表す信号
となる。電圧信号Ｖ１，Ｖ２は加算器５４で加算され、
これにより大きな凹凸を高速に測定できることになる。

【００８５】なお上記の動作説明は代表的な好適例に関
するものであり、例えば、急峻であって直角な段差で、
かつ第２の微動機構５１の動作範囲よりも大きな場合な
どには、うまく対応できない場合もある。このような場
合には、ＸＹ走査の速度を低下させることも必要とな
る。しかし一般的に、本実施形態の構成によれば、測定
時間を大幅に短縮でき、さらに測定範囲を拡大できる。

【００８６】図８は、本発明の第５の実施形態を示す。
この実施形態は第４実施形態を変形したものであり、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
施形態では、第２の微動機構５１を第１のＸＹＺ微動機
構１１１の上に積層して設け、試料１２を第２の微動機
構５１の上に載置するように構成した。その他の構成お
よび作用は、第４実施形態で説明した構成および作用と
同じである。第５の実施形態によれば、前述の第４の実
施形態と同等な効果に加え、カンチレバー１３の側は固
定され、動かない構成であるので、光てこ光学系のカン
チレバー変位検出誤差を小さくすることができ、高精度
の測定を行える。

【００８７】

【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、カンチレバーを有する走査型プローブ顕微鏡にお
いて、探針・試料間の距離を、共振点が相対的に低い第
１微動機構と共振点が相対的に高い第２微動機構によっ
て変化させるようにしたため、高速測定と広範囲測定を
行うことができる。

【００８８】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点、またはその付近の周波数、ま
たは高調波周波数で振動させ、カンチレバーに圧電薄膜
を設けカンチレバー自身でＺ軸サーボを行い探針・試料
間の距離を制御するようにしたので、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による測定時
間を大幅に向上させることができる。

【００８９】また圧電薄膜に関連する制御部分に併せ
て、ＸＹＺ微動機構のＺ微動機構部により探針・試料間
の距離を制御できる構成を設けたため、試料表面の凹凸
が圧電薄膜で制御できる範囲より大きくなった場合にお
いて、Ｚ微動機構部によって当該制御を行うことがで
き、広範囲の測定を行うことができる。こうして、走査
プローブ顕微鏡による試料表面の微細形状の測定におい
て、高速測定と広範囲測定を同時に行うことができる。

【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】本発明の第３の実施形態を示す構成図である。

【図５】本発明の第４の実施形態を示す構成図である。

【図６】第１の測定例を説明するための信号特性と試料
表面形状を示す図である。

【図７】第２の測定例を説明するための信号特性と試料
表面形状を示す図である。

【図８】本発明の第５の実施形態を示す構成図である。

【図９】従来の走査型プローブ顕微鏡の代表例を示す構
成図である。

【図１０】カンチレバーの各部の寸法を示す図である。

【図１１】従来の走査型プローブ顕微鏡の他の例を示す
構成図である。

【符号の説明】

１１，１１１ＸＹＺ微動機構（第１の微動機
構）１１ａ，１１１ａＸＹ微動機構部１１ｂ，１１１ｂＺ微動機構部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信号発生器２２フィルタ２３実効値演算回路２４制御器２５加算器２６制御器３１レーザ光発振器３２レーザ光検出器５１第２の微動機構

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者黒田浩史茨城県土浦市神立町650番地日立建機株式会社土浦工場内 (72)発明者保坂純男東京都国分寺市東恋ヶ窪一丁目280番地株式会社日立製作所基礎研究所内

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第１
微動機構と、カンチレバー変位検出手段とを備え、前記
第１微動機構によって前記探針が前記試料の表面を走査
しかつ探針・試料間の距離を調整し、走査の間、前記第
１微動機構のための第１制御手段によって、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、前記第１微動機構の共振点より高い共振点を有する第２
微動機構を設け、前記試料と前記探針の距離を、前記第
１制御手段と、前記第２微動機構の動作を制御する第２
制御手段との組み合わせによって変化させるように構成
し、前記第１制御手段から得られる信号と前記第２制御
手段から得られる信号を加算して前記物理情報を得るよ
うにしたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】前記第２微動機構は、前記カンチレバー
に設けられた圧電薄膜で構成さ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】前記カンチレバーを所定周波数で振動さ
せる第１の電圧印加手段と、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所定周波数よりも低い
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の電圧印加手段とを備え、前記カンチレバー変位検出手段は前記カンチレバーの前
記所定周波数の振動の振幅または周波数を検知する検知
手段であり、前記第２制御手段は、前記検知手段で検出された前記カ
ンチレバーの前記振動に関する振幅または周波数が一定
になるように、前記探針と前記試料の間の距離を制御
し、探針・試料間の前記距離が、前記圧電薄膜による前
記カンチレバーの前記たわみ変形と、前記第１微動機構
の距離調整部との組み合わせによって制御されることを
特徴とする請求項２記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】前記第２微動機構は前記カンチレバーを
保持する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５】前記第２微動機構は、前記試料を支持す
るよう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６】前記カンチレバーは加振用圧電体を備え
たカンチレバーホルダに固定され、前記第１の電圧印加
手段は前記加振用圧電体に電圧信号を与えて前記カンチ
レバーを振動させるようにしたことを特徴とする請求項
３記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】前記第１の電圧印加手段は、前記カンチ
レバーの圧電薄膜に電圧信号を与えて前記カンチレバー
を振動させるようにしたことを特徴とする請求項３記載
の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項８】前記検知手段は、前記カンチレバーの振
動振幅を検出する手段を含むことを特徴とする請求項３
記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項９】前記カンチレバーの振動振幅を検出する
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８記
載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１０】前記検知手段は、前記カンチレバーの
振動周波数を検出する手段を含むことを特徴とする請求
項３記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１１】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８または１０記載の
走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１２】前記カンチレバー変位検出手段から出
力される信号は、前記第１制御手段および前記第２制御
手段に同時に入力されることを特徴とする請求項１〜１
１のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡。