JPH1073606A - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 カンチレバー側にたわみ変形を利用してなる
Ｚ軸方向変位手段を組込んでＺ軸方向の制御の応答周波
数帯域を向上し、走査速度を高めると共に、さらにカン
チレバーでのＺ軸方向変位の発生にたわみ変形を利用
し、カンチレバーのたわみ変形の検出に光テコを使用で
きる走査型プローブ顕微鏡を提供する。 【解決手段】 探針17を備えたカンチレバー18と、カン
チレバーにレーザ光22を照射するレーザ光源20とその反
射光を受ける光検出器21からなるカンチレバー変位計測
機構と、カンチレバーを試料16に対し接近・退避させる
接近退避手段と、探針と試料の距離を変化させる変位機
構と、試料表面に対しカンチレバーを相対的に走査させ
るトライポッド15を備える。変位機構は、たわみ変形を
利用するように構成されるＺ軸圧電素子19であり、カン
チレバーの保持部に設けられる。

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、探針を高速に走査して試料の表面情報
を得る走査型プローブ顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は、先
端の尖った探針を試料に対してナノメートル（ｎｍ）オ
ーダまで接近させ、探針と試料との間に生じる原子間力
等の相互作用を測定して、試料表面の形状などを原子寸
法レベルで計測する装置である。その中で走査型原子間
力顕微鏡（ＡＦＭ）に代表される力顕微鏡では、カンチ
レバーと呼ばれる非常にバネ定数の低い片持ち梁を用
い、カンチレバー先端に備えた探針と試料の間に作用す
る原子間力によるカンチレバーのたわみ量を検出するこ
とにより、試料表面の形状を測定する。

【０００３】図２に一般的なＡＦＭの構成を示す。先端
に探針３１を有するカンチレバー３２の変位は、レーザ
光源３３と光検出器３４からなる光テコと呼ばれる光学
変位検出装置により計測される。光テコは、ＡＦＭのカ
ンチレバーの変位検出装置として一般に広く用いられて
いる。またトライポッド３５は、試料のＸＹ方向走査と
探針・試料間距離を制御するＺ軸方向駆動とを行うため
の３次元アクチュエータであり、一般に広く用いられて
いる。トライポッド３５では、Ｚ軸圧電素子３６により
探針・試料間の距離を制御し、Ｘ軸圧電素子３７および
図示しないＹ軸圧電素子によりＸＹ方向の走査を行う。
Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各圧電素子は試料台３８を支持し、
試料台３８の上には試料３９が配置される。

【０００４】試料表面の形状を測定するときには、図示
しない接近機構によってカンチレバー３２を移動させ、
探針３１を試料３９に対し原子間力が作用する領域まで
接近させる。その時、探針３１が力を受け、カンチレバ
ー３２にたわみ変形が生じる。光テコにより検出された
カンチレバー３２の変形量が一定になるように、すなわ
ち探針３１の押しつけ力が一定になるようにＺ軸圧電素
子３６の制御を行いながら、トライポッド３５を動作さ
せて試料３９の表面を走査すると、Ｚ軸圧電素子３６の
制御信号は試料３９の表面の凹凸に応じて変化する。そ
の制御信号に基づき試料表面の凹凸情報が得られる。

【０００５】上記のＡＦＭ測定において、試料３９の走
査速度を大きくし、高速な測定を行う場合、トライポッ
ド３５のＺ軸方向の制御が追従しきれないという問題が
生じる。制御が追従できなければ正確な凹凸情報を得る
ことはできないし、走査速度や試料表面の形状によって
は全く測定できない場合もある。

【０００６】そこでＺ軸方向の制御の応答周波数帯域を
高くする必要が生じる。Ｚ軸方向の制御の応答周波数帯
域は、トライポッド３５等の機械的要素の固有振動数、
圧電素子の静電容量と駆動回路の電流容量、制御系の周
波数特性などにより制限される。従って、Ｚ軸方向の駆
動重量を小さくし、その固有振動数を高くできれば、制
御の応答周波数帯域を向上できる。しかし、トライポッ
ド３５を用いて試料の位置を変化させる方式では、測定
する試料のサイズにより自ずと限界がある。

【０００７】ここでさらに、Ｚ軸方向の変位手段をカン
チレバー３２の側に設けるように構成し、その寸法を小
さくする手段が考えられる。圧電素子の寸法を小さく
し、その静電容量を小さくすることは、制御の応答周波
数帯域を向上するのに非常に有効である。

【０００８】しかし、圧電素子の寸法を小さくしその静
電容量を小さくすることは、同時に変位量の減少を招
く。そこで、たわみ変形を利用して変位を生じさせる圧
電素子を利用してなるＺ軸方向の変位手段が有効であ
る。いわゆるユニモルフ型あるいはバイモルフ型の圧電
素子である。その例としてカンチレバーそのものをＺ軸
方向の変位手段とするものが、例えばAppl.Phys.Lett.6
7(26),25Dec. 1995 に報告されている。この方式では、
カンチレバー上に形成したＺｎＯ薄膜によりＺ軸方向の
変位手段を実現し、カンチレバーをたわみ変形させて探
針の位置を上下させる。また試料表面の凹凸に応じて生
じるカンチレバーでのたわみ変形の検出にはカンチレバ
ー上に形成されたピエゾ抵抗薄膜を用いている。当該た
わみ変形の検出に光テコは用いられない。さらに、ピエ
ゾ抵抗薄膜により検出されるたわみ変形（本来検出した
いたわみ変形で試料表面の凹凸に起因するもの）の領域
と、検出された信号を基に探針位置を制御するＺｎＯ薄
膜によるたわみ変形（本来検出されてはならないたわみ
変形で検出されれば誤差となる変形）の領域とを、構造
上分離することにより、ＺｎＯ薄膜によるたわみ変形に
起因する干渉信号（誤差信号）を原理的に除去してい
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】カンチレバーそのもの
にＺ軸方向の変位手段を組込む従来の構成は、制御の応
答周波数帯域の向上に非常に有効である。しかし、カン
チレバーをたわみ変形させるためのＺｎＯ薄膜とカンチ
レバーのたわみ変形を検出するためのピエゾ抵抗薄膜
を、わずか１００μｍ程度のカンチレバー上に形成しな
ければならないので、製作が困難である。

【００１０】そこで、カンチレバーのたわみ変形の検出
に、構成が比較的に簡単な光テコの利用が考えられる。

【００１１】しかしながら、光テコを用いた場合には、
カンチレバーのたわみ変形量を角度の変化として検出す
るので、Ｚ軸方向の変位手段にたわみ変形を利用する限
り、試料表面の凹凸によるカンチレバーのたわみ変形
と、探針・試料間の距離を調整するため探針を上下させ
るたわみ変形とを完全に分離して検出することは原理的
に不可能である。このような理由から、Ｚ軸方向の変位
手段としてカンチレバーそのもののたわみ変形を利用す
る限りにおいては、光テコを変位検出手段として用いる
ことは困難であった。

【００１２】本発明の目的は、上記の問題を解決するこ
とにあり、カンチレバーの側にたわみ変形を利用して構
成されるＺ軸方向の変位手段を組込むことによってＺ軸
方向の制御の応答周波数帯域を向上し、走査速度を高め
た走査型プローブ顕微鏡で、カンチレバーでのＺ軸方向
の変位の発生にたわみ変形を利用し、かつカンチレバー
のたわみ変形の検出に光テコを使用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および作用】本発明に係る
走査型プローブ顕微鏡は、前提となる基本構成として、
試料に対向する探針を先端に備えたカンチレバーと、こ
のカンチレバーにレーザ光を照射するレーザ光源とカン
チレバーで反射したレーザ光を受光する光検出器からな
るカンチレバー変位計測手段と、カンチレバーを試料に
対して接近・退避させる接近退避手段と、探針と試料の
距離を変化させる変位手段と、試料の表面に対しカンチ
レバーを相対的に走査させる走査手段（トライポッド）
とを備えている。さらに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、その特徴的な構成
として、探針と試料との距離を変化させる変位手段が、
たわみ変形を利用するように構成され、かつカンチレバ
ーの保持部に設けられる。

【００１４】本発明による走査型プローブ顕微鏡の作用
面での特徴を、従来の構成と比較しながら説明する。

【００１５】従来の構成によれば、光テコによるカンチ
レバーのＺ軸方向の変位検出では、カンチレバーの長さ
をｌ（通常１００〜２００μｍ）、反射光の光路をＬ
（カンチレバーから光検出器までの距離）、カンチレバ
ー先端（探針）の変位量をΔ、光検出器上での検出光の
変位量をＤとすると、その変位の拡大率（検出感度に相
当）は、カンチレバーのたわみ変形による角度変化がご
く微小な場合、Ｄ／Δ＝２Ｌ／ｌと近似できる。Ｌ＝５
０ｍｍ、ｌ＝１００μｍとすると、拡大率は１０００倍
となる。従ってカンチレバーそのものをたわみ変形させ
て探針の上下を制御する構成を採用する場合、全く同様
に１０００倍の拡大率で検出される。探針の上下を制御
するためのたわみ変形に関する信号は本来検出されるべ
きものではなく、この信号が検出されると誤差となる。
この場合には有効な信号と誤差信号の比が１：１とな
り、全く測定ができなくなる。

【００１６】上記に対して本発明の構成では、探針と試
料との距離を変化させるＺ軸方向の変位手段はたわみ変
形を利用して構成されるものであり、かつその変位手段
をカンチレバーの保持部に組込むように設けたので、例
えばその保持部の長さを１０ｍｍとし、これを上記ｌと
して上記計算に当てはめてみると、たわみ変形に関する
誤差信号の拡大率は１０倍となる。従って、有効な信号
（拡大率１０００倍）と誤差信号（拡大率１０倍）の比
は１００：１となり、大幅に減少できる。またカンチレ
バーの長さ、たわみ変形する保持部の長さを目的に応じ
て決定すれば、さらに誤差信号の割合を小さくできる。

【００１７】また理論上その誤差の割合は、上述のよう
にカンチレバーの長さとたわみ変形する保持部の長さの
比により決定されるので、誤差の補正が容易となる。

【００１８】

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

【００１９】図１は本発明に係る走査型プローブ顕微鏡
の要部構成を示し、走査型プローブ顕微鏡の例としてＡ
ＦＭの構成を示している。図１において、試料台１１
は、支持台１２においてヒンジ１３と、Ｘ軸圧電素子１
４およびＹ軸圧電素子（図示せず）とによって支持され
る。ヒンジ１３の軸方向はＺ軸方向を向いている。支持
台１２、ヒンジ１３、Ｘ軸圧電素子１４、Ｙ軸圧電素
子、試料台１１によってトライポッド１５が構成され
る。試料台１１の上には試料１６が配置される。かかる
試料１６に対し、その上方に、探針１７を備えたカンチ
レバー１８が配置される。カンチレバー１８はＺ軸圧電
素子１９に保持される。Ｚ軸圧電素子１９はカンチレバ
ー保持部としての働きを有する。またＺ軸圧電素子１９
は、駆動源２３によってたわみ変形を生じるように構成
され、このたわみ変形によってカンチレバー１８と探針
１７のＺ軸方向の変位を生じさせる。カンチレバー１８
と探針１７のＺ軸方向の変位は探針・試料間の距離を調
整するための変位である。

【００２０】図１では、説明の便宜上、誇張の目的で、
カンチレバー１８や探針１７が、トライポッド１５やＺ
軸圧電素子１９等に対して同定度の大きさで示されてい
るが、実際にはカンチレバー１８は非常に小さいもの
で、例えば１００μｍ程度のものである。また例えばＺ
軸圧電素子１９の長手方向の長さは、実際には例えば１
０ｍｍ程度である。

【００２１】また試料１６の表面を探針１７で測定でき
るようにするためには、探針１７が試料１６の表面の凹
凸に従って移動できるような距離までカンチレバー１８
を移動させる図示しない接近・退避機構が設けられる。
この接近・退避機構は、例えば測定が終了すると、カン
チレバー１８を上方へ退避させる。

【００２２】また探針１７の位置する箇所のほぼ上方位
置に光学的変位検出機構は配置される。光学的変位検出
機構はレーザ光源２０と光検出器２１とから構成され
る。レーザ光源２０はカンチレバー１８にレーザ光２２
を照射し、光検出器２１はカンチレバー１８の背面で反
射したレーザ光２２を受光する。これによって、カンチ
レバー１８のほぼ先部で、試料表面の凹凸で生じるたわ
み変形に基づいて変位計測を行うことができる。

【００２３】上記構成において、ヒンジ１３はトライポ
ッド１５のＺ軸方向について高い剛性を有し、Ｘ軸方向
およびＹ軸方向には容易に変形できる。従って、試料１
６の走査を防げることなく、Ｚ軸方向の剛性を確保する
作用を有する。Ｚ軸圧電素子１９は、前述の通りカンチ
レバー１８の保持部を形成すると同時に、たわみ変形を
生じ、このたわみ変形で探針１７と試料１６との距離を
変化させる。実際の試料表面の測定方法は、従来の一般
的なＡＦＭと同様である。ただし、Ｚ軸圧電素子１９に
関連する部分の構成が異なっている。試料１６を走査し
た時の表面の凹凸に起因するカンチレバーのたわみ変形
は光検出器２１で検出される。その信号に基づいて図示
しないよく知られた制御機構により駆動原２３を制御
し、カンチレバー１８のたわみ変形量が一定になるよう
にＺ軸圧電素子１９のたわみ変形動作を行う。

【００２４】上記実施形態による走査型プローブ顕微鏡
の構成によれば、仮にカンチレバー１８の長さを１００
μｍ、Ｚ軸圧電素子１９の長さを１０ｍｍとすれば、
（作用）の欄で説明したように、本来測定すべき試料１
６の表面の凹凸に起因するカンチレバー１８のたわみ変
形による信号とＺ軸圧電素子１９をたわみ変形させたこ
とによる誤差信号の比を１００：１にすることができ
る。また、カンチレバー１８の長さ、および保持部すな
わちＺ軸圧電素子１９の長さを、目的に応じて適宜に決
定すれば、誤差信号の割合をさらに小さくすることも可
能である。

【００２５】また誤差信号の割合は、理論上、上述のよ
うにカンチレバー１８の長さとたわみ変形する保持部
（Ｚ軸圧電素子１９）の長さとの比により決定されるの
で、誤差を補正することは容易である。

【００２６】上記構成を有する走査型プローブ顕微鏡
で、制御の応答周波数に関しては、圧電素子の寸法及び
駆動重量を小さくし、さらに、その静電容量を小さくす
ることができるので、Ｚ軸圧電素子をトライポッドに設
けて試料を駆動する一般的な構成に比べ、応答周波数を
向上できる。

【００２７】また本実施形態では、カンチレバー１８の
保持部そのものをたわみ変形を生じるＺ軸圧電素子１９
とした場合を説明したが、Ｚ軸圧電素子を別途に設け
て、それに対してカンチレバー１８の保持部を接着等に
より固定する類似の構成も考えられる。この場合にも、
全く同様の効果が期待できる、本発明の範囲に属するも
のである。

【００２８】

【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、カンチレバーの保持部をたわみ変形させることに
より探針と試料の間の距離を変化させる変位手段として
利用したため、圧電素子の寸法および駆動重量を小さく
し、その静電容量を小さくすることができ、トライポッ
ド側にＺ軸圧電素子を設け試料を駆動する従来の一般的
構成に比べ、応答周波数を向上できる。また、カンチレ
バーの変位検出系として光テコを用いた場合であって
も、カンチレバー保持部がたわみ変形することにより検
出される誤差信号の割合を構造の上で小さくでき、光テ
コによる変位検出が可能となる。また有効信号に対する
誤差信号の割合は、カンチレバーの長さとたわみ変形す
る保持部の長さの比により決定されるので、誤差を補正
することが容易である。

【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要部の構
成図である。

【図２】従来の一般的な走査型プローブ顕微鏡の要部の
構成図である。

【符号の説明】

１１ 試料台 １２ 支持台 １３ ヒンジ １４ Ｘ軸圧電素子 １５ トライポッド １６ 試料 １７ 探針 １８ カンチレバー １９ Ｚ軸圧電素子 ２０ レーザ光源 ２１ 光検出器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料に対向する探針を先端に備えたカン
   チレバーと、このカンチレバーにレーザ光を照射するレ
   ーザ光源と前記カンチレバーで反射したレーザ光を受光
   する光検出器からなるカンチレバー変位計測手段と、前
   記カンチレバーを前記試料に対して接近・退避させる接
   近退避手段と、前記探針と前記試料の距離を変化させる
   変位手段と、前記試料の表面に対し前記カンチレバーを
   相対的に走査させる走査手段とを備える走査型プローブ
   顕微鏡において、 前記変位手段は、たわみ変形を利用して前記距離を変化
   させるように構成され、かつ前記カンチレバーの保持部
   に設けられることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。