JPH11211732A - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents
走査型プローブ顕微鏡Info
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- JPH11211732A JPH11211732A JP10029285A JP2928598A JPH11211732A JP H11211732 A JPH11211732 A JP H11211732A JP 10029285 A JP10029285 A JP 10029285A JP 2928598 A JP2928598 A JP 2928598A JP H11211732 A JPH11211732 A JP H11211732A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 １ｎｍ以下の高い測定分解能を維持しなが
ら、必要に応じて切り換えて走査範囲を拡大し広い範囲
を測定することができ、さらに超音波やレーザ等の他の
形式のプローブとの複合を容易に行える走査型プローブ
顕微鏡を提供する。 【解決手段】 試料16に対し配置される探針20と、試料
と探針に相対的変位を与えるＸＹＺ微動機構18と、探針
変位を検出する変位検出部21を備え、探針で試料の表面
を走査するとき、変位検出部の出力信号に基づき試料と
探針の間に生じる相互作用が一定状態に保持されるよう
に制御し、制御信号によって試料の表面特性を測定す
る。さらに顕微鏡ステージ11a の基準面上に設けられ、
試料を搭載しかつ底面を静圧案内されて基準面上を移動
するＸＹ移動部12と、このＸＹ移動部に静圧案内を行う
圧力流体Ｂを選択的に供給する高さ位置制御部15と、Ｘ
Ｙ移動部を基準面に沿った方向に移動させるＸＹアクチ
ュエータ13を備える。
ら、必要に応じて切り換えて走査範囲を拡大し広い範囲
を測定することができ、さらに超音波やレーザ等の他の
形式のプローブとの複合を容易に行える走査型プローブ
顕微鏡を提供する。 【解決手段】 試料16に対し配置される探針20と、試料
と探針に相対的変位を与えるＸＹＺ微動機構18と、探針
変位を検出する変位検出部21を備え、探針で試料の表面
を走査するとき、変位検出部の出力信号に基づき試料と
探針の間に生じる相互作用が一定状態に保持されるよう
に制御し、制御信号によって試料の表面特性を測定す
る。さらに顕微鏡ステージ11a の基準面上に設けられ、
試料を搭載しかつ底面を静圧案内されて基準面上を移動
するＸＹ移動部12と、このＸＹ移動部に静圧案内を行う
圧力流体Ｂを選択的に供給する高さ位置制御部15と、Ｘ
Ｙ移動部を基準面に沿った方向に移動させるＸＹアクチ
ュエータ13を備える。
Description
【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、試料表面における本来の微小領域の走
査による高分解能測定と広域走査による測定を選択的に
行えると共に、他の形式の測定プローブとの組合せを容
易に行える走査型プローブ顕微鏡に関するものである。
鏡に関し、特に、試料表面における本来の微小領域の走
査による高分解能測定と広域走査による測定を選択的に
行えると共に、他の形式の測定プローブとの組合せを容
易に行える走査型プローブ顕微鏡に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡は、原子オーダ
（ナノメータ（ｎｍ）以下）の測定分解能を有するもの
であり、表面の形状計測を始め、各種分野に適用されつ
つある。検出に利用する物理量に依存して、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、応用範囲も広がり
つつある。特に原子間力顕微鏡は、試料表面の凹凸形状
を高分解能で検出するのに適しており、半導体、ディス
クなどの分野で実績をあげている。以下では、原子間力
顕微鏡の例について説明する。
（ナノメータ（ｎｍ）以下）の測定分解能を有するもの
であり、表面の形状計測を始め、各種分野に適用されつ
つある。検出に利用する物理量に依存して、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、応用範囲も広がり
つつある。特に原子間力顕微鏡は、試料表面の凹凸形状
を高分解能で検出するのに適しており、半導体、ディス
クなどの分野で実績をあげている。以下では、原子間力
顕微鏡の例について説明する。
【０００３】図６に従来の原子間力顕微鏡の一例を示
す。フレーム１０１の下部に試料ステージ１０１ａが形
成され、試料ステージ１０１ａの上に測定対象である試
料１０２が配置されている。試料１０２は静止状態にあ
り、その位置は変化しない。フレーム１０１の上部には
探針接近用機構（粗動機構）１０３が固定され、探針接
近用機構１０３の下側にＸＹＺ微動機構１０４が固定さ
れている。
す。フレーム１０１の下部に試料ステージ１０１ａが形
成され、試料ステージ１０１ａの上に測定対象である試
料１０２が配置されている。試料１０２は静止状態にあ
り、その位置は変化しない。フレーム１０１の上部には
探針接近用機構（粗動機構）１０３が固定され、探針接
近用機構１０３の下側にＸＹＺ微動機構１０４が固定さ
れている。
【０００４】試料１０２の上方位置にはカンチレバー１
０５が配置され、その先端に設けられた探針１０６は、
試料１０２の表面に臨んでいる。試料１０２の表面を測
定する際、探針１０６は、試料との間で原子間力が生じ
る程度の距離で試料１０２に対して接近させて配置され
る。カンチレバー１０５は、その基端が、ＸＹＺ微動機
構１０４の下端に固定されている。カンチレバー１０５
は、所定の柔軟性を有し、探針・試料間の距離の変化に
伴う原子間力の変化に応じてたわみ変形を生じるという
特性を有している。
０５が配置され、その先端に設けられた探針１０６は、
試料１０２の表面に臨んでいる。試料１０２の表面を測
定する際、探針１０６は、試料との間で原子間力が生じ
る程度の距離で試料１０２に対して接近させて配置され
る。カンチレバー１０５は、その基端が、ＸＹＺ微動機
構１０４の下端に固定されている。カンチレバー１０５
は、所定の柔軟性を有し、探針・試料間の距離の変化に
伴う原子間力の変化に応じてたわみ変形を生じるという
特性を有している。
【０００５】図６に示した構成はカンチレバー１０５の
側を移動させる方式である。上記探針接近用機構１０３
は、測定を行う前に探針１０６を試料１０２に対して迅
速に接近させるときに使用され、比較的に大きな距離の
移動（粗動）に使用される。上記ＸＹＺ微動機構１０４
には圧電素子を利用して構成されたトライポッド型微動
機構あるいはチューブ型微動機構が使用される。トライ
ポッド型微動機構は、Ｘ，Ｙ，Ｚの各方向の微動動作を
生じるためのＸ，Ｙ，Ｚの各アクチュエータによって構
成される。ＸＹＺ微動機構１０４にトライポッド型微動
機構が使用される場合、測定を行う際に、カンチレバー
１０５は、ＸＹＺ微動機構１０４に含まれるＸアクチュ
エータとＹアクチュエータの動作によって走査動作を行
い、Ｚアクチュエータの動作で試料１０２と探針１０６
の間の距離が調整される。
側を移動させる方式である。上記探針接近用機構１０３
は、測定を行う前に探針１０６を試料１０２に対して迅
速に接近させるときに使用され、比較的に大きな距離の
移動（粗動）に使用される。上記ＸＹＺ微動機構１０４
には圧電素子を利用して構成されたトライポッド型微動
機構あるいはチューブ型微動機構が使用される。トライ
ポッド型微動機構は、Ｘ，Ｙ，Ｚの各方向の微動動作を
生じるためのＸ，Ｙ，Ｚの各アクチュエータによって構
成される。ＸＹＺ微動機構１０４にトライポッド型微動
機構が使用される場合、測定を行う際に、カンチレバー
１０５は、ＸＹＺ微動機構１０４に含まれるＸアクチュ
エータとＹアクチュエータの動作によって走査動作を行
い、Ｚアクチュエータの動作で試料１０２と探針１０６
の間の距離が調整される。
【０００６】上記カンチレバー１０５に対してカンチレ
バーの変位を検出する変位検出器１０７が設けられる。
変位検出器１０７には光てこ式検出光学系や干渉法を利
用した検出器が使用される。光てこ式検出光学系は、レ
ーザ光を発する光源と、レーザ光を受ける光検出器から
構成される。光源から出射されたレーザ光は、カンチレ
バーの背面の反射面で反射され、光検出器に入射され
る。カンチレバーのたわみ変形量に応じてレーザ光の入
射位置が変化することから、探針と試料の間の距離の変
化を検出できる。
バーの変位を検出する変位検出器１０７が設けられる。
変位検出器１０７には光てこ式検出光学系や干渉法を利
用した検出器が使用される。光てこ式検出光学系は、レ
ーザ光を発する光源と、レーザ光を受ける光検出器から
構成される。光源から出射されたレーザ光は、カンチレ
バーの背面の反射面で反射され、光検出器に入射され
る。カンチレバーのたわみ変形量に応じてレーザ光の入
射位置が変化することから、探針と試料の間の距離の変
化を検出できる。
【０００７】上記構成において、探針接近用機構１０３
により探針１０６と試料１０２の距離を約１ｎｍ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
１０５にたわみ変形が生じるようになる。そのたわみ角
を変位検出器１０７で検出する。変位検出器１０７から
出力される検出信号は、加算器１０８に入力される。加
算器１０８では、当該検出信号と基準値Ｖref が比較さ
れ、偏差信号Ｖｄが出力される。この偏差信号Ｖｄは、
制御部１０９に入力される。制御部１０９では一般的に
比例−積分補償（ＰＩ制御）が行われ、その出力信号
（Ｖｚ）はＸＹＺ微動機構１０４のＺアクチュエータに
与えられ、探針１０６と試料１０２の間の距離を変化さ
せる。探針１０６と試料１０２の間の距離は予め基準値
Ｖref によって設定された一定距離に保持されている。
により探針１０６と試料１０２の距離を約１ｎｍ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
１０５にたわみ変形が生じるようになる。そのたわみ角
を変位検出器１０７で検出する。変位検出器１０７から
出力される検出信号は、加算器１０８に入力される。加
算器１０８では、当該検出信号と基準値Ｖref が比較さ
れ、偏差信号Ｖｄが出力される。この偏差信号Ｖｄは、
制御部１０９に入力される。制御部１０９では一般的に
比例−積分補償（ＰＩ制御）が行われ、その出力信号
（Ｖｚ）はＸＹＺ微動機構１０４のＺアクチュエータに
与えられ、探針１０６と試料１０２の間の距離を変化さ
せる。探針１０６と試料１０２の間の距離は予め基準値
Ｖref によって設定された一定距離に保持されている。
【０００８】上記構成によって探針１０６と試料１０２
の距離を一定に保つ制御が実現される。ＸＹ走査回路１
１０の出力信号（Ｖｘ，Ｖｙ）は、ＸＹＺ微動機構１０
４のＸおよびＹのアクチュエータに与えられる。ＸＹ走
査回路１１０から出力される走査信号（Ｖｘ，Ｖｙ）に
よって、探針１０６は試料１０２の表面をＸＹ方向に平
面走査する。この平面走査の間、上記のごとく探針１０
６と試料１０２の間の距離が一定に保持される。
の距離を一定に保つ制御が実現される。ＸＹ走査回路１
１０の出力信号（Ｖｘ，Ｖｙ）は、ＸＹＺ微動機構１０
４のＸおよびＹのアクチュエータに与えられる。ＸＹ走
査回路１１０から出力される走査信号（Ｖｘ，Ｖｙ）に
よって、探針１０６は試料１０２の表面をＸＹ方向に平
面走査する。この平面走査の間、上記のごとく探針１０
６と試料１０２の間の距離が一定に保持される。
【０００９】Ｚアクチュエータの移動量に相当するデー
タＶｚと、ＸＹ走査回路１１０の出力信号に係るデータ
（Ｖｘ，Ｖｙ）はメモリに格納される。これらのデータ
を利用して必要な処理を行い、表示装置１１１に画像表
示を行う。これにより試料１０２の表面形状を観察する
ことができる。以上のような原理に基づき測定動作を行
う原子間力顕微鏡では、原子オーダの分解能があり、測
定視野を数ｎｍから数１００μｍまで切り換えて観察す
ることを容易に実現できる。
タＶｚと、ＸＹ走査回路１１０の出力信号に係るデータ
（Ｖｘ，Ｖｙ）はメモリに格納される。これらのデータ
を利用して必要な処理を行い、表示装置１１１に画像表
示を行う。これにより試料１０２の表面形状を観察する
ことができる。以上のような原理に基づき測定動作を行
う原子間力顕微鏡では、原子オーダの分解能があり、測
定視野を数ｎｍから数１００μｍまで切り換えて観察す
ることを容易に実現できる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】上記構成の従来装置で
は、その測定範囲がＸＹＺ微動機構１０４による移動可
能範囲によって制約される。ＸＹＺ微動機構１０４は、
原子配列オーダの分解能を確保する上で前述の通り圧電
素子等の固体アクチュエータを用いることが必須となっ
ている。その結果、移動範囲は約１００μｍが限界とな
る。あえて移動範囲を拡大すべくストロークを大きくし
ても、分解能が低下するという不具合が生じる。従っ
て、実用上では、約１０μｍ程度の微小領域で走査範囲
を設定するのが一般的であった。
は、その測定範囲がＸＹＺ微動機構１０４による移動可
能範囲によって制約される。ＸＹＺ微動機構１０４は、
原子配列オーダの分解能を確保する上で前述の通り圧電
素子等の固体アクチュエータを用いることが必須となっ
ている。その結果、移動範囲は約１００μｍが限界とな
る。あえて移動範囲を拡大すべくストロークを大きくし
ても、分解能が低下するという不具合が生じる。従っ
て、実用上では、約１０μｍ程度の微小領域で走査範囲
を設定するのが一般的であった。
【００１１】他方、原子間力顕微鏡等のｎｍ以下の高い
測定分解能を有する顕微鏡であっても、例えばシリコン
ウェハの表面のうねりなどの広い範囲の表面形状を測定
したいという必要性も高くなっている。測定分解能が高
い走査型プローブ顕微鏡で、場合に応じて測定範囲を拡
大できれば、顕微鏡としての利用価値を非常に高めるこ
とができる。
測定分解能を有する顕微鏡であっても、例えばシリコン
ウェハの表面のうねりなどの広い範囲の表面形状を測定
したいという必要性も高くなっている。測定分解能が高
い走査型プローブ顕微鏡で、場合に応じて測定範囲を拡
大できれば、顕微鏡としての利用価値を非常に高めるこ
とができる。
【００１２】さらに上記走査型プローブ顕微鏡はプロー
ブとして探針１０６を利用した構成のみを有するもので
あったが、この走査型プローブ顕微鏡では、例えば超音
波顕微鏡やレーザ顕微鏡等の他の形式のプローブと複合
して使用したい場合も多い。このような複合構成を実現
するにあたって、その他の形式のプローブを利用した顕
微鏡は原子間力顕微鏡等と比較して測定分解能が低いの
で、走査の移動範囲を拡大できる構成を付加することは
必須となる。
ブとして探針１０６を利用した構成のみを有するもので
あったが、この走査型プローブ顕微鏡では、例えば超音
波顕微鏡やレーザ顕微鏡等の他の形式のプローブと複合
して使用したい場合も多い。このような複合構成を実現
するにあたって、その他の形式のプローブを利用した顕
微鏡は原子間力顕微鏡等と比較して測定分解能が低いの
で、走査の移動範囲を拡大できる構成を付加することは
必須となる。
【００１３】本発明の目的は、上記課題に鑑みて、ｎｍ
以下の高い測定分解能を維持しながら、必要に応じて切
り換えて走査範囲を拡大し広い範囲を測定することがで
き、さらに超音波やレーザ等の他の形式のプローブとの
複合を容易に行える走査型プローブ顕微鏡を提供するこ
とにある。
以下の高い測定分解能を維持しながら、必要に応じて切
り換えて走査範囲を拡大し広い範囲を測定することがで
き、さらに超音波やレーザ等の他の形式のプローブとの
複合を容易に行える走査型プローブ顕微鏡を提供するこ
とにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】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。
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。
【００１５】第１の走査型プローブ顕微鏡（請求項１に
対応）は、試料の表面に対して配置される探針と、試料
と探針に対して相対的変位を与えるＸＹＺ微動機構と、
探針の変位を検出する変位検出部を備え、探針で試料の
表面を走査するとき、変位検出部の出力信号に基づき試
料と探針の間に生じる相互作用が一定状態に保持される
ように制御し、この制御に用いる制御信号によって試料
の表面特性を測定する装置であり、さらに、顕微鏡ステ
ージの基準面の上に設けられ、上面に試料を搭載しかつ
底面を静圧案内されて基準面上を移動する移動部と、こ
の移動部に静圧案内を行うための圧力流体を選択的に供
給する高さ位置制御部と、移動部を基準面に沿った方向
に移動させる駆動機構を備える。
対応）は、試料の表面に対して配置される探針と、試料
と探針に対して相対的変位を与えるＸＹＺ微動機構と、
探針の変位を検出する変位検出部を備え、探針で試料の
表面を走査するとき、変位検出部の出力信号に基づき試
料と探針の間に生じる相互作用が一定状態に保持される
ように制御し、この制御に用いる制御信号によって試料
の表面特性を測定する装置であり、さらに、顕微鏡ステ
ージの基準面の上に設けられ、上面に試料を搭載しかつ
底面を静圧案内されて基準面上を移動する移動部と、こ
の移動部に静圧案内を行うための圧力流体を選択的に供
給する高さ位置制御部と、移動部を基準面に沿った方向
に移動させる駆動機構を備える。
【００１６】第２の走査型プローブ顕微鏡（請求項２に
対応）は、上記第１の構成において、上記ＸＹＺ微動機
構が、試料の表面に対する探針の高さ位置を変化させる
高さ方向微動機構（Ｚ微動機構）と、試料と探針の間で
表面に沿った方向の相対的位置を変化させる表面方向微
動機構（ＸＹ微動機構）とからなり、探針で試料の表面
を走査するとき、前述の移動部と高さ位置制御部と駆動
機構からなる移動機構（ＸＹ移動機構）と、表面方向微
動機構のうちいずれか一方が使用され、これにより試料
の表面特性が測定される。
対応）は、上記第１の構成において、上記ＸＹＺ微動機
構が、試料の表面に対する探針の高さ位置を変化させる
高さ方向微動機構（Ｚ微動機構）と、試料と探針の間で
表面に沿った方向の相対的位置を変化させる表面方向微
動機構（ＸＹ微動機構）とからなり、探針で試料の表面
を走査するとき、前述の移動部と高さ位置制御部と駆動
機構からなる移動機構（ＸＹ移動機構）と、表面方向微
動機構のうちいずれか一方が使用され、これにより試料
の表面特性が測定される。
【００１７】第３の走査型プローブ顕微鏡（請求項３に
対応）は、上記第２の構成において、表面方向微動機構
で走査を行うときには、移動機構による静圧案内が停止
して移動部は基準面上に接触配置され、他方、移動機構
で走査を行うときには、移動機構による静圧案内が動作
しかつ表面方向微動機構は停止状態になることを特徴と
する。
対応）は、上記第２の構成において、表面方向微動機構
で走査を行うときには、移動機構による静圧案内が停止
して移動部は基準面上に接触配置され、他方、移動機構
で走査を行うときには、移動機構による静圧案内が動作
しかつ表面方向微動機構は停止状態になることを特徴と
する。
【００１８】第４の走査型プローブ顕微鏡（請求項４に
対応）は、上記第２または第３の構成において、表面方
向微動機構の動作と移動機構の動作の切換えを行う切換
え器を備える。
対応）は、上記第２または第３の構成において、表面方
向微動機構の動作と移動機構の動作の切換えを行う切換
え器を備える。
【００１９】第５の走査型プローブ顕微鏡（請求項５に
対応）は、上記の各構成において、上記移動機構に基づ
く走査による測定は、試料の表面での広い範囲に関する
粗い測定であることを特徴とする。
対応）は、上記の各構成において、上記移動機構に基づ
く走査による測定は、試料の表面での広い範囲に関する
粗い測定であることを特徴とする。
【００２０】第６の走査型プローブ顕微鏡（請求項６に
対応）は、上記の各構成において、移動機構はさらに位
置決め機構としても使用されることを特徴とする。
対応）は、上記の各構成において、移動機構はさらに位
置決め機構としても使用されることを特徴とする。
【００２１】第７の走査型プローブ顕微鏡（請求項７に
対応）は、上記の各構成において、他の形式の測定プロ
ーブを備え、この測定プローブを用いて測定を行うとき
には、移動機構を用いて走査動作を行う。
対応）は、上記の各構成において、他の形式の測定プロ
ーブを備え、この測定プローブを用いて測定を行うとき
には、移動機構を用いて走査動作を行う。
【００２２】第８の走査型プローブ顕微鏡（請求項８に
対応）は、上記の各構成において、他の形式の測定プロ
ーブは好ましくは超音波プローブまたはレーザプローブ
である。
対応）は、上記の各構成において、他の形式の測定プロ
ーブは好ましくは超音波プローブまたはレーザプローブ
である。
【００２３】
【作用】原子間力顕微鏡等の１ｎｍ以下の測定分解能を
有する走査型プローブ顕微鏡では、探針・試料間の距離
に変動があると、測定分解能が低下する。例えば床の振
動や音響等の外乱に対して、装置機構の剛性が弱いと、
大きな影響を受ける。この事態の発生を回避するために
は、装置機構の剛性を可能な限り高くし、上記外乱に対
して探針と試料が同一の相対運動を行うように構成され
る。かかる高い測定分解能を維持しながら、試料と探針
に対して相対的変位を与えるＸＹＺ微動機構とは別に、
上記のごとき移動部と高さ位置制御部と駆動機構からな
る静圧案内式のＸＹ移動機構を併設する。このＸＹ移動
機構は、上記移動部の底面部分から空気または液体等の
高圧の圧力流体を排出させ、移動部と基準面の間に高圧
力膜を形成し、移動部を基準面上に対して浮上させて移
動させる。
有する走査型プローブ顕微鏡では、探針・試料間の距離
に変動があると、測定分解能が低下する。例えば床の振
動や音響等の外乱に対して、装置機構の剛性が弱いと、
大きな影響を受ける。この事態の発生を回避するために
は、装置機構の剛性を可能な限り高くし、上記外乱に対
して探針と試料が同一の相対運動を行うように構成され
る。かかる高い測定分解能を維持しながら、試料と探針
に対して相対的変位を与えるＸＹＺ微動機構とは別に、
上記のごとき移動部と高さ位置制御部と駆動機構からな
る静圧案内式のＸＹ移動機構を併設する。このＸＹ移動
機構は、上記移動部の底面部分から空気または液体等の
高圧の圧力流体を排出させ、移動部と基準面の間に高圧
力膜を形成し、移動部を基準面上に対して浮上させて移
動させる。
【００２４】広い範囲を測定するときには、静圧案内式
のＸＹ移動機構を動作状態とし、ＸＹＺ微動機構では高
さ方向微動機構を能動状態に維持しかつ表面方向微動機
構を停止させ、ＸＹ移動機構を利用して試料を広い範囲
で測定する。静圧案内式のＸＹ移動機構では、試料を搭
載する移動部が顕微鏡ステージの基準面に対して高い圧
力で保持されるので、装置機構の剛性が大幅に低減する
ことはなく、ｎｍオーダでの観察が可能であると共に、
数ｍｍあるいは数百ｍｍの広範囲測定も可能になる。広
範囲測定の後、或る特定箇所をより高い分解能で観察・
測定したい場合には、高分解能測定に切り換える。
のＸＹ移動機構を動作状態とし、ＸＹＺ微動機構では高
さ方向微動機構を能動状態に維持しかつ表面方向微動機
構を停止させ、ＸＹ移動機構を利用して試料を広い範囲
で測定する。静圧案内式のＸＹ移動機構では、試料を搭
載する移動部が顕微鏡ステージの基準面に対して高い圧
力で保持されるので、装置機構の剛性が大幅に低減する
ことはなく、ｎｍオーダでの観察が可能であると共に、
数ｍｍあるいは数百ｍｍの広範囲測定も可能になる。広
範囲測定の後、或る特定箇所をより高い分解能で観察・
測定したい場合には、高分解能測定に切り換える。
【００２５】静圧案内式のＸＹ移動機構によって、観察
したい箇所に移動部を移動させ、位置決めを行い、当該
移動機構の静圧案内を停止状態にすると、移動部は顕微
鏡ステージの基準面に接触して静止状態に保持され、装
置機構の剛性は非常に高くなる。この状態で、従来の走
査型プローブ顕微鏡のＸＹＺ微動機構で測定を行うと、
ｎｍ以下の高い分解能で試料の表面形状等を測定でき
る。
したい箇所に移動部を移動させ、位置決めを行い、当該
移動機構の静圧案内を停止状態にすると、移動部は顕微
鏡ステージの基準面に接触して静止状態に保持され、装
置機構の剛性は非常に高くなる。この状態で、従来の走
査型プローブ顕微鏡のＸＹＺ微動機構で測定を行うと、
ｎｍ以下の高い分解能で試料の表面形状等を測定でき
る。
【００２６】さらに、測定分解能が低い超音波顕微鏡や
レーザ顕微鏡等の異種の顕微鏡と走査型プローブ顕微鏡
を複合する場合には、超音波プローブやレーザプローブ
による試料の走査を上記静圧案内式のＸＹ移動機構で行
い、高分解能の走査型プローブ顕微鏡の走査は従来のＸ
ＹＺ微動機構で行う。これにより、２つの形式の顕微鏡
の複合を容易化する。
レーザ顕微鏡等の異種の顕微鏡と走査型プローブ顕微鏡
を複合する場合には、超音波プローブやレーザプローブ
による試料の走査を上記静圧案内式のＸＹ移動機構で行
い、高分解能の走査型プローブ顕微鏡の走査は従来のＸ
ＹＺ微動機構で行う。これにより、２つの形式の顕微鏡
の複合を容易化する。
【００２７】
【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。
を添付図面に基づいて説明する。
【００２８】図１〜図３を参照して本発明の第１の実施
形態を説明する。本実施形態で便宜上原子間力顕微鏡の
例を説明するが、本発明が適用される走査型プローブ顕
微鏡はこれに限定されない。
形態を説明する。本実施形態で便宜上原子間力顕微鏡の
例を説明するが、本発明が適用される走査型プローブ顕
微鏡はこれに限定されない。
【００２９】１１は、原子間力顕微鏡の装置機構を形成
するフレームである。フレーム１１の下部に顕微鏡ステ
ージ１１ａが形成されている。顕微鏡ステージ１１ａの
上面は基準面となっている。顕微鏡ステージ１１ａの基
準面上には、ＸＹ移動部１２が配置され、かつこのＸＹ
移動部１２をＸＹ方向に移動させるためのＸＹアクチュ
エータ（駆動機構）１３が固定されている。図２に示さ
れるように、ＸＹアクチュエータ１３はＸ方向用アクチ
ュエータ（１３ｘ）とＹ方向用アクチュエータ（１３
ｙ）から構成されており、それぞれのアクチュエータ１
３ｘ，１３ｙとＸＹ移動部１２とは連結部１４ｘ，１４
ｙで連結されている。ＸＹアクチュエータ１３として
は、電磁コイル式モータ（ボイスコイルモータ）、電磁
モータ、圧電モータ、変位拡大機構、その他の各種のも
のが用いられる。
するフレームである。フレーム１１の下部に顕微鏡ステ
ージ１１ａが形成されている。顕微鏡ステージ１１ａの
上面は基準面となっている。顕微鏡ステージ１１ａの基
準面上には、ＸＹ移動部１２が配置され、かつこのＸＹ
移動部１２をＸＹ方向に移動させるためのＸＹアクチュ
エータ（駆動機構）１３が固定されている。図２に示さ
れるように、ＸＹアクチュエータ１３はＸ方向用アクチ
ュエータ（１３ｘ）とＹ方向用アクチュエータ（１３
ｙ）から構成されており、それぞれのアクチュエータ１
３ｘ，１３ｙとＸＹ移動部１２とは連結部１４ｘ，１４
ｙで連結されている。ＸＹアクチュエータ１３として
は、電磁コイル式モータ（ボイスコイルモータ）、電磁
モータ、圧電モータ、変位拡大機構、その他の各種のも
のが用いられる。
【００３０】また上記構成では、ＸＹ移動部１２をＸＹ
方向に移動させる機構としてアクチュエータ１３ｘ，１
３ｙと連結部１４ｘ，１４ｙからなる機構を用いたが、
ＸＹ移動部１２およびその駆動機構の構成は任意であ
る。例えば通常のころがり案内機構とボールネジ等を組
み合わせて駆動機構を構成することもできる。さらに、
例えば、本発明者らが先に特願平９−２９０３２５号に
よって提案した移動ステージ装置を用いることもでき
る。
方向に移動させる機構としてアクチュエータ１３ｘ，１
３ｙと連結部１４ｘ，１４ｙからなる機構を用いたが、
ＸＹ移動部１２およびその駆動機構の構成は任意であ
る。例えば通常のころがり案内機構とボールネジ等を組
み合わせて駆動機構を構成することもできる。さらに、
例えば、本発明者らが先に特願平９−２９０３２５号に
よって提案した移動ステージ装置を用いることもでき
る。
【００３１】ＸＹ移動部１２の内部には高圧の圧力流体
（高圧空気または高圧油等）を流す流路１２ａが形成さ
れている。この流路１２ａの導入口はＸＹ移動部１２の
側壁に形成され、排出口はその底面に形成されている。
流路１２ａの導入口には、高さ位置制御部１５の出力管
が接続されている。高さ位置制御部１５は、ＸＹ移動部
１２の流路１２ａに高圧流体を供給する機能を有する。
高さ位置制御部１５から流路１２ａに供給された圧力流
体は、ＸＹ移動部１２の底面の排出口から吹き出され
る。ＸＹ移動部１２の底面の排出口から圧力流体が吹き
出されると、顕微鏡ステージ１１ａの基準面に対してＸ
Ｙ移動部１２の配置位置（高さ位置）が上昇して高くな
り、ＸＹ移動部１２が浮いた状態となる。すなわちＸＹ
移動部１２の底面から排出される圧力流体によって、Ｘ
Ｙ移動部１２と顕微鏡ステージ１１ａの基準面の間には
静圧軸受けが形成され、ＸＹ移動部１２は静圧案内の下
で当該基準面に沿ってＸＹ方向に移動することが可能に
なる。当該静圧軸受けは、各種の分野で利用され、高圧
の圧力流体でＸＹ移動部１２を支持することにより、装
置機構の剛性を十分に高いものに保持できる。以上のご
とく、ＸＹ移動部１２とＸＹアクチュエータ１３と高さ
位置制御部１５によって静圧案内式のＸＹ移動機構が構
成される。
（高圧空気または高圧油等）を流す流路１２ａが形成さ
れている。この流路１２ａの導入口はＸＹ移動部１２の
側壁に形成され、排出口はその底面に形成されている。
流路１２ａの導入口には、高さ位置制御部１５の出力管
が接続されている。高さ位置制御部１５は、ＸＹ移動部
１２の流路１２ａに高圧流体を供給する機能を有する。
高さ位置制御部１５から流路１２ａに供給された圧力流
体は、ＸＹ移動部１２の底面の排出口から吹き出され
る。ＸＹ移動部１２の底面の排出口から圧力流体が吹き
出されると、顕微鏡ステージ１１ａの基準面に対してＸ
Ｙ移動部１２の配置位置（高さ位置）が上昇して高くな
り、ＸＹ移動部１２が浮いた状態となる。すなわちＸＹ
移動部１２の底面から排出される圧力流体によって、Ｘ
Ｙ移動部１２と顕微鏡ステージ１１ａの基準面の間には
静圧軸受けが形成され、ＸＹ移動部１２は静圧案内の下
で当該基準面に沿ってＸＹ方向に移動することが可能に
なる。当該静圧軸受けは、各種の分野で利用され、高圧
の圧力流体でＸＹ移動部１２を支持することにより、装
置機構の剛性を十分に高いものに保持できる。以上のご
とく、ＸＹ移動部１２とＸＹアクチュエータ１３と高さ
位置制御部１５によって静圧案内式のＸＹ移動機構が構
成される。
【００３２】上記の高さ位置制御部１５に基づく圧力流
体の供給動作は、測定オペレータの操作に基づき、必要
に応じて選択的に実行される。高さ位置制御部１５から
ＸＹ移動部１２の流路１２ａに対して圧力流体が供給さ
れない場合には、底面の排出口から圧力流体が排出され
ないので、ＸＹ移動部１２は顕微鏡ステージ１１ａの基
準面に接触した状態で配置される。この場合、装置機構
の剛性はより高いものになる。試料１６は上記ＸＹ移動
部１２の上面に配置される。
体の供給動作は、測定オペレータの操作に基づき、必要
に応じて選択的に実行される。高さ位置制御部１５から
ＸＹ移動部１２の流路１２ａに対して圧力流体が供給さ
れない場合には、底面の排出口から圧力流体が排出され
ないので、ＸＹ移動部１２は顕微鏡ステージ１１ａの基
準面に接触した状態で配置される。この場合、装置機構
の剛性はより高いものになる。試料１６は上記ＸＹ移動
部１２の上面に配置される。
【００３３】また上記フレーム１１の上部には探針接近
用機構（粗動機構）１７が固定されており、探針接近用
機構１７の下側にＸＹＺ微動機構１８が固定されてい
る。探針接近用機構１７とＸＹＺ微動機構１８の構成は
従来装置の構成と実質的に同じである。ＸＹＺ微動機構
１８には、例えば、圧電素子を利用して構成されたトラ
イポッド型微動機構あるいはチューブ型微動機構、また
は平行平板型微動機構等が使用される。このＸＹＺ微動
機構１８は、探針の走査動作（試料と探針の間で表面に
沿った方向の相対的位置を変化させる動作）に関係する
ＸＹ微動機構（表面方向微動機構）と、試料の表面に対
する探針の高さ位置を変化させるＺ微動機構（高さ方向
微動機構）とから構成されている。さらにＸＹ微動機構
は圧電素子を利用して作られたＸアクチュエータとＹア
クチュエータからなり、Ｚ微動機構は圧電素子を利用し
て作られたＺアクチュエータからなる。
用機構（粗動機構）１７が固定されており、探針接近用
機構１７の下側にＸＹＺ微動機構１８が固定されてい
る。探針接近用機構１７とＸＹＺ微動機構１８の構成は
従来装置の構成と実質的に同じである。ＸＹＺ微動機構
１８には、例えば、圧電素子を利用して構成されたトラ
イポッド型微動機構あるいはチューブ型微動機構、また
は平行平板型微動機構等が使用される。このＸＹＺ微動
機構１８は、探針の走査動作（試料と探針の間で表面に
沿った方向の相対的位置を変化させる動作）に関係する
ＸＹ微動機構（表面方向微動機構）と、試料の表面に対
する探針の高さ位置を変化させるＺ微動機構（高さ方向
微動機構）とから構成されている。さらにＸＹ微動機構
は圧電素子を利用して作られたＸアクチュエータとＹア
クチュエータからなり、Ｚ微動機構は圧電素子を利用し
て作られたＺアクチュエータからなる。
【００３４】試料１６の上方位置にはカンチレバー１９
が配置され、その先端に設けられた探針２０は試料１６
の表面に臨んでいる。試料１６の表面を測定する際、探
針２０は、試料との間で原子間力が生じる程度の距離で
試料１６に対して接近させ、配置される。カンチレバー
１９は、その基端が、ＸＹＺ微動機構１８の下端に固定
されている。カンチレバー１９は、所定の柔軟性を有
し、探針・試料間の距離の変化に伴う原子間力の変化に
応じてたわみ変形を生じるという特性を有している。
が配置され、その先端に設けられた探針２０は試料１６
の表面に臨んでいる。試料１６の表面を測定する際、探
針２０は、試料との間で原子間力が生じる程度の距離で
試料１６に対して接近させ、配置される。カンチレバー
１９は、その基端が、ＸＹＺ微動機構１８の下端に固定
されている。カンチレバー１９は、所定の柔軟性を有
し、探針・試料間の距離の変化に伴う原子間力の変化に
応じてたわみ変形を生じるという特性を有している。
【００３５】上記の探針接近用機構１７は、測定を行う
前に探針２０を試料１６に対して迅速に接近させるとき
に使用され、比較的に大きな距離の移動（粗動）に使用
される。
前に探針２０を試料１６に対して迅速に接近させるとき
に使用され、比較的に大きな距離の移動（粗動）に使用
される。
【００３６】上記カンチレバー１９に対してカンチレバ
ーの変位を検出する変位検出器２１が設けられる。変位
検出器２１には従来の光てこ式検出光学系や干渉法を利
用した検出器が使用される。
ーの変位を検出する変位検出器２１が設けられる。変位
検出器２１には従来の光てこ式検出光学系や干渉法を利
用した検出器が使用される。
【００３７】上記構成において、探針接近用機構１７に
より探針２０と試料１６の距離を約１ｎｍ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１９に
たわみ変形が生じるようになる。そのたわみ角を変位検
出器２１で検出する。変位検出器２１から出力される検
出信号は、加算器２２に入力される。加算器２２では、
当該検出信号と基準値Ｖref が比較され、偏差信号Ｖｄ
が出力される。この偏差信号Ｖｄは、制御部２３に入力
される。制御部２３では一般的に比例−積分補償（ＰＩ
制御）が行われ、その出力信号（Ｖｚ）はＸＹＺ微動機
構１８のＺアクチュエータに与えられ、探針２０と試料
１６の間の距離を変化させる。探針２０と試料１６の間
の距離は予め基準値Ｖref によって設定された一定距離
に保持される。こうして探針２０と試料１６の間の距
離、基準値Ｖref で決まる一定値に保つ制御系が形成さ
れる。
より探針２０と試料１６の距離を約１ｎｍ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１９に
たわみ変形が生じるようになる。そのたわみ角を変位検
出器２１で検出する。変位検出器２１から出力される検
出信号は、加算器２２に入力される。加算器２２では、
当該検出信号と基準値Ｖref が比較され、偏差信号Ｖｄ
が出力される。この偏差信号Ｖｄは、制御部２３に入力
される。制御部２３では一般的に比例−積分補償（ＰＩ
制御）が行われ、その出力信号（Ｖｚ）はＸＹＺ微動機
構１８のＺアクチュエータに与えられ、探針２０と試料
１６の間の距離を変化させる。探針２０と試料１６の間
の距離は予め基準値Ｖref によって設定された一定距離
に保持される。こうして探針２０と試料１６の間の距
離、基準値Ｖref で決まる一定値に保つ制御系が形成さ
れる。
【００３８】試料１６を静止状態に保ちＸＹＺ微動機構
１８を用いて試料１６の表面を走査しながら高い分解能
で測定を行うとき、ＸＹ走査回路２４から出力される走
査信号（Ｖｘ，Ｖｙ）はＸＹＺ微動機構１８のＸおよび
Ｙのアクチュエータに与えられ、この走査信号（Ｖｘ，
Ｖｙ）によって探針２０は試料１６の表面をＸＹ方向に
平面走査する。この平面走査の間、上記制御系によって
探針２０と試料１６の間の距離は一定に保持される。
１８を用いて試料１６の表面を走査しながら高い分解能
で測定を行うとき、ＸＹ走査回路２４から出力される走
査信号（Ｖｘ，Ｖｙ）はＸＹＺ微動機構１８のＸおよび
Ｙのアクチュエータに与えられ、この走査信号（Ｖｘ，
Ｖｙ）によって探針２０は試料１６の表面をＸＹ方向に
平面走査する。この平面走査の間、上記制御系によって
探針２０と試料１６の間の距離は一定に保持される。
【００３９】ＸＹＺ微動機構１８を利用した高分解能の
測定において得られたＺアクチュエータの移動量に相当
するデータＶｚとＸＹ走査回路２４の出力信号に係るデ
ータ（Ｖｘ，Ｖｙ）をメモリに格納し、さらに信号処理
部でこれらのデータを利用して必要な処理を行い、表示
装置２５に画像表示を行う。これにより試料１６の表面
形状を原子間力顕微鏡の本来の高い分解能で観察・測定
することができる。以上のような原理に基づき測定動作
を行う原子間力顕微鏡では、原子オーダのｎｍ以下の高
い分解能で観察できる。
測定において得られたＺアクチュエータの移動量に相当
するデータＶｚとＸＹ走査回路２４の出力信号に係るデ
ータ（Ｖｘ，Ｖｙ）をメモリに格納し、さらに信号処理
部でこれらのデータを利用して必要な処理を行い、表示
装置２５に画像表示を行う。これにより試料１６の表面
形状を原子間力顕微鏡の本来の高い分解能で観察・測定
することができる。以上のような原理に基づき測定動作
を行う原子間力顕微鏡では、原子オーダのｎｍ以下の高
い分解能で観察できる。
【００４０】上記ＸＹ走査回路２４には選択部２４ａが
内蔵される。この選択部２４ａの切換え動作によれば、
上記走査信号（Ｖｘ，Ｖｙ）をＸＹＺ微動機構１８のＸ
Ｙ微動機構に送ること、または他の走査信号（Ｖｘ１，
Ｖｙ１）を上記ＸＹアクチュエータ１３に送ることのい
ずれか一方を選択することが可能となる。ＸＹ走査回路
２４の走査制御に基づく走査動作は、前述した従来通り
のＸＹＺ微動機構１８で行う場合と、付設された静圧案
内式のＸＹ移動機構を利用して行う場合の２通りが用意
され、そのいずれか選択されるように構成される。
内蔵される。この選択部２４ａの切換え動作によれば、
上記走査信号（Ｖｘ，Ｖｙ）をＸＹＺ微動機構１８のＸ
Ｙ微動機構に送ること、または他の走査信号（Ｖｘ１，
Ｖｙ１）を上記ＸＹアクチュエータ１３に送ることのい
ずれか一方を選択することが可能となる。ＸＹ走査回路
２４の走査制御に基づく走査動作は、前述した従来通り
のＸＹＺ微動機構１８で行う場合と、付設された静圧案
内式のＸＹ移動機構を利用して行う場合の２通りが用意
され、そのいずれか選択されるように構成される。
【００４１】図３を参照してＸＹＺ微動機構１８を利用
して走査動作を行う場合と、静圧案内式のＸＹ移動機構
を利用して走査動作を行う場合を説明する。図３で
（ａ）は静圧案内式のＸＹ移動機構を利用して走査動作
を行う場合を示し、（ｂ）はＸＹＺ微動機構１８を利用
して走査動作を行う場合を示している。
して走査動作を行う場合と、静圧案内式のＸＹ移動機構
を利用して走査動作を行う場合を説明する。図３で
（ａ）は静圧案内式のＸＹ移動機構を利用して走査動作
を行う場合を示し、（ｂ）はＸＹＺ微動機構１８を利用
して走査動作を行う場合を示している。
【００４２】図３（ｂ）では、高さ位置制御部１５から
ＸＹ移動部１２の流路１２ａに圧力流体が供給されない
状態にあり、ＸＹ移動部１２は、顕微鏡ステージ１１ａ
の上に接触配置されている。静止状態にある試料１６の
表面の所定箇所に探針２０がセットされ、ＸＹＺ微動機
構１８を動作させ、探針２０を例えばＡ方向に移動させ
る。上記制御系の制御の下でのＸＹＺ微動機構１８に基
づく前述の走査動作によって、１ｎｍ以下の高分解能で
の観察・測定が行われる。以上において、ＸＹ走査回路
２４の選択部２４ａは走査信号Ｖｘ，Ｖｙが出力される
ように切り換えられている。
ＸＹ移動部１２の流路１２ａに圧力流体が供給されない
状態にあり、ＸＹ移動部１２は、顕微鏡ステージ１１ａ
の上に接触配置されている。静止状態にある試料１６の
表面の所定箇所に探針２０がセットされ、ＸＹＺ微動機
構１８を動作させ、探針２０を例えばＡ方向に移動させ
る。上記制御系の制御の下でのＸＹＺ微動機構１８に基
づく前述の走査動作によって、１ｎｍ以下の高分解能で
の観察・測定が行われる。以上において、ＸＹ走査回路
２４の選択部２４ａは走査信号Ｖｘ，Ｖｙが出力される
ように切り換えられている。
【００４３】一方、図３（ａ）では、高さ位置制御部１
５からＸＹ移動部１２の流路１２ａに圧力流体Ｂが供給
された状態にあり、ＸＹ移動部１２は静圧案内で保持さ
れた状態にある。ＸＹ移動部１２はＺ方向に比較的に高
い剛性に維持される。基準面に対して浮いた状態にある
ＸＹ移動部１２はＸアクチュエータ１３ｘとＹアクチュ
エータ１３ｙによってＸＹ方向（例えばＣ方向）に移動
させる。探針２０は試料１６の表面に臨むようにセット
され、カンチレバー１９を支持するＸＹＺ微動機構１８
のうちＺアクチュエータおよび前述の制御系は能動状態
にある。またＸＹ走査回路２４の選択部２４ａは走査信
号Ｖｘ１，Ｖｙ１が出力されるように切り換えられてい
る。探針２０が試料１６の表面をなぞることにより、１
ｎｍ程度の分解能で試料表面の形状等を観察・測定する
ことが可能となる。表示装置２５に画像を表示するとき
にはデータＶｚと走査信号Ｖｘ１，Ｖｙ１が使用され
る。図３（ａ）に示された走査動作による測定では、Ｘ
Ｙアクチュエータ１３として移動量の制約を受けないの
で、原子間力顕微鏡としての測定範囲を数ｍｍ、数百ｍ
ｍまで拡大することができ、試料１６の表面において広
い範囲を観察・測定できる。またＸＹ移動部１２の移動
では静圧案内を利用しているため、移動時の摩擦が発生
せず、滑らかな走査を行うことができる。
５からＸＹ移動部１２の流路１２ａに圧力流体Ｂが供給
された状態にあり、ＸＹ移動部１２は静圧案内で保持さ
れた状態にある。ＸＹ移動部１２はＺ方向に比較的に高
い剛性に維持される。基準面に対して浮いた状態にある
ＸＹ移動部１２はＸアクチュエータ１３ｘとＹアクチュ
エータ１３ｙによってＸＹ方向（例えばＣ方向）に移動
させる。探針２０は試料１６の表面に臨むようにセット
され、カンチレバー１９を支持するＸＹＺ微動機構１８
のうちＺアクチュエータおよび前述の制御系は能動状態
にある。またＸＹ走査回路２４の選択部２４ａは走査信
号Ｖｘ１，Ｖｙ１が出力されるように切り換えられてい
る。探針２０が試料１６の表面をなぞることにより、１
ｎｍ程度の分解能で試料表面の形状等を観察・測定する
ことが可能となる。表示装置２５に画像を表示するとき
にはデータＶｚと走査信号Ｖｘ１，Ｖｙ１が使用され
る。図３（ａ）に示された走査動作による測定では、Ｘ
Ｙアクチュエータ１３として移動量の制約を受けないの
で、原子間力顕微鏡としての測定範囲を数ｍｍ、数百ｍ
ｍまで拡大することができ、試料１６の表面において広
い範囲を観察・測定できる。またＸＹ移動部１２の移動
では静圧案内を利用しているため、移動時の摩擦が発生
せず、滑らかな走査を行うことができる。
【００４４】図３（ａ）に示した走査動作による測定
と、図３（ｂ）に示した走査動作による測定の関係で
は、通常、（ａ）に示すように試料を広域走査して測定
を行い試料の広域の情報を得、或る特徴点が観察できた
段階で、（ｂ）に示すように静圧案内を解除して１ｎｍ
以下の分解能で測定を行う。静圧案内を解除してＸＹ移
動部１２を基準面に当接させるとき、装置機構の剛性は
最大となる。このため１ｎｍ以下という本来の原子間力
顕微鏡の分解能での測定が可能になる。
と、図３（ｂ）に示した走査動作による測定の関係で
は、通常、（ａ）に示すように試料を広域走査して測定
を行い試料の広域の情報を得、或る特徴点が観察できた
段階で、（ｂ）に示すように静圧案内を解除して１ｎｍ
以下の分解能で測定を行う。静圧案内を解除してＸＹ移
動部１２を基準面に当接させるとき、装置機構の剛性は
最大となる。このため１ｎｍ以下という本来の原子間力
顕微鏡の分解能での測定が可能になる。
【００４５】上記実施形態の説明では、広範囲の測定と
高分解能の測定を両立して行うことができる。広域測定
における測定分解能は、理想のものに比較して低下する
ことになるが、実用上１ｎｍ付近の分解能を確保でき、
広域であることを考慮すると、十分に実用性が高いもの
である。またＸＹ移動部１２とＸＹアクチュエータ１３
と高さ位置制御部１５からなるＸＹ移動機構は、その後
の高分解能測定のための位置決め機構としても用いられ
る。
高分解能の測定を両立して行うことができる。広域測定
における測定分解能は、理想のものに比較して低下する
ことになるが、実用上１ｎｍ付近の分解能を確保でき、
広域であることを考慮すると、十分に実用性が高いもの
である。またＸＹ移動部１２とＸＹアクチュエータ１３
と高さ位置制御部１５からなるＸＹ移動機構は、その後
の高分解能測定のための位置決め機構としても用いられ
る。
【００４６】次に図４を参照して本発明の第２の実施形
態について説明する。この第２の実施形態において、第
１実施形態で説明した要素と実質的に同じ要素には同一
の符号を付し、その詳細な説明を省略する。第２実施形
態における特徴的構成を説明する。この原子間力顕微鏡
では他の形式の異種顕微鏡（異種プローブ）３１が併設
されている。異種顕微鏡３１としては超音波顕微鏡（超
音波プローブ）やレーザ顕微鏡等が用いられる。異種顕
微鏡３１の分解能は約１μｍ、サブμｍ程度であり、必
要とされる走査範囲は１００μｍから数ｍｍである。
態について説明する。この第２の実施形態において、第
１実施形態で説明した要素と実質的に同じ要素には同一
の符号を付し、その詳細な説明を省略する。第２実施形
態における特徴的構成を説明する。この原子間力顕微鏡
では他の形式の異種顕微鏡（異種プローブ）３１が併設
されている。異種顕微鏡３１としては超音波顕微鏡（超
音波プローブ）やレーザ顕微鏡等が用いられる。異種顕
微鏡３１の分解能は約１μｍ、サブμｍ程度であり、必
要とされる走査範囲は１００μｍから数ｍｍである。
【００４７】異種顕微鏡３１を利用して試料１６の表面
や内部の情報を得る場合において、試料表面を走査する
ときには、前述した静圧案内式のＸＹ移動機構を利用し
て走査動作を行う。異種顕微鏡３１の分解能からみて、
静圧案内式のＸＹ移動機構によれば十分な機構剛性であ
る。異種顕微鏡３１によって特徴点が観察できたときに
は、その部分を原子間力顕微鏡で観察することになる。
かかる動作は、第１実施形態で説明した動作と同じであ
る。
や内部の情報を得る場合において、試料表面を走査する
ときには、前述した静圧案内式のＸＹ移動機構を利用し
て走査動作を行う。異種顕微鏡３１の分解能からみて、
静圧案内式のＸＹ移動機構によれば十分な機構剛性であ
る。異種顕微鏡３１によって特徴点が観察できたときに
は、その部分を原子間力顕微鏡で観察することになる。
かかる動作は、第１実施形態で説明した動作と同じであ
る。
【００４８】装置構成上、制御部２３と表示装置２５の
間には選択部３２が設けられる。選択部３２は、制御部
２３から出力されるデータＶｚと異種顕微鏡３１から出
力される測定データのうちいずれかを選択し、表示装置
２５に供給する。
間には選択部３２が設けられる。選択部３２は、制御部
２３から出力されるデータＶｚと異種顕微鏡３１から出
力される測定データのうちいずれかを選択し、表示装置
２５に供給する。
【００４９】上記第２実施形態によれば、原子間力顕微
鏡等の走査型プローブ顕微鏡と異種顕微鏡を複合し、当
該異種顕微鏡によって別の観点から試料を観察すること
ができ、利用価値を高めた走査型プローブ顕微鏡を実現
することができる。
鏡等の走査型プローブ顕微鏡と異種顕微鏡を複合し、当
該異種顕微鏡によって別の観点から試料を観察すること
ができ、利用価値を高めた走査型プローブ顕微鏡を実現
することができる。
【００５０】次に図５を参照して、前述した静圧案内式
のＸＹ移動機構の例について説明する。図５で、（ａ）
は平面図であり、（ｂ）〜（ｄ）は動作状態を示す側面
図である。このＸＹ移動機構は、ＸＹ移動部１２と、顕
微鏡ステージ１１ａの基準面に固定されたＬ字型の支持
部４１と、ＸＹ移動部１２と支持部４１の間に位置する
Ｘアクチュエータ４２ｘおよびＹアクチュエータ４２ｙ
と、これらを連結する連結部４３ｘおよび連結部４３ｙ
とから構成されている。
のＸＹ移動機構の例について説明する。図５で、（ａ）
は平面図であり、（ｂ）〜（ｄ）は動作状態を示す側面
図である。このＸＹ移動機構は、ＸＹ移動部１２と、顕
微鏡ステージ１１ａの基準面に固定されたＬ字型の支持
部４１と、ＸＹ移動部１２と支持部４１の間に位置する
Ｘアクチュエータ４２ｘおよびＹアクチュエータ４２ｙ
と、これらを連結する連結部４３ｘおよび連結部４３ｙ
とから構成されている。
【００５１】本実施形態の連結部４３ｘ，４３ｙは丸棒
状部材で形成され、その軸方向以外には自由に移動でき
るように各部に連結されている。連結部４３ｘ，４３ｙ
にはその他にヒンジ等の構造を採用することもできる。
状部材で形成され、その軸方向以外には自由に移動でき
るように各部に連結されている。連結部４３ｘ，４３ｙ
にはその他にヒンジ等の構造を採用することもできる。
【００５２】図５（ｂ）に示すように、高さ位置制御部
１５を圧力流体供給の動作状態にすると、ＸＹ移動体１
２は顕微鏡ステージ１１ａの基準面から浮上する。この
状態で（ｃ）に示すようにＸアクチュエータ４２ｘを伸
縮させると、ＸＹ移動部１２を静圧案内の状態でＸ方向
に移動させることができる。また図５（ｄ）に示すよう
に高さ位置制御部１５による静圧案内を解除すると、Ｘ
Ｙ移動部１２はその底面が基準面に接触し、静止状態で
基準面上に配置される。
１５を圧力流体供給の動作状態にすると、ＸＹ移動体１
２は顕微鏡ステージ１１ａの基準面から浮上する。この
状態で（ｃ）に示すようにＸアクチュエータ４２ｘを伸
縮させると、ＸＹ移動部１２を静圧案内の状態でＸ方向
に移動させることができる。また図５（ｄ）に示すよう
に高さ位置制御部１５による静圧案内を解除すると、Ｘ
Ｙ移動部１２はその底面が基準面に接触し、静止状態で
基準面上に配置される。
【００５３】図５に示したＸＹ移動機構においても、前
述のごとく、ＸＹ移動部１２のＸＹ方向の移動を案内す
る機構として、通常のころがり案内機構とボールネジを
組み合わせて構成された機構を用いることができるのは
勿論であり、さらに、Ｚ方向の案内についても板バネ機
構やころがり案内機構を利用することができる。前述の
特願平９−２９０３２５号によって提案された移動ステ
ージ装置を用いることができるのは勿論である。
述のごとく、ＸＹ移動部１２のＸＹ方向の移動を案内す
る機構として、通常のころがり案内機構とボールネジを
組み合わせて構成された機構を用いることができるのは
勿論であり、さらに、Ｚ方向の案内についても板バネ機
構やころがり案内機構を利用することができる。前述の
特願平９−２９０３２５号によって提案された移動ステ
ージ装置を用いることができるのは勿論である。
【００５４】前述の各実施形態において、探針接近機構
１７をＸＹＺ微動機構１８側に設けたが、これはＸＹ移
動部１２内に設けることもできる。その場合にくさび機
構を利用した昇降機構にすると、極めて高い剛性を実現
できる。さらに異種顕微鏡と複合した構成を示したが、
単独構成として交換して使用し、一種の顕微鏡として構
成することもできる。
１７をＸＹＺ微動機構１８側に設けたが、これはＸＹ移
動部１２内に設けることもできる。その場合にくさび機
構を利用した昇降機構にすると、極めて高い剛性を実現
できる。さらに異種顕微鏡と複合した構成を示したが、
単独構成として交換して使用し、一種の顕微鏡として構
成することもできる。
【００５５】
【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、原子間力顕微鏡等の走査型プローブ顕微鏡におい
て、静圧案内式の移動機構を併設するようにし、この移
動機構で走査動作を行いながら測定を行えるように構成
したため、従来の走査型プローブ顕微鏡として１ｎｍ以
下の高い測定分解能を維持できる一方、必要に応じて切
換え、静圧案内式の移動機構を利用して走査範囲を拡大
し広い範囲を測定することができる。静圧案内式の移動
機構を利用した広域測定と、本来の高分解能測定を組み
合わせることとにより、比較的広い試料情報と、特徴点
のある極めて狭い範囲の詳細な試料情報を得ることがで
きる。さらに、上記静圧案内式の移動機構を利用して走
査動作を行わせることにより、超音波やレーザ等の他の
形式のプローブと走査型プローブ顕微鏡との複合を容易
に行うことができる。
れば、原子間力顕微鏡等の走査型プローブ顕微鏡におい
て、静圧案内式の移動機構を併設するようにし、この移
動機構で走査動作を行いながら測定を行えるように構成
したため、従来の走査型プローブ顕微鏡として１ｎｍ以
下の高い測定分解能を維持できる一方、必要に応じて切
換え、静圧案内式の移動機構を利用して走査範囲を拡大
し広い範囲を測定することができる。静圧案内式の移動
機構を利用した広域測定と、本来の高分解能測定を組み
合わせることとにより、比較的広い試料情報と、特徴点
のある極めて狭い範囲の詳細な試料情報を得ることがで
きる。さらに、上記静圧案内式の移動機構を利用して走
査動作を行わせることにより、超音波やレーザ等の他の
形式のプローブと走査型プローブ顕微鏡との複合を容易
に行うことができる。
【図１】本発明の第１の実施形態を示す構成図である。
【図２】第１実施形態における要部構成を示す平面図で
ある。
ある。
【図３】第１実施形態における２形式の走査動作を説明
するための図である。
するための図である。
【図４】本発明の第２の実施形態を示す構成図である。
【図５】静圧案内式の移動機構の構成例と動作例を説明
する図である。
する図である。
【図６】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。
図である。
１１ フレーム １１ａ 顕微鏡ステージ １２ ＸＹ移動部 １２ａ 流路 １３ ＸＹアクチュエータ １５ 高さ位置制御部 １６ 試料 １７ 探針接近用機構 １８ ＸＹＺ微動機構 １９ カンチレバー ２０ 探針 ３１ 異種顕微鏡
───────────────────────────────────────────────────── 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 小野里 陽正 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 西垣 剛 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
Claims (8)
- 【請求項１】 試料の表面に対して配置される探針と、
前記試料と前記探針に相対的変位を与える微動機構と、
前記探針の変位を検出する変位検出手段を備え、前記探
針で前記試料の表面を走査するとき、前記変位検出手段
の出力信号に基づき前記試料と前記探針の間に生じる相
互作用が一定状態に保持されるように制御し、この制御
に用いる制御信号によって前記試料の表面特性を測定す
る走査型プローブ顕微鏡において、 顕微鏡ステージの基準面の上に設けられ、上面に前記試
料を搭載しかつ底面を静圧案内されて前記基準面上を移
動する移動部と、この移動部に前記静圧案内を行うため
の圧力流体を選択的に供給する高さ位置制御部と、前記
移動部を前記基準面に沿った方向に移動させる駆動機構
を備えることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。 - 【請求項２】 前記微動機構は、前記試料の表面に対す
る前記探針の高さ位置を変化させる高さ方向微動機構
と、前記試料と前記探針の間で前記表面に沿った方向の
相対的位置を変化させる表面方向微動機構とからなり、
前記探針で前記試料の表面を走査するとき、前記移動部
と前記高さ位置制御部と前記駆動機構からなる移動機構
と、前記表面方向微動機構のうちいずれか一方が使用さ
れ、これにより前記試料の表面特性が測定されることを
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】 前記表面方向微動機構で走査を行うとき
には、前記移動機構による静圧案内が停止して前記移動
部は前記基準面上に接触配置され、前記移動機構で走査
を行うときには、前記移動機構による静圧案内が動作し
かつ前記表面方向微動機構は停止状態になることを特徴
とする請求項２記載の走査型プローブ顕微鏡。 - 【請求項４】 前記表面方向微動機構の動作と前記移動
機構の動作の切換えを行う切換え器を備えることを特徴
とする請求項２または３記載の走査型プローブ顕微鏡。 - 【請求項５】 前記移動機構に基づく走査による測定
は、前記試料の表面での広い範囲に関する粗い測定であ
ることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載
の走査型プローブ顕微鏡。 - 【請求項６】 前記移動機構は位置決め機構として使用
されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に
記載の走査型プローブ顕微鏡。 - 【請求項７】 他の形式の測定プローブを備え、この測
定プローブを用いて測定を行うときには、前記移動機構
を用いて走査動作を行うことを特徴とする請求項１〜４
のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡。 - 【請求項８】 前記他の形式の測定プローブは超音波プ
ローブまたはレーザプローブであることを特徴とする請
求項７記載の走査型プローブ顕微鏡。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10029285A JPH11211732A (ja) | 1998-01-27 | 1998-01-27 | 走査型プローブ顕微鏡 |
| EP98203379A EP0935137A1 (en) | 1998-01-27 | 1998-10-06 | Scanning probe microscope |
| US09/166,790 US6278113B1 (en) | 1998-01-27 | 1998-10-06 | Scanning probe microscope |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10029285A JPH11211732A (ja) | 1998-01-27 | 1998-01-27 | 走査型プローブ顕微鏡 |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2007044337A Division JP2007147652A (ja) | 2007-02-23 | 2007-02-23 | 走査型プローブ顕微鏡 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11211732A true JPH11211732A (ja) | 1999-08-06 |
Family
ID=12271990
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10029285A Pending JPH11211732A (ja) | 1998-01-27 | 1998-01-27 | 走査型プローブ顕微鏡 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6278113B1 (ja) |
| EP (1) | EP0935137A1 (ja) |
| JP (1) | JPH11211732A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20020072249A (ko) * | 2001-03-09 | 2002-09-14 | 클로케 나노테크닉 | 위치화 유닛 및 적어도 두 위치화 유닛을 구비한 위치화장치 |
| JP2008536180A (ja) * | 2005-04-08 | 2008-09-04 | アプライド プレシジョン エルエルシー | 曲げ軸を有する顕微鏡のステージ |
| JP2009528516A (ja) * | 2006-02-23 | 2009-08-06 | アサイラム リサーチ コーポレーション | 高速走査型プローブ顕微鏡要素の動的減衰 |
| CN104931732A (zh) * | 2015-06-17 | 2015-09-23 | 扬州大学 | 一种微纳金属纤维表面形貌的测量装置及其使用方法和该装置中驱动器运动距离的测量方法 |
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| US6479817B1 (en) * | 2000-03-28 | 2002-11-12 | Advanced Micro Devices, Inc. | Cantilever assembly and scanning tip therefor with associated optical sensor |
| US6452161B1 (en) | 2000-03-28 | 2002-09-17 | Advanced Micro Devices, Inc. | Scanning probe microscope having optical fiber spaced from point of hp |
| US6848328B2 (en) | 2001-03-09 | 2005-02-01 | Klocke Nanotechnik | Positioning unit and positioning apparatus with at least two positioning units |
| US7409714B2 (en) * | 2001-06-13 | 2008-08-05 | Mcafee, Inc. | Virtual intrusion detection system and method of using same |
| JP4782953B2 (ja) * | 2001-08-06 | 2011-09-28 | 東京エレクトロン株式会社 | プローブカード特性測定装置、プローブ装置及びプローブ方法 |
| US7472576B1 (en) | 2004-11-17 | 2009-01-06 | State Of Oregon Acting By And Through The State Board Of Higher Education On Behalf Of Portland State University | Nanometrology device standards for scanning probe microscopes and processes for their fabrication and use |
| JP2009510408A (ja) * | 2005-09-29 | 2009-03-12 | イェーペーカー インストゥルメンツ アクチエンゲゼルシャフト | 検査システムにおける、可動部の位置固定のための方法、及び装置 |
| US7845215B2 (en) * | 2007-05-31 | 2010-12-07 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Resonant difference-frequency atomic force ultrasonic microscope |
| US7397754B1 (en) * | 2008-01-22 | 2008-07-08 | International Business Machines Corporation | Micro-electromechanical system based data storage system |
| US8063383B2 (en) | 2008-11-04 | 2011-11-22 | Sergiy Pryadkin | Inertial positioner and an optical instrument for precise positioning |
| BRPI0917740A2 (pt) * | 2008-12-15 | 2016-02-16 | Koninkl Philips Electronics Nv | microscópio de varredura |
| DE112013003048B4 (de) * | 2012-06-26 | 2019-05-09 | Hitachi High-Technologies Corp. | Tischvorrichtung und Probenbetrachtungsvorrichtung |
| JP2016017862A (ja) * | 2014-07-09 | 2016-02-01 | 株式会社日立ハイテクサイエンス | ３次元微動装置 |
| US9581617B2 (en) * | 2015-02-11 | 2017-02-28 | Korea Advanced Institute Of Science And Technology | Apparatus for scanning nano structure with plural AFM probes and method thereof |
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|---|---|---|---|---|
| JPS59129633A (ja) * | 1983-01-08 | 1984-07-26 | Canon Inc | ステージ装置 |
| US4749867A (en) * | 1985-04-30 | 1988-06-07 | Canon Kabushiki Kaisha | Exposure apparatus |
| US5153494A (en) | 1990-04-06 | 1992-10-06 | International Business Machines Corp. | Ultrafast electro-dynamic x, y and theta positioning stage |
| US5672816A (en) * | 1992-03-13 | 1997-09-30 | Park Scientific Instruments | Large stage system for scanning probe microscopes and other instruments |
| WO1993025928A1 (en) | 1992-06-12 | 1993-12-23 | Park Scientific Instruments Corporation | Large stage system for scanning probe microscopes and other instruments |
| JP3137796B2 (ja) | 1993-03-26 | 2001-02-26 | 日立建機株式会社 | 走査型プローブ顕微鏡装置およびこれを用いた測定方法 |
| JP3409298B2 (ja) | 1997-10-07 | 2003-05-26 | 日立建機株式会社 | 移動ステージ装置とこの移動ステージ装置を備えた走査型プローブ顕微鏡 |
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-
1998
- 1998-01-27 JP JP10029285A patent/JPH11211732A/ja active Pending
- 1998-10-06 EP EP98203379A patent/EP0935137A1/en not_active Withdrawn
- 1998-10-06 US US09/166,790 patent/US6278113B1/en not_active Expired - Fee Related
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP0935137A1 (en) | 1999-08-11 |
| US6278113B1 (en) | 2001-08-21 |
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