JP3364531B2 - 光てこ方式の走査型プローブ顕微鏡及び原子間力顕微鏡 - Google Patents
光てこ方式の走査型プローブ顕微鏡及び原子間力顕微鏡Info
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- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は走査型プローブ顕微鏡及
び原子間力顕微鏡に係り、特にカンチレバーの微動制御
を含む光てこ方式の顕微鏡に関する。
び原子間力顕微鏡に係り、特にカンチレバーの微動制御
を含む光てこ方式の顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年物質表面の計測技術と微細加工技術
の発展に伴なって、量子サイズの表面粗さ計である走査
型プローブ顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｐｒｏｂｅ Ｍ
ｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、ＳＰＭ）が開発されるに至った。
ＳＰＭは探針（プローブ）先端と近接した試料との間に
作用する微少な力を利用して、この力を一定値に保つよ
うにプローブ位置を制御しつつ試料表面を走査すること
によって拡大されたプローブ軌跡を像として観察する機
能を持つ。プローブに作用する量子効果としては、トン
ネル電流、中性原子間引力・斥力及び磁力などが利用さ
れている。その結果、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴ
Ｍ）、原子間力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍ
ｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、ＡＦＭ）及び磁気力顕微鏡（ＭＦ
Ｍ）が実用化された。
の発展に伴なって、量子サイズの表面粗さ計である走査
型プローブ顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｐｒｏｂｅ Ｍ
ｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、ＳＰＭ）が開発されるに至った。
ＳＰＭは探針（プローブ）先端と近接した試料との間に
作用する微少な力を利用して、この力を一定値に保つよ
うにプローブ位置を制御しつつ試料表面を走査すること
によって拡大されたプローブ軌跡を像として観察する機
能を持つ。プローブに作用する量子効果としては、トン
ネル電流、中性原子間引力・斥力及び磁力などが利用さ
れている。その結果、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴ
Ｍ）、原子間力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍ
ｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、ＡＦＭ）及び磁気力顕微鏡（ＭＦ
Ｍ）が実用化された。
【０００３】特に、ＡＦＭはＳＴＭで必要な試料の導電
性やＭＦＭで必要な磁性体試料は不要であり、絶縁物や
有機分子（例えば液晶やプラスチックなど）の表面状態
をｎｍスケールで観察できるため広範な応用が期待され
ている。
性やＭＦＭで必要な磁性体試料は不要であり、絶縁物や
有機分子（例えば液晶やプラスチックなど）の表面状態
をｎｍスケールで観察できるため広範な応用が期待され
ている。
【０００４】図２には光てこ方式の走査型プローブ顕微
鏡の１つであるＡＦＭの構成図を示す。このＡＦＭ顕微
鏡１は、ｘｙｚスキャナ（微動機構）２（これはｚスキ
ャナとｘｙスキャナとより成る）、カンチレバー３、カ
ンチレバー３の先端に取り付けた探針４、光／電気変換
を行うカンチレバー検出器５、試料６を搭載する試料テ
ーブル７、試料テーブル７を搭載してＸＹ方向に駆動す
るＸＹステージ１０、光学顕微鏡９、Ｚ方向粗動ステー
ジ（粗動機構）８、カンチレバー検出器５の変位電気信
号を増幅するカンチレバー変位検出部１１、力設定部１
２、計算機１３、モニタ１４、Ｚ方向粗動ステージ制御
回路１５、ｘｙｚスキャナ制御回路１６、ＸＹステージ
制御回路１７、ステージ変位検出部１８より成る。
鏡の１つであるＡＦＭの構成図を示す。このＡＦＭ顕微
鏡１は、ｘｙｚスキャナ（微動機構）２（これはｚスキ
ャナとｘｙスキャナとより成る）、カンチレバー３、カ
ンチレバー３の先端に取り付けた探針４、光／電気変換
を行うカンチレバー検出器５、試料６を搭載する試料テ
ーブル７、試料テーブル７を搭載してＸＹ方向に駆動す
るＸＹステージ１０、光学顕微鏡９、Ｚ方向粗動ステー
ジ（粗動機構）８、カンチレバー検出器５の変位電気信
号を増幅するカンチレバー変位検出部１１、力設定部１
２、計算機１３、モニタ１４、Ｚ方向粗動ステージ制御
回路１５、ｘｙｚスキャナ制御回路１６、ＸＹステージ
制御回路１７、ステージ変位検出部１８より成る。
【０００５】カンチレバー検出器５は、レーザ光学系に
よるカンチレバー変位検出器であり、レーザ光５Ａをカ
ンチレバー３に当て、その反射光を受光してカンチレバ
ーのＺ方向変位を検出する。このカンチレバー検出器５
の検出方式が光てこ方式である。光てこ方式以外には、
トンネル検出式や光波干渉式がある。
よるカンチレバー変位検出器であり、レーザ光５Ａをカ
ンチレバー３に当て、その反射光を受光してカンチレバ
ーのＺ方向変位を検出する。このカンチレバー検出器５
の検出方式が光てこ方式である。光てこ方式以外には、
トンネル検出式や光波干渉式がある。
【０００６】かかる顕微鏡では、ＸＹステージ１０上に
試料６を載せ、光学顕微鏡９で試料上の観察位置を捜
し、その位置にＡＦＭの探針４を合わせ、カンチレバー
３の受ける力を一定に制御しながらＸＹ方向にスキャニ
ングし、像観察する。力一定の制御は、フォースカーブ
に従って動作指令を行う力設定部１２によって行う。ま
たＸＹ方向のスキャニングに関しては、例えば、１００
倍の光学顕微鏡では、８８×６６μｍの範囲を、水平方
向に０．２５μｍ、垂直方向に０．５μｍ程度の精度
で、またＡＦＭ顕微鏡では、約１０×１０μｍの範囲
を、水平方向０．１ｎｍ、垂直方向０．０１ｎｍの分解
能で測定できる。
試料６を載せ、光学顕微鏡９で試料上の観察位置を捜
し、その位置にＡＦＭの探針４を合わせ、カンチレバー
３の受ける力を一定に制御しながらＸＹ方向にスキャニ
ングし、像観察する。力一定の制御は、フォースカーブ
に従って動作指令を行う力設定部１２によって行う。ま
たＸＹ方向のスキャニングに関しては、例えば、１００
倍の光学顕微鏡では、８８×６６μｍの範囲を、水平方
向に０．２５μｍ、垂直方向に０．５μｍ程度の精度
で、またＡＦＭ顕微鏡では、約１０×１０μｍの範囲
を、水平方向０．１ｎｍ、垂直方向０．０１ｎｍの分解
能で測定できる。
【０００７】図３に、フォースカーブを示す。このカー
ブは、原子間力とカンチレバー検出値との関係を求める
ために必要である。矢印は行きと帰りとで特性が異な
る、いわゆるヒステリシス特性を示す。この従来例では
原子間力そのものを直接求めるのではなく、カンチレバ
ー３に働く原子間力（引力または斥力）を、カンチレバ
ー３の変位（Ｚ変位のこと）によって間接的に求めてい
るためフォースカーブが必要なのである。更に探針の材
質、形状や重さ、探針の周囲の環境によってフォースカ
ーブは変化する。そこで実際の測定開始前に、その測定
のためにフォースカーブを求めることになっている。
ブは、原子間力とカンチレバー検出値との関係を求める
ために必要である。矢印は行きと帰りとで特性が異な
る、いわゆるヒステリシス特性を示す。この従来例では
原子間力そのものを直接求めるのではなく、カンチレバ
ー３に働く原子間力（引力または斥力）を、カンチレバ
ー３の変位（Ｚ変位のこと）によって間接的に求めてい
るためフォースカーブが必要なのである。更に探針の材
質、形状や重さ、探針の周囲の環境によってフォースカ
ーブは変化する。そこで実際の測定開始前に、その測定
のためにフォースカーブを求めることになっている。
【０００８】図３のフォースカーブは、探針４を被測定
試料表面から十分離れた位置より矢印に沿って被測定試
料６に近接させていき、試料表面に接触後逆に次第に試
料６から引き離していった時の探針４と試料６との距離
（Ｚ）と力（Ｆ）との曲線例である。接近させていく場
合、Ａ点で探針４に原子間力（引力）が作用しはじめ、
引力が極大値を示す。探針４をＺ方向に移動させるに従
って、探針４に斥力が加わってくるため、原子間力Ｆ
（引力と斥力の和）は直線的に減少し、引力と斥力が釣
りあった後斥力領域に至る。で示す試料表面から逆に
探針４を離していく場合には、径路がずれてヒステリシ
スができる。Ｂ点で引力が最大となった後、原子間力の
働きがない距離に至る。具体的な数値例としては、Ａ点
での引力が約１０-10Ｎ、被測定試料２４表面近傍の
では斥力が１０-6〜１０-7Ｎ、、は斥力１０-8Ｎ、
１０-9Ｎの位置である。
試料表面から十分離れた位置より矢印に沿って被測定試
料６に近接させていき、試料表面に接触後逆に次第に試
料６から引き離していった時の探針４と試料６との距離
（Ｚ）と力（Ｆ）との曲線例である。接近させていく場
合、Ａ点で探針４に原子間力（引力）が作用しはじめ、
引力が極大値を示す。探針４をＺ方向に移動させるに従
って、探針４に斥力が加わってくるため、原子間力Ｆ
（引力と斥力の和）は直線的に減少し、引力と斥力が釣
りあった後斥力領域に至る。で示す試料表面から逆に
探針４を離していく場合には、径路がずれてヒステリシ
スができる。Ｂ点で引力が最大となった後、原子間力の
働きがない距離に至る。具体的な数値例としては、Ａ点
での引力が約１０-10Ｎ、被測定試料２４表面近傍の
では斥力が１０-6〜１０-7Ｎ、、は斥力１０-8Ｎ、
１０-9Ｎの位置である。
【０００９】このようなフォースカーブを、従来はカン
チレバー検出器等を利用して求め、これを力設定部１２
にラッチしておき、力設定部１２では力設定値になるよ
うに、このフォースカーブを利用してカンチレバー３の
距離Ｚの制御を行う。この力設定値となるようにカンチ
レバー３の位置制御を行いながら、実際の計測を行う。
チレバー検出器等を利用して求め、これを力設定部１２
にラッチしておき、力設定部１２では力設定値になるよ
うに、このフォースカーブを利用してカンチレバー３の
距離Ｚの制御を行う。この力設定値となるようにカンチ
レバー３の位置制御を行いながら、実際の計測を行う。
【００１０】ここで、フォースカーブの事前計測法の一
例を以下に示す。Ｚ軸粗動ステージ８で、カンチレバー
３の探針４を試料に接近させる。移動距離は数十ｍｍか
ら、数μｍで、駆動方法としては、インチワーム方式等
が使われる。ｘｙｚスキャナ２のｚスキャナのストロー
ク範囲（数μｍ）に入ると、ｘｙｚスキャナ２のｚスキ
ャナで更に接近させる。ｘｙｚスキャナ２の微動駆動
は、トライポット、チューブスキャナ等の圧電素子で行
う。数１０ｎｍに接近すると、例えば試料６に水滴が付
着していると、水滴の引力によってカンチレバー３が一
瞬に引き付けられる。更に接近させると、探針４が試料
に当り、斥力が働き、カンチレバー３が逆方向に変形す
る。探針４が試料６に当たった状態は、スタート時のた
わみと同一になったことで分かる。また、カンチレバー
３のたわみは、試料６に探針４が当たった状態から、ｘ
ｙｚスキャナ２のｚスキャナが移動した距離ｄで分か
る。もともとカンチレバー３の剛性Ｋは、計算式で求ま
るので、カンチレバー３の受ける力ＦはＫｄで求まる。
例えば、Ａ点で１０-10Ｎ、点で１０-6〜-7Ｎとな
る。このフォースカーブを求めるとき、カンチレバー３
に、レーザ光５Ａを当て、その出力を、カンチレバー検
出器５で測定するため、カンチレバーの出力値と、カン
チレバーが受ける力（原子間力）との関係が求まる。な
お、カンチレバー検出器５は、反射レーザ光の反射位置
の変位でカンチレバーが受ける力を測定する。この時、
この変位相当を示す電気信号を得、これを検出部１１に
送り増幅させ、力設定部１２にフォースカーブとしてラ
ッチさせる。
例を以下に示す。Ｚ軸粗動ステージ８で、カンチレバー
３の探針４を試料に接近させる。移動距離は数十ｍｍか
ら、数μｍで、駆動方法としては、インチワーム方式等
が使われる。ｘｙｚスキャナ２のｚスキャナのストロー
ク範囲（数μｍ）に入ると、ｘｙｚスキャナ２のｚスキ
ャナで更に接近させる。ｘｙｚスキャナ２の微動駆動
は、トライポット、チューブスキャナ等の圧電素子で行
う。数１０ｎｍに接近すると、例えば試料６に水滴が付
着していると、水滴の引力によってカンチレバー３が一
瞬に引き付けられる。更に接近させると、探針４が試料
に当り、斥力が働き、カンチレバー３が逆方向に変形す
る。探針４が試料６に当たった状態は、スタート時のた
わみと同一になったことで分かる。また、カンチレバー
３のたわみは、試料６に探針４が当たった状態から、ｘ
ｙｚスキャナ２のｚスキャナが移動した距離ｄで分か
る。もともとカンチレバー３の剛性Ｋは、計算式で求ま
るので、カンチレバー３の受ける力ＦはＫｄで求まる。
例えば、Ａ点で１０-10Ｎ、点で１０-6〜-7Ｎとな
る。このフォースカーブを求めるとき、カンチレバー３
に、レーザ光５Ａを当て、その出力を、カンチレバー検
出器５で測定するため、カンチレバーの出力値と、カン
チレバーが受ける力（原子間力）との関係が求まる。な
お、カンチレバー検出器５は、反射レーザ光の反射位置
の変位でカンチレバーが受ける力を測定する。この時、
この変位相当を示す電気信号を得、これを検出部１１に
送り増幅させ、力設定部１２にフォースカーブとしてラ
ッチさせる。
【００１１】フォースカーブが求まった後で、ＡＦＭと
して使用する力を設定する。カンチレバー３に加わる力
を一定にしながら実際の計測を行うが、この一定に加え
る力をいかなる値にするかを設定するのである。この力
設定値は、カンチレバー検出器５の出力と同じ電圧値と
しておくと便利である。
して使用する力を設定する。カンチレバー３に加わる力
を一定にしながら実際の計測を行うが、この一定に加え
る力をいかなる値にするかを設定するのである。この力
設定値は、カンチレバー検出器５の出力と同じ電圧値と
しておくと便利である。
【００１２】かくして実際の計測動作に入るが、先ず設
定値になるようにＺ粗動ステージ８、ｘｙｚスキャナ２
のｚスキャナを移動させる。カンチレバー３の出力値が
力設定値に対応するようになると、ｘｙスキャナを移動
させ平面内の像観察を行う。この時、常にｚスキャナで
力設定値が一定になるようにサーボ制御が加えられてい
る。このサーボ系を構成しているのが、記号５、１１、
１２、１５、１６、８、２で示す装置類である。
定値になるようにＺ粗動ステージ８、ｘｙｚスキャナ２
のｚスキャナを移動させる。カンチレバー３の出力値が
力設定値に対応するようになると、ｘｙスキャナを移動
させ平面内の像観察を行う。この時、常にｚスキャナで
力設定値が一定になるようにサーボ制御が加えられてい
る。このサーボ系を構成しているのが、記号５、１１、
１２、１５、１６、８、２で示す装置類である。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】前記したように原子間
力顕微鏡（ＡＦＭ）では、被測定試料を代える度に（或
は同一試料でも組成、形状を異にする度に、或は場所を
代える度に）、フォースカーブをとり直さなければなら
ない。この場合、図３で示したように、従来は力設定値
となる原子間力ＦがのＦ0にあっても、被測定試料の
表面近傍までのフォースカーブをとっていた。即ち、
１０-9Ｎ程度（の位置）の原子間力を利用するのに、
１０-6〜１０-7Ｎ（の位置）までの力履歴をカンチレ
バーに与えていた。
力顕微鏡（ＡＦＭ）では、被測定試料を代える度に（或
は同一試料でも組成、形状を異にする度に、或は場所を
代える度に）、フォースカーブをとり直さなければなら
ない。この場合、図３で示したように、従来は力設定値
となる原子間力ＦがのＦ0にあっても、被測定試料の
表面近傍までのフォースカーブをとっていた。即ち、
１０-9Ｎ程度（の位置）の原子間力を利用するのに、
１０-6〜１０-7Ｎ（の位置）までの力履歴をカンチレ
バーに与えていた。
【００１４】カンチレバーは、微細な金属箔や酸化シリ
コンなどの薄膜で形成され柔らかいバネであるため、機
械的に非常に脆弱である。それ故前記したように、実際
試料計測に使用しない大きな応力を印加してこの応力に
相当する深い曲げを与えることは、カンチレバーの材料
疲労を惹起する原因になる。更に図３のようなフォース
カーブを求めるために、探針をで示すように一旦試料
表面に接触させると鋭敏な先端を有する探針や試料表面
にキズをつける恐れがある。このような場合は、正確な
試料の表面像が得られなくなる。
コンなどの薄膜で形成され柔らかいバネであるため、機
械的に非常に脆弱である。それ故前記したように、実際
試料計測に使用しない大きな応力を印加してこの応力に
相当する深い曲げを与えることは、カンチレバーの材料
疲労を惹起する原因になる。更に図３のようなフォース
カーブを求めるために、探針をで示すように一旦試料
表面に接触させると鋭敏な先端を有する探針や試料表面
にキズをつける恐れがある。このような場合は、正確な
試料の表面像が得られなくなる。
【００１５】本発明の目的は、カンチレバーに過大な応
力を印加せず、また探針や試料表面を損傷せずに試料の
表面像を観察することができる走査型プローブ顕微鏡及
び原子間力顕微鏡を提供することである。
力を印加せず、また探針や試料表面を損傷せずに試料の
表面像を観察することができる走査型プローブ顕微鏡及
び原子間力顕微鏡を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】本発明は、一端に探針を
持つカンチレバーを持ち、探針に働く力を一定にした状
態で試料表面を走査する光てこ方式の走査型プローブ顕
微鏡において、探針を試料に接近させる毎に、Ｚ方向の
移動量とカンチレバーの剛性により探針に働く力を演算
し、それにより、力設定値のカンチレバー変位検出値を
求め、力設定値になった後、その力を一定に制御しなが
ら、平面走査し、像観察する光てこ方式の走査型プロー
ブ顕微鏡を開示する。
持つカンチレバーを持ち、探針に働く力を一定にした状
態で試料表面を走査する光てこ方式の走査型プローブ顕
微鏡において、探針を試料に接近させる毎に、Ｚ方向の
移動量とカンチレバーの剛性により探針に働く力を演算
し、それにより、力設定値のカンチレバー変位検出値を
求め、力設定値になった後、その力を一定に制御しなが
ら、平面走査し、像観察する光てこ方式の走査型プロー
ブ顕微鏡を開示する。
【００１７】更に本発明は、Ｚ方向への粗動・微動機構
と、一端にこの機構が固定し、他端に探針を持つカンチ
レバーと、カンチレバーに働く試料の原子間力を光てこ
方式で検出するカンチレバー検出器と、探針を粗動・微
動機構を用いて試料に接近させる毎に、該機構の移動量
（探針の移動量）Ｚとカンチレバーの剛性Ｋとによりそ
の時の原子間力Ｆを算出し、これから力設定値Ｆthを得
るべきカンチレバー変位検出器の検出予測値Ｖthを算出
する演算手段と、この検出予測値Ｖthになるように上記
粗動・微動機構を位置制御する制御手段と、この力設定
値になるような一定力制御のもとで試料面の観察像を得
る手段と、より成る原子間力顕微鏡を開示する。
と、一端にこの機構が固定し、他端に探針を持つカンチ
レバーと、カンチレバーに働く試料の原子間力を光てこ
方式で検出するカンチレバー検出器と、探針を粗動・微
動機構を用いて試料に接近させる毎に、該機構の移動量
（探針の移動量）Ｚとカンチレバーの剛性Ｋとによりそ
の時の原子間力Ｆを算出し、これから力設定値Ｆthを得
るべきカンチレバー変位検出器の検出予測値Ｖthを算出
する演算手段と、この検出予測値Ｖthになるように上記
粗動・微動機構を位置制御する制御手段と、この力設定
値になるような一定力制御のもとで試料面の観察像を得
る手段と、より成る原子間力顕微鏡を開示する。
【００１８】
【作用】本発明によれば、探針を接近させる毎に、その
時の計測値から力一定制御のための探針の位置制御を行
う。従って、フォースカーブの全体を求めることなく、
力一定制御を実行でき、カンチレバーへの負担、試料表
面への衝突等の障害をなくせる。
時の計測値から力一定制御のための探針の位置制御を行
う。従って、フォースカーブの全体を求めることなく、
力一定制御を実行でき、カンチレバーへの負担、試料表
面への衝突等の障害をなくせる。
【００１９】
【実施例】以下本発明を実施例に基づいて、より詳しく
述べる。図１は実施例で用いたＡＦＭの構成を示す図で
ある。原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）１は、カンチレバー３
の一端が固設されたｘｙｚスキャナ（ｘｙスキャナとｚ
スキャナより成る）（微動装置）２、カンチレバー検出
器５、ｘｙｚスキャナ２に接続したＺ粗動ステージ（粗
動機構）８、光学顕微鏡９、試料テーブル７、試料テー
ブル７を固設したＸＹステージ１０、ベース１９及び制
御系とモニタ１４から成る。カンチレバー３の先端には
探針４が接続され、試料テーブル７には被測定の試料６
が設置される。更に、カンチレバー変位検出器５、Ｚ粗
動ステージ８、光学顕微鏡９及びＸＹステージ１０を設
けているが、これらは図示しないベース上に固定設置さ
れる。
述べる。図１は実施例で用いたＡＦＭの構成を示す図で
ある。原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）１は、カンチレバー３
の一端が固設されたｘｙｚスキャナ（ｘｙスキャナとｚ
スキャナより成る）（微動装置）２、カンチレバー検出
器５、ｘｙｚスキャナ２に接続したＺ粗動ステージ（粗
動機構）８、光学顕微鏡９、試料テーブル７、試料テー
ブル７を固設したＸＹステージ１０、ベース１９及び制
御系とモニタ１４から成る。カンチレバー３の先端には
探針４が接続され、試料テーブル７には被測定の試料６
が設置される。更に、カンチレバー変位検出器５、Ｚ粗
動ステージ８、光学顕微鏡９及びＸＹステージ１０を設
けているが、これらは図示しないベース上に固定設置さ
れる。
【００２０】制御系は、カンチレバー変位検出部１１、
原子間力設定部１２Ａ、Ｚ方向粗動ステージ制御回路１
５、ｘｙｚスキャナ制御回路１６、ＸＹステージ制御回
路１７、ステージ変位検出部１８、及びこれら諸回路を
統括する計算機１３から成る。
原子間力設定部１２Ａ、Ｚ方向粗動ステージ制御回路１
５、ｘｙｚスキャナ制御回路１６、ＸＹステージ制御回
路１７、ステージ変位検出部１８、及びこれら諸回路を
統括する計算機１３から成る。
【００２１】試料テーブル７に設置された被測定用の試
料６表面を、まず光学顕微鏡９で観察し、ＸＹステージ
１０を粗動させて観察位置を特定する。光学顕微鏡９と
探針４との距離Ｌはできるだけ近いことが望ましい。倍
率１００倍の光学顕微鏡の場合、８８μｍ×６６μｍの
範囲を、水平方向０．２５μｍ、垂直方向０．５μｍ程
度の精度で観察することができる。
料６表面を、まず光学顕微鏡９で観察し、ＸＹステージ
１０を粗動させて観察位置を特定する。光学顕微鏡９と
探針４との距離Ｌはできるだけ近いことが望ましい。倍
率１００倍の光学顕微鏡の場合、８８μｍ×６６μｍの
範囲を、水平方向０．２５μｍ、垂直方向０．５μｍ程
度の精度で観察することができる。
【００２２】次に、所定の観察位置（約１０μｍ×１０
μｍ）をＡＦＭで走査して観察する。この時の分解能
は、水平方向０．１ｎｍ、垂直方向０．０１ｎｍとな
る。前記したように、ＡＦＭにおいては被測定試料の表
面像を得る前にＡＦＭの作動条件の設定、即ちフォース
カーブの測定を行う必要がある。フォースカーブの測定
のためにはカンチレバーの変位を検出する必要がある
が、その変位検出系には、トンネル検出方式、光波干渉
方式及び光てこ方式があり、いずれを用いることもあり
うる。トンネル検出方式は、カンチレバー背面にトンネ
ル電流用探針を近接させて、この探針とカンチレバー間
に流れるトンネル電流が一定値をとるようにトンネル電
流用探針位置を制御しながらカンチレバーの変位を検出
する方法である。原理的には、高感度であるが、トンネ
ル電流用探針とカンチレバー間に原子間力が作用するた
め正確な計測が阻害されるという問題がある。これに対
して光を用いた検出法は、光の輻射圧が非常に小さいた
めにカンチレバー背面に作用する力を無視することがで
きる。
μｍ）をＡＦＭで走査して観察する。この時の分解能
は、水平方向０．１ｎｍ、垂直方向０．０１ｎｍとな
る。前記したように、ＡＦＭにおいては被測定試料の表
面像を得る前にＡＦＭの作動条件の設定、即ちフォース
カーブの測定を行う必要がある。フォースカーブの測定
のためにはカンチレバーの変位を検出する必要がある
が、その変位検出系には、トンネル検出方式、光波干渉
方式及び光てこ方式があり、いずれを用いることもあり
うる。トンネル検出方式は、カンチレバー背面にトンネ
ル電流用探針を近接させて、この探針とカンチレバー間
に流れるトンネル電流が一定値をとるようにトンネル電
流用探針位置を制御しながらカンチレバーの変位を検出
する方法である。原理的には、高感度であるが、トンネ
ル電流用探針とカンチレバー間に原子間力が作用するた
め正確な計測が阻害されるという問題がある。これに対
して光を用いた検出法は、光の輻射圧が非常に小さいた
めにカンチレバー背面に作用する力を無視することがで
きる。
【００２３】図１のカンチレバー検出器５は、検出方式
がレーザ光による光てこ方式とし、反射レーザ光の受光
面は２分割光電変換面としたものである。探針４が原子
間力の作用を受けて中立の位置から角度Δθだけ変位し
たとすれば、光てこの原理によって反射光は２Δθだけ
シフトした方向へ放射される。カンチレバー３の光反射
点と放射先に設けた２分割光電変換部の受光面との距離
をｈとすれば受光面でのレーザスポットの変位は２ｈΔ
θに拡大される。従って、中立の位置（原子間力が作用
していない位置）で２分割された各受光領域の光出力が
均等であったとすれば、２ｈΔθのレーザスポット変位
によって各領域の出力バランスがくずれ、カンチレバー
の曲がりに比例した差動出力が出る。カンチレバー３
は、引力と斥力とでは逆方向に曲がるので、差動出力の
符号で区別できる。差動出力は検出部１１に送られる。
がレーザ光による光てこ方式とし、反射レーザ光の受光
面は２分割光電変換面としたものである。探針４が原子
間力の作用を受けて中立の位置から角度Δθだけ変位し
たとすれば、光てこの原理によって反射光は２Δθだけ
シフトした方向へ放射される。カンチレバー３の光反射
点と放射先に設けた２分割光電変換部の受光面との距離
をｈとすれば受光面でのレーザスポットの変位は２ｈΔ
θに拡大される。従って、中立の位置（原子間力が作用
していない位置）で２分割された各受光領域の光出力が
均等であったとすれば、２ｈΔθのレーザスポット変位
によって各領域の出力バランスがくずれ、カンチレバー
の曲がりに比例した差動出力が出る。カンチレバー３
は、引力と斥力とでは逆方向に曲がるので、差動出力の
符号で区別できる。差動出力は検出部１１に送られる。
【００２４】図４は、本実施例の原子間力設定部１２Ａ
による処理フローを示す図である。フローＦ３０では、
探針４の試料面の接近過程で、少なくとも２つのサンプ
ル点で検出部１１を通じてカンチレバー変位検出値をラ
ッチする。フローＦ３１では、その時点の探針位置（粗
動ステージ８及び又はｘｙｚスキャナ２のｚスキャナの
位置又は制御回路１５、１６の指令位置）を取り込む。
かくしてフォースカーブ上の２つのサンプル点でのカン
チレバー変位検出値と探針位置とが得られる。フローＦ
３２では、各サンプル点のカンチレバー変位検出値Ｖi
と探針位置Ｚiとからカンチレバーに加わった力Ｆiを算
出する。
による処理フローを示す図である。フローＦ３０では、
探針４の試料面の接近過程で、少なくとも２つのサンプ
ル点で検出部１１を通じてカンチレバー変位検出値をラ
ッチする。フローＦ３１では、その時点の探針位置（粗
動ステージ８及び又はｘｙｚスキャナ２のｚスキャナの
位置又は制御回路１５、１６の指令位置）を取り込む。
かくしてフォースカーブ上の２つのサンプル点でのカン
チレバー変位検出値と探針位置とが得られる。フローＦ
３２では、各サンプル点のカンチレバー変位検出値Ｖi
と探針位置Ｚiとからカンチレバーに加わった力Ｆiを算
出する。
【数１】Ｖi＝ｃＺｉ
【数２】Ｆｉ＝ＫＺi
但し、Ｋは剛性
数１のＺiを数２に代入して
【数３】Ｆi＝（Ｋ／ｃ）Ｖi
となる。
【００２５】次にフローＦ３３で、２点のサンプル点の
ＺiとＦi（即ち、Ｚi1とＦi1、Ｚi2とＦi2）とから、力
設定値Ｆth対応の変位検出予測値Ｖth（又はそれになる
探針位置、又はその探針位置になるような移動量）を求
める。例えば２つのサンプル点を通る直線を算出し、力
設定値Ｆthに対応する予測値をその直線から得る。こう
した線形補間（内挿、外挿いずれも可）により予測値Ｖ
thを求める。フローＦ３４では、この力設定値Ｆth（又
はＶth又は位置や移動量）になるように、制御回路１
５、１６を用いて粗動ステージ８、微動ｘｙｚスキャナ
２のｚスキャナを制御する。この制御のもとで実際の計
測を行う。直線化できない例にあっては、３点以上のサ
ンプル点で計測しておき、高次補間を行う。尚、２点
（又は３点以上）の中の１点は接触してＦ＝０になつて
いる点を選ぶと便利である。
ＺiとＦi（即ち、Ｚi1とＦi1、Ｚi2とＦi2）とから、力
設定値Ｆth対応の変位検出予測値Ｖth（又はそれになる
探針位置、又はその探針位置になるような移動量）を求
める。例えば２つのサンプル点を通る直線を算出し、力
設定値Ｆthに対応する予測値をその直線から得る。こう
した線形補間（内挿、外挿いずれも可）により予測値Ｖ
thを求める。フローＦ３４では、この力設定値Ｆth（又
はＶth又は位置や移動量）になるように、制御回路１
５、１６を用いて粗動ステージ８、微動ｘｙｚスキャナ
２のｚスキャナを制御する。この制御のもとで実際の計
測を行う。直線化できない例にあっては、３点以上のサ
ンプル点で計測しておき、高次補間を行う。尚、２点
（又は３点以上）の中の１点は接触してＦ＝０になつて
いる点を選ぶと便利である。
【００２６】以上の図４の動作は、探針を試料に接近さ
せる毎に行う。即ち、実際の試料面の計測に際して、探
針を試料面に接近させるが、その接近の都度、図４の動
作を行う。従来例では、フォースカーブを求める計測動
作を行っているが、本実施例では、フォースカーブを求
める計測動作をせずに、代わりに探針の接近の過程で２
点以上のサンプル点にわたって、Ｚ、Ｆ又はＶの計測を
行い、そこから力設定値になるような予測を行い、この
予測になるようなカンチレバー制御を行う。従って、探
針を試料面に衝突させるようなの点の計測は不要であ
る。
せる毎に行う。即ち、実際の試料面の計測に際して、探
針を試料面に接近させるが、その接近の都度、図４の動
作を行う。従来例では、フォースカーブを求める計測動
作を行っているが、本実施例では、フォースカーブを求
める計測動作をせずに、代わりに探針の接近の過程で２
点以上のサンプル点にわたって、Ｚ、Ｆ又はＶの計測を
行い、そこから力設定値になるような予測を行い、この
予測になるようなカンチレバー制御を行う。従って、探
針を試料面に衝突させるようなの点の計測は不要であ
る。
【００２７】Ｚ軸方向変位データは計算機１３に送られ
て処理された上で、モニタ１４によって平面像として拡
大ディスプレイされる。
て処理された上で、モニタ１４によって平面像として拡
大ディスプレイされる。
【００２８】
【発明の効果】以上実施例を用いて説明したように、本
発明によればＡＦＭの探針を試料に近接させながら測定
するフォースカーブの２点以上のサンプル点から、試料
観察に使用する原子間力に相当するＺ軸座標（カンチレ
バーのＺ軸方向の必要移動距離）を予測演算することが
できる。従って、目標座標でカンチレバーを停止させる
ことができるので、必要以上に深い位置まで探針を進入
させてカンチレバーに過大な曲げを与えたり、試料表面
と探針との衝突で試料や探針に損傷を与える危険がなく
なった。それ故、本発明は、ＡＦＭを用いた正確な試料
表面像の観察に資することができる。
発明によればＡＦＭの探針を試料に近接させながら測定
するフォースカーブの２点以上のサンプル点から、試料
観察に使用する原子間力に相当するＺ軸座標（カンチレ
バーのＺ軸方向の必要移動距離）を予測演算することが
できる。従って、目標座標でカンチレバーを停止させる
ことができるので、必要以上に深い位置まで探針を進入
させてカンチレバーに過大な曲げを与えたり、試料表面
と探針との衝突で試料や探針に損傷を与える危険がなく
なった。それ故、本発明は、ＡＦＭを用いた正確な試料
表面像の観察に資することができる。
【図１】実施例に係るＡＦＭの構成を示す図である。
【図２】ＡＦＭの一般的構成を示す図である。
【図３】フォースカーブを示す図である。
【図４】実施例における力設定部１２Ａを中心とするフ
ローチャートである。
ローチャートである。
１ 原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）
２ ｘｙｚスキャナ
３ カンチレバー
４ 探針
５ カンチレバー変位検出器
６ 試料
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 平５−322552（ＪＰ，Ａ)
特開 平６−74754（ＪＰ，Ａ)
実開 平５−43014（ＪＰ，Ｕ)
欧州特許出願公開587459（ＥＰ，Ａ
１)
劉慶綱、清野慧、岡徹，“液中作動型
ＡＦＭによる軟質材表面の観察（弾性係
数と表面形状）”，東北支部第29期総
会・講演会講演論文集，日本，日本機械
学会東北支部，1994年 ２月，Ｎｏ.
941−１，ｐ．150−152
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G01N 13/10 - 13/24
ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (2)
- 【請求項１】 一端に探針を持つカンチレバーを持ち、
前記探針に働く力を力設定部に設定された力設定値にな
るように試料と前記探針との距離を一定に制御しながら
又はした状態で試料表面を走査する光てこ方式の走査型
プローブ顕微鏡の設定方法において、 前記探針を前記試料に接近させる毎に、前記探針に働く
力とカンチレバーの撓み変位を少なくとも２点検出し、
そのときの前記カンチレバーのＺ方向の移動量と前記カ
ンチレバーの剛性により前記探針に働く力を演算し、そ
の演算結果に基づいて、前記力設定値に相当するカンチ
レバー変位検出値を求め、その求めた変位検出値になる
ように前記カンチレバーを移動させ前記力設定値になっ
た後、その力設定値になるように前記試料と前記探針と
の距離を一定に制御しながら、平面走査し、像観察する
光てこ方式の走査型プローブ顕微鏡の測定方法。 - 【請求項２】 Ｚ方向への粗動・微動機構と、 一端にこの機構が固定し、他端に探針を持つカンチレバ
ーと、 カンチレバーに働く試料の原子間力を光てこ方式で検出
するカンチレバー変位検出器と、 探針を粗動・微動機構を用いて試料に接近させる毎に、
該機構の移動量（探針の移動量）Ｚとカンチレバーの剛
性Ｋとによりその時の原子間力Ｆを算出し、これから力
設定値Ｆｔｈを得るべきカンチレバー変位検出器の検出
予測値Ｖｔｈを算出する演算手段と、 この検出予測値Ｖｔｈになるように上記粗動・微動機構
を位置制御する制御手段と、 この力設定値になるような一定力制御のもとで試料面の
観察像を得る手段と、より成る原子間力顕微鏡。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11811694A JP3364531B2 (ja) | 1994-05-31 | 1994-05-31 | 光てこ方式の走査型プローブ顕微鏡及び原子間力顕微鏡 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11811694A JP3364531B2 (ja) | 1994-05-31 | 1994-05-31 | 光てこ方式の走査型プローブ顕微鏡及び原子間力顕微鏡 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07325090A JPH07325090A (ja) | 1995-12-12 |
| JP3364531B2 true JP3364531B2 (ja) | 2003-01-08 |
Family
ID=14728431
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11811694A Expired - Fee Related JP3364531B2 (ja) | 1994-05-31 | 1994-05-31 | 光てこ方式の走査型プローブ顕微鏡及び原子間力顕微鏡 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3364531B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008032405A (ja) * | 2006-07-26 | 2008-02-14 | Jeol Ltd | 非接触原子間力顕微鏡及び非接触原子間力顕微鏡の動作プログラム |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000155084A (ja) | 1998-11-20 | 2000-06-06 | Hitachi Ltd | 原子間力顕微鏡、それを用いた表面形状の測定方法及び磁気記録媒体の製造方法 |
| US6677567B2 (en) * | 2002-02-15 | 2004-01-13 | Psia Corporation | Scanning probe microscope with improved scan accuracy, scan speed, and optical vision |
| JP4432806B2 (ja) * | 2005-03-09 | 2010-03-17 | 株式会社島津製作所 | 走査型プローブ顕微鏡 |
| KR100761059B1 (ko) * | 2006-09-29 | 2007-09-21 | 파크시스템스 주식회사 | 오버행 샘플 측정이 가능한 주사 탐침 현미경 |
| CN103185812A (zh) * | 2011-12-29 | 2013-07-03 | 中国科学院沈阳自动化研究所 | 基于探针力曲线的材料物理特性测量系统及方法 |
| KR102761512B1 (ko) * | 2020-09-24 | 2025-02-04 | 파크시스템스 주식회사 | 가변적인 셋포인트 설정을 사용하여 측정 장치에 의해 측정 대상의 표면의 특성을 측정하는 방법, 이 방법이 수행되기 위한 원자 현미경 및 이 방법이 수행되기 위해 저장 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램 |
| JP7529350B2 (ja) * | 2020-09-24 | 2024-08-06 | パーク システムズ コーポレーション | 可変的なセットポイント設定を使用して測定装置により測定対象の表面の特性を測定する方法、この方法が遂行されるための原子顕微鏡及びこの方法が遂行されるために格納媒体に格納されたコンピュータプログラム |
-
1994
- 1994-05-31 JP JP11811694A patent/JP3364531B2/ja not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 劉慶綱、清野慧、岡徹，"液中作動型ＡＦＭによる軟質材表面の観察（弾性係数と表面形状）"，東北支部第２９期総会・講演会講演論文集，日本，日本機械学会東北支部，１９９４年 ２月，Ｎｏ．９４１−１，ｐ．１５０−１５２ |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008032405A (ja) * | 2006-07-26 | 2008-02-14 | Jeol Ltd | 非接触原子間力顕微鏡及び非接触原子間力顕微鏡の動作プログラム |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH07325090A (ja) | 1995-12-12 |
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