JPH08254540A

JPH08254540A - 走査型プローブ顕微鏡

Info

Publication number: JPH08254540A
Application number: JP8477495A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Murayama; 健村山
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1995-03-16
Filing date: 1995-03-16
Publication date: 1996-10-01

Abstract

(57)【要約】【目的】走査型プローブ顕微鏡において、条件に応じ
て圧電素子の非線形性を変位計を用いて補償し、測定分
解能を高く保持する。【構成】試料12に対向する探針14を備えるカンチレバ
ー13と、試料と探針との相対的位置を変化させるＸＹＺ
微動機構11と、カンチレバーの変位量を検出する変位検
出装置15,16,17と、走査を行うと共にカンチレバーの変
位量が所定値に保持されるようにＸＹＺ微動機構の動作
を制御する制御手段31,34,51と、制御手段から出力され
る制御指令値に基づいて試料の表面物理情報を生成する
表示演算手段36と、ＸＹＺ微動機構に含まれる少なくと
もＸ軸、Ｙ軸の各方向の圧電素子によって生じる変位を
測定する変位計と、走査時に変位計で測定された測定値
を記憶する記憶部36a と、走査終了後に記憶手段に記憶
された測定値を用いて表面物理情報を作成する手段とを
備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は走査型プローブ顕微鏡に
関し、特に、試料表面の凹凸形状の測定において測定精
度を高めた走査プローブ顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査型プローブ（探針）顕微鏡は原子オ
ーダの測定分解能を有し、表面形状の測定など各種分野
に利用される。走査型プローブ顕微鏡には、検出対象の
物理量に応じて、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
がある。この中で原子間力顕微鏡は、試料表面の形状を
高分解能で検出するのに適しており、半導体や光ディス
クなどの表面形状の測定に利用されている。以下では、
一例として原子間力顕微鏡について説明する。

【０００３】図１１に従来の原子間力顕微鏡の基本構成
を示す。ＸＹＺ微動機構１１の上に被測定試料１２が載
置され、基端が固定されたカンチレバー１３が試料１２
の上方に配置され、カンチレバー１３の先端に取り付け
た探針１４が試料１２の表面に臨んでいる。上記ＸＹＺ
微動機構１１は、直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各方向に
微動を行える移動機構であり、駆動用圧電素子を含む。
カンチレバー１３の上側には、カンチレバー１３の背面
にレーザ光１６を照射するレーザ光源１５と反射したレ
ーザ光を受ける光検出器１７とが配置される。レーザ光
源１５と光検出器１７は検出光学系を構成する。この構
成において、カンチレバー接近機構（図示せず）によっ
て、探針１４と試料１２の距離を約１ｎｍまで近付ける
と、両者の間に原子間力が作用し、カンチレバー１３に
たわみ変形が生じる。そのたわみ角を、レーザ光源１５
からのレーザ光を利用して光てこの原理を利用して検出
する。ＸＹＺ微動機構１１によって試料１２をＸＹ軸方
向に走査し、かつそのときカンチレバー１３のたわみ角
が一定になるように試料１２をＺ軸方向に移動させる。
試料１２をＺ軸方向に移動させる機構部分の移動量をモ
ニタすることによって試料１２の表面の形状が測定され
る。

【０００４】上記原子間力顕微鏡において、その測定精
度はＸＹＺ微動機構１１の運動精度に依存して決まる。
従来のＸＹＺ微動機構１１の代表例を図１２に示す。図
１２において、２１は円筒（チューブ）型圧電セラミッ
クスであり、この円筒外面に、Ｘ駆動用電極２２ａ，２
２ｂとＹ軸駆動用電極２３ａ，２３ｂが設けられ、円筒
表面の全周にわたりＺ軸駆動用電極２４が設けられてい
る。また円筒型圧電セラミックス２１の円筒内面には共
通電極（ＧＮＤ）２５が設けられる。上記構造におい
て、例えば電極２２ａにマイナス電圧を印加し、電極２
２ｂにプラス電圧を印加すると、移動部２６がＸ軸方向
に変位する。また同様にして例えば電極２３ａにマイナ
ス電圧を印加し、電極２３ｂにプラス電圧を印加する
と、移動部２６がＹ軸方向に変位する。さらに、電極２
４に電圧を印加すると、印加電圧に応じてＺ軸方向の変
位が生じる。上記探針は圧電セラミックス２１の移動部
２６の箇所に取り付けられる。

【０００５】圧電セラミックス２１は圧電材料で形成さ
れるが、一般的に圧電素子における電圧・変位特性は、
例えば図１３に示すような特性を有している。図１３に
示された特性によれば、横軸の電圧に関して電圧値を次
第に大きくし、その後次第に小さくした場合、基本的に
電圧に比例した形で変位が生じるが、電圧が大きくなる
側と小さくなる側とでは、変位変化の履歴が異なり、ヒ
ステリシスが１０％程度存在する。また変化特性におい
て線形性が悪く、電圧に対する変位の関係を直線近似す
る場合に高い精度で近似させることが困難である。さら
に、電圧印加サイクルによってもドリフトの現象が生じ
る。以上のように、圧電素子は、原子寸法のオーダの変
位分解能があることで、原子間力顕微鏡による原子観察
を可能にしている反面、その測定精度の保証は確実なも
のではなかった。

【０００６】上記の問題を解決するための従来の方法と
して、圧電素子の変位特性を予め測定しておき、当該測
定で得たデータを用いて実際の測定を行う時にソフトウ
ェアによる補正処理で補正する方法が試みられている。
例えば変位特性をＮ次関数で補正し、所望の変位に対す
る印加電圧を決め、圧電素子の駆動を行う方式である。
しかしながら、この方式は、圧電素子のドリフトや圧電
素子間のばらつき等の影響で高精度化することは難し
く、補正の精度は５％程度である。

【０００７】そこで、図１４に示すように、ＸＹＺ微動
機構１１におけるＸ軸方向とＹ軸方向の各変位を直接に
測定して実際の変位量を得ることにより、実際の変位量
が所望の変位量になるように変位補正を行う方式が検討
される。このことは、例えば１９９３年度精密工学会春
季大会学術講演会講演論文集第８７９頁、第８８０頁に
記載される。

【０００８】図１４によって、ＸＹＺ微動機構１１のＸ
軸圧電素子とＹ軸圧電素子のそれぞれに変位計を付設
し、フィードバック制御を行うように構成される原子間
力顕微鏡の構成を示す。図１４において図１１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す。Ｚ
指令値発生器３１は、カンチレバー１３のたわみ角（押
付け力）に対応する電圧信号Ｖｒを出力する。加算器３
２は、Ｚ指令値発生器３１から出力される指令値Ｖｒ
と、光検出器１７の出力信号を所要レベルまで増幅する
増幅器３３からの出力信号Ｖｐとの差を演算し、その差
に関する信号を制御器３４に入力する。制御器３４は、
比例、積分等の補償処理を行い、増幅器３５を介してＸ
ＹＺ微動機構１１のＺ方向の圧電素子に駆動電圧Ｖｚを
与える。カンチレバー１３で発生するたわみ角はレーザ
光１６を利用した光てこ方式で検出され、光検出器１７
の検出信号は前述の通り増幅器３３を経由して加算器３
２に入力される。以上のフィードバック制御において、
カンチレバー１３のたわみ角が一定に保持され、その結
果得られるＺ方向駆動電圧Ｖｚが表示演算部３６に入力
される。この方式は、従来より一般的に用いられる方式
であり、Ｚ軸方向の変位補正は行われない。

【０００９】一方、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の走査に関
しては、ＸＹ指令値発生器３７によってＶrx，Ｖryが出
力され、それぞれ加算器３８，３９に入力される。また
ＸＹＺ微動機構１１には、Ｘ軸方向とＹ軸方向の各変位
量を検出する変位計が内蔵され、各変位計の出力値Ｕ
ｘ，Ｕｙがフィードバックされ、加算器３８，３９に入
力される。加算器３８，３９のそれぞれから出力される
２つの入力信号の偏差に関する出力信号は、制御器４０
に入力され、制御信号として増幅器４１，４２を経由し
てＸＹＺ微動機構１１のＸ軸圧電素子とＹ軸圧電素子に
Ｘ方向駆動電圧ＶｘとＹ方向駆動電圧Ｖｙを与える。ま
たＸＹ指令値発生器３７から出力されるＶrx，Ｖryは、
表示演算部３６に入力される。この方式によれば、Ｘ軸
とＹ軸に関する変位計の精度でＸＹＺ微動機構１１のＸ
Ｙ方向への移動を行うので、ＸＹＺ微動機構１１に含ま
れる圧電駆動部として圧電素子の持つヒシテリシス、ド
リフト、非線形性を比較的に容易に補償することができ
る。表示演算部３６は、前述の通りＸ方向およびＹ方向
の指令値Ｖrx，ＶryとＺ方向の駆動電圧Ｖｚを入力し、
これらの入力信号を処理し、表示部４３において、Ｘ，
Ｙの変位特性を補正した形で、測定した試料表面の凹凸
形状を正確に表示する。

【００１０】図１４に示した原子間力顕微鏡の測定方式
では、Ｘ軸方向とＹ軸方向の変位計の精度が理想状態で
あるときに、有効な測定として成立する。変位計として
は例えば前述の文献では光学式の変位計が使用され、そ
の他に静電容量型の変位計が使用される。

【００１１】原子間力顕微鏡の測定における精度の高さ
は、駆動部として使用される圧電素子の分解能が高いこ
とによって得られるものであるが、上記の方式のごとく
変位計を利用したフィードバック制御を行う場合には、
変位計の分解能が圧電素子の分解能よりも低く、変位計
の分解能付近での微振動が避けられないので、結果的に
原子間力顕微鏡の測定精度を低下させる。例えば、分解
能が１ｎｍの変位計を使用したとしても、圧電素子の分
解能はそれ以下であるので、変位計によるフィードバッ
ク制御の結果、原子間力顕微鏡の分解能を下げることに
なる。

【００１２】また上記の原子間力顕微鏡においてＺ軸方
向の変位補正に関して変位計を用いることは、前述した
ＸおよびＹの各軸方向に変位計を用いた場合と同様な問
題を提起し、測定装置の持つ本来の分解能を低下させる
という問題を生じる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】変位計を用いたフィー
ドバック制御でＸＹＺ微動機構の変位制御を行うように
構成された原子間力顕微鏡では、変位計の分解能がＸＹ
Ｚ微動機構を構成する圧電素子の分解能よりも低いこと
から、前述の通り、原子間力顕微鏡の分解能を低下させ
るという問題を生じる。かかる問題は、原子間力顕微鏡
だけの問題ではなく、走査型プローブ顕微鏡一般に生じ
る問題である。

【００１４】本発明の目的は、上記問題を解決するた
め、条件に応じて圧電素子の非線形性を変位計を用いて
補償することにより、測定分解能を高く保持できる走査
型プローブ顕微鏡を提供することにある。

【００１５】

【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、試料に対向す
る探針を先部に備えるカンチレバーと、試料と探針との
相対的位置をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各方向に変化させるＸ
ＹＺ微動機構と、試料と探針の間の物理量に起因して生
じるカンチレバーの変位量を検出する変位検出装置と、
探針による試料の走査を行うと共にカンチレバーの変位
量が設定値に保持されるようにＸＹＺ微動機構の動作を
制御する制御手段と、制御手段から出力される制御指令
値に基づいて試料の表面の物理情報を生成する表示演算
手段とを備え、さらにＸＹＺ微動機構に含まれる少なく
ともＸ軸、Ｙ軸の各方向の圧電素子によって生じる変位
を測定する変位計と、走査時に変位計で測定された測定
値を記憶する記憶手段と、走査終了後に記憶手段に記憶
された測定値を用いて表面の物理情報を作成する手段と
を備える。

【００１６】さらに変位計の分解能と試料で設定された
走査範囲における走査精度を比較する比較手段を含み、
この比較手段によって変位計の分解能が走査精度よりも
微細であると判定されたとき、変位計で得られた測定値
を用いて表面の物理情報を作成する。また、比較手段に
よって走査精度が分解能よりも微細であると判定された
ときには、制御手段から出力される制御指令値に基づい
て表面の物理情報を作成する。

【００１７】試料の走査範囲においてＮ×Ｎ個の測定点
を設定し、各測定点で測定した測定値を記憶手段に記憶
することが好ましい。

【００１８】また、試料の走査範囲においてＮ×Ｎ個の
測定点を設定し、周辺部の各測定点で測定した測定値を
記憶手段に記憶することもできる。周辺部の各測定点は
端部の測定点であることが好ましい。

【００１９】また、走査範囲で任意に設定された線分の
Ｚ軸断面情報を得る場合に、Ｘ軸とＹ軸の各圧電素子に
付設された変位計の出力値を用いて断面情報を生成し、
表示を行う。

【００２０】測定対象である走査範囲に探針を移動させ
るとき、変位計の出力値を用いて移動を行うように構成
することもできる。

【００２１】ＸＹＺ微動機構はカンチレバーを取り付け
るＺ微動機構と試料を載置するＸＹ微動機構とで分離し
て構成され、各微動機構は圧電素子を含む平板状弾性機
構で形成され、変位計は歪みゲージであることが好まし
い。

【００２２】ＸＹＺ微動機構はカンチレバーを取り付け
るＺ微動機構と試料を載置するＸＹ微動機構で分離して
構成され、各微動機構は圧電素子を含む平板状弾性機構
で形成され、Ｚ微動機構の変位計は歪みゲージであり、
ＸＹ微動機構はＸＹステージ上に配置され、ＸＹ微動機
構の変位計はＸＹ微動機構の変位とＸＹステージの変位
を加算した値を測定する変位計であることが好ましい。

【００２３】

【作用】本発明では、探針と試料の間の距離や位置関係
を変更するＸＹＺ微動機構内のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各方
向の駆動用圧電素子、望ましくはＸ軸、Ｙ軸の各方向の
駆動用圧電素子に対し変位計を付設し、各圧電素子に制
御用の指令電圧を与え各圧電素子の有する電圧・変位特
性に基づいてＸＹＺ微動機構による測定動作を行うと共
に、上記変位計によって各圧電素子の実際の移動量すな
わち変位量を測定する。ＸＹＺ微動機構の各圧電素子に
対し与えられる指令値および各変位計から出力される変
位信号は表示演算部に入力される。走査範囲で設定され
たすべての測定点のそれぞれで指令値と変位信号が得ら
れ、それらは表示演算部内の記憶手段に保存される。測
定後に表示を行うための形状データが生成される。試料
表面で観察対象として設定された走査範囲における走査
精度が変位計の分解能よりも微細であるときには従来の
測定と同様に各圧電素子に対する指令値を用いて物理デ
ータが作成される。変位計の分解能が上記走査精度より
も微細であるときにはには、変位計の変位信号を用いて
補正が行われた物理データが生成される。本発明では、
従来のごとく、この変位計から出力される変位信号を指
令値の側にフィードバックすることはない。

【００２４】ＸＹＺ微動機構の測定動作時における例え
ばＺ軸圧電素子の動作制御について述べる。Ｚ軸圧電素
子の動作制御は、電圧・変位特性に基づく通常の制御が
行われ、Ｚ軸圧電素子の印加電圧が試料の物理情報とし
て記憶される。同時にＺ軸圧電素子の付設された変位計
の出力信号（変位信号）も記憶される。試料の表面の凹
凸が大きく、Ｚ軸圧電素子の移動量、すなわちＺ軸圧電
素子の印加電圧の変動が変位計の分解能よりも大きいと
きには、物理情報表示を行う時には変位計の出力値に基
づいて補正が行われる。これによりＺ軸圧電素子の非線
形性の補正を行うことができる。一方、試料の表面の凹
凸が小さく、圧電素子の印加電圧の変動が変位計の分解
能よりも小さいときには、Ｚ軸圧電素子の電圧・変位特
性に基づいて物理情報を作成し表示する。この場合に
は、圧電素子の非線形性の補正が行われないが、微小領
域においては圧電素子の非線形性を無視できるほど小さ
いので実用上問題にならない。

【００２５】ＸＹＺ微動機構に含まれるＸ軸方向および
Ｙ軸方向の圧電素子についても、上記のＺ軸圧電素子の
場合と基本的に同じである。

【００２６】

【実施例】以下に、本発明の実施例を添付図面に基づい
て説明する。

【００２７】図１は本発明に係る走査型プローブ顕微鏡
の代表的実施例を示し、この実施例では原子間力顕微鏡
の例について説明する。なお図１において、図１４の構
成で説明した要素と実質的に同一の要素には同一の符号
を付している。

【００２８】ＸＹＺ微動機構１１の上には試料１２が載
置され、試料１２の観察すべき表面に探針１４が対向す
るような状態で、当該探針１４を先端部に備えたカンチ
レバー１３が固定される。かかるカンチレバー１３に対
してその上方位置に光てこ検出方式の位置検出装置を構
成するレーザ光源１５と光検出器１７が所定の配置関係
にて配置される。レーザ光源１５からカンチレバー１３
に対して出射されたレーザ光１６は、カンチレバー１３
の背面で反射され、光検出器１７に入射される。ＸＹＺ
微動機構１１には、その内部に直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ
軸の各方向に試料１２を微小に移動させるための３つの
駆動用圧電素子を含み、かつこれらの圧電素子のそれぞ
れまたは好ましくは少なくともＸ軸，Ｙ軸の圧電素子に
動作時の動作量（変位量）を測定するための変位計が設
けられる。変位計には光学的なもの、静電量的なもの等
の任意な構成が採用される。ＸＹＺ微動機構１１の各変
位計からは変位信号Ｕｘ，Ｕｙ，Ｕｚが出力され、これ
らの変位信号は表示演算部３６に直接に入力され、表示
演算部３６内の記憶部３６ａに記憶される。本実施例の
場合には、Ｘ方向とＹ方向の各圧電素子に付設した変位
計に加えて、Ｚ方向の圧電素子に対しても変位計を付設
し、その変位信号Ｕｚを得るようにしている。なお、ど
の圧電素子に変位計を付設するかということは任意に選
択することができる。

【００２９】光検出器１７、増幅器３３、Ｚ指令値発生
器３１、加算器３２、制御器３４、増幅器３５の構成お
よび作用は、図１４で説明した場合と同じである。Ｚ指
令値発生器３１で与えられる制御対象のたわみ角に相当
する指令電圧値Ｖｒは、加算器３２で、実際に測定され
た実際のたわみ角（Ｖｐ）との差を求め、この差信号に
基づいて駆動信号Ｖｚを生成し、これによって、設定さ
れたたわみ角になるように探針１４とカンチレバー１３
との距離が所定値に制御される。

【００３０】５１はＸＹ指令値発生器であり、このＸＹ
指令値発生器５１は、試料１２の観察表面に設定された
走査範囲を走査動作させるための指令値としての電圧値
Ｖrx，Ｖryを出力し、これらの電圧値Ｖrx，Ｖryは直接
的に増幅器４１，４２を経由してＸＹＺ微動機構１１内
のＸ方向とＹ方向の各駆動用圧電素子に駆動信号Ｖｘ，
Ｖｙとして与えられる。ＸＹ指令値発生器５１は、図１
４で説明した従来の原子間力顕微鏡のＸＹ指令値発生器
３７の構成と基本的に同じである。しかしながら、構成
上指令電圧値Ｖrx，Ｖryと対応する変位計から出力され
る変位信号Ｕｘ，Ｕｙとの偏差をとるようにフィードバ
ックされる構成を有していない点が相違する。

【００３１】またＸＹ指令値発生器には、前述した通り
（前記段落０００６）、制御対象である圧電素子の非線
形性を初期段階すなわち変位指令値としての電圧値Ｖr
x，Ｖryの段階でソフトウェア的に補正するための補正
手段を設けることもできる。そこで、本実施例によるＸ
Ｙ指令値発生器５１は、かかる補正手段としてソフト補
正器５２を内蔵している。この点で、ＸＹ指令値発生器
５１はＸＹ指令値発生器３７とは異なっている。従っ
て、ＸＹ指令値発生器５１から出力される電圧値Ｖrx，
Ｖryは、対応する圧電素子の非線形性をソフトウェア的
に補正した結果得られた指令値である。これによって歪
みが大幅に改善される。またＸＹ指令値発生器５１で
は、ソフト補正器５２で得られた指令電圧値に対応する
予定される指令変位Ｕｘ′，Ｕｙ′が求められる。この
指令変位Ｕｘ′，Ｕｙ′は表示演算部３６に供給され
る。

【００３２】表示演算部３６には、既に述べた通りＸＹ
Ｚ微動機構１１内の各変位計から変位信号Ｕｘ，Ｕｙ，
Ｕｚが入力されると共に、駆動信号Ｖｚと指令変位Ｕ
ｘ′，Ｕｙ′が入力される。これらの信号または値は、
走査範囲の各データ取得点ごとに表示演算部３６に入力
され、その記憶部３６ａに記憶される。なお変位計から
の変位信号Ｕｘ，Ｕｙは従来のごとく走査のための指令
値Ｖrx，Ｖryに対してフィードバックされない。また走
査のための指令電圧値Ｖrx，Ｖryを表示演算部３６に直
接に入力するように構成することもできる。表示演算部
３６は、測定終了後、後述するごとく比較手段の比較結
果に基づいて、その記憶部３６ａに記憶された測定値等
を用いて測定対象物の凹凸形状の表示データを作成す
る。

【００３３】次に、図２に示すフローチャートと上記図
１および図３〜図５とを参照して、本実施例による原子
間力顕微鏡の測定の動作を説明する。

【００３４】今仮に、試料１２の表面において観察しよ
うとする領域を図３を示すような矩形領域に設定する。
この矩形領域は走査範囲５３であり、走査範囲５３は、
ＸＹ指令値発生器５１から出力される指令値Ｖrx，Ｖry
を決定することにより設定される（ステップＳ１１，Ｓ
１２）。試料表面上の走査範囲５３は、データ取得点
（測定点）に基づいて考えると、図３に示すごとくＮ×
Ｎ個の測定点からなるものとしてその領域を分けること
ができ、Ｎ×Ｎ個の各点でデータを取得するように測定
が行われる。走査範囲５３におけるＮ×Ｎ個のデータ取
得点は走査移動によって所定順序で順次に走査される。
すなわち、ＸＹ指令値発生器５１から出力される指令値
Ｖrx，Ｖryによってデータ取得点Ｐ（ｉ，ｊ）が順次に
確定され、ＸＹＺ微動機構１１のＸ軸圧電素子とＹ軸圧
電素子の動作によってＸＹの各方向に関し走査が行われ
る（ステップＳ１２〜Ｓ１６）。判断ステップＳ１６で
は、走査範囲５３における走査がすべて終了したか否か
が判定される。この構成例では、試料１２が移動するこ
とによって探針１４による試料表面の走査が相対的に行
われる。ＸＹ指令値発生器５１から出力される指令値Ｖ
rx，Ｖryは、基本的には、ＸＹＺ微動機構１１に内蔵さ
れる駆動用圧電素子の非線形性とは関係なく出力され
る。ただし本実施例の場合には、前述のごとく、十分で
はないが、ソフト補正器５２によって当該非線形性を補
正しており、大幅な歪みをなくすようにしている。デー
タ取得点での測定を順次に行っていきながら、走査範囲
５３におけるＮ×Ｎ個のデータ取得点ごとに、表示演算
部３６には駆動信号Ｖｚと変位信号Ｕｘ，Ｕｙ，Ｕｚが
入力され、記憶部３６ａに記憶される。また前述の通
り、本実施例では、走査範囲５３におけるＮ×Ｎ個のデ
ータ取得点ごとに、ＸＹ指令値発生器５１から指令変位
Ｕｘ′，Ｕｙ′が表示演算部３６に入力され、記憶部３
６ａに記憶される。

【００３５】上記において駆動信号Ｖｚは試料１２の表
面における探針１４の高さ方向（探針試料間距離）を制
御するための制御量に関する信号であり、駆動信号Ｖｚ
によって走査範囲５３の表面凹凸形状の情報を得ること
ができる。また変位信号Ｕｚに基づいても、駆動信号Ｖ
ｚと同様に走査範囲５３の表面凹凸形状の情報を得るこ
とができる。

【００３６】走査範囲５３におけるすべてのデータ取得
点で測定が終了すると、判断ステップ１７が実行され
る。この判断ステップ１７では、ＸＹＺ微動機構１１に
設置された変位計の分解能をチェックするもので、変位
計の分解能と走査範囲を数値Ｍで割った値との大小関係
が比較される。ここでＭは１０程度の数値である。この
比較は、変位計の分解能と走査精度すなわち走査ピッチ
の大小関係に関するものである。この比較処理は、表示
演算部３６内の前述の比較手段によって実行される。

【００３７】上記比較処理の内容について具体例を述べ
る。原子の表面を測定する場合に、例えばＸＹ走査範囲
である矩形領域５３の一辺の長さを２ｎｍとし、１辺に
ついてＮ＝１００であるとする。このような寸法および
データ取得点数では、走査ピッチは２ｎｍ／１００＝
０．０２ｎｍとなる。このような微小量を正確に測定で
きる変位計を設けることは極めて難しい。このような場
合には判断ステップＳ１７ではＮＯと判定され、ステッ
プＳ１８で変位計分解能不足用の処理が実行される。つ
まり、変位計の分解能より小さな領域を走査し測定を行
う場合には、変位計の変位信号を使用すると原子間力顕
微鏡の分解能を低下させるので、これらの変位信号を使
用することなく、記憶部３６ａに記憶された指令変位に
係る指令値Ｕｘ′，Ｕｙ′，Ｖｚを用いることによって
試料表面の凹凸形状の表示データを作成し、表示部４３
で表示を行う。図１３で示したヒシテリシス特性でも明
らかなように、圧電素子の移動量が小さいのであれば、
その非線形量も小さくなるので、実用性は高いものであ
る。

【００３８】次に判断ステップＳ１７でＹＥＳと判定さ
れた場合、すなわち、変位計の分解能が走査精度よりも
微細であると判定された場合には、処理ステップＳ１９
が実行される。この処理ステップＳ１９では、記憶部３
６ａに記憶された変位計の変位信号を用いて表示データ
作成の信号処理、および表示部４３における表示が行わ
れる。この信号処理において、変位データの処理に当た
っては、例えば最小二乗近似等の手法を用いて表示デー
タを作成する。

【００３９】図４の（ａ），（ｂ）は測定に基づく表示
例をイメージ的に示したものである。試料１２の表面の
走査範囲５３に格子状の直交パターンが刻まれており、
かかる直交パターンの測定・表示を行った場合であっ
て、かつ変位計の分解能が走査精度よりも微細である
（判断ステップＳ１７でＹＥＳ）とするとき、ＸＹ指令
値発生器５１から与えられる指令変位Ｕｘ′，Ｕｙ′に
基づく表示結果を示すと、図４の（ａ）にようになる。
この場合には、ソフト補正器５２によって初期段階にお
ける補正が施されているけれども、十分に補正できず、
本来の直交パターンが圧電素子の非線形性のために歪ん
で表示される。これに対して、ＸＹＺ微動機構１１内の
変位計から与えられる変位信号Ｕｘ，Ｕｙに基づく表示
結果を示すと、図４の（ｂ）のようになる。図４の
（ｂ）によれば、像の外郭形状は歪んで見えるが、本来
の直交パターンに関しては変位計の分解能に基づいて正
確に測定されたことが判明する。

【００４０】次に、走査範囲５３におけるデータ取得点
の設定の仕方としては、いくつかの方式を考えることが
できる。例えば図５の（ａ）では走査範囲５３における
Ｘ軸方向の両側周辺についてのみ変位信号Ｕｘ，Ｕｙを
検出する方式を示す。図３で示したデータ取得点（Ｎ×
Ｎ）に比較してデータ数を少なくすることができる。ま
た図５の（ｂ）では走査範囲５３の４隅の端部箇所につ
いてのみ変位信号Ｕｘ，Ｕｙを検出する方式を示す。こ
れらの方式では、走査範囲５３の中央部分のデータ未取
得領域の変位値を直線近似等によって導出するようにす
る。従って、従来のごとく補正を行わない方式の原子間
力顕微鏡に比較して、測定精度を向上できる。

【００４１】図４の測定・表示例ではＸ軸方向およびＹ
軸方向の補正に関して説明したが、Ｚ軸方向の非線形性
に関する補正についても同じように行われる。すなわ
ち、走査精度に比較して変位計の分解能が不足している
ときには、変位計から得られる変位信号Ｕｚを使用しな
い。走査精度に比較して変位計の分解能が十分に足りて
いるときには、変位計から得られる変位信号Ｕｚを測定
データとして使用する。また、圧電素子の非線形性に関
する補正は、Ｘ軸およびＹ軸の各方向についてのみ行
い、Ｚ軸方向については、補正を行わないようにするこ
ともできる。

【００４２】次に、他の処理方式について説明する。図
６は、図４の（ａ），（ｂ）におけるＡ−Ａ線断面のＺ
軸方向データ（高さデータ）をプロットしたものであ
る。今ここで、図６に示された断面の距離δxy，δz を
正確に求めたいとする。その場合には、図４の（ｂ）に
示したような変位信号を用いて補正した平面像を作る必
要はない。各測定点ごとに対応する変位計の出力値を得
ることができるので、指令値を用いて平面表示を行い、
さらにこの平面表示から断面表示を行い、この表示のプ
ロセスの中で、各測定点の変位データを用いて測長を行
うことによって上記の距離δxy，δz を高い精度で求め
ることができる。この処理方式は、原子間力顕微鏡の測
長精度を高いものにすることができる簡易な方式で、極
めて有利な方式である。

【００４３】次に、本発明の他の実施例を図７を参照し
て説明する。図７において、ＸｆとＹｆはＸＹＺ微動機
構１１に含まれるＸ軸圧電素子およびＹ軸圧電素子の最
大移動範囲であり、ＸｓとＹｓは測定すべき範囲すなわ
ち走査範囲５３である。このような関係において、走査
範囲５３の測定を行う場合には、原点（０，０）から点
（Ｘs0，Ｙs0）まで探針１４を移動させる必要が生じ
る。本実施例では、この移動を行うに当たって変位計か
ら出力される変位信号を使用する。すなわち、実際の変
位と変位計の出力値との関係を求めておき、上記移動を
行うときには、所定の変位すなわち原点（０，０）から
点（Ｘs0，Ｙs0）への変位に関する出力値を変形計が出
力するように、ＸＹＺ微動機構１１のＸ軸圧電素子およ
びＹ軸圧電素子を動作させる。位置決めが終了した後に
は、各圧電素子の印加電圧を保持する。この実施例によ
れば、ＸＹＺ微動機構１１に含まれる圧電素子の非線形
性による測定範囲原点への移動精度の悪化という問題を
解決できる。換言すれば、原子間力顕微鏡による測定範
囲内における測定精度の補償と併せ、設定された測定範
囲へ移動する精度自体も変位計の出力値を利用して補償
することができる。

【００４４】次に、図８を参照してＸＹＺ微動機構の例
について説明する。図８の実施例では、ＸＹＺ微動機構
をＺ微動機構１１_ZとＸＹ微動機構１１_XYに分けて構成
している。Ｚ微動機構１１_Zは、固定側剛体１００と移
動側剛体１０１を含み、これらの剛体の間を平板状弾性
部材１０３，１０４で結合し、さらに平板状弾性部材１
０３，１０４の間に圧電素子１０２を装着している。圧
電素子１０２に電圧を印加すると、移動側剛体１０１に
おいてＺ方向変位Ｕｚが発生する。移動側剛体１０１
に、他探針１４を備えたカンチレバー１３が設けられ
る。また１０５〜１０８は歪みゲージである。これらの
歪みゲージは、弾性部材１０３，１０４の曲げ歪みを検
出する働きを有し、変位計としての機能を有するもので
ある。例えば、ストローク２μｍのＺ微動機構１１_Zに
対して約１ｎｍの分解能の変位を検出することができ、
圧電素子１０２の非線形性の補償には十分な性能を有す
る。ただし原子オーダの分解能を期待することはできな
いが、実用的な価値としては十分である。また本実施例
のＺ微動機構１１_Zによれば、平行平板タイプの構造を
有しているため、Ｚ軸方向に変位するときＸＹ方向には
変位がほとんど生じないので、非常に有利である。

【００４５】また試料１２を載置する上記ＸＹ微動機構
１１_XYは図９に示すような構造を有する。ＸＹ微動機構
１１_XYにおいて、固定用剛体２００と移動用剛体２０１
とこれらを連結する平板状弾性部材２０３，２０４と剛
体２００，２０１の間に介設される圧電素子２０２とに
よってＸ微動機構が形成され、圧電素子２０２に電圧を
印加すると、移動用剛体２０１にＸ軸方向の変位Ｕｘが
生じる。また同じように、剛体２０１と剛体２０５とこ
れらを連結する平板状弾性部材と剛体２０１，２０５の
間に介設される圧電素子２０２とによってＹ微動機構が
形成される。この場合、圧電素子に電圧を印加すると、
剛体２０１を基準としてＹ軸方向に変位Ｕｙが生じるよ
うに剛体２０５をＹ軸方向に移動できる。また各弾性部
材には歪みゲージ２０６が付設され、それぞれＸ微動機
構およびＹ微動機構の変位計としての機能を有する。か
かるＸＹ微動機構１１_XYは、シリコンウェハ等の大型試
料の走査に十分対応できる。

【００４６】上記のごとくＸＹ微動機構とＺ微動機構に
分離して微動機構を形成し、さらに歪みゲージ型変位計
と組合せた構成によれば、低価格な変位計を得ることが
できる、および、各軸の案内精度が良好であるため、例
えばＺ軸駆動時のＸＹ方向の干渉変位が少ない、あるい
はＸＹ駆動時のＺ方向の干渉変位が少ないということか
ら変位補償の精度向上に極めて有利である等の利点を有
する。

【００４７】図１０に、変位計に関する他の実施例を示
す。この実施例において、Ｚ微動機構１１_ZとＸＹ微動
機構１１_XYは図８で説明したものと同じである。ＸＹ微
動機構１１_XYの上に載置された試料１２は例えばシリコ
ンウェハ等の大型の試料である。６０は試料位置決め用
のＸＹステージである。変位計として、Ｚ微動機構に関
しては歪みゲージを使用し、ＸＹ微動機構についてはミ
ラー６１、干渉計６２、レーザ光６３からなる長ストロ
ーク対応レーザ変位計が使用される。レーザ変位計で
は、ＸＹステージ６０に関する変位と、ＸＹ微動機構１
１_XYの変位が加算された値が測定される。この実施例に
よれば、試料の位置決めとＸＹ微動機構における圧電素
子の非線形性の補償を同時に行えるという利点を有す
る。

【００４８】前記各実施例では原子間力顕微鏡について
説明したが、本発明は走査型プローブ顕微鏡に対して一
般的に応用することができるのは勿論である。

【００４９】

【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、微動機構の内部の圧電素子に変位計を付設し、変
位計の分解能が走査精度に十分に足りているときに試料
表面近傍の物理情報を表示するデータとして変位計の出
力値を直接に利用するように構成したため、走査プロー
ブ顕微鏡自体が固有に有する測定分解能を低下させるこ
となく、かつ微動機構に含まれる圧電素子の非線形性を
補償することができ、極めて高精度で試料表面の物理情
報を測定することができる。

【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一例を示
す構成図である。

【図２】主要な動作例を示すフローチャートである。

【図３】走査範囲のデータ取得点の配置を示す図であ
る。

【図４】指令値と変位信号を用いて示す平面像の図であ
る。

【図５】走査範囲の他のデータ取得点の決め方を示す図
である。

【図６】断面像におけるＺ軸方向の値を求め方を説明す
るための図である。

【図７】走査範囲への移動方法を説明するための図であ
る。

【図８】微動機構の具体的構成例を示す側面図である。

【図９】ＸＹ微動機構の一例を示す外観斜視図である。

【図１０】変位計の他の実施例を示す側面図である。

【図１１】従来の原子間力顕微鏡の基本的な構成を示す
図である。

【図１２】ＸＹＺ微動機構の従来例を示す外観斜視図で
ある。

【図１３】圧電素子の電圧・変位特性を示す図である。

【図１４】従来の原子間力顕微鏡の構成例を示す図であ
る。

【符号の説明】

１１ＸＹＺ微動機構１２試料１３カンチレバー１４探針１５レーザ光源１６レーザ光１７光検出器５１ＸＹ指令値発生器５２ソフト補正器３６表示演算部３６ａ記憶部４３表示部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料に対向する探針を先部に備えるカン
チレバーと、前記試料と前記探針との相対的位置をＸ
軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各方向に変化させるＸＹＺ微動機構
と、前記試料と前記探針の間の物理量に起因して生じる
前記カンチレバーの変位量を検出する変位検出装置と、
前記探針による前記試料の走査を行うと共に前記カンチ
レバーの変位量が設定値に保持されるように前記ＸＹＺ
微動機構の動作を制御する制御手段と、前記制御手段か
ら出力される制御指令値に基づいて試料の表面の物理情
報を生成する表示演算手段とを備えた走査型プローブ顕
微鏡において、前記ＸＹＺ微動機構に含まれる少なくとも前記Ｘ軸、Ｙ
軸の各方向の圧電素子によって生じる変位を測定する変
位計と、走査時に前記変位計で測定された測定値を記憶
する記憶手段と、走査終了後に前記記憶手段に記憶され
た測定値を用いて前記表面の物理情報を作成する手段と
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】前記変位計の分解能と前記試料で設定さ
れた走査範囲の走査精度を比較する比較手段を含み、こ
の比較手段によって前記分解能が前記走査精度よりも微
細であると判定されたとき、前記変位計で得られた前記
測定値を用いて前記表面の物理情報を作成するようにし
た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】前記比較手段によって前記走査精度が前
記分解能よりも微細であると判定されたときには、前記
制御手段から出力される制御指令値に基づいて前記表面
の物理情報を作成するようにした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】前記試料の走査範囲においてＮ×Ｎ個の
測定点を設定し、各測定点で測定した測定値を前記記憶
手段に記憶したことを特徴とする請求項１〜３のいずれ
か１項に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】前記試料の走査範囲においてＮ×Ｎ個の
測定点を設定し、周辺部の各測定点で測定した測定値を
前記記憶手段に記憶したことを特徴とする請求項１〜３
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】前記周辺部の各測定点は端部の測定点で
あることを特徴とする請求項５記載の走査型プローブ顕
微鏡。
【請求項７】走査範囲で任意に設定された線分のＺ軸
断面情報を得る場合に、Ｘ軸とＹ軸の前記各圧電素子に
付設された前記変位計の出力値を用いて断面情報を生成
し、表示を行う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８】測定対象である走査範囲に前記探針を移
動させるとき、前記変位計の出力値を用いて移動を行う
ように構成した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９】前記ＸＹＺ微動機構は前記カンチレバー
を取り付けるＺ微動機構と試料を載置するＸＹ微動機構
とで分離して構成され、前記各微動機構は圧電素子を含
む平板状弾性機構で形成され、前記変位計は歪みゲージ
であ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１０】前記ＸＹＺ微動機構は前記カンチレバ
ーを取り付けるＺ微動機構と試料を載置するＸＹ微動機
構で分離して構成され、前記各微動機構は圧電素子を含
む平板状弾性機構で形成され、前記Ｚ微動機構の前記変
位計は歪みゲージであり、前記ＸＹ微動機構はＸＹステ
ージ上に配置され、前記ＸＹ微動機構の前記変位計はＸ
Ｙ微動機構の変位とＸＹステージの変位を加算した値を
測定する変位計であ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。