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【発明の名称】 走査型プローブ顕微鏡
【発明者】 【氏名】長岡 秀樹
【要約】 【課題】スキャナーのＺ方向への応答によって発生するＸＹ方向の振動が低減された走査型プローブ顕微鏡を提供する。

【解決手段】Ｚ方向の移動指令電圧Ｅ1 は、Ｚ方向の駆動信号ｅ1 とカンチレバー３の変形に対応したセンサー信号ｅ2 の差ｅ1 −ｅ2 を積分増幅器（Ｋ1 ／Ｓ）で増幅して得られる。ＸＹ方向の振動は、円筒型スキャナー１の機械的固有振動数に応じて決まり、ほぼ一定であることから、横方向センサー４の検出信号からバンドパスフィルタ１３で機械的固有振動の周波数近辺のみを取り出すことにより得られる。従って、ＸＹ方向の振動によるＸＹ方向の走査目標位置からのずれ量Ｅ2 は、前述のＸＹ方向の振動と横方向走査目標位置の差を積分増幅器（Ｋ3 ／Ｓ）で増幅して得られる。従って、最終的なＺ方向の移動指令電圧Ｅ3 ＝Ｅ1 −Ｅ2 が得られる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】探針を試料表面に平行なＸＹ方向に走査しながら、試料の表面状態に従って試料表面に垂直なＺ方向に移動して試料の表面状態を調べる走査型プローブ顕微鏡において、Ｚ方向の応答印加電圧によって発生するスキャナーのＸＹ方向の振動を、ＸＹ方向の変位をモニターするＸＹ変位センサーにより検出し、その信号をＺ方向へのサーボ信号にフィードバックしてＸＹ方向のスキャナーの異常な振動を抑制することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】探針を試料表面に平行なＸＹ方向に走査しながら、試料の表面状態に従って試料表面に垂直なＺ方向に移動して試料の表面状態を調べる走査型プローブ顕微鏡において、Ｚ方向の応答印加電圧によって発生するスキャナーのＸＹ方向の振動を、ＸＹ方向の変位を生成する圧電体の電荷量の信号から検知し、その信号をＺ方向へのサーボ信号にフィードバックしてＸＹ方向のスキャナーの異常な振動を抑制することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】探針を試料表面に平行なＸＹ方向に走査しながら、試料の表面状態に従って試料表面に垂直なＺ方向に移動して試料の表面状態を調べる走査型プローブ顕微鏡において、Ｚ方向の応答印加電圧によって発生するスキャナーのＸＹ方向の振動を、ＸＹ方向のモデル化されたスキャナー規範モデルのＸＹ振動をコントローラ内部で計算し、その信号をＺ方向へのサーボ信号にフィードバックしてＸＹ方向のスキャナーの異常な振動を抑制することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、探針（プローブ）を観察対象の試料表面に平行な二次元（ＸＹ方向）に走査しながら、試料の表面状態に従って試料表面に対して垂直な方向（Ｚ方向）に移動させて試料の表面状態を調べ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は、試料表面の微細形状を原子レベルで観察できる装置で、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）や原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）などがあり、各種研究に使用されている。
【０００３】ＡＦＭは、特開昭６２−１３０３０２号等に記載されている通り、探針の頂点にある原子と試料表面にある原子との間に働く原子間力を利用して試料の表面形状を測定する装置である。探針を試料の表面に近づけると、図６に示されるように、引力域と斥力域のあるLennard-Jones ポテンシャルで表される原子間力（斥力、ファンデルワールスカ、共有結合力等）と呼ばれる微小な力が生じる。ＡＦＭでは、探針を柔軟なカンチレバーの自由端で支持し、探針と試料間に働く原子間力をカンチレバー（てこ）のたわみ量（探針の変位量）として検出し、たわみ量すなわち力が一定になるように探針と試料の位置関係を制御しながら探針を走査したときの制御電圧を計測することにより、試料の表面形状および相互作用（原子間力や接触力や磁気力など）の分布像を原子レベルの分解能で測定している。このため、ＡＦＭは、ＳＴＭと異なり、試料の導電性と無関係に測定できる。
【０００４】このような走査型プローブ顕微鏡において、従来、特開昭６３−１８９９１１号や特開平８−２６２３７号など、２次元（ＸＹ）走査方向やＺ方向の応答性を各々で高めるための制御方法が提案されている。
【０００５】図７は原子間力顕微鏡の一例を示している。ＸＹ方向とＺ方向の３次元に駆動可能な円筒型スキャナー１の先端には、柔軟で弾性を有するカンチレバー３と、このカンチレバー３の自由端裏面５の上方に位置するセンサー７とが設けられている。カンチレバー３の自由端には鋭い針状の探針６が形成されており、この探針６は試料８の表面に近接して配置される。センサー７はカンチレバー３の先端部の移動量を検出する。カンチレバーのたわみ量が一定になるように、つまり、カンチレバー３と試料８の間に作用する力を一定に保つようにして、円筒型スキャナー１のＺ方向移動するフィードバック電圧が印加される。
【０００６】図８は円筒型スキャナー１をＺ方向に制御するための制御ブロック図である。図８において、カンチレバー３がスキャナー１によってＸＹ方向に走査されている間、Ｚ方向の駆動信号ｅ1 とカンチレバー３の変形に対応したセンサー信号ｅ2 の差ｅ1 −ｅ2 を積分増幅器により圧電体への移動指令電圧Ｅに変換する。この移動指令電圧Ｅによりスキャナー１はカンチレバーのたわみ量の信号ｅ1 を一定に保つようにＺ方向へ伸縮する。この状態で、探針６とカンチレバー３とを同時に試料８上で制御回路１０によりＸＹ方向に走査し、その時のフィードバック電圧をコンピュータ１１により記録することにより、試料８の表面のＡＦＭ像（凹凸像）が測定され、ＡＦＭ画像表示手段１２に表示される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】これまで提案されてきた制御方法は、ＸＹ方向はＸＹ方向で、Ｚ方向はＺ方向で各々独立にその応答性を高めるため、相互の共振の干渉については、考慮されていない。一般に、３次元駆動のうち表面の２次元（ＸＹ）に走査する量は、Ｚ方向の移動させる量よりも大きい。具体的には、走査範囲は、ＸＹ方向の移動量はＺ方向の移動量の１０〜１００倍程度である。このため、Ｚ方向の走査手段は小さく剛性が高く作ることができるが、ＸＹ方向の走査手段は小さく高剛性に作ることは難しく、大きく剛性が低いものとなってしまう。Ｚ方向の応答性能は、ＸＹ方向のそれに比べて１００倍以上が必要である。このような３次元圧電体スキャナーは、Ｚ方向の応答によってＸＹ方向にその機械的固有振動数で振動してしまい、これまでのようなＸＹ方向とＺ方向を独立に制御する手法では、相互の共振の干渉、ＸＹ方向の共振の干渉がＺ及びＸＹ方向の位置精度へ影響してしまう問題が解決できない。
【０００８】本発明は、このような事情を考慮して成されたものであり、その目的は、スキャナーのＺ方向への応答によって発生するＸＹ方向の振動が低減された走査型プローブ顕微鏡を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、探針を試料表面に平行なＸＹ方向に走査しながら、試料の表面状態に従って試料表面に垂直なＺ方向に移動して試料の表面状態を調べる走査型プローブ顕微鏡において、Ｚ方向の応答印加電圧によって発生するスキャナーのＸＹ方向の振動を、ＸＹ方向の変位をモニターするＸＹ変位センサーにより検出し、その信号をＺ方向へのサーボ信号にフィードバックしてＸＹ方向のスキャナーの異常な振動を抑制することを特徴とする。
【００１０】または、Ｚ方向の応答印加電圧によって発生するスキャナーのＸＹ方向の振動を、ＸＹ方向の変位を生成する圧電体の電荷量の信号から検知し、その信号をＺ方向へのサーボ信号にフィードバックしてＸＹ方向のスキャナーの異常な振動を抑制することを特徴とする。
【００１１】あるいは、Ｚ方向の応答印加電圧によって発生するスキャナーのＸＹ方向の振動を、ＸＹ方向のモデル化されたスキャナー規範モデルのＸＹ振動をコントローラ内部で計算し、その信号をＺ方向へのサーボ信号にフィードバックしてＸＹ方向のスキャナーの異常な振動を抑制することを特徴とする。
【００１２】これにより、Ｚ方向のサーボの応答はＸＹ方向の振動が止まるまで激しく応答しなくなり、一般的にＺ方向よりＸＹ方向が機械的剛性が低い走査型プローブ顕微鏡の圧電体スキャナーにおいてＺ方向に応答することによって引き起こされるＸＹ方向の振動を低減できる。その結果、走査型プローブ顕微鏡の横方向の分解能が向上する。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。図１は第一の実施の形態に係る走査型原子間力顕微鏡を示す。図１において、ＸＹ方向とＺ方向の３次元に駆動可能な円筒型スキャナー１の先端には、柔軟で弾性を有するカンチレバー３が設けられている。カンチレバー３の自由端５の裏面には鋭い針状の探針６が形成されており、この探針６は試料８の表面に近接して配置される。センサー７はカンチレバー３の先端の移動量を検出する。このとき用いられるセンサー７としては、光学式のセンサーが主流であり、例えば、特開平３−２９６６１２号公報に記載された光てこ方式の変位センサーが有効である。ＡＦＭユニット１４はＺステージ１５によって探針６と試料８の間に所定の力が働くように位置決めされる。
【００１４】探針６は円筒型スキャナー１によって試料８の表面に対してＸＹ方向に走査される。ＸＹ方向の変位は横方向センサー４により測定される。横方向センサー４はレーザー測長器や干渉計などで構成される。
【００１５】ＸＹ走査の間、探針６と試料８の間に働く力は、試料８の表面の微細な凹凸に敏感に反応して変化する。カンチレバー３は、この力の変化に応じて変形量が変わり、このためカンチレバー３の裏面５とセンサー７の間隔が変動し、その結果、センサー７の出力が変化する。
【００１６】円筒型スキャナー１は、Ｚ方向に関して、センサー７の出力からカンチレバー３の弾性変形を一定に保つように、つまり、探針６と試料８の間に働く力を一定に保つように、フィードバック制御される。
【００１７】図２は本実施形態の装置におけるスキャナーの制御ブロック図である。この制御では、Ｚ方向の移動指令電圧Ｅ1 から、ＸＹ方向の振動によるＸＹ方向の走査目標位置からのずれ量Ｅ2 を引いている。
【００１８】図２において、Ｚ方向の移動指令電圧Ｅ1 は、Ｚ方向の駆動信号ｅ1 とカンチレバー３の変形に対応したセンサー信号ｅ2 の差ｅ1 −ｅ2 を積分増幅器（Ｋ1／Ｓ）で増幅して得られる。なお、カンチレバーの基準状態においてｅ2 ＝０に設定される。ＸＹ方向の振動は、円筒型スキャナー１の機械的固有振動数に応じて決まり、ほぼ一定であることから、横方向センサー４の検出信号からバンドパスフィルタ１３で機械的固有振動の周波数近辺のみを取り出すことにより得られる。従って、ＸＹ方向の振動によるＸＹ方向の走査目標位置からのずれ量Ｅ2 は、前述のＸＹ方向の振動と横方向走査目標位置の差を積分増幅器（Ｋ3 ／Ｓ）で増幅して得られる。従って、最終的なＺ方向の移動指令電圧Ｅ3 ＝Ｅ1 −Ｅ2 が得られる。
【００１９】積分増幅率Ｋ3 は、その制御対象である円筒型スキャナー１のＸＹ（横方向）の走査スピードや測定する高さ方向の段差の大きさに応じて調整される。ＸＹ方向の振動のフィードバックが過剰に設定されないように、高さ方向の指令値電圧は｜Ｅ1 ｜＞｜Ｅ2 ｜とする。
【００２０】この様な制御において、センサー７とカンチレバー３を同時に試料７のＸＹ方向に走査した際に、円筒型スキャナー１にＺ方向の移動のために印加されるフィードバック電圧をコンピュータ１１に記録することにより、試料８の表面のＡＦＭ像（凹凸像）が得られ、ＡＦＭ画像表示手段１２に表示することができる。
【００２１】上述した制御では、Ｚ方向の移動によって発生したＸＹ方向の振動が激しくなると、Ｚ方向のサーボの応答が低下し、ＸＹ方向の振動が低減される。従って、このような制御によって得られるＡＦＭ像は、横方向の分解能の高いものとなる。
【００２２】図３は第二の実施の形態に係る走査型原子間力顕微鏡を示す。図３において、この原子間力顕微鏡は、三次元スキャナーに、３つの積層圧電体１６ｘ，１６ｙ，１６ｚを接合して作られたトライポッド型圧電体スキャナー１５を用いている。ＸＹ方向とＺ方向の３次元に駆動可能なトライポッド型圧電体スキャナー２の先端には、柔軟で弾性を有するカンチレバー３が設けられている。カンチレバー３の自由端５の裏面には鋭い針状の探針６が形成されており、この探針６は試料８の表面に近接して配置される。センサー７はカンチレバー３の先端の移動量を検出する。このとき用いられるセンサー７としては、光学式のセンサーが主流であり、例えば、特開平３−２９６６１２号公報に記載された光てこ方式の変位センサーが有効である。ＡＦＭユニット１４はＺステージ１５によって探針６と試料８の間に所定の力が働くように位置決めされる。
【００２３】探針６はトライポッド型圧電体スキャナー１５によって試料８の表面に対してＸＹ方向に走査される。ＸＹ方向の変位は横方向センサー４により測定される。本実施形態では、横方向センサー４は、トライポッド型圧電体スキャナー１５のＸＹ方向の積層圧電体１６ｘ，１６ｙの各々に蓄積された電荷から各方向の変位を求める。
【００２４】ＸＹ走査の間、探針６と試料８の間に働く力は、試料８の表面の微細な凹凸に敏感に反応して変化する。カンチレバー３は、この力の変化に応じて変形量が変わり、このためカンチレバー３の裏面５とセンサー７の間隔が変動し、その結果、センサー７の出力が変化する。
【００２５】トライポッド型圧電体スキャナー１５のＺ方向用の積層圧電体１６ｚは、センサー７の出力からカンチレバー３の弾性変形を一定に保つように、つまり、探針６と試料８の間に働く力を一定に保つように、フィードバック制御される。
【００２６】トライポッド型圧電体スキャナー１５の制御は、第一の実施の形態と同じ図２の制御系を用いて行なわれる。ただし、本実施形態では、横方向センサーは、積層圧電体１６ｘ，１６ｙの各々に蓄積された電荷に基づいて、ＸＹ方向の変位を検出している。これ以外は第一の実施の形態と同じでなので、以下では第一の実施の形態と同じく図２を用いて説明する。
【００２７】図２から分かるように、Ｚ方向の移動指令電圧Ｅ1 は、Ｚ方向の駆動信号ｅ1とカンチレバー３の変形に対応したセンサー信号ｅ2 の差ｅ1 −ｅ2 を積分増幅器（Ｋ1 ／Ｓ）で増幅して得られる。ＸＹ方向の振動は、トライポッド型圧電体スキャナー１５の機械的固有振動数に応じて決まり、ほぼ一定であることから、横方向センサー４の検出信号からバンドパスフィルタ１３で機械的固有振動の周波数近辺のみを取り出すことにより得られる。従って、ＸＹ方向の振動によるＸＹ方向の走査目標位置からのずれ量Ｅ2 は、前述のＸＹ方向の振動と横方向走査目標位置の差を積分増幅器（Ｋ3 ／Ｓ）で増幅して得られる。従って、最終的なＺ方向の移動指令電圧Ｅ3 ＝Ｅ1 −Ｅ2 が得られる。
【００２８】積分増幅率Ｋ3 は、その制御対象であるトライポッド型圧電体スキャナー１５のＸＹ（横方向）の走査スピードや測定する高さ方向の段差の大きさに応じて調整される。ＸＹ方向の振動のフィードバックが過剰に設定されないように、高さ方向の指令値電圧は｜Ｅ1 ｜＞｜Ｅ2 ｜とする。
【００２９】この様な制御において、センサー７とカンチレバー３を同時に試料８のＸＹ方向に走査した際に、トライポッド型圧電体スキャナー１５の積層圧電体１６ｚに印加されるフィードバック電圧をコンピュータ１１に記録することにより、試料８の表面のＡＦＭ像（凹凸像）が得られ、ＡＦＭ画像表示手段１２に表示することができる。
【００３０】上述した制御では、Ｚ方向の移動によって発生したＸＹ方向の振動が激しくなると、Ｚ方向のサーボの応答が低下し、ＸＹ方向の振動が低減される。従って、このような制御によって得られるＡＦＭ像は、横方向の分解能の高いものとなる。
【００３１】図４は第三の実施の形態に係る走査型原子間力顕微鏡を示す。図４において、この原子間力顕微鏡は、三次元スキャナーに、平行ばね式３次元スキャナー２４を用いている。ＸＹ方向とＺ方向の３次元に駆動可能な圧電体の移動量を拡大するスキャナー２４の先端には、柔軟で弾性を有するカンチレバー３が設けられている。カンチレバー３の自由端５の裏面には鋭い針状の探針６が形成されており、この探針６は試料８の表面に近接して配置される。センサー７はカンチレバー３の先端の移動量を検出する。このとき用いられるセンサー７としては、光学式のセンサーが主流であり、例えば、特開平３−２９６６１２号公報に記載された光てこ方式の変位センサーが有効である。ＡＦＭユニット１４はＺステージ１５によって探針６と試料８の間に所定の力が働くように位置決めされる。
【００３２】探針６は平行ばね式３次元スキャナー２４によって試料８の表面に対してＸＹ方向に走査される。ＸＹ走査の間、探針６と試料８の間に働く力は、試料８の表面の微細な凹凸に敏感に反応して変化する。カンチレバー３は、この力の変化に応じて変形量が変わり、このためカンチレバー３の裏面５とセンサー７の間隔が変動し、その結果、センサー７の出力が変化する。
【００３３】平行ばね式３次元スキャナー２４は、センサー７の出力からカンチレバー３の弾性変形を一定に保つように、つまり、探針６と試料８の間に働く力を一定に保つように、Ｚ方向移動用の積層圧電体にフィードバック電圧が印加され制御される。
【００３４】図５は本実施形態の装置におけるスキャナーの制御ブロック図である。この制御では、Ｚ方向の移動指令電圧Ｅ1 から、ＸＹ方向の振動によるＸＹ方向の走査目標位置からのずれ量Ｅ2 を引いている。
【００３５】図５において、Ｚ方向の移動指令電圧Ｅ1 は、Ｚ方向の駆動信号ｅ1 とカンチレバー３の変形に対応したセンサー信号ｅ2 の差ｅ1 −ｅ2 を積分増幅器（Ｋ1／Ｓ）で増幅して得られる。ＸＹ方向の振動は、Ｚ方向の移動によるＸＹ方向の動作の規範モデルを制御回路１０の内部で計算することにより得られる。従って、ＸＹ方向の振動によるＸＹ方向の走査目標位置からのずれ量Ｅ2 は、前述のＸＹ方向の振動と横方向走査目標位置の差を積分増幅器（Ｋ3 ／Ｓ）で増幅して得られる。従って、最終的なＺ方向の移動指令電圧Ｅ3 ＝Ｅ1 −Ｅ2 が得られる。
【００３６】積分増幅率Ｋ3 は、その制御対象である円筒型スキャナー１のＸＹ（横方向）の走査スピードや測定する高さ方向の段差の大きさに応じて調整される。ＸＹ方向の振動のフィードバックが過剰に設定されないように、高さ方向の指令値電圧は｜Ｅ1 ｜＞｜Ｅ2 ｜とする。
【００３７】この様な制御において、センサー７とカンチレバー３を同時に試料８のＸＹ方向に走査した際に、円筒型スキャナー１にＺ方向の移動のために印加されるフィードバック電圧をコンピュータ１１に記録することにより、試料８の表面のＡＦＭ像（凹凸像）が得られ、ＡＦＭ画像表示手段１２に表示することができる。
【００３８】上述した制御では、Ｚ方向の移動によって発生したＸＹ方向の振動が激しくなると、Ｚ方向のサーボの応答が低下し、ＸＹ方向の振動が低減される。従って、このような制御によって得られるＡＦＭ像は、横方向の分解能の高いものとなる。
【００３９】本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、種々多くの変形が可能である。走査型顕微鏡の種類やスキャナーの構造や横方向センサーの種類などは上述した実施の形態以外のものであっても一向に構わない。
【００４０】また、実施の形態では、探針のＺ方向の変位を検出する手段として、光てこ式の変位センサーの構成を利用したが、他の変位検出手段、例えば、レーザー干渉計や静電容量センサーなどを用いてもよい。つまり、探針の変位検出手段には、変位を検出できるものであれば何を用いてもよい。さらに、規範モデルを、Ｚ方向だけでなく、ＸＹ方向に対しても構成し、Ｚ方向のサーボに対して、ＸＹの挙動をフィードバックの情報としてもよい。
【００４１】
【発明の効果】本発明によれば、スキャナーのＺ方向への応答によって発生するＸＹ方向の振動が低減され、これにより横方向の分解能が向上された走査型プローブ顕微鏡が提供される。
【出願人】 【識別番号】００００００３７６
【氏名又は名称】オリンパス光学工業株式会社
【出願日】 平成１０年（１９９８）３月２３日
【代理人】 【弁理士】
【氏名又は名称】鈴江 武彦 （外４名）
【公開番号】 特開平１１−２７１３４３
【公開日】 平成１１年（１９９９）１０月８日
【出願番号】 特願平１０−７３９２４